ＰＴＣ素子および電池保護システム
【課題】電極板と端子板とを溶接等によって接合する際に、素子本体が熱劣化することを防止できるポリマーＰＴＣ素子、およびポリマーＰＴＣ素子を有する電池保護システムを提供すること。
【解決手段】本発明に係るＰＴＣ素子２は、所定の温度領域において温度上昇に伴い抵抗値が増加する素子本体４と、素子本体４の表裏面に接合された２つの電極板１０、１２とを有する。電極板１０が、電極板１０と素子本体４とが重複する一部分において、所定回路３０と接続するための端子板１６との接合部１４を有する。接合部１４は該電極板１０の表面から突出し、接合部１４の表面が平坦化されている。本願発明に係る電池保護システム１は、ＰＴＣ素子２と、電極板１０に接続される保護回路３０と、電極板１２に電気的に接続される電池３２とを有する。
【解決手段】本発明に係るＰＴＣ素子２は、所定の温度領域において温度上昇に伴い抵抗値が増加する素子本体４と、素子本体４の表裏面に接合された２つの電極板１０、１２とを有する。電極板１０が、電極板１０と素子本体４とが重複する一部分において、所定回路３０と接続するための端子板１６との接合部１４を有する。接合部１４は該電極板１０の表面から突出し、接合部１４の表面が平坦化されている。本願発明に係る電池保護システム１は、ＰＴＣ素子２と、電極板１０に接続される保護回路３０と、電極板１２に電気的に接続される電池３２とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池や電子回路を過電流から保護すること等を目的として使用されるＰＴＣ素子と、そのＰＴＣ素子を有する電池保護システムとに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＰＴＣ（positive temperature coefficient）素子は、所定の温度領域において、素子の温度が上昇すると、素子の抵抗値が増加する特性を有する。特に、ＰＴＣ素子の温度がキュリー温度に達すると、ＰＴＣ素子の抵抗が急激に増加する。このような性質はＰＴＣ特性と呼ばれる。
【０００３】
ＰＴＣ素子は、電子機器等の電気回路に組み込まれる。電子機器の使用中に、何らかの理由によって回路に過剰電流が流れた場合、電子機器の温度が上昇し、それに伴いＰＴＣ素子自体の温度も上昇する。そして、ＰＴＣ素子の温度がキュリー温度に達すると、ＰＴＣ素子の抵抗値が急激に増加する。その結果、電気回路において、ＰＴＣ素子が過剰電流を遮断する。よって、電気機器が過剰電流によって故障することを未然に防止できる。
【０００４】
このように、ＰＴＣ素子は、過熱、過剰電流に対する安全保護装置として使用される。具体的には、ＰＴＣ素子は、携帯電話の電源である２次電池を過剰電流から保護するための回路（保護回路）に組み込まれたりする。２次電池の充電中または放電中に過剰電流が流れた場合、ＰＴＣ素子は電流を遮断して２次電池を保護する。
【０００５】
このようなＰＴＣ素子の一例としては、ポリマー材料（結晶性重合体）に導電性粒子を分散させた素子本体（重合体正温度係数抵抗体）を、電極板（あるいは金属箔）で挟んだ構造を有する、ポリマーＰＴＣ素子が知られている（特許文献１参照）。
【０００６】
ポリマーＰＴＣ素子は、従来、以下のような方法によって製造される。まず、金属粒子、カーボンブラック等の導電性フィラーを含む高分子（高密度ポリエチレン等）を押出成形し、素子本体を形成する。次に、素子本体の表裏面に、電極板を熱圧着することによって、ポリマーＰＴＣ素子が完成する。
【０００７】
このポリマーＰＴＣ素子を所定の保護回路に組み込む際は、ポリマーＰＴＣ素子の電極板を、保護回路と電気的に接続された端子板へ接合する。この接合は、従来、ハンダ付け、溶接等により実施される。
【０００８】
ハンダ付け、溶接等を行う場合、電極板および端子板の少なくとも一部分を高温に加熱する必要がある。ポリマーＰＴＣ素子の電極板（あるいは金属箔）は非常に薄いため、ハンダ付け、溶接の際に電極板へ加わる熱が、直ちに素子本体に伝導する。その結果、素子本体が高温になり、熱劣化（軟化または溶融）することがある。素子本体が軟化または溶融すると、ポリマー中の導電性粒子の分散性が不均一となる。このような熱履歴を経たポリマーＰＴＣ素子においては、室温での抵抗値（室温抵抗値）がこの熱履歴前に比べて大きく増大してしまう。
【０００９】
さらには、このようなポリマーＰＴＣ素子に対して、温度の上昇、下降を繰り返すと、ポリマーＰＴＣ素子の室温抵抗値がますます高くなってしまう。このように室温抵抗値の高くなったポリマーＰＴＣ素子においては、消費電力が増加してしまう。
【００１０】
こように、電極板と端子板とを接合する際の加熱に起因するポリマーＰＴＣ素子の室温抵抗値の増大は、携帯電話などの小型機器に搭載する場合に、電力浪費、あるいは電池の短寿命化などの問題につながる。
【特許文献１】国際公開 ＷＯ２００４／０２３４９９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、電極板と端子板とを溶接等によって接合する際に、素子本体が熱劣化することを防止できるＰＴＣ素子を提供することである。また、本発明の別の目的は、過剰な電流が流れた場合に、電池を有効に保護することができる電池保護システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明に係るＰＴＣ素子は、
所定の温度領域において温度上昇に伴い抵抗値が増加する素子本体と、
前記素子本体の表裏面に接合された２つの電極板と、を有するＰＴＣ素子であって、
前記電極板のうち少なくとも一方が、該電極板と前記素子本体とが重複する一部分において、所定回路と接続するための端子板との接合部を有し、
前記接合部が該電極板の表面から突出し、
突出した前記接合部の表面（端子板と接合する面）が平坦化されていることを特徴とする。
【００１３】
好ましくは、前記素子本体が、正の温度係数を持つ導電性ポリマーである。
【００１４】
電極板と端子板とを接合する際に、端子板において接合部の上に重なる部位のみに、スポット溶接用電極棒を接触させる。その結果、溶接時に流れる電流が接合部近辺に集中する。よって、接合部近傍においてのみ、ジュール熱が発生する。その結果、溶接時に発生するジュール熱を必要最小限に抑えることができる。そのため、溶接部位から素子本体への熱伝導が抑制され、熱伝導による素子本体の熱劣化を防止することができる。
【００１５】
また、接合部が電極板の表面から突出しているため、溶接時に、端子板と電極板の表面（接合部以外の部分）との間に隙間が生じる。溶接時に溶接部位（接合部）で発生したジュール熱は、この隙間から放熱される。その結果、素子本体への熱伝導が抑制され、素子本体の熱劣化を防止することができる。
【００１６】
さらに、溶接ポイントを接合部のみに限定し、かつ、接合部表面を平坦化することによって、溶接効率を向上させることができる。溶接ポイントである接合部表面が粗面であると溶接しにくいが、接合部表面を平坦化すると、接合部と端子板とが密着するため、溶接しやすくなる。
【００１７】
好ましくは、前記接合部を有する前記電極板の表面において、前記接合部以外の部分が粗面化されている。
【００１８】
電極板の表面において、接合部以外の部分（以下、粗面化部位と記す）を粗面化することによって、接合部以外の部分の実質的な表面積が、粗面化しない場合に比べて大きくなる。従って、電極板の表面を粗面化することにより、溶接時に発生した熱を、電極板表面から放熱させる効果を向上させることができる。その結果、熱伝導による素子本体の熱劣化を防止することができる。
【００１９】
好ましくは、２つの前記電極板のうち、前記接合部を有する前記電極板とは別の電極板に、クラッド板が接合されている。
【００２０】
好ましくは、前記端子板が、Ｎｉを主として含むＮｉ端子板で構成される。
【００２１】
Ｎｉを主成分とする端子板を用いることによって、Ｎｉを主成分とする電極板とのスポット溶接の強度を向上させることができる。
【００２２】
好ましくは、前記素子本体の表面のうち外部に露出した面上に、保護膜が形成されている。
【００２３】
素子本体の表面のうち外部に露出した面上に、保護膜を形成することによって、大気中の酸素による素子本体の酸化を抑制し、素子本体の劣化を防止することができる。
【００２４】
本願発明に係る電池保護システムは、
前記ＰＴＣ素子と、
前記ＰＴＣ素子の有する電極板の一方に電気的に接続される保護回路と、
前記ＰＴＣ素子の有する電極板のうち前記保護回路に接続されていないもう一方の電極板に電気的に接続される電池とを有する。
【００２５】
電池保護システムが、熱劣化がなく室温抵抗値の小さいＰＴＣ素子を有することによって、電池保護システム、および電池保護システムを有する電子機器全体の消費電力を減少させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子、２次電池、および保護回路の接続関係を示す概略図、
図２は、本発明の一実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子の概略断面図、
図３は、図２に示す接合部、およびその近傍における第１電極板の表面（粗面化部位）の拡大概略図、
図４は、本発明の一実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子を、図２のＩＶ方向に見た外観図であって、電極板、接合部、および端子板の位置関係を示す概略図、
図５は、本発明の一実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子を、図４のＶ方向に見た断面概略図であって、ポリマーＰＴＣ素子の製造工程における電極板の接合部、端子板、およびスポット溶接用電極棒の位置関係を示す概略図、
図６、図７は、本発明の別の実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子の概略断面図である。
【００２７】
ポリマーＰＴＣ素子の全体構成
まず、本発明に係るＰＴＣ素子の一実施形態として、携帯電話の電源として用いられる２次電池セルを保護するためのポリマーＰＴＣ素子について説明する。
【００２８】
図１に示すように、ポリマーＰＴＣ素子２は、携帯電話の電源である２次電池セル３２の上に形成してあるスペーサ３６の上に配置される。ポリマーＰＴＣ素子２は、２次電池セル３２と、その２次電池セル３２を過電流から保護するための保護回路３０（所定回路）との間に組み込まれる。ポリマーＰＴＣ素子２は、保護回路３０によっても制御しきれない過電流が２次電池セル３２の充電中または放電中に流れた場合、保護回路３０と２次電池セル３２との間の電流を遮断して２次電池セル３２を保護する。
以下では、ポリマーＰＴＣ素子の全体構成について説明する。
【００２９】
図２に示すポリマーＰＴＣ素子２は、正の抵抗温度特性（ＰＴＣ特性）を有する素子本体４を備えている。この素子本体４は、表裏面（互いに対向した第１面６および第２面８）を有する。第１面６、第２面８には、それぞれ第１電極板１０、第２電極板１２が接合されている。したがって、素子本体４は、第１電極板１０と第２電極板１２との間に挟まれるように配置される。
【００３０】
素子本体４の形状は、特に限定されず、直方体型、円柱型等が例示される。素子本体４の形状が直方体の場合、素子本体４の寸法は、縦Ｌ１（３．０〜１．０）ｍｍ×横Ｗ１（２．０〜６．０）ｍｍ×厚さＨ１（０．２〜１．０）ｍｍ程度である（図２、図５参照）。
【００３１】
第１電極板１０は、第１電極板１０と素子本体４とが重複する一部分において、接合部１４を有する。接合部１４は、第１電極板１０の表面から突出している。突出した接合部１４の表面は平坦化されている。接合部１４において、第１電極板１０と、端子板１６とが接合している。
【００３２】
素子本体４の表面のうち外部に露出した面上には、必要に応じて保護膜３が形成されている。保護膜３を形成することで、大気中の酸素による素子本体４の酸化を抑制し、素子本体４の劣化を防止することができる。保護膜３の種類としては、酸素を遮蔽する機能を有するものであれば特に限定されないが、エポキシ樹脂、エチレン−ビニルアルコール共重合樹脂等が例示される。なお、保護膜３は、必ずしも形成されていなくても良い。
【００３３】
好ましくは、第１電極板１０の表面において、接合部１４以外の部分（粗面化部位２４）が粗面化されている。すなわち、粗面化部位２４の表面には、意図的に凹凸が形成されている。
【００３４】
粗面化部位２４の凹凸差（表面粗さＲｙ）は、特に限定されないが、好ましくは、１００〜２００μｍ程度である。表面粗さＲｙをこの範囲内とすることによって、粗面化部位２４の実質的な表面積が、粗面化しない場合に比べて適度に大きくなる。その結果、第１電極板１０と端子板１６とのスポット溶接時に発生したジュール熱を、第１電極板１０（粗面化部位２４）の表面から放熱させる効果を向上させることができる。
【００３５】
なお、表面粗さＲｙ（最大高さ）は、以下に示すように、ＪＩＳ規格に準拠して求められる。表面粗さＲｙの測定においては、図３に示すように、接合部１４と、その近傍に位置する第１電極板１０の一部を含む基準長さＬ０ に収まる領域を、測定領域とする。そして、測定領域内の粗面化部位２４において、平均線Ｌａｖｅｒａｇｅから、平均線Ｌａｖｅｒａｇｅに対して最も高い部位（頂上部５）までの距離Ｙｐを求める。また、平均線Ｌａｖｅｒａｇｅから、平均線Ｌａｖｅｒａｇｅに対して最も低い部位（谷部７）までの距離Ｙｖを求める。表面粗さＲｙ（最大高さ）は、式Ｒｙ＝Ｙｐ＋Ｙｖによって算出される。
【００３６】
本願発明において、図２の接合部１４が第１電極板１０の表面から突出していることは、図３に示す接合部１４の突出高さＨ０が、Ｈ０＞Ｒｙ＝Ｙｐ＋Ｙｖを満たすことと同義である。また、接合部１４の突出高さＨ０は、特に限定されないが、好ましくは、図３の谷部７に対して、２５０〜５００μｍ程度である。接合部１４の突出高さＨ０をこの範囲内とすることによって、粗面化部位２４の凹凸に妨げられることなく、接合部１４の平坦化された表面と、端子板１６をとが密着し、接合すること（スポット溶接されること）が可能となる。さらには、スポット溶接において、粗面化部位２４と、端子板１６との間に、適度な間隔が生じ、この間隔から、溶接時に発生するジュール熱を大気中に放熱させることができる。その結果、溶接部から素子本体４への熱伝導を抑制し、素子本体４の熱劣化を防止できる。
【００３７】
第２電極板１２には、クラッド板１８が接合されている。
【００３８】
第１電極板１０および第２電極板１２の材質としては、導電材であれば特に限定されないが、Ｎｉ、Ｃｕ、およびＮｉメッキを施したＣｕ箔等が例示される。好ましくは、第１電極板１０および第２電極板１２として、Ｎｉ板を用いる。各電極板としてＮｉ板を用いることによって、Ｎｉを主成分とする端子板とのスポット溶接の強度を向上させることができる。第１電極板１０、第２電極板１２それぞれの厚みは、特に限定されないが、通常、１００〜５００μｍ程度である。
【００３９】
端子板１６の材質としては、導電材であれば特に限定されないが、好ましくは、端子板１６が主としてＮｉを含む。また、端子板１６の厚さは、特に限定されないが、通常１００〜３００μｍ程度である。端子板１６の長さＬ２は、特に限定されず、用途に応じて自由に設計される。
【００４０】
クラッド板１８としては、特に限定されないが、好ましくは、クラッド板１８が、ニッケル層２０と、アルミニウム層２２とから構成される。ニッケル層２０は、第２電極板１２と接合される。また、アルミニウム層２２は、図１に示すように、２次電池セル３２の電極端子３４と接合される。クラッド板１８の厚さは、特に限定されないが、通常、１００〜５００μｍ程度である。クラッド板１８の長さＬ３は、特に限定されず、用途に応じて自由に設計される。
【００４１】
ポリマーＰＴＣ素子２の製造方法
次に、ポリマーＰＴＣ素子２の製造方法について説明する。
【００４２】
（素子本体４の形成）
図２の素子本体４は、通常、主成分である重合体（熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等の高分子化合物）および導電性粒子を含む樹脂組成物（導電性ポリマー）から構成される。なお、素子本体４が、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂との両方を含んでもよい。
【００４３】
素子本体４の形成においては、まず、高分子化合物（熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等）、導電性粒子（金属粉、カーボンブラック等）、低分子有機化合物および、高分子化合物同士を架橋反応させるための反応開始剤等を秤量、混練し、ＰＴＣ組成物を調整する。混練の方法としては、特に限定されないが、ニーダ、押出機、ミル等が例示される。また、ＰＴＣ組成物に含有させる導電性粒子としては、ふるい機等によって所定の粒径をもつ導電性粒子のみを分級し、これを用いる。次に、このＰＴＣ組成物を成形し、素子本体４を得る。
【００４４】
熱硬化性樹脂としては、特に限定されないが、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シリコン樹脂、ポリウレタン樹脂及びフェノール樹脂等が挙げられる。好ましくは、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を用いる。エポキシ樹脂を用いることによって、ポリマーＰＴＣ素子が、十分な抵抗変化量及び耐熱性を有することができる。熱硬化性樹脂の分子量は、通常、重量平均分子量Ｍｗが３００〜１００００程度である。上記の熱硬化性樹脂は単独で用いてもよく、また複数種の樹脂を用いてもよい。また、異なる種類の熱硬化性樹脂同士が架橋された構造を有する化合物を用いてもよい。
【００４５】
熱可塑性樹脂としては、特に限定されないが、好ましくは、結晶性ポリマーをを用いる。熱可塑性樹脂の融点は、特に限定されないが、好ましくは、７０〜２００℃程度である。融点がこの範囲にある樹脂を用いることによって、ポリマーＰＴＣ素子動作時における熱可塑性樹脂の融解、流動、素子本体の変形を防止することができる。
【００４６】
熱可塑性樹脂としては、特に限定されないが、ポリエチレン等のポリオレフィン、エチレン−酢酸ビニルコポリマ−等のコポリマ−、ポリビニルクロライド、ポリビニルフルオライド、ポリビニリデンフルオライド等のハロゲン化ビニルおよびビニリデンポリマ−、１２−ナイロン等のポリアミド、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、熱可塑性エラストマ−、ポリエチレンオキサイド、ポリアセタ−ル、熱可塑性変性セルロ−ス、ポリスルホン類、ポリメチル（メタ）アクリレ−ト等が挙げられる。
【００４７】
熱可塑性樹脂の重量平均分子量Ｍｗは、特に限定されないが、好ましくは、１００００〜５００００００である。これらの熱可塑性樹脂は単独で用いてもよく、また複数種の樹脂を用いてもよい。また、異なる種類の熱可塑性樹脂同士が架橋された構造を有する化合物を用いてもよい。
【００４８】
素子本体４に含まれる導電性粒子としては、特に限定されないが、金属粉、カーボンブラック等が例示される。好ましくは、導電性粒子として金属粉を用いる。この金属粉としては、好ましくは、ニッケルを主成分とするものを用いる。金属粉の平均粒径は、好ましくは０．１μｍ以上、より好ましくは０．５〜４．０μｍ程度である。
【００４９】
素子本体４において、樹脂組成物中の導電性粒子の含有量は、樹脂組成物全体に対して、好ましくは、２０〜８０質量％である。導電性粒子の含有量をこの範囲内とすることによって、非動作時の室温抵抗値を十分に低くすることができ、また、大きな抵抗変化量を得ることができる。さらには、素子抵抗のバラツキを十分に減少させることができる。
【００５０】
素子本体４を構成する樹脂組成物は、上記の熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、および導電性粒子以外に、例えば、ワックス、油脂、脂肪酸、高級アルコ−ル等の低分子有機化合物を更に含んでもよい。その結果、素子本体４の温度上昇に伴う抵抗変化量を増大させることができる。
【００５１】
素子本体４は、内部に空隙を有し、この空隙に上記樹脂組成物を充填することが可能な基材を含んでもよい。このような基材としては、上記の役割を果たすことが可能なものであれば特に制限されず、織布、不織布、連続多孔質体等が例示される。
【００５２】
（第１金属板１０および第２電極板１２の形成）
第１金属板１０および第２金属板１２は、所定厚みのニッケル金属板あるいはニッケル合金板等を打ち抜き成型して形成される。
【００５３】
（接合部１４および粗面化部位２４の形成）
次に、第１電極板１０の表面（後に端子板１６が接合される面）に接合部１４を形成する。接合部１４の形成においては、接合部１４を第１電極板１０の表面から突出させ、かつ、突出した接合部１４の表面を平坦化する。さらには、接合部１４を有する第１電極板１０の表面において、接合部１４以外の部分が粗面化される。すなわち、粗面化部位２４が形成される。以下では、図４を用いて、接合部１４の形成、粗面化部位２４の粗面化について説明する。
【００５４】
まず、第１電極板１０の表面全体を平坦化する。
【００５５】
次に、第１電極板１０の表面において、第１電極板板１０と素子本体４とが重複する一部分に位置し、かつ、後に端子板１６を接合することになる２つの部位（接合部１４）にマスキングを施す。
【００５６】
次に、マスキングを施さなかった領域（粗面化部位２４）に対して、粗面化処理を施す。その結果、粗面化部位２４の表面のみが粗面化される。粗面化処理の方法としては、特に限定されないが、酸による表面処理、切削、ブラスト、あるいはエッチング等が挙げられる。
【００５７】
次に、マスキングを除去することによって、表面が平坦化した接合部１４が形成される。
【００５８】
なお、粗面化処理の結果、接合部１４が、第１電極板１０の表面（すなわち粗面化部位２４）から突出する。換言すれば、粗面化処理の結果、接合部１４の突出高さＨ０と、粗面化部位２４の表面粗さＲｙとの間に、Ｈ０＞Ｒｙの関係が成り立つことになる（図３参照）。
【００５９】
（第１金属板１０および第２電極板１２の熱圧着）
次に、第１電極板１０および第２電極板１２を、素子本体４の表裏面（第１面６および第２面８）に、熱プレス機等により接合する。
【００６０】
なお、第１電極板１０および第２電極板１２を、熱プレス機等により、素子本体４へ熱圧着する際の加熱温度は、素子本体４の材質にもよるが、好ましくは、１３０〜２００℃程度である。また、熱圧着時の圧力は、好ましくは０．１〜２．５ＭＰａ程度である。
【００６１】
なお、熱圧着時には、圧力により素子本体４が厚み方向に多少潰れて、電極板１０および１２の側方に多少はみ出すこともあるが、不要部分は、容易に除去することができる。
【００６２】
好ましくは、第１金属板１０および第２電極板１２において、素子本体４へ接合される面が粗面化されている。具体的には、第１金属板１０および第２電極板１０の素子本体への接合面には、節瘤（瘤頂上部に対して瘤中間部乃至基部が、凹凸差５〜１５μｍ程度にくびれている形状）が多数形成されていることが好ましい。その結果、第１金属板１０および第２電極板１０と素子本体４との接合強度を向上させることができる。第１金属板１０および第２電極板１２の表面を粗面化する方法（節瘤を形成する方法）としては、特に限定されないが、第１金属板１０および第２電極板１２と同じ組成の金属（Ｎｉ、Ｃｕ等）による電気メッキ、または化学メッキ等が例示される。
【００６３】
なお、第１金属板１０において、素子本体４の第１面６へ接合される表面に対する粗面化処理（節瘤の形成）を、前述の接合部１４および粗面化部位２４の形成の前に行ってもよく、後に行ってもよい。あるいは、節瘤の形成と、粗面化部位２４の形成を、同様の方法で同時に行っても良い。また、粗面化部位２４の形成は、第１金属板１０を素子本体４に対して熱圧着する前に行ったが、熱圧着した後に行っても良い。
【００６４】
（架橋反応）
次に、第１電極板１０および第２電極板１２が形成された素子本体４に電子線照射を行う。この電子線照射によって、反応開始剤が機能し、高分子同士の架橋反応が促進される。架橋反応のエネルギー源としては、電子線に限定されず、ガンマ線、紫外線、熱等も用いられる。照射する電子線の加速電圧及び電子線照射量は、素子本体４に含まれる高分子化合物の種類、あるいは素子本体の寸法等に応じて、適宜調整すればよい。なお、電子線照射は、第１電極板１０および第２電極板１２の接合前であっても良い。
【００６５】
（クラッド板１８の接合）
次に、第２電極板１２に対して、クラッド板１８を接合する。接合の方法としては、特に限定されないが、スポット溶接等が例示される。
【００６６】
（保護膜３の形成）
次に、素子本体４の表面のうち外部に露出した面上に、保護膜３を形成する。保護膜３の形成方法としては、特に限定されないが、例えば、前述の樹脂を塗布することによって、保護膜３を形成する。
【００６７】
このようにして、本実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子２が完成する。
【００６８】
ポリマーＰＴＣ素子２の組み付け方法（電池保護システム１の形成）
（第２電極板１２とクラッド基板１８との接合）
ポリマーＰＴＣ素子２は、図１に示すように、２次電池セル３２と、保護回路３０との間に組み込まれる。ポリマーＰＴＣ素子２を、図１に示すように接続するために、たとえば、まず、ポリマーＰＴＣ素子２における第２金属板１２の先端を、クラッド板１８のニッケル層２０側に対してスポット溶接する。
【００６９】
（クラッド基板１８と２次電池セル３２との接合）
次に、あるいは、その前後に、クラッド板１８におけるアルミニウム層２２を、２次電池セル３２の電極端子３４と接触してスポット溶接する。ポリマーＰＴＣ素子２と２次電池セル３２との間に隙間が形成される場合には、スペーサ３６などを、ポリマーＰＴＣ素子２と２次電池セル３２との間に配置させる。
【００７０】
（接合部１４と端子板１６との接合）
次に、接合部１４と端子板１６とを接合する。接合部１４と端子板１６とを接合する方法としては、特に限定されないが、好ましくは、スポット溶接（抵抗溶接）を用いる。
【００７１】
スポット溶接では、まず、図４に示すように、２つの接合部１４の上方に、端子板１６を重ねる。
【００７２】
次に、図５に示すように、１対のスポット溶接用電極棒５２，５４を、端子板１６の上方に押し当てる。このとき、図５に示すように、１対のスポット溶接用電極棒５２，５４はそれぞれ、端子板１６を介して、２つの接合部１４の真上に位置する。
【００７３】
次に、端子板１６を接合部１４に対して圧着しつつ、１対のスポット溶接用電極棒５２，５４に電流Ｉを流す。その結果、電流Ｉが流れた接合部１４と、端子板１６において接合部１４に接する部位とが、発生したジュール熱によって溶解し、接合される。すなわち、接合部１４において、第１電極板１０と端子板１６とが接合される。
【００７４】
なお、スポット溶接においては、接合部１４の表面の面積、端子板１６の厚さ等の条件に合わせて、電流、通電時間、および端子板１６に対する加圧力等を適宜調整することによって、適切な溶接強度を得ることができる。
【００７５】
このようにして、ポリマーＰＴＣ素子２は、図１に示すように、２次電池セル３２と、保護回路３０との間に組み込まれ、電池保護システム１が完成する。
【００７６】
本実施形態においては、上述のように、第１電極板１０と端子板１６とを接合する際に、端子板１６において接合部１４と重なる部位のみに、スポット溶接用電極棒５２，５４を接触させる。その結果、溶接時に流れる電流が接合部近辺に集中する。よって、接合部１４の近傍においてのみ、ジュール熱が発生する。したがって、溶接時に発生するシュール熱を必要最小限に抑えることができる。その結果、溶接部位から素子本体４への熱伝導が抑制され、熱伝導による素子本体４の熱劣化を防止することができる。
【００７７】
また、接合部１４が第１電極板１０の表面から突出しているため、溶接時に、端子板１６と第１電極板１０の表面（接合部１４以外の部分）との間に隙間が生じる。溶接時に発生したジュール熱は、この隙間から放熱される。その結果、溶接部位から素子本体４への熱伝導が抑制され、熱伝導による素子本体４の熱劣化を防止することができる。
【００７８】
さらに、溶接ポイントを接合部１４のみに限定し、かつ、接合部１４の表面を平坦化することによって、溶接効率を向上させることができる。溶接ポイントである接合部１４の表面が粗面であると端子板を溶接しにくいが、接合部１４の表面を平坦化すると、接合部１４の表面と端子板１６とが密着し、互いに溶接しやすくなる。
【００７９】
本実施形態においては、第１電極板１０の表面において、粗面化部位２４（接合部１４以外の部分）を粗面化することによって、粗面化部位２４の実質的な表面積が、粗面化しない場合に比べて大きくなる。従って、粗面化部位２４の粗面化によって、スポット溶接時に発生したジュール熱を、第１電極板１０の表面（粗面化部位２４）から放熱させる効果を向上させることができる。その結果、熱伝導による素子本体４の熱劣化を防止することができる。
【００８０】
本実施形態においては、ポリマーＰＴＣ素子２と、保護回路３０と、２次電池セル３２とを有する電池保護システム１（図１）では、過剰な電流が流れた場合でも、電池を有効に保護することができる。
【００８１】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。
【００８２】
例えば、図６に示すように、ポリマーＰＴＣ素子２において、クラッド板１８のニッケル層２０が、素子本体４の第２面８に直接接合されても良い。すなわち、図６に示すポリマーＰＴＣ素子２においては、クラッド板１８が第２電極板の機能を兼ね備えるため、第２電極板が不要となる。この場合においても、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８３】
また、図７に示すように、素子本体４（導電性ポリマー単独から成るポリマー層）の表裏面に、金属箔６０が形成されていてもよい。この素子本体４は、例えば、シート状のポリマー層の両面に金属箔６０を熱プレスした後に、これを所定の寸法に打ち抜くことによって形成することができる。第１電極板１０およびクラッド板１８のニッケル層２０と、金属箔６０とは、はんだ層６２を介して接合されている。この場合においても、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。金属箔６０の厚みは、第１電極板１０およびクラッド板１８の厚みよりも薄く、一般的には、２５〜３０μｍ程度である。
【００８４】
また、図２に示す粗面化部位２４を粗面化する方法としては、前述の方法の他に、めっき法等が挙げられる。
【００８５】
また、本発明に係るポリマーＰＴＣ素子２は、過電流保護素子としてのみならず、自己制御型発熱体、温度センサー、限流素子、過電流保護素子等としても使用される。
【００８６】
また、本発明では、ポリマーＰＴＣ素子２の製造方法は、特に限定されない。たとえば上述した実施形態のように、素子本体４、第１電極板１０、第２電極板１２を、それぞれ単独の状態で互いに接合することなく、以下のようにしてポリマーＰＴＣ素子２を製造しても良い。すなわち、切断後に素子本体４を構成するシート状素子本体と、切断後に第１電極板１０および第２電極板をそれぞれ構成することになる一対のシート状電極とを、熱圧着した後に、不要部分をプレスで打ち抜くことによって個別のポリマーＰＴＣ素子２を形成しても良い。その場合には、ポリマーＰＴＣ素子２を構成する部品の集合体同士を、一度に接合することによって、ポリマーＰＴＣ素子２の製造工程の効率を向上することできる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子、２次電池、および保護回路の接続関係を示す概略図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子の概略断面図である。
【図３】図３は、図２に示す接合部、およびその近傍における第１電極板の表面（粗面化部位）の拡大概略図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子を、図２のＩＶ方向に見た外観図であって、電極板、接合部、および端子板の位置関係を示す概略図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子を、図４のＶ方向に見た断面概略図であって、ポリマーＰＴＣ素子の製造工程における電極板の接合部、端子板、およびスポット溶接用電極棒の位置関係を示す概略図である。
【図６】図６は、本発明の別の実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子の概略断面図である。
【図７】図７は、本発明の別の実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子の概略断面図である。
【符号の説明】
【００８８】
１… 電池保護システム
２… ポリマーＰＴＣ素子
３… 保護膜
４… 素子本体
１０… 第１電極板
１２… 第２電極板
１４… 接合部
１６… 端子板
１８… クラッド板
３０… 保護回路
２４… 粗面化部位
３２… ２次電池セル
３４… 電極端子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池や電子回路を過電流から保護すること等を目的として使用されるＰＴＣ素子と、そのＰＴＣ素子を有する電池保護システムとに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＰＴＣ（positive temperature coefficient）素子は、所定の温度領域において、素子の温度が上昇すると、素子の抵抗値が増加する特性を有する。特に、ＰＴＣ素子の温度がキュリー温度に達すると、ＰＴＣ素子の抵抗が急激に増加する。このような性質はＰＴＣ特性と呼ばれる。
【０００３】
ＰＴＣ素子は、電子機器等の電気回路に組み込まれる。電子機器の使用中に、何らかの理由によって回路に過剰電流が流れた場合、電子機器の温度が上昇し、それに伴いＰＴＣ素子自体の温度も上昇する。そして、ＰＴＣ素子の温度がキュリー温度に達すると、ＰＴＣ素子の抵抗値が急激に増加する。その結果、電気回路において、ＰＴＣ素子が過剰電流を遮断する。よって、電気機器が過剰電流によって故障することを未然に防止できる。
【０００４】
このように、ＰＴＣ素子は、過熱、過剰電流に対する安全保護装置として使用される。具体的には、ＰＴＣ素子は、携帯電話の電源である２次電池を過剰電流から保護するための回路（保護回路）に組み込まれたりする。２次電池の充電中または放電中に過剰電流が流れた場合、ＰＴＣ素子は電流を遮断して２次電池を保護する。
【０００５】
このようなＰＴＣ素子の一例としては、ポリマー材料（結晶性重合体）に導電性粒子を分散させた素子本体（重合体正温度係数抵抗体）を、電極板（あるいは金属箔）で挟んだ構造を有する、ポリマーＰＴＣ素子が知られている（特許文献１参照）。
【０００６】
ポリマーＰＴＣ素子は、従来、以下のような方法によって製造される。まず、金属粒子、カーボンブラック等の導電性フィラーを含む高分子（高密度ポリエチレン等）を押出成形し、素子本体を形成する。次に、素子本体の表裏面に、電極板を熱圧着することによって、ポリマーＰＴＣ素子が完成する。
【０００７】
このポリマーＰＴＣ素子を所定の保護回路に組み込む際は、ポリマーＰＴＣ素子の電極板を、保護回路と電気的に接続された端子板へ接合する。この接合は、従来、ハンダ付け、溶接等により実施される。
【０００８】
ハンダ付け、溶接等を行う場合、電極板および端子板の少なくとも一部分を高温に加熱する必要がある。ポリマーＰＴＣ素子の電極板（あるいは金属箔）は非常に薄いため、ハンダ付け、溶接の際に電極板へ加わる熱が、直ちに素子本体に伝導する。その結果、素子本体が高温になり、熱劣化（軟化または溶融）することがある。素子本体が軟化または溶融すると、ポリマー中の導電性粒子の分散性が不均一となる。このような熱履歴を経たポリマーＰＴＣ素子においては、室温での抵抗値（室温抵抗値）がこの熱履歴前に比べて大きく増大してしまう。
【０００９】
さらには、このようなポリマーＰＴＣ素子に対して、温度の上昇、下降を繰り返すと、ポリマーＰＴＣ素子の室温抵抗値がますます高くなってしまう。このように室温抵抗値の高くなったポリマーＰＴＣ素子においては、消費電力が増加してしまう。
【００１０】
こように、電極板と端子板とを接合する際の加熱に起因するポリマーＰＴＣ素子の室温抵抗値の増大は、携帯電話などの小型機器に搭載する場合に、電力浪費、あるいは電池の短寿命化などの問題につながる。
【特許文献１】国際公開 ＷＯ２００４／０２３４９９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、電極板と端子板とを溶接等によって接合する際に、素子本体が熱劣化することを防止できるＰＴＣ素子を提供することである。また、本発明の別の目的は、過剰な電流が流れた場合に、電池を有効に保護することができる電池保護システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明に係るＰＴＣ素子は、
所定の温度領域において温度上昇に伴い抵抗値が増加する素子本体と、
前記素子本体の表裏面に接合された２つの電極板と、を有するＰＴＣ素子であって、
前記電極板のうち少なくとも一方が、該電極板と前記素子本体とが重複する一部分において、所定回路と接続するための端子板との接合部を有し、
前記接合部が該電極板の表面から突出し、
突出した前記接合部の表面（端子板と接合する面）が平坦化されていることを特徴とする。
【００１３】
好ましくは、前記素子本体が、正の温度係数を持つ導電性ポリマーである。
【００１４】
電極板と端子板とを接合する際に、端子板において接合部の上に重なる部位のみに、スポット溶接用電極棒を接触させる。その結果、溶接時に流れる電流が接合部近辺に集中する。よって、接合部近傍においてのみ、ジュール熱が発生する。その結果、溶接時に発生するジュール熱を必要最小限に抑えることができる。そのため、溶接部位から素子本体への熱伝導が抑制され、熱伝導による素子本体の熱劣化を防止することができる。
【００１５】
また、接合部が電極板の表面から突出しているため、溶接時に、端子板と電極板の表面（接合部以外の部分）との間に隙間が生じる。溶接時に溶接部位（接合部）で発生したジュール熱は、この隙間から放熱される。その結果、素子本体への熱伝導が抑制され、素子本体の熱劣化を防止することができる。
【００１６】
さらに、溶接ポイントを接合部のみに限定し、かつ、接合部表面を平坦化することによって、溶接効率を向上させることができる。溶接ポイントである接合部表面が粗面であると溶接しにくいが、接合部表面を平坦化すると、接合部と端子板とが密着するため、溶接しやすくなる。
【００１７】
好ましくは、前記接合部を有する前記電極板の表面において、前記接合部以外の部分が粗面化されている。
【００１８】
電極板の表面において、接合部以外の部分（以下、粗面化部位と記す）を粗面化することによって、接合部以外の部分の実質的な表面積が、粗面化しない場合に比べて大きくなる。従って、電極板の表面を粗面化することにより、溶接時に発生した熱を、電極板表面から放熱させる効果を向上させることができる。その結果、熱伝導による素子本体の熱劣化を防止することができる。
【００１９】
好ましくは、２つの前記電極板のうち、前記接合部を有する前記電極板とは別の電極板に、クラッド板が接合されている。
【００２０】
好ましくは、前記端子板が、Ｎｉを主として含むＮｉ端子板で構成される。
【００２１】
Ｎｉを主成分とする端子板を用いることによって、Ｎｉを主成分とする電極板とのスポット溶接の強度を向上させることができる。
【００２２】
好ましくは、前記素子本体の表面のうち外部に露出した面上に、保護膜が形成されている。
【００２３】
素子本体の表面のうち外部に露出した面上に、保護膜を形成することによって、大気中の酸素による素子本体の酸化を抑制し、素子本体の劣化を防止することができる。
【００２４】
本願発明に係る電池保護システムは、
前記ＰＴＣ素子と、
前記ＰＴＣ素子の有する電極板の一方に電気的に接続される保護回路と、
前記ＰＴＣ素子の有する電極板のうち前記保護回路に接続されていないもう一方の電極板に電気的に接続される電池とを有する。
【００２５】
電池保護システムが、熱劣化がなく室温抵抗値の小さいＰＴＣ素子を有することによって、電池保護システム、および電池保護システムを有する電子機器全体の消費電力を減少させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子、２次電池、および保護回路の接続関係を示す概略図、
図２は、本発明の一実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子の概略断面図、
図３は、図２に示す接合部、およびその近傍における第１電極板の表面（粗面化部位）の拡大概略図、
図４は、本発明の一実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子を、図２のＩＶ方向に見た外観図であって、電極板、接合部、および端子板の位置関係を示す概略図、
図５は、本発明の一実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子を、図４のＶ方向に見た断面概略図であって、ポリマーＰＴＣ素子の製造工程における電極板の接合部、端子板、およびスポット溶接用電極棒の位置関係を示す概略図、
図６、図７は、本発明の別の実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子の概略断面図である。
【００２７】
ポリマーＰＴＣ素子の全体構成
まず、本発明に係るＰＴＣ素子の一実施形態として、携帯電話の電源として用いられる２次電池セルを保護するためのポリマーＰＴＣ素子について説明する。
【００２８】
図１に示すように、ポリマーＰＴＣ素子２は、携帯電話の電源である２次電池セル３２の上に形成してあるスペーサ３６の上に配置される。ポリマーＰＴＣ素子２は、２次電池セル３２と、その２次電池セル３２を過電流から保護するための保護回路３０（所定回路）との間に組み込まれる。ポリマーＰＴＣ素子２は、保護回路３０によっても制御しきれない過電流が２次電池セル３２の充電中または放電中に流れた場合、保護回路３０と２次電池セル３２との間の電流を遮断して２次電池セル３２を保護する。
以下では、ポリマーＰＴＣ素子の全体構成について説明する。
【００２９】
図２に示すポリマーＰＴＣ素子２は、正の抵抗温度特性（ＰＴＣ特性）を有する素子本体４を備えている。この素子本体４は、表裏面（互いに対向した第１面６および第２面８）を有する。第１面６、第２面８には、それぞれ第１電極板１０、第２電極板１２が接合されている。したがって、素子本体４は、第１電極板１０と第２電極板１２との間に挟まれるように配置される。
【００３０】
素子本体４の形状は、特に限定されず、直方体型、円柱型等が例示される。素子本体４の形状が直方体の場合、素子本体４の寸法は、縦Ｌ１（３．０〜１．０）ｍｍ×横Ｗ１（２．０〜６．０）ｍｍ×厚さＨ１（０．２〜１．０）ｍｍ程度である（図２、図５参照）。
【００３１】
第１電極板１０は、第１電極板１０と素子本体４とが重複する一部分において、接合部１４を有する。接合部１４は、第１電極板１０の表面から突出している。突出した接合部１４の表面は平坦化されている。接合部１４において、第１電極板１０と、端子板１６とが接合している。
【００３２】
素子本体４の表面のうち外部に露出した面上には、必要に応じて保護膜３が形成されている。保護膜３を形成することで、大気中の酸素による素子本体４の酸化を抑制し、素子本体４の劣化を防止することができる。保護膜３の種類としては、酸素を遮蔽する機能を有するものであれば特に限定されないが、エポキシ樹脂、エチレン−ビニルアルコール共重合樹脂等が例示される。なお、保護膜３は、必ずしも形成されていなくても良い。
【００３３】
好ましくは、第１電極板１０の表面において、接合部１４以外の部分（粗面化部位２４）が粗面化されている。すなわち、粗面化部位２４の表面には、意図的に凹凸が形成されている。
【００３４】
粗面化部位２４の凹凸差（表面粗さＲｙ）は、特に限定されないが、好ましくは、１００〜２００μｍ程度である。表面粗さＲｙをこの範囲内とすることによって、粗面化部位２４の実質的な表面積が、粗面化しない場合に比べて適度に大きくなる。その結果、第１電極板１０と端子板１６とのスポット溶接時に発生したジュール熱を、第１電極板１０（粗面化部位２４）の表面から放熱させる効果を向上させることができる。
【００３５】
なお、表面粗さＲｙ（最大高さ）は、以下に示すように、ＪＩＳ規格に準拠して求められる。表面粗さＲｙの測定においては、図３に示すように、接合部１４と、その近傍に位置する第１電極板１０の一部を含む基準長さＬ０ に収まる領域を、測定領域とする。そして、測定領域内の粗面化部位２４において、平均線Ｌａｖｅｒａｇｅから、平均線Ｌａｖｅｒａｇｅに対して最も高い部位（頂上部５）までの距離Ｙｐを求める。また、平均線Ｌａｖｅｒａｇｅから、平均線Ｌａｖｅｒａｇｅに対して最も低い部位（谷部７）までの距離Ｙｖを求める。表面粗さＲｙ（最大高さ）は、式Ｒｙ＝Ｙｐ＋Ｙｖによって算出される。
【００３６】
本願発明において、図２の接合部１４が第１電極板１０の表面から突出していることは、図３に示す接合部１４の突出高さＨ０が、Ｈ０＞Ｒｙ＝Ｙｐ＋Ｙｖを満たすことと同義である。また、接合部１４の突出高さＨ０は、特に限定されないが、好ましくは、図３の谷部７に対して、２５０〜５００μｍ程度である。接合部１４の突出高さＨ０をこの範囲内とすることによって、粗面化部位２４の凹凸に妨げられることなく、接合部１４の平坦化された表面と、端子板１６をとが密着し、接合すること（スポット溶接されること）が可能となる。さらには、スポット溶接において、粗面化部位２４と、端子板１６との間に、適度な間隔が生じ、この間隔から、溶接時に発生するジュール熱を大気中に放熱させることができる。その結果、溶接部から素子本体４への熱伝導を抑制し、素子本体４の熱劣化を防止できる。
【００３７】
第２電極板１２には、クラッド板１８が接合されている。
【００３８】
第１電極板１０および第２電極板１２の材質としては、導電材であれば特に限定されないが、Ｎｉ、Ｃｕ、およびＮｉメッキを施したＣｕ箔等が例示される。好ましくは、第１電極板１０および第２電極板１２として、Ｎｉ板を用いる。各電極板としてＮｉ板を用いることによって、Ｎｉを主成分とする端子板とのスポット溶接の強度を向上させることができる。第１電極板１０、第２電極板１２それぞれの厚みは、特に限定されないが、通常、１００〜５００μｍ程度である。
【００３９】
端子板１６の材質としては、導電材であれば特に限定されないが、好ましくは、端子板１６が主としてＮｉを含む。また、端子板１６の厚さは、特に限定されないが、通常１００〜３００μｍ程度である。端子板１６の長さＬ２は、特に限定されず、用途に応じて自由に設計される。
【００４０】
クラッド板１８としては、特に限定されないが、好ましくは、クラッド板１８が、ニッケル層２０と、アルミニウム層２２とから構成される。ニッケル層２０は、第２電極板１２と接合される。また、アルミニウム層２２は、図１に示すように、２次電池セル３２の電極端子３４と接合される。クラッド板１８の厚さは、特に限定されないが、通常、１００〜５００μｍ程度である。クラッド板１８の長さＬ３は、特に限定されず、用途に応じて自由に設計される。
【００４１】
ポリマーＰＴＣ素子２の製造方法
次に、ポリマーＰＴＣ素子２の製造方法について説明する。
【００４２】
（素子本体４の形成）
図２の素子本体４は、通常、主成分である重合体（熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等の高分子化合物）および導電性粒子を含む樹脂組成物（導電性ポリマー）から構成される。なお、素子本体４が、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂との両方を含んでもよい。
【００４３】
素子本体４の形成においては、まず、高分子化合物（熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等）、導電性粒子（金属粉、カーボンブラック等）、低分子有機化合物および、高分子化合物同士を架橋反応させるための反応開始剤等を秤量、混練し、ＰＴＣ組成物を調整する。混練の方法としては、特に限定されないが、ニーダ、押出機、ミル等が例示される。また、ＰＴＣ組成物に含有させる導電性粒子としては、ふるい機等によって所定の粒径をもつ導電性粒子のみを分級し、これを用いる。次に、このＰＴＣ組成物を成形し、素子本体４を得る。
【００４４】
熱硬化性樹脂としては、特に限定されないが、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シリコン樹脂、ポリウレタン樹脂及びフェノール樹脂等が挙げられる。好ましくは、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を用いる。エポキシ樹脂を用いることによって、ポリマーＰＴＣ素子が、十分な抵抗変化量及び耐熱性を有することができる。熱硬化性樹脂の分子量は、通常、重量平均分子量Ｍｗが３００〜１００００程度である。上記の熱硬化性樹脂は単独で用いてもよく、また複数種の樹脂を用いてもよい。また、異なる種類の熱硬化性樹脂同士が架橋された構造を有する化合物を用いてもよい。
【００４５】
熱可塑性樹脂としては、特に限定されないが、好ましくは、結晶性ポリマーをを用いる。熱可塑性樹脂の融点は、特に限定されないが、好ましくは、７０〜２００℃程度である。融点がこの範囲にある樹脂を用いることによって、ポリマーＰＴＣ素子動作時における熱可塑性樹脂の融解、流動、素子本体の変形を防止することができる。
【００４６】
熱可塑性樹脂としては、特に限定されないが、ポリエチレン等のポリオレフィン、エチレン−酢酸ビニルコポリマ−等のコポリマ−、ポリビニルクロライド、ポリビニルフルオライド、ポリビニリデンフルオライド等のハロゲン化ビニルおよびビニリデンポリマ−、１２−ナイロン等のポリアミド、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、熱可塑性エラストマ−、ポリエチレンオキサイド、ポリアセタ−ル、熱可塑性変性セルロ−ス、ポリスルホン類、ポリメチル（メタ）アクリレ−ト等が挙げられる。
【００４７】
熱可塑性樹脂の重量平均分子量Ｍｗは、特に限定されないが、好ましくは、１００００〜５００００００である。これらの熱可塑性樹脂は単独で用いてもよく、また複数種の樹脂を用いてもよい。また、異なる種類の熱可塑性樹脂同士が架橋された構造を有する化合物を用いてもよい。
【００４８】
素子本体４に含まれる導電性粒子としては、特に限定されないが、金属粉、カーボンブラック等が例示される。好ましくは、導電性粒子として金属粉を用いる。この金属粉としては、好ましくは、ニッケルを主成分とするものを用いる。金属粉の平均粒径は、好ましくは０．１μｍ以上、より好ましくは０．５〜４．０μｍ程度である。
【００４９】
素子本体４において、樹脂組成物中の導電性粒子の含有量は、樹脂組成物全体に対して、好ましくは、２０〜８０質量％である。導電性粒子の含有量をこの範囲内とすることによって、非動作時の室温抵抗値を十分に低くすることができ、また、大きな抵抗変化量を得ることができる。さらには、素子抵抗のバラツキを十分に減少させることができる。
【００５０】
素子本体４を構成する樹脂組成物は、上記の熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、および導電性粒子以外に、例えば、ワックス、油脂、脂肪酸、高級アルコ−ル等の低分子有機化合物を更に含んでもよい。その結果、素子本体４の温度上昇に伴う抵抗変化量を増大させることができる。
【００５１】
素子本体４は、内部に空隙を有し、この空隙に上記樹脂組成物を充填することが可能な基材を含んでもよい。このような基材としては、上記の役割を果たすことが可能なものであれば特に制限されず、織布、不織布、連続多孔質体等が例示される。
【００５２】
（第１金属板１０および第２電極板１２の形成）
第１金属板１０および第２金属板１２は、所定厚みのニッケル金属板あるいはニッケル合金板等を打ち抜き成型して形成される。
【００５３】
（接合部１４および粗面化部位２４の形成）
次に、第１電極板１０の表面（後に端子板１６が接合される面）に接合部１４を形成する。接合部１４の形成においては、接合部１４を第１電極板１０の表面から突出させ、かつ、突出した接合部１４の表面を平坦化する。さらには、接合部１４を有する第１電極板１０の表面において、接合部１４以外の部分が粗面化される。すなわち、粗面化部位２４が形成される。以下では、図４を用いて、接合部１４の形成、粗面化部位２４の粗面化について説明する。
【００５４】
まず、第１電極板１０の表面全体を平坦化する。
【００５５】
次に、第１電極板１０の表面において、第１電極板板１０と素子本体４とが重複する一部分に位置し、かつ、後に端子板１６を接合することになる２つの部位（接合部１４）にマスキングを施す。
【００５６】
次に、マスキングを施さなかった領域（粗面化部位２４）に対して、粗面化処理を施す。その結果、粗面化部位２４の表面のみが粗面化される。粗面化処理の方法としては、特に限定されないが、酸による表面処理、切削、ブラスト、あるいはエッチング等が挙げられる。
【００５７】
次に、マスキングを除去することによって、表面が平坦化した接合部１４が形成される。
【００５８】
なお、粗面化処理の結果、接合部１４が、第１電極板１０の表面（すなわち粗面化部位２４）から突出する。換言すれば、粗面化処理の結果、接合部１４の突出高さＨ０と、粗面化部位２４の表面粗さＲｙとの間に、Ｈ０＞Ｒｙの関係が成り立つことになる（図３参照）。
【００５９】
（第１金属板１０および第２電極板１２の熱圧着）
次に、第１電極板１０および第２電極板１２を、素子本体４の表裏面（第１面６および第２面８）に、熱プレス機等により接合する。
【００６０】
なお、第１電極板１０および第２電極板１２を、熱プレス機等により、素子本体４へ熱圧着する際の加熱温度は、素子本体４の材質にもよるが、好ましくは、１３０〜２００℃程度である。また、熱圧着時の圧力は、好ましくは０．１〜２．５ＭＰａ程度である。
【００６１】
なお、熱圧着時には、圧力により素子本体４が厚み方向に多少潰れて、電極板１０および１２の側方に多少はみ出すこともあるが、不要部分は、容易に除去することができる。
【００６２】
好ましくは、第１金属板１０および第２電極板１２において、素子本体４へ接合される面が粗面化されている。具体的には、第１金属板１０および第２電極板１０の素子本体への接合面には、節瘤（瘤頂上部に対して瘤中間部乃至基部が、凹凸差５〜１５μｍ程度にくびれている形状）が多数形成されていることが好ましい。その結果、第１金属板１０および第２電極板１０と素子本体４との接合強度を向上させることができる。第１金属板１０および第２電極板１２の表面を粗面化する方法（節瘤を形成する方法）としては、特に限定されないが、第１金属板１０および第２電極板１２と同じ組成の金属（Ｎｉ、Ｃｕ等）による電気メッキ、または化学メッキ等が例示される。
【００６３】
なお、第１金属板１０において、素子本体４の第１面６へ接合される表面に対する粗面化処理（節瘤の形成）を、前述の接合部１４および粗面化部位２４の形成の前に行ってもよく、後に行ってもよい。あるいは、節瘤の形成と、粗面化部位２４の形成を、同様の方法で同時に行っても良い。また、粗面化部位２４の形成は、第１金属板１０を素子本体４に対して熱圧着する前に行ったが、熱圧着した後に行っても良い。
【００６４】
（架橋反応）
次に、第１電極板１０および第２電極板１２が形成された素子本体４に電子線照射を行う。この電子線照射によって、反応開始剤が機能し、高分子同士の架橋反応が促進される。架橋反応のエネルギー源としては、電子線に限定されず、ガンマ線、紫外線、熱等も用いられる。照射する電子線の加速電圧及び電子線照射量は、素子本体４に含まれる高分子化合物の種類、あるいは素子本体の寸法等に応じて、適宜調整すればよい。なお、電子線照射は、第１電極板１０および第２電極板１２の接合前であっても良い。
【００６５】
（クラッド板１８の接合）
次に、第２電極板１２に対して、クラッド板１８を接合する。接合の方法としては、特に限定されないが、スポット溶接等が例示される。
【００６６】
（保護膜３の形成）
次に、素子本体４の表面のうち外部に露出した面上に、保護膜３を形成する。保護膜３の形成方法としては、特に限定されないが、例えば、前述の樹脂を塗布することによって、保護膜３を形成する。
【００６７】
このようにして、本実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子２が完成する。
【００６８】
ポリマーＰＴＣ素子２の組み付け方法（電池保護システム１の形成）
（第２電極板１２とクラッド基板１８との接合）
ポリマーＰＴＣ素子２は、図１に示すように、２次電池セル３２と、保護回路３０との間に組み込まれる。ポリマーＰＴＣ素子２を、図１に示すように接続するために、たとえば、まず、ポリマーＰＴＣ素子２における第２金属板１２の先端を、クラッド板１８のニッケル層２０側に対してスポット溶接する。
【００６９】
（クラッド基板１８と２次電池セル３２との接合）
次に、あるいは、その前後に、クラッド板１８におけるアルミニウム層２２を、２次電池セル３２の電極端子３４と接触してスポット溶接する。ポリマーＰＴＣ素子２と２次電池セル３２との間に隙間が形成される場合には、スペーサ３６などを、ポリマーＰＴＣ素子２と２次電池セル３２との間に配置させる。
【００７０】
（接合部１４と端子板１６との接合）
次に、接合部１４と端子板１６とを接合する。接合部１４と端子板１６とを接合する方法としては、特に限定されないが、好ましくは、スポット溶接（抵抗溶接）を用いる。
【００７１】
スポット溶接では、まず、図４に示すように、２つの接合部１４の上方に、端子板１６を重ねる。
【００７２】
次に、図５に示すように、１対のスポット溶接用電極棒５２，５４を、端子板１６の上方に押し当てる。このとき、図５に示すように、１対のスポット溶接用電極棒５２，５４はそれぞれ、端子板１６を介して、２つの接合部１４の真上に位置する。
【００７３】
次に、端子板１６を接合部１４に対して圧着しつつ、１対のスポット溶接用電極棒５２，５４に電流Ｉを流す。その結果、電流Ｉが流れた接合部１４と、端子板１６において接合部１４に接する部位とが、発生したジュール熱によって溶解し、接合される。すなわち、接合部１４において、第１電極板１０と端子板１６とが接合される。
【００７４】
なお、スポット溶接においては、接合部１４の表面の面積、端子板１６の厚さ等の条件に合わせて、電流、通電時間、および端子板１６に対する加圧力等を適宜調整することによって、適切な溶接強度を得ることができる。
【００７５】
このようにして、ポリマーＰＴＣ素子２は、図１に示すように、２次電池セル３２と、保護回路３０との間に組み込まれ、電池保護システム１が完成する。
【００７６】
本実施形態においては、上述のように、第１電極板１０と端子板１６とを接合する際に、端子板１６において接合部１４と重なる部位のみに、スポット溶接用電極棒５２，５４を接触させる。その結果、溶接時に流れる電流が接合部近辺に集中する。よって、接合部１４の近傍においてのみ、ジュール熱が発生する。したがって、溶接時に発生するシュール熱を必要最小限に抑えることができる。その結果、溶接部位から素子本体４への熱伝導が抑制され、熱伝導による素子本体４の熱劣化を防止することができる。
【００７７】
また、接合部１４が第１電極板１０の表面から突出しているため、溶接時に、端子板１６と第１電極板１０の表面（接合部１４以外の部分）との間に隙間が生じる。溶接時に発生したジュール熱は、この隙間から放熱される。その結果、溶接部位から素子本体４への熱伝導が抑制され、熱伝導による素子本体４の熱劣化を防止することができる。
【００７８】
さらに、溶接ポイントを接合部１４のみに限定し、かつ、接合部１４の表面を平坦化することによって、溶接効率を向上させることができる。溶接ポイントである接合部１４の表面が粗面であると端子板を溶接しにくいが、接合部１４の表面を平坦化すると、接合部１４の表面と端子板１６とが密着し、互いに溶接しやすくなる。
【００７９】
本実施形態においては、第１電極板１０の表面において、粗面化部位２４（接合部１４以外の部分）を粗面化することによって、粗面化部位２４の実質的な表面積が、粗面化しない場合に比べて大きくなる。従って、粗面化部位２４の粗面化によって、スポット溶接時に発生したジュール熱を、第１電極板１０の表面（粗面化部位２４）から放熱させる効果を向上させることができる。その結果、熱伝導による素子本体４の熱劣化を防止することができる。
【００８０】
本実施形態においては、ポリマーＰＴＣ素子２と、保護回路３０と、２次電池セル３２とを有する電池保護システム１（図１）では、過剰な電流が流れた場合でも、電池を有効に保護することができる。
【００８１】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。
【００８２】
例えば、図６に示すように、ポリマーＰＴＣ素子２において、クラッド板１８のニッケル層２０が、素子本体４の第２面８に直接接合されても良い。すなわち、図６に示すポリマーＰＴＣ素子２においては、クラッド板１８が第２電極板の機能を兼ね備えるため、第２電極板が不要となる。この場合においても、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８３】
また、図７に示すように、素子本体４（導電性ポリマー単独から成るポリマー層）の表裏面に、金属箔６０が形成されていてもよい。この素子本体４は、例えば、シート状のポリマー層の両面に金属箔６０を熱プレスした後に、これを所定の寸法に打ち抜くことによって形成することができる。第１電極板１０およびクラッド板１８のニッケル層２０と、金属箔６０とは、はんだ層６２を介して接合されている。この場合においても、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。金属箔６０の厚みは、第１電極板１０およびクラッド板１８の厚みよりも薄く、一般的には、２５〜３０μｍ程度である。
【００８４】
また、図２に示す粗面化部位２４を粗面化する方法としては、前述の方法の他に、めっき法等が挙げられる。
【００８５】
また、本発明に係るポリマーＰＴＣ素子２は、過電流保護素子としてのみならず、自己制御型発熱体、温度センサー、限流素子、過電流保護素子等としても使用される。
【００８６】
また、本発明では、ポリマーＰＴＣ素子２の製造方法は、特に限定されない。たとえば上述した実施形態のように、素子本体４、第１電極板１０、第２電極板１２を、それぞれ単独の状態で互いに接合することなく、以下のようにしてポリマーＰＴＣ素子２を製造しても良い。すなわち、切断後に素子本体４を構成するシート状素子本体と、切断後に第１電極板１０および第２電極板をそれぞれ構成することになる一対のシート状電極とを、熱圧着した後に、不要部分をプレスで打ち抜くことによって個別のポリマーＰＴＣ素子２を形成しても良い。その場合には、ポリマーＰＴＣ素子２を構成する部品の集合体同士を、一度に接合することによって、ポリマーＰＴＣ素子２の製造工程の効率を向上することできる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子、２次電池、および保護回路の接続関係を示す概略図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子の概略断面図である。
【図３】図３は、図２に示す接合部、およびその近傍における第１電極板の表面（粗面化部位）の拡大概略図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子を、図２のＩＶ方向に見た外観図であって、電極板、接合部、および端子板の位置関係を示す概略図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子を、図４のＶ方向に見た断面概略図であって、ポリマーＰＴＣ素子の製造工程における電極板の接合部、端子板、およびスポット溶接用電極棒の位置関係を示す概略図である。
【図６】図６は、本発明の別の実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子の概略断面図である。
【図７】図７は、本発明の別の実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子の概略断面図である。
【符号の説明】
【００８８】
１… 電池保護システム
２… ポリマーＰＴＣ素子
３… 保護膜
４… 素子本体
１０… 第１電極板
１２… 第２電極板
１４… 接合部
１６… 端子板
１８… クラッド板
３０… 保護回路
２４… 粗面化部位
３２… ２次電池セル
３４… 電極端子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の温度領域において温度上昇に伴い抵抗値が増加する素子本体と、
前記素子本体の表裏面に接合された２つの電極板と、を有するＰＴＣ素子であって、
前記電極板のうち少なくとも一方が、該電極板と前記素子本体とが重複する一部分において、所定回路と接続するための端子板との接合部を有し、
前記接合部が該電極板の表面から突出し、
突出した前記接合部の表面が平坦化されていることを特徴とするＰＴＣ素子。
【請求項２】
前記素子本体が、正の温度係数を持つ導電性ポリマーである請求項１に記載のＰＴＣ素子。
【請求項３】
前記接合部を有する前記電極板の表面において、前記接合部以外の部分が粗面化されていることを特徴とする請求項１または２に記載のＰＴＣ素子。
【請求項４】
２つの前記電極板のうち、前記接合部を有する前記電極板とは別の電極板に、クラッド板が接合されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＰＴＣ素子。
【請求項５】
前記端子板が、Ｎｉを主として含むＮｉ端子板で構成される請求項１〜４のいずれかに記載のＰＴＣ素子。
【請求項６】
前記素子本体の表面のうち外部に露出した面上に、保護膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のＰＴＣ素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載のＰＴＣ素子と、
前記ＰＴＣ素子の有する電極板の一方に電気的に接続される保護回路と、
前記ＰＴＣ素子の有する電極板のうち前記保護回路に接続されていないもう一方の電極板に電気的に接続される電池とを有する電池保護システム。
【請求項１】
所定の温度領域において温度上昇に伴い抵抗値が増加する素子本体と、
前記素子本体の表裏面に接合された２つの電極板と、を有するＰＴＣ素子であって、
前記電極板のうち少なくとも一方が、該電極板と前記素子本体とが重複する一部分において、所定回路と接続するための端子板との接合部を有し、
前記接合部が該電極板の表面から突出し、
突出した前記接合部の表面が平坦化されていることを特徴とするＰＴＣ素子。
【請求項２】
前記素子本体が、正の温度係数を持つ導電性ポリマーである請求項１に記載のＰＴＣ素子。
【請求項３】
前記接合部を有する前記電極板の表面において、前記接合部以外の部分が粗面化されていることを特徴とする請求項１または２に記載のＰＴＣ素子。
【請求項４】
２つの前記電極板のうち、前記接合部を有する前記電極板とは別の電極板に、クラッド板が接合されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＰＴＣ素子。
【請求項５】
前記端子板が、Ｎｉを主として含むＮｉ端子板で構成される請求項１〜４のいずれかに記載のＰＴＣ素子。
【請求項６】
前記素子本体の表面のうち外部に露出した面上に、保護膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のＰＴＣ素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載のＰＴＣ素子と、
前記ＰＴＣ素子の有する電極板の一方に電気的に接続される保護回路と、
前記ＰＴＣ素子の有する電極板のうち前記保護回路に接続されていないもう一方の電極板に電気的に接続される電池とを有する電池保護システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００８−５３４８５（Ｐ２００８−５３４８５Ａ）
【公開日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２２８６１８（Ｐ２００６−２２８６１８）
【出願日】平成１８年８月２５日（２００６．８．２５）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月２５日（２００６．８．２５）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
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