ＰＴＣ素子および電池保護システム
【課題】電極板の厚みを薄層化した場合においても、電極板と端子板とを溶接等によって接合する際における素子本体の熱劣化を有効に防止でき、素子本来の機能を有効に発揮しながら、薄型化、軽量化が可能なＰＴＣ素子を提供すること。
【解決手段】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、前記素子本体４の表裏面に接合された一対の第１電極板１０および第２電極板１２と、を有し、前記電極板のうち少なくとも一方の第１電極板１０が、前記素子本体４に対して接合する第１素子接合片１０ａと、前記第１素子接合片１０ａに対して一体に成形してあり、前記第１素子接合片１０ａから素子本体外側に向かって延出する第１端子接合片１０ｂと、を有するＰＴＣ素子。
【解決手段】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、前記素子本体４の表裏面に接合された一対の第１電極板１０および第２電極板１２と、を有し、前記電極板のうち少なくとも一方の第１電極板１０が、前記素子本体４に対して接合する第１素子接合片１０ａと、前記第１素子接合片１０ａに対して一体に成形してあり、前記第１素子接合片１０ａから素子本体外側に向かって延出する第１端子接合片１０ｂと、を有するＰＴＣ素子。
【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。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素子の温度がポリマーの融解温度に達すると、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し、これにより、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することができる。
【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二次電池を過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。二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二次電池を保護する。
【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】
このようなポリマーＰＴＣ素子は、通常、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。そして、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、素子本体に熱圧着した電極板を、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ている。
【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。そのため、ハンダ付け、溶接の際に電極板へ加わる熱が、素子本体に伝導してしまい、素子本体が高温となり、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局所的に不均一となる。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。このように、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、電池の短寿命化などの問題につながる。
【００１０】
したがって、従来のポリマーＰＴＣ素子においては、このようなハンダ付け、溶接の際に電極板へ加わる熱の素子本体への伝導を緩和するために、電極板の厚みを比較的厚くする必要があり、そのため、素子の薄型化、軽量化、および低コスト化の妨げになっていた。
【００１１】
【特許文献１】国際公開第２００４／０２３４９９号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、電極板の厚みを薄層化した場合においても、電極板と端子板とを溶接等によって接合する際における素子本体の熱劣化を有効に防止でき、素子本来の機能を有効に発揮しながら、薄型化、軽量化が可能な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】
【００１３】
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一対の第１および第２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の第１電極板が、前記素子本体に対して接合する第１素子接合片と、前記第１素子接合片に対して一体に成形してあり、前記第１素子接合片から素子本体外側に向かって延出する第１端子接合片と、を有する。
【００１４】
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。
【００１５】
本発明に係るＰＴＣ素子においては、前記第１電極板は、前記素子本体と接合するための第１素子接合片と、スポット溶接などで端子板に対して接合するための第１端子接合片と、を有している。すなわち、前記第１電極板を、端子板にスポット溶接などで接合する際には、前記第１端子接合片に対して、端子板を接合する。そのため、第１端子接合片と端子板とをスポット溶接する際の熱は、素子本体にまで伝わりにくく、素子本体の熱劣化を防止することができる。
【００１６】
本発明のＰＴＣ素子によれば、素子本体の熱劣化を防止することができるため、通常使用時においては、消費電力の低減を図ることができると共に、必要な場合には、電流を遮断して電子機器を保護するという本来の機能を有効に発揮することができる。
【００１７】
本発明のＰＴＣ素子において、好ましくは、前記第１電極板の厚みが、２５〜３００μｍであり、より好ましくは２５〜１５０μｍである。
前記第１電極板は、前記第１素子接合片と、前記第１端子接合片と、を有する構成となっているため、このように第１電極板の厚みを薄層化した場合でも、第１端子接合片と端子板とのスポット溶接の際に発生する熱による、素子本体の熱劣化を有効に防止することができる。その結果、素子本来の機能を有効に発揮しながら、薄型化、軽量化、および低コスト化が可能となる。また、第１電極板の厚みを薄層化することにより、落下などにより、第１電極板と端子板との間の接合部に衝撃が加わったとしても、接合部界面における応力を低減することができ、そのため、接合部界面における剥離を防止することができる。
【００１８】
好ましくは、前記第２電極板は、二種類以上の材質の板材が積層してあるクラッド板で構成してある。
前記第２電極板をクラッド板で構成することにより、前記素子本体を接合した第２電極板を、直接、電池の電極端子に接合することができ、製造工程の効率化やシステム全体としての薄型化・軽量化を実現することができる。特に、前記第２電極板の少なくとも一方の面を、前記素子本体との接合に好適な材質で構成し、さらに、前記第２電極板の他方の面を、電池の電極端子との接合に好適な材質で構成したクラッド板とすることが好ましい。
【００１９】
好ましくは、前記第２電極板は、前記素子本体に対して接合する第２素子接合片と、前記第２素子接合片に対して一体に成形してあり、前記第２素子接合片から素子本体外側に向かって延出する第２端子接合片と、を有する。第２電極板をこのような構成とすることにより、上述した第１電極板と同様の作用効果が得られる。
【００２０】
好ましくは、前記第２電極板の厚みが、３０〜６００μｍであり、より好ましくは、３０〜２００μｍである。
【００２１】
好ましくは、前記第１電極板の前記第１端子接合片と、前記第２電極板の前記第２端子接合片とが、前記素子本体の厚み方向から見た場合に、同一方向に延出している。このような構成を採用することにより、素子全体をコンパクトな形状とすることができる。
【００２２】
好ましくは、前記第１および第２電極板で覆われていない前記素子本体の露出面には、保護膜が形成してある。保護膜は、酸素バリア性を有することが好ましい。保護膜を構成することで、素子本体の劣化を防止することができる。
【００２３】
本発明では、前記素子本体の表裏面には、金属箔が積層してあり、各金属箔に対して、前記第１および第２電極板が接合してあっても良い。
【００２４】
前記第１および第２電極板は、いずれか一方が、保護回路と電気的に接続される構成となっており、他方が、電池と電気的に接続される構成となっていれば良い。本発明においては、前記第１電極板が、保護回路と電気的に接続される構成となっており、他方の前記第２電極板が、電池と電気的に接続される構成となっていることが好ましい。
【００２５】
本発明に係る電池保護システムは、
上記のいずれかに記載のＰＴＣ素子と、
前記ＰＴＣ素子の第１電極板に電気的に接続される保護回路と、
前記ＰＴＣ素子の第２電極板に電気的に接続される電池とを有する。
【００２６】
本発明に係る電池保護システムでは、過剰な電流が流れた場合や、衝撃や圧力が作用したとしても、電池を有効に保護することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、電極板と端子板とを溶接等によって接合する際における素子本体の熱劣化を有効に防止できるため、電極板の厚みを薄層化することができ、その結果、素子本来の機能を有効に発揮しながら、薄型化、軽量化が可能なＰＴＣ素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
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ＰＴＣ素子の使用状態を示す要部断面図、
図２はスポット溶接の詳細を示す要部断面図、
図３は本発明の他の実施形態に係るＰＴＣ素子の断面図、
図４は本発明の他の実施形態に係るＰＴＣ素子の使用状態を示す要部断面図である。
【００２９】
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二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。
【００３０】
図１に示すポリマーＰＴＣ素子２は、携帯電話の電源である二次電池セル３２と、その二次電池セル３２を過電流から保護するための保護回路３０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二次電池セル３２の充電中または放電中に流れた場合、保護回路３０と二次電池セル３２との間の電流を遮断して二次電池セル３２を保護する。
以下では、まず、ポリマーＰＴＣ素子の全体構成について説明する。
【００３１】
図１に示すポリマーＰＴＣ素子２は、正の抵抗温度特性（ＰＴＣ特性）を有する導電性ポリマーで構成してある素子本体４を備えている。この素子本体４は、表裏面（互いに対向する第１面６および第２面８）を有する。第１面６および第２面８には、それぞれ第１電極板１０と、第２電極板１２とが接合されている。その結果、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。なお、第２電極板１２は、図１に示すように、ニッケル層１４とアルミニウム層１６との積層板で構成されたクラッド板となっている。
【００３２】
第１電極板１０は、素子本体４に対して接合する第１素子接合片１０ａと、この第１素子接合片１０ａに対して一体に成形してあり、第１素子接合片１０ａと同一平面上に位置する第１端子接合片１０ｂと、を有する。第１端子接合片１０ｂは、第１素子接合片１０ａから素子本体４の外側に向かって延出する構成となっている。そして、この第１端子接合片１０ｂは、端子板１８と接合され、これによりポリマーＰＴＣ素子２は、保護回路３０と電気的に接続されている。
【００３３】
すなわち、図１に示すように、本実施形態では、素子本体４の厚み方向から見て、素子本体４と重複しない部分に延出した第１端子接合片１０ｂにおいて、端子板１８と接合されている。本実施形態では、第１端子接合片１０ｂと、端子板１８との接合は、スポット溶接により行われる。
【００３４】
この第１端子接合片１０ｂの延出長さ（素子本体４の厚み方向から見た場合における、素子本体４と重ならない部分の長さ）Ｌ１は、製品のサイズに応じて適宜決定すれば良く、好ましくは０．４〜３５ｍｍの範囲、より好ましくは１．５〜５．０ｍｍの範囲である。延出長さＬ１が小さすぎると、第１端子接合片１０ｂと端子板１８とをスポット溶接等により接合する際に発生する熱が、素子本体４に伝導してしまい、素子本体４が熱劣化してしまうおそれがある。一方、延出長さＬ１が大きすぎると、コスト高となると共に、素子全体のコンパクト化の要請に反する。
【００３５】
また、第１端子接合片１０ｂの幅（素子本体４の厚み方向から見た場合における幅）は、第１素子接合片１０ａの幅と同じとしても良いし、あるいは、第１素子接合片１０ａの幅よりも小さいものとしても良い。
【００３６】
本実施形態では、第１電極板１０における第１素子接合片１０ａの素子接合面１０ｃが素子本体４の第１面６に直接に接触しており、素子接合面１０ｃには凹凸が形成してある。また、第１端子接合片１０ｂにおける端子接合面１０ｄは、素子接合面１０ｃよりも平坦面にしてある。
【００３７】
素子接合面１０ｃに形成してある凹凸は、素子本体４との熱圧着を強固にするためのものであり、その形成方法は、特に限定されないが、たとえばメッキ膜形成による粗面化処理が好ましい。メッキ膜形成による粗面化処理により、第１素子接合片１０ａの素子接合面１０ｃには、節瘤状の突起が多数形成できる。この節瘤状の突起は、凹凸差が５〜１５μｍ程度で頭部に対して中間部または基部がくびれている凸部であり、素子本体４と素子接合片１０ａの素子接合面１０ｃとの熱圧着強度を向上させることができる。
【００３８】
なお、素子接合面１０ｃに形成してある凹凸の形成方法としては、メッキ膜形成による粗面化処理以外に、酸による表面処理、エッチング処理、ブラスト処理、切削などの機械加工による粗面化処理、その他の処理が例示される。第１電極板１０における端子接合面１０ｄは、第１電極板１０の片面全面に対して凹凸を形成した後に、プレス加工などにより平坦化処理することにより形成しても良い。あるいは、素子接合面１０ｃ以外の部分をマスクして、素子接合面１０ｃのみに凹凸を形成しても良い。
【００３９】
本実施形態では、第１電極板１０は、ニッケルまたはニッケル合金で構成してあり、保護回路３０と接続されている端子板１８も、第１電極板１０とスポット溶接により接合しやすいニッケル板で構成してある。
【００４０】
第１電極板１０の厚みは、好ましくは２５〜３００μｍであり、より好ましくは２５〜１５０μｍである。本実施形態では、スポット溶接による第１電極板１０と端子板１８との接合を、第１素子接合片１０ａから延出した第１端子接合片１０ｂに対して行うため、スポット溶接により発生する熱を、素子本体４に伝わり難くすることができる。そのため、第１電極板１０の厚みを比較的厚くする方法を採用しなくても、素子本体４の熱劣化を防止することができ、結果として、第１電極板１０の薄層化を図ることができる。
【００４１】
第１電極板１０の厚みが薄すぎると、第１電極板１０自体の強度が低下してしまい、信頼性が低下するおそれがある。一方、厚すぎると、ポリマーＰＴＣ素子２の薄型化、軽量化および低コスト化が困難となり、さらには、落下などにより、第１電極板１０と端子板１８との間の接合部に衝撃が加わった場合に、接合部界面に掛かる応力が大きくなり、接合部界面における剥離が発生し易くなる。
【００４２】
また、端子板１８の厚みは、通常１００〜３００μｍ程度である。
【００４３】
第２電極板１２は、ニッケル層１４とアルミニウム層１６との２種類の板材が積層してあるクラッド板で構成されている。図１に示すように、第２電極板１２は、素子本体４に対して接合する第２素子接合片１２ａと、その第２素子接合片１２ａに対して一体に成形してあり、第２素子接合片１２ａの延長平面上に位置する第２端子接合片１２ｂと、を有する。第２端子接合片１２ｂは、第２素子接合片１２ａから素子本体４の外側に向かって延出する構成となっており、その延出方向は、第１端子接合片１０ｂと同一となっている。
【００４４】
第２電極板１２における第２素子接合片１２ａは、ニッケル層１４ａとアルミニウム層１６ａとから構成され、ニッケル層１４ａの外表面である素子接合面１２ｃには、上記した第１素子接合片１０ａの素子接合面１０ｃと同様な凹凸が形成してある。
【００４５】
また、第２電極板１２における第２端子接合片１２ｂは、ニッケル層１４ｂとアルミニウム層１６ｂとから構成され、アルミニウム層１６ｂと電極端子３４とが接合されることにより、二次電池セル３２と電気的に接続されている。第２端子接合片１２ｂのアルミニウム層１６ｂと、電極端子３４との接合は、スポット溶接により行われる。二次電池セル３２の電極端子３４は、一般的には、アルミニウム材で構成してあり、クラッド板におけるアルミニウム層１６ｂに対して接合されやすい。
【００４６】
第２電極板１２における第２素子接合片１２ａの端子接合面１２ｄには、素子接合面１２ｃに形成してある凹凸が形成されず、平坦面となっていることが好ましい。第２電極板１２において素子接合面１２ｃに凹凸を形成するための方法と、素子接合面１２ｃ以外の端子接合面１２ｄを平坦化する方法は、第１電極板１０において部分的に凹凸面を形成するための方法と同様である。
【００４７】
第２電極板１２の厚みは、特に限定されないが、好ましくは３０〜６００μｍであり、より好ましくは３０〜２００μｍである。また、第２電極板１２におけるニッケル層１４とアルミニウム層１６との厚み比は、好ましくは、（ニッケル層１４：アルミニウム層１６）＝５０：５０〜６７：３３である。第２電極板１２の長さは、特に限定されず、用途に応じて自由に設計される。また、ニッケル層１４は、ニッケル単体の他、ニッケル合金で構成しても良く、同様に、アルミニウム層１６も、アルミニウム単体の他、アルミニウム合金で構成しても良い。
【００４８】
図１に示すように、素子本体４の表面のうち、電極板１０および１２で囲まれていない側面には、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、ＥＶＯＨ（エチレン−ビニルアルコール共重合体）、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）等が例示される。
【００４９】
本実施形態では、第１端子接合片１０ｂが、第１素子接合片１０ａから素子本体４の外側に向かって延出する構成となっているため、素子本体４の露出面に樹脂を塗布して保護膜３を形成する際に、素子本体４の露出面から第１電極板１０の表面（端子板１８が接合される側）へ回り込みもうとする樹脂が、第１端子接合片１０ｂによって妨げられる。すなわち、第１電極板１０の端子板１８との接合面である端子接合面１０ｄに樹脂が塗布されることを防止でき、そのため、第１電極板１０の端子接合面１０ｄに保護膜３が形成されず、保護膜３に起因する段差が生じないため、第１電極板１０と端子板１８とを良好に密着、接合させることができる。
【００５０】
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３〜５ｍｍ×横２〜５ｍｍ×厚さ０．５〜１．０ｍｍ程度である。
【００５１】
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。
【００５２】
素子本体４
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は、重合体として、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂との両方を含んでもよい。
【００５３】
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（図１）を得る。
【００５４】
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、ポリウレタン樹脂およ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３００〜１０，０００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。
【００５５】
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。
【００５６】
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−等のコポリマー、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ー、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ー、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。
【００５７】
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、１０，０００〜５，０００，０００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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
素子本体４には、必要に応じて、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、電極板１０および１２の接合後であっても良い。
【００６３】
第１電極板１０および第２電極板１２の形成および熱圧着
第１電極板１０は、所定厚みのニッケル金属板あるいはニッケル合金板を打ち抜き成型して形成される。また、第２電極板１２を構成するクラッド板は、所定厚みのニッケル金属板あるいはニッケル合金板と、所定厚みのアルミニウム金属板あるいはアルミニウム合金板とを、圧延成形して形成される。第１電極板１０における素子接合面１０ｃと、第２電極板１２における素子接合面１２ｃには、前述した方法により、素子本体４との熱圧着を強固にするための凹凸が形成してある。
【００６４】
次に、素子本体４の表裏面（第１面６および第２面８）それぞれに、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、熱圧着する。熱圧着時の加熱温度は、素子本体４の材質にもよるが、好ましくは、１３０〜１８０℃程度である。また、熱圧着時の圧力は、好ましくは１×１０６〜３×１０６Ｐａ程度である。
【００６５】
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。
【００６６】
保護膜３の形成
次に、素子本体４の表面のうち、電極板１０および１２で囲まれていない露出側面に、必要に応じて保護膜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、たとえば、前述した樹脂を塗布して乾燥させる方法が例示される。
【００６７】
なお、上述したように、本実施形態では、第１端子接合片１０ｂが、第１素子接合片１０ａから素子本体４の外側に向かって延出する構成となっているため、樹脂を塗布する際に、素子本体４の露出面から第１電極板１０の表面（端子板１８が接合される側）へ回り込みもうとする樹脂が、第１端子接合片１０ｂによって妨げられる。そのため、保護膜３は、第１端子接合片１０ｂ側の側面においては、保護膜３は、図１に示すように、第１端子接合片１０ｂと、第２端子接合片１２と、に挟まれた状態で形成される。
このようにして、図１に示すように、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
ポリマーＰＴＣ素子２は、図１に示すように、二次電池セル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、素子２における第２電極板１２の端子接合片１２ｂのアルミニウム層１６ｂ側を、二次電池セル３２の電極端子３４と接触させてスポット溶接する。素子２と二次電池セル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、素子２と二次電池セル３２との間に配置させる。
【００６９】
次いで、第１電極板１０の第１端子接合片１０ｂに対して、保護回路３０に接続してある端子板１８をスポット溶接により接合する。スポット溶接に際しては、図２に示すように、第１電極板１０の素子本体４側に、支持板５２を差し込んだ状態で、一対の電極棒５０を、端子板１８の表面から押し付けて、一対の電極棒５０間に電流を流し、端子板１８と第１端子接合片１０ｂとのスポット溶接を行う。なお、第１端子接合片１０ｂと端子板１８との接合は、第１端子接合片１２ｂと電極端子３４との接合よりも前に行っても良い。
【００７０】
本実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子２では、第１電極板１０に対して、端子板１８をスポット溶接などで接合する際には、第１素子接合片１０ａから、素子本体４の外側に向かって延出した第１端子接合片１０ｂに対して端子板１８を接合する。そのため、第１端子接合片１０ｂと端子板１８とをスポット溶接する際の熱は、素子本体４にまで伝わり難く、素子本体４の熱劣化を防止することができる。
【００７１】
さらに、本実施形態では、スポット溶接により発生する熱を、素子本体４に伝わり難くすることができることにより、素子本体４の熱劣化を防止するために、第１電極板１０の厚みを比較的厚くする方法を採用する必要がないため、結果として、第１電極板１０の薄層化を図ることができる。そして、第１電極板１０の薄層化が可能となることにより、素子本来の機能を有効に発揮しながら、薄型化、軽量化、低コスト化が可能となる。
【００７２】
すなわち、本実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子２は、薄型化、軽量化、低コスト化を実現しながら、通常使用時においては、消費電力の低減を図ることができると共に、必要な場合には、電流を遮断して二次電池セル３２を保護するという本来の機能を有効に発揮することができる。
【００７３】
しかも、第１電極板１０の厚みを薄層化することにより、落下などにより、第１電極板１０と端子板１８との間の接合部に衝撃が加わったとしても、接合部界面における応力を低減することができ、そのため、接合部界面における剥離を防止することができる。
【００７４】
また、本実施形態では、第２電極板１２をニッケル層１４とアルミニウム層１６とからなるクラッド板で構成しているため、素子本体４を接合した第２電極板１２を、アルミニウム層１６を介して、直接、二次電池３２の電極端子３４に接合することができ、製造工程の効率化やシステム全体としての薄型化・軽量化を実現することができる。
【００７５】
さらに、第１電極板１０の第１端子接合片１０ｂと、第２電極板１２の第２端子接合片１２ｂとが、素子本体４の厚み方向から見た場合に、同一方向に延出させることにより、素子２全体をコンパクトな形状とすることができる。
【００７６】
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。
たとえば、図３に示すように、本発明では、素子本体４の表裏面には、ニッケルなどの金属箔６０が積層してあり、各金属箔６０に対して、第１電極板１０および第２電極板１２が、ハンダ層６２を介して接合してあっても良い。金属箔６０は、ニッケルなどの金属または合金で構成してあり、シート状の素子本体４の両面に金属箔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、素子本体４と一体化することができる。金属箔６０の厚みは、電極板１０および１２の厚みよりも薄く、一般的には、２５〜３０μｍである。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。
【００７７】
また、図４に示すように、第１電極板１００の第１端子接合片１００ｂの延出方向と、第２電極板１２の第２端子接合片１２ｂの延出方向と、が素子本体４を挟んで、それぞれ反対側に延出するような構成となっていても良い。また、同様に、図４において、第１電極板１００の第１端子接合片１００ｂの延出方向が、第２電極板１２の第２端子接合片１２ｂの延出方向に垂直な方向（すなわち、紙面と垂直な方向）となっていても良い。
【００７８】
また、上述した実施形態では、第２電極板１２をニッケル層１４およびアルミニウム層１６からなるクラッド板としたが、各層１４，１６は、ニッケル、アルミニウム以外の材料で構成しても良い。
さらに、第２電極板１２をクラッド板とせずに、たとえば、ニッケルからなる単板としても良い。この場合には、ニッケルからなる単板（第２電極板１２に相当）を、ニッケル層およびアルミニウム層からなる別のクラッド板を介して、二次電池セル３２の電極端子３４に接続すれば良い。
【００７９】
また、本発明に係るポリマーＰＴＣ素子２は、二次電池セル３２の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ことが可能である。
【００８０】
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１２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】
【００８１】
【図１】図１は本発明の一実施形態に係るＰＴＣ素子の使用状態を示す要部断面図である。
【図２】図２はスポット溶接の詳細を示す要部断面図である。
【図３】図３は本発明の他の実施形態に係るＰＴＣ素子の断面図である。
【図４】図４は本発明の他の実施形態に係るＰＴＣ素子の使用状態を示す要部断面図である。
【符号の説明】
【００８２】
２… ポリマーＰＴＣ素子
３… 保護膜
４… 素子本体
１０… 第１電極板
１０ａ… 第１素子接合片
１０ｂ… 第１端子接合片
１０ｃ… 素子接合面
１０ｄ… 端子接合面
１２… 第２電極板
１２ａ… 第２素子接合片
１２ｂ… 第２端子接合片
１２ｃ… 素子接合面
１２ｄ… 端子接合面
１４… ニッケル層
１６… アルミニウム層
１８… 端子板
３０… 保護回路
３２… 二次電池セル
３４… 電極端子
５０… 電極棒
６０… 金属箔
６２… ハンダ層
【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。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素子の温度がポリマーの融解温度に達すると、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し、これにより、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することができる。
【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二次電池を過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。二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二次電池を保護する。
【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】
このようなポリマーＰＴＣ素子は、通常、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。そして、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、素子本体に熱圧着した電極板を、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ている。
【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。そのため、ハンダ付け、溶接の際に電極板へ加わる熱が、素子本体に伝導してしまい、素子本体が高温となり、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局所的に不均一となる。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。このように、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、電池の短寿命化などの問題につながる。
【００１０】
したがって、従来のポリマーＰＴＣ素子においては、このようなハンダ付け、溶接の際に電極板へ加わる熱の素子本体への伝導を緩和するために、電極板の厚みを比較的厚くする必要があり、そのため、素子の薄型化、軽量化、および低コスト化の妨げになっていた。
【００１１】
【特許文献１】国際公開第２００４／０２３４９９号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、電極板の厚みを薄層化した場合においても、電極板と端子板とを溶接等によって接合する際における素子本体の熱劣化を有効に防止でき、素子本来の機能を有効に発揮しながら、薄型化、軽量化が可能な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】
【００１３】
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一対の第１および第２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の第１電極板が、前記素子本体に対して接合する第１素子接合片と、前記第１素子接合片に対して一体に成形してあり、前記第１素子接合片から素子本体外側に向かって延出する第１端子接合片と、を有する。
【００１４】
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。
【００１５】
本発明に係るＰＴＣ素子においては、前記第１電極板は、前記素子本体と接合するための第１素子接合片と、スポット溶接などで端子板に対して接合するための第１端子接合片と、を有している。すなわち、前記第１電極板を、端子板にスポット溶接などで接合する際には、前記第１端子接合片に対して、端子板を接合する。そのため、第１端子接合片と端子板とをスポット溶接する際の熱は、素子本体にまで伝わりにくく、素子本体の熱劣化を防止することができる。
【００１６】
本発明のＰＴＣ素子によれば、素子本体の熱劣化を防止することができるため、通常使用時においては、消費電力の低減を図ることができると共に、必要な場合には、電流を遮断して電子機器を保護するという本来の機能を有効に発揮することができる。
【００１７】
本発明のＰＴＣ素子において、好ましくは、前記第１電極板の厚みが、２５〜３００μｍであり、より好ましくは２５〜１５０μｍである。
前記第１電極板は、前記第１素子接合片と、前記第１端子接合片と、を有する構成となっているため、このように第１電極板の厚みを薄層化した場合でも、第１端子接合片と端子板とのスポット溶接の際に発生する熱による、素子本体の熱劣化を有効に防止することができる。その結果、素子本来の機能を有効に発揮しながら、薄型化、軽量化、および低コスト化が可能となる。また、第１電極板の厚みを薄層化することにより、落下などにより、第１電極板と端子板との間の接合部に衝撃が加わったとしても、接合部界面における応力を低減することができ、そのため、接合部界面における剥離を防止することができる。
【００１８】
好ましくは、前記第２電極板は、二種類以上の材質の板材が積層してあるクラッド板で構成してある。
前記第２電極板をクラッド板で構成することにより、前記素子本体を接合した第２電極板を、直接、電池の電極端子に接合することができ、製造工程の効率化やシステム全体としての薄型化・軽量化を実現することができる。特に、前記第２電極板の少なくとも一方の面を、前記素子本体との接合に好適な材質で構成し、さらに、前記第２電極板の他方の面を、電池の電極端子との接合に好適な材質で構成したクラッド板とすることが好ましい。
【００１９】
好ましくは、前記第２電極板は、前記素子本体に対して接合する第２素子接合片と、前記第２素子接合片に対して一体に成形してあり、前記第２素子接合片から素子本体外側に向かって延出する第２端子接合片と、を有する。第２電極板をこのような構成とすることにより、上述した第１電極板と同様の作用効果が得られる。
【００２０】
好ましくは、前記第２電極板の厚みが、３０〜６００μｍであり、より好ましくは、３０〜２００μｍである。
【００２１】
好ましくは、前記第１電極板の前記第１端子接合片と、前記第２電極板の前記第２端子接合片とが、前記素子本体の厚み方向から見た場合に、同一方向に延出している。このような構成を採用することにより、素子全体をコンパクトな形状とすることができる。
【００２２】
好ましくは、前記第１および第２電極板で覆われていない前記素子本体の露出面には、保護膜が形成してある。保護膜は、酸素バリア性を有することが好ましい。保護膜を構成することで、素子本体の劣化を防止することができる。
【００２３】
本発明では、前記素子本体の表裏面には、金属箔が積層してあり、各金属箔に対して、前記第１および第２電極板が接合してあっても良い。
【００２４】
前記第１および第２電極板は、いずれか一方が、保護回路と電気的に接続される構成となっており、他方が、電池と電気的に接続される構成となっていれば良い。本発明においては、前記第１電極板が、保護回路と電気的に接続される構成となっており、他方の前記第２電極板が、電池と電気的に接続される構成となっていることが好ましい。
【００２５】
本発明に係る電池保護システムは、
上記のいずれかに記載のＰＴＣ素子と、
前記ＰＴＣ素子の第１電極板に電気的に接続される保護回路と、
前記ＰＴＣ素子の第２電極板に電気的に接続される電池とを有する。
【００２６】
本発明に係る電池保護システムでは、過剰な電流が流れた場合や、衝撃や圧力が作用したとしても、電池を有効に保護することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、電極板と端子板とを溶接等によって接合する際における素子本体の熱劣化を有効に防止できるため、電極板の厚みを薄層化することができ、その結果、素子本来の機能を有効に発揮しながら、薄型化、軽量化が可能なＰＴＣ素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
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ＰＴＣ素子の使用状態を示す要部断面図、
図２はスポット溶接の詳細を示す要部断面図、
図３は本発明の他の実施形態に係るＰＴＣ素子の断面図、
図４は本発明の他の実施形態に係るＰＴＣ素子の使用状態を示す要部断面図である。
【００２９】
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二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。
【００３０】
図１に示すポリマーＰＴＣ素子２は、携帯電話の電源である二次電池セル３２と、その二次電池セル３２を過電流から保護するための保護回路３０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二次電池セル３２の充電中または放電中に流れた場合、保護回路３０と二次電池セル３２との間の電流を遮断して二次電池セル３２を保護する。
以下では、まず、ポリマーＰＴＣ素子の全体構成について説明する。
【００３１】
図１に示すポリマーＰＴＣ素子２は、正の抵抗温度特性（ＰＴＣ特性）を有する導電性ポリマーで構成してある素子本体４を備えている。この素子本体４は、表裏面（互いに対向する第１面６および第２面８）を有する。第１面６および第２面８には、それぞれ第１電極板１０と、第２電極板１２とが接合されている。その結果、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。なお、第２電極板１２は、図１に示すように、ニッケル層１４とアルミニウム層１６との積層板で構成されたクラッド板となっている。
【００３２】
第１電極板１０は、素子本体４に対して接合する第１素子接合片１０ａと、この第１素子接合片１０ａに対して一体に成形してあり、第１素子接合片１０ａと同一平面上に位置する第１端子接合片１０ｂと、を有する。第１端子接合片１０ｂは、第１素子接合片１０ａから素子本体４の外側に向かって延出する構成となっている。そして、この第１端子接合片１０ｂは、端子板１８と接合され、これによりポリマーＰＴＣ素子２は、保護回路３０と電気的に接続されている。
【００３３】
すなわち、図１に示すように、本実施形態では、素子本体４の厚み方向から見て、素子本体４と重複しない部分に延出した第１端子接合片１０ｂにおいて、端子板１８と接合されている。本実施形態では、第１端子接合片１０ｂと、端子板１８との接合は、スポット溶接により行われる。
【００３４】
この第１端子接合片１０ｂの延出長さ（素子本体４の厚み方向から見た場合における、素子本体４と重ならない部分の長さ）Ｌ１は、製品のサイズに応じて適宜決定すれば良く、好ましくは０．４〜３５ｍｍの範囲、より好ましくは１．５〜５．０ｍｍの範囲である。延出長さＬ１が小さすぎると、第１端子接合片１０ｂと端子板１８とをスポット溶接等により接合する際に発生する熱が、素子本体４に伝導してしまい、素子本体４が熱劣化してしまうおそれがある。一方、延出長さＬ１が大きすぎると、コスト高となると共に、素子全体のコンパクト化の要請に反する。
【００３５】
また、第１端子接合片１０ｂの幅（素子本体４の厚み方向から見た場合における幅）は、第１素子接合片１０ａの幅と同じとしても良いし、あるいは、第１素子接合片１０ａの幅よりも小さいものとしても良い。
【００３６】
本実施形態では、第１電極板１０における第１素子接合片１０ａの素子接合面１０ｃが素子本体４の第１面６に直接に接触しており、素子接合面１０ｃには凹凸が形成してある。また、第１端子接合片１０ｂにおける端子接合面１０ｄは、素子接合面１０ｃよりも平坦面にしてある。
【００３７】
素子接合面１０ｃに形成してある凹凸は、素子本体４との熱圧着を強固にするためのものであり、その形成方法は、特に限定されないが、たとえばメッキ膜形成による粗面化処理が好ましい。メッキ膜形成による粗面化処理により、第１素子接合片１０ａの素子接合面１０ｃには、節瘤状の突起が多数形成できる。この節瘤状の突起は、凹凸差が５〜１５μｍ程度で頭部に対して中間部または基部がくびれている凸部であり、素子本体４と素子接合片１０ａの素子接合面１０ｃとの熱圧着強度を向上させることができる。
【００３８】
なお、素子接合面１０ｃに形成してある凹凸の形成方法としては、メッキ膜形成による粗面化処理以外に、酸による表面処理、エッチング処理、ブラスト処理、切削などの機械加工による粗面化処理、その他の処理が例示される。第１電極板１０における端子接合面１０ｄは、第１電極板１０の片面全面に対して凹凸を形成した後に、プレス加工などにより平坦化処理することにより形成しても良い。あるいは、素子接合面１０ｃ以外の部分をマスクして、素子接合面１０ｃのみに凹凸を形成しても良い。
【００３９】
本実施形態では、第１電極板１０は、ニッケルまたはニッケル合金で構成してあり、保護回路３０と接続されている端子板１８も、第１電極板１０とスポット溶接により接合しやすいニッケル板で構成してある。
【００４０】
第１電極板１０の厚みは、好ましくは２５〜３００μｍであり、より好ましくは２５〜１５０μｍである。本実施形態では、スポット溶接による第１電極板１０と端子板１８との接合を、第１素子接合片１０ａから延出した第１端子接合片１０ｂに対して行うため、スポット溶接により発生する熱を、素子本体４に伝わり難くすることができる。そのため、第１電極板１０の厚みを比較的厚くする方法を採用しなくても、素子本体４の熱劣化を防止することができ、結果として、第１電極板１０の薄層化を図ることができる。
【００４１】
第１電極板１０の厚みが薄すぎると、第１電極板１０自体の強度が低下してしまい、信頼性が低下するおそれがある。一方、厚すぎると、ポリマーＰＴＣ素子２の薄型化、軽量化および低コスト化が困難となり、さらには、落下などにより、第１電極板１０と端子板１８との間の接合部に衝撃が加わった場合に、接合部界面に掛かる応力が大きくなり、接合部界面における剥離が発生し易くなる。
【００４２】
また、端子板１８の厚みは、通常１００〜３００μｍ程度である。
【００４３】
第２電極板１２は、ニッケル層１４とアルミニウム層１６との２種類の板材が積層してあるクラッド板で構成されている。図１に示すように、第２電極板１２は、素子本体４に対して接合する第２素子接合片１２ａと、その第２素子接合片１２ａに対して一体に成形してあり、第２素子接合片１２ａの延長平面上に位置する第２端子接合片１２ｂと、を有する。第２端子接合片１２ｂは、第２素子接合片１２ａから素子本体４の外側に向かって延出する構成となっており、その延出方向は、第１端子接合片１０ｂと同一となっている。
【００４４】
第２電極板１２における第２素子接合片１２ａは、ニッケル層１４ａとアルミニウム層１６ａとから構成され、ニッケル層１４ａの外表面である素子接合面１２ｃには、上記した第１素子接合片１０ａの素子接合面１０ｃと同様な凹凸が形成してある。
【００４５】
また、第２電極板１２における第２端子接合片１２ｂは、ニッケル層１４ｂとアルミニウム層１６ｂとから構成され、アルミニウム層１６ｂと電極端子３４とが接合されることにより、二次電池セル３２と電気的に接続されている。第２端子接合片１２ｂのアルミニウム層１６ｂと、電極端子３４との接合は、スポット溶接により行われる。二次電池セル３２の電極端子３４は、一般的には、アルミニウム材で構成してあり、クラッド板におけるアルミニウム層１６ｂに対して接合されやすい。
【００４６】
第２電極板１２における第２素子接合片１２ａの端子接合面１２ｄには、素子接合面１２ｃに形成してある凹凸が形成されず、平坦面となっていることが好ましい。第２電極板１２において素子接合面１２ｃに凹凸を形成するための方法と、素子接合面１２ｃ以外の端子接合面１２ｄを平坦化する方法は、第１電極板１０において部分的に凹凸面を形成するための方法と同様である。
【００４７】
第２電極板１２の厚みは、特に限定されないが、好ましくは３０〜６００μｍであり、より好ましくは３０〜２００μｍである。また、第２電極板１２におけるニッケル層１４とアルミニウム層１６との厚み比は、好ましくは、（ニッケル層１４：アルミニウム層１６）＝５０：５０〜６７：３３である。第２電極板１２の長さは、特に限定されず、用途に応じて自由に設計される。また、ニッケル層１４は、ニッケル単体の他、ニッケル合金で構成しても良く、同様に、アルミニウム層１６も、アルミニウム単体の他、アルミニウム合金で構成しても良い。
【００４８】
図１に示すように、素子本体４の表面のうち、電極板１０および１２で囲まれていない側面には、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、ＥＶＯＨ（エチレン−ビニルアルコール共重合体）、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）等が例示される。
【００４９】
本実施形態では、第１端子接合片１０ｂが、第１素子接合片１０ａから素子本体４の外側に向かって延出する構成となっているため、素子本体４の露出面に樹脂を塗布して保護膜３を形成する際に、素子本体４の露出面から第１電極板１０の表面（端子板１８が接合される側）へ回り込みもうとする樹脂が、第１端子接合片１０ｂによって妨げられる。すなわち、第１電極板１０の端子板１８との接合面である端子接合面１０ｄに樹脂が塗布されることを防止でき、そのため、第１電極板１０の端子接合面１０ｄに保護膜３が形成されず、保護膜３に起因する段差が生じないため、第１電極板１０と端子板１８とを良好に密着、接合させることができる。
【００５０】
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３〜５ｍｍ×横２〜５ｍｍ×厚さ０．５〜１．０ｍｍ程度である。
【００５１】
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。
【００５２】
素子本体４
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は、重合体として、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂との両方を含んでもよい。
【００５３】
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（図１）を得る。
【００５４】
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、ポリウレタン樹脂およ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３００〜１０，０００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。
【００５５】
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。
【００５６】
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−等のコポリマー、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ー、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ー、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。
【００５７】
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、１０，０００〜５，０００，０００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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
素子本体４には、必要に応じて、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、電極板１０および１２の接合後であっても良い。
【００６３】
第１電極板１０および第２電極板１２の形成および熱圧着
第１電極板１０は、所定厚みのニッケル金属板あるいはニッケル合金板を打ち抜き成型して形成される。また、第２電極板１２を構成するクラッド板は、所定厚みのニッケル金属板あるいはニッケル合金板と、所定厚みのアルミニウム金属板あるいはアルミニウム合金板とを、圧延成形して形成される。第１電極板１０における素子接合面１０ｃと、第２電極板１２における素子接合面１２ｃには、前述した方法により、素子本体４との熱圧着を強固にするための凹凸が形成してある。
【００６４】
次に、素子本体４の表裏面（第１面６および第２面８）それぞれに、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、熱圧着する。熱圧着時の加熱温度は、素子本体４の材質にもよるが、好ましくは、１３０〜１８０℃程度である。また、熱圧着時の圧力は、好ましくは１×１０６〜３×１０６Ｐａ程度である。
【００６５】
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。
【００６６】
保護膜３の形成
次に、素子本体４の表面のうち、電極板１０および１２で囲まれていない露出側面に、必要に応じて保護膜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、たとえば、前述した樹脂を塗布して乾燥させる方法が例示される。
【００６７】
なお、上述したように、本実施形態では、第１端子接合片１０ｂが、第１素子接合片１０ａから素子本体４の外側に向かって延出する構成となっているため、樹脂を塗布する際に、素子本体４の露出面から第１電極板１０の表面（端子板１８が接合される側）へ回り込みもうとする樹脂が、第１端子接合片１０ｂによって妨げられる。そのため、保護膜３は、第１端子接合片１０ｂ側の側面においては、保護膜３は、図１に示すように、第１端子接合片１０ｂと、第２端子接合片１２と、に挟まれた状態で形成される。
このようにして、図１に示すように、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
ポリマーＰＴＣ素子２は、図１に示すように、二次電池セル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、素子２における第２電極板１２の端子接合片１２ｂのアルミニウム層１６ｂ側を、二次電池セル３２の電極端子３４と接触させてスポット溶接する。素子２と二次電池セル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、素子２と二次電池セル３２との間に配置させる。
【００６９】
次いで、第１電極板１０の第１端子接合片１０ｂに対して、保護回路３０に接続してある端子板１８をスポット溶接により接合する。スポット溶接に際しては、図２に示すように、第１電極板１０の素子本体４側に、支持板５２を差し込んだ状態で、一対の電極棒５０を、端子板１８の表面から押し付けて、一対の電極棒５０間に電流を流し、端子板１８と第１端子接合片１０ｂとのスポット溶接を行う。なお、第１端子接合片１０ｂと端子板１８との接合は、第１端子接合片１２ｂと電極端子３４との接合よりも前に行っても良い。
【００７０】
本実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子２では、第１電極板１０に対して、端子板１８をスポット溶接などで接合する際には、第１素子接合片１０ａから、素子本体４の外側に向かって延出した第１端子接合片１０ｂに対して端子板１８を接合する。そのため、第１端子接合片１０ｂと端子板１８とをスポット溶接する際の熱は、素子本体４にまで伝わり難く、素子本体４の熱劣化を防止することができる。
【００７１】
さらに、本実施形態では、スポット溶接により発生する熱を、素子本体４に伝わり難くすることができることにより、素子本体４の熱劣化を防止するために、第１電極板１０の厚みを比較的厚くする方法を採用する必要がないため、結果として、第１電極板１０の薄層化を図ることができる。そして、第１電極板１０の薄層化が可能となることにより、素子本来の機能を有効に発揮しながら、薄型化、軽量化、低コスト化が可能となる。
【００７２】
すなわち、本実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子２は、薄型化、軽量化、低コスト化を実現しながら、通常使用時においては、消費電力の低減を図ることができると共に、必要な場合には、電流を遮断して二次電池セル３２を保護するという本来の機能を有効に発揮することができる。
【００７３】
しかも、第１電極板１０の厚みを薄層化することにより、落下などにより、第１電極板１０と端子板１８との間の接合部に衝撃が加わったとしても、接合部界面における応力を低減することができ、そのため、接合部界面における剥離を防止することができる。
【００７４】
また、本実施形態では、第２電極板１２をニッケル層１４とアルミニウム層１６とからなるクラッド板で構成しているため、素子本体４を接合した第２電極板１２を、アルミニウム層１６を介して、直接、二次電池３２の電極端子３４に接合することができ、製造工程の効率化やシステム全体としての薄型化・軽量化を実現することができる。
【００７５】
さらに、第１電極板１０の第１端子接合片１０ｂと、第２電極板１２の第２端子接合片１２ｂとが、素子本体４の厚み方向から見た場合に、同一方向に延出させることにより、素子２全体をコンパクトな形状とすることができる。
【００７６】
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。
たとえば、図３に示すように、本発明では、素子本体４の表裏面には、ニッケルなどの金属箔６０が積層してあり、各金属箔６０に対して、第１電極板１０および第２電極板１２が、ハンダ層６２を介して接合してあっても良い。金属箔６０は、ニッケルなどの金属または合金で構成してあり、シート状の素子本体４の両面に金属箔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、素子本体４と一体化することができる。金属箔６０の厚みは、電極板１０および１２の厚みよりも薄く、一般的には、２５〜３０μｍである。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。
【００７７】
また、図４に示すように、第１電極板１００の第１端子接合片１００ｂの延出方向と、第２電極板１２の第２端子接合片１２ｂの延出方向と、が素子本体４を挟んで、それぞれ反対側に延出するような構成となっていても良い。また、同様に、図４において、第１電極板１００の第１端子接合片１００ｂの延出方向が、第２電極板１２の第２端子接合片１２ｂの延出方向に垂直な方向（すなわち、紙面と垂直な方向）となっていても良い。
【００７８】
また、上述した実施形態では、第２電極板１２をニッケル層１４およびアルミニウム層１６からなるクラッド板としたが、各層１４，１６は、ニッケル、アルミニウム以外の材料で構成しても良い。
さらに、第２電極板１２をクラッド板とせずに、たとえば、ニッケルからなる単板としても良い。この場合には、ニッケルからなる単板（第２電極板１２に相当）を、ニッケル層およびアルミニウム層からなる別のクラッド板を介して、二次電池セル３２の電極端子３４に接続すれば良い。
【００７９】
また、本発明に係るポリマーＰＴＣ素子２は、二次電池セル３２の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ことが可能である。
【００８０】
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１２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】
【００８１】
【図１】図１は本発明の一実施形態に係るＰＴＣ素子の使用状態を示す要部断面図である。
【図２】図２はスポット溶接の詳細を示す要部断面図である。
【図３】図３は本発明の他の実施形態に係るＰＴＣ素子の断面図である。
【図４】図４は本発明の他の実施形態に係るＰＴＣ素子の使用状態を示す要部断面図である。
【符号の説明】
【００８２】
２… ポリマーＰＴＣ素子
３… 保護膜
４… 素子本体
１０… 第１電極板
１０ａ… 第１素子接合片
１０ｂ… 第１端子接合片
１０ｃ… 素子接合面
１０ｄ… 端子接合面
１２… 第２電極板
１２ａ… 第２素子接合片
１２ｂ… 第２端子接合片
１２ｃ… 素子接合面
１２ｄ… 端子接合面
１４… ニッケル層
１６… アルミニウム層
１８… 端子板
３０… 保護回路
３２… 二次電池セル
３４… 電極端子
５０… 電極棒
６０… 金属箔
６２… ハンダ層
【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一対の第１および第２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の第１電極板が、前記素子本体に対して接合する第１素子接合片と、前記第１素子接合片に対して一体に成形してあり、前記第１素子接合片から素子本体外側に向かって延出する第１端子接合片と、を有する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】
前記第１電極板の厚みが、２５〜３００μｍである請求項１または２に記載のＰＴＣ素子。
【請求項４】
前記第２電極板は、二種類以上の材質の板材が積層してあるクラッド板で構成してある請求項１〜３のいずれかに記載のＰＴＣ素子。
【請求項５】
前記第２電極板は、前記素子本体に対して接合する第２素子接合片と、前記第２素子接合片に対して一体に成形してあり、前記第２素子接合片から素子本体外側に向かって延出する第２端子接合片と、を有する請求項１〜４のいずれかに記載のＰＴＣ素子。
【請求項６】
前記第２電極板の厚みが、３０〜６００μｍである請求項１〜５のいずれかに記載のＰＴＣ素子。
【請求項７】
前記第１電極板の前記第１端子接合片と、前記第２電極板の前記第２端子接合片とが、前記素子本体の厚み方向から見た場合に、同一方向に延出している請求項５または６に記載のＰＴＣ素子。
【請求項８】
前記第１および第２電極板で覆われていない前記素子本体の露出面には、保護膜が形成してある請求項１〜７のいずれかに記載のＰＴＣ素子。
【請求項９】
前記素子本体の表裏面には、金属箔が積層してあり、各金属箔に対して、前記第１および第２電極板が接合してある請求項１〜８のいずれかに記載のＰＴＣ素子。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載のＰＴＣ素子と、
前記ＰＴＣ素子の第１電極板に電気的に接続される保護回路と、
前記ＰＴＣ素子の第２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一対の第１および第２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の第１電極板が、前記素子本体に対して接合する第１素子接合片と、前記第１素子接合片に対して一体に成形してあり、前記第１素子接合片から素子本体外側に向かって延出する第１端子接合片と、を有する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】
前記第１電極板の厚みが、２５〜３００μｍである請求項１または２に記載のＰＴＣ素子。
【請求項４】
前記第２電極板は、二種類以上の材質の板材が積層してあるクラッド板で構成してある請求項１〜３のいずれかに記載のＰＴＣ素子。
【請求項５】
前記第２電極板は、前記素子本体に対して接合する第２素子接合片と、前記第２素子接合片に対して一体に成形してあり、前記第２素子接合片から素子本体外側に向かって延出する第２端子接合片と、を有する請求項１〜４のいずれかに記載のＰＴＣ素子。
【請求項６】
前記第２電極板の厚みが、３０〜６００μｍである請求項１〜５のいずれかに記載のＰＴＣ素子。
【請求項７】
前記第１電極板の前記第１端子接合片と、前記第２電極板の前記第２端子接合片とが、前記素子本体の厚み方向から見た場合に、同一方向に延出している請求項５または６に記載のＰＴＣ素子。
【請求項８】
前記第１および第２電極板で覆われていない前記素子本体の露出面には、保護膜が形成してある請求項１〜７のいずれかに記載のＰＴＣ素子。
【請求項９】
前記素子本体の表裏面には、金属箔が積層してあり、各金属箔に対して、前記第１および第２電極板が接合してある請求項１〜８のいずれかに記載のＰＴＣ素子。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載のＰＴＣ素子と、
前記ＰＴＣ素子の第１電極板に電気的に接続される保護回路と、
前記ＰＴＣ素子の第２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２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００８−７１８２８（Ｐ２００８−７１８２８Ａ）
【公開日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２４７１６１（Ｐ２００６−２４７１６１）
【出願日】平成１８年９月１２日（２００６．９．１２）
【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２７日（２００８．３．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月１２日（２００６．９．１２）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
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