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と共に、ＰＴＣ素子に衝撃や圧力が作用したとしても、電極板と端子板との接合が外れることがなく、素子本来の機能を有効に発揮することができる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、素子本体４の表裏面に接合された一対の第１および第２電極板１０，１２と、を有するＰＴＣ素子である。電極板のうち少なくとも一方の第１電極板１０が、素子本体４に対して接合する第１素子接合片１０ａと、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の表面上に折り曲げられて配置された第１端子接合片１０ｂと、を有する。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。
【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、素子本体４の表裏面に接合された一対の第１および第２電極板１０，１２と、を有するＰＴＣ素子である。電極板のうち少なくとも一方の第１電極板１０が、素子本体４に対して接合する第１素子接合片１０ａと、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の表面上に折り曲げられて配置された第１端子接合片１０ｂと、を有する。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。
【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素子の温度がポリマーの融解温度に達すると、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、その電極板を、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。
【００１０】
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。
【００１１】
また、小型機器においては、落下などにより、電極板と端子板との間の接合部に衝撃が加わり、これらの接合が外れるおそれもある。あるいは、小型機器内の電子部品の熱膨張などにより、ポリマーＰＴＣ素子の素子本体に圧力が加わり、過剰電流の遮断機能を阻害するおそれもある。
【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】
【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と共に、ＰＴＣ素子に衝撃や圧力が作用したとしても、電極板と端子板との接合が外れることがなく、素子本来の機能を有効に発揮することができる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素子接合片の表面上に折り曲げられて配置された第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素子では、第１電極板に対して、端子板をスポット溶接などで接合する際に、第１電極板における第１端子接合片に対して端子板を接合する。第１端子接合片は、第１素子接合片の表面上に折り曲げられて配置されている。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】
素子本体の熱劣化を防止することができるため、本発明に係るＰＴＣ素子では、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言う本来の機能を有効に発揮することができる。
【００１７】
また、本発明に係るＰＴＣ素子では、第１端子接合片は、第１素子接合片の表面上に折り曲げられて配置されているので、素子全体としてコンパクトな形状である。
【００１８】
さらに、本発明に係るＰＴＣ素子では、第１端子接合片は、第１素子接合片の表面上に折り曲げられて配置されているので、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、第１電極板における折曲部が衝撃を有効に吸収する。そのため、第１電極板と端子板との間の接合部が外れることはない。
【００１９】
また、小型機器内の電子部品の熱膨張などにより、ポリマーＰＴＣ素子に対して圧力が作用したとしても、第１電極板における折曲部が圧力による変位を有効に吸収し、素子本体に圧力が加わることはなく、過剰電流の遮断機能を有効に発揮することができる。
【００２０】
好ましくは、前記第１電極片が、断面略Ｕ字形を有し、
前記第１端子接合片が、前記第１素子接合片に対して所定隙間で配置してある。なお、本発明において、断面略Ｕ字形とは、断面略Ｖ字形、断面略コ字形状なども含む意味で用いる。
【００２１】
第１端子接合片が、第１素子接合片に対して所定隙間で配置してあることで、第１端子接合片と端子板とをスポット溶接などで接合する際に発生する熱は、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。また、その隙間には、スポット溶接を行うための電極に作用する押圧力を受けるための支持板などを差し込むことも可能であり、溶接時の作業性が向上する。
【００２２】
さらに、第１端子接合片が、第１素子接合片に対して所定隙間で配置してあることで、ＰＴＣ素子に作用する衝撃力や圧力を吸収する作用効果が向上する。
【００２３】
好ましくは、前記第１電極板の厚みが３１〜３２０μｍ、さらに好ましくは５０〜２００μｍである。第１電極板の厚みが薄すぎると、端子板などとの接合部の強度が低下するおそれがあると共に、衝撃や圧力に対する緩衝作用が低下するおそれがある。また、第１電極板の厚みが厚すぎると、第１電極板の折曲に要する作業が煩雑になると共に、素子全体のコンパクト化の要請に反する。
【００２４】
好ましくは、前記第１電極板における前記第１素子接合片の素子接合面が前記素子本体の表面に直接に接触しており、前記素子接合面には凹凸が形成してあり、
前記第１端子接合片における端子接合面は、前記素子接合面よりも平坦面にしてある。
【００２５】
素子接合面に凹凸を形成することで、第１電極板と素子本体との接合強度が向上する。また、端子接合面を平坦面にすることで、スポット溶接などによる端子板と第１電極板との接合強度が向上する。また、第１素子接合片の素子接合面が素子本体の表面に直接に接触することで、ロー付けなどの作業が不要になり、製造コストの低減を図ることもできる。
【００２６】
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素子接合片の延長平面上に位置する第２端子接合片と、を有する。
【００２７】
好ましくは、第２素子接合片の延長平面上に位置する第２端子接合片に対して、二種類以上の材質の板材が積層してあるクラッド板に接合してある。
【００２８】
第２電極板が、電池の電極と異なる材質で構成してある場合に、クラッド板を介在させることで、スポット溶接により、第２端子接合片とクラッド板とを接合し、クラッド板と電池の電極とを接合することが容易になる。
【００２９】
あるいは、前記第２端子接合片自体を、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もよい。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
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は図１に示すＰＴＣ素子の斜視図、
図３はスポット溶接の詳細を示す要部断面図、
図４は本発明の他の実施形態に係るＰＴＣ素子の断面図である。
ポリマーＰＴＣ素子の全体構成
【００３５】
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。
【００３６】
図１に示すポリマー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と二次電池セル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、まず、ポリマーＰＴＣ素子の全体構成について説明する。
【００３７】
図１および図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。
【００３８】
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の表面上に折り曲げられて配置された第１端子接合片１０ｂと、を有する。第１端子接合片１０ａと第１素子接合片１０ｂとは、折曲部１０ｃを介して折り曲げられ、断面略Ｕ字形状に形成してあり、第１端子接合片１０ａと第１素子接合片１０ｂとの間には、所定間隔Ｗ１の隙間１０ｄを形成してある。
【００３９】
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１０ｅ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１０ｅ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１０ｆは、素子接合面１０ｅよりも平坦面にしてある。
【００４０】
素子接合面１０ｅ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１０ｅ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１０ｅとの熱圧着強度を向上させることができる。
【００４１】
なお、素子接合面１０ｅ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１０ｆ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１０ｅ以外の部分をマスクして、素子接合面１０ｅのみに凹凸を形成しても良い。
【００４２】
図２に示すように、第１端子接合片１０ｂは、第１素子接合片１０ａに対して、幅が狭く形成してある。第１端子接合片１０ｂは、図１に示す端子板１６に対してスポット溶接される。端子板１６は、保護回路３０に対して電気的に接続される。
【００４３】
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、端子板１６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。端子板１６の厚みは、通常１００〜３００μｍ程度である。
【００４４】
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電極板１２における第２素子接合片１２ａの素子接合面１２ｃには、素子接合面１０ｅと同様な凹凸が形成してある。
【００４５】
第２電極板１２における第２素子接合片１２ａの素子接合面１２ｃ以外の表面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以外の表面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。
【００４６】
第２電極板１２における第２端子接合片１２ｂは、図２に示すように、第２素子接合片１２ａに対して、幅が狭く形成してある。図１に示すように、ポリマーＰＴＣ素子２は、２次電池セル３２に設置してあるスペーサ３６上に配置され、第２端子接合片１２ｂは、クラッド板１８に対してスポット溶接される。クラッド板１８は、ニッケル層２０とアルミニウム層２２との積層板で構成してある。
【００４７】
クラッド板１８におけるニッケル層２０は、ニッケル金属あるいはニッケル合金で構成してある第２電極板１２における第２端子接合片１２ｂの裏面に接触してスポット溶接などで接合される。また、クラッド板１８におけるアルミニウム層２２は、２次電池セル３２の電極端子３４と接触してスポット溶接などで接合される。２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１８におけるアルミニウム層２２に対して接合されやすい。
【００４８】
クラッド板１８の厚さは、特に限定されないが、通常、１００〜３００μｍ程度である。クラッド板１８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。
【００４９】
第１電極板１０の厚みｔ１は、好ましくは３１〜３２０μｍ、さらに好ましくは５０〜２００μｍである。第１電極板１０の厚みが薄すぎると、端子板１６との接合部の強度が低下するおそれがあると共に、衝撃や圧力に対する緩衝作用が低下するおそれがある。また、第１電極板１０の厚みが厚すぎると、第１電極板１０の折曲に要する作業が煩雑になると共に、素子全体のコンパクト化の要請に反する。なお、第２電極板１２の厚みは、第１電極板１０と同程度である。
【００５０】
第１電極板１０において、第１素子接合片１０ａと第１端子接合片１０ｂとの間の隙間１０ｄの間隔Ｗ１は、特に限定されないが、好ましくは５０〜２００mm、さらに好ましくは１００〜１５０mmである。間隔Ｗ１が狭すぎると、第１端子接合片１０ｂと端子板１６とのスポット溶接時の放熱が不十分になる傾向にあると共に、ポリマーＰＴＣ素子２に作用する衝撃力や圧力を吸収する作用効果が低減される傾向にある。また、間隔Ｗ１が広すぎると、素子全体のコンパクト化の要請に反する。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
ポリマーＰＴＣ素子２の製造方法
【００５３】
次に、ポリマーＰＴＣ素子２の製造方法について説明する。
（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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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ー等のコポリマー、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、ポリアセタール、熱可塑性変性セルロース、ポリスルホン類、ポリメチル（メタ）アクリレート等が挙げられる。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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、高級アルコー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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
（第１金属板１０および第２電極板１２の形成および熱圧着）
【００６５】
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を打ち抜き成型して形成される。第１金属板１０における素子接合面１０ｅと、第２金属板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。
【００６６】
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°Ｃ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。
【００６７】
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。
【００６８】
その後に、第１電極板１０を折曲部１０ｃで折り曲げ、第１端子接合片１０ｂを、第１素子接合片１０ａに対して所定間隔Ｗ１の隙間１０ｄを保ち平行にする。なお、この第１電極板１０の折曲工程は、第１電極板１０を素子本体４に対して熱圧着する前に行っても良い。
【００６９】
（保護膜３の形成）
【００７０】
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、例えば、前述した樹脂を塗布して乾燥させる方法が例示される。
このようにして、図２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。
ポリマーＰＴＣ素子２の組み付け方法
【００７１】
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、素子２における第２金属板１２の端子接合片１２ｂ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。
【００７２】
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。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、素子２と２次電池セル３２との間に配置させる。
【００７３】
次に、あるいは、その前後に、第１金属板１０の端子接合片１０ｂに対して、保護回路３０に接続してある端子板１６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３に示すように、第１電極板１０における隙間１０ｄ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１６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１６と第１端子接合片１０ｂとのスポット溶接を行う。
【００７４】
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１６をスポット溶接などで接合する際に、第１電極板１０における第１端子接合片１０ｂに対して端子板１６を接合する。第１端子接合片１０ｂは、第１素子接合片１０ａの表面上に折り曲げられて配置されている。そのため、第１端子接合片１０ｂと端子板１６とをスポット溶接する際の熱は、素子本体４にまで伝わりにくく、素子本体４の熱劣化を防止することができる。
【００７５】
素子本体４の熱劣化を防止することができるため、本実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子２では、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２次電池セル３２を保護すると言う本来の機能を有効に発揮することができる。
【００７６】
また、本実施形態に係るＰＴＣ素子２では、第１端子接合片１０ｂは、第１素子接合片１０ａの表面上に折り曲げられて配置されているので、素子２の全体としてコンパクトな形状である。
【００７７】
さらに、本実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子２では、第１端子接合片１０ｂは、第１素子接合片１０ａの表面上に折り曲げられて配置されているので、落下などにより、第１電極板１０と端子板１６との間の接合部に衝撃が加わったとしても、第１電極板１０における折曲部１０ｃが衝撃を有効に吸収する。そのため、第１電極板１０と端子板１６との間の接合部が外れることはない。
【００７８】
また、２次電池セル３２の熱膨張などにより、ポリマーＰＴＣ素子２に対して圧力が作用したとしても、第１電極板１０における折曲部１０ｃが圧力による変位を有効に吸収し、素子本体４に圧力が加わることはなく、過剰電流の遮断機能を有効に発揮することができる。
【００７９】
また、第１端子接合片１０ｂが、第１素子接合片１０ａに対して所定隙間で配置してあることで、第１端子接合片１０ｂと端子板１６とをスポット溶接で接合する際に発生する熱は、この隙間から放熱される。その結果、素子本体４への熱伝導が抑制され、素子本体４の熱劣化を防止することができる。また、その隙間１０ｄには、図３に示すように、スポット溶接を行うための電極に作用する押圧力を受けるための支持板５２などを差し込むことも可能であり、溶接時の作業性が向上する。
【００８０】
さらに、第１端子接合片１０ｂが、第１素子接合片１０ａに対して所定隙間Ｗ１で配置してあることで、ＰＴＣ素子２に作用する衝撃力や圧力を吸収する作用効果が向上する。
【００８１】
また、本実施形態に係るポリマー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。
【００８２】
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４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６２が積層してあり、各金属箔６２に対して、第１金属板１０および第２電極板１２が、ハンダ層６０を介して接合してあっても良い。金属箔６２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６２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。
【００８３】
この実施形態においても、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、この実施形態の場合には、第２電極板１２を、クラッド板１８で構成してある。
【００８４】
また、本発明に係るポリマーＰＴＣ素子２は、２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。
【００８５】
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ができる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【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は図１に示すＰＴＣ素子の斜視図である。
【図３】図３はスポット溶接の詳細を示す要部断面図である。
【図４】図４は本発明の他の実施形態に係るＰＴＣ素子の断面図である。
【符号の説明】
【００８７】
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… 折曲部
１０ｄ… 隙間
１０ｅ… 素子接合面
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… 素子接合面以外の表面
１６… 端子板
１８… クラッド板
３０… 保護回路
３２… ２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。特に、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、その電極板を、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。
【００１０】
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。
【００１１】
また、小型機器においては、落下などにより、電極板と端子板との間の接合部に衝撃が加わり、これらの接合が外れるおそれもある。あるいは、小型機器内の電子部品の熱膨張などにより、ポリマーＰＴＣ素子の素子本体に圧力が加わり、過剰電流の遮断機能を阻害するおそれもある。
【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】
【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と共に、ＰＴＣ素子に衝撃や圧力が作用したとしても、電極板と端子板との接合が外れることがなく、素子本来の機能を有効に発揮することができる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素子接合片の表面上に折り曲げられて配置された第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素子では、第１電極板に対して、端子板をスポット溶接などで接合する際に、第１電極板における第１端子接合片に対して端子板を接合する。第１端子接合片は、第１素子接合片の表面上に折り曲げられて配置されている。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】
素子本体の熱劣化を防止することができるため、本発明に係るＰＴＣ素子では、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言う本来の機能を有効に発揮することができる。
【００１７】
また、本発明に係るＰＴＣ素子では、第１端子接合片は、第１素子接合片の表面上に折り曲げられて配置されているので、素子全体としてコンパクトな形状である。
【００１８】
さらに、本発明に係るＰＴＣ素子では、第１端子接合片は、第１素子接合片の表面上に折り曲げられて配置されているので、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、第１電極板における折曲部が衝撃を有効に吸収する。そのため、第１電極板と端子板との間の接合部が外れることはない。
【００１９】
また、小型機器内の電子部品の熱膨張などにより、ポリマーＰＴＣ素子に対して圧力が作用したとしても、第１電極板における折曲部が圧力による変位を有効に吸収し、素子本体に圧力が加わることはなく、過剰電流の遮断機能を有効に発揮することができる。
【００２０】
好ましくは、前記第１電極片が、断面略Ｕ字形を有し、
前記第１端子接合片が、前記第１素子接合片に対して所定隙間で配置してある。なお、本発明において、断面略Ｕ字形とは、断面略Ｖ字形、断面略コ字形状なども含む意味で用いる。
【００２１】
第１端子接合片が、第１素子接合片に対して所定隙間で配置してあることで、第１端子接合片と端子板とをスポット溶接などで接合する際に発生する熱は、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。また、その隙間には、スポット溶接を行うための電極に作用する押圧力を受けるための支持板などを差し込むことも可能であり、溶接時の作業性が向上する。
【００２２】
さらに、第１端子接合片が、第１素子接合片に対して所定隙間で配置してあることで、ＰＴＣ素子に作用する衝撃力や圧力を吸収する作用効果が向上する。
【００２３】
好ましくは、前記第１電極板の厚みが３１〜３２０μｍ、さらに好ましくは５０〜２００μｍである。第１電極板の厚みが薄すぎると、端子板などとの接合部の強度が低下するおそれがあると共に、衝撃や圧力に対する緩衝作用が低下するおそれがある。また、第１電極板の厚みが厚すぎると、第１電極板の折曲に要する作業が煩雑になると共に、素子全体のコンパクト化の要請に反する。
【００２４】
好ましくは、前記第１電極板における前記第１素子接合片の素子接合面が前記素子本体の表面に直接に接触しており、前記素子接合面には凹凸が形成してあり、
前記第１端子接合片における端子接合面は、前記素子接合面よりも平坦面にしてある。
【００２５】
素子接合面に凹凸を形成することで、第１電極板と素子本体との接合強度が向上する。また、端子接合面を平坦面にすることで、スポット溶接などによる端子板と第１電極板との接合強度が向上する。また、第１素子接合片の素子接合面が素子本体の表面に直接に接触することで、ロー付けなどの作業が不要になり、製造コストの低減を図ることもできる。
【００２６】
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素子接合片の延長平面上に位置する第２端子接合片と、を有する。
【００２７】
好ましくは、第２素子接合片の延長平面上に位置する第２端子接合片に対して、二種類以上の材質の板材が積層してあるクラッド板に接合してある。
【００２８】
第２電極板が、電池の電極と異なる材質で構成してある場合に、クラッド板を介在させることで、スポット溶接により、第２端子接合片とクラッド板とを接合し、クラッド板と電池の電極とを接合することが容易になる。
【００２９】
あるいは、前記第２端子接合片自体を、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もよい。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
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は図１に示すＰＴＣ素子の斜視図、
図３はスポット溶接の詳細を示す要部断面図、
図４は本発明の他の実施形態に係るＰＴＣ素子の断面図である。
ポリマーＰＴＣ素子の全体構成
【００３５】
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。
【００３６】
図１に示すポリマー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と二次電池セル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、まず、ポリマーＰＴＣ素子の全体構成について説明する。
【００３７】
図１および図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。
【００３８】
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の表面上に折り曲げられて配置された第１端子接合片１０ｂと、を有する。第１端子接合片１０ａと第１素子接合片１０ｂとは、折曲部１０ｃを介して折り曲げられ、断面略Ｕ字形状に形成してあり、第１端子接合片１０ａと第１素子接合片１０ｂとの間には、所定間隔Ｗ１の隙間１０ｄを形成してある。
【００３９】
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１０ｅ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１０ｅ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１０ｆは、素子接合面１０ｅよりも平坦面にしてある。
【００４０】
素子接合面１０ｅ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１０ｅ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１０ｅとの熱圧着強度を向上させることができる。
【００４１】
なお、素子接合面１０ｅ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１０ｆ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１０ｅ以外の部分をマスクして、素子接合面１０ｅのみに凹凸を形成しても良い。
【００４２】
図２に示すように、第１端子接合片１０ｂは、第１素子接合片１０ａに対して、幅が狭く形成してある。第１端子接合片１０ｂは、図１に示す端子板１６に対してスポット溶接される。端子板１６は、保護回路３０に対して電気的に接続される。
【００４３】
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、端子板１６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。端子板１６の厚みは、通常１００〜３００μｍ程度である。
【００４４】
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電極板１２における第２素子接合片１２ａの素子接合面１２ｃには、素子接合面１０ｅと同様な凹凸が形成してある。
【００４５】
第２電極板１２における第２素子接合片１２ａの素子接合面１２ｃ以外の表面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以外の表面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。
【００４６】
第２電極板１２における第２端子接合片１２ｂは、図２に示すように、第２素子接合片１２ａに対して、幅が狭く形成してある。図１に示すように、ポリマーＰＴＣ素子２は、２次電池セル３２に設置してあるスペーサ３６上に配置され、第２端子接合片１２ｂは、クラッド板１８に対してスポット溶接される。クラッド板１８は、ニッケル層２０とアルミニウム層２２との積層板で構成してある。
【００４７】
クラッド板１８におけるニッケル層２０は、ニッケル金属あるいはニッケル合金で構成してある第２電極板１２における第２端子接合片１２ｂの裏面に接触してスポット溶接などで接合される。また、クラッド板１８におけるアルミニウム層２２は、２次電池セル３２の電極端子３４と接触してスポット溶接などで接合される。２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１８におけるアルミニウム層２２に対して接合されやすい。
【００４８】
クラッド板１８の厚さは、特に限定されないが、通常、１００〜３００μｍ程度である。クラッド板１８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。
【００４９】
第１電極板１０の厚みｔ１は、好ましくは３１〜３２０μｍ、さらに好ましくは５０〜２００μｍである。第１電極板１０の厚みが薄すぎると、端子板１６との接合部の強度が低下するおそれがあると共に、衝撃や圧力に対する緩衝作用が低下するおそれがある。また、第１電極板１０の厚みが厚すぎると、第１電極板１０の折曲に要する作業が煩雑になると共に、素子全体のコンパクト化の要請に反する。なお、第２電極板１２の厚みは、第１電極板１０と同程度である。
【００５０】
第１電極板１０において、第１素子接合片１０ａと第１端子接合片１０ｂとの間の隙間１０ｄの間隔Ｗ１は、特に限定されないが、好ましくは５０〜２００mm、さらに好ましくは１００〜１５０mmである。間隔Ｗ１が狭すぎると、第１端子接合片１０ｂと端子板１６とのスポット溶接時の放熱が不十分になる傾向にあると共に、ポリマーＰＴＣ素子２に作用する衝撃力や圧力を吸収する作用効果が低減される傾向にある。また、間隔Ｗ１が広すぎると、素子全体のコンパクト化の要請に反する。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
ポリマーＰＴＣ素子２の製造方法
【００５３】
次に、ポリマーＰＴＣ素子２の製造方法について説明する。
（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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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ー等のコポリマー、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、ポリアセタール、熱可塑性変性セルロース、ポリスルホン類、ポリメチル（メタ）アクリレート等が挙げられる。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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、高級アルコー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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
（第１金属板１０および第２電極板１２の形成および熱圧着）
【００６５】
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を打ち抜き成型して形成される。第１金属板１０における素子接合面１０ｅと、第２金属板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。
【００６６】
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°Ｃ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。
【００６７】
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。
【００６８】
その後に、第１電極板１０を折曲部１０ｃで折り曲げ、第１端子接合片１０ｂを、第１素子接合片１０ａに対して所定間隔Ｗ１の隙間１０ｄを保ち平行にする。なお、この第１電極板１０の折曲工程は、第１電極板１０を素子本体４に対して熱圧着する前に行っても良い。
【００６９】
（保護膜３の形成）
【００７０】
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、例えば、前述した樹脂を塗布して乾燥させる方法が例示される。
このようにして、図２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。
ポリマーＰＴＣ素子２の組み付け方法
【００７１】
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、素子２における第２金属板１２の端子接合片１２ｂ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。
【００７２】
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。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、素子２と２次電池セル３２との間に配置させる。
【００７３】
次に、あるいは、その前後に、第１金属板１０の端子接合片１０ｂに対して、保護回路３０に接続してある端子板１６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３に示すように、第１電極板１０における隙間１０ｄ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１６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１６と第１端子接合片１０ｂとのスポット溶接を行う。
【００７４】
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１６をスポット溶接などで接合する際に、第１電極板１０における第１端子接合片１０ｂに対して端子板１６を接合する。第１端子接合片１０ｂは、第１素子接合片１０ａの表面上に折り曲げられて配置されている。そのため、第１端子接合片１０ｂと端子板１６とをスポット溶接する際の熱は、素子本体４にまで伝わりにくく、素子本体４の熱劣化を防止することができる。
【００７５】
素子本体４の熱劣化を防止することができるため、本実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子２では、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２次電池セル３２を保護すると言う本来の機能を有効に発揮することができる。
【００７６】
また、本実施形態に係るＰＴＣ素子２では、第１端子接合片１０ｂは、第１素子接合片１０ａの表面上に折り曲げられて配置されているので、素子２の全体としてコンパクトな形状である。
【００７７】
さらに、本実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子２では、第１端子接合片１０ｂは、第１素子接合片１０ａの表面上に折り曲げられて配置されているので、落下などにより、第１電極板１０と端子板１６との間の接合部に衝撃が加わったとしても、第１電極板１０における折曲部１０ｃが衝撃を有効に吸収する。そのため、第１電極板１０と端子板１６との間の接合部が外れることはない。
【００７８】
また、２次電池セル３２の熱膨張などにより、ポリマーＰＴＣ素子２に対して圧力が作用したとしても、第１電極板１０における折曲部１０ｃが圧力による変位を有効に吸収し、素子本体４に圧力が加わることはなく、過剰電流の遮断機能を有効に発揮することができる。
【００７９】
また、第１端子接合片１０ｂが、第１素子接合片１０ａに対して所定隙間で配置してあることで、第１端子接合片１０ｂと端子板１６とをスポット溶接で接合する際に発生する熱は、この隙間から放熱される。その結果、素子本体４への熱伝導が抑制され、素子本体４の熱劣化を防止することができる。また、その隙間１０ｄには、図３に示すように、スポット溶接を行うための電極に作用する押圧力を受けるための支持板５２などを差し込むことも可能であり、溶接時の作業性が向上する。
【００８０】
さらに、第１端子接合片１０ｂが、第１素子接合片１０ａに対して所定隙間Ｗ１で配置してあることで、ＰＴＣ素子２に作用する衝撃力や圧力を吸収する作用効果が向上する。
【００８１】
また、本実施形態に係るポリマー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。
【００８２】
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４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６２が積層してあり、各金属箔６２に対して、第１金属板１０および第２電極板１２が、ハンダ層６０を介して接合してあっても良い。金属箔６２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６２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。
【００８３】
この実施形態においても、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、この実施形態の場合には、第２電極板１２を、クラッド板１８で構成してある。
【００８４】
また、本発明に係るポリマーＰＴＣ素子２は、２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。
【００８５】
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ができる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【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は図１に示すＰＴＣ素子の斜視図である。
【図３】図３はスポット溶接の詳細を示す要部断面図である。
【図４】図４は本発明の他の実施形態に係るＰＴＣ素子の断面図である。
【符号の説明】
【００８７】
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… 折曲部
１０ｄ… 隙間
１０ｅ… 素子接合面
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… 素子接合面以外の表面
１６… 端子板
１８… クラッド板
３０… 保護回路
３２… ２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、
前記第１電極板は、
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素子接合片の表面上に折り曲げられて配置された第１端子接合片と、を有し、
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素子接合片の延長平面上に位置する第２端子接合片と、を有し、
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電極片が、断面略Ｕ字形を有し、
前記第１端子接合片が、前記第１素子接合片に対して所定隙間で配置してある請求項１または２に記載のＰＴＣ素子。
【請求項４】
前記第１電極板の厚みが３１〜３２０μｍである請求項１〜３のいずれかに記載のＰＴＣ素子。
【請求項５】
前記第１電極板における前記第１素子接合片の素子接合面が前記素子本体の表面に直接に接触しており、前記素子接合面には凹凸が形成してあり、
前記第１端子接合片における端子接合面は、前記素子接合面よりも平坦面にしてある請求項１〜４のいずれかに記載のＰＴＣ素子。
【請求項６】
前記クラッド板が、ニッケル層とアルミニウム層であり、前記アルミニウム層が、２次電池セルの電極端子と接触してスポット溶接で接合される請求項１〜５のいずれかに記載のＰＴＣ素子。
【請求項７】
前記第１端子接合片は、前記第１素子接合片に対して幅が狭く成形してある請求項１〜６のいずれかに記載の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、
前記第１電極板は、
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素子接合片の表面上に折り曲げられて配置された第１端子接合片と、を有し、
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素子接合片の延長平面上に位置する第２端子接合片と、を有し、
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電極片が、断面略Ｕ字形を有し、
前記第１端子接合片が、前記第１素子接合片に対して所定隙間で配置してある請求項１または２に記載のＰＴＣ素子。
【請求項４】
前記第１電極板の厚みが３１〜３２０μｍである請求項１〜３のいずれかに記載のＰＴＣ素子。
【請求項５】
前記第１電極板における前記第１素子接合片の素子接合面が前記素子本体の表面に直接に接触しており、前記素子接合面には凹凸が形成してあり、
前記第１端子接合片における端子接合面は、前記素子接合面よりも平坦面にしてある請求項１〜４のいずれかに記載のＰＴＣ素子。
【請求項６】
前記クラッド板が、ニッケル層とアルミニウム層であり、前記アルミニウム層が、２次電池セルの電極端子と接触してスポット溶接で接合される請求項１〜５のいずれかに記載のＰＴＣ素子。
【請求項７】
前記第１端子接合片は、前記第１素子接合片に対して幅が狭く成形してある請求項１〜６のいずれかに記載の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２００９−１６８８０（Ｐ２００９−１６８８０Ａ）
【公開日】平成２１年１月２２日（２００９．１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２７０１１０（Ｐ２００８−２７０１１０）
【出願日】平成２０年１０月２０日（２００８．１０．２０）
【分割の表示】特願２００６−２０３５００（Ｐ２００６−２０３５００）の分割
【原出願日】平成１８年７月２６日（２００６．７．２６）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月２２日（２００９．１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月２０日（２００８．１０．２０）
【分割の表示】特願２００６−２０３５００（Ｐ２００６−２０３５００）の分割
【原出願日】平成１８年７月２６日（２００６．７．２６）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
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