JP2012174615A - サーマルプロテクター - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構造で良好な堅牢性と気密性が得られ、低費用の装置で効率的に生産可能で、且つ小型化及び低背化されたサーマルプロテクターの提供。
【解決手段】 サーマルプロテクターは、アーム及び反転型の感熱素子が、カバー部及びベース部を備えるケースに収納されてなり、前記カバー部は、金属プレートが前記アームと当接して共にカバー樹脂部に埋設されてなる。該カバー樹脂部は、前記金属プレートの上面を覆って前記カバー部の上面をなす。前記金属プレートと前記アームとが当接する接触域の直下の部分が溶接部位に用いられ、前記アームは、前記カバー部の下面から行われる溶接操作により、前記溶接部位において前記金属プレートと溶接される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、サーマルプロテクターに関するものである。詳細には、低費用の装置で効率的に生産可能で、且つ小型化及び低背化されたサーマルプロテクター及びその製造方法に関する。

ノート型パソコンなど携帯用の電気機器に使用されるリチウム二次電池は、反応性に富んだ大量の化学エネルギーを小区画に備蓄した装置部品であり、発熱や発煙を未然防止するための安全装置を具備する必要がある。昨今、携帯型電算機器は益々小型化及び低背化が求められており、これに搭載されるバッテリー及びサーマルプロテクターも更なる小型化及び低背化を迫られている。

かかる要求に対応して、様々の技術が提案されている。例えば、特許文献１に開示されるサーマルプロテクターは、外部接続端子が貫通する態様で一体成形した樹脂製ケースがスイッチ機構部を囲んでいるところに、このケースの上部開口が密封されるようにフィルム状のカバー部材、続いて金属製の補強部材を載せて構成される。特許文献２は、ＰＴＣ素子を固定片と可動片との相対する面相互の間に配置し、熱応動素子を該ＰＴＣ素子の上面に被さった状態に配置したサーマルプロテクターを開示する。

これら従来品の一では、アーム（スイッチ機構部、可動片）がケースに載置されケース内で端子と接合された後に、カバー（カバー部材、蓋体）が該ケースを閉じている。そして、カバーにアームと金属プレート（金属板）とがインサート成形により一体的に形成されている形態おいても、カバー中の金属プレートは、アームと化学的に接合されていない。加えて、カバーの樹脂部は、該カバーを囲繞する部分でアーム及び金属プレートを接合するにとどまる。

しかしながら、アームが化学的に接合され固定されていない形態（特許文献１）を採ると、サーマルプロテクターは端子の捻転に対して脆弱となる。また、小型化しながらカバー樹脂部の肉厚が不足すると（特許文献２）、サーマルプロテクター全体の機械的強度が低下する。一方、アームをケースに載置してからケース内で端子と十分強固に接合する形態を採ると、サーマルプロテクターの小型化に限界がある。アームと端子とを接合する際に用いられる溶接用の治具をサーマルプロテクターの小型化に対応して小さくすると、この治具の摩耗が激しく、生産性の維持に限界が来るからである。

次に、本発明と従来技術との違いを明確にするために、従来技術の形態を図説する。図４（ａ）は、従来技術によるサーマルプロテクターの製造方法を概念的に図説したものである。図４（ｂ）は、もう一つの従来技術によるサーマルプロテクターの分解断面図である。

図４（ａ）に図示される製造方法では、ベースターミナル５２ｃ上にアーム２を置き、このアームを溶接治具６Ｗで、更に詳細には治具先端６ａで押さえ付けた状態でこれらを溶接してアームに接合を施していた。しかし、アーム２を押える溶接治具６Ｗを更に小さくすることは困難である。なぜなら、溶接治具６Ｗを小さくすると治具先端６ａの消耗が速くなり、設備の保守費用が嵩み製造費用の高まる原因となるからであり、加えて、溶接治具６Ｗの押圧力の減少で品質低下が起こるからである。

図４（ｂ）に図示されるサーマルプロテクターにおいては、蓋体５１（カバー部に相当）が可動片２（アーム）と金属板５１ｂ（金属プレート）とがインサート成形により一体的に形成されているものの、金属板は上面が樹脂により覆われておらず、樹脂部５１ａにあたる部分は、金属板５１ｂ上でその中央より一段薄くなっている外縁部５１ｂ１を被覆するにとどまる。このような構造においては、用いられる金属板５１ｂは、強度を得るために相当に厚み寸法を大きくせざるを得なかった。しかも、かかる蓋体５１の設計をそのまま寸法縮小すれば、機械的強度が損失するのは免れない。よって、図４（ｂ）に図示される従来技術では小型化及び低背化に限界があった。

特開２００１−３５１４９０号公報 特開２００５−１２９４７１号公報

上記のような問題を解決して、本発明は、小型化及び低背化の要求を満たしながら、端子の捻転などに対して堅牢性が維持され、且つ生産性の損なわれないサーマルプロテクター及びその製造方法を提供する。

（１）本発明のサーマルプロテクターは、アーム及び反転型の感熱素子が、カバー部及びベース部を備えるケースに収納されてなり、前記カバー部は、前記アームが金属プレートの下面に当接して共にカバー樹脂部に埋設されてなる。さらに、該カバー樹脂部は、前記金属プレートの上面を覆って前記カバー部の上面をなすことを特徴とする。

（２）前記アームにおいて、前記金属プレートと前記アームとが当接する接触域の直下の部分が溶接部位に用いられ、前記アームは、前記カバー部の下面から行われる溶接操作により、前記溶接部位において前記金属プレートと溶接されていることを特徴とする。

（３）本発明のサーマルプロテクターは、上記構成において、前記アームの一部が前記ケースの外部に延設されてなるアーム端子部であることを特徴とする。

（４）本発明のサーマルプロテクターは、上記構成において、前記金属プレートの一部が前記ケースの外部に延設されてなるカバー端子部であることを特徴とする。

（５）本発明のサーマルプロテクターは、上記構成において、前記可動アームに溶接痕を有することを特徴とする。

（６）また、本発明のサーマルプロテクターの製造方法は、カバー部及びベース部を備えるケースにアーム及び反転型の感熱素子を収納してなるサーマルプロテクターを製造する方法であって、まず、金属プレートの下面に前記アームを当接させ重ねた状態にて共に樹脂中にインサート成形することにより、前記金属プレートの上面をカバー樹脂部が覆う前記カバー部を構成する工程、さらに、前記アームと前記金属プレートとが当接する接触域の直下の溶接部位において、前記カバー部の下面から溶接操作により前記アームを前記金属プレートと溶接する工程、さらに、前記ベース部に前記反転型の感熱素子を収納する工程、さらに、インサート成形した前記カバー部で前記ベース部を被覆することにより前記ケースを構成する工程、さらに、前記ベース部のベース樹脂部と前記カバー樹脂部とを接合させ前記ケースを密封する工程を備えることを特徴とする。

本発明のサーマルプロテクターによれば、カバー部は、アームが金属プレートに当接して共にカバー樹脂部に埋設されなり、カバー樹脂部は、金属プレートの上面を覆うので、サーマルプロテクターを小型化及び低背化すること、部品点数及び工程数を減らすこと、及び同時に製造費用を低減することが可能となる。さらにアームは、前記金属プレートと溶接されているので、安定した電気特性及び機械的強度を確保することが可能となる。

本発明のサーマルプロテクターの製造方法によれば、金属プレートの下面に前記アームを当接させ重ねた状態にて共に樹脂中にインサート成形することにより、前記金属プレートの上面をカバー樹脂部が覆う前記カバー部を構成する工程、さらに、前記アームと前記金属プレートとが当接する接触域の直下の溶接部位において、前記カバー部の下面から溶接操作により前記アームを前記金属プレートと溶接する工程を経るので、サーマルプロテクターが従来より小形且つ低背でありながら、堅牢であり、例えば次のような点で高い生産性で量産されうる。サーマルプロテクターには、従来より小さい寸法で設計されながら、溶接作業において従来と同様の大きさの治具を適用できる。場合によって、治具を用いることなく、少なくとも、アームを動かさないように固定するための治具は不要として、溶接作業を行える。よって、従来技術、及び更に小さい治具を用いるのに比べて、省工程で、部品点数が少なく、保守作業の必要回数が少なく、製造費用が低減され、押圧力の不足により品質を損なうこともない生産が可能となる。

本発明の実施態様１によるサーマルプロテクターの組立工程図である。 本発明の実施態様１によるサーマルプロテクターの断面図である。 本発明の実施態様２によるサーマルプロテクターの断面図である。 従来技術によるサーマルプロテクターの分解断面図である。

（実施形態１）
以下、本発明の実施形態について、図１乃至３を用いて説明する。図１及び図２は、それぞれ、本発明の実施形態１によるサーマルプロテクター１の製造方法を模式的に示す工程図、及び製品を模式的に示す断面図である。図２のように、アーム２、バイメタル３（感熱素子に相当）及び正特性温度サーミスター（以下、ＰＴＣ４という。）はケース５の内部に収納され、アーム２の一端であるアーム端子部２ｃがケース５の外部に延設されている。ケース５は、予め図１（ｂ）のようにアーム２と一体化されたカバー部５１でベース部５２を密封することにより構成される。

アーム２は、バネ性に富んだ導通性の良い、細長い金属板であり、屈曲して上方に凸状で配置され、アーム固定部２ａにおいて一端がカバー５１の周縁部分に固定される。実施形態１では、アーム2の片端は、図１（ｂ）及び図２のようにアーム固定部２ａから更にケース５外部に延設され、アーム端子部５１ｃとなっている。一方、アーム２の別の一端は、可動接点２ｄを先端に付したアーム可動部２ｂであり、アーム可動部２ｂはバイメタル３の上に配置される。アーム固定部２ａのカバー部５１に対して当接する部位は、金属プレート５１ａと共に接触域５１ｄをなす。アーム２の形状、寸法、材質などは、既存の設計を適用すればよい。

バイメタル３（感熱素子）は、ＰＴＣ４の上に載置され、アーム２とＰＴＣ４とに上下から挟まれることになる。バイメタル３は、矩形の薄い金属片であり、四隅が曲線状に形成され、中央は常温では上方に向けてなだらかに凸曲面を呈する。昇温によってバイメタル３は、反転して下方に凸状となり、アーム可動部２ｂを外縁部で持ち上げる。このようにバイメタル３は温度変化による反転動作により、アーム２を動かし、サーマルプロテクター１を導通又は遮断する。バイメタル３の構造、材質、形状、寸法などは、既存の設計を採用することができ、導通性及び温度特性を考慮に入れて適宜に選択すればよい。また、感熱素子には、バイメタルの代わりにトリメタルを用いることも可能である。またさらに、アームを積層金属で形成し、感熱素子とアームとを一体化することも可能である。

ＰＴＣ４（温度サーミスター）は、薄い円盤状の部品であり、バイメタル３の直下に配置される。バイメタル３が昇温によって反転すると、ＰＴＣ４には電圧が印加される。ＰＴＣ４は、正特性の温度サーミスターであり、温度の上昇に伴い急激に電気抵抗を増す感熱素子であり、バイメタル３の反転状態を保つ自己保持回路を構成する。ＰＴＣ４の材質、形状、寸法などは、既存の設計を採用することができ、電気特性及び温度特性を考慮に入れて適宜に選択すればよい。

自己保持回路を構成する必要のないときは、ＰＴＣ４を備えずに、ケース５の底面にＰＴＣ４と同形の突起を設けるなどしてもよい。さらにまた、バイメタル又はこれに相当する感熱素子及びアームの材料、形状、構成を適宜に選べば、感熱素子とアームとを分離せず、一体化することが可能となる。この場合、アームは、バイメタル又はトリメタルから形成される。このアームの一部には、なだらかな球面状の凸部が設けられる。この凸部の直下にＰＴＣ又はケース底面の突起を位置取りさせる。

ケース５は、全体として厚み方向に扁平な直方の筐体であり、内部に各部品を収納する。ケース５は、カバー部５１及びベース部５２から構成される。カバー部５１及びベース部５２は、いずれも樹脂及び金属を材料とする。カバー部５１及びベース部５２は、小型化、低背可及び機械的強度の観点から、金属片を樹脂にインサート成形することにより形成するのが好ましい。ケース５の形状、寸法、材質などは、既存のものを適宜組み合わせて設計すればよい。

カバー部５１は、カバー樹脂部５１ａが金属プレート５１ｂの上面のほぼ全面を覆うように構成される。金属プレート５１ｂは、サーマルプロテクター１の機械的強度を担保するための部材である。さらに、カバー樹脂部５１ａが金属プレート５１ｂの上面のほぼ全面を覆うとサーマルプロテクター１の機械的強度が向上し、ケース５内部の温度を制御しやすく熱的にも有利となる。金属プレート５１ｂの下面には、図１（ａ）及び図２のように金属プレート５１ｂがアーム２を覆うように位置取りして、金属プレート５１ｂとアーム固定部２ａとが当接して接触域５１ｄをなして図１（ｂ）及び図２のように共にカバー樹脂部５１ａ中にインサート成形されている。カバー部５１の下面では、樹脂部５１ａからなる側壁部５１ｅが、金属プレート５１ｂとアーム２の重ねられる範囲を囲繞する。

ベース部５２は、ベース樹脂部５２ａにベース金属部５２ｂが埋設されるように一体化され、構成されている。ベース部５２は、全体として筐体状になっており、周縁部５２ｅが収容部５２ｆを囲繞する。収容部５２ｆには、カバー部５１の接合される前にＰＴＣ４及びバイメタル３が収容される。ＰＴＣ４及びバイメタル３は、ベース金属部５２ｂと導通しうるよう位置取りされる。

固定接点５２ｄは、ベース部５２において、アーム固定部２ａの反対側の一端に埋設されるベース金属部５２ｂに銀などの溶接、めっき、クラッドなどにより形成される。ベース金属部５２ｂの一部は、ケース５の外部に延設され、ベース端子部５２ｃとなる。固定接点５２ｄは、温度変化によるアーム２の揺動により、可動接点２ｄと接触又は離反する。このようにケース５は、カバー部５１がベース部５２と接合された時には、常温時で先端の可動接点２ｄが固定接点５２ｄに押圧されるように設計される。固定接点５２ｄの形状、寸法、材質などは、既存のものを適宜組み合わせて設計すればよい。

アーム固定部２ａは、上述のとおりアーム２の一部であり、低背化のために、図１（ｂ）のようにカバー部５１をインサート成形する際に金属プレート５１ｂと接触域５１ｅにおいて当接している。カバー部５１の下面は接触域５１ｅにおいて溶接のために露出する。アーム固定部２ａは、金属プレート５１ｂとアーム２の重ねられる範囲を囲繞する、樹脂部５１ａからなる側壁部５１ｅに一部が埋設されることで、アーム２をカバー部５１に固定している。

各部品をベース部５２に収納し、カバー部５１を被せた後、図１（ｃ）における溶接操作Ｗにより、金属プレート５１ｂとアーム２とが接合される。溶接操作Ｗは、レーザー、電子ビーム、アーク放電などによる。これらの中で、寸法縮小及び溶接材への負担を考慮すると、費用、加工精度などの観点からレーザーが望ましい。レーザー溶接には、既存の装置を行うことができる。サーマルプロテクター１は小さいので、通常、これらの装置は溶接材料を固定するための治具を備える。レーザーによる溶接操作Ｗ及びその他におけるレーザーやビームの出力、溶接の時間、治具の押圧力などは、溶接材料として接合される金属部材の寸法、性質などにより、金属プレート５１ｂ及びアーム２が互いに溶接されるように適宜設定すればよい。あるいは、溶接作業Ｗを行う装置によっては、治具が不要となる。

カバー部５１の下面、アーム２の溶接操作Ｗを行った箇所には、溶接痕が残る。溶接痕は、アーム２が金属プレート５１ｂと接合された部分である溶接部位６を示すものである。溶接の箇所は一カ所であっても複数カ所であってもよい。溶接の形態も、点状のみでなく、線状或いは面状であってもよい。溶接箇所を多くとれば、接合強度を大きくすることもできる。

ケース５は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）その他の耐熱性に優れた樹脂を材質として成形される。ベース金属部５２ｂ及びアーム２の材質は、リン青銅、洋白、黄銅などの弾性と導電性とに富んだ材料を用いる。固定接点５２ｄ及び可動接点２ｄの材質は、銀又は銀−ニッケル合金など導通性の好い銀を主成分とする合金であり、これをクラッド、溶接、めっき、塗布、その他の方法によりケース５中のベース金属部５２ｂ及びアーム２に付す。バイメタル３には、熱膨張の大きい金属材料と熱膨張の小さい金属材料とを積層させ、熱処理を行い所期の温度で反転または原形復帰するようにしたものを用いる。これら各部材の寸法、配置などは、既存の設計を適用すればよい。

本発明のサーマルプロテクター１は、図１及び図２に現れるように、カバー部５１において、金属プレート５１ｂ上面がカバー樹脂部５１ａで覆われることにより、サーマルプロテクター１全体が小型化されても機械的強度が充分に大きく保たれる。さらに、先述のように製品の小型化に応じて治具を小さくする必要がない。場合によっては、溶接作業Ｗにおいて、治具を用いる必要がない。少なくとも、アーム２を抑えるための治具は本発明において存在しなくてよい。よって、さらに小型化された製品の製造においても治具の寿命は長く、押圧力の不足もなく、生産されたサーマルプロテクター１の電気特性が安定する。実施形態１では、アーム２は既に外部電源と端子により導通しているので、溶接操作Ｗは必ずしも要さないが、更なる機械的強度の観点から溶接部位６を設けるのが望ましい。

（製造方法）
実施態様１によるサーマルプロテクターの組立は、図１に模式的に示される。カバー部５１を構成する工程では、金属片を所定の形に成形してなしたアーム２及び金属プレート５１ｂを互いに当接させた状態（図１（ａ））で樹脂中にインサート成形してカバー部５１が完成する（図１（ｂ））。この時、カバー部５１の上面では、金属プレート５１ｂがカバー樹脂部５１ａで覆われる。

次に、図１（ｃ）のように、カバー部５１の下面から溶接操作Ｗにより、カバー金属部５１ｂとアーム２とを接合する。かくして、接触域５１ｄに溶接部位６が形成され、金属プレート５２ｂとアーム固定部２ａが連結され、サーマルプロテクター１の構造が強化される。この時、カバー部５１の下面、アーム２のアーム固定部２ａに溶接痕が残される。溶接操作Ｗは、レーザー溶接などの熱線の照射により行うのが好ましい。レーザー溶接の他に、電子ビーム溶接、アーク溶接なども用いられる。既述の図１（ｂ）のインサート成形の工程で、アーム２は既に接触域５１ｄにおいて外部端子との密着が確保されているので、溶接用の治具は必ずしも要さない。

そして、図１（ｄ）のようにインサート成形されたカバー部５１がベース部５２を被覆する。こうしてケース５が構成される。一方で、ベース部５２は、予めカバー部５１と同様に、所定の形に形成された金属片をベース樹脂部５２ａに埋め込み状にインサート成形して構成されている。この金属片は、ベース金属部５２ｂであり、一部がケース５外部に延設されてベース端子部５２ｃとなる。構成されたベース部５２の収容部５２ｆには、カバー部５１が被覆する前に、ＰＴＣ４及びバイメタル３が順に載置されている。

溶接操作Ｗによりカバー部５１を完成させた後、ベース部５２と接合して、具体的には、カバー部５１の側壁部５１ｅとベース部５２の周縁部５２ｅとを接合させケース５を密封する工程によって製品を完成させる。以上の製造方法に因る作用効果は、既述のとおりである。ケース５の樹脂部が熱可塑性樹脂である場合、この接合は超音波溶着により行うとよい。サーマルプロテクター１は、以上の工程と場合により適宜にその他の処理を経て完成した後、基板に実装されバッテリーパックに封入される安全回路に組み込まれる。既述のとおり、実施形態１では、溶接操作Ｗを不要としうる。

（実施形態２）
図３は、本発明の実施形態２を示す断面図である。実施形態１のサーマルプロテクター１では、アーム２の一部がケース５の外部に延設されて、外部電源と接続するアーム端子部２ｃとして機能するが、実施形態２のサーマルプロテクター１では、金属プレート５１ｂの一部が外部に延設されて、外部電源と接続するカバー端子５１ｃとして機能する。実施形態２のサーマルプロテクター１では、溶接操作Ｗにより、アーム２とカバー端子５１ｃとが電気的に接続する。実施形態２のサーマルプロテクター１においても、アーム２が金属プレート５１ｂと溶接されることにより、アーム端子２ｃに外力が加わった場合の堅牢性が更に高められている。実施形態２のサーマルプロテクターも、他の構成、作用効果、製造法などは、実施形態１のものとほぼ同様である。

また、金属プレート５１ｂの一部を端子とする形態には、アーム固定部２ａよりアーム可動部２ｂの方向と反対へ向かってケース５から外部にまで延設されて、カバー端子部５１ｃとなっている図２及び図３に図示されたものの他、前記と別方向にカバー端子部を延設する形態も挙げられる。あるいは、カバー樹脂部５１ａの一部を機械的強度の損なわれない程度に排除し、カバー部５１上面の一部でカバー樹脂部が排除され金属プレート５１ｂの露出した部分をカバー端子部に充てる形態もありうる。

以上のように、本発明の実施形態について説明したが、本発明では、樹脂部が金属プレートを覆ってカバー部上面をなし、カバー部とアームとが一体的に形成されていればよく、上記の実施形態に限定されるものではない。アームと金属プレートとの溶接は不可欠と限らず、また、カバー部上面は機械的強度を損なわない程度に金属プレートを露出しうる。

１ サーマルプロテクター，
２ アーム，
２ａ アーム固定部，
２ｂ アーム可動部，
２ｃ アーム端子部，
２ｄ 可動接点，
３ バイメタル（反転型の感熱素子），
４ ＰＴＣ（温度サーミスター），
５ ケース，
５１ カバー部，
５１ａ カバー樹脂部，
５１ｂ 金属プレート，
５１ｃ カバー端子部，
５１ｄ 接触域，
５２ ベース部，
５２ａ ベース樹脂部，
５２ｂ ベース金属部，
５２ｃ ベース端子部，
５２ｄ 固定接点
６ 溶接部位，
６Ｗ 溶接治具，
Ｗ 溶接操作，

Claims (6)

1. アーム及び反転型の感熱素子が、カバー部及びベース部を備えるケースに収納されてなり、
   前記カバー部は、前記アームが金属プレートの下面に当接して共にカバー樹脂部に埋設されてなり、
   該カバー樹脂部は、前記金属プレートの上面を覆って前記カバー部の上面をなすことを特徴とするサーマルプロテクター。
2. 請求項１において、さらに前記アームにおいて、前記金属プレートと前記アームとが当接する接触域の直下の部分が溶接部位に用いられ、
   前記アームは、前記カバー部の下面から行われる溶接操作により、前記溶接部位において前記金属プレートと溶接されたことを特徴とするサーマルプロテクター。
3. 請求項１又は請求項２の一において、前記アームの一部が前記ケースの外部に延設されてなるアーム端子部であることを特徴とするサーマルプロテクター。
4. 請求項２において、前記金属プレートの一部が前記ケースの外部に延設されてなるカバー端子部であることを特徴とするサーマルプロテクター。
5. 請求項１乃至請求項４の一において、前記可動アームに溶接痕を有することを特徴とするサーマルプロテクター。
6. カバー部及びベース部を備えるケースにアーム及び反転型の感熱素子を収納してなるサーマルプロテクターを製造する方法であって、
   金属プレートの下面に前記アームを当接させ重ねた状態にて共に樹脂中にインサート成形することにより、前記金属プレートの上面をカバー樹脂部が覆う前記カバー部を構成する工程、
   前記アームと前記金属プレートとが当接する接触域の直下の溶接部位において、前記カバー部の下面から溶接操作により前記アームを前記金属プレートと溶接する工程、
   前記ベース部に前記反転型の感熱素子を収納する工程、
   インサート成形した前記カバー部で前記ベース部を被覆することにより前記ケースを構成する工程、
   及び、前記ベース部のベース樹脂部と前記カバー樹脂部とを接合させ前記ケースを密封する工程を備えることを特徴とするサーマルプロテクターの製造方法。
   

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