JP5797091B2 - 外付けｐｔｃ素子ユニット及び電池 - Google Patents

Description

本発明は、電流保護機能を有する外付けＰＴＣ素子ユニット及びその外付けＰＴＣ素子ユニットを取り付けた電池に関するものである。

従来、カメラやライトなどの携帯型電気機器の電源として、組電池が搭載されている。この種の組電池では、複数本の電池を直列に接続して大電流を流す構成となっており、その保護素子として、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）素子が用いられている（特許文献１，２等参照）。このＰＴＣ素子は、通常は低抵抗であるが、電池に大電流が流れて電池温度が上昇したときに、電気抵抗が増大する。従って、このＰＴＣ素子を用いれば、電気機器の故障時に回路素子等が短絡して大電流が流れたとしても、電池の電流を遮断することができる。

特許文献１では、電池における平坦状の端子側または凸状の端子側にＰＴＣ素子が装着されている。また、特許文献２では、電池における凸状の端子側にＰＴＣ素子が装着されている。

ところで、電池において平坦状の端子は比較的面積が大きく、端子の面全体にＰＴＣ素子やリード板を取り付ける場合、ＰＴＣ素子やリード板の平面サイズが大きくなり、部品コストが嵩んでしまう。ＰＴＣ素子やリード板の平面サイズを小さくして、平坦状の端子の一部にＰＴＣ素子を取り付ける場合、端子の平坦面とリード板との距離（ＰＴＣ素子の厚さ分の距離）が近くなる。このため、電池と接続する相手側の端子がリード板の位置から外れて電池の端子の平坦面に接触する可能性がある。この場合、ＰＴＣ素子が短絡された状態となり、過電流を防止することができなくなる。これを避けるためには、電池の端子の平坦面における絶縁が必要となるが、手間がかかることに加え部品コストが嵩んでしまう。従って、部品コストを抑えるためには、比較的面積が小さな凸状の端子側にＰＴＣ素子を装着することが好ましい。

特開２０００−３４０１９２号公報 実開平１−８１８７０号公報

特許文献１において、電池の凸状の端子（端子突出部）の上面にＰＴＣ素子を装着する場合、端子上面とほぼ等しい大きさの円板状の金属プレートを用い、金属プレートの周囲を端子上面に溶接固定しその金属プレート上にＰＴＣ素子を積層している。この場合、金属プレートにおいて、溶接箇所の確保が必要となるため、ＰＴＣ素子を設けるスペースが少なくなり、過電流を防止するための十分な性能を有するＰＴＣ素子を設置できなくなることがある。また、ＰＴＣ素子の設置スペースを確保して、溶接部分を少なくすると、接合強度が不足してしまう。このＰＴＣ素子に対して横方向に力が加わると、ＰＴＣ素子が端子上面から外れてしまうといったことが懸念される。因みに、特許文献２の電池でも、電池の凸状の端子上面にＰＴＣ素子が溶接固定されているため、同様の問題が生じる。

さらに、特許文献１では、凸状の端子の付け根部分（端子突出部の周囲に設けられた端子平坦部）にＰＴＣ素子を設置した電池も提案されている。例えば、リチウム電池は、凸状の端子とそれよりも一段下がった端子の付け根部分とは極性が異なるものがある。この電池において、凸状の端子の付け根部分にＰＴＣ素子を設けると、電極間の短絡が問題となる。従って、その短絡を回避するために金属部材間にて絶縁物を設けるなどの構成が複雑となり、その構成を実現することが困難となる。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電池における端子の端子突出部に確実に装着することができる外付けＰＴＣ素子ユニットを提供することにある。また、別の目的は、端子の端子突出部に外付けＰＴＣ素子ユニットを装着することができ、過電流を確実に防止することができる電池を提供することにある。

上記課題を解決するための手段［１］〜［４］を以下に列挙する。

［１］端子の中央部に端子突出部を有する電池に取り付け可能な外付けＰＴＣ素子ユニットであって、第１主面及び第２主面を有しかつ平面視で前記端子突出部と同等の寸法及び形状を有する天板と、前記天板の前記第２主面の外周部から垂直に突設された側壁部とからなり、導電性材料を用いて形成されたキャップ状支持体と、素子裏面及び素子表面を有する板状であり、前記天板の前記第１主面上に前記素子裏面側が接合固定されたＰＴＣ素子と、前記ＰＴＣ素子を覆うべく前記素子表面上に接合固定された外部接続用端子板とを備え、前記外部接続用端子板は、外径が前記キャップ状支持体の前記側壁部及び前記ＰＴＣ素子の外径よりも大きく、平面視で前記外部接続用端子板の外縁部が前記キャップ状支持体の前記側壁部及び前記ＰＴＣ素子の外側に張り出すように設けられていることを特徴とする外付けＰＴＣ素子ユニット。

手段１に記載の発明によると、比較的面積が小さな端子突出部の上端にＰＴＣ素子ユニットが設けられている。この場合、ＰＴＣ素子ユニットの小型化を図ることができるため、その部品コストを抑えることができる。また、端子突出部にキャップ状支持体が嵌め込まれた状態でＰＴＣ素子ユニットを固定することができるので、ＰＴＣ素子ユニットに対して横方向に加重が加わったとしても、ＰＴＣ素子ユニットの固定位置がずれるといった問題を回避することができる。さらに、ＰＴＣ素子ユニットを構成するキャップ状支持体は、端子突出部の上面に加えて側面からも三次元的に集電することができる。このため、ＰＴＣ素子ユニットを端子に装着したことによる電気抵抗の影響を抑えることができる。また、外部接続用端子板は、外径がキャップ状支持体の側壁部及びＰＴＣ素子の外径よりも大きく、平面視で外部接続用端子板の外縁部がキャップ状支持体の側壁部及びＰＴＣ素子の外側に張り出すように設けられている。このように構成すると、外付けＰＴＣ素子ユニットを取り付けた電池を携帯機器の電池ホルダーなどに装着する際に、ホルダー内のバネやガイド板などによってＰＴＣ素子の端子間が短絡されるといった問題を確実に回避することができる。

［２］手段１において、前記外部接続用端子板は、前記ＰＴＣ素子よりも外側に位置する外縁部が前記ＰＴＣ素子側に傾斜するように曲げられていることを特徴とする外付けＰＴＣ素子ユニット。

手段２に記載の発明によると、外部接続用端子板の外縁部において角張った部分がなだらかに下がった状態となるため、電池ホルダー内のバネやガイド板等に引っ掛かり難くなる。このため、携帯機器の電池ホルダー等に対する電池の着脱を容易に行うことができる。

［３］手段１または２において、前記ＰＴＣ素子及び前記外部接続用端子板は、中心部に貫通孔を有する円板状であり、前記外部接続用端子板の貫通孔は前記ＰＴＣ素子の貫通孔よりも小さく形成され、前記各貫通孔を介して前記キャップ状支持体における前記天板が露出していることを特徴とする外付けＰＴＣ素子ユニット。

手段３に記載の発明によると、ＰＴＣ素子及び外部接続用端子板は、中心部に貫通孔を有する円板状であるので、ＰＴＣ素子ユニットの軽量化が可能となる。また、外部接続用端子板の貫通孔はＰＴＣ素子の貫通孔よりも小さいため、ＰＴＣ素子が露出しないように外部接続用端子板で確実に覆うことができる。さらに、各貫通孔を介してキャップ状支持体の天板が露出するので、この露出部分を利用してＰＴＣ素子ユニットを端子突出部に溶接することができる。

［４］手段１乃至３のいずれか１項に記載の外付けＰＴＣ素子ユニットが取り付けられた電池。

手段４に記載の発明によると、電池において端子突出部に取り付けられた外付けＰＴＣ素子によって、電池の過電流を確実に防止することができる。

以上詳述したように、手段１乃至３に記載の発明によると、電池における端子の端子突出部に確実に装着することができる外付けＰＴＣ素子ユニットを提供することができる。また、手段４に記載の発明によると、端子の端子突出部に外付けＰＴＣ素子ユニットを装着することができ、過電流を確実に防止することができる電池を提供することができる。

一実施の形態のリチウム電池を示す斜視図。 一実施の形態のＰＴＣ素子ユニットを示す平面図。 一実施の形態のＰＴＣ素子ユニットを示す側面図。 一実施の形態のＰＴＣ素子ユニットを示す断面図。 別の実施の形態のＰＴＣ素子ユニットを示す断面図。

以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は本実施の形態におけるリチウム電池１０を示す斜視図である。また、図２はそのリチウム電池１０に取り付けられているＰＴＣ素子ユニット２０を示す平面図であり、図３はＰＴＣ素子ユニット２０を示す側面図である。さらに、図４は、ＰＴＣ素子ユニット２０を示す断面図である。

図１に示されるように、リチウム電池１０は、円筒型の電池であり、一方の端面（図１では上端面）に設けられた端子１１の中央部に端子突出部１２を有する。このリチウム電池１０において、端子１１の端子突出部１２に外付けＰＴＣ素子ユニット２０が取り付けられている。

図２〜図４に示されるように、本実施の形態の外付けＰＴＣ素子ユニット２０は、キャップ状支持体２１とＰＴＣ素子２２と外部接続用端子板２３とを備えている。

キャップ状支持体２１は、第１主面２４及び第２主面２５を有しかつ平面視で端子突出部１２と同等の寸法及び形状を有する天板２６と、天板２６の第２主面２５の外周部から垂直に突設された側壁部２７とからなる。キャップ状支持体２１は、例えば、ニッケルめっき鋼板などの導電性材料を用いてキャップ状に形成されている。本実施の形態において、端子１１の端子突出部１２は円形状であり、キャップ状支持体２１の天板２６も円形状に形成されている。また、キャップ状支持体２１の側壁部２７は、切欠部２９を隔てて複数片に分割されている。

さらに、端子１１の端子突出部１２にキャップ状支持体２１を嵌め込みやすくするために、側壁部２７の先端には、外側に広がるように形成されたＲ形状の誘い込み部３１が設けられている。また、図１に示されるように、側壁部２７の高さは、取り付けられるべき端子突出部１２の高さよりも低くなっており、キャップ状支持体２１の側壁部２７は、端子突出部１２の周囲にある端子平坦部１３を覆わない構造となっている。なお、本実施の形態における側壁部２７の高さは、例えば１ｍｍ程度であり、端子突出部１２の高さの半分程度となっている。

図４に示されるように、ＰＴＣ素子２２は、素子表面３３及び素子裏面３４を有する円板状であり、その中央部に貫通孔３５が形成されている。このＰＴＣ素子２２は、正温度特性を有する導電性ポリマー材料を素子電極（具体的には、板状のニッケル電極）間に挟み込んだ構造を有し、温度が上昇することにより、抵抗値が増大する。このように構成されたＰＴＣ素子２２の素子裏面３４側が天板２６の第１主面２４上に接合固定されている。具体的には、はんだリフローによってＰＴＣ素子２２が天板２６にはんだ付けされている。

外部接続用端子板２３は、ＰＴＣ素子２２を覆うべく素子表面３３上に接合されている。外部接続用端子板２３は、ニッケルめっき鋼板などの導電性材料を用いて円板状に形成され、はんだリフローによってＰＴＣ素子２２の素子表面３３上にはんだ付けされている。また、外部接続用端子板２３は、外径がキャップ状支持体２１の側壁部２７及びＰＴＣ素子２２の外径よりも大きく、平面視で外部接続用端子板２３の外縁部３６がキャップ状支持体２１の側壁部２７及びＰＴＣ素子２２の外側に張り出すように設けられている。具体的には、キャップ状支持体２１の天板２６及びＰＴＣ素子２２の外径Ｄ１は、それぞれ７ｍｍ程度となっており、キャップ状支持体２１の側壁部２７の下端における外径Ｄ２は、７．５ｍｍ程度となっている。また、外部接続用端子板２３の外径Ｄ３は、８．５ｍｍ程度となっている。

さらに、外部接続用端子板２３の外縁部３６は、ＰＴＣ素子２２側に傾斜するように曲げられている。本実施の形態において、外部接続用端子板２３の外縁部３６は、ＰＴＣ素子２２の厚さ分だけ曲げられており、下側の角部がＰＴＣ素子２２の素子裏面３４とほぼ面一の位置となっている。また、外部接続用端子板２３において、中央側の平坦面に対する外縁部３６の曲げ角度は３０°〜６０°程度となっており、その外縁部３６の先端は、キャップ状支持体２１に接触しないようキャップ状支持体２１に対して１ｍｍ以上離れた位置に配置されている。

また、外部接続用端子板２３の中央部には、ＰＴＣ素子２２の貫通孔３５よりも直径が小さな貫通孔３７が形成されている。具体的には、外部接続用端子板２３の貫通孔３７の直径は、φ２．５ｍｍであり、ＰＴＣ素子２２の貫通孔３５の直径は、φ３ｍｍである。外部接続用端子板２３の貫通孔３７をＰＴＣ素子２２の貫通孔３５よりも小さくすることで、外部接続用端子板２３によりＰＴＣ素子２２が完全に覆われるようになっている。

ＰＴＣ素子ユニット２０において、外部接続用端子板２３の貫通孔３７とＰＴＣ素子２２の貫通孔３５とを介してキャップ状支持体２１の天板２６が露出している。そして、露出したキャップ状支持体２１の天板２６が溶接にて端子１１の端子突出部１２に接続される。これにより、ＰＴＣ素子ユニット２０がリチウム電池１０に取り付けられる。

従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施の形態のリチウム電池１０では、比較的面積が小さな端子突出部１２の上端にＰＴＣ素子ユニット２０が設けられている。この場合、ＰＴＣ素子ユニット２０の小型化を図ることができるため、その部品コストを抑えることができる。また、端子突出部１２にキャップ状支持体２１が嵌め込まれた状態でＰＴＣ素子ユニット２０が固定されるので、ＰＴＣ素子ユニット２０に対して横方向に加重が加わったとしても、ＰＴＣ素子ユニット２０の固定位置がずれるといった問題を回避することができる。さらに、ＰＴＣ素子ユニット２０を構成するキャップ状支持体２１は、端子突出部１２の上面に加えて側面からも三次元的に集電することができる。このため、ＰＴＣ素子ユニット２０を端子１１に装着したことによる電気抵抗の影響を抑えることができる。また、外部接続用端子板２３は、外径がキャップ状支持体２１及びＰＴＣ素子２２の外径よりも大きく、平面視で外部接続用端子板２３の外縁部３６がキャップ状支持体２１及びＰＴＣ素子２２の外側に張り出すように設けられている。このように構成すると、リチウム電池１０を携帯機器の電池ホルダーなどに装着する際に、ホルダー内のバネやガイド板などによってＰＴＣ素子２２の端子間が短絡されるといった問題を確実に回避することができる。

（２）本実施の形態のＰＴＣ素子ユニット２０において、外部接続用端子板２３は、ＰＴＣ素子２２よりも外側に位置する外縁部３６がＰＴＣ素子２２側に傾斜するように曲げられている。このようにすると、外部接続用端子板２３の外縁部３６において角張った部分がなだらかに下がった状態となるため、電池ホルダー内のバネやガイド板に引っ掛かり難くなる。このため、携帯機器の電池ホルダー等に対するリチウム電池１０の着脱を容易に行うことができる。

（３）本実施の形態のＰＴＣ素子ユニット２０では、ＰＴＣ素子２２及び外部接続用端子板２３が円板状に形成されその中心部に貫通孔３５，３７を有するので、ＰＴＣ素子ユニット２０の軽量化が可能となる。また、外部接続用端子板２３の貫通孔３７はＰＴＣ素子２２の貫通孔３５よりも小さいため、ＰＴＣ素子２２が露出しないように外部接続用端子板２３で確実に覆うことができる。さらに、各貫通孔３５，３７を介してキャップ状支持体２１の天板２６が露出するので、この露出部分を利用してＰＴＣ素子ユニット２０を端子突出部１２に溶接することができる。このようにすると、キャップ状支持体２１の側壁部２７を溶接する場合と比較して、溶接作業が行い易くなり、ＰＴＣ素子ユニット２０を端子突出部１２に確実に装着することができる。

（４）本実施の形態のＰＴＣ素子ユニット２０において、キャップ状支持体２１の側壁部２７の先端には、外側に広がるようにＲ形状の誘い込み部３１が形成されている。このようにすると、ＰＴＣ素子ユニット２０のキャップ状支持体２１を端子突出部１２に容易に嵌め込むことができる。

（５）本実施の形態のＰＴＣ素子ユニット２０では、キャップ状支持体２１の天板２６とほぼ同じサイズの外径Ｄ１を有するＰＴＣ素子２２が天板２６に接合固定されている。ＰＴＣ素子２２は、中心部に貫通孔３５を有するためその表面積が減少するが、天板２６と同じ外径Ｄ１とすることにより、表面積を十分に確保することができ、過電流を防止するための十分な性能を得ることができる。
なお、本発明の実施の形態は以下のように変更してもよい。

・上記実施の形態の外付けＰＴＣ素子ユニット２０において、キャップ状支持体２１とＰＴＣ素子２２とをはんだ付けにて接続するとともにそのＰＴＣ素子２２と外部接続用端子板２３とをはんだ付けにて接続していたが、はんだ付けに代えて導電性接着剤等を用いて接続してもよい。

・上記実施の形態のＰＴＣ素子ユニット２０では、キャップ状支持体２１の天板２６、ＰＴＣ素子２２及び外部接続用端子板２３は円板状に形成されていたが、それらの形状は端子１１の端子突出部１２の形状に合わせて適宜変更することができる。

・上記実施の形態のＰＴＣ素子ユニット２０では、キャップ状支持体２１の側壁部２７に切欠部２９を設けていたが、この切欠部２９を省略し、環状に繋がった側壁部２７としてもよい。また、ＰＴＣ素子ユニット２０において、ＰＴＣ素子２２の側面は外部接続用端子板２３とキャップ状支持体２１との隙間を介して外部に露出した状態となっているが、ＰＴＣ素子２２の側面を樹脂絶縁材からなる保護膜３９（図５参照）によって被覆するように構成してもよい。

・本実施の形態では、円筒型のリチウム電池１０に外付けＰＴＣ素子ユニット２０を取り付けていたが、これに限定するものではない。例えば、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−水素電池などの他の電池にＰＴＣ素子ユニット２０を取り付けてもよい。また、ボタン電池にＰＴＣ素子ユニット２０を取り付けてもよい。なおこの場合、キャップ状支持体２１の天板２６をそのボタン電池と同等の寸法で形成し、キャップ状支持体２１の側壁部２７をボタン電池の側面に接続するようにＰＴＣ素子ユニット２０を形成する。

次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。

（１）手段１乃至３のいずれか１項において、前記外部接続用端子板の外縁部と前記キャップ状支持体の側壁部との隙間を、樹脂絶縁材で埋めたことを特徴とする外付けＰＴＣ素子ユニット。

（２）手段１乃至３のいずれか１項において、前記キャップ状支持体の前記側壁部は、切欠部を隔てて複数片に分割されていることを特徴とする外付けＰＴＣ素子ユニット。

（３）手段１乃至３のいずれか１項において、前記側壁部の高さは、取り付けられるべき前記電池の前記端子突出部の高さよりも低いことを特徴とする外付けＰＴＣ素子ユニット。

（４）手段１乃至３のいずれか１項において、前記側壁部の先端には、外側に広がるようにＲ形状の誘い込み部が形成されていることを特徴とする外付けＰＴＣ素子ユニット。

（５）手段１乃至３のいずれか１項において、前記ＰＴＣ素子及び前記外部接続用端子板の貫通孔を介して露出した前記天板を、溶接にて前記端子突出部に接続することを特徴とする外付けＰＴＣ素子ユニット。

（６）ボタン電池に取り付け可能な外付けＰＴＣ素子ユニットであって、第１主面及び第２主面を有しかつ平面視で前記端子突出部と同等の寸法及び形状を有する天板と、前記天板の前記第２主面の外周部から垂直に突設された側壁部とからなり、導電性材料を用いて形成されたキャップ状支持体と、素子裏面及び素子表面を有する板状であり、前記天板の前記第１主面上に前記素子裏面側が接合固定されたＰＴＣ素子と、前記ＰＴＣ素子を覆うべく前記素子表面上に接合固定された外部接続用端子板とを備え、前記外部接続用端子板は、外径が前記キャップ状支持体の前記側壁部及び前記ＰＴＣ素子の外径よりも大きく、平面視で前記外部接続用端子板の外縁部が前記キャップ状支持体の前記側壁部及び前記ＰＴＣ素子の外側に張り出すように配置されていることを特徴とする外付けＰＴＣ素子ユニット。

（７）技術的思想（６）に記載の外付けＰＴＣ素子ユニットが取り付けられたボタン電池。

１０…電池としてのリチウム電池
１１…端子
１２…端子突出部
２０…ＰＴＣ素子ユニット
２１…キャップ状支持体
２２…ＰＴＣ素子
２３…外部接続用端子板
２４…第１主面
２５…第２主面
２６…天板
２７…側壁部
３３…素子表面
３４…素子裏面
３５…ＰＴＣ素子の貫通孔
３６…外部接続用端子板の外縁部
３７…外部接続用端子板の貫通孔
Ｄ１…ＰＴＣ素子の外径
Ｄ２…側壁部の外径
Ｄ３…外部接続用端子板の外径

Claims (4)

1. 端子の中央部に端子突出部を有する電池に取り付け可能な外付けＰＴＣ素子ユニットであって、
   第１主面及び第２主面を有しかつ平面視で前記端子突出部と同等の寸法及び形状を有する天板と、前記天板の前記第２主面の外周部から垂直に突設された側壁部とからなり、導電性材料を用いて形成されたキャップ状支持体と、
   素子裏面及び素子表面を有する板状であり、前記天板の前記第１主面上に前記素子裏面側が接合固定されたＰＴＣ素子と、
   前記ＰＴＣ素子を覆うべく前記素子表面上に接合固定された外部接続用端子板と
   を備え、前記外部接続用端子板は、外径が前記キャップ状支持体の前記側壁部及び前記ＰＴＣ素子の外径よりも大きく、平面視で前記外部接続用端子板の外縁部が前記キャップ状支持体の前記側壁部及び前記ＰＴＣ素子の外側に張り出すように設けられていることを特徴とする外付けＰＴＣ素子ユニット。
2. 前記外部接続用端子板は、前記ＰＴＣ素子よりも外側に位置する外縁部が前記ＰＴＣ素子側に傾斜するように曲げられていることを特徴とする請求項１に記載の外付けＰＴＣ素子ユニット。
3. 前記ＰＴＣ素子及び前記外部接続用端子板は、中心部に貫通孔を有する円板状であり、前記外部接続用端子板の貫通孔は前記ＰＴＣ素子の貫通孔よりも小さく形成され、前記各貫通孔を介して前記キャップ状支持体における前記天板が露出していることを特徴とする請求項１または２に記載の外付けＰＴＣ素子ユニット。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の外付けＰＴＣ素子ユニットが取り付けられた電池。

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