JP6454542B2 - 外付けｐｔｃ素子、および筒形電池 - Google Patents

Description

本発明は電池に外付けされるＰＴＣ素子に関する。またその端子が取り付けられた筒形電池にも関する。

利用者によって電池交換ができない電子機器では、電池自体が電子部品の一つとしてその電子機器の回路基板に実装されている。そして大電流を扱う電子機器では電池内外の短絡などによって電池の温度が上昇したときに電流を遮断するための安全装置が必要となる。そこでリチウム電池などの大電流放電が可能な電池にはＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）素子が組み込まれているものがある。周知のごとく、ＰＴＣ素子は通常は低抵抗であるが温度が上昇したときに電気抵抗が増大する板状の高分子材料（ポリマー）やセラミックス材料（以下、ＰＴＣ材料とも言う）の両面に金属箔を配置した積層構造を有するチップ部品である。電池内に組み込まれるＰＴＣ素子は、普通、一方の電極端子を兼ねる封口体内に配置される。

しかしながらＰＴＣ素子を内蔵できない封口構造を備えた電池もある。あるいは電池内に組み込まれたＰＴＣの電流遮断特性が電子機器側で要求される特性と一致しないような場合もある。そこでそのような場合に対応する電子部品として、電池の電極端子に外付けされるＰＴＣ素子（以下、外付けＰＴＣ素子とも言う）がある。そして外付けＰＴＣ素子が取り付けられた電池を電子機器内に組み込むのである。

図１は従来の外付けＰＴＣ素子１０１を示しており、ここでは円筒形電池１１０に取り付けられた状態を示している。なお図中では外付けＰＴＣ素子１０１の構成部材を異なるハッチングで示した。図１に示したように外付けＰＴＣ素子１０１は、板状のチップ部品であるＰＴＣ素子１０の表裏のそれぞれに金属板（１２０、１３０）を積層した構造を有し、円筒形電池１１０における一方の端面にある電極端子１１１に取り付けられる。例えば、外付けＰＴＣ素子１０１を構成する一方の金属板１３０と電池１１０の一方の電極端子１１１とをスポット溶接などによって固着させることで外付けＰＴＣ素子１０１が円筒形電池１１０に取り付けられる。外付けＰＴＣ素子１０１が取り付けられ円筒形電池１１０を回路基板などに実装する際には、他方の金属板１２０に半田４０などを用いてリード線５０を接続しておく。また円筒形電池１１０の他方の電極端子１１２には、例えば金属板のみからなる端子板１６０を取り付け、やはりその端子板１６０にリード線５０を半田付けしておく。そしてリード線５０を回路基板に半田付けすることで、円筒形電池１１０が実装される。
なお従来の外付けＰＴＣ素子としては、図１に示した例に限らず、ＰＴＣ素子を２枚の帯状の金属板で狭持したものもある。図２に２枚の帯状の金属板（２２０、２３０）でＰＴＣ素子１０を狭持してなる外付けＰＴＣ素子２０１を示した。図２（Ａ）は当該外付けＰＴＣ素子２０１の積層構造を示す図であり、図２（Ｂ）は電池１１０にこの外付けＰＴＣ素子２０１を取り付けた状態を示す図である。図２（Ａ）に示した例では、ＰＴＣ素子１０を介して対面する２枚の電極板（２２０、２３０）がともに帯状の金属板からなる。そして双方の電極板（２２０、２３０）は基端側（２２２、２３２）が対面しつつ、それぞれの先端（２２１、２３１）が互いに反対方向を向くように延長している。ＰＴＣ素子１０は双方の電極板（２２０、２３０）の対面領域内に配置される。ところでこの図２（Ａ）に示した外付けＰＴＣ素子２０１を円筒形電池１１０に取り付けると、一方の金属板２３０の先端側２３１が電極端子１１１と接触することになる。そして２枚の帯状の金属板（２２０、２３０）が対面領域を経て同じ方向に延長しているため、外付けＰＴＣ素子２０１が電池１１０の外方に大きく突出してしまう。この状態で円筒形電池１１０を回路基板に実装すれば電池１１０自体が回路基板から大きく離間することになり、電子機器の小型化を阻害する。そこで図２（Ｂ）に示したように、２枚の電極板（２２０、２３０）の対面領域が電池１１０の側面と平行となるように、電極端子１１１と接触する側の金属板２３０をその延長途上で円筒形電池１１０の外形に沿って折り曲げる場合がある。なお以下の特許文献１には板状のＰＴＣ素子を２枚の帯状の金属板で狭持した構造の外付けＰＴＣ素子について記載されている。また以下の非特許文献１にはＰＴＣ材料にポリマーを用いた所謂「ポリスイッチ」と呼ばれるＰＴＣ素子の構造や特性などについて記載されている。

特開２００２−１５０９１８号公報

タイコエレクトロニクスジャパン合同会社、"「ポリスイッチの概要と選定方法」「ポリスイッチの信頼性」"、[online]、[平成２６年１２月１８日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.te.com/japan/bu/circuitprotection/polyswitch/pdf/2011_fundamentals.pdf＞

上述したように、外付けＰＴＣ素子を取り付けた筒形電池を基板などに実装する場合、外付けＰＴＣ素子にリード線を取り付けていた。そのためリード線自体に係る部品コスト、リード線の一端を外付けＰＴＣ素子に取り付けるための工程に要する製造コスト、およびリード線の他端を回路基板に半田付けする工程に要する製造コストなどが掛かり、電池が組み込まれる電子機器を安価に提供することが難しくなる。またリード線を引き回す必要もあることから電子機器の小型化も阻害されてしまう。２枚の帯状の電極板でＰＴＣ素子を狭持した構造の外付けＰＴＣ素子では一方の電極板を折り曲げている。筒型電池では電池缶が正負一方の電極の集電体を兼ねているため、帯状の電極板を折り曲げる際などに電池缶外周の絶縁膜に傷がつけば、電極端子と直接接触していない側の電極板と電池缶とが電気的に接触する可能性がある。外付けＰＴＣ素子が取り付けられる側の電極端子が電池缶と同じ極であれば、２枚の電極板が電気的に直接接触することになり、ＰＴＣ素子が機能しない。異なる極であれば電池を短絡させてしまうことになる。

そこで本発明の目的は、コストアップを招くことなく、筒形電池を回路基板に容易にかつ確実に実装することができ、実装に要するスペースも節約できる外付けＰＴＣ素子、およびその外付けＰＴＣ素子を取り付けた筒形電池を提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明は、両端面に電極端子を備えるとともに一方の端面に当該端面と同心円状の台状凸部が形成された円筒形電池に取付けられて、一つの当該筒形電池の前記一方の電極端子に取り付けられる外付けＰＴＣ素子であって、
下方に配置された金属板からなる底板の上方に板状のＰＴＣ素子と金属板からなる天板がこの順に積層されてなり、
前記ＰＴＣ素子は、前記天板と前記底板との対面領域内に配置され、
前記天板は前記底板の平面領域に対して一方向に突出して延長しつつ、先端が回路基板に実装可能なリード端子の形状に成形され、
前記底板は、下面が、前記筒型電池における一方の端面の平面形状に沿う形状で、当該底板の上面で前記天板との対面領域以外の領域が前記一方の端面に溶接される領域として露出し、
前記底板の下面には、前記台状凸部が挿入される凹部が形成され、
前記ＰＴＣ素子と前記天板とが、前記底板の前記凹部に対応する領域の上方に積層されている、
ことを特徴とする外付けＰＴＣ素子としている。

本発明の範囲には上記いずれかに記載の前記外付けＰＴＣ素子が取り付けられてなる筒形電池も含まれ、当該筒型電池は両端面を電極端子として、一方の端面に前記底板の下面が接触した状態で取り付けられ、他方の端面には金属板からなるリード端子が取り付けられていることを特徴とする筒形電池としている。

本発明の外付けＰＴＣ素子によれば、コストアップを招くことなく筒形電池を回路基板に容易にかつ確実に実装することができる。またこの外部ＰＴＣ素子を取り付けた筒型電池は実装領域が小さく、当該筒型電池を内蔵する電子機器の小型化に寄与する。なおその他の効果については以下の記載で明らかにする。

従来の外付けＰＴＣ素子の一例を示す図である。 従来の外付けＰＴＣ素子の他の例を示す図である。 本発明の実施例に係る外付けＰＴＣ素子を示す図である。 上記実施例に係る外付けＰＴＣ素子が取り付けられた円筒形電池を示す図である。 上記実施例に係る外付けＰＴＣ素子のその他の端子形状を示す図である。 上記実施例の変形例に係る外付けＰＴＣ素子の取付け対象となる円筒形電池を示す図である。 上記変形例に係る外付けＰＴＣ素子を示す図である。 上記変形例に係る外付けＰＴＣ素子の応用形態を示す図である。 本発明のその他の実施例に係る外付けＰＴＣ素子を示す図である。

本発明の実施例について、以下に添付図面を参照しつつ説明する。なお以下の説明に用いた図面において、同一または類似の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略することがある。ある図面において符号を付した部分について、不要であれば他の図面ではその部分に符号を付さない場合もある。

＝＝＝実施例＝＝＝
本発明の実施例として、両端面が電極端子となる円筒形電池を取付け対象とした外付けＰＴＣ素子を挙げる。図３はその実施例に係る外付けＰＴＣ素子１ａの構造を示す図である。図３（Ａ）はＰＴＣ素子１ａを上方から見たときの平面図であり、図３（Ｂ）は（Ａ）におけるａ−ａ矢視断面図である。実施例に係る外付けＰＴＣ素子１ａの基本構造は従来の外付けＰＴＣ素子と同様に２枚の金属板（２０、３０）でＰＴＣ素子１０を狭持した構成であるが、金属板（２０、３０）の平面形状が従来の外付けＰＴＣ素子とは異なっている。なお以下では、ＰＴＣ素子１０を狭持する２枚の金属板（２０、３０）において、電池の電極端子と接触する金属板３０を「底板」と言うこととする。ＰＴＣ素子１０を介して底板３０と対面する金属板２０については「天板」とも言うこととする。また底板３０を下方として、底板３０の上方にＰＴＣ素子１０と天板２０がこの順に積層されていることして外付けＰＴＣ素子１ａにおける上下の各方向を規定することとする。

図３に示したように実施例に係る外付けＰＴＣ素子（以下、外部ＰＴＣ素子１ａとも言う）では、天板２０の先端側２１が回路基板に直接実装可能な形状に加工されて、天板２０自体がリード端子板として機能する。この例ではスルーホールに挿入されるリードピンの形状になっている。そして図３（Ｂ）に示したように、外部ＰＴＣ素子１ａは、このリード端子板に類似した形状の天板２０の基端側２２と底板３０との間にチップ部品であるＰＴＣ素子の本体（以下、ＰＴＣチップ１０とも言う）を狭持した構造となっている。なおここに示した外部ＰＴＣ素子１ａは、天板２０と底板３０がともに厚さ０．３ｍｍのニッケル板からなる。ＰＴＣチップ１０は、高温になると電気抵抗が増大する特性を有する導電性ポリマーをアルミ箔などの金属箔で狭持した所謂「ポリスイッチ」であり、ＰＴＣチップの厚さは０．２２ｍｍである。そして天板２０とＰＴＣチップ１０の金属箔、および底板３０とＰＴＣチップの金属箔とはリフロー半田付けなどの方法によって接合されている。

またここに示したＰＴＣ素子１ａは、円筒形電池において平板状の電極端子側に取り付けられるように構成されている。すなわち一般的な電池であれば、負極端子に対応する電極端子（以下、便宜的に電極端子面とも言う）に取り付けられる。もちろん電子機器に組み込まれて利用者によって交換ができないような工業用の電池では、正極と負極の双方の端子が平坦な電極端子面になっているものもある。いずれにしても底板３０は電極端子面の平面形状に沿う円板状であり、この底板３０側を下方としてＰＴＣ素子１ａを上方から見ると、底板３０が天板２０に隠れず円板状の底板３０の外周側が露出している。

図４は円筒形電池１１０に取り付けられた状態の外部ＰＴＣ素子１ａを示した。この例では、直径φ＝１７ｍｍ、長さＬ＝３３．５ｍｍの外形寸法を有するリチウム一次電池１１０の電極端子面１１１に取り付けられている。この図４に示したように、底板３０は円板の外周領域の所定箇所３４にて溶接されて電極端子面１１１に取り付けられている。ここではスポット溶接により取り付けられている。もちろんレーザー溶接など他の溶接方法を採用してもよい。なお電極端子面１１１に対して反対側の端面１１６にある電極端子（以下、電極端子１１２とも言う）にはリード端子板６０のみがスポット溶接などの方法によって取り付けられている。この例では円筒形電池１（以下、電池１１０とも言う）が正しく実装されるように天板２０のリードピンが１本であり、電極端子１１２側のリード端子板６０には２本のリードピンが形成されている。そしてこれらのリードピンが回路基板のスルーホールに挿入されつつ半田付けされることで電池１１０が回路基板に実装される。それによって電池１１０がリードピン付きの各種電子部品と同様にして、短絡などを確実に防止し、かつ実装スペースを圧迫することなく回路基板上の必要最小限の領域を占有した状態で実装される。すなわち電池１１０を内蔵した電子機器をより小型にすることができる。もちろん他の実装部品と同様にリフロー半田付けによる実装も可能となり電子機器のコストダウンにも寄与する。なお天板２０やリード端子板６０の先端側（２１、６１）の端子形状は上述したリードピン形状に限らず、例えば、図５に示したように、回路基板のエッジが差し込まれる切欠（２３、６３）が形成されたものであってもよい。

＝＝＝変形例＝＝＝
ところで上記実施例に係る外部ＰＴＣ素子１ａは電池１１０において平坦面を有する電極端子面１１１側に取り付けることを想定していた。しかしながら強度を確保するなどの理由から、一般的な電池における正極端子ほど高さはないものの、表面が完全な平坦面ではなく同心円状の低い台状の凸部が電極端子面１１１に形成されている場合がある。図６に電極端子面１１１に低い凸部（以下、円形凸部１１３とも言う）が形成された電池１１０を示した。図６（Ａ）は電池１１０をその電極端子面１１１側からみたときの斜視図であり、図６（Ｂ）は電極端子１１２側から見たときの斜視図である。電極端子面１１１側にも円筒形の電池１１０の円形端面と同心円をなす円形凸部１１３が形成されている。他方の端面には高さのある円柱状の突起からなる電極端子（以下、凸状端子１１２とも言う）が形成されている。そこで上記実施例１ａの変形例として、円形凸部１１３のある電極端子面１１１にも取り付けが可能な外部ＰＴＣ素子を挙げる。

図７に当該変形例に係る外部ＰＴＣ素子１ｂを示した。図７（Ａ）は変形例に係る外部ＰＴＣ素子１ｂを上方から見たときの平面図であり、図７（Ｂ）は（Ａ）におけるｂ−ｂ矢視断面図である。図７（Ｃ）は、電池１１０において円形凸部１１３のある電極端子面１１１にこの外部ＰＴＣ素子１ｂを取り付けたときの断面図である。図７（Ａ）に示したように上方から見たときの平面形状は上記実施例１ａと同様であるが、図７（Ｂ）に示したように底板３０の下面３３側に円形に開口する凹部３５が形成されており、図７（Ｃ）に示したように、この外部ＰＴＣ素子１ｂを電極端子面１１１に取り付けると、電極端子面１１１の円形凸部１１３がこの凹部３５内に挿入され、凹部３５の底３６に円形凸部１１３の上端面１１４が当接する。また底板３０の外周側の下面３３に電極端子面１１１の外周側上面１１５が接触する。なおこの変形例１ｂは図８に示したように、凹部３５をより深くすれば、正極端子のような高い凸状端子１１２を備えた端面１１６にも適用することができる。

＝＝＝その他の実施例＝＝＝
実施例１ａやその変形例１ｂでは底板３０を円筒形電池１１０の一方の端面に溶接により取り付けることとしていた。そのため底板がリード端子としても機能する天板の延長方向に対して幅広の円板形状をしていた。そして電池の電極端子板と接触する底板の外周部分をスポット溶接していた。確かに溶接は、取り付け強度が大きく、振動などによる脱落もし難い。その一方で溶接には専用の溶接機を必要とすることから、例えば、試作レベルの電子回路に組み込む電池に外部ＰＴＣ素子を取り付けるような場合には、溶接を前提とした外部ＰＴＣ素子を敢えて採用する必要はなく、より汎用的な外部ＰＴＣ素子が求められる場合もある。図９に汎用的な外部ＰＴＣ素子１ｃを示した。図９（Ａ）はその平面図であり、図９（Ｂ）は（Ａ）におけるｃ−ｃ矢視断面図である。この図９に示した外部ＰＴＣ素子１ｃでは、リード端子板としても機能する天板２０の基端側２２に、天板２０と同程度の幅の底板３０が対面し、その対面領域にＰＴＣチップ１０が配置されている。そして導電性接着剤や半田を用いるなどして底板３０の下面３３を電極端子面に取り付ければよい。図９に示した外部ＰＴＣ素子１ｃであれば、電極端子面に限らず、凸状端子の端子面に取り付けることもできる。なお本発明に係る外部ＰＴＣ素子が取り付け対象とする電池は円筒形電池に限らず両端面が電極端子となる筒型電池であればよい。

１ａ，１ｂ，１０１，１０２ 外付けＰＴＣ素子、１０ ＰＴＣ素子（ＰＴＣチップ）、２０ 天板、３０ 底板、３４ 溶接箇所、３５ 凹部、
１１０ 円筒形電池、１１１ 電極端子面、１１２ 電極端子（凸状端子）、
１１３ 円形凸部

Claims (2)

1. 両端面に電極端子を備えるとともに一方の端面に当該端面と同心円状の台状凸部が形成された円筒形電池に取付けられて、一つの当該筒形電池の前記一方の電極端子に取り付けられる外付けＰＴＣ素子であって、
   下方に配置された金属板からなる底板の上方に板状のＰＴＣ素子と金属板からなる天板がこの順に積層されてなり、
   前記ＰＴＣ素子は、前記天板と前記底板との対面領域内に配置され、
   前記天板は前記底板の平面領域に対して一方向に突出して延長しつつ、先端が回路基板に実装可能なリード端子の形状に成形され、
   前記底板は、下面が、前記筒型電池における一方の端面の平面形状に沿う形状で、当該底板の上面で前記天板との対面領域以外の領域が前記一方の端面に溶接される領域として露出し、
   前記底板の下面には、前記台状凸部が挿入される凹部が形成され、
   前記ＰＴＣ素子と前記天板とが、前記底板の前記凹部に対応する領域の上方に積層されている、
   ことを特徴とする外付けＰＴＣ素子。
2. 請求項１に記載の前記外付けＰＴＣ素子が取り付けられてなる筒形電池であって、両端面を電極端子として、一方の端面に前記底板の下面が接触した状態で取り付けられ、他方の端面には金属板からなるリード端子が取り付けられていることを特徴とする筒形電池。

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