JP5743803B2 - サーマルプロテクター及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、サーマルプロテクター及びサーマルプロテクターの製造方法に関する。

ノートパソコン、タブレットパソコン等の携帯型の電子機器には、大きなエネルギーの集積するリチウムイオン等を用いた二次電池が搭載されて電源となっている。サーマルプロテクターは、バイメタル（熱応動素子）の反転動作を利用した安全装置であり、二次電池において過電流、過充電、過電圧等が生じて過度に温度上昇した際に、電流を遮断する保護装置である。今般、携帯型の電子機器は、益々集積化と小型化、低価格化が進んでおり、二次電池等の電源も、上述した安全性の確保に加えて、寸法縮小、簡素化、生産高効率、省工程、工費低減等が求められている。またさらに、生産拠点の多様化が進んだ結果、これら電子機器の部品は、二次電池等の生産時に湿気、溶剤等の過酷な環境に曝されることとなった。

特許文献１の図３及び図４には、機械的強度、小型化及び省工程のために、蓋体（カバー３）に可動片（アーム金属部４ａ）と端子部（アーム端子部４２）、金属板（カバープレート３ａ）がインサート成形により樹脂（樹脂部３ｂ）中で一体に成形されたサーマルプロテクターが提案されている（別紙の図４参照）。このサーマルプロテクターのアームは、端子部とアーム可動部とが一体となっており、アーム可動部とアーム端子部とを電気的に接続する溶接等の工程が省略される。さらに、インサート成形においてアームが既にカバーの樹脂に埋め込まれているために、特許文献２のように金属のみからなるアームと樹脂ケースとをサーマルプロテクターの組立て時において事後的に接合させるのに比べて、特許文献１の図３及び図４の形態は、密閉性に優れる。

しかしながら、前記の形態は、２枚の金属片がインサートされ構造的に複雑であるので、カバーの成形工程において歩留まりの維持が大変困難である。小型化により、2枚の金属片が正確に配置されがたいため寸法誤差を無視できない状況がインサート成形工程において発生するからである。一方、インサートされる金属片をカバープレートのみにすると
アームは、特許文献２と同様の形態であり、このアームと樹脂製のケースとの間で密閉性が損なわれる嫌いがあった。既述のように二次電池の生産拠点の多様化が進んでいるので、密閉性が不十分であるサーマルプロテクターにおいては、湿気、溶剤等の頻発する劣悪な生産現場に投じられる場合、湿気や溶剤の侵入により内部の金属部材が発錆して不具合を起こす虞がある。

特開２００５−１２９４７１号公報 特許３４１３１６７号公報 特開２００３−２９７２０４号公報

本発明の解決しようとする問題点は、従来の製造方法によるサーマルプロテクターが、満足な密閉性を与えられないゆえ、湿気、溶剤等、新たに生ずるようになった実際的な生産現場の環境に対して耐性を不十分とする点である。

本発明は、金属部及び樹脂部を有するカバー及びベースで構成されるケースと、ケースの外部に延長されたアーム端子部及びベース端子部とを具備するサーマルプロテクターであって、金属製のカバープレート、アーム可動部とアーム端子部を有する金属片、及びベース端子部を有する金属片がそれぞれ樹脂にインサート成形されてなるカバー、アーム及びベースの三個部材によりケースを組み立て、これらの樹脂部同士を溶着することによってケースが密封されてアーム可動部、熱応動素子及び又は正特性サーミスターが外部から遮断されることを最も主要な特徴とする。ケース内部は、インサート成形によって形成された樹脂と金属との接合面、及び脂部同士の接合面によって尚緊密に隙間が封止される。

本発明のサーマルプロテクターには、小型化および簡素化された設計が保たれながら、堅牢性及び密閉性が向上し、さらに、接着面を従来より広く、大きく設けることが可能となることで、機械的強度及び溶着強度が強くなるという利点がある。従来、金属と樹脂とでなされていた組立て時の各部品のつなぎ目を全て樹脂同士の接着に変えることで微小な隙間がなくなることによる。

図１は、一実施形態を表す組立図及び断面図である。 図２は、実施形態の変形例を表す組立の断面図である。 図３は、実施形態の別の変形例を表す組立の断面図である。 図４は、従来技術を表す断面図である。

以下、図面により本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明によるサーマルプロテクターの一形態を示す全体的な断面図である。

サーマルプロテクター１は、アーム４のアーム可動部４３、バイメタル６（熱応動素子）及びＰＴＣ７（正特性サーミスター）をケース２の内部に収容して構成される。ケース２は、それぞれ金属部及び樹脂部を有するカバー３及びベース５から構成される。ケース２の外部には、アーム端子４２部及びベース端子部５２が延長されている。アーム端子４２部及びベース端子部５２は、二次電池の安全回路等のサーマルプロテクター１の外部の電源や回路と接続する。

カバー３は、カバープレート３ａ、カバー樹脂部３ｂ等からなり、金属からなるカバープレート３ａが樹脂にインサート成形されることにより形成される。カバープレート３ａは、カバー３に機械的強度を与える平板状の金属片であり、通常、銅材又はＳＵＳ等の鉄材、その他の丈夫でプレス加工しやすい金属材料から形成される。カバー３のカバー樹脂部３ｂは、通常の射出成形に用いられる樹脂から形成してもよいが、特に耐熱性に優れるポリアミド樹脂、液晶ポリマー等から形成する。

アーム４は、アーム金属部４ａ及びアーム樹脂部４ｂからなり、それぞれアーム端子部４２及びアーム可動部４３となる両端部を有する金属片の一部分が樹脂にインサート成形されることにより形成される。アーム金属部４ａとなる金属片は、カバープレート３ａと同様の材料のうち特に導通性の好いものをサーマルプロテクター１に使用する電流に応じて選択し形成すればよい。アーム樹脂部４ｂとなる樹脂は、カバー樹脂部３ｂと同様のものを用いて形成すればよい。

アーム可動部４３の先端には、可動接点４１が設置されている。アーム可動部４３は、バイメタル６の変形を受けて振り子様に動いて、可動接点４１をベース５と接触又は離反させる。アーム端子部４２とアーム可動部４３とは、既に電気的に接続しており、これにより省工程となる。可動接点４１は、既知の材料及び方法により形成することができる。アーム端子４２とアーム可動部４３との間には、アーム樹脂部４ｂが存在し、ケース側壁２２の一部に対応したアーム固定部２３となって、アーム金属部４ａを固定する。これらアーム４の細部の形状は、既知のものを適用することができる。

ベース５は、ベース金属部５ａ及びベース樹脂部５ｂからなり、ベース端子部５２となる端部を有する金属片の一部分が樹脂にインサート成形されることにより形成される。ベース金属部５ａとなる金属片は、アーム金属部４ａと同様に導通性の好い材料をサーマルプロテクター１に使用する電流に応じて選択し形成すればよい。ベース樹脂部５ｂとなる樹脂は、カバー樹脂部３ｂと同様のものを用いて形成すればよい。

ベース金属部５ａには、可動接点４１と接触又は離反する固定接点５１が設けられ、端部のベース端子５２と電気的に接続する。ベース金属部５ａの一部分は、ベース樹脂部５ｂに埋設されずに露出して、固定接点５１及びケース底面５３となっている。ベース樹脂部５ｂの一部は、ケース側壁２２となってケース底面５３を囲繞し、固定接点５１、アーム可動部４３、バイメタル６及びＰＴＣ７を収容するケース内部２１を構成する。これらベース５の細部の形状は、既知のものを適用することができる。

インサート成形により成形されたカバー３，アーム４及びベース５は、組立工程において組み立てられケース２となる。組立工程では、通常、ＰＴＣ７、バイメタル６、アーム４の順でベース５のケース内部２１に配置され、最後にカバー３でケース内部２１を覆って、収容及び組立てされる。バイメタル６は、アーム可動部４３に熱による変形を与えられるようにアーム可動部４３の直上又は直下に配置される。ＰＴＣ７は、バイメタル６に継続的に発熱を与えられるようにバイメタル６に接触して配置される。カバー樹脂部３ｂの一部分、ベース樹脂部５ｂの一部分及びアーム樹脂部４ｂは、互いに接触してケース側壁２２となる。

さらに、カバー３は、次に該当しない態様を取りうるものの、アーム４及びベース５は、一部が端子となって外部に露出するので、上記のインサート成形において、金属と樹脂との界面であって、当該端子のケース内部２１から外部につながる第１接合面ａ１を有するようになる。特にインサート成形によって形成された、樹脂と金属との第１接合面ａ１は、後述の第２接合面ａ２を増大させる観点から、及び機械的強度の観点から特にアーム樹脂部４ｂにおいて、紙面水平方向を軸として金属片の全周に亘るのが好ましい。

熱応動素子は、アーム可動部４３と一体型の形態であれば、不要であり、バイメタル６の収容されない形態もありうる。ＰＴＣ７は、発熱抵抗体であり、サーマルプロテクター１に自己保持回路を形成する必要がない場合、設置されないこともありうる。この場合、ケース底面は、一般にバイメタル６の変形を効率的にアーム可動部４３に伝えるために樹脂の突起を有する。

各部材及び部品を組み立てる順番は、特に限定されるものではない。上記の順番のほか、例えば、カバー３にアーム４を配置し一体化した部材をベース５にバイメタル６及び又はＰＴＣ７を配置した部材に被せることで組立てを行うこともできる。バイメタル６及びＰＴＣ７のない形態であれば、カバー３に順にアーム４，ベース５を配置することも可能である。

カバー３、アーム４及びベース５のいずれにおいても、インサート成形で樹脂中に埋設される金属片は１枚なので、高い歩留まりで各部材を作成することができる。カバー３、アーム４及びベース５の金属片の形状は、予めプレス加工等で成形され、既知のものを適用できる。さらに、アーム樹脂部４ｂ及びこれと接合される他の樹脂部には、各部材相互の接合が強くなることから、インサート成形及び組立てに支障のない程度で、リブ、突起、ホゾ穴、溝等の嵌合する構造を設けてもよい。インサート成形で埋設される金属片は、この実施例のように簡素な形状で１枚であるのが加工容易性の観点から好ましいが、インサート金属が複数枚であっても樹脂流れが阻害されない限り、特に限定はない。

特にアーム４においては、アーム樹脂部４ｂ及び樹脂中に埋設されるアーム金属部４ａの一部分が比較的単純な形状を取っているので、ケース２を３つの部材に分割する形態にあっても、インサート成形の工程が１つ増えることになるが、工費を抑制することが可能である。アーム樹脂部４ｂは、アーム固定部２３となってアーム金属部３ａをケース２に強く固定し、且つ、カバー樹脂部３ｂとベース樹脂部５bとの間に介在してケース側壁２２の一部となればよいので、金属片の周囲に亘って施され且つカバー樹脂部３ｂ及びベース樹脂部５bに沿った形状を取ればよい。したがってアーム樹脂部４ｂは、射出成形法で樹脂を充填しやすいことから、直方体状かそれに近い形状であることが好ましい。

組立工程で組み立てられたサーマルプロテクター１は、カバー３、アーム４及びベース５の樹脂部同士を溶着させ、後処理を経て完成する。溶着は、超音波によるものが一般的である。この工程によって、カバー３、アーム４及びベース５の相互の間に存在してケース内部２１と外部とを空間的につないでいた隙間が消滅する。それに代わって、各部材の間には、樹脂部同士を溶着する工程によって形成された第２接合面ａ２が生じて、サーマルプロテクター１の表面に振動及び摩擦により樹脂が融解して再度硬化した線状の溶着痕が現れる。

ケース内部２１は、カバー３、アーム４又はベース５のインサート成形で形成される樹脂部、金属部及び第１接合面ａ１、並びに収容工程及び組立て後の溶着工程で形成される樹脂部同士のなす第２接合面ａ２により区画され、厳に密封される。ケース内部２１は、以上のインサート成形、組立及び超音波溶着により、カバー３、アーム４及び又はベース５の金属部及び樹脂部で外部と遮断されるだけでなく、第１接合面ａ１及び第２接合面ａ２が密閉されることで、外部から厳密に封止される。

ケース内部２１は、上記各部材の金属部及び樹脂部、並びに第一接合面ａ１及び第２接合面ａ２によって空間的に閉じられることになる。さらに当該金属部は、樹脂部を介在させて互いに離間しているのが好ましい。金属部同士の接触するときは、ケース内部２１と外部とをつなぐ領域を存在させない。溶着工程によりサーマルプロテクター１の組立ては完了し、当該溶着工程は、第２接合面ａ２のみを必須の接合面とする。第２接合面ａ２は、樹脂同士の溶着で形成される面であることにより、金属と樹脂とを同じく溶着して形成した形態より、強い密着力を呈する。

従来技術においては、アーム金属部が組立て時に樹脂部に挟み込まれるので、樹脂と金属との接合が超音波溶着によってのみで行われる領域が存在し、当該領域は、第１接合面ａ１と比して密着が足りないので、僅かな隙間によりケースの内部の空間的な遮断が不十分となる。翻って、本発明においては、樹脂と金属との接合がケース内部２１に存在しても、図示されるように上記の第１接合面ａ１であり、各部材の本体並びに第１接合面ａ１及び第２接合面ａ２がケース内部２１の全方位を封鎖する。さらに、同じく金属片が樹脂中に埋設される状態にあっても、本発明のサーマルプロテクターは、作成時の射出成形法等によるインサート成形において樹脂に埋設される金属が最少で１枚である少なくとも３つの部材から構成される。ゆえに、従来技術におけるより樹脂同士の接着面（第２接合面ａ２）が大きいので、機械的強度も増大している。くわえて、インサート成形におして金属片の形態が簡素なので、歩留まりが悪化せず、生産性に優れる。

カバープレート３ａ、アーム端子部４ａ、ベース端子部５ａ等、ケース内部２１と外部とに亘って配置される形態を有する金属片において、更に密閉性を高める手段を追加することもできる。図２に示す実施例２は、カバープレート３ａ、アーム金属部４ａベース金属部５ａにおいて、インサート成形で樹脂に埋設される部分に粗面加工（粗面部ｂ）することにより金属と樹脂の接合面が増し、更に密閉性が向上するものである。この形態では、サーマルプロテクター１の機械的強度（特に端子の引っ張り強度）が増大するという利点もある。粗面部ｂは、これら金属片の該当部分の全てに施してもよく一部に施すのみでもよい。

また、カバープレート３ａ、アーム金属部４ａベース金属部５ａにおいて、インサート成形で樹脂に埋設される部分に図３のように線状の凸部ｃを設けることで、実施例２と同様の効果を得ることができる。線状の凸部ｃは、当該金属材の形状をプレス加工により形成する工程で同時に付与することができるので、粗面加工ｂを施すより少工程になる。尚、線状の凸部ｃには、粗面加工ｂも同時に付すことができる。

本発明により、機械的強度を保ち且つ内部の密閉性を向上させることでサーマルプロテクターに湿気、溶剤等への堅牢性を与えられるので、小型化及び簡素化された構造のサーマルプロテクターを従来より厳しい環境に投入し、二次電池等の生産拠点の多様化に対応することが可能となる。

１ サーマルプロテクター、
２ ケース、 ２１ ケース内部、 ２２ ケース側壁、 ２３ アーム固定部、
３ カバー、 ３ａ カバープレート、 ３ｂ カバー樹脂部、
４ アーム、 ４ａ アーム金属部、 ４ｂ アーム樹脂部、
４１ 可動接点、 ４２ アーム端子、 ４３ アーム可動部、
５ ベース、 ５ａ ベース金属部、 ５ｂ ベース樹脂部、
５１ 固定接点、 ５２ ベース端子、 ５３ ケース底面、
６ バイメタル（熱応動素子）、
７ ＰＴＣ（正特性サーミスター）、
ａ１ 第１接合面、 ａ２ 第２接合面ａ２

Claims (4)

1. 金属部及び樹脂部を有するカバー及びベースを含んで構成されアーム可動部、熱応動素子及び又は正特性サーミスターを内部に収容するケースと、該ケースの外部に延長されたアーム端子部及びベース端子部とを具備するサーマルプロテクターであって、
   前記カバーは、金属からなるカバープレートが樹脂にインサート成形された部材であり、前記アームは、それぞれ前記アーム端子部及び前記アーム可動部となる両端部を有する金属片の一部分が樹脂にインサート成形された部材であり、前記ベースは、前記ベース端子部となる端部を有する金属片の一部分が樹脂にインサート成形された部材であり、
   上記のアーム可動部、熱応動素子及び又は正特性サーミスターを収容した前記ケースの内部が密封され閉じられる、上記のインサート成形によって形成された樹脂と金属との接合面と、上記のカバー、アーム及びベースの樹脂部同士を溶着することによって形成された接合面とを有することを特徴とするサーマルプロテクター。
2. 前記カバープレート又はアーム端子部若しくはベース端子部を有する前記金属片において、インサート成形で樹脂に埋設される部分の表面を粗面加工していることを特徴とする請求項１のサーマルプロテクター。
3. 前記カバープレート又はアーム端子部若しくはベース端子部を有する前記金属片において、インサート成形で樹脂に埋設される部分に線状の凸部を有することを特徴とする請求項１又は２のサーマルプロテクター。
4. 金属部及び樹脂部を有するカバー及びベースを含んで構成されアーム可動部、熱応動素子及び又は正特性サーミスターを内部に収容するケースと、該ケースの外部に延長されたアーム端子部及びベース端子部とを具備するサーマルプロテクターを製造する方法であって、
   金属からなるカバープレートが樹脂にインサート成形されることによりカバーを形成する工程、
   それぞれアーム端子部及びアーム可動部となる両端部を有する金属片の一部分が樹脂にインサート成形されることによりアームを形成する工程、
   ベース端子部となる端部を有する金属片の一部分が樹脂にインサート成形されることによりベースを形成する工程、
   前記アーム可動部、熱応動素子及び又は正特性サーミスターを上記のカバー、アーム及びベースのいずれかの部材に配置してケースの内部に収容する工程、
   及び、上記のカバー、アーム及びベースの樹脂部同士を溶着する工程を備え
   上記のインサート成形によって形成された樹脂と金属との接合面及び前記の樹脂部同士を溶着する工程によって形成された接合面において、前記ケースの内部は、密封され閉じられ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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