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技術 外付けPTC素子、および筒形電池

出願人 FDK株式会社
発明者 坂口誠浅野望
出願日 2014年12月26日 (5年2ヶ月経過) 出願番号 2014-263897
公開日 2016年7月11日 (3年8ヶ月経過) 公開番号 2016-127034
状態 特許登録済
技術分野 サーミスタ・バリスタ 電池及び電池容器の装着・懸架 電池の接続・端子
主要キーワード 対面領域 凸状端子 取付け対象 電極端子板 タイコ 電極端子面 取り付け対象 ポリスイッチ
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年7月11日)のものです。
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図面 (10)

課題

コストアップを招くことなく、筒形電池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素子を提供する。

解決手段

両端面に電極端子111、112を備えた筒形電池110の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30の上方に板状のPTC素子と金属板からなる天板20がこの順に積層されてなり、前記PTC素子は天板20と底板30との対面領域内に配置され、天板20は底板30の平面領域に対して一方向に突出して延長しつつ、先端21が回路基板に実装可能なリード端子の形状に成形されている。

概要

背景

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短絡などによって電池の温度が上昇したときに電流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。

概要

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素子を提供する。両端面に電極端子111、112を備えた筒形電池110の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30の上方に板状のPTC素子と金属板からなる天板20がこの順に積層されてなり、前記PTC素子は天板20と底板30との対面領域内に配置され、天板20は底板30の平面領域に対して一方向に突出して延長しつつ、先端21が回路基板に実装可能なリード端子の形状に成形されている。

目的

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

効果

実績

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請求項1

両端面に電極端子を備えた筒形電池の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、先端が回路基板実装可能なリード端子の形状に成形されている、ことを特徴とする外付けPTC素子。

請求項2

請求項1において、前記底板の下面は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ていることを特徴とする外付けPTC素子。

請求項3

請求項2において、前記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取付け対象とし、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ていることを特徴とする外付けPTC素子。

請求項4

請求項1〜3の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。

技術分野

0001

本発明は電池外付けされる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。

背景技術

0002

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短絡などによって電池の温度が上昇したときに電流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。

0003

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。

0004

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。

0005

特開2002−150918号公報

先行技術

0006

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>

発明が解決しようとする課題

0007

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正負一方の電極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。

0008

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。

課題を解決するための手段

0009

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た筒形電池の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ている、
ことを特徴とする外付けPTC素子としている。

0010

また前記底板の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ている外付けPTC素子とすることもできる。さらに前記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を取付け対象とし、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ている外付けPTC素子としてもよい。

0011

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。

発明の効果

0012

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。

図面の簡単な説明

0013

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。

実施例

0014

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。

0015

===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。

0016

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。

0017

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。

0018

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。

0019

===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。

0020

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。

0021

===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、試作ベル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。

0022

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

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