热响应元件、断路器、安全电路及二次电池组的制作方法

本发明涉及适用于小型断路器的形成为板状的热响应元件等。

背景技术：

以往，作为各种电气设备的二次电池或电动机等的保护装置(安全电路)，使用了断路器。

断路器包括热响应元件，该热响应元件根据温度变化而进行动作，将电流导通或切断。在专利文献1中示出了应用双金属片作为热响应元件的断路器。双金属片是由热膨胀率不同的两种板状的金属材料层叠而成的，是通过根据温度变化改变形状(热变形)来控制触点的导通状态的元件。该文献所示的断路器通过将固定片、可动片、热响应元件、ptc热敏电阻等部件收纳于壳体而成，固定片及端子片的端子从壳体突出，与电气设备的电路连接而使用。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：wo2011/105175号公报

技术实现要素：

发明所要解决的课题

在发生了异常时，例如在充放电过程中的二次电池的温度过度上升的情况下，或者在过电流流过装备于汽车、家电产品等设备的电动机等的情况下等，断路器为了保护二次电池或电动机等而切断电流。作为这样的保护装置而使用的断路器为了确保设备的安全，要求追随温度变化而准确地进行动作(具有良好的温度特性)和通电时的电阻值稳定。

另外，在断路器作为装备于个人笔记本电脑、平板型移动信息终端设备或被称为智能手机的薄型的多功能移动电话机等电气设备的二次电池等的保护装置而使用的情况下，除了上述的安全性的确保之外，还要求小型化。特别是对于近年来的便携信息终端设备而言，用户对小型化(薄型化)的意向增强，由各公司新推出的设备为了确保设计上的优越性，设计成小型的倾向显著。在这种背景下，作为构成便携信息终端设备的一个部件，与二次电池一起安装的断路器也被强烈要求进一步的小型化。

在该文献的图3所示的通电状态下，热响应元件呈正转形状。若热响应元件的温度因过充电等而上升，则通过快速动作，如该文献的图4所示那样，热响应元件变化为反转形状(反向翘曲形状)，将可动片的前端附近上推。由此，设于固定片的固定触点与设于可动片的可动触点分离，断路器成为切断状态。

之后，若过充电状态等被解除，则热响应元件的温度降低，热响应元件恢复到正转形状，可动片恢复到导通状态。用于使可动片从导通状态转变为切断状态的热响应元件的反转动作温度及用于使断路器从切断状态恢复到导通状态的热响应元件的正转恢复温度，根据安装断路器的设备的规格等来设定。

考虑到设备的安全，优选将正转恢复温度设定得较低，使得直至二次电池等的温度变得足够低为止能够维持切断状态。通常，热响应元件形成为向可动片侧凸出的弯曲的形状，以使得正转恢复温度低于热响应元件的反转动作温度。

为了将正转恢复温度设定得更低，只要减小热响应元件的曲率半径即可。但是，曲率半径小的热响应元件在其结构上，在正转恢复温度容易产生偏差，特别是在追求小型化的断路器中，难以以稳定的品质制造曲率半径小的热响应元件，成为成品率降低的一个原因。因此，期望开发出一种能够在不使曲率半径相对于热响应元件的尺寸过度减小的前提下增大反转动作温度与正转恢复温度之差的热响应元件。

本发明是为了解决上述课题而完成的，其目的在于提供一种不过度减小曲率半径而反转动作温度与正转恢复温度之差较大的热响应元件等。

用于解决课题的手段

为了实现上述目的，本发明涉及一种热响应元件，形成为弯曲的板状，其中，所述热响应元件包括：第一区域，随着温度变化，伴有快速动作发生变形；及第二区域，从所述第一区域一体地形成，并阻碍所述第一区域的变形，所述第二区域形成于所述第一区域的外切圆的内侧。

在本发明所涉及的所述热响应元件中，优选为，所述热响应元件在从厚度方向观察的俯视下，形成为矩形，所述第一区域形成在两个对角线上。

在本发明所涉及的所述热响应元件中，优选为，所述热响应元件在从厚度方向观察的俯视下，形成为具有沿长度方向延伸的长边和沿与所述长度方向垂直的宽度方向延伸的短边的长方形，所述第二区域沿着所述长边形成。

在本发明所涉及的所述热响应元件中，优选为，所述热响应元件在从厚度方向观察的俯视下，形成为具有沿长度方向延伸的长边和沿与所述长度方向垂直的宽度方向延伸的短边的长方形，所述第二区域沿着所述短边形成。

在本发明所涉及的所述热响应元件中，优选为，所述第二区域的曲率半径大于所述第一区域的曲率半径。

在本发明所涉及的所述热响应元件中，优选为，所述第二区域的曲率中心隔着热响应元件位于与所述第一区域的曲率中心相反的一侧。

另外，本发明的断路器具备：所述热响应元件；固定触点；以及可动片，其具有进行弹性变形的弹性部，并在该弹性部的前端部具有可动触点，所述可动片将所述可动触点向所述固定触点进行按压并使所述可动触点与所述固定触点接触，所述热响应元件通过随着温度变化而发生变形，能够使所述可动片的状态从所述可动触点与所述固定触点接触的导通状态转变为所述可动触点与所述固定触点分离的切断状态。

本发明的电气设备用的安全电路的特征在于，具备所述断路器。

本发明的电气设备用的二次电池组的特征在于，具备所述断路器。

发明效果

根据本发明的热响应元件，包括：随着温度变化，伴有快速动作发生变形的第一区域；以及从第一区域一体地形成，并阻碍第一区域的变形的第二区域。第一区域随着热响应元件的温度上升，产生用于从正转形状变形为反转形状的应力。此时，第二区域作用为阻碍第一区域从正转形状向反转形状的变形而维持正转形状。其结果，使热响应元件变形为反转形状所需的上述应力提高，容易提高热响应元件的反转动作温度。

另一方面，之后，在热响应元件的温度下降时，第二区域作用为阻碍第一区域从反转形状向正转形状的变形而维持反转形状。其结果，使热响应元件变形为正转形状所需要的上述应力提高，使热响应元件快速变形为正转形状的正转恢复温度降低。因此，容易降低热响应元件的正转恢复温度，能够容易地增大反转动作温度与正转恢复温度之差而不会过度减小热响应元件的曲率半径。

另外，第二区域形成于第一区域的外切圆的内侧。由此，能够增大反转动作温度与正转恢复温度之差而不会使热响应元件的尺寸增大。

附图说明

图1为表示本发明的一个实施方式所涉及的断路器的概略结构的组装前的立体图。

图2为表示通常的充电或放电状态下的上述断路器的剖视图。

图3为表示过充电状态或异常时等的上述断路器的剖视图。

图4为表示应用于上述断路器的热响应元件的立体图。

图5为上述热响应元件的剖视图。

图6为上述热响应元件的变形例的剖视图。

图7为上述热响应元件的另一变形例的俯视图。

图8为上述热响应元件的又一变形例的俯视图。

图9为上述热响应元件的又一变形例的俯视图。

图10为上述热响应元件的又一变形例的俯视图。

图11是表示具备本发明的上述断路器的二次电池组的结构的俯视图。

图12为具备本发明的上述断路器的安全电路的电路图。

具体实施方式

参照附图对本发明的一个实施方式所涉及的断路器进行说明。图1至图3示出了断路器1的结构。断路器1安装于电气设备等，保护电气设备不受过度的温度上升或过电流的影响。

断路器1包括：具有固定触点21的固定片2；在前端部具有可动触点41的可动片4；随着温度变化而发生变形的热响应元件5；ptc(positivetemperaturecoefficient：正温度系数)热敏电阻6；以及收容固定片2、可动片4、热响应元件5及ptc热敏电阻6的壳体10等。壳体10由壳体主体(第一壳体)7和安装于壳体主体7的上表面的盖构件(第二壳体)8等构成。

固定片2例如通过对以铜等为主要成分的金属板(除此以外，还包括铜-钛合金、锌白铜、黄铜等金属板)进行冲压加工而形成，并通过嵌件成型而埋入于壳体主体7。在固定片2的一端形成有与外部电路电连接的端子22，在另一端侧形成有支承ptc热敏电阻6的支承部23。ptc热敏电阻6载置在凸状的突起(凸点)24之上，并被突起24支承，该突起24在固定片2的支承部23形成有3处。通过将固定片2弯曲成阶梯状，固定触点21和支承部23被配置成高低不同，能够容易地确保收纳ptc热敏电阻6的空间。

固定触点21通过银、镍、镍-银合金、铜-银合金、金-银合金等导电性良好的材料的包层、镀敷或涂敷等而形成于与可动触点41对置的位置，并从形成于壳体主体7的内部的开口73a的一部分露出。端子22从壳体主体7的端缘突出到外侧。支承部23从形成于壳体主体7的内部的开口73d露出。

在本申请中，如果没有特别说明，则将固定片2中形成有固定触点21的一侧的面(即图1中的上侧的面)作为a面，将其相反侧的面作为b面来进行说明。在将从固定触点21朝向可动触点41的方向定义为第一方向，并将与第一方向相反的方向定义为第二方向的情况下，a面朝向第一方向，b面朝向第二方向。对于其他部件，例如可动片4及热响应元件5、ptc热敏电阻6等也同样如此。

可动片4通过对以铜等为主要成分的板状的金属材料进行冲压加工，从而形成为相对于长边方向的中心线对称的臂状。

在可动片4的长边方向的前端部形成有可动触点41。可动触点41例如由与固定触点21同等的材料形成，除了焊接之外，还通过包层、铆接(crimping)等方法与可动片4的前端部接合。

在可动片4的长边方向的另一端部形成有与外部电路电连接的端子42。可动片4在可动触点41与端子42之间具有抵接部43和弹性部44。抵接部43在端子42与弹性部44之间与壳体主体7及盖构件8抵接。抵接部43具有在可动片4的短边方向上呈翼状突出的突出部43a。通过设置突出部43a，从而抵接部43在宽大的区域被壳体主体7及盖构件8夹住，可动片4相对于壳体10被牢固地固定。

弹性部44从抵接部43向可动触点41侧延伸。可动片4在弹性部44的基端侧的抵接部43处，由壳体10悬臂支承，在该状态下弹性部44发生弹性变形，由此形成于弹性部44的前端部的可动触点41被向固定触点21侧按压而与固定触点21接触，固定片2与可动片4能够通电。

可动片4在弹性部44处通过冲压加工而弯曲或屈曲。另外，在弹性部44的下表面，与热响应元件5对置地形成有一对突起44a、44b。突起44a在基端侧朝向热响应元件5突出，并在切断状态下与热响应元件5抵接。突起44b在比突起44a靠前端侧(即可动触点41侧)朝向热响应元件5突出，并在切断状态下与热响应元件5抵接。当热响应元件5因过热而发生变形时，热响应元件5与突起44a及突起44b抵接，热响应元件5的变形经由突起44a及突起44b传递至弹性部44，可动片4的前端部被上推(参照图3)。

热响应元件5使可动片4的状态从可动触点41与固定触点21接触的导通状态转变为可动触点41与固定触点21分离的切断状态。热响应元件5通过层叠热膨胀率不同的薄板材而形成为板状，截面呈弯曲成圆弧状的初始形状。当由于过热而达到反转动作温度时，热响应元件5的弯曲形状伴随速动而反向翘曲，并在由于冷却而低于正转恢复温度时恢复。热响应元件5的初始形状可以通过冲压加工形成。只要是在所期望的温度下通过热响应元件5的反向翘曲变形而上推可动片4的弹性部44，并且通过弹性部44的弹性力而恢复到原状，则对热响应元件5的材质及形状没有特别限定，但从生产性及反向翘曲变形的效率性的观点出发，优选为矩形。

作为热响应元件5的材料，根据所需条件，将由锌白铜、黄铜、不锈钢等各种合金构成的热膨胀率不同的两种材料层叠而成的材料进行组合来使用。例如，作为获得稳定的反转动作温度和正转恢复温度的热响应元件5的材料，优选为在高膨胀侧组合铜-镍-锰合金、在低膨胀侧组合铁-镍合金的材料。另外，从化学稳定性的观点出发，作为进一步优选的材料，可举出在高膨胀侧组合铁-镍-铬合金、在低膨胀侧组合铁-镍合金的材料。进一步地，从化学稳定性和加工性的观点出发，作为进一步优选的材料，可举出在高膨胀侧组合铁-镍-铬合金、在低膨胀侧组合铁-镍-钴合金的材料。

ptc热敏电阻6在可动片4处于切断状态时，使固定片2与可动片4导通。ptc热敏电阻6配设在固定片2与热响应元件5之间。即，隔着ptc热敏电阻6，固定片2的支承部23位于热响应元件5的正下方。当通过热响应元件5的反向翘曲变形而切断了固定片2与可动片4的通电时，流过ptc热敏电阻6的电流增大。ptc热敏电阻6只要是电阻值随着温度上升而增大以限制电流的正特性热敏电阻，则可以根据工作电流、工作电压、工作温度、恢复温度等的需要来选择种类，其材料和形状只要不损害上述各种特性则并无特别限定。在本实施方式中，使用含有钛酸钡、钛酸锶或钛酸钙的陶瓷烧结体。除了陶瓷烧结体之外，也可以使用使聚合物含有碳等导电性颗粒的所谓的聚合物ptc。

构成壳体10的壳体主体7及盖构件8由阻燃性的聚酰胺、耐热性优异的聚苯硫醚(pps)、液晶聚合物(lcp)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)等热塑性树脂成型。只要能获得与上述的树脂同等以上的特性，则也可以使用树脂以外的材料。

在壳体主体7形成有凹部73，该凹部73是用于收容可动片4、热响应元件5及ptc热敏电阻6等的内部空间。凹部73具有：用于收容可动片4的开口73a、73b；用于收容可动片4及热响应元件5的开口73c；以及用于收容ptc热敏电阻6的开口73d等。另外，组装于壳体主体7的可动片4、热响应元件5的端缘分别被构成凹部73的框抵接，在热响应元件5的反向翘曲变形时被引导。

盖构件8构成为覆盖凹部73。盖构件8也可以是覆盖凹部73的至少一部分的方式。在盖构件8中，也可以通过嵌件成型而埋入以铜等为主要成分的金属板或不锈钢等的金属板。金属板与可动片4的a面适当抵接，限制可动片4的移动，并且提高盖构件8乃至作为框体的壳体10的刚性、强度，同时有助于断路器1的小型化。

如图1所示，盖构件8安装于壳体主体7，使得堵塞收容有固定片2、可动片4、热响应元件5及ptc热敏电阻6等的壳体主体7的开口73a、73b、73c等。壳体主体7与盖构件8例如通过超声波熔敷而接合。

图2和图3示出了断路器1的动作的概略。图2示出了通常的充电或放电状态下的断路器1的动作。在通常的充电或放电状态下，热响应元件5维持反向翘曲前的初始形状。通过由弹性部44将可动触点41向固定触点21侧按压，从而可动触点41与固定触点21接触，断路器1的固定片2与可动片4成为能够导通的状态。

如图2所示，热响应元件5也可以与导通状态的可动片4的突起44a及突起44b分离。由此，可动触点41与固定触点21的接触压力提高，两者间的接触电阻降低。

图3示出了过充电状态或异常时等的断路器1的动作。在由于过充电或异常而成为高温状态时，达到反转动作温度的热响应元件5反向翘曲变形而与可动片4的弹性部44接触，可动片4被上推，从而固定触点21与可动触点41分离。此时，在固定触点21与可动触点41之间流动的电流被切断。另一方面，热响应元件5与可动片4接触，微小的漏电流通过热响应元件5及ptc热敏电阻6而流动。即，ptc热敏电阻6经由使可动片4转变为切断状态的热响应元件5，使固定片2与可动片4导通。只要这样的漏电流流动，ptc热敏电阻6就会持续发热，在使热响应元件5维持反向翘曲状态的同时，使电阻值急剧增大，所以电流不流过固定触点21与可动触点41之间的路径，仅存在上述的微小的漏电流(构成自保持电路)。该漏电流能够用于安全装置的其他功能。

在过充电状态解除或异常状态消除时，ptc热敏电阻6的发热也复原，热响应元件5返回到正转恢复温度，从而恢复到原来的初始形状。并且，可动触点41与固定触点21通过可动片4的弹性部44的弹性力而再次接触，电路解除切断状态，恢复到图2所示的导通状态。

图4示出了热响应元件5。热响应元件5形成为弯曲的板状。热响应元件5包括：第一区域51，随着温度变化，伴有快速动作发生变形；以及第二区域52，阻碍第一区域51的变形。所谓伴随快速动作的变形，是指热响应元件5达到特定的温度时瞬间产生的变形(以下记为快速变形)。

第二区域52从第一区域51一体地形成。第二区域52在图中标有阴影线的区域中，从第一区域51连续形成。通过从第一区域51一体地连续形成第二区域52，第一区域51与第二区域52一体地变形。因此，在上述快速变形时，第一区域51和第二区域52相互干扰，提高了第二区域52阻碍第一区域51的变形的作用。

热响应元件5在通常的温度区域中，维持图2及图4所示的正转形状，当由于过热而达到反转动作温度时，快速变形为图3所示的反转形状。伴随于此，可动片4的状态从导通状态转变为切断状态。之后，当热响应元件5的温度因散热等而降低至正转恢复温度时，热响应元件5快速变形为图2及图4所示的正转形状。伴随于此，可动片4的状态从切断状态恢复到导通状态。

第一区域51随着热响应元件5的温度上升，产生用于使热响应元件5从正转形状快速变形为反转形状的应力。此时，第二区域52作用为阻碍第一区域51从正转形状向反转形状的变形而维持正转形状。其结果是，为了使热响应元件5变形为反转形状所需要的上述应力提高，容易提高热响应元件5的反转动作温度。

另一方面，之后，在热响应元件5的温度下降时，第二区域52作用为阻碍第一区域51从反转形状向正转形状的变形而维持反转形状。其结果是，为了使热响应元件5变形为正转形状所需要的上述应力提高，使热响应元件5快速变形为正转形状的正转恢复温度降低。因此，容易降低热响应元件5的正转恢复温度，能够容易地增大反转动作温度与正转恢复温度之差而不会过度减小热响应元件5的曲率半径。

另外，例如通过变更构成热响应元件5的材料及尺寸等，将反转动作温度调整为与以往的热响应元件同等，由此相对于以往的热响应元件，能够大幅降低正转恢复温度。由此，能够容易地降低可动片4的状态从切断状态恢复到导通状态的温度，而使可动片4向导通状态的恢复延迟。

另外，第二区域52形成于第一区域51的外切圆53的内侧。由此，能够增大反转动作温度与正转恢复温度之差而不会使热响应元件5的尺寸增大。

热响应元件5在从其厚度方向观察的俯视下，形成为矩形。并且，第一区域51形成在热响应元件5的两条对角线59上。这样的热响应元件5随着温度变化而产生大的应力。因此，采用弹力大的可动片4，能够容易地降低导通状态下的固定触点21与可动触点41的接触电阻。

热响应元件5在其俯视下，形成为具有沿长度方向延伸的长边54和沿与长度方向垂直的宽度方向延伸的短边55的长方形。这样的热响应元件5的对角线59的长度大，随着温度变化而产生大的应力。

并且，第二区域52优选沿着长边54形成。而且，第二区域52优选沿着短边55形成。在本实施方式的热响应元件5中，在俯视下，第一区域51形成为“x”字状，在其周边形成有第二区域52。通过这样的第二区域52，阻碍第一区域51的变形的作用变大，反转动作温度与正转恢复温度之差变大。

图5示出了图4中的热响应元件5的a-a线截面(与长边54平行的截面)。第二区域52的曲率半径r2优选大于第一区域51的曲率半径r1。根据这样的结构，能够容易地制造具有第一区域51和第二区域52的热响应元件5。另外，这样的第二区域52阻碍第一区域51的变形的作用大。另外，第二区域52的曲率半径r2也可以为无限大，即，第二区域52也可以由平面构成。另外，在图5中，示出了第一区域51与沿着短边55形成的第二区域52之间的关系，但第一区域51与沿着长边54形成的第二区域52之间的关系也相同。

图6示出了作为热响应元件5的变形例的热响应元件5a的a-a线截面。热响应元件5a在第二区域52的曲率中心o2隔着热响应元件5位于与第一区域51的曲率中心o1相反的一侧这一点上与热响应元件5不同。

在热响应元件5中，在快速变形的前后，曲率中心o1及曲率中心o2从热响应元件5的b面侧向a面侧、或从a面侧向b面侧转移。与此相对，在热响应元件5a中，在快速变形的前后，仅曲率中心o1从热响应元件5a的b面侧向a面侧、或从a面侧向b面侧转移。因此，由于第一区域51的变形模式与第二区域52的变形模式不同，因而能够较大地获得第二区域52阻碍第一区域51的变形的作用，能够将反转动作温度与正转恢复温度之差设定得更大。

在热响应元件5a中，第二区域52的曲率半径r2优选为比第一区域51的曲率半径r1小。这样的第二区域52阻碍第一区域51的变形的作用大。热响应元件5a的其他结构与热响应元件5相同。

图7至图10示出了作为热响应元件5的另一变形例的热响应元件5b至5e。在热响应元件5b至5e中，相对于上述热响应元件5等，第一区域51及第二区域52的配置不同。

如图7所示，在热响应元件5b中，第二区域52仅沿着长边54形成。如图8所示，在热响应元件5c中，第二区域52仅沿着短边55形成。

如图9所示，在热响应元件5d中，第一区域51形成为“y”字状，在其周边形成有第二区域52。如图10所示，在热响应元件5e中，第一区域51形成为“+”字状，在其周边即在热响应元件5e的对角区域形成有第二区域52。

在热响应元件5b至5e的任一者中，都能够如图5或图6那样设定第一区域51的曲率半径r1、曲率中心o1及第二区域52的曲率半径r2、曲率中心o2。由此，容易形成随着温度变化而快速变形的第一区域51、和从第一区域51一体地形成且阻碍第一区域51的变形的作用大的第二区域52。

另外，在热响应元件5、5a至5e的任一者中，也优选为第一区域51及第二区域52相对于可动片4的长边方向的中心线对称地配置。通过这样的热响应元件5等，还容易维持快速变形后的反转形状的对称性。

本发明的断路器1不限于上述实施方式的结构，可以变更为各种方式来实施。即，本发明至少为如下结构即可，即：热响应元件5形成为弯曲的板状，其包括：第一区域51，随着温度变化，伴有快速动作发生变形；以及第二区域52，从第一区域51一体地形成，并阻碍第一区域51的变形，第二区域52形成于第一区域51的外切圆53的内侧。

例如，壳体主体7与盖构件8的接合方法不限于超声波熔敷，只要是使两者牢固接合的方法，就可以适当适用。例如，也可以通过涂布、填充液状或凝胶状的粘接剂并使其固化，从而使两者粘接。另外，壳体10不限于由壳体主体7和盖构件8等构成的方式，只要由两个以上的部件构成即可。

另外，本发明也能够应用于例如日本特开2016-35822号公报所示的、可动片和端子片被分别成型并通过焊接等而电连接的方式。另外，本发明也能够应用于端子22及42从壳体主体7的b面露出的方式。

而且，本发明也能够应用于从壳体10省略了盖构件8的方式，即，壳体主体7的凹部73敞开、可动片4等露出的方式。在这样的方式中，可动片4处于切断状态时的固定触点21与可动触点41之间的距离能够容易地扩大。另外，在该方式中，也可以如上述日本特开2016-35822号公报所示那样，端子片嵌入成形于壳体主体7，可动片4在其基端侧通过焊接等而固定于端子片。

在本实施方式中，虽然具有基于ptc热敏电阻6的自保持电路，但即使是省略了这样的结构的方式也能够应用。例如，通过利用本发明的热响应元件5等将正转恢复温度设定得比通常的使用状态下的热响应元件的温度区域足够低，能够在省略ptc热敏电阻6的同时，实质上阻止可动片4从切断状态向导通状态的恢复。

另外，本发明的断路器1也可以广泛应用于二次电池组、电气设备用的安全电路等。图11示出了二次电池组500。二次电池组500具备二次电池501和设置于二次电池501的输出电路中的断路器1。图12示出了电气设备用的安全电路502。安全电路502在二次电池501的输出电路中串联地具有断路器1。根据具备断路器1的二次电池组500或安全电路502，能够制造断路器1的动作温度与恢复温度之差大的二次电池组500或安全电路502。

符号说明

1：断路器

2：固定片

4：可动片

5：热响应元件

21：固定触点

41：可动触点

44：弹性部

51：第一区域

52：第二区域

53：外切圆

54：长边

55：短边

500：二次电池组

501：二次电池

502：安全电路

o1：曲率中心

o2：曲率中心

r1：曲率半径

r2：曲率半径