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CN104919670A - 保护元件 - Google Patents

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CN104919670A
CN104919670A CN201480004548.1A CN201480004548A CN104919670A CN 104919670 A CN104919670 A CN 104919670A CN 201480004548 A CN201480004548 A CN 201480004548A CN 104919670 A CN104919670 A CN 104919670A
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CN
China
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thermal fuse
ptc
ptc element
current
conductive metal
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Application number
CN201480004548.1A
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Inventor
莲沼贵司
田中新
铃木克彰
横田贵之
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Lite Electronics Co Ltd (japan)
Original Assignee
Tyco Electronics Corp
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Publication date
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Abstract

本发明提供一种既能流经更大的电流又能提供针对过剩电压以及/或者过剩电流的保护的保护元件。本发明的保护元件具有：PTC元件(18)，其具有层状PTC单元(12)、位于该层状PTC单元的一个主表面上的第1导电性金属层(14)和位于该层状PTC单元的另一个主表面上的第2导电性金属层(16)；绝缘层(20)，其位于上述PTC元件(18)的第2导电性金属层(16)上；温度熔断器部件(22)，其位于上述绝缘层(20)上；以及与上述温度熔断器部件的一端连接的第1引线(24)和与上述温度熔断器部件的另一端连接的第2引线(26)，在此第2引线(26)的一部分与上述第2导电性金属层(16)电连接。

Description

保护元件
技术领域
本发明涉及构成为具有PTC元件以及温度熔断器部件的保护元件，更详细而言涉及使电气装置例如二次电池组从过剩电流以及/或者过剩电压中得以保护的保护元件。此外，本发明涉及包括这种保护元件的保护电路。
背景技术
以往，为使电气装置从过剩电流中得以保护，使用的是温度熔断器元件、电流熔断器元件、聚合物PTC元件等。然而，在可充放电的二次电池组等中，有时不仅要求从过剩电流中得以保护，而且为了防止过充电还要求从过剩电压中得以保护。
作为使二次电池等电气装置从这种过剩电流以及/或者过剩电压中得以保护的保护元件，例如提出如下的保护元件，即，在基板上具有低熔点金属部件(相当于温度熔断器部件)以及发热体，由检测到电压异常的检测元件给发热体通电，通过由发热体产生的热来熔断温度熔断器部件，以使电路切断(参照专利文献1)。
然而，在上述这样的保护元件中，虽然在陶瓷基板上配置了电阻体(发热体)和处于其热影响下的温度熔断器，但根据该构造而在元件内并列配置多个温度熔断器却变得困难，因而存在无法增大电流的额定容量的问题(例如，在现有的保护元件中额定电流为15A程度)。因而，为了应对电动工具等的需要大电流的设备，利用单一的元件是无法应对的，必须以并列的方式使用多个例如4个保护元件，从而产生电路变得复杂、且小型化变得困难的问题。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开7-153367号公报
发明内容
发明要解决的课题
为此，本发明要解决的课题在于提供一种保护元件，该保护元件能够提供针对过剩电流以及/或者过剩电压的保护，且即便在流过较大电流例如30A或者其以上的电流的电气电路中也能够利用单一的元件来适当地保护电气电路。
用于解决课题的手段
在第1方面，本发明提供一种保护元件，构成为具有：
PTC元件，其具有层状PTC单元、位于该层状PTC单元的一个主表面上的第1导电性金属层和位于该层状PTC单元的另一个主表面上的第2导电性金属层；
绝缘层，其位于上述PTC元件的第2导电性金属层上；
温度熔断器部件，其位于上述绝缘层上；以及
与上述温度熔断器部件的一端连接的第1引线和与上述温度熔断器部件的另一端连接的第2引线，
在此，第2引线的一部分与上述第2导电性金属层电连接。
本发明的保护元件其特征在于，根据过剩电压以及/或者过剩电流而使电流从开关元件流向PTC元件，由此使PTC元件变为高温/高阻状态，也就是使PTC元件进行动作，从而通过由该PTC元件所产生的焦耳热而使温度熔断器部件熔断。即，在本发明的保护元件中，温度熔断器部件处于处在动作状态的PTC元件的热影响下。
本发明的保护元件构成为具有：PTC元件，其具有层状PTC单元、位于该层状PTC单元的一个主表面上的第1导电性金属层、和位于该层状PTC单元的另一个主表面上的第2导电性金属层。在本发明的保护元件中，PTC元件并不特别限定，优选为所谓的聚合物PTC元件。聚合物PTC元件能够如下获得，即，挤压例如包含聚合物(例如聚乙烯、聚偏二氟乙烯等)以及在该聚合物中分散的导电性填充剂(例如镍填料、碳填料等)的导电性聚合物组成物，获得作为层状PTC单元的挤压物，并在其两个主表面热压接导电性金属，由此来获得。如果为本领域的技术人员，则能够根据本发明的保护元件的特征以及用途来选择适当的PTC元件。
本发明的PTC元件具有根据过剩电压以及/或者过剩电流而动作至高温/高阻状态由此作为发热体的功能。此外，本发明的PTC元件除了作为发热体的功能之外，还具有作为用于保持温度熔断器部件等的基板的功能。通过将聚合物PTC元件作为基板来使用，从而较之于使用陶瓷基板的情况，切断等加工变得容易，此外保护元件的构造变得简单。进而，无需在基板上配置作为发热体的电阻体，基板(即PTC元件)整体实质上均匀地发热，因此可以在基板上配置多个温度熔断器部件。
本发明的保护元件构成为具有位于上述PTC元件的第2导电性金属层上的绝缘层。该绝缘层将第1引线和PTC元件的第2导电性金属层进行电绝缘。通过采用这种构造，从而在温度熔断器部件熔断之后，能够使电流从第1引线经由PTC元件流向第2引线的流路切断。
上述绝缘层由绝缘性材料形成。作为绝缘性材料，并不特别限定，但优选列举出树脂、陶瓷、硅酮、绝缘油、纸等。特别是，优选导热性优异的绝缘性材料。通过采用导热性优异的绝缘性材料，从而能够将由PTC元件所产生的焦耳热效率更良好地传导至温度熔断器部件。作为这种导热性优异的绝缘性材料，并不特别限定，但列举了陶瓷、硅酮等。
上述绝缘层未必覆盖PTC元件的第2导电性金属层的整体，只要在温度熔断器部件熔断后能够使经由PTC元件的第2导电性金属层流动于温度熔断器部件的两端的引线(下述的第1引线以及第2引线)间的电流切断即可，其形状以及配置并不特别限定，例如绝缘层能够配置为第2导电性金属层的一部分露出。这样使第2导电性金属层的一部分露出，从而能够使第2导电性金属层和第2引线的电连接变得容易。
上述绝缘层的厚度并不特别限定，但可以为10～100μm，优选为30～60μm。绝缘层越薄则越能够使由PTC元件所产生的焦耳热效率更良好地传导至温度熔断器部件，因此优选为60μm以下。此外，为使温度熔断器部件和第2导电性金属层的电绝缘变得更可靠，优选为30μm以上。
本发明的保护元件构成为具有位于上述绝缘层上的温度熔断器部件。优选的是，该温度熔断器部件在其两端连接有作为端子(电极)的引线(以下分别称作第1引线以及第2引线)。该熔断器部件由具有给定熔点的金属材料例如Sn、Bi、Pb、Cd、In、Ga、Zn等形成。如果为本领域的技术人员，则能够考虑PTC元件的动作时的温度等，根据期望的特性来适当选择，获得或制作这种温度熔断器部件。
上述温度熔断器部件能够在PTC元件上分别并联地配置多个，例如2～10个，优选为2～4个。通过并联地增加温度熔断器部件的数量，从而能够使本发明的保护元件的电流的额定容量增加。
上述温度熔断器部件被配置为处于PTC元件的热影响下。即，被配置为通过由进行动作的PTC元件所产生的焦耳热而温度熔断器部件熔断。优选的是，温度熔断器部件整体被配置在绝缘层上。通过如此配置，从而在检测到过剩电压以及/或者过剩电流、PTC元件被接通电流、PTC元件进行动作的情况下，因由该PTC元件所产生的焦耳热而温度熔断器部件被熔断，能够确保电流的切断。此外，与温度熔断器部件的一端连接的第1引线，被配置为不会接触到PTC元件的第2导电性金属层，优选配置为熔断器部件和第1引线的连接部位于绝缘层上。另一方面，与温度熔断器部件的一端连接的第2引线，其一部分与PTC元件的第2导电性金属层电连接。通过如此配置，由于经由PTC元件的第2导电性金属层的从第1引线向第2引线的路径被绝缘层切断，因此在温度熔断器部件被熔断后，能够可靠地防止在第1以及第2引线间流动电流，并且能够确保流经PTC元件的电流。
在其他实施方式中，本发明的保护元件还具有与PTC元件串联连接的第2温度熔断器部件。第2温度熔断器部件相对于第1温度熔断器部件既可以串联连接也可以并联连接，但优选串联连接。
上述第2温度熔断器部件处于PTC元件的热影响下，在检测到过剩电压以及/或者过剩电流、PTC元件被接通电流、从而PTC元件进行动作的情况下，上述第2温度熔断器部件因由PTC元件所产生的焦耳热而被熔断。通过配置这种第2温度熔断器部件，从而可以使PTC元件上的温度熔断器部件(以下也称作第1温度熔断器部件)被熔断后还从开关元件经由PTC元件流入电路的微小电流(泄漏电流)切断，以使电路变为完全开路。作为该第2温度熔断器部件，列举与上述第1温度熔断器部件所采用的相同。
上述第2温度熔断器部件既可以与第1温度熔断器部件相同也可以不同。在第2温度熔断器部件与第1温度熔断器部件相同的情况下，优选该第2温度熔断器部件与第1温度熔断器部件也串联连接，或者调节设置条件例如与PTC元件的距离等而配置使得在第1温度熔断器部件之后被切断。此外，在第2温度熔断器部件与第1温度熔断器部件不同的情况下，优选该第2温度熔断器部件具有在第1温度熔断器部件之后被熔断的特性。如果为本领域的技术人员，则能够根据期望的特性来适当地选择该第2温度熔断器部件的种类以及配置。
在进一步其他的方式中，本发明的保护元件具有与第1温度熔断器部件串联连接的电流熔断器部件。该电流熔断器部件在电路中流动过剩电流的情况下熔断。即，通过配置这种电流熔断器部件，由此能够使电路从过剩电流中的保护变得更为迅速且可靠。如果为本领域的技术人员，则能够根据期望的特性来适当地选择所用的电流熔断器部件。
在进一步另外的方式中，本发明的保护元件具有第2PTC元件、以及与该第2PTC元件串联连接且处于第2PTC元件的热影响下的第3温度熔断器部件，它们与上述第1温度熔断器部件(以及在存在的情况下为上述电流熔断器部件以及第2温度熔断器部件)并联连接。通过采用这种构成，从而在上述第1温度熔断器部件(以及在存在的情况下为上述电流熔断器部件以及第2温度熔断器部件)熔断时，其中流动的电流换向为上述第2PTC元件侧的电路，能够抑制与上述熔断器部件熔断相伴的电弧的产生。即，能够提升本发明的保护元件的耐电压性。进而，在上述第1温度熔断器部件(以及在存在的情况下为上述电流熔断器部件以及第2温度熔断器部件)熔断后，因由换向的电流而动作的第2PTC元件所产生的焦耳热，上述第3温度熔断器部件被熔断，通过第2PTC元件的微小电流也能够完全切断。该第3温度熔断器部件熔断时，在电路中仅流动微量电流，因此能够安全切断。
在第2方面中，本发明提供一种保护电路，构成为具有：
上述的本发明的保护元件；以及
开关元件，其用于根据过剩电流以及/或者过剩电压而向上述保护元件的PTC元件通电。
在本发明的保护电路中，本发明的保护元件中，例如第1引线与电源连接，第2引线与被保护装置连接，第1导电性金属层与开关元件连接，第2导电性金属层经由第2引线而与被保护装置连接。若产生了过剩电流以及/或者过剩电压，则伴随于此，开关元件给PTC元件通电电流，PTC元件动作至高温/高阻状态，因由该PTC元件所产生的焦耳热而温度熔断器部件被熔断，从而电路断开，被保护装置得到保护。
在本发明的保护电路中，作为开关元件，例如列举出场效应晶体管元件(以下也称作“FET”)等。其中，由于能够根据其自身电压的异常而给PTC元件通电电流，因此特别优选FET。在使用其他开关元件的情况下，有时需要检测过剩电压以及/或者过剩电流并使开关元件开始向PTC元件的通电的机构。
在第3方面中，本发明提供一种构成为具有上述保护元件或者保护电路的电气装置(例如二次电池组，尤其是被用作电动汽车、无绳吸尘器、电动工具、无线基站用的各种电池的二次电池组，详细而言为高电压以及/或者高电流用的二次电池组等)。
发明效果
本发明的保护元件能够将多个温度熔断器部件配置在PTC元件上，因此可以流经大电流例如30A以上的电流，而且也能够使电路从过剩电流以及/或者过剩电压中得以保护。此外，由绝缘层使PTC元件和第1引线部电绝缘，因此在温度熔断器部件熔断后，能够可靠地使从第1引线经由PTC元件向第2引线的流路切断。
附图说明
图1是本发明的保护元件的一个实施方式的简要侧视图。
图2是图1的保护元件的简要俯视图。
图3是示意性地表示包括图1的保护元件在内的保护电路的电路图。
图4是示意性地表示包括本发明的保护元件的其他实施方式在内的保护电路的电路图。
图5是示意性地表示包括本发明的保护元件的进一步其他实施方式在内的保护电路的电路图。
图6是示意性地表示包括本发明的保护元件的进一步另一其他实施方式在内的保护电路的电路图。
具体实施方式
参照附图来详细地说明本发明的保护元件。但是，应注意：本发明的保护元件并不限定于图示的例子。
在图1中示出本发明的保护元件的一个实施方式的简要侧视图，在图2中示出图1所示的保护元件的简要俯视图，进而在图3中利用等效电路来示意性地表示包括图1的保护元件在内的保护电路。在图3中，由点线所包围的部分相当于本发明的保护元件。
如图1以及图2所示，本实施方式的保护元件10构成为具有：PTC元件18，其具有层状PTC单元12、位于该层状PTC单元12的一个主表面上的第1导电性金属层14、和位于该层状PTC单元12的另一个主表面上的第2导电性金属层16；绝缘层20，其位于上述PTC元件18的第2导电性金属层16上；以及位于上述绝缘层20上且处于PTC元件18的热影响下的熔断器部件22、和位于该熔断器部件22的两端的第1引线24及第2引线26。此外，如图1所示，第2引线26的一部分与PTC元件18的第2导电性金属层16电连接，第2引线26也兼有将第2导电性金属层16和被保护装置电连接的作用。另外，如图2所示，在本实施方式中，温度熔断器部件有4个，这些温度熔断器部件被一并连接至第1引线以及第2引线，但本发明的保护元件并不限定于该实施方式。例如，各熔断器部件也可以分部具有单独的第1引线以及第2引线，温度熔断器也可以为2个、3个或者5个。
在该实施方式中，例如在图3所示的接点a-b间产生了过剩电压的情况下，FET使电流在接点a-FET-接点c间流动。由于该电流而PTC元件18动作(trip)从而发热，处于PTC元件18的热影响下的温度熔断器部件22由于该热而被熔断，电流被切断(但是，可经由PCT元件而流过微量电流)。如此，与接点x以及接点y连接的被保护装置得到保护。
在图4中，利用等效电路来示意性地表示本发明的保护元件的其他实施方式。在图4中，由点线所包围的部分相当于本发明的保护元件。该实施方式在图3的实施方式的基础上还具有与PTC元件18串联连接的第2温度熔断器部件30。该第2温度熔断器部件30处于PTC元件18的热影响下。即，第2温度熔断器部件30通过由动作的PTC元件18所产生的焦耳热而被熔断。
在该实施方式中，通过由PTC元件18所产生的焦耳热而温度熔断器部件22被切断之后也可经由PTC元件18流过的接点a-FET-接点c间的微量电流，能够通过上述PTC元件18的热使得第2温度熔断器部件30熔断来切断，能够实现电路的完全开路。另外，关于第2温度熔断器部件30的配置，只要与PTC元件18串联连接且处于PTC元件的热影响下即可，并不限定于图示的位置。
在图5中，利用等效电路来示意性地表示本发明的保护元件的进一步其他实施方式。在图5中，由点线所包围的部分相当于本发明的保护元件。该实施方式在图3的实施方式的基础上还具有与温度熔断器部件22串联连接的电流熔断器部件40。该电流熔断器部件40在产生了过剩电流的情况下快速地熔断，因此能够使针对过剩电流的保护变得更为迅速且可靠。另外，关于电流熔断器部件40的配置，只要与温度熔断器部件22串联即可，并不特别限定，但优选如图示那样与PTC元件18也串联连接，以使可经由PTC元件18流过的微量电流也能够切断。
在图6中，利用等效电路来示意性地表示本发明的保护元件的进一步另一其他实施方式。在图6中，由点线所包围的部分相当于本发明的保护元件。该实施方式在图5的实施方式的基础上，相对于温度熔断器部件22以及电流熔断器部件40并联地具有第2PTC元件50以及第3温度熔断器部件52。第3温度熔断器部件52与第2PTC元件50串联地连接且处于第2PTC元件50的热影响下，但实质上不受PTC元件18的热的影响。在该实施方式中，在针对过剩电压而温度熔断器部件22被熔断时、或者由于过剩电流而电流熔断器部件40被熔断时，在接点d-e间经由温度熔断器部件22以及电流熔断器部件40流过的电流的一部分将换向至第2PTC元件50侧的电路。其结果，温度熔断器部件22或者电流熔断器部件40熔断时的电弧的产生被抑制。然后，接点d-e间的电流全部流至第2PTC元件50，第2PTC元件50动作从而发热，使第3温度熔断器部件52熔断，流经第2PTC元件50的微量电流也切断。另外，在该实施方式中，关于各PTC元件、电流熔断器部件、以及各温度熔断器部件的配置，只要被连接为各自能够起到上述效果，便不限定于图示的例子。对于本领域技术人员而言，相应配置能够适当选择。
产业上的可利用性
本发明的保护元件例如能够作为二次电池的保护元件等而用于各种电气装置中。
符号说明
10 保护元件
12 层状PTC单元
14 第1导电性金属层
16 第2导电性金属层
18 PTC元件
20 绝缘层
22 温度熔断器部件
24 第1引线
26 第2引线
30 第2温度熔断器部件
40 电流熔断器部件
50 第2PTC元件
52 第3温度熔断器部件

Claims (8)

1.一种保护元件，构成为具有：
PTC元件，其具有层状PTC单元、位于该层状PTC单元的一个主表面上的第1导电性金属层、和位于该层状PTC单元的另一个主表面上的第2导电性金属层；
绝缘层，其位于上述PTC元件的第2导电性金属层上；
温度熔断器部件，其位于上述绝缘层上；以及
与上述温度熔断器部件的一端连接的第1引线和与上述温度熔断器部件的另一端连接的第2引线，
在此，第2引线的一部分与上述第2导电性金属层电连接。
2.根据权利要求1所述的保护元件，其特征在于，
第2温度熔断器部件与PTC元件串联连接。
3.根据权利要求1或2所述的保护元件，其特征在于，
上述温度熔断器部件以及/或者第2温度熔断器部件分别并联地存在两个以上。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的保护元件，其中，
上述保护元件还具有与上述温度熔断器部件串联连接的电流熔断器部件。
5.一种保护电路，构成为具有：
权利要求1～4中任一项所述的保护元件；以及
开关元件，其用于根据过剩电流以及/或者过剩电压而向上述保护元件的PTC元件通电。
6.根据权利要求5所述的保护电路，其特征在于，
上述开关元件为场效应晶体管。
7.一种电气装置，其特征在于，具有权利要求1～4中任一项所述的保护元件或者权利要求5或6所述的保护电路。
8.根据权利要求7所述的电气装置，其特征在于，
上述电气装置为二次电池单体。
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