JP5260592B2 - 保護素子、バッテリ制御装置、及びバッテリパック - Google Patents

保護素子、バッテリ制御装置、及びバッテリパック Download PDF

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Description

本発明は、充放電可能なバッテリセルからなるバッテリと充放電制御回路とを保護する保護素子と、この保護素子が組み込まれたバッテリ制御装置及びバッテリパックに関する。
過電流だけでなく過電圧も防止することができ、携帯型電子機器用のバッテリパックなどに有用な保護素子として、バッテリセルの充放電電流経路上に低融点金属体を介在させるとともに、この低融点金属体の近傍に発熱抵抗体を配置した保護素子が用いられている。図９に示すように、この種の保護素子１００は、一般に、アルミナ等のセラミックスを用いた絶縁基板１０１上に発熱抵抗体１０２を設け、発熱抵抗体１０２上に低融点金属体１０４を配置している。
低融点金属体１０４は、絶縁基板１０１に設けられ、バッテリセルとバッテリセルの充放電電流経路となる充放電回路との間に接続された導電層１０６に接続されている。導電層１０６は、絶縁基板１０１の表面に相対向して設けられた一対の表面電極１０６ａと、絶縁基板１０１の裏面に相対向して設けられた一対の裏面電極１０６ｂと、各表面電極１０６ａ及び裏面電極１０６ｂをそれぞれ接続する端子電極１０６ｃとを備える。裏面電極１０６ｂは、一方がバッテリセルに接続され、他方が充放電回路に接続されている。
発熱抵抗体１０２は、絶縁基板１０１に設けられた図示しない導電パターンを介して電流制御素子と接続されるとともに、低融点金属体１０４を介して充放電電流経路と接続されている。また、発熱抵抗体１０２は、絶縁基板１０１の表面にガラス層からなる第１の絶縁層１０７を介して設けられるとともに、上方にガラス層からなる第２の絶縁層１０８が設けられている。また低融点金属体１０４は、導体１０９を介して第２の絶縁層１０８上に設けられるとともに、発熱抵抗体１０２とも接続されている。
そして、保護素子１００は、バッテリセルの過充電や過放電などの異常時に発熱抵抗体１０２へ過電流が流れると、電流制御素子によりバッテリセルから発熱抵抗体１０２に電流が流れるように制御され、発熱抵抗体１０２から発生した熱によって低融点金属体１０４を溶融させ、充放電電流経路を遮断する。
特開２００９−２５９７２４号公報
かかる保護素子１００においては、発熱抵抗体１０２から発生した熱で低融点金属体１０４を溶融させることによりバッテリセルから流れる充放電電流経路を遮断することから、異常時において充放電電流経路を速やかに遮断するためには、発熱抵抗体１０２の熱を効率よく低融点金属体１０４に伝達させることが必要となる。
しかし、従来の保護素子１００では、低融点金属体１０４の周囲に設けられている第１、第２の絶縁層１０７，１０８がガラスによって形成されていることから、熱伝導率が低く、効率的に発熱抵抗体１０２の熱を低融点金属体１０４に伝達させることができなかった。
また、従来の保護素子１００は、発熱抵抗体１０２から発生した熱が、低融点金属体１０４及び表面電極１０６ａを介して絶縁基板１０１に伝達され、また、第１の絶縁層１０７を介しても絶縁基板１０１に伝達される。従来の保護素子１００は、絶縁基板１０１がアルミナ等の熱伝導率の高い材料が用いられていることから、発熱抵抗体１０２から発生した熱が、第１の絶縁層１０７を介して絶縁基板１０１へ伝達される伝熱経路と、導電層１０６を介して絶縁基板１０１へ伝達する伝熱経路とができてしまい、効率的に低融点金属体１０４の温度を上昇させることができなかった。
そこで、本発明は、発熱抵抗体から発生した熱が保護素子の伝熱経路を通じて逃げることなく効率的に低融点金属体へ伝達させ、バッテリセルの過充電や過放電などの異常時に速やかにバッテリセルの充放電電流経路を遮断することができる保護素子、バッテリ制御装置、及び、バッテリパックを提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、本発明に係る保護素子は、電気回路の電流経路上に接続される保護素子において、絶縁基板と、上記絶縁基板の一面に、第１の絶縁層を介して形成された発熱抵抗体と、上記発熱抵抗体の上方に第２の絶縁層を介して配設され、電流経路の一部を構成する低融点金属体と、上記低融点金属体の両端と接続され、上記電流経路と上記低融点金属体とを電気的に接続する接続部とを有し、上記接続部は、上記絶縁基板の上記一面に、第３の絶縁層を介して設けられているものである。
また、本発明に係るバッテリ制御装置は、充放電可能なバッテリセルからなるバッテリの充放電電流経路上に接続され、該バッテリの充放電を制御する充放電制御回路と、上記バッテリセルの電圧値を検出する検出回路と、上記検出回路により検出されるバッテリセルの電圧値が所定の範囲外となったときに上記充放電電流経路を遮断する保護素子と、上記保護素子を駆動する電流制御素子とを備え、上記保護素子は、絶縁基板と、上記絶縁基板の一面に第１の絶縁層を介して形成された発熱抵抗体と、上記発熱抵抗体の上方に第２の絶縁層を介して配設され、上記充放電電流経路の一部を構成する低融点金属体と、上記低融点金属体の両端と接続され、上記充放電電流経路と上記低融点金属体とを電気的に接続する接続部とを有し、上記接続部は、上記絶縁基板の上記一面に、第３の絶縁層を介して設けられているものである。
また、本発明に係るバッテリパックは、充放電可能なバッテリセルからなるバッテリと、上記バッテリの充放電電流経路上に接続され、該バッテリの充放電を制御する充放電制御回路と、上記バッテリセルの電圧値を検出する検出回路と、上記検出回路により検出されるバッテリセルの電圧値が所定の範囲外となったときに上記充放電電流経路を遮断する保護素子と、上記保護素子を駆動する電流制御素子とを備え、上記保護素子は、絶縁基板と、上記絶縁基板の一面に第１の絶縁層を介して形成された発熱抵抗体と、上記発熱抵抗体の上方に第２の絶縁層を介して配設され、上記充放電電流経路の一部を構成する低融点金属体と、上記低融点金属体の両端と接続され、上記充放電電流経路と上記低融点金属体とを電気的に接続する接続部とを有し、上記接続部は、上記絶縁基板の上記一面に、第３の絶縁層を介して設けられているものである。
本発明によれば、基板と接続部との間に第３の絶縁層を設けているため、発熱抵抗体の熱が低融点金属体を経て接続部より絶縁基板側へ放熱されることを抑制することができ、効率よく低融点金属体に蓄熱させ、素早く溶断できる。
本発明が適用されたバッテリパックの全体構成を示す図である。 本発明が適用されたバッテリパックの回路構成を示す図である。 本発明が適用された保護素子の断面図である。 本発明が適用された保護素子の層構成を説明する平面図である。 本発明が適用された保護素子の温度特性を説明するためのグラフである。 本発明が適用された他の保護素子の断面図である。 本発明が適用された他の保護素子の回路構成を示す図である。 本発明が適用された他の保護素子の層構成を説明する平面図である。 従来の保護素子の断面図である。
以下、本発明が適用された保護素子、バッテリ制御装置、及び、バッテリパックについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。
本発明が適用された保護素子は、例えば、充放電可能なバッテリセルからなるバッテリと充放電制御回路とを保護する素子であって、図１に示すように、複数の、ここでは合計４個の充放電可能なバッテリセル１１〜１４からなるバッテリ１０を有するバッテリパック１に組み込まれて使用される。
バッテリパック１は、バッテリ１０と、バッテリ１０の充放電を制御する充放電制御回路２０と、バッテリ１０と充放電制御回路２０とを保護する保護素子３０と、各バッテリセル１１〜１４の電圧を検出する検出回路４０と、検出回路４０の検出結果に応じて保護素子３０の動作を制御する電流制御素子５０とを備える。
バッテリ１０は、上述したように、例えばリチウムイオン二次電池のような過充電及び過放電状態とならないような制御を要するバッテリセル１１〜１４が直列接続されたものであって、バッテリパック１の正極端子１ａ、負極端子１ｂを介して、着脱可能に充電装置２に接続され、充電装置２からの充電電圧が印加される。
充放電制御回路２０は、バッテリ１０から充電装置２に流れる充放電電流経路に直列接続された２つの電流制御素子２１、２２と、これらの電流制御素子２１、２２の動作を制御する制御部２３とを備える。電流制御素子２１、２２は、例えば電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴと呼ぶ。）により構成され、制御部２３により制御されるゲート電圧によって、バッテリ１０の充放電電流経路の導通と遮断とを制御する。制御部２３は、充電装置２から電力供給を受けて動作し、検出回路４０による検出結果に応じて、バッテリ１０が過放電又は過充電であるとき、充放電電流経路を遮断するように、電流制御素子２１、２２の動作を制御する。
保護素子３０は、バッテリ１０と充放電制御回路２０との間の充放電電流経路上に接続され、その動作が電流制御素子５０によって制御される。
検出回路４０は、各バッテリセル１１〜１４と接続され、各バッテリセル１１〜１４の電圧値を検出して、各電圧値を充放電制御回路２０の制御部２３に供給する。また、検出回路４０は、いずれか１つのバッテリセル１１〜１４が過充電電圧又は過放電電圧になったときに電流制御素子５０を制御する制御信号を出力する。
電流制御素子５０は、バッテリセル１１〜１４の電圧値が所定の範囲外となったとき、具体的には過放電又は過充電状態になったとき、検出回路４０から出力される制御信号に応じて、保護素子３０を動作させて、バッテリ１０の充放電電流経路を遮断するように制御する。
次いで、保護素子３０の構成について具体的に説明する。本発明が適用された保護素子３０は、幅広いバッテリ１０の電圧変動に対応して、抵抗体の熱により確実にヒューズを溶融して、バッテリ１０の充放電電流経路を遮断するものであり、図２に示すような回路構成を有する。
すなわち、保護素子３０は、図２に示すように、加熱により溶断される低融点金属体からなるヒューズ３１ａ，３１ｂと、通電するとヒューズ３１ａ，３１ｂを溶融する熱を発する抵抗体３２とを備える。
ヒューズ３１ａ，３１ｂは、例えば、物理的に１つの低融点金属体を回路構成上で分離して、接続点Ｐ１を介して直列接続されるようにした素子であって、バッテリ１０と充放電制御回路２０との間の充放電電流経路上に直列接続される。例えば、ヒューズ３１ａは、ヒューズ３１ｂと接続されていない接続点Ａ３を介して充放電制御回路２０と接続され、ヒューズ３１ｂは、ヒューズ３１ａと接続されていない接続点Ａ１を介してバッテリ１０と接続される。
抵抗体３２は、一端にヒューズ３１ａ，３１ｂとの接続点Ｐ１が設けられ、他端が電流制御素子５０と接続される端子部３３と接続されている。そして、抵抗体３２は、電流制御素子５０によって通電されると、ヒューズ３１ａ，３１ｂを構成する低融点金属体を融解する熱を発する。
以上のような回路構成からなる保護素子３０は、例えば図３及び図４に示すような構造体により実現される。図３は、三次元直交座標ＸＹＺ軸を基準として配置された保護素子３０のＸＺ平面から見た断面図である。また、図４は、ＸＹ平面から見た保護素子３０の積層構造について説明するための図である。
保護素子３０は、セラミックスなどの絶縁性の矩形形状の基板６０の一面６０ａ上に、絶縁層を介して形成された発熱抵抗体６４と、発熱抵抗体６４の上方に絶縁層を介して配設され、充放電電流経路の一部を構成する低融点金属体６７と、低融点金属体６７の両端と接続され、充放電電流経路と低融点金属体６７とを接続する接続部６１１〜６１３とを有する。そして、保護素子３０は、接続部６１１，６１２が、基板６０に、低熱伝導性のガラス層７０，７１を介して設けられている。
絶縁基板６０は、例えば機械的強度の高いアルミナ等のセラミックスが用いられる。アルミナは、基板６０の機械的な強度が高く、加工や取り扱いの容易さに優れる反面、熱伝導率が約２５Ｗ／ｍ・Ｋと高い。また、基板６０は、アルミナとガラス系材料を混合したガラスセラミックス等の熱伝導率が比較的低い材料を用いることもできるが、ガラス等を含有させた分だけ脆弱となるため、加工性や耐久性等を損なうほか、ガラス系材料が均一に混合されない場合には強度や熱伝導率にばらつきも生じ、また製造コストもあがる。保護素子３０では、後述するように、基板６０の両面にガラス層７０，７１を設けた積層構造により、効率的に発熱抵抗体６４の熱を低融点金属体６７へ伝達させているため、基板６０にアルミナを用いることもできる。
このように、機械的強度、熱伝導率を考慮すると、基板６０に用いることができる材料としては、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３、熱伝導率２５Ｗ／ｍ・Ｋ）、アルミナ７０％にムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）３０％を混合させたもの（熱伝導率７Ｗ／ｍ・Ｋ）、アルミナ５０％にムライト５０％を混合させたもの（熱伝導率４Ｗ／ｍ・Ｋ）、ジルコニア（ＺｒＯ２、熱伝導率３Ｗ／ｍ・Ｋ）等が上げられる。
このうち、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以下であるアルミナ５０％にムライト５０％を混合させたものや、ジルコニアを基板６０の材料として用いた場合、ガラス層７０，７１による放熱の抑制に加え、基板６０による放熱が抑制され、発熱抵抗体６４の熱をさらに効率よく低融点金属体６７へ伝達させることができる。
また、図３において、ＸＹ平面上に位置する基板６０には、側面部に、保護素子３０と充電装置２、バッテリ１０及び電流制御素子５０とを接続する接続部６１１〜６１３が形成されている。接続部６１１〜６１３は、それぞれ、基板６０の一面６０ａに形成された導体６１ｂと、基板６０の他面６０ｂに形成された導体６１ｃと、これら基板６０内をＺ方向に貫通するようにして形成され導体６１ｂ及び導体６１ｃを接続するスルーホール６１ａを有する。
これらの３つの接続部６１１〜６１３のうち、対向する２つの接続部６１１、６１２は、各導体６１ｃがバッテリ１０と充放電制御回路２０とそれぞれ接続される接点となる。また、他の接続部６１３は、導体６１ｃが電流制御素子５０と接続される端子部３３として機能する。
接続部６１１〜６１３は、導体６１ｂ、導体６１ｃ及びスルーホール６１ａが基板６０の所定箇所に導電ペーストを印刷することにより形成される。接続部６１１〜６１３を構成する導電材料としては、例えば銀、銅、タングステン（Ｗ）を用いることができる。
接続部６１１，６１２は、それぞれ導体６１ｂが絶縁層となる第１のガラス層７０を介して基板６０の一面６０ａ上に形成されている。また、接続部６１１，６１２は、それぞれ導体６１ｃが絶縁層となる第２のガラス層７１を介して基板６０の他面６０ｂ上に形成されている。
また、基板６０の一面６０ａの中央部には、板状の第１の絶縁層６２が形成されている。この第１の絶縁層６２の表面６２ａには、導体パターン６３ａと、導体パターン６３ａと接続された発熱抵抗体６４と、発熱抵抗体６４と接続された導体パターン６３ｂとが実装されている。ここで、導体パターン６３ｂは、端子部３３として機能する接続部６１３の導体６１ｂと接続され、導体パターン６３ａは、導体６６を介して低融点金属体６７と接続される。このような接続関係によって、保護素子３０は、端子部３３として機能する接続部６１３が、導体パターン６３ｂ、発熱抵抗体６４、導体パターン６３ａを介して、導体６６を経て、低融点金属体６７と接続されている。
発熱抵抗体６４は、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）、炭化珪素（ＳｉＣ、比抵抗：１０Ω・ｃｍ）、ケイ化モリブデン（ＭｏＳｉ２、比抵抗：２．Ｅ＋０．５Ω・ｃｍ）、ランタン・クロム酸化物（ＬａＣｒｏ３）、カーボン（Ｃ、比抵抗：１．００Ｅ−３Ω・ｃｍ）を用いることができる。
導体パターン６３ａ、６３ｂ及び発熱抵抗体６４は、第２の絶縁層６５によって被覆されている。さらにこの第２の絶縁層６５の被覆面には、導体６６を介して、低融点金属体６７が実装される。なお、導体６６と低融点金属体６７とは半田（図示せず）によって接続される。
また、導体パターン６３ａの一方の端部Ｐ１１は、導体６６のＰ１２を介して低融点金属体６７と接続される。具体的に、このような接続を行うには、保護素子３０を−Ｚ方向から見た図４（Ａ）に示すように、第１の絶縁層６２の上に、導体パターン６３ａ、６３ｂと、発熱抵抗体６４が実装された実装面の、導体パターン６３ａの端部に接点Ｐ１１を設ける。そして、図４（Ｂ）に示すように、この接点Ｐ１１と、導体６６の接点Ｐ１２とが接続されるように、導体６６を第２の絶縁層６５を介して被覆し、さらに導体６６の上に、低融点金属体６７を実装する。すなわち、端部Ｐ１１を発熱抵抗体６４の外周部より外側に配置し、端部Ｐ１２を第２の絶縁層６５の外周部の外側に配置して、各部材を積層したときに端部Ｐ１１、Ｐ１２が一致するようにする。
低融点金属体６７は、半田を介して、バッテリ１０及び充放電制御回路２０と接続される接点として機能する接続部６１１、６１２の各導体６１ｂと接続される。また、低融点金属体６７の上面には、フラックス６８が設けられる。また、低融点金属体６７は、上部が、キャップ６９により覆われる。
このような保護素子３０は、検出回路４０が電圧を検出することによりバッテリセル１１〜１４の過充電や過放電などの異常を検出すると、電流制御素子５０に制御信号を出力する。電流制御素子５０は、制御信号を受けると、発熱抵抗体６４を通電、発熱させる。保護素子３０は、発熱抵抗体６４の熱が第２の絶縁層６５、導体６６を介して低融点金属体６７へ伝達し、低融点金属体６７が融解する。これにより、保護素子３０は、接続部６１１，６１２の各導体６１ｂ間が切断され、バッテリ１０の充放電電流経路を遮断する。
ここで、保護素子３０は、発熱抵抗体６４の熱が伝達される経路として、図３に示すように、第１の絶縁層６２を介して基板６０側へ放熱される第１の伝熱経路Ａと、第２の絶縁層６５、導体６６、低融点金属体６７及び導体６１ｂを介して基板６０側へ放熱される第２の伝熱経路Ｂとを有する。また、保護素子３０は、電流制御素子５０の動作に即応して充放電電流経路を遮断することが必要であることから、発熱抵抗体６４の熱を効率よく低融点金属体６７へ伝達させることが望ましい。
そして、保護素子３０は、第２の伝熱経路Ｂ上に位置する導体６１ｂと基板６０の一面６０ａとの間に第３の絶縁層となる第１のガラス層７０を介在させ、また、第２の伝熱経路Ｂ上に位置する導体６１ｃと基板６０の他面６０ｂとの間に第４の絶縁層となる第２のガラス層７１を介在させている。これにより、保護素子３０は、発熱抵抗体６４が発した熱が低融点金属体６７及び導体６１ｂを介して熱伝導率の高い基板６０側へ放熱することを抑制し、また、熱伝導率の高い基板６０より導体６１ｃ側へ放熱することを抑制している。なお、第３の絶縁層、第４の絶縁層となる第１，第２のガラス層７０，７１としては、種々のガラス類を好ましく用いることができる。
したがって、保護素子３０は、第２の伝熱経路Ｂにおける放熱を抑えることで発熱抵抗体６４の温度を効率よく上昇させ、電流制御素子５０により通電されると、直ちに低融点金属体６７を融解させ、充放電電流経路を遮断することができる。また、保護素子３０は、発熱抵抗体６４の熱を効率よく低融点金属体６７へ伝達できることから、発熱抵抗体６４を小さくしても十分に低融点金属体６７を融解させることができ、保護素子３０全体の小型化を図ることができる。さらに、保護素子３０は、発熱抵抗体６４の熱を効率よく低融点金属体６７へ伝達できることから、発熱抵抗体６４へ通電させる電流量を抑え、省電力化を図ることもできる。
なお、保護素子３０は、第１のガラス層７０及び第２のガラス層７１が導体６１ｂ及び導体６１ｃと重畳する位置にのみ形成され、基板６０の他面６０ｂの第２のガラス層７１に挟まれた第１の伝熱経路Ａ上には空気層が設けられている。空気層は、非常に熱伝導率が低いため（０．０２４１W／m・K）、これにより、第２のガラス層７１に挟まれた第１の伝熱経路Ａによる放熱を抑制することができ、その分、第２の伝熱経路Ｂへ熱を伝達することができる。
また、保護素子３０は、第１、第２の絶縁層６２，６５としてガラスを用いると共に、第２の伝熱経路Ｂ上に位置する第２の絶縁層６５の熱伝導率が、第１の伝熱経路Ａ上に位置する第１の絶縁層６２の熱伝導率以上であることが好ましい。かかる構成を備えることにより、保護素子３０は、発熱抵抗体６４で発生した熱が第１の伝熱経路Ａ側に多く放熱されてしまうこと自体を防止できる。
また、保護素子３０は、第２の伝熱経路Ｂ上に位置する第２の絶縁層６５として、第１の伝熱経路Ａ上に位置する第１の絶縁層６２よりも相対的に熱伝導率が高いガラスを用いることがより好ましい。かかる構成を備えることにより、保護素子３０は、発熱抵抗体６４で発生した熱が低融点金属体６７と反対側の基板６０側へ放熱することを抑制することができる。したがって、保護素子３０は、その分、発熱抵抗体６４で発生した熱を第２の伝熱経路Ｂ側へ伝達させ、効率よく低融点金属体６７の温度を上昇させることができる。
このように、第１の絶縁層６２を構成する熱伝導率が相対的に低いガラスとしては、例えばＳｉＯ２・Ｂ２Ｏ３・ＲＯ（熱伝導率０．８３Ｗ／ｍ・Ｋ）や、ＳｉＯ２・Ｂ２Ｏ３・ＰｂＯ（熱伝導率１．４２Ｗ／ｍ・Ｋ）を用いることができる。また、第２の絶縁層６５を構成する熱伝導率が相対的に高いガラスとしては、例えばＳｉＯ２・Ｂ２Ｏ３・ＲＯ（熱伝導率２．１Ｗ／ｍ・Ｋ）を用いることができる。
なお、第１の絶縁層６２を構成するガラスは、第２の絶縁層６５を構成するガラスに対して、相対的に熱伝導率が低ければよいため、例えば第１の絶縁層６２を構成するガラスとしてＳｉＯ２・Ｂ２Ｏ３・ＲＯ（熱伝導率０．８３Ｗ／ｍ・Ｋ）を用いた場合には、第２の絶縁層６５を構成するガラスとしてＳｉＯ２・Ｂ２Ｏ３・ＰｂＯ（熱伝導率１．４２Ｗ／ｍ・Ｋ）を用いてもよい。
このような保護素子３０は、以下のように製造される。先ず、アルミナや、アルミナ５０％にムライト５０％を混合させたもの、あるいはジルコニア等のセラミックス材料によって基板６０を形成する。次いで、導体６１ｂ及び導体６１ｃを接続するスルーホール６１ａを構成する貫通孔を形成し、第３の絶縁層となる第１のガラス層７０及び第１の絶縁層６２を構成するガラスペーストをスクリーン印刷等により印刷し、焼成することにより第１の絶縁層６２及び第１のガラス層７０を同一平面に形成する。すなわち、保護素子３０は、第１の絶縁層６２を構成するガラスと、第１のガラス層７０を構成するガラスは同じ材料となる。
同様にして、第４の絶縁層となる第２のガラス層７１を形成する。次いで、導電ペーストを印刷、焼成することにより第１のガラス層７０上に導体６１ｂを形成すると共に、スルーホール６１ａを形成し、また、発熱抵抗体６４、導体パターン６３ａ及び導体パターン６３ｂを形成する。また、導電ペーストを印刷、焼成することにより、第２のガラス層７１上に導体６１ｃを形成する。
次いで、ガラスペーストを印刷、焼成することにより第２の絶縁層６５を形成し、導体６６、低融点金属体６７、フラックス６８を実装した後、キャップ６９で覆う。以上により、保護素子３０が製造される。
次いで、保護素子３０の実施例について説明する。この実施例では、保護素子３０において、第１のガラス層７０及び第２のガラス層７１を備え、各ガラス層７０，７１の厚みが１０μｍであるもの（実施例１）と、各ガラス層７０，７１の厚みが２０μｍであるもの（実施例２）と、各ガラス層７０，７１の厚みが４０μｍであるもの（実施例３）を用意した。また、保護素子３０において、第１のガラス層７０のみを備え、ガラス層７０の厚みが１０μｍであるもの（実施例４）と、ガラス層７０の厚みが２０μｍであるもの（実施例５）と、ガラス層７０の厚みが４０μｍであるもの（実施例６）を用意した。そして、比較例として、図９に示す、絶縁基板１０１上にガラス層を設けることなく導電層１０６を形成した保護素子１００を用意した。
これら実施例１〜６及び比較例１について、所定の温度に到達するまでの時間を計測した。温度の計測点は、発熱抵抗体６４の下部で、低融点金属体６７の略中央部分とした。
図５に示すように、計測点が例えば８００℃まで上昇する時間を計測すると、実施例１〜６では約２０秒以内であったのに対して、比較例では約３０秒かかった。
また、実施例の中では、実施例３が最も早く温度が上昇し、次いで実施例６、実施例２、実施例５、実施例１、実施例４の順に温度が上昇した。これより、基板６０の一面６０ａのみにガラス層を設けた場合でも、その厚さを厚くすることで、発熱抵抗体６４による熱が基板６０側へ放熱されることを抑制し、効果的に低融点金属体６７へ熱を伝えることができることがわかる。
なお、保護素子３０は、発熱抵抗体６４と電流制御素子５０とを接続する接続部６１３の導体６１ｂと、基板６０の一面６０ａとの間にも第１のガラス層７０を設けてもよい。この場合、第１のガラス層７０は、発熱抵抗体６４の熱が導体パターン６３ｂを介して接続部６１３の導体６１ｂ及び基板６０へ放熱されることを抑制することができる。
また、保護素子３０は、図６に示すように、第２のガラス層７１を形成せず、基板６０の他面６０ｂに接続部６１１，６１２の導体６１ｃを形成してもよい。この場合も、保護素子３０は、第２の伝熱経路Ｂ上に位置する導体６１ｂと基板６０の一面６０ａとの間に第１のガラス層７０を介在させることにより、発熱抵抗体６４が発した熱が低融点金属体６７及び導体６１ｂを介して熱伝導率の高い基板６０側へ放熱することを抑制できる。
したがって、保護素子３０は、第２の伝熱経路Ｂにおける放熱を抑えることで発熱抵抗体６４の温度を効率よく上昇させ、電流制御素子５０により通電されると、直ちに低融点金属体６７を融解させ、充放電電流経路を遮断することができる。
また、保護素子３０は、第１の絶縁層６２のガラス材料と、第１のガラス層７０のガラス材料を変えて、第１のガラス層７０の熱伝導率が、第１の絶縁層６２の熱伝導率よりも小さくなるようにしてもよい。かかる構成を備えることにより、第１の伝熱経路Ａ上の第１の絶縁層６２から第２の伝熱経路Ｂ上の第１のガラス層７０側への放熱を抑制することができる。この場合、第１の絶縁層６２と第１のガラス層７０とは、別工程で材質の異なるガラスが印刷、焼成されることにより形成される。
また、保護素子３０は、図７に示すように、抵抗体３２を回路構成上、複数備え（例えば図７では２つ）、各抵抗体３２ａ，３２ｂの接点Ｐ２より端子部３３ａを延設するとともに、抵抗体３２ｂの端部より端子部３３ｂを延設し、バッテリセルの数に応じて電流制御素子５０と接続する端子部を選択することにより、抵抗体３２の発熱量を切り換えてもよい。この場合、保護素子３０は、例えば図８に示すように、第１の絶縁層６２上に導体パターンを複数形成し発熱抵抗体６４を複数に分割し（図８では６４ａと６４ｂの２つ）、導体６６と接続されていない残りの導体パターン６３ｂ、６３ｃの端部を基板６０の側面に形成した接続部６１３，６１４と接続する。そして、バッテリセルの数に応じて電流制御素子５０と接続される接続部を選択することにより、保護素子３０の通電時に導通する発熱抵抗体の抵抗値を増減させ、発熱量を調整することができる。
すなわち、保護素子３０は、バッテリ１０の電圧値の変動帯域に応じて、発熱させる抵抗体の数を調整することで多段階に発熱抵抗体全体の抵抗値を調整することができ、発熱抵抗体６４に対してバッテリの数に応じて変動する電圧値が過大となり発熱抵抗体６４が損傷する事態を防止することができる。これにより、保護素子３０は、例えば２セルのバッテリパックに用いる場合には、１つの発熱抵抗体６４に通電し、４セルのバッテリパックに用いる場合には２つの発熱抵抗体６４に通電することができるなど、一つの素子で複数のバッテリパックに対応することができる。
そして、保護素子３０は、図８に示す構成においても、各接続部６１１，６１２の他、接続部６１３，６１４の導体６１ｂと基板６０の一面６０ａとの間にも第１のガラス層７０を設け、また、接続部６１３，６１４の導体６１ｃと基板６０の他面６０ｂとの間にも第２のガラス層７１を設けることで、導体パターン６３ｂ、６３ｃを介した放熱をも抑制し、発熱抵抗体６４の熱を効率よく低融点金属体に蓄熱させることができる。また、保護素子３０は、少ない発熱量でも低融点金属体６７を溶断でき、発熱抵抗体６４の小型化、省電力化を図ることができる。
以上、バッテリパック内に配設されたバッテリセルの充放電電流経路上に設けられた保護素子３０について説明したが、保護素子３０は、バッテリの充放電回路以外にも、過電流や、過電圧から保護すべきあらゆる電気回路に適用することができる。
１ バッテリパック、２ 充電装置、１０ バッテリ、１１〜１４ バッテリセル、２０ 充放電制御回路、２１，２２ 電流制御素子、２３ 制御部、３０ 保護素子、３１ ヒューズ、３２ 抵抗体、３３ 端子部、４０ 検出回路、５０ 電流制御素子、６０ 基板、６１ａ スルーホール、６１ｂ，６１ｃ 導体、６２ 第１の絶縁層、６３ 導体パターン、６４ 発熱抵抗体、６５ 第２の絶縁層、６６ 導体、６７ 低融点金属体、６８ フラックス、６９ キャップ、７０ 第１のガラス層、７１ 第２のガラス層

Claims (10)

  1. 電気回路の電流経路上に接続される保護素子において、
    絶縁基板と、
    上記絶縁基板の一面に、第１の絶縁層を介して形成された発熱抵抗体と、
    上記発熱抵抗体の上方に第２の絶縁層を介して配設され、電流経路の一部を構成する低融点金属体と、
    上記低融点金属体の両端と接続され、上記電流経路と上記低融点金属体とを電気的に接続する接続部とを有し、
    上記接続部は、上記絶縁基板の上記一面に、第３の絶縁層を介して設けられている保護素子。
  2. 上記接続部の下部のみに上記第３の絶縁層が形成されている請求項１記載の保護素子。
  3. 上記絶縁基板の上記一面と対向する他面に第４の絶縁層を介して接続部が設けられている請求項１又は請求項２記載の保護素子。
  4. 上記接続部と重畳する位置のみに上記第３，第４の絶縁層が形成されている請求項３記載の保護素子。
  5. 上記第２の絶縁層の熱伝導率が、上記第１の絶縁層の熱伝導率以上である請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の保護素子。
  6. 上記第１、第２の絶縁層は、ガラス層である請求項５記載の保護素子。
  7. 上記第３、第４の絶縁層は、ガラス層である請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の保護素子。
  8. 上記第３の絶縁層の熱伝導率は、上記第１の絶縁層の熱伝導率よりも小さい請求項１〜請求項７の何れか１項に記載の保護素子。
  9. 充放電可能なバッテリセルからなるバッテリの充放電電流経路上に接続され、該バッテリの充放電を制御する充放電制御回路と、
    上記バッテリセルの電圧値を検出する検出回路と、
    上記検出回路により検出されるバッテリセルの電圧値が所定の範囲外となったときに上記充放電電流経路を遮断する保護素子と、
    上記保護素子を駆動する電流制御素子とを備え、
    上記保護素子は、絶縁基板と、上記絶縁基板の一面に第１の絶縁層を介して形成された発熱抵抗体と、上記発熱抵抗体の上方に第２の絶縁層を介して配設され、上記充放電電流経路の一部を構成する低融点金属体と、上記低融点金属体の両端と接続され、上記充放電電流経路と上記低融点金属体とを電気的に接続する接続部とを有し、上記接続部は、上記絶縁基板の上記一面に、第３の絶縁層を介して設けられているバッテリ制御装置。
  10. 充放電可能なバッテリセルからなるバッテリと、
    上記バッテリの充放電電流経路上に接続され、該バッテリの充放電を制御する充放電制御回路と、
    上記バッテリセルの電圧値を検出する検出回路と、
    上記検出回路により検出されるバッテリセルの電圧値が所定の範囲外となったときに上記充放電電流経路を遮断する保護素子と、
    上記保護素子を駆動する電流制御素子とを備え、
    上記保護素子は、絶縁基板と、上記絶縁基板の一面に第１の絶縁層を介して形成された発熱抵抗体と、上記発熱抵抗体の上方に第２の絶縁層を介して配設され、上記充放電電流経路の一部を構成する低融点金属体と、上記低融点金属体の両端と接続され、上記充放電電流経路と上記低融点金属体とを電気的に接続する接続部とを有し、上記接続部は、上記絶縁基板の上記一面に、第３の絶縁層を介して設けられているバッテリパック。
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