JP6576618B2 - 保護素子 - Google Patents

Description

本発明は、電流経路を溶断することにより、電流経路上に接続された回路を保護する保護素子に関する。

充電して繰り返し利用することのできる二次電池の多くは、バッテリパックに加工されてユーザに提供される。特に重量エネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池においては、ユーザ及び電子機器の安全を確保するために、一般的に、過充電保護、過放電保護等のいくつもの保護回路をバッテリパックに内蔵し、所定の場合にバッテリパックの出力を遮断する機能を有している。

多くのリチウムイオン二次電池を用いた電子装置においては、バッテリパックに内蔵されたＦＥＴスイッチを用いて出力のＯＮ／ＯＦＦを行うことにより、バッテリパックの過充電保護又は過放電保護動作を行う。しかしながら、何らかの原因でＦＥＴスイッチが短絡破壊した場合、雷サージ等が印加され、瞬間的な大電流が流れた場合、或いはバッテリセルの寿命によって出力電圧が異常に低下したり、逆に過大異常電圧を出力した場合であってもバッテリパックや電子機器は、発火等の事故から保護されなければならない。そこで、このような想定し得るいかなる異常状態においても、バッテリセルの出力を安全に遮断するために、外部からの信号によって電流経路を遮断する機能を有するヒューズ素子からなる保護素子が用いられる。

このようなリチウムイオン二次電池等向けの保護回路の保護素子として、特許文献１に記載されているように、保護素子内部に発熱体を有し、この発熱体の発熱によって電流経路上の可溶導体を溶断する構造が用いられている。

具体的に、この種の保護素子１００は、図１４、図１５に示すように、絶縁基板１０３と、外部回路に接続される第１、第２の電極１０１，１０２と、ＷやＭｏ、Ｒｕ等の高融点金属によって絶縁基板１０３に設けられた発熱体１０４と、発熱体１０４を絶縁被覆するガラス層１０５と、ガラス層１０５上に積層されるとともに発熱体１０４と重畳され、発熱体１０４と電気的に接続された発熱体引出電極１０６と、絶縁基板１０３に設けられ、発熱体１０４の幅方向の両側縁と接続された一対の発熱体接続電極１０７ａ，１０７ｂと、発熱体接続電極１０７ａを介して発熱体１０４と接続されるとともに発熱体引出電極１０６と接続された第１の発熱体電極１０８と、発熱体接続電極１０７ａと接続されるとともに発熱体１０４を外部の給電回路に接続する第２の発熱体電極１０９と、発熱体引出電極１０６を介して第１、第２の電極１０１，１０２間にわたって接続された可溶導体１１０とを有する。可溶導体１１０は、半田等の接続材料１１１によって、第１、第２の電極１０１，１０２及び発熱体引出電極１０６と接続されている。なお、図１５では、ガラス層１０５を省略している。

保護素子１００は、第１、第２の電極１０１，１０２が外部回路に接続されることにより、可溶導体１１０が当該外部回路の電流経路の一部に組み込まれる。また、保護素子１００は、第２の発熱体電極１０９が外部回路に接続されることにより、第１の電極１０１から可溶導体１１０、発熱体引出電極１０６、発熱体１０４、第２の発熱体電極１０９を経て外部回路に至る発熱体１０４への給電経路が形成される。

通常、保護素子１００は、外部回路に設けられたスイッチ素子によって当該給電経路への通電が規制されている。そして、外部回路の電流経路を遮断する場合、保護素子１００は、スイッチ素子によって発熱体１０４への給電が解除され、発熱体１０４が通電、発熱することにより可溶導体１１０を溶断させる。これにより、外部回路の電流経路が遮断されるとともに、発熱体１０４への給電も停止される。

特開２０１０−３６６５号公報 特開２０１４−３２７６９号公報

ところで、この種の保護素子においては、携帯電話やノートパソコンのような電流容量が比較的低い用途に用いるために、可溶導体（ヒューズ）は、最大でも１５Ａ程度の電流容量を有している。リチウムイオン二次電池の用途は、近年拡大しており、より大電流の用途、例えば電動ドライバ等の電動工具や、ハイブリッドカー、電気自動車、電動アシスト自転車等の輸送機器に採用が検討され、一部採用が開始されている。これらの用途において、特に起動時等には、数１０Ａ〜１００Ａを超えるような大電流が流れる場合がある。このような大電流容量に対応した保護素子の実現が望まれている。

大電流容量に対応するために、保護素子１００は、可溶導体１１０の断面積が増大され低抵抗化が図られる。ここで、大電流に対応するために可溶導体１１０の断面積を増大させると、発熱体１０４による加熱溶断に要する電力も増大させる必要がある。

しかし、電流容量が比較的低い用途に用いる保護素子に対して可溶導体１１０を大型のものに置き換え、大電流を通電させると、絶縁基板１０３に対する熱衝撃が過大となり、絶縁基板１０３の発熱体１０４が形成された箇所に割れが生じてしまう。これは、絶縁基板１０３は外縁部に行くほど放熱による冷却効果が高く、基板中央が最も高温となり、この基板中央部に発熱体１０４を形成することにより、熱膨張による応力も大きくなる。また、保護素子１００は、ガラス層１０５を介して発熱体１０４に重畳させている発熱体引出電極１０６に可溶導体１１０を固定していることから、絶縁基板１０３の中央部に生じた応力が歪みとなって現れる。このため、絶縁基板１０３の中央部や、この中央部に形成された発熱体１０４に割れが生じ、給電経路が遮断されて発熱が停止する等、動作が不安定となる恐れがある。

このような傾向は、保護素子１００の定格を向上させるために可溶導体１１０を大型化するほど、また、保護素子の小型化を図るために絶縁基板を薄型化するほど、顕著に現れる。

このような絶縁基板１０３に対する熱衝撃を緩和させるために、例えば発熱体１０４の面積を広げ、電力密度を下げる方法もある。しかし、電力密度下げることで絶縁基板１０３や発熱体１０４の割れを防止できる反面、可溶導体１１０への伝熱効率が下がり、速溶断性を損なってしまう。

そこで、本発明は、大電流に対応するために大型の可溶導体を用いた場合にも、電力密度を下げずに速溶断性を維持するとともに、絶縁基板に対する熱衝撃を緩和し、安定した発熱動作を有する保護素子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、絶縁基板と、上記絶縁基板に形成された複数の発熱体と、複数の上記発熱体と電気的に接続された発熱体引出電極と、上記発熱体引出電極に支持された可溶導体とを備え、上記可溶導体の下部において、上記発熱体引出電極が上記複数の発熱体の少なくとも一つに重畳して配設され、上記発熱体、上記発熱体引出電極、及び上記可溶導体が、この順で重畳さ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、１つ以上のバッテリセルと、上記バッテリセルに流れる電流を遮断するように接続された保護素子と、上記バッテリセルそれぞれの電圧値を検出して上記保護素子を加熱する電流を制御する電流制御素子とを備え、上記保護素子は、上記記載の保護素子である。

本発明によれば、従来一つであった発熱体を複数に分割して形成することにより、同等の発熱量を維持しつつ発熱による絶縁基板に対する熱衝撃を緩和することができる。すなわち、本発明によれば、発熱体が複数に分割して配置されることにより、絶縁基板の熱分布が広がりピークも下がることから、絶縁基板に対する熱衝撃も緩和される。一方で、分割された発熱体の全発熱量は従来と同等であり、可溶導体の溶断に要する時間が延びることもない。したがって、本発明によれば、大電流容量に対応するために可溶導体を大型化するとともに、発熱体の電力を増大させた場合にも、絶縁基板に割れが生じることかなく、安定した発熱動作を奏する。

図１は、本発明が適用された保護素子を示す断面図である。 図２は、本発明が適用された保護素子を示す平面図である。 図３は、可溶導体が過電流による自己発熱で溶断された保護素子を示す断面図である。 図４は、可溶導体が発熱体の発熱により溶断された保護素子を示す断面図である。 図５は、本発明が適用された他の保護素子を示す断面図である。 図６は、本発明が適用された他の保護素子を示す断面図である。 図７は、本発明が適用された他の保護素子を示す断面図である。 図８は、保護素子が適用されたバッテリパックの回路構成の一例を示す図である。 図９は、保護素子の回路図である。 図１０は、絶縁基板に吸引孔を設けた保護素子を示す断面図である。 図１１は、絶縁基板に吸引孔を設けた保護素子を示す平面図である。 図１２は、可溶導体の溶断後における絶縁基板に吸引孔を設けた保護素子を示す断面図である。 図１３は、比較例に係る保護素子を示す平面図である。 図１４は、従来例に係る保護素子を示す断面図である。 図１５は、従来例に係る保護素子を示す平面図である。

以下、本発明が適用された保護素子について、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。また、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることがある。具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

［第１の実施例］
本発明が適用された保護素子１は、図１、図２に示すように、絶縁基板２と、絶縁基板２に形成された複数の発熱体３と、複数の発熱体３と電気的に接続された発熱体引出電極４と、発熱体引出電極４に支持された可溶導体５とを備える。また、保護素子１は、第１、第２の電極１１，１２を有し、絶縁基板２が第１、第２の電極１１，１２間に配設されている。そして、保護素子１は、可溶導体５が第１、第２の電極１１，１２間に跨って接続されている。

［第１及び第２の電極］
第１及び第２の電極１１，１２は、保護素子１を外部回路に接続する金属等の接続端子であり、それぞれ保護素子１の内部でハンダ等の接続材料７を介して可溶導体５と接続され、可溶導体５を介して接続されている。これにより、保護素子１は、第１の電極１１〜可溶導体５〜第２の電極１２に至る電流経路を構成し、この電流経路は、第１、第２の電極１１，１２が外部回路の接続端子と接続されることにより、当該外部回路の一部に組み込まれる。そして、保護素子１は、可溶導体５に定格を超える過電流が通電することによる可溶導体５の自己発熱によって溶融し、図３に示すように、可溶導体５と第１、第２の電極１１，１２の一方との間で溶断することにより、外部回路の充放電経路を遮断する。あるいは、保護素子１は、発熱体３が通電、発熱されることにより、図４に示すように、可溶導体５を溶融させ、第１、第２の電極１１，１２と発熱体引出電極４との間で溶断するとともに、溶融導体５ａが発熱体引出電極４上に凝集することにより、当該外部回路の電流経路を遮断する。

保護素子１は、第１及び第２の電極１１，１２が、保護素子１の外筐体１０に支持されることにより内外にわたって配設されている。また、保護素子１は、外筐体１０の中央のスペースに絶縁基板２が配設され、これにより第１、第２の電極１１，１２と絶縁基板２とが隣接されている。

外筐体１０は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド：Polyphenylenesulfide）等の耐熱性に優れるエンジニアリングプラスチックを用いて形成することができる。また、外筐体１０は、所定の形状に成形する際に、インサート成型等により第１、第２の電極１１，１２を一体成型してもよい。

なお、第１及び第２の電極１１，１２は、絶縁基板２と隣接するエポキシ樹脂等からなる絶縁素材に形成するようにしてもよい。また、第１及び第２の電極１１，１２は、図５に示すように、高融点金属ペーストの印刷等により絶縁基板２の表面２ａの対向する一対の側縁部に形成してもよい。

［絶縁基板］
絶縁基板２は、例えば、アルミナ、ガラスセラミックス、ムライト、ジルコニアなどの絶縁性を有する部材によって形成される。その他、ガラスエポキシ基板、フェノール基板等のプリント配線基板に用いられる材料を用いてもよいが、ヒューズ溶断時の温度に留意する必要がある。

［発熱体］
発熱体３は、絶縁基板２の表面２ａに積層され、絶縁部材１３に覆われている。発熱体３は、比較的抵抗値が高く通電すると発熱する導電性を有する部材であって、例えばＷ、Ｍｏ、Ｒｕ等からなる。これらの合金あるいは組成物、化合物の粉状体を樹脂バインダ等と混合して、ペースト状にしたものを絶縁基板２上にスクリーン印刷技術を用いてパターン形成して、焼成する等によって形成される。

保護素子１は、所定の間隔を隔てて複数の発熱体３が並列され、例えば図１に示すように、２つの発熱体３Ａ，３Ｂが設けられている。このように、保護素子１は、従来一つであった発熱体を複数に分割して形成することにより、同等の発熱量を維持しつつ発熱による絶縁基板２に対する熱衝撃を緩和することができる。すなわち、保護素子１は、発熱体３が複数に分割して配置されることにより、絶縁基板２の熱分布が広がりピークも下がることから、絶縁基板２に対する熱衝撃も緩和される。一方で、保護素子１は、分割された発熱体３の全発熱量は従来と同等であり、可溶導体５の溶断に要する時間が延びることもない。したがって、保護素子１は、大電流容量に対応するために可溶導体５を大型化するとともに、発熱体３の電力を増大させた場合にも、絶縁基板２に割れが生じることかなく、安定した発熱動作を奏する。

図２に示すように、各発熱体３Ａ，３Ｂは、可溶導体５が配設される方向と直交する方向を長手方向とする矩形状に形成され、長手方向の一端が発熱体接続電極１７ａを介して絶縁基板２の表面２ａに形成された第１の発熱体電極１５と接続され、長手方向の他端が発熱体接続電極１７ｂを介して絶縁基板２の表面２ａに形成された第２の発熱体電極１６と接続されている。

第１の発熱体電極１５は、複数の発熱体３の各一端と接続されるとともに、発熱体引出電極４と接続されている。第２の発熱体電極１６は、複数の発熱体３の各他端と接続されるとともに、保護素子１が外部回路に接続される際の外部接続電極となる。保護素子１は、第２の発熱体電極１６を介して外部回路と接続されることにより、発熱体３が外部回路に形成された発熱体３への給電経路に組み込まれる。

第１、第２の発熱体電極１５，１６は、例えばＡｇやＣｕ、あるいはこれらを主成分とした合金等の高融点金属を樹脂バインダ等と混合して、ペースト状にしたものを絶縁基板２上にスクリーン印刷技術を用いてパターン形成して、焼成する等によって形成することができる。

発熱体３は、第１、第２の発熱体電極１５，１６間にわたって通電されることにより発熱する。すなわち、発熱体３は、長手方向に通電されることにより、長手方向に沿って割れが発生した場合にも、第１、第２の発熱体電極１５，１６間にわたる通電経路が遮断されることがなく通電、発熱が停止されることが無い。一方、図１５に示すように、発熱体３が長手方向と直交する幅方向の両側に発熱体接続電極を設け、幅方向に通電されることにより発熱する構成では、長手方向に沿って割れが発生した場合、第１、第２の発熱体電極１５，１６間にわたる通電経路が遮断され、可溶導体５の溶断前に発熱が停止する恐れがある。

絶縁部材１３としては、例えばガラスを用いることができる。なお、保護素子１は、発熱体３の熱を効率良く可溶導体５に伝えるために、複数の発熱体３と絶縁基板２との間にも絶縁部材を積層し、発熱体３を絶縁基板２の表面２ａに形成された絶縁部材１３の内部に設けるようにしても良い。

［発熱体引出電極］
発熱体引出電極４は、第１、第２の電極１１，１２間にわたって接続された可溶導体５を支持するとともに発熱体３への給電経路を構成するものであり、第１の発熱体電極１５と接する引出部４ａと、絶縁部材１３上に積層されるとともに可溶導体５が接続される接続部４ｂとを有する。発熱体引出電極４は、接続部４ｂが第１、第２の電極１１，１２の間に形成され、可溶導体５を介して第１、第２の電極１１，１２と接続される。また、発熱体引出電極４は、発熱体３によって加熱されるとともに、発熱体３の熱を可溶導体５に伝えて溶断させる。さらに、発熱体引出電極４は、可溶導体５が溶融すると、可溶導体５の溶融導体５ａが凝集され、第１、第２の電極１１，１２と分断することにより、第１、第２の電極１１，１２間にわたる電流経路を遮断する。このとき、発熱体引出電極４は、発熱体３によって加熱されることにより、可溶導体５の溶融導体５ａを凝集しやすくする。

発熱体引出電極４は、接続部４ｂが絶縁部材１３を介して複数の発熱体３間に跨って一部重畳する位置に形成されている。したがって、発熱体引出電極４は、絶縁部材１３を介して各発熱体３の熱が効率よく伝わり、速やかに可溶導体５を加熱、溶融させることができる。すなわち、保護素子１は、複数の発熱体３がそれぞれ発熱されると、熱は絶縁部材１３及び絶縁部材１３上に積層された発熱体引出電極４を介して可溶導体５に伝わり加熱する。このとき、保護素子１は、発熱体引出電極４が分割配置された発熱体３間に跨って一部重畳するように配置されることで発熱体３の熱が効率よく伝わり、可溶導体５を速やかに溶断させることができる。また、保護素子１は、発熱体３の熱がより発熱体引出電極４及び可溶導体５へ伝わりやすくなることから、絶縁基板２に対する熱衝撃も緩和され、絶縁基板２や発熱体３の割れの発生を防止することができる。

なお、発熱体引出電極４は、図１に示すように、２つの発熱体３Ａ，３Ｂの両方に跨って重畳させてもよく、一方の発熱体３のみに重畳させてもよいが、可溶導体５への熱伝導や絶縁基板２に対する熱衝撃の緩和効果の面で両方に跨って重畳させることが好ましい。

発熱体引出電極４は、例えばＡｇやＣｕ、あるいはこれらを主成分とした合金等の高融点金属を樹脂バインダ等と混合して、ペースト状にしたものを絶縁部材１３上及び第１の発熱体電極１５上にスクリーン印刷技術を用いてパターン形成して、焼成する等によって形成することができる。

そして、発熱体引出電極４は、ハンダ等の接続材料７を介して、第１、第２の電極１１，１２間を接続する可溶導体５と接続される。また、発熱体引出電極４は、可溶導体５が溶融すると、溶融導体５ａを凝集し、第１、第２の電極１１，１２間の電流経路を遮断する。

なお、保護素子１は、図１に示すように、発熱体３Ａ，３Ｂを絶縁基板２の中央を境に両側に形成するとともに、発熱体引出電極４を絶縁基板２の中央を跨って配設することが好ましい。これは、絶縁基板２は外縁部に行くほど放熱による冷却効果が高く、外縁部から最も遠い基板中央は熱が逃げにくいことから、熱膨張による応力も大きくなり、割れが発生しやすい。したがって、この基板中央部を避けて両側に発熱体３Ａ，３Ｂを形成することにより、発熱体３Ａ，３Ｂの熱が基板中央部に蓄積し、熱膨張による応力で割れが発生した場合にも、割れによる影響が発熱体３Ａ，３Ｂに及ぶことを防止することができる。

また、発熱体引出電極４を絶縁基板２の中央を跨って配設することにより、保護素子１は、発熱体３Ａ，３Ｂの熱を放熱しにくい基板中央部に集中させ、絶縁基板２に分散させることなく効率的に可溶導体５を加熱することができる。同時に、保護素子１は、発熱体３Ａ，３Ｂから基板中央部にわたる熱を発熱体引出電極４を介して可溶導体５に伝えていくことにより、発熱体３Ａ，３Ｂの熱を放熱しにくく熱膨張による応力も大きくなる基板中央部に蓄積させることなく、絶縁基板２の割れを防止することができる。

また、絶縁基板２は、第２の発熱体電極１６が、複数の発熱体３の各他端側において、各発熱体３間にわたって設けられ、各発熱体３間の領域において第２の発熱体電極１６を介して外部回路の端子部にハンダ等の接合材料によって接続されている。これにより、保護素子１は、発熱体３間の領域で絶縁基板２が固定され、発熱体３が発熱することにより絶縁基板２に生じる応力が発熱体３の間に現れ、割れが発生した場合にも発生位置を発熱体３が設けられていない領域に制御することができる。特に、２つの発熱体３Ａ，３Ｂを絶縁基板２の中央を境に両側配置することで、発熱体３Ａ，３Ｂの熱を放熱しにくい基板中央部に集中させ、熱膨張による応力が蓄積した場合には、第２の発熱体電極１６が固定点となって、割れの発生位置を確実に発熱体３Ａ，３Ｂの間の領域に制御でき、絶縁基板２に割れが発生した場合にも、発熱体３Ａ，３Ｂに割れが生じ、発熱が停止する事態を防止することができる。

ここで、第２の発熱体電極１６は、絶縁基板２に導電層を有するスルーホール２０を形成するとともに、絶縁基板２の裏面２ｂにスルーホール２０を介して電気的に接続された接続端子部を設け、当該接続端子部を介して外部回路の端子部と接続、固定するようにしてもよい。保護素子１は、絶縁基板２の固定点にスルーホール２０を形成することにより、絶縁基板２の割れの発生位置がスルーホール２０を起点とすることができ、発熱体３Ａ，３Ｂに割れが生じ、発熱が停止する事態を確実に防止することができる。

なお、第２の発熱体電極１６は、ハンダブリッジによって外部回路の端子部と接続、固定してもよい。この場合も、保護素子１は、発熱体３間の領域で絶縁基板２が固定されることから、割れの発生位置を発熱体３が設けられていない発熱体３間の領域に制御することができる。

［可溶導体］
可溶導体５は、過電流状態によって溶融するものであり、したがって、溶断する導電性の材料であればよく、例えば、ＳｎＡｇＣｕ系のＰｂフリーハンダのほか、ＢｉＰｂＳｎ合金、ＢｉＰｂ合金、ＢｉＳｎ合金、ＳｎＰｂ合金、ＰｂＩｎ合金、ＺｎＡｌ合金、ＩｎＳｎ合金、ＰｂＡｇＳｎ合金等を用いることができる。なお、可溶導体５は、Ａｇ若しくはＣｕ又はＡｇ若しくはＣｕを主成分とする金属からなる高融点金属と、ハンダ又はＳｎを主成分とするＰｂフリーハンダ等の低融点金属との積層体であってもよい。

このような可溶導体５は、低融点金属箔に、高融点金属層をメッキ技術を用いて成膜することによって形成することができ、あるいは、他の周知の積層技術、膜形成技術を用いて形成することもできる。なお、可溶導体５は、高融点金属層を内層とし、低融点金属層を外層として構成してもよく、また低融点金属層と高融点金属層とが交互に積層された４層以上の多層構造とするなど、様々な構成によって形成することができる。

また、可溶導体５は、所定の定格電流が流れている間は、自己発熱によっても溶断することがない。そして、定格よりも高い値の電流が流れると、自己発熱によって溶融し、第１、第２の電極１１，１２間の電流経路を遮断する。また、可溶導体５は、発熱体３が通電、発熱されることにより加熱され、溶断することにより、第１、第２の電極１１，１２間の電流経路を遮断する。このとき、可溶導体５は、溶融した低融点金属が高融点金属を浸食することにより、高融点金属が溶融温度よりも低い温度で溶融する。したがって、可溶導体５は、低融点金属による高融点金属の浸食作用を利用して短時間で溶断することができる。

また、可溶導体５は、内層となる低融点金属に高融点金属が積層されて構成することにより、溶断温度を従来の高融点金属からなるチップヒューズ等よりも大幅に低減することができる。したがって、可溶導体５は、同一サイズのチップヒューズ等に比して、断面積を大きくでき電流定格を大幅に向上させることができる。また、同じ電流定格をもつ従来のチップヒューズよりも小型化、薄型化を図ることができ、速溶断性に優れる。

また、可溶導体５は、保護素子１が組み込まれた電気系統に異常に高い電圧が瞬間的に印加されるサージへの耐性（耐パルス性）を向上することができる。すなわち、可溶導体５は、例えば１００Ａの電流が数ｍｓｅｃ流れたような場合にまで溶断してはならない。この点、極短時間に流れる大電流は導体の表層を流れることから（表皮効果）、可溶導体５は、外層として抵抗値の低いＡｇメッキ等の高融点金属を設けることにより、サージによって印加された電流を流しやすく、自己発熱による溶断を防止することができる。したがって、可溶導体５は、高融点金属で被覆することにより、ハンダ合金からなるヒューズに比して、大幅にサージに対する耐性を向上させることができる。

なお、可溶導体５は、酸化防止、及び溶断時の濡れ性の向上等のため、フラックス（図示せず）が塗布されている。

［発熱体］
また、図６に示すように、保護素子１は、発熱体３を絶縁基板２の裏面２ｂに形成してもよい。発熱体３は、絶縁基板２の裏面２ｂに形成されるとともに、裏面２ｂ上において絶縁層１３に被覆される

発熱体３は、一端が図示しない発熱体電極を介して発熱体引出電極４及び発熱体引出電極４上に搭載された可溶導体５と電気的に接続される。また、発熱体３は、他端が第２の発熱体電極１６と接続される。

また、図７に示すように、保護素子１は、発熱体３を絶縁基板２の内部に形成してもよい。この場合、発熱体３は、ガラス等の絶縁層によって被覆する必要はない。また、発熱体３は、一端が図示しない発熱体電極を介して発熱体引出電極４及び発熱体引出電極４上に搭載された可溶導体５と電気的に接続される。また、発熱体３は、他端が第２の発熱体電極１６と接続される。

［回路構成］
保護素子１は、例えばバッテリパックに組み込まれると、過電流時における可溶導体５の自己溶断に加え、バッテリセルの過電圧を検知して発熱体３を通電、発熱させ、可溶導体５を溶断させることにより、バッテリパックの充放電経路を遮断することができる。

バッテリパック３０は、図８に示すように、例えば、合計４個のリチウムイオン二次電池のバッテリセル３１〜３４からなるバッテリスタック３５を有する。

バッテリパック３０は、バッテリスタック３５と、バッテリスタック３５の充放電を制御する充放電制御回路４０と、バッテリスタック３５の異常時に充電を遮断する本発明が適用された保護素子１と、各バッテリセル３１〜３４の電圧を検出する検出回路３６と、検出回路３６の検出結果に応じて保護素子１の動作を制御するスイッチ素子となる電流制御素子３７とを備える。

バッテリスタック３５は、過充電及び過放電状態から保護するための制御を要するバッテリセル３１〜３４が直列接続されたものであり、バッテリパック３０の正極端子３０ａ、負極端子３０ｂを介して、着脱可能に充電装置４５に接続され、充電装置４５からの充電電圧が印加される。充電装置４５により充電されたバッテリパック３０は、正極端子３０ａ、負極端子３０ｂをバッテリで動作する電子機器に接続することによって、この電子機器を動作させることができる。

充放電制御回路４０は、バッテリスタック３５から充電装置４５に流れる電流経路に直列接続された２つの電流制御素子４１、４２と、これらの電流制御素子４１、４２の動作を制御する制御部４３とを備える。電流制御素子４１、４２は、たとえば電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴという。）により構成され、制御部４３によりゲート電圧を制御することによって、バッテリスタック３５の電流経路の導通と遮断とを制御する。制御部４３は、充電装置４５から電力供給を受けて動作し、検出回路３６による検出結果に応じて、バッテリスタック３５が過放電又は過充電であるとき、電流経路を遮断するように、電流制御素子４１、４２の動作を制御する。

保護素子１は、例えば、バッテリスタック３５と充放電制御回路４０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３７によって制御される。

検出回路３６は、各バッテリセル３１〜３４と接続され、各バッテリセル３１〜３４の電圧値を検出して、各電圧値を充放電制御回路４０の制御部４３に供給する。また、検出回路３６は、いずれか１つのバッテリセル３１〜３４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３７を制御する制御信号を出力する。

電流制御素子３７は、たとえばＦＥＴにより構成され、検出回路３６から出力される検出信号によって、バッテリセル３１〜３４の電圧値が所定の過放電又は過充電状態を超える電圧になったとき、保護素子１を動作させて、バッテリスタック３５の充放電電流経路を電流制御素子４１、４２のスイッチ動作によらず遮断するように制御する。

以上のような構成からなるバッテリパック３０に用いられる、本発明が適用された保護素子１は、図９に示すような回路構成を有する。すなわち、保護素子１は、第１の電極１１がバッテリスタック３５側と接続され、第２の電極１２が正極端子３０ａ側と接続され、これにより可溶導体５がバッテリスタック３５の充放電経路上に直列に接続される。また、保護素子１は、発熱体３が第２の発熱体電極１６を介して電流制御素子３７と接続されるとともに、発熱体３がバッテリスタック３５の開放端と接続される。これにより、発熱体３は、一端を発熱体引出電極４、可溶導体５及び第１の電極１１を介してバッテリスタック３５の一方の開放端と接続され、他端を第２の発熱体電極１６を介して電流制御素子３７及びバッテリスタック３５の他方の開放端と接続され、電流制御素子３７によって通電が制御される発熱体３への給電経路が形成される。

［保護素子の動作］
バッテリパック３０に定格を超える過電流が通電されると、保護素子１は、可溶導体５が自己発熱により溶融し、バッテリパック３０の充放電経路を遮断する。

また、検出回路３６がバッテリセル３１〜３４のいずれかの異常電圧を検出すると、電流制御素子３７へ遮断信号を出力する。すると、電流制御素子３７は、発熱体３に通電するよう電流を制御する。保護素子１は、バッテリスタック３５から、第１の電極１１、可溶導体５及び発熱体引出電極４を介して発熱体３に電流が流れ、これにより発熱体３が発熱を開始する。保護素子１は、発熱体３の発熱により可溶導体５が溶断し、バッテリスタック３５の充放電経路を遮断する（図３）。

このとき、過電圧時における発熱体３による溶断時において、保護素子１は、従来一つであった発熱体を複数に分割して形成することにより、同等の発熱量を維持しつつ発熱による絶縁基板２に対する熱衝撃を緩和することができる。したがって、保護素子１は、大電流容量に対応するために可溶導体５を大型化するとともに、発熱体３の電力を増大させた場合にも、可溶導体５の溶断に要する時間が延びることもなく、また、絶縁基板２に割れが生じ難くなり、安定した発熱動作を奏する。

また、保護素子１は、発熱体引出電極４が、絶縁部材１３を介して複数の発熱体３間に跨って一部重畳する位置に形成されることにより、絶縁部材１３を介して各発熱体３の熱が効率よく伝わり、速やかに可溶導体５を加熱、溶融させることができる。また、保護素子１は、発熱体３の熱がより発熱体引出電極４及び可溶導体５へ伝わりやすくなることから、絶縁基板２に対する熱衝撃も緩和され、絶縁基板２や発熱体３の割れの発生を防止することができる。

また、保護素子１は、可溶導体５を高融点金属と低融点金属とを含有させて形成することにより、溶融した低融点金属による高融点金属の溶食作用を利用して短時間で溶断することができる。

なお、保護素子１は、可溶導体５が溶断することにより、発熱体３への給電経路も遮断されるため、発熱体３の発熱が停止される。

本発明に係る保護素子は、リチウムイオン二次電池のバッテリパックに用いる場合に限らず、電気信号による電流経路の遮断を必要とする様々な用途にももちろん応用可能である。

［第２の実施例］
また、本発明が適用された保護素子は、図１０に示すように、発熱体引出電極４、絶縁層１３、及び絶縁基板２を貫き、可溶導体５の溶融導体５ａを吸引する吸引孔５１を設けてもよい。なお、以下の説明において上述した保護素子１と同じ部材については同じ符号を付して、その詳細を省略する。

吸引孔５１が設けられた保護素子５０は、可溶導体５が過電流による自己発熱、あるいは過電圧に伴う発熱体３の発熱により溶融すると、毛管現象によってこの溶融導体５ａを吸引孔５１内に吸引し、溶融導体５ａの体積を減少させる。保護素子５０は、大電流用途に対応するために可溶導体５の断面積を増大させることにより、溶融量が増大した場合にも、吸引孔５１に吸引させることで、溶融導体５ａの体積を減少させることができる。

これにより、保護素子５０は、可溶導体５を速やかに、かつ確実に溶断することができる。また、保護素子５０は、過電流に伴う自己発熱遮断時に生じるアーク放電による溶融導体５ａの飛散を軽減し、絶縁抵抗の低下を防止するとともに、可溶導体５の搭載位置の周辺回路への付着による短絡故障を防止することができる。

吸引孔５１は、内面に導電層５２が形成されている。導電層５２が形成されることにより、吸引孔５１は、溶融導体５ａを吸引しやすくすることができる。導電層５２は、例えば銅、銀、金、鉄、ニッケル、パラジウム、鉛、錫のいずれか、又はいずれかを主成分とする合金によって形成され、吸引孔５１の内面を電解メッキや導電ペーストの印刷等の公知の方法により形成することができる。

また、吸引孔５１は、絶縁基板２の厚さ方向に貫通する貫通孔として形成されることが好ましい。これにより、吸引孔５１は、溶融導体５ａを絶縁基板２の裏面２ｂ側まで吸引することができ、より多くの溶融導体５ａを吸引し、溶断部位における溶融導体５ａの体積を減少させることができる。なお、吸引孔５１は、非貫通孔として形成してもよい。

また、図１１に示すように、吸引孔５１は、絶縁基板２の表面２ａに絶縁層１３を介して積層された発熱体引出電極４の幅方向の中央に設けられる。なお、吸引孔５１は、複数設けることで、可溶導体５の溶融導体５ａを吸引する経路を増やし、より多くの溶融導体５ａを吸引することで、溶断部位における溶融導体５ａの体積を減少させるようにしてもよい。ここでは、複数の吸引孔５１が直線状に一列に並んで設けられている。

また、吸引孔５１の内面に設けられた導電層５２は、発熱体引出電極４と連続されている。したがって、保護素子５０は、発熱体引出電極４に凝集した溶融導体５ａを、導電層５２を介して吸引孔５１内に導きやすくすることができる。

また、絶縁基板２の裏面２ｂには、吸引孔５１の導電層５２と接続された裏面電極５３が形成されている。図１２に示すように、裏面電極５３は、導電層５２と連続することにより、可溶導体５が溶融すると、吸引孔５１を介して移動した溶融導体５ａが凝集する。これにより、保護素子１は、より多くの溶融導体５ａを吸引し、溶断部位における溶融導体５ａの体積を減少させることができる。

なお、保護素子５０は、発熱体３を、絶縁基板２の表面２ａ、裏面２ｂ又は絶縁基板２の内部に設けてもよい。

発熱体３は、絶縁基板２の裏面２ｂに設ける場合、一端が裏面電極５３と連続するとともに、導電層５２及び発熱体引出電極４を介して可溶導体５と電気的に接続され、他端が裏面２ｂに設けられた第２の発熱体電極１６と接続される。同様に、発熱体３は、絶縁基板２の内部に設ける場合、一端が第１の発熱体電極１５及び発熱体引出電極４を介して可溶導体５と電気的に接続され、他端が第２の発熱体電極１６と接続される。

発熱体３を絶縁基板２の裏面２ｂに形成することにより、保護素子５０は、裏面電極５３が発熱体３によって加熱されることにより、より多くの溶融導体５ａを凝集しやすくなる。したがって、保護素子５０は、発熱体引出電極４から導電層５２を介して裏面電極５３へ溶融導体５ａを吸引する作用を促進させ、確実に可溶導体５を溶断することができる。

また、発熱体３を絶縁基板２の内部に形成することにより、保護素子５０は、導電層５２を介して発熱体引出電極４及び裏面電極５３が発熱体３によって加熱されることにより、より多くの溶融導体５ａを凝集しやすくなる。したがって、保護素子５０は、発熱体引出電極４から導電層５２を介して裏面電極５３へ溶融導体５ａを吸引する作用を促進させ、確実に可溶導体５を溶断することができる。

また、保護素子５０は、吸引孔５１内に可溶導体５と同一若しくは類似の材料又は可溶導体５より融点の低い予備ハンダ５５、あるいはフラックスを充填してもよい。保護素子５０は、発熱体３が発熱したとき、熱伝導に優れる導電層５２や発熱体引出電極４や裏面電極５３が絶縁基板２より先に温度が高くなることによって、予備ハンダ５５等が可溶導体５より先に溶融し、溶融導体５ａを吸引孔５１に呼び込むことができる。これにより、溶融導体５ａは、絶縁基板２の表面２ａから裏面２ｂに移動し、姿勢に拘わらず、第１の電極１１と第２の電極１２との間の電流経路を確実に遮断することができる。

次いで、本発明の実施例について説明する。本実施例では、絶縁基板上に２つの発熱体が分割配置されるとともに、発熱体引出電極が２つの発熱体間に跨って重畳配置された保護素子（実施例：図１参照）と、絶縁基板上に２つの発熱体が分割配置されるとともに、発熱体引出電極が２つの発熱体間に発熱体と重畳せずに配置された保護素子（比較例：図１３参照）を用意し、発熱体の発熱による溶断時間を測定した。

実施例及び比較例に係る保護素子は、いずれも絶縁基板として表面に２つの発熱体が設けられたセラミック基板を用いた。また、第１、第２の電極間にわたって支持される可溶導体として、厚さ０．３５ｍｍ、幅５．４ｍｍのＳｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系金属箔に厚さ６μｍのＡｇメッキ処理を施したものを用いた。可溶導体と各電極とはハンダによって接続した。また、第１、第２の電極は、ＰＰＳ製の外筐体によって支持した。

これら実施例及び比較例に係る保護素子に対して、３２Ｗ、１００Ｗの電力を印加し、発熱体の発熱によって可溶導体を溶断させた。測定結果を表１に示す。

表１に示すように、実施例に係る保護素子では、印加した電力が３２Ｗ、１００Ｗのいずれの場合も比較例に比して溶断時間が短くなった。一方、比較例に係る保護素子では、１００Ｗの電力を印加した場合に、半数のサンプルで絶縁基板に割れが発生し、可溶導体を溶断することが出来なかった（ＮＧ）。

これは、実施例においては、発熱体引出電極を発熱体に重畳して配置したことから、発熱体引出電極に、絶縁部材を介して各発熱体の熱が効率よく伝わり、速やかに可溶導体を加熱、溶融させることができたことによる。また、実施例では、発熱体の熱がより発熱体引出電極及び可溶導体へ伝わりやすくなることから、１００Ｗの電力を印加した場合にも、絶縁基板に対する熱衝撃も緩和され、絶縁基板や発熱体の割れの発生を防止することができた。

一方、比較例においては、発熱体引出電極が２つの発熱体間に発熱体と重畳せずに配置されているため、発熱体引出電極への発熱体からの熱の伝導効率が下がり、実施例に比して溶断時間が延びた。加えて、比較例では、発熱体の熱が絶縁基板に蓄積されやすく、１００Ｗの電力を印加した場合に、絶縁基板に対する熱衝撃が過大となり、半数のサンプルにおいて絶縁基板に割れが発生し可溶導体を溶断することが出来なかった。

これより、絶縁基板上に複数の発熱体が分割配置されるとともに、発熱体引出電極を各発熱体間に跨って重畳配置させる構成が、速溶断性、及び絶縁基板に対する熱衝撃を緩和し安定した発熱動作を確保するうえで有効であることが分かる。

１ 保護素子、２ 絶縁基板、３ 発熱体、４ 発熱体引出電極、５ 可溶導体、７ 接続材料、１０ 外筐体、１１ 第１の電極、１２ 第２の電極、１３ 絶縁部材、１５ 第１の発熱体電極、１６ 第２の発熱体電極、１７ 発熱体接続電極、２０ スルーホール、３０ バッテリパック、３１〜３４ バッテリセル、３５ バッテリスタック、３６ 検出回路、３７ 電流制御素子、４０ 充放電制御回路、４１，４２ 電流制御素子、４３ 制御部、４５ 充電装置、５０ 保護素子、５１ 吸引孔、５２ 導電層、５３ 裏面電極、５５ 予備ハンダ

Claims (11)

1. 絶縁基板と、
   上記絶縁基板に形成された複数の発熱体と、
   複数の上記発熱体と電気的に接続された発熱体引出電極と、
   上記発熱体引出電極に支持された可溶導体とを備え、
   上記可溶導体の下部において、上記発熱体引出電極が上記複数の発熱体の少なくとも一つに重畳して配設され、上記発熱体、上記発熱体引出電極、及び上記可溶導体が、この順で重畳されている保護素子。
2. 上記発熱体引出電極は、上記可溶導体の下部において、複数の上記発熱体間に跨って、上記発熱体に重畳して配設されている請求項１記載の保護素子。
3. 上記複数の発熱体は、上記絶縁基板の中央を境に両側に形成され、
   上記発熱体引出電極は、上記可溶導体の下部において、上記絶縁基板の中央を跨って配設されている請求項２記載の保護素子。
4. 上記発熱体引出電極の一部と上記発熱体の一部とが重畳する請求項１〜３のいずれか１項に記載の保護素子。
5. 上記発熱体及び上記発熱体引出電極は、上記可溶導体の配設方向と直交する方向を長手方向とする矩形状をなし、上記発熱体及び上記発熱体引出電極の各長手方向にわたる一側縁に沿って重畳する請求項４記載の保護素子。
6. 上記複数の発熱体は、上記可溶導体の配設方向と直交する方向を長手方向とする矩形状をなし、長手方向の一端が上記発熱体引出電極と接続され、長手方向の他端が外部接続電極と接続されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の保護素子。
7. 上記複数の発熱体の一方側において、上記複数の発熱体間にわたって外部接続電極が設けられ、
   上記絶縁基板は、上記複数の発熱体間の領域において、上記外部接続電極を介して、接合材料によって外部回路に固定される請求項１〜６のいずれか１項に記載の保護素子。
8. 上記外部接続電極は、上記絶縁基板に形成された導電スルーホールを介して上記発熱体が形成された表面と反対側の裏面に形成された端子部と接続され、上記端子部が上記外部回路に接続される請求項７に記載の保護素子。
9. 上記外部接続電極は、上記発熱体が形成された上記絶縁基板の表面から反対側の裏面に至るハンダブリッジを介して上記外部回路に接続される請求項７に記載の保護素子。
10. 上記絶縁基板の厚さ方向に設けられ、上記発熱体引出電極と連続し、上記可溶導体が溶融した溶融導体を吸引する吸引孔を備える請求項１〜９のいずれか１項に記載の保護素子。
11. １つ以上のバッテリセルと、
    上記バッテリセルに流れる電流を遮断するように接続された保護素子と、
    上記バッテリセルそれぞれの電圧値を検出して上記保護素子を加熱する電流を制御する電流制御素子とを備え、
    上記保護素子は、上記請求項１〜１０のいずれか１項に記載の保護素子であるバッテリパック。

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