CN104412351A - 保护元件 - Google Patents

Abstract

在可熔导体上单独配置盖部件的突状部的情况下，不足以将助熔剂保持在可熔导体上，在可熔导体的熔断特性产生偏差，因此以实现使涂敷到可熔导体上的助熔剂量均匀而改良了熔断特性的偏差的保护元件为目的。保护元件具备：绝缘基板（11）；发热体（14）；绝缘部件（15）；2个电极（12）；发热体内部电极（16）；从发热体内部电极（16）遍及2个电极（12）而层叠并通过加热来熔断2个电极（12）之间的电流路径的可熔导体（13）；以与发热体（14）重叠的方式涂敷在可熔导体（13）上的助熔剂（17）；以及至少覆盖可熔导体（13）地安装在绝缘基板（11）的盖部件（1）。而且，盖部件（1）具有多个圆筒状的突状部（2），其与发热体（14）对置并在盖部件（1）的内表面（1a）以与助熔剂（17）相接的方式形成。

Description

保护元件

技术领域

本发明涉及通过熔断电流路径来保护连接在电流路径上的电路的保护元件。

本申请以在日本于2012年3月26日申请的日本专利申请号特愿2012－069657为基础主张优先权，该申请通过参照援引到本申请。

背景技术

充电而能够反复利用的2次电池大部分被加工成电池组而提供给用户。特别是在重量能量密度高的锂离子2次电池中，为了确保用户及电子设备的安全，一般在电池组中内置过充电保护、过放电保护等的数个保护电路，具有在规定的情况下截断电池组的输出的功能。

利用内置于电池组的FET开关进行输出的ON/OFF（导通/截止），从而进行电池组的过充电保护或过放电保护动作。然而，由于一些原因而FET开关短路破坏的情况下，被施加雷涌等而瞬间流过大电流的情况下，或者因电池单元的寿命而输出电压异常下降、或相反地输出过大异常电压的情况下，也必须保护电池组或电子设备以免出现起火等的事故。因此，为了在这样可以假设的任何异常状态下，安全地截断电池单元的输出，采用由具有根据来自外部的信号截断电流路径的功能的熔丝元件构成的保护元件。

作为这样的面向锂离子2次电池等的保护电路的保护元件，如专利文献1中记载的那样，一般采用这样的结构，即在保护元件内部具有发热体，通过该发热体来熔断电流路径上的可熔导体。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010－3665号公报。

发明内容

发明要解决的课题

在专利文献1记载的保护元件中，向由低熔点金属构成的可熔导体（熔丝）的表面涂敷了助熔剂（flux），以达到防氧化、促进熔化及提高熔断特性的目的。另外，为了确保保护元件的质量而以覆盖构成保护元件的基板上的方式设有盖部件。助熔剂均匀涂敷到可熔导体上，从而使可熔导体的发热分布变得均匀，并使可熔导体的熔断特性的偏差变。因此，为了保持所涂敷的助熔剂并使可熔导体上的助熔剂量均匀，盖部件以包围可熔导体上的中央部的方式在盖部件的内表面具有圆筒状的突状部。

然而，在将圆筒状的突状部单独配置在可熔导体上的情况下，不足将助熔剂保持在可熔导体上，根据后面研究的结果判明了熔断特性产生偏差。另外，判明了想要将助熔剂量均匀地保持在可熔导体上，需要适当地选定配置圆筒状的突状部的位置。

因此，本发明的目的在于使涂敷到可熔导体上的助熔剂量均匀而实现改良了熔断特性的偏差的保护元件。

用于解决课题的方案

作为上述的用于解决课题的方案，本发明所涉及的保护元件，具备：绝缘基板；发热体，层叠在绝缘基板；绝缘部件，以至少覆盖发热体的方式层叠在绝缘基板；第1及第2电极，层叠在绝缘部件所层叠的绝缘基板；发热体内部电极，以与发热体重叠的方式层叠在绝缘部件上，与第1及第2电极之间的电流路径上和发热体电连接；可熔导体，从发热体内部电极遍及第1及第2电极地层叠，通过加热来熔断第1电极与第2电极之间的电流路径；助熔剂，以与发热体重叠的方式涂敷在可熔导体上；以及盖部件，至少覆盖可熔导体地安装在绝缘基板。而且，盖部件具有与发热体对置并在盖部件的内表面以与助熔剂相接的方式形成的、具有环状周缘的多个突状部。

发明效果

本发明包括与发热体对置并在盖部件的内表面以与助熔剂相接的方式形成的、具有环状周缘的多个突状部，因此在其前端因表面张力而拉近的、发热体上的助熔剂量变得均匀，发热体上的可熔导体的发热分布变均匀且熔断特性的偏差降低。

附图说明

图1中图1A是构成适用本发明的保护元件的盖部件的A－A’部截面图；图1B是盖部件的仰视图；

图2中图2A是为了示出适用本发明的保护元件的结构而拆下盖部件的状态下的平面图；图2B是示出向图2A的保护元件安装盖部件后的状态下的保护元件的结构的B－B’部截面图；

图3是示出适用本发明的保护元件的应用例的框图；

图4是示出适用本发明的保护元件的电路构成例的图；

图5中图5A构成现有的保护元件的盖部件的A－A’部截面图；图5B是构成现有的保护元件的盖部件的仰视图，是一并示出助熔剂的状态的概念图；图5C是截面图；

图6中图6A是构成现有的保护元件的盖部件的A－A’部截面图；图6B是构成现有的保护元件的盖部件的仰视图，是一并示出助熔剂的状态的概念图；图6C是截面图；

图7中图7A是示出本发明的保护元件的实施方式中的变形例的1个的盖部件的截面图；图7B是仰视图；

图8中图8A是示出本发明的保护元件的实施方式中的变形例的1个的盖部件的截面图；图8B是仰视图；

图9中图9A是示出本发明的保护元件的实施方式中的变形例的1个的盖部件的截面图；图9B是仰视图；

图10中图10A是示出本发明的保护元件的实施方式中的变形例的1个的盖部件的截面图；图10B是仰视图；

图11中图11A是示出本发明的保护元件的实施方式中的变形例的1个的盖部件的截面图；图11B是仰视图；

图12中图12A是示出本发明的保护元件的实施方式中的变形例的1个的盖部件的截面图；图12B是仰视图。

具体实施方式

以下，参照附图，详细说明用于实施本发明的方式。此外，本发明并不仅限于以下的实施方式，在不脱离本发明的要点的范围内显然可进行各种变更。

[保护元件的结构]

如图1A及图1B所示，盖部件1在盖部件1的内表面1a具有3个突状部2，其前端配置在与发热体14的位置对置的位置。突状部2呈以盖部件1的内表面1a为底面、前端开口的圆筒形状。圆筒状的突状部2配置在将盖部件1扣在保护元件10的主体而安装时，经由可熔导体13与方形状的发热体14对置的位置。以使圆筒状的突状部2的前端处于与涂敷到可熔导体13的表面的助熔剂17的表面相接的位置的方式决定圆筒状的突状部2的高度。圆筒状的突状部2的内表面2a由于与前端相接的助熔剂17的表面张力，成为助熔剂17被拉近而能填满助熔剂17的空间。内表面2a的壁面既可以光滑，也可以梨皮状地粗涩。盖部件1用于保护元件10的内部保护用途，利用绝缘性的材料形成。能够采用例如玻璃环氧、陶瓷等具有既定耐热性的绝缘材料。圆筒状的突状部2不限于3个，如后述那样，既可以4个以上，也可以2个。盖部件1一般采用射出成型技术，包括突状部2在内通过一体成型来形成，但是也可以作为其他构成部件通过粘接或者嵌入等在盖部件1的内表面1a适当的位置构成突状部2。

如图2A所示，保护元件10的主体具备：绝缘基板11；层叠在绝缘基板11并被绝缘部件15覆盖的发热体14；形成在绝缘基板11的两端的电极12、12；以在绝缘部件15上与发热体14重叠的方式层叠的发热体内部电极16；以及两端与电极12、12连接并且中央部与发热体内部电极16连接的可熔导体13。可熔导体13上涂敷有助熔剂17。而且，如图2B所示，本发明所涉及的保护元件10的整体是图1的盖部件1扣在保护元件10的主体的绝缘基板11上而构成的。若将盖部件1扣在绝缘基板11上，则3个圆筒状的突状部2与助熔剂17的表面相接，通过助熔剂17的表面张力，助熔剂17填满圆筒状的突状部2的内部。

方形状的绝缘基板11由例如氧化铝、玻璃陶瓷、莫来石、氧化锆等的具有绝缘性的部件形成。另外，也可以使用玻璃环氧基板、酚醛基板等的用于印刷布线基板的材料，但需要留意熔丝熔断时的温度。

发热体14是电阻值较高且通电时发热的具有导电性的部件，例如由W、Mo、Ru等构成。将这些合金或者组合物、化合物的粉状体与树脂粘合剂等混合而做成膏状物，利用丝网印刷技术将该膏状物图案形成于绝缘基板11上，通过烧成等而形成。

以覆盖发热体14的方式配置绝缘部件15，并且以经由该绝缘部件15而与发热体14对置的方式配置发热体内部电极16。

发热体内部电极16的一端与发热体电极18连接。另外，发热体14的一端与另一个发热体电极18连接。

可熔导体13为以既定电力、热熔化并熔断的导电性的材料即可，可以采用例如BiSn合金、BiPb合金、BiSn合金、SnPb合金、PbIn合金、ZnAl合金、InSn合金、PbAgSn合金等。

助熔剂17在制造保护元件10时，粘性低且涂敷到可熔导体13上时大致均匀扩展而分布。随着时间的经过而熔剂挥发、粘性上升。

[保护元件的使用方法]

如图3所示，上述的保护元件10用于锂离子2次电池的电池组内的电路。

例如，保护元件10可装入由总共4个锂离子2次电池的电池单元21～24构成的电池堆栈（battery stack）25的电池组20而加以使用。

电池组20具备：电池堆栈25；控制电池堆栈25的充放电的充放电控制电路30；保护电池堆栈25和充放电控制电路30的适用本发明的保护元件10；检测各电池单元21～24的电压的检测电路26；以及根据检测电路26的检测结果控制保护元件10的动作的电流控制元件27。

电池堆栈25串联连接了需要用于控制过充电及过放电状态保护的电池单元21～24，经由电池组20的正极端子20a、负极端子20b，可装卸地连接于充电装置35，被施加来自充电装置35的充电电压。通过将由充电装置35充电的电池组20的正极端子20a、负极端子20b连接到由电池动作的电子设备，能够使该电子设备动作。

充放电控制电路30具备：从电池堆栈25流向充电装置35的电流路径中串联连接的两个电流控制元件31、32；以及控制这些电流控制元件31、32的动作的控制部33。电流控制元件31、32例如由场效应晶体管（以下，称为FET。）构成，通过用控制部33控制栅极电压，控制电池堆栈25的电流路径的导通和截断。控制部33接受来自充电装置35的电力供给而动作，并根据检测电路26得到的检测结果，以在电池堆栈25过放电或过充电时截断电流路径的方式控制电流控制元件31、32的动作。

保护元件10例如连接在电池堆栈25与充放电控制电路30之间的充放电电流路径上，其动作由电流控制元件27控制。

检测电路26与各电池单元21～24连接，检测各电池单元21～24的电压值，将各电压值供给充放电控制电路30的控制部33。另外，检测电路26在任意1个电池单元21～24成为过充电电压或过放电电压时输出控制电流控制元件27的控制信号。

电流控制元件27根据从检测电路26输出的检测信号，当电池单元21～24的电压值为超过既定过放电或过充电状态的电压时，使保护元件10动作，以使电池堆栈25的充放电电流路径与电流控制元件31、32的开关动作无关地截断的方式进行控制。

对以上那样的结构组成的电池组20中保护元件10的结构进行具体说明。

首先，适用本发明的保护元件10具有例如图4所示那样的电路结构。即，保护元件10是这样的电路结构，即，包括：经由发热体内部电极16串联连接的可熔导体13；以及经由可熔导体13的连接点通电而发热，从而熔化可熔导体13的发热体14。另外，保护元件10中，例如，可熔导体13串联连接到充放电电流路径上，发热体14与电流控制元件27连接。保护元件10的2个电极12、12之中，一个与A1连接，另一个与A2连接。另外，发热体内部电极16和与它连接的发热体电极18，与P1连接，另一个发热体电极18与P2连接。

由这样的电路结构组成的保护元件10能够实现低矮化，并且，通过发热体14的发热能够可靠地熔断电流路径上的可熔导体13。

[盖部件的功能]

以下，在对本发明所涉及的保护元件10所使用的盖部件1的功能进行说明之前，对现有的保护元件的盖部件的功能进行说明。

如图5A及图5C所示，现有的保护元件的盖部件1，以与配置有发热体14的位置对置的方式具有形成在盖部件1的内表面1a的突状部42。突状部42为圆筒状，底面由盖部件1的内表面1a构成，具有内表面42a，且前端开口。突状部42的前端的面积设定为覆盖对置的发热体14面积的大致80％。

然而，若将圆筒的直径设定得较大，则有助熔剂17的表面张力在圆筒的中央部附近不能充分地抵抗重力的情况，因此有突状部42的内部未被助熔剂17充分填满的情况。于是，如图5B所示，突状部42的内部的助熔剂17的位置可能会成为不规则的状态。如图5C所示，助熔剂17并不处于均匀涂敷到可熔导体13上与发热体14对应的区域的状态，除一部分外涂敷的助熔剂17的量较少。在这样的状态下，向发热体14通电，从而发热体14发热，或者在可熔导体13中流过过大的电流，从而温度上升，则在可熔导体13的温度分布产生位置偏移，可熔导体13的熔断特性产生偏差。

在盖部件1的圆筒状的突状部42的前端的画出面积大、其内表面42a的容积大的情况下，如上所述，助熔剂17未被充分地填充，发热体14上的助熔剂17在可熔导体13上的涂敷量产生偏差。这在突状部42的形状为非圆筒的三角形或四角形等的多边形时也相同。

因此，如图6A所示，考虑减小圆筒状的突状部44的直径，并减少其内表面44a形成的容积。于是，如图6B所示，助熔剂17能够充分地填满单独的突状部44的内表面44a。

然而，如图6C所示，由于突状部44的前端的面积比发热体14的面积小，所以出现助熔剂17在发热体14的中央部附近的涂敷量多、越离开中央部涂敷量就越急剧减少的情况。作为其结果，在发热体14的中央部和除此以外的区域中，助熔剂17的涂敷量的差异变大，对应于该差异，可熔导体13的发热分布也出现差异，因此会在可熔导体13的熔断特性产生偏差。

如图1所示，在本发明所涉及的保护元件10中，通过减少突状部2的前端所画出面积，以使盖部件1的突状部2的前端与发热体14对置地与助熔剂17相接，从而减少每1个拉近的助熔剂量。而且，关于每1个拉近的助熔剂量减少的量，通过形成多个突状部2，对于发热体14的表面积确保充分的对置面积，从而确保因助熔剂17的表面张力而拉近的助熔剂量。突状部2在盖部件1的内表面1a以成为与发热体14对置的位置的方式例如优选配置3个，但是如后述那样，可进行各种变形，既可以用4个以上，也可为2个。

此外，关于突状部2的形状，对于前端的周长而言，前端所画出面积最大，因此优选圆形，但显然也可为其他形状。

[变形例1]

如图7A及图7B所示，在与发热体14对置的位置配置2个圆筒状的突状部46，而且在配置该突状部46的外侧，即配置有电极12、12的一侧配置与上述相同的圆筒状的突状部46。结果，在与可熔导体13对置的位置，排列有同一形状的圆筒状的突状部46。由此，涂敷到可熔导体13上的助熔剂17在圆筒状的突状部46的前端被均匀地拉近，助熔剂17填充到各自的内表面46a，从而不仅在发热体14上而且在可熔导体13上的几乎整个区域中，助熔剂17的量会大致均匀地分布。通过使可熔导体13上的助熔剂量均匀，不仅有助于降低用发热体14时的熔断特性的偏差，而且也能降低对应于可熔导体的过大电流的熔断特性的偏差。

而且，在对应于发热体14四角的位置，配置直径小于上述突状部46的圆筒状的突状部47也可。通过将直径小的圆筒状的突状部47配置在与发热体14的四角对置的位置，在助熔剂17的量多的情况下，也有通过在直径小的圆筒状的突状部47的内表面47a拉近助熔剂17防止向绝缘基板11流出的效果。

如图8A及图8B所示，在盖部件1的内表面1a并且在发热体14的中央部以更宽的面积覆盖发热体14表面的方式，配置具有内表面48a的4个圆筒状的突状部48也可。与图7的情况同样地，通过将直径小的圆筒状的突状部49配置在与发热体14的四角对置的位置，在助熔剂17的量多的情况下，也能在直径小的圆筒状的突状部49的内表面49a拉近助熔剂17而防止绝缘基板11流出。

在图7及图8的情况下，从助熔剂17的涂敷量的均匀性观点来说，优选与发热体14对置的圆筒状的突状部46、48的前端所画出面积为发热体14的表面积的80％程度以上。

此外，关于图7及图8的情况下的突状部46、47、48、49的直径大小，是为一个例子，不限于上述情况。另外，图7及图8的例子中，使突状部46、47、48、49的各自高度全部相同，但是显然并不限于此。

[变形例2]

形成在盖部件1的内表面1a的突状部的形状，前端的周围画出面积小，如果形成多个突状部，也可以不必为圆筒状。如图9A及图9B所示，也可以将9个直径小的圆柱状的突状部50配置在与发热体14对置的位置。附着在突状部50的前端的助熔剂17因表面张力而拉近到邻接的突状部50之间的空间。作为突状部50的配置图案，无需与发热体14的方形形状一致，也可以配置成菱形状。

如图10A及图10B所示，也可以对照发热体14及可熔导体13的方形形状，而设置多个（3×9＝27个）圆柱状的突状部52。通过在可熔导体上均等地配置多个突状部52，不仅在发热体14上而且在可熔导体13上的几乎整个区域中，助熔剂17会以均匀的厚度分布。通过使可熔导体13上的助熔剂量均匀，不仅有助于降低使用发热体14时的熔断特性的偏差，而且还能降低对于可熔导体的过大电流的熔断特性的偏差。

在图9及图10的情况下，构成以包围所排列的突状部50、52的方式具有壁面51a、53a的突状部51、53也可。突状部51、53与图7及图8的情况中的直径小的圆筒状的突状部47、49同样，能够防止助熔剂17的流出造成的助熔剂量的不均匀。

此外，圆柱状的突状部的形状无论在何种情况下都为圆锥台状的形状也可。

[变形例3]

形成在盖部件1的内表面1a的突状部的形状，不限于上述的圆筒形状、圆柱或者圆锥台形状。如图11A及图11B所示，前端尖利的圆锥形状也可。圆锥状的突状部54优选配置在与发热体14对置的位置，如图11所示将配置扩充到与可熔导体13对置的位置也可。

如图12A及图12B所示，仅在与发热体14对置的位置配置显然也可。

在图11及图12的情况下，为了防止助熔剂17的流出造成的助熔剂量的不均匀，以包围圆锥状的突状部54、56的方式配置用于防止流出的突状部55、57也可。通过利用助熔剂17的表面张力，即便不形成如图9及图10的例子那样的具有壁面51a、53a的突状部51、53，也能通过排列多个柱状的突状部55、57防止助熔剂17的流出。

[标号说明]

1　盖部件，1a　盖部件的内表面，2、42、44、46～57　突状部，2a、42a～49a　突状部的内表面，10　保护元件，11　绝缘基板，12　电极，13　可熔导体，14　发热体，15　绝缘部件，16　发热体内部电极，17　助熔剂，18　发热体电极，20　电池组，20a　正极端子，20b　负极端子，21～24　电池单元，25　电池堆栈，26　检测电路，27、31、32　电流控制元件，30　充放电控制电路，33　控制部，35　充电装置。

Claims (7)

1. 一种保护元件，其特征在于，具备：

绝缘基板；

发热体，层叠在所述绝缘基板；

绝缘部件，以至少覆盖所述发热体的方式层叠在所述绝缘基板；

第1及第2电极，层叠在所述绝缘部件所层叠的所述绝缘基板；

发热体内部电极，以与所述发热体重叠的方式层叠在所述绝缘部件上，与所述第1及第2电极之间的电流路径上和该发热体电连接；

可熔导体，从所述发热体内部电极遍及所述第1及第2电极地层叠，通过加热来熔断该第1电极与该第2电极之间的电流路径；

助熔剂，以与所述发热体重叠的方式涂敷在所述可熔导体上；以及

盖部件，至少覆盖所述可熔导体地安装在所述绝缘基板，

所述盖部件具有与所述发热体对置并在该盖部件的内表面以与所述助熔剂相接的方式形成的、具有环状周缘的多个突状部。

2. 如权利要求1所述的保护元件，其特征在于：所述具有环状周缘的多个突状部为多个圆筒、圆柱或圆锥台的形状。

3. 如权利要求2所述的保护元件，其特征在于：关于所述多个圆筒、圆柱或圆锥台，该多个圆筒、圆柱或圆锥台的外周面积的总计相对于所述发热体的面积为80％以上。

4. 如权利要求3所述的保护元件，其特征在于：所述多个圆筒、圆柱或圆锥台为3个以上的圆筒、圆柱或圆锥台。

5. 如权利要求2～4中任一项所述的保护元件，其特征在于：所述多个圆筒、圆柱或圆锥台以在所述可熔导体的通电方向平行地排列的方式配置。

6. 如权利要求5所述的保护元件，其特征在于：所述多个圆筒、圆柱或圆锥台配置在所述发热体的外周的位置。

7. 如权利要求2所述的保护元件，其特征在于：所述具有环状周缘的多个突状部是在涂敷所述助熔剂的一侧具有顶点的锥体。