JP2013149606A - 保護素子、保護素子の製造方法、及び、保護素子が組み込まれたバッテリモジュール - Google Patents

保護素子、保護素子の製造方法、及び、保護素子が組み込まれたバッテリモジュール Download PDF

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Abstract

【課題】低背化を実現しつつ、発熱体の熱により、電流経路上の低融点金属を確実に溶断することが可能な保護素子を提供する。
【解決手段】凹部１１ａが形成された基板１１と、凹部１１ａに積層された発熱体１２と、発熱体１５を覆うように、基板１１に積層された第２の基板１３と、第２の基板１３が積層された基板１１の面上に積層された第１及び第２の電極１４ａ、１４ｂと、発熱体１２と重畳するように第２の基板１３の上に積層され、上記第１及び第２の電極１４ａ、１４ｂの間の電流経路上と発熱体１２とに電気的に接続された発熱体電極１５と、発熱体電極１５から第１及び第２の電極１４ａ、１４ｂに亘って積層され、加熱により、第１の電極１４ａと第２の電極１４ｂとの間の電流経路を溶断する低融点金属１６とを備え、発熱体電極１５は、基板１１の厚み方向で規定される位置が、第１の電極１４ａと第２の電極１４ｂとに対して、同一の位置に配置されている。
【選択図】 図３

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、この保護素子の製造方法、及び、この保護素子が組み込まれたバッテリモジュールに関する。
リチウムイオンバッテリなどの二次電池の充放電回路は、一般的に、いくつもの保護回路を作動させることによって、電池の出力を遮断する機能を有している（特許文献１）。
この充放電回路が通常動作をしている場合、ＦＥＴトランジスタを用いて出力のＯＮ／ＯＦＦを行っているが、雷サージなどに代表される瞬間的な大電流がＦＥＴトランジスタの動作時間を上回ってしまうため、内部回路保護の観点から、過電流を検知して遮断するヒューズなどが保護回路として用いられている。また、電池の状態をモニターし、過充電、過放電、電池の発熱などの異常状態を検知した場合、電池の出力を遮断するために、ＦＥＴを用いている。
また、特許文献２に記載されているように、二次電池の充電を行っている場合に、電池への過充電の検出や、電池の異常な温度上昇や、ＦＥＴの発熱による誤動作の際、強制的に電池への充電動作を遮断する保護素子を有する多重の保護回路を用いて、二次電池の安全を確保している。
さらに、このようなリチウムイオン二次電池の保護回路の保護素子として、特許文献３に記載されているように、保護素子内部に発熱体を有し、この発熱体によって電流経路上の低融点金属を溶断する構造が一般的に用いられている。
特開２００８−２９１６７号公報 特開２００６−１０９５９６号公報 特開平７−１５３３６７号公報
例えば、スレート型情報端末などの登場によって、多重保護を必要とする電子機器の更なる薄型化が期待されている。
上述した特許文献３に記載されているような保護素子では、絶縁体を介して、発熱体と低融点金属とが熱的に接続されている構造を採用しているが、次のような問題があった。
まず、従来の保護素子の構造は、基板上に、発熱体、絶縁層、及び低融点金属接続用としての電極を積層させる必要がある。そして、この電極の上部に低融点金属が接続され、更にその上部に、素子内部を保護するためのキャップや内部保護板などを備える構造が必要であり、製品の総厚みが厚くなってしまった。
さらに、低融点金属が接続されている電極間に比較的大きな突出部が生じてしまうので、低融点金属が加熱され流動する際に、その流動が阻害され、溶断するために必要な時間が長くなってしまった。
本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、低背化を実現しつつ、発熱体の熱により、電流経路上の低融点金属を確実に溶断することが可能な保護素子、この保護素子の製造方法、及び、この保護素子が組み込まれたバッテリモジュール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の手段として、本発明に係る保護素子は、凹部が形成された第１の絶縁部材からなる基板と、基板の凹部に積層された発熱体と、少なくとも発熱体を覆うように、基板に積層された第２の絶縁部材と、第２の絶縁部材が積層された基板の面上に積層された第１及び第２の電極と、発熱体と重畳するように第２の絶縁部材の上に積層され、第１及び第２の電極の間の電流経路上と発熱体とに電気的に接続された発熱体電極と、発熱体電極から第１及び第２の電極に亘って積層され、加熱により、第１の電極と第２の電極との間の電流経路を溶断する低融点金属とを備え、発熱体電極は、基板の厚み方向で規定される位置が、第１の電極と第２の電極とに対して、同一の位置又は低い位置に配置されている。
また、本発明に係る保護素子の製造方法は、凹部が形成された第１の絶縁部材からなる基板の凹部に発熱体を積層するステップと、少なくとも発熱体を覆うように、基板に第２の絶縁部材を積層するステップと、第２の絶縁部材が積層された基板の面上に、第１及び第２の電極を積層するステップと、第１及び第２の電極の間の電流経路上と発熱体とに電気的に接続する発熱体電極を、発熱体と重畳するように第２の絶縁部材に積層するステップと、加熱により、第１の電極と第２の電極との間の電流経路が溶断される低融点金属を、発熱体電極からと第１及び第２の電極に亘って積層するステップとを有し、発熱体電極は、基板の厚み方向で規定される位置が、第１の電極と第２の電極とに対して、同一の位置又は低い位置に配置される。
また、本発明に係るバッテリモジュールは、１以上の充放電可能なバッテリセルからなるバッテリと、バッテリと直列に接続され、バッテリの充放電を制御する充放電制御回路と、バッテリと充放電制御回路との間の充放電電流経路上に接続された保護素子と、バッテリの各バッテリセルの電圧値を検出する検出回路と、保護素子に流れる電流を制御する電流制御素子とを備え、保護素子は、凹部が形成された第１の絶縁部材からなる基板と、基板の凹部に積層された発熱体と、少なくとも発熱体を覆うように、基板に積層された第２の絶縁部材と、第２の絶縁部材が積層された基板の面上に積層され、充放電電流経路に接続された第１及び第２の電極と、発熱体と重畳するように第２の絶縁部材の上に積層され、第１及び第２の電極の間の電流経路上と発熱体とに電気的に接続された発熱体電極と、発熱体電極から第１及び第２の電極に亘って積層され、加熱により、第１の電極と第２の電極との間の電流経路を溶断する低融点金属とを有し、発熱体電極は、基板の厚み方向で規定される位置が、第１の電極と第２の電極とに対して、同一の位置又は低い位置に配置されており、電流制御素子は、検出回路により検出される各バッテリセルの電圧値が所定の範囲外となったときに発熱部電極から発熱部に電流が流れるように制御する。
また、本発明に係る保護素子は、絶縁部材からなる基板と、基板の面上に積層された第１及び第２の電極と、基板の面上の第１及び第２の電極間に積層された基板電極と、基板電極から第１及び第２の電極に亘って積層され、加熱により、第１の電極と第２の電極との間の電流経路を溶断する低融点金属と、基板の面上を覆うキャップと、キャップの天面部に設けられた発熱体と、基板の面上に積層され、キャップに形成された導電層を介して発熱体と電気的に接続された発熱体電極とを備え、基板電極は、上記基板の厚み方向で規定される位置が、第１の電極と第２の電極とに対して、同一の位置又は低い位置に配置されている。
また、本発明に係るバッテリモジュールは、１以上の充放電可能なバッテリセルからなるバッテリと、バッテリと直列に接続され、バッテリの充放電を制御する充放電制御回路と、バッテリと充放電制御回路との間の充放電電流経路上に接続された保護素子と、バッテリの各バッテリセルの電圧値を検出する検出回路と、保護素子に流れる電流を制御する電流制御素子とを備え、保護素子は、絶縁部材からなる基板と、基板の面上に積層された第１及び第２の電極と、基板の面上の第１及び第２の電極間に積層された基板電極と、基板電極から第１及び第２の電極に亘って積層され、加熱により、第１の電極と第２の電極との間の電流経路を溶断する低融点金属と、基板の面上を覆うキャップと、キャップの天面部に設けられた発熱体と、基板の面上に積層され、キャップに形成された導電層を介して発熱体と電気的に接続された発熱体電極とを備え、基板電極は、基板の厚み方向で規定される位置が、第１の電極と第２の電極とに対して、同一の位置又は低い位置に配置されており、電流制御素子は、検出回路により検出される各バッテリセルの電圧値が所定の範囲外となったときに発熱体電極から発熱部に電流が流れるように制御する。
本発明は、第１の絶縁部材からなる基板と第２の絶縁部材との間に発熱体が挟まれているので、第２の絶縁部材の厚みに応じて、発熱体と低融点金属との位置を精度良く調節することができ、さらに、第１及び第２の電極の電流経路間に位置する発熱体電極が第１の電極と第２の電極に対して突出しないので、低融点金属が凸形状にならず、加熱され流動する際に、その流動を阻害することがない。したがって、本発明は、低背化を実現しつつ、発熱体の熱により、電流経路上の低融点金属を確実に溶断することができる。
本発明が適用された保護素子が組み込まれたバッテリモジュールの全体構成を示す図である。 本発明が適用された保護素子の回路構成を示す図である。 図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、本発明が適用された保護素子の具体的な構造について説明するための図である。 発熱体と発熱体電極との間の距離ｄ１を変化させたときの溶断時間の変化について説明するための図である。 比較例に係る保護素子の構成について説明するための図である。 図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、本発明が適用された保護素子と比較例に係る保護素子とにおける低融点金属の溶断特性について説明するための図である。 図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、本発明が適用された保護素子と比較例に係る保護素子とにおける製品総厚を評価するための図である。 図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、本発明が適用された変形例に係る保護素子の具体的な構造について説明するための図である。 図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、本発明が適用された他の実施例に係る保護素子の具体的な構造について説明するための図である。 図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）、及び、図１０（Ｃ）は、電極段差ｄ４を変化させたときの溶断時間の変化について説明するための図である。 図１１は、本発明が適用された保護素子の変形例について説明するための図である。 図１２は、本発明が適用された保護素子の変形例について説明するための図である。
以下、本発明を実施するための形態について、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に組み込まれる回路であって、例えば、図１に示すような合計４個の充放電可能なバッテリセル１１１〜１１４からなるバッテリ１１０を有するバッテリモジュール１００に組み込まれて使用される。
すなわち、バッテリモジュール１００は、バッテリ１１０と、バッテリ１１０の充放電を制御する充放電制御回路１２０と、バッテリ１１０と充放電制御回路１２０とを保護する本発明が適用された保護素子１と、各バッテリセル１１１〜１１４の電圧を検出する検出回路１４０と、検出回路１４０の検出結果に応じて保護素子１の動作を制御する電流制御素子１５０とを備える。
バッテリ１１０は、上述したように、例えばリチウムイオン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１１１〜１１４が直列接続されたものであって、バッテリモジュール１００の正極端子１００ａ、負極端子１００ｂを介して、着脱可能に充電装置２００に接続され、充電装置２００からの充電電圧が印加される。
充放電制御回路１２０は、バッテリ１１０から充電装置２００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１２１、１２２と、これらの電流制御素子１２１、１２２の動作を制御する制御部１２３とを備える。電流制御素子１２１、１２２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１２３により制御されるゲート電圧によって、バッテリ１１０の電流経路の導通と遮断とを制御する。制御部１２３は、充電装置２００から電力供給を受けて動作し、検出回路１４０による検出結果に応じて、バッテリ１１０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１２１、１２２の動作を制御する。
保護素子１は、例えば、バッテリ１１０と充放電制御回路１２０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１５０によって制御される。
検出回路１４０は、各バッテリセル１１１〜１１４と接続され、各バッテリセル１１１〜１１４の電圧値を検出して、各電圧値を充放電制御回路１２０の制御部１２３に供給する。また、検出回路１４０は、いずれか１つのバッテリセル１１１〜１１４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１５０を制御する制御信号を出力する。
電流制御素子１５０は、検出回路１４０から出力される検出信号によって、バッテリセル１１１〜１１４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、保護素子１を動作させて、バッテリ１１０の充放電電流経路を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モジュール１００において、保護素子１の構成について具体的に説明する。
まず、本発明が適用された保護素子１は、例えば図２に示すような回路構成を有する。すなわち、保護素子１は、直列接続されたヒューズ１０１、１０２と、ヒューズ１０１、１０２の接続点を介して通電するとヒューズ１０１、１０２を溶融する抵抗体１０３とからなる回路構成である。また、保護素子１では、例えば、ヒューズ１０１、１０２が充放電電流経路上に直列接続され、また、抵抗体１０３が電流制御素子１５０と接続される。
このような回路構成からなる保護素子１は、低背化を実現しつつ、発熱体の熱により、電流経路上の低融点金属を確実に溶断するため、例えば、図３に示すような構造体１ａにより実現される。
ここで、図３（Ａ）は、三次元直交座標ＸＹＺ軸を基準として配置された構造体１ａのＸＹ平面から見た断面図である。また、図３（Ｂ）は、ＸＺ平面から見た構造体１ａの積層構造について説明するための図である。
構造体１ａは、凹部１１ａが形成された第１の絶縁部材からなる矩形形状の基板１１上に、次のような部材を積層することによって構成される。ここで、第１の絶縁部材とは、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である。
まず、基板１１に、その中央に形成された凹部１１ａに、上述した抵抗体１０３として機能する発熱体１２を積層する。ここで、発熱体１２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などからなる。
続いて、発熱体１２が積層された凹部１１ａを含む基板１１の表面１１ｂ全体を覆うように、第２の絶縁部材である第２の基板１３を積層する。ここで、第２の絶縁部材は、第１の絶縁部材と同様に、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である。
なお、第２の基板１３は、例えば、フィルム状又はシート状のセラミック基板を用いたり、あるいは、ペースト状の絶縁材料を表面１１ｂに塗布することによって形成してもよい。第２の基板１３を薄型化したときにピンホールが発生することによって絶縁性を損なう虞を防止する観点から、特にフィルム状のセラミック基板を第２の基板１３として採用することが好ましい。
また、後述する低融点金属１６について良好な溶断特性を実現するには、第２の絶縁部材からなる第２の基板１３は、第１の絶縁部材からなる基板１１よりも熱伝導性が高い部材が好ましい。例えば、基板１１の第１の絶縁部材として、熱伝導率が１．９〜２．２であるガラスセラミックを用いた場合には、第２の基板１３の絶縁材料として、熱伝導率が２．５〜３．５である誘電体ペーストを用いることが好ましい。
続いて、第２の基板１３が積層された基板１１の面１１ｂの上方に、第１の電極１４ａ、第２の電極１４ｂを積層する。ここで、第１の電極１４ａと第２の電極１４ｂとは、例えばＷ、ＭｏＡｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｓｎ、Ａｕ、Ｃｕなどからなり、上述した充放電制御回路１２０に組み込まれた場合には、充放電電流経路に接続される。
続いて、発熱体１２と重畳する第２の基板１３の上面部１３ａに、発熱体電極１５を積層する。ここで、発熱体電極１５は、例えばＷ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｓｎ、Ａｕ、Ｃｕなどからなり、第１の電極１４ａ及び第２の電極１４ｂの間の電流経路上と、発熱体１２とに電気的に接続された電極である。また、発熱体電極１５は、基板１１の厚み方向、すなわちｚ軸方向の高さが、第１の電極１４ａと第２の電極１４ｂとの高さと同じ位置に配置される。
続いて、発熱体電極１５から第１の電極１４ａ及び第２の電極１４ｂに亘って、低融点金属１６を積層する。ここで、低融点金属１６は、上述したヒューズ１０１、１０２に相当する部材であって、例えば、Ｉｎ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｕなどからなり、加熱により、第１の電極１４ａと第２の電極１４ｂとの間の電流経路を溶断するものとして機能する。
また、低融点金属１６を積層した後、低融点金属１６を覆うようにして、キャップ１７を配置する。
なお、構造体１ａは、図３（Ａ）に示すように、発熱体電極１５が、基板１１の厚み方向に形成されたスルーホール１５１を介して発熱体１２に電気的に接続されている。また、発熱体１２は、接続端子１５２に電気的に接続され、上述したように、例えば、この接続端子１５２を介して電流制御素子１５０に電気的に接続される。
以上のようにして形成される構造体１ａに係る保護素子１は、基板１１と第２の基板１３との間に発熱体１２が挟まれており、発熱体電極１５における基板１１の厚み方向の高さが、第１の電極１４ａと第２の電極１４ｂと同じ高さとなっている。
このようにして、構造体１ａに係る保護素子１は、第２の基板１３の厚みにより、発熱体１２と低融点金属１６との位置を精度良く調節することができ、結果として良好な溶断特性を容易に得ることができる。
例えば、図４に示すように、発熱体１２と発熱体電極１５との間の距離ｄ１を変化させたときの溶断時間の変化について表１に示す。ここで、前提条件として、基板１１と第２の基板１３との厚さの合計ｔを２００μｍとし、消費電力が４Ｗである発熱体１２を用いて、距離ｄ１を２０μｍ〜２００μｍ変化させた。
Figure 2013149606
この表１から明らかなように、発熱体１２と発熱体電極１５との間の距離ｄ１が小さいほど、良好な溶断特性が得られる。この結果から見ても良好な溶断特性を実現するためには、距離ｄ１を精度良く調節することができることが望ましいことは明らかである。構造体１ａに係る保護素子１は、第２の基板１３の厚みにより、発熱体１２と低融点金属１６との位置を精度良く調節することができ、結果として良好な溶断特性を容易に得ることができる。
また、構造体１ａに係る保護素子１は、発熱体電極１５が、第１の電極１４ａと第２の電極１４ｂに対して、基板１１の厚み方向、すなわちｚ軸方向に突出しないので、例えば、図５に示す比較例に係る保護素子２のように、低融点金属２６の形状が、基板２１に対して、凸形状にならないので、加熱され流動する際に、その流動を阻害することがない。
ここで、図５に示す比較例に係る保護素子２は、次のようにして製造されるものである。まず、基板２１の同一平面２１ａ上に、発熱体２２と第１の電極２３ａ、第２の電極２３ｂとを積層する。そして、基板２１の同一平面２１ａ上に積層された発熱体２２と第１の電極２３ａ、第２の電極２３ｂとのうち、発熱体２２のみを覆うようにして、第２の絶縁部材２４を積層する。さらに発熱体２２と重畳するように、第２の絶縁部材２４の上に、発熱体２２と電気的に接続される発熱体電極２５を積層する。そして、発熱体電極２５から第１の電極２３ａ、第２の電極２３ｂに亘って低融点金属２６を積層する。
このようにして製造される保護素子２は、低融点金属２６の形状が凸形状になるため、加熱され流動する際に、次のような理由から、その流動を阻害することとなってしまう。
図６を用いて、本実施形態に係る保護素子１と比較例に係る保護素子２とにおける低融点金属の溶断特性を説明する。
本実施形態に係る保護素子１は、低融点金属１６が加熱されて溶融すると、図６（Ａ）に示すようにして、低融点金属１６が各電極に引き込まれるが、特に発熱体１２近傍の発熱体電極１５の近傍により多くの低融点金属１６が引き込まれる。ここで、保護素子１では、発熱体電極１５が第１の電極１４ａと第２の電極１４ｂに対して突出していないので、多くの低融点金属１６が容易に発熱体電極１５に引き込ませることができる。
これに対して、保護素子２は、低融点金属２６が加熱されて溶融すると、図６（Ｂ）に示すように、重力の影響を受けて、発熱体電極２５よりも低い位置の第１の電極２３ａ、第２の電極２３ｂに低融点金属２６が流れる力が作用するので、発熱体電極２５に引き込まれる部分の低融点金属２６の流動性が阻害されてしまう。
このようにして、本実施形態に係る保護素子１は、低融点金属１６が凸形状にならず、加熱され流動する際に、その流動を阻害することがないので、電流経路上の低融点金属１６を確実かつ迅速に溶断することができる。
また、図７（Ａ）に示す本実施形態に係る保護素子１と、図７（Ｂ）に示す比較例に係る保護素子２とにおいて、それぞれもっと高い位置の電極から、図示しない低融点金属を覆うキャップ１７、２７の最上部１７ａ、２７ａまでの厚さを同じ厚さにした場合、基板１１、２１の下部から、それぞれ最も高い位置の電極までの厚み（以下、基板厚ｄ２という。）は、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示すように、本実施形態に係る保護素子１の方が比較例に係る保護素子２に比べて薄くすることができる。この結果として、本実施形態に係る保護素子１の方が比較例に係る保護素子２に比べて、製品自体の総厚（以下、製品総厚ｄ３）を薄くすることができる。
また、保護素子１は、変形例に係る構造体１ｂとして、図８（Ａ）に示すように、第２の基板１３における各電極間と外周部とに、第３の基板１８を積層してもよい。この第３の基板１８は、第１の電極１４ａ１、第２の電極１４ａ２、発熱体電極１５のそれぞれの上部面が面一となるように位置調整することができる。
また、保護素子１は、変形例に係る構造体１ｃとして、図８（Ｂ）に示すように、第２の基板１３における各電極間と外周部とに、第４の基板１９を積層してもよい。この第４の基板１９は、その上面部が、第１の電極１４ａ、第２の電極１４ｂ、発熱体電極１５とのそれぞれ電極間より高い位置となっている。このため、構造体１ｃは、低融点金属１６の溶断時において、各電極間に低融点金属１６が残存しないようにすることができ、発熱体１２の加熱により確実に電流経路を溶断することができる。
さらに、本発明が適用された保護素子１は、第２の実施例に係る構造体１ｄとして、図９（Ａ）に示すような、基板１１の中央に発熱体１２を埋設可能な凹部１１ａを形成して、凹部１１ａに埋設した発熱体１２を、例えば印刷処理によって第２の絶縁部材１３ａ１で被覆して、基板１１の上部面１１ｂと第２の絶縁部材１３ａ１の上面部１３ａが面一となるようにしてもよい。この場合、構造体１ｄは、第２の絶縁部材１３ａ１の上面部１３ａに発熱体電極１５を積層することで、上述した構造体１ａ〜１ｃと同様に、発熱体電極１５の、基板１１の厚み方向の高さを、第１の電極１４ａと第２の電極１４ｂと同じ高さとなるようにすることができる。また、この構造体１ｄでは、低融点金属１６の形状が平板状になり、溶断前の各電極との接続信頼性が高く、溶断時に確実かつ迅速に電極間を溶断することができる。
また、本発明が適用された保護素子１は、第２の実施例に係る構造体１ｅとして、図９（Ｂ）に示すような、基板１１の中央に発熱体１２を埋設可能な凹部１１ａを形成して、凹部１１ａに、発熱体１２と、印刷処理などによって発熱体１２全体を覆う第２の絶縁部材１３ａ１とを埋設してもよい。このような構造体１ｅでは、第２の絶縁部材１３ａ１に発熱体電極１５を積層することで、発熱体電極１５の基板１１の厚み方向の高さを、第１の電極１４ａと第２の電極１４ｂの高さよりも低くなるようにすることができる。また、この構造体１ｅでは、低融点金属１６の形状が発熱体電極１５の高さに応じて凹んだ形状となり、後述する性能評価から明らかなように、溶断時に確実かつ迅速に電極間を溶断することができる。
このようにして、構造体１ｅでは、発熱体電極１５の、基板１１の厚み方向の高さを、第１の電極１４ａと第２の電極１４ｂの高さよりも低くなるように配置することで、特に良好な溶断特性を実現することができる。
例えば、図１０に示すように、第１の電極１４ａ、２３ａと第２の電極１４ｂ、２３ｂとの高さを一定にし、この高さを基準とした発熱部電極１５、２５の高さの差（以下、電極段差ｄ４という。）を変化させたとき、この電極段差ｄ４に対応する溶断時間は、下記の表２のようになる。
ここで、基板１１、２１のｚ軸方向で規定される基板厚みを５００μｍとし、第２の絶縁部材１３ａ１、２４のｚ軸方向で規定される厚みを２００μｍとし、消費電力が４Ｗである発熱体１２、２２を用いて、距離ｄ２を−２００μｍ〜３００μｍの範囲で変化させた。
図１０（Ａ）は、電極段差が正の場合である。すなわち、比較例の保護素子２の構造体を示した図である。図１０（Ｂ）は、電極段差が０の場合である。すなわち構造体１ｄを示した図である。図１０（Ｃ）は、電極段差が負の場合である。すなわち構造体１ｅを示した図である。
Figure 2013149606
上記の表から明らかなように、電極段差ｄ４がより小さい値になるほど、溶断時間が短くなる。これは、溶融した低融点金属が、重力の影響によって、発熱部電極に引き込まれやすくなるからである。
このようにして、本発明が適用された保護素子１では、構造体１ｄ、１ｅの構造を採用することにより、発熱体電極１５の、基板１１の厚み方向の高さを、第１の電極１４ａと第２の電極１４ｂの高さと同一又は低くなるように配置することで、良好な溶断特性を実現することができる。好ましくは、本発明が適用された保護素子１では、発熱体電極１５の、基板１１の厚み方向の高さを、第１の電極１４ａと第２の電極１４ｂの高さより低くなるように配置することで、より良好な溶断特性を実現することができる。
また、本発明が適用された保護素子は、発熱体１２を基板１１の凹部１１ｂに形成する他にも、図１１、図１２に示すように、キャップに発熱体を形成してもよい。この構造体１ｆは、基板１１側に発熱体を備えず、キャップ３５に形成された発熱体３６によって低融点金属１６を溶断するものである。構造体１ｆは、絶縁部材からなる矩形形状の基板１１上に、第１及び第２の電極３０ａ，３０ｂと、第１及び第２の電極３０ａ，３０ｂ間に積層された基板電極３１と、基板電極３１から第１及び第２の電極に亘って積層され、加熱により、該第１の電極３０ａと該第２の電極３０ｂとの間の電流経路を溶断する低融点金属１６と、キャップ３５に形成された導電層３７を介して発熱体３６と電気的に接続された一対の発熱体電極３２，３２とを備える。
第１の電極３０ａと第２の電極３０ｂとは、例えばＷ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｓｎ、Ａｕ、Ｃｕなどからなり、上述した充放電制御回路１２０に組み込まれた場合には、充放電電流経路に接続される。また、基板電極３１は、第１及び第２の電極３０ａ，３０ｂと同じ材料を用いることができ、基板１１上に第１及び第２の電極３０ａ，３０ｂとともに一括して形成することができる。
これら第１及び第２の電極３０ａ，３０ｂと基板電極３１上には、低融点金属１６が接続される。
また、この構造体１ｆは、基板１１の面上を覆うキャップ３５が設けられている。キャップ３５は、上記基板１１と同様に、たとえば、セラミックスやガラスエポキシ基板等の絶縁性を有する部材を用いて形成されている。また、キャップ３５は、天面部３５ａに発熱体３６が設けられるとともに、側壁３５ｂに発熱体３６と電気的に接続されている導電層３７が設けられている。
導電層３７は、例えば、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｕ等公知の導電材料を用いることができる。また、導電層３７は、側壁３５ｂの基端部端面から外方に臨まされている。そして、側壁３５ｂは、基端部が、導電性接着ペーストやハンダペースト等の導電性を有する接着剤３８によって、発熱体電極３２，３２に接続される。これにより、側壁３５ｂは、導電層３７が発熱体電極３２，３２に電気的に接続されている。
天面部３５ａは、側壁３５ｂ間に亘って発熱体３６が形成されている。発熱体３６は、上記発熱体１２と同様に、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、たとえばＷ、Ｍｏ、Ｒｕ等からなる。発熱体３６は、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天面部３５ａ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。発熱体３６は、天面部３５ａ上に形成された後、さらにキャップ３５を構成する絶縁部材が積層されることにより、天面部３５ａに内蔵される。また、発熱体３６は、キャップ３５が基板１１上を覆うことにより、低融点金属１６と対向する位置に形成されている。
また、発熱体３６は、両端が側壁３５ｂに形成された導電層３７と接続されている。そして、天面部３５ａは、発熱体電極３２，３２及び導電層３７を介して発熱体３６が通電されることにより発熱する。したがって、構造体１ｆは、キャップ３５の天面部３５ａ側から、低融点金属１６を加熱することができる。
また、天面部３５ａは、低融点金属１６と対向する内面に、キャップ電極３９を形成することが好ましい。キャップ電極３９は、発熱体３６と重畳する位置に形成されている。このキャップ電極３９は、発熱体３６が発熱し、低融点金属１６が溶融されると、溶融導体が接触して濡れ広がることにより、溶融導体を保持する許容量を増加させることができる。このとき、構造体１ｆは、発熱体３６によってキャップ電極３９が加熱されているため、キャップ電極３９に確実に溶融導体を濡れ広がらせることができ、溢れた溶融導体による短絡を防止することができる。
このような構造体１ｆは、基板１１に発熱体を形成していないため、基板１１の同一面上に形成される第１、第２の電極３０ａ，３０ｂと、基板電極３１との、基板１１の厚み方向の高さを、同じに形成することができる。したがって、構造体１ｆにおいても、結果として良好な溶断特性を容易に得ることができる。
なお、構造体１ｆにおいても、上述したように、基板１１の中央に凹部１１ａを設け、当該凹部１１ａに基板電極３１を形成することにより、基板電極３１の基板１１の厚み方向の高さを、第１、第２の電極３０ａ，３０ｂよりも低くなるようにしてもよい。これにより、構造体１ｆは、低融点金属１６の形状が基板電極３１の高さに応じて凹んだ形状となり、上述した性能評価から明らかなように、溶断時に確実かつ迅速に電極間を溶断することができる。
このようにして、構造体１ｆでは、基板電極３１の、基板１１の厚み方向の高さを、第１の電極３０ａと第２の電極３０ｂの高さと同一、又は低くなるように配置することで、特に良好な溶断特性を実現することができる。
１、２ 保護素子、１ａ−１ｅ 構造体、１１、２１ 基板、１１ａ 凹部、１１ｂ 面、１２、２２、３６ 発熱体、１３ 第２の基板、１３ａ 上面部、１３ａ１、２４ 第２の絶縁部材、１４ａ、２３ａ 第１の電極、１４ｂ、２３ｂ 第２の電極、１５、２５、３２ 発熱体電極、１６、２６ 低融点金属、１７，３５ キャップ、１７ａ 最上部、１８ 第３の基板、１９ 第４の基板、２１ａ 平面、３７ 導電層、３８ 接着剤、３９ キャップ電極、１００ バッテリモジュール、１００ａ 正極端子、１００ｂ 負極端子、１０１、１０２ ヒューズ、１０３ 抵抗体、１１０ バッテリ、１１１−１１４ バッテリセル、１２０ 充放電制御回路、１２１ 電流制御素子、１２３ 制御部、１４０ 検出回路、１５０ 電流制御素子、１５１ スルーホール、１５２ 接続端子、２００ 充電装置

Claims (8)

  1. 凹部が形成された第１の絶縁部材からなる基板と、
    上記基板の上記凹部に積層された発熱体と、
    少なくとも上記発熱体を覆うように、上記基板に積層された第２の絶縁部材と、
    上記第２の絶縁部材が積層された上記基板の面上に積層された第１及び第２の電極と、
    上記発熱体と重畳するように上記第２の絶縁部材の上に積層され、上記第１及び第２の電極の間の電流経路上と該発熱体とに電気的に接続された発熱体電極と、
    上記発熱体電極から上記第１及び第２の電極に亘って積層され、加熱により、該第１の電極と該第２の電極との間の電流経路を溶断する低融点金属とを備え、
    上記発熱体電極は、上記基板の厚み方向で規定される位置が、上記第１の電極と上記第２の電極とに対して、同一の位置又は低い位置に配置されている保護素子。
  2. 上記発熱体と上記第２の絶縁部材は、上記基板に形成された上記凹部に埋設されている請求項１記載の保護素子。
  3. 上記発熱体は、上記基板の厚み方向で規定される位置が、上記第１の電極と上記第２の電極に対して低い位置に配置されている請求項１記載の保護素子。
  4. 上記第２の絶縁部材は、上記第１の絶縁部材よりも熱伝導性が高い部材である請求項３記載の保護素子。
  5. 凹部が形成された第１の絶縁部材からなる基板の凹部に発熱体を積層するステップと、
    少なくとも上記発熱体を覆うように、上記基板に第２の絶縁部材を積層するステップと、
    上記第２の絶縁部材が積層された上記基板の面上に、第１及び第２の電極を積層するステップと、
    上記第１及び第２の電極の間の電流経路上と上記発熱体とに電気的に接続する発熱体電極を、上記発熱体と重畳するように上記第２の絶縁部材に積層するステップと、
    加熱により、上記第１の電極と上記第２の電極との間の電流経路が溶断される低融点金属を、上記発熱体電極からと該第１及び第２の電極に亘って積層するステップとを有し、
    上記発熱体電極は、上記基板の厚み方向で規定される位置が、上記第１の電極と上記第２の電極とに対して、同一の位置又は低い位置に配置される保護素子の製造方法。
  6. １以上の充放電可能なバッテリセルからなるバッテリと、
    上記バッテリと直列に接続され、該バッテリの充放電を制御する充放電制御回路と、
    上記バッテリと上記充放電制御回路との間の充放電電流経路上に接続された保護素子と、
    上記バッテリの各バッテリセルの電圧値を検出する検出回路と、
    上記保護素子に流れ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、
    凹部が形成された第１の絶縁部材からなる基板と、
    上記基板の上記凹部に積層された発熱体と、
    少なくとも上記発熱体を覆うように、上記基板に積層された第２の絶縁部材と、
    上記第２の絶縁部材が積層された上記基板の面上に積層され、上記充放電電流経路に接続された第１及び第２の電極と、
    上記発熱体と重畳するように上記第２の絶縁部材の上に積層され、上記第１及び第２の電極の間の電流経路上と該発熱体とに電気的に接続された発熱体電極と、
    上記発熱体電極から上記第１及び第２の電極に亘って積層され、加熱により、該第１の電極と該第２の電極との間の電流経路を溶断する低融点金属とを有し、
    上記発熱体電極は、上記基板の厚み方向で規定される位置が、上記第１の電極と上記第２の電極とに対して、同一の位置又は低い位置に配置されており、
    上記電流制御素子は、上記検出回路により検出される各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発熱部電極から上記発熱部に電流が流れるように制御するバッテリモジュール。
  7. 絶縁部材からなる基板と、
    上記基板の面上に積層された第１及び第２の電極と、
    上記基板の面上の上記第１及び第２の電極間に積層された基板電極と、
    上記基板電極から上記第１及び第２の電極に亘って積層され、加熱により、該第１の電極と該第２の電極との間の電流経路を溶断する低融点金属と、
    上記基板の面上を覆うキャップと、
    上記キャップの天面部に設けられた発熱体と、
    上記基板の面上に積層され、上記キャップに形成された導電層を介して上記発熱体と電気的に接続された発熱体電極とを備え、
    上記基板電極は、上記基板の厚み方向で規定される位置が、上記第１の電極と上記第２の電極とに対して、同一の位置又は低い位置に配置されている保護素子。
  8. １以上の充放電可能なバッテリセルからなるバッテリと、
    上記バッテリと直列に接続され、該バッテリの充放電を制御する充放電制御回路と、
    上記バッテリと上記充放電制御回路との間の充放電電流経路上に接続された保護素子と、
    上記バッテリの各バッテリセルの電圧値を検出する検出回路と、
    上記保護素子に流れ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、
    絶縁部材からなる基板と、
    上記基板の面上に積層された第１及び第２の電極と、
    上記基板の面上の上記第１及び第２の電極間に積層された基板電極と、
    上記基板電極から上記第１及び第２の電極に亘って積層され、加熱により、該第１の電極と該第２の電極との間の電流経路を溶断する低融点金属と、
    上記基板の面上を覆うキャップと、
    上記キャップの天面部に設けられた発熱体と、
    上記基板の面上に積層され、上記キャップに形成された導電層を介して上記発熱体と電気的に接続された発熱体電極とを備え、
    上記基板電極は、上記基板の厚み方向で規定される位置が、上記第１の電極と上記第２の電極とに対して、同一の位置又は低い位置に配置されており、
    上記電流制御素子は、上記検出回路により検出される各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発熱体電極から上記発熱部に電流が流れるように制御するバッテリモジュール。
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