JP2015097183A - 可溶導体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】可溶導体を被覆する高融点金属層における肉厚部の形成を防止することで溶断時間の短縮を図ることができる可溶導体の製造方法を提供する。【解決手段】可溶導体１は、低融点金属層２と、低融点金属層２に積層された高融点金属層３とを有する積層体を形成する工程と、この積層体を平板状に成形することにより成形体５を得る工程と、この成形体５を切断する工程により製造する。前記積層体の形成では、電解メッキ法により高融点金属を線状の低融点金属の周囲に均一にメッキする。この積層体を圧延加工することで高融点金属層３が均一な平角状の成形体５となる。【選択図】図１

Description

本発明は、溶融することにより電気回路を遮断する保護素子や、溶融により開放電極間を短絡させる短絡素子に用いられる可溶導体の製造方法に関し、特に、速溶融性に優れる可溶導体の製造方法に関する。

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。

この種の保護素子には、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ものがある。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て瞬間的な大電流が流れた場合、ある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保護素子が用いられている。

図１７（Ａ）〜図１７（Ｃ）に示すように、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８０としては、電流経路上に接続された第１及び第２の電極８１，８２間に亘って可溶導体８３を接続して電流経路の一部をなし、この電流経路上の可溶導体８３を、過電流による自己発熱、あるいは保護素子８０内部に設けた発熱体８４によって溶断するものが提案されている。なお、図１７（Ｂ）は、図１７（Ａ）のＡ‐Ａ‘断面図であり、図１７（Ｃ）は、図１７（Ａ）のＢ‐Ｂ‘断面図である。

具体的に、保護素子８０は、絶縁基板８５と、絶縁基板８５に積層され、絶縁部材８６に覆われた発熱体８４と、絶縁基板８５の両端に形成された第１、第２の電極８１，８２と、絶縁部材８６上に発熱体８４と重畳するように積層された発熱体引出電極８８と、両端が第１、第２の電極８１，８２にそれぞれ接続され、中央部が発熱体引出電極８８に接続された可溶導体８３とを備える。

保護素子８０は、過充電、過放電等の異常が検知されると、発熱体８４が通電されることにより発熱する。すると、この熱により可溶導体８３が溶融し、この溶融導体を発熱体引出電極８８に集めることにより、第１及び第２の電極８１，８２間の電流経路を遮断する。

特開２０１０−００３６６５号公報 特開２００４−１８５９６０号公報 特開２０１２−００３８７８号公報

ところで、この種の保護素子８０に用いられる可溶導体８３としては、例えばＰｂフリーハンダ等の低融点金属８３ａからなる箔を、ＡｇやＣｕあるいはこれらを主成分とする合金等の高融点金属８３ｂで被覆したものが提案されている。保護素子８０は、低融点金属８３ａの箔が高融点金属８３ｂで被覆された可溶導体８３を用いることにより、リフロー等の実装温度における溶断を防止し、実装の容易化を図るとともに、溶断時には、低融点金属８３ａによる高融点金属８３ｂの侵食作用（食われ現象）を利用し、高融点金属８３ｂの融点以下の温度で溶融させ、速やかな溶断を実現することができる。

このような可溶導体８３において、低融点金属８３ａの箔を高融点金属８３ｂで被覆する工法としては、長尺状の低融点金属箔に連続して高融点金属メッキを施すことができる電解メッキ法が、作業効率上、製造コスト上、有利となる。

しかし、電解メッキによって高融点金属メッキを施すと、長尺状の低融点金属箔のエッジ部分、すなわち、側縁部において電界強度が相対的に強まり、図１８に示すように、高融点金属８３ｂが厚くメッキされる。可溶導体８３は、側縁部における高融点金属８３ｂの厚みは、主面部における高融点金属８３ｂの厚さの１１０〜２００％程度にまで達する。このように、側縁部に沿って高融点金属８３ｂが厚く形成された可溶導体８３を所定の長さに切断し、図１７（Ａ）（Ｃ）に示すように、第１の電極８１〜発熱体引出電極８８〜第２の電極８２の間に、当該側縁部を渡して接続すると、肉厚の側縁部によって溶断時間が長くなってしまう。

すなわち、高融点金属８３ｂによって形成されている肉厚の側縁部が形成されているため、当該側縁部を溶断するためには、より多くの熱エネルギーが必要となる。また、当該側縁部は、高融点金属８３ｂによって相対的に肉厚に形成されていることから、低融点金属８３ａによる食われ現象によっても、溶断するためには相当の時間を要する。さらに、保護素子８０は、絶縁基板８５の外縁から最も遠い基板中心が最も熱く、基板外縁に向かうにつれて放熱されて温度が上がりにくくなる。そして、保護素子８０は、可溶導体８３の高融点金属によって形成される肉厚の側縁部が、絶縁基板８５の中心から外縁にかけて形成されているため、溶断するためには、より多くの時間が必要となってしまう。

そこで、本発明は、溶断時間の短縮を図ることができる可溶導体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、本発明に係る可溶導体の製造方法は、低融点金属層と、上記低融点金属層に積層された高融点金属層とを有する積層体を形成し、上記積層体を平板状に成形することにより成形体を得るものである。

また、本発明に係る可溶導体の製造方法は、低融点金属層と、上記低融点金属層の少なくとも上下面に積層された高融点金属層とを有する積層体を形成し、上記積層体の端部を削り又は切断することにより成形体を得るものである。

本発明に係る可溶導体によれば、高融点金属層の厚みが側縁部においても肉厚とならず、溶融させるために相対的に多くの熱エネルギーが必要となることもない。また、本発明に係る可溶導体は、高融点金属層が側縁部においても主面部と同様の厚さで形成されているため、主面部と同様に低融点金属材料による食われ現象によって速やかに溶融させることができる。

図１は、本発明が適用された可溶導体を得る成形体を示す斜視図である。 図２は、成形前の円柱状の積層体を示す斜視図である。 図３は、成形前の平角状の積層体を示す斜視図である。 図４は、成形前の平角状の積層体を示す斜視図であり、（Ａ）は側縁部を円弧状に面取りした積層体、（Ｂ）は側縁部を鈍角状に面取りした積層体を示す。 図５は、成形前の円柱状の積層体を示す斜視図である。 図６は、成形前の平角状の積層体を示す斜視図である。 図７は、積層体の肉厚部を削り取る工程を説明するための斜視図である。 図８は、積層体の側縁部を切断する工程を説明するための斜視図である。 図９は、積層体の側縁部を切断することにより形成された成形体を示す斜視図である。 図１０は、本発明が適用された可溶導体を用いた保護素子を示す平面図である。 図１１は、保護素子を用いたバッテリパックの回路図である。 図１２は、保護素子の回路図である。 図１３は可溶導体が溶断した保護素子を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は回路図である。 図１４は本発明が適用された可溶導体を用いた短絡素子の動作前の状態を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。 図１５は本発明が適用された可溶導体を用いた短絡素子の回路図であり、（Ａ）は動作前、（Ｂ）は動作後の状態を示す。 図１６は、本発明が適用された可溶導体を用いた短絡素子の動作後の状態を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。 図１７は参考例に係る保護素子を示す図であり、（Ａ）は、平面図、（Ｂ）はＡ−Ａ’断面図、（Ｃ）はＢ−Ｂ’断面図である。 図１８は参考例に係る可溶導体を示す斜視図である。

以下、本発明が適用された可溶導体の製造方法について、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。

［可溶導体の構成］
本発明が適用された可溶導体１は、電流経路上の開放電極間にわたって設けられることにより当該開放電極間を接続し、過電流による自己発熱、あるいは保護素子内部に設けた発熱体が発熱することによって溶断され、当該電流経路を遮断するものである。あるいは、可溶導体１は、電流経路上の開放電極の少なくとも一方に搭載され、短絡素子内部に設けた発熱体が発熱することによって溶融され、当該溶融導体によって開放電極間を短絡させるものである。

可溶導体１は、図１に示すように、内層と外層とからなる積層構造体であり、内層となる低融点金属層２が、外層となる高融点金属層３によって被覆されている。低融点金属層２は、特に限定はなく、例えば、Ｓｎを主成分とする金属であり、「Ｐｂフリーハンダ」と一般的に呼ばれる材料を好適に用いることができる。低融点金属層２の融点は、必ずしもリフロー炉の温度よりも高い必要はなく、２００℃程度で溶融してもよい。高融点金属層３も、特に限定はなく、例えば、Ａｇ若しくはＣｕ又はこれらのうちのいずれかを主成分とする金属等、リフロー炉によって基板実装を行う場合においても溶融しない高い融点を有する金属を好適に用いることができる。

可溶導体１は、低融点金属層２を高融点金属層３で被覆することによって、リフロー温度が低融点金属層２の溶融温度を超えて、低融点金属が溶融した場合であっても、可溶導体１として溶断するに至らず、保護素子や短絡素子の回路基板への実装を容易に行うことができる。

また、可溶導体１は、自己発熱、あるいは近傍に形成された発熱体によって加熱されると、低融点金属層２が溶融して、高融点金属層３を侵食する。したがって、可溶導体１は、高融点金属層３の溶融温度以下の温度で溶融し、速やかに電流経路を遮断、あるいは開放電極間を短絡することができる。

［製造工程１］
可溶導体１は、低融点金属層２と、低融点金属層２に積層された高融点金属層３とを有する積層体４を形成し、この積層体４を平板状に成形することにより成形体５を得ることにより製造される。

［積層体］
積層体４は、低融点金属層２を構成する低融点金属材料に、高融点金属層３を構成する高融点金属材料が被覆されることにより形成される。積層体４としては、例えば図２に示すように、断面円形の線材からなる低融点金属材料２ａに高融点金属材料３ａが被覆されることにより形成された円柱状の積層体４ａを用いることができる。また、積層体４は、図３に示すように、断面矩形状の平角線からなる低融点金属材料２ｂに高融点金属材料３ａが被覆されることにより形成された平角線状の積層体４ｂを用いることができる。

低融点金属材料２ａ、２ｂを高融点金属材料３ａによって被覆するには、線状、あるいは長尺状の低融点金属材料２ａ、２ｂに連続して高融点金属メッキを施すことができる電解メッキ法が、作業効率上、製造コスト上、有利となる。

積層体４ａは、断面円形の線材からなる低融点金属材料２ａに対して電解メッキ法により高融点金属材料３ａを被覆すると、電流密度の分布が均一となることから、図２に示すように、低融点金属材料２ａの周囲には、略均一の厚さで高融点金属材料３ａがメッキされる。

そして、このようにして形成された積層体４ａに対して圧延加工又はプレス加工を施すことにより、図１に示すように、側縁部の高融点金属層３が肉厚とならず、略平角状に形成された成形体５を得ることができる。また、この成形体５は、低融点金属層２の全周にわたって、略均一の厚さで高融点金属層３が形成されている。そして、この成形体５を適宜所定の長さで図１中Ｃ−Ｃ‘で示す幅方向に切断することにより、可溶導体１を得る。

したがって、可溶導体１は、高融点金属層３の厚みが側縁部においても肉厚とならず、溶融させるために相対的に多くの熱エネルギーが必要となることもない。また、可溶導体１は、高融点金属層３が、側縁部においても主面部と同様の厚さで形成されているため、主面部と同様に低融点金属材料２ａによる食われ現象によって速やかに溶融させることができる。

また、積層体４ｂは、図３に示すように、断面矩形状の平角線からなる低融点金属材料２ｂに対して電解メッキ法により高融点金属材料３ａを被覆すると、低融点金属材料２ｂの側縁における電流密度差によって、側縁部６において高融点金属材料３ａが厚くメッキされてしまう肉厚部７が形成される。

しかし、このようにして形成された積層体４ｂに対して圧延加工又はプレス加工を施すことにより、肉厚部が形成された側縁部が押し潰されて、図１に示すように、略平角状に形成された成形体５を得ることができる。また、この成形体５は、低融点金属層２の全周にわたって、略均一の厚さで高融点金属層３が形成されている。そして、この成形体５を適宜所定の長さで幅方向に切断することにより、可溶導体１を得る。

また、図４（Ａ）（Ｂ）に示すように、積層体４として、断面矩形状の平角線からなる低融点金属材料２ｂの両側縁部を予め円弧状（図４（Ａ））、あるいは鈍角状（図４（Ｂ））に面取り加工した後に高融点金属材料３ａを電解メッキすることにより形成された積層体４ｃを用いてもよい。積層体４ｃは、低融点金属材料２ｂの両側縁を面取り加工した後に電解メッキを行うことにより、高融点金属層３が低融点金属材料２ａの形状に追従してメッキされ、両側縁の厚みが肉厚に形成されることを防止することができる。

そして、この積層体４ｃに対して圧延加工又はプレス加工を施すことにより、図１に示すように、略平角状に形成された成形体５を得ることができる。また、この成形体５は、圧延やプレスにより積層体４ｃの高融点金属層３が薄く引き伸ばされることにより、全周に亘って略均一の厚さで高融点金属層３が形成される。そして、この成形体５を所定の長さで幅方向に切断することにより、可溶導体１を得る。

平角線からなる低融点金属材料２ｂの両側縁部を面取り加工する方法としては、低融点金属材料２ｂを押し出して平角線を得る際に、両側縁が面取りされた形状で押出す方法や、平角線の低融点金属材料２ｂを製造した後に、両側縁を切削する方法やプレスする方法等を挙げることができる。

また、積層体４として、上述したメッキにより高融点金属被覆を行う他にも、図５に示すように、断面円形の低融点金属材料２ａを、シート状に形成した高融点金属材料３ｂによって巻き包むことにより形成された積層体４ｄを用いてもよい。この積層体４ｄは、例えば、低融点金属材料２ａである糸ハンダを、シート状の高融点金属材料３ｂであるＡｇ箔で巻き包むことにより形成することができる。積層体４ｄは、シート状の高融点金属材料３ｂが低融点金属材料２ａの周囲に巻かれることにより形成されるため、低融点金属層２の全周にわたって略均一の厚さで高融点金属層３を形成することができる。

その後、この積層体４ｄに対して圧延加工又はプレス加工を施すことにより、図１に示すように、略平角状に形成された成形体５を得る。この成形体５は、低融点金属層２の全周にわたって、略均一の厚さで高融点金属層３が形成されている。そして、この成形体５を所定の長さで幅方向に切断することにより、可溶導体１を得る。

また、積層体４として、図６に示すように、シート状の低融点金属材料２ｃと、シート状の高融点金属材料３ｂとを積層することにより形成された積層体４ｅを用いてもよい。この積層体４ｅは、例えば、シート状の低融点金属材料２ｃであるハンダ箔の上下面に、シート状の高融点金属材料３ｂであるＡｇ箔を積層し、所定の温度、圧力で熱プレス又は熱間圧延を行うことにより形成することができる。積層体４ｅは、低融点金属材料２ｃと高融点金属材料３ｂとの界面が所定の温度、圧力下でプレス又は圧延されることによって合金化され、一体化されている。また、積層体４ｅは、低融点金属層２の全面にわたって略均一の厚さで高融点金属層３が積層されている。

なお、上述した各積層体４ａ〜４ｅの圧延加工又はプレス加工は、一回、又は段階的に複数回行ってもよい。段階的に複数回行う際には、段階的に成形サイズ、圧力、温度等の条件を変えることができる。また、圧延加工又はプレス加工を段階的に複数行うことにより、積層当初において、低融点金属材料や高融点金属材料を扱いやすい厚さのものを用いることができ、製造工程の煩雑化を避けることができる。

上述した積層体４の成形工程により形成された成形体５は、図１に示すように、長尺状に形成されているため、適宜所定の長さで幅方向に切断されることにより、可溶導体１を得る。

なお、成形体５は、側縁部において高融点金属層３が主面部に比して肉厚に成形されている場合には、図７に示すように、必要に応じて当該肉厚部５ａを削り平坦化してもよい。例えば、成形体５は、成形工程によっても側縁部において高融点金属層３からなる肉厚部５ａが残っている場合には、当該肉厚部５ａを削ることにより、図１に示すように、側縁部の高融点金属層３が肉厚とならず、略平角状に形成された成形体５を得ることができる。また、これにより、成形体５は、低融点金属層２の全周にわたって、高融点金属層３の厚さを略均一にすることができる。

また、成形体５は、側縁部において高融点金属層３が主面部に比して肉厚に成形されている場合には、必要に応じて当該肉厚部５ａが形成された側縁部５ｂを切断してもよい。図８に示すように、例えば、成形体５は、成形工程によっても側縁部５ｂにおいて高融点金属層３からなる肉厚部５ａが残っている場合には、当該側縁部５ｂを、図８中Ｄ−Ｄ‘で示す長手方向にわたって切り落とす。これにより、図９に示すように、成形体５は、略平角状に形成することができ、また、低融点金属層２の全面にわたって、高融点金属層３の厚さを略均一にすることができる。

［製造工程２］
また、可溶導体１は、低融点金属層２と、低融点金属層２の少なくとも上下面に積層された高融点金属層３とを有する積層体４を形成し、この積層体４の端部を削り又は切断することにより成形体５を得ることにより製造してもよい。

すなわち、可溶導体１は、積層体４を形成した後、当該積層体４に対して端部を削り又は切断することにより略平角状の成形体５を形成することにより製造してもよい。

ここで、積層体４としては、図３及び図４に示す断面矩形状の平角線からなる低融点金属材料２ｂに対して電解メッキ法により高融点金属材料３ａを被覆して形成された積層体４ｂ，４ｃや、図６に示すシート状の低融点金属材料２ｃとシート状の高融点金属材料３ｂとを積層し、熱プレスすることにより形成された積層体４ｅを用いることができる。

上述したように、積層体４ｂは、略平角状に形成されているが、電解メッキ法により高融点金属材料３ａが被覆されているため、低融点金属材料２ｂの側縁における電流密度差によって、側縁部６において高融点金属材料３ａが相対的に厚くメッキされる肉厚部７が形成されてしまう。また、積層体４ｃにおいても、電解メッキの精度のばらつき等により、側縁部６において肉厚部７が形成される場合も想定される。

そこで、積層体４ｂ，４ｃに形成された高融点金属層３からなる肉厚部７を削ることにより、図１に示すように、略平角状に形成された成形体５を得ることができる。また、これにより、成形体５は、低融点金属層２の全周にわたって、高融点金属層３の厚さを略均一にすることができる。また、積層体４ｂ，４ｃの当該肉厚部７が形成された側縁部６を長手方向にわたって切断してもよい（図８参照）。これによっても、図９に示すように、成形体５は、略平角状に形成することができ、また、低融点金属層２の全面にわたって、高融点金属層３の厚さを略均一にすることができる。

なお、肉厚部７を削り、あるいは肉厚部７が形成された側縁部６が切断された積層体４ｂ，４ｃに対して、さらに上述した圧延加工やプレス加工を施し、所定のサイズに成形体された平角状の成形体５を形成してもよい。

また、積層体４ｅは、シート状の低融点金属材料２ｃと高融点金属材料３ｂとを重ねて熱プレスすることにより、高融点金属材料が押し広げられ、高融点金属層３が幅広に形成されることもある。

そこで、積層体４ｅの高融点金属層３からなる側縁部を切断することにより、図１や図９に示すように、略平角状で、かつ低融点金属層２の全周にわたって、高融点金属層３の厚さが略均一な成形体５を製造することができる。

［保護素子］
次いで、このような可溶導体１が用いられる保護素子について説明する。保護素子１０は、図１０に示すように、絶縁基板１１と、絶縁基板１１に積層され、絶縁部材１５に覆われた発熱体１４と、絶縁基板１１の両端に形成された第１の電極１２（Ａ１）及び第２の電極１３（Ａ２）と、絶縁部材１５上に発熱体１４と重畳するように積層され、発熱体１４に電気的に接続された発熱体引出電極１６と、両端が第１、第２の電極１２（Ａ１），１３（Ａ２）にそれぞれ接続され、中央部が発熱体引出電極１６に接続された可溶導体１とを備える。

絶縁基板１１は、たとえば、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、可溶導体１の溶断時の温度に留意する必要がある。

発熱体１４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、たとえば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１１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１４を覆うように絶縁部材１５が配置され、この絶縁部材１５を介して発熱体１４に対向するように発熱体引出電極１６が配置される。発熱体１４の熱を効率良く可溶導体１に伝えるために、発熱体１４と絶縁基板１１の間にも絶縁部材１５を積層しても良い。絶縁部材１５としては、例えばガラスを用いることができる。

発熱体引出電極１６の一端は、発熱体電極１８（Ｐ１）に接続されるとともに、発熱体１４の一端と連続される。また、発熱体引出電極１６は、接続用ハンダ２９を介して可溶導体１が搭載される。発熱体１４の他端は、他方の発熱体電極１８（Ｐ２）に接続される。なお、発熱体電極１８（Ｐ２）は、絶縁基板１１の裏面に形成された外部接続端子（図示せず）と接続されている。

第１の電極１２（Ａ１）、第２の電極１３（Ａ２）は、絶縁基板１１の両側縁に形成されるとともに、接続用ハンダ２９を介して可溶導体１が搭載され、これにより、可溶導体１を介して接続されている。また、第１の電極１２（Ａ１）、第２の電極１３（Ａ２）は、それぞれ、スルーホール（図示せず）を介して、絶縁基板の裏面に設けられた外部接続端子（図示せず）と接続されている。

可溶導体１は、接続用ハンダ２９を介して第１の電極１２（Ａ１）、発熱体引出電極１６、第２の電極１３（Ａ２）上に搭載されている。保護素子１０は、外部接続端子が、保護素子１０が実装される回路基板に設けられた接続電極に接続されることにより、回路基板上に形成された電流経路の一部に組み込まれる。

なお、第１、第２の電極１２（Ａ１），１３（Ａ２）、及び発熱体引出電極１６の各表面には、Ｎｉ／Ａｕメッキ層が形成されている。これにより、可溶導体１の低融点金属層２や可溶導体１の接続用ハンダ２９による第１、第２の電極１２（Ａ１），１３（Ａ２）及び発熱体引出電極１６の侵食を抑制することができる。

また、第１、第２の電極１２（Ａ１），１３（Ａ２）には、可溶導体１の溶融導体や可溶導体１の接続用ハンダの流出を防止するガラス等の絶縁材料からなる流出防止部２３が形成されている。

［バッテリパック］
次いで、保護素子１０の使用方法について説明する。図１１に示すように、上述した保護素子１０は、例えば、リチウムイオン二次電池のバッテリパック内の回路に実装されて用いられる。

たとえば、保護素子１０が実装される回路は、合計４個のリチウムイオン二次電池のバッテリセル４１〜４４からなるバッテリスタック４５を有するバッテリパック４０に組み込まれて使用される。

バッテリパック４０は、バッテリスタック４５と、バッテリスタック４５の充放電を制御する充放電制御回路５０と、バッテリスタック４５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１０と、各バッテリセル４１〜４４の電圧を検出する検出回路４６と、検出回路４６の検出結果に応じて保護素子１０の動作を制御する電流制御素子４７とを備える。

バッテリスタック４５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４１〜４４が直列接続されたものであり、バッテリパック４０の正極端子４０ａ、負極端子４０ｂを介して、着脱可能に充電装置５５に接続され、充電装置５５からの充電電圧が印加される。充電装置５５により充電されたバッテリパック４０の正極端子４０ａ、負極端子４０ｂ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５０は、バッテリスタック４５から充電装置５５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５１、５２と、これらの電流制御素子５１、５２の動作を制御する制御部５３とを備える。電流制御素子５１、５２は、たと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５３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４５の電流経路の導通と遮断とを制御する。制御部５３は、充電装置５５から電力供給を受けて動作し、検出回路４６による検出結果に応じて、バッテリスタック４５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５１、５２の動作を制御する。

保護素子１０は、たとえば、バッテリスタック４５と充放電制御回路５０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４７によって制御される。

検出回路４６は、各バッテリセル４１〜４４と接続され、各バッテリセル４１〜４４の電圧値を検出して、各電圧値を充放電制御回路５０の制御部５３に供給する。また、検出回路４６は、いずれか１つのバッテリセル４１〜４４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４７を制御する制御信号を出力する。

電流制御素子４７は、たとえばＦＥＴにより構成され、検出回路４６から出力される検出信号によって、バッテリセル４１〜４４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１０を動作させて、バッテリスタック４５の充放電電流経路を電流制御素子５１、５２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４０において、保護素子１０の構成について具体的に説明する。

まず、本発明に係る可溶導体１が適用された保護素子１０は、図１２に示すような回路構成を有する。すなわち、保護素子１０は、発熱体引出電極１６を介して直列接続された可溶導体１と、可溶導体１の接続点を介して通電して発熱させることによって可溶導体１を溶融する発熱体１４とからなる回路構成である。また、保護素子１０では、たとえば、可溶導体１が充放電電流経路上に直列接続され、発熱体１４が電流制御素子４７と接続される。保護素子１０の第１、第２の電極１２（Ａ１），１３（Ａ２）は、それぞれ外部接続端子を介して、一方は、Ａ１に接続され、他方は、Ａ２に接続される。また、発熱体引出電極１６とこれに接続された発熱体電極１８は、Ｐ１に接続され、他方の発熱体電極１８は、外部接続端子を介してＰ２に接続される。

このような回路構成からなる保護素子１０は、発熱体１４の発熱により、電流経路上の可溶導体１を溶断させ、バッテリパック４０の充放電経路を遮断することができる。このとき、保護素子１０は、可溶導体１が、図１に示すように、側縁部の高融点金属層３が肉厚とならず、略平角状に形成され、また、低融点金属層２の全周にわたって、略均一の厚さで高融点金属層３が形成されている。

したがって、保護素子１０は、可溶導体１を溶断させるために多くの熱エネルギーが必要となることもなく、また、低融点金属材料２ａによる食われ現象によって高融点金属の融点に至る前の低い温度で溶融させることができる。これにより、保護素子１０は、過充電等の緊急時に、速やかに可溶導体１を溶融させて充放電電流経路を遮断することができる。

具体的に、保護素子１０は、図１３（Ａ）に示すように、可溶導体１の溶融導体が、濡れ性の高い発熱体引出電極１６及び第１、第２の電極１２（Ａ１），１３（Ａ２）に引き寄せられて溶断される。したがって、可溶導体１は、確実に第１の電極１２（Ａ１）〜発熱体引出電極１６〜第２の電極１３（Ａ２）の間を溶断させることができる（図１３（Ｂ））。また、可溶導体１が溶断することにより、発熱体１４への給電も停止される。

なお、本発明に係る可溶導体１が適用された保護素子は、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。

［短絡素子］
また、可溶導体１は、溶融により開放電極間を短絡させる短絡素子に用いることもできる。図１４（Ａ）に、短絡素子６０の平面図を示し、図１４（Ｂ）に、短絡素子６０の断面図を示す。短絡素子６０は、絶縁基板６２と、絶縁基板６２に設けられた発熱抵抗体６３と、絶縁基板６２に、互いに隣接して設けられた第１の電極６４及び第２の電極６５と、第１の電極６４と隣接して設けられるとともに、発熱抵抗体６３に電気的に接続された第３の電極６６と、第２の電極６５と隣接して設けられた第４の電極６７と、第１、第３の電極６４，６６間に亘って設けられることにより電流経路構成し、発熱抵抗体６３からの加熱により、第１、第３の電極６４，６６間の電流経路を溶断する本発明が適用された第１の可溶導体１ａと、第２、第４の電極６５，６７間に亘って設けられ、発熱抵抗体６３からの加熱により溶融する本発明が適用された第２の可溶導体１ｂとを備える。そして、短絡素子６０は、絶縁基板６２上に内部を保護するカバー部材７０が取り付けられている。

絶縁基板６２は、たとえば、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を用いて略方形状に形成されている。絶縁基板６２は、その他にも、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、可溶導体１ａ，１ｂの溶断時の温度に留意する必要がある。なお、絶縁基板６２は、裏面に外部端子６２が形成されている。

発熱抵抗体６３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、たとえば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６２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。

発熱抵抗体６３は、絶縁基板６２上において絶縁層７１に被覆されている。絶縁層７１は、発熱抵抗体６３の熱を効率よく第１〜第４の電極６４〜６７へ伝えるために設けられ、例えばガラス層からなる。発熱抵抗体６３は、第１〜第４の電極６４〜６７を加熱することにより、溶融導体を凝集しやすくすることができる。

発熱抵抗体６３を被覆する絶縁層７１上には、第１〜第４の電極６４，６５，６６，６７が形成されている。第１の電極６４は、一方側において第２の電極６５と隣接して形成されるとともに離間されることにより、開放されている。第１の電極６４の他方側には第３の電極６６が形成されている。第１の電極６４と第３の電極６６とは、第１の可溶導体１ａが接続されることにより導通され、動作前における短絡素子６０の電流経路を構成する。また、第１の電極６４は、絶縁基板６２の側面に臨む第１の電極端子部６４ａが形成されている。第１の電極端子部６４ａは、スルーホールを介して絶縁基板６２の裏面に設けられた外部端子７２と接続されている。

また、第３の電極６６は、絶縁基板６２あるいは絶縁層７１に設けられた発熱体引出電極７３を介して発熱抵抗体６３と接続されている。また、発熱抵抗体６３は、発熱体引出電極７３を介して、絶縁基板６２の側縁に臨む抵抗体端子部６３ａが形成されている。抵抗体端子部６３ａは、スルーホールを介して、絶縁基板６２の裏面に設けられた外部端子７２と接続されている。

第２の電極６５の第１の電極６４と隣接する一方側と反対の他方側には、第４の電極６７が形成されている。第２の電極６５と第４の電極６７とは、第２の可溶導体１ｂが接続されている。また、第２の電極６５は、絶縁基板６２の側面に臨む第２の電極端子部６５ａが形成されている。第２の電極端子部６５ａは、スルーホールを介して絶縁基板６２の裏面に設けられた外部端子７２と接続されている。

なお、第１〜第４の電極６４，６５，６６，６７は、ＣｕやＡｇ等の一般的な電極材料を用いて形成することができるが、少なくとも第１、第２の電極６４，６５の表面上には、Ｎｉ／Ａｕメッキ、Ｎｉ／Ｐｄメッキ、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕメッキ等の被膜が、公知のメッキ処理により形成されていることが好ましい。これにより、第１、第２の電極６４，６５の酸化を防止し、溶融導体を確実に保持させることができる。また、短絡素子６０をリフロー実装する場合に、第１、第２の可溶導体１ａ，１ｂを接続するハンダが溶融することにより第１、第２の電極６４，６５を溶食（ハンダ食われ）して切断するのを防ぐことができる。

なお、第１、第２の可溶導体１ａ，１ｂの酸化防止、及び第１、第２の可溶導体１ａ，１ｂの溶融時における濡れ性を向上させるために、第１、第２の可溶導体１ａ，１ｂの上にはフラックス７５が塗布されている。

短絡素子６０は、絶縁基板６２がカバー部材７０に覆われることによりその内部が保護されている。カバー部材７０は、短絡素子６０の側面を構成する側壁７６と、短絡素子６０の上面を構成する天面部７７とを有し、側壁７６が絶縁基板６２上に接続されることにより、短絡素子６０の内部を閉塞する蓋体となる。このカバー部材７０は、上記絶縁基板６２と同様に、たとえば、熱可塑性プラスチック，セラミックス，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、カバー部材７０は、天面部７７の内面側に、カバー部電極７８が形成されても良い。カバー部電極７８は、第１、第２の電極６４，６５と重畳する位置に形成されている。このカバー部電極７８は、発熱抵抗体６３が発熱し、第１、第２の可溶導体１ａ，１ｂが溶融されると、第１、第２の電極６４，６５上に凝集した溶融導体が接触して濡れ広がることにより、第１、第２の電極６４，６５間を短絡させる溶融導体を保持する許容量を増加させることができる。

［短絡素子回路］
以上のような短絡素子６０は、図１５（Ａ）（Ｂ）に示すような回路構成を有する。すなわち、短絡素子６０は、第１の電極６４と第２の電極６５とが、正常時には絶縁され（図１５（Ａ））、発熱抵抗体６３の発熱により第１、第２の可溶導体１ａ，１ｂが溶融すると、当該溶融導体を介して短絡するスイッチ７９を構成する（図１５（Ｂ））。そして、第１の電極端子部６４ａと第２の電極端子部６５ａは、スイッチ７９の両端子を構成する。また、第１の可溶導体１ａは、第３の電極６６及び発熱体引出電極７３を介して発熱抵抗体６３と接続されている。

そして、短絡素子６０は、電子機器等に組み込まれることにより、スイッチ７９の両端子６４ａ、６５ａが、当該電子機器の電流経路と並列に接続され、当該電流経路上の電子部品に異常が発生した場合に、スイッチ７９を短絡させ、当該電子部品をバイパスするバイパス電流経路を形成する。

具体的に、短絡素子６０は、動作前においては、第１の電極端子部６４ａと抵抗体端子部６３ａとの間に亘る給電経路の通電が規制されている。そして、並列接続されている電子部品に異常が生じると、短絡素子６０は、当該給電経路に電流が流れ、発熱抵抗体６３が通電することにより発熱する。この熱により第１、第２の可溶導体１ａ，１ｂが溶融すると、溶融導体は、図１６（Ａ）（Ｂ）に示すように、第１、第２の電極６４，６５上に凝集する。第１、第２の電極６４，６５は隣接して形成されているため、第１、第２の電極６４，６５上に凝集した溶融導体が結合し、これにより第１、第２の電極６４，６５が短絡する。すなわち、短絡素子６０は、スイッチ７９の両端子間が短絡される（図１５（Ｂ））。

このとき、短絡素子６０は、第１、第２の可溶導体１ａ，１ｂが、図１に示すように、側縁部の高融点金属層３が肉厚とならず、略平角状に形成され、また、低融点金属層２の全周にわたって、略均一の厚さで高融点金属層３が形成されている。

したがって、短絡素子６０は、可溶導体１を溶断させるために多くの熱エネルギーが必要となることもなく、また、低融点金属材料２ａによる食われ現象によって高融点金属の融点に至る前の低い温度で速やかに溶融させることができる。

なお、発熱抵抗体６３への通電は、第１の可溶導体１ａが溶断することにより、第１の電極端子部６４ａと抵抗体端子部６３ａとの間に亘る給電経路が遮断されるため、停止される。

次いで、本発明の実施例について説明する。本実施例では、低融点金属材料を電解メッキ法により高融点金属で被覆した積層体を作成し、幅方向に切断することにより可溶導体を得た。低融点金属箔は、Ｐｂフリーハンダ箔を用い、電解メッキ法により低融点金属箔の全面にＡｇメッキを施し、高融点金属層を形成した。

実施例１では、直径０．２５ｍｍｎの糸ハンダに、電解メッキ法により厚さ１８μｍのＡｇメッキ層を設けた積層体を形成した。この積層体を圧延して、幅１ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ（Ａｇメッキ厚５μｍ）の可溶導体を得た。

実施例２では、０．３ｍｍ×０．３ｍｍの正方形断面の平角状のハンダの両側縁をＣ０．０５で面取りした後、電解メッキ法により厚さ１８μｍのＡｇメッキ層を設けた積層体を形成した。この積層体を圧延して、幅１ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ（Ａｇメッキ厚５μｍ）の可溶導体を得た。

比較例１では、１ｍｍ×、０．１ｍｍのハンダ箔に、電解メッキ法により厚さ５μｍのＡｇメッキ層を設けた積層体からなる可溶導体を得た。比較例１では積層体の圧延は行わなかったため、側縁部に電界強度が集中し、Ａｇメッキ層が肉厚に形成された。

実施例１，２及び比較例１に係る可溶導体を用いて保護素子を形成し（図１０参照）、それぞれ１０Ｗで加熱し、可溶導体の溶断時間を測定した。結果を表１に示す。

表１に示すように、比較例１では、可溶導体の溶断委３．０秒を要したのに対して、実施例１では２．５秒、実施例２では２．４秒で溶断することができた。これは、実施例１，２では、積層体を形成した後、圧延加工を施すことにより、側縁部においても平坦で、かつＡｇメッキ層が全周にわたって均一厚さの可溶導体を用いたことから、Ａｇメッキ層の溶融に多くの熱エネルギーを要せず、速やかに溶断できたことによる。

一方、比較例１では、積層体に対して圧延加工を施していないため、電解メッキによって側縁部にＡｇメッキが肉厚に形成されている可溶導体を用いたことから、当該側縁部を溶断するためには、より多くの熱エネルギーが必要となり、また、当該側縁部は、高融点金属（Ａｇ）によって相対的に肉厚に形成されていることから、低融点金属（ハンダ）による食われ現象によっても、溶断するためにはより多くの時間を要した。

１ 可溶導体、２ 低融点金属層、３ 高融点金属層、４ 積層体、５ 成形体、６ 側縁部、７ 肉厚部、１０ 保護素子、１１ 絶縁基板、１２ 第１の電極、１３ 第２の電極、１４ 発熱体、１５ 絶縁部材、１６ 発熱体引出電極、１８ 発熱体電極、４０ バッテリパック、４１〜４４ バッテリセル、４５ バッテリスタック、４６ 検出回路、４７ 電流制御素子、５０ 充放電制御回路、５１，５２ 電流制御素子、５３ 制御部、５５ 充電装置、６０ 短絡素子、６２ 絶縁基板、６３ 発熱抵抗体、６４ 第１の電極、６５ 第２の電極、６６ 第３の電極、６７ 第４の電極、７０ カバー部材、７１ 絶縁層、７２ 外部端子、７３ 発熱体引出電極、７５ フラックス、７９ スイッチ

Claims (15)

1. 低融点金属層と、上記低融点金属層に積層された高融点金属層とを有する積層体を形成し、
   上記積層体を平板状に成形することにより成形体を得る可溶導体の製造方法。
2. 上記積層体を一又は複数回圧延することにより成形する請求項１記載の可溶導体の製造方法。
3. 上記積層体を一又は複数回プレスすることにより成形する請求項１記載の可溶導体の製造方法。
4. 上記成形体の側縁部に形成された上記高融点金属の肉厚部を削る請求項１〜３のいずれか１項に記載の可溶導体の製造方法。
5. 上記成形体の上記高融点金属が肉厚に形成された側縁部を切断する請求項１〜３のいずれか１項に記載の可溶導体の製造方法。
6. 低融点金属層と、上記低融点金属層の少なくとも上下面に積層された高融点金属層とを有する積層体を形成し、
   上記積層体の側縁部に形成された上記高融点金属の肉厚部を削ることにより成形体を得る可溶導体の製造方法。
7. 低融点金属層と、上記低融点金属層の少なくとも上下面に積層された高融点金属層とを有する積層体を形成し、
   上記積層体の上記高融点金属が肉厚に形成された側縁部を切断することにより成形体を得る可溶導体の製造方法。
8. 上記肉厚部を削り、あるいは上記側縁部を切断した上記積層体を圧延又はプレスすることにより上記成形体を得る請求項６又は７記載の可溶導体の製造方法。
9. 上記積層体は、上記低融点金属層を構成する低融点金属材料に、上記高融点金属層を構成する高融点金属が被覆されている請求項１〜８のいずれか１項に記載の可溶導体の製造方法。
10. 上記積層体は、上記低融点金属材料に、上記高融点金属が電解メッキにより被覆されている請求項９記載の可溶導体の製造方法。
11. 上記低融点金属材料は、断面円形の線材である請求項１０記載の可溶導体の製造方法。
12. 上記低融点金属材料は、断面矩形状の平角線である請求項１０記載の可溶導体の製造方法。
13. 上記低融点金属材料は、幅方向の両側縁部が面取り加工されている請求項１２記載の可溶導体の製造方法。
14. 上記積層体は、線材からなる上記低融点金属材料を、シート状の上記高融点金属で巻き包むことにより形成されている請求項９記載の可溶導体の製造方法。
15. 上記積層体は、シート状の上記低融点金属材料と、シート状の上記高融点金属材料とが積層され、加圧されることにより形成されている請求項９記載の可溶導体の製造方法。
    

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