JP2016018683A - 保護素子 - Google Patents

Abstract

【課題】大型の可溶導体を用いた場合にも、遮断性能を維持するとともに、発熱体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。【解決手段】絶縁基板１０と、絶縁基板１０上に、離間して形成された第１、第２の電極１１，１２と、絶縁基板１０に形成された発熱体１３と、発熱体１３と連続し、第１、第２の電極１１，１２間に形成された発熱体引出電極１４と、第１、第２の電極１１，１２及び発熱体引出電極１４に搭載され、第１、第２の電極１１，１２間を導通させる可溶導体１５とを備え、発熱体１３は、第１、第２の電極１１，１２及び発熱体引出電極１４と重畳されている。【選択図】図１

Description

本発明は、過充電等の異常時に、電流経路を遮断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。

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ヒューズ素子からなる保護素子が用いられている。

図１３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１３（Ｂ）は、図１３（Ａ）のＡ‐Ａ’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。また、可溶導体８３は、内層を構成するハンダ等の低融点金属８３ａと、外層を構成するＡｇ等の高融点金属８３ｂとが積層されてなる。

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、保護素子は、可溶導体の断面積が増大され低抵抗化が図られる。そのため、高定格化された保護素子では、大型化された可溶導体を用いた場合にも、溶断時において確実に第１及び第２の電極間において分断され、電流経路を遮断することが求められる。

しかし、従来の保護素子では、第１、第２の電極間に配置された発熱体引出電極と発熱体とを重畳させ、発熱体引出電極上に搭載された可溶導体を加熱し、可溶導体を凝集させることにより可溶導体を溶断させていた。そのため、発熱体引出電極上に凝集させられる溶融導体の容量にも限界があり、大型化された可溶導体の溶断動作が不安定となり、あるいは、溶断後において第１、第２の電極間における絶縁抵抗が下がる恐れが生じ得る。

また、大電流に対応するために可溶導体の断面積を増大させると、発熱体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を大型のものに置き換え、大電流を通電させると、発熱体に対する熱衝撃が過大となり、割れが生じて可溶導体を溶断させる熱量が得られない恐れがある。これは、絶縁基板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、保護素子は、ガラス層を介して発熱体に重畳させている発熱体引出電極に可溶導体を固定していることから、絶縁基板の中央部に生じた応力が歪みとなって現れる。このため、絶縁基板の中央部に形成された発熱体に割れが生じ、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、保護素子の定格を向上させるために可溶導体を大型化するほど、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。

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、遮断性能及び遮断後における絶縁抵抗を維持するとともに、発熱体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、上記絶縁基板上に、離間して形成された第１の電極及び第２の電極と、上記絶縁基板に形成された発熱体と、上記発熱体と連続し、上記第１、第２の電極間に形成された発熱体引出電極と、上記第１、第２の電極及び上記発熱体引出電極に搭載され、上記第１、第２の電極間を導通させる可溶導体とを備え、上記発熱体は、上記第１、第２の電極及び上記発熱体引出電極と重畳されているものである。

本発明によれば、発熱体が発熱体引出電極及び第１、第２の電極と重畳する位置に配置されることにより、発熱体が発熱すると、第１、第２の電極及び第１、第２の電極上に搭載されている可溶導体も加熱される。したがって、本発明によれば、発熱体引出電極のみならず、第１、第２の電極上にも溶融導体を凝集させることができ、可溶導体が大型化された場合にも、溶融導体を保持する容量を増加させることができ、確実に第１、第２の電極間を溶断することができる。また、本発明によれば、第１、第２の電極上にも溶融導体を凝集、保持させることで溶融導体を保持する容量を増加させ、溶融導体が発熱体引出電極と第１、第２の電極間に溢れることを防止でき、可溶導体の溶断後に第１、第２の電極間における高い絶縁抵抗を維持することができる。

また、本発明によれば、発熱体が発熱体引出電極及び第１、第２の電極と重畳する位置に配置されることにより、発熱体の熱分布が広がりピークも下がることから、発熱体に対する熱衝撃も緩和される。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、発熱体に割れが生じることかなく、安定した発熱動作を奏する。

さらに、本発明によれば、発熱体引出電極と第１、第２の電極との間で、可溶導体の溶融導体を凝集させる力が掛かるため、速やかに可溶導体を溶断し、第１、第２の電極間を遮断することができる。

図１は、本発明が適用された保護素子を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ’断面図である。 図２は、従来の保護素子において電極上に接合材を印刷する工程を示す図であり、（Ａ）は印刷版を配置した状態を示す断面図、（Ｂ）は接合材を印刷している状態を示す断面図である。 図３は、本発明が適用された保護素子において電極上に接合材を印刷する工程を示す図であり、（Ａ）は印刷版を配置した状態を示す断面図、（Ｂ）は接合材を印刷している状態を示す断面図である。 図４は、本発明が適用された保護素子を組み込んだバッテリパックの回路構成の一例を示す図である。 図５は、本発明が適用された保護素子を示す回路図である。 図６は、第１の電極と重畳する第１の領域と、第２の電極と重畳する第２の領域と、発熱体引出電極と重畳する第３の領域とを有する発熱体を備えた保護素子を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ’断面図である。 図７は、カバー部電極を備えた保護素子を示す断面図である。 図８は、フラックスを保持する保持部を備えた保護素子を示す断面図である。 図９は、発熱体が絶縁基板の裏面に形成された保護素子を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ’断面図である。 図１０は、発熱体が絶縁基板の内部に形成された保護素子を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ’断面図である。 図１１は、第１の実施例に係る保護素子を示す平面図であり、（Ａ）はサンプル１、（Ｂ）はサンプル２、（Ｃ）はサンプル３を示す。 図１２は、第２の実施例に係る保護素子を示す平面図であり、（Ａ）はサンプル４、（Ｂ）はサンプル５を示す。 図１３は、従来の保護素子を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ’断面図である。

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。

本発明が適用された保護素子１を図１に示す。図１（Ａ）は、保護素子１のカバー部材を省略して示す平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ’断面図である。保護素子１は、図１（Ａ）（Ｂ）に示すように、絶縁基板１０と、絶縁基板１０上に離間して形成された第１の電極１１及び第２の電極１２と、絶縁基板１０に形成された発熱体１３と、発熱体１３と連続し、第１、第２の電極１１，１２間に形成された発熱体引出電極１４と、第１、第２の電極１１，１２及び発熱体引出電極１４に搭載され、第１、第２の電極１１，１２間を導通させる可溶導体１５とを備える。

［絶縁基板］
絶縁基板１０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。なお、絶縁基板１０は、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１５の溶断時の温度に留意する必要がある。

［発熱体］
発熱体１３は、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等又はこれらを含む材料からなる。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１０の表面１０ａ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。

また、発熱体１３は、図１に示すように、第１、第２の電極１１，１２が配置される絶縁基板１０の両側縁１０ｃ，１０ｄ間に亘って形成され、これにより後述する第１、第２の電極１１，１２及び発熱体引出電極１４と重畳されている。

発熱体１３を覆うように絶縁層１６が配置され、この絶縁層１６を介して発熱体１３と重畳するように第１、第２の電極１１，１２及び発熱体引出電極１４が積層される。保護素子１は、発熱体１３の熱を効率良く可溶導体１５に伝えるために、発熱体１３と絶縁基板１０の間にも絶縁層１６を積層しても良い。絶縁層１６を構成する部材としては、例えばガラスを用いることができる。

発熱体引出電極１４の一端は、第１の発熱体電極１８に接続されるとともに、第１の発熱体電極１８を介して発熱体１３の一端と連続される。また、発熱体１３の他端は、第２の発熱体電極１９に接続される。なお、第１の発熱体電極１８は、絶縁基板１０の第３の辺１０ｅ側に形成され、第２の発熱体電極１９は、絶縁基板１０の第４の辺１０ｆ側に形成されている。

第１の発熱体電極１８は、絶縁基板１０の表面１０ａに形成され、発熱体１３と接続された下層部と、下層部と接続されるとともに絶縁層１６上に形成され、発熱体引出電極１４と接続されている上層部とを有する。また、第２の発熱体電極１９は、絶縁基板１０の表面１０ａに形成され、発熱体１３と接続されるとともに、絶縁基板１０の裏面１０ｂに形成された外部接続電極１９ａと接続されている。

［第１、第２の電極］
第１、第２の電極１１，１２は、絶縁基板１０の両側縁１０ｃ，１０ｄに形成されることにより互いに分離されるとともに、可溶導体１５によって接続されている。また、第１の電極１１、第２の電極１２は、それぞれ、スルーホール（図示せず）を介して、絶縁基板１０の裏面１０ｂに設けられた外部接続電極１１ａ，１２ａと接続されている。保護素子１は、外部接続電極１１ａ，１２ａが、保護素子１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。

上述したように第１、第２の電極１１，１２は、絶縁層１６上に積層されるとともに、絶縁層１６を介して発熱体１３と重畳されている。したがって、発熱体１３が発熱すると、第１、第２の電極１１，１２及び第１、第２の電極１１，１２上に搭載されている可溶導体１５の両端部も加熱される。したがって、保護素子１は、発熱体引出電極１４のみならず、第１、第２の電極１１，１２上にも溶融導体を凝集させることができ、可溶導体１５が大型化された場合にも、溶融導体を保持する容量を増加させることができ、確実に第１、第２の電極１１，１２間を溶断することができる。また、保護素子１は、第１、第２の電極１１，１２上にも溶融導体を凝集、保持させることで溶融導体を保持する容量を増加させ、溶融導体が発熱体引出電極１４と第１、第２の電極１１，１２間に溢れることを防止でき、可溶導体１５の溶断後に第１、第２の電極１１，１２間における高い絶縁抵抗を維持することができる。

また、発熱体１３を発熱体引出電極１４及び第１、第２の電極１１，１２と重畳する位置に形成することにより、高い電流を印加した場合にも発熱体１３に対する熱衝撃を緩和させることができ、発熱体１３の物理的な破損を防止して、安定した発熱動作を奏する。すなわち、保護素子１は、発熱体１３を発熱体引出電極１４のみならず、第１、第２の電極１１，１２と重畳するように広域にわたって形成することにより、熱分布が広がりピークも下がることから、発熱体に対する熱衝撃も緩和される。したがって、本発明によれば、安定大電流容量に対応するために可溶導体１５を大型化するとともに、発熱体１３の電力を増大させた場合にも、発熱体１３に割れが生じることかなく、安定した発熱動作を奏する。

さらに、保護素子１は、発熱体引出電極１４と第１、第２の電極１１，１２との間で、可溶導体１５の溶融導体を凝集させる力が掛かるため、速やかに可溶導体１５を溶断し、第１、第２の電極１１，１２間を遮断することができる。

［第１、第２の電極、発熱体引出電極の製造工程］
第１、第２の電極１１，１２、発熱体引出電極１４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、例えばこのような電極材料をペースト状にしたものをスクリーン印刷技術を用いて絶縁層１６上にパターン形成して、焼成する等によって形成することができる。

このとき、第１、第２の電極１１，１２、発熱体引出電極１４は、ペースト状の電極材料を絶縁層１６の同一平面上に印刷することにより形成でき、簡易且つ精度よく製造することができる。

また、第１、第２の電極１１，１２、発熱体引出電極１４は、可溶導体１５を接続する接続用ハンダ等の接合材２６を印刷する場合にも、安定した印刷品質を有する。すなわち、図２（Ａ）に示すように、従来の保護素子８０では、発熱体８４が発熱体引出電極８８とのみ重畳されていたため、第１、第２の電極８１，８２と、発熱体引出電極８８とが高さの異なる面上に形成されていた。このため、図２（Ｂ）に示すように、第１、第２の電極８１，８２及び発熱体引出電極８８は、ハンダペーストを印刷する印刷版２１との距離が異なり、スキージ２７を摺動させると印刷版２１の撓みが大きくなり、印刷ずれやにじみ等が生じ、印刷品質が低下する。

一方、保護素子１では、図３（Ａ）に示すように、第１、第２の電極と、発熱体引出電極とが、ともに絶縁層１６上に形成されているため、ハンダペーストを印刷する印刷版２１との距離も均一となり、同図（Ｂ）に示すように、スキージ２７を摺動させても印刷版２１の撓みもなく、良好な印刷品質を有する。

［コーティング処理］
また、第１、第２の電極１１，１２、発熱体引出電極１４及び外部接続電極１１ａ，１２ａ，１９ａ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、表面上には、Ｎｉ／Ａｕメッキ、Ｎｉ／Ｐｄメッキ、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕメッキ等のメッキ層２２が、メッキ処理等の公知の手法により形成されている。これにより、第１、第２の電極１１，１２及び発熱体引出電極１４は、酸化が防止され、可溶導体１５を確実に保持させることができる。また、第１、第２の電極１１，１２及び発熱体引出電極１４は、保護素子１をリフロー実装する場合に、可溶導体１５を接続する接続用ハンダ等の接合材２６が溶融することにより各電極が溶食（ハンダ食われ）されるのを防ぐことができる。同様に、外部接続電極１１ａ，１２ａ，１９ａは、保護素子１をリフロー実装する場合に、回路基板の接続端子に設けられた接続用ハンダ等が溶輸することにより各電極が溶食されるのを防ぐことができる。

また、第１、第２の電極１１，１２には、後述する可溶導体１５の溶融導体や可溶導体１５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。流出防止部２３を設けることにより、可溶導体１５の溶融導体が第１、第２の電極１１，１２及びスルーホールを介して外部接続電極１１ａ，１２ａに流入し、回路基板との接続状態を不安定化させ、あるいは溶融導体を介して周辺の回路と短絡する事態を防止することができる。

［可溶導体］
可溶導体１５は、発熱体１３の発熱により速やかに溶断されるいずれの金属を用いることができ、例えば、ハンダや、Ｓｎを主成分とするＰｂフリーハンダ等の低融点金属を好適に用いることができる。

また、可溶導体１５は、低融点金属と高融点金属とを含有してもよく、例えば図１（Ｂ）に示すように、ハンダ箔等の低融点金属１５ａをＡｇ等の高融点金属１５ｂでメッキ被覆することにより形成してもよい。低融点金属１５ａとしては、ハンダや、Ｓｎを主成分とするＰｂフリーハンダなどを用いることが好ましい。低融点金属１５ａ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１５ｂ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。

高融点金属１５ｂと低融点金属１５ａとを含有することによって、保護素子１をリフロー実装する場合に、リフロー温度が低融点金属１５ａの溶融温度を超えて、低融点金属１５ａが溶融しても、内層の低融点金属１５ａの外部への流出を抑制し、可溶導体１５の形状を維持することができる。したがって、保護素子１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１５は、溶断時も、低融点金属１５ａが溶融することにより、高融点金属１５ｂを溶食（ハンダ食われ）することで、高融点金属１５ｂの融点以下の温度で速やかに溶断することができる。なお、可溶導体１５は、定格を超える過電流が流れた場合にも、自己発熱（ジュール熱）によって溶断し、電流経路を遮断することができる。

可溶導体１５は、略矩形状に形成され、接続用ハンダ等の接合材２６により、第１、第２の電極１１，１２間にわたって搭載されるとともに、発熱体引出電極１４上に搭載されている。これにより、可溶導体１５は、第１、第２の電極１１，１２間にわたる通電経路を構成するとともに、発熱体引出電極１４を介して第１の発熱体電極１８、発熱体１３及び第２の発熱体電極１９へ至る発熱体１３への給電経路を構成する。

なお、可溶導体１５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１７が塗布されていることが好ましい。

また、保護素子１は、絶縁基板１０上に内部を保護するカバー部材２０が取り付けられている。スイッチ素子１は、絶縁基板１０がカバー部材２０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２０は、保護素子１の側面を構成する側壁２４と、保護素子１の上面を構成する天面部２５とを有し、側壁２４が絶縁基板１０上に接続されることにより、保護素子１の表面１０ａ上を覆う蓋体となる。このカバー部材２０は、例えば、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。

［保護素子の回路構成］
次いで、保護素子１の使用方法について説明する。図４に示すように、上述した保護素子１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。バッテリパック３０は、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の正極端子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５に示すような回路構成を有する。すなわち、保護素子１は、発熱体引出電極１４を介して直列接続された可溶導体１５と、可溶導体１５を介して通電され発熱することによって可溶導体１５を溶融する発熱体１３とからなる回路構成である。また、保護素子１の第１、第２の電極１１，１２は、それぞれ外部接続端子１１ａ，１２ａを介して、一方は、バッテリスタック３５の開放端に接続され、他方は、バッテリパック３０の正極端子３０ａに接続される。これにより、保護素子１は、可溶導体１５が充放電電流経路上に直列接続される。また、保護素子１は、第１の発熱体電極１９の外部接続電極１９ａを介して発熱体１３が電流制御素子３７と接続される。また、発熱体引出電極１４は第１の発熱体電極１８を介して発熱体１３に接続される。

これにより、発熱体１３は、一端を第１の発熱体電極１８及び発熱体引出電極１４を介して可溶導体１５と接続され、他端を第２の発熱体電極１９を介して電流制御素子３７と接続され、この電流制御素子３７によって通電が制御されている。

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１３に通電するよう電流を制御する。発熱体１３への給電経路には、バッテリスタック３５から、第１の電極１１、可溶導体１５及び発熱体引出電極１４を介して電流が流れ、これにより発熱体１３が発熱を開始する。保護素子１は、発熱体１３の発熱により可溶導体１５を溶断し、バッテリパック３０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１は、発熱体１３によって発熱体引出電極１４及び第１、第２の電極１１，１２が加熱されることから、可溶導体１５が各電極１１，１２，１４上において溶融する。可溶導体１５の溶融導体は、濡れ性の高い発熱体引出電極１４及び第１、第２の電極１１，１２に引き寄せられて溶断される。このように、保護素子１は、発熱体引出電極１４及び第１、第２の電極１１，１２上に溶融導体を保持することができるため、溶融導体を保持する容量が増加され、確実に第１の電極１１〜発熱体引出電極１４〜第２の電極１２の間を溶断させることができる。

また、保護素子１は、発熱体１３が発熱体引出電極１４のみならず、第１、第２の電極１１，１２と重畳するように広域にわたって形成されているため、熱分布が広がりピークも下がることから、発熱体１３に対する熱衝撃も緩和される。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１５を大型化するとともに、発熱体１３の電力を増大させた場合にも、発熱体１３に割れが生じることかなく、安定した発熱動作を奏する。

さらに保護素子１は、発熱体１３によって発熱体引出電極１４及び第１、第２の電極１１，１２が加熱されることから、可溶導体１５が各電極１１，１２，１４上において溶融する。これにより、保護素子１は、第１の電極１１と発熱体引出電極１４との間、及び第２の電極１２と発熱体引出電極１４との間にそれぞれ溶融導体の濡れ性によって凝集力が作用し、より速やかに可溶導体１５を溶断させることができる。

また、可溶導体１５は、低融点金属１５ａと高融点金属１５ｂとを積層形成することにより、低融点金属１５ａによる高融点金属１５ｂの侵食作用によって、高融点金属１５ｂの融点に至る前の低い温度で溶断することができ、より速やかに溶断することができる。なお、可溶導体１５が溶断することにより、発熱体１３への給電も停止される。

なお、本発明の保護素子１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。

また、保護素子１は、発熱体１３の発熱により可溶導体１５が溶断する他、外部回路が過電流となった場合に、可溶導体１５が自己発熱（ジュール熱）により溶断することで、外部回路を遮断することができる。

なお、保護素子１は、第１、第２の電極１１，１２の面積が発熱体引出電極１４の面積よりも広く形成されていてもよい。これにより、保護素子１は、可溶導体１５が各電極１１，１２，１４上において溶融するとともに、第１、第２の電極１１，１２上により多くの溶融導体を凝集、保持させることができる。このとき、保護素子１は、相対的に広面積とされた第１、第２の電極１１，１２からの凝集力が大きく作用して可溶導体１５が溶断されることから、より速やかに第１の電極１１〜発熱体引出電極１４〜第２の電極１２の間を溶断させることができる。

また、保護素子１は、図６に示すように、発熱体１３を、第１の電極１１と重畳する第１の領域１３ａと、第２の電極１２と重畳する第２の領域１３ｂと、発熱体引出電極１４と重畳する第３の領域１３ｃとを有し、第１、第２の領域１３ａ，１３ｂが第３の領域１３ｃよりも広面積となるように形成してもよい。

これにより、保護素子１は、第１、第２の電極１１，１２が発熱体引出電極１４よりも早期に熱せられ、第１、第２の電極１１，１２上に多くの可溶導体を凝集させるとともに、第１、第２の電極１１，１２からの凝集力が大きく作用し、可溶導体１５の溶融導体を分断させ、より速やかに第１の電極１１〜発熱体引出電極１４〜第２の電極１２の間を溶断させることができる。

また、保護素子１は、図７に示すように、カバー部材２０の天面部２５の内面側に、カバー部電極２８を設けてもよい。カバー部電極２８は、第１の電極１１及び第２の電極１２と重畳する位置に形成されている。これにより、このカバー部電極２８は、発熱体１３が発熱し、可溶導体１５が溶融されると、第１、第２の電極１１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、溶融導体を保持する許容量を増加させ、より確実に第１、第２の電極１１，１２を遮断させることができる。なお、カバー部電極２８は、第１の電極１１及び第２の電極１２の一方と重畳する位置にのみ形成してもよく、また、発熱体引出電極１４と重畳する位置にも形成してもよい。

また、保護素子１は、図８に示すように、カバー部材２０の天面部２５の内面側に、フラックス１７を保持する保持部２９を設けてもよい。保持部２９は、天面部２５から内側に突出する凸部であり表面張力によってフラックスを所定の位置に保持するものである。保持部２９は、例えば円筒状、円柱状等、張力によってフラックス１７を可溶導体１５との間で保持できる種々の形状を用いることができる。また、保持部２９は、第１の電極１１及び第２の電極１２と重畳する位置に形成されている。これにより、保持部２９は、第１の電極１１及び第２の電極１２上に搭載されている可溶導体１３との間でフラックス１７を保持し、第１の電極１１及び第２の電極１２上における濡れ性を向上して可溶導体１５の溶融導体を引き込みやすくすることができる。なお、保持部２９は、第１の電極１１及び第２の電極１２の一方と重畳する位置にのみ形成してもよく、また、発熱体引出電極１４と重畳する位置にも形成してもよい。

また、発熱体１３は、絶縁基板１０の表面１０ａに形成される他、図９に示すように、絶縁基板１０の裏面１０ｂに設けられてもよい。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。

図９に示す保護素子５０は、発熱体１３が絶縁基板１０の裏面１０ｂに形成されるとともに、絶縁基板１０を介して第１、第２の電極１１，１２及び発熱体引出電極１４と重畳されている。また、発熱体１３は、絶縁基板１０の裏面１０ｂにおいて絶縁層１６に被覆されている。

発熱体１３への給電端子となる第２の発熱体電極１９も同様に絶縁基板１０の裏面１０ｂに形成される。第１の発熱体電極１８は、絶縁基板１０の表面１０ａに設けられた上層部１８ａと、裏面１０ｂに設けられた図示しない下層部とを有し、上層部１８ａと下層部とが導電スルーホールを介して連続されている。第１の発熱体電極１８は、上層部１８ａが発熱体引出電極１４と接続され、下層部が発熱体１３と接続されている。

第１、第２の電極１１，１２及び発熱体引出電極１４は、絶縁基板１０の表面１０ａ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。

また、図１０に示すように、発熱体１３は、絶縁基板１０の内部に設けられてもよい。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。

図１０に示す保護素子６０は、発熱体１３が絶縁基板１０の内部に形成されるとともに、絶縁基板１０を介して第１、第２の電極１１，１２及び発熱体引出電極１４と重畳されている。なお、保護素子６０においては、発熱体１３は、絶縁層１６に被覆されている必要はない。

第１の発熱体電極１８は、絶縁基板１０の表面１０ａに設けられた上層部１８ａと、絶縁基板１０の内部に設けられた図示しない下層部とを有し、上層部１８ａと下層部とが導電スルーホールを介して連続されている。第１の発熱体電極１８は、上層部１８ａが発熱体引出電極１４と接続され、下層部が発熱体１３と接続されている。

発熱体１３への給電端子となる第２の発熱体電極１９は、発熱体１３と同様に絶縁基板１０の内部に形成され、発熱体１３と接続されるとともに、絶縁基板１０の裏面１０ｂに形成された外部接続電極１９ａと、導電スルーホールを介して接続されている。

第１、第２の電極１１，１２及び発熱体引出電極１４は、絶縁基板１０の表面１０ａ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。

これら保護素子５０，６０によれば、保護素子１と同様に、第１、第２の電極１１，１２が、絶縁基板１０を介して発熱体１３と重畳されているため、発熱体１３が発熱すると、第１、第２の電極１１，１２及び第１、第２の電極１１，１２上に搭載されている可溶導体１５の両端部も加熱される。したがって、保護素子５０，６０は、発熱体引出電極１４のみならず、第１、第２の電極１１，１２上にも溶融導体を凝集させることができ、可溶導体１５が大型化された場合にも、溶融導体を保持する容量を増加させることができ、確実に第１、第２の電極１１，１２間を溶断することができる。また、保護素子５０，６０は、第１、第２の電極１１，１２上にも溶融導体を凝集、保持させることで溶融導体を保持する容量を増加させ、可溶導体１５の溶断後における高い絶縁抵抗を維持することができる。

また、保護素子５０，６０は、発熱体１３を発熱体引出電極１４及び第１、第２の電極１１，１２と重畳する位置に形成することにより、高い電流を印加した場合にも発熱体１３に対する熱衝撃を緩和させることができ、発熱体１３の物理的な破損を防止して、安定した発熱動作を奏する。すなわち、保護素子１は、発熱体１３を発熱体引出電極１４のみならず、第１、第２の電極１１，１２と重畳するように広域にわたって形成することにより、熱分布が広がりピークも下がることから、発熱体１３に対する熱衝撃も緩和される。したがって、保護素子５０，６０によれば、大電流容量に対応するために可溶導体１５を大型化するとともに、発熱体１３の電力を増大させた場合にも、発熱体１３に割れが生じることかなく、安定した発熱動作を奏する。

さらに、保護素子５０，６０は、発熱体引出電極１４と第１、第２の電極１１，１２との間で、可溶導体１５の溶融導体を凝集させる力が掛かるため、速やかに可溶導体１５を溶断し、第１、第２の電極１１，１２間を遮断することができる。

また、保護素子５０，６０は、絶縁基板１０として、セラミックス基板等の熱伝導性に優れたものを用いることにより、発熱体１３を第１、第２の電極１１，１２の設けられた表面１０ａに形成した場合と同等に加熱することができるため好適である。

また、保護素子５０，６０は、第１、第２の電極１１，１２、発熱体引出電極１４を、絶縁基板１０の平坦な表面１０ａ上にペースト状の電極材料を印刷することにより形成でき、簡易且つ精度よく製造することができる。

［第１の実施例］
次いで、発熱体のサイズに応じた耐性を比較した第１の実施例について説明する。第１の実施例では、発熱体１３のサイズを変えた複数の保護素子を用意し、それぞれ２５Ｗ及び３０Ｗの電力を印加したときの発熱体１３が破壊されるまでの時間を測定した。測定に係る各保護素子は、いずれも絶縁基板１０の表面１０ａ上に発熱体１３（材料：酸化ルテニウム系抵抗ペースト）を形成し、ガラス層１６によって被覆している。

サンプル１では、発熱体１３のサイズを１．０×２．５ｍｍとした（図１１（Ａ））。サンプル２では、発熱体１３のサイズを１．０×１．２５ｍｍとした（図１１（Ｂ））。サンプル３では、発熱体１３のサイズを０．４×０．１ｍｍとした（図１１（Ｃ））。

表１に示すように、発熱体１３のサイズを小さくしていくにつれて、破壊されるまでの時間が短くなっていくことが分かる。すなわち、発熱体１３はサイズが大きいほど熱衝撃に対する耐性が向上されることが分かる。したがって、本発明に係る保護素子は、発熱体を発熱体引出電極のみならず第１、第２の電極上まで広く形成することにより、高い電流を印加した場合にも発熱体に対する熱衝撃を緩和させることができ、確実に可溶導体を溶断させることができる。

［第２の実施例］
次いで、発熱体のサイズに応じた溶断特性を比較した第２の実施例について説明する。第２の実施例では、発熱体１３のサイズを変えた複数の保護素子を用意し、それぞれ３０Ｗ及び３５Ｗの電力を印加したときの可溶導体の溶断時間を測定した。測定に係る各保護素子は、いずれも絶縁基板１０の表面１０ａ上に発熱体１３（材料：酸化ルテニウム系抵抗ペースト）を形成し、ガラス層１６によって被覆している。

サンプル４では、発熱体１３のサイズを１．０×２．３ｍｍとした（図１２（Ａ））。サンプル５では、発熱体１３のサイズを１．０×１．５ｍｍとした（図１２（Ｂ））。

表１に示すように、発熱体１３のサイズが大きいサンプル４では、発熱体１３のサイズが小さいサンプル５に比して溶断時間が短いことが分かる。すなわち、発熱体１３はサイズが大きいほど可溶導体を速やかに溶断させることができることが分かる。したがって、本発明に係る保護素子は、発熱体を発熱体引出電極のみならず第１、第２の電極上まで広く形成することにより、より速やかに可溶導体を溶断させることができる。

１ 保護素子、１０ 絶縁基板、１１ 第１の電極、１２ 第２の電極、１３ 発熱体、１４ 発熱体引出電極、１５ 可溶導体、１６ 絶縁部材、１７ フラックス、１８ だ１の発熱体電極、１９ 第２の発熱体電極、２０ カバー部材、２１ 印刷版、２２ メッキ層、２３ 流出防止部、２４ 側壁、２５ 天面部、２６ 接合材、２７ スキージ、２８ カバー部電極、２９ 保持部、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

Claims (9)

1. 絶縁基板と、
   上記絶縁基板上に、離間して形成された第１の電極及び第２の電極と、
   上記絶縁基板に形成された発熱体と、
   上記発熱体と連続し、上記第１、第２の電極間に形成された発熱体引出電極と、
   上記第１、第２の電極及び上記発熱体引出電極に搭載され、上記第１、第２の電極間を導通させる可溶導体とを備え、
   上記発熱体は、上記第１、第２の電極及び上記発熱体引出電極と重畳されている保護素子。
2. 上記第１、第２の電極は、上記発熱体引出電極よりも広面積である請求項１に記載の保護素子。
3. 上記発熱体は、上記第１の電極と重畳する第１の領域と、上記第２の電極と重畳する第２の領域と、上記発熱体引出電極と重畳する第３の領域とを有し、上記第１、第２の領域が上記第３の領域よりも広面積である請求項１又は２に記載の保護素子。
4. 上記絶縁基板上に設けられ、内部を保護するカバー部材を備え、
   上記カバー部材は、上記第１及び第２の電極と重畳する位置に、カバー部電極が設けられている請求項１〜３のいずれか１項に記載の保護素子。
5. 上記絶縁基板上に設けられ、内部を保護するカバー部材を備え、
   上記カバー部材は、上記第１及び第２の電極と重畳する位置に、上記可溶導体との間にフラックスを保持する保持部が設けられている請求項１〜３のいずれか１項に記載の保護素子。
6. 上記発熱体は、上記絶縁基板の表面に形成され、絶縁層を介して上記第１、第２の電極及び上記発熱体引出電極と重畳されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の保護素子。
7. 上記発熱体は、上記絶縁基板の表面に形成された絶縁層の内部に形成され、上記絶縁層を介して上記第１、第２の電極及び上記発熱体引出電極と重畳されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の保護素子。
8. 上記発熱体は、上記絶縁基板の裏面に形成され、上記絶縁基板を介して上記第１、第２の電極及び上記発熱体引出電極と重畳されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の保護素子。
9. 上記発熱体は、上記絶縁基板の内部に形成され、上記絶縁基板を介して上記第１、第２の電極及び上記発熱体引出電極と重畳されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の保護素子。

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