JP2016035816A - 保護素子及び保護回路 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化、高定格化を図るとともに、発熱体引出電極を省略した場合にも溶断特性を維持できる保護素子を提供する。
【解決手段】第１、第２の電極１１，１２が設けられた絶縁基板１０と、第１、第２の電極１１，１２に支持され、第１、第２の電極１１，１２間を短絡させる第１の可溶導体１３と、第１の電極１１と第２の電極１２との間の領域１５に設けられ、通電により発熱し第１の可溶導体１３を溶断する発熱体１４とを有し、第１の可溶導体１３は、第１、第２の電極１１，１２間の領域１５において発熱体１４と重畳され、低融点金属１３ａの少なくとも一面に低融点金属１３ａよりも融点の高い高融点金属１３ｂが被覆されることにより溶融導体の濡れ性が向上されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、保護素子及び保護回路に関し、特に小型化を図るとともに、定格の向上が図られた保護素子及び保護回路に関する。

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１６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１６（Ｂ）は、図１６（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。

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られていたが、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から、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等、幅広い分野での採用が検討され、一部採用が開始されている。これらの用途において、大電流容量にも対応した保護素子の実現が望まれている。

一方で、保護素子は、実装される電子機器の小型化に伴い、さらなる小型化が求められている。そのため、可溶導体の短縮による小型化も検討されているが、可溶導体の小型化は保護素子の定格に直結することから、大電流用途への対応を考慮すると限界もある。

また、発熱体引出電極を省略することでの小型化も検討されているが、可溶導体が第１、第２の電極間に直接支持されることにより溶断特性が悪化する恐れがある。すなわち、可溶導体は、素子の定格の向上を図る上で小型化にも一定の限度があり、また、長さが長いほど溶断しやすくなることから、速溶断性や溶断後における絶縁性を確保する観点から、第１、第２の電極間の距離、及び第１、第２の電極間にわたされる可溶導体は、発熱体引出電極を省略した場合にもある程度の長さを備える必要がある。

しかし、溶融導体の集電極として機能していた発熱体引出電極を省略した場合、溶融導体が発熱体の直上に位置する第１、第２の電極間の領域に滞留してしまい、第１、第２の電極間を遮断できない恐れもある。

そこで、本発明は、小型化、高定格化を図るとともに、発熱体引出電極を省略した場合にも溶断特性を維持できる保護素子及び保護回路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、第１、第２の電極が設けられた絶縁基板と、上記第１、第２の電極に支持され、該第１、第２の電極間を短絡させる第１の可溶導体と、上記第１の電極と上記第２の電極との間の領域に設けられ、通電により発熱し上記第１の可溶導体を溶断する発熱体とを有し、上記第１の可溶導体は、上記第１、第２の電極間の領域において上記発熱体と重畳され、低融点金属の少なくとも一面に該低融点金属よりも融点の高い高融点金属が被覆されることにより溶融導体の濡れ性が向上されているものである。

また、本発明に係る保護回路は、外部回路と接続された第１、第２の端子と、上記第１の端子と第２の端子とを接続するヒューズとを備えた通電回路と、発熱により上記ヒューズを溶断する発熱体を備え、上記発熱体へ給電する給電回路とを備え、上記給電回路は、上記発熱体への通電を制御する制御部に接続されているものである。

本発明によれば、第１の可溶導体は、低融点金属の表面を被覆する高融点金属によって、表面の溶融導体に対する濡れ性が向上され、溶融導体を引き込む流路として機能する。したがって、第１の可溶導体は、発熱体によって加熱され、中央部から溶融が開始されると、溶融導体が高融点金属の表面に乗りあがって第１、第２の電極側へ順次流れていく。これにより、第１の可溶導体は、溶融導体が高温の発熱体上に凝集して絶縁領域上に滞留することなく、第１、第２の電極側に分離して、確実に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の内部を示す平面図である。 図２は、保護素子の溶断工程を示す断面図であり、（Ａ）は発熱前、（Ｂ）は発熱開始時、（Ｃ）は溶断後の状態を示す。 図３は、保護素子の回路図であり、（Ａ）は可溶導体の溶断前、（Ｂ）は可溶導体の溶断後の状態を示す。 図４は、保護素子を用いた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、保護素子を用いたバッテリパックの回路構成の一例を示す図である。 図６は、発熱体と第１の電極とを接続した保護素子を示す図であり、（Ａ）は保護素子の内部を示す平面図、（Ｂ）は回路図である。 図７は、発熱体を絶縁基板の裏面に設けた保護素子を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は底面図である。 図８は、発熱体を絶縁基板の内部に設けた保護素子を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は底面図である。 図９は、第２の可溶導体及び中間電極を設けた保護素子を示す図であり、（Ａ）は保護素子の内部を示す平面図、（Ｂ）は回路図である。 図１０は、第２の可溶導体と発熱体とを接続した保護素子を示す図であり、（Ａ）は保護素子の内部を示す平面図、（Ｂ）は回路図である。 図１１は、カバー部材にフラックスを保持する保持部を設けた保護素子を示す断面図である。 図１２は、カバー部材に溶融導体を保持するカバー部電極を設けた保護素子を示す断面図である。 図１３は、可溶導体の変形例を示す斜視図である。 図１４は、図１３に示す可溶導体を用いた保護素子の内部を示す平面図である。 図１５は、図１３に示す可溶導体を用いた他の保護素子の内部を示す平面図である。 図１６は、従来の保護素子を示す図であり、（Ａ）は保護素子の内部を示す平面図、（Ｂ）は断面図である。

以下、本発明が適用された保護素子及び保護回路について、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は、図１、図２に示すように、第１、第２の電極１１，１２が設けられた絶縁基板１０と、第１、第２の電極１１，１２に支持され、第１、第２の電極１１，１２間を導通させる第１の可溶導体１３と、第１の電極１１と第２の電極１２との間の領域に設けられ、通電により発熱し第１の可溶導体を溶断する発熱体１４とを有する。

［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を用いて略方形状に形成されている。絶縁基板１０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、第１の可溶導体１３の溶断時の温度に留意する必要がある。

［第１、第２の電極］
絶縁基板１０の表面１０ａには、第１、第２の電極１１，１２が形成されている。第１、第２の電極１１，１２は、Ａｇペースト等の高融点金属ペーストの印刷・焼成等により、絶縁基板１０の相対向する一対の側縁部１０ｃ，１０ｄにそれぞれ形成され、所定の距離を隔てて近接配置されることにより開放されている。第１、第２の電極１１，１２は、後述する第１の可溶導体１３が搭載されることにより導通され、発熱体１４の発熱により第１の可溶導体１３が溶断されることにより遮断される。

第１、第２の電極１１，１２は、それぞれ、スルーホールを介して絶縁基板１０の裏面１０ｂに設けられた第１、第２の外部接続端子１１ａ，１２ａと接続されている。第１、第２の電極１１，１２は、これら第１、第２の外部接続端子１１ａ，１２ａを介してバッテリ回路等の保護素子１によって不可逆的に導通経路が遮断される外部回路と接続される。これにより、保護素子１は、第１の電極１１〜第１の可溶導体１３〜第２の電極１２に至る通電経路が、保護素子１が実装される回路基板上に形成された外部回路の一部に組み込まれる。

なお、保護素子１が組み込まれる外部回路は、保護素子１が実装される電子機器の電流ラインであり、例えばリチウムイオン二次電池のバッテリパックにおけるバッテリ回路、各種電子機器の電源回路や信号回路等、物理的な電流経路の遮断が求められるあらゆる回路に適用することができる。

［発熱体］
発熱体１４は、絶縁基板１０の第１、第２の電極１１，１２が設けられた表面１０ａに積層され、絶縁部材１７に覆われている。発熱体１４は、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１０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。

また、発熱体１４は、図１に示すように、絶縁基板１０の表面１０ａに形成された第１の電極１１と第２の電極１２との間の絶縁領域１５に、一対の側縁部１０ｅ，１０ｆ方向に亘って形成されている。これにより発熱体１４は、絶縁部材１７を介して、後述する第１、第２の電極１１，１２間にわたされる第１の可溶導体１３が重畳される。これにより、保護素子１は、第１の電極１１と第２の電極１２との間の絶縁領域１５の中央部が発熱体１４の発熱中心Ｃとなり、当該絶縁領域１５上に配置された第１の可溶導体１３の略中央から溶融が開始される。

［発熱中心］
ここで、発熱体１４の発熱中心とは、発熱体１４が発熱することにより発現する熱分布のうち、発熱初期の段階で最も高温となる領域をいう。発熱体１４より発せられる熱は絶縁基板１０からの放熱量が最も多く、絶縁基板１０を、耐熱衝撃性に優れるが熱伝導率も高いセラミックス材料により形成した場合などには、絶縁基板１０に熱が拡散してしまう。そのため、発熱体１４は通電が開始された発熱初期の段階では、絶縁基板１０と接する外縁から最も遠い中心が最も熱く、絶縁基板１０と接する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、図１に示すように、保護素子１は、第１の電極１１と第２の電極１２との間の絶縁領域１５に発熱体１４を形成するとともに、絶縁領域１５上を跨いで第１、第２の電極１１，１２間にわたって第１の可溶導体１３を配置することにより、第１の可溶導体１３の略中央部が発熱体１４の発熱中心に重畳される。したがって、第１の可溶導体１３は、発熱体１４の発熱初期において、略中央部から熱せられ、溶融が開始され、順次第１、第２の電極１１，１２側に向かって溶融していく。このとき、後述するように、第１の可溶導体１３は、自身の溶融導体に対する濡れ性が向上されていることから、溶融導体が乗りあがって第１、第２の電極１１，１２側に向かって流れるため、絶縁領域１５に滞留することなく、確実に溶断される（図２（Ｂ）（Ｃ）参照）。

発熱体１４を覆う絶縁部材１７は、例えばガラスを用いることができる。保護素子１は、発熱体１４を絶縁部材１７で覆うことにより、発熱体１４の熱を効率良く第１の可溶導体１３に伝えることができる。なお、保護素子１は、発熱体１４と絶縁基板１０の表面１０ａとの間にも絶縁部材１７を積層しても良い。

発熱体１４は、一端が第１の発熱体電極１８に接続され、他端が第２の発熱体電極１９に接続されている。第１の発熱体電極１８は、絶縁基板１０の側縁部１０ｅに形成され、第２の発熱体電極１９は、絶縁基板１０の側縁部１０ｆ側に形成されている。

第１、第２の発熱体電極１８，１９は、絶縁基板１０の表面１０ａに形成されるとともに、それぞれ絶縁基板１０の裏面１０ｂに形成された第１、第２の給電端子１８ａ，１９ａと接続されている。第１、第２の発熱体電極１８，１９は、これら第１、第２の給電端子１８ａ，１９ａを介して保護素子１の作動時に発熱体１４に給電する外部回路と接続される（図４参照）。

［第１の可溶導体］
第１の可溶導体１３は、発熱体１４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、Ｓｎを主成分とするＰｂフリーハンダ等の低融点金属１３ａを好適に用いることができる。

また、第１の可溶導体１３は、低融点金属１３ａの少なくとも一面、好ましくは全面に、低融点金属１３ａよりも融点の高い高融点金属１３ｂが被覆されることにより、溶融導体の濡れ性が向上されている。高融点金属１３ｂとしては、Ａｇ、Ｃｕ又はこれらを主成分とする合金などを用いることが好ましい。第１の可溶導体１３は、低融点金属１３ａの表面を被覆する高融点金属１３ｂによって、表面の溶融導体に対する濡れ性が向上され、溶融導体を引き込む流路として機能する。したがって、第１の可溶導体１３は、発熱体１４によって加熱され、中央部から溶融が開始されると、図２（Ｂ）に示すように、溶融導体が高融点金属１３ｂの表面に乗りあがって第１、第２の電極１１，１２側へ順次流れていく。これにより、図２（Ｃ）に示すように、第１の可溶導体１３は、溶融導体が高温の発熱体１４上に凝集して絶縁領域１５上に滞留することなく、第１、第２の電極１１，１２側に分離して、確実に遮断することができる。また、溶融導体が第１、第２の電極側に流れることから、溶断後においても第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、第１の可溶導体１３は、高融点金属１３ｂと低融点金属１３ａとを含有することによって、短絡素子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１３ａの溶融温度を超えて、低融点金属１３ａが溶融しても、低融点金属１３ａの外部への流出を抑制し、第１の可溶導体１３の形状を維持することができる。また、溶断時も、低融点金属１３ａが溶融することにより、高融点金属１３ｂを溶食（ハンダ食われ）することで、高融点金属１３ｂの融点以下の温度で速やかに溶断することができる。

また、第１の可溶導体１３の酸化防止、及び溶融時における濡れ性を向上させるために、第１の可溶導体１３の上部及び／又は下部にはフラックス２０が塗布されていることが好ましい。

［カバー部材］
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２１が取り付けられている。保護素子１は、絶縁基板１０がカバー部材２１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２１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２１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。

［回路構成］
次いで、保護素子１の回路構成について説明する。図３に保護素子１の回路図を示す。図４に、保護素子１が適用された保護回路の一例としてバッテリパック３０の回路構成例を示す。図３に示すように、保護素子１は、第１、第２の電極１１，１２と接続されるとともに外部回路との接続端子となる第１、第２の外部接続端子１１ａ，１２ａが、第１の可溶導体１３（ヒューズ）を介して接続され、これにより外部回路の通電経路の一部を構成する通電回路２を有する。また、保護素子１は、第１、第２の発熱体電極１８，１９と接続されるとともに発熱体１４へ給電する外部回路との接続端子となる第１、第２の給電端子１８ａ，１９ａが発熱体１４（抵抗体）の両端に接続され、これにより、給電回路３を有する。このような保護素子１は、通電回路１と給電回路３とが電気的に分離され、発熱体１４の発熱により第１の可溶導体１３が溶融することから、熱的に接続されている。また、保護素子１は、給電回路３が、発熱体１４への通電を制御する電流制御素子３７及び電流制御素子３７の動作を制御する第２の制御部４１を備える第２の充放電制御回路４１と接続される。

例えば保護素子１は、図４に示すように、例えばリチウムイオン二次電池のバッテリパック３０内の回路に組み込まれて用いられる。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第１の制御部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の電圧異常に応じて保護素子１を作動させる第２の制御部４１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。

第１の制御部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４２、４３の動作を制御する。電流制御素子４２、４３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、第１の制御部４０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。第１の制御部４０は、充電装置４５から電力供給を受けて動作し、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４２、４３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の充放電電流経路上に接続され、その動作が第２の制御部４１によって制御される。

第２の制御部４１は、各バッテリセル３１〜３４の電圧値を検出し、過充電等の異常電圧の際には第１の制御部４０とは独立して保護素子１を作動させることにより充放電経路を遮断する。第２の制御部４１は、保護素子１の給電回路３と接続され第２の制御部４１の検出結果に応じて保護素子１の給電回路３への通電動作を制御するスイッチ素子となる電流制御素子３７と接続され、バッテリセル３１〜３４の異常電圧に応じて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、第２の制御部４１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、給電回路３へ通電させて、バッテリスタック３５の充放電電流経路を電流制御素子４２、４３のスイッチ動作によらず遮断するように制御する。

保護素子１は、バッテリパック３０の回路に実装されることにより、第１の可溶導体１３の一端が搭載される第１の電極１１が、外部接続端子１１ａを介して充放電電流経路の一端と接続され、第１の可溶導体１３の他端が搭載される第２の電極１２が、外部接続端子１２ａを介して充放電電流経路の他端と接続される。これにより、第１の可溶導体１３は、第１、第２の電極１１，１２の各外部接続端子１１ａ，１２ａを介して、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１８が第１の給電端子１８ａを介して充放電電流経路と接続され、第２の発熱体電極１９が第２の給電端子１９ａを介して電流制御素子３７と接続される。これにより、発熱体１４への給電経路３は、第２の給電端子１９ａと接続された電流制御素子３７によって通電が制御されている。

第２の制御部４１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１４に通電するよう電流を制御する。給電回路３には、バッテリスタック３５から、第１の給電端子１８ａ及び第１の発熱体電極１８を介して電流が流れ、これにより発熱体１４が発熱を開始する。保護素子１は、発熱体１４の発熱により第１の可溶導体１３を溶断する。

これにより、保護素子１は、図３（Ｂ）に示すように、第１、第２の電極１１，１２間を接続する第１の可溶導体１３が溶断することによりバッテリパック３０の充放電電流経路を遮断する。このとき、上述したように、第１の可溶導体１３は、低融点金属の表面を被覆する高融点金属によって、表面の溶融導体に対する濡れ性が向上され、溶融導体を引き込む流路として機能する。したがって、第１の可溶導体１３は、発熱体１４によって加熱され、中央部から溶融が開始されると、溶融導体が高融点金属表面に乗りあがって第１、第２の電極１１，１２側へ順次流れていく（図２（Ｂ）（Ｃ））。これにより、第１の可溶導体１３は、溶融導体が発熱体１４の上部に凝集し絶縁領域１５上に滞留することなく、第１、第２の電極１１，１２側に分離して、確実に遮断することができる。また、溶融導体が第１、第２の電極側に流れることから、溶断後においても第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。

第２の制御部４１にはタイマーがセットされ、発熱体１４の給電回路３へ、第１の可溶導体１３を溶断できる十分な所定の時間だけ通電される。したがって、保護素子１は、第１の可溶導体１３が溶断した後に、発熱体１４の発熱が停止される。

なお、第２の制御部４１は、バッテリセル３１〜３４又はバッテリスタック３５の電圧に応じて、発熱時間を可変させてもよい。例えば、バッテリセル３１〜３４又はバッテリスタック３５の電圧が低下している場合には発熱体１４への通電時間を長くとることで、確実に第１の可溶導体１３を遮断する熱量を確保することができる。

なお、本発明の遮断素子は、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。

このような保護素子１によれば、第１の電極１１と第２の電極１２とを直接対向配置させ、第１の可溶導体１３を第１、第２の電極１１，１２間にわたって搭載しているため、発熱体引出電極を介して第１、第２の電極を対向させている従来の構成に比べて、素子全体の小型化を図ることができる。

また、保護素子１は、第１の可溶導体１３のサイズを必要以上に小型化せず、必要な定格を確保している。かつ、保護素子１は、第１の可溶導体１３の表面の濡れ性を向上させることにより溶融導体を順次第１、第２の電極１１，１２側へ引き込むことで、狭小化された第１、第２の電極１１，１２間の絶縁領域に溶融導体が滞留することを防止し、確実に第１、第２の電極１１，１２を遮断することができる。

なお、保護素子１は、発熱体１４の発熱により第１の可溶導体１３が溶断する他、外部回路が過電流となった場合に、第１の可溶導体１３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。

［変形例］
また、図５に示すように、第２の制御部４１から高出力（例えば１００ｍＷ以上）の信号を出力できる場合には、保護素子１は、第１の給電端子１８ａと第２の制御部４１とを接続し、第２の給電端子１９ａをバッテリスタック３５の負極端子側の開放端に接続してもよい。

図５に示す構成では電流制御素子３７が不要となる。また、保護素子１は、上述した第１、第２の電極１１，１２及び第１の可溶導体１３が接続された通電回路２と、第１の可溶導体１３を加熱、溶断する発熱体１４へ給電する給電回路３とが熱的に接続され、電気的には独立されている。したがって、図５に示す保護回路においては、バッテリパック３０のパワーラインである充放電電流経路と、給電回路３上に設けられ発熱体１４への給電を制御する第２の制御部４１とが電気的に分離されているため、大電流の流入による第２の制御部４１の破壊等の危険がない。

［３端子構成］
また、本発明が適用された保護素子は、発熱体１４と第１、第２の電極１１，１２の一方とを接続してもよい。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。

例えば図６に示すように、この保護素子５０は、第１の発熱体電極１８及び第１の給電端子１８ａが設けられておらず、発熱体１４の一端が第１の電極１１と接続され、発熱体１４の他端が第２の発熱体電極１９と接続されている。保護素子５０において、発熱体１４は、第１の外部接続端子１１ａ及び第１の電極１１を介して充放電電流経路に接続され、給電される。

［発熱体位置］
また、保護素子１は、発熱体１４を絶縁基板１０の表面１０ａに形成する他に、図７に示すように、絶縁基板１０の裏面１０ｂに形成してもよい。この場合、発熱体１４は、絶縁基板１０の表面１０ａに形成された第１、第２の電極１１，１２間の絶縁領域１５の裏側に形成されるとともに、絶縁基板１０の裏面１０ｂにおいて絶縁部材１７に被覆されている。また、発熱体１４と接続される第１、第２の発熱体電極１８，１９及び第１、第２の給電端子１８ａ，１９ａも、同様に絶縁基板１０の裏面１０ｂに形成されている。

保護素子１は、発熱体１５が絶縁基板１０の裏面１０ｂに形成されることにより、絶縁基板１０の表面１０ａが平坦化され、これにより、第１、第２の電極１１，１２を表面１０ａ上に印刷等により一括して形成することができる。したがって、保護素子１は、第１、第２の電極１１，１２の製造工程を簡略化することができるとともに、低背化を図ることができる。

保護素子１は、発熱体１４を絶縁基板１０の裏面１０ｂに形成した場合にも、絶縁基板１０の材料としてファインセラミック等の熱伝導性に優れた材料を用いることにより、発熱体１４によって、絶縁基板１０の表面１０ａ上に形成した場合と同等に第１の可溶導体１３を加熱、溶断することができる。

また、保護素子１は、図８に示すように、発熱体１４を絶縁基板１０の内部に形成してもよい。この場合、発熱体１４を被覆する絶縁部材１７は設ける必要がない。また、発熱体１４を絶縁基板１０の内部に形成した場合にも、発熱体１４は、絶縁基板１０の表面１０ａに形成された第１、第２の電極１１，１２間の絶縁領域１５と重畳する位置に形成される。また、発熱体１４と接続される第１、第２の発熱体電極１８，１９は、絶縁基板１０の内部に形成され、絶縁基板１０の裏面１０ｂに形成された第１、第２の給電端子１８ａ，１９ａと図示しない導電スルーホールを介して接続される。

発熱体１４を絶縁基板１０の内部に形成することにより、保護素子１は、絶縁基板１０の表面１０ａが平坦化され、これにより、第１、第２の電極１１，１２を表面１０ａ上に印刷等により一括して形成することができる。したがって、保護素子１は、第１、第２の電極１１，１２の製造工程を簡略化することができるとともに、低背化を図ることができる。

保護素子１は、発熱体１４を絶縁基板１０の内部に形成した場合にも、絶縁基板１０の材料としてファインセラミック等の熱伝導性に優れた材料を用いることにより、発熱体１４によって、絶縁基板１０の表面１０ａ上に形成した場合と同等に第１の可溶導体１３を加熱、溶断することができる。

［第２の可溶導体］
また、本発明が適用された保護素子は、第２の可溶導体と、第１又は第２の発熱体電極と第２の可溶導体を介して接続された中間電極とを有し、発熱体１４の給電回路３を自動的に遮断してもよい。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。

この保護素子６０は、例えば図９に示すように、第２の可溶導体６１と、第１の発熱体電極１８と第２の可溶導体６１を介して接続された中間電極６２とを有する。第２の可溶導体６１は、上述した第１の可溶導体１３と同様に、発熱体１４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、Ｓｎを主成分とするＰｂフリーハンダ等の低融点金属にＡｇ、Ｃｕ又はこれらを主成分とする合金などの高融点金属が積層された積層体を用いることができる。

中間電極６２は、発熱体１４と第１の発熱体電極１８との間に設けられるものであり、第１、第２の電極１１，１２と同様に、Ａｇペースト等の高融点金属ペーストの印刷・焼成等により絶縁基板１０に形成される。中間電極６２は、発熱体１４の一端が接続されるとともに、第２の可溶導体６１を介して第１の発熱体電極１８と接続されている。すなわち、保護素子６０の給電回路３は、発熱体１４が直接第１の発熱体電極１８と接続されるのではなく、中間電極６２及び第２の可溶導体６１を介して第１の発熱体電極１８と接続される。

これにより、保護素子６０は、発熱体１４が発熱することによって第１の可溶導体１３が溶断した後、第２の可溶導体６１が溶断することにより、発熱体１４の給電回路３が遮断され、自動的に発熱を停止することができる。したがって、保護素子６０を用いることにより、第２の制御部４１にタイマー機能を備えることなく発熱体１４の発熱を停止することができる。

ここで、第２の可溶導体６１は、第１の可溶導体１３よりも遅れて溶断することが必要となる。第２の可溶導体６１が第１の可溶導体１３よりも先に溶断すると発熱体１４への給電が停止され第１の可溶導体１３を溶断することができないためである。

そこで、第２の可溶導体６１は、第１の可溶導体１３よりも発熱体１４から離間した位置に設けられていることが好ましい。これにより、第２の可溶導体６１は、第１の可溶導体１３に比して発熱体１４からの熱の伝達が遅れるため、第１の可溶導体１３の溶断後に溶断する。

また、保護素子６０は、図９に示すように、第１の可溶導体１３を発熱体１４に重畳させて配置するとともに、第２の可溶導体６１を発熱体１４からオフセットした位置に配置してもよい。

また、第２の可溶導体６１は、第１の可溶導体１３よりも融点を高くすることにより、第１の可溶導体１３よりも遅れて溶断するようにしてもよい。例えば、第２の可溶導体６１の材料として第１の可溶導体１３の材料よりも高融点の材料を用いる、又は第２の可溶導体６１の外層を構成する高融点金属の膜厚を厚く形成する等の方法により、第２の可溶導体６１の融点を第１の可溶導体１３の融点よりも高くすることができる。

なお、保護素子６０は、上述した保護素子１と同様に、発熱体１４が絶縁基板１０の表面１０ａに設けられていてもよく、裏面１０ｂに設けられていてもよい。

また、本発明が適用された保護素子は、第２の可溶導体を介して、第１又は第２の発熱体電極と発熱体１４とを接続し、発熱体１４の給電回路３を自動的に遮断してもよい。なお、以下の説明において、上述した保護素子１，６０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。

例えば、図１０に示すように、保護素子６５は、中間電極を用いることなく、発熱体１４と第１の発熱体電極１８とが第２の可溶導体６１を介して接続されている。この場合も、第２の可溶導体６１は、第１の可溶導体１３よりも融点を高くすることにより、第１の可溶導体１３よりも遅れて溶断させ、確実に第１の可溶導体１３を溶断することができる。

なお、保護素子６５は、上述した保護素子１と同様に、発熱体１４が絶縁基板１０の表面１０ａに設けられていてもよく、裏面１０ｂに設けられていてもよい。

［フラックス保持凸部］
また、保護素子１は、図１１に示すように、カバー部材２１の天面部２５の内面側に、フラックス２０を保持する保持部２６を設けてもよい。保持部２６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２６は、例えば円筒状、円柱状等、表面張力によってフラックス２０を第１の可溶導体１３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２６は、発熱体１４と第１、第２の電極１１，１２との間の絶縁領域１５の第１の電極１１側及び第２の電極１２側と重畳する位置に分離して形成されている。これにより、保持部２６は、第１の電極１１及び第２の電極１２間に搭載されている第１の可溶導体１３との間でフラックス２０の保持量を増加させ、第１の電極１１及び第２の電極１２側にかけて溶融導体の濡れ性を向上して第１の可溶導体１３の溶融導体を第１、第２の電極１１，１２側へ流しやすくすることができる。

［フラックス保持電極］
また、保護素子１は、図１２に示すように、カバー部材２１の天面部２５の内面側に、カバー部電極２７を設けてもよい。カバー部電極２７は、絶縁領域１５の第１の電極１１側及び第２の電極１２側と重畳する位置に分離して形成されている。これにより、カバー部電極２７は、発熱体１４が発熱し、第１の可溶導体１３が溶融されると、中央部から溶融し高融点金属表面に乗りあがった溶融導体が接触して濡れ広がることにより、溶融導体を第１、第２の電極１１，１２側へ流れやすくし、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２７は、第１の電極１１及び第２の電極１２と重畳する位置まで形成することにより、第１、第２の電極１１，１２とともに溶融導体を保持する許容量を増加させ、大型化、高定格化が図られた第１の可溶導体１３においても確実に第１、第２の電極１１，１２間を遮断することができる。

［可溶導体の変形例］
また、本発明が適用された保護素子は、第１の可溶導体として、外層を構成する高融点金属に被覆された第１の側縁部と、内層を構成する低融点金属が露出された第２の側縁部とを有する可溶導体を用いてもよい。この可溶導体７０は、図１３に示すように、略矩形板状に形成され、外層を構成する高融点金属７０ｂによって被覆され主面部７１よりも肉厚に形成された相対向する一対の第１の側縁部７２と、内層を構成する低融点金属７０ａが露出され第１の側縁部７２よりも薄い厚さに形成された相対向する一対の第２の側縁部７３とを有する。内層を構成する低融点金属７０ａは、上述した第１の可溶導体１３の低融点金属１３ａと同じ材料を用いることができる。また、外層を構成する高融点金属７０ｂは、上述した第１の可溶導体１３の高融点金属１３ｂと同じ材料を用いることができる。

また、図１４、図１５に示すように、可溶導体７０は、上述した保護素子１，６０の第１、第２の可溶導体１３，６１に代えて用いてもよい。このとき、第１、第２の電極１１，１２間に接続される可溶導体７０は、上述したように第１の側縁部７２が第１、第２の電極１１，１２の幅方向に沿って搭載され、第２の側縁部７３が、通電方向の両側端となる向きで、第１、第２の電極１１，１２間に跨って接続される。一方、中間電極６２と第１の発熱体電極１８との間に接続される可溶導体７０は、第２の側縁部７３が中間電極６２及び第１の発熱体電極１８の幅方向に沿って搭載され、第１の側縁部７２が、通電方向の両側端となる向きで、中間電極６２及び第１の発熱体電極１８間に跨って接続されることが好ましい。

中間電極６２及び第１の発熱体電極１８間に跨って接続される可溶導体７０は、溶断までにより多くの熱エネルギーを要する第１の側縁部７２が中間電極６２及び第１の発熱体電極１８間にわたされているため、第１、第２の電極１１，１２間に第２の側縁部７３が渡されている可溶導体７０が先に溶断する。すなわち、第１、第２の電極１１，１２間を遮断した後に、中間電極６２と第２の発熱体電極１９とが遮断され、発熱を停止することができる。

次いで、本発明の実施例について説明する。本実施例では、第１、第２の電極間に接続された第１の可溶導体として、ハンダ箔にＡｇメッキを施した可溶導体を用いた保護素子（実施例）と、ハンダ箔のみからなる可溶導体を用いた保護素子（比較例）とを用意した。実施例に係る可溶導体は、ハンダ表面を高融点金属被覆することにより、比較例に係る可溶導体に比して溶融導体に対する濡れ性が向上されている。また、第１、第２の電極、発熱体、及び可溶導体の配置は、上述した保護素子１と同様とした（図１参照）。

実施例及び比較例に係る各保護素子の発熱体に、２０Ｗの電力を印加したところ、実施例では第１、第２の電極間が遮断するまで４．４秒であったのに対して、比較例では可溶導体の溶融導体が第１、第２の電極間に滞留して遮断できなかった。

これは、実施例では溶融導体に対する濡れ性が向上された可溶導体を用いたことから、発熱体の発熱により可溶導体が中央部から溶融すると、溶融導体が可溶導体の表面を伝って第１、第２の電極間の領域から第１、第２の電極側へ流れたことで、確実に第１、第２の電極間を遮断することができた。

一方、比較例では、溶融導体に対する濡れ性を改善する処置が施されていないことから、発熱体の発熱により可溶導体が中央部から溶融すると、溶融導体が高温の発熱体上部に凝集して第１、第２の電極間の領域に滞留してしまい、第１、第２の電極間に跨って遮断することができなかった。

これより、低融点金属の少なくとも一面に高融点金属被覆することにより溶融導体の濡れ性を向上させた可溶導体を用いることが有用であることが分かる。

１ 保護素子、２ 通電回路、３ 給電回路、１０ 絶縁基板、１０ａ 表面、１０ｂ 裏面、１１ 第１の電極、１１ａ 第１の外部接続端子、１２ 第２の電極、１２ａ 第２の外部接続端子、１３ 第１の可溶導体、１３ａ 低融点金属、１３ｂ 高融点金属、１４ 発熱体、１５ 絶縁領域、１７ 絶縁部材、１８ 第１の発熱体電極、１８ａ 第１の給電端子、１９ 第２の発熱体電極、１９ａ 第２の給電端子、２０ フラックス、２１ カバー部材、２４ 側壁、２５ 天面部、２６ 保持部、２７ カバー部電極、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 第２の制御部、３７ 電流制御素子、４０ 第１の充放電制御回路、４１ 第２の充放電制御回路、４２，４３ 電流制御素子、４４ 第１の制御部、４５ 充電装置、５０ 保護素子、６０ 保護素子、６１ 第２の可溶導体、６２ 中間電極、６５ 保護素子、７０ 可溶導体、７０ａ 低融点金属、７０ｂ 高融点金属、７１ 主面部、７２ 第１の側縁部、７３ 第２の側縁部、７５ 導体リボン

Claims (17)

1. 第１、第２の電極が設けられた絶縁基板と、
   上記第１、第２の電極に支持され、該第１、第２の電極間を短絡させる第１の可溶導体と、
   上記第１の電極と上記第２の電極との間の領域に設けられ、通電により発熱し上記第１の可溶導体を溶断する発熱体とを有し、
   上記第１の可溶導体は、上記第１、第２の電極間の領域において上記発熱体と重畳され、低融点金属の少なくとも一面に該低融点金属よりも融点の高い高融点金属が被覆されることにより溶融導体の濡れ性が向上されている保護素子。
2. 上記第１の可溶導体にフラックスが塗布されている請求項１記載の保護素子。
3. 上記第１の可溶導体は、外層を構成する上記高融点金属によって被覆され主面部よりも肉厚に形成された相対向する一対の第１の側縁部と、内層を構成する上記低融点金属が露出され上記第１の側縁部よりも薄い厚さに形成された相対向する一対の第２の側縁部とを有し、
   上記第１の側縁部が上記第１の絶縁基板の表面に形成された上記第１、第２の電極に沿って搭載され、上記第２の側縁部が第１、第２の電極間にわたって接続されている請求項１又は２に記載の保護素子。
4. 上記発熱体へ給電する給電回路との接続端子となる第１、第２の発熱体電極を有し、
   上記発熱体は、一端を上記第１の発熱体電極と接続され、他端を上記第２の発熱体電極と接続され、上記第１の可溶導体の通電経路と電気的に独立している請求項１〜３のいずれか１項に記載の保護素子。
5. 上記発熱体へ給電する給電回路との接続端子となる発熱体電極を有し、
   上記発熱体は、一端を上記発熱体電極と接続され、他端を第１、第２の電極の一方と接続されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の保護素子。
6. 上記発熱体は、上記絶縁基板の上記第１、第２の電極が設けられた表面に形成され、絶縁部材によって被覆されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の保護素子。
7. 上記発熱体は、上記絶縁基板の上記第１、第２の電極が設けられた表面と反対側の裏面に形成され、絶縁部材によって被覆されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の保護素子。
8. 上記発熱体は、上記絶縁基板の内部に形成されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の保護素子。
9. 上記発熱体電極と第２の可溶導体を介して接続された中間電極とを有し、
   上記発熱体は、上記中間電極及び上記第２の可溶導体を介して上記発熱体電極と接続されている請求項６〜８のいずれか１項に記載の保護素子。
10. 上記発熱体は、上記発熱体電極と第２の可溶導体を介して接続されている請求項６〜８のいずれか１項に記載の保護素子。
11. 上記第２の可溶導体は、上記第１の可溶導体よりも上記発熱体から離間した位置に設けられている請求項９記載の保護素子。
12. 上記第２の可溶導体は、上記第１の可溶導体よりも融点が高い請求項９〜１１のいずれか１項に記載の保護素子。
13. 上記絶縁基板の上記第１、第２の電極が設けられた表面に搭載されるカバー部材を備え、
    上記カバー部材は、上記発熱体と上記第１、第２の電極との間の領域に、フラックスを保持する保持凸部が設けられている請求項１〜１２のいずれか１項に記載の保護素子。
14. 上記絶縁基板の上記第１、第２の電極が設けられた表面に搭載されるカバー部材を備え、
    上記カバー部材は、上記発熱体と上記第１、第２の電極との間の領域に、上記第１の可溶導体の溶融導体を保持する電極が設けられている請求項１〜１２のいずれか１項に記載の保護素子。
15. 外部回路と接続された第１、第２の端子と、上記第１の端子と第２の端子とを接続するヒューズとを備えた通電回路と、
    発熱により上記ヒューズを溶断する発熱体を備え、上記発熱体へ給電する給電回路とを備え、
    上記給電回路は、上記発熱体への通電を制御する制御部に接続されている保護回路。
16. 上記発熱体は、上記制御部によって上記ヒューズを溶断させる所定の時間だけ通電するように制御される請求項１５記載の保護回路。
17. 上記発熱体は、上記外部回路の電圧に応じて通電時間が可変する請求項１５記載の保護回路。