JP2016225090A - 保護素子、ヒューズ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒューズエレメントの大型化に伴って増大する応力を緩和し、周囲温度の変化によっても安定した溶断特性を維持することができる保護素子を提供する。【解決手段】第１の電極１２及び第２の電極１３と、第１、第２の電極１２，１３間にわたって接続されたヒューズエレメント１７と、ヒューズエレメント１７を支持する筐体とを備え、ヒューズエレメント１７は、筐体側の構成部材との間に弾性部材２０を介在して固定されている。【選択図】図１

Description

本発明は、電流経路上に実装され、定格を超える電流が流れた時の自己発熱、あるいは発熱体の発熱により溶断し電流経路を遮断するヒューズエレメントを用いた保護素子及びヒューズ素子に関する。

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からなる保護素子が用いられている。

図１９（Ａ）及び図１９（Ｂ）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１００としては、絶縁基板１０１上に形成され、電流経路上に接続された第１及び第２の電極１０２，１０３と、第１及び第２の電極１０２，１０３間に亘ってヒューズエレメント１０４を接続して電流経路の一部をなし、この電流経路上のヒューズエレメント１０４を、過電流による自己発熱、あるいは保護素子１００内部に設けた発熱体１０５によって溶断するものがある。このような保護素子１００では、溶融した液体状のヒューズエレメント１０４を第１及び第２の電極１０２，１０３上、及び第１及び第２の電極１０２，１０３の間に設けられ発熱体１０５と接続された発熱体引出電極１０７上に集めることにより電流経路を遮断する。

また、図１９に記載されているような保護素子１００においては、リフローはんだ付け等により実装される際の加熱により溶融しないように、一般的に、ヒューズエレメント１０４として融点が３００℃以上のＰｂ入り高融点半田が用いられている。また、ヒューズエレメント１０４を加熱すると酸化が進み溶断を阻害するため、ヒューズエレメント１０４に生成された酸化膜を除去するとともに、ヒューズエレメント１０４の濡れ性を向上させるためにフラックス１０６を積層することも行われている。

特許第２７９０４３３号公報 特開２０１０−００３６６５号公報

近年のリチウムイオン二次電池の高容量化、高出力化に伴い、リチウムイオン二次電池向けの保護回路の保護素子１００についても、定格の向上が求められている。定格を向上させ、より多くの電流を流すためには、ヒューズエレメント１０４の導体抵抗を下げることが求められ、ヒューズエレメント１０４の大型化が必須となる。

ここで、ヒューズエレメント１０４はＰｂやＳｎ等の金属を主成分とする為、一般的に線膨張係数が大きい。このため、ヒューズエレメント１０４は、保護素子１００が実装された電子機器の使用環境における周囲温度によって膨張と収縮を繰り返す。しかし、ヒューズエレメント１０４は、接続用ハンダ等によって第１、第２の電極１０２，１０３及び発熱体引出電極１０７と固定されているため、膨張、収縮に伴う応力が、接続用ハンダや各電極１０２，１０３，１０７、あるいはヒューズエレメント１０４に加わる。この応力は、ヒューズエレメント１０４の体積の大型化に伴って増大する。

また、絶縁基板１０１は主としてセラミックが用いられる為、線膨張係数は金属であるヒューズエレメント１０４に比べて非常に小さい。このため、周囲温度の変動によって、ヒューズエレメント１０４と絶縁基板１０１間にも応力が掛かり、ヒューズエレメント１０４そのものや、第１、第２の電極１０２，１０３、発熱体引出電極１０７との接合箇所や、ヒューズエレメント１０４の各電極１０２，１０３，１０７と接合されていない溶断部位に応力歪みが集中し、破壊してしまうおそれがあった。

このように、ヒューズエレメント１０４や、ヒューズエレメント１０４との接合部位に破断が生じると、溶断特性が変動し、所定の温度や過電流によっては溶断しない、あるいは溶断時間が延びる等、所定の溶断特性を維持することが出来なくなるおそれがある。

そこで、本発明は、ヒューズエレメントの大型化に伴って増大する応力を緩和し、周囲温度の変化によっても安定した溶断特性を維持することができる保護素子及びヒューズ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、第１の電極及び第２の電極と、上記第１、第２の電極間にわたって接続されたヒューズエレメントと、上記ヒューズエレメントを支持する筐体とを備え、上記ヒューズエレメントは、上記筐体側の構成部材との間に弾性部材を介在して固定されているものである。

また、本発明に係るヒューズ素子は、第１の電極及び第２の電極と、上記第１、第２の電極間にわたって接続されたヒューズエレメントと、上記ヒューズエレメントを支持する筐体とを備え、上記ヒューズエレメントは、上記筐体側の構成部材との間に弾性部材を介在して固定されているものである。

本発明によれば、弾性部材は、素子筐体側の構成部材とヒューズエレメントとの間に介在することで、温度環境の変化に伴って発生する応力を吸収、緩和することができ、ヒューズエレメントや素子筐体側の構成部材に破断が生じることを防止することができる。

図１は、本発明が適用された保護素子を示す図であり、（Ａ）はカバー部材を省略して示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ’断面図である。 図２は、温度変化によりヒューズエレメントが伸縮するに伴い、弾性部材が追従し応力を緩和する状態を示す図であり、（Ａ）はヒューズエレメントの膨張時を示す断面図であり、（Ｂ）はヒューズエレメントの収縮時を示す断面図である。 図３は、芯材にフラックスを含浸させた弾性部材を用いた保護素子を示す断面図である。 図４は、第１、第２の電極上に設けた弾性部材によってヒューズエレメントを接合した保護素子を示す断面図である。 図５は、発熱体を絶縁基板の裏面に設けた保護素子を示す断面図である。 図６は、第１、第２の電極及び発熱体引出電極上に弾性部材を設けた保護素子を示す断面図である。 図７は、絶縁層上に弾性部材を設け、ヒューズエレメントの溶断部との間に介在させた保護素子を示す断面図である。 図８は、カバー部材に弾性部材を設け、ヒューズエレメントとの間に介在させた保護素子を示す断面図である。 図９は、第１、第２の電極として、素子筐体から独立して支持された金属板を用いた保護素子を示す断面図である。 図１０は、図９に示す保護素子において、絶縁層上に弾性部材を設け、ヒューズエレメントの溶断部との間に介在させた保護素子を示す断面図である。 図１１は、図９に示す保護素子において、カバー部材に弾性部材を設け、ヒューズエレメントとの間に介在させた保護素子を示す断面図である。 図１２は、保護素子が搭載されたバッテリパックの回路図である。 図１３は保護素子の回路図であり、（Ａ）はヒューズエレメントの溶断前、（Ｂ）はヒューズエレメントの溶断後を示す。 図１４は保護素子の動作状態を示す断面図であり、（Ａ）は発熱体が通電により発熱を開始した状態、（Ｂ）はヒューズエレメントが溶融し始めた状態、（Ｃ）はヒューズエレメントが溶断した状態を示す。 図１５は、本発明が適用されたヒューズ素子を示す断面図である。 図１６は、ヒューズ素子の回路図であり、（Ａ）はヒューズエレメントの溶断前、（Ｂ）はヒューズエレメントの溶断後を示す。 図１７は、絶縁基板上に弾性部材を設け、ヒューズエレメントの溶断部との間に介在させたヒューズ素子を示す断面図である。 図１８は、カバー部材に弾性部材を設け、ヒューズエレメントとの間に介在させたヒューズ素子を示す断面図である。 図１９は、従来の保護素子をカバー部材を省略して示す図であり、（Ａ）は外観斜視図であり、（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ヒューズ素子について、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。

［保護素子の構成］
図１（Ａ）（Ｂ）に示すように、本発明が適用された保護素子１０は、絶縁基板１１と、絶縁基板１１に積層され、絶縁層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及び第２の電極１３と、絶縁層１５上に発熱体１４と重畳するように積層された発熱体引出電極１６と、両端が第１、第２の電極１２，１３にそれぞれ接続され、中央部が発熱体引出電極１６に接続されたヒューズエレメント１７とを備え、絶縁基板１１上に内部を保護するカバー部材１８が取り付けられている。

そして、保護素子１０は、絶縁基板１１に形成された第１、第２の電極１２，１３、発熱体１４、絶縁層１５、発熱体引出電極１６、及びカバー部材１８によって素子筐体を構成し、ヒューズエレメント１７が、これら素子筐体側の構成部材との間に弾性部材２０を介在して固定されている。

絶縁基板１１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を用いて、例えば略方形状に形成されている。絶縁基板１１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。

絶縁基板１１の相対向する両端部には、第１、第２の電極１２，１３が形成されている。第１、第２の電極１２，１３は、それぞれ、ＡｇやＣｕ等の導電パターンによって形成されている。また、第１、第２の電極１２，１３は、絶縁基板１１の表面１１ａより、キャスタレーションを介して裏面１１ｂに形成された第１、第２の外部接続電極１２ａ，１３ａと連続されている。保護素子１０は、裏面１１ｂに形成された第１、第２の外部接続電極１２ａ，１３ａが、保護素子１０が実装されるバッテリ回路等の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。

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、例えばニクロム、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｕ等又はこれらを含む材料からなる。発熱体１４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ことができる。

また、保護素子１０は、発熱体１４を覆うように絶縁層１５が設けられ、この絶縁層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が形成される。発熱体引出電極１６はヒューズエレメント１７が接続され、これにより発熱体１４は、絶縁層１５及び発熱体引出電極１６を介してヒューズエレメント１７と重畳される。絶縁層１５は、発熱体１４の保護及び絶縁を図るとともに、発熱体１４の熱を効率よくヒューズエレメント１７へ伝えるために設けられ、例えばガラス層からなる。なお、保護素子１０は、発熱体１４の熱を効率良くヒューズエレメント１７に伝えるために、発熱体１４と絶縁基板１１の間にも絶縁層１５を積層しても良い。

なお、保護素子１０は、発熱体１４を、第１、第２の電極１２，１３が形成された絶縁基板１１の表面１１ａと反対側の裏面１１ｂに形成してもよく、あるいは、絶縁基板１１の表面１１ａに第１、第２の電極１２，１３と隣接して形成してもよい。また、保護素子１０は、発熱体１４を、絶縁基板１１の内部に形成してもよい。

また、発熱体１４は、一端が発熱体引出電極１６と接続され、他端が発熱体電極１９と接続されている。発熱体引出電極１６は、絶縁基板１１の表面１１ａ上に形成されるとともに発熱体１４と接続された下層部１６ａと、発熱体１４と対向して絶縁層１５上に積層されるとともにヒューズエレメント１７と接続される上層部１６ｂとを有する。これにより、発熱体１４は、発熱体引出電極１６を介してヒューズエレメント１７と電気的に接続されている。なお、発熱体引出電極１６は、絶縁層１５を介して発熱体１４に対向配置されることにより、ヒューズエレメント１７を溶融させるとともに、溶融導体を凝集しやすくすることができる。

また、発熱体電極１９は、絶縁基板１１の表面１１ａ上に形成され、キャスタレーションを介して絶縁基板１１の裏面１１ｂに形成された発熱体給電電極１９ａ（図１３（Ａ）参照）と連続されている。

保護素子１０は、第１の電極１２から発熱体引出電極１６を介して第２の電極１３に跨ってヒューズエレメント１７が接続されている。ヒューズエレメント１７は、保護素子１０の可溶導体として用いられ、通常使用時には第１、第２の電極１２，１３間を導通させ、保護素子１０が組み込まれた外部回路の電流経路の一部を構成する。そして、ヒューズエレメント１７は、定格を超える電流が通電することによって自己発熱（ジュール熱）により溶断し、あるいは発熱体１４の発熱により溶断し、第１、第２の電極１２，１３間を遮断する。

ヒューズエレメント１７は、発熱体１４の発熱や自己発熱により速やかに溶断される材料からなり、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を好適に用いることができる。また、ヒューズエレメント１７は、Ｉｎ、Ｐｂ、Ａｇ、Ｃｕ等の合金を用いてもよく、あるいはＳｎを主成分とするＰｂフリーハンダ等の低融点金属と、Ａｇ、Ｃｕ又はこれらを主成分とする合金等の高融点金属との積層体であってもよい。

ヒューズエレメント１７は、第１、第２の電極１２，１３に設けられた接続用ハンダ２１を介して、リフローはんだ付けによって容易に接続することができる。

保護素子１０は、ヒューズエレメント１７が、絶縁層１５及び発熱体引出電極１６を介して、発熱体１４と重畳した位置に設けられることにより、発熱体１４が発した熱を効率よくヒューズエレメント１７に伝え、速やかに溶断させることができる。

なお、保護素子１０は、定格を向上させ、より多くの電流を流すために、ヒューズエレメント１７の導体抵抗を下げることが求められる。そのため、保護素子１０は、ヒューズエレメント１７の体積が増加し、大型化されている。

図１に示すヒューズエレメント１７は、第１、第２の電極１２，１３へ接続用ハンダ２１等の接続材料により接続されるとともに、保護素子１０の素子筐体側に設けられた発熱体引出電極１６との間に介在されている弾性部材２０が接続されている。

［弾性部材２０］
弾性部材２０は、保護素子１０が実装された電子機器の使用環境の温度変化に伴い、ヒューズエレメント１７と発熱体引出電極１６、第１、第２の電極１２，１３等の素子筐体側の構成部材との線膨張係数の差に起因して生じる応力を緩和させるものである。すなわち、ヒューズエレメント１７はＳｎ等の金属材料によって形成することができ、線膨張係数がセラミック等により形成されている絶縁基板１１よりも大きい。そのため、周囲の温度が上昇すると、第１、第２の電極１２，１３上に接続用ハンダ２１によって固定されているヒューズエレメント１７は、絶縁基板１１上に形成された第１、第２の電極１２，１３や発熱体引出電極１６との間に応力が発生する。

例えば、保護素子１０を電気自動車用のリチウムイオンバッテリーに用いた場合、使用環境によっては温度変化も広範囲になることが想定される。このため、保護素子１０は、かかる温度サイクルによってヒューズエレメント１７や絶縁基板１１等の素子筐体側の構成部品が膨張と収縮を繰り返し、ヒューズエレメント１７と素子筐体側との間に、線膨張係数の差に応じた応力歪みが発生する。

弾性部材２０は、素子筐体側の発熱体引出電極１６とヒューズエレメント１７との間に介在することで、当該応力を吸収、緩和することができ、発熱体引出電極１６やヒューズエレメント１７に破断が生じることを防止することができる。

例えば、図２に示すように、保護素子１０は、温度変化によってヒューズエレメント１７が、第１の電極１２と発熱体引出電極１６との間、及び第２の電極１３と発熱体引出電極１６との間において膨張（図２（Ａ））あるいは収縮（図２（Ｂ））し、発熱体引出電極１６上に応力が集中する一方、ヒューズエレメント１７の変化量に対して、絶縁基板１１等の素子筐体側の変化量が小さく応力歪みが大きくなる場合にも、発熱体引出電極１６上に設けられた弾性部材２０がヒューズエレメント１７の膨張変化に追従して変形し、ヒューズエレメント１７や発熱体引出電極１６等の素子筐体側に係る応力を緩和することができる。

これにより、保護素子１０は、ヒューズエレメント１７や、素子筐体側の第１、第２の電極１２，１３や発熱体引出電極１６等のヒューズエレメント１７との接合部位に破断が生じることがない。したがって、保護素子１０は、ヒューズエレメント１７が発熱体１４の発熱により所定の時間で溶断し、あるいは過電流の際に所定の時間で溶断し、溶断特性を維持することができる。

なお、弾性部材２０は、ヒューズエレメント１７と素子筐体側との間に生じる応力を緩和できるものであればよく、弾性、粘弾性のいずれの性質を持つものでもよい。

弾性部材２０は、発熱体引出電極１６とヒューズエレメント１７との間に介在する場合、導電性を有する。これにより、弾性部材２０を介してヒューズエレメント１７と発熱体引出電極１６とが電気的にも接続される。弾性部材２０は、弾性を有する芯材２０ａに、ハンダコートやＡｇメッキ等により導電被覆し導電層２０ｂを形成することにより、弾性及び導電性を備えることができる。なお、弾性部材２０は、導電層２０ｂを形成することなく、弾性及び導電性を有する部材のみで形成してもよい。

また、弾性部材２０は、表面をハンダ等の導電性を有する接合材料によって導電層２０ｂを形成することにより、当該導電層２０ｂによってヒューズエレメント１７を発熱体引出電極１６上に接合することができる。

弾性部材２０は、弾性を有する芯材として、弾性を有する導電材料を用いることが好ましい。例えば弾性部材２０は、導電性繊維等の線状の導電材料を用いたシート状の織布又は不織布を用い、適宜ハンダコートやＡｇメッキ等の導電被覆を行うことにより形成することができる。

また、弾性部材２０は、多孔質性の材料を用いてもよく、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等の多孔質性の樹脂シートを芯材２０ａとして用い、ハンダコートやＡｇメッキ等の導電被覆を行い導電層２０ｂを設けることにより形成することができる。

なお、保護素子１０は、発熱体引出電極１６及び弾性部材２０を介して発熱体１４の熱をヒューズエレメント１７へ伝え、加熱するため、弾性部材２０として、熱伝導性に優れる材料を用いることが好ましい。

また、弾性部材２０は、図３に示すように、導電性繊維や多孔質材料を用いて形成するとともに、ヒューズエレメント１７の酸化を防止し、溶融を促進するフラックス２２等の溶融促進剤を含浸させてもよい。これにより、弾性部材２０は、発熱体１４によって加熱されると含浸されていたフラックス２２が滲み出し、ヒューズエレメント１７の酸化を防止することができる。これにより、保護素子１０は、ヒューズエレメント１７の溶融を促進させ、第１、第２の電極１２，１３間を速やかに遮断することができる。

なお、弾性部材２０は、芯材２０ａとして線状の絶縁材料からなる織布又は不織布を用いるとともに、ヒューズエレメント１７の溶融を促進するフラックス２２等の溶融促進剤を含浸させてもよい。この場合、弾性部材２０は、適宜ハンダコートやＡｇメッキ等により導電被覆し導電層２０ｂを形成することにより導電性を備えることができる。

［フラックス］
また、保護素子１０は、ヒューズエレメント１７の酸化防止と、溶断時の酸化物除去及びハンダの流動性向上のために、ヒューズエレメント１７の表面や裏面にフラックス２２をコーティングしてもよい。フラックス２２をコーティングすることにより、保護素子１０の実使用時において、ヒューズエレメント１７（例えばハンダ）の濡れ性を高めるとともに、ヒューズエレメント１７が溶解している間の酸化物を除去し、速溶断性を向上させることができる。

また、フラックス２２をコーティングすることにより、ヒューズエレメント１７の表面に、Ｓｎを主成分とするＰｂフリーハンダ等の酸化防止膜を形成した場合にも、当該酸化防止膜の酸化物を除去することができ、ヒューズエレメント１７の酸化を効果的に防止し、速溶断性を維持、向上することができる。

なお、第１、第２の電極１２，１３、発熱体引出電極１６及び発熱体電極１９は、例えばＡｇやＣｕ等の導電パターンによって形成され、適宜、表面にＳｎメッキ、Ｎｉ／Ａｕメッキ、Ｎｉ／Ｐｄメッキ、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕメッキ等の保護層が形成されていることが好ましい。これにより、表面の酸化を防止するとともに、ヒューズエレメント１７の接続用ハンダ２１等の接続材料による第１、第２の電極１２，１３及び発熱体引出電極１６の浸食を抑制することができる。

［カバー部材］
また、保護素子１０は、ヒューズエレメント１が設けられた絶縁基板１１の表面１１ａ上に、内部を保護するとともに溶融したヒューズエレメント１７の飛散を防止するカバー部材１８が取り付けられている。カバー部材１８は、各種エンジニアリングプラスチック、セラミックス等の絶縁性を有する部材により形成することができる。カバー部材１８は、絶縁基板１１の表面１１ａ上に絶縁性接着剤によって接続され、これにより、ヒューズエレメント１７を覆う。

このような保護素子１０は、発熱体給電電極１９ａ、発熱体電極１９、発熱体１４、発熱体引出電極１６、弾性部材２０及びヒューズエレメント１７に至る発熱体１４への通電経路が形成される。また、保護素子１０は、発熱体電極１９が発熱体給電電極１９ａを介して発熱体１４に通電させる外部回路と接続され、当該外部回路によって発熱体電極１９とヒューズエレメント１７にわたる通電が制御される。

また、保護素子１０は、ヒューズエレメント１７が発熱体引出電極１６と接続されることにより、発熱体１４への通電経路の一部を構成する。したがって、保護素子１０は、ヒューズエレメント１７が溶融し、外部回路との接続が遮断されると、発熱体１４への通電経路も遮断されるため、発熱を停止させることができる。

［変形例１］
なお、図１に示す保護素子１０では、発熱体引出電極１６上のみに弾性部材２０を設け、ヒューズエレメント１７を支持したが、図４に示すように、第１、第２の電極１２，１３上に弾性部材２０を設け、発熱体引出電極１６上に接続用ハンダ２１を設けてもよい。図４に示す保護素子３０では、第１の電極１２上に設けられた弾性部材２０によって、第１の電極１２と発熱体引出電極１６との間の応力が吸収、緩和され、第２の電極１３上に設けられた弾性部材２０によって、第２の電極１３と発熱体引出電極１６との間の応力が吸収、緩和される。

なお、保護素子３０は、上述したように、発熱体１４を絶縁基板１１の裏面１１ｂに形成してもよい。このとき、保護素子３０は、図５に示すように、発熱体引出電極１６を絶縁基板１１を挟んで発熱体１４と重畳するとともに、発熱体引出電極１６上に接続用ハンダ２１を介してヒューズエレメント１７を接続することが好ましい。これにより、発熱体引出電極１６及び接続用ハンダ２１を介して発熱体１４の熱を効率よくヒューズエレメント１７に伝えることができ、発熱体１４の発熱後、速やかにヒューズエレメント１７を溶断させることができる。

［変形例２］
また、図６に示すように、保護素子は、第１、第２の電極１２，１３上及び発熱体引出電極１６上に、ハンダ等の接合材料によって導電層２０ｂが形成された弾性部材２０を設けてもよい。図６に示す保護素子４０は、ヒューズエレメント１７が、弾性部材２０の導電層２０ｂによって第１、第２の電極１２，１３上及び発熱体引出電極１６上に接合されるとともに電気的導通が図られる。また、図６に示す保護素子４０は、第１、第２の電極１２，１３上及び発熱体引出電極１６上に設けられた各弾性部材２０によってヒューズエレメント１７と素子筐体側との間の応力が吸収、緩和される。

［変形例３］
また、図７に示すように、保護素子は、絶縁層１５上に弾性部材２０を設けてもよい。図７に示す保護素子５０は、ヒューズエレメント１７が、接続用ハンダ２１によって第１、第２の電極１２，１３上及び発熱体引出電極１６上に接合されるとともに電気的導通が図られている。また、保護素子５０は、第１の電極１２と発熱体引出電極１６との間、及び第２の電極１３と発熱体引出電極１６との間の溶断部１７ａに、絶縁層１５上に設けられた弾性部材２０が接続されている。ヒューズエレメント１７の溶断部１７ａとは、発熱体引出電極１６及び第１、第２の電極１２，１３間に亘って接続されたヒューズエレメント１７における溶断箇所をいい、具体的には、発熱体引出電極１６と第１の電極１２との間、及び発熱体引出電極１６と第２の電極１３との間をいう。

この保護素子５０では、ヒューズエレメント１７が接続用ハンダ２１によって第１、第２の電極１２，１３上及び発熱体引出電極１６上に接合されることにより、膨張及び伸縮する箇所がこれら各電極１２，１３，１６に固定されていない溶断部１７ａとなることから、当該溶断部１７ａに弾性部材２０を設けることにより、効果的にヒューズエレメント１７と素子筐体側との間の応力を吸収、緩和することができる。

なお、図７に示す保護素子５０においても、第１、第２の電極１２，１３及び発熱体引出電極１６の１か所以上に弾性部材２０を設けてヒューズエレメント１７を接合させてもよい。

［変形例４］
また、図８に示すように、保護素子は、ヒューズエレメント１７を覆うカバー部材１８に弾性部材２０を設けてもよい。図８に示す保護素子６０は、ヒューズエレメント１７が、接続用ハンダ２１によって第１、第２の電極１２，１３上及び発熱体引出電極１６上に接合されるとともに電気的導通が図られる。また、保護素子６０は、ヒューズエレメント１７とカバー部材１８とに弾性部材２０が接合されている。カバー部材１８に設けられた弾性部材２０は必ずしも導電性を備えている必要はない。

この保護素子６０は、ヒューズエレメント１７と素子筐体側の構成部材であるカバー部材１８との間に弾性部材２０を介在させることにより、ヒューズエレメント１７と素子筐体側との間の応力がカバー部材１８側に寄せられ、カバー部材１８に接続された弾性部材２０によって吸収、緩和される。

また、保護素子６０において、発熱体引出電極１６上にも弾性部材２０を設けてヒューズエレメント１７に接続することにより、ヒューズエレメント１７の両面を弾性部材２０で挟持してもよい。これにより、保護素子６０は、絶縁基板１１側及びカバー部材１８側の両側において、効果的にヒューズエレメント１７と素子筐体側との間の応力を吸収、緩和することができる。

なお、保護素子６０は、カバー部材１８の他に、第１、第２の電極１２，１３、発熱体引出電極１６、及び絶縁基板１１と溶断部１７ａとの間の１か所以上に弾性部材２０を設けてヒューズエレメント１７に接続することにより、ヒューズエレメント１７の両面を弾性部材２０で挟持してもよい。

［変形例５］
また、図９に示すように、保護素子は、第１、第２の電極１２，１３を、素子筐体から独立して支持された金属板により構成してもよい。図９に示す保護素子７０では、第１、第２の電極１２，１３は、大電流用途に対応可能な金属板により構成され、図示しない外部回路基板等の支持部材にねじ止めされることにより支持されている。絶縁基板１１上には、発熱体１４、絶縁層１５、発熱体引出電極１６、及び弾性部材２０が設けられている。そして、保護素子７０は、ヒューズエレメント１７が第１、第２の電極１２，１３上に接続用ハンダ２１を介して接続されるとともに、発熱体引出電極１６との間に介在されている弾性部材２０と接続されている。図９に示す保護素子７０は、発熱体引出電極１６上に設けられた弾性部材２０によってヒューズエレメント１７と図示しない支持機構に支持された第１、第２の電極１２，１３及び素子筐体側との間の応力が吸収、緩和される。

また、保護素子７０は、第１、第２の電極１２、１３上にも弾性部材２０を設け、発熱体引出電極１６上に設けられた弾性部材２０とともに応力を吸収させてもよい。また、保護素子７０は、第１、第２の電極１２、１３及び発熱体引出電極１６の１か所以上に弾性部材２０を設けるようにしてもよい。

さらに、図１０に示すように、保護素子７０は、発熱体引出電極１６上に弾性部材２０を設けるとともに、絶縁層１５上にも弾性部材２０を設け、ヒューズエレメント１７の溶断部１７ａにおける応力を吸収、緩和させてもよい。また、保護素子７０は、絶縁層１５上にのみ弾性部材２０を設け、第１、第２の電極１２，１３及び発熱体引出電極１６上には接続用ハンダ２１を設けるようにしてもよい。あるいは、保護素子７０は、絶縁層１５上に弾性部材２０を設けるとともに、第１、第２の電極１２，１３及び発熱体引出電極１６の１か所以上に弾性部材２０を設けるようにしてもよい。

また、図１１に示すように、保護素子７０は、カバー部材１８に弾性部材２０を設けてもよい。カバー部材１８に設けられた弾性部材２０は必ずしも導電性を備えている必要はない。また、保護素子７０は、カバー部材１８に弾性部材２０を設けるとともに、第１、第２の電極１２，１３、発熱体引出電極１６及び絶縁層１５の１か所以上に弾性部材２０を設けるようにしてもよい。

［保護素子の使用方法］
次いで、これら保護素子１０，３０，４０，５０，６０，７０の使用形態について説明する。なお、以下では保護素子１０について説明するが、保護素子３０，４０，５０，６０，７０についても同様である。保護素子１０は、図１２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８０内の回路に組み込まれて用いられる。バッテリパック８０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８１ａ〜８１ｄからなるバッテリスタック８２を有する。

バッテリパック８０は、バッテリスタック８２と、バッテリスタック８２の充放電を制御する充放電制御回路８３と、バッテリスタック８２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８１ａ〜８１ｄの電圧を検出する検出回路８４と、検出回路８４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８５とを備える。

バッテリスタック８２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８１ａ〜８１ｄが直列接続されたものであり、バッテリパック８０の正極端子８０ａ、負極端子８０ｂを介して、着脱可能に充電装置８６に接続され、充電装置８６からの充電電圧が印加される。充電装置８６により充電されたバッテリパック８０は、正極端子８０ａ、負極端子８０ｂ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８３は、バッテリスタック８２から充電装置８６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８７，８８と、これらの電流制御素子８７，８８の動作を制御する制御部８９とを備える。電流制御素子８７，８８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８９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８２の電流経路の導通と遮断とを制御する。制御部８９は、充電装置８６から電力供給を受けて動作し、検出回路８４による検出結果に応じて、バッテリスタック８２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８７，８８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８２と充放電制御回路８３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８５によって制御される。

検出回路８４は、各バッテリセル８１ａ〜８１ｄと接続され、各バッテリセル８１ａ〜８１ｄの電圧値を検出して、各電圧値を充放電制御回路８３の制御部８９に供給する。また、検出回路８４は、いずれか１つのバッテリセル８１ａ〜８１ｄ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８５を制御する制御信号を出力する。

電流制御素子８５は、たとえばＦＥＴにより構成され、検出回路８４から出力される検出信号によって、バッテリセル８１ａ〜８１ｄ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８２の充放電電流経路を電流制御素子８７，８８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８０において、本発明が適用された保護素子１０は、図１３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を介して第１、第２の外部接続電極１２ａ，１３ａ間にわたって直列接続されたヒューズエレメント１７と、ヒューズエレメント１７の接続点を介して通電して発熱させることによってヒューズエレメント１７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、ヒューズエレメント１７が第１、第２の外部接続電極１２ａ，１３ａを介してバッテリパック８０の充放電電流経路上に直列接続され、発熱体１４が発熱体電極１９の発熱体給電電極１９ａを介して電流制御素子８５と接続される。保護素子１０の第１の外部接続電極１２ａはバッテリスタック８２の一方の開放端側に接続され、第２の外部接続電極１３ａはバッテリパック８０の正極端子８０ａ側に接続される。

［溶断工程］
このような回路構成からなる保護素子１０は、バッテリパック８０の電流経路を遮断する必要が生じた場合に、図１４（Ａ）に示すように、バッテリパック８０に設けられた電流制御素子８５によって発熱体１４が通電、発熱される。これにより、図１４（Ｂ）に示すように、保護素子１０は、発熱体１４の発熱により、バッテリパック８０の電流経路上に組み込まれたヒューズエレメント１７が溶融され、ヒューズエレメント１７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１２，１３に引き寄せられることによりヒューズエレメント１７が溶断される。これにより、図１４（Ｃ）に示すように、保護素子１０は、確実に第１の電極１２〜発熱体引出電極１６〜第２の電極１３の間を溶断させ（図１３（Ｂ））、バッテリパック８０の電流経路を遮断することができる。また、ヒューズエレメント１７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、本発明の保護素子１０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。

［ヒューズ素子］
次いで、本発明が適用されたヒューズ素子について説明する。なお、上述した保護素子１０と同様の部材については同一の符号を付してその詳細を省略する。図１５に示すように、本発明が適用されたヒューズ素子９０は、絶縁基板１１と、絶縁基板１１の両端に形成された第１の電極１２及び第２の電極１３と、両端が第１、第２の電極１２，１３にそれぞれ接続され、第１、第２の電極１２，１３間を導通させるヒューズエレメント１７とを備え、絶縁基板１１上に内部を保護するカバー部材１８が取り付けられている。

そして、ヒューズ素子９０は、絶縁基板１１に形成された第１、第２の電極１２，１３及びカバー部材１８によって素子筐体を構成し、ヒューズエレメント１７が、これら素子筐体側の構成部材との間に弾性部材２０を介在して固定されている。

例えば、ヒューズ素子９０は、第１及び第２の電極１２，１３上に、弾性部材２０を介してヒューズエレメント１７が接続されている。弾性部材２０は、ハンダ等の接合材料によって導電層２０ａを構成することにより、第１、第２の電極１２，１３上にヒューズエレメント１７を導通可能に接続することができる。

そして、ヒューズ素子９０は、素子筐体側の第１、第２の電極１２，１３とヒューズエレメント１７との間に弾性部材２０を介在させることで、周囲の温度が変化しヒューズエレメント１７が膨張あるいは収縮した場合にも、第１、第２の電極１２，１３とヒューズエレメント１７との間の応力を吸収、緩和することができ、第１、第２の電極１２，１３やヒューズエレメント１７に破断が生じることを防止することができる。

［回路構成］
このようなヒューズ素子９０は、図１６（Ａ）に示す回路構成を有する。ヒューズ素子９０は、第１、第２の外部接続電極１２ａ，１３ａを介して外部回路に実装されることにより、当該外部回路の電流経路上に組み込まれる。ヒューズ素子９０は、ヒューズエレメント１７に所定の定格電流が流れている間は、自己発熱によっても溶断することがない。そして、ヒューズ素子９０は、定格を超える過電流が通電するとヒューズエレメント１７が自己発熱によって溶断し、第１、第２の電極１２，１３間を遮断することにより、当該外部回路の電流経路を遮断する（図１６（Ｂ））。

［変形例６］
また、ヒューズ素子は、図１７に示すように、絶縁基板１１上に弾性部材２０を設けてもよい。図１７に示すヒューズ素子９１は、第１、第２の電極１２，１３上に替えて、絶縁基板１１上に弾性部材２０を設けることにより、ヒューズエレメント１７の第１の電極１２と第２の電極１３との間の溶断部１７ａに、弾性部材２０が接続される。ヒューズ素子９１において、ヒューズエレメント１７の溶断部１７ａとは、第１、第２の電極１２，１３間に亘って接続されたヒューズエレメント１７における溶断箇所をいい、具体的には、第１の電極１２と第２の電極１３との間をいう。

このヒューズ素子９１では、ヒューズエレメント１７が接続用ハンダ２１によって第１、第２の電極１２，１３上に接合されることにより、膨張及び伸縮する箇所がこれら各電極１２，１３に固定されていない溶断部１７ａとなることから、当該溶断部１７ａに弾性部材２０を設けることにより、効果的にヒューズエレメント１７と素子筐体側との間の応力を吸収、緩和することができる。

なお、ヒューズ素子９１においても、第１、第２の電極１２，１３の１か所以上に弾性部材２０を設けてヒューズエレメント１７を接合させてもよい。

［変形例７］
また、図１８に示すように、ヒューズ素子は、カバー部材１８に弾性部材２０を設けてもよい。図１８に示すヒューズ素子９２は、ヒューズエレメント１７が、接続用ハンダ２１によって第１、第２の電極１２，１３上に接合されるとともに電気的導通が図られる。また、ヒューズ素子９２は、ヒューズエレメント１７とカバー部材１８とに弾性部材２０が接合されている。カバー部材１８に設けられた弾性部材２０は必ずしも導電性を備えている必要はない。

このヒューズ素子９２は、ヒューズエレメント１７と素子筐体側の構成部材であるカバー部材１８との間に弾性部材２０を介在させることにより、ヒューズエレメント１７と素子筐体側との間の応力がカバー部材１８側に寄せられ、カバー部材１８に接続された弾性部材２０によって吸収、緩和される。

また、ヒューズ素子９２において、絶縁基板１１上にも弾性部材２０を設け、ヒューズエレメント１７の両面を弾性部材２０で挟持してもよい。これにより、ヒューズ素子９２は、絶縁基板１１側及びカバー部材１８側の両面において、効果的にヒューズエレメント１７と素子筐体側との間の応力を吸収、緩和することができる。

なお、ヒューズ素子９２は、カバー部材１８の他に、第１、第２の電極１２，１３及び絶縁基板１１と溶断部１７ａとの間の１か所以上に弾性部材２０を設けることにより、ヒューズエレメント１７の両面を弾性部材２０で挟持してもよい。

１０，３０，４０，５０，６０，７０ 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 絶縁層、１６ 発熱体引出電極、１７ ヒューズエレメント、１７ａ 溶断部、１８ カバー部材、１９ 発熱体電極、１９ａ 発熱体給電電極、２０ 弾性部材、２０ａ 芯材、２０ｂ 導電層、２１ 接続用ハンダ、２２ フラックス、８０ バッテリパック、８１ａ〜８１ｄ バッテリセル、８２ バッテリスタック、８３ 充放電制御回路、８４ 検出回路、８５ 電流制御素子、８６ 充電装置、８７，８８ 電流制御素子、８９ 制御部、９０，９１，９２ ヒューズ素子

Claims (19)

1. 第１の電極及び第２の電極と、
   上記第１、第２の電極間にわたって接続されたヒューズエレメントと、
   上記ヒューズエレメントを支持する筐体とを備え、
   上記ヒューズエレメントは、上記筐体側の構成部材との間に弾性部材を介在して固定されている保護素子。
2. 上記筐体を構成し、上記第１、第２の電極が設けられた絶縁基板と、
   上記絶縁基板に設けられた発熱体と、
   上記発熱体を被覆する絶縁層と、
   上記絶縁層上に設けられ、上記発熱体と接続されるとともに上記ヒューズエレメントと接続された発熱体引出電極とを備え、
   上記ヒューズエレメントは、上記第１の電極、上記第２の電極、又は上記発熱体引出電極の１か所以上との間に、導電性を有する上記弾性部材が介在されている請求項１記載の保護素子。
3. 上記ヒューズエレメントは、上記弾性部材によって上記第１の電極、上記第２の電極、又は上記発熱体引出電極の１か所以上と接合されている請求項２記載の保護素子。
4. 上記筐体を構成し、上記第１、第２の電極が設けられた絶縁基板と、
   上記絶縁基板に設けられた発熱体と、
   上記発熱体を被覆する絶縁層と、
   上記絶縁層上に設けられ、上記発熱体と接続されるとともに上記ヒューズエレメントと接続された発熱体引出電極とを備え、
   上記ヒューズエレメントは、上記絶縁層との間に上記弾性部材を介在して固定されている請求項１記載の保護素子。
5. 上記筐体を構成し、上記ヒューズエレメントを覆うカバー部材を備え、
   上記ヒューズエレメントは、上記カバー部材との間に上記弾性部材を介在して固定されている請求項１〜４のいずれか１項に記載の保護素子。
6. 上記第１、第２の電極は、上記筐体から独立して支持された金属板である請求項１〜５のいずれか１項に記載の保護素子。
7. 上記弾性部材は、多孔質材料が用いられている請求項１〜６のいずれか１項に記載の保護素子。
8. 上記弾性部材は、線状の導電材料からなる織布又は不織布が用いられている請求項１〜６のいずれか１項に記載の保護素子。
9. 上記弾性部材は、上記ヒューズエレメントの溶融を促進する材料が含浸されている請求項７又は８に記載の保護素子。
10. 上記弾性部材は、線状の絶縁材料からなる織布又は不織布が用いられ、上記ヒューズエレメントの溶融を促進する材料が含浸されている請求項１〜６のいずれか１項に記載の保護素子。
11. 第１の電極及び第２の電極と、
    上記第１、第２の電極間にわたって接続されたヒューズエレメントと、
    上記ヒューズエレメントを支持する筐体とを備え、
    上記ヒューズエレメントは、上記筐体側の構成部材との間に弾性部材を介在して固定されているヒューズ素子。
12. 上記筐体を構成し、上記第１、第２の電極が設けられた絶縁基板を有し、
    上記弾性部材は導電性を有し、上記ヒューズエレメントと上記第１の電極及び／又は上記第２の電極との間に介在されている請求項１１記載のヒューズ素子。
13. 上記ヒューズエレメントは、上記弾性部材によって上記第１の電極及び／又は上記第２の電極に接合されている請求項１２記載のヒューズ素子。
14. 上記筐体を構成し、上記第１、第２の電極が設けられた絶縁基板を有し、
    上記ヒューズエレメントは、上記絶縁基板との間に上記弾性部材を介在して固定されている請求項１１記載のヒューズ素子。
15. 上記筐体を構成し、上記ヒューズエレメントを覆うカバー部材を備え、
    上記ヒューズエレメントは、上記カバー部材との間に上記弾性部材を介在して固定されている請求項１１〜１４のいずれか１項に記載のヒューズ素子。
16. 上記弾性部材は、多孔質材料が用いられている請求項１１〜１５のいずれか１項に記載のヒューズ素子。
17. 上記弾性部材は、線状の導電材料からなる織布又は不織布が用いられている請求項１１〜１５のいずれか１項に記載のヒューズ素子。
18. 上記弾性部材は、上記ヒューズエレメントの溶融を促進する材料が含浸されている請求項１６又は１７に記載のヒューズ素子。
19. 上記弾性部材は、線状の絶縁材料からなる織布又は不織布が用いられ、上記ヒューズエレメントの溶融を促進する材料が含浸されている請求項１１〜１５のいずれか１項に記載のヒューズ素子。

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