JP2020057492A - 保護素子 - Google Patents

Abstract

【課題】過電流時の保護において、ダイオードやスイッチ素子等の整流手段を用いることなく、より簡素な回路構成で動作時において通電をより確実に遮断することができる保護素子および保護回路を提供する。【解決手段】絶縁基板１１と、この絶縁基板に設けられた少なくとも一対のヒューズ電極１２と、絶縁基板に設けられ、ヒューズ電極の間に設けた中間電極１３と、ヒューズ電極と中間電極とに接合され、ヒューズ電極と中間電極に電気接続されたヒューズ素子１４と、絶縁基板に設けられ、中間電極と発熱電極１６に電気接続するように設けられた発熱体１７を備え、中間電極を含むヒューズ電極のうち少なくとも一対の電極間の伝導手段を他の電極間の伝導手段と異なるように設けた保護素子１０。【選択図】図１

Description

本開示は、電気・電子機器の保護素子、保護回路に関する。

近年、モバイル機器など小型電子機器の急速な普及に伴い、搭載する電源の保護回路に実装される保護素子も小型薄型のものが使用されている。二次電池パックの保護回路には、例えば特許文献１に記載されるような表面実装部品（ＳＭＤ）の保護素子が好適に利用される。これらの保護素子には、被保護機器の過電流により生ずる過電流、過電圧などの異常状態を検知し、または周囲温度の異常過熱に感応して、所定条件でヒューズを作動させ電気回路を遮断する非復帰型保護素子がある。該保護素子は、機器の安全を図るために、保護回路が機器に生ずる異常を検知すると信号電流により抵抗素子を発熱させ、その発熱で可融性の合金材からなるヒューズ素子を溶断させて回路を遮断するか、あるいは過電流によってヒューズ素子を溶断させて回路を遮断する。

本開示の関連技術として、図３に保護素子３０を示す。保護素子３０は、絶縁基板３１と、絶縁基板３１に設けられた一対のヒューズ電極３２と、ヒューズ電極３２の間に設けた中間電極３３と、ヒューズ電極３２と中間電極３３とに接合され、ヒューズ電極３２と中間電極３３に電気接続されたヒューズ素子３４と、ヒューズ素子３４を覆うキャップ状蓋体３５とを備える。また、絶縁基板３１には中間電極３３と発熱電極３６に電気接続するように発熱体３７が設けられている。

このような保護素子３０は、例えば特許文献２に記載されるように、図４（ａ）に示す二次電池パック用の保護回路４０に接続されることにより、ヒューズ電極４２に電気接続されたヒューズ素子４４ａ、４４ｂが、保護回路４０の充放電電流回路の一部を構成する。また、保護素子３０の発熱体４７は、ダイオードやスイッチ素子などの整流素子４９に接続される。整流素子４９は、過電流時の保護において図４（ｂ）に示すように、ヒューズ素子４２がヒューズ電極４２と中間電極４３の片側のみに残ったときのリーク電流５００を防止する。なお、過電圧時においては、発熱体４７に電気接続された電圧検知用ＩＣやＦＥＴなどからなる検知手段２２０によって、電圧が発熱体に印加され、発熱体が発熱し、ヒューズ素子の全てが溶断するとともに発熱体への印加も止まるので、前述のような片側動作への補償は必要ない。

国際公開ＷＯ２０１３／１７２１６０Ａ１ 特許第４０９５４２６号

上記のような従来の保護素子３０および保護回路４０には、過電流時にヒューズ素子４４ａ、４４ｂが何れか片方に残ったときに備えて、ダイオードやスイッチ素子などの整流手段が必要であった。

本開示は、過電流時の保護において、ダイオードやスイッチ素子等の整流手段を用いることなく、より簡素な回路構成で動作時において通電をより確実に遮断することができる電気・電子機器の保護素子および保護回路を提供することを目的とする。

本開示の保護素子は、絶縁基板と、絶縁基板に設けられた少なくとも一対のヒューズ電極と、絶縁基板に設けられ、ヒューズ電極の間に設けた中間電極と、ヒューズ電極と中間電極に電気接続されたヒューズ素子と、絶縁基板に設けられ、中間電極と発熱電極に電気接続するように設けられた発熱体を備え、中間電極を含むヒューズ電極のうち少なくとも一対の電極間の伝導手段を他の電極間の伝導手段と異なるように設ける。これにより、過電流の保護において、ヒューズ素子が接続する電極間の溶断順序を制御可能にする。ここでいう伝導手段とは、電導性または熱伝導性または電導性と熱伝導性との組み合わせのことをいう。例えば、電気抵抗、放熱性またはこれらの組み合わせを用いて所定箇所の通電時の発熱、放熱特性に差を設けることで、所定電極間のヒューズ素子が、他の電極間のヒューズ素子より先に溶断するように制御できる。

また、本開示の保護回路は、前記保護素子を保護装置に用いた保護回路であり、二次電池を過電流と過電圧から保護する電気回路であって、ヒューズ素子と発熱体を有する保護装置と、この保護装置の発熱体に電気接続され二次電池の過電圧を検出し前記発熱体に流れる電流を制御する検知手段とを備え、保護装置は、絶縁基板と、この絶縁基板に設けられた少なくとも一対のヒューズ電極と、該絶縁基板に設けられヒューズ電極の間に設けた中間電極と、ヒューズ電極と中間電極に電気接続されたヒューズ素子と、該絶縁基板に設けられ中間電極と発熱電極に電気接続するように設けられた発熱体とを有し、中間電極を含むヒューズ電極のうち少なくとも一対の電極間の伝導手段を他の電極間の伝導手段と異なるように設けられた保護素子からなり、過電流時には、伝導手段により、所定のヒューズ素子が溶断するとともに、過電圧時には、検知手段により、二次電池の電圧が発熱体に印加され、発熱体が発熱し、ヒューズ素子が全て溶断し発熱体への印加を遮断することができる。上記保護回路は、さらに保護装置を電気接続して取付ける電気回路の電極を前記保護装置の伝導手段として構成することができ、保護装置（保護素子）を取付ける配線基板側の実装用電極および配線の面積、厚みを変化させてもよい。例えば、該保護装置の所定電極を取り付ける電気回路の電極または配線の面積を小さくして放熱し難くしておき、所定電極以外の他の電極においては、これを取り付ける電極または配線の面積を大きくして、より放熱し易くすると、保護装置の所定電極を先に溶断させることができる。

本開示の保護素子および保護回路は、中間電極を含むヒューズ電極のうち所定電極間の伝導性（電導または熱伝導または電導と熱伝導との組み合わせ）を調整することにより、過電流時の溶断順序を制御する。

本開示の発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、次のとおりである。本開示の一実施形態によれば、ヒューズ動作時において通電をより確実に遮断することができる。

一実施形態の保護素子１０を示し、（ａ）は（ｂ）のｄ−ｄ線に沿って蓋体を切断した平面図を、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線に沿って切断した断面図を、（ｃ）はその下面図である。 一実施形態の保護回路２０の回路図を示し、（ａ）はヒューズ動作前の回路図を、（ｂ）は過電流によるヒューズ動作後の回路図である。 従来の保護素子３０を示し、（ａ）は（ｂ）のｄ−ｄ線に沿って蓋体を切断した平面図を、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線に沿って切断した断面図を、（ｃ）はその下面図である。 従来の保護回路４０の回路図を示し、（ａ）はヒューズ動作前の回路図を、（ｂ）は過電流によるヒューズ動作後の回路図である。

本実施の形態に係る保護素子は、絶縁基板と、絶縁基板に設けられた少なくとも一対のヒューズ電極と、絶縁基板に設けられ、ヒューズ電極の間に設けた中間電極と、ヒューズ電極と中間電極とに接合され、ヒューズ電極と中間電極に電気接続されたヒューズ素子と、絶縁基板に設けられ、中間電極と発熱電極に電気接続するように設けられた発熱体を備え、中間電極を含むヒューズ電極のうち少なくとも一対の電極間の伝導手段を他の電極間の伝導手段と異なるように設ける。絶縁基板は絶縁材であれば何れの材料、組成のものでもよく、例えば、プラスチック、ガラス、ガラスセラミック、セラミックなどが好適である。絶縁基板に設けたヒューズ電極、中間電極および発熱電極は、導電材であれば何れの材料、組成のものでもよく、例えば、銅、銀、銅合金、銀合金が好適である。ヒューズ素子は、易融性の金属材であれば何れの材料、組成のものでもよく、例えば、錫基合金、錫−鉛合金、錫−銅合金、錫−銀合金、錫−銀−銅合金などが好適に利用できる。また、ヒューズ素子は、単一組成の金属材を用いても、組成の異なる複数の金属材を組み合わせて複合材にして用いてもよい。

中間電極を含むヒューズ電極のうち少なくとも一対の電極間の伝導性を他の電極間の伝導性と異なるように設ける伝導手段は、ヒューズ素子が架け渡した電極間の電気伝導あるいは熱伝導を調節できれば何れの方法、手段を用いてもよく、特に限定されないが、例えば、電極間を架け渡すヒューズ素子の断面積や長さを電極間ごとに変えたり、または電極間ごとにヒューズ素子そのものの材質を変えたり、電極の面積や材料を変えることで、電極間の伝導性を調整することができる。また、ヒューズ素子の寸法や材質を変えずに中間電極を含むヒューズ電極のうち所定の電極の電極間距離を広く設けることでも同様の効果が得られる。例えば、中間電極を含むヒューズ電極のうち所定の電極間の電気抵抗を他の電極間の電気抵抗よりも大きくすることで、ヒューズ素子が接続する複数の電極間の過電流時における溶断順序を制御することができる。電気抵抗を高く設定したヒューズ電極のヒューズ素子が、それより電気抵抗が低いヒューズ電極のヒューズ素子より先に溶断するようにできる。また、中間電極を含むヒューズ電極のうち所定の電極間の熱伝導を他の電極間の熱伝導よりも小さくすることで、ヒューズ素子が接続する複数の電極間の過電流時における溶断順序を制御することができる。例えば、所定電極の放熱面積（電極面積）を狭く（小さく）設けたヒューズ電極のヒューズ素子が、それより放熱面積（電極面積）を広く（大きく）設けたヒューズ電極のヒューズ素子より先に溶断するようにできる。

本実施の形態に係る保護回路は、二次電池を過電流と過電圧から保護する電気回路であって、ヒューズ素子と発熱体を有する保護装置と、この保護装置の発熱体に電気接続され、二次電池の過電圧を検出し前記発熱体に流れる電流を制御する検知手段とを備え、保護装置は、絶縁基板と、この絶縁基板に設けられた少なくとも一対のヒューズ電極と、該絶縁基板に設けられヒューズ電極の間に設けた中間電極と、ヒューズ電極と中間電極とに接合されヒューズ電極と中間電極に電気接続されたヒューズ素子と、該絶縁基板に設けられ中間電極と発熱電極に電気接続するように設けられた発熱体とを有し、中間電極を含むヒューズ電極のうち少なくとも一対の電極間の伝導手段を他の電極間の伝導手段と異なるように設けられた保護素子からなり、過電流時には、伝導手段により、所定のヒューズ素子が溶断するとともに、過電圧時には、検知手段により、二次電池の電圧が発熱体に印加され、発熱体が発熱し、全てのヒューズ素子が溶断し発熱体への印加を遮断する。

実施形態１に係る保護素子１０は、図１に示すように、絶縁基板１１と、絶縁基板１１に設けられた一対のヒューズ電極１２と、絶縁基板１１に設けられ、ヒューズ電極１２の間に設けた中間電極１３と、ヒューズ電極１２と中間電極１３とに接合され、ヒューズ電極１２と中間電極１３に電気接続されたヒューズ素子１４と、ヒューズ素子１４の表面に塗布した動作フラックス（図示せず）と、この動作フラックスごとヒューズ素子１４の上部を覆った蓋体１５と、絶縁基板１１に設けられ、中間電極１３と発熱電極１６とに電気接続するように設けられた抵抗素子からなる発熱体１７とを備え、中間電極１３を含むヒューズ電極１２のうち電極間Ｒ１の電極間距離を広く設け、他の電極間Ｒ２の電極間距離をＲ１より狭隘に設けることで、電極間Ｒ１の電気抵抗がＲ２より高くなるように設けられた伝導手段を有する。これにより、過電流時に電極間Ｒ１を電気接続するヒューズ素子が、電極間Ｒ２を電気接続するヒューズ素子より先に溶断するようにする。実施形態における蓋体１５は、絶縁基板１１およびヒューズ素子１４の上部を覆って所望のキャビティ空間を確保できればよく、形状、材質を制限するものではない。例えば、蓋体には、ドーム状樹脂フイルムカバー、プラスチック蓋、セラミック蓋などが好適である。

実施形態２に係る保護回路２０は、図２に示すように、二次電池が直列に接続された電池パック２００を過電流と過電圧から保護する保護回路であって、第１のヒューズ素子２４ａと第２のヒューズ素子２４ｂと発熱体２７を有する保護装置２１０と、保護装置２１０の発熱体２７に電気接続され、電池パック２００の過電圧を検出し発熱体２７に流れる電流をスイッチする電圧検知用ＩＣとＦＥＴからなる検知手段２２０とを備え、保護装置２１０は、絶縁基板２１に設けられた第１のヒューズ電極２２aと、第２のヒューズ電極２２ｂと、絶縁基板２１に設けられ前記両ヒューズ電極２２a、２２ｂの間に設けた中間電極２３と、第１のヒューズ電極２２aと中間電極２３とに電気接続された第１のヒューズ素子２４ａと、第２のヒューズ電極２２ｂと中間電極２３とに電気接続された第２のヒューズ素子２４ｂと、絶縁基板２１に設けられ中間電極２３と発熱電極２６に電気接続するように設けられた発熱体２７とを有し、ヒューズ電極２２aと中間電極２３の電極間距離Ｒ１を広く設け、ヒューズ電極２２ｂと中間電極２３の電極間距離Ｒ２をＲ１よりも狭隘にして設けられた伝導手段を有する保護素子からなり、過電流時には、伝導手段によってヒューズ素子２４ａが先に溶断するように制御するとともに、過電圧時には、検知手段２２０によって発熱体２７に流れる電流をスイッチオンすることにより、二次電池の電圧が発熱体２７に印加され、発熱体２７が発熱し、第１のヒューズ素子２４ａと第２のヒューズ素子２４ｂを溶断させるとともに発熱体２７への印加も遮断する。上記保護回路２０は、第１のヒューズ素子の内部抵抗値をＲ１、第２のヒューズ素子の内部抵抗値をＲ２とするとき、電気抵抗値の大きさがＲ１＞ Ｒ２となるため、過電流印加時には、必ずＲ１側 の第１のヒューズ素子２４ａが溶断するようにできる。これにより、過電流時の保護において従来必要とされていたダイオードやスイッチ素子などの整流手段を省略することができる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明でなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本開示は、電池パックなど２次電池の保護装置に利用できる。

１０ 保護素子、１１，２１ 絶縁基板、１２ ヒューズ電極、１３，２３ 中間電極、１４ ヒューズ素子、１５ 蓋体、１６，２６ 発熱電極、１７，２７ 発熱体、２０ 保護回路、２２a 第１のヒューズ電極、２２ｂ 第２のヒューズ電極、２４ａ 第１のヒューズ素子、２４ｂ 第２のヒューズ素子、２００ 電池パック、２１０ 保護装置、２２０ 電圧検知手段、Ｒ１ 所定の電極間、Ｒ２ 他の電極間。

Claims (14)

1. 絶縁基板と、この絶縁基板に設けられた少なくとも一対のヒューズ電極と、前記絶縁基板に設けられ、前記ヒューズ電極の間に設けた中間電極と、前記ヒューズ電極と前記中間電極とに接合され、前記ヒューズ電極と前記中間電極に電気接続されたヒューズ素子と、前記絶縁基板に設けられ、前記中間電極と発熱電極に電気接続するように設けられた発熱体を備え、前記中間電極を含む前記ヒューズ電極のうち少なくとも一対の電極間の伝導手段を他の電極間の伝導手段と異なるように設けたことを特徴とした保護素子。
2. 前記伝導手段は、前記中間電極を含む前記ヒューズ電極の電極間を架け渡す前記ヒューズ素子の断面積や長さを電極間ごとに変えた請求項１に記載の保護素子。
3. 前記伝導手段は、前記中間電極を含む前記ヒューズ電極の電極間ごとにヒューズ素子そのものの材質を変えた請求項１または請求項２に記載の保護素子。
4. 前記伝導手段は、前記中間電極を含む前記ヒューズ電極のうち所定の電極の電極間距離を他の電極間距離より広く設けた請求項１ないし請求項３の何れか１つに記載の保護素子。
5. 前記伝導手段は、前記中間電極を含む前記ヒューズ電極のうち所定の電極間の電気抵抗を他の電極間の電気抵抗よりも大きくした請求項１ないし請求項４の何れか１つに記載の保護素子。
6. 前記伝導手段は、前記中間電極を含む前記ヒューズ電極のうち所定の電極間の熱伝導を他の電極間の熱伝導よりも小さくした請求項１ないし請求項５の何れか１つに記載の保護素子。
7. 前記伝導手段は、前記中間電極を含む前記ヒューズ電極のうち所定電極の放熱面積を小さく設けた請求項１ないし請求項６の何れか１つに記載の保護素子。
8. 二次電池を過電流と過電圧から保護する電気回路であって、ヒューズ素子と発熱体を有する保護装置と、この保護装置の前記発熱体に電気接続され、前記二次電池の過電圧を検出し前記発熱体に流れる電流を制御する検知手段とを備え、
   前記保護装置は、絶縁基板と、この絶縁基板に設けられた少なくとも一対のヒューズ電極と、該絶縁基板に設けられ該ヒューズ電極の間に設けた中間電極と、該ヒューズ電極と該中間電極に電気接続されたヒューズ素子と、該絶縁基板に設けられ該中間電極と発熱電極に電気接続して設けられた発熱体とを有し、前記中間電極を含む前記ヒューズ電極のうち少なくとも一対の電極間の伝導手段を他の電極間の伝導手段と異なるように設けられた保護素子からなり、
   過電流時には、前記伝導手段により、所定の前記ヒューズ素子が溶断するとともに、
   過電圧時には、前記検知手段により、前記二次電池の電圧が発熱体に印加され、前記発熱体が発熱し、前記ヒューズ素子が溶断して発熱体への印加を遮断することを特徴とした保護回路。
9. 前記伝導手段は、前記中間電極を含む前記ヒューズ電極の電極間を架け渡す前記ヒューズ素子の断面積や長さを電極間ごとに変えた請求項８に記載の保護回路。
10. 前記伝導手段は、前記中間電極を含む前記ヒューズ電極の電極間ごとにヒューズ素子そのものの材質を変えた請求項８または請求項９に記載の保護回路。
11. 前記伝導手段は、前記中間電極を含む前記ヒューズ電極のうち所定の電極の電極間距離を他の電極間距離より広く設けた請求項８ないし請求項１０の何れか１つに記載の保護回路。
12. 前記伝導手段は、前記中間電極を含む前記ヒューズ電極のうち所定の電極間の電気抵抗を他の電極間の電気抵抗よりも大きくした請求項８ないし請求項１１の何れか１つに記載の保護回路。
13. 前記伝導手段は、前記中間電極を含む前記ヒューズ電極のうち所定の電極間の熱伝導を他の電極間の熱伝導よりも小さくした請求項８ないし請求項１２の何れか１つに記載の保護回路。
14. 前記伝導手段は、前記中間電極を含む前記ヒューズ電極のうち所定電極の放熱面積を小さく設けた請求項８ないし請求項１３の何れか１つに記載の保護回路。
    

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