JP2022129313A - 保護素子及びバッテリパック - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁層や発熱体の破損を起こすことなく、安全かつ速やかに電流経路を遮断できる保護素子を提供する。【解決手段】絶縁基板２と、絶縁基板２上に支持された可溶導体３と、可溶導体３に接続された複数の通電部４と、絶縁基板２に設けられ、通電されることにより発熱する発熱体５と、発熱体５と接続され、発熱体５への給電端子となる発熱体電極６と、発熱体５を被覆するガラス層７を備え、ガラス層７は、発熱体５の融点よりも低い融点を有する。【選択図】図１

Description

本技術は、電流経路を溶断することにより、電流経路上に接続された回路を保護する保護素子、及びこれを用いたバッテリパックに関する。

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として、保護素子内部に発熱体を有し、この発熱体の発熱によって電流経路上の可溶導体を溶断する構造が用いられている。

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への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。

このような大電流に対応する保護素子を実現するために、断面積を増大させた可溶導体を用い、発熱体を形成した絶縁基板の表面にこの可溶導体を接続した保護素子が提案されている。

図８は、従来の保護素子の一構成例を示す図であり、（Ａ）はカバー部材を省略して示す平面図であり、（Ｂ）は断面図であり、（Ｃ）は底面図である。図８に示す保護素子１００は、絶縁基板１０１と、絶縁基板１０１の表面上に形成されるとともに絶縁基板１０１の裏面に形成された第１、第２の外部接続電極１０２ａ，１０３ａを介して外部回路の電流経路上に接続される第１、第２の電極１０２、１０３と、絶縁基板１０１の表面に形成され通電すると発熱する発熱体１０４と、発熱体１０４を被覆する絶縁層１０５と、絶縁層１０５上に積層されるとともに発熱体１０４と接続された発熱体引出電極１０６と、第１の電極１０２、発熱体引出電極１０６、及び第２の電極１０３にわたって接続用ハンダを介して搭載されるヒューズエレメント１０７とを備える。

発熱体１０４は、絶縁基板１０１の表面上に形成された発熱体給電電極１０８と接続されている。発熱体給電電極１０８は、絶縁基板１０１の裏面に形成された第３の外部接続電極１０８ａとキャスタレーションを介して接続されている。発熱体１０４は、第３の外部接続電極１０８ａを介して外部回路に設けられた外部電源と接続されている。そして、発熱体１０４は、図示しないスイッチ素子等により常時、電流及び発熱が制御されている。

発熱体１０４は、ガラス層等からなる絶縁層１０５によって被覆されるとともに、絶縁層１０５上に形成された発熱体引出電極１０６と、絶縁層１０５を介して重畳されている。絶縁層１０５は、例えばガラスペーストを印刷、焼成することにより形成されている。また、発熱体引出電極１０６上には第１、第２の電極１０２，１０３間にわたって接続されたヒューズエレメント１０７が接続されている。

ヒューズエレメント１０７は、絶縁層１０５を介して発熱体１０４に重畳されることにより発熱体１０４と熱的に接続され、発熱体１０４が通電によって発熱すると溶断される。

ヒューズエレメント１０７は、Ｐｂフリーハンダなどの低融点金属やＡｇ、Ｃｕ又はこれらを主成分とする合金などの高融点金属により形成され、あるいは低融点金属と高融点金属の積層構造を有する。そして、ヒューズエレメント１０７は、第１の電極１０２から発熱体引出電極１０６を経て第２の電極１０３にかけて接続されることにより、保護素子１００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１０７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１０４の発熱により溶断し、第１、第２の電極１０２，１０３間を遮断する。

そして、保護素子１００は、外部回路の電流経路を遮断する必要が生じると、スイッチ素子により発熱体１０４へ通電される。これにより、発熱体１０４は高温に発熱し、外部回路の電流経路上に組み込まれたヒューズエレメント１０７を溶融させる。ヒューズエレメント１０７の溶融導体は、濡れ性の高い発熱体引出電極１０６及び第１、第２の電極１０２，１０３に引き寄せられる。これによりヒューズエレメント１０７は、第１の電極１０２～発熱体引出電極１０６～第２の電極１０３の間を溶断させ、外部回路の電流経路が遮断される。

特開２０２０－１７３９６５号公報

近年、保護素子が用いられる機器の高電圧化が進み、発熱体に印加される電圧も安全且つ低電圧である４２Ｖを超える使用が標準的に行われる様になってきている。ここで、保護素子の絶縁層１０５（ガラス層）は、発熱体１０４の熱を効率よく発熱体引出電極１０６やヒューズエレメント１０７へ伝えるために、厚みが非常に薄く形成されている（例えば１０～４０μｍ）。そのため、ガラスペーストの印刷時にガラス内に発生するピンホール等の絶縁性能が低下している箇所が存在していると、発熱体１０４に電圧が印加された時に、絶縁破壊が発生し、十分に発熱する前に発熱体１０４が破壊されたり、発熱体引出電極１０６が損傷したりするおそれがある。

また、絶縁層１０５は、発熱体１０４との接触面とそれ以外の面での温度差による線膨張差によって生ずる応力により、絶縁層１０５の材料そのものが破壊され、同時に接触している発熱体１０４や発熱体引出電極１０６も損傷するおそれもある。この傾向は、絶縁基板の裏面に発熱体１０４及び絶縁層１０５を形成し、絶縁層１０５にヒューズエレメント１０７が重畳されない裏面ヒーター構造において、大きくなる。

このような絶縁破壊に伴う発熱体１０４や発熱体引出電極１０６の損傷によってヒューズエレメントが融け残り、電流遮断が阻害されるリスクは、高電圧、大電流化に伴ってヒューズエレメントが大型化するにつれて、また、定格電圧が向上し電界強度が高くなるにつれて大きくなる。

この対策として、ガラスペーストを印刷する回数を増やす事が挙げられるが、厚膜印刷により積層していくことになる為、製造工程における位置合わせ等の条件出しに投入ロット毎に調整時間を必要となり、生産性が著しく低下してしまう。

したがって、発熱体を内蔵した保護素子において、高電圧、大電流化に対応するとともに、素子内部で絶縁層や発熱体の破損を起こすことなく、より安全に且つ速やかに作動する対策が求められている。

そこで、本技術は、絶縁層や発熱体の破損を起こすことなく、安全かつ速やかに電流経路を遮断できる保護素子及びこれを用いたバッテリパック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、本技術に係る保護素子は、絶縁基板と、上記絶縁基板上に支持された可溶導体と、上記可溶導体に接続された複数の通電部と、上記絶縁基板に設けられ、通電されることにより発熱する発熱体と、上記発熱体と接続され、上記発熱体への給電端子となる発熱体電極と、上記発熱体を被覆するガラス層を備え、上記ガラス層は、上記発熱体の融点よりも低い融点を有するものである。

また、本技術に係るバッテリパックは、１つ以上のバッテリセルと、上記バッテリセルの充放電経路上に接続され、該充放電経路を遮断する保護素子と、上記バッテリセルの電圧値を検出して上記保護素子への通電を制御する電流制御素子を備え、上記保護素子は、絶縁基板と、上記絶縁基板上に支持された可溶導体と、上記可溶導体に接続された複数の通電部と、上記絶縁基板に設けられ、通電されることにより発熱する発熱体と、上記発熱体と接続され、上記発熱体への給電端子となる発熱体電極と、上記発熱体を被覆するガラス層を備え、上記ガラス層は、上記発熱体の融点よりも低い融点を有するものである。

本技術によれば、ガラス層は、発熱体の融点よりも低い融点を有するため、発熱体が発熱すると軟化する。そのため、ガラス層内の温度差によって生じる応力を発散させることができ、ガラス層の破損及びこれに起因する絶縁破壊及び発熱体の破損を防止し、可溶導体を溶断させるために必要十分な発熱体の発熱時間を確保することができる。

図１は、絶縁基板表面に発熱体を設けた保護素子の一構成例を示す図であり、（Ａ）はカバー部材を省略して示す平面図であり、（Ｂ）は断面図であり、（Ｃ）は底面図である。 図２は、図１に示す保護素子において、可溶導体が溶断した状態を示す図であり、（Ａ）はカバー部材を省略して示す平面図であり、（Ｂ）は断面図である。 図３は、可溶導体の断面図である。 図４は、バッテリパックの構成例を示す回路図である。 図５は、保護素子の回路図である。 図６は、絶縁基板裏面に発熱体を設けた保護素子の一構成例を示す図であり、（Ａ）はカバー部材を省略して示す平面図であり、（Ｂ）は断面図であり、（Ｃ）は底面図である。 図７は、図６に示す保護素子において、可溶導体が溶断した状態を示す図であり、（Ａ）はカバー部材を省略して示す平面図であり、（Ｂ）は断面図である。 図８は、保護素子の一構成例を示す図であり、（Ａ）はカバー部材を省略して示す平面図であり、（Ｂ）は断面図であり、（Ｃ）は底面図である。

以下、本技術が適用された保護素子及びバッテリパックについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本技術は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本技術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。

［第１の実施の形態］
本技術が適用された保護素子の第１の実施の形態について説明する。本技術が適用され
た保護素子１は、図１（Ａ）～（Ｃ）に示すように、絶縁基板２と、絶縁基板２上に支持された可溶導体３と、可溶導体３に接続された複数の通電部４ａ～４ｃと、絶縁基板２に設けられ、通電されることにより発熱する発熱体５と、発熱体５と接続され、発熱体５への給電端子となる発熱体電極６と、発熱体５を被覆するガラス層７を備え、ガラス層７は、発熱体５の融点よりも低い融点を有する。

絶縁基板２の可溶導体３が支持された表面２ａには、発熱体５及び発熱体５を被覆するガラス層７が形成されている。また、絶縁基板２の表面２ａには、通電部として、可溶導体３の一端部と接続された第１の通電部４ａ及び可溶導体３の他端部と接続された第２の通電部４ｂが形成されている。さらに、絶縁基板２の表面２ａ側には、通電部４として、発熱体５と電気的に接続されるとともに、ガラス層７上に重畳され可溶導体３とも接続された発熱体引出通電部４ｃが形成されている。

ここで、ガラス層７は、発熱体５と接する部位と接しない部位、発熱体引出通電部４ｃと接する部位と接しない部位など放熱特性が部分的に異なる。そのため、ガラス層７は、発熱体５の発熱時によって内部応力が生じ、これが破損の原因となり得る。しかし、保護素子１のガラス層７は、発熱体５の融点よりも低い融点を有するため、発熱体５が発熱すると軟化する。そのため、ガラス層７内の温度差によって生じる応力を発散させることができ、ガラス層７の破損及びこれに起因する絶縁破壊及び発熱体５の破損を防止し、可溶導体３を溶断させるために必要十分な発熱体５の発熱時間を確保することができる。

このような保護素子１は、外部回路に組み込まれることにより、可溶導体３が当該外部回路の電流経路の一部を構成し、発熱体５の発熱、あるいは定格を超える過電流によって溶断することにより電流経路を遮断する。以下、保護素子１の各構成について詳細に説明する。

［絶縁基板］
絶縁基板２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、絶縁基板２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。

［第１、第２の通電部］
絶縁基板２の相対向する両端部には、第１、第２の通電部４ａ，４ｂが形成されている。第１、第２の通電部４ａ，４ｂ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の通電部４ａ，４ｂ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、メッキ処理等の公知の手法によりコーティングされていることが好ましい。これにより、保護素子１は、第１、第２の通電部４ａ，４ｂの酸化を防止し、導通抵抗の上昇に伴う定格の変動を防止することができる。また、保護素子１をリフロー実装する場合に、可溶導体３を接続する接続用ハンダが溶融することにより第１、第２の通電部４ａ，４ｂを溶食（ハンダ食われ）するのを防ぐことができる。

第１の通電部４ａは、絶縁基板２の表面２ａより、キャスタレーションを介して裏面２ｂに形成された第１の外部接続電極１１と連続されている。また、第２の通電部４ｂは、絶縁基板２の表面２ａより、キャスタレーションを介して裏面２ｂに形成された第２の外部接続電極１２と連続されている。保護素子１が外部回路基板に実装されると、第１、第２の外部接続電極１１，１２が、当該外部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、可溶導体３が当該外部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。

第１、第２の通電部４ａ，４ｂは、接続ハンダ等の導電接続材料を介して可溶導体３が搭載されることにより、可溶導体３を介して電気的に接続されている。また、図２（Ａ）（Ｂ）に示すように、第１、第２の通電部４ａ，４ｂは、保護素子１に定格を超える大電流が流れ可溶導体３が自己発熱（ジュール熱）によって溶断し、あるいは発熱体５が通電に伴って発熱し可溶導体３が溶断することにより、接続遮断される。

［発熱体］
発熱体５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５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２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。一例として、発熱体５は、酸化ルテニウム系ペーストと銀とガラスペーストの混合ペーストを所定の電圧に応じて調整し、絶縁基板２の表面２ａの所定の位置に所定の面積で製膜し、その後、適正条件にて焼成処理を行うことにより形成することができる。また、発熱体５の形状は適宜設計できるが、図１に示すように、絶縁基板２の形状に応じて略矩形状とすることが発熱面積を最大化するうえで好ましい。

また、発熱体５は、一端部５ａが第１の引出電極１５と接続され、他端部５ｂが第２の引出電極１６と接続されている。第１の引出電極１５は発熱体電極６から引き出され、発熱体５の通電時には発熱体電極６と同電位となる。第２の引出電極１６は絶縁基板２の表面２ａに設けられた中間電極８から引き出され、発熱体５の通電時には中間電極８及びこれと接続された発熱体引出通電部４ｃと同電位となる。第１の引出電極１５は、発熱体電極６から発熱体５の一端部５ａに沿って引き出され、図１に示す保護素子１では、略矩形状に形成された発熱体５の一側縁に沿って延在されるとともに、当該発熱体５の一側縁が重畳されている。同様に、第２の引出電極１６は、中間電極８から発熱体５の他端部５ｂに沿って引き出され、図１に示す保護素子１では、略矩形状に形成された発熱体５の他側縁に沿って延在されるとともに、当該発熱体５の他側縁が重畳されている。

発熱体電極６及び中間電極８は、絶縁基板２の第１、第２の通電部４ａ，４ｂが設けられた側縁と異なる相対向する側縁に形成されている。発熱体電極６は、発熱体５への給電端子となる電極であり、第１の引出電極１５を介して発熱体５の一端部５ａと接続されるとともに、キャスタレーションを介して絶縁基板２の裏面２ｂに形成された第３の外部接続電極１３と連続されている。

発熱体電極６、第１、第２の引出電極１５，１６、及び中間電極８は、第１、第２の通電部４ａ，４ｂと同様に、ＡｇやＣｕ等の導電ペーストを印刷、焼成することによって形成することができる。また、絶縁基板２の表面２ａ上に形成されるこれら各電極及び通電部を同一の材料により構成することで、一度の印刷及び焼成工程で形成することができる。

なお、発熱体電極６は、第３の外部接続電極１３と接続される外部回路基板の電極に設けられた接続用ハンダがリフロー実装等において溶融し、キャスタレーションを介して発熱体電極６上に這い上がり、発熱体電極６上に濡れ拡がることを防止する規制壁を設けてもよい。第１、第２の通電部４ａ，４ｂも同様に、規制壁を設けてもよい。規制壁は、例えばガラスやソルダーレジスト、絶縁性接着剤等ハンダに対する濡れ性を有しない絶縁材料を用いて形成することができ、発熱体電極６上に印刷等により形成することができる。規制壁を設けることにより、溶融した接続用ハンダが発熱体電極６や第１、第２の通電部４ａ，４ｂまで濡れ広がることを防止し、保護素子１と外部回路基板との接続性を維持することができる。

中間電極８は、発熱体５とガラス層７上に積層される発熱体引出通電部４ｃとの間に設けられる電極であり、発熱体５の他端部５ｂと接続されるとともに、発熱体引出通電部４ｃと接続されている。発熱体引出通電部４ｃは、ガラス層７を介して発熱体５と重畳するとともに可溶導体３と接続される。

［ガラス層］
また、発熱体５、第１の引出電極１５及び第２の引出電極１６は、ガラス層７に被覆されている。また、ガラス層７上には発熱体引出通電部４ｃが形成されている。

ガラス層７は、発熱体５の保護及び絶縁を図るものである。ガラス層７は発熱体５の熱を効率よく発熱体引出通電部４ｃや可溶導体３へ伝えるために、厚みが例えば１０～４０μｍと薄く形成されている。ガラス層７は、例えばガラス系のペーストを塗布、焼成することにより形成することができる。

また、ガラス層７は、発熱体５の融点よりも低い融点を有する。ガラス層７は、発熱体５や第１、第２の引出電極１５，１６と接する部位と接しない部位、発熱体引出通電部４ｃと接する部位と接しない部位など放熱特性が部分的に異なる。

ここで、ガラス層の融点を発熱体５の融点と同等とすると、発熱体５の発熱時によって内部応力が生じ、これが破損の原因となり得る。しかし、保護素子１のガラス層７は、発熱体５の融点よりも低い融点を有するため、発熱体５が発熱すると軟化する。そのため、ガラス層７内の温度差によって生じる応力を発散させることができ、ガラス層７の破損及びこれに起因する絶縁破壊及び発熱体５の破損を防止し、可溶導体３を溶断させるために必要十分な発熱体５の発熱時間を確保することができる。同様に、発熱体引出通電部４ｃの破損を防止し、可溶導体３の溶融導体が第１、第２の通電部４ａ，４ｂとの間に溶け残る事態を防止することができる。

また、ガラス層７は、発熱体５の発熱温度よりも低い融点を有するものとしてもよい。これによっても、ガラス層７は、発熱体５が発熱すると軟化し、内部応力による破損を防止することができる。例えば、ガラス層７の融点は、６００℃以下とすることができる。

一方、ガラス層７の融点は保護素子１のリフロー実装時の温度よりも高いことが好ましい。これにより、保護素子１がリフローハンダ付けにより外部回路基板に実装される際に、ガラス層７が軟化して、発熱体引出通電部４ｃや可溶導体３の位置ズレが生じることを防止することができる。例えば、ガラス層７の融点は、３００℃以上とすることができる。

ガラス層７の融点や焼成温度は、ガラスペーストに配合するガラス粉末や樹脂、溶媒等の組成及び配合量を調整することにより設定可能である。

保護素子１は、外部回路基板に実装されることにより、第３の外部接続電極１３を介して発熱体５と外部回路に形成された電流制御素子等とが接続される。発熱体５は、平常時においては通電及び発熱が規制されているが、外部回路の通電経路を遮断する所定のタイミングで第３の外部接続電極１３を介して通電され、発熱する。

このとき、ガラス層７は、発熱体５の融点よりも低い融点を有するため、発熱体５の発熱によって軟化する。そのため、ガラス層７内において、発熱体５や第１、第２の引出電極１５，１６と接する部位及び接しない部位との間における線膨張差に起因する内部応力の発生を抑え、ガラス層７の破損及びこれに伴う発熱体５の破損を防止することができる。また、ガラス層７の破損に伴う絶縁破壊（スパーク）、及び発熱体５の破損を防止することができる。そして、保護素子１は、可溶導体３を溶断させるために必要十分な発熱体５の発熱時間を確保することができる。

保護素子１は、発熱体５の熱がガラス層７及び発熱体引出通電部４ｃを介して可溶導体３に伝達することにより、第１、第２の通電部４ａ，４ｂを接続している可溶導体３を溶融させることができる。可溶導体３の溶融導体３ａは発熱体引出通電部４ｃ上及び第１、第２の通電部４ａ，４ｂに凝集し、これにより第１、第２の通電部４ａ，４ｂ間の電流経路が遮断される。なお、後述するように、発熱体５は、可溶導体３が溶断することにより、自身の通電経路も遮断されることから発熱が停止する。

［発熱体引出通電部］
ガラス層７上に形成される発熱体引出通電部４ｃは、一端を中間電極８と接続されるとともに、ガラス層７を介して発熱体５と一部重畳されている。また、発熱体引出通電部４ｃは、接続ハンダ等の接合材料を介して、第１、第２の通電部４ａ，４ｂ間において、可溶導体３が接続されている。

また、発熱体引出通電部４ｃは、第１、第２の通電部４ａ，４ｂと同様に、ＡｇやＣｕ等の導電ペーストを印刷、焼成することによって形成することができる。また、発熱体引出通電部４ｃ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、メッキ処理等の公知の手法によりコーティングされていることが好ましい。

［可溶導体］
次いで、可溶導体３について説明する。可溶導体３は、第１及び第２の通電部４ａ，４ｂ間にわたって実装され、発熱体５の通電による発熱、又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、第１の通電部４ａと第２の通電部４ｂとの間の電流経路を遮断するものである。

可溶導体３は、発熱体５の通電による発熱、又は過電流状態によって溶融する導電性の材料であればよく、例えば、ＳｎＡｇＣｕ系のＰｂフリーハンダや、ＢｉＰｂＳｎ合金、ＢｉＰｂ合金、ＢｉＳｎ合金、ＳｎＰｂ合金、ＰｂＩｎ合金、ＺｎＡｌ合金、ＩｎＳｎ合金、ＰｂＡｇＳｎ合金等を用いることができる。

また、可溶導体３は、高融点金属と、低融点金属とを含有する構造体であってもよい。例えば、図３に示すように、可溶導体３は、内層と外層とからなる積層構造体であり、内層として低融点金属層１８、低融点金属層１８に積層された外層として高融点金属層１９を有する。可溶導体３は、第１、第２の通電部４ａ，４ｂ及び発熱体引出通電部４ｃ上に接続ハンダ等の接合材料を介して接続される。

低融点金属層１８は、好ましくは、ハンダ又は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である。低融点金属層１８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１９は、低融点金属層１８の表面に積層された金属層であり、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であり、第１、第２の通電部４ａ，４ｂ及び発熱体引出通電部４ｃと可溶導体３との接続や保護素子１の外部回路基板上への実装をリフローによって行う場合においても溶融しない高い融点を有する。

このような可溶導体３は、低融点金属箔に、高融点金属層をメッキ技術を用いて成膜することによって形成することができ、あるいは、他の周知の積層技術、膜形成技術を用いて形成することもできる。このとき、可溶導体３は、低融点金属層１８の全面が高融点金属層１９によって被覆された構造としてもよく、相対向する一対の側面を除き被覆された構造であってもよい。なお、可溶導体３は、高融点金属層１９を内層とし、低融点金属層１８を外層として構成してもよく、また低融点金属層１８と高融点金属層１９とが交互に積層された３層以上の多層構造とする、外層の一部に開口部を設けて内層の一部を露出させるなど、様々な構成によって形成することができる。

可溶導体３は、内層となる低融点金属層１８に、外層として高融点金属層１９を積層することによって、リフロー温度が低融点金属層１８の溶融温度を超えた場合であっても、可溶導体３として形状を維持することができ、溶断するに至らない。したがって、第１、第２の通電部４ａ，４ｂ及び発熱体引出通電部４ｃと可溶導体３との接続や保護素子１の外部回路基板上への実装を、リフローによって効率よく行うことができ、また、リフローによっても可溶導体３の変形に伴って局所的に抵抗値が高く又は低くなる等により所定の温度で溶断しない、あるいは所定の温度未満で溶断する等の溶断特性の変動を防止することができる。

また、可溶導体３は、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、定格よりも高い値の電流が流れると、自己発熱によって溶融し、第１、第２の通電部４ａ，４ｂ間の電流経路を遮断する。また、発熱体５が通電され発熱することにより溶融し、第１、第２の通電部４ａ，４ｂ間の電流経路を遮断する。

このとき、可溶導体３は、溶融した低融点金属層１８が高融点金属層１９を溶食（ハンダ食われ）することにより、高融点金属層１９が溶融温度よりも低い温度で溶解する。したがって、可溶導体３は、低融点金属層１８による高融点金属層１９の浸食作用を利用して短時間で溶断することができる。また、可溶導体３の溶融導体３ａは、発熱体引出通電部４ｃ及び第１、第２の通電部４ａ，４ｂの物理的な引き込み作用により分断されることから、速やかに、かつ確実に、第１、第２の通電部４ａ，４ｂ間の電流経路を遮断することができる（図２）。

また、可溶導体３は、低融点金属層１８の体積を、高融点金属層１９の体積よりも多く形成することが好ましい。可溶導体３は、過電流による自己発熱又は発熱体５の発熱によって加熱され、低融点金属が溶融することにより高融点金属を溶食し、これにより速やかに溶融、溶断することができる。したがって、可溶導体３は、低融点金属層１８の体積を高融点金属層１９の体積よりも多く形成することにより、この溶食作用を促進し、速やかに第１、第２の通電部４ａ，４ｂ間を遮断することができる。

また、可溶導体３は、内層となる低融点金属層１８に高融点金属層１９が積層されて構成されているため、溶断温度を従来の高融点金属からなるチップヒューズ等よりも大幅に低減することができる。したがって、可溶導体３は、同一サイズのチップヒューズ等に比して、断面積を大きくでき電流定格を大幅に向上させることができる。また、同じ電流定格をもつ従来のチップヒューズよりも小型化、薄型化を図ることができ、速溶断性に優れる。

また、可溶導体３は、保護素子１が組み込まれた電気系統に異常に高い電圧が瞬間的に印加されるサージへの耐性（耐パルス性）を向上することができる。すなわち、可溶導体３は、例えば１００Ａの電流が数ｍｓｅｃ流れたような場合にまで溶断してはならない。この点、極短時間に流れる大電流は導体の表層を流れることから（表皮効果）、可溶導体３は、外層として抵抗値の低いＡｇメッキ等の高融点金属層１９が設けられているため、サージによって印加された電流を流しやすく、自己発熱による溶断を防止することができる。したがって、可溶導体３は、従来のハンダ合金からなるヒューズに比して、大幅にサージに対する耐性を向上させることができる。

なお、可溶導体３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（図示せず）を塗布してもよい。また、保護素子１は、絶縁基板２がケース１７に覆われることによりその内部が保護されている。ケース１７は、例えば、各種エンジニアリングプラスチック、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することができる。また、ケース１７は、絶縁基板２の表面２ａ上に、可溶導体３が溶融時に球状に膨張し、溶融導体３ａが発熱体引出通電部４ｃや第１、第２の通電部４ａ，４ｂ上に凝集するのに十分な内部空間を有する。

［回路構成例］
このような保護素子１は、例えばリチウムイオン二次電池のバッテリパック２０内の回路に組み込まれて用いられる。図４に示すように、バッテリパック２０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２１ａ～２１ｄからなるバッテリスタック２５を有する。

バッテリパック２０は、バッテリスタック２５と、バッテリスタック２５の充放電を制御する充放電制御回路２６と、バッテリスタック２５の異常時に充放電経路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２１ａ～２１ｄの電圧を検出する検出回路２７と、検出回路２７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２８とを備える。

バッテリスタック２５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２１ａ～２１ｄが直列接続されたものであり、バッテリパック２０の正極端子２０ａ、負極端子２０ｂを介して、着脱可能に充電装置２２に接続され、充電装置２２からの充電電圧が印加される。充電装置２２により充電されたバッテリパック２０は、正極端子２０ａ、負極端子２０ｂ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２６は、バッテリスタック２５と充電装置２２との間の電流経路に直列接続された２つの電流制御素子２３ａ、２３ｂと、これらの電流制御素子２３ａ、２３ｂの動作を制御する制御部２４とを備える。電流制御素子２３ａ、２３ｂ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２４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２５の電流経路の充電方向及び／又は放電方向への導通と遮断とを制御する。制御部２４は、充電装置２２から電力供給を受けて動作し、検出回路２７による検出結果に応じて、バッテリスタック２５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２３ａ、２３ｂ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２５と充放電制御回路２６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２８によって制御される。

検出回路２７は、各バッテリセル２１ａ～２１ｄと接続され、各バッテリセル２１ａ～２１ｄの電圧値を検出して、各電圧値を充放電制御回路２６の制御部２４に供給する。また、検出回路２７は、バッテリセル２１ａ～２１ｄのいずれか１つ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２８を制御する制御信号を出力する。

電流制御素子２８は、たとえばＦＥＴにより構成され、検出回路２７から出力される検出信号によって、バッテリセル２１ａ～２１ｄ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２５の充放電電流経路を電流制御素子２３ａ、２３ｂ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２０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、第１の外部接続電極１１がバッテリスタック２５側と接続され、第２の外部接続電極１２が正極端子２０ａ側と接続され、これにより可溶導体３がバッテリスタック２５の充放電経路上に直列に接続される。また、保護素子１は、発熱体５が発熱体電極６及び第３の外部接続電極１３を介して電流制御素子２８と接続されるとともに、発熱体５がバッテリスタック２５の開放端と接続される。このように、発熱体５は、一端を発熱体引出通電部４ｃを介して可溶導体３及びバッテリスタック２５の一方の開放端と接続され、他端を第３の外部接続電極１３を介して電流制御素子２８及びバッテリスタック２５の他方の開放端と接続される。これにより電流制御素子２８によって通電が制御可能な発熱体５への給電経路が形成される。

［保護素子の動作］
検出回路２７がバッテリセル２１ａ～２１ｄのいずれかの異常電圧を検出すると、電流制御素子２８へ遮断信号を出力する。すると、電流制御素子２８は、発熱体５に通電するよう電流を制御する。保護素子１は、バッテリスタック２５から、発熱体５に電流が流れ、これにより発熱体５が発熱を開始する。保護素子１は、発熱体５の発熱により可溶導体３が溶断し、バッテリスタック２５の充放電経路を遮断する。また、保護素子１は、可溶導体３を高融点金属と低融点金属とを含有させて形成することにより、高融点金属の溶断前に低融点金属が溶融し、溶融した低融点金属による高融点金属の溶食作用を利用して短時間で可溶導体３を溶解させることができる。

このとき、保護素子１は、ガラス層７の融点が発熱体５の融点よりも低い。これにより、ガラス層７は、発熱体５が発熱すると軟化するため、ガラス層７内の温度差によって生じる応力を発散させることができる。したがって、保護素子１は、ガラス層７の破損及びこれに起因する発熱体電極６、第１の引出電極１５又は発熱体５といった高電位部と、発熱体引出通電部４ｃといった低電位部との間の絶縁破壊（スパーク）、及び発熱体５や発熱体引出通電部４ｃの破損を防止することができる。そして、保護素子１は、可溶導体３を溶断させるために必要十分な発熱体５の発熱時間を確保することができ、安全かつ速やかに電流経路を遮断できる。

保護素子１は、可溶導体３が溶断することにより、発熱体５への給電経路も遮断されるため、発熱体５の発熱が停止される。

なお、保護素子１は、バッテリパック２０に定格を超える過電流が通電された場合にも、可溶導体３が自己発熱により溶融し、バッテリパック２０の充放電経路を遮断することができる。

このように、保護素子１は、発熱体５の通電による発熱、あるいは過電流による可溶導体３の自己発熱によって可溶導体３が溶断する。このとき、保護素子１は、回路基板へのリフロー実装時や、保護素子１が実装された回路基板が更にリフロー加熱等の高温環境下に曝された場合にも、低融点金属が高融点金属によって被覆された構造を有することにより、可溶導体３の変形を抑制することができる。したがって、可溶導体３の変形による抵抗値の変動等に起因する溶断特性の変動が防止され、所定の過電流や発熱体５の発熱によって速やかに溶断することができる。

本発明に係る保護素子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。

［第２の実施の形態］
次いで、本技術が適用された保護素子の第２の実施の形態について説明する。なお、以下の説明において、上述した保護素子１と同一の構成については同一の符号を付してその詳細を省略することがある。図６（Ａ）～（Ｃ）に示すように、第２の実施の形態に係る保護素子３０は、絶縁基板２の表面２ａと反対側の裏面２ｂに、発熱体５、第１，第２の引出電極１５，１６及びこれらを被覆するガラス層７が形成されている。また、絶縁基板２の裏面２ｂには、発熱体電極６、裏面側中間電極８ｂ、第１、第２の外部接続電極１１，１２が形成されている。

また、絶縁基板２の表面２ａには、第１、第２の電極４ａ，４ｂと、可溶導体３と、発熱体引出通電部４ｃと、表面側中間電極８ａが形成されている。

裏面側中間電極８ｂは、上述した中間電極８と同様に、第２の引出電極１６が引き出されている。また、表面側中間電極８ａと裏面側中間電極８ｂは、絶縁基板２の側面に形成されたキャスタレーションや絶縁基板２を貫通する導電スルーホール等により電気的に接続されている。表面側中間電極８ａは、発熱体引出通電部４ｃが接続されている。表面側中間電極８ａと裏面側中間電極８ｂは、上述した中間電極８と同様の材料、同様の工程によって形成することができる。

発熱体引出通電部４ｃは、表面側中間電極８ａ及び裏面側中間電極８ｂを介して発熱体５と電気的及び熱的に接続される。すなわち、保護素子３０は、発熱体５が絶縁基板２を介して発熱体引出通電部４ｃを加熱するとともに、熱伝導性に優れる表面側中間電極８ａ及び裏面側中間電極８ｂを介して発熱体４の熱が発熱体引出通電部４ｃに伝わり、可溶導体３を加熱、溶断することができる（図７（Ａ）（Ｂ））。

なお、保護素子３０では、発熱体電極６が外部回路基板の電極と接続される外部接続電極ともなるため、保護素子１に設けた第３の外部接続電極１３は設けられていない。

保護素子３０においても、ガラス層７は、発熱体５や第１、第２の引出電極１５，１６と接する部位と接しない部位など放熱特性が部分的に異なる。しかし、ガラス層７は、発熱体５の融点よりも低い融点を有するため、発熱体５が発熱すると軟化する。そのため、保護素子３０は、ガラス層７内の温度差によって生じる応力を発散させることができ、ガラス層７の破損及びこれに起因する絶縁破壊及び発熱体５の破損を防止し、可溶導体３を溶断させるために必要十分な発熱体５の発熱時間を確保することができる。

なお、保護素子３０においても、ガラス層７は、発熱体５の発熱温度よりも低い融点を有するものとしてもよく、例えばガラス層７の融点を６００℃以下としてもよい。また、保護素子３０においても、ガラス層７の融点は保護素子１のリフロー実装時の温度よりも高いことが好ましく、例えばガラス層７の融点を３００℃以上としてもよい。

１ 保護素子、２ 絶縁基板、３ 可溶導体、４ 通電部、４ａ 第１の通電部、４ｂ 第２の通電部、４ｃ 発熱体引出通電部、５ 発熱体、６ 発熱体電極、７ ガラス層、８ 中間電極、１１ 第１の外部接続電極、１２ 第２の外部接続電極、１３ 第３の外部接続電極、１４ 接続ハンダ、１５ 第１の引出電極、１６ 第２の引出電極、１８ 低融点金属層、１９ 高融点金属層、２０ バッテリパック、２１ バッテリセル、２２ 充電装置、２３ 電流制御素子、２４ 制御部、２５ バッテリスタック、２６ 充放電制御回路、２７ 検出回路、２８ 電流制御素子、３０ 保護素子

Claims (8)

1. 絶縁基板と、
   上記絶縁基板上に支持された可溶導体と、
   上記可溶導体に接続された複数の通電部と、
   上記絶縁基板に設けられ、通電されることにより発熱する発熱体と、
   上記発熱体と接続され、上記発熱体への給電端子となる発熱体電極と、
   上記発熱体を被覆するガラス層を備え、
   上記ガラス層は、上記発熱体の融点よりも低い融点を有する保護素子。
2. 上記ガラス層は、上記発熱体の発熱温度よりも低い融点を有する請求項１に記載の保護素子。
3. 上記ガラス層の融点は６００℃以下である請求項１又は２に記載の保護素子。
4. 上記ガラス層の融点は上記保護素子のリフロー実装時の温度よりも高い請求項１～３のいずれか１項に記載の保護素子。
5. 上記ガラス層の融点は３００℃以上である請求項１～４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可溶導体が設けられた面に設けられ、
   上記ガラス層の上に設けられ、上記発熱体と上記可溶導体との間に電気的に接続される発熱体引出通電部を有する請求項１～５のいずれか１項に記載の保護素子。
7. 上記発熱体及び上記ガラス層は、上記絶縁基板の上記可溶導体が設けられた面と反対側の面に設けられている請求項１～５のいずれか１項に記載の保護素子。
8. １つ以上のバッテリセルと、
   上記バッテリセルの充放電経路上に接続され、該充放電経路を遮断する保護素子と、
   上記バッテリセルの電圧値を検出して上記保護素子への通電を制御する電流制御素子を備え、
   上記保護素子は、
   絶縁基板と、
   上記絶縁基板上に支持された可溶導体と、
   上記可溶導体に接続された複数の通電部と、
   上記絶縁基板に設けられ、通電されることにより発熱する発熱体と、
   上記発熱体と接続され、上記発熱体への給電端子となる発熱体電極と、
   上記発熱体を被覆するガラス層を備え、
   上記ガラス層は、上記発熱体の融点よりも低い融点を有する
   バッテリパック。

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