JP4943360B2 - 保護素子 - Google Patents

Description

本発明は高容量二次電池、例えば、高容量リチウムイオン二次電池に対し、過電流を遮断し、過充電時や過放電時に充電や放電を停止するのに有用な保護素子に関するものである。

二次電池、例えば、リチウムイオン二次電池においては、過充電または過放電に対し、二次電池を負荷または充電電源から遮断することが要求され、かかる要求を満たす保護素子として、絶縁基板上に低融点合金型温度ヒューズと膜抵抗を設けたものが知られている。（例えば、特許文献１の図６）
特開平０７−１５３３６７号公報 図５は二次電池保護回路の一例を示している。 図５において、Ｅは二次電池を、Ｌは負荷を、Ｓは充電電源を、ｓｗはスイッチ例えばトランジスターを、Ｔは二次電池Ｅの過充電または過放電を検知しスイッチオン信号を発信するＩＣ回路をそれぞれ示し、過電流が流れると、保護素子Ａ’の低融点合金ヒューズ３０’を溶断させて負荷Ｌと二次電池Ｅとの間を遮断し、また、二次電池Ｅの過放電に対し、ＩＣ回路Ｔによりスイッチｓｗをオンさせ、保護素子Ａ’の膜抵抗８’を二次電池Ｅによって通電発熱させ、その発生熱で低融点合金ヒューズ３０’を溶断させて二次電池Ｅと負荷Ｌとの間を遮断している。 更に、過充電に対し、ＩＣ回路Ｔによりスイッチｓｗをオンさせ、保護素子Ａ’の膜抵抗８’を二次電池Ｅ若しくは充電電源Ｓで通電発熱させ、その発生熱で低融点合金ヒューズ３０’を溶断させて二次電池Ｅと充電電源Ｓとの間を遮断している。

本発明者等においては、Ｂｉ系低融点合金やＳｂ系低融点合金等の低融点合金ヒューズに長時間、直流電流を流すと、そのヒューズ両端の電極のうち、陽極側の電極と低融点合金ヒューズとの界面の合金にマイグレーションが発生し、クラックが生じて低融点合金ヒューズが本来の動作をするに至るまえに、破断する事実を確認している。

この低融点合金ヒューズのマイグレーションの発生理由は、次のように推定できる。
低融点合金には、共晶型合金、固溶体型合金、金属間化合物型合金があり、これらはミクロ的に見ると、二種以上の金属原子が混合して新しい原子配列の結晶格子を造り、格子点のイオン化原子が平衡状態にあると言える。しかしながら、Ｂｉ原子やＳｂ原子は平衡位置から飛び出し易く課電によリエネルギーを与えられて格子点から飛び出し、転位原子となって結晶格子内を放浪し、直流の場合は、その転位原子が陰極側に移動し、陰極界面に析出していく。転位原子が飛び出した跡の空孔においては、あたかも、満員の観覧席で或る席が空いたとすると、その空席の隣の客が一人づつ移動して新たな空席をうめていくようにして、移動して陽極界面に至り、その界面で空孔同士が合体してクラックを発生するに至ると推定できる。

Ｂｉ系低融点合金ヒューズやＳｂ系低融点合金ヒューズのマイグレーションの例を示せば次の通りである。
５７重量％Ｂｉ−残部Ｓｎ，直径１ｍｍφ，長さ５ｍｍの低融点合金片の両端に直径１ｍｍφの銅リード導体を溶接し、直流１５アンペアを５０００時間通電したところ、陰極側の銅リード導体の端面に接して厚み約２００μｍの電極ｉ金属層が析出され、陽極側の銅リード導体の端面に接して厚み約３０μｍの空隙が形成された。
また、５重量％Ｓｂ−残部Ｓｎ，直径２ｍｍφ，長さ７ｍｍの低融点合金片の両端に直径２ｍｍφの銅リード導体を溶接し、直流６０アンペアを５０００時間通電したところ、陰極側の銅リード導体の端面に接して厚み約５０μｍのＳｂ金属層が析出され、陽極側の銅リード導体の端面に接して厚み約２０μｍの空隙が形成された。

而るに、図５において、低融点合金ヒューズ３０’の両端電極の極性が、充電時、放電時の度に変わるが、時間当たりに掛かる電力量は充電時の方が放電時よりも多くなるから、前記低融点合金ヒューズ３０’のマイグレーションは避け難い。

本発明の目的は、直流下で使用する被保護機器を、低融点合金のマイグレーションを排除して過電流異常に対し適確に保護し得る保護素子を提供することにある。
本発明の更なる目的は、直流下で使用する被保護機器を、低融点合金のマイグレーションを排除して過電流以外の異常に対し適確に保護し得る抵抗器付き保護素子を提供することにある。

請求項１に係る保護素子は、絶縁基板に切欠部または孔を設け、該切欠部または孔を挾んで絶縁基板表面に一対の電極を設け、該一対の電極間に前記切欠部または孔を跨がる過電流発熱性片の両端部の各端部を前記一対の電極の各電極に直接接触させ、この接触のもとで過電流発熱性片の各端部と各電極とを互いに低融点可溶材で連結し、前記過電流発熱性片を電極から脱離させる応力エネルギーを保有させたバネを前記切欠部または孔において前記過電流発熱性片に当接し、被保護機器の異常時（過電流時は除く）に通電発熱される膜抵抗を前記絶縁基板の表面に設け、ケース内に収容した素子であり、膜抵抗が絶縁基板の片面に設けられ、膜抵抗の両端にリード線が接続され、膜抵抗を覆って絶縁膜が設けられ、電極が帯条導体の絶縁基板への回周巻着により設けられ、電極からのリード線が前記帯条導体の延在部により形成され、これら延在部及び前記膜抵抗のリード線がケースから引き出され、過電流発熱性片にガイド孔が設けられ、ケース内にガイド軸が設けられ、該ガイド軸に前記過電流発熱性片が前記ガイド孔において挿通されていることを特徴とする。
請求項２に係る保護素子は、請求項１の保護素子において、膜抵抗を覆って絶縁膜が設けられていることを特徴とする。
請求項３に係る保護素子は、請求項２の保護素子において、膜抵抗を覆う絶縁膜が膜抵抗の発熱により変色する変色性とされ、ケースが透視可能とされていることを特徴とする。
請求項４に係る保護素子は、請求項１〜３何れかの保護素子において、二次電池の保護用であり、過電流が二次電池の許容負荷電流であり、異常時が二次電池の過充電時または過放電時であることを特徴とする。
請求項５に係る保護素子は、請求項１〜４何れかの保護素子において、低融点可溶材が合金であることを特徴とする。
請求項６に係る保護素子は、請求項１〜５何れかの保護素子において、バネに、低融点可溶材の融点よりも低く、かつ常温よりも高い温度で原形に復帰する形状記憶合金バネを使用したことを特徴とする。

（１）直流加電下で過電流が流れると、過電流発熱性片が発熱し、過電流発熱性片と電極とを接合している低融点可溶材がその発生熱で溶融され、バネの応力エネルギーで過電流発熱性片が電極間から脱離して過電流が遮断される。従って、平時、低融点可溶材への直流電流の流通が実質的にかなり少なく、低融点可溶材の直流マイグレーションをよく排除でき、このマイグレーションに基づく誤動作を排除して過電流を適確に遮断できる。
（２）被保護機器の前記過電流以外の異常が発生すると、抵抗器が通電発熱され、この熱が絶縁基板の良熱伝導性のために低融点可溶材に伝達されて低融点可溶材が溶融され、バネの応力エネルギーで過電流発熱性片が電極間から脱離して被保護機器への給電が停止される。而るに（１）で説明した通り、平時、低融点可溶材への直流電流の流通が実質的にかなり少なく、低融点可溶材の直流マイグレーションをよく排除でき、このマイグレーションに基づく誤動作を排除して被保護機器異常時の給電遮断を適確に行い得る。

以下、本発明に係る保護素子の実施例を図面を参照しつつ説明する。
図１の（イ）は本発明に係る保護素子の一実施例を示す横断面図、図１の（ロ）は図１の（イ）におけるロ−ロ断面図である。図１の（ハ）は同実施例における絶縁基板を示す平面図である。
図１の（イ）及び（ロ）において、１０は熱良伝導性の絶縁基板、例えばセラミックス板であり、図１の（ハ）に示すように切欠部１１を設けてある。
図１の（イ）及び（ロ）において、１，１は絶縁基板１０の片面に切欠部１１を挾んで固設した一対の電極であり、金属片例えば銅片を固着することにより設けてある。この金属片の固着は、図１の（ハ）に示すように、絶縁基板１０の片面に切欠部１１を挾んで導体ペースト（例えば、銀ペースト）の印刷・焼付けにより基礎膜ａ，ａを形成し、この基礎膜ａに金属片を溶接（例えば、スポット抵抗溶接）することにより行うことができる。
図１の（イ）及び（ロ）において、２は電極１，１間に電気的に充分な低抵抗で接触させて配置した過電流発熱性片であり、電極１に較べて薄い金属板、電極１に較べて比抵抗の高い合金板等を使用できる。３は各電極１と過電流発熱性片２との間を接合した低融点可溶材であり、低融点可溶合金や熱可塑性樹脂または導電性熱可塑性樹脂等を使用できる。４，４は各電極１，１に溶接等により接続したリード線（例えば、可撓性電線や金属板）である。８は膜抵抗であり、図１の（ハ）に示すように、絶縁基板１０の片面に導体ペースト（例えば、銀ペースト）の印刷・焼付けにより一対の膜端子８０１，８０１を形成し、これらの膜端子間に抵抗ペースト（例えば、酸化ルテニウムペースト）の印刷・焼付けによりこの膜抵抗８を形成することができる。膜抵抗に代え、固体抵抗やチップ抵抗を使用することもできる。８０，８０は各膜端子に接続したリード線である。５はケースであり、前記リード線４，４及び８０，８０がケース５から引き出されている。２１は過電流発熱性片に設けた孔、６はこの孔２１を通したガイド軸であり、ケース５内に固定してある。７はバネであり、低融点可溶材３，３が溶融したときに、過電流発熱性片２を電極１，１から脱離させ得る圧縮応力エネルギーを保有させてある。このバネの配設位置とは反対側の位置に引張り応力エネルギーを保有させたバネを、前記バネ７に代えて配設し、その引張りバネの両端のそれぞれをケース内面及び過電流発熱性片に結着することもできる。

上記において、絶縁基板の切欠部に代え、絶縁基板に孔を設けることができる。
上記実施例では、電極にリード線を接続しているが、電極にリード部を一体に形成し、このリード部をケースから引き出すこともできる。

図２の（イ）は本発明に係る保護素子の別実施例を示す縦断面図、図２の（ロ）は図２の（イ）におけるロ−ロ断面図、図２の（ハ）は図２の（イ）におけるハ−ハ断面図である。
図２において、１０は熱良伝導性の絶縁基板、例えばセラミックス板であり、孔１１を設けてある。
１，１は絶縁基板の片面に孔を挾んで固設した一対の電極であり、金属片例えば銅片を固着することにより設けてある。この金属片の固着は、絶縁基板１０の片面に孔１１を挾んで導体ペースト（例えば、銀ペースト）の印刷・焼付けにより基礎膜を形成し、この基礎膜に金属片を溶接（例えば、スポット抵抗溶接）することにより行うことができる。２は電極１，１間に電気的に充分な低抵抗で接触させて配置した過電流発熱性片であり、電極１に較べて薄い金属板、電極に較べて比抵抗の高い合金板等を使用できる。３，３は各電極１，１と過電流発熱性片２との間を接合した低融点可溶材であり、低融点可溶合金や熱可塑性樹脂または導電性熱可塑性樹脂等を使用できる。４，４は各電極１，１に溶接等により接続したリード線（例えば、可撓性電線）である。８は絶縁基板１０の他面に設けた膜抵抗であり、絶縁基板１０の他面に導体ペースト（例えば、銀ペースト）の印刷・焼付けにより一対の膜端子８０１，８０１を形成し、これらの膜端子８０１，８０１間に抵抗ペースト（例えば、酸化ルテニウムペースト）の印刷・焼付けによりこの膜抵抗８を形成することができる。８０，８０は各膜端子８０１，８０１に接続したリード線である。５はケースであり、前記リード線４，４及び８０，８０がケース５から引き出されている。２１は過電流発熱性片２に設けた孔、６はこの孔２１に通したガイド軸であり、ケース５内に固定してある。７はバネであり、低融点可溶材３が溶融したときに、過電流発熱性片２を電極１，１から脱離させ得る圧縮応力エネルギーを保有させてある。このバネ７の配設位置とは反対側の位置に引張り応力エネルギーを保有させたバネを、前記バネ７に代えて配設し、その引張りバネの両端のそれぞれをケース内面及び過電流発熱性片に結着してもよい。

図２に示す保護素子において、孔１１に代え、切欠部を設けることができる。
図２に示す実施例では、電極１，１にリード線４，４を接続しているが、電極にリード部を一体に形成し、このリード部をケース５から引き出すこともできる。

図３の（イ）は本発明に係る保護素子の上記とは別の実施例を示す縦断面図、図３の（ロ）は図３の（イ）におけるロ−ロ断面図である。図３の（ハ）は当該実施例における膜抵抗を設けた絶縁基板を示す平面図である。
図３の（イ）及び（ロ）において、１０は熱良伝導性の絶縁基板、例えばセラミックス板であり、孔１１を設けてある。
８は絶縁基板１０の片面に設けた膜抵抗であり、図３の（ハ）に示すように、絶縁基板１０の片面に導体ペースト（例えば、銀ペースト）の印刷・焼付けにより一対の膜端子８０１，８０１を形成し、これらの膜端子８０１，８０１間に抵抗ペースト（例えば、酸化ルテニウムペースト）の印刷・焼付けによりこの膜抵抗８を形成することができる。８００は膜抵抗８を覆って被覆した絶縁膜、例えば、ガラス膜であり、ガラスペーストの印刷・焼付けにより形成できる。８０，８０は各膜端子８０１，８０１に接続したリード線である。１，１は絶縁基板１０に孔１１を挾んで固設した一対の電極であり、リード部４，４を有し、帯条導体（例えば、銅帯）を絶縁基板に回しこれを合掌させ、相互接触面を溶接等で結着することにより設けてある。２は電極１，１間に前記絶縁基板１０の孔１１を股いで電気的に充分な低抵抗で接触させて配置した過電流発熱性片であり、電極１に較べて薄い金属板、電極１に較べて比抵抗の高い合金板等を使用できる。３，３は各電極１，１と過電流発熱性片２との間を接合した低融点可溶材であり、低融点可溶合金や熱可塑性樹脂または導電性熱可塑性樹脂等を使用できる。５はケースであり、前記リード線８０，８０及び電極１，１のリード部４，４がケース５から引き出されている。２１は過電流発熱性片２に設けた孔、６はこの孔２１に通したガイド軸であり、ケース５内に固定してある。７はバネであり、低融点可溶材３，３が溶融したときに、過電流発熱性片２を電極１，１から脱離させ得る圧縮応力エネルギーを保有させてある。このバネ７の配設位置とは反対側の位置に引張り応力エネルギーを保有させたバネを、前記バネ７に代えて配設し、その引張りバネの両端のそれぞれをケース内面及び過電流発熱性片に結着してもよい。

図３に示す保護素子において、孔１１に代え、切欠部を設けることもできる。

上記保護素子の過電流発熱性片２に直流電流を流しても、各電極１，１と過電流発熱性片２との電気的導通が電気的接触のためによく確保されているから、低融点可溶材３，３への直流電流の流通が殆どなく、低融点可溶材合金の直流マイグレーションを良好に排除できる。
そして、過電流が流れると、過電流発熱性片２がジュール発熱し、その発生熱で低融点可溶材３，３が溶融され、バネ７が解放され、その保有応力エネルギーで過電流発熱性片２が電極１，１間から脱離される。従って、直流加電下、直流過電流を適確に遮断できる。

また、被保護機器の異常時、膜抵抗８が通電発熱され、その発生熱が絶縁基板１０の優れた熱伝導性のために低融点可溶材３，３に迅速に伝達されて低融点可溶材３，３が溶融され、バネ７が解放され、その保有応力エネルギーで過電流発熱性片２が電極１，１間から脱離され、被保護機器への給電が遮断される。従って、被保護機器を直流過電流以外の異常からも適確に保護できる。

上記膜抵抗８の絶縁被覆膜８００に膜抵抗８の発熱で変色する材料を使用し、ケース５を透視可能としておけば、保護素子の作動が過電流によるのか、過電流以外の異常によるのかを容易に判別できる。

本発明に係る保護素子においては、バネとして、低融点可溶材の融点よりも低く、かつ常温よりも高い温度で原形に復帰する形状記憶合金バネを使用すれば、平常時、低融点可溶材にクリープ応力が作用せず、低融点可溶材を少なくでき、優れた長期安定性が得られる。

本発明に係る保護素子は、図４に示す二次電池保護回路の保護素子として好適に使用できる。
図４において、Ｅは二次電池を、Ｌは負荷を、Ｓは充電電源を、ｓｗはスイッチ例えばトランジスターを、Ｔは二次電池Ｅの過充電または過放電を検知しスイッチオン信号を発信するＩＣ回路をそれぞれ示している。Ａは本発明に係る保護素子を示し、電極１，１のリード導体またはリード部４，４と膜抵抗８のリード線とを４端子とする構成である。
放電時に過電流が流れると、保護素子Ａの過電流発熱性片２を発熱させて低融点可溶材３，３を溶融させ、バネ７の圧縮応力エネルギーを解放し過電流発熱性片２を電極１，１間から脱離させて負荷Ｌと二次電池Ｅとの間を遮断し、また、二次電池の過放電に対し、ＩＣ回路Ｔからの信号によりスイッチｓｗをオンさせ、膜抵抗８を二次電池Ｅによって通電発熱させ、その発生熱で低融点可溶材３，３を溶融させ、バネ７の圧縮応力エネルギーを解放し過電流発熱性片２を電極１，１間から脱離させて二次電池Ｅと負荷Ｌとの間を遮断させる。
更に、過充電に対し、ＩＣ回路Ｔからの信号によりスイッチｓｗをオンさせ、膜抵抗８を二次電池Ｅ若しくは充電電源Ｓで通電発熱させ、その発生熱で低融点可溶材３，３を溶融させ、バネ７の圧縮応力エネルギーを解放し過電流発熱性片２を電極１，１間から脱離させて二次電池Ｅと充電電源Ｓとの間を遮断させる。

本発明に係る保護素子の一実施例を示す図面である。 本発明に係る保護素子の上記とは別の実施例を示す図面である。 本発明に係る保護素子の上記とは別の実施例を示す図面である。 本発明に係る保護素子の使用状態を示す図面である。 二次電池保護回路を示す図面である。

符号の説明

１０ 絶縁基板
１１ 切欠部または孔
１ 電極
２ 過電流発熱性片
２１ 孔
３ 低融点可溶材
４ リード線
５ ケース
６ ガイド軸
７ バネ
８ 膜抵抗

Claims (6)

1. 絶縁基板に切欠部または孔を設け、該切欠部または孔を挾んで絶縁基板表面に一対の電極を設け、該一対の電極間に前記切欠部または孔を跨がる過電流発熱性片の両端部の各端部を前記一対の電極の各電極に直接接触させ、この接触のもとで過電流発熱性片の各端部と各電極とを互いに低融点可溶材で連結し、前記過電流発熱性片を電極から脱離させる応力エネルギーを保有させたバネを前記切欠部または孔において前記過電流発熱性片に当接し、被保護機器の異常時（過電流時は除く）に通電発熱される膜抵抗を前記絶縁基板の表面に設け、ケース内に収容し、た素子であり、膜抵抗が絶縁基板の片面に設けられ、膜抵抗の両端にリード線が接続され、膜抵抗を覆って絶縁膜が設けられ、電極が帯条導体の絶縁基板への回周巻着により設けられ、電極からのリード線が前記帯条導体の延在部により形成され、これら延在部及び前記膜抵抗のリード線がケースから引き出され、過電流発熱性片にガイド孔が設けられ、ケース内にガイド軸が設けられ、該ガイド軸に前記過電流発熱性片が前記ガイド孔において挿通されていることを特徴とする保護素子。
2. 膜抵抗を覆って絶縁膜が設けられていることを特徴とする請求項１記載の保護素子。。
3. 膜抵抗を覆う絶縁膜が膜抵抗の発熱により変色する変色性とされ、ケースが透視可能とされていることを特徴とする請求項２記載の保護素子。
4. 二次電池の保護用であり、過電流が二次電池の許容負荷電流であり、異常時が二次電池の過充電時または過放電時であることを特徴とする請求項１〜３何れか記載の保護素子。
5. 低融点可溶材が合金であることを特徴とする請求項１〜４何れか記載の保護素子。
6. バネに、低融点可溶材の融点よりも低く、かつ常温よりも高い温度で原形に復帰する形状記憶合金バネを使用したことを特徴とする請求項１〜５何れかの記載の保護素子。

Images