JP6173859B2 - Short circuit element - Google Patents
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Description
本発明は、開放状態の電源ラインや信号ラインを電気信号により物理的且つ電気的に短絡させる短絡素子に関する。 The present invention relates to a short-circuit element that physically and electrically shorts an open power supply line and signal line with an electrical signal.
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。 Many secondary batteries that can be charged and used repeatedly are processed into battery packs and provided to users. Particularly in lithium ion secondary batteries with high weight energy density, in order to ensure the safety of users and electronic devices, in general, a battery pack incorporates a number of protection circuits such as overcharge protection and overdischarge protection, It has a function of shutting off the output of the battery pack in a predetermined case.
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、逆に過大な異常電圧を出力したり、直列接続バッテリセルの各々の電圧ばらつきが大きくなったり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。 This type of protection element includes an overcharge protection or overdischarge protection operation of the battery pack by turning on / off the output using an FET switch built in the battery pack. However, when the FET switch is short-circuited for some reason, a lightning surge or the like is applied and an instantaneous large current flows, or the output voltage drops abnormally due to the life of the battery cell, or excessively abnormal Even when the voltage is output or the voltage variation of each of the battery cells connected in series increases, the battery pack and the electronic device must be protected from accidents such as ignition. Therefore, in order to safely shut off the output of the battery cell in any possible abnormal state, a protection element made of a fuse element having a function of cutting off the current path by an external signal is used. .
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は、特許文献1に記載されているように、電流経路上の第1の電極,発熱体引出電極,第2の電極間に亘って可溶導体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を、過電流による自己発熱、あるいは保護素子内部に設けた発熱体によって溶断するものがある。このような保護素子では、溶融した液体状の可溶導体を発熱体に繋がる導体層上に集めることにより第1、第2の電極間を分離し電流経路を遮断する。
As a protection element of a protection circuit for a lithium ion secondary battery or the like, as described in
ところで、近年、バッテリとモーターを使用したHEV(Hybrid Electric Vehicle)やEV(Electric Vehicle)が急速に普及している。HEVやEVの動力源としては、エネルギー密度と出力特性からリチウムイオン二次電池が使用されるようになってきている。自動車用途では、高電圧、大電流が必要とされる。このため、高電圧、大電流に耐えられる専用セルが開発されているが、製造コスト上の問題から多くの場合、複数のバッテリセルを直列、並列に接続することで、汎用セルを用いて必要な電圧電流を確保している。 By the way, in recent years, HEV (Hybrid Electric Vehicle) and EV (Electric Vehicle) using a battery and a motor are rapidly spreading. As a power source for HEV and EV, a lithium ion secondary battery has been used from the viewpoint of energy density and output characteristics. In automobile applications, a high voltage and a large current are required. For this reason, dedicated cells that can withstand high voltages and large currents have been developed, but in many cases due to manufacturing cost problems, it is necessary to connect multiple battery cells in series and in parallel to use general-purpose cells. Secures the correct voltage and current.
ここで、高速移動中の自動車等では、急激な駆動力の低下や急停止は却って危険な場合があり、非常時を想定したバッテリ管理が求められている。例えば、走行中にバッテリーシステムの異常が起きた際にも、修理工場もしくは安全な場所まで移動するための駆動力、あるいはハザードランプやエアコン用の駆動力を供給できることが、危険回避上、好ましい。 Here, in a car or the like that is moving at high speed, sudden reduction in driving force or sudden stop may be dangerous, and battery management that assumes an emergency is required. For example, when a battery system abnormality occurs during traveling, it is preferable to supply driving force for moving to a repair shop or a safe place, or driving force for a hazard lamp or an air conditioner.
しかし、特許文献1のような複数のバッテリセルが直列に接続されたバッテリパックにおいては、充放電経路上にのみ保護素子を設けたような場合、バッテリセルの一部に異常が発生し保護素子を作動させると、バッテリパック全体の充放電経路が遮断されてしまい、これ以上、電力を供給することができない。
However, in a battery pack in which a plurality of battery cells as in
そこで、複数セルで構成されたバッテリパック内の異常なバッテリセルのみを排除し、正常なバッテリセルを有効に活用するために、異常なバッテリセルのみをバイパスするバイパス経路を形成することができる短絡素子が提案されている。 Therefore, in order to eliminate only abnormal battery cells in a battery pack composed of a plurality of cells and effectively use normal battery cells, a short circuit that can bypass only abnormal battery cells can be formed. Devices have been proposed.
この短絡素子50は、図20に示すように、充放電経路上においてバッテリセル51と並列に接続され、正常時には開放されている二つの開放電極52,53と、溶融することにより二つの開放電極52,53間を短絡させる可溶導体54と、可溶導体54と直列に接続され、当該可溶導体54を溶融させる発熱体55を有する。
As shown in FIG. 20, the short-
発熱体55は、充放電経路を介して電流が流れることにより自己発熱し、この熱(ジュール熱)によって可溶導体54を溶融させる。発熱体55は、FET等の電流制御素子56と接続されている。電流制御素子56は、バッテリセル51の正常時には発熱体55への給電を規制し、異常時に充放電経路を介して発熱体55へ電流が流れるように制御する。
The heating element 55 self-heats when a current flows through the charge / discharge path, and melts the
短絡素子50が用いられたバッテリ回路は、バッテリセル51に異常電圧等が検出されると、保護素子57によって当該バッテリセル51を充放電経路上から遮断するとともに、電流制御素子56を作動させ、発熱体55へ電流を流す。これにより、発熱体55の熱により可溶導体54が溶融し、溶融導体が二つの開放電極52,53上に凝集、結合する。したがって、開放電極52,53は溶融導体54によって短絡され、これにより、バッテリセル51をバイパスする電流経路を形成することができる。
When an abnormal voltage or the like is detected in the
また、短絡素子50は、可溶導体54が溶融することにより、発熱体55への通電経路が遮断されるため、発熱体55の発熱が停止する。
Moreover, since the electrically conductive path | route to the heat generating body 55 is interrupted | blocked when the
ここで、この種の短絡素子50においては、可溶導体54の溶融によって開放電極52,53間を確実に短絡させることが求められる。すなわち、短絡素子50は、可溶導体54の溶融導体が開放電極52,53間に亘って凝集することによって開放電極52,53を短絡させるものであり、また可溶導体54が溶融すると発熱体55への通電経路が遮断され、これ以上の可溶導体54の加熱ができなくなる。
Here, in this type of short-
したがって、短絡素子50は、可溶導体54の溶融導体が開放電極52,53間に亘って凝集しない場合には短絡させることができないまま、可溶導体54が溶融することによって発熱体55への通電も停止されることから、バイパス電流経路を形成することができない。そのため、電源回路においては、可溶導体の溶融によって確実に開放電極間を短絡させバイパス電流経路を形成することができる短絡素子が望まれている。
Therefore, when the molten conductor of the
また、電源回路以外にも、例えば各種デバイスのアクティベーションをソフトウェアで行うのではなく、短絡素子を用いて物理的、不可逆的に行う等の用途においても、可溶導体の溶融によって開放電極間を短絡させ、機能回路を導通させることにより、確実に当該デバイスのアクティベーションを行うことも提案されている。 In addition to the power supply circuit, for example, activation of various devices is not performed by software, but physically or irreversibly using a short-circuit element. It has also been proposed to reliably activate the device by short-circuiting and conducting the functional circuit.
そこで、本発明は、可溶導体の溶融によって確実に開放電極間を短絡させることができる短絡素子を提供することを目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the short circuit element which can short-circuit between open electrodes reliably by melt | dissolution of a soluble conductor.
上述した課題を解決するために、本発明に係る短絡素子は、近接配置されるとともに絶縁されている第1、第2の電極と、溶融することにより上記第1、第2の電極間を短絡させる可溶導体と、通電されることにより発熱し、上記可溶導体を溶融させる発熱体と、上記第1、第2の電極間に跨って上記第1、第2の電極と対向配置され、上記可溶導体の溶融導体を上記第1、第2の電極間に集めるブリッジ電極とを有するものである。 In order to solve the above-described problems, a short-circuit element according to the present invention is short-circuited between the first and second electrodes by melting with the first and second electrodes that are arranged close to each other and insulated. A fusible conductor that generates heat when energized, melts the fusible conductor, and is disposed opposite the first and second electrodes across the first and second electrodes, And a bridge electrode that collects the molten conductor of the soluble conductor between the first and second electrodes.
本発明によれば、可溶導体の溶融導体を集めるブリッジ電極が、第1、第2の電極間に跨って、第1、第2の電極と対向して設けられているため、溶融導体が第1、第2の電極間に亘って凝集され、確実に第1、第2の電極間を短絡させることができる。 According to the present invention, the bridge electrode that collects the molten conductor of the soluble conductor is provided across the first and second electrodes so as to face the first and second electrodes. Aggregating over the first and second electrodes, the first and second electrodes can be reliably short-circuited.
以下、本発明が適用された短絡素子について、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。 Hereinafter, a short circuit element to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings. It should be noted that the present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. Further, the drawings are schematic, and the ratio of each dimension may be different from the actual one. Specific dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
本発明が適用された短絡素子1は、図1〜図3に示すように、近接配置されるとともに絶縁されている第1、第2の電極11,12と、溶融することにより第1、第2の電極11,12間を短絡させる可溶導体13と、絶縁基板14と、絶縁基板14上に形成され、通電されることにより発熱し、可溶導体13を溶融させる発熱体15と、第1、第2の電極11,12間に跨って第1、第2の電極11,12と対向配置され、可溶導体13の溶融導体を第1、第2の電極11,12間に集めるブリッジ電極16とを有する。
As shown in FIGS. 1 to 3, the short-
[第1、第2の電極]
第1、第2の電極11,12は、近接配置されるとともに絶縁され、短絡素子1が作動することにより、後述する可溶導体13の溶融導体を介して短絡されるスイッチ2を構成する。第1、第2の電極11,12は、保護ケース25の内外に亘って配設され、一端が保護ケース25の内部において互いに近接され、他端が保護ケース25の外部に導出されている。短絡素子1は、第1、第2の電極11,12の他端を介して電源回路やデジタル信号回路等の外部回路と接続される。
[First and second electrodes]
The first and
[絶縁基板]
絶縁基板14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14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、可溶導体13の溶断時の温度に留意する必要がある。
[Insulated substrate]
The insulating
[発熱体]
発熱体15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、たとえば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14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。
[Heating element]
The
発熱体15は、絶縁基板14の表面14a上において絶縁層17に被覆されている。絶縁層17は、発熱体15の保護及び絶縁を図るとともに、発熱体15の熱を効率よくブリッジ電極16へ伝えるために設けられ、例えばガラス層からなる。ブリッジ電極16は、発熱体15によって加熱されることにより、可溶導体13の溶融導体を凝集しやすくすることができる。
The
また、発熱体15は、一端が発熱体電極18と接続され、他端が発熱体引出電極19と接続されている。発熱体電極18は、絶縁基板14に形成されるとともに発熱体15の一端と接続された上層部18aと、絶縁層17上に形成されるとともに可溶導体13と接続された下層部18bとを有する。発熱体15の他端と接続されている発熱体引出電極19は、絶縁基板14に形成されるとともに、第3の電極20と接続されている。第3の電極20は、保護ケース25の内外に亘って配設され、一端が保護ケース25の内部において発熱体引出電極19と接続され、他端が保護ケース25の外部に導出されるとともに外部回路と接続されている。
The
かかる短絡素子1は、第1の電極11から可溶導体13、発熱体電極18、発熱体15、発熱体引出電極19を経て第3の電極20に至る、発熱体15への通電経路3が形成されている。通電経路3は、第3の電極20と接続された電流制御素子32によって通電が制御され、バッテリの異常電圧時やデバイスのアクティベーション等、必要に応じて通電され、発熱体15が発熱される。また、通電経路3は、発熱体15が発熱することにより可溶導体13が溶融すると、可溶導体13を介して接続されていた第1の電極11と発熱体電極18との間が遮断されるため、給電が停止され、発熱体15の発熱が止まる。
The short-
[ブリッジ電極]
ブリッジ電極16は、第1、第2の電極11,12間に跨って第1、第2の電極11,12と対向配置されている。そして、可溶導体13の溶融導体は、ブリッジ電極16によって第1、第2の電極11,12間に集められ、これにより、図4に示すように、第1、第2の電極11,12が可溶導体13の溶融導体を介して短絡される。
[Bridge electrode]
The
ブリッジ電極16は、絶縁層17上に形成される。また、ブリッジ電極16は、絶縁層17を介して発熱体15と重畳した位置に形成される。これにより、ブリッジ電極16は発熱体15の熱により加熱され、より多くの溶融導体を第1、第2の電極11,12上に集めることができる。したがって、ブリッジ電極16は、確実に第1、第2の電極11,12を短絡させることができる。
The
また、ブリッジ電極16は、絶縁層17上において、発熱体電極18の下層部18bと離間して形成されている。可溶導体13の溶融導体は、ブリッジ電極16と発熱体電極18とがガラス等の絶縁層17を介して分離されているため、ブリッジ電極16と発熱体電極18の一方側に引き寄せられる。これにより短絡素子1は、ブリッジ電極16に引き寄せられた溶融導体と、発熱体電極18に引き寄せられた溶融導体とが離間され、第1の電極11と発熱体電極18との間を遮断させることができる。
The
[電極表面メッキ処理]
ここで、ブリッジ電極16や発熱体電極18は、CuやAg等の一般的な電極材料を用いて形成することができる。また、ブリッジ電極16や発熱体電極18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、公知のメッキ処理により形成されていることが好ましい。これにより、短絡素子1は、ブリッジ電極16や発熱体電極18の酸化を防止し、溶融導体を確実に保持させることができる。また、短絡素子1をリフロー実装する場合に、可溶導体13を接続する接続用ハンダ21あるいは可溶導体13の外層を形成する低融点金属が溶融することによりブリッジ電極16や発熱体電極18を溶食(ハンダ食われ)するのを防ぐことができる。なお、短絡素子1は、ブリッジ電極16や発熱体電極18に加え、第1、第2の電極11,12の表面上にもNi/Auメッキ、Ni/Pdメッキ、Ni/Pd/Auメッキ等の被膜を形成してもよいのはもちろんである。
[Electrode surface plating]
Here, the
[可溶導体]
可溶導体13は、発熱体15の発熱により速やかに溶融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を好適に用いることができる。
[Soluble conductor]
As the
また、可溶導体13は、低融点金属と高融点金属とを含有してもよい。低融点金属としては、Snを主成分とするPbフリーハンダなどのハンダを用いることが好ましく、高融点金属としては、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。高融点金属と低融点金属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の溶融温度を超えて、低融点金属が溶融しても、低融点金属の外部への流出を抑制し、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、低融点金属が溶融することにより、高融点金属を溶食(ハンダ食われ)することで、高融点金属の融点以下の温度で速やかに溶断することができる。なお、可溶導体13は、後に説明するように、様々な構成によって形成することができる。
Moreover, the
可溶導体13は、発熱体15が発熱されると発熱体15の熱によって溶融し、溶融導体がブリッジ電極16上に凝集することにより、第1、第2の電極11,12間を短絡させるものであり、例えば図1に示すように、ブリッジ電極16上に接続用ハンダ21を介して接続されることにより、第1、第2の電極11,12上に跨って配置されている。
The
また、可溶導体13は、発熱体15の発熱前においては第1の電極11と発熱体電極18との間に接続され、発熱体15への通電経路3の一部を構成する。そして、可溶導体13は、第1の電極11上に接続用ハンダ21を介して導通接続されるとともに、第2の電極12上の少なくとも一部分に設けられた絶縁スペーサ22を介して支持されている。絶縁スペーサ22は、例えば樹脂層によって第1の電極11上に設けられた接続用ハンダ21と略同じ厚さに形成される。これにより、可溶導体13は、溶融前においては、第1の電極11及び第2の電極12上において接続用ハンダ21及び絶縁スペーサ22によって支持されるとともに、第1の電極11と電気的に接続され、第2の電極12とは絶縁される。
Further, the
[その他の構成]
短絡素子1は、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、可溶導体13と、絶縁層17及び第1、第2の電極11,12との間にはフラックス23が供給されている。
[Other configurations]
The short-
また、短絡素子1は、保護ケース25に収納されることにより保護されている。保護ケース25は、筐体25aと、蓋体25bとを有する。保護ケース25は、たとえば熱可塑性プラスチック等のエンジニアリングプラスチックを用いて形成することができる。また、筐体25aは、インジェクションモールド成型により、予め形成された第1〜第3の電極11,12,20と一体に成型され、これにより、図1(A)、図2、図3に示すように、第1、第2の電極11,12が筐体25aの内部において、一端が近接されるとともに絶縁された状態で配置され、また、第1〜第3の電極11,12,20の各他端が外部に導出されている。
Further, the short-
短絡素子1は、第1、第2の電極11,12を、Cu合金系素材、鉄合金系素材、その他の機械的強度、電気伝導度、熱伝導度、耐食性などに優れた金属素材の薄板により形成してもよい。これにより、短絡素子1は、第1、第2の電極11,12を低抵抗、高定格のリードフレームとして用いることができ、大電流用途にも耐えられるものとなる。
The short-
筐体25a内に配置された第1の電極11には絶縁スペーサ22及び可溶導体13と接続する接続用ハンダ21が設けられ、第2の電極12には、可溶導体13との絶縁を図るとともに第1、第2の電極11,12上に支持する絶縁スペーサ22が設けられる。また、第3の電極20には、発熱体引出電極19と接続する接続用ハンダ21が設けられる。
The
[発熱体ユニット]
この筐体25a内には、絶縁基板14、発熱体15及び可溶導体13が一体に形成された発熱体ユニット27が搭載される。図5に示す発熱体ユニット27は、絶縁基板14に発熱体15及び絶縁層17が形成され、この絶縁層17上にブリッジ電極16、発熱体電極18、及び発熱体引出電極19が形成され、さらにブリッジ電極16及び発熱体電極18上に接続用ハンダ21を介して可溶導体13が接続されている。
[Heating element unit]
A
発熱体ユニット27は、可溶導体13が第1、第2の電極11,12上に搭載される。その後、筐体25a内にフラックス23が供給され、蓋体25bによって閉塞されることにより短絡素子1が形成される。
In the
このような短絡素子1は、図6に示す回路構成を有する。すなわち、短絡素子1は、動作前の状態において、第1の電極11と第2の電極12とが近接されるとともに離間されることにより絶縁され、可溶導体13が溶融することにより短絡するスイッチ2を構成する。第1、第2の電極11,12は、短絡素子1が実装される回路基板の電流経路上に直列接続されることにより、電源回路等の各種外部回路28A,28B間に組み込まれる。
Such a short-
また、短絡素子1は、第1の電極11から可溶導体13及び発熱体電極18を介して発熱体15が連続し、さらに発熱体引出電極19を介して第3の電極20へ至る通電経路3が形成される。
Further, in the short-
短絡素子1は、通常においては、第3の電極20を介して接続されている電流制御素子32によって通電経路3への通電が制御されている。電流制御素子32は、通電経路3の通電を制御するスイッチ素子であり、例えばFETにより構成され、短絡素子1が組み込まれる外部回路の物理的な短絡の要否を検出する検出素子35と接続されている。検出素子35は、短絡素子1が組み込まれた各種外部回路28A,28B間を通電する必要が生じたかを検出する回路であり、例えばバッテリパックの異常電圧時におけるバイパス電流経路の構築、ネットワーク通信機器におけるハッキングやクラッキング対してデータサーバを迂回するバイパス信号経路の構築、あるいはデバイスやソフトウェアのアクティベーション等、第1、第2の電極11,12の短絡により物理的、不可逆的に外部回路28A,28B間の電流経路を短絡させる必要が生じた場合に電流制御素子32を動作させる。
In the short-
これにより、短絡素子1は、電流制御素子32によって通電経路3が通電され、発熱体15が発熱される。通電経路3を介して発熱体15に電気が通電されると、図4(A)に示すように、短絡素子1は、第1の絶縁層14を介して接続されている可溶導体13が溶融し、この溶融導体がブリッジ電極16上に凝集される。これにより、絶縁されていた第1、第2の電極11,12が短絡され、外部回路28A,28Bが接続される。短絡素子1の動作時の回路構成を図4(B)に示す。
As a result, the short-
このとき、短絡素子1は、可溶導体13の溶融導体を集めるブリッジ電極16が、第1、第2の電極11,12間に跨って、第1、第2の電極11,12と対向して設けられているため、溶融導体が第1、第2の電極11,12間に亘って凝集され、確実に第1、第2の電極11,12間を短絡させることができる。
At this time, in the short-
また、短絡素子1は、可溶導体13の溶融導体がブリッジ電極16と発熱体電極18とに分離して凝集されることにより、可溶導体13を介して接続されていた第1の電極11と発熱体電極18との間が開放され、発熱体15への通電経路3が遮断される。これにより、発熱体15への給電が止まり、発熱体15の発熱が停止される。
In addition, the short-
そして、短絡素子1は、ブリッジ電極16によって凝集された溶融導体によって第1、第2の電極11,12間が短絡された状態で、通電経路3が遮断されるため、第1、第2の電極11,12が短絡することなく通電経路3が遮断されることを防止することができる。
In the short-
ここで、短絡素子1は、ブリッジ電極16の面積が、発熱体電極18の面積よりも広く形成されることが好ましい。可溶導体13の溶融導体は、表面張力によりより大きい体積の部位に凝集する傾向があることから、短絡素子1は、ブリッジ電極16を発熱体電極18よりも広く形成することにより、より多くの溶融導体を凝集することができ、確実に第1、第2の電極11,12間を短絡させ、その後に通電経路3を遮断することができる。
Here, the short-
また、短絡素子1は、ブリッジ電極16が、発熱体電極18よりも、発熱体15の発熱中心に近い位置に設けられていることが好ましい。
In the short-
ここで、発熱体15の発熱中心とは、発熱体15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15より発せられる熱は絶縁基板14からの放熱量が最も多く、絶縁基板14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14に熱が拡散してしまう。そのため、発熱体15は通電が開始された発熱初期の段階では、絶縁基板14と接する外縁から最も遠い中心が最も熱く、絶縁基板14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。
Here, the heat generation center of the
そこで、図1(A)に示すように、短絡素子1は、ブリッジ電極16を、発熱体電極18よりも、発熱体15の発熱初期において最も高温となる発熱中心Cに近い位置に形成することにより、発熱体電極18よりも早く熱が伝わり、より速やかに溶融導体が凝集するようにする。発熱体電極18は、ブリッジ電極16より遅れて加熱されるため、第1、第2の電極11,12が短絡された後に溶融導体が凝集して、ブリッジ電極16に凝集された溶融導体と分離され、通電経路3が遮断される。
Therefore, as shown in FIG. 1A, the short-
したがって、短絡素子1は、ブリッジ電極16を発熱体電極18よりも発熱体15の発熱中心の近くに設けることで、通電経路3の遮断よりも先に第1、第2の電極11,12間を短絡させることができ、第1、第2の電極11,12間が短絡するまで、確実に発熱体15に給電し続けることができる。
Therefore, the short-
また、可溶導体13の幅を第1の電極11、第2の電極12、ブリッジ電極16よりも広くし、ブリッジ電極16と重畳する第1の電極11の面積を第2の電極12の面積よりも狭くする事で、第1の電極11上に凝集した溶融導体を早い段階で溢れさせ、凝集した溶融導体を第2の電極12側に速やかに短絡させる事ができる。
Further, the width of the
なお、図5に示す発熱体ユニット27においては、可溶導体13が発熱体15と重畳する位置に設けられ、また発熱体15に、絶縁層17、ブリッジ電極16及び接続用ハンダ21を介して積層されているため、発熱体15の熱が効率よく伝達され、短時間で加熱、溶融することができる。
In the
[回路構成例]
図7に、短絡素子1が適用された短絡回路の一例として、バッテリ回路30を示す。バッテリ回路30において、短絡素子1は、複数のバッテリセル31のうち、過充電等の異常電圧を示したバッテリセルをバイパスするバイパス電流経路の構築に用いることができる。
[Circuit configuration example]
FIG. 7 shows a
図7において、バッテリ回路30は、短絡素子1と、短絡素子1の動作を制御する電流制御素子32と、バッテリセル31と、バッテリセル31を充放電経路上から遮断する保護素子33と、保護素子33の動作を制御する電流制御素子32とを有するバッテリユニット34を備え、複数のバッテリユニット34が直列に接続されている。
7, the
また、バッテリ回路30は、各バッテリユニット34のバッテリセル31の電圧を検出するととともに、保護素子33と電流制御素子32とに異常信号を出力する検出素子35を有する。
The
各バッテリユニット34は、保護素子33がバッテリセル31と直列に接続されている。また、バッテリユニット34は、短絡素子1の第1の電極11が保護素子33の開放端と接続され、第2の電極12がバッテリセル31の開放端と接続され、これにより、保護素子33及びバッテリセル31と、短絡素子1とが並列に接続されている。
In each
また、バッテリユニット34は、電流制御素子32、及び保護素子33が、それぞれ検出素子35と接続されている。検出素子35は、各バッテリセル31と接続され、各バッテリセル31の電圧値を検出して、バッテリセル31が過充電電圧又は過放電電圧になったときに、当該バッテリセル31を有するバッテリユニット34の保護素子33を駆動させ、また短絡素子1に繋がる電流制御素子32へ動作信号を出力する。
In the
電流制御素子32は、例えば電界効果トランジスタ(以下、FETという)により構成することができる。電流制御素子32は、第3の電極20と接続され、短絡素子1の通電経路3への通電を制御することができる。また、電流制御素子32は、保護素子33の駆動端子と接続される。
The
保護素子33は、充放電経路上に接続された一対の電極と、当該電極間にわたって搭載され、当該電極間を短絡させる可溶導体と、可溶導体と直列に接続され、電圧異常の際に通電されて発熱し、可溶導体を溶融する発熱体を有する素子により構成することができる。 The protective element 33 is mounted over a pair of electrodes connected on the charge / discharge path, a soluble conductor that short-circuits between the electrodes, and a soluble conductor in series. It can be constituted by an element having a heating element that generates heat when energized and melts a soluble conductor.
このバッテリ回路30は、検出素子35から出力される検出信号によって、バッテリセル31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33及び短絡素子1を動作させて、当該バッテリユニット34を充放電電流経路から遮断するとともに、短絡素子1のスイッチ2を短絡させ、当該バッテリユニット34をバイパスするバイパス電流経路を形成するように制御する。
The
このようなバッテリ回路30は、正常時には、短絡素子1のスイッチ2が開放されているため、電流は保護素子33及びバッテリセル31側に流れる。バッテリセル31に電圧異常等が検知されると、バッテリ回路30は、検出素子35より保護素子33に異常信号が出力され、保護素子33によって異常なバッテリセル31を、充放電電流経路上から遮断する。
In such a
次いで、バッテリ回路30は、検出素子35により電流制御素子32にも異常信号が出力され、短絡素子1の発熱体15に電流が流れるよう制御される。短絡素子1は、発熱体15によって可溶導体13を加熱、溶融させることにより、第1、第2の電極11,12間に亘って形成されたブリッジ電極16上に溶融導体が凝集し、第1、第2の電極11,12間が短絡される。これにより、バッテリ回路30は、短絡素子1によってバッテリセル31をバイパスするバイパス電流経路を形成することができる。次いで、短絡素子1は、可溶導体13の溶断により、第1の電極11と発熱体電極18との間が遮断され、発熱体15への給電が停止される。
Next, the
これにより、バッテリ回路30は、一つのバッテリセル31に異常が起きた場合にも、短絡素子1を介して当該バッテリセル31を迂回するバイパス電流経路を形成することができ、残りの正常なバッテリセル31によって充放電機能を維持することができる。このとき、短絡素子1は、第1、第2の電極11,12間に亘って、第1、第2の電極11,12と対向して形成されているブリッジ電極16によって可溶導体13の溶融導体が凝集されるため、確実に第1、第2の電極11,12間を短絡させ、バイパス電流経路を形成することができる。
Thus, even when an abnormality occurs in one
なお、短絡素子1又はバッテリ回路30は、遮断されたバッテリセル31の内部抵抗とほぼ同じ抵抗値を有する保護抵抗を設けてもよい。バイパス電流経路上に保護抵抗を設けることにより、バッテリ回路30は、バイパス電流経路を構築した後においても、正常時と同じ抵抗値とすることができる。
Note that the short-
[発熱体ユニットの変形例]
なお、上述した発熱体ユニット27においては、発熱体15を絶縁基板14の表面14a上に形成したが、図8に示すように、発熱体ユニット27は、発熱体15を絶縁基板14の裏面14bに形成してもよい。この場合、発熱体15は、絶縁基板14の裏面14bにおいて絶縁層17に被覆されている。また、発熱体15の一端と接続される発熱体電極18及び発熱体引出電極19も同様に絶縁基板14の裏面14bに形成される。発熱体電極18は、発熱体15と接続される上層部18aが絶縁基板14裏面14bに形成され、可溶導体13と接続される下層部18bが絶縁基板14の表面14aに形成され、下層部18bと上層部18aとが、導電スルーホールを介して連続される。
[Modification of heating element unit]
In the above-described
また、発熱体15は、絶縁基板14の裏面14bにおいて、ブリッジ電極16及び可溶導体13と重畳する位置に形成されることが好ましい。また、ブリッジ電極16は、発熱体電極18の下層部18bよりも、発熱体15の発熱中心に近い位置に形成されることが好ましい。
Further, the
発熱体ユニット27は、発熱体15が絶縁基板14の裏面14bに形成されることにより、絶縁基板14の表面14aが平坦化され、これにより、ブリッジ電極16や発熱体電極18の下層部18bを表面14a上に形成することができる。したがって、発熱体ユニット27は、ブリッジ電極16や発熱体電極18の下層部18b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。
In the
また、発熱体ユニット27は、発熱体15を絶縁基板14の裏面14bに形成した場合にも、絶縁基板14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15によって、絶縁基板14の表面14a上に積層した場合と同等に可溶導体13を加熱、溶断することができる。
Further, even when the
また、発熱体ユニット27は、図9に示すように、発熱体15を絶縁基板14の表面14a上に形成された絶縁層17の内部に形成してもよい。この場合、発熱体15の一端が接続された発熱体電極18及び発熱体引出電極19も、一端部が絶縁層17の内部まで形成される。
In addition, as shown in FIG. 9, the
また、発熱体15は、絶縁層17の内部において、ブリッジ電極16及び可溶導体13と重畳する位置に形成されることが好ましい。また、ブリッジ電極16は、発熱体電極18よりも、発熱体15の発熱中心に近い位置に形成されることが好ましい。また、発熱体ユニット27は、発熱体15を絶縁基板14の裏面14b上に形成された絶縁層17の内部に形成してもよい。
Further, the
また、発熱体ユニット27は、図10に示すように、発熱体15を絶縁基板14の内部に形成してもよい。この場合、発熱体15を被覆する絶縁層17は設ける必要がない。また、発熱体15と接続される発熱体電極18及び発熱体引出電極19は、発熱体15と接続する上層部が絶縁基板14の内部まで形成され、導電スルーホールを介して絶縁基板14の表面14a側に下層部が設けられる。
Further, in the
また、発熱体15は、絶縁基板14の内部において、ブリッジ電極16及び可溶導体13と重畳する位置に形成されることが好ましい。また、ブリッジ電極16は、発熱体電極18よりも、発熱体15の発熱中心に近い位置に形成されることが好ましい。
Further, the
また、短絡素子1は、図11に示すように、発熱体15を絶縁基板14の表面14a上において、ブリッジ電極16及び発熱体電極18と並んで形成してもよい。この場合、発熱体15は、絶縁層17によって被覆されている。また、発熱体15と接続される発熱体電極18は、絶縁基板14の表面14a上に単層で形成される。さらに、ブリッジ電極16は、発熱体電極18よりも、発熱体15の発熱中心に近い位置に形成されることが好ましい。
In addition, as shown in FIG. 11, the short-
[可溶導体の変形例]
上述したように、可溶導体13は、低融点金属と高融点金属とを含有してもよい。このとき、可溶導体13は、図12(A)に示すように、内層としてAg、Cu又はこれらを主成分とする合金等からなる高融点金属層70が設けられ、外層としてSnを主成分とするPbフリーハンダ等からなる低融点金属層71が設けられた可溶導体を用いてもよい。この場合、可溶導体13は、高融点金属層70の全面が低融点金属層71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。高融点金属層70や低融点金属層71による被覆構造は、メッキ等の公知の成膜技術を用いて形成することができる。
[Modified example of soluble conductor]
As described above, the
また、図12(B)に示すように、可溶導体13は、内層として低融点金属層71が設けられ、外層として高融点金属層70が設けられた可溶導体を用いてもよい。この場合も、可溶導体13は、低融点金属層71の全面が高融点金属層70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。
As shown in FIG. 12B, the
また、可溶導体13は、図13に示すように、高融点金属層70と低融点金属層71とが積層された積層構造としてもよい。
Further, the
この場合、可溶導体13は、図13(A)に示すように、ブリッジ電極16に搭載される下層と、下層の上に積層される上層からなる2層構造として形成され、下層となる高融点金属層70の上面に上層となる低融点金属層71を積層してもよく、反対に下層となる低融点金属層71の上面に上層となる高融点金属層70を積層してもよい。あるいは、可溶導体13は、図13(B)に示すように、内層と内層の上下面に積層される外層とからなる3層構造として形成してもよく、内層となる高融点金属層70の上下面に外層となる低融点金属層71を積層してもよく、反対に内層となる低融点金属層71の上下面に外層となる高融点金属層70を積層してもよい。
In this case, the
また、可溶導体13は、図14に示すように、高融点金属層70と低融点金属層71とが交互に積層された4層以上の多層構造としてもよい。この場合、可溶導体13は、最外層を構成する金属層によって、全面又は相対向する一対の側面を除き被覆された構造としてもよい。
Further, as shown in FIG. 14, the
また、可溶導体13は、内層を構成する低融点金属層71の表面に高融点金属層70をストライプ状に部分的に積層させてもよい。図15は、可溶導体13の平面図である。
In the
図15(A)に示す可溶導体13は、低融点金属層71の表面に、幅方向に所定間隔で、線状の高融点金属層70が長手方向に複数形成されることにより、長手方向に沿って線状の開口部72が形成され、この開口部72から低融点金属層71が露出されている。可溶導体13は、低融点金属層71が開口部72より露出することにより、溶融した低融点金属と高融点金属との接触面積が増え、高融点金属層70の浸食作用をより促進させて溶断性を向上させることができる。開口部72は、例えば、低融点金属層71に高融点金属層70を構成する金属の部分メッキを施すことにより形成することができる。
The
また、可溶導体13は、図15(B)に示すように、低融点金属層71の表面に、長手方向に所定間隔で、線状の高融点金属層70を幅方向に複数形成することにより、幅方向に沿って線状の開口部72を形成してもよい。
Further, as shown in FIG. 15B, the
また、可溶導体13は、図16に示すように、低融点金属層71の表面に高融点金属層70を形成するとともに、高融点金属層70の全面に亘って円形の開口部73が形成され、この開口部73から低融点金属層71を露出させてもよい。開口部73は、例えば、低融点金属層71に高融点金属層70を構成する金属の部分メッキを施すことにより形成することができる。
Further, as shown in FIG. 16, the
可溶導体13は、低融点金属層71が開口部73より露出することにより、溶融した低融点金属と高融点金属との接触面積が増え、高融点金属の浸食作用をより促進させて溶断性を向上させることができる。
The
また、可溶導体13は、図17に示すように、内層となる高融点金属層70に多数の開口部74を形成し、この高融点金属層70に、メッキ技術等を用いて低融点金属層71を成膜し、開口部74内に充填してもよい。これにより、可溶導体13は、溶融する低融点金属が高融点金属に接する面積が増大するので、より短時間で低融点金属が高融点金属を溶食することができるようになる。
In addition, as shown in FIG. 17, the
また、可溶導体13は、低融点金属層71の体積を、高融点金属層70の体積よりも多く形成することが好ましい。可溶導体13は、発熱体15によって加熱されることにより、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13は、低融点金属層71の体積を、高融点金属層70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の電極11,12間への溶融導体の凝集、短絡を行い、また、第1の電極11と発熱体電極18との間の通電経路3を遮断することができる。
Further, it is preferable that the
また、可溶導体13は、図18に示すように、外層を構成する高融点金属によって被覆され主面部13a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13bと、内層を構成する低融点金属が露出され第1の側面部13b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13cとを有し、第2の側縁部13cが発熱体15への通電方向の両側端となる向きで、ブリッジ電極16と発熱体電極18との間に跨って接続されるようにしてもよい。
Further, as shown in FIG. 18, the
第1の側縁部13bは、側面が高融点金属層70によって被覆されるとともに、これにより可溶導体13の主面部13aよりも肉厚に形成されている。第2の側縁部13cは、側面に、外周を高融点金属層70によって囲繞された低融点金属層71が露出されている。第2の側縁部13cは、第1の側縁部13bと隣接する両端部を除き主面部13aと同じ厚さに形成されている。
The side surface of the first
そして、図19に示すように、可溶導体13は、第2の側縁部13cがブリッジ電極16から発熱体電極18間にわたる通電経路3に沿って配設されている。これにより、短絡素子1は、第1及び第2の電極11,12間にわたる可溶導体13を速やかに溶融、短絡させることができる。
As shown in FIG. 19, the
すなわち、第2の側縁部13cは、第1の側縁部13bよりも相対的に薄肉に形成されている。また、第2の側縁部13cの側面は、内層を構成する低融点金属層71が露出されている。これにより、第2の側縁部13cは、低融点金属層71による高融点金属層70の侵食作用が働き、かつ、侵食される高融点金属層70の厚さも第1の側縁部13bに比して薄く形成されていることにより、高融点金属層70によって肉厚に形成されている第1の側縁部13bに比して、少ない熱エネルギーで速やかに溶融させることができる。
In other words, the second
このような構成を有する可溶導体13は、低融点金属層71を構成するハンダ箔等の低融点金属箔を、高融点金属層70を構成するAg等の金属で被覆することにより製造される。低融点金属層箔を高融点金属被覆する工法としては、長尺状の低融点金属箔に連続して高融点金属メッキを施すことができる電解メッキ法が、作業効率上、製造コスト上、有利となる。
The
電解メッキによって高融点金属メッキを施すと、長尺状の低融点金属箔のエッジ部分、すなわち、側縁部において電界強度が相対的に強まり、高融点金属層70が厚くメッキされる(図18参照)。これにより、側縁部が高融点金属層によって肉厚に形成された長尺状の導体リボン40が形成される。次いで、この導体リボン40を長手方向と直交する幅方向(図18中C−C’方向)に、所定長さに切断することにより、可溶導体13が製造される。これにより、可溶導体13は、導体リボン40の側縁部が第1の側縁部13bとなり、導体リボン40の切断面が第2の側縁部13cとなる。また、第1の側縁部13bは、高融点金属によって被覆され、第2の側縁部13cは、端面(導体リボン30の切断面)に上下一対の高融点金属層70と高融点金属層70によって挟持された低融点金属層71が外方に露出されている。
When refractory metal plating is performed by electrolytic plating, the electric field strength is relatively increased at the edge portion of the long low melting point metal foil, that is, the side edge portion, and the
なお、本発明に係る短絡素子は、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、電子機器の電源ライン等、電気信号による電流経路の遮断及びバイパスを必要とする様々な用途にももちろん応用可能である。また、電流制御素子32の作動条件は、バッテリセル31の電圧異常の場合に限らず、例えば周囲の温度の異常な上昇や、水没等、あらゆるアクシデントを検知することによって作動させることができる。
Note that the short-circuit element according to the present invention is not limited to use in a battery pack of a lithium ion secondary battery, but also for various uses that require interruption and bypass of a current path by an electric signal, such as a power line of an electronic device. Of course, it can be applied. The operating condition of the
1 短絡素子、2 スイッチ、3 通電経路、11 第1の電極、12 第2の電極、13 可溶導体、14 絶縁基板、15 発熱体、16 ブリッジ電極、17 絶縁層、18 発熱体電極、19 発熱体引出電極、20 第3の電極、21 接続用ハンダ、22 絶縁スペーサ、23 フラックス、25 保護ケース、27 発熱体ユニット、30 バッテリ回路、31 バッテリセル、32 電流制御素子32 保護素子、34 バッテリユニット、35 検出素子
DESCRIPTION OF
Claims (25)
溶融することにより上記第1、第2の電極間を短絡させる可溶導体と、
通電されることにより発熱し、上記可溶導体を溶融させる発熱体と、
上記第1、第2の電極間に跨って上記第1、第2の電極と対向配置され、上記可溶導体の溶融導体を上記第1、第2の電極間に集めるブリッジ電極とを有する短絡素子。 First and second electrodes disposed in close proximity and insulated;
A fusible conductor that short-circuits between the first and second electrodes by melting;
A heating element that generates heat when energized and melts the soluble conductor;
A short circuit having a bridge electrode that is disposed opposite to the first and second electrodes across the first and second electrodes and collects the molten conductor of the soluble conductor between the first and second electrodes. element.
上記可溶導体が溶融することにより、上記第1、第2の電極間を短絡させると共に、上記第1の電極と上記発熱体との間が遮断される請求項1記載の短絡素子。 The fusible conductor is connected to the first electrode and connected to the heating element, so that the heating element continues from the first electrode through the fusible conductor, and the heating element is energized. An energization path is formed,
2. The short-circuit element according to claim 1, wherein when the soluble conductor is melted, the first and second electrodes are short-circuited, and the first electrode and the heating element are blocked.
上記発熱体と上記ブリッジ電極は、上記絶縁基板上に形成され、
上記発熱体は、上記絶縁基板上に形成された発熱体電極を介して上記可溶導体と接続され、
上記ブリッジ電極は、上記発熱体電極よりも面積が広い請求項2記載の短絡素子。 Having an insulating substrate,
The heating element and the bridge electrode are formed on the insulating substrate,
The heating element is connected to the soluble conductor via a heating element electrode formed on the insulating substrate,
The short-circuit element according to claim 2, wherein the bridge electrode has a larger area than the heating element electrode.
上記発熱体と上記ブリッジ電極は、上記絶縁基板上に形成され、
上記発熱体は、上記絶縁基板上に形成された発熱体電極を介して上記可溶導体と接続され、
上記ブリッジ電極は、上記発熱体電極よりも、上記発熱体の発熱中心に近い位置に設けられている請求項2又は請求項3記載の短絡素子。 Having an insulating substrate,
The heating element and the bridge electrode are formed on the insulating substrate,
The heating element is connected to the soluble conductor via a heating element electrode formed on the insulating substrate,
4. The short-circuit element according to claim 2, wherein the bridge electrode is provided at a position closer to the heat generation center of the heat generating element than the heat generating element electrode.
上記第2の電極と上記可溶導体との間の少なくとも一部分には、上記第2の電極と上記可溶導体の絶縁を図る絶縁層が形成されている請求項1〜5のいずれか1項に記載の短絡素子。 The fusible conductor is disposed opposite to the first and second electrodes across the first and second electrodes,
The insulating layer which insulates the said 2nd electrode and the said soluble conductor in at least one part between the said 2nd electrode and the said soluble conductor is formed in any one of Claims 1-5. The short-circuit element described in 1.
上記ブリッジ電極は、上記絶縁層上に積層され、
上記発熱体は、上記絶縁層の内部、又は上記絶縁層と上記絶縁基板との間に設けられている請求項3〜8のいずれか1項に記載の短絡素子。 Having an insulating layer laminated on the insulating substrate;
The bridge electrode is laminated on the insulating layer,
The short circuit element according to any one of claims 3 to 8, wherein the heating element is provided inside the insulating layer or between the insulating layer and the insulating substrate.
上記低融点金属が上記発熱体からの加熱により溶融し、上記高融点金属を溶食する請求項1〜14のいずれか1項に記載の短絡素子。 The soluble conductor contains a low melting point metal and a high melting point metal,
The short-circuit element according to claim 1, wherein the low-melting-point metal is melted by heating from the heating element and erodes the high-melting-point metal.
上記高融点金属は、Ag、Cu又はAg若しくはCuを主成分とする合金である請求項16記載の短絡素子。 The low melting point metal is solder,
The short circuit element according to claim 16, wherein the refractory metal is Ag, Cu, or an alloy containing Ag or Cu as a main component.
The fusible conductor is exposed to a pair of opposing first side edges that are covered with the refractory metal constituting the outer layer and formed thicker than the main surface portion, and the low melting point metal constituting the inner layer is exposed. And a pair of opposing second side edges formed to have a thickness smaller than that of the first side face, wherein the second side edges are opposite ends in the energization direction to the heating element. The short-circuit element according to any one of claims 19 to 22, wherein the short-circuiting element is connected across the bridge electrode and the heating element electrode connected to the heating element in a direction that becomes.
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