JP6202992B2 - 保護回路、バッテリ回路、保護素子、保護素子の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、電流経路を遮断する保護素子に関し、特にリチウムイオンバッテリ等の緊急時に速やかに電流経路を遮断する必要のある回路に用いて好適な保護回路、バッテリ回路、保護素子、及び保護素子の駆動方法に関する。

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。

この種の保護回路では、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。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素子からなる保護素子が用いられる。

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、この発熱体によって電流経路上の可溶導体を溶断する構造が一般的に用いられている。

本発明の関連技術として、図１０に保護素子５０を示す。保護素子５０は、絶縁基板５１と、絶縁基板５１に積層され、ガラス等の絶縁部材５２に覆われた発熱体５３と、絶縁基板５１の両端に形成された一対の電極５４，５４と、絶縁部材５２上に発熱体５３と重畳するように積層された発熱体引出電極５５と、両端が一対の電極５４，５４にそれぞれ接続され、中央部が発熱体引出電極５５に接続された可溶導体５６とを備える。

発熱体引出電極５５の一端は、第１の発熱体電極５７を介して発熱体５３に接続される。また、発熱体５３の他端は、第２の発熱体電極５８に接続される。なお、保護素子５０は、可溶導体５６の酸化防止のために、可溶導体５６上のほぼ全面にフラックス６１が塗布されている。また、保護素子５０は、内部を保護するためにカバー部材を絶縁基板５１上に載置してもよい。

このような保護素子５０は、図１１に示すように、リチウムイオン二次電池等向けバッテリ回路６０に接続されることにより、一対の電極５４，５４及び可溶導体５６が当該バッテリ回路６０の充放電電流回路の一部を構成する。また、保護素子５０は、第２の発熱体電極５８がＦＥＴ６１等の電流制御素子に接続される。ＦＥＴ６１は、例えばリチウムイオンバッテリ６２の異常電圧を検出する検出回路６３からの信号に応じて発熱体５３が通電されるように電流を制御する。

特許第４１１０９６７号公報 特開２００６−１０９５９６号公報

このような保護素子５０、及びバッテリ回路６０では、保護素子５０に加え、発熱体５３に対して電力を供給するように電流を制御するＦＥＴ６１等のスイッチ素子が必要となり、バッテリ回路６０を構成する部品点数の増加や、組み立て工数の増加を招く他、製造コスト上も不利となる。

そこで、本発明は、保護素子の他にＦＥＴ等のスイッチ素子を用いることなく使用することができる保護回路、バッテリ回路、保護素子、及び保護素子の駆動方法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、本発明に係る保護回路は、外部回路に接続された第１の可溶導体と、上記第１の可溶導体と接続された第１の発熱体とを備え、上記第１の発熱体が発熱することにより上記第１の可溶導体が溶断し上記外部回路を遮断する保護部と、上記外部回路の遮断の要否を検出する検出回路と接続された第２の発熱体と、上記第２の発熱体が発熱することにより溶融する第２の可溶導体と、上記第１の発熱体と接続されたスイッチとを備え、上記スイッチを開放させることにより上記第１の発熱体への給電を規制し、上記第２の可溶導体の溶融導体によって上記スイッチを短絡させることにより上記第１の発熱体へ電力を供給する短絡部とを有するものである。

また、本発明に係るバッテリ回路は、バッテリスタックと、上記バッテリスタックの異常電圧を検出する検出回路と、上記バッテリスタックの充放電回路上に設けられ、上記検出回路の検出結果に応じて上記充放電回路を遮断する保護素子とを有し、上記保護素子は、上記充放電回路に接続された第１の可溶導体と、上記第１の可溶導体と接続された第１の発熱体とを備え、上記第１の発熱体が発熱することにより上記第１の可溶導体が溶断し上記充放電回路を遮断する保護部と、上記検出回路と接続された第２の発熱体と、上記第２の発熱体が発熱することにより溶融する第２の可溶導体と、上記第１の発熱体と接続されたスイッチとを備え、上記スイッチを開放させることにより上記第１の発熱体への給電を規制し、上記第２の可溶導体の溶融導体によって上記スイッチを短絡させることにより上記第１の発熱体へ電力を供給する短絡部とを有するものである。

また、本発明に係る保護素子は、絶縁基板と、第１の発熱体と、外部回路に接続された第１、第２の電極と、上記第１の発熱体と接続されるとともに、上記第１、第２の電極間にわたって搭載され、上記外部回路の一部を構成する第１の可溶導体と、第２の発熱体と、一端を上記第２の発熱体の一端と接続され、他端を上記外部回路の遮断の要否を検出する検出回路と接続された第３の電極と、上記第２の発熱体の他端及び上記外部回路と接続された第４の電極と、上記第１の発熱体と接続された第１の発熱体電極と、上記第４の電極及び上記第１の発熱体電極の一方又は両方に搭載され、上記第２の発熱体の発熱により溶融し、上記第４の電極及び上記第１の発熱体電極間を短絡させる第２の可溶導体とを有するものである。

また、本発明に係る保護素子の駆動方法は、絶縁基板と、第１の発熱体と、外部回路に接続された第１、第２の電極と、上記第１の発熱体と接続されるとともに、上記第１、第２の電極間にわたって搭載され、上記外部回路の一部を構成する第１の可溶導体と、第２の発熱体と、一端を上記第２の発熱体の一端と接続され、他端を上記外部回路の遮断の要否を検出する検出回路と接続された第３の電極と、上記第２の発熱体の他端及び上記外部回路と接続された第４の電極と、上記第１の発熱体と接続された第１の発熱体電極と、上記第４の電極及び上記第１の発熱体電極の一方又は両方に搭載され、上記第２の発熱体の発熱により溶融し、上記第４の電極及び上記第１の発熱体電極間を短絡させる第２の可溶導体とを有し、上記検出回路から上記第３の電極を介して上記第２の発熱体に電力を供給し、上記第２の発熱体が発熱することにより上記第２の可溶導体を溶融させ、該溶融導体により上記４の電極及び上記第１の発熱体電極を短絡させ、上記第１の発熱体に電力が供給され、上記第１の可溶導体が溶断し、上記第１の電極と上記第２の電極との間を遮断し、上記第２の発熱体に対する給電を停止するものである。

本発明によれば、短絡部の動作に応じて、保護部の第１の発熱体への給電を制御することができる。したがって、本発明によれば、ＦＥＴ等のスイッチ素子を用いることなく、電流経路の遮断を行うことができ、部品点数の増加や、組み立て工数の増加を招くこともない。

図１は、本発明が適用された保護素子を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は底面図である。 図２は、本発明が適用された保護回路を示す回路図である。 図３は、本発明が適用された他の保護素子を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は底面図である。 図４は、本発明が適用された他の保護素子を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は底面図である。 図５は、本発明が適用された他の保護素子を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は底面図である。 図６は、本発明が適用された他のバッテリ回路を示す回路図である。 図７は、本発明が適用されたバッテリ回路を示す回路図である。 図８は、本発明が適用された他のバッテリ回路を示す回路図である。 図９は、本発明が適用された他の保護素子を示す平面図である。 図１０は、本発明の関連技術に係る保護素子を示す平面図である。 図１１は、本発明の関連技術に係る保護素子を用いたバッテリ回路を示す回路図である。

以下、本発明が適用された保護回路、バッテリ回路、保護素子、保護素子の駆動方法について、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］
本発明が適用された保護素子１は、例えばバッテリ回路等の、保護素子１によってその電流経路を遮断する外部回路２に組み込まれる。保護素子１は、図１（Ａ）に示すように、絶縁基板１１上に、外部回路２の一部を構成し、当該回路を遮断する保護部１０と、保護部１０を作動させるスイッチを構成する短絡部２０とが形成されている。

［保護部］
保護部１０は、第１の発熱体１２と、外部回路２に接続された第１、第２の電極１３，１４と、第１の発熱体１２と接続されるとともに、第１、第２の電極１３，１４間にわたって搭載され、外部回路２の一部を構成する第１の可溶導体１５を有する。

絶縁基板１１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が、第１、第２の可溶導体１５，２６の溶断時の温度に留意する必要がある。

第１の発熱体１２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１１の表面１１ａ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。

第１の発熱体１２は、一端が短絡部２０に形成された第１の発熱体電極２５と接続され、他端が第１の可溶導体１５と接続される発熱体引出電極１７と接続されている。第１の発熱体１２は、絶縁基板１１の表面１１ａ上において絶縁層１６に被覆されている。絶縁層１６は、第１の発熱体１２の保護及び絶縁を図るとともに、第１の発熱体１２の熱を効率よく第１の可溶導体１５及び発熱体引出電極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１は、絶縁基板１１の表面１１ａと第１の発熱体１２との間にも絶縁層１６を形成し、第１の発熱体１２を絶縁層１６の内部に配置するようにしてもよい。

絶縁層１６の上面には、第１の発熱体１２と接続された発熱体引出電極１７が積層されている。発熱体引出電極１７は、第１の発熱体１２によって加熱されることにより、第１の可溶導体１５の溶融導体を凝集しやすくすることができる。

図１中、絶縁基板１１の左右一対の側縁部には、第１の電極１３及び第２の電極１４が形成されている。第１、第２の電極１３，１４は、実装用ハンダを介して、第１の可溶導体１５が搭載されている。また、第１、第２の電極１３，１４は、絶縁基板１１の側面に臨み、図１（Ｂ）に示すように、スルーホール１８を介して絶縁基板１１の裏面１１ｂに設けられた第１、第２の外部接続電極１３ａ，１４ａと接続されている。そして、第１、第２の電極１３，１４は、第１、第２の外部接続電極１３ａ，１４ａを介して、保護素子１が実装されるデバイスの外部回路２と接続される。

これら第１、第２の電極１３，１４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、第１、第２の電極１３，１４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、第１、第２の電極１３，１４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、保護素子１をリフロー実装する場合に、第１の可溶導体１５を接続する実装用ハンダあるいは第１の可溶導体１５の外層を形成する低融点金属が溶融することにより第１、第２の電極１３，１４を溶食（ハンダ食われ）するのを防ぐことができる。

第１の可溶導体１５は、第１の発熱体１２の発熱により速やかに溶断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。

また、第１の可溶導体１５は、低融点金属と高融点金属とを積層して形成してもよい。低融点金属と高融点金属との積層構造としては、例えば、低融点金属箔を高融点金属メッキによって被覆する構造を挙げることができる。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、保護素子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、第１の可溶導体１５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、第１の可溶導体１５は、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、フラックスを設けてもよい。

第１の可溶導体１５は、外部回路２と接続された第１、第２の電極１３，１４間に搭載されるとともに、絶縁層１６上に積層された発熱体引出電極１７と接続される。そして、第１の可溶導体１５は、第1の発熱体１２の発熱により第１の電極１３と第２の電極１４との間で溶断され、これにより外部回路２の電流経路を遮断することができる。

［短絡部］
短絡部２０は、第１の発熱体１２への給電を制御するスイッチとして機能するものである。短絡部２０は、第２の発熱体２２と、一端を第２の発熱体２２の一端と接続され、他端を外部回路２の遮断の要否を検出する検出回路３と接続された第３の電極２３と、第２の発熱体２２の他端及び外部回路２と接続された第４の電極２４と、第１の発熱体１２と接続された第１の発熱体電極２５と、第４の電極２４及び第１の発熱体電極２５の一方又は両方に搭載され、第２の発熱体２２の発熱により溶融し、第４の電極２４及び第１の発熱体電極２５間を短絡させる第２の可溶導体２６とを有する。

第２の発熱体２２は、上述した第１の発熱体１２と同様の材料、及び同様の工程によって形成することができる。第２の発熱体２２は、一端が第３の電極２３と接続され、他端が第４の電極２４と接続されている。また、第２の発熱体２２も、絶縁基板１１の表面１１ａ上において絶縁層１６に被覆されている。さらに、第２の発熱体２２においても、絶縁基板１１の表面１１ａ上に形成された絶縁層１６の内部に配置されてもよい。

第３の電極２３及び第４の電極２４は、図１中、絶縁基板１１の左右一対の側縁部に形成されている。また、第３、第４の電極２３，２４は、絶縁基板１１の側面に臨み、図１（Ｂ）に示すように、スルーホール１８を介して絶縁基板１１の裏面１１ｂに設けられた第３、第４の外部接続電極２３ａ，２４ａと接続されている。そして、第３の電極２３は、第３の外部接続電極２３ａを介して、外部回路２の遮断の要否を検出する検出回路３と接続されている。また、第４の電極２４は、第４の外部接続電極２４ａを介して、外部回路２の電流経路と接続されている。

第２の発熱体２２を覆う絶縁層１６には、第４の電極２４及び第１の発熱体電極２５が積層されている。第４の電極２４と第１の発熱体電極２５とは、所定の距離だけ離間されることにより開放されている。また、第４の電極２４と第１の発熱体電極２５の一方又は両方には、実装用ハンダを介して第２の可溶導体２６が搭載され、第２の発熱体２２の発熱により第２の可溶導体２６が溶融すると、この溶融導体が凝集、結合することにより短絡可能とされている。

第１の発熱体電極２５は、保護部１０の第１の発熱体１２の一端と接続され、第４の電極２４と短絡することにより、第１の電極１３から第１の可溶導体１５、発熱体引出電極１７、第１の発熱体１２及び第１の発熱体電極２５を経て第４の電極２４へ至る第１の発熱体１２への給電経路が形成される。

これら第３、第４の電極２３，２４及び第１の発熱体電極２６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、第３、第４の電極２３，２４及び第１の発熱体電極２６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。

このような短絡部２０は、平常時には第４の電極２４と第１の発熱体電極２５が開放され、第１の発熱体１２への電力供給を規制している。外部回路２の遮断が必要な事態が検出回路３によって検出されると、短絡部２０は、第３の電極２３へ検出回路３から電流が供給され、第２の発熱体２２が発熱して、第２の可溶導体２６が溶融される。これにより、保護素子１は、第２の可溶導体２６の溶融導体を介して第４の電極２４と第１の発熱体電極２５が短絡し、第１の発熱体１２へ電力を供給されるようになる。

第２の可溶導体２６は、上述した第１の可溶導体１５と同じ材料、同じ構成により形成することができる。

［その他］
また、保護素子１は、絶縁基板１１の表面１１ａ側が図示しないカバー部材に覆われることによりその内部が保護されている。カバー部材は、上記絶縁基板１１と同様に、例えば、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されている。

［保護回路］
次いで、保護回路３０について説明する。図２に示すように、保護回路３０は、保護部１０の第１、第２の電極１３，１４が、第１の可溶導体１５を介して接続されるとともに、第１の発熱体１２が、一端を第１の可溶導体１５を介して第１の電極１３と接続され、他端を第１の発熱体電極２５と接続されている。また、保護回路３０は、短絡部２０の第３、第４の電極２３，２４が第２の発熱体２２を介して連続されている。また、保護回路３０は、短絡部２０の第４の電極２４及び第１の発熱体電極２５が、初期状態において開放されるとともに、第２の可溶導体２６が溶融することにより短絡するスイッチ２１を構成する。保護回路３０は、保護素子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、保護部１０の第１、第２の電極１３，１４が、電源回路やデジタル信号回路等の主たる外部回路２Ａ，２Ｂ間に組み込まれ、該外部回路２の電流経路の一部を構成する。

また、保護回路３０は、第３の電極２３を介して、外部回路２Ａ、２Ｂ間の遮断の要否を検出する検出回路３と接続されている。検出回路３は、保護素子１が組み込まれた各種外部回路２Ａ，２Ｂ間を遮断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充放電電流回路の遮断、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と接続されたデジタル信号回路の遮断、あるいはデバイスやソフトウェアのライセンス期間の満了等、保護部１０により物理的、不可逆的に外部回路２Ａ，２Ｂ間の電流経路を遮断させる必要が生じた場合に短絡部２０を動作させる。

これにより、第３の電極２３を介して検出回路３から電力が供給され、第２の発熱体２２が発熱することにより、先ず第２の可溶導体２６が溶融される。第２の可溶導体２６の溶融導体は、濡れ性が高く広面積の第４の電極及び第１の発熱体電極２５上に引き寄せられるとともに、第４の電極２４上に凝集した溶融導体と、第１の発熱体電極２５上に凝集した溶融導体とが結合する。これにより、溶融導体を介して第４の電極２４と第１の発熱体電極２５とが短絡され、第２の可溶導体２６の溶融導体を介して第４の電極２４と第１の発熱体電極２５が短絡し、第１の電極１３から第１の可溶導体１５、発熱体引出電極１７、第１の発熱体１２、第１の発熱体電極２５及び第４の電極２４へ至る、第１の発熱体１２への給電経路が形成される。

保護素子１は、第１の発熱体１２が通電、発熱することにより、第１の可溶導体１５が溶断する。第１の可溶導体１５の溶融導体は、発熱体引出電極１７及び第１、第２の電極１３，１４上に凝集するため、第１、第２の電極１３，１４間が開放される。これにより、保護素子１は、物理的、不可逆的に外部回路２Ａ，２Ｂ間の電流経路を遮断させる。

また、保護素子１は、外部回路２Ａ，２Ｂ間の電流経路が遮断されたことを検出した検出回路３によって、第２の発熱体２２への給電が停止されるため、第２の発熱体２２の発熱が停止される。検出回路３による外部回路２Ａ，２Ｂ間の電流経路の遮断の検出は、例えば外部回路２の電圧を計測することにより行う。また、検出回路３は、第２の発熱体２２への給電開始から、第１の発熱体１５による第１の可溶導体１５の溶断までの必要十分な所定の時間を設定したタイマーを備え、当該所定時間経過後に第２の発熱体２２への給電を停止してもよい。

このように、保護素子１及び保護回路３０によれば、短絡部２０の動作に応じて、保護部１０の第１の発熱体１２への給電を制御することができる。したがって、保護素子１及び保護回路３０によれば、ＦＥＴ等のスイッチ素子を用いることなく、電流経路の遮断を行うことができ、部品点数の増加や、組み立て工数の増加を招くこともない。

また、保護素子１及び保護回路３０によれば、短絡部２０によって、不可逆的に第１の発熱体１２への給電経路が形成されるため、スイッチ素子の故障やハッキング、クラッキング対する脆弱性にも対応でき、安定的、かつ確実に保護部１０を遮断することができる。

［発熱体］
上述した保護素子１においては、第１、第２の発熱体１２，２２を絶縁基板１１の表面１１ａ上に形成し、第１、第２の可溶導体１５，２６を重畳させたが、第１、第２の発熱体１２，２２は、図３（Ａ）（Ｂ）に示すように、絶縁基板１１の裏面１１ｂに形成してもよい。この場合、第１、第２の発熱体１２，２２は、絶縁基板１１の裏面１１ｂにおいて絶縁層１６に被覆されている。

また、第１の発熱体１２の一端と接続される発熱体引出電極１７は、表面１１ａに設けられ、第１の可溶導体１５と接続される表面部１７ａと、裏面１１ｂに設けられ第１の発熱体１２の一端と接続される裏面部１７ｂとを有し、これら表面部１７ａと裏面部１７ｂとが導電スルーホール１８を介して連続されている。また、第１の発熱体電極２５も同様に絶縁基板１１の表面１１ａに形成され、第２の可溶導体２６の溶融導体を介して第４の電極２４と短絡される表面部２５ａと、裏面１１ｂに形成され第１の発熱体１２の一端と接続される裏面部２５ｂとを有し、これら表面部２５ａと裏面部２５ｂとが導電スルーホール１８を介して連続されている。

また、第３、第４の電極２３，２４は、絶縁基板１１の裏面１１ｂに形成された第３、第４の外部接続電極２３ａ，２４ａ間に亘って第２の発熱体２２が形成されている。また、第１、第２の発熱体１２，２２は、絶縁基板１１の裏面１１ｂにおいて、それぞれ第１、第２の可溶導体１５，２６と重畳する位置に形成されることが好ましい。

保護素子１は、第１、第２の発熱体１２，２２が絶縁基板１１の裏面１１ｂに形成されることにより、絶縁基板１１の表面１１ａが平坦化される。これにより、保護素子１は、第１〜第４の電極１３，１４，２３，２４、発熱体引出電極１７の表面部１７ａ、及び第１の発熱体電極２５の表面部２５ａを、平坦な表面１１ａ上に形成することができる。したがって、保護素子１は、これら各電極１３，１４，２３，２４，１７，２５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。

また、保護素子１は、第１、第２の発熱体１２，２２を絶縁基板１１の裏面１１ｂに形成した場合にも、絶縁基板１１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、第１、第２の発熱体１２，２２を絶縁基板１１の表面１１ａ上に積層した場合と同等に第１、第２の可溶導体１５，２６を加熱、溶融することができる。

また、保護素子１は、図４（Ａ）（Ｂ）に示すように、第１、第２の発熱体１２，２２を絶縁基板１１の表面１１ａ上において、第１、第２の可溶導体１５，２６と並んで形成してもよい。この場合、第１、第２の発熱体１２，２２は、絶縁層１６によって被覆されている。この場合、第１の発熱体１２と接続される発熱体引出電極１７及び第１の発熱体電極２５は、絶縁基板１１の表面１１ａ上に単層で形成される。また、第２の発熱体２２と接続される第３、第４の電極２３，２４も、絶縁基板１１の表面１１ａ上に単層で形成される。

その他、保護素子１は、第１、第２の発熱体１２，２２を絶縁基板１１の内部に形成してもよい。この場合、発熱体１７を被覆する絶縁層１６は設ける必要がない。また、第１、第２の発熱体１２，２２は、絶縁基板１１の内部において、それぞれ第１、第２の可溶導体１５，２６と重畳する位置に形成されることが好ましい。

［第３の可溶導体］
また、保護素子１、及び保護回路３０は、図５、図６に示すように、第２の発熱体２２への給電経路上に、第３の可溶導体２７を設け、スイッチ２１の短絡後、第１の可溶導体１５の溶断前に、第２の発熱体２２の発熱により第３の可溶導体２７を溶断させるようにしてもよい。

これにより、保護素子１、及び保護回路３０は、スイッチ２１を短絡させ第１の発熱体１２への給電経路を形成した後、第３の可溶導体２７を溶断させることにより自動的に第２の発熱体２２への給電経路を遮断し、第２の発熱体２２の発熱を停止させることができる。また、これにより、保護素子１、及び保護回路３０は、第１の発熱体１２に流れた電流が、第２の発熱体２２及び第３の電極２３を介して検出回路３側へ流入することを防止することができる。

具体的に、保護素子１は、図５に示すように、第４の電極２４と第２の発熱体２２の他端との間に、第２の発熱体電極２８が設けられる。第２の発熱体電極２８は、第２の発熱体２２の他端と接続されている。第４の電極２４と第２の発熱体電極２８との間には、第２の発熱体２２の発熱により溶断される第３の可溶導体２７が搭載される。すなわち、第４の電極２４は、第３の可溶導体２７及び第２の発熱体電極２８を介して、第２の発熱体２２と接続されている。

第３の可溶導体２７は、上述した第１、第２の可溶導体１５，２６と同様の材料、構成により形成することができる。

かかる保護素子１は、第２の発熱体２２が発熱すると、先ず第２の可溶導体２６が溶融して第４の電極２４及び第１の発熱体電極２５が短絡する。これにより、第２の電極１４、第１の可溶導体１５、発熱体引出電極１７、第１の発熱体電極２５及び第４の電極２４に至る第１の発熱体１２への給電経路を形成する。

そして、引き続き第２の発熱体２２が発熱することにより、保護素子１は、第３の可溶導体２７が溶断する。これにより、保護素子１は、第２の発熱体第３の電極２３から第２の発熱体２２を介して第４の電極２４へ至る第２の発熱体への給電経路が遮断され、第２の発熱体２２の発熱を自動的に停止することができる。また、保護素子１は、第３の可溶導体２７が溶断することにより、第４の電極２４と第２の発熱体２２及び第３の電極とが遮断されるため、第１の発熱体１２への給電経路上にある第４の電極２４を介して第３の電極２３側へ、第１の発熱体１２への給電電流が流入することを防止することができる。

［第２の可溶導体の先溶融］
ここで、保護素子１は、第２の可溶導体２６が、第３の可溶導体２７よりも先に溶断するように形成されている。第２の可溶導体２６よりも先に第３の可溶導体２７が溶断すると、第２の発熱体２２への給電が停止され、第２の可溶導体２６が溶融せず、第１の発熱体１２への給電経路を形成することができないからである。

そこで、保護素子１は、第２の発熱体２２が発熱すると、第２の可溶導体２６が先に溶断するように形成されている。具体的に、保護素子１の第２の可溶導体２６は、第３の可溶導体２７よりも、第２の発熱体２２の発熱中心に近い位置に搭載されている。

ここで、第２の発熱体２２の発熱中心とは、第２の発熱体２２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。第２の発熱体２２より発せされる熱は絶縁基板１１からの放熱量が最も多く、絶縁基板１１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１１に熱が拡散してしまう。そのため、第２の発熱体２２は通電が開始された発熱初期の段階では、絶縁基板１１と接する外縁から最も遠い中心が最も熱く、絶縁基板１１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。

そこで、図５（Ａ）に示すように、保護素子１は、第２の可溶導体２６を、第３の可溶導体２７よりも、第２の発熱体２２の発熱初期において最も高温となる発熱中心Ｃに近い位置に搭載することにより、第３の可溶導体２７よりも早く熱が伝わり、溶断するようにする。第３の可溶導体２７は、第２の可溶導体２６より遅れて加熱されるため、第２の可溶導体２６が溶断した後に溶断される。

［第３の可溶導体の先溶融］
また、保護素子１は、第３の可溶導体２７が、第１の可溶導体１５よりも先に溶断するように形成することが好ましい。保護素子１において、短絡部２０は保護部１０を作動させるためのスイッチであり、第１の発熱体１２への給電経路が形成された後は、速やかに第２の発熱体２２の発熱を停止することが好ましい。また、保護素子１は、第１の発熱体１２への給電経路が形成された後は、第１の発熱体１２への給電経路上にある第４の電極２４を介して第３の電極２３側へ、第１の発熱体１２への給電電流が流入することを防止することが好ましい。

そこで、保護素子１は、第２の発熱体２２が発熱すると、第３の可溶導体２７が先に溶断するように形成されている。具体的に、保護素子１は、第１の可溶導体１５と第３の可溶導体２７の形状を変えることにより、第３の可溶導体２７が第１の可溶導体１５よりも先に溶断するようにしてもよい。例えば、第３の可溶導体２７は、厚さが薄いほど溶断が容易となることから、保護素子１は、第３の可溶導体２７の厚さを第１の可溶導体１５の厚さよりも薄くすることにより、第１の可溶導体１５よりも先に溶断させることができる。なお、第１、第３の可溶導体１５，２７は、例えば低融点金属箔を高融点金属メッキで被覆した構造を有する場合、高融点金属層の厚さを第３の可溶導体２７では薄く、第１の可溶導体１５では厚くしてもよく、あるいは、低融点金属箔の厚みを第３の可溶導体２７では薄く、第１の可溶導体１５では厚くしてもよい。

また、保護素子１は、第３の可溶導体２７の電流方向と直交する幅方向を、第１の可溶導体１５の電流方向と直交する幅方向よりも狭く形成してもよい。その他にも、保護素子１は、第３の可溶導体２７を低融点金属により形成し、第１の可溶導体１５を高融点金属により形成するなど、層構造を変えることによって融点に差を設け、相対的に第３の可溶導体２７を第１の可溶導体１５よりも溶断しやすくし、第３の可溶導体２７を第１の可溶導体１５よりも先に溶断させるようにしてもよい。

［バッテリ回路］
図７に保護回路が適用された外部回路の一例として、バッテリ回路４０の構成を示す。バッテリ回路４０は、例えば、リチウムイオン二次電池のバッテリパック５０内の回路であり、３個のリチウムイオン二次電池のバッテリセル４１〜４３からなるバッテリスタック４５と、バッテリスタック４５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１と、各バッテリセル４１〜４３の電圧を検出する検出回路３とを備える。

バッテリスタック４５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４１〜４３が直列接続されたものであり、バッテリパック５０の正極端子５０ａ、負極端子５０ｂを介して、着脱可能に図示しない充電装置に接続され、充電装置からの充電電圧が印加される。充電装置により充電されたバッテリパック５０は、正極端子５０ａ、負極端子５０ｂ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。

保護素子１は、たとえば、保護部１０の第１、第２の電極１３，１４がバッテリスタック４５の正極側の充放電電流経路上に直列接続され、また短絡部２０の第３の電極２３が検出回路３に接続され、第４の電極２４がバッテリスタック４５の負極側の充放電電流経路上に接続される。

検出回路３は、各バッテリセル４１〜４３と接続され、各バッテリセル４１〜４３の電圧値を検出する。また、検出回路３は、保護素子１の第３の電極２３と接続され、いずれか１つのバッテリセル４１〜４３が過充電電圧又は過放電電圧になったときに保護素子１の短絡部２０を作動させる制御信号を出力する。

保護素子１は、検出回路３から出力された電力によって第２の発熱体２２が発熱し、第２の可溶導体２６が溶融する。これにより、保護素子１は、第４の電極２４と第１の発熱体電極２５が短絡し、スイッチ２１がオンとなり、第１の電極１３から第４の電極２４に至る第１の発熱体１２への給電経路が形成される。保護素子１は、第１の発熱体１２が発熱することにより、第１の可溶導体１５が溶断し、バッテリスタック４５の充放電電流経路を遮断することができる。

このようなバッテリ回路４０によれば、保護素子１の短絡部２０が、平常時においてはスイッチ２１がオフ状態となり保護部１０の第１の発熱体１２への給電を規制し、検出回路３が異常を検出すると、その出力に応じて保護部１０の第１の発熱体１２への給電経路を形成するスイッチとして機能する。したがって、バッテリ回路４０は、保護素子１の他に、保護素子１を動作させるＦＥＴ等のスイッチ素子を設ける必要がなく、部品点数の増加や、組み立て工数の増加を招くことがない。

［整流素子］
また、バッテリ回路４０は、図８に示すように、検出回路３と、第２の発熱体２２との間に、検出回路３への電流の流入を防止する整流素子４を設けてもよい。整流素子４は、検出回路３から保護素子１側へ電流を流すが、保護素子１から検出回路３側へは電流を流さない。

このような整流素子４を設けることにより、バッテリ回路４０は、第１の発熱体１２への給電経路が形成されたときに、第４の電極２４、第２の発熱体２２及び第３の電極２３を介して第１の発熱体１２への給電電流が検出回路３へ流入することを防止することができる。

なお、バッテリ回路４０は、上述したように保護素子１の第４の電極２４と第２の発熱体２２との間に第３の可溶導体２７を設け、第１の発熱体１２への給電経路を形成した後、この第３の可溶導体２７を溶断することによっても、第１の発熱体１２への給電電流が検出回路３へ流入することを防止することができる。

なお、本発明の保護素子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。

［２チップ化］
なお、上述した保護素子１では、絶縁基板１１に保護部１０と短絡部２０を形成し、１チップ化により形成したが、本発明に係る保護素子は、保護部１０と短絡部１０とを別個に設け、接続する２チップ化により形成してもよい。すなわち、図９に示すように、絶縁基板５１上に保護部１０が形成された保護部材５２と、絶縁基板５３上に短絡部２０が形成された短絡部材５４とを有し、これら保護部材５２と短絡部材５４とを接続することにより、保護素子５５を形成してもよい。

保護部材５２には、第１の発熱体１２と接続された外部接続電極５６が形成されている。また、短絡部材５４には、第１の発熱体電極２５にも外部接続電極２５ａが形成されている。そして、保護素子６０は、外部接続電極５６，２５ａが接続されることにより、第１の発熱体電極２５と第１の発熱体１２とが接続される。これら外部接続電極５６，２５ａの接続は、例えば、保護素子５５が実装される外部回路２の回路基板に保護部材５２と短絡部材５４を実装することにより行うことができる。

１ 保護素子、２ 外部回路、３ 検出回路、１０ 保護部、１１ 絶縁基板、１１ａ 表面、１１ｂ 裏面、１２ 第１の発熱体、１３ 第１の電極、１３ 第１の外部接続電極、１４ 第２の電極、１４ａ 第２の外部接続電極、１５ 第１の可溶導体、１６ 絶縁層、１７ 発熱体引出電極、１８ スルーホール、２０ 短絡部、２１ スイッチ、２２ 第２の発熱体、２３ 第３の電極、２３ａ 第３の外部接続電極、２４ 第４の電極、２４ａ 第４の外部接続電極、２５ 第１の発熱体電極、２６ 第２の可溶導体、２７ 第３の可溶導体、２８ 第２の発熱体電極、３０ 保護回路、４０ バッテリ回路、４１〜４４ バッテリセル、４５ バッテリスタック、５０ バッテリパック

Claims (18)

1. 外部回路に接続された第１の可溶導体と、上記第１の可溶導体と接続された第１の発熱体とを備え、上記第１の発熱体が発熱することにより上記第１の可溶導体が溶断し上記外部回路を遮断する保護部と、
   上記外部回路の遮断の要否を検出する検出回路と接続された第２の発熱体と、上記第２の発熱体が発熱することにより溶融する第２の可溶導体と、上記第１の発熱体と接続されたスイッチとを備え、上記スイッチを開放させることにより上記第１の発熱体への給電を規制し、上記第２の可溶導体の溶融導体によって上記スイッチを短絡させることにより上記第１の発熱体へ電力を供給する短絡部とを有する保護回路。
2. 上記第２の発熱体への給電経路上に、第３の可溶導体が設けられ、
   上記スイッチの短絡後、上記第１の可溶導体の溶断前に、上記第２の発熱体の発熱により上記第３の可溶導体が溶断する請求項１記載の保護回路。
3. バッテリスタックと、上記バッテリスタックの異常電圧を検出する検出回路と、上記バッテリスタックの充放電回路上に設けられ、上記検出回路の検出結果に応じて上記充放電回路を遮断する保護素子とを有し、
   上記保護素子は、
   上記充放電回路に接続された第１の可溶導体と、上記第１の可溶導体と接続された第１の発熱体とを備え、上記第１の発熱体が発熱することにより上記第１の可溶導体が溶断し上記充放電回路を遮断する保護部と、
   上記検出回路と接続された第２の発熱体と、上記第２の発熱体が発熱することにより溶融する第２の可溶導体と、上記第１の発熱体と接続されたスイッチとを備え、上記スイッチを開放させることにより上記第１の発熱体への給電を規制し、上記第２の可溶導体の溶融導体によって上記スイッチを短絡させることにより上記第１の発熱体へ電力を供給する短絡部とを有するバッテリ回路。
4. 上記検出回路と、上記第２の発熱体との間に、上記検出回路への電流の流入を防止する整流素子が設けられている請求項３記載のバッテリ回路。
5. 上記第２の発熱体への給電経路上に、第３の可溶導体が設けられ、
   上記スイッチの短絡後、上記第１の可溶導体の溶断前に、上記第２の発熱体の発熱により上記第３の可溶導体が溶断する請求項３記載のバッテリ回路。
6. 絶縁基板と、
   第１の発熱体と、
   外部回路に接続された第１、第２の電極と、
   上記第１の発熱体と接続されるとともに、上記第１、第２の電極間にわたって搭載され、上記外部回路の一部を構成する第１の可溶導体と、
   第２の発熱体と、
   一端を上記第２の発熱体の一端と接続され、他端を上記外部回路の遮断の要否を検出する検出回路と接続された第３の電極と、
   上記第２の発熱体の他端及び上記外部回路と接続された第４の電極と、
   上記第１の発熱体と接続された第１の発熱体電極と、
   上記第４の電極及び上記第１の発熱体電極の一方又は両方に搭載され、上記第２の発熱体の発熱により溶融し、上記第４の電極及び上記第１の発熱体電極間を短絡させる第２の可溶導体とを有する保護素子。
7. 上記第１、第２の発熱体は上記絶縁基板の表面に形成され、上記第１の発熱体が絶縁部材を介して上記第１の可溶導体と重畳され、上記第２の発熱体が絶縁部材を介して上記第２の可溶導体と重畳されている請求項６記載の保護素子。
8. 上記第１、第２の発熱体は上記絶縁基板の裏面に形成されている請求項６記載の保護素子。
9. 上記第１、第２の発熱体は上記絶縁基板の表面に形成され、上記第１の発熱体が上記第１の可溶導体と隣接し、上記第２の発熱体が上記第２の可溶導体と隣接して形成されている請求項６記載の保護素子。
10. 上記第４の電極と上記第２の発熱体の他端との間に、第２の発熱体電極が設けられ、
    上記第２の発熱体電極は、上記第２の発熱体の他端と接続され、
    上記第４の電極と上記第２の発熱体電極との間に、上記第２の発熱体の発熱により溶断される第３の可溶導体が搭載され、
    上記第２の発熱体が発熱すると、上記第２の可溶導体が溶融して上記第４の電極及び上記第１の発熱体電極が短絡し、その後、上記第３の可溶導体が溶断し、上記第２の発熱体の発熱を停止する請求項６記載の保護素子。
11. 上記第２の可溶導体は、上記第３の可溶導体よりも、上記第２の発熱体の発熱中心に近い位置に設けられている請求項１０記載の保護素子。
12. 上記第３の可溶導体は、上記第１の可溶導体よりも、厚さが薄く形成されている請求項１０又は１１に記載の保護素子。
13. 上記第３の可溶導体は、上記第１の可溶導体よりも、電流方向と直交する幅方向が狭く形成されている請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の保護素子。
14. 上記第１の発熱体と、上記第１、第２の電極と、上記第１の可溶導体と、上記第１の発熱体と接続された外部接続電極とを有する保護部が形成された保護部材と、
    上記第２の発熱体と、上記第３、第４の電極と、上記第１の発熱体電極と、上記第２の可溶導体とを有する短絡部が形成された短絡部材とを有し、
    上記保護部材と上記短絡部材とが接続されてなる請求項６〜１３のいずれか１項に記載の保護素子。
15. 絶縁基板と、
    第１の発熱体と、
    外部回路に接続された第１、第２の電極と、
    上記第１の発熱体と接続されるとともに、上記第１、第２の電極間にわたって搭載され、上記外部回路の一部を構成する第１の可溶導体と、
    第２の発熱体と、
    一端を上記第２の発熱体の一端と接続され、他端を上記外部回路の遮断の要否を検出する検出回路と接続された第３の電極と、
    上記第２の発熱体の他端及び上記外部回路と接続された第４の電極と、
    上記第１の発熱体と接続された第１の発熱体電極と、
    上記第４の電極及び上記第１の発熱体電極の一方又は両方に搭載され、上記第２の発熱体の発熱により溶融し、上記第４の電極及び上記第１の発熱体電極間を短絡させる第２の可溶導体とを有し、
    上記検出回路から上記第３の電極を介して上記第２の発熱体に電力を供給し、
    上記第２の発熱体が発熱することにより上記第２の可溶導体を溶融させ、該溶融導体により上記４の電極及び上記第１の発熱体電極を短絡させ、
    上記第１の発熱体に電力が供給され、上記第１の可溶導体が溶断し、上記第１の電極と上記第２の電極との間を遮断し、
    上記第２の発熱体に対する給電を停止する保護素子の駆動方法。
16. 上記第４の電極と上記第２の発熱体の他端との間に、第２の発熱体電極が設けられ、
    上記第２の発熱体電極は、上記第２の発熱体の他端と接続され、
    上記第４の電極と上記第２の発熱体電極との間に、上記第２の発熱体の発熱により溶断される第３の可溶導体が搭載され、
    上記第２の発熱体が発熱すると、上記第２の可溶導体が溶融して上記第４の電極及び上記第１の発熱体電極が短絡し、その後、上記第３の可溶導体が溶断し、上記第２の発熱体に対する給電を停止する請求項１５記載の保護素子の駆動方法。
17. 上記検出回路によって上記第１の可溶導体の溶断を検出することにより、上記第２の発熱体に対する給電を停止する請求項１５記載の保護素子の駆動方法。
18. 上記検出回路によって、上記第２の可溶導体に対する給電時間が計測され、上記第２の可溶導体に対する給電開始から所定時間が経過した後に、上記第２の発熱体に対する給電を停止する請求項１５記載の保護素子の駆動方法。
    
    

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