JPWO2014109364A1

JPWO2014109364A1 - 保護素子

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Publication number: JPWO2014109364A1
Application number: JP2014556436A
Authority: JP
Inventors: 貴司蓮沼; 新田中; 克彰鈴木; 横田　貴之; 貴之横田
Original assignee: Littelfuse Inc
Current assignee: Littelfuse Inc
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2014-01-09
Publication date: 2017-01-19
Anticipated expiration: 2034-01-09
Also published as: CN104919670A; WO2014109364A1; JP6417220B2; KR20150106416A; TWI609384B; TW201440084A

Abstract

本発明は、より大きい電流を流すことを可能にしながらも、過剰電圧および／または過剰電流に対する保護を提供できる保護素子を提供する。本発明の保護素子は、層状ＰＴＣ要素１２と、その一方の主表面上に位置する第１導電性金属層１４と、その他方の主表面上に位置する第２導電性金属層１６とを有するＰＴＣ素子１８、上記ＰＴＣ素子１８の第２導電性金属層１６上に位置する絶縁層２０、上記絶縁層２０上に位置する温度ヒューズ部材２２、および上記温度ヒューズ部材の一方の端に接続される第１リード２４と、その他方の端に接続される第２リード２６、ここに、第２リード２６の一部は、上記第２導電性金属層１６に電気的に接続されている、を有する。

Description

本発明は、ＰＴＣ素子および温度ヒューズ部材を有して成る保護素子、より詳しくは、過剰電流および／または過剰電圧から電気装置、例えば二次電池パックを保護する保護素子に関する。また、本発明は、そのような保護素子を含む保護回路に関する。

従来から、電気装置を過剰電流から保護するために、温度ヒューズ素子、電流ヒューズ素子、ポリマーＰＴＣ素子等が使用されている。しかしながら、充放電可能な二次電池パック等では、過剰電流からの保護のみならず、過充電を防止するために過剰電圧からの保護も要求されることがある。

このような過剰電流および／または過剰電圧から二次電池等の電気装置を保護する保護素子として、例えば、基板上に低融点金属部材（温度ヒューズ部材に相当する）および発熱体を有し、電圧の異常を検出した検出素子により発熱体に通電がなされ、発熱体から生じる熱により温度ヒューズ部材を溶断して、回路を遮断する保護素子が提案されている（特許文献１を参照）。

しかしながら、上記のような保護素子では、セラミック基板上に、抵抗体（発熱体）と、その熱影響下にある温度ヒューズを配置しているが、その構造から素子内に温度ヒューズを複数並列に配置することが困難であり、そのため電流の定格容量を大きくすることができないという問題がある（例えば、既存の保護素子では定格電流１５Ａ程度）。このため、パワーツール等の大きな電流を必要とする機器に対応するためには、単一の素子では対応できず、保護素子を複数個、例えば４個並列で使用しなければならず、回路が複雑になる、また、小型化が困難になるという問題が生じる。

特開７−１５３３６７号公報

そこで、本発明が解決しようとする課題は、過剰電流および／または過剰電圧に対する保護を提供することができ、かつ、比較的大きな電流、例えば３０Ａまたはそれ以上の電流を流す電気回路においても単一の素子で電気回路を適切に保護することができる保護素子を提供することである。

第１の要旨において、本発明は、
層状ＰＴＣ要素と、その一方の主表面上に位置する第１導電性金属層と、その他方の主表面上に位置する第２導電性金属層とを有するＰＴＣ素子、
上記ＰＴＣ素子の第２導電性金属層上に位置する絶縁層、
上記絶縁層上に位置する温度ヒューズ部材、および
上記温度ヒューズ部材の一方の端に接続される第１リードと、その他方の端に接続される第２リード、ここに、第２リードの一部は、上記第２導電性金属層に電気的に接続されている、
を有して成る、保護素子を提供する。

本発明の保護素子は、過剰電圧および／または過剰電流に応じて、スイッチング素子からＰＴＣ素子に電流を流すことにより、ＰＴＣ素子を高温・高抵抗状態とし、即ち、トリップさせて、そのＰＴＣ素子で生じたジュール熱により温度ヒューズ部材を溶断することを特徴とする。すなわち、本発明の保護素子において、温度ヒューズ部材は、トリップ状態にあるＰＴＣ素子の熱影響下にある。

本発明の保護素子は、層状ＰＴＣ要素と、その一方の主表面上に位置する第１導電性金属層と、その他方の主表面上に位置する第２導電性金属層とを有するＰＴＣ素子を有して成る。本発明の保護素子において、ＰＴＣ素子は、特に限定されるものではないが、いわゆるポリマーＰＴＣ素子であることが好ましい。ポリマーＰＴＣ素子は、例えばポリマー（例えば、ポリエチレン、ポリビニリデンフルオライド等）およびその中で分散している導電性充填剤（例えば、ニッケルフィラー、カーボンフィラー等）を含む導電性ポリマー組成物を押出して層状ＰＴＣ要素としての押出物を得、その両主表面に導電性金属を熱圧着することによって得ることができる。当業者であれば、本発明の保護素子の特徴および用途に応じて適切なＰＴＣ素子を選択することができる。

本発明のＰＴＣ素子は、過剰電圧および／または過剰電流に応じて、高温・高抵抗状態にトリップすることにより発熱体としての機能を有する。また、本発明のＰＴＣ素子は、発熱体としての機能に加え、温度ヒューズ部材等を保持するための基板としての機能も有している。ポリマーＰＴＣ素子を基板として用いることにより、セラミック基板を用いる場合と比較して、切断等の加工が容易になり、また、保護素子の構造が簡単になる。さらに、基板上に発熱体としての抵抗体を配置する必要がなく、基板（即ち、ＰＴＣ素子）全体が実質的に均一に発熱するので、基板上に複数個の温度ヒューズ部材を配置することが可能になる。

本発明の保護素子は、上記ＰＴＣ素子の第２導電性金属層上に位置する絶縁層を有して成る。この絶縁層は、第１リードとＰＴＣ素子の第２導電性金属層とを電気的に絶縁する。このような構造とすることにより、温度ヒューズ部材が溶断した後、第１リードからＰＴＣ素子を介する第２リードへの電流の流路を遮断することができる。

上記絶縁層は、絶縁性材料から形成される。絶縁性材料としては、特に限定されないが、好ましくは樹脂、セラミック、シリコーン、絶縁油、紙等が挙げられる。特に、熱伝導性に優れたものが好ましい。熱伝導性に優れた絶縁性材料を用いることにより、ＰＴＣ素子で生じたジュール熱を、より効率よく温度ヒューズ部材に伝達することができる。このような熱伝導性に優れた絶縁性材料としては、特に限定されるものではないが、セラミック、シリコーン等が挙げられる。

上記絶縁層は、ＰＴＣ素子の第２導電性金属層の全体を覆う必要は必ずしもなく、温度ヒューズ部材が溶断した後に、ＰＴＣ素子の第２導電性金属層を介して温度ヒューズ部材の両端のリード（下記する第１リードおよび第２リード）間を流れる電流を遮断できるものであれば、その形状および配置は特に限定されず、例えば、絶縁層は、第２導電性金属層の一部が露出するように配置することができる。このように第２導電性金属層の一部を露出させることにより、第２導電性金属層と、第２リードとの電気的接続を容易にすることができる。

上記絶縁層の厚さは、特に限定されるものではないが、１０〜１００μｍ、好ましくは３０〜６０μｍであり得る。絶縁層が薄いほど、ＰＴＣ素子で生じたジュール熱を、より効率よく温度ヒューズ部材に伝達することができることから、６０μｍ以下であることが好ましい。また、温度ヒューズ部材と第２導電性金属層との、電気的絶縁をより確実にするため、３０μｍ以上であることが好ましい。

本発明の保護素子は、上記絶縁層上に位置する温度ヒューズ部材を有して成る。好ましくは、この温度ヒューズ部材は、その両端に端子（電極）としての、リード（以下、それぞれ、第１リードおよび第２リードという）が接続されている。このヒューズ部材は、所定の融点を有する金属材料、例えば、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ等により形成される。当業者であれば、このような温度ヒューズ部材を、ＰＴＣ素子のトリップ時の温度等を考慮して、所望の特性に応じて、適宜選択し、入手または作製することができる。

上記温度ヒューズ部材は、ＰＴＣ素子上に複数個、例えば２〜１０個、好ましくは２〜４個それぞれ並列に配置することができる。温度ヒューズ部材の数を並列で増やすことにより、本発明の保護素子の電流の定格容量を増加させることができる。

上記温度ヒューズ部材は、ＰＴＣ素子の熱影響下にあるように配置される。すなわち、トリップしたＰＴＣ素子で生じるジュール熱により、温度ヒューズ部材が溶断するように配置される。好ましくは、温度ヒューズ部材は、全体が絶縁層上に配置される。このように配置することにより、過剰電圧および／または過剰電流が検出され、ＰＴＣ素子に電流が通電され、ＰＴＣ素子がトリップした場合、そのＰＴＣ素子で生じたジュール熱により温度ヒューズ部材が溶断され、電流の遮断を確保できる。また、温度ヒューズ部材の一端に接続された第１リードは、ＰＴＣ素子の第２導電性金属層に接触しないように、好ましくはヒューズ部材と第１リードの接続部が絶縁層上に位置するように配置される。一方、温度ヒューズ部材の一端に接続された第２リードは、その一部が、ＰＴＣ素子の第２導電性金属層と電気的に接続される。このように配置することにより、ＰＴＣ素子の第２導電性金属層を介する第１リードから第２リードへの経路は絶縁層により遮断されるので、温度ヒューズ部材が溶断された後、第１および第２リード間に電流が流れることを確実に防止することができると共に、ＰＴＣ素子を流れる電流を確保することができる。

別の態様において、本発明の保護素子は、ＰＴＣ素子に対して直列に接続される第２の温度ヒューズ部材を更に有する。第２の温度ヒューズ部材は、第１の温度ヒューズ部材に対しては直列に接続されても並列に接続されてもよいが、好ましくは直列に接続される。

上記第２の温度ヒューズ部材は、ＰＴＣ素子の熱影響下にあり、過剰電圧および／または過剰電流が検出され、ＰＴＣ素子に電流が通電され、ＰＴＣ素子がトリップした場合、ＰＴＣ素子で生じたジュール熱により溶断される。このような第２の温度ヒューズ部材を配置することにより、ＰＴＣ素子上の温度ヒューズ部材（以下、第１の温度ヒューズ部材ともいう）が溶断された後もスイッチング素子からＰＴＣ素子を介して回路に流入する微小電流（リーク電流）を遮断し、回路を完全オープンとすることが可能になる。この第２の温度ヒューズ部材としては、上記第１の温度ヒューズ部材に用いられるものと同様のものが挙げられる。

上記第２の温度ヒューズ部材は、第１の温度ヒューズ部材と同じであっても、異なっていてもよい。第２の温度ヒューズ部材が第１の温度ヒューズ部材と同じものである場合、この第２の温度ヒューズ部材は、第１の温度ヒューズ部材に対しても直列に接続されているか、または、第１の温度ヒューズ部材よりも後に切断されるように、設置条件、例えばＰＴＣ素子からの距離等を調節して配置されていることが好ましい。また、第２の温度ヒューズ部材が第１の温度ヒューズ部材と異なるものである場合、この第２の温度ヒューズ部材は、第１の温度ヒューズ部材よりも後に溶断される特性を有するものであることが好ましい。当業者であれば、所望の特性に応じて、この第２の温度ヒューズ部材の種類および配置を適宜選択することができる。

さらに別の態様において、本発明の保護素子は、第１の温度ヒューズ部材に対して直列に接続される電流ヒューズ部材を有する。この電流ヒューズ部材は、回路に過剰電流が流れた場合に溶断する。すなわち、このような電流ヒューズ部材を配置することにより、過剰電流からの回路の保護を、より迅速かつ確実なものとすることができる。当業者であれば、所望の特性に応じて、用いる電流ヒューズ部材を適宜選択することができる。

さらにもう１つ別の態様において、本発明の保護素子は、第２のＰＴＣ素子、およびその第２のＰＴＣ素子に対して直列に接続され、かつ第２のＰＴＣ素子の熱影響下にある第３の温度ヒューズ部材を有し、これらは、上記第１の温度ヒューズ部材（および、存在する場合には、上記電流ヒューズ部材および第２の温度ヒューズ部材）に対して並列に接続される。このような構成とすることにより、上記第１の温度ヒューズ部材（および、存在する場合には、上記電流ヒューズ部材および第２の温度ヒューズ部材）が溶断する際に、そこに流れる電流が、上記第２のＰＴＣ素子側の回路に転流し、上記ヒューズ部材の溶断に伴うアークの発生を抑制することができる。すなわち、本発明の保護素子の耐電圧性を向上することができる。さらに、上記第１の温度ヒューズ部材（および、存在する場合には、上記電流ヒューズ部材および第２の温度ヒューズ部材）が溶断した後、転流した電流によりトリップした第２のＰＴＣ素子で生じるジュール熱により、上記第３の温度ヒューズ部材が溶断され、第２のＰＴＣ素子を通る微小電流も完全に遮断することができる。この第３の温度ヒューズ部材が溶断する時は、回路には微少電流しか流れていないので、安全に遮断することができる。

第２の要旨において、本発明は、
上記の本発明の保護素子、および
過剰電流および／または過剰電圧に応じて、上記保護素子のＰＴＣ素子に通電するためのスイッチング素子
を有して成る、保護回路を提供する。

本発明の保護回路において、本発明の保護素子は、例えば、第１リードが電源に接続され、第２リードが被保護装置に接続され、第１導電性金属層がスイッチング素子に接続され、第２導電性金属層が第２リードを介して被保護装置に接続される。過剰電流および／または過剰電圧が生じると、それに応じてスイッチング素子がＰＴＣ素子に電流を通電し、ＰＴＣ素子が高温・高抵抗状態にトリップし、このＰＴＣ素子で生じるジュール熱によって温度ヒューズ部材が溶断されて、回路が開き、被保護装置が保護される。

本発明の保護回路において、スイッチング素子としては、例えば、電解効果トランジスタ素子（以下、「ＦＥＴ」ともいう）などが挙げられる。その中でも、それ自体電圧の異常に応じてＰＴＣ素子に電流を通電することができることから、ＦＥＴが特に好ましい。他のスイッチング素子を用いる場合、過剰電圧および／または過剰電流を検出し、スイッチング素子にＰＴＣ素子への通電を開始させるような機構が必要となる場合がある。

第３の要旨において、本発明は、上記の保護素子または保護回路を有して成る電気装置（例えば２次電池パック、特に電気自動車、コードレスクリーナー、電動工具、無線基地局用の種々のバッテリーとして用いるもの、詳しくは高電圧および／または高電流用のもの等）を提供する。

本発明の保護素子は、複数の温度ヒューズ部材をＰＴＣ素子上に配置できることから大きい電流、例えば３０Ａ以上の電流を流すことを可能にしながらも、過剰電流および／または過剰電圧から回路を保護することを可能にする。また、絶縁層によりＰＴＣ素子と第１リード部を電気的に絶縁していることから、温度ヒューズ部材が溶断した後、第１リードからＰＴＣ素子を介する第２リードへの流路の遮断を確実にすることができる。

図１は、本発明の保護素子の１つの態様の概略側面図である。図２は、図１の保護素子の概略平面図である。図３は、図１の保護素子を含む保護回路を模式的に示す回路図である。図４は、本発明の保護素子の別の態様を含む保護回路を模式的に示す回路図である。図５は、本発明の保護素子のさらに別の態様を含む保護回路を模式的に示す回路図である。図６は、本発明の保護素子のさらにもう１つ別の態様を含む保護回路を模式的に示す回路図である。

図面を参照して、本発明の保護素子を詳細に説明する。但し、本発明の保護素子は、図示する例に限定されないことに留意されたい。

図１に、本発明の保護素子の１つの態様の概略側面図を示し、図２に、図１に示す保護素子の概略平面図を示し、さらに、図３に、図１の保護素子を含む保護回路を等価回路にて模式的に示す。図３において、点線によって囲まれた部分が本発明の保護素子に相当する。

図１および図２に示すように、本態様の保護素子１０は、層状ＰＴＣ要素１２と、その一方の主表面上に位置する第１導電性金属層１４と、その他方の主表面上に位置する第２導電性金属層１６とを有するＰＴＣ素子１８；上記ＰＴＣ素子１８の第２導電性金属層１６上に位置する絶縁層２０；および上記絶縁層２０上に位置し、ＰＴＣ素子１８の熱影響下にあるヒューズ部材２２と、その両端に位置する第１リード２４および第２リード２６を有して成る。また、図１に示すように、第２リード２６は、その一部がＰＴＣ素子１８の第２導電性金属層１６に電気的に接続されており、第２導電性金属層１６と被保護装置を電気的に接続する役割も兼ねる。なお、図２に示すように、本態様では、温度ヒューズ部材が４つあり、それらはまとめて第１リードおよび第２リードに接続されているが、本発明の保護素子は、かかる態様に限定されない。例えば、各ヒューズ部材はそれぞれ別個の第１リードおよび第２リードを有していてもよく、温度ヒューズは、２つ、３つまたは５つであってもよい。

この態様において、例えば、図３に示される接点ａ−ｂ間に過剰電圧が生じた場合、ＦＥＴが接点ａ−ＦＥＴ−接点ｃ間に電流を流す。この電流によりＰＴＣ素子１８がトリップして発熱し、この熱によりＰＴＣ素子１８の熱影響下にある温度ヒューズ部材２２が溶断され、電流が遮断される（ただし、ＰＣＴ素子を介して微少電流は流れうる）。このように、接点ｘおよび接点ｙに接続された被保護装置が保護される。

図４に、本発明の保護素子の別の態様を等価回路にて模式的に示す。図４において、点線によって囲まれた部分が本発明の保護素子に相当する。この態様は、図３の態様に加え、ＰＴＣ素子１８に対して直列に接続された第２の温度ヒューズ部材３０を有する。該第２の温度ヒューズ部材３０は、ＰＴＣ素子１８の熱影響下にある。すなわち、第２の温度ヒューズ部材３０は、トリップしたＰＴＣ素子１８で生じるジュール熱により溶断される。

この態様においては、ＰＴＣ素子１８で生じたジュール熱により温度ヒューズ部材２２が切断された後もＰＴＣ素子１８を介して流れうる接点ａ−ＦＥＴ−接点ｃ間の微少電流を、第２の温度ヒューズ部材３０を上記ＰＴＣ素子１８の熱により溶断することにより遮断することができ、回路の完全オープンを達成することができる。なお、第２の温度ヒューズ部材３０の配置は、ＰＴＣ素子１８に対して直列に接続され、ＰＴＣ素子の熱影響下にあれば、図示する位置に限定されない。

図５に、本発明の保護素子のさらに別の態様を等価回路にて模式的に示す。図５において、点線によって囲まれた部分が本発明の保護素子に相当する。この態様は、図３の態様に加え、温度ヒューズ部材２２に対して直列に接続された電流ヒューズ部材４０を有する。この電流ヒューズ部材４０は、過剰電流が生じた場合に速やかに溶断するので、過剰電流に対する保護を、より迅速かつ確実なものとすることができる。なお、電流ヒューズ部材４０の配置は、温度ヒューズ部材２２に対して直列であれば特に限定されないが、ＰＴＣ素子１８を介して流れ得る微少電流も遮断できるように、図示するようにＰＴＣ素子１８に対しても直列に接続されることが好ましい。

図６に、本発明の保護素子のさらにもう１つ別の態様を等価回路にて模式的に示す。図６において、点線によって囲まれた部分が本発明の保護素子に相当する。この態様は、図５の態様に加え、温度ヒューズ部材２２および電流ヒューズ部材４０に対して並列に、第２のＰＴＣ素子５０および第３の温度ヒューズ部材５２を有する。第３の温度ヒューズ部材５２は、第２のＰＴＣ素子５０に対して直列に接続されており、第２のＰＴＣ素子５０の熱影響下にあるが、ＰＴＣ素子１８の熱の影響を実質的に受けない。この態様において、過剰電圧に対して温度ヒューズ部材２２が溶断される際、または過剰電流により電流ヒューズ部材４０が溶断される際に、接点ｄ−ｅ間に、温度ヒューズ部材２２および電流ヒューズ部材４０を介して流れている電流の一部が、第２のＰＴＣ素子５０側の回路に転流する。その結果、温度ヒューズ部材２２または電流ヒューズ部材４０の溶断の際のアークの発生が抑制される。その後、接点ｄ−ｅ間の電流がすべて第２のＰＴＣ素子５０に流れ、第２のＰＴＣ素子５０がトリップして発熱し、第３の温度ヒューズ部材５２を溶断し、第２のＰＴＣ素子５０を流れる微少電流も遮断する。なお、この態様において、各ＰＴＣ素子、電流ヒューズ部材、および各温度ヒューズ部材の配置は、それぞれが上記した効果を発揮できるように接続されている限り、図示する例に限定されない。当業者であれば、かかる配置は、適宜選択することができる。

本発明の保護素子は、例えば、二次電池の保護素子などとして、様々な電気装置に用いることができる。

１０保護素子
１２層状ＰＴＣ要素
１４第１導電性金属層
１６第２導電性金属層
１８ＰＴＣ素子
２０絶縁層
２２温度ヒューズ部材
２４第１リード
２６第２リード
３０第２の温度ヒューズ部材
４０電流ヒューズ部材
５０第２のＰＴＣ素子
５２第３の温度ヒューズ部材

Claims

層状ＰＴＣ要素と、その一方の主表面上に位置する第１導電性金属層と、その他方の主表面上に位置する第２導電性金属層とを有するＰＴＣ素子、
上記ＰＴＣ素子の第２導電性金属層上に位置する絶縁層、
上記絶縁層上に位置する温度ヒューズ部材、および
上記温度ヒューズ部材の一方の端に接続される第１リードと、その他方の端に接続される第２リード、ここに、第２リードの一部は、上記第２導電性金属層に電気的に接続されている、
を有して成る、保護素子。
さらに、第２の温度ヒューズ部材が、ＰＴＣ素子に対して直列に接続されていることを特徴とする、請求項１記載の保護素子。
上記温度ヒューズ部材および／または第２の温度ヒューズ部材が、それぞれ２つ以上並列で存在することを特徴とする、請求項１または２記載の保護素子。
さらに、上記温度ヒューズ部材に対して直列に接続された電流ヒューズ部材を有してなる、請求項１〜３のいずれかに記載の保護素子。
請求項１〜４のいずれかに記載の保護素子、および
過剰電流および／または過剰電圧に応じて、上記保護素子のＰＴＣ素子に通電するためのスイッチング素子
を有して成る、保護回路。
上記スイッチング素子が、電解効果トランジスタであることを特徴とする、請求項５に記載の保護回路。
請求項１〜４のいずれかに記載の保護素子または請求項５または６に記載の保護回路を有して成ることを特徴とする電気装置。
２次電池セルである、請求項７に記載の電気装置。