KR102256148B1

KR102256148B1 - 보호 소자

Info

Publication number: KR102256148B1
Application number: KR1020157033411A
Authority: KR
Inventors: 지사토 고모리; 고이치 무카이; 가즈타카 후루타; 도시아키 아라키; 고지 에지마; 다카시 후지하타
Original assignee: 데쿠세리아루즈 가부시키가이샤
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2014-04-24
Publication date: 2021-05-25
Also published as: JP2014216167A; JP6151550B2; KR20160003049A; WO2014175379A1; US20160049272A1; CN105122413B; CN105122413A; TW201503200A; US10109439B2; TWI653653B

Abstract

직사각형상의 가용 도체 전체면 상에 플럭스를 균일하게 확산시킨다. 절연 기판 (11) 과, 절연 기판 (11) 에 배치된 발열 저항체 (14) 와, 절연 기판 (11) 에 적층된 제 1 및 제 2 전극 ((12), (12)) 과, 발열 저항체 (14) 와 절연된 상태에서 중첩되고, 제 1 및 제 2 전극 ((12), (12)) 간의 전류 경로 상에서 발열 저항체 (14) 에 전기적으로 접속된 발열체 인출 전극 (16) 과, 발열체 인출 전극 (ｖ) 으로부터 제 1 및 제 2 전극 ((12), (12)) 에 걸쳐 적층되고, 열에 의해 용단됨으로써, 제 1 및 제 2 전극 ((12), (12)) 간의 전류 경로를 차단하는 직사각형상의 가용 도체 (13) 와, 가용 도체 (13) 상에 배치된 복수의 플럭스 (17) 를 구비하고, 복수의 플럭스 (17) 는, 발열 저항체 (14) 를 따라 배치되어 있다.

Description

보호 소자{PROTECT ELEMENT}

본 발명은, 과충전, 과방전 등의 이상시에, 전류 경로를 차단하는 보호 소자에 관한 것이다. 본 출원은, 일본에서 2013년 4월 25일에 출원된 일본 특허출원 제2013-92328호를 기초로 하여 우선권을 주장하는 것으로, 이 출원은 참조됨으로써, 본 출원에 원용된다.

충전하여 반복 이용할 수 있는 2 차 전지의 상당수는, 배터리 팩으로 가공되어 사용자에게 제공된다. 특히 중량 에너지 밀도가 높은 리튬 이온 2 차 전지에 있어서는, 사용자 및 전자 기기의 안전을 확보하기 위해서, 일반적으로, 과충전 보호, 과방전 보호 등의 몇 가지 보호 회로를 배터리 팩에 내장하고, 소정의 경우에 배터리 팩의 출력을 차단하는 기능을 가지고 있다.

이 종류의 보호 소자에는, 배터리 팩에 내장된 FET 스위치를 사용하여 출력의 ON/OFF 를 실시함으로써, 배터리 팩의 과충전 보호 또는 과방전 보호 동작을 실시하는 것이 있다. 그러나, 어떠한 원인으로 FET 스위치가 단락 파괴되었을 경우, 낙뢰 서지 등이 인가되어 순간적인 대전류가 흘렀을 경우, 혹은 배터리 셀의 수명에 의해 출력 전압이 비정상으로 저하되거나, 반대로 과대 이상 전압을 출력했을 경우라도, 배터리 팩이나 전자 기기는, 발화 등의 사고로부터 보호되어야 한다. 그래서, 이와 같은 상정할 수 있는 어떠한 이상 상태에 있어서도, 배터리 셀의 출력을 안전하게 차단하기 위해서, 외부로부터의 신호에 의해 전류 경로를 차단하는 기능을 갖는 휴즈 소자로 이루어지는 보호 소자가 사용되고 있다.

도 15(A) 및 도 15(B) 에 나타내는 바와 같이, 이와 같은 리튬 이온 2 차 전지용 등의 보호 회로의 보호 소자 (80) 로는, 전류 경로 상에 접속된 제 1 및 제 2 전극 (81, 82) 간에 걸쳐 가용 도체 (83) 를 접속하여 전류 경로의 일부를 이루고, 이 전류 경로 상의 가용 도체 (83) 를, 과전류에 의한 자기 발열, 혹은 보호 소자 (80) 내부에 형성한 발열 저항체 (84) 에 의해 용단하는 것이 있다. 이와 같은 보호 소자 (80) 에서는, 용융된 액체상의 가용 도체 (83) 를 제 1 및 제 2 전극 (81, 82) 상에 모음으로써 전류 경로를 차단한다.

또, 도 15 에 기재되어 있는 바와 같은 보호 소자 (80) 에 있어서는, 리플로 납땜 등에 의해 실장될 때의 가열에 의해 용융되지 않도록, 일반적으로, 가용 도체 (83) 로서 융점이 300 ℃ 이상인 Pb 함유 고융점 땜납이 사용되고 있다. 또, 가용 도체 (83) 를 가열하면 산화가 진행되어 용단을 저해하기 때문에, 가용 도체 (83) 에 생성된 산화막을 제거함과 함께, 가용 도체 (83) 의 젖음성을 향상시키기 위해서 플럭스 (85) 를 적층하는 것도 실시되고 있다.

일본 공개특허공보 2010-003665호 일본 공개특허공보 2004-185960호 일본 공개특허공보 2012-003878호

최근의 리튬 이온 2 차 전지의 고용량화, 고출력화에 수반하여, 리튬 이온 2 차 전지용의 보호 회로의 보호 소자 (80) 에 대해서도, 정격의 향상이 요구되고 있다. 또, 전자 기기의 소형화, 박형화에 수반하여, 보호 소자 (80) 로서도 추가적인 소형화, 박형화가 요구되고 있다.

정격을 향상시켜, 보다 많은 전류를 흐르게 하기 위해서는, 가용 도체 (83) 의 도체 저항을 낮추는 것이 요구된다. 가용 도체 (83) 의 저항을 낮추기 위해서는, (1) 도체의 단면적을 크게 하는 것, (2) 가용 도체 (83) 가 배치되는 제 1 및 제 2 전극 (81, 82) 간의 도전 거리를 짧게 하는 것이 유효해진다. 또, 가용 도체 (83) 와 제 1 및 제 2 전극 (81, 82) 의 접속 저항도 보호 소자 (80) 의 정격에 영향을 미치기 때문에, (3) 가용 도체 (83) 와 제 1 및 제 2 전극 (81, 82) 의 접속 면적을 크게 하는 것도 유효해진다.

그리고, 보호 소자 (80) 로서, 소형화, 박형화가 요구되고 있으므로, (1) 의 도체 단면적을 크게 하는 것에는 한도가 있고, (2) 도전 거리의 단축화, 및 (3) 가용 도체 (83) 와 제 1 및 제 2 전극 (81, 82) 의 접속 면적의 증대가, 보호 소자의 정격 향상을 도모하는 데에 있어서 유효해진다. 그 때문에, 가용 도체 (83) 의 형상은, 도 16 에 나타내는 바와 같이, 제 1, 제 2 전극 (81, 82) 간 거리 (D1) 에 있어서 짧고, 제 1, 제 2 전극 (81, 82) 과의 접속 거리 (D2) 에 있어서 긴, 직사각형상을 이룬다.

여기서, 가용 도체 (83) 상에 배치되고, 산화 방지, 젖음성의 향상을 도모하는 플럭스 (85) 도, 가용 도체 (83) 의 형상에 따라 타원 형상으로 유지되는 것이 바람직하다. 그러나, 타원 형상의 플럭스는, 장축의 양측으로 갈수록 장력이 강해져, 약간의 경사로 장축의 일방측으로 치우치기 쉬워, 발열 저항체 (84) 의 중심으로부터 편의 (偏倚) 하여 유지되어, 가용 도체 (85) 의 전체에 걸쳐 확산되지 않아 용단 시간이 연장된다.

그 때문에, 가용 도체 (85) 상에 배치되는 플럭스는 진원 형상으로 유지되는 것이, 발열 저항체 (84) 의 중심 상에 유지하는 데에 있어서 바람직하다. 그러나, 정격 향상을 도모하기 위해서 직사각형상을 이루는 가용 도체 (83) 상에 있어서는, 진원 형상의 플럭스는, 가용 도체 (83) 의 단변의 길이에 의해 직경의 크기가 정해지기 때문에, 가용 도체 (83) 의 전체 면적을 커버하는 데에는 유지량이 부족하여, 산화 방지나 젖음성의 향상을 도모할 수 없다.

그래서, 본 발명은, 직사각형상의 가용 도체 상에 있어서도, 플럭스를 가용 도체의 전체면에 걸쳐 균일하게 확산시킬 수 있는 보호 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 서술한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 관련된 보호 소자는, 절연 기판과, 상기 절연 기판에 배치된 발열 저항체와, 상기 절연 기판에 적층된 제 1 및 제 2 전극과, 상기 발열 저항체와 절연된 상태에서 중첩되고, 상기 제 1 및 제 2 전극 간의 전류 경로 상에서 그 발열 저항체에 전기적으로 접속된 발열체 인출 전극과, 상기 발열체 인출 전극으로부터 상기 제 1 및 제 2 전극에 걸쳐 적층되고, 열에 의해 용단됨으로써, 그 제 1 전극과 그 제 2 전극 간의 전류 경로를 차단하는 직사각형상의 가용 도체와, 상기 가용 도체 상에 배치된 복수의 플럭스를 구비하고, 상기 복수의 플럭스는, 상기 발열 저항체를 따라 배치되어 있는 것이다.

본 발명에 의하면, 플럭스가 발열 저항체를 따라 복수 형성되어 있으므로, 복수의 플럭스에 의해 직사각형상의 가용 도체 표면을 광범위하게 커버할 수 있음과 함께, 발열 저항체의 발열에 의해, 플럭스를 가용 도체의 전체면에 걸쳐 균일하게 확산시킨다. 따라서, 본 발명에 관련된 보호 소자는, 가용 도체의 산화 방지나 젖음성의 향상에 의해, 제 1 및 제 2 전극 간의 전류 경로를 신속하게 용단할 수 있다.

도 1 은, 본 발명이 적용된 보호 소자를 나타내는 도면이고, (A) 는 커버 부재를 투과하여 나타내는 평면도, (B) 는 단면도이다.
도 2 는, 플럭스를 발열 저항체의 발열 중심 상에 배치한 보호 소자를, 커버 부재를 투과하여 나타내는 평면도이다.
도 3 은, 플럭스를 가용 도체의 용단부 상에 배치한 보호 소자를, 커버 부재를 투과하여 나타내는 평면도이다.
도 4(A), 4(B) 는, 플럭스를 발열 저항체의 발열 중심 상 및 가용 도체의 용단부 상에 배치한 보호 소자의 일례를, 커버 부재를 투과하여 나타내는 평면도이다.
도 5 는, 발열 저항체의 발열 중심 상 및 가용 도체의 용단부 상에 걸친 대경의 플럭스를 배치한 보호 소자를, 커버 부재를 투과하여 나타내는 평면도이다.
도 6 은, 플럭스를 대칭으로 배치한 보호 소자를, 커버 부재를 투과하여 나타내는 평면도이다.
도 7 은, 플럭스를 대칭으로 배치한 보호 소자를, 커버 부재를 투과하여 나타내는 평면도이다.
도 8 은, 플럭스를 비대칭으로 배치한 보호 소자를, 커버 부재를 투과하여 나타내는 평면도이다.
도 9 는, 플럭스의 유지 기구로서 가용 도체에 유지공 (孔) 을 형성한 보호 소자를 나타내는 단면도이다.
도 10 은, 플럭스의 유지 기구로서 가용 도체에 볼록부를 형성한 보호 소자를 나타내는 단면도이다.
도 11 은, 플럭스의 유지 기구로서 리브가 형성된 유지 부재를 형성한 보호 소자를 나타내는 단면도이다.
도 12 는, 플럭스의 유지 기구로서 볼록부가 형성된 가용 도체 및 유지 부재를 형성한 보호 소자를 나타내는 단면도이다.
도 13 은, 배터리 팩의 회로 구성을 나타내는 회로도이다.
도 14 는, 본 발명이 적용된 보호 소자의 등가 회로이다.
도 15 는, 종래의 보호 소자를 나타내는 도면으로, (A) 는 사시도, (B) 는 단면도이다.
도 16 은, 직사각형상의 가용 도체를 사용한 보호 소자의 일부를 나타내는 사시도이다.

이하, 본 발명이 적용된 보호 소자에 대해, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명은, 이하의 실시형태에만 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 여러 가지의 변경이 가능한 것은 물론이다. 또, 도면은 모식적인 것으로, 각 치수의 비율 등은 현실의 것과는 상이한 경우가 있다. 구체적인 치수 등은 이하의 설명을 참작하여 판단해야 할 것이다. 또, 도면 상호 간에 있어서도 서로의 치수의 관계나 비율이 상이한 부분이 포함되어 있는 것은 물론이다.

[보호 소자의 구성]

도 1(A)(B) 에 나타내는 바와 같이, 본 발명이 적용된 보호 소자 (10) 는, 절연 기판 (11) 과, 절연 기판 (11) 에 적층되고, 절연 부재 (15) 에 덮인 발열 저항체 (14) 와, 절연 기판 (11) 의 양단에 형성된 전극 (12(A1), 12(A2)) 과, 절연 부재 (15) 상에 발열 저항체 (14) 와 중첩하도록 적층된 발열체 인출 전극 (16) 과, 양단이 전극 (12(A1), 12(A2)) 에 각각 접속되고, 중앙부가 발열체 인출 전극 (16) 에 접속된 가용 도체 (13) 와, 가용 도체 (13) 상에 형성되고, 가용 도체 (13) 에 발생하는 산화막을 제거함과 함께, 가용 도체 (13) 의 젖음성을 향상시키는 복수의 플럭스 (17) 를 구비한다.

절연 기판 (11) 은, 예를 들어, 알루미나, 유리 세라믹스, 멀라이트, 지르코니아 등의 절연성을 갖는 부재를 사용하여 대략 방형상으로 형성되어 있다. 절연 기판 (11) 은, 그 외에도, 유리 에폭시 기판, 페놀 기판 등의 프린트 배선 기판에 사용되는 재료를 사용해도 되지만, 휴즈 용단시의 온도에 유의할 필요가 있다.

발열 저항체 (14) 는, 비교적 저항값이 높게 통전하면 발열되는 도전성을 갖는 부재로서, 예를 들어 W, Mo, Ru 등으로 이루어진다. 이들의 합금 혹은 조성물, 화합물의 분말상체를 수지 바인더 등과 혼합하여, 페이스트상으로 한 것을 절연 기판 (11) 상에 스크린 인쇄 기술을 사용하여 패턴 형성하고, 소성하거나 함으로써 형성한다.

발열 저항체 (14) 를 덮도록 절연 부재 (15) 가 배치되고, 이 절연 부재 (15) 를 개재하여 발열 저항체 (14) 에 대향하도록 발열체 인출 전극 (16) 이 배치된다. 발열 저항체 (14) 의 열을 효율적으로 가용 도체 (13) 에 전달하기 위해서, 발열 저항체 (14) 와 절연 기판 (11) 사이에 절연 부재 (15) 를 적층해도 된다. 절연 부재 (15) 로는, 예를 들어 유리를 사용할 수 있다.

발열체 인출 전극 (16) 은, 발열 저항체 (14) 의 일단과 연속됨과 함께, 일단이 발열체 전극 (18(P1)) 에 접속되고, 타단이 발열 저항체 (14) 를 개재하여 타방의 발열체 전극 (18(P2)) 에 접속되어 있다.

가용 도체 (13) 는, 발열 저항체 (14) 의 발열에 의해 신속하게 용단되는 재료로 이루어지고, 예를 들어 Sn 을 주성분으로 하는 Pb 프리 땜납 등의 저융점 금속을 바람직하게 사용할 수 있다. 또, 가용 도체 (13) 는, In, Pb, Ag, Cu 등의 합금을 사용해도 되고, 혹은 저융점 금속과 Ag, Cu 또는 이들을 주성분으로 하는 합금 등의 고융점 금속과의 적층체여도 된다.

또한, 가용 도체 (13) 는, 발열체 인출 전극 (16) 및 전극 (12(A1), 12(A2)) 에 땜납 등에 의해 접속되어 있다. 가용 도체 (13) 는, 리플로 납땜에 의해 용이하게 접속할 수 있다.

또, 보호 소자 (10) 는, 내부를 보호하기 위해서, 절연 기판 (11) 상에 커버 부재 (19) 가 형성되어 있다.

보호 소자 (10) 는, 가용 도체 (13) 가, 절연 부재 (15) 및 발열체 인출 전극 (16) 을 개재하여, 발열 저항체 (14) 와 중첩한 위치에 형성됨으로써, 발열 저항체 (14) 가 발한 열을 효율적으로 가용 도체 (13) 에 전달하여 신속하게 용단시킬 수 있다.

여기서, 보호 소자 (10) 는, 정격을 향상시켜, 보다 많은 전류를 흐르게 하기 위해서, 가용 도체 (13) 의 도체 저항을 낮추는 것이 요구된다. 그 때문에, 보호 소자 (10) 는, 전극 (12(A1)(A2)) 간의 도전 거리의 단축화, 및 가용 도체 (13) 와 전극 (12(A1)(A2)) 의 접속 면적의 증대가 도모되고, 도 1(A) 에 나타내는 바와 같이, 가용 도체 (13) 의 형상이, 전극 (12(A1)(A2)) 간 거리 (D1) 에 있어서 짧고, 전극 (A1)(A2) 와의 접속 거리 (D2) 에 있어서 긴, 평면에서 볼 때 직사각형상을 이룬다.

또, 가용 도체 (13) 의 직사각형화에 따라, 발열 저항체 (14), 절연 부재 (15) 및 발열체 인출 전극 (16) 도, 전극 (12(A1)(A2)) 간에 있어서 짧고, 전극 (A1)(A2) 의 장변을 따라 긴, 직사각형상을 이룬다.

[플럭스 (17) 의 배치]

가용 도체 (13) 의 표면에는, 복수의 플럭스 (17) 가 형성되어 있다. 각 플럭스는, 대략 진원 형상을 이루고, 장력이 전체에 걸쳐 균일하게 작용하여 좌우로 편의되지 않고 양호한 밸런스로 유지되어 있다.

플럭스 (17) 는, 발열 저항체 (14) 를 따라 복수 형성되어 있다. 이로써, 보호 소자 (10) 는, 복수의 플럭스가 직사각형상의 가용 도체 (13) 표면을 광범위하게 커버할 수 있고, 발열 저항체 (14) 의 발열에 의해, 플럭스 (17) 를 가용 도체 (13) 의 전체면에 걸쳐 균일하게 확산시킨다. 따라서, 보호 소자 (10) 는, 가용 도체 (13) 의 산화 방지나 젖음성의 향상에 의해, 전극 (12(A1)(A2)) 간의 전류 경로를 신속하게 용단할 수 있다.

복수의 플럭스 (17) 는, 예를 들어, 도 1(A) 에 나타내는 바와 같이, 가용 도체 (13) 표면 상에 있어서, 발열 저항체 (14) 와 중첩하는 위치에, 발열 저항체 (14) 를 따라 형성되어 있다. 이로써, 복수의 플럭스 (17) 는, 발열 저항체 (14) 의 열에 의해 가용 도체 (13) 의 발열 저항체 (14) 와의 중첩 위치로부터 외측 가장자리부에 걸쳐 확산되어, 가용 도체 (13) 의 전체면에 걸쳐 균일하게 확산됨으로써, 가용 도체 (13) 를 신속하게 용단할 수 있다.

이 때, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 적어도 하나의 플럭스 (17) 는, 발열 저항체 (14) 의 발열 중심 (14a) 상에 배치되어 있는 것이 바람직하다. 발열 저항체 (14) 의 발열 중심 (14a) 은, 절연 기판 (11) 상에 형성된 직사각형상의 발열 저항체 (14) 의 중앙부를 말한다. 발열 저항체 (14) 는, 외부와 접하는 외측 가장자리부로부터 열이 빠져 나가는 점에서, 외측 가장자리부로부터 떨어져 있는 발열 중심 (14a) 이 가장 온도가 높고, 외측 가장자리부를 향해 낮아지는 온도 분포를 갖는다.

보호 소자 (10) 는, 발열 중심 (14a) 상에 플럭스 (17) 를 배치함으로써, 당해 플럭스 (17) 가 발열 저항체 (14) 의 온도 분포에 대응하여, 발열 중심 (14a) 으로부터 외측 가장자리부를 향해 방사상으로 확산된다. 즉, 발열 중심 (14a) 에 플럭스 (17) 를 형성하고 있지 않은 경우, 가장 온도가 높은 발열 중심 (14a) 을 향해서는 플럭스 (17) 는 잘 확산되지 않아, 발열 중심 (14a) 상에 플럭스 (17) 가 널리 퍼지지 않을 우려가 있다.

따라서, 보호 소자 (10) 는, 미리 플럭스 (17) 가 잘 확산되지 않는 발열 저항체 (14) 의 발열 중심 (14a) 상에 플럭스를 배치함으로써, 확실하게 플럭스 (17) 를 가용 도체 (13) 의 전체면에 확산시킬 수 있다.

[용단부]

또, 복수의 플럭스 (17) 는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 가용 도체 (13) 표면의 발열체 인출 전극 (16) 과 전극 (A1)(A2) 간의 용단부 (13a) 에, 발열 저항체 (14) 를 따라 배치해도 된다. 가용 도체 (13) 는, 발열체 인출 전극 (16) 및 전극 (12(A1), 12(A2)) 간에 걸쳐 접속되고, 과전류에 의한 자기 발열 (줄열) 이나, 발열 저항체 (14) 의 열에 의해 용융되어, 발열체 인출 전극 (16) 과 전극 (12(A1), 12(A2)) 간이 용단된다. 이로써, 보호 소자 (13) 는, 전류 경로를 차단한다. 가용 도체 (13) 의 용단부 (13a) 란, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 발열체 인출 전극 (16) 및 전극 (12(A1), 12(A2)) 간에 걸쳐 접속된 가용 도체 (13) 에 있어서의 용단 지점을 말하고, 구체적으로는, 발열체 인출 전극 (16) 과 전극 (12(A1)) 사이, 및 발열체 인출 전극 (16) 과 전극 (12(A2)) 사이를 말한다.

그리고, 보호 소자 (10) 는, 가용 도체 (13) 의 용단부 (13a) 상에, 발열 저항체 (14) 를 따라 배치함으로써, 발열체 인출 전극 (16) 과 전극 (12(A1), 12(A2)) 간에 있어서의 가용 도체 (13) 의 산화를 방지하고, 신속하게 용단부 (13a) 를 용단시켜 전극 (12(A1), 12(A2)) 간의 전류 경로를 차단할 수 있다.

또, 복수의 플럭스 (17) 는, 도 4(A)(B) 에 나타내는 바와 같이, 발열 저항체 (14) 의 발열 중심 (14a) 상, 및 가용 도체 (13) 의 용단부 (13a) 에, 각각 발열 저항체 (14) 를 따라 배치해도 된다. 또, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 발열 저항체 (14) 와 중첩하는 위치에, 가용 도체 (13) 의 용단부 (13a) 까지 커버하는 크기의 복수의 플럭스 (17) 를, 발열 저항체 (14) 를 따라 배치해도 된다. 또, 도 4, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 어느 경우도, 보호 소자 (10) 는, 발열 저항체 (14) 의 발열 중심 (14a) 상에 플럭스 (17) 를 배치하는 것이 바람직하다.

각각, 가장 온도가 높아 잘 확산되지 않는 발열 중심 (14a) 으로부터 외측 가장자리부를 향해 방사상으로 확산되어 확실하게 플럭스 (17) 를 가용 도체 (13) 의 전체면에 확산시킬 수 있다. 또, 각각, 확실하게 용단시킬 필요가 있는 발열체 인출 전극 (16) 과 전극 (12(A1), 12(A2)) 간의 가용 도체 (13) 의 용단부 (13a) 의 산화를 방지하여, 신속하게 용단할 수 있다.

[대칭 배치]

또, 복수의 플럭스 (17) 는, 발열 저항체 (14) 의 발열 중심 (14a) 에 대해 대칭으로 배치하는 것이 바람직하다. 이로써, 플럭스 (17) 를 가용 도체 (13) 의 전체면에 걸쳐 균일하게 확산시킬 수 있고, 제품마다 용단 특성이 불규칙하지 않고, 안정적으로 조속한 용단을 실현할 수 있다.

복수의 플럭스 (17) 는, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 발열 저항체 (14) 의 발열 중심 (14a) 에 대해 좌우 대칭으로 배치해도 되고, 혹은 도 7 에 나타내는 바와 같이, 점 대칭으로 배치해도 된다. 이 때, 복수의 플럭스 (17) 는, 발열 저항체 (14) 의 발열 중심 (14a) 에 하나 배치함과 함께, 발열 중심 (14a) 에 대해 대칭 배치하므로 홀수 개가 된다.

또한, 복수의 플럭스 (17) 는, 발열 저항체 (14) 의 발열 중심 (14a) 에 대해 비대칭으로 배치해도 된다. 이 경우, 복수의 플럭스 (17) 는, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 발열 저항체 (14) 의 발열 중심 (14a) 에 하나 배치함과 함께, 좌우에서 크기가 상이한 플럭스 (17) 를 배치하고, 좌우의 플럭스 (17) 의 총 체적은 동일하게 하는 것이 바람직하다. 즉, 플럭스 (17) 의 총 체적을 발열 중심 (14a) 에 대해 대칭으로 함으로써, 대칭 배치했을 경우와 마찬가지로, 가용 도체 (13) 의 전체면에 걸쳐 균일하게 플럭스 (17) 를 확산시킬 수 있다.

[유지 기구]

보호 소자 (10) 는, 복수의 플럭스 (17) 를 상기 서술한 가용 도체 (13) 상의 소정의 위치에 유지하는 유지 기구를 갖는다. 유지 기구로는, 예를 들어 도 1(A)(B) 에 나타내는 바와 같이, 커버 부재 (19) 의 상면 (19a) 에 리브 (21) 를 형성함으로써 구성할 수 있다. 리브 (21) 는, 커버 부재 (19) 의 상면 (19a) 으로부터 보호 소자 (10) 의 내부에 돌출되어 형성되고, 예를 들어 원형의 측벽으로 이루어진다. 복수의 플럭스 (17) 는, 리브 (21) 와의 장력에 의해, 당해 리브 (21) 와 가용 도체 (13) 의 표면 사이에 유지된다. 리브 (21) 는, 하나의 플럭스 (17) 에 따라 하나 형성되고, 상기 서술한 복수의 플럭스 (17) 의 배치에 따른 위치에 복수 형성되어 있다.

또한, 플럭스 (17) 의 직경은, 리브 (21) 의 직경에 의해 정해지기 때문에, 리브 (21) 는, 각 플럭스 (17) 의 크기에 따른 직경을 갖는다. 또, 리브 (21) 는, 측벽의 일부에 높이 방향의 슬릿을 형성해도 된다.

또, 보호 소자 (10) 는, 유지 기구로서, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 가용 도체 (13) 의 표면에 유지공 (22) 을 형성해도 된다. 플럭스 (17) 는, 유지공 (22) 내에 충전됨으로써, 가용 도체 (13) 상의 소정의 위치에 유지된다. 유지공 (22) 은, 가용 도체 (13) 를 프레스 등에 의해 성형할 때에 동시에 형성할 수 있고, 가용 도체 (13) 를 관통하는 관통공이어도 되고, 가용 도체 (13) 의 표면에 형성된 비관통의 오목부여도 된다. 유지공 (22) 은, 하나의 플럭스 (17) 에 따라 하나 형성되고, 상기 서술한 복수의 플럭스 (17) 의 배치에 따른 위치에 복수 형성되어 있다.

또한, 유지공 (22) 은, 플럭스 (17) 를 균형있게 유지하기 위해, 가용 도체 (13) 의 표면에 원형으로 개구되어 있는 것이 바람직하다. 또, 플럭스 (17) 의 직경은, 유지공 (22) 의 직경에 의해 정해지기 때문에, 유지공 (22) 은, 각 플럭스 (17) 의 크기에 따른 개구 직경을 갖는다.

또, 보호 소자 (10) 는, 유지 기구로서, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 가용 도체 (13) 의 표면에 볼록부 (23) 를 형성해도 된다. 보호 소자 (10) 는, 볼록부 (23) 를 형성함으로써, 볼록부 (23) 와 커버 부재 (19) 의 상면 (19a) 사이가 협소화되고, 이로써 볼록부 (23) 와 커버 부재 (19) 의 상면 (19a) 사이에 플럭스 (17) 의 장력이 작용하여 (모관 현상), 유지할 수 있다. 볼록부 (23) 는, 가용 도체 (13) 를 프레스 등에 의해 성형할 때에 동시에 형성할 수 있고, 예를 들어 원주상으로 형성된다. 볼록부 (23) 는, 하나의 플럭스 (17) 에 따라 하나 형성되고, 상기 서술한 복수의 플럭스 (17) 의 배치에 따른 위치에 복수 형성되어 있다.

또한, 플럭스 (17) 의 직경은, 볼록부 (23) 의 직경에 의해 정해지기 때문에, 볼록부 (23) 는, 각 플럭스 (17) 의 크기에 따른 직경을 갖는다.

또, 보호 소자 (10) 는, 유지 기구로서, 도 11 에 나타내는 바와 같이, 절연 기판 (11) 상에 형성되어 플럭스 (17) 를 유지하는 유지 부재 (24) 를 배치 형성 해도 된다. 유지 부재 (24) 는, 상기 서술한 리브 (21) 와 동일한 리브 (24a) 가 형성되고, 이로써 플럭스 (17) 를 리브 (24a) 와 가용 도체 (13) 의 표면 사이에 유지한다. 유지 부재 (24) 를 형성함으로써, 커버 부재 (19) 의 상면 (19a) 과 가용 도체 (13) 의 표면이 이간되어, 플럭스 (17) 를 리브 (21) 로 유지할 수 없는 경우에도, 유지 부재 (24) 를 가용 도체 (13) 상방의 임의의 높이에 형성할 수 있고, 리브 (24a) 에 의해 확실하게 플럭스 (17) 를 가용 도체 (13) 표면의 소정의 위치에 유지할 수 있다.

유지 부재 (24) 는, 예를 들어 측벽 (24b) 이 절연 기판 (11) 에 지지됨으로써, 가용 도체 (13) 의 상방에 배치 형성되어 있다. 또한, 유지 부재 (24) 는, 커버 부재 (19) 의 상면 (19a) 이나 측벽 (19b) 에 지지됨으로써 가용 도체 (13) 의 상방에 배치 형성되도록 해도 된다.

또한, 이 경우, 가용 도체 (13) 의 리브 (24a) 와 대향하는 위치에, 상기 서술한 유지공 (22) (도시 생략) 을 형성해도 된다.

또, 도 12 에 나타내는 바와 같이, 유지 부재 (24) 는, 리브 (24a) 를 형성하지 않고, 가용 도체 (13) 에 상기 서술한 볼록부 (23) 를 형성함으로써 플럭스 (17) 를 유지해도 된다. 볼록부 (23) 를 형성함으로써, 볼록부 (23) 와 유지 부재 (24) 사이가 협소화되고, 이로써 볼록부 (23) 와 유지 부재 (24) 사이에 플럭스 (17) 의 장력이 작용하여 (모관 현상), 유지할 수 있다.

유지 부재 (24) 를 형성함으로써, 커버 부재 (19) 의 상면 (19a) 과 가용 도체 (13) 의 표면에 형성한 볼록부 (23) 가 이간되어, 플럭스 (17) 를 유지할 수 없는 경우에도, 유지 부재 (24) 를 가용 도체 (13) 의 상방의 임의의 높이에 형성할 수 있고, 볼록부 (23) 와의 사이에 장력을 작용하게 하여 확실하게 플럭스 (17) 를 가용 도체 (13) 표면의 소정의 위치에 유지할 수 있다.

[보호 소자의 사용 방법]

이와 같은 보호 소자 (10) 는, 도 13 에 나타내는 바와 같이, 예를 들어 리튬 이온 2 차 전지의 배터리 팩 (30) 내의 회로에 장착되어 사용된다. 배터리 팩 (30) 은, 예를 들어, 합계 4 개의 리튬 이온 2 차 전지의 배터리 셀 (31 ∼ 34) 로 이루어지는 배터리 스택 (35) 을 갖는다.

배터리 팩 (30) 은, 배터리 스택 (35) 과, 배터리 스택 (35) 의 충방전을 제어하는 충방전 제어 회로 (40) 와, 배터리 스택 (35) 의 이상시에 충전을 차단하는 본 발명이 적용된 보호 소자 (10) 와, 각 배터리 셀 (31 ∼ 34) 의 전압을 검출하는 검출 회로 (36) 와, 검출 회로 (36) 의 검출 결과에 따라 보호 소자 (10) 의 동작을 제어하는 전류 제어 소자 (37) 를 구비한다.

배터리 스택 (35) 은, 과충전 및 과방전 상태로부터 보호하기 위한 제어를 필요로 하는 배터리 셀 (31 ∼ 34) 이 직렬 접속된 것이고, 배터리 팩 (30) 의 정극 단자 (30a), 부극 단자 (30b) 를 개재하여, 착탈 가능하게 충전 장치 (45) 에 접속되고, 충전 장치 (45) 로부터의 충전 전압이 인가된다. 충전 장치 (45) 에 의해 충전된 배터리 팩 (30) 의 정극 단자 (30a), 부극 단자 (30b) 를 배터리로 동작하는 전자 기기에 접속시킴으로써, 이 전자 기기를 동작시킬 수 있다.

충방전 제어 회로 (40) 는, 배터리 스택 (35) 으로부터 충전 장치 (45) 에 흐르는 전류 경로에 직렬 접속된 2 개의 전류 제어 소자 (41, 42) 와, 이들 전류 제어 소자 (41, 42) 의 동작을 제어하는 제어부 (43) 를 구비한다. 전류 제어 소자 (41, 42) 는, 예를 들어 전계 효과 트랜지스터 (이하, FET 라고 부른다) 에 의해 구성되고, 제어부 (43) 에 의해 게이트 전압을 제어함으로써, 배터리 스택 (35) 의 전류 경로의 도통과 차단을 제어한다. 제어부 (43) 는, 충전 장치 (45) 로부터 전력 공급을 받아 동작하여, 검출 회로 (36) 에 의한 검출 결과에 따라, 배터리 스택 (35) 이 과방전 또는 과충전일 때, 전류 경로를 차단하도록, 전류 제어 소자 (41, 42) 의 동작을 제어한다.

보호 소자 (10) 는, 예를 들어, 배터리 스택 (35) 과 충방전 제어 회로 (40) 사이의 충방전 전류 경로 상에 접속되고, 그 동작이 전류 제어 소자 (37) 에 의해 제어된다.

검출 회로 (36) 는, 각 배터리 셀 (31 ∼ 34) 과 접속되고, 각 배터리 셀 (31 ∼ 34) 의 전압값을 검출하여, 각 전압값을 충방전 제어 회로 (40) 의 제어부 (43) 에 공급한다. 또, 검출 회로 (36) 는, 어느 하나의 배터리 셀 (31 ∼ 34) 이 과충전 전압 또는 과방전 전압이 되었을 때에 전류 제어 소자 (37) 를 제어하는 제어 신호를 출력한다.

전류 제어 소자 (37) 는, 예를 들어 FET 에 의해 구성되고, 검출 회로 (36) 로부터 출력되는 검출 신호에 의해, 배터리 셀 (31 ∼ 34) 의 전압값이 소정의 과방전 또는 과충전 상태를 초과하는 전압이 되었을 때, 보호 소자 (10) 를 동작시켜, 배터리 스택 (35) 의 충방전 전류 경로를 전류 제어 소자 (41, 42) 의 스위치 동작에 상관없이 차단하도록 제어한다.

이상과 같은 구성으로 이루어지는 배터리 팩 (30) 에 있어서, 본 발명이 적용된 보호 소자 (10) 는, 도 14 에 나타내는 바와 같은 회로 구성을 갖는다. 즉, 보호 소자 (10) 는, 발열체 인출 전극 (16) 을 개재하여 직렬 접속된 가용 도체 (13) 와, 가용 도체 (13) 의 접속점을 통하여 통전하여 발열시킴으로써 가용 도체 (13) 를 용융하는 발열 저항체 (14) 로 이루어지는 회로 구성이다. 또, 보호 소자 (10) 에서는, 예를 들어, 가용 도체 (13) 가 충방전 전류 경로 상에 직렬 접속되고, 발열 저항체 (14) 가 전류 제어 소자 (37) 와 접속된다. 보호 소자 (10) 의 2 개의 전극 (12) 중, 일방은 A1 에 접속되고, 타방은 A2 에 접속된다. 또, 발열체 인출 전극 (16) 과, 이것에 접속된 발열체 전극 (18) 은 P1 에 접속되고, 타방의 발열체 전극 (18) 은 P2 에 접속된다.

이와 같은 회로 구성으로 이루어지는 보호 소자 (10) 는, 발열 저항체 (14) 의 발열에 의해 가용 도체 (13) 를 용단함으로써, 확실하게 전류 경로를 차단할 수 있다.

또한, 본 발명의 보호 소자는, 리튬 이온 2 차 전지의 배터리 팩에 사용하는 경우에 한정하지 않고, 전기 신호에 의한 전류 경로의 차단을 필요로 하는 여러 가지 용도에도 물론 응용 가능하다.

10 : 보호 소자
11 : 절연 기판
12 : 전극
13 : 가용 도체
13a : 용단부
14 : 발열 저항체
15 : 절연 부재
16 : 발열체 인출 전극
18 : 발열체 전극
19 : 커버 부재
21 : 리브
22 : 유지공
23 : 볼록부
24 : 유지 부재
24a : 리브
24b : 측벽
30 : 배터리 팩
31 ∼ 34 : 배터리 셀
36 : 검출 회로
37 : 전류 제어 소자
40 : 충방전 제어 회로
41, 42 : 전류 제어 소자
43 : 제어부
45 : 충전 장치

Claims

절연 기판과,
상기 절연 기판에 배치된 발열 저항체와,
상기 절연 기판에 적층된 제 1 및 제 2 전극과,
상기 발열 저항체와 절연된 상태에서 중첩되고, 상기 제 1 및 제 2 전극 간의 전류 경로 상에서 그 발열 저항체에 전기적으로 접속된 발열체 인출 전극과,
상기 발열체 인출 전극으로부터 상기 제 1 및 제 2 전극에 걸쳐 적층되고, 열에 의해 용단됨으로써, 그 제 1 전극과 그 제 2 전극 간의 전류 경로를 차단하는 직사각형상의 가용 도체와,
상기 가용 도체 상에 배치된 복수의 플럭스를 구비하고,
상기 복수의 플럭스는, 상기 발열 저항체를 따라 배치되어 있는, 보호 소자.
제 1 항에 있어서,
적어도 하나의 상기 플럭스는, 상기 발열 저항체의 발열 중심 상에 배치되어 있는, 보호 소자.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 복수의 플럭스는, 상기 발열 저항체 상을 따라 배치되어 있는, 보호 소자.
제 3 항에 있어서,
상기 복수의 플럭스는, 각각 상기 가용 도체의 상기 발열 저항체 상으로부터 용단부 상에 걸쳐 커버되어 있는, 보호 소자.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 플럭스는, 상기 발열체 인출 전극과 상기 제 1 및 제 2 전극 간의 용단부를 따라 배치되어 있는, 보호 소자.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 복수의 플럭스는, 상기 발열 저항체 상과, 상기 발열체 인출 전극과, 상기 제 1 및 제 2 전극 간의 용단부를 따라 배치되어 있는, 보호 소자.
제 1 항, 제 2 항, 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 플럭스는, 상기 발열 저항체의 발열 중심에 대해 대칭으로 배치되어 있는, 보호 소자.
제 1 항, 제 2 항, 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 플럭스의 각각을, 상기 가용 도체 상의 소정의 위치에 유지하는 유지 기구를 갖는, 보호 소자.
제 8 항에 있어서,
상기 절연 기판 상을 덮는 커버 부재를 갖고,
상기 복수의 플럭스는, 각각 상기 커버 부재에 형성된 리브에 의해 소정의 위치에 유지되어 있는, 보호 소자.
제 8 항에 있어서,
상기 가용 도체는, 상기 플럭스를 유지하는 유지공이 형성되고,
상기 복수의 플럭스는, 각각 상기 가용 도체에 형성된 상기 유지공에 의해 소정의 위치에 유지되어 있는, 보호 소자.
제 8 항에 있어서,
상기 절연 기판 상을 덮는 커버 부재를 갖고,
상기 가용 도체는, 상기 커버 부재와의 사이에서 상기 플럭스를 유지하는 볼록부가 형성되고,
상기 복수의 플럭스는, 각각 상기 가용 도체에 형성된 상기 볼록부와 상기 커버 부재 사이의 소정의 위치에 유지되어 있는, 보호 소자.
제 8 항에 있어서,
상기 절연 기판 상에 형성된 플럭스 유지 부재를 갖고,
상기 복수의 플럭스는, 각각 상기 플럭스 유지 부재에 형성된 리브에 의해 소정의 위치에 유지되어 있는, 보호 소자.
제 8 항에 있어서,
상기 절연 기판 상에 형성된 플럭스 유지 부재를 갖고,
상기 가용 도체는, 상기 플럭스 유지 부재와의 사이에서 상기 플럭스를 유지하는 볼록부가 형성되고,
상기 복수의 플럭스는, 각각 상기 가용 도체에 형성된 상기 볼록부와 상기 플럭스 유지 부재 사이의 소정의 위치에 유지되어 있는, 보호 소자.