KR20150040953A - 보호 소자 및 배터리 팩 - Google Patents

Abstract

과전류 보호 시의 전류 용량을 확보하면서 용이하게 용단시킬 수 있는 보호 소자를 얻기 위해, 보호 소자(10)는 절연 기판(11)과, 절연 기판(11)에 적층되고 절연 부재(15)에 덮인 발열체(14)와, 절연 기판(11)의 양단에 형성된 전극(12(A1), 12(A2))과, 절연 부재(15) 상에 발열체(14)와 중첩하도록 적층된 발열체 인출 전극(16)과, 양단이 전극(12(A1), 12(A2))에 접속되고 중앙부가 발열체 인출 전극(16)에 접속된 가용 도체(13)를 구비한다. 가용 도체(13)는 예를 들어 1.6mmφ의 환선상의 후육부(13a)와, 발열체(14)에 대향하는 부분이 발열체(14)에 중첩하는 위치에 있어서 두께가 거의 균일해지도록 후육부(13a)보다도 얇게 성형된 박육부(13b)를 포함한다. 박육부(13b)의 두께는, 후육부(13a)의 두께(굵기)의 예를 들어 1/2이다.

Description

보호 소자 및 배터리 팩{PROTECTIVE ELEMENT AND BATTERY PACK}

본 발명은 전류 경로를 용단함으로써, 전류 경로 상에 접속된 회로를 보호하는 보호 소자에 관한 것이다. 본 출원은 일본에서 2012년 8월 1일에 출원된 일본 특허 출원 번호 특원2012-171332를 기초로 하여 우선권을 주장하는 것으로, 이 출원을 참조함으로써 본 출원에 원용된다.

충전하여 반복 이용할 수 있는 이차 전지의 대부분은 배터리 팩으로 가공되어서 유저에게 제공된다. 특히 중량 에너지 밀도가 높은 리튬 이온 이차 전지에 있어서는, 유저 및 전자 기기의 안전을 확보하기 위해, 일반적으로, 과충전 보호, 과방전 보호 등의 몇가지 보호 회로를 배터리 팩에 내장하고, 소정의 경우에 배터리 팩의 출력을 차단하는 기능을 갖고 있다.

대부분의 리튬 이온 이차 전지를 사용한 전자 장치에 있어서는, 배터리 팩에 내장된 FET 스위치를 사용하여 출력의 ON/OFF를 행함으로써, 배터리 팩의 과충전 보호 또는 과방전 보호 동작을 행한다. 그러나, 어떠한 원인으로 FET 스위치가 단락 파괴된 경우, 뇌 서지(lightning surge) 등이 인가되어 순간적인 대전류가 흐른 경우, 또는 배터리 셀의 수명에 의해 출력 전압이 매우 저하되거나, 반대로 과대 이상 전압을 출력한 경우에도, 배터리 팩이나 전자 기기는 발화 등의 사고로부터 보호되어야 한다. 따라서, 이러한 상정할 수 있는 어떠한 이상 상태에서 배터리 셀의 출력을 안전하게 차단하기 위해, 외부로부터의 신호에 의해 전류 경로를 차단하는 기능을 갖는 퓨즈 소자를 포함하는 보호 소자가 사용된다.

이러한 리튬 이온 이차 전지 등에 적합한 보호 회로의 보호 소자로서, 특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이, 보호 소자 내부에 발열체를 갖고, 이 발열체의 발열에 의해 전류 경로 상의 가용 도체를 용단하는 구조가 일반적으로 사용되고 있다.

일본 특허 공개 제2010-3665호 공보

특허문헌 1에 기재되어 있는 보호 소자에 있어서는, 휴대 전화나 노트북 컴퓨터와 같은 전류 용량이 비교적 낮은 용도에 사용하기 위해, 가용 도체(퓨즈)는 최대로도 15A 정도의 전류 용량을 갖고 있다. 리튬 이온 이차 전지의 용도는 최근 확대되고 있어, 보다 대전류의 용도, 예를 들어 전동 드라이버 등의 전동 공구나, 하이브리드카, 전기 자동차, 전동 어시스트 자전거 등의 수송 기기에 채용이 검토되고, 일부 채용이 개시되고 있다. 이들 용도에 있어서는, 특히 기동 시 등에는, 수 10A 내지 100A를 초과하는 대전류가 흐르는 경우가 있다. 이러한 대전류 용량에 대응한 보호 소자의 실현이 요망되고 있다.

대전류에 대응하는 보호 소자를 실현하기 위해는, 가용 도체의 단면적을 증대시키면 된다. 1.6mmφ의 선 형상으로 성형한 Sn/Ag/Cu계 땜납을 사용하면, 50A 정도의 전류 용량을 얻을 수 있다. 그러나, 보호 소자는, 과전류 상태에 의해 용단시키는 경우 이외에도, 전지 셀의 과전압 상태를 검출하고, 저항체로 형성된 발열체에 전류를 흘리고, 그 발열에 의해 가용 도체를 절단할 필요가 있다. 그러나, 「굵은」 가용 도체의 경우에는, 발열체로부터의 열전도가 저하되어, 가용 도체를 안정적으로 용단시키는 것이 곤란해진다라는 문제가 있다.

따라서, 과전류 보호 시의 전류 용량을 확보하면서, 발열체에 의한 발열에 의해서도 안정적으로 용단시킬 수 있는 보호 소자를 얻는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제의 해결 수단으로서, 본 발명에 따른 보호 소자는, 절연 기판과, 절연 기판에 적층된 발열체와, 적어도 발열체를 덮도록 절연 기판에 적층된 절연 부재와, 제1 및 제2 전극과, 발열체와 중첩하도록 절연 부재 상에 적층되고, 제1 및 제2 전극 사이의 전류 경로 및 발열체의 한쪽의 단자에 전기적으로 접속된 발열체 인출 전극과, 발열체 인출 전극으로부터 제1 및 제2 전극에 걸쳐서 적층되고, 가열에 의해 제1 전극과 제2 전극 사이의 전류 경로를 용단하는 가용 도체를 구비한다. 그리고, 가용 도체는, 발열체에 중첩하여 위치하는 부분이 오목 형상을 나타내는 두께가 얇은 박육부이며, 다른 부분이 박육부보다도 두께가 두껍고, 박육부와 거의 동일한 전류 용량을 갖는 후육부로서, 박육부는 발열체의 발열에 의해 용이하게 용단할 수 있다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 보호 소자는, 박육부에 근접하는 후육부의 적어도 일부를 절연 기판에 대하여 지지하도록 배치된, 적어도 표면에 금속층을 갖는 지지 부재를 더 구비하고 있고, 지지 부재는, 절연 기판에 대하여 열적으로 절연되어 있다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 보호 소자는, 가용 도체의 박육부에 접하고, 절연 부재를 지나고 절연 기판에 달하는 용융 땜납 배출 전극과, 절연 기판 상에 형성되고, 용융 땜납 배출 전극이 접속되는 수용 전극을 더 구비한다.

본 발명에 따른 배터리 팩은, 1개 이상의 배터리 셀과, 배터리 셀에 흐르는 전류를 차단하도록 접속된 보호 소자와, 배터리 셀 각각의 전압값을 검출하여 보호 소자를 가열하는 전류를 제어하는 전류 제어 소자를 구비한다. 그리고, 보호 소자는, 절연 기판과, 절연 기판에 적층된 발열체와, 적어도 발열체를 덮도록 절연 기판에 적층된 절연 부재와, 제1 및 제2 전극과, 발열체와 중첩하도록 절연 부재 상에 적층되고, 제1 및 제2 전극 사이의 전류 경로 및 발열체의 한쪽의 단자에 전기적으로 접속된 발열체 인출 전극과, 발열체 인출 전극으로부터 제1 및 제2 전극에 걸쳐서 적층되고, 가열에 의해 제1 전극과 제2 전극 사이의 전류 경로를 용단하는 가용 도체를 갖고, 가용 도체는, 후육부와, 발열체에 중첩하여 위치하는 부분이 오목 형상으로 두께가 얇고 편평하게 성형된 박육부를 포함한다.

본 발명은 가용 도체가, 발열체에 중첩하여 위치하는 부분이 오목 형상을 나타내는 두께가 얇은 박육부이며, 다른 부분이 박육부보다도 두께가 두껍고, 박육부와 거의 동일한 전류 용량을 갖는 후육부이기 때문에, 가용 도체의 전류 용량을 저하시키지 않고, 발열체의 발열에 의해 용이하게 가용 도체를 용단할 수 있다.

또한, 적어도 표면에 금속층을 갖고, 절연 기판에 대하여 열적으로 절연된 지지 부재를 더 구비하고 있으므로, 발열체가 발생하는 열을 가용 도체의 박육부에 집중시켜 가용 도체의 용단을 촉진하고, 또한, 발열체의 발열에 의해 용융한 땜납을 지지 부재의 습윤성에 의해 유도하고, 수용하므로, 안정된 용단 특성을 실현할 수 있다.

또한, 발열체의 발열에 의해 용융한 땜납을 용융 땜납 배출 전극의 습윤성에 의해 유도하고, 수용 전극에 수용할 수 있으므로, 안정된 용단 특성을 실현할 수 있다.

도 1A는 본 발명이 적용된 보호 소자의 평면도이다. 도 1B는 도 1A의 AA'선에 있어서의 단면도이다. 도 1C는 가용 도체가 용단된 상태를 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명이 적용된 보호 소자의 응용예를 도시하는 블록도이다.
도 3은 본 발명이 적용된 보호 소자의 회로 구성예를 도시하는 도면이다.
도 4A는 본 발명의 다른 실시 형태의 보호 소자의 평면도이다. 도 4B는 도 4A의 AA'선에 있어서의 단면도이다. 도 4C는 가용 도체가 용융되고 있는 상태를 도시하는 단면도이다.
도 5A 내지 C는 본 발명의 다른 실시 형태의 보호 소자의 제조 프로세스를 설명하기 위한 평면도이다.
도 6A는 본 발명에 2가지의 실시 형태를 조합한 보호 소자의 평면도이다. 도 6B는 도 6A의 AA'선에 있어서의 단면도이다.
도 7A는 본 발명의 변형예의 보호 소자의 평면도이다. 도 7B는 도 7A의 AA'선에 있어서의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 변형예의 보호 소자의 가용 도체가 용단되는 모습을 개념적으로 도시하는 단면도이다. 도 8A는 가용 도체의 박육부가 용융하기 시작한 상태를 나타내고, 용융한 땜납이 화살표 방향으로 흐르는 모습을 도시하는 도면이며, 도 8B는 박육부가 용단된 상태를 도시하는 도면이다.
도 9A 내지 도 9C는 본 발명의 변형예의 보호 소자에 사용하는 가용 도체를 제작하는 수순을 설명하기 위한 단면도이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해서, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명은 이하의 실시 형태에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 다양한 변경이 가능한 것은 물론이다.

[보호 소자의 구성]

도 1A 및 도 1B에 도시한 바와 같이, 보호 소자(10)는 절연 기판(11)과, 절연 기판(11)에 적층되고 절연 부재(15)에 덮인 발열체(14)와, 절연 기판(11)의 양단에 형성된 전극(12(A1), 12(A2))과, 절연 부재(15) 상에 발열체(14)와 중첩하도록 적층된 발열체 인출 전극(16)과, 양단이 전극(12(A1), 12(A2))에 접속되고 중앙부가 발열체 인출 전극(16)에 접속된 가용 도체(13)를 구비한다. 발열체(14)의 양단에는, 발열체에 전류를 흘려서 발열시키기 위하여 전원을 접속하는 발열체 전극(18(P1), 18(P2))이 접속된다. 가용 도체(13)는 예를 들어 1.6mmφ의 환선상의 후육부(13a)와, 발열체(14)에 대향하는 부분이, 발열체(14)에 중첩하는 위치에 있어서 두께가 거의 균일해지도록 후육부(13a)보다도 얇고 편평하게 성형된 박육부(13b)를 포함한다. 박육부(13b)의 두께는, 후육부(13a)의 두께(굵기)의 예를 들어 1/2이다. 또한, 후육부(13a) 및 박육부(13b)의 단면적은 거의 동일한 것이 바람직하다. 가용 도체(13)의 박육부(13b)는 발열체 인출 전극(16)과 전기적으로 접속된다.

이와 같이, 가용 도체(13)의, 발열체(14)에 중첩하는 위치를 박육화한 박육부(13b)로 함으로써, 박육부(13b)에 있어서의 두께 방향의 열전도가 향상되므로, 발열체(14)의 발열에 의해 가용 도체(13)를 용이하게 용단시킬 수 있다. 또한, 박육부(13b)를 편평하게 성형함으로써, 발열체(14)의 중첩 부분과의 접촉 면적을 증대시킬 수 있고, 발열체(14)로부터의 열을 효율적으로 전달시킬 수 있어, 안정된 용단 특성을 실현할 수 있다. 또한, 후육부(13a) 및 박육부(13b)의 단면적이 거의 동일할 경우에는, 가용 도체(13)의 전류 용량은 변하지 않고, 가용 도체(13)의 통전 방향의 단면적 및 가용 도체(13)의 재질(비저항)에 따른 전류를 흘릴 수 있다.

절연 기판(11)은, 예를 들어 알루미나, 유리 세라믹스, 멀라이트, 지르코니아 등의 절연성을 갖는 부재에 의해 형성된다. 기타, 유리 에폭시 기판, 페놀 기판 등의 프린트 배선 기판에 사용되는 재료를 사용할 수도 있지만, 퓨즈 용단 시의 온도에 유의할 필요가 있다.

2개의 전극(12(A1), 12(A2))은 가용 도체(13)를 보호 소자(10)의 내부에서 접속하고, 이 2개의 전극(12(A1), 12(A2))을 통하여 외부 회로에 접속한다. 2개의 전극(12(A1), 12(A2))은 절연 기판(11) 상에 형성할 수도 있고, 또는 절연 기판(11)과 일체로 된 에폭시 수지 등을 포함하는 절연 소재로 형성하도록 할 수도 있다.

발열체(14)는 비교적 저항값이 높고, 통전하면 발열하는 도전성을 갖는 부재이며, 예를 들어 W, Mo, Ru 등을 포함한다. 이 합금 또는 조성물, 화합물의 분상체를 수지 바인더 등과 혼합하여, 페이스트상으로 한 것을 절연 기판(11) 상에 스크린 인쇄 기술을 사용하여 패턴 형성하고, 소성하는 등에 의해 형성한다.

발열체(14)를 덮도록 절연 부재(15)가 배치되고, 이 절연 부재(15)를 개재하여 발열체(14)에 대향하도록 발열체 인출 전극(16)이 배치된다. 이 절연 부재(15)는 발열체(14)가 내부에 일체적으로 적층된 적층 기판일 수도 있는 것은 물론이다.

발열체 인출 전극(16)의 일단부는, 발열체 전극(18(P1)) 및 발열체(14)의 일단부에 접속된다. 또한, 발열체(14)의 타단부는 다른쪽의 발열체 전극(18(P2))에 접속된다.

가용 도체(13)는 과전류 상태에 의해 및 발열체(14)의 발열에 의해 용융하여 용단하는 도전성의 재료이면 되고, 예를 들어 SnAgCu계의 Pb 프리 땜납 이외에, BiPbSn 합금, BiPb 합금, BiSn 합금, SnPb 합금, PbIn 합금, ZnAl 합금, InSn 합금, PbAgSn 합금 등을 사용할 수 있다.

또한, 가용 도체(13)는 Ag 혹은 Cu 또는 Ag 혹은 Cu를 주성분으로 하는 금속을 포함하는 고융점 금속과, Sn을 주성분으로 하는 Pb 프리 땜납 등의 저융점 금속의 적층체일 수도 있다.

본 발명에 따른 보호 소자에서는, 큰 전류 용량에 대응하기 위해, 단면적이 큰 가용 도체를 사용한다. 가용 도체가 용단되는 경우에, 용융되는 땜납의 양이 많기 때문에, 확실하게 회로를 차단하는 것이 곤란해지므로, 용융 땜납을 수용하는 것이 가능한 스페이스에 유도할 필요가 있다. 또한, 가용 도체(13)에 박육부(13b)를 설치함으로써, 후육부(13a)와 박육부(13b)의 경계 위치에 응력이 집중하기 쉬워, 기계적인 손상이 발생하기 쉽다라는 문제도 있다.

따라서, 도 1A 내지 C에 도시한 바와 같이, 금속제의 지지 부재(3)를 열회로적으로 절연 기판(11)의 다른 부분과 절연시킨 독립 전극(2) 상에 형성한다. 지지 부재(3)에 의해, 가용 도체(13)의 후육부(13a)와 박육부(13b)의 접속부 부근에서 가용 도체(13)를 지지하도록 접속한다.

도 1C에 도시한 바와 같이, 가용 도체(13)의 용융 시에는, 지지 부재(3)의 땜납 습윤성이 절연 부재(15)나 절연 기판(11)보다도 크기 때문에, 용융한 땜납은, 도 1C의 화살표 방향으로 인입된다. 가용 도체(13) 하부와, 절연 부재(15) 및 절연 기판(11) 사이에는 스페이스(8)가 있어서, 이 스페이스(8)에 지지 부재(3) 및 독립 전극(2)을 배치함으로써, 대량의 용융 땜납을 수용하는 것을 가능하게 한다. 또한, 지지 부재(3)를, 응력이 집중하기 쉬운, 가용 도체(13)의 박육부(13b)와 후육부(13a)의 경계 개소의 근방에 배치함으로써, 기계적 강도가 약한 부분을 지지하여 가용 도체(13)의 강도를 향상시킨다. 특히, 보호 소자(10)의 제조 시에 가용 도체(13)의 손상을 방지할 수 있어, 보호 소자(10)의 제조 수율의 향상에 기여할 수 있다. 독립 전극(2)은 예를 들어 Cu나 Ag 페이스트에 의한 패터닝으로 형성되지만, 지지 부재(3)가 열 회로적으로 다른 부분과는 절연되도록 독립 전극(2)은 다른 회로와 접속되지 않는다. 또한, 지지 부재(3) 및 수용 전극(4)은 일정한 열용량을 갖고 있으므로 축열 효과를 기대할 수 있다. 가용 도체(13)의 용융 시에는, 발열체(14)가 발생한 열은, 절연 부재(15)를 통하여 가용 도체(13)의 박육부(13b)에 도달한다. 지지 부재(3) 및 독립 전극(2)의 축열 효과에 의해, 발생한 열은 지지 부재(3)측에 유입되어, 박육부(13b)에 접속되어 있는 후육부(13a)에의 열의 유출을 방지한다. 따라서, 발열체(14)가 발생한 열을 가용 도체(13)의 박육부(13b)에 집중시킬 수 있어, 가용 도체(13)의 용단 안정화에 기여시킬 수 있다.

금속제의 지지 부재(3)는 땜납의 습윤이 용이한 금속이면 되고, Cu, Ag, Ni 등을 사용하여 독립 전극(2)과 일체로 형성할 수도 있다. 지지 부재(3)에는, 가용 도체(13)보다도 저융점의 땜납을 사용함으로써 용이하게 제조할 수 있다. 즉, 절연 기판(11) 상에 독립 전극(2)을 통상의 얼라인먼트 프로세스를 사용하여 다른 전극과 동시에 Ag 페이스트로 패터닝하고, 절연 부재(15)를 배치, 접속한다. 그 후, 독립 전극(2) 상에 저융점 땜납을 포함하는 지지 부재(3)를 형성하고, 리플로우 공정을 통함으로써, 가용 도체(13)에 용이하게 접속시킬 수 있다.

[보호 소자의 사용 방법]

도 2에 도시한 바와 같이, 상술한 보호 소자(10)는 리튬 이온 이차 전지의 배터리 팩 내의 회로에 사용된다.

예를 들어, 보호 소자(10)는 합계 4개의 리튬 이온 이차 전지의 배터리 셀(21 내지 24)을 포함하는 배터리 스택(25)을 갖는 배터리 팩(20)에 내장되어 사용된다.

배터리 팩(20)은 배터리 스택(25)과, 배터리 스택(25)의 충방전을 제어하는 충방전 제어 회로(30)와, 배터리 스택(25)과 충방전 제어 회로(30)를 보호하는 본 발명이 적용된 보호 소자(10)와, 각 배터리 셀(21 내지 24)의 전압을 검출하는 검출 회로(26)와, 검출 회로(26)의 검출 결과에 따라 보호 소자(10)의 동작을 제어하는 전류 제어 소자(27)를 구비한다.

배터리 스택(25)은 과충전 및 과방전 상태를 보호하기 위한 제어를 필요로 하는 배터리 셀(21 내지 24)이 직렬 접속된 것이며, 배터리 팩(20)의 정극 단자(20a), 부극 단자(20b)를 통하여 착탈 가능하게 충전 장치(35)에 접속되고, 충전 장치(35)로부터의 충전 전압이 인가된다. 충전 장치(35)에 의해 충전된 배터리 팩(20)의 정극 단자(20a), 부극 단자(20b)를 배터리로 동작하는 전자 기기에 접속함으로써, 이 전자 기기를 동작시킬 수 있다.

충방전 제어 회로(30)는 배터리 스택(25)으로부터 충전 장치(35)에 흐르는 전류 경로에 직렬 접속된 2개의 전류 제어 소자(31, 32)와, 이 전류 제어 소자(31, 32)의 동작을 제어하는 제어부(33)를 구비한다. 전류 제어 소자(31, 32)는, 예를 들어 전계 효과 트랜지스터(이하, FET라고 칭함)에 의해 구성되고, 제어부(33)에 의해 게이트 전압을 제어함으로써, 배터리 스택(25)의 전류 경로의 도통과 차단을 제어한다. 제어부(33)는 충전 장치(35)로부터 전력 공급을 받아 동작하고, 검출 회로(26)에 의한 검출 결과에 따라, 배터리 스택(25)이 과방전 또는 과충전일 때, 전류 경로를 차단하도록 전류 제어 소자(31, 32)의 동작을 제어한다.

보호 소자(10)는, 예를 들어 배터리 스택(25)과 충방전 제어 회로(30) 사이의 충방전 전류 경로 상에 접속되고, 그 동작이 전류 제어 소자(27)에 의해 제어된다.

검출 회로(26)는 각 배터리 셀(21 내지 24)과 접속되고, 각 배터리 셀(21 내지 24)의 전압값을 검출하고, 각 전압값을 충방전 제어 회로(30)의 제어부(33)에 공급한다. 또한, 검출 회로(26)는 어느 하나의 배터리 셀(21 내지 24)이 과충전 전압 또는 과방전 전압이 되었을 때에 전류 제어 소자(27)를 제어하는 제어 신호를 출력한다.

전류 제어 소자(27)는 검출 회로(26)로부터 출력되는 검출 신호에 의해, 배터리 셀(21 내지 24)의 전압값이 소정의 과방전 또는 과충전 상태를 초과하는 전압이 되었을 때, 보호 소자(10)를 동작시켜, 배터리 스택(25)의 충방전 전류 경로를 전류 제어 소자(31, 32)의 스위치 동작에 의존하지 않고 차단하도록 제어한다.

이상과 같은 구성을 포함하는 배터리 팩(20)에 있어서, 보호 소자(10)의 구성에 대하여 구체적으로 설명한다.

먼저, 본 발명이 적용된 보호 소자(10)는 예를 들어 도 3에 도시한 바와 같은 회로 구성을 갖는다. 즉, 보호 소자(10)는 발열체 인출 전극(16)을 통하여 직렬 접속된 가용 도체(13)와, 가용 도체(13)의 접속점을 통하여 통전하여 발열시킴으로써 가용 도체(13)를 용융하는 발열체(14)를 포함하는 회로 구성이다. 또한, 보호 소자(10)에서는, 예를 들어 가용 도체(13)가 충방전 전류 경로 상에 직렬 접속되고, 발열체(14)가 전류 제어 소자(27)와 접속된다. 보호 소자(10)에 2개의 전극(12, 12) 중, 한쪽은 A1에 접속되고, 다른쪽은 A2에 접속된다. 또한, 발열체 인출 전극(16)과 이것에 접속된 발열체 전극(18)은 P1에 접속되고, 다른쪽의 발열체 전극(18)은 P2에 접속된다.

이러한 회로 구성을 포함하는 보호 소자(10)는 저배화(低背化)를 실현하면서, 발열체(14)의 발열에 의해 전류 경로 상의 가용 도체(13)를 확실하게 용단할 수 있다.

[다른 실시 형태]

도 4A 및 도 4B에 도시한 바와 같이, 본 발명의 보호 소자(10)는 박육부(13b)에 근접하도록, 절연 부재(15) 상에 형성되는 용융 땜납 배출 전극(5)과, 절연 기판(11) 상에 용융 땜납 배출 전극(5)에 의해 유도된 용융 땜납을 수용하는 수용 전극(4)을 설치할 수도 있다. 용융 땜납 배출 전극(5) 및 수용 전극(4)을 설치함으로써, 대전류에 대응하기 위한 「굵은」 땜납을 사용한 가용 도체의 대량의 용융 땜납을 유도하여, 가용 도체(13)의 확실한 분단에 기여하게 할 수 있다.

용융 땜납 배출 전극(5)은 절연 부재(15) 상에 형성되는 발열체 인출 전극(16)과 동일한 면에 형성된다. 용융 땜납 배출 전극(5)은 가용 도체(13)의 길이 방향을 따라서 배치되어 있고, 절연 부재(15) 상에 있어서 박육부(13b)에 접속되고, 절연 부재(15)의 측면(측면 전극)을 통하여, 절연 기판(11) 상에 형성되는 수용 전극(4)에 접속된다. 용융 땜납 배출 전극(5)은 절연 부재(15)의 상면으로부터 이면측으로 향하도록 스루홀 전극을 형성함으로써 구성할 수도 있다. 절연 부재(15)의 측면 전극의 하면 및 측면과 수용 전극(4)을 땜납에 의해 접속한다. 그렇게 하면, 용융 땜납 배출 전극(5) 및 수용 전극(4)의 표면은 땜납 처리되어 땜납 필릿이 형성된다.

도 4C에 도시한 바와 같이, 가용 도체(13)의 박육부(13b)가 용융하면, 가용 도체(13)의 박육부(13b)와 절연 부재(15)의 빈틈에 모세관 유입이 일어나서, 땜납 필릿이 형성된 용융 땜납 배출 전극(5)을 따라 용융 땜납은 이동하고, 수용 전극(4)의 방향으로 유도된다. 수용 전극(4)을 배치하는 면적을 어느 정도 크게 취해 두면, 수용 전극(4)의 습윤성에 따라서 용융 땜납이 수용 전극(4) 상에 수용된다. 이와 같이, 용융한 땜납이 유도되는 경로와 수용 개소를 배치함으로써, 대량의 땜납을 사용하는 대전류용의 가용 도체(13)의 경우에도, 용융 땜납을 분단하여, 확실하게 회로 차단을 할 수 있다.

도 5A 내지 C에 도시한 바와 같이, 이 실시 형태에 있어서의 용융 땜납을 수용하는 경로는, 예를 들어 인쇄 기술을 사용하여 금속의 패터닝을 행함으로써 용이하게 형성할 수 있다.

도 5A에 도시한 바와 같이, 절연 기판(11) 상에 발열체(14)에의 전력 공급을 위한 발열체 전극(18(P1), 18(P2))을 형성하고, 동시에 수용 전극(4)을 형성한다. 이 전극은 Cu 패턴을 형성할 수도 있고, Ag 페이스트에 의해 형성할 수도 있다. 도 5B에 도시한 바와 같이, 절연 기판(11) 상에 형성한 전극 패턴에, 발열체(14)를 적층한 절연 부재(적층 기판)(15)를 땜납 접속한다. 사각형 형상으로 형성된 절연 부재(15)의 한쌍의 대향변에는, 발열체(14)의 전력 공급을 위한 전극(18a(P1), 18a(P2))이 형성되어 있고, 다른 한쌍의 대향변에는, 용융 땜납 배출 전극(5, 5)이 형성되어 있다. 도 5C에 도시한 바와 같이, 실장된 절연 부재(15) 상에 가용 도체(13)를 적재한다. 가용 도체(13)를 적재하는 때에는, 박육부(13b)에 발열체 인출 전극(16)과 용융 땜납 배출 전극(5)이 접속되도록 배치한다.

이 실시 형태에, 도 1에서 설명한 실시 형태를 조합하여 보호 소자를 구성할 수도 있다. 즉, 도 6A 및 도 6B에 도시한 바와 같이, 절연 기판(11) 상에 형성된 독립 전극(2) 상에 지지 부재(3)를 형성하고, 또한 절연 부재(15)에 용융 땜납 배출 전극(5)을 설치하고, 절연 기판(11) 상에 형성된 수용 전극(4) 상에 접속한다. 여기서, 수용 전극(4)을 환상으로 형성하고, 그 환의 중심부에 독립 전극(2)을 배치하도록 패터닝하면, 절연 기판(11) 상의 한정된 면적을 유효하게 활용할 수 있다. 또한, 전극의 패터닝은 이에 한정하지 않고 임의로 설정하는 것이 가능한 것은 말할 필요도 없다.

[변형예]

대전류 대응의 보호 소자의 경우에는, 대량의 용융 땜납을 수용하기 위한 스페이스를 확보하는 것이 최대의 문제인데, 그를 위한 변형예에 대하여 설명한다.

도 7A 및 도 7B에 도시한 바와 같이, 가용 도체(13)의 박육부(13b)에는, 절연 기판(11)에 탑재된 절연 부재(15)가 수용되는 공간(오목부)이 존재하는데, 이 공간을 절연 부재(15)측으로부터 보아 확대함으로써, 보다 용이하게 용융 땜납을 수용하는 것이 가능해진다. 즉, 도 7B에 도시한 바와 같이, 가용 도체(13)의 박육부(13b)의 형상을, 박육부(13b)와 후육부(13a)의 경계 위치(13c)로부터 거의 동일한 거리가 되는 중앙부(13d)를 발열체 인출 전극(16)에 접속하도록 굴곡시킨다. 그리고, 중앙부(13d)로부터 경계 위치(13c)를 향하여 상방으로 굴곡시키도록 하여, 경계 위치(13c)와 절연 부재(15)의 수직 방향의 거리를 크게 취하도록 할 수 있다.

도 8A에 도시한 바와 같이, 발열체(14)에 통전함으로써 가용 도체(13)의 박육부(13b)는 용융하고, 용융한 땜납은, 경계 위치(13c)와 절연 부재(15)의 거리가 비어 있는 공간을 이용하면서, 땜납 습윤성이 큰 지지 부재(3)쪽에 유도된다. 도 8B에 도시한 바와 같이, 용융한 땜납은, 양측의 지지 부재(3)쪽에 인입되어 수용되면서, 발열체 인출 전극(16) 상에도 수용된다.

이렇게 단면이 「M」자형으로 성형된 박육부(13b)를 갖는 가용 도체(13)는, 예를 들어 이하와 같이 하여 제조할 수 있다.

도 9A에 도시한 바와 같이, 가용 도체(13)의 박육부(13b)를 형성해야 할 소정의 위치에 가압 핀(40)을 배치하고, 화살표 방향으로 이동시킨다. 도 9B에 도시한 바와 같이, 가압 핀(40)을 가용 도체(13)에 대하여 소정의 압력으로 가압하면, 금속의 연성 및 강성에 의해, 가압 핀(40)을 제거했을 때에는, 박육부(13b)는 직선상이어도, 가용 도체(13)의 양단은 압력을 받은 측으로 굴곡한다. 도 9C에 도시한 바와 같이, 굴곡한 가용 도체(13)의 양단을, 양측의 후육부(13a)가 직선상이 되도록 화살표 방향으로 압력을 가하면, 박육부(13b)의 형상은 거의 「M」자 형상을 하게 된다. 또한, 박육부(13b)의 가용 도체(13)의 길이 방향 단면 형상은, 상술한 「M」자 형상에 한하지 않고, 가용 도체(13)의 후육부(13a) 방향으로의 용융 땜납의 수용 스페이스를 확대한다는 취지에 따르면, 유사한 어떠한 형상일 수도 있는 것은 말할 필요도 없다.

이 변형예는, 상술한 지지 부재(3) 및/또는 용융 땜납 배출 전극(5)과 병용할 수도 있는 것은 물론이고, 한층 더 용융 땜납의 배출 기구가 확보되어, 안정된 용단 특성을 실현하는 것이 가능해진다.

2: 독립 전극
3: 지지 부재
4: 수용 전극
5: 용융 땜납 배출 전극
8: 스페이스
10: 보호 소자
11: 절연 기판
12(A1), 12(A2): 전극
13: 가용 도체
13a: 후육부
13b: 박육부
13c: 경계 위치
13d: 중앙부
14: 발열체
15: 절연 부재
16: 발열체 인출 전극
17: 플럭스
18(P1), 18(P2): 발열체 전극
18a(P1), 18a(P2): 전극
20: 배터리 팩
20a: 정극 단자
20b: 부극 단자
21 내지 24: 배터리 셀
25: 배터리 스택
26: 검출 회로
27, 31, 32: 전류 제어 소자
30: 충방전 제어 회로
33: 제어부
35: 충전 장치
40: 가압 핀

Claims (11)

1. 절연 기판과,
   상기 절연 기판에 적층된 발열체와,
   적어도 상기 발열체를 덮도록 상기 절연 기판에 적층된 절연 부재와,
   제1 및 제2 전극과,
   상기 발열체와 중첩하도록 상기 절연 부재 상에 적층되고, 상기 제1 및 제2 전극 사이의 전류 경로 및 그 발열체의 한쪽의 단자에 전기적으로 접속된 발열체 인출 전극과,
   상기 발열체 인출 전극으로부터 상기 제1 및 제2 전극에 걸쳐서 적층되고, 가열에 의해 그 제1 전극과 그 제2 전극 사이의 전류 경로를 용단하는 가용 도체를 구비하고,
   상기 가용 도체는, 후육부와, 상기 발열체에 중첩하여 위치하는 부분이 오목 형상으로 두께가 얇고 편평하게 성형된 박육부를 포함하는 것을 특징으로 하는 보호 소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 박육부에 근접하는 상기 후육부의 적어도 일부에는, 상기 절연 기판에 대하여 지지되고, 용융한 그 가용 도체를 수용하는 스페이스를 상기 가용 도체와 그 절연 기판 사이에 형성하도록 배치된, 적어도 표면에 금속층을 갖는 지지 부재를 더 구비하는 보호 소자.
3. 제2항에 있어서, 상기 지지 부재는, 상기 절연 기판에 대하여 열적으로 절연되어 있는 것을 특징으로 하는 보호 소자.
4. 제1항에 있어서, 상기 가용 도체의 박육부에 근접하고, 상기 절연 부재를 지나고 상기 절연 기판에 달하는 용융 땜납 배출 전극을 더 구비하는 보호 소자.
5. 제4항에 있어서, 상기 절연 기판 상에 형성되고, 상기 용융 땜납 배출 전극이 접속되는 수용 전극을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 보호 소자.
6. 제1항에 있어서, 상기 가용 도체는, 상기 박육부의 중간 부분에서 상기 발열체 인출 전극과 접속되어 있고, 그 접속된 부분으로부터, 상기 박육부 및 상기 후육부의 경계 위치를 향하여, 용융한 땜납이 흐르는 경로가 형성되는 것을 특징으로 하는 보호 소자.
7. 제6항에 있어서, 상기 박육부는, 가용 도체의 길이 방향이자 적층 방향의 단면 형상이 M자 형상으로 성형되어 있는 것을 특징으로 하는 보호 소자.
8. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 지지 부재는, 상기 가용 도체보다도 저융점의 금속 재료를 적어도 표면에 갖는 것을 특징으로 하는 보호 소자.
9. 제8항에 있어서, 상기 저융점의 금속 재료는, 저융점 땜납인 것을 특징으로 하는 보호 소자.
10. 제1항에 있어서, 상기 박육부 및 상기 후육부의 단면적은 거의 동일한 것을 특징으로 하는 보호 소자.
11. 1개 이상의 배터리 셀과,
    상기 배터리 셀에 흐르는 전류를 차단하도록 접속된 보호 소자와,
    상기 배터리 셀 각각의 전압값을 검출하여 상기 보호 소자를 가열하는 전류를 제어하는 전류 제어 소자를 구비하고,
    상기 보호 소자는,
    절연 기판과,
    상기 절연 기판에 적층된 발열체와,
    적어도 상기 발열체를 덮도록 상기 절연 기판에 적층된 절연 부재와,
    제1 및 제2 전극과,
    상기 발열체와 중첩하도록 상기 절연 부재 상에 적층되고, 상기 제1 및 제2 전극 사이의 전류 경로 및 그 발열체의 한쪽의 단자에 전기적으로 접속된 발열체 인출 전극과,
    상기 발열체 인출 전극으로부터 상기 제1 및 제2 전극에 걸쳐서 적층되고, 가열에 의해 그 제1 전극과 그 제2 전극 사이의 전류 경로를 용단하는 가용 도체를 갖고,
    상기 가용 도체는, 후육부와, 상기 발열체에 중첩하여 위치하는 부분이 오목 형상으로 두께가 얇고 편평하게 성형된 박육부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.

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