KR20170009841A - 보호 소자 및 배터리 팩 - Google Patents
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Abstract
보호 소자는, 제 1 외부 전극과, 제 2 외부 전극과, 제 1 외부 전극과 제 2 외부 전극의 사이에 배치 형성된 절연 기판과, 절연 기판의 표면에 배치 형성된 표면 전극과, 제 1 외부 전극 및 제 2 외부 전극의 각각에 전기적으로 접속됨과 함께 절연 기판의 표면 상에 있어서 표면 전극에 의해서만 지지된 가용 도체를 구비한다.
Description
본 발명은, 전류 경로를 차단함으로써, 그 전류 경로에 접속된 회로를 보호하는 보호 소자 및 그 보호 소자를 사용한 배터리 팩에 관한 것이다.
충전 가능하기 때문에 반복해서 이용할 수 있는 2 차 전지의 대부분은, 배터리 팩으로 가공된 상태로 사용자에게 제공된다. 특히, 중량 에너지 밀도가 높은 리튬 이온 2 차 전지를 사용하는 경우에는, 사용자 및 전자 기기의 안전을 확보하기 위해서, 일반적으로, 과충전 보호 및 과방전 보호 등의 관점에서, 몇 개의 보호 회로가 배터리 팩에 내장되어 있다. 이 때문에, 배터리 팩은, 소정의 경우에 출력을 차단하는 기능을 갖고 있다.
리튬 이온 2 차 전지가 사용된 대부분의 전자 장치는, 배터리 팩에 내장된 FET 스위치를 사용하여 출력의 ON/OFF 를 실시함으로써, 그 배터리 팩의 과충전 보호 또는 과방전 보호에 관한 동작을 실시한다. 그러나, 어떠한 원인으로 FET 스위치가 단락 파괴된 경우나, 뇌 서지 등이 인가되었기 때문에, 순간적으로 대전류가 흐른 경우나, 배터리 셀의 수명에 기인하여 출력 전압이 이상하게 저하되거나, 반대로 과대 이상 전압이 출력된 경우이더라도, 배터리 팩 및 전자 기기는 발화 등의 사고로부터 보호되지 않으면 안 된다. 그래서, 이와 같은 상정할 수 있는 어떠한 이상 상태에 있어서도, 배터리 셀의 출력을 안전하게 차단하기 위해서, 외부로부터의 신호에 따라 전류 경로를 차단하는 기능을 갖는 퓨즈 소자로 이루어지는 보호 소자가 사용된다.
이와 같은 리튬 이온 2 차 전지 등을 위한 보호 회로에 탑재되는 보호 소자로서, 특허문헌 1 에 기재되어 있는 바와 같이, 발열체를 구비한 보호 소자가 사용되고 있다. 이 보호 소자에서는, 발열체의 발열을 이용하여, 전류 경로에 도입된 가용 도체가 용단 (溶斷) 된다.
그런데, 휴대 전화 및 노트북 컴퓨터와 같은 전류 용량이 비교적 낮은 용도에 보호 소자를 사용하기 위해서, 가용 도체 (퓨즈) 는, 최대 15 A 정도의 전류 용량을 갖고 있다. 리튬 이온 2 차 전지의 용도는 최근 확대되고 있기 때문에, 보다 대전류의 용도에 리튬 이온 2 차 전지의 채용이 검토되고 있으며, 일부 용도에서는, 이미 리튬 이온 2 차 전지의 채용이 개시되어 있다. 이 대전류의 용도는, 예를 들어, 전동 드라이버 등의 전동 공구나, 하이브리드 카, 전기 자동차, 전동 어시스트 자전거 등의 수송 기기이다. 이들 대전류의 용도에서는, 특히, 기동시 등에 있어서, 수십 A ∼ 100 A 를 초과하는 대전류가 흐르는 경우가 있다. 이와 같은 대전류 용량에 대응한 보호 소자의 실현이 요망되고 있다.
따라서, 대전류에 대응하기 위해서 대형의 가용 도체를 사용한 경우에도, 용단 후에 있어서의 절연 저항을 확보함과 함께 가용 도체의 변형도 억제할 수 있는 보호 소자 및 배터리 팩을 제공하는 것이 요망되고 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서의 보호 소자는, 제 1 외부 전극과, 제 2 외부 전극과, 그 제 1 외부 전극과 제 2 외부 전극의 사이에 배치 형성된 절연 기판과, 그 절연 기판의 표면에 배치 형성된 표면 전극과, 제 1 외부 전극 및 제 2 외부 전극의 각각에 전기적으로 접속됨과 함께 절연 기판의 표면 상에 있어서 표면 전극에 의해서만 지지된 가용 도체를 구비한 것이다.
또, 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 배터리 팩은, 1 개 이상의 배터리 셀과, 그 1 개 이상의 배터리 셀에 흐르는 전류를 차단 가능해지도록, 그 1 개 이상의 배터리 셀에 접속된 보호 소자와, 그 1 개 이상의 배터리 셀의 각각의 전압값을 검출함과 함께 보호 소자를 가열하기 위한 전류를 제어하는 전류 제어 소자를 구비한 것이다. 이 보호 소자는, 제 1 외부 전극과, 제 2 외부 전극과, 그 제 1 외부 전극과 제 2 외부 전극의 사이에 배치 형성된 절연 기판과, 그 절연 기판의 표면에 배치 형성된 표면 전극과 제 1 외부 전극 및 제 2 외부 전극의 각각에 전기적으로 접속됨과 함께 절연 기판의 표면 상에 있어서 표면 전극에 의해서만 지지된 가용 도체를 구비한다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서의 보호 소자 및 배터리 팩에 의하면, 가용 도체가 절연 기판의 표면 상에 있어서 표면 전극에 의해서만 지지되고 있다. 이 경우에는, 표면 전극의 치수 및 배치의 설계에 관한 자유도가 높아지기 때문에, 제 1 외부 전극과 제 2 외부 전극 사이의 거리가 용이하게 조정된다. 따라서, 표면 전극과 제 1 외부 전극의 거리를 충분히 확보함으로써, 용융 도체가 절연 기판의 표면을 타고 제 1 외부 전극과 접속되기 어려워지기 때문에, 높은 절연 저항을 유지할 수 있다. 또, 표면 전극과 제 2 외부 전극의 거리를 충분히 확보함으로써, 용융 도체가 절연 기판의 표면을 타고 제 2 외부 전극과 접속되기 어려워지기 때문에, 높은 절연 저항을 유지할 수 있다.
도 1 은, 본 발명의 일 실시형태의 보호 소자를 나타내는 단면도이다.
도 2 는, 본 발명의 일 실시형태의 보호 소자를 나타내는 단면도이며, 가용 도체의 용단 후 상태를 나타내고 있다.
도 3 은, 절연 기판의 표면에 발열체가 형성된 보호 소자를 나타내는 단면도이다.
도 4 는, 절연 기판의 이면에 발열체가 형성된 보호 소자를 나타내는 단면도이다.
도 5 는, 절연 기판의 내부에 발열체가 형성된 보호 소자를 나타내는 단면도이다.
도 6 은, 본 발명의 일 실시형태의 보호 소자가 적용된 배터리 팩의 회로 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7 은, 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 보호 소자의 회로도이다.
도 8 은, 절연 기판에 흡인공이 형성된 보호 소자를 나타내는 단면도이다.
도 9 는, 절연 기판에 흡인공이 형성된 보호 소자를 나타내는 평면도이다.
도 10 은, 절연 기판에 흡인공이 형성된 보호 소자를 나타내는 단면도이며, 가용 도체의 용단 후 상태를 나타내고 있다.
도 11 은, 비교예의 보호 소자를 나타내는 단면도이다.
도 2 는, 본 발명의 일 실시형태의 보호 소자를 나타내는 단면도이며, 가용 도체의 용단 후 상태를 나타내고 있다.
도 3 은, 절연 기판의 표면에 발열체가 형성된 보호 소자를 나타내는 단면도이다.
도 4 는, 절연 기판의 이면에 발열체가 형성된 보호 소자를 나타내는 단면도이다.
도 5 는, 절연 기판의 내부에 발열체가 형성된 보호 소자를 나타내는 단면도이다.
도 6 은, 본 발명의 일 실시형태의 보호 소자가 적용된 배터리 팩의 회로 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7 은, 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 보호 소자의 회로도이다.
도 8 은, 절연 기판에 흡인공이 형성된 보호 소자를 나타내는 단면도이다.
도 9 는, 절연 기판에 흡인공이 형성된 보호 소자를 나타내는 평면도이다.
도 10 은, 절연 기판에 흡인공이 형성된 보호 소자를 나타내는 단면도이며, 가용 도체의 용단 후 상태를 나타내고 있다.
도 11 은, 비교예의 보호 소자를 나타내는 단면도이다.
이하, 본 발명이 적용된 일 실시형태의 보호 소자 및 그 보호 소자를 사용한 배터리 팩에 대해, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명은, 이하의 실시형태에만 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 여러가지 변경이 가능한 것은 물론이다. 또, 도면은, 모식적인 도면이기 때문에, 각 치수의 비율 등은, 현실의 비율 등과는 상이한 경우가 있다. 구체적인 치수 등에 대해서는, 이하의 설명을 참작하면서 판단되어야 할 것이다. 또, 도면 상호간에 있어서도 서로의 치수 및 비율이 상이한 경우가 있는 것은 물론이다.
[보호 소자：응집 타입]
본 발명의 일 실시형태의 보호 소자 (1) 는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 제 1 외부 전극 (2) 과, 제 2 외부 전극 (3) 과, 제 1 외부 전극 (2) 과 제 2 외부 전극 (3) 사이에 배치 형성된 절연 기판 (4) 과, 절연 기판 (4) 의 표면 (4a) 에 배치 형성된 표면 전극 (5) 과, 제 1 외부 전극 (2) 에 전기적으로 접속됨과 함께 제 2 외부 전극 (3) 에 전기적으로 접속된 가용 도체 (6) 를 구비한다. 그리고, 보호 소자 (1) 에서는, 가용 도체 (6) 가, 절연 기판 (4) 의 표면 (4a) 상에 있어서, 표면 전극 (5) 에 의해서만 지지되고 있다.
보호 소자 (1) 에서는, 제 1 외부 전극 (2) 및 제 2 외부 전극 (3) 이 외부 회로의 접속 단자와 접속됨으로써, 그 외부 회로에 장착된다. 또, 가용 도체 (6) 가 외부 회로의 전류 경로의 일부를 구성하고 있기 때문에, 정격을 초과하는 과전류에 따라 가용 도체 (6) 가 용단됨으로써, 그 전류 경로가 차단된다 (도 2).
제 1 외부 전극 (2) 및 제 2 외부 전극 (3) 은, 보호 소자 (1) 를 외부 회로에 접속시키기 위한 접속 단자이다. 제 1 외부 전극 (2) 및 제 2 외부 전극 (3) 의 각각은, 보호 소자 (1) 의 내부에 있어서, 땜납 등의 접속 재료 (7) 를 통해서 가용 도체 (6) 와 접속되어 있기 때문에, 그 가용 도체 (6) 를 통해서 전기적으로 접속되어 있다. 제 1 외부 전극 (2) 및 제 2 외부 전극 (3) 은, 외부 케이싱 (10) 에 의해 지지되고 있음과 함께, 그 외부 케이싱 (10) 의 내부에서 외부로 도출되어 있다. 또한, 제 1 외부 전극 (2) 및 제 2 외부 전극 (3) 은, 절연 기판 (4) 에 근접된 절연 소재 상에 배치 형성되어도 된다. 이 절연 소재는, 예를 들어, 에폭시 수지 등을 포함한다.
보호 소자 (1) 에서는, 제 1 외부 전극 (2) 및 제 2 외부 전극 (3) 이 외부 케이싱 (10) 에 지지되고 있다. 또, 외부 케이싱 (10) 의 내부의 거의 중앙에 절연 기판 (4) 이 배치 형성됨으로써, 제 1 외부 전극 (2) 및 제 2 외부 전극 (3) 과 절연 기판 (4) 이 근접되어 있다.
외부 케이싱 (10) 은, 예를 들어, PPS (폴리페닐렌술파이드：Polyphenylenesulfide) 등의 내열성이 우수한 엔지니어링 플라스틱 중 어느 1 종류 또는 2 종류 이상을 포함하고 있다. 또, 외부 케이싱 (10) 은, 소정의 형상이 되도록 성형될 때에, 인서트 성형 등을 이용하여, 제 1 외부 전극 (2) 및 제 2 외부 전극 (3) 과 일체가 되도록 성형되어도 된다.
절연 기판 (4) 은, 예를 들어, 알루미나, 유리 세라믹스, 멀라이트 및 지르코니아 등의 절연성을 갖는 재료 중 어느 1 종류 또는 2 종류 이상을 포함하고 있다. 이 외에, 유리 에폭시 기판, 페놀 기판 등의 프린트 배선 기판에 이용되는 재료를 사용해도 되지만, 퓨즈 용단시의 온도에 유의할 필요가 있다.
절연 기판 (4) 의 표면 (4a) 에는, 표면 전극 (5) 이 형성되어 있다. 표면 전극 (5) 은, 땜납 등의 접속 재료 (7) 를 통해서 가용 도체 (6) 와 접속되어 있고, 그 가용 도체 (6) 는, 땜납 등의 접속 재료 (7) 를 통해서 제 1 외부 전극 (2) 및 제 2 외부 전극 (3) 의 각각과 접속되어 있다. 표면 전극 (5) 은, 제 1 외부 전극 (2) 및 제 2 외부 전극 (3) 에 접속된 가용 도체 (6) 를 지지하는 지지 전극이다. 또, 표면 전극 (5) 은, 제 1 외부 전극 (2) 과 제 2 외부 전극 (3) 사이의 전류 경로를 차단한다. 이 경우에는, 가용 도체 (6) 가 과전류에 따른 자기 발열을 이용하여 용융하기 때문에, 그 가용 도체 (6) 의 용융물인 용융 도체 (6a) (후술하는 도 10) 가 응집한다.
또한, 표면 전극 (5) 은, 가용 도체 (6) 의 용단 후에 있어서의 절연 저항을 유지하기 위해서, 제 1 외부 전극 (2) 및 제 2 외부 전극 (3) 의 각각으로부터 충분한 거리를 두도록 배치 형성되는 것이 바람직하다. 도 1 에 나타내는 바와 같이, 제 1 외부 전극 (2) 및 제 2 외부 전극 (3) 이 외부 케이싱 (10) 의 내부에 있어서 대향하고 있는 경우, 표면 전극 (5) 은, 절연 기판 (4) 의 표면 (4a) 의 대략 중앙부에 배치 형성된다. 이에 따라, 표면 전극 (5) 은, 제 1 외부 전극 (2) 및 제 2 외부 전극 (3) 의 각각으로부터 소정의 거리를 사이에 둔 상태에 있어서 용융 도체 (6a) 를 유지하기 때문에, 절연 기판 (4) 의 표면 (4a) 에 비산한 용융 도체 (6a) 에서 기인하는 단락의 리스크가 저감된다.
또, 보호 소자 (1) 에서는, 절연 기판 (4) 의 표면 (4a) 에 사이드 전극이 배치 형성되어 있지 않고, 표면 전극 (5) 에 의해서만 가용 도체 (6) 가 지지되고 있기 때문에, 그 표면 전극 (5) 의 치수 및 배치 등에 관한 자유도가 높아짐과 함께, 가용 도체 (6) 의 용단 후에 있어서의 단락의 리스크를 고려한 설계의 자유도가 높아진다. 따라서, 보호 소자 (1) 에서는, 표면 전극 (5) 과 제 1 외부 전극 (2) 사이의 거리가 확보됨과 함께, 표면 전극 (5) 과 제 2 외부 전극 (3) 사이의 거리가 확보되기 때문에, 용융 도체 (6a) 가 절연 기판 (4) 의 표면 (4a) 을 타고 제 1 외부 전극 (2) 및 제 2 외부 전극 (3) 의 각각과 접속하는 것이 방지된다. 따라서, 높은 절연 저항이 유지된다.
가용 도체 (6) 는, 과전류 상태에 있어서 용융한다. 이 가용 도체 (6) 는, 용단 가능한 도전성 재료 중 어느 1 종류 또는 2 종류 이상을 포함하고 있다. 이 도전성 재료는, 예를 들어, SnAgCu 계의 Pb 프리 땜납 외, BiPbSn 합금, BiPb 합금, BiSn 합금, SnPb 합금, PbIn 합금, ZnAl 합금, InSn 합금 및 PbAgSn 합금 등이다. 또한, 가용 도체 (6) 는, 고융점 금속 중 어느 1 종류 또는 2 종류 이상과, 저융점 금속 중 어느 1 종류 또는 2 종류 이상의 적층체여도 된다. 고융점 금속은, 예를 들어, Ag, Cu 및 그들의 1 종류 이상을 주성분으로 한 합금 등이다. 저융점 금속은, 예를 들어, 땜납, 및 Sn 을 주성분으로 한 Pb 프리 땜납 등이다.
이와 같은 가용 도체 (6) 는, 저융점 금속박에, 고융점 금속층을 도금 기술을 이용하여 성막함으로써 형성된다. 또, 가용 도체 (6) 는, 다른 주지의 적층 기술, 막 형성 기술을 이용하여 형성되어도 된다. 또한, 가용 도체 (6) 는, 고융점 금속층을 내층으로 하고, 저융점 금속층을 외층으로 해도 된다. 또, 가용 도체 (6) 는, 저융점 금속층과 고융점 금속층이 번갈아 적층된 4 층 이상의 다층 구조여도 된다. 이와 같이, 가용 도체 (6) 는, 다양한 구성이 되도록 형성 가능하다.
또, 가용 도체 (6) 는, 소정의 정격 전류가 흐르고 있는 상태에서는 자기 발열하지 않기 때문에, 용단되지 않는다. 이에 반해, 가용 도체 (6) 는, 정격보다 높은 값의 전류가 흐르면 자기 발열하기 때문에, 용융한다. 이에 따라, 제 1 전극 (2) 과 제 2 전극 (3) 사이의 전류 경로가 차단된다. 이 때, 가용 도체 (6) 에서는, 용융한 저융점 금속이 고융점 금속을 침식하기 때문에, 그 고융점 금속이 용융 온도보다 낮은 온도에서 용융한다. 따라서, 가용 도체 (6) 는, 저융점 금속에 의한 고융점 금속의 침식 작용을 이용하여, 단시간에 용단된다.
또, 가용 도체 (6) 에서는, 내층이 되는 저융점 금속에 외층이 되는 고융점 금속이 적층되어 있음으로써, 고융점 금속으로 이루어지는 칩 퓨즈 등보다도 용단 온도가 대폭 저감된다. 따라서, 가용 도체 (6) 에서는, 동일 사이즈의 칩 퓨즈 등에 비해, 단면적이 커짐과 함께, 전류 정격이 대폭 향상된다. 또, 동일한 전류 정격의 칩 퓨즈에 비해, 소형화, 박형화가 도모됨과 함께, 속용단성 (速溶斷性) 이 우수하다.
또, 가용 도체 (6) 에서는, 보호 소자 (1) 가 장착된 전기 회로에 이상하게 높은 전압이 순간적으로 인가되는 현상, 소위 서지에 대한 내성 (내펄스성) 이 향상된다. 즉, 가용 도체 (6) 는, 예를 들어, 100 A 의 전류가 수 msec 흐른 경우에는, 용단되어서는 안된다. 이 점에 관해서, 극히 단시간에 흐르는 대전류는, 도체의 표층을 흐른다 (표피 효과). 가용 도체 (6) 가 외층으로서 저항값이 낮은 Ag 도금 등의 고융점 금속을 포함함으로써, 서지에 기인하여 인가된 전류가 흐르기 쉽기 때문에, 자기 발열에 기인한 가용 도체 (6) 의 용단이 방지된다. 따라서, 가용 도체 (6) 에서는, 저융점 금속이 고융점 금속에 의해 피복됨으로써, 땜납 합금으로 이루어지는 퓨즈에 비해, 대폭 서지에 대한 내성이 향상된다.
또한, 가용 도체 (6) 에는, 산화 방지 및 용단시의 젖음성의 향상 등을 위해서, 플럭스 (도시하지 않음) 가 도포되어 있다.
이와 같은 구성을 갖는 보호 소자 (1) 에서는, 가용 도체 (6) 가 절연 기판 (4) 상에 있어서 표면 전극 (5) 에 의해서만 지지되고 있다. 이 경우에는, 절연 기판 (4) 으로서, 내열 충격성이 우수함과 함께 열 전도성도 우수한 세라믹 기판을 사용한 경우 등에 있어서, 고온 환경 및 저온 환경에 보호 소자 (1) 가 반복해서 놓여진 경우에도, 가용 도체 (6) 의 열 팽창 계수와 절연 기판 (4) 의 열 팽창 계수의 차에서 기인하는 왜곡이 가용 도체 (6) 에 발생하기 어려워지기 때문에, 보호 소자 (1) 의 외형 및 치수가 안정화된다. 이에 따라, 보호 소자 (1) 에서는, 가용 도체 (6) 의 저항값이 안정화되기 때문에, 고 (高) 정격을 유지할 수 있다.
[보호 소자의 동작]
또, 정격을 초과하는 과전류가 보호 소자 (1) 에 흐르면, 그 보호 소자 (1) 에서는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 가용 도체 (6) 가 자기 발열을 이용하여 용융한다. 이에 따라, 제 1 외부 전극 (2) 에 가까운 측 및 제 2 외부 전극 (3) 에 가까운 측 중 어느 일방에 있어서 가용 도체 (6) 가 용단되기 때문에, 외부 회로의 충방전 경로가 차단된다. 이 때, 보호 소자 (1) 에서는, 가용 도체 (6) 가 절연 기판 (4) 상에 있어서 표면 전극 (5) 에 의해서만 지지되고 있기 때문에, 표면 전극 (5) 의 치수 및 배치에 관한 설계의 자유도가 높아짐과 함께, 제 1 외부 전극 (2) 과 제 2 외부 전극 (3) 사이의 거리가 용이하게 조정된다. 따라서, 보호 소자 (1) 에서는, 표면 전극 (5) 과 제 1 외부 전극 (2) 사이의 거리가 확보됨과 함께, 표면 전극 (5) 과 제 2 외부 전극 (3) 사이의 거리가 확보되기 때문에, 용융 도체 (6a) 가 절연 기판 (4) 의 표면 (4a) 을 타고 제 1 외부 전극 (2) 및 제 2 외부 전극 (3) 과 접속되기 어려워진다. 따라서, 높은 절연 저항을 유지할 수 있다.
[외부 케이싱의 열 팽창 계수 및 가용 도체의 열 팽창 계수]
또한, 보호 소자 (1) 에서는, 가용 도체 (6) 의 열 팽창 계수와 외부 케이싱 (10) 의 열 팽창 계수가 동일하거나 또는 근사하고 있는 것이 바람직하다. 예를 들어, 보호 소자 (1) 에서는, 가용 도체 (6) 로서, 표면이 Ag 도금된 땜납 박 (열 팽창 계수 = 22 ppm/℃) 을 사용함과 함께, 외부 케이싱 (10) 으로서 유리 섬유 함유 PPS 수지 (열 팽창 계수 = 20 ppm/℃) 를 사용한 경우, 가용 도체 (6) 의 열 팽창 계수와 외부 케이싱 (10) 의 열 팽창 계수가 근사한다. 이에 따라, 고온 환경 및 저온 환경에 보호 소자 (1) 가 반복해서 놓여진 경우에도, 표면 전극 (5) 과 제 1 외부 전극 (2) 사이에 왜곡이 축적되기 어려워짐과 함께, 표면 전극 (5) 과 제 2 외부 전극 (3) 사이에 왜곡이 축적되기 어려워진다. 또, 가용 도체 (6) 의 변형 등에 기인한 저항값의 변동이 억제된다. 따라서, 고정격을 유지할 수 있다.
[발열체]
또, 본 발명의 일 실시형태의 보호 소자에서는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 절연 기판 (4) 에, 가용 도체 (6) 를 용단시키기 위한 발열체 (11) 가 형성되어도 된다. 또한, 이하의 설명에서는, 상기 서술한 보호 소자 (1) 의 구성 요소와 동일한 구성 요소에 대해 동일한 부호를 붙임과 함께, 그 구성 요소에 관한 상세한 설명을 생략한다.
발열체 (11) 가 형성된 보호 소자 (12) 는, 예를 들어, 배터리 팩에 장착되면, 과전류시에 있어서 가용 도체 (6) 가 자기 발열하기 때문에, 그 가용 도체 (6) 가 용단되는 것에 더하여, 배터리 셀의 과전압에 따라 발열체 (11) 가 통전됨과 함께 발열하기 때문에, 가용 도체 (6) 가 용단된다. 이에 따라, 배터리 팩의 충방전 경로가 차단된다.
발열체 (11) 는, 비교적 저항값이 높음과 함께 통전되면 발열하는 도전성을 갖는 재료 중 어느 1 종류 또는 2 종류 이상을 포함하고 있다. 이 도전성을 갖는 재료는, 예를 들어, W, Mo, Ru, 그들의 1 종류 이상을 주성분으로 한 합금, 그들의 1 종류 이상을 주성분으로 한 조성물, 및 그들의 1 종류 이상을 주성분으로 한 화합물 등이다. 이들 합금 등의 분상체와 수지 바인더 등의 혼합물을 포함하는 페이스트가 절연 기판 (4) 의 표면 (4a) 에 스크린 인쇄 기술을 이용하여 소정의 패턴이 되도록 도포된 후, 그 페이스트가 소성 등이 됨으로써, 발열체 (11) 가 형성된다.
발열체 (11) 는, 절연 기판 (4) 의 표면 (4a) 에 배치 형성되어 있음과 함께, 절연층 (13) 에 의해 피복되어 있다. 절연층 (13) 상에는, 표면 전극 (5) 이 배치 형성된다. 절연층 (13) 은, 발열체 (11) 의 보호 및 절연을 도모함과 함께, 발열체 (11) 에 있어서 발생한 열을 효율적으로 표면 전극 (5) 및 가용 도체 (6) 에 전달하기 위해서 형성되어 있고, 예를 들어, 유리층으로 이루어진다. 표면 전극 (5) 은, 발열체 (11) 에 의해 가열됨으로써, 가용 도체 (6) 의 용융물인 용융 도체 (6a) 를 응집하기 쉽게 한다.
발열체 (11) 의 일단부는, 표면 전극 (5) 과 접속되어 있고, 그 발열체 (11) 는, 표면 전극 (5) 을 통해서, 그 표면 전극 (5) 상에 배치 형성된 가용 도체 (6) 와 전기적으로 접속되어 있다. 또, 발열체 (11) 의 타단부는, 도시되지 않은 발열체 전극과 접속되어 있다. 발열체 전극은, 절연 기판 (4) 의 표면 (4a) 에 배치 형성되어 있다. 또, 발열체 전극은, 절연 기판 (4) 의 이면 (4b) 에 배치 형성된 제 3 외부 접속 전극 (15) (도 6 참조) 과 접속되어 있고, 그 제 3 외부 접속 전극 (15) 을 통해서 외부 회로와 접속되어 있다. 보호 소자 (1) 가 외부 회로와 접속됨으로써, 회로 기판에 제 3 외부 접속 전극 (15) 을 통해서 발열체 (11) 가 형성된 급전 경로, 즉 발열체 (11) 에 대한 급전 경로에 장착된다.
또, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 보호 소자 (12) 에서는, 발열체 (11) 가 절연 기판 (4) 의 이면 (4b) 에 배치 형성되어도 된다. 발열체 (11) 는, 절연 기판 (4) 의 이면 (4b) 에 있어서, 절연층 (13) 에 의해 피복되어 있다.
발열체 (11) 의 일단부는, 도시되지 않은 발열체 전극을 통해서, 표면 전극 (5) 및 표면 전극 (5) 상에 배치 형성된 가용 도체 (6) 와 전기적으로 접속되어 있다. 또, 발열체 (11) 의 타단부는, 도시되지 않은 발열체 전극을 통해서 제 3 외부 접속 전극 (15) 과 접속되어 있다.
또, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 보호 소자 (12) 에서는, 발열체 (11) 가 절연 기판 (4) 의 내부에 배치 형성되어도 된다. 이 경우, 발열체 (11) 는, 유리 등의 절연층 (13) 에 의해 피복되지 않아도 된다. 발열체 (11) 의 일단부는, 도시되지 않은 발열체 전극을 통해서, 표면 전극 (5) 및 표면 전극 (5) 상에 배치 형성된 가용 도체 (6) 와 전기적으로 접속되어 있다. 또, 발열체 (11) 의 타단부는, 도시되지 않은 발열체 전극을 통해서 제 3 외부 접속 전극 (15) 과 접속되어 있다.
[회로 구성]
이와 같은 보호 소자 (12) 는, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 예를 들어, 리튬 이온 2 차 전지를 사용한 배터리 팩 (30) 내의 회로에 장착된다. 배터리 팩 (30) 은, 1 개 이상의 배터리 셀, 예를 들어, 합계 4 개의 리튬 이온 2 차 전지인 배터리 셀 (31 ∼ 34) 로 이루어지는 배터리 스택 (35) 을 구비한다.
배터리 팩 (30) 은, 배터리 스택 (35) 과, 배터리 스택 (35) 의 충방전을 제어하는 충방전 제어 회로 (40) 와, 배터리 스택 (35) 의 이상시에 충전 동작을 정지시키는 보호 소자 (12) (본 발명이 적용된 보호 소자) 와, 각 배터리 셀 (31 ∼ 34) 의 전압을 검출하는 검출 회로 (36) 와, 검출 회로 (36) 의 검출 결과에 따라 보호 소자 (12) 의 동작을 제어하기 위한 스위치 소자인 전류 제어 소자 (37) 를 구비한다.
배터리 스택 (35) 에서는, 과충전 상태 및 과방전 상태로부터 보호하기 위한 제어를 필요로 하는 배터리 셀 (31 ∼ 34) 이 직렬로 접속되어 있다. 이 배터리 스택 (35) 은, 배터리 팩 (30) 의 정극 단자 (30a) 및 부극 단자 (30b) 를 통해서 충전 장치 (45) 에 착탈 가능하도록 접속되어 있고, 그 충전 장치 (45) 로부터 충전 전압이 인가된다. 충전 장치 (45) 에 의해 충전된 배터리 팩 (30) 은, 배터리를 이용하여 동작하는 전자 기기에 정극 단자 (30a) 및 부극 단자 (30b) 를 통해서 접속됨으로써, 그 전자 기기를 동작시킬 수 있다.
충방전 제어 회로 (40) 는, 배터리 스택 (35) 으로부터 충전 장치 (45) 에 이르는 전류 경로에 직렬 도입된 2 개의 전류 제어 소자 (41, 42) 와, 그 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 한다.) 를 포함하고 있다. 이 전류 제어 소자 (41, 42) 는, 제어부 (43) 에 의해 게이트 전압이 제어됨으로써, 배터리 스택 (35) 의 전류 경로의 상태 (도통 및 차단) 를 제어한다. 제어부 (43) 는, 충전 장치 (45) 로부터 전력 공급을 받아 동작함과 함께, 검출 회로 (36) 에 의한 검출 결과에 따라, 배터리 스택 (35) 이 과방전 상태 또는 과충전 상태일 때, 전류 경로가 차단되도록, 전류 제어 소자 (41, 42) 의 동작을 제어한다.
보호 소자 (12) 는, 예를 들어, 배터리 스택 (35) 과 충방전 제어 회로 (40) 사이의 충방전 전류 경로에 도입되고, 그 보호 소자 (12) 의 동작은, 전류 제어 소자 (37) 에 의해 제어된다.
검출 회로 (36) 는, 각 배터리 셀 (31 ∼ 34) 과 접속되어 있고, 그 각 배터리 셀 (31 ∼ 34) 에 있어서 검출된 각 전압값을 충방전 제어 회로 (40) 의 제어부 (43) 에 공급한다. 또, 검출 회로 (36) 는, 어느 1 개의 배터리 셀 (31 ∼ 34) 이 과충전 전압 상태 또는 과방전 전압 상태가 되었을 때, 전류 제어 소자 (37) 를 제어하기 위한 제어 신호를 출력한다.
전류 제어 소자 (37) 는, 예를 들어, FET 를 포함하고 있다. 이 전류 제어 소자 (37) 는, 검출 회로 (36) 로부터 출력되는 검출 신호에 따라, 배터리 셀 (31 ∼ 34) 의 전압값이 소정의 과방전 상태 또는 과충전 상태를 초과하는 전압이 되었을 때, 보호 소자 (12) 를 동작시킨다. 이에 따라, 배터리 스택 (35) 의 충방전 전류 경로는, 전류 제어 소자 (41, 42) 의 스위치 동작에 의하지 않고 차단된다.
이상과 같은 구성을 갖는 배터리 팩 (30) 에 사용되는 보호 소자 (12) 는, 도 7 에 나타내는 바와 같은 회로 구성을 갖는다. 즉, 보호 소자 (12) 에서는, 제 1 외부 전극 (2) 이 배터리 스택 (35) 과 전기적으로 접속되어 있음과 함께, 제 2 외부 전극 (3) 이 정극 단자 (30a) 와 전기적으로 접속되어 있다. 이에 따라, 가용 도체 (6) 가 배터리 스택 (35) 의 충방전 경로에 직렬로 도입되어 있다. 또, 보호 소자 (12) 에서는, 발열체 (11) 가 발열체 전극 및 제 3 외부 접속 전극 (15) 을 통해서 전류 제어 소자 (37) 와 접속되어 있음과 함께, 그 발열체 (11) 가 배터리 스택 (35) 의 개방단과 접속되어 있다. 이에 따라, 발열체 (11) 의 일단부는, 표면 전극 (5) 을 통해서 가용 도체 (6) 및 배터리 스택 (35) 의 일방의 개방단과 접속되어 있다. 발열체 (11) 의 타단부는, 제 3 외부 접속 전극 (15) 을 통해서 전류 제어 소자 (37) 및 배터리 스택 (35) 의 타방의 개방단과 접속되어 있다. 이에 따라, 발열체 (11) 에 대한 급전 경로가 형성됨과 함께, 그 발열체 (11) 에 대한 통전은 전류 제어 소자 (37) 에 의해 제어된다.
[보호 소자의 동작]
배터리 팩 (30) 에 정격을 초과하는 과전류가 흐르면, 보호 소자 (12) 에서는, 가용 도체 (6) 가 자기 발열함과 함께 용융하기 때문에, 배터리 팩 (30) 의 충방전 경로가 차단된다.
또, 검출 회로 (36) 는, 배터리 셀 (31 ∼ 34) 중 어느 것의 이상 전압을 검출하면, 전류 제어 소자 (37) 로 차단 신호를 출력한다. 이 전류 제어 소자 (37) 는, 차단 신호에 따라, 발열체 (11) 가 통전되도록 전류를 제어한다. 보호 소자 (12) 에서는, 배터리 스택 (35) 으로부터, 제 1 외부 전극 (2), 가용 도체 (6) 및 표면 전극 (5) 을 통해서 발열체 (11) 에 전류가 흐르기 때문에, 그 발열체 (11) 가 발열을 개시한다. 이에 따라, 보호 소자 (12) 에서는, 발열체 (11) 에 의해 가용 도체 (6) 가 가열되면, 그 가용 도체 (6) 가 용단되기 때문에, 배터리 스택 (35) 의 충방전 경로가 차단된다.
이 때, 과전류시에 있어서의 자기 발열을 이용한 가용 도체 (6) 의 용단 및 과전압시에 있어서의 발열체 (11) 의 발열을 이용한 가용 도체 (6) 의 용단 중 어느 것에 있어서도, 보호 소자 (12) 에서는, 가용 도체 (6) 가 절연 기판 (4) 상에 있어서 표면 전극 (5) 에 의해서만 지지되고 있기 때문에, 표면 전극 (5) 의 치수 및 배치에 관한 설계의 자유도가 높아짐과 함께, 제 1 외부 전극 (2) 과 제 2 외부 전극 (3) 사이의 거리가 용이하게 조정된다. 따라서, 보호 소자 (12) 에서는, 표면 전극 (5) 과 제 1 외부 전극 (2) 사이의 거리가 확보됨과 함께, 표면 전극 (5) 과 제 2 외부 전극 (3) 사이의 거리가 확보되기 때문에, 용융 도체 (6a) 가 절연 기판 (4) 의 표면 (4a) 을 타고 제 1 외부 전극 (2) 및 제 2 외부 전극 (3) 의 각각과 접속되기 어려워진다. 따라서, 높은 절연 저항을 유지할 수 있다.
또, 보호 소자 (12) 에서는, 가용 도체 (6) 가 고융점 금속 및 저융점 금속을 함유함으로써, 용융한 저융점 금속에 의한 고융점 금속의 용식 작용을 이용하여, 그 가용 도체 (6) 가 단시간에 용단된다.
또한, 보호 소자 (12) 에서는, 가용 도체 (6) 가 용단됨으로써, 발열체 (11) 로의 급전 경로도 차단되기 때문에, 발열체 (11) 의 발열이 정지된다.
본 발명의 일 실시형태의 보호 소자는, 리튬 이온 2 차 전지를 사용한 배터리 팩에 적용되는 경우에 한정되지 않고, 전기 신호에 따라 전류 경로의 차단을 필요로 하는 다양한 용도에도 물론 응용 가능하다.
[보호 소자：흡인 타입]
또, 본 발명의 일 실시형태의 보호 소자에서는, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 절연 기판 (4) 에, 가용 도체 (6) 의 용융물인 용융 도체 (6a) 를 흡인하기 위한 흡인공 (51) 이 형성되어 있어도 된다. 또한, 이하의 설명에서는, 상기 서술한 보호 소자 (1) 의 구성 요소와 동일한 구성 요소에 대해 동일한 부호를 붙임과 함께, 그 구성 요소에 관한 상세한 설명을 생략한다.
흡인공 (51) 이 형성된 보호 소자 (50) 에서는, 과전류에 수반하는 자기 발열을 이용하여 가용 도체 (6) 가 용융하고, 혹은 과전압에 수반하는 발열체 (11) 의 발열을 이용하여 가용 도체 (6) 가 용융하면, 모세관 현상을 이용하여 용융 도체 (6a) 가 흡인공 (51) 의 내부에 흡인되기 때문에, 그 용융 도체 (6a) 의 체적이 감소한다. 보호 소자 (50) 에서는, 대전류 용도에 대응하기 위해서 가용 도체 (6) 의 단면적을 증대시킴으로써, 용융량이 증대한 경우에도, 용융 도체 (6a) 가 흡인공 (51) 에 흡인되기 때문에, 그 용융 도체 (6a) 의 체적이 감소한다.
이에 따라, 보호 소자 (50) 에서는, 가용 도체 (6) 가 신속하게 용단되기 쉬워진다. 또, 보호 소자 (50) 에서는, 과전류에 수반하는 자기 발열을 이용한 가용 도체 (6) 의 용단시에 있어서 아크 방전이 발생해도, 그 아크 방전에 기인한 용융 도체 (6a) 의 비산이 경감된다. 이에 따라, 절연 저항의 저하가 방지됨과 함께, 가용 도체 (6) 의 주변의 회로에 용융 도체 (6a) 가 부착하는 것에 기인한 단락 고장이 방지된다.
흡인공 (51) 의 내벽면에는, 도전층 (52) 이 형성되어 있다. 도전층 (52) 이 형성됨으로써, 흡인공 (51) 은 용융 도체 (6a) 를 흡인하기 쉬워진다. 도전층 (52) 은, 도전성 재료 중 어느 1 종류 또는 2 종류 이상을 포함하고 있다. 이 도전성 재료는, 동, 은, 금, 철, 니켈, 팔라듐, 납, 주석 및 그들의 1 종류 이상을 주성분으로 한 합금 등이다. 흡인공 (51) 의 내벽면에, 전해 도금법 및 인쇄법 등의 공지된 방법을 이용하여 도전성 재료 (예를 들어, 도전 페이스트) 를 성막함으로써, 도전층 (52) 이 형성된다.
또, 흡인공 (51) 은, 절연 기판 (4) 의 두께 방향으로 연장되는 관통공인 것이 바람직하다. 이에 따라, 흡인공 (51) 에서는, 용융 도체 (6a) 가 절연 기판 (4) 의 이면 (4b) 에 도달할 때까지 흡인된다. 이에 따라, 보다 많은 용융 도체 (6a) 가 흡인되기 때문에, 가용 도체 (6) 가 용단된 장소에 있어서 용융 도체 (6a) 의 체적이 보다 감소한다. 또한, 흡인공 (51) 은, 비관통공이어도 된다.
또, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 절연 기판 (4) 의 표면 (4a) 에 절연층 (13) 을 통해서 표면 전극 (5) 이 배치 형성되어 있고, 흡인공 (51) 은, 그 표면 전극 (5) 의 폭 방향에 있어서의 대략 중앙부에 대응하는 위치에 형성되어 있다. 또한, 흡인공 (51) 의 수는, 1 개여도 되고, 복수여도 된다. 흡인공 (51) 의 수가 복수인 경우, 용융 도체 (6a) 를 흡인하는 경로가 늘어나기 때문에, 보다 많은 용융 도체 (6a) 가 흡인공 (51) 에 흡인된다. 이에 따라, 가용 도체 (6) 가 용단된 장소에 있어서, 용융 도체 (6a) 의 체적이 보다 감소한다. 여기서는, 복수의 흡인공 (51) 은, 예를 들어, 직선상, 즉 일렬로 늘어서도록 배치되어 있다.
또, 흡인공 (51) 의 내벽면에 형성된 도전층 (52) 은, 표면 전극 (5) 과 접속되어 있다. 도전층 (52) 의 표면과 표면 전극 (5) 의 표면은, 동일면 내에 있는 것이 바람직하다. 도전층 (52) 과 표면 전극 (5) 은, 일체화되어 있어도 된다. 이에 따라, 보호 소자 (50) 에서는, 표면 전극 (5) 상에서 응집한 용융 도체 (6a) 가 표면 전극 (5) 의 표면 및 도전층 (52) 의 표면에 젖어 확산되기 쉬워짐과 함께, 그 용융 도체 (6a) 가 도전층 (52) 을 통해서 흡인공 (51) 의 내부로 유도되기 쉬워진다.
또, 절연 기판 (4) 의 이면 (4b) 에는, 흡인공 (51) 의 내벽면에 형성된 도전층 (52) 과 접속되도록, 이면 전극 (53) 이 배치 형성되어 있다. 도 10 에 나타내는 바와 같이, 이면 전극 (53) 은 도전층 (52) 과 접속되어 있다. 도전층 (52) 의 표면과 이면 전극 (53) 의 표면은, 동일면 내에 있는 것이 바람직하다. 이면 전극 (53) 과 도전층 (52) 은, 일체화되어 있어도 된다. 가용 도체 (6) 가 용융하면, 절연 기판 (4) 의 표면 (4a) 으로부터 흡인공 (51) 을 경유하여 이면 (4b) 까지 이동한 용융 도체 (6a) 가 이면 전극 (53) 상에서 응집한다. 이에 따라, 보호 소자 (50) 에서는, 이면 전극 (53) 상에서 응집한 용융 도체 (6a) 가 이면 전극 (53) 의 표면 및 도전층 (52) 의 표면에 젖어 확산되기 쉬워진다. 또, 보다 많은 용융 도체 (6a) 가 흡인공 (51) 에 흡인되기 때문에, 가용 도체 (6) 가 용단된 장소에 있어서 용융 도체 (6a) 의 체적이 보다 감소한다.
또한, 보호 소자 (50) 에서는, 발열체 (11) 를 배치 형성하지 않고, 과전류에 수반하는 자기 발열만을 이용하여 가용 도체 (6) 를 용단시켜도 되고, 발열체 (11) 를 배치 형성하여, 과전류에 수반하는 자기 발열에 더하여 과전압에 수반하는 발열체 (11) 의 발열을 이용하여 가용 도체 (6) 를 용단시켜도 된다. 또, 보호 소자 (50) 에서는, 발열체 (11) 가 절연 기판 (4) 의 표면 (4a) 에 배치 형성되어도 되고, 발열체 (11) 가 절연 기판 (4) 의 이면 (4b) 에 배치 형성되어도 되고, 발열체 (11) 가 절연 기판 (4) 의 내부에 배치 형성되어도 된다.
발열체 (11) 가 절연 기판 (4) 의 이면 (4b) 에 형성되는 경우, 발열체 (11) 의 일단부는 이면 전극 (53) 과 접속되고, 그 이면 전극 (53) 과 일체화됨과 함께, 도전층 (52) 및 표면 전극 (5) 을 통해서 가용 도체 (6) 와 전기적으로 접속된다. 또, 발열체 (11) 의 타단부는, 도시되지 않은 발열체 전극을 통해서 제 3 외부 접속 전극 (15) 과 접속된다. 마찬가지로, 발열체 (11) 가 절연 기판 (4) 의 내부에 형성되는 경우, 발열체 (11) 의 일단부는, 표면 전극 (5) 을 통해서 가용 도체 (6) 와 전기적으로 접속됨과 함께, 발열체 (11) 의 타단부는, 제 3 외부 접속 전극 (15) 과 접속된다.
발열체 (11) 가 절연 기판 (4) 의 이면 (4b) 에 배치 형성되어 있으면, 보호 소자 (50) 에서는, 이면 전극 (53) 이 발열체 (11) 에 의해 가열되기 때문에, 보다 많은 용융 도체 (6a) 가 응집하기 쉬워진다. 따라서, 보호 소자 (50) 에서는, 표면 전극 (5) 으로부터 도전층 (52) 을 통해서 이면 전극 (53) 으로 용융 도체 (6a) 가 흡인되는 작용을 촉진시킴으로써, 가용 도체 (6) 가 용단되기 쉬워진다.
또, 발열체 (11) 가 절연 기판 (4) 의 내부에 배치 형성되어 있으면, 보호 소자 (50) 에서는, 도전층 (52) 을 통해서 표면 전극 (5) 및 이면 전극 (53) 이 발열체 (11) 에 의해 가열됨으로써, 보다 많은 용융 도체 (6a) 가 응집하기 쉬워진다. 따라서, 보호 소자 (50) 에서는, 표면 전극 (5) 으로부터 도전층 (52) 을 통해서 이면 전극 (53) 으로 용융 도체 (6a) 가 흡인되는 작용을 촉진시킴으로써, 가용 도체 (6) 가 용단되기 쉬워진다.
또한, 발열체 (11) 가 절연 기판 (4) 의 표면 (4a) 에 배치 형성되는 경우, 발열체 (11) 가 절연 기판 (4) 의 이면 (4b) 에 배치 형성되는 경우, 발열체 (11) 가 절연 기판 (4) 의 내부에 배치 형성되는 경우 중 어느 것에 있어서도, 그 발열체 (11) 는, 흡인공 (51) 의 양측에 배치 형성되는 것이 바람직하다. 표면 전극 (5) 및 이면 전극 (53) 이 가열되기 때문에, 보다 많은 용융 도체 (6a) 가 응집함과 함께 흡인공 (51) 에 흡인되기 때문이다.
또, 보호 소자 (50) 에서는, 흡인공 (51) 의 내부에, 가용 도체 (6) 의 형성 재료와 동일 혹은 유사한 재료나, 가용 도체 (6) 의 형성 재료보다도 융점이 낮은 예비 땜납 (55) 이나, 플럭스 등이 충전되어도 된다. 보호 소자 (50) 에서는, 발열체 (11) 가 발열했을 때, 열 전도가 우수한 도전층 (52), 표면 전극 (5) 및 이면 전극 (53) 의 온도가 절연 기판 (4) 의 온도보다 먼저 높아진다. 이에 따라, 예비 땜납 (55) 등이 가용 도체 (6) 보다 먼저 용융하기 때문에, 용융 도체 (6a) 가 흡인공 (51) 에 인입된다. 따라서, 용융 도체 (6a) 는, 절연 기판 (4) 의 표면 (4a) 으로부터 이면 (4b) 으로 이동하기 때문에, 보호 소자 (50) 의 방향에 상관없이, 제 1 외부 전극 (2) 과 제 2 외부 전극 (3) 사이의 전류 경로가 차단되기 쉬워진다.
[제 1 외부 전극과 절연 기판 사이의 클리어런스 및 제 2 외부 전극과 절연 기판 사이의 클리어런스]
또한, 보호 소자 (1, 12, 50) 에서는, 외부 케이싱 (10) 에 의해 지지된 제 1 외부 전극 (2) 과 절연 기판 (4) 사이에 클리어런스가 형성되어 있기 때문에, 그 제 1 외부 전극 (2) 과 절연 기판 (4) 이 서로 이간되어 있는 것이 바람직하다. 또, 외부 케이싱 (10) 에 의해 지지된 제 2 외부 전극 (3) 과 절연 기판 (4) 사이에 클리어런스가 형성되어 있기 때문에, 그 제 2 외부 전극 (3) 과 절연 기판 (4) 이 서로 이간되어 있는 것이 바람직하다. 이들 클리어런스가 형성되어 있으면, 절연 기판 (4) 의 열 팽창 계수와 외부 케이싱 (10) 의 열 팽창 계수의 차이에서 기인하는 왜곡이 흡수되기 때문에, 보호 소자 (1, 12, 50) 의 파손이 방지된다. 또, 보호 소자 (12, 50) 에서는, 클리어런스가 형성되어 있으면, 절연 기판 (4) 과 제 1 외부 전극 (2) 사이의 열 경로가 차단됨과 함께, 절연 기판 (4) 과 제 2 외부 전극 (3) 사이의 열 경로가 차단된다. 이에 따라, 보다 효율적으로 표면 전극 (5) 으로부터 가용 도체 (6) 에 열이 전달되기 때문에, 신속하게 가용 도체 (6) 가 용단된다.
또, 제 1 외부 전극 (2) 과 절연 기판 (4) 사이에 클리어런스가 형성되어 있음과 함께, 제 2 외부 전극 (3) 과 절연 기판 (4) 사이에 클리어런스가 형성되어 있으면, 제 1 외부 전극 (2) 과 표면 전극 (5) 이 동일 평면 상에 늘어서지 않음과 함께, 제 2 외부 전극 (3) 과 표면 전극 (5) 이 동일 평면 상에 늘어서지 않는다. 이에 따라, 보호 소자 (1) 에서는, 용융 도체 (6a) 가 절연 기판 (4) 의 표면 (4a) 을 타고 제 1 외부 전극 (2) 및 제 2 외부 전극 (3) 과 접속되기 어려워지기 때문에, 높은 절연 저항을 유지할 수 있다.
여기서, 상기한 본 발명의 일 실시형태의 보호 소자를 사용하지 않는 경우의 문제점은, 이하와 같다.
본 발명의 보호 소자 (1, 12, 50) 에 대한 비교예의 보호 소자 (100) 는, 도 11 에 나타내는 바와 같이, 제 1 외부 전극 (101) 과, 제 2 외부 전극 (102) 과, 제 1 외부 전극 (101) 과 제 2 외부 전극 (102) 사이에 배치 형성된 절연 기판 (103) 과, 절연 기판 (103) 의 표면에 배치 형성된 표면 전극 (104) 과, 1 쌍의 사이드 전극 (105a, 105b) 에 의해 지지된 가용 도체 (106) 를 구비하고 있다. 제 1 외부 전극 (101) 및 제 2 외부 전극 (102) 은, 외부 케이싱 (110) 에 의해 지지되고 있다.
보호 소자 (100) 는, 제 1 외부 전극 (101) 및 제 2 외부 전극 (102) 이 외부 회로에 접속됨으로써, 그 외부 회로의 전류 경로에 장착된다. 이 때문에, 가용 도체 (106) 는, 상기한 전류 경로의 일부를 구성한다. 정격을 초과하는 과전류가 가용 도체 (106) 에 흐르면, 그 가용 도체 (106) 가 자기 발열을 이용하여 용단되기 때문에, 전류 경로가 차단된다.
또, 보호 소자 (100) 에서는, 통전에 따라 발열하는 발열체 (107) 가 절연 기판 (103) 상에 형성되어 있다. 발열체 (107) 는, W, Mo 및 Ru 등의 고융점 금속 중 어느 1 종류 또는 2 종류 이상을 포함하고 있으며, 유리 등의 절연층 (108) 에 의해 피복되어 있다. 표면 전극 (104) 은, 발열체 (107) 의 일단부와 전기적으로 접속되어 있음과 함께, 발열체 (107) 와 중첩되도록 절연층 (108) 의 표면 상에 배치 형성되어 있다. 또, 발열체 (107) 는, 도시되지 않은 발열체 전극과 접속되어 있고, 그 발열체 전극을 통해서 외부 회로와 접속되어 있다. 이에 따라, 발열체 (107) 에 대한 통전이 제어되고 있다. 보호 소자 (100) 에서는, 과전류 상태에 있어서 가용 도체 (106) 가 용단되는 경우 이외에도, 배터리 셀의 과전압 상태가 검출되면, 저항체에 의해 형성된 발열체 (107) 에 전류가 흐르기 때문에, 그 발열체 (107) 의 발열을 이용하여 가용 도체 (106) 가 용단된다.
보호 소자 (100) 에서는, 대전류에 대응하기 위해서, 가용 도체 (106) 의 단면적을 증대시킴으로써, 그 가용 도체 (106) 의 저저항화가 도모되고 있다. 여기서, 대전류에 대응하기 위해서 가용 도체 (106) 의 단면적을 증대시키면, 발열체 (107) 의 발열을 이용하여 가용 도체 (106) 를 용단시키기 위해서 시간을 필요로 함과 함께, 용단시에 있어서 가용 도체 (106) 의 용융량이 많아지기 때문에, 그 가용 도체 (106) 를 안정되게 용단시킬 필요가 있다. 이 때문에, 보호 소자 (100) 에서는, 표면 전극 (104) 의 양측에 있어서의 절연 기판 (103) 의 표면에, 서로 이간되도록 사이드 전극 (105a, 105b) 이 배치 형성되어 있다. 땜납을 이용하여 가용 도체 (106) 가 사이드 전극 (105a, 105b) 에 접속되어 있는 경우에 있어서, 발열체 (107) 가 발열하면, 사이드 전극 (105a, 105b) 은, 발열체 (107) 에 있어서 발생한 열을 효율적으로 가용 도체 (106) 에 전달하기 때문에, 그 가용 도체 (106) 는, 신속하게 가열됨과 함께 용단된다. 사이드 전극 (105a, 105b) 은, 가용 도체 (106) 가 용융하면, 젖음성을 이용하여, 그 가용 도체 (106) 의 용융물 (용융 도체) 의 일부를 표면 전극 (104), 제 1 외부 전극 (101) 및 제 2 외부 전극 (102) 으로부터 이간되도록 유지한다. 이에 따라, 보호 소자 (100) 에서는, 제 1 외부 전극 (101) 과 제 2 외부 전극 (102) 사이의 전류 경로에 장착되어 있는 가용 도체 (106) 가 용단되기 쉬워진다.
그러나, 보호 소자 (100) 에서는, 절연 기판 (103) 의 표면 상의 한정된 스페이스에 표면 전극 (104) 및 1 쌍의 사이드 전극 (105a, 105b) 이 배치되어 있기 때문에, 표면 전극 (104) 과 1 쌍의 사이드 전극 (105a, 105b) 의 거리가 작아진다. 이에 따라, 가용 도체 (106) 의 용단 후에 있어서, 용융 도체가 제 1 외부 전극 (101) 및 제 2 외부 전극 (102) 과 접속되기 쉬워지기 때문에, 절연 저항을 확보할 수 없을 우려가 있다.
또, 절연 기판 (103) 으로는, 내열 충격성이 우수함과 함께 열 전도성도 우수한 세라믹 기판이 적합하게 사용된다. 이 경우에는, 가용 도체 (106) 의 열 팽창 계수와 절연 기판 (103) 의 열 팽창 계수의 차가 크기 때문에, 고온 환경과 저온 환경에 반복해서 보호 소자 (100) 가 놓여지면, 표면 전극 (104) 과 1 쌍의 사이드 전극 (105a, 105b) 사이에 있어서, 열 팽창 계수의 차에 기인한 왜곡이 가용 도체 (106) 에 축적된다. 이에 따라, 저항값에 편차가 발생하기 때문에, 보호 소자 (100) 의 고(高)정격을 유지하는 것이 곤란해질 우려도 있다. 또한, 상기한 왜곡에 기인하여, 가용 도체 (106) 및 사이드 전극 (105a, 105b) 에 크랙 및 박리 등이 발생할 우려도 있다. 이와 같은 경향은, 보호 소자 (100) 의 정격을 향상시키기 위해서 가용 도체 (106) 를 대형화할수록 현저해진다.
실시예
이어서, 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다. 본 실시예에서는, 가용 도체 (6) 가 절연 기판 (4) 상에 있어서 표면 전극 (5) 에 의해서만 지지된 보호 소자 (1) (실시예：도 1 참조) 와, 가용 도체 (106) 가 절연 기판 (103) 상에 있어서 표면 전극 (104) 및 1 쌍의 사이드 전극 (105a, 105b) 에 의해 지지된 보호 소자 (100) (비교예：도 11 참조) 를 준비한 후, 전류 차단시에 있어서의 절연성과, 발열체 (11, 107) 의 발열을 이용한 용단 특성과, 온도 사이클 시험시의 신뢰성을 평가하였다.
실시예의 보호 소자 (1) 및 비교예의 보호 소자 (100) 에서는, 절연 기판 (4, 103) 으로서, 이면에 발열체 (11, 107) 가 형성된 세라믹 기판 (열 팽창 계수 = 7 ppm/℃) 을 사용하였다. 또, 제 1 외부 전극 (2, 101) 및 제 2 외부 전극 (3, 102) 에 전기적으로 접속되는 가용 도체 (6, 106) 로서, Ag 도금 처리 (두께 = 6 ㎛) 가 실시된 Sn-Ag-Cu 계 금속박 (두께 = 0.35 ㎜, 폭 = 5.4 ㎜, 열 팽창 계수 = 22 ppm/℃) 을 사용하였다. 가용 도체 (6, 106) 와 제 1 외부 전극 (2, 101) 및 제 2 외부 전극 (3, 102) 은, 땜납을 통해서 접속되었다. 또, 제 1 외부 전극 (2, 101) 및 제 2 외부 전극 (3, 102) 은, PPS 제 외부 케이싱 (10, 110) (열 팽창 계수 = 20 ppm/℃) 에 의해 지지되었다.
실시예의 보호 소자 (1) 및 비교예의 보호 소자 (100) 에 대해, 190 A, 35 V 의 조건으로 통전시킴으로써, 자기 발열을 이용하여 가용 도체 (6, 106) 를 용단 시켰다. 용단 시간은, 실시예의 보호 소자 (1) 및 비교예의 보호 소자 (100) 중 어느 것에 있어서도, 약 5 초였다. 용단 후, 제 1 외부 전극 (2, 101) 과 제 2 외부 전극 (3, 102) 사이의 절연 저항값을 측정함으로써, 106 Ω 이상의 절연 저항이 확보되어 있는지 여부를 확인하였다. 측정 결과를 표 1 에 나타낸다.
표 1 에 나타내는 바와 같이, 실시예의 보호 소자 (1) 에서는, 16 개의 샘플 모두에 있어서, 106 Ω 이상의 절연 저항이 확보되어 있다. 한편, 비교예의 보호 소자 (100) 에서는, 전체 8 개의 샘플 중, 3 개의 샘플에 있어서 절연 저항값이 106 Ω 미만이 되었다. 비교예의 보호 소자 (100) 에서는, 사이드 전극 (105a, 105b) 이 형성되어 있음으로써, 제 1 외부 전극 (101), 제 2 외부 전극 (102), 사이드 전극 (105a, 105b) 및 표면 전극 (104) 의 각각의 위치가 서로 가깝기 때문에, 아크 방전시에 비산된 용융 도체에 기인하여 단락이 발생하기 쉬워졌던 것이 원인으로 생각된다. 이에 대해, 가용 도체 (6) 가 절연 기판 (4) 상에 있어서 표면 전극 (5) 에 의해서만 지지되고 있는 실시예의 보호 소자 (1) 는, 상기한 단락이 잘 발생하지 않기 때문에, 높은 절연 저항을 유지하기 위해서 유효하다.
또, 실시예의 보호 소자 (1) 및 비교예의 보호 소자 (100) 에 있어서, 발열체 (11, 107) 를 통전 및 발열시킴으로써 가용 도체 (6, 106) 를 용단시킨 결과, 실시예의 보호 소자 (1) 및 비교예의 보호 소자 (100) 중 어느 것에 있어서도, 인가 전력이 30 W 의 조건에 있어서 용단 시간이 약 10 초, 인가 전력이 90 W 의 조건에 있어서 용단 시간이 약 1.5 초였다. 즉, 사이드 전극 (105a, 105b) 을 구비하고 있지 않은 실시예의 보호 소자 (1) 는, 사이드 전극 (105a, 105b) 을 구비하고 있는 비교예의 보호 소자 (100) 와 마찬가지로, 넓은 동작 전력 범위에서 신속하게 가용 도체 (6) 를 용단시킬 수 있었다.
이어서, 실시예의 보호 소자 (1) 및 비교예의 보호 소자 (100) 를 사용하여 온도 사이클 시험을 실시함으로써, 초기의 도통 저항값과, 온도 사이클 시험 후의 도통 저항값을 측정하였다. 측정 결과를 표 2 에 나타낸다. 온도 사이클 시험에서는, ―40 ℃ (30 min) 와 100 ℃ (30 min) 사이에 있어서 온도를 변화시킴과 함께, 사이클 수를 300 사이클로 하였다.
표 2 에 나타내는 바와 같이, 실시예의 보호 소자 (1) 에서는, 온도 사이클 시험 후에 있어서의 저항값의 상승률이 1.4 ％ 로 억제되었던 것에 반해, 비교예의 보호 소자 (100) 에서는, 온도 사이클 시험 후에 있어서의 저항값의 상승률이 3.9 ％ 까지 높아졌다.
비교예의 보호 소자 (100) 에서는, 가용 도체 (106) 가 사이드 전극 (105a, 105b) 및 표면 전극 (104) 에 의해 복수 지점에 있어서 절연 기판 (103) 에 고정되어 있다. 이 경우에는, 온도 사이클 시험을 실시하면, 절연 기판 (103) 의 열 팽창 계수와 가용 도체 (106) 의 열 팽창 계수의 차에 기인하여 응력이 반복해서 발생하기 때문에, 가용 도체 (106) 를 절연 기판 (103) 에 고정시키고 있는 사이드 전극 (105a, 105b) 과 표면 전극 (104) 사이에 왜곡이 발생한다. 이에 따라, 가용 도체 (106) 의 변형에 기인하여 저항값이 변동하기 때문에, 정격의 유지 및 속용단성 등에 관해서 신뢰성이 저하되었다.
한편, 실시예의 보호 소자 (1) 에서는, 가용 도체 (6) 가 표면 전극 (5) 에 의해 1 개 지점에 있어서 절연 기판 (4) 에 고정되어 있기 때문에, 상기한 왜곡의 발생이 억제된다. 또, 제 1 외부 전극 (2) 및 제 2 외부 전극 (3) 을 지지하는 외부 케이싱 (10) 의 열 팽창 계수와 가용 도체 (6) 의 열 팽창 계수의 차가 작기 때문에, 제 1 외부 전극 (2) 및 제 2 외부 전극 (3) 과 표면 전극 (5) 의 사이에 왜곡은 거의 발생하지 않는다. 따라서, 가용 도체 (6) 가 절연 기판 (4) 상에 있어서 표면 전극 (5) 에 의해서만 지지된 구성을 채용함으로써, 보호 소자 (1) 가 다양한 온도 환경하에 노출된 경우에 있어서도, 고정격의 유지 및 속용단성에 관해서 신뢰성이 확보되었다.
본 출원은, 일본 특허청에 있어서 2014년 5월 30일에 출원된 일본 특허출원번호 제2014-112811호를 기초로 하여 우선권을 주장하는 것이며, 이 출원의 모든 내용을 참조에 의해 본 출원에 원용한다.
당업자라면, 설계상의 요건이나 다른 요인에 따라, 여러 가지 수정, 콤비네이션, 서브 콤비네이션, 및 변경을 상도할 수 있지만, 그것들은 첨부된 청구범위의 취지나 그 균등물의 범위에 포함되는 것인 것이 이해된다.
1 : 보호 소자
2 : 제 1 외부 전극
3 : 제 2 외부 전극
4 : 절연 기판
4a : 표면
4b : 이면
5 : 표면 전극
6 : 가용 도체
7 : 접속 재료
10 : 외부 케이싱
11 : 발열체
12 : 보호 소자
13 : 절연층
15 : 제 3 외부 접속 전극
30 : 배터리 팩
31 ∼ 34 : 배터리 셀
35 : 배터리 스택
36 : 검출 회로
37 : 전류 제어 소자
40 : 충방전 제어 회로
41, 42 : 전류 제어 소자
43 : 제어부
45 : 충전 장치
50 : 보호 소자
51 : 흡인공
52 : 도전층
53 : 이면 전극
55 : 예비 땜납
2 : 제 1 외부 전극
3 : 제 2 외부 전극
4 : 절연 기판
4a : 표면
4b : 이면
5 : 표면 전극
6 : 가용 도체
7 : 접속 재료
10 : 외부 케이싱
11 : 발열체
12 : 보호 소자
13 : 절연층
15 : 제 3 외부 접속 전극
30 : 배터리 팩
31 ∼ 34 : 배터리 셀
35 : 배터리 스택
36 : 검출 회로
37 : 전류 제어 소자
40 : 충방전 제어 회로
41, 42 : 전류 제어 소자
43 : 제어부
45 : 충전 장치
50 : 보호 소자
51 : 흡인공
52 : 도전층
53 : 이면 전극
55 : 예비 땜납
Claims (8)
- 제 1 외부 전극과,
제 2 외부 전극과,
상기 제 1 외부 전극과 상기 제 2 외부 전극의 사이에 배치 형성된 절연 기판과,
상기 절연 기판의 표면에 배치 형성된 표면 전극과,
상기 제 1 외부 전극 및 상기 제 2 외부 전극의 각각에 전기적으로 접속됨과 함께, 상기 절연 기판의 표면 상에 있어서 상기 표면 전극에 의해서만 지지된 가용 도체를 구비한, 보호 소자. - 제 1 항에 있어서,
또한, 상기 제 1 외부 전극 및 상기 제 2 외부 전극의 각각을 지지하는 외부 케이싱을 구비한, 보호 소자. - 제 2 항에 있어서,
상기 외부 케이싱은,
상기 가용 도체의 열 팽창 계수와 동일한 열 팽창 계수를 갖고,
또는, 상기 가용 도체의 열 팽창 계수에 근사하는 열 팽창 계수를 갖는, 보호 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 표면 전극은, 상기 절연 기판의 표면의 대략 중앙부에 형성되어 있는, 보호 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 절연 기판 상 또는 상기 절연 기판의 내부에 배치 형성된 발열체를 구비한, 보호 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 절연 기판은, 두께 방향으로 1 개 이상의 흡인공을 갖고,
상기 1 개 이상의 흡인공은, 상기 가용 도체의 용융물인 용융 도체를 흡인하는, 보호 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 외부 전극과 상기 절연 기판이 서로 이간되어 있음과 함께, 상기 제 2 외부 전극과 상기 절연 기판이 서로 이간되어 있는, 보호 소자. - 1 개 이상의 배터리 셀과,
상기 1 개 이상의 배터리 셀에 흐르는 전류를 차단 가능해지도록, 그 1 개 이상의 배터리 셀에 접속된 보호 소자와,
상기 1 개 이상의 배터리 셀의 각각의 전압값을 검출함과 함께 상기 보호 소자를 가열하기 위한 전류를 제어하는 전류 제어 소자를 구비하고,
상기 보호 소자는,
제 1 외부 전극과,
제 2 외부 전극과,
상기 제 1 외부 전극과 상기 제 2 외부 전극의 사이에 배치 형성된 절연 기판과,
상기 절연 기판의 표면에 배치 형성된 표면 전극과,
상기 제 1 외부 전극 및 상기 제 2 외부 전극의 각각에 전기적으로 접속됨과 함께, 상기 절연 기판의 표면 상에 있어서 상기 표면 전극에 의해서만 지지된 가용 도체를 구비한, 배터리 팩.
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| DE202008009225U1 (de) * | 2008-07-09 | 2008-09-18 | Rosenberger Hochfrequenztechnik Gmbh & Co. Kg | Streifenleitung mit Durchkontaktierung |
| CN201584389U (zh) * | 2009-06-26 | 2010-09-15 | 颜琼章 | 一种改良电阻保险丝装置 |
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