KR20210089766A - 보호 소자 및 배터리 팩 - Google Patents
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Abstract
용단 부재의 부동을 방지함과 함께 가용 도체의 변형을 방지하여, 소정의 전류 용량 및 용단 특성을 유지할 수 있는 보호 소자 및 배터리 팩을 제공한다. 보호 소자(1)는, 가용 도체(2)와, 가용 도체(2)의 한쪽 면에 접속된 용단 부재(4)를 구비하고, 용단 부재(4)는, 절연 기판(3)과, 절연 기판(3)의 가용 도체(2)에 접속되는 표면(3a)에 형성되고, 가용 도체(2)와 접속되어, 가용 도체(2)의 변형을 억제하는 변형 억제 전극(5)을 갖는다.
Description
본 기술은, 전류 경로를 용단함으로써, 전류 경로 상에 접속된 회로를 보호하는 보호 소자 및 배터리 팩에 관한 것이다. 본 출원은, 일본에서 2018년 12월 19일에 출원된 일본 특허 출원 번호 제2018-237413호를 기초로 해서 우선권을 주장하는 것이며, 이 출원은 참조됨으로써 본 출원에 원용된다.
충전해서 반복 이용할 수 있는 이차 전지의 대부분은, 배터리 팩으로 가공되어 유저에게 제공된다. 특히 중량 에너지 밀도가 높은 리튬 이온 이차 전지에 있어서는, 유저 및 전자 기기의 안전을 확보하기 위해서, 일반적으로 과충전 보호, 과방전 보호 등의 몇 가지의 보호 회로를 배터리 팩에 내장하여, 소정의 경우에 배터리 팩의 출력을 차단하는 기능을 갖고 있다.
많은 리튬 이온 이차 전지를 사용한 전자 장치에 있어서는, 배터리 팩에 내장된 FET 스위치를 사용해서 출력의 ON/OFF를 행함으로써, 배터리 팩의 과충전 보호 또는 과방전 보호 동작을 행한다. 그러나, 어떠한 원인으로 FET 스위치가 단락 파괴된 경우, 낙뢰 서지 등이 인가되어 순간적인 대전류가 흘렀을 경우, 혹은 배터리 셀의 수명에 따라 출력 전압이 비정상적으로 저하되거나, 반대로 과대 이상 전압을 출력한 경우에도 배터리 팩이나 전자 기기는, 발화 등의 사고로부터 보호되지 않으면 안된다. 그래서, 이러한 상정할 수 있는 어떠한 이상 상태에서도, 배터리 셀의 출력을 안전하게 차단하기 위해서, 외부로부터의 신호에 의해 전류 경로를 차단하는 기능을 갖는 퓨즈 소자를 포함하는 보호 소자가 사용되고 있다.
이러한 리튬 이온 이차 전지 등에 적합한 보호 회로의 보호 소자로서, 보호 소자 내부에 발열체를 갖고, 이 발열체의 발열에 의해 전류 경로 상의 가용 도체를 용단하는 구조가 사용되고 있다.
리튬 이온 이차 전지의 용도는, 근년 확대되고 있어, 보다 대전류의 용도, 예를 들어 전동 드라이버 등의 전동 공구나, 하이브리드카, 전기 자동차, 전기 자전거 등의 수송 기기에 채용이 검토되고, 일부 채용이 개시되어 있다. 이들 용도에 있어서, 특히 기동 시 등에는, 수10A 내지 100A를 초과하는 대전류가 흐르는 경우가 있다. 이러한 대전류 용량에 대응한 보호 소자의 실현이 요망되고 있다.
이러한 대전류에 대응하는 보호 소자를 실현하기 위해서, 단면적을 증대시킨 가용 도체를 사용하여, 이 가용 도체의 표면에, 발열체를 형성한 절연 기판을 접속한 보호 소자가 제안되어 있다.
도 16의 (A), (B)는, 대전류 용도를 상정한 보호 소자의 일례를 도시하는 도면이다. 도 16에 도시하는 보호 소자(100)는, 배터리의 충방전 회로 등의 외부 회로에 마련된 제1, 제2 외부 접속 전극(101, 102) 사이에 가용 도체(103)가 접속됨으로써 당해 외부 회로의 일부를 구성하고, 과전압 등의 이상 시에는, 가용 도체(103)가 용융함으로써 제1 외부 접속 전극(101)과 제2 외부 접속 전극(102)의 사이의 전류 경로를 차단하는 것이다.
보호 소자(100)는, 제1, 제2 외부 접속 전극(101, 102) 사이에 걸쳐서 접속된 가용 도체(103)와, 가용 도체(103)에 접속되어, 가용 도체(103)를 가열 용융시키는 발열체를 구비한 용단 부재(104)를 갖는다. 용단 부재(104)는, 제1, 제2 외부 접속 전극(101, 102) 사이에 배치된 절연 기판(105)과, 절연 기판(105)의 표면에 형성되어, 가용 도체(103)의 일부와 접속된 표면 전극(106)과, 절연 기판(105)에 마련된 발열체(107)와, 절연 기판(105)의 두께 방향으로 마련되어, 표면 전극(106)과 연속하는 관통 구멍(110)을 구비한다.
관통 구멍(110)은, 내부에 도전층이 형성되어, 가용 도체(103)가 용융하면, 모관 현상에 의해 가용 도체(103)의 용융 도체를 흡인한다. 보호 소자(100)는, 대전류 용도에 대응하기 위해서 가용 도체(103)의 단면적을 증대시킴으로써, 용융량이 증대한 경우에도, 관통 구멍(110)에 흡인시킴으로써 용융 도체의 체적을 감소시켜, 이에 의해 차단 시의 용융 도체의 비산을 경감하여, 절연 저항의 저하를 방지하고, 또한 가용 도체(103)의 탑재 위치의 주변 회로에의 부착에 의한 단락 고장을 방지할 수 있다.
여기서, 가용 도체(103)는, 제1, 제2 외부 접속 전극(101, 102) 및 표면 전극(106) 상에 땜납(109) 등의 접합 재료를 통해서 접속된다. 이 때문에, 보호 소자(100)를 리플로우로에 의해 외부 회로 기판 상에 실장을 행하는 경우에, 도 17에 도시하는 바와 같이, 이 접합 땜납(109)이 용융하여, 안정적으로 응집하려고 표면 전극(106) 상을 부동(浮動)하기 때문에, 용단 부재(104)가 회전하거나 기울어지거나 하는 등, 소정의 위치에 고정할 수 없게 될 우려가 있다. 또한, 가용 도체(103)도 리플로우 가열에 의해 연화되기 때문에, 용융한 접합 땜납(109)이 부동함으로써 흡인 부재(104)가 불안정해지면, 용융한 접합 땜납(109)의 장력이 연화된 가용 도체(103)에 불균등하게 가해져서 변형을 초래할 우려가 있다.
그리고, 보호 소자(100)는, 가용 도체(103)가 변형하면, 저항값에 변동이 생겨서, 소정의 전류 용량이 얻어지지 않거나, 혹은 소정의 용단 특성이 얻어지지 않는 등의 문제가 생길 수 있다.
그래서, 본 기술은, 용단 부재의 부동을 방지함과 함께 가용 도체의 변형을 방지하여, 소정의 전류 용량 및 용단 특성을 유지할 수 있는 보호 소자, 및 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위해서, 본 기술에 따른 보호 소자는, 가용 도체와, 상기 가용 도체의 한쪽 면에 접속된 용단 부재를 구비하고, 상기 용단 부재는, 절연 기판과, 상기 절연 기판의 상기 가용 도체에 접속되는 표면에 형성되고, 상기 가용 도체와 접속되어, 상기 가용 도체의 변형을 억제하는 변형 억제 전극을 갖는 것이다.
또한, 본 기술에 따른 보호 소자는, 가용 도체와, 상기 가용 도체의 한쪽 면에 접속된 제1 용단 부재와, 상기 가용 도체의 다른 쪽 면에 접속된 제2 용단 부재를 구비하고, 상기 제1 용단 부재는, 제1 절연 기판과, 상기 제1 절연 기판의 상기 가용 도체에 접속되는 표면에 형성되고, 상기 가용 도체와 접속되어, 상기 가용 도체의 변형을 억제하는 제1 변형 억제 전극을 갖고, 상기 제2 용단 부재는, 제2 절연 기판과, 상기 제2 절연 기판의 상기 가용 도체에 접속되는 표면에 형성되고, 상기 가용 도체와 접속되어, 상기 가용 도체의 변형을 억제하는 제2 변형 억제 전극을 갖는 것이다.
또한, 본 기술에 따른 배터리 팩은, 1개 이상의 배터리 셀과, 상기 배터리 셀의 충방전 경로 상에 접속되어, 해당 충방전 경로를 차단하는 보호 소자와, 상기 배터리 셀의 전압 값을 검출해서 상기 보호 소자로의 통전을 제어하는 전류 제어 소자를 구비하고, 상기 보호 소자는, 상기 충방전 경로 상에 접속되는 가용 도체와, 상기 가용 도체의 한쪽 면에 접속된 용단 부재를 구비하고, 상기 용단 부재는, 절연 기판과, 상기 절연 기판의 상기 가용 도체에 접속되는 표면에 형성되고, 상기 가용 도체와 접속되어, 상기 가용 도체의 변형을 억제하는 변형 억제 전극을 갖고, 상기 가용 도체가 용융함으로써 상기 충방전 경로를 차단하는 것이다.
또한, 본 기술에 따른 배터리 팩은, 1개 이상의 배터리 셀과, 상기 배터리 셀의 충방전 경로 상에 접속되어, 해당 충방전 경로를 차단하는 보호 소자와, 상기 배터리 셀의 전압 값을 검출해서 상기 보호 소자로의 통전을 제어하는 전류 제어 소자를 구비하고, 상기 보호 소자는, 상기 충방전 경로 상에 접속되는 가용 도체와, 상기 가용 도체의 한쪽 면에 접속된 제1 용단 부재와, 상기 가용 도체의 다른 쪽 면에 접속된 제2 용단 부재를 구비하고, 상기 제1 용단 부재는, 제1 절연 기판과, 상기 제1 절연 기판의 상기 가용 도체에 접속되는 표면에 형성되고, 상기 가용 도체와 접속되어, 상기 가용 도체의 변형을 억제하는 제1 변형 억제 전극을 갖고, 상기 제2 용단 부재는, 제2 절연 기판과, 상기 제2 절연 기판의 상기 가용 도체에 접속되는 표면에 형성되고, 상기 가용 도체와 접속되어, 상기 가용 도체의 변형을 억제하는 제2 변형 억제 전극을 갖고, 상기 가용 도체가 용융함으로써 상기 충방전 경로를 차단하는 것이다.
본 기술에 의하면, 변형 억제 전극은, 용단 부재와 가용 도체의 접속이나 보호 소자의 외부 회로 기판 상에의 실장에 있어서 리플로우 가열되는 등, 용단 부재가 고온 환경에 노출되었을 때, 가용 도체의 열을 절연 기판측에 방열시켜, 축열에 의해 가용 도체가 변형하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 변형 억제 전극은, 리플로우 실장 등의 고온 환경에 노출되었을 때, 가열에 의해 액상으로 연화된 접속재가 부동하는 영역을 한정한다. 이에 의해, 연화된 접속재의 부동에 수반하여 절연 기판이 요동해서 가용 도체가 변형하는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 기술이 적용된 보호 소자를 도시하는 도면이며, (A)는 케이스 부재를 생략해서 도시하는 평면도, (B)는 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시하는 본 기술이 적용된 보호 소자의 가용 도체가 용단된 상태를 도시하는 단면도이다.
도 3은 절연 기판에 마련된 변형 억제 전극의 구성예를 도시하는 평면도이다.
도 4는 절연 기판에 마련된 변형 억제 전극의 구성예를 도시하는 평면도이다.
도 5는 절연 기판에 마련된 변형 억제 전극의 구성예를 도시하는 평면도이다.
도 6은 측면에 방열 전극을 형성한 절연 기판을 도시하는 도면이며, (A)는 절연 기판의 이면을 나타내는 저면도이고, (B)는 절연 기판의 표면을 도시하는 평면도이다.
도 7은 측면 및 이면에 방열 전극을 형성한 절연 기판을 도시하는 도면이며, (A)는 절연 기판의 이면을 나타내는 저면도이고, (B)는 절연 기판의 표면을 도시하는 평면도이다.
도 8은 방열 전극 및 스루홀을 형성한 절연 기판을 도시하는 도면이며, (A)는 절연 기판의 이면을 나타내는 저면도이고, (B)는 절연 기판의 표면을 도시하는 평면도이다.
도 9는 방열 전극, 사이드 스루홀 및 스루홀을 형성한 절연 기판을 도시하는 도면이며, (A)는 절연 기판의 이면을 나타내는 저면도이고, (B)는 절연 기판의 표면을 도시하는 평면도이다.
도 10은 고융점 금속층과 저융점 금속층을 갖고, 피복 구조를 구비하는 가용 도체를 도시하는 사시도이며, 저융점 금속층을 내층으로 하고 고융점 금속층으로 피복한 구조를 나타낸다.
도 11은 보호 소자가 사용된 배터리 팩의 구성예를 도시하는 블록도이다.
도 12는 본 발명이 적용된 보호 소자의 회로도이다.
도 13은 용단 부재를 복수 구비한 보호 소자를 도시하는 단면도이며, (A)는 케이스 부재를 생략해서 도시하는 평면도, (B)는 단면도이다.
도 14는 도 13에 도시하는 용단 부재를 복수 구비한 보호 소자를 도시하는 회로도이다.
도 15는 도 13에 도시하는 본 기술이 적용된 보호 소자의 가용 도체가 용단된 상태를 도시하는 단면도이다.
도 16은 대전류 용도를 상정한 보호 소자의 일례를 도시하는 도면이며, (A)는 케이스 부재를 생략해서 도시하는 평면도, (B)는 단면도이다.
도 17은 도 16에 도시하는 보호 소자에 있어서, 가용 도체에 변형을 초래한 상태를 도시하는 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시하는 본 기술이 적용된 보호 소자의 가용 도체가 용단된 상태를 도시하는 단면도이다.
도 3은 절연 기판에 마련된 변형 억제 전극의 구성예를 도시하는 평면도이다.
도 4는 절연 기판에 마련된 변형 억제 전극의 구성예를 도시하는 평면도이다.
도 5는 절연 기판에 마련된 변형 억제 전극의 구성예를 도시하는 평면도이다.
도 6은 측면에 방열 전극을 형성한 절연 기판을 도시하는 도면이며, (A)는 절연 기판의 이면을 나타내는 저면도이고, (B)는 절연 기판의 표면을 도시하는 평면도이다.
도 7은 측면 및 이면에 방열 전극을 형성한 절연 기판을 도시하는 도면이며, (A)는 절연 기판의 이면을 나타내는 저면도이고, (B)는 절연 기판의 표면을 도시하는 평면도이다.
도 8은 방열 전극 및 스루홀을 형성한 절연 기판을 도시하는 도면이며, (A)는 절연 기판의 이면을 나타내는 저면도이고, (B)는 절연 기판의 표면을 도시하는 평면도이다.
도 9는 방열 전극, 사이드 스루홀 및 스루홀을 형성한 절연 기판을 도시하는 도면이며, (A)는 절연 기판의 이면을 나타내는 저면도이고, (B)는 절연 기판의 표면을 도시하는 평면도이다.
도 10은 고융점 금속층과 저융점 금속층을 갖고, 피복 구조를 구비하는 가용 도체를 도시하는 사시도이며, 저융점 금속층을 내층으로 하고 고융점 금속층으로 피복한 구조를 나타낸다.
도 11은 보호 소자가 사용된 배터리 팩의 구성예를 도시하는 블록도이다.
도 12는 본 발명이 적용된 보호 소자의 회로도이다.
도 13은 용단 부재를 복수 구비한 보호 소자를 도시하는 단면도이며, (A)는 케이스 부재를 생략해서 도시하는 평면도, (B)는 단면도이다.
도 14는 도 13에 도시하는 용단 부재를 복수 구비한 보호 소자를 도시하는 회로도이다.
도 15는 도 13에 도시하는 본 기술이 적용된 보호 소자의 가용 도체가 용단된 상태를 도시하는 단면도이다.
도 16은 대전류 용도를 상정한 보호 소자의 일례를 도시하는 도면이며, (A)는 케이스 부재를 생략해서 도시하는 평면도, (B)는 단면도이다.
도 17은 도 16에 도시하는 보호 소자에 있어서, 가용 도체에 변형을 초래한 상태를 도시하는 단면도이다.
이하, 본 기술이 적용된 보호 소자 및 배터리 팩에 대해서, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 본 기술은, 이하의 실시 형태에만 한정되는 것은 아니며, 본 기술의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변경이 가능한 것은 물론이다. 또한, 도면은 모식적인 것이며, 각 치수의 비율 등은 현실의 것과는 다른 경우가 있다. 구체적인 치수 등은 이하의 설명을 참작해서 판단해야 하는 것이다. 또한, 도면 상호간에 있어서도 서로의 치수 관계나 비율이 다른 부분이 포함되어 있는 것은 물론이다.
[제1 실시 형태]
본 기술이 적용된 보호 소자(1)는, 도 1의 (A), (B)에 도시하는 바와 같이, 가용 도체(2)와, 가용 도체(2)의 한쪽 면에 접속된 용단 부재(4)를 갖는다. 용단 부재(4)는, 가용 도체(2)의 한쪽 면에 접속된 절연 기판(3)과, 절연 기판(3)의 가용 도체(2)에 접속되는 표면(3a)에 형성되어, 가용 도체(2)와 접속됨으로써 가용 도체(2)의 변형을 억제하는 변형 억제 전극(5)을 갖는다. 그리고, 보호 소자(1)는, 외부 회로에 내장됨으로써, 가용 도체(2)가 당해 외부 회로의 전류 경로의 일부를 구성하여, 후술하는 발열체(10)의 발열, 혹은 정격을 초과하는 과전류에 의해 용단함으로써 전류 경로를 차단하는 것이다.
절연 기판(3)은, 예를 들어 알루미나, 유리 세라믹스, 멀라이트, 지르코니아 등의 절연성을 갖는 부재에 의해 형성된다. 그 밖에, 절연 기판(3)은, 유리 에폭시 기판, 페놀 기판 등의 프린트 배선 기판에 사용되는 재료를 사용해도 된다.
또한, 절연 기판(3)은, 표면(3a)에, 가용 도체(2)가 접속됨과 함께, 가용 도체(2)가 용융하면 용융 도체(2a)가 응집하는 표면 전극(6)이 형성되어 있다. 표면 전극(6)은, 접속 땜납(20) 등의 접합 재료를 통해서 가용 도체(2)에 접속되어 있다.
표면 전극(6)은 흡인 구멍(7)을 형성해도 된다. 흡인 구멍(7)은, 가용 도체(2)가 용융하면, 모관 현상에 의해 이 용융 도체(2a)를 흡인하여, 표면 전극(6) 상에서 보유하는 용융 도체(2a)의 체적을 감소시키는 것이다(도 2 참조). 보호 소자(1)는, 대전류 용도에 대응하기 위해서 가용 도체(2)의 단면적을 증대시킴으로써, 용융량이 증대한 경우에도, 흡인 구멍(7)에 흡인시킴으로써 용융 도체(2a)의 체적을 감소시킬 수 있다. 이에 의해, 보호 소자(1)는, 가용 도체(2)의 용단 시에 발생하는 아크 방전에 의한 용융 도체(2a)의 비산을 경감하여, 절연 저항의 저하를 방지하고, 또한 가용 도체(2)의 탑재 위치의 주변 회로로의 부착에 의한 단락 고장을 방지할 수 있다.
흡인 구멍(7)은 내면에 도전층(8)이 형성되어 있다. 도전층(8)이 형성됨으로써, 흡인 구멍(7)은 용융 도체(2a)를 흡인하기 쉽게 할 수 있다. 도전층(8)은, 예를 들어 구리, 은, 금, 철, 니켈, 팔라듐, 납, 주석 중 어느 것, 또는 어느 것을 주성분으로 하는 합금에 의해 형성되고, 흡인 구멍(7)의 내면에 전해 도금이나 도전 페이스트의 인쇄 등의 공지된 방법에 의해 형성할 수 있다. 또한, 도전층(8)은, 복수의 금속선이나, 도전성을 갖는 리본의 집합체를 흡인 구멍(7) 내에 삽입함으로써 형성해도 된다.
또한, 흡인 구멍(7)은, 절연 기판(3)의 두께 방향으로 관통하는 관통 구멍으로서 형성되는 것이 바람직하다. 이에 의해, 흡인 구멍(7)은, 용융 도체(2a)를 절연 기판(3)의 이면(3b)측까지 흡인 할 수 있어, 보다 많은 용융 도체(2a)를 흡인하여, 용단 부위에서의 용융 도체(2a)의 체적을 감소시킬 수 있다. 또한, 흡인 구멍(7)은 비관통 구멍으로서 형성해도 된다.
흡인 구멍(7)의 도전층(8)은, 절연 기판(3)의 표면(3a)에 형성된 표면 전극(6)과 연속되어 있다. 표면 전극(6)은, 가용 도체(2)를 지지함과 함께 용융 도체(2a)가 응집하기 때문에, 표면 전극(6)과 도전층(8)이 연속함으로써, 용융 도체(2a)를 흡인 구멍(7) 내에 유도하기 쉽게 할 수 있다.
또한, 절연 기판(3)의 이면(3b)에는, 흡인 구멍(7)의 도전층(8)과 접속된 이면 전극(9)이 형성되어 있다. 이면 전극(9)은 도전층(8)과 연속함으로써, 가용 도체(2)가 용융하면, 흡인 구멍(7)을 통해서 이동한 용융 도체(2a)가 응집한다(도 2 참조). 이에 의해, 보호 소자(1)는, 보다 많은 용융 도체(2a)를 흡인하여, 용단 부위에서의 용융 도체(2a)의 체적을 감소시킬 수 있다.
또한, 보호 소자(1)는, 흡인 구멍(7)을 복수 형성함으로써, 가용 도체(2)의 용융 도체(2a)를 흡인하는 경로를 증가시켜, 보다 많은 용융 도체(2a)를 흡인함으로써, 용단 부위에서의 용융 도체(2a)의 체적을 감소시키도록 해도 된다.
[변형 억제 전극]
절연 기판(3)의 표면(3a)에는, 가용 도체(2)의 변형을 억제하는 변형 억제 전극(5)이 형성되어 있다. 변형 억제 전극(5)은, 접속 땜납(20) 등의 접합 재료를 통해서 가용 도체(2)와 접속되어 있다. 그리고, 변형 억제 전극(5)은, 용단 부재(4)와 가용 도체(2)의 접속이나 보호 소자(1)의 외부 회로 기판 상으로의 실장에 있어서 리플로우 가열되는 등, 용단 부재(4)가 고온 환경에 노출되었을 때, 가용 도체(2)의 열을 절연 기판(3)측에 방열시켜, 축열에 의해 가용 도체(2)가 변형하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 변형 억제 전극(5)은, 리플로우 실장 등의 고온 환경에 노출되었을 때, 가열에 의해 액상으로 연화된 접속 땜납(20)이 부동하는 영역을 한정한다. 이에 의해, 연화된 접속 땜납의 부동에 수반하여 절연 기판(3)이 요동해서 가용 도체(2)가 변형하는 것을 방지할 수 있다.
변형 억제 전극(5)은, 접속 땜납(20)을 통해서 가용 도체(2)의 일부와 접속되어, 이에 의해 가용 도체(2)의 방열을 도모하고, 또한 절연 기판(3)의 요동을 방지한다. 이 때문에, 변형 억제 전극(5)은, 도 3 내지 5에 도시하는 바와 같이, 가용 도체(2)와의 접속 부위에서, 복수의 소 전극(5a)이 형성되는 것이 바람직하다. 복수의 소 전극(5a)이 형성됨으로써, 당해 접속 부위에서 변형 억제 전극(5)은 소면적화된 소 전극(5a)의 집합으로서 형성되기 때문에, 가용 도체(2)와의 접촉 면적은 실질적으로 1개의 대면적의 전극과 마찬가지로 크게 확보하면서, 연화된 접속 땜납(20)의 부동 영역이 소면적으로 세분화된 변형 억제 전극(5)의 각 소 전극(5a)의 면적 내로 한정된다. 따라서, 변형 억제 전극(5)은, 가용 도체(2)의 방열 특성을 유지하면서, 접속 땜납(20)의 부동을 억제하여, 가용 도체(2)에 대한 절연 기판(3)의 요동을 억제할 수 있다.
여기서, 변형 억제 전극(5)과 가용 도체(2)의 접속 부위란, 복수의 소 전극(5a)이 인접해서 마련됨으로써 한 덩어리로 존재하고 있다고 인식되는 부위를 말하며, 예를 들어 도 3 내지 5에 도시하는 바와 같이, 표면 전극(6)을 사이에 둔 양측에 각 2 내지 3의 소 전극(5a)이 근접 배치됨으로써, 각각 한 곳에 뭉쳐서 존재하고 있다고 인식할 수 있는 부위를 말한다. 변형 억제 전극(5)은, 가용 도체(2)와의 접속 부위에서, 복수의 소 전극(5a)에 의해 구성됨으로써, 각 소 전극(5a)의 면적을 협소화할 수 있어, 이에 의해 연화된 접속 땜납(20)의 부동 영역을 한정할 수 있다.
각 소 전극(5a)의 면적 및 인접하는 소 전극(5a)과의 거리로서는, 액상으로 연화된 접속 땜납(20)을 보유 지지 가능한 크기이면서 또한 인접하는 소 전극(5a)의 접속 땜납(20)과 일체가 되지 않을 것이 요구되며, 가용 도체(2)나 절연 기판(3)의 크기나 형상, 접속 땜납(20)의 도포량 등에 따라서 적절히 설계된다.
또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 변형 억제 전극(5)은, 절연 기판(3)의 외주측에 형성되는 것이 바람직하다. 가용 도체(2)는, 절연 기판(3)의 표면(3a)의 상대향하는 한 쌍의 측연부간을 횡단해서 탑재되어, 표면(3a)의 대략 중앙에 마련된 표면 전극(6)에 접속된다. 따라서, 변형 억제 전극(5)이 절연 기판(3)의 외주측에 형성됨으로써, 표면 전극(6)과 함께 가용 도체(2)의 긴 변 방향에 걸쳐서 절연 기판(3)을 확실하게 접속할 수 있다. 또한, 절연 기판(3)은, 외주측으로부터의 방열량이 많기 때문에, 표면 전극(6)이 형성되어 있는 중앙부에 비해서 방열성이 높아, 변형 억제 전극(5)을 절연 기판(3)의 외주측에 형성함으로써, 효율적으로 가용 도체(2)의 열을 방열할 수 있다.
또한, 변형 억제 전극(5)은, 절연 기판(3)의 외주측에서, 복수의 소 전극(5a)에 의해 구성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 변형 억제 전극(5)은, 절연 기판(3)의 가용 도체(2)가 횡단하는 한 쌍의 측연부측에 각각 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 표면 전극(6)을 개재한 양측에 변형 억제 전극(5)이 마련되어, 가용 도체(2)의 긴 변 방향에 걸쳐서 3군데에서 접속되게 되어, 절연 기판(3)을 확실하게 접속할 수 있다. 또한, 절연 기판(3)의 가용 도체(2)가 횡단하는 한 쌍의 측연부측에 각각 형성되므로, 절연 기판(3)의 표면 전극(6)을 개재한 양측이 요동하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 방열성이 우수한 절연 기판(3)의 양 외주측에 변형 억제 전극(5)이 형성되므로, 보다 효율적으로 가용 도체(2)의 열을 방열할 수 있다.
또한, 절연 기판(3)의 한 쌍의 측연부측에 각각 형성되는 경우에도, 각 변형 억제 전극(5)은, 복수의 소 전극(5a)에 의해 구성되어 있는 것이 바람직하다.
여기서, 변형 억제 전극(5) 혹은 변형 억제 전극(5)을 구성하는 소 전극(5a)은, 가용 도체(2)의 폭 방향을 긴 변 방향으로 하는 직사각 형상으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 변형 억제 전극(5) 혹은 소 전극(5a)은, 가용 도체(2)의 용단 시에 있어서, 가용 도체(2)의 용융 도체(2a) 및 용융한 접합 땜납이 응집한다. 그 때문에, 통전 방향이 되는 가용 도체(2)의 긴 변 방향을 긴 변 방향으로 하면, 변형 억제 전극(5) 혹은 소 전극(5a)에 응집한 용융 도체(2a)가 가용 도체(2)의 긴 변 방향으로 퇴적되기 때문에, 절연 저항을 낮출 우려도 있다.
그래서, 보호 소자(1)는, 변형 억제 전극(5) 혹은 소 전극(5a)을 가용 도체(2)의 폭 방향을 긴 변 방향으로 하는 직사각 형상으로 형성함으로써, 가용 도체(2)의 용융 도체(2a)가 통전 방향으로 확산하지 않아, 용단 후의 절연 저항을 향상시킬 수 있다.
또한, 변형 억제 전극(5)은, 복수의 소 전극(5a)이 가용 도체(2)의 폭 방향으로 병렬되어, 가용 도체(2)와 중첩되어 있는 것이 바람직하다. 복수의 소 전극(5a)이 가용 도체(2)의 폭 방향으로 병렬됨으로써, 상기와 마찬가지로 가용 도체(2)의 용융 도체(2a)가 통전 방향으로 확산하지 않아, 용단 후의 절연 저항을 향상시킬 수 있다. 또한, 각 소 전극(5a)과 가용 도체가 중첩됨으로써, 절연 기판(3)과 가용 도체(2)의 접속성, 방열성을 향상시킬 수 있다.
이때도, 각 소 전극(5a)은, 가용 도체(2)의 폭 방향을 긴 변 방향으로 하는 직사각 형상으로 형성하는 것이, 절연 저항을 향상시키는데 있어서 바람직하다.
이때, 변형 억제 전극(5)은, 가용 도체(2)의 폭 방향의 측연부보다 외측으로 연장되어 있어도 된다. 변형 억제 전극(5) 혹은 소 전극(5a)이 가용 도체(2)와 중첩됨과 함께, 가용 도체(2)의 폭 방향으로 연장되어 형성됨으로써, 가용 도체(2)의 열을 가용 도체(2)에 중첩되어 있지 않은 부위로부터 효율적으로 방열할 수 있다.
[방열 전극]
또한, 도 6에 도시하는 바와 같이, 변형 억제 전극(5) 혹은 소 전극(5a)은, 절연 기판(3)의 측면에 변형 억제 전극(5) 혹은 소 전극(5a)과 연속된 방열 전극(15)을 형성해도 된다. 도 6의 (A)는 절연 기판(3)의 측면에 방열 전극(15)을 형성한 절연 기판(3)의 이면(3b)을 도시하는 저면도이며, 도 6의 (B)는 절연 기판(3)의 측면에 방열 전극(15)을 형성한 절연 기판(3)의 표면(3a)을 도시하는 평면도이다. 방열 전극(15)은, 변형 억제 전극(5) 혹은 소 전극(5a)과 동일 재료로 형성할 수 있다. 이때, 변형 억제 전극(5) 혹은 소 전극(5a)은, 절연 기판(3)의 측면에 상술한 도전층(8)과 마찬가지의 재료로 도전층을 형성한 사이드 스루홀(16a)을 형성해도 된다. 용단 부재(4)는, 방열 전극(15)을 구비함으로써, 변형 억제 전극(5) 혹은 소 전극(5a)의 열용량을 증가시켜, 가용 도체(2)의 열의 방열 효과를 높일 수 있다.
또한, 용단 부재(4)는, 절연 기판(3)의 측면 및 이면(3b)에 방열 전극(15)을 형성하여, 변형 억제 전극(5) 혹은 소 전극(5a)과 연속시켜도 된다. 도 7의 (A)는 절연 기판(3)의 측면 및 이면(3b)에 방열 전극(15)을 형성한 절연 기판(3)의 이면(3b)을 도시하는 저면도이며, 도 7의 (B)는 절연 기판(3)의 측면 및 이면(3b)에 방열 전극(15)을 형성한 절연 기판(3)의 표면(3a)을 도시하는 평면도이다. 도 7의 (A), (B)에 도시하는 용단 부재(4)는, 절연 기판의 표면(3a)에 형성된 소 전극(5a)마다, 절연 기판(3)의 측면 및 이면(3b)에 방열 전극(15)이 형성되고, 각 소 전극(5a)과 각 방열 전극(15)이 사이드 스루홀(16a)을 통해서 연속되어 있다. 사이드 스루홀(16a)은, 상술한 도전층(8)과 마찬가지의 재료로 형성된 도전층이 형성되어 있다. 이에 의해, 각 소 전극(5a)과 각 방열 전극(15)이 사이드 스루홀(16a)을 통해서 열적으로 접속된다. 용단 부재(4)는, 소 전극(5a)에 더하여, 사이드 스루홀(16a) 및 절연 기판(3)의 측면 및 이면(3b)에 형성된 방열 전극(15)을 구비함으로써, 변형 억제 전극(5)의 열용량을 더욱 증가시켜, 가용 도체(2)의 열의 방열 효과를 높일 수 있다.
또한, 변형 억제 전극(5) 혹은 소 전극(5a)과 방열 전극(15)은, 사이드 스루홀(16a)로 연속시키는 것 외에도, 도 8의 (A), (B)에 도시하는 바와 같이, 스루홀(16b)을 통해서 연속시켜도 된다. 도 8의 (A)는 방열 전극(15) 및 스루홀(16b)을 형성한 절연 기판(3)의 이면을 도시하는 저면도이며, 도 8의 (B)는 방열 전극(15) 및 스루홀(16b)을 형성한 절연 기판(3)의 표면을 도시하는 평면도이다. 스루홀(16b)도, 상술한 도전층(8)과 마찬가지의 재료로 형성된 도전층이 형성되고, 이에 의해, 각 소 전극(5a)과 각 방열 전극(15)이 스루홀(16b)을 통해서 열적으로 접속된다. 또한, 도 8에 도시하는 용단 부재(4)에서는, 스루홀(16b)은, 도전층을 구성하는 도전 재료와 그 밖의 도전 재료에 의해 충전되어 있어도 되고, 충전되어 있지 않아도 된다. 또한, 도 8에 도시하는 용단 부재(4)에서는, 절연 기판(3)의 측면에 방열 전극(15)을 마련해도 되고, 마련하지 않아도 된다.
또한, 도 9의 (A), (B)에 도시하는 바와 같이, 변형 억제 전극(5) 혹은 소 전극(5a)과 방열 전극(15)은, 사이드 스루홀(16a) 및 스루홀(16b)을 통해서 연속시켜도 된다. 도 9의 (A)는 방열 전극(15), 사이드 스루홀(16a) 및 스루홀(16b)을 형성한 절연 기판(3)의 이면을 도시하는 저면도이며, 도 9의 (B)는 방열 전극(15), 사이드 스루홀(16a) 및 스루홀(16b)을 형성한 절연 기판(3)의 표면을 도시하는 평면도이다. 도 9에 도시하는 용단 부재(4)는, 절연 기판(3)의 측면 및 이면(3b)에 방열 전극(15)이 형성되어 있다. 또한, 도 9에 도시하는 용단 부재(4)에서는, 스루홀(16b)은, 도전층을 구성하는 도전 재료와 그 밖의 도전 재료에 의해 충전되어 있어도 되고, 충전되어 있지 않아도 된다.
[가용 도체]
이어서, 가용 도체(2)에 대해서 설명한다. 가용 도체(2)는, 제1 및 제2 외부 접속 전극(11, 12) 사이에 걸쳐서 실장되고, 발열체(10)의 통전에 의한 발열, 또는 정격을 초과하는 전류가 통전함으로써 자기 발열(줄 열)에 의해 용단하여, 제1 전극(11)과 제2 전극(12)의 사이의 전류 경로를 차단하는 것이다.
가용 도체(2)는, 발열체(10)의 통전에 의한 발열, 또는 과전류 상태에 따라 용융하는 도전성의 재료이면 되며, 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(2)는, 고융점 금속과, 저융점 금속을 함유하는 구조체이어도 된다. 예를 들어, 도 10에 도시하는 바와 같이, 가용 도체(2)는, 내층과 외층을 포함하는 적층 구조체이며, 내층으로서 저융점 금속층(13), 저융점 금속층(13)에 적층된 외층으로서 고융점 금속층(14)을 갖는다. 가용 도체(2)는, 제1, 제2 전극(11, 12), 표면 전극(6) 및 변형 억제 전극(5) 상에 접속 땜납(20) 등의 접합 재료를 통해서 접속된다.
저융점 금속층(13)은, 바람직하게는 땜납 또는 Sn을 주성분으로 하는 금속이며, 「Pb 프리 땜납」이라고 일반적으로 불리는 재료이다. 저융점 금속층(13)의 융점은, 반드시 리플로우로의 온도보다도 높을 필요는 없으며, 200℃ 정도에서 용융해도 된다. 고융점 금속층(14)은, 저융점 금속층(13)의 표면에 적층된 금속층이며, 예를 들어 Ag 혹은 Cu 또는 이들 중 어느 것을 주성분으로 하는 금속이며, 용단 부재(4)와 가용 도체(2)의 접속이나 보호 소자(1)의 외부 회로 기판 상에의 실장을 리플로우에 의해 행하는 경우에도 용융하지 않는 높은 융점을 갖는다.
이러한 가용 도체(2)는, 저융점 금속박에, 고융점 금속층을 도금 기술을 사용해서 성막함으로써 형성할 수 있고, 혹은, 다른 주지의 적층 기술, 막 형성 기술을 사용해서 형성할 수도 있다. 이때, 가용 도체(2)는, 저융점 금속층(13) 전체면이 고융점 금속층(14)에 의해 피복된 구조로 해도 되고, 상대향하는 한 쌍의 측면을 제외하고 피복된 구조이어도 된다. 또한, 가용 도체(2)는, 고융점 금속층(14)을 내층으로 하고, 저융점 금속층(13)을 외층으로 해서 구성해도 되고, 또한 저융점 금속층과 고융점 금속층이 교대로 적층된 3층 이상의 다층 구조로 하는, 외층의 일부에 개구부를 형성해서 내층의 일부를 노출시키는 등, 다양한 구성에 의해 형성할 수 있다.
가용 도체(2)는, 내층이 되는 저융점 금속층(13)에, 외층으로서 고융점 금속층(14)을 적층함으로써, 리플로우 온도가 저융점 금속층(13)의 용융 온도를 초과한 경우에도, 가용 도체(2)로서 용단시키지 못한다. 따라서, 용단 부재(4)와 가용 도체(2)의 접속이나 보호 소자(1)의 외부 회로 기판 상에의 실장을, 리플로우에 의해 효율적으로 행할 수 있다.
또한, 가용 도체(2)는, 소정의 정격 전류가 흐르고 있는 동안에는, 자기 발열에 의해서도 용단하지 않는다. 그리고, 정격보다도 높은 값의 전류가 흐르면, 자기 발열에 의해 용융하여, 제1, 제2 전극(11, 12) 사이의 전류 경로를 차단한다. 또한, 발열체(10)가 통전해서 발열함으로써 용융하여, 제1, 제2 전극(11, 12) 사이의 전류 경로를 차단한다.
이때, 가용 도체(2)는, 용융한 저융점 금속층(13)이 고융점 금속층(14)을 침식함으로써, 고융점 금속층(14)이 용융 온도보다도 낮은 온도에서 용해한다. 따라서, 가용 도체(2)는, 저융점 금속층(13)에 의한 고융점 금속층(14)의 침식 작용을 이용해서 단시간에 용단할 수 있다. 또한, 가용 도체(2)의 용융 도체(2a)는, 상술한 흡인 구멍(7)에 의한 흡인 작용에 더하여, 표면 전극(6), 변형 억제 전극(5) 및 제1, 제2 전극(11, 12)의 물리적인 인입 작용에 의해 분단되므로, 빠르면서 또한 확실하게, 제1, 제2 전극(11, 12) 사이의 전류 경로를 차단할 수 있다.
또한, 가용 도체(2)는, 저융점 금속층(13)의 체적을, 고융점 금속층(14)의 체적보다도 많게 형성하는 것이 바람직하다. 가용 도체(2)는, 과전류에 의한 자기 발열 또는 발열체(10)의 발열에 의해 가열되어, 저융점 금속이 용융함으로써 고융점 금속을 용식하고, 이에 의해 빠르게 용융, 용단할 수 있다. 따라서, 가용 도체(2)는, 저융점 금속층(13)의 체적을 고융점 금속층(14)의 체적보다도 많게 형성함으로써, 이 용식 작용을 촉진하여, 빠르게 제1, 제2 외부 접속 전극(11, 12) 사이를 차단할 수 있다.
또한, 가용 도체(2)는, 내층이 되는 저융점 금속층(13)에 고융점 금속층(14)이 적층되어 구성되어 있기 때문에, 용단 온도를 종래의 고융점 금속을 포함하는 칩 퓨즈 등보다도 대폭 저감할 수 있다. 따라서, 가용 도체(2)는, 동일 사이즈의 칩 퓨즈 등에 비하여, 단면적을 크게 할 수 있어 전류 정격을 대폭 향상시킬 수 있다. 또한, 동일한 전류 정격을 갖는 종래의 칩 퓨즈보다도 소형화, 박형화를 도모할 수 있어, 빠른 용단성이 우수하다.
또한, 가용 도체(2)는, 보호 소자(1)가 내장된 전기 계통에 비정상적으로 높은 전압이 순간적으로 인가되는 서지에 대한 내성(내펄스성)을 향상시킬 수 있다. 즉, 가용 도체(2)는, 예를 들어 100A의 전류가 수msec 흐른 경우에까지 용단해서는 안된다. 이 점, 극히 단시간에 흐르는 대전류는 도체의 표층을 흐르므로(표피 효과), 가용 도체(2)는, 외층으로서 저항값이 낮은 Ag 도금 등의 고융점 금속층(14)이 마련되어 있기 때문에, 서지에 의해 인가된 전류를 흘리기 쉬워, 자기 발열에 의한 용단을 방지할 수 있다. 따라서, 가용 도체(2)는, 종래의 땜납 합금을 포함하는 퓨즈에 비하여, 대폭 서지에 대한 내성을 향상시킬 수 있다.
또한, 가용 도체(2)는, 산화 방지, 및 용단 시의 습윤성의 향상 등을 위해서, 플럭스(도시하지 않음)를 도포해도 된다. 또한, 보호 소자(1)는, 절연 기판(3)이 케이스 부재(17)에 덮임으로써 그 내부가 보호되어 있다. 케이스 부재(17)는, 상기 절연 기판(3)과 마찬가지로, 예를 들어 각종 엔지니어링 플라스틱, 열가소성 플라스틱, 세라믹스, 유리 에폭시 기판 등의 절연성을 갖는 부재를 사용해서 형성할 수 있다.
[발열체]
가용 도체(2)를 용단하는 발열체(10)는, 비교적 저항값이 높아 통전하면 발열하는 도전성을 갖는 부재이며, 예를 들어 니크롬, W, Mo, Ru, Cu, Ag, 혹은 이들을 주성분으로 하는 합금 등을 포함한다. 이들 합금 혹은 조성물, 화합물의 분상체를 수지 바인더 등과 혼합해서 페이스트상으로 한 것을, 절연 기판(3)의 이면(3b)에 스크린 인쇄 기술을 사용해서 패턴 형성하여, 소성하거나 함으로써 형성할 수 있다.
발열체(10)는, 절연 기판(3)의 이면(3b) 상에서 절연층(18)에 피복되어 있다. 절연층(18) 상에는, 도전층(8)이 형성된 흡인 구멍(7)이 관통하여, 이면 전극(9)이 적층된다. 절연층(18)은, 발열체(10)의 보호 및 절연을 도모함과 함께, 도전층(8) 및 절연 기판(3)을 통해서 발열체(10)의 열을 효율적으로 표면 전극(6) 및 가용 도체(2)에 전달하기 위해서 마련되며, 예를 들어 유리층을 포함한다. 또한, 도전층(8) 및 이면 전극(9)은 발열체(10)에 의해 가열됨으로써, 가용 도체(2)의 용융 도체(2a)를 흡인 구멍(7) 내에 흡인시키기 쉽게 함과 함께, 이면 전극(9) 상에 응집하기 쉽게 할 수 있다. 따라서, 보호 소자(1)는, 표면 전극(6)으로부터 도전층(8)을 통해서 이면 전극(9)에 용융 도체(2a)를 흡인하는 작용을 촉진시켜, 확실하게 가용 도체(2)를 용단할 수 있다.
발열체(10)는, 일단부가 이면 전극(9)과 접속되고, 도전층(8) 및 표면 전극(6)을 통해서, 표면 전극(6) 상에 탑재된 가용 도체(2)와 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 발열체(10)는, 타단부가 도시하지 않은 발열체 전극과 접속되어 있다. 발열체 전극은, 절연 기판(3)의 이면(3b)에 형성됨과 함께, 이면(3b)에 형성된 제3 외부 접속 전극(19)과 접속되고, 이 제3 외부 접속 전극(19)을 통해서 외부 회로와 접속된다. 그리고, 보호 소자(1)는, 외부 회로를 구성하는 회로 기판에 실장됨으로써, 제3 외부 접속 전극(19)을 개재해서 발열체(10)가 회로 기판에 형성된 발열체(10)로의 급전 경로에 내장된다.
또한, 보호 소자(1)는, 발열체(10)를 절연 기판(3)의 이면(3b)에 적층한 절연층(18)의 내부에 형성해도 된다. 또한, 보호 소자(1)는, 발열체(10)를 절연 기판(3)의 내부에 형성해도 된다. 이들의 경우, 발열체(10)는, 일단부가 표면 전극(6) 또는 이면 전극(9)과 접속되어, 표면 전극(6) 상에 탑재된 가용 도체(2)와 전기적으로 접속된다. 또한, 발열체(10)는, 타단부가 도시하지 않은 발열체 전극을 통해서 제3 외부 접속 전극(19)과 접속된다.
또한, 발열체(10)는, 절연 기판(3)의 표면(3a), 이면(3b) 또는 내부에 형성하는 어느 경우에서든, 흡인 구멍(7)의 양측에 형성하는 것이, 표면 전극(6) 및 이면 전극(9)을 가열하고, 또한 보다 많은 용융 도체(2a)를 응집, 흡인하는데 있어서 바람직하다.
[회로 구성예]
이러한 보호 소자(1)는, 도 11에 도시한 바와 같이, 예를 들어 리튬 이온 이차 전지의 배터리 팩(30) 내의 회로에 내장되어서 사용된다. 배터리 팩(30)은, 예를 들어 총 4개의 리튬 이온 이차 전지의 배터리 셀(31 내지 34)을 포함하는 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 이상 시에 충전을 차단하는 본 발명이 적용된 보호 소자(1)와, 각 배터리 셀(31 내지 34)의 전압을 검출하는 검출 회로(36)와, 검출 회로(36)의 검출 결과에 따라서 보호 소자(1)의 동작을 제어하는 스위치 소자가 되는 전류 제어 소자(37)를 구비한다.
배터리 스택(35)은, 과충전 및 과방전 상태로부터 보호하기 위한 제어를 요하는 배터리 셀(31 내지 34)이 직렬 접속된 것이며, 배터리 팩(30)의 정극 단자(30a), 부극 단자(30b)를 통해서 착탈 가능하게 충전 장치(45)에 접속되어, 충전 장치(45)로부터의 충전 전압이 인가된다. 충전 장치(45)에 의해 충전된 배터리 팩(30)은, 정극 단자(30a), 부극 단자(30b)를 배터리로 동작하는 전자 기기에 접속함으로써, 이 전자 기기를 동작시킬 수 있다.
충방전 제어 회로(40)는, 배터리 스택(35)과 충전 장치(45)의 사이의 전류 경로에 직렬 접속된 2개의 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, FET라고 함)에 의해 구성되며, 제어부(43)에 의해 게이트 전압을 제어함으로써, 배터리 스택(35)의 전류 경로의 충전 방향 및/또는 방전 방향으로의 도통과 차단을 제어한다. 제어부(43)는, 충전 장치(45)로부터 전력 공급을 받아서 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(1)는, 예를 들어 배터리 스택(35)과 충방전 제어 회로(40)의 사이의 충방전 전류 경로 상에 접속되어, 그 동작이 전류 제어 소자(37)에 의해 제어된다.
검출 회로(36)는, 각 배터리 셀(31 내지 34)과 접속되어, 각 배터리 셀(31 내지 34)의 전압 값을 검출하고, 각 전압 값을 충방전 제어 회로(40)의 제어부(43)에 공급한다. 또한, 검출 회로(36)는, 어느 하나의 배터리 셀(31 내지 34)이 과충전 전압 또는 과방전 전압이 되었을 때 전류 제어 소자(37)를 제어하는 제어 신호를 출력한다.
전류 제어 소자(37)는, 예를 들어 FET에 의해 구성되며, 검출 회로(36)로부터 출력되는 검출 신호에 의해, 배터리 셀(31 내지 34)의 전압 값이 소정의 과방전 또는 과충전 상태를 초과하는 전압으로 되었을 때, 보호 소자(1)를 동작시켜서, 배터리 스택(35)의 충방전 전류 경로를 전류 제어 소자(41, 42)의 스위치 동작에 구애되지 않고 차단하도록 제어한다.
이상과 같은 구성을 포함하는 배터리 팩(30)에 사용되는, 본 발명이 적용된 보호 소자(1)는, 도 12에 도시하는 바와 같은 회로 구성을 갖는다. 즉, 보호 소자(1)는, 제1 외부 접속 전극(11)이 배터리 스택(35)측과 접속되고, 제2 외부 접속 전극(12)이 정극 단자(30a)측과 접속되어, 이에 의해 가용 도체(2)가 배터리 스택(35)의 충방전 경로 상에 직렬로 접속된다. 또한, 보호 소자(1)는, 발열체(10)가 발열체 전극 및 제3 외부 접속 전극(19)을 통해서 전류 제어 소자(37)와 접속됨과 함께, 발열체(10)가 배터리 스택(35)의 개방 단부와 접속된다. 이에 의해, 발열체(10)는, 일단부가 표면 전극(6)을 통해서 가용 도체(2) 및 배터리 스택(35)의 한쪽의 개방 단부와 접속되고, 타단부가 제3 외부 접속 전극(19)을 통해서 전류 제어 소자(37) 및 배터리 스택(35)의 다른 쪽의 개방 단부와 접속되어, 전류 제어 소자(37)에 의해 통전이 제어되는 발열체(10)로의 급전 경로가 형성된다.
[보호 소자의 동작]
배터리 팩(30)에 정격을 초과하는 과전류가 통전되면, 보호 소자(1)는, 가용 도체(2)가 자기 발열에 의해 용융하여, 배터리 팩(30)의 충방전 경로를 차단한다. 이때, 보호 소자(1)는, 절연 기판(3) 상에 변형 억제 전극(5) 및 표면 전극(6)을 마련하고 있기 때문에, 가용 도체(2)의 용단 부위를 변형 억제 전극(5)과 표면 전극(6)의 사이의 좁은 영역으로 한정하고 있다. 따라서, 보호 소자(1)는, 대전류 용도에 대응하기 위해서 가용 도체(2)의 단면적을 증대시킨 경우에도, 차단 시에 있어서의 용융 도체(2a)의 체적을 감소시켜, 아크 방전에 의한 용융 도체(2a)의 비산을 경감해서 절연 저항을 향상시킬 수 있고, 또한 차단 시에 절연 기판(3)에 가해지는 충격을 저감하여, 절연 기판(3)의 파괴를 억제할 수 있다.
또한, 보호 소자(1)는, 절연 기판(3)에 흡인 구멍(7)을 형성한 경우에는, 용융 도체(2a)가 모관 현상에 의해 표면 전극(6)을 통해서 흡인 구멍(7)에 흡인된다. 따라서, 대전류 용도에 대응하기 위해서 가용 도체(2)의 단면적을 증대시킨 경우에도, 차단 시에 있어서의 용융 도체(2a)의 체적을 더욱 감소시켜, 절연 저항의 향상을 도모하고, 또한 절연 기판에의 충격을 저감시킬 수 있다. 또한, 보호 소자(1)는, 가용 도체(2)를 고융점 금속과 저융점 금속을 함유시켜서 형성함으로써, 고융점 금속의 용단 전에 저융점 금속이 용융하여, 단시간에 가용 도체(2)를 용해시킬 수 있다.
또한, 검출 회로(36)가 배터리 셀(31 내지 34)의 어느 것의 이상 전압을 검출하면, 전류 제어 소자(37)에 차단 신호를 출력한다. 그러면, 전류 제어 소자(37)는, 발열체(10)에 통전하도록 전류를 제어한다. 보호 소자(1)는, 배터리 스택(35)으로부터, 제1 외부 접속 전극(11), 가용 도체(2) 및 표면 전극(6)을 통해서 발열체(10)에 전류가 흘러, 이에 의해 발열체(10)가 발열을 개시한다. 보호 소자(1)는, 발열체(10)의 발열에 의해 가용 도체(2)가 용단하여, 배터리 스택(35)의 충방전 경로를 차단한다.
이때, 보호 소자(1)는, 절연 기판(3) 상에 변형 억제 전극(5) 및 표면 전극(6)을 마련하고 있기 때문에, 가용 도체(2)의 용단 부위를 변형 억제 전극(5)과 표면 전극(6)의 사이의 좁은 영역으로 한정함과 함께, 발열체(10)의 열을 변형 억제 전극(5)과 표면 전극(6)을 통해서 가용 도체(2)에 전달하고 있다. 따라서, 보호 소자(1)는, 대전류 용도에 대응하기 위해서 가용 도체(2)의 단면적을 증대시킨 경우에도, 변형 억제 전극(5)과 표면 전극(6)의 사이의 용단 부위에 열을 집중시켜서 확실하게 배터리 팩(30)의 충방전 경로를 차단할 수 있다.
또한, 보호 소자(1)는, 절연 기판(3)에 흡인 구멍(7)을 형성한 경우에는, 용융 도체(2a)가 모관 현상에 의해 표면 전극(6)을 통해서 흡인 구멍(7)에 흡인된다. 따라서, 대전류 용도에 대응하기 위해서 가용 도체(2)의 단면적을 증대시킨 경우에도, 표면 전극(6) 상에 고이는 용융 도체(2a)의 체적을 더욱 감소시켜, 가용 도체(2)를 빠르게 용단시킴과 함께 절연 저항을 향상시킬 수 있다. 또한, 보호 소자(1)는, 가용 도체(2)를 고융점 금속과 저융점 금속을 함유시켜서 형성함으로써, 용융한 저융점 금속에 의한 고융점 금속의 용식 작용을 이용해서 단시간에 가용 도체(2)를 용해시킬 수 있다.
또한, 보호 소자(1)는, 가용 도체(2)가 용단함으로써, 발열체(10)로의 급전 경로도 차단되기 때문에, 발열체(10)의 발열이 정지된다.
이와 같이, 보호 소자(1)는, 과전류에 의한 가용 도체(2)의 자기 발열, 혹은 발열체(10)의 통전에 의한 발열에 의해 가용 도체(2)가 용단한다. 이때, 보호 소자(1)는, 회로 기판으로의 리플로우 실장 시나, 보호 소자(1)가 실장된 회로 기판이 또한 리플로우 가열 등의 고온 환경 하에 노출된 경우에도, 변형 억제 전극(5)에 의해 가용 도체(2)의 열이 방열되고, 또한 복수의 협소화된 소 전극(5a)을 포함하는 변형 억제 전극(5)을 절연 기판(3)에 형성하여, 가용 도체(2)와의 접속을 도모하는 접속 땜납(20)의 부동 영역을 한정하고 있으므로, 용단 부재(4)가 안정적으로 보유 지지되어, 가용 도체(2)의 변형이 억제되어 있다. 따라서, 가용 도체(2)의 변형에 의한 저항값의 변동 등에 기인하는 용단 특성의 변동이 방지되어, 소정의 과전류나 발열체(10)의 발열에 의해 빠르게 용단할 수 있다.
본 발명에 따른 보호 소자(1)는, 리튬 이온 이차 전지의 배터리 팩에 사용하는 경우에 한하지 않고, 전기 신호에 의한 전류 경로의 차단을 필요로 하는 다양한 용도에도 물론 응용 가능하다.
[제2 실시 형태]
이어서, 도 13을 사용하여, 본 기술이 적용된 보호 소자의 제2 실시 형태에 대해서 설명한다. 또한, 이하의 설명에서, 상술한 보호 소자(1)와 동일한 부재에 대해서는 동일한 부호를 부여하고 그 상세를 생략한다. 도 13의 (A), (B)에 도시하는 보호 소자(50)는, 상술한 용단 부재(4)가, 가용 도체(2)의 한쪽 면 및 다른 쪽 면에 각각 배치되어 있다. 도 14는 보호 소자(50)의 회로도이다. 가용 도체(2)의 표면 및 이면에 배치된 각 용단 부재(4)는, 각각 발열체(10)의 일단부가, 각 절연 기판(3)에 형성된 표면 전극(6)을 통해서 가용 도체(2)와 접속되고, 발열체(10)의 타단부가 각 절연 기판(3)에 형성된 제3 외부 접속 전극(19)을 통해서 발열체(10)를 발열시키기 위한 전원에 접속된다.
보호 소자(50)는, 가용 도체(2)의 한쪽 면 및 다른 쪽 면에, 각각 접속 땜납(20)을 통해서 접속되어 있는 용단 부재(4)는, 절연 기판(3)에 변형 억제 전극(5)이 접속되어 있다. 따라서, 각 용단 부재(4)는, 가용 도체(2)와 접속될 때나 보호 소자(1)가 외부 회로 기판 상에 실장될 때 등에 있어서 리플로우 가열되는 등, 고온 환경에 노출되었을 때도, 가용 도체(2)의 열을 각 절연 기판(3)측으로 방열시켜, 축열에 의해 가용 도체(2)가 변형하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 변형 억제 전극(5)은, 리플로우 실장 등의 고온 환경에 노출되었을 때, 가열에 의해 액상으로 연화된 접속 땜납(20)이 부동하는 영역을 한정한다. 이에 의해, 연화된 접속 땜납의 부동에 수반하여 각 절연 기판(3)이 요동해서 가용 도체(2)가 변형하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 도 15에 도시하는 바와 같이, 보호 소자(50)는, 발열체(10)의 발열에 의해 가용 도체(2)를 용단할 때는, 가용 도체(2)의 양면에 접속된 각 용단 부재(4, 4)의 발열체(10)가 발열하여, 가용 도체(2)의 양면으로부터 가열한다. 따라서, 보호 소자(50)는, 대전류 용도에 대응하기 위해서 가용 도체(2)의 단면적을 증대시킨 경우에도, 빠르게 가용 도체(2)를 가열하여 용단할 수 있다.
또한, 보호 소자(50)는, 각 용단 부재(4)의 절연 기판(3)에 흡인 구멍(7)을 형성한 경우에는, 가용 도체(2)의 양면으로부터 용융 도체(2a)를 각 관통 구멍(58) 내에 흡인한다. 따라서, 보호 소자(50)는, 대전류 용도에 대응하기 위해서 가용 도체(2)의 단면적을 증대시켜 용융 도체(2a)가 다량으로 발생한 경우에도, 복수의 용단 부재(4)에 의해 흡인하여, 확실하게 가용 도체(2)를 용단시킬 수 있다. 또한, 보호 소자(50)는, 복수의 용단 부재(4)에 의해 용융 도체(2a)를 흡인함으로써, 보다 빠르게 가용 도체(2)를 용단시킬 수 있다.
보호 소자(50)는, 가용 도체(2)로서, 내층을 구성하는 저융점 금속을 고융점 금속으로 피복하는 피복 구조를 사용한 경우에도, 가용 도체(2)를 빠르게 용단시킬 수 있다. 즉, 고융점 금속으로 피복된 가용 도체(2)는, 발열체(10)가 발열한 경우에도, 외층의 고융점 금속이 용융하는 온도까지 가열하는데 시간을 요한다. 여기서, 보호 소자(50)는, 복수의 용단 부재(4)를 구비하여, 동시에 각 발열체(10)를 발열시킴으로써, 외층의 고융점 금속을 빠르게 용융 온도까지 가열할 수 있다. 따라서, 보호 소자(50)에 의하면, 외층을 구성하는 고융점 금속층의 두께를 두껍게 할 수 있어, 가일층의 고정격화를 도모하면서, 빠른 용단 특성을 유지할 수 있다.
또한, 보호 소자(50)는, 도 14에 도시하는 바와 같이, 한 쌍의 용단 부재(4, 4)가 대향해서 가용 도체(2)에 접속되는 것이 바람직하다. 이에 의해, 보호 소자(50)는, 한 쌍의 용단 부재(4, 4)로, 가용 도체(2)의 동일 개소를 양면측으로부터 동시에 가열함과 함께 용융 도체(2a)를 흡인할 수 있어, 보다 빠르게 가용 도체(2)를 가열, 용단할 수 있다.
이때, 보호 소자(50)는, 한 쌍의 용단 부재(4, 4)의 각 절연 기판(3)에 형성된 변형 억제 전극(5)이 가용 도체(2)를 개재해서 서로 대향하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 절연 기판(3)과의 접속 위치에서의 방열을 촉진해서 가용 도체(2)의 연화를 억제하여, 용단 부재(4)의 요동에 의한 변형에 대한 내성을 향상시킬 수 있다. 또한, 한 쌍의 용단 부재(4)가 대칭으로 접속됨으로써, 가용 도체(2)에 대해 부하가 걸리는 양상이 언밸런스가 되는 경우도 없어, 변형에 대한 내성을 향상시킬 수 있다.
1: 보호 소자
2: 가용 도체
3: 절연 기판 4: 용단 부재
5: 변형 억제 전극 6: 표면 전극
7: 흡인 구멍 8: 도전층
9: 이면 전극 10: 발열체
11: 제1 외부 접속 전극 12: 제2 외부 접속 전극
13: 저융점 금속층 14: 고융점 금속층
17: 케이스 부재 18: 절연층
19: 제3 외부 접속 전극 20: 접속 땜납
30: 배터리 팩 30a: 정극 단자
30b: 부극 단자 31 내지 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
3: 절연 기판 4: 용단 부재
5: 변형 억제 전극 6: 표면 전극
7: 흡인 구멍 8: 도전층
9: 이면 전극 10: 발열체
11: 제1 외부 접속 전극 12: 제2 외부 접속 전극
13: 저융점 금속층 14: 고융점 금속층
17: 케이스 부재 18: 절연층
19: 제3 외부 접속 전극 20: 접속 땜납
30: 배터리 팩 30a: 정극 단자
30b: 부극 단자 31 내지 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
Claims (15)
- 가용 도체와,
상기 가용 도체의 한쪽 면에 접속된 용단 부재를 구비하고,
상기 용단 부재는, 절연 기판과, 상기 절연 기판의 상기 가용 도체에 접속되는 표면에 형성되고, 상기 가용 도체와 접속되어, 상기 가용 도체의 변형을 억제하는 변형 억제 전극을 갖는 보호 소자. - 제1항에 있어서, 상기 변형 억제 전극은, 상기 가용 도체와의 접속 부위에서 복수의 소 전극에 의해 구성되어 있는, 보호 소자.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가용 도체는, 상기 절연 기판의 상기 표면의 상대향하는 한 쌍의 측연부에 걸쳐서 탑재되고,
상기 변형 억제 전극은, 상기 절연 기판의 외주측에 형성되어 있는, 보호 소자. - 제3항에 있어서, 상기 변형 억제 전극은, 상기 절연 기판의 상기 한 쌍의 측연부측에 각각 형성되어 있는, 보호 소자.
- 제3항에 있어서, 상기 변형 억제 전극은, 상기 가용 도체의 폭 방향을 긴 변 방향으로 하는 직사각 형상으로 형성되어 있는, 보호 소자.
- 제2항에 있어서, 복수의 상기 소 전극이, 상기 가용 도체의 폭 방향으로 병렬되어, 상기 가용 도체와 중첩되어 있는, 보호 소자.
- 제1항, 제2항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변형 억제 전극은, 상기 가용 도체의 폭 방향의 측연부보다 외측으로 연장되어 있는, 보호 소자.
- 제1항, 제2항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절연 기판에 형성되어, 상기 가용 도체를 용융시키는 발열체와,
상기 절연 기판의 상기 표면에 형성되어, 상기 발열체 및 상기 가용 도체와 접속된 표면 전극과,
상기 절연 기판에 형성되어, 상기 발열체에 급전하는 외부 전원과 접속되는 발열체 전극을 갖는, 보호 소자. - 제8항에 있어서, 상기 표면 전극에는, 용융한 상기 가용 도체를 흡인하는 흡인 구멍이 개구되고,
상기 흡인 구멍은, 내면에 상기 표면 전극과 접속된 도전층이 형성됨과 함께, 상기 절연 기판의 두께 방향으로 마련된 관통 구멍 또는 비관통 구멍인, 보호 소자. - 제9항에 있어서, 상기 흡인 구멍은 관통 구멍이며,
상기 절연 기판의 이면에는, 상기 도전층과 접속된 이면 전극이 형성되어 있는, 보호 소자. - 제1항, 제2항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 외부 접속 전극과,
제2 외부 접속 전극을 갖고,
상기 가용 도체는, 상기 제1 외부 접속 전극과 상기 제2 외부 접속 전극의 사이에 걸쳐서 접속되고,
상기 가용 도체가 용융함으로써, 상기 제1 외부 접속 전극과 상기 제2 외부 접속 전극의 사이의 전류 경로를 차단하는, 보호 소자. - 가용 도체와,
상기 가용 도체의 한쪽 면에 접속된 제1 용단 부재와,
상기 가용 도체의 다른 쪽 면에 접속된 제2 용단 부재를 구비하고,
상기 제1 용단 부재는, 제1 절연 기판과, 상기 제1 절연 기판의 상기 가용 도체에 접속되는 표면에 형성되고, 상기 가용 도체와 접속되어, 상기 가용 도체의 변형을 억제하는 제1 변형 억제 전극을 갖고,
상기 제2 용단 부재는, 제2 절연 기판과, 상기 제2 절연 기판의 상기 가용 도체에 접속되는 표면에 형성되고, 상기 가용 도체와 접속되어, 상기 가용 도체의 변형을 억제하는 제2 변형 억제 전극을 갖는 보호 소자. - 제12항에 있어서, 상기 제1, 제2 절연 기판에 형성된 상기 제1, 제2 변형 억제 전극은, 상기 가용 도체를 개재해서 서로 대향하는, 보호 소자.
- 1개 이상의 배터리 셀과,
상기 배터리 셀의 충방전 경로 상에 접속되어, 해당 충방전 경로를 차단하는 보호 소자와,
상기 배터리 셀의 전압 값을 검출해서 상기 보호 소자로의 통전을 제어하는 전류 제어 소자를 구비하고,
상기 보호 소자는,
상기 충방전 경로 상에 접속되는 가용 도체와,
상기 가용 도체의 한쪽 면에 접속된 용단 부재를 구비하고,
상기 용단 부재는, 절연 기판과, 상기 절연 기판의 상기 가용 도체에 접속되는 표면에 형성되고, 상기 가용 도체와 접속되어, 상기 가용 도체의 변형을 억제하는 변형 억제 전극을 갖고,
상기 가용 도체가 용융함으로써 상기 충방전 경로를 차단하는 배터리 팩. - 1개 이상의 배터리 셀과,
상기 배터리 셀의 충방전 경로 상에 접속되어, 해당 충방전 경로를 차단하는 보호 소자와,
상기 배터리 셀의 전압 값을 검출해서 상기 보호 소자로의 통전을 제어하는 전류 제어 소자를 구비하고,
상기 보호 소자는,
상기 충방전 경로 상에 접속되는 가용 도체와,
상기 가용 도체의 한쪽 면에 접속된 제1 용단 부재와,
상기 가용 도체의 다른 쪽 면에 접속된 제2 용단 부재를 구비하고,
상기 제1 용단 부재는, 제1 절연 기판과, 상기 제1 절연 기판의 상기 가용 도체에 접속되는 표면에 형성되고, 상기 가용 도체와 접속되어, 상기 가용 도체의 변형을 억제하는 제1 변형 억제 전극을 갖고,
상기 제2 용단 부재는, 제2 절연 기판과, 상기 제2 절연 기판의 상기 가용 도체에 접속되는 표면에 형성되고, 상기 가용 도체와 접속되어, 상기 가용 도체의 변형을 억제하는 제2 변형 억제 전극을 갖고,
상기 가용 도체가 용융함으로써 상기 충방전 경로를 차단하는 배터리 팩.
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