KR20220034231A - 보호 소자, 배터리 팩 - Google Patents

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KR20220034231A
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conductor
melting
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유지 기무라
지사토 고모리
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데쿠세리아루즈 가부시키가이샤
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Abstract

하측 케이스로의 흡열을 제어하여 안전하고 또한 신속하게 전류 경로를 차단할 수 있는 보호 소자 및 이것을 사용한 배터리 팩을 제공한다. 가용 도체 (3) 와, 하측 케이스 (4) 와 상측 케이스 (5) 를 갖고, 하측 케이스 (4) 와 상측 케이스 (5) 가 접합됨으로써 형성되는 케이싱 (6) 을 구비하고, 하측 케이스 (4) 는, 오목면부 (23) 가 형성되고, 오목면부 (23) 의 대향하는 측 가장자리에 지지부 (21) 가 형성되고, 지지부 (21) 가 형성된 오목면부 (23) 의 측 가장자리와 대략 직교하는 측 가장자리에 중공부 (22) 가 형성되어 있다.

Description

보호 소자, 배터리 팩
본 기술은 전류 경로를 차단하는 보호 소자, 및 이것을 사용한 배터리 팩에 관한 것이다. 본 출원은, 일본에 있어서 2019년 8월 29일에 출원된 일본 특허출원번호 특원 2019-157430호를 기초로 하여 우선권을 주장하는 것이고, 이 출원은 참조됨으로써, 본 출원에 원용된다.
충전하여 반복해서 이용할 수 있는 이차 전지의 상당수는, 배터리 팩으로 가공되어 사용자에게 제공된다. 특히 중량 에너지 밀도가 높은 리튬 이온 이차 전지에 있어서는, 사용자 및 전자 기기의 안전을 확보하기 위해서, 일반적으로, 과충전 보호, 과방전 보호 등의 몇 개의 보호 회로를 배터리 팩에 내장하고, 소정의 경우에 배터리 팩의 출력을 차단하는 기능을 가지고 있다.
많은 리튬 이온 이차 전지를 사용한 전자 장치에 있어서는, 배터리 팩에 내장된 FET 스위치를 사용하여 출력의 ON/OFF 를 실시함으로써, 배터리 팩의 과충전 보호 또는 과방전 보호 동작을 실시한다. 그러나, 어떠한 원인으로 FET 스위치가 단락 파괴된 경우, 뇌서지 등이 인가되어, 순간적인 대전류가 흘렀을 경우, 혹은 배터리 셀의 수명에 의해 출력 전압이 비정상적으로 저하되거나, 반대로 과대 이상 전압을 출력하거나 했을 경우에도 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 퓨즈 소자로 이루어지는 보호 소자가 사용되고 있다.
이와 같은 리튬 이온 이차 전지 등을 위한 보호 회로의 보호 소자로서, 보호 소자 내부에 발열체를 갖고, 이 발열체의 발열에 의해 전류 경로 상에 형성된 가용 도체를 용단하는 구조가 사용되고 있다.
일본 공개특허공보 2015-53260호
리튬 이온 이차 전지의 용도는, 최근 확대되고 있으며, 보다 대전류의 용도, 예를 들어 전동 드라이버 등의 전동 공구나, 하이브리드카, 전기 자동차, 전동 어시스트 자전거 등의 수송 기기에 채용이 검토되며, 일부 채용이 개시되어 있다. 이러한 용도에 있어서, 특히 기동시 등에는, 수 10 A ∼ 100 A 를 초과하는 대전류가 흐르는 경우가 있다. 이와 같은 대전류 용량에 대응한 보호 소자의 실현이 요망되고 있다.
이와 같은 대전류에 대응하는 보호 소자를 실현하기 위해서, 단면적을 증대시킨 가용 도체를 사용하고, 이 가용 도체의 표면에, 발열체를 형성한 절연 기판을 접속한 보호 소자가 제안되어 있다.
도 17 ∼ 도 20 은, 대전류 용도를 상정한 보호 소자의 일 구성예를 나타내는 도면이고, 도 17 은 평면도이고, 도 18 은 도 17 에 있어서의 D-D' 단면도이고, 도 19 는 외관 사시도이고, 도 20 은 상측 케이스를 생략하여 나타내는 평면도이다. 도 17 에 나타내는 보호 소자 (100) 는, 배터리의 충방전 회로 등의 외부 회로와 접속되는 제 1, 제 2 외부 접속 단자 (101, 102) 사이에 가용 도체 (103) 가 접속됨으로써 당해 외부 회로의 일부를 구성하고, 과전압 등의 이상시에는, 가용 도체 (103) 가 용융됨으로써 제 1 외부 접속 단자 (101) 와 제 2 외부 접속 단자 (102) 사이의 전류 경로를 차단하는 것이다.
보호 소자 (100) 는, 절연 기판 (105) 과, 외부 회로와 접속되는 제 1, 제 2 외부 접속 단자 (101, 102) 와, 절연 기판 (105) 의 표면에 병렬된 2 개의 발열체 (106) 와, 발열체 (106) 를 피복하는 절연층 (107) 과, 절연층 (107) 상에 적층됨과 함께 발열체 (106) 와 접속된 표면 전극 (108) 과, 제 1 외부 접속 단자 (101), 표면 전극 (108), 및 제 2 외부 접속 단자 (102) 에 걸쳐서 솔더 페이스트를 개재하여 탑재되는 가용 도체 (103) 를 구비한다.
보호 소자 (100) 는, 제 1, 제 2 외부 접속 단자 (101, 102) 가 소자 케이싱의 내외에 걸쳐서 배치 형성되고, 보호 소자 (100) 가 실장되는 외부 회로 기판에 형성된 접속 전극에 나사 고정 등에 의해 접속됨으로써, 가용 도체 (103) 가 외부 회로 기판 상에 형성된 전류 경로의 일부에 장착된다.
발열체 (106) 는, 비교적 저항값이 높고 통전되면 발열하는 도전성을 갖는 부재로서, 예를 들어 니크롬, W, Mo, Ru 등 또는 이들을 포함하는 재료로 이루어진다. 또, 발열체 (106) 는, 절연 기판 (105) 의 표면 상에 형성된 발열체 급전 전극 (109) 과 접속되어 있다. 발열체 급전 전극 (109) 은, 제 3 외부 접속 단자 (110) 와 솔더 페이스트를 개재하여 접속되어 있다. 보호 소자 (100) 는, 제 3 외부 접속 단자 (110) 가, 보호 소자 (100) 가 실장되는 외부 회로 기판에 형성된 접속 전극에 접속됨으로써, 발열체 (106) 가 외부 회로에 형성된 외부 전원과 접속되어 있다. 그리고, 발열체 (106) 는, 도시되지 않은 스위치 소자 등에 의해 항상, 통전 및 발열이 제어되어 있다.
발열체 (106) 는, 유리층 등으로 이루어지는 절연층 (107) 에 의해 피복됨과 함께, 절연층 (107) 상에 표면 전극 (108) 이 형성됨으로써, 절연층 (107) 을 개재하여 표면 전극 (108) 이 중첩되어 있다. 또, 표면 전극 (108) 상에는 제 1, 제 2 외부 접속 단자 (101, 102) 사이에 걸쳐서 접속된 가용 도체 (103) 가 솔더 페이스트를 개재하여 접속되어 있다.
이로써, 보호 소자 (100) 는, 발열체 (106) 와 가용 도체 (103) 가 중첩됨으로써 열적으로 접속되고, 발열체 (106) 가 통전에 의해 발열하면 가용 도체 (103) 를 용단할 수 있다.
가용 도체 (103) 는, Pb 프리 땜납 등의 저융점 금속이나 Ag, Cu 또는 이들을 주성분으로 하는 합금 등의 고융점 금속에 의해 형성되거나, 혹은 저융점 금속과 고융점 금속의 적층 구조를 갖는다. 그리고, 가용 도체 (103) 는, 제 1 외부 접속 단자 (101) 로부터 표면 전극 (108) 을 걸치고 제 2 외부 접속 단자 (102) 에 걸쳐서 접속됨으로써, 보호 소자 (100) 가 장착된 외부 회로의 전류 경로의 일부를 구성한다. 그리고, 가용 도체 (103) 는, 정격을 초과하는 전류가 통전됨으로써 자기 발열 (줄열) 에 의해 용단되거나, 혹은 발열체 (106) 의 발열에 의해 용단되어, 제 1, 제 2 외부 접속 단자 (101, 102) 사이를 차단한다.
그리고, 보호 소자 (100) 는, 외부 회로의 전류 경로를 차단할 필요가 생기면, 스위치 소자에 의해 발열체 (106) 에 통전된다. 이로써, 보호 소자 (100) 는, 발열체 (106) 가 고온으로 발열되어, 외부 회로의 전류 경로 상에 장착된 가용 도체 (103) 가 용융된다. 가용 도체 (103) 의 용융 도체는, 젖음성이 높은 표면 전극 (108) 및 제 1, 제 2 외부 접속 단자 (101, 102) 로 끌어당겨짐으로써 가용 도체 (103) 가 용단된다. 따라서, 보호 소자 (100) 는, 제 1 외부 접속 단자 (101) ∼ 표면 전극 (108) ∼ 제 2 외부 접속 단자 (102) 사이를 용단시켜, 외부 회로의 전류 경로를 차단할 수 있다.
여기서, 보호 소자 (100) 는, 하측 케이스 (111) 와, 상측 케이스 (112) 를 갖고, 이들 하측 케이스 (111) 와 상측 케이스 (112) 는, 접합됨으로써 보호 소자 (100) 의 케이싱 (113) 을 구성한다. 하측 케이스 (111) 는, 절연 기판 (105) 과, 제 1, 제 2 외부 접속 단자 (101, 102) 와, 제 3 외부 접속 단자 (110) 를 지지한다. 상측 케이스 (112) 는, 상기 서술한 소자 내부 구성을 수용하는 공간을 갖는다.
그러나, 도 21 및 도 22 에 나타내는 바와 같이, 보호 소자 (100) 는, 하측 케이스 (111) 에 절연 기판 (105) 의 하면이 지지되어 있기 때문에, 절연 기판 (105) 의 표면에 형성되어 있는 발열체 (106) 가 발열한 열이, 절연 기판 (105) 을 통해서 하측 케이스 (111) 에 흡열되어 버려, 가용 도체 (103) 에 효율적으로 열을 전달할 수 없다. 이러한 경향은, 특히 저전력 동작시에 있어서 나타나고, 신속하게 가용 도체 (103) 를 용단하는 것이 곤란해지는 등, 용단 시간이 불안정해진다.
또, 가용 도체 (103) 가 과전류에 의한 자기 발열에 의해 용단할 때에도, 절연 기판 (105) 을 개재하여 하측 케이스 (111) 에 흡열됨으로써, 속(速)용단이 저해될 우려가 있다.
그래서, 본 기술은, 하측 케이스에 대한 흡열을 제어하여 안전하고 또한 신속하게 전류 경로를 차단할 수 있는 보호 소자 및 이것을 사용한 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 서술한 과제를 해결하기 위해서, 본 기술에 관련된 보호 소자는, 가용 도체와, 하측 케이스와 상측 케이스를 갖고, 상기 하측 케이스와 상기 상측 케이스가 접합됨으로써 형성되는 케이싱을 구비하고, 상기 하측 케이스는, 오목면부가 형성되고, 상기 오목면부의 대향하는 측 가장자리에 지지부가 형성되고, 상기 지지부가 형성된 상기 오목면부의 측 가장자리와 대략 직교하는 측 가장자리에 중공부가 형성되어 있는 것이다.
또, 본 기술에 관련된 배터리 팩은, 1 개 이상의 배터리 셀과, 상기 배터리 셀의 충방전 경로 상에 접속되고, 그 충방전 경로를 차단하는 보호 소자를 구비하고, 상기 보호 소자는, 가용 도체와, 하측 케이스와 상측 케이스를 갖고, 상기 하측 케이스와 상기 상측 케이스가 접합됨으로써 형성되는 케이싱을 구비하고, 상기 하측 케이스는, 오목면부가 형성되고, 상기 오목면부의 대향하는 측 가장자리에 지지부가 형성되고, 상기 지지부가 형성된 상기 오목면부의 측 가장자리와 대략 직교하는 측 가장자리에 중공부가 형성되어 있는 것이다.
본 기술에 의하면, 발열체가 발열한 열이, 하측 케이스에 흡열되는 것을 방지할 수 있어, 발열체의 열을 효율적으로 가용 도체에 전달할 수 있고, 보다 신속하게 용단시킬 수 있다.
도 1 은, 본 기술이 적용된 보호 소자의 외관 사시도이다.
도 2 는, 본 기술이 적용된 보호 소자의 단면도이다.
도 3 은, 본 기술이 적용된 보호 소자의 상측 케이스를 생략하여 나타내는 평면도이다.
도 4 는, 본 기술이 적용된 보호 소자의 단면도이다.
도 5 는, 본 기술이 적용된 보호 소자에 있어서, 가용 도체가 용단된 상태를 나타내는 단면도이다.
도 6 은, 하측 케이스를 나타내는 도면이고, (A) 는 평면도, (B) 는 A-A' 단면도, (C) 는 B-B' 단면도이다.
도 7 은, 변형예에 관련된 지지부를 구비한 하측 케이스를 나타내는 도면이고, (A) 는 평면도, (B) 는 A-A' 단면도, (C) 는 B-B' 단면도이다.
도 8 은, 변형예에 관련된 지지부를 구비한 하측 케이스를 나타내는 도면이고, (A) 는 평면도, (B) 는 A-A' 단면도, (C) 는 B-B' 단면도이다.
도 9 는, 변형예에 관련된 지지부를 구비한 하측 케이스를 나타내는 도면이고, (A) 는 평면도, (B) 는 A-A' 단면도, (C) 는 B-B' 단면도이다.
도 10 은, 변형예에 관련된 지지부를 구비한 하측 케이스를 나타내는 도면이고, (A) 는 평면도, (B) 는 A-A' 단면도, (C) 는 B-B' 단면도이다.
도 11 은, 가용 도체의 외관 사시도이다.
도 12 는, 배터리 팩의 구성예를 나타내는 회로도이다.
도 13 은, 본 기술이 적용된 보호 소자의 회로도이다.
도 14 는, 본 기술이 적용된 보호 소자의 변형예를 나타내는 단면도이다.
도 15 는, 변형예에 관련된 보호 소자의 회로도이다.
도 16 은, 변형예에 관련된 보호 소자에 있어서, 가용 도체가 용단된 상태를 나타내는 단면도이다.
도 17 은, 대전류 대응의 보호 소자를 나타내는 평면도이다.
도 18 은, 도 17 에 있어서의 D-D' 단면도이다.
도 19 는, 도 17 에 나타내는 보호 소자의 외관 사시도이다.
도 20 은, 도 17 에 나타내는 보호 소자를, 상측 케이스를 생략하여 나타내는 평면도이다.
도 21 은, 도 17 에 나타내는 보호 소자에 있어서의 방열 경로를 나타내는 단면도이다.
도 22 는, 도 17 에 나타내는 보호 소자에 있어서의 방열 경로를 나타내는 평면도이다.
이하, 본 기술이 적용된 보호 소자 및 배터리 팩에 대해, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 본 기술은, 이하의 실시형태에만 한정되는 것은 아니며, 본 기술의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 여러 가지 변경이 가능한 것은 물론이다. 또, 도면은 모식적인 것이며, 각 치수의 비율 등은 현실의 것과는 상이한 경우가 있다. 구체적인 치수 등은 이하의 설명을 참작하여 판단해야 할 것이다. 또, 도면 상호간에 있어서도 서로의 치수의 관계나 비율이 상이한 부분이 포함되어 있는 것은 물론이다.
[제 1 실시형태]
도 1, 도 2, 도 3, 도 4 에 본 기술이 적용된 보호 소자 (1) 를 나타낸다. 보호 소자 (1) 는, 절연 기판 (2) 과, 절연 기판 (2) 의 표면에 탑재된 가용 도체 (3) 와, 절연 기판 (2) 의 이면을 지지하는 하측 케이스 (4) 와, 절연 기판 (2) 의 표면을 덮는 상측 케이스 (5) 를 갖고, 하측 케이스 (4) 와 상측 케이스 (5) 가 접합됨으로써 절연 기판 (2) 을 수납하는 케이싱 (6) 을 구비한다. 또, 보호 소자 (1) 는, 제 1, 제 2 외부 접속 단자 (7, 8) 를 갖는다. 제 1, 제 2 외부 접속 단자 (7, 8) 는, 케이싱 (6) 의 내외에 걸쳐서 배치 형성되고, 보호 소자 (1) 가 실장되는 외부 회로에 형성된 접속 전극에 나사 고정 등에 의해 접속된다. 제 1, 제 2 외부 접속 단자 (7, 8) 는, 하측 케이스 (4) 에 지지됨과 함께, 각 일단이 가용 도체 (3) 에 의해 접속되어 있다. 그리고, 보호 소자 (1) 는, 제 1, 제 2 외부 접속 단자 (7, 8) 를 개재하여 외부 회로에 장착됨으로써, 가용 도체 (3) 가 당해 외부 회로의 전류 경로의 일부를 구성하고, 후술하는 발열체 (10) 의 발열, 혹은 정격을 초과하는 과전류에 의해 용단됨으로써 전류 경로를 차단할 수 있다.
[절연 기판]
절연 기판 (2) 은, 예를 들어, 알루미나, 유리 세라믹스, 멀라이트, 지르코니아 등의 절연성을 갖는 부재에 의해 형성된다. 그 밖에, 절연 기판 (2) 은, 유리 에폭시 기판, 페놀 기판 등의 프린트 배선 기판에 사용되는 재료를 사용해도 된다. 도 3 에 나타내는 절연 기판 (2) 에서는, 후술하는 표면 전극 (11) 을 개재하여 접속되는 가용 도체 (3) 의 연장 방향의 양측 가장자리를 제 1 측 가장자리부 (2c) 로 하고, 후술하는 발열체 전극 (15) 및 발열체 급전 전극 (16) 이 형성되는 양측 가장자리를 제 2 측 가장자리부 (2d) 로 한다.
[발열체]
가용 도체 (3) 를 용단하는 발열체 (10) 는, 비교적 저항값이 높고 통전되면 발열하는 도전성을 갖는 부재로서, 예를 들어 니크롬, W, Mo, Ru, Cu, Ag, 혹은 이들을 주성분으로 하는 합금 등으로 이루어진다. 이들 합금 혹은 조성물, 화합물의 분상체 (粉狀體) 를 수지 바인더 등과 혼합하여 페이스트상으로 한 것을, 절연 기판 (2) 의 표면 (2a) 에 스크린 인쇄 기술을 사용하여 패턴 형성하고, 소성하는 등에 의해 형성할 수 있다.
발열체 (10) 는, 절연 기판 (2) 의 표면 (2a) 상에 있어서 절연층 (9) 에 피복되어 있다. 절연층 (9) 상에는, 후술하는 표면 전극 (11) 이 적층된다. 절연층 (9) 은, 발열체 (10) 의 보호 및 절연을 도모함과 함께, 발열체 (10) 의 열을 효율적으로 표면 전극 (11) 및 가용 도체 (3) 에 전달하기 위해서 형성되고, 예를 들어 유리층으로 이루어진다.
발열체 (10) 는, 일단이 절연 기판 (2) 의 표면 (2a) 에 형성된 발열체 전극 (15) 과 접속되어 있다. 또, 발열체 전극 (15) 은, 절연층 (9) 상에 형성된 표면 전극 (11) 과 접속되어 있다. 이로써 발열체 (10) 는, 표면 전극 (11) 상에 탑재된 가용 도체 (3) 와 전기적으로 접속되어 있다. 또, 발열체 (10) 는, 타단이 발열체 급전 전극 (16) 과 접속되어 있다. 발열체 급전 전극 (16) 은, 절연 기판 (2) 의 표면 (2a) 에 형성됨과 함께, 솔더 페이스트 등의 접속 재료 (20) 를 개재하여 제 3 외부 접속 단자 (17) 와 접속되고, 이 제 3 외부 접속 단자 (17) 를 개재하여 외부 회로와 접속된다. 그리고, 보호 소자 (1) 는, 외부 회로와 접속됨으로써, 제 3 외부 접속 단자 (17) 를 개재하여 발열체 (10) 가 외부 회로에 형성된 발열체 (10) 로의 급전 경로에 장착된다.
또, 발열체 (10) 는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 통전 방향이 도 3 중 화살표 D 로 나타내는 가용 도체 (3) 의 통전 방향과 교차하는 방향이 되도록 형성되고, 발열체 전극 (15) 및 발열체 급전 전극 (16) 이 제 2 측 가장자리부 (2d) 에 형성되는 것이, 절연 기판 (2) 의 면적을 효율적으로 사용하는 데에 있어서 바람직하다.
또, 발열체 (10) 는, 절연 기판 (2) 의 표면에 복수 형성해도 된다. 도 3 에 나타내는 보호 소자 (1) 의 예에서는, 2 개의 발열체 (10) 를 형성하고 있다. 각 발열체 (10) 는, 일단이 발열체 전극 (15) 과 접속되고, 타단이 발열체 급전 전극 (16) 과 접속되고, 전기적으로 병렬로 접속되어 있다.
또한, 보호 소자 (1) 는, 발열체 (10) 를 절연 기판 (2) 의 표면 (2a) 에 적층한 절연층 (9) 의 내부에 형성해도 된다. 또, 보호 소자 (1) 는, 발열체 (10) 를 절연 기판 (2) 의 내부에 형성해도 된다. 또, 보호 소자 (1) 는, 발열체 (10) 를 절연 기판 (2) 의 이면 (2b) 에 형성해도 된다. 또한, 발열체 (10) 를 절연 기판 (2) 의 이면 (2b) 에 형성하는 경우, 발열체 (10) 는, 일단이 절연 기판 (2) 의 이면 (2b) 에 형성된 이면 전극과 접속되고, 이면 전극 및 표면 전극 (11) 사이를 관통하는 도전 관통공을 개재하여 표면 전극 (11) 상에 탑재된 가용 도체 (2) 와 전기적으로 접속된다. 또, 발열체 (10) 는, 타단이 절연 기판 (2) 의 이면 (2b) 에 형성된 발열체 급전 전극을 개재하여 제 3 외부 접속 단자 (17) 와 접속된다.
[표면 전극]
절연층 (9) 상에는, 발열체 전극 (15) 을 개재하여 발열체 (10) 와 접속됨과 함께, 가용 도체 (3) 와 접속되는 표면 전극 (11) 이 형성되어 있다. 표면 전극 (11) 은, 솔더 페이스트 등의 접합 재료 (20) 를 개재하여 가용 도체 (3) 에 접속되어 있다. 또, 표면 전극 (11) 은, 가용 도체 (3) 가 용융되면 용융 도체 (3a) 가 응집되고, 이로써 가용 도체 (3) 를 용단할 수 있다.
표면 전극 (11) 은, 흡인공 (12) 을 형성해도 된다. 흡인공 (12) 은, 가용 도체 (3) 가 용융되면, 모세관 현상에 의해 이 용융 도체 (3a) 를 흡인하여, 표면 전극 (11) 상에서 유지하는 용융 도체 (3a) 의 체적을 감소시키는 것이다 (도 5 참조). 보호 소자 (1) 는, 대전류 용도에 대응하기 위해서 가용 도체 (3) 의 단면적을 증대시킴으로써, 용융량이 증대되었을 경우에도, 흡인공 (12) 에 흡인시킴으로써, 용융 도체 (3a) 의 체적을 감소시킬 수 있다. 이와 같은 구성을 갖는 절연 기판 (2) 은, 발열체 (10) 가 통전, 발열되면 이 열에 의해 가용 도체 (3) 를 용융시키고, 그 용융 도체 (3a) 를 흡인공 (12) 에 흡인하여 차단하는 용단 부재 (18) 를 구성한다.
이로써, 보호 소자 (1) 는, 표면 전극 (11) 상에서 유지하는 용융 도체 (3a) 의 체적을 감소시켜 보다 확실하게 제 1, 제 2 외부 접속 단자 (7, 8) 사이의 절연을 도모하고, 또, 가용 도체 (3) 의 용단시에 발생하는 아크 방전에 의한 용융 도체 (3a) 의 비산을 경감시켜 절연 저항의 저하를 방지하고, 또한 가용 도체 (3) 의 탑재 위치의 주변 회로에의 부착에 의한 단락 고장을 방지할 수 있다.
흡인공 (12) 은, 내면에 도전층 (13) 이 형성되어 있다. 도전층 (13) 이 형성됨으로써, 흡인공 (12) 은, 용융 도체 (3a) 를 흡인하기 쉽게 할 수 있다. 도전층 (13) 은, 예를 들어 구리, 은, 금, 철, 니켈, 팔라듐, 납, 주석 중 어느 것, 또는 어느 것을 주성분으로 하는 합금에 의해 형성되고, 흡인공 (12) 의 내면을 전해 도금이나 도전 페이스트의 인쇄 등의 공지된 방법에 의해 형성할 수 있다. 또, 도전층 (13) 은, 복수의 금속선이나, 도전성을 갖는 리본의 집합체를 흡인공 (12) 내에 삽입함으로써 형성해도 된다.
또, 흡인공 (12) 은, 절연 기판 (2) 의 두께 방향으로 관통하는 관통공으로서 형성되는 것이 바람직하다. 이로써, 흡인공 (12) 은, 용융 도체 (3a) 를 절연 기판 (2) 의 이면 (2b) 측까지 흡인할 수 있고, 보다 많은 용융 도체 (3a) 를 흡인하여, 용단 부위에 있어서의 용융 도체 (3a) 의 체적을 감소시킬 수 있다. 또한, 흡인공 (12) 은, 비관통공으로서 형성해도 된다.
흡인공 (12) 의 도전층 (13) 은, 절연 기판 (2) 의 표면 (2a) 에 형성된 표면 전극 (11) 과 연속되어 있다. 표면 전극 (11) 은, 가용 도체 (3) 를 지지함과 함께 용융 도체 (3a) 가 응집되기 때문에, 표면 전극 (11) 과 도전층 (13) 이 연속됨으로써, 용융 도체 (3a) 를 흡인공 (12) 내로 유도하기 쉽게 할 수 있다.
또한, 도전층 (13) 및 표면 전극 (11) 은, 발열체 (10) 에 의해 가열됨으로써, 가용 도체 (3) 의 용융 도체 (3a) 를 흡인공 (12) 내로 흡인시키기 쉽게 함과 함께, 표면 전극 (11) 상에 응집되기 쉽게 할 수 있다. 따라서, 보호 소자 (1) 는, 표면 전극 (11) 으로부터 도전층 (13) 을 개재하여 흡인공 (12) 으로 용융 도체 (3a) 를 흡인하는 작용을 촉진시켜, 확실하게 가용 도체 (3) 를 용단할 수 있다.
또, 절연 기판 (2) 의 이면 (2b) 에는, 흡인공 (12) 의 도전층 (13) 과 접속된 이면 전극 (14) 을 형성해도 된다. 이면 전극 (14) 은, 도전층 (13) 과 연속됨으로써, 가용 도체 (3) 가 용융되면, 흡인공 (12) 을 통해 이동한 용융 도체 (3a) 가 응집된다 (도 5 참조). 이로써, 보호 소자 (1) 는, 보다 많은 용융 도체 (3a) 를 흡인하여, 용단 부위에 있어서의 용융 도체 (3a) 의 체적을 감소시킬 수 있다.
또한, 보호 소자 (1) 는, 흡인공 (12) 을 복수 형성함으로써, 가용 도체 (3) 의 용융 도체 (3a) 를 흡인하는 경로를 늘려, 보다 많은 용융 도체 (3a) 를 흡인함으로써, 용단 부위에 있어서의 용융 도체 (3a) 의 체적을 감소시키도록 해도 된다. 이 때, 복수의 흡인공 (12) 은, 표면 전극 (11) 과 가용 도체 (3) 가 중첩하는 가용 도체 (3) 의 폭 방향에 걸쳐서 형성해도 된다. 또, 흡인공 (12) 은, 용융 도체 (3a) 가 젖어 확산되는 표면 전극 (11) 과 가용 도체 (3) 가 중첩하지 않는 영역에도 형성해도 된다.
또, 2 개의 발열체 (10) 를 병렬하여 형성하는 경우, 절연 기판 (2) 의 표면 (2a), 이면 (2b) 또는 내부에 형성하는 어느 경우에 있어서도, 흡인공 (12) 의 양측에 형성하는 것이, 표면 전극 (11) 및 이면 전극 (14) 을 가열하고, 또 보다 많은 용융 도체 (3a) 를 흡인, 응집하는 데에 있어서 바람직하다.
[케이싱]
이어서, 보호 소자 (1) 의 케이싱 (6) 에 대해 설명한다. 케이싱 (6) 은, 하측 케이스 (4) 와 상측 케이스 (5) 가 접합됨으로써 형성된다. 케이싱 (6) 은, 예를 들어, 각종 엔지니어링 플라스틱, 열가소성 플라스틱, 세라믹스 등의 절연성을 갖는 부재를 사용하여 형성할 수 있다. 또, 케이싱 (6) 은, 절연 기판 (2) 의 표면 (2a) 상에, 가용 도체 (3) 가 용융시에 구상으로 팽창되어, 용융 도체 (3a) 가 표면 전극 (11) 이나 제 1, 제 2 외부 접속 단자 (7, 8) 상에 응집되는 데에 충분한 내부 공간을 갖는다.
[하측 케이스]
도 6 은 하측 케이스 (4) 를 나타내는 도면이고, (A) 는 평면도, (B) 는 (A) 의 A-A' 단면도, (C) 는 (A) 의 B-B' 단면도이다. 하측 케이스 (4) 는, 대략 방형상으로 형성되고, 가용 도체 (3) 의 통전 방향에 걸치는 절연 기판 (2) 의 제 1 측 가장자리부 (2c) 를 지지하는 지지부 (21) 와, 절연 기판 (2) 의 제 1 측 가장자리부 (2c) 와 상이한 제 2 측 가장자리부 (2d) 를 중공으로 유지하는 중공부 (22) 를 갖는다.
도 3 에 나타내는 보호 소자 (1) 에 있어서는, 절연 기판 (2) 은 직사각형상을 이루고, 가용 도체 (3) 의 통전 방향에 걸쳐서 1 쌍의 제 1 측 가장자리부 (2c) 와, 제 1 측 가장자리부 (2c) 와 직교하는 방향에 인접하여 1 쌍의 제 2 측 가장자리부 (2d) 를 갖는다. 하측 케이스 (4) 는, 지지부 (21) 에 의해 절연 기판 (2) 의 제 1 측 가장자리부 (2c) 를 지지하고, 중공부 (22) 에 의해 제 2 측 가장자리부 (2d) 를 중공으로 유지한다. 이로써, 보호 소자 (1) 는, 절연 기판 (2) 에 형성되어 있는 발열체 (10) 가 발열한 열이, 절연 기판 (2) 을 통해서 하측 케이스 (4) 에 흡열되는 것을 방지할 수 있고, 발열체 (10) 의 열을 효율적으로 가용 도체 (3) 에 전달할 수 있어, 보다 신속하게 용단시킬 수 있다. 또, 이로써, 보호 소자 (1) 는, 용단 시간의 편차도 억제하여, 안정적으로 단시간에 용단시킬 수 있다.
특히, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 보호 소자 (1) 는, 발열체 (10) 와 표면 전극 (11) 을 접속하는 발열체 전극 (15) 에 있어서 열이 집중된다. 동일하게, 보호 소자 (1) 는, 발열체 (10) 와 제 3 외부 접속 단자 (17) 를 접속하는 발열체 급전 전극 (16) 에 있어서 열이 집중된다. 그 때문에, 발열체 전극 (15) 이나 발열체 급전 전극 (16) 이 형성되어 있는 제 2 측 가장자리부 (2d) 가 하측 케이스 (4) 와 접하고 있으면 많은 열을 빼앗겨 버린다. 그래서, 보호 소자 (1) 는, 제 2 측 가장자리부 (2d) 를 중공으로 유지함으로써 하측 케이스 (4) 로의 흡열 경로를 차단하여, 효율적으로 가용 도체 (3) 에 열을 전달시킬 수 있다.
또, 보호 소자 (1) 는, 절연 기판 (2) 의 가용 도체 (3) 의 통전 방향에 걸치는 제 1 측 가장자리부 (2c) 가 하측 케이스 (4) 에 지지됨으로써, 보다 절연성을 향상시킬 수 있다. 즉, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 절연 기판 (2) 의 제 1 측 가장자리부 (2c) 는, 가용 도체 (3) 의 통전 방향의 양단측으로서, 용융된 가용 도체 (3) 가 표면 전극 (11) 과 제 1, 제 2 외부 접속 단자 (7, 8) 의 단부 사이에서 분단되는 위치가 된다. 그 때문에, 절연 기판 (2) 의 제 1 측 가장자리부 (2c) 는, 방열을 촉진시켜, 용융 도체의 젖음 확산을 방지하여 절연성을 확보할 필요가 있다. 그래서, 보호 소자 (1) 는, 제 1 측 가장자리부 (2c) 를 하측 케이스 (4) 에 지지시켜, 하측 케이스 (4) 로의 방열을 촉진시키고, 이로써 용단 후의 절연성을 향상시킬 수 있다.
중공부 (22) 는, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 하측 케이스 (4) 의 절연 기판 (2) 을 지지하는 면에 오목면부 (23) 를 형성함으로써 형성할 수 있다. 오목면부 (23) 는, 대향하는 양측 가장자리가 내측으로 장출되어, 절연 기판 (2) 의 제 1 측 가장자리부 (2c) 를 지지하는 지지부 (21) 가 된다. 또, 오목면부 (23) 는, 지지부 (21) 가 형성된 측 가장자리와 대략 직교하는 양측 가장자리간의 폭이 절연 기판 (2) 의 제 2 측 가장자리부 (2d) 간의 폭보다 길게 형성되고, 지지부 (21) 에 지지된 절연 기판 (2) 의 제 2 측 가장자리부 (2d) 를 중공으로 유지한다 (도 3).
또한, 중공부 (22) 는, 가용 도체 (3) 의 통전 방향에 있어서, 절연 기판 (2) 의 제 2 측 가장자리부 (2d) 의 길이보다 길게 하는 것이 바람직하다. 이로써, 중공부 (22) 는, 확실하게 제 2 측 가장자리부 (2d) 를 중공으로 유지하여, 하측 케이스 (4) 로의 열전도를 억제할 수 있다.
[지지부의 형태]
여기서, 지지부 (21) 의 형태에 대해 설명한다. 오목면부 (23) 는, 절연 기판 (2) 의 제 1 측 가장자리부 (2c) 간의 거리보다, 그 제 1 측 가장자리부간의 방향에 있어서 짧고, 평면에서 보았을 때, 절연 기판 (2) 의 제 1 측 가장자리부 (2c) 를 지지하는 형상이면 된다. 예를 들어, 지지부 (21) 는, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 단변측이 오목면부 (23) 내로 장출하는 대략 사다리꼴상으로 형성되어도 된다. 도 3 에 나타내는 바와 같이, 대략 사다리꼴상의 지지부 (21) 는, 단변의 길이가 절연 기판 (2) 의 제 1 측 가장자리부 (2c) 와 대략 동일한 길이로 되고, 저변측을 향하여 점차 확폭된다. 또, 지지부 (21) 는, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 평면에서 보았을 때, 정부가 오목면부 (23) 내로 장출하는 대략 삼각형상으로 형성해도 된다. 도 3 및 도 7 에 나타내는 지지부 (21) 는, 제 1 측 가장자리부 (2c) 를 향하여 점차 지지 면적이 커짐으로써, 절연 기판 (2) 을 안정적으로 지지함과 함께, 발열체 (10) 의 열을 확산시켜 하측 케이스 (4) 에 방열시킬 수 있다.
또, 지지부 (21) 는 도 8 에 나타내는 바와 같이, 대략 직사각형상으로 형성해도 된다. 혹은, 지지부 (21) 는, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 절연 기판 (2) 의 제 1 측 가장자리부 (2c) 의 대략 중간 위치에 따른 위치에 있어서 오목면부 (23) 내로 돌조부가 장출됨으로써 형성해도 된다. 또, 지지부 (21) 는, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 절연 기판 (2) 의 제 1 측 가장자리부 (2c) 를 따라 복수의 돌조부가 간헐적으로 병렬되어도 된다. 도 10 에 나타내는 구성에서는, 각 돌조부를 동일 형상으로 형성했지만, 예를 들어 중앙의 돌조부를 상대적으로 길게 하는 등, 상이한 형상으로 해도 된다.
또한, 어느 형태에 있어서도, 지지부 (21) 는, 발열체 (10) 와 중첩하는 위치까지는 형성되지 않는 것이 바람직하다. 지지부 (21) 가 발열체 (10) 와 중첩하면, 발열체 (10) 의 열이 지지부 (21) 측으로 과잉으로 전달되어, 오히려 가용 도체 (3) 의 가열을 저해하는 폐해가 커지기 때문이다.
[상측 케이스]
상측 케이스 (5) 는, 하측 케이스 (4) 와 동일하게 대략 방형상으로 형성되고, 하측 케이스 (4) 와 맞대어 결합됨으로써 케이싱 (6) 을 구성한다. 상측 케이스 (5) 는, 절연 기판 (2) 의 표면 (2a) 상에 형성된 가용 도체 (3) 나 제 1, 제 2 외부 접속 단자 (7, 8) 를 덮고, 또 용단된 가용 도체 (3a) 가 표면 전극 (11) 및 제 1, 제 2 외부 접속 단자 (7, 8) 상에 응집 가능한 내부 공간을 갖는다. 하측 케이스 (4) 와 상측 케이스 (5) 의 접합은, 공지된 접착제를 사용하여 실시할 수 있다.
또한, 상측 케이스 (5) 는, 하측 케이스 (4) 와 맞대어지는 측벽의 하단면에, 하측 케이스 (4) 에 지지된 제 1, 제 2 외부 접속 단자 (7, 8) 및 제 3 외부 접속 단자 (17) 를 케이싱 (6) 의 내외에 걸쳐서 배치 형성하기 위한 오목부가 형성되어 있다. 이 오목부는, 제 1, 제 2 외부 접속 단자 (7, 8) 및 제 3 외부 접속 단자 (17) 의 배치 형성 위치에 대응한 위치에 형성되어 있고, 또, 오목부는, 제 1, 제 2 외부 접속 단자 (7, 8) 및 제 3 외부 접속 단자 (17) 의 형상에 따른 형상을 갖는다. 따라서, 케이싱 (6) 은, 하측 케이스 (4) 와 상측 케이스 (5) 를 간극 없이 맞대게 하여 접합함과 함께, 제 1, 제 2 외부 접속 단자 (7, 8) 및 제 3 외부 접속 단자 (17) 를 케이싱 밖으로 도출시킬 수 있다.
[가용 도체]
이어서, 가용 도체 (3) 에 대해 설명한다. 가용 도체 (3) 는, 제 1 및 제 2 외부 접속 단자 (7, 8) 사이에 걸쳐서 실장되고, 발열체 (10) 의 통전에 의한 발열, 또는 정격을 초과하는 전류가 통전됨으로써 자기 발열 (줄열) 에 의해 용단되어, 제 1 외부 접속 단자 (7) 와 제 2 외부 접속 단자 (8) 사이의 전류 경로를 차단하는 것이다.
가용 도체 (3) 는, 발열체 (10) 의 통전에 의한 발열, 또는 과전류 상태에 의해 용융되는 도전성의 재료이면 되고, 예를 들어, SnAgCu 계의 Pb 프리 땜납 외에, BiPbSn 합금, BiPb 합금, BiSn 합금, SnPb 합금, PbIn 합금, ZnAl 합금, InSn 합금, PbAgSn 합금 등을 사용할 수 있다.
또, 가용 도체 (3) 는, 고융점 금속과, 저융점 금속을 함유하는 구조체이어도 된다. 예를 들어, 도 11 에 나타내는 바와 같이, 가용 도체 (3) 는, 내층과 외층으로 이루어지는 적층 구조체이고, 내층으로서 저융점 금속층 (31), 저융점 금속층 (31) 에 적층된 외층으로서 고융점 금속층 (32) 을 갖는다. 가용 도체 (3) 는, 제 1, 제 2 외부 접속 단자 (7, 8) 및 표면 전극 (11) 상에 솔더 페이스트 등의 접합 재료 (20) 를 개재하여 접속된다.
저융점 금속층 (31) 은, 바람직하게는, 땜납 또는 Sn 을 주성분으로 하는 금속이고, 「Pb 프리 땜납」 이라고 일반적으로 불리는 재료이다. 저융점 금속층 (31) 의 융점은, 반드시 리플로로의 온도보다 높을 필요는 없고, 200 ℃ 정도에서 용융되어도 된다. 고융점 금속층 (32) 은, 저융점 금속층 (31) 의 표면에 적층된 금속층이고, 예를 들어, Ag 혹은 Cu 또는 이들 중 어느 것을 주성분으로 하는 금속이고, 제 1, 제 2 외부 접속 단자 (7, 8) 및 표면 전극 (11) 과 가용 도체 (3) 의 접속을 리플로에 의해 실시하는 경우에 있어서도 용융되지 않는 높은 융점을 갖는다.
이와 같은 가용 도체 (3) 는, 저융점 금속박에, 고융점 금속층을 도금 기술을 사용하여 성막함으로써 형성할 수 있고, 혹은, 다른 주지된 적층 기술, 막 형성 기술을 사용하여 형성할 수도 있다. 이 때, 가용 도체 (3) 는, 저융점 금속층 (31) 의 전체면이 고융점 금속층 (32) 에 의해 피복된 구조로 해도 되고, 서로 대향하는 1 쌍의 측면을 제외하고 피복된 구조이어도 된다. 또한, 가용 도체 (3) 는, 고융점 금속층 (32) 을 내층으로 하고, 저융점 금속층 (31) 을 외층으로 하여 구성해도 되고, 또 저융점 금속층과 고융점 금속층이 교대로 적층된 3 층 이상의 다층 구조로 하는, 외층의 일부에 개구부를 형성하여 내층의 일부를 노출시키는 등, 여러 가지 구성에 의해 형성할 수 있다.
가용 도체 (3) 는, 내층이 되는 저융점 금속층 (31) 에, 외층으로서 고융점 금속층 (32) 을 적층함으로써, 리플로 온도가 저융점 금속층 (31) 의 용융 온도를 초과했을 경우에도, 가용 도체 (3) 로서 형상을 유지할 수 있어, 용단되는 데에 이르지 않는다. 따라서, 보호 소자 (1) 는, 제 1, 제 2 외부 접속 단자 (7, 8) 및 표면 전극 (11) 과 가용 도체 (3) 의 접속을 리플로에 의해 효율적으로 실시할 수 있다. 또, 보호 소자 (1) 는, 리플로에 의해서도 가용 도체 (3) 의 변형에 수반하여 국소적으로 저항값이 높거나 또는 낮아지는 등에 의해 소정의 온도에서 용단되지 않거나, 혹은 소정의 온도 미만에서 용단되는 등의 용단 특성의 변동을 방지할 수 있다.
또, 가용 도체 (3) 는, 소정의 정격 전류가 흐르고 있는 동안에는, 자기 발열에 의해서도 용단되지 않는다. 그리고, 정격보다 높은 값의 전류가 흐르면, 자기 발열에 의해 용융되어, 제 1, 제 2 외부 접속 단자 (7, 8) 사이의 전류 경로를 차단한다. 또, 가용 도체 (3) 는, 발열체 (10) 가 통전되어 발열함으로써 용융되어, 제 1, 제 2 외부 접속 단자 (7, 8) 사이의 전류 경로를 차단한다.
이 때, 가용 도체 (3) 는, 용융된 저융점 금속층 (31) 이 고융점 금속층 (32) 을 침식 (땜납 침식) 함으로써, 고융점 금속층 (32) 이 용융 온도보다 낮은 온도에서 용해된다. 따라서, 가용 도체 (3) 는, 저융점 금속층 (31) 에 의한 고융점 금속층 (32) 의 침식 작용을 이용하여 단시간에 용단할 수 있다. 또, 가용 도체 (3) 의 용융 도체 (3a) 는, 표면 전극 (11) 및 제 1, 제 2 외부 접속 단자 (7, 8) 의 물리적인 인입 작용에 의해 분단되므로, 신속하게, 또한 확실하게, 제 1, 제 2 외부 접속 단자 (7, 8) 사이의 전류 경로를 차단할 수 있다 (도 5).
또, 가용 도체 (3) 는, 저융점 금속층 (31) 의 체적을, 고융점 금속층 (32) 의 체적보다 많이 형성하는 것이 바람직하다. 가용 도체 (3) 는, 과전류에 의한 자기 발열 또는 발열체 (10) 의 발열에 의해 가열되어, 저융점 금속이 용융됨으로써 고융점 금속을 용식하고, 이로써 신속하게 용융, 용단할 수 있다. 따라서, 가용 도체 (3) 는, 저융점 금속층 (31) 의 체적을 고융점 금속층 (32) 의 체적보다 많이 형성함으로써, 이 용식 작용을 촉진하여, 신속하게 제 1, 제 2 외부 접속 단자 (7, 8) 사이를 차단할 수 있다.
또, 가용 도체 (3) 는, 내층이 되는 저융점 금속층 (31) 에 고융점 금속층 (32) 이 적층되어 구성되어 있기 때문에, 용단 온도를 종래의 고융점 금속으로 이루어지는 칩 퓨즈 등보다 대폭 저감시킬 수 있다. 따라서, 가용 도체 (3) 는, 동일 사이즈의 칩 퓨즈 등에 비해, 단면적을 크게 할 수 있어 전류 정격을 대폭 향상시킬 수 있다. 또, 동일한 전류 정격을 갖는 종래의 칩 퓨즈보다 소형화, 박형화를 도모할 수 있어, 속용단성이 우수하다.
또, 가용 도체 (3) 는, 보호 소자 (1) 가 장착된 전기 계통에 비정상적으로 높은 전압이 순간적으로 인가되는 서지에 대한 내성 (내펄스성) 을 향상시킬 수 있다. 즉, 가용 도체 (3) 는, 예를 들어 100 A 의 전류가 수 msec 흐르는 경우까지 용단해서는 안된다. 이 점에서, 극히 단시간에 흐르는 대전류는 도체의 표층을 흐르므로 (표피 효과), 가용 도체 (3) 는, 외층으로서 저항값이 낮은 Ag 도금 등의 고융점 금속층 (32) 이 형성되어 있기 때문에, 서지에 의해 인가된 전류를 흐르게 하기 쉬워, 자기 발열에 의한 용단을 방지할 수 있다. 따라서, 가용 도체 (3) 는, 종래의 땜납 합금으로 이루어지는 퓨즈에 비해, 대폭 서지에 대한 내성을 향상시킬 수 있다.
또한, 가용 도체 (3) 는, 산화 방지, 및 용단시의 젖음성의 향상 등을 위해서, 플럭스 (도시 생략) 를 도포해도 된다.
[회로 구성예]
이와 같은 보호 소자 (1) 는, 도 12 에 나타내는 바와 같이, 예를 들어 리튬 이온 이차 전지의 배터리 팩 (33) 내의 회로에 장착되어 사용된다. 배터리 팩 (33) 은, 예를 들어, 합계 4 개의 리튬 이온 이차 전지의 배터리 셀 (34a ∼ 34d) 로 이루어지는 배터리 스택 (35) 을 갖는다.
배터리 팩 (33) 은, 배터리 스택 (35) 과, 배터리 스택 (35) 의 충방전을 제어하는 충방전 제어 회로 (36) 와, 배터리 스택 (35) 의 이상시에 충방전 경로를 차단하는 본 기술이 적용된 보호 소자 (1) 와, 각 배터리 셀 (34a ∼ 34d) 의 전압을 검출하는 검출 회로 (37) 와, 검출 회로 (37) 의 검출 결과에 따라 보호 소자 (1) 의 동작을 제어하는 스위치 소자가 되는 전류 제어 소자 (38) 를 구비한다.
배터리 스택 (35) 은, 과충전 및 과방전 상태로부터 보호하기 위한 제어를 필요로 하는 배터리 셀 (34a ∼ 34d) 이 직렬 접속된 것이고, 배터리 팩 (33) 의 정극 단자 (33a), 부극 단자 (33b) 를 개재하여, 착탈 가능하게 충전 장치 (29) 에 접속되고, 충전 장치 (29) 로부터의 충전 전압이 인가된다. 충전 장치 (29) 에 의해 충전된 배터리 팩 (33) 은, 정극 단자 (33a), 부극 단자 (33b) 를 배터리로 동작하는 전자 기기에 접속함으로써, 이 전자 기기를 동작시킬 수 있다.
충방전 제어 회로 (36) 는, 배터리 스택 (35) 과 충전 장치 (29) 사이의 전류 경로에 직렬 접속된 2 개의 전류 제어 소자 (39a, 39b) 와, 이들 전류 제어 소자 (39a, 39b) 의 동작을 제어하는 제어부 (40) 를 구비한다. 전류 제어 소자 (39a, 39b) 는, 예를 들어 전계 효과 트랜지스터 (이하, FET 라고 한다.) 에 의해 구성되고, 제어부 (40) 에 의해 게이트 전압을 제어함으로써, 배터리 스택 (35) 의 전류 경로의 충전 방향 및/또는 방전 방향으로의 도통과 차단을 제어한다. 제어부 (40) 는, 충전 장치 (29) 로부터 전력 공급을 받아 동작하고, 검출 회로 (37) 에 의한 검출 결과에 따라, 배터리 스택 (35) 이 과방전 또는 과충전일 때, 전류 경로를 차단하도록, 전류 제어 소자 (39a, 39b) 의 동작을 제어한다.
보호 소자 (1) 는, 예를 들어, 배터리 스택 (35) 과 충방전 제어 회로 (36) 사이의 충방전 전류 경로 상에 접속되고, 그 동작이 전류 제어 소자 (38) 에 의해 제어된다.
검출 회로 (37) 는, 각 배터리 셀 (34a ∼ 34d) 과 접속되고, 각 배터리 셀 (34a ∼ 34d) 의 전압값을 검출하고, 각 전압값을 충방전 제어 회로 (36) 의 제어부 (40) 에 공급한다. 또, 검출 회로 (37) 는, 배터리 셀 (34a ∼ 34d) 중 어느 1 개가 과충전 전압 또는 과방전 전압이 되었을 때에 전류 제어 소자 (38) 를 제어하는 제어 신호를 출력한다.
전류 제어 소자 (38) 는, 예를 들어 FET 에 의해 구성되고, 검출 회로 (37) 로부터 출력되는 검출 신호에 의해, 배터리 셀 (34a ∼ 34d) 의 전압값이 소정의 과방전 또는 과충전 상태를 초과하는 전압이 되었을 때, 보호 소자 (1) 를 동작시켜, 배터리 스택 (35) 의 충방전 전류 경로를 전류 제어 소자 (39a, 39b) 의 스위치 동작에 상관없이 차단하도록 제어한다.
이상과 같은 구성으로 이루어지는 배터리 팩 (33) 에 사용되는, 본 기술이 적용된 보호 소자 (1) 는, 도 13 에 나타내는 바와 같은 회로 구성을 갖는다. 즉, 보호 소자 (1) 는, 제 1 외부 접속 단자 (7) 가 배터리 스택 (35) 측과 접속되고, 제 2 외부 접속 단자 (8) 가 정극 단자 (33a) 측과 접속되고, 이로써 가용 도체 (3) 가 배터리 스택 (35) 의 충방전 경로 상에 직렬로 접속된다. 또, 보호 소자 (1) 는, 발열체 (10) 가 발열체 급전 전극 (16) 및 제 3 외부 접속 단자 (17) 를 개재하여 전류 제어 소자 (38) 와 접속됨과 함께, 발열체 (10) 가 배터리 스택 (35) 의 개방단과 접속된다. 이로써, 발열체 (10) 는, 일단을 표면 전극 (11) 을 개재하여 가용 도체 (3) 및 배터리 스택 (35) 의 일방의 개방단과 접속하고, 타단을 제 3 외부 접속 단자 (17) 를 개재하여 전류 제어 소자 (38) 및 배터리 스택 (35) 의 타방의 개방단과 접속한다. 이로써, 전류 제어 소자 (38) 에 의해 통전이 제어되는 발열체 (10) 로의 급전 경로가 형성된다.
[보호 소자의 동작]
검출 회로 (37) 가 배터리 셀 (34a ∼ 34d) 중 어느 이상 전압을 검출하면, 전류 제어 소자 (38) 로 차단 신호를 출력한다. 그러면, 전류 제어 소자 (38) 는, 발열체 (10) 에 통전되도록 전류를 제어한다. 보호 소자 (1) 는, 배터리 스택 (35) 으로부터, 발열체 (10) 로 전류가 흐르고, 이로써 발열체 (10) 가 발열을 개시한다. 보호 소자 (1) 는, 발열체 (10) 의 발열에 의해 가용 도체 (3) 가 용단되어, 배터리 스택 (35) 의 충방전 경로를 차단한다. 또, 보호 소자 (1) 는, 가용 도체 (3) 를 고융점 금속과 저융점 금속을 함유시켜 형성함으로써, 고융점 금속의 용단 전에 저융점 금속이 용융되고, 용융된 저융점 금속에 의한 고융점 금속의 용식 작용을 이용하여 단시간에 가용 도체 (3) 를 용해시킬 수 있다.
여기서, 보호 소자 (1) 는, 케이싱 (6) 의 하측 케이스 (4) 가 지지부 (21) 에 의해 가용 도체 (3) 의 통전 방향에 걸치는 절연 기판 (2) 의 제 1 측 가장자리부 (2c) 를 지지하고, 중공부 (22) 에 의해 절연 기판 (2) 의 제 2 측 가장자리부 (2d) 를 중공으로 유지한다. 이로써, 보호 소자 (1) 는, 절연 기판 (2) 의 표면에 형성되어 있는 발열체 (10) 가 발열한 열이, 절연 기판 (2) 의 제 2 측 가장자리부 (2d) 를 통해서 하측 케이스 (4) 에 흡열되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 보호 소자 (1) 는, 발열체 (10) 의 열을 효율적으로 가용 도체 (3) 에 전달할 수 있어, 보다 신속하게 용단시킬 수 있다. 또, 이로써, 보호 소자 (1) 는, 용단 시간의 편차도 억제하여, 안정적으로 단시간에 용단시킬 수 있다.
또, 보호 소자 (1) 는, 절연 기판 (2) 의 가용 도체 (3) 의 통전 방향에 걸치는 제 1 측 가장자리부 (2c) 가 하측 케이스 (4) 에 지지됨으로써, 절연 기판 (2) 의 제 1 측 가장자리부 (2c) 는, 방열을 촉진시켜, 용융 도체의 젖음 확산을 방지하여 절연성을 향상시킬 수 있다.
보호 소자 (1) 는, 가용 도체 (3) 가 용단됨으로써, 발열체 (10) 로의 급전 경로도 차단되기 때문에, 발열체 (10) 의 발열이 정지된다.
또한, 보호 소자 (1) 는, 배터리 팩 (33) 에 정격을 초과하는 과전류가 통전된 경우에도, 가용 도체 (3) 가 자기 발열에 의해 용융되어, 배터리 팩 (33) 의 충방전 경로를 차단할 수 있다.
이와 같이, 보호 소자 (1) 는, 발열체 (10) 의 통전에 의한 발열, 혹은 과전류에 의한 가용 도체 (3) 의 자기 발열에 의해 가용 도체 (3) 가 용단된다. 이 때, 보호 소자 (1) 는, 가용 도체 (3) 가 제 1, 제 2 외부 접속 단자 (7, 8) 나 표면 전극 (11) 에 리플로 실장되는 등의 고온 환경하에 노출되었을 경우에도, 저융점 금속이 고융점 금속에 의해 피복된 구조를 가지므로, 가용 도체 (3) 의 변형이 억제되어 있다. 따라서, 가용 도체 (3) 의 변형에 의한 저항값의 변동 등에서 기인하는 용단 특성의 변동이 방지되어, 소정의 과전류나 발열체 (10) 의 발열에 의해 신속하게 용단할 수 있다.
본 기술에 관련된 보호 소자 (1) 는, 리튬 이온 이차 전지의 배터리 팩에 사용하는 경우에 한정되지 않고, 전기 신호에 의한 전류 경로의 차단을 필요로 하는 여러 가지 용도에도 물론 응용 가능하다.
[변형예]
이어서, 본 기술이 적용된 보호 소자의 변형예에 대해 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 상기 서술한 보호 소자 (1) 와 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 부여하고 그 상세를 생략하는 경우가 있다. 변형예에 관련된 보호 소자 (50) 는, 도 14 에 나타내는 바와 같이, 가용 도체 (3) 를 복수의 용단 부재 (18) 에 협지시켜도 된다. 도 14 에 나타내는 보호 소자 (50) 는, 용단 부재 (18) 가, 가용 도체 (3) 의 일방의 면 및 타방의 면에 각각 배치 형성되어 있다. 도 15 는, 보호 소자 (50) 의 회로도이다. 가용 도체 (3) 의 표면 및 이면에 배치 형성된 각 용단 부재 (18) 는, 각각 발열체 (10) 의 일단이, 각 절연 기판 (2) 에 형성된 발열체 전극 (15) 및 표면 전극 (11) 을 개재하여 가용 도체 (3) 와 접속되고, 발열체 (10) 의 타단이 각 절연 기판 (2) 에 형성된 발열체 급전 전극 (16) 및 제 3 외부 접속 단자 (17) 를 개재하여 발열체 (10) 를 발열시키기 위한 전원에 접속된다.
또, 도 16 에 나타내는 바와 같이, 보호 소자 (50) 는, 발열체 (10) 의 발열에 의해 가용 도체 (3) 를 용단할 때에는, 가용 도체 (3) 의 양면에 접속된 각 용단 부재 (18, 18) 의 발열체 (10) 가 발열하여, 가용 도체 (3) 의 양면으로부터 가열한다. 따라서, 보호 소자 (50) 는, 대전류 용도에 대응하기 위해서 가용 도체 (3) 의 단면적을 증대시켰을 경우에도, 신속하게 가용 도체 (3) 를 가열하여, 용단할 수 있다.
또, 보호 소자 (50) 는, 가용 도체 (3) 의 양면으로부터 용융 도체 (3a) 를, 각 용단 부재 (18) 의 절연 기판 (2) 에 형성한 각 흡인공 (12) 내로 흡인한다. 따라서, 보호 소자 (50) 는, 대전류 용도에 대응하기 위해서 가용 도체 (3) 의 단면적을 증대시켜 용융 도체 (3a) 가 다량으로 발생했을 경우에도, 복수의 용단 부재 (18) 에 의해 흡인하여, 확실하게 가용 도체 (3) 를 용단시킬 수 있다. 또, 보호 소자 (50) 는, 복수의 용단 부재 (18) 에 의해 용융 도체 (3a) 를 흡인함으로써, 보다 신속하게 가용 도체 (3) 를 용단시킬 수 있다.
보호 소자 (50) 는, 가용 도체 (3) 로서, 내층을 구성하는 저융점 금속을 고융점 금속으로 피복하는 피복 구조를 사용한 경우에도, 가용 도체 (3) 를 신속하게 용단시킬 수 있다. 즉, 고융점 금속으로 피복된 가용 도체 (3) 는, 발열체 (10) 가 발열했을 경우에도, 외층의 고융점 금속이 용융되는 온도까지 가열하는 데에 시간을 필요로 한다. 여기서, 보호 소자 (50) 는, 복수의 용단 부재 (18) 를 구비하고, 동시에 각 발열체 (10) 를 발열시킴으로써, 외층의 고융점 금속을 신속하게 용융 온도까지 가열할 수 있다. 따라서, 보호 소자 (50) 에 의하면, 외층을 구성하는 고융점 금속층의 두께를 두껍게 할 수 있어, 추가적인 고정격화를 도모하면서, 속용단 특성을 유지할 수 있다.
또, 보호 소자 (50) 는, 도 14 에 나타내는 바와 같이, 1 쌍의 용단 부재 (18, 18) 가 대향하여 가용 도체 (3) 에 접속되는 것이 바람직하다. 이로써, 보호 소자 (50) 는, 1 쌍의 용단 부재 (18, 18) 로, 가용 도체 (3) 의 동일 지점을 양면측에서 동시에 가열함과 함께 용융 도체 (3a) 를 흡인할 수 있어, 보다 신속하게 가용 도체 (3) 를 가열, 용단할 수 있다.
또, 보호 소자 (50) 는, 1 쌍의 용단 부재 (18, 18) 의 각 절연 기판 (2) 에 형성된 표면 전극 (11) 이 가용 도체 (3) 를 개재하여 서로 대향하는 것이 바람직하다. 이로써, 1 쌍의 용단 부재 (18, 18) 가 대칭으로 접속됨으로써, 리플로 실장시 등에 있어서, 가용 도체 (3) 에 대한 부하가 가해지는 방법이 언밸런스가 되는 일도 없어, 변형에 대한 내성을 향상시킬 수 있다.
또한, 발열체 (10) 는, 절연 기판 (2) 의 표면 (2a), 이면 (2b) 에 형성하는 어느 경우에 있어서도, 흡인공 (12) 의 양측에 형성하는 것이, 표면 전극 (11) 및 이면 전극 (14) 을 가열하고, 또 보다 많은 용융 도체 (3a) 를 응집, 흡인하는 데에 있어서 바람직하다.
실시예
이어서, 본 기술의 실시예에 대해 설명한다. 본 실시예에서는, 각각 동일한 가용 도체를 탑재한 본 기술이 적용된 보호 소자 (도 3) 및 종래 구조의 보호 소자 (도 20) 를 준비하였다. 가용 도체의 정격 전류는 양 보호 소자 모두 120 A 로 하였다. 양 보호 소자의 하측 케이스 및 상측 케이스는, LCP (Liquid Crystal Polymer) 를 사용하여 형성하였다. 그리고, 양 보호 소자의 발열체에 동일한 전압 (43 W) 을 인가하고 나서 가용 도체의 용단 시간을 대비하였다. 양 보호 소자의 샘플수는, 모두 25 개로 하였다.
그 결과, 본 기술이 적용된 보호 소자는, 종래 구조의 보호 소자보다 평균 10 ％ 용단 시간이 빨라졌다. 또, 본 기술이 적용된 보호 소자의 용단 시간의 편차는, 종래 구조의 보호 소자의 용단 시간의 편차보다 30 ％ 안정되었다.
이로써, 본 기술이 적용된 보호 소자는, 하측 케이스 (4) 에 형성한 지지부 (21) 에 의해 절연 기판 (2) 의 제 1 측 가장자리부 (2c) 를 지지하고, 중공부 (22) 에 의해 제 2 측 가장자리부 (2d) 를 중공으로 유지함으로써, 절연 기판 (2) 의 표면에 형성되어 있는 발열체 (10) 가 발열한 열이, 절연 기판 (2) 을 통해서 하측 케이스 (4) 에 흡열되는 것을 방지할 수 있고, 발열체 (10) 의 열을 효율적으로 가용 도체 (3) 에 전달할 수 있어, 종래 구조의 보호 소자보다 신속하게 용단시킬 수 있는 것을 알 수 있다. 또, 이로써, 보호 소자 (1) 는, 종래 구조의 보호 소자보다 용단 시간의 편차를 억제하여, 안정적으로 단시간에 용단시킬 수 있는 것을 알 수 있다.
1 보호 소자
2 절연 기판
2a 표면
2b 이면
2c 제 1 측 가장자리부
2d 제 2 측 가장자리부
3 가용 도체
3a 용융 도체
4 하측 케이스
5 상측 케이스
6 케이싱
7 제 1 외부 접속 단자
8 제 2 외부 접속 단자
9 절연층
10 발열체
11 표면 전극
12 흡인공
13 도전층
14 이면 전극
15 발열체 전극
16 발열체 급전 전극
17 제 3 외부 접속 단자
18 용단 부재
20 접합 재료
21 지지부
22 중공부
23 오목면부
29 충전 장치
31 저융점 금속층
32 고융점 금속층
33 배터리 팩
33a 정극 단자
33b 부극 단자
34 배터리 셀
35 배터리 스택
36 충방전 제어 회로
37 검출 회로
38 전류 제어 소자
39 전류 제어 소자
40 제어부
50 보호 소자
100 보호 소자

Claims (14)

  1. 가용 도체와,
    하측 케이스와 상측 케이스를 갖고, 상기 하측 케이스와 상기 상측 케이스가 접합됨으로써 형성되는 케이싱을 구비하고,
    상기 하측 케이스는, 오목면부가 형성되고, 상기 오목면부의 대향하는 측 가장자리에 지지부가 형성되어 있는 보호 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    표면에 상기 가용 도체가 탑재된 절연 기판을 갖고,
    상기 지지부는, 상기 절연 기판의 상기 가용 도체의 통전 방향의 제 1 측 가장자리부를 지지하는 보호 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 오목면부는, 상기 지지부가 형성된 상기 측 가장자리와 대략 직교하는 측 가장자리에 중공부가 형성되고, 상기 절연 기판의 상기 제 1 측 가장자리부와 상이한 제 2 측 가장자리부를 중공으로 유지하는 보호 소자.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지부는, 상기 오목면부의 대향하는 상기 측 가장자리에 각각 형성되고, 상기 측 가장자리로부터 상기 오목면부의 내측으로 장출되는 장출부인 보호 소자.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 오목면부는, 상기 절연 기판의 상기 제 2 측 가장자리부간의 거리보다, 그 제 2 측 가장자리부간의 방향에 있어서 길고,
    상기 중공부는, 상기 오목면부 상에 있어서 상기 절연 기판의 제 2 측 가장자리부를 중공으로 유지하는 보호 소자.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 중공부는, 상기 가용 도체의 통전 방향에 있어서, 상기 절연 기판의 상기 제 2 측 가장자리부의 길이보다 긴 보호 소자.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가용 도체의 양단부와 접속되는 제 1, 제 2 외부 접속 단자를 갖는 보호 소자.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연 기판은, 발열체와, 상기 발열체를 피복하는 절연층과, 상기 발열체의 일단과 접속됨과 함께 상기 절연층 상에 형성되고 상기 가용 도체와 접속되는 표면 전극을 갖는 보호 소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 발열체는, 상기 가용 도체의 통전 방향과 교차하는 방향을 길이 방향으로 하는 직사각형상으로 형성되어 있는 보호 소자.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 표면 전극은, 용융된 상기 가용 도체를 흡인하는 흡인공이 형성되어 있는 보호 소자.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 발열체는, 상기 절연 기판의 표면, 이면, 또는 상기 절연 기판의 내부에 형성되어 있는 보호 소자.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 발열체의 타단과 접속되는 제 3 외부 접속 단자를 갖는 보호 소자.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 절연 기판은, 상기 발열체의 발열에 의해 상기 가용 도체를 용단하는 용단 부재를 구성하고,
    상기 가용 도체에 복수의 상기 용단 부재가 접속되어 있는 보호 소자.
  14. 1 개 이상의 배터리 셀과,
    상기 배터리 셀의 충방전 경로 상에 접속되고, 그 충방전 경로를 차단하는 보호 소자를 구비하고,
    상기 보호 소자는,
    가용 도체와,
    하측 케이스와 상측 케이스를 갖고, 상기 하측 케이스와 상기 상측 케이스가 접합됨으로써 형성되는 케이싱을 구비하고,
    상기 하측 케이스는, 오목면부가 형성되고, 상기 오목면부의 대향하는 측 가장자리에 지지부가 형성되어 있는 배터리 팩.
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