TW201349273A - 保護元件 - Google Patents

Abstract

於將外罩構件之突狀部單獨配置於可熔導體上之情形時，並不能充分地將焊劑保持於可熔導體上，可熔導體之熔斷特性產生不均，因此，本發明之目的在於實現一種使塗佈於可熔導體上之焊劑量均勻，從而改良了熔斷特性之不均之保護元件。本發明之保護元件具備：絕緣基板(11)；發熱體(14)；絕緣構件(15)；兩個電極(12)；發熱體內部電極(16)；可熔導體(13)，其自發熱體內部電極(16)遍及兩個電極(12)而積層，且藉由加熱而熔斷兩個電極(12)之間之電流路徑；焊劑(17)，其以與發熱體(14)重疊之方式塗佈於可熔導體(13)上；及外罩構件(1)，其至少覆蓋可熔導體(13)而安裝於絕緣基板(11)。而且，外罩構件(1)具有複數個圓筒狀之突狀部(2)，該複數個圓筒狀之突狀部(2)與發熱體(14)對向且以與焊劑(17)相接之方式形成於外罩構件(1)之內面(1a)。

Description

保護元件

本發明係關於一種藉由熔斷電流路徑而保護連接於電流路徑上之電路之保護元件。

本申請案係以2012年3月26日於日本提出申請之日本專利申請編號特願2012-069657為基礎而主張優先權，該申請案係藉由參照而引用於本申請案中。

可充電而重複利用之2次電池之多數被加工成電池組而提供給使用者。尤其是，於重量能量密度較高之鋰離子2次電池中，為了確保使用者及電子機器之安全，一般而言，將過充電保護、過放電保護等多個保護電路內置於電池組中，且具有於特定之情況下阻斷電池組之輸出之功能。

藉由使用內置於電池組中之FET(Field Effect Transistor，場效電晶體)開關進行輸出之ON/OFF(導通/斷開)，而進行電池組之過充電保護或過放電保護動作。然而，即便於FET開關因某種原因而短路破壞之情形時，於施加雷電電湧(lightning surge)等，瞬間流動大電流之情形時，或者因電池單元之壽命而輸出電壓異常地降低，或相反輸出過大異常電壓之情形時，亦必需保護電池組或電子機器免遭著火等事故之影響。因此，於此種可假定之任何異常狀態中，為了安全地阻斷電池單元之輸出，使用 由具有藉由來自外部之訊號而阻斷電流路徑之功能之保險絲元件所構成的保護元件。

作為此種朝鋰離子2次電池等之保護電路之保護元件，如專利文獻1所記載般，一般使用如下構造：於保護元件內部具有發熱體，且藉由該發熱體而熔斷電流路徑上之可熔導體。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2010-3665號公報

於專利文獻1所記載之保護元件中，於由低熔點金屬所構成之可熔導體(保險絲)之表面為了抗氧化、促進熔融及提昇熔斷特性而塗佈有焊劑。又，為了確保保護元件之品質，以覆蓋構成保護元件之基板上之方式設置有外罩構件。於可熔導體上均勻地塗佈有焊劑，藉此可熔導體之發熱分佈變得均勻，可熔導體之熔斷特性之不均變小。因此，外罩構件為了保持所塗佈之焊劑並使可熔導體上之焊劑量均勻，而於外罩構件之內面以包圍可熔導體上之中央部之方式具有圓筒狀之突狀部。

然而，之後的研究結果判明，於將圓筒狀之突狀部單獨配置於可熔導體上之情形時，不能充分地將焊劑保持於可熔導體上，熔斷特性產生不均。又，判明了為了將焊劑量均勻地保持於可熔導體上而必需適當地選定配置圓筒狀之突狀部之位置。

因此，本發明之目的在於實現一種使塗佈於可熔導體上之焊 劑量均勻，從而改良了熔斷特性之不均之保護元件。

作為解決上述問題之手段，本發明之保護元件具備：絕緣基板；發熱體，其積層於絕緣基板；絕緣構件，其以至少覆蓋發熱體之方式積層於絕緣基板；第1及第2電極，其等積層於積層有絕緣構件之絕緣基板；發熱體內部電極，其以與發熱體重疊之方式積層於絕緣構件之上，且電性連接於第1及第2電極之間之電流路徑上及發熱體；可熔導體，其自發熱體內部電極遍及第1及第2電極而進行積層，且藉由加熱而熔斷第1電極與第2電極之間之電流路徑；焊劑，其以與發熱體重疊之方式塗佈於可熔導體上；及外罩構件，其至少覆蓋可熔導體而安裝於絕緣基板。而且，外罩構件具有具環狀周緣之複數個突狀部，該複數個突狀部與發熱體對向且以與焊劑相接之方式而形成於外罩構件之內面。

本發明具有具環狀周緣之複數個突狀部，該複數個突狀部與發熱體對向且以與焊劑相接之方式形成於外罩構件之內面，因此，於其前端藉由表面張力而被吸引之發熱體上之焊劑量變得均勻，發熱體上之可熔導體之發熱分佈變得均勻，從而降低熔斷特性之不均。

1‧‧‧外罩構件

1a‧‧‧外罩構件之內面

2、42、44、46~57‧‧‧突狀部

2a、42a~49a‧‧‧突狀部之內面

10‧‧‧保護元件

11‧‧‧絕緣基板

12‧‧‧電極

13‧‧‧可熔導體

14‧‧‧發熱體

15‧‧‧絕緣構件

16‧‧‧發熱體內部電極

17‧‧‧焊劑

18‧‧‧發熱體電極

20‧‧‧電池組

20a‧‧‧正極端子

20b‧‧‧負極端子

21~24‧‧‧電池單元

25‧‧‧電池堆

26‧‧‧檢測電路

27、31、32‧‧‧電流控制元件

30‧‧‧充放電控制電路

33‧‧‧控制部

35‧‧‧充電裝置

51a、53a‧‧‧壁面

圖1A係構成應用本發明之保護元件之外罩構件之A-A'部剖面圖。圖1B係外罩構件之仰視圖。

圖2A係為了表示應用本發明之保護元件之構成而卸除外罩構件之狀 態下之俯視圖。圖2B係表示將外罩構件安裝於圖2A之保護元件之狀態下之保護元件之構造之B-B'部剖面圖。

圖3係表示應用本發明之保護元件之應用例之方塊圖。

圖4係表示應用本發明之保護元件之電路構成例之圖。

圖5A係構成先前之保護元件之外罩構件之A-A'部剖面圖。圖5B係構成先前之保護元件之外罩構件之仰視圖，且係合併表示焊劑之狀態之概念圖。圖5C係剖面圖。

圖6A係構成先前之保護元件之外罩構件之A-A'部剖面圖。圖6B係構成先前之保護元件之外罩構件之仰視圖，且係合併表示焊劑之狀態之概念圖。圖6C係剖面圖。

圖7A係表示本發明之保護元件之實施形態中之一個變化例之外罩構件之剖面圖。圖7B係仰視圖。

圖8A係表示本發明之保護元件之實施形態中之一個變化例之外罩構件之剖面圖。圖8B係仰視圖。

圖9A係表示本發明之保護元件之實施形態中之一個變化例之外罩構件之剖面圖。圖9B係仰視圖。

圖10A係表示本發明之保護元件之實施形態中之一個變化例之外罩構件之剖面圖。圖10B係仰視圖。

圖11A係表示本發明之保護元件之實施形態中之一個變化例之外罩構件之剖面圖。圖11B係仰視圖。

圖12A係表示本發明之保護元件之實施形態中之一個變化例之外罩構件之剖面圖。圖12B係仰視圖。

以下，一面參照圖式一面對用以實施本發明之形態詳細地進行說明。再者，當然本發明並不僅限於以下之實施形態，可於不脫離本發明之主旨之範圍內進行各種變更。

[保護元件之構成]

如圖1A及圖1B所示，外罩構件1於外罩構件1之內面1a具有3個前端配置於與發熱體14之位置對向之位置之突狀部2。突狀部2係以外罩構件1之內面1a為底面，且呈前端開口之圓筒形狀。於將外罩構件1被覆於保護元件10之本體上進行安裝時，圓筒狀之突狀部2係介隔可熔導體13而配置於與方形之發熱體14對向之位置。以圓筒狀之突狀部2之前端成為與塗佈於可熔導體13之表面之焊劑17之表面接觸之位置之方式決定圓筒狀之突狀部2之高度。圓筒狀之突狀部2之內面2a係藉由與前端接觸之焊劑17之表面張力而吸引焊劑17，從而成為由焊劑17填滿之空間。內面2a之壁面可為光滑，亦可為粗糙之緞光加工面狀。外罩構件1用於保護保護元件10之內部，且由絕緣性之材料形成。例如，可使用環氧玻璃、陶瓷等具有特定之耐熱性之絕緣材料。圓筒狀之突狀部2並不限於3個，可如下述般為4個以上，亦可為2個。一般而言，外罩構件1係使用射出成型技術，包含突狀部2藉由一體成型而形成，但亦可將突狀部2作為另外之構成零件，於外罩構件1之內面1a於適當之位置藉由接著或嵌入等而構成。

如圖2A所示，保護元件10之本體具備：絕緣基板11；發熱體14，其積層於絕緣基板11，且由絕緣構件15覆蓋；電極12、12，其 等形成於絕緣基板11之兩端；發熱體內部電極16，其以與發熱體14重疊之方式積層於絕緣構件15上；及可熔導體13，其兩端連接於電極12、12，且中央部連接於發熱體內部電極16。於可熔導體13上塗佈有焊劑17。而且，如圖2B所示，本發明之保護元件10係將圖1之外罩構件1被覆於保護元件10之本體之絕緣基板11上而構成整體。若將外罩構件1被覆於絕緣基板11上，則3個圓筒狀之突狀部2與焊劑17之表面接觸，藉由焊劑17之表面張力而將圓筒狀之突狀部2之內部由焊劑17填滿。

方形之絕緣基板11例如由氧化鋁、玻璃陶瓷、富鋁紅柱石(mullite)、氧化鋯等具有絕緣性之構件形成。另外，亦可使用環氧玻璃基板、酚基板等用於印刷電路板之材料，但必需留意保險絲熔斷時之溫度。

發熱體14係電阻值相對較高而若通電則發熱之具有導電性之構件，例如，由W、Mo、Ru等所構成。藉由將該等之合金或組成物、化合物之粉狀體與樹脂黏合劑等混合，將成為糊狀者使用絲網印刷技術圖案形成於絕緣基板11上並進行焙燒等而形成。

以覆蓋發熱體14之方式配置絕緣構件15，以介隔該絕緣構件15而與發熱體14對向之方式配置發熱體內部電極16。

發熱體內部電極16之一端連接於發熱體電極18。又，發熱體14之一端連接於另一個發熱體電極18。

可熔導體13只要為以特定之電力、及熱進行熔融、熔斷之導電性之材料即可，例如可使用BiSn合金、BiPb合金、SnPb合金、PbIn合金、ZnAl合金、InSn合金、PbAgSn合金等。

於製造保護元件10時，焊劑17之黏性較低，若塗佈於可熔 導體13上則大致均勻地擴展分佈。隨著時間之經過溶劑揮發，且黏性上升。

[保護元件之使用方法]

如圖3所示，上述保護元件10用於鋰離子2次電池之電池組內之電路。

例如，保護元件10係組入具有由合計4個鋰離子2次電池之電池單元21~24所構成之電池堆25的電池組20中而使用。

電池組20具備：電池堆25；充放電控制電路30，其控制電池堆25之充放電；應用本發明之保護元件10，其保護電池堆25及充放電控制電路30；檢測電路26，其檢測各電池單元21~24之電壓；及電流控制元件27，其根據檢測電路26之檢測結果控制保護元件10之動作。

電池堆25係串聯連接有必需用於保護過充電及過放電狀態之控制之電池單元21~24者，且經由電池組20之正極端子20a、及負極端子20b而可裝卸地連接於充電裝置35，且被施加來自充電裝置35之充電電壓。將利用充電裝置35而被充電之電池組20之正極端子20a、及負極端子20b連接於藉由電池而進行動作之電子機器，藉此可使該電子機器進行動作。

充放電控制電路30具備：兩個電流控制元件31、32，其等串聯連接於自電池堆25流動至充電裝置35之電流路徑；及控制部33，其控制該等電流控制元件31、32之動作。電流控制元件31、32例如由場效電晶體(以下，稱為FET)構成，且藉由控制部33而控制閘極電壓，藉此控制電池堆25之電流路徑之導通及阻斷。控制部33以如下方式控制電流控制元件31、32之動作：自充電裝置35接收電力供給而進行動作，且根據利用 檢測電路26所得之檢測結果，於電池堆25為過放電或過充電時，阻斷電流路徑。

保護元件10例如連接於電池堆25與充放電控制電路30之間之充放電電流路徑上，且藉由電流控制元件27而控制其動作。

檢測電路26與各電池單元21~24連接，檢測各電池單元21~24之電壓值，且將各電壓值供給至充放電控制電路30之控制部33。又，檢測電路26於任一個電池單元21~24變為過充電電壓或過放電電壓時，輸出控制電流控制元件27之控制訊號。

電流控制元件27以如下方式進行控制：藉由自檢測電路26輸出之檢測訊號，於電池單元21~24之電壓值變為超過特定之過放電或過充電狀態之電壓時，使保護元件10動作，無論電流控制元件31、32之開關動作均阻斷電池堆25之充放電電流路徑。

於由如上之構成所構成之電池組20中，對保護元件10之構成具體地進行說明。

首先，應用本發明之保護元件10例如具有如圖4所示之電路構成。即，保護元件10係由經由發熱體內部電極16而串聯連接之可熔導體13、及經由可熔導體13之連接點通電使之發熱而將可熔導體13熔融之發熱體14所構成之電路構成。又，於保護元件10中，例如可熔導體13串聯連接於充放電電流路徑上，且發熱體14與電流控制元件27連接。保護元件10之兩個電極12、12之中，其中一個連接於A1，另一個連接於A2。又，發熱體內部電極16及與其連接之發熱體電極18連接於P1，另一個發熱體電極18連接於P2。

由此種電路構成所構成之保護元件10可實現低背化，並且可藉由發熱體14之發熱而確實地熔斷電流路徑上之可熔導體13。

[外罩構件之功能]

以下，於對用於本發明之保護元件10之外罩構件1之功能進行說明時，對先前之保護元件之外罩構件之功能進行說明。

如圖5A及圖5C所示，先前之保護元件之外罩構件1具有以與配置有發熱體14之位置對向之方式形成於外罩構件1之內面1a之突狀部42。突狀部42為圓筒狀，底面由外罩構件1之內面1a構成，且具有內面42a，且前端開口。突狀部42之前端之面積係以覆蓋對向之發熱體14之面積之大致80%之方式設定。

然而，若將圓筒之徑設定地較大，則有於圓筒之中央部附近，焊劑17之表面張力不能充分抵抗重力之情形，因此存在突狀部42之內部不能由焊劑17充分填滿的情況。若如此，則如圖5B所示般，突狀部42之內部之焊劑17之位置可能成為不均之狀態。如圖5C所示，並非將焊劑17均勻地塗佈於可熔導體13上之與發熱體14對應之區域之狀態，而除一部分以外經塗佈之焊劑17之量變少。於此種狀態下，若對發熱體14進行通電，發熱體14發熱，或於可熔導體13中流通過大之電流，溫度上升，則於可熔導體13之溫度分佈中產生位置偏移，可熔導體13之熔斷特性產生不均。

於外罩構件1之圓筒狀之突狀部42之前端之描繪面積較大，其內面42a之容積較大之情形時，如上所述，未充分地填充焊劑17，發熱體14上之可熔導體13上之焊劑17之塗佈量產生不均。該情況係即便不將突狀部42之形狀設為圓筒而設為三角形或四角形等多邊形亦相同。

因此，考慮如圖6A所示般減小圓筒狀之突狀部44之直徑，從而減小其內面44a之容積。若如此，則如圖6B所示，焊劑17可充分地填滿單獨之突狀部44之內面44a。

然而，如圖6C所示，突狀部44之前端之面積與發熱體14之面積相比較小，因此產生如下情況：於發熱體14之中央部附近焊劑17之塗佈量較多，若遠離中央部則塗佈量急遽地變少。作為其結果，於發熱體14之中央部及除此以外之區域焊劑17之塗佈量之差異變大，根據該差異於可熔導體13之發熱分佈中亦產生差異，因此，可熔導體13之熔斷特性產生不均。

如圖1所示，於本發明之保護元件10中，以與發熱體14對向且外罩構件1之突狀部2之前端與焊劑17接觸之方式減小突狀部2之前端描繪之面積，藉此，減少每一個所吸引之焊劑量。進而，將每一個所吸引之焊劑量變少之部分形成複數個突狀部2，藉此相對於發熱體14之表面積確保充分之對向面積，從而確保藉由焊劑17之表面張力而吸引之焊劑量。突狀部2較佳為以於外罩構件1之內面1a且成為與發熱體14對向之位置之方式例如配置3個，但亦可如下述般，進行各種變形，可使用4個以上，亦可為2個。

再者，對於突狀部2之形狀，相對於前端之周長，前端之描繪面積成為最大，因此較佳為圓形，但當然亦可為其他之形狀。

[變化例1]

如圖7A及圖7B所示，於與發熱體14對向之位置配置兩個圓筒狀之突狀部46，進而，於配置有該突狀部46之外側，即配置有電極12、 12之側配置與上述相同之圓筒狀之突狀部46。結果，於與可熔導體13對向之位置排列相同形狀之圓筒狀之突狀部46。藉此，將塗佈於可熔導體13上之焊劑17均勻地吸引至圓筒狀之突狀部46之前端，於各者之內面46a填充焊劑17，藉此不僅於發熱體14上，亦於可熔導體13上之大部分區域焊劑17之量大致均勻地分佈。藉由使可熔導體13上之焊劑量均勻，不僅有助於降低使用發熱體14之情形時之熔斷特性之不均，亦可降低相對於可熔導體之過大電流之熔斷特性之不均。

進而，亦可於對應於發熱體14之四角之位置配置直徑較上述突狀部46小之圓筒狀之突狀部47。藉由將直徑較小之圓筒狀之突狀部47配置於與發熱體14之四角對向之位置，而存在即便於焊劑17之量較多之情形時，亦可藉由將焊劑17吸引至直徑較小之圓筒狀之突狀部47之內面47a而防止流出至絕緣基板11之效果。

亦可如圖8A及圖8B所示，以於外罩構件1之內面1a且發熱體14之中央部，且覆蓋發熱體14表面之更廣闊之面積之方式配置4個具有內面48a之圓筒狀之突狀部48。與圖7之情形同樣地，藉由將直徑較小之圓筒狀之突狀部49配置於與發熱體14之四角對向之位置，而即便於焊劑17之量較多之情形時，亦可藉由將焊劑17吸引至直徑較小之圓筒狀之突狀部49之內面49a而防止流出至絕緣基板11。

於圖7及圖8之情形時，就焊劑17之塗佈量之均勻性之方面而言，較佳為與發熱體14對向之圓筒狀之突狀部46、48之前端所描繪之面積為發熱體14之表面積之80%左右以上。

再者，對於圖7及圖8之情形中之突狀部46、47、48、49 之直徑之大小為一例，並不限於上述情況。又，於圖7及圖8之例中，將突狀部46、47、48、49之各自之高度設為全部相同，但當然並不限於此。

[變化例2]

形成於外罩構件1之內面1a之突狀部之形狀只要前端之周所描繪之面積較小，且形成複數個突狀部，則未必為圓筒狀。亦可如圖9A及圖9B所示，將9個直徑較小之圓柱狀之突狀部50配置於與發熱體14對向之位置。附著於突狀部50之前端之焊劑17藉由表面張力而被吸引至與鄰接之突狀部50之間之空間。作為突狀部50之配置圖案，無需與發熱體14之方形形狀一致，亦可呈菱形狀配置。

如圖10A及圖10B所示，亦可根據發熱體14及可熔導體13之方形形狀，設置多個(3×9=27個)圓柱狀之突狀部52。藉由將多個突狀部52均等地配置於可熔導體上，不僅於發熱體14上，亦於可熔導體13上之大部分之區域，焊劑17分佈成均勻之厚度。藉由使可熔導體13上之焊劑量均勻，不僅有助於降低使用發熱體14之情形時之熔斷特性之不均，亦可降低相對於可熔導體之過大電流之熔斷特性之不均。

於圖9及圖10之情形時，亦能以包圍排列之突狀部50、52之方式構成具有壁面51a、53a之突狀部51、53。突狀部51、53與圖7及圖8之情形中之直徑較小之圓筒狀之突狀部47、49同樣地，可防止因焊劑17之流出引起之焊劑量之不均勻化。

再者，圓柱狀之突狀部之形狀亦可於任何情況下均為圓錐台狀之形狀。

[變化例3]

形成於外罩構件1之內面1a之突狀部之形狀並不限於上述圓筒形狀、圓柱、或圓錐台形狀。亦可如圖11A及圖11B所示，為前端較尖之圓錐形狀。較佳為將圓錐狀之突狀部54配置於與發熱體14對向之位置，但亦可如圖11所示般將配置擴展至與可熔導體13對向之位置。

當然亦可如圖12A及圖12B所示，僅配置於與發熱體14對向之位置。

於圖11及圖12之情形時，為了防止因焊劑17之流出引起之焊劑量之不均勻，亦能以包圍圓錐狀之突狀部54、56之方式配置防止流出用之突狀部55、57。藉由利用焊劑17之表面張力，即便不形成如圖9及圖10之例般具有壁面51a、53a之突狀部51、53，亦可藉由排列多個柱狀之突狀部55、57而防止焊劑17流出。

1‧‧‧外罩構件

1a‧‧‧外罩構件之內面

2‧‧‧突狀部

2a‧‧‧突狀部之內面

10‧‧‧保護元件

11‧‧‧絕緣基板

12‧‧‧電極

13‧‧‧可熔導體

14‧‧‧發熱體

15‧‧‧絕緣構件

16‧‧‧發熱體內部電極

17‧‧‧焊劑

18‧‧‧發熱體電極

Claims (7)

1. 一種保護元件，其具備：絕緣基板；發熱體，其積層於上述絕緣基板；絕緣構件，其以至少覆蓋上述發熱體之方式積層於上述絕緣基板；第1及第2電極，其等積層於積層有上述絕緣構件之上述絕緣基板；發熱體內部電極，其以與上述發熱體重疊之方式積層於上述絕緣構件之上，且電性連接於上述第1及第2電極之間之電流路徑上及該發熱體；可熔導體，其自上述發熱體內部電極遍及上述第1及第2電極而積層，且藉由加熱而熔斷該第1電極與該第2電極之間之電流路徑；焊劑，其以與上述發熱體重疊之方式塗佈於上述可熔導體上；及外罩構件，其至少覆蓋上述可熔導體而安裝於上述絕緣基板；且上述外罩構件具有具環狀周緣之複數個突狀部，該複數個突狀部與上述發熱體對向且以與上述焊劑相接之方式形成於該外罩構件之內面。
2. 如申請專利範圍第1項之保護元件，其中具有上述環狀之周緣之複數個突狀部為複數個圓筒、圓柱或圓錐台之形狀。
3. 如申請專利範圍第2項之保護元件，其中上述複數個圓筒、圓柱或圓錐台之該複數個圓筒、圓柱或圓錐台之外周面積之合計相對於上述發熱體之面積成為80%以上。
4. 如申請專利範圍第3項之保護元件，其中上述複數個圓筒、圓柱或圓錐台為3個以上之圓筒、圓柱或圓錐台。
5. 如申請專利範圍第2項至第4項中任一項之保護元件，其中上述複數 個圓筒、圓柱或圓錐台以於上述可熔導體之通電方向平行地整齊排列之方式配置。
6. 如申請專利範圍第5項之保護元件，其中上述複數個圓筒、圓柱或圓錐台配置於上述發熱體之外周之位置。
7. 如申請專利範圍第2項之保護元件，其中具有上述環狀之周緣之複數個突狀部為於塗佈有上述焊劑之側具有頂點之錐體。