TWI543224B - Protection element - Google Patents

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2012-069658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，即便於將圓筒狀之突狀部配置於可熔導體上之情形時，亦存在如下問題：若於焊劑中存在空隙(氣泡)則視產生空隙之位置而導致焊劑量變化，熔斷特性產生不均。為了應對該情況，於專利文獻1中記載有於圓筒狀之突狀部設置切口使空隙排出之保護元件。然而，存在如下問題：自設置於圓筒狀之突狀部之切口，不僅流出空隙，亦流出焊劑，結果，可熔導體上之焊劑塗佈量產生不均。

因此，本發明之目的在於實現一種即便於塗佈於可熔導體上 之焊劑中產生空隙亦使焊劑量均勻從而改良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，外罩構件具有環狀之突狀部，該環狀之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，且於環狀之突狀部之壁面開口有自突狀部內連通至外罩構件之內面側之連通孔。

本發明之外罩構件具有環狀之突狀部，該環狀之突狀部與發熱體對向且以與焊劑相接之方式形成，且於環狀之突狀部之壁面開口有自突狀部內連通至外罩構件之內面側之連通孔，因此，可將於焊劑內產生之空隙自連通孔排出。藉由排出空隙，塗佈於可熔導體上之焊劑變得均勻，可熔導體之發熱分佈變均勻，熔斷特性之不均降低。

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

2c‧‧‧突狀部之外罩構件之內面側之面

3‧‧‧連通孔

3a‧‧‧連通孔之突狀部之前端側之面

3b‧‧‧外罩構件側之面

4‧‧‧空隙

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

43‧‧‧切口

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係表示於圖2A之保護元件安裝有外罩構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，且係合併表示將焊劑及於焊劑內產生之空隙排出之狀態之概念圖。圖5C係保護元件之剖面圖。

圖6A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6B係保護元件之仰視圖，且係概念地表示於焊劑內產生之空隙、及將該空隙自連通孔排出之情況之圖。

圖7A係表示於外罩構件之突狀部之壁面開口之連通孔之例之剖面圖。圖7B係表示於外罩構件之突狀部之壁面開口之連通孔之另一例之剖面圖。

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的剖面圖。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的剖面圖。圖9B係仰視圖。

圖10係表示由圖9之變化例之柱狀支持構件支持之突狀部之圖。圖10A係突狀部之立體圖。圖10B係俯視圖。圖10C係前視圖。

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、圖1B、圖2A及圖2B所示，外罩構件1於外罩構件1之內面1a具有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來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之壁面可光滑，亦可為粗糙之緞光加工面狀。於突狀部2之壁面開口有連通突狀部2之內面2a及外罩構件1之內面1a側之連通孔3。外罩構件1用於保護元件10之內部之保護用，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。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、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5B所示，先前之保護元件之外罩構件1於與 配置有發熱體14之位置對向之位置具有配置於外罩構件1之內面1a之突狀部42。突狀部42為圓筒狀，底面係由外罩構件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與突狀部42對向之方形之發熱體14之面積的大致80%之方式設定。此處，存在如下情況：於以填滿由突狀部42之內面42a構成之空間之方式藉由表面張力而吸引焊劑17時，或於將焊劑17塗佈於可熔導體13上時，於焊劑17內產生空隙(氣泡)44。若空隙44停留於突狀部42內，則於突狀部42內焊劑17分佈不均，而損害可熔導體13上之焊劑17之均勻性。其結果，於利用發熱體14之可熔導體13之發熱分佈中產生不均勻性，而導致可熔導體13之熔斷特性之不均。

如圖5B所示，外罩構件1具有自突狀部42之前端朝向作為 突狀部42之底面之外罩構件1之內面1a形成之切口43。

如圖5C所示，於突狀部42內之焊劑中產生之虛線之位置 之空隙44藉由浮力而通過切口43向外罩構件1之內面1a側排出。然而，於存在切口43之部位，突狀部2之前端與焊劑17之間之表面張力不起作用，因此，焊劑17通過切口43而流出至可熔導體13上。因此，突狀部42所保持之焊劑17之量減少，可熔導體13上之焊劑17之塗佈量中產生差異。 其結果，可熔導體13上之對應於發熱體14之部位之發熱分佈中產生不均，而導致可熔導體13之熔斷特性之不均。

如圖6A所示，於本發明之保護元件10中，以與發熱體14 對向且焊劑17與外罩構件1之突狀部2之前端之整個周上接觸之方式形成有突狀部2，因此，能夠以可充分覆蓋發熱體14之表面積之廣闊之面積吸引足夠量之焊劑17。又，如圖6B所示，於圓筒狀之突狀部2，開口有自突狀部2之內面2a連通至外罩構件1之內面1a側之連通孔3，因此，於焊劑17中產生之空隙4隨著浮力通過連通孔3，且自突狀部2內向外罩構件1之內面1a之方向排出。因此，通過連通孔僅排出空隙4，焊劑17於可熔導體13上之對應於發熱體14之位置以均勻之量停留。

此處，如圖7A所示，形成於突狀部2之壁面上之連通孔3 由連通孔3之突狀部2之前端側之面3a、外罩構件1側之面3b、及未圖示之側面包圍而形成。於此情形時，較佳為外罩構件1側之面3b與外罩構件1之內面1a在相同之平面上。如圖7B所示，於連通孔3之外罩構件1側之面3b以與外罩構件1之內面1a具有階差之方式形成之情形時，該階差相對於藉由浮力而移動至外罩構件1之內面1a側之空隙4成為障壁，因此，必需留意難以排出空隙4之情況。又，例如若將外罩構件1之內面1a中之對應於圓筒狀之突狀部46內之底面之部分之厚度以自連通孔3傾斜地逐漸變厚之方式設定，則將所產生之空隙朝向連通孔3導引，從而變得易於排出。

再者，於上述中，連通孔之形狀當然並不限於方形，可為橢 圓形，亦可為任意之形狀。

[變化例1]

於突狀部46之壁面開口之連通孔47並不限於1個，可為複數個，亦可如圖8A及圖8B所示般，於突狀部46之圓周上相隔均等之距離開口有4個。突狀部46內之焊劑17中之空隙藉由浮力而於突狀部46之內面46a側移動，因此藉由使開口連通孔47之部位變多，可效率良好地排出突狀部46內之空隙。

[變化例2]

藉由增加連通孔之開口之面積，可更有效率地排出突狀部內之焊劑17中之空隙。如圖9A及圖9B所示，外罩構件1具有：圓筒狀之突狀部2，其端部均被開口，且具有內面2a；及柱狀支持部48，其一端連接於突狀部2之外罩構件1之內面1a側之面2c之一部分。而且，外罩構件1之柱狀支持部48之另一端連接於外罩構件1之內面1a。於該變化例中之外罩構件1中，藉由柱狀支持部48而支持突狀部2，且於突狀部2之不與焊劑17接觸之側之面2c與外罩構件1之內面1a之間形成長條狀之連通孔3。藉由以此方式構成突狀部2，於突狀部2之內面2a側產生之焊劑17之空隙4可相對於大致所有之方向朝向外罩構件1之內面1a之側排出。

另一方面，突狀部2之與焊劑17接觸之側之圓周面係整個圓周面可與焊劑17接觸，因此，無需形成焊劑17之流出路徑即可均等地吸引可熔導體13上之焊劑17。

如圖9A及圖9B所示之突狀部2及連接於突狀部2之柱狀支持部48與外罩構件1可使用射出成型技術藉由一體成型而形成。

或者，亦可如圖10A~圖10C所示，藉由將由突狀部2、及連接於突狀部2之柱狀支持部48所構成之突狀構件單獨地一體成型，另外與不具有經一體成型之突狀部之外罩構件連接而形成。

再者，於上述中，相對於相同周長成為最大面積者為圓，因此作為環狀之突狀部全部設為圓筒狀之突狀部。但是，當然並不限於圓筒狀，可為橢圓筒，亦可為三角形或其他多邊形之筒狀。

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 (5)

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環狀之突狀部，該環狀之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，且於上述環狀之突狀部之壁面開口有自該突狀部內連通至上述外罩構件之內面側之連通孔。
2. 如申請專利範圍第1項之保護元件，其中於上述環狀之突狀部開口有複數個上述連通孔。
3. 如申請專利範圍第2項之保護元件，其中上述環狀之突狀部為圓筒形狀，且上述複數個連通孔於該圓筒形狀之周上相隔均等之距離而開口。
4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之保護元件，其中上述連通孔與上述外罩構件之內面具有相同面。
5. 如申請專利範圍第1項之保護元件，其中上述環狀之突狀部由柱狀之 支持部連接於上述外罩構件之內面。