TWI715574B - 保護元件、熔絲元件 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種可緩和伴隨熔絲單元之大型化而增大之應力，即使周圍溫度變化亦能維持安定之熔斷特性的保護元件。
保護元件，具備第1電極12及第2電極13、跨接在第1、第2電極12、13間之熔絲單元17、以及支承熔絲單元17之箱體，熔絲單元17係在與箱體側之構成構件之間透過彈性構件20被固定。
Description
本發明係關於使用構裝在電流路徑上、藉由流過超過額定之電流時之自我發熱或發熱體之發熱熔斷而遮斷電流路徑之熔絲單元的保護元件及熔絲元件。
本申請案基於2015年5月28日日本申請之日本特願2015-109098號主張優先權，參照該申請，將其援用於本申請案。
大部分可充電後反覆利用之二次電池，係加工為電池組後提供給使用者。尤其是於重量能量密度高之鋰離子二次電池，為確保使用者及電子機器之安全，一般而言，皆會於電池組內建過充電保護、過放電保護等若干個保護電路，具有在既定場合遮斷電池組輸出之功能。
此種保護元件中，有一種使用內建在電池組(battery pack)之FET開關進行輸出之ON/OFF，據以進行電池組之過充電保護或過放電保護動作者。然而，即使在因某種原因使得FET開關遭到短路破壞、或施加雷突波等而瞬間流過大電流、或因電池(battery cell)之壽命導致輸出電壓異常降低、或相反的輸出過大異常電壓等之情形時，電池組或電子機器皆必須受到保護以避免冒火等之意外。因此，為了在所有此等可預想之異常狀態下，皆能安全地遮斷電池之輸出，而使用了一種具有以來自外部之訊號遮斷電流路徑之功能之由熔絲元件構成之保護元件。
如圖19(A)及圖19(B)所示，作為此種針對鋰離子二次電池等之保護電路之保護元件100，有一種形成在絶緣基板101上，將連接在電流路徑上之第1及第2電極102、103與跨在第1及第2電極102、103間之熔絲單元104以作為電流路徑之一部分，將此電流路徑上之熔絲單元104藉由因過電流產生之自我發熱、或設在保護元件100內部之發熱體105加以熔斷者。於此種保護元件100，藉由使熔融之液體狀熔絲單元104集中在第1及第2電極102、103上、以及與設在第1及第2電極102、103間之發熱體105連接之發熱體引出電極107上，據以遮斷電流路徑。
又，如圖19所記載之保護元件100，為避免在以回流焊接等進行構裝時之加熱使之熔融，一般，係使用熔點300℃以上之含鉛高熔點焊料作為熔絲單元104。此外，當加熱熔絲單元104時氧化會進一步加劇而妨礙熔斷，因此除了除去生成在熔絲單元104之氧化膜，並為提升熔絲單元104之濕潤性亦進行助焊劑106之積層。
[專利文獻1]日本特許第2790433號公報
[專利文獻2]日本特開2010-003665號公報
隨者近年來鋰離子二次電池之高容量化、高輸出化，針對用於鋰離子二次電池之保護電路之保護元件100，亦被要求額定之提升。為提升額定、使更多電流流過，被要求降低熔絲單元104之導體電阻，熔絲單
元104之大型化是必須的。
此處，由於熔絲單元104係以Pb或Sn等之金屬為主成分，一般而言線膨脹係數大。因此，熔絲單元104會因構裝保護元件100之電子機器之使用環境的周圍溫度而反覆的膨脹與收縮。然而，熔絲單元104係以連接用焊料等與第1、第2電極102、103及發熱體引出電極107固定，伴隨膨脹、收縮產生之應力會被施加至連接用焊料及各電極102、103、107、或熔絲單元104。此應力，會隨著熔絲單元104體積之大型化而增大。
又，由於絶緣基板101主要係使用陶瓷，線膨脹係數與金屬熔絲單元104相較非常的小。因此，會因周圍溫度之變動使得熔絲單元104與絶緣基板101間亦產生應力，導致應力應變集中至熔絲單元104本身、及與第1、第2電極102、103、發熱體引出電極107之接合處、或熔絲單元104未與各電極102、103、107接合之熔斷部位，而有遭到破壞之虞。
如以上所述，當在熔絲單元104、或與熔絲單元104之接合部位產生破斷時，熔斷特性產生變動，而有可能產生無法以既定溫度或過電流熔斷、或熔斷時間延遲等，無法維持既定熔斷特性之虞。
從而，本發明之目的在提供一種可緩和隨者熔絲單元大型化而增大之應力，即便因周圍溫度之變化亦能維持安定之熔斷特性的保護元件及熔絲元件。
為解決上述課題，本發明之保護元件，具備第1電極及第2電極、跨接在上述第1、第2電極間之熔絲單元、與支承上述熔絲單元之箱體，上述熔絲單元在與上述箱體側之構成構件間透過彈性構件被固定。
又，本發明之熔絲元件，具備第1電極及第2電極、跨接在上述第1、第2電極間之熔絲單元、與支承上述熔絲單元之箱體，上述熔絲單元在與上述箱體側之構成構件間透過彈性構件被固定。
根據本發明，由於彈性構件係在元件箱體側之構成構件與熔絲單元之間，可吸收、緩和伴隨溫度環境之變化產生之應力，而能防止熔絲單元或元件箱體側之構成構件產生破斷之情形。
10、30、40、50、60、70‧‧‧保護元件
11‧‧‧絶緣基板
11a‧‧‧絶緣基板之表面
11b‧‧‧絶緣基板之背面
12‧‧‧第1電極
12a‧‧‧第1外部連接電極
13‧‧‧第2電極
13a‧‧‧第2外部連接電極
14‧‧‧發熱體
15‧‧‧絶緣層
16‧‧‧發熱體引出電極
16a‧‧‧發熱體引出電極之下層部
16b‧‧‧發熱體引出電極之上層部
17‧‧‧熔絲單元
17a‧‧‧熔斷部
18‧‧‧覆蓋構件
19‧‧‧發熱體電極
19a‧‧‧發熱體供電電極
20‧‧‧彈性構件
20a‧‧‧芯材
20b‧‧‧導電層
21‧‧‧連接用焊料
22‧‧‧助焊劑
80‧‧‧電池組
81a~81d‧‧‧電池
82‧‧‧電池堆疊
83‧‧‧充放電控制電路
84‧‧‧檢測電路
85‧‧‧電流控制元件
86‧‧‧充電裝置
87、88‧‧‧電流控制元件
89‧‧‧控制部
90、91、92‧‧‧熔絲元件
圖1係顯示適用本發明之保護元件的圖，(A)係省略覆蓋構件的俯視圖、(B)係(A)之X-X’線剖面圖。
圖2係顯示彈性構件追隨因溫度變化使熔絲單元產生之伸縮而緩和應力之狀態的圖，(A)係顯示熔絲單元膨脹時的剖面圖、(B)係顯示熔絲單元收縮時的剖面圖。
圖3係顯示芯材使用含浸有助焊劑之彈性構件之保護元件的剖面圖。
圖4係顯示藉由設在第1、第2電極上之彈性構件將熔絲單元加以接合之保護元件的剖面圖。
圖5係顯示將發熱體設置在絶緣基板背面之保護元件的剖面圖。
圖6係顯示在第1、第2電極及發熱體引出電極上設置彈性構件之保護元件的剖面圖。
圖7係顯示在絶緣層上設置彈性構件，使之在與熔絲單元之熔斷部間之保護元件的剖面圖。
圖8係顯示於覆蓋構件設置彈性構件，使之在與熔絲單元間之保護元件的剖面圖。
圖9係顯示使用與元件箱體獨立被支承之金屬板作為第1、第2電極之保護元件的剖面圖。
圖10係顯示於圖9所示之保護元件中，於絶緣層上設置彈性構件，使之在與熔絲單元之熔斷部間之保護元件的剖面圖。
圖11係顯示於圖9所示之保護元件中，於覆蓋構件設置彈性構件，使之在與熔絲單元間之保護元件的剖面圖。
圖12係搭載有保護元件之電池組的電路圖。
圖13係保護元件的電路圖，(A)顯示熔絲單元之熔斷前、(B)顯示熔絲單元之熔斷後。
圖14係顯示保護元件之動作狀態的剖面圖，(A)顯示發熱體因通電而開始發熱之狀態、(B)顯示熔絲單元開始熔融之狀態、(C)顯示熔絲單元熔斷之狀態。
圖15係顯示適用本發明之熔絲元件的剖面圖。
圖16係熔絲元件的電路圖，(A)顯示熔絲單元之熔斷前、(B)顯示熔絲單元之熔斷後。
圖17係顯示於絶緣基板上設置彈性構件，使之在與熔絲單元之熔斷部間之熔絲元件的剖面圖。
圖18係顯示於覆蓋構件設置彈性構件，使之在與熔絲單元間之熔絲元件的剖面圖。
圖19係省略覆蓋構件顯示先前之保護元件的圖，(A)係外觀立體圖、
(B)係剖面圖。
以下，一邊參照圖面、一邊詳細說明適用本發明之保護元件及熔絲元件。又，本發明並不僅限定於以下實施形態，在不脫離本發明要旨範圍內當然可有各種變化。此外，圖面係以示意方式顯示，各尺寸之比率等可能與實物有所差異。具體的尺寸等應參酌下述說明加以判斷。又，各圖面間當然亦有可能包含彼此之尺寸關係及比率相異之部分。
如圖1(A)、(B)所示，適用本發明之保護元件10，具備：絶緣基板11、積層在絶緣基板11並被絶緣層15覆蓋之發熱體14、形成在絶緣基板11兩端之第1電極12及第2電極13、在絶緣層15上以和發熱體14重疊之方式積層之發熱體引出電極16、以及兩端分別連接於第1、第2電極12、13且中央部連接在發熱體引出電極16之熔絲單元17，於絶緣基板11上安裝有保護內部之覆蓋構件18。
保護元件10，藉由形成在絶緣基板11之第1、第2電極12、13、發熱體14、絶緣層15、發熱體引出電極16及覆蓋構件18構成元件箱體，熔絲單元17在與此等元件箱體側之構成構件之間透過彈性構件20被固定。
絶緣基板11，係使用例如氧化鋁、玻璃陶瓷、富鋁紅柱石、氧化鋯等具有絶緣性之構件，形成為例如大致方形。絶緣基板11，除此之外，亦可使用用於玻璃環氧基板、酚基板等印刷配線基板之材料。
於絶緣基板11之相對向之兩端部，形成有第1、第2電極
12、13。第1、第2電極12、13分別以Ag或Cu等之導電圖案形成。又，第1、第2電極12、13，從絶緣基板11之表面11a透過城堡型接點(castellation)與形成在背面11b之第1、第2外部連接電極12a、13a連續。保護元件10，藉由形成在背面11b之第1、第2外部連接電極12a、13a連接於構裝保護元件10之電池電路等之電路基板所設之連接電極，組裝入形成在電路基板上之電流路徑之一部分。
發熱體14，係一具有電阻值較高、當通電時即發熱之導電性的構件，由例如鎳鉻合金、W、Mo、Ru等或包含此等之材料構成。發熱體14，可藉由將此等之合金或組成物、化合物之粉狀體與樹脂黏合劑等混合後，將作成膏狀之物使用網版印刷技術在絶緣基板11上形成圖案，以燒成等方式形成。
又，保護元件10，以覆蓋發熱體14之方式設有絶緣層15，透過此絶緣層15以和發熱體14對向之方式形成發熱體引出電極16。發熱體引出電極16，連接有熔絲單元17，據此，發熱體14透過絶緣層15及發熱體引出電極16與熔絲單元17重疊。絶緣層15係為謀求發熱體14之保護及絶緣、並將發熱體14之熱以良好效率傳遞至熔絲單元17而設置，由例如玻璃層構成。又，保護元件10，為了將發熱體14之熱以良好效率傳遞至熔絲單元17，可在發熱體14與絶緣基板11之間亦積層絶緣層15。
又，於保護元件10，亦可將發熱體14形成在與形成有第1、第2電極12、13之絶緣基板11之表面11a相反側之背面11b，或在絶緣基板11之表面11a與第1、第2電極12、13相鄰形成。此外，於保護元件10，亦可將發熱體14形成在絶緣基板11之內部。
又，發熱體14，其一端與發熱體引出電極16連接、另一端與發熱體電極19連接。發熱體引出電極16，具有形成在絶緣基板11之表面11a上並與發熱體14連接之下層部16a、與和發熱體14對向積層在絶緣層15上並與熔絲單元17連接之上層部16b。據此，發熱體14透過發熱體引出電極16與熔絲單元17電連接。又，發熱體引出電極16，亦可藉由透過絶緣層15與發熱體14對向配置，據以使熔絲單元17熔融、並使熔融導體易於凝結。
又，發熱體電極19，與形成在絶緣基板11之表面11a上、透過城堡型接點與形成在絶緣基板11之背面11b之發熱體供電電極19a(參照圖13(A))連續。
保護元件10，從第1電極12透過發熱體引出電極16跨於第2電極13連接有熔絲單元17。熔絲單元17被用作為保護元件10之可熔導體，於一般使用時，係使第1、第2電極12、13間導通，以構成組裝有保護元件10之外部電路之電流路徑之一部分。熔絲單元17，並在藉由通以超過額定之電流而自我發熱(焦耳熱)熔斷、或因發熱體14之發熱而熔斷，將第1、第2電極12、13間遮斷。
熔絲單元17，由可藉由發熱體14之發熱或自我發熱而迅速熔斷之材料構成，例如非常適合使用以Sn為主成分之無鉛焊料等之低熔點金屬。又，熔絲單元17亦可使用In、Pb、Ag、Cu等之合金，或是以Sn為主成分之無鉛焊料等之低熔點金屬、與Ag、Cu或以此等為主成分之合金等之高熔點金屬的積層體。
熔絲單元17，可透過設在第1、第2電極12、13之連接用
焊料21，藉由回流焊容易地加以連接。
保護元件10，藉由熔絲單元17透過絶緣層15及發熱體引出電極16設置在與發熱體14重疊之位置，可將發熱體14發出之熱以良好效率傳遞至熔絲單元17，使其迅速熔斷。
又，保護元件10，為提升額定，使更多的電流流過，被要求降低熔絲單元17之導體電阻。因此，於保護元件10，熔絲單元17之體積增加而大型化。
圖1所示之熔絲單元17，透過連接用焊料21等之連接材料連接於第1、第2電極12、13，並與設在保護元件10之元件箱體側之發熱體引出電極16之間之彈性構件20連接。
彈性構件20，係用以緩含伴隨構裝保護元件10之電子機器之使用環境之溫度變化，因熔絲單元17與發熱體引出電極16、第1、第2電極12、13等元件箱體側之構成構件之線膨脹係數之差引起而產生之應力之物。亦即，熔絲單元17可以Sn等之金屬材料形成，線膨脹係數較以陶瓷等形成之絶緣基板11大。因此，當周圍溫度上昇時，在第1、第2電極12、13上以連接用焊料21加以固定之熔絲單元17，在與絶緣基板11上形成之第1、第2電極12、13或發熱體引出電極16之間產生應力。
例如，在將保護元件10用於電動汽車用之鋰離子電池時，視使用環境，可假設溫度會在大範圍變化。因此，保護元件10，因該溫度循環使得熔絲單元17及絶緣基板11等元件箱體側之構成零件反覆膨脹與收縮，而在熔絲單元17與元件箱體側之間，產生反應線膨脹係數之差的應力
應變。
彈性構件20因係在元件箱體側之發熱體引出電極16與熔絲單元17之間，因此能吸收並緩和該應力，防止發熱體引出電極16及熔絲單元17產生破斷。
例如圖2所示，於保護元件10，因溫度變化而使得熔絲單元17在第1電極12與發熱體引出電極16之間、及第2電極13與發熱體引出電極16之間進行膨脹(圖2(A))或收縮(圖2(B))，使應力集中於發熱體引出電極16上，另一方面，相對於熔絲單元17之變化量，絶緣基板11等之元件箱體側之變化量小而應力應變大之情形時，亦能藉由設在發熱體引出電極16上之彈性構件20追隨熔絲單元17之膨脹變化而變形，即能緩和熔絲單元17及發熱體引出電極16等元件箱體側之應力。
據此，於保護元件10，熔絲單元17、或元件箱體側之第1、第2電極12、13及發熱體引出電極16等與熔絲單元17之接合部位不會產生破斷。因此，於保護元件10，熔絲單元17會因發熱體14之發熱而於既定時間熔斷、或在過電流時於既定時間熔斷，維持熔斷特性。
又，彈性構件20，只要是能緩和在熔絲單元17與元件箱體側之間產生之應力即可，可以是具有彈性、黏彈性之任一種性質者。
彈性構件20在發熱體引出電極16與熔絲單元17之間之情形時，具有導電性。據此，透過彈性構件20，熔絲單元17與發熱體引出電極16亦電連接。彈性構件20，可藉由在具有彈性之芯材20a以焊料塗層或Ag鍍敷等進行導電被覆以形成導電層20b，來具備彈性及導電性。又，彈性構件20，亦可不形成導電層20b而僅以具有彈性及導電性之構件形成。
又，彈性構件20，可藉由將表面以焊料等具有導電性之接合材料形成導電層20b，以該導電層20b將熔絲單元17接合於發熱體引出電極16上。
彈性構件20，作為具有彈性之芯材，以使用具有彈性之導電材料較佳。例如彈性構件20，可使用採用導電性纖維等線狀之導電材料的片狀織布或不織布，適當的進行焊料塗層或Ag鍍敷等之導電被覆來加以形成。
又，彈性構件20亦可使用多孔質性之材料，例如，使用PTFE(聚四氟乙稀)等多孔質性之樹脂片材作為芯材20a，藉由進行焊料塗層或Ag鍍敷等之導電被覆設置導電層20b來加以形成。
又，保護元件10，由於係透過發熱體引出電極16及彈性構件20將發熱體14之熱傳遞至熔絲單元17，以進行加熱，因此，作為彈性構件20，以使用熱傳導性優異之材料較佳。
又，彈性構件20，如圖3所示，亦可使用導電性纖維或多孔質材料形成，並使之含浸防止熔絲單元17之氧化、促進熔融之助焊劑22等的熔融促進劑。如此，當彈性構件20被發熱體14加熱時，即會滲出原本含浸之助焊劑22，而能防止熔絲單元17之氧化。據此，於保護元件10，即能促進熔絲單元17之熔融，迅速的將第1、第2電極12、13間加以遮斷。
又，彈性構件20，作為芯材20a可使用由線狀之絶緣材料構成之織布或不織布，並使之含浸促進熔絲單元17之熔融之助焊劑22等的熔融促進劑。此場合，彈性構件20，可適當藉由焊料塗層或Ag鍍敷等進行導電被覆以形成導電層20b，來具備導電性。
又，保護元件10，為防止熔絲單元17之氧化、與熔斷時之氧化物去除及焊料流動性之提升，可於熔絲單元17之表面及背面進行助焊劑22之塗層。藉由助焊劑22之塗層，於保護元件10之實際使用時，不僅能提高熔絲單元17(例如焊料)之濕潤性，亦能除去熔絲單元17熔解期間之氧化物，提升速熔斷性。
又，藉由助焊劑22之塗層，在熔絲單元17之表面形成有以Sn為主成分之無鉛焊料等之氧化防止膜之情形時，亦能除去該氧化防止膜之氧化物，有效防止熔絲單元17之氧化，維持並提升速熔斷性。
又，第1、第2電極12、13、發熱體引出電極16及發熱體電極19，例如以Ag或Cu等之導電圖案形成，並適當的在表面形成有Sn鍍敷、Ni/Au鍍敷、Ni/Pd鍍敷、Ni/Pd/Au鍍敷等之保護層較佳。如此，除能防止表面之氧化，亦能抑制熔絲單元17之連接用焊料21等連接材料對第1、第2電極12、13及發熱體引出電極16之浸蝕。
又，於保護元件10，在設有熔絲單元17之絶緣基板11之表面11a上，安裝有保護內部並防止熔融之熔絲單元17飛散的覆蓋構件18。覆蓋構件18，可使用各種工程塑膠(engineering plastic)、陶瓷等具有絶緣性之構件形成。覆蓋構件18，以絶緣性黏著劑連接於絶緣基板11之表面11a上，據此，覆蓋熔絲單元17。
此種保護元件10，形成到發熱體供電電極19a、發熱體電極19、發熱體14、發熱體引出電極16、彈性構件20及熔絲單元17之對發熱
體14之通電路徑。又，保護元件10，與發熱體電極19透過發熱體供電電極19a對發熱體14通電之外部電路連接，藉由該外部電路控制發熱體電極19與到熔絲單元17之通電。
又，於保護元件10，藉由熔絲單元17與發熱體引出電極16連接，構成對發熱體14之通電路徑之一部分。因此，保護元件10，當熔絲單元17熔融、與外部電路之連接被遮斷時，對發熱體14之通電路徑亦被遮斷，故能使其停止發熱。
又，於圖1所示之保護元件10，雖僅於發熱體引出電極16上設置彈性構件20，來支承熔絲單元17，但亦可如圖4所示，在第1、第2電極12、13上設置彈性構件20，於發熱體引出電極16上設置連接用焊料21。於圖4所示之保護元件30，係藉由設在第1電極12上之彈性構件20，來吸收並緩和第1電極12與發熱體引出電極16之間之應力，藉由設在第2電極13上之彈性構件20，來吸收並緩和第2電極13與發熱體引出電極16之間之應力。
又，於保護元件30，亦可如上述般，將發熱體14形成在絶緣基板11之背面11b。此時，保護元件30，如圖5所示，以將發熱體引出電極16夾著絶緣基板11與發熱體14重疊、並於發熱體引出電極16上透過連接用焊料21連接熔絲單元17較佳。如此，即能透過發熱體引出電極16及連接用焊料21將發熱體14之熱以良好效率傳遞至熔絲單元17，在發熱體14之發熱後，迅速的使熔絲單元17熔斷。
又，如圖6所示，於保護元件，亦可於第1、第2電極12、13上及發熱體引出電極16上，藉由焊料等接合材料設置形成有導電層20b之彈性構件20。圖6所示之保護元件40，其熔絲單元17係藉由彈性構件20之導電層20b接合在第1、第2電極12、13上及發熱體引出電極16上並謀求電性導通。此外，圖6所示之保護元件40，藉由設在第1、第2電極12、13上及發熱體引出電極16上之各彈性構件20吸收、緩和熔絲單元17與元件箱體側之間之應力。
又，如圖7所示，於保護元件，亦可於絶緣層15上設置彈性構件20。圖7所示之保護元件50，其熔絲單元17係以連接用焊料21接合在第1、第2電極12、13上及發熱體引出電極16上並謀求電性導通。此外，保護元件50，在第1電極12與發熱體引出電極16之間、及第2電極13與發熱體引出電極16之間之熔斷部17a，連接有設在絶緣層15上之彈性構件20。熔絲單元17之熔斷部17a，係指跨接在發熱體引出電極16及第1、第2電極12、13間之熔絲單元17中之熔斷處，具體而言，指發熱體引出電極16與第1電極12之間、及發熱體引出電極16與第2電極13之間。
於此保護元件50，藉由將熔絲單元17以連接用焊料21接合在第1、第2電極12、13上及發熱體引出電極16上，使膨脹及伸縮之處成為未固定在各電極12、13、16之熔斷部17a，因此藉由在該熔斷部17a設置彈性構件20，能有效的吸收、緩和熔絲單元17與元件箱體側之間之應力。
又，於圖7所示之保護元件50，可在第1、第2電極12、13
及發熱體引出電極16之1處以上設置彈性構件20來接合熔絲單元17。
又，如圖8所示，於保護元件，亦可在覆蓋熔絲單元17之覆蓋構件18設置彈性構件20。圖8所示之保護元件60，其熔絲單元17係以連接用焊料21接合在第1、第2電極12、13上及發熱體引出電極16上並謀求電性導通。此外，於保護元件60，在熔絲單元17與覆蓋構件18接合有彈性構件20。設在覆蓋構件18之彈性構件20不一定須具備導電性。
此保護元件60，藉由在熔絲單元17與元件箱體側之構成構件覆蓋構件18之間設置彈性構件20，熔絲單元17與元件箱體側之間之應力被拉向覆蓋構件18側，藉由連接在覆蓋構件18之彈性構件20加以吸收、緩和。
又，於保護元件60，可藉由在發熱體引出電極16上亦設置彈性構件20而連接於熔絲單元17，以將熔絲單元17之兩面以彈性構件20加以夾持。如此，保護元件60，在絶緣基板11側及覆蓋構件18側之兩側，能有效的吸收、緩和熔絲單元17與元件箱體側之間之應力。
此外，保護元件60，亦可在覆蓋構件18之外，於第1、第2電極12、13、發熱體引出電極16、及絶緣基板11與熔斷部17a之間之1處以上設置彈性構件20而連接於熔絲單元17，據以將熔絲單元17之兩面以彈性構件20加以夾持。
又，如圖9所示，於保護元件，亦可將第1、第2電極12、13以從元件箱體獨立被支承之金屬板構成。於圖9所示之保護元件70，第1、第2
電極12、13係以能因應大電流用途之金屬板構成，藉由螺固在未圖示之外部電路基板等之支承構件而被支承。在絶緣基板11上設有發熱體14、絶緣層15、發熱體引出電極16及彈性構件20。此外，保護元件70，其熔絲單元17透過連接用焊料21連接在第1、第2電極12、13上，並與設在與發熱體引出電極16之間之彈性構件20連接。圖9所示之保護元件70，係藉由設在發熱體引出電極16上之彈性構件20吸收、緩和熔絲單元17與被未圖示之支承機構支承之第1、第2電極12、13及元件箱體側之間之應力。
又，保護元件70，可在第1、第2電極12、13上亦設置彈性構件20，與設在發熱體引出電極16上之彈性構件20一起吸收應力。此外，保護元件70，可在第1、第2電極12、13及發熱體引出電極16之1處以上設置彈性構件20。
進一步的，如圖10所示，保護元件70，可在發熱體引出電極16上設置彈性構件20，並在絶緣層15上亦設置彈性構件20，以吸收、緩和在熔絲單元17之熔斷部17a之應力。又，保護元件70，亦可僅在絶緣層15上設置彈性構件20，而在第1、第2電極12、13及發熱體引出電極16上設置連接用焊料21。或者，保護元件70，可在絶緣層15上設置彈性構件20，並在第1、第2電極12、13及發熱體引出電極16之1處以上設置彈性構件20。
又，如圖11所示，保護元件70，可在覆蓋構件18設置彈性構件20。設在覆蓋構件18之彈性構件20不一定須具備導電性。此外，保護元件70，可在覆蓋構件18設置彈性構件20，並在第1、第2電極12、13、發熱體引出電極16及絶緣層15之1處以上設置彈性構件20。
接著，說明此等保護元件10、30、40、50、60、70之使用形態。又，以下雖係針對保護元件10進行說明，但保護元件30、40、50、60、70亦是同樣的。保護元件10，如圖12所示，例如係組裝在鋰離子二次電池之電池組80內之電路使用。電池組80，例如，具有由合計4個鋰離子二次電池之電池(battery cell)81a~81d構成之電池堆疊(battery stack)82。
電池組80，具備電池堆疊82、控制電池堆疊82之充放電的充放電控制電路83、在電池堆疊82之異常時遮斷充電之適用本發明的保護元件10、檢測各電池81a~81d之電壓的檢測電路84、以及根據檢測電路84之檢測結果控制保護元件10之動作的電流控制元件85。
電池堆疊82，係由需要用以從過充電及過放電狀態進行保護之控制的電池81a~81d串聯構成，透過電池組80之正極端子80a、負極端子80b以可裝卸之方式連接於充電裝置86，被施加來自充電裝置86之充電電壓。被充電裝置86充電之電池組80，可藉由將正極端子80a、負極端子80b連接於以電池動作之電子機器，使此電子機器動作。
充放電控制電路83，具備串聯在從電池堆疊82至充電裝置86之電流路徑的2個電流控制元件87、88、與控制此等電流控制元件87、88之動作的控制部89。電流控制元件87、88，係以例如場效電晶體(以下，稱FET。)構成，由控制部89控制閘極電壓，據以控制電池堆疊82之電流路徑之導通與遮斷。控制部89受到來自充電裝置86之電力供應而動作，根據檢測電路84之檢測結果，以在電池堆疊82過放電或過充電時遮斷電流路徑之方式，控制電流控制元件87、88之動作。
保護元件10，例如係連接在電池堆疊82與充放電控制電路83之間之充放電電流路徑上，其動作受電流控制元件85之控制。
檢測電路84與各電池81a~81d連接，檢測各電池81a~81d之電壓值，將各電壓值供應至充放電控制電路83之控制部89。又，檢測電路84，在任一電池81a~81d成為過充電電壓或過放電電壓時，輸出控制電流控制元件85之控制訊號。
電流控制元件85，例如以FET構成，依據從檢測電路84輸出之檢測訊號，在電池81a~81d之電壓值成為超過既定過放電或過充電狀態之電壓時，使保護元件10動作，控制不依賴電流控制元件87、88之切換動作即遮斷電池堆疊82之充放電電流路徑。
於以上構成之電池組80，適用本發明之保護元件10具有圖13所示之電路構成。亦即，保護元件10，係由透過發熱體引出電極16跨在第1、第2外部連接電極12a、13a間串聯之熔絲單元17、與透過熔絲單元17之連接點通電使之發熱以使熔絲單元17熔融之發熱體14構成的電路構成。又，於保護元件10，例如，熔絲單元17透過第1、第2外部連接電極12a、13a串聯在電池組80之充放電電流路徑上，發熱體14透過發熱體電極19之發熱體供電電極19a與電流控制元件85連接。保護元件10之第1外部連接電極12a連接在電池堆疊82之一方之開放端側，第2外部連接電極13a則連接在電池組80之正極端子80a側。
以此種電路構成形成之保護元件10，在產生需要遮斷電池組80之電流路徑之情形時，如圖14(A)所示，藉由設於電池組80之電流控制元件85
對發熱體14通電使之發熱。據此，如圖14(B)所示，保護元件10即因發熱體14之發熱使組裝在電池組80之電流路徑上之熔絲單元17熔融，熔絲單元17之熔融導體被拉至濕潤性高之發熱體引出電極16及第1、第2電極12、13而熔絲單元17熔斷。如此，如圖14(C)所示，保護元件10，即能確實的使第1電極12~發熱體引出電極16~第2電極13之間熔斷(圖13(B))、遮斷電池組80之電流路徑。又，藉由熔絲單元17之熔斷，對發熱體14之供電亦停止。
又，本發明之保護元件10，不限於使用在鋰離子二次電池之電池組之情形，當然亦能應用在需要以電氣訊號進行電流路徑之遮斷的各種用途。
接著，說明適用本發明之熔絲元件。又，針對與上述保護元件10相同之構件係賦予相同符號省略其詳細說明。如圖15所示，適用本發明之熔絲元件90，具備絶緣基板11、形成在絶緣基板11之兩端的第1電極12及第2電極13、以及兩端分別連接於第1、第2電極12、13以使第1、第2電極12、13間導通的熔絲單元17，於絶緣基板11上安裝有保護內部之覆蓋構件18。
此外，於熔絲元件90，藉由形成在絶緣基板11之第1、第2電極12、13及覆蓋構件18構成元件箱體，熔絲單元17透過在與此等元件箱體側之構成構件之間的彈性構件20被固定。
例如，熔絲元件90，於第1及第2電極12、13上透過彈性構件20連接有熔絲單元17。彈性構件20，可藉由以焊料等之接合材料構成
導電層20a，據以在第1、第2電極12、13上將熔絲單元17連接成可導通。
此外，熔絲元件90，藉由在元件箱體側之第1、第2電極12、13與熔絲單元17之間設置彈性構件20，即使是在周圍溫度變化而使熔絲單元17膨脹或收縮之情形時，亦能吸收、緩和第1、第2電極12、13與熔絲單元17之間之應力，防止第1、第2電極12、13及熔絲單元17產生破斷。
此種熔絲元件90，具有圖16(A)所示之電路構成。熔絲元件90，透過第1、第2外部連接電極12a、13a構裝於外部電路，據以組裝在該外部電路之電流路徑上。熔絲元件90，在熔絲單元17流過既定額定電流之期間，不會因自我發熱而產生熔斷。而當熔絲元件90在流過超過額定之過電流時，熔絲單元17即因自我發熱而熔斷，遮斷第1、第2電極12、13間，據以遮斷該外部電路之電流路徑(圖16(B))。
又，熔絲元件，如圖17所示，亦可於絶緣基板11上設置彈性構件20。圖17所示之熔絲元件91，取代在第1、第2電極12、13上而在絶緣基板11上設置彈性構件20，在熔絲單元17之第1電極12與第2電極13之間之熔斷部17a，連接彈性構件20。於熔絲元件91，熔絲單元17之熔斷部17a係指跨接在第1、第2電極12、13間之熔絲單元17中的熔斷處，具體而言，係指第1電極12與第2電極13之間。
於此熔絲元件91，藉由熔絲單元17以連接用焊料21接合在第1、第2電極12、13上，膨脹及伸縮之處成為未固定於此等各電極12、
13之熔斷部17a，因此藉由在該熔斷部17a設置彈性構件20，能有效的吸收、緩和熔絲單元17與元件箱體側之間之應力。
又，於熔絲元件91，亦可在第1、第2電極12、13之1處以上設置彈性構件20而接合熔絲單元17。
又，如圖18所示，熔絲元件，亦可於覆蓋構件18設置彈性構件20。圖18所示之熔絲元件92中，熔絲單元17係以連接用焊料21接合在第1、第2電極12、13上並謀求電性導通。又，於熔絲元件92，在熔絲單元17與覆蓋構件18接合彈性構件20。設在覆蓋構件18之彈性構件20不一定需具備導電性。
此熔絲元件92，藉由在熔絲單元17與元件箱體側之構成構件亦即覆蓋構件18之間設置彈性構件20，熔絲單元17與元件箱體側之間之應力被拉至覆蓋構件18側，藉由連接在覆蓋構件18之彈性構件20加以吸收、緩和。
又，於熔絲元件92，可於絶緣基板11上亦設置彈性構件20，將熔絲單元17之兩面以彈性構件20加以夾持。如此，熔絲元件92，即能在絶緣基板11側及覆蓋構件18側之兩面，有效的吸收、緩和熔絲單元17與元件箱體側之間之應力。
又，熔絲元件92，除覆蓋構件18之外，亦可藉由在第1、第2電極12、13及絶緣基板11與熔斷部17a之間之1處以上設置彈性構件20，來將熔絲單元17之兩面以彈性構件20加以夾持。
10‧‧‧保護元件
11‧‧‧絶緣基板
11a‧‧‧絶緣基板之表面
11b‧‧‧絶緣基板之背面
12‧‧‧第1電極
12a‧‧‧第1外部連接電極
13‧‧‧第2電極
13a‧‧‧第2外部連接電極
14‧‧‧發熱體
15‧‧‧絶緣層
16‧‧‧發熱體引出電極
16a‧‧‧發熱體引出電極之下層部
16b‧‧‧發熱體引出電極之上層部
17‧‧‧熔絲單元
18‧‧‧覆蓋構件
19‧‧‧發熱體電極
20‧‧‧彈性構件
20a‧‧‧芯材
20b‧‧‧導電層
21‧‧‧連接用焊料
22‧‧‧助焊劑
Claims (21)
- 一種保護元件，其具備：第1電極及第2電極；熔絲單元，係跨接在該第1、第2電極間；箱體，其支承該熔絲單元；絶緣基板，係構成該箱體，設有該第1、第2電極；發熱體，係設於該絶緣基板；絶緣層，其被覆該發熱體；以及發熱體引出電極，係設在該絶緣層上，與該發熱體連接並與該熔絲單元連接；該熔絲單元在與該第1電極、該第2電極或該發熱體引出電極之1處以上之間，存在具有導電性之該彈性構件。
- 如申請專利範圍第1項之保護元件，其中，該熔絲單元藉由該彈性構件與該第1電極、該第2電極或該發熱體引出電極之1處以上接合。
- 如申請專利範圍第1項之保護元件，其中，該熔絲單元在與該絶緣層之間透過該彈性構件被固定。
- 如申請專利範圍第1至3項中任一項之保護元件，其具備構成該箱體、覆蓋該熔絲單元之覆蓋構件；該熔絲單元在與該覆蓋構件之間透過該彈性構件被固定。
- 如申請專利範圍第1至3項中任一項之保護元件，其中，該第1、第2電極係與該箱體獨立被支承之金屬板。
- 如申請專利範圍第1至3項中任一項之保護元件，其中，該彈性構 件係使用多孔質材料。
- 如申請專利範圍第1至3項中任一項之保護元件，其中，該彈性構件係使用由線狀之導電材料構成之織布或不織布。
- 如申請專利範圍第6項之保護元件，其中，該彈性構件含浸有促進該熔絲單元之熔融的材料。
- 如申請專利範圍第7項之保護元件，其中，該彈性構件含浸有促進該熔絲單元之熔融的材料。
- 如申請專利範圍第1至3項中任一項之保護元件，其中，該彈性構件係使用由線狀之絶緣材料構成之織布或不織布，含浸有促進該熔絲單元之熔融的材料。
- 如申請專利範圍第4項之保護元件，其中，該彈性構件係使用由線狀之絶緣材料構成之織布或不織布，含浸有促進該熔絲單元之熔融的材料。
- 一種熔絲元件，其具備：第1電極及第2電極；熔絲單元，係跨接在該第1、第2電極間；箱體，係支承該熔絲單元；以及絶緣基板，係構成該箱體，設有該第1、第2電極；該彈性構件具有導電性，存在於該熔絲單元與該第1電極及/或該第2電極之間。
- 如申請專利範圍第12項之熔絲元件，其中，該熔絲單元係藉由該彈性構件接合於該第1電極及/或該第2電極。
- 如申請專利範圍第12項之熔絲元件，其中，該熔絲單元在與該絶緣基板之間透過該彈性構件被固定。
- 如申請專利範圍第12至14項中任一項之熔絲元件，其具備構成該箱體、覆蓋該熔絲單元之覆蓋構件；該熔絲單元在與該覆蓋構件之間透過該彈性構件被固定。
- 如申請專利範圍第12至14項中任一項之熔絲元件，其中，該彈性構件係使用多孔質材料。
- 如申請專利範圍第12至14項中任一項之熔絲元件，其中，該彈性構件係使用由線狀之導電材料構成之織布或不織布。
- 如申請專利範圍第16項之熔絲元件，其中，該彈性構件含浸有促進該熔絲單元之熔融的材料。
- 如申請專利範圍第17項之熔絲元件，其中，該彈性構件含浸有促進該熔絲單元之熔融的材料。
- 如申請專利範圍第12至14項中任一項之熔絲元件，其中，該彈性構件係使用由線狀之絶緣材料構成之織布或不織布，含浸有促進該熔絲單元之熔融的材料。
- 如申請專利範圍第15項之熔絲元件，其中，該彈性構件係使用由線狀之絶緣材料構成之織布或不織布，含浸有促進該熔絲單元之熔融的材料。
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