WO2015182355A1 - 保護素子及びバッテリパック - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a protection element that protects a circuit connected to a current path by blocking the current path, and a battery pack using the protection element.
- the battery pack Since it can be charged, many of the rechargeable batteries that can be used repeatedly are provided to the user in a state of being processed into a battery pack.
- a lithium ion secondary battery with a high weight energy density in order to ensure the safety of users and electronic devices, in general, from the viewpoint of overcharge protection and overdischarge protection, several protection circuits Is built into the battery pack. For this reason, the battery pack has a function of cutting off the output in a predetermined case.
- a protection element mounted on a protection circuit for such a lithium ion secondary battery or the like as described in Patent Document 1, a protection element having a heating element is used.
- the fusible conductor introduced into the current path is melted by utilizing the heat generated by the heating element.
- a fusible conductor has a current capacity of about 15 A at the maximum. Since the use of lithium ion secondary batteries has been expanding in recent years, the adoption of lithium ion secondary batteries has been studied for higher current applications. In some applications, the use of lithium ion secondary batteries has already been adopted. Has been started. Applications of this large current are, for example, electric tools such as electric drivers, and transportation equipment such as hybrid cars, electric vehicles, and electric assist bicycles. In these large current applications, a large current exceeding several tens of A to 100 A may flow particularly during startup. The realization of a protective element corresponding to such a large current capacity is desired.
- a protective element in one embodiment, includes a first external electrode, a second external electrode, an insulating substrate disposed between the first external electrode and the second external electrode, A surface electrode disposed on the surface of the insulating substrate, and a soluble conductor electrically connected to each of the first external electrode and the second external electrode and supported only by the surface electrode on the surface of the insulating substrate It is equipped with.
- the battery pack according to the embodiment of the present invention is connected to one or more battery cells so that one or more battery cells and current flowing through the one or more battery cells can be cut off.
- a protection element and a current control element that detects a voltage value of each of the one or more battery cells and controls a current for heating the protection element are provided.
- the protection element is disposed on the surface of the first external electrode, the second external electrode, the insulating substrate disposed between the first external electrode and the second external electrode, and the surface of the insulating substrate. And a soluble conductor electrically connected to each of the first external electrode and the second external electrode and supported only by the surface electrode on the surface of the insulating substrate.
- the soluble conductor is supported only on the surface electrode on the surface of the insulating substrate.
- the degree of freedom regarding the design and arrangement of the surface electrode is increased, the distance between the first external electrode and the second external electrode can be easily adjusted. Therefore, by ensuring a sufficient distance between the surface electrode and the first external electrode, it is difficult for the molten conductor to be connected to the first external electrode along the surface of the insulating substrate, so that a high insulation resistance can be maintained.
- the molten conductor is less likely to be connected to the second external electrode through the surface of the insulating substrate, so that a high insulation resistance can be maintained.
- FIG. 1 It is a circuit diagram of a protection element in one embodiment of the present invention. It is sectional drawing which shows the protection element with which the suction hole was provided in the insulated substrate. It is a top view which shows the protection element with which the suction hole was provided in the insulated substrate. It is sectional drawing which shows the protection element by which the suction hole was provided in the insulated substrate, and has shown the state after fusing of a soluble conductor. It is sectional drawing which shows the protection element of a comparative example.
- the protection element 1 includes a first external electrode 2, a second external electrode 3, a first external electrode 2, and a second external electrode 3. Insulating substrate 4 disposed between, surface electrode 5 disposed on surface 4a of insulating substrate 4, and first external electrode 2 and electrically connected to second external electrode 3 And a soluble conductor 6 connected to.
- the soluble conductor 6 is supported only by the surface electrode 5 on the surface 4 a of the insulating substrate 4.
- the first external electrode 2 and the second external electrode 3 are connected to the connection terminal of the external circuit, and are incorporated into the external circuit. Further, since the fusible conductor 6 constitutes a part of the current path of the external circuit, the fusible conductor 6 is blown in response to an overcurrent exceeding the rating, whereby the current path is interrupted (FIG. 2). ).
- the first external electrode 2 and the second external electrode 3 are connection terminals for connecting the protection element 1 to an external circuit. Since each of the first external electrode 2 and the second external electrode 3 is connected to the soluble conductor 6 via the connection material 7 such as solder inside the protective element 1, the soluble conductor 6 is Is electrically connected.
- the first external electrode 2 and the second external electrode 3 are supported by the outer casing 10 and led out from the inside of the outer casing 10 to the outside.
- the first external electrode 2 and the second external electrode 3 may be disposed on an insulating material adjacent to the insulating substrate 4. This insulating material includes, for example, an epoxy resin.
- the first external electrode 2 and the second external electrode 3 are supported by the outer casing 10.
- the insulating substrate 4 is disposed almost in the center of the outer casing 10, whereby the first external electrode 2 and the second external electrode 3 and the insulating substrate 4 are brought close to each other.
- the outer casing 10 includes, for example, any one or more of engineering plastics having excellent heat resistance such as PPS (Polyphenylenesulfide). Further, when the outer casing 10 is molded to have a predetermined shape, the outer casing 10 is molded so as to be integrated with the first external electrode 2 and the second external electrode 3 using insert molding or the like. Also good.
- PPS Polyphenylenesulfide
- the insulating substrate 4 includes any one or more of insulating materials such as alumina, glass ceramics, mullite, and zirconia.
- a material used for a printed wiring board such as a glass epoxy board or a phenol board may be used, but it is necessary to pay attention to the temperature at the time of fusing the fuse.
- a surface electrode 5 is formed on the surface 4 a of the insulating substrate 4.
- the surface electrode 5 is connected to a soluble conductor 6 via a connecting material 7 such as solder, and the soluble conductor 6 is connected to the first external electrode 2 and the second external electrode 2 via a connecting material 7 such as solder.
- Each of the external electrodes 3 is connected.
- the surface electrode 5 is a support electrode that supports the soluble conductor 6 connected to the first external electrode 2 and the second external electrode 3. Further, the surface electrode 5 blocks the current path between the first external electrode 2 and the second external electrode 3. In this case, since the soluble conductor 6 melts using self-heating according to the overcurrent, the molten conductor 6a (FIG. 10 described later) that is a melt of the soluble conductor 6 aggregates.
- the surface electrode 5 is disposed so as to be separated from each of the first external electrode 2 and the second external electrode 3 in order to maintain the insulation resistance after the fusible conductor 6 is melted. It is preferable. As shown in FIG. 1, when the first external electrode 2 and the second external electrode 3 are opposed to each other inside the outer housing 10, the surface electrode 5 is disposed at a substantially central portion of the surface 4 a of the insulating substrate 4. Arranged. As a result, the surface electrode 5 is scattered on the surface 4a of the insulating substrate 4 in order to hold the molten conductor 6a in a state of being separated from each of the first external electrode 2 and the second external electrode 3 by a predetermined distance. The risk of a short circuit due to the molten conductor 6a is reduced.
- the protection element 1 since the side electrode is not arrange
- the degree of freedom increases, and the degree of freedom in designing considering the risk of a short circuit after the fusible conductor 6 is melted increases. Therefore, in the protective element 1, the distance between the surface electrode 5 and the first external electrode 2 is ensured, and the distance between the surface electrode 5 and the second external electrode 3 is ensured.
- the conductor 6a is prevented from being connected to each of the first external electrode 2 and the second external electrode 3 along the surface 4a of the insulating substrate 4. Therefore, a high insulation resistance is maintained.
- Soluble conductor 6 melts in an overcurrent state.
- the soluble conductor 6 includes any one type or two or more types of conductive materials that can be blown.
- the conductive material include SnAgCu-based Pb-free solder, BiPbSn alloy, BiPb alloy, BiSn alloy, SnPb alloy, PbIn alloy, ZnAl alloy, InSn alloy, and PbAgSn alloy.
- the soluble conductor 6 may be a laminated body of any one type or two or more types of high melting point metals and any one type or two or more types of low melting point metals.
- the refractory metal is, for example, Ag, Cu, or an alloy mainly composed of one or more of them.
- the low melting point metal include solder and Pb-free solder containing Sn as a main component.
- Such a soluble conductor 6 is formed by forming a high melting point metal layer on a low melting point metal foil using a plating technique. Moreover, the soluble conductor 6 may be formed using other well-known lamination
- the soluble conductor 6 may have a high melting point metal layer as an inner layer and a low melting point metal layer as an outer layer.
- the soluble conductor 6 may have a multilayer structure of four or more layers in which low melting point metal layers and high melting point metal layers are alternately laminated. Thus, the soluble conductor 6 can be formed to have various configurations.
- the fusible conductor 6 does not self-heat in a state where a predetermined rated current flows, and thus does not melt.
- the fusible conductor 6 melts because it self-heats when a current having a value higher than the rating flows. Thereby, the current path between the first electrode 2 and the second electrode 3 is interrupted.
- the soluble conductor 6 since the molten low melting point metal erodes the high melting point metal, the high melting point metal melts at a temperature lower than the melting temperature. Therefore, the soluble conductor 6 is melted in a short time by utilizing the erosion action of the high melting point metal by the low melting point metal.
- the melting point of the melting point is significantly lower than that of a chip fuse or the like made of a high melting point metal because the low melting point metal as the inner layer is laminated with the high melting point metal as the outer layer. Therefore, in the fusible conductor 6, the cross-sectional area is increased and the current rating is greatly improved as compared to a chip fuse of the same size. In addition, compared to a chip fuse having the same current rating, the size and thickness can be reduced, and the quick fusing property is excellent.
- the fusible conductor 6 improves the phenomenon (pulse resistance) against a phenomenon in which an abnormally high voltage is instantaneously applied to the electric circuit in which the protective element 1 is incorporated, that is, a so-called surge. That is, the fusible conductor 6 should not be blown, for example, when a current of 100 A flows for several milliseconds. In this regard, a large current that flows in a very short time flows through the surface of the conductor (skin effect). Since the fusible conductor 6 contains a high melting point metal such as Ag plating having a low resistance value as the outer layer, the current applied due to the surge is likely to flow, so that the fusible conductor 6 is prevented from being blown due to self-heating. Is done. Therefore, in the fusible conductor 6, the low melting point metal is covered with the high melting point metal, so that the surge resistance is significantly improved as compared with the fuse made of the solder alloy.
- a so-called surge that is, the fusible conductor 6 should
- a flux (not shown) is applied to the soluble conductor 6 in order to prevent oxidation and improve wettability at the time of fusing.
- the fusible conductor 6 is supported only on the surface electrode 5 on the insulating substrate 4.
- the protective element 1 is repeatedly placed in a high temperature environment and a low temperature environment, such as when using a ceramic substrate having excellent thermal shock resistance and excellent thermal conductivity as the insulating substrate 4, Since the distortion due to the difference between the thermal expansion coefficient of the soluble conductor 6 and the thermal expansion coefficient of the insulating substrate 4 is less likely to occur in the soluble conductor 6, the outer shape and dimensions of the protective element 1 are stabilized. Thereby, in the protection element 1, since the resistance value of the soluble conductor 6 is stabilized, a high rating can be maintained.
- the protective element 1 the distance between the surface electrode 5 and the first external electrode 2 is ensured, and the distance between the surface electrode 5 and the second external electrode 3 is ensured. It becomes difficult for the conductor 6a to be connected to the first external electrode 2 and the second external electrode 3 along the surface 4a of the insulating substrate 4. Therefore, a high insulation resistance can be maintained.
- the thermal expansion coefficient of the fusible conductor 6 and the thermal expansion coefficient of the outer housing 10 are the same or approximate.
- a heating element 11 for fusing the soluble conductor 6 may be provided on the insulating substrate 4.
- the same components as the components of the protection element 1 described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
- the protection element 12 provided with the heating element 11 when the protection element 12 provided with the heating element 11 is incorporated in a battery pack, the soluble conductor 6 self-heats at the time of overcurrent. Since the heating element 11 is energized and generates heat according to the overvoltage, the fusible conductor 6 is melted. Thereby, the charging / discharging path
- the heating element 11 includes any one type or two or more types of conductive materials that have a relatively high resistance value and generate heat when energized.
- This conductive material is, for example, W, Mo, Ru, an alloy containing one or more of them as a main component, a composition containing one or more of them as a main component, and one or more of them as a main component. And the like.
- a paste containing a mixture of a powdery material such as an alloy and a resin binder is applied to the surface 4a of the insulating substrate 4 in a predetermined pattern using a screen printing technique, and then the paste is fired. As a result, the heating element 11 is formed.
- the heating element 11 is disposed on the surface 4 a of the insulating substrate 4 and is covered with the insulating layer 13. On the insulating layer 13, the surface electrode 5 is disposed.
- the insulating layer 13 is provided to protect and insulate the heating element 11 and efficiently transmit the heat generated in the heating element 11 to the surface electrode 5 and the soluble conductor 6, and is made of, for example, a glass layer.
- the surface electrode 5 is easily heated by the heating element 11 to aggregate the molten conductor 6a which is a melt of the soluble conductor 6.
- the heating element 11 is connected to the surface electrode 5, and the heating element 11 is electrically connected to the soluble conductor 6 disposed on the surface electrode 5 via the surface electrode 5.
- the other end of the heating element 11 is connected to a heating element electrode (not shown).
- the heating element electrode is disposed on the surface 4 a of the insulating substrate 4. Further, the heating element electrode is connected to a third external connection electrode 15 (see FIG. 6) disposed on the back surface 4b of the insulating substrate 4, and an external circuit is connected via the third external connection electrode 15. It is connected.
- the protection element 1 is connected to an external circuit, the protection element 1 is incorporated into a power supply path in which the heating element 11 is formed on the circuit board via the third external connection electrode 15, that is, a power supply path for the heating element 11.
- the heating element 11 may be disposed on the back surface 4 b of the insulating substrate 4.
- the heating element 11 is covered with an insulating layer 13 on the back surface 4 b of the insulating substrate 4.
- One end of the heating element 11 is electrically connected to the surface electrode 5 and the soluble conductor 6 disposed on the surface electrode 5 through a heating element electrode (not shown).
- the other end of the heating element 11 is connected to the third external connection electrode 15 via a heating element electrode (not shown).
- the heating element 11 may be disposed inside the insulating substrate 4. In this case, the heating element 11 may not be covered with the insulating layer 13 such as glass.
- One end of the heating element 11 is electrically connected to the surface electrode 5 and the soluble conductor 6 disposed on the surface electrode 5 through a heating element electrode (not shown).
- the other end of the heating element 11 is connected to the third external connection electrode 15 via a heating element electrode (not shown).
- Such a protection element 12 is incorporated in a circuit in a battery pack 30 using, for example, a lithium ion secondary battery.
- the battery pack 30 includes a battery stack 35 including one or more battery cells, for example, battery cells 31 to 34 that are a total of four lithium ion secondary batteries.
- the battery pack 30 includes a battery stack 35, a charge / discharge control circuit 40 that controls charging / discharging of the battery stack 35, and a protection element 12 that stops the charging operation when the battery stack 35 is abnormal (a protection element to which the present invention is applied). And a detection circuit 36 that detects the voltages of the battery cells 31 to 34, and a current control element 37 that is a switch element for controlling the operation of the protection element 12 according to the detection result of the detection circuit 36.
- battery cells 31 to 34 that require control for protection from an overcharge state and an overdischarge state are connected in series.
- the battery stack 35 is detachably connected to the charging device 45 via the positive terminal 30 a and the negative terminal 30 b of the battery pack 30, and a charging voltage is applied from the charging device 45.
- the battery pack 30 charged by the charging device 45 can be operated by being connected to an electronic device that operates using a battery via the positive terminal 30a and the negative terminal 30b.
- the charge / discharge control circuit 40 includes two current control elements 41 and 42 introduced in series in a current path from the battery stack 35 to the charging device 45, and a control unit 43 that controls the operation of the current control elements 41 and 42.
- the current control elements 41 and 42 include, for example, field effect transistors (hereinafter referred to as FETs).
- FETs field effect transistors
- the current control elements 41 and 42 control the state (conduction and interruption) of the current path of the battery stack 35 when the gate voltage is controlled by the control unit 43.
- the control unit 43 operates by receiving power supply from the charging device 45, and the current path is interrupted when the battery stack 35 is in an overdischarged state or an overcharged state according to the detection result by the detection circuit 36. In addition, the operation of the current control elements 41 and 42 is controlled.
- the protection element 12 is introduced into, for example, a charge / discharge current path between the battery stack 35 and the charge / discharge control circuit 40, and the operation of the protection element 12 is controlled by the current control element 37.
- the detection circuit 36 is connected to each of the battery cells 31 to 34, and supplies each voltage value detected in each of the battery cells 31 to 34 to the control unit 43 of the charge / discharge control circuit 40.
- the detection circuit 36 outputs a control signal for controlling the current control element 37 when any one of the battery cells 31 to 34 is in an overcharge voltage state or an overdischarge voltage state.
- the current control element 37 includes, for example, an FET. In response to the detection signal output from the detection circuit 36, the current control element 37 activates the protection element 12 when the voltage value of the battery cells 31 to 34 exceeds a predetermined overdischarge state or overcharge state. Make it work. Thereby, the charging / discharging current path of the battery stack 35 is interrupted regardless of the switching operation of the current control elements 41 and 42.
- the protection element 12 used in the battery pack 30 having the above configuration has a circuit configuration as shown in FIG. That is, in the protective element 12, the first external electrode 2 is electrically connected to the battery stack 35, and the second external electrode 3 is electrically connected to the positive electrode terminal 30a. Thereby, the soluble conductor 6 is introduced in series into the charge / discharge path of the battery stack 35.
- the heating element 11 is connected to the current control element 37 via the heating element electrode and the third external connection electrode 15, and the heating element 11 is connected to the open end of the battery stack 35. ing.
- one end of the heating element 11 is connected to one of the fusible conductors 6 and one open end of the battery stack 35 via the surface electrode 5.
- the other end of the heating element 11 is connected to the current control element 37 and the other open end of the battery stack 35 via the third external connection electrode 15. As a result, a power supply path for the heating element 11 is formed, and energization of the heating element 11 is controlled by the current control element 37.
- the detection circuit 36 detects any abnormal voltage among the battery cells 31 to 34, it outputs a cutoff signal to the current control element 37.
- the current control element 37 controls the current so that the heating element 11 is energized according to the cutoff signal.
- current flows from the battery stack 35 to the heating element 11 through the first external electrode 2, the soluble conductor 6 and the surface electrode 5, so that the heating element 11 starts to generate heat.
- the protection element 12 when the soluble conductor 6 is heated by the heating element 11, the soluble conductor 6 is melted, so that the charge / discharge path of the battery stack 35 is blocked.
- the protection element 12 uses the soluble conductor 6. Is supported only by the surface electrode 5 on the insulating substrate 4, the degree of freedom in designing the dimensions and arrangement of the surface electrode 5 is increased, and the first external electrode 2 and the second external electrode 3 The distance between them is easily adjusted. Therefore, in the protective element 12, the distance between the surface electrode 5 and the first external electrode 2 is ensured, and the distance between the surface electrode 5 and the second external electrode 3 is ensured.
- the conductor 6a is less likely to be connected to each of the first external electrode 2 and the second external electrode 3 along the surface 4a of the insulating substrate 4. Therefore, a high insulation resistance can be maintained.
- the soluble conductor 6 contains a high melting point metal and a low melting point metal, so that the soluble conductor 6 is short using the erosion action of the high melting point metal by the molten low melting point metal. Fusing in time.
- the fusible conductor 6 is melted to cut off the power supply path to the heating element 11, so that the heating of the heating element 11 is stopped.
- the protection element according to an embodiment of the present invention is not limited to being applied to a battery pack using a lithium ion secondary battery, and of course may be applied to various applications that require interruption of a current path according to an electrical signal. Is possible.
- the protective element 50 provided with the suction hole 51, when the soluble conductor 6 is melted by utilizing self-heating due to overcurrent, or when the soluble conductor 6 is melted by utilizing heat generated by the heating element 11 due to overvoltage. Since the molten conductor 6a is sucked into the suction hole 51 using the capillary phenomenon, the volume of the molten conductor 6a is reduced. In the protective element 50, since the melted conductor 6a is sucked into the suction hole 51 even when the melting amount is increased by increasing the cross-sectional area of the soluble conductor 6 in order to cope with a large current application, The volume of the conductor 6a is reduced.
- the soluble conductor 6 is easily melted. Further, in the protective element 50, even when arc discharge occurs when the fusible conductor 6 is melted using self-heating due to overcurrent, scattering of the molten conductor 6a due to the arc discharge is reduced. Thereby, the fall of insulation resistance is prevented and the short circuit failure resulting from the adhesion of the molten conductor 6a to the circuit around the soluble conductor 6 is prevented.
- a conductive layer 52 is provided on the inner wall surface of the suction hole 51.
- the conductive layer 52 includes any one type or two or more types of conductive materials. This conductive material is copper, silver, gold, iron, nickel, palladium, lead, tin, and an alloy containing one or more of them as a main component.
- the conductive layer 52 is formed by forming a conductive material (for example, a conductive paste) on the inner wall surface of the suction hole 51 using a known method such as an electrolytic plating method or a printing method.
- the suction hole 51 is preferably a through hole extending in the thickness direction of the insulating substrate 4. Thereby, in the suction hole 51, the molten conductor 6 a is sucked until it reaches the back surface 4 b of the insulating substrate 4. Thereby, since more molten conductor 6a is attracted
- the suction hole 51 may be a non-through hole.
- the surface electrode 5 is disposed on the surface 4 a of the insulating substrate 4 via the insulating layer 13, and the suction hole 51 corresponds to a substantially central portion in the width direction of the surface electrode 5. It is provided in the position to do.
- the number of suction holes 51 may be one or plural. When there are a plurality of suction holes 51, the number of paths for sucking the molten conductor 6 a increases, so that more molten conductor 6 a is sucked into the suction holes 51. As a result, the volume of the molten conductor 6a is further reduced at the location where the soluble conductor 6 is melted.
- the plurality of suction holes 51 are arranged, for example, in a straight line, that is, in a line.
- the conductive layer 52 provided on the inner wall surface of the suction hole 51 is connected to the surface electrode 5.
- the surface of the conductive layer 52 and the surface of the surface electrode 5 are preferably in the same plane.
- the conductive layer 52 and the surface electrode 5 may be integrated.
- the molten conductor 6 a aggregated on the surface electrode 5 easily spreads on the surface of the surface electrode 5 and the surface of the conductive layer 52, and the molten conductor 6 a is sucked through the conductive layer 52. It becomes easy to be guided to the inside of the hole 51.
- a back electrode 53 is disposed on the back surface 4 b of the insulating substrate 4 so as to be connected to the conductive layer 52 provided on the inner wall surface of the suction hole 51. As shown in FIG. 10, the back electrode 53 is connected to the conductive layer 52.
- the surface of the conductive layer 52 and the surface of the back electrode 53 are preferably in the same plane.
- the back electrode 53 and the conductive layer 52 may be integrated.
- the molten conductor 6 a aggregated on the back electrode 53 tends to wet and spread on the surface of the back electrode 53 and the surface of the conductive layer 52. Moreover, since more molten conductor 6a is attracted
- the fusible conductor 6 may be blown off using only the self-heating due to overcurrent without providing the heating element 11, or the heating element 11 may be provided to The fusible conductor 6 may be blown by utilizing the heat generated by the heating element 11 due to overvoltage in addition to the self-heating due to current.
- the heating element 11 may be disposed on the front surface 4a of the insulating substrate 4, the heating element 11 may be disposed on the back surface 4b of the insulating substrate 4, or the heating element 11 is insulated. It may be disposed inside the substrate 4.
- the heating element 11 When the heating element 11 is provided on the back surface 4 b of the insulating substrate 4, one end of the heating element 11 is connected to the back electrode 53, and is integrated with the back electrode 53, via the conductive layer 52 and the front electrode 5. It is electrically connected to the fusible conductor 6. The other end of the heating element 11 is connected to the third external connection electrode 15 through a heating element electrode (not shown). Similarly, when the heating element 11 is provided inside the insulating substrate 4, one end of the heating element 11 is electrically connected to the soluble conductor 6 through the surface electrode 5 and the other end of the heating element 11. The part is connected to the third external connection electrode 15.
- the heating element 11 When the heating element 11 is disposed on the back surface 4b of the insulating substrate 4, in the protection element 50, the back electrode 53 is heated by the heating element 11, so that more molten conductor 6a tends to aggregate. Therefore, in the protective element 50, the soluble conductor 6 is easily blown out by promoting the action of the molten conductor 6a being sucked from the front electrode 5 to the back electrode 53 via the conductive layer 52.
- the protective element 50 has a larger amount by heating the front electrode 5 and the back electrode 53 by the heating element 11 through the conductive layer 52.
- the molten conductor 6a tends to aggregate. Therefore, in the protective element 50, the soluble conductor 6 is easily blown out by promoting the action of the molten conductor 6a being sucked from the front electrode 5 to the back electrode 53 via the conductive layer 52.
- the heating element 11 When the heating element 11 is disposed on the front surface 4 a of the insulating substrate 4, or when the heating element 11 is disposed on the back surface 4 b of the insulating substrate 4, the heating element 11 is disposed inside the insulating substrate 4. In any case, the heating element 11 is preferably disposed on both sides of the suction hole 51. This is because the front surface electrode 5 and the back surface electrode 53 are heated, so that more molten conductors 6 a aggregate and are sucked into the suction holes 51.
- the suction hole 51 is filled with a material that is the same as or similar to the material for forming the soluble conductor 6, spare solder 55 having a melting point lower than that of the material for forming the soluble conductor 6, or flux. May be.
- the temperatures of the conductive layer 52, the front electrode 5, and the back electrode 53 that are excellent in heat conduction become higher than the temperature of the insulating substrate 4. Accordingly, the spare solder 55 and the like are melted before the fusible conductor 6, so that the molten conductor 6 a is drawn into the suction hole 51.
- the molten conductor 6a moves from the front surface 4a to the back surface 4b of the insulating substrate 4, the current path between the first external electrode 2 and the second external electrode 3 is independent of the orientation of the protective element 50. It becomes easy to be cut off.
- the protection elements 1, 12, and 50 are prevented from being damaged. Is done. Further, in the protection elements 12 and 50, when a clearance is provided, the heat path between the insulating substrate 4 and the first external electrode 2 is blocked, and the insulating substrate 4 and the second external electrode 3 The heat path between is interrupted. Thereby, since heat is more efficiently transferred from the surface electrode 5 to the soluble conductor 6, the soluble conductor 6 is blown out quickly.
- the first external electrode 2 and the insulating substrate 4 do not line up on the same plane, and the second external electrode 3 and the surface electrode 5 do not line up on the same plane.
- the protection element 100 of the comparative example for the protection elements 1, 12, and 50 of the present invention includes a first external electrode 101, a second external electrode 102, a first external electrode 101, and a first external electrode 101.
- the first external electrode 101 and the second external electrode 102 are supported by the outer casing 110.
- the protective element 100 is incorporated in the current path of the external circuit by connecting the first external electrode 101 and the second external electrode 102 to the external circuit. For this reason, the soluble conductor 106 constitutes a part of the above-described current path. When an overcurrent exceeding the rating flows through the fusible conductor 106, the fusible conductor 106 is melted using self-heating, so that the current path is interrupted.
- a heating element 107 that generates heat in response to energization is provided on the insulating substrate 103.
- the heating element 107 includes one or more of refractory metals such as W, Mo, and Ru, and is covered with an insulating layer 108 such as glass.
- the surface electrode 104 is electrically connected to one end of the heating element 107 and is disposed on the surface of the insulating layer 108 so as to overlap the heating element 107.
- the heating element 107 is connected to a heating element electrode (not shown), and is connected to an external circuit via the heating element electrode. Thereby, energization to the heating element 107 is controlled.
- the fusible conductor 106 in addition to the case where the fusible conductor 106 is blown in an overcurrent state, when an overvoltage state of the battery cell is detected, a current flows through the heating element 107 formed by the resistor. The fusible conductor 106 is melted by utilizing the heat generated at 107.
- the resistance of the soluble conductor 106 is reduced by increasing the cross-sectional area of the soluble conductor 106.
- the cross-sectional area of the fusible conductor 106 is increased in order to cope with a large current, it takes time to melt the fusible conductor 106 using the heat generated by the heating element 107, and the fusible conductor 106 is soluble at the time of fusing. Since the amount of melting of the conductor 106 increases, it is necessary to stably melt the soluble conductor 106.
- side electrodes 105a and 105b are disposed on the surface of the insulating substrate 103 on both sides of the surface electrode 104 so as to be separated from each other.
- the fusible conductor 106 is connected to the side electrodes 105a and 105b using solder, when the heating element 107 generates heat, the side electrodes 105a and 105b efficiently use the heat generated in the heating element 107. Therefore, the soluble conductor 106 is quickly heated and blown.
- the fusible conductor 106 is melted, the side electrodes 105a and 105b use wettability to make a part of the melted melted conductor (molten conductor) of the surface electrode 104, the first external electrode 101 and the first electrode 101b.
- the two external electrodes 102 are held away from each other. Thereby, in the protection element 100, the fusible conductor 106 incorporated in the current path between the first external electrode 101 and the second external electrode 102 is easily blown out.
- the surface electrode 104 and the pair of side electrodes 105a and 105b are disposed in a limited space on the surface of the insulating substrate 103, so that the surface electrode 104 and the pair of side electrodes 105a and 105b The distance becomes smaller. Thereby, after the fusible conductor 106 is melted, the molten conductor is likely to be connected to the first external electrode 101 and the second external electrode 102, so that there is a possibility that the insulation resistance cannot be secured.
- the insulating substrate 103 a ceramic substrate having excellent thermal shock resistance and excellent thermal conductivity is preferably used.
- the difference between the thermal expansion coefficient of the fusible conductor 106 and the thermal expansion coefficient of the insulating substrate 103 is large, when the protective element 100 is repeatedly placed in a high temperature environment and a low temperature environment, the surface electrode 104 and the pair of The strain caused by the difference in thermal expansion coefficient is accumulated in the soluble conductor 106 between the side electrodes 105a and 105b. As a result, the resistance value varies, and it may be difficult to maintain the high rating of the protection element 100.
- the protection element 1 in which the soluble conductor 6 is supported only by the surface electrode 5 on the insulating substrate 4, and the soluble conductor 106 on the insulating substrate 103 is the surface electrode.
- 104 and a protective element 100 supported by a pair of side electrodes 105a and 105b (comparative example: see FIG. 11), and then insulation properties at the time of current interruption and fusing characteristics using heat generated by the heating elements 11 and 107 And reliability during the temperature cycle test.
- the fusible conductors 6, 106 and the first external electrodes 2, 101 and the second external electrodes 3, 102 were connected via solder.
- the fusible conductors 6 and 106 were blown using self-heating by energizing the protective element 1 of the example and the protective element 100 of the comparative example under the conditions of 190 A and 35 V.
- the fusing time was about 5 seconds in both the protection element 1 of the example and the protection element 100 of the comparative example. After fusing, it was confirmed whether or not an insulation resistance of 10 6 ⁇ or more was secured by measuring an insulation resistance value between the first external electrode 2 101 and the second external electrode 3 102. .
- the measurement results are shown in Table 1.
- the protection element 1 of the example an insulation resistance of 10 6 ⁇ or more is secured in all 16 samples.
- the insulation resistance value was less than 10 6 ⁇ in 3 samples out of all 8 samples.
- the protective element 100 of the comparative example since the side electrodes 105a and 105b are provided, the positions of the first external electrode 101, the second external electrode 102, the side electrodes 105a and 105b, and the surface electrode 104 are mutually different. Because it is close, it is considered that the short circuit is likely to occur due to the molten conductor scattered during arc discharge.
- the protective element 1 of the embodiment in which the soluble conductor 6 is supported only by the surface electrode 5 on the insulating substrate 4 is effective in maintaining a high insulation resistance because the above-described short circuit hardly occurs. It is.
- the fusible conductors 6 and 106 were blown by energizing and heating the heating elements 11 and 107, and as a result, the protection element 1 of the example and the comparative example In each of the protective elements 100, the fusing time was about 10 seconds when the applied power was 30 W, and the fusing time was about 1.5 seconds when the applied power was 90 W.
- the protective element 1 of the embodiment not provided with the side electrodes 105a and 105b can quickly dispose the soluble conductor 6 in a wide operating power range, like the protective element 100 of the comparative example provided with the side electrodes 105a and 105b. I was able to blow.
- the fusible conductor 106 is fixed to the insulating substrate 103 at a plurality of positions by the side electrodes 105 a and 105 b and the surface electrode 104.
- stress is repeatedly generated due to the difference between the thermal expansion coefficient of the insulating substrate 103 and the thermal expansion coefficient of the soluble conductor 106. Distortion occurs between the side electrodes 105 a and 105 b fixed to the surface 103 and the surface electrode 104.
- the resistance value fluctuates due to the deformation of the fusible conductor 106, so that the reliability of the maintenance of the rating, the quick fusing property, and the like is lowered.
- the fusible conductor 6 is fixed to the insulating substrate 4 at one place by the surface electrode 5, so that the occurrence of the distortion described above can be suppressed. Further, since the difference between the thermal expansion coefficient of the outer casing 10 that supports the first external electrode 2 and the second external electrode 3 and the thermal expansion coefficient of the soluble conductor 6 is small, the first external electrode 2 and the second external electrode 2 2 is hardly distorted between the external electrode 3 and the surface electrode 5. Therefore, by adopting a configuration in which the fusible conductor 6 is supported only by the surface electrode 5 on the insulating substrate 4, even when the protective element 1 is exposed to various temperature environments, the high rating can be maintained. Reliability was ensured with regard to quick fusing.
- SYMBOLS 1 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Protection element, 2 ... 1st external electrode, 3 ... 2nd external electrode, 4 ... Insulating substrate, 4a ... Front surface, 4b ... Back surface, 5 ... Surface electrode, 6 ... Soluble conductor, 7 ... Connection material, DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Outer casing, 11 ... Heat generating body, 12 ... Protection element, 13 ... Insulating layer, 15 ... Third external connection electrode, 30 ... Battery pack, 31-34 ... Battery cell, 35 ... Battery stack, 36 ... Detection Circuit, 37 ... Current control element, 40 ... Charge / discharge control circuit, 41, 42 ... Current control element, 43 ... Control unit, 45 ... Charging device, 50 ... Protection element, 51 ... Suction hole, 52 ... Conductive layer, 53 ... Back electrode, 55... Preliminary solder.
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Abstract
保護素子は、第１の外部電極と、第２の外部電極と、第１の外部電極と第２の外部電極との間に配設された絶縁基板と、絶縁基板の表面に配設された表面電極と、第１の外部電極及び第２の外部電極のそれぞれに電気的に接続されると共に絶縁基板の表面上において表面電極のみにより支持された可溶導体とを備える。
Description
本発明は、電流経路を遮断することにより、その電流経路に接続された回路を保護する保護素子及びその保護素子を用いたバッテリパックに関する。
充電可能であるため、繰り返して利用できる二次電池の多くは、バッテリパックに加工された状態でユーザに提供される。特に、重量エネルギー密度が高いリチウムイオン二次電池を用いる場合には、ユーザ及び電子機器の安全を確保するために、一般的に、過充電保護及び過放電保護等の観点から、いくつもの保護回路がバッテリパックに内蔵されている。このため、バッテリパックは、所定の場合に出力を遮断する機能を有している。
リチウムイオン二次電池が用いられた多くの電子装置は、バッテリパックに内蔵されたＦＥＴスイッチを用いて出力のＯＮ／ＯＦＦを行うことにより、そのバッテリパックの過充電保護又は過放電保護に関する動作を行う。しかしながら、何らかの原因でＦＥＴスイッチが短絡破壊した場合や、雷サージ等が印加されたため、瞬間的に大電流が流れた場合や、バッテリセルの寿命に起因して出力電圧が異常に低下したり、逆に過大異常電圧が出力された場合であっても、バッテリパック及び電子機器は、発火等の事故から保護されなければならない。そこで、このような想定し得るいかなる異常状態においても、バッテリセルの出力を安全に遮断するために、外部からの信号に応じて電流経路を遮断する機能を有するヒューズ素子からなる保護素子が用いられる。
このようなリチウムイオン二次電池等向けの保護回路に搭載される保護素子として、特許文献１に記載されているように、発熱体を備えた保護素子が用いられている。この保護素子では、発熱体の発熱を利用して、電流経路に導入された可溶導体が溶断する。
ところで、携帯電話及びノートパソコンのような電流容量が比較的低い用途に保護素子を用いるために、可溶導体（ヒューズ）は、最大でも１５Ａ程度の電流容量を有している。リチウムイオン二次電池の用途は、近年拡大しているため、より大電流の用途にリチウムイオン二次電池の採用が検討されており、一部の用途では、既にリチウムイオン二次電池の採用が開始されている。この大電流の用途は、例えば、電動ドライバ等の電動工具や、ハイブリッドカー、電気自動車、電動アシスト自転車等の輸送機器である。これらの大電流用途では、特に、起動時等において、数１０Ａ～１００Ａを超えるような大電流が流れる場合がある。このような大電流容量に対応した保護素子の実現が望まれている。
したがって、大電流に対応するために大型の可溶導体を用いた場合にも、溶断後における絶縁抵抗を確保すると共に可溶導体の変形も抑えることができる保護素子及びバッテリパックを提供することが望まれている。
本発明の一実施形態における保護素子は、第１の外部電極と、第２の外部電極と、その第１の外部電極と第２の外部電極との間に配設された絶縁基板と、その絶縁基板の表面に配設された表面電極と、第１の外部電極及び第２の外部電極のそれぞれに電気的に接続されると共に絶縁基板の表面上において表面電極のみにより支持された可溶導体とを備えたものである。
また、本発明の一実施形態におけるバッテリパックは、１つ以上のバッテリセルと、その１つ以上のバッテリセルに流れる電流を遮断可能となるように、その１つ以上のバッテリセルに接続された保護素子と、その１つ以上のバッテリセルのそれぞれの電圧値を検出すると共に保護素子を加熱するための電流を制御する電流制御素子とを備えたものである。この保護素子は、第１の外部電極と、第２の外部電極と、その第１の外部電極と第２の外部電極との間に配設された絶縁基板と、その絶縁基板の表面に配設された表面電極と、第１の外部電極及び第２の外部電極のそれぞれに電気的に接続されると共に絶縁基板の表面上において表面電極のみにより支持された可溶導体とを備える。
本発明の一実施形態における保護素子及びバッテリパックによれば、可溶導体が絶縁基板の表面上において表面電極のみにより支持されている。この場合には、表面電極の寸法及び配置の設計に関する自由度が高くなるため、第１の外部電極と第２の外部電極との間の距離が容易に調整される。したがって、表面電極と第１の外部電極との距離を十分に確保することにより、溶融導体が絶縁基板の表面を伝って第１の外部電極と接続されにくくなるため、高い絶縁抵抗を維持できる。また、表面電極と第２の外部電極との距離を十分に確保することにより、溶融導体が絶縁基板の表面を伝って第２の外部電極と接続されにくくなるため、高い絶縁抵抗を維持できる。
以下、本発明が適用された一実施形態の保護素子及びその保護素子を用いたバッテリパックについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるわけではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは、勿論である。また、図面は、模式的な図面であるため、各寸法の比率等は、現実の比率等とは異なることがある。具体的な寸法等については、以下の説明を参酌しながら判断されるべきである。また、図面相互間においても互いの寸法及び比率が異なる場合があることは、勿論である。
［保護素子：凝集タイプ］
本発明の一実施形態の保護素子１は、図１に示すように、第１の外部電極２と、第２の外部電極３と、第１の外部電極２と第２の外部電極３との間に配設された絶縁基板４と、絶縁基板４の表面４ａに配設された表面電極５と、第１の外部電極２に電気的に接続されると共に第２の外部電極３に電気的に接続された可溶導体６とを備える。そして、保護素子１では、可溶導体６が、絶縁基板４の表面４ａ上において、表面電極５のみにより支持されている。
本発明の一実施形態の保護素子１は、図１に示すように、第１の外部電極２と、第２の外部電極３と、第１の外部電極２と第２の外部電極３との間に配設された絶縁基板４と、絶縁基板４の表面４ａに配設された表面電極５と、第１の外部電極２に電気的に接続されると共に第２の外部電極３に電気的に接続された可溶導体６とを備える。そして、保護素子１では、可溶導体６が、絶縁基板４の表面４ａ上において、表面電極５のみにより支持されている。
保護素子１では、第１の外部電極２及び第２の外部電極３が外部回路の接続端子と接続されることにより、その外部回路に組み込まれる。また、可溶導体６が外部回路の電流経路の一部を構成しているため、定格を超える過電流に応じて可溶導体６が溶断することにより、その電流経路が遮断される（図２）。
第１の外部電極２及び第２の外部電極３は、保護素子１を外部回路に接続させるための接続端子である。第１の外部電極２及び第２の外部電極３のそれぞれは、保護素子１の内部において、ハンダ等の接続材料７を介して可溶導体６と接続されているため、その可溶導体６を介して電気的に接続されている。第１の外部電極２及び第２の外部電極３は、外筐体１０により支持されていると共に、その外筐体１０の内部から外部に導出されている。なお、第１の外部電極２及び第２の外部電極３は、絶縁基板４に近接された絶縁素材の上に配設されてもよい。この絶縁素材は、例えば、エポキシ樹脂等を含む。
保護素子１では、第１の外部電極２及び第２の外部電極３が外筐体１０に支持されている。また、外筐体１０の内部のほぼ中央に絶縁基板４が配設されることにより、第１の外部電極２及び第２の外部電極３と絶縁基板４とが近接されている。
外筐体１０は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド：Polyphenylenesulfide）等の耐熱性に優れるエンジニアリングプラスチックのうちのいずれか１種類又は２種類以上を含んでいる。また、外筐体１０は、所定の形状となるように成形される際に、インサート成型等を用いて、第１の外部電極２及び第２の外部電極３と一体となるように成型されてもよい。
絶縁基板４は、例えば、アルミナ、ガラスセラミックス、ムライト及びジルコニアなどの絶縁性を有する材料のうちのいずれか１種類又は２種類以上を含んでいる。この他、ガラスエポキシ基板、フェノール基板等のプリント配線基板に用いられる材料を用いてもよいが、ヒューズ溶断時の温度に留意する必要がある。
絶縁基板４の表面４ａには、表面電極５が形成されている。表面電極５は、ハンダ等の接続材料７を介して可溶導体６と接続されており、その可溶導体６は、ハンダ等の接続材料７を介して第１の外部電極２及び第２の外部電極３のそれぞれと接続されている。表面電極５は、第１の外部電極２及び第２の外部電極３に接続された可溶導体６を支持する支持電極である。また、表面電極５は、第１の外部電極２と第２の外部電極３との間の電流経路を遮断する。この場合には、可溶導体６が過電流に応じた自己発熱を利用して溶融するため、その可溶導体６の溶融物である溶融導体６ａ（後述する図１０）が凝集する。
なお、表面電極５は、可溶導体６の溶断後における絶縁抵抗を維持するために、第１の外部電極２及び第２の外部電極３のそれぞれから十分な距離を隔てるように配設されることが好ましい。図１に示すように、第１の外部電極２及び第２の外部電極３が外筐体１０の内部において対向している場合、表面電極５は、絶縁基板４の表面４ａの略中央部に配設される。これにより、表面電極５は、第１の外部電極２及び第２の外部電極３のそれぞれから所定の距離を隔てられた状態において溶融導体６ａを保持するため、絶縁基板４の表面４ａに飛散した溶融導体６ａに起因する短絡のリスクが低減する。
また、保護素子１では、絶縁基板４の表面４ａにサイド電極が配設されておらず、表面電極５のみにより可溶導体６が支持されているため、その表面電極５の寸法及び配置等に関する自由度が高くなると共に、可溶導体６の溶断後における短絡のリスクを考慮した設計の自由度が高くなる。したがって、保護素子１では、表面電極５と第１の外部電極２との間の距離が確保されると共に、表面電極５と第２の外部電極３との間の距離が確保されるため、溶融導体６ａが絶縁基板４の表面４ａを伝って第１の外部電極２及び第２の外部電極３のそれぞれと接続することが防止される。よって、高い絶縁抵抗が維持される。
可溶導体６は、過電流状態において溶融する。この可溶導体６は、溶断可能な導電性の材料のうちのいずれか１種類又は２種類以上を含んでいる。この導電性の材料は、例えば、ＳｎＡｇＣｕ系のＰｂフリーハンダのほか、ＢｉＰｂＳｎ合金、ＢｉＰｂ合金、ＢｉＳｎ合金、ＳｎＰｂ合金、ＰｂＩｎ合金、ＺｎＡｌ合金、ＩｎＳｎ合金及びＰｂＡｇＳｎ合金等である。なお、可溶導体６は、高融点金属のうちのいずれか１種類又は２種類以上と、低融点金属のうちのいずれか１種類又は２種類以上との積層体であってもよい。高融点金属は、例えば、Ａｇ、Ｃｕ及びそれらの１種類以上を主成分とした合金等である。低融点金属は、例えば、ハンダ、及びＳｎを主成分としたＰｂフリーハンダ等である。
このような可溶導体６は、低融点金属箔に、高融点金属層をメッキ技術を用いて成膜することによって形成される。また、可溶導体６は、他の周知の積層技術、膜形成技術を用いて形成されてもよい。なお、可溶導体６は、高融点金属層を内層とし、低融点金属層を外層としてもよい。また、可溶導体６は、低融点金属層と高融点金属層とが交互に積層された４層以上の多層構造でもよい。このように、可溶導体６は、様々な構成となるように形成可能である。
また、可溶導体６は、所定の定格電流が流れている状態では自己発熱しないため、溶断しない。これに対して、可溶導体６は、定格よりも高い値の電流が流れると自己発熱するため、溶融する。これにより、第１の電極２と第２の電極３との間の電流経路が遮断される。このとき、可溶導体６では、溶融した低融点金属が高融点金属を浸食するため、その高融点金属が溶融温度よりも低い温度で溶融する。したがって、可溶導体６は、低融点金属による高融点金属の浸食作用を利用して、短時間で溶断する。
また、可溶導体６では、内層となる低融点金属に外層となる高融点金属が積層されていることにより、高融点金属からなるチップヒューズ等よりも溶断温度が大幅に低減する。したがって、可溶導体６では、同一サイズのチップヒューズ等に比して、断面積が大きくなると共に、電流定格が大幅に向上する。また、同じ電流定格のチップヒューズに比して、小型化、薄型化が図られると共に、速溶断性に優れる。
また、可溶導体６では、保護素子１が組み込まれた電気回路に異常に高い電圧が瞬間的に印加される現象、いわゆるサージに対する耐性（耐パルス性）が向上する。すなわち、可溶導体６は、例えば、１００Ａの電流が数ｍｓｅｃ流れたような場合には、溶断してはならない。この点に関して、極短時間に流れる大電流は、導体の表層を流れる（表皮効果）。可溶導体６が外層として抵抗値の低いＡｇメッキ等の高融点金属を含むことにより、サージに起因して印加された電流が流れやすいため、自己発熱に起因した可溶導体６の溶断が防止される。したがって、可溶導体６では、低融点金属が高融点金属により被覆されることにより、ハンダ合金からなるヒューズに比して、大幅にサージに対する耐性が向上する。
なお、可溶導体６には、酸化防止、及び溶断時の濡れ性の向上等のため、フラックス（図示せず）が塗布されている。
このような構成を有する保護素子１では、可溶導体６が絶縁基板４の上において表面電極５のみにより支持されている。この場合には、絶縁基板４として、耐熱衝撃性に優れると共に熱伝導性にも優れるセラミック基板を用いた場合等において、高温環境及び低温環境に保護素子１が繰り返して置かれた場合にも、可溶導体６の熱膨張係数と絶縁基板４との熱膨張係数との差に起因する歪みが可溶導体６に生じにくくなるため、保護素子１の外形及び寸法が安定化する。これにより、保護素子１では、可溶導体６の抵抗値が安定化するため、高定格を維持できる。
［保護素子の動作］
また、定格を超える過電流が保護素子１に流れると、その保護素子１では、図２に示すように、可溶導体６が自己発熱を利用して溶融する。これにより、第１の外部電極２に近い側及び第２の外部電極３に近い側のうちのいずれか一方において可溶導体６が溶断するため、外部回路の充放電経路が遮断される。このとき、保護素子１では、可溶導体６が絶縁基板４の上において表面電極５のみにより支持されているため、表面電極５の寸法及び配置に関する設計の自由度が高くなると共に、第１の外部電極２と第２の外部電極３との間の距離が容易に調整される。したがって、保護素子１では、表面電極５と第１の外部電極２との間の距離が確保されると共に、表面電極５と第２の外部電極３との間の距離が確保されるため、溶融導体６ａが絶縁基板４の表面４ａを伝って第１の外部電極２及び第２の外部電極３と接続されにくくなる。よって、高い絶縁抵抗を維持できる。
また、定格を超える過電流が保護素子１に流れると、その保護素子１では、図２に示すように、可溶導体６が自己発熱を利用して溶融する。これにより、第１の外部電極２に近い側及び第２の外部電極３に近い側のうちのいずれか一方において可溶導体６が溶断するため、外部回路の充放電経路が遮断される。このとき、保護素子１では、可溶導体６が絶縁基板４の上において表面電極５のみにより支持されているため、表面電極５の寸法及び配置に関する設計の自由度が高くなると共に、第１の外部電極２と第２の外部電極３との間の距離が容易に調整される。したがって、保護素子１では、表面電極５と第１の外部電極２との間の距離が確保されると共に、表面電極５と第２の外部電極３との間の距離が確保されるため、溶融導体６ａが絶縁基板４の表面４ａを伝って第１の外部電極２及び第２の外部電極３と接続されにくくなる。よって、高い絶縁抵抗を維持できる。
［外筐体の熱膨張係数及び可溶導体の熱膨張係数］
なお、保護素子１では、可溶導体６の熱膨張係数と外筐体１０の熱膨張係数とが同一又は近似していることが好ましい。例えば、保護素子１では、可溶導体６として、表面がＡｇメッキされたハンダ箔（熱膨張係数＝２２ｐｐｍ／℃）を用いると共に、外筐体１０としてガラス繊維含有ＰＰＳ樹脂（熱膨張係数＝２０ｐｐｍ／℃）を用いた場合、可溶導体６の熱膨張係数と外筐体１０の熱膨張係数とが近似する。これにより、高温環境及び低温環境に保護素子１が繰り返して置かれた場合にも、表面電極５と第１の外部電極２との間に歪みが蓄積されにくくなると共に、表面電極５と第２の外部電極３との間に歪みが蓄積されにくくなる。また、可溶導体６の変形等に起因した抵抗値の変動が抑制される。よって、高定格を維持できる。
なお、保護素子１では、可溶導体６の熱膨張係数と外筐体１０の熱膨張係数とが同一又は近似していることが好ましい。例えば、保護素子１では、可溶導体６として、表面がＡｇメッキされたハンダ箔（熱膨張係数＝２２ｐｐｍ／℃）を用いると共に、外筐体１０としてガラス繊維含有ＰＰＳ樹脂（熱膨張係数＝２０ｐｐｍ／℃）を用いた場合、可溶導体６の熱膨張係数と外筐体１０の熱膨張係数とが近似する。これにより、高温環境及び低温環境に保護素子１が繰り返して置かれた場合にも、表面電極５と第１の外部電極２との間に歪みが蓄積されにくくなると共に、表面電極５と第２の外部電極３との間に歪みが蓄積されにくくなる。また、可溶導体６の変形等に起因した抵抗値の変動が抑制される。よって、高定格を維持できる。
［発熱体］
また、本発明の一実施形態の保護素子では、図３に示すように、絶縁基板４に、可溶導体６を溶断させるための発熱体１１が設けられてもよい。なお、以下の説明では、上述した保護素子１の構成要素と同じ構成要素について同じ符号を付すと共に、その構成要素に関する詳細な説明を省略する。
また、本発明の一実施形態の保護素子では、図３に示すように、絶縁基板４に、可溶導体６を溶断させるための発熱体１１が設けられてもよい。なお、以下の説明では、上述した保護素子１の構成要素と同じ構成要素について同じ符号を付すと共に、その構成要素に関する詳細な説明を省略する。
発熱体１１が設けられた保護素子１２は、例えば、バッテリパックに組み込まれると、過電流時において可溶導体６が自己発熱するため、その可溶導体６が溶断することに加え、バッテリセルの過電圧に応じて発熱体１１が通電されると共に発熱するため、可溶導体６が溶断する。これにより、バッテリパックの充放電経路が遮断される。
発熱体１１は、比較的抵抗値が高いと共に通電されると発熱する導電性を有する材料のうちのいずれか１種類又は２種類以上を含んでいる。この導電性を有する材料は、例えば、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｕ、それらの１種類以上を主成分とした合金、それらの１種類以上を主成分とした組成物、及びそれらの１種類以上を主成分とした化合物等である。これらの合金等の粉状体と樹脂バインダ等との混合物を含むペーストが絶縁基板４の表面４ａにスクリーン印刷技術を用いて所定のパターンとなるように塗布された後、そのペーストが焼成等されることにより、発熱体１１が形成される。
発熱体１１は、絶縁基板４の表面４ａに配設されていると共に、絶縁層１３により被覆されている。絶縁層１３の上には、表面電極５が配設される。絶縁層１３は、発熱体１１の保護及び絶縁を図ると共に、発熱体１１において発生した熱を効率よく表面電極５及び可溶導体６へ伝えるために設けられており、例えば、ガラス層からなる。表面電極５は、発熱体１１によって加熱されることにより、可溶導体６の溶融物である溶融導体６ａを凝集しやすくする。
発熱体１１の一端部は、表面電極５と接続されており、その発熱体１１は、表面電極５を介して、その表面電極５の上に配設された可溶導体６と電気的に接続されている。また、発熱体１１の他端部は、図示しない発熱体電極と接続されている。発熱体電極は、絶縁基板４の表面４ａに配設されている。また、発熱体電極は、絶縁基板４の裏面４ｂに配設された第３の外部接続電極１５（図６参照）と接続されており、その第３の外部接続電極１５を介して外部回路と接続されている。保護素子１が外部回路と接続されることにより、回路基板に第３の外部接続電極１５を介して発熱体１１が形成された給電経路、すなわち発熱体１１に対する給電経路に組み込まれる。
また、図４に示すように、保護素子１２では、発熱体１１が絶縁基板４の裏面４ｂに配設されてもよい。発熱体１１は、絶縁基板４の裏面４ｂにおいて、絶縁層１３により被覆されている。
発熱体１１の一端部は、図示しない発熱体電極を介して、表面電極５及び表面電極５の上に配設された可溶導体６と電気的に接続されている。また、発熱体１１の他端部は、図示しない発熱体電極を介して第３の外部接続電極１５と接続されている。
また、図５に示すように、保護素子１２では、発熱体１１が絶縁基板４の内部に配設されてもよい。この場合、発熱体１１は、ガラス等の絶縁層１３によって被覆されなくもよい。発熱体１１の一端部は、図示しない発熱体電極を介して、表面電極５及び表面電極５の上に配設された可溶導体６と電気的に接続されている。また、発熱体１１の他端部は、図示しない発熱体電極を介して第３の外部接続電極１５と接続されている。
［回路構成］
このような保護素子１２は、図６に示すように、例えば、リチウムイオン二次電池を用いたバッテリパック３０内の回路に組み込まれる。バッテリパック３０は、１つ以上のバッテリセル、例えば、合計４個のリチウムイオン二次電池であるバッテリセル３１～３４からなるバッテリスタック３５を備える。
このような保護素子１２は、図６に示すように、例えば、リチウムイオン二次電池を用いたバッテリパック３０内の回路に組み込まれる。バッテリパック３０は、１つ以上のバッテリセル、例えば、合計４個のリチウムイオン二次電池であるバッテリセル３１～３４からなるバッテリスタック３５を備える。
バッテリパック３０は、バッテリスタック３５と、バッテリスタック３５の充放電を制御する充放電制御回路４０と、バッテリスタック３５の異常時に充電動作を停止させる保護素子１２（本発明が適用された保護素子）と、各バッテリセル３１～３４の電圧を検出する検出回路３６と、検出回路３６の検出結果に応じて保護素子１２の動作を制御するためのスイッチ素子である電流制御素子３７とを備える。
バッテリスタック３５では、過充電状態及び過放電状態から保護するための制御を要するバッテリセル３１～３４が直列に接続されている。このバッテリスタック３５は、バッテリパック３０の正極端子３０ａ及び負極端子３０ｂを介して充電装置４５に着脱可能に接続されており、その充電装置４５から充電電圧が印加される。充電装置４５により充電されたバッテリパック３０は、バッテリを利用して動作する電子機器に正極端子３０ａ及び負極端子３０ｂを介して接続されることにより、その電子機器を動作させることができる。
充放電制御回路４０は、バッテリスタック３５から充電装置４５に至る電流経路に直列導入された２つの電流制御素子４１、４２と、その電流制御素子４１、４２の動作を制御する制御部４３とを備える。電流制御素子４１、４２は、例えば、電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴという。）を含んでいる。この電流制御素子４１，４２は、制御部４３によってゲート電圧が制御されることにより、バッテリスタック３５の電流経路の状態（導通及び遮断）を制御する。制御部４３は、充電装置４５から電力供給を受けて動作すると共に、検出回路３６による検出結果に応じて、バッテリスタック３５が過放電状態又は過充電状態であるとき、電流経路が遮断されるように、電流制御素子４１，４２の動作を制御する。
保護素子１２は、例えば、バッテリスタック３５と充放電制御回路４０との間の充放電電流経路に導入され、その保護素子１２の動作は、電流制御素子３７によって制御される。
検出回路３６は、各バッテリセル３１～３４と接続されており、その各バッテリセル３１～３４において検出された各電圧値を充放電制御回路４０の制御部４３に供給する。また、検出回路３６は、いずれか１つのバッテリセル３１～３４が過充電電圧状態又は過放電電圧状態になったとき、電流制御素子３７を制御するための制御信号を出力する。
電流制御素子３７は、例えば、ＦＥＴを含んでいる。この電流制御素子３７は、検出回路３６から出力される検出信号に応じて、バッテリセル３１～３４の電圧値が所定の過放電状態又は過充電状態を超える電圧になったとき、保護素子１２を動作させる。これにより、バッテリスタック３５の充放電電流経路は、電流制御素子４１，４２のスイッチ動作によらずに遮断される。
以上のような構成を有するバッテリパック３０に用いられる保護素子１２は、図７に示すような回路構成を有する。すなわち、保護素子１２では、第１の外部電極２がバッテリスタック３５と電気的に接続されていると共に、第２の外部電極３が正極端子３０ａと電気的に接続されている。これにより、可溶導体６がバッテリスタック３５の充放電経路に直列に導入されている。また、保護素子１２では、発熱体１１が発熱体電極及び第３の外部接続電極１５を介して電流制御素子３７と接続されていると共に、その発熱体１１がバッテリスタック３５の開放端と接続されている。これにより、発熱体１１の一端部は、表面電極５を介して可溶導体６及びバッテリスタック３５の一方の開放端と接続されている。発熱体１１の他端部は、第３の外部接続電極１５を介して電流制御素子３７及びバッテリスタック３５の他方の開放端と接続されている。これにより、発熱体１１に対する給電経路が形成されると共に、その発熱体１１に対する通電は電流制御素子３７によって制御される。
［保護素子の動作］
バッテリパック３０に定格を超える過電流が流れると、保護素子１２では、可溶導体６が自己発熱すると共に溶融するため、バッテリパック３０の充放電経路が遮断される。
バッテリパック３０に定格を超える過電流が流れると、保護素子１２では、可溶導体６が自己発熱すると共に溶融するため、バッテリパック３０の充放電経路が遮断される。
また、検出回路３６は、バッテリセル３１～３４のうちのいずれかの異常電圧を検出すると、電流制御素子３７へ遮断信号を出力する。この電流制御素子３７は、遮断信号に応じて、発熱体１１が通電されるように電流を制御する。保護素子１２では、バッテリスタック３５から、第１の外部電極２、可溶導体６及び表面電極５を介して発熱体１１に電流が流れるため、その発熱体１１が発熱を開始する。これにより、保護素子１２では、発熱体１１により可溶導体６が加熱されると、その可溶導体６が溶断するため、バッテリスタック３５の充放電経路が遮断される。
このとき、過電流時における自己発熱を利用した可溶導体６の溶断及び過電圧時における発熱体１１の発熱を利用した可溶導体６の溶断のいずれにおいても、保護素子１２では、可溶導体６が絶縁基板４の上において表面電極５のみにより支持されているため、表面電極５の寸法及び配置に関する設計の自由度が高くなると共に、第１の外部電極２と第２の外部電極３との間の距離が容易に調整される。したがって、保護素子１２では、表面電極５と第１の外部電極２との間の距離が確保されると共に、表面電極５と第２の外部電極３との間の距離が確保されるため、溶融導体６ａが絶縁基板４の表面４ａを伝って第１の外部電極２及び第２の外部電極３のそれぞれと接続されにくくなる。よって、高い絶縁抵抗を維持できる。
また、保護素子１２では、可溶導体６が高融点金属及び低融点金属を含有することにより、溶融した低融点金属による高融点金属の溶食作用を利用して、その可溶導体６が短時間で溶断する。
なお、保護素子１２では、可溶導体６が溶断することにより、発熱体１１への給電経路も遮断されるため、発熱体１１の発熱が停止される。
本発明の一実施形態の保護素子は、リチウムイオン二次電池を用いたバッテリパックに適用される場合に限らず、電気信号に応じて電流経路の遮断を必要とする様々な用途にももちろん応用可能である。
［保護素子：吸引タイプ］
また、本発明の一実施形態の保護素子では、図８に示すように、絶縁基板４に、可溶導体６の溶融物である溶融導体６ａを吸引するための吸引孔５１が設けられてもよい。なお、以下の説明では、上述した保護素子１の構成要素と同じ構成要素について同じ符号を付すと共に、その構成要素に関する詳細な説明を省略する。
また、本発明の一実施形態の保護素子では、図８に示すように、絶縁基板４に、可溶導体６の溶融物である溶融導体６ａを吸引するための吸引孔５１が設けられてもよい。なお、以下の説明では、上述した保護素子１の構成要素と同じ構成要素について同じ符号を付すと共に、その構成要素に関する詳細な説明を省略する。
吸引孔５１が設けられた保護素子５０では、過電流に伴う自己発熱を利用して可溶導体６が溶融し、あるいは過電圧に伴う発熱体１１の発熱を利用して可溶導体６が溶融すると、毛管現象を利用して溶融導体６ａが吸引孔５１の内部に吸引されるため、その溶融導体６ａの体積が減少する。保護素子５０では、大電流用途に対応するために可溶導体６の断面積を増大させることにより、溶融量が増大した場合にも、溶融導体６ａが吸引孔５１に吸引されるため、その溶融導体６ａの体積が減少する。
これにより、保護素子５０では、可溶導体６が速やかに溶断しやすくなる。また、保護素子５０では、過電流に伴う自己発熱を利用した可溶導体６の溶断時においてアーク放電が生じても、そのアーク放電に起因した溶融導体６ａの飛散が軽減される。これにより、絶縁抵抗の低下が防止されると共に、可溶導体６の周辺の回路へ溶融導体６ａが付着することに起因した短絡故障が防止される。
吸引孔５１の内壁面には、導電層５２が設けられている。導電層５２が設けられることにより、吸引孔５１は、溶融導体６ａを吸引しやすくなる。導電層５２は、導電性材料のうちのいずれか１種類又は２種類以上を含んでいる。この導電性材料は、銅、銀、金、鉄、ニッケル、パラジウム、鉛、錫及びそれらの１種類以上を主成分とした合金等である。吸引孔５１の内壁面に、電解メッキ法及び印刷法等の公知の方法を用いて導電性材料（例えば導電ペースト）を成膜することにより、導電層５２が形成される。
また、吸引孔５１は、絶縁基板４の厚さ方向に延在する貫通孔であることが好ましい。これにより、吸引孔５１では、溶融導体６ａが絶縁基板４の裏面４ｂに到達するまで吸引される。これにより、より多くの溶融導体６ａが吸引されるため、可溶導体６が溶断した場所において溶融導体６ａの体積がより減少する。なお、吸引孔５１は、非貫通孔でもよい。
また、図９に示すように、絶縁基板４の表面４ａに絶縁層１３を介して表面電極５が配設されており、吸引孔５１は、その表面電極５の幅方向における略中央部に対応する位置に設けられている。なお、吸引孔５１の数は、１つでもよいし、複数でもよい。吸引孔５１の数が複数である場合、溶融導体６ａを吸引する経路が増えるため、より多くの溶融導体６ａが吸引孔５１に吸引される。これにより、可溶導体６が溶断した場所において、溶融導体６ａの体積がより減少する。ここでは、複数の吸引孔５１は、例えば、直線状、すなわち一列に並ぶように配置されている。
また、吸引孔５１の内壁面に設けられた導電層５２は、表面電極５と接続されている。導電層５２の表面と表面電極５の表面とは、同一面内にあることが好ましい。導電層５２と表面電極５とは、一体化されていてもよい。これにより、保護素子５０では、表面電極５の上で凝集した溶融導体６ａが表面電極５の表面及び導電層５２の表面に濡れ広がりやすくなると共に、その溶融導体６ａが導電層５２を介して吸引孔５１の内部に導かれやすくなる。
また、絶縁基板４の裏面４ｂには、吸引孔５１の内壁面に設けられた導電層５２と接続されるように、裏面電極５３が配設されている。図１０に示すように、裏面電極５３は、導電層５２と接続されている。導電層５２の表面と裏面電極５３の表面とは、同一面内にあることが好ましい。裏面電極５３と導電層５２とは、一体化されていてもよい。可溶導体６が溶融すると、絶縁基板４の表面４ａから吸引孔５１を経由して裏面４ｂまで移動した溶融導体６ａが裏面電極５３の上で凝集する。これにより、保護素子５０では、裏面電極５３の上で凝集した溶融導体６ａが裏面電極５３の表面及び導電層５２の表面に濡れ広がりやすくなる。また、より多くの溶融導体６ａが吸引孔５１に吸引されるため、可溶導体６が溶断した場所において溶融導体６ａの体積がより減少する。
なお、保護素子５０では、発熱体１１を配設せずに、過電流に伴う自己発熱のみを利用して可溶導体６を溶断させてもよいし、発熱体１１を配設して、過電流に伴う自己発熱に加えて過電圧に伴う発熱体１１の発熱を利用して可溶導体６を溶断させてもよい。また、保護素子５０では、発熱体１１が絶縁基板４の表面４ａに配設されてもよいし、発熱体１１が絶縁基板４の裏面４ｂに配設されてもよいし、発熱体１１が絶縁基板４の内部に配設されてもよい。
発熱体１１が絶縁基板４の裏面４ｂに設けられる場合、発熱体１１の一端部は裏面電極５３と接続され、その裏面電極５３と一体化されると共に、導電層５２及び表面電極５を介して可溶導体６と電気的に接続される。また、発熱体１１の他端部は、図示しない発熱体電極を介して第３の外部接続電極１５と接続される。同様に、発熱体１１が絶縁基板４の内部に設けられる場合、発熱体１１の一端部は、表面電極５を介して可溶導体６と電気的に接続されると共に、発熱体１１の他端部は、第３の外部接続電極１５と接続される。
発熱体１１が絶縁基板４の裏面４ｂに配設されていると、保護素子５０では、裏面電極５３が発熱体１１によって加熱されるため、より多くの溶融導体６ａが凝集しやすくなる。したがって、保護素子５０では、表面電極５から導電層５２を介して裏面電極５３へ溶融導体６ａが吸引される作用を促進させることにより、可溶導体６が溶断しやすくなる。
また、発熱体１１が絶縁基板４の内部に配設されていると、保護素子５０では、導電層５２を介して表面電極５及び裏面電極５３が発熱体１１によって加熱されることにより、より多くの溶融導体６ａが凝集しやすくなる。したがって、保護素子５０では、表面電極５から導電層５２を介して裏面電極５３へ溶融導体６ａが吸引される作用を促進させることにより、可溶導体６が溶断しやすくなる。
なお、発熱体１１が絶縁基板４の表面４ａに配設される場合、発熱体１１が絶縁基板４の裏面４ｂに配設される場合、発熱体１１が絶縁基板４の内部に配設される場合のいずれにおいても、その発熱体１１は、吸引孔５１の両側に配設されることが好ましい。表面電極５及び裏面電極５３が加熱されるため、より多くの溶融導体６ａが凝集すると共に吸引孔５１に吸引されるからである。
また、保護素子５０では、吸引孔５１の内部に、可溶導体６の形成材料と同一若しくは類似の材料や、可溶導体６の形成材料よりも融点が低い予備ハンダ５５や、フラックス等が充填されてもよい。保護素子５０では、発熱体１１が発熱したとき、熱伝導に優れる導電層５２、表面電極５及び裏面電極５３の温度が絶縁基板４の温度よりも先に高くなる。これにより、予備ハンダ５５等が可溶導体６よりも先に溶融するため、溶融導体６ａが吸引孔５１に引き込まれる。よって、溶融導体６ａは、絶縁基板４の表面４ａから裏面４ｂに移動するため、保護素子５０の向きに拘わらず、第１の外部電極２と第２の外部電極３との間の電流経路が遮断されやすくなる。
［第１の外部電極と絶縁基板との間のクリアランス、及び第２の外部電極と絶縁基板との間のクリアランス］
なお、保護素子１，１２，５０では、外筐体１０により支持された第１の外部電極２と絶縁基板４との間にクリアランスが設けられているため、その第１の外部電極２と絶縁基板４とが互いに離間されていることが好ましい。また、外筐体１０により支持された第２の外部電極３と絶縁基板４との間にクリアランスが設けられているため、その第２の外部電極３と絶縁基板４とが互いに離間されていることが好ましい。これらのクリアランスが設けられていると、絶縁基板４の熱膨張係数と外筐体１０の熱膨張係数との違いに起因する歪みが吸収されるため、保護素子１，１２，５０の破損が防止される。また、保護素子１２，５０では、クリアランスが設けられていると、絶縁基板４と第１の外部電極２との間の熱経路が遮断されると共に、絶縁基板４と第２の外部電極３との間の熱経路が遮断される。これにより、より効率よく表面電極５から可溶導体６に熱が伝わるため、速やかに可溶導体６が溶断する。
なお、保護素子１，１２，５０では、外筐体１０により支持された第１の外部電極２と絶縁基板４との間にクリアランスが設けられているため、その第１の外部電極２と絶縁基板４とが互いに離間されていることが好ましい。また、外筐体１０により支持された第２の外部電極３と絶縁基板４との間にクリアランスが設けられているため、その第２の外部電極３と絶縁基板４とが互いに離間されていることが好ましい。これらのクリアランスが設けられていると、絶縁基板４の熱膨張係数と外筐体１０の熱膨張係数との違いに起因する歪みが吸収されるため、保護素子１，１２，５０の破損が防止される。また、保護素子１２，５０では、クリアランスが設けられていると、絶縁基板４と第１の外部電極２との間の熱経路が遮断されると共に、絶縁基板４と第２の外部電極３との間の熱経路が遮断される。これにより、より効率よく表面電極５から可溶導体６に熱が伝わるため、速やかに可溶導体６が溶断する。
また、第１の外部電極２と絶縁基板４との間にクリアランスが設けられていると共に、第２の外部電極３と絶縁基板４との間にクリアランスが設けられていると、第１の外部電極２と表面電極５とが同一平面上に並ばないと共に、第２の外部電極３と表面電極５とが同一平面上に並ばない。これにより、保護素子１では、溶融導体６ａが絶縁基板４の表面４ａを伝って第１の外部電極２及び第２の外部電極３と接続されにくくなるため、高い絶縁抵抗を維持できる。
ここで、上記した本発明の一実施形態の保護素子を用いない場合の問題点は、以下の通りである。
本発明の保護素子１，１２，５０に対する比較例の保護素子１００は、図１１に示すように、第１の外部電極１０１と、第２の外部電極１０２と、第１の外部電極１０１と第２の外部電極１０２との間に配設された絶縁基板１０３と、絶縁基板１０３の表面に配設された表面電極１０４と、一対のサイド電極１０５ａ，１０５ｂにより支持された可溶導体１０６とを備えている。第１の外部電極１０１及び第２の外部電極１０２は、外筐体１１０により支持されている。
保護素子１００は、第１の外部電極１０１及び第２の外部電極１０２が外部回路に接続されることにより、その外部回路の電流経路に組み込まれる。このため、可溶導体１０６は、上記した電流経路の一部を構成する。定格を超える過電流が可溶導体１０６に流れると、その可溶導体１０６が自己発熱を利用して溶断するため、電流経路が遮断される。
また、保護素子１００では、通電に応じて発熱する発熱体１０７が絶縁基板１０３の上に設けられている。発熱体１０７は、Ｗ、Ｍｏ及びＲｕ等の高融点金属のうちのいずれか１種類又は２種類以上を含んでおり、ガラス等の絶縁層１０８により被覆されている。表面電極１０４は、発熱体１０７の一端部と電気的に接続されていると共に、発熱体１０７と重畳されるように絶縁層１０８の表面上に配設されている。また、発熱体１０７は、図示しない発熱体電極と接続されており、その発熱体電極を介して外部回路と接続されている。これにより、発熱体１０７に対する通電が制御されている。保護素子１００では、過電流状態において可溶導体１０６が溶断する場合以外にも、バッテリセルの過電圧状態が検出されると、抵抗体により形成された発熱体１０７に電流が流れるため、その発熱体１０７の発熱を利用して可溶導体１０６が溶断する。
保護素子１００では、大電流に対応するために、可溶導体１０６の断面積を増大させることにより、その可溶導体１０６の低抵抗化が図られている。ここで、大電流に対応するために可溶導体１０６の断面積を増大させると、発熱体１０７の発熱を利用して可溶導体１０６を溶断させるために時間を要すると共に、溶断時において可溶導体１０６の溶融量が多くなるため、その可溶導体１０６を安定して溶断させる必要がある。このため、保護素子１００では、表面電極１０４の両側における絶縁基板１０３の表面に、互いに離間されるようにサイド電極１０５ａ，１０５ｂが配設されている。ハンダを用いて可溶導体１０６がサイド電極１０５ａ，１０５ｂに接続されている場合において、発熱体１０７が発熱すると、サイド電極１０５ａ，１０５ｂは、発熱体１０７において発生した熱を効率よく可溶導体１０６に伝えるため、その可溶導体１０６は、速やかに加熱されると共に溶断する。サイド電極１０５ａ，１０５ｂは、可溶導体１０６が溶融すると、ぬれ性を利用して、その可溶導体１０６の溶融物（溶融導体）の一部を表面電極１０４、第１の外部電極１０１及び第２の外部電極１０２から離間されるように保持する。これにより、保護素子１００では、第１の外部電極１０１と第２の外部電極１０２との間の電流経路に組み込まれている可溶導体１０６が溶断しやすくなる。
しかし、保護素子１００では、絶縁基板１０３の表面上の限られたスペースに表面電極１０４及び一対のサイド電極１０５ａ，１０５ｂが配置されているため、表面電極１０４と一対のサイド電極１０５ａ，１０５ｂとの距離が小さくなる。これにより、可溶導体１０６の溶断後において、溶融導体が第１の外部電極１０１及び第２の外部電極１０２と接続されやすくなるため、絶縁抵抗を確保できない恐れがある。
また、絶縁基板１０３としては、耐熱衝撃性に優れると共に熱伝導性にも優れるセラミック基板が好適に用いられる。この場合には、可溶導体１０６の熱膨張係数と絶縁基板１０３の熱膨張係数との差が大きいため、高温環境と低温環境とに繰り返して保護素子１００が置かれると、表面電極１０４と一対のサイド電極１０５ａ，１０５ｂとの間において、熱膨張係数の差に起因した歪みが可溶導体１０６に蓄積される。これにより、抵抗値にばらつきが生じるため、保護素子１００の高定格を維持することが困難となる恐れもある。さらに、上記した歪みに起因して、可溶導体１０６及びサイド電極１０５ａ，１０５ｂにクラック及び剥離等が生じる恐れもある。このような傾向は、保護素子１００の定格を向上させるために可溶導体１０６を大型化するほど、顕著になる。
次いで、本発明の実施例について説明する。本実施例では、可溶導体６が絶縁基板４の上において表面電極５のみにより支持された保護素子１（実施例：図１参照）と、可溶導体１０６が絶縁基板１０３の上において表面電極１０４及び一対のサイド電極１０５ａ，１０５ｂにより支持された保護素子１００（比較例：図１１参照）とを用意した後、電流遮断時における絶縁性と、発熱体１１，１０７の発熱を利用した溶断特性と、温度サイクル試験時の信頼性とを評価した。
実施例の保護素子１及び比較例の保護素子１００では、絶縁基板４，１０３として、裏面に発熱体１１，１０７が設けられたセラミック基板（熱膨張係数＝７ｐｐｍ／℃）を用いた。また、第１の外部電極２，１０１及び第２の外部電極３，１０２に電気的に接続される可溶導体６，１０６として、Ａｇメッキ処理（厚さ＝６μｍ）が施されたＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系金属箔（厚さ＝０．３５ｍｍ，幅＝５．４ｍｍ，熱膨張係数＝２２ｐｐｍ／℃）を用いた。可溶導体６，１０６と第１の外部電極２，１０１及び第２の外部電極３，１０２とは、ハンダを介して接続された。また、第１の外部電極２，１０１及び第２の外部電極３，１０２は、ＰＰＳ製の外筐体１０，１１０（熱膨張係数＝２０ｐｐｍ／℃）によって支持された。
実施例の保護素子１及び比較例の保護素子１００に対して、１９０Ａ、３５Ｖの条件で通電させることにより、自己発熱を利用して可溶導体６，１０６を溶断させた。溶断時間は、実施例の保護素子１及び比較例の保護素子１００のいずれにおいても、約５秒であった。溶断後、第１の外部電極２，１０１と第２の外部電極３，１０２との間の絶縁抵抗値を測定することにより、１０6 Ω以上の絶縁抵抗が確保されているか否かを確認した。測定結果を表１に示す。
表１に示すように、実施例の保護素子１では、１６個のサンプルの全てにおいて、１０6 Ω以上の絶縁抵抗が確保されている。一方、比較例の保護素子１００では、全８個のサンプル中、３個のサンプルにおいて絶縁抵抗値が１０6 Ω未満となった。比較例の保護素子１００では、サイド電極１０５ａ，１０５ｂが設けられていることにより、第１の外部電極１０１、第２の外部電極１０２、サイド電極１０５ａ，１０５ｂ及び表面電極１０４のそれぞれの位置が互いに近いため、アーク放電時に飛散した溶融導体に起因して短絡が生じやすくなったことが原因であると考えられる。これに対して、可溶導体６が絶縁基板４の上において表面電極５のみにより支持されている実施例の保護素子１は、上記した短絡が生じにくいため、高い絶縁抵抗を維持するために有効である。
また、実施例の保護素子１及び比較例の保護素子１００において、発熱体１１，１０７を通電及び発熱させることにより可溶導体６，１０６を溶断させたところ、実施例の保護素子１及び比較例の保護素子１００のいずれにおいても、印加電力が３０Ｗの条件において溶断時間が約１０秒、印加電力が９０Ｗの条件において溶断時間が約１．５秒であった。すなわち、サイド電極１０５ａ，１０５ｂを備えていない実施例の保護素子１は、サイド電極１０５ａ，１０５ｂを備えている比較例の保護素子１００と同様に、広い動作電力範囲で迅速に可溶導体６を溶断させることができた。
次いで、実施例の保護素子１及び比較例の保護素子１００を用いて温度サイクル試験を実施することにより、初期の導通抵抗値と、温度サイクル試験後の導通抵抗値とを測定した。測定結果を表２に示す。温度サイクル試験では、－４０℃（３０ｍｉｎ）と１００℃（３０ｍｉｎ）との間において温度を変化させると共に、サイクル数を３００サイクルとした。
表２に示すように、実施例の保護素子１では、温度サイクル試験後における抵抗値の上昇率が１．４％に抑えられたのに対し、比較例の保護素子１００では、温度サイクル試験後における抵抗値の上昇率が３．９％まで高くなった。
比較例の保護素子１００では、可溶導体１０６がサイド電極１０５ａ，１０５ｂ及び表面電極１０４により複数個所において絶縁基板１０３に固定されている。この場合には、温度サイクル試験を実施すると、絶縁基板１０３の熱膨張係数と可溶導体１０６の熱膨張係数との差に起因して応力が繰り返して発生するため、可溶導体１０６を絶縁基板１０３に固定させているサイド電極１０５ａ，１０５ｂと表面電極１０４との間に歪みが発生する。これにより、可溶導体１０６の変形に起因して抵抗値が変動するため、定格の維持及び速溶断性等に関して信頼性が低下した。
一方、実施例の保護素子１では、可溶導体６が表面電極５により１か所において絶縁基板４に固定されているため、上記した歪みの発生が抑えられる。また、第１の外部電極２及び第２の外部電極３を支持する外筐体１０の熱膨張係数と可溶導体６の熱膨張係数との差が小さいため、第１の外部電極２及び第２の外部電極３と表面電極５との間に歪みは殆ど生じない。よって、可溶導体６が絶縁基板４の上において表面電極５のみにより支持された構成を採用することにより、保護素子１が様々な温度環境下に晒された場合においても、高定格の維持及び速溶断性に関して信頼性が確保された。
本出願は、日本国特許庁において２０１４年５月３０日に出願された日本特許出願番号第２０１４－１１２８１１号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願のすべての内容を参照によって本出願に援用する。
当業者であれば、設計上の要件や他の要因に応じて、種々の修正、コンビネーション、サブコンビネーション、及び変更を想到し得るが、それらは添付の請求の範囲の趣旨やその均等物の範囲に含まれるものであることが理解される。
１…保護素子、２…第１の外部電極、３…第２の外部電極、４…絶縁基板、４ａ…表面、４ｂ…裏面、５…表面電極、６…可溶導体、７…接続材料、１０…外筐体、１１…発熱体、１２…保護素子、１３…絶縁層、１５…第３の外部接続電極、３０…バッテリパック、３１～３４…バッテリセル、３５…バッテリスタック、３６…検出回路、３７…電流制御素子、４０…充放電制御回路、４１，４２…電流制御素子、４３…制御部、４５…充電装置、５０…保護素子、５１…吸引孔、５２…導電層、５３…裏面電極、５５…予備ハンダ。
Claims (8)
- 第１の外部電極と、
第２の外部電極と、
上記第１の外部電極と上記第２の外部電極との間に配設された絶縁基板と、
上記絶縁基板の表面に配設された表面電極と、
上記第１の外部電極及び上記第２の外部電極のそれぞれに電気的に接続されると共に、上記絶縁基板の表面上において上記表面電極のみにより支持された可溶導体と
を備えた、保護素子。 - さらに、上記第１の外部電極及び上記第２の外部電極のそれぞれを支持する外筐体を備えた、
請求項１記載の保護素子。 - 上記外筐体は、
上記可溶導体の熱膨張係数と同一の熱膨張係数を有し、
又は、上記可溶導体の熱膨張係数に近似する熱膨張係数を有する、
請求項２記載の保護素子。 - 上記表面電極は、上記絶縁基板の表面の略中央部に設けられている、
請求項１記載の保護素子。 - 上記絶縁基板の上又は上記絶縁基板の内部に配設された発熱体を備えた、
請求項１記載の保護素子。 - 上記絶縁基板は、厚さ方向に１つ以上の吸引孔を有し、
前記１つ以上の吸引孔は、上記可溶導体の溶融物である溶融導体を吸引する、
請求項１記載の保護素子。 - 上記第１の外部電極と上記絶縁基板とが互いに離間されている共に、上記第２の外部電極と上記絶縁基板とが互いに離間されている、
請求項１記載の保護素子。 - １つ以上のバッテリセルと、
上記１つ以上のバッテリセルに流れる電流を遮断可能となるように、その１つ以上のバッテリセルに接続された保護素子と、
上記１つ以上のバッテリセルのそれぞれの電圧値を検出すると共に上記保護素子を加熱するための電流を制御する電流制御素子と
を備え、
上記保護素子は、
第１の外部電極と、
第２の外部電極と、
上記第１の外部電極と上記第２の外部電極との間に配設された絶縁基板と、
上記絶縁基板の表面に配設された表面電極と、
上記第１の外部電極及び上記第２の外部電極のそれぞれに電気的に接続されると共に、上記絶縁基板の表面上において上記表面電極のみにより支持された可溶導体と
を備えた、バッテリパック。
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