WO2020129406A1 - 保護素子及びバッテリパック - Google Patents

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electrode
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裕二 木村
千智 小森
幸市 向
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デクセリアルズ株式会社
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Definitions

  • the present technology relates to a protection element and a battery pack that protect a circuit connected on a current path by melting the current path.
  • the FET switch built into the battery pack is used to turn the output on and off to protect the battery pack from overcharge or overdischarge.
  • the FET switch is short-circuited for some reason, lightning surge, etc. is applied and a momentary large current flows, or the output voltage abnormally drops due to the life of the battery cell, or conversely, an excessive abnormal voltage.
  • the battery pack and the electronic device must be protected from accidents such as ignition even when the output is. Therefore, in order to safely cut off the output of the battery cell in any of such possible abnormal states, a protection element including a fuse element having a function of cutting off the current path by an external signal is used. ..
  • a protection element for such a protection circuit for a lithium-ion secondary battery or the like a structure is used in which a heating element is provided inside the protection element and the fusible conductor on the current path is fused by the heat generated by the heating element. ..
  • lithium-ion secondary batteries have been expanding in recent years, and the use of lithium-ion secondary batteries is being considered for use in higher current applications such as electric tools such as electric drivers and transportation equipment such as hybrid cars, electric vehicles, and electric assist bicycles. Hiring has started. In these applications, a large current exceeding several 10 A to 100 A may flow, especially at the time of starting. It is desired to realize a protection element that can handle such a large current capacity.
  • a protection element In order to realize a protection element that can handle such a large current, a protection element is proposed in which a fusible conductor with an increased cross-sectional area is used, and an insulating substrate on which a heating element is formed is connected to the surface of this fusible conductor. Has been done.
  • FIGS. 16(A) and 16(B) are diagrams showing an example of a protection element assuming a large current application.
  • the protection element 100 shown in FIG. 16 includes a fusible conductor 103 connected between first and second external connection electrodes 101 and 102 provided in an external circuit such as a battery charging/discharging circuit. It constitutes a part, and melts the fusible conductor 103 at the time of an abnormality such as an overvoltage, thereby interrupting a current path between the first external connection electrode 101 and the second external connection electrode 102.
  • the protective element 100 includes a fusible conductor 103 connected between the first and second external connection electrodes 101 and 102 and a heating element connected to the fusible conductor 103 and configured to heat and melt the fusible conductor 103. And a member 104.
  • the fusing member 104 is an insulating substrate 105 disposed between the first and second external connection electrodes 101 and 102, and a surface electrode formed on the surface of the insulating substrate 105 and connected to a part of the fusible conductor 103.
  • a conductive layer is formed inside the through hole 110, and when the fusible conductor 103 is melted, the melted conductor of the fusible conductor 103 is sucked by a capillary phenomenon.
  • the protective element 100 reduces the volume of the molten conductor by increasing the cross-sectional area of the fusible conductor 103 in order to cope with a large current application so that even when the melting amount increases, the fusible conductor 103 is sucked into the through hole 110. As a result, it is possible to reduce the scattering of the molten conductor at the time of interruption, prevent the insulation resistance from lowering, and prevent the short-circuit failure due to the attachment of the fusible conductor 103 to the peripheral circuit at the mounting position.
  • the fusible conductor 103 is connected to the first and second external connection electrodes 101 and 102 and the surface electrode 106 via a bonding material such as solder 109. Therefore, when the protection element 100 is mounted on the external circuit board by the reflow furnace, the bonding solder 109 melts and floats on the surface electrode 106 in order to stably aggregate as shown in FIG. There is a possibility that the fusing member 104 may not be fixed at a predetermined position due to rotation or tilting.
  • meltable conductor 103 is also softened by the reflow heating, when the molten joining solder 109 floats and the suction member 104 becomes unstable, the tension of the molten joining solder 109 is uneven in the softened conductor 103. May cause deformation.
  • the protective element 100 may have a variation in resistance value, which may cause a failure such that a predetermined current capacity cannot be obtained or a predetermined fusing characteristic cannot be obtained.
  • an object of the present technology is to provide a protection element and a battery pack that can prevent the fusing member from floating and prevent the fusible conductor from being deformed to maintain a predetermined current capacity and fusing characteristics. ..
  • a protection element includes a fusible conductor and a fusing member connected to one surface of the fusible conductor, the fusing member being an insulating substrate and the insulating member.
  • a deformation suppressing electrode formed on the surface of the substrate connected to the fusible conductor, connected to the fusible conductor, and suppressing deformation of the fusible conductor.
  • the protection element according to the present technology includes a fusible conductor, a first fusing member connected to one surface of the fusible conductor, and a second fusing member connected to the other surface of the fusible conductor.
  • a first insulating substrate and a surface of the first insulating substrate that is connected to the fusible conductor, and the fusible conductor is connected to the fusible conductor;
  • a first deformation suppressing electrode for suppressing deformation of a conductor; and the second fusing member is formed on a surface of the second insulating substrate connected to the fusible conductor of the second insulating substrate.
  • a second deformation suppressing electrode that is connected to the fusible conductor and suppresses the deformation of the fusible conductor.
  • the battery pack detects one or more battery cells, a protection element that is connected on a charge/discharge path of the battery cell and blocks the charge/discharge path, and a voltage value of the battery cell. And a current control element for controlling energization to the protective element, wherein the protective element is a fusible conductor connected on the charge/discharge path, and a fusing member connected to one surface of the fusible conductor. And a deformation suppressing electrode that is formed on a surface of the insulating substrate that is connected to the fusible conductor, is connected to the fusible conductor, and suppresses deformation of the fusible conductor. And melts the fusible conductor to block the charge/discharge path.
  • the battery pack detects one or more battery cells, a protection element that is connected on a charge/discharge path of the battery cell and blocks the charge/discharge path, and a voltage value of the battery cell. And a current control element for controlling energization to the protective element, wherein the protective element is a fusible conductor connected to the charge/discharge path and a first fusible conductor connected to one surface of the fusible conductor. And a second fusing member connected to the other surface of the fusible conductor, wherein the first fusing member includes a first insulating substrate and the fusible member of the first insulating substrate.
  • the deformation suppressing electrode when the fusing member is exposed to a high temperature environment, such as reflow heating during connection between the fusing member and the fusible conductor or mounting of the protective element on the external circuit board,
  • the heat of the fusible conductor can be radiated to the side of the insulating substrate, and the fusible conductor can be prevented from being deformed by heat storage.
  • the deformation suppressing electrode limits a region where the connecting material softened into a liquid by heating floats when exposed to a high temperature environment such as reflow mounting. As a result, it is possible to prevent the fusible conductor from deforming due to the insulating substrate swinging as the softened connecting material floats.
  • FIG. 1 is a diagram showing a protective element to which the present technology is applied, (A) is a plan view showing a case member omitted, and (B) is a sectional view.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state in which the fusible conductor of the protection element to which the present technology shown in FIG. 1 is applied is blown.
  • FIG. 3 is a plan view showing a configuration example of the deformation suppressing electrode provided on the insulating substrate.
  • FIG. 4 is a plan view showing a configuration example of the deformation suppressing electrode provided on the insulating substrate.
  • FIG. 5 is a plan view showing a configuration example of the deformation suppressing electrode provided on the insulating substrate.
  • FIG. 6A and 6B are views showing an insulating substrate having heat dissipation electrodes formed on its side surfaces
  • FIG. 6A is a bottom view showing the back surface of the insulating substrate
  • FIG. 6B is a plan view showing the front surface of the insulating substrate.
  • 7: is a figure which shows the insulating substrate which formed the heat dissipation electrode in the side surface and the back surface
  • (A) is a bottom view which shows the back surface of an insulating substrate
  • (B) is a top view which shows the surface of an insulating substrate.
  • Is. 8A and 8B are views showing an insulating substrate on which heat dissipation electrodes and through holes are formed
  • FIG. 8A and 8B are views showing an insulating substrate on which heat dissipation electrodes and through holes are formed
  • FIG. 8A is a bottom view showing the back surface of the insulating substrate
  • FIG. 8B is a plan view showing the front surface of the insulating substrate.
  • 9A and 9B are views showing an insulating substrate on which a heat dissipation electrode, side through holes, and through holes are formed
  • FIG. 9A is a bottom view showing the back surface of the insulating substrate
  • FIG. 9B is a front view of the insulating substrate. It is a top view shown.
  • FIG. 10 is a perspective view showing a fusible conductor having a high melting point metal layer and a low melting point metal layer and having a coating structure, and shows a structure in which the low melting point metal layer is an inner layer and is covered with the high melting point metal layer.
  • FIG. 10 is a perspective view showing a fusible conductor having a high melting point metal layer and a low melting point metal layer and having a coating structure, and shows a structure in which the low melting point metal layer is an inner layer and is covered
  • FIG. 11 is a block diagram showing a configuration example of a battery pack using a protection element.
  • FIG. 12 is a circuit diagram of a protection element to which the present invention is applied.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing a protective element provided with a plurality of fusing members, (A) is a plan view showing a case member omitted, and (B) is a cross-sectional view.
  • FIG. 14 is a circuit diagram showing a protection element provided with a plurality of fusing members shown in FIG.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view showing a state in which the fusible conductor of the protection element to which the present technology shown in FIG. 13 is applied is blown.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing a state in which the fusible conductor of the protection element to which the present technology shown in FIG. 13 is applied is blown.
  • FIG. 16 is a figure which shows an example of the protection element supposing a large current use
  • (A) is a top view which abbreviate
  • (B) is sectional drawing.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view showing a state in which the fusible conductor is deformed in the protection element shown in FIG.
  • the protective element 1 to which the present technology is applied includes a fusible conductor 2 and a fusing member 4 connected to one surface of the fusible conductor 2.
  • the fusing member 4 is formed on the insulating substrate 3 connected to one surface of the fusible conductor 2 and the surface 3 a of the insulating substrate 3 connected to the fusible conductor 2, and by being connected to the fusible conductor 2. It has a deformation suppressing electrode 5 that suppresses the deformation of the fusible conductor 2.
  • the fusible conductor 2 constitutes a part of the current path of the external circuit, and is melted by the heat generated by the heating element 10 described later or an overcurrent exceeding the rating. This interrupts the current path.
  • the insulating substrate 3 is formed of an insulating member such as alumina, glass ceramics, mullite, or zirconia.
  • the insulating substrate 3 may be made of a material used for a printed wiring board such as a glass epoxy board or a phenol board.
  • the insulating substrate 3 has the surface 3a to which the fusible conductor 2 is connected and the surface electrode 6 on which the melted conductor 2a aggregates when the fusible conductor 2 melts.
  • the surface electrode 6 is connected to the fusible conductor 2 via a bonding material such as the connection solder 20.
  • the suction electrode 7 may be formed in the surface electrode 6.
  • the suction hole 7 sucks the melted conductor 2a by a capillary phenomenon and reduces the volume of the melted conductor 2a held on the surface electrode 6 (see FIG. 2).
  • the protection element 1 increases the cross-sectional area of the fusible conductor 2 in order to cope with a large current application, so that the volume of the molten conductor 2a can be reduced by sucking the fusible conductor 2a even when the melting amount increases. Can be reduced.
  • the protective element 1 reduces the scattering of the molten conductor 2a due to the arc discharge that occurs when the fusible conductor 2 is melted, prevents the insulation resistance from lowering, and allows the fusible conductor 2 to be mounted on the peripheral circuit. It is possible to prevent a short-circuit failure due to the adherence of.
  • the suction hole 7 has a conductive layer 8 formed on the inner surface.
  • the conductive layer 8 is formed of, for example, one of copper, silver, gold, iron, nickel, palladium, lead, and tin, or an alloy containing any of these as a main component, and the inner surface of the suction hole 7 is formed by electrolytic plating or conductive paste. It can be formed by a known method such as printing. Alternatively, the conductive layer 8 may be formed by inserting a plurality of metal wires or an assembly of conductive ribbons into the suction holes 7.
  • the suction hole 7 is preferably formed as a through hole penetrating in the thickness direction of the insulating substrate 3. As a result, the suction hole 7 can suck the molten conductor 2a up to the back surface 3b side of the insulating substrate 3, suck a larger amount of the molten conductor 2a, and reduce the volume of the molten conductor 2a at the fusing site. ..
  • the suction hole 7 may be formed as a non-through hole.
  • the conductive layer 8 of the suction hole 7 is continuous with the surface electrode 6 formed on the surface 3 a of the insulating substrate 3. Since the surface electrode 6 supports the fusible conductor 2 and the molten conductor 2a aggregates, the surface electrode 6 and the conductive layer 8 are continuous with each other, so that the molten conductor 2a can be easily guided into the suction hole 7. ..
  • a back surface electrode 9 connected to the conductive layer 8 of the suction hole 7 is formed on the back surface 3b of the insulating substrate 3. Since the back surface electrode 9 is continuous with the conductive layer 8, when the fusible conductor 2 is melted, the molten conductor 2a moved through the suction holes 7 is aggregated (see FIG. 2). As a result, the protective element 1 can suck a larger amount of the molten conductor 2a and reduce the volume of the molten conductor 2a at the fusing site.
  • the protective element 1 has a plurality of suction holes 7 to increase the paths for sucking the melted conductor 2a of the fusible conductor 2 and sucks more melted conductor 2a, so that the melted conductor 2a in the melted portion is cut. May be reduced in volume.
  • a deformation suppressing electrode 5 that suppresses deformation of the soluble conductor 2 is formed on the surface 3 a of the insulating substrate 3.
  • the deformation suppressing electrode 5 is connected to the fusible conductor 2 via a bonding material such as the connection solder 20.
  • the deformation suppressing electrode 5 is reflow-heated when connecting the fusing member 4 and the fusible conductor 2 or mounting the protective element 1 on an external circuit board.
  • the heat of the fusible conductor 2 can be radiated to the insulating substrate 3 side, and the fusible conductor 2 can be prevented from being deformed by heat storage.
  • the deformation suppressing electrode 5 limits a region in which the connection solder 20, which is softened into a liquid by heating, floats when exposed to a high temperature environment such as reflow mounting. This can prevent the insulating substrate 3 from swinging and the fusible conductor 2 from deforming as the softened connection solder floats.
  • the deformation suppressing electrode 5 is connected to a part of the fusible conductor 2 via the connection solder 20, whereby the fusible conductor 2 is radiated and the insulating substrate 3 is prevented from swinging. Therefore, as shown in FIGS. 3 to 5, the deformation suppressing electrode 5 preferably has a plurality of small electrodes 5a formed at the connection portion with the fusible conductor 2. Since the plurality of small electrodes 5a are formed, the deformation suppressing electrode 5 is formed as a group of small electrodes 5a having a small area at the connection portion, so that the contact area with the fusible conductor 2 is substantially 1.
  • the floating region of the softened connection solder 20 is limited to the area of each of the small electrodes 5a of the deformation suppressing electrode 5 which is subdivided into small areas while ensuring the same large area as the two large area electrodes. Therefore, the deformation suppressing electrode 5 can suppress the floating of the connection solder 20 and suppress the swinging of the insulating substrate 3 with respect to the fusible conductor 2 while maintaining the heat dissipation characteristics of the fusible conductor 2.
  • connection portion between the deformation suppressing electrode 5 and the fusible conductor 2 refers to a portion that is recognized as being present as a group by providing the plurality of small electrodes 5a adjacent to each other, for example, FIG. As shown in FIGS. 5 to 5, by arranging two to three small electrodes 5a on both sides of the surface electrode 6 in between, it is possible to recognize a portion that can be recognized as being collectively present in one place. ..
  • the deformation suppressing electrode 5 can reduce the area of each small electrode 5a by being composed of a plurality of small electrodes 5a at the connection portion with the fusible conductor 2, and thereby the floating region of the softened connection solder 20 can be reduced. It can be limited.
  • each small electrode 5a and the distance between adjacent small electrodes 5a are required to be large enough to hold the connection solder 20 softened in a liquid state, and not to be integrated with the connection solder 20 of the adjacent small electrodes 5a.
  • the size and shape of the fusible conductor 2 and the insulating substrate 3 and the coating amount of the connection solder 20 are appropriately designed.
  • the deformation suppressing electrode 5 is preferably formed on the outer peripheral side of the insulating substrate 3.
  • the fusible conductor 2 is mounted across a pair of opposite side edges of the surface 3a of the insulating substrate 3 and is connected to a surface electrode 6 provided substantially at the center of the surface 3a. Therefore, by forming the deformation suppressing electrode 5 on the outer peripheral side of the insulating substrate 3, the insulating substrate 3 can be surely connected together with the surface electrode 6 in the longitudinal direction of the fusible conductor 2.
  • the insulating substrate 3 has a large amount of heat radiation from the outer peripheral side, the heat dissipation is higher than that in the central portion where the surface electrode 6 is formed, and the deformation suppressing electrode 5 should be formed on the outer peripheral side of the insulating substrate 3. Thereby, the heat of the fusible conductor 2 can be efficiently radiated.
  • the deformation suppressing electrode 5 is preferably composed of a plurality of small electrodes 5a on the outer peripheral side of the insulating substrate 3.
  • the deformation suppressing electrodes 5 are respectively formed on the pair of side edges of the insulating substrate 3 which the fusible conductor 2 crosses.
  • the deformation suppressing electrodes 5 are provided on both sides of the surface electrode 6 and are connected at three locations over the longitudinal direction of the fusible conductor 2, so that the insulating substrate 3 can be reliably connected.
  • the fusible conductors 2 of the insulating substrate 3 are formed on the pair of lateral edge sides that cross each other, it is possible to effectively prevent both sides of the insulating substrate 3 from oscillating via the surface electrodes 6.
  • the deformation suppressing electrodes 5 are formed on both outer peripheral sides of the insulating substrate 3 having excellent heat dissipation, the heat of the fusible conductor 2 can be dissipated more efficiently.
  • each deformation suppressing electrode 5 is composed of a plurality of small electrodes 5a.
  • the deformation suppressing electrode 5 or the small electrode 5a constituting the deformation suppressing electrode 5 is formed in a rectangular shape whose longitudinal direction is the width direction of the fusible conductor 2.
  • the molten conductor 2a of the fusible conductor 2 and the fused solder joint are aggregated. Therefore, when the longitudinal direction of the fusible conductor 2 which is the energization direction is taken as the longitudinal direction, the molten conductor 2a aggregated in the deformation suppressing electrode 5 or the small electrode 5a is deposited in the longitudinal direction of the fusible conductor 2, so that the insulation resistance is reduced. There is a fear.
  • the deformation suppressing electrode 5 or the small electrode 5a is formed in a rectangular shape whose longitudinal direction is the width direction of the fusible conductor 2 so that the molten conductor 2a of the fusible conductor 2 spreads in the energizing direction. Without increasing the insulation resistance after fusing.
  • a plurality of small electrodes 5 a are arranged in parallel in the width direction of the fusible conductor 2 and overlap the fusible conductor 2. Since the plurality of small electrodes 5a are juxtaposed in the width direction of the fusible conductor 2, the melting conductor 2a of the fusible conductor 2 does not spread in the energizing direction and the insulation resistance after fusing can be improved in the same manner as above. it can. In addition, since the small electrodes 5a and the fusible conductors are overlapped with each other, the connectivity and heat dissipation of the insulating substrate 3 and the fusible conductors 2 can be improved.
  • each small electrode 5a is preferably formed in a rectangular shape whose longitudinal direction is the width direction of the fusible conductor 2 in order to improve the insulation resistance.
  • the deformation suppressing electrode 5 may extend outside the side edge of the fusible conductor 2 in the width direction.
  • the deformation suppressing electrode 5 or the small electrode 5a is superposed on the fusible conductor 2 and is formed so as to extend in the width direction of the fusible conductor 2 so that the heat of the fusible conductor 2 is superposed on the fusible conductor 2. It is possible to efficiently dissipate heat from a part that is not covered. [Heat dissipation electrode]
  • the deformation suppressing electrode 5 or the small electrode 5a may form a heat dissipation electrode 15 continuous with the deformation suppressing electrode 5 or the small electrode 5a on the side surface of the insulating substrate 3.
  • 6A is a bottom view showing the back surface 3b of the insulating substrate 3 in which the heat dissipation electrodes 15 are formed on the side surfaces of the insulating substrate 3, and
  • FIG. 6B shows the heat dissipation electrodes 15 formed on the side surfaces of the insulating substrate 3. It is a top view which shows the surface 3a of the insulated substrate 3 which carried out.
  • the heat dissipation electrode 15 can be formed of the same material as the deformation suppressing electrode 5 or the small electrode 5a.
  • the deformation suppressing electrode 5 or the small electrode 5a may have a side through hole 16a formed by forming a conductive layer on the side surface of the insulating substrate 3 with the same material as the conductive layer 8 described above. Since the fusing member 4 includes the heat dissipation electrode 15, the heat capacity of the deformation suppressing electrode 5 or the small electrode 5a can be increased, and the heat dissipation effect of the heat of the fusible conductor 2 can be enhanced.
  • the fusing member 4 may have the heat dissipation electrode 15 formed on the side surface and the back surface 3b of the insulating substrate 3 so as to be continuous with the deformation suppressing electrode 5 or the small electrode 5a.
  • 7A is a bottom view showing the back surface 3b of the insulating substrate 3 in which the heat dissipation electrodes 15 are formed on the side surface and the back surface 3b of the insulating substrate 3
  • FIG. 7B is a side view and the back surface 3b of the insulating substrate 3. It is a top view which shows the surface 3a of the insulating substrate 3 in which the heat dissipation electrode 15 was formed.
  • the heat dissipation electrodes 15 are formed on the side surface and the back surface 3b of the insulating substrate 3 for each small electrode 5a formed on the front surface 3a of the insulating substrate. And each heat dissipation electrode 15 are continuous through the side through hole 16a.
  • a conductive layer made of the same material as the above-described conductive layer 8 is formed in the side through hole 16a. As a result, each small electrode 5a and each heat dissipation electrode 15 are thermally connected via the side through hole 16a.
  • the fusing member 4 is provided with the side through holes 16a and the heat radiating electrodes 15 formed on the side surface and the back surface 3b of the insulating substrate 3 in addition to the small electrodes 5a, thereby further increasing the heat capacity of the deformation suppressing electrode 5, and thus the fusible conductor 2 The heat dissipation effect of the heat can be enhanced.
  • the deformation suppressing electrode 5 or the small electrode 5a and the heat radiating electrode 15 are continuous with the side through hole 16a, and also with the through hole 16b as shown in FIGS. 8(A) and 8(B).
  • Good. 8A is a bottom view showing the back surface of the insulating substrate 3 having the heat dissipation electrode 15 and the through hole 16b formed therein
  • FIG. 8B is a bottom view of the insulation substrate 3 having the heat dissipation electrode 15 and the through hole 16b formed therein. It is a top view showing the surface.
  • a conductive layer made of the same material as the above-described conductive layer 8 is also formed in the through hole 16b, whereby each small electrode 5a and each heat dissipation electrode 15 are thermally connected via the through hole 16b. ..
  • the through holes 16b may or may not be filled with a conductive material forming the conductive layer or other conductive material.
  • the heat dissipation electrode 15 may or may not be provided on the side surface of the insulating substrate 3.
  • the deformation suppressing electrode 5 or the small electrode 5a and the heat dissipation electrode 15 may be continuous through the side through holes 16a and the through holes 16b.
  • 9A is a bottom view showing the back surface of the insulating substrate 3 on which the heat dissipation electrode 15, the side through holes 16a and the through holes 16b are formed
  • FIG. 9B is a bottom view showing the heat dissipation electrode 15, the side through holes 16a and 16a. It is a top view showing the surface of insulating board 3 which formed through hole 16b.
  • the heat dissipation electrode 15 is formed on the side surface and the back surface 3b of the insulating substrate 3.
  • the through hole 16b may or may not be filled with a conductive material or another conductive material forming the conductive layer.
  • the fusible conductor 2 is mounted between the first and second external connection electrodes 11 and 12, and is melted by self-heating (Joule heat) due to heat generated by energization of the heating element 10 or by passing a current exceeding the rating. , The current path between the first electrode 11 and the second electrode 12 is cut off.
  • the fusible conductor 2 may be a conductive material that is melted by heat generated by energization of the heating element 10 or an overcurrent state.
  • SnPb alloy, PbIn alloy, ZnAl alloy, InSn alloy, PbAgSn alloy, etc. can be used.
  • the fusible conductor 2 may also be a structure containing a high melting point metal and a low melting point metal.
  • the fusible conductor 2 is a laminated structure including an inner layer and an outer layer, and has a low melting point metal layer 13 as an inner layer and a high melting point metal layer as an outer layer laminated on the low melting point metal layer 13.
  • the fusible conductor 2 is connected to the first and second electrodes 11 and 12, the surface electrode 6 and the deformation suppressing electrode 5 via a bonding material such as a connection solder 20.
  • the low melting point metal layer 13 is preferably a metal containing solder or Sn as a main component, and is a material generally called “Pb-free solder”.
  • the melting point of the low melting point metal layer 13 does not necessarily need to be higher than the temperature of the reflow furnace, and may be melted at about 200°C.
  • the high-melting-point metal layer 14 is a metal layer laminated on the surface of the low-melting-point metal layer 13, and is, for example, a metal containing Ag or Cu or one of these as a main component, and is soluble in the fusing member 4. It has a high melting point that does not melt even when the connection with the conductor 2 and the mounting of the protection element 1 on the external circuit board are performed by reflow.
  • Such a soluble conductor 2 can be formed by depositing a high melting point metal layer on a low melting point metal foil by using a plating technique, or by using another well-known lamination technique or film forming technique. It can also be formed.
  • the fusible conductor 2 may have a structure in which the entire surface of the low melting point metal layer 13 is covered with the high melting point metal layer 14, or may be a structure in which the pair of side surfaces facing each other is covered.
  • the fusible conductor 2 may have the high-melting point metal layer 14 as an inner layer and the low-melting point metal layer 13 as an outer layer, or three layers in which the low-melting point metal layer and the high-melting point metal layer are alternately laminated. It can be formed by various structures such as the above multi-layer structure, in which an opening is provided in a part of the outer layer to expose a part of the inner layer.
  • the fusible conductor 2 can be formed even if the reflow temperature exceeds the melting temperature of the low-melting metal layer 13 by laminating the high-melting metal layer 14 as the outer layer on the low-melting metal layer 13 serving as the inner layer. It will not be fused as the molten conductor 2. Therefore, the connection between the fusing member 4 and the fusible conductor 2 and the mounting of the protection element 1 on the external circuit board can be efficiently performed by reflow.
  • the fusible conductor 2 does not melt by self-heating while a predetermined rated current is flowing. Then, when a current having a value higher than the rating flows, it melts due to self-heating and interrupts the current path between the first and second electrodes 11 and 12. Further, the heating element 10 is energized and generates heat to be melted, and the current path between the first and second electrodes 11 and 12 is cut off.
  • the fusible conductor 2 can be fused in a short time by utilizing the erosion action of the high melting point metal layer 14 by the low melting point metal layer 13.
  • the melted conductor 2a of the fusible conductor 2 is not only attracted by the suction hole 7 described above but also physically attracted by the surface electrode 6, the deformation suppressing electrode 5, and the first and second electrodes 11 and 12. Since it is divided, the current path between the first and second electrodes 11 and 12 can be interrupted promptly and reliably.
  • the fusible conductor 2 is formed such that the volume of the low melting point metal layer 13 is larger than that of the high melting point metal layer 14.
  • the fusible conductor 2 is heated by self-heating due to overcurrent or by the heat generated by the heating element 10, and the low-melting point metal is melted to corrode the high-melting point metal, whereby the melting point can be quickly melted and blown. Therefore, the fusible conductor 2 promotes this corrosion action by forming the volume of the low-melting point metal layer 13 to be larger than that of the high-melting point metal layer 14, and promptly accelerates the first and second external connection electrodes. It is possible to cut off between 11 and 12.
  • the fusible conductor 2 is configured by laminating the high melting point metal layer 14 on the low melting point metal layer 13 as an inner layer, the fusing temperature is significantly reduced as compared with a conventional chip fuse or the like made of a high melting point metal. can do. Therefore, the fusible conductor 2 can have a larger cross-sectional area and can greatly improve the current rating as compared with a chip fuse or the like having the same size. Further, the chip fuse can be made smaller and thinner than the conventional chip fuse having the same current rating, and is excellent in quick-melting property.
  • the fusible conductor 2 can improve resistance (pulse resistance) to a surge in which an abnormally high voltage is instantaneously applied to an electric system in which the protection element 1 is incorporated. That is, the fusible conductor 2 should not be blown out even when a current of 100 A flows for several msec.
  • the fusible conductor 2 since a large current flowing in an extremely short time flows in the surface layer of the conductor (skin effect), the fusible conductor 2 is provided with the refractory metal layer 14 such as Ag plating having a low resistance value as the outer layer.
  • the current applied by the surge can easily flow, and the fusing due to self-heating can be prevented. Therefore, the fusible conductor 2 can significantly improve the resistance to surge, as compared with the fuse made of the conventional solder alloy.
  • the fusible conductor 2 may be coated with a flux (not shown) in order to prevent oxidation and improve wettability at the time of fusing. Further, the inside of the protective element 1 is protected by the insulating substrate 3 being covered by the case member 17.
  • the case member 17 can be formed using a member having an insulating property such as various engineering plastics, thermoplastics, ceramics, and a glass epoxy substrate, like the insulating substrate 3.
  • the heating element 10 that melts and melts the fusible conductor 2 is a member that has a relatively high resistance value and generates heat when energized.
  • nichrome, W, Mo, Ru, Cu, Ag, or a main component of these is used. It consists of alloys and the like. Formed by mixing powders of these alloys, compositions, or compounds with a resin binder or the like to form a paste, patterning on the back surface 3b of the insulating substrate 3 using a screen printing technique, and firing. can do.
  • the heating element 10 is covered with the insulating layer 18 on the back surface 3 b of the insulating substrate 3.
  • the back surface electrode 9 is laminated on the insulating layer 18 through the suction hole 7 in which the conductive layer 8 is formed.
  • the insulating layer 18 is provided in order to protect and insulate the heating element 10 and to efficiently transfer the heat of the heating element 10 to the surface electrode 6 and the fusible conductor 2 via the conductive layer 8 and the insulating substrate 3. It consists of a glass layer.
  • the conductive layer 8 and the back surface electrode 9 are heated by the heating element 10 so that the molten conductor 2a of the soluble conductor 2 can be easily sucked into the suction hole 7 and can be easily aggregated on the back surface electrode 9. be able to. Therefore, the protective element 1 promotes the action of attracting the molten conductor 2a from the front surface electrode 6 to the back surface electrode 9 through the conductive layer 8, and can reliably melt and melt the fusible conductor 2.
  • the heating element 10 has one end connected to the back surface electrode 9 and is electrically connected to the fusible conductor 2 mounted on the front surface electrode 6 via the conductive layer 8 and the front surface electrode 6.
  • the heating element 10 has the other end connected to a heating element electrode (not shown).
  • the heating element electrode is formed on the back surface 3b of the insulating substrate 3, connected to the third external connection electrode 19 formed on the back surface 3b, and connected to an external circuit via the third external connection electrode 19.
  • the protection element 1 is mounted on a circuit board that constitutes an external circuit, so that the heating element 10 is incorporated into a power supply path to the heating element 10 formed on the circuit board via the third external connection electrode 19. Be done.
  • the protective element 1 may be formed inside the insulating layer 18 in which the heating element 10 is laminated on the back surface 3b of the insulating substrate 3. Further, in the protection element 1, the heating element 10 may be formed inside the insulating substrate 3. In these cases, the heating element 10 has one end connected to the front surface electrode 6 or the back surface electrode 9 and is electrically connected to the fusible conductor 2 mounted on the front surface electrode 6. The heating element 10 has the other end connected to the third external connection electrode 19 via a heating element electrode (not shown).
  • the heating element 10 is formed on the front surface 3a, the back surface 3b or the inside of the insulating substrate 3, forming the heating element 10 on both sides of the suction hole 7 heats the front surface electrode 6 and the back surface electrode 9, and It is preferable for aggregating and sucking more molten conductor 2a.
  • Such a protection element 1 is used by being incorporated in a circuit in a battery pack 30 of a lithium ion secondary battery, for example.
  • the battery pack 30 has, for example, a battery stack 35 including four battery cells 31 to 34 of lithium-ion secondary batteries in total.
  • the battery pack 30 includes a battery stack 35, a charge/discharge control circuit 40 that controls charging/discharging of the battery stack 35, a protection element 1 to which the present invention is applied to shut off charging when the battery stack 35 is abnormal, and each battery cell.
  • a detection circuit 36 that detects the voltages of 31 to 34 and a current control element 37 that serves as a switch element that controls the operation of the protection element 1 according to the detection result of the detection circuit 36 are provided.
  • the battery stack 35 is formed by serially connecting battery cells 31 to 34 that require control for protection from overcharge and overdischarge states, and is attachable and detachable via the positive electrode terminal 30a and the negative electrode terminal 30b of the battery pack 30. Is connected to the charging device 45, and the charging voltage from the charging device 45 is applied.
  • the battery pack 30 charged by the charging device 45 can be operated by connecting the positive electrode terminal 30a and the negative electrode terminal 30b to an electronic device that operates on a battery.
  • the charge/discharge control circuit 40 includes two current control elements 41 and 42 connected in series in a current path between the battery stack 35 and the charging device 45, and a control unit that controls the operations of the current control elements 41 and 42. And 43.
  • the current control elements 41 and 42 are composed of, for example, field effect transistors (hereinafter, referred to as FETs), and the gate voltage is controlled by the control section 43, so that the current path of the battery stack 35 is charged and/or discharged. Control the conduction and interruption of the.
  • the control unit 43 operates by receiving power supply from the charging device 45, and according to the detection result of the detection circuit 36, when the battery stack 35 is over-discharged or over-charged, current control is performed so as to cut off the current path. It controls the operation of the elements 41, 42.
  • the protection element 1 is connected, for example, on the charge/discharge current path between the battery stack 35 and the charge/discharge control circuit 40, and its operation is controlled by the current control element 37.
  • the detection circuit 36 is connected to each of the battery cells 31 to 34, detects the voltage value of each of the battery cells 31 to 34, and supplies each voltage value to the control unit 43 of the charge/discharge control circuit 40. Further, 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 becomes the overcharge voltage or the overdischarge voltage.
  • the current control element 37 is composed of, for example, an FET, and is a protection element when the voltage value of the battery cells 31 to 34 exceeds a predetermined overdischarge or overcharge state by the detection signal output from the detection circuit 36. 1 is operated to control the charging/discharging current path of the battery stack 35 to be cut off regardless of the switching operation of the current control elements 41 and 42.
  • the protection element 1 to which the present invention is applied which is used in the battery pack 30 having the above configuration, has a circuit configuration as shown in FIG. That is, in the protection element 1, the first external connection electrode 11 is connected to the battery stack 35 side and the second external connection electrode 12 is connected to the positive electrode terminal 30a side, whereby the fusible conductor 2 is connected to the battery stack 35. They are connected in series on the charge/discharge path.
  • the heating element 10 is connected to the current control element 37 via the heating element electrode and the third external connection electrode 19, and the heating element 10 is connected to the open end of the battery stack 35.
  • the heating element 10 has one end connected to the fusible conductor 2 and one open end of the battery stack 35 via the surface electrode 6, and the other end via the third external connection electrode 19 to the current control element 37. Also, a power supply path to the heating element 10 that is connected to the other open end of the battery stack 35 and whose energization is controlled by the current control element 37 is formed.
  • the fusible conductor 2 is formed by containing the high melting point metal and the low melting point metal, so that the low melting point metal is melted before the melting of the high melting point metal, and the fusible conductor 2 is formed in a short time. Can be dissolved.
  • the detection circuit 36 detects any abnormal voltage of the battery cells 31 to 34, it outputs a cutoff signal to the current control element 37. Then, the current control element 37 controls the current so that the heating element 10 is energized.
  • the protection element 1 current flows from the battery stack 35 to the heating element 10 via the first external connection electrode 11, the fusible conductor 2 and the surface electrode 6, whereby the heating element 10 starts to generate heat.
  • the fusible conductor 2 is melted by the heat generated by the heating element 10, and the charging/discharging path of the battery stack 35 is cut off.
  • the fusing part of the fusible conductor 2 is located in a narrow region between the deformation suppressing electrode 5 and the surface electrode 6.
  • the heat of the heating element 10 is transmitted to the fusible conductor 2 via the deformation suppressing electrode 5 and the surface electrode 6. Therefore, even when the cross-sectional area of the fusible conductor 2 is increased in order to cope with a large current application, the protection element 1 concentrates heat on the fusing site between the deformation suppressing electrode 5 and the surface electrode 6.
  • the charging/discharging path of the battery pack 30 can be reliably cut off.
  • the protective element 1 when the suction hole 7 is formed in the insulating substrate 3, the molten conductor 2a is sucked into the suction hole 7 via the surface electrode 6 by the capillary phenomenon. Therefore, even when the cross-sectional area of the fusible conductor 2 is increased in order to cope with a large current application, the volume of the fusible conductor 2a accumulated on the surface electrode 6 is further reduced, and the fusible conductor 2 is quickly fused. At the same time, the insulation resistance can be improved. Further, the protective element 1 can be formed in a short time by utilizing the corrosion action of the high melting point metal by the molten low melting point metal by forming the fusible conductor 2 containing the high melting point metal and the low melting point metal. The molten conductor 2 can be melted.
  • the protection element 1 when the fusible conductor 2 is melted, the power supply path to the heating element 10 is also cut off, so that the heat generation of the heating element 10 is stopped.
  • the fusible conductor 2 melts by self-heating of the fusible conductor 2 due to overcurrent or heat generated by energization of the heating element 10.
  • the protective element 1 is melted by the deformation suppressing electrode 5 even during reflow mounting on the circuit board or when the circuit board on which the protective element 1 is mounted is further exposed to a high temperature environment such as reflow heating.
  • the heat of the conductor 2 is radiated, and the deformation suppressing electrode 5 composed of a plurality of narrowed small electrodes 5a is formed on the insulating substrate 3 to limit the floating region of the connection solder 20 for connection with the fusible conductor 2.
  • the fusing member 4 is stably held and deformation of the fusible conductor 2 is suppressed. Therefore, the fusing characteristic is prevented from fluctuating due to the variation of the resistance value due to the deformation of the fusible conductor 2, and the fusing can be quickly performed by a predetermined overcurrent or the heat generation of the heating element 10.
  • the protection element 1 according to the present invention is not limited to the case of being used for a battery pack of a lithium ion secondary battery, but can of course be applied to various applications requiring interruption of a current path by an electric signal.
  • FIG. 13 a second embodiment of the protection element to which the present technology is applied will be described.
  • the same members as those of the above-mentioned protection element 1 are designated by the same reference numerals, and the details thereof will be omitted.
  • the above-mentioned fusing member 4 is arranged on one surface and the other surface of the fusible conductor 2, respectively.
  • FIG. 14 is a circuit diagram of the protection element 50.
  • Each of the fusing members 4 arranged on the front surface and the back surface of the fusible conductor 2 has one end of the heating element 10 connected to the fusible conductor 2 via the surface electrode 6 formed on each insulating substrate 3 to generate heat.
  • the other end of the body 10 is connected to a power source for causing the heating element 10 to generate heat via a third external connection electrode 19 formed on each insulating substrate 3.
  • the protective element 50 is connected to the one surface and the other surface of the fusible conductor 2 via the connection solder 20, respectively, and the deformation suppressing electrode 5 is connected to the insulating substrate 3 of the fusing member 4. Therefore, each fusing member 4 can be exposed to a high temperature environment such as reflow heating when being connected to the fusible conductor 2 or when the protection element 1 is mounted on an external circuit board. The heat of the melted conductor 2 can be radiated to each insulating substrate 3 side, and the meltable conductor 2 can be prevented from being deformed by heat storage.
  • the deformation suppressing electrode 5 limits a region in which the connection solder 20, which is softened into a liquid by heating, floats when exposed to a high temperature environment such as reflow mounting. As a result, it is possible to prevent the insulating substrate 3 from swinging and the fusible conductor 2 from deforming as the softened connection solder floats.
  • the protective element 50 has heating elements of the fusing members 4 and 4 connected to both surfaces of the fusible conductor 2. 10 generates heat and heats from both sides of the fusible conductor 2. Therefore, the protection element 50 can quickly heat and melt the fusible conductor 2 even when the cross-sectional area of the fusible conductor 2 is increased to cope with a large current application.
  • the protective element 50 sucks the melted conductors 2 a into the through holes 58 from both surfaces of the fusible conductor 2. Therefore, the protection element 50 increases the cross-sectional area of the fusible conductor 2 in order to cope with a large current application, and even when a large amount of the melted conductor 2a is generated, the protection element 50 is sucked by the plurality of fusing members 4 and reliably melted. The conductor 2 can be blown out.
  • the protective element 50 can quickly melt the meltable conductor 2 by sucking the melted conductor 2 a by the plurality of melting members 4.
  • the protective element 50 can quickly melt the fusible conductor 2 even when the fusible conductor 2 has a coating structure in which the low melting point metal forming the inner layer is covered with the high melting point metal. That is, it takes time for the fusible conductor 2 coated with the high melting point metal to be heated to a temperature at which the high melting point metal in the outer layer melts even when the heat generating element 10 generates heat.
  • the protective element 50 includes a plurality of fusing members 4, and simultaneously heats each heating element 10, whereby the refractory metal in the outer layer can be quickly heated to the melting temperature. Therefore, according to the protection element 50, the thickness of the refractory metal layer forming the outer layer can be increased, and the rapid melting characteristic can be maintained while achieving higher rating.
  • the protective element 50 is preferably connected to the fusible conductor 2 with a pair of fusing members 4 and 4 facing each other.
  • the protective element 50 can simultaneously heat the same portion of the fusible conductor 2 from both sides by the pair of fusing members 4 and 4 and suck the melted conductor 2a, so that the fusible conductor 2 can be swiftly removed. It can be heated and melted.
  • the deformation suppressing electrodes 5 formed on the insulating substrates 3 of the pair of fusing members 4 and 4 face each other with the fusible conductor 2 interposed therebetween.

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Abstract

溶断部材の浮動を防止するとともに可溶導体の変形を防止し、所定の電流容量及び溶断特性を維持す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。　保護素子１は、可溶導体２と、可溶導体２の一方の面に接続された溶断部材４を備え、溶断部材４は、絶縁基板３と、絶縁基板３の可溶導体２に接続される表面３ａに形成され、可溶導体２と接続され、可溶導体２の変形を抑制する変形抑制電極５とを有する。

Description

保護素子及びバッテリパック
　本技術は、電流経路を溶断することにより、電流経路上に接続された回路を保護する保護素子及びバッテリパックに関する。本出願は、日本国において２０１８年１２月１９日に出願された日本特許出願番号特願２０１８－２３７４１３を基礎として優先権を主張するものであり、この出願は参照されることにより、本出願に援用される。
　充電して繰り返し利用することのできる二次電池の多くは、バッテリパックに加工されてユーザに提供される。特に重量エネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池においては、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、過放電保護等のいくつもの保護回路をバッテリパックに内蔵し、所定の場合にバッテリパックの出力を遮断する機能を有している。
　多くのリチウムイオン二次電池を用いた電子装置においては、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、バッテリパックの過充電保護又は過放電保護動作を行う。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、雷サージ等が印加され、瞬間的な大電流が流れた場合、或いはバッテリセルの寿命によって出力電圧が異常に低下したり、逆に過大異常電圧を出力した場合であってもバッテリパックや電子機器は、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、外部からの信号によっ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ている。
　このようなリチウムイオン二次電池等向けの保護回路の保護素子として、保護素子内部に発熱体を有し、この発熱体の発熱によって電流経路上の可溶導体を溶断する構造が用いられている。
特開２０１５－５３２６０号公報
　リチウムイオン二次電池の用途は、近年拡大しており、より大電流の用途、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に採用が検討され、一部採用が開始されている。これらの用途において、特に起動時等には、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。
　このような大電流に対応する保護素子を実現するために、断面積を増大させた可溶導体を用い、この可溶導体の表面に、発熱体を形成した絶縁基板を接続した保護素子が提案されている。
　図１６（Ａ）（Ｂ）は、大電流用途を想定した保護素子の一例を示す図である。図１６に示す保護素子１００は、バッテリの充放電回路等の外部回路に設けられた第１、第２の外部接続電極１０１，１０２間に可溶導体１０３が接続されることにより当該外部回路の一部を構成し、過電圧等の異常時には、可溶導体１０３が溶融することにより第１の外部接続電極１０１と第２の外部接続電極１０２との間の電流経路を遮断するものである。
　保護素子１００は、第１、第２の外部接続電極１０１，１０２間にわたって接続された可溶導体１０３と、可溶導体１０３に接続され、可溶導体１０３を加熱溶融させる発熱体を備えた溶断部材１０４とを有する。溶断部材１０４は、第１、第２の外部接続電極１０１，１０２間に配設された絶縁基板１０５と、絶縁基板１０５の表面に形成され、可溶導体１０３の一部と接続された表面電極１０６と、絶縁基板１０５に設けられた発熱体１０７と、絶縁基板１０５の厚さ方向に設けられ、表面電極１０６と連続する貫通孔１１０とを備える。
　貫通孔１１０は、内部に導電層が形成され、可溶導体１０３が溶融すると、毛管現象によって可溶導体１０３の溶融導体を吸引する。保護素子１００は、大電流用途に対応するために可溶導体１０３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、貫通孔１１０に吸引させることで溶融導体の体積を減少させ、これにより遮断時の溶融導体の飛散を軽減し、絶縁抵抗の低下を防止し、また、可溶導体１０３の搭載位置の周辺回路への付着による短絡故障を防止することができる。
　ここで、可溶導体１０３は、第１、第２の外部接続電極１０１，１０２及び表面電極１０６上にハンダ１０９等の接合材料を介して接続される。このため、保護素子１００をリフロー炉によって外部回路基板上に実装を行う場合に、図１７に示すように、この接合ハンダ１０９が溶融し、安定的に凝集しようとして表面電極１０６上を浮動するため、溶断部材１０４が回転したり傾いたりする等、所定の位置に固定できなくなる恐れがある。また、可溶導体１０３もリフロー加熱によって軟化するため、溶融した接合ハンダ１０９が浮動することによって吸引部材１０４が不安定になると、溶融した接合ハンダ１０９の張力が軟化した可溶導体１０３に不均等に加わり変形を来す恐れがある。
　そして、保護素子１００は、可溶導体１０３が変形すると、抵抗値にばらつきが生じ、所定の電流容量が得られない、あるいは所定の溶断特性が得られない等の不具合が生じ得る。
　そこで、本技術は、溶断部材の浮動を防止するとともに可溶導体の変形を防止し、所定の電流容量及び溶断特性を維持す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を目的とする。
　上述した課題を解決するために、本技術に係る保護素子は、可溶導体と、上記可溶導体の一方の面に接続された溶断部材を備え、上記溶断部材は、絶縁基板と、上記絶縁基板の上記可溶導体に接続される表面に形成され、上記可溶導体と接続され、上記可溶導体の変形を抑制する変形抑制電極とを有するものである。
　また、本技術に係る保護素子は、可溶導体と、上記可溶導体の一方の面に接続された第１の溶断部材と、上記可溶導体の他方の面に接続された第２の溶断部材を備え、上記第１の溶断部材は、第１の絶縁基板と、上記第１の絶縁基板の上記可溶導体に接続される表面に形成され、上記可溶導体と接続され、上記可溶導体の変形を抑制する第１の変形抑制電極とを有し、上記第２の溶断部材は、第２の絶縁基板と、上記第２の絶縁基板の上記可溶導体に接続される表面に形成され、上記可溶導体と接続され、上記可溶導体の変形を抑制する第２の変形抑制電極とを有するものである。
　また、本技術に係るバッテリパックは、１つ以上のバッテリセルと、上記バッテリセルの充放電経路上に接続され、該充放電経路を遮断する保護素子と、上記バッテリセルの電圧値を検出して上記保護素子への通電を制御する電流制御素子とを備え、上記保護素子は、上記充放電経路上に接続される可溶導体と、上記可溶導体の一方の面に接続された溶断部材を備え、上記溶断部材は、絶縁基板と、上記絶縁基板の上記可溶導体に接続される表面に形成され、上記可溶導体と接続され、上記可溶導体の変形を抑制する変形抑制電極とを有し、上記可溶導体が溶融することにより上記充放電経路を遮断するものである。
　また、本技術に係るバッテリパックは、１つ以上のバッテリセルと、上記バッテリセルの充放電経路上に接続され、該充放電経路を遮断する保護素子と、上記バッテリセルの電圧値を検出して上記保護素子への通電を制御する電流制御素子とを備え、上記保護素子は、上記充放電経路上に接続される可溶導体と、上記可溶導体の一方の面に接続された第１の溶断部材と、上記可溶導体の他方の面に接続された第２の溶断部材を備え、上記第１の溶断部材は、第１の絶縁基板と、上記第１の絶縁基板の上記可溶導体に接続される表面に形成され、上記可溶導体と接続され、上記可溶導体の変形を抑制する第１の変形抑制電極とを有し、上記第２の溶断部材は、第２の絶縁基板と、上記第２の絶縁基板の上記可溶導体に接続される表面に形成され、上記可溶導体と接続され、上記可溶導体の変形を抑制する第２の変形抑制電極とを有し、上記可溶導体が溶融することにより上記充放電経路を遮断するものである。
　本技術によれば、変形抑制電極は、溶断部材と可溶導体との接続や保護素子の外部回路基板上への実装においてリフロー加熱される等、溶断部材が高温環境に曝されたときに、可溶導体の熱を絶縁基板側へ放熱させ、畜熱によって可溶導体が変形することを防止できる。また、変形抑制電極は、リフロー実装等の高温環境に曝されたときに、加熱により液状に軟化した接続材が浮動する領域を限定する。これにより、軟化した接続材の浮動に伴い絶縁基板が搖動し可溶導体が変形することを防止することができる。
図１は、本技術が適用された保護素子を示す図であり、（Ａ）はケース部材を省略して示す平面図、（Ｂ）は断面図である。 図２は、図１に示す本技術が適用された保護素子の可溶導体が溶断された状態を示す断面図である。 図３は、絶縁基板に設けられた変形抑制電極の構成例を示す平面図である。 図４は、絶縁基板に設けられた変形抑制電極の構成例を示す平面図である。 図５は、絶縁基板に設けられた変形抑制電極の構成例を示す平面図である。 図６は側面に放熱電極を形成した絶縁基板を示す図であり、（Ａ）は絶縁基板の裏面を示す底面図であり、（Ｂ）は絶縁基板の表面を示す平面図である。 図７は、側面及び裏面に放熱電極を形成した絶縁基板を示す図であり、（Ａ）は、絶縁基板の裏面を示す底面図であり、（Ｂ）は、絶縁基板の表面を示す平面図である。 図８は、放熱電極及びスルーホールを形成した絶縁基板を示す図であり、（Ａ）は、絶縁基板の裏面を示す底面図であり、（Ｂ）は、絶縁基板の表面を示す平面図である。 図９は、放熱電極、サイドスルーホール及びスルーホールを形成した絶縁基板を示す図であり、（Ａ）は、絶縁基板の裏面を示す底面図であり、（Ｂ）は、絶縁基板の表面を示す平面図である。 図１０は、高融点金属層と低融点金属層を有し、被覆構造を備える可溶導体を示す斜視図であり、低融点金属層を内層とし高融点金属層で被覆した構造を示す。 図１１は、保護素子が用いられたバッテリパックの構成例を示すブロック図である。 図１２は、本発明が適用された保護素子の回路図である。 図１３は、溶断部材を複数備えた保護素子を示す断面図であり、（Ａ）はケース部材を省略して示す平面図、（Ｂ）は断面図である。 図１４は、図１３に示す溶断部材を複数備えた保護素子を示す回路図である。 図１５は、図１３に示す本技術が適用された保護素子の可溶導体が溶断された状態を示す断面図である。 図１６は、大電流用途を想定した保護素子の一例を示す図であり、（Ａ）はケース部材を省略して示す平面図、（Ｂ）は断面図である。 図１７は、図１６に示す保護素子において、可溶導体に変形を来した状態を示す断面図である。
　以下、本技術が適用された保護素子及び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、本技術は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本技術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、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることがある。具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
　［第１の実施の形態］
　本技術が適用された保護素子１は、図１（Ａ）（Ｂ）に示すように、可溶導体２と、溶導体２の一方の面に接続された溶断部材４を有する。溶断部材４は、可溶導体２の一方の面に接続された絶縁基板３と、絶縁基板３の可溶導体２に接続される表面３ａに形成され、可溶導体２と接続されることにより可溶導体２の変形を抑制する変形抑制電極５とを有する。そして、保護素子１は、外部回路に組み込まれることにより、可溶導体２が当該外部回路の電流経路の一部を構成し、後述する発熱体１０の発熱、あるいは定格を超える過電流によって溶断することにより電流経路を遮断するものである。
　絶縁基板３は、たとえば、アルミナ、ガラスセラミックス、ムライト、ジルコニアなどの絶縁性を有する部材によって形成される。その他、絶縁基板３は、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。
　また、絶縁基板３は、表面３ａに、可溶導体２が接続されるとともに、可溶導体２が溶融すると溶融導体２ａが凝集する表面電極６が形成されている。表面電極６は、接続ハンダ２０等の接合材料を介して可溶導体２に接続されている。
　表面電極６は、吸引孔７を形成してもよい。吸引孔７は、可溶導体２が溶融すると、毛管現象によってこの溶融導体２ａを吸引し、表面電極６上で保持する溶融導体２ａの体積を減少させるものである（図２参照）。保護素子１は、大電流用途に対応するために可溶導体２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、吸引孔７に吸引させることで、溶融導体２ａの体積を減少させることができる。これにより、保護素子１は、可溶導体２の溶断時に発生するアーク放電による溶融導体２ａの飛散を軽減し、絶縁抵抗の低下を防止し、また、可溶導体２の搭載位置の周辺回路への付着による短絡故障を防止することができる。
　吸引孔７は、内面に導電層８が形成されている。導電層８が形成されることにより、吸引孔７は、溶融導体２ａを吸引しやすくすることができる。導電層８は、例えば銅、銀、金、鉄、ニッケル、パラジウム、鉛、錫のいずれか、又はいずれかを主成分とする合金によって形成され、吸引孔７の内面に電解メッキや導電ペーストの印刷等の公知の方法により形成することができる。また、導電層８は、複数の金属線や、導電性を有するリボンの集合体を吸引孔７内に挿入することにより形成してもよい。
　また、吸引孔７は、絶縁基板３の厚さ方向に貫通する貫通孔として形成されることが好ましい。これにより、吸引孔７は、溶融導体２ａを絶縁基板３の裏面３ｂ側まで吸引することができ、より多くの溶融導体２ａを吸引し、溶断部位における溶融導体２ａの体積を減少させることができる。なお、吸引孔７は、非貫通孔として形成してもよい。
　吸引孔７の導電層８は、絶縁基板３の表面３ａに形成された表面電極６と連続されている。表面電極６は、可溶導体２を支持するとともに溶融導体２ａが凝集するため、表面電極６と導電層８とが連続することにより、溶融導体２ａを吸引孔７内に導きやすくすることができる。
　また、絶縁基板３の裏面３ｂには、吸引孔７の導電層８と接続された裏面電極９が形成されている。裏面電極９は、導電層８と連続することにより、可溶導体２が溶融すると、吸引孔７を介して移動した溶融導体２ａが凝集する（図２参照）。これにより、保護素子１は、より多くの溶融導体２ａを吸引し、溶断部位における溶融導体２ａの体積を減少させることができる。
　なお、保護素子１は、吸引孔７を複数形成することにより、可溶導体２の溶融導体２ａを吸引する経路を増やし、より多くの溶融導体２ａを吸引することで、溶断部位における溶融導体２ａの体積を減少させるようにしてもよい。
　［変形抑制電極］
　絶縁基板３の表面３ａには、可溶導体２の変形を抑制する変形抑制電極５が形成されている。変形抑制電極５は、接続ハンダ２０等の接合材料を介して可溶導体２と接続されている。そして、変形抑制電極５は、溶断部材４と可溶導体２との接続や保護素子１の外部回路基板上への実装においてリフロー加熱される等、溶断部材４が高温環境に曝されたときに、可溶導体２の熱を絶縁基板３側へ放熱させ、畜熱によって可溶導体２が変形することを防止できる。
　また、変形抑制電極５は、リフロー実装等の高温環境に曝されたときに、加熱により液状に軟化した接続ハンダ２０が浮動する領域を限定する。これにより、軟化した接続ハンダの浮動に伴い絶縁基板３が搖動し可溶導体２が変形することを防止することができる。
　変形抑制電極５は、接続ハンダ２０を介して可溶導体２の一部と接続され、これにより可溶導体２の放熱を図り、また絶縁基板３の搖動を防止する。このため、変形抑制電極５は、図３～５に示すように、可溶導体２との接続部位において、複数の小電極５ａが形成されることが好ましい。複数の小電極５ａが形成されることにより、当該接続部位において変形抑制電極５は小面積化された小電極５ａの集合として形成されるため、可溶導体２との接触面積は実質的に１つの大面積の電極と同様に大きく確保しつつ、軟化した接続ハンダ２０の浮動領域が小面積に細分化された変形抑制電極５の各小電極５ａの面積内に限定される。したがって、変形抑制電極５は、可溶導体２の放熱特性を維持しつつ、接続ハンダ２０の浮動を抑制し、可溶導体２に対する絶縁基板３の搖動を抑制することができる。
　ここで、変形抑制電極５と可溶導体２との接続部位とは、複数の小電極５ａが隣接して設けられることにより一纏まりに存在していると認識される部位をいい、例えば図３～５に示すように、表面電極６を挟んだ両側に各２～３の小電極５ａが近接配置されることにより、夫々一か所に纏まって存在していると認識できるような部位をいう。変形抑制電極５は、可溶導体２との接続部位において、複数の小電極５ａによって構成されることにより、各小電極５ａの面積を狭小化でき、これにより軟化した接続ハンダ２０の浮動領域を限定することができる。
　各小電極５ａの面積及び隣接する小電極５ａとの距離としては、液状に軟化した接続ハンダ２０を保持可能な大きさで、且つ隣接する小電極５ａの接続ハンダ２０と一体にならないことが求められ、可溶導体２や絶縁基板３の大きさや形状、接続ハンダ２０の塗布量等に応じて適宜設計される。
　また、図３に示すように、変形抑制電極５は、絶縁基板３の外周側に形成されることが好ましい。可溶導体２は、絶縁基板３の表面３ａの相対向する一対の側縁間を横断して搭載され、表面３ａの略中央に設けられた表面電極６に接続される。したがって、変形抑制電極５が絶縁基板３の外周側に形成されることにより、表面電極６とともに可溶導体２の長手方向にわたって絶縁基板３を確実に接続することができる。また、絶縁基板３は外周側からの放熱量が多いため、表面電極６が形成されている中央部に比して放熱性が高く、変形抑制電極５を絶縁基板３の外周側に形成することにより、効率よく可溶導体２の熱を放熱することができる。
　なお、変形抑制電極５は、絶縁基板３の外周側において、複数の小電極５ａによって構成されていることが好ましい。
　また、変形抑制電極５は、絶縁基板３の可溶導体２が横断する一対の側縁側にそれぞれ形成されていることが好ましい。これにより、表面電極６を介した両側に変形抑制電極５が設けられ、可溶導体２の長手方向わたって３箇所で接続されることとなり、絶縁基板３を確実に接続することができる。また、絶縁基板３の可溶導体２が横断する一対の側縁側にそれぞれ形成されることから、絶縁基板３の表面電極６を介した両側が搖動することを効果的に防止できる。さらに、放熱性に優れる絶縁基板３の両外周側に変形抑制電極５が形成されることから、より効率よく可溶導体２の熱を放熱することができる。
　なお、絶縁基板３の一対の側縁側にそれぞれ形成される場合においても、各変形抑制電極５は、複数の小電極５ａによって構成されていることが好ましい。
　ここで、変形抑制電極５あるいは変形抑制電極５を構成する小電極５ａは、可溶導体２の幅方向を長手方向とする矩形状に形成されていることが好ましい。変形抑制電極５あるいは小電極５ａは、可溶導体２の溶断時において、可溶導体２の溶融導体２ａ及び溶融した接合ハンダが凝集する。そのため、通電方向となる可溶導体２の長手方向を長手方向とすると、変形抑制電極５あるいは小電極５ａに凝集した溶融導体２ａが可溶導体２の長手方向に堆積するため、絶縁抵抗を下げる恐れもある。
　そこで、保護素子１は、変形抑制電極５あるいは小電極５ａを、可溶導体２の幅方向を長手方向とする矩形状に形成することにより、可溶導体２の溶融導体２ａが通電方向に広がることなく、溶断後の絶縁抵抗を向上させることができる。
　また、変形抑制電極５は、複数の小電極５ａが可溶導体２の幅方向に並列され、可溶導体２と重畳されていることが好ましい。複数の小電極５ａが可溶導体２の幅方向に並列されることで、上記と同様に可溶導体２の溶融導体２ａが通電方向に広がることなく、溶断後の絶縁抵抗を向上させることができる。また、各小電極５ａと可溶導体とが重畳されることで、絶縁基板３と可溶導体２との接続性、放熱性を向上させることができる。
　このときも、各小電極５ａは、可溶導体２の幅方向を長手方向とする矩形状に形成することが、絶縁抵抗を向上する上で好ましい。
　このとき、変形抑制電極５は、可溶導体２の幅方向の側縁より外側に延在されていてもよい。変形抑制電極５あるいは小電極５ａが可溶導体２と重畳されるとともに、可溶導体２の幅方向に延在して形成されることにより、可溶導体２の熱を可溶導体２に重畳されていない部位から効率よく放熱することができる。
　［放熱電極］
　なお、図６に示すように、変形抑制電極５あるいは小電極５ａは、絶縁基板３の側面に変形抑制電極５あるいは小電極５ａと連続された放熱電極１５を形成してもよい。図６（Ａ）は、絶縁基板３の側面に放熱電極１５を形成した絶縁基板３の裏面３ｂを示す底面図であり、図６（Ｂ）は、絶縁基板３の側面に放熱電極１５を形成した絶縁基板３の表面３ａを示す平面図である。放熱電極１５は変形抑制電極５あるいは小電極５ａと同材料で形成することができる。このとき、変形抑制電極５あるいは小電極５ａは、絶縁基板３の側面に上述した導電層８と同様の材料で導電層を形成したサイドスルーホール１６ａを形成してもよい。溶断部材４は、放熱電極１５を備えることにより、変形抑制電極５あるいは小電極５ａの熱容量を増やし、可溶導体２の熱の放熱効果を高めることができる。
　また、溶断部材４は、絶縁基板３の側面及び裏面３ｂに放熱電極１５を形成し、変形抑制電極５あるいは小電極５ａと連続させてもよい。図７（Ａ）は、絶縁基板３の側面及び裏面３ｂに放熱電極１５を形成した絶縁基板３の裏面３ｂを示す底面図であり、図７（Ｂ）は、絶縁基板３の側面及び裏面３ｂに放熱電極１５を形成した絶縁基板３の表面３ａを示す平面図である。図７（Ａ）（Ｂ）に示す溶断部材４は、絶縁基板の表面３ａに形成された小電極５ａ毎に、絶縁基板３の側面及び裏面３ｂに放熱電極１５が形成され、各小電極５ａと各放熱電極１５とが、サイドスルーホール１６ａを介して連続されている。サイドスルーホール１６ａは、上述した導電層８と同様の材料で形成された導電層が形成されている。これにより、各小電極５ａと各放熱電極１５とがサイドスルーホール１６ａを介して熱的に接続される。溶断部材４は、小電極５ａに加え、サイドスルーホール１６ａ及び絶縁基板３の側面及び裏面３ｂに形成された放熱電極１５を備えることにより、変形抑制電極５の熱容量をさらに増やし、可溶導体２の熱の放熱効果を高めることができる。
　なお、変形抑制電極５あるいは小電極５ａと放熱電極１５とは、サイドスルーホール１６ａで連続させる他にも、図８（Ａ）（Ｂ）に示すように、スルーホール１６ｂを介して連続させてもよい。図８（Ａ）は、放熱電極１５及びスルーホール１６ｂを形成した絶縁基板３の裏面を示す底面図であり、図８（Ｂ）は、放熱電極１５及びスルーホール１６ｂを形成した絶縁基板３の表面を示す平面図である。スルーホール１６ｂも、上述した導電層８と同様の材料で形成された導電層が形成され、これにより、各小電極５ａと各放熱電極１５とがスルーホール１６ｂを介して熱的に接続される。なお、図８に示す溶断部材４では、スルーホール１６ｂは、導電層を構成する導電材料その他の導電材料によって充填されていてもよく、充填されていなくともよい。また、図８に示す溶断部材４では、絶縁基板３の側面に放熱電極１５を設けてもよく、設けなくともよい。
　また、図９（Ａ）（Ｂ）に示すように、変形抑制電極５あるいは小電極５ａと放熱電極１５とは、サイドスルーホール１６ａ及びスルーホール１６ｂを介して連続させてもよい。図９（Ａ）は、放熱電極１５、サイドスルーホール１６ａ及びスルーホール１６ｂを形成した絶縁基板３の裏面を示す底面図であり、図９（Ｂ）は、放熱電極１５、サイドスルーホール１６ａ及びスルーホール１６ｂを形成した絶縁基板３の表面を示す平面図である。図９に示す溶断部材４は、絶縁基板３の側面及び裏面３ｂに放熱電極１５が形成されている。なお、図９に示す溶断部材４では、スルーホール１６ｂは、導電層を構成する導電材料その他の導電材料によって充填されていてもよく、充填されていなくともよい。
　［可溶導体］
　次いで、可溶導体２について説明する。可溶導体２は、第１及び第２の外部接続電極１１，１２間にわたって実装され、発熱体１０の通電による発熱、又は定格を超える電流が通電することによって自己発熱（ジュール熱）により溶断し、第１の電極１１と第２の電極１２との間の電流経路を遮断するものである。
　可溶導体２は、発熱体１０の通電による発熱、又は過電流状態によって溶融する導電性の材料であればよく、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、ＰｂＡｇＳｎ合金等を用いることができる。
　また、可溶導体２は、高融点金属と、低融点金属とを含有する構造体であってもよい。例えば、図１０に示すように、可溶導体２は、内層と外層とからなる積層構造体であり、内層として低融点金属層１３、低融点金属層１３に積層された外層として高融点金属層１４を有する。可溶導体２は、第１、第２の電極１１，１２、表面電極６及び変形抑制電極５上に接続ハンダ２０等の接合材料を介して接続される。
　低融点金属層１３は、好ましくは、ハンダ又はＳｎを主成分とする金属であり、「Ｐｂフリーハンダ」と一般的に呼ばれる材料である。低融点金属層１３の融点は、必ずしもリフロー炉の温度よりも高い必要はなく、２００℃程度で溶融してもよい。高融点金属層１４は、低融点金属層１３の表面に積層された金属層であり、例えば、Ａｇ若しくはＣｕ又はこれらのうちのいずれかを主成分とする金属であり、溶断部材４と可溶導体２との接続や保護素子１の外部回路基板上への実装をリフローによって行う場合においても溶融しない高い融点を有する。
　このような可溶導体２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することができ、あるいは、他の周知の積層技術、膜形成技術を用いて形成することもできる。このとき、可溶導体２は、低融点金属層１３の全面が高融点金属層１４によって被覆された構造としてもよく、相対向する一対の側面を除き被覆された構造であってもよい。なお、可溶導体２は、高融点金属層１４を内層とし、低融点金属層１３を外層として構成してもよく、また低融点金属層と高融点金属層とが交互に積層された３層以上の多層構造とする、外層の一部に開口部を設けて内層の一部を露出させるなど、様々な構成によって形成することができる。
　可溶導体２は、内層となる低融点金属層１３に、外層として高融点金属層１４を積層することによって、リフロー温度が低融点金属層１３の溶融温度を超えた場合であっても、可溶導体２として溶断するに至らない。したがって、溶断部材４と可溶導体２との接続や保護素子１の外部回路基板上への実装を、リフローによって効率よく行うことができる。
　また、可溶導体２は、所定の定格電流が流れている間は、自己発熱によっても溶断することがない。そして、定格よりも高い値の電流が流れると、自己発熱によって溶融し、第１、第２の電極１１，１２間の電流経路を遮断する。また、発熱体１０が通電し発熱することにより溶融し、第１、第２の電極１１，１２間の電流経路を遮断する。
　このとき、可溶導体２は、溶融した低融点金属層１３が高融点金属層１４を浸食することにより、高融点金属層１４が溶融温度よりも低い温度で溶解する。したがって、可溶導体２は、低融点金属層１３による高融点金属層１４の浸食作用を利用して短時間で溶断することができる。また、可溶導体２の溶融導体２ａは、上述した吸引孔７による吸引作用に加えて、表面電極６、変形抑制電極５及び第１、第２の電極１１，１２の物理的な引き込み作用により分断されることから、速やかに、かつ確実に、第１、第２の電極１１，１２間の電流経路を遮断することができる。
　また、可溶導体２は、低融点金属層１３の体積を、高融点金属層１４の体積よりも多く形成することが好ましい。可溶導体２は、過電流による自己発熱又は発熱体１０の発熱によって加熱され、低融点金属が溶融することにより高融点金属を溶食し、これにより速やかに溶融、溶断することができる。したがって、可溶導体２は、低融点金属層１３の体積を高融点金属層１４の体積よりも多く形成することにより、この溶食作用を促進し、速やかに第１、第２の外部接続電極１１，１２間を遮断することができる。
　また、可溶導体２は、内層となる低融点金属層１３に高融点金属層１４が積層されて構成されているため、溶断温度を従来の高融点金属からなるチップヒューズ等よりも大幅に低減することができる。したがって、可溶導体２は、同一サイズのチップヒューズ等に比して、断面積を大きくでき電流定格を大幅に向上させることができる。また、同じ電流定格をもつ従来のチップヒューズよりも小型化、薄型化を図ることができ、速溶断性に優れる。
　また、可溶導体２は、保護素子１が組み込まれた電気系統に異常に高い電圧が瞬間的に印加されるサージへの耐性（耐パルス性）を向上することができる。すなわち、可溶導体２は、例えば１００Ａの電流が数ｍｓｅｃ流れたような場合にまで溶断してはならない。この点、極短時間に流れる大電流は導体の表層を流れることから（表皮効果）、可溶導体２は、外層として抵抗値の低いＡｇメッキ等の高融点金属層１４が設けられているため、サージによって印加された電流を流しやすく、自己発熱による溶断を防止することができる。したがって、可溶導体２は、従来の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を向上させることができる。
　なお、可溶導体２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）を塗布してもよい。また、保護素子１は、絶縁基板３がケース部材１７に覆われることによりその内部が保護されている。ケース部材１７は、上記絶縁基板３と同様に、例えば、各種エンジニアリングプラスチック、熱可塑性プラスチック，セラミックス，ガラスエポキシ基板等の絶縁性を有する部材を用いて形成することができる。
　［発熱体］
　可溶導体２を溶断する発熱体１０は、比較的抵抗値が高く通電すると発熱する導電性を有する部材であって、たとえばニクロム、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ａｇ、あるいはこれらを主成分とする合金等からなる。これらの合金あるいは組成物、化合物の粉状体を樹脂バインダ等と混合してペースト状にしたものを、絶縁基板３の裏面３ｂにスクリーン印刷技術を用いてパターン形成して、焼成する等によって形成することができる。
　発熱体１０は、絶縁基板３の裏面３ｂ上において絶縁層１８に被覆されている。絶縁層１８上には、導電層８が形成された吸引孔７が貫通し、裏面電極９が積層される。絶縁層１８は、発熱体１０の保護及び絶縁を図るとともに、導電層８及び絶縁基板３を介して発熱体１０の熱を効率よく表面電極６及び可溶導体２へ伝えるために設けられ、例えばガラス層からなる。なお、導電層８及び裏面電極９は、発熱体１０によって加熱されることにより、可溶導体２の溶融導体２ａを吸引孔７内へ吸引させやすくするとともに、裏面電極９上に凝集しやすくすることができる。したがって、保護素子１は、表面電極６から導電層８を介して裏面電極９へ溶融導体２ａを吸引する作用を促進させ、確実に可溶導体２を溶断することができる。
　発熱体１０は、一端が裏面電極９と接続され、導電層８及び表面電極６を介して、表面電極６上に搭載された可溶導体２と電気的に接続されている。また、発熱体１０は、他端が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３の裏面３ｂに形成されるとともに、裏面３ｂに形成された第３の外部接続電極１９と接続され、この第３の外部接続電極１９を介して外部回路と接続される。そして、保護素子１は、外部回路を構成する回路基板に実装されることにより、第３の外部接続電極１９を介して発熱体１０が回路基板に形成された発熱体１０への給電経路に組み込まれる。
　なお、保護素子１は、発熱体１０を絶縁基板３の裏面３ｂに積層した絶縁層１８の内部に形成してもよい。また、保護素子１は、発熱体１０を絶縁基板３の内部に形成してもよい。これらの場合、発熱体１０は、一端が表面電極６又は裏面電極９と接続され、表面電極６上に搭載された可溶導体２と電気的に接続される。また、発熱体１０は、他端が図示しない発熱体電極を介して第３の外部接続電極１９と接続される。
　なお、発熱体１０は、絶縁基板３の表面３ａ、裏面３ｂ又は内部に形成するいずれの場合においても、吸引孔７の両側に形成することが、表面電極６及び裏面電極９を加熱し、またより多くの溶融導体２ａを凝集、吸引するうえで好ましい。
　［回路構成例］
　このような保護素子１は、図１１に示すように、例えばリチウムイオン二次電池のバッテリパック３０内の回路に組み込まれて用いられる。バッテリパック３０は、例えば、合計４個のリチウムイオン二次電池のバッテリセル３１～３４からなるバッテリスタック３５を有する。
　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の異常時に充電を遮断する本発明が適用された保護素子１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１の動作を制御するスイッチ素子となる電流制御素子３７とを備える。
　バッテリスタック３５は、過充電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が直列接続されたものであり、バッテリパック３０の正極端子３０ａ、負極端子３０ｂを介して、着脱可能に充電装置４５に接続され、充電装置４５からの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、正極端子３０ａ、負極端子３０ｂをバッテリで動作する電子機器に接続することによって、こ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と充電装置４５との間の電流経路に直列接続された２つの電流制御素子４１、４２と、これらの電流制御素子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、たとえば電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴという。）により構成され、制御部４３によりゲート電圧を制御することによって、バッテリスタック３５の電流経路の充電方向及び／又は放電方向への導通と遮断とを制御する。制御部４３は、充電装置４５から電力供給を受けて動作し、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が過放電又は過充電であるとき、電流経路を遮断するように、電流制御素子４１、４２の動作を制御する。
　保護素子１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上に接続され、その動作が電流制御素子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、各バッテリセル３１～３４の電圧値を検出して、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が過充電電圧又は過放電電圧になったときに電流制御素子３７を制御する制御信号を出力する。
　電流制御素子３７は、たとえばＦＥＴにより構成され、検出回路３６から出力される検出信号によって、バッテリセル３１～３４の電圧値が所定の過放電又は過充電状態を超える電圧になったとき、保護素子１を動作させて、バッテリスタック３５の充放電電流経路を電流制御素子４１、４２のスイッチ動作によらず遮断するように制御する。
　以上のような構成からなるバッテリパック３０に用いられる、本発明が適用された保護素子１は、図１２に示すような回路構成を有する。すなわち、保護素子１は、第１の外部接続電極１１がバッテリスタック３５側と接続され、第２の外部接続電極１２が正極端子３０ａ側と接続され、これにより可溶導体２がバッテリスタック３５の充放電経路上に直列に接続される。また、保護素子１は、発熱体１０が発熱体電極及び第３の外部接続電極１９を介して電流制御素子３７と接続されるとともに、発熱体１０がバッテリスタック３５の開放端と接続される。これにより、発熱体１０は、一端を表面電極６を介して可溶導体２及びバッテリスタック３５の一方の開放端と接続され、他端を第３の外部接続電極１９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、電流制御素子３７によって通電が制御される発熱体１０への給電経路が形成される。
　［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通電されると、保護素子１は、可溶導体２が自己発熱により溶融し、バッテリパック３０の充放電経路を遮断する。このとき、保護素子１は、絶縁基板３上に変形抑制電極５及び表面電極６を設けているため、可溶導体２の溶断部位を変形抑制電極５と表面電極６との間の狭い領域に限定している。したがって、保護素子１は、大電流用途に対応するために可溶導体２の断面積を増大させた場合にも、遮断時における溶融導体２ａの体積を減少させ、アーク放電による溶融導体２ａの飛散を軽減し絶縁抵抗を向上することができ、また遮断時に絶縁基板３に加わる衝撃を低減し、絶縁基板３の破壊を抑制することができる。
　なお、保護素子１は、絶縁基板３に吸引孔７を形成した場合には、溶融導体２ａが毛管現象により表面電極６を介して吸引孔７に吸引される。したがって、大電流用途に対応するために可溶導体２の断面積を増大させた場合にも、遮断時における溶融導体２ａの体積をさらに減少させ、絶縁抵抗の向上を図り、また絶縁基板への衝撃を低減させることができる。また、保護素子１は、可溶導体２を高融点金属と低融点金属とを含有させて形成することにより、高融点金属の溶断前に低融点金属が溶融し、短時間で可溶導体２を溶解させることができる。
　また、検出回路３６がバッテリセル３１～３４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。すると、電流制御素子３７は、発熱体１０に通電するよう電流を制御する。保護素子１は、バッテリスタック３５から、第１の外部接続電極１１、可溶導体２及び表面電極６を介して発熱体１０に電流が流れ、これにより発熱体１０が発熱を開始する。保護素子１は、発熱体１０の発熱により可溶導体２が溶断し、バッテリスタック３５の充放電経路を遮断する。
　このとき、保護素子１は、絶縁基板３上に変形抑制電極５及び表面電極６を設けているため、可溶導体２の溶断部位を変形抑制電極５と表面電極６との間の狭い領域に限定するとともに、発熱体１０の熱を変形抑制電極５と表面電極６を介して可溶導体２に伝えている。したがって、保護素子１は、大電流用途に対応するために可溶導体２の断面積を増大させた場合にも、変形抑制電極５と表面電極６との間の溶断部位に熱を集中させて確実にバッテリパック３０の充放電経路を遮断することができる。
　また、保護素子１は、絶縁基板３に吸引孔７を形成した場合には、溶融導体２ａが毛管現象により表面電極６を介して吸引孔７に吸引される。したがって、大電流用途に対応するために可溶導体２の断面積を増大させた場合にも、表面電極６上に溜まる溶融導体２ａの体積をさらに減少させ、可溶導体２を速やかに溶断させるとともに絶縁抵抗を向上させることができる。また、保護素子１は、可溶導体２を高融点金属と低融点金属とを含有させて形成することにより、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短時間で可溶導体２を溶解させることができる。
　なお、保護素子１は、可溶導体２が溶断することにより、発熱体１０への給電経路も遮断されるため、発熱体１０の発熱が停止される。
　このように、保護素子１は、過電流による可溶導体２の自己発熱、あるいは発熱体１０の通電による発熱によって可溶導体２が溶断する。このとき、保護素子１は、回路基板へのリフロー実装時や、保護素子１が実装された回路基板が更にリフロー加熱等の高温環境下に曝された場合にも、変形抑制電極５によって可溶導体２の熱が放熱され、また、複数の狭小化された小電極５ａからなる変形抑制電極５を絶縁基板３に形成し、可溶導体２との接続を図る接続ハンダ２０の浮動領域を限定していることから、溶断部材４が安定的に保持され、可溶導体２の変形が抑制されている。したがって、可溶導体２の変形による抵抗値の変動等に起因する溶断特性の変動が防止され、所定の過電流や発熱体１０の発熱によって速やかに溶断することができる。
　本発明に係る保護素子１は、リチウムイオン二次電池のバッテリパックに用いる場合に限らず、電気信号による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。
　［第２の実施の形態］
　次いで、図１３を用いて、本技術が適用された保護素子の第２の実施の形態について説明する。なお、以下の説明において、上述した保護素子１と同じ部材については同じ符号を付してその詳細を省略する。図１３（Ａ）（Ｂ）に示す保護素子５０は、上述した溶断部材４が、可溶導体２の一方の面及び他方の面にそれぞれ配設されている。図１４は、保護素子５０の回路図である。可溶導体２の表面及び裏面に配設された各溶断部材４は、それぞれ発熱体１０の一端が、各絶縁基板３に形成された表面電極６を介して可溶導体２と接続され、発熱体１０の他端が各絶縁基板３に形成された第３の外部接続電極１９を介して発熱体１０を発熱させるための電源に接続される。
　保護素子５０は、可溶導体２の一方の面及び他方の面に、各々接続ハンダ２０を介して接続されている溶断部材４は、絶縁基板３に変形抑制電極５が接続されている。したがって、各溶断部材４は、可溶導体２と接続される際や保護素子１が外部回路基板上へ実装される際等においてリフロー加熱される等、高温環境に曝されたときにも、可溶導体２の熱を各絶縁基板３側へ放熱させ、畜熱によって可溶導体２が変形することを防止できる。
　また、変形抑制電極５は、リフロー実装等の高温環境に曝されたときに、加熱により液状に軟化した接続ハンダ２０が浮動する領域を限定する。これにより、軟化した接続ハンダの浮動に伴い各絶縁基板３が搖動し可溶導体２が変形することを防止することができる。
　また、図１５に示すように、保護素子５０は、発熱体１０の発熱により可溶導体２を溶断する際には、可溶導体２の両面に接続された各溶断部材４，４の発熱体１０が発熱し、可溶導体２の両面から加熱する。したがって、保護素子５０は、大電流用途に対応するために可溶導体２の断面積を増大させた場合にも、速やかに可溶導体２を加熱し、溶断することができる。
　また、保護素子５０は、各溶断部材４の絶縁基板３に吸引孔７を形成した場合には、可溶導体２の両面から溶融導体２ａを各貫通孔５８内に吸引する。したがって、保護素子５０は、大電流用途に対応するために可溶導体２の断面積を増大させ溶融導体２ａが多量に発生した場合にも、複数の溶断部材４によって吸引し、確実に可溶導体２を溶断させることができる。また、保護素子５０は、複数の溶断部材４によって溶融導体２ａを吸引することにより、より速やかに可溶導体２を溶断させることができる。
　保護素子５０は、可溶導体２として、内層を構成する低融点金属を高融点金属で被覆する被覆構造を用いた場合にも、可溶導体２を速やかに溶断させることができる。すなわち、高融点金属で被覆された可溶導体２は、発熱体１０が発熱した場合にも、外層の高融点金属が溶融する温度まで加熱するのに時間を要する。ここで、保護素子５０は、複数の溶断部材４を備え、同時に各発熱体１０を発熱させることで、外層の高融点金属を速やかに溶融温度まで加熱することができる。したがって、保護素子５０によれば、外層を構成する高融点金属層の厚みを厚くすることができ、さらなる高定格化を図りつつ、速溶断特性を維持することができる。
　また、保護素子５０は、図１４に示すように、一対の溶断部材４，４が対向して可溶導体２に接続されることが好ましい。これにより、保護素子５０は、一対の溶断部材４，４で、可溶導体２の同一箇所を両面側から同時に加熱するとともに溶融導体２ａを吸引することができ、より速やかに可溶導体２を加熱、溶断することができる。
　このとき、保護素子５０は、一対の溶断部材４，４の各絶縁基板３に形成された変形抑制電極５が可溶導体２を介して互いに対向することが好ましい。これにより、絶縁基板３との接続位置における放熱を促進して可溶導体２の軟化を抑制し、溶断部材４の搖動による変形への耐性を向上させることができる。また、一対の溶断部材４が対称に接続されることで、可溶導体２に対する負荷のかかり方がアンバランスとなることもなく、変形への耐性を向上させることができる。
１　保護素子、２　可溶導体、３　絶縁基板、４　溶断部材、５　変形抑制電極、６　表面電極、７　吸引孔、８　導電層、９　裏面電極、１０　発熱体、１１　第１の外部接続電極、１２　第２の外部接続電極、１３　低融点金属層、１４　高融点金属層、１７　ケース部材、１８　絶縁層、１９　第３の外部接続電極、２０　接続ハンダ、３０　バッテリパック、３０ａ　正極端子、３０ｂ　負極端子、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

Claims (15)

  1. 　可溶導体と、
    　上記可溶導体の一方の面に接続された溶断部材を備え、
    　上記溶断部材は、絶縁基板と、上記絶縁基板の上記可溶導体に接続される表面に形成され、上記可溶導体と接続され、上記可溶導体の変形を抑制する変形抑制電極とを有する保護素子。
  2. 　上記変形抑制電極は、上記可溶導体との接続部位において複数の小電極により構成されている請求項１に記載の保護素子。
  3. 　上記可溶導体は、上記絶縁基板の上記表面の相対向する一対の側縁にわたって搭載され、
    　上記変形抑制電極は、上記絶縁基板の外周側に形成されている請求項１又は２に記載の保護素子。
  4. 　上記変形抑制電極は、上記絶縁基板の上記一対の側縁側にそれぞれ形成されている請求項３に記載の保護素子。
  5. 　上記変形抑制電極は、上記可溶導体の幅方向を長手方向とする矩形状に形成されている請求項３に記載の保護素子。
  6. 　複数の上記小電極が、上記可溶導体の幅方向に並列され、上記可溶導体と重畳されている請求項２に記載の保護素子。
  7. 　上記変形抑制電極は、上記可溶導体の幅方向の側縁より外側に延在されている請求項１，２，６のいずれか１項に記載の保護素子。
  8. 　上記絶縁基板に形成され、上記可溶導体を溶融させる発熱体と、
    　上記絶縁基板の上記表面に形成され、上記発熱体及び上記可溶導体と接続された表面電極と、
    　上記絶縁基板に形成され、上記発熱体へ給電する外部電源と接続される発熱体電極とを有する請求項１，２，６のいずれか１項に記載の保護素子。
  9. 　上記表面電極には、溶融した上記可溶導体を吸引する吸引孔が開口され、
    　上記吸引孔は、内面に上記表面電極と接続された導電層が形成されるとともに、上記絶縁基板の厚さ方向に設けられた貫通孔又は非貫通孔である請求項８に記載の保護素子。
  10. 　上記吸引孔は貫通孔であり、
    　上記絶縁基板の裏面には、上記導電層と接続された裏面電極が形成されている請求項９記載の保護素子。
  11. 　第１の外部接続電極と、
    　第２の外部接続電極を有し、
    　上記可溶導体は、上記第１の外部接続電極と上記第２の外部接続電極の間にわたって接続され、
    　上記可溶導体が溶融することにより、上記第１の外部接続電極と上記第２の外部接続電極との間の電流経路を遮断する請求項１，２，６のいずれか１項に記載の保護素子。
  12. 　可溶導体と、
    　上記可溶導体の一方の面に接続された第１の溶断部材と、
    　上記可溶導体の他方の面に接続された第２の溶断部材を備え、
    　上記第１の溶断部材は、第１の絶縁基板と、上記第１の絶縁基板の上記可溶導体に接続される表面に形成され、上記可溶導体と接続され、上記可溶導体の変形を抑制する第１の変形抑制電極とを有し、
    　上記第２の溶断部材は、第２の絶縁基板と、上記第２の絶縁基板の上記可溶導体に接続される表面に形成され、上記可溶導体と接続され、上記可溶導体の変形を抑制する第２の変形抑制電極とを有する保護素子。
  13. 　上記第１、第２の絶縁基板に形成された上記第１、第２の変形抑制電極は、上記可溶導体を介して互いに対向する請求項１２に記載の保護素子。
  14. 　１つ以上のバッテリセルと、
    　上記バッテリセルの充放電経路上に接続され、該充放電経路を遮断する保護素子と、
    　上記バッテリセルの電圧値を検出して上記保護素子への通電を制御する電流制御素子とを備え、
    　上記保護素子は、
    　上記充放電経路上に接続される可溶導体と、
    　上記可溶導体の一方の面に接続された溶断部材を備え、
    　上記溶断部材は、絶縁基板と、上記絶縁基板の上記可溶導体に接続される表面に形成され、上記可溶導体と接続され、上記可溶導体の変形を抑制する変形抑制電極とを有し、
    　上記可溶導体が溶融することにより上記充放電経路を遮断するバッテリパック。
  15. 　１つ以上のバッテリセルと、
    　上記バッテリセルの充放電経路上に接続され、該充放電経路を遮断する保護素子と、
    　上記バッテリセルの電圧値を検出して上記保護素子への通電を制御する電流制御素子とを備え、
    　上記保護素子は、
    　上記充放電経路上に接続される可溶導体と、
    　上記可溶導体の一方の面に接続された第１の溶断部材と、
    　上記可溶導体の他方の面に接続された第２の溶断部材を備え、
    　上記第１の溶断部材は、第１の絶縁基板と、上記第１の絶縁基板の上記可溶導体に接続される表面に形成され、上記可溶導体と接続され、上記可溶導体の変形を抑制する第１の変形抑制電極とを有し、
    　上記第２の溶断部材は、第２の絶縁基板と、上記第２の絶縁基板の上記可溶導体に接続される表面に形成され、上記可溶導体と接続され、上記可溶導体の変形を抑制する第２の変形抑制電極とを有し、
    　上記可溶導体が溶融することにより上記充放電経路を遮断するバッテリパック。
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