WO2022196594A1 - 保護素子及びバッテリパック - Google Patents
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Abstract
ヒューズエレメントの破断を防止し、大電流化にも対応可能な保護素子及びこれを用いたバッテリパックを提供する。 外部回路と接続される第１の電極３及び第２の電極４を有するベース基板２と、ベース基板２に一方の面５ａが支持され、第１の電極３及び第２の電極４と接続された可溶導体５と、発熱することにより可溶導体５を溶断する発熱体６が設けられた発熱体付き基板７を備え、可溶導体５は他方の面５ｂと発熱体付き基板７との接点が１箇所である。
Description
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、及びこれを用いたバッテリパックに関する。本出願は、日本国において２０２１年３月１６日に出願された日本特許出願番号特願２０２１－０４２７５４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。
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。
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への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。また、様々なアプリケーションへの採用が広がるにつれて、小型化や低背化といったレイアウトへの制約が少ない部品の要求も高まっている。
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、発熱体を形成した絶縁基板の表面にこの可溶導体を接続した保護素子が提案されている。
図１３は、従来の保護素子の一構成例を示す図であり、（Ａ）はカバー部材を省略して示す平面図であり、（Ｂ）はＡ－Ａ’断面図である。図１３に示す保護素子１００は、絶縁基板１０１と、絶縁基板１０１の表面上に形成されるとともに絶縁基板１０１の裏面に形成された第１、第２の外部接続電極１０２ａ，１０３ａを介して外部回路の電流経路上に接続される第１、第２の電極１０２、１０３と、絶縁基板１０１の表面に形成され通電すると発熱する発熱体１０４と、発熱体１０４を被覆する絶縁層１０５と、絶縁層１０５上に積層されるとともに発熱体１０４と接続された発熱体引出電極１０６と、第１の電極１０２、発熱体引出電極１０６、及び第２の電極１０３にわたって接続用ハンダを介して搭載されるヒューズエレメント１０７とを備える。
発熱体１０４は、絶縁基板１０１の表面上に形成された発熱体給電電極１０８と接続されている。発熱体給電電極１０８は、絶縁基板１０１の裏面に形成された図示しない第３の外部接続電極とキャスタレーションを介して接続されている。発熱体１０４は、第３の外部接続電極を介して外部回路に設けられた外部電源と接続されている。そして、発熱体１０４は、図示しないスイッチ素子等により常時、電流及び発熱が制御されている。
発熱体１０４は、ガラス層等からなる絶縁層１０５によって被覆されるとともに、絶縁層１０５上に形成された発熱体引出電極１０６と、絶縁層１０５を介して重畳されている。絶縁層１０５は、例えばガラスペーストを印刷、焼成することにより形成されている。また、発熱体引出電極１０６上には第１、第２の電極１０２，１０３間にわたって接続されたヒューズエレメント１０７が接続されている。
ヒューズエレメント１０７は、絶縁層１０５を介して発熱体１０４に重畳されることにより発熱体１０４と熱的に接続され、発熱体１０４が通電によって発熱すると溶断される。
ヒューズエレメント１０７は、Ｐｂフリーハンダなどの低融点金属により形成され、あるいは低融点金属が高融点金属に被覆された積層構造を有する。そして、ヒューズエレメント１０７は、第１の電極１０２から発熱体引出電極１０６を経て第２の電極１０３にかけて接続されることにより、保護素子１００が組み込まれた外部回路の電流経路の一部を構成する。そして、ヒューズエレメント１０７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、あるいは発熱体１０４の発熱により溶断し、第１、第２の電極１０２，１０３間を遮断する。
そして、保護素子１００は、外部回路の電流経路を遮断する必要が生じると、スイッチ素子により発熱体１０４へ通電される。これにより、発熱体１０４は高温に発熱し、外部回路の電流経路上に組み込まれたヒューズエレメント１０７を溶融させる。ヒューズエレメント１０７の溶融導体は、濡れ性の高い発熱体引出電極１０６及び第１、第２の電極１０２，１０３に引き寄せられる。これによりヒューズエレメント１０７の第１の電極１０２～発熱体引出電極１０６～第２の電極１０３の間が溶断され、外部回路の電流経路が遮断される。
ヒューズエレメント１０７を構成する低融点金属の融点は３００℃程度であり、これを溶融する発熱体１０４には、１０００℃程度まで発熱できる性能が求められている。また、発熱体１０４が設けられる絶縁基板１０１にも発熱体１０４の発熱に耐える熱的強度が求められており、セラミック基板等が用いられている。
また、通電経路に配置されるため、導電体としてのヒューズエレメント１０７は、第１、第２の電極１０２、１０３の少なくとも２箇所で接続される必要が有る。
なお、絶縁基板の発熱体を補助することを目的として、ヒューズエレメント上を覆うカバー部材に発熱体を内蔵させる構造や（特許文献１）、ヒューズエレメントを熱衝撃から保護することを目的として、導電性の弾性部材をヒューズエレメントと筐体側の構成部材との間に介在させ、応力を分散・緩和する構造（特許文献２）、外部電極端子を用意して、ヒューズエレメントが発熱体が設けられた絶縁基板の表面電極のみ支持される構成とすることで応力を分散する構造（特許文献３）も提案されている。
先に挙げた特許文献１～３に記載された発明は非常に簡便な構造で、極めて安全性の高い保護素子の提供が可能となっているが、発熱体の発熱に耐える絶縁基板（主としてセラミック基板）上に低融点金属（主としてスズや鉛のはんだ合金）からなるヒューズエレメントを接続する構造である。これらセラミック基板とヒューズエレメントは、冷熱サイクルにさらされた場合において、線膨張係数の違いによって、機械的な応力が発生し、その応力によって、セラミック基板と比較して機械強度の低いヒューズエレメントが徐々に引き裂かれていくという不具合が生じ得る。
特に大電流に対応するために低融点金属の断面積を拡大した場合には、線膨張による応力が大きくなるため、ヒューズエレメントの破断に至るまでの期間がより短くなる傾向にある。
特許文献２～３に記載された発明は導電性の弾性部材や外部電極を用いる構成であるが、導電性部材を追加する事によって導体抵抗値が上昇するため大電流化に不向きであるといった課題や、外部電極の追加による大型化や製造工数の増加、コストアップ等の課題もある。
そこで、本技術は、ヒューズエレメントの破断を防止し、大電流化にも対応可能な保護素子及びこれを用いたバッテリパックを提供すること目的とする。
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、外部回路と接続される第１の電極及び第２の電極を有するベース基板と、上記ベース基板に一方の面が支持され、上記第１の電極及び第２の電極と接続された可溶導体と、発熱することにより上記可溶導体を溶断する発熱体が設けられた発熱体付き基板を備え、上記可溶導体は他方の面と上記発熱体付き基板との接点が１箇所である。
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を備え、上記保護素子は、外部回路と接続される第１の電極及び第２の電極を有するベース基板と、上記ベース基板に一方の面が支持され、上記第１の電極及び第２の電極と接続された可溶導体と、発熱することにより上記可溶導体を溶断する発熱体が設けられた発熱体付き基板を備え、上記可溶導体は他方の面と上記発熱体付き基板との接点が１箇所である。
本技術によれば、可溶導体と発熱体付き基板との接点が１箇所であるため、高温環境と低温環境への曝露が繰り返された場合にも、可溶導体に内部応力による歪みや破断等の損傷が生じることがなく、外形や寸法の安定性を有する。これにより、本技術に係る保護素子及びバッテリパックは、可溶導体の抵抗値が安定し、高定格を維持することができる。
以下、本技術が適用された保護素子及びこれ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。
本技術が適用された保護素子１は、図１に示すように、外部回路と接続される第１の電極３及び第２の電極４を有するベース基板２と、ベース基板２に一方の面５ａが支持され、第１の電極３及び第２の電極４と接続された可溶導体５と、発熱することにより可溶導体５を溶断する発熱体６が設けられた発熱体付き基板７を備える。
そして、可溶導体５は他方の面５ｂと発熱体付き基板７との接点が１箇所である。ここで、後述するように、発熱体６が設けられる発熱体付き基板７は、発熱体６の発熱に耐える熱的強度が求められるため、セラミック基板等が用いられている。一方、可溶導体５は、発熱体６の発熱により溶融し得る低融点金属を主成分とする。そのため、可溶導体５と発熱体付き基板７には線膨張係数の違いがあり、ベース基板２に支持された可溶導体５と発熱体付き基板７との接点が複数存在すると、リフロー実装や実装された製品の使用環境等による高温環境と低温環境への曝露が繰り返された場合に、セラミック基板との線膨張係数の違いにより可溶導体５に内部応力が生じ、歪みや破断等の損傷が生じ得る。
しかし、保護素子１は、可溶導体５と発熱体付き基板７との接点が１箇所であるため、高温環境と低温環境への曝露が繰り返された場合にも、可溶導体５に内部応力による歪みや破断等の損傷が生じることがなく、外形や寸法の安定性を有する。これにより、保護素子１は、可溶導体５の抵抗値が安定し、高定格を維持することができる。
また、発熱体付き基板７との接点が複数存在する場合、大電流に対応するために可溶導体５の断面積を拡大すると、発熱体付き基板７との線膨張係数差に起因する応力が大きくなるため、破断に至るまでの期間がより短くなる傾向にある。しかし、保護素子１は、発熱体付き基板７との線膨張係数差に起因する内部応力の発生及び損傷が防止されているため、可溶導体５の断面積の拡大による大電流への対応も可能となる。
なお、可溶導体５は、第１、第２の電極３，４等のベース基板２の構成要素と複数の接点を有するが、ベース基板２は発熱体６を備えず、耐熱性が低く、線膨張係数差の小さい材料を使用できるため、ベース基板２との間で線膨張係数の差に起因する内部応力による破断、変形等が生じることはほぼない。
すなわち、保護素子１は、構造的に可溶導体５に対する熱衝撃の緩和が可能となる。以下、保護素子１の詳細な構成について説明する。
［ベース基板］
ベース基板２は、たとえば、ガラスエポキシ基板、フェノール基板等の絶縁性を有する部材によって形成される。
ベース基板２は、たとえば、ガラスエポキシ基板、フェノール基板等の絶縁性を有する部材によって形成される。
図２に示すように、ベース基板２の相対向する両端部には、第１、第２の電極３，４が形成されている。第１、第２の電極３，４は、それぞれ、ＡｇやＣｕ等の導電パターンによって形成されている。また、第１、第２の電極３，４の表面上には、Ｎｉ／Ａｕメッキ、Ｎｉ／Ｐｄメッキ、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕメッキ等の被膜が、メッキ処理等の公知の手法によりコーティングされていることが好ましい。これにより、保護素子１は、第１、第２の電極３，４の酸化を防止し、導通抵抗の上昇に伴う定格の変動を防止することができる。また、保護素子１をリフロー実装する場合に、可溶導体５を接続する接続用ハンダが溶融することにより第１、第２の電極３，４を溶食（ハンダ食われ）するのを防ぐことができる。
第１の電極３は、ベース基板２の表面２ａより、ベース基板２を貫通する導電スルーホール１０を介して裏面２ｂに形成された第１の外部接続電極１１と連続されている。また、第２の電極４は、ベース基板２の表面２ａより、導電スルーホール１０を介して裏面２ｂに形成された第２の外部接続電極１２と連続されている。保護素子１が外部回路基板に実装されると、第１、第２の外部接続電極１１，１２が、当該外部回路基板に設けられた接続電極に接続されることにより、可溶導体５が当該外部回路基板上に形成された電流経路の一部に組み込まれる。なお、第１、第２の電極３，４と第１、第２の外部接続電極１１，１２の接続は、ベース基板２の側縁に形成したキャスタレーションを介して行ってもよい。
第１、第２の電極３，４は、接続ハンダ等の導電接続材料９を介して可溶導体５が搭載されることにより、可溶導体５を介して電気的に接続されている。また、図３に示すように、第１、第２の電極３，４は、保護素子１に定格を超える大電流が流れ可溶導体５が自己発熱（ジュール熱）によって溶断し、あるいは発熱体６が通電に伴って発熱し可溶導体５が溶断することにより、接続遮断される。
また、ベース基板２は、第１の電極３と第２の電極４との間に、可溶導体５の溶融導体５ｃを保持する保持部８が設けられている。保持部８は、溶融導体５ｃに対する濡れ性に優れる材料によって形成され、例えばＡｇやＣｕ等の導電パターンによって形成することができる。また、保持部８は、第１、第２の電極３，４と同じ材料によって形成してもよく、これにより、同一の形成工程によって同時に形成することができる。保持部８は、導電接続材料９等の熱伝導性に優れる接続材料を介して可溶導体５が接続される。
なお、導電接続材料９は、例えば、Ｓｎ－Ａｇ、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ、Ｓｎ－Ｂｉ、Ｓｎ－Ｂｉ－Ｓｂ等の錫ベースの合金、Ｐｂ－Ｓｎ、Ｐｂ－Ａｕ等の鉛ベースの合金、Ｐｂ－Ｉｎ、Ｉｎ－Ｓｎ等のインジウムベースの合金等、可溶導体５を構成する低融点金属以下の融点をもつ金属接合材であればよい。また、ベース基板２は、絶縁や可溶導体５の位置制御を目的として、ソルダーレジストを配してもよい。
ベース基板２は、従来の保護素子における絶縁基板と異なり、発熱体６が設けられていない。このため、ベース基板２は高度な耐熱性は要求されず、耐熱性の低い基材を使用することも可能である。したがって、ベース基板２の基材として可溶導体５との線膨張係数差が小さいものを使用することができる。
これにより、ベース基板２は、保護素子１が高温環境と低温環境に繰り返し晒された場合にも、可溶導体５との間で大きな内部応力が発生することを抑え、可溶導体５に内部応力による歪みや破断等の損傷が生じることを防止し、また外形や寸法の安定性を維持することができる。
［可溶導体］
次いで、可溶導体５について説明する。可溶導体５は、第１及び第２の電極３，４間にわたって実装され、発熱体６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３と第２の電極４との間の電流経路を遮断するものである。
次いで、可溶導体５について説明する。可溶導体５は、第１及び第２の電極３，４間にわたって実装され、発熱体６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３と第２の電極４との間の電流経路を遮断するものである。
可溶導体５は、発熱体６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をゆする低融点金属材料であればよく、例えば、ＳｎＡｇＣｕ系のＰｂフリーハンダや、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５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４に示すように、可溶導体５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１８、低融点金属層１８に積層された外層として高融点金属層１９を有する。可溶導体５は、第１、第２の電極３，４及び保持部８上に接続ハンダ等の導電接合材料９を介して接続される。
低融点金属層１８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１８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１９は、低融点金属層１８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、第１、第２の電極３，４及び保持部８と可溶導体５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５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５は、低融点金属層１８の全面が高融点金属層１９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５は、高融点金属層１９を内層とし、低融点金属層１８を外層として構成してもよく、また低融点金属層１８と高融点金属層１９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５は、内層となる低融点金属層１８に、外層として高融点金属層１９を積層することによって、リフロー温度が低融点金属層１８の溶融温度を超えた場合であっても、可溶導体５として形状を維持することができ、溶断するに至らない。したがって、第１、第２の電極３，４及び保持部８と可溶導体５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、また、リフローによっても可溶導体５の変形に伴って局所的に抵抗値が高く又は低くなる等により所定の温度で溶断しない、あるいは所定の温度未満で溶断する等の溶断特性の変動を防止することができる。
また、可溶導体５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３，４間の電流経路を遮断する。また、発熱体６が通電され発熱することにより溶融し、第１、第２の電極３，４間の電流経路を遮断する。
このとき、可溶導体５は、溶融した低融点金属層１８が高融点金属層１９を溶食（ハンダ食われ）することにより、高融点金属層１９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５は、低融点金属層１８による高融点金属層１９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５の溶融導体５ｃは、保持部８及び第１、第２の電極３，４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３，４間の電流経路を遮断することができる（図３）。
また、可溶導体５は、低融点金属層１８の体積を、高融点金属層１９の体積よりも多く形成することが好ましい。可溶導体５は、過電流による自己発熱又は発熱体６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５は、低融点金属層１８の体積を高融点金属層１９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の電極３，４間を遮断することができる。
また、可溶導体５は、内層となる低融点金属層１８に高融点金属層１９が積層されて構成することにより、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５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５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５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５は、外層として抵抗値の低いＡｇメッキ等の高融点金属層１９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５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。
このような可溶導体５は、第１、第２の電極及び保持部８に支持される一方の面５ａと反対側の他方の面５ｂが発熱体付き基板７と接する。そして、保護素子１は、可溶導体５の他方の面５ｂと発熱体付き基板７との接点が１箇所である。
［発熱体付き基板］
発熱体付き基板７は、絶縁基板１３と、絶縁基板１３に形成され、発熱することにより可溶導体５を溶断する発熱体６を有する。
発熱体付き基板７は、絶縁基板１３と、絶縁基板１３に形成され、発熱することにより可溶導体５を溶断する発熱体６を有する。
［絶縁基板］
絶縁基板１３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し、かつ発熱体６の発熱に対する耐性を備える基材によって形成される。なかでも、発熱体６の高温発熱に対する耐熱性に優れるセラミック基板が好適に用いられる。
絶縁基板１３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し、かつ発熱体６の発熱に対する耐性を備える基材によって形成される。なかでも、発熱体６の高温発熱に対する耐熱性に優れるセラミック基板が好適に用いられる。
図１に示すように、絶縁基板１３は、表面１３ａに発熱体６が形成され、裏面１３ｂに可溶導体５の他方の面５ｂと接続される中間電極３１が形成されている。中間電極３１は、接続ハンダ等の導電接続材料９によって可溶導体５の他方の面５ｂと接続される。そして、中間電極３１は、可溶導体５が溶融すると、ベース基板２に形成された保持部８とともに、溶融導体５ｃが凝集、保持される。
［発熱体］
発熱体６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、例えばニクロム、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｕ等又はこれらを含む材料からなる。発熱体６は、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１３上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。一例として、発熱体６は、酸化ルテニウム系ペーストと銀とガラスペーストの混合ペーストを所定の電圧に応じて調整し、絶縁基板１３の表面１３ａの所定の位置に所定の面積で製膜し、その後、適正条件にて焼成処理を行うことにより形成することができる。また、発熱体６の形状は適宜設計できるが、図１に示すように、絶縁基板１３の形状に応じて略矩形状とすることが発熱面積を最大化するうえで好ましい。
発熱体６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、例えばニクロム、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｕ等又はこれらを含む材料からなる。発熱体６は、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１３上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。一例として、発熱体６は、酸化ルテニウム系ペーストと銀とガラスペーストの混合ペーストを所定の電圧に応じて調整し、絶縁基板１３の表面１３ａの所定の位置に所定の面積で製膜し、その後、適正条件にて焼成処理を行うことにより形成することができる。また、発熱体６の形状は適宜設計できるが、図１に示すように、絶縁基板１３の形状に応じて略矩形状とすることが発熱面積を最大化するうえで好ましい。
また、絶縁基板１３の発熱体６が形成された表面１３ａには、発熱体６への給電経路を構成する第１、第２の発熱体電極１４，１５が形成されている。第１の発熱体電極１４は絶縁基板１３の表面１３ａの一側縁に形成され、第２の発熱体電極１５は一側縁と反対側の他側縁に形成されている。発熱体６は、一端が第１の発熱体電極１４と重畳することにより接続され、他端が第２の発熱体電極１５と重畳することにより接続されている。
第１の発熱体電極１４及び第２の発熱体電極１５は、発熱体６への給電端子となる電極であり、第１の発熱体電極１４はキャスタレーションを介して絶縁基板１３の裏面１３ｂに設けられた第１の発熱体給電電極３３と接続され、第２の発熱体電極１５はキャスタレーションを介して絶縁基板１３の裏面１３ｂに設けられた第２の発熱体給電電極３４と接続されている。第１の発熱体給電電極３３及び第２の発熱体給電電極３４は、ベース基板２の表面２ａに形成された第３の電極３５及び第４の電極３６と、導電接続材料９等により接続される。
第３の電極３５は、ベース基板２の表面２ａより、ベース基板２を貫通する導電スルーホール１０を介して裏面２ｂに形成された第３の外部接続電極３７と連続されている。また、第４の電極３６は、ベース基板２の表面２ａより、導電スルーホール１０を介して裏面２ｂに形成された第４の外部接続電極３８と連続されている。保護素子１が外部回路基板に実装されると、第３、第４の外部接続電極３７，３８が、当該外部回路基板に設けられた接続電極に接続されることにより、発熱体６に電力を供給する給電経路の一部に組み込まれる。図５に示すように、発熱体６への給電経路は、可溶導体５の電流経路とは独立して形成されている。なお、第３、第４の電極３５，３６と第３、第４の外部接続電極３７，３８の接続は、ベース基板２の側縁に形成したキャスタレーションを介して行ってもよい。
なお、保護素子１は、図６、図７に示すように、発熱体６への給電経路を、可溶導体５の電流経路と連結させてもよい。この場合、第２の発熱体給電電極３４が絶縁基板１３の裏面１３ｂに形成された中間電極３１と接続され、また、第４の外部接続電極３８は設けられない。これにより、発熱体６は、保護素子１が後述するバッテリパック２０に組み込まれた場合（図１２参照）、バッテリスタック２５から給電されるとともに、可溶導体５の溶断によって給電経路が遮断されて発熱が停止する。なお、第２の発熱体電極１５は、絶縁基板１３に設けられた図示しない導電スルーホールを介して中間電極３１と接続されるようにしてもよい。
第１、第２の発熱体電極１４，１５、第１、第２の発熱体給電電極３３，３４、及び中間電極３１は、ＡｇやＣｕ等の導電ペーストを印刷、焼成することによって形成することができる。また、絶縁基板１３の表面１３ａ又は裏面１３ｂに形成される電極を同一の材料により構成することで、一度の印刷及び焼成工程で形成することができる。
発熱体６は、ガラス層等からなる絶縁層３２によって被覆されることにより保護及び絶縁が図られている。絶縁層３２は、例えばガラス系のペーストを塗布、焼成することにより形成することができる。また、絶縁基板１３は、絶縁を目的として、ソルダーレジストを配してもよい。
発熱体付き基板７の裏面１３ｂに形成された第１、第２の発熱体給電電極３３，３４は、ベース基板２の表面２ａに形成された第３、第４の電極３５，３６に、導電接続材料９を介して接続される。また、発熱体付き基板７の裏面１３ｂに形成された中間電極３１は、導電接続材料９を介して可溶導体５の他方の面５ｂに接続される。これにより、発熱体付き基板７がベース基板２と接続される。このとき、可溶導体５は、発熱体付き基板７との接点は１箇所であり、また、発熱体６は、発熱体付き基板７の可溶導体５と接する面と反対の面側に形成されている。
なお、保護素子１は、内部が図示しないケースに覆われることにより保護されている。ケースは、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。
このような保護素子１によれば、可溶導体５と発熱体付き基板７の接続箇所が１点とされるため、高温環境と低温環境への曝露が繰り返された場合にも、可溶導体５の内部応力による歪みや破断等の損傷を抑制することができる。また、発熱体付き基板７の絶縁基板１３も、可溶導体５に対する線膨張係数差を考慮することなく耐熱性に優れるセラミック基板等を使用することが可能となり、素子構造として耐熱性の向上を図るとともに、所望の発熱体６の発熱温度の設計が可能となり、可溶導体５の断面積を増やし高定格化を図るとともに速溶断性にも優れる保護素子を提供することができる。
さらに、可溶導体５を支持するベース基板２として、可溶導体５の線膨張係数差がより小さい基材を用いることが可能となる。素材間の線膨張係数の差が大きい程、発生する応力が大きくなるため、線膨張係数の差を減らすことが、熱衝撃に対する耐久性を高める事に繋がる。例えば、セラミック基材の線膨張係数が７．２（ｐｐｍ／℃）であるのに対して、ガラスエポキシ基材の線膨張係数は１４（ｐｐｍ／℃）である。また、可溶導体５の材料となる錫の線膨張係数は２６．９（ｐｐｍ／℃）、鉛の線膨張係数は２９．１（ｐｐｍ／℃）である。
セラミック基材と錫の線膨張係数差は約２０、ガラスエポキシ基材と錫の線膨張係数差は約１３であるため、ベース基板２をセラミック基板からガラスエポキシ基板へ変更することにより、線膨張係数差が４０％程度減少する。よって、発生する応力も４０％低減させる事ができる構造となる。したがって、ベース基板２として、発熱体付き基板７の絶縁基板１３よりも、可溶導体５の線膨張係数に対する線膨張係数差が小さいものを使用することで、高温環境と低温環境への曝露が繰り返される冷熱サイクルに対する可溶導体５の耐熱性を向上させることができる。
また、ベース基板２の導体抵抗についても、第１、第２の電極３，４に使用する材料の導体抵抗値はセラミック基板のそれと同等であるため、セラミック基板と同等以上の抵抗値を実現できる。
また、ベース基板２としてガラスエポキシ基材を用いた場合にも、セラミック基板と同様に第１，第２の外部接続電極１１，１２を形成することで、表面実装可能な保護素子として構成することができ、且つ外部電極端子等を用いる必要もなく構造体としても小型にすることができる。
［変形例１］
次いで、本技術が適用された保護素子の変形例について説明する。なお、以下の説明において上述した保護素子１と同じ構成については同一の符号を付してその詳細を省略する。本技術が適用された保護素子は、複数の可溶導体を設けてもよい。図８に示す保護素子４０は、ベース基板２に、２つの可溶導体５Ａ，５Ｂが設けられている。可溶導体５Ａは、第１の電極３と保持部８との間に設けられ、可溶導体５Ｂは、第２の電極４と保持部８との間に設けられている。また、発熱体付き基板７の中間電極３１は、ベース基板２に設けられた可溶導体５の数に応じた数の接点が形成され、図８に示す保護素子４０では２つの接点において各可溶導体５Ａ，５Ｂと接続されている。
次いで、本技術が適用された保護素子の変形例について説明する。なお、以下の説明において上述した保護素子１と同じ構成については同一の符号を付してその詳細を省略する。本技術が適用された保護素子は、複数の可溶導体を設けてもよい。図８に示す保護素子４０は、ベース基板２に、２つの可溶導体５Ａ，５Ｂが設けられている。可溶導体５Ａは、第１の電極３と保持部８との間に設けられ、可溶導体５Ｂは、第２の電極４と保持部８との間に設けられている。また、発熱体付き基板７の中間電極３１は、ベース基板２に設けられた可溶導体５の数に応じた数の接点が形成され、図８に示す保護素子４０では２つの接点において各可溶導体５Ａ，５Ｂと接続されている。
保護素子４０においても、可溶導体は他方の面と発熱体付き基板との接点が１箇所である。すなわち、可溶導体５Ａは中間電極３１と１点において接し、可溶導体５Ｂも中間電極３１と１点において接している。したがって、保護素子４０は、高温環境と低温環境への曝露が繰り返された場合にも、絶縁基板１３との線膨張係数の違いにより可溶導体５Ａ，５Ｂに内部応力が生じ、歪みや破断等の損傷が生じることを防止することができる。
なお、可溶導体５は３つ以上設けてもよい。また、可溶導体５は、ベース基板２の平面視において、第１、第２の電極３，４及び保持部８間にわたって並列して配置することにより複数設けてもよい。複数の可溶導体５の大きさ、構成、材質、抵抗値や熱伝導率等の物性は、それぞれ同じでもよく、異ならせてもよい。
また、中間電極３１を可溶導体５の数に応じて複数形成し、各中間電極３１と各可溶導体５との接点が１箇所となるようにしてもよい。
［変形例２］
また、本技術が適用された保護素子は複数の発熱体を設けてもよい。図９に示す保護素子５０は、発熱体付き基板７に２つの発熱体６Ａ，６Ｂが並列して設けられている。発熱体６Ａ，６Ｂは、それぞれ一端が第１の発熱体電極１４と重畳することにより接続され、他端が第２の発熱体電極１５と重畳することにより接続されている。第１の発熱体電極１４及び第２の発熱体電極１５以降の発熱体６への給電経路の構成は上述した保護素子１と同様である。
また、本技術が適用された保護素子は複数の発熱体を設けてもよい。図９に示す保護素子５０は、発熱体付き基板７に２つの発熱体６Ａ，６Ｂが並列して設けられている。発熱体６Ａ，６Ｂは、それぞれ一端が第１の発熱体電極１４と重畳することにより接続され、他端が第２の発熱体電極１５と重畳することにより接続されている。第１の発熱体電極１４及び第２の発熱体電極１５以降の発熱体６への給電経路の構成は上述した保護素子１と同様である。
保護素子５０においても、可溶導体は他方の面と発熱体付き基板との接点が１箇所である。すなわち、可溶導体５は中間電極３１の１点で接している。したがって、保護素子５０は、高温環境と低温環境への曝露が繰り返された場合にも、絶縁基板１３との線膨張係数の違いにより可溶導体５に内部応力が生じ、歪みや破断等の損傷が生じることを防止することができる。
［変形例３］
また、本技術が適用された保護素子は、発熱体を発熱体付き基板の可溶導体と接する面側に形成してもよい。図１０に示す保護素子６０は、発熱体付き基板７の絶縁基板１３の裏面１３ｂに発熱体６が設けられている。発熱体６は絶縁層３２によって被覆されることにより保護及び絶縁が図られている。また、絶縁層３２には、第２の発熱体電極と１５と接続された中間電極３１が重畳されている。
また、本技術が適用された保護素子は、発熱体を発熱体付き基板の可溶導体と接する面側に形成してもよい。図１０に示す保護素子６０は、発熱体付き基板７の絶縁基板１３の裏面１３ｂに発熱体６が設けられている。発熱体６は絶縁層３２によって被覆されることにより保護及び絶縁が図られている。また、絶縁層３２には、第２の発熱体電極と１５と接続された中間電極３１が重畳されている。
中間電極３１は、絶縁層３２を介して発熱体６と重畳されている。また、中間電極３１は、導電接続材料９を介して可溶導体５の他方の面５ｂに接続される。すなわち、保護素子６０は、発熱体６が発熱体付き基板７の可溶導体５と接する面側に形成されている。
また、第１、第２の発熱体電極１４，１５も、絶縁基板１３の裏面１３ｂに形成されているため、第１、第２の発熱体通電電極３３，３４を形成する必要もなく、ベース基板２に形成された第３、第４の電極３５，３６と接続される。中間電極３１は、第２の発熱体電極１５から絶縁層３２上にかけて形成されている。
保護素子６０においても、可溶導体は他方の面と発熱体付き基板との接点が１箇所である。すなわち、可溶導体５は中間電極３１の１点で接している。したがって、保護素子６０は、高温環境と低温環境への曝露が繰り返された場合にも、絶縁基板１３との線膨張係数の違いにより可溶導体５に内部応力が生じ、歪みや破断等の損傷が生じることを防止することができる。また、保護素子６０は、発熱体６が絶縁層３２及び中間電極３１を介して可溶導体５と接することから、可溶導体５へ発熱体６の熱がより伝わりやすく、速溶断性に優れる。
なお、保護素子４０の変形例として、保護素子５０と同様に発熱体付き基板７に複数の発熱体６を形成してもよい（図１１参照）。また、保護素子６０の変形例として、保護素子４０と同様にベース基板２に複数の可溶導体５を形成してもよく、あるいは保護素子５０と同様に発熱体付き基板７に複数の発熱体６を形成してもよい。
［バッテリパック］
このような保護素子１，４０，５０，６０は、例えばリチウムイオン二次電池のバッテリパック２０内の回路に組み込まれて用いられる。図１２は、保護素子１を用いたバッテリパックの構成例を示す回路図である。図１２に示すように、バッテリパック２０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２１ａ～２１ｄからなるバッテリスタック２５を有する。
このような保護素子１，４０，５０，６０は、例えばリチウムイオン二次電池のバッテリパック２０内の回路に組み込まれて用いられる。図１２は、保護素子１を用いたバッテリパックの構成例を示す回路図である。図１２に示すように、バッテリパック２０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２１ａ～２１ｄからなるバッテリスタック２５を有する。
バッテリパック２０は、バッテリスタック２５と、バッテリスタック２５の充放電を制御する充放電制御回路２６と、バッテリスタック２５の異常時に充放電経路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２１ａ～２１ｄの電圧を検出する検出回路２７と、検出回路２７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２８とを備える。
バッテリスタック２５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２１ａ～２１ｄが直列接続されたものであり、バッテリパック２０の正極端子２０ａ、負極端子２０ｂを介して、着脱可能に充電装置２２に接続され、充電装置２２からの充電電圧が印加される。充電装置２２により充電されたバッテリパック２０は、正極端子２０ａ、負極端子２０ｂ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２６は、バッテリスタック２５と充電装置２２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２３ａ、２３ｂと、これらの電流制御素子２３ａ、２３ｂの動作を制御する制御部２４とを備える。電流制御素子２３ａ、２３ｂ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２４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２５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２４は、充電装置２２から電力供給を受けて動作し、検出回路２７による検出結果に応じて、バッテリスタック２５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２３ａ、２３ｂ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２５と充放電制御回路２６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２８によって制御される。
検出回路２７は、各バッテリセル２１ａ～２１ｄと接続され、各バッテリセル２１ａ～２１ｄの電圧値を検出して、各電圧値を充放電制御回路２６の制御部２４に供給する。また、検出回路２７は、バッテリセル２１ａ～２１ｄのいずれか１つ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２８を制御する制御信号を出力する。
電流制御素子２８は、たとえばＦＥＴにより構成され、検出回路２７から出力される検出信号によって、バッテリセル２１ａ～２１ｄ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２５の充放電電流経路を電流制御素子２３ａ、２３ｂ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２０に用いられる、本発明が適用された保護素子１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１は、第１の外部接続電極１１がバッテリスタック２５側と接続され、第２の外部接続電極１２が正極端子２０ａ側と接続され、これにより可溶導体５がバッテリスタック２５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６が第１の発熱体電極１４～第３の外部接続電極３７を介して電流制御素子２８と接続されるとともに、発熱体６がバッテリスタック２５の開放端と接続される。このように、発熱体６は、一端を中間電極３１を介して可溶導体５及びバッテリスタック２５の一方の開放端と接続され、他端を第３の外部接続電極３３を介して電流制御素子２８及びバッテリスタック２５の他方の開放端と接続される。これにより電流制御素子２８によって通電が制御可能な発熱体６への給電経路が形成される。
［保護素子の動作］
検出回路２７がバッテリセル２１ａ～２１ｄのいずれかの異常電圧を検出すると、電流制御素子２８へ遮断信号を出力する。すると、電流制御素子２８は、発熱体６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２５から、発熱体６に電流が流れ、これにより発熱体６が発熱を開始する。保護素子１は、発熱体６の発熱により可溶導体５が溶断し、バッテリスタック２５の充放電経路を遮断する。また、保護素子１は、可溶導体５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、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５を溶解させることができる。
検出回路２７がバッテリセル２１ａ～２１ｄのいずれかの異常電圧を検出すると、電流制御素子２８へ遮断信号を出力する。すると、電流制御素子２８は、発熱体６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２５から、発熱体６に電流が流れ、これにより発熱体６が発熱を開始する。保護素子１は、発熱体６の発熱により可溶導体５が溶断し、バッテリスタック２５の充放電経路を遮断する。また、保護素子１は、可溶導体５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、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５を溶解させることができる。
ここで、保護素子１は、ベース基板２に支持されている可溶導体５と発熱体付き基板７との接点が１個所である。したがって、熱的強度が求められる発熱体付き基板７の絶縁基板１３としてセラミック基板等が用いられ、可溶導体５との線膨張係数差が大きくなったとしても、リフロー実装や製品の使用環境等により高温環境と低温環境に繰り返し晒された場合に、可溶導体５には内部応力による歪みや破断等の損傷が生じることがなく、外形や寸法の安定性を有する。これにより、可溶導体５は、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、高定格を維持するとともに、発熱体６の発熱によって速やかに溶断することができる。
保護素子１は、可溶導体５が溶断することにより、発熱体６への給電経路も遮断されるため、発熱体６の発熱が停止される。
なお、保護素子１は、バッテリパック２０に定格を超える過電流が通電された場合にも、可溶導体５が自己発熱により溶融し、バッテリパック２０の充放電経路を遮断することができる。
このように、保護素子１は、発熱体６の通電による発熱、あるいは過電流による可溶導体５の自己発熱によって可溶導体５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、低融点金属が高融点金属によって被覆された構造を有することにより、可溶導体５の変形を抑制することができる。したがって、可溶導体５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６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。
１ 保護素子、２ ベース基板、３ 第１の電極、４ 第２の電極、５ 可溶導体、６ 発熱体、７ 発熱体付き基板、８ 保持部、９ 導電接続材料、１１ 第１の外部接続電極、１２ 第２の外部接続電極、１３ 絶縁基板、１４ 第１の発熱体電極、１５ 第２の発熱体電極、１６ 第１の引出電極、１７ 第２の引出電極、１８ 低融点金属層、１９ 高融点金属層、２０ バッテリパック、２１ バッテリセル、２２ 充電装置、２３ 電流制御素子、２４ 制御部、２５ バッテリスタック、２６ 充放電制御回路、２７ 検出回路、２８ 電流制御素子、３１ 中間電極、３２ 絶縁層、３３ 第３の外部接続電極、３４ 第４の外部接続電極、４０ 保護素子、５０ 保護素子、６０ 保護素子
Claims (8)
- 外部回路と接続される第１の電極及び第２の電極を有するベース基板と、
上記ベース基板に一方の面が支持され、上記第１の電極及び第２の電極と接続された可溶導体と、
発熱することにより上記可溶導体を溶断する発熱体が設けられた発熱体付き基板を備え、
上記可溶導体は他方の面と上記発熱体付き基板との接点が１箇所である保護素子。 - 上記発熱体は、上記発熱体付き基板の上記可溶導体と接する面と反対の面側に形成されている請求項１に記載の保護素子。
- 上記発熱体は、上記発熱体付き基板の上記可溶導体と接する面側に形成されている請求項１に記載の保護素子。
- 複数の上記可溶導体を有し、各上記可溶導体と上記発熱体付き基板との接点が１箇所である請求項１～３のいずれか１項に記載の保護素子。
- 上記発熱体付き基板は、セラミック基板である請求項１～４のいずれか１項に記載の保護素子。
- 上記ベース基板は、上記発熱体付き基板よりも、上記可溶導体に対する線膨張係数差が小さい請求項１～５のいずれか１項に記載の保護素子。
- 上記発熱体付き基板は複数の上記発熱体が形成されている請求項１～６のいずれか１項に記載の保護素子。
- 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を備え、
上記保護素子は、
外部回路と接続される第１の電極及び第２の電極を有するベース基板と、
上記ベース基板に一方の面が支持され、上記第１の電極及び第２の電極と接続された可溶導体と、
発熱することにより上記可溶導体を溶断する発熱体が設けられた発熱体付き基板を備え、
上記可溶導体は他方の面と上記発熱体付き基板との接点が１箇所である
バッテリパック。
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