WO2013146290A1

WO2013146290A1 - 保護素子

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Publication number: WO2013146290A1
Application number: PCT/JP2013/057162
Authority: WO
Inventors: 裕二木村; 幸市向; 裕治古内
Original assignee: Dexerials Corp
Current assignee: Dexerials Corp
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2013-03-14
Publication date: 2013-10-03
Anticipated expiration: 2014-09-26
Also published as: JP2013201064A; TWI543224B; EP2851924A4; TW201346965A; KR20140139041A; CN104185888A; JP5844669B2; HK1204505A1; US20150048922A1; EP2851924A1

Description

保護素子

　本発明は、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に関する。
　本出願は、日本国において２０１２年３月２６日に出願された日本特許出願番号特願２０１２－０６９６５８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２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。特に重量エネルギ密度の高いリチウムイオン２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。

　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、ある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、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る。

　このようなリチウムイオン２次電池等向けの保護回路の保護素子として、特許文献１に記載されているように、保護素子内部に発熱体を有し、この発熱体によって電流経路上の可溶導体を溶断する構造が一般的に用いられている。

特開２０１０－３６６５号公報

　特許文献１に記載されている保護素子においては、低融点金属からなる可溶導体（ヒューズ）の表面に酸化防止、溶融促進及び溶断特性向上の目的でフラックスが塗布されている。また、保護素子の品質確保のために保護素子を構成する基板上を覆うようにカバー部材が設けられている。フラックスが可溶導体上に均一に塗布されていることによって、可溶導体の発熱分布が均一になり、可溶導体の溶断特性のばらつきが小さくなる。そこで、カバー部材は、塗布されたフラックスを保持して可溶導体上のフラックス量を均一にするために、カバー部材の内面に、可溶導体上の中央部を囲むように円筒状の突状部を有している。

　しかしながら、円筒状の突状部を、可溶導体上に配置した場合であっても、フラックス中にボイド（気泡）が存在するとボイドの発生した位置によって、フラックス量が変化してしまい、溶断特性にばらつきが生じるとの問題があった。特許文献１には、これに対応するために、円筒状の突状部に切欠を設けてボイドを排出させるようにした保護素子について記載されている。しかしながら、円筒状の突状部に設けた切欠から、ボイドだけでなく、フラックスも流出してしまい、結果として可溶導体上のフラックス塗布量にばらつきが生じてしまうとの問題があった。

　そこで、本発明は、可溶導体上に塗布したフラックスにボイドが発生してもフラックス量を均一にして、溶断特性のばらつきを改良した保護素子を実現することを目的とする。

　上述した課題を解決するための手段として、本発明に係る保護素子は、絶縁基板と、絶縁基板に積層された発熱体と、少なくとも発熱体を覆うように、絶縁基板に積層された絶縁部材と、絶縁部材が積層された絶縁基板に積層された第１及び第２の電極と、発熱体と重畳するように絶縁部材の上に積層され、第１及び第２の電極の間の電流経路上と発熱体とに電気的に接続された発熱体内部電極と、発熱体内部電極から第１及び第２の電極にわたって積層され、加熱により、第１の電極と第２の電極との間の電流経路を溶断する可溶導体と、発熱体と重畳するように、可溶導体上に塗布されたフラックスと、少なくとも可溶導体を覆って絶縁基板に取り付けられるカバー部材とを備える。そして、カバー部材は、発熱体に対向してカバー部材の内面に、フラックスに接するように形成された環状の突状部を有し、環状の突状部の壁面には、突状部内からカバー部材の内面側に連通する連通孔が開口されている。

　本発明は、カバー部材が、発熱体に対向してフラックスに接するように形成された環状の突状部を有し、環状の突状部の壁面には、突状部内からカバー部材の内面側に連通する連通孔が開口されているので、フラックス内に発生したボイドを連通孔から排出すること
ができる。ボイドが排出されることによって、可溶導体上に塗布されたフラックスが均一になって、可溶導体の発熱分布が均一になり、溶断特性のばらつきが低減する。

図１Ａは、本発明が適用された保護素子を構成するカバー部材のＡ－Ａ’部断面図である。図１Ｂは、カバー部材の底面図である。図２Ａは、本発明が適用された保護素子の構成を示すために、カバー部材を取りはずした状態における平面図である。図２Ｂは、図２Ａの保護素子にカバー部材を装着した状態における保護素子の構造を示すＢ－Ｂ’部断面図である。本発明が適用された保護素子の応用例を示すブロック図である。本発明が適用された保護素子の回路構成例を示す図である。図５Ａは、従来の保護素子を構成するカバー部材のＡ－Ａ’部断面図である。図５Ｂは、従来の保護素子を構成するカバー部材の底面図であり、フラックスとフラックス内に発生したボイドが排出される状態を合わせて示した概念図である。（Ｃ）は、保護素子の断面図である。図６Ａは、本発明が適用された保護素子を構成するカバー部材のＡ－Ａ’部断面図である。図６Ｂは、保護素子の底面図であり、フラックス内に発生したボイドと、そのボイドが連通孔から排出される様子を概念的に示した図である。図７Ａは、カバー部材の突状部の壁面に開口された連通孔の例を示す断面図である。図７Ｂは、カバー部材の突状部の壁面に開口された連通孔の他の例を示す断面図である。図８Ａは、本発明の保護素子の実施形態のうちの変形例の１つを示すカバー部材の断面図である。図８Ｂは底面図である。図９Ａは、本発明の保護素子の実施形態のうちの変形例の１つを示すカバー部材の断面図である。図９Ｂは底面図である。図９の変形例に係る柱状支持部材により支持される突状部を示す図である。図１０Ａは、突状部の斜視図である。図１０Ｂは平面図である。図１０Ｃは、正面図である。

　以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることはもちろんである。

　［保護素子の構成］
　図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、カバー部材１は、カバー部材１の内面１ａに、発熱体１４の位置に対向する位置にその先端が配置された突状部２を有する。突状部２は、カバー部材１の内面１ａを底面とし、先端が開口した円筒形状を呈する。円筒状の突状部２は、カバー部材１を保護素子１０の本体に被せて取り付けたときに、可溶導体１３を介して方形状の発熱体１４に対向する位置に配置される。円筒状の突状部２の先端は、可溶導体１３の表面に塗布されたフラックス１７の表面に接する位置となるように、円筒状の突状部２の高さが決定される。円筒状の突状部２の内面２ａは、先端に接したフラックス１７の表面張力によって、フラックス１７が引き寄せられてフラックス１７で満たされるような空間となっている。内面２ａの壁面は、滑らかであってもよく、梨地状でざらざらしていてもよい。突状部２の壁面には、突状部２の内面２ａとカバー部材１の内面１ａ側とを連通する連通孔３が開口されている。カバー部材１は、保護素子１０の内部の保護用に用いられ、絶縁性の材料により形成される。たとえば、ガラスエポキシ、セラミックス等、所定の耐熱性を有する絶縁材料を用いることができる。カバー部材１は、射出成型技術を用いて、突状部２を含めて一体成型により形成するのが一般的だが、突状部２を別の構成部品として、カバー部材１の内面１ａに適切な位置に接着あるいははめ込む等によって構成してもよい。

　図２Ａに示すように、保護素子１０の本体は、絶縁基板１１と、絶縁基板１１に積層され、絶縁部材１５に覆われた発熱体１４と、絶縁基板１１の両端に形成された電極１２，１２と、絶縁部材１５上に発熱体１４と重畳するように積層された発熱体内部電極１６と、両端が電極１２，１２に接続され、中央部が発熱体内部電極１６に接続された可溶導体１３とを備える。可溶導体１３上には、フラックス１７が塗布されている。そして、図２Ｂに示すように、本発明に係る保護素子１０は、図１のカバー部材１が、保護素子１０の本体の絶縁基板１１上に被せられて全体が構成される。カバー部材１を絶縁基板１１上に被せると、円筒状の突状部２がフラックス１７の表面に接し、フラックス１７の表面張力によって、円筒状の突状部２の内部がフラックス１７で満たされる。

　方形状の絶縁基板１１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、ガラスエポキシ基板、フェノール基板等のプリント配線基板に用いられる材料を用いてもよいが、ヒューズ溶断時の温度に留意する必要がある。

　発熱体１４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Ｗ、Ｍｏ、Ｒｕ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１１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。

　発熱体１４を覆うように絶縁部材１５が配置され、この絶縁部材１５を介して発熱体１４に対向するように発熱体内部電極１６が配置される。

　発熱体内部電極１６の一端は、発熱体電極１８に接続される。また、発熱体１４の一端は、他方の発熱体電極１８に接続される。

　可溶導体１３は、所定の電力、熱で溶融し、溶断する導電性の材料であればよく、たとえば、ＢｉＳｎ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。

　フラックス１７は、保護素子１０の製造時においては、粘性が低く、可溶導体１３上に塗布するとほぼ均一に拡がって分布する。時間の経過とともに溶剤が揮発し、粘性が上昇する。

　［保護素子の使用方法］
　図３に示すように、上述した保護素子１０は、リチウムイオン２次電池のバッテリパック内の回路に用いられる。

　たとえば、保護素子１０は、合計４個のリチウムイオン２次電池のバッテリセル２１～２４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に組み込まれて使用される。

　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３０と、バッテリスタック２５と充放電制御回路３０とを保護する本発明が適用された保護素子１０と、各バッテリセル２１～２４の電圧を検出する検出回路２６と、検出回路２６の検出結果に応じて保護素子１０の動作を制御する電流制御素子２７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を保護するための制御を要するバッテリセル２１～２４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３５に接続され、充電装置３５からの充電電圧が印加される。充電装置３５により充電されたバッテリパック２０を正極端子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３０は、バッテリスタック２５から充電装置３５に流れる電流経路に直列接続された２つの電流制御素子３１，３２と、これらの電流制御素子３１，３２の動作を制御する制御部３３とを備える。電流制御素子３１，３２は、たとえば電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴと呼ぶ。）により構成され、制御部３３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の電流経路の導通と遮断とを制御する。制御部３３は、充電装置３５から電力供給を受けて動作し、検出回路２６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３１，３２の動作を制御する。

　保護素子１０は、たとえば、バッテリスタック２５と充放電制御回路３０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２７によって制御される。

　検出回路２６は、各バッテリセル２１～２４と接続され、各バッテリセル２１～２４の電圧値を検出して、各電圧値を充放電制御回路３０の制御部３３に供給する。また、検出回路２６は、いずれか１つのバッテリセル２１～２４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２７を制御する制御信号を出力する。

　電流制御素子２７は、検出回路２６から出力される検出信号によって、バッテリセル２１～２４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１０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３１、３２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において、保護素子１０の構成について具体的に説明する。

　まず、本発明が適用された保護素子１０は、たとえば図４に示すような回路構成を有する。すなわち、保護素子１０は、発熱体内部電極１６を介して直列接続された可溶導体１３と、可溶導体１３の接続点を介して通電して発熱させることによって可溶導体１３を溶融する発熱体１４とからなる回路構成である。また、保護素子１０では、たとえば、可溶導体１３が充放電電流経路上に直列接続され、発熱体１４が電流制御素子２７と接続される。保護素子１０の２個の電極１２，１２のうち、一方は、Ａ１に接続され、他方は、Ａ２に接続される。また、発熱体内部電極１６とこれに接続された発熱体電極１８は、Ｐ１に接続され、他方の発熱体電極１８は、Ｐ２に接続される。

　このような回路構成からなる保護素子１０は、低背化を実現しつつ、発熱体１４の発熱により、電流経路上の可溶導体１３を確実に溶断することができる。

　［カバー部材の機能］
　以下、本発明に係る保護素子１０に用いるカバー部材１の機能について説明するに当たり、従来の保護素子のカバー部材の機能について説明する。

　図５Ａ及び図５Ｂに示すように、従来の保護素子のカバー部材１は、発熱体１４が配置されている位置に対向する位置に、カバー部材１の内面１ａに配置される突状部４２を有する。突状部４２は、円筒状であり、底面がカバー部材１の内面１ａにより構成され、内面４２ａを有し、先端が開口している。突状部４２の先端における面積は、突状部４２に対向する方形状の発熱体１４の面積のほぼ８０％を覆うように設定される。ここで、突状部４２の内面４２ａで構成される空間を満たすようにフラックス１７が表面張力により引き寄せられたときや、フラックス１７を可溶導体１３上に塗布したときにフラックス１７内にボイド（気泡）４４が発生することがある。ボイド４４が突状部４２内にとどまっていると、突状部４２内でフラックス１７が偏在し、可溶導体１３上におけるフラックス１７の均一性が損なわれる。その結果、発熱体１４による可溶導体１３の発熱分布に不均一性を生じ、可溶導体１３の溶断特性のばらつきの原因となる。

　図５Ｂに示すように、カバー部材１は、突状部４２の先端から突状部４２の底面であるカバー部材１の内面１ａに向かって形成された切欠４３を有する。

　図５Ｃに示すように、突状部４２内のフラックス中で発生した破線の位置のボイド４４は、浮力によって、切欠４３を通って、カバー部材１の内面１ａの側へと排出される。しかしながら、切欠４３のある箇所では、突状部２の先端とフラックス１７との間の表面張力がはたらかないので、フラックス１７は、切欠４３を通って可溶導体１３上に流れ出てしまう。このため、突状部４２が保持しているフラックス１７の量が減少し、可溶導体１３上のフラックス１７の塗布量に差異が生じてしまう。その結果、可溶導体１３上の発熱体１４に対応する箇所の発熱分布に偏在が生じ、可溶導体１３の溶断特性のばらつきの原因となってしまう。

　図６Ａに示すように、本発明に係る保護素子１０においては、発熱体１４に対向してカバー部材１の突状部２の先端の周上すべてにフラックス１７が接するように突状部２が形成されているので、発熱体１４の表面積を十分カバーできるような広い面積で十分な量のフラックス１７を引き寄せることができる。また、図６Ｂに示すように、円筒状の突状部２には、突状部２の内面２ａからカバー部材１の内面１ａ側に連通する連通孔３が開口されているので、フラックス１７中に発生したボイド４は、浮力にしたがって、連通孔３を通って、突状部２内からカバー部材１の内面１ａの方へ排出される。したがって、ボイド４のみが連通孔を通って排出され、フラックス１７は、可溶導体１３上の発熱体１４に対応する位置に均一な量をもってとどまることになる。

　ここで、図７Ａに示すように、突状部２の壁面に形成される連通孔３は、連通孔３の突状部２の先端側の面３ａと、カバー部材１側の面３ｂと、図示されない側面とに囲まれて形成される。この場合において、カバー部材１側の面３ｂは、カバー部材１の内面１ａと同じ平面上にあることが好ましい。図７Ｂに示すように、連通孔３のカバー部材１側の面３ｂが、カバー部材１の内面１ａから段差を有するように形成された場合には、浮力によってカバー部材１の内面１ａ側に移動したボイド４に対してこの段差が障壁となるので、ボイド４が排出されにくくなることに留意が必要である。また、たとえばカバー部材１の内面１ａのうちの円筒状の突状部４６内の底面に対応する部分の厚さを連通孔３から傾斜をもって次第に厚くなるように設定すると、発生したボイドが連通孔３に向かってガイドされるようになり、排出しやすくなる。

　なお、上述においては、連通孔の形状は、方形状に限らず、楕円形状でも、任意の形状でよいのはもちろんである。

　［変形例１］
　突状部４６の壁面に開口される連通孔４７は、１個に限られず、複数個あってもよく、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、突状部４６の円周上に均等な距離だけ離間させて、４個開口してもよい。突状部４６内のフラックス１７中のボイドは、浮力によって突状部４６の内面４６ａ側を移動するので、連通孔４７が開口される箇所を多くすることによって、突状部４６内のボイドを効率よく排出することができるようになる。

　［変形例２］
　連通孔の開口した面積を増やすことによって、突状部内のフラックス１７中のボイドを、より効率的に排出することができる。図９Ａ及び図９Ｂに示すように、カバー部材１は、端部がいずれも開口され、内面２ａを有する円筒状の突状部２と、突状部２のカバー部材１の内面１ａ側の面２ｃの一部に一端が接続された柱状支持部４８とを有している。そして、カバー部材１は、柱状支持部４８の他端がカバー部材１の内面１ａに接続されている。この変形例におけるカバー部材１では、突状部２を柱状支持部４８によって支持して、突状部２のフラックス１７に接しない側の面２ｃとカバー部材１の内面１ａとの間に連通孔３がスリット状に形成される。突状部２をこのように構成することによって、突状部２の内面２ａ側に発生したフラックス１７のボイド４は、ほぼすべての方向に対して、カバー部材１の内面１ａの側へ排出されることができる。

　一方で、突状部２のフラックス１７に接する側の円周面は、円周面すべてがフラックス１７に接することができるので、フラックス１７の流出経路を形成することなく、可溶導体１３上のフラックス１７を均等に引き寄せることが可能となる。

　図９Ａ及び図９Ｂに示したような突状部２と突状部２に接続された柱状支持部４８とは、カバー部材１と、射出成型技術を用いて、一体成型により形成することができる。

　あるいは、図１０Ａ～図１０Ｃに示すように、突状部２と、突状部２に接続された柱状支持部４８とから構成される突状部材を単独で一体成型し、別に一体成型された突状部を有しないカバー部材と接続することによって形成することも可能である。

　なお、上述においては、同一周長に対して最大面積となるのが円であることから、環状の突状部として、すべて円筒状の突状部とした。ただし、円筒状に限らず、楕円筒であってもよく、三角形や他の多角形の筒状であってもよいのはもちろんである。

１　カバー部材、１ａ　カバー部材の内面、２、４２、４４、４６～５７　突状部、２ａ、４２ａ～４９ａ　突状部の内面、１０　保護素子、１１　絶縁基板、１２　電極、１３　可溶導体、１４　発熱体、１５　絶縁部材、１６　発熱体内部電極、１７　フラックス、１８　発熱体電極、２０　バッテリパック、２０ａ　正極端子、２０ｂ　負極端子、２１～２４　バッテリセル、２５　バッテリスタック、２６　検出回路、２７、３１，３２　電流制御素子、３０　充放電制御回路、３３　制御部、３５　充電装置

Claims

　絶縁基板と、
　上記絶縁基板に積層された発熱体と、
　少なくとも上記発熱体を覆うように、上記絶縁基板に積層された絶縁部材と、
　上記絶縁部材が積層された上記絶縁基板に積層された第１及び第２の電極と、
　上記発熱体と重畳するように上記絶縁部材の上に積層され、上記第１及び第２の電極の間の電流経路上と該発熱体とに電気的に接続された発熱体内部電極と、
　上記発熱体内部電極から上記第１及び第２の電極にわたって積層され、加熱により、該第１の電極と該第２の電極との間の電流経路を溶断する可溶導体と、
　上記発熱体と重畳するように、上記低融点金属上に塗布されたフラックスと、
　少なくとも上記低融点金属を覆って上記絶縁基板に取り付けられるカバー部材とを備え、
　上記カバー部材は、上記発熱体に対向して該カバー部材の内面に、上記フラックスに接するように形成された環状の突状部を有し、
　上記環状の突状部の壁面には、該突状部内から上記カバー部材の内面側に連通する連通孔が開口されていることを特徴とする保護素子。
　上記環状の突状部には、複数個の上記連通孔が開口されていることを特徴とする請求項１記載の保護素子。
　上記環状の突状部は、円筒形状であり、上記複数個の連通孔は、該円筒形状の周上を均等な距離だけ離間して開口されていることを特徴とする請求項２記載の保護素子。
　上記連通孔は、上記カバー部材の内面と同一面を有することを特徴とする請求１～３いずれか１項記載の保護素子。
　上記環状の突状部は、柱状の支持部により上記カバー部材の内面に接続されていることを特徴とする請求項１記載の保護素子。