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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2021-174575(P2021-174575A)
(43)【公開日】2021年11月1日
(54)【発明の名称】保護素子及びバッテリパック
(51)【国際特許分類】
H01H 37/76 20060101AFI20211004BHJP
B60L 3/00 20190101ALI20211004BHJP
B60L 58/10 20190101ALI20211004BHJP
H02H 7/18 20060101ALI20211004BHJP
H02J 7/00 20060101ALI20211004BHJP
【ＦＩ】
H01H37/76 Q
B60L3/00 H
B60L58/10
H02H7/18
H02J7/00 S
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】ＯＬ
【全頁数】35
(21)【出願番号】特願2020-74410(P2020-74410)
(22)【出願日】2020年4月17日
(71)【出願人】
【識別番号】000108410
【氏名又は名称】デクセリアルズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100113424
【弁理士】
【氏名又は名称】野口 信博
(74)【代理人】
【識別番号】100185845
【弁理士】
【氏名又は名称】穂谷野 聡
(72)【発明者】
【氏名】木村 裕二
(72)【発明者】
【氏名】小森 千智
【テーマコード（参考）】
5G053
5G502
5G503
5H125
【Ｆターム（参考）】
5G053AA01
5G053AA02
5G053AA08
5G053BA08
5G053CA01
5G053EA06
5G053EC05
5G053FA05
5G502AA01
5G502AA02
5G502BA08
5G502BB08
5G502BC08
5G502BD02
5G502CC04
5G502CC32
5G502FF08
5G503BA03
5G503BB02
5G503CA01
5G503CB02
5G503FA14
5G503GA01
5G503GA19
5G503GD02
5G503GD06
5H125AA01
5H125AC12
5H125BC01
5H125CD04
5H125EE22
5H125EE23
5H125FF04
(57)【要約】
【課題】高電圧が印加された場合でもスパークが発生しにくく安全かつ速やかに電流経路を遮断できる保護素子及びこれを用いたバッテリパックを提供する。【解決手段】絶縁基板２と、ヒューズエレメント３と、ヒューズエレメント３を溶断する発熱体４と、発熱体給電電極５と、発熱体給電電極５から引き出され、発熱体４の一端部と接続された第１の引出電極６と、ヒューズエレメント３と接する中間電極８と、発熱体４及び中間電極８を接続する発熱体接続電極９と、発熱体接続電極９から引き出され、発熱体４の他端部と接続された第２の引出電極１０と、発熱体４、第１の引出電極６及び第２の引出電極１０を被覆し、中間電極８が積層された絶縁層７を有し、中間電極８は、絶縁層７を介して、第１の引出電極６と重畳せず、且つ第２の引出電極１０と重畳する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
絶縁基板と、
上記絶縁基板の一面側に設けられたヒューズエレメントと、
上記絶縁基板の一面側に形成され、発熱により上記ヒューズエレメントを溶断する発熱体と、
上記絶縁基板の一面側に形成され、上記発熱体を発熱させる電流が給電される発熱体給電電極と、
上記発熱体給電電極から引き出され、上記発熱体の一端部と接続された第１の引出電極と、
上記ヒューズエレメントと接する中間電極と、
上記絶縁基板の一面側の、上記発熱体及び上記中間電極との間に形成され、上記発熱体及び上記中間電極を接続する発熱体接続電極と、
上記発熱体接続電極から引き出され、上記発熱体の他端部と接続された第２の引出電極と、
上記発熱体、上記第１の引出電極及び上記第２の引出電極を被覆し、上記中間電極が積層された絶縁層を有し、
上記中間電極は、上記絶縁層を介して、上記第１の引出電極と重畳せず、且つ上記第２の引出電極と重畳する、保護素子。
上記絶縁基板の一面側に設けられたヒューズエレメントと、
上記絶縁基板の一面側に形成され、発熱により上記ヒューズエレメントを溶断する発熱体と、
上記絶縁基板の一面側に形成され、上記発熱体を発熱させる電流が給電される発熱体給電電極と、
上記発熱体給電電極から引き出され、上記発熱体の一端部と接続された第１の引出電極と、
上記ヒューズエレメントと接する中間電極と、
上記絶縁基板の一面側の、上記発熱体及び上記中間電極との間に形成され、上記発熱体及び上記中間電極を接続する発熱体接続電極と、
上記発熱体接続電極から引き出され、上記発熱体の他端部と接続された第２の引出電極と、
上記発熱体、上記第１の引出電極及び上記第２の引出電極を被覆し、上記中間電極が積層された絶縁層を有し、
上記中間電極は、上記絶縁層を介して、上記第１の引出電極と重畳せず、且つ上記第２の引出電極と重畳する、保護素子。
【請求項2】
絶縁基板と、
上記絶縁基板の一面側に設けられたヒューズエレメントと、
上記絶縁基板の一面側に形成され、発熱により上記ヒューズエレメントを溶断する発熱体と、
上記絶縁基板の一面側に形成され、上記発熱体を発熱させる電流が給電される発熱体給電電極と、
上記発熱体給電電極から引き出され、上記発熱体の一端部と接続された第１の引出電極と、
上記ヒューズエレメントと接する中間電極と、
上記絶縁基板の一面側の、上記発熱体及び上記中間電極との間に形成され、上記発熱体及び上記中間電極を接続する発熱体接続電極と、
上記発熱体接続電極から引き出され、上記発熱体の他端部と接続された第２の引出電極と、
上記発熱体、上記第１の引出電極及び上記第２の引出電極を被覆し、上記中間電極が積層された絶縁層を有し、
平面視において、上記第１の引出電極、上記発熱体、上記第２の引出電極、上記中間電極の順に配置されている、保護素子。
上記絶縁基板の一面側に設けられたヒューズエレメントと、
上記絶縁基板の一面側に形成され、発熱により上記ヒューズエレメントを溶断する発熱体と、
上記絶縁基板の一面側に形成され、上記発熱体を発熱させる電流が給電される発熱体給電電極と、
上記発熱体給電電極から引き出され、上記発熱体の一端部と接続された第１の引出電極と、
上記ヒューズエレメントと接する中間電極と、
上記絶縁基板の一面側の、上記発熱体及び上記中間電極との間に形成され、上記発熱体及び上記中間電極を接続する発熱体接続電極と、
上記発熱体接続電極から引き出され、上記発熱体の他端部と接続された第２の引出電極と、
上記発熱体、上記第１の引出電極及び上記第２の引出電極を被覆し、上記中間電極が積層された絶縁層を有し、
平面視において、上記第１の引出電極、上記発熱体、上記第２の引出電極、上記中間電極の順に配置されている、保護素子。
【請求項3】
上記第２の引出電極と上記中間電極は、平面視において重畳されていない請求項２に記載の保護素子。
【請求項4】
上記中間電極の両側に、上記発熱体、上記第１の引出電極、及び上記第２の引出電極が、それぞれ設けられている請求項１又は２に記載の保護素子。
【請求項5】
上記絶縁基板の一面と反対側の他面には、上記ヒューズエレメントの溶融導体を保持する保持電極が形成され、
上記中間電極と上記保持電極とが、上記絶縁基板を貫通する貫通孔を介して連続される請求項４に記載の保護素子。
上記中間電極と上記保持電極とが、上記絶縁基板を貫通する貫通孔を介して連続される請求項４に記載の保護素子。
【請求項6】
上記絶縁基板は、溶融した上記ヒューズエレメントの溶融導体を、上記貫通孔を介して上記保持電極側に吸引する溶断部材を構成し、
上記ヒューズエレメントが上記溶断部材に挟持されている請求項５記載の保護素子。
上記ヒューズエレメントが上記溶断部材に挟持されている請求項５記載の保護素子。
【請求項7】
絶縁基板と、
上記絶縁基板の一面側に設けられたヒューズエレメントと、
上記絶縁基板の上記一面と反対の他面側に形成され、発熱により上記ヒューズエレメントを溶断する発熱体と、
上記絶縁基板の他面側に形成され、上記発熱体を発熱させる電流が給電される発熱体給電電極と、
上記発熱体給電電極から引き出され、上記発熱体の一端部と接続された第１の引出電極と、
上記絶縁基板の一面側に形成され、上記ヒューズエレメントが配置された中間電極と、
上記絶縁基板の他面側の、上記発熱体及び上記中間電極との間に形成され、上記発熱体及び上記中間電極を接続する発熱体接続電極と、
上記発熱体接続電極から引き出され、上記発熱体の他端部と接続された第２の引出電極と、
上記発熱体、上記第１の引出電極及び上記第２の引出電極を被覆する絶縁層を有し、
上記中間電極は、上記絶縁基板を介して、上記第２の引出電極と重畳する、保護素子。
上記絶縁基板の一面側に設けられたヒューズエレメントと、
上記絶縁基板の上記一面と反対の他面側に形成され、発熱により上記ヒューズエレメントを溶断する発熱体と、
上記絶縁基板の他面側に形成され、上記発熱体を発熱させる電流が給電される発熱体給電電極と、
上記発熱体給電電極から引き出され、上記発熱体の一端部と接続された第１の引出電極と、
上記絶縁基板の一面側に形成され、上記ヒューズエレメントが配置された中間電極と、
上記絶縁基板の他面側の、上記発熱体及び上記中間電極との間に形成され、上記発熱体及び上記中間電極を接続する発熱体接続電極と、
上記発熱体接続電極から引き出され、上記発熱体の他端部と接続された第２の引出電極と、
上記発熱体、上記第１の引出電極及び上記第２の引出電極を被覆する絶縁層を有し、
上記中間電極は、上記絶縁基板を介して、上記第２の引出電極と重畳する、保護素子。
【請求項8】
上記中間電極は、上記第１の引出電極とも重畳する、請求項７に記載の保護素子。
【請求項9】
上記中間電極は、上記第１の引出電極と重畳しない、請求項７に記載の保護素子。
【請求項10】
上記中間電極の両側に、上記発熱体、上記第１の引出電極、及び上記第２の引出電極が、それぞれ設けられている請求項７〜９のいずれか１項に記載の保護素子。
【請求項11】
上記絶縁層上に、上記ヒューズエレメントの溶融導体を保持する保持電極が形成され、
上記中間電極と上記保持電極とが、上記絶縁基板を貫通する貫通孔を介して連続される請求項１０に記載の保護素子。
上記中間電極と上記保持電極とが、上記絶縁基板を貫通する貫通孔を介して連続される請求項１０に記載の保護素子。
【請求項12】
上記絶縁基板は、溶融した上記ヒューズエレメントの溶融導体を、上記貫通孔を介して上記保持電極側に吸引する溶断部材を構成し、
上記ヒューズエレメントが上記溶断部材に挟持されている請求項１１に記載の保護素子。
上記ヒューズエレメントが上記溶断部材に挟持されている請求項１１に記載の保護素子。
【請求項13】
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、
絶縁基板と、
上記絶縁基板の一面側に設けられたヒューズエレメントと、
上記絶縁基板の一面側に形成され、発熱により上記ヒューズエレメントを溶断する発熱体と、
上記絶縁基板の一面側に形成され、上記発熱体を発熱させる電流が給電される発熱体給電電極と、
上記発熱体給電電極から引き出され、上記発熱体の一端部と接続された第１の引出電極と、
上記ヒューズエレメントと接する中間電極と、
上記絶縁基板の一面側の、上記発熱体及び上記中間電極との間に形成され、上記発熱体及び上記中間電極を接続する発熱体接続電極と、
上記発熱体接続電極から引き出され、上記発熱体の他端部と接続された第２の引出電極と、
上記発熱体、上記第１の引出電極及び上記第２の引出電極を被覆し、上記中間電極が積層された絶縁層を有し、
上記中間電極は、上記絶縁層を介して、上記第１の引出電極と重畳せず、且つ上記第２の引出電極と重畳する、
バッテリパック。
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、
絶縁基板と、
上記絶縁基板の一面側に設けられたヒューズエレメントと、
上記絶縁基板の一面側に形成され、発熱により上記ヒューズエレメントを溶断する発熱体と、
上記絶縁基板の一面側に形成され、上記発熱体を発熱させる電流が給電される発熱体給電電極と、
上記発熱体給電電極から引き出され、上記発熱体の一端部と接続された第１の引出電極と、
上記ヒューズエレメントと接する中間電極と、
上記絶縁基板の一面側の、上記発熱体及び上記中間電極との間に形成され、上記発熱体及び上記中間電極を接続する発熱体接続電極と、
上記発熱体接続電極から引き出され、上記発熱体の他端部と接続された第２の引出電極と、
上記発熱体、上記第１の引出電極及び上記第２の引出電極を被覆し、上記中間電極が積層された絶縁層を有し、
上記中間電極は、上記絶縁層を介して、上記第１の引出電極と重畳せず、且つ上記第２の引出電極と重畳する、
バッテリパック。
【請求項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、
絶縁基板と、
上記絶縁基板の一面側に設けられたヒューズエレメントと、
上記絶縁基板の一面側に形成され、発熱により上記ヒューズエレメントを溶断する発熱体と、
上記絶縁基板の一面側に形成され、上記発熱体を発熱させる電流が給電される発熱体給電電極と、
上記発熱体給電電極から引き出され、上記発熱体の一端部と接続された第１の引出電極と、
上記ヒューズエレメントと接する中間電極と、
上記絶縁基板の一面側の、上記発熱体及び上記中間電極との間に形成され、上記発熱体及び上記中間電極を接続する発熱体接続電極と、
上記発熱体接続電極から引き出され、上記発熱体の他端部と接続された第２の引出電極と、
上記発熱体、上記第１の引出電極及び上記第２の引出電極を被覆し、上記中間電極が積層された絶縁層を有し、
平面視において、上記第１の引出電極、上記発熱体、上記第２の引出電極、上記中間電極の順に配置されている、
バッテリパック。
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、
絶縁基板と、
上記絶縁基板の一面側に設けられたヒューズエレメントと、
上記絶縁基板の一面側に形成され、発熱により上記ヒューズエレメントを溶断する発熱体と、
上記絶縁基板の一面側に形成され、上記発熱体を発熱させる電流が給電される発熱体給電電極と、
上記発熱体給電電極から引き出され、上記発熱体の一端部と接続された第１の引出電極と、
上記ヒューズエレメントと接する中間電極と、
上記絶縁基板の一面側の、上記発熱体及び上記中間電極との間に形成され、上記発熱体及び上記中間電極を接続する発熱体接続電極と、
上記発熱体接続電極から引き出され、上記発熱体の他端部と接続された第２の引出電極と、
上記発熱体、上記第１の引出電極及び上記第２の引出電極を被覆し、上記中間電極が積層された絶縁層を有し、
平面視において、上記第１の引出電極、上記発熱体、上記第２の引出電極、上記中間電極の順に配置されている、
バッテリパック。
【請求項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、
絶縁基板と、
上記絶縁基板の一面側に設けられたヒューズエレメントと、
上記絶縁基板の上記一面と反対の他面側に形成され、発熱により上記ヒューズエレメントを溶断する発熱体と、
上記絶縁基板の他面側に形成され、上記発熱体を発熱させる電流が給電される発熱体給電電極と、
上記発熱体給電電極から引き出され、上記発熱体の一端部と接続された第１の引出電極と、
上記絶縁基板の一面側に形成され、上記ヒューズエレメントが配置された中間電極と、
上記絶縁基板の他面側の、上記発熱体及び上記中間電極との間に形成され、上記発熱体及び上記中間電極を接続する発熱体接続電極と、
上記発熱体接続電極から引き出され、上記発熱体の他端部と接続された第２の引出電極と、
上記発熱体、上記第１の引出電極及び上記第２の引出電極を被覆する絶縁層を有し、
上記中間電極は、上記絶縁基板を介して、上記第２の引出電極と重畳する、
バッテリパック。
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、
絶縁基板と、
上記絶縁基板の一面側に設けられたヒューズエレメントと、
上記絶縁基板の上記一面と反対の他面側に形成され、発熱により上記ヒューズエレメントを溶断する発熱体と、
上記絶縁基板の他面側に形成され、上記発熱体を発熱させる電流が給電される発熱体給電電極と、
上記発熱体給電電極から引き出され、上記発熱体の一端部と接続された第１の引出電極と、
上記絶縁基板の一面側に形成され、上記ヒューズエレメントが配置された中間電極と、
上記絶縁基板の他面側の、上記発熱体及び上記中間電極との間に形成され、上記発熱体及び上記中間電極を接続する発熱体接続電極と、
上記発熱体接続電極から引き出され、上記発熱体の他端部と接続された第２の引出電極と、
上記発熱体、上記第１の引出電極及び上記第２の引出電極を被覆する絶縁層を有し、
上記中間電極は、上記絶縁基板を介して、上記第２の引出電極と重畳する、
バッテリパック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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、蓄電池等に採用が検討され、一部採用が開始されている。これらの用途において、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。
【0006】
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も提案されている。
【0007】
図２７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）は断面図であり、（Ｃ）は底面図である。図２７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た第１、第２の電極１０２、１０３と、絶縁基板１０１の表面に形成された発熱体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と接続された中間電極１０６と、第１の電極１０２、中間電極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。
【0008】
第１、第２の電極１０２，１０３は、保護素子１００が接続される外部回路の電流経路上に接続される端子部であり、第１の電極１０２は絶縁基板１０１の裏面に形成された第１の外部接続電極１０２ａとキャスタレーションを介して接続され、第２の電極１０３は絶縁基板１０１の裏面に形成された第２の外部接続電極１０３ａとキャスタレーションを介して接続されている。保護素子１００は、第１、第２の外部接続電極１０２ａ，１０３ａが、保護素子１００が実装される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、ヒューズエレメント１０７が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。
【0009】
発熱体１０４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。また、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第３の外部接続電極１０８ａとキャスタレーションを介して接続されている。保護素子１００は、第３の外部接続電極１０８ａが、保護素子１００が実装される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１０４が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。
【0010】
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上に中間電極１０６が形成されることにより、絶縁層１０５を介して中間電極１０６が重畳されている。また、中間電極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。
【0011】
これにより、保護素子１００は、発熱体１０４とヒューズエレメント１０７が重畳されることにより熱的に接続され、発熱体１０４が通電によって発熱するとヒューズエレメント１０７を溶断することができる。
【0012】
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やＡｇ、Ｃｕ又はこれらを主成分とする合金などの高融点金属により形成され、あるいは低融点金属と高融点金属の積層構造を有する。そして、ヒューズエレメント１０７は、第１の電極１０２から中間電極１０６を跨って第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。
【0013】
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、保護素子１００は、発熱体１０４が高温に発熱され、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が溶融される。ヒューズエレメント１０７の溶融導体は、濡れ性の高い中間電極１０６及び第１、第２の電極１０２，１０３に引き寄せられることによりヒューズエレメント１０７が溶断される。したがって、保護素子１００は、第１の電極１０２〜中間電極１０６〜第２の電極１０３の間を溶断させ、外部回路の電流経路を遮断することができる。
【0014】
なお、保護素子としては、図２７に示す構成の他にも図２８に示すように、２つの発熱体１０４を備えたものも提案されている。図２８に示す保護素子１１０は、絶縁基板１０１の表面上の第１、第２の電極１０２，１０３間に、２つの発熱体１０４が並列して設けられている。各発熱体１０４は絶縁層１０５によって被覆されるとともに、絶縁層１０５上に設けられた中間電極１０６が、両発熱体１０４間にわたって跨るように重畳形成されている。
【0015】
また、図２８に示す保護素子１１０では、絶縁基板１０１の裏面に保持電極１１１が形成されるとともに、中間電極１０６と保持電極１１１間を貫く複数の貫通孔１１２が設けられている。保持電極１１１及び貫通孔１１２は、中間電極１０６上で溶融したヒューズエレメント１０７の溶融導体を吸引して大電流用途に対応して大型化したヒューズエレメント１０７の溶融導体の保持容量を増加させるものであり、貫通孔１１２の内周面には導電層が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0016】
【特許文献1】特開２０１８−７８０４６号公報
【特許文献2】特開２０１８−１５６９５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0017】
図２７に示す保護素子１００や図２８に示す保護素子１１０のような従来構造では、大電流用途のリチウムイオン二次電池の保護回路に用いられた場合、発熱体１０４に電力を供給する外部電源として当該大電流用途のリチウムイオン二次電池が用いられることから、保護素子１００の作動時に発熱体給電電極１０８に高電圧が印加されることとなる。
【0018】
このため、保護素子１００においては、図２９に示すように、発熱体給電電極１０８から中間電極１０６の先端へスパーク（放電）が発生し、中間電極１０６が破損する場合がある。そして、中間電極１０６が破損すると、破損個所においてヒューズエレメント１０７への熱伝導率が下がり、ヒューズエレメント１０７を溶断させるまでの時間が延びて、速やかに安全に電流経路を遮断することができなくなる恐れがある。
【0019】
また、図３０に示すように、保護素子１１０においても、発熱体給電電極１０８から中間電極１０６の先端へスパークが発生し中間電極１０６が破損すると、破損個所においてヒューズエレメント１０７への熱伝導率が下がり、ヒューズエレメント１０７を溶断させるまでの時間が延びて、速やかに安全に電流経路を遮断することができなくなる恐れがある。また、絶縁層（ガラス層）１０５は発熱体１０４の熱を効率よく中間電極１０６やヒューズエレメント１０７へ伝えるために、厚みが１０〜４０μｍと薄く形成されており、長時間にわたって発熱体１０４の熱が加わることにより破損が生じることがある。そして、図３１に示すように、絶縁層１０５の破損個所において発熱体１０４の高電位側から中間電極１０６の中央部へスパークが発生する恐れがある。これにより中間電極１０６が破損すると、絶縁層１０５の破損に加え中間電極１０６の破損により、ヒューズエレメント１０７への熱伝導率が下がり、ヒューズエレメント１０７を溶断させるまでの時間が延びて、速やかに安全に電流経路を遮断することができなくなる恐れがある。
【0020】
このようなスパークに伴う電極破壊によってヒューズエレメントが融け残り、電流遮断が阻害されるリスクは、高電圧、大電流化に伴ってヒューズエレメントが大型化するにつれて、また、電流定格が向上し電界強度が高くなるにつれて、さらには、保護素子の小型化に伴う発熱体給電電極１０８と中間電極１０６との近接化や絶縁層の薄型化に伴って、大きくなる。
【0021】
したがって、発熱体を内蔵した保護素子において、高電圧、大電流化に対応するとともに、素子内部で電極破壊を起こすことなく、より安全に且つ速やかに作動する対策が求められている。
【0022】
そこで、本技術は、高電圧が印加された場合でもスパークが発生しにくく安全かつ速やかに電流経路を遮断できる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を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0023】
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、絶縁基板と、上記絶縁基板の一面側に設けられたヒューズエレメントと、上記絶縁基板の一面側に形成され、発熱により上記ヒューズエレメントを溶断する発熱体と、上記絶縁基板の一面側に形成され、上記発熱体を発熱させる電流が給電される発熱体給電電極と、上記発熱体給電電極から引き出され、上記発熱体の一端部と接続された第１の引出電極と、上記ヒューズエレメントと接する中間電極と、上記絶縁基板の一面側の、上記発熱体及び上記中間電極との間に形成され、上記発熱体及び上記中間電極を接続する発熱体接続電極と、上記発熱体接続電極から引き出され、上記発熱体の他端部と接続された第２の引出電極と、上記発熱体、上記第１の引出電極及び上記第２の引出電極を被覆し、上記中間電極が積層された絶縁層を有し、上記中間電極は、上記絶縁層を介して、上記第１の引出電極と重畳せず、且つ上記第２の引出電極と重畳するものである。
【0024】
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、絶縁基板と、上記絶縁基板の一面側に設けられたヒューズエレメントと、上記絶縁基板の一面側に形成され、発熱により上記ヒューズエレメントを溶断する発熱体と、上記絶縁基板の一面側に形成され、上記発熱体を発熱させる電流が給電される発熱体給電電極と、上記発熱体給電電極から引き出され、上記発熱体の一端部と接続された第１の引出電極と、上記ヒューズエレメントと接する中間電極と、上記絶縁基板の一面側の、上記発熱体及び上記中間電極との間に形成され、上記発熱体及び上記中間電極を接続する発熱体接続電極と、上記発熱体接続電極から引き出され、上記発熱体の他端部と接続された第２の引出電極と、上記発熱体、上記第１の引出電極及び上記第２の引出電極を被覆し、上記中間電極が積層された絶縁層を有し、上記中間電極は、上記絶縁層を介して、上記第１の引出電極と重畳せず、且つ上記第２の引出電極と重畳するものである。
【発明の効果】
【0025】
本技術によれば、高電圧が印加される発熱体給電電極から第１の引出電極を引き出すと共に、中間電極が第１の引出電極と重畳せず、且つ第２の引出電極と重畳することにより、中間電極が第１の引出電極から離間された位置に形成される。これにより、高電位部となる第１の引出電極と低電位部となる中間電極との間の放電経路が形成されにくくなり、スパークが発生しにくくされている。したがって、絶縁層や中間電極が破損することなく、ヒューズエレメントへの熱伝導率を維持し、ヒューズエレメントを速やかに溶断させることができ、安全に電流経路を遮断することができる。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【発明を実施するための形態】
【0027】
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。
【0028】
［第１の実施の形態］本技術が適用された保護素子の第１の実施の形態について説明する。本技術が適用された保護素子１は、図１（Ａ）〜（Ｃ）、図２に示すように、絶縁基板２と、絶縁基板２の表面２ａ側に設けられたヒューズエレメント３と、絶縁基板２の表面２ａ側に形成され、発熱によりヒューズエレメント３を溶断する発熱体４と、絶縁基板２の表面２ａ側に形成され、発熱体４を発熱させる電流が給電される発熱体給電電極５と、発熱体給電電極５から引き出され、発熱体４の一端部４ａと接続された第１の引出電極６と、ヒューズエレメント３が搭載された中間電極８と、絶縁基板２の表面２ａ側の、発熱体４及び中間電極８との間に形成され、発熱体４及び中間電極８を接続する発熱体接続電極９と、発熱体接続電極９から引き出され、発熱体４の他端部４ｂと接続された第２の引出電極１０と、発熱体４、第１の引出電極６及び第２の引出電極１０を被覆し、中間電極８が積層された絶縁層７を有する。
【0029】
そして、図１（Ａ）に示すように、保護素子１は、平面視において、中間電極８が第１の引出電極６と重畳せず且つ第２の引出電極１０と重畳する。保護素子１は、発熱体給電電極５を介して発熱体４が通電されると、発熱体給電電極５から引き出された第１の引出電極６が第２の引出電極１０に対して高電位となり、第２の引出電極１０は低電位となる。これにより、保護素子１は、高電圧が印加された場合でもスパーク（放電）が発生しにくく安全かつ速やかに電流経路を遮断できる。これは以下の理由によるものと思われる。
【0030】
すなわち、スパークは絶縁層を介して対向する電極間において、高電位部から低電位部にかけて絶縁破壊が生じることにより瞬間的に大電流が流れる現象である。外部電源と接続され発熱体４に高電圧を印加する発熱体給電電極５及びこれより引き出された第１の引出電極６は、中間電極８と接続された発熱体接続電極９及びこれより引き出された第２の引出電極１０よりも高電位とされている。発熱体接続電極９からは発熱体４に給電するための電流は印加されない。
【0031】
保護素子１は、高電圧が印加される発熱体給電電極５から第１の引出電極６を引き出すと共に、平面視において、中間電極８が第１の引出電極６と重畳せず、且つ第２の引出電極１０と重畳することにより、中間電極８が第１の引出電極６から離間された位置に形成される。これにより、高電位部となる第１の引出電極６と低電位部となる中間電極８との間の放電経路が形成されにくくなり、スパークが発生しにくくされている。したがって、絶縁層７や中間電極８が破損することなく、ヒューズエレメント３への熱伝導率を維持し、ヒューズエレメント３を速やかに溶断させることができ、安全に電流経路を遮断することができる。
【0032】
さらに、図１に示す保護素子１では、中間電極８が第２の引出電極１０と重畳することにより、絶縁層７を介して中間電極８と第２の引出電極１０とが熱的に接続されることとなり、効率よく中間電極８及びこれに搭載されたヒューズエレメント３を加熱することができる。したがって、発熱体４に通電後、速やかにヒューズエレメント３を溶断することができる。
【0033】
このような保護素子１は、外部回路に組み込まれることにより、ヒューズエレメント３が当該外部回路の電流経路の一部を構成し、発熱体４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。以下、保護素子１の各構成について詳細に説明する。
【0034】
［絶縁基板］絶縁基板２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２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。
【0035】
絶縁基板２の相対向する両端部には、第１、第２の電極１１，１２が形成されている。第１、第２の電極１１，１２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１１，１２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１１，１２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、ヒューズエレメント３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１１，１２を溶食（ハンダ食われ）するのを防ぐことができる。
【0036】
また、第１、第２の電極１１，１２は、絶縁基板２の表面２ａより、キャスタレーションを介して裏面２ｂに形成された第１、第２の外部接続電極１１ａ，１２ａと連続されている。保護素子１は、絶縁基板２の裏面２ｂに形成された第１、第２の外部接続電極１１ａ，１２ａが、保護素子１が実装される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、ヒューズエレメント３が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。
【0037】
第１、第２の電極１１，１２は、接続ハンダ１４等の導電接続材料によってヒューズエレメント３が搭載されることにより電気的に接続されている。また、図３（Ａ）（Ｂ）に示すように、第１、第２の電極１１，１２は、保護素子１に定格を超える大電流が流れヒューズエレメント３が自己発熱（ジュール熱）によって溶断し、あるいは発熱体４が通電に伴って発熱しヒューズエレメント３が溶断することにより、遮断される。
【0038】
［発熱体］発熱体４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４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２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４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２の表面２ａ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４の形状は適宜設計できるが、図１に示すように、絶縁基板２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。
【0039】
また、発熱体４は、一端部４ａが第１の引出電極６と接続され、他端部４ｂが第２の引出電極１０と接続されている。第１の引出電極６は発熱体給電電極５から引き出され、発熱体４の通電時には発熱体給電電極５と同電位となる。第２の引出電極１０は発熱体接続電極９から引き出され、発熱体４の通電時には発熱体接続電極９と同電位となる。第１の引出電極６は、発熱体給電電極５から発熱体４の一端部４ａに沿って引き出され、図１に示す保護素子１では、略矩形状に形成された発熱体４の一側縁に沿って延在されるとともに、当該発熱体４の一側縁が重畳されている。同様に、第２の引出電極１０は、発熱体接続電極９から発熱体の他端部４ｂに沿って引き出され、図１に示す保護素子１では、略矩形状に形成された発熱体４の他側縁に沿って延在されるとともに、当該発熱体４の他側縁が重畳されている。
【0040】
発熱体給電電極５及び発熱体接続電極９は、絶縁基板２の第１、第２の電極１１，１２が設けられた側縁と異なる相対向する側縁に形成されている。発熱体給電電極５は、発熱体４の一端部４ａと接続され発熱体４への給電端子となる電極であり、キャスタレーションを介して絶縁基板２の裏面２ｂに形成された第３の外部接続電極５ａと連続されている。また、発熱体接続電極９は、中間電極８が接続されている。
【0041】
また、発熱体４、第１の引出電極６及び第２の引出電極１０は、絶縁層７に被覆されている。絶縁層７上には中間電極８が形成されている。中間電極８は、接続ハンダ１４等の接合材料を介して、第１、第２の電極１１，１２間において、ヒューズエレメント３が接続されている。
【0042】
絶縁層７は、発熱体４の保護及び絶縁を図るとともに、発熱体４の熱を効率よく中間電極８及びヒューズエレメント３へ伝えるために設けられ、例えばガラス層からなる。絶縁層７は発熱体４の熱を効率よく中間電極８やヒューズエレメント３へ伝えるために、厚みが例えば１０〜４０μｍと薄く形成されている。絶縁層７は、例えばガラス系のペーストを塗布することにより形成することができる。
【0043】
発熱体４は、保護素子１が外部回路基板に実装されることにより、第３の外部接続電極５ａを介して外部回路に形成された電流制御素子等と接続され、平常時においては通電及び発熱が規制されている。そして、発熱体４は、外部回路の通電経路を遮断する所定のタイミングで第３の外部接続電極５ａを介して通電され、発熱する。このとき、発熱体４は、発熱体給電電極５及び第１の引出電極６側が高電位部とされ、発熱体接続電極９、第２の引出電極１０及び中間電極８側が低電位部とされる。保護素子１は、発熱体４の熱が絶縁層７及び中間電極８を介してヒューズエレメント３に伝達することにより、第１、第２の電極１１，１２を接続しているヒューズエレメント３を溶融させることができる。ヒューズエレメント３の溶融導体３ａは中間電極８上及び第１、第２の電極１１，１２に凝集し、これにより第１、第２の電極１１，１２間の電流経路が遮断される。なお、後述するように、発熱体４は、ヒューズエレメント３が溶断することにより、自身の通電経路も遮断されることから発熱が停止する。
【0044】
なお、発熱体給電電極５は、第３の外部接続電極５ａと接続される外部回路基板の電極に設けられた接続用ハンダがリフロー実装等において溶融し、キャスタレーションを介して発熱体給電電極５上に這い上がり、発熱体給電電極５上に濡れ拡がることを防止する規制壁を設けてもよい。第１、第２の電極１１，１２も同様に、規制壁を設けてもよい。規制壁は、例えばガラスやソルダーレジスト、絶縁性接着剤等ハンダに対する濡れ性を有しない絶縁材料を用いて形成することができ、発熱体給電電極５上に印刷等により形成することができる。規制壁を設けることにより、溶融した接続用ハンダが発熱体給電電極５まで濡れ広がることを防止し、保護素子１と外部回路基板との接続性を維持することができる。
【0045】
また、保護素子１は、絶縁基板２の表面２ａに絶縁層７を形成した後に、発熱体給電電極５、第１の引出電極６、第２の引出電極１０、発熱体接続電極９及び発熱体４を形成し、さらにこれらの上に絶縁層７を形成することにより、絶縁層７内に発熱体４等を形成してもよい。
【0046】
［中間電極］中間電極８は、第１、第２の電極１１，１２と同様に、ＡｇやＣｕ等の導電パターンによって形成されている。また、中間電極８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。
【0047】
中間電極８は、一端を発熱体接続電極９と接続されるとともに、絶縁層７上に形成され、絶縁層７を介して発熱体４と一部重畳されている。上述したように、中間電極８は、平面視において、通電時において発熱体４の通電方向上流側に位置する高電位の第１の引出電極６と重畳せず、発熱体４の通電方向下流側に位置する低電位の第２の引出電極１０と重畳する。これにより、保護素子１は、高電位部となる第１の引出電極６と低電位部となる中間電極８との間の放電経路が形成されにくくなり、外部回路より高電圧が印加された場合でもスパーク（放電）が発生しにくく安全かつ速やかに電流経路を遮断できる。
【0048】
さらに、図１に示す保護素子１では、中間電極８が、発熱体４の他端部４ｂと重畳する第２の引出電極１０と重畳することにより、第２の引出電極１０及び絶縁層７を介して中間電極８と発熱体４とが熱的に接続される。これにより、効率よく中間電極８及びこれに搭載されたヒューズエレメント３を加熱することができる。したがって、発熱体４に通電後、速やかにヒューズエレメント３を溶断することができる。
【0049】
［ヒューズエレメント］次いで、ヒューズエレメント３について説明する。ヒューズエレメント３は、第１及び第２の電極１１，１２間にわたって実装され、発熱体４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。
【0050】
ヒューズエレメント３は、発熱体４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。
【0051】
また、ヒューズエレメント３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、ヒューズエレメント３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１５、低融点金属層１５に積層された外層として高融点金属層１６を有する。ヒューズエレメント３は、第１、第２の電極１１，１２及び中間電極８上に接続ハンダ１４等の接合材料を介して接続される。
【0052】
低融点金属層１５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１５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１６は、低融点金属層１５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１１，１２及び中間電極８とヒューズエレメント３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。
【0053】
このようなヒューズエレメント３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、ヒューズエレメント３は、低融点金属層１５の全面が高融点金属層１６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、ヒューズエレメント３は、高融点金属層１６を内層とし、低融点金属層１５を外層として構成してもよく、また低融点金属層１５と高融点金属層１６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。
【0054】
ヒューズエレメント３は、内層となる低融点金属層１５に、外層として高融点金属層１６を積層することによって、リフロー温度が低融点金属層１５の溶融温度を超えた場合であっても、ヒューズエレメント３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１１，１２及び中間電極８とヒューズエレメント３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ヒューズエレメント３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。
【0055】
また、ヒューズエレメント３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４が通電され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。
【0056】
このとき、ヒューズエレメント３は、溶融した低融点金属層１５が高融点金属層１６を溶食（ハンダ食われ）することにより、高融点金属層１６が溶融温度よりも低い温度で溶解する。したがって、ヒューズエレメント３は、低融点金属層１５による高融点金属層１６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、ヒューズエレメント３の溶融導体３ａは、中間電極８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（図３）。
【0057】
また、ヒューズエレメント３は、低融点金属層１５の体積を、高融点金属層１６の体積よりも多く形成することが好ましい。ヒューズエレメント３は、過電流による自己発熱又は発熱体４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、ヒューズエレメント３は、低融点金属層１５の体積を高融点金属層１６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。
【0058】
また、ヒューズエレメント３は、内層となる低融点金属層１５に高融点金属層１６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、ヒューズエレメント３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。
【0059】
また、ヒューズエレメント３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、ヒューズエレメント３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）、ヒューズエレメント３は、外層として抵抗値の低いＡｇメッキ等の高融点金属層１６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、ヒューズエレメント３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。
【0060】
なお、ヒューズエレメント３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２がケース（図示せず）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。また、ケースは、絶縁基板２の表面２ａ上に、ヒューズエレメント３が溶融時に球状に膨張し、溶融導体３ａが中間電極８や第１、第２の電極１１，１２上に凝集するのに十分な内部空間を有する。
【0061】
［回路構成例］このような保護素子１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５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。
【0062】
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。
【0063】
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。
【0064】
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。
【0065】
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。
【0066】
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。
【0067】
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。
【0068】
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６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１１ａ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１２ａが正極端子２０ａ側と接続され、これによりヒューズエレメント３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４が発熱体給電電極５及び第３の外部接続電極５ａを介して電流制御素子２８と接続されるとともに、発熱体４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４は、一端を中間電極８を介してヒューズエレメント３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５ａ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、これにより電流制御素子２８によって通電が制御される発熱体４への給電経路が形成される。
【0069】
［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４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４に電流が流れ、これにより発熱体４が発熱を開始する。保護素子１は、発熱体４の発熱によりヒューズエレメント３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、ヒューズエレメント３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ヒューズエレメント３を溶解させることができる。
【0070】
このとき、保護素子１は、平面視において、中間電極８が高電位の第１の引出電極６と重畳せず、低電位の第２の引出電極１０と重畳することにより、中間電極８が第１の引出電極６から離間した位置に形成されている。これにより、保護素子１は、高電位部となる第１の引出電極６と低電位部となる中間電極８との間の放電経路が形成されにくくなり、外部回路より高電圧が印加された場合でもスパーク（放電）が発生しにくく安全かつ速やかに電流経路を遮断できる。
【0071】
また、保護素子１では、中間電極８が第２の引出電極１０と重畳することにより、第２の引出電極１０及び絶縁層７を介して中間電極８と発熱体４とが熱的に接続されることとなり、効率よく中間電極８及びこれに搭載されたヒューズエレメント３を加熱することができる。したがって、発熱体４に通電後、速やかにヒューズエレメント３を溶断することができる。
【0072】
保護素子１は、ヒューズエレメント３が溶断することにより、発熱体４への給電経路も遮断されるため、発熱体４の発熱が停止される。
【0073】
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、ヒューズエレメント３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。
【0074】
このように、保護素子１は、発熱体４の通電による発熱、あるいは過電流によるヒューズエレメント３の自己発熱によってヒューズエレメント３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、ヒューズエレメント３の変形を抑制することができる。したがって、ヒューズエレメント３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４の発熱によって速やかに溶断することができる。
【0075】
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。
【実施例】
【0076】
次いで、保護素子１の実施例について説明する。本実施例では、図１に示す保護素子１（実施例）と、図２７に示す保護素子（比較例）を用意し、それぞれ５０Ｖ、１００Ｖ、２００Ｖの電圧を印加した際のスパークの有無を判定した。また、低電力（４３Ｗ）及び高電力（１８０Ｗ）を印加した際のヒューズエレメントの溶断時間のばらつき（標準偏差σ）を求め（サンプル数５０）、対比した。
【0077】
実施例に係る保護素子の寸法を図７に示し、比較例に係る保護素子の寸法を図８に示す。図７及び図８に示す各サイズの数値は絶縁基板の長さを１とした際の割合を示す相対値である。
【0078】
［実施例］実施例に係る保護素子のサイズは以下の通りである。
絶縁基板：１×０．６５
中間電極：０．６５×０．２１
発熱体給電電極と中間電極との距離：０．０２６
第２の引出電極と中間電極との重畳幅：０．０４
第１の引出電極と第２の引出電極の間の発熱体幅：０．１２
【0079】
［比較例］比較例に係る保護素子のサイズは以下の通りである。
絶縁基板：１×０．６５
中間電極：０．６５×０．２１
発熱体給電電極と中間電極との距離：０．０２６
【0080】
【表1】
【0081】
発熱体給電電極と中間電極との距離は、実施例及び比較例とも０．０２６である。表１に示すように、実施例では、５０Ｖ、１００Ｖ、２００Ｖのいずれの電圧を印加した場合もスパークの発生がなかった。一方、比較例では、５０Ｖの電圧を印加した場合にはスパークが発生しなかったが、１００Ｖ及び２００Ｖの電圧を印加した場合にはスパークが発生した。
【0082】
これより、図１に示す保護素子１のごとく、高電圧が印加される発熱体給電電極５から第１の引出電極６を引き出すと共に、平面視において、中間電極８が第１の引出電極６と重畳せず、且つ第２の引出電極１０と重畳することにより、中間電極８が第１の引出電極６から離間された位置に形成することができる。したがって、保護素子１は、高電位部となる第１の引出電極６と低電位部となる中間電極８との間の放電経路が形成されにくくなり、高電力を印加した場合にスパークの発生を防止する上で効果を発揮する構成であることが分かる。
【0083】
【表2】
【0084】
表２に示すように、実施例に係る保護素子を４３Ｗで動作させた場合、溶断時間（秒）の最大値が１２．３４秒、最小値が８．８４秒、サンプル数５０の平均値が１０．３７秒であり、標準偏差σ＝０．７４であった。一方、比較例に係る保護素子を４３Ｗで動作させた場合、溶断時間（秒）の最大値が２５．３１秒、最小値が１１．２１秒、サンプル数５０の平均値が１７．３６秒であり、標準偏差σ＝１．５９であった。
【0085】
【表3】
【0086】
表３に示すように、実施例に係る保護素子を１８０Ｗで動作させた場合、溶断時間（秒）の最大値が１．２９秒、最小値が１．０７秒、サンプル数５０の平均値が１．１８秒であり、標準偏差σ＝０．０４５であった。一方、比較例に係る保護素子を１８０Ｗで動作させた場合、溶断時間（秒）の最大値が１．７１秒、最小値が１．１８秒、サンプル数５０の平均値が１．３５秒であり、標準偏差σ＝０．０７９であった。
【0087】
表２及び表３に示すように、図１に示す保護素子１のごとく、中間電極８が第２の引出電極１０と重畳することにより、第２の引出電極１０及び絶縁層７を介して中間電極８と発熱体４とが熱的に接続されることとなり、効率よく中間電極８及びこれに搭載されたヒューズエレメント３を加熱し、速やかにヒューズエレメント３を溶断できるとともに、低電力下においても製品ごとの溶断時間のばらつきを抑制できることが分かる。一方、比較例に係る保護素子では、溶断時間も長く、ばらつきも大きくなった。
【0088】
［第２の実施の形態］次いで、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と同一の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ことがある。第２の実施の形態に係る保護素子３０は、図９（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、絶縁基板２と、絶縁基板２の表面２ａ側に設けられたヒューズエレメント３と、絶縁基板２に形成され、発熱によりヒューズエレメント３を溶断する複数の発熱体４と、各発熱体４への給電端子となる発熱体給電電極５と、発熱体給電電極５から引き出され、各発熱体４の一端部４ａと接続された複数の第１の引出電極６と、発熱体４を被覆する絶縁層７と、絶縁層７上に形成され、ヒューズエレメント３が搭載された中間電極８と、絶縁基板２の表面２ａ側の、各発熱体４及び中間電極８との間に形成され、各発熱体４及び中間電極８を接続する発熱体接続電極９と、発熱体接続電極９から引き出され、各発熱体４の他端部４ｂと接続された第２の引出電極１０を有する。
【0089】
そして、保護素子３０は、複数の発熱体４が絶縁基板２の表面２ａ上に離間して並列して設けられている。各発熱体４は、一端部４ａが第１の引出電極６を介して発熱体給電電極５と接続され、他端部４ｂが第２の引出電極１０を介して発熱体接続電極９と接続されている。発熱体接続電極９は中間電極８と接続されている。各発熱体４は、発熱体給電電極５を介して通電されると、発熱体給電電極５及び第１の引出電極６側が高電位部とされ、第２の引出電極１０、発熱体接続電極９及び中間電極８側が低電位部とされる。そして、保護素子３０は、平面視において、中間電極８が各第１の引出電極６と重畳せず且つ各第２の引出電極１０と重畳する。
【0090】
これにより、保護素子３０は、中間電極８が各第１の引出電極６から離間された位置に形成され、高電位部となる第１の引出電極６と低電位部となる中間電極８との間の放電経路が形成されにくくなり、高電圧が印加された場合でもスパーク（放電）が発生しにくく安全かつ速やかに電流経路を遮断できる。
【0091】
また、保護素子３０は、中間電極８が各第２の引出電極１０と重畳することにより、絶縁層７を介して中間電極８と第２の引出電極１０とが熱的に接続されることとなり、効率よく中間電極８及びこれに搭載されたヒューズエレメント３を加熱することができる。したがって、各発熱体４に通電後、速やかにヒューズエレメント３を溶断することができる。
【0092】
図１０は、保護素子３０の回路図である。保護素子３０は、複数の発熱体４の各一端が絶縁基板２に形成された発熱体給電電極５を介して発熱体４を発熱させるための電源に接続され、各発熱体４の他端が中間電極８を介してヒューズエレメント３と接続されている。
【0093】
［保持電極］また、保護素子３０は、図１１に示すように、絶縁基板２の裏面２ｂに、ヒューズエレメント３の溶融導体３ａを保持する保持電極３２を形成し、中間電極８と保持電極３２とを、絶縁基板２を貫通する貫通孔３３を介して連続させ、溶融したヒューズエレメント３の溶融導体３ａを、貫通孔３３を介して保持電極３２側に吸引するようにしてもよい。
【0094】
貫通孔３３は、ヒューズエレメント３が溶融すると、毛管現象によってこの溶融導体３ａを吸引し、中間電極８上で保持する溶融導体３ａの体積を減少させることができる。これにより、図１２（Ａ）（Ｂ）に示すように、保護素子の高定格化、高容量化に伴いヒューズエレメント３が大型化することにより溶融量が増大した場合にも、大量の溶融導体３ａを保持電極３２、中間電極８及び第１、第２の電極１１，１２によって保持することができ、ヒューズエレメント３を確実に溶断することができる。
【0095】
保持電極３２は、中間電極８と同様に、ＡｇやＣｕあるいはＡｇやＣｕを主成分とする合金材料等の公知の電極材料を用いて印刷等の公知の方法により形成することができる。
【0096】
貫通孔３３は、内面に導電層３４が形成されている。導電層３４が形成されることにより、貫通孔３３は、溶融導体３ａを吸引しやすくすることができる。導電層３４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、貫通孔３３の内面を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３４は、複数の金属線や、導電性を有するリボンの集合体を貫通孔３３内に挿入することにより形成してもよい。
【0097】
貫通孔３３の導電層３４は、絶縁基板２の表面２ａに形成された中間電極８と連続されている。中間電極８は、ヒューズエレメント３を支持するとともに溶断時には溶融導体３ａが凝集するため、中間電極８と導電層３４とが連続することにより、溶融導体３ａを貫通孔３３内に導きやすくすることができる。
【0098】
また、貫通孔３３の導電層３４は、絶縁基板２の裏面２ｂに形成された保持電極３２と連続されている。これにより、ヒューズエレメント３が溶融すると、貫通孔３３を介して吸引された溶融導体３ａを保持電極３２に凝集させることができ（図１２参照）、より多くの溶融導体３ａを吸引し、中間電極８及び第１、第２の電極１１，１２によって保持されるヒューズエレメント３の溶断部位における溶融導体３ａの体積を減少させることができる。
【0099】
なお、保護素子３０は、貫通孔３３を複数形成することにより、ヒューズエレメント３の溶融導体３ａを吸引する経路を増やし、より多くの溶融導体３ａを吸引することで、溶断部位における溶融導体３ａの体積を減少させるようにしてもよい。
【0100】
また、保護素子３０は、発熱体４を貫通孔３３の両側に形成することが、保持電極３２及び中間電極８を加熱し、またより多くの溶融導体３ａを凝集、吸引するうえで好ましい。
【0101】
［第３の実施の形態］次いで、本技術が適用された保護素子の第３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１,３０と同一の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ことがある。第３の実施の形態に係る保護素子４０は、図１３に示すように、平面視において、第１の引出電極６、発熱体４、第２の引出電極１０、中間電極８の順に配置されている。そして、保護素子４０は、第２の引出電極１０と中間電極８は、平面視において重畳されていない。
【0102】
保護素子４０では、中間電極８が第２の引出電極１０と重畳しないため、保護素子１に比して、中間電極８と第２の引出電極１０との熱的な接続が弱い。そのため、保護素子４０は、保護素子１に比して、ヒューズエレメント３の速溶断性には劣ることがある。
【0103】
しかし、保護素子４０は、中間電極８を発熱体４の発熱電流が通電する第１の引出電極６、発熱体８、及び第２の引出電極１０と重畳させず、且つ保護素子１に比して、中間電極８が第１の引出電極６からさらに離間された位置に形成される。これにより、高電位部となる第１の引出電極６と低電位部となる中間電極８との間の放電経路がより形成されにくくなり、スパークの発生を防止することができる。したがって、絶縁層７や中間電極８が破損することなく、ヒューズエレメント３への熱伝導率を維持し、ヒューズエレメント３を速やかに溶断させることができ、安全に電流経路を遮断することができる。
【0104】
なお、保護素子４０においても、保護素子３０と同様に、複数の発熱体４及び複数の第１、第２の引出電極６，１０を形成してもよい。この場合も、中間電極８は、各第２の引出電極１０と重畳せず、且つ各第１の引出電極６から、より離間した位置に配置されるため、高電圧が印加された場合にもスパークの発生を防止することが出来る。
【0105】
［第４の実施の形態］次いで、本技術が適用された保護素子の第４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１,３０,４０と同一の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ことがある。第４の実施の形態に係る保護素子５０は、図１４（Ａ）〜（Ｃ）、図１５及び図１６（Ａ）（Ｂ）に示すように、絶縁基板２の表面２ａと反対側の裏面２ｂに、発熱体４、発熱体給電電極５、第１の引出電極６、発熱体接続電極９、第２の引出電極１０及びこれらを被覆する絶縁層７が形成されている。また、保護素子５０は、絶縁基板２の表面２ａに、ヒューズエレメント３が搭載される中間電極８と、中間電極８と発熱体接続電極９とを接続する第１の接続電極５１と、発熱体給電電極５とキャスタレーションを介して接続された第２の接続電極５２と、第１の電極１１と、第２の電極１２が形成されている。
【0106】
第１の接続電極５１及び第２の接続電極５２は、上述した発熱体給電電極５や発熱体接続電極９と同様の材料、同様の工程によって形成することができる。
【0107】
発熱体接続電極９と第１の接続電極５１とは、絶縁基板２を貫通する貫通孔５３によって連続されている。貫通孔５３は、内部に導電層が形成された導電スルーホールであり、貫通孔５３を介して発熱体接続電極９と第１の接続電極５１とが電気的、熱的に接続される。すなわち、保護素子５０は、発熱体４が絶縁基板２を介して中間電極８を加熱するとともに、熱伝導性に優れる発熱体接続電極９、貫通孔５３及び第１の接続電極５１を介して発熱体４の熱が中間電極８に伝わり、ヒューズエレメント３を加熱、溶断することができる（図１６）。
【0108】
第２の接続電極５２は、絶縁性の規制壁５４が形成されている。規制壁５４は、発熱体給電電極５を外部回路基板に接続する接続ハンダのフィレットが第２の接続電極５２上に濡れひろがってきた際に、中間電極８やヒューズエレメント３に接触することを防止するためのものである。規制壁５４は、例えばガラスペーストを第２の接続電極５２上に塗布することにより形成することができる。
【0109】
保護素子５０は、中間電極８が絶縁基板２を介して第２の引出電極１０と重畳する。これにより、絶縁基板２を介して中間電極８と第２の引出電極１０とが熱的に接続されることとなり、中間電極８及びこれに搭載されたヒューズエレメント３の加熱を補助することができる。
【0110】
また、保護素子５０は、中間電極８が絶縁基板２を介して第１の引出電極６と重畳する。これにより、絶縁基板２を介して中間電極８と第１の引出電極６とが熱的に接続されることとなり、中間電極８及びこれに搭載されたヒューズエレメント３の加熱を補助することができる。なお、保護素子５０は、中間電極８を、絶縁基板２を介して第１の引出電極６と重畳しない位置に形成してもよい。これにより、高電位部となる第１の引出電極６と低電位部となる中間電極８との間の放電経路がより形成されにくくなり、スパークの発生を防止することができる。
【0111】
［第５の実施の形態］次いで、本技術が適用された保護素子の第５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１,３０,４０，５０と同一の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ことがある。第５の実施の形態に係る保護素子６０は、保護素子５０に対して、絶縁基板２の裏面２ｂに、発熱体４、第１の引出電極６及び第２の引出電極１０、絶縁層７がそれぞれ複数形成されている点で相違する。
【0112】
図１７（Ａ）〜（Ｃ）、図１８及び図１９（Ａ）（Ｂ）に示すように、保護素子６０は、複数の発熱体４が絶縁基板２の裏面２ｂ上に離間して並列して設けられている。各発熱体４は、一端部４ａが第１の引出電極６を介して発熱体給電電極５と接続され、他端部４ｂが第２の引出電極１０を介して発熱体接続電極９と接続されている。これら各発熱体４、各第１の引出電極６、各第２の引出電極１０は、絶縁層７によって被覆されている。
【0113】
［保持電極］また、保護素子６０は、保護素子３０と同様に、絶縁基板２の裏面２ｂに、ヒューズエレメント３の溶融導体３ａを保持する保持電極３２を形成し、表面２ａに形成された中間電極８と保持電極３２とを、絶縁基板２を貫通する貫通孔３３を介して連続させ、溶融したヒューズエレメント３の溶融導体３ａを、貫通孔３３を介して保持電極３２側に吸引させる。これにより、保護素子の高定格化、高容量化に伴いヒューズエレメント３が大型化することにより溶融量が増大した場合にも、大量の溶融導体３ａを保持電極３２、中間電極８及び第１、第２の電極１１，１２によって保持することができ、ヒューズエレメント３を確実に溶断することができる。
【0114】
保持電極３２は、絶縁基板２の裏面２ｂに設けられた絶縁層７に重畳して形成される。また、保持電極３２は、中間電極８と同様に、ＡｇやＣｕあるいはＡｇやＣｕを主成分とする合金材料等の公知の電極材料を用いて印刷等の公知の方法により形成することができる。
【0115】
貫通孔３３は、中間電極８、絶縁基板２、絶縁層７及び保持電極３２を貫通する。また、貫通孔３３は、内面に導電層３４が形成されている。導電層３４は、中間電極８及び保持電極３２と連続されている。これにより、中間電極８に凝集した溶融導体３ａを貫通孔３３内に導きやすくするとともに、貫通孔３３を介して吸引された溶融導体３ａを保持電極３２に凝集させることができ、より多くの溶融導体３ａを吸引し、中間電極８及び第１、第２の電極１１，１２によって保持されるヒューズエレメント３の溶断部位における溶融導体３ａの体積を減少させることができる。
【0116】
また、保護素子６０では、保持電極３２の貫通孔３３内に形成された導電層３４が中間電極８と接続されることにより、発熱体給電電極５から保持電極３２及びヒューズエレメント３を経て第１の電極１１に至る発熱体４への給電経路が構成される。また、保護素子６０は、保持電極３２の貫通孔３３内に形成された導電層３４が中間電極８と接続されることにより、発熱体４の熱が導電層３４及び中間電極８を経てヒューズエレメント３へ伝達される熱経路が構成される。
【0117】
なお、保護素子６０においても、貫通孔３３を複数形成することにより、ヒューズエレメント３の溶融導体３ａを吸引する経路を増やし、より多くの溶融導体３ａを吸引することで、溶断部位における溶融導体３ａの体積を減少させるようにしてもよい。
【0118】
各発熱体４は、発熱体給電電極５を介して通電されると、発熱体給電電極５及び第１の引出電極６側が高電位部とされ、第２の引出電極１０、発熱体接続電極９及び中間電極８側が低電位部とされる。そして、保護素子６０は、平面視において、中間電極８が各第１の引出電極６と重畳せず且つ各第２の引出電極１０と重畳する。
【0119】
これにより、保護素子６０は、平面視において中間電極８が各第１の引出電極６から離間された位置に形成され、高電位部となる第１の引出電極６と低電位部となる中間電極８との間の放電経路が形成されにくくなり、高電圧が印加された場合でもスパーク（放電）が発生しにくく安全かつ速やかに電流経路を遮断できる。
【0120】
また、保護素子６０は、中間電極８が各第２の引出電極１０と重畳することにより、絶縁基板２を介して中間電極８と第２の引出電極１０とが熱的に接続されることとなり、効率よく中間電極８及びこれに搭載されたヒューズエレメント３を加熱することができる。したがって、各発熱体４に通電後、速やかにヒューズエレメント３を溶断することができる。
【0121】
なお、保護素子６０は、発熱体４の通電方向下流側に位置する保持電極３２も、第２の引出電極１０と重畳し、第１の引出電極６と重畳させないことにより、高電位の第１の引出電極６と離間した位置に形成されることから、高電圧が印加された場合でもスパーク（放電）が発生しにくくなり、スパークによる破損を防止することができる。
【0122】
また、保護素子６０は、発熱体４を貫通孔３３の両側に形成することが、保持電極３２及び中間電極８を加熱し、またより多くの溶融導体３ａを凝集、吸引するうえで好ましい。
【0123】
［第６の実施の形態］次いで、本技術が適用された保護素子の第６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１,３０,４０，５０，６０と同一の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ことがある。図２０（Ａ）（Ｂ）に示すように、第６の実施の形態に係る保護素子７０は、絶縁基板２の表面２ａに発熱体４及び中間電極８を形成し、絶縁基板２の裏面２ｂに保持電極３２を形成することにより、絶縁基板２が中間電極８から貫通孔３３を介してヒューズエレメント３の溶融導体３ａを保持電極３２側に吸引、保持させる溶断部材７１を構成し、ヒューズエレメント３がこの溶断部材７１に挟持されているものである。
【0124】
溶断部材７１の絶縁基板２は、表面２ａに、複数の発熱体４と、各発熱体４への給電端子となる発熱体給電電極５と、発熱体給電電極５から引き出され、各発熱体４の一端部４ａと接続された複数の第１の引出電極６と、発熱体４を被覆する絶縁層７と、絶縁層７上に形成され、ヒューズエレメント３に接続される中間電極８と、絶縁基板２の表面２ａ側の、各発熱体４及び中間電極８との間に形成され、各発熱体４及び中間電極８を接続する発熱体接続電極９と、発熱体接続電極９から引き出され、各発熱体４の他端部４ｂと接続された第２の引出電極１０が形成されている。これら各電極５，６，８，９，１０、発熱体４及び絶縁層７の構成や効果は上述した保護素子３０と同様であるため、詳細は省略する。
【0125】
また、溶断部材７１の絶縁基板２は、裏面２ｂに、ヒューズエレメント３の溶融導体３ａを保持する保持電極３２が形成され、中間電極８と保持電極３２とが、絶縁基板２を貫通し内面に導電層３４が形成された貫通孔３３を介して連続されている。これにより、絶縁基板２は、溶融したヒューズエレメント３の溶融導体３ａを、貫通孔３３を介して中間電極８から保持電極３２側に吸引する。これら保持電極３２、貫通孔３３及び導電層３４の構成や効果は上述した保護素子３０と同様であるため、詳細は省略する。
【0126】
ここで、溶断部材７１の絶縁基板２は、表面２ａに、中間電極８とともに、ヒューズエレメント３に接続されるとともに、溶融導体３ａを保持する補助電極７３を設けてもよい。また、ヒューズエレメント３は、絶縁基板２とは別に設けられ、外部回路と接続された第１、第２の外部端子７４，７５と接続ハンダ１４等の接合材料を介して接続されている。すなわち、第１、第２の外部端子７４，７５は、ヒューズエレメント３を介して電気的に導通されている。また、各溶断部材７１の発熱体給電電極５も、同様に絶縁基板２とは別に設けられ、外部回路と接続された第３の外部端子７６と接続されている。
【0127】
なお、保護素子７０は、溶断部材７１、ヒューズエレメント３、及び第１〜第３の外部端子７４〜７６が絶縁性のケース７７に収納される。ケース７７は、ヒューズエレメント３の下側に接続される溶断部材７１及び第１〜第３の外部端子７４〜７６が配置される下ケース７７ａと、下ケース７７ａ上を覆うカバー７７ｂとを有する。下ケース７７ａには、配置された溶断部材７１の保持電極３２が溶融導体３ａを保持するために十分な大きさを有する収納凹部７８が形成されている。また、カバー７７ｂは、ヒューズエレメント３の上側に接続される溶断部材７１を収納するとともに、この溶断部材７１の保持電極３２が溶融導体３ａを保持するために十分な内部空間を有する。
【0128】
第１、第２の外部端子７４，７５は、一端がケース７７内においてヒューズエレメント３と接続され、他端がケース７７外へ導出され、外部回路と接続される。また、第３の外部端子７６は、一端がケース７７内において各溶断部材７１の発熱体給電電極５と接続され、他端がケース７７外へ導出され、外部回路と接続される。
【0129】
そして、保護素子７０は、図２０に示すように、ヒューズエレメント３が複数の溶断部材７１に挟持されている。図２０に示す保護素子７０は、溶断部材７１が、ヒューズエレメント３の一方の面及び他方の面にそれぞれ配設されている。図２１は、保護素子７０の回路図である。ヒューズエレメント３の表面及び裏面に配設された各溶断部材７１は、それぞれ発熱体４の一端が各絶縁基板２に形成された第１の引出電極６、発熱体給電電極５及び第３の外部端子７６を介して発熱体４を発熱させるための電源に接続され、発熱体４の他端が各絶縁基板２に形成された第２の引出電極１０、発熱体接続電極９及び中間電極８を介してヒューズエレメント３と接続されている。
【0130】
図２２に示すように、保護素子７０は、発熱体４の発熱によりヒューズエレメント３を溶断する際には、ヒューズエレメント３の両面に接続された各溶断部材７１，７１の発熱体４が発熱し、ヒューズエレメント３の両面から加熱する。したがって、保護素子７０は、大電流用途に対応するためにヒューズエレメント３の断面積を増大させた場合にも、速やかにヒューズエレメント３を加熱し、溶断することができる。
【0131】
また、保護素子７０は、ヒューズエレメント３の両面から溶融導体３ａを、各溶断部材７１の絶縁基板２に形成した各貫通孔３３内に吸引するとともに保持電極３２に凝集させる。したがって、保護素子７０は、大電流用途に対応するためにヒューズエレメント３の断面積を増大させ、中間電極８による溶融導体３ａの保持容量を超える溶融導体３ａが発生した場合にも、中間電極８に加え、貫通孔３３及び保持電極３２で溶融導体３ａを保持することにより、また、複数の溶断部材７１によって溶融導体３ａを吸引することにより、確実にヒューズエレメント３を溶断させることができる。また、保護素子７０は、複数の溶断部材７１によって溶融導体３ａを吸引することにより、より速やかにヒューズエレメント３を溶断させることができる。
【0132】
保護素子７０は、ヒューズエレメント３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、ヒューズエレメント３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ヒューズエレメント３は、発熱体４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７０は、複数の溶断部材７１を備え、同時に各発熱体４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７０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。
【0133】
また、保護素子７０は、図２０に示すように、一対の溶断部材７１，７１が対向してヒューズエレメント３に接続されることが好ましい。これにより、保護素子７０は、一対の溶断部材７１，７１で、ヒューズエレメント３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３ａを吸引することができ、より速やかにヒューズエレメント３を加熱、溶断することができる。
【0134】
また、保護素子７０は、一対の溶断部材７１，７１の各絶縁基板２に形成された中間電極８及び補助電極７３がヒューズエレメント３を介して互いに対向することが好ましい。これにより、一対の溶断部材７１，７１が対称に接続されることで、リフロー実装時等において、ヒューズエレメント３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。
【0135】
［第７の実施の形態］次いで、本技術が適用された保護素子の第７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１,３０,４０，５０，６０，７０と同一の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ことがある。図２３（Ａ）（Ｂ）、図２４に示すように、第７の実施の形態に係る保護素子８０は、絶縁基板２の表面２ａに中間電極８を形成し、絶縁基板２の裏面２ｂに発熱体４及び保持電極３２を形成することにより、絶縁基板２が中間電極８から貫通孔３３を介してヒューズエレメント３の溶融導体３ａを保持電極３２側に吸引、保持させる溶断部材８１を構成し、ヒューズエレメント３がこの溶断部材８１に挟持されているものである。
【0136】
溶断部材８１の絶縁基板２は、表面２ａに、ヒューズエレメント３に接続される中間電極８が形成されている。この中間電極８の構成や効果は上述した保護素子６０と同様であるため、詳細は省略する。また、溶断部材８１においても、絶縁基板２の表面２ａに、中間電極８とともに、ヒューズエレメント３に接続されるとともに、溶融導体３ａを保持する補助電極７３を設けてもよい。
【0137】
また、溶断部材８１の絶縁基板２は、裏面２ｂに、複数の発熱体４と、各発熱体４への給電端子となる発熱体給電電極５と、発熱体給電電極５から引き出され、各発熱体４の一端部４ａと接続された複数の第１の引出電極６と、発熱体４を被覆する絶縁層７と、絶縁基板２の表面２ａ側の、各発熱体４及び中間電極８との間に形成され、各発熱体４及び中間電極８を接続する発熱体接続電極９と、発熱体接続電極９から引き出され、各発熱体４の他端部４ｂと接続された第２の引出電極１０と、絶縁層７上に形成され、ヒューズエレメント３の溶融導体３ａを保持する保持電極３２が形成され、中間電極８と保持電極３２とが、絶縁基板２を貫通し内面に導電層３４が形成された貫通孔３３を介して連続されている。これにより、絶縁基板２は、溶融したヒューズエレメント３の溶融導体３ａを、貫通孔３３を介して中間電極８から保持電極３２側に吸引するとともに、発熱体４の通電経路及びヒューズエレメント３への熱経路を構成する。これら各電極５，６，９，１０、発熱体４、絶縁層７、保持電極３２、貫通孔３３及び導電層３４の構成や効果は上述した保護素子６０と同様であるため、詳細は省略する。
【0138】
保護素子７０と同様に、ヒューズエレメント３は、外部回路と接続された第１、第２の外部端子７４，７５と接続ハンダ１４等の接合材料を介して接続されている。また、各溶断部材８１の発熱体給電電極５も、外部回路と接続された第３の外部端子７６と接続されている。
【0139】
保護素子８０における発熱体４の通電、ヒューズエレメント３の溶断の作用等は、上述した保護素子７０と同様であるため、詳細は省略する。
【0140】
なお、保護素子７０、８０において、発熱体４を絶縁基板２の表面２ａ、裏面２ｂに形成するいずれの場合においても、貫通孔３３の両側に形成することが、保持電極３２及び中間電極８を加熱し、またより多くの溶融導体３ａを凝集、吸引するうえで好ましい。
【0141】
また、図２５（Ａ）（Ｂ）、図２６（Ａ）（Ｂ）に示すように、保護素子７０、８０は、絶縁基板２の表面２ａ又は裏面２ｂに絶縁層７を形成した後に、発熱体給電電極５、第１の引出電極６、第２の引出電極１０、発熱体接続電極９及び発熱体４を形成し、さらにこれらの上に絶縁層７を形成することにより、絶縁層７内に発熱体４等を形成してもよい。
【符号の説明】
【0142】
１ 保護素子、２ 絶縁基板、２ａ 表面、２ｂ 裏面、３ ヒューズエレメント、３ａ 溶融導体、４ 発熱体、４ａ 一端部、４ｂ 他端部、５ 発熱体給電電極、５ａ 第３の外部接続電極、６ 第１の引出電極、７ 絶縁層、８ 中間電極、９ 発熱体接続電極、１０ 第２の引出電極、１１ 第１の電極、１１ａ 第１の外部接続電極、１２ 第２の電極、１２ａ 第２の外部接続電極、１４ 接続ハンダ、１５ 低融点金属層、１６ 高融点金属層、１７ 規制壁、２０ バッテリパック、２０ａ 正極端子、２０ｂ 負極端子、２１ａ〜２１ｄ 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、３０ 保護素子、３２ 保持電極、３３ 貫通孔、３４ 導電層、４０ 保護素子、５０ 保護素子、５１ 第１の接続電極、５２ 第２の接続電極、５３ 貫通孔、５４ 規制壁、６０ 保護素子、７０ 保護素子、７１ 溶断部材、７３ 補助電極、７４ 第１の外部端子、７５ 第２の外部端子、７６ 第３の外部端子、７７ ケース、７７ａ 下ケース、７７ｂ カバー、８０ 保護素子、８１ 溶断部材