特開 2024-57541 保護素子及び保護素子の製造方法

(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】P2024057541

(43)【公開日】2024-04-24

(54)【発明の名称】保護素子及び保護素子の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01H 37/76 20060101AFI20240417BHJP

【ＦＩ】

H01H37/76 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022164359

(22)【出願日】2022-10-12

(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】川津 雅巳

(72)【発明者】

【氏名】幸保 雅裕

【テーマコード（参考）】

5G502

【Ｆターム（参考）】

5G502AA02

5G502BA02

5G502BA08

5G502BB10

5G502BD07

5G502CC14

5G502FF08

(57)【要約】

【課題】フラックスを適切に塗布することにより、ヒューズエレメントの断面積の大型化によっても、速やかに且つ確実に溶断する。
【解決手段】絶縁基板２と、発熱体４と、発熱体４を覆う絶縁層５と、中間電極６と、ヒューズエレメント３と、キャップ部材３０と、フラックス７を有し、キャップ部材３０は、突起３１が中間電極６と対向して立設され、中間電極６は、ヒューズエレメント３の通電方向と直交する方向において、ヒューズエレメント３の幅より長い長さを有し、且つ少なくとも端部６ａ，６ｂの一方がヒューズエレメント３より張り出し、突起３１は、中間電極６のヒューズエレメント３が搭載された位置と対向する位置及びヒューズエレメント３が搭載されていない端部６ａ，６ｂと対向する位置に設けられている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

絶縁基板と、
上記絶縁基板の表面側に設けられた発熱体と、
上記発熱体を覆う絶縁層と、
上記絶縁層上に設けられた中間電極と、
上記中間電極に搭載されたヒューズエレメントと、
上記絶縁基板の表面を覆うキャップ部材と、
フラックスを有し、
上記キャップ部材は、上記フラックスを所定の位置に保持する突起が上記中間電極と対向して立設され、
上記中間電極は、上記ヒューズエレメントの通電方向と直交する方向において、上記ヒューズエレメントの幅より長い長さを有し、且つ少なくとも端部の一方が上記ヒューズエレメントより張り出し、
上記突起は、上記中間電極の上記ヒューズエレメントが搭載された位置と対向する位置及び上記ヒューズエレメントが搭載されていない上記端部と対向する位置に設けられ、上記フラックスを上記ヒューズエレメント上及び上記端部に保持している、保護素子。

【請求項2】

上記突起は、溶融した上記ヒューズエレメントと接触しない長さを有する、請求項１に記載の保護素子。

【請求項3】

上記ヒューズエレメントが搭載されていない上記端部と対向する位置に設けられた突起の長さが、上記ヒューズエレメントが搭載された位置と対向する位置に形成された上記突起の長さよりも長い、請求項１又は２に記載の保護素子。

【請求項4】

上記中間電極は、上記ヒューズエレメントの通電方向と直交する方向において、両端部が上記ヒューズエレメントより張り出し、
上記突起は、上記両端部と対向する位置に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】

上記突起が、上記ヒューズエレメントの通電方向と直交する方向において、対称に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6】

絶縁基板と、
上記絶縁基板の表面側に設けられた中間電極と、
上記中間電極に搭載されたヒューズエレメントと、
上記絶縁基板の表面を覆うキャップ部材と、
フラックスと、
上記絶縁基板の表面と反対の裏面側に設けられた発熱体と、
上記発熱体を覆う絶縁層とを有し、
上記キャップ部材は、上記フラックスを所定の位置に保持する突起が上記中間電極と対向して立設され、
上記中間電極は、上記ヒューズエレメントの通電方向と直交する方向において、上記ヒューズエレメントの幅より長い長さを有し、且つ少なくとも端部の一方が上記ヒューズエレメントより張り出し、
上記突起は、上記中間電極の上記ヒューズエレメントが搭載された位置と対向する位置及び上記ヒューズエレメントが搭載されていない上記端部と対向する位置に設けられ、上記フラックスを上記ヒューズエレメント上及び上記端部に保持している、保護素子。

【請求項7】

絶縁基板と、上記絶縁基板の表面側に設けられた発熱体と、上記発熱体を覆う絶縁層と、上記絶縁層上に設けられた中間電極を有し、上記中間電極にヒューズエレメントが搭載された接続体を形成する工程と、
上記ヒューズエレメント上及び上記中間電極上に、塗布領域に応じた開口部を有するマスクを介してフラックスを塗布する工程と、
上記絶縁基板の上記ヒューズエレメントが搭載された表面にキャップ部材を接続して基板表面を被覆する工程を有し、
上記キャップ部材は、上記フラックスを所定の位置に保持する突起が上記中間電極と対向して立設され、
上記中間電極は、上記ヒューズエレメントの通電方向と直交する方向において、上記ヒューズエレメントの幅より長い長さを有し、且つ少なくとも端部の一方が上記ヒューズエレメントより張り出し、
上記突起は、上記中間電極の上記ヒューズエレメントが搭載された位置と対向する位置及び上記ヒューズエレメントが搭載されていない上記端部と対向する位置に設けられ、上記フラックスを上記ヒューズエレメント上及び上記端部に保持している、保護素子の製造方法。

【請求項8】

絶縁基板と、上記絶縁基板の表面側に設けられた中間電極と、上記絶縁基板の表面と反対の裏面側に設けられた発熱体と、上記発熱体を覆う絶縁層とを有し、上記中間電極にヒューズエレメントが搭載された接続体を形成する工程と、
上記ヒューズエレメント上及び上記中間電極上に、塗布領域に応じた開口部を有するマスクを介してフラックスを塗布する工程と、
上記絶縁基板の上記ヒューズエレメントが搭載された表面にキャップ部材を接続して基板表面を被覆する工程を有し、
上記キャップ部材は、上記フラックスを所定の位置に保持する突起が上記中間電極と対向して立設され、
上記中間電極は、上記ヒューズエレメントの通電方向と直交する方向において、上記ヒューズエレメントの幅より長い長さを有し、且つ少なくとも端部の一方が上記ヒューズエレメントより張り出し、
上記突起は、上記中間電極の上記ヒューズエレメントが搭載された位置と対向する位置及び上記ヒューズエレメントが搭載されていない上記端部と対向する位置に設けられ、上記フラックスを上記ヒューズエレメント上及び上記端部に保持している、保護素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本技術は、電流経路上に実装され、発熱体による加熱でヒューズエレメントを溶断し当該電流経路を遮断する保護素子に関する。

【背景技術】

【0002】

リチウムイオン二次電池は、高出力・高エネルギー密度を有する電池であり、ノートパソコン、携帯電話、スマートフォンなどの小型モバイル機器において使われており、近年では電動工具、電動自転車、電動バイク、電気自動車、及び家庭用蓄電池等の大容量で大電流や高電圧が必要な機器での採用が進んでいる。

【0003】

しかし、この電池は有機溶剤を使用しており、本体温度や出入力電流、充電電圧などの使用範囲を超えた場合に発火、発煙をする危険性があるため、電子回路を用いた保護回路と保護素子が組み込まれることが一般的である。保護回路には保護素子として、電気的にＯＮとＯＦＦを行うＦＥＴ、温度を感知するサーミスタ、物理的に回路を切断するヒューズが用いられるが、ヒューズには発熱体付きのヒューズが使用されることが多い。

【0004】

発熱体付きヒューズからなる保護素子は、一般的な電流ヒューズのように過電流で切断する機能の他に、電子回路が異常を感知した際に発熱体を発熱させることにより、ヒューズエレメントを溶かして切断することができる。この保護素子は、過電流のみで切れる一般的な電流ヒューズに比べて、異常時に素早く切れること、また電池特性、使用条件等を考慮した安全マージンを回路的に簡易に設定でき、意図するタイミングでヒューズエレメントを溶かして切断することが可能であるといった利点がある。

【0005】

図２１は、表面実装タイプの保護素子の一構成例を示す図であり、（Ａ）はキャップ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２１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にわたってスズベースの各種ソルダーペーストからなる接続材料１１０を介して搭載される可溶導体であるヒューズエレメント１０７と、ヒューズエレメント１０７上に塗布されたフラックス１１１とを備える。

【0006】

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、それぞれ絶縁基板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。

【0007】

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電極１０８と接続されている。発熱体電極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、通電が制御されている。

【0008】

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と重畳されている。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が接続材料１１０を介して接続されている。

【0009】

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。

【0010】

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）により溶断する。あるいは、ヒューズエレメント１０７は、発熱体１０４の発熱により溶融し、その溶融導体が、第１、第２の電極１０２，１０３及び中間電極１０６上に凝集することにより溶断する。これにより、第１、第２の電極１０２，１０３間が遮断される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】特許第５０７２７９６号公報

【特許文献2】特許第５８７６３４６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

近年、リチウムイオン二次電池が搭載されるアプリケーションの拡大に伴い、大容量且つ大電流や高電圧の機器での採用も始まっている。このため、保護素子も同様に高定格化や高電圧化が求められている。定格電流を上げるために、ヒューズエレメント自体の抵抗値を下げる方法としては、ヒューズエレメントの断面積を大きくすることが一般的である。

【0013】

しかし、ヒューズエレメントの断面積を大きくすることでヒューズの抵抗値は下げられるが、発熱体の加熱によるヒューズエレメントの溶断動作に影響がでる。すなわち、発熱体の加熱によるヒューズエレメントの溶断動作では、溶けたヒューズエレメントが中間電極上に濡れ広がり、凝集することでヒューズエレメントが溶断する。しかし、ヒューズエレメントの断面積を大きくすると、発熱体の加熱により溶融したヒューズエレメントが電極上に収容しきれずに溢れてしまい、電流経路を遮断できない場合が生じる。

【0014】

そこで、本技術は、フラックスを適切に塗布することにより、ヒューズエレメントの断面積の大型化によっても、速やかに且つ確実に溶断することができる保護素子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】

【0015】

電流経路が遮断できない保護素子のサンプルを観察すると、中間電極に溶融したヒューズエレメントが濡れ広がっていない部分があった。この部分はヒューズエレメントが搭載されていない部分であり、フラックスも塗布されていない部分であった。ヒューズエレメントが濡れ広がらない原因としては、フラックスが保持されてないため、溶けたヒューズエレメントの酸化が進み、流動性と濡れ性が劣化すること、また、中間電極のこの部分はフラックスに覆われていないため、電極の劣化（酸化，硫化など）により濡れなくなることが挙げられる。

【0016】

本願発明者は、従来、ヒューズエレメントが濡れ広がっていない部分にフラックスを保持することで、溶けたヒューズエレメントが濡れ広がる面積が増え、断面積を大型化したヒューズエレメントであっても確実に遮断できることを見出した。

【0017】

すなわち、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、上記絶縁基板の表面側に設けられた発熱体と、上記発熱体を覆う絶縁層と、上記絶縁層上に設けられた中間電極と、上記中間電極に搭載されたヒューズエレメントと、上記絶縁基板の表面を覆うキャップ部材と、フラックスを有し、上記キャップ部材は、上記フラックスを所定の位置に保持する突起が上記中間電極と対向して立設され、上記中間電極は、上記ヒューズエレメントの通電方向と直交する方向において、上記ヒューズエレメントの幅より長い長さを有し、且つ少なくとも端部の一方が上記ヒューズエレメントより張り出し、上記突起は、上記中間電極の上記ヒューズエレメントが搭載された位置と対向する位置及び上記ヒューズエレメントが搭載されていない上記端部と対向する位置に設けられ、上記フラックスを上記ヒューズエレメント上及び上記端部に保持しているものである。

【0018】

また、本技術に係る保護素子は、絶縁基板と、上記絶縁基板の表面側に設けられた中間電極と、上記中間電極に搭載されたヒューズエレメントと、上記絶縁基板の表面を覆うキャップ部材と、フラックスと、上記絶縁基板の表面と反対の裏面側に設けられた発熱体と、上記発熱体を覆う絶縁層とを有し、上記キャップ部材は、上記フラックスを所定の位置に保持する突起が上記中間電極と対向して立設され、上記中間電極は、上記ヒューズエレメントの通電方向と直交する方向において、上記ヒューズエレメントの幅より長い長さを有し、且つ少なくとも端部の一方が上記ヒューズエレメントより張り出し、上記突起は、上記中間電極の上記ヒューズエレメントが搭載された位置と対向する位置及び上記ヒューズエレメントが搭載されていない上記端部と対向する位置に設けられ、上記フラックスを上記ヒューズエレメント上及び上記端部に保持しているものである。

【0019】

また、本技術に係る保護素子の製造方法は、絶縁基板と、上記絶縁基板の表面側に設けられた発熱体と、上記発熱体を覆う絶縁層と、上記絶縁層上に設けられた中間電極を有し、上記中間電極にヒューズエレメントが搭載された接続体を形成する工程と、上記ヒューズエレメント上及び上記中間電極上に、塗布領域に応じた開口部を有するマスクを介してフラックスを塗布する工程と、上記絶縁基板の上記ヒューズエレメントが搭載された表面にキャップ部材を接続して基板表面を被覆する工程を有し、上記キャップ部材は、上記フラックスを所定の位置に保持する突起が上記中間電極と対向して立設され、上記中間電極は、上記ヒューズエレメントの通電方向と直交する方向において、上記ヒューズエレメントの幅より長い長さを有し、且つ少なくとも端部の一方が上記ヒューズエレメントより張り出し、上記突起は、上記中間電極の上記ヒューズエレメントが搭載された位置と対向する位置及び上記ヒューズエレメントが搭載されていない上記端部と対向する位置に設けられ、上記フラックスを上記ヒューズエレメント上及び上記端部に保持しているものである。

【0020】

また、本技術に係る保護素子の製造方法は、絶縁基板と、上記絶縁基板の表面側に設けられた中間電極と、上記絶縁基板の表面と反対の裏面側に設けられた発熱体と、上記発熱体を覆う絶縁層とを有し、上記中間電極にヒューズエレメントが搭載された接続体を形成する工程と、上記ヒューズエレメント上及び上記中間電極上に、塗布領域に応じた開口部を有するマスクを介してフラックスを塗布する工程と、上記絶縁基板の上記ヒューズエレメントが搭載された表面にキャップ部材を接続して基板表面を被覆する工程を有し、上記キャップ部材は、上記フラックスを所定の位置に保持する突起が上記中間電極と対向して立設され、上記中間電極は、上記ヒューズエレメントの通電方向と直交する方向において、上記ヒューズエレメントの幅より長い長さを有し、且つ少なくとも端部の一方が上記ヒューズエレメントより張り出し、上記突起は、上記中間電極の上記ヒューズエレメントが搭載された位置と対向する位置及び上記ヒューズエレメントが搭載されていない上記端部と対向する位置に設けられ、上記フラックスを上記ヒューズエレメント上及び上記端部に保持しているものである。

【発明の効果】

【0021】

本技術によれば、断面積が大型化されたヒューズエレメントであっても、速やかに且つ確実に溶断することができる保護素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】図１は、絶縁基板表面に発熱体を設けた保護素子の一構成例を示す図であり、（Ａ）はキャップ部材を省略して示す平面図であり、（Ｂ）はＡ－Ａ断面図であり、（Ｃ）はＢ－Ｂ断面図である。

【図2】図２は、図１に示す保護素子において、ヒューズエレメントが溶断した状態を示す図であり、（Ａ）はキャップ部材を省略して示す平面図であり、（Ｂ）はＢ－Ｂ断面図である。

【図3】図３は、端部突起が中間電極のヒューズエレメントが搭載された位置と対向する位置及びヒューズエレメントが搭載されていない端部の両方にかかるように立設された保護素子を示す図であり、（Ａ）はキャップ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4】図４は、端部突起を、中間突起よりも小径に形成した構成を示す図であり、（Ａ）はキャップ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5】図５は、端部突起が中間電極の端部と対向するとともに一部が中間電極の端部から張り出す構成を示す図であり、（Ａ）はキャップ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6】図６は、可溶導体の断面図である。

【図7】図７は、保護素子の製造工程を示す断面図であり、（Ａ）はフラックスを塗布する工程を示し、（Ｂ）はフラックスが塗布された接続体を示し、（Ｃ）は保護素子を示す。

【図8】図８は、バッテリパックの構成例を示す回路図である。

【図9】図９は、保護素子の回路図である。

【図10】図１０は、端部突起の長さを中間突起の長さよりも長くした構成を示す断面図である。

【図11】図１１は、保護素子内部においてフラックスの偏在が生じた状態を示す図であり、（Ａ）はキャップ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12】図１２は、中間電極上にヒューズエレメントの溶融導体が凝集した状態を示す断面図である。

【図13】図１３は、端部突起の長さを中間突起の長さよりも長くするとともに、端部突起を中間突起よりも小径に形成した構成を示す図であり、（Ａ）はキャップ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14】図１４は、端部突起の長さを中間突起の長さよりも長くするとともに、端部突起が中間電極のヒューズエレメントが搭載された位置と対向する位置及びヒューズエレメントが搭載されていない端部の両方にかかるように立設した構成を示す図であり、（Ａ）はキャップ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15】図１５は、端部突起の長さを中間突起の長さよりも長くするとともに、一部が中間電極の端部から張り出す構成を示す図であり、（Ａ）はキャップ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16】図１６は、変形例に係る保護素子を示す図であり、（Ａ）はキャップ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17】図１７は、変形例に係る保護素子の回路図である。

【図18】図１８は、絶縁基板裏面に発熱体を設けた保護素子の一構成例を示す図であり、（Ａ）はキャップ部材を省略して示す平面図であり、（Ｂ）はＡ－Ａ断面図であり、（Ｃ）はＢ－Ｂ断面図であり、（Ｄ）は底面図である。

【図19】図１９は、図１８に示す保護素子において、ヒューズエレメントが溶断した状態をキャップ部材を省略して示す平面図である。

【図20】図２０は、比較例１に係る保護素子を示す図であり、（Ａ）はキャップ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21】図２１は、表面実装タイプの保護素子の一構成例を示す図であり、（Ａ）はキャップ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。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、本技術が適用された保護素子について、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。

【0024】

［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）～（Ｃ）に示すように、絶縁基板２と、絶縁基板２の表面２ａ側に設けられた発熱体４と、発熱体４を覆う絶縁層５と、絶縁層５上に設けられた中間電極６と、中間電極６に搭載されたヒューズエレメント３と、絶縁基板２の表面２ａを覆うキャップ部材３０と、フラックス７を有する。

【0025】

キャップ部材３０は、フラックス７を所定の位置に保持する突起３１が中間電極６と対向して立設されている。中間電極６は、ヒューズエレメント３の通電方向と直交する方向において、上記ヒューズエレメント３の幅より長い長さを有し、且つ少なくとも端部６ａ,６ｂの一方が、好ましくは端部６ａ,６ｂの両方がヒューズエレメント３より張り出している。

【0026】

突起３１は、中間電極６のヒューズエレメント３が搭載された位置と対向する位置及びヒューズエレメント３が搭載されていない端部６ａ及び端部６ｂと対向する位置に設けられ、フラックス７をヒューズエレメント３上及び端部６ａ及び端部６ｂ上に保持している。

【0027】

これにより、保護素子１は、中間電極６のヒューズエレメント３が搭載されていない部分にもフラックス６を保持でき、溶けたヒューズエレメント３が濡れ広がる面積が増えるため、ヒューズエレメント３の断面積の大型化によっても、速やかに且つ確実に溶断することができる。

【0028】

このような保護素子１は、リチウムイオン二次電池の保護回路等の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（図２参照）。以下、保護素子１の各構成について詳細に説明する。

【0029】

［絶縁基板］
絶縁基板２は、例えばアルミナ、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。なお、本明細書では、絶縁基板２のヒューズエレメント３が搭載される面を表面２ａとし、ヒューズエレメント３が搭載される面と反対側の面を裏面２ｂとする。

【0030】

［第１、第２の電極］
絶縁基板２の表面２ａの相対向する両端部には、第１の電極１１及び第２の電極１２が形成されている。第１の電極１１及び第２の電極１２は、それぞれ、Ａｇ、Ｃｕ又はこれらの合金等の導電パターンによって形成されている。第１の電極１１及び第２の電極１２は、例えばＡｇペーストをスクリーン印刷により所定のパターンで印刷した後、所定の温度で焼成することにより形成することができる。

【0031】

第１の電極１１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の外部接続電極１５と連続されている。また、第２の電極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２の外部接続電極１６と連続されている。表面実装タイプの保護素子１においては、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１５，１６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、ヒューズエレメント３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。

【0032】

第１、第２の電極１１，１２は、スズベースの各種ソルダーペーストその他の導電接続材料を介してヒューズエレメント３が搭載されることにより、ヒューズエレメント３を介して電気的に接続されている。また、図２に示すように、第１、第２の電極１１，１２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、あるいは保護素子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、接続遮断される。

【0033】

［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。

【0034】

また、発熱体４は、一端部４ａが第１の引出電極１７と接続され、他端部４ｂが第２の引出電極１８と接続されている。第１の引出電極１７は、絶縁基板２の表面２ａの一側縁に形成された第１の発熱体電極８から引き出されている。第２の引出電極１８は、絶縁基板２の表面２ａの他側縁に形成された第２の発熱体電極９から引き出されている。第１の引出電極１７は、第１の発熱体電極８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１８は、第２の発熱体電極９から発熱体４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。

【0035】

［絶縁層］
また、発熱体４、第１の引出電極１７及び第２の引出電極１８は、絶縁層５に被覆されている。また、絶縁層５上には中間電極６が形成されている。

【0036】

絶縁層５は、発熱体４の保護及び絶縁を図るものである。絶縁層５は発熱体４の熱を効率よく中間電極６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５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。

【0037】

第１の発熱体電極８及び第２の発熱体電極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。第１の発熱体電極８は、発熱体４への給電端子となる電極であり、第１の引出電極１７を介して発熱体４の一端部４ａと接続されるとともに、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１０と連続されている。第２の発熱体電極９は、第２の引出電極１８を介して発熱体４の他端部４ｂと接続されるとともに、中間電極６と接続されている。

【0038】

第１、第２の発熱体電極８，９、第１、第２の引出電極１７，１８、及び中間電極６は、第１、第２の電極１１，１２と同様に、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２の表面２ａ上に形成されるこれら各電極を同一の材料により構成することで、一又は複数の印刷工程及び焼成工程で形成することができる。

【0039】

なお、第１の発熱体電極８は、第３の外部接続電極１０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第１の発熱体電極８上に這い上がり、第１の発熱体電極８上に濡れ拡がることを防止する規制壁（図示せず）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、第１の発熱体電極８上や第１、第２の電極１１，１２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第１の発熱体電極８や第１、第２の電極１１，１２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。

【0040】

中間電極６は、第２の発熱体電極９から絶縁層５上にわたって設けられる電極である。中間電極６は、一端側が第２の発熱体電極９及び第２の引出電極１８を介して発熱体４の他端部４ｂと接続されている。また、中間電極６は、他端側が第１の電極１１と第２の電極１２の間の領域において絶縁層５上に延在され、絶縁層５を介して発熱体４に重畳されている。そして、中間電極６は、接続用ハンダ等の接合材料を介して、ヒューズエレメント３が接続されている。

【0041】

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。ヒューズエレメント３には、酸化を防止し、濡れ性を向上させて、速溶断を図る目的で、フラックス７が塗布されている。ヒューズエレメント３の構成については、後に詳述する。

【0042】

なお、第１、第２の電極１１，１２及び中間電極６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及び中間電極６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及び中間電極６を溶食（ハンダ食われ）するのを防ぐことができる。

【0043】

［フラックス］
ここで、本技術に係る中間電極６は、平面視において、ヒューズエレメント３の通電方向と直交する方向において、ヒューズエレメント３の幅より長い長さを有し、且つ少なくとも端部６ａ，６ｂの一方がヒューズエレメント３より張り出している。そして、後述するキャップ部材３０の突起３１により、フラックス７がヒューズエレメント３上及びヒューズエレメント３から張り出す端部６ａ及び／又は端部６ｂに保持されている。

【0044】

ヒューズエレメント３の通電方向と直交する方向は、ヒューズエレメント３の溶断方向であり、ヒューズエレメント３は、当該方向にわたって溶断することにより第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。そして、当該方向において中間電極６の端部６ａ，６ｂの少なくとも一方が張り出し、ヒューズエレメント３上及び端部６ａ及び／又は端部６ｂにフラックス７が保持される。

【0045】

これにより、保護素子１は、中間電極６のヒューズエレメント３が搭載されていない端部６ａ及び／又は端部６ｂにもフラックス６を保持でき、中間電極６の酸化を防止できる。したがって、中間電極６は、溶けたヒューズエレメント３が濡れ広がる面積が増えるため、ヒューズエレメント３の断面積の大型化により溶融量が増大した場合でも、速やかに且つ確実に溶断することができる。また、ヒューズエレメント３が速やかに溶断することで、中間電極６や発熱体４自体の損傷を防止でき、発熱遮断動作を安定化させることができる。

【0046】

なお、中間電極６による溶融したヒューズエレメント３の保持量を増大するために、図１に示すように、中間電極６の両端部６ａ，６ｂがヒューズエレメント３から張り出し、フラックス７が保持されていることが好ましい。

【0047】

フラックス７は、塗布領域に応じた開口部３７を有するマスク３６を介して塗布することにより、所定の範囲に、所定量だけ塗布することができる（図７参照）。この塗布工法では、フラックス７の塗布領域に対応した開口部を有するメタルマスクやスクリーンマスク等のマスクを用意し、このマスクをフラックス７の塗布領域の周囲に配置して、スキージで押圧する。これにより、マスクの開口部領域にマスクの厚み分のフラックス７を印刷することができる。

【0048】

［キャップ部材］
キャップ部材３０は、絶縁基板２のヒューズエレメント３が搭載された表面２ａに接着剤を介して取り付けられている。キャップ部材３０は、保護素子１の内部を保護するとともに、ヒューズエレメント３が溶断する際に発生する溶融物の飛散を防止するものである。キャップ部材３０の材料としては、各種エンジニアリングプラスチック、セラミックス等の絶縁性を有する材料を用いることができる。

【0049】

キャップ部材３０は、フラックス７を所定の位置に保持する突起３１が天面内側に立設されている。突起３１は、中間電極６のヒューズエレメント３が搭載された位置と対向する位置及びヒューズエレメント３が搭載されていない端部６ａ及び／又は端部６ｂと対向する位置に設けられ、フラックス７と接することにより張力が作用し、フラックス７をヒューズエレメント３上及び端部６ａ及び／又は端部６ｂに保持している。なお、突起３１は、図１に示すように、中間電極６のヒューズエレメント３が搭載された位置と対向する位置及びヒューズエレメント３が搭載されていない端部６ａ及び／又は端部６ｂと対向する位置のそれぞれに立設してもよく、図３に示すように、両方の位置にかかるように立設してもよい。

【0050】

なお、本明細書では、複数立設された突起３１のうち、中間電極６のヒューズエレメント３が搭載されていない端部６ａ，６ｂと少なくとも一部が対向する突起を端部突起３１ａといい、中間電極６のヒューズエレメント３が搭載された位置と対向する突起を中間突起３１ｂという。

【0051】

突起３１の長さは、中間電極６あるいはヒューズエレメント３との距離に応じて決定される。中間電極６のヒューズエレメント３が搭載されていない端部６ａ，６ｂと対向する位置に設けられた端部突起３１ａと中間電極６の端部６ａ，６ｂとの距離は、端部突起３１ａがフラックス７と接し、且つフラック７を保持できる距離とされ、例えば３５０μｍ以下とされている。同様に、中間電極６のヒューズエレメント３が搭載された位置と対向する位置に設けられた中間突起３１ｂとヒューズエレメント３との距離も、中間突起３１ｂがフラックス７と接し、且つフラックス７を保持できる距離とされ、例えば３５０μｍ以下とされている。

【0052】

また、端部突起３１ａ及び中間突起３１ｂは、中間電極６上に凝集するヒューズエレメント３の溶融導体３ａとの接触を避ける必要が有る。すなわち、ヒューズエレメント３の断面積が増大すると、中間電極６で保持するヒューズエレメント３の溶融導体３ａの量も増加する。このため、中間電極６上に凝集した溶融導体３ａが突起３１と接触する場合が生じる。これにより、発熱体４の熱が溶融導体３ａを介して突起３１及びキャップ部材３０に放熱されることで、ヒューズエレメント３の加熱、溶断を阻害するおそれがある。このため、端部突起３１ａと中間電極６の端部６ａ，６ｂとの距離及び中間突起３１ｂとヒューズエレメント３との距離は、溶融導体３ａの体積に応じた距離を備え、それぞれ例えば１００μｍ以上とされている。端部突起３１ａ及び中間突起３１ｂは、溶融導体３ａと接触しない長さを備えることにより、溶融導体３ａと接触することによる発熱体４の熱の放熱を防止し、速やかに、且つ確実にヒューズエレメント３を溶断することができる。

【0053】

突起３１の形状は特に制限はなく、例えば、円筒状、円柱状等の柱状をなす。また、突起３１は、一又は複数設けられる。フラックス７と接する突起３１の表面は、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。突起３１は、全て同一形状、同一寸法で形成してもよく、部分的に形状や寸法を異ならせてもよい。例えば、図４に示すように、端部突起３１ａを、中間突起３１ｂよりも小径に形成してもよい。また、図５に示すように、端部突起３１ａを中間電極６の端部６ａ，６ｂと対向するとともに一部が端部６ａ，６ｂから張り出すような形状や寸法としてもよい。これにより、フラックス７を中間電極６の端部６ａ，６ｂを超えた位置まで保持することができる。図５に示す構成では、端部突起３１ａを、ヒューズエレメント３の通電方向と直交する幅方向（溶断方向）を長軸とする楕円柱状に形成したものであるが、端部突起３１ａの形状はこれに限られない。

【0054】

突起３１の配列は、中間電極６の上方に、中間電極６の長手方向に沿って、形成されている。これにより、中間電極６の発熱体４によって加熱される領域に沿ってフラックス７が保持される。また、突起３１は、配列パターンは特に制限はなく、一列で配列してもよく、複数列で配列してもよい。また、複数列で配列する場合も、突起３１を並列させてもよく、千鳥状に配列してもよい。

【0055】

また、突起３１は、フラックスの偏りを防止するうえで、一定の間隔で配列されることが好ましいが、立設間隔は一定でなくてもよい。同様の理由から、突起３１は、断面視において、ヒューズエレメントの通電方向と直交する方向において、対称に配列されていることが好ましいが、対称でなくともよい。

【0056】

なお、中間電極６による溶融したヒューズエレメント３の保持量を増大するために、中間電極６の両端部６ａ，６ｂがヒューズエレメント３から張り出すとともに、端部突起３１ａにより、両端部６ａ，６ｂの先端までフラックス７が保持され、中間電極６の全域において酸化が防止されていることが好ましい。

【0057】

［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。

【0058】

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。

【0059】

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６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。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６上に接続ハンダ等の導電接続材料を介して接続される。

【0060】

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、第１、第２の電極１１，１２及び中間電極６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。

【0061】

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、ヒューズエレメント３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１３と高融点金属層１４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。

【0062】

ヒューズエレメント３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、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６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。

【0063】

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。

【0064】

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１３が高融点金属層１４を溶食（ハンダ食われ）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、ヒューズエレメント３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、ヒューズエレメント３の溶融導体３ａは、中間電極６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２）。

【0065】

また、ヒューズエレメント３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。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の電極１１，１２間を遮断することができる。

【0066】

また、ヒューズエレメント３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、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。

【0067】

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、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。

【0068】

［保護素子の製造工程］
次いで、保護素子１の製造工程について説明する。図７は保護素子１の製造工程を示す断面図であり、図７（Ａ）はフラックスを塗布する工程を示し、図７（Ｂ）はフラックスが塗布された接続体３５を示し、図７（Ｃ）は保護素子１を示す。保護素子１の製造工程は、絶縁基板２と、絶縁基板２の表面２ａ側に設けられた発熱体４と、発熱体４を覆う絶縁層５と、絶縁層５上に設けられた中間電極６を有し、中間電極６にヒューズエレメント３が接続された接続体３５を形成する工程と、ヒューズエレメント３上に、塗布領域に対応した開口部を有するマスク３６を介してフラックス７を塗布する工程と、絶縁基板２のヒューズエレメント３が搭載された表面２ａにキャップ部材３０を接続して基板表面を被覆する工程を有する。

【0069】

上述したように、絶縁基板２の表面２ａ上には、第１、第２の電極１１，１２、第１、第２の発熱体電極８，９、第１、第２の引出電極１７，１８が、スクリーン印刷技術等を用いて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される。

【0070】

また、発熱体４は、ニクロム、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｕ等又はこれらを含む材料からなり、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等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４、第１、第２の引出電極１７，１８上には、スクリーン印刷技術等を用いてガラス系のペースト等を塗布、焼成することにより絶縁層５が形成される。

【0071】

さらに、スクリーン印刷技術等を用いてＡｇやＣｕ等の導電ペーストを印刷、焼成することによって、第２の発熱体電極９から絶縁層５上にかけて中間電極６が形成される。第１、第２の電極１１，１２、及び中間電極６は、接続ハンダ等の導電接続材料が印刷され、ヒューズエレメント３が搭載された後、リフロー工程に付される。これにより、ヒューズエレメント３が接続された接続体３５を得る。

【0072】

次いで、ヒューズエレメント３上に、塗布領域に対応した開口部３７を有するマスク３６（メタルマスクやスクリーンマスク等）を介してフラックス７を塗布する。この塗布工程では、図７（Ａ）に示すように、スクリーン印刷工法においては、フラックス７の印刷部周囲に、印刷部に対応した開口部３７を有するマスク３６を配置させ、マスク３６表面上をスキージ３８が摺動することにより、開口部３７に応じた位置及び面積で、マスク３６の厚み分のフラックス７を塗布することができる（図７（Ｂ））。

【0073】

次いで、絶縁基板２のヒューズエレメント３が搭載された表面２ａにキャップ部材３０を接続して基板表面を被覆し、保護素子１を得る（図７（Ｃ））。このとき、キャップ部材３０に突起３１を設けることにより、突起３１の先端に接したフラックス７の表面張力によって、フラックス７が引き寄せられ所定の位置にフラックス７を保持することができる。

【0074】

［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８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。

【0075】

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。

【0076】

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。

【0077】

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。

【0078】

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。

【0079】

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。

【0080】

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。

【0081】

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９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１５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１６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が第１の発熱体電極８及び第３の外部接続電極１０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と接続される。このように、発熱体４は、一端を中間電極６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の一端側と接続され、他端を第３の外部接続電極１０を介して電流制御素子２８及びバッテリスタック２５の他端側と接続される。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４への給電経路が形成される。

【0082】

［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。

【0083】

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。

【0084】

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。

【0085】

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。

【0086】

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。

【0087】

［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詳細を省略することがある。

【0088】

図１０に示すように、第２の実施の形態に係る保護素子５０は、端部突起３１ａの長さが、中間突起３１ｂの長さよりも長い。

【0089】

突起３１を複数立設した場合でも、ヒューズエレメント３の厚さを変更した場合や、フラックスの粘度が低い場合、突起３１の立設間隔等によっては、突起３１によるフラックス７の保持力が不足し、フラックス７が片側に偏る（図１１参照）。このため、中間電極６は、フラックス７が保持されない側の端部６ａ又は端部６ｂが発熱体４の加熱により酸化され、溶融導体３ａが濡れずに、増大したヒューズエレメント３の溶融導体３ａがあふれて溶断が阻害されるおそれがある。

【0090】

そこで、保護素子５０は、フラックス７の偏在によりフラックス７が不足し得る中間電極６の端部６ａ及び／又は端部６ｂと対向する端部突起３１ａの長さを、中間突起３１ｂの長さよりも長くしている。

【0091】

これにより、保護素子５０は、端部突起３１ａと中間電極６の端部６ａ,６ｂとの距離が空きすぎず、端部突起３１ａによるフラックス７の保持力を維持して、偏在を防止することができる。したがって、中間電極６の両端部６ａ，６ｂ間にわたってフラックス７を保持することができ、フラックス７の不足による濡れ性の低下を防止し、速やかに、且つ確実にヒューズエレメント３を溶断することができる。

【0092】

ここで、保護素子５０は、保護素子１と同様に、突起３１（すなわち端部突起３１ａ及び中間突起３１ｂ）が溶融したヒューズエレメント３と接触しない長さを有することが好ましい。ヒューズエレメント３の溶融導体３ａの接触を避けるために突起３１を短くすると、突起３１とヒューズエレメント３や中間電極６の端部６ａ，６ｂとの間隔が広がりフラックス７の保持力が低下する。特に、図１１に示すように、ヒューズエレメント３が搭載されていない中間電極６の端部６ａ，６ｂと端部突起３１ａとの間隔が広がることにより、保護素子内部においてフラックス７の偏在が生じ得る。

【0093】

ここで、図１２に示すように、中間電極６に凝集したヒューズエレメント３の溶融導体３ａは、中間電極６の中央部において最も高く、中間電極６の端部６ａ，６ｂにかけて低くなっていく。保護素子５０は、中間電極６の中央部に凝集した溶融導体３ａと対向する中間突起３１ｂは短く、溶融導体３ａの凝集体との接触が防止されている。また、中間電極６の両端部６ａ，６ｂと対向する端部突起３１ａは長く形成されているが、端部突起３１ａの形成位置は溶融導体３ａの凝集体の高さが低い部分に対応する。したがって、保護素子５０は、端部突起３１ａの長さを中間突起３１ｂよりも長くすることでフラックス７の保持力を維持して偏在を防止するとともに、端部突起３１ａ及び中間突起３１ｂと溶融導体３ａの接触による発熱体４の熱の放熱を防止し、速やかに、且つ確実にヒューズエレメント３を溶断することができる。

【0094】

なお、端部突起３１ａの長さを中間突起３１ｂより長くする構成においても、図１３に示すように、端部突起３１ａを中間突起３１ｂよりも小径に形成してもよい。また、端部突起３１ａは、中間電極６のヒューズエレメント３が搭載された位置と対向する位置及びヒューズエレメント３が搭載されていない端部６ａ，６ｂと対向する位置のそれぞれに立設してもよく、図１４に示すように、両方の位置にかかるように立設してもよい。このとき、端部突起３１ａは、中間電極６のヒューズエレメント３が搭載された位置と対向する部位は中間突起３１ｂと同様に短くし、中間電極６の端部６ａ，６ｂと対向する部位は中間突起３１ｂよりも長くした階段状に形成してもよい。また、図１５に示すように、端部突起３１ａを中間突起３１ｂよりも長くするとともに、中間電極６の端部６ａ，６ｂと対向し且つ端部６ａ，６ｂから一部が張り出すような形状としてもよい。これにより、フラックス７を中間電極６の端部６ａ，６ｂを超えた位置まで保持することができる。図１５に示す端部突起３１ａは、ヒューズエレメント３の通電方向と直交する幅方向（溶断方向）を長軸とする楕円柱状に形成したものであるが、端部突起３１ａの形状はこれに限られない。

【0095】

［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１，５０の構成と同じ構成は同じ符号を付してその詳細を省略することがある。図１６（Ａ）（Ｂ）に示すように、保護素子６０は、発熱体４への給電経路とヒューズエレメント３の電流経路を独立して形成してもよい。図１６に示す保護素子６０は、中間電極６と第２の発熱体電極９とが非接続とされている。また、第２の発熱体電極９は、第１の発熱体電極８と同様に、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４の外部接続電極６１と連続されている。第３の外部接続電極１０及び第４の外部接続電極６１が、保護素子６０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４は外部回路に設けられた外部電源と接続される。そのほかの構成は、保護素子１と同様である。

【0096】

図１７は、保護素子６０の回路構成を示す図である。保護素子６０は、外部回路に実装されることにより、第１の外部接続電極１５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１６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。発熱体４は、第１の発熱体電極８及び第３の外部接続電極１０を介して電流制御素子２８と接続されるとともに、バッテリスタック２５と接続される。また、発熱体４は、第２の発熱体電極９及び第４の外部接続電極６１を介して図示しないアースと接続される。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４への給電経路が形成される。保護素子６０は、ヒューズエレメント３が溶断すると、これを検知した検出回路２７及び電流制御素子２８によって発熱体４への通電が停止される。

【0097】

保護素子６０は、保護素子１，５０と同様に突起３１を形成し、突起３１によってフラックス７が所定の位置に保持されることにより、保護素子１，５０と同様の作用、効果を奏する。

【0098】

［変形例２］
次いで、本技術が適用された保護素子の第２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１，５０，６０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１８は、変形例に係る保護素子７０を示す図であり、（Ａ）は、キャップ部材を省略して示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示すＡ－Ａ断面図であり、（Ｃ）は（Ａ）に示すＢ－Ｂ断面図であり、（Ｄ）は底面図である。

【0099】

図１８（Ａ）～（Ｄ）に示すように、第２の変形例に係る保護素子７０は、絶縁基板２の表面２ａと反対側の裏面２ｂに、発熱体４、第１，第２の引出電極１７，１８及びこれらを被覆する絶縁層５が形成されている。また、絶縁基板２の裏面２ｂには、第１、第２の発熱体電極８，９、第１、第２の外部接続電極１５，１６が形成されている。

【0100】

また、絶縁基板２の表面２ａには、第１、第２の電極１１，１２、及び中間電極６が形成され、これら各電極１１，１２，６上にヒューズエレメント３が実装されている。

【0101】

絶縁基板２の表面２ａに設けられた第１、第２の電極１１，１２、及び中間電極６や、絶縁基板２の裏面２ｂに設けられた発熱体４、第１，第２の引出電極１７，１８、第１、第２の発熱体電極８，９、及び第１、第２の外部接続電極１５，１６は、上述した保護素子１と同様の工程によって形成することができる。

【0102】

第２の発熱体電極９と中間電極６は、絶縁基板２の側面に形成されたキャスタレーションや絶縁基板２を貫通する導電スルーホール等により電気的に接続されている。すなわち、中間電極６は、第２の発熱体電極９を介して発熱体４と電気的及び熱的に接続される。これにより、保護素子７０は、発熱体４が絶縁基板２を介して中間電極６を加熱するとともに、熱伝導性に優れる第２の発熱体電極９及びキャスタレーションを介して発熱体４の熱が中間電極６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１９）。

【0103】

なお、保護素子７０では、第１、第２の発熱体電極８，９が外部回路基板の電極と接続される外部接続電極ともなるため、保護素子１に設けた第３の外部接続電極１０や保護素子６０に設けた第４の外部接続電極６１は設けられていない。

【0104】

保護素子７０は、保護素子１，５０，６０と同様に突起３１を形成し、突起３１によってフラックス７が所定の位置に保持されることにより、保護素子１，５０，６０と同様の作用、効果を奏する。

【0105】

なお、保護素子７０においても、保護素子６０と同様に、中間電極６と第２の発熱体電極９とを非接続とすることにより、発熱体４への給電経路とヒューズエレメント３の電流経路を独立して形成してもよい。

【実施例0106】

［第１の実施例］
次いで、本技術の実施例について説明する。第１の実施例では、突起の数を変えた保護素子のサンプルを作製し、発熱体に３３Ｗの電力を印加し、ヒューズエレメントの溶断試験を行った。

【0107】

実施例及び比較例に係る保護素子サンプルは、キャップ部材に設けた突起の数を除き、上述した保護素子１と同様の構成を有する。また、各サンプルとも、厚さ１００μｍのヒューズエレメントを使用した。そして、実施例及び比較例に係る保護素子のフラックスの塗布領域に応じた開口部を有するマスクを用いて、所定の範囲に、所定量のフラックスを塗布した。

【0108】

実施例及び比較例に係る保護素子について、平均溶断時間（秒）、最小・最大溶断時間（秒）、及び未切断発生率（％）を求めた。実施例及び比較例に係る保護素子とも、サンプルの数ｎは１９２である。なお、未切断発生率（％）とは、ヒューズエレメントが所定の時間を経過しても溶断しないサンプルの発生率をいい、ヒューズエレメントや中間電極が酸化することにより溶融が阻害され溶断が不可能となることに起因して起こる。

【0109】

［実施例１］
実施例１は、キャップ部材の天面に同一寸法の円柱状突起を、中間電極に沿って一列で４つ形成した。両端の端部突起は、中間電極のヒューズエレメントが搭載された位置と対向する位置及びヒューズエレメントが搭載されていない端部と対向する位置の両方の位置にかかるように立設されている（図３参照）。フラックスは、突起の形成位置に応じて、ヒューズエレメント上及び中間電極のヒューズエレメントから張り出す両端部側にかけて塗布、保持されている。

【0110】

［実施例２］
実施例２は、キャップ部材の天面に同一寸法の円柱状突起を、中間電極に沿って一列で５つ形成した。突起は、中間電極のヒューズエレメントが搭載された位置と対向する位置及びヒューズエレメントが搭載されていない端部と対向する位置にそれぞれ立設されている（図１参照）。フラックスは、突起の形成位置に応じて、ヒューズエレメント上及び中間電極のヒューズエレメントから張り出す両端部全域に塗布され、ヒューズエレメント上から中間電極の端部の先端にわたって保持されている。

【0111】

［比較例１］
比較例１に係る保護素子は、図２０に示すように、キャップ部材の天面に同一寸法の円柱状突起を、中間電極に沿って一列で３つ形成した。突起は、中間電極のヒューズエレメントが搭載された位置と対向する位置のみに立設されている。フラックスは、突起の形成位置に応じて、ヒューズエレメント３上にのみ塗布、保持されている。

【0112】

【表1】

【0113】

表１に示すように、実施例１、実施例２に係る保護素子は、ヒューズエレメントより張り出す中間電極の端部と対向する位置にも突起を設けることで、中間電極の両端部側までフラックスが塗布、保持することができ、溶断時間、未切断発生率とも良好な結果となった。

【0114】

比較例１は、突起がヒューズエレメントと対向する位置のみ立設され、中間電極の両端部にフラックスが保持されていない。このため、フラックスの塗布量も相対的に少なく、また発熱体の加熱によりヒューズエレメント及び中間電極の両端部の酸化が進み、溶断時間が長くなり、また未切断発生率も増加した。

【0115】

なお、実施例１と実施例２とを対比すると、突起の数及びフラックスの塗布量が多く、中間電極の端部先端までフラックスが塗布、保持された実施例２が相対的に溶断時間、未切断発生率とも有利な結果となった。

【0116】

［第２の実施例］
次いで、第２の実施例について説明する。第２の実施例では、突起の長さを変えた保護素子のサンプルを作製し、発熱体に３３Ｗの電力を印加し、ヒューズエレメントの溶断試験を行った。

【0117】

実施例及び比較例に係る保護素子サンプルは、キャップ部材に設けた突起の長さを除き、上述した保護素子１と同様の構成を有する。また、各サンプルとも、厚さ１２５μｍのヒューズエレメントを使用した。そして、実施例及び比較例に係る保護素子のフラックスの塗布領域に応じた開口部を有するマスクを用いて、所定の範囲に、所定量のフラックスを塗布した。

【0118】

［実施例３］
実施例３は、キャップ部材の天面に５つの円柱状突起を、中間電極に沿って一列で形成した。ヒューズエレメントが搭載された位置と対向する位置に形成された中間突起は、中間電極のヒューズエレメントが搭載されていない端部と対向する位置に形成された端部突起よりも短い（図１０参照）。端部突起と中間電極の端部との距離は間にフラックスを保持できる距離（略３５０μｍ以下）とし、中間突起とヒューズエレメントとの距離はヒューズエレメントの溶融導体と接触しない距離（略１００μｍ以上）とした。

【0119】

［比較例２］
比較例２は、キャップ部材の天面に同一寸法の円柱状突起を、中間電極に沿って一列で５つ形成した点を除いて、実施例３と同様の構成とした（図１参照）。各突起は、端部突起と中間電極の端部との距離は間にフラックスを保持できる距離（略３５０μｍ以下）とした。

【0120】

［比較例３］
比較例３は、キャップ部材の天面に同一寸法の円柱状突起を、中間電極に沿って一列で５つ形成した点を除いて、実施例３と同様の構成とした（図１１参照）。各突起は、ヒューズエレメントの溶融導体と接触しない距離（略１００μｍ以上）とした。

【0121】

【表2】

【0122】

表２に示すように、実施例３は、端部突起が中間電極の端部との間でフラックスを保持できる長さとされることで、フラックスは、ヒューズエレメント上及び中間電極のヒューズエレメントから張り出す両端部まで塗布され、中間電極の酸化を防止し、両端部にかけて溶融導体を十分に保持することができた。また、中間突起が溶融したヒューズエレメント３と接触しないため、突起及びキャップ部材による吸熱が防止され、溶断時間、未切断発生率とも良好な結果となった。

【0123】

比較例２では、端部突起が中間電極の端部との間でフラックスを保持できる長さで全突起を形成したことにより、中間突起とヒューズエレメントとの距離が短くなったことで（略１００μｍ未満）、溶けたヒューズエレメントが中間突起に当たり発熱体の熱がキャップ部材へ放熱され、ヒューズエレメントの温度が下がり、溶断時間が長くなり、また未切断発生率も高まった。これにより、ヒューズエレメントを厚くすることにより突起とヒューズエレメントの距離が短くなると、ヒューズエレメントの溶融導体が中間突起と接触するリスクが生じることから、ヒューズエレメントの体積（溶融量）に応じた距離（少なくとも１００μｍ以上）を確保することが求められることが分かる。

【0124】

比較例３では、立設したすべての突起の長さを短くしたことで、フラックスの保持力が低下し、フラックスの偏りが生じた。このため、発熱体の加熱により中間電極の一方の端部が酸化することで溶融導体の保持容量が減少し、溶断時間が長くなり、また未切断発生率も高まった。

【符号の説明】

【0125】

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、５ 絶縁層、６ 中間電極、６ａ 一方の端部、６ｂ 他方の端部、７ フラックス、８ 第１の発熱体電極、９ 第２の発熱体電極、１０ 第３の外部接続電極、１１ 第１の電極、１２ 第２の電極、１３ 低融点金属、１４ 高融点金属、１５ 第１の外部接続電極、１６ 第２の外部接続電極、１７ 第１の引出電極、１８ 第２の引出電極、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、３０ キャップ部材、３１ 突起、３１ａ 端部突起、３１ｂ 中間突起、３５ 接続体、３６ マスク、３７ 開口部、３８ スキージ、５０ 保護素子、６０ 保護素子、６１ 第４の外部接続電極、７０ 保護素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】