特許 7446187 加熱装置及び蓄電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-29

(45)【発行日】2024-03-08

(54)【発明の名称】加熱装置及び蓄電装置

(51)【国際特許分類】

   H05B 3/20 20060101AFI20240301BHJP

   H01M 10/615 20140101ALI20240301BHJP

   H01M 10/623 20140101ALI20240301BHJP

   H01M 10/6571 20140101ALI20240301BHJP

   H05B 3/00 20060101ALI20240301BHJP

   H05B 3/06 20060101ALI20240301BHJP

【ＦＩ】

H05B3/20 340

H01M10/615

H01M10/623

H01M10/6571

H05B3/00 370

H05B3/06 B

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2020149851

(22)【出願日】2020-09-07

(65)【公開番号】P2022044297

(43)【公開日】2022-03-17

【審査請求日】2023-08-04

(73)【特許権者】

【識別番号】000116024

【氏名又は名称】ローム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】赤坂 俊輔

(72)【発明者】

【氏名】天本 百合奈

(72)【発明者】

【氏名】中原 健

【審査官】柳本 幸雄

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－３０２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２７８１４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１１４５３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２３０３８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１３８７９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１４９５９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－６７５８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１４－５１１５５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２４３５３５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０５Ｂ ３／２０

Ｈ０１Ｍ ５０／２０

Ｈ０１Ｍ １０／６１５

Ｈ０１Ｍ １０／６２３

Ｈ０１Ｍ １０／６５７－１０／６５７１

Ｈ０５Ｂ ３／００

Ｈ０５Ｂ ３／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板上に配置され、かつ前記基板に電気的に接続されている複数のマイクロヒータとを備え、
前記複数のマイクロヒータは、アレイ状に配置されており、
前記複数のマイクロヒータの各々は、第１シリコン基板と、絶縁膜と、ヒータとを有しており、
前記第１シリコン基板には、前記第１シリコン基板を厚さ方向に沿って貫通している第１開口部が形成されており、
前記絶縁膜は、前記ヒータが配置されている中央部と、前記第１シリコン基板上に配置されている周辺部と、前記中央部及び前記周辺部を接続し、前記中央部を前記第１開口部上において支持している接続部とを含む、加熱装置。

【請求項2】

複数の第２シリコン基板をさらに備え、
前記複数の第２シリコン基板の各々は、前記複数のマイクロヒータの各々と前記基板との間に配置されている、請求項１に記載の加熱装置。

【請求項3】

前記複数の第２シリコン基板の各々には、前記複数の第２シリコン基板の各々を厚さ方向に沿って貫通しているビアホールが形成されており、
前記複数の第２シリコン基板の各々は、前記ビアホール内に配置され、かつ前記複数のマイクロヒータの各々と前記基板とを電気的に接続している導体を有する、請求項２に記載の加熱装置。

【請求項4】

前記複数の第２シリコン基板の各々には、前記複数の第２シリコン基板の各々を厚さ方向に沿って貫通している第２開口部が形成されており、
前記複数の第２シリコン基板の各々は、前記第２開口部が前記第１開口部と重なるように配置されている、請求項２又は請求項３に記載の加熱装置。

【請求項5】

前記基板には、前記基板を厚さ方向に沿って貫通している複数の第３開口部が形成されており、
前記基板は、前記複数の第３開口部の各々が前記複数のマイクロヒータの各々の前記第１開口部及び前記複数の第２シリコン基板の各々の前記第２開口部と重なるように配置されている、請求項４に記載の加熱装置。

【請求項6】

前記基板は、フレキシブルプリント基板である、請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の加熱装置。

【請求項7】

コントローラをさらに備え、
前記コントローラは、前記複数のマイクロヒータに接続され、かつ前記複数のマイクロヒータの各々の前記ヒータの動作を個別に制御可能に構成されている、請求項１～請求項６のいずれか１項に記載の加熱装置。

【請求項8】

電池パックと、
請求項１～請求項７のいずれか１項に記載の前記加熱装置とを備え、
前記基板は、前記電池パック上に配置されている、蓄電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、加熱装置及び蓄電装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特開２００６－２８６５０８号公報（特許文献１）には、充電装置が記載されている。特許文献１に記載の充電装置は、電池パックと、温度調整用ヒータとを有している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００６－２８６５０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の充電装置においては、温度調整用ヒータの熱容量が大きい。そのため、特許文献１に記載の充電装置においては、加熱効率が低く、加熱に時間がかかる。

【0005】

本開示は、上記のような従来技術の問題点に鑑みたものである。より具体的には、本開示は、効率的に被加熱体に対する加熱が可能な加熱装置を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の加熱装置は、基板と、基板上に配置され、かつ基板に電気的に接続されている複数のマイクロヒータとを備えている。複数のマイクロヒータは、アレイ状に配置されている。複数のマイクロヒータの各々は、第１シリコン基板と、絶縁膜と、ヒータとを有している。第１シリコン基板には、第１シリコン基板を厚さ方向に沿って貫通している第１開口部が形成されている。絶縁膜は、ヒータが配置されている中央部と、第１シリコン基板上に配置されている周辺部と、中央部及び周辺部を接続し、中央部を第１開口部上において支持している接続部とを含む。

【0007】

上記の加熱装置は、さらに、複数の第２シリコン基板を備えていてもよい。複数の第２シリコン基板の各々は、複数のマイクロヒータの各々と基板との間に配置されていてもよい。

【0008】

上記の加熱装置では、複数の第２シリコン基板の各々に、複数の第２シリコン基板の各々を厚さ方向に沿って貫通しているビアホールが形成されていてもよい。複数の第２シリコン基板の各々は、ビアホール内に配置され、かつ複数のマイクロヒータの各々と基板とを電気的に接続している導体を有していてもよい。

【0009】

上記の加熱装置では、複数の第２シリコン基板の各々に、複数の第２シリコン基板の各々を厚さ方向に沿って貫通している第２開口部が形成されていてもよい。複数の第２シリコン基板の各々は、第２開口部が第１開口部と重なるように配置されていてもよい。

【0010】

上記の加熱装置では、基板に、基板を厚さ方向に沿って貫通している複数の第３開口部が形成されていてもよい。基板は、複数の第３開口部の各々が複数のマイクロヒータの各々の第１開口部及び複数の第２シリコン基板の各々の第２開口部と重なるように配置されていてもよい。

【0011】

上記の加熱装置では、基板が、フレキシブルプリント基板であってもよい。上記の加熱装置は、さらに、コントローラを備えていてもよい。コントローラは、複数のマイクロヒータに接続され、かつ複数のマイクロヒータの各々のヒータの動作を個別に制御可能に構成されていてもよい。

【0012】

本開示の蓄電装置は、電池パックと、上記の加熱装置とを備えている。基板は、電池パック上に配置されている。

【発明の効果】

【0013】

本開示の加熱装置によると、被加熱体に対する加熱を効率的に行うことができる。本開示の蓄電装置によると、電池パックに対する加熱を効率的に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】加熱装置１００の断面図である。

【図2】マイクロヒータ２０の断面図である。

【図3】マイクロヒータ２０の平面図である。

【図4】加熱装置１００の平面図である。

【図5】加熱装置１００の機能ブロック図である。

【図6】蓄電装置３００の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下に、本開示の実施形態の詳細を、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同一又は相当する部分に同一の参照符号を付し、重複する説明は繰り返さないものとする。

【0016】

（実施形態に係る加熱装置の構成）
以下に、実施形態に係る加熱装置（以下においては、「加熱装置１００」とする）の構成を説明する。

【0017】

図１は、加熱装置１００の断面図である。図１に示されるように、加熱装置１００は、基板１０と、複数のマイクロヒータ２０と、複数のシリコン基板３０とを有している。

【0018】

基板１０は、主面１０ａと、主面１０ｂとを有している。主面１０ｂは、主面１０ａの反対面である。主面１０ａ及び主面１０ｂは、基板１０の厚さ方向における端面を構成している。基板１０は、好ましくは、可撓性のある材料で形成されている。基板１０は、例えば、ポリイミド等で形成されている。すなわち、基板１０は、フレキシブルプリント基板である。但し、基板１０は、フレキシブルプリント基板でなくてもよい。基板１０は、例えば、強化繊維を含有する樹脂材料で形成されたリジッド基板であってもよい。

【0019】

基板１０には、複数の開口部１０ｃが形成されている。開口部１０ｃは、基板１０を厚さ方向（主面１０ａから主面１０ｂに向かう方向）に沿って貫通している。図示されていないが、開口部１０ｃは、平面視において、例えば矩形形状を有している。基板１０は、パッド１１及びパッド１２を有している。パッド１１及びパッド１２は、導電性の材料により形成されている。導電性の材料は、例えば、銅（Ｃｕ）である。パッド１１及びパッド１２は、主面１０ａ上に配置されている。

【0020】

マイクロヒータ２０は、基板１０上に配置されている。図２は、マイクロヒータ２０の断面図である。図３は、マイクロヒータ２０の平面図である。図２及び図３に示されるように、マイクロヒータ２０は、シリコン基板２１と、絶縁膜２２と、パッド２３及びパッド２４と、配線２５とを有している。

【0021】

シリコン基板２１は、シリコン（Ｓｉ）により形成されている基板である。シリコン基板２１は、主面２１ａと、主面２１ｂとを有している。主面２１ｂは、主面２１ａの反対面である。主面２１ａ及び主面２１ｂは、シリコン基板２１の厚さ方向における端面を構成している。マイクロヒータ２０は、例えば、主面２１ｂが基板１０側を向くように配置されている（図１参照）。

【0022】

シリコン基板２１には、開口部２１ｃが形成されている。開口部２１ｃは、シリコン基板２１を厚さ方向（主面２１ａから主面２１ｂに向かう方向）に沿って貫通している。マイクロヒータ２０は、開口部２１ｃが開口部１０ｃと重なるように配置されている（図１参照）。開口部２１ｃは、平面視において、例えば矩形形状を有している（図３参照）。

【0023】

絶縁膜２２は、周辺部２２ａと、中央部２２ｂと、接続部２２ｃとを有している。周辺部２２ａは、シリコン基板２１上（主面２１ｂ上）に配置されている。中央部２２ｂは、開口部２１ｃ上に配置されている。中央部２２ｂは、平面視において、矩形形状を有している。接続部２２ｃは、中央部２２ｂの平面視における各辺から周辺部２２ａに向かって延在することにより、周辺部２２ａと中央部２２ｂとを接続している。これにより、中央部２２ｂは、開口部２１ｃ上において支持されている。

【0024】

絶縁膜２２は、絶縁性の材料で形成されている。絶縁膜２２は、例えば、シリコン酸化物の膜とシリコン窒化物の膜とを積層することにより形成されている。

【0025】

パッド２３及びパッド２４は、絶縁膜２２上に配置されている。より具体的には、パッド２３及びパッド２４は、周辺部２２ａ上に配置されている。配線２５は、ヒータ部２５ａと、接続部２５ｂと、接続部２５ｃとを有している。

【0026】

ヒータ部２５ａは、中央部２２ｂ上に配置されている。配線２５は、ヒータ部２５ａにおいて、蛇行している。接続部２５ｂは、接続部２２ｃ上を通り、パッド２３とヒータ部２５ａとを接続している。接続部２５ｃは、接続部２２ｃ上を通り、パッド２４とヒータ部２５ａとを接続している。パッド２３とパッド２４との間に電圧が印加されてヒータ部２５ａに電流が流れることにより、ヒータ部２５ａが発熱する。すなわち、ヒータ部２５ａは、マイクロヒータ２０のヒータとなっている。

【0027】

パッド２３、パッド２４及び配線２５は、導電性の材料により形成されている。パッド２３、パッド２４及び配線２５は、一体的に形成されている。導電性の材料は、例えば、白金（Ｐｔ）である。

【0028】

マイクロヒータ２０は、以下の方法により形成される。第１に、シリコン基板２１が準備される。第２に、シリコン基板２１上（主面２１ｂ上）に絶縁膜２２が形成される。絶縁膜２２の形成は、例えばＣＶＤ（chemical Vapor Deposition）等により絶縁膜２２を構成している材料を成膜するとともに、成膜された当該材料をフォトリソグラフィ及びエッチングでパターンニングすることにより形成される。

【0029】

第３に、パッド２３、パッド２４及び配線２５が形成される。パッド２３、パッド２４及び配線２５の形成は、パッド２３、パッド２４及び配線２５を構成している材料をスパッタリング等で成膜するとともに、成膜された当該材料をフォトリソグラフィ及びエッチングでパターンニングすることにより行われる。

【0030】

第４に、開口部２１ｃの形成が行われる。開口部２１ｃは、シリコン基板２１をエッチングすることにより形成される。このように、マイクロヒータ２０は、半導体製造プロセスを用いて形成することができる。

【0031】

図４は、加熱装置１００の平面図である。図４に示されるように、複数のマイクロヒータ２０は、アレイ状（行列状）に配置されている。複数のマイクロヒータ２０は、例えば正方格子状に配置されている。但し、複数のマイクロヒータ２０のアレイ状の配置は、これに限られるものではない。複数のマイクロヒータ２０は、例えば、千鳥格子状に配置されていてもよい。

【0032】

シリコン基板３０は、シリコンにより形成されている基板である。図１に示されるように、シリコン基板３０は、基板１０とマイクロヒータ２０との間に配置されている。シリコン基板３０は、主面３０ａと、主面３０ｂとを有している。主面３０ｂは、主面３０ａの反対面である。主面３０ａ及び主面３０ｂは、厚さ方向におけるシリコン基板３０の端面を構成している。シリコン基板３０は、主面３０ａが主面２１ｂと対向するとともに、主面３０ｂが主面１０ａと対向するように配置されている。

【0033】

シリコン基板３０には、開口部３０ｃが形成されている。開口部３０ｃは、シリコン基板３０を厚さ方向（主面３０ａから主面３０ｂに向かう方向）に沿って貫通している。シリコン基板３０は、開口部３０ｃが開口部１０ｃ及び開口部２１ｃと重なるように配置されている。図示されていないが、開口部３０ｃは、平面視において、例えば矩形形状を有している。

【0034】

シリコン基板３０には、ビアホール３０ｄ及びビアホール３０ｅが形成されている。ビアホール３０ｄ及びビアホール３０ｅは、シリコン基板３０を厚さ方向に沿って貫通している。シリコン基板３０は、導体３１及び導体３２を有している。導体３１及び導体３２は、それぞれ、ビアホール３０ｄ及びビアホール３０ｅ中に配置（充填）されている。導体３１は、パッド１１及びパッド２３に接続されている。導体３２は、パッド１２及びパッド２４に接続されている。このように、導体３１及び導体３２は、基板１０とマイクロヒータ２０とを電気的に接続している。

【0035】

図５は、加熱装置１００の機能ブロック図である。図５に示されるように、加熱装置１００は、コントローラ４０と、複数の温度センサ５０とをさらに有している。

【0036】

コントローラ４０は、例えば、マイクロコントローラである。図１中には図示されていないが、コントローラ４０は、基板１０上に配置されていてもよく、基板１０上に配置されていなくてもよい。

【0037】

複数のマイクロヒータ２０の各々は、コントローラ４０に接続されている。複数のマイクロヒータ２０とコントローラ４０との接続の各々は、互いに独立している。複数の温度センサ５０の各々は、コントローラ４０に接続されている。

【0038】

図１中に図示されていないが、複数の温度センサ５０の各々は、複数のマイクロヒータ２０の近傍に位置するように、基板１０（主面１０ａ）上に配置されている。複数の温度センサ５０とコントローラ４０との接続の各々は、互いに独立している。コントローラ４０は、複数の温度センサ５０の出力信号の各々に基づき、複数のマイクロヒータ２０の各々の加熱動作を個別に制御する。

【0039】

複数のマイクロヒータ２０は、基板１０の領域ごとに、複数の群に分けられていてもよい。この場合、ある群に属しているマイクロヒータ２０とコントローラ４０との接続は、別の群に属しているマイクロヒータ２０とコントローラ４０との接続と独立している。また、この場合、複数の温度センサ５０の各々は、基板１０の領域ごとに配置されており、当該領域ごとにコントローラ４０に接続されている。これにより、コントローラ４０は、基板１０の領域ごとに、複数のマイクロヒータ２０の加熱動作を制御できる。

【0040】

（実施形態に係る蓄電装置の構成）
以下に、実施形態に係る蓄電装置（以下においては、「蓄電装置３００」とする）の構成を説明する。

【0041】

図６は、蓄電装置３００の断面図である。図６に示されるように、蓄電装置３００は、加熱装置１００と、電池パック２００とを有している。電池パック２００は、例えば、リチウム（Ｌｉ）イオン二次電池の電池パックである。図示されていないが、電池パック２００は、例えば、寒冷地で用いられる可能性のある機器（例えば、スマートフォン、電動工具等）に搭載されている。加熱装置１００は、電池パック２００上に配置されている。より具体的には、加熱装置１００は、主面１０ｂが電池パック２００と対向するように配置されている。

【0042】

上記においては、加熱装置１００が電池パック２００を加熱する例を示したが、加熱装置１００より加熱される対象は、電池パック２００に限られない。すなわち、加熱装置１００は、蓄電装置３００以外にも適用することが可能である。

【0043】

（実施形態に係る加熱装置の効果）
以下に、加熱装置１００の効果を説明する。

【0044】

電池パック２００の温度が低い場合、電池パック２００の充放電を効率的に行うことができない。また、電池パック２００の温度が低いにもかかわらず電池パック２００の充放電を行うと、電池パック２００の劣化の原因となることがある。そのため、電池パック２００に対しては、迅速かつ効率的な加熱が行われることが好ましい。

【0045】

マイクロヒータ２０においては、中央部２２ｂが接続部２２ｃで支持されることにより開口部２１ｃ上に配置されており、中央部２２ｂ上にヒータ部２５ａが配置されている。このことを別の観点から言えば、マイクロヒータ２０においては、ヒータ部２５ａが宙吊りにされている。そのため、ヒータ部２５ａの近傍における熱容量が小さく、ヒータ部２５ａが高温になるまでの時間が短い。そのため、加熱装置１００によると、電池パック２００に対する加熱を迅速に開始することができる。

【0046】

マイクロヒータ２０においては、ヒータ部２５ａからの伝熱経路が限局的である。そのため、加熱装置１００によると、ヒータ部２５ａにおいて発生した熱により電池パック２００を効率的に加熱することができる。

【0047】

さらに、マイクロヒータ２０においては、ヒータ部２５ａからの伝熱経路が限局的である結果、ヒータ部２５ａの周辺構造（マイクロヒータ２０の残部、シリコン基板３０及び基板１０等）の温度が上昇しにくい。そのため、加熱装置１００には、周辺構造を冷却するための装置や断熱材が不要であるため、蓄電装置３００を小型化することができる。

【0048】

加熱装置１００においては、マイクロヒータ２０の機械的強度をシリコン基板３０により補強することができるため、加熱装置１００の耐久性を改善することができる。また、シリコン基板３０の導体３１及び導体３２を用いてマイクロヒータ２０と基板１０とを電気的に接続することにより、マイクロヒータ２０を基板１０上に実装する際に必要なフットプリントを縮小することができる。その結果、隣り合うマイクロヒータ２０の間隔を狭め、被加加熱体に対する加熱効率を改善することができる。

【0049】

加熱装置１００においては、シリコン基板３０に開口部３０ｃが形成されているとともに、基板１０に開口部１０ｃが形成されている。そのため、ヒータ部２５ａからの熱が開口部３０ｃ及び開口部１０ｃを通って電池パック２００に伝わりやすくなり、加熱効率をさらに改善することができる。また、電池パック２００は、充放電が行われている際に、発熱する。電池パック２００からの発熱は、開口部３０ｃ、開口部１０ｃ及び開口部２１ｃを通って放散されるため、加熱装置１００が電池パック２００からの熱の放散を妨げることを抑制できる。

【0050】

加熱装置１００においては、基板１０がフレキシブルプリント基板であるため、その可撓性により、基板１０が電池パック２００の表面に沿いやすい。その結果、マイクロヒータ２０と電池パック２００との間の距離を縮めることができ、加熱効率をさらに改善することができる。

【0051】

電池パック２００の部分ごとに温度が異なることは、電池パック２００の劣化の原因となる場合がある。加熱装置１００においては、コントローラ４０により、複数のマイクロヒータ２０の加熱動作の各々を独立して制御する又は複数のマイクロヒータ２０の加熱動作を基板１０の領域ごとに制御することができる。そのため、加熱装置１００によると、電池パック２００の温度が局所的に異なることにより電池パック２００が劣化することを抑制できる。

【0052】

以上のように本開示の実施形態について説明を行ったが、上述の実施形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は、上述の実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むことが意図される。

【符号の説明】

【0053】

１００ 加熱装置、１０ 基板、１０ａ，１０ｂ 主面、１０ｃ 開口部、１１，１２ パッド、２０ マイクロヒータ、２１ シリコン基板、２１ａ，２１ｂ 主面、２１ｃ 開口部、２２ 絶縁膜、２２ａ 周辺部、２２ｂ 中央部、２２ｃ 接続部、２３，２４ パッド、２５ 配線、２５ａ ヒータ部、２５ｂ 接続部、２５ｃ 接続部、３０ シリコン基板、３０ａ，３０ｂ 主面、３０ｃ 開口部、３０ｄ，３０ｅ ビアホール、３１，３２ 導体、４０ コントローラ、５０ 温度センサ、２００ 電池パック、３００ 蓄電装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】