(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電装置と保護回路と外部接続端子とを有し、
前記保護回路は、
通電によって発熱するヒータと、
前記ヒータに直列接続され、前記ヒータの発熱によって昇温するように配置され、所定の溶断温度で切断される主フューズと、
前記ヒータに並列接続され、温度上昇によって抵抗値が増大するサーミスタとを有し、
外部接続端子を直流電圧源に接続すると、前記直流電圧源から供給された電流が前記保護回路を通って前記充電装置を充電し、前記外部接続端子を電子機器に接続すると、前記充電装置の放電電流が前記保護回路を通って前記電子機器に供給されるように構成された二次電池。
【請求項２】
請求項１記載の二次電池であって、
前記外部接続端子が短絡された場合に前記保護回路内を流れる電流では、前記主フューズは前記溶断温度には達せず、
前記充電装置に充電されている電圧が満充電ではない場合に、前記外部接続端子が前記充電装置の定格充電電圧の１．５倍以上の電圧源に接続されると、前記主フューズは前記溶断温度以上に昇温されるように構成された二次電池。
【請求項３】
前記サーミスタには副フューズが直列接続され、前記サーミスタと前記副フューズの直列接続回路が前記ヒータに対して並列接続された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の二次電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、繰り返し充電が可能な二次電池の技術分野にかかり、特に、保護回路を内蔵する二次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、保護回路内蔵の二次電池は、携帯電話や携帯型パーソナルコンピュータに用いられており、充電容量の増大の他、より安全な保護回路が求められている。
【０００３】
図４(ａ)の符号１０１は、従来技術の二次電池を示しており充電装置１０７とフューズ１１１とを有している。
【０００４】
フューズ１１１の一端は、充電装置１０７の高電圧側の端子に接続されており、他端は、高電圧側の外部接続端子１１７に接続されている。充電装置１０７の低電圧側の端子は、低電圧側の外部接続端子１１８に接続されている。
【０００５】
符号１３０は外部直流電圧源であり、この外部直流電圧源１３０が外部接続端子１１７、１１８に接続されると、外部直流電圧源１３０から供給される電流がフューズ１１１を流れ、充電装置１０７が充電されるようになっている。
【０００６】
一般に、二次電池内の充電装置が破壊されると安全性の点で問題があるが、上記のような二次電池１０１では、外部接続端子１１７、１１８間が短絡されたり、規定電圧以上の電圧が出力される外部直流電圧源が接続された場合には、フューズ１１１に大電流が流れ、フューズ１１１が溶断し、充電装置１０７が保護されるようになっている。
【０００７】
しかしながら、フューズ１１１が溶断すると、二次電池１０１が使用不能になるため、製造ライン等で誤って外部接続端子１１７、１１８間を短絡させた場合、フューズ１１１を交換する必要が生じる。
【０００８】
図４(ｂ)に示した二次電池１０２は、フューズ１１１の代わりにサーミスタ１１４が設けられており、外部接続端子１１７、１１８間の短絡や、外部接続端子１１７、１１８間に高電圧が印加された場合に、サーミスタ１１４の温度上昇によって、サーミスタ１１４自体の抵抗値が増大し、充電装置１０７への充放電電流を制限するようになっている。
【０００９】
短絡や高電圧印加等の異常事態が解消され、サーミスタ１１４が正常な温度に復帰すると、サーミスタ１１４の抵抗値は元の値に戻るため二次電池１０２は再使用することができる。
【００１０】
しかし、外部接続端子１１７、１１８間に特に高い電圧が印加された場合には、サーミスタ１１４の両端に高電圧が印加されてしまうので、サーミスタ１１４が破壊し、その結果、充電装置１０７が破壊する危険性が指摘されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、安全性の高い二次電池を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、充電装置と保護回路と外部接続端子とを有し、前記保護回路は、通電によって発熱するヒータと、  前記ヒータに直列接続され、前記ヒータの発熱によって昇温するように配置され、所定の溶断温度で切断される主フューズと、前記ヒータに並列接続され、温度上昇によって抵抗値が増大するサーミスタとを有し、外部接続端子を直流電圧源に接続すると、前記直流電圧源から供給された電流が前記保護回路を通って前記充電装置を充電し、前記外部接続端子を電子機器に接続すると、前記充電装置の放電電流が前記保護回路を通って前記電子機器に供給されるように構成された二次電池である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の二次電池であって、前記外部接続端子が短絡された場合に前記保護回路内を流れる電流では、前記主フューズは前記溶断温度には達せず、前記充電装置に充電されている電圧が満充電ではない場合に、前記外部接続端子が前記充電装置の定格充電電圧の１．５倍以上の電圧源に接続されると、前記主フューズは前記溶断温度以上に昇温されるように構成された二次電池である。
請求項３記載の発明は、前記サーミスタには副フューズが直列接続され、前記サーミスタと前記副フューズの直列接続回路が前記ヒータに対して並列接続された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の二次電池である。
【００１３】
本発明は上記のように構成されており、サーミスタとヒータとが並列接続されており、常温ではサーミスタの抵抗値は低いから、充電装置への充放電電流は、主としてサーミスタを流れるようになっている。
【００１４】
他方、異常時にサーミスタに大電流が流れると、その大電流によってサーミスタの抵抗値が上昇し、電流を制限するようになっている。
【００１５】
また、サーミスタの抵抗値が上昇することにより、ヒータに流れる電流が増加し、ヒータの発熱が大きくなると、主フューズが溶断されるようになっている。
【００１６】
その結果、保護回路に流れる異常時の電流が比較的小さい場合にはサーミスタによって電流が制限される。この場合、正常状態に復帰すると、二次電池も元の状態に戻る。
【００１７】
他方、異常時の電流が大きい場合には、主フューズが溶断し、安全性が確保される。
【００１８】
主フューズは、充電装置が満充電の状態で外部端子が短絡された場合には溶断せず、充電装置に充電されている電圧が満充電ではない場合に外部端子が定格充電電圧の１．５倍以上の電圧源に接続されると溶断されるようにすることができる。
【００１９】
充電装置が満充電の状態で外部端子が電圧源に接続された場合にも溶断されるようにするためには、主フューズが、定格充電電圧の２．０倍を超える大きさの電圧源に接続されたときに溶断されるように設定するとよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１の符号５は、本発明の一例の二次電池を示している。
この二次電池５は、保護回路６と、充電装置７と、２個の外部接続端子１７、１８とを有している。
【００２１】
保護回路６は、主フューズ１１と、副フューズ１２と、ヒータ１３と、サーミスタ１４とを有している。
【００２２】
副フューズ１２とサーミスタ１４とは直列接続されており、その直列接続回路に対して、ヒータ１３が並列接続されている。
【００２３】
主フューズ１１は、並列接続回路に対して直列接続されており、主フューズ１１の一端と、並列接続回路の一端とが、それぞれ充電装置７の高電圧側の端子と、一方の外部接続端子１７に接続されている。従って、充電装置７と保護回路６とは直列に接続されている。
【００２４】
充電装置７の低電圧側の端子は他の外部接続端子に接続されており、２個の外部接続端子１７、１８が外部直流電圧源３０を接続されると、外部直流電圧源３０から供給される電流は保護回路６を流れ、その電流によって充電装置７が充電されるように構成されている。
【００２５】
保護回路６と充電装置７とは同じ筺体内に納められており、充電装置７の充電完了後は、保護回路６と共に外部電源３０から取り外し、携帯電話等の電子機器に装着し、外部接続端子１７、１８から電子機器に電力を供給するようになっている。
【００２６】
次に、保護回路６の内部構成を説明する。
図２(ａ)〜(ｃ)の符号８は、保護回路６が構成された基板回路を示している。同図(ａ)は基板回路８の平面図であり、同図(ｂ)は同図(ａ)のＡ−Ａ線截断面図であり、同図(ｃ)は同図(ａ)のＢ−Ｂ線截断面図を示している。
【００２７】
図２(ａ)〜(ｃ)を参照し、この基板回路８は、アルミナから成り、厚さ約０．５ｍｍの絶縁基板２０を有している。
【００２８】
絶縁基板２０上には、ヒータ１３と、サーミスタ１４と、絶縁層２４と、第１〜第３の電極２１〜２３と、金属箔２６と、配線膜２７とが配置されている。
【００２９】
先ず、サーミスタ１４の製造工程を説明する。
高密度ポリエチレン(ＨＤＰＥ：三井石油化学(株)製、商品名ハイゼックス５０００Ｈ)５７容量部、エチレン−エチルアクリレートコポリマー(ＥＥＡ：日本ユニカー(株)社製、商品名ＮＵＣ６１７０)３容量部、導電粒子(日本カーボン(株)製、商品名ＰＣ１０２０の樹脂粒子に無電解メッキを施した粒子)４０容量部を、ニーダーを用いて１９０℃で混練りした後、３５μｍ厚の電解ニッケル箔(福田金属箔(株)製)で挟み、ホットプレスで１９０℃、５ｋｇ／ｃｍ2、６０秒の条件で成形し、厚さ４００μｍのサーミスタ原反を得た。
そのサーミスタ原反を２ｍｍ×２ｍｍの大きさに切断し、サーミスタ１４とした。
【００３０】
次に、基板回路８の製造工程を説明すると、先ず、絶縁基板２０上に、銀ペースト(ＱＳ１７４、デュポン(株)社製)と酸化ルテニウム系抵抗ペースト(ＤＰ１９００、デュポン(株)社製)を所定パターンに塗布し、８７０℃、３０分間焼成し、銀ペーストによって第１、第２の電極２１、２２を形成し、酸化ルテニウム系抵抗ペーストによってヒータ１３を形成した。第１の電極２１とヒータ１３とは、配線膜２７によって接続されている。
【００３１】
次に、ヒータ１３の一部表面にシリカ系絶縁ペースト(ＡＰ５３６４、デュポン(株)製)を塗布し、５００℃、３０分間の焼成によって絶縁層２４を形成した。この絶縁層２４は、ヒータ１３の配線膜２７に接続された側の表面を覆っており、ヒータ１３の配線膜２７に接続された部分と反対側の表面は露出している。
【００３２】
次に、絶縁層２４表面とヒータ１３の露出面に上記銀ペーストを塗布し、焼成して第３の電極２３を形成した。焼成条件は第１、第２の電極２１、２２及び配線膜２７を形成したのと同じ温度、時間である。図１(ｃ)から分かるように、この第３の電極２３はヒータ１３の露出部分上にも形成されており、その部分で互いに電気的に接続されている。
【００３３】
次に、第１の電極２１上に予め作製しておいたサーミスタ１４を置くと、サーミスタ１４と、第３の電極２３と、第２の電極２２とが、この順序で横一列に並ぶ。
【００３４】
その状態で、サーミスタ１４と、第３の電極２３と、第２の電極２２との上に、一枚の低融点金属箔２６を貼付すると、低融点金属箔２６によって、サーミスタ１４と、第３の電極２３と、第２の電極２２とが電気的に接続される。
【００３５】
低融点金属箔２６は、鉛、すず、アンチモン、又はそれらの合金から成り、低温で溶断する性質を有しており、低融点金属箔２６のうち、第２の電極２２と第３の電極２３の間の部分によって主フューズ１１が構成され、サーミスタ１４と第３の電極２３の間の部分によって副フューズ１２が構成される。
【００３６】
第２の電極２２は、充電装置７の高電位側の端子に接続され、第１の電極２１は、高電位側の外部端子１７に接続されると、保護回路６ができあがる。
【００３７】
サーミスタ１４の常温での抵抗値は１０ｍΩ程度であり、ヒータ１３の抵抗値は２０Ω程度である。従って、二次電池５を携帯電話等の電子機器に装着し、充電装置７を放電させる場合、電流は主としてサーミスタ１４を通って電子機器に供給される。
【００３８】
また、サーミスタ１４の抵抗の方が小さいから、出力端子１７、１８間が誤って短絡された場合、先ず、主としてサーミスタ１４に電流が流れ、自己発熱によってサーミスタ１４の抵抗値が大きくなると、ヒータ１３に電流が流れ始める。
【００３９】
充電装置７の充電電圧は携帯電話用では３．３Ｖ程度の低電圧であり、出力端子１７、１８が短絡した場合、主及び副フューズ１１、１２やヒータ１３に流れる電流は小さいため、主及び副フューズ１１、１２は溶断せず、充電装置７の放電電流は、サーミスタ１４とヒータ１３の並列接続回路の抵抗値によって制限された状態で流れ続ける。充電装置７の充電電圧が消費されると、放電電流はゼロになる。
【００４０】
このように、出力端子１７、１８が短絡された場合、主及び副フューズ１１、１２は溶断しないから、外部接続端子１７、１８の短絡状態が解消されると、二次電池５は短絡前の状態に復帰する。
【００４１】
他方、外部接続端子１７、１８が短絡されるのではなく、この二次電池５に不適切な程高電圧の外部直流電圧源に接続された場合には、上記と同様に、先ず、サーミスタ１４に電流が流れ、サーミスタ１４の抵抗値が大きくなった後、ヒータ１３に電流が流れるようになるが、外部接続端子１７、１８に印加される電圧が大きいため、保護回路６の両端に印加される電圧は、外部接続端子１７、１８が短絡された場合よりも大きい。
【００４２】
そのため、ヒータ１３に流れる電流は、外部接続端子１７、１８が短絡された場合に流れる電流よりも大きく、ヒータ１３が高温に発熱し、主フューズ１１がその熱によって溶断する。
【００４３】
本発明の保護回路６の低融点金属箔２６に、スズ・アンチモン合金(Ｓｎ：Ｓｂ＝９５：５、液相点２４０℃)を用い、図３に示すように、両端を可変電圧源３１に直結し、印加電圧を変えて保護回路６の内部状態を調査した。
その結果を下記表１に示す。電圧印加前のヒータ１３の抵抗値は１８Ωである。
【００４４】
【表１】
0003692042.tif 000002
【００４５】
保護回路６の両端に印加する電圧を８Ｖにしたとき、主フューズ１１が溶断している。
【００４６】
なお、主フューズ１１が溶断しなかった場合には、副フューズ１２が溶断するので、本発明の保護回路６では、サーミスタ１１に高電圧が印加されることはない。
【００４７】
上記のように、８Ｖ以上の印加電圧では、主フューズ１１が溶断してしまうため、サーミスタ１４の抵抗値を測定するために、低融点金属箔２６の代わりに３５μｍ厚の銅箔を貼付し、主及び副フューズ１１、１２を銅箔に変えた。
印加電圧とサーミスタ１４の抵抗値の関係を下記表２に示す。
【００４８】
【表２】
0003692042.tif 000003
【００４９】
サーミスタ１４に１２Ｖ以上の電圧が印加されると、サーミスタ１４の両端にアーク放電が発生しているのが確認された。
【００５０】
次に、保護回路６のサーミスタ１４の両端を短絡させた状態で、保護回路６の両端に電圧を印加し、ヒータ１３に流れる電流と、ヒータ１３の表面温度を測定した。
その結果を下記表３に示す。
【００５１】
【表３】
0003692042.tif 000004
【００５２】
ヒータ１３の抵抗値は１８Ωであるため、印加電圧の上昇と共に、ヒータ１３に流れる電流Ｉ13も大きくなっており、印加電圧が５Ｖにおいて、ヒータ１３の温度は１８０℃に達している。
【００５３】
低融点金属箔２６がスズ・アンチモン合金である場合、溶断温度は２４０℃であるため、印加電圧が８Ｖになると、主フューズ１１は切断され、電流が流れなくなっている。
【００５４】
なお、上記実施例では、低融点金属箔２６に、スズ・アンチモン合金を使用したが、本発明はそれに限定されるものではない。例えば、ビスマス・スズ・鉛合金(Ｂｉ：Ｓｎ：Ｐｂ＝５２．５：３２．０：１５．５、液相点９５℃)や、スズ・銀合金(Ｓｎ：Ａｇ＝９７．５：２．５、液相点２２６℃)等の低融点金属を用いることができる。
【００５５】
【発明の効果】
異常時に保護回路に流れる電流が比較的小さい場合にはサーミスタによって電流が制限され、その結果、正常状態に復帰すると二次電池も元の状態に戻る。
他方、異常時に保護回路に流れる電流が大きい場合には、主フューズが溶断し、安全性が確保される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の二次電池を説明するためのブロック図
【図２】(ａ)その二次電池の平面図    (ｂ)：そのＡ−Ａ線切断面図    (ｃ)：そのＢ−Ｂ線切断面図
【図３】保護回路の回路図
【図４】(ａ)、(ｂ)：従来技術の二次電池
【符号の説明】
７……充電装置
６……保護回路
１１……主フューズ
１２……副フューズ
１３……ヒータ
１７、１８……外部接続端子
【図１】
0003692042.tif 000005
【図２】
0003692042.tif 000006
【図３】
0003692042.tif 000007
【図４】
0003692042.tif 000008