JP2000315451A

JP2000315451A - 保護素子

Info

Publication number: JP2000315451A
Application number: JP11125246A
Authority: JP
Inventors: Norikazu Iwasaki; 則和岩崎
Original assignee: Sony Chemicals Corp
Current assignee: Dexerials Corp
Priority date: 1999-04-30
Filing date: 1999-04-30
Publication date: 2000-11-14
Anticipated expiration: 2019-04-30
Also published as: JP4132395B2

Abstract

(57)【要約】【課題】発熱体６Ａが通電加熱されることにより低融
点金属体４の溶断又はＰＴＣ素子のトリップが生じる保
護素子１Ａにおいて、発熱体６Ａにトリーミング７を形
成することにより発熱体６Ａの抵抗値を調節するにあた
り、保護素子１Ａの動作を安定化させる。【解決手段】基板２上に発熱体６Ａ、及び低融点金属
体４又はＰＴＣ素子を有し、発熱体６Ａの発熱により低
融点金属体４の溶断又はＰＴＣ素子のトリップが生じる
保護素子１Ａにおいて、発熱体６Ａにおける通電方向を
該発熱体６Ａの短手方向とし、該発熱体６Ａにはトリー
ミング７を、該発熱体６Ａの長手方向に対向する辺６
ｐ、６ｑから、該発熱体６Ａの長手方向に形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、異常時に発熱体に
通電されるようにすることにより発熱体が発熱し、低融
点金属体が溶断するか、又はＰＴＣ素子がトリップする
保護素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、過電流を抑制する保護素子とし
て、ＰＴＣ素子が知られている。ＰＴＣ素子は、導電性
粒子を結晶性高分子（例えば、ポリオレフィン系樹脂
等）に分散させて形成するか、あるいはチタン酸バリウ
ム等の無機系成分から形成する抵抗体素子であり、過電
流状態に陥ると発熱し、それにより抵抗値が上昇し、被
保護回路に流れる電流を抑制するものである。

【０００３】一方、過電流を遮断する保護素子として、
鉛、スズ、アンチモン等の低融点金属体が過電流により
溶断する電流ヒューズが広く知られている。また、過電
流だけでなく過電圧も防止するために使用できる保護素
子として、発熱体と低融点金属体とからなる保護素子が
知られている（特許２７９０４３３号公報、特開平８−
１６１９９０号公報等）。さらに、低融点金属体とＰＴ
Ｃ素子を併用した保護素子も知られている（特開平８−
２３６３０５号公報）。

【０００４】図８（ａ）、（ｂ）は、低融点金属体を用
いた保護素子１の平面図及び断面図である。この保護素
子１では、基板２上に電極３ａ、３ｂ、３ｃが設けら
れ、これら電極３ａ、３ｂ、３ｃに橋かけするように、
半田箔等の低融点金属体４が設けられている。また、電
極３ｂの下面には、絶縁層５を介して発熱体６が設けら
れている。この発熱体６は、電極３ｘ、３ｙ間に通電さ
れることにより加熱される。

【０００５】図９は、このような保護素子１を用いた過
電圧防止装置の回路図である。同図において、端子Ａ
1、Ａ2には、例えばリチウムイオン電池等の被保護装置
の電極端子が接続され、端子Ｂ1、Ｂ2には、被保護装置
に接続して使用される充電器等の装置の電極端子が接続
される。この過電圧防止装置によれば、リチウムイオン
電池の充電が進行し、ツエナダイオードＤに降伏電圧以
上の逆電圧が印加されると、急激にベース電流ｉb が流
れ、それにより大きなコレクタ電流ｉc が発熱体６に流
れ、発熱体６が発熱する。この熱が、発熱体６上の低融
点金属体４に伝達し、低融点金属体４が溶断し、端子Ａ
1、Ａ2 に過電圧の印加されることが防止される。この
場合、低融点金属体４は４ａと４ｂの２カ所で溶断され
るので、溶断後には、発熱体６への通電が完全に遮断さ
れる。

【０００６】この保護素子１は、図７に示すように製造
される。即ち、まず基板２上に発熱体用の電極（所謂、
枕電極）３ｘ、３ｙを形成し（同図（ａ））、次いで、
発熱体６を形成する（同図（ｂ））。この発熱体６は、
例えば、酸化ルテニウム系ペーストを印刷し、焼成する
ことにより形成される。次に、発熱体６の抵抗値の調節
のため、エキシマレーザー等で発熱体６にトリーミング
７を形成する（同図（ｃ））。その後、発熱体６を覆う
ように絶縁層５を形成し（同図（ｄ））、さらに低融点
金属体用の電極３ａ、３ｂ、３ｃを形成し（同図
（ｅ））、この電極３ａ、３ｂ、３ｃに橋かけするよう
に低融点金属体４を設ける（同図（ｆ））。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、保護
素子１の小型化が進行するにつれて、発熱体６の面積が
狭まり、そのために発熱体６の抵抗値が小さくなり、そ
れ故、発熱体６に所定の抵抗値を得るためには、トリー
ミング７の長さＬａ（図７（ｃ）参照）を長くする必要
が生じている。

【０００８】しかしながら、トリーミング７の長さＬａ
を単に長くすると、図１０に示したように、発熱体６の
発熱領域（図中、斜め点線のハッチング部分）６ｘが本
来の発熱体６よりも幅狭で細長いものとなり、発熱体６
の上に位置する低融点金属体４と発熱体６の発熱領域６
ｘとの重なりが幅が短くなる。そのため、保護素子１の
動作が不安定になるという問題が生じる。このような問
題は、発熱体上にＰＴＣ素子を有し、発熱体の発熱によ
りＰＴＣ素子がトリップする保護素子においても同様で
あり、発熱体の発熱領域が狭まることにより、ＰＴＣ素
子のトリップ動作が不安定になっている。

【０００９】本発明は以上のような従来技術の問題点を
解決しようとするものであり、発熱体を通電加熱するこ
とにより低融点金属体の溶断又はＰＴＣ素子のトリップ
が生じる保護素子において、発熱体にトリーミングする
ことにより発熱体の抵抗値を調節するにあたり、保護素
子の動作を安定化させることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の目的
を達成するためには、発熱体の形状、通電方向及びトリ
ーミング方向に特定の関係をもたせ、発熱体の発熱領域
が、その上に位置する低融点金属体と広く重なるように
することが有効であることを見出し、本発明を完成させ
るに至った。

【００１１】即ち、第１の本発明は、基板上に発熱体、
及び低融点金属体又はＰＴＣ素子を有し、発熱体の発熱
により低融点金属体の溶断又はＰＴＣ素子のトリップが
生じる保護素子において、発熱体における通電方向が該
発熱体の短手方向であり、該発熱体にはトリーミング
が、該発熱体の長手方向に対向する辺から、該発熱体の
長手方向に形成されていることを特徴とする保護素子を
提供する。

【００１２】また、第２の本発明は、基板上に発熱体、
及び低融点金属体又はＰＴＣ素子を有し、発熱体の発熱
により低融点金属体の溶断又はＰＴＣ素子のトリップが
生じる保護素子において、該発熱体にはトリーミング
が、該発熱体内に開口部として形成されていることを特
徴とする保護素子を提供する。

【００１３】さらに、第３の本発明は、基板上に発熱
体、及び低融点金属体又はＰＴＣ素子を有し、発熱体の
発熱により低融点金属体の溶断又はＰＴＣ素子のトリッ
プが生じる保護素子において、発熱体における通電方向
が該発熱体の長手方向であり、該発熱体にはトリーミン
グが、該発熱体の短手方向に互いに対向する双方の辺か
ら、該発熱体の短手方向に形成されていることを特徴と
する保護素子を提供する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明を
詳細に説明する。なお、各図中、同一符号は、同一又は
同等の構成要素を表している。

【００１５】図１は、第１の本発明の保護素子１Ａの発
熱体６Ａの平面図（同図（ａ））、保護素子１Ａの平面
図（同図（ｂ））及び保護素子１Ａの断面図（同図
（ｃ））である。

【００１６】この保護素子１Ａは、その製造工程におい
ては、図８に示した従来の保護素子１と同様に、まず、
基板２上に発熱体用の電極３ｘ、３ｙを形成し、次いで
発熱体６Ａを形成することにより得られる（図１
（ａ））が、この保護素子１Ａにおいては、発熱体６Ａ
の短手方向が電極３ｘ、３ｙで挟まれていることによ
り、発熱体６Ａにおける通電方向が、発熱体６Ａの短手
方向となっており、さらに、発熱体６Ａのトリーミング
７が、発熱体６Ａの長手方向に対向する辺６ｐ、６ｑか
ら発熱体６Ａの長手方向に形成されている点が特徴的と
なっている。したがって、この保護素子１Ａによれば、
発熱体６Ａが通電加熱される場合の発熱領域６ｘが、図
１（ａ）にドットで塗りつぶしたように、発熱体６Ａの
中央部において発熱体６Ａの短手方向の全長に及ぶよう
になる。したがって、発熱体６Ａに対する印加電力をあ
げることができる。また、これにより、発熱体６Ａ上に
位置している低融点金属体４は、電極３ｂ付近の発熱体
６Ａの中央部において、発熱体６Ａの全幅にわたって加
熱され、動作時間が速くなる。よって、良好な動作特性
を安定的に得ることができ、保護素子１Ａをさらに小型
化することも可能となる。

【００１７】本発明の保護素子１Ａにおいて、基板２や
発熱体６Ａ等の形成素材や形成方法は従来例と同様とす
ることができる。したがって、例えば、基板２として
は、特に制限はなく、プラスチックフィルム、ガラスエ
ポキシ基板、セラミック基板、金属基板等を使用するこ
とができる。好ましくは、無機系基板を使用する。

【００１８】また、発熱体６Ａは、例えば、酸化ルテニ
ウム、カーボンブラック等の導電材料と水ガラス等の無
機系バインダあるいは熱硬化性樹脂等の有機系バインダ
からなる抵抗ペーストを塗布し、必要に応じて焼成する
ことにより形成できる。また、発熱体６Ａとしては、酸
化ルテニウム、カーボンブラック等の薄膜を印刷、メッ
キ、蒸着、スパッタで形成してもよく、これらのフィル
ムの貼付、積層等により形成してもよい。発熱体６に対
するトリーミング７の形成方法自体もエキシマレーザ
ー、ＹＡＧレーザー等を用いる公知の手法によることが
できる。

【００１９】発熱体６Ａ形成後の絶縁層５の形成、低融
点金属体用の電極３ａ、３ｂ、３ｃの形成、低融点金属
体４の形成も、従来例と同様とすることができる。した
がって、例えば、低融点金属体４の形成材料としては、
従来よりヒューズ材料として使用されている種々の低融
点金属体を使用することができ、例えば、特開平８−１
６１９９０号公報の段落［００１９］の表１に記載の合
金を使用することができる。低融点金属体用の電極３
ａ、３ｂ、３ｃとしては、銅等の金属単体、あるいは表
面がＡｇ−Ｐｔ、Ａｕ等でメッキされている電極を使用
することができる。

【００２０】なお、図８の従来の保護素子１において
は、発熱体６の長手方向が電極３ｘで挟まれ、その対極
３ｙが発熱体６の中央部に形成されているのに対し、図
１の保護素子１Ａにおいては、発熱体６Ａの短手方向が
電極３ｘ、３ｙで挟まれ、発熱体６Ａにおける通電方向
が、発熱体６Ａの短手方向となっている点で、発熱体６
Ａに対する電極３ｘ、３ｙの配置が異なる。しかしなが
ら、図８の保護素子１を用いて形成される、図９の過電
圧防止装置と同等の保護機能を有する過電圧防止装置
を、この保護素子１Ａを用いても形成することができ
る。即ち、図２は、図１の保護素子１Ａを用いて形成し
た過電圧防止装置の回路図である。図２の過電圧防止装
置によってもツエナダイオードＤに降伏電圧以上の逆電
圧が印加されると、急激にベース電流ｉb が流れ、それ
により大きなコレクタ電流ｉc が発熱体６Ａに流れ、発
熱体６Ａが発熱し、この熱が、発熱体６Ａ上の低融点金
属体４に伝達し、低融点金属体４が、４ａと４ｂの２カ
所で溶断される。

【００２１】図３は、上述の保護素子１Ａの変形態様の
発熱体６Ｂの平面図である。図１に示した発熱体６Ａに
おいては、トリーミング７が通電方向に対して左右対称
に形成されているが、図３の発熱体６Ｂにおいては、ト
リーミング７が非対称となっている。このように、第１
の本発明においては、トリーミング７が発熱体の長手方
向に対向する辺６ｐ、６ｑから発熱体の長手方向に形成
されている限り、その形成位置や、大きさなどは、適宜
定めることができる。好ましくは、トリーミング７を発
熱体６Ｂの非中央部に形成し、発熱体６Ｂが通電加熱さ
れる場合の発熱領域が、発熱体６Ｂの中央部においてそ
の短手方向の全幅にわたるようにする。

【００２２】第２の本発明の保護素子は、第１の本発明
の保護素子１Ａに対し、トリーミング７が、図４に示す
ように開口部として形成されている点が異なっている。
トリーミング７を開口部として形成した場合にも、発熱
体６Ｃが通電加熱された場合の発熱領域６ｘは、図４に
ドットで塗りつぶしたように、発熱体６Ｃの中央部にお
いて発熱体６Ｃの短手方向の全長に及ぶようになる。し
たがって、発熱体６Ｃに対する印加電力をあげることが
でき、発熱体６Ｃ上に位置する低融点金属体の動作時間
を速め、良好な動作特性を安定的に得ることが可能とな
る。また、保護素子をさらに小型化することも可能とな
る。

【００２３】トリーミング７として形成する開口部の形
状は、図４には、円形の場合を示したが、これに限られ
ない。

【００２４】また、トリーミング７を開口部として形成
するに際し、発熱体６Ｃにおける通電方向は、前述の発
熱体６Ａ、６Ｂと同様、図４に示したように発熱体６Ｃ
の短手方向とすることが好ましく、トリーミング７の形
成部位は発熱体６Ｃの非中央部とすることが好ましい。

【００２５】トリーミング７を開口部として形成するに
際しては、図５に示したように、発熱体用の電極３ｘ、
３ｙを、図８の従来の保護素子１と同様に形成し、発熱
体６Ｃにおける通電方向が発熱体６Ｃの長手方向となる
ようにしてもよい。この場合にも、図８の従来の保護素
子１に比べると、発熱体６Ｃが通電加熱される場合の発
熱領域を発熱体６Ｃの中央部付近で広く確保することが
でき、保護素子の動作特性を安定化させることができ
る。

【００２６】第３の本発明の保護素子は、その発熱体６
Ｄ用の電極３ｘ、３ｙが、図６に示すように、図８の従
来の保護素子１と同様に形成され、発熱体６Ｄにおける
通電方向を発熱体６Ｄの長手方向とするものであるが、
トリーミング７を、発熱体６Ｄの短手方向に互いに対向
する辺６ｒ、６ｓの双方から発熱体６Ｄの短手方向に形
成したものである。このようにトリーミング７を発熱体
６Ｄの互いに対向する辺６ｒ、６ｓの双方から形成する
ことにより、図８の従来の保護素子１に比べて、発熱体
６Ｄが通電加熱される場合の発熱領域が発熱体６Ｄの短
手方向に幅狭く偏ることを防止でき、保護素子の動作特
性を安定化させることができる。

【００２７】以上、本発明の保護素子を、発熱体上に低
融点金属体が形成されている場合を例として説明した
が、低融点金属体に代えて、発熱体上にＰＴＣ素子を形
成してもよく、あるいは特開平８−２３６３０５号公報
に記載されているように、発熱体上で低融点金属体とＰ
ＴＣ素子とを併用してもよい。特に、低融点金属体とＰ
ＴＣ素子とを直列に設けることにより、過電流時にまず
ＰＴＣ素子を作用させて保護素子の再使用を可能な限り
確保し、さらにＰＴＣ素子による電流抑制作用で不十分
な場合には、低融点金属体の溶断により被保護回路を確
実に保護することができる。

【００２８】本発明の保護素子は、発熱体の形状、通電
方向及びトリーミング方向に上述の特定の関係をもた
せ、発熱体の発熱領域が、その上に位置する低融点金属
体又はＰＴＣ素子と広く重なるようにする限り、さらに
種々の態様を包含する。例えば、図１の保護素子１Ａに
おいて、低融点金属体４の溶融時に、その溶融物で濡れ
る電極３ａ、３ｂ、３ｃや発熱体６Ａの面積を十分に大
きくして溶断が容易に生じるようにし、発熱体６Ａ上の
絶縁層５を省略してもよい。これにより動作時間をいっ
そう短縮することができる。

【００２９】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説
明する。

【００３０】実施例図１の保護素子１Ａを次のようにして作製した。基板２
として、アルミナ系セラミック基板（厚さ０．５ｍｍ、
大きさ５ｍｍ×３ｍｍ）を用意し、これに銀−パラジウ
ムペーストを印刷し、焼成（８５０℃、０．５時間）す
ることにより発熱体用の電極３ｘ、３ｙ（厚さ１０μ
ｍ、大きさ２．４ｍｍ×０．２ｍｍ）を形成した。次
に、酸化ルテニウム系ペーストを印刷し、焼成（８５０
℃、０．５時間）することにより発熱体６Ａの外形（厚
さ１０μｍ、大きさ２．４ｍｍ×１．６ｍｍ）を形成
し、さらに発熱体６Ａの長手方向に対向する辺６ｐ、６
ｑから発熱体６Ａの中央に向かって、ＹＡＧレーザーの
照射により、トリーミング７を形成した。この場合のト
リーミング７の長さＬａと、発熱体６Ａの長手方向の長
さＬｃとの比を表１、表２に示すように４通りに変え
た。なお、トリーミングの幅Ｌｂは各保護素子とも５０
μｍで共通とした（図１（ａ）参照）。

【００３１】トリーミング７の形成後、発熱体６Ａ上に
絶縁ガラスペーストを印刷することにより絶縁層５を形
成し、さらに、低融点金属体用の電極３ａ、３ｂ、３ｃ
（厚さ１０μｍ、大きさ２．２ｍｍ×０．７ｍｍ）を銀
−パラジウムぺ−ストを印刷することにより形成し、こ
の電極３ａ、３ｂ、３ｃに橋かけするように、低融点金
属体４として半田箔（厚さ０．１ｍｍ、大きさ４．０ｍ
ｍ×１．０ｍｍ）を接続した。

【００３２】比較例図８の保護素子１を次のように製造した。即ち、上記実
施例の保護素子の製造において、発熱体用の電極３ｘが
発熱体６の長手方向の両端部に位置し、電極３ｙが発熱
体６の中央部に位置するように形成した。また、トリー
ミング７を発熱体６の長手方向の一辺６ｓから発熱体６
の短手方向へ、電極３ｙの左右に一つずつ形成した。こ
の場合のトリーミング７の長さＬａと、発熱体６の長手
方向の長さＬｃとの比を表１、表２に示すように４通り
に変えた。なお、トリーミングの幅Ｌｂは各保護素子と
も５０μｍで共通とした（図７（ｃ）参照）。

【００３３】評価（１）トリーミングの長さと発熱体への最大印加力各実施例及び比較例の保護素子について、発熱体の電極
３ｘ、３ｙ間に電力を印加し、発熱体を発熱させた場合
に、発熱体が破壊しない最大の印加電力を求めた。この
結果を表１に示す。

【００３４】（２）発熱体への印加電力と低融点金属体
の溶断時間各実施例及び比較例の保護素子について、表２に示す印
加電力をかけた場合の低融点金属体４の溶断時間を求め
た。この結果を表２に示す。

【００３５】

【表１】トリーミングの長さと発熱体への最大印加力（単位：Ｗ）Ｌａ／Ｌｃ実施例比較例１／５５０３５２／５４２３０３／５３５２０４／５２２１０

【００３６】

【表２】発熱体への印加電力と低融点金属体の溶断時間Ｌａ／Ｌｃ印加電力（ｗ）実施例比較例溶断時間（秒）溶断時間（秒）１／５３５０．２０．３２／５３００．３３０．４３／５２００．５０．７４／５１０１．２３

【００３７】表１及び表２の結果から、トリーミングの
入れ方を変えることにより、発熱体への印加電力をあげ
ることができ、また、動作時間も短くできることがわか
る。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、発熱体が通電加熱され
ることにより低融点金属体の溶断又はＰＴＣ素子のトリ
ップが生じる保護素子において、発熱体の形状、通電方
向及びトリーミング方向に特定の関係をもたせるので、
保護素子への印加電力をあげ、動作時間を短縮し、保護
素子の動作を安定化させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の保護素子の発熱体の平面図（同図
（ａ））、保護素子の平面図（同図（ｂ））及び断面図
（同図（ｃ））である。

【図２】過電圧防止装置の回路図である。

【図３】本発明の保護素子の発熱体の平面図である。

【図４】本発明の保護素子の発熱体の平面図である。

【図５】本発明の保護素子の発熱体の平面図である。

【図６】本発明の保護素子の発熱体の平面図である。

【図７】従来の保護素子の製造工程図である。

【図８】従来の保護素子の平面図（同図（ａ））及び
断面図（同図（ｂ））である。

【図９】過電圧防止装置の回路図である。

【図１０】従来の保護素子の発熱体における発熱部位
の説明図である。

【符号の説明】

１…従来の保護素子１Ａ…本発明の保護素子２…基板３ａ、３ｂ、３ｃ…低融点金属体用の電極３ｘ、３ｙ…発熱体用の電極４…低融点金属体５…絶縁層６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ…発熱体６ｘ…発熱体の発熱領域７…トリーミング

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に発熱体、及び低融点金属体又は
ＰＴＣ素子を有し、発熱体の発熱により低融点金属体の
溶断又はＰＴＣ素子のトリップが生じる保護素子におい
て、発熱体における通電方向が該発熱体の短手方向であ
り、該発熱体にはトリーミングが、該発熱体の長手方向
に対向する辺から、該発熱体の長手方向に形成されてい
ることを特徴とする保護素子。
【請求項２】基板上に発熱体、及び低融点金属体又は
ＰＴＣ素子を有し、発熱体の発熱により低融点金属体の
溶断又はＰＴＣ素子のトリップが生じる保護素子におい
て、該発熱体にはトリーミングが、該発熱体内に開口部
として形成されていることを特徴とする保護素子。
【請求項３】開口部が、発熱体の非中央部に形成され
ている請求項２記載の保護素子。
【請求項４】発熱体における通電方向が該発熱体の短
手方向である請求項２記載の保護素子。
【請求項５】基板上に発熱体、及び低融点金属体又は
ＰＴＣ素子を有し、発熱体の発熱により低融点金属体の
溶断又はＰＴＣ素子のトリップが生じる保護素子におい
て、発熱体における通電方向が該発熱体の長手方向であ
り、該発熱体にはトリーミングが、該発熱体の短手方向
に互いに対向する双方の辺から、該発熱体の短手方向に
形成されていることを特徴とする保護素子。
【請求項６】低融点金属体又はＰＴＣ素子が、発熱体
上に、該発熱体と略重なる位置に設けられている請求項
１〜５のいずれかに記載の保護素子。