JP2004152518A - 回路保護素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶断部の幅、長さ、形状、厚み等の設計の自由度が高く、耐衝撃性のある回路保護素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】内部に空間部２ａが形成された耐熱絶縁材料からなる基材部２と、両端部が基材部２内に埋設され、中間部が溶断部３ａとして空間部２ａの内部に湾曲して収納された導電膜３と、基材部２の端面において、導電膜３の端部に接続されている電極部４とを備えた回路保護素子。基材部２の素材となるグリーンシートは焼成時に体積が収縮するが、導電膜３は収縮しないため、空間部２ａ内に溶断部３ａが湾曲した状態の回路保護素子１Ａが製造できる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ等のデバイスや、ハードディスクドライブ、ＤＶＤドライブ、ゲーム機、携帯電話機などの電気機器、電子機器に用いられ、設定電流以上の電流が流れると金属部が溶断して回路を遮断する回路保護素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電気機器、電子機器は小型化が進み、電気回路部も小型化、高密度化が要求されている。この中で、漏電や発熱といった予期せぬ事態を未然に防止して安全性を確保するために使用される回路保護素子、いわゆるヒューズも、小型化とともに安全かつ確実に作動することが要請されている。
【０００３】
特に、現在のコンピュータおよび周辺機器には、これまで以上に過電流保護が必要になっている。高速のＩＣチップは非常に過電流の影響を受けやすく、製品の全コストに対して高価である。これらのＩＣチップは、回路の故障や、外部の障害によって生じる過電流から保護する必要がある。
【０００４】
このような過電流保護のために、例えば、特許文献１（特開平１−２８７９０５号公報）には、積層体の層間に内部導体を形成した一体焼結型のインダクタンス素子において、内部導体に、所定以上の電流が流れることにより溶断するヒューズ部を一体的に設けると共に、溶断するヒューズ部の周囲の積層体に空洞部を設けたインダクタンス素子が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２（特開平７−１０５８２４号公報）には、複数の耐熱絶縁材料からなる基板の積層により構成された内部に空間を有する本体と、基板間に挟まれた金属薄膜からなる可溶体と、本体の両端に備えられ可溶体と電気的に接続された電極とで構成された超小型チップヒューズが開示されている。
【０００６】
これらの特許文献１および２においては、ヒューズ部（可溶体）の周囲に空洞部（空間）を設けたことにより、ヒューズ部に流れる電流によるジュール熱が効率的にヒューズ部の溶断に作用し、また溶断した金属の粒子が空洞部内で分散して電極間が再接続しないようになる。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１−２８７９０５号公報
【特許文献２】
特開平７−１０５８２４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前掲の特許文献１および２に記載された回路保護素子においては、ヒューズ部が直線（平面）状であるので、溶断部の幅、長さ、形状、厚み等の寸法の設定に融通性が乏しく、設計の自由度が低いという問題がある。また、直線状であるため、外部からの衝撃により絶縁材が歪むとヒューズ部に応力が掛かり、延びや破断が生じ、所定の特性が得られなくなる恐れがある。
【０００９】
本発明は、溶断部の幅、長さ、形状、厚み等の設計の自由度が高く、耐衝撃性のある回路保護素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の回路保護素子においては、内部に空間部が形成された絶縁材料からなる基材部と、両端部が前記基材部内に埋設され、中間部が溶断部として前記空間部の内部に湾曲して収納された導電体と、前記基材部の端面において、前記導電他と接続されている電極部とを備えたものである。
【００１１】
この発明によれば、溶断部の幅、長さ、形状、厚み等の設計の自由度が高く、耐衝撃性のある回路保護素子が得られる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、内部に空間部が形成された絶縁材料からなる基材部と、両端部が前記基材部内に埋設され、中間部が溶断部として前記空間部の内部に湾曲して収納された導電体と、前記基材部の端面において、前記導電体の端部に接続されている電極部とを備えたことを特徴とする回路保護素子である。この発明においては、溶断部が空間部の内部に湾曲して収納されており、基材部に基本的には接触していないため、過剰電流発生時に溶断部に発生するジュール熱が逃げることなく、設計通りの電流で溶断する速断型回路保護素子を提供できるという作用を有する。また、空間部の長さに対して溶断部の長さが長く、湾曲しているため、外部からの衝撃が緩和されるという作用をも有する。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、前記導電体の溶断部の片面または両面に金属体を積層したことを特徴とする請求項１記載の回路保護素子であり、溶断部に流れる瞬間的な電流により発生するジュール熱を金属体に一部伝達することにより、遅延型の回路保護素子となるという作用を有する。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、前記導電体の溶断部の表面に、絶縁層を介して金属体を設けたことを特徴とする請求項１記載の回路保護素子であり、電流容量に影響を与えることなく遅延型の回路保護素子を提供できるという作用を有する。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、焼成により収縮するグリーンシートを少なくとも３枚準備し、中間の第１のグリーンシートに所定の形状の穴を形成し、この穴が形成された第１のグリーンシートの一方の面に接する第２のグリーンシートの表面に、中央部が溶断部となる導電膜を形成し、前記穴が形成された第１のグリーンシートの他方の面に接するように第３のグリーンシートを重ね、前記各グリーンシートを積層してチップ状に切断した後、焼成し、焼成後、チップの両端に露出した前記導電膜に導通するように電極部を形成することを特徴とする回路保護素子の製造方法である。この発明においては、グリーンシート素材は焼成時に体積が収縮するが、導電膜は収縮しないため、空間部となる穴内に溶断部が湾曲した状態で、回路保護素子が出来上がるという作用を有する。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、前記第２のグリーンシートに穴が形成されているときは、当該第２のグリーンシートの他面に第４のグリーンシートを積層することを特徴とする請求項４記載の回路保護素子の製造方法であり、導電膜の溶断部の両面が空間部に浮いた状態で製造されるという作用を有する。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、前記第２のグリーンシートに形成する導電膜における溶断部の両側に、当該導電部の上下のグリーンシートの収縮に追随して前記溶断部の両端部の長さを縮小させるためのアンカー部を形成したことを特徴とする請求項４または５に記載の回路保護素子の製造方法である。この発明においては、アンカー部はグリーンシートの収縮時にグリーンシートの面に対して滑ることなく、その収縮に追随して収縮するため、両アンカー部間の溶断部の長さとグリーンシートの収縮率より、空間部における溶断部の湾曲の曲率を予め規制することができるという作用を有する。
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図１０を用いて説明する。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係る回路保護素子の構成を示す図であり、（ａ）は透視図、（ｂ）は断面図、図２は本発明の実施の形態１におけるグリーンシートの構成を示す分解斜視図、図３は本発明の実施の形態１の製造工程を示すフローチャート、図４は本発明の実施の形態１の導電膜の形成工程を示す工程図、図５は本発明の実施の形態１における基材部の焼成前と焼成後の状態を示す断面図である。
【００２０】
図１において、回路保護素子１Ａは、セラミック材料等の絶縁材料で構成された基材部２と、基材部２の内部に形成された空間部２ａに溶断部３ａが収納された導電膜３と、基材部２の両端において導電膜３の両端に導通するように形成された電極部４とから構成されている。なお、基材部２としては耐熱性をも有することが好ましく、これは、溶断部３ａにおいて溶断する際に高熱になる可能性があるからである。導電膜３において溶断部３ａと電極部４との接合部分の間の少なくとも一部は基材部２で挟まれた構成となっている。
【００２１】
基材部２の材料としては、導電膜３の材質をＡｇとしたとき、Ａｇの融点約９６１℃よりも低い温度（例えば約９００℃）で焼結するＡｌ−Ｓｉ−Ｂ系の低温焼結セラミックス、フェライト系セラミックス、ＢａＴｉＯ_３系、ＣａＴｉＯ_３系、ＳｎＴｉＯ_３等の誘電体材料、ガラスエポキシ樹脂等を使用することができる。なお、導電膜３をＡｇ以外の金属材料で構成した場合には、その金属材料の融点よりも低い温度で焼結する材料で基材部２を構成する。
【００２２】
導電膜３の材料も、Ａｇのほか、Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｌ合金等の導電材料が使用できる。なお、本実施の形態では、溶断部３ａを構成する部分は導電膜３という膜状体としたが、ある程度の可撓性を有する板状体，線状体，シート状体などの導電体を用いても良い。
【００２３】
また、本実施の形態では湾曲した溶断部３ａは空間部２ａ内において基材部２と非接触となる様に構成することで、過剰電流発生時に溶断部３ａに発生するジュール熱が逃げることなく、設計通りの温度で溶断する回路保護素子を提供できる。また、湾曲した溶断部３ａ（特に溶断部３ａの最も突出した部分：図１では、溶断部３ａの中央部）が空間部２ａの内壁にある程度接触しても、湾曲しているため、外部からの衝撃が加わったとしても溶断部３ａが撓むことで衝撃が緩和される。
【００２４】
図１に示す構造の回路保護素子１Ａは、基本的には、図２に示すように３枚のグリーンシート（薄板状に成形したセラミックスの未焼成体であり、セラミックス原料粉末、誘起結合剤、可塑剤、溶剤などの混合スラリをドクターブレード法またはカレンダー法で薄板状に成形したもの）１１，１２，１３を積層して製造する。グリーンシート１１は、中央部に所定形状の穴１１ａを形成したものであり、グリーンシート１２は表面に導電膜３を形成したものであり、グリーンシート１３は必要に応じて印刷１３ａを施したプレーンの板である。
【００２５】
なお、本実施の形態では、３枚のグリーンシートを積層して基材部２を構成したが、４枚以上のグリーンシートを積層して基材部２を構成しても良い。
【００２６】
なお、図２には、回路保護素子１Ａの１個分の構成を示しているが、実際には、広いグリーンシートに多数個分を同時に形成して途中で回路保護素子単体に切断する。
【００２７】
以下、図３および図４を用いて、本回路保護素子１Ａの製造方法を説明する。ステップＳ１：まず、グリーンシートを所定の寸法に切断する。
ステップＳ２：グリーンシート１１については穴開けを行う。穴の形状は、図示の四角形に限らず、円形、その他の任意の形状でもよい。
ステップＳ３：グリーンシート１３については、必要に応じて印刷を行う。
ステップＳ４：グリーンシート１２については写真工程で形成された導電膜を転写する。すなわち、図４（ａ）に示すようにステンレス等のベース板２０にレジスト２１を塗布し、その上に（ｂ）に示すようにマスク２２を載せる。次いで、（ｃ）に示すように紫外線露光を行い、マスク２２のかかっていない部分のレジスト２１を除去する。次に、マスク２２を除去する。
ステップＳ５：図４（ｅ）に示すようにステンレスのベース板２０にメッキによりＡｇ２３を析出させる。次いでレジスト２１を除去すると、（ｆ）に示すように所定のパターンのＡｇ２３の膜がベース板２０上に形成される。このベース板２０上に形成されたＡｇ２３を（ｇ）に示すようにグリーンシート１２上に載せ、押し付けると、グリーンシート１２上にＡｇ２３がめり込んだ状態に転写され、導電膜３が形成される。
ステップＳ６：以上のように形成されたグリーンシート１３，１１，１２を所定の圧力を掛けて積層し、一体化する。
ステップＳ７：各グリーンシート１１〜１３には多数個分の回路保護素子用のチップが形成されているので、これを１個ずつ分に切断する。
ステップＳ８：電気炉に入れて、例えばＡｇ２３の融点より低い温度（例えば９００℃）で焼成する。この焼成の過程で、図５に示すようにグリーンシート１１〜１３の素材は図５（ａ）の焼成前の状態から図５（ｂ）に示すように約２０％ほど、体積が収縮する。導電膜３はＡｇ２３であり、収縮しないので、相対的に導電膜３が空間部２ａ内において伸びて湾曲した状態の溶断部３ａが形成される。
ステップＳ９：冷却工程後、電気炉から取り出し、容器内で所定時間撹拌すると、各回路保護素子用のチップの角が取れて面取りされる。この面取りは、後の工程で回路保護素子用のチップを搬送する際に、引っかかりをなくすために必要な工程である。
ステップＳ１０：チップの両端から露出している導電膜３の端部に電極材、例えば銀ペーストを、塗布し、その表面にＮｉメッキを施して外部電極を形成する。
ステップＳ１１：外部電極の表面に半田コートによる仕上げ塗布を行う。
ステップＳ１２：出来上がった回路保護素子の各種特性の測定を行う。
【００２８】
以上のようにして、図１に示す回路保護素子１Ａが得られる。
【００２９】
なお、空間部２ａの高さを高くしたい場合は、穴１１ａを設けたグリーンシート１１を２枚以上積層すればいい。
【００３０】
（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態２に係る回路保護素子１Ｂの構成を示す断面図である。この実施の形態２は、図１に示す実施の形態１に係る回路保護素子１Ａでは、導電膜３が空間部２ａの底部に位置していたのに対し、導電膜３の下部にも空間部２ａが形成されていることが特徴である。
【００３１】
この構造を製造するためには、図７に示すように、穴１１ａを形成したグリーンシート１１を２枚準備し、下方のグリーンシート１１の上部に、図４の工程で形成した導電膜３を転写し、上下にグリーンシート１３，１４を積層することにより、実施の形態１と同様に製造することができる。
【００３２】
この実施の形態２においても、グリーンシート１１の枚数を調整することで、空間部２ａの高さを任意に形成することができる。
【００３３】
このように、導電膜３の下部にも空間部２ａを形成することで、空間部２ａの容積が広くなり、溶断部３ａが発熱した場合に熱が逃げにくくなり、溶断ばらつきを抑えることができるという効果が生じる。
【００３４】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３を図８および図９に示す。この実施の形態３に係る回路保護素子１Ｃは、導電膜３の溶断部３ａの両側に、焼成前のグリーシートに対して固定点となるアンカー部３ｂを形成し、アンカー部３ｂ間が、確実にグリーンシートの収縮に追随して収縮するようにしたものである。
【００３５】
アンカー部３ｂとしては、図９（ａ）に示すように、上下のグリーンシートを連通させる孔３ｂ１、図９（ｂ）に示すように、導電膜３ｂとグリーンシートとの滑りを防止する突起３ｂ２、図９（ｃ）に示すように、同じく導電膜３ｂとグリーンシートとの滑りを防止する切り欠き３ｂ３等とすることができるが、これらに限定されない。
【００３６】
このように、導電膜３にアンカー部３ｂを形成することで、図８（ａ）に示すアンカー部間距離Ｌが焼成後には図８（ｂ）に示す距離Ｌ’（Ｌ’＝αＬ、αはグリーンシートの素材の焼成時の収縮率）となる。これにより、溶断部３ａの湾曲状態を規定することができ、設計に近い特性の回路保護素子を製造することができる。
【００３７】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４を図１０に示す。用途によっては、瞬間的な過電流に対しては応答しない遅延型が要求されることがある。そこで、本実施の形態４では、溶断部３ａに蓄熱部を形成して、遅延型としても適用できる回路保護素子を提供する。
【００３８】
図１０（ａ）は、溶断部３ａの片面に導電膜３の材質よりも電気抵抗が大きな金属体５を載せ、焼結時の熱で溶断部３ａの表面に積層させたものである。この金属体５としては、半田や鉛、亜鉛等を使用することができる。このように金属体５を積層することで、溶断部３ａに流れるジュール熱が金属体５に伝導し、溶断部３ａの発熱速度が抑制されるため、遅延型の回路保護素子となる。
【００３９】
図１０（ｂ）は、溶断部３ａの表面と裏面に金属体５を積層したものであり、金属体５の厚みが増えることで、さらに溶断部３ａの応答速度を遅くすることができる。
【００４０】
図１０（ｃ）は、溶断部３ａと金属体５の間に熱伝導性のよい絶縁層６を設けたものである。図１０（ａ）と図１０（ｂ）の例では金属体５に分流する電流によって溶断部３ａの溶断電流値が変化するが、金属体５との間に絶縁層６を介在させることで、電流は金属体５に流さず、溶断部３ａの熱のみを金属体５で吸収させるようにする。これにより、溶断電流値を変えることなく、遅延型の回路保護素子を製造することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように本発明の請求項１に係る回路保護素子によれば、溶断部が空間部の内部に湾曲して収納されており、基材部に基本的には接触していないため、過剰電流発生時に溶断部に発生するジュール熱が逃げることなく、設計通りの電流で溶断する回路保護素子を提供できる。また、空間部の長さに対して溶断部の長さが長く、湾曲しているため、外部からの衝撃が干渉される。
【００４２】
請求項２に記載の発明によれば、導電体の溶断部の片面または両面に金属体を積層したことにより、溶断部に流れる瞬間的な電流により発生するジュール熱を金属体に一部伝達することにより溶断部の温度上昇を抑制することで、遅延型の回路保護素子を提供できる。
【００４３】
請求項３に記載の発明によれば、導電体の溶断部の表面に、絶縁層を介して金属体を設けたことにより、電流容量に影響を与えることなく遅延型の回路保護素子を提供できる。
【００４４】
請求項４に記載の発明によれば、焼成により収縮するグリーンシートを少なくとも３枚準備し、中間の第１のグリーンシートに所定の形状の穴を形成し、この穴が形成された第１のグリーンシートの一方の面に接する第２のグリーンシートの表面に、中央部が溶断部となる導電膜を形成し、前記穴が形成された第１のグリーンシートの他方の面に接するように第３のグリーンシートを重ね、前記各グリーンシートを積層してチップ状に切断した後、焼成し、焼成後、チップの両端に露出した前記導電膜に導通するように電極部を形成することにより、グリーンシート素材は焼成時に体積が収縮するが、導電膜は収縮しないため、空間部となる穴内に溶断部が湾曲した状態で、回路保護素子を製造することができる。
【００４５】
請求項５に記載の発明によれば、第２のグリーンシートに穴が形成されているときは、当該第２のグリーンシートの他面に第４のグリーンシートを積層することにより、導電膜の溶断部の両面が空間部に浮いた状態で製造されるという作用を有する。
【００４６】
請求項６に記載の発明によれば、第２のグリーンシートに形成する導電膜における溶断部の両側に、当該導電部の上下のグリーンシートの収縮に追随して前記溶断部の両端部の長さを縮小させるためのアンカー部を形成したことにより、アンカー部はグリーンシートの収縮時にグリーンシートの面に対して滑ることなく、その収縮に追随して収縮するため、両アンカー部間の溶断部の長さとグリーンシートの収縮率より、空間部における溶断部の湾曲の曲率を予め規制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る回路保護素子の構成を示す図
【図２】本発明の実施の形態１におけるグリーンシートの構成を示す分解斜視図
【図３】本発明の実施の形態１に係る回路保護素子の製造工程を示すフローチャート
【図４】本発明の実施の形態１における導電膜の形成工程を示す工程図
【図５】本発明の実施の形態１における基材部の焼成前と焼成後の状態を示す断面図
【図６】本発明の実施の形態２に係る回路保護素子の構成を示す断面図
【図７】本発明の実施の形態２におけるグリーンシートの構成を示す分解斜視図
【図８】本発明の実施の形態３に係る回路保護素子の焼成前と後の収縮の状態を示す断面図
【図９】本発明の実施の形態３に係るアンカー部の例を示す平面図
【図１０】本発明の実施の形態４に係る回路保護素子の例を示す断面図
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 回路保護素子
２ 基材部
２ａ 空間部
３ 導電膜
３ａ 溶断部
４ 電極部
１１，１２，１３，１４ グリーンシート
１１ａ 穴
１３ａ 印刷
２０ ベース板
２１ レジスト
２２ マスク
２３ Ａｇ

Claims (6)

1. 内部に空間部が形成された絶縁材料からなる基材部と、
   両端部が前記基材部内に埋設され、中間部が溶断部として前記空間部の内部に湾曲して収納された導電体と、
   前記基材部の端面において、前記導電体と接続されている電極部と、
   を備えたことを特徴とする回路保護素子。
2. 前記導電体の溶断部の片面または両面に金属体を設けたことを特徴とする請求項１記載の回路保護素子。
3. 前記導電体の溶断部の表面に、絶縁層を介して金属体を積層したことを特徴とする請求項１記載の回路保護素子。
4. 焼成により収縮するグリーンシートを少なくとも３枚準備し、
   中間の第１のグリーンシートに所定の形状の穴を形成し、
   この穴が形成された第１のグリーンシートの一方の面に接する第２のグリーンシートの表面に、中央部が溶断部となる導電膜を形成し、
   前記穴が形成された第１のグリーンシートの他方の面に接するように第３のグリーンシートを重ね、
   前記各グリーンシートを積層してチップ状に切断した後、焼成し、
   焼成後、チップの両端に露出した前記導電膜に導通するように電極部を形成することを特徴とする回路保護素子の製造方法。
5. 前記第２のグリーンシートに穴が形成されているときは、当該第２のグリーンシートの他面に第４のグリーンシートを積層することを特徴とする請求項４記載の回路保護素子の製造方法。
6. 前記第２のグリーンシートに形成する導電膜における溶断部の両側に、当該導電部の上下のグリーンシートの収縮に追随して前記溶断部の両端部の長さを縮小させるためのアンカー部を形成したことを特徴とする請求項４または５に記載の回路保護素子の製造方法。

Images