JP2004214032A - 保護素子 - Google Patents

Abstract

【課題】基板上に発熱体及び低融点金属体を有し、発熱体の発熱により低融点金属体が溶断する保護素子において、動作時間を短縮させ、かつ安定化する。
【解決手段】基板２上に発熱体６及び低融点金属体４を有し、発熱６体の発熱により低融点金属体４が溶断する保護素子１Ａであって、低融点金属体４に電流を通す一対の電極間（３ａと３ｂ、３ｂと３ｃ）において、低融点金属体４として２条以上の低融点金属体４ａ、４ｂを設けることなどにより、低融点金属体４の少なくとも一部の横断面を、実質的に２以上の独立的な断面に区分する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、異常時に発熱体が発熱し、低融点金属体が溶断する保護素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
過電流だけでなく過電圧も防止することができ、携帯用電子機器の二次電池等に有用な保護素子として、基板上に発熱体と低融点金属体を積層あるいは平面配置した保護素子が知られている（特許文献１、特許文献２）。このタイプの保護素子では、異常時に、発熱体に通電がなされ、発熱体が発熱することにより低融点金属が溶断する。
【０００３】
近年、携帯用電子機器の高性能化に伴い、上述の保護素子に対しては、定格電流を高めることが求められている。保護素子の定格電流を高めるためには、低融点金属体の厚み又は幅を大きくすることによりその断面積を大きくして抵抗を低くすることが考えられる。しかしながら、低融点金属体の断面積を大きくすると、過電流又は過電圧時に電流が遮断されるのに要する動作時間が長くなるという問題が生じる。また、低融点金属体の厚みを厚くすることは、素子の薄型化の要請にも反する。
【０００４】
さらに、上述の保護素子には、発熱体の発熱により低融点金属体が溶融状態になってから溶断するまでの時間が安定しないという問題があり、低融点金属体と溶断有効電極面積とに所定の関係を持たせることなどが提案されている（特許文献３）。
【０００５】
【特許文献１】特許２７９０４３３号公報
【特許文献２】特開平１０−１１６５４９号公報
【特許文献３】特開２００１−３２５８６９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、基板上に発熱体及び低融点金属体を有し、発熱体の発熱により低融点金属体が溶断する保護素子において、定格電流を高くするために、低融点金属体の断面積を大きくした場合においても動作時間を短くし、かつ発熱体の発熱から溶断までの時間を安定化させることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、低融点金属体に電流を通す一対の電極間に、２条以上の低融点金属体を設けるなどにより、その電極間の低融点金属体の横断面を２以上の独立的な断面に区分すると、低融点金属体における溶断開始点が増え、動作時間が短縮し、かつ動作時間が安定することを見出した。
【０００８】
即ち、本発明は、基板上に発熱体及び低融点金属体を有し、発熱体の発熱により低融点金属体が溶断する保護素子であって、低融点金属体に電流を通す一対の電極間において、低融点金属体の少なくとも一部の横断面が、実質的に２以上の独立的な断面に区分されていることを特徴とする保護素子を提供する。
【０００９】
ここで、低融点金属体の横断面とは、該低融点金属体を流れる電流の方向と垂直な低融点金属体の断面をいう。
【００１０】
また、低融点金属体の横断面が、実質的に、２以上の独立的な断面に区分されているとは、低融点金属体の横断面が、発熱体の発熱前に２以上の独立的な断面に区分されている場合だけでなく、発熱体の発熱前は一つの連続域の断面だが、発熱体の発熱により速やかに２以上の独立的な断面に区分される形状になっている場合をいう。
【００１１】
【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。
【００１２】
図１は、本発明の一態様の保護素子１Ａの平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。この保護素子１Ａは、基板２上に発熱体６、絶縁層５及び低融点金属体４が順次積層された構造を有している。ここで、低融点金属体４は、幅Ｗａ 、厚さｔ、長さＬの第１の平板状低融点金属体４ａと、この平板状低融点金属体４ａと同じ幅Ｗｂ 、厚さｔ、長さＬの第２の平板状低融点金属体４ｂの２条からなり、それぞれ両端が電極３ａ、３ｃに接続し、中央部が電極３ｂに接続している。
【００１３】
このように低融点金属体４として２条の平板状低融点金属体４ａ、４ｂを水平に並置すると、発熱帯６が発熱した場合に、２条の平板状低融点金属体４ａ、４ｂがそれぞれ溶融し、まず、図２に示すように、電極３ａと電極３ｂの間、及び電極３ｂと電極３ｃの間にある、平板状低融点金属体４ａ、４ｂの両側辺の中央部（合計８箇所）が溶断開始点Ｐとなり、この溶断開始点Ｐから矢印のように平板状低融点金属体４ａ、４ｂがくびれ始める。次いで、表面張力により、低融点金属体は、電極３ａ、３ｂあるいは３ｃ上で球状になろうとし、溶断開始点Ｐのくびれが大きくなって４箇所で溶断する。
【００１４】
これに対して、図１５の保護素子１Ｘのように、低融点金属体として、厚さｔと長さＬが上述の平板状低融点金属体４ａ、４ｂと同じで、幅Ｗが平板状低融点金属体４ａ、４ｂの幅Ｗａ 、Ｗｂ の合計に等しい（即ち、横断面の断面積が、低融点金属体４ａ、４ｂの横断面の断面積の合計に等しく、定格電流（ヒューズ抵抗値）が、図１の保護素子１Ａと同じとなる）１条の低融点金属体４’を設けると、この低融点金属体４’は、発熱体６の発熱時により、図１５に矢印で示すように４箇所の溶断開始点Ｐからくびれ始め、溶断する。
【００１５】
したがって、図１の保護素子１Ａのように、低融点金属体４の横断面を、第１の平板状低融点金属体４ａによる横断面と第２の平板状低融点金属体４ｂによる横断面の２つの区域に区分することにより、溶断開始点Ｐが増え、また、溶融した低融点金属体４が、電極３ａ、３ｂあるいは３ｃ上に流れ込み易くなるので、動作時間が短縮する。
【００１６】
さらに、一般に、低融点金属体４の下地となっている絶縁層５の表面状態等によって低融点金属体の溶断時間は変動するところ、図１の保護素子１Ａのように、電極３ａと電極３ｂ、あるいは電極３ｂと電極３ｃという一対の電極間に２条の平板状低融点金属体４ａ、４ｂを設けると、一対の電極体間において２条の内の一方の平板状低融点金属体が溶断したときに、残りの平板状低融点金属体には、一方の平板状低融点金属体が溶断する前の電流の倍の電流が流れるので、残りの平板状低融点金属体も速やかに溶断する。したがって、保護素子１Ａの動作時間のバラツキが低減する。
【００１７】
また、溶断後に電極３ａ、３ｂ又は３ｃ上に集まる低融点金属体４の厚みは、図１の保護素子１Ａの方が図１５の保護素子１Ｘよりも薄くなる。したがって、一対の電極間の低融点金属体を２条とした図１の保護素子１Ａの方が、素子の薄型化を押し進めることが可能となる。
【００１８】
図１の保護素子１Ａは、例えば、図３に示すように製造することができる。まず、基板２上に発熱体６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する。次に、必要に応じて、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にトリーミングを形成した後、発熱体６を覆うように絶縁層５を形成する（同図（ｃ））。次に、低融点金属体用の電極３ａ、３ｂ、３ｃを形成する（同図（ｄ））。そして、この電極３ａ、３ｂ、３ｃに橋かけするように２条の平板状低融点金属体４ａ、４ｂを設ける（同図（ｅ））。
【００１９】
ここで、基板２、電極３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｘ、３ｙ、発熱体６、絶縁層５、低融点金属体４の形成素材やそれ自体の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、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、好ましくは、無機系基板を使用する。
【００２０】
発熱体６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６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、スパッタ等により形成してもよく、これらのフィルムの貼付、積層等により形成してもよい。
【００２１】
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８−１６１９９０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。
【００２２】
低融点金属体用の電極３ａ、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。
【００２３】
図１の保護素子１Ａの使用方法としては、例えば、図４示すように、過電圧防止装置で用いられる。図４の過電圧防止装置おいて、端子Ａ１、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Ａ１、Ａ２ に過電圧の印加されることが防止される。またこの場合、低融点金属体４は電極３ａと電極３ｂの間、及び電極３ｂと電極３ｃの間でそれぞれ溶断されるので、溶断後には、発熱体６への通電が完全に遮断される。
【００２４】
本発明の保護素子は種々の態様をとることができる。保護素子の動作特性上は、２条の低融点金属体４ａ、４ｂの間隔は広い方がよいが、図５に示す保護素子１Ｂのように、２条の平板状低融点金属体４ａ、４ｂを接触させて配設してもよい。このように２条の平板状低融点金属体４ａ、４ｂを接触させても、発熱体６の発熱時には、図６に示すように、８カ所の溶断開始点Ｐから溶断が始まるので、動作時間を短縮し、動作時間のバラツキを低減させ、素子の薄型化を図ることができる。
【００２５】
図７の保護素子１Ｃは、図１の２条の平板状低融点金属体４ａ、４ｂに代えて、４条の平板状低融点金属体４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆを、それらの合計の横断面積が、図１の２条の平板状低融点金属体４ａ、４ｂの合計の横断面積と等しくなるように設けたものである。
【００２６】
このように、低融点金属体４の横断面の区分数を増やすことにより、より一層動作時間を短縮し、また動作時間のバラツキを抑制することができる。本発明において、低融点金属体の横断面の区分数には、特に制限はない。
【００２７】
図８の保護素子１Ｄは、電極３ａと電極３ｂとの間、及び電極３ｂと電極３ｃとの間において、低融点金属体４に、その横断面が２つに区分された領域ができるように、これらの電極間に、電流の流れる方向に伸びたスリット７を設けたものである。
【００２８】
このようにスリット７を形成することによっても、発熱体６の発熱時により、低融点金属体４は、図９に示すように８カ所の溶断開始点Ｐから矢印のようにくびれ始めるので、動作時間を短縮し、動作時間のバラツキを低減させ、素子の薄型化を図ることができる。
【００２９】
なお、スリットにより低融点金属体の横断面を独立的な区域に区分する場合にも、その区分数には、特に制限はない。
【００３０】
図１０の保護素子１Ｅは、発熱体６の発熱前においては、低融点金属体４の横断面が、１つの連続域からなるが、電流の流れる方向に伸びた溝８が低融点金属体４の中央部に設けられ、その部分の低融点金属体４が肉薄になることにより、発熱体６の発熱時には、速やかに、図１１に示したように、２つの独立的な断面に区分されるようにしたものである。２つの独立的な断面に区分された後は、図１の保護素子と同様に作用する。
【００３１】
本発明の保護素子は、低融点金属体が、電極３ａと電極３ｂ、及び電極３ｂと電極３ｂという二対の電極間でそれぞれ溶断するものに限らず、その用途に応じて、一対の電極間でのみ溶断するように構成してもよい。例えば、図１３に示した回路図の過電圧防止装置で用いる保護素子は、図１２に示す保護素子１Ｆのように、電極３ｂを省略した構成とすることができる。この保護素子１Ｆにおいても、一対の電極間３ａ、３ｃに、２条の平板状低融点金属体４ａ、４ｂが設けられている。
【００３２】
この他、本発明の保護素子において、個々の低融点金属体４の形状は平板状に限らない。例えば、丸棒状としてもよい。また、低融点金属体４は、絶縁層５を介して発熱体６上に積層する場合に限らない。低融点金属体と発熱体とを平面配置し、発熱体の発熱により低融点金属体が溶断するようにしてもよい。
【００３３】
また、本発明の保護素子において、低融点金属体上は、４、６−ナイロン、液晶ポリマー等を用いてキャッピングすることができる。
【００３４】
【実施例】
実施例１
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（デュポン社製、６１７７Ｔ）を印刷し、焼成（８５０℃、０．５時間）することにより発熱体６用の電極３ｘ、３ｙを形成した。
【００３５】
次に、酸化ルテニウム系ペースト（デュポン社製、ＤＰ１９００）を印刷し、焼成（８５０℃、０．５時間）することにより発熱体６を形成した。
【００３６】
その後、発熱体６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を、銀−白金ぺ−スト（デュポン社製、５１６４Ｎ）を印刷し、焼成（８５０℃、０．５時間）することにより形成した。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（Ｓｎ：Ｓｂ＝９５：５、液相点２４０℃、幅Ｗ＝０．５ｍｍ、厚さｔ＝０．１ｍｍ、長さＬ＝４．０ｍｍ）を２本接続し、保護素子１Ａを得た。
【００３７】
実施例２
低融点金属体４として、幅Ｗ＝０．５ｍｍの半田箔２本に代えて、幅Ｗ＝０．２５ｍｍの半田箔を４本使用する以外は、実施例１と同様にして保護素子１Ｃ（図７）を作製した。
【００３８】
比較例１
低融点金属体４として、幅Ｗ＝０．５ｍｍの半田箔２本に代えて、幅Ｗ＝１ｍｍの半田箔を１本使用する以外は、実施例１と同様にして保護素子１Ｘ（図１４）を作製した。
【００３９】
実施例３
低融点金属体の厚さｔを０．３ｍｍとする以外は実施例１と同様にして保護素子１Ａを作製した。
【００４０】
実施例４
低融点金属体の厚さｔを０．３ｍｍとする以外は実施例２と同様にして保護素子１Ａを作製した。
【００４１】
比較例２
低融点金属体の厚さｔを０．３ｍｍとする以外は比較例１と同様にして保護素子１Ｘを作製した。
【００４２】
評価
実施例１〜４及び比較例１、２の各保護素子の発熱体に４Ｗの電力を印加し、その電力を印加してから低融点金属体が溶断するまでの時間（ヒューズ溶断時間）を測定した。
【００４３】
また、実施例３、４及び比較例２の保護素子に対しては、低融点金属体に１２Ａの電流を通し、通電後低融点金属体が溶断するまでの時間を測定した。
【００４４】
結果を表１に示す。
【００４５】
【表１】

【００４６】
この結果から、本発明の実施例によれば、定格電流（ヒューズ抵抗値）を変えることなく、発熱体が発熱したときの動作時間を短縮し、かつ動作時間のバラツキを抑制できることがわかる。また、低融点金属体に過電流が流れた場合の動作時間も短縮し、そのバラツキを抑制できることがわかる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、基板上に発熱体及び低融点金属体を有し、発熱体の発熱により低融点金属体が溶断する保護素子において、動作時間を短縮し、かつ安定化させることができる。したがって、定格電流を高くするために、低融点金属体の断面積を大きくしても、動作時間を十分に短くし、かつ動作時間のバラツキを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の保護素子の平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図２】本発明の保護素子の溶断開始時の平面図である。
【図３】本発明の保護素子の製造工程図である。
【図４】本発明の保護素子を用いた過電圧防止装置の回路図である。
【図５】本発明の保護素子の平面図である。
【図６】本発明の保護素子の溶断開始時の平面図である。
【図７】本発明の保護素子の平面図である。
【図８】本発明の保護素子の平面図である。
【図９】本発明の保護素子の溶断開始時の平面図である。
【図１０】本発明の保護素子の平面図（ａ）及び断面図（ｂ）、（ｃ）である。
【図１１】本発明の保護素子の溶断開始時の断面図である。
【図１２】本発明の保護素子の平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図１３】本発明の保護素子を用いた過電圧防止装置の回路図である。
【図１４】従来の保護素子の平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図１５】従来の保護素子の溶断開始時の平面図である。
【符号の説明】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ…保護素子、
２…基板、
３ａ、３ｂ、３ｃ…電極、
４…低融点金属体、
４ａ…第１の平板状低融点金属体、
４ｂ…第２の平板状低融点金属体、
５…絶縁層、
６…発熱体、
７…スリット、
Ｐ…溶断開始点

Claims (4)

1. 基板上に発熱体及び低融点金属体を有し、発熱体の発熱により低融点金属体が溶断する保護素子であって、低融点金属体に電流を通す一対の電極間において、低融点金属体の少なくとも一部の横断面が、実質的に２以上の独立的な断面に区分されていることを特徴とする保護素子。
2. 低融点金属体に電流を通す一対の電極間に、２条以上の低融点金属体が設けられている請求項１記載の保護素子。
3. 低融点金属体に電流を通す一対の電極間に、中央部にスリットの入った１条の低融点金属体が設けられている請求項１記載の保護素子。
4. 低融点金属体に電流を通す一対の電極間において、低融点金属体に、該低融点金属体の少なくとも一部の横断面が発熱体の発熱時に２以上の独立的な断面に区分されるように、肉薄部が形成されている請求項１記載の保護素子。

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