JP2004342544A - 回路保護素子 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、溶断性能に優れ、環境変化による性能劣化などの少ない耐久性、耐候性に優れた回路保護素子を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、基体２と、基体２に設けられた導電性可溶体４と、基体２の両端に設けられ導電性可溶体４を介して電気接続された端子電極３を有する回路保護素子であって、金属と非金属からなる混合体５からなる補助可溶体もしくは金属有機化合物からなる補助可溶体が導電性可溶体４の少なくとも一部に接合される構成とする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モーター等のデバイスや、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導電性可溶体が溶断して回路を遮断する回路保護素子に関するものである。
【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。いわゆる中央演算処理装置（以下「ＣＰＵ」という）などの高速のＬＳＩは過電流の影響を受けやすく、更に非常に高価である。このため、これらのＬＳＩを、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、端子電極間に溶断部となる導電性可溶体を設けた数多くの溶断型回路保護素子が提供されている。
【０００５】
例えば、導電性可溶体をセラミック製の基体上に形成した積層型回路保護素子が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
図１０は従来の技術における回路保護素子の斜視図である。
【０００７】
１００は回路保護素子、１０１は基体、１０２は端子電極、１０３は導電性可溶体、１０４は溶断部である。導電性可溶体１０３には補助可溶体が設けられていないため、溶断部１０４は溶断を促すために幅を狭く形成されている。導電性可溶体１０３を流れる電流が上昇すると、その幅の狭くなっている溶断部１０４は抵抗値が高いため他の部分よりも高く発熱する。発熱の結果、溶断が実現される。
【０００８】
また、基体上に金属からなる導電性の層を形成し、これを基体の両端に設けられた端子電極と接続した回路保護素子であって、導電性の層の溶断部となる一部上面に別の導電性層を接合させることで、接合部分に合金を形成する回路保護素子が提案されている（例えば特許文献２参照）。
【０００９】
図１１は従来の技術における回路保護素子の斜視図である。１０５は回路保護素子であり、１０６は基体、１０７は端子電極、１０８は導電性可溶体、１０９は補助可溶体であり、補助可溶体１０９は半田やすず、ニッケルなどの金属ペーストや金属めっきなどである。導電性可溶体１０８と補助可溶体１０９の接触部分では合金が形成されるため、抵抗値が高く、融点も低くなるために溶断しやすくなる。導電性可溶体１０８を流れる電流が増加すると温度上昇し、補助可溶体１０９付近で溶断して電流が遮断される。
【００１０】
【特許文献１】
特表２００１−５０３５５８号公報
【特許文献２】
特開平９−５１０８２４号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、（特許文献１）に記載されているような端子電極間に溶断部となる導電性可溶体を設けた回路保護素子では、その定格電流が小さくなる場合には十分な溶断を確保するために導電性可溶体の抵抗を高くするように設計しておく必要がある。すなわち導電性可溶体を非常に幅狭くまたは非常に薄く形成するなどの必要が生じるので、設計での困難性や耐久性の低下などの問題があった。特に、低消費電力化が進む電子機器では定格電流を小さくする必要があるのに対し、本来の溶断基準を確保する回路保護素子の提供が困難であるという問題があった。
【００１２】
一方、（特許文献２）記載されているような回路保護素子では、導電性の層の上に更に金属からなる導電性の層を設けており、これらの層の間で金属元素の拡散が起こって合金部分の抵抗が増加するいわゆるＭ効果と呼ばれる効果が生じる。合金部の抵抗が増加するために、電流による温度上昇が高くなり合金部での溶断が容易となって十分な溶断が得られる効果である。このため、回路保護素子を低抵抗で設計しておくことが可能となる。しかしながら、１００度程度の高温状態が一定時間続いた場合には層の間での合金化が進行し、合金化の結果抵抗が本来予定していたものよりも高くなってしまう問題が生じる。これにより本来の溶断基準以下の電流で溶断する状態に変化するという、回路保護素子の性能劣化の問題があった。
【００１３】
また、導電性層の上に接合される伝導性の層は金属であるため、酸化しやすく、酸化によって同様に抵抗が上昇する問題があった。
【００１４】
特に、近年の電子機器でのクロック周波数の高速化などは目覚しく、電子部品の高温化などにより回路保護素子が長時間高温環境にさらされたりすることも多々あり、回路保護素子が使用される中で性能劣化することは大きな問題となっていた。もちろん、これを放置すれば回路保護素子が定格以下で溶断することが頻発し、その都度修理や取替えなどのコストが発生して、結果的にはこれを組み込む電子機器の高コスト化にもつながりかねない問題があった。もちろん、電子機器自体の耐久性などにも悪影響は大きいものがある。
【００１５】
本発明は、定格電流が低い場合であっても低抵抗を実現し、更に高温状態などが続く環境下であってもその性能劣化の少ない、耐久性と性能維持性に優れた回路保護素子を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、基体と、基体に設けられた導電性可溶体と、基体の両端に設けられ導電性可溶体を介して電気接続された端子電極を有する回路保護素子であって、導電性可溶体に用いられる金属と合金を形成する少なくとも一種類以上の金属と非金属からなる混合体からなる補助可溶体とを有し、補助可溶体が導電性可溶体の少なくとも一部に接触する構成とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、基体と、基体に設けられた導電性可溶体と、基体の両端に設けられ導電性可溶体を介して電気接続された端子電極を有する回路保護素子であって、導電性可溶体に用いられる金属と合金を形成する少なくとも一種類以上の金属と非金属からなる混合体からなる補助可溶体とを有し、補助可溶体が導電性可溶体の少なくとも一部に接触することを特徴とする回路保護素子低定格電流であって、低抵抗での設計が可能で溶断時間が短く、環境変化による抵抗上昇などの性能劣化が少なくなる。
【００１８】
本発明の請求項２に記載の発明は、混合体に含まれる金属と非金属において、金属の融点が非金属の融点より高いことを特徴とする請求項１に記載の回路保護素子であって、一定以上の電流になり一定の温度を越えたところで非金属部分が溶融、蒸散し、金属部分が導電性可溶体と接触を開始するので接触部分での合金形成が開始される作用を有する。
【００１９】
本発明の請求項３に記載の発明は、混合体が、非金属ペーストに金属微粒子が含まれるゲル状体であることを特徴とする請求項１乃至２いずれか１に記載の回路保護素子であって、一定以上の発熱になった後で非金属ペーストが溶融、蒸散して金属微粒子と導電性可溶体との間で合金形成が開始され、溶断が開始される。
【００２０】
本発明の請求項４に記載の発明は、基体と、基体に設けられた導電性可溶体と、基体の両端に設けられ導電性可溶体を介して電気接続された端子電極を有する回路保護素子であって、導電性可溶体の金属元素と合金を形成する少なくとも一種類以上の金属元素を含む有機金属化合物からなる補助可溶体を有し、有機金属化合物からなる補助可溶体が導電性可溶体の少なくとも一部に接触することを特徴とする回路保護素子であって、低抵抗での設計が可能で溶断時間が短く、環境変化による抵抗上昇などの性能劣化が少なくなる作用を有する。
【００２１】
本発明の請求項５に記載の発明は、導電性可溶体に用いられる金属元素と有機金属化合物に含まれる金属元素から形成される合金が該導電性可溶体よりも低融点となるように、導電性可溶体の金属元素と有機金属化合物の金属元素を組み合わせることを特徴とする請求項４に記載の回路保護素子であって、形成された合金部は高抵抗となると共に、融点の低下により溶断が容易となって、短い時間で溶断する作用を有する。
【００２２】
本発明の請求項６に記載の発明は、有機金属化合物が金属石鹸であることを特徴とする請求項４乃至５いずれか１に記載の回路保護素子であって、環境変化による抵抗上昇などの性能劣化を生じない。更に一定温度以上で有機物の分解が開始されて合金形成が開始され、短い時間で溶断する作用を有する。
【００２３】
本発明の請求項７に記載の発明は、金属石鹸がオクチル酸ビスマスであることを特徴とする請求項６に記載の回路保護素子であって、環境変化による抵抗上昇などの性能劣化を生じない。更に一定温度以上で有機物の分解が開始されて合金形成が開始され、短い時間で溶断する作用を有する。
【００２４】
本発明の請求項８に記載の発明は、金属石鹸がオクチル酸すずであることを特徴とする請求項６に記載の回路保護素子であって、環境変化による抵抗上昇などの性能劣化を生じない。更に一定温度以上で有機物の分解が開始されて合金形成が開始され、短い時間で溶断する作用を有する。
【００２５】
本発明の請求項９に記載の発明は、金属石鹸がオクチル酸ビスマスもしくはオクチル酸すずのいずれかであり、導電性可溶体の金属元素の少なくとも一部に銀が用いられることを特徴とする請求項５に記載の回路保護素子であって、環境変化による抵抗上昇などの性能劣化を生じない。更に一定温度以上で有機物の分解が開始されて合金形成が開始され、短い時間で溶断する作用を有する。
【００２６】
本発明の請求項１０に記載の発明は、補助可溶体が導電性可溶体の溶断部位にのみ接合されることを特徴とする請求項１〜９いずれか１記載の回路保護素子であって、少ない補助可溶体で十分な溶断を促す作用を有する。
【００２７】
本発明の請求項１１に記載の発明は、表面に導電膜が設けられた基体と、導電膜の一部に設けられた狭域部と、基体の両端に設けられ基体の導電膜を介して電気接続された端子電極を有する回路保護素子であって、基体の導電膜の金属元素と合金を形成する少なくとも一種類以上の金属元素を含む有機金属化合物からなる補助可溶体を有し、有機金属化合物からなる補助可溶体が狭域部に接触することを特徴とする回路保護素子であって、低抵抗での設計が可能で溶断時間が短く、環境変化による抵抗上昇などの性能劣化が少なくなる作用を有する。
【００２８】
本発明の請求項１２に記載の発明は、請求項１〜１１いずれか記載の回路保護素子と、回路保護素子と他の電子部品が実装された電子基板であって、電子基板の過電流からの保護に加えて、耐久性と耐候性に優れた長寿命を実現する。
【００２９】
本発明の請求項１３に記載の発明は、請求項１〜１１いずれか１記載の回路保護素子と、回路保護素子と電気的接続される処理装置と、処理装置に電圧を与える駆動源と、これらを格納する筺体を有することを特徴とする電子機器であって、電子機器の過電流からの保護が実現され、電子機器の長寿命が実現される。
【００３０】
本発明の請求項１４に記載の発明は、電子機器がノートブック型パソコンであることを特徴とする電子機器であって、過電流からの保護が実現され、電子機器の長寿命と修理コスト低減が実現される。
【００３１】
以下、図面を用いて説明する。
【００３２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における回路保護素子の斜視図である。図２は本発明の実施の形態１における回路保護素子の断面図である。図３（ａ）〜図３（ｄ）は本発明の実施の形態１における回路保護素子の動作メカニズム図である。図４は本発明の実施の形態１における回路保護素子の斜視図である。図５（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施の形態１における回路保護素子の動作メカニズム図である。図６は合金形成に関する従来との比較図である。
【００３３】
図１を用いて混合体を用いた場合の回路保護素子の構成について説明する。
【００３４】
１は回路保護素子であり、２は基体、３は端子電極、４は導電性可溶体、５は混合体であり補助可溶体を構成し、６は溶断部、７は保護膜である。
【００３５】
基体２はアルミナもしくはアルミナを主成分とするセラミック材料等の絶縁体もしくは誘電体などをプレス加工、押し出し法等を施して形成される。あるいはセラミック材料などからなる積層シートを複数重ねた上で焼結させることで形成される。なお、基体２の構成材料としては、フォルステライト、チタン酸マグネシウム系、チタン酸カルシウム系、ジルコニア・スズ・チタン系、チタン酸バリウム系、鉛・カルシウム・チタン系などのセラミック材料を用いてもよく、エポキシ樹脂などの樹脂材料を用いても良い。なお、強度や絶縁性からアルミナもしくはアルミナを主成分としたセラミック材料が好適である。
【００３６】
端子電極３は基体２の両端部に設けられ、基体２と同じセラミック材料などにより形成された基礎部分に導電膜を施して形成される。基体２を形成する際に端子電極３を構成する基礎部分を同時に形成してもよく、別個に形成して張り合わせてもよい。また端子電極３は電子基板との実装性を向上させるために、基体２よりも上下方向に突出させておくことも好適である。もちろん、突出させていなくてもよく、その場合には実装時に端子電極３の底面に設けられた半田が基体２の底面にあふれないように注意するべきである。また、端子電極３の幅Ｌ１は実装強度が十分な長さを確保するべきである。
【００３７】
端子電極３に導電膜を施す場合には、銅、銀、金、ニッケル、チタン、パラジウム等の導電材料の導電膜を単層乃至複数積層することで、導電性を有する表面が形成され、電極として電気的接続が可能となる。導電膜はめっきで形成されてもよく、印刷、蒸着やペーストなどの方法で形成されてもよい。また、めっきで形成する場合には、無電解めっきを施した上で電界めっきを施すことで容易にめっき形成を実現することができる。
【００３８】
導電性可溶体４は基体２の上面に形成される。もちろん基体の側面に形成されても良い。導電性可溶体４は、銅、銀、金、ニッケル、チタン、パラジウムなどの導電材料を印刷、蒸着、めっきやペーストなどをもちいて基体２上に形成する。あるいは金属線により形成してもよい。なお、導電性可溶体４は端子電極３の表面に形成される導電膜と一体で形成されても良いし、別に刑した後に接触部を溶融接続させて電気接続させても良い。また導電性可溶体４と端子電極３表面の導電膜の材料や膜構造は同一であっても良いし、別であっても良い。ここで、導電性可溶体４は端子電極３と電気接続されているので、端子電極３を介して電流が流れるようになっている。また、導電性可溶体４は端子電極３に近づくにつれその幅を広げ、中央付近で狭くすることで中央付近での溶断を容易にすることも好適である。もちろん、ほぼ一定の幅をもって形成してもよい。なお、溶断部６の部分には溶融した導電性可溶体４や混合体５の逃げ道となる空間が確保されていることが好ましい。特に保護膜７により密閉されている場合には必要である。更に、混合体５には金属より融点の低い非金属が先に溶融することが溶断部６の溶断の前提ステップであるから、溶融したりガス化したりした非金属の逃げ道となる空間の確保が必要となる。保護膜７にガス抜き穴を設けたり、溶断部６周辺の基体２に窪み部分を設けたりしておくことなどで解決される。
【００３９】
混合体５は金属と非金属からなる混合体であり導電性可溶体４の表面に接触するように接合されており、印刷、めっき、蒸着、ペースト塗布、貼り合わせなどにより接合される。例えば非金属のペーストに金属微粒子が含まれるゲル状の混合体５などである。ここで、混合体５に含まれる非金属の融点は含まれる金属の融点よりも低いことが必要である。後述するが、導電性可溶体４の温度が上昇することで混合体５内部の非金属が溶融、蒸発し、混合体５内部の金属が導電性可溶体４と接触して導電するようになることで、溶断部６での溶断が実現されるからである。なお、混合体５は導電性可溶体４上部の全面に渡って接合されてもよいが、溶断部６付近にのみ接合されるほうが望ましい。溶断部６においてのみ混合体５に含まれる金属が導電性可溶体４と接すれば十分だからである。なお、混合体５に用いられる非金属ペーストなどは、１００度程度以上の融点を持っているものである必要がある。
【００４０】
なお、混合体５に含まれる金属はビスマスやすず、鉛、バリウムなどがあるが、導電性可溶体４を構成する金属と混合体５にふくまれる金属からなる合金の融点が、導電性可溶体４を構成する金属単体の融点よりも低くなる組み合わせが望ましい。例えば、導電性可溶体４を構成する金属が銀で、混合体５に含まれる金属がビスマスの時にはこれらの合金の融点は２６２度であり、銀単体の融点９６２度よりも低い。これにより導電性可溶体４を電流が流れて温度が上昇したときには、混合体５が接合されている溶断部６が他の部分よりはるかに先に溶融するので、溶断部６において溶断されることが実現される。なお、導電性可溶体４が銀で、混合体５に含まれる金属がすずやバリウム、マグネシウムなどであっても、合金の融点のほうが銀単体よりも低いため、同様の効果が得られる。
【００４１】
保護膜７は溶断部６に対する物理的衝撃に対する保護や酸化防止、湿気や光などからの保護のために設けられるものであり、プラスチック樹脂やシリコン樹脂、シリコンゴムなどが用いられる。また、保護膜７を設ける前に松脂などのフラックスを施すことも好適である。フラックスにより溶断速度が向上するメリットがあるからである。
【００４２】
なお、導電性可溶体４と混合体５は基体２の上部表面に形成されるだけでなく、側面に形成されてもよく、基体２内部に形成されてもよい。基体２側面に形成された場合には、溶断部６が側面となるため溶融した金属が溶け落ちる空間が広く確保されているため、溶断が確実になるメリットがある。一方基体２内部に形成された場合には外部からの物理衝撃や環境衝撃に強くなるメリットがある。但し、内部に設ける場合には溶融する金属や混合体５中の非金属の逃げ場を確保しておく必要がある。
【００４３】
次に、本発明に係る回路保護素子の動作について図２を用いて説明する。
【００４４】
８は非金属ペーストであり、９は金属微粒子である。混合体５は非金属ペースト８に金属微粒子９が含まれることで構成されている。なお、図２には表されていないが、混合体５の上面には保護膜７が存在していてもよい。
【００４５】
１０は端子ランド、１１は合金形成部、１２は溶断箇所、Ｉ１、Ｉ２は電流である。
【００４６】
次に図３（ａ）〜図３（ｄ）を用いて回路保護素子の溶断のメカニズムを説明する。
【００４７】
図３（ａ）には通常の電流Ｉ１が流れている状態が表されている。まず通常状態では端子ランド１０から入力した電流Ｉ１が導電性能を有する導電性可溶体４を流れて、端子電極３から出力される。このとき、補助可溶体である混合体５は非金属ペースト８の部分が導電性可溶体４の表面と接しており混合体５にはほとんど電流Ｉ１が流れていない。
【００４８】
図３（ｂ）には、電流Ｉ１が大きくなるにつれ混合体５の非金属ペースト８が溶融、もしくは蒸散して金属微粒子９が導電性可溶体４と接している状態が表されている。電流Ｉ１が大きくなるにつれて導電性可溶体４は自己発熱し、発熱が一定以上になると金属微粒子９や導電性可溶体４よりも融点の低い非金属ペースト８のみが溶融して周囲に流れ出す。もしくは蒸散する。これにより非金属ペースト８に囲まれていたために、導電性可溶体４に接することの無かった金属微粒子９が導電性可溶体４の表面と接する状態が生じる。結果として金属微粒子９と導電性可溶体４表面の金属により合金形成部１１に合金が形成される。合金が形成されることで、電流Ｉ１は導電性可溶体４と合金形成部１１を流れるようになる。この時、導電性可溶体４が銀や銅などの場合には、合金形成部１１に現れる合金相は銀や銅単体部分より高抵抗となる。また、合金形成部１１が発生することで、合金形成部１１周辺の導電性可溶体４に用いられていた銀や銅などの単体部分の体積が減少してこの単体部分の抵抗も上昇することになる。このため高抵抗となった合金形成部１１とその周辺の発熱量が増加する。すなわち、合金形成がなされることで、形成された部位の抵抗が上昇することになり、溶断に必要な温度上昇が容易に行われることになる。
【００４９】
図３（ｃ）には、合金形成部１１を流れる電流Ｉ１が更に増加して合金形成部１１とその周辺の温度が上昇している状態が表されている。このとき、合金形成部１１に形成された合金は、例えば導電性可溶体４に銀が用いられており、金属微粒子９がビスマスである場合には、その合金の融点は２６２度であり、銀単体の融点９６２度よりも十分に低い。このため、電流Ｉ１の増加に伴い発熱が上昇すると合金形成部１１が導電性可溶体４の他の部分よりも先に融点に達することになる。
【００５０】
図３（ｄ）には、温度上昇が合金形成部１１の融点に達した結果、導電性可溶体４の溶断部７が溶断した状態が表されている。導電性可溶体４は合金が形成された合金形成部１１が最初に溶断するため、溶断箇所１２において溶断することになる。
【００５１】
以上の動作により、回路保護素子は断線状態になるので電流の通電が遮断され、回路保護素子１に接続されるＬＳＩなどが過電流により破壊や故障されることが防止される。
【００５２】
このとき、本発明の回路保護素子では溶断部７には導電性可溶体４と金属微粒子９による合金形成がなされるので、抵抗値は低いままに抑えることが可能である。更に、１００度程度の温度状態が続いたとしても、混合体５の非金属ペースト８はまだ溶融したり蒸散したりすることがないので、合金形成が行われず、最初から導電性可溶体４に直接金属板などを接合させて合金を形成させておく従来の方式のような抵抗の上昇といった問題も生じない。すなわち、周辺環境変化による性能劣化などが生じず、耐久性に優れた長寿命の回路保護素子を提供できるメリットがある。これはとりもなおさず回路保護素子を組み込む電子機器の性能向上と耐久性向上につながり、結果として長寿命化が達成されることになる。なお、混合体５の非金属ペースト８は１００℃以上の温度に対して溶融・蒸散しない、例えば比較的分子量の大きいものを選んでおかなければならないことは当然である。
【００５３】
次に、図４を用いて有機金属化合物を用いた場合の回路保護素子について説明する。
【００５４】
１３は有機金属化合物であり補助可溶体を構成するものであり、導電性可溶体４の表面に接触するように接合されている。接合には塗布ペーストや蒸着、印刷、めっきなどの方法が用いられる。なお、有機金属化合物１３は導電性可溶体４の溶断部６となる一部分のみに接合させてもよいし、導電性可溶体４の全面に渡って接合させてもよい。ここで、有機金属化合物とは、混合体５と異なり非金属である有機物元素と金属元素との化合物であり、ナフテン酸やオクチル酸をベースにビスマスやバリウムなどの金属原子を化合させたいわゆる金属石鹸などである。ナフテン酸などを構成する炭素原子や水素原子のバリウム原子などが結合した化合物である。このような有機金属化合物１３を用いることの特徴としては、金属原子が非金属の炭素原子や水素原子と結合しているために、有機金属化合物１３が導電性可溶体４表面に接合されていても、有機金属化合物１３には直接電流がほとんど流れないことである。なお、有機金属化合物１３にはビスマスやバリウムのみならず、すず、鉛、マグネシウム、金、銀、ゲルマニウム、パラジウムなどの金属原子を、ナフテン酸やオクチル酸などに結合させた化合物であってもよく、金属原子が異なる場合には、有機金属化合物１３に含まれる金属原子と導電性可溶体４に用いられる金属とによる形成される合金の融点が異なるという相違がある。このとき、有機金属化合物１３に含まれる金属と導電性可溶体４に用いられる金属とでは、その金属の組み合わせにより形成される合金の融点が、導電性可溶体４に用いられる金属単体の融点よりも低くなる組み合わせとすることが好適である。なお、有機金属化合物１３は１００度程度以上の融点を持っているものである必要がある。
【００５５】
また、図１の場合と同じく有機金属化合物１３の上に松脂などのフラックスを施したり、溶断部６に保護膜７を設けたりすることも好適である。更に後で述べるが、有機金属化合物１３の有機物が分解した際の逃げ道を確保しておくことが望ましい。保護膜７にガス抜き用の穴を設けたり、溶断部６周辺の基体２表面に窪みをつけて逃げ道の確保としたりするなどが望ましい。
【００５６】
次に、図５（ａ）〜（ｄ）を用いて回路保護素子１の溶断のメカニズムについて説明する。１４は分解された有機物、１５は金属、１６は合金形成部、１７は溶断箇所である。
【００５７】
図５（ａ）には、通常の電流通電状態の場合が表されている。補助可溶体を構成する有機金属化合物１３が導電性可溶体４の上面に接合されている。図５には表していないが、保護膜７で覆われていてもよい。電流Ｉ１は端子ランド１０から端子電極３を通じて、導電性可溶体４を流れる。電流Ｉ１が一定範囲内であれば導電性可溶体の温度上昇は一定範囲に収まっている。このとき導電性可溶体４に直接接する有機金属化合物１３の金属原子はほとんどないため、有機金属化合物１３にはほとんど電流Ｉ１は流れていない。このため、導電性可溶体の抵抗は低いままに保たれている。
【００５８】
図５（ｂ）には、電流Ｉ１が増加し有機金属化合物の有機物が分解された状態が表されている。電流Ｉ１が増加することで、導電性可溶体４の温度が上昇する。導電性可溶体４の温度が一定の温度を超えると有機金属化合物１３の有機物が分解する。具体的にはナフテン酸やオクチル酸を構成する炭素原子や水素原子などが熱により分解されガス化などする。ガス化した有機物は分解された有機物１４として、元々の有機金属化合物１３の存在していた場所から離散する。結果として、有機金属化合物１３に含まれていた金属１５のみが残る状態になる。この結果、金属１５と導電性可溶体４に用いられる金属との間で合金形成が始まり、合金が形成される。
【００５９】
図５（ｃ）は、合金が形成された状態が表されている。合金形成部１６は導電性可溶体４の一部に形成され、電流Ｉ１が流れるようになる。電流Ｉ１が増加すると導電性可溶体４の温度が上昇する。この時、導電性可溶体４が銀や銅などの場合には、合金形成部１６に現れる合金相は銀や銅単体部分より高抵抗となる。また、合金形成部１６が発生することで、導電性可溶体４に用いられていた銀や銅などの単体部分の体積が減少してこの単体部分の抵抗も上昇することになる。このため高抵抗となった合金形成部１６とその周辺の発熱量が増加する。すなわち、合金形成がなされることで、形成された部位の抵抗が上昇することになり、溶断に必要な温度上昇が容易に行われることになる。
【００６０】
抵抗が上昇することで温度上昇が効果的に促されるが、合金形成部１６は導電性可溶体４に用いられている単体の金属より融点が低く、更に合金形成部１６は抵抗値も高くなるため、温度上昇により他の部分よりも溶断しやすい条件が整うことになる。例えば、導電性可溶体４に用いられている金属が銀で、有機金属化合物１３に用いられている金属がビスマスの時には、形成される合金の融点は２６２度であり、銀単体の融点９６２度よりも十分に低いため合金形成部１６が先に溶断発生しうる状態となる。
【００６１】
図５（ｄ）は導電性可溶体４が溶断した状態が表されている。合金形成部１６が溶断することで、導電性可溶体４が溶断箇所１７において断線する。断線した結果、導電性可溶体１３が分割され、電流Ｉ１の通電が遮断される。
【００６２】
以上より、回路保護素子に接続されるＬＳＩなどが過電流から保護されることになる。
【００６３】
ここで、本発明の回路保護素子の従来の保護素子に対する利点について説明する。
【００６４】
従来の技術で説明した導電性可溶体４のみで形成された回路保護素子では、短い溶断時間を実現するためにその抵抗を高く設計する必要があり、導電性可溶体４の溶断部６での幅を狭くするなどの設計が必要となっていた。このため耐久性などが劣る。
【００６５】
これに対して本発明の回路保護素子では溶断部７には導電性可溶体４と有機金属化合物１３に含まれる金属による合金形成により、抵抗値が高くなり融点も低くなるため溶断時間を短くできる利点がある。よってあらかじめ高抵抗となる構造をとる必要がなくなり、設計の容易性と耐久性の向上が図られるメリットがある。
【００６６】
次に、従来の技術で説明した補助可溶体に半田やすずなどの金属を用いた回路保護素子では、１００度程度の高温状態が続くとその接触部で合金が形成され、抵抗値が上昇する。これにより所定の仕様未満の電流値で溶断するなどの問題がある。すなわち、周辺環境の変化に対する性能劣化が大きく、耐久性、耐候性が悪く、低寿命というデメリットがある。これらは回路保護素子を組み込む電子機器の修理コストなどにも悪影響がある。
【００６７】
これに対して、補助可溶体に有機金属化合物１３や混合体５を用いた場合には、１００度程度の高温状態が続いても、接触部分で合金形成がなされない。
【００６８】
図６を用いて従来との比較について説明する。１ｂは導電性可溶体４に金属を補助可溶体として接合させる従来の方式の回路保護素子であり、１３ｂは金属（図６では半田）を用いた補助可溶体であり、導電性可溶体４（図６では銀）の上面に塗布されている。１６ｂは合金形成部である。従来の方式の回路保護素子１ｂは１００度程度の高温状態（現在の高速動作の多い電子機器では頻発すると思われる）では接触部に合金形成部１６ｂが発生する。このため、抵抗値が上昇し、所定の仕様の電流値を下回る電流値で溶断することが発生する。一方、有機金属化合物１３を用いた本発明に係る回路保護素子１では、１００度程度の高温状態ではいまだ有機物は分解せず、有機金属化合物１３に含まれる金属は導電性可溶体４に用いられている銀と接触せず、合金が形成されない。このため、高温状態が長く続いても抵抗値が上昇することはなく、所定の仕様の電流値を下回る電流値で溶断する問題がない。もちろん、一定以上の電流が発生して初めて有機金属化合物１３と導電性可溶体４の金属との間で化合物が形成され、その時点から溶断プロセスが開始されるので、ＬＳＩなどの保護という回路保護素子の目的は十分に達成される。なお、有機金属化合物１３は１００℃以上の温度に対して溶融・蒸散しない、有機化合物を選んでおかなければならないことは当然である。
【００６９】
次に、本発明の回路保護素子の作用効果を明示する実験結果について説明する。
【００７０】
（表１）は導電性可溶体４に銀を用いた回路保護素子であり、素子タイプＡは導電性可溶体４のみで構成された回路保護素子、素子タイプＢは導電性可溶体４に半田を用いた補助可溶体を接合させて構成された回路保護素子、素子タイプＣは導電性可溶体４にオクチル酸ビスマスである有機金属化合物（金属石鹸）を接合させて構成された回路保護素子である。表には抵抗値と溶断電流と溶断時間が記載されている。（表１）から明らかな通り素子タイプＣ（すなわち本発明に係る回路保護素子）が同一の溶断電流に対して溶断時間が最も短いことが分かる。
【００７１】
【表１】

【００７２】
（表１）をグラフ化したものが図１２である。
【００７３】
図１２は（表１）をグラフ化した図である。
【００７４】
図１２から分かるとおり、抵抗値が等しい３種類の回路保護素子において、素子タイプＣの溶断性能が、タイプＡより低電流側で溶断しており、タイプＢのものとほぼ同等の値を示している。このグラフからも明らかな通り、補助可溶体に半田等の低融点金属を用いた回路保護素子と同等の溶断性能を示している。
【００７５】
図１３は高温状態が長く続いた場合の性能劣化を示すグラフである。
【００７６】
タイプ１は補助可溶体を用いない回路保護素子であり、タイプ２は補助可溶体にすずを用いた場合であり、タイプ３は補助可溶体に有機金属化合物を用いた場合である。タイプ１は補助可溶体がないために合金が形成されることは当然にないので、抵抗値の変化はほとんどない。一方、タイプ２は高温状態が続くことで接触部に合金が形成されて抵抗値が上昇していくことが分かる。一方、有機金属化合物であるタイプ３は１２０度程度の高温状態では合金形成がなされないために、抵抗値の変化はほとんど生じない。すなわち、環境変化による性能劣化という問題のない耐久性、耐候性に優れた回路保護素子であることが分かる。
【００７７】
以上の実験結果から、本発明に係る回路保護素子は、補助可溶体を用いない場合に比べて溶断時間が非常に短いという溶断性能を有し、補助可溶体に通常の金属を用いる場合と同等の溶断性能を維持しつつ、補助可溶体に通常の金属を用いる場合に比べて性能維持性、耐久性、耐候性に優れているという利点を有していることが明確である。
【００７８】
以上のように、本発明に係る回路保護素子は、周辺環境変化による性能劣化などが生じず、耐久性、耐候性に優れた長寿命のものである。これはとりもなおさず回路保護素子を組み込む電子機器の性能向上と耐久性向上につながり、結果として電子機器の長寿命化が達成されることになる。
【００７９】
なお、本発明の回路保護素子１の代表的な大きさとして、長さをＬ１、幅をＬ２、厚さをＬ３とすると、
０．６ｍｍ≦ Ｌ１ ≦３ｍｍ
０．３ｍｍ≦ Ｌ２ ≦１．５ｍｍ
０．１ｍｍ≦ Ｌ３ ≦１．５ｍｍ
が考えられる。もちろんこれ以外のサイズのものであっても同様である。
【００８０】
（実施の形態２）
図７は本発明の実施の形態２における回路保護素子の構成図である。
【００８１】
１８は回路保護素子であり、１９は端子電極、２０は基体に設けられた導電膜、２１は補助可溶体、２２は溝、２３は狭域部、２４は保護膜である。補助可溶体２１は実施の形態１で説明した混合体５であっても、有機金属化合物１３であってもよい。
【００８２】
回路保護素子１８は、実施の形態１で説明したのと同じように、アルミナもしくはアルミナを主成分とするセラミック材料等の絶縁体もしくは誘電体などをプレス加工、押し出し法等を施して形成される。あるいはセラミック材料などからなる積層シートを複数重ねた上で焼結させることで基体２が形成された後に（あるいは端子電極の基礎部分まで一体として形成された後に）、その表面に導電膜２０が施される。導電膜２０は、金、銀、銅、ニッケル、すず、パラジウム、チタンなどがスパッタリングなどによる蒸着やめっき、塗布などにより形成される。端子電極１９表面にも同様に金、銀、銅、ニッケルなどが蒸着、めっき、塗布などが行われる。なお、基体２と端子電極１９は一体で形成してもよく、個別に形成した後に嵌合や接着により一体化させてもよい。また基体部の導電膜２０と端子電極１９の表面の導電膜は同一に形成させてもよく、個別に形成させてもよい。溝２２はレーザートリミングなどにより表面の導電膜２０を切り取って形成され、基体の絶縁体まで達するように導電膜２０が剥ぎ取られる。この溝２２により導電膜２０上に狭域部２３が形成され、この狭域部２３は抵抗値が高くなり、過電流の通電により溶断しやすくなる箇所となる。すなわち、実施の形態１では基体表面に導電性可溶体を形成して溶断部を構成したが、実施の形態２に係る回路保護素子は、導電膜２０に狭域部２３が作られることで溶断部が構成される。補助可溶体２１は狭域部２３の表面に接合される。保護膜２４を設けることで耐衝撃性や耐候性を向上させることができるが、混合体や有機金属化合物の非金属ペーストや有機物の分解時の逃げ道を確保しておくことが望ましい。もちろん、耐衝撃性などの要求がそこまで強くない場合には製造コストとのバランスなどから保護膜２４を設けなくてもよい。
【００８３】
次に、回路保護素子１８の溶断のメカニズムについて説明する。
【００８４】
端子電極１９の一方から入力した電流は導電膜２０を流れて他方の端子電極１９から出力して、回路保護素子１８に接続される他の電子部品へと出力される。流れる電流が一定以下の状態では、実施の形態１で図３、図５を用いて説明したように、補助可溶体２１が混合体や有機金属化合物である場合には、補助可溶体にまだ電流がほとんど流れない。次に、電流が増加すると狭域部２３では抵抗が高くなるために発熱が始まる。発熱した結果混合体に含まれる非金属の溶融や、有機金属化合物に含まれる有機物の分解が生じ始める。これらが生じた結果、混合体や有機金属化合物に含まれる金属が導電膜２０に用いられる金属と接触し合金が形成される。合金部は抵抗が高くなり更に融点も低下するため、溶断しやすい状態になる。次いで電流が更に上昇すると合金部で溶断が発生して、電流が遮断され、接続されるＬＳＩなどを過電流から保護することが可能となる。
【００８５】
以上の補助可溶体に混合体や有機金属化合物を用いる回路保護素子により、あらかじめ低抵抗での設計が可能となる。更に、通常状態で合金が形成されることがないので、抵抗の増加などの性能劣化もなく、周辺環境変化に対する耐久性と、性能維持性能に優れている。この回路保護素子を組み込むことにより、電子機器の保護はもちろんのこと、電子機器の長寿命化などが達成される。
【００８６】
（実施の形態３）
図８は本発明の実施の形態３における電子基板の構成図である。
【００８７】
２５は電子基板、２６は回路保護素子、２７は駆動源、２８は処理装置であり例えばＬＳＩである。
【００８８】
駆動源２７から発生される信号電流は、電子基板２５に形成された基板パターンを通じて回路保護素子２６に入力する。回路保護素子２６を通過した信号電流は処理装置２８に入力する。このとき駆動源２７の誤動作や他の電子部品での誤動作などで過電流が発生することがありうる。発生した過電流が処理装置２８に直接入力すると、処理装置２８の破壊や故障につながる恐れがある。しかし、回路保護素子２６は過電流が発生した場合には、実施の形態１と２で説明したとおり導電性可溶体が溶断して電流を遮断して処理装置２８を保護する。
【００８９】
このとき金属と非金属の混合体や有機金属化合物からなる補助可溶体により、周辺環境の変化に対する性能劣化が生じず、耐久性や耐候性に優れている。このように回路保護素子２６が耐久性に優れているため、処理装置２８の長期間にわたる保護が実現され、結果として電子基板の長寿命化も実現される。
【００９０】
（実施の形態４）
図９は本発明の実施の形態４における電子機器の構成図である。電子機器の一例としてノートブック型パソコンを例に説明する。
【００９１】
３０はノートブック型パソコン、３１は上部筺体、３２は下部筺体、３３は表示面、３４はキーボード、３５は電子基板、３６は回路保護素子である。上部筺体３１は表示面３３とその制御回路を格納し、下部筺体３２はＣＰＵなどの載った電子基板３５などを格納してキーボード３４がその表面に搭載される。電子基板３５はＣＰＵなどをはじめとした処理装置や各種ＬＳＩが搭載されており、バッテリーから電源が供給され、電子基板３５上を信号電流が流れている。回路保護素子３６はＣＰＵなどへの電流入力側に接続される。電子基板３５に過電流が生じた場合には、回路保護素子３６は実施の形態１と２で説明したように溶断し、電流を遮断してＣＰＵなどを過電流から保護する。ノートブック型パソコン３０などでは、低消費電力化が進んでいるため、ＣＰＵなどは過電流に対してデリケートであり、定格電流の低い状態でも適切に過電流から保護される必要がある。このため実施の形態１と２で説明した回路保護素子３６を用いることで、このような状態でも適切にＣＰＵなどを過電流から保護することが可能となる。
【００９２】
以上のように、ノートブック型パソコン３０に搭載されたＣＰＵなどを、過電流から適切に保護することができ、更に回路保護素子３６は性能維持性、耐久性などに優れているので回路保護素子３６の余分な交換も生じず、修理コストや交換コストも低減できる。
【００９３】
なお、実施の形態４では電子機器の例としてノートブック型パソコン３０を例に説明したが、携帯電話やＰＤＡなどの携帯端末などであっても同様である。
【００９４】
【発明の効果】
以上のように、本発明では溶断部に合金を形成することが可能となり、合金形成によって高抵抗化、低融点化が可能となり短い時間で溶断が可能となり、溶断性能を向上させることができる。このため、当初から低抵抗での設計が可能となるため、素子構造の衝撃耐久性などが向上する効果がある。
【００９５】
更に、補助可溶体に塗布金属ではなく、混合体や有機金属化合物を用いることで、高温状態の続行による不要な合金化や高抵抗化が生じず、性能劣化も生じない。すなわち、所定の仕様未満での電流値で溶断するなどの不具合が発生することがなくなり、耐久性、耐候性に優れ、回路保護素子の寿命が長くなる効果がある。また、混合体や有機金属化合物に含まれる金属は外気に直接触れないために酸化することも少なく、酸化による性能劣化も生じさせない。
【００９６】
また、回路保護素子の長寿命化の結果、ＬＳＩなどが適切に過電流から保護されることになり、電子基板や電子機器などの長寿命化につながる効果がある。更に、回路保護素子の耐久性が高いことで交換コストや修理コストなどの削減も可能となり、電子機器の維持費用の低減という効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における回路保護素子の斜視図
【図２】本発明の実施の形態１における回路保護素子の断面図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態１における回路保護素子の動作メカニズム図
（ｂ）本発明の実施の形態１における回路保護素子の動作メカニズム図
（ｃ）本発明の実施の形態１における回路保護素子の動作メカニズム図
（ｄ）本発明の実施の形態１における回路保護素子の動作メカニズム図
【図４】本発明の実施の形態１における回路保護素子の斜視図
【図５】（ａ）本発明の実施の形態１における回路保護素子の動作メカニズム図
（ｂ）本発明の実施の形態１における回路保護素子の動作メカニズム図
（ｃ）本発明の実施の形態１における回路保護素子の動作メカニズム図
（ｄ）本発明の実施の形態１における回路保護素子の動作メカニズム図
【図６】合金形成に関する従来との比較図
【図７】本発明の実施の形態２における回路保護素子の構成図
【図８】本発明の実施の形態３における電子基板の構成図
【図９】本発明の実施の形態４における電子機器の構成図
【図１０】従来の技術における回路保護素子の斜視図
【図１１】従来の技術における回路保護素子の斜視図
【図１２】表１をグラフ化した図
【図１３】高温状態が長く続いた場合の性能劣化を示すグラフ
【符号の説明】
１、１ｂ 回路保護素子
２ 基体
３ 端子電極
４ 導電性可溶体
５ 混合体
６ 溶断部
７ 保護膜
８ 非金属ペースト
９ 金属微粒子
１０ 端子ランド
１１、１６、１６ｂ 合金形成部
１２、１７ 溶断箇所
１３ 有機金属化合物
１３ｂ 補助可溶体
１４ 分解された有機物
１５ 金属
１８ 回路保護素子
１９ 端子電極
２０ 導電膜
２１ 補助可溶体
２２ 溝
２３ 狭域部
２４ 保護膜
２５ 電子基板
２６ 回路保護素子
２７ 駆動源
２８ 処理装置
３０ ノートブック型パソコン
３１ 上部筺体
３２ 下部筺体
３３ 表示面
３４ キーボード
３５ 電子基板
３６ 回路保護素子
１００、１０５ 回路保護素子
１０１、１０６ 基体
１０２、１０７ 端子電極
１０３、１０８ 導電性可溶体
１０４ 溶断部
１０９ 補助可溶体

Claims (14)

1. 基体と、
   前記基体に設けられた導電性可溶体と、
   前記基体の両端に設けられ前記導電性可溶体を介して電気接続された端子電極を有する回路保護素子であって、
   前記導電性可溶体に用いられる金属と合金を形成する少なくとも一種類以上の金属と非金属からなる混合体を有する補助可溶体とを有し、
   前記補助可溶体が前記導電性可溶体の少なくとも一部に接触することを特徴とする回路保護素子。
2. 前記混合体に含まれる金属と非金属において、金属の融点が非金属の融点より高いことを特徴とする請求項１に記載の回路保護素子。
3. 前記混合体が、非金属ペーストに金属微粒子が含まれるゲル状体であることを特徴とする請求項１乃至２いずれか１に記載の回路保護素子。
4. 基体と、
   前記基体に設けられた導電性可溶体と、
   前記基体の両端に設けられ前記導電性可溶体を介して電気接続された端子電極を有する回路保護素子であって、
   前記導電性可溶体の金属元素と合金を形成する少なくとも一種類以上の金属元素を含む有機金属化合物からなる補助可溶体を有し、
   前記有機金属化合物からなる補助可溶体が前記導電性可溶体の少なくとも一部に接触することを特徴とする回路保護素子。
5. 前記導電性可溶体に用いられる金属元素と前記有機金属化合物に含まれる金属元素から形成される合金が該導電性可溶体よりも低融点となるように、導電性可溶体の金属元素と有機金属化合物の金属元素を組み合わせることを特徴とする請求項４に記載の回路保護素子。
6. 前記有機金属化合物が金属石鹸であることを特徴とする請求項４乃至５いずれか１に記載の回路保護素子。
7. 前記金属石鹸がオクチル酸ビスマスであることを特徴とする請求項６に記載の回路保護素子。
8. 前記金属石鹸がオクチル酸すずであることを特徴とする請求項６に記載の回路保護素子。
9. 前記金属石鹸がオクチル酸ビスマスもしくはオクチル酸すずのいずれかであり、前記導電性可溶体の金属元素の少なくとも一部に銀が用いられることを特徴とする請求項５に記載の回路保護素子。
10. 前記補助可溶体が前記導電性可溶体の溶断部位にのみ接合されることを特徴とする請求項１〜９いずれか１記載の回路保護素子。
11. 表面に導電膜が設けられた基体と、
    前記導電膜の一部に設けられた狭域部と、
    前記基体の両端に設けられ前記基体の導電膜を介して電気接続された端子電極を有する回路保護素子であって、
    前記基体の導電膜の金属元素と合金を形成する少なくとも一種類以上の金属元素を含む有機金属化合物からなる補助可溶体を有し、
    前記有機金属化合物からなる補助可溶体が前記狭域部に接触することを特徴とする回路保護素子。
12. 請求項１〜１１いずれか記載の回路保護素子と、前記回路保護素子と他の電子部品が実装された電子基板。
13. 請求項１〜１１いずれか１記載の回路保護素子と、
    前記回路保護素子と電気的接続される処理装置と、
    前期処理装置に電圧を与える駆動源と、
    これらを格納する筺体を有することを特徴とする電子機器。
14. 前記電子機器がノートブック型パソコンであることを特徴とする電子機器。

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