JP2010170802A - 保護素子 - Google Patents

Abstract

【課題】可溶導体上のフラックスを安定に所定の位置に保持可能であり、異常時における可溶導体の迅速且つ正確な溶断を可能にした保護素子を提供する。
【解決手段】絶縁性のベース基板１１上に配置され、保護対象機器の電力供給経路に接続されて所定の異常電力により溶断する可溶導体１３と、可溶導体１３表面に塗布されたフラックス１９と、可溶導体１３を覆ってベース基板１１に取り付けられた絶縁カバー１４とを有する。可溶導体１３に対向して絶縁カバー１４の内面に形成され、フラックス１９と接触してフラックス１９を所定の位置に保持する段部２０ａが形成された突条部２０を備える。可溶導体１３には、フラックス１９を保持した孔部１３ａを備える。
【選択図】図２

Description

この発明は、電子機器等に過大な電流または電圧が印加された場合に、その熱により可溶導体が溶断し、電流を遮断する保護素子に関する。

従来、二次電池装置等に搭載される保護素子は、過電流だけでなく過電圧防止機能も有するものが用いられている。この保護素子は、基板上に発熱体と低融点金属体から成る可溶導体が積層され、過電流により可溶導体が溶断されるように形成されているとともに、過電圧が生じた場合も保護素子内の発熱体に通電され、発熱体の熱により可溶導体が溶断するものである。可溶導体の溶断は、低融点金属である可溶導体の溶融時に、接続された電極表面に対する濡れ性の良さに起因して、溶融した低融点金属が電極上に引き寄せられ、その結果、可溶導体が分断されて電流が遮断されるものである。

一方、近年の携帯機器等の電子機器の小型化に伴い、この種の保護素子にも小型化・薄型化が要求され、さらに動作の安定性と高速化が求められ、その手段として絶縁基板上に低融点金属体の可溶導体を配置するとともに、これを絶縁カバーで封止し、可溶導体にはフラックスを塗布して成るものがある。このフラックスは、可溶導体の表面の酸化防止を図るとともに、可溶導体の加熱時に迅速且つ安定に溶断するように設けられている。

そのような保護素子として、図１３に示す構造のものがある。この保護素子は、ベース基板１上に、一対の電極２が設けられ、電極２と直交する対向縁部にも、図示しない一対の電極が設けられている。図示しない電極間には抵抗体からなる発熱体５が設けられ、絶縁層６を介して図示しない電極の一方に接続された導体層７が設けられている。そしてこの保護素子には、ベース基板１の両端上に形成された一対の電極２間に、低融点金属箔からなる可溶導体３が設けられている。可溶導体３の中央部は、導体層７に接続されている。さらに、ベース基板１上の可溶導体３と対面して、絶縁カバー４が設けられている。ベース基板１に取り付けられた絶縁カバー４は、可溶導体３に対して所定の空間８を形成して被せられている。可溶導体３には、フラックス９が塗布され、フラックス９は、絶縁カバー４内の空間８内に収容されているものである。

また、特許文献１に開示されているように、低融点金属体の溶断時の凝集による回路遮断時間を短縮するとともに、動作時間のバラツキを低減させるものとして、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や、電極間方向にスリットを形成した低融点金属体を設けたものがある。この保護素子は、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し、低融点金属体における溶断開始点を増やし、動作時間を短縮するとともに安定化させることができるものである。

特開２００４−２１４０３２号公報

低融点金属の可溶導体にフラックスを設けた保護素子は、フラックスが可溶導体の酸化防止、および異常電流・電圧で溶断する為の活性剤として作用するものであり、フラックスの保留状態が動作速度に影響を及ぼすものである。特に、電子装置の製造工程や廃棄物処理において、環境負荷を軽減するために、臭素（Ｂｒ）等のハロゲン成分を含有しないハロゲンフリーフラックスを使用した場合、この種のフラックスは活性度が低く、可溶導体の溶断速度や安定性にフラックスの状態が大きく影響する。

即ち、図１４に示すように、絶縁カバー４の中で、可溶導体３上のフラックス９が、空間８の中央部に安定して保持されず、左右に偏ってしまうことがある。そのような場合、可溶導体３の溶融金属は、フラックス９を保持できた場所に流れ込み易く、フラックス９が不足した部分では可溶導体３が溶融しにくいという事態が現れ、確実に溶断するまでの時間が延びると言う問題がある。

さらに、特許文献１記載の発明のように、２条以上の低融点金属体やスリット形成した低融点金属体を形成した場合も、上述のハロゲンフリーフラックス等の活性度に低いフラックスによる問題が生じるものであり、さらにスリット等の形成は、保護素子の製造上、特殊金型を必要とし材料コストが高くなるものである。

この発明は、上記背景技術に鑑みて成されたもので、可溶導体上のフラックスを安定に所定の位置に保持可能であり、異常時における可溶導体の迅速且つ正確な溶断を可能にした保護素子を提供することを目的とする。

この発明は、絶縁性のベース基板上に配置され保護対象機器の電力供給経路に接続されて所定の異常電力により溶断する可溶導体と、前記可溶導体を所定の空間を介して覆って前記ベース基板に取り付けられた絶縁カバーと、前記可溶導体表面に塗布され前記空間内に位置したフラックスとを有し、前記保護対象機器に前記異常電力が供給された場合に、前記可溶導体が溶断してその電流経路を遮断する保護素子であって、前記可溶導体に対向して前記絶縁カバーの内面に形成され、前記フラックスと接触して前記フラックスを前記空間内の所定の位置に保持する段部を備え、前記可溶導体には前記フラックスを保持した孔部が形成された保護素子である。

前記可溶導体の孔部は、前記可溶導体中央部に形成された環状の透孔であり、前記段部は、前記絶縁カバー内面に形成され前記可溶導体の孔部と対面して設けられた突条部から成るものである。

さらに、前記可溶導体には、前記可溶導体の中央部以外にも、相対的に小さい孔部が形成されていても良い。また、前記可溶導体の中央部の前記孔部の周囲表面には、周縁部に沿って凸部が形成されていても良い。前記絶縁カバーの段部の内側には、透孔である開口部が形成されていても良い。

この発明の保護素子によれば、絶縁カバーの内側にフラックスの保持用段部を設けるとともに、可溶導体に孔部を設けたので、フラックスを可溶導体の所定の位置に安定して保持させる事が可能となる。これにより、特に、活性度の低いフラックス（ハロゲンフリーのもの等）を使用した場合でも、フラックス塗布後の保持状態の偏りによる活性度の偏在を防ぐ事ができ、可溶導体の溶断動作、特に低電力の発熱動作特性において、動作のバラツキを極めて小さくすることができる。しかも、ハロゲンフリーのフラックスを用いることにより、環境負荷の小さい保護素子を提供する事が可能となる。また、可溶導体の従来の箔サイズを維持したまま溶融体積を軽減することができ、より溶断し易くなる。

さらに、可溶導体のフラックス保持部以外にも小さい孔部を形成することにより、可溶導体の周辺部でフラックスを確実に保持することが出来、溶断体積も減るので、異常時にはより確実に短時間に溶断することができる。

また、可溶導体の孔部の周囲に凸部を形成することにより、さらに確実にフラックスを保持することができ、溶断特性の安定化に寄与する。

その他、絶縁カバーに開口部を設けることにより、内部のフラックスの様子を目視により検査することが可能となる。

この発明の第一実施形態の保護素子の絶縁カバーを外した状態の平面図である。 図1の保護素子に絶縁カバーを取り付けた状態の図１Ａ−Ａ断面図である。 この発明の第一実施形態の保護素子に可溶導体を取り付ける前の平面図（ａ）と、可溶導体の平面図（ｂ）である。 この発明の第一実施形態の保護素子の絶縁カバーの平面図である。 この発明の第一実施形態の保護素子を設けた二次電池装置の回路図である。 この発明の第二実施形態の保護素子の絶縁カバーを外した状態の平面図である。 図６の保護素子に絶縁カバーを取り付けた状態の図６Ａ−Ａ断面図である。 この発明の第三実施形態の保護素子の絶縁カバーを外した状態の平面図である。 図８の保護素子に絶縁カバーを取り付けた状態の図８Ａ−Ａ断面図である。 この発明の第四実施形態の保護素子の絶縁カバーを外した状態の平面図である。 図1０の保護素子に絶縁カバーを取り付けた状態の図１０Ａ−Ａ断面図である。 この発明の第五実施形態の保護素子の縦断面図である。 従来の保護素子の縦断面図である。 従来の保護素子のフラックスの様子を示す縦断面図である。

以下、この発明の保護素子の第一実施形態について、図１〜図５を基にして説明する。この実施形態の保護素子１０は、絶縁性のベース基板１１の上面両端に形成された一対の電極１２を有し、一対の電極１２と直交する対向縁部にも、他の一対の電極２１が設けられている。電極２１間には、抵抗体からなる発熱体１５が接続されている。発熱体１５には、絶縁層１６を介して一方の電極２１に接続された導体層１７が積層されている。導体層１７には、一対の電極１２に接続された低融点金属からなるヒューズである可溶導体１３の中央部が接続されている。そして、ベース基板１１には、可溶導体１３と対面して、絶縁体の絶縁カバー１４が設けられている。

ベース基板１１の材質としては、絶縁性を有するものであれば良く、例えば、セラミック基板、ガラスエポキシ基板のようなプリント配線基板に用いられる絶縁基板が好ましい。その他、適宜用途に合わせて、ガラス基板、樹脂基板、絶縁処理金属基板等を用いることができるが、耐熱性に優れ、熱伝導性の良いセラミック基板が、より好ましい。

電極１２，２１及び導体層１７としては、銅等の金属箔、あるいは表面がＡｇ−Ｐｔ、Ａｕ等でメッキされている導体材料を使用することができる。また、Ａｇペースト等の導電性ペーストを塗布して焼成した導体層及び電極でも良く、蒸着等による薄膜構造でも良い。

可溶導体１３には、その中央部に形成された環状の透孔から成る孔部１３ａが形成されている。孔部１３ａは、図３に示すように、円形に形成され、後述する絶縁カバー１４の突条部２０と同心的に位置して対面している。可溶導体１３の低融点金属箔としては、所定の電力で溶融するものであれば良く、ヒューズ材料として公知の種々の低融点金属を使用することができる。例えば、ＢｉＳｎＰｂ合金、ＢｉＰｂＳｎ合金、ＢｉＰｂ合金、ＢｉＳｎ合金、ＳｎＰｂ合金、ＳｎＡｇ合金、ＰｂＩｎ合金、ＺｎＡｌ合金、ＩｎＳｎ合金、ＰｂＡｇＳｎ合金等を用いることができる。

発熱体１５を形成する抵抗体は、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、焼成したものである。また、酸化ルテニウム、カーボンブラック等の薄膜を印刷し、焼き付けたものや、メッキ、蒸着、スパッタリングにより形成してもよく、これらの抵抗体材料のフィルムを貼付、積層等して形成したものでもよい。

ベース基板１１に取り付けられた絶縁カバー１４は、一側面が開口した箱状に形成され、可溶導体１３に対して所定の空間１８を形成してベース基板１１に被せられている。絶縁カバー１４の材質は、可溶導体１３の溶断時の熱に耐え得る耐熱性と、保護素子１０としての機械的な強度を有する絶縁材料であればよい。例えば、ガラス、セラミックス、プラスチック、ガラスエポキシ樹脂のようなプリント配線基板に用いられる基板材料等、様々な材料を適用することができる。さらに、金属板を用いてベース基板１１との対向面に絶縁性樹脂等の絶縁層を形成したものでも良い。好ましくは、セラミックスのような機械的強度及び絶縁性の高い材料であれば、保護素子全体の薄型化にも寄与し、好ましい。

絶縁カバー１４の内面１４ａには、可溶導体１３の中央部の孔部１３ａと対向する位置に、同心的に円形の段部２０ａを備えた円筒状の突条部２０が形成されている。突条部２０は絶縁カバー１４と一体に形成されており、ベース基板１１への投影位置が発熱体１５上に位置している。

可溶導体１３の表面全面には、その表面の酸化を防止するために、フラックス１９が設けられている。フラックス１９は、臭素等のハロゲン元素を有しない、ハロゲンフリーのフラックスが好ましい。フラックス１９は、可溶導体１３の孔部１３ａ内に充満しさらにその周囲にも滞留して、可溶導体１３上で表面張力により保持されている。さらに、絶縁カバー１４の空間１８内に表面張力により盛り上がって収容されるとともに、図２に示すように、絶縁カバー１４の内面１４ａに形成された突条部２０に付着し、その濡れ性により段部２０ａにより安定に保持される。これにより、フラックス１９は、絶縁カバー１４の空間１８内で、可溶導体１３の中央部で位置ずれすることなく安定に保持される。

ここで、突条部２０の絶縁カバー内面１４ａからの突出高さは、可溶導体１３に塗布されたフラックス１９の表面が接触して、その濡れ性と表面張力により、フラックス１９を中央部に留めておくことが可能な高さであって、異常電力により溶融した低融点金属の溶融可溶導体１３が、その表面張力で球状に盛り上がった頂部がちょうど接触する程度を限度とし、好ましくは接触しない程度の突出高さが好ましい。

次に、この実施形態の保護素子１０を電子機器に用いた例として、二次電池装置の過電流・過電圧保護回路２６について、図５を基にして説明する。この過電流・過電圧保護回路２６は、保護素子１０の一対の電極１２が出力端子Ａ１と入力端子Ｂ１との間に直列に接続され、保護素子１０の一対の電極１２の一方の端子が、入力端子Ｂ１に接続され、他方の電極１２が出力端子Ａ１に接続されている。そして、可溶導体１３の中点が発熱体１５の一端に接続され、電極２１の一方の端子が、発熱体１５の他方の端子に接続されている。発熱体１５の他方の端子は、トランジスタＴｒのコレクタに接続され、トランジスタＴｒのエミッタが、他方の入力端子Ａ２と出力端子Ｂ２との間に接続されている。さらに、トランジスタＴｒのベースには、抵抗Ｒを介してツェナダイオードＺＤのアノードが接続され、ツェナダイオードＺＤのカソードが出力端子Ａ１に接続されている。抵抗Ｒは、出力端子Ａ１，Ａ２間に、異常と設定された所定の電圧が印加されたときに、ツェナダイオードＺＤに降伏電圧以上の電圧が印加されるような値に設定されている。

出力端子Ａ１，Ａ２間には、例えばリチウムイオン電池等の被保護装置である二次電池２３の電極端子が接続され、入力端子Ｂ１，Ｂ２には、二次電池２３に接続して使用される図示しない充電器等の装置の電極端子が接続される。

次に、この実施形態の保護素子１０の保護動作について説明する。この実施形態の過電流・過電圧保護回路２６が取り付けられたリチウムイオン電池等の二次電池装置において、その充電時に異常な電圧が出力端子Ａ１，Ａ２に印加されると、異常と設定された所定の電圧でツェナダイオードＺＤに降伏電圧以上の逆電圧が印加され、ツェナダイオードＺＤが導通する。ツェナダイオードＺＤの導通により、トランジスタＴＲのベースにベース電流ｉｂが流れ、それによりトランジスタＴｒがオンし、コレクタ電流ｉｃが発熱体１５に流れ、発熱体１５が発熱する。この熱が、発熱体１５上の低融点金属の可溶導体１３に伝達し、可溶導体１３が溶断し、入力端子Ｂ１と出力端子Ａ１間の導通が遮断され、出力端子Ａ１，Ａ２に過電圧が印加されることを防止する。

このとき、フラックス１９は可溶導体１３の中央部に保持されており、所定の溶断位置で迅速且つ確実に溶断する。また、異常電流が出力端子Ａ１に向けて流れた場合も、可溶導体１３がその電流により発熱し溶断するように設定されている。

この実施形態の保護素子１０によれば、絶縁カバー１４の内面１４ａに、可溶導体１３と対向させて凸状の円筒形の突条部２０が設けられているとともに、突条部２０に対面して可溶導体１３の中央部にも孔部１３ａが形成されているので、フラックス１９を可溶導体１３の中央部の一定の位置に安定して保持させる事が可能となる。これにより、特に活性度の低いハロゲンフリーフラックス等のフラックス１９を使用した場合も、フラックス１９の塗布状態の偏りやばらつきによるフラックスの作用の偏りを防ぐ事ができ、可溶導体１３の溶断を確実にする。さらに、可溶導体１３の溶断体積も減るので、異常時の溶断がより確実に短時間に行われる。

次に、この発明の保護素子の第二実施形態について図６、図７を基にして説明する。ここで、上述の実施形態と同様の部材は同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態の保護素子１０は、可溶導体１３の孔部１３ａの周縁部に沿って凸部２２が形成されているものである。

この実施形態の保護素子１０によれば、凸部２２によりフラックス１９をより安定に一定の位置に保持させる事が可能となり、より安定に可溶導体１３の溶断動作を行わせることができる。

次に、この発明の保護素子の第三実施形態について図８、図９を基にして説明する。ここで、上述の実施形態と同様の部材は同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態の可溶導体１３は、中央部の孔部１３ａに加えて、他の位置にも相対的に小さい孔部である小孔部１３ｂが形成されたものである。

この実施形態の保護素子１０によれば、孔部１３ａによりフラックス１９を中央部に安定に保持可能であるとともに、可溶導体１３の中央部以外の位置でもフラックス１９が小孔部１３ｂに保持され、可溶導体１３の溶断特性がより安定なものとなる。なお、この実施形態の可溶導体１３に上記第二実施形態の凸部２２を形成しても良い。これにより、さらにフラックス１９の位置が安定化し、溶断特性が向上する。

次に、この発明の保護素子の第四実施形態について図１０、図１１を基にして説明する。ここで、上述の実施形態と同様の部材は同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態の可溶導体１３は、中央部の孔部１３ａに代えて、可溶導体１３全体に相対的に小さい孔部である小孔部１３ｂを形成したものである。

この実施形態の保護素子１０によれば、絶縁カバー１４の突条部２２と可溶導体１３の小孔部１３ｂによりフラックス１９が中央部に安定に保持可能であるとともに、可溶導体１３の中央部以外の小孔部１３ｂにより、可溶導体１３の周辺部にもフラックス１９が保持され、溶断特性が安定なものとなる。

次に、この発明の保護素子の第五実施形態について図１２を基にして説明する。ここで、上述の実施形態と同様の部材は同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態の保護素子１３は、絶縁カバー１４の中央部に開口部２４を設けたものである。

この実施形態の保護素子１０によれば、上記実施形態と同様の効果に加えて、フラックス１９の保持状態を、開口部２４を通して肉眼により視認可能であり、製品検査をより容易且つ確実なものとすることが出来る。なお、開口部２４は、透明なガラスや樹脂で塞がれていても良い。それにより、開口部２４から埃等が侵入を防ぐことが出来る。

なお、この発明の保護素子は、上記実施形態に限定されるものではなく、絶縁カバー内の空間の所定位置に、フラックスを保持可能な絶縁カバー及び可溶導体の形状を備えたものであれば良く、その保持形態は問わない。また、フラックスや絶縁カバーの材料は問わないものであり、適宜適切な材料を選択しうるものである。

１０ 保護素子
１１ ベース基板
１２，２１ 電極
１３ 可溶導体
１３ａ 孔部
１４ 絶縁カバー
１４ａ 内面
１５ 発熱体
１６ 絶縁層
１８ 空間
１９ フラックス
２０ 突条部
２０ａ 段部

Claims (5)

1. 絶縁性のベース基板上に配置され保護対象機器の電力供給経路に接続されて所定の異常電力により溶断する可溶導体と、前記可溶導体を所定の空間を介して覆って前記ベース基板に取り付けられた絶縁カバーと、前記可溶導体表面に塗布され前記空間内に位置したフラックスとを有し、前記保護対象機器に前記異常電力が供給された場合に、前記可溶導体が溶断してその電流経路を遮断する保護素子において、
   前記可溶導体に対向して前記絶縁カバーの内面に形成され、前記フラックスと接触して前記フラックスを前記空間内の所定の位置に保持する段部を備え、
   前記可溶導体には前記フラックスを保持した孔部が形成されたことを特徴とする保護素子。
2. 前記可溶導体の孔部は、前記可溶導体中央部に形成された環状の透孔であり、前記段部は、前記絶縁カバー内面に形成され前記可溶導体の孔部と対面して設けられた突条部から成る請求項１記載の保護素子。
3. 前記可溶導体には、前記可溶導体の中央部以外にも、相対的に小さい孔部が形成されている請求項２記載の保護素子。
4. 前記可溶導体の中央部の前記孔部の周囲表面には、周縁部に沿って凸部が形成されている請求項２又は３記載の保護素子。
5. 前記絶縁カバーの段部の内側には、透孔である開口部が形成された請求項２記載の保護素子。
   

Images