JP2010170803A - 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るとともに、フラックスの保持状態を確認でき、異常時における可溶導体の迅速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。絶縁カバー１４は、可溶導体１３に対向した透孔から成る開口部２０を備える。開口部２０の周縁部にフラックス１９が接触して、フラックス１９を可溶導体１３上の所定の位置に保持する。
【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に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９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、可溶導体を絶縁カバーで封止した保護素子として、特許文献１に開示されている構造のものもある。この保護素子は、薄型化により、可溶導体の溶断時に溶融金属が電極上に集まる空間が狭いことから、各電極部分への溶融金属の引き寄せを確実にするために、絶縁カバー内面の各電極と対面する部位に、溶融金属に対して濡れ性の良い金属パターンを設け、溶融金属が速やかに各電極形成部へ引き込まれるようにしたものである。

その他、特許文献２に開示されているように、動作温度のばらつきを防止するために、可溶合金片にフラックスを塗布するとともに、可溶合金が接続された電極の周囲に溶融合金の濡れ広がりを防止する溝やガラスの帯体を設けたものも提案されている。

特開２００４−２６５６１７号公報 特開２００７−２９４１１７号公報

上述の図９に示すものや特許文献１，２に開示された保護素子においては、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事があった。特に、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にフラックスの状態が大きく影響する場合がある。

即ち、図１０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の何れか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を保持してい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生じていた。

さらに、特許文献１記載の発明のように、絶縁カバーに金属パターンを形成した構造や、特許文献２記載の発明のように、電極周辺に溝や帯体を設けた構造では、可溶導体上のフラックスを安定に留めておくことができないものである。しかも、特許文献1に開示された構造の、絶縁カバーに金属パターンを形成する方法では、絶縁カバーを成型後に金属パターンを印刷する必要があり、材料のコストが高くなる。同様に、特許文献２に開示された構造においても、可溶合金が接続された電極の周囲に溶融合金の濡れ広がりを防止する溝やガラスの帯体を設けなければならず、コストが掛かるものである。また、特許文献１の構造では、絶縁カバー側が熱変形等を起した時に、絶縁カバーとの距離が近づく事で、絶縁カバーの金属パターンと電極がショートを起こす恐れがある。

その他、上述のようにフラックス９の位置を、中央部に安定に留めておくことが重要であるが、絶縁カバー４を被せた後は、内部の状態が分からず、フラックス９が中央部に止まっているか否かや、フラックス自体が塗布されているかを確認したいという要望もあった。

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るとともに、フラックスの保持状態を確認でき、異常時における可溶導体の迅速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に透孔から成る開口部が形成され、この開口部の周縁部に前記フラックスが接触して、前記フラックスを前記可溶導体上で前記空間内の所定の位置に保持可能に設けられた保護素子である。

前記開口部は、前記絶縁カバーの中央部に形成され、前記可溶導体中央部と対面して形成されているものである。また、前記開口部は、前記絶縁カバーに複数形成されているものでも良い。

前記開口部は、前記絶縁カバーの中央部に形成され前記可溶導体中央部と対面した大径の開口部と、その周囲に形成された複数の小径の開口部から成るものでも良い。さらに、前記開口部は、透明なフィルムで覆われているものでも良い。

この発明の保護素子によれば、絶縁カバーに開口部を設けたので、開口部の周縁部にフラックスが確実に安定に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、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、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。 絶縁カバーを取り付けた状態の図１のＡ−Ａ断面図である。 この実施形態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の使用例を示す回路図である。 この発明の第二実施形態の縦断面図である。 この発明の第二実施形態の絶縁カバーの平面図である。 この発明の第三実施形態の縦断面図である。 この発明の第三実施形態の変形例の縦断面図である 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４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の上面両端に一対の電極１２が設けられ、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。一対の電極２１には、抵抗体から成る発熱体１５が接続され、発熱体１５上には、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。そして、導体層１７と一対の電極１２には図示しないソルダペーストが塗布され、ソルダペーストを介して、低融点金属から成るヒューズである可溶導体１３が接続固定されている。さらに、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が取り付けられている。

ここで、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の低融点金属としては、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、一側面部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には、可溶導体１３の中央部と対面する位置に、同心的に円形の開口部２０が形成されている。開口部２０は、ベース基板１１への投影位置が発熱部１５の中心部を囲むように形成されている。

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。

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上で表面張力により保持され、空間１８内に収容されるとともに、図２に示すように、絶縁カバー１４に形成された開口部２０の周縁部及び内面１４ａに付着し、その濡れ性と表面張力により安定に保持される。これにより、フラックス１９は、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。なお、開口部２０からフラックス１９中の溶剤が揮発し、破線で示すようにフラックス１９の表面は円弧状の凹状に形成される。

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４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に開口部２０が設けられ、開口部２０を通してフラックス１９が確実に中央部に留まっていることを確認することが出来る。さらに、開口部２０の周縁部にフラックス１９が保持され、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維持する事ができる。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。

次に、この発明の保護素子の第二実施形態について図５、図６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、絶縁カバー１４に多数の小さい透孔である開口部２２を形成したものである。なお、開口部２２からフラックス１９中の溶剤が揮発し、破線で示すようにフラックス１９の表面は開口部２２毎に円弧状の凹状に形成される。

なお、開口部２２は、絶縁カバー１４の中央部に形成された第一実施形態の大径の開口部２０の周囲に形成されていても良い。

この実施形態の保護素子１０によっても、上記実施形態と同様に、フラックス１９が所定の位置に確実に保持され、可溶導体１３のよう弾道佐が確実である。さらに、フラックス１９の保持状態を開口部２２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。

次に、この発明の保護素子の第三実施形態について図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。この発明の実施形態の絶縁カバー１４は、上述の実施形態と同様に絶縁カバー１４に開口部２０が形成され、その絶縁カバー１４の表面に透明なフィルム２４を貼り付けたものである。また、図８に示すように多数の透孔から成る開口部２２を形成し、その絶縁カバー１４の表面に透明なフィルム２４を貼り付けたものでも良い。

これらの実施形態の保護素子１０によっても、上記実施形態と同様の効果に加えて、フラックス１９の保持状態を肉眼により視認可能であり、しかもフィルム２４により、開口部２０，２２から埃等がフラックス１９に付着したり、内部に浸入することがない。

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、絶縁カバーに透孔の開口部を備えたものであれば良く、その形状や数は問わない。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
１４ 絶縁カバー
１５ 発熱体
１６ 絶縁層
１８ 空間
１９ フラックス
２０ 開口部

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に透孔から成る開口部が形成され、この開口部の周縁部に前記フラックスが接触して、前記フラックスを前記可溶導体上で前記空間内の所定の位置に保持可能に設けられたことを特徴とする保護素子。
2. 前記開口部は、前記絶縁カバーの中央部に形成され、前記可溶導体中央部と対面して形成されている請求項１記載の保護素子。
3. 前記開口部は、前記絶縁カバーに複数形成されている請求項１記載の保護素子。
4. 前記開口部は、前記絶縁カバーの中央部に形成され前記可溶導体中央部と対面した大径の開口部と、その周囲に形成された複数の小径の開口部から成る請求項１記載の保護素子。
5. 前記開口部は、透明なフィルムで覆われている請求項１乃至４の何れか記載の保護素子。
   

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