JP2013258012A

JP2013258012A - 保護素子

Info

Publication number: JP2013258012A
Application number: JP2012132792A
Authority: JP
Inventors: Minoru Hatase; 稔畑瀬; Satoru Noda; 悟野田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2012-06-12
Filing date: 2012-06-12
Publication date: 2013-12-26
Anticipated expiration: 2032-06-12
Also published as: JP5994410B2

Abstract

【課題】電流経路を遮断させるためのヒータ等の素子を別途必要とせず、安価かつ小型の保護素子を提供する。
【解決手段】保護素子１は、プリント基板１０を備える。プリント基板１０の表面には、互いに非接続の配線パターン１１，１２と、配線パターン１１，１２を導通し、所定温度で溶融する半田合金１５とを形成する。さらに、プリント基板１０の表面には、配線パターン１１，１２に対し非接続な配線パターン１３と、配線パターン１３および半田合金１５を導通し、所定温度で溶融する半田合金１６とを形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、過電流が流れたときに、過電流の熱で経路を溶断し、後段に接続される素子等を保護する保護素子に関する。

一般的に、過電流から回路素子を保護するものとして、過電流による発熱で溶断し、通電経路を遮断するヒューズが知られている。特許文献１には、低融点金属を用いた溶断型のヒューズが開示されている。図５は、特許文献１に開示されているヒューズの構成を示す模式図である。

特許文献１では、絶縁基板１００上に膜抵抗１０１を形成し、膜抵抗１０１の二ヵ所を露出させて膜抵抗１０１上に絶縁層１０２を設けている。そして、二ヵ所の露出部分の一方にヒ−タ電極１０３を設け、他方に、ヒ−タ・ヒュ−ズ複合電極１０４を設けている。このヒ−タ・ヒュ−ズ複合電極１０４は、一部が絶縁層１０２上に延在している。また、膜抵抗１０１とは非導通の状態で二つのヒュ−ズ電極１０５ａ，１０５ｂをそれぞれ設け、ヒ−タ・ヒュ−ズ複合電極１０４の延在部分（ヒ−タ電極部１０４ａ）と、二つのヒュ−ズ電極１０５ａ，１０５ｂそれぞれとの間に低融点金属のヒュ−ズ１０６を接続している。そして、回路異常検出回路素子が回路異常を検出すると、膜抵抗１０１を通電発熱し、その発生熱でヒュ−ズ１０６を溶断している。

特開２００１−５７１３９号公報

しかしながら、特許文献１の場合、ヒューズ１０６を溶断するために、回路異常検出回路素子を必要とするためコストの削減が難しく、さらに、絶縁層１０２等を設ける工程を必要とするため、製造工程数が増加するといったおそれがある。また、ヒータ電極を設けているため、ヒータ電極の面積分だけ大型化するため、小型化の障害となっている。

そこで、本発明の目的は、電流経路を遮断させるためのヒータ等の素子を別途必要とせず、安価かつ小型の保護素子を提供することにある。

本発明に係る保護素子は、絶縁体基板と、前記絶縁体基板の表面において互いに非接続に形成されている第１の導電パターン、第２の導電パターン、および第３の導電パターンと、前記第１の導電パターンと第２の導電パターンとの間を導通させていて、所定温度で溶融する第１の経路用金属と、前記第１の経路用金属と前記第３の導電パターンとの間を導通させていて、所定温度で溶融する第２の経路用金属と、を備える。

この構成では、第１の導電パターンと第２の導電パターンとの間を導通させている第１の経路用金属に過電流が流れた場合、温度が上昇し第１の経路用金属が溶融する。また、第１の経路用金属と第３の導電パターンとの間を導通させている第２の経路用金属に過電流が流れた場合、温度が上昇し第２の経路用金属が溶融する。第１の経路用金属と第２の経路用金属とのうち、一方が溶融すると、熱伝導によって他方も溶融する。このように経路用金属が溶融すると、表面張力によって経路用金属が分断されることになる。したがって、本発明に係る保護素子は、第１の経路用金属が構成する電流経路と第２の経路用金属が構成する電流経路とのうちの一方の電流量を制御することにより、二つの電流経路を共に遮断させることができる。即ち、ヒータ等の素子を別途必要とせずに、二つの電流経路の遮断を制御することができ、保護素子の小型化と低廉化とが可能になる。

本発明に係る保護素子において、前記第２の経路用金属は、前記第１の経路用金属より幅が細く形成されている構成でもよい。

この構成では、第１の経路用金属の溶融温度と第２の経路用金属の溶融温度とが同じであれば、第２の経路用金属が第１の経路用金属より幅が細いため、第２の経路用金属が第１の経路用金属よりも高抵抗になる。したがって、第１の経路用金属と第２の経路用金属とで、電流経路が遮断される電流値を異ならせることができる。即ち、第２の経路用金属を低い電流値で溶融させることができる。

本発明に係る保護素子において、前記第２の経路用金属の溶融温度が前記第１の経路用金属の溶融温度よりも高温であってもよい。

この構成では、第２の経路用金属の溶融温度が第１の経路用金属の溶融温度よりも高いため、第１の経路用金属が溶融する前に第２の経路用金属が先に溶融することを防ぎ、第２の経路用金属を溶融させる際に、第１の経路用金属を確実に溶融させることができる。

本発明に係る保護素子において、前記第１の経路用金属および前記第２の経路用金属は、前記絶縁体基板の表面の法線方向から見て、Ｔ字状に構成されていると好ましい。

この構成では、第２の経路用金属の長さを短くすることができるためコストダウンを実現でき、かつ、パターン形成を容易にすることができる。

本発明に係る保護素子において、前記第１の経路用金属および前記第２の経路用金属を前記絶縁体基板に封止する封止手段を、さらに備える構成でもよい。

この構成では、第１の経路用金属および第２の経路用金属などが封止されるため、時間の経過に伴う酸化等の劣化を少なくでき、保護の信頼性が低下させないようにできる。

本発明によれば、第１の経路用金属が構成する電流経路と第２の経路用金属が構成する電流経路とのうちの一方の電流量を制御することにより、二つの電流経路を共に遮断させることができる。即ち、ヒータ等の素子を別途必要とせずに、二つの電流経路の遮断を制御することができ、保護素子の小型化と低廉化とが可能になる。

第１の実施形態に係る保護素子の概略図半田合金が溶融した場合の保護素子を示す模式図第２の実施形態に係る保護素子の概略図半田合金が溶融した場合の保護素子を示す模式図特許文献１に開示されているヒューズの構成を示す模式図

≪第１の実施形態≫
図１は、第１の実施形態に係る保護素子の概略図である。図１（Ａ）は上面視図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）中に示すＩ−Ｉ線における断面図であり、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）中に示すＩＩ−ＩＩ線における断面図である。なお、説明の都合上、図１（Ａ）において、半田合金（第１の経路用金属）１５および半田合金（第２の経路用金属）１６を透過し、点線で示している。

本実施形態に係る保護素子１は、ガラス布基材エポキシ樹脂からなるプリント基板（絶縁体基板）１０を備えている。プリント基板１０は、上面視して長辺および短辺からなる長方形状の表裏面を有する直方体形であって、その表面には、例えば薄い銅箔からなる三つの導電性の配線パターン（第１の導電パターン）１１、配線パターン（第２の導電パターン）１２および配線パターン（第３の導電パターン）１３が形成されている。

配線パターン１１，１２は、何れも上面視して長辺および短辺からなる長方形状を有し、長辺がプリント基板１０の短辺と平行となり、かつ、プリント基板１０の長手方向に沿って直線上に位置している。さらに、配線パターン１１，１２は、プリント基板１０の長辺中央で長辺と直交する線分を中心として線対称に位置している。

プリント基板１０には、配線パターン１１と配線パターン１２との間を導通させる半田合金１５が形成されている。半田合金１５は、配線パターン１１，１２の長辺と同じ長さの幅を有し、プリント基板１０の長辺に平行な直線状の電流経路（以下、第１の電流経路という）を構成している。この半田合金１５は、リフロー時に溶融せず、所定温度で溶融する低融点金属から形成されている。

配線パターン１３は、上面視して、配線パターン１１，１２と相似形状であって、配線パターン１１，１２より小さく形成されている。配線パターン１３は、長辺がプリント基板１０の長辺と平行となり、かつ、配線パターン１１，１２間の略中央であって、半田合金１５から外れた位置に形成されている。プリント基板１０には、配線パターン１３と半田合金１５との間を導通させる半田合金１６が形成されている。

半田合金１６は、半田合金１５と同様の低融点金属から形成されている。半田合金１６は、上面視において、半田合金１５ととともに一体のＴ字状の部材を構成するよう、略垂直に半田合金１５に接続している。すなわち、半田合金１５，１６は、配線パターン１３と配線パターン１１，１２とを接続する電流経路（以下、第２の電流経路という）を構成している。また、半田合金１６は、配線パターン１３の長辺と同じ長さの幅を有している。すなわち、半田合金１５より細い幅を有している。

プリント基板１０の表面への半田合金１５，１６の形成方法としては、プリント基板１０の表面に半田ペーストを塗布し、その上に半田合金１５，１６を実装する。そして、半田合金１５，１６は溶融しないが半田ペーストは溶融する温度でリフローする。その後、フラックス洗浄液にて７０℃／１０ｍｉｎ洗浄を実施し、フラックスを除去する。この半田合金１５，１６は、別々に形成されていてもよい。

なお、図１では省略しているが、実装された半田合金１５の表面には液状のフラックスが印刷にて塗布されている。

上述のように、配線パターン１１，１２，１３および半田合金１５，１６が表面に形成されたプリント基板１０は、金属製または樹脂製のケース２０に収容されている。プリント基板１０とケース２０とは、例えば接着剤で固定される。ケース２０内にプリント基板１０を収容することで、半田合金１５の表面に塗布したフラックスに異物が付着することを防止することができる。

また、配線パターン１１，１２，１３および半田合金１５，１６が表面に形成されたプリント基板１０は、樹脂封止されていることが好ましい。この場合、配線パターン１１，１２，１３および半田合金１５，１６が樹脂に埋設されるため、時間の経過に伴う酸化等の劣化を少なくでき、保護の信頼性が低下させないようにできる。

以上のように構成された保護素子１は、例えば、素子などが実装された回路基板等に半田実装し、回路基板上の配線パターンが、配線パターン１１，１２，１３へ接続される。半田合金１５，１６に一定以上の過電流が流れると、半田合金１５，１６は自己発熱し、溶融するため第１の電流経路および第２の電流経路が遮断されることとなる。

図２は半田合金１５，１６が溶融した場合の保護素子１を示す模式図である。第１の実施形態では、半田合金１５，１６は同じ溶融温度の材質からなり、経路幅が細い半田合金１６は、半田合金１５より高い抵抗率となる。したがって、半田合金１６への通電を制御して半田合金１６を自己発熱させて溶融させると、半田合金１６が半田合金１５よりも先に溶融することになる。そして、半田合金１６の発熱が半田合金１５に伝熱されて、半田合金１５も溶融することになる。溶融した半田合金１６および半田合金１５は、配線パターン１１，１２，１３それぞれに濡れた状態で、表面張力によって球状化しようとするため、配線パターン１１，１２，１３それぞれの近傍に半田合金１５，１６は分断され、金属塊１５Ａ，１５Ｂ，１６Ａが形成される。これにより、第１の電流経路および第２の電流経路が遮断される。

このように、保護素子１は、ヒータ等を必要とせず、第２の電流経路の通電を制御することにより、第１の電流経路を遮断することができる。したがって、ヒータ等を設ける場合よりも小型化と低廉化とが可能となる。

≪第２の実施形態≫
図３は、第２の実施形態に係る保護素子の上面視した概略図である。第２の実施形態に係る保護素子２１は、第１の実施形態と同様に、表面に配線パターン３１，３２，３３が形成されたプリント基板３０を備えている。また、プリント基板３０の表面には、第１の実施形態とは異なり、導電性の配線パターン（第４の導電パターン）３４がさらに形成されている。

配線パターン３４は、上面視して長辺及び短辺からなる長方形状であって、長辺が配線パターン３１，３２の長辺と同じ長さを有し、短辺が配線パターン３３の長辺より長くなっている。配線パターン３４は、配線パターン３１，３２間の略中央に位置し、長辺が配線パターン３１，３２の長辺と対向し、短辺が配線パターン３３の長辺と対向している。このとき、配線パターン３４は、配線パターン３１，３２よりも配線パターン３３側に突出するように形成されている。

プリント基板３０には、配線パターン３１，３４，３２を導通する直線状の半田合金３５が形成されている。半田合金３５は、配線パターン３１，３２の長辺と同じ長さの幅を有し、プリント基板３０の長辺に沿って平行な直線状の電流経路である。半田合金３５は、配線パターン３１，３４間の電流経路（以下、第３の電流経路という）、および配線パターン３２，３４間の電流経路（以下、第４の電流経路という）を形成している。この半田合金３５は、リフロー時に溶融せず、温度Ｔ１で溶融する低融点金属から形成されている。

また、プリント基板３０には、配線パターン３３，３４を導通する直線状の半田合金３６が形成されている。半田合金３６は、上面視において、半田合金３５と一体のＴ字状の部材として構成されている。この半田合金３６は、配線パターン３３と配線パターン３４とを接続する電流経路（以下、第５の電流経路という）となる。また、半田合金３６は、配線パターン３３の長辺と同じ長さの幅を有している。すなわち、半田合金３６は、半田合金３５より細い幅を有している。半田合金３６は、リフロー時に溶融せず、温度Ｔ２（＞Ｔ１）で溶融する低融点金属から形成されている。

なお、半田合金３６は半田合金３５より幅が細いとしているが、半田合金３５，３６は、過電流が流れた場合に、半田合金３５が半田合金３６より先に溶融するようそれぞれの幅が調整されている。

半田合金３５，３６の形成方法は、第１の実施形態と同様である。また、半田合金３５，３６は、表面に液状のフラックスが印刷により塗布されている。さらに、第２の実施形態に係る保護素子２１は、図示しないが、第１の実施形態と同様に、金属製または樹脂製のケースに収容されている。

以上のように構成された保護素子２１は、第１の実施形態と同様、例えば回路基板等に半田実装し、回路基板上の配線パターンが、配線パターン３１，３２，３３，３４へ接続される。半田合金３５，３６に一定以上の過電流が流れると、半田合金３５，３６は自己発熱し、溶融するため配線パターン３１，３２，３３，３４間の電流経路が遮断されることとなる。

図４は半田合金３５，３６が溶融した場合の保護素子２１を示す模式図である。第２の実施形態では、過電流が流れた場合に、半田合金３６からの伝熱により半田合金３５が、半田合金３６よりも先に溶融して金属塊３５Ａ，３５Ｂが形成される。このように、半田合金３５が半田合金３６よりも先に溶融することで、半田合金３５が溶融せずに、第３の電流経路および第４の電流経路が遮断されなくなるおそれを軽減することができる。また、第３の電流経路および第４の電流経路が遮断されても、第５の電流経路が残ることで、必要な電流経路（第５の電流経路）を残しつつ、他の経路（第３の電流経路および第４の電流経路）を確実に遮断させることができる配線設計が可能となる。

なお、保護素子の具体的構成などは、適宜設計変更可能であり、上述の実施形態に記載された作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、上述の実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

１，２１…保護素子
１０，３０…プリント基板
１１，１２，１３，３１，３２，３３，３４…配線パターン
１５，１６，３５，３６…半田合金
１５Ａ，１５Ｂ，１６Ａ，３５Ａ，３５Ｂ…金属塊
２０…ケース

Claims

絶縁体基板と、
前記絶縁体基板の表面において互いに非接続に形成されている第１の導電パターン、第２の導電パターン、および、第３の導電パターンと、
前記第１の導電パターンと前記第２の導電パターンとの間を導通させていて、所定温度で溶融する第１の経路用金属と、
前記第３の導電パターンと前記第１の経路用金属との間を導通させていて、所定温度で溶融する第２の経路用金属と、
を備えることを特徴とする保護素子。
前記第２の経路用金属は、前記第１の経路用金属より幅が細く形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の保護素子。
前記第２の経路用金属の溶融温度が前記第１の経路用金属の溶融温度よりも高温である、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の保護素子。
前記第１の経路用金属および前記第２の経路用金属は、
前記絶縁体基板の表面の法線方向から見て、Ｔ字状を形成している、
ことを特徴とする請求項１から３の何れか一つに記載の保護素子。
前記第１の経路用金属および前記第２の経路用金属を前記絶縁体基板に封止する封止手段を更に備える、
ことを特徴とする請求項１から４の何れか一つに記載の保護素子。