JP2015138596A - スイッチ素子、スイッチ回路、及び警報回路 - Google Patents

Abstract

【課題】物理的な機械要素の連動によらず、小型化を図るとともに、速やかに回路への給電を停止するスイッチ素子を提供する。
【解決手段】絶縁基板１０と、 絶縁基板１０上に形成された第１、第２の電極１１，１２と、第１、第２の電極１１，１２間に跨って接続された可溶導体１３と、絶縁基板１０に形成され、可溶導体１３よりも融点の高い高融点金属体１５とを有し、高融点金属体１５に流れる定格電流以上の過電流に伴う発熱により、可溶導体１３を溶融させて第１、第２の電極１１，１２間を遮断させた後、高融点金属体１５が溶断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチ素子及びスイッチ回路に関し、特に小型化を図り、かつ表面実装により動作させる回路に容易に組み込むことができるスイッチ素子及びスイッチ回路に関する。

警報器を作動させるスイッチ素子としては、一般に警報用ヒューズが用いられている。警報用ヒューズの一例を示すと、図１５に示すように、ヒューズホルダ１００内に、それぞれ警報器を作動させる警報回路１０５と接続されるとともに平常時は離間して配置されている一対の警報接点１０１，１０２と、警報接点１０１，１０２を接触させるスプリング１０３と、スプリング１０３を警報接点１０２と離間した位置に付勢した位置に保持するヒューズ線１０４が設けられている。

警報接点１０１，１０２は、接触することにより警報回路１０５を作動させるものであり、板バネ等の弾性を有する導通材料によって形成され、近接配置されている。警報回路１０５は、例えばブザーやランプの作動、サイリスタやリレー回路の駆動等による警報システムの作動等を行う。

スプリング１０３は、ヒューズ線１０４によって警報接点１０２と離間した位置に付勢された状態で保持される。そして、スプリング１０３は、ヒューズ線１０４が溶断することにより弾性復帰し、警報接点１０２を押圧して警報接点１０１に接触させる。

ヒューズ線１０４は、スプリング１０３を弾性変位させた状態で保持するとともに、ヒューズ線１０４に流れる定格電流以上の過電流に応じて自己発熱により溶断し、スプリング１０３を開放する。

特開２００１−７６６１０号公報

従来の警報用ヒューズでは、ヒューズ線１０４によってスプリング１０３を弾性変位させた状態で保持するとともに、ヒューズ線１０４を溶断させて当該スプリング１０３の応力を開放することによって警報接点１０２を物理的に押圧し、これにより警報接点１０１，１０２間を短絡させる構成を用いている。このような警報用ヒューズでは、機械要素の物理的な連動により警報回路を作動させる構成を用いているため、警報接点１０１，１０２やスプリング１０３の可動範囲を確保するなど警報用ヒューズの構成が大きくなり、狭小化した回路に使用することは困難となり、また製造コストも高い。

また、警報接点１０１，１０２の短絡にはヒューズ線１０４の溶断を必須とすることから、定格を超える電流を通電させ続け、ヒューズ線１０４を溶断させない限り警報回路を作動させることができない。

さらに、従来の警報ヒューズは、正常時は開放状態である警報接点１０１，１０２を短絡させることにより警報回路を作動させるものであるため、例えば正常時に点灯しているパイロットランプを異常時に消灯させる等の警報動作には使用できない。

そこで、本発明は、異常時は警報回路等の外部回路を遮断するスイッチ素子及びスイッチ回路であって、物理的な機械要素の連動によらず、小型化を図るとともに、速やかに回路への給電を停止させるスイッチ素子及びスイッチ回路、これを用いた警報回路を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明に係るスイッチ素子は、絶縁基板と、上記絶縁基板上に形成された第１、第２の電極と、上記第１、第２の電極間に跨って接続された可溶導体と、上記絶縁基板に形成され、上記可溶導体よりも融点の高い高融点金属体とを有し、上記高融点金属体に流れる定格電流以上の過電流に伴う発熱により、上記可溶導体を溶融させて上記第１、第２の電極間を遮断させた後、上記高融点金属体が溶断するものである。

また、本発明に係るスイッチ回路は、第１のヒューズが搭載されることにより接続されるとともに外部回路と接続された第１及び第２の電極を有し、上記第１及び第２の電極が開放することにより上記外部回路への給電を停止させるスイッチ部と、上記第１のヒューズの融点よりも高い融点を有し、上記スイッチ部と電気的に独立して形成された機能回路に接続される第２のヒューズとを備え、上記第２のヒューズに流れる定格電流以上の過電流に伴う発熱により、上記第１のヒューズを溶融させて上記第１、第２の電極間を遮断させ上記外部回路への給電を停止させるものである。

また、本発明に係る警報回路は、互いに開放されるとともに、第１のヒューズが搭載されることにより接続された第１、第２の電極を有し、上記第１、第２の電極が開放することにより警報器への給電を停止する作動回路と、上記作動回路と電気的に独立して形成され、上記第１のヒューズの融点よりも高い融点を有する第２のヒューズと、上記第２のヒューズが電源に直列に繋がる機能回路を有する制御回路とを備え、上記機能回路の異常時に上記第２のヒューズに流れる定格電流以上の過電流に伴う発熱により、上記第１のヒューズを溶融させて上記第１、第２の電極間を遮断させ上記警報器への給電を停止させるものである。

本発明によれば、スプリングや警報接点等の機械要素を用いず、また機械要素の物理的な連動によらず構成することができるため、絶縁基板の面内において、コンパクトに設計することができ、狭小化された実装領域にも実装可能となる。

また、本発明によれば、高融点金属体を発熱させる回路と可溶導体が搭載されている回路とが電気的に独立し、高融点金属体の発熱により可溶導体を溶断するものであるため、高融点金属体の遮断を要せずに異常な過電流を検知し回路を作動させることができるとともに、高融点金属体の遮断時のノイズによる影響もない。

さらに、本発明によれば、絶縁基板をリフロー実装等により表面実装することができ、狭小化された実装領域においても、簡易に実装することができる。

図１は、本発明が適用されたスイッチ素子の作動前の状態を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＡ−Ａ‘断面図、（Ｃ）は回路図である。 図２は、スイッチ素子の高融点金属体が発熱し、可溶導体の溶融導体が溶断し第１、第２の電極が遮断した状態を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＡ−Ａ‘断面図、（Ｃ）は回路図である。 図３は、スイッチ素子の高融点金属体が溶断した状態を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＡ−Ａ‘断面図、（Ｃ）は回路図である。 図４は、警報回路を示す回路図である。 図５は、高融点金属体と第１の電極とを接続したスイッチ素子を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＡ−Ａ‘断面図、（Ｃ）は回路図である。 図６は、カバー部材にカバー部電極を形成したスイッチ素子を示す断面図である。 図７は、絶縁基板の表面上において高融点金属体と第１の電極及び可溶導体とを重畳させたスイッチ素子を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ‘断面である。 図８は、高融点金属体を絶縁基板の裏面に形成し、絶縁基板の表面に形成した第１の電極及び可溶導体と重畳させたスイッチ素子を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ‘断面である。 図９は、高融点金属層と低融点金属層を有し、被覆構造を備える可溶導体を示す斜視図であり、（Ａ）は高融点金属層を内層とし低融点金属層で被覆した構造を示し、（Ｂ）は低融点金属層を内層とし高融点金属層で被覆した構造を示す。 図１０は、高融点金属層と低融点金属層の積層構造を備える可溶導体を示す斜視図であり、（Ａ）は上下２層構造、（Ｂ）は内層及び外層の３層構造を示す。 図１１は、高融点金属層と低融点金属層の多層構造を備える可溶導体を示す断面図である。 図１２は、高融点金属層の表面に線状の開口部が形成され低融点金属層が露出されている可溶導体を示す平面図であり、（Ａ）は長手方向に沿って開口部が形成されたもの、（Ｂ）は幅方向に沿って開口部が形成されたものである。 図１３は、高融点金属層の表面に円形の開口部が形成され低融点金属層が露出されている可溶導体を示す平面図である。 図１４は、高融点金属層に円形の開口部が形成され、内部に低融点金属が充填された可溶導体を示す平面図である。 図１５は、従来の警報素子を示す図であり、（Ａ）は作動前の断面図、（Ｂ）は作動後の断面図である。

以下、本発明が適用されたスイッチ素子、スイッチ回路、及び警報回路について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。また、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることがある。具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

本発明が適用されたスイッチ素子１は、図１に示すように、絶縁基板１０と、絶縁基板１０上に形成された第１、第２の電極１１，１２と、第１、第２の電極１１，１２間に跨って接続された可溶導体１３と、絶縁基板１０に形成され、可溶導体１３よりも融点の高い高融点金属体１５とを有する。なお、図１（Ａ）はスイッチ素子１のカバー部材２０を除いて示す平面図であり、図１（Ｂ）はＡ-Ａ‘断面図であり、図１（Ｃ）は回路図である。

このスイッチ素子１は、第１、第２の電極１１，１２がブザーやランプあるいは警報システム等からなる警報器３１と接続され、高融点金属体１５に流れる定格電流以上の過電流に伴う発熱により可溶導体１３を溶融させることにより、第１、第２の電極１１，１２間を遮断させ、パイロットランプを消灯させる等、警報器３１への給電を停止するものである。また、スイッチ素子１は、第１、第２の電極１１，１２間を遮断させた後、高融点金属体１５が溶断することにより、発熱が停止する。

[絶縁基板]
絶縁基板１０は、例えば、アルミナ、ガラスセラミックス、ムライト、ジルコニアなどの絶縁性を有する部材を用いて形成されている。スイッチ素子１は、絶縁基板１０を介して高融点金属体１５の熱を第１、第２の電極及び可溶導体１３に伝達するために、絶縁基板１０としては、セラミックス基板等の耐熱性に優れ、かつ熱伝導率の高い材料により形成することが好ましい。なお、絶縁基板１０は、その他にも、ガラスエポキシ基板、フェノール基板等のプリント配線基板に用いられる材料を用いてもよいが、高融点金属体１５や可溶導体１３の溶断時の温度に留意する必要がある。

［第１、第２の電極］
第１、第２の電極１１，１２は、絶縁基板１０の表面１０ａ上に、対向配置されるとともに離間されることにより開放されている。また、第１、第２の電極１１，１２の対向する先端部１１ｂ，１２ｂ間には、後述する可溶導体１３が跨って搭載されている。第１、第２の電極１１，１２は、可溶導体１３を介して電気的に接続され、高融点金属体１５が通電に伴って発熱すると、この熱により加熱され、溶融導体１３を溶断させることにより、開放される。

なお、第１、第２の電極１１，１２は、高融点金属体１５によって加熱されることにより、可溶導体１３の溶融導体を凝集しやすくすることができる。

第１、第２の電極１１，１２は、それぞれ、絶縁基板１０の側縁１０ｂ，１０ｃに外部接続端子１１ａ，１２ａが設けられている。第１、第２の電極１１，１２は、これら外部接続端子１１ａ，１２ａを介して常時警報器３１と接続され、スイッチ素子１が動作することにより、当該警報器３１への給電を遮断する。

第１、第２の電極１１，１２は、ＣｕやＡｇ等の一般的な電極材料を用いて形成することができる。また、第１、第２の電極１１，１２の表面上には、Ｎｉ／Ａｕメッキ、Ｎｉ／Ｐｄメッキ、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕメッキ等の被膜が、メッキ処理等の公知の手法によりコーティングされていることが好ましい。これにより、スイッチ素子１は、第１、第２の電極１１，１２の酸化を防止し、可溶導体１３の溶融導体を確実に保持させることができる。また、スイッチ素子１をリフロー実装する場合に、可溶導体１３を接続する接続用ハンダあるいは可溶導体１３の外層を形成する低融点金属が溶融することにより第１、第２の電極１１，１２を溶食（ハンダ食われ）するのを防ぐことができる。

［高融点金属体］
高融点金属体１５は、通電すると発熱する導電性を有する部材であって、たとえばＷ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ａｇ、あるいはこれらを主成分とする合金等からなる。高融点金属体１５は、これらの合金あるいは組成物、化合物の粉状体を樹脂バインダ等と混合して、ペースト状にしたものをスクリーン印刷技術を用いてパターン形成して、焼成する等によって形成することができる。

高融点金属体１５は、絶縁基板１０の表面１０ａ上に、第１、第２の電極１１，１２と並んで配置されている。これにより高融点金属体１５は、通電に伴って発熱すると、第１、第２の電極１１，１２上に搭載されている可溶導体１３を溶融させることができる。

また、高融点金属体１５は、絶縁基板１０の側縁１０ｂ，１０ｃに外部接続端子１５ａが設けられている。高融点金属体１５は、外部接続端子１５ａを介して、警報器３１の作動のトリガーとなる機能回路３２と接続され、機能回路３２の異常に伴う定格を超えた過電流によって高温に発熱し、可溶導体１３を溶断させる。例えば、高融点金属体１５は、２０〜３０Ｗの電力が印加されることにより３００℃程度に発熱する電力設計が採られる。

また、高融点金属体１５は、可溶導体１３と近接する位置において、相対的に細くなり、電流が集中することにより局部的に高温に発熱する発熱部１５ｂが形成されている。可溶導体１３と近接する位置に発熱部１５ｂを設けることにより、高融点金属体１５は、効率よく可溶導体１３を溶融させ、速やかに第１、第２の電極１１，１２を遮断させることができる。

また、スイッチ素子１は、第１又は第２の電極１１，１２の一方、例えば図１に示すように、第１の電極１１の可溶導体１３が搭載されている先端部１１ｂと近接する位置に高融点金属体１５の発熱部１５ｂが形成されることが好ましい。第１の電極１１の可溶導体１３が搭載されている先端部１１ｂと近接する位置に発熱部１５ｂを設けることにより、高融点金属体１５は、絶縁基板１０及び先端部１１ｂを介して効率よく可溶導体１３に熱を伝えて溶融させ、速やかに第１、第２の電極１１，１２間を遮断させることができる。

また、第１又は第２の電極１１，１２の可溶導体１３が搭載されている先端部１１ｂ，１２ｂのうち、発熱部１５ｂに近接する一方の面積が他方の面積よりも広く、他方の電極よりも多くの可溶導体１３を保持することが好ましい。例えば図１に示すように、スイッチ素子１は、高融点金属体１５の発熱部１５ｂと第１の電極１１の先端部１１ｂとを近接させた場合、第１の電極１１の先端部１１ｂを第２の電極１２の先端部１２ｂよりも広く形成し、可溶導体１３を第１の電極１１の先端部１１ｂ側に多く搭載することが好ましい。

第１の電極１１の先端部１１ｂは、発熱部１５ｂに近接されているため、高融点金属体１５からの熱がより多く伝わり、可溶導体１３を効率よく溶融させることができる。したがって、第１の電極１１の先端部１１ｂを相対的に広面積とし、より多くの可溶導体を保持させることで、より速やかに可溶導体１３に熱を伝えて溶融させ、第１、第２の電極１１，１２間を遮断させることができる。

また、第１の電極１１の先端部１１ｂは、発熱部１５ｂに近接されるとともに相対的に広面積に形成することにより、より高温に加熱され、溶融した可溶導体１３の大部分を保持することができる。

図１に示すように、高融点金属体１５は、機能回路３２が正常に作動しているときは、定格内の適正な電流が流れている。そして、高融点金属体１５は、機能回路３２の異常によって定格を超える過電流が流れると高温に発熱し、図２に示すように、可溶導体１３を溶断させ、第１、第２の電極１１，１２を遮断させる。その後も、高融点金属体１５は発熱を続けることにより、図３に示すように、自身のジュール熱によって溶断する。これにより、高融点金属体１５は、機能回路３２の異常による過電流が遮断され、機能回路３２を遮断するとともに、自身の発熱が停止する。すなわち、高融点金属体１５は、可溶導体１３を溶融させるとともに自己発熱によって自身の給電経路を遮断するヒューズとして機能する。

また、高融点金属体１５は、局部的に高温となる発熱部１５ｂを設けることにより、当該発熱部１５ｂにおいて溶断する。このとき、高融点金属体１５は、発熱部１５ｂが相対的に細く形成されているため、溶断時に発生するアーク放電も小規模なものに収まり、後述する絶縁層１６の被覆効果とともに、溶融導体の飛散を防止することができる。

なお、高融点金属体１５は、上述した導電ペーストを印刷することによりパターン形成する他にも、銅箔や銀箔等の高融点金属箔や、銅線や銀線等の高融点金属ワイヤーを用いて形成してもよい。また、高融点金属箔や高融点金属ワイヤーを用いて高融点金属体１５を構成する場合、絶縁基板１０として熱伝導性に優れ、可溶導体１３を速やかに溶融させることができるセラミックス基板を用いても、高融点金属体１５の溶断後における溶融導体のリークの問題が導電パターンに比して少ない。

［絶縁層］
第１、第２の電極１１，１２及び高融点金属体１５は、絶縁基板１０の表面１０ａ上において絶縁層１６に被覆されている。絶縁層１６は、第１、第２の電極１１，１２及び高融点金属体１５の保護及び絶縁を図るとともに、高融点金属体１５の溶断時におけるアーク放電を抑制するために設けられ、例えばガラス層からなる。

図１〜図３に示すように、絶縁層１６は、高融点金属体１５の発熱部１５ｂを覆うとともに、第１、第２の電極１１，１２の先端部１１ｂ，１２ｂを除く領域上に形成されている。すなわち、第１、第２の電極１１，１２は、先端部１１ｂ，１２ｂが絶縁層１６より露出され、後述する可溶導体１３が搭載可能とされている。

また、絶縁層１６を第１、第２の電極１１，１２の先端部１１ｂ，１２ｂを除く領域上に形成することで、絶縁基板１０を介して伝わった高融点金属体１５の熱が放熱されることを防止し、効率よく先端部１１ｂ，１２ｂを加熱し、可溶導体１３に熱を伝えることができる。また、第１、第２の電極１１，１２は、先端部１１ｂ，１２ｂと外部接続電極１１ａ，１２ａとの間に絶縁層１６が設けられることにより、溶融した可溶導体１３が外部接続電極１１ａ，１２ａ側に流出し、スイッチ素子１が実装される回路基板との接続用ハンダを溶融させる事態を防止することができる。

また、スイッチ素子１は、高融点金属体１５と絶縁基板１０との間にガラス等からなる絶縁層１６を形成してもよい。これにより、スイッチ素子１は、高融点金属体１５の遮断後において溶融導体が絶縁基板１０の表面に付着することによるリークを防止し、絶縁抵抗を高くすることができる。更に、高融点金属体１５と絶縁基板１０との間に形成する絶縁層１６を発熱部１５ｂの中心付近のみに部分的に形成する事で、可溶導体１３への伝熱性確保と遮断後の絶縁抵抗確保の両立が可能となる。

［可溶導体］
絶縁層１６を介して第１、第２の電極１１，１２上に搭載される可溶導体１３は、高融点金属体１５の発熱により速やかに溶融されるいずれの金属を用いることができ、例えば、ハンダや、Ｐｂを主成分とする２６０℃リフロー実装時に溶融しないハンダ等の低融点金属を好適に用いることができる。

また、可溶導体１３は、低融点金属と高融点金属とを含有してもよい。低融点金属としては、ハンダや、Ｓｎを主成分とするＰｂフリーハンダなどを用いることが好ましく、高融点金属としては、Ａｇ、Ｃｕ又はこれらを主成分とする合金などを用いることが好ましい。高融点金属と低融点金属とを含有することによって、スイッチ素子１をリフロー実装する場合に、リフロー温度が低融点金属の溶融温度を超えて、低融点金属が溶融しても、低融点金属の外部への流出を抑制し、可溶導体１３の形状を維持することができる。また、溶断時も、低融点金属が溶融することにより、高融点金属を溶食（ハンダ食われ）することで、高融点金属の融点以下の温度で速やかに溶断することができる。なお、可溶導体１３は、後に説明するように、様々な構成によって形成することができる。

なお、可溶導体１３は、酸化防止、濡れ性の向上等のため、フラックス１８が塗布されていることが好ましい。

［スイッチ回路・警報回路］
以上のようなスイッチ素子１は、図１（Ｃ）に示すような回路構成を有する。すなわち、スイッチ素子１は、第１の電極１１と第２の電極１２とが、正常時には可溶導体１３を介して接続され（図１（Ｃ））、高融点金属体１５の発熱により可溶導体１３が溶融すると、開放される。（図２（Ｃ））。

そして、スイッチ素子１は、例えば警報回路３０に組み込まれて用いられる。図４は警報回路３０の回路構成の一例を示す図である。警報回路３０は、スイッチ素子１の可溶導体１３からなる第１のヒューズ３５により警報器３１を作動させる作動回路３３と、作動回路３３と電気的に独立して形成され、可溶導体１３よりも融点の高い高融点金属体１５からなる第２のヒューズ３６が電源に直列に繋がる機能回路を有する制御回路３４とを備える。

図４に示すように、スイッチ素子１は、第１のヒューズ３５（可溶導体１３）の両外部接続端子１１ａ，１２ａが、パイロットランプ等、正常時に通電し、異常時に通電が遮断される警報器３１に接続される。また、スイッチ素子１は、第２のヒューズ３６（高融点金属体１５）の両外部接続端子１５ａが、機能回路３２に接続される。

このような構成を有するスイッチ素子１は、警報器３１を動作させる第１、第２の電極１１，１２に対して、隣接して形成されている高融点金属体１５の発熱により可溶導体１３を溶融させ、第１、第２の電極１１，１２間を遮断させる。すなわち、スイッチ素子１は、高融点金属体１５と第１、第２の電極１１，１２とは物理的、電気的に独立して構成され、高融点金属体１５の熱によって可溶導体１３が溶融することにより遮断する、いわば熱的に接続することにより連動する構成を取る。

したがって、スイッチ素子１は、スプリングや警報接点等の機械要素を用いず、また機械要素の物理的な連動によらず構成することができるため、絶縁基板１０の面内において、コンパクトに設計することができ、狭小化された実装領域にも実装可能となる。また、スイッチ素子１は、部品点数、製造工数の削減を図り、低コスト化を図ることができる。さらに、スイッチ素子１は、絶縁基板１０をリフロー実装等により表面実装することができ、狭小化された実装領域においても、簡易に実装することができる。

また、スイッチ素子１は、高融点金属体１５と第１、第２の電極１１，１２とは物理的、電気的に独立して構成されているため、例えば、ヒューズとして機能する高融点金属体１５が配置される電力系パワーラインと分離した信号系ラインに警報信号を出す場合に、高融点金属体１５の遮断時における電源ノイズの影響もなく、ノイズ対策用回路も不要で、信頼性の高い警報回路を構成することができる。

実使用時において、スイッチ素子１は、機能回路３２の不具合によって高融点金属体１５に定格を超える過電流が流れる。すると、図２（Ａ）に示すように、高融点金属体１５が発熱し、絶縁基板１０及び第１、第２の電極１１，１２の各先端部１１ｂ，１２ｂを通じて可溶導体１３に熱が伝わり、これにより、可溶導体１３が溶融する。可溶導体１３の溶融導体は、高融点金属体１５によって加熱された第１、第２の電極１１，１２の各先端部１１ｂ，１２ｂの上に凝集する。これにより、スイッチ素子１は、第１、第２の電極１１，１２間が遮断し、作動回路３３の警報器３１への通電を停止させることができる（図２（Ｃ））。警報回路３０は、警報器３１への通電が停止されることにより、例えばパイロットランプが消灯する等、異常を知らせることができる。

このとき、スイッチ素子１は、高融点金属体１５の可溶導体１３の近傍に、細く形成された発熱部１５ｂを設けることで、高抵抗の発熱部１５ｂが高温となり、効率よく可溶導体１３を溶融させ、速やかに第１、第２の電極１１，１２を短絡させることができる。また、高融点金属体１５は、高抵抗の発熱部１５ｂが局部的に高温となるのみで、側縁に面する両外部接続端子１５ａは放熱効果も相まって比較的低温に保たれる。そのため、スイッチ素子１は、外部接続端子１５ａの実装用ハンダが溶融することもない。

図３に示すように、第１、第２の電極１１，１２間の遮断後も高融点金属体１５は発熱を続け、自身のジュール熱によって遮断する（図３（Ａ）（Ｂ））。これにより、スイッチ素子１は、機能回路３２による高融点金属体１５への通電が遮断され、発熱が停止する（図３（Ｃ））。このとき、スイッチ素子１は、高融点金属体１５が絶縁層１６によって被覆されているため、アーク放電を抑制し、溶融導体の爆発的な飛散を抑制することができる。また、高融点金属体１５に細く形成された発熱部１５ｂを設けることにより、溶断箇所が狭小化され、飛散する溶融導体の量を低減させることができる。

このように、スイッチ素子１は、可溶導体１３よりも融点の高い高融点金属体１５が発熱することにより、確実に可溶導体１３が高融点金属体１５よりも先に溶融し、第１、第２の電極１１，１２を遮断させることができる。すなわち、スイッチ素子１は、高融点金属体１５の溶断が第１、第２の電極１１，１２を遮断させる条件とはなっていない。これにより、スイッチ素子１は、機能回路３２の異常に伴い高融点金属体１５の定格を超える過電流が流れたことを伝える警報素子として使用することができる。したがって、スイッチ素子１が組み込まれた警報回路３０によれば、パイロットランプの消灯など警報器３１の３１の動作に応じて機能回路３２の異常をいち早く察知でき、機能回路３２が完全に故障する前に予防的に機能回路３２を停止する、バックアップ回路を作動させる等の対応を図ることができる。

また、高融点金属体１５は、自身のジュール熱により遮断することにより、自動的に発熱を停止する。したがって、スイッチ素子１は、機能回路３２による給電を規制する機構を設ける必要がなく、簡易な構成で高融点金属体１５の発熱を停止することができ、素子全体の小型化を図ることができる。

また、スイッチ素子１は、第１又は第２の電極１１，１２のうち、高融点金属体１５の発熱部１５ｂに近い一方の電極と、高融点金属体１５とを接続してもよい。例えば図５に示すように、スイッチ素子１は、高融点金属体１５の発熱部１５ｂと、第１の電極１１の先端部１１ｂが近接されている場合、高融点金属体１５と第１の電極１１とを接続する接続部１９を形成してもよい。接続部１９は、例えば高融点金属体１５や第１の電極１１と同じ導電材料を用いて、高融点金属体１５や第１の電極１１と同じ工程においてパターン形成されることにより設けることができる。

高融点金属体１５と第１の電極１１とを接続することにより、スイッチ素子１は、高融点金属体１５が通電により発熱すると、接続部１９及び第１の電極１１を介しても熱が可溶導体１３に伝わり、より速やかに溶融させることができる。したがって、接続部１９は、熱伝導性に優れるＡｇやＣｕ等の金属材料により形成することが好ましい。

なお、接続部１９は、高融点金属体１５の発熱部１５の中心から若干離れた位置に設ける。高融点金属体１５は、接続部１９を設けることで抵抗値が下がり温度が上がり難いため、発熱部１５ｂが高温に発熱するとともに自己発熱による遮断を行うためには、発熱部１５ｂの中心と接続部１９とは離間した位置に設ける必要があるためである。

［カバー部材］
スイッチ素子１は、絶縁基板１０上に内部を保護するカバー部材２０が取り付けられている。スイッチ素子１は、絶縁基板１０がカバー部材２０に覆われることによりその内部が保護されている。カバー部材２０は、スイッチ素子１の側面を構成する側壁２１と、スイッチ素子１の上面を構成する天面部２２とを有し、側壁２１が絶縁基板１０上に接続されることにより、スイッチ素子１の内部を閉塞する蓋体となる。このカバー部材２０は、例えば、熱可塑性プラスチック，セラミックス，ガラスエポキシ基板等の絶縁性を有する部材を用いて形成されている。

また、図６に示すように、カバー部材２０は、天面部２２の内面側に、カバー部電極２３が形成されても良い。カバー部電極２３は、第１の電極１１及び第２の電極１２の一方と重畳する位置に形成されている。カバー部電極２３は、高融点金属体１５の発熱部１５ｂと近接され、かつ相対的に広面積に形成されている第１の電極１１の先端部１１ｂと重畳することがより好ましい。これにより、このカバー部電極２３は、高融点金属体１５が発熱し、可溶導体１３が溶融されると、第１の電極１１の先端部１１ｂ上に凝集した溶融導体が接触して濡れ広がることにより、溶融導体を保持する許容量を増加させ、より確実に第１、第２の電極１１，１２を遮断させることができる。

［変形例１］
なお、本発明が適用されたスイッチ素子は、絶縁基板の表面上において、高融点金属体と第１の電極又は第２の電極とを重畳させてもよい。なお、以下の説明において、上述したスイッチ素子１と同様の構成については、同じ符号を付してその詳細を省略する。このスイッチ素子４０は、図７に示すように、絶縁基板１０の表面１０ａの相対向する側縁１０ｄ，１０ｅ間にわたって高融点金属体１５が形成される。また、スイッチ素子４０は、第１、第２の電極１１，１２が絶縁基板１０の表面１０ａの相対向する側縁１０ｂ，１０ｃに形成される。

高融点金属体１５は、絶縁基板１０の略中央部において第１の絶縁層４１によって被覆されている。また、高融点金属体１５は、絶縁基板１０の側縁１０ｄ，１０ｅに、それぞれ外部接続端子１５ａが形成されている。また、高融点金属体１５は、中間部が両端部よりも細く形成されることにより高温に発熱する発熱部１５ｂが形成されている。

第１、第２の電極１１，１２は、絶縁基板１０の側縁１０ｂ，１０ｃに、それぞれ外部接続端子１１ａ，１２ａが形成されている。また、第１、第２の電極１１，１２は、側縁１０ｂ，１０ｃから第１の絶縁層４１の上面にわたって形成され、第１の絶縁層４１の上面において互いの先端部１１ｂ，１２ｂが近接されるとともに離間することにより、開放されている。また、第１、第２の電極１１，１２は、先端部１１ｂ，１２ｂを除き、第２の絶縁層４２によって被覆されている。

第１、第２の電極１１，１２は、先端部１１ｂ，１２ｂに接続用ハンダが設けられ、この接続用ハンダによって先端部１１ｂ，１２ｂ間に跨って可溶導体１３が搭載されている。また、スイッチ素子４０は、第１、第２の電極１１，１２の一方、例えば図７に示すように、相対的に広面積に形成されている第１の電極１１の先端部１１ｂ、及び先端部１１ｂに搭載されている可溶導体１３の一部が、高融点金属体１５の発熱部１５ｂに重畳されている。なお、可溶導体１３上には、酸化防止、濡れ性の向上等のため、フラックス１８が塗布されている。

第１、第２の絶縁層４１，４２は、上述したスイッチ素子１の絶縁層１６と同様に、ガラス等の絶縁材料を好適に用いることができる。

このようなスイッチ素子４０によれば、高融点金属体１５の発熱部１５ｂに重畳して第１の電極１１の先端部１１ｂ及び可溶導体１３の多くが配置されているため、発熱部１５ｂの発熱により速やかに可溶導体１３を溶融させ、第１、第２の電極１１，１２を遮断させることができる。このとき、スイッチ素子４０は、ガラス等からなる第１の絶縁層４１を介して、発熱部１５ｂと第１の電極１１及び可溶導体１３とが連続的に積層されているため、発熱部１５ｂの熱を効率よく伝えることができる。

［変形例２］
また、本発明が適用されたスイッチ素子は、絶縁基板の表面に第１、第２の電極を形成し、絶縁基板の裏面に高融点金属体を形成することにより、高融点金属体と第１の電極又は第２の電極とを重畳させてもよい。なお、以下の説明において、上述したスイッチ素子１と同様の構成については、同じ符号を付してその詳細を省略する。このスイッチ素子５０は、図８に示すように、絶縁基板１０の裏面１０ｆの相対向する側縁１０ｄ，１０ｅ間にわたって高融点金属体１５が形成される。また、スイッチ素子５０は、第１、第２の電極１１，１２が絶縁基板１０の表面１０ａの相対向する側縁１０ｂ，１０ｃに形成されている。

高融点金属体１５は、絶縁基板１０の略中央部において第１の絶縁層５１によって被覆されている。また、高融点金属体１５は、絶縁基板１０の側縁１０ｄ，１０ｅに、それぞれ外部接続端子１５ａが形成されている。また、高融点金属体１５は、第１の電極１１又は第２の電極１２が重畳する中間部が両端部よりも細く形成されることにより高温に発熱する発熱部１５ｂが形成されている。

第１、第２の電極１１，１２は、絶縁基板１０の側縁１０ｂ，１０ｃに、それぞれ外部接続端子１１ａ，１２ａが形成されている。また、第１、第２の電極１１，１２は、側縁１０ｂ，１０ｃから絶縁基板１０の表面１０ａの略中央部において互いの先端部１１ｂ，１２ｂが近接されるとともに離間することにより、開放されている。また、第１、第２の電極１１，１２は、先端部１１ｂ，１２ｂを除き、第２の絶縁層５２によって被覆されている。

第１、第２の電極１１，１２は、先端部１１ｂ，１２ｂに接続用ハンダが設けられ、この接続用ハンダによって先端部１１ｂ，１２ｂ間に跨って可溶導体１３が搭載されている。また、スイッチ素子５０は、第１、第２の電極１１，１２の一方、例えば図８に示すように、相対的に広面積に形成されている第１の電極１１の先端部１１ｂ、及び先端部１１ｂに搭載されている可溶導体１３の一部が、高融点金属体１５の発熱部１５ｂに重畳されている。なお、可溶導体１３上には、酸化防止、濡れ性の向上等のため、フラックス１８が塗布されている。

第１、第２の絶縁層５１，５２は、上述したスイッチ素子１の絶縁層１６と同様に、ガラス等の絶縁材料を好適に用いることができる。

このようなスイッチ素子５０によれば、高融点金属体１５の発熱部１５ｂに重畳して第１の電極１１の先端部１１ｂ及び可溶導体１３の多くが配置されているため、発熱部１５ｂの発熱により速やかに可溶導体１３を溶融させ、第１、第２の電極１１，１２を遮断させることができる。このとき、スイッチ素子５０は、絶縁基板１０として、セラミックス基板等の熱伝導性に優れたものを用いることにより、高融点金属体１５を可溶導体１３の設けられた面と同一面に形成した場合と同等に加熱することができるため好適である。

［可溶導体の変形例］
上述したように、可溶導体１３のいずれか又は全部は、低融点金属と高融点金属とを含有してもよい。高融点金属層６０はＡｇ、Ｃｕ又はこれらを主成分とする合金等からなり、低融点金属層６１はハンダや、Ｓｎを主成分とするＰｂフリーハンダ等からなる。このとき、可溶導体１３は、図９（Ａ）に示すように、内層として高融点金属層６０が設けられ、外層として低融点金属層６１が設けられた可溶導体を用いてもよい。この場合、可溶導体１３は、高融点金属層６０の全面が低融点金属層６１によって被覆された構造としてもよく、相対向する一対の側面を除き被覆された構造であってもよい。高融点金属層６０や低融点金属層６１による被覆構造は、メッキ等の公知の成膜技術を用いて形成することができる。

また、図９（Ｂ）に示すように、可溶導体１３は、内層として低融点金属層６１が設けられ、外層として高融点金属層６０が設けられた可溶導体を用いてもよい。この場合も、可溶導体１３は、低融点金属層６１の全面が高融点金属層６０によって被覆された構造としてもよく、相対向する一対の側面を除き被覆された構造であってもよい。

また、可溶導体１３は、図１０に示すように、高融点金属層６０と低融点金属層６１とが積層された積層構造としてもよい。

この場合、可溶導体１３は、図１０（Ａ）に示すように、第１、第２の電極１１，１２に支持される下層と、下層の上に積層される上層からなる２層構造として形成され、下層となる高融点金属層６０の上面に上層となる低融点金属層６１を積層してもよく、反対に下層となる低融点金属層６１の上面に上層となる高融点金属層６０を積層してもよい。あるいは、可溶導体１３は、図１０（Ｂ）に示すように、内層と内層の上下面に積層される外層とからなる３層構造として形成してもよく、内層となる高融点金属層６０の上下面に外層となる低融点金属層６１を積層してもよく、反対に内層となる低融点金属層６１の上下面に外層となる高融点金属層６０を積層してもよい。

また、可溶導体１３は、図１１に示すように、高融点金属層６０と低融点金属層６１とが交互に積層された４層以上の多層構造としてもよい。この場合、可溶導体１３は、最外層を構成する金属層によって、全面又は相対向する一対の側面を除き被覆された構造としてもよい。

また、可溶導体１３は、内層を構成する低融点金属層６１の表面に高融点金属層６０をストライプ状に部分的に積層させてもよい。図１２は、可溶導体１３の平面図である。

図１２（Ａ）に示す可溶導体１３は、低融点金属層６１の表面に、幅方向に所定間隔で、線状の高融点金属層６０が長手方向に複数形成されることにより、長手方向に沿って線状の開口部６２が形成され、この開口部６２から低融点金属層６１が露出されている。可溶導体１３は、低融点金属層６１が開口部６２より露出することにより、溶融した低融点金属と高融点金属との接触面積が増え、高融点金属層６０の溶食作用をより促進させて溶断性を向上させることができる。開口部６２は、例えば、低融点金属層６１に高融点金属層６０を構成する金属の部分メッキを施すことにより形成することができる。

また、可溶導体１３は、図１２（Ｂ）に示すように、低融点金属層６１の表面に、長手方向に所定間隔で、線状の高融点金属層６０を幅方向に複数形成することにより、幅方向に沿って線状の開口部６２を形成してもよい。

また、可溶導体１３は、図１３に示すように、低融点金属層６１の表面に高融点金属層６０を形成するとともに、高融点金属層６０の全面に亘って円形の開口部６３が形成され、この開口部６３から低融点金属層６１を露出させてもよい。開口部６３は、例えば、低融点金属層６１に高融点金属層６０を構成する金属の部分メッキを施すことにより形成することができる。

可溶導体１３は、低融点金属層６１が開口部６３より露出することにより、溶融した低融点金属と高融点金属との接触面積が増え、高融点金属の溶食作用をより促進させて溶断性を向上させることができる。

また、可溶導体１３は、図１４に示すように、内層となる高融点金属層６０に多数の開口部６４を形成し、この高融点金属層６０に、メッキ技術等を用いて低融点金属層６１を成膜し、開口部６４内に充填してもよい。これにより、可溶導体１３は、溶融する低融点金属が高融点金属に接する面積が増大するので、より短時間で低融点金属が高融点金属を溶食することができるようになる。

また、可溶導体１３は、低融点金属層６１の体積を、高融点金属層６０の体積よりも多く形成することが好ましい。可溶導体１３は、高融点金属体１５によって加熱されることにより、低融点金属が溶融することにより高融点金属を溶食し、これにより速やかに溶融、溶断することができる。したがって、可溶導体１３は、低融点金属層６１の体積を、高融点金属層６０の体積よりも多く形成することにより、この溶食作用を促進し、速やかに第１、第２の電極１１，１２間の遮断を行うことができる。

１，４０，５０ スイッチ素子、１０ 絶縁基板、１０ａ 表面、１０ｆ 裏面、１１ 第１の電極、１２ 第２の電極、１３ 可溶導体、１５ 高融点金属体、１６ 絶縁層、１８ フラックス、１９ 接続部、２０ カバー部材、２１ 側壁、２２ 天面部、２３ カバー部電極、３０ 警報回路、３１ 警報器、３２ 機能回路、３５ 第１のヒューズ、３６ 第２のヒューズ

Claims (37)

1. 第１、第２の電極と、
   上記第１、第２の電極間に跨って接続された可溶導体と、
   上記可溶導体よりも融点の高い高融点金属体とを有し、
   上記高融点金属体に流れる定格電流以上の過電流に伴う発熱により、上記可溶導体を溶融させるスイッチ素子。
2. 上記高融点金属体は、上記第１、第２の電極間を遮断させた後、定格電流以上の過電流に伴う自己発熱（ジュール熱）により溶断する請求項１に記載のスイッチ素子。
3. 上記高融点金属体及び上記第１、第２の電極は、絶縁基板の面上に積層された電極パターンである請求項１又は２に記載のスイッチ素子。
4. 上記高融点金属体及び上記第１、第２の電極は、銀、銅又は銀若しくは銅を主成分とする高融点金属がパターン形成されてなる請求項３に記載のスイッチ素子。
5. 上記高融点金属体の電極パターンは、上記可溶導体に近接する位置が相対的に細くなり、電流が集中することにより局部的に高温に発熱する発熱部が形成されている請求項３又は４に記載のスイッチ素子。
6. 上記第１又は第２の電極の上記可溶導体が搭載されている先端部の一方と、上記発熱部とが近接されている請求項５に記載のスイッチ素子。
7. 上記第１又は第２の電極の上記可溶導体が搭載されている先端部のうち、上記発熱部と近接する一方の面積が他方の面積よりも広く、他方の電極よりも多くの上記可溶導体を保持する請求項６に記載のスイッチ素子。
8. 上記第１又は第２の電極のうち、上記発熱部と近接する一方の電極と、上記高融点金属体とが接続されている請求項６又は請求項７に記載のスイッチ素子。
9. 上記高融点金属体が絶縁層に被覆されている請求項１〜８のいずれか１項に記載のスイッチ素子。
10. 上記高融点金属体と上記絶縁基板の間に絶縁層が形成されている請求項３〜９のいずれか１項に記載のスイッチ素子。
11. 上記第１、第２の電極は、上記可溶導体が搭載されている先端部を除き、絶縁層で被覆されている請求項１〜１０のいずれか１項に記載のスイッチ素子。
12. 上記絶縁層は、ガラス又はガラスを主成分とする絶縁材料からなる請求項９〜１１のいずれか１項に記載のスイッチ素子。
13. 上記高融点金属体は、銅若しくは銀を主成分とする箔若しくはワイヤーである請求項１又は２に記載のスイッチ素子。
14. 上記第１、第２の電極と上記高融点金属体とが、上記絶縁基板の同一平面に並んで配置されている請求項１〜１３のいずれか１項に記載のスイッチ素子。
15. 上記絶縁基板の一方の面において、上記第１の電極又は第２の電極の一方及び当該一方の電極に搭載されている上記可溶導体が、上記高融点金属体上に、絶縁層を介して積層されている請求項３〜７のいずれか１項に記載のスイッチ素子。
16. 上記絶縁基板の一方の面に上記第１、第２の電極が配置され、上記絶縁基板の他方の面に上記高融点金属体が配置され、上記高融点金属体と、上記第１の電極又は第２の電極の一方及び当該一方の電極に搭載されている上記可溶導体と重畳されている請求項３〜７のいずれか１項に記載のスイッチ素子。
17. 上記高融点金属体と上記絶縁基板の間に絶縁層が形成されている請求項１５又は１６に記載のスイッチ素子。
18. 上記第１、第２の電極は、上記可溶導体が搭載されている先端部を除き、上記絶縁層で被覆されている請求項１５〜１７のいずれか１項に記載のスイッチ素子。
19. 上記絶縁層は、ガラス又はガラスを主成分とする絶縁材料からなる請求項１５〜１８のいずれか１項に記載のスイッチ素子。
20. 上記絶縁基板は、セラミックス基板である請求項３〜１９のいずれか１項に記載のスイッチ素子。
21. 上記可溶導体は、ハンダである請求項１〜２０のいずれか１項に記載のスイッチ素子。
22. 上記可溶導体は、低融点金属と高融点金属とを含有し、
    上記低融点金属が上記高融点金属体の発熱により溶融し、上記高融点金属を溶食する請求項１〜２０のいずれか１項に記載のスイッチ素子。
23. 上記低融点金属はハンダであり、
    上記高融点金属は、Ａｇ、Ｃｕ又はＡｇ若しくはＣｕを主成分とする合金である請求項２２記載のスイッチ素子。
24. 上記可溶導体は、内層が高融点金属であり、外層が低融点金属の被覆構造である請求項２２又は２３に記載のスイッチ素子。
25. 上記可溶導体は、内層が低融点金属であり、外層が高融点金属の被覆構造である請求項２２又は２３に記載のスイッチ素子。
26. 上記可溶導体は、低融点金属と、高融点金属とが積層された積層構造である請求項２２又は２３に記載のスイッチ素子。
27. 上記可溶導体は、低融点金属と、高融点金属とが交互に積層された４層以上の多層構造である請求項２２又は２３に記載のスイッチ素子。
28. 上記可溶導体は、内層を構成する低融点金属の表面に形成された高融点金属に、開口部が設けられている請求項２２又は２３に記載のスイッチ素子。
29. 上記可溶導体は、多数の開口部を有する高融点金属層と、上記高融点金属層上に形成された低融点金属層とを有し、上記開口部に低融点金属が充填されている請求項２２又は２３に記載のスイッチ素子。
30. 上記可溶導体は、低融点金属の体積が、高融点金属の体積よりも多い請求項２２〜２９のいずれか１項に記載のスイッチ素子。
31. 上記可溶導体の上にフラックスがコーティングされている請求項１〜３０のいずれか１項に記載のスイッチ素子。
32. 上記第１及び第２の電極表面に、Ｎｉ／Ａｕメッキ、Ｎｉ／Ｐｄメッキ、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕメッキのいずれかが被覆されている請求項１〜３１のいずれか１項に記載のスイッチ素子。
33. 上記絶縁基板上に設けられ、内部を保護するカバー部材を備え、
    上記カバー部材は、上記第１及び第２の電極のいずれか一方と重畳する位置に、カバー部電極が設けられている請求項３〜３２のいずれか１項に記載のスイッチ素子。
34. 第１のヒューズが搭載されることにより接続されるとともに外部回路と接続された第１及び第２の電極を有し、上記第１及び第２の電極が開放することにより上記外部回路への給電を停止させるスイッチ部と、
    上記第１のヒューズの融点よりも高い融点を有し、上記スイッチ部と電気的に独立して形成された機能回路に接続される第２のヒューズとを備え、
    上記第２のヒューズに流れる定格電流以上の過電流に伴う発熱により、上記第１のヒューズを溶融させて上記第１、第２の電極間を遮断させ上記外部回路への給電を停止させるスイッチ回路。
35. 上記第２のヒューズが、上記第１のヒューズを遮断させた後、定格電流以上の過電流に伴う自己発熱（ジュール熱）により溶断する請求項３４記載のスイッチ回路。
36. 互いに開放されるとともに、第１のヒューズが搭載されることにより接続された第１、第２の電極を有し、上記第１、第２の電極が開放することにより警報器への給電を停止する作動回路と、
    上記作動回路と電気的に独立して形成され、上記第１のヒューズの融点よりも高い融点を有する第２のヒューズと、上記第２のヒューズが電源に直列に繋がる機能回路を有する制御回路とを備え、
    上記機能回路の異常時に上記第２のヒューズに流れる定格電流以上の過電流に伴う発熱により、上記第１のヒューズを溶融させて上記第１、第２の電極間を遮断させ上記警報器への給電を停止させる警報回路。
37. 上記第２のヒューズが、上記第１のヒューズを遮断させた後、定格電流以上の過電流に伴う自己発熱（ジュール熱）により溶断する請求項３６に記載の警報回路。