JP2016131138A - 回路保護装置および保護機能付回路 - Google Patents

Abstract

【課題】異常発熱時に端子間を電気的に接続する回路保護装置の信頼性を高めること。【解決手段】所定の温度で溶融する溶融部材１０と、少なくとも一部が導電性材料で形成され、前記溶融部材１０に接触する導通部材２０と、互いに離れた状態にある端子組３０（３１、３２）と、を備え、前記溶融部材１０が溶融することで前記導通部材２０が変位し、当該変位した導通部材２０を介して前記端子３０（３１、３２）間が電気的に接続された状態となるようにした回路保護装置１とする。【選択図】図１

Description

本発明は、異常発熱時に回路を保護するための回路保護装置およびこれを備えた回路に関する。

下記特許文献１には、異常発熱時に低融点金属が溶融することで、端子間が導通状態となる逆ヒューズと称される装置が開示されている（特許文献１の図４（ｂ）等参照）。

特開２０１３−１４０７１１号公報

上記特許文献１に記載される装置は、発熱によって低融点金属が溶融したとき、当該低融点金属が端子間を繋ぐ状態とならないおそれがある。つまり、低融点金属が両端子間を橋渡しするような形状に変化しなければならないところ、そのような形状にならないおそれが高い。すなわち、異常発熱時の動作信頼性が低い。

本発明は、異常発熱時に端子間を電気的に接続する回路保護装置の信頼性を高めることを目的とする。また、このような回路保護装置を備えた保護機能付回路を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明にかかる回路保護装置は、所定の温度で溶融する溶融部材と、少なくとも一部が導電性材料で形成され、前記溶融部材に接触する導通部材と、互いに離れた状態にある端子組と、を備え、前記溶融部材が溶融することで前記導通部材が変位し、当該変位した導通部材を介して前記端子間が電気的に接続された状態となることを特徴とする。

前記溶融部材は導電性材料からなるとよい。

前記導通部材には、前記溶融部材が溶融したとき、当該溶融した溶融部材を前記導通部材と前記端子の接触部分に導く誘導部が形成されているとよい。

前記導通部材には、前記溶融部材が溶融したとき、当該溶融した溶融部材が外側に流れるのを抑制する押さえ部が形成されているとよい。

前記導通部材は、一方端側およびその反対側が前記溶融部材に支持された状態で、所定の間隔を隔てて前記端子上に位置しているとよい。

前記導通部材を前記端子に向けて付勢する付勢部材が設けられているとよい。

前記導通部材は、その一端が、前記端子部が設けられたベース部材に固定されており、当該一端とその反対側の他端との間の所定部位に前記溶融部材が接触し、前記端子が位置する側とは反対側に撓むように弾性変形させられた状態にあるとよい。

前記導通部材および前記端子のいずれか一方は、前記溶融部材が溶融したときに、他方に接触する部分が凸となっているとよい。

本発明にかかる保護機能付回路は、常態時においてスイッチがＯＮとされることにより導通状態とされる導電路を含む回路であって、上記いずれかの回路保護装置が、前記スイッチに対して並列に接続されていることを特徴とする。

本発明にかかる回路保護装置およびこれを備える回路は、溶融部材が溶融することで導通部材が変位し、当該変位した導通部材を介して端子間が電気的に接続された状態となるものである。つまり、溶融部材が端子間を電気的に接続するわけではなく、溶融部材によって変位する導通部材によって端子間が電気的に接続された状態となるものであるから、従来に比して異常発熱時における動作の信頼性が高い。

溶融部材が導電性材料からなるものであれば、溶融した導電性材料が導通部材と端子を接続する構成とすることができる。つまり、異常発熱時における動作の信頼性をより高めることができる。

溶融した溶融部材を導通部材と端子の接触部分に導く誘導部が導通部材に形成されていれば、導通部材と端子の接触部分に流れる溶融部材を増加させることができる。

溶融した溶融部材が外側に流れるのを抑制する押さえ部が導通部材に形成されていれば、導通部材と端子の接続に寄与しない溶融部材が増加するのを抑制することができる。

溶融部材の溶融によって変位する導通部材の例としては、一方端側およびその反対側が溶融部材に支持された状態で、所定の間隔を隔てて端子上に位置させたものが挙げられる。この場合、導通部材を端子に向けて付勢する付勢部材が設けられていれば、溶融部材が溶融したとき、導通部材が端子に向かって付勢されることとなるため、導通部材と端子をより確実に接触させることができる。

溶融部材の溶融によって変位する導通部材の別例としては、溶融部材によって端子が位置する側とは反対側に撓むように弾性変形させられた状態で配置され、溶融部材が溶融することによって弾性変形が解消し、端子間が導通部材によって電気的に接続されるものが挙げられる。この場合、溶融部材が溶融したときに導通部材と端子の一方における他方に接触する部分が凸となっている構造とすれば、導通部材と端子をより確実に接触させることができる。

本発明の第一実施形態にかかる回路保護装置を模式的に示した図であって、（ａ）は溶融部材が固体状態にあるときを、（ｂ）は溶融部材が溶融し、端子間が導通部材によって電気的に接続された状態を示している。 回路保護装置を用いた保護機能付回路の一例を示した図である。 図１に示した第一実施形態にかかる回路保護装置の変形例を模式的に示した図である。 本発明の第二実施形態にかかる回路保護装置を模式的に示した図であって、（ａ）は溶融部材が固体状態にあるときを、（ｂ）は溶融部材が溶融し、端子間が導通部材によって電気的に接続された状態を示している。 図４に示した第二実施形態にかかる回路保護装置の変形例を模式的に示した図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、特に明示した場合を除き、以下の説明における高さ方向（上下方向）とは、各図（図１、図３〜図５）における上下方向をいう。

図１に示す本発明の第一実施形態にかかる回路保護装置１は、溶融部材１０、導通部材２０および端子３０を備える。溶融部材１０は、溶融していない固体の状態において、導通部材２０を支持する。本実施形態における溶融部材１０は、導電性材料で形成されている。後述するように、回路保護装置１は、溶融部材１０が溶融することによって動作する（溶融部材１０の溶融がトリガーとなっている）ものであるため、溶融部材１０の融点は回路保護装置１が搭載される回路の仕様に応じて適宜設定すればよい。つまり、回路を保護すべき温度（異常発熱温度）を低く設定する場合であればあるほど、溶融部材１０の融点を低くする。溶融部材１０としては、はんだ等の比較的低融点である導電性材料が適用できる。

導通部材２０は、少なくとも一部が導電性材料で形成された部材である。具体的には、後述するように、溶融部材１０が溶融したとき、導通部材２０は第一端子３１と第二端子３２に接触することとなるが、両端子３０に接触する部分として一体的な（分断されていない）導電性材料を含むものであればよい。導通部材２０を構成する導電性材料は、電気抵抗が小さい材料であるほうがよい。

本実施形態における導通部材２０は、第一端子３１と第二端子３２の両方の少なくとも一部と重なるように両端子３０の上側に配置されている。導通部材２０の一方端側と他方端側は、固体状態にある溶融部材１０に支持されている。具体的には、導通部材２０は、二つの溶融部材１０によって二点支持されている。このように、端子３０と導通部材２０の間に溶融部材１０が介在されることにより、端子３０と導通部材２０は非接触の状態にある。すなわち、溶融部材１０が固体状態にあるときには、第一端子３１と第二端子３２は電気的に導通していない。

端子３０（第一端子３１および第二端子３２）は、回路保護装置１が動作したときに導通（短絡）する部分である。本実施形態にかかる回路保護装置１は、端子３０を含めたひとまとまりのユニット（パッケージングされた素子（チップ））であって、当該ユニット自体が端子３０を有しており、回路保護装置１が保護対象の回路に組み込まれることで、各端子３０が回路を構成する導電路に接続される。保護対象となる回路を構成する導電路の一部が、上記端子３０として機能する構成（溶融部材１０および導通部材２０を有するひとまとまりのユニットが回路に組み込まれることで、当該ユニットと回路の一部である端子３０によって回路保護装置１が構築される構成）としてもよい。

本実施形態にかかる回路保護装置１は、さらに、導通部材２０を端子３０に向けて付勢する付勢部材４０を備える。つまり、付勢部材４０は、導通部材２０を下方に向けて付勢する。導通部材２０が端子３０に接触する位置まで導通部材２０に対し付勢力が作用するものであれば、当該付勢部材４０の具体的な構造はどのようなものであってもよい。例えば、回路保護装置１をひとまとまりのユニットとして構成する場合には、当該ユニットのケースに付勢部材４０を固定しておけばよい。また、保護対象回路の少なくとも一部が基板９０に形成され、当該基板９０を収容するケースが用いられる等の使用環境が想定されるのであれば、当該ケースに付勢部材４０を固定してもよい。

このように構成される回路保護装置１を適用した回路（保護機能付回路５０）の一例を図２に示す。図２に示す保護機能付回路５０（以下、単に本回路と称する）は、車両に搭載されるデュアルバッテリ回路の一例である。本回路は、第一種負荷５５と並列に接続された第一バッテリ５１（メインバッテリ）、第二種負荷５６と並列に接続された第二バッテリ５２（サブバッテリ）、第一バッテリ５１と並列に接続された発電機５４（オルタネータ）、第一バッテリ５１と第二バッテリ５２間に介在されたスイッチ５３（第一バッテリ５１と第二バッテリ５２がスイッチ５３を介して並列に接続されている）、および、スイッチ５３（スイッチ駆動手段５７によってＯＮ／ＯＦＦ制御される）に並列に接続された回路保護装置１（第一端子３１が第一バッテリ５１に、第二端子３２が第二バッテリ５２に接続されている）を含むものである。

第一種負荷５５としては、車両のエンジン始動用の負荷（スタータ）等が例示できる。第二種負荷５６としては、第一種負荷５５以外の車両に搭載された各種機器が例示できる。第一種負荷５５および第二種負荷５６とも、複数の負荷を含むものであってもよい。スイッチ５３としては、トランジスタスイッチ５３（ＦＥＴ）等が例示できる。第一バッテリ５１や第二バッテリ５２の種類はどのようなものであってもよいが、第一バッテリ５１としてはエンジン始動用の電池として好適な鉛電池等が例示でき、第二バッテリ５２としてはリチウムイオン電池、ニッケル水素電池等が例示できる。

エンジンを始動させる際には、スイッチ５３をＯＦＦとし、第一バッテリ５１と第二バッテリ５２を切り離す。エンジン始動時の大きな電圧変動によって、第二種負荷５６の動作に悪影響が及ばないようにするためである。これにより、エンジン始動時において第二種負荷５６の駆動には、第二バッテリ５２のみ寄与し、第一バッテリ５１が寄与しないこととなる。一方、エンジンを始動させるとき以外のとき（常態時）には、スイッチ５３をＯＮとする。つまり、第一バッテリ５１と第二バッテリ５２が並列に接続された状態となり、両バッテリから各負荷に電力が供給される。

本回路において、スイッチ５３がハーフオン（半オン）故障した場合、第二種負荷５６への供給電力が低下してしまうおそれがある。例えば、第二種負荷５６として各種モニタが設定されている場合には、当該モニタのちらつき等が発生してしまう。第二種負荷５６として車両の駆動に大きな影響を与える重要負荷（例えば、燃料供給用のシステムを構築するアクチュエータ等）が設定されている場合には、車両の走行に大きな影響を与えてしまうおそれがある。そのため、スイッチ５３のハーフオン故障が発生したときであっても、第一バッテリ５１（発電機５４）と第二バッテリ５２が接続された状態、すなわち両方のバッテリから第二種負荷５６に電力が供給される状態が維持されることが望ましい。つまり、異常が生じた場合であっても、安全性の観点から、第一バッテリ５１と第二バッテリ５２間が導通状態にあること（常態時と同じ状態にあること）が望ましい。

本回路では、スイッチ５３のハーフオン故障が発生したときに、その発熱によって回路保護装置１が次のように動作する。まず、スイッチ５３の発熱によって溶融部材１０が溶融する。溶融部材１０が溶融すると、それに支持されていた導通部材２０が端子３０に向かって移動する。本実施形態にかかる回路保護装置１では、導通部材２０は付勢部材４０によって端子３０側に付勢されているため、当該付勢力および重力によって導通部材２０は端子３０に向かって移動する。これにより、導通部材２０が第一端子３１および第二端子３２の両方に接触し（導通部材２０が端子３０に接触するとは、導通部材２０と端子３０が直接接触するようなものだけでなく、溶融部材１０が導電性材料で形成される場合には、当該溶融部材１０を介して接触（接続）するものも含む。以下同じ）、両端子３０間を電気的に接続する。つまり、第一バッテリ５１と第二バッテリ５２間が導通した状態となる。これにより、スイッチ５３のハーフオン故障が生じた場合であっても、第一バッテリ５１（発電機５４）と第二バッテリ５２が接続された状態が維持される。なお、付勢部材４０を設けず、溶融部材１０が溶融したとき、重力によって導通部材２０が端子３０に向かって移動する構造としてもよい。

このように、本実施形態にかかる回路保護装置１は、常態時にスイッチ５３がＯＮとされることによって導通状態とされる導電路を含む回路において、当該スイッチ５３に対し並列に接続されるものである。このように設けられた回路保護装置１は、ハーフオン故障等によってスイッチ５３を介した導通状態が維持できなくなるおそれがあるときに作動し、安全が確保される導通状態を維持する役割を果たす。

第一実施形態にかかる回路保護装置１は、図３に示すような誘導部２１や押さえ部２２が導通部材２０に形成された構成にするとよい。なお、図３に示すように誘導部２１と押さえ部２２の両方が形成された構成としてもよいし、一方のみが形成された構成としてもよい。

誘導部２１は、導電性材料で形成された溶融部材１０が溶融したとき、当該溶融した溶融部材１０を導通部材２０と端子３０の接触部分に導くものである。その一例としては、毛管現象によって溶融した溶融部材１０を導通部材２０と端子３０の接触部分に導くスリットが挙げられる。つまり、導通部材２０には、固体状態の溶融部材１０に支持される部分から、一方の端子３０に接触する部分まで延びる一または複数のスリットが誘導部２１として形成される。このような誘導部２１が形成されることにより、導通部材２０と端子３０の接触部分まで流れ込む溶融部材１０を増加させることができるため、導通部材２０と端子３０の接続信頼性、ひいては回路保護装置１の動作信頼性を高めることができる。

押さえ部２２は、導電性材料で形成された溶融部材１０が溶融したとき、当該溶融した溶融部材１０が外側に流れるのを抑制するものである。図３に示した構成は、導通部材２０に固体状態の溶融部材１０が嵌まり込む凹部２０ａが形成されており、当該凹部２０ａを構成する外側の壁部が押さえ部２２として機能するものである。つまり、押さえ部２２は、固体状態の溶融部材１０が接触する部分よりも下方側に突出したものであればよい。ただし、溶融部材１０が溶融したとき、押さえ部２２によって導通部材２０と端子３０が接触できない構造とならないようにしなければならないため、固体状態の溶融部材１０が嵌まり込む凹部２０ａを形成することで、導通部材２０と端子３０が接触できる構造を確保しつつ、当該凹部２０ａを構成する外側の壁部が押さえ部２２として機能するようにしている。

本発明の第二実施形態にかかる回路保護装置２について、上記第一実施形態にかかる回路保護装置１と異なる点を中心に説明する。なお、本実施形態にかかる回路保護装置２も、上記保護機能付回路５０に適用することができる。

第二実施形態にかかる回路保護装置２は、導通部材２０が固体状態にある溶融部材１０によって端子３０から離れる方向に弾性変形させられた状態となっているものである。溶融部材１０が固体状態にあるとき、弾性変形させられた状態にある導通部材２０が、第一端子３１と第二端子３２の少なくともいずれか一方に接触していなければよい。

導通部材２０は、その一方端側に設定される支点２３が基板９０等に支持された（片持ち状に支持された）状態にある。支点２３の構造はどのようなものであってもよい。図４に示した構成では、導通部材２０の支点２３に近い側の端子３０上に溶融部材１０が配置され、その溶融部材１０によって導通部材２０が弾性変形した状態にある。導通部材２０と一方の端子３０は溶融部材１０を介して接触するが、他方の端子３０は接触していないため、溶融部材１０が溶融しない限り、両端子３０間が電気的に接続されていない状態が維持される。溶融部材１０が溶融すると、導通部材２０がその変形量を小さくする方向に変位し、両端子３０に接触する。これにより、両端子３０間が電気的に接続された状態となる。

導通部材２０には、溶融部材１０が溶融したときに端子３０に接触する凸部２４が形成されているとよい。これにより、導通部材２０と端子３０間の電気的接続の信頼性が向上する。端子３０に導通部材２０側に突出した凸部２４が形成された構造としてもよい。

また、図４に示した構成では、導通部材２０の支点２３に近い側の端子３０上に溶融部材１０が配置されているが、支点２３に遠い側の端子３０上に溶融部材１０が配置されていてもよい。ただし、支点２３に近い側の端子３０上に溶融部材１０が配置されていれば、溶融部材１０が配置されていない方の端子３０と導通部材２０の絶縁距離を大きくすることができるという点で好ましい。

一方、図５に示すように、溶融部材１０を端子３０上に配置しない構造とすることもできる。図５に示した構成は、導通部材２０における支点２３とは反対側の端部側を支持するように溶融部材１０が配置されるものである。このように、溶融部材１０を端子３０上に配置しない構造とする場合には、上述したような、溶融した溶融部材１０が導通部材２０と端子３０の接触部分に流れるよう誘導する誘導部２１や、溶融した溶融部材１０が外側に流れるのを押さえる押さえ部２２に相当するものが導通部材２０に形成された構成にするとよい。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に何ら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で種々の改変が可能である。

例えば、上記実施形態では、溶融した溶融部材１０が導通部材２０と端子３０の接触部分に流れるように誘導する誘導部２１が導通部材２０に形成されていることを説明したが、溶融部材１０のぬれ性を促進させる材料を導通部材２０や端子３０に塗布し、導通部材２０と端子３０の接触部分に流れ込む溶融部材１０の量を増加させるようにしてもよい。溶融部材１０としてはんだを使用する場合には、ぬれ性を促進させる材料としてフラックス（松やに）等を用いればよい。

１、２ 回路保護装置
１０ 溶融部材
２０ 導通部材
２１ 誘導部
２２ 押さえ部
２４ 凸部
３０ 端子
３１ 第一端子
３２ 第二端子
４０ 付勢部材
５０ 保護機能付回路
５１ 第一バッテリ
５２ 第二バッテリ
５３ スイッチ
５４ 発電機
５５ 第一種負荷
５６ 第二種負荷
５７ スイッチ駆動手段

Claims (9)

1. 所定の温度で溶融する溶融部材と、
   少なくとも一部が導電性材料で形成され、前記溶融部材に接触する導通部材と、
   互いに離れた状態にある端子組と、
   を備え、
   前記溶融部材が溶融することで前記導通部材が変位し、当該変位した導通部材を介して前記端子間が電気的に接続された状態となることを特徴とする回路保護装置。
2. 前記溶融部材は導電性材料からなることを特徴とする請求項１に記載の回路保護装置。
3. 前記導通部材には、前記溶融部材が溶融したとき、当該溶融した溶融部材を前記導通部材と前記端子の接触部分に導く誘導部が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の回路保護装置。
4. 前記導通部材には、前記溶融部材が溶融したとき、当該溶融した溶融部材が外側に流れるのを抑制する押さえ部が形成されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の回路保護装置。
5. 前記導通部材は、一方端側およびその反対側が前記溶融部材に支持された状態で、所定の間隔を隔てて前記端子上に位置していることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の回路保護装置。
6. 前記導通部材を前記端子に向けて付勢する付勢部材が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の回路保護装置。
7. 前記導通部材は、
   その一端が、前記端子部が設けられたベース部材に固定されており、
   当該一端とその反対側の他端との間の所定部位に前記溶融部材が接触し、前記端子が位置する側とは反対側に撓むように弾性変形させられた状態にあることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の回路保護装置。
8. 前記導通部材および前記端子のいずれか一方は、前記溶融部材が溶融したときに、他方に接触する部分が凸となっていることを特徴とする請求項７に記載の回路保護装置。
9. 常態時においてスイッチがＯＮとされることにより導通状態とされる導電路を含む回路であって、
   請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の回路保護装置が、前記スイッチに対して並列に接続されていることを特徴とする保護機能付回路。

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