JP3640146B2 - 保護素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、異常時に発熱体に通電されるようにすることにより発熱体が発熱し、低融点金属体が溶断する保護素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、過電流を遮断する保護素子として、鉛、スズ、アンチモン等の低融点金属体が過電流により溶断する電流ヒューズが広く知られている。また、過電流だけでなく過電圧も防止するために使用できる保護素子として、発熱体と低融点金属体とからなる保護素子が知られている（特許２７９０４３３号公報、特開平８−１６１９９０号公報等）。
【０００３】
図９は、このような保護素子１p を用いた過電圧防止装置の回路図であり、図１０は、保護素子１p の平面図（同図（ａ））及び断面図（同図（ｂ））である。この保護素子１p は基板２上に、抵抗ペーストの塗布などにより形成される発熱体３、絶縁層４、ヒューズ材料からなる低融点金属体５が順次積層された構造を有している。図中、６ａ、６ｂは発熱体用電極であり、７ａ、７ｂは低融点金属体用電極である。また、８は固形フラックス等からなり、低融点金属体５の表面酸化を防止するために低融点金属体５を封止している内側封止部であり、９は低融点金属体５よりも高融点又は高軟化点を有する材料からなり、低融点金属体５の溶断時に溶融物が素子外へ流出することを防止する外側封止部である。
【０００４】
この保護素子１p を用いた図９の過電圧防止装置において、端子Ａ1、Ａ2には、例えばリチウムイオン電池等の被保護装置の電極端子が接続され、端子Ｂ1、Ｂ2には、被保護装置に接続して使用される充電器等の装置の電極端子が接続される。この過電圧防止装置によれば、リチウムイオン電池の充電が進行し、ツエナダイオードＤに降伏電圧以上の逆電圧が印加されると、急激にベース電流ｉb が流れ、それにより大きなコレクタ電流ｉc が発熱体３に流れ、発熱体３が発熱する。この熱が、発熱体３上の低融点金属体５に伝達し、低融点金属体５が溶断し、端子Ａ1、Ａ2 に過電圧の印加されることが防止される。
【０００５】
しかしながら、図９の過電圧防止装置では、過電圧により低融点金属体５が溶断した後も引き続き発熱体３への通電が持続する。これに対しては、図１１の回路を有する過電圧防止装置が知られている。図１２は、この過電圧防止装置に用いられる保護素子１qの平面図（同図（ａ））及び断面図（同図（ｂ））である。この保護素子１ｑにおいては、中間電極６ｃを介して２つの発熱体３が接続され、その上に絶縁層４を介して低融点金属体５が設けられている。
【０００６】
図１１の過電圧防止装置によれば、発熱体３の発熱により、低融点金属体５が５ａと５ｂの２カ所で溶断されるので、これらの溶断の後は、発熱体３への通電が完全に遮断される。
【０００７】
また、図１３に示すように、発熱体３と低融点金属体５を絶縁層４を介して積層することなく、基板２上に発熱体３と低融点金属体５とを平面的に配置した保護素子１ｒも知られている。図中、６ｄ、６ｅ、６ｆ、６ｇは、それぞれ電極であり、８はフラックスの塗布膜からなる内側封止部である。（特開平１０−１１６５４９号公報、特開平１０−１１６５５０号公報）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１０や図１２に示した保護素子１ｐ、１ｑのように、発熱体３と低融点金属体５を絶縁層４を介して積層すると、発熱体３の発熱時に絶縁層４分の熱伝達の遅れにより低融点金属体５の昇温が遅れるので、動作時間（即ち、発熱体３が通電された後、低融点金属体５が溶断するまでの時間）を短縮することが困難となる。また、絶縁層４にガラス成分を使用した場合には、発熱時に絶縁層４が流動し、溶断特性に悪影響が及ぼされるおそれもある。
【０００９】
一方、図１３の保護素子１ｒのように、基板２上に発熱体３と低融点金属体５とを平面的に配置した構造では、発熱体３や低融点金属体５を配置する平面的なスペースが各々別個に必要であるため、素子の平面形状を小型化することができない。それ故、この保護素子１ｒは、発熱体３と低融点金属体５とを絶縁層４を介して積層した上述の保護素子１ｐ、１ｑに比して大型化してしまう。
【００１０】
ここで保護素子１ｒを単に小型化すると電極面積が小さくなるため、定格電流が低くなるか、又は発熱量が不十分になるので低融点金属体５が溶断しなくなる。
【００１１】
また、この保護素子１ｒでは、発熱時の発熱体３からの熱伝導が電極６ｇと基板２とを介してなされるので低融点金属体５の昇温が遅れるため、動作時間が遅くなる。動作時間の遅れを解消するために基板２の熱伝導率を高くすると、この保護素子１ｒがベース回路基板に半田で実装されている場合、低融点金属体５の溶断前に実装用の半田が溶融し、保護素子１ｒがベース回路基板から脱落するという問題が生じる。また、動作時間の遅れを解消するために低融点金属体５の融点を低くすると、保護素子１ｒの実装時の耐リフロー性が不足し、自動実装に対応できず、保護素子１ｒが手付部品となってしまう。
【００１２】
本発明は以上のような従来技術の問題点を解決しようとするものであり、発熱体に通電することにより低融点金属体を溶断する保護素子において、定格電流を低下させることなく素子の小型化を可能とし、さらに動作時間を短縮することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、基板上に発熱体及び低融点金属体を有し、発熱体の発熱により低融点金属体が溶断する保護素子において、その溶断を生じさせるためには、低融点金属体が溶融時に濡れ広がって溶断に至るスペースが充分に確保されていることが重要であること、低融点金属体が接している発熱体や電極等の、溶融時の低融点金属体に対する濡れ性を向上させることにより、低融点金属体を容易に溶断できること、またこの場合、発熱体による加熱部位としては、低融点金属体の溶断時にその低融点金属体で濡れる部分あるいはその近傍を加熱すればよいこと、したがって、従来の図１０や図１２の保護素子１ｐ、１ｑのように、発熱体上に絶縁層を介して低融点金属体を積層し、発熱体全体を発熱させることは必ずしも必要ではないことを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１４】
即ち、本発明は、基板上に発熱体及び低融点金属体を有し、発熱体の発熱により低融点金属体が溶断する保護素子であって、低融点金属体の両端にそれぞれ電極が形成され、これらの電極の間に、これらの電極と接しない位置に発熱体が設けられており、発熱体と低融点金属体が絶縁層を介さずに積層されている保護素子を提供する。ここで、本発明のこの保護素子のより詳しい態様としては、発熱体上に、発熱体及び低融点金属体よりも導電率の高い第１の良導電体層が形成され、該第１の良導電体層上に低融点金属体が積層されていることを特徴とするもの、そして、基板上に、発熱体及び低融点金属体よりも導電率の高い第２の良導電体層が形成され、該第２の良導電体層上にそれを覆うように発熱体が形成されていることを特徴とするものが挙げられる。
【００１５】
本発明の保護素子によれば、発熱体と低融点金属体とが絶縁層を介することなく積層されているので、発熱体の発熱時に低融点金属体が速やかに昇温し、動作時間を短縮することが可能となる。また、従来例のように、絶縁層が低融点金属体の溶断特性に悪影響を及ぼすおそれもない。
【００１６】
さらに、従来の保護素子に比して、保護素子に占める低融点金属体の面積や体積の比率を大きくすることができるので、保護素子の定格電流を低下させることなく保護素子を小型化することが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明を詳細に説明する。なお、各図中、同一符号は、同一又は同等の構成要素を表している。
【００１８】
図１は、図９の過電圧防止装置中の保護素子１ｐと同様の回路を実現することのできる本発明の保護素子１Ａの平面図（同図（ａ））、断面図（同図（ｂ））及び低融点金属体が溶断状態の断面図（同図（ｃ））である。
【００１９】
この保護素子１Ａは、基板２上に低融点金属体用電極７ａ及び発熱体３を有し、これら低融点金属体用電極７ａ及び発熱体３上に直接的に低融点金属体５が形成されている。また、図示していないが、低融点金属体５の上には、その表面酸化を防止するために、固形フラックス等からなる内側封止部を設け、その外側には、低融点金属体５の溶断時に溶融物が素子外へ流出することを防止する外側封止部やキャップを設けることができる。
【００２０】
ここで、基板２としては、特に制限はなく、プラスチックフィルム、ガラスエポキシ基板、セラミック基板、金属基板等を使用することができるが、無機系基板を使用することが好ましい。
【００２１】
発熱体３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水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、必要に応じて焼成することにより形成できる。また、発熱体３としては、酸化ルテニウム、カーボンブラック等の薄膜を印刷、メッキ、蒸着、スパッタで形成してもよく、これらのフィルムの貼付、積層等により形成してもよい。
【００２２】
低融点金属体５は、発熱体３の昇温時に熱溶融して発熱体３や低融点金属体用電極７ａを十分に濡らし、速やかに溶断するように、その面積は広い方が好ましい。また、この面積に応じて、定格電流を高くすることができる。
【００２３】
低融点金属体５の形成材料としては、従来よりヒューズ材料として使用されている種々の低融点金属体を使用することができ、例えば、特開平８−１６１９９０号公報の段落［００１９］の表１に記載の合金を使用することができる。
【００２４】
低融点金属体用電極７ａとしては、銅等の金属単体、あるいは表面がＡｇ−Ｐｔ、Ａｕ等でメッキされている電極を使用することができる。発熱体３の発熱時に低融点金属体５の溶断をより速やかに生じさせるためには、低融点金属体用電極７ａの少なくとも低融点金属体５側の表面には、低融点金属体５の熱溶融時の濡れ性の高い金属を使用することが好ましい。このような金属としては、Ａｇ−Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ−Ｐｄ等をあげることができる。
【００２５】
この保護素子１Ａを使用して図９の過電圧防止装置を構成すると、図１０の従来の保護素子１ｐを使用した場合と同様に、大きなコレクタ電流ｉc が発熱体３に流れたときに発熱体３が発熱するが、この熱は、絶縁層を介することなく発熱体３上の低融点金属体５に直接伝達し、速やかに、図１（ｃ）に示すように低融点金属体５を溶断することが可能となる。
【００２６】
図２は、図１の保護素子１Ａと同様に、図９の過電圧防止装置に使用することのできる保護素子１Ｂの平面図（同図（ａ））及び断面図（同図（ｂ））である。この保護素子１Ｂでは、基板２上の発熱体３の一部を覆うように第１の低融点金属体用電極７ａが形成されており、この第１の低融点金属体用電極７ａと、基板２上の別個に形成された第２の低融点金属体用電極７ｂとを橋掛けするように低融点金属体５が形成されている。この保護素子１Ｂにおいて、低融点金属体５の両端に位置する低融点金属体用電極７ａ、７ｂの双方を、低融点金属体５の熱溶融時の濡れ性のよい金属から構成すると、発熱体３の発熱時に低融点金属体５をいっそう速やかに溶断させることが可能となる。
【００２７】
図３は、図１１の過電圧防止装置中の保護素子１ｑと同様の回路を実現することのできる本発明の保護素子１Ｃの平面図（同図（ａ））及び断面図（同図（ｂ））である。
【００２８】
この保護素子１Ｃにおいては、低融点金属体用電極７ａ、７ｂが低融点金属体５の両端に位置するように形成され、これらの電極７ａ、７ｂの間において、これらの電極７ａ、７ｂと接しない位置に発熱体３が形成されている。したがって、発熱体３の発熱時には、低融点金属体５が、発熱体３と電極７ａとの間及び発熱体３と電極７ｂとの間の２カ所で溶断する。
【００２９】
図４の保護素子１Ｄは、図３の保護素子１Ｃにおいて、発熱体３の発熱時に低融点金属体５が速やかに溶断するように、発熱体３上に、熱溶融時の低融点金属体５と濡れ性の高い金属層１０を形成し、その上に低融点金属体５を積層したものである。このような金属としては、前述の図１の保護素子１Ａの低融点金属体電極７ａの構成材料と同様に、Ａｇ−Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ−Ｐｄ等をあげることができる。
【００３０】
図５の保護素子１Ｅは、図３の保護素子１Ｃにおいて、発熱体３の発熱時に、発熱体３上の低融点金属体５が均一に加熱されるように、発熱体３よりも導電率の高い良導電体層１１を発熱体３上に設けたものであり、図６の保護素子１Ｆは、低融点金属体５がさらに均一に加熱されるように、発熱体３の上面に第１の良導電体層１１ａを設けると共に、発熱体３の下面にも第２の良導電体層１１ｂを設けたものである。このような良導電体層１１ａ、１１ｂは、Ａｇ−Ｐｔ、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｕ等から形成することができる。
【００３１】
図７の保護素子１Ｇは、発熱体３上の低融点金属体５が均一に加熱されるように発熱体３を櫛歯状に形成したものである。
【００３２】
図８は、さらに異なる本発明の保護素子１Ｈの平面図（同図（ａ））、断面図（同図（ｂ））及び低融点金属体が溶断状態の断面図（同図（ｃ））である。この保護素子１Ｈでは、図６の保護素子１Ｆのように、良導電体層１１ａ、１１ｂを発熱体３の上下両面に設けるにあたり、発熱体３の上下の良導電体層１１ａ、１１ｂが短絡することを防止するため、発熱体３の下面の良導電体層１１ｂが発熱体３で覆われるようにし、また、均一加熱のために、第２の良導電体層１１ｂの内部から中間電極６ｃが導出されている。中間電極６ｃは、その抵抗値を、発熱体３よりも低く、良導電体層１１ａ、１１ｂよりも高くすることが好ましい。より具体的には、低融点金属体用電極７ａ、７ｂや良導電体層１１ａ、１１ｂに比して、体積抵抗が１桁以上高いものが好ましい。
【００３３】
以上、図示した態様の他に本発明の保護素子は基板上で発熱体と低融点金属体が絶縁層を介さずに積層されている限り、種々の態様をとることができる。
【００３４】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
【００３５】
実施例１
図８の保護素子１Ｈを次のようにして作製した。基板２として、アルミナセラミック基板（厚さ０．５ｍｍ、サイズ５ｍｍ×３ｍｍ）を用意し、これに、まず中間電極６ｃを形成するため、Ａｇ−Ｐｄペースト（デュポン社製、６１７７Ｔ）を印刷し（厚さ１０μｍ、大きさ０．４ｍｍ×２．０ｍｍ）、８５０℃で３０分間焼成した。次に、良導電体層１１ｂを形成するため、Ａｇ−Ｐｔペースト（デュポン社製、５１６４Ｎ）を印刷し（厚さ１０μｍ、大きさ１．５ｍｍ×１．８ｍｍ）、８５０℃で３０分間焼成した。次に、発熱体３を形成するために、良導電体層１１ｂを覆うように酸化ルテニウム系抵抗ペースト（デュポン社製、ＤＰ１９００）を印刷し（厚さ５０μｍ）、８５０℃で３０分間焼成した。得られた発熱体３のパターン抵抗値は１Ωであった。さらに、発熱体３上に良導電体層１１ａを形成するため、Ａｇ−Ｐｔペースト（デュポン社製、５１６４Ｎ）を印刷し（厚さ１０μｍ）、８５０℃で３０分間焼成した。
【００３６】
また、基板２上に低融点金属体用電極７ａ、７ｂを形成するため、Ａｇ−Ｐｔペースト（デュポン社製、５１６４Ｎ）を印刷し（厚さ１０μｍ、大きさ１．０ｍｍ×３．０ｍｍ）、８５０℃で３０分間焼成した。
【００３７】
次に、低融点金属体５を形成するために、低融点金属体用電極７ａ、良導電体層１１ａ及び低融点金属体用電極７ｂに掛かるように低融点金属箔（Ｓｎ：Ｓｂ＝９５：５、液相点２４０℃）（大きさ１ｍｍ×４ｍｍ）を熱圧着した。
【００３８】
この低融点金属体５側に液晶ポリマーキャップを搭載し、保護素子１Ｈとした。
【００３９】
比較例１
図１２に示した保護素子１ｑを次のように作製した。基板２として、アルミナ系セラミック基板（厚さ０．５ｍｍ、サイズ５ｍｍ×３ｍｍ）を用意し、これに、低融点金属体用電極７ａ、７ｂ、発熱体用電極６ａ及び中間電極６ｃを形成するため、Ａｇペースト（デュポン社製、ＱＳ１７４）を印刷し、８７０℃で３０分間焼成した。次に、一対の発熱体３を形成するために、酸化ルテニウム系抵抗ペースト（デュポン社製、ＤＰ１９００）を印刷し、８７０℃で３０分間焼成した。各発熱体３（厚さ１０μｍ、大きさ０．１ｍｍ×２．０ｍｍ）の抵抗値は４Ωであった。次に、各発熱体３上にシリカ系絶縁ペースト（デュポン社製、ＡＰ５３４６）を印刷し、５００℃で３０分間焼成して絶縁層４を形成した。次に、低融点金属体５として、低融点金属箔（Ｓｎ：Ｓｂ＝９５：５、液相点２４０℃）（大きさ１ｍｍ×４ｍｍ）を熱圧着した。
【００４０】
この低融点金属体５側に液晶ポリマーキャップを搭載し、保護素子１ｑとした。
【００４１】
実施例２
実施例１と同様の構成で、実施例１と同等の定格電流値（低融点金属箔の断面積）を保持しながら、低融点金属箔の大きさを１ｍｍ×２ｍｍまで小型化し、保護素子全体の大きさ（即ち、基板２の大きさ）を３．５ｍｍ×２．５ｍｍまで小型化した。
【００４２】
比較例２
比較例１と同様の構成で、単純に低融点金属箔の大きさを１ｍｍ×２ｍｍまで小型化し、保護素子全体の大きさを３．５ｍｍ×２．５ｍｍまで小型化した。
【００４３】
評価
各実施例及び比較例の発熱体３に消費電力４Ｗとなるように電圧を印加し、低融点金属体５が溶断するまでの時間を測定した。
【００４４】
その結果、比較例１の保護素子は溶断に２１秒を要したが、実施例１の保護素子は１５秒であった。また、実施例２の保護素子は、実施例１の保護素子に比して小型化されているため、実施例１の保護素子に比して熱容量及び放熱量が共に小さくなり、溶断時間は１０秒に短縮された。これに対して、比較例２の保護素子は、低融点金属体５が溶融した後、中間電極６ｃあるいは低融点金属体用電極７ａ、７ｂ上に、その熱溶融した低融点金属体５で濡れるための面積を確保できなかったため、電圧を１２０秒印加しても低融点金属体５は溶断しなかった。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、発熱体に通電し、発熱体を発熱させ、この発熱により低融点金属体を溶断する保護素子において、絶縁層を介さずに、発熱体と低融点金属体とを立体的に配置する。したがって、動作時間を短縮することが可能となる。また、定格電流を低下させることなく保護素子の小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の保護素子の平面図（同図（ａ））、断面図（同図（ｂ））及び低融点金属体の溶断時の断面図（同図（ｃ））である。
【図２】 本発明の保護素子の平面図（同図（ａ））及び断面図（同図（ｂ））である。
【図３】 本発明の保護素子の平面図（同図（ａ））及び断面図（同図（ｂ））である。
【図４】 本発明の保護素子の断面図である。
【図５】 本発明の保護素子の断面図である。
【図６】 本発明の保護素子の断面図である。
【図７】 本発明の保護素子の平面図である。
【図８】 本発明の保護素子の平面図（同図（ａ））、断面図（同図（ｂ））及び低融点金属体の溶断時の断面図（同図（ｃ））である。
【図９】 過電圧防止装置の回路図である。
【図１０】 従来の保護素子の平面図（同図（ａ））及び断面図（同図（ｂ））である。
【図１１】 過電圧防止装置の回路図である。
【図１２】 従来の保護素子の平面図（同図（ａ））及び断面図（同図（ｂ））である。
【図１３】 従来の保護素子の平面図である。
【符号の説明】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ、１Ｈ…保護素子、
２…基板、
３…発熱体、
４…絶縁層、
５…低融点金属体、
６ａ、６ｂ…発熱体用電極、
６ｃ…中間電極
６ｄ、６ｅ、６ｆ、６ｇ…電極
７ａ、７ｂ…低融点金属体用電極
８…内側封止部、
９…外側封止部、
１０…低融点金属体の熱溶融時の濡れ性を向上させる金属層
１１…良導電体層
【発明の属する技術分野】
本発明は、異常時に発熱体に通電されるようにすることにより発熱体が発熱し、低融点金属体が溶断する保護素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、過電流を遮断する保護素子として、鉛、スズ、アンチモン等の低融点金属体が過電流により溶断する電流ヒューズが広く知られている。また、過電流だけでなく過電圧も防止するために使用できる保護素子として、発熱体と低融点金属体とからなる保護素子が知られている（特許２７９０４３３号公報、特開平８−１６１９９０号公報等）。
【０００３】
図９は、このような保護素子１p を用いた過電圧防止装置の回路図であり、図１０は、保護素子１p の平面図（同図（ａ））及び断面図（同図（ｂ））である。この保護素子１p は基板２上に、抵抗ペーストの塗布などにより形成される発熱体３、絶縁層４、ヒューズ材料からなる低融点金属体５が順次積層された構造を有している。図中、６ａ、６ｂは発熱体用電極であり、７ａ、７ｂは低融点金属体用電極である。また、８は固形フラックス等からなり、低融点金属体５の表面酸化を防止するために低融点金属体５を封止している内側封止部であり、９は低融点金属体５よりも高融点又は高軟化点を有する材料からなり、低融点金属体５の溶断時に溶融物が素子外へ流出することを防止する外側封止部である。
【０００４】
この保護素子１p を用いた図９の過電圧防止装置において、端子Ａ1、Ａ2には、例えばリチウムイオン電池等の被保護装置の電極端子が接続され、端子Ｂ1、Ｂ2には、被保護装置に接続して使用される充電器等の装置の電極端子が接続される。この過電圧防止装置によれば、リチウムイオン電池の充電が進行し、ツエナダイオードＤに降伏電圧以上の逆電圧が印加されると、急激にベース電流ｉb が流れ、それにより大きなコレクタ電流ｉc が発熱体３に流れ、発熱体３が発熱する。この熱が、発熱体３上の低融点金属体５に伝達し、低融点金属体５が溶断し、端子Ａ1、Ａ2 に過電圧の印加されることが防止される。
【０００５】
しかしながら、図９の過電圧防止装置では、過電圧により低融点金属体５が溶断した後も引き続き発熱体３への通電が持続する。これに対しては、図１１の回路を有する過電圧防止装置が知られている。図１２は、この過電圧防止装置に用いられる保護素子１qの平面図（同図（ａ））及び断面図（同図（ｂ））である。この保護素子１ｑにおいては、中間電極６ｃを介して２つの発熱体３が接続され、その上に絶縁層４を介して低融点金属体５が設けられている。
【０００６】
図１１の過電圧防止装置によれば、発熱体３の発熱により、低融点金属体５が５ａと５ｂの２カ所で溶断されるので、これらの溶断の後は、発熱体３への通電が完全に遮断される。
【０００７】
また、図１３に示すように、発熱体３と低融点金属体５を絶縁層４を介して積層することなく、基板２上に発熱体３と低融点金属体５とを平面的に配置した保護素子１ｒも知られている。図中、６ｄ、６ｅ、６ｆ、６ｇは、それぞれ電極であり、８はフラックスの塗布膜からなる内側封止部である。（特開平１０−１１６５４９号公報、特開平１０−１１６５５０号公報）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１０や図１２に示した保護素子１ｐ、１ｑのように、発熱体３と低融点金属体５を絶縁層４を介して積層すると、発熱体３の発熱時に絶縁層４分の熱伝達の遅れにより低融点金属体５の昇温が遅れるので、動作時間（即ち、発熱体３が通電された後、低融点金属体５が溶断するまでの時間）を短縮することが困難となる。また、絶縁層４にガラス成分を使用した場合には、発熱時に絶縁層４が流動し、溶断特性に悪影響が及ぼされるおそれもある。
【０００９】
一方、図１３の保護素子１ｒのように、基板２上に発熱体３と低融点金属体５とを平面的に配置した構造では、発熱体３や低融点金属体５を配置する平面的なスペースが各々別個に必要であるため、素子の平面形状を小型化することができない。それ故、この保護素子１ｒは、発熱体３と低融点金属体５とを絶縁層４を介して積層した上述の保護素子１ｐ、１ｑに比して大型化してしまう。
【００１０】
ここで保護素子１ｒを単に小型化すると電極面積が小さくなるため、定格電流が低くなるか、又は発熱量が不十分になるので低融点金属体５が溶断しなくなる。
【００１１】
また、この保護素子１ｒでは、発熱時の発熱体３からの熱伝導が電極６ｇと基板２とを介してなされるので低融点金属体５の昇温が遅れるため、動作時間が遅くなる。動作時間の遅れを解消するために基板２の熱伝導率を高くすると、この保護素子１ｒがベース回路基板に半田で実装されている場合、低融点金属体５の溶断前に実装用の半田が溶融し、保護素子１ｒがベース回路基板から脱落するという問題が生じる。また、動作時間の遅れを解消するために低融点金属体５の融点を低くすると、保護素子１ｒの実装時の耐リフロー性が不足し、自動実装に対応できず、保護素子１ｒが手付部品となってしまう。
【００１２】
本発明は以上のような従来技術の問題点を解決しようとするものであり、発熱体に通電することにより低融点金属体を溶断する保護素子において、定格電流を低下させることなく素子の小型化を可能とし、さらに動作時間を短縮することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、基板上に発熱体及び低融点金属体を有し、発熱体の発熱により低融点金属体が溶断する保護素子において、その溶断を生じさせるためには、低融点金属体が溶融時に濡れ広がって溶断に至るスペースが充分に確保されていることが重要であること、低融点金属体が接している発熱体や電極等の、溶融時の低融点金属体に対する濡れ性を向上させることにより、低融点金属体を容易に溶断できること、またこの場合、発熱体による加熱部位としては、低融点金属体の溶断時にその低融点金属体で濡れる部分あるいはその近傍を加熱すればよいこと、したがって、従来の図１０や図１２の保護素子１ｐ、１ｑのように、発熱体上に絶縁層を介して低融点金属体を積層し、発熱体全体を発熱させることは必ずしも必要ではないことを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１４】
即ち、本発明は、基板上に発熱体及び低融点金属体を有し、発熱体の発熱により低融点金属体が溶断する保護素子であって、低融点金属体の両端にそれぞれ電極が形成され、これらの電極の間に、これらの電極と接しない位置に発熱体が設けられており、発熱体と低融点金属体が絶縁層を介さずに積層されている保護素子を提供する。ここで、本発明のこの保護素子のより詳しい態様としては、発熱体上に、発熱体及び低融点金属体よりも導電率の高い第１の良導電体層が形成され、該第１の良導電体層上に低融点金属体が積層されていることを特徴とするもの、そして、基板上に、発熱体及び低融点金属体よりも導電率の高い第２の良導電体層が形成され、該第２の良導電体層上にそれを覆うように発熱体が形成されていることを特徴とするものが挙げられる。
【００１５】
本発明の保護素子によれば、発熱体と低融点金属体とが絶縁層を介することなく積層されているので、発熱体の発熱時に低融点金属体が速やかに昇温し、動作時間を短縮することが可能となる。また、従来例のように、絶縁層が低融点金属体の溶断特性に悪影響を及ぼすおそれもない。
【００１６】
さらに、従来の保護素子に比して、保護素子に占める低融点金属体の面積や体積の比率を大きくすることができるので、保護素子の定格電流を低下させることなく保護素子を小型化することが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明を詳細に説明する。なお、各図中、同一符号は、同一又は同等の構成要素を表している。
【００１８】
図１は、図９の過電圧防止装置中の保護素子１ｐと同様の回路を実現することのできる本発明の保護素子１Ａの平面図（同図（ａ））、断面図（同図（ｂ））及び低融点金属体が溶断状態の断面図（同図（ｃ））である。
【００１９】
この保護素子１Ａは、基板２上に低融点金属体用電極７ａ及び発熱体３を有し、これら低融点金属体用電極７ａ及び発熱体３上に直接的に低融点金属体５が形成されている。また、図示していないが、低融点金属体５の上には、その表面酸化を防止するために、固形フラックス等からなる内側封止部を設け、その外側には、低融点金属体５の溶断時に溶融物が素子外へ流出することを防止する外側封止部やキャップを設けることができる。
【００２０】
ここで、基板２としては、特に制限はなく、プラスチックフィルム、ガラスエポキシ基板、セラミック基板、金属基板等を使用することができるが、無機系基板を使用することが好ましい。
【００２１】
発熱体３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水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、必要に応じて焼成することにより形成できる。また、発熱体３としては、酸化ルテニウム、カーボンブラック等の薄膜を印刷、メッキ、蒸着、スパッタで形成してもよく、これらのフィルムの貼付、積層等により形成してもよい。
【００２２】
低融点金属体５は、発熱体３の昇温時に熱溶融して発熱体３や低融点金属体用電極７ａを十分に濡らし、速やかに溶断するように、その面積は広い方が好ましい。また、この面積に応じて、定格電流を高くすることができる。
【００２３】
低融点金属体５の形成材料としては、従来よりヒューズ材料として使用されている種々の低融点金属体を使用することができ、例えば、特開平８−１６１９９０号公報の段落［００１９］の表１に記載の合金を使用することができる。
【００２４】
低融点金属体用電極７ａとしては、銅等の金属単体、あるいは表面がＡｇ−Ｐｔ、Ａｕ等でメッキされている電極を使用することができる。発熱体３の発熱時に低融点金属体５の溶断をより速やかに生じさせるためには、低融点金属体用電極７ａの少なくとも低融点金属体５側の表面には、低融点金属体５の熱溶融時の濡れ性の高い金属を使用することが好ましい。このような金属としては、Ａｇ−Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ−Ｐｄ等をあげることができる。
【００２５】
この保護素子１Ａを使用して図９の過電圧防止装置を構成すると、図１０の従来の保護素子１ｐを使用した場合と同様に、大きなコレクタ電流ｉc が発熱体３に流れたときに発熱体３が発熱するが、この熱は、絶縁層を介することなく発熱体３上の低融点金属体５に直接伝達し、速やかに、図１（ｃ）に示すように低融点金属体５を溶断することが可能となる。
【００２６】
図２は、図１の保護素子１Ａと同様に、図９の過電圧防止装置に使用することのできる保護素子１Ｂの平面図（同図（ａ））及び断面図（同図（ｂ））である。この保護素子１Ｂでは、基板２上の発熱体３の一部を覆うように第１の低融点金属体用電極７ａが形成されており、この第１の低融点金属体用電極７ａと、基板２上の別個に形成された第２の低融点金属体用電極７ｂとを橋掛けするように低融点金属体５が形成されている。この保護素子１Ｂにおいて、低融点金属体５の両端に位置する低融点金属体用電極７ａ、７ｂの双方を、低融点金属体５の熱溶融時の濡れ性のよい金属から構成すると、発熱体３の発熱時に低融点金属体５をいっそう速やかに溶断させることが可能となる。
【００２７】
図３は、図１１の過電圧防止装置中の保護素子１ｑと同様の回路を実現することのできる本発明の保護素子１Ｃの平面図（同図（ａ））及び断面図（同図（ｂ））である。
【００２８】
この保護素子１Ｃにおいては、低融点金属体用電極７ａ、７ｂが低融点金属体５の両端に位置するように形成され、これらの電極７ａ、７ｂの間において、これらの電極７ａ、７ｂと接しない位置に発熱体３が形成されている。したがって、発熱体３の発熱時には、低融点金属体５が、発熱体３と電極７ａとの間及び発熱体３と電極７ｂとの間の２カ所で溶断する。
【００２９】
図４の保護素子１Ｄは、図３の保護素子１Ｃにおいて、発熱体３の発熱時に低融点金属体５が速やかに溶断するように、発熱体３上に、熱溶融時の低融点金属体５と濡れ性の高い金属層１０を形成し、その上に低融点金属体５を積層したものである。このような金属としては、前述の図１の保護素子１Ａの低融点金属体電極７ａの構成材料と同様に、Ａｇ−Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ−Ｐｄ等をあげることができる。
【００３０】
図５の保護素子１Ｅは、図３の保護素子１Ｃにおいて、発熱体３の発熱時に、発熱体３上の低融点金属体５が均一に加熱されるように、発熱体３よりも導電率の高い良導電体層１１を発熱体３上に設けたものであり、図６の保護素子１Ｆは、低融点金属体５がさらに均一に加熱されるように、発熱体３の上面に第１の良導電体層１１ａを設けると共に、発熱体３の下面にも第２の良導電体層１１ｂを設けたものである。このような良導電体層１１ａ、１１ｂは、Ａｇ−Ｐｔ、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｕ等から形成することができる。
【００３１】
図７の保護素子１Ｇは、発熱体３上の低融点金属体５が均一に加熱されるように発熱体３を櫛歯状に形成したものである。
【００３２】
図８は、さらに異なる本発明の保護素子１Ｈの平面図（同図（ａ））、断面図（同図（ｂ））及び低融点金属体が溶断状態の断面図（同図（ｃ））である。この保護素子１Ｈでは、図６の保護素子１Ｆのように、良導電体層１１ａ、１１ｂを発熱体３の上下両面に設けるにあたり、発熱体３の上下の良導電体層１１ａ、１１ｂが短絡することを防止するため、発熱体３の下面の良導電体層１１ｂが発熱体３で覆われるようにし、また、均一加熱のために、第２の良導電体層１１ｂの内部から中間電極６ｃが導出されている。中間電極６ｃは、その抵抗値を、発熱体３よりも低く、良導電体層１１ａ、１１ｂよりも高くすることが好ましい。より具体的には、低融点金属体用電極７ａ、７ｂや良導電体層１１ａ、１１ｂに比して、体積抵抗が１桁以上高いものが好ましい。
【００３３】
以上、図示した態様の他に本発明の保護素子は基板上で発熱体と低融点金属体が絶縁層を介さずに積層されている限り、種々の態様をとることができる。
【００３４】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
【００３５】
実施例１
図８の保護素子１Ｈを次のようにして作製した。基板２として、アルミナセラミック基板（厚さ０．５ｍｍ、サイズ５ｍｍ×３ｍｍ）を用意し、これに、まず中間電極６ｃを形成するため、Ａｇ−Ｐｄペースト（デュポン社製、６１７７Ｔ）を印刷し（厚さ１０μｍ、大きさ０．４ｍｍ×２．０ｍｍ）、８５０℃で３０分間焼成した。次に、良導電体層１１ｂを形成するため、Ａｇ−Ｐｔペースト（デュポン社製、５１６４Ｎ）を印刷し（厚さ１０μｍ、大きさ１．５ｍｍ×１．８ｍｍ）、８５０℃で３０分間焼成した。次に、発熱体３を形成するために、良導電体層１１ｂを覆うように酸化ルテニウム系抵抗ペースト（デュポン社製、ＤＰ１９００）を印刷し（厚さ５０μｍ）、８５０℃で３０分間焼成した。得られた発熱体３のパターン抵抗値は１Ωであった。さらに、発熱体３上に良導電体層１１ａを形成するため、Ａｇ−Ｐｔペースト（デュポン社製、５１６４Ｎ）を印刷し（厚さ１０μｍ）、８５０℃で３０分間焼成した。
【００３６】
また、基板２上に低融点金属体用電極７ａ、７ｂを形成するため、Ａｇ−Ｐｔペースト（デュポン社製、５１６４Ｎ）を印刷し（厚さ１０μｍ、大きさ１．０ｍｍ×３．０ｍｍ）、８５０℃で３０分間焼成した。
【００３７】
次に、低融点金属体５を形成するために、低融点金属体用電極７ａ、良導電体層１１ａ及び低融点金属体用電極７ｂに掛かるように低融点金属箔（Ｓｎ：Ｓｂ＝９５：５、液相点２４０℃）（大きさ１ｍｍ×４ｍｍ）を熱圧着した。
【００３８】
この低融点金属体５側に液晶ポリマーキャップを搭載し、保護素子１Ｈとした。
【００３９】
比較例１
図１２に示した保護素子１ｑを次のように作製した。基板２として、アルミナ系セラミック基板（厚さ０．５ｍｍ、サイズ５ｍｍ×３ｍｍ）を用意し、これに、低融点金属体用電極７ａ、７ｂ、発熱体用電極６ａ及び中間電極６ｃを形成するため、Ａｇペースト（デュポン社製、ＱＳ１７４）を印刷し、８７０℃で３０分間焼成した。次に、一対の発熱体３を形成するために、酸化ルテニウム系抵抗ペースト（デュポン社製、ＤＰ１９００）を印刷し、８７０℃で３０分間焼成した。各発熱体３（厚さ１０μｍ、大きさ０．１ｍｍ×２．０ｍｍ）の抵抗値は４Ωであった。次に、各発熱体３上にシリカ系絶縁ペースト（デュポン社製、ＡＰ５３４６）を印刷し、５００℃で３０分間焼成して絶縁層４を形成した。次に、低融点金属体５として、低融点金属箔（Ｓｎ：Ｓｂ＝９５：５、液相点２４０℃）（大きさ１ｍｍ×４ｍｍ）を熱圧着した。
【００４０】
この低融点金属体５側に液晶ポリマーキャップを搭載し、保護素子１ｑとした。
【００４１】
実施例２
実施例１と同様の構成で、実施例１と同等の定格電流値（低融点金属箔の断面積）を保持しながら、低融点金属箔の大きさを１ｍｍ×２ｍｍまで小型化し、保護素子全体の大きさ（即ち、基板２の大きさ）を３．５ｍｍ×２．５ｍｍまで小型化した。
【００４２】
比較例２
比較例１と同様の構成で、単純に低融点金属箔の大きさを１ｍｍ×２ｍｍまで小型化し、保護素子全体の大きさを３．５ｍｍ×２．５ｍｍまで小型化した。
【００４３】
評価
各実施例及び比較例の発熱体３に消費電力４Ｗとなるように電圧を印加し、低融点金属体５が溶断するまでの時間を測定した。
【００４４】
その結果、比較例１の保護素子は溶断に２１秒を要したが、実施例１の保護素子は１５秒であった。また、実施例２の保護素子は、実施例１の保護素子に比して小型化されているため、実施例１の保護素子に比して熱容量及び放熱量が共に小さくなり、溶断時間は１０秒に短縮された。これに対して、比較例２の保護素子は、低融点金属体５が溶融した後、中間電極６ｃあるいは低融点金属体用電極７ａ、７ｂ上に、その熱溶融した低融点金属体５で濡れるための面積を確保できなかったため、電圧を１２０秒印加しても低融点金属体５は溶断しなかった。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、発熱体に通電し、発熱体を発熱させ、この発熱により低融点金属体を溶断する保護素子において、絶縁層を介さずに、発熱体と低融点金属体とを立体的に配置する。したがって、動作時間を短縮することが可能となる。また、定格電流を低下させることなく保護素子の小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の保護素子の平面図（同図（ａ））、断面図（同図（ｂ））及び低融点金属体の溶断時の断面図（同図（ｃ））である。
【図２】 本発明の保護素子の平面図（同図（ａ））及び断面図（同図（ｂ））である。
【図３】 本発明の保護素子の平面図（同図（ａ））及び断面図（同図（ｂ））である。
【図４】 本発明の保護素子の断面図である。
【図５】 本発明の保護素子の断面図である。
【図６】 本発明の保護素子の断面図である。
【図７】 本発明の保護素子の平面図である。
【図８】 本発明の保護素子の平面図（同図（ａ））、断面図（同図（ｂ））及び低融点金属体の溶断時の断面図（同図（ｃ））である。
【図９】 過電圧防止装置の回路図である。
【図１０】 従来の保護素子の平面図（同図（ａ））及び断面図（同図（ｂ））である。
【図１１】 過電圧防止装置の回路図である。
【図１２】 従来の保護素子の平面図（同図（ａ））及び断面図（同図（ｂ））である。
【図１３】 従来の保護素子の平面図である。
【符号の説明】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ、１Ｈ…保護素子、
２…基板、
３…発熱体、
４…絶縁層、
５…低融点金属体、
６ａ、６ｂ…発熱体用電極、
６ｃ…中間電極
６ｄ、６ｅ、６ｆ、６ｇ…電極
７ａ、７ｂ…低融点金属体用電極
８…内側封止部、
９…外側封止部、
１０…低融点金属体の熱溶融時の濡れ性を向上させる金属層
１１…良導電体層
Claims (5)
- 基板上に発熱体及び低融点金属体を有し、発熱体の発熱により低融点金属体が溶断する保護素子であって、低融点金属体の両端にそれぞれ電極が形成され、これらの電極の間に、これらの電極と接しない位置に発熱体が設けられており、発熱体と低融点金属体が絶縁層を介さずに積層されている保護素子において、発熱体上に、発熱体及び低融点金属体よりも導電率の高い第１の良導電体層が形成され、該第１の良導電体層上に低融点金属体が積層されていることを特徴とする保護素子。
- 基板上に、発熱体及び低融点金属体よりも導電率の高い第２の良導電体層が形成され、その第２の良導電体層上に発熱体が形成されている請求項１記載の保護素子。
- 基板上に発熱体及び低融点金属体を有し、発熱体の発熱により低融点金属体が溶断する保護素子であって、低融点金属体の両端にそれぞれ電極が形成され、これらの電極の間に、これらの電極と接しない位置に発熱体が設けられており、発熱体と低融点金属体が絶縁層を介さずに積層されている保護素子において、基板上に、発熱体及び低融点金属体よりも導電率の高い第２の良導電体層が形成され、該第２の良導電体層上にそれを覆うように発熱体が形成されていることを特徴とする保護素子。
- 発熱体上に、発熱体及び低融点金属体よりも導電率の高い第１の良導電体層が形成され、該第１の良導電体層上に低融点金属体が積層されている請求項３記載の保護素子。
- 第２の良導電体層の内部から、中間電極が導出され、該中間電極の抵抗値が、発熱体よりも低く、良導電体層よりも高い請求項３又は４記載の保護素子。
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