JP3955956B2 - 誘電泳動力を用いた自己回復性限流ヒューズ - Google Patents

Description

この発明は，液体マトリックスに固体導電粒子を流動分散し，電圧印加で発生する固体導電粒子の誘電泳動力を利用して遮断・限流状態と通電状態を実現する自己回復性限流ヒューズに関する。

近年，携帯電話やノート型パソコン等の電子機器では，二次電池用の保護素子として正の抵抗温度係数素子即ちＰＴＣ素子が用いられていることが知られている。これら電子機器は，高機能化，長時間駆動化，効率向上化が望まれており，そのために二次電池の大容量化や高電圧化が要求されている。これらの要求に伴って，ＰＴＣ素子の高電圧化も要求されている。現在，８Ｖ程度のＰＴＣ素子は，実用化されているが，更なる高電圧化に際しては，オフ（ＯＦＦ）状態である限流時の絶縁性能の向上，即ち，耐電圧の向上が必要である。また，従来のＰＴＣ素子は，マトリックスとして，セラミックス，ポリマー等の固体材料を用いたものが主流であり，例えば，ポリエチレン系ＰＴＣ素子（ポリエチレンとカーボンブラックを有する），チタン酸バリウム系ＰＴＣ素子が用いられているのが現状である。

また，誘電泳動フイルタ装置及び誘電泳動による懸濁微粒子除去方法として，懸濁微粒子を高分離効率で選択的に分離でき，目詰まりを起し難く，回収が容易で実用性が高いというものが知られている。該誘電泳動フイルタ装置は，電極間に充填され，電極間に形成される電界を局所的に集中又は低下させるための複数の誘電体粒子と，懸濁微粒子に対して誘電泳動を誘起可能な周波数の交流電圧を電極間に印加する電源部を備え，誘電体粒子が周囲の電界強度が最大又は最小となる側面位置で他の誘電体粒子と接触又は接近させられ，該側面位置付近に形成される電界特異部に誘電泳動によって懸濁微粒子を集めて捕捉するものである（例えば，特許文献１参照）。

また，微生物測定装置に使用される電極チップが知られている。該微生物測定装置は，混合懸濁液の中の特定の微生物を高感度で迅速に，専門家によらなくても簡易に定量できるものであり，電極間で濃縮された微生物に対して抗原抗体反応させるための抗体液を測定チャンバに供給する抗体液タンクとを備え，演算制御部が誘電泳動用電源部によって交流電圧を印加して複数種類の微生物を濃縮し，抗体液タンクから抗体液を供給し，特定の微生物と特異的に反応させてこれを凝集して他の微生物を分離し，測定部によって測定した電極間のコンダクタンス変化から微生物数を算出して出力するものである（例えば，特許文献２参照）。

また，ＰＴＣ素子を備えた限流器として，ＰＴＣ素子板が全体的に同時に温度上昇できるようにしたものが知られている。該ＰＴＣ限流器は，ＰＴＣ素子体と該ＰＴＣ素子体の下面及び上面に固着される電極板とから構成されている。ＰＴＣ素子体は，中央部が突出して肉厚に形成された厚肉部と，該厚肉部より外方に位置する外周部が厚肉部より肉薄に形成された薄肉部とから構成されている。電極板は，中央部に厚肉部に嵌合する凹部と，その外周部に厚肉部が形成されている。中心部の厚肉部の比抵抗は，薄肉部の比抵抗より小さくなり，外周部の放熱速度が大きいにも係わらずＰＴＣ素子体全体の温度上昇が均一になる（例えば，特許文献３参照）。

また，従来の限流ヒューズは，両電極を絶縁筒の両端部に対して同軸状に固定した後，一方の電極の底面に形成された挿通孔からヒューズエレメントが巻回された絶縁コアを絶縁筒に挿通する。絶縁コアの一端を一方の電極に固定し，絶縁筒内に消弧砂を充填した後
，絶縁コアの他端を電極蓋に固定し，該電極蓋を他方の電極に対して固定した。両電極をそれぞれ絶縁筒に対して固定してから絶縁コアが取り付け可能になる（例えば，特許文献４参照）。
特開２００３−２０００８１号公報 特開２００３−２２３号公報 特開平１０−３２６５５４号公報 特開２００２−２７００７８号公報

しかしながら，従来のＰＴＣ素子は，オフ（ＯＦＦ）状態での絶縁性が悪く，部分放電が発生し，そのために材料劣化が進行し，復帰特性が悪化し，即ち，オン（ＯＮ）抵抗が上昇し，損失が増加するという問題を有していた。また，ＰＴＣ素子における部分放電の発生は，システムへのＥＭＣ，ノイズ等の問題が発生する可能性もある。また，従来のＰＴＣ素子は，基本的な問題として，固体マトリックスの中に導電性フィラーが存在しているという構造上の問題がある。即ち，従来のＰＴＣ素子は，オフ（ＯＦＦ）状態へは，マトリックスの膨張により導電フィラーのパスを切断することで実現するものであるが，固体マトリックスでは，構造上，原理的に膨張時にクラックやボイドの発生がある。クラックやボイドは，その部分に気体が存在し，周りは高い誘電率を有する固体マトリックスであるため，電界が集中し，放電が発生し易いものになっている。固体マトリックスを用いたＰＴＣ素子は，上記の理由により気中放電が原因になって，材料が劣化し，復帰特性が悪化するという現象が発生することから，ＰＴＣ素子の構造によっては，安心して使える８Ｖ以上の高電圧素子を作製するのは困難であるのが現状である。

ところで，図９には，従来のＰＴＣ素子５の基本動作の原理図が示されている。該ＰＴＣ素子５は，固体マトリックス６が使用されており，固体マトリックス６の膨張によってオフ（ＯＦＦ）状態を発生し，クラックや部分放電の問題が発生し，それによって回復特性が悪化し，オン（ＯＮ）抵抗が増加し，通電時の損失が増大する。ＰＴＣ素子５は，セラミックス，ポリマー等の固体絶縁物即ち固体マトリックス６中にフィラーとしての導電粒子７が混入された構造であり，通常はフィラー７が接触して電極８間を橋絡して導電パスが形成されているため，図９の（ａ）に示すように，通電できるオン（ＯＮ）状態である。一方，ＰＴＣ素子５に過電流が流入し，ＰＴＣ素子５が高温度状態になると，材料の選定にもよるが，図９の（ｂ）に示すように，フィラー７の蒸発又は固体マトリックス６の膨張により導電パスが分断され，抵抗が急激に上昇することになり，遮断・限流動作即ちオフ（ＯＦＦ）状態になる。ＰＴＣ素子５は，上記のような通電・限流という基本動作を確実に繰り返し実行できることが重要であるが，限流時のオフ（ＯＦＦ）状態では，ＰＴＣ素子５に回路電圧がかかるため，高耐電圧特性を有することも必要である。

現在，耐電圧の低いＰＴＣ素子は，携帯電話，コンピュータ用のリチウムイオン電池等の保護装置として広く使用されているが，電池の大容量化に伴い耐電圧の高い素子が要求されている。ＰＴＣ素子に対して耐電圧の高い素子が求められる場合に，固体マトリックスでは，膨張によるクラックの発生及び上記のようにクラックやマトリックス中のボイド欠陥での放電による材料劣化が問題となっている。本発明者は，このような技術的な背景から，固体マトリックスと比べてクラックやボイドの発生が抑制できる液体マトリックスを使用するという着想に至った。また，導電粒子の捕集は，不平等電界下で導電粒子に作用する誘電泳動力即ちグラディエント力を利用することが好ましいことが分かった。

この発明の目的は，上記の問題を解決するため，従来の固体マトリックスに代えて液体マトリックスを使用することによって，クラックフリーとなり，液体マトリックスの絶縁耐力は気体より高いため耐電圧を向上させ，例えば，１０倍以上の耐電圧を実現させ，１
００Ｖで放電フリーを確保することができ，耐電圧向上によって高い定格電圧を有する二次電池を保護する機能を実現し，適用範囲を拡大し，充電時間を短縮し，更には誘電泳動力による自己修復特性を有するヒューズを基本的な動作原理とすることによって確実な遮断・限流動作と通電動作とを繰り返し，ヒューズエレメントの交換無しのメンテナンスフリーを実現し，固体導電粒子から成るフィラーを液体マトリックスに混入即ち流動分散して接触電気抵抗を低減し，オン（ＯＮ）抵抗を低減する誘電泳動力を用いた自己回復性限流ヒューズを提供することである。

この発明は，絶縁容器内に充填された液体マトリックス中に固体導電粒子を流動分散させると共に互いに対向して電極を配設してＰＴＣ限流素子を構成し，前記電極間の電圧印加で発生する前記固体導電粒子の誘電泳動力によって前記固体導電粒子を前記電極間に捕集して前記電極間を橋絡する通電状態と，前記液体マトリックス中での前記固体導電粒子の蒸発・散開による遮断・限流状態とを繰り返し実現し，過電流による前記固体導電粒子の蒸発・散開による高抵抗状態を形成することによって遮断・限流動作を実現することを特徴とする誘電泳動力を用いた自己回復性限流ヒューズに関する。

この誘電泳動力を用いた自己回復性限流ヒューズにおいて，前記液体マトリックスは，純水を含む脱イオン化水，絶縁性オイル，絶縁性有機高分子材料，絶縁性有機高分子材料ゲルから選ばれる一種又は複数種から成るマトリックスである。

また，この自己回復性限流ヒューズにおいて，フィラーを構成する前記固体導電粒子は，少なくともＳｎ，Ｚｎ，Ｉｎ，Ｂｉ等の低融点材料の中から選択される一種又は複数種から成る材料であるか，又は少なくともＳｎ，Ｚｎ，Ｉｎ，Ｂｉ等の低融点材料の中から選択される一種又は複数種とカーボン，Ｃｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ等の低接触電気抵抗材料から選択される一種又は複数種とから成る材料から形成されるものである。また，前記固体導電粒子は，前記低融点材料又は前記低融点材料と前記低接触電気抵抗材料との混合材料に，Ｗ，Ｔｉ，ステンレス鋼等の高融点材料を加えることもでき，粒子が全て蒸発散開しないように調節することができる。

また，前記固体導電粒子は，前記材料で所定のサイズの粒子に形成されるか，又は前記電極間を接続する前記材料から成る棒状や板状の固定ヒューズエレメントが過電流によって溶断されて発生する前記液体マトリックス中に溶断分離されたヒューズエレメント片がそれぞれ固化することによって形成されるものである。

また，この誘電泳動力を用いた自己回復性限流ヒューズにおいて，前記電極は，ガラス基板又は金属基板上に形成された酸化膜上に，少なくともＡｌ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ等の導電性金属材料，又は遮断・限流時の耐アーク性，繰り返し使用時の電極消耗等を考慮して前記導電性金属材料とＷ，Ｔｉ，ステンレス鋼等の高融点材料とから構成されている。また，前記導電性金属材料は，前記ガラス基板又は金属基板上に形成された酸化膜上では薄膜に形成してもよい。前記電極は，固体導電粒子サイズとの関係で薄膜状の形状が好ましいが，多数の繰り返し動作が要求される場合は，それに対応する厚みを考慮する必要がある。

また，この誘電泳動力を用いた自己回復性限流ヒューズは，前記絶縁容器には，発生する熱を放散するための放熱板を取り付けて大容量化に対応できるように構成したり，或いは，オン時に振動を与える振動子を取り付け，固体導電粒子間の接触を良好にしてオン抵抗を低減することができる。

また，この誘電泳動力を用いた自己回復性限流ヒューズは，前記液体マトリックスの使
用によるボイドフリー，クラックフリー及び高絶縁耐力を実現し，高耐電圧として高定格電圧を有する二次電池を保護するものである。また，この誘電泳動力を用いた自己回復性限流ヒューズは，前記固体導電粒子の前記誘電泳動力の自己修復特性によって遮断・限流動作と通電動作とが繰り返されるものである。

この誘電泳動力を用いた自己回復性限流ヒューズは，上記のように構成されているので，液体マトリックスを使用することによってクラックやボイドの発生が抑制され，耐電圧を向上させ，電圧印加で発生する固体導電粒子の誘電泳動力によって自己修復特性を実現させ，例えば，固体導電粒子としてカーボンナノフィラー等を液体マトリックスに混入即ち流動分散させることによって接触電気抵抗即ちオン（ＯＮ）抵抗を低減することができ，耐電圧向上で高い定格電圧を有する二次電池を保護し，適用範囲を拡大し，効率を向上させ，充電時間を短縮し，メンテナンスフリーを実現する。また，この自己回復性限流ヒューズは，地震や衝突等の機械的な衝撃や振動に対して固体導電粒子の互いの接続状態のパールチェーンが切れることで，電流遮断を行う防災，衝撃保護用素子としても機能させることができる。

この発明による自己回復性限流ヒューズについて，固体導電粒子の誘電泳動力による自己回復性限流ヒューズの基本動作の原理を示す概略図である。 この誘電泳動力を用いた自己回復性限流ヒューズの液体マトリックス中の固体導電粒子に作用する誘電泳動力の基本原理を示す説明図である。 この誘電泳動力を用いた自己回復性限流ヒューズにおける電極に電圧を印加する原理を示す説明図である。 この誘電泳動力を用いた自己回復性限流ヒューズに用いられる電極の各種のタイプを示す平面図である。 針体と平板から成る電極間に電圧を印加した状態を示す説明図である。 棒体と凹体から成る電極間に電圧を印加した状態を示す説明図である。 各種の電極について，電極間を短絡させるための固体導電粒子の個数とオン（ＯＮ）抵抗の関係を示すグラフである。 各種の電極について，オフ（ＯＦＦ）抵抗とオン（ＯＮ）抵抗の関係を示すグラフである。 従来の自己回復性限流ヒューズの基本動作の原理を示す概略図である。

符号の説明

１ 自己回復性限流ヒューズ
２ 液体マトリックス
３ 固体導電粒子
４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ 電極
９ 絶縁容器
１０ 電源
１１ マイクロスコープ
１２ デジタルビデオカメラ
１３ 針体
１４ 平板
１５，１９ 棒体
１６，２０ 凹体
１７，１８ 櫛歯

この発明による誘電泳動力を用いた自己回復性限流ヒューズは，互いに対向する電極間で電圧が印加されているマトリックス中に分散されている固体導電粒子には，誘電泳動力が働き，固体導電粒子が互いに連続して接続され，導電パスを形成するものである。マトリックスは，通常の重力圏では液体マトリックスが好ましく，宇宙機等の無重力環境においては真空であってもよいものである。以下，図面を参照して，この発明による誘電泳動力を用いた自己回復性限流ヒューズについて，通常の地上で使用する場合の実施例について説明する。図１には，この発明による誘電泳動力を用いた自己回復性限流ヒューズの一実施例が示されており，互いに対向する電極４間に所定の電圧をかけた場合に，液体マトリックス２中の固体導電粒子３に働く誘電泳動力の基本動作の原理図が示されている。この誘電泳動力を用いた自己回復性限流ヒューズは，従来使用されている固体マトリックスに代えて液体マトリックス２を使用し，絶縁容器９内に液体マトリックス２を収容し，液体マトリックス２を介して互いに対向する電極４を設置し，液体マトリックス２中に固体導電粒子３を流動分散させて自己回復性限流ヒューズ１を構成したものである。自己回復性限流ヒューズ１は，電源１０から供給される電力で電極４間に電圧が印加されていると，液体マトリックス２中の固体導電粒子３に誘電泳動力ＦDEP が作用する。図２には，液体マトリックス２中における固体導電粒子３に働く誘電泳動力ＦDEP が示されている。液体マトリックス２に固体導電粒子３を分散混入し，電極４間に電圧を印加したオン状態では，水平方向成分ＦDEPrと垂直方向成分ＦDEPzとから成る誘電泳動力ＦDEP が固体導電粒子３に作用する。即ち，液体マトリックス２中の固体導電粒子３には，図２に示すように，重力Ｆｇ，粘性力Ｆｖ，浮力Ｆｂ，及び摩擦力Ｆｆが作用し，それによって，誘電泳動力ＦDEP が働くことになり，固体導電粒子３に矢印Ａの方向に移動動作が発現する。

図３に示すように，この誘電泳動力を用いた自己回復性限流ヒューズ１は，電極４間に電圧電源１０から電圧を印加したオン時に，液体マトリックス２中で固体導電粒子３に誘電泳動力ＦDEP が働くが，誘電泳動力ＦDEP によって固体導電粒子３が動く状態を，例えば，マイクロスコープ１１を使用してデジタルビデオカメラ１２で観察すると，図１（ａ）及び（ｄ）に示すように，液体マトリックス２中で固体導電粒子３を連鎖させて通電状態を確保したり，また，図１（ｂ）に示すように，電極４間に過電流が流れることによって，液体マトリックス２中でジュール熱が発生し，固体導電粒子３が蒸発し，散開して遮断・限流動作が働いて遮断・限流状態になる。この誘電泳動力ＦDEP を用いた自己回復性限流ヒューズは，通常の通電状態では，図１（ｃ）に示すように，液体マトリックス２中の固体導電粒子３の誘電泳動力ＦDEP によって，固体導電粒子３を効率よく電極４間に収集即ち捕集し，固体導電粒子３同士が連鎖する現象が発生し，図１（ｄ）に示すように，固体導電粒子３がパールチェーン化して導電パスが形成され，オン（ＯＮ）即ち通電状態になる。また，固体導電粒子３を電極４間に効果的に収集するために，電極４間の基板上に溝を切って粒子を収集しやすくすることができる。即ち，基板は，平面のような二次元的な形状にとどまらず，粒子を捕捉しやすいように溝を切って三次元的な立体構造で構成してもよいものである。また，自己回復性限流ヒューズ１は，大容量化に対応する場合には，基板の熱放散を容易にするように，例えば，放熱板を取り付けてもよい。或いは，自己回復性限流ヒューズ１は，オフ時の熱膨張等で破断しないように，必要に応じて素子の廻りをモールドしておいてもよいものである。

この発明による誘電泳動力を用いた自己回復性限流ヒューズ１の作動原理について，電極４間に電源１０（図３参照）からの電圧が印加されると，図１（ａ）に示す状態，即ち，液体マトリックス２中で浮遊状態の固体導電粒子３に誘電泳動力ＦDEP が働いて固体導電粒子３が電極４間に捕集されて橋絡即ち連鎖し，通電即ちオン状態になる。固体導電粒子３が連鎖した状態で，自己回復性限流ヒューズ１に過電流が流れると，液体マトリックス２における固体導電粒子３の接触点，接触面を起点にジュール熱が発生し，オン状態からオフ状態への動作，即ち矢印Ｐの方向に状態が変化し，図１（ｂ）に示すように，固体導電粒子３の溶融，更には液体マトリックス２を局所的に含んで固体導電粒子３が蒸発・
散開し，即ち液体マトリックス２中に分散し，オフ状態になり，自己回復性限流ヒューズ１に流れる電流が抑制又は遮断状態になる。そこで，自己回復性限流ヒューズ１への過電流が無くなると，再び，オフ状態からオン状態への動作，即ち矢印Ｑの方向に状態が変化し，図１（ｃ）に示すように，液体マトリックス２中の固体導電粒子３が電極４間に収集即ち捕集する動作が発生する。それによって，オフ状態からオン状態になる動作，即ち矢印Ｒの方向に状態が変化し，図１（ｄ）に示すように，液体マトリックス２中の固体導電粒子３が電極４間に捕集して元に復帰し，固体導電粒子３が電極４間でパールチェーン化して導電パス即ち通電即ちオン状態になる。再び，図１（ｄ）に示す固体導電粒子３が連鎖した状態で自己回復性限流ヒューズ１に過電流が流れると，オン状態からオフ状態への動作，即ち矢印Ｓの方向に状態が変化し，図１（ｂ）に示す状態になる。即ち，この自己回復性限流ヒューズは，上記の状態が繰り返し行われ，自己回復性限流ヒューズ１の機能を果たすことになる。

この誘電泳動力を用いた自己回復性限流ヒューズ１は，上記のように，通電状態と遮断・遮断・限流状態とを繰り返し実現しようとする独創的な発想に基づくものであり，自己回復性限流ヒューズ１の遮断・限流動作及び通電動作は，上記のように原理的に可能なものであり，例えば，オン・オフ（ＯＮ・ＯＦＦ）抵抗値，限流容量，動作時間，固体導電粒子サイズ等の使用条件を満足させるものである。また，自己回復性限流ヒューズ１は，例えば，地震や衝突等の機械的な衝撃や振動に対して固体導電粒子３の互いの接続状態のパールチェーンが切れることで，電流遮断を行う機械的な衝撃に対する保護素子として利用することができ，防災・衝撃保護用素子として発揮させることができる。また，自己回復性限流ヒューズ１について，オフ状態からオン状態への復帰速度の調節は，目的に応じて，粘性力の異なる液体マトリックス２の種類の選択，及び電極４のギャップ間の距離と電極４の形状による電界値の設定によって対応することができる。

この発明による誘電泳動力を用いた自己回復性限流ヒューズは，図１に示すように，固体導電粒子３の液体マトリックス２中での誘電泳動力を利用して固体導電粒子３を効率よく捕集即ち互いに連結させ，図１の（ａ）及び（ｄ）で示すように，電極４間を橋絡することによって通電状態を実現し，また，過電流によって図１の（ｂ）で示すように，固体導電粒子３の蒸発・散開による高抵抗状態の形成による遮断・限流動作を実現したものである。また，マトリックスとして液体マトリックス２のみでなく，ゲル状物質を使用することも考えられる。ゲル状物質を使用して自己回復性限流ヒューズとすることは，液体マトリックス２を使用することによって固体導電粒子３の捕集効率の低下原因となる粒子の遠方への散開を防止でき，実使用での液漏れ等の問題を無くす利点があると考えられる。更に，この誘電泳動力を用いた自己回復性限流ヒューズについて液体マトリックス２を使用して最も重要な点は，既存の固体ＰＴＣ素子では，素子の劣化原因として問題となっている遮断・限流動作時のボイドでの放電及びクラック発生を解消することになり，素子の高性能化，大容量化をもたらすものになることである。

この発明による誘電泳動力を用いた自己回復性限流ヒューズは，特に，絶縁容器９内に充填された液体マトリックス２中に固体導電粒子３を流動分散させると共に互いに対向して電極４を配設して自己回復性限流ヒューズ１を構成し，電極４間の電圧印加で発生する固体導電粒子３の誘電泳動力によって固体導電粒子３を電極４間に捕集して電極４間を橋絡する通電状態と，液体マトリックス２中での固体導電粒子３の蒸発・散開による遮断・限流状態とを繰り返し実現し，電極４間に過電流が流れることによる固体導電粒子３の蒸発・散開による高抵抗状態を形成することによって遮断・限流動作を実現することを特徴している。

液体マトリックス２は，純水を含む脱イオン化水，絶縁性オイル，絶縁性有機高分子材料，絶縁性有機高分子材料ゲルから選ばれる一種又は複数種から成るマトリックスで構成
することができる。また，液体マトリックス２は，液体窒素等の冷媒を用いて粒子や電極等の金属を冷却することによって，オン抵抗を低減することができる。更に，自己回復性限流ヒューズ１は，容器９等に対して振動子２２を取り付け，電極４間に電圧を印加したオン時に，振動子２２をオンして振動を与えることによってオン抵抗を低減することができる。自己回復性限流ヒューズ１について，オフ状態からオン状態への抵抗変化に基づく変化を検出した際に，数ミリ秒から数秒程度の間，素子に振動を加え，互いの固体導電粒子３により良い接触状態を与えることによってオン抵抗を低減することができる。

また，フィラーを構成する固体導電粒子３は，錫（Ｓｎ）粒子，亜鉛（Ｚｎ）粒子，インジウム（Ｉｎ）粒子，ビスマス（Ｂｉ）粒子等の低融点材料の中から選択される一種又は複数種である第１材料を用いることができる。又は，固体導電粒子３は，錫（Ｓｎ）粒子，亜鉛（Ｚｎ）粒子，インジウム（Ｉｎ）粒子，ビスマス（Ｂｉ）粒子等の低融点材料の中から選択される一種又は複数種と，カーボン粒子，銅（Ｃｕ）粒子，アルミニウム（Ａｌ）粒子，銀（Ａｇ）粒子，金（Ａｕ）粒子等の低接触電気抵抗材料とから選択される一種又は複数種とから成る第２材料を用いることができる。或いは，固体導電粒子３は，繰り返し使用することを考慮して全てが蒸発散開しないように，タングステン（Ｗ），チタン（Ｔｉ），ステンレス鋼等の高融点材料を低融点材料や低接触電気抵抗材料に添加することができる。従って，固体導電粒子３を形成する線状ヒューズエレメントは，低融点材料や低接触電気抵抗材料と高融点材料との混成，又は合金で構成してもよい。

また，この自己回復性限流ヒューズでは，固体導電粒子３は，線状ヒューズでのスタートと，粒子状ヒューズでのスタートの２種類がある。即ち，固体導電粒子３は，上記の第１材料や第２材料を用いて所定のサイズの粒子に形成して作製することができる。又は，固体導電粒子３は，次のような工程を経て作製することもできる。即ち，固体導電粒子３は，電極４間を上記の第１や第２材料から成る棒状や板状の固体ヒューズエレメント（図示せず）で接続しておき，次いで，電極４間に過電流を流すと，前記固体ヒューズエレメントが溶断されて，液体マトリックス２中にヒューズエレメント片が溶断分離されるが，それらのヒューズエレメント片をそれぞれ固化して形成することもできる。具体的には，固体導電粒子３を液体マトリックス２中に流動分散させるには，上記の固体ヒューズエレメントを用いて電極４間を通電状態にし，該通電状態の電極４間に一度過電流を流すと，固体ヒューズエレメントはヒューズエレメント片に溶断分解し，液体マトリックス２中に蒸発・散開して遮断・限流状態になるが，溶断分離したヒューズエレメント片は液体マトリックス２中でそれぞれ固化して固体導電粒子３になる。そこで，電極４間の過電流の流れが消滅し，再び電極４間に所定の電圧が印加されるようになると，固体導電粒子３が捕集されて橋絡する通電状態になる機能を発揮することになる。また，線状ヒューズでスタートする場合には，オフした後に再びオンする際に，良好なオン抵抗特性が得られるように，最初から粒子を液体マトリックス２中に適量分散させておくこともできる。

この誘電泳動力を用いた自己回復性限流ヒューズは，液体マトリックス２の使用によるクラックフリー，ボイドフリー，及び高耐電圧化を実現し，高定格電圧を有する二次電池を保護することができる。また，液体マトリックス２中での固体導電粒子３の誘電泳動力の自己修復特性によって遮断・限流動作が繰り返されるものである。

また，電極４は，材質について種々のものを選定することができ，また，図４に示すように，固体導電粒子３の捕集効率，導電パスの形成及びオフ状態の電気絶縁を考慮して決定される種々の形状に形成することができる。電極４は，ガラス基板又は金属基板上に形成された酸化膜上にＡｌ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕから選ばれる一種又は複数種の導電性金属から成る薄膜によって構成することができ，その他，Ｗ，Ｔｉ，ステンレス鋼等の高融点材料を用いたり，添加して構成し，繰り返し使用を可能にすることができる。また，電極４は，薄膜に限定する必要はなく，不平等電界を形成し，粒子が電極４と接触しやすい，即
ち，接触抵抗が高くならない形状，例えば，スロープ，階段状等の徐々に高くなる形状であれば良いものである。電極４は，高融点材料単体，又は高融点材料を含む合金とし，耐アーク性や電食に強い材料から作製することができる。また，電極４の形状について，図４には４種類が示されている。電極４について，図４の（ａ）には，針体１３と平板１４から構成された互いに対向する電極４Ａが示されている。図４の（ｂ）には，棒体１５と凹体１６から構成された互いに対向する電極４Ｂが示されている。図４の（ｃ）には，櫛歯１７，櫛歯１７の歯より多い歯を持つ櫛歯１８から構成された互いに対向する電極４Ｃが示されている。また，図４の（ｄ）には，棒体１９と棒体１９を嵌合した凹体２０から構成された互いに対向する電極４Ｄが示されている。図４において，図４の左側に示す電極４は電極４間ギャップ長が狭い電極４Ａ−Ｎ，４Ｂ−Ｎ，４Ｃ−Ｎ及び４Ｄ−Ｎが示されており，また，図４の右側に示す電極４は電極４間ギャップ長が長い電極４Ａ−Ｗ，４Ｂ−Ｗ，４Ｃ−Ｗ及び４Ｄ−Ｗが示されている。電極４について，電極４間ギャップ長が狭い電極４Ａ−Ｎ，４Ｂ−Ｎ，４Ｃ−Ｎ及び４Ｄ−Ｎは，例えば，電極４間ギャップ長が３０μｍである。また，電極４間ギャップ長が長い電極４Ａ−Ｗ，４Ｂ−Ｗ，４Ｃ−Ｗ及び４Ｄ−Ｗは，例えば，電極４間ギャップ長が１５０μｍ程度である。

図５には，図４の電極４Ａを用いた場合の液体マトリックス２中の固体導電粒子３の移動状態が示されている。図５の（ａ）は，電極４Ａ間に電圧を印加する前であって，固体導電粒子３が液体マトリックス２中に浮遊するオフ（ＯＦＦ）状態を示している。また，図５の（ｂ）は，電源１０から電極４Ａ間に電圧を印加した時に，固体導電粒子３が液体マトリックス２中で連鎖状態に接触したオン（ＯＮ）状態を示している。

図６には，図４の電極４Ｂを用いた場合の液体マトリックス２中の固体導電粒子３の移動状態が示されている。図６の（ａ）は，電極４Ｂ間に電圧を印加する前であって，固体導電粒子３が液体マトリックス２中に浮遊するオフ（ＯＦＦ）状態を示している。また，図６の（ｂ）は，電源１０から電極４Ｂ間に電圧を印加した時に，固体導電粒子３が液体マトリックス２中で連鎖状態に接触したオン（ＯＮ）状態を示している。

図７は，各種の電極４Ａ−Ｎ，４Ｂ−Ｎ，４Ｃ−Ｎ，４Ｄ−Ｎ，４Ａ−Ｗ，４Ｂ−Ｗ，４Ｃ−Ｗ，４Ｄ−Ｗについて，電極４間を短絡させるための固体導電粒子３の個数とオン（ＯＮ）抵抗の関係を示すグラフである。
図７に示すように，電極４の形状の相違，及び電極４間ギャップ長の相違に伴って固体導電粒子３の個数とオン（ＯＮ）抵抗が異なっていることが分かる。電極４Ｃ−Ｎが最小のオン（ＯＮ）抵抗を実現していることが分かる。また，電極４Ａと電極４Ｂでは，オン（ＯＮ）状態を実現するのに，多数の固体導電粒子３を必要とし，電極４間ギャップ空間が広いことが分かる。また，オン（ＯＮ）抵抗は，固体導電粒子３の粒子数の増加に伴って増加し，接触抵抗が増加することが分かる。また，電極４Ｃと電極４Ｄでは，固体導電粒子３の少ない粒子数でオン（ＯＮ）状態を実現することができるが，オン（ＯＮ）抵抗は電極４Ｃと電極４Ｄとではそれほど相違なく，固体導電粒子３の粒子のサイズ，形状が均一でないため，固体導電粒子３の接触状態が異なることが分かり，接触電気抵抗は必ずしも粒子数だけで決まらないことが分かる。

図８は，各種の電極４Ａ−Ｎ，４Ｂ−Ｎ，４Ｃ−Ｎ，４Ｄ−Ｎ，４Ａ−Ｗ，４Ｂ−Ｗ，４Ｃ−Ｗ，４Ｄ−Ｗについて，オフ（ＯＦＦ）抵抗とオン（ＯＮ）抵抗の関係を示すグラフである。
図８に示すように，電極４の形状の相違，及び電極４間ギャップ長の相違に伴って，オン（ＯＮ）抵抗とオフ（ＯＦＦ）抵抗とが異なっていることが分かる。オン（ＯＮ）抵抗とオフ（ＯＦＦ）抵抗の比（ＲＯＦＦ／ＲＯＮ）は大きな方がよく，図中の点線は各比率を表している。即ち，ＲＯＦＦ／ＲＯＮは，１４０〜３０００倍の中にプロットされていることがわかる。図８から分かるように，電極４Ｄ−Ｎが最もよい抵抗変化を示しており
，３０００倍の変化を示していることが分かる。上記に示した電極４では，電極基板の抵抗が低いので，オフ（ＯＦＦ）抵抗は電極基板の抵抗で制限されている。そのため，抵抗が大きな基板で作製することによって，オフ（ＯＦＦ）抵抗は更に１０〜１００倍大きくすることができると考えられる。また，オン（ＯＮ）抵抗は，カーボンナノファイラーを混入し，接触電気抵抗を低減することによって，更に低下できるものと考えられる。これによりオフ（ＯＦＦ）抵抗は数１００ｋΩ〜数ＭΩのオーダを実現し，また，オン（ＯＮ）抵抗はｍΩのオーダを実現されると，抵抗変化比は１０⁸ 〜１０⁹ 倍大きくなることになる。

この発明による誘電泳動力を用いた自己回復性限流ヒューズは，例えば，携帯電話，ノート型パソコン等の電子機器，電気自動車の電装品，ハイブリッド自動車等における大容量化した高電圧用の二次電池の保護素子として適用できる。

Claims (9)

1. 絶縁容器内に充填された液体マトリックス中に固体導電粒子を流動分散させると共に互いに対向して電極を配設してＰＴＣ限流素子を構成し，前記電極間の電圧印加で発生する前記固体導電粒子の誘電泳動力によって前記固体導電粒子を前記電極間に捕集して前記電極間を橋絡する通電状態と，前記液体マトリックス中での前記固体導電粒子の蒸発・散開による遮断・限流状態とを繰り返し実現し，過電流による前記固体導電粒子の蒸発・散開による高抵抗状態を形成することによって遮断・限流動作を実現することを特徴とする誘電泳動力を用いた自己回復性限流ヒューズ。
2. 前記液体マトリックスは，純水を含む脱イオン化水，絶縁性オイル，絶縁性有機高分子材料，絶縁性有機高分子材料ゲルから選ばれる一種又は複数種から成るマトリックスであることを特徴とする請求項１に記載の自己回復性限流ヒューズ。
3. フィラーを構成する前記固体導電粒子は，少なくともＳｎ，Ｚｎ，Ｉｎ，Ｂｉ等の低融点材料の中から選択される一種又は複数種から成る材料であるか，又は少なくともＳｎ，Ｚｎ，Ｉｎ，Ｂｉ等の低融点材料の中から選択される一種又は複数種とカーボン，Ｃｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ等の低接触電気抵抗材料から選択される一種又は複数種とから成る材料から形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の自己回復性限流ヒューズ。
4. 前記固体導電粒子は，前記低融点材料又は前記低融点材料と前記低接触電気抵抗材料との混合材料に，Ｗ，Ｔｉ，ステンレス鋼等の高融点材料を加えられていることを特徴とする請求項３に記載の自己回復性限流ヒューズ。
5. 前記固体導電粒子は，前記材料で所定のサイズの粒子に形成されるか，又は前記電極間を接続する前記材料から成る棒状や板状の固定ヒューズエレメントが前記過電流によって溶断されて，前記液体マトリックス中に溶断分離されたヒューズエレメント片がそれぞれ固化することによって形成されることを特徴とする請求項３又は４に記載の自己回復性限流ヒューズ。
6. 前記電極は，ガラス基板又は金属基板上に形成された酸化膜上に，少なくともＡｌ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ等の導電性金属材料，又は前記導電性金属材料とＷ，Ｔｉ，ステンレス鋼等の高融点材料から構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の自己回復性限流ヒューズ。
7. 前記絶縁容器には，発生する熱を放散するための放熱板，及び／又はオン時に振動を与える振動子が取り付けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の自己回復性限流ヒューズ。
8. 前記液体マトリックスの使用によるクラックフリー，ボイドフリー及び高絶縁耐力を実現し，高耐電圧として高定格電圧を有する二次電池を保護することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の自己回復性限流ヒューズ。
9. 前記固体導電粒子の前記誘電泳動力の自己修復特性によって遮断・限流動作と通電動作とが繰り返されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の自己回復性限流ヒューズ。

Images