JP4321546B2

JP4321546B2 - 保護素子

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Publication number: JP4321546B2
Application number: JP2006117781A
Authority: JP
Inventors: 則和岩崎
Original assignee: Sony Chemical and Information Device Corp
Current assignee: Dexerials Corp
Priority date: 2006-04-21
Filing date: 2006-04-21
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2019-04-30
Also published as: JP2006269437A

Description

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か、又はＰＴＣ素子がトリップする保護素子に関する。

従来、過電流を抑制する保護素子として、ＰＴＣ素子が知られている。ＰＴＣ素子は、導電性粒子を結晶性高分子（例えば、ポリオレフィン系樹脂等）に分散させて形成するか、あるいはチタン酸バリウム等の無機系成分から形成する抵抗体素子であり、過電流状態に陥ると発熱し、それにより抵抗値が上昇し、被保護回路に流れる電流を抑制するものである。

一方、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（特許文献１、２）。さらに、低融点金属体とＰＴＣ素子を併用した保護素子も知られている（特許文献３）。

図８（ａ）、（ｂ）は、低融点金属体を用いた保護素子１の平面図及び断面図である。この保護素子１では、基板２上に電極３ａ、３ｂ、３ｃが設けられ、これら電極３ａ、３ｂ、３ｃに橋かけするように、半田箔等の低融点金属体４が設けられている。また、電極３ｂの下面には、絶縁層５を介して発熱体６が設けられている。この発熱体６は、電極３ｘ、３ｙ間に通電されることにより加熱される。

図９は、このような保護素子１を用いた過電圧防止装置の回路図である。同図において、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６に流れ、発熱体６が発熱する。この熱が、発熱体６上の低融点金属体４に伝達し、低融点金属体４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。この場合、低融点金属体４は４ａと４ｂの２カ所で溶断されるので、溶断後には、発熱体６への通電が完全に遮断される。

この保護素子１は、図７に示すように製造される。即ち、まず基板２上に発熱体用の電極（所謂、枕電極）３ｘ、３ｙを形成し（同図（ａ））、次いで、発熱体６を形成する（同図（ｂ））。この発熱体６は、例えば、酸化ルテニウム系ペーストを印刷し、焼成することにより形成される。次に、発熱体６の抵抗値の調節のため、エキシマレーザー等で発熱体６にトリーミング７を形成する（同図（ｃ））。その後、発熱体６を覆うように絶縁層５を形成し（同図（ｄ））、さらに低融点金属体用の電極３ａ、３ｂ、３ｃを形成し（同図（ｅ））、この電極３ａ、３ｂ、３ｃに橋かけするように低融点金属体４を設ける（同図（ｆ））。

特許２７９０４３３号公報特開平８−１６１９９０号公報特開平８−２３６３０５号公報

ところで、近年、保護素子１の小型化が進行するにつれて、発熱体６の面積が狭まり、そのために発熱体６の抵抗値が小さくなり、それ故、発熱体６に所定の抵抗値を得るためには、トリーミング７の長さＬａ（図７（ｃ）参照）を長くする必要が生じている。

しかしながら、トリーミング７の長さＬａを単に長くすると、図１０に示したように、発熱体６の発熱領域（図中、斜め点線のハッチング部分）６ｘが本来の発熱体６よりも幅狭で細長いものとなり、発熱体６の上に位置する低融点金属体４と発熱体６の発熱領域６ｘとの重なりが幅が短くなる。そのため、保護素子１の動作が不安定になるという問題が生じる。このような問題は、発熱体上にＰＴＣ素子を有し、発熱体の発熱によりＰＴＣ素子がトリップする保護素子においても同様であり、発熱体の発熱領域が狭まることにより、ＰＴＣ素子のトリップ動作が不安定になっている。

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、発熱体を通電加熱することにより低融点金属体の溶断又はＰＴＣ素子のトリップが生じる保護素子において、発熱体にトリーミングすることにより発熱体の抵抗値を調節するにあたり、保護素子の動作を安定化させることを目的とする。

本発明者は、上記の目的を達成するためには、発熱体の形状、通電方向及びトリーミング方向に特定の関係をもたせ、発熱体の発熱領域が、その上に位置する低融点金属体と広く重なるようにすることが有効であることを見出し、本発明を完成させるに至った。

即ち、本発明は、基板上に発熱体、及び低融点金属体又はＰＴＣ素子を有し、発熱体の発熱により低融点金属体の溶断又はＰＴＣ素子のトリップが生じる保護素子において、
発熱体における通電方向が、発熱体の長手方向の対向する二辺の一方の辺に設置された第１電極と他方の辺に設置された第２電極とから、発熱体の短手方向の対向する二辺の一方の辺の中央部に配置された第３電極への方向であり、
該発熱体にはトリーミングが、短手方向の対向する二辺のうちの第３電極が配置された一方の辺から対向する他方の辺に向かって第３電極の両側と、他方の辺から一方の辺に向かって且つ第３電極に向かって第３電極の両側に形成された二つのトリーミングの間とに形成されていることを特徴とする保護素子を提供する。
また、本発明は、基板上に発熱体、及び低融点金属体又はＰＴＣ素子を有し、発熱体の発熱により低融点金属体の溶断又はＰＴＣ素子のトリップが生じる保護素子において、
発熱体における通電方向が、発熱体の長手方向の対向する二辺の一方の辺に設置された第１電極と他方の辺に設置された第２電極とから、発熱体の短手方向の対向する二辺の一方の辺の中央部に配置された第３電極への方向であり、
該発熱体にはトリーミングが、該発熱体の非中央部に開口部として形成されていることを特徴とする保護素子を提供する。

本発明によれば、発熱体が通電加熱されることにより低融点金属体の溶断又はＰＴＣ素子のトリップが生じる保護素子において、発熱体の形状、通電方向及びトリーミング方向に特定の関係をもたせるので、保護素子への印加電力をあげ、動作時間を短縮し、保護素子の動作を安定化させることが可能となる。

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。

図１は、第１の本発明の保護素子１Ａの発熱体６Ａの平面図（同図（ａ））、保護素子１Ａの平面図（同図（ｂ））及び保護素子１Ａの断面図（同図（ｃ））である。

この保護素子１Ａは、その製造工程においては、図８に示した従来の保護素子１と同様に、まず、基板２上に発熱体用の電極３ｘ、３ｙを形成し、次いで発熱体６Ａを形成することにより得られる（図１（ａ））が、この保護素子１Ａにおいては、発熱体６Ａの短手方向が電極３ｘ、３ｙで挟まれていることにより、発熱体６Ａにおける通電方向が、発熱体６Ａの短手方向となっており、さらに、発熱体６Ａのトリーミング７が、発熱体６Ａの長手方向に対向する辺６ｐ、６ｑから発熱体６Ａの長手方向に形成されている点が特徴的となっている。したがって、この保護素子１Ａによれば、発熱体６Ａが通電加熱される場合の発熱領域６ｘが、図１（ａ）にドットで塗りつぶしたように、発熱体６Ａの中央部において発熱体６Ａの短手方向の全長に及ぶようになる。したがって、発熱体６Ａに対する印加電力をあげることができる。また、これにより、発熱体６Ａ上に位置している低融点金属体４は、電極３ｂ付近の発熱体６Ａの中央部において、発熱体６Ａの全幅にわたって加熱され、動作時間が速くなる。よって、良好な動作特性を安定的に得ることができ、保護素子１Ａをさらに小型化することも可能となる。

本発明の保護素子１Ａにおいて、基板２や発熱体６Ａ等の形成素材や形成方法は従来例と同様とすることができる。したがって、例えば、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。好ましくは、無機系基板を使用する。

また、発熱体６Ａ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６Ａ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。発熱体６に対するトリーミング７の形成方法自体もエキシマレーザー、ＹＡＧレーザー等を用いる公知の手法によることができる。

発熱体６Ａ形成後の絶縁層５の形成、低融点金属体用の電極３ａ、３ｂ、３ｃの形成、低融点金属体４の形成も、従来例と同様とすることができる。したがって、例えば、低融点金属体４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。低融点金属体用の電極３ａ、３ｂ、３ｃ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。

なお、図８の従来の保護素子１においては、発熱体６の長手方向が電極３ｘで挟まれ、その対極３ｙが発熱体６の中央部に形成されているのに対し、図１の保護素子１Ａにおいては、発熱体６Ａの短手方向が電極３ｘ、３ｙで挟まれ、発熱体６Ａにおける通電方向が、発熱体６Ａの短手方向となっている点で、発熱体６Ａに対する電極３ｘ、３ｙの配置が異なる。しかしながら、図８の保護素子１を用いて形成される、図９の過電圧防止装置と同等の保護機能を有する過電圧防止装置を、この保護素子１Ａを用いても形成することができる。即ち、図２は、図１の保護素子１Ａを用いて形成した過電圧防止装置の回路図である。図２の過電圧防止装置によってもツエナダイオード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６Ａに流れ、発熱体６Ａが発熱し、この熱が、発熱体６Ａ上の低融点金属体４に伝達し、低融点金属体４が、４ａと４ｂの２カ所で溶断される。

図３は、上述の保護素子１Ａの変形態様の発熱体６Ｂの平面図である。図１に示した発熱体６Ａにおいては、トリーミング７が通電方向に対して左右対称に形成されているが、図３の発熱体６Ｂにおいては、トリーミング７が非対称となっている。このように、第１の本発明においては、トリーミング７が発熱体の長手方向に対向する辺６ｐ、６ｑから発熱体の長手方向に形成されている限り、その形成位置や、大きさなどは、適宜定めることができる。好ましくは、トリーミング７を発熱体６Ｂの非中央部に形成し、発熱体６Ｂが通電加熱される場合の発熱領域が、発熱体６Ｂの中央部においてその短手方向の全幅にわたるようにする。

第２の本発明の保護素子は、第１の本発明の保護素子１Ａに対し、トリーミング７が、図４に示すように開口部として形成されている点が異なっている。トリーミング７を開口部として形成した場合にも、発熱体６Ｃが通電加熱された場合の発熱領域６ｘは、図４にドットで塗りつぶしたように、発熱体６Ｃの中央部において発熱体６Ｃの短手方向の全長に及ぶようになる。したがって、発熱体６Ｃに対する印加電力をあげることができ、発熱体６Ｃ上に位置する低融点金属体の動作時間を速め、良好な動作特性を安定的に得ることが可能となる。また、保護素子をさらに小型化することも可能となる。

トリーミング７として形成する開口部の形状は、図４には、円形の場合を示したが、これに限られない。

また、トリーミング７を開口部として形成するに際し、発熱体６Ｃにおける通電方向は、前述の発熱体６Ａ、６Ｂと同様、図４に示したように発熱体６Ｃの短手方向とすることが好ましく、トリーミング７の形成部位は発熱体６Ｃの非中央部とすることが好ましい。

トリーミング７を開口部として形成するに際しては、図５に示したように、発熱体用の電極３ｘ、３ｙを、図８の従来の保護素子１と同様に形成し、発熱体６Ｃにおける通電方向が発熱体６Ｃの長手方向となるようにしてもよい。この場合にも、図８の従来の保護素子１に比べると、発熱体６Ｃが通電加熱される場合の発熱領域を発熱体６Ｃの中央部付近で広く確保することができ、保護素子の動作特性を安定化させることができる。

第３の本発明の保護素子は、その発熱体６Ｄ用の電極３ｘ、３ｙが、図６に示すように、図８の従来の保護素子１と同様に形成され、発熱体６Ｄにおける通電方向を発熱体６Ｄの長手方向とするものであるが、トリーミング７を、発熱体６Ｄの短手方向に互いに対向する辺６ｒ、６ｓの双方から発熱体６Ｄの短手方向に形成したものである。このようにトリーミング７を発熱体６Ｄの互いに対向する辺６ｒ、６ｓの双方から形成することにより、図８の従来の保護素子１に比べて、発熱体６Ｄが通電加熱される場合の発熱領域が発熱体６Ｄの短手方向に幅狭く偏ることを防止でき、保護素子の動作特性を安定化させることができる。

以上、本発明の保護素子を、発熱体上に低融点金属体が形成されている場合を例として説明したが、低融点金属体に代えて、発熱体上にＰＴＣ素子を形成してもよく、あるいは特開平８−２３６３０５号公報に記載されているように、発熱体上で低融点金属体とＰＴＣ素子とを併用してもよい。特に、低融点金属体とＰＴＣ素子とを直列に設けることにより、過電流時にまずＰＴＣ素子を作用させて保護素子の再使用を可能な限り確保し、さらにＰＴＣ素子による電流抑制作用で不十分な場合には、低融点金属体の溶断により被保護回路を確実に保護することができる。

本発明の保護素子は、発熱体の形状、通電方向及びトリーミング方向に上述の特定の関係をもたせ、発熱体の発熱領域が、その上に位置する低融点金属体又はＰＴＣ素子と広く重なるようにする限り、さらに種々の態様を包含する。例えば、図１の保護素子１Ａにおいて、低融点金属体４の溶融時に、その溶融物で濡れる電極３ａ、３ｂ、３ｃや発熱体６Ａの面積を十分に大きくして溶断が容易に生じるようにし、発熱体６Ａ上の絶縁層５を省略してもよい。これにより動作時間をいっそう短縮することができる。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。

実施例
図１の保護素子１Ａを次のようにして作製した。基板２として、アルミナ系セラミック基板（厚さ０．５ｍｍ、大きさ５ｍｍ×３ｍｍ）を用意し、これに銀−パラジウムペーストを印刷し、焼成（８５０℃、０．５時間）することにより発熱体用の電極３ｘ、３ｙ（厚さ１０μｍ、大きさ２．４ｍｍ×０．２ｍｍ）を形成した。次に、酸化ルテニウム系ペーストを印刷し、焼成（８５０℃、０．５時間）することにより発熱体６Ａの外形（厚さ１０μｍ、大きさ２．４ｍｍ×１．６ｍｍ）を形成し、さらに発熱体６Ａの長手方向に対向する辺６ｐ、６ｑから発熱体６Ａの中央に向かって、ＹＡＧレーザーの照射により、トリーミング７を形成した。この場合のトリーミング７の長さＬａと、発熱体６Ａの長手方向の長さＬｃとの比を表１、表２に示すように４通りに変えた。なお、トリーミングの幅Ｌｂは各保護素子とも５０μｍで共通とした（図１（ａ）参照）。

トリーミング７の形成後、発熱体６Ａ上に絶縁ガラスペーストを印刷することにより絶縁層５を形成し、さらに、低融点金属体用の電極３ａ、３ｂ、３ｃ（厚さ１０μｍ、大きさ２．２ｍｍ×０．７ｍｍ）を銀−パラジウムぺ−ストを印刷することにより形成し、この電極３ａ、３ｂ、３ｃに橋かけするように、低融点金属体４として半田箔（厚さ０．１ｍｍ、大きさ４．０ｍｍ×１．０ｍｍ）を接続した。

比較例
図８の保護素子１を次のように製造した。即ち、上記実施例の保護素子の製造において、発熱体用の電極３ｘが発熱体６の長手方向の両端部に位置し、電極３ｙが発熱体６の中央部に位置するように形成した。また、トリーミング７を発熱体６の長手方向の一辺６ｓから発熱体６の短手方向へ、電極３ｙの左右に一つずつ形成した。この場合のトリーミング７の長さＬａと、発熱体６の長手方向の長さＬｃとの比を表１、表２に示すように４通りに変えた。なお、トリーミングの幅Ｌｂは各保護素子とも５０μｍで共通とした（図７（ｃ）参照）。

評価
（１）トリーミングの長さと発熱体への最大印加力各実施例及び比較例の保護素子について、発熱体の電極３ｘ、３ｙ間に電力を印加し、発熱体を発熱させた場合に、発熱体が破壊しない最大の印加電力を求めた。この結果を表１に示す。

（２）発熱体への印加電力と低融点金属体の溶断時間各実施例及び比較例の保護素子について、表２に示す印加電力をかけた場合の低融点金属体４の溶断時間を求めた。この結果を表２に示す。

表１及び表２の結果から、トリーミングの入れ方を変えることにより、発熱体への印加電力をあげることができ、また、動作時間も短くできることがわかる。

なお、本発明によれば、基板上に発熱体、及び低融点金属体又はＰＴＣ素子を有し、発熱体の発熱により低融点金属体の溶断又はＰＴＣ素子のトリップが生じる保護素子において、発熱体における通電方向が該発熱体の短手方向であり、該発熱体にはトリーミングが、該発熱体の長手方向に対向する辺から、該発熱体の長手方向に形成されていることを特徴とする保護素子が提供される。

また、本発明によれば、基板上に発熱体、及び低融点金属体又はＰＴＣ素子を有し、発熱体の発熱により低融点金属体の溶断又はＰＴＣ素子のトリップが生じる保護素子において、該発熱体にはトリーミングが、該発熱体内に開口部として形成されていることを特徴とする保護素子が提供される。

さらに、本発明によれば、基板上に発熱体、及び低融点金属体又はＰＴＣ素子を有し、発熱体の発熱により低融点金属体の溶断又はＰＴＣ素子のトリップが生じる保護素子において、発熱体における通電方向が該発熱体の長手方向であり、該発熱体にはトリーミングが、該発熱体の短手方向に互いに対向する双方の辺から、該発熱体の短手方向に形成されていることを特徴とする保護素子が提供される。

発熱体が通電加熱されることにより低融点金属体の溶断又はＰＴＣ素子のトリップが生じる本発明の保護素子は、発熱体の形状、通電方向及びトリーミング方向に特定の関係を有する。そのため、保護素子への印加電力をあげ、動作時間を短縮し、動作を安定化させることが可能となる。

本発明の保護素子の発熱体の平面図（同図（ａ））、保護素子の平面図（同図（ｂ））及び断面図（同図（ｃ））である。過電圧防止装置の回路図である。本発明の保護素子の発熱体の平面図である。本発明の保護素子の発熱体の平面図である。本発明の保護素子の発熱体の平面図である。本発明の保護素子の発熱体の平面図である。従来の保護素子の製造工程図である。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。過電圧防止装置の回路図である。従来の保護素子の発熱体における発熱部位の説明図である。

符号の説明

１従来の保護素子
１Ａ本発明の保護素子
２基板
３ａ、３ｂ、３ｃ低融点金属体用の電極
３ｘ、３ｙ発熱体用の電極
４低融点金属体
５絶縁層
６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ発熱体
６ｘ発熱体の発熱領域
７トリーミング

Claims

基板上に発熱体、及び低融点金属体又はＰＴＣ素子を有し、発熱体の発熱により低融点金属体の溶断又はＰＴＣ素子のトリップが生じる保護素子において、
発熱体における通電方向が、発熱体の長手方向の対向する二辺の一方の辺に設置された第１電極と他方の辺に設置された第２電極とから、発熱体の短手方向の対向する二辺の一方の辺の中央部に配置された第３電極への方向であり、
該発熱体にはトリーミングが、短手方向の対向する二辺のうちの第３電極が配置された一方の辺から対向する他方の辺に向かって第３電極の両側と、他方の辺から一方の辺に向かって且つ第３電極に向かって第３電極の両側に形成された二つのトリーミングの間とに形成されていることを特徴とする保護素子。
基板上に発熱体、及び低融点金属体又はＰＴＣ素子を有し、発熱体の発熱により低融点金属体の溶断又はＰＴＣ素子のトリップが生じる保護素子において、
発熱体における通電方向が、発熱体の長手方向の対向する二辺の一方の辺に設置された第１電極と他方の辺に設置された第２電極とから、発熱体の短手方向の対向する二辺の一方の辺の中央部に配置された第３電極への方向であり、
該発熱体にはトリーミングが、該発熱体の非中央部に開口部として形成されていることを特徴とする保護素子。
低融点金属体又はＰＴＣ素子が、発熱体上に、該発熱体と略重なる位置に設けられている請求項１又は２記載の保護素子。