JP5489750B2 - 抵抗温度ヒューズパッケージ、並びに抵抗温度ヒューズ - Google Patents

Description

本発明は、温度ヒューズエレメントが実装される抵抗温度ヒューズパッケージ、並びに、外部からの信号に基づいて発熱抵抗体を高温にし、発熱抵抗体の温度に起因して温度ヒューズエレメントを溶断する抵抗温度ヒューズに関する。

近年、抵抗温度ヒューズパッケージ、並びに抵抗温度ヒューズの作動特性を向上させる開発が進められている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−９６８７１号公報

抵抗温度ヒューズの開発において、発熱抵抗体の温度を効率的に温度ヒューズエレメントに伝える作動特性の向上が求められている。本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、作動特性の向上に寄与することが可能な抵抗温度ヒューズパッケージ、並びに抵抗温度ヒューズ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、本発明の実施の態様に係る抵抗温度ヒューズは、第１基板と、前記第１基板上に設けられ、前記第１基板の熱伝導率よりも熱伝導率の大きな第２基板と、前記第１基板と前記第２基板の間に設けられる発熱抵抗体と、前記第２基板上に設けられ、平面透視して前記発熱抵抗体と重なる領域に設けられる温度ヒューズエレメントと、前記第１基板又は前記第２基板内に設けられ、平面透視して前記発熱抵抗体と重なる領域に設けられるとともに、前記発熱抵抗体の下面を露出する空隙と、を備えたことを特徴とする。

本発明の実施の態様に係る抵抗温度ヒューズパッケージは、第１基板と、前記第１基板上に設けられ、前記第１基板の熱伝導率よりも熱伝導率が大きく、温度ヒューズエレメントが実装される実装面を有する第２基板と、前記第１基板と前記第２基板の間に設けられ、平面透視して前記実装面と重なる領域に設けられる発熱抵抗体と、前記第１基板又は前記第２基板内に設けられ、平面透視して前記発熱抵抗体と重なる領域に設けられるとともに、前記発熱抵抗体の下面を露出する空隙と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、作動特性の向上に寄与することが可能な抵抗温度ヒューズパッケージ、並びに抵抗温度ヒューズを提供することができる。

本実施形態に係る抵抗温度ヒューズの概観を示す斜視図である。 図１のＸ−Ｘ’に沿った抵抗温度ヒューズの断面図である。 図１のＹ−Ｙ’に沿った抵抗温度ヒューズの断面図である。 本実施形態に係る抵抗温度ヒューズの発熱抵抗体を示す基板の透過斜視図である。 本実施形態に係る抵抗温度ヒューズと接続部材とを接合した状態を示す斜視図である。 一変形例に係る抵抗温度ヒューズと接続部材とを接合した状態を示す斜視図である。 一変形例に係る抵抗温度ヒューズの断面図である。 一変形例に係る抵抗温度ヒューズの断面図である。 一変形例に係る抵抗温度ヒューズの断面図である。 図９に示す抵抗温度ヒューズの発熱抵抗体を示す基板の透過斜視図である。

以下に添付図面を参照して、本発明にかかる抵抗温度ヒューズ、並びに抵抗温度ヒューズパッケージの実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されないものとする。

＜抵抗温度ヒューズの概略構成＞
図１は、本実施形態に係る抵抗温度ヒューズの概観斜視図であって、温度ヒューズエレメントを被覆するフラックスを透過したものである。また、図２は、図１のＸ−Ｘ’に沿った抵抗温度ヒューズの断面図である。図３は、図１のＹ−Ｙ’に沿った抵抗温度ヒューズの断面図である。図４は、抵抗温度ヒューズの発熱抵抗体を示す基板の透過斜視図である。

本実施形態の抵抗温度ヒューズは、回路保護素子として用いるものであって、特定の回路に異常検出器とともに組み込むものである。そして、回路の異常発生時に、異常検出器が回路の異常を検出し発熱抵抗体を通電する。その結果、抵抗温度ヒューズは、発熱抵抗体が高温となり、その温度によって温度ヒューズエレメントを溶断することで、回路の動作を緊急停止させるものである。

本実施形態に係る抵抗温度ヒューズ１は、抵抗温度ヒューズパッケージ２と、抵抗温度ヒューズパッケージ２に実装される温度ヒューズエレメント３とを備えている。また、本実施形態に係る抵抗温度ヒューズパッケージ２は、第１基板４と、第１基板４上に設けられ、第１基板４の熱伝導率よりも熱伝導率が大きく、温度ヒューズエレメント３が実装される実装面Ｒを有する第２基板５と、第１基板４と第２基板５の間に設けられ、平面透視して実装面Ｒと重なる領域に設けられる発熱抵抗体６と、を備えている。

第１基板４は、絶縁性の基板であって、例えば、アルミナ、ムライト又は窒化アルミ等のセラミック材料、或いはガラスセラミック材料等から成る。または、これらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料から成る。または、これらの材料中に、閉気孔を多数有することにより熱伝導度を低下させたものであってもよい。なお、第１基板４の厚みは、例えば、０．０５ｍｍ以上２ｍｍ以下に設定されている。また、第１基板４の熱伝導率は、例えば、８Ｗ／ｍ・Ｋ以上２００Ｗ／ｍ・Ｋ以下に設定されている。さらに、第１基板４の熱伝導率は、第２基板の熱伝導率よりも小さく設定されている。

第２基板５は、第２基板５は、絶縁性の基板であって、例えば、アルミナ、ムライト又は窒化アルミ等のセラミック材料、或いはガラスセラミック材料等から成る。または、これらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料から成る。なお、第２基板５の厚みは、例えば、０．０２ｍｍ以上２ｍｍ以下に設定されている。また、第２基板５の熱伝導率は、例えば、１２Ｗ／ｍ・Ｋ以上２１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下に設定されている。さらに、第２基板５の熱伝導率は、第１基板４の熱伝導率よりも大きく設定されている。

第２基板５の上面には、温度ヒューズエレメント３を実装したときに、温度ヒューズエレメントと電気的に接続される電極層７が形成されている。また、電極層７の一部は、第２基板５の上面から第２基板５の側面を介して第２基板５の下面にわたって形成されている。本実施形態では、電極層７は、温度ヒューズエレメント３が溶断したときに、電極層７が電気的にオープンになるように形成されている。なお、電極層７は、温度ヒューズエレメント３と電気的に接続されるものであって、任意のパターンに形成されている。電極層７の幅は、例えば、０．０５ｍｍ以上１０ｍｍ以下に設定されている。ここで、電極層７の幅とは、電極層７に流れる電流方向と直交する方向の幅をいう。

電極層７は、例えば、タングステン、モリブデン、ニッケル、銅、銀、金又はアルミニウム等の金属材料、或いはそれらの合金、或いはこれらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料、或いはそれらの材料の複合層からなる。

第１基板４の下面には、平面透視して発熱抵抗体６を間に挟むように一対の支持体８が設けられている。

支持体８は、抵抗温度ヒューズ１を外部の回路に設けるときに、土台となるものである。そして、支持体８が外部の回路との接合用土台となることで、外部の回路から伝わる熱を支持体８上に設けられる第１基板４に伝わりにくくすることができ、外部の温度影響による抵抗温度ヒューズ１の誤作動を抑制するとともに、抵抗温度ヒューズ１の発熱抵抗体６か発熱した際の熱が外部の回路に伝わりにくくすることにより、抵抗温度ヒューズ１の温度上昇特性を向上させることができる。

支持体８は、例えば、アルミナ又はムライト等のセラミック材料、或いはガラスセラミック材料、或いはプラスチックから成る。または、これらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料から成る。なお、支持体８の厚みは、例えば、０．０５ｍｍ以上２ｍｍ以下に設定されている。また、支持体８の熱伝導率は、例えば、８Ｗ／ｍ・Ｋ以上２１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下に設定されている。

また、支持体８は、支持体８の長手方向に支持体８の高さに相当する切り欠き部を設ける手段により支持体８の熱伝達断面積を小さくすることによる熱抵抗を増大させたり、支持体８に第１基板４又は第２基板５の熱伝導率よりも小さい熱伝導率の材料を選択したりすることにより、外部の回路から支持体８に伝わる熱の容量を小さくすることができ、外部の回路から伝わる熱を第１基板４に伝わりにくくすることができる。そして、発熱抵抗体６が発する熱は、第２基板５を介して温度ヒューズエレメント３に伝わりやすくすることができる。

支持体８の下面には、導電層９が形成されている。導電層９は、支持体８の下面から支持体８及び第１基板４の側面を介して第１基板４の上面にわたって形成される。抵抗温度ヒューズ１とともに回路に組込まれた異常検出器による回路の異常検出により、導電層９を介して、発熱抵抗体６に通電し、発熱抵抗体６の温度を上昇させる。さらに、発熱抵抗体６の温度に起因して、温度ヒューズエレメント３を溶断することができる。なお、導電層９の幅は、例えば、０．０５ｍｍ以上１０ｍｍ以下に設定されている。ここで、導電層９の幅とは、導電層９に流れる電流方向と直交する方向の幅をいう。

導電層９は、例えば、タングステン、モリブデン、ニッケル、銅、銀、金又はアルミニウム等の金属材料、或いはそれらの合金、複数の材料を混合した複合系材料、或いはそれらの材料の複合層からなる。

第２基板５の上面には、温度ヒューズエレメント３が実装される。温度ヒューズエレメント３は、特定の温度以上になると溶断するものである。温度ヒューズエレメント３は、例えば、インジウム、ビスマス又は錫等の導電材料、或いはこれらの混合材料からなる。また、温度ヒューズエレメント３の溶断する融点は、例えば、８０℃以上１８０℃以下に設定されている。

温度ヒューズエレメント３は、平面透視したときに発熱抵抗体６と重なる領域に設けられ、矩形状に形成される。また、温度ヒューズエレメント３は、平面透視したときに発熱抵抗体６が存在する領域から食み出さないように設けられると、発熱抵抗体６の温度を効率良く温度ヒューズエレメント３に伝えることができる。なお、温度ヒューズエレメント３の厚みは、例えば、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であって、平面視したときの一辺の長さが、例えば、０．１ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下に設定されている。

第２基板５上には、図２に示すように、温度ヒューズエレメント３と重なる領域の一部に被覆層１０が形成されている。被覆層１０は、第２基板５の温度ヒューズエレメント３が実装される実装面Ｒ上に形成されている。被覆層１０は、温度ヒューズエレメント３の溶融体との濡れ性が第２基板５の上面に形成された温度ヒューズエレメント実装面Ｒの濡れ性よりも小さい濡れ性の材料であって、例えば、ガラス又はポリテトラフルオロエチレン等の材料から成る。

実装面Ｒは、温度ヒューズエレメント３が溶断したときに、温度ヒューズエレメント３を構成する材料の溶融体が濡れやすくするためのものであって、被覆層１０上に溶断した温度ヒューズエレメント３の一部が付着しにくくするものである。実装面Ｒは、実装面Ｒ上に溶断した温度ヒューズエレメント３を構成する材料の溶融体が濡れ、溶融体の表面張力作用により被覆層１０上の温度ヒューズエレメント３を構成する材料の溶融体を吸収する作用により、被覆層１０上に温度ヒューズエレメント３を構成する材料の溶融体が残存付着しにくくなり、温度ヒューズエレメント３の直下に位置する一対の電極層７間を電気的にオープンにすることができる。

第１基板４と第２基板５の間には、図１又は図２に示すように、発熱抵抗体６が形成されている。発熱抵抗体６は、温度ヒューズエレメント３に発熱した温度を伝えて、温度ヒューズエレメント３を溶断するものである。発熱抵抗体６は、第２基板５上に設けられ、平面透視して実装面Ｒと重なる領域に設けられている。

発熱抵抗体６は、一端が電極層７と接続され、他端が導電層９と接続される。発熱抵抗体６は、所要の発熱量を確保するための抵抗値を有しており、例えば、そのパターン形状は第１基板４の上面にて何度も折れ曲がって形成されている。そして、発熱抵抗体６の幅は、電極層７及び導電層９の幅よりも小さく設定されている。発熱抵抗体６の幅を電極層７及び導電層９の幅よりも小さくすることで、発熱抵抗体６の電気抵抗を大きくし、発熱抵抗体６部分にて発生するジュール熱の制御を容易にすることができる。

発熱抵抗体６には、抵抗温度ヒューズとともに回路に組込まれた異常検出器による回路の異常検出によって、導電層９を介して発熱抵抗体６に通電する。そして、発熱抵抗体６の電気抵抗が大きいために、発熱抵抗体６の温度が上昇する。さらに、その温度が、基板４を介して温度ヒューズエレメント３に伝わり、温度ヒューズエレメント３が所定温度以上になると溶断する。なお、発熱抵抗体６は、例えば、タングステン又はプラチナ等の材料から成る。

温度ヒューズエレメント３は、フラックス１１で被覆されている。フラックス１１は、熱伝導性の優れた材料であって、例えば、松脂をテレピン油に溶かしてペースト状にしたもの、或いは塩化亜鉛等の材料から成る。フラックス１１は、温度ヒューズエレメント３に発熱抵抗体６の温度を伝えやすくするものである。そして、発熱抵抗体６の温度と温度ヒューズエレメント３の温度差を小さくすることができる。

図５は、抵抗温度ヒューズ１と接続部材１２とを接続した状態を示す概観斜視図である。

図５に示すように、抵抗温度ヒューズ１の支持体８の下面には、接続部材１２が形成されている。接続部材１２は、抵抗温度ヒューズ１を外部の回路に実装するときに、外部の回路と電気的に接続するものである。抵抗温度ヒューズ１を外部の回路に実装するときに、仮に、接続部材１２がなく抵抗温度ヒューズ１の基体５を半田等の接着材を介して外部の回路と接続しようとすると、接着材の溶融温度によっては、抵抗温度ヒューズ１の温度ヒューズエレメント３が溶断する虞がある。このようなケースにおいては、抵抗温度ヒューズ１に接続部材１２を設け、接続部材１２の下面を介して外部の回路と接続することにより、抵抗温度ヒューズの実装作業を容易にするとともに、実装後の抵抗温度ヒューズの作動信頼性を向上させ得る。

接続部材１２には、図５に示すように、貫通孔Ｈが形成されている。貫通孔Ｈは、接続部材１２の下面の高さ位置よりも高い箇所であって、抵抗温度ヒューズ１と接続部材１２との間に設けられている。接続部材１２の下面を半田等の接着材を介して外部の回路と接続するときに、接続部材１２の下面の電気伝導性接合材の接合時の熱が抵抗温度ヒューズ１に伝わろうとする。接続部材１２と抵抗温度ヒューズ１との間に貫通孔Ｈが形成されていることにより、接続部材１２の下面から抵抗温度ヒューズ１に向かって伝わる熱の熱伝導断面積を小さくすることができ、抵抗温度ヒューズ１に熱を伝わりにくくすることができる。

上述したように、本実施形態によれば、外部回路に組み込んだ抵抗温度ヒューズ１は、外部回路から伝わる熱は、第１基板４に伝わりにくくすることができ、外部回路の熱を発熱抵抗体６に伝えにくくすることができる。そして、発熱抵抗体６の温度が、外部回路から伝わる熱の影響を低減することができる。また、外部回路の熱の影響を受けにくい発熱抵抗体６の温度は、第２基板５を介して温度ヒューズエレメント３に伝えられるため、作動特性の精度を向上させることができる。その結果、作動特性の向上に寄与することが可能な抵抗温度ヒューズパッケージ、並びに抵抗温度ヒューズを提供することができる。

なお、本発明は上述の形態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において種々の変更、改良等が可能である。以下、本実施形態の変形例について説明する。なお、本実施形態の変形例に係る抵抗温度ヒューズ１のうち、本実施形態に係る抵抗温度ヒューズ１と同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。

＜変形例＞
図６は、一変形例に係る抵抗温度ヒューズ１と接続部材１２とを接合した状態を示す斜視図であって、接続部材１２を平板としたものである。

上述した実施形態では、図５に示すように、接続部材１２を第２基板５の下方に向かって延在したが、これに限られない。例えば、図６に示すように、接続部材１２を第１基板４に沿って平面方向に沿って延在させてもよい。接続部材１２の厚みを小さくすることで、抵抗温度ヒューズ１を外部の回路に組み込む自由度を向上させることができる。

図７は、一変形例に係る抵抗温度ヒューズ１の断面図である。なお、かかる断面箇所は、図１のＸ−Ｘ’に沿った断面箇所に対応する。

上述した実施形態では、第１基板４及び第２基板５内は、空隙ＳＰが設けられていなかったが、図７に示すように、空隙ＳＰが設けられていてもよい。空隙ＳＰは、平面透視して発熱抵抗体６と重なる領域に設けられるとともに、発熱抵抗体６の下面を露出する領域に形成されている。

空隙ＳＰは、平面透視して発熱抵抗体６の配置エリア(配置エリアとは発熱抵抗体への導体配線部を除く発熱抵抗体パターン最外辺の４辺により形成される面をいう)が内部に含まれる大きさに設定されている。また、空隙ＳＰの厚み方向の長さは、例えば０．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下に設定されている。空隙ＳＰを平面視したとき、各コーナーは、曲線になっており、各コーナーに応力が集中するのを低減することができる。なお、空隙ＳＰ内は、減圧・真空雰囲気に設定されていることが好ましい。

空隙ＳＰが、発熱抵抗体６の下方に位置することで、発熱抵抗体６が発熱した時に空隙ＳＰが断熱層として機能し、発熱抵抗体６近傍の温度上昇特性が向上し、発熱抵抗体６の直上に位置する抵抗温度ヒューズ１の温度上昇が早くなる。そして、温度ヒューズエレメント３の溶断温度に到達する時間が短くなり、抵抗温度ヒューズによる回路遮断の即断性が向上する。また、抵抗温度ヒューズを外部の回路に組み込んだ状態で、外部の回路から抵抗温度ヒューズ１に伝わろうとする熱が、断熱層として作用する空隙ＳＰが設けられていることで、発熱抵抗体６に伝わりにくくなり、発熱抵抗体６は、外部温度の影響を受けにくく、温度コントロールがしやすくなる。その結果、発熱抵抗体６の温度に起因して、温度ヒューズエレメント３を溶断することができる。

また、空隙ＳＰは、図７に示すように、第１基板４内に設ける構造であったが、図８に示すように、第２基板５内に空隙ＳＰが設けられてもよい。

また、空隙ＳＰ内に、空隙ＳＰの天井面Ｓ１と空隙ＳＰの底面Ｓ２との間に支柱１３が設けられてもよい。支柱１３は、空隙ＳＰ内にて天井面Ｓ１を支持することで、天井面Ｓ１が撓むのを抑制することができる。

支柱１３は、平面視して発熱抵抗体６のパターンと直接重ならない箇所に設けられており、外部から支柱１３を介して発熱抵抗体６に熱が伝わるのを抑制することができる。支柱１３は、第１基板４又は第２基板５と一体ものであっても、別体ものであってもよい。

＜抵抗温度ヒューズの製造方法＞
ここで、図１に示す抵抗温度ヒューズ１、並びに抵抗温度ヒューズパッケージ２の製造方法について説明する。

先ず、第１基板４及び第２基板５を準備する。第１基板４又は第２基板５が、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム及び酸化カルシウム等の原料粉末に、有機バインダー、可塑剤、および溶剤等を添加混合して得た混合物よりグリーンシートを成型する。

また、タングステン又はモリブデン等の高融点金属粉末を準備し、この粉末に有機バインダー、可塑剤又は溶剤等を添加混合して金属ペーストを得る。

そして、グリーンシートの状態の第２基板５の上面に対して、例えばスクリーン印刷法を用いて、金属ペーストを塗って電極層７を形成する。また、同様にして、第１基板４の上面に対して、発熱抵抗体６を形成する。

次に、一対の支持体８を準備する。第１基板４又は第２基板５と同様に、グリーンシートを成形する。そして、支持体８の下面、側面側上面に対して、例えばスクリーン印刷法を用いて、金属ペーストを塗って導電層９を形成する。

次に、準備した焼結前の第１基板４、第２基板５及び支持体８を接続させた状態で、約１６００度の温度で焼成する。そして、第１基板４、第２基板５及び支持体８を一体焼結する。一体焼結後の部材の、温度ヒューズエレメント搭載部、回路基板実装部及び支持体の表面に所要のめっきを行う。ここでは、抵抗温度ヒューズについての個片製品の製法を述べたが、多数個取のシート形状による製造が量産性、コスト面からは好ましい。このようにして、抵抗温度ヒューズパッケージ２を作製することができる。

次に、第２基板５上の所定箇所に温度ヒューズエレメント３を実装する。そして、温度ヒューズエレメント３と電極層７とを電気的に接続する。また、第２基板５上に、温度ヒューズエレメント３を被覆するようにフラックス１１を形成する。その結果、抵抗温度ヒューズ１を作製することができる。

尚、多数個取のシート形状にて作成した抵抗温度ヒューズパッケージ２の個々の抵抗温度ヒューズに相当する部位の所定箇所に温度ヒューズエレメント３を実装した後に、温度ヒューズエレメント３を被覆するようにフラックス１１を形成し、その後に多数個取シートを個片に分割することが量産性、コスト面からは好ましい。

１ 抵抗温度ヒューズ
２ 抵抗温度ヒューズパッケージ
３ 温度ヒューズエレメント
４ 第１基板
５ 第２基板
６ 発熱抵抗体
７ 電極層
８ 支持体
９ 導電層
１０ 被覆層
１１ フラックス
１２ 接続部材
１３ 支柱
Ｒ 実装面
Ｈ 貫通孔
ＳＰ 空隙
Ｓ１ 天井面
Ｓ２ 底面

Claims (6)

1. 第１基板と、
   前記第１基板上に設けられ、前記第１基板の熱伝導率よりも熱伝導率の大きな第２基板と、
   前記第１基板と前記第２基板の間に設けられる発熱抵抗体と、
   前記第２基板上に設けられ、平面透視して前記発熱抵抗体と重なる領域に設けられる温度ヒューズエレメントと、
   前記第１基板又は前記第２基板内に設けられ、平面透視して前記発熱抵抗体と重なる領域に設けられるとともに、前記発熱抵抗体の下面を露出する空隙と、を備えたことを特徴とする抵抗温度ヒューズ。
2. 請求項１に記載の抵抗温度ヒューズであって、
   前記空隙内に、前記空隙の天井面と前記空隙の底面との間に支柱が設けられることを特徴とする抵抗温度ヒューズ。
3. 請求項１又は２に記載の抵抗温度ヒューズであって、
   前記第１基板の下面には、平面透視して前記発熱抵抗体を間に挟むように一対の支持体が設けられることを特徴とする抵抗温度ヒューズ。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の抵抗温度ヒューズであって、
   前記温度ヒューズエレメントと前記第２基板の前記温度ヒューズエレメントが実装される実装面との間には、溶融した前記温度ヒューズエレメントとの濡れ性が前記実装面の濡れ性よりも小さい被覆層が形成されていることを特徴とする抵抗温度ヒューズ。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の抵抗温度ヒューズであって、
   前記温度ヒューズエレメントは、フラックスで被覆されていることを特徴とする抵抗温度ヒューズ。
6. 第１基板と、
   前記第１基板上に設けられ、前記第１基板の熱伝導率よりも熱伝導率が大きく、温度ヒューズエレメントが実装される実装面を有する第２基板と、
   前記第１基板と前記第２基板の間に設けられ、平面透視して前記実装面と重なる領域に設けられる発熱抵抗体と、
   前記第１基板又は前記第２基板内に設けられ、平面透視して前記発熱抵抗体と重なる領域に設けられるとともに、前記発熱抵抗体の下面を露出する空隙と、を備えたことを特徴とする抵抗温度ヒューズパッケージ。

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