JP5511501B2 - 抵抗温度ヒューズ、ならびに抵抗温度ヒューズパッケージ - Google Patents

抵抗温度ヒューズ、ならびに抵抗温度ヒューズパッケージ Download PDF

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本発明は、抵抗温度ヒューズ、ならびに抵抗温度ヒューズパッケージに関する。
抵抗温度ヒューズは、外部機器に組み込んで用いるものであって、外部機器の誤作動を防止するのに用いられる(例えば、特許文献1を参照)。近年、外部機器が正常な状態では抵抗温度ヒューズが作動せず、外部機器が異常な状態でのみ抵抗温度ヒューズを正確に作動させる技術が求められている。
特開2004−14224号公報
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、ならびに抵抗温度ヒューズパッケージを提供することを目的とする。
本発明の一実施形態に係る抵抗温度ヒューズは、基板と、前記基板の上面に設けられた一対の電極と、前記基板の上面に設けられ、前記一対の電極間に配置された発熱抵抗体と、前記基板内に設けられ、前記一対の電極の一方および前記発熱抵抗体の一端に電気的に接続され、且つ前記一対の電極の他方および前記発熱抵抗体の他端に電気的に接続された一対の内部電極と、前記発熱抵抗体の上面から前記一対の電極の両方の上面にかけて設けられた温度ヒューズエレメントとを備えたことを特徴とする。
本発明の一実施形態に係る抵抗温度ヒューズパッケージは、基板と、前記基板の上面に設けられた一対の電極と、前記基板の上面に設けられ、前記一対の電極間に配置された発熱抵抗体と、前記基板内に設けられ、前記一対の電極の一方および前記発熱抵抗体の一端に電気的に接続され、且つ前記一対の電極の他方および前記発熱抵抗体の他端に電気的に接続された一対の内部電極と、前記発熱抵抗体の上面から前記一対の電極の両方の上面にかけて設けられた温度ヒューズエレメントを実装する実装領域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、ならびに抵抗温度ヒューズパッケージ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の抵抗温度ヒューズからフラックスを取り除いた状態を示す斜視図である。 図1の抵抗温度ヒューズからフラックスおよび温度ヒューズエレメントを取り除いた状態を示す斜視図であって、抵抗温度ヒューズパッケージの斜視図である。 図2のX−X’に沿った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概観斜視図であって、フラックスを取り除いた状態を示している。 図5のY−Y’に沿った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概観斜視図であって、フラックスを取り除いた状態を示している。 図7のZ−Z’に沿った抵抗温度ヒューズの断面図である。
以下に添付図面を参照して、本発明の抵抗温度ヒューズ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である。
<抵抗温度ヒューズの構成>
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、外部機器内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、抵抗温度ヒューズに過電流が流れ、その熱に起因して抵抗温度ヒューズの温度ヒューズエレメントが溶断し、更に、発熱抵抗体を溶断することで、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パッケージ1Xは、基板2と、基板2の上面に設けられる一対の電極3と、基板2の上面に設けられ、一対の電極3間に配置される発熱抵抗体4と、基板2内に設けられ、一対の電極3の一方および発熱抵抗体4の一端に電気的に接続され、且つ一対の電極3の他方および発熱抵抗体4の他端に電気的に接続される一対の内部電極5と、発熱抵抗体4の上面から一対の電極3の両方の上面にかけて設けられる温度ヒューズエレメント6を実装する実装領域Rと、を備えている。なお、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1Xの実装領域Rに温度ヒューズエレメント6を実装したものである。
基板2は、平面視したときに矩形状に設定されており、複数の層からなる積層体である。基板2は、絶縁性の基板であって、例えば、アルミナ、ムライトまたは窒化アルミ等のセラミック材料、ある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、基板2の上面から基板2の下面までの厚みは、例えば、0.1mm以上3mm以下に設定されている。さらに、基板2の熱伝導率は、例えば、14W/m・K以上200W/m・K以下に設定されている。
基板2の上面には、温度ヒューズエレメント6を実装したときに、温度ヒューズエレメントに電気的に接続される一対の電極3が形成されている。一対の電極3のそれぞれの一部は、基板2の上面から基板2の側面を介して基板2の下面にわたって形成されている。
電極3は、例えば、タングステン、モリブデン、ニッケル、銅、銀、金またはアルミニウム等の金属材料、あるいはそれらの合金、ある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からなる。
基板2上には、発熱抵抗体4が設けられている。発熱抵抗体4は、一対の電極3間に設けられ、一対の電極3とは間を空けて配置されている。発熱抵抗体4は、温度ヒューズエレメント6に発熱した温度を伝えて、温度ヒューズエレメント6を溶断するものである。発熱抵抗体4は、平面透視して温度ヒューズエレメント6に対応する領域であって、温度ヒューズエレメント6と基板2の上面との間に設けられている。
また、発熱抵抗体4は、発熱抵抗体4それ自体が所定温度以上に発熱することによって、発熱抵抗体4が焼き切られる機能を備えている。発熱抵抗体4は、所要の発熱量を確保するための抵抗値を有している。その抵抗値確保方法の例として、そのパターン形状は平面視し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4の幅は、電極3の幅
よりも小さく設定されている。発熱抵抗体4の幅を電極3の幅よりも小さくすることで、発熱抵抗体4の電気抵抗を大きくし、発熱抵抗体4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。なお、発熱抵抗体4の一部に、周囲の発熱抵抗体4の幅よりもさらに幅狭の幅狭部を設けておき、当該幅狭部での電気抵抗を大きくすることによって、当該幅狭部にて効果的に発熱抵抗体4を焼き切ることができる。
発熱抵抗体4には、抵抗温度ヒューズ1とともに外部機器に組み込まれた異常検出器による外部機器の異常検出を検出し、電極3を介して通電する。そして、発熱抵抗体4の電気抵抗が大きいために、発熱抵抗体4の温度が上昇する。さらに、その温度が、温度ヒューズエレメント6に伝わり、温度ヒューズエレメント6が所定温度以上になると温度ヒューズエレメント6が溶断する。発熱抵抗体4は、例えば、タングステンまたはプラチナ等の金属材料から成る。発熱抵抗体4の電気抵抗は温度ヒューズエレメント6の電気抵抗よりも大きく設定されている。なお、発熱抵抗体4は、例えば200℃以上になると、発熱抵抗体4自体が焼き切られる。
基板2内には、内部電極5が設けられている。内部電極5は、基板2の内部の層の上面に形成される電極層5aと、基板2内に形成されるビア導体5bとから構成されている。ビア導体5bは、一対の電極3と重なる領域に形成されるとともに、発熱抵抗体4の両端と重なる領域に形成される。内部電極5は、一対の電極3の一方および発熱抵抗体4の一端に電気的に接続し、且つ一対の電極3の他方および発熱抵抗体4の他端に電気的に接続するものである。
内部電極5は、例えば、タングステン、モリブデン、ニッケル、銅、銀、金またはアルミニウム等の金属材料、あるいはそれらの合金、ある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からなる。
内部電極5の電極層5aは、基板2が複数の層からなるため、基板2内の層の上面に形成することができる。また、内部電極5のビア導体5bは、基板2は複数の層からなるため、ビア導体5bを設ける層に対して、例えばレーザー光を照射してビア孔を設け、そのビア孔に導電材料を充填することで形成することができる。
内部電極5は、それ自体が発熱し難いように、内部電極5の幅を発熱抵抗体4の幅よりも大きく設定されており、発熱抵抗体4よりも発熱し難く設定されている。また、内部電極5は、基板2内に設けられており、内部電極5にて発生する熱が温度ヒューズエレメント6に伝わり難く設定されている。
本実施形態に係る抵抗温度ヒューズ1は、基板2の上面であって、一対の電極3と発熱抵抗体4との間に電極を設けず、基板2内に一対の電極3と発熱抵抗体4とを電気的に接続する内部電極5を設けることで、温度ヒューズエレメント6が溶断した後に、温度ヒューズエレメント6の溶断した一部が、基板2の露出する上面に被着し難くすることができる。基板2は、セラミック材料等からなり、基板2の上面に形成される一対の電極3および発熱抵抗体4は、金属材料からなるため、溶融した金属に対する両者の濡れ性が異なる。温度ヒューズエレメント6が溶断して液状化している状態では、基板2の上面に位置する液化した温度ヒューズエレメント6の接触角は、一対の電極3または発熱抵抗体4上に位置する液化した温度ヒューズエレメント6の接触角よりも大きくなる。そのため、溶断した温度ヒューズエレメント6は、液状化しており、撥水性が金属材料よりも優れたセラミック材料からなる基板2の上面からはじかれて、一対の電極3または発熱抵抗体4の直上に移動する。そして、発熱抵抗体4の熱を受け難くい箇所にまで移動することによって、液状化している温度ヒューズエレメント6の温度が低くなって、液状化している温度ヒューズエレメント6が固体化する。その結果、一対の電極3の間に位置する温度ヒューズ
エレメント6を電気的にオープンにすることができる。
温度ヒューズエレメント6は、発熱抵抗体4上から一対の電極3上の両方にかけて設けられている。温度ヒューズエレメント6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6は、例えば、インジウム、ビスマスまたは錫等の低融点導電材料、ある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6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6は、一対の電極3間に、発熱抵抗体4に電気的に並列に接続される。また、温度ヒューズエレメント6の一部は、発熱抵抗体4の上部に直接接続される。温度ヒューズエレメント6は、平面視して矩形状に形成される。なお、温度ヒューズエレメント6の厚みは、例えば0.1mm以上1.0mm以下に設定される。また、温度ヒューズエレメント6の幅は、例えば0.5mm以上1.0mm以下に設定される。
温度ヒューズエレメント6の形状を矩形状に設定することにより、温度ヒューズエレメント6の単位面積当たりの熱容量を一定値に近付けて、単位面積当たりの熱容量のばらつきを低減することができる。その結果、温度ヒューズエレメント6に電流が流れ、その電流に基づいて発生する熱が温度ヒューズエレメント6に一様に伝わるようにすることができる。
仮に、温度ヒューズエレメント6の単位面積当たりの熱容量が温度ヒューズエレメント6内で大きく異なる場合は、熱容量の小さい箇所では温度上昇が大きくなるため、温度ヒューズエレメント6の特定箇所に熱が集中しやすくなる。温度ヒューズエレメント6は、熱が集中する箇所では温度ヒューズエレメント6が溶け出し、その箇所を中心に温度ヒューズエレメント6が溶断する。そのため、温度ヒューズ1を組み込んだ外部回路が正常に動作している状態であっても、温度ヒューズエレメント6が溶断し、外部回路が誤って誤動作を起こす虞がある。
そこで、温度ヒューズエレメント6内に電流集中が起き難いように、温度ヒューズエレメント6の形状を矩形状にする。そして、温度ヒューズエレメント6の単位面積当たりの熱容量を一定にし、温度ヒューズエレメント6の特定箇所に熱が集中するのを抑制することができる。
温度ヒューズエレメント6は、フラックス7で被覆されている。フラックス7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、あるいは塩化亜鉛等の材料から成る。フラックス7は、温度ヒューズエレメント6に発熱抵抗体4の温度を伝えやすくするものである。そして、発熱抵抗体4の温度と温度ヒューズエレメント6の温度差を小さくすることができる。また、温度ヒューズエレメント6を発熱抵抗体4の直上に直接接続するように設けることで、温度ヒューズエレメント6と発熱抵抗体4との温度差を効果的に小さくすることができる。
本実施形態に係る抵抗温度ヒューズ1によれば、一対の電極3の間に温度ヒューズエレメント6および発熱抵抗体4を電気的に並列に接続し、一対の電極3の間に流れる電流量を発熱抵抗体4と温度ヒューズエレメント6とに分散させることができる。そして、発熱抵抗体4の発熱量を小さくし、発熱抵抗体4に多くの電流量が流れたときに、温度ヒューズエレメント6を溶断するように設定することができる。そして、温度ヒューズエレメント6が溶断すると、温度ヒューズエレメント6に流れていた電流量が全て、発熱抵抗体4に流れるようになる。その結果、急速に発熱抵抗体4の発熱量を多くすることができ、温度ヒューズエレメント6が溶断した後に、すぐに発熱抵抗体4を焼き切ることができる。そのため、一対の電極3の間に流れる電流量が所定以上にならないと温度ヒューズエレメ
ント6が溶断しないので、発熱抵抗体4に多くの電流量が流れない。そして、温度ヒューズエレメント6が溶断した途端に、発熱抵抗体4に多くの電流量が流れ始め、急速に発熱抵抗体4の発熱量を上昇させることができる。
仮に、抵抗温度ヒューズにおいて、一対の電極の間に温度ヒューズエレメントと発熱抵抗体とが電気的に直列に接続されていたとすると、このような抵抗温度ヒューズを外部機器に組み込んだ場合には、外部機器が正常に動作していても、過電流が抵抗温度ヒューズに流れて、温度ヒューズエレメントが溶断するので、発熱抵抗体が溶断していなくても、抵抗温度ヒューズが電気的にオープンになり、抵抗温度ヒューズに電流が流れなくなる虞がある。その結果、外部機器が正常な状態であっても、誤って外部機器を緊急停止させることになる。そのため、抵抗温度ヒューズが誤作動を起こし、外部機器に対して緊急停止させるため、再度、外部機器を動作させる必要が生じ、時間および手間が必要以上にかかってしまうことになる。
本実施形態に係る抵抗温度ヒューズ1を外部機器に組み込んだ場合には、仮に、外部機器が正常に動作していて、過電流が一時的に抵抗温度ヒューズ1に流れたとしても、過電流を温度ヒューズエレメント6と発熱抵抗体4との両方に分散して流すことができるので、温度ヒューズエレメント6が溶断するのを抑制することができる。そして、外部機器が異常に動作して、過電流が定常的に抵抗温度ヒューズ1に流れる状態になったときは、温度ヒューズエレメント6の溶断が溶断し、次いで発熱抵抗体4を焼き切ることができるので、外部機器を緊急停止させることができる。本実施形態に係る抵抗温度ヒューズ1によれば、外部機器が正常な状態では、仮に外部機器内に過電流が一時的に発生したとしても、外部機器を緊急停止させることがなく、外部機器が異常な状態では、外部機器を緊急停止させることができ、作動特性を向上させることができる。
なお、本発明は上述の実施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、本発明の実施形態の変形例について説明する。なお、本発明の実施形態の変形例に係る電流ヒューズのうち、本発明の実施形態に係る抵抗温度ヒューズ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5は、一変形例に係る抵抗温度ヒューズの概観斜視図であって、抵抗温度ヒューズからフラックスを取り除いた状態を示している。図6は、図5のY−Y’に沿った抵抗温度ヒューズの断面図である。
上述した実施形態では、基板2の下面は平坦に形成していたが、これに限られない。一変形例に係る抵抗温度ヒューズ1は、基板2の下面に、発熱抵抗体4と重なる領域に凹部P1が設けられている。また、凹部P1は、基板2の側面の一方から他方までを貫通している。凹部P1が貫通している箇所は、一対の電極3が基板2の側面に延在されていない箇所になる。
一変形例に係る抵抗温度ヒューズ1は、外部機器に組み込んだ状態は、基板2の下面にまで延在されている電極3が、外部機器の実装箇所に接続されている。そのため、外部機器から抵抗温度ヒューズ1に伝わる熱が、基板2に伝わろうとする。このとき、基板2の下面には凹部P1が形成されているため、外部機器と基板2との接続面積を小さくすることができ、発熱抵抗体4の温度が上昇するのを抑制することができる。
凹部P1は、基板2の下面に設けられており、矩形状に設定されている。そして、凹部P1の一方の内壁面から他方の内壁面までの長さが、例えば2.0mm以上3.0mm以
下に設定されている。また、凹部P1の深さは、例えば0.1mm以上1.0mm以下に設定されている。
一変形例に係る抵抗温度ヒューズ1は、発熱抵抗体4に対応する領域に凹部P1が設けられているため、当該重なる領域においては基板2の下面と外部機器との間に凹部P1の深さ分の空隙が発生する。その結果、外部機器から基板2に伝わろうとする熱は、凹部P1が設けられている領域においては外部機器から直接基板2に伝わり難くなり、発熱抵抗体4の温度が上昇するのを有効に抑制することができる。
また、一変形例に係る抵抗温度ヒューズ1は、凹部P1が基板2の側面を貫通しているため、凹部P1に熱がこもるのを抑制することができ、基板2の温度が上昇するのを効果的に抑えることができる。
図7は、一変形例に係る抵抗温度ヒューズの概観斜視図であって、抵抗温度ヒューズからフラックスを取り除いた状態を示している。図8は、図7のZ−Z’に沿った抵抗温度ヒューズの断面図である。
上述した実施形態では、基板2の上面は平坦に形成されていたが、これに限られない。一変形例に係る抵抗温度ヒューズ1は、基板2の上面において、一対の電極3と発熱抵抗体4との間には溝部P2が設けられている。溝部P2は、一対の電極3の一方と発熱抵抗体4との間および一対の電極3の他方と発熱抵抗体4との間の両方に設けられている。なお、溝部P2は、平面視して基板2内に収まる大きさに設定されている。
溝部P2は、基板2の上面に設けられており、矩形状に設定されている。そして、溝部P2の一方の内壁面から他方の内壁面までの長さが、例えば1.0mm以上2.0mm以下に設定されている。また、溝部P2の深さは、例えば1.0mm以上2.0mm以下に設定されている。
本変形例に係る抵抗温度ヒューズ1は、溝部P2が設けられていることにより、温度ヒューズエレメント6が溶断した後に、その溶断した温度ヒューズエレメント6の一部が溝部P2に溜まるようにすることができる。溶断した温度ヒューズエレメント6が溝部P2に溜まることで、一対の電極3間に設けられる温度ヒューズエレメント6を効果的に電気的にオープンにすることができる。溝部P2に溜まった温度ヒューズエレメント6が固体化しても、溝部P2内に収まるため、発熱抵抗体4と一対の電極3とを電気的にオープンにした状態を維持することができる。
<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の製造方法について説明する。
まず、基板2を準備する。基板2を構成する材料が、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウムおよ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を得る。そして、当該混合物をシートに成形して、グリーンシートを得る。
また、ニッケルまた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、可塑剤または溶剤等を添加混合して高融点金属ペーストを得る。
次に、基板2を構成するグリーンシートを複数層準備し、基板2内に位置する一層の上面に対して、高融点金属ペーストを塗って、内部電極5の電極層5aをパターニングする。さらに、基板2となるグリーンシートの複数層のうちの一層に対して、例えばレーザー
光を照射してビア孔を形成し、そのビア孔に高融点金属ペーストを充填することによって、ビア導体5bを形成する。そして、グリーンシートを複数層積層して、未焼結の状態の基板2を準備することができる。
また、未焼結の状態の基板2の上面に対して、高融点金属ペーストを塗って、一対の電極3をパターニングする。さらに、基板2の側面および基板2の下面に対して、金属ペーストを塗って、電極3をパターニングしてもよい。
また、タングステンまたはプラチナ等の高抵抗金属粉末を準備し、この粉末に有機バインダー、可塑剤または溶剤等を添加混合して高抵抗金属ペーストを得る。基板2の一対の電極3の間の所定箇所に、この高抵抗金属ペーストを塗って、発熱抵抗体4をパターニングする。このようにして、抵抗温度ヒューズパッケージ1Xを作製することができる。
次に、電極3および発熱抵抗体4をパターニングした基板2を、約1600℃の温度で焼成する。さらに、焼成後の基板2の上面であって、一対の電極3で挟まれる領域に、例えばスクリーン印刷法を用いて、半田ペーストからなる温度ヒューズエレメント6を形成する。ここで、半田ペーストは、低融点導電材料から構成される。また、温度ヒューズエレメント6は、プリフォーム成形された薄膜を、一対の電極3の間に実装してもよい。
そして、温度ヒューズエレメント6と電極3とを電気的に接続する。また、基板2上に、温度ヒューズエレメント6を被覆するようにフラックス7を形成する。このようにして、抵抗温度ヒューズ1を作製することができる。なお、一変形例に係る抵抗温度ヒューズについても、本製造方法を用いて作製することができる。
1 抵抗温度ヒューズ
1X 抵抗温度ヒューズパッケージ
2 基板
3 電極
4 発熱抵抗体
5 内部電極
5a 電極層
5b ビア導体
6 温度ヒューズエレメント
7 フラックス
R 実装領域
P1 凹部
P2 溝部

Claims (6)

  1. 基板と、
    前記基板の上面に設けられた一対の電極と、
    前記基板の上面に設けられ、前記一対の電極間に配置された発熱抵抗体と、
    前記基板内に設けられ、前記一対の電極の一方および前記発熱抵抗体の一端に電気的に接続され、且つ前記一対の電極の他方および前記発熱抵抗体の他端に電気的に接続された一対の内部電極と、
    前記発熱抵抗体の上面から前記一対の電極の両方の上面にかけて設けられた温度ヒューズエレメントと
    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、
    前記温度ヒューズエレメントの電気抵抗は、前記発熱抵抗体の電気抵抗よりも小さいことを特徴とする抵抗温度ヒューズ。
  3. 請求項1または請求項2に記載の抵抗温度ヒューズであって、
    前記基板の下面には、上面の前記発熱抵抗体に対応する領域に凹部が設けられてい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、
    前記基板の上面には、前記一対の電極と前記発熱抵抗体との間に溝部が設けら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. 基板と、
    前記基板の上面に設けられた一対の電極と、
    前記基板の上面に設けられ、前記一対の電極間に配置された発熱抵抗体と、
    前記基板内に設けられ、前記一対の電極の一方および前記発熱抵抗体の一端に電気的に接続され、且つ前記一対の電極の他方および前記発熱抵抗体の他端に電気的に接続された一対の内部電極と、
    前記発熱抵抗体の上面から前記一対の電極の両方の上面にかけて設けられる温度ヒューズエレメントを実装する実装領域と
    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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