JP6306893B2 - ヒューズ機能付き抵抗器 - Google Patents

Description

本発明は、抵抗器に係り、特にヒューズ機能を備えた抵抗器に関する。

古くからヒューズ機能を備えた抵抗器が知られている。例えば、特許文献１に記載のヒューズ抵抗器は、電気絶縁性ケースの一隅に過電流で発熱する抵抗体を備え、この抵抗体の一端に発熱で溶融する低融点ハンダでばねを溶融接着し、ばねは付勢した状態でケースの他の隅に保持されている。このヒューズ抵抗器は、定格電流と異常電流が比較的小電流である場合には、素早く溶断させることが可能である。しかしながら、瞬間的な異常電流（パルス）でも溶断してしまうという問題がある。

また、特許文献２に記載のヒューズ抵抗器は、絶縁基板の一方の面に抵抗体を形成し、抵抗体の一端部近傍に一部重畳するようにヒュージングエレメントを形成したものである。抵抗体は厚膜抵抗体で形成されていて、ヒュージングエレメントは蓄熱層（ガラス）によって覆われており、過電流でヒューズエレメントを溶断させる電流ヒューズ機能を備えている。しかしながら、所定の過電流以上の瞬間的な異常電流（パルス）で溶断してしまうという問題がある。

特公平７−１１４１０１号公報 特開平６−３６６７５号公報

例えば車載部品では、電子回路の保護のため、電子回路を損傷する恐れのある連続的な所定の過電流で確実に溶断し、一方で、電子回路を損傷しない瞬間的な大電流（パルス）では、上記所定の過電流以上でも溶断しないヒューズ機能を備えた抵抗器が望まれている。電子回路を損傷しない瞬間的な大電流（パルス）では溶断しないで、電子回路の安定動作を維持できることが必要だからである。また、係る用途の場合、高い周囲温度でも、安定に動作が可能で、且つ低背型の構造が好ましい。

本発明は、上述の事情に基づいてなされたもので、高い周囲温度でも動作が可能で、且つ小型コンパクト化した構造で、且つ瞬間的な大電流（パルス）に対しては溶断せず、所定の連続的な過電流に対して溶断するヒューズ機能を備えた抵抗器を提供することを目的とする。

本発明のヒューズ機能を備えた抵抗器は、略長方形の絶縁基板と、該絶縁基板の表面に前記絶縁基板の一部を覆うように配置した抵抗体と、絶縁基板の表面の抵抗体が配置されていない部分に配置した低融点金属を載置した低融点金属接合電極と、低融点金属に一端を付勢した状態で固定したコイルばねと、コイルばねの他端を固定した部分と抵抗体の一端の接続部分を直列に接続した、絶縁基板の長手方向に沿って延びた第１の電極と、第１の電極と対向する、抵抗体の他端の接続部分と接続した第２の電極と、を備え、前記コイルばねの一端は、遮断時に前記絶縁基板に対して略平行な方向に移動するように配置したことを特徴とする。

これにより、定格電流以上の過電流でも瞬間的な大電流（パルス）に対しては、抵抗体の発熱時間が短く、発生した熱は絶縁基板および金属ベースに吸収され、低融点金属部分での温度上昇は小さく、低融点金属は溶融せず、従って、コイルばねは開かず、ヒューズは溶断に至らず、電子回路の安定動作を維持することができる。また、平均で定格電流以上の所定の過電流が連続して通電された時には、抵抗体からの発熱により、絶縁基板および金属ベースの温度が上昇し、低融点金属がその融点に到達すると、溶融し、コイルばねが開き、電流を遮断するヒューズ機能が働く。そして、略長方形の金属ベースにその裏面を固定した絶縁基板の表面を覆う抵抗体と、該抵抗体から離れた位置に低融点金属に一端を付勢した状態で固定したコイルばねを備えるので、高い周囲温度でも動作が可能で、且つ小型コンパクト化した構造が得られる。

本発明の第１実施例のヒューズ機能付き抵抗器の平面図である。 図１ＡのＡＡ線に沿った断面図である。 上記ヒューズ機能の動作例を示す説明図である。 上記ヒューズ機能付き抵抗器の変形例の平面図である。 上記ヒューズ機能付き抵抗器の他の変形例の平面図である。 本発明の第２実施例のヒューズ機能付き抵抗器の平面図である。 図５ＡのＡＡ線に沿った断面図である。 上記ヒューズ機能付き抵抗器の変形例の断面図である。 本発明の第３実施例のヒューズ機能付き抵抗器の図７Ｂおよび図７ＣのＡＡ線に沿った断面図である。 図７Ａの抵抗器の第１の基板の表面および第２の基板の裏面の透視平面図である。 図７Ａの抵抗器の上面図である。 本発明の第４実施例のヒューズ機能付き抵抗器の（ａ）は図８Ｂおよび図８Ｃの（ａ）矢視断面図であり、（ｂ）は図８Ｂおよび図８Ｃの（ｂ）矢視断面図である。 図８Ａの抵抗器の第１の基板の表面および第２の基板の裏面の透視平面図である。 図８Ａの抵抗器の上面図である。 上記ヒューズ機能付き抵抗器の抵抗体形状の変形例の平面図である。 上記ヒューズ機能付き抵抗器の電極形状の変形例の平面図である。 上記ヒューズ機能付き抵抗器の他の電極形状の変形例の平面図である。

以下、本発明の実施形態について、図１Ａ乃至図１１を参照して説明する。なお、各図中、同一または相当する部材または要素には、同一の符号を付して説明する。

図１Ａ−１Ｂは本発明の第１実施例のヒューズ機能付き厚膜抵抗器の構成例を示す。略長方形のアルミや銅等の金属ベース２１にその裏面を固定したアルミナ等の絶縁基板１１が配置されている。基板１１の表面には銀系または銀パラジウム系からなる厚膜電極１２，１３，１４が配置され、電極１２，１３に接続して、厚膜抵抗体１５が基板１１に密着して固定されている。すなわち、長方形の基板１１の表面には、抵抗体１５が基板１１の略半分以上の表面を占有して覆うように、本図で言うところの基板右側に長手方向に偏って配置されている。

基板１１の表面の抵抗体１５が配置されていない部分、本図で言うところの基板左側部分の略中央部には、低融点金属１８を載置した低融点金属接合電極１９が配置されている。低融点金属１８には、付勢した状態のコイルばね１７の一端が固定されている。コイルばね１７の他端は電極１３の端部１３Ａに溶接等により強固に固定されている。低融点金属１８は、一例としてＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金からなるハンダ材であり、融点が２２０℃程度であり、融点以上の温度で溶融する温度ヒューズを構成している。

第１の電極１３は、コイルばね１７の他端を固定した部分１３Ａと前記抵抗体１５の一端との接続部分を直列に接続し、絶縁基板１１の長手方向に沿って延びている。すなわち、抵抗体１５の一端は絶縁基板１１の長手方向に沿って延びた第１の電極１３に接続されている。

第２の電極１２は、第１の電極と対向する位置に配置され、抵抗体１５の他端との接続部分と、外部接続用端子１６ｂとの接続部分１６Ｂを直列に接続し、基板１１の長手方向に沿って延びている。すなわち、抵抗体１５の他端は、第１の電極１３と対向する、基板１１の他方の長手方向に沿って延びた第２の電極１２に接続されている。第３の電極１４は、低融点金属接合電極１９と、外部接続用端子１６ａとの接続部分１６Ａを直列に接続している。

コイルばね１７は一端が付勢された状態で低融点金属１８に固定され、他端が電極１３の端部１３Ａに固定されている。従って、外部接続用端子１６ａ，１６ｂ間に流れる電流は、厚膜抵抗体１５，コイルばね１７、低融点金属１８が直列に接続された回路を流れ、低融点金属１８が溶融しコイルばね１７が開かない限り厚膜抵抗器として動作する。

基板１１は熱伝導部材２０を介して金属ベース２１に接着固定され、金属ベース２１にはネジ止め用穴２２を備え、プリント基板やアルミダイキャスト等に固定することが可能となっている。従って、この構造によれば、抵抗器として動作する抵抗体１５は基板１１に密着し、また基板１１は金属ベース２１に密着するので、抵抗体１５で発生した熱は基板１１および金属ベース２１に蓄熱され、これらの温度が緩やかに上昇する。

一方で、低融点金属１８も低融点金属接合電極１９を介して絶縁基板１１に密着するので、低融点金属１８は金属ベース２１に接合した基板１１の温度に基づいて溶融動作する。すなわち、抵抗体１５に定格電流以上の過電流が継続して流れ、発生した熱が基板１１および金属ベース２１に蓄熱され、絶縁基板１１の温度が上昇し、基板１１の抵抗体が配置されていない側部分の略中央部に配置した低融点金属１８がその融点に到達すると、低融点金属１８が溶融し、コイルばね１７が開き、回路を遮断する。コイルばね１７の一端は、遮断時に基板１１の表面（金属ベース面）に対して略平行な方向に移動し、開離動作する。

従って、定格電流以上の過電流でも瞬間的な大電流（パルス）に対しては、抵抗体１５の発熱時間が短く、これにより発生した熱は基板１１および金属ベース２１に吸収され、低融点金属１８部分での温度上昇は小さく、低融点金属１８は溶断に至らず、電子回路の安定動作を維持することができる。

これに対して、瞬間的な大電流（パルス）よりも小さい電流で、平均で定格電流以上の所定の過電流が連続して通電された時には、抵抗体１５からの発熱により、絶縁基板１１および金属ベース２１の温度が上昇し、低融点金属１８がその融点に到達すると、溶融し、コイルばね１７が開き、電流を遮断するヒューズ機能が働く。

図２はこのヒューズの動作例を示す。図中の実線は、瞬間的な大電流（パルス）として、６００Ｖ、０．５Ａ、３００Ｗの直流電力を４秒間印加した例を示す。この例では、直流電力の印加により抵抗体１５が発熱し、低融点金属部分の温度は急激に上昇するが、ヒューズ機能が作動する温度（低融点金属溶融温度）Ｔ迄上昇せず、ヒューズは作動しない。従って、このヒューズ抵抗器は上記条件の短時間の大電流（パルス）で溶断しない。

これに対して、図中の破線は、平均して定格電流以上で、上記大電流（パルス）よりも小さい直流電流が連続して通電された例として、１００Ｗの直流電力を連続的に印加した例を示す。この例では、低融点金属部分の温度は図示のように緩やかに上昇して、低融点金属１８の動作温度（溶融温度）Ｔを越えて上昇し、低融点金属１８は溶融し、コイルばね１７が開き、電流を遮断する。

従って、このヒューズ抵抗器は、瞬間的な大電流で溶断せず、平均して定格電流以上の過電流が連続的に流れ、基板１１および金属ベース２１に蓄熱し、低融点金属１８の溶融温度に到達することで、確実に過電流を遮断できる。具体的には、一例として、０．５Ａの直流電流が５秒間以内なら溶断せず、０．３Ａの直流電流がｔｘ秒以上継続して流れた時に溶断する動作が得られる。

このヒューズ機能付き抵抗器は、抵抗体として基板１１に密着した厚膜抵抗体１５を採用していて、コイルばね１７および低融点金属１８も薄く形成できるので、全体として低背型の部品にすることができる。そして、抵抗体１５は基板１１に密着し、基板１１は金属ベース２１に密着しているので、良好な放熱性が得られ、周囲温度９０〜１００℃でも使用可能である。なお、厚膜抵抗体１５の上面に保護膜１５ａを設けても良く、また厚膜抵抗体１５を保護する金属カバー２３を設けても良い。金属カバー２３は、抵抗体１５および熱伝導部材２３との間で熱伝導が行なわれるように抵抗体１５と接している。つまり、金属カバー２３と抵抗体１５とは熱伝導部材２３を介して熱的に結合している。

次に、このヒューズ機能付き抵抗器の変形実施例について説明する。図３は、少なくとも低融点金属１８と接合電極１９部分およびコイルばね１７全体の上面を樹脂製ケース２６で覆う例を示す。これにより、電流遮断時に低融点金属１８が周囲に飛散することを防止できる。また、抵抗体１５部分の発熱をハンダやコイルばねに蓄熱しやすくなり、ヒューズ動作までにかかる時間が短縮できる。

図４は、溶融した低融点金属１８を移動させるためのランド２７、またはスルーホール（図示なし）を形成した例を示す。すなわち、低融点金属接合電極１９の周辺にランド２７またはスルーホールを形成することで、溶融後の低融点金属は表面張力によってランド２７またはスルーホールに移動する。これにより、電流遮断時に低融点金属が周囲に飛散することを防止できる。そして、低融点金属１８が接合電極１９上から移動するため、ヒューズ動作後の絶縁が容易に確保できる。

次に、本発明の第２実施例について説明する。図５Ａ−５Ｂは、低融点金属接合電極１９と、コイルばね１７の他端を固定した電極１３との間で、絶縁基板１１を第１の絶縁基板１１ａおよび第２の絶縁基板１１ｂに分割した例を示す。すなわち、抵抗体１５と第１の電極１３と第２の電極１２とが第１の絶縁基板１１ａの表面に配置され、低融点金属１８を載置した低融点金属接合電極１９および該電極に接続した第３の電極１４とが第２の絶縁基板１１ｂの表面に配置されている。その他の構成は第１実施例と同様である。

すなわち、第１実施例の１枚の絶縁基板１１を２枚の絶縁基板１１ａ、１１ｂに分離し、その間に隙間を設けた。これにより、絶縁基板１１を利用した熱の伝わりを阻害することができ、瞬間的な大電流（パルス）に対して、温度ヒューズ部分の温度上昇が遅くなり、温度ヒューズが溶断しない瞬間的な大電流（パルス）の電力または継続時間を大きくすることができる。

また、金属ベース２１を熱膨張の大きい材料により形成すると、絶縁基板１１ａ、１１ｂが分割された部分から左右に引っ張られ、ヒューズを確実に開くことができる。さらに、低融点金属接合電極１９が配置された絶縁基板１１ｂの下に熱伝導部材よりも熱伝導率の低い部材からなる断熱層３０を形成し、抵抗体１５が配置された絶縁基板１１ａの下に熱伝導部材２０による放熱層を形成すると、放熱と蓄熱のバランスが取れるため、温度ヒューズが溶断しない瞬間的な大電流（パルス）の大きさと、温度ヒューズが溶断する連続的な過電流の大きさのバランスを調整することができる。

また、厚膜抵抗体１５から発生した熱は、その下の第１の絶縁基板１１ａを通って熱伝導部材２０に伝わり、金属ベース２１へと伝わることで放熱される。この構造では、低融点金属接合電極１９の下には断熱層３０があるため蓄熱効果が高まり、瞬間的な発熱が低融点金属１８まで伝わりにくくなり、瞬間的な大電流（パルス）に対して耐性を高めることができる。

図６は、低融点金属接合電極１９の下部に位置する絶縁基板１１に凹部３１を形成し、その下の熱伝導部材２０にも対応する穴２０ａを設けた例を示す。凹部３１には断熱材を充填することが好ましい。これによっても、瞬間的な抵抗体１５の発熱が低融点金属１８まで伝わりにくくなり、瞬間的な大電流（パルス）に対して耐性を高めることができ、温度ヒューズが溶断しない瞬間的な大電流（パルス）の大きさと、温度ヒューズが溶断する連続的な過電流の大きさのバランスを調整することができる。

次に、図７Ａ−７Ｃは、本発明の第３実施例を示す。抵抗体１５をアルミナ等の第２の絶縁基板３２の裏面側に形成し、コイルばね１７を第２の絶縁基板３２の表面側に形成し、第２の絶縁基板３２の裏面側を第１の絶縁基板１１に接着剤３３を介して固定している。コイルばね１７の他端は絶縁基板３２の開口Ｈを介して絶縁基板１１の表面に設けた第１の電極１３のコイルばね接続部分１３Ａに接続固定している。その他の構成は第１実施例と同様である。

この構造によれば、ヒューズ動作後の抵抗体１５とコイルばね１７の絶縁の確保が容易である。そして、瞬間的な抵抗体１５の発熱が低融点金属１８まで伝わりにくくなり、瞬間的な大電流（パルス）に対して耐性を高めることができる。さらに、上述の第１実施例および第２実施例の構造と比較して、高さは少し高くなるが絶縁基板１１の面積が少なくて良いため、小型化が可能となる。

図８Ａ−８Ｃは本発明の第４実施例を示し、抵抗体１５を絶縁基板１１の裏面側に形成し、コイルばね１７と低融点金属１８を載置した電極１９を絶縁基板１１の表面側に形成し、絶縁基板１１の裏面側を金属ベース２１に絶縁性接着剤３４を介して固定した例を示す。なお、抵抗体１５が接合された部分以外の部分には絶縁性接着剤３４を配置せず、中空としてもよい。

コイルばね１７の他端は絶縁基板１１の開口Ｈを介して絶縁基板１１の裏面に設けた第１の電極１３のコイルばね接続部分１３Ａに接続固定している。第１の電極１３および第２の電極１２は絶縁基板１１の裏面側に設けられている。その他の構成は第１実施例と同様である。

この構造によれば、ヒューズ動作後の抵抗体１５とコイルばね１７の絶縁の確保が容易である。そして、抵抗体１５の発熱を低融点金属１８やコイルばね１７に蓄熱しやすくなり、ヒューズ動作までにかかる時間が短縮でき、ヒューズが溶断する精度を向上できる。コイルばね１７の一端は、遮断時に金属ベース２１の面に対して略平行な方向に移動し、開離動作する。これにより、安定した遮断動作が可能となる。

次に、抵抗体形状や電極形状を変更した変形実施例について説明する。図９は、第１実施例において、抵抗体１５の一部をコイルばねの巻部分の下部迄拡張した拡大部１５ａを形成した例を示す。図９に示す電極１２，１３と抵抗体１５の配置では、電極１２，１３間に流れる電流は、図中破線で囲む領域Ｃに集中する。そこで、抵抗体１５に拡大部１５ａを設けることで、電流の集中を緩和できる。そして、低融点金属１８に熱が伝わりやすい構造となり、ヒューズ動作までの時間が短縮される。さらに、抵抗体１５で最も発熱する部分Ｃからは、低融点金属１８が離れた構造であるため、瞬間的な大電流（パルス）に対して許容範囲を増加できる。

図１０は、電極の形状に変更を加えたものである。すなわち、電極１２ａ、１３ａは外部接続用端子１６ａ、１６ｂから離れた位置で、対向する両電極の間隔が短くなるように、つまり絶縁基板１１の低融点金属接合電極１９から離れるにつれて電極幅が広くなる（抵抗体長さが短くなる）ように形成している。これにより、電流経路が分散されるため、抵抗体１５の発熱箇所が分散され、瞬間的な大電流（パルス）に対する耐性が強くなる。

図１１は、電極１２，１３の抵抗体と重畳する部分の一部に凸パターン１２ｂ、１３ｂを形成したものである。これにより、電極間距離が不均一になるようにして、電流が集中する箇所を抵抗体１５の略中央部の領域Ｃに形成できる。このため、抵抗体の発熱箇所が低融点金属１８から離れ、瞬間的な大電流（パルス）に対する耐性が強くなる。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施例に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。例えば、金属カバー２３は上述の実施例２および実施例４においても実施することができ、実施例２においては実施例１と同様に抵抗体１５を金属カバー２３と熱伝導部材２３を介して熱的に結合させることができる。また、少なくとも低融点金属１８と、コイルばね１７と、低融点金属接合電極１９の上面を覆う樹脂製ケース２６は上述の実施例２、実施例３および実施例４においても実施することができ、実施例１、実施例２および実施例４においては金属カバー２３と樹脂製ケース２６の両方を設けることができる。

本発明は、瞬間的な大電流（パルス）が流れる電子回路の保護に用いるヒューズ機能を備えた抵抗器に好適に利用可能である。

Claims (9)

1. 略長方形の絶縁基板と、
   該絶縁基板の表面に前記絶縁基板の一部を覆うように配置した抵抗体と、
   前記絶縁基板の表面の前記抵抗体が配置されていない部分に配置した低融点金属を載置した低融点金属接合電極と、
   前記低融点金属に一端を付勢した状態で固定したコイルばねと、
   前記コイルばねの他端を固定した部分と前記抵抗体の一端の接続部分を直列に接続した、前記絶縁基板の長手方向に沿って延びた第１の電極と、
   前記第１の電極と対向する、前記抵抗体の他端の接続部分と接続した第２の電極と、を備え、
   前記コイルばねの一端は、遮断時に前記絶縁基板に対して略平行な方向に移動するように配置したことを特徴とするヒューズ機能付き抵抗器。
2. 前記抵抗体は前記絶縁基板の長手方向の略半分を覆うように配置され、他方の略半分の略中央部に前記低融点金属接合電極が配置されていることを特徴とする請求項１に記載のヒューズ機能付き抵抗器。
3. 略長方形の金属ベースにその裏面を固定した第１および第２の絶縁基板と、
   該第１の絶縁基板の表面に長手方向に偏って前記第１の絶縁基板の一部を覆うように配置した抵抗体と、
   前記第２の絶縁基板の表面に配置した低融点金属を載置した低融点金属接合電極と、
   前記低融点金属に一端を付勢した状態で固定したコイルばねと、
   前記第１の絶縁基板の表面に配置した、前記コイルばねの他端を固定した部分と前記抵抗体の一端の接続部分を直列に接続した、前記第１の絶縁基板の長手方向に沿って延びた第１の電極、および、前記第１の電極と対向する、前記抵抗体の他端の接続部分と接続した第２の電極と、
   前記第２の絶縁基板の表面に配置した、前記低融点金属接合電極と外部接続用端子を接続する第３の電極、を備えたことを特徴とするヒューズ機能付き抵抗器。
4. 前記第１の絶縁基板の裏面に熱伝導部材を配置し、
   前記第２の絶縁基板の裏面に前記熱伝導部材よりも熱伝導率の低い部材を配置したことを特徴とする請求項３に記載のヒューズ機能付き抵抗器。
5. 略長方形の金属ベースにその裏面を固定した第１の絶縁基板および該第１の絶縁基板にその裏面を固定した第２の絶縁基板と、
   前記第２の絶縁基板の裏面に配置した抵抗体と、
   前記第１の絶縁基板の表面の前記第２の絶縁基板が配置されていない部分に配置した低融点金属を載置した低融点金属接合電極と、
   前記低融点金属に一端を付勢した状態で、前記第２の絶縁基板の表面に配置したコイルばねと、
   前記コイルばねの他端を固定した部分と前記抵抗体の一端の接続部分を直列に接続した、前記第１の絶縁基板の長手方向に沿って延びた第１の電極と、
   前記第１の電極と対向する、前記抵抗体の他端の接続部分と接続した第２の電極と、を備えたことを特徴とするヒューズ機能付き抵抗器。
6. 略長方形の金属ベースにその裏面を固定した絶縁基板と、
   該絶縁基板の裏面に長手方向に偏って前記絶縁基板の一部を覆うように配置した抵抗体と、
   前記絶縁基板の表面に配置した低融点金属を載置した低融点金属接合電極と、
   前記低融点金属に一端を付勢した状態で固定したコイルばねと、
   前記絶縁基板の裏面に配置した、前記コイルばねの他端を固定した部分と前記抵抗体の一端の接続部分を直列に接続した、前記絶縁基板の長手方向に沿って延びた第１の電極と、
   前記第１の電極と対向する、前記抵抗体の他端の接続部分と接続した第２の電極と、を備えたことを特徴とするヒューズ機能付き抵抗器。
7. 前記コイルばねの一端は、遮断時に前記金属ベース面に対して略平行な方向に移動することを特徴とする請求項３乃至請求項６のいずれかに記載のヒューズ機能付き抵抗器。
8. 前記抵抗体の上面を覆う金属カバーと、
   少なくとも前記低融点金属と、コイルばねと、前記低融点金属接合電極の上面を覆う樹脂製ケースと、を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４、請求項６または請求項７のいずれかに記載のヒューズ機能付き抵抗器。
9. 前記金属カバーは、前記抵抗体と熱伝導部材を介して熱的に結合したことを特徴とする請求項８に記載のヒューズ機能付き抵抗器。

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