JP6336240B2 - 保護素子 - Google Patents

Description

本発明は、電気装置を保護する保護素子、より詳しくは、電気装置内で過剰の電流が流れた場合に、その電流の流れを遮断するヒューズ素子に関する。

種々の電気回路において、過剰電流、すなわち定格電流より大きい電流が流れた場合、回路または回路に組み込まれた電気装置および／または配線等を保護する目的で、保護素子、具体的にはヒューズ素子が用いられている。

ヒューズ素子は、一般的に、過剰電流が流れた場合、そのヒューズエレメントの固有抵抗により生じるジュール熱により、そのヒューズエレメントを形成する金属が溶断して、過剰電流を遮断する。このようなヒューズ素子は、そのヒューズエレメントを形成する金属を合金化させることにより、またはそのヒューズエレメントを形成する金属として合金を用いることにより、その溶断特性を向上させることができる。例えば、特許文献１では、ヒューズエレメントの一部に低融点金属を密着させることにより、過剰電流が流れた場合に、この低融点金属をヒューズエレメント内に拡散させ、ヒューズエレメントを形成する金属を合金化させている。また、特許文献２では、ヒューズエレメントを形成する金属としてＣｕ合金を用いている。

特開昭６４−６０９３７号公報 特開平５−１９８２４７号公報

しかしながら、上記のような従来のヒューズ素子では、定格電流を大きく上回る過剰電流、例えば３〜５倍の過剰電流が流れた場合はそのヒューズエレメントが即断されるが、定格電流をそれほど大きく上回らない過剰電流、例えば定格容量の２倍程度の過剰電流が流れた場合、そのヒューズエレメントにおいて生じるジュール熱が少なく、ヒューズエレメントが溶断しない、または、溶断速度が遅いといった問題が生じる。ヒューズエレメントの溶断速度が遅くなると、溶断時にアークが発生しやすくなり、ヒューズ素子の定格電圧を低く設定せざるを得なくなる。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、定格電流をそれほど大きく上回らない過剰電流、例えば定格容量の２倍程度の過剰電流に対しても、確実かつ迅速な保護を提供できるヒューズ素子を提供することである。

本発明は、少なくとも１つの高融点金属により形成される高融点金属層および少なくとも１つの低融点金属により形成される低融点金属層を有して成るヒューズエレメントを有するヒューズ素子であって、前記ヒューズエレメントの各金属層が積層され、各金属層の電流の流れ方向に沿った長さが実質的に等しいことを特徴とする、ヒューズ素子を提供する。

本発明のヒューズ素子は、少なくとも１つの高融点金属により形成される高融点金属層および少なくとも１つの低融点金属により形成される低融点金属層が積層され、各金属層の電流の流れ方向に沿った長さが実質的に等しいヒューズエレメントを有する。本発明のヒューズ素子は、このようなヒューズエレメントを有していればその形態は特に限定されず、例えば管ヒューズ、平型ヒューズ、薄膜ヒューズ等の形態であってもよい。

上記高融点金属および低融点金属としては、導電性であれば特に限定されるものではなく、例えば、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ−Ａｕ合金、Ｎｉ−Ｐ合金、Ｎｉ−Ｂ合金、Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｂ合金、Ｓｎ−Ｓｂ合金、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｐ−Ｇｅ合金、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｃｏ−Ｎｉ合金、Ｓｕ−Ｂｉ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｚｎ合金、Ｓｎ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｓｂ合金、Ｓｎ−Ｆｅ合金、Ｚｎ−Ｎｉ合金、Ｚｎ−Ｆｅ合金、Ｚｎ−Ｃｏ合金、Ｚｎ−Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｓｎ−Ｚｎ合金、Ｐｄ−Ｎｉ合金およびＳｎ−Ｂｉ合金が挙げられる。

このうち、上記高融点金属としては、特に限定するものではないが、例えば、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ−Ａｕ合金、Ｎｉ−Ｐ合金およびＮｉ−Ｂ合金が挙げられ、特にＮｉが好ましい。

また、上記の高融点金属を用いる場合、上記低融点金属としては、特に限定するものではないが、例えば、Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｂ合金、Ｓｎ−Ｓｂ合金、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｐ−Ｇｅ合金、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｃｏ−Ｎｉ合金、Ｓｕ−Ｂｉ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｚｎ合金およびＳｎ−Ｂｉ合金が挙げられ、特にＳｎ、Ｓｎ−Ｃｕ合金またはＳｎ−Ｂｉ合金が好ましい。

なお、「高融点金属」における「高融点」および「低融点金属」における「低融点」とは、相対的なものであることに注意されたい。すなわち、本発明のヒューズ素子のヒューズエレメントの各層を形成する金属のうち、最も融点の高い金属が「高融点金属」に該当し、最も融点の低い金属が「低融点金属」に該当する。

上記高融点金属層および低融点金属層は、積層されて成る。この高融点金属層および低融点金属層は、それぞれ１層ずつであってもよいが、２つ以上の高融点金属層および／または２つ以上の低融点金属層を有していてもよい。また、その積層順は特に限定されない。例えば、低融点金属層の間に１つの高融点金属層が位置するように、または高融点金属層の間に１つの低融点金属層が位置するように積層されていてもよい。さらには、一方の金属層の周囲を他方の金属層が囲むように、例えば高融点金属層の周囲を低融点金属層が囲むように積層してもよい。

さらに、本発明のヒューズ素子は、上記高融点金属層および低融点金属層以外の１つまたはそれ以上の他の金属層を有していてもよい。このような他の金属層を形成する金属としては、特に限定されるものではないが、この他の金属層を形成する金属の融点が、前記高融点金属層を形成する金属の融点または低融点金属層を形成する金属の融点と同じであるか、あるいはその間にあることが好ましい。また、その積層順は特に限定されない。

上記高融点金属層および低融点金属層、さらに存在する場合には他の金属層は、実質的に各金属層の電流の流れ方向に沿った長さ全体にわたって積層される。すなわち、ヒューズエレメントとして機能する部分において、各金属層の電流の流れ方向に沿った長さが実質的に等しい。このように積層することにより、各金属層が通電に寄与することが可能になり、ヒューズ素子の定格電流が大きくなる。

上記高融点金属層および低融点金属層、さらに存在する場合には他の金属層の幅（電流の流れ方向に略垂直方向の長さ）は、同じであっても異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。すなわち、上記高融点金属層および低融点金属層、さらに存在する場合には他の金属層は、実質的に全面にわたって積層することが好ましい。このように積層することにより、さらにヒューズ素子の定格電流を大きくすることができる。

上記高融点金属層および低融点金属層、存在する場合他の金属層を積層する方法は、特に限定されるものではないが、例えばメッキ法、熱圧着法などが挙げられる。

上記高融点金属層の厚みと上記低融点金属層の厚みの比（それぞれの層が複数層存在する場合にはその総和の比）は、１：１００〜２：１であり、好ましくは１：１００〜１：１であり、より好ましくは１：２５〜３：５、さらに好ましくは１：２５〜３：１０である。

一の様態において、上記高融点金属層の厚みは、０．１〜５μｍ、好ましくは０．５〜３μｍであり、複数層存在する場合、その総和は、０．１〜１０μｍ、好ましくは０．５〜６μｍである。上記低融点金属層の厚みは、０．１〜１０μｍ、好ましくは１〜８μｍであり、複数層存在する場合、その総和は、０．１〜２０μｍ、好ましくは１〜１５μｍである。

本発明のヒューズ素子は、上記のような構造をとることにより、定格電流をそれほど大きく上回らない過剰電流、例えば定格電流の１．２〜４．０倍、例えば１．４〜２．０倍、代表的には１．５〜２．０倍の過剰電流が流れた場合であっても、アークの発生を抑え、確実に過剰電流を遮断することができる。

本発明はいかなる理論によっても拘束されないが、本発明のヒューズ素子は、下記のように過剰電流を遮断すると考えられる。本発明のヒューズ素子に過剰電流が流れると、ヒューズエレメントの固有抵抗によりジュール熱が生じる。この熱により、まず低融点金属層が溶融し、低融点金属層部分が溶断される。この際の低融点金属層の溶断は、比較的ゆっくりであるが、そこを流れていた電流は高融点金属層に転流するので、アークの発生は抑制される。低融点金属層に流れていた電流が高融点金属層に転流した結果、高融点金属層を流れる電流は、高融点金属層単独の定格電流を大きく上回ることとなり、高融点金属層は速やかに溶断する。その結果、本発明のヒューズ素子は、アークの発生を抑えつつ、過剰電流を遮断する。

本発明のヒューズ素子は、少なくとも、高融点金属により形成される高融点金属層および低融点金属により形成される低融点金属層が積層されて成るヒューズエレメントを用いることにより、定格電流をそれほど大きく上回らない過剰電流、例えば定格容量の２倍程度の過剰電流に対しても、確実な保護を提供することができる。また、本発明のヒューズ素子は、溶断時のアークの発生を抑制することができる。

図１は、本発明のヒューズ素子を、その厚さ方向に沿った断面図にて模式的に示す。 図２は、図１に示すヒューズ素子を、平面図にて模式的に示す。 図３は、図１および図２に示すヒューズ素子における周辺貫通開口部およびヒューズエレメント部を、断面図にて模式的に示す。

図面を参照して、本発明のヒューズ素子をより詳細に説明する。図１に、本発明のヒューズ素子の１つの態様を、その厚さ方向に沿った断面図にて模式的に示し（切断面として現れる部分をＡで示す）、また、図２に、図１に示すヒューズ素子を、平面図にて模式的に示す。さらに、図３に、図１および図２に示すヒューズ素子の周辺貫通開口部およびヒューズエレメント部を、断面図にて模式的に示す。

図示したヒューズ素子１０は、絶縁性物質、例えば絶縁性樹脂により形成され、少なくとも１つの貫通開口部、図示した態様では、断面円形の中心貫通開口部１２および断面円形の周辺貫通開口部１４の２つの貫通開口部を有する、円環状の層状要素１６を有して成る。層状要素１６の両側の主表面１８および２０上に位置する導電性金属層２２および２４を有する。尚、図示した態様では、層状要素１６の主表面と導電性金属層２２および２４との間に、それぞれ別の導電性金属層２６および２８が存在する。

図示した態様では、中心貫通開口部を規定する、円環の内側周３０上に、即ち、円環の内側の側面上にはヒューズエレメントは存在しない。図示した態様では、円環の内側周３０と外側周３４との間の層状要素の本体部分３６に位置する周辺貫通開口部１４を規定する円周状側面３８上にヒューズエレメント４０が存在する。

図示した態様では、ヒューズエレメント４０は、周辺貫通開口部１４を規定する円周状側面３８上に存在する高融点金属層４１、および高融点金属層４１上に存在する低融点金属層４２からなる。

図示した態様では、金属層は２層のみであるが、本発明はこの態様に特に限定されず、上記した他の金属層を、例えば円周状側面３８と高融点金属層４１との間、高融点金属層４１と低融点金属層４２との間、または低融点金属層４２上に設置してもよい。また、図示した態様では、ヒューズエレメント部は管状であるが、本発明はこの態様に特に限定されず、中実状または平面状であってもよい。

図示した態様では、ヒューズエレメント４０を有する周辺貫通開口部１４は、層状要素の中心Ｏを通過する直径（図２にて破線にて図示）に沿って本体部分３６の中間に設けた１つのみであるが、直径方向に沿って反対側にもそのような周辺貫通開口部を設けてよい。その場合、中心Ｏの回りで１８０°毎に周辺貫通開口部を設けたことになる。更に別の態様では、円の中心Ｏを基準にして、例えば１２０°毎に３つ、９０°毎に４つ、６０°毎に６つ、あるいは４５°毎に８つのヒューズエレメントを有する周辺貫通開口部を等角度で設けてよい。

尚、図示した態様では、中心貫通開口部の直径が、周辺貫通開口部の直径より遥かに大きいため、円環の内側周３０の側面上にはヒューズエレメントが存在しないが、中心貫通開口部の直径が周辺貫通開口部の直径と同等または小さい場合、必要に応じて、円環の内側周３０の側面上にヒューズエレメントを設けてもよい。尚、ある態様では、ヒューズ素子を配置すべき電気装置に中心貫通開口部に対応する凸部を設けておくと、中心貫通開口部の直径部分内にそのような凸部が嵌まり込むことによって、ヒューズ素子を電気装置に位置決めできる場合がある。例えば、２次電池セルの封口板にそのような凸部を設け、中心貫通開口部にその凸部が嵌まり込むようにすることによって、封口板にヒューズ素子を位置決めできる。

以上、本発明の１つの実施形態について説明したが、本発明は当該実施形態に限定されるものではない。

（実施例１）
図１および図２に示す本発明のヒューズ素子を製造した。但し、ヒューズエレメント４０を有する周辺貫通開口部１４は、周状に等間隔で８つ形成した。

最初に、絶縁性樹脂のシート（ポリエチレン製、厚さ０．３ｍｍ、層状要素１６に対応）を準備し、その両側にニッケル箔（厚さ：２２μｍ、別の導電性金属層２６および２８に対応）を配置し、加熱下、これらを一体に押圧して、ニッケル箔を両主表面に貼り付けた圧着物を得た。

圧着物の所定の箇所に直径０．６ｍｍの貫通孔（周辺貫通開口部１４に対応）を形成し、その後、圧着物を無電解法によるＮｉメッキ処理に付した。Ｎｉメッキ処理により形成したニッケル層の厚さは、約１．５μｍであった。次に、圧着物を電解法によるＳｎメッキ処理に付した。Ｓｎメッキ処理により形成したスズ層の厚さは、約６．５μｍであった。かかるメッキ処理により、導電性金属層（導電性金属層２２および２４に対応）、ならびに高融点金属層（高融点金属層４１に対応）および低融点金属層（低融点金属層４２に対応）からなるヒューズエレメント（ヒューズエレメント４０に対応）を得た。次に、圧着物から円環状要素を打ち抜き、８つの貫通孔が円環状要素の中心の回りで所定の箇所に４５°毎に位置する本発明のヒューズ素子１０を得た。

得られた円環状要素の外側周円３４の直径は１５ｍｍであり、内側周３０の直径（即ち、中心貫通開口部の直径）は６．４ｍｍであった。この円環状要素は、層状要素１６としての絶縁樹脂層の両側主表面に別の導電性金属層２６および２８として機能するニッケル箔を有し、円環状部分の本体部分３６の中間部分に周辺貫通開口部１４を有した。また、円環状要素は、導電性金属層２２および２４としてのメッキ層（ニッケルメッキ層およびスズメッキ層）をニッケル箔上に有し、周辺貫通開口部を規定する内側周面上に高融点金属層４１および低融点金属層４２からなるヒューズエレメント４０として機能するメッキ層を有した。

（実施例２〜３）
スズメッキ処理に代えて、それぞれ、Ｓｎ−Ｃｕ（Ｃｕ ４重量％）メッキ処理、およびＳｎ−Ｂｉ（Ｂｉ １６重量％）メッキ処理を行うこと以外は、実施例１と同様にして、実施例２〜３のヒューズ素子を得た。

（比較例１〜３）
スズメッキ処理に代えて、ニッケルメッキ処理を行い、該ニッケルメッキ処理により形成されるニッケルメッキ層の厚さが、それぞれ、４．５、６．５、および８．５μｍであること以外は、実施例１と同様にして、比較例１〜３のヒューズ素子を得た。

実施例１〜３および比較例１〜３の特徴を下記表１に示す。

（試験例１）
実施例１〜３および比較例１〜３のヒューズ素子に、一方の導電性金属層２２から他方の導電性金属層２４に、下記表２に示す電流を流し、１０分間通電した際にヒューズエレメントがブローしない電流値を調査した（６０Ｖｄｃ設定）。それぞれにおいてヒューズエレメントがブロー（溶断）しない最大電流値を定格容量とした。結果を表２に示す。なお、表中「○」は１０分間ブローしなかったことを示し、「×」は１０分内にブローしたことを示し、「−」はデータなしを示す。

（試験例２）
実施例１〜３および比較例１〜３のヒューズ素子に、一方の導電性金属層２２から他方の導電性金属層２４に、それぞれの定格容量の１５０％、２００％、３００％、および４００％の過剰電流を流し、電流遮断時間（即ち、ヒューズエレメントがブローするまでの時間）を測定した。結果を下記表３に示す。

これらの結果から、高融点金属層および低融点金属層が積層されて成るヒューズエレメントを有して成る本発明の保護素子は、その容量の約１．５倍程度の過剰電流に対しても、確実かつ迅速な保護を提供できることが確認された。

本発明のヒューズ素子は、２次電池のような電気装置内で過剰の電流が流れた場合に、その電流の流れを遮断するヒューズ素子としての用途をはじめ、幅広く様々な用途に使用され得る。

１０…ヒューズ素子、１２…中心貫通開口部、１４…周辺貫通開口部、
１６…層状要素、１８，２０…主表面、２２，２４…導電性金属層、
２６，２８…別の導電性金属層、３０…内側周、３４…外側周、３６…本体部分、
３８…側面、４０…ヒューズエレメント、４１…高融点金属層、４２…低融点金属層

Claims (5)

1. 少なくとも１つの高融点金属により形成される高融点金属層および少なくとも１つの低融点金属により形成される低融点金属層を有して成るヒューズエレメントを有するヒューズ素子であって、前記ヒューズエレメントの各金属層が積層され、各金属層の電流の流れ方向に沿った長さが実質的に等しく、前記少なくとも１つの高融点金属がＮｉであり、前記少なくとも１つの低融点金属がＳｎ、Ｓｎ−Ｃｕ合金またはＳｎ−Ｂｉ合金であり、高融点金属層の厚みの総和と低融点金属層の厚みの総和との比が、１：１００〜２：１であることを特徴とする、ヒューズ素子。
2. １つの高融点金属層および１つの低融点金属層が積層されて成るヒューズエレメントを有して成る、請求項１に記載のヒューズ素子。
3. ２つの低融点金属層の間に１つの高融点金属層が位置するように積層されて成るヒューズエレメントを有して成る、請求項１または２に記載のヒューズ素子。
4. ２つの高融点金属層の間に１つの低融点金属層が位置するように積層されて成るヒューズエレメントを有して成る、請求項１〜３のいずれかに記載のヒューズ素子。
5. 高融点金属層の厚みの総和が、０．１〜１０μｍであり、低融点金属層の厚みの総和が、０．１〜２０μｍである、請求項１〜４のいずれかに記載のヒューズ素子。

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