JP6580504B2

JP6580504B2 - 保護素子

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Inventors: 吉弘米田
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Description

本発明は、電流経路上に実装され、定格を超える電流が流れた時に過電流によるジュール熱で溶断し、又は電流経路を形成する回路上の異常等で電流経路を遮断する必要がある時にヒータによる加熱で可溶導体を溶断し当該電流経路を遮断する保護素子に関する。

従来、電流経路を形成する回路上の異常等で電流経路を遮断する必要がある時にヒータによる加熱で可溶導体を溶断し、当該電流経路を遮断する保護素子が用いられている。このような保護素子は、絶縁基板上に電極や可溶導体を搭載した機能型のチップに形成され、このチップを回路基板上に実装する表面実装型のものが知られている。

上述のような保護素子では、外部回路からの信号に基づきヒータに通電して加熱をすることで可溶導体を溶断するため、外部回路の制御に基づくタイミングで電流経路を遮断するスイッチのような使い方が可能である。このような保護素子は、例えばリチウムイオンバッテリ等の二次電池の保護回路として用いられる。

近年、リチウムイオンバッテリ等の二次電池の用途に大電流出力を要求するもの、例えば電動アシスト自転車や充電式電動工具等が増えてきており、保護回路の定格電流が上昇し、大電流に耐えうる保護素子が用いられるようになってきた。

特許文献１に記載の技術にあっては、絶縁基板の表面にヒータを設け、ヒータから発する熱を絶縁層を介して可溶導体に伝達することで可溶導体を溶融し、電流経路を遮断する素子が開示されている。また、特許文献１に記載の技術にあっては、絶縁基板の裏面にヒータを設け、ヒータから発する熱を絶縁基板を介して可溶導体に伝達することで可溶導体を溶融し、電流経路を遮断する素子も開示されている。

特開２０１１−０６０７６２号公報

しかし、上記特許文献１に記載の技術にあっては、絶縁基板の表面にヒータを設けた場合、絶縁基板上の絶縁層を介してヒータから可溶導体への熱伝導経路が形成されており、熱伝導効率が悪いという課題が生じる。また、絶縁基板の裏面にヒータを設けた場合にあっては、絶縁基板を介して、ヒータから可溶導体への熱伝導経路が形成されており、更に熱伝導効率が悪いという課題が生じる。

また、上記特許文献１に記載の技術にあっては、大電流に対応するにつれて可溶導体の溶断体積が大きくなるため、ヒータによる加熱時間が長くなり、可溶導体の速溶断性が悪化することが懸念される。

そこで、本発明は、大電流に対応可能でありヒータから可溶導体に熱を効率的に伝達し、速溶断性に優れる保護素子を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明に係る保護素子は、絶縁基板と、上記絶縁基板上に設けられた第１の電極及び第２の電極と、上記絶縁基板上に設けられた発熱体と、上記発熱体に接続する第１の発熱体電極及び第２の発熱体電極と、上記第１の発熱体電極及び第２の発熱体電極のうち、一方に接続する発熱体引出電極と、上記第１の発熱体電極及び第２の発熱体電極のうち、他方に接続する第３の電極と、上記第１の電極及び第２の電極間を上記発熱体引出電極を経由して各々に接続する可溶導体とを有し、少なくとも上記可溶導体と重畳する位置にて、上記第１の発熱体電極及び第２の発熱体電極のうち一方と、上記発熱体引出電極とを接続するものである。
また、上述した課題を解決するために、本発明に係る保護素子は、絶縁基板と、上記絶縁基板上に設けられた第１の電極及び第２の電極と、上記絶縁基板上に設けられた発熱体と、上記発熱体に接続する第１の発熱体電極及び第２の発熱体電極と、上記第１の発熱体電極及び第２の発熱体電極のうち、一方に接続する発熱体引出電極と、上記第１の発熱体電極及び第２の発熱体電極のうち、他方に接続する第３の電極と、上記第１の電極及び第２の電極間を上記発熱体引出電極を経由して各々に接続する可溶導体と、上記絶縁基板と上記発熱体との間に形成された第２の絶縁層とを有し、少なくとも上記可溶導体と重畳する位置にて、上記発熱体と、上記発熱体引出電極とを接続するものである。

また、上述した課題を解決するために、本発明に係る保護素子は、絶縁基板と、上記絶縁基板上に設けられた第１の電極及び第２の電極と、上記絶縁基板上に設けられた発熱体と、上記発熱体に接続する第１の発熱体電極と、上記第１の発熱体電極に接続する第３の電極と、上記発熱体に接続する発熱体引出電極と、上記第１の電極及び第２の電極間を上記発熱体引出電極を経由して各々にハンダにて接続する可溶導体と、上記絶縁基板と上記発熱体との間に形成された第２の絶縁層とを有し、少なくとも上記可溶導体と重なる位置にて、上記発熱体と上記ハンダにて上記可溶導体と接続された上記発熱体引出電極とを接続するものである。
また、上述した課題を解決するために、本発明に係る保護素子は、絶縁基板と、上記絶縁基板上に設けられた第１の電極及び第２の電極と、上記絶縁基板上に設けられた発熱体と、上記発熱体に接続する第１の発熱体電極及び第２の発熱体電極と、上記第１の発熱体電極及び第２の発熱体電極のうち、一方に接続する発熱体引出電極と、上記第１の発熱体電極及び第２の発熱体電極のうち、他方に接続する第３の電極と、上記第１の電極及び第２の電極間を上記発熱体引出電極を経由して各々に接続する可溶導体とを有し、上記第１の発熱体電極及び第２の発熱体電極のうち一方と、上記発熱体引出電極とを接続し、上記絶縁基板の両面を貫通し電気的に接続するためのスルーホールを有し、上記発熱体、上記第１の発熱体電極及び上記第２の発熱体電極は、上記絶縁基板の上記発熱体引出電極が設けられた面の反対面に設けられ、上記第１の発熱体電極及び第２の発熱体電極のうち、一方と上記発熱体引出電極とを上記スルーホールを介して接続するものである。
また、上述した課題を解決するために、本発明に係る保護素子は、絶縁基板と、上記絶縁基板上に設けられた第１の電極及び第２の電極と、上記絶縁基板上に設けられた発熱体と、上記発熱体に接続する第１の発熱体電極と、上記第１の発熱体電極に接続する第３の電極と、上記発熱体に接続する発熱体引出電極と、上記第１の電極及び第２の電極間を上記発熱体引出電極を経由して各々に接続する可溶導体とを有し、上記発熱体と上記発熱体引出電極とを接続し、上記絶縁基板の両面を貫通し電気的に接続するためのスルーホールを有し、上記発熱体及び上記第１の発熱体電極は、上記絶縁基板の上記発熱体引出電極が設けられた面の反対面に設けられ、上記発熱体と上記発熱体引出電極とを上記スルーホールを介して接続するものである。

本発明によれば、発熱体から可溶導体への熱伝導効率を上げる事により、発熱体の発熱による可溶導体の溶断時間を短縮させて、大電流定格の保護素子を実現する事ができる。

図１は、第１の実施の形態にかかるヒューズ素子についてカバー部材を取り外して示す平面図である。図２は、図１におけるヒューズ素子について可溶導体を取り外した状態を示す平面図である。図３は、図１におけるＡ−Ａ’線における断面図である。図４は、ヒューズ素子の回路構成を説明する等価回路図であり、図４（Ａ）がヒューズ素子の動作前の状態を示し、図４（Ｂ）がヒューズ素子の動作後、可溶導体が溶融した状態を示す。図５は、図１におけるヒューズ素子が作動し可溶導体が溶融した状態を示す平面図である。図６は、第２の実施の形態にかかるヒューズ素子についてカバー部材を取り外して示す平面図である。図７は、図６におけるヒューズ素子について可溶導体を取り外した状態を示す平面図である。図８は、図６におけるＡ−Ａ’線における断面図である。図９は、第３の実施の形態にかかるヒューズ素子についてカバー部材を取り外して示す平面図である。図１０は、図９におけるヒューズ素子について可溶導体を取り外した状態を示す平面図である。図１１は、図９におけるＡ−Ａ’線における断面図である。図１２は、図９におけるヒューズ素子の回路構成を説明する等価回路図であり、図１２（Ａ）がヒューズ素子の動作前の状態を示し、図１２（Ｂ）がヒューズ素子の動作後、可溶導体が溶融した状態を示す。図１３は、第４の実施の形態にかかるヒューズ素子についてカバー部材を取り外して示す平面図である。図１４は、図１３におけるヒューズ素子について可溶導体を取り外した状態を示す平面図である。図１５は、図１３におけるＡ−Ａ’線における断面図である。図１６は、参考例のヒューズ素子についてカバー部材を取り外して示す平面図である。図１７は、図１６におけるヒューズ素子について可溶導体を取り外した状態を示す平面図である。図１８は、図１６におけるＡ−Ａ’線における断面図である。図１９は、図１６におけるヒューズ素子の回路構成を説明する等価回路図であり、図１９（Ａ）がヒューズ素子の動作前の状態を示し、図１９（Ｂ）がヒューズ素子の動作後、可溶導体が溶融した状態を示す。

以下、本発明が適用された保護素子として、ヒューズ素子について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみ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内において種々の変更が可能であることは勿論である。また、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることがある。具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

［第１の実施の形態］
ヒューズ素子１は、図１乃至図３に示すように、例えばリチウムイオン二次電池の保護回路等の回路基板にリフローにより表面実装されることにより、リチウムイオン二次電池の充放電経路上に可溶導体１０を組み込むものである。

この保護回路は、ヒューズ素子１の定格を超える大電流が流れると、可溶導体１０が自己発熱（ジュール熱）によって溶断することにより電流経路を遮断する。また、この保護回路は、ヒューズ素子１が実装された回路基板等に設けられた２次保護ＩＣによって所定のタイミングで発熱体５へ通電し、発熱体５の発熱によって可溶導体１０を溶断させることによって電流経路を遮断することができる。

［ヒューズ素子］
ヒューズ素子１は、図１乃至図３に示すように、絶縁基板２と、絶縁基板２上に設けられた第１の電極３及び第２の電極４と、絶縁基板２上に設けられた発熱体５と、発熱体５に接続する第１の発熱体電極６及び第２の発熱体電極７と、第１の発熱体電極６及び第２の発熱体電極７のうち、一方に接続する発熱体引出電極９と、第１の発熱体電極６及び第２の発熱体電極７のうち、他方に接続する第３の電極８と、第１の電極３及び第２の電極４間を発熱体引出電極９を経由して各々に接続する可溶導体１０とを有し、少なくとも可溶導体１０と重畳する位置にて、第２の発熱体電極７もしくは発熱体５と発熱体引出電極９とを接続するように構成したものである。

具体的に、ヒューズ素子１は、第３の電極８が第１の発熱体電極６に接続され、可溶導体１０と重畳する位置にて発熱体引出電極９が絶縁基板２に向かって垂直方向に延在して第２の発熱体電極７もしくは発熱体５に接続されている。また、ヒューズ素子１は、絶縁基板２上に抵抗測定電極１１を有しており、抵抗測定電極１１が第２の発熱体電極７に接続されている。この抵抗測定電極１１は、製造プロセス中の抵抗測定に使用するものであり、製品として必ずしも必要なものではない。なお、ヒューズ素子１では、第３の電極８を第２の発熱体電極７に接続するようにしてもよく、この場合に、可溶導体１０と重畳する位置にて発熱体引出電極９が絶縁基板２に向かって垂直方向に延在して第１の発熱体電極６もしくは発熱体５に接続することによっても同等の構成をとることができる。

また、ヒューズ素子１は、第１の電極３及び第２の電極４と、絶縁基板２の裏面２ｂに設けられた第１の実装電極３ａ及び第２の実装電極４ａとを接続し、絶縁基板２の側面に設けられた第１のハーフスルーホール３ｂ及び第２のハーフスルーホール４ｂを有している。また、ヒューズ素子１は、第３の電極８と絶縁基板２の裏面２ｂに設けられた第３の実装電極８ａとを接続する第３のハーフスルーホール８ｂを絶縁基板２の側面に有している。

発熱体引出電極９は、可溶導体１０と重畳する位置にて、第２の発熱体電極７と電気的に接続する接続部９ａを有しており、接続部９ａの先端において第２の発熱体電極７と接続され、また発熱体５とも先端の一部が接している。従って、発熱体引出電極９は、発熱体５から放出される熱を可溶導体１０に向かって垂直方向に伝達するため、可溶導体１０に至る最短経路の熱伝導経路を構成する。

［絶縁基板］
絶縁基板２は、例えば、アルミナ、ガラスセラミックス、ムライト、ジルコニアなどの絶縁性を有する部材によって方形状に形成される。その他、絶縁基板２は、ガラスエポキシ基板、フェノール基板等のプリント配線基板に用いられる材料を用いてもよい。

［電極］
第１の電極３及び第２の電極４は、絶縁基板２の表面２ａ上に、相対向する側縁近傍にそれぞれ離間して配置されることにより開放され、可溶導体１０が搭載されることにより、可溶導体１０を介して電気的に接続されている。また、第１の電極３及び第２の電極４は、ヒューズ素子１に定格を超える大電流が流れ可溶導体１０が自己発熱（ジュール熱）によって溶断し、あるいは発熱体５が通電に伴って発熱し可溶導体１０が溶断することによって、電流経路が遮断される。

図１乃至図３に示すように、第１の電極３及び第２の電極４は、それぞれ絶縁基板２の側面に設けられた第１のハーフスルーホール３ｂ及び第２のハーフスルーホール４ｂを介して裏面２ｂに設けられた外部接続電極である第１の実装電極３ａ及び第２の実装電極４ａと接続されている。ヒューズ素子１は、これら第１の実装電極３ａ及び第２の実装電極４ａを介して外部回路が形成された回路基板と接続され、当該外部回路の電流経路の一部を構成する。

第１の電極３及び第２の電極４は、ＣｕやＡｇ等の一般的な電極材料を用いて形成することができる。また、第１の電極３及び第２の電極４の表面上には、Ｎｉ／Ａｕメッキ、Ｎｉ／Ｐｄメッキ、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕメッキ等の被膜が、メッキ処理等の公知の手法によりコーティングされていることが好ましい。これにより、ヒューズ素子１は、第１の電極３及び第２の電極４の酸化を防止し、導通抵抗の上昇に伴う定格の変動を防止することができる。

また、ヒューズ素子１をリフロー実装する場合に、可溶導体１０を接続する接続用ハンダあるいは可溶導体１０の外層に低融点金属層が形成されている場合に当該低融点金属が溶融することにより第１の電極３及び第２の電極４を溶食（ハンダ食われ）するのを防ぐことができる。

［発熱体］
発熱体５は、通電すると発熱する導電性を有する部材であって、例えばニクロム、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ａｇ、あるいはこれらを主成分とする合金等からなる。発熱体５は、これらの合金あるいは組成物、化合物の粉状体を樹脂バインダ等と混合して、ペースト状にしたものを絶縁基板２上にスクリーン印刷技術を用いてパターン形成して、焼成する等によって形成することができる。また、発熱体５は、一端が第１の発熱体電極６と接続され、他端が第２の発熱体電極７と接続されている。また、発熱体５は、他端が発熱体引出電極９の接続部９ａの先端の一部と接続されている。

発熱体５は、ヒューズ素子１が回路基板に実装されることにより、第３の実装電極８ａを介して回路基板に形成された外部回路と接続される。そして、発熱体５は、外部回路の電流経路を遮断する所定のタイミングで第３の実装電極８ａを介して通電され、発熱することにより、第１の電極３及び第２の電極４を接続している可溶導体１０を溶断することができる。また、発熱体５は、可溶導体１０が溶断することにより、自身の電流経路も遮断されることから発熱が停止する。

［発熱体電極］
第１の発熱体電極６及び第２の発熱体電極７は、絶縁基板２の表面２ａ上で、相対向する側縁近傍がそれぞれ離間して配置されることにより開放され、発熱体５が搭載されることにより、発熱体５を介して電気的に接続されている。

第１の発熱体電極６は、絶縁基板２の表面２ａ上で、第３の電極と接続されており第３の電極８と一体に形成されている。また、第２の発熱体電極７は、絶縁基板２の表面２ａ上で、抵抗測定電極１１と接続されており抵抗測定電極１１と一体に形成されている。これら、第１の発熱体電極６、第２の発熱体電極７、第３の電極８及び抵抗測定電極１１は、第１の電極３及び第２の電極４と同様にＣｕやＡｇ等の一般的な電極材料を用いて形成することができ、それらを同一プロセスで形成する事もできる。

なお、抵抗測定電極１１は、ヒューズ素子１の抵抗値を測るために用いられる電極であり、実装基板にヒューズ素子１を実装しない状態であっても、第３の電極８及び抵抗測定電極１１間でヒューズ素子１の抵抗値を測定することを可能とするものである。従って、ヒューズ素子１は、抵抗値の測定を不要とする場合に、抵抗測定電極１１を省略して構成することもできる。

ここで、第１の実装電極３ａ及び第１のハーフスルーホール３ｂは、第１の電極３と同様の材料により形成することができ、第２の実装電極４ａ及び第２のハーフスルーホール４ｂは、第２の電極４と同様の材料により形成することができ、第３の実装電極８ａ及び第３のハーフスルーホール８ｂは、第１の発熱体電極６と同様の材料により形成することができるものとする。また、第１のハーフスルーホール３ｂ、第２のハーフスルーホール４ｂ、第３のハーフスルーホール８ｂはハーフスルーホール形状に限定される必要は無く、円形やその他任意の形状のスルーホールであっても良い。

［絶縁層］
ヒューズ素子１は、発熱体５と発熱体引出電極９との間に積層された第１の絶縁層１２を有する。第１の絶縁層１２は、発熱体５を覆い発熱体５と発熱体引出電極９との接触を妨げる。第１の絶縁層１２としては、例えばガラス材料を用いることができる。

また、ヒューズ素子１は、発熱体５の熱を効率良く可溶導体１０に伝えるために、絶縁基板２と発熱体５の間に図示しない第２の絶縁層を積層しても良い。第２の絶縁層は、発熱体５から放出される熱を絶縁基板２に拡散させないようにすることができる。第２の絶縁層としては、例えばガラス材料を用いることができる。

ここで、第１の絶縁層１２は、発熱体５と発熱体引出電極９との間に切り欠き部１２ａが形成されている。この切り欠き部１２ａは、発熱体引出電極９の接続部９ａに対応する解放領域であり、接続部９ａが配設される。

［発熱体引出電極］
発熱体引出電極９は、ＣｕやＡｇ等の一般的な電極材料を用いて形成することができる。また、発熱体引出電極９の表面上には、Ｎｉ／Ａｕメッキ、Ｎｉ／Ｐｄメッキ、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕメッキ等の被膜が、メッキ処理等の公知の手法によりコーティングされていることが好ましい。

発熱体引出電極９は、上述の導電材料を含有したペーストを塗布することにより形成することができるが、その形状は、略Ｔ字形状に形成されている。発熱体引出電極９は、第３の電極８と抵抗測定電極１１にむけて両側に広がる幅広部を有しており、幅広部よりも幅の狭い領域が接続部９ａとして第２の発熱体電極７に向けて延在する。

発熱体引出電極９は、接続部９ａの幅Ｗ₂が可溶導体１０の幅Ｗ₁よりも広くなるように構成されており、発熱体５が発熱した際に、可溶導体１０全体を十分に加熱できるようになっている。従って、第１の絶縁層１２の切り欠き部１２ａの幅はＷ₂以上となるように第１の絶縁層１２が形成されることが好ましい。

［可溶導体］
可溶導体１０は、発熱体５の発熱により速やかに溶断される材料からなり、例えばハンダや、Ｓｎを主成分とするＰｂフリーハンダ等の低融点金属を好適に用いることができる。

また、可溶導体１０は、Ｐｂ、Ａｇ、Ｃｕ又はこれらのうちのいずれかを主成分とする合金等の高融点金属を用いてもよく、あるいは内層を低融点金属層とし外層を高融点金属層とする等の低融点金属と高融点金属との積層体であってもよい。高融点金属と低融点金属とを含有することによって、ヒューズ素子１をリフロー実装する場合に、リフロー温度が低融点金属の溶融温度を超えて、低融点金属が溶融しても、低融点金属の外部への流出を抑制し、可溶導体１０の形状を維持することができる。また、溶断時も、低融点金属が溶融することにより、高融点金属を溶食（ハンダ食われ）することで、高融点金属の融点以下の温度で速やかに溶断することができる。

なお、可溶導体１０は、発熱体引出電極９、第１の電極３及び第２の電極４に対して、ハンダ１４により接続されている。可溶導体１０は、リフローはんだ付けによって容易に接続することができる。可溶導体１０は、発熱体引出電極９上に搭載されることにより、発熱体引出電極９と重畳され、また発熱体５とも重畳される。また、第１の電極３及び第２の電極４の間にわたって接続された可溶導体１０は、第１の電極３と第２の電極４との間において溶断し、第１の電極３及び第２の電極４間を遮断する。すなわち、可溶導体１０は、中央部が発熱体引出電極９に支持されるとともに、発熱体引出電極９と第１の電極３及び第２の電極４の各々の間が溶断部とされている。

また、可溶導体１０は、酸化防止、濡れ性の向上等のため、フラックス１５が塗布されている。可溶導体１０は、フラックス１５が保持されることによって、可溶導体１０の酸化及び酸化に伴う溶断温度の上昇を防止して、溶断特性の変動を抑制し、速やかに溶断することができる。

なお、ヒューズ素子１は、小型且つ高定格の保護素子を実現するものであり、例えば、絶縁基板２の寸法として１０ｍｍ×５ｍｍ程度と小型でありながら、抵抗値が０．５〜１ｍΩ、４０〜６０Ａ定格と高定格化が図られている。なお、本発明は、あらゆるサイズ、抵抗値及び電流定格を備える保護素子に適用することができるのはもちろんである。

なお、ヒューズ素子１は、絶縁基板２の表面２ａ上に、内部を保護するとともに溶融した可溶導体１０の飛散を防止するカバー部材１６を取り付けるようにしている。カバー部材１６は、絶縁基板２の表面２ａ上に搭載される側壁１６ａと、ヒューズ素子１の上面を構成する天面１６ｂとを有する。このカバー部材１６は、例えば、熱可塑性プラスチック，セラミックス，ガラスエポキシ基板等の絶縁性を有する部材を用いて形成することができる。

［回路構成］
ここで、ヒューズ素子１の回路構成と、通電経路の遮断動作について説明する。ヒューズ素子１は、図４（Ａ）に示すように、第１の電極３から第２の電極４にわたって可溶導体１０が接続されており、可溶導体１０の中途部分に発熱体引出電極９が接続されている。また、発熱体引出電極９は、可溶導体１０と接続された側の反対側に、第２の発熱体電極７、発熱体５、第１の発熱体電極６の順に接続されている。従って、ヒューズ素子１は、第１の電極３、第２の電極４及び第１の発熱体電極６から、それぞれ第１のハーフスルーホール３ｂ、第２のハーフスルーホール４ｂ及び第３のハーフスルーホール８ｂを介して接続される第１の実装電極３ａ、第２の実装電極４ａ及び第３の実装電極８ａを外部端子とする３端子の素子であるといえる。

ヒューズ素子１は、第１の電極３から第２の電極４に向かって主回路の電流が流れるように構成されており、第１の発熱体電極６から電流が流れた場合に、発熱体５が発熱し、第２の発熱体電極７及び発熱体引出電極９の接続部９ａを主の熱伝導経路として発熱体引出電極９を加熱して、図４（Ｂ）及び図５に示すように、発熱体引出電極９上の可溶導体１０が溶融し、溶融体１０ａが発熱体引出電極９上に凝集し、可溶導体１０が切断される。これにより、ヒューズ素子１は、第１の電極３及び第２の電極４間の電流経路が遮断されるとともに、発熱体５に対する電流経路も遮断される。

発熱体５から放出された熱は、第１の絶縁層１２を介して発熱体引出電極９にも伝達するが、第１の絶縁層１２よりも熱伝導率の高い発熱体引出電極９の接続部９ａによって垂直方向に速やかに伝達され、発熱体引出電極９を速やかに加熱するとともに、接続部９ａと重畳して配置される可溶導体１０も速やかに加熱する。従ってヒューズ素子１は、従来と比して熱伝導効率が非常に高まったと言える。

また、ヒューズ素子１は、発熱体引出電極９の接続部９ａが直接発熱体５とも接しているため、更に熱伝導効率が高く、より効率的に可溶導体１０を加熱することが可能となった。

以上のようにヒューズ素子１は、可溶導体１０に発熱体５からの熱を速やかに効率的に伝達することができるため、可溶導体１０の速溶断性を向上させることができる。

［第２の実施の形態］
次に、第２の実施の形態について説明する。また、第１の実施の形態で説明したヒューズ素子１と略同等の部位については同じ符号を付して説明を省略し、差異について説明する。また、等価回路としては、図４で説明したものと同じであるため説明を省略する。

［ヒューズ素子］
第２の実施の形態にかかるヒューズ素子２０は、図６乃至図８に示すように、絶縁基板２の両面を貫通し電気的に接続するためのスルーホール９ｂを有し、発熱体５、第１の発熱体電極６及び第２の発熱体電極７が、絶縁基板２の発熱体引出電極９が設けられた面の反対面に設けられ、第２の発熱体電極７と発熱体引出電極９とをスルーホール９ｂを介して接続するように構成したものである。

具体的にヒューズ素子２０は、発熱体引出電極９と第２の発熱体引出電極７とを、少なくとも可溶導体１０と重畳する位置において、スルーホール９ｂを介して電気的に接続されている。

ヒューズ素子２０は、絶縁基板２の裏面２ｂに、第１の発熱体電極６及び第２の発熱体電極７を設け、第１の発熱体電極６及び第２の発熱体電極７と連結するように発熱体５を形成し、発熱体５を覆うように第１の絶縁層１２を形成している。

スルーホール９ｂは、発熱体引出電極９、第２の発熱体引出電極７及び可溶導体１０が重畳する位置に複数設けられた円筒形の導電経路であり、絶縁基板２に設けられた貫通孔の内側面に形成される。

スルーホール９ｂは、絶縁基板２の貫通孔の内側面に、ＣｕやＡｇ等の一般的な導電材料を用いて形成することができ、導電材料をペースト状にして塗布することによって発熱体引出電極９とともに形成することができる。また、スルーホール９ｂは、導電材料を充填した穴埋めスルーホールとすることが好ましい。穴埋めスルーホールは、電気抵抗値を低減させるとともに熱伝導経路を確保することができる。

なお、ヒューズ素子２０は、スルーホール９ｂを３つ設ける構成を例示しているが、スルーホールの数は任意とすることができることは言うまでもない。スルーホール９ｂは、発熱体５からの熱を発熱体引出電極９に均等に伝達するために、第２の発熱体電極７と重畳する位置で、第２の発熱体電極７の引出方向に均等間隔で配置されることが好ましい。

ヒューズ素子２０は、第１の発熱体電極６から電流が流れた場合に、発熱体５が発熱し、第２の発熱体電極７及びスルーホール９ｂを主の熱伝導経路として発熱体引出電極９を加熱して、発熱体引出電極９上の可溶導体１０が溶融する。これにより、ヒューズ素子２０は、第１の電極３及び第２の電極４間の電流経路が遮断されるとともに、発熱体５に対する電流経路も遮断される。

発熱体５から放出された熱は、絶縁基板２を介して表面２ａの発熱体引出電極９にも伝達するが、絶縁基板２よりも熱伝導率の高いスルーホール９ｂによって垂直方向に速やかに伝達され、発熱体引出電極９を速やかに加熱するとともに、スルーホール９ｂと重畳して配置される可溶導体１０も速やかに加熱する。従ってヒューズ素子２０は、後述する参考例と比して熱伝導効率が非常に高まったと言える。

以上のようにヒューズ素子２０は、可溶導体１０に発熱体５からの熱を速やかに効率的に伝達することができるため、可溶導体１０の速溶断性を向上させることができる。

［第３の実施の形態］
次に、第３の実施の形態について説明する。また、第１の実施の形態で説明したヒューズ素子１と略同等の部位については同じ符号を付して説明を省略し、差異について説明する。また、等価回路としては、図４で説明したものと略同じであるが、一部に差異があるため簡単な説明を行う。

［ヒューズ素子］
第３の実施の形態にかかるヒューズ素子３０は、図９乃至図１１に示すように、ヒューズ素子１と比較して絶縁基板２上の発熱体５に接続される第２の発熱体電極７を省略した構成であり、絶縁基板２と、絶縁基板２上に設けられた第１の電極３及び第２の電極４と、絶縁基板２上に設けられた発熱体５と、発熱体５に接続する第１の発熱体電極６と、第１の発熱体電極６に接続する第３の電極８と、発熱体５に接続する発熱体引出電極９と、第１の電極３及び第２の電極４間を発熱体引出電極９を経由して各々に接続する可溶導体１０とを有し、少なくとも可溶導体１０と重なる位置にて、発熱体５と発熱体引出電極９とを接続しているものである。

発熱体引出電極９は、可溶導体１０と重畳する位置にて、発熱体５と接続する接続部９ａを有しており、接続部９ａの先端において発熱体５と接続されている。従って、発熱体引出電極９は、発熱体５から放出される熱を接続部９ａを介して可溶導体１０に向かって垂直方向に伝達するため、可溶導体１０に至る最短経路の熱伝導経路を構成する。

ヒューズ素子３０は、ヒューズ素子１と比較して第２の発熱体電極７を省略した構成としたため、構成が簡素化されるとともに、発熱体５から放出される熱を直接、接続部９ａを介して可溶導体１０に伝えることができるため、より熱伝達効率を高めることができる。ヒューズ素子３０は、ヒューズ素子１における第２の発熱体電極７の機能を発熱体引出電極９の接続部９ａの先端に持たせたものともいえる。

［回路構成］
ここで、ヒューズ素子３０の回路構成と、通電経路の遮断動作について説明する。ヒューズ素子３０は、図１２（Ａ）に示すように、第１の電極３から第２の電極４にわたって可溶導体１０が接続されており、可溶導体１０の中途部分に発熱体引出電極９が接続されている。また、発熱体引出電極９は、可溶導体１０と接続された側の反対側に、発熱体５、第１の発熱体電極６の順に接続されている。

ヒューズ素子３０は、第１の電極３から第２の電極４に向かって主回路の電流が流れるように構成されており、第１の発熱体電極６から電流が流れた場合に、発熱体５が発熱し、接続部９ａを主の熱伝導経路として発熱体引出電極９を加熱して、図１２（Ｂ）に示すように、発熱体引出電極９上の可溶導体１０が溶融する。これにより、ヒューズ素子３０は、第１の電極３及び第２の電極４間の電流経路が遮断されるとともに、発熱体５に対する電流経路も遮断される。

発熱体５から放出された熱は、第１の絶縁層１２を介して発熱体引出電極９にも伝達するが、第１の絶縁層１２よりも熱伝導率の高い発熱体引出電極９の接続部９ａによって垂直方向に速やかに伝達され、発熱体引出電極９を速やかに加熱するとともに、接続部９ａと重畳して配置される可溶導体１０も速やかに加熱する。従ってヒューズ素子３０は、後述する参考例と比して熱伝導効率が非常に高まったと言える。

また、ヒューズ素子３０は、発熱体引出電極９の接続部９ａが直接発熱体５と接しているため、更に熱伝導効率が高く、より効率的に可溶導体１０を加熱することが可能となった。

以上のようにヒューズ素子３０は、可溶導体１０に発熱体５からの熱を速やかに効率的に伝達することができるため、可溶導体１０の速溶断性を向上させることができる。

［第４の実施の形態］
次に、第４の実施の形態について説明する。また、第１の実施の形態で説明したヒューズ素子１と略同等の部位については同じ符号を付して説明を省略し、差異について説明する。また、等価回路としては、図４で説明したものと同じであるため説明を省略する。

［ヒューズ素子］
第４の実施の形態にかかるヒューズ素子４０は、図１３乃至図１５に示すように、絶縁基板２の両面を貫通し電気的に接続するためのスルーホール９ｂを有し、発熱体５、第１の発熱体電極６及び第２の発熱体電極７が、絶縁基板２の発熱体引出電極９が設けられた面の反対面に設けられ、第２の発熱体電極７と発熱体引出電極９とをスルーホール９ｂを介して接続するように構成したものである。

具体的に、ヒューズ素子４０は、発熱体引出電極９と発熱体５とを、可溶導体１０と重畳する位置において、スルーホール９ｂを介して電気的に接続されている。

ヒューズ素子４０は、絶縁基板２の裏面２ｂに、発熱体５を設け、発熱体５上の相対抗する両端辺に第１の発熱体電極６及び第２の発熱体電極７を形成し、発熱体５、第１の発熱体電極６及び第２の発熱体電極７を覆うように第１の絶縁層１２を形成している。

ヒューズ素子４０は、第１の発熱体電極６から電流が流れた場合に、発熱体５が発熱し、スルーホール９ｂを主の熱伝導経路として発熱体引出電極９を加熱して、発熱体引出電極９上の可溶導体１０が溶融する。これにより、ヒューズ素子４０は、第１の電極３及び第２の電極４間の電流経路が遮断されるとともに、発熱体５に対する電流経路も遮断される。

発熱体５から放出された熱は、絶縁基板２を介して表面２ａの発熱体引出電極９にも伝達するが、絶縁基板２よりも熱伝導率の高いスルーホール９ｂによって垂直方向に速やかに伝達され、発熱体引出電極９を速やかに加熱するとともに、スルーホール９ｂと重畳して配置される可溶導体１０も速やかに加熱する。従ってヒューズ素子４０は、後述する参考例と比して熱伝導効率が非常に高まったと言える。

また、ヒューズ素子４０は、スルーホール９ｂが直接発熱体５と接しているため、更に熱伝導効率が高く、より効率的に可溶導体１０を加熱することが可能となった。

以上のようにヒューズ素子４０は、可溶導体１０に発熱体５からの熱を速やかに効率的に伝達することができるため、可溶導体１０の速溶断性を向上させることができる。

［参考例］
ここで、第１の実施の形態乃至第４の実施の形態として説明したヒューズ素子が有する熱伝導経路を可溶導体１０と重畳させない構成について、参考例を用いて説明する。また、第１の実施の形態で説明したヒューズ素子１と略同等の部位については同じ符号を付して説明を省略し、差異について説明する。また、等価回路としては、図４で説明したものと略同じであるが、一部に差異があるため簡単な説明を行う。

［ヒューズ素子］
参考例にかかるヒューズ素子５０は、図１６乃至図１８に示すように、ヒューズ素子１と比較して発熱体引出電極９の接続先が抵抗測定電極１１とされ、可溶導体１０と重畳する位置で発熱体５や第２の発熱体電極７と接続しない構成であり、絶縁基板２と、絶縁基板２上に設けられた第１の電極３及び第２の電極４と、絶縁基板２上に設けられた発熱体５と、発熱体５に接続する第１の発熱体電極６と、第１の発熱体電極６に接続する第３の電極８と、第２の発熱体電極７に接続する抵抗測定電極１１と、抵抗測定電極１１に接続する発熱体引出電極９と、第１の電極３及び第２の電極４間を発熱体引出電極９を経由して各々に接続する可溶導体１０とを有するものである。

発熱体引出電極９は、抵抗測定電極１１まで延在する接続部９ｃを有しており、接続部９ｃを介して抵抗測定電極１１と電気的に接続される。発熱体引出電極９は、可溶導体１０と重畳する位置にて、発熱体５や第２の発熱体電極７と接続されていない。

従って、ヒューズ素子５０は、発熱体５から発する熱の伝導経路が、第２の発熱体電極７、抵抗測定電極１１、接続部９ｃを介するものとなり非常に長くなっているといえる。このため、ヒューズ素子５０では、発熱体５から可溶導体１０への熱が、第１の絶縁層１２を主の熱伝導経路として伝達することとなる。

［回路構成］
ここで、ヒューズ素子５０の回路構成と、通電経路の遮断動作について説明する。ヒューズ素子５０は、図１９（Ａ）に示すように、第１の電極３から第２の電極４にわたって可溶導体１０が接続されており、可溶導体１０の中途部分に発熱体引出電極９が接続されている。また、発熱体引出電極９は、可溶導体１０と接続された側の反対側に、抵抗測定電極１１、第２の発熱体電極７、発熱体５、第１の発熱体電極６の順に接続されている。

ヒューズ素子５０は、第１の電極３から第２の電極４に向かって主回路の電流が流れるように構成されており、第１の発熱体電極６から電流が流れた場合に、発熱体５が発熱し、第１の絶縁層１２を主の熱伝導経路として発熱体引出電極９を加熱して、図１９（Ｂ）に示すように、発熱体引出電極９上の可溶導体１０が溶融する。これにより、ヒューズ素子５０は、第１の電極３及び第２の電極４間の電流経路が遮断されるとともに、発熱体５に対する電流経路も遮断される。

発熱体５から放出された熱は、第２の発熱体電極７、抵抗測定電極１１、接続部９ｃを介して発熱体引出電極９にも伝達するが、上述したように熱伝導経路が長くなるため可溶導体１０の加熱に対する寄与は極めて少なくなる。

このため、上述した参考例と第１の実施の形態乃至第４の実施の形態とを比較すると、第１の実施の形態乃至第４の実施の形態におけるヒューズ素子の熱伝導効率が高いことが容易に理解できる。また、第１の実施の形態乃至第４の実施の形態におけるヒューズ素子の熱伝導効率が優れていることは従来技術に対しても同様である。

［まとめ］
以上のように第１の実施の形態乃至第４の実施の形態として説明したヒューズ素子は、発熱体から可溶導体を結ぶ最短ルートを絶縁基板や絶縁層よりも高熱伝導率の発熱体引出電極を用いて熱伝導経路を形成したことで、可溶導体に対して発熱体の熱を速やかに伝達し、可溶導体を速やかに溶断し、大電流に対応しつつ速溶断性に優れた保護素子を得ることができる。

なお、第１の実施の形態乃至第４の実施の形態におけるヒューズ素子の構造を適宜組み合わせた構造としてもよいことは言うまでもない。

１，２０，３０，４０，５０ヒューズ素子、２絶縁基板、２ａ表面、２ｂ裏面、３第１の電極、３ａ第１の実装電極、３ｂ第１のハーフスルーホール、４第２の電極、４ａ第２の実装電極、４ｂ第２のハーフスルーホール、５発熱体、６第１の発熱体電極、７第２の発熱体電極、８第３の電極、８ａ第３の実装電極、８ｂ第３のハーフスルーホール、９発熱体引出電極、９ａ接続部、９ｂスルーホール、９ｃ接続部、１０可溶導体、１０ａ溶融体、１１抵抗測定電極、１２第１の絶縁体、１２ａ切り欠き部、１４ハンダ、１５フラックス、１６カバー部材、１６ａ側壁、１６ｂ天面

Claims

絶縁基板と、
上記絶縁基板上に設けられた第１の電極及び第２の電極と、
上記絶縁基板上に設けられた発熱体と、
上記発熱体に接続する第１の発熱体電極及び第２の発熱体電極と、
上記第１の発熱体電極及び第２の発熱体電極のうち、一方に接続する発熱体引出電極と、
上記第１の発熱体電極及び第２の発熱体電極のうち、他方に接続する第３の電極と、
上記第１の電極及び第２の電極間を上記発熱体引出電極を経由して各々に接続する可溶導体とを有し、
少なくとも上記可溶導体と重畳する位置にて、上記第１の発熱体電極及び第２の発熱体電極のうち一方と、上記発熱体引出電極とを接続する保護素子。
絶縁基板と、
上記絶縁基板上に設けられた第１の電極及び第２の電極と、
上記絶縁基板上に設けられた発熱体と、
上記発熱体に接続する第１の発熱体電極及び第２の発熱体電極と、
上記第１の発熱体電極及び第２の発熱体電極のうち、一方に接続する発熱体引出電極と、
上記第１の発熱体電極及び第２の発熱体電極のうち、他方に接続する第３の電極と、
上記第１の電極及び第２の電極間を上記発熱体引出電極を経由して各々に接続する可溶導体と、
上記絶縁基板と上記発熱体との間に形成された第２の絶縁層とを有し、
少なくとも上記可溶導体と重畳する位置にて、上記発熱体と、上記発熱体引出電極とを接続する保護素子。
上記可溶導体は、上記第１の電極及び第２の電極間を上記発熱体引出電極を経由して各々にハンダにて接続され、
少なくとも上記可溶導体と重畳する位置にて、上記発熱体と、上記ハンダにて上記可溶導体と接続された上記発熱体引出電極とを接続する請求項２に記載の保護素子。
上記発熱体と上記発熱体引出電極との間に積層された第１の絶縁層を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の保護素子。
上記絶縁基板と上記発熱体との間に第２の絶縁層を有する請求項１に記載の保護素子。
上記絶縁基板の両面を貫通し電気的に接続するためのスルーホールを有し、
上記発熱体、上記第１の発熱体電極及び上記第２の発熱体電極は、上記絶縁基板の上記発熱体引出電極が設けられた面の反対面に設けられ、
上記第１の発熱体電極及び第２の発熱体電極のうち、一方と上記発熱体引出電極とを上記スルーホールを介して接続する請求項１〜３のいずれか１項に記載の保護素子。
絶縁基板と、
上記絶縁基板上に設けられた第１の電極及び第２の電極と、
上記絶縁基板上に設けられた発熱体と、
上記発熱体に接続する第１の発熱体電極と、
上記第１の発熱体電極に接続する第３の電極と、
上記発熱体に接続する発熱体引出電極と、
上記第１の電極及び第２の電極間を上記発熱体引出電極を経由して各々にハンダにて接続する可溶導体と、
上記絶縁基板と上記発熱体との間に形成された第２の絶縁層とを有し、
少なくとも上記可溶導体と重なる位置にて、上記発熱体と上記ハンダにて上記可溶導体と接続された上記発熱体引出電極とを接続する保護素子。
上記発熱体と上記発熱体引出電極との間に積層された第１の絶縁層を有する請求項７に記載の保護素子。
上記絶縁基板の両面を貫通し電気的に接続するためのスルーホールを有し、
上記発熱体及び上記第１の発熱体電極は、上記絶縁基板の上記発熱体引出電極が設けられた面の反対面に設けられ、上記発熱体と上記発熱体引出電極とを上記スルーホールを介して接続する請求項７に記載の保護素子。
絶縁基板と、
上記絶縁基板上に設けられた第１の電極及び第２の電極と、
上記絶縁基板上に設けられた発熱体と、
上記発熱体に接続する第１の発熱体電極及び第２の発熱体電極と、
上記第１の発熱体電極及び第２の発熱体電極のうち、一方に接続する発熱体引出電極と、
上記第１の発熱体電極及び第２の発熱体電極のうち、他方に接続する第３の電極と、
上記第１の電極及び第２の電極間を上記発熱体引出電極を経由して各々に接続する可溶導体とを有し、
上記第１の発熱体電極及び第２の発熱体電極のうち一方と、上記発熱体引出電極とを接続し、
上記絶縁基板の両面を貫通し電気的に接続するためのスルーホールを有し、
上記発熱体、上記第１の発熱体電極及び上記第２の発熱体電極は、上記絶縁基板の上記発熱体引出電極が設けられた面の反対面に設けられ、
上記第１の発熱体電極及び第２の発熱体電極のうち、一方と上記発熱体引出電極とを上記スルーホールを介して接続する保護素子。
絶縁基板と、
上記絶縁基板上に設けられた第１の電極及び第２の電極と、
上記絶縁基板上に設けられた発熱体と、
上記発熱体に接続する第１の発熱体電極と、
上記第１の発熱体電極に接続する第３の電極と、
上記発熱体に接続する発熱体引出電極と、
上記第１の電極及び第２の電極間を上記発熱体引出電極を経由して各々に接続する可溶導体とを有し、上記発熱体と上記発熱体引出電極とを接続し、
上記絶縁基板の両面を貫通し電気的に接続するためのスルーホールを有し、
上記発熱体及び上記第１の発熱体電極は、上記絶縁基板の上記発熱体引出電極が設けられた面の反対面に設けられ、上記発熱体と上記発熱体引出電極とを上記スルーホールを介して接続する保護素子。