JPWO2015133538A1 - 保護デバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、定格電圧および定格電流が大きく、動作時のアークの発生を十分に抑制でき、さらには、主回路の短絡などによる過電流に対しても適切に保護することができる保護デバイスを提供する。本発明の保護デバイスは、（ｉ）第１温度ヒューズと抵抗体とを含んで成り、異常時に抵抗体に通電することによって抵抗体が発熱し、この熱により第１温度ヒューズが動作して、電流を遮断する保護素子と、（ｉｉ）上記第１温度ヒューズに対して電気的に並列に接続され、かつ、互いに電気的に直列に接続された、ＰＴＣ素子および第２温度ヒューズと、（ｉｉｉ）上記第１温度ヒューズに対して電気的に直列に接続された電流ヒューズとを含んで成る。

Description

本発明は、保護デバイスに関する。

種々の電気回路において、定格電流より大きい電流が流れた場合および／または定格電圧より大きい電圧が印加された場合、回路に組み込まれた電気・電子装置および／または電気・電子部品、あるいは電気・電子回路を保護するために保護デバイスが回路に組み込まれている。

そのような保護デバイスとして、温度ヒューズと抵抗体とを含んで成り、異常時に抵抗体に通電することにより抵抗体を発熱させ、その熱で温度ヒューズを動作せしめる保護デバイス、いわゆるヒュージングレジスタが知られている（特許文献１）。

また、他の保護デバイスとして、バイメタルスイッチとＰＴＣ（positive temperature coefficient）素子とを並列に接続して用いることが提案されている（特許文献２）。このような保護デバイスでは、過電流条件となった時に、バイメタルスイッチのバイメタル部分が高温となってその接点が離間して開き、電流がＰＴＣ素子に転流される。その結果、ＰＴＣ素子は過電流によって高温・高抵抗状態にトリップしてＰＴＣ素子を流れる電流を実質的に遮断する。

特開２００９−２９５５６７号公報 国際公開第２００８／１１４６５０号

特許文献１に記載のような保護デバイスにより、多くの場合において、十分な保護を達成することができるが、高電圧もしくは高電流の電池または電源を使用する電気装置においては、このような保護デバイスの定格電圧および定格電流では必ずしも十分でない場合があり、より大きな定格電圧および定格電流が求められている。

また、特許文献１に記載のような保護デバイスは、一般的に、リチウムイオン蓄電池において過充電が生じた場合に、リチウムイオン蓄電池を保護する目的で用いられている。特許文献１に記載の保護デバイスは３つの端子を有している。リチウムイオン蓄電池の充電回路にて用いられる場合、これらの端子は、それぞれ、電源、蓄電池およびスイッチ（または制御用ＩＣ等）に接続される（それぞれ、電源側端子、蓄電池側端子およびスイッチ側端子と称する）。そして、電源−電源側端子−温度ヒューズ−蓄電池側端子−蓄電池の順番で直列に接続することにより主回路を構成し、電源−スイッチ−スイッチ側端子−抵抗体−蓄電池側端子−蓄電池の順番で直列に接続することにより副回路を構成する。過充電が生じた場合、スイッチがオンになって副回路に通電され、即ち、抵抗体に通電され、そこで生じた熱によって温度ヒューズが溶断する。このようにして主回路をオープンにして、リチウムイオン蓄電池を過充電から保護している。しかしながら、このような構成は、主回路において短絡が生じた場合等に生じ得る過電流からの保護には、必ずしも適したものとは言えないことがわかった。

特許文献２に記載のような保護デバイスにより、多くの場合において、十分な保護を達成することができるが、条件によっては、特に比較的高い電圧で用いる場合には、遮断時に発生するアークを必ずしも十分に抑制できない場合があることが見出された。また、ＰＴＣ素子がトリップして高抵抗状態になることによって実質的に電流の流れを遮断した場合であっても、実際には微小電流（リーク電流）が流れる。微小電流であるといえども、その流れを遮断するのが好ましい場合があることに気付いた。また、微小電流が通電され続けると、異常を取り除くまでの時間が長くなった場合に、ＰＴＣ素子が動作し続けることになり不具合が生じ得る。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、定格電圧および定格電流がより大きく、動作時のアークの発生を一層抑制でき、更には、主回路の短絡などによる過電流に対してもより適切に保護することができる保護デバイスを提供することである。

第１の要旨において、本発明は、（ｉ）第１温度ヒューズと抵抗体とを含んで成り、異常時に抵抗体に通電することによって抵抗体が発熱し、この熱により第１温度ヒューズが動作して、電流を遮断する保護素子と、
（ｉｉ）上記第１温度ヒューズに対して電気的に並列に接続され、かつ、互いに電気的に直列に接続された、ＰＴＣ素子および第２温度ヒューズと、
（ｉｉｉ）上記第１温度ヒューズに対して電気的に直列に接続された電流ヒューズと
を含んで成る保護デバイスを提供する。

第２の要旨において、本発明は、上記の保護デバイスを有する電気装置を提供する。

本発明の保護デバイスは、それが組み込まれている回路または電気装置において、何らかの異常が生じた場合、保護素子の抵抗体に通電することによって、第１温度ヒューズを動作させて回路を保護する。この時、この第１温度ヒューズを流れている電流の一部をＰＴＣ素子側の回路に転流することができるので、アークの発生を抑制することができ、その結果、保護デバイスの耐電圧が向上する。また、第１温度ヒューズが動作した後、ＰＴＣ素子はトリップして高温となり、この熱により、ＰＴＣ素子の熱影響下にある第２温度ヒューズを溶断することによって、回路を完全に開くことができる。さらには、短絡等により主回路を過電流が流れた場合にも、電流ヒューズが動作して電流を遮断することができるので、このような過電流に対しても適切な保護を提供することができる。

図１は、本発明の保護デバイスの１つの態様の回路図である。 図２は、本発明の保護デバイスの別の態様の回路図である。 図３は、本発明の保護デバイスの別の態様の回路図である。 図４は、本発明の保護デバイスの別の態様の回路図である。 図５は、本発明の保護デバイスの別の態様の回路図である。

以下に図面を参照して、本発明の保護デバイスを詳細に説明する。但し、本発明の保護素子は、図示する態様に限定されないことに留意されたい。

図１に、本発明の保護デバイスの一の態様に対応する回路図を示す。図１に示されるように、本発明の保護デバイス１は、保護素子２、ＰＴＣ素子４、第２温度ヒューズ６および電流ヒューズ７を含んで成り、ＰＴＣ素子４と第２温度ヒューズ６が互いに電気的に直列に接続され、これらに対して電気的に並列に保護素子２が接続され、さらに、ＰＴＣ素子４および第２温度ヒューズ６に対して電気的に並列に、かつ、保護素子２に対して電気的に直列に電流ヒューズ７が接続されている。保護素子２は、図１において点線によって包囲した部分であり、第１温度ヒューズ８および抵抗体１０を含んで成る。この保護素子２は、抵抗体１０に通電がなされ、抵抗体で生じる熱により、第１温度ヒューズ８が溶断することによって動作する。さらに、保護デバイス１は、電源に接続するための端子１２、保護すべき電気装置に接続するための端子１４、および抵抗体１０に通電するための端子１６を有する。端子１２−電流ヒューズ７−第１温度ヒューズ８（およびそれに電気的に並列に接続されているＰＴＣ素子４−第２温度ヒューズ６）−端子１４は、電源から電気装置に電流を流すための主回路の一部を構成し、端子１６−抵抗体１０−端子１４は、抵抗体１０に通電を行うための副回路の一部を構成する。

本発明の保護デバイス１において、正常時には、第１温度ヒューズ８の抵抗値がＰＴＣ素子４の抵抗値より十分に小さいため、電流は、端子１２→電流ヒューズ７→第１温度ヒューズ８→端子１４の順（またはその逆）に流れ、ＰＴＣ素子４および第２温度ヒューズ６には実質的に流れない。

本発明の保護デバイスは、２つの保護機構を有する。１つの保護機構は、保護素子２が動作することによる機構であり、異常時、即ち、電気回路または電気装置にとって好ましくない状況が生じた際、例えば、過電圧、異常発熱、過充電等が生じた場合には、端子１６から抵抗体１０に通電がなされ、これにより抵抗体１０が発熱する。この熱により第１温度ヒューズ８が動作し（即ち、保護素子２が動作し）、これによって第１温度ヒューズ８を流れていた電流がＰＴＣ素子４に転流され、この転流した電流によってＰＴＣ素子４がトリップ（動作）する。次いで、トリップしたＰＴＣ素子４が生じる熱により、第２温度ヒューズ６が溶断し、回路が完全に開かれ、電気回路または電気装置が保護される。もう１つの保護機構は、電気回路または電気装置において、短絡等により過電流が生じた場合、電流ヒューズ７が溶断し、これによって電流ヒューズ７を流れていた電流がＰＴＣ素子４に転流され、上記と同様に、この転流した電流によってＰＴＣ素子４がトリップし、第２温度ヒューズ６が溶断し、主回路が開かれ、過電流から電気回路または電気装置が保護される。なお、通常、過電流は電流ヒューズ７により遮断され得るが、過電流に応答して保護素子２の抵抗体１０に通電するように設計することにより、保護素子２により遮断することもできる。このように設計することでより確実な保護が可能になる。

本発明の保護デバイスに用いられる保護素子において、抵抗体および第１温度ヒューズは、熱結合するように配置される。即ち、第１温度ヒューズは、抵抗体の熱影響下にあり、抵抗体で生じる熱により溶断することによって動作する。第１温度ヒューズの設置数は、特に限定されず、１つまたは複数、例えば２つまたは３つであってもよい。第１温度ヒューズの設置箇所は、保護すべき電気回路または電気装置に対して電気的に直列に接続され、ＰＴＣ素子および第２温度ヒューズに対して電気的に並列に接続され、抵抗体の熱影響下に配置される限り特に限定されず、抵抗体の接続箇所の上流および／または下流のいずれに設置してもよい。

上記保護素子に用いられる抵抗体は、発熱体として用いることができる抵抗体であれば、特に限定されない。

上記保護素子に用いられる第１温度ヒューズとしては、一般的に温度ヒューズとして用いられる材料を使用したものを使用することができ、例えば、市販の温度ヒューズに加え、はんだ等の低融点金属（低融点合金も包含する）を第１温度ヒューズに用いることができる。好ましい低融点金属としては、特に限定されるものではないが、例えば、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−５８Ｂｉが挙げられる。当業者であれば、本明細書の内容に基づいて、目的の機能を発揮できるように適切な温度ヒューズを第１温度ヒューズとして選択することができる。

上記第１温度ヒューズは、一般的な溶断により、即ち、ヒューズエレメントが溶融し、その表面張力によりエレメント両端の電極に引き寄せられて分裂することにより動作してもよく、あるいは、機械的な補助機構、例えばバネ、磁石などを利用して、ヒューズエレメントが接続している電極同士を物理的に引き離し、絶縁距離を確保することにより動作してもよい。

好ましい態様において、上記保護素子は、第１温度ヒューズの動作を、機械的に補助する機構を有する。この態様において、第１温度ヒューズの電極は、一方が可動電極であり、他方が固定電極であってもよく、または、両方が可動電極であってもよい。このような機械的な補助機構を用いることにより、瞬時に絶縁距離を確保できるので、アークの発生をより抑制することができる。

上記保護素子の例としては、ヒュージングレジスタが挙げられる。ヒュージングレジスタとは、抵抗体およびこの抵抗体に通電することにより生じた熱により溶融する低融点金属（温度ヒューズとして機能する）を有する、抵抗体付き温度ヒューズである。

好ましくは、一対のリード固定電極を有し、これらのリード固定電極にガイド軸が並設され、可動電極がガイド軸に挿通された状態で前記リード固定電極間にまたがって配設され、各リード固定電極の先端と可動電極との間および前記ガイド軸と可動電極との間が低融点合金で接合され、前記可動電極に前記リード固定電極より離隔させる方向の力を作用させる圧縮バネが設けられ、前記低融点合金の溶融で可動電極が圧縮バネで付勢されて前記リード固定電極より離隔されることを特徴とするヒュージングレジスタが用いられる。

さらに好ましくは、上記ヒュージングレジスタにおいて、抵抗体の両端にリード導体が取付けられてなる抵抗器の一方のリード導体がガイド軸として使用され、圧縮バネにコイルバネが使用され、該コイルバネが抵抗体と可動電極との間において前記一方のリード導体に挿通され、抵抗器の一方のリード導体と両リード固定電極の何れかとの間に抵抗器通電発熱回路が接続されることを特徴とするヒュージングレジスタが用いられる。

上記ヒュージングレジスタは、例えば、特許第４６３０４０３号公報、特許第４７５７９３１号公報、特許第４６３０４０４号公報、特許第４７５７８９５号公報、特許第４７５７８９８号公報、特許第４９４３３５９号公報、および特許第４９４３３６０号公報に記載されている。これらの文献は、参照により全体を本明細書に組み入れる。

なお、図１において、第１温度ヒューズは１つのみであるが、これに限定されず、複数個、例えば２個またはそれ以上の第１温度ヒューズを用いてもよい。また、保護素子は、上記ヒュージングレジスタのように一の電子部品である必要はなく、抵抗体および第１温度ヒューズが、異常時に抵抗体に通電することによって抵抗体が発熱し、この熱により第１温度ヒューズが切断するように配置されていればよい。

本発明の保護デバイスに用いられるＰＴＣ素子は、特に限定されるものではなく、従来用いられているＰＴＣ素子、例えばポリマーＰＴＣ素子またはセラミックＰＴＣ素子を用いることができる。好ましいＰＴＣ素子は、ポリマーＰＴＣ素子である。ＰＴＣ素子の設置数は、特に限定されず、１つまたは複数、例えば２つまたは３つであってもよい。ＰＴＣ素子の設置箇所は、保護すべき電気回路または電気装置および第２温度ヒューズに対して電気的に直列に接続され、第１温度ヒューズに対して電気的に並列に接続される限り特に限定されない。

上記ポリマーＰＴＣ素子とは、導電性充填剤（例えば、カーボンブラック、ニッケル合金等）が分散しているポリマー（例えば、ポリエチレン、ポリビニリデンフルオライド等）を含んで成る導電性組成物を押出することによって得られる層状のＰＴＣ要素およびその両側に配置された電極（例えば金属箔）を有して成る。ただし、ＰＴＣ要素に直接リードなどの他の要素を接続してもよく、その場合電極は省略できる。

好ましい態様において、ＰＴＣ素子は、使用温度において、保護素子の定格電圧／異常電流以下の抵抗値を有する。即ち、この態様において、第１温度ヒューズの動作時、保護素子にその定格電圧よりも高い電圧がかからないように、第１温度ヒューズを流れていた電流がＰＴＣ素子に転流する。

ここに、本明細書において「定格電流」および「定格電圧」とは、温度ヒューズ、電流ヒューズ、ＰＴＣ素子、保護素子、保護デバイス等の各電気要素に設定され、定常的にその電流および電圧を加えた場合に各素子が所定の機能を発揮し得、かつ安全に使用することができる最大電流および最大電圧をそれぞれ意味する。

保護素子（具体的には、第１温度ヒューズ）に印加される電圧は、保護デバイスに印加される電圧（図１において端子１２−端子１４間の電圧）となる。したがって、保護デバイスの両端電圧が、第１温度ヒューズ５の動作時に、保護素子の定格電圧を上回らなければよい。即ち、
Ｅ_ｄ’≦Ｅ_ｒ ・・・（１）
［式中、Ｅ_ｄ’＝第１温度ヒューズの動作時（異常時）の保護デバイスの両端電圧、
Ｅ_ｒ＝保護素子の定格電圧］
を満たせばよい。

保護デバイスの両端電圧は、
Ｅ_ｄ＝Ｉ_ｃ×Ｒ_ｄ ・・・（２）
［式中、Ｅ_ｄ＝保護デバイスの両端電圧、
Ｉ_ｃ＝回路電流、
Ｒ_ｄ＝保護デバイス全体の抵抗］
となる。

ここで、Ｒ_ｄは、保護素子（第１温度ヒューズ）、ＰＴＣ素子および第２温度ヒューズの合成抵抗となるので、
Ｒ_ｄ＝１／（１／Ｒ_１＋１／（Ｒ_ｐ＋Ｒ_２））
［式中、Ｒ_１＝保護素子（第１温度ヒューズ）の抵抗、
Ｒ_ｐ＝ＰＴＣ素子の抵抗、
Ｒ_２＝第２温度ヒューズの抵抗］
となる。

Ｒ_ｐは、Ｒ_２よりも十分に大きいので、Ｒ_２は無視することができ、
Ｒ_ｄ＝１／（１／Ｒ_１＋１／Ｒ_ｐ） ・・・（３）
となる。

さらに、異常が生じて第１温度ヒューズが動作する時は、第１温度ヒューズの抵抗値は∞とみなすことができるので、１／Ｒ_１は無視することができる。即ち、第１温度ヒューズの動作時の保護デバイス全体の抵抗（Ｒ_ｄ’）は、
Ｒ_ｄ’＝１／（１／Ｒ_ｐ）＝Ｒ_ｐ ・・・（３’）
となる。

式（１）、（２）および（３’）から異常時の回路電流（本明細書において、異常電流ともいう）、例えば異常が短絡である場合は短絡電流をＩ_ｃ’とすると、
Ｉ_ｃ’×Ｒ_ｐ≦Ｅ_ｒ
変形して、
Ｒ_ｐ≦Ｅ_ｒ／Ｉ_ｃ’
［式中、Ｒ_ｐ＝ＰＴＣ素子の抵抗、
Ｅ_ｒ＝保護素子の定格電圧、
Ｉ_ｃ’＝異常電流］
となる。

このように、ＰＴＣ素子の抵抗値を、定格電圧／異常電流以下とすることにより、動作時に保護素子に印加される電圧を定格電圧以下とすることができる。即ち、ＰＴＣ素子の抵抗値を可及的に小さくすることにより、異常時に許容できる電流が大きくなる。

なお、上記の使用温度とは、本発明の保護デバイスが正常状態で用いられる環境の温度であり、保護デバイスの用途、設置場所等に応じて決定される。使用温度は、典型的には室温（約２０〜２５℃）であるが、これに限定されるものではなく、例えばより高温、具体的には、約２５〜１００℃、例えば約３０〜６０℃の範囲にあってもよい。また、上記の異常電流とは、異常が生じた際に、例えば短絡時に保護デバイスを流れる電流値を意味する。

別の好ましい態様において、ポリマーＰＴＣ素子は、ポリマーＰＴＣ素子のポリマー材料の軟化点より１０℃低い温度、好ましくは５℃低い温度で、保護素子の定格電圧／異常電流以下の抵抗値を有する。

上記ポリマーＰＴＣ素子のポリマー材料の軟化点は、例えば、ＪＩＳ Ｋ７２０６に従って測定することにより得ることができる。ポリマーＰＴＣ素子の温度が、この軟化点よりも高い温度になると、ＰＴＣ素子の抵抗値の上昇率が急激に大きくなり、例えば、抵抗値−温度曲線の接線の傾きが、２５℃での傾きの５倍以上となる。

一般的にポリマーＰＴＣ素子のポリマー材料の軟化点は、使用温度よりも数十℃高く設定される。したがって、軟化点よりも少し低い温度、例えば１０℃低い温度、好ましくは５℃低い温度で、ポリマーＰＴＣ素子が保護素子の定格電圧／異常電流以下の抵抗値を有することにより、何らかの理由によりＰＴＣ素子の周囲の温度が、想定した使用温度以上となった場合であっても、第１温度ヒューズの動作時に、アークの発生を抑制することができる。

さらにもう一つの好ましい態様において、ＰＴＣ素子は、第１温度ヒューズの絶縁時間よりも長い動作時間を有する。

本明細書において、上記ＰＴＣ素子の動作時間とは、保護素子が動作して転流された電流がＰＴＣ素子に通電されてから、ＰＴＣ素子の両端（電極）間の電圧が保護素子の定格電圧に達するまでの時間を意味する。

本明細書において、上記第１温度ヒューズの絶縁時間とは、第１温度ヒューズが動作してから、その絶縁が確保されるまでの時間を意味する。例えば、第１温度ヒューズの動作が一般的な溶断による場合、ヒューズエレメントが溶断を開始してから、即ちヒューズエレメントが溶融して細くなりその抵抗値が上昇し始めた時点から、溶断後ヒューズエレメントが凝固するまでの時間を意味する。また、第１温度ヒューズが機械的な補助機構により動作する場合、第１温度ヒューズの電極間を接続するヒューズエレメント（低融点金属）が溶融し、電極同士が離れ始めてから絶縁距離を確実に保持できる状態になるまでの時間を意味する。

上記ＰＴＣ素子の動作時間は、第１温度ヒューズの動作が、一般的な溶断による場合、３０ミリ秒以上が好ましく、４０ミリ秒以上がより好ましい。

また、上記ＰＴＣ素子の動作時間は、第１温度ヒューズの動作が機械的に補助される場合、３ミリ秒以上が好ましく、５ミリ秒以上がより好ましい。

なお、図１において、ＰＣＴ素子は１つのみであるが、これに限定されず、複数個、例えば２個またはそれ以上のＰＣＴ素子を用いてもよい。

第１温度ヒューズは、抵抗体で生じるジュール熱によりヒューズエレメントが溶融し、溶融したヒューズエレメントが溶断され、あるいは機械的な補助機構により分断され、分断されたヒューズエレメント間（電極間）の距離が絶縁距離以上となることにより安全に電流を遮断する。溶断または分断されたエレメント間（電極間）の距離が絶縁距離未満の状態では、アークが生じ得るが、絶縁距離以上になると、アークは消弧する。しかしながら、第１温度ヒューズが一般的な溶断により動作する場合、溶断直後のエレメントは、完全に凝固しておらず流動性があるので、変形して、分断したエレメント間の距離が絶縁距離未満となる場合がある。また、第１温度ヒューズが機械的な補助機構、例えばバネにより分断される場合、分断後一定の時間、可動電極が振動する為、他方の電極との距離が定まらず、絶縁距離未満となる場合がある。この時に、保護素子に印加される電圧が、保護素子の定格電圧を超えていると、アークが激しく発生し、保護すべき機器に損傷を与えるなど大きな不具合を生じ得る。上記のように、ＰＴＣ素子の動作時間を、第１温度ヒューズのエレメントの絶縁時間よりも長くすることにより、上記のような問題を回避することができ、安全に電流を遮断することができる。

本発明のＰＴＣデバイスに用いられる第２温度ヒューズは、特に限定されず、市販の温度ヒューズに加え、一般的に温度ヒューズとして用いられるものを用いることができる。第２温度ヒューズの設置数は、特に限定されず、１つまたは複数、例えば２つまたは３つであってもよい。第２温度ヒューズの設置箇所は、ＰＴＣ素子の熱影響下にあり、保護すべき電気回路または電気装置およびＰＴＣ素子に対して電気的に直列に接続される限り特に限定されない。

好ましい態様において、第２温度ヒューズは、ＰＴＣ素子のトリップ温度よりも低い動作温度を有する。第２温度ヒューズがこのような動作温度を有することにより、ＰＴＣ素子のトリップ後に第２温度ヒューズを確実に溶断することができ、より確実に回路を完全に開くことが可能になる。

上記ＰＴＣ素子のトリップ温度とは、ＰＴＣ素子がトリップ（動作）し、高温、高抵抗状態になった状態、具体的にはＰＴＣ素子の抵抗値が、正常時の１０^３倍以上となった時の温度を意味する。

さらに好ましい態様において、第２温度ヒューズは、ＰＴＣ素子のトリップ時間よりも長い異常電流での溶断時間を有する。第２温度ヒューズがこのような溶断時間を有することにより、第２温度ヒューズの溶断を、ＰＴＣ素子がトリップした後、即ち電流が大幅に抑制された後にすることができ、第２温度ヒューズの溶断に伴うアークの発生を抑制することができる。

ＰＴＣ素子のトリップ時間とは、保護素子が動作して転流された電流がＰＴＣ素子に通電されてから、ＰＴＣ素子がトリップして、高温・高抵抗状態となるまで、具体的にはＰＴＣ素子の抵抗値が、正常時の１０^３倍以上となるまでの時間を意味する。

第２温度ヒューズの溶断時間とは、保護素子が動作して転流された電流が第２温度ヒューズに通電されてから、この電流が流れ続けた場合に、第２温度ヒューズが溶断されるまでの時間を意味する。

より好ましい態様において、第２温度ヒューズは、ＰＴＣ素子がトリップ状態にある場合のリーク電流において、異常電圧以上の耐電圧性を有する。ＰＴＣ素子はトリップ後も、リーク電流（微小電流）、例えば約３０ｍＡの電流を流し得る。第２温度ヒューズが、このようなリーク電流において、異常電圧（異常時、例えば短絡時に回路に印加される電圧）以上の耐電圧を有することにより、第２温度ヒューズの溶断に伴うアークの発生を抑制することができる。

なお、当然ながら、ＰＴＣ素子および第２温度ヒューズは、第１温度ヒューズよりも後に動作する必要があるので、抵抗体の熱影響下には位置しない。

このように、本発明の保護デバイスは、保護素子の第１温度ヒューズが動作する際、第１温度ヒューズを流れていた電流の一部をＰＴＣ素子側の回路に分流することができ、動作時のアークの発生を抑制することができるので、保護素子の定格電圧を超える電圧および／または定格電流を超える電流が流れる電気回路または電気装置に用いても、安全に電流を遮断することができる。

本発明のＰＴＣデバイスに用いられる電流ヒューズは、特に限定されず、市販の電流ヒューズを用いることができる。当業者であれば、所望の特性に応じて、用いる電流ヒューズを適宜選択することができる。

図１において電流ヒューズは１つであるが、２つ以上の電流ヒューズを用いてもよい。２つ以上の電流ヒューズを用いる場合、これらは、互いに電気的に直列に接続していても、並列に接続していてもよい。電流ヒューズ全体の定格電流を大きくする観点からは、２つ以上の電流ヒューズは並列で用いることが好ましい。

電流ヒューズの設置箇所は、主回路（即ち、正常時に電源から電気装置に電気を供給する回路、図１においては、端子１２から第１温度ヒューズ８を介して端子１４に至る回路）上に設置される限り、限定されない。

電流ヒューズは、図１に示すように、ＰＴＣ素子４および第２温度ヒューズ６に対して、電気的に並列に接続されていてもよく、図２に示すように、ＰＴＣ素子４および第２温度ヒューズ６に対して、電気的に直列に接続されていてもよい。

好ましくは、電流ヒューズは、図１に示されるように、ＰＴＣ素子４および第２温度ヒューズ６に対して、電気的に並列に接続される。このようにＰＴＣ素子と並列に配置することにより、電流ヒューズが溶断される際、そこを流れていた電流がＰＴＣ素子側の回路に転流するので、アークの発生を抑制することができ、耐電圧が向上する。

好ましい態様において、上記電流ヒューズは、上記保護素子の定格電流の１３０％以上、好ましくは１４５％以上、より好ましくは１６０％以上の定格電流を有する。このような範囲の定格電流とすることにより、印加電流のばらつきをより許容することが可能になる。また、上記保護素子の定格電流の２００％以下、好ましくは１８０％以下の定格電流を有する。このような範囲の定格電流とすることにより、より過電流に対する感度を高めることができる。なお、２つ以上の電流ヒューズを用いる場合、この定格電流は、各電流ヒューズの定格電流の合成値を意味する。

好ましい態様において、上記電流ヒューズは、上記保護素子の定格電圧の２００％以上、好ましくは２５０％以上の定格電圧を有する。このような範囲の定格電圧とすることにより、異常時に許容できる電流が大きくなる。

好ましい態様において、上記電流ヒューズは、上記保護素子よりも２０％以下、好ましくは１５％以下、より好ましくは１０％以下の高い定格電圧を有する。

さらに好ましい態様において、上記保護素子２、ＰＴＣ素子４、第２温度ヒューズ６および電流ヒューズ７は、端子１２、１４および１６のみがケースから突出するように同一のケース内に収容してもよい。このように１つのケース内に収容することにより、保護デバイスを電気装置または電気回路に組み入れるのが容易になる。

本発明の保護デバイスは、過電圧、異常発熱、過充電等の異常時に保護素子の抵抗体に通電することにより回路をオープンにする機能に加え、主回路に過電流が流れた場合に電流ヒューズが溶断することにより回路をオープンにする機能を有することから、種々の異常に対して、適切な保護を与えることができる。

以上、本発明の保護デバイスについて説明したが、本発明は種々の改変が可能である。

図３に、本発明の保護デバイスの別の態様の回路図を示す。

この態様において、本発明の保護デバイスは、さらにもう１つのＰＴＣ素子４’を含む。即ち、この態様における本発明の保護デバイスは２つのＰＴＣ素子を含む。これらのＰＴＣ素子は、互いに電気的に並列に接続され、かつ、第２温度ヒューズに電気的に直列に接続されている。その他の構成は、図１に示した態様と実質的に同じである。

図３においては、２つのＰＴＣ素子を用いているが、それ以上のＰＴＣ素子を用いることもできる。これらのＰＴＣ素子は、互いに電気的に並列に接続され、かつ、第２温度ヒューズに電気的に直列に接続される。

このように複数のＰＴＣ素子を用いる場合、上記「ＰＴＣ素子の抵抗値」は、これらの複数のＰＴＣ素子の合成抵抗値となる。したがって、このように複数のＰＴＣ素子を並列で用いることにより、「ＰＴＣ素子の抵抗値」をより小さくすることが可能になり、ＰＴＣ素子の抵抗値を、保護素子の定格電圧／異常電流以下とすることが容易になる。

この態様においても、電流ヒューズの設置箇所は、主回路上に設置される限り、限定されない。即ち、ＰＴＣ素子および第２温度ヒューズに対して、電気的に直列に配置しても、電気的に並列に設置してもよい。

図４に、本発明の保護デバイスのさらに別の態様の回路図を示す。

この態様において、本発明の保護デバイスは、さらにもう１つの第１温度ヒューズ８’を含む。

この態様においても、電流ヒューズの設置箇所は、主回路上に設置される限り、限定されない。即ち、ＰＴＣ素子および第２温度ヒューズに対して、電気的に直列に配置しても、並列に設置してもよい。また、第１温度ヒューズ８および８’の間に設定してもよい。

図５に、本発明の保護デバイスのさらに別の態様の回路図を示す。

図１に示した態様では、抵抗体は、第１温度ヒューズと同じ回路に組み入れられているが、図５では、抵抗体を別の独立した回路に組み入れている点で異なる。したがって、この態様では、本発明の保護デバイスは、４つの端子、即ち、端子１２、端子１４、端子２０および端子２２を有する。その他の構成は、図１に示した態様と実質的に同じである。

第２の要旨において、本発明は、上記の本発明の保護デバイスを有して成る電気装置をも提供する。

１…保護デバイス、２…保護素子、４…ＰＴＣ素子、４’…ＰＴＣ素子
６…第２温度ヒューズ、７…電流ヒューズ、８…第１温度ヒューズ
８’…第１温度ヒューズ、１０…抵抗体、１２…端子、１４…端子
１６…端子、２０…端子、２２…端子

Claims (20)

1. （ｉ）第１温度ヒューズと抵抗体とを含んで成り、異常時に抵抗体に通電することによって抵抗体が発熱し、この熱により第１温度ヒューズが動作して、電流を遮断する保護素子と、
   （ｉｉ）上記第１温度ヒューズに対して電気的に並列に接続され、かつ、互いに電気的に直列に接続された、ＰＴＣ素子および第２温度ヒューズと、
   （ｉｉｉ）上記第１温度ヒューズに対して電気的に直列に接続された電流ヒューズと
   を含んで成る保護デバイス。
2. 電流ヒューズが、ＰＴＣ素子および第２温度ヒューズに対して、電気的に直列に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の保護デバイス。
3. 電流ヒューズが、ＰＴＣ素子および第２温度ヒューズに対して、電気的に並列に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の保護デバイス。
4. 保護素子がヒュージングレジスタであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の保護デバイス。
5. ヒュージングレジスタが、一対のリード固定電極を有し、これらのリード固定電極にガイド軸が並設され、可動電極がガイド軸に挿通された状態で前記リード固定電極間にまたがって配設され、各リード固定電極の先端と可動電極との間および前記ガイド軸と可動電極との間が低融点合金で接合され、前記可動電極に前記リード固定電極より離隔させる方向の力を作用させる圧縮バネが設けられ、前記低融点合金の溶融で可動電極が圧縮バネで付勢されて前記リード固定電極より離隔されることを特徴とする、請求項４記載の保護デバイス。
6. ヒュージングレジスタにおいて、抵抗体の両端にリード導体が取付けられてなる抵抗器の一方のリード導体がガイド軸として使用され、圧縮バネにコイルバネが使用され、該コイルバネが抵抗体と可動電極との間において前記一方のリード導体に挿通され、抵抗器の一方のリード導体と両リード固定電極の何れかとの間に抵抗器通電発熱回路が接続されることを特徴とする、請求項５記載の保護デバイス。
7. 保護素子において、第１温度ヒューズと抵抗体が、それぞれ別の独立した回路に組み入れられていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の保護デバイス。
8. ＰＴＣ素子が、ポリマーＰＴＣ素子であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の保護デバイス。
9. 使用温度でのＰＴＣ素子の抵抗値が、保護素子の定格電圧／異常電流以下であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の保護デバイス。
10. ポリマーＰＴＣ素子のポリマー材料の軟化点より１０℃低い温度でのＰＴＣ素子の抵抗値が、保護素子の定格電圧／異常電流以下であることを特徴とする、請求項８に記載の保護デバイス。
11. ＰＴＣ素子の動作時間が、第１温度ヒューズのヒューズエレメントの絶縁時間よりも長いことを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の保護デバイス。
12. ＰＴＣ素子の動作時間が、３ミリ秒以上であることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれかに記載の保護デバイス。
13. 前記ＰＴＣ素子に電気的に並列に接続され、かつ、第２温度ヒューズに電気的に直列に接続されている１つまたはそれ以上の別のＰＴＣ素子を含むことを特徴とする、請求項１〜１２のいずれかに記載の保護デバイス。
14. 第２温度ヒューズの動作温度が、ＰＴＣ素子のトリップ温度よりも低いことを特徴とする、請求項１〜１３のいずれかに記載の保護デバイス。
15. 異常電流での第２温度ヒューズの溶断時間が、ＰＴＣ素子のトリップ時間よりも長いことを特徴とする、請求項１〜１４のいずれかに記載の保護デバイス。
16. 第２温度ヒューズが、ＰＴＣ素子がトリップ状態にある場合のリーク電流において、異常電圧以上の耐電圧性を有することを特徴とする、請求項１〜１５のいずれかに記載の保護デバイス。
17. 電流ヒューズの定格電圧が、保護素子の定格電圧の２００％以上であることを特徴とする、請求項１〜１６のいずれかに記載の保護デバイス。
18. 電流ヒューズの定格電流が、保護素子の定格電流の１３０％以上であることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれかに記載の保護デバイス。
19. 保護素子、ＰＴＣ素子、第２温度ヒューズおよび電流ヒューズが、ケースに収容されていることを特徴とする、請求項１〜１８のいずれかに記載の保護デバイス。
20. 請求項１〜１９のいずれかに記載の保護デバイスを有する電気装置。

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