ソニーケミカル&インフォメーションデバイス株式会社 (〒32 東京都品川区大崎一丁目11番2号 ゲートシティ大崎イーストタワー8階 Tokyo, 14100, JP)
| 保護対象機器の異常時に電流を遮断する保護素子において、 通電経路を複数に分割して電流遮断部とするように所定の基板上に形成された複数の電極端子に弾性部材が半田を介して固着されており、 上記半田は、その液相点が上記保護対象機器に当該保護素子を実装する際の実装温度よりも高いものであり、 上記弾性部材は、上記半田が完全に溶融しない状態でも変形することによって上記複数の電極端子のうち少なくとも1つの電極端子から離間する程度の応力を保持した状態で、当該複数の電極端子に半田付けされていること を特徴とする保護素子。 |
| 上記弾性部材は、上記保護対象機器の異常時に通電された発熱抵抗体の発熱によって上記半田が溶融して上記複数の電極端子のうち少なくとも1つの電極端子から離間し、上記通電経路を流れる電流を遮断すること を特徴とする請求項1記載の保護素子。 |
| 上記発熱抵抗体は、上記通電経路から電流が供給されること を特徴とする請求項2記載の保護素子。 |
| 上記発熱抵抗体は、上記複数の電極端子と上記弾性部材とを固着している上記半田が溶融する程度の距離以内に配設されていること を特徴とする請求項2又は請求項3記載の保護素子。 |
| 上記発熱抵抗体は、少なくとも上記複数の電極端子上に上記弾性部材が跨る部分の直下に配設されていること を特徴とする請求項4記載の保護素子。 |
| 上記発熱抵抗体の下部に放熱を抑制するための断熱層を備えること を特徴とする請求項2乃至請求項5のうちいずれか1項記載の保護素子。 |
| 上記発熱抵抗体を備えること を特徴とする請求項2乃至請求項6のうちいずれか1項記載の保護素子。 |
| 上記発熱抵抗体は、当該保護素子の外部に設けられていること を特徴とする請求項2乃至請求項5のうちいずれか1項記載の保護素子。 |
| 上記弾性部材は、上記通電経路に過電流が流れた際に当該弾性部材及び上記半田が加熱し、当該半田が溶融して上記複数の電極端子のうち少なくとも1つの電極端子から離間し、上記通電経路を流れる電流を遮断すること を特徴とする請求項1又は請求項2記載の保護素子。 |
| 上記弾性部材は、その一方の端縁のみが上記発熱抵抗体に通電するための発熱抵抗体用電極端子に半田を介して固着されていること を特徴とする請求項2記載の保護素子。 |
| 上記弾性部材は、少なくともその一方の端縁が上記発熱抵抗体に通電するための発熱抵抗体用電極端子に接着剤を介して固着されていること を特徴とする請求項2記載の保護素子。 |
| 上記弾性部材は、非付勢時に略コ字状の形状を呈した導電性を有する板バネ材として形成されたものであり、略コ字状の対向する2辺を接続する辺を撓ませて全体として略M字状の形状で付勢させた状態で、撓ませた部分が上記複数の電極端子に上記半田を介して固着されていること を特徴とする請求項1、請求項10又は請求項11記載の保護素子。 |
| 上記弾性部材は、平板材からなり、所定のスタンドオフ材を用いて撓ませて全体として略U字状の形状で付勢させた状態で、撓ませた部分が上記複数の電極端子に上記半田を介して固着されていること を特徴とする請求項1記載の保護素子。 |
| 上記弾性部材の挙動範囲を保護及び規制するように当該弾性部材を被覆する絶縁ケースを備えること を特徴とする請求項1記載の保護素子。 |
| 上記絶縁ケースには、自動部品搭載用吸着エリアが形成されていること を特徴とする請求項14記載の保護素子。 |
| 上記基板は、絶縁性を有する材質の回路基板であること を特徴とする請求項1記載の保護素子。 |
| 上記基板は、セラミックス基板であること を特徴とする請求項16記載の保護素子。 |
| 上記半田は、その液相点が260℃以上の半田であること を特徴とする請求項1乃至請求項17のうちいずれか1項記載の保護素子。 |
| 上記半田は、無鉛半田であること を特徴とする請求項18記載の保護素子。 |
| 保護対象機器の異常時に電流を遮断する保護素子の製造方法において、 通電経路を複数に分割して電流遮断部とするように所定の基板上に形成された複数の電極端子上に、液相点が上記保護対象機器に当該保護素子を実装する際の実装温度よりも高い半田を塗布する第1の工程と、 上記半田が塗布された上記複数の電極端子上に跨るように所定の弾性部材を搭載する第2の工程と、 上記弾性部材を撓ませて上記半田に接触させた状態で加熱して当該半田を溶融させた後、冷却し、当該弾性部材を付勢させた状態で上記複数の電極端子に固着する第3の工程とを備え、 上記第3の工程では、上記半田が完全に溶融しない状態でも変形することによって上記複数の電極端子のうち少なくとも1つの電極端子から離間する程度の応力を保持した状態で、上記弾性部材を当該複数の電極端子に半田付けすること を特徴とする保護素子の製造方法。 |
| 保護対象機器の異常時に電流を遮断する保護素子の製造方法において、 通電経路を複数に分割して電流遮断部とするように所定の基板上に形成された複数の電極端子上に、液相点が上記保護対象機器に当該保護素子を実装する際の実装温度よりも高い半田を塗布する第1の工程と、 上記半田が塗布された上記複数の電極端子上に跨るように所定の弾性部材を搭載する第2の工程と、 上記弾性部材を搭載した状態で加熱して上記半田を溶融させた後、冷却し、当該弾性部材を上記複数の電極端子に固着する第3の工程と、 所定のスタンドオフ材を用いて上記弾性部材を撓ませて付勢させる第4の工程とを備え、 上記第3の工程では、上記半田が完全に溶融しない状態でも変形することによって上記複数の電極端子のうち少なくとも1つの電極端子から離間する程度の応力を保持した状態で、上記弾性部材を当該複数の電極端子に半田付けすること を特徴とする保護素子の製造方法。 |
本発明は、保護対象機器の異常時に電流 遮断する保護素子及びその製造方法に関す 。
保護対象機器の異常にともなう過電流を 止するために使用できる保護素子として、 板上に低融点金属体(ヒューズエレメント) 設けたチップ状の保護素子が知られている このような保護素子においては、異常時に ューズエレメントに過電流が流れることに って当該ヒューズエレメントが溶融する。 して、この保護素子においては、溶融した ューズエレメントが、当該ヒューズエレメ トが載置されている電極表面に対する濡れ のよさに起因して電極上に引き寄せられる その結果、保護素子においては、ヒューズ レメントが溶断されて電流が遮断されるこ になる。
また、過電流だけでなく過電圧も防止す ために使用できる保護素子として、基板上 発熱抵抗体とヒューズエレメントとを積層 たチップ状の保護素子も知られている。こ ような保護素子においては、異常時に発熱 抗体に通電がなされ、当該発熱抵抗体が発 することによってヒューズエレメントが溶 する。そして、この保護素子においては、 融したヒューズエレメントが、当該ヒュー エレメントが載置されている電極表面に対 る濡れ性のよさに起因して電極上に引き寄 られる。その結果、保護素子においては、 ューズエレメントが溶断されて電流が遮断 れることになる。
このような保護素子は、通常、リフロー 装によって保護対象機器のベース回路基板 に実装される。したがって、保護素子のベ ス回路基板上への実装時にヒューズエレメ トが溶断するのを防止するために、ヒュー エレメントの固相点は、実装温度よりも高 材料が用いられている。また、実装温度が ューズエレメントの液相点よりも低く、且 、固相点以上であるような保護素子の実装 法も提案されている(例えば、特許文献1等 照。)。
なお、ヒューズエレメントを設けること く過電流や過電圧を防止するために使用で る保護素子としては、例えば特許文献2及び 特許文献3等に記載されているように、弾性 材を利用して電流を遮断するタイプのもの 提案されている。
ところで、近年では、環境コンプライア スの遵守要求にともない、保護素子のリフ ー実装に用いる半田ペーストはもとより、 ューズエレメントとしての半田箔について 無鉛化が要求されている。
しかしながら、半田の無鉛化にともない 実装温度の高温化が進んでおり、ヒューズ レメントに要求される液相点又は固相点に さらなる高温化が要求されている。
具体的には、半田の無鉛化にともないリ ロー温度は260℃程度にまで高温化しており 保護素子のベース回路基板上への実装時に ューズエレメントが溶断するのを防止する めに、260℃以上の液相点又は固相点を有す とともに、ヒューズエレメントとして実用 な無鉛半田は未だ見つかっていない。なお ヒューズエレメントとして実用的な無鉛半 とは、260℃以上の温度にて半田箔が溶融し その表面張力によって表面積を最小化すべ 凝集する力を用いて半田箔を溶断し、電流 遮断する特性を有するものである。
また、このようなヒューズエレメントの 相点又は固相点の高温化は、電流遮断動作 応答性を悪化させるという問題もある。
本発明は、このような実情に鑑みてなさ たものであり、リフロー実装に適用するこ ができ、使用する半田の液相点又は固相点 実装温度よりも高温であったとしても良好 電流遮断動作の応答性を得ることができる 護素子及びその製造方法を提供することを 的とする。
本願発明者は、既存の半田材料に代わる 鉛半田が現在のところ見つかっていない実 を考慮し、ヒューズエレメントを設けるこ なく電流を遮断することを考えた。そして 本願発明者は、使用する半田の液相点又は 相点が実装温度よりも高温であったとして 良好な電流遮断動作の応答性を得ることが きる斬新な構成を見出し、本発明を完成さ るに至った。
すなわち、上述した目的を達成する本発 にかかる保護素子は、保護対象機器の異常 に電流を遮断する保護素子において、通電 路を複数に分割して電流遮断部とするよう 所定の基板上に形成された複数の電極端子 弾性部材が半田を介して固着されており、 記半田は、その液相点が上記保護対象機器 当該保護素子を実装する際の実装温度より 高いものであり、上記弾性部材は、上記半 が完全に溶融しない状態でも変形すること よって上記複数の電極端子のうち少なくと 1つの電極端子から離間する程度の応力を保 持した状態で、当該複数の電極端子に半田付 けされていることを特徴としている。
このような本発明にかかる保護素子は、 流遮断部の接続部材として弾性部材を用い これを半田によって電極端子に固着して構 される。そして、本発明にかかる保護素子 、半田が完全に溶融しない状態でも変形す ことによって複数の電極端子のうち少なく も1つの電極端子から離間する程度の応力を 保持した状態で、当該複数の電極端子に半田 付けされていることから、電流遮断を行うた めに半田を完全に溶融させる必要がなく、半 田がある程度溶融した段階で弾性部材の応力 によって物理的に電極端子から弾性部材が離 間し、電流遮断を行うことができる。
また、上述した目的を達成する本発明に かる保護素子の製造方法は、保護対象機器 異常時に電流を遮断する保護素子の製造方 において、通電経路を複数に分割して電流 断部とするように所定の基板上に形成され 複数の電極端子上に、液相点が上記保護対 機器に当該保護素子を実装する際の実装温 よりも高い半田を塗布する第1の工程と、上 記半田が塗布された上記複数の電極端子上に 跨るように所定の弾性部材を搭載する第2の 程と、上記弾性部材を撓ませて上記半田に 触させた状態で加熱して当該半田を溶融さ た後、冷却し、当該弾性部材を付勢させた 態で上記複数の電極端子に固着する第3の工 とを備え、上記第3の工程では、上記半田が 完全に溶融しない状態でも変形することによ って上記複数の電極端子のうち少なくとも1 の電極端子から離間する程度の応力を保持 た状態で、上記弾性部材を当該複数の電極 子に半田付けすることを特徴としている。
さらに、上述した目的を達成する本発明 かかる保護素子の製造方法は、保護対象機 の異常時に電流を遮断する保護素子の製造 法において、通電経路を複数に分割して電 遮断部とするように所定の基板上に形成さ た複数の電極端子上に、液相点が上記保護 象機器に当該保護素子を実装する際の実装 度よりも高い半田を塗布する第1の工程と、 上記半田が塗布された上記複数の電極端子上 に跨るように所定の弾性部材を搭載する第2 工程と、上記弾性部材を搭載した状態で加 して上記半田を溶融させた後、冷却し、当 弾性部材を上記複数の電極端子に固着する 3の工程と、所定のスタンドオフ材を用いて 記弾性部材を撓ませて付勢させる第4の工程 とを備え、上記第3の工程では、上記半田が 全に溶融しない状態でも変形することによ て上記複数の電極端子のうち少なくとも1つ 電極端子から離間する程度の応力を保持し 状態で、上記弾性部材を当該複数の電極端 に半田付けすることを特徴としている。
このような本発明にかかる保護素子の製 方法においては、電流遮断部の接続部材と て弾性部材を用い、これを半田によって電 端子に固着して構成される保護素子を容易 製造することができる。このようにして製 された保護素子は、半田が完全に溶融しな 状態でも変形することによって複数の電極 子のうち少なくとも1つの電極端子から離間 する程度の応力を保持した状態で、当該複数 の電極端子に半田付けされていることから、 電流遮断を行うために半田を完全に溶融させ る必要がなく、半田がある程度溶融した段階 で弾性部材の応力によって物理的に電極端子 から弾性部材が離間し、電流遮断を行うこと ができる。
本発明によれば、電流遮断を行うために 田を完全に溶融させる必要がなく、半田が る程度溶融した段階で弾性部材の応力によ て物理的に電極端子から弾性部材が離間す ように、半田を用いて弾性部材を電流遮断 の電極端子に接続することから、使用する 田の液相点又は固相点が実装温度よりも高 であったとしても良好な電流遮断動作の応 性を得ることができ、リフロー実装にも適 することができる。
11 基板
12 発熱抵抗体
13 第1の導体層
14 絶縁層
15 第2の導体層
16,17 通電電極端子
18 絶縁ケース
20,20' 弾性部材
21,22 半田
31 中間電極端子
32 接着剤
40 スタンドオフ材
41,42,51,52 楔部材
43 部材
以下、本発明を適用した具体的な実施の 態について図面を参照しながら詳細に説明 る。
この実施の形態は、保護対象機器の通電 路に直列に接続され、当該保護対象機器の 常時に電流を遮断する保護素子である。特 、この保護素子は、電流遮断部の接続部材 してヒューズエレメントではなく弾性部材 用い、半田を用いてこの弾性部材を電流遮 部の通電電極端子に接続することにより、 流の通電又は遮断を制御することができる のである。
まず、第1の実施の形態として示す保護素 子について説明する。
保護素子は、図1に断面図及び図2に平面 を示すように、所定の大きさの基板11上に、 保護対象機器の異常時に通電されることによ って発熱する発熱抵抗体(ヒーター)12と、こ 発熱抵抗体12に電気的に接続された第1の導 層13とが形成されて構成される。
基板11としては、絶縁性を有する材質の 路基板であればいかなるものであってもよ 、例えば、セラミックス基板やガラスエポ シ基板のようなプリント配線基板に用いら る基板の他、ガラス基板、樹脂基板、絶縁 理金属基板等を用いることができる。なお これらの中で、耐熱性に優れ、熱良伝導性 絶縁基板であるセラミックス基板が好適で る。この基板11の底面には、通電経路の端部 を形成する通電経路端子1,2と、発熱抵抗体12 発熱させるための発熱抵抗体用端子3と、当 該保護素子を保護対象機器のベース回路基板 上に実装するための実装用NC(Non-Connection)端子 4とが形成されている。また、基板11の側面に は、これら通電経路端子1,2、発熱抵抗体用端 子3、及び実装用NC端子4のそれぞれに電気的 接続された側面導体層5が形成されている。
発熱抵抗体12は、例えば、酸化ルテニウ 等の導電材料と、水ガラス等の無機系バイ ダや熱硬化性樹脂等の有機系バインダとか なる抵抗ペーストを塗布し、必要に応じて 成することによって形成される。また、発 抵抗体12としては、酸化ルテニウムやカーボ ンブラック等の薄膜を、印刷、メッキ、蒸着 、スパッタの工程を経て形成してもよく、こ れらフィルムの貼付や積層等によって形成し てもよい。この発熱抵抗体12は、保護対象機 の異常時に発熱抵抗体用端子3の電位が低下 するのにともない、当該発熱抵抗体用端子3 接続された側面導体層5及び第1の導体層13を して通電されることによって発熱する。
第1の導体層13は、発熱抵抗体12に通電す ための発熱抵抗体用電極端子を形成する。 の第1の導体層13の構成材料については特に 限はないが、当該第1の導体層13が通電経路 形成することから、後述する半田22と濡れ性 が良好である金属からなるものを使用するの が望ましい。例えば、第1の導体層13としては 、Ag、Ag-Pt、Ag-Pd等から形成されているものや 、表面に金メッキを施して形成されているも のを用いることができる。
また、保護素子においては、発熱抵抗体1 2及び第1の導体層13の上に、ガラス等の絶縁 14を介して、第1の導体層13とは直交する方向 に第2の導体層15が形成されているとともに、 通電経路を2つに分割して電流遮断部とする めの2つの通電電極端子16,17が並列に形成さ ている。
これら第2の導体層15及び通電電極端子16,1 7は、第1の導体層13とともに通電経路を形成 る。なお、第2の導体層15も、通電電極端子16 ,17と同様に通電電極端子であり、多く流れる 電流に対する耐性を高めるために設けられる ものである。第2の導体層15及び通電電極端子 16,17は、それぞれ、絶縁層14を介して、発熱 抗体12と絶縁された状態に配設されている。 第2の導体層15及び通電電極端子16,17は、それ れ、通電経路端子1,2に対応して設けられた 極端子であり、これら通電経路端子1,2のそ ぞれに接続された側面導体層5を介して通電 されるように形成されている。これら第2の 体層15及び通電電極端子16,17の構成材料につ ても特に制限はないが、当該第2の導体層15 び当該通電電極端子16,17が通電経路を形成 ることから、後述する半田21と濡れ性が良好 である金属からなるものを使用するのが望ま しい。特に、第2の導体層15及び通電電極端子 16,17は、通常は第1の導体層13と同じ製造プロ スにて形成されるため、第1の導体層13と同 の材料から形成される。なお、第2の導体層 15及び通電電極端子16,17と発熱抵抗体12との配 置関係については、発熱抵抗体12の発熱によ て第2の導体層15及び通電電極端子16,17と後 する弾性部材20とを固着している半田21が溶 する程度の距離以内であれば特に限定はな が、第2の導体層15及び通電電極端子16,17の 下、より具体的には、少なくとも第2の導体 15及び通電電極端子16,17の上に弾性部材20が る部分の直下に発熱抵抗体12を設けること より、当該発熱抵抗体12の発熱による後述す る半田21の溶融を速めることができ、電流遮 動作の応答性を向上させることができる。
さらに、保護素子においては、第2の導体 層15及び通電電極端子16,17に固着された形態 弾性部材20が配設されている。この弾性部材 20は、例えば非付勢時に略コ字状の形状を呈 た導電性を有する板バネ材等として形成さ たものであり、略コ字状の対向する2辺を接 続する辺の中央部分を略コ字状の内側に撓ま せて全体として略M字状の形状で付勢させた 態で、当該中央部分を第2の導体層15及び通 電極端子16,17に半田21を介して固着させるこ により、これら第2の導体層15及び通電電極 子16,17と電気的に接続されている。また、 性部材20は、その一方の端縁が絶縁層14の上 位置しているとともに、その他方の端縁が 熱抵抗体用電極端子としての第1の導体層13 上に位置しており、この第1の導体層13に半 22を介して固着されることにより、第1の導 層13と電気的に接続されている。これによ 、弾性部材20は、通電経路を形成する。この ような弾性部材20の構成材料についても特に 限はないが、当該弾性部材20が通電経路を 成することから、半田21,22と濡れ性が良好で ある金属からなるものを使用するのが望まし い。また、弾性部材20としては、導電バネ材 しての機能を十分に発揮させる観点からは 弾性力は勿論のこと、引っ張り強さや硬度 高い金属からなるものを使用するのが望ま い。例えば、弾性部材20としては、電気抵 が比較的小さく半田21,22との濡れ性が良好で あり、さらに、弾性力、引っ張り強さ、硬度 が高く、耐摩耗性や耐食性にも優れているリ ン青銅から形成されているものを用いること ができる。
なお、半田21,22としては、同じ組成のも であっても異なる組成のものであってもよ が、いずれにせよ、従来から使用されてい 種々の低融点金属体を用いることができ、 えば、SnSb合金、BiSnPb合金、BiPbSn合金、BiPb合 金、BiSn合金、SnPb合金、SnAg合金、PbIn合金、Zn Al合金、InSn合金、PbAgSn合金等を挙げることが できる。特に、半田21,22としては、無鉛化の 求の観点から、SnSb合金やSnCu合金等の無鉛 田を用いるのが望ましい。また、半田21,22の うち少なくとも半田21としては、その液相点 保護対象機器に当該保護素子を実装する際 実装温度よりも高いものが用いられる。具 的には、半田21としては、保護対象機器に 該保護素子をリフロー実装する場合には、 熱抵抗体12の加熱温度も考慮して、その液相 点が260℃以上350℃以下のものが望ましい。た だし、半田21は、従来の保護素子において電 遮断を担っていたヒューズエレメントのよ に、その加熱溶断にて必要とされる溶融半 の凝集力、すなわち、表面張力を呈する特 は必要とせず、固相点又は液相点の温度(融 点)にて物理的な固着力が低減し、その固着 よりも弾性部材20の応力(付勢力)が上回って 該弾性部材20が第2の導体層15及び通電電極 子16,17から離間する程度のものであればよい 。換言すれば、弾性部材20は、半田21が完全 溶融しない状態でも変形することによって 2の導体層15及び通電電極端子16,17のうち少な くとも1つの通電電極端子から離間する程度 応力を保持した状態で、当該第2の導体層15 び当該通電電極端子16,17に半田付けされてい ればよい。なお、半田21,22の量は、発熱抵抗 用電極端子や第2の導体層15及び通電電極端 16,17との固着面積に依存するが少量で足り 一般的には0.5mg~2mg程度で十分である。
さらにまた、保護素子は、弾性部材20の 動範囲を保護及び規制し、且つ、SMT(Surface M ount Technology)自動実装対応を目的とした自動 品搭載用吸着エリアを形成したチップ部品 して当該保護素子を製造するために、例え 液晶ポリマー製等の絶縁ケース18によって 性部材20を被覆している。この絶縁ケース18 、弾性部材20が第2の導体層15及び通電電極 子16,17から離間することによる電流遮断動作 を妨げないように、キャップ状の中空構造と される。なお、この絶縁ケース18によって被 された空間には、特に図示しないが、その 面酸化を防止するために、フラックス等か なる表面活性部材を設けてもよい。フラッ スとしては、ロジン系フラックス等、公知 フラックスをいずれも使用することができ 粘度等も任意である。
このような保護素子の回路構成は、図3に 示すように表現することができる。すなわち 、保護素子は、少なくとも通電経路端子1,2の 間に設けられた第2の導体層15及び通電電極端 子16,17並びに弾性部材20によって通電経路A-B 構成されており、弾性部材20が半田22を介し 第1の導体層13と電気的に接続していること ら、弾性部材20を含む通電経路A-Bを介して 熱抵抗体12に通電されるように構成される。 したがって、この保護素子においては、通電 経路A-Bから通電がなされて発熱抵抗体12が発 すると、第2の導体層15及び通電電極端子16,1 7のうち少なくとも1つの通電電極端子と弾性 材20とを接続している半田21が溶融すること になる。
なお、発熱抵抗体12の抵抗値は、通電経 A-Bの電位によって異なるが、例えば12.6Vの電 圧が通電経路A-Bに印加される設計を想定した 場合には、5ω~10ω程度とするのが望ましい。 だし、この抵抗値は、基板11の熱伝導特性 前提とする使用温度環境等の諸条件によっ 左右されるものであり、それぞれのアプリ ーション毎の適正設計検証が必要となる。 た、弾性部材20及び半田21を主とする通電経 A-Bの抵抗値は、通電経路に例えば定格電流 2倍以上の電流が流れた場合に弾性部材20及 半田21が加熱するように設計すればよく、 格電流や、弾性部材20の形状、部材厚、熱伝 導率等の諸条件によって異なるが、例えば12A の定格電流を想定した場合には、2mω~4mω程度 とするのが望ましい。
さて、このような保護素子は、過電圧動 を含む保護回路動作として以下のような動 を行う。すなわち、保護素子においては、 護対象機器の異常時に電界効果トランジス 等のスイッチからなる外部保護回路から供 される所定の遮断信号を入力するのに応じ 発熱抵抗体用端子3の電位がグラウンドレベ ルに低下する。これにより、保護素子におい ては、グラウンドよりも高電位である通電経 路から発熱抵抗体12に対して電流が流れ、こ にともない当該発熱抵抗体12が発熱する。 して、保護素子においては、発熱抵抗体12の 近傍に設けられている第2の導体層15及び通電 電極端子16,17のうち少なくとも1つの通電電極 端子と弾性部材20とを固着している半田21が 融し、例えば図4に示すように、当該弾性部 20が第2の導体層15及び通電電極端子16,17から 離間して非付勢状態となり、通電経路を遮断 する。このとき、発熱抵抗体12に流れる電流 、弾性部材20を介して通電経路から供給さ ていることから、通電経路の遮断に応じて 熱抵抗体12の発熱も停止する。なお、図4に いては、弾性部材20が第2の導体層15及び通電 電極端子16,17の全てから離間した様子を示し いるが、保護素子においては、いずれかの 電電極端子から弾性部材20が離間すれば、 電経路が遮断されることはいうまでもない ただし、保護素子においては、弾性部材20が 離間する上で、第2の導体層15及び通電電極端 子16,17の全てから同時に離間する可能性が非 に高いといえる。
また、保護素子においては、過電流動作 行う場合には、通電経路に例えば定格電流 2倍以上の電流が流れることによって当該通 電経路を形成する弾性部材20及び半田21が加 し、これにより、保護回路動作の場合と同 に、半田21が溶融して弾性部材20が第2の導体 層15及び通電電極端子16,17から離間して非付 状態となり、通電経路を遮断する。
このように、保護素子は、弾性部材20の 作に応じて通電経路を遮断することができ 過電流及び過電圧を防止することができる
なお、このような動作を行う保護素子は 以下のようにして製造することができる。
まず、既存の配線基板製造技術を利用し 、発熱抵抗体12、第1の導体層13、絶縁層14、 第2の導体層15、及び通電電極端子16,17を形成 た基板11を用意すると、通電電極端子16,17と 、弾性部材20を半田付けする部位の第1の導体 層13との上に半田21を塗布する。
続いて、略コ字状の形状を呈する弾性部 20を、その一方の端縁を絶縁層14の上に位置 させるとともに、その他方の端縁を第1の導 層13の上に位置させ、第2の導体層15及び通電 電極端子16,17の上に跨るように位置決めして 載する。
そして、所定の押さえ治具等を用いて、 性部材20の中央部分を略コ字状の内側に撓 せて半田21に接触させた状態で加熱して半田 21,22を溶融させた後、即座に冷却することに り、弾性部材20を略M字状の形状で付勢させ 状態で第2の導体層15及び通電電極端子16,17 びに第1の導体層13に固着する。なお、この 熱及び冷却工程は、準備した完成前素子を 定の加熱及び冷却炉に挿入したり、また、 さえ治具を加熱及び冷却したりすることに って行うことができる。また、発熱抵抗体12 に通電が可能な場合には、当該発熱抵抗体12 対する通電及び通電遮断を行うことにより 当該発熱抵抗体12の発熱を利用して弾性部 20を固着することもできる。さらに、押さえ 治具として例えば剣山のように複数の突起を 設けた押圧ヘッド等を用いることにより、複 数の素子のそれぞれに対して同時に弾性部材 20を搭載することができ、歩留まりを向上さ ることができる。
保護素子は、このようにして弾性部材20 搭載された完成前素子に絶縁ケース18を固着 することによって製造することができる。
以上説明したように、保護素子は、電流 断部の接続部材として、従来のように半田 からなるヒューズエレメントではなく弾性 材20を用い、半田21を用いてこの弾性部材20 電流遮断部の第2の導体層15及び通電電極端 16,17に接続することにより、無鉛化を図る とができる。したがって、この保護素子に いては、使用する半田21の液相点又は固相点 が実装温度よりも高温であったとしても、ヒ ューズエレメントを用いた従来の保護素子と 同程度の電流遮断動作の応答性を得ることが できる。
特に、この保護素子においては、半田21 完全に溶融しない状態でも変形することに って第2の導体層15及び通電電極端子16,17のう ち少なくとも1つの通電電極端子から離間す 程度の応力を保持した状態で、弾性部材20が 第2の導体層15及び通電電極端子16,17に半田付 されていることから、電流遮断を行うため 発熱抵抗体12の発熱によって半田21を完全に 溶融させる必要がなく、半田21がある程度溶 した段階で弾性部材20の応力によって物理 に第2の導体層15及び通電電極端子16,17から弾 性部材20が離間する。したがって、この保護 子においては、発熱抵抗体12を動作させる めの電流範囲を従来の保護素子よりも大き とることができ、さらに、従来のヒューズ レメントと同じ融点の半田21を用いた場合に は、半田21が完全に溶断する前に電流を遮断 ることができるため、電流遮断動作の応答 を向上させることができ、より安全性を高 ることができる。
つぎに、第2の実施の形態として示す保護 素子について説明する。
この第2の実施の形態として示す保護素子 は、第1の実施の形態として示した保護素子 対して電流遮断部の電極端子の個数を変え ものである。したがって、この第2の実施の 態の説明においては、第1の実施の形態の説 明と同様の構成については同一符号を付し、 その詳細な説明を省略するものとする。
保護素子においては、図5に断面図及び図 6に平面図を示すように、通電経路を3つに分 して電流遮断部とするように、第2の導体層 15及び通電電極端子16,17の間に、中間電極端 31が並列に形成されている。
中間電極端子31は、第2の導体層15及び通 電極端子16,17と同様に、絶縁層14を介して、 熱抵抗体12と物理的に離間した状態で配設 れているが、弾性部材20が搭載される領域の 外側において実装用NC端子4に接続される経路 に電気的に接続されている。この中間電極端 子31の構成材料についても特に制限はないが 当該中間電極端子31が通電経路を形成する とから、半田21と濡れ性が良好である金属か らなるものを使用するのが望ましく、また、 通常は第2の導体層15及び通電電極端子16,17と じ製造プロセスにて形成されるため、これ 第2の導体層15及び通電電極端子16,17と同様 材料から形成される。
そして、このような保護素子においては 第2の導体層15及び通電電極端子16,17と中間 極端子31とに固着された形態で弾性部材20が 設される。すなわち、弾性部材20は、第1の 施の形態と同様に、非付勢時に略コ字状の 状を呈した導電性を有する板バネ材等とし 形成されたものを用いる場合には、略コ字 の対向する2辺を接続する辺の中央部分を略 コ字状の内側に撓ませて全体として略M字状 形状で付勢させた状態で、当該中央部分を 2の導体層15及び通電電極端子16,17と中間電極 端子31とに半田21を介して固着させることに り、これら第2の導体層15、通電電極端子16,17 、及び中間電極端子31と電気的に接続される また、弾性部材20は、その一方の端縁が絶 層14の上に位置しているとともに、その他方 の端縁が絶縁層14の上に所定の接着剤32を介 て固着されている。すなわち、この保護素 においては、発熱抵抗体12に接続された中間 電極端子31を設けることにより、弾性部材20 第1の導体層13とを半田22を介して電気的に接 続することなく、弾性部材20によって通電経 を形成することができる。なお、弾性部材2 0は、第1の実施の形態にて説明したように、 田21が完全に溶融しない状態でも変形する とによって第2の導体層15及び通電電極端子16 ,17並びに中間電極端子31のうち少なくとも1つ の電極端子から離間する程度の応力を保持し た状態で、当該第2の導体層15及び当該通電電 極端子16,17並びに当該中間電極端子31に半田 けされていればよい。
このような保護素子の回路構成は、図7に 示すように表現することができる。すなわち 、保護素子は、少なくとも通電経路端子1,2の 間に設けられた第2の導体層15、通電電極端子 16,17、及び中間電極端子31並びに弾性部材20に よって通電経路A-Bが構成されており、弾性部 材20及び中間電極端子31を含む通電経路A-Bを して発熱抵抗体12に通電されるように構成さ れる。したがって、この保護素子においては 、通電経路A-Bから通電がなされて発熱抵抗体 12が発熱すると、第2の導体層15及び通電電極 子16,17並びに中間電極端子31のうち少なくと も1つの電極端子と弾性部材20とを接続してい る半田21が溶融することになる。
このような保護素子においては、過電圧 作を含む保護回路動作を行う場合には、第1 の実施の形態にて説明した動作と同様に、保 護対象機器の異常時に外部保護回路から供給 される所定の遮断信号を入力するのに応じて 発熱抵抗体用端子3の電位がグラウンドレベ に低下することから、グラウンドよりも高 位である通電経路から中間電極端子31を介し て発熱抵抗体12に対して電流が流れ、これに もない当該発熱抵抗体12が発熱する。そし 、保護素子においては、発熱抵抗体12の近傍 に設けられている第2の導体層15及び通電電極 端子16,17並びに中間電極端子31のうち少なく も1つの電極端子と弾性部材20とを固着して る半田21が溶融し、例えば図8に示すように 当該弾性部材20が第2の導体層15及び通電電極 端子16,17並びに中間電極端子31から離間して 付勢状態となり、通電経路を遮断する。こ とき、発熱抵抗体12に流れる電流は、中間電 極端子31を介して通電経路から供給されてい ことから、通電経路の遮断に応じて発熱抵 体12の発熱も停止する。なお、図8において 、弾性部材20が第2の導体層15及び通電電極 子16,17並びに中間電極端子31の全てから離間 た様子を示しているが、保護素子において 、いずれか1つの電極端子から弾性部材20が 間すれば、通電経路が遮断されることはい までもない。特に、保護素子においては、 熱抵抗体12が中間電極端子31の直下に位置し ているような場合には、中間電極端子31が第2 の導体層15及び通電電極端子16,17の中間に配 されていることにより、中間電極端子31のみ が離間することはなく、必ず最初に第2の導 層15及び通電電極端子16,17のいずれかが離間 るように設計されている。これにより、保 素子においては、「通電経路の遮断前に発 抵抗体12の発熱が停止する」という不具合 生じるのを防止することができる。
また、保護素子においては、過電流動作 行う場合にも、第1の実施の形態にて説明し た動作と同様に、通電経路に例えば定格電流 の2倍以上の電流が流れることによって当該 電経路を形成する弾性部材20及び半田21が加 し、これにより、保護回路動作の場合と同 に、半田21が溶融して弾性部材20が第2の導 層15及び通電電極端子16,17、及び/又は、中間 電極端子31から離間して非付勢状態となり、 電経路を遮断する。
このように、保護素子は、弾性部材20の 作に応じて通電経路を遮断することができ 過電流及び過電圧を防止することができる
なお、このような動作を行う保護素子は 以下のようにして製造することができる。
まず、既存の配線基板製造技術を利用し 、発熱抵抗体12、第1の導体層13、絶縁層14、 第2の導体層15、通電電極端子16,17、及び中間 極端子31を形成した基板11を用意すると、第 2の導体層15及び通電電極端子16,17並びに中間 極端子31の上に半田21を塗布する。
続いて、略コ字状の形状を呈する弾性部 20を、その両方の端縁を絶縁層14の上に位置 させるとともに、第2の導体層15及び通電電極 端子16,17の上に跨るように位置決めして搭載 た状態で、弾性部材20の一方の端縁に接着 32を塗布する。
そして、第1の実施の形態にて説明したよ うに、所定の押さえ治具等を用いて、弾性部 材20の中央部分を略コ字状の内側に撓ませて 田21に接触させた状態で加熱して半田21を溶 融させた後、即座に冷却することにより、弾 性部材20を略M字状の形状で付勢させた状態で 第2の導体層15及び通電電極端子16,17並びに中 電極端子31に固着する。また、この加熱に り、接着剤32の硬化も同時に行う。
保護素子は、このようにして弾性部材20 搭載された完成前素子に絶縁ケース18を固着 することによって製造することができる。
このように、保護素子は、電極端子の個 を増やした場合であっても、弾性部材20に る電流遮断動作を行うことができ、無鉛化 図ることができることから、使用する半田21 の液相点又は固相点が実装温度よりも高温で あったとしても、ヒューズエレメントを用い た従来の保護素子と同程度若しくはそれ以上 の電流遮断動作の応答性を得ることができる 。
このような保護素子は、例えばノートブ ク型のパーソナルコンピュータ等の電子機 本体に着脱されるバッテリーパックをはじ とし、保護対象機器の基板にリフロー実装 れるチップ型保護素子として極めて好適で る。
なお、本発明は、上述した実施の形態に 定されるものではない。
例えば、上述した実施の形態では、無鉛 田を用いるのが望ましいものとして説明し が、本発明は、半田の種類に拘泥するもの はなく、有鉛半田であっても適用すること できる。
また、上述した実施の形態では、発熱抵 体上に絶縁層を介して電極端子を設けた態 について説明したが、本発明は、通電経路 形成する複数の電極端子と弾性部材とを半 付けするものであれば、発熱抵抗体と電極 子とを同一平面に設けた態様等、発熱抵抗 と電極端子との配置を任意とすることがで る。
さらに、上述した実施の形態では、1つの 発熱抵抗体を設けた態様について説明したが 、本発明は、複数の発熱抵抗体を設けるよう にしてもよく、また、発熱抵抗体の発熱によ って半田が溶融する程度に当該発熱抵抗体を 電極端子の近傍に設けるのであれば保護素子 の外部に設けるようにしてもよい。また、本 発明は、過電流を防止する保護素子として提 供する場合には、発熱抵抗体を設けなくても よい。
さらにまた、上述した実施の形態では、 極端子が2個又は3個の場合について説明し が、本発明は、通電経路を形成する複数の 極端子と弾性部材とを半田付けするもので れば、任意個数の電極端子を設けてもよい
また、本発明は、発熱抵抗体の下部に、 熱を抑制するための断熱層を備えるのも望 しい。このような断熱層は、例えばガラス 等を用いることができる。この場合、断熱 は、上述した基板11の上にガラスペースト 印刷し、約850℃で焼成することによって形 することができる。
さらに、上述した実施の形態では、非付 時に略コ字状の形状を呈した導電性を有す 弾性部材を用いるものとして説明したが、 発明は、通電経路を形成する複数の電極端 と弾性部材とを半田付けするものであれば 任意形状の弾性部材を用いることができる この具体例として、第2の実施の形態にて説 明した弾性部材20に代えて、1枚の導電性を有 する平板材を弾性部材として用いる場合につ いて、図9及び図10を用いて説明する。
この保護素子においては、平板材からな 弾性部材を撓ませて付勢させるために、図9 に示すようなスタンドオフ材40を用いる。こ スタンドオフ材40は、例えば46-ナイロンや 晶ポリマー製等の絶縁性を有する材料から り、側断面が逆L字状に形成された部材43の 端に、先端が楔状に形成された2つの楔部材4 1,42を結合した形状とされる。なお、スタン オフ材40は、逆L字状の部材43を形成する水平 部分の底面と楔部材41,42の上面との間に間隙 設けられるように形成されている。
保護素子においては、半田21が塗布され 第2の導体層15及び通電電極端子16,17並びに中 間電極端子31の上に、平板材からなる弾性部 20'が搭載されている状態で加熱して半田21 溶融させた後、即座に冷却し、弾性部材20' 第2の導体層15及び通電電極端子16,17並びに中 間電極端子31に固着させることにより、これ 第2の導体層15及び通電電極端子16,17並びに 間電極端子31と電気的に接続させる。そして 、保護素子においては、スタンドオフ材40を 9中矢印の方向へスライドセットさせること により、図10に示すように、弾性部材20'の中 部分を撓ませて全体として略U字状の形状で 付勢させる。なお、弾性部材20'は、第1の実 の形態及び第2の実施の形態にて説明したよ に、半田21が完全に溶融しない状態でも変 することによって第2の導体層15及び通電電 端子16,17並びに中間電極端子31のうち少なく も1つの電極端子から離間する程度の応力を 保持した状態で、当該第2の導体層15、当該通 電電極端子16,17、及び当該中間電極端子31に 田付けされていればよい。
また、この保護素子においては、スタンド オフ材40における逆L字状の部材43を形成する 平部分の底面と楔部材41,42の上面との間に けられる間隙内に弾性部材20'が位置するこ から、当該スタンドオフ材40が絶縁ケース18 代わりとしても機能することになる。
なお、このような動作を行う保護素子は 以下のようにして製造することができる。
まず、既存の配線基板製造技術を利用し 、発熱抵抗体12、第1の導体層13、絶縁層14、 第2の導体層15、通電電極端子16,17、及び中間 極端子31を形成した基板11を用意すると、第 2の導体層15及び通電電極端子16,17並びに中間 極端子31の上に半田21を塗布し、その上に、 平板材からなる弾性部材20'を第2の導体層15及 び通電電極端子16,17並びに中間電極端子31の に跨るように位置決めして搭載する。
続いて、弾性部材20'を搭載した状態で加 して半田21を溶融させた後、即座に冷却す ことにより、弾性部材20'を第2の導体層15及 通電電極端子16,17並びに中間電極端子31に固 する。
そして、スタンドオフ材40における逆L字 の部材43を形成する水平部分の底面と楔部 41,42の上面との間に設けられる間隙内に弾性 部材20'が位置するように、当該スタンドオフ 材40をスライドセットし、弾性部材20'の中央 分を撓ませることにより、当該弾性部材20' 略U字状の形状で付勢させる。保護素子は、 このようにして製造することができる。
このように、本発明は、通電経路を形成 る複数の電極端子と弾性部材とを半田付け るものであれば、任意形状の弾性部材を適 することができる。なお、本発明において 、図9に示したスタンドオフ材40のように、 性部材を付勢させるようにセットするため 設けられる2つの楔部材の方向が同方向のス タンドオフ材を用いるのではなく、逆方向の スタンドオフ材を用い、そのスタンドオフ材 を回転させてセットするようにしてもよく、 弾性部材を付勢させることができるのであれ ば、スタンドオフ材の形状にも限定されるこ とはない。また、絶縁ケースに相当するケー ス材を別途設けるのであれば、スタンドオフ 材としては、図9に示した楔部材41,42のように 、弾性部材を撓ませて付勢させるための楔部 材の部分のみであってもよい。
このように、本発明は、その趣旨を逸脱 ない範囲で適宜変更が可能であることはい までもない。
[実施例]
本願発明者は、保護素子を実際に作製し、
電試験を行って発熱抵抗体の発熱及び過電
による両電流遮断動作を評価した。保護素
としては、先に図10に示した構成に準じた
のを作製した。具体的には、図11乃至図13に
すように、スタンドオフ材40として、上述
た楔部材41,42に相当する2つの楔部材51,52を用
意し、これら楔部材51,52を弾性部材20'の下面
挿入し、当該弾性部材20'の中央部分を撓ま
て略U字状の形状で付勢させた。なお、弾性
部材20'としては、ハイパーリン青銅C5191-H製
平板材からなり、板厚が0.05mm、幅が約2.5mm、
長さが約5mmのものを用いた。
まず、このような保護素子を、所定の発 動作試験装置を用いて実際に加熱し、電流 断動作を評価した。試験装置は、発熱抵抗 12に相当するヒータを設けたものであり、 護素子の通電経路を介して電流が流れると そのヒータが発熱する構造のものである。 お、ヒータの抵抗値は、13.03ωである。動作 験は、動作電力を22Wとして通電した。その 果、図14に示すように、通電開始から0.43m秒 後に弾性部材20'が大きく飛び跳ねる現象が確 認された。動作後のヒータ抵抗値は、13.0ωで あり、また、保護素子の抵抗値は、無限大で あり、電流遮断動作が確実に行われたことが 確認された。
また、このような保護素子に対して、所 の過電流動作試験装置を用いて実際に通電 、電流遮断動作を評価した。動作試験は、2 0Aの電流を通電した。その結果、通電開始か 約45秒後に、発熱動作試験の場合と同様に 弾性部材20'が大きく飛び跳ねる現象が確認 れた。
