JP2008112735A - 温度ヒュ−ズを用いた保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度ヒューズ保護部品を保護回路の実装基板に合体する保護装置の小形化とコンパクト化を図り、温度ヒューズの動作特性の確保と信頼性を向上する。
【解決手段】実装基板３５に組み込んだ制御素子３６，３７を含む保護回路と、セラミック基板の一方の面に低融点合金可溶体ヒューズ素子を絶縁キャップで封止し、他方の面にリード部材と抵抗体発熱素子を配置した温度ヒューズ１０の保護部品とを合体して可及的に小型で薄型にした保護装置である。ここで、温度ヒューズ保護部品は２個の制御素子３６，３７の間隙にキャップ側を嵌め込むようにして実装される。
【選択図】図７

Description

この発明は、セラミック基板の一方の面にヒューズ素子他方の面にリード部材を配置して薄型小型化に適する温度ヒュ−ズ保護部品と実装基板に異常信号を検知する制御素子を搭載した保護回路を具備する保護装置、特に、セラミック基板の導出用リ−ド部材を介して保護部品を保護回路用実装基板に搭載してコンパクト化を可能にする温度ヒューズを用いた保護装置に関する。

従来、温度ヒュ−ズは、被保護機器の過電流により生ずる過大発熱で作動させるほかに、機器に生ずる異常信号を検知しこの信号により抵抗発熱させて作動させる温度ヒュ−ズとが知られている。例えば、携帯情報端末装置である電子機器の主電源として保存特性や耐漏液性に優れた高密度エネルギーのリチウムイオン二次電池が利用されているが、その安全性の確保に温度ヒューズが保護部品として使用される。一般に二次電池では過充電および過放電を防止するために復帰型と非復帰型の二重の保護回路を設けるのが望まれ、電池の電圧が所定の設定電圧を越えたとき充電電流を遮断する復帰型保護回路と、その保護回路が何らかの原因で作動せず電池電圧が異常に上昇したとき温度ヒューズを溶断する非復帰型保護回路とで安全性の高い保護装置を構成することが特許文献１に開示されている。
非復帰型保護回路で使用する温度ヒューズは、充電器と電池との間に直列接続した２個の可溶体エレメントおよびこれらのエレメントと熱的に結合する発熱素子の抵抗により構成された抵抗内蔵温度ヒューズであって、発熱素子は電池電圧を検知し電池電圧が設定値以上になるとオン信号を出力する電圧検出回路のオン信号で動作するようにしている。

一方、本発明者は、非特許文献１のｐ９３−ｐ９６にはタイトル「抵抗内蔵温度ヒューズの開発」と題し、この種温度ヒューズの開発上のポイントや実装方法について記載し、公表時点の構造と問題点等を記載する。図８は従来この種の保護回路に使用していた抵抗内蔵温度ヒューズ１の構造を一部断面視した側面図で示しており、セラミック基板２と、この基板の表面側に装着した低融点合金の可溶体エレメント３とこれをカバーするセラミックキャップ５、この可溶体エレメントを溶着する電極にはんだ付けする導出用リード４、およびこの基板２の裏面側に形成した抵抗体６とにより構成している。この抵抗内蔵温度ヒュ−ズは、上述する２次電池の非復帰型保護回路として組み込まれ過充電などの異常を検出した場合、可溶体エレメント３と熱結合させた抵抗体６に通電させることにより抵抗を加熱し、強制的に可溶体エレメントを溶断して回路を遮断させる。通常、保護回路は充放電を制御するＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子を含む専用の制御ＩＣ等の制御素子と共にプリント板上に搭載して構成される。例えば、抵抗内蔵温度ヒューズが制御回路部品のスイッチング素子の上方側に積み重ねたり、横方側に並置して配置される。
特開平１０−５６７４２号公報 ＮＥＣ技報Ｖｏｌ．５３Ｎｏ．１０

従来の抵抗内蔵温度ヒューズは、上述するように単体または２個の可溶体エレメントを絶縁基板の一方の面にリードと共に実装していたので必然的に所要する実装面積が広くなり、保護回路への取付けに大きなスペースを必要とする。これは小形薄型化を要求する携帯情報機器などへの適用に際して不都合を生じ、組み立て上の問題となっていた。そして、温度ヒューズのみならず組み込み後の機器類に対してもコンパクトにするべく可及的に薄くて小形の実現が望まれていた。加えて、温度ヒューズの温度検知感度を高めて高精度で動作させるには、異常過熱の可能性のあるスイッチング素子等への密着的に接近した実装配置が望まれ、そのために、温度ヒューズの機器回路部品への改善された実装構造の提示が望まれていた。

したがって、本発明は上述する従来の未解決である温度ヒューズの本体構造が大きくなり取付けスペ−ス大となることに鑑み提案されたものであり、これらを解消するコンパクト化を実現する新規且つ改良された温度ヒューズとそれを用いた保護装置の提供を目的とするものである。

本発明の目的は、絶縁基板の一方の面にヒューズ素子、他方の面に導出用リード部材を配置することで小形化された温度ヒューズを提供し、且つこれを改善された実装方法で保護回路へ組み込み、性能面でより効率的に作動させると共にスペース面でもより有効活用が図れる新規且つ改良された温度ユーズを用いる保護装置の提供により達成される。

本発明は、上述の目的を達成するための手段として、パタ−ン電極とスル−ホ−ルを有するセラミック絶縁基板と、この絶縁基板の表面側に配置したヒュ−ズ素子と、裏面側に配置したリ−ド部材とを具備し、ヒューズ素子とリード部材をそれぞれ所定のパタ−ン電極と接続した温度ヒューズが提供される。ヒューズ素子は低融点合金の可溶体を絶縁キャップにより封止してなり、このヒューズ素子と熱的結合する発熱素子を絶縁基板に配置され、低融点合金可溶体は溶断する動作温度が同一または異なる温度に設定される複数個の部分で構成することが可能であり、発熱素子の発生熱により溶断するようにしたことを特徴とする温度ヒューズを開示する。好ましくは、発熱素子を絶縁基板の裏面側、またはスルーホールに配置した抵抗体とし、リ−ド部材ははんだめっき平角状銅線を所定のパターン電極とはんだ付けで合体させて固着した温度ヒュ−ズを用いた保護装置である。すなわち、セラミック基板の一方の面に低融点合金可溶体のヒューズ素子を前記セラミック基板とほぼ同等サイズの絶縁キャップにより封止配置し、他方の面にリード部材と抵抗体発熱素子とを配置した温度ヒューズ保護部品、および実装基板に異常信号を検知する制御素子を搭載した保護回路を、前記保護部品のリード部材を介して前記保護回路の実装基板に合体した非復帰型保護装置であって、前記リード部材は前記セラミック基板の両面に形成し導通スルーホールで相互接続されたパターン電極にはんだ接続され、前記発熱素子は前記ヒューズ素子と熱的結合状態に設けた薄膜抵抗であり、この薄膜抵抗には前記保護回路が異常信号を検知した場合にこの薄膜抵抗に通電させることを特徴とする温度ヒューズを用いた保護装置が提供される。ここで前記保護回路は前記実装基板に並置搭載した２個の制御素子を具備し、これら制御素子の間に前記ヒューズ素子が配置されるよう合体したことを特徴とする温度ヒューズを用いた保護装置が開示される。

本発明の別の観点によれば、温度ヒュ−ズを用いた非復帰型保護装置での実装構造において、パタ−ン電極とスル−ホ−ルを有する絶縁基板の表面側に配置したヒュ−ズ素子と裏面側に配置したリ−ド部材を有する温度ヒューズ、および異常信号を発生する制御素子を有する保護回路から構成し、絶縁基板表面側のヒューズ素子を素子の近傍間隙に実装した温度ヒューズを用いた保護装置が提供される。ここで、制御素子は少なくとも２個使用され、温度ヒューズは低融点合金の可溶体エレメントを絶縁キャップで封止したヒューズ素子およびこのヒューズ素子と熱的結合状態で絶縁基板に装着した発熱素子を具備し、ヒューズ素子の絶縁キャップを２個の制御素子の間隙に嵌め込んで実装する非復帰型保護装置である。具体的には、保護回路が２個の制御素子を含む電池パック用充放電制御回路に適用され、この制御回路が異常信号を検知して発熱素子に抵抗発熱を生じさせるようにしたことを特徴とする温度ヒュ−ズを用いた保護装置を開示する。

本発明の保護装置に用いる温度ヒュ−ズは小形化に対して極めて顕著な効果を発揮し、保護部品としてのみならず実装される保護装置においても小形化やコンパクト化に有利である。ここで、温度ヒュ−ズ保護部品を自社の従来製品および在来の市場製品と比較して外形寸法（単位ｍｍ）等を示すと表１のようになる。したがって、保護部品としては従来品に比べ絶縁基板の寸法と占有面積で大きく異なり、絶縁材使用量の節減やパタ−ン電極の加工処理などで製造上の経済効果が発揮される。

本発明の保護装置に用いる温度ヒュ−ズは従来製品に比べて外形寸法、特に占有面積を大幅に縮小している。これは絶縁基板上へのヒュ−ズ素子とリード部材の配置を両面分割したことに基くものであり、それによって使用する絶縁基板を３０％程度縮小できた。加えて、ヒュ−ズ素子の封止構造にキャップタイプを適用することで表面側の絶縁構造を正確に寸法規制し、実装において保護回路部品の空隙間への実装配置を容易にし、それによって保護装置自体のコンパクト化を実現可能にした。このように本発明の保護装置に用いる温度ヒュ−ズは、小形コンパクト化による実用化に役立ち工業的価値を高めるなどの効果を奏する。

本発明は、セラミック基板の一方の面に低融点合金可溶体のヒューズ素子をセラミック基板とほぼ同じまたはこれよりやや小さいカバー被覆面積を有する絶縁キャップにより封止し、他方の面にリード部材と抵抗体発熱素子とを配置した温度ヒューズを保護部品として用いる。一方、実装用プリント基板には異常信号を検知する制御素子を搭載した保護回路が用意される。この保護回路は保護部品のリード部材を介して保護回路用実装基板に合体して非復帰型保護装置となる。ここで、リード部材はセラミック基板の両面に形成し導通スルーホールで相互接続されたパターン電極にはんだ接続され、発熱素子はヒューズ素子と熱的結合状態に設けた薄膜抵抗からなる。この薄膜抵抗には保護回路が異常信号を検知した場合、この薄膜抵抗に通電させる。また、保護回路は実装用プリント基板に並置搭載した２個の制御素子を具備し、これら制御素子の間にヒューズ素子が配置されるよう組み立てて合体される。すなわち、複数個のスルーホールを形成したセラミック基板、この基板の両方の面に前記スルーホールを介して相互に接続した複数個の電極、この基板の一方の面に搭載配置した低融点合金可溶体をセラミックキャップで封止したヒューズ素子、この基板の他方の面に搭載配置したリード部材、およびヒューズ素子と熱的結合するようにセラミック基板に配置した発熱素子を具備し、セラミック基板上のヒューズ素子とリード部材の配置面を分離してコンパクト化した温度ヒュ−ズの保護部品であって、絶縁キャップの封止するカバー範囲はセラミック基板の一方の面に配置したパタ−ン電極と低融点合金可溶体を含めて被覆し、その被覆面積はセラミック基板全体の面積より小さくされ、リード部材は平板状銅線を使用して薄型化するのが好ましい。

本発明にかかる別の実施の形態は、保護装置が温度ヒューズを使用した電池パック用充放電制御回路であり、制御回路が異常を検知して信号を発熱素子に通電して抵抗発熱を生じさせて温度ヒューズの可溶体を溶断させるようにした非復帰型保護回路である。なお、ここで使用する温度ヒュ−ズは、上述の両面に複数個のパタ−ン電極と両面のパターン電極を接続する導通用スル−ホ−ルとを有するセラミック基板と、このセラミック基板の表面側に配置したパタ−ン電極に溶着した低融点合金の可溶体を被覆して封止するセラミックキャップからなるヒューズ素子と、セラミック基板に形成した発熱素子の薄膜抵抗と、セラミック基板の裏面側パタ−ン電極にはんだ付けした複数個のリ−ド部材とを具備する。

以下、本発明の保護装置に使用する温度ヒューズ保護部品に係る実施例について、図面を参照しつつ詳述する。本発明の温度ヒュ−ズ１０は、図１、図２又は図３に示すように、アルミナからなるセラミック基板１２と、その一方の面に配置したヒュ−ズ素子１３および他方の面に配置した導出用リ−ド部材１４ａ、１４ｂ、１４ｃとを具備する。ヒュ−ズ素子１３は低融点合金の可溶体エレメントをセラミックキャップ１５により封止して構成される。加えて、セラミック基板１２にはヒューズ素子１３と熱的結合状態で配置された抵抗の発熱素子１６がある。ここで各構成要素は可及的に小さく且つ薄くなるように形成加工され、具体的に発熱素子１６の抵抗は裏面の薄膜抵抗やスル−ホ−ルｅ、ｆ、ｇに装着の抵抗器が使用され、リ−ド部材１４ａ、１４ｂ、１４ｃには平角銅線をパタ−ン電極にはんだ付けして使用される。また、セラミック基板１２やキャップ１５は、これらが焼結処理前のグリ−ンシ−トの段階で所定の形状にされ、キャップの縁部や基板のスル−ホ−ルｅ、ｆ、ｇの加工処理が行われる。焼結後のセラミック基板１２には所定のパターン電極が加熱加工して形成され、必要に応じこの工程で発熱素子１６の薄膜型抵抗も同様に形成される。発熱素子１６の抵抗は所定のパタ−ン電極に抵抗器をはんだ付けしてもよく、配置場所にはスル−ホ−ルｅ、ｆ、ｇの使用もできる。セラミック基板１２は、良好な絶縁性を維持するものであればアルミナ以外の絶縁材でもよく、この絶縁基板の各面に所定の形状でパタ−ン電極が形成される。そして、予め決められた位置では、３個のスル−ホ−ルｅ、ｆ、ｇを介在して両面のパターン電極間が電気的に接続するよう導通スル−ホ−ルが形成されている。

図４および図５に示すように、セラミック基板１２の表面には３つのパターン電極２１、２２、２３が３個のスルーホール３１、３２、３３とそれぞれ接続するように形成され、セラミック基板１２の裏面には３個のスルーホール３１、３２、３３と接続する三つのパターン電極２１、２２、２３に加えて独立する一つの電極パターン２７が形成される。基板表面側の三本川状のパターン電極２１、２２、２３には低融点合金の可溶体エレメント１７が橋渡しされて三つのパターン電極２１，２２，２３と溶着され、第１の可溶体１８と第２の可溶体１９とを有するデュアルタイプ温度ヒューズ素子を形成する。各パターン電極に溶着された可溶体エレメント１７はフラックスが被着された後、３個のパターン電極２１〜２３を含めて絶縁性セラミック基板１２よりやや小さめの絶縁性セラミックキャップ１５で封止され密閉カバーされる。なお、ヒューズ素子１３は、シングルタイプ可溶体エレメントでもよく、更にはデュアルタイプ可溶体エレメントの場合にはそれぞれの可溶体の動作温度を同一にしたり異なるものにしたりすることができる。異なる動作温度のデュアルタイプでは温度差を動作温度のばらつきの範囲内にするのが望ましい。

一方、セラミック基板１２の裏面側を示す図５では、中央部分に二つのパタ−ン電極２６および２７が形成され、この間に発熱素子１６が配置されている。そして、パターン電極２６、パターン電極２４および２５は、スル−ホ−ル３２、３１および３３を介在して表面側パターン電極２３、２１、２２にそれぞれ接続される。裏面側に配置される３本のリード部材１４は、はんだめっきの平角型銅線が使用され、スル−ホ−ル３１〜３３の介在により表面側に接続のパターン電極２４および２５と独立のパターン電極２７にそれぞれはんだ付けして固着される。温度ヒューズは定格ＤＣ３２Ｖ、１０Ａ、動作温度１３５℃、発熱抵抗５０Ωであり、完成品の外形寸法はセラミック基板本体部分が長さ４ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ１．５ｍｍと極めて小形なものである。なお、方形状に設定したセラミック基板１２は厚さ０．４ｍｍのアルミナ基板であり、小型化によりアルミナセラミックの所要容量が大幅に削減され、コスト面での経済的メリットが得られると共に、パターン電極の形成をスクリーン印刷で実施する際に、小さい基板であるので、１回の印刷で多数の印刷加工が同時にできる等製造上での経済的効果も得られる。更に、リード部材１４は幅０．７〜１．０ｍｍ、厚さ０．２〜０．４ｍｍの平板状のＳｎ−Ａｇめっき銅線を使用したので本体部分の厚み低減に寄与して薄型化に役立つ。

図６および図７は、本発明に係る非復帰型保護装置を示す部分平面図および側面図である。本発明に用いる保護部品の温度ヒュ−ズ１０は、二次電池の過充電保護回路への実装構造に関し、実装用プリント基板３５に搭載されるＭＯＳＦＥＴなどの能動素子３６、３７間にセラミックキャップ側を下にして嵌め込むようにして取付けられる。温度ヒューズ１０のヒュ−ズ素子は上述のようにセラミック基板の一方の面にセラミックキャップで封止構成されるので、この部分を能動素子の感熱部に近接して実装できる。また、回路部品素子間の間隙空間を利用して温度ヒュ−ズを実装したので、この種保護回路が使用される携帯用情報通信機器は、コンパクトで小形薄型化に有利となる。したがって、本発明の着眼点である絶縁基板に対する導出用リード部材とヒューズ素子との分離配置は、部品の小形化を実現すると共に実装方法で保護回路制御素子間のスペースを有効利用して保護装置全体のコンパクト化に役立つ。

本発明の保護装置に用いる抵抗内蔵温度ヒューズの正面図である。 同じく図１の抵抗内蔵温度ヒューズの一部断面を示す側面図である。 同じく図１の抵抗内蔵温度ヒューズの背面図である。 本発明の保護装置に用いる保護部品のセラミック基板の平面図である。 同じく図４の保護部品のセラミック基板の背面図である。 本発明に係る保護装置で保護回路と保護装置を合体した実装構造を示す平面図である。 同じく図６の保護装置の実装構造を示す側面図である。 従来の抵抗内蔵温度ヒューズの実装状態の部分断面を示す側面図である。

符号の説明

１０…抵抗内蔵温度ヒューズ（保護部品）
１２…セラミック基板（絶縁基板）
１３…ヒューズ素子
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ…リード部材
１５…セラミックキャップ（絶縁キャップ）
１６…抵抗体（発熱素子）
１７…可溶体エレメント（低融点合金可溶体）
２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７…パターン電極
ｅ、ｆ、ｇ、３１，３２，３３…スル−ホ−ル
３５…プリント基板（実装基板）
３６，３７…能動素子（制御素子）

Claims (2)

1. セラミック基板の一方の面に低融点合金可溶体のヒューズ素子を前記セラミック基板とほぼ同等サイズの絶縁キャップにより封止配置し、他方の面にリード部材と抵抗体発熱素子とを配置した温度ヒューズ保護部品、および実装基板に異常信号を検知する制御素子を搭載した保護回路を、前記保護部品のリード部材を介して前記保護回路の実装基板に合体した非復帰型保護装置であって、前記リード部材は前記セラミック基板の両面に形成し導通スルーホールで相互接続されたパターン電極にはんだ接続され、前記発熱素子は前記ヒューズ素子と熱的結合状態に設けた薄膜抵抗であり、この薄膜抵抗には前記保護回路が異常信号を検知した場合にこの薄膜抵抗に通電させることを特徴とする温度ヒューズを用いた保護装置。
2. 前記保護回路は前記実装基板に並置搭載した２個の制御素子を具備し、これら制御素子の間に前記ヒューズ素子が配置されるよう合体したことを特徴とする請求項１に記載の温度ヒューズを用いた保護装置。
   

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