JP2014170727A - 短絡素子、およびこれを用いた回路 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】絶縁基板2と、絶縁基板2に設けられた発熱抵抗体3と、絶縁基板2に、互いに隣接して設けられた第1、第2の電極4,5と、絶縁基板2に、第1の電極4と隣接して設けられるとともに、発熱抵抗体に電気的に接続された第3の電極6と、第1、第3の電極4,6間に亘って設けられることにより電流経路構成し、発熱抵抗体3からの加熱により、第1、第3の電極4,6間の電流経路を溶断する第1の可溶導体8とを備える。発熱抵抗体3からの加熱により溶融し、第1、第2の電極4,5上に凝集した第1の可溶導体8によって、第1の電極4と第2の電極5とが短絡する。
【選択図】図1
Description
図1(A)に、短絡素子1の平面図を示し、図1(B)に、短絡素子1の断面図を示す。短絡素子1は、絶縁基板2と、絶縁基板2に設けられた発熱抵抗体3と、絶縁基板2に、互いに隣接して設けられた第1の電極4及び第2の電極5と、第1の電極4と隣接して設けられるとともに、発熱抵抗体3に電気的に接続された第3の電極6と、第2の電極5と隣接して設けられた第4の電極7と、第1、第3の電極4,6間に亘って設けられることにより電流経路構成し、発熱抵抗体3からの加熱により、第1、第3の電極4,6間の電流経路を溶断する第1の可溶導体8と、第2、第4の電極5,7間に亘って設けられ、発熱抵抗体3からの加熱により、第2、第4の電極5,7間の電流経路を溶断する第2の可溶導体9とを備える。そして、短絡素子1は、絶縁基板2上に内部を保護するカバー部材10が取り付けられている。
第1、第2の可溶導体8,9は、発熱抵抗体3の発熱により速やかに溶断される低融点金属からなり、例えばSnを主成分とするPbフリーハンダを好適に用いることができる。
以上のような短絡素子1は、図2(A)(B)に示すような回路構成を有する。すなわち、短絡素子1は、第1の電極4aと第2の電極5aとが、正常時には絶縁され(図2(A))、発熱抵抗体3の発熱により第1、第2の可溶導体8,9が溶融すると、当該溶融導体を介して短絡するスイッチ20を構成する(図2(B))。そして、第1の電極端子部4aと第2の電極端子部5aは、スイッチ20の両端子を構成する。また、第1の可溶導体8は、第3の電極6及び発熱体引出電極13を介して発熱抵抗体3と接続されている。
ここで、短絡素子1は、第2の可溶導体9が第1の可溶導体8よりも先行して溶融することが好ましい。第1の可溶導体8が第2の可溶導体9よりも先行して溶融すると、第2の可溶導体9が溶融する前に第1、第3の電極4,6間が遮断され、第1,第2の電極4,5上での溶融導体の結合が不充分となるおそれがある。
また、短絡素子1は、第1の電極4の面積を第3の電極6よりも広くし、第2の電極5の面積を第4の電極7よりも広くすることが好ましい。溶融導体の保持量は、電極面積に比例して多くなるため、第1、第2の電極4,5の面積を第3、第4の電極6,7よりも広く形成することにより、より多くの溶融導体を第1、第2の電極4,5上に凝集させることができ、第1、第2の電極4,5間を確実に短絡させることができる(図1(B)、図3(B))。
なお、短絡素子1は、必ずしも、発熱抵抗体3を絶縁層11によって被覆する必要はなく、図6に示すように、発熱抵抗体3が絶縁基板2の内部に設置されてもよい。絶縁基板2の材料として熱伝導性に優れたものを用いることにより、発熱抵抗体3をガラス層等の絶縁層11を介した場合と同等に加熱することができる。
また、本発明に係る短絡素子は、図9(A)(B)に示すように、短絡素子1の第4の電極7及び第2の可溶導体9を省いて形成してもよい。この短絡素子1では、第1、第3の電極4,6間に亘って接続された第1の可溶導体8が溶融することにより、当該溶融導体が第2の電極5まで濡れ拡がり、第1、第2の電極4,5を短絡させる。短絡素子1は、第4の電極7及び第2の可溶導体9が省かれている他は、上述した構成と同じであるため、同一の符号を付して詳細を省略する。
次いで、短絡素子1を組み込んだ電子機器の回路構成について説明する。図13は、電子機器の例としてLED照明装置30の回路構成を示す図である。図13(A)に示すように、LED照明装置30は、電流経路上に複数の発光ダイオード31が直列に接続されている。また、LED照明装置30は、各発光ダイオード31と、短絡素子1のスイッチ20の両端子4a、5aとが保護抵抗34を介して並列に接続されるとともに、短絡素子1の抵抗体端子部3aが電流経路上に接続され、これによりLEDユニット32を構成する。LED照明装置30は、複数のLEDユニット32が直列に接続されて構成されている。
次いで、短絡素子1を組み込んだ他の電子機器の回路構成について説明する。図14は、クルマや電動工具等の各種電子機器に搭載されて用いられるリチウムイオンバッテリーが内蔵されたバッテリパック40の回路構成を示す図である。図14(A)に示すように、バッテリパック40は、電流経路上に複数のバッテリセル41が直列に接続されることで、高電圧、大電流を確保している。また、バッテリパック40は、各バッテリセル41に、当該バッテリセル41の過充電あるいは過放電等の異常時に電流経路を遮断する保護素子42が接続されている。
保護素子42は、図15(A)(B)に示すように、絶縁基板44と、絶縁基板44に積層され、絶縁部材45に覆われた発熱抵抗体46と、絶縁基板44の両端に形成された電極47(A1),47(A2)と、絶縁部材45上に発熱抵抗体46と重畳するように積層された発熱体引出電極48と、両端が電極47(A1),47(A2)にそれぞれ接続され、中央部が発熱体引出電極48に接続された可溶導体49とを備える。
そして、保護素子42は、図14(A)に示すように、リチウムイオン二次電池のバッテリパック40内の回路に用いられる。バッテリパック40は、バッテリセル41と、保護素子42と、短絡素子1と、保護素子42の動作を制御する第1の電流制御素子52と、短絡素子1の動作を制御する第2の電流制御素子53と、保護抵抗54とで構成されるバッテリユニット51を複数備え、これら複数のバッテリユニット51が直列に接続されている。
また、短絡素子は、予め保護抵抗を内蔵させて形成してもよい。なお、以下の説明において、上述した短絡素子1や保護素子42、LED照明装置30やバッテリパック40と同じ構成については、同一の符号を付してその詳細を省略する。
図19は、短絡素子60を組み込んだLED照明装置62の回路構成を示す図である。LED照明装置62の回路構成は、短絡素子1に代えて短絡素子60を用いた点を除いて、上述したLED照明装置30と同じ構成を有する。すなわち、LED照明装置62の回路構成は、前述の短絡素子60と、発光ダイオード31とを備え、スイッチ20とヒューズ8,9が接続された端子4a及び保護抵抗61の開放端子5aと、発光ダイオード31とを、並列に接続し、発熱抵抗体3は、保護抵抗61と接続し、発光ダイオード31の異常時には、ヒューズ8,9が溶融することによりスイッチ20がオンとなり、バイパス電流経路が形成されるものである。LED照明装置62の回路構成において、短絡素子60の保護抵抗61は、各LEDユニット32の発光ダイオード31の内部抵抗とほぼ同じ抵抗値を有する。
図20は、短絡素子60を組み込んだバッテリパック65の回路構成を示す図である。バッテリパック65の回路構成は、短絡素子1に代えて短絡素子60を用いた点を除いて、上述したバッテリパック40の回路構成と同じ構成を有する。すなわち、バッテリパック65の回路構成は、前述の短絡素子60と、バッテリセル41と、バッテリセル41の電流経路上に接続され、バッテリセル41の異常時に該バッテリセル41への通電を電気信号で遮断する保護素子42と、バッテリセル41の異常を検知し、異常信号を出力する保護部品56と、保護部品56の異常信号を受けて動作する制御素子52,53とを備え、バッテリセル41及び保護素子42の両端と、スイッチ20のヒューズ8.9との接続端子4a及び保護抵抗61の開放端子5aとを並列に接続し、発熱抵抗体3の抵抗体端子部3aと保護素子42の電気信号の入力端子P2を、制御素子52,53に接続し、バッテリセル41の異常時には、保護部品56からの異常信号を受けて制御素子52,53が動作し、保護素子42によるバッテリセル41の電流経路の遮断と、ヒューズ8,9の溶断に連動したスイッチ20の短絡を行い、バイパス電流経路が形成されるものである。バッテリパック65の回路構成において、各バッテリユニット51に設けられた短絡素子60の保護抵抗61は、当該バッテリユニット51のバッテリセル41の内部抵抗とほぼ同じ抵抗値を有する。
Claims (43)
- 絶縁基板と、
上記絶縁基板に設けられた発熱抵抗体と、
上記絶縁基板に、互いに隣接して設けられた第1、第2の電極と、
上記絶縁基板に、上記第1の電極と隣接して設けられるとともに、上記発熱抵抗体に電気的に接続された第3の電極と、
上記第1、第3の電極間に亘って設けられることにより電流経路を構成し、上記発熱抵抗体からの加熱により、上記第1、第3の電極間の上記電流経路を溶断する第1の可溶導体とを備え、
上記発熱抵抗体からの加熱により溶融し、上記第1、第2の電極上に凝集した上記第1の可溶導体によって、上記第1の電極と上記第2の電極とが短絡することを特徴とする短絡素子。 - 上記第2の電極に設けられた第2の可溶導体を備え、
上記発熱抵抗体からの加熱により溶融し、上記第1、第2の電極上に凝集した上記第1、第2の可溶導体によって、上記第1の電極と上記第2の電極とが短絡することを特徴とする請求項1記載の短絡素子。 - 上記絶縁基板に、上記第2の電極と隣接して設けられた第4の電極と、
上記第2、第4の電極間に亘って設けられ、上記発熱抵抗体からの加熱により、上記第2、第4の電極間の上記電流経路を溶断する第2の可溶導体とを有し、
上記発熱抵抗体からの加熱により溶融し、上記第1、第2の電極上に凝集した上記第1、第2の可溶導体によって、上記第1の電極と上記第2の電極とが短絡することを特徴とする請求項1記載の短絡素子。 - 上記絶縁基板上に積層された絶縁層を備え、
上記第1〜第3の電極が、上記絶縁層上に設置され、
上記発熱抵抗体が、上記絶縁層の内部もしくは上記絶縁層と上記絶縁基板の間に設置されている請求項1乃至3のいずれか1項に記載の短絡素子。 - 上記発熱抵抗体が、前記絶縁基板の内部に設置されてなる請求項1乃至3のいずれか1項に記載の短絡素子。
- 上記発熱抵抗体が、前記絶縁基板の電極形成面と反対の面に設置されてなる請求項1乃至3のいずれか1項に記載の短絡素子。
- 上記発熱抵抗体が、前記絶縁基板の電極形成面上に設置されてなる請求項1乃至3のいずれか1項に記載の短絡素子。
- 上記第2の電極に設けられた第2の可溶導体を備え、
上記発熱抵抗体が、上記第1の可溶導体及び上記第2の可溶導体に重畳され、上記第2の可溶導体との重畳面積が、上記第1の可溶導体との重畳面積よりも広い請求項1乃至4のいずれか1項に記載の短絡素子。 - 上記第2の可溶導体の幅が、上記第1の可溶導体よりも狭い請求項2乃至8のいずれか1項に記載の短絡素子。
- 上記第1の電極及び上記第2の電極の表面に、Ni/Auメッキ、Ni/Pdメッキ、Ni/Pd/Auメッキの何れか1つが被覆されている請求項1乃至9のいずれか1項に記載の短絡素子。
- 上記絶縁基板に、上記第2の電極と隣接して設けられた第4の電極と、
上記第2、第4の電極間に亘って設けられ、上記発熱抵抗体からの加熱により、上記第2、第4の電極間の上記電流経路を溶断する第2の可溶導体とを有し、
上記第1の電極の面積が、上記第3の電極よりも広く、上記第2の電極の面積が、上記第4の電極よりも広い請求項1乃至10のいずれか1項に記載の短絡素子。 - 上記絶縁基板上に設けられた内部を保護するカバー部材と、
上記カバー部材の内面に設けられるカバー部電極とを備え、
上記カバー部電極が、上記第1の電極及び上記第2の電極と重畳する位置に設置されてなる請求項1乃至11のいずれか1項に記載の短絡素子。 - 上記絶縁基板上に、上記第1の電極又は上記第2の電極のいずれか一方に接続される保護抵抗を備える請求項1乃至12のいずれか1項に記載の短絡素子。
- 上記第2の電極に設けられた第2の可溶導体を備え、
上記第1及び第2の可溶導体が、Snを主成分とするPbフリーハンダである請求項1乃至13のいずれか1項に記載の短絡素子。 - 上記第2の電極に設けられた第2の可溶導体を備え、
上記第1及び第2の可溶導体が、低融点金属と高融点金属とを含有し、
上記低融点金属が、上記発熱抵抗体から発する熱により溶融することで、上記高融点金属を溶食する請求項1乃至13のいずれか1項に記載の短絡素子。 - 上記低融点金属が、ハンダであり、
上記高融点金属が、Ag、Cu、又はAg若しくはCuを主成分とする合金である請求項15記載の短絡素子。 - 上記第2の電極に設けられた第2の可溶導体を備え、
上記第1及び第2の可溶導体の内層が上記低融点金属であり、外層が上記高融点金属の被覆構造である請求項1乃至13、15又は16のいずれか1項記載の短絡素子。 - 上記第2の電極に設けられた第2の可溶導体を備え、
上記第1及び第2の可溶導体の内層が上記高融点金属であり、外層が上記低融点金属の被覆構造である請求項1乃至13、15又は16のいずれか1項記載の短絡素子。 - 上記第2の電極に設けられた第2の可溶導体を備え、
上記第1及び第2の可溶導体が、上記低融点金属と、上記高融点金属とが積層された積層構造である請求項1乃至13、15又は16のいずれか1項記載の短絡素子。 - 上記第2の電極に設けられた第2の可溶導体を備え、
上記第1及び第2の可溶導体が、上記低融点金属と、上記高融点金属とが交互に積層された4層以上の多層構造である請求項1乃至13、15又は16のいずれか1項記載の短絡素子。 - 上記第2の電極に設けられた第2の可溶導体を備え、
上記第1及び第2の可溶導体が、内層を構成する低融点金属の表面を高融点金属にてストライプ状に部分的に積層する請求項1乃至13、15又は16のいずれか1項記載の短絡素子。 - 上記第2の電極に設けられた第2の可溶導体を備え、
上記第1及び第2の可溶導体が、多数の開口部を有する高融点金属と、上記開口部に挿入された低融点金属とからなる請求項1乃至13、15又は16のいずれか1項記載の短絡素子。 - 上記第2の電極に設けられた第2の可溶導体を備え、
上記第1及び第2の可溶導体の低融点金属の体積が、高融点金属の体積よりも多い請求項1乃至13、15乃至22のいずれか1項に記載の短絡素子。 - ヒューズと、
上記ヒューズの一端に接続された発熱抵抗体と、
上記ヒューズの上記発熱抵抗体が接続されていない他端に接続されたスイッチとを備え、
上記スイッチが、上記ヒューズの溶断に連動して短絡する短絡素子回路。 - ヒューズと、上記ヒューズの一端に接続された発熱抵抗体と、上記ヒューズの上記発熱抵抗体が接続されていない他端に接続されたスイッチとを有し、上記スイッチは、上記ヒューズの溶断に連動して短絡する短絡素子と、
電子部品とを備え、
上記スイッチが、両端子が上記電子部品と並列に接続され、
上記発熱抵抗体の開放端子が、上記スイッチ端子のうち上記ヒューズが接続されていない端子に接続され、
上記電子部品の異常時には、上記ヒューズが溶融することにより上記スイッチが短絡され 、上記電子部品を迂回するバイパス電流経路が形成される補償回路。 - 上記電子部品が、異常時に電気的開放を伴う発光ダイオードである請求項25記載の補償回路。
- 上記バイパス電流経路上に、上記電子部品の内部抵抗相当の保護抵抗が接続されている請求項25又は26に記載の補償回路。
- ヒューズと、上記ヒューズの一端に接続された発熱抵抗体と、上記ヒューズの上記発熱抵抗体が接続されていない他端に接続されたスイッチとを有し、上記スイッチは、上記ヒューズの溶断に連動して短絡する短絡素子と、
電子部品と、
上記電子部品の電流経路上に接続され、上記電子部品の異常時に該電子部品への通電を電気信号で遮断する保護素子と、
上記電子部品の異常を検知し、異常信号を出力する保護部品と、
上記保護部品の異常信号を受けて動作する制御素子とを備え、
上記電子部品及び上記保護素子の両端と、上記スイッチの両端子とを並列に接続し、
上記発熱抵抗体の開放端子と上記保護素子の上記電気信号の入力端子を、上記制御素子に接続し、
上記電子部品の異常時には、上記保護部品からの異常信号を受けて上記制御素子が動作し、上記保護素子による上記電子部品の電流経路の遮断と、上記ヒューズの溶断に連動した上記スイッチの短絡を行い、バイパス電流経路が形成される補償回路。 - 上記電子部品は、異常時に電気的短絡又は熱暴走を伴うバッテリセルである請求項28記載の補償回路。
- 上記バイパス電流経路上に、上記電子部品の内部抵抗相当の保護抵抗が接続されている請求項28又は29に記載の補償回路。
- 上記制御素子は、上記発熱抵抗体の開放端子に接続された第1の制御素子と、上記保護素子の電気信号の入力端子に接続された第2の制御素子とを備え、
上記保護部品及び上記第1、第2の制御素子を制御することにより、上記保護素子による電流経路の遮断を行い、その後、上記短絡素子によるバイパス電流経路を形成する請求項28乃至30のいずれか1項に記載の補償回路。 - ヒューズと、
上記ヒューズの一端に接続された発熱抵抗体と、
上記ヒューズの上記発熱抵抗体が接続されていない他端に接続されたスイッチと、
上記スイッチの端子の少なくとも一方の端子に接続された保護抵抗とを備え、
上記スイッチは、上記ヒューズの溶断に連動して短絡する短絡素子回路。 - ヒューズと、上記ヒューズの一端に接続された発熱抵抗体と、上記ヒューズの上記発熱抵抗体が接続されていない他端に接続されたスイッチと、上記スイッチの端子のうち、上記ヒューズが接続されていない端子に接続された保護抵抗とを有し、上記スイッチは、上記ヒューズの溶断に連動して短絡する短絡素子と、
電子部品とを備え、
上記スイッチと上記ヒューズが接続された端子及び上記保護抵抗の開放端子と、上記電子部品とを、並列に接続し、
上記発熱抵抗体は、上記保護抵抗と接続し、
上記電子部品の異常時には、上記ヒューズが溶融することにより上記スイッチがオンとなり、バイパス電流経路が形成される補償回路。 - 上記電子部品は、異常時に電気的開放を伴う発光ダイオードである請求項33記載の補償回路。
- ヒューズと、上記ヒューズの一端に接続された発熱抵抗体と、上記ヒューズの上記発熱抵抗体が接続されていない他端に接続されたスイッチと、上記スイッチの端子のうち、上記ヒューズが接続されていない端子に接続された保護抵抗とを有し、上記スイッチは、上記ヒューズの溶断に連動して短絡する短絡素子と、
電子部品と、
上記電子部品の電流経路上に接続され、上記電子部品の異常時に該電子部品への通電を電気信号で遮断する保護素子と、
上記電子部品の異常を検知し、異常信号を出力する保護部品と、
上記保護部品の異常信号を受けて動作する制御素子とを備え、
上記電子部品及び上記保護素子の両端と、上記スイッチの上記ヒューズとの接続端子及び上記保護抵抗とを並列に接続し、
上記発熱抵抗体の開放端子と上記保護素子の上記電気信号の入力端子を、上記制御素子に接続し、
上記電子部品の異常時には、上記保護部品からの異常信号を受けて上記制御素子が動作し、上記保護素子による上記電子部品の電流経路の遮断と、上記ヒューズの溶断に連動した上記スイッチの短絡を行い、バイパス電流経路が形成される補償回路。 - 上記電子部品は、異常時に電気的短絡又は熱暴走を伴うバッテリセルである請求項35記載の補償回路。
- 上記制御素子は、上記発熱抵抗体の開放端子に接続された第1の制御素子と、上記保護素子の電気信号の入力端子に接続された第2の制御素子とを備え、
上記保護部品及び上記第1、第2の制御素子を制御することにより、上記保護素子による電流経路の遮断を行い、その後、上記短絡素子によるバイパス電流経路を形成する請求項35又は36に記載の補償回路。 - 上記絶縁基板には、上記可溶導体が設けられた面と同一面に、上記第1の電極と連続する第1の外部接続電極と、上記第1の外部接続電極上に設けられる1又は複数の第1の外部接続端子と、上記第2の電極と連続する第2の外部接続電極と、上記第2の外部接続電極上に設けられる1又は複数の第2の外部接続端子が形成され、
上記第1の電極と上記第2の電極とが短絡したときの、上記第1、第2の外部接続電極間の導通抵抗よりも、上記第1の外部接続端子と上記第2の外部接続端子との合成抵抗が低い請求項1〜23のいずれか1項に記載の短絡素子。 - 上記外部接続端子が、金属バンプ又は金属ポストである請求項38記載の短絡素子。
- 上記金属バンプ又は金属ポストは、高融点金属の表面に低融点金属層が形成されている請求項39記載の短絡素子。
- 上記高融点金属は銅又は銀を主成分とし、上記低融点金属は錫を主成分とする鉛フリー半田である請求項40記載の短絡素子。
- 上記外部接続端子が、錫を主成分とする鉛フリー半田からなる金属バンプである請求項38記載の短絡素子。
- 短絡素子が実装対象物に実装された実装体において、
上記短絡素子は、
絶縁基板と、
上記絶縁基板に設けられた発熱抵抗体と、
上記絶縁基板に、互いに隣接して設けられた第1、第2の電極と、
上記絶縁基板に、上記第1の電極と隣接して設けられるとともに、上記発熱抵抗体に電気的に接続された第3の電極と、
上記第1、第3の電極間に亘って設けられることにより電流経路を構成し、上記発熱抵抗体からの加熱により、上記第1、第3の電極間の上記電流経路を溶断する第1の可溶導体と、
上記絶縁基板の上記第1、第2の電極が形成された面と同一表面に形成され、上記第1の電極と連続する第1の外部接続電極及び上記第2の電極と連続する第2の外部接続電極とを備え、
上記第1の電極が上記第1の外部接続電極上に接続された第1の外部接続端子を介して上記実装対象物と接続され、上記第2の電極が上記第2の外部接続電極上に接続された第2の外部接続端子を介して上記実装対象物と接続され、
上記発熱抵抗体からの加熱により溶融し、上記第1、第2の電極上に凝集した上記第1の可溶導体によって、上記第1の電極と上記第2の電極とが短絡したときの、上記第1、第2の外部接続電極間の導通抵抗よりも、上記第1の外部接続端子と上記第2の外部接続端子との合成抵抗が低いことを特徴とする実装体。
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