JP2016143673A - ヒューズ付きサーミスタ - Google Patents

Abstract

【課題】 柔軟性を失わず薄型化が可能なヒューズ付きサーミスタを提供すること。【解決手段】 絶縁性フィルム２と、絶縁性フィルムの表面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部３と、薄膜サーミスタ部の上に櫛部４ａを有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極４と、一対の櫛型電極に接続され絶縁性フィルムの表面にパターン形成された一対のパターン電極５と、薄膜サーミスタ部に隣接配置されて絶縁性フィルムの表面に形成されていると共に、一対のパターン電極のうち少なくとも一方の途中に導体薄膜でパターン形成され一定以上の温度で溶断するヒューズエレメント１０を有したヒューズ部７とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、過電流が発生した際の熱暴走時に保護回路としてヒューズ機能を有するヒューズ付きサーミスタに関する。

近年、特許文献１に記載されているように、絶縁性フィルム上にサーミスタ薄膜を直接成膜したフィルム型サーミスタセンサが開発されている。このフィルム型サーミスタセンサは、温度センサ等として用いられ、薄いポリイミド等の絶縁性フィルムを基材とすることで薄型かつフレキシブルなセンサであり、曲面等にも貼り付けて設置可能である。

また、従来、サーミスタの異常発熱を防ぐためにヒューズ部を設けたものが提案されている。例えば、特許文献２には、可溶金属線部及びその保持部材を備えたヒューズ機能部と、ＰＴＣ素子とを備えた正特性サーミスタが提案されている。この正特性サーミスタのＰＴＣ素子は、セラミックスからなる略直方体状のものが用いられ、保持部材としては、可溶金属線部を保持する合成樹脂又はマイカ等で形成されたものが用いられている。
なお、ヒューズ単体としては、例えば特許文献３には、ガラスクロス樹脂基板、アルミナ等のセラミックス基板又は合成樹脂基板等の絶縁基板と、この絶縁基板上に設けられたポリイミド樹脂層と、このポリイミド樹脂層上にヒューズパターンを構成して設けられたヒューズエレメントとを具備したものが記載されている。

特開２０１３−１７９１６１号公報 特開平８−８７９４９号公報 特開２００１−５２５９３号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、ポリイミド等の絶縁性フィルムを基材として使用した場合、温度測定中に過電流が発生すると、周囲の状況によって熱暴走を引き起こす可能性がある。このように熱暴走が発生した場合、程度によってはサーミスタ素子が熱破壊される可能性があるが、破壊モードは熱による樹脂フィルムの炭化によってショートモードで破壊される可能性がある。このため、サーミスタにヒューズ機能を付加することが検討されている。しかしながら、特許文献２のようにヒューズ機能部を有したサーミスタが提案されているが、このサーミスタでは、ＰＴＣ素子とヒューズ機能部とが別部材であり、給電端子部材を介して互いに接続されているが、各部材に柔軟性がなく全体としても厚くなってしまうという問題があった。また、ヒューズ単体としては特許文献３に記載のものがあるが、このような厚い絶縁基板を用いたヒューズを表面実装してフィルム型サーミスタと接続すると、やはり全体的に厚くなってしまうと共に柔軟性を失ってしまう不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、柔軟性を失わず薄型化が可能なヒューズ付きサーミスタを提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係るヒューズ付きサーミスタは、絶縁性フィルムと、該絶縁性フィルムの表面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部と、前記薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に櫛部を有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極と、前記一対の櫛型電極に接続され前記絶縁性フィルムの表面にパターン形成された一対のパターン電極と、前記薄膜サーミスタ部に隣接配置されて前記絶縁性フィルムの表面に形成されていると共に、一対の前記パターン電極のうち少なくとも一方の途中に導体薄膜でパターン形成され一定以上の温度で溶断するヒューズエレメントを有したヒューズ部とを備えていることを特徴とする。
すなわち、このヒューズ付きサーミスタでは、絶縁性フィルムの表面に形成されたパターン電極の途中に導体薄膜でパターン形成され一定以上の温度で溶断するヒューズエレメントを有したヒューズ部を備えているので、ヒューズ部も薄膜サーミスタ部と共に絶縁性フィルム上への導体薄膜の積層で構成されて柔軟性を有していることで、全体の柔軟性が失われず薄型化を図ることができる。

第２の発明に係るヒューズ付きサーミスタは、第１の発明において、前記ヒューズ部上に樹脂層がパターン形成されていることを特徴とする。
すなわち、このヒューズ付きサーミスタでは、ヒューズ部上に樹脂層がパターン形成されているので、樹脂層がヒューズエレメントを溶断させ易くし、消弧性を向上させることができる。特に、ヒューズエレメントが絶縁性フィルムと樹脂層とで挟まれていることで、熱放散が抑制されて、溶断し易くなる。

第３の発明に係るヒューズ付きサーミスタは、第２の発明において、前記櫛型電極から前記ヒューズ部までの前記パターン電極が、前記ヒューズ部の線幅よりも広い幅で前記樹脂層の下部まで延在していることを特徴とする。
すなわち、このヒューズ付きサーミスタでは、櫛型電極からヒューズ部までのパターン電極が、ヒューズ部の線幅よりも広い幅で樹脂層の下部まで延在しているので、隣接した薄膜サーミスタ部の熱を幅広なパターン電極を介して樹脂層下のヒューズ部まで伝え易くなり、ヒューズ部への熱伝導性が向上し、溶断の高い応答性が得られる。

第４の発明に係るヒューズ付きサーミスタは、第２又は第３の発明において、前記樹脂層が、前記薄膜サーミスタ部及び前記櫛型電極の上部まで延在して形成されて前記薄膜サーミスタ部及び前記櫛型電極を覆う保護膜とされていることを特徴とする。
すなわち、このヒューズ付きサーミスタでは、樹脂層が、薄膜サーミスタ部及び櫛型電極の上部まで延在して形成されて薄膜サーミスタ部及び櫛型電極を覆う保護膜とされているので、隣接した薄膜サーミスタ部の熱が樹脂層を介してもヒューズ部へ伝わり、ヒューズ部への熱伝導性が向上し、溶断の高い応答性が得られる。

第５の発明に係るヒューズ付きサーミスタは、第１から第４の発明のいずれかにおいて、前記ヒューズエレメントが、前記絶縁性フィルムに直接成膜されたＣｒ又はＮｉＣｒの接合層と、前記接合層上に形成されたＣｕ層と、前記Ｃｕ層上に形成されたＳｎ層との積層膜で構成されていることを特徴とする。
すなわち、このヒューズ付きサーミスタでは、ヒューズエレメントが、絶縁性フィルムに直接成膜されたＣｒ又はＮｉＣｒの接合層と、接合層上に形成されたＣｕ層と、Ｃｕ層上に形成されたＳｎ層との積層膜で構成されているので、Ｃｕ層が接合層を介して絶縁性フィルムに接着されると共に、ヒューズ部の自己発熱および流入する熱によってＳｎ層が溶融する際に、Ｓｎ層がＣｕ層に拡散して低融点化し、ヒューズエレメントが溶断する。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るヒューズ付きサーミスタによれば、絶縁性フィルムの表面に形成されたパターン電極の途中に導体薄膜でパターン形成され一定以上の温度で溶断するヒューズエレメントを有したヒューズ部を備えているので、ヒューズ部も薄膜サーミスタ部と共に絶縁性フィルム上への導体薄膜の積層で構成されて柔軟性を有していることで、全体の柔軟性が失われず薄型化を図ることができる。

本発明に係るヒューズ付きサーミスタの第１実施形態を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 本発明に係るヒューズ付きサーミスタの第２実施形態を示す断面図である。

以下、本発明に係るヒューズ付きサーミスタにおける第１実施形態を、図１及び図２を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面の一部では、各部を認識可能又は認識容易な大きさとするために必要に応じて縮尺を適宜変更している。

本実施形態のヒューズ付きサーミスタ１は、図１及び図２に示すように、絶縁性フィルム２と、絶縁性フィルム２の表面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部３と、薄膜サーミスタ部３の上に櫛部４ａを有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極４と、一対の櫛型電極４に接続され絶縁性フィルム２の表面にパターン形成された一対のパターン電極５と、薄膜サーミスタ部３に隣接配置されて絶縁性フィルム２の表面に形成されていると共に、一対のパターン電極５のうち少なくとも一方の途中に導体薄膜でパターン形成され一定以上の温度で溶断するヒューズエレメント１０を有したヒューズ部７とを備えている。

上記ヒューズ部７上には、樹脂層８がパターン形成されている。
また、本実施形態のヒューズ付きサーミスタ１は、薄膜サーミスタ部３及び櫛型電極４を覆う樹脂で形成された保護膜９を備えている。
上記櫛型電極４からヒューズ部７までのパターン電極５は、ヒューズ部７の線幅よりも広い幅で樹脂層８の下部まで延在している。本実施形態では、ヒューズ部７に接続されるパターン電極５の幅は、薄膜サーミスタ部３の幅以上に設定される。

上記絶縁性フィルム２は、略長方形状とされ、例えば厚さ７．５〜１２５μｍのポリイミド樹脂シートで帯状に形成されている。
上記薄膜サーミスタ部３は、例えばＴｉＡｌＮのサーミスタ材料で形成されている。特に、薄膜サーミスタ部３は、一般式：Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相である。

上記パターン電極５及び櫛型電極４は、薄膜サーミスタ部３上に形成された膜厚５〜１００ｎｍのＣｒ又はＮｉＣｒの接合層６ａと、該接合層６ａ上にＡｕ等の貴金属で膜厚５０〜１０００ｎｍで形成されたＣｕ層６ｂとを有している。
上記ヒューズエレメント１０は、絶縁性フィルム２に直接成膜されたＣｒ又はＮｉＣｒの接合層６ａと、接合層６ａ上に形成されたＣｕ層６ｂと、Ｃｕ層６ｂ上に形成されたＳｎ層１０ａとの積層膜で構成されている。
すなわち、パターン電極５及び櫛型電極４は、ヒューズ部７の接合層６ａ及びＣｕ層６ｂと同時にパターン形成される。

ヒューズ部７は、接合層６ａ及びＣｕ層６ｂによりコ字状にパターン形成されており、パターン電極５との接続部を含んだ４つの角部に矩形状のＳｎ層１０ａをパターン形成して４つのヒューズエレメント１０を間隔を空けて有している。このようにコ字状やミアンダ形状のヒューズ部７とすることで、直線状にした場合に比べて全長が長くなって高抵抗化でき、特に過電流時に温度が高くなる角部にヒューズエレメント１０を設けることで、自己発熱による溶断性を高めている。

一対の櫛型電極４は、互いに対向状態に配されて交互に複数の櫛部４ａが並んだ櫛型パターンとされている。なお、図１では、概略的に図示しているため、図示している櫛部４ａの本数は少ないが、より多くの櫛部４ａを配することが好ましい。
なお、櫛部４ａは、絶縁性フィルム２の延在方向に沿って延在している。

一対のパターン電極５は、櫛型電極４に一端部が接続され、他端部が絶縁性フィルム２の両側部に配されて電極パッドを構成している。
上記保護膜９は、絶縁性樹脂膜等であり、例えば厚さ２０μｍのポリイミド膜が採用される。

このヒューズ付きサーミスタ１では、過電流が発生し、薄膜サーミスタ部３で熱暴走が生じて破壊を起こす段階になると、薄膜サーミスタ部３が低抵抗になると共に多くの熱を発生することで、直列に接続された近傍のヒューズ部７の電流量が増え、さらに熱がヒューズ部７に流入することで、ヒューズエレメント１０の溶断が起こり、安全に破壊に至る。また、ヒューズエレメント１０が導体薄膜の積層であるので、熱暴走による破壊等の数ｍＡの低い電流値でも、ヒューズエレメント１０が溶断可能な一定温度以上に達し、溶断することが可能である。

このように本実施形態のヒューズ付きサーミスタ１では、絶縁性フィルム２の表面に形成されたパターン電極５の途中に導体薄膜でパターン形成され一定以上の温度で溶断するヒューズエレメント１０を有したヒューズ部７を備えているので、ヒューズ部７も薄膜サーミスタ部３と共に絶縁性フィルム２上への導体薄膜の積層で構成されて柔軟性を有していることで、全体の柔軟性が失われず薄型化を図ることができる。

また、ヒューズ部７上に樹脂層８がパターン形成されているので、樹脂層８がヒューズエレメント１０を溶断させ易くし、消弧性を向上させることができる。特に、ヒューズエレメント１０が樹脂の絶縁性フィルム２と樹脂層８とで挟まれていることで、熱放散が抑制されて、溶断し易くなる。
また、櫛型電極４からヒューズ部７までのパターン電極５が、ヒューズ部７の線幅よりも広い幅で樹脂層８の下部まで延在しているので、隣接した薄膜サーミスタ部３の熱を幅広なパターン電極５を介して樹脂層８下のヒューズ部７まで伝え易くなり、ヒューズ部７への熱伝導性が向上し、溶断の高い応答性が得られる。

さらに、ヒューズエレメント１０が、絶縁性フィルム２に直接成膜されたＣｒ又はＮｉＣｒの接合層６ａと、接合層６ａ上に形成されたＣｕ層６ｂと、Ｃｕ層６ｂ上に形成されたＳｎ層１０ａとの積層膜で構成されているので、Ｃｕ層６ｂが接合層６ａを介して絶縁性フィルム２に接着されると共に、熱が流入してＳｎ層１０ａが溶融する際に、Ｓｎ層１０ａがＣｕ層６ｂに拡散して低融点化し、ヒューズエレメント１０が溶断する。

次に、本発明に係るヒューズ付きサーミスタの第２実施形態について、図３を参照して以下に説明する。なお、以下の実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、保護膜９と樹脂層８とを分離してパターン形成しているのに対し、第２実施形態のヒューズ付きサーミスタ２１では、図３に示すように、樹脂層２９が、薄膜サーミスタ部３及び櫛型電極４の上部まで延在して形成されている点である。すなわち、第２実施形態では、樹脂層２９が、薄膜サーミスタ部３及び櫛型電極４を覆う保護膜としても機能しており、樹脂層２９が薄膜サーミスタ部３及び櫛型電極４を覆う保護膜と一体化して、薄膜サーミスタ部３とヒューズ部７とが樹脂層２９で繋がっている。

したがって、第２実施形態のヒューズ付きサーミスタ２１では、樹脂層２９が、薄膜サーミスタ部３及び櫛型電極４の上部まで延在して形成されて薄膜サーミスタ部３及び櫛型電極４を覆う保護膜とされているので、隣接した薄膜サーミスタ部３の熱が樹脂層２９を介してもヒューズ部７へ伝わり、ヒューズ部７への熱伝導性が向上し、溶断の高い応答性が得られる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、本実施形態では、一対のパターン電極のうち一方にヒューズ部を接続しているが、一対のパターン電極の両方にそれぞれヒューズ部を接続しても構わない。

１，２１…ヒューズ付きサーミスタ、２…絶縁性フィルム、３…薄膜サーミスタ部、４…櫛型電極、４ａ…櫛部、５…パターン電極、６ａ…接合層、６ｂ…Ｃｕ層、７…ヒューズ部、８，２９…樹脂層、９…保護膜、１０…ヒューズエレメント、１０ａ…Ｓｎ層

Claims (5)

1. 絶縁性フィルムと、
   該絶縁性フィルムの表面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部と、
   前記薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に櫛部を有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極と、
   前記一対の櫛型電極に接続され前記絶縁性フィルムの表面にパターン形成された一対のパターン電極と、
   前記薄膜サーミスタ部に隣接配置されて前記絶縁性フィルムの表面に形成されていると共に、一対の前記パターン電極のうち少なくとも一方の途中に導体薄膜でパターン形成され一定以上の温度で溶断するヒューズエレメントを有したヒューズ部とを備えていることを特徴とするヒューズ付きサーミスタ。
2. 請求項１に記載のヒューズ付きサーミスタにおいて、
   前記ヒューズ部上に樹脂層がパターン形成されていることを特徴とするヒューズ付きサーミスタ。
3. 請求項２に記載のヒューズ付きサーミスタにおいて、
   前記櫛型電極から前記ヒューズ部までの前記パターン電極が、前記ヒューズ部の線幅よりも広い幅で前記樹脂層の下部まで延在していることを特徴とするヒューズ付きサーミスタ。
4. 請求項２又は３に記載のヒューズ付きサーミスタにおいて、
   前記樹脂層が、前記薄膜サーミスタ部及び前記櫛型電極の上部まで延在して形成されて前記薄膜サーミスタ部及び前記櫛型電極を覆う保護膜とされていることを特徴とするヒューズ付きサーミスタ。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のヒューズ付きサーミスタにおいて、
   前記ヒューズエレメントが、前記絶縁性フィルムに直接成膜されたＣｒ又はＮｉＣｒの接合層と、前記接合層上に形成されたＣｕ層と、前記Ｃｕ層上に形成されたＳｎ層との積層膜で構成されていることを特徴とするヒューズ付きサーミスタ。

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