JP6173859B2 - 短絡素子 - Google Patents

Description

本発明は、開放状態の電源ラインや信号ラインを電気信号により物理的且つ電気的に短絡させる短絡素子に関する。

充電して繰り返し利用することのできる二次電池の多くは、バッテリパックに加工されてユーザに提供される。特に重量エネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池においては、ユーザ及び電子機器の安全を確保するために、一般的に、過充電保護、過放電保護等のいくつもの保護回路をバッテリパックに内蔵し、所定の場合にバッテリパックの出力を遮断する機能を有している。

この種の保護素子には、バッテリパックに内蔵されたＦＥＴスイッチを用いて出力のＯＮ／ＯＦＦを行うことにより、バッテリパックの過充電保護又は過放電保護動作を行うものがある。しかしながら、何らかの原因でＦＥＴスイッチが短絡破壊した場合、雷サージ等が印加されて瞬間的な大電流が流れた場合、あるいはバッテリセルの寿命によって出力電圧が異常に低下したり、逆に過大な異常電圧を出力したり、直列接続バッテリセルの各々の電圧ばらつきが大きくなったりした場合であっても、バッテリパックや電子機器は、発火等の事故から保護されなければならない。そこで、このような想定し得るいかなる異常状態においても、バッテリセルの出力を安全に遮断するために、外部からの信号によって電流経路を遮断する機能を有するヒューズ素子からなる保護素子が用いられている。

リチウムイオン二次電池等向けの保護回路の保護素子としては、特許文献１に記載されているように、電流経路上の第１の電極，発熱体引出電極，第２の電極間に亘って可溶導体を接続して電流経路の一部をなし、この電流経路上の可溶導体を、過電流による自己発熱、あるいは保護素子内部に設けた発熱体によって溶断するものがある。このような保護素子では、溶融した液体状の可溶導体を発熱体に繋がる導体層上に集めることにより第１、第２の電極間を分離し電流経路を遮断する。

特開２０１０−００３６６５号公報 特開２００４−１８５９６０号公報 特開２０１２−００３８７８号公報

ところで、近年、バッテリとモーターを使用したＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）やＥＶ（Electric Vehicle）が急速に普及している。ＨＥＶやＥＶの動力源としては、エネルギー密度と出力特性からリチウムイオン二次電池が使用されるようになってきている。自動車用途では、高電圧、大電流が必要とされる。このため、高電圧、大電流に耐えられる専用セルが開発されているが、製造コスト上の問題から多くの場合、複数のバッテリセルを直列、並列に接続することで、汎用セルを用いて必要な電圧電流を確保している。

ここで、高速移動中の自動車等では、急激な駆動力の低下や急停止は却って危険な場合があり、非常時を想定したバッテリ管理が求められている。例えば、走行中にバッテリーシステムの異常が起きた際にも、修理工場もしくは安全な場所まで移動するための駆動力、あるいはハザードランプやエアコン用の駆動力を供給できることが、危険回避上、好ましい。

しかし、特許文献１のような複数のバッテリセルが直列に接続されたバッテリパックにおいては、充放電経路上にのみ保護素子を設けたような場合、バッテリセルの一部に異常が発生し保護素子を作動させると、バッテリパック全体の充放電経路が遮断されてしまい、これ以上、電力を供給することができない。

そこで、複数セルで構成されたバッテリパック内の異常なバッテリセルのみを排除し、正常なバッテリセルを有効に活用するために、異常なバッテリセルのみをバイパスするバイパス経路を形成することができる短絡素子が提案されている。

この短絡素子５０は、図２０に示すように、充放電経路上においてバッテリセル５１と並列に接続され、正常時には開放されている二つの開放電極５２，５３と、溶融することにより二つの開放電極５２，５３間を短絡させる可溶導体５４と、可溶導体５４と直列に接続され、当該可溶導体５４を溶融させる発熱体５５を有する。

発熱体５５は、充放電経路を介して電流が流れることにより自己発熱し、この熱（ジュール熱）によって可溶導体５４を溶融させる。発熱体５５は、ＦＥＴ等の電流制御素子５６と接続されている。電流制御素子５６は、バッテリセル５１の正常時には発熱体５５への給電を規制し、異常時に充放電経路を介して発熱体５５へ電流が流れるように制御する。

短絡素子５０が用いられたバッテリ回路は、バッテリセル５１に異常電圧等が検出されると、保護素子５７によって当該バッテリセル５１を充放電経路上から遮断するとともに、電流制御素子５６を作動させ、発熱体５５へ電流を流す。これにより、発熱体５５の熱により可溶導体５４が溶融し、溶融導体が二つの開放電極５２，５３上に凝集、結合する。したがって、開放電極５２，５３は溶融導体５４によって短絡され、これにより、バッテリセル５１をバイパスする電流経路を形成することができる。

また、短絡素子５０は、可溶導体５４が溶融することにより、発熱体５５への通電経路が遮断されるため、発熱体５５の発熱が停止する。

ここで、この種の短絡素子５０においては、可溶導体５４の溶融によって開放電極５２，５３間を確実に短絡させることが求められる。すなわち、短絡素子５０は、可溶導体５４の溶融導体が開放電極５２，５３間に亘って凝集することによって開放電極５２，５３を短絡させるものであり、また可溶導体５４が溶融すると発熱体５５への通電経路が遮断され、これ以上の可溶導体５４の加熱ができなくなる。

したがって、短絡素子５０は、可溶導体５４の溶融導体が開放電極５２，５３間に亘って凝集しない場合には短絡させることができないまま、可溶導体５４が溶融することによって発熱体５５への通電も停止されることから、バイパス電流経路を形成することができない。そのため、電源回路においては、可溶導体の溶融によって確実に開放電極間を短絡させバイパス電流経路を形成することができる短絡素子が望まれている。

また、電源回路以外にも、例えば各種デバイスのアクティベーションをソフトウェアで行うのではなく、短絡素子を用いて物理的、不可逆的に行う等の用途においても、可溶導体の溶融によって開放電極間を短絡させ、機能回路を導通させることにより、確実に当該デバイスのアクティベーションを行うことも提案されている。

そこで、本発明は、可溶導体の溶融によって確実に開放電極間を短絡させることができる短絡素子を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明に係る短絡素子は、近接配置されるとともに絶縁されている第１、第２の電極と、溶融することにより上記第１、第２の電極間を短絡させる可溶導体と、通電されることにより発熱し、上記可溶導体を溶融させる発熱体と、上記第１、第２の電極間に跨って上記第１、第２の電極と対向配置され、上記可溶導体の溶融導体を上記第１、第２の電極間に集めるブリッジ電極とを有するものである。

本発明によれば、可溶導体の溶融導体を集めるブリッジ電極が、第１、第２の電極間に跨って、第１、第２の電極と対向して設けられているため、溶融導体が第１、第２の電極間に亘って凝集され、確実に第１、第２の電極間を短絡させることができる。

図１は、本発明が適用された短絡素子を示す図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は回路図である。 図２は、本発明が適用された短絡素子を示す図１（Ａ）の中央部断面図である。 図３は、本発明が適用された短絡素子を、蓋体を省略して示す平面図である。 図４は、可溶導体が溶融された短絡素子を示す図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は回路図である。 図５は、発熱体ユニットを搭載する状態を示す断面図である。 図６は、本発明が適用された短絡素子を用いた短絡回路を示す回路図である。 図７は、本発明が適用された短絡素子を用いたバッテリ回路図を示す回路図である。 図８は、発熱体が絶縁基板の裏面に形成された発熱体ユニットを示す断面図である。 図９は、発熱体が絶縁層の内部に形成された発熱体ユニットを示す断面図である。 図１０は、発熱体が絶縁基板の内部に形成された発熱体ユニットを示す断面図である。 図１１は、発熱体、ブリッジ電極及び発熱体電極が絶縁基板の表面に形成された発熱体ユニットを示す平面図である。 図１２は、高融点金属層と低融点金属層を有し、被覆構造を備える可溶導体を示す斜視図であり、（Ａ）は高融点金属層を内層とし低融点金属層で被覆した構造を示し、（Ｂ）は低融点金属層を内層とし高融点金属層で被覆した構造を示す。 図１３は、高融点金属層と低融点金属層の積層構造を備える可溶導体を示す斜視図であり、（Ａ）は上下２層構造、（Ｂ）は内層及び外層の３層構造を示す。 図１４は、高融点金属層と低融点金属層の多層構造を備える可溶導体を示す断面図である。 図１５は、高融点金属層の表面に線状の開口部が形成され低融点金属層が露出されている可溶導体を示す平面図であり、（Ａ）は長手方向に沿って開口部が形成されたもの、（Ｂ）は幅方向に沿って開口部が形成されたものである。 図１６は、高融点金属層の表面に円形の開口部が形成され低融点金属層が露出されている可溶導体を示す平面図である。 図１７は、高融点金属層に円形の開口部が形成され、内部に低融点金属が充填された可溶導体を示す平面図である。 図１８は、高融点金属によって囲まれた低融点金属が露出された可溶導体を示す斜視図である。 図１９は、図１８に示す可溶導体を用いた短絡素子を示す断面図である。 図２０は、参考例に係る短絡素子が用いられたバッテリ回路を示す回路図である。

以下、本発明が適用された短絡素子について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。また、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることがある。具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

本発明が適用された短絡素子１は、図１〜図３に示すように、近接配置されるとともに絶縁されている第１、第２の電極１１，１２と、溶融することにより第１、第２の電極１１，１２間を短絡させる可溶導体１３と、絶縁基板１４と、絶縁基板１４上に形成され、通電されることにより発熱し、可溶導体１３を溶融させる発熱体１５と、第１、第２の電極１１，１２間に跨って第１、第２の電極１１，１２と対向配置され、可溶導体１３の溶融導体を第１、第２の電極１１，１２間に集めるブリッジ電極１６とを有する。

［第１、第２の電極］
第１、第２の電極１１，１２は、近接配置されるとともに絶縁され、短絡素子１が作動することにより、後述する可溶導体１３の溶融導体を介して短絡されるスイッチ２を構成する。第１、第２の電極１１，１２は、保護ケース２５の内外に亘って配設され、一端が保護ケース２５の内部において互いに近接され、他端が保護ケース２５の外部に導出されている。短絡素子１は、第１、第２の電極１１，１２の他端を介して電源回路やデジタル信号回路等の外部回路と接続される。

［絶縁基板］
絶縁基板１４は、たとえば、アルミナ、ガラスセラミックス、ムライト、ジルコニアなどの絶縁性を有する部材を用いて略方形状に形成されている。絶縁基板１４は、その他にも、ガラスエポキシ基板、フェノール基板等のプリント配線基板に用いられる材料を用いてもよいが、可溶導体１３の溶断時の温度に留意する必要がある。

［発熱体］
発熱体１５は、比較的抵抗値が高く通電すると発熱する導電性を有する部材であって、たとえばＷ、Ｍｏ、Ｒｕ等からなる。これらの合金あるいは組成物、化合物の粉状体を樹脂バインダ等と混合して、ペースト状にしたものを絶縁基板１４上にスクリーン印刷技術を用いてパターン形成して、焼成する等によって形成する。

発熱体１５は、絶縁基板１４の表面１４ａ上において絶縁層１７に被覆されている。絶縁層１７は、発熱体１５の保護及び絶縁を図るとともに、発熱体１５の熱を効率よくブリッジ電極１６へ伝えるために設けられ、例えばガラス層からなる。ブリッジ電極１６は、発熱体１５によって加熱されることにより、可溶導体１３の溶融導体を凝集しやすくすることができる。

また、発熱体１５は、一端が発熱体電極１８と接続され、他端が発熱体引出電極１９と接続されている。発熱体電極１８は、絶縁基板１４に形成されるとともに発熱体１５の一端と接続された上層部１８ａと、絶縁層１７上に形成されるとともに可溶導体１３と接続された下層部１８ｂとを有する。発熱体１５の他端と接続されている発熱体引出電極１９は、絶縁基板１４に形成されるとともに、第３の電極２０と接続されている。第３の電極２０は、保護ケース２５の内外に亘って配設され、一端が保護ケース２５の内部において発熱体引出電極１９と接続され、他端が保護ケース２５の外部に導出されるとともに外部回路と接続されている。

かかる短絡素子１は、第１の電極１１から可溶導体１３、発熱体電極１８、発熱体１５、発熱体引出電極１９を経て第３の電極２０に至る、発熱体１５への通電経路３が形成されている。通電経路３は、第３の電極２０と接続された電流制御素子３２によって通電が制御され、バッテリの異常電圧時やデバイスのアクティベーション等、必要に応じて通電され、発熱体１５が発熱される。また、通電経路３は、発熱体１５が発熱することにより可溶導体１３が溶融すると、可溶導体１３を介して接続されていた第１の電極１１と発熱体電極１８との間が遮断されるため、給電が停止され、発熱体１５の発熱が止まる。

［ブリッジ電極］
ブリッジ電極１６は、第１、第２の電極１１，１２間に跨って第１、第２の電極１１，１２と対向配置されている。そして、可溶導体１３の溶融導体は、ブリッジ電極１６によって第１、第２の電極１１，１２間に集められ、これにより、図４に示すように、第１、第２の電極１１，１２が可溶導体１３の溶融導体を介して短絡される。

ブリッジ電極１６は、絶縁層１７上に形成される。また、ブリッジ電極１６は、絶縁層１７を介して発熱体１５と重畳した位置に形成される。これにより、ブリッジ電極１６は発熱体１５の熱により加熱され、より多くの溶融導体を第１、第２の電極１１，１２上に集めることができる。したがって、ブリッジ電極１６は、確実に第１、第２の電極１１，１２を短絡させることができる。

また、ブリッジ電極１６は、絶縁層１７上において、発熱体電極１８の下層部１８ｂと離間して形成されている。可溶導体１３の溶融導体は、ブリッジ電極１６と発熱体電極１８とがガラス等の絶縁層１７を介して分離されているため、ブリッジ電極１６と発熱体電極１８の一方側に引き寄せられる。これにより短絡素子１は、ブリッジ電極１６に引き寄せられた溶融導体と、発熱体電極１８に引き寄せられた溶融導体とが離間され、第１の電極１１と発熱体電極１８との間を遮断させることができる。

［電極表面メッキ処理］
ここで、ブリッジ電極１６や発熱体電極１８は、ＣｕやＡｇ等の一般的な電極材料を用いて形成することができる。また、ブリッジ電極１６や発熱体電極１８の表面上には、Ｎｉ／Ａｕメッキ、Ｎｉ／Ｐｄメッキ、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕメッキ等の被膜が、公知のメッキ処理により形成されていることが好ましい。これにより、短絡素子１は、ブリッジ電極１６や発熱体電極１８の酸化を防止し、溶融導体を確実に保持させることができる。また、短絡素子１をリフロー実装する場合に、可溶導体１３を接続する接続用ハンダ２１あるいは可溶導体１３の外層を形成する低融点金属が溶融することによりブリッジ電極１６や発熱体電極１８を溶食（ハンダ食われ）するのを防ぐことができる。なお、短絡素子１は、ブリッジ電極１６や発熱体電極１８に加え、第１、第２の電極１１，１２の表面上にもＮｉ／Ａｕメッキ、Ｎｉ／Ｐｄメッキ、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕメッキ等の被膜を形成してもよいのはもちろんである。

［可溶導体］
可溶導体１３は、発熱体１５の発熱により速やかに溶融されるいずれの金属を用いることができ、例えば、Ｓｎを主成分とするＰｂフリーハンダ等の低融点金属を好適に用いることができる。

また、可溶導体１３は、低融点金属と高融点金属とを含有してもよい。低融点金属としては、Ｓｎを主成分とするＰｂフリーハンダなどのハンダを用いることが好ましく、高融点金属としては、Ａｇ、Ｃｕ又はこれらを主成分とする合金などを用いることが好ましい。高融点金属と低融点金属とを含有することによって、短絡素子１をリフロー実装する場合に、リフロー温度が低融点金属の溶融温度を超えて、低融点金属が溶融しても、低融点金属の外部への流出を抑制し、可溶導体１３の形状を維持することができる。また、溶断時も、低融点金属が溶融することにより、高融点金属を溶食（ハンダ食われ）することで、高融点金属の融点以下の温度で速やかに溶断することができる。なお、可溶導体１３は、後に説明するように、様々な構成によって形成することができる。

可溶導体１３は、発熱体１５が発熱されると発熱体１５の熱によって溶融し、溶融導体がブリッジ電極１６上に凝集することにより、第１、第２の電極１１，１２間を短絡させるものであり、例えば図１に示すように、ブリッジ電極１６上に接続用ハンダ２１を介して接続されることにより、第１、第２の電極１１，１２上に跨って配置されている。

また、可溶導体１３は、発熱体１５の発熱前においては第１の電極１１と発熱体電極１８との間に接続され、発熱体１５への通電経路３の一部を構成する。そして、可溶導体１３は、第１の電極１１上に接続用ハンダ２１を介して導通接続されるとともに、第２の電極１２上の少なくとも一部分に設けられた絶縁スペーサ２２を介して支持されている。絶縁スペーサ２２は、例えば樹脂層によって第１の電極１１上に設けられた接続用ハンダ２１と略同じ厚さに形成される。これにより、可溶導体１３は、溶融前においては、第１の電極１１及び第２の電極１２上において接続用ハンダ２１及び絶縁スペーサ２２によって支持されるとともに、第１の電極１１と電気的に接続され、第２の電極１２とは絶縁される。

［その他の構成］
短絡素子１は、可溶導体１３の酸化防止、及び溶融時における濡れ性を向上させるために、可溶導体１３と、絶縁層１７及び第１、第２の電極１１，１２との間にはフラックス２３が供給されている。

また、短絡素子１は、保護ケース２５に収納されることにより保護されている。保護ケース２５は、筐体２５ａと、蓋体２５ｂとを有する。保護ケース２５は、たとえば熱可塑性プラスチック等のエンジニアリングプラスチックを用いて形成することができる。また、筐体２５ａは、インジェクションモールド成型により、予め形成された第１〜第３の電極１１，１２，２０と一体に成型され、これにより、図１（Ａ）、図２、図３に示すように、第１、第２の電極１１，１２が筐体２５ａの内部において、一端が近接されるとともに絶縁された状態で配置され、また、第１〜第３の電極１１，１２，２０の各他端が外部に導出されている。

短絡素子１は、第１、第２の電極１１，１２を、Ｃｕ合金系素材、鉄合金系素材、その他の機械的強度、電気伝導度、熱伝導度、耐食性などに優れた金属素材の薄板により形成してもよい。これにより、短絡素子１は、第１、第２の電極１１，１２を低抵抗、高定格のリードフレームとして用いることができ、大電流用途にも耐えられるものとなる。

筐体２５ａ内に配置された第１の電極１１には絶縁スペーサ２２及び可溶導体１３と接続する接続用ハンダ２１が設けられ、第２の電極１２には、可溶導体１３との絶縁を図るとともに第１、第２の電極１１，１２上に支持する絶縁スペーサ２２が設けられる。また、第３の電極２０には、発熱体引出電極１９と接続する接続用ハンダ２１が設けられる。

［発熱体ユニット］
この筐体２５ａ内には、絶縁基板１４、発熱体１５及び可溶導体１３が一体に形成された発熱体ユニット２７が搭載される。図５に示す発熱体ユニット２７は、絶縁基板１４に発熱体１５及び絶縁層１７が形成され、この絶縁層１７上にブリッジ電極１６、発熱体電極１８、及び発熱体引出電極１９が形成され、さらにブリッジ電極１６及び発熱体電極１８上に接続用ハンダ２１を介して可溶導体１３が接続されている。

発熱体ユニット２７は、可溶導体１３が第１、第２の電極１１，１２上に搭載される。その後、筐体２５ａ内にフラックス２３が供給され、蓋体２５ｂによって閉塞されることにより短絡素子１が形成される。

このような短絡素子１は、図６に示す回路構成を有する。すなわち、短絡素子１は、動作前の状態において、第１の電極１１と第２の電極１２とが近接されるとともに離間されることにより絶縁され、可溶導体１３が溶融することにより短絡するスイッチ２を構成する。第１、第２の電極１１，１２は、短絡素子１が実装される回路基板の電流経路上に直列接続されることにより、電源回路等の各種外部回路２８Ａ，２８Ｂ間に組み込まれる。

また、短絡素子１は、第１の電極１１から可溶導体１３及び発熱体電極１８を介して発熱体１５が連続し、さらに発熱体引出電極１９を介して第３の電極２０へ至る通電経路３が形成される。

短絡素子１は、通常においては、第３の電極２０を介して接続されている電流制御素子３２によって通電経路３への通電が制御されている。電流制御素子３２は、通電経路３の通電を制御するスイッチ素子であり、例えばＦＥＴにより構成され、短絡素子１が組み込まれる外部回路の物理的な短絡の要否を検出する検出素子３５と接続されている。検出素子３５は、短絡素子１が組み込まれた各種外部回路２８Ａ，２８Ｂ間を通電する必要が生じたかを検出する回路であり、例えばバッテリパックの異常電圧時におけるバイパス電流経路の構築、ネットワーク通信機器におけるハッキングやクラッキング対してデータサーバを迂回するバイパス信号経路の構築、あるいはデバイスやソフトウェアのアクティベーション等、第１、第２の電極１１，１２の短絡により物理的、不可逆的に外部回路２８Ａ，２８Ｂ間の電流経路を短絡させる必要が生じた場合に電流制御素子３２を動作させる。

これにより、短絡素子１は、電流制御素子３２によって通電経路３が通電され、発熱体１５が発熱される。通電経路３を介して発熱体１５に電気が通電されると、図４（Ａ）に示すように、短絡素子１は、第１の絶縁層１４を介して接続されている可溶導体１３が溶融し、この溶融導体がブリッジ電極１６上に凝集される。これにより、絶縁されていた第１、第２の電極１１，１２が短絡され、外部回路２８Ａ，２８Ｂが接続される。短絡素子１の動作時の回路構成を図４（Ｂ）に示す。

このとき、短絡素子１は、可溶導体１３の溶融導体を集めるブリッジ電極１６が、第１、第２の電極１１，１２間に跨って、第１、第２の電極１１，１２と対向して設けられているため、溶融導体が第１、第２の電極１１，１２間に亘って凝集され、確実に第１、第２の電極１１，１２間を短絡させることができる。

また、短絡素子１は、可溶導体１３の溶融導体がブリッジ電極１６と発熱体電極１８とに分離して凝集されることにより、可溶導体１３を介して接続されていた第１の電極１１と発熱体電極１８との間が開放され、発熱体１５への通電経路３が遮断される。これにより、発熱体１５への給電が止まり、発熱体１５の発熱が停止される。

そして、短絡素子１は、ブリッジ電極１６によって凝集された溶融導体によって第１、第２の電極１１，１２間が短絡された状態で、通電経路３が遮断されるため、第１、第２の電極１１，１２が短絡することなく通電経路３が遮断されることを防止することができる。

ここで、短絡素子１は、ブリッジ電極１６の面積が、発熱体電極１８の面積よりも広く形成されることが好ましい。可溶導体１３の溶融導体は、表面張力によりより大きい体積の部位に凝集する傾向があることから、短絡素子１は、ブリッジ電極１６を発熱体電極１８よりも広く形成することにより、より多くの溶融導体を凝集することができ、確実に第１、第２の電極１１，１２間を短絡させ、その後に通電経路３を遮断することができる。

また、短絡素子１は、ブリッジ電極１６が、発熱体電極１８よりも、発熱体１５の発熱中心に近い位置に設けられていることが好ましい。

ここで、発熱体１５の発熱中心とは、発熱体１５が発熱することにより発現する熱分布のうち、発熱初期の段階で最も高温となる領域をいう。発熱体１５より発せられる熱は絶縁基板１４からの放熱量が最も多く、絶縁基板１４を、耐熱衝撃性に優れるが熱伝導率も高いセラミックス材料により形成した場合などには、絶縁基板１４に熱が拡散してしまう。そのため、発熱体１５は通電が開始された発熱初期の段階では、絶縁基板１４と接する外縁から最も遠い中心が最も熱く、絶縁基板１４と接する外縁に向かうにつれて放熱されて温度が上がりにくくなる。

そこで、図１（Ａ）に示すように、短絡素子１は、ブリッジ電極１６を、発熱体電極１８よりも、発熱体１５の発熱初期において最も高温となる発熱中心Ｃに近い位置に形成することにより、発熱体電極１８よりも早く熱が伝わり、より速やかに溶融導体が凝集するようにする。発熱体電極１８は、ブリッジ電極１６より遅れて加熱されるため、第１、第２の電極１１，１２が短絡された後に溶融導体が凝集して、ブリッジ電極１６に凝集された溶融導体と分離され、通電経路３が遮断される。

したがって、短絡素子１は、ブリッジ電極１６を発熱体電極１８よりも発熱体１５の発熱中心の近くに設けることで、通電経路３の遮断よりも先に第１、第２の電極１１，１２間を短絡させることができ、第１、第２の電極１１，１２間が短絡するまで、確実に発熱体１５に給電し続けることができる。

また、可溶導体１３の幅を第１の電極１１、第２の電極１２、ブリッジ電極１６よりも広くし、ブリッジ電極１６と重畳する第１の電極１１の面積を第２の電極１２の面積よりも狭くする事で、第１の電極１１上に凝集した溶融導体を早い段階で溢れさせ、凝集した溶融導体を第２の電極１２側に速やかに短絡させる事ができる。

なお、図５に示す発熱体ユニット２７においては、可溶導体１３が発熱体１５と重畳する位置に設けられ、また発熱体１５に、絶縁層１７、ブリッジ電極１６及び接続用ハンダ２１を介して積層されているため、発熱体１５の熱が効率よく伝達され、短時間で加熱、溶融することができる。

［回路構成例］
図７に、短絡素子１が適用された短絡回路の一例として、バッテリ回路３０を示す。バッテリ回路３０において、短絡素子１は、複数のバッテリセル３１のうち、過充電等の異常電圧を示したバッテリセルをバイパスするバイパス電流経路の構築に用いることができる。

図７において、バッテリ回路３０は、短絡素子１と、短絡素子１の動作を制御する電流制御素子３２と、バッテリセル３１と、バッテリセル３１を充放電経路上から遮断する保護素子３３と、保護素子３３の動作を制御する電流制御素子３２とを有するバッテリユニット３４を備え、複数のバッテリユニット３４が直列に接続されている。

また、バッテリ回路３０は、各バッテリユニット３４のバッテリセル３１の電圧を検出するととともに、保護素子３３と電流制御素子３２とに異常信号を出力する検出素子３５を有する。

各バッテリユニット３４は、保護素子３３がバッテリセル３１と直列に接続されている。また、バッテリユニット３４は、短絡素子１の第１の電極１１が保護素子３３の開放端と接続され、第２の電極１２がバッテリセル３１の開放端と接続され、これにより、保護素子３３及びバッテリセル３１と、短絡素子１とが並列に接続されている。

また、バッテリユニット３４は、電流制御素子３２、及び保護素子３３が、それぞれ検出素子３５と接続されている。検出素子３５は、各バッテリセル３１と接続され、各バッテリセル３１の電圧値を検出して、バッテリセル３１が過充電電圧又は過放電電圧になったときに、当該バッテリセル３１を有するバッテリユニット３４の保護素子３３を駆動させ、また短絡素子１に繋がる電流制御素子３２へ動作信号を出力する。

電流制御素子３２は、例えば電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴという）により構成することができる。電流制御素子３２は、第３の電極２０と接続され、短絡素子１の通電経路３への通電を制御することができる。また、電流制御素子３２は、保護素子３３の駆動端子と接続される。

保護素子３３は、充放電経路上に接続された一対の電極と、当該電極間にわたって搭載され、当該電極間を短絡させる可溶導体と、可溶導体と直列に接続され、電圧異常の際に通電されて発熱し、可溶導体を溶融する発熱体を有する素子により構成することができる。

このバッテリ回路３０は、検出素子３５から出力される検出信号によって、バッテリセル３１の電圧値が所定の過放電又は過充電状態を超える電圧になったとき、保護素子３３及び短絡素子１を動作させて、当該バッテリユニット３４を充放電電流経路から遮断するとともに、短絡素子１のスイッチ２を短絡させ、当該バッテリユニット３４をバイパスするバイパス電流経路を形成するように制御する。

このようなバッテリ回路３０は、正常時には、短絡素子１のスイッチ２が開放されているため、電流は保護素子３３及びバッテリセル３１側に流れる。バッテリセル３１に電圧異常等が検知されると、バッテリ回路３０は、検出素子３５より保護素子３３に異常信号が出力され、保護素子３３によって異常なバッテリセル３１を、充放電電流経路上から遮断する。

次いで、バッテリ回路３０は、検出素子３５により電流制御素子３２にも異常信号が出力され、短絡素子１の発熱体１５に電流が流れるよう制御される。短絡素子１は、発熱体１５によって可溶導体１３を加熱、溶融させることにより、第１、第２の電極１１，１２間に亘って形成されたブリッジ電極１６上に溶融導体が凝集し、第１、第２の電極１１，１２間が短絡される。これにより、バッテリ回路３０は、短絡素子１によってバッテリセル３１をバイパスするバイパス電流経路を形成することができる。次いで、短絡素子１は、可溶導体１３の溶断により、第１の電極１１と発熱体電極１８との間が遮断され、発熱体１５への給電が停止される。

これにより、バッテリ回路３０は、一つのバッテリセル３１に異常が起きた場合にも、短絡素子１を介して当該バッテリセル３１を迂回するバイパス電流経路を形成することができ、残りの正常なバッテリセル３１によって充放電機能を維持することができる。このとき、短絡素子１は、第１、第２の電極１１，１２間に亘って、第１、第２の電極１１，１２と対向して形成されているブリッジ電極１６によって可溶導体１３の溶融導体が凝集されるため、確実に第１、第２の電極１１，１２間を短絡させ、バイパス電流経路を形成することができる。

なお、短絡素子１又はバッテリ回路３０は、遮断されたバッテリセル３１の内部抵抗とほぼ同じ抵抗値を有する保護抵抗を設けてもよい。バイパス電流経路上に保護抵抗を設けることにより、バッテリ回路３０は、バイパス電流経路を構築した後においても、正常時と同じ抵抗値とすることができる。

［発熱体ユニットの変形例］
なお、上述した発熱体ユニット２７においては、発熱体１５を絶縁基板１４の表面１４ａ上に形成したが、図８に示すように、発熱体ユニット２７は、発熱体１５を絶縁基板１４の裏面１４ｂに形成してもよい。この場合、発熱体１５は、絶縁基板１４の裏面１４ｂにおいて絶縁層１７に被覆されている。また、発熱体１５の一端と接続される発熱体電極１８及び発熱体引出電極１９も同様に絶縁基板１４の裏面１４ｂに形成される。発熱体電極１８は、発熱体１５と接続される上層部１８ａが絶縁基板１４裏面１４ｂに形成され、可溶導体１３と接続される下層部１８ｂが絶縁基板１４の表面１４ａに形成され、下層部１８ｂと上層部１８ａとが、導電スルーホールを介して連続される。

また、発熱体１５は、絶縁基板１４の裏面１４ｂにおいて、ブリッジ電極１６及び可溶導体１３と重畳する位置に形成されることが好ましい。また、ブリッジ電極１６は、発熱体電極１８の下層部１８ｂよりも、発熱体１５の発熱中心に近い位置に形成されることが好ましい。

発熱体ユニット２７は、発熱体１５が絶縁基板１４の裏面１４ｂに形成されることにより、絶縁基板１４の表面１４ａが平坦化され、これにより、ブリッジ電極１６や発熱体電極１８の下層部１８ｂを表面１４ａ上に形成することができる。したがって、発熱体ユニット２７は、ブリッジ電極１６や発熱体電極１８の下層部１８ｂの製造工程を簡略化することができるとともに、低背化を図ることができる。

また、発熱体ユニット２７は、発熱体１５を絶縁基板１４の裏面１４ｂに形成した場合にも、絶縁基板１４の材料としてファインセラミック等の熱伝導性に優れた材料を用いることにより、発熱体１５によって、絶縁基板１４の表面１４ａ上に積層した場合と同等に可溶導体１３を加熱、溶断することができる。

また、発熱体ユニット２７は、図９に示すように、発熱体１５を絶縁基板１４の表面１４ａ上に形成された絶縁層１７の内部に形成してもよい。この場合、発熱体１５の一端が接続された発熱体電極１８及び発熱体引出電極１９も、一端部が絶縁層１７の内部まで形成される。

また、発熱体１５は、絶縁層１７の内部において、ブリッジ電極１６及び可溶導体１３と重畳する位置に形成されることが好ましい。また、ブリッジ電極１６は、発熱体電極１８よりも、発熱体１５の発熱中心に近い位置に形成されることが好ましい。また、発熱体ユニット２７は、発熱体１５を絶縁基板１４の裏面１４ｂ上に形成された絶縁層１７の内部に形成してもよい。

また、発熱体ユニット２７は、図１０に示すように、発熱体１５を絶縁基板１４の内部に形成してもよい。この場合、発熱体１５を被覆する絶縁層１７は設ける必要がない。また、発熱体１５と接続される発熱体電極１８及び発熱体引出電極１９は、発熱体１５と接続する上層部が絶縁基板１４の内部まで形成され、導電スルーホールを介して絶縁基板１４の表面１４ａ側に下層部が設けられる。

また、発熱体１５は、絶縁基板１４の内部において、ブリッジ電極１６及び可溶導体１３と重畳する位置に形成されることが好ましい。また、ブリッジ電極１６は、発熱体電極１８よりも、発熱体１５の発熱中心に近い位置に形成されることが好ましい。

また、短絡素子１は、図１１に示すように、発熱体１５を絶縁基板１４の表面１４ａ上において、ブリッジ電極１６及び発熱体電極１８と並んで形成してもよい。この場合、発熱体１５は、絶縁層１７によって被覆されている。また、発熱体１５と接続される発熱体電極１８は、絶縁基板１４の表面１４ａ上に単層で形成される。さらに、ブリッジ電極１６は、発熱体電極１８よりも、発熱体１５の発熱中心に近い位置に形成されることが好ましい。

［可溶導体の変形例］
上述したように、可溶導体１３は、低融点金属と高融点金属とを含有してもよい。このとき、可溶導体１３は、図１２（Ａ）に示すように、内層としてＡｇ、Ｃｕ又はこれらを主成分とする合金等からなる高融点金属層７０が設けられ、外層としてＳｎを主成分とするＰｂフリーハンダ等からなる低融点金属層７１が設けられた可溶導体を用いてもよい。この場合、可溶導体１３は、高融点金属層７０の全面が低融点金属層７１によって被覆された構造としてもよく、相対向する一対の側面を除き被覆された構造であってもよい。高融点金属層７０や低融点金属層７１による被覆構造は、メッキ等の公知の成膜技術を用いて形成することができる。

また、図１２（Ｂ）に示すように、可溶導体１３は、内層として低融点金属層７１が設けられ、外層として高融点金属層７０が設けられた可溶導体を用いてもよい。この場合も、可溶導体１３は、低融点金属層７１の全面が高融点金属層７０によって被覆された構造としてもよく、相対向する一対の側面を除き被覆された構造であってもよい。

また、可溶導体１３は、図１３に示すように、高融点金属層７０と低融点金属層７１とが積層された積層構造としてもよい。

この場合、可溶導体１３は、図１３（Ａ）に示すように、ブリッジ電極１６に搭載される下層と、下層の上に積層される上層からなる２層構造として形成され、下層となる高融点金属層７０の上面に上層となる低融点金属層７１を積層してもよく、反対に下層となる低融点金属層７１の上面に上層となる高融点金属層７０を積層してもよい。あるいは、可溶導体１３は、図１３（Ｂ）に示すように、内層と内層の上下面に積層される外層とからなる３層構造として形成してもよく、内層となる高融点金属層７０の上下面に外層となる低融点金属層７１を積層してもよく、反対に内層となる低融点金属層７１の上下面に外層となる高融点金属層７０を積層してもよい。

また、可溶導体１３は、図１４に示すように、高融点金属層７０と低融点金属層７１とが交互に積層された４層以上の多層構造としてもよい。この場合、可溶導体１３は、最外層を構成する金属層によって、全面又は相対向する一対の側面を除き被覆された構造としてもよい。

また、可溶導体１３は、内層を構成する低融点金属層７１の表面に高融点金属層７０をストライプ状に部分的に積層させてもよい。図１５は、可溶導体１３の平面図である。

図１５（Ａ）に示す可溶導体１３は、低融点金属層７１の表面に、幅方向に所定間隔で、線状の高融点金属層７０が長手方向に複数形成されることにより、長手方向に沿って線状の開口部７２が形成され、この開口部７２から低融点金属層７１が露出されている。可溶導体１３は、低融点金属層７１が開口部７２より露出することにより、溶融した低融点金属と高融点金属との接触面積が増え、高融点金属層７０の浸食作用をより促進させて溶断性を向上させることができる。開口部７２は、例えば、低融点金属層７１に高融点金属層７０を構成する金属の部分メッキを施すことにより形成することができる。

また、可溶導体１３は、図１５（Ｂ）に示すように、低融点金属層７１の表面に、長手方向に所定間隔で、線状の高融点金属層７０を幅方向に複数形成することにより、幅方向に沿って線状の開口部７２を形成してもよい。

また、可溶導体１３は、図１６に示すように、低融点金属層７１の表面に高融点金属層７０を形成するとともに、高融点金属層７０の全面に亘って円形の開口部７３が形成され、この開口部７３から低融点金属層７１を露出させてもよい。開口部７３は、例えば、低融点金属層７１に高融点金属層７０を構成する金属の部分メッキを施すことにより形成することができる。

可溶導体１３は、低融点金属層７１が開口部７３より露出することにより、溶融した低融点金属と高融点金属との接触面積が増え、高融点金属の浸食作用をより促進させて溶断性を向上させることができる。

また、可溶導体１３は、図１７に示すように、内層となる高融点金属層７０に多数の開口部７４を形成し、この高融点金属層７０に、メッキ技術等を用いて低融点金属層７１を成膜し、開口部７４内に充填してもよい。これにより、可溶導体１３は、溶融する低融点金属が高融点金属に接する面積が増大するので、より短時間で低融点金属が高融点金属を溶食することができるようになる。

また、可溶導体１３は、低融点金属層７１の体積を、高融点金属層７０の体積よりも多く形成することが好ましい。可溶導体１３は、発熱体１５によって加熱されることにより、低融点金属が溶融することにより高融点金属を溶食し、これにより速やかに溶融、溶断することができる。したがって、可溶導体１３は、低融点金属層７１の体積を、高融点金属層７０の体積よりも多く形成することにより、この溶食作用を促進し、速やかに第１、第２の電極１１，１２間への溶融導体の凝集、短絡を行い、また、第１の電極１１と発熱体電極１８との間の通電経路３を遮断することができる。

また、可溶導体１３は、図１８に示すように、外層を構成する高融点金属によって被覆され主面部１３ａよりも肉厚に形成された相対向する一対の第１の側縁部１３ｂと、内層を構成する低融点金属が露出され第１の側面部１３ｂよりも薄い厚さに形成された相対向する一対の第２の側縁部１３ｃとを有し、第２の側縁部１３ｃが発熱体１５への通電方向の両側端となる向きで、ブリッジ電極１６と発熱体電極１８との間に跨って接続されるようにしてもよい。

第１の側縁部１３ｂは、側面が高融点金属層７０によって被覆されるとともに、これにより可溶導体１３の主面部１３ａよりも肉厚に形成されている。第２の側縁部１３ｃは、側面に、外周を高融点金属層７０によって囲繞された低融点金属層７１が露出されている。第２の側縁部１３ｃは、第１の側縁部１３ｂと隣接する両端部を除き主面部１３ａと同じ厚さに形成されている。

そして、図１９に示すように、可溶導体１３は、第２の側縁部１３ｃがブリッジ電極１６から発熱体電極１８間にわたる通電経路３に沿って配設されている。これにより、短絡素子１は、第１及び第２の電極１１，１２間にわたる可溶導体１３を速やかに溶融、短絡させることができる。

すなわち、第２の側縁部１３ｃは、第１の側縁部１３ｂよりも相対的に薄肉に形成されている。また、第２の側縁部１３ｃの側面は、内層を構成する低融点金属層７１が露出されている。これにより、第２の側縁部１３ｃは、低融点金属層７１による高融点金属層７０の侵食作用が働き、かつ、侵食される高融点金属層７０の厚さも第１の側縁部１３ｂに比して薄く形成されていることにより、高融点金属層７０によって肉厚に形成されている第１の側縁部１３ｂに比して、少ない熱エネルギーで速やかに溶融させることができる。

このような構成を有する可溶導体１３は、低融点金属層７１を構成するハンダ箔等の低融点金属箔を、高融点金属層７０を構成するＡｇ等の金属で被覆することにより製造される。低融点金属層箔を高融点金属被覆する工法としては、長尺状の低融点金属箔に連続して高融点金属メッキを施すことができる電解メッキ法が、作業効率上、製造コスト上、有利となる。

電解メッキによって高融点金属メッキを施すと、長尺状の低融点金属箔のエッジ部分、すなわち、側縁部において電界強度が相対的に強まり、高融点金属層７０が厚くメッキされる（図１８参照）。これにより、側縁部が高融点金属層によって肉厚に形成された長尺状の導体リボン４０が形成される。次いで、この導体リボン４０を長手方向と直交する幅方向（図１８中Ｃ−Ｃ’方向）に、所定長さに切断することにより、可溶導体１３が製造される。これにより、可溶導体１３は、導体リボン４０の側縁部が第１の側縁部１３ｂとなり、導体リボン４０の切断面が第２の側縁部１３ｃとなる。また、第１の側縁部１３ｂは、高融点金属によって被覆され、第２の側縁部１３ｃは、端面（導体リボン３０の切断面）に上下一対の高融点金属層７０と高融点金属層７０によって挟持された低融点金属層７１が外方に露出されている。

なお、本発明に係る短絡素子は、リチウムイオン二次電池のバッテリパックに用いる場合に限らず、電子機器の電源ライン等、電気信号による電流経路の遮断及びバイパスを必要とする様々な用途にももちろん応用可能である。また、電流制御素子３２の作動条件は、バッテリセル３１の電圧異常の場合に限らず、例えば周囲の温度の異常な上昇や、水没等、あらゆるアクシデントを検知することによって作動させることができる。

１ 短絡素子、２ スイッチ、３ 通電経路、１１ 第１の電極、１２ 第２の電極、１３ 可溶導体、１４ 絶縁基板、１５ 発熱体、１６ ブリッジ電極、１７ 絶縁層、１８ 発熱体電極、１９ 発熱体引出電極、２０ 第３の電極、２１ 接続用ハンダ、２２ 絶縁スペーサ、２３ フラックス、２５ 保護ケース、２７ 発熱体ユニット、３０ バッテリ回路、３１ バッテリセル、３２ 電流制御素子３２ 保護素子、３４ バッテリユニット、３５ 検出素子

Claims (25)

1. 近接配置されるとともに絶縁されている第１、第２の電極と、
   溶融することにより上記第１、第２の電極間を短絡させる可溶導体と、
   通電されることにより発熱し、上記可溶導体を溶融させる発熱体と、
   上記第１、第２の電極間に跨って上記第１、第２の電極と対向配置され、上記可溶導体の溶融導体を上記第１、第２の電極間に集めるブリッジ電極とを有する短絡素子。
2. 上記可溶導体が上記第１の電極と接続されるとともに上記発熱体と接続されることにより、上記第１の電極から上記可溶導体を介して上記発熱体と連続し、該発熱体を通電させる通電経路が形成され、
   上記可溶導体が溶融することにより、上記第１、第２の電極間を短絡させると共に、上記第１の電極と上記発熱体との間が遮断される請求項１記載の短絡素子。
3. 絶縁基板を有し、
   上記発熱体と上記ブリッジ電極は、上記絶縁基板上に形成され、
   上記発熱体は、上記絶縁基板上に形成された発熱体電極を介して上記可溶導体と接続され、
   上記ブリッジ電極は、上記発熱体電極よりも面積が広い請求項２記載の短絡素子。
4. 絶縁基板を有し、
   上記発熱体と上記ブリッジ電極は、上記絶縁基板上に形成され、
   上記発熱体は、上記絶縁基板上に形成された発熱体電極を介して上記可溶導体と接続され、
   上記ブリッジ電極は、上記発熱体電極よりも、上記発熱体の発熱中心に近い位置に設けられている請求項２又は請求項３記載の短絡素子。
5. 上記ブリッジ電極は、上記発熱体と重畳する位置に設けられている請求項１〜４のいずれか１項に記載の短絡素子。
6. 上記可溶導体は、上記第１、第２の電極間に跨って上記第１、第２の電極と対向配置され、
   上記第２の電極と上記可溶導体との間の少なくとも一部分には、上記第２の電極と上記可溶導体の絶縁を図る絶縁層が形成されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の短絡素子。
7. 上記絶縁基板、上記発熱体、及び上記可溶導体を収納し、上記第１、第２の電極を外部に導出させる保護ケースを有する請求項１〜６のいずれか１項に記載の短絡素子。
8. 上記第１、第２の電極は、リードフレーム材である請求項１〜７のいずれか１項に記載の短絡素子。
9. 上記絶縁基板上に積層された絶縁層を有し、
   上記ブリッジ電極は、上記絶縁層上に積層され、
   上記発熱体は、上記絶縁層の内部、又は上記絶縁層と上記絶縁基板との間に設けられている請求項３〜８のいずれか１項に記載の短絡素子。
10. 上記発熱体は、上記絶縁基板の内部に形成されている請求項３〜８のいずれか１項に記載の短絡素子。
11. 上記発熱体は、上記絶縁基板の上記ブリッジ電極が形成された面側と反対側の面に形成されている請求項３〜８のいずれか１項に記載の短絡素子。
12. 上記発熱体は、上記絶縁基板の上記ブリッジ電極が形成された面と同一面に形成されている請求項３〜８のいずれか１項に記載の短絡素子。
13. 上記ブリッジ電極は、表面にＮｉ／Ａｕメッキ、Ｎｉ／Ｐｄメッキ、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕメッキのいずれかが被覆されている請求項１〜１２のいずれか１項に記載の短絡素子。
14. 上記発熱体電極は、表面にＮｉ／Ａｕメッキ、Ｎｉ／Ｐｄメッキ、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕメッキのいずれかが被覆されている請求項３〜１３のいずれか１項に記載の短絡素子。
15. 上記可溶導体は、Ｓｎを主成分とするＰｂフリーハンダである請求項１〜１４のいずれか１項に記載の短絡素子。
16. 上記可溶導体は、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体からの加熱により溶融し、上記高融点金属を溶食する請求項１〜１４のいずれか１項に記載の短絡素子。
17. 上記低融点金属はハンダであり、
    上記高融点金属は、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１６記載の短絡素子。
18. 上記可溶導体は、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１６又は１７に記載の短絡素子。
19. 上記可溶導体は、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１６又は１７に記載の短絡素子。
20. 上記可溶導体は、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１６又は１７に記載の短絡素子。
21. 上記可溶導体は、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１６又は１７に記載の短絡素子。
22. 上記可溶導体は、内層を構成する低融点金属の表面に、高融点金属がストライプ状に積層されている請求項１６又は１７に記載の短絡素子。
23. 上記可溶導体は、多数の開口部を有する高融点金属層と、上記高融点金属層上に形成された低融点金属層とを有し、上記開口部に低融点金属が充填されている請求項１６又は１７に記載の短絡素子。
24. 上記可溶導体は、上記低融点金属の体積が、上記高融点金属の体積よりも多い請求項１６〜２３のいずれか１項に記載の短絡素子。
25. 上記可溶導体は、外層を構成する上記高融点金属によって被覆され主面部よりも肉厚に形成された相対向する一対の第１の側縁部と、内層を構成する上記低融点金属が露出され上記第１の側面部よりも薄い厚さに形成された相対向する一対の第２の側縁部とを有し、上記第２の側縁部が上記発熱体への通電方向の両側端となる向きで、上記ブリッジ電極及び上記発熱体と接続された発熱体電極間に跨って接続されている請求項１９〜２２のいずれか１項に記載の短絡素子。
    

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