JP2016021329A - ヒューズ素子、及びヒューズエレメント - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が図られたヒューズ素子においても、速溶断性及び溶断後における絶縁性に優れるヒューズ素子、及びヒューズエレメントを提供する。【解決手段】絶縁基板２と、絶縁基板２上に搭載され、定格を超える電流が通電することによって自己発熱により溶断し通電経路を遮断する、並列した複数のエレメント部７を備えるヒューズエレメント５と、複数のエレメント部７の間に設けられ、並列するエレメント部７同士の接続を防止する絶縁部８とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電流経路上に実装され、定格を超える電流が流れた時に自己発熱により溶断し当該電流経路を遮断するヒューズ素子及びヒューズエレメントに関し、特に速断性、溶断後の絶縁性に優れたヒューズ素子及びヒューズエレメントに関する。

従来、定格を超える電流が流れた時に自己発熱により溶断し、当該電流経路を遮断するヒューズエレメントが用いられている。ヒューズエレメントとしては、例えば、ハンダをガラス管に封入したホルダー固定型ヒューズや、セラミック基板表面にＡｇ電極を印刷したチップヒューズ、銅電極の一部を細らせてプラスチックケースに組み込んだねじ止め又は差し込み型ヒューズ等が多く用いられている。

特開２０１１−８２０６４号公報

しかし、上記既存のヒューズエレメントにおいては、リフローによる表面実装ができない、電流定格が低く、また大型化によって定格を上げると速断性に劣る、といった問題点が指摘されている。

また、リフロー実装用の速断ヒューズ素子を想定した場合、リフローの熱によって溶融しないように、一般的には、ヒューズエレメントには融点が３００℃以上のＰｂ入り高融点ハンダが溶断特性上好ましい。しかしながら、ＲｏＨＳ指令等においては、Ｐｂ含有ハンダの使用は、限定的に認められているに過ぎず、今後Ｐｂフリー化の要求は、強まるものと考えられる。

すなわち、ヒューズエレメントとしては、リフローによる表面実装が可能でヒューズ素子への実装性に優れること、定格を上げて大電流に対応可能であること、定格を超える過電流時には速やかに電流経路を遮断する速溶断性を備えることが求められる。

このような要求に応えるために、複数のエレメント部が並列されたヒューズエレメントも提案されている。このヒューズエレメント５０は、図１４（Ａ）に示すように、に示すように、複数のエレメント部５１Ａ〜５１Ｃが並列されることにより、複数の通電経路を有する。複数のエレメント部５１Ａ〜５１Ｃは、それぞれ絶縁基板５２の表面５２ａに形成された第１、第２の電極５３，５４間にわたって接続され、電流の通電経路となっており、定格を超える電流が通電することによって自己発熱（ジュール熱）により溶断する。ヒューズエレメント５０は、すべてのエレメント部５１Ａ〜５１Ｃが溶断することにより、第１、第２の電極５３，５４間にわたる電流経路を遮断する。

このとき、ヒューズエレメント５０は、定格を超える電流が通電されると、抵抗値の低いエレメント部５１に多くの電流が流れていき、自己発熱により順次溶断していき、最後に残ったエレメント部５１が溶断する際にのみアーク放電が発生する。したがって、ヒューズエレメント５０によれば、最後に残ったエレメント部５１の溶断時にアーク放電が発生した場合にも、エレメント部５１の体積に応じて小規模なものとなり、溶融金属の爆発的な飛散を防止することができ、また溶断後における絶縁性も向上させることができる。また、ヒューズエレメント５０は、複数のエレメント部５１Ａ〜５１Ｃ毎に溶断されることから、各エレメント部５１の溶断に要する熱エネルギーは少なくて済み、短時間で遮断することができる。

しかし、ヒューズエレメント５０は、ヒューズ素子の小型化に伴い並列された各エレメント部５１Ａ〜５１Ｃの間隔も近くなると、図１４（Ｂ）に示すように、エレメント部５１Ａ〜５１Ｃのうち、相対的に抵抗値の低いエレメント部５１に多くの電流が流れて発熱する際に、発熱により部分溶融して隣接するエレメント部５１に接触する恐れもある。隣接するエレメント部５１同士が接触すると、エレメント部５１が大型化し、各エレメント部５１Ａ〜５１Ｃを順次溶断させることができず、図１４（Ｃ）に示すように、エレメント部５１全体を溶融させることとなるため、溶断までに必要な電力も増えるため、速やかに電流経路を遮断することができなくなる。また、エレメント部５１が大型化すると、溶断時に生じるアーク放電も大規模なものとなり、溶融金属の爆発的な飛散によって溶断後の絶縁性を損なうおそれもある。

そこで、本発明は、小型化が図られたヒューズ素子においても、速溶断性及び溶断後における絶縁性に優れるヒューズ素子、及びヒューズエレメント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、本発明に係るヒューズ素子は、絶縁基板と、上記絶縁基板上に搭載され、定格を超える電流が通電することによって自己発熱により溶断し通電経路を遮断する、並列した複数のエレメント部を備えるヒューズエレメント、又は並列した複数のヒューズエレメントと、上記複数のエレメント部の間、又は上記複数のヒューズエレメントの間に設けられ、並列する上記エレメント部又は上記ヒューズエレメントとの接続を防止する絶縁部とを備えるものである。

また、本発明に係るヒューズエレメントは、並列する複数のエレメント部と、上記複数のエレメント部の間に設けられ並列する上記エレメント部同士の接続を防止する絶縁部とを有し、上記複数のエレメント部が、定格を超える電流の通電による自己発熱により溶断するものである。

本発明によれば、絶縁部を設けることにより、ヒューズエレメントは、エレメント部が順次溶断していく際に、自身の発熱により溶融、膨張して隣接するエレメント部に接触し凝集することが防止される。これにより、ヒューズエレメントは、隣接するエレメント部同士が溶融、凝集することで大型化し、溶断に必要な電力が増加することによる溶断時間の増加や、溶断時に生じるアーク放電の大規模化による溶融金属の爆発的飛散、溶断後における絶縁性の低下を防止することができる。

図１は、本発明が適用されたヒューズエレメントの一例を示す図であり、（Ａ）はカバー部材を外した分解斜視図、（Ｂ）は外観斜視図である。 図２は、ヒューズエレメントの溶断順序を示す図であり、（Ａ）は溶断前、（Ｂ）は外側のエレメント部が溶断した状態、（Ｃ）はすべてのエレメント部が溶断した状態を示す。 図３は、一枚の板状エレメントを用いたヒューズ素子の溶断状態を示す図であり、（Ａ）は定格を超える電流が通電され始めた状態、（Ｂ）はエレメントが溶融し凝集した状態、（Ｃ）はエレメントがアーク放電を伴って爆発的に溶断した状態を示す。 図４は、絶縁基板の表面に絶縁部を設けたヒューズ素子の断面図である。 図５は、カバー部材の天面に絶縁部を設けたヒューズ素子の断面図である。 図６は、エレメント部の間に絶縁部を構成する材料を充填して硬化させることにより絶縁部を設けたヒューズ素子の断面図である。 図７は、ヒューズエレメントを示す平面図であり（Ａ）はエレメント部の両側を一体に支持したもの、（Ｂ）はエレメント部の片側を一体に支持したものを示す。 図８は、３枚のエレメントを並列させたヒューズ素子を示す斜視図である。 図９は、図１に示すヒューズエレメントを用いたヒューズ素子の製造工程を示す図であり、（Ａ）は絶縁基板の斜視図、（Ｂ）は絶縁基板にヒューズエレメントを搭載した状態、（Ｃ）はヒューズエレメント上にフラックスを設けた状態、（Ｄ）はカバー部材を搭載した状態、（Ｅ）は回路基板への実装状態を示す。 図１０は、第１、第２の電極に張出し部を設けたヒューズ素子を示す図であり、（Ａ）は絶縁基板の平面図、（Ｂ）は斜視図である。 図１１は、図１に示すヒューズエレメントを用いた他のヒューズ素子の製造工程を示す図であり、（Ａ）は絶縁基板の斜視図、（Ｂ）は絶縁基板にヒューズエレメントを搭載した状態、（Ｃ）はヒューズエレメント上にフラックスを設けた状態、（Ｄ）はカバー部材を搭載した状態及び回路基板への実装状態を示す。 図１２は、他のヒューズエレメントを用いた他のヒューズ素子を示す斜視図である。 図１３は、第１、第２の分割電極を形成した絶縁基板を示す平面図である。 図１４は、参考例に係るヒューズ素子の溶断状態を示す図であり、（Ａ）は溶断前、（Ｂ）は外側のエレメント部が溶融し内側のエレメント部と一体化した状態、（Ｃ）はすべてのエレメント部が同時に溶断した状態を示す。

以下、本発明が適用されたヒューズ素子及びヒューズエレメントについて、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。

［第１の形態］
本発明に係るヒューズ素子１は、図１（Ａ）（Ｂ）に示すように、絶縁基板２と、絶縁基板２に設けられた第１及び第２の電極３，４と、第１及び第２の電極３，４間にわたって実装され、定格を超える電流が通電することによって自己発熱により溶断し、第１の電極３と第２の電極４との間の電流経路を遮断するヒューズエレメント５と、ヒューズエレメント５が設けられた絶縁基板２の表面２ａ上を覆うカバー部材６とを有する。

また、ヒューズエレメント５には複数のエレメント部７が並列し、複数のエレメント部７の間には、並列するエレメント部７同士の接続を防止する絶縁部８が設けられている。このヒューズ素子１は、回路基板に実装されることにより、ヒューズエレメント５が当該回路基板上に形成された回路に直列に組み込まれる。

ヒューズ素子１は、小型且つ高定格のヒューズ素子を実現するものであり、例えば、絶縁基板２の寸法として３〜４ｍｍ×５〜６ｍｍ程度と小型でありながら、抵抗値が０．５〜１ｍΩ、５０〜６０Ａ定格と高定格化が図られている。なお、本発明は、あらゆるサイズ、抵抗値及び電流定格を備えるヒューズ素子に適用することができるのはもちろんである。

絶縁基板２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によって方形状に形成される。その他、絶縁基板２は、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。

絶縁基板の相対向する両端部には、第１、第２の電極３，４が形成されている。第１、第２の電極３，４は、それぞれ、ＣｕやＡｇ配線等の導電パターンによって形成され、Ｃｕ等酸化されやすい配線材料の場合には表面に適宜、酸化防止対策としてＳｎメッキ等の保護層が設けられている。

［カバー部材］
また、ヒューズ素子１は、絶縁基板２の表面２ａ上に、内部を保護するとともに溶融したヒューズエレメント５の飛散を防止するカバー部材６が取り付けられている。カバー部材６は、絶縁基板２の表面２ａ上に搭載される側壁６ａと、ヒューズ素子１の上面を構成する天面６ｂとを有する。ヒューズ素子１は、カバー部材６の側壁６ａが絶縁基板２の表面２ａ上に接続されると、絶縁基板２の表面２ａと天面６ｂとの間からヒューズエレメント５の両端に設けられた端子部１０を導出する間隙が設けられる。このカバー部材６は、例えば、熱可塑性プラスチック，セラミックス，ガラスエポキシ基板等の絶縁性を有する部材を用いて形成することができる。

［ヒューズエレメント］
第１及び第２の電極３，４間にわたって実装されているヒューズエレメント５は、定格を超える電流が通電することによって自己発熱（ジュール熱）により溶断し、第１の電極３と第２の電極４との間の電流経路を遮断するものである。ヒューズエレメント５は、ハンダ等の接続材料を介して第１及び第２の電極３，４間に搭載された後、リフローはんだ付け等により絶縁基板２上に接続される。

ヒューズエレメント５は、絶縁基板２に形成された第１、第２の電極３，４間にわたって搭載される複数のエレメント部７と、ヒューズ素子１が実装される回路基板の接続端子に接続される端子部１０とを有する。

以下では、３つのエレメント部７Ａ〜７Ｃが並列されたヒューズエレメント５を用いた場合を例に説明する。図２（Ａ）に示すように、各エレメント部７Ａ〜７Ｃは、絶縁基板２に形成された第１、第２の電極３，４間にわたって搭載されることにより、ヒューズエレメント５の複数の通電経路を構成する。そして、複数のエレメント部７Ａ〜７Ｃは、図２（Ｂ）に示すように、定格を超える電流が通電することによって自己発熱（ジュール熱）により溶断する。ヒューズエレメント５は、すべてのエレメント部７Ａ〜７Ｃが溶断することにより、第１、第２の電極３，４間にわたる電流経路を遮断する（図２（Ｃ））。

また、ヒューズエレメント５は、定格を超える電流が通電し、溶断する際に、アーク放電が発生した場合にも、溶融したヒューズエレメントが広範囲にわたって飛散し、飛散した金属によって新たに電流経路が形成され、あるいは飛散した金属が端子や周囲の電子部品等に付着することを防止することができる。

すなわち、図３（Ａ）に示すように、絶縁基板４０上の電極端子４１，４２間にわたって広範囲に搭載されたヒューズエレメント４３においては、定格を超えた電圧が印加され大電流が流れると、全体的に発熱する。そして、図３（Ｂ）に示すように、ヒューズエレメント４３は、全体が溶融し、凝集状態となった後、図３（Ｃ）に示すように、大規模なアーク放電が発生しながら溶断する。このため、ヒューズエレメント４３の溶融物が爆発的に飛散する。このため、飛散した金属によって新たに電流経路が形成され絶縁性を損ない、あるいは、絶縁基板４０に形成された電極端子４１，４２を溶融させて共に飛散することにより、周囲の電子部品等に付着する恐れがある。さらに、ヒューズエレメント４３は、全体的に凝集した後にこれを溶融、遮断させることから溶断に要する熱エネルギーも多くなり、速溶断性に劣る。

アーク放電を速やかに止めて回路を遮断する対策として、中空ケース内に消弧材を詰めたものや、放熱材の周りにヒューズエレメントを螺旋状に巻きつけてタイムラグを発生させる高電圧対応の電流ヒューズも提案されている。しかし、従来の高電圧対応の電流ヒューズにおいては、消弧材の封入や螺旋ヒューズの製造といった、何れも複雑な材料や加工プロセスが必要とされ、ヒューズ素子の小型化や電流の高定格化といった面で不利である。

この点、ヒューズエレメント５は、第１、第２の電極３，４間にわたって搭載される複数のエレメント部７Ａ〜７Ｃを並列させているため、定格を超える電流が通電されると、抵抗値の低いエレメント部７に多くの電流が流れていき、自己発熱により順次溶断していき、最後に残ったエレメント部７が溶断する際にのみアーク放電が発生する。したがって、ヒューズエレメント５によれば、最後に残ったエレメント部７の溶断時にアーク放電が発生した場合にも、エレメント部７の体積に応じて小規模なものとなり、溶融金属の爆発的な飛散を防止することができ、また溶断後における絶縁性も大幅に向上させることができる。また、ヒューズエレメント５は、複数のエレメント部７Ａ〜７Ｃ毎に溶断されることから、各エレメント部７の溶断に要する熱エネルギーは少なくて済み、短時間で遮断することができる。

［絶縁部］
また、図１、図４に示すように、ヒューズ素子１は、複数のエレメント部７の間に、並列するエレメント部７同士の接続を防止する絶縁部８が設けられている。絶縁部８を設けることにより、ヒューズエレメント５は、エレメント部７が順次溶断していく際に、自身の発熱により溶融、膨張して隣接するエレメント部７に接触し凝集することを防止する。これにより、ヒューズエレメント５は、隣接するエレメント部７同士が溶融、凝集することで大型化し、溶断に必要な電力が増加することによる溶断時間の増加や、溶断時に生じるアーク放電の大規模化による溶融金属の爆発的飛散、溶断後における絶縁性の低下を防止することができる。

絶縁部８は、例えば絶縁基板２の表面２ａに、ソルダーレジストやガラス等の絶縁材料を印刷すること等により立設されている。また、絶縁部８は、絶縁性を有することから、溶融エレメントに対する濡れ性を有しないため、必ずしも隣接するエレメント部７同士を完全に隔絶する必要はない。すなわち、カバー部材６の天面６ｂとの間に隙間を有していても濡れ性による引き込み作用は働かず、溶融エレメントが当該隙間から並列するエレメント部側へ流入することはない。また、エレメント部７は、自身の発熱により溶融すると、第１、第２の電極３，４間の領域において断面ドーム状に膨れる。そのため、絶縁部８は、絶縁基板２の表面２ａからカバー部材６の天面６ｂまでに至る高さの半分以上の高さがあれば、溶融エレメントが並列するエレメント部７と接触することを防止できる。もちろん、絶縁部８は、絶縁基板２の表面２ａからカバー部材６の天面６ｂまでに至る高さで形成し、エレメント部７同士を隔絶してもよい。

また、図５に示すように、絶縁部８は、カバー部材６の天面６ｂに形成してもよい。絶縁部８は、カバー部材６の天面６ｂに一体形成してもよく、又は天面６ｂにソルダーレジストやガラス等の絶縁材料を印刷すること等により立設してもよい。この場合も、絶縁部８は、カバー部材６の天面６ｂから絶縁基板２の表面２ａまでに至る高さの半分以上の高さがあれば、溶融エレメントが並列するエレメント部７と接触することを防止できる。

また、図６に示すように、絶縁部８は、絶縁基板２やカバー部材６に設ける他、並列する複数のエレメント部７の間に絶縁部８を構成する液状あるいはペースト状の絶縁材料を塗布し、硬化させることにより形成してもよい。絶縁部８を構成する絶縁性の材料としては、エポキシ樹脂等の熱硬化性の絶縁性接着剤やソルダーレジスト、ガラスペーストを用いることができる。この場合、絶縁部８を構成する絶縁材料は、ヒューズエレメント５が絶縁基板２に接続された後に塗布、硬化させてもよく、ヒューズエレメント５を絶縁基板２に接続する前に塗布、硬化させてもよい。

液状あるいはペースト状の絶縁材料は、並列する複数のエレメント部７の間に毛管作用によって充填され、硬化することによりエレメント部７が発熱により溶融した場合に、並列するエレメント部７同士の接続を防止することができる。このため、絶縁部８を構成する絶縁材料は、硬化することによりエレメント部７の発熱温度に対する耐熱性を備えることが求められる。

［溶断順序の制御］
ヒューズ素子１は、ヒューズエレメント５の各エレメント部７の間に絶縁部８を設けることが好ましい。また、ヒューズ素子１は、複数のエレメント部７を順次溶断させるとともに、少なくとも最初に溶断するエレメント部７とこの最初に溶断するエレメント部７に隣接するエレメント部７との間に絶縁部８を設けることが好ましい。

例えば、ヒューズエレメント５は、複数のエレメント部７のうち、一つのエレメント部７の一部又は全部の断面積を他のエレメント部の断面積よりも小さくすることにより、相対的に高抵抗化することにより、定格を超える電流が通電されると、先ず比較的低抵抗のエレメント部７から多くの電流が通電し溶断していく。このエレメント部７の溶断は自己発熱によるアーク放電を伴うものではないため、溶融金属の爆発的な飛散もない。その後、残った当該高抵抗化されたエレメント部７に電流が集中し、最後にアーク放電を伴って溶断する。これにより、ヒューズエレメント５は、エレメント部７を順次溶断させることができる。ヒューズエレメント５は、断面積の小さいエレメント部７の溶断時にアーク放電が発生するが、エレメント部７の体積に応じて小規模なものとなり、溶融金属の爆発的な飛散を防止することができる。

このとき、ヒューズ素子１は、最初に溶断する比較的低抵抗のエレメント部７と、このエレメント部７に隣接するエレメント部との間に絶縁部８を設けることにより、自身の発熱により膨張して隣接するエレメント部７に接触し凝集することを防止することができる。これにより、ヒューズ素子１は、エレメント部７を所定の溶断順序で溶断させるとともに、隣接するエレメント部７同士が一体化することによる溶断時間の増加やアーク放電の大規模化による絶縁性の低下を防止することができる。

具体的に、図１に示す３つのエレメント部７Ａ、７Ｂ、７Ｃからなるヒューズエレメント５が搭載されたヒューズ素子１において、相対的に真ん中のエレメント部７Ｂの断面積を小さくし高抵抗化することにより、外側のエレメント部７Ａ、７Ｃから優先的に多くの電流を流し、溶断させた後、最後に真ん中のエレメント部７Ｂを溶断する。このとき、ヒューズ素子１は、エレメント部７Ａ、７Ｂとの間、及びエレメント部７Ｂ、７Ｃにそれぞれ絶縁部８を設けることにより、エレメント部７Ａ、７Ｃが自己発熱により溶融した際にも、隣接するエレメント部７Ｂと接触することなく短時間で溶断するとともに、最後にエレメント部７Ｂを溶断させることができる。また、断面積の小さいエレメント部７Ｂは、隣接するエレメント部７Ａ、７Ｃとの接触もなく、溶断時におけるアーク放電も小規模なものに止まる。

なお、ヒューズエレメント５は、３つ以上のエレメント部を設けた場合、外側のエレメント部を最初に溶断させ、内側のエレメント部を最後に溶断させることが好ましい。例えば、図２に示すように、ヒューズエレメント５は、３つのエレメント部７Ａ、７Ｂ、７Ｃを設けるとともに、真ん中のエレメント部７Ｂを最後に溶断させることが好ましい。

上述したように、ヒューズエレメント５に定格を超える電流が通電されると、先ず外側に設けられた２つのエレメント部７Ａ、７Ｃに多くの電流が流れて自己発熱により溶断する。これらエレメント部７Ａ、７Ｃの溶断は自己発熱によるアーク放電を伴うものではないため、溶融金属の爆発的な飛散もない。また、上述したように、エレメント部７Ａ、７Ｃは、絶縁部８により隣接するエレメント部７Ｂとの接触もなく、最初に溶断される。

次いで、内側に設けられたエレメント部７Ｂに電流が集中し、アーク放電を伴いながら溶断する。このとき、ヒューズエレメント５は、内側に設けられたエレメント部７Ｂを最後に溶断させることにより、アーク放電が発生しても、エレメント部７Ｂの溶融金属を、先に溶断している外側のエレメント部７Ａ，７Ｃやエレメント部７Ａ，７Ｃとの間に設けられた絶縁部８によって捕捉することができる。したがって、エレメント部７Ｂの溶融金属の飛散を抑制し、溶融金属によるショート等を防止することができる。

このときも、ヒューズエレメント５は、３つのエレメント部７Ａ〜７Ｃのうち、内側に位置する真ん中のエレメント部７Ｂの一部又は全部の断面積を外側に位置する他のエレメント部７Ａ，７Ｃの断面積よりも小さくすることにより、相対的に高抵抗化し、これにより真ん中のエレメント部７Ｂを最後に溶断させてもよい。この場合も、断面積を相対的に小さくすることにより最後に溶断させているため、アーク放電もエレメント部７Ｂの体積に応じて小規模なものとなり、溶融金属の爆発的な飛散をより抑制することができる。

［絶縁部の設置位置］
また、ヒューズ素子１は、絶縁部８をエレメント部７の溶断部位に応じて設ければよい。図２に示すように、ヒューズエレメント５は、各エレメント部７が絶縁基板２に設けられた第１、第２の電極３，４上に接続されることにより、第１、第２の電極３，４間を導通させている。各エレメント部７は、第１、第２の電極３，４に接続されている両端部では電流が集中せず、第１の電極３と第２の電極４との中間部において電流が集中し、高温に発熱することにより溶融する。

したがって、ヒューズ素子１は、各エレメント部７の第１の電極３と第２の電極４とに接続された両端部間の中間部に隣接して設けることで、溶融エレメントが隣接するエレメント部７に接触することを防止することができる。

［端子部］
端子部１０は、ヒューズエレメント５が搭載されたヒューズ素子１が回路基板に実装されると、当該回路基板に形成された接続端子に接続されるものであり、図１に示すように、エレメント部７の長手方向の両側に形成されている。そして、端子部１０は、ヒューズ素子１がフェースダウンで回路基板に実装されることにより、回路基板上に形成された接続端子とハンダ等を介して接続される。

ヒューズ素子１は、ヒューズエレメント５に形成した端子部１０を介して回路基板と導通接続されることにより、素子全体の抵抗値を下げて、小型化且つ高定格化を図ることができる。すなわち、ヒューズ素子１は、絶縁基板２の裏面に回路基板との接続用電極を設けるとともに、導電ペーストが充填されたスルーホール等を介して第１、第２の電極３，４と接続する場合、スルーホールやキャスタレーションの孔径や孔数の制限や、導電ペーストの抵抗率や膜厚の制限により、ヒューズエレメントの抵抗値以下の実現が難しく、高定格化が困難となる。

そこで、ヒューズ素子１は、ヒューズエレメント５に端子部１０を形成するとともに、カバー部材６を介して素子外部へ突出させる。そして、ヒューズ素子１は、図１０（ｅ）に示すように、回路基板上にフェースダウン実装することにより、端子部１０を直接、回路基板の接続端子に接続する。これにより、ヒューズ素子１は、導電スルーホールを介在させることによる高抵抗化を防止でき、ヒューズエレメント５によって素子の定格が決まり、小型化を図るとともに高定格化を実現できる。

また、ヒューズ素子１は、ヒューズエレメント５に端子部１０を形成することにより、絶縁基板２の裏面に回路基板との接続用電極を形成する必要がなく、表面２ａのみに第１、第２の電極３，４を形成すれば足り、製造工数の削減を図ることができる。

［ヒューズエレメントの製法］
複数のエレメント部７が形成されたヒューズエレメント５は、例えば図７（Ａ）に示すように、板状の材料の中央部２か所を矩形状に打ち抜くことにより製造することができる。ヒューズエレメント５は、並列する３つのエレメント部７Ａ〜７Ｃの両側が一体に支持されている。なお、図７（Ｂ）に示すように、ヒューズエレメント５は、並列する３つのエレメント部７Ａ〜７Ｃの片側が一体に支持されたものでもよい。

また、端子部１０が設けられたヒューズエレメント５は、例えば、板状に形成された材料を打ち抜いて複数のエレメント部７を形成するとともに、両側縁部を折り曲げることにより製造することができる。また、端子部１０が設けられたヒューズエレメント５は、端子部１０を構成する金属板と複数のエレメント部７とを接続してもよい。あるいは、端子部１０を構成する金属板を第１及び第２の電極３，４上に接続することにより製造してもよい。

なお、ヒューズ素子１は、端子部１０と複数のエレメント部７とを有するヒューズエレメント５を用いる場合には、絶縁基板２に第１、第２の電極３，４を設けなくともよい。この場合、絶縁基板２は、ヒューズエレメント５の熱を放熱するために用いられ、熱伝導性の良いセラミック基板が好適に用いられる。また、ヒューズエレメント５を絶縁基板２に接続する接着剤としては、導電性は無くともよく、熱伝導性に優れるものが好ましい。

［複数エレメント］
また、ヒューズ素子１は、ヒューズエレメントとして、エレメント部７に相当する複数枚のエレメント１１を第１及び第２の電極３，４間にわたって並列に接続することにより製造してもよい。図８に示すように、エレメント１１は、例えばエレメント１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの３枚が並列される。各エレメント１１Ａ〜１１Ｃは、矩形板状に形成されるとともに、両端に端子部１０が折り曲げ形成されている。エレメント１１は、内側に設けられている真ん中のエレメント１１Ｂの断面積を外側に設けられている他のエレメント１１Ａ，１１Ｃの断面積よりも小さくすることにより、相対的に高抵抗化し、最後に溶断せるようにしてもよい。

なお、ヒューズエレメント５は、端子部１０を設けずに、第１、第２の電極３，４を介して回路基板の接続端子と接続されてもよい。この場合、ヒューズ素子１は、第１、第２の電極３，４が、スルーホールを介して絶縁基板２の裏面に設けられた外部接続端子と接続され、あるいは第１、第２の電極３，４上に金属ポスト等からなる外部接続端子が接続され、この外部接続端子と回路基板の接続端子とが接続される。

［ヒューズ素子の製造工程］
ヒューズエレメント５が用いられるヒューズ素子１は、以下の工程により製造される。ヒューズエレメント５が搭載される絶縁基板２は、図９（Ａ）に示すように、表面２ａに第１、第２の電極３，４が形成されるとともに、ヒューズエレメント５のエレメント部７間の位置に応じて絶縁部８が設けられている。第１、第２の電極３，４は、ヒューズエレメント５がハンダ付け等により接続される（図９（Ｂ））。これにより、ヒューズエレメント５は、ヒューズ素子１が回路基板に実装されることにより、回路基板に形成された回路上に直列に組み込まれる。また、絶縁基板２の表面２ａに絶縁部８が立設されている場合には、ヒューズエレメント５は、並列する複数のエレメント部７の間に絶縁部８が位置される。

ヒューズエレメント５は、第１、第２の電極３，４間にハンダ等の接続材料を介して搭載され、ヒューズ素子１が回路基板にリフロー実装される際にハンダ接続される。また、図９（Ｃ）に示すように、ヒューズエレメント５上にはフラックス１７が設けられる。フラックス１７が設けられることにより、ヒューズエレメント５の酸化防止、濡れ性の向上を図り、速やかに溶断させることができる。また、フラックス５を設けることにより、アーク放電による溶融金属の絶縁基板２への付着を抑制し、溶断後における絶縁性を向上させることができる。

次いで、図９（Ｄ）に示すように、絶縁基板２の表面２ａ上を保護するとともに、アーク放電によるヒューズエレメント５の溶融飛散物を低減させるカバー部材６が搭載されることによりヒューズ素子１が完成する。カバー部材６は、長手方向の両端に幅方向に亘る一対の側壁６ａが形成され、この側壁６ａが表面２ａ上に設置されるとともに、開放された側面からヒューズエレメント５の端子部１０が上方に突出されている。なお、絶縁部８が絶縁基板２の表面２ａではなく、カバー部材６の天面６ｂに形成されている場合には、カバー部材６が搭載されることにより、ヒューズエレメント５は、並列する複数のエレメント部７の間に絶縁部８が位置される。

このヒューズ素子１は、図９（Ｅ）に示すように、カバー部材６が設けられた表面２ａ側を回路基板に向けるフェースダウン実装によって接続される。これにより、ヒューズ素子１は、ヒューズエレメント５の各エレメント部７がカバー部材６及び端子部１０によって覆われるため、アーク放電の発生によっても溶融金属が端子部１０やカバー部材６によって捕捉され、周囲への飛散を防止できる。

［張出し部］
また、ヒューズ素子１は、図１０（Ａ）（Ｂ）に示すように、第１、第２の電極３，４の１つのエレメント部７が接続される部位が張り出す張出し部３ａ，４ａを形成し、張出し部３ａ，４ａ間における電極間距離が、他のエレメント部７が接続される部位の電極間距離よりも短くしてもよい。

張出し部３ａ，４ａ上にもエレメント部７を搭載することにより、当該エレメント部７は、第１、第２の電極３，４及び張出し部３ａ，４ａとの接触面積が増える。このため、当該エレメント部７は、電流が流れて自己発熱した場合にも、第１、第２の電極３，４及びその張出し部３ａ，４ａを介して放熱されることから、張出し部３ａ，４ａが設けられていない部位に搭載された他のエレメント部７に比して冷めやすくなり、他のエレメント部７よりも遅れて溶断する。これにより、ヒューズ素子１は、ヒューズエレメント５のエレメント部７を順次溶断させることができる。

また、張出し部３ａ，４ａを設けることにより、電極間距離が他のエレメント部に比して短くなる。エレメント部７は、電極間距離が長くなるほど溶断しやすくなることから、張出し部３ａ，４ａ上に搭載されたエレメント部７は、他のエレメント部７よりも溶断されにくく、他のエレメント部７に遅れて溶断する。これによっても、ヒューズ素子１は、ヒューズエレメント５のエレメント部７を順次溶断させることができる。

また、ヒューズ素子１は、３つ以上のエレメント部が設けられたヒューズエレメント５を用い、第１、第２の電極３，４のうち、内側のエレメント部７が搭載される部位に張出し部３ａ，４ａを設け、内側のエレメント部７を最後に溶断させることが好ましい。例えば、図１０に示すように、３つのエレメント部７Ａ、７Ｂ、７Ｃを設けたヒューズエレメント５を用いるとともに、真ん中のエレメント部７Ｂが搭載される部位に張出し部３ａ，４ａを設け、真ん中のエレメント部７Ｂを冷めやすくするとともに電極間距離も短くすることにより、最後に溶断させることが好ましい。

上述したようにヒューズエレメント５は、最後のエレメント部７が溶断する際に、アーク放電を伴うことから、真ん中のエレメント部７Ｂを最後に溶断させることにより、アーク放電が発生しても、エレメント部７Ｂの溶融金属を、先に溶断している外側のエレメント部７Ａ，７Ｃによって捕捉することができる。したがって、エレメント部７Ｂの溶融金属の飛散を抑制し、溶融金属によるショート等を防止することができる。

なお、このとき、ヒューズエレメント５は、３つのエレメント部７Ａ〜７Ｃのうち、内側に位置する真ん中のエレメント部７Ｂの一部又は全部の断面積を外側に位置する他のエレメント部７Ａ，７Ｃの断面積よりも小さくすることにより、相対的に高抵抗化し、これにより真ん中のエレメント部７Ｂを最後に溶断させてもよい。この場合も、断面積を相対的に小さくすることにより最後に溶断させているため、アーク放電もエレメント部７Ｂの体積に応じて小規模なものとすることができる。

［第２の形態］
また、本発明が適用されたヒューズ素子は、図１１（Ｂ）に示すように、ヒューズエレメント５に端子部１０を一体成型するとともに、この端子部１０を絶縁基板２の側面に嵌合させ、絶縁基板２の裏面側に突出させてもよい。なお、以下に説明するヒューズ素子２０において、上述したヒューズ素子１と同じ部材については同じ符号を付してその詳細を省略する。

このヒューズ素子２０は、図１１（Ｃ）に示すように、ヒューズエレメント５上にフラックス１７を設け、次いで、図１１（Ｄ）に示すように、絶縁基板２の表面２ａ上にカバー部材６を搭載することにより製造される。端子部１０は、カバー部材６の開放された側面より絶縁基板２の裏面側へ突出される。なお、ヒューズ素子２０において、絶縁部８が絶縁基板２の表面２ａに立設され、あるいはヒューズエレメント５に塗布、硬化されることにより設けられていれば、カバー部材６は必ずしも搭載する必要はない。

そして、ヒューズ素子２０は、ハンダ等の接続材料により、絶縁基板２の裏面を回路基板へ向けて実装される。これにより、ヒューズ素子２０は、端子部１０が回路基板に形成された電極端子と接続され、ヒューズエレメント５が回路基板の回路と直列に接続される。

このヒューズ素子２０は、図１１（Ａ）に示すように、絶縁基板２の側面にヒューズエレメント５の端子部１０が嵌合する嵌合凹部２１を形成してもよい。嵌合凹部２１を形成することにより、回路基板への実装面積が広がることもなく、また、ヒューズエレメント５の嵌合位置を固定することができる。

なお、図１１に示すヒューズ素子２０は、絶縁基板２の表面２ａには、第１、第２の電極３，４を形成しなくともよい。これにより、ヒューズ素子２０は、絶縁基板２の表面２ａに電極を形成する必要がなく、製造工数の削減を図ることができる。

また、ヒューズ素子２０において、絶縁基板２は、ヒューズエレメント５の熱を放熱するために用いられ、熱伝導性の良いセラミック基板が好適に用いられる。また、ヒューズエレメント５を絶縁基板２に接続する接着剤としては、導電性は無くともよく、熱伝導性に優れるものが好ましい。さらに、このヒューズ素子２０は、絶縁基板２の裏面に、放熱用の電極を形成してもよい。

また、ヒューズ素子２０は、図１２に示すように、エレメント部７に相当する複数枚のエレメント１１を第１及び第２の電極３，４間にわたって並列に接続することにより製造してもよい。ヒューズ素子２０は、並列するエレメント１１間に絶縁部８が設けられている。各エレメント２２は、端子部１０が折り曲げ形成されるとともに、これら端子部１０を絶縁基板２の側面に嵌合させ、絶縁基板２の裏面側に突出させている。

この場合も、絶縁基板２の表面２ａに設けられた第１、第２の電極３，４は形成しなくともよい。また、ヒューズ素子２０は、エレメント１１を３枚並列させ（１１Ａ〜１１Ｃ）、内側に設けられている真ん中のエレメント１１Ｂの断面積を外側に設けられている他のエレメント１１Ａ，１１Ｃの断面積よりも小さくすることにより、相対的に高抵抗化し、最後に溶断せるようにしてもよい。

［第１、第２の電極の分割］
また、ヒューズ素子１，２０は、第１、第２の電極３，４を、ヒューズエレメント５の複数のエレメント部７や複数枚のエレメント１１の搭載位置に応じて、複数の第１の分割電極３及び複数の第２の分割電極４に分割してもよい。例えば、図１３（Ａ）（Ｂ）に示すように、ヒューズ素子１は、第１、第２の電極３，４を、ヒューズエレメント５の３つのエレメント部７Ａ〜７Ｃや３枚のエレメント１１Ａ〜１１Ｃの搭載位置に応じて、第１の分割電極３Ａ〜３Ｃ及び第２の分割電極４Ａ〜４Ｃに分割してもよい。

第１の電極３を第１の分割電極３Ａ〜３Ｃに、第２の電極４を第２の分割電極４Ａ〜４Ｃに分割する事により、ヒューズ素子１は、ヒューズエレメント５のエレメント部７Ａ〜７Ｃ又はエレメント１１Ａ〜１１Ｃのハンダ接続時のハンダの表面張力による実装ズレや不用意なハンダ溜まりを抑制することができる。

また、ヒューズ素子１は、絶縁部８を第１の分割電極３Ａ〜３Ｃに隣接する位置から各第２の分割電極４Ａ〜４Ｃに隣接する位置にわたって形成してもよい。上述したように、ヒューズ素子１は、リフローはんだ付け等により回路基板に実装され、これにより、ヒューズエレメント５が当該回路基板上に形成された回路に直列に組み込まれる。このとき、回路基板の接続端子に設けられた接続用ハンダが溶融し、ヒューズエレメント５の端子部１０を伝って絶縁基板２の表面２ａに設けられた第１、第２の電極３，４上まで移動して、並列するエレメント部７間の領域に凝集することがある。このため、ヒューズ素子１は、エレメント部７における抵抗値が低下し、また、遮断時間の遅延を招く恐れがある。

そこで、第１、第２の電極３，４をエレメント部７又はエレメント１１に応じて複数に分割するとともに、ハンダに対する濡れ性を有しない絶縁部８を第１の分割電極３Ａ〜３Ｃに隣接する位置から各第２の分割電極４Ａ〜４Ｃに隣接する位置にわたって形成することにより、回路基板の接続端子に設けられた接続用ハンダが溶融しても、第１の分割電極３Ａ〜３Ｃ及び第２の分割電極４Ａ〜４Ｃまで移動することを抑制し、又は移動量を減少することができ、エレメント部７における抵抗値の低下や、遮断時間の遅延を防止することができる。

［ヒューズエレメントの層構造］
次いで、ヒューズエレメント５の構成ついて説明する。なお、以下に説明するヒューズエレメント５の構成は、エレメント１１にも適用することができる。上述したヒューズエレメント５は、ハンダ又はＳｎを主成分とするＰｂフリーハンダ等の低融点金属、若しくは低融点金属と高融点金属の積層体である。例えば、ヒューズエレメント５は、内層と外層とからなる積層構造体であり、内層として低融点金属層５ａ、低融点金属層５ａに積層された外層として高融点金属層５ｂを有する（図４参照）。

低融点金属層５ａは、好ましくは、Ｓｎを主成分とする金属であり、「Ｐｂフリーハンダ」と一般的に呼ばれる材料である（たとえば千住金属工業製、Ｍ７０５等）。低融点金属層５ａの融点は、必ずしもリフロー炉の温度よりも高い必要はなく、２００℃程度で溶融してもよい。高融点金属層５ｂは、低融点金属層５ａの表面に積層された金属層であり、例えば、Ａｇ若しくはＣｕ又はこれらのうちのいずれかを主成分とする金属であり、ヒューズエレメント５をリフロー炉によって絶縁基板２上に実装を行う場合においても溶融しない高い融点を有する。

ヒューズエレメント５は、内層となる低融点金属層５ａに、外層として高融点金属層５ｂを積層することによって、リフロー温度が低融点金属層５ａの溶融温度を超えた場合であっても、ヒューズエレメント５として溶断するに至らない。したがって、ヒューズエレメント５は、リフローによって効率よく実装することができる。

また、ヒューズエレメント５は、所定の定格電流が流れている間は、自己発熱によっても溶断することがない。そして、定格よりも高い値の電流が流れると、自己発熱によって溶融し、第１及び第２の電極３，４間の電流経路を遮断する。このとき、ヒューズエレメント５は、例えば低融点金属としてＳｎを４０％以上含ませる合金を用いることで、溶融した低融点金属層５ａが高融点金属層５ｂを溶食することにより、高融点金属層５ｂが溶融温度よりも低い温度で溶融する。したがって、ヒューズエレメント５は、低融点金属層５ａによる高融点金属層５ｂの溶食作用を利用して短時間で溶断することができる。加えて、ヒューズエレメント５の溶融金属は、第１及び第２の電極３，４の物理的な引き込み作用により左右に分断されることから、速やかに、かつ確実に、第１及び第２の電極３，４間の電流経路を遮断することができる。

また、ヒューズエレメント５は、内層となる低融点金属層５ａに高融点金属層５ｂが積層されて構成されているため、溶断温度を従来の高融点金属からなるチップヒューズ等よりも大幅に低減することができる。したがって、ヒューズエレメント５は、同一サイズのチップヒューズ等に比して、断面積を大きくでき電流定格を大幅に向上させることができる。また、同じ電流定格をもつ従来のチップヒューズよりも小型化、薄型化を図ることができ、速溶断性に優れる。

また、ヒューズエレメント５は、ヒューズ素子１が組み込まれた電気系統に異常に高い電圧が瞬間的に印加されるサージへの耐性（耐パルス性）を向上することができる。すなわち、ヒューズエレメント５は、例えば１００Ａの電流が数ｍｓｅｃ流れたような場合にまで溶断してはならない。この点、極短時間に流れる大電流は導体の表層を流れることから（表皮効果）、ヒューズエレメント５は、外層として抵抗値の低いＡｇメッキ等の高融点金属層５ｂが設けられているため、サージによって印加された電流を流しやすく、自己発熱による溶断を防止することができる。したがって、ヒューズエレメント５は、従来のハンダ合金からなるヒューズに比して、大幅にサージに対する耐性を向上させることができる。

ヒューズエレメント５は、低融点金属層５ａの表面に高融点金属５ｂを電解メッキ法等の成膜技術を用いることにより製造できる。例えば、ヒューズエレメント５は、所定の形状に成形されたハンダ箔の表面にＡｇメッキを施すことにより効率よく製造できる。また、ヒューズエレメント５は、ハンダ箔を電解メッキ法等により高融点金属被覆した後、エレメント部７の間の領域に応じた所定箇所を打ち抜くことで、低融点金属層５ａの上下に高融点金属層５ｂが積層された積層構造を備える。なお、エレメント１１は、それぞれ、ハンダ箔を電解メッキ法等により高融点金属被覆することにより、低融点金属層５ａを内層とし、高融点金属層５ｂを外層とした被覆構造を備える。

また、ヒューズエレメント５及びエレメント１１は、低融点金属層５ａの体積を、高融点金属層５ｂの体積よりも多く形成することが好ましい。ヒューズエレメント５及びエレメント１１は、自己発熱によって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、ヒューズエレメント５及びエレメント１１は、低融点金属層５ａの体積を高融点金属層５ｂ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３，４間を遮断することができる。

また、上述したように、ヒューズエレメント５は、外層の高融点金属層５ｂ又は低融点金属層５ａの酸化防止と、溶断時の酸化物除去及びハンダの流動性向上のために、ヒューズエレメント５上の外層のほぼ全面にフラックス１７が塗布されている。フラックス１７を塗布することにより、低融点金属（例えばハンダ）の濡れ性を高めるとともに、低融点金属が溶解している間の酸化物を除去し、高融点金属（例えば銀）への溶食作用を用いて速溶断性を向上させることができる。

また、フラックス１７を塗布することにより、最外層の高融点金属層５ｂの表面に、Ｓｎを主成分とするＰｂフリーハンダ等の酸化防止膜７を形成した場合にも、当該酸化防止膜７の酸化物を除去することができ、高融点金属層５ｂの酸化を効果的に防止し、速溶断性を維持、向上することができる。

１ ヒューズ素子、２ 絶縁基板、２ａ 表面、３ 第１の電極、４ 第２の電極、５ ヒューズエレメント、６ カバー部材、６ａ 側壁、６ｂ 天面、７ エレメント部、８ 絶縁部、１０ 端子部、１１ エレメント、１７ フラックス、２０ ヒューズ素子、２１ 嵌合凹部

Claims (14)

1. 絶縁基板と、
   上記絶縁基板上に搭載され、定格を超える電流が通電することによって自己発熱により溶断し通電経路を遮断する、並列した複数のエレメント部を備えるヒューズエレメント、又は並列した複数のヒューズエレメントと、
   上記複数のエレメント部の間、又は上記複数のヒューズエレメントの間に設けられ、並列する上記エレメント部又は上記ヒューズエレメントとの接続を防止する絶縁部とを備えるヒューズ素子。
2. 複数の上記ヒューズエレメント又は複数の上記エレメント部が順次溶断し、
   上記絶縁部は、最初に溶断する上記エレメント部と該最初に溶断する上記エレメント部に並列する上記エレメント部との間、又は最初に溶断する上記ヒューズエレメントと該最初に溶断する上記ヒューズエレメントに並列する上記ヒューズエレメントとの間に設けられている請求項１記載のヒューズ素子。
3. 上記絶縁基板に設けられた第１及び第２の電極を有し、
   上記エレメント部又は上記ヒューズエレメントは、上記第１及び第２の電極間にわたって実装されている請求項１又は２に記載のヒューズ素子。
4. 上記絶縁部は、上記第１の電極と上記第２の電極との間の領域に設けられている請求項３記載のヒューズ素子。
5. 上記ヒューズエレメントは、上記第１及び第２の電極と、ハンダ接続されている請求項３又は４に記載のヒューズ素子。
6. 上記ヒューズエレメントは、
   低融点金属層と、
   上記低融点金属層に積層された高融点金属層とを有し、
   上記低融点金属層が、上記通電時に上記高融点金属層を溶食し溶断する作用を用いた請求項１〜５のいずれか１項に記載のヒューズ素子。
7. 上記ヒューズエレメントは、上記低融点金属の上下に上記高融点金属層が積層されている請求項６記載のヒューズ素子。
8. 上記ヒューズエレメントは、上記低融点金属を内層とし、上記高融点金属層を外層とした被覆構造である請求項６記載のヒューズ素子。
9. 上記ヒューズエレメントは、上記高融点金属層の体積よりも上記低融点金属層の体積の方が多い請求項６〜８のいずれか１項に記載のヒューズ素子。
10. カバー部材によって上記絶縁基板上の上記ヒューズエレメントの遮断部位が覆われている請求項１〜９のいずれか１項に記載のヒューズ素子。
11. 上記カバー部材に上記絶縁部が設けられている請求項１０記載のヒューズ素子。
12. 上記絶縁基板の表面に上記絶縁部が設けられている請求項１〜１０のいずれか１項に記載のヒューズ素子。
13. 上記絶縁部は、上記複数のエレメント部の間、又は上記複数のヒューズエレメントの間に塗布された絶縁性の材料が硬化することにより形成される請求項１〜１０のいずれか１項に記載のヒューズ素子。
14. 並列する複数のエレメント部と、
    上記複数のエレメント部の間に設けられ並列する上記エレメント部同士の接続を防止する絶縁部とを有し、
    上記複数のエレメント部が、定格を超える電流の通電による自己発熱により溶断するヒューズエレメント。

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