(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板と、
上記絶縁基板に設けられた第１の電極及び第２の電極と、
発熱体と、
上記発熱体に電気的に接続された発熱体引出電極と、
上記第１の電極、上記第２の電極及び上記発熱体引出電極にわたって接続され、上記発熱体の加熱によって溶融し、上記第１の電極及び第２の電極の間の電流経路を遮断するヒューズエレメントと、
上記ヒューズエレメントと上記発熱体引出電極が重畳する領域に対応して上記ヒューズエレメントと電気的に接続された補助導体とを備え、
上記補助導体は、上記ヒューズエレメント上部に配設された保護素子。
【請求項２】
絶縁基板と、
上記絶縁基板に設けられた第１の電極及び第２の電極と、
発熱体と、
上記発熱体に電気的に接続された発熱体引出電極と、
上記第１の電極、上記第２の電極及び上記発熱体引出電極にわたって接続され、上記発熱体の加熱によって溶融し、上記第１の電極及び第２の電極の間の電流経路を遮断するヒューズエレメントと、
上記ヒューズエレメントと上記発熱体引出電極が重畳する領域に対応して上記ヒューズエレメントと電気的に接続された補助導体とを備え、
上記補助導体は、上記ヒューズエレメントと上記発熱体引出電極との間に介在するとともに、上記ヒューズエレメント上部にも配設された保護素子。
【請求項３】
上記ヒューズエレメントは、上記発熱体引出電極と重畳する領域において、上記第１の電極及び第２の電極間の一部が他の部分と比較して断面積が小さい小断面積部を有する請求項１又は２に記載の保護素子。
【請求項４】
上記ヒューズエレメントは、上記発熱体引出電極と上記第１の電極にわたって接続される第１の部材と、上記第１の部材と非接触であり上記発熱体引出電極と上記第２の電極にわたって接続される第２の部材とを有する請求項１又は２に記載の保護素子。
【請求項５】
絶縁基板と、
上記絶縁基板に設けられた第１の電極及び第２の電極と、
発熱体と、
上記発熱体に電気的に接続された発熱体引出電極と、
上記第１の電極、上記第２の電極及び上記発熱体引出電極にわたって接続され、上記発熱体の加熱によって溶融し、上記第１の電極及び第２の電極の間の電流経路を遮断するヒューズエレメントと、
上記ヒューズエレメントと上記発熱体引出電極が重畳する領域に対応して上記ヒューズエレメントと電気的に接続された補助導体とを備え、
上記ヒューズエレメントは、上記発熱体引出電極と重畳する領域において、上記第１の電極及び第２の電極間の一部が他の部分と比較して断面積が小さい小断面積部を有する保護素子。
【請求項６】
上記小断面積部は、上記ヒューズエレメントの通電方向の幅を狭めた部分である請求項５に記載の保護素子。
【請求項７】
上記小断面積部は、上記ヒューズエレメントの幅方向に複数設けられている請求項６に記載の保護素子。
【請求項８】
上記小断面積部は、上記ヒューズエレメントの厚みを調整したものである請求項６乃至７の何れか１項に記載の保護素子。
【請求項９】
上記補助導体は、上記ヒューズエレメントの上記小断面積部と重畳する領域において分割され、各分割片は非接触とされている請求項６乃至８の何れか１項に記載の保護素子。
【請求項１０】
上記補助導体の各分割片の間の空間は、上記ヒューズエレメントの溶融体を保持する保持凹部を形成する請求項９に記載の保護素子。
【請求項１１】
絶縁基板と、
上記絶縁基板に設けられた第１の電極及び第２の電極と、
発熱体と、
上記発熱体に電気的に接続された発熱体引出電極と、
上記第１の電極、上記第２の電極及び上記発熱体引出電極にわたって接続され、上記発熱体の加熱によって溶融し、上記第１の電極及び第２の電極の間の電流経路を遮断するヒューズエレメントと、
上記ヒューズエレメントと上記発熱体引出電極が重畳する領域に対応して上記ヒューズエレメントと電気的に接続された補助導体とを備え、
上記ヒューズエレメントは、上記発熱体引出電極と上記第１の電極にわたって接続される第１の部材と、上記第１の部材と非接触であり上記発熱体引出電極と上記第２の電極にわたって接続される第２の部材とを有する保護素子。
【請求項１２】
上記補助導体は、上記ヒューズエレメントの上記第１の部材と上記第２の部材との間に空いた領域と重畳する領域にも設けられている請求項１１に記載の保護素子。
【請求項１３】
上記補助導体は、上記ヒューズエレメントの上記第１の部材と上記第２の部材との間に空いた領域を充填する突出部が設けられている請求項１２に記載の保護素子。
【請求項１４】
上記補助導体は、上記ヒューズエレメントと上記発熱体引出電極との間に介在する請求項５〜１３のいずれか１項に記載の保護素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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ヒータによる加熱でヒューズエレメントを溶断し当該電流経路を遮断する保護素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、定格を超える電流が流れた時にヒータによる加熱でヒューズエレメントを溶断し、当該電流経路を遮断する保護素子が用いられている。このような保護素子は、基板上に電極やヒューズエレメントを搭載した機能型のチップに形成され、このチップを回路基板上に実装する表面実装型のものが知られている。
【０００３】
上述のような保護素子では、外部回路からの信号に基づきヒータに通電して加熱をすることでヒューズエレメントを溶断するため、外部回路の制御に基づくタイミングで電流経路を遮断するスイッチのような使い方が可能である。このような保護素子は、例えばリチウムイオンバッテリ等の二次電池の保護回路として用いられる。
【０００４】
近年、リチウムイオンバッテリ等の二次電池の用途に大電流出力を要求するもの、例えば電気自転車や電動工具等が増えてきており、保護回路の定格電流が上昇し、大電流に耐えうるヒューズエレメントが用いられるようになってきた。
【０００５】
ヒューズエレメントは、大電流に耐えるため抵抗値の低減を目的として断面積が大きくなり、すなわち、ヒータによって溶断するヒューズエレメントの体積が増大する傾向がある。
【０００６】
溶融したヒューズエレメント（以下では、単に溶融体とも記載する。）は、保護素子の基板上に凝集することになる。しかし、ヒューズエレメントの溶融体積が増大すると、溶融するまでにかかる時間が増大して溶断特性が悪化し、またヒューズエレメントの溶融体を電極間の絶縁した空間に保持しきれずに、電極間を電気的に分離することが困難となり絶縁性が悪化する場合がある。
【０００７】
特許文献１に記載の技術にあっては、溶融したヒューズエレメントを基板上で保持せずに、基板に設けたスルーホールによって吸引し、ヒューズエレメントの溶融体と電極を適切に分離する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１５−０５３２６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記特許文献１に記載の技術にあっては、基板にスルーホールを設けてヒューズエレメントの溶融体の吸引経路を設ける必要があり、スルーホールを設けた分だけ基板が大型化し、保護素子の小型化が困難になるといった課題が発生する。
【００１０】
また、上記特許文献１に記載の技術にあっては、吸引したヒューズエレメントを基板背面に保持するスペースが必要になり、保護素子の高さが高くなるといった課題が発生する。
【００１１】
更には、上記特許文献１に記載の技術にあっては、定格を上げて大電流に対応可能とするためには、ヒューズエレメントの溶断体積が大きくなるため、ヒータの過熱から溶断に至るまでの時間を短縮することが難しく、速溶断性の悪化を解消することは困難である。
【００１２】
そこで、本発明は、大電流に対応可能であり小型化を阻害することなく速溶断性及び溶断後における絶縁性に優れる保護素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決するために、本発明に係る保護素子は、絶縁基板と、絶縁基板に設けられた第１の電極及び第２の電極と、発熱体と、発熱体に電気的に接続された発熱体引出電極と、第１の電極、第２の電極及び発熱体引出電極にわたって接続され、発熱体の加熱によって溶融し、第１の電極及び第２の電極の間の電流経路を遮断するヒューズエレメントと、ヒューズエレメントと発熱体引出電極が重畳する領域に対応してヒューズエレメントと電気的に接続された補助導体とを備え、補助導体は、ヒューズエレメント上部に配設されたものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ヒューズエレメントと並行した通電経路を持つ補助導体によってヒューズエレメントを電気的にサポートすることで、ヒューズエレメントの溶断部の体積を少なくすることができ、ヒューズエレメントの溶融体を保持するためのスペースを広く確保する必要がなくなるとともに、発熱体の過熱により速やかにヒューズエレメントを溶断することができるようになり、保護素子の溶断特性を向上させることができる。これにより保護素子は、発熱体による加熱後に速やかに電流経路を遮断し、回路を切断することで、保護対象を過電流から適切に保護することができ、絶縁性も確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明が適用されたヒューズ素子の一例を示す平面図である。
【図２】図２は、図１に示すＡ−Ａ’線における断面図である。
【図３】図３は、図１に示すヒューズ素子が作動しヒューズエレメントが溶融した状態を示す平面図である。
【図４】図４は、図３に示すＡ−Ａ’線における断面図である。
【図５】図５は、図１に示すヒューズ素子の回路構成を説明する等価回路図であり、図５（Ａ）がヒューズ素子の動作前の状態を示し、図５（Ｂ）がヒューズ素子の動作後、ヒューズエレメントが溶融した状態を示す。
【図６】図６は、比較例にかかるヒューズ素子を示す平面図である。
【図７】図７は、図６に示すＡ−Ａ’線における断面図である。
【図８】図８は、比較例にかかるヒューズ素子が作動しヒューズエレメントが溶融した状態を示す平面図である。
【図９】図９は、図８に示すＡ−Ａ’線における断面図である。
【図１０】図１０は、変形例１にかかるヒューズ素子を示す平面図である。
【図１１】図１１は、図１０に示すＡ−Ａ’線における断面図である。
【図１２】図１２は、比較例１にかかるヒューズ素子が作動しヒューズエレメントが溶融した状態を示す平面図である。
【図１３】図１３は、図１２に示すＡ−Ａ’線における断面図である。
【図１４】図１４は、変形例２にかかるヒューズ素子を示す平面図である。
【図１５】図１５は、変形例３にかかるヒューズ素子を示す平面図である。
【図１６】図１６は、図１５に示すＡ−Ａ’線における断面図である。
【図１７】図１７は、変形例４にかかるヒューズ素子を示す平面図である。
【図１８】図１８は、図１７に示すＡ−Ａ’線における断面図である。
【図１９】図１９は、変形例４にかかるヒューズ素子が作動しヒューズエレメントが溶融した状態を示す平面図である。
【図２０】図２０は、図１９に示すＡ−Ａ’線における断面図である。
【図２１】図２１は、変形例５にかかるヒューズ素子を示す平面図である。
【図２２】図２２は、図２１に示すＡ−Ａ’線における断面図である。
【図２３】図２３は、図２１に示すヒューズ素子を右側面から見た平面図である。
【図２４】図２４は、図２１に示すヒューズ素子の補助導体の形状を変更し、右側面から見た平面図である。
【図２５】図２５は、変形例６にかかるヒューズ素子を示す平面図である。
【図２６】図２６は、図２５に示すヒューズ素子を右側面から見た平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明が適用された保護素子として、ヒューズ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。
【００１７】
本発明が適用されたヒューズ素子１は、図１及び図２に示すように、例えばリチウムイオン二次電池の保護回路等の回路基板にリフローにより表面実装されることにより、リチウムイオン二次電池の充放電経路上にヒューズエレメント７を組み込むものである。
【００１８】
この保護回路は、ヒューズ素子１の定格を超える大電流が流れると、ヒューズエレメント７が自己発熱（ジュール熱）によって溶断することにより電流経路を遮断する。また、この保護回路は、ヒューズ素子１が実装された回路基板等に設けられた電流制御素子によって所定のタイミングで発熱体５へ通電し、発熱体５の発熱によってヒューズエレメント７を溶断させることによって電流経路を遮断することができる。なお、図１は、本発明が適用されたヒューズ素子１を、ケースを省略して示す平面図であり、図２は、このヒューズ素子１の断面図である。
【００１９】
［ヒューズ素子］
ヒューズ素子１は、図１及び図２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の電極３及び第２の電極４と、発熱体５と、発熱体５に電気的に接続された発熱体引出電極６と、第１の電極３、第２の電極４及び発熱体引出電極６にわたって接続され、発熱体５の加熱によって溶融し、第１の電極３及び第２の電極４の間の通電経路を遮断するヒューズエレメント７と、ヒューズエレメント７と発熱体引出電極６が重畳する領域に対応してヒューズエレメント７と電気的に接続された補助導体８とを備えている。
【００２０】
ヒューズ素子１は、補助導体８をヒューズエレメント７と発熱体引出電極６との間に介在するように配置しているが、ヒューズエレメント７の上部に配設してもよく、ヒューズエレメント７と発熱体引出電極６との間に介在するとともにヒューズエレメント７の上部にも配設してもよい。
【００２１】
ヒューズ素子１は、ヒューズエレメント７を流れる電流の一部を発熱体引出電極６と重畳する領域、すなわち溶断部において補助導体８にバイパスさせることが可能となり、素子全体として大電流に対応することができるようにしたものである。
【００２２】
また、ヒューズ素子１は、発熱体５を覆い発熱体５と発熱体引出電極６との接触を妨げる絶縁体９と、絶縁基板２上であって発熱体５の両端に設けられた第１の発熱体電極１０及び第２の発熱体電極１１とを備えている。発熱体引出電極６は、一端が第２の発熱体電極１１と接続され、他方がヒューズエレメント７の中途部分に接続されている。
【００２３】
［絶縁基板］
絶縁基板２は、例えば、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。
【００２４】
［第１の電極及び第２の電極］
第１の電極３及び第２の電極４は、絶縁基板２の表面２ａ上に、相対向する側縁近傍にそれぞれ離間して配置されることにより開放され、ヒューズエレメント７が搭載されることにより、ヒューズエレメント７を介して電気的に接続されている。また、第１の電極３及び第２の電極４は、ヒューズ素子１に定格を超える大電流が流れヒューズエレメント７が自己発熱（ジュール熱）によって溶断し、あるいは発熱体５が通電に伴って発熱しヒューズエレメント７が溶断することによって、電流経路が遮断される。
【００２５】
図１及び図２に示すように、第１の電極３及び第２の電極４は、それぞれ絶縁基板２の第１の側面２ｃ及び第２の側面２ｄに設けられたキャスタレーションを介して裏面２ｂに設けられた第１の外部接続電極３ａ及び第２の外部接続電極４ａと接続されている。ヒューズ素子１は、これら第１の外部接続電極３ａ及び第２の外部接続電極４ａを介して外部回路が形成された回路基板と接続され、当該外部回路の通電経路の一部を構成する。
【００２６】
第１の電極３及び第２の電極４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、第１の電極３及び第２の電極４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、メッキ処理等の公知の手法によりコーティングされていることが好ましい。これにより、ヒューズ素子１は、第１の電極３及び第２の電極４の酸化を防止し、導通抵抗の上昇に伴う定格の変動を防止することができる。
【００２７】
また、ヒューズ素子１をリフロー実装する場合に、ヒューズエレメント７を接続する接続用ハンダあるいはヒューズエレメント７の外層に低融点金属層が形成されている場合に当該低融点金属が溶融することにより第１の電極３及び第２の電極４を溶食（ハンダ食われ）するのを防ぐことができる。
【００２８】
［発熱体］
発熱体５は、通電すると発熱する導電性を有する部材であって、例えばニクロム、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ａｇ、あるいはこれらを主成分とする合金等からなる。発熱体５は、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２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ことができる。また、発熱体５は、一端が第１の発熱体電極１０と接続され、他端が第２の発熱体電極１１と接続されている。
【００２９】
ヒューズ素子１は、発熱体５を覆うように絶縁体９が配設され、この絶縁体９を介して発熱体５に対向するように発熱体引出電極６が形成されている。発熱体５の熱を効率良くヒューズエレメント７に伝えるために、発熱体５と絶縁基板２の間にも絶縁体を積層しても良い。絶縁体９としては、例えばガラス材料を用いることができる。
【００３０】
発熱体引出電極６の一端は、第２の発熱体電極１１に接続されるとともに、第２の発熱体電極１１を介して発熱体５の一端と連続されている。なお、第２の発熱体電極１１は、絶縁基板２の表面２ａ側に形成され、第１の発熱体電極１０は、絶縁基板２の表面２ａ側から第３の側面２ｅ側に形成されている。また、第１の発熱体電極１０は、第３の側面２ｅに形成されたキャスタレーションを介して絶縁基板２の裏面２ｂに形成された第３の外部接続電極１０ａと接続されている。
【００３１】
発熱体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、第３の外部接続電極１０ａを介して回路基板に形成された外部回路と接続される。そして、発熱体５は、外部回路の通電経路を遮断する所定のタイミングで第３の外部接続電極１０ａを介して通電され、発熱することにより、第１の電極３及び第２の電極４を接続しているヒューズエレメント７を溶断することができる。また、発熱体５は、ヒューズエレメント７が溶断することにより、自身の通電経路も遮断されることから発熱が停止する。
【００３２】
［ヒューズエレメント］
ヒューズエレメント７は、発熱体５の発熱により速やかに溶断される材料からなり、例えばハンダや、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。
【００３３】
また、ヒューズエレメント７は、Ｉｎ、Ｐｂ、Ａｇ、Ｃｕ又はこれらのうちのいずれかを主成分とする合金等の高融点金属を用いてもよく、あるいは内層を低融点金属層とし外層を高融点金属層とする等の低融点金属と高融点金属との積層体であってもよい。高融点金属と低融点金属とを含有することによって、ヒューズ素子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、ヒューズエレメント７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。
【００３４】
なお、ヒューズエレメント７は、補助導体８及び第１の電極３及び第２の電極４へ、ハンダ等により接続されている。ヒューズエレメント７は、リフローはんだ付けによって容易に接続することができる。ヒューズエレメント７は、補助導体８を介して発熱体引出電極６上に搭載されることにより、発熱体引出電極６と重畳され、また発熱体５とも重畳される。また、補助導体８を介して第１の電極３及び第２の電極４間に亘って接続されたヒューズエレメント７は、補助導体８と第１の電極３との間、及び補助導体８と第２の電極４との間において溶断し、第１の電極３及び第２の電極４間を遮断する。すなわち、ヒューズエレメント７は、中央部が補助導体８を介して発熱体引出電極６に支持されるとともに、発熱体引出電極６に支持された中央部が溶断部とされている。
【００３５】
また、ヒューズエレメント７は、酸化防止、濡れ性の向上等のため、図示しないフラックスが塗布されている。ヒューズエレメント７は、フラックスが保持されることによって、ヒューズエレメント７の酸化及び酸化に伴う溶断温度の上昇を防止して、溶断特性の変動を抑制し、速やかに溶断することができる。
【００３６】
ヒューズエレメント７は、発熱体引出電極６と重畳する領域において、第１の電極３及び第２の電極４間の一部が他の部分と比較して断面積が小さい小断面積部７ｂを有する。すなわち、ヒューズエレメント７は、発熱体５からの加熱によって溶断する部位の体積が少なくなるように形成されている。
【００３７】
図１において、ヒューズエレメント７は、小断面積部７ｂがヒューズエレメント７の通電方向に対して幅方向を狭めた部分として形成しており、ヒューズエレメント７の厚みは他の部分と比較して略同等の構成とした。このようなヒューズエレメント７は、矩形のヒューズエレメントをパンチ加工等によって打ち抜くことで容易に作成することができる。
【００３８】
なお、ヒューズエレメント７の小断面積部７ｂは、ヒューズエレメント７の通電方向に対して幅方向を狭めた構成のみならず、断面積が小さくなる他の形状であってもよい。例えば、小断面積部７ｂは、ヒューズエレメントの幅方向に複数個に分散して設けてもよいし、ヒューズエレメント７の厚みを薄く加工したものであってもよい。
【００３９】
このように、ヒューズエレメント７は、小断面積部７ｂを有することによって、発熱体５の直上であって、発熱体引出電極６と重畳する領域において、溶断体積を少なくすることができる。
【００４０】
ただし、ヒューズエレメント７が小断面積部７ｂを有するということは、ヒューズエレメント７の他の部分と比較して小断面積部７ｂの電気抵抗が高くなるということであり、大電流対応が困難となりうるが、次に説明する補助導体８にヒューズエレメント７に流れる電流の一部をバイパスすることで、電流経路全体で電気抵抗を低減させることができる。これによりヒューズ素子１は、大電流対応を可能としている。
【００４１】
［補助導体］
補助導体８は、ヒューズエレメント７と発熱体引出電極６との間に介在する良導体であり、ヒューズエレメント７の小断面積部７ｂに対応する領域をヒューズエレメント７の通電方向に対して幅方向にわたって電流経路を補助する。
【００４２】
補助導体８は、例えば、ＣｕやＡｇ等の積層体又は板材、もしくはこれらを含む合金の積層体又は板材等を用いることができる。補助導体８は、ヒューズエレメント７に流れる電流を一部負担し、言い換えると小断面積部７ｂに並列してバイパスする電流経路を構成することによって、小断面積部７ｂに過大な電流が流れることを防止し、大電流環境下であっても、ヒューズエレメント７の過度な発熱や溶融を防止することができる。なお、補助導体８は、発熱体引出電極６と同じ材料で構成してもよい。補助導体８は、導電性材料をスクリーン印刷技術等によりパターン形成するなどして容易に形成することができる。
【００４３】
従って、補助導体８は、ヒューズエレメント７の小断面積部７ｂで電気抵抗が上昇することを避けるため、小断面積部７ｂの外側（ヒューズエレメント７の通電方向に対して幅方向）で通電経路を担うように配置されている。
【００４４】
また、補助導体８は、図１に示すように、ヒューズエレメント７の小断面積部７ｂと重畳する領域において分割され、各分割片８ａ，８ｂは非接触とされている。すなわち、補助導体８の各分割片８ａ，８ｂの間の空間は、ヒューズエレメント７の溶融体７ａを保持する保持凹部２０を形成する。
【００４５】
保持凹部２０は、図３及び図４に示すように、ヒューズエレメント７が溶断した際に、ヒューズエレメント７の溶融体７ａを吸引保持し、他の部位へ溶融体７ａが流れ出すことを抑止することができる。保持凹部２０によって溶融体７ａを保持することにより、第１の電極３及び第２の電極４間におけるショートの発生を防止し、ヒューズ素子１が通電経路を正常に遮断することができる。
【００４６】
なお、補助導体８の分割方法としては、任意とすることが可能であるが、上述したように、小断面積部７ｂと重畳する領域において分割することが特に好ましい。保持凹部２０により直上の小断面積部７ｂの溶融体を確実に保持することができるからである。
【００４７】
また、補助導体８は、分割しない１枚の部材で構成してもよいことは言うまでもない。本発明を適用したヒューズ素子１では、小断面積部７ｂの断面積を極力小さくすることで溶融体７ａの量が極めて少量となり、保持凹部２０に吸引保持せずとも補助導体８上に十分保持することができるからである。
【００４８】
なお、ヒューズ素子１は、小型且つ高定格の保護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保護素子に適用することができるのはもちろんである。
【００４９】
なお、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７の飛散を防止する図示しないカバー部材を取り付けるようにしている。カバー部材は、絶縁基板２の表面２ａ上に搭載される側壁と、ヒューズ素子１の上面を構成する天面とを有する。このカバー部材は、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。なお、本発明の特徴的な構造はカバー部材の内部の構造であるため、以後の説明ではカバー部材については言及を省略する。
【００５０】
［回路構成］
ここで、ヒューズ素子１の回路構成と、通電経路の遮断動作について説明する。ヒューズ素子１は、図１及び図５（Ａ）に示すように、第１の電極３から第２の電極４にわたってヒューズエレメント７が接続されており、ヒューズエレメント７の中途部分に補助導体８を介して発熱体引出電極６が接続されている。また、発熱体引出電極６は、補助導体８と反対側に、第２の発熱体電極１１、発熱体５、第１の発熱体電極１０の順に接続されている。従って、ヒューズ素子１は、第１の電極３、第２の電極４及び第１の発熱体電極１０にそれぞれつながる第１の外部接続電極３ａ、第２の外部接続電極４ａ及び第３の外部接続電極１０ａを外部端子とする３端子の素子であるといえる。
【００５１】
ヒューズ素子１は、第１の電極３から第２の電極４に向かって主回路の電流が流れるように構成されており、第１の発熱体電極１０から電流が流れた場合に、発熱体５が発熱し図３、図４及び図５（Ｂ）に示すように、ヒューズエレメント７が溶融し、溶融体７ａが補助導体８上に凝集し、ヒューズエレメント７が切断される。これにより、ヒューズ素子１は、第１の電極３及び第２の電極４間の電流経路が遮断されるとともに、第１の発熱体電極１０及び第２の電極４間の電流経路も遮断される。
【００５２】
ここで、ヒューズ素子１は、図４に示すように、溶融体７ａが保持凹部２０を埋めるように補助導体８上に凝集する。ヒューズ素子１は、小断面積部７ｂの体積が小さいため、凝集する溶融体７ａの体積も小さくすることができる。
【００５３】
［比較例］
ここで、比較例として、図６乃至図９に示す、補助導体８を備えないヒューズ素子１００と比較しながら上述のヒューズ素子１の効果を説明する。
【００５４】
図６乃至図９に示すように、補助導体８を備えないヒューズ素子１００は、絶縁基板１０２と、絶縁基板１０２に設けられた第１の電極１０３及び第２の電極１０４と、発熱体１０５と、発熱体１０５に電気的に接続された発熱体引出電極１０６と、第１の電極１０３、第２の電極１０４及び発熱体引出電極１０６にわたって接続され、発熱体１０５の加熱によって溶融し、第１の電極１０３及び第２の電極１０４の間の通電経路を遮断するヒューズエレメント１０７と、発熱体１０５を覆い発熱体１０５と発熱体引出電極１０６との接触を妨げる絶縁体１０９と、絶縁基板１０２上であって発熱体５の両端に設けられた第１の発熱体電極１１０及び第２の発熱体電極１１１とを備えている。
【００５５】
ヒューズ素子１００における、定格電流Ｘ［Ａ］、溶断部の通電長をＬ［ｍ］、溶断部の断面積をＳ［ｍ2］、溶断部の体積をＶ［ｍ3］とすると、２倍の電流２Ｘに対応するためには断面積が２Ｓ、体積が２Ｖ必要となる。すなわち、２倍の電流に対応するためには、溶断する体積が増加し、発熱体１０５が動作して過熱を開始してもヒューズエレメント１０７の溶断は遅くなることが容易に理解できる。
【００５６】
しかし、上述で説明したヒューズ素子１においては、ヒューズエレメント７に流れる電流のうち一部が補助導体８に分散して流れるため、ヒューズエレメント７の溶断部の断面積Ｓ、溶断部の体積Ｖのままであっても補助導体８の材質や断面積を調整することで、２倍の電流２Ｘに対応することが可能となる。すなわち、ヒューズ素子１では、補助導体８にバイパスする電流量を多くとることで、ヒューズエレメント７の溶断部の体積を増加させずに大電流に対応することが可能となる。
【００５７】
また、ヒューズ素子１は、ヒューズエレメント７の溶断部の断面積Ｓ、溶断部の体積Ｖを維持できるため、ヒューズ素子１００と比較しても溶断体積が増加しないため、ヒューズエレメント７の溶断動作は遅くならずに済む。更には、ヒューズ素子１は、溶断部の体積を限りなく少なくすることが可能であることから、大電流に対応させつつヒューズエレメント７の溶断動作を早めることができる。
【００５８】
［変形例１］
次に、上述で説明したヒューズ素子１の変形例について説明する。また、上述で説明したヒューズ素子１と略同等の部位については同じ符号を付して説明を省略し、差異について説明する。また、等価回路としては、図５で説明したものと同じであるため説明を省略する。
【００５９】
変形例１にかかるヒューズ素子３０は、図１０及び図１１に示すように、ヒューズエレメント７の小断面積部７ｂの厚みが他の部分と比較して薄く形成され、全体として矩形状の部材として形成され、補助導体８も複数に分割されない構成としたものである。
【００６０】
ヒューズ素子３０では、ヒューズエレメント７の通電方向に対する幅方向の長さは変えず、溶断部すなわち発熱体引出電極６と重畳する部位を薄肉とすることで断面積を少なくし、溶断部位の体積を少なくするようにしたものであるといえる。
【００６１】
ヒューズ素子３０は、通電方向に対してヒューズエレメント７の溶断部の幅が一定であることから、補助導体８を分割せずにヒューズエレメント７を支持するように構成し、通電方向に対して幅方向で電気抵抗の差が無いように構成している。従って、ヒューズ素子３０は、通電によりヒューズエレメント７が自己発熱をした場合であっても、ヒューズエレメント７の通電方向に対して幅方向にわたって均一な加熱を行うことができる。
【００６２】
ヒューズ素子３０は、図１２及び図１３に示すように、発熱体５の発熱によってヒューズエレメント７が溶融した場合、溶融体７ａが補助導体８上に凝集する。ヒューズ素子３０は、小断面積部７ｂの体積が小さいため、凝集する溶融体７ａの体積も小さくすることができる。
【００６３】
ヒューズ素子３０におけるヒューズエレメント７は、矩形状のエレメントをプレス加工する等により薄肉部分である小断面積部７ｂを形成して製作することができる。
【００６４】
［変形例２］
また、上述で説明したヒューズ素子１の変形例について説明する。また、上述で説明したヒューズ素子１と略同等の部位については同じ符号を付して説明を省略し、差異について説明する。また、等価回路としては、図５で説明したものと同じであるため説明を省略する。
【００６５】
変形例２にかかるヒューズ素子４０は、図１４に示すように、ヒューズエレメント７の小断面積部を複数に分割して並行配置した第１の小断面積部７ｂ1及び第２の小断面積部７ｂ2とし、第１の小断面積部７ｂ1及び第２の小断面積部７ｂ2の厚みはヒューズエレメント７の他の部分と同じ厚みとしたものである。補助導体８は、第１の小断面積部７ｂ1及び第２の小断面積部７ｂ2に対応する部分において分割され、３つの分割片８ａ，８ｂ，８ｃとから構成したものである。
【００６６】
ヒューズ素子４０では、ヒューズエレメント７の通電方向に対する幅方向の長さを狭めた第１の小断面積部７ｂ1及び第２の小断面積部７ｂ2を２つ平行に形成し、溶断部すなわち発熱体引出電極６と重畳する部位をヒューズ素子１の小断面積部７ａの断面積よりも更に小さい断面積となるようにそれぞれ第１の小断面積部７ｂ1及び第２の小断面積部７ｂ2に分配している。ヒューズ素子４０は、補助導体８を備えないヒューズ素子１００に比べ、溶断部の断面積を少なくし、溶断部位の体積を少なくするようにしたものであるといえる。
【００６７】
ヒューズ素子４０は、補助導体８の各分割片８ａ，８ｂ，８ｃの間に第１の保持凹部２０ａ，第２の保持凹部２０ｂが設けられているが、その役割は上述したヒューズ素子１の保持凹部２０と同様である。
【００６８】
ヒューズ素子４０は、ヒューズ素子１の小断面積部７ａを複数に分割して第１の小断面積部７ｂ1及び第２の小断面積部７ｂ2としたことで、各小断面積部７ｂ1，７ｂ2の断面積を小さくすることができ、溶断特性の向上が期待できる。
【００６９】
ヒューズ素子４０は、発熱体５の発熱によってヒューズエレメント７が溶融した場合、溶融体７ａが第１の保持凹部２０ａ及び第２の保持凹部２０ｂを埋めるように補助導体８上に凝集する。ヒューズ素子４０は、小断面積部７ｂ1，７ｂ2の体積が小さいため、凝集する溶融体７ａの体積も小さくすることができる。
【００７０】
ヒューズ素子４０におけるヒューズエレメント７は、矩形状のエレメントをパンチ加工する等により不要部分を打ち抜き、第１の小断面積部７ｂ1及び第２の小断面積部７ｂ2を形成して製作することができる。すなわち、ヒューズ素子１と同じ方法を用いてヒューズエレメント７を製作することができる。
【００７１】
［変形例３］
また、上述で説明したヒューズ素子１の変形例について説明する。また、上述で説明したヒューズ素子１と略同等の部位については同じ符号を付して説明を省略し、差異について説明する。また、等価回路としては、図５で説明したものと同じであるため説明を省略する。
【００７２】
変形例３にかかるヒューズ素子５０は、図１５及び図１６に示すように、ヒューズエレメント７の小断面積部７ｂの厚みが他の部分と比較して薄く形成し、ヒューズエレメント７全体として矩形状の部材として形成し、補助導体８を複数に分割しない構成としたものである。ヒューズエレメント７の小断面積部７ｂは、発熱体引出電極６と重畳する領域に対応して設けられている。
【００７３】
更に、ヒューズ素子５０は、ヒューズエレメント７の薄肉部分とした小断面積部７ｂに通電方向に対して幅方向に複数の貫通孔７ｃを有し、複数の貫通孔７ｃにより幅狭の領域とされた小断面積部７ｂ1，７ｂ2，７ｂ3，７ｂ4を形成したものである。なお、補助導体８は、小断面積部７ｂ1，７ｂ2，７ｂ3，７ｂ4に対応する部分において分割していないが、分割するようにしてもよいことは言うまでもない。また、貫通孔７ｃは、図示において円形としているが、円形に限定されないことは言うまでもない。更に、貫通孔７ｃは、非貫通の凹部に変えても溶断部の断面積を少なくするという目的を達成できることは言うまでもない。
【００７４】
ヒューズ素子５０では、ヒューズエレメント７の通電方向に対する幅方向の長さは全体としては変えず、溶断部すなわち発熱体５と重畳する部位を薄肉とすることで断面積を少なくし、溶断部位の体積を少なくするようにしたものであり、更には、ヒューズエレメント７の通電方向に対する幅方向の長さを狭めた小断面積部７ｂ1，７ｂ2，７ｂ3，７ｂ4を平行に形成し、溶断部の断面積を変形例１で説明したヒューズ素子３０よりも更に小さい断面積となるように構成している。ヒューズ素子５０は、ヒューズ素子３０に比べ、溶断部の断面積を更に少なくし、溶断部位の体積を少なくするようにしたものであるといえる。
【００７５】
ヒューズ素子５０は、発熱体５の発熱によってヒューズエレメント７が溶融した場合、溶融体７ａが補助導体８上に凝集する。ヒューズ素子５０は、小断面積部７ｂ1，７ｂ2，７ｂ3，７ｂ4の体積が小さいため、凝集する溶融体７ａの体積も小さくすることができる。
【００７６】
ヒューズ素子５０におけるヒューズエレメント７は、矩形状のエレメントをプレス加工する等により薄肉部分である小断面積部７ｂを形成し、パンチ加工する等により貫通孔７ｃ部分を打ち抜き、小断面積部７ｂ1，７ｂ2，７ｂ3，７ｂ4を形成して製作することができる。また、プレス加工とパンチ加工を同時に行う手法も知られており、これらの手法を用いることで、エレメントの薄肉部分の形成と不要部の打ち抜きを１工程で行うことができる。
【００７７】
［変形例４］
また、上述で説明したヒューズ素子１の変形例について説明する。また、上述で説明したヒューズ素子１と略同等の部位については同じ符号を付して説明を省略し、差異について説明する。また、等価回路としては、図５で説明したものと同じであるため説明を省略する。
【００７８】
変形例４にかかるヒューズ素子６０は、図１７及び図１８に示すように、ヒューズエレメント７の小断面積部の断面積を０とする構成、すなわちヒューズエレメント７が通電方向に完全分離された構成としたものである。
【００７９】
ヒューズ素子６０は、ヒューズエレメント７が第１のヒューズエレメント７ｄと第２のヒューズエレメント７ｅにより構成されており、第１のヒューズエレメント７ｄと第２のヒューズエレメント７ｅとが補助導体８に設けられた凸部８ｄによって分離されている。言い換えると、第１のヒューズエレメント７ｄと第２のヒューズエレメント７ｅは、補助導体８に設けられた凸部８ｄの側面を突き当て面として凸部８を挟んで対向配置されている。
【００８０】
ここで、第１のヒューズエレメント７ｄと第２のヒューズエレメント７ｅとの間に設けられた空間は、発熱体引出電極６と重畳する領域に対応して設けられ、特に、上述したように補助導体８の凸部８ｄが占めている。
【００８１】
第１のヒューズエレメント７ｄは、第１の電極３と補助導体８に接続され、補助導体８を介して発熱体引出電極６及び第２のヒューズエレメント７ｅと接続されている。また、第２のヒューズエレメント７ｅは、第２の電極４と補助導体８に接続され、補助導体８を介して発熱体引出電極６及び第１のヒューズエレメント７ｄと接続されている。
【００８２】
ヒューズ素子６０は、図１９及び図２０に示すように、発熱体５の発熱によってヒューズエレメント７が溶融した場合、溶融体７ａ1及び溶融体７ａ2が補助導体８上に凸部８ｄを隔ててそれぞれ凝集する。なお、溶融体７ａ1及び溶融体７ａ2が一つの溶融体７ａを形成する場合もあり、以下では溶融体７ａとして説明をする。
【００８３】
ヒューズ素子６０は、小断面積部がないため溶断するヒューズエレメント７の体積は、第１のヒューズエレメント７ｄと補助導体８との接続部及び第２のヒューズエレメント７ｅと補助導体８との接続部のみとなり、上述した変形例１乃至変形例３と比較しても、凝集する溶融体７ａの体積を最も小さくすることができる。
【００８４】
ヒューズ素子６０における第１のヒューズエレメント７ｄ及び第２のヒューズエレメント７ｅは、矩形状のエレメントから切り出すことで製作することができる。
【００８５】
［変形例５］
また、上述で説明したヒューズ素子１の変形例について説明する。上述で説明したヒューズ素子１と略同等の部位については同じ符号を付して説明を省略し、差異について説明する。また、等価回路としては、図５で説明したものと同じであるため説明を省略する。
【００８６】
変形例５にかかるヒューズ素子７０は、図２１乃至図２３に示すように、ヒューズエレメント７の小断面積部７ｂを上下から挟むように、第１の補助導体８ｅ及び第２の補助導体８ｆが配設された積層構造を有するものである。
【００８７】
ヒューズ素子７０は、ヒューズエレメント７の構造がヒューズ素子１におけるものと略同等であり、ヒューズ素子１における補助導体８を２枚構成にした構造ということができる。
【００８８】
第１の補助導体８ｅ及び第２の補助導体８ｆは、互いに略同等の大きさを有する板状の部材であり、ヒューズエレメント７の小断面積部７ｂを上下から挟みこむ。第１の補助導体８ｅは、ヒューズエレメント７と発熱体引出電極６との間に介在し、第２の補助導体８ｆは、ヒューズエレメント７の上部に積層されている。
【００８９】
従って、ヒューズ素子７０は、上述で説明したヒューズ素子１における補助導体８のような電流経路を上下に形成し、ヒューズエレメント７に流れる電流を分散させる効果がヒューズ素子１より高まった構成といえる。
【００９０】
なお、第１の補助導体８ｅ及び第２の補助導体８ｆは、発熱体引出電極６と重畳する位置に対応して設けられており、少なくとも小断面積部７ｂを挟むように構成されている。
【００９１】
ヒューズ素子７０は、発熱体５の発熱によってヒューズエレメント７が溶融した場合、溶融体７ａが第１の補助導体８ｅ及び第２の補助導体８ｆの間で凝集する。すなわち、溶融体７ａは、並行配置されている第１の補助導体８ｅ及び第２の補助導体８ｆの対向面により保持され、第１の補助導体８ｅ及び第２の補助導体８ｆの外側に流れ出ることがなくなる。
【００９２】
ヒューズ素子７０において、ヒューズエレメント７の溶融時には、第１の補助導体８ｅ上に凝集する溶融体７ａによって第２の補助導体８ｆが押し上げるため、第１の補助導体８ｅと第２の補助導体８ｆは分離されていることが好ましいが、物理的に連結されていることを妨げるものではない。補助導体８ｆはヒューズエレメント７が溶融する際に位置を固定されない不安定な状態となるが、図示しないカバー部材等に設けた変異規制部材により所定の範囲から逸脱して動くことがないように構成することが好ましい。
【００９３】
ここで、補助導体８ｆについて、図２４に示すように、補助導体８ｅと物理的に接続された構成をとることもできる。図２４は、ヒューズ素子７０を側面からみた図であるが、補助導体８ｆについて図２３に示した形状から変更を加えている。
【００９４】
図２４で説明する補助導体８ｆは、ヒューズエレメント７の通電方向に対して幅方向の側面を覆う側壁を有しており、ヒューズエレメント７を覆うように補助導体８ｅに被せられている。補助導体８ｆの側壁の端部が補助導体８ｅと物理的に接続された状態とされている。
【００９５】
ヒューズ素子７０は、ヒューズエレメント７の小断面積部７ｂを取り囲むように第１の補助導体８ｅ及び第２の補助導体８ｆが設けられているため、ヒューズエレメント７に流れる電流の多くを第１の補助導体８ｅ及び第２の補助導体８ｆにバイパスさせることができるため、小断面積部７ｂの体積をより小さくすることができ、凝集する溶融体７ａの体積を小さくすることができる。
【００９６】
ヒューズ素子７０における補助導体８ｅ及び補助導体８ｆはそれぞれをスクリーン印刷技術等によりパターン形成することにより容易に形成することができる。
【００９７】
［変形例６］
また、上述で説明したヒューズ素子１の変形例について説明する。上述で説明したヒューズ素子１と略同等の部位については同じ符号を付して説明を省略し、差異について説明する。また、等価回路としては、図５で説明したものと同じであるため説明を省略する。
【００９８】
変形例６にかかるヒューズ素子８０は、図２５及び図２６に示すように、ヒューズエレメント７が、通電方向に対して幅方向の一端に小断面積部７ｂを寄せて形成され、更にこの一端部が絶縁基板２の表面２ａに向かって折り曲げられた略Ｌ字状の構造を有するものである。
【００９９】
ヒューズ素子８０は、ヒューズエレメント７の一端が折り曲げられた構成とすることで、折り曲げられた先端部分においてヒューズエレメント７と発熱体引出電極６とが直接当接し、発熱体５からの熱が発熱体引出電極６からヒューズエレメント７に直接伝達されるため、補助導体８をヒューズエレメント７と発熱体引出電極６との間に介在させていた場合であっても熱伝達効率を高く保つことが可能となる。
【０１００】
ヒューズ素子８０は、発熱体引出電極６と当接する位置に小断面積部７ｂを配置していることから、小断面積部７ｂ速やかに加熱、溶融させて、ヒューズエレメント７を溶断することが可能としている。
【０１０１】
ヒューズ素子８０は、補助導体８上に小断面積部７ｂを有し端部が折り曲げられた形状のヒューズエレメント７を配置することで形成されるが、ヒューズエレメント７の折り曲げ加工を補助導体８上にヒューズエレメント７を搭載した後に行ってもよい。
【０１０２】
［まとめ］
以上のように各例として説明したヒューズ素子は、補助導体によってヒューズエレメントの電流経路を補助し、ヒューズエレメントを大型化することなく抵抗値を低減することが可能とし、大電流に対応しつつも素子の小型化を達成することができる。
【０１０３】
また、各例として説明したヒューズ素子は、ヒューズエレメントに小断面積部を形成することで、溶断部の体積を低減させ、溶融体の体積を少なくすることができ、これにより、速溶断性及び溶断後における絶縁性に優れる素子を得ることが可能となる。
【０１０４】
なお、ヒューズ素子の構造としては、上述した各例を適宜組み合わせた構造としてもよく、例えば、補助導体の分割、補助導体によるヒューズエレメントの囲い込み、小断面積部の形状等、小断面積部の配設位置は任意の組み合わせを用いてもよいことは言うまでもない。
【符号の説明】
【０１０５】
１  ヒューズ素子、２  絶縁基板、２ａ  表面、２ｂ  裏面、２ｃ  第１の側面、２ｄ  第２の側面、２ｅ  第３の側面、３  第１の電極、３ａ  第１の外部接続電極、４  第２の電極、４ａ  第２の外部接続電極、５  発熱体、６  発熱体引出電極、７  ヒューズエレメント、７ａ  溶融体、７ｂ，７ｂ1，７ｂ2，７ｂ3，７ｂ4  小断面積部、７ｃ  貫通孔、７ｄ  第１のヒューズエレメント、７ｅ  第２のヒューズエレメント、８  補助導体、８ａ，８ｂ，８ｃ  分割片、８ｄ  凸部、８ｅ  第１の補助導体、８ｆ  第２の補助導体、９  絶縁体、１０  第１の発熱体電極、１０ａ  第３の外部接続電極、１１  第２の発熱体電極、２０  保持凹部、１００  ヒューズ素子、１０２  絶縁基板、１０３  第１の電極、１０４  第２の電極、１０５  発熱体、１０６  発熱体引出電極、１０７  ヒューズエレメント、１０７ａ  溶融体、１０９  絶縁体、１１０  第１の発熱体電極、１１１  第２の発熱体電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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