(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力端子と出力端子とが絶縁回路で電気的に絶縁され、前記出力端子間を導通させる出力素子および前記絶縁回路が樹脂で封止されるＳＳＲにおいて、
前記絶縁回路が、光結合素子であり、該光結合素子の受光素子の一端が、抵抗を介して一方の前記出力端子と前記出力素子の一端との間の第１の接続部で接続されるとともに、前記受光素子の他端が、他方の前記出力端子と前記出力素子の他端との間の第２の接続部で接続され、
前記出力素子の一端と前記第１の接続部との間の通電経路および前記出力素子の他端と前記第２の接続部との間の通電経路の少なくとも一方の通電経路の一部が、第１の導体ワイヤで構成される一方、前記受光素子の一端と前記第１の接続部との間の通電経路および前記受光素子の他端と前記第２の接続部との間の通電経路の少なくとも一方の通電経路の一部が、第２の導体ワイヤで構成され、前記両導体ワイヤを、過電流によって共に切断できるように、近接配置あるいは交差配置させ、
前記樹脂で封止された前記通電経路の前記第１，第２の導体ワイヤ近傍の前記樹脂の被覆層を薄肉とすることを特徴とするＳＳＲ。
【請求項２】
前記薄肉の被覆層の部分が、凹部となっている請求項１記載のＳＳＲ
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、負荷短絡時の過電流に対して通電経路を遮断する短絡保護構造を用いたＳＳＲ（ソリッドステートリレー）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＳＳＲは、ソレノイド、モータ、ヒータあるいはランプなどを直接負荷として駆動するために用いられるが、不慮の事故などによって負荷短絡が発生した場合、過電流によってＳＳＲ自身あるいはＳＳＲに接続されている装置が損傷する虞がある。
【０００３】
このため、従来では、ヒューズなどを外付けしたり、あるいは、ＳＳＲ自体にヒューズを内蔵させることも考えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＳＳＲにヒューズを外付けするのは面倒であり、また、ＳＳＲ自体にヒューズを内蔵させると、ＳＳＲが大型化するといった難点がある。
【０００５】
本発明は、上述の点に鑑みて為されたものであって、大型化することなく、しかも、ヒューズを外付けすることなく、負荷短絡の過電流を遮断できるＳＳＲを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上述の目的を達成するために、次のように構成している。
【０００７】
すなわち、本発明のＳＳＲは、入力端子と出力端子とが絶縁回路で電気的に絶縁され、前記出力端子間を導通させる出力素子および前記絶縁回路が樹脂で封止されるＳＳＲにおいて、前記絶縁回路が、光結合素子であり、該光結合素子の受光素子の一端が、抵抗を介して一方の前記出力端子と前記出力素子の一端との間の第１の接続部で接続されるとともに、前記受光素子の他端が、他方の前記出力端子と前記出力素子の他端との間の第２の接続部で接続され、前記出力素子の一端と前記第１の接続部との間の通電経路および前記出力素子の他端と前記第２の接続部との間の通電経路の少なくとも一方の通電経路の一部が、第１の導体ワイヤで構成される一方、前記受光素子の一端と前記第１の接続部との間の通電経路および前記受光素子の他端と前記第２の接続部との間の通電経路の少なくとも一方の通電経路の一部が、第２の導体ワイヤで構成され、前記両導体ワイヤを、過電流によって共に切断できるように、近接配置あるいは交差配置させ、前記樹脂で封止された前記通電経路の前記第１，第２の導体ワイヤ近傍の前記樹脂の被覆層を薄肉としたものである。
【０００８】
ここで、導体ワイヤ近傍とは、過電流が流れたときの導体ワイヤの発熱による熱応力を受けるような導体ワイヤに近い部分をいう。
【０００９】
薄肉とは、導体ワイヤの熱応力が集中しやすいように、その近傍の他の部分よりも肉厚を薄くすることをいう。
【００１０】
近接配置あるいは交差配置とは、短絡によって第１の導体ワイヤに過電流が流れて、該第１の導体ワイヤの膨張による熱応力によって、第１の導体ワイヤの近傍の構造的に弱い薄肉の樹脂の被覆層の部分に応力が集中し、この部分にクラックが生じ、あるいは、クラックが生じて一部の樹脂が弾き飛ばされるときに、同時に第２の導体ワイヤが切断されるように近接して両ワイヤを配置し、あるいは、両ワイヤを交差させて配置することをいう。
【００１１】
本発明によると、第１の導体ワイヤに、短絡によって過電流が流れると、第１の導体ワイヤの周囲の樹脂が炭化する前に、該導体ワイヤの膨張による熱応力によって、第１の導体ワイヤの付近の構造的に弱い薄肉の樹脂の被覆層の部分に応力が集中し、この部分にクラックが生じ、あるいは、クラックが生じて一部の樹脂が弾き飛ばされ、これによって、第１の導体ワイヤおよびこの第１の導体ワイヤに近接あるいは交差している第２の導体ワイヤの通電経路が同時に遮断されるので、出力素子および受光素子に過電流が流れることがない。
【００１２】
本発明の他の実施態様においては、前記薄肉の被覆層の部分が、凹部となっている。
【００１３】
この実施態様によると、短絡によって過電流が導体ワイヤを流れると、導体ワイヤの急激な温度上昇による膨張によって発生する熱応力によって、導体ワイヤの近傍の構造的に弱い凹部の境界付近に応力が集中し、この部分にクラックが生じ、あるいは、クラックが生じて一部の樹脂が弾き飛ばされ、これによって、溶融した導体ワイヤの逃げ場を形成して、あるいは、溶融した導体ワイヤの一部も弾き飛ばされて導体ワイヤによる通電経路が遮断されるものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面によって、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００１５】
（参考例１）
図１は、本発明の実施の形態の説明に先立って、その前提となる構成を説明するためのＳＳＲ１の外観斜視図であり、このＳＳＲ１は、例えば、エポキシ樹脂で封止された本体１ａを有し、この本体１ａの下部からは、各一対の入力端子２１，２２および出力端子３１，３２が延出されている。
【００１６】
前記一対の入力端子２１，２２は、図示しない直流電源およびスイッチの直列回路に接続される一方、一対の出力端子３１，３２は、図示しない負荷および交流電源の直列回路に接続されものであり、いわゆる、直流入力、交流出力となっている。
【００１７】
このＳＳＲ１では、ヒューズなどを外付けすることなく、負荷が短絡して過電流が流れても保護できるように、封止樹脂内部の遮断すべき通電経路に対応する樹脂の被覆を薄肉にするために、円形の凹部(窪み)４を形成している。この凹部４の作用については、後述する。
【００１８】
図２は、このＳＳＲ１の回路図であり、このＳＳＲ１は、入力端子２１，２２と出力端子３１，３２とを絶縁する絶縁回路としてのフォトトライアックカプラ５と、出力端子３１，３２間を導通させる出力素子（パワー素子）としてのトライアック６と、コンデンサ７および抵抗８からなるノイズ除去用のスナバ回路９と、ゲート抵抗１０とを備えている。
【００１９】
このＳＳＲ１では、従来のようにヒューズを外付けすることなく、あるいは、ＳＳＲにヒューズを内蔵させることなく、負荷が短絡したときの過電流を遮断して保護するものである。
【００２０】
ここで、短絡保護構造の説明に先立って、ヒューズなどを設けなかった場合に、従来のＳＳＲがどのようにして損傷するかについて説明する。
【００２１】
負荷の短絡によって、過電流が、ＳＳＲ内部のボンディングワイヤを流れると、ボンディングワイヤが急激に発熱し、フォトトライアックカプラ５がオンしている限り、ボンディングワイヤの温度が急激に上昇し、ボンディングワイヤが溶融してもボンディングワイヤの逃げ場がないので、過電流が流れ続け、このボンディングワイヤの発熱で周囲の樹脂が炭化し、この炭化した部分がバイパス電流経路となり、ボンディングワイヤが溶融した後も過電流を負荷に供給し続け、さらに、温度が上昇し、最終的には、樹脂が分解して分解ガスが発生することになるのである。
【００２２】
そこで、負荷の短絡によって、過電流が、ＳＳＲ内部のボンディングワイヤを流れてボンディングワイヤが発熱したときには、ボンディングワイヤの周囲の樹脂が炭化する前に、該ボンディングワイヤの膨張による熱応力によって、ボンディングワイヤの付近の構造的に弱い薄肉の樹脂の被覆層の部分に応力を集中させるものであり、これによって、この部分にクラックが生じ、あるいは、クラックが生じて一部の樹脂が弾き飛ばされ、これによって、溶融したボンディングワイヤの逃げ場を形成して、あるいは、溶融したボンディングワイヤの一部も弾き飛ばされてボンディングワイヤによる通電経路を遮断するのである。
【００２３】
図３は、このＳＳＲ１の内部の銅のリードフレーム１１、トライアック６およびゲート抵抗１０の配置およびその配線状態を示しており、図２の一部に対応するものであり、トライアック６のゲート端子がゲートワイヤ１２で配線されるとともに、トライアック６の一方のＴ１端子がＴ１ワイヤ１３で配線されており、このＴ１ワイヤ１３の部分は、負荷に対する通電経路であり、負荷の短絡によって、過電流が流れたときに、この通電経路を次のようにして遮断するのである。
【００２４】
すなわち、図４（ａ）に示されるように、このＴ１ワイヤ１３の上部の樹脂被覆層は、他の部分よりも薄肉となるように、上述のように、円形の凹部４が形成されている。
【００２５】
このように、過電流によって遮断すべき通電経路であるＴ１ワイヤ１３近傍の樹脂の被覆層を、他の部分よりも薄肉としているので、負荷の短絡によって過電流が流れてＴ１ワイヤ１３が急激に発熱して膨張による熱応力が発生すると、構造的に弱い薄肉の凹部４の境界部分に応力が集中してクラックを生じ、あるいは、図４（ｂ）に示されるようにクラックが生じると同時に一部の樹脂が弾き飛ばされ、このとき既に溶融しているＴ１ワイヤ１３の逃げ場が形成され、あるいは、溶融したＴ１ワイヤ１３の一部も弾き飛ばされることになり、Ｔ１ワイヤ１３の周囲の樹脂が炭化する前に、Ｔ１ワイヤ１３による通電経路が遮断されることになる。なお、Ｔ１ワイヤ１３による熱応力とは、該ワイヤ１３が溶融する前の固体の状態の熱膨張による熱応力および溶融した後の体積膨張による熱応力の両者を含むものである。
【００２６】
図５は、上述のＴ１ワイヤ１３の溶断を状態を説明するための一部を拡大した断面図であり、負荷の短絡によって過電流が流れてＴ１ワイヤ１３が発熱して膨張による熱応力が発生すると、構造的に弱い薄肉の凹部４に熱応力が集中し、Ｔ１ワイヤ１３から凹部４の波面（境界面）に向かって同図（ａ）のようにクラック１５を生じ、あるいは、クラックが生じると同時に樹脂１６の一部が弾き飛ばされ、溶融したＴ１ワイヤ１３の逃げ場が形成され、同図（ｂ）に示されるように、溶融したＴ１ワイヤ１３が、クラック１５に流れ込んで、あるいは、溶融したＴ１ワイヤ１３の一部も弾き飛ばされて樹脂炭化経路が形成される前に、Ｔ１ワイヤ１３を溶断させて通電経路を遮断するものである。
【００２７】
この例では、負荷が短絡すると、例えば、図２の矢符Ａで示されるように過電流が流れるが、上述のようにしてＴ１ワイヤ１３が、図６に示されるように溶断し、これによって、図７に示されるように通電経路が遮断される。
【００２８】
これによって、従来のようにヒューズを外付けしたり、あるいは、ヒューズを内蔵させることなく、負荷の短絡による過電流から保護できることになる。
【００２９】
（実施の形態１）
上述の参考例１では、過電流によってトライアック６に配線されるＴ１ワイヤ１３が遮断された後、フォトトライアックカプラ５がオンしている間、図８の矢符Ｂに示されるように、フォトトライアックカプラ５およびゲート抵抗１０を電流が流れるため、完全に過電流遮断が行なえていないことになる。
【００３０】
出力端子３１，３２に接続される交流電源の電圧が低い場合、例えば、１００Ｖの場合には、ゲート抵抗１０も高温に耐えられるので、樹脂が炭化することもなく、樹脂が分解して分解ガスが発生することもないが、交流電源の電圧が、高い場合、例えば、２００Ｖの場合には、ゲート抵抗１０で消費されるワット数が４倍となってゲート抵抗１０の温度が急激に上昇し、このゲート抵抗１０の周囲の樹脂が炭化し、この炭化した部分がバイパス電流経路となり、さらに温度が上昇し、最終的に樹脂が分解して分解ガスが発生する虞がある。
【００３１】
ワット数の大きなゲート抵抗を使用することも考えられるが、そうすると、電気特性が変わったり、実装面積が大きくなるといった難点がある。
【００３２】
そこで、この実施の形態では、図９に示されるように、ゲート抵抗１０の一端とトライアック６のゲート端子との間を追加ワイヤ１７によって配線している。この追加ワイヤ１７は、ゲートワイヤ１２やＴ１ワイヤ１３と同じボンディングワイヤである。
【００３３】
この実施の形態では、図１０および図１１に示されるように、Ｔ１ワイヤ１３の上を追加ワイヤ１７が交差するように配線している。これらワイヤ１３，１７の上方には、凹部４が形成されて樹脂の被覆が薄肉とされているのは、上述の実施の形態と同様である。
【００３４】
この実施の形態では、上述の参考例１と同様に、負荷の短絡によってＴ１ワイヤ１３に過電流が流れると、Ｔ１ワイヤ１３近傍の樹脂にクラックが生じ、あるいは、クラックの発生と同時の樹脂の一部が弾け飛ぶのであるが、そのとき、Ｔ１ワイヤ１３の上方の追加ワイヤ１７が、図１１(ｂ)に示されるように、同時に切断されるのである。
【００３５】
このように、Ｔ１ワイヤ１３および追加ワイヤ１７の両方が同時に切れるので、通電経路が完全に遮断されることになる。
【００３６】
図１２は、このＴ１ワイヤ１３および追加ワイヤ１７の溶断の状態を説明するための一部を拡大して示す断面図である。
【００３７】
負荷の短絡によって、Ｔ１ワイヤ１３に過電流が流れて発熱し、Ｔ１ワイヤ１３の膨張によって同図(ｂ)の矢符に示されるように熱応力が発生し、この熱応力は、同図(ｃ)に示されるように、構造的に弱い薄肉の樹脂の被覆層である凹部４の境界部分に集中し、この部分にクラックが生じ、あるいは、樹脂の一部が弾き飛ばされ、このクラックによって同図(ｄ)に示されるように追加ワイヤ１７が切断されるとともに、Ｔ１ワイヤ１３の溶融した金も飛び出して溶断するのである。
【００３８】
なお、図１０のようにＴ１ワイヤ１３と追加ワイヤ１７とを交差させるのではなく、本発明の他の実施の形態として、図１３に示されるように、Ｔ１ワイヤ１３の溶断と同時に追加ワイヤ１７が切断される程度の位置に両ワイヤ１３，１７を近接配置してもよい。
【００３９】
なお、図１４は、本発明に係るＳＳＲの寸法等の条件の一例を示す断面図であり、上述の図４に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【００４０】
同図において、凹部４の深さＬ１は１．５ｍｍ、凹部４の底からＴ１ワイヤ１３までの距離Ｌ２は０．５〜０．６ｍｍ、Ｔ１ワイヤ１３の高さＬ３は０．８〜０．９ｍｍ、リードフレーム１１の下面から本体下面までの距離Ｌ４は１．２ｍｍ、銅のリードフレーム１１の厚みは０．２５ｍｍ、Ｔ１ワイヤ１３である金ワイヤの径は０．０５ｍｍφ、トライアック６の厚みは０．２１ｍｍ、樹脂はエポキシ樹脂である。
【００４１】
また、負荷側は、負荷電圧ＡＣ１００Ｖ・ゼロクロス入力、負荷短絡の短絡電流はピーク６０Ａ・１．１ｍｓｅｃ程度であり、入力電圧はＤＣ１２Ｖである。
【００４２】
これらの条件で、１００個以上のサンプルについてＴ１ワイヤ１３の溶断による保護が確認された。
【００４３】
(参考例２)
図１５は、参考例２の図２に対応する回路図であり、対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【００４４】
この図１５において、一方の出力端子３１とトライアック６のＴ１端子との間の第１の接続部１８で、フォトトライアックカプラ５の受光素子５ａの一端が、ゲート抵抗１０を介して接続されており、また、他方の出力端子３２とトライアック６のＴ２端子との間の第２の接続部１９で、フォトトライアックカプラ５の受光素子５ａの他端が接続されている。
【００４５】
この例では、上述のＴ１ワイヤ１３の部分で溶断させるのではなく、第１の接続部１８と一方の出力端子３１との間の通電経路および第２の接続部１９と他方の出力端子３２との間の通電経路の少なくとも一部をボンディングワイヤで構成するとともに、このボンディングワイヤに過電流が流れたら上述のように溶断できるように、樹脂の被覆層を薄肉にするのである。この実施の形態によれば、一つのボンディングワイヤのみを過電流で溶断させることにより、上述の実施の形態１と同様に完全に通電経路を遮断できるものである。
【００４６】
（その他の例）
溶断させるワイヤの位置は、上述の実施の形態１に限るものではないのは勿論である。
【００４７】
また、ワイヤの数、線径、ワイヤの材質を変えて複数種類の溶断特性を持たせるようにしてもよい。
【００４８】
例えば、図１６に示されるように、複数の導体ワイヤ２５，２６を直列に設けてもよい。また、導体ワイヤを並列に設けてもよい。
【００４９】
上述の実施の形態では、直流入力交流出力のＳＳＲに適用したけれども、交流入力交流出力、直流入力直流出力のＳＳＲに適用してもよい。
【００５０】
また、他の参考例として、例えば、図１７（ａ），（ｂ）に示されるように、半導体部品２７の発熱部である導電ワイヤ２８および半導体素子２９上部のパッケージに、円形の窪み３０を設け、短絡時の過電流により発生する導電ワイヤ２８からの熱応力が窪み３０の波面に集中し、同図（ｃ）に示されるように、窪み３０部分の樹脂が弾け飛びもしくはクラックが発生する。その結果、溶融した導電ワイヤが溶断され、半導体部品自身及びそれに接続される装置、機器、素子を短絡時のオン故障による損傷の危険から保護できる。
【００５１】
なお、ボンディングワイヤは、金に限らず、Ａｌやその他の金属であってもよい。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、第１の導体ワイヤに、短絡によって過電流が流れると、第１の導体ワイヤの周囲の樹脂が炭化する前に、該導体ワイヤの膨張による熱応力によって、第１の導体ワイヤの付近の構造的に弱い薄肉の樹脂の被覆層の部分に応力が集中し、この部分にクラックが生じ、あるいは、クラックが生じて一部の樹脂が弾き飛ばされ、これによって、第１の導体ワイヤおよびこの第１の導体ワイヤに近接あるいは交差している第２の導体ワイヤの通電経路が同時に遮断されるので、出力素子および受光素子に過電流が流れることがなく、これによって、ヒューズを外付けしたり、ヒューズを内蔵させるといった必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の前提構成を説明するためのＳＳＲの外観を示す斜視図である。
【図２】  図１の回路図である。
【図３】  図１のＳＳＲの内部の配置状態を示す図である。
【図４】  負荷短絡時のＳＳＲの内部の変化を示す図である。
【図５】  ワイヤの溶断を説明するための図である。
【図６】  Ｔ１ワイヤが溶断した状態の図３に対応する図である。
【図７】  Ｔ１ワイヤが溶断した状態の回路図である。
【図８】  Ｔ１ワイヤが溶断した後の電流経路を示す図である。
【図９】  本発明の実施の形態の回路図である。
【図１０】  本発明の実施の形態の図３に対応する図である。
【図１１】  本発明の実施の形態に対応する図４に対応する図である。
【図１２】  ワイヤの溶断および切断を説明するための図である。
【図１３】  本発明の他の実施の形態の図３に対応する図である。
【図１４】  寸法等の条件の一例を示す断面図である。
【図１５】  参考例の回路図である。
【図１６】  他の参考例の回路図である。
【図１７】  さらに他の参考例を示す図である。
【符号の説明】
１                          ＳＳＲ
２１，２２                    入力端子
３１，３２                    出力端子
４                          凹部
５                          フォトトライアックカプラ
６                          トライアック
１０                        ゲート抵抗
１１                        リードフレーム
１２                        ゲートワイヤ
１３                        Ｔ１ワイヤ
１５                        クラック
１７                        追加ワイヤ
【図１】
0003991581.tif 000002
【図２】
0003991581.tif 000003
【図３】
0003991581.tif 000004
【図４】
0003991581.tif 000005
【図５】
0003991581.tif 000006
【図６】
0003991581.tif 000007
【図７】
0003991581.tif 000008
【図８】
0003991581.tif 000009
【図９】
0003991581.tif 000010
【図１０】
0003991581.tif 000011
【図１１】
0003991581.tif 000012
【図１２】
0003991581.tif 000013
【図１３】
0003991581.tif 000014
【図１４】
0003991581.tif 000015
【図１５】
0003991581.tif 000016
【図１６】
0003991581.tif 000017
【図１７】
0003991581.tif 000018