(57)【要約】【課題】  回路を遮断するための時間が短時間で、且つ通常の通電時には抵抗値が高くならない保護素子の提供を目的とする。【解決手段】  本発明の保護素子は、一対の端子間に接続され所定の電流が流れる通電経路１８、２４ａ、２４ｂと、前記通電経路に隣接して配設され、熱や水分等により体積が膨張し得る膨脹材料部２０とを有し、非常時に前記膨脹材料部２０が膨脹して前記通電経路が物理的に損壊され、所要の電子機器を保護することが実現される。【選択図】  図２
2016059171.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の端子間に接続され所定の電流が流れる通電経路と、前記通電経路に隣接して配設され体積が膨張し得る膨脹材料部とを有し、非常時に前記膨脹材料部が膨脹して前記通電経路が物理的に損壊されることを特徴とする保護素子。
【請求項２】
請求項１記載の保護素子であって、前記膨脹材料部に隣接して発熱部が形成され、前記膨脹材料部は該発熱部からの熱により膨張することを特徴とする保護素子。
【請求項３】
請求項２記載の保護素子であって、前記発熱部と前記通電経路の間に膨脹材料部が形成されることを特徴とする保護素子。
【請求項４】
請求項２記載の保護素子であって、前記発熱部には前記通電経路を流れる電流の一部が流れて発熱することを特徴とする保護素子。
【請求項５】
請求項２記載の保護素子であって、前記発熱部には前記通電経路を流れる電流とは別の電流が流れて発熱することを特徴とする保護素子。
【請求項６】
請求項２記載の保護素子であって、前記通電経路は、前記膨脹材料部に積層された積層部と、前記膨脹材料部と離間されて支持される固定部とからなり、前記非常時には前記積層部が移動することを特徴とする保護素子。
【請求項７】
請求項６記載の保護素子であって、前記通電経路の前記固定部と前記通電経路の前記積層部の間には、非常時及びそれ以降に絶縁部が介在することを特徴とする保護素子。
【請求項８】
請求項７記載の保護素子であって、非常時前に前記絶縁部は前記積層部の前記膨脹材料部側に形成されることを特徴とする保護素子。
【請求項９】
請求項７記載の保護素子であって、非常時前に前記絶縁部は前記固定部の前記膨脹材料部側とは反対側に形成されることを特徴とする保護素子。
【請求項１０】
請求項６記載の保護素子であって、非常時前に前記積層部と前記固定部は少なくとも一部が弾性変形して両者間が当接し電気的な接続が維持されることを特徴とする保護素子。
【請求項１１】
請求項６記載の保護素子であって、前記積層部は複数設けられていることを特徴とする保護素子。
【請求項１２】
請求項６記載の保護素子であって、前記通電経路の前記積層部と前記固定部は、異なる導体層から形成されることを特徴とする保護素子。
【請求項１３】
請求項６記載の保護素子であって、前記通電経路の前記積層部と前記固定部は、同一の導体層から形成されることを特徴とする保護素子。
【請求項１４】
請求項１３記載の保護素子であって、前記導体層は前記膨脹材料部の膨脹時に破断する破断部を有することを特徴とする保護素子。
【請求項１５】
請求項６記載の保護素子であって、前記積層部及び前記固定部に亘って薄膜導電層が形成されることを特徴とする保護素子。
【請求項１６】
請求項２記載の保護素子であって、前記膨脹材料部は、膨張黒鉛を含有する材料、高温で分解してガスを発生する材料を含有する材料、低沸点化合物を内包した樹脂粒子材料、若しくはこれらの組み合わせからなることを特徴とする保護素子。
【請求項１７】
請求項１記載の保護素子であって、前記膨脹材料部は水分により膨脹することを特徴とする保護素子。
【請求項１８】
請求項１７記載の保護素子であって、前記通電経路の一部には水分導入穴が設けられていることを特徴とする保護素子。
【請求項１９】
請求項１記載の保護素子であって、前記膨脹材料部は気圧に応じて膨脹することを特徴とする保護素子。
【請求項２０】
請求項１９記載の保護素子であって、前記膨脹材料部は空洞を内部に有することを特徴とする保護素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子回路構成の一部に用いられ、過電流や過電圧などの非常時に電子回路部品の損傷や破壊を防止する保護素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常の使用状態で所定の動作を行う種々の電子機器は、過電流や過電圧などの非常時に内部の回路構成部品を損傷や破壊から守るため、保護素子を設けていることがある。このような保護素子としては、従来より、ヒューズとして機能する電流遮断部に過電流に応じて溶融するタイプのものが知られる。このような電流ヒューズ型の保護素子では、遮断したい直流の電流値に合わせて素子の抵抗値が調整されている。また、保護素子として電池パックを保護する例も知られている（特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１０９５９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のような電流ヒューズ型の保護素子では次のような技術的な課題が生ずる。まず、大電流を必要とする機器を保護する場合、定格電流の大きな素子ほど溶断部分の体積が必要とされ、溶断には時間を要することになる。従って、大電流を必要とする機器に対する電流ヒューズは、回路を遮断するのに時間がかかってしまい、結果として素早く回路を遮断するのが困難である。また、電流ヒューズの部分の抵抗値が通電に影響するため、電流ヒューズの定格電流を下げた場合には、保護素子の抵抗値自体が高くなる。このため保護素子でのエネルギー損失が大きくなり、また雷サージほどの大電流ではない小さなサージでも、瞬間的に定格電流を超える電流が流れただけでヒューズ部分の溶断現象が生じ、機器の継続的な使用が困難となる場合がある。
【０００５】
さらに保護素子が保護すべき電子機器によっては、過電流や過電圧などの非常時に限らず、種々の環境や使用状況に応じて電子機器を保護すべき場合があり、これに対応する保護素子が求められている。
【０００６】
そこで、本発明は、回路を遮断するための時間が短時間で、且つ通常の通電時には抵抗値が高くならない保護素子の提供を目的とする。また、本発明は、保護すべき電子機器に様々な状況に応じて的確に作動する保護素子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の技術的な課題を解決するため、本発明の保護素子は、一対の端子間に接続され所定の電流が流れる通電経路と、前記通電経路に隣接して配設され体積が膨張し得る膨脹材料部とを有し、非常時に前記膨脹材料部が膨脹して前記通電経路が物理的に損壊されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の保護素子によれば、非常時には膨脹材料部が膨脹することで、通電経路が物理的に損壊され、その通電経路での通電ができなくなり、目的とする電子機器等の保護がなされる。通常の場合、膨脹材料部は膨脹することはなく、定格電流等には依存せずに保護素子を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる通常時の保護素子の模式断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態にかかる非常時の保護素子の模式断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態にかかる保護素子の回路構成の一例を示す回路図である。
【図４】本発明の第１の実施形態にかかる保護素子の回路構成の他の一例を示す回路図である。
【図５】本発明の第２の実施形態にかかる通常時の保護素子の模式断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態にかかる非常時の保護素子の模式断面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態にかかる通常時の保護素子の一例の模式断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態にかかる通常時の保護素子の他の一例の模式断面図である。
【図９】本発明の第３の実施形態にかかる非常時の保護素子の模式断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態にかかる通常時の保護素子の模式断面図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態にかかる非常時の保護素子の模式断面図である。
【図１２】本発明の第５の実施形態にかかる通常時の保護素子の模式断面図である。
【図１３】本発明の第５の実施形態にかかる非常時の保護素子の模式断面図である。
【図１４】本発明の第６の実施形態にかかる通常時の保護素子の模式断面図である。
【図１５】本発明の第６の実施形態にかかる非常時の保護素子の模式断面図である。
【図１６】本発明の第７の実施形態にかかる通常時の保護素子の模式断面図である。
【図１７】本発明の第７の実施形態にかかる非常時の保護素子の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明が適用された保護素子について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、以下の実施形態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において種々の変更が可能であることは勿論である。
【００１１】
第１の実施形態
図１は本発明の第１の実施形態にかかる保護素子の通常時の模式断面図である。この保護素子１０は、１つの独立した電子部品であっても良く、実装基板１２上に他の回路構成素子や配線と共に形成されていても良く、或いは実装基板１２の一部に形成される構成を有していても良い。実装基板１２は、例えば他の回路部品等も実装可能な基板であり、絶縁性を有する基板やガラスエポキシ基板、フェノール基板などのプリント配線基板などであっても良い。図１では、実装基板１２は当該保護素子１０のサイズに形成されているが、さらに拡がりを以て形成できることは勿論である。
【００１２】
このような実装基板１２上には、導電性材料部１４ａ、１４ｂが所定のパターンに形成されている。導電性材料部１４ａ、１４ｂは、例えば銀、銅やアルミニウム、或いはこれらの合金などの比較的に高融点の金属配線材料からなり、図１の断面で見ると、一対の端子を構成するように導電性材料部１４ａ、１４ｂは離間して配置される。導電性材料部１４ａ、１４ｂは高さ方向の中途部分でベース材１６を挟んで支持するように構成されている。なお、導電性材料部１４ａ、１４ｂは、必ずしも全体が導電性を有している必要はなく、上に形成される通電固定部２４ａ、２４ｂに電気を流せる構成であれば他の構造であっても良い。
【００１３】
ベース材１６は、絶縁性の基板であり、例えば、アルミナ、ガラスセラミックス、ムライト、ジルコニアなどのセラミック系の材料からなり、その上面に発熱部としての発熱層２２、膨脹材料部としての膨脹材料層２０、通電積層部１８が形成される。なお、ベース材１６は本実施形態では、導電性材料部１４ａ、１４ｂに支持されているが、実装基板１２上に直接若しくはスペーサなどを介して間接に支持されていても良い。
【００１４】
発熱層２２は、非常時には、電流が流れて発熱する部材であり、比較的に抵抗値が高い導電性の金属材料層や非金属の発熱層である。このような金属材料層としては、例えばタングステン、モリブデン、白金、二珪化モリブデン、Ni-Cr系或いはFe-Cr-Al系材料、または炭化珪素、ジルコニア、黒鉛、ランタンクロマイトなどの薄膜が挙げられる。ここで非常時とは、本明細書においては、過電流や過電圧などの異常事態が発生した際に、保護素子１０が接続されている図示しない電子機器を保護すべき状況が生じたときを示し、このような異常事態が発生していない状態を通常時（若しくは"非常時前"）としている。後述のいくつかの実施形態では、異常事態としては、電流や電圧の異常な状態だけに限らず、保護素子を囲む雰囲気中の水分が異常な場合や、周囲の気圧が異常な場合も、本発明にかかる保護素子が作動し得る異常事態に含まれるとしている。発熱層２２の形成は、真空蒸着やスパッタリングなどの周知の薄膜形成技術を用いることができる。また、比較的に抵抗値が高い導電性の金属材料やこれらの合金或いは組成物、化合物の粉状体を樹脂バインダと混合して、ペースト状にしたものをベース材１６上にスクリーン印刷等でパターン形成し、焼成する方法によっても形成することができる。
【００１５】
この発熱層２２の上には、隣接する位置として積層されて膨脹材料層２０が形成されている。膨脹材料層２０は非常時に発熱層２２からの熱の伝達を受けてその体積を膨張させる層であり、所定の熱膨張材料により形成される。このような熱膨張材料としては、先ず、膨張黒鉛を含有する材料が好ましく、例えばゴムもしくは樹脂に膨張黒鉛を混ぜた材料が挙げられる。また、他の熱膨張材料としては、高温で分解してガスを発生する材料を含有しているものが好ましい。高温で分解してガスを発生する材料としては、例えば炭酸マグネシウム、炭酸水素ナトリウム、リン酸二水素アンモニウム、水酸化アルミニウム、ジニトロペンタメチレンテトラミン、アゾジカルボンアミド、オキシビスベンゼンスルホニルヒドラジド、ヒドラゾジカルボンアミド、５'５'−ビス−Ｈ−テトラゾールなどが挙げられる。これらの材料をポリプロピレン、ポリエチレン、ポリウレタンなどの樹脂を組み合わせることによって熱膨張材料とすることができる。さらに他の熱膨張材料としては、低沸点化合物を内包した樹脂粒子を例示できる。低沸点化合物を内包した樹脂粒子としては、具体的には、２００〜４００℃の沸点を持つ液状の有機物を内包させたポリエチレンテレフタレート、ポリアクリロニトリル、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）、エポキシ樹脂、ナイロン、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエチレンナフタレート等のポリマー粒子を例示できる。また熱膨張材料のさらに具体的な例としては、例えば、住友スリーエム株式会社のFire Barrier（モーダブルパテMPP-4S：商品名）のような耐火性，熱膨張性を兼ね備えた材料や、積水化学工業株式会社のフィブロック（商品名）、株式会社アクセスのアクセラコートＦ（商品名）のような熱膨張性耐火材であっても良い。
【００１６】
膨脹材料層２０の膨脹率は、非常時には例えば５倍以上とされる材料が好ましい。膨脹材料層２０には、非常時に発熱層２２から熱が伝達され、当該膨脹材料層２０が急速に膨脹し、図２に示すように厚みが膨らんだ状態となる。膨脹材料層２０は単一の材料層とすることもできるが、複数の層を積層させた構造とすることもでき、部分的に異なる膨脹率の材料側層を組み合わせて膨脹時の形状を制御することも可能である。膨脹材料層２０は、発熱層２２の上に直接形成されているものに限定されず、熱伝達特性に支障のない層を介在させることも可能である。膨脹材料層２０と発熱層２２の位置関係は、隣接して熱を受け取れる関係であれば良く、例えば発熱層２２を膨脹材料層２０の周囲に配設したり、発熱層２２の下に膨脹材料層２０を配設することもできる。
【００１７】
膨脹材料層２０の上面には、通電経路の一部とされる通電積層部１８が形成される。通電積層部１８は、例えば銀、銅やアルミニウム、或いはこれらの合金などの比較的に高融点の金属配線材料からなる薄膜の導電材料層である。図１に示す保護素子１０の通常時においては、通電積層部１８は、同じく通電経路の一部とされる通電固定部２４ａ，２４ｂと電気的に接続するように構成されている。具体的には、通電積層部１８の端部がそれぞれ通電固定部２４ａ，２４ｂの下部に重なるような位置関係で配設され、通電積層部１８の上面と通電固定部２４ａ，２４ｂの各底面が接して電気的には導通している。なお、通電固定部２４ａ，２４ｂも、通電積層部１８と同様に、例えば銀、銅やアルミニウム、或いはこれらの合金などの比較的に高融点の金属配線材料からなる薄膜の導電材料層である。通電固定部２４ａ，２４ｂの端部や通電積層部１８の端部がばね性を有し、弾性変形するような材料であれば、このような面接触による導通状態を維持することが可能である。
【００１８】
本実施形態では、通電積層部１８の上面と通電固定部２４ａ，２４ｂの各底面が面接触して導通するように構成されているが、僅かな隙間を有して通電積層部１８と通電固定部２４ａ，２４ｂと配設し、それらを接続するさらに導電性で脆弱な薄膜などを被覆することも可能である。
【００１９】
図２に示すように、非常時には、発熱層２２が発熱し、その上の膨脹材料層２０が膨脹する。膨脹材料層２０が膨脹した際には、通電経路とされていた通電積層部１８が高く持ち上げられ、通電固定部２４ａ，２４ｂが配設されている高さよりも高い位置まで押し上げられる。この際に通電積層部１８の端部と通電固定部２４ａ，２４ｂの端部は弾性変形し、通電積層部１８が高い位置に移動するのを助ける。図２中、膨脹材料層２０は縦方向だけに膨脹しているように描かれているが、膨脹材料層２０は水平方向に膨脹しても良い。なお、本明細書において"通電経路が物理的に損壊される"とは、通電経路が切断や遮断されたり、通電経路の一部が移動したり或いは破損したりして、通電経路を構成する構造物自体が変化して、通電経路の通電機能が大きく失われる場合を示す。必ずしも、経路全部が切断されなくとも、残った部分で電気的につながっているが、その抵抗が大きく増加するような場合も物理的な損壊に含まれる。
【００２０】
図３は本実施形態にかかる保護素子の回路構成の一例を示す回路図である。発熱層２２は、２つの抵抗器３０、３０に該当し、ノード３４ｓが通電積層部１８に該当し、ノード３４ｆ、３４ｆが通電固定部２４ａ，２４ｂに該当する。模式的にヒューズ素子３２で表した部分は、膨脹材料層２０の作動により、破断されノード間の通電を止める。本実施形態の保護素子では、回路の定格電流や保護すべき電子機器の電流容量などに依存せずに、発熱層２２を過大な電流が流れれば、速やかに膨脹材料層２０が膨脹して通電を停止するように機能する。従って、大電流で作動する機器を保護する場合であっても、容易に発熱層２２を発熱させて通電を停止できるため、短時間での保護が実現できる。また、小さなサージ電流などで素子の一部が溶断してしまうようなおそれもないため、確実な機器の保護が可能である。
【００２１】
図４は本実施形態にかかる保護素子の回路構成の他の一例を示す回路図である。この例では、通電積層部１８と通電固定部２４ａ，２４ｂは保護素子の通電経路３６に該当し、この通電経路３６に等価的にヒューズ素子３８が存在する。膨脹材料層２０は、発熱層２２からなる抵抗器４０に隣接し、発熱時に膨脹によりヒューズ素子３８を切断させるように作動する。抵抗器４０は、通電経路３６を流れる電流とは別の電流が流れるように設計されており、電源４２に接続するスイッチ４４を閉成することで、抵抗器４０に電流が流れ、膨脹材料層２０が膨脹して通電経路３６の通電が停止する。このような回路では、通電経路３６を流れる電流とは別の電流で膨脹材料層２０の膨脹を制御することができ、スイッチ４４がシステムで制御されるものとすれば、必要な時、例えば異常事態の発生時に、監視状態にあるシステムからの命令で回路を保護するような動作に用いることができる。
【００２２】
第２の実施形態
本実施形態にかかる保護素子５０は、水分で膨脹する膨脹材料層を有し、通電経路の遮断を図るものである。図５に示すように、実装基板５２上にベース材５４が形成され、このベース材５４を支持するように導電材料部５６ａ，５６ｂが形成され、その導電材料部５６ａ，５６ｂの上面に通電経路を構成する通電固定部５８ａ，５８ｂが形成されている。なお、これらの実装基板５２、ベース材５４、導電材料部５６ａ，５６ｂ、及び通電固定部５８ａ，５８ｂは、第１の実施形態の実装基板１２、ベース材１６、導電材料部１４ａ，１４ｂ、及び通電固定部２４ａ，２４ｂとそれぞれ同様の構成を有し同様に機能する部材であり、重複する説明は省略する。
【００２３】
図５に示すように、ベース材５４の上には、本実施形態では、水分膨脹性の高い膨脹材料層６０と、該膨脹材料層６０に積層する通電積層部６２とを有する。通電積層部６２は、周囲の水分を下の膨脹材料層６０に導入するための孔６４が形成されている。膨脹材料層６０は、非常時に素子外部からの水分の供給を受けてその体積を膨張させる層であり、所定の水分膨張材料により形成される。このような水分膨張材料としては、一例として、吸水性および保水性を有する吸水性ポリマーによって形成されている。ここで、吸水性ポリマーとは、親水基を有するポリマーが分子間で架橋されたものである。吸水性ポリマーの原料となる親水基を有するポリマーは、通常は水溶性であるが、分子間が架橋されることによって三次元的な網目構造が形成され、親水基が水を引き寄せることによって網目構造の中に水が吸収されるため、吸水性ポリマーは不溶性のハイドロゲルとなることができる。吸水性ポリマーは、上記三次元的な網目構造が許容する限りにおいて吸水することができるため、膨張を伴いながら、自重の数百倍から千倍程度の水を吸収することができる。このように、三次元的な網目構造の中に水が閉じこめられるため、ハイドロゲルは、ある程度の圧力を加えても水を保持し続けることができる。吸水性ポリマーが備える親水基は、例えば、−ＯＨ（ヒドロキシル基）、−ＮＨ（イミノ基）、−ＣＯ（カルボニル基）、−ＣＯＯＨ（カルボキシル基）から選択される基とすることができる。また、親水基がイオン性基の場合には、吸水性ポリマーは、電解質ポリマーとなる。このような吸水性ポリマーとしては、従来、ポリアクリル酸塩系、例えば、デンプンーポリアクリル酸系や、ポリビニルアルコール−ポリアクリル系が知られている。あるいは、カルボキシメチルセルロース系や、メタクリル酸メチルと酢酸ビニルの共重合体、あるいは、ポリビニルアルコールの重合体が知られている。また、水分膨張材料としては、水膨張性ポリウレタン樹脂からなるもの（例えば三洋化成工業株式会社製の「アクアプレン（登録商標）」等）、水膨張性ポリウレタン樹脂のゴム成形品、カルボキシル基及び／又はスルホ基を有する１種以上のビニル単量体の重合体の架橋物等からなる吸水性ポリマーをポリウレタン樹脂に含有してなるもの、スルホアルキル（メタ）アクリレート系重合体の架橋物等からなる吸水性ポリマーと合成ゴムとを加硫成形したもの（シーアイ化成株式会社の「ビノンハイドロタイト」等）等も挙げられる。
【００２４】
このような膨脹材料層６０に積層する通電積層部６２は、例えば銀、銅やアルミニウム、或いはこれらの合金などの比較的に高融点の金属配線材料からなる薄膜の導電材料層である。この通電積層部６２には、孔６４が形成され、この孔６４を介して当該素子の周囲の水分が膨脹材料層６０に送られる。孔６４のサイズ、形状、数は特に限定されるものではないが、十分な水分子の通電積層部６２の透過がなされるものであれば良い。また、膨脹材料層６０の膨脹する形状を制御するために、異なる形状の複数の孔を設けることもできる。少量の水分や湿分で通常時に膨脹材料層６０が膨脹してしまうことを防止するため、孔６４の底部や上面に少量の水分の侵入を防止する薄いシールフィルムなどを配することもできる。さらに、本実施形態では、孔６４は膨脹材料層６０に積層する通電積層部６２に形成されているが、非常時に膨脹材料層６０に水分を送ることのできる位置であれば、他の場所に設けることもでき、通電積層部６２に形成された孔６４との組み合わせとすることもできる。
【００２５】
図６は、非常時の保護素子５０の模式断面図である。通電積層部６２に形成された孔６４を介して当該素子の周囲の水分が膨脹材料層６０に送られ、膨脹材料層６０は膨脹する。膨脹材料層６０の膨脹により、通電経路とされていた通電積層部６２が高く持ち上げられ、通電固定部５８ａ，５８ｂが配設されている高さよりも高い位置まで押し上げられる。この際に通電積層部６２の端部と通電固定部５８ａ，５８ｂの端部は弾性変形し、通電積層部６２が高い位置に移動するのを助ける。膨脹材料層６０は水平方向に膨脹しても良く、特に通電固定部５８ａ，５８ｂの上面側に水平方向に膨脹することで、非常時後は通電経路が再度通電するような事態を防止できる。この非常時後の再通電を防止するため、通電固定部５８ａ，５８ｂの上面には図示しない絶縁膜を形成することができ、非常時後に膨脹材料層６０が通電固定部５８ａ，５８ｂの上面側に水平方向に膨脹することで、存在する水分をルートとする通電も防止される。
【００２６】
このような水分膨脹性の保護素子５０では、例えば水分が保護素子５０の周囲を囲む状況となれば、その水分が通電積層部６２に形成された孔６４を介して膨脹材料層６０は膨脹し、通電経路は物理的に損壊して断線することになる。例えば、水没することが異常事態であるような機器や車両などに本実施形態の保護素子５０を採用することで、水没などに起因するこれらの機器や車両の電気的な短絡などによる故障を未然に防止できる。
【００２７】
なお、本実施形態の保護素子５０のベース材５４は、第１の実施形態の保護素子１０のベース材１６とは異なり、発熱層２２に接するものではないことから、膨脹材料層６０を支持できる基板やフレーム等であれば使用することができ、実装基板と同様な、絶縁性を有する基板やガラスエポキシ基板、フェノール基板などのプリント配線基板などであっても良い。また、ベース材５４側に水分導入の孔や開口部を設けることも可能である。
【００２８】
第３の実施形態
本実施形態にかかる保護素子６８は、図７乃至図９に示すように、第１の実施形態の保護素子と概ね同様の構成と機能を備えているが、通電積層部若しくは通電固定部に絶縁部が加えられて、非常時後の再通電を防止することができる。本実施形態の保護素子では、第１の実施形態の保護素子と同じ部材には同じ参照符号を与え、重複する説明は簡単のために省略する。
【００２９】
図７及び図８に示すように、通常時においては、本実施形態にかかる保護素子６８は、通電積層部１８の底部側若しくは通電固定部２４ａ，２４ｂの上面側に絶縁部７０ａ，７０ｂを有している。この絶縁部７０ａ，７０ｂは、形成される箇所が限定された例えば帯状の領域とされ、所定の酸化膜、窒化膜を薄膜成形技術で形成したり、或いは樹脂膜をコーティングなどすることで得られるものである。また、絶縁部７０ａ，７０ｂとして、所定の形状にカットした絶縁テープや絶縁シートなどを貼付するようにしても良い。図７に示す保護素子６８では、絶縁部７０ａ，７０ｂは通電積層部１８の張り出た部分の下に膨脹材料部２０を囲むように形成されている。図８に示す保護素子６８は図７の例の変形例であり、絶縁部７０ａ，７０ｂは通電固定部２４ａ，２４ｂの上面側で該通電固定部２４ａ，２４ｂの端部に形成されている。
【００３０】
図９に示すように、非常時には膨脹材料部２０が膨脹して、通電積層部１８と通電固定部２４ａ，２４ｂの上下の位置関係が逆転して、通電積層部１８と通電固定部２４ａ，２４ｂの間の通電経路は分断されてしまう。仮に膨脹材料部２０の膨脹が十分な場合は、絶縁部７０ａ，７０ｂが無くとも通電積層部１８と通電固定部２４ａ，２４ｂの間の通電経路は分断されたまま維持され、機器の保護機能を果たすことになる。一方、膨脹材料部２０の膨脹が十分ではない場合、例えば、通電経路を流れていた電流が発熱部２２も流れる場合などでは、絶縁部７０ａ，７０ｂが無ければ通電積層部１８と通電固定部２４ａ，２４ｂの間の距離は極めて近くなってしまい、結果として非常時後に再び通電現象が生じて一旦保護した機器をその再通電で損傷してしまうおそれがある。しかし、本実施形態のような絶縁部７０ａ，７０ｂを設けることで、図９に示すように、非常時後は確実に通電積層部１８と通電固定部２４ａ，２４ｂの間に絶縁部７０ａ，７０ｂが介在することになり、従って、非常時後の再通電は未然に防止されることになり、保護した機器をそのまま保護し続けることになる。図７乃至図９の例では、通電積層部１８の底部側若しくは通電固定部２４ａ，２４ｂの上面側に絶縁部７０ａ，７０ｂを形成しているが、その両方に形成することも可能である。
【００３１】
第４の実施形態
本実施形態の保護素子７２は、通電積層部と通電固定部の一方が一体に形成され、非常時には通電積層部と通電固定部の間の部分が変形するように構成されている。図１０に示すように、通常時の本実施形態の保護素子７２では、実装基板１２上にベース材１６が形成され、このベース材１６を支持するように導電材料部１４ａ，１４ｂが形成され、その導電材料部１４ａの上面に通電経路を構成する通電固定部７８が形成されている。なお、第１の実施形態の保護素子１０と同様の構成を有し同様に機能する部材には、共通の参照符号を与え、重複する説明は省略する。
【００３２】
ベース材１６の上面には、比較的に抵抗値が高い導電性の金属材料等からなる発熱層２２が形成され、その発熱層２２上には非常時に発熱層２２からの熱の伝達を受けてその体積を膨張させる膨脹材料層２０が形成される。この膨脹材料層２０上には、通電経路の一部となる通電積層部７４が形成されており、この通電積層部７４を構成する導電層と同じ層で通電経路の一部となる通電固定部７６が形成されている。導電材料部１４ｂと膨脹材料層２０は離間しているため、その間の距離を接続する接続部７５が通電積層部７４及び通電固定部７６を構成する導電層と同じ層で形成される。従って、本実施形態における通電経路は、通電固定部７８、通電積層部７４、接続部７５、及び通電固定部７６のルートであり、通電固定部７８と通電積層部７４の間は、第１の実施形態の保護素子１０と同様に段差を有しているが、通電積層部７４、接続部７５、及び通電固定部７６は同一の導電層からなるため、略水平に延長されている。このため通電積層部７４、接続部７５、及び通電固定部７６の間は、製造工程上、段差を作らずに構成できるため、その部分の製造は容易となる。通電積層部７４の通電固定部７８側の端部の下面には、絶縁部８０が形成されている。
【００３３】
非常時では、図１１に示すように、発熱層２２から熱が供給され、その結果膨脹材料層２０が膨脹する。この膨脹材料層２０の膨脹によって、通電積層部７４が上の方に持ち上げられ、通電固定部７８の高さを越えた位置まで移動する。持ち上げられた通電積層部７４の通電固定部７６に近い側では、膨脹材料層２０の膨脹によって段差が生じ、接続部７５が変形して通電積層部７４と通電固定部７６の間の通電が維持されるが、通電積層部７４と通電固定部７８の間には絶縁部８０が位置して通電が停止する。従って、非常時には、保護素子７２により機器の保護がなされることになる。このように通電経路を断つ箇所は、図１１に示すように１か所であっても良い。なお、接続部７５は別材料の部材とすることもでき、フィルムなどでも良く、導電層自体の塑性変形などであっても良い。
【００３４】
第５の実施形態
本実施形態の保護素子８２は、通電経路に複数の通電積層部が配設される例である。図１２に示すように、通常時の本実施形態の保護素子８２では、実装基板１２上にベース材１６が形成され、このベース材１６を支持するように３つの導電材料部８４ａ，８４ｂ、８４ｃが形成され、これら導電材料部８４ａ，８４ｂ、８４ｃの上面に通電経路を構成する通電固定部８８ａ，８８ｂ、８８ｃがそれぞれ形成されている。ベース材１６の上面には、導電材料部８４ａ，８４ｂの間及び導電材料部８４ｂ，８４ｃの間のそれぞれ空間において、高抵抗値の金属材料等からなる発熱層２２と、非常時に膨張する膨脹材料層２０が積層して形成される。なお、第１の実施形態の保護素子１０と同様の構成を有し同様に機能する部材には、共通の参照符号を与え、重複する説明は省略する。
【００３５】
導電材料部８４ａ，８４ｂの間及び導電材料部８４ｂ，８４ｃの間の空間においては、発熱層２２と、非常時に膨張する膨脹材料層２０との積層部分の上に通電積層部８６ｄ、８６ｅが形成される。通常時、この保護素子８２の通電経路は、通電固定部８８ａ、通電積層部８６ｄ、通電固定部８８ｂ、通電積層部８６ｅ，通電固定部８８ｃというルートになり、通電積層部８６ｄの上面端部で通電固定部８８ａ及び通電固定部８８ｂのそれぞれ下面と接続され、通電積層部８６ｅの上面端部で通電固定部８８ｂ及び通電固定部８８ｃのそれぞれ下面と接続される。この接続形態では、通電固定部８８ａ，８８ｂ、８８ｃの端部や通電積層部の端部８６ｄ、８６ｅがばね性を有し、弾性変形するような材料であれば、通常時に、このような面接触による導通状態を維持することができる。また、第３の実施形態の保護素子６８と同様に、通電積層部８６ｄ、８６ｅに絶縁部９０が加えられて、非常時後の再通電を防止することができる。これら通電固定部８８ａ，８８ｂ、８８ｃ及び通電積層部８６ｄ、８６ｅの材料は、例えば銀、銅やアルミニウム、或いはこれらの合金などの比較的に高融点の金属配線材料からなる薄膜の導電材料層とされる。
【００３６】
非常時には、図１３に示すように、膨脹材料部２０が膨脹して、通電積層部８６ｄ、８６ｅと通電固定部８８ａ，８８ｂ、８８ｃの上下の位置関係が逆転して、通電積層部８６ｄ、８６ｅと通電固定部８８ａ，８８ｂ、８８ｃの間の通電経路は分断され、本実施形態の保護素子８２による機器の保護が確実になされることになる。膨脹材料部２０の膨脹により、通電積層部の数では２箇所、接点の数では４箇所で分断されるため、確実な分断がなされることになる。通電積層部８６ｄ側と通電積層部８６ｅ側の間で、膨脹材料部２０の膨脹材料やサイズを変えたり、或いは発熱層２２の発熱量を変えたりすることで、時間差を有する通電経路の分断ができ、保護すべき回路自体を過電流や過電圧の程度で切り分けて保護するようなことも可能である。また、膨脹する膨脹材料部２０を通電積層部８６ｄ側と通電積層部８６ｅ側の間のどちらか一方とすることもできる。この場合、接続が継続している側では別個の機能を作動させるようにすることも可能である。
【００３７】
第６の実施形態
本実施形態の保護素子９２は、通電経路を構成する通電積層部と通電固定部が単一の導電層によって形成され、非常時には通電積層部と通電固定部の間の部分が破断するように構成されている。図１４に示すように、通常時の本実施形態の保護素子９２では、実装基板１２上にベース材１６が形成され、このベース材１６を支持するように導電材料部１４ａ，１４ｂが形成され、その導電材料部１４ａ、１４ｂの上面に通電経路を構成する通電固定部９６ａ，９６ｂが形成されて、さらに通電固定部９６ａ，９６ｂと同じ導電層により、通電積層部９４が形成されている。これら通電固定部９６ａ，９６ｂ及び通電積層部９４を形成する導電層は、例えば銀、銅やアルミニウム、或いはこれらの合金などの比較的に高融点の金属配線材料からなる薄膜の導電材料層とされる。なお、第１の実施形態の保護素子１０と同様の構成を有し同様に機能する部材には、共通の参照符号を与え、重複する説明は省略する。一例として、通電固定部９６ａ，９６ｂと通電積層部９４の間には、分断を容易に進めるための分断部９７が形成される。分断部９７は導電層の一部を切欠いたり、膜の強度を劣化させて分断を促進させる機能を有する。通電固定部９６ａ，９６ｂと通電積層部９４の間を予め分断しておくことも可能であり、その場合には、図１４に示すような導電性の保護膜９８を通電固定部９６ａ，９６ｂと通電積層部９４の表面に被覆することもできる。
【００３８】
非常時では、図１５に示すように、発熱層２２から熱が供給され、その結果膨脹材料層２０が膨脹する。この膨脹材料層２０の膨脹によって、通電積層部９４が上の方に持ち上げられ、導電層の分断が発生し、通電経路が遮断されて保護素子９２による機器の保護がなされる。分断部９７を形成することで、通電経路を円滑に遮断することができ、元の通電経路は１つの導電層であるので、本実施形態の保護素子９２を作成する場合に、その製造工程数を少なくできる。
【００３９】
第７の実施形態
本実施形態の保護素子１１０は、気圧に応じて膨脹する膨脹材料部としての気圧膨脹部１２０が形成される例である。図１６に示すように、本実施形態の保護素子１１０は、実装基板１１２に形成されており、この実装基板１１２は、前述の実装基板１２と同様に、例えば他の回路部品等も実装可能な基板であり、絶縁性を有する基板やガラスエポキシ基板、フェノール基板などのプリント配線基板などであっても良い。
【００４０】
実装基板１１２上には、導電性材料部１１４ａ、１１４ｂが所定のパターンに形成されている。導電性材料部１１４ａ、１１４ｂは、例えば銀、銅やアルミニウム、或いはこれらの合金などの比較的に高融点の金属配線材料からなる。一対の端子を構成するように導電性材料部１１４ａ、１１４ｂは、離間して配置され、高さ方向の中途部分でベース材１１６を挟んで支持するように構成されている。ベース材１１６は、絶縁性の基板であり、例えば、アルミナ、ガラスセラミックス、ムライト、ジルコニアなどのセラミック系の材料からなり、また実装基板１１２のようなガラスエポキシ基板、フェノール基板などのプリント配線基板などであっても良い。
【００４１】
このベース材１１６上には、気圧膨脹部１２０が重ねられ、その気圧膨脹部１２０上に通電積層部１１８が設けられている。気圧膨脹部１２０は、薄いゴム材等による伸縮材１２２で覆われた言わば風船の如き構造を有している。従って、気圧の低い環境にすれば、膨らむことになる。気圧膨脹部１２０の内部は、所定のガスが封入された空間部とされる。なお、気圧膨脹部１２０の内部には、伸張できる多孔質の材料を配設することもでき、或いは車両のエアバックシステムのように気圧膨脹部１２０内部に所定のガスを点火や化学反応等により急激に発生させても良い。
【００４２】
通電経路は、通電積層部１１８とその両側の通電固定部１２４ａ、１２４ｂにより構成される。通常時においては、図１６に示すように、通電積層部１１８の上面と通電固定部１２４ａ、１２４ｂの端部下面が接して通電経路を構成している。非常時には、図１７に示すように、気圧の関係で気圧膨脹部１２０が大きく膨らみ、その結果、通電積層部１１８が持ち上げられて移動し、通電固定部１２４ａ、１２４ｂとは電気的に接続しなくなり、通電経路が物理的に損壊される。従って、当該保護素子１１０に接続される電子機器を低気圧時に有効に保護することができる。
【００４３】
上述の各実施形態においては、発熱層からの発熱で膨脹材料層が膨脹する保護素子、水分により膨脹材料層が膨脹する保護素子、気圧に応じて気圧膨脹部が膨脹する保護素子についてそれぞれ説明したが、これらの保護素子のいくつかを組み合わせた保護素子を構成することも可能である。また、水分により膨脹材料層が膨脹する保護素子については、水分以外の油分やアルコールや薬品などで膨脹するように設計することも可能であり、そのような水分以外の液体で保護素子が作動するようにすることもできる。
【符号の説明】
【００４４】
１０  保護素子
１２  実装基板
１４ａ、１４ｂ  導電性材料部
１６  ベース材
１８  通電積層部
２０  膨脹材料層
２２  発熱層
２４ａ、２４ｂ  通電固定部
３０  抵抗器
３２  ヒューズ素子
３４ｓ、３４ｆ  ノード
３６  通電経路
３８  ヒューズ素子
４０  抵抗器
４２  電源
４４  スイッチ
５０  保護素子
５２  実装基板
５４  ベース材
５６ａ、５６ｂ  導電性材料部
５８ａ、５８ｂ  通電固定部
６０  膨脹材料部
６２  通電積層部
６４  孔
６８  保護素子
７０ａ、７０ｂ  絶縁部
７２  保護素子
７４  通電積層部
７５  接続部
７６、７８  通電積層部
８０  絶縁部
８２  保護素子
８４ａ、８４ｂ、８４ｃ  導電性材料部
８６ａ、８６ｂ、８６ｃ  通電固定部
８８ｄ、８８ｅ  通電積層部
９０  絶縁部
９２  保護素子
９４  通電積層部
９６ａ、９６ｂ  通電固定部
９７  分断部
９８  保護膜
１１０  保護素子
１１２  実装基板
１１４ａ、１１４ｂ  導電性材料部
１１６  ベース材
１１８  通電積層部
１２０  膨脹材料層
１２２  伸縮材
１２４ａ、１２４ｂ  通電固定部
【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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