JP2005129352A - 抵抗付き温度ヒュ−ズ - Google Patents

Abstract

【課題】抵抗発熱素子と温度ヒューズ素子を絶縁基板上に搭載配置する保護回路において、使用する材料と部品の選定と組立構造の簡素化により小型化とローコスト化を実現する抵抗付き温度ヒューズを提供する。
【解決手段】ガラスエポキシ基板１の片面にチップ抵抗8の抵抗発熱素子と温度ヒューズ素子１０とを相互に近接させ空間配置し、ガラスエポキシ基板１の配線パターン３〜６の電極部にはんだ固着して保護回路を形成した抵抗付き温度ヒューズ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、抵抗発熱素子と所定温度の動作温度を有する温度ヒューズ素子とを絶縁基板に実装して構成した抵抗付き温度ヒュ−ズ、特に、低熱伝導率の絶縁基板とチップタイプ部品とを使用してはんだ固着時の実装配置間隔を狭くした小型化およびローコスト化に好適する保護回路用抵抗付き温度ヒュ−ズに関する。

一般に温度ヒュ−ズは被保護機器の過電流により生ずる過大発熱など機器環境周辺の異常温度上昇で作動させる保護素子である。一方、ヒューズ抵抗器は、特許文献１に示されるように、機器に生ずる異常信号を検知しこの信号により抵抗発熱させて電流ヒューズを作動させるもので検知・制御回路を含めて保護回路を構成する。携帯情報端末用主電源は、保存特性や耐漏液性に優れた高密度エネルギーのリチウムイオン二次電池が利用されているが、その安全性確保にヒューズ抵抗器の保護回路が使用される。例えば、特許文献２に示されるように、二次電池では過充電および過放電を防止するために復帰型と非復帰型の二重の保護回路を設け、電池の電圧が所定の設定電圧を越えたとき充電電流を遮断する復帰型保護回路と、この復帰型保護回路が何らかの原因で作動せず電池電圧が異常に上昇したとき温度ヒューズを溶断する非復帰型保護回路とで安全性の高い保護装置を構成する。非復帰型保護回路で使用する温度ヒューズは、充電器と電池との間に直列接続した２個の可溶体ヒューズエレメントおよびこれらのヒューズエレメントと熱的に結合する発熱素子の抵抗により構成された抵抗内蔵温度ヒューズである。発熱素子は電池電圧を検知し電池電圧が設定値以上になるとオン信号を出力する電圧検出回路のオン信号で動作するように構成している。このような保護回路に使用する抵抗内蔵温度ヒューズは、例えば、非特許文献１に記載されるように、絶縁セラミック基板の表面側に装着した低融点合金のヒューズ素子と裏面側に薄膜形成した抵抗体とにより構成し、上述する２次電池の非復帰型保護回路として組み込まれ、過充電などの異常を検出した場合、ヒューズ素子と熱結合の抵抗体に通電させることにより発熱を生じ、強制的にヒューズ素子を溶断して回路を遮断させる。保護回路は充放電を制御するＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子を含む専用の制御ＩＣ等と共に抵抗内蔵温度ヒューズをマザーボードのプリント基板に搭載して構成され、その際、スイッチング素子を上方側に積み重ねたり、横方側に並置したりして取付けられている。
特開平７−１５３３６７号 特開平１０−５６７４２号 ＮＥＣ技報ｖｏｌ．５３Ｎｏ．１０ｐｐ９３−９６

上述するヒューズ抵抗器は発熱体と電流ヒューズが絶縁層を介して一体に結合されており、介在する絶縁層に関し構造上の複雑さと製造作業上の面倒さが伴っている。すなわち、発熱体と電流ヒューズとが一体構成であるために絶縁層の構造によって遮断特性が大きく影響され、これを避けるためには厳格な製造管理が要求される。一方、セラミック基板を使用して一方の面に単体または２個のヒューズ素子を実装し、他方の面に薄膜抵抗を形成する抵抗内蔵温度ヒューズでは、前述のヒューズ抵抗器の保護回路と同様に介在するセラミック基板への発熱素子の形成などで処理面で必然的に製作工程が複雑化する。加えて、絶縁基板が高価なセラミック材を使用しているのでコスト上昇を招き、且つ基板の熱伝導率の影響もあってはんだ処理対策上、所要する実装面積が広くなっていた。それゆえに、従来の保護回路は小型化とローコスト化が要請される携帯情報機器などへの適用に不利であった。また、温度ヒューズの温度検知感度を高めて高精度で動作させるには、異常過熱のおそれのある能動素子等へ近接して実装配置するのが望まれるものの、取扱上での作業性にも問題が生じていた。

したがって、本発明は上述する従来の欠点を解消し、温度ヒューズの機器回路部品への改善された実装構造を提示するために、保護回路としての使用材料や組立て作業の複雑化に伴うコストアップを抑止するものであり、汎用部材の選定と組立構造の簡素化とに着目してローコスト化を図りつつ、上述する諸問題を解消する新規且つ改良された抵抗付き温度ヒューズの提供を目的とするものである。

本発明によれば、電極部とスル−ホ−ルを有する配線パタ−ンを形成した絶縁基板と、この絶縁基板の片面に互いに近接の配置空間で抵抗発熱素子と所定温度で動作する温度ヒュ−ズ素子とを具備し、温度ヒューズ素子とリード部材をそれぞれ所定のパタ−ン電極部とはんだ接続した抵抗付き温度ヒューズが提供される。特に、絶縁基板は比較的小さい熱伝導率を有する物質からなり、例えば、プリント板として汎用のガラスエポキシ（ガラス繊維にエポキシを含浸させたもの）やフェノール樹脂を使用して低熱伝導率特性によって搭載素子の高密実装によるはんだ付けを可能にし、小型・集約化を図り、安価な材料と簡素化作業とによってローコスト化を図る。また、実装部品にはチップタイプ部品の抵抗発熱素子と温度ヒューズ素子が使用され、温度ヒューズ素子は必要に応じて低融点合金可溶体を絶縁パッケージにより気密封着して使用され、その結果抵抗値の小さい保護回路を構成することができる。なお、温度ヒューズ素子には低融点可溶合金型温度ヒュ−ズや感温ペレット型温度ヒューズが使用できるほか、回路構成上温度ヒューズ素子を複数個に分割して異なる動作温度の温度ヒューズを使用することもできる。

本発明の抵抗付き温度ヒューズによれば、汎用のガラスエポキシ樹脂基板は従来のセラミック基板や金属リード端子に比べて熱伝導率が２桁程度小さいため、はんだ処理で離間して実装する必要がなく、それゆえに実装密度の高密化が図られて実装基板自体の縮小化・小型化が実現できる。加えて、量産化プロセスにおいては、多数の構成回路を単一シートから切り離す手法により多数取りがなされ製造組立て工程の簡素化・効率化が実現する。また、汎用の自動マウント装着機による組立て作業で完成するプリント配線構造の抵抗付き温度ヒュ−ズであるので簡素化構造で安価に非復帰型保護装置が提供でき、実用的価値が高い。さらに、チップ部品の使用は、いわゆるリードレス化によってリード線分の抵抗値をカットできるので、保護回路の全抵抗値が下げられ、それによって電池のランタイムを引き延し得る等の利点がある。

本発明の抵抗付き温度ヒューズは、複数個を同時処理するように多数取り可能な絶縁基板が使用され、量産化に対応している。個別的には、単位ユニットの寸法が５ｘ１２ｍｍ、厚さ１．６ｍｍ以下の保護回路用抵抗付き温度ヒューズが提供される。そして、この様なユニットの複数個が絶縁基板上にＶカットとかミシン目を入れて同時に製造される。具体的構成において、絶縁樹脂基板、例えば、スルーホール付き電極部と配線パターンを有するガラスエポキシ基板の同一面上に温度ヒューズ素子と抵抗発熱素子とを配線パターンの電極部にはんだ付けすると共に必要な部分にはソルダーレジストを被覆する。各配線パターンは、周知のプリント基板製作手法で処理されたものであり、３５μｍの銅箔に加えて１８μｍのスルーホールメッキを施し、マスキングとエッチング処理が施される。特に、回路部品の搭載位置に被覆のソルダーレジストは実装する回路部品とガラスエポキシ基板との接合を良好にし脱落防止に役立つ。本発明の特徴とする保護回路は、抵抗発熱時の熱伝達を考慮した設計基準による配線パターンの電極部ではんだ付けで固着する抵抗発熱素子としてのチップ抵抗と、所定の動作温度を有する温度ヒューズ素子とを搭載して構成され、好ましくはこれら実装部品のはんだ固着後エポキシ樹脂で気密封着して基板からの脱落を防止する。

本発明の抵抗付き温度ヒューズは、図１に示すように、エポキシ樹脂にガラス繊維を含浸させたガラスエポキシ基板１にスルーホール付き電極部Ａ、Ｂ、Ｃを有する配線パターン３、４および５と基板上での接続用配線パターン６を形成し、絶縁する必要部分にソルダーレジスト７を被覆している。銅箔ランドの配線パターンにはメイン動作回路になる配線パターン３および４とサブ制御回路になる配線パターン５および６があり、これらの配線パターン間にチップ抵抗８と温度ヒューズ素子１０が相互に熱的結合状態を維持するよう近接して空間配置され、はんだ固着される。はんだ付けはリフロー処理で実施でき、ほとんどの工程で自動化が適用される。ここで、チップ抵抗８はその抵抗面をガラスエポキシ基板側にして配置され、はんだ処理後エポキシ樹脂で封着固定される。また、温度ヒューズ素子１０には低融点可溶合金をセラミックパケージした動作温度１３４±５℃のものが使用される。配線パターン３、４および５の電極部Ａ、ＢおよびＣはそれぞれの導通スルーホールを介して裏面側でターミナルとなって外部回路に接続される。本発明の着眼点はガラスエポキシ基板等の絶縁樹脂の熱伝導率が一般のセラミック基板に比べて非常に小さく、それにより抵抗発熱素子９と温度ヒューズ素子１０とをガラスエポキシ基板１の片面に狭いスペース空間で搭載でき小型化を図りつつ、実装には自動マウンターを利用して作業能率を向上させて工数削減とコストダウンを可能にすることである。具体的にこれらの基板物質の熱伝導率を挙げると、ガラスエポキシが８．４×１０^-4（Ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃）アルミナセラミックが５．０×１０^-2（Ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃）であり、ほぼ２桁の差異がある。また、各物質の比熱は共に約０．２（Ｃａｌ／ｇ・℃）とほぼ同じ値であるが、同じ体積のものを１℃上昇させるための所要熱量は、比重の小さいガラスエポキシの方が少なくてよい。したがって、本発明はプリント基板として汎用のガラスエポキシ基板の選択、およびその片面搭載の簡素化構造とによって、安価な使用材料と部品搭載の工数低減により、小型でローコストの抵抗付き温度ヒューズが提供される。

本発明にかかる上記実施形態は、電池パック用充放電制御回路に好適の保護回路を提供するものであり、温度ヒューズ素子１０を２つの分割部分１２および１３から構成される。従来、保護回路のメイン動作回路の温度ヒューズを２分割しその中央にサブ制御回路の発熱用抵抗を接続することは知られているが、この実施例は、図２に示す配線図のように、この手法を利用してヒューズ素子１０を直列接続した分割部分１２、１３から構成し、その両端のスルーホール付き電極部ＡおよびＢをメイン動作回路のターミナルとする。そして、分割部分１２、１３の中間接続点とスルーホール付き電極部Ｃとの間にチップ抵抗８を配置構成し、電極部Ｃをサブ制御回路のターミナルとして保護回路を形成した抵抗付き温度ヒューズを提供する。

温度ヒューズ素子を分割部分で構成する場合の変形例として、図３に示す別の実施例では、温度ヒューズ素子１１は第１および第２の温度ヒューズ部分１４、１５から構成され、第１の温度ヒューズ部分１４をメイン動作回路に接続し、第２の温度ヒューズ部分１５と抵抗発熱素子９とをサブ制御回路に接続して保護回路を形成した抵抗付き温度ヒューズが提供される。例えば、メイン動作回路ｘ−ｙ間には温度ヒューズ素子１１の第１の温度ヒューズ部分１４が接続され、サブ制御回路ｙ−ｚ間には第２の温度ヒューズ部分１５が抵抗発熱素子９と直列に接続した配置される。この場合に、溶断温度は第1の温度ヒューズ部分１４
が第２の温度ヒューズ部分１４より低く設定されており、過熱時の抵抗発熱素子９を第２の温度ヒューズ部分１５の作動により保護し安全性を向上させている。すなわち、抵抗発熱素子９を含むサブ制御回路ｙ−ｚ間が異常電圧を検知し、その信号により抵抗発熱素子９が通電して自己発熱を生じさせると、優先して第1の温度ヒューズ部分１４を溶断させ、次いで第２の温度ヒューズ部分１５を溶断させてサブ制御回路をも遮断させる非復帰型保護装置となる。

換言すると、温度ヒューズ素子を２分して一方をメイン動作回路に、他方を発熱素子のあるサブ制御回路にそれぞれ配置した保護回路を形成し、メイン動作回路側の温度ヒューズ部分の溶断温度をサブ制御回路側の温度ヒューズ部分の溶断温度より低く設定するものであり、サブ制御回路の安全保護を溶断により実現させる。このように複数個の温度ヒューズ素子やヒューズ素子を分割構成して使用する場合、それぞれの動作温度の違いによってここの回路部分をも保護するなどにより安全確実に作動する保護回路を提供する。

温度ヒューズを用いた保護回路の簡素化とローコスト化が図られると共に汎用のプリント基板の利用とはんだ処理技術の適用が可能となって温度ヒューズの保護回路の応用分野を拡大する。

本発明に係る実施例の抵抗付き温度ヒューズの正面(ａ)（ｂ）、側面(ｃ)および背面図（ｄ）である。 同じく図１の実施例の配線状態を示す回路図である。 本発明の別の実施態様である第２実施例の保護回路の回路構成図である。

符号の説明

１ ガラスエポキシ基板（絶縁基板）
３、４ メイン動作回路になる配線パターン
５、６ サブ制御回路になる配線パターン
７ ソルダーレジスト
８ チップ抵抗
９ 抵抗発熱素子
１０、１１ 温度ヒューズ素子
１２、１３ 分割部分
１４ 第１温度ヒューズ部分
１５ 第２温度ヒューズ部分
Ａ、Ｂ、Ｃ スルーホール付電極部

Claims (9)

1. 低熱伝導率の絶縁物質からなる絶縁基板の同一面上に形成した配線パターンを介して、抵抗発熱素子および所定の動作温度を有する温度ヒューズ素子を互いに熱的結合状態を維持するよう配置して回路構成した抵抗付き温度ヒューズ。
2. 前記絶縁基板はガラスエポキシ基板またはフェノール樹脂基板等の熱伝導率の小さい物質であり、前記抵抗発熱素子と前記温度ヒューズ素子は前記配線パターンの各電極部にはんだ固着して狭いスペース空間に配置可能な保護回路を形成したことを特徴とする請求項１に記載の抵抗付き温度ヒューズ。
3. 前記抵抗発熱素子はチップ抵抗で、その抵抗面側を前記絶縁基板に接して前記電極部にはんだ固着し、前記保護回路を樹脂材で気密封着したことを特徴とする請求項１または２に記載の抵抗付き温度ヒュ−ズ。
4. 前記温度ヒューズ素子は低融点可溶合金をセラミックキャップで気密封着した動作温度１３４±５℃を有する合金型温度ヒューズであって、前記チップ抵抗と近接して空間配置したことを特徴とする請求項３に記載の抵抗付き温度ヒューズ。
5. 前記温度ヒューズ素子は感温ペレットを金属ケース内に収容して気密封着した動作温度１３４±５℃を有する感温ペレット型温度ヒューズであって、前記チップ抵抗と近接して空間配置したことを特徴とする請求項３に記載の抵抗付き温度ヒューズ。
6. 前記抵抗発熱素子は異常信号を検知する制御素子からの電流により自己発熱を生じ、この発熱に感知して前記所定の動作温度で前記温度ヒューズ素子を溶断して主動作回路を遮断する非復帰型保護回路とすることを特徴とする請求項１乃至５に記載の抵抗付き温度ヒュ−ズ。
7. 前記保護回路は電池パック用充放電制御回路であって、この制御回路が検知する異常電圧により前記抵抗発熱素子を自己発熱させ、前記温度ヒューズ素子を所定の動作温度で溶断させることを特徴とする請求項６に記載の抵抗付き温度ヒュ−ズ。
8. 前記温度ヒューズ素子はメイン動作回路に接続した第1ヒューズ部分とサブ制御回路に接続した第２ヒューズ部分からなり、各ヒューズ部分の溶断する動作温度を異なる温度に設定し、前記抵抗発熱素子の発熱により異なるタイミングで作動させることを特徴とする請求項７に記載の抵抗付き温度ヒューズ。
9. 前記第１ヒューズ部分の溶断する動作温度を前記第２ヒューズ部分の溶断する動作温度より低く設定し、それによりメイン動作回路の遮断とサブ制御回路の遮断とを順次作動させることを特徴とする請求項８に記載の抵抗付き温度ヒュ−ズ。