JP2000331592A

JP2000331592A - 電流遮断器

Info

Publication number: JP2000331592A
Application number: JP11138069A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kondo; 雄近藤; Mitsuchika Saito; 光親斉藤
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1999-05-19
Filing date: 1999-05-19
Publication date: 2000-11-30

Abstract

(57)【要約】【課題】過大電圧電流から回路を保護する為の保護装置
として、溶断型のフューズがよく用いられている。しか
しながら、これらはガラス管や金属キャップを組み立て
る構造のため小型化に限界があること、回路を復帰させ
るために溶断したフューズの交換作業が必要であること
等の問題点がある。【解決手段】本願発明では、一対の金属電極間に溶断す
る金属細線に換えて水銀等の蒸気圧の高い液体金属を設
置する。電極に比較して液体金属の電気抵抗率は大きい
為に過大電流が流れると液体金属が加熱される。その結
果液体金属の一部が蒸発しその体積が減少し電流経路を
遮断し回路を保護する。容器の内壁を加熱することによ
り、凝集した液体金属を再蒸発させ金属電極間に再設置
し、接点を復帰させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は後段の回路を保護するた
めに、過剰な電流が流れ込んだ際に、回路を遮断する電
流遮断器に関する。特にマイクロ波回路への応用を可能
とする高性能化、小型化および低コスト化を実現した電
流遮断器およびその方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の代表的なヒューズの断面構造を図
６に示す。ガラス管１４内の両端が金属製のキャップ１
５ａ、１５ｂにより封着されており、内部には両端のキ
ャップを接続するかたちで金属細線１６がロウ付けされ
ている。電流は一方の金属キャップ１５a、金属細線１
６、他方の金属キャップ１５bを通じて流れる。金属細
線１６はキャップなどの他の部分より抵抗値が高く、電
流が流れるとヒーターとなって発熱する。電流が許容値
以上になった時に、金属細線に用いられている金属の融
点以上に加熱されるように設計されており、自ら溶断す
ることによって、許容値以上の電流が流れこむことを防
ぐ。回路への接続はこの金属キャップ部分１５ａ、１５
ｂを回路上にソケットに差し込むことにより行われる。
このような構造にすることによって交換が可能であり、
一旦、切断が起こった場合の復帰作業を可能にしてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のヒューズは主に
２つの問題点を有している。１つはガラス管や金属キャ
ップを組み立てる構造のため、小型化に限界があるこ
と、もう１つは一度溶断した回路を復帰させるのに人手
を介した交換作業が必要であることである。現在では多
くの電子部品がチップ部品化、あるいはＬＳＩ化してお
り、一部の大容量コンデンサを除いては、ソケットや金
属細線リードを用いた個別部品の形態をとるものは少な
くなっている。統一規格のパッケージ化されたチップ部
品やＬＳＩは、オートメーション化された組み立てライ
ンに非常に適しており、電子機器の小型化、低コスト
化、高性能化に貢献している。

【０００４】一方、従来のヒューズは個別部品の形態を
持つため、ほとんどが手作業で取り付けられているのが
現状である。一部チップ部品化されたヒューズも製品化
されているが、広く使用されているとは言えない。これ
は従来のヒューズがあえて個別部品の形態をとることに
よって、交換を可能にしているという利点があるためで
ある。チップ部品形態にすると、ヒューズ自体が小型化
することができ、後述するようにマイクロ波信号にも対
応できる可能性が出て来る。しかし個別にプリント基板
上にはんだ付けされるため一度固定されると交換が容易
ではない。したがって、一旦遮断された回路を復帰させ
るのに煩雑な作業が必要となるため、復帰させないこと
を前提とする特殊な用途でしか用いることができない。
また、このような従来型のヒューズが最も良く用いられ
るのは電源ラインの保護回路であり、信号ラインの保護
にはあまり用いられていない。現状では信号ラインの保
護には、電流検出回路により信号電流を計測し、これが
許容値を超えた場合に電流遮断器に遮断命令の信号を送
ると言った複雑な回路が使用されている。このような回
路では、信号遮断後に再び命令を与えれば遮断状態から
容易に復帰できるという利点を持つ。

【０００５】しかしこの場合には回路が複雑で部品点数
が多なり、全体としては小型化が難しく、コストが高く
なる。ヒューズは原理的に過大電流の検出と信号回路遮
断の機能とを同時に有しており、これらの機能を実現す
るための構造を簡略化できる可能性を持っている。しか
し図６に示す従来型の構造を有するヒューズでは、マイ
クロ波の信号を通過させると歪みが発生したり減衰が起
こるため、マイクロ波の信号ラインの保護には向いてい
ない。このように従来型のヒューズでは、マイクロ波信
号の伝送時に劣化が生じる、オートメーション化された
組み立てラインに適した小型化が困難である、また遮断
状態から復帰することが容易ではない等の問題点があ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では、溶断する金
属細線に換えて水銀等の蒸気圧の高い液体金属を用い、
先端が液体金属に濡れる材料からなる一対の金属電極を
適当な間隔で対向して設置し、その間隙に表面張力を利
用して液体金属を保持するようにした。さらにこれらを
有限の容積を持つ、密閉容器中に収納した。なお、一対
の金属電極の先端を除く容器の内壁等の表面は金属液体
に濡れない材料であることが好ましい。

【０００７】対向電極の間隔や液体金属の量を適当に設
計することによって、液体金属に許容値を超える電流が
流れた際に、発熱によって液体金属の蒸気圧が上がり、
容器内壁等の対向電極より温度の低い面に凝集が起こ
る。これによって対向電極間の液体金属の体積が減少
し、液体金属の体積が許容値以下になると信号線の遮断
が起きる。遮断状態を復帰させる方法としては、容器の
形状を工夫することによって、液体金属滴を一個所に集
めるようにし、表面張力で自然に戻す方法、あるいは対
向電極以外の容器内の内壁を加熱して再び蒸気圧を上昇
させ、対向電極間に再凝集させる方法等が実施できる。
このように部品を交換することなく遮断状態を復帰させ
ることができるためチップ部品化が可能である。また、
これらの構造は半導体プロセスを利用したマイクロマシ
ンプロセスによって作成することも可能であるため元々
小型化に適しているだけでなく、回路部分と一体化して
大量生産できる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施例を図面を用
いて説明する。図１は本発明の第１の実施例を説明する
電流遮断器の断面図である。水銀滴１が対向電極２の間
隙に表面張力により保持されている。対向電極はその先
端部を除いてテフロン３によりコーティングされてい
る。密閉容器４はテフロン材に円錐形状の窪みを形成
し、それらの窪みを合わせて両側から張り合わせたもの
である。従って内部空間の三次元形状は２個の円錐の底
面と底面とを合わせたものとなる。これらの２つの円錐
の頂点から対向電極が出ている構造である。なお、密閉
容器の材料はテフロンに限定されるものではないが、絶
縁性で、加工し易いものが好ましい。

【０００９】一般に銅、ニッケル等の金属と比較する
と、水銀の電気抵抗率は大きい。例えば、銅の電気抵抗
率は約１．７×１０^-8Ωｍ、ニッケルの電気抵抗率は約
６．７×１０^-8Ωｍに対して、水銀の電気抵抗率は約９
５．７６×１０^-8Ωｍである。従って、対向電極を銅あ
るいはニッケルなどの電気抵抗率の低いものを使用し、
水銀滴を対向電極間に設置するとジュール熱は水銀滴で
より多く発生する。一実施例では、対向電極２の直径は
約０．１ｍｍおよび水銀滴１の大きさは直径が約０．１
ｍｍである。このとき水銀適１の抵抗値は約０．０１オ
ームになる。従って約３Ａの電流が流れると約０．１ワ
ットの熱量が発生し、水銀部分の温度は３６０℃以上と
なる。水銀の沸点は一気圧において約３５７℃である。
従って対向電極２間の水銀の一部が蒸発することによっ
て水銀の体積が減少し、この場合約１０ｍ秒間で回路が
開く。

【００１０】図２Ａは第１の実施例の遮断状態が自動復
帰するメカニズムを説明するための断面図である。(a)
は許容値を超える電流値が流れたために、遮断状態にな
った遮断器の内部を示す。水銀の一部が蒸発し温度の上
昇していない容器内壁に凝集し、小さな液滴となって付
着している。容器の内壁表面はテフロンであるため液滴
は表面に濡れずに小さな球状になる。ある程度水銀球が
成長すると付着力より重力が勝り、(b)のように容器内
の下側に落ちて集まる(なお、テフロンに対する水銀の
付着力は極めて小さい)。容器の下側に集まった水銀の
液滴は大きくなるにつれて下側から容器内部の中心部に
向かって成長する。(c)に示すように容器を適当な大き
さに設計し、所定量の水銀滴が１つに集まった時に、そ
の上部が対向電極に接するようにしておく。これにより
水銀滴が対向電極に接した時に、表面張力によって元の
対向電極間に復帰させることができる(d)。

【００１１】実施例１で示される密閉容器の内部形状
は、２つの円錐の底面を合わせた形状である。このよう
な構造にすることにより電流遮断器を取り付けるとき
に、電流遮断器が取付け軸の周りに回転しても上述の電
流遮断器の動作は影響は受けない。さらに図２Ｂ（ａ）
に示されるように円錐の両頂点側を円錐の底面に平行な
平面で、切り取った形状にすることが出来る。また図２
Ｂ（ｂ）に示されるように、密閉容器の内部形状を球形
にすることも出来る。電流遮断器は、密閉容器の内部を
これらの形状にすることにより両電極軸を上下方向に取
付けても、過電流による遮断後自動的に復帰する。従っ
て、実施例１の電流遮断器は、電流遮断器の取付け軸の
周りへの回転あるいは取付け軸の方向を上下方向のどち
らに向けても開閉動作は影響を受けない。この第１の実
施例の利点は構造が単純で作成が簡単であることのほか
に、所定時間放置するだけで自動的に復帰する機能を有
している。しかしながらこれは復帰までの時間が外部か
ら制御できないために、用途によっては欠点にもなりう
る。

【００１２】図３に本発明の第２の実施例の概念図を示
す。第２の実施例では水銀滴１とほぼ同等か少し大きな
容積を持つ小さい第１の密閉容器５とそれよりも大きい
第２の密閉容器６が断熱層７を介して接続されている。
また、第２の密閉容器６にはこれを加熱するためのヒー
ター８が形成されており、第１の密閉容器５の内壁は水
銀に濡れない材料、たとえばテフロンでコーティングさ
れている。第１の実施例との違いは、水銀滴１の蒸気圧
が上昇して水銀の蒸発が起こると、その大部分は第２の
密閉容器６の内壁に凝集するが、一定時間経過しても自
然に第１の密閉容器５内に戻ることはない。ヒーター８
を加熱することによって、第２の密閉容器６内の水銀を
蒸発させ、それを温度の低い第１の密閉容器５内に再凝
集することによって始めて復帰する。この実施例のよう
にヒーターによる加熱を利用して復帰を行う場合には、
第２の密閉容器６の内壁は水銀に濡れない材料にする必
要はない。さらに、第１の密閉容器５の入り口を小さく
することにより、機械的な衝撃に対する耐久性を強くす
ることが出来る。

【００１３】図３に示したヒータ８は電流遮断器の復帰
にのみ使用するのではなく、遮断器の定格容量を可変す
る為に使用することが出来る。すなわちヒータに所定の
電圧を印可することにより、第２の密閉容器６内の温度
をある一定温度に維持することが出来る。従ってその時
の第２の密閉容器６内の水銀蒸気圧を一定に維持するこ
とができる。ヒータに印可する電圧を変更することによ
って、第２の密閉容器６内の蒸気圧を変更することが出
来る。第２の密閉容器６内の蒸気圧が変われば、対向電
極２間の水銀が蒸発する量が変わる。従ってヒータ６に
印可する電圧を変更することによって、遮断器の定格電
流の容量を変更することが出来る。これによって、一旦
回路上に設置した電流遮断機に対して、印可する電圧を
可変することにより、回路を遮断する許容電流を可変す
ることが出来る。

【００１４】図４はこの第２の実施例をより生産性のあ
がる半導体プロセスを使って実現した第３の実施例の断
面図である。第１のシリコン基板９上には薄膜プロセス
によってニッケルの対向電極２が形成され、その電極間
には水銀滴１が設置される。その上には熱伝導の悪い材
料、例えばガラスを用いて水銀滴１の容積とほぼ同等の
容積を有する収納部を形成したガラス基板１０が設置さ
れる。さらに異方性エッチングにより逆ピラミッド形状
の穴を形成した第２のシリコン基板１２、および上面に
ヒータ８が形成された第３のシリコン基板１１がその上
に取り付けられる。この時、重要なのは第２、第３のシ
リコン基板の熱伝導性を良くし、一方でガラス基板１０
を用いて、これらと第１のシリコン基板とを断熱するこ
とである。これは復帰動作の際に大きいほうの密閉容器
の温度が上昇したとき、その温度が小さいほうの密閉容
器に伝達しないようにする為である。

【００１５】半導体プロセスを使用することにより、本
願遮断器は小型化することが出来る。好適実施例では、
約２×２ｍｍから約５×５ｍｍにすることが出来る。半
導体プロセスを使用し小型化することにより、本願遮断
器は高周波回路にも対応することが出来る。高周波信号
の伝送に対応するためには、信号ラインのインピーダン
スマッチングを取り、基板上でGNDラインを適当に付加
することによって簡単に実現できる。しかし、図６に示
される従来型では信号ラインである金属細線１６で５０
オームのインピーダンス・マッチングを取ることが困難
であることは容易に推測できる。従ってできるだけ小さ
くすることによってインピーダンスマッチングが取れな
い距離を短くすることが必要である。本願発明の構造の
方が従来型よりも小型化が可能であることは、上記の製
造方法から明らかである。

【００１６】また、図３、４、５の構造では、切断点近
傍を除くとぎりぎりまでインピーダンスマッチングを取
ることが可能になる。その場合は基板をシリコンではな
く、もっと誘電率の低い材料で作り、多層配線としてGN
Dラインを付加することにより実現できる。計算上約４
０ＧＨｚまで対応できると考えられる。図５には本発明
の第４の実施例の断面図を示す。第３の実施例にさらに
改良を加えることによって構造を単純化した。すなわ
ち、第４の実施例では水銀滴の一部が残留を防ぐために
熱伝導性を考慮していたが、第４の実施例ではヒータ近
傍にその表面において水銀が凝集し易い面を形成する。
これにより、蒸発した水銀の凝集を選択的にこの部分に
集中的に発生させることができる。遮断器を復帰させた
いときには、この部分のみを加熱することで効果的に遮
断器の復帰が出来るようにした。図５においてニッケル
薄膜を用いた対向電極２を形成した第１のシリコン基板
９は第３の実施例とほぼ同様である。

【００１７】第３のシリコン基板１２には容器内壁面の
一部に好適にはタングステンよりなる凝集膜１３を形成
する。対向電極間の水銀に流れる電流が許容値を超える
ことによって蒸気圧が上がり、蒸発した水銀は温度が低
く凝集し易い凝集膜１３上に選択的に凝集する。復帰の
際にはヒータでこの凝集膜１３近傍のみを加熱し、再び
水銀を蒸発させれば、凝集し易いニッケル薄膜、すなわ
ち対向電極２上で凝集が起こる。表面張力によって半球
状の水銀滴を形成し、対向電極をブリッジする。第３の
実施例と比較すると凝集膜１３近傍のみを加熱すれば良
いのでヒータの容量が少なくてすむだけでなく、密閉容
器全体を加熱する必要がないため、熱伝導を考慮したシ
リコン基板による密閉容器を備える必要がない。したが
って、第３のシリコン基板１２と第１のシリコン基板側
９の間には、水銀滴１の容積とほぼ同等の収納部とそれ
よりも大きな収納部を形成したガラス基板１０を設置す
れば良く、第３の実施例に比較すると構造が単純であ
る。

【００１８】図１に示したような実施例１は比較的大電
流を取り扱うのに適している。図３から５に示したよう
な実施例２から４では水銀が必ずしも球状でなくても可
能である。ガラス基板１０に形成された水銀の密閉容器
を電極２の長手方向に伸ばした長方形にすることができ
る。この構造により様々の電流容量を有する電流遮断器
を設計することができる。例えば図４の実施例におい
て、ガラス基板１０に形成された密閉容器を約０．１×
０．１×５ｍｍとし、これに内接する水銀を設置すれば
約１Ａで遮断する遮断機を実現することが出来る。

【００１９】

【発明の効果】本発明を実施することによって、部品を
交換することなく遮断状態を復帰させることができる小
型のヒューズ素子を実現できる。チップ部品化が可能で
あるため、オートメーション化された組み立てラインに
非常に適しており、電子機器の小型化、低コスト化、高
性能化に貢献できる。また、半導体プロセスを利用した
マイクロマシンプロセスによって作成することも可能で
あるため一括して大量生産でき、素子自身の低コスト
化、高信頼性化が達成できる。さらに、各素子の小型化
あるいは複数の素子の集積化も可能であるため、これま
で使用されていなかったマイクロ波信号の遮断にも応用
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の第１の実施例を示す断面図であ
る。

【図２Ａ】図２Ａは第１の実施例の遮断状態が自動復帰
するメカニズムを説明する図である。

【図２Ｂ】図２Ｂは第１の実施例における容器の形状に
ついて他の実施例を示す図である。

【図３】図３は第２の実施例の概念図を示す図である。

【図４】図４は第２の実施例を半導体プロセスを使って
実現した第３の実施例を示す図である。

【図５】図５は第４の実施例を示す断面図を示す。

【図６】図６は従来の代表的なヒューズの断面構造を示
す図である。

【符号の説明】

１：水銀滴２：対向電極３：テフロン４：密閉容器５：第１の密閉容器６：第２の密閉容器７：断熱層８：ヒーター９：シリコン基板１０：ガラス基板１１：シリコン基板１２：シリコン基板１３：凝集膜１４：ガラス管１５ａ、１５ｂ：金属製のキャップ１６：金属細線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 399117121 395 ＰａｇｅＭｉｌｌＲｏａｄＰａｌｏＡｌｔｏ，ＣａｌｉｆｏｒｎｉａＵ．Ｓ．Ａ. (72)発明者斉藤光親神奈川県川崎市高津区坂戸３丁目２番２号ヒューレット・パッカードラボラトリーズジャパンインク内Ｆターム(参考） 5G502 AA01 AA06 BB01 BD20 EE06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】密閉容器と、前記容器内に少なくとも１対
の対向電極と、前記対向電極間に設置された液体金属と
を有し、前記液体金属に電流が流れた時に前記液体金属
の一部が蒸発することにより接点を開き、また前記蒸発
した液体金属が前記容器の内部で再凝着し、前記対向電
極間に再設置されることにより前記接点を閉じることを
特徴とする電流遮断器。
【請求項２】前記密閉容器が、２つの円錐形の底面を合
わせ、さらに前記各円錐形の頂点を底面に平行な面で切
り取った形状であり、前記対向電極が前記切り取られた
各円錐形の頂点から各底面方向に延びていることを特徴
とする請求項１に記載の電流遮断器。
【請求項３】前記密閉容器が、球形であることを特徴と
する請求項１に記載の電流遮断器。
【請求項４】前記液体金属が水銀、ガリウム、ナトリウ
ムカリウム、ルビジウムうちのいずれか１つ、あるいは
複数を含むことを特徴とする請求項１に記載の電流遮断
器。
【請求項５】前記密閉容器は、前記対向電極を含む第一
の部分と、前記蒸発した液体金属が収納される第二の部
分と、前記第二の部分の内壁を加熱する手段とを有し、
該加熱する手段により前記内壁を加熱することにより、
前記第二の部分の内壁に凝着した前記液体金属を再蒸発
させ、前記対向電極間に再凝着させることにより前記接
点を閉じることを特徴とする請求項１に記載の電流遮断
器。
【請求項６】前記加熱する手段を加熱し、前記容器内の
液体金属蒸気圧を所定の値に保つことにより、遮断する
電流の値を可変にすることを特徴とする請求項５に記載
の電流遮断器。
【請求項７】前記第一の部分と前記第二の部分との間の
通路部が前記第一及び第二の部分より細くなっているこ
とを特徴とする請求項５に記載の電流遮断器。
【請求項８】前記液体金属の蒸気が、表面において凝集
を開始する臨界圧力の値が、前記対向電極、前記第二の
部分の加熱される内壁部分、前記第二の部分の加熱され
ない内壁部分の順に小さいことを特徴とする請求項５に
記載の電流遮断器。
【請求項９】密閉容器と、前記容器内に少なくとも１対
の対向電極と、前記対向電極間に設置された液体金属と
を有する電流遮断器において、（ａ）前記液体金属に電
流が流れた時に前記液体金属の一部が蒸発することによ
り接点を開くステップ、および（ｂ）前記蒸発した前記
液体金属が前記容器の内壁に凝着し、前記凝着した液体
が前記対向電極間に再設置されて前記接点を閉じるステ
ップ、を有すことを特徴とする電流遮断器の開閉方法。
【請求項１０】請求項９に記載の方法であって、前記容
器はさらに、前記対向電極を含む第一の部分と、前記蒸
発した液体金属が収納される第二の部分と、前記第二の
部分の内壁を加熱する手段とを有し、（ａ）前記液体金
属に電流が流れた時に、前記液体金属の一部が蒸発する
ことにより接点を開くステップ、（ｂ）前記蒸発した前
記液体金属を前記第二の部分の内壁に凝着させるステッ
プ、（ｃ）前記加熱する手段で前記第二の部分の内壁を
加熱し、前記凝着した液体金属を再蒸発させるステッ
プ、および（ｄ）前記再蒸発した液体金属が、前記対向
電極間に再設置されて、前記接点を閉じるステップと、
を有することを特徴とする電流遮断器の開閉方法。