JP2003197080A - 耐雷素子保護ヒューズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 一つのヒューズで電流ヒューズと温度ヒュー
ズの機能を備え、大きなサージ電流耐量と電流遮断容量
を任意に設定することができる耐雷素子保護用のヒュー
ズを提供する。 【解決手段】 少なくともビスマス、錫、鉛の合金から
なり、１２０℃以下で溶融する低溶融金属から、ダイス
寸法で断面積が決まる連続引出し工法で製作されたワイ
ヤヒューズ５であって、定格サージ電流耐量を決定する
その断面積ｓが、必要な機械的強度が得られる１ｍｍ²
以上に設定され、その切断長さａが耐雷素子のショート
劣化による溶断時にアーク電流を確実に遮断できる長さ
に設定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、短絡及び劣化した
耐雷素子を電源回路から切り離す耐雷素子保護ヒューズ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】電源回路と接地間に接続された耐雷素子
は、高電圧印加時に低抵抗となる非直線性特性によっ
て、電気機器を雷害から保護する。

【０００３】この耐雷素子は、雷サージを繰り返し吸収
して動作開始電圧が低下する劣化を起こした場合、常時
電圧が印加されている回路系で使用されていると、漏れ
電流が増加して発煙発火に至る。また、耐雷素子のサー
ジ耐量を大きく越えるサージ電流が流れた場合は、耐雷
素子が瞬時に短絡し耐雷素子の飛散やアークによって他
の電気部品を破損させる等の大きな被害を生ずる。

【０００４】そこで、耐雷素子が劣化または短絡したと
きは、耐雷素子を電源回路から切り離す必要がある。図
１０に、耐雷素子の切り離し機能を持たせて電源回路１
に耐雷素子２を設けた結線図を示す。この回路は、電源
回路１の二本の電源ラインＬ ₁，Ｌ₂と接地Ｇとの夫々の
間に、電流ヒューズ３と温度ヒューズ４と耐雷素子２を
直列接続したものである。

【０００５】電流ヒューズ３は、短絡した耐雷素子２の
切り離しに用いられるもので、一定のサージ電流耐量を
有するガラス管ヒューズを経済性の点から採用している
のが一般的である。これは、図１１に示すように数百μ
ｍのワイヤからなるヒューズ要素３１を通したガラス管
３２の両端に、ヒューズ要素３１の両端と接続した導電
性キャップ３３を被せ、この導電性キャップ３３からリ
ード線３４を引き出したものである。

【０００６】温度ヒューズ４は、劣化して動作開始電圧
が低下した耐雷素子２を切り離すために用いられるもの
で、劣化時の耐雷素子の発熱を熱伝導又は輻射によって
効率よく受けるため、耐雷素子２と隣接して設けられ
る。このため、図１０の回路においては、耐雷素子２と
電流ヒューズ３の間に設けられる。この温度ヒューズ４
は、例えば図１２に示すように低溶融金属で構成された
温度ヒューズ要素４１を樹脂性の筒４２で覆い、温度ヒ
ューズ要素４１の両端に接続したリ−ド線４３を筒４２
の外部に引き出している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】主として経済性から電
流ヒューズとして採用されるガラス管ヒューズは、限ら
れたガラス管の空間内でサージ電流耐量を大きくするこ
とには限界がある。このサージ電流耐量は、耐雷素子の
雷サージ吸収機能を最大限に発揮させるために十分に大
きくする必要があるが、十分な性能のものを得ることは
できなかった。この背景には、電流ヒューズとしての過
電流時限特性とサージ電流耐量を併せ持った特性のヒュ
ーズを製作することが困難であるため、現時点では大き
なサージ電流耐量を有するヒューズは製作されていない
という事情がある。

【０００８】また、電流ヒューズと温度ヒューズの両方
を設けることは耐雷保護装置が大きくなるという欠点と
なっていた。

【０００９】さらに、温度ヒューズ４の実装工程におい
て、温度ヒューズ４の一方のリード線を電流ヒューズ３
に、他方のリード線を耐雷素子２の端子に直接またはプ
リント基板を介して半田付けするとき、半田付け時の熱
が温度ヒューズ４のリード線を溶かすという作業上の問
題があった。したがって、熱遮断のため、例えば温度ヒ
ューズのリード線を所定の熱容量を持つ放熱用クリップ
で挟み、リード線に伝わる熱を逃がす等の特殊な作業方
法を採用する必要があり作業効率が悪くなっていた。

【００１０】そこで、本発明の目的は、サージ電流耐量
の大きなヒューズを提供すると共に電流ヒューズと温度
ヒューズを一体化することで装置の小形化を図ると共
に、半田付け時にリード線が溶けることを回避すること
にある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
耐雷素子保護ヒューズは、耐雷素子と直列接続され、耐
雷素子劣化時の発熱を、熱伝導または熱輻射の少なくと
もいずれか一方で受ける位置に配置された耐雷素子保護
ヒューズであって、少なくともビスマス、錫、鉛の合金
からなり、１２０℃以下で溶融する低溶融金属のワイヤ
で構成され、定格サージ電流耐量を決定する断面積が１
ｍｍ²以上で所望の機械的強度を有し、かつ、耐雷素子
のショート劣化による溶断時にアーク電流を確実に遮断
できる長さを有することを特徴とする。

【００１２】この耐雷素子保護ヒューズは、大きなサー
ジ電流耐量を得ると共に、電流ヒューズと温度ヒューズ
の機能を一つのヒューズで得ることができるようにし、
半田付け時にリード線が溶けることを回避したものであ
る。大きなサージ電流耐量を得ることは、定格サージ電
流耐量に合わせて低融点金属のワイヤ断面積を決定する
ことによってなされる。電流ヒューズと温度ヒューズの
機能を一つの耐雷素子保護ヒューズで得ることは、次の
考え方に基づいている。

【００１３】従来の構成で電流ヒューズが使用されてい
るのは、その過負荷保護機能により短絡した耐雷素子を
切り離すためである。一方、温度ヒューズは、耐雷素子
の短絡に伴う発熱で溶断する。したがって、電流ヒュー
ズの過負荷保護機能は、温度ヒューズとしての機能に代
行させることができる。

【００１４】この考え方に基づいて、耐雷素子の切り離
し用のヒューズとしての要求性能を、まとめると次の三
つになる。第一は、耐雷素子が正常動作するときに流す
雷サージ電流によっては溶断しないサージ電流耐量であ
る。第二は、耐雷素子が、動作開始電圧が低下する劣化
モードに入ったとき、この発熱に感応して電流を遮断す
る温度ヒューズとしての機能である。第三は、遮断時の
アークを消弧できる遮断容量であり、これは電源の短絡
容量から決める。

【００１５】第一の要求性能であるサージ電流耐量は、
前述したように低融点金属のワイヤの断面積から必要な
ものを得ることができる。第二の要求性能である温度ヒ
ューズとしての機能は、低溶融金属のワイヤを、少なく
ともビスマス、錫、鉛の合金からなり、１２０℃以下で
溶融するものとして構成することにより得られる。第三
の要求性能である遮断容量は、低溶融金属のワイヤの長
さを耐雷素子のショート劣化による溶断時にアーク電流
を確実に遮断できる長さに設定することにより得られ
る。

【００１６】半田付け時にリード線が溶ける問題の解決
は、低溶融金属のワイヤの断面積を１ｍｍ²以上とし、
ネジ止め固定やコネクタへの挿入固定に耐える機械的強
度を与え、半田付けを不要としたことによって達成して
いる。

【００１７】本発明の請求項２に係る発明は、請求項１
記載の耐雷素子保護ヒューズにおいて、ワイヤを挿通さ
せた両端開放形のガラス管でワイヤ全体を被覆したこと
を特徴とする。これは、ヒューズ溶断時の金属蒸気の飛
散を防止するもので、耐雷素子保護ヒューズをプリント
基板上に配置したとき、金属蒸気の飛散による電子部品
や電子回路の被害を簡単な構成で防ぐことができる。

【００１８】本発明の請求項３に係る発明は、請求項２
記載のワイヤを挿通させる両端開放形のガラス管を用い
る耐雷素子保護ヒューズにおいて、ワイヤを貫通させた
ゴム栓により前記ワイヤをガラス管の両端に密封支持し
たことを特徴とする。これは、ヒューズ溶断時の金属蒸
気の飛散防止効果を、より大きくしたものである。この
ゴム栓は、ヒューズ遮断時の保証遮断容量を超える電流
を遮断した場合の内圧上昇によるガラス管の飛散に対す
る安全弁としての効果をも有する。

【００１９】本発明の請求項４に係る発明は、請求項１
乃至３のいずれかに記載した耐雷素子保護ヒューズにお
いて、ワイヤの両端を薄板の金属で覆って端子としたも
のである。この構造は、ワイヤの溶断箇所を接続箇所か
ら離れたところにし、また、ワイヤの接続箇所に圧力を
加えて接続する場合に変形し難いものとし、溶断性能を
低下させないようにするものである。

【００２０】本発明の請求項５に係る発明は、請求項１
乃至４のいずれかに記載した耐雷素子保護ヒューズにお
いて、薄板で形成されバネ性を持つ接続端子の挿入孔に
着脱自在に取付け可能なようにワイヤの端部を同方向に
折り曲げたことを特徴とする。この構成では、接続端子
はプリント基板上に先に半田付けされ、耐雷素子保護ヒ
ューズは、その後で着脱自在に装着される。したがっ
て、耐雷素子保護ヒューズに半田付け時の熱が作用する
ことはなく、従来、温度ヒューズに対して行なわれてい
た放熱治具を用いて短時間で行う特殊な半田付け作業が
不要となる。

【００２１】本発明の請求項６に係る発明は、請求項１
乃至３のいずれかに記載した耐雷素子保護ヒューズにお
いて、ワイヤの両端を板状に加工して取り付け孔を設け
たことを特徴とする。この構造は、ネジ式端子への接続
を容易にしたものである。

【００２２】本発明の請求項７に係る発明は、請求項１
乃至６のいずれかに記載した耐雷素子保護ヒューズにお
いて、ワイヤの表面に溶断有無の識別を容易とする着色
を施したことを特徴とする。この構成は、簡易な工程に
より低コストに製作できるものでありながら、耐雷素子
保護ヒューズの溶断の有無が容易に判別可能である。

【００２３】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の耐雷素子保護ヒ
ューズ５を、電源回路１と接地Ｇ間に耐雷素子２と共に
直列接続した適用回路例を示すものである。この耐雷素
子保護ヒューズ５は、図１０に示す従来の電流ヒューズ
３と温度ヒューズ４の機能を一つのヒューズに持たせた
ので、回路構成が非常に簡単なものになっている。

【００２４】この耐雷素子保護ヒューズ５の第一の実施
形態を図２に示す。これは、少なくともビスマス、錫、
鉛からなる組成で１２０℃以下で溶融する合金から、ダ
イス寸法によって断面積ｓが精度よく定まる連続引き出
し工法により、１ｍｍ²以上の断面積ｓで製作した低融
点金属のワイヤを特定の長さａに切断したものである。

【００２５】ここで、溶融温度を１２０℃以下としたの
は次の理由による。耐雷素子劣化のメカニズムは、耐雷
素子の動作開始電圧がサージ電流耐量以上の電流によっ
て徐々に低下し、その動作開始電圧が回路電圧以下にな
ったときから急激に熱暴走し、周辺の樹脂材料の発煙着
火に到るものである。低融点金属のワイヤは、熱暴走か
ら発煙着火へ到るまでに溶断して耐雷素子を切り離す保
護協調をとるものである。したがって、低融点金属のワ
イヤの溶融温度は、耐雷素子をコーティングしている樹
脂材料の軟化点に合わせて決定される。

【００２６】耐雷素子の周辺で使用されている樹脂材料
は、その耐熱性によって異なるが、一般的には８０℃か
ら９０℃の軟化点を有する樹脂が使用されている。この
ため、溶融温度を１２０℃以下とすることにより、発煙
着火に対する保護協調をとることが可能になる。この溶
融温度は、実際に耐雷素子をコーティングしている樹脂
材料によって具体的に決定する。

【００２７】断面積を１ｍｍ²以上としたのは、ヒュー
ズ端を耐雷素子や端子金具に機械的接触方式で直接接続
するときに必要な機械的強度が得られるようにしたもの
で、リード線を別に設ける必要をなくし、単純な構造に
より低コスト化を図ったものである。ヒューズ端の機械
的強度は接続形態によって多少異なるが、直接接続する
ときに低溶融金属が非常に軟らかいことを考慮すると、
少なくとも１ｍｍ²の断面積を必要とする。

【００２８】断面積の具体的な数値は、要求されるサ−
ジ電流耐量が得られ、この値以上の安定した電流値で確
実に溶断する値に選定される。なお、ワイヤの断面積と
サ−ジ電流耐量との関係について、前述の組成を持つ異
なる長さのワイヤによって実験を行った結果を図３に示
す。なお、この実験は、ビスマス、錫、鉛からなる合金
ワイヤ（φ１．４〜φ２．０ｍｍ）で溶融温度が１００
℃のものを使用し、ワイヤ長さが１５、３０、４５ｍｍ
の３種について行った。この実験結果から、ワイヤのサ
ージ電流耐量はワイヤの長さには余り依存しないことが
分かる。すなわち、ワイヤのサージ電流耐量は、ワイヤ
を構成する低溶融金属の組成とワイヤ断面積によって殆
ど決定される。したがって、この関係について調べてお
けば、必要とするサージ電流耐量の耐雷素子保護ヒュー
ズを提供できることになる。

【００２９】一方、ワイヤの長さａは、耐雷素子が完全
なショートモードで劣化した場合に、その続流のアーク
を消弧できる遮断容量に応じて決定される。上述したよ
うにサージ電流耐量はワイヤの長さに余り依存しないの
で、ワイヤの長さを遮断容量だけで決定してもよく、必
要な耐雷素子保護用ヒューズについては断面積と長さを
独立して決定できるので、設計が容易である。

【００３０】上述したように連続引き抜きにより断面積
ｓの精度を高めてサージ電流耐量を安定化し、ワイヤの
切断長ａによって遮断容量を決定することで、容易且つ
大量に製作できて、低コストなヒューズを提供できる。

【００３１】図４は第二の実施形態である耐雷素子保護
ヒューズを示す。これは、低融点金属のワイヤ５を挿通
させた両端開放形のガラス管６でワイヤ全体を被覆した
ものである。このガラス管６によって、ワイヤ溶断時の
金属蒸気の飛散はガラス管内に止まり、周辺の電子部品
や電子回路に被着するのを防止できる。

【００３２】図５は第三の実施形態である耐雷素子保護
ヒューズを示す。これは、図４に示す耐雷素子保護ヒュ
ーズの構造において、ワイヤ５を貫通させたゴム栓７に
よりそのワイヤ５をガラス管６の両端に密封支持したも
のである。この構造により、ワイヤ５はガラス管内に密
封されるので、ヒューズ溶断時の金属蒸気が外部に飛散
することはなくなる。密封をゴム栓７によって行なって
いるので、ヒューズが保証遮断容量を超える電流を遮断
して溶断した場合の内圧上昇に対してはゴム栓７が抜
け、ガラス管の破損とその飛散を防止できる。

【００３３】図６は第四の実施形態である耐雷素子保護
ヒューズを示す。これは、丸型のワイヤ５の両端５１を
板状にプレス加工し、取り付け孔５２を開けたものであ
る。この構造は、ネジ式端子への接続を容易に行えるよ
うにしたものである。

【００３４】図７は第五の実施形態である耐雷素子保護
ヒューズを示す。これは、柔らかい低融点金属のワイヤ
５の両端を薄板の金属８で覆ったもので、ワイヤ５の溶
断箇所を接続箇所から離れたところにし、また、ワイヤ
の接続箇所に圧力を加えて接続する場合に変形し難いも
のとし、溶断性能を低下させないようにしたものであ
る。この構造は、図４及び図５に示したようにガラス管
内にワイヤ５を挿通するタイプの耐雷素子保護ヒューズ
にも適用できる。

【００３５】図８は第六の実施形態である耐雷素子保護
ヒューズを示す。これは、ワイヤ５の端部を同方向に折
り曲げたヒューズ端子としたものである。この折り曲げ
は、薄板で形成されバネ性を持つ接続端子９の挿入孔に
着脱自在に取付け可能とするためのものである。このヒ
ューズ端子は図６で説明したように薄板の金属８で覆う
こともできる。

【００３６】この耐雷素子保護ヒューズは、ワイヤ端部
のヒューズ端子を、プリント基板に半田付けした接続端
子９に着脱可能に取付けることができる。この取付け構
造では、半田付け温度よりも低い低溶融の温度ヒューズ
を溶融させないために、放熱治具を用いて短時間で行う
特殊な半田付け作業が不要となる。

【００３７】図９は第七の実施形態である耐雷素子保護
ヒューズを示す。これは、ワイヤ５の表面に溶断有無の
識別を容易とする着色１０を施したもので、図４乃至図
８で説明した耐雷素子保護ヒューズにおいて同様の構造
にすることができる。この構成は、簡易な工程により低
コストに製作できるものでありながら、耐雷素子保護ヒ
ューズの溶断の有無が容易に判別可能である。

【００３８】

【発明の効果】本発明の請求項１に係る発明によれば、
ワイヤの断面積を変えることで任意のサ−ジ電流耐量を
持ち、ヒューズの材質を低溶融金属とすることで電流ヒ
ューズと温度ヒューズの機能を併せ持つ一本の耐雷素子
保護ヒューズを提供できる。特に、連続引き抜きにより
製作できるワイヤ構造とし、かつ、特定の長さに切断す
ることによって遮断容量を決定することで、耐雷素子保
護ヒューズを容易に大量製作でき、製品の低コスト化が
図れる。

【００３９】本発明の請求項２に係る発明によれば、両
端開放形のガラス管でワイヤを被覆したことにより、ヒ
ューズ溶断時の金属蒸気の飛散からプリント基板上に設
けた電子部品や電子回路を保護できる。

【００４０】本発明の請求項３に係る発明によれば、両
端開放形のガラス管でワイヤを覆うとき、ゴム栓でワイ
ヤをガラス管の両端に密封支持するので、ヒューズ溶断
時の金属蒸気の飛散防止効果をより大きくすると共に、
保証遮断容量を超える電流を遮断した場合の内圧上昇に
よるガラス管の飛散に対する安全弁としての効果をも有
する。

【００４１】本発明の請求項４に係る発明によれば、柔
らかい低融点金属のワイヤの両端を薄板の金属で覆って
機械的に変形し難い端子とし、ヒューズの溶断箇所を接
続箇所から離れたところにしたり、また、ヒューズとの
接続箇所に圧力を加えて接続する場合にヒューズの溶断
性能を低下させることを防止できる。

【００４２】本発明の請求項５に係る発明によれば、ワ
イヤの端部を同方向に折り曲げることにより、ワイヤ形
状のままバネ性を持つ接続端子の挿入孔に着脱自在に取
付け可能とし、接続端子をプリント基板上に先に半田付
けし、低融点のワイヤを放熱治具を用いて短時間で行う
特殊な半田付け作業が不要となる。

【００４３】本発明の請求項６に係る発明によれば、ヒ
ューズ両端を板状にして取り付け孔を設けることでネジ
式端子への接続を容易にすることができる。

【００４４】本発明の請求項７に係る発明によれば、ワ
イヤヒューズの表面に識別容易な着色を施こすことで、
ヒューズの溶断が容易に判別可能で且つ容易に製作で
き、低コストで提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の耐雷素子保護ヒューズを用いた耐雷素
子の電源回路への接続例を示す結線図である。

【図２】本発明に係る耐雷素子保護ヒューズの基本構成
で、第一の実施形態を示す正面図である。

【図３】異なる長さの耐雷素子ヒューズについて実験に
より調べた断面積とサージ電圧耐量との関係を示す図で
ある。

【図４】両端開放型のガラス管にワイヤを通した本発明
の第二の実施形態を示す斜視図である。

【図５】両端開放型のガラス管にワイヤを通し、ゴム栓
で密閉した本発明の第三の実施形態を示す断面図であ
る。

【図６】（ａ）はワイヤの両端に平板部を設けた本発明
の第四の実施形態を示す平面図、（ｂ）はその正面図で
ある。

【図７】（ａ）はワイヤの両端を薄い金属板で覆った本
発明の第五の実施形態を示す正面図、（ｂ）はその金属
板の斜視図である。

【図８】（ａ）はワイヤの両端を同方向に折り曲げ、薄
い金属板でばね性を持たせて形成した接続端子に着脱可
能に接続する本発明の第六の実施形態を示す断面図、
（ｂ）はその接続端子の斜視図である。

【図９】溶断の有無を識別するための表示を設けた本発
明の第七の実施形態を示す斜視図である。

【図１０】電流ヒューズと温度ヒューズを用いた従来の
耐雷素子保護回路を示す結線図である。

【図１１】図１０の結線図で用いられる電流ヒューズの
斜視図である。

【図１２】図１０の結線図で用いられる温度ヒューズの
断面図である。

【符号の説明】

１ 電源回路 ２ 耐雷素子 ５ ワイヤ ６ ガラス管 ７ ゴム栓 ８ 金属 ９ 接続端子 １０ 着色 Ｇ 接地 ａ 切断長 Ｌ₁，Ｌ₂ 電源ライン ｓ 断面積

フロントページの続き (72)発明者 圓山 武志 兵庫県尼崎市名神町３丁目７番18号 音羽 電機工業株式会社本社事業所内 (72)発明者 木本 健治 兵庫県尼崎市名神町３丁目７番18号 音羽 電機工業株式会社本社事業所内 Ｆターム(参考） 5G502 AA02 BA01 BA02 BA03 BB04 CC12 CC13 CC47 DD10 EE08

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 耐雷素子と直列接続され、耐雷素子劣化
   時の発熱を、熱伝導または熱輻射の少なくともいずれか
   一方で受ける位置に配置された耐雷素子保護ヒューズで
   あって、 少なくともビスマス、錫、鉛の合金からなり、１２０℃
   以下で溶融する低溶融金属のワイヤで構成され、定格サ
   ージ電流耐量を決定する断面積が１ｍｍ²以上で所望の
   機械的強度を有し、かつ、耐雷素子のショート劣化によ
   る溶断時にアーク電流を遮断できる長さを有することを
   特徴とする耐雷素子保護ヒューズ。
2. 【請求項２】 ワイヤを挿通させた両端開放形のガラス
   管でワイヤ全体を被覆したことを特徴とする請求項１記
   載の耐雷素子保護ヒューズ。
3. 【請求項３】 ワイヤを貫通させたゴム栓により前記ワ
   イヤをガラス管の両端に密封支持したことを特徴とする
   請求項２記載の耐雷素子保護ヒューズ。
4. 【請求項４】 ワイヤの両端を薄板の金属で覆って端子
   としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記
   載した耐雷素子保護ヒューズ。
5. 【請求項５】 薄板で形成されバネ性を持つ接続端子の
   挿入孔に着脱自在に取付け可能なようにワイヤの端部を
   同方向に折り曲げたことを特徴とする請求項１乃至４の
   いずれかに記載した耐雷素子保護ヒューズ。
6. 【請求項６】 ワイヤの両端を板状に加工して取り付け
   孔を設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか
   に記載した耐雷素子保護ヒューズ。
7. 【請求項７】 ワイヤの表面に溶断有無の識別を容易と
   する着色を施したことを特徴とする請求項１乃至６のい
   ずれかに記載した耐雷素子保護ヒューズ。