JP2003317602A - 電気ヒューズ材料及び電気ヒューズ素子 - Google Patents
電気ヒューズ材料及び電気ヒューズ素子Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】従来のＰＴＣ素子よりさらに定常時の抵抗値が
小さく、電流切断時の漏れ電流が少なく、材料の融点な
どの温度に影響されず、電流により速い応答速度で作動
する新しいタイプの電気ヒューズ材料およびそれを用い
た自己修復可能な電気ヒューズ素子を提供する。 【解決手段】ビスマス金属またはビスマス基合金からな
る導電性物質の粒子が絶縁性物質に分散した電気ヒュー
ズ材料であり、前記粒子同士が線状の前記導電性物質で
連結されており、前記電気ヒューズ材料中の前記導電性
物質の含有量が３０〜６０ｗｔ％であり、前記導電性物
質の融解現象を利用せず電流を遮断することを特徴とす
る電気ヒューズ材料及びそれを用いた電気ヒューズ素
子。
小さく、電流切断時の漏れ電流が少なく、材料の融点な
どの温度に影響されず、電流により速い応答速度で作動
する新しいタイプの電気ヒューズ材料およびそれを用い
た自己修復可能な電気ヒューズ素子を提供する。 【解決手段】ビスマス金属またはビスマス基合金からな
る導電性物質の粒子が絶縁性物質に分散した電気ヒュー
ズ材料であり、前記粒子同士が線状の前記導電性物質で
連結されており、前記電気ヒューズ材料中の前記導電性
物質の含有量が３０〜６０ｗｔ％であり、前記導電性物
質の融解現象を利用せず電流を遮断することを特徴とす
る電気ヒューズ材料及びそれを用いた電気ヒューズ素
子。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、過電流保護用素子
として用いられる新規な電気ヒューズ材料およびそれを
用いた電気ヒューズ素子に関する。詳しくはＰＴＣ効果
を利用せず、定常時の抵抗が小さく異常時の漏れ電流が
小さく、応答速度に優れた、繰り返し使用を可能にした
電気ヒューズ材料と電気ヒューズ素子に関する。
として用いられる新規な電気ヒューズ材料およびそれを
用いた電気ヒューズ素子に関する。詳しくはＰＴＣ効果
を利用せず、定常時の抵抗が小さく異常時の漏れ電流が
小さく、応答速度に優れた、繰り返し使用を可能にした
電気ヒューズ材料と電気ヒューズ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、過電流を防止する保護素子として
電気ヒューズが広く用いられている。電気ヒューズは、
電気回路に過大な電流が流れると、金属がジュール熱に
より溶断して回路を保護する。ヒューズの材料として
は、鉛、錫などの低融点金属材料と銅、タングステンな
どの非低融点金属材料とに大別され、用途により使い分
けられる。またヒューズは、溶断する電流と時間により
種類が分けられ、形状によって、糸ヒューズ、板ヒュー
ズ、爪付ヒューズ、筒形ヒューズなどがある。しかしな
がら、電気ヒューズは過電流により溶断して電流を完全
に遮断するが、一旦溶断した後は再度使用することがで
きないという問題がある。
電気ヒューズが広く用いられている。電気ヒューズは、
電気回路に過大な電流が流れると、金属がジュール熱に
より溶断して回路を保護する。ヒューズの材料として
は、鉛、錫などの低融点金属材料と銅、タングステンな
どの非低融点金属材料とに大別され、用途により使い分
けられる。またヒューズは、溶断する電流と時間により
種類が分けられ、形状によって、糸ヒューズ、板ヒュー
ズ、爪付ヒューズ、筒形ヒューズなどがある。しかしな
がら、電気ヒューズは過電流により溶断して電流を完全
に遮断するが、一旦溶断した後は再度使用することがで
きないという問題がある。
【０００３】一方、再利用可能な過電流保護素子として
は、正の抵抗温度係数を示し、ある温度で抵抗が急激に
増加するという特徴（ＰＴＣ特性）を有するＰＴＣサー
ミスタ材料がある。代表的なＰＴＣ材料としては、チタ
ン酸バリウム系半導体セラミックス材料や結晶性高分子
にカーボンブラックなどの導電性粉末を分散させたポリ
マー系複合材料が知られている。
は、正の抵抗温度係数を示し、ある温度で抵抗が急激に
増加するという特徴（ＰＴＣ特性）を有するＰＴＣサー
ミスタ材料がある。代表的なＰＴＣ材料としては、チタ
ン酸バリウム系半導体セラミックス材料や結晶性高分子
にカーボンブラックなどの導電性粉末を分散させたポリ
マー系複合材料が知られている。
【０００４】これらは、過電流発生時にＰＴＣ特性で過
電流を抑制し、電子機器の破壊を防止するものである
が、過電流を完全に遮断することができず、その漏れ電
流のため素子が発熱状態となり回路に熱的ダメージを与
えてしまう。また、大電流用保護素子として利用する場
合、定常時において抵抗値が低いことが要求されるが、
前記ＰＴＣサーミスタでは低抵抗化によりＰＴＣ特性が
劣化してしまい、応答速度が著しく遅れ過電流の抑制が
不充分となる。したがってＰＴＣサーミスタ材料では、
低抵抗化に限界があり、大電流が流れる用途の保護素子
として使用できない。
電流を抑制し、電子機器の破壊を防止するものである
が、過電流を完全に遮断することができず、その漏れ電
流のため素子が発熱状態となり回路に熱的ダメージを与
えてしまう。また、大電流用保護素子として利用する場
合、定常時において抵抗値が低いことが要求されるが、
前記ＰＴＣサーミスタでは低抵抗化によりＰＴＣ特性が
劣化してしまい、応答速度が著しく遅れ過電流の抑制が
不充分となる。したがってＰＴＣサーミスタ材料では、
低抵抗化に限界があり、大電流が流れる用途の保護素子
として使用できない。
【０００５】また、ＰＴＣ特性を有する新しいタイプの
過電流保護素子として、本発明者らにより特開平１１−
１１１５０７号公報に開示されているように、ビスマス
金属を高抵抗の無機材料に分散させた複合材料が提案さ
れている。
過電流保護素子として、本発明者らにより特開平１１−
１１１５０７号公報に開示されているように、ビスマス
金属を高抵抗の無機材料に分散させた複合材料が提案さ
れている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上記のビスマス金属を
高抵抗の無機材料に分散させたＰＴＣ素子は、ビスマス
金属粒子が無機材料中で３次元マトリックスを形成し、
温度が上昇し、ビスマス金属の融点になるとビスマス金
属が溶融しそれに伴い体積が減少し、ビスマス金属粒子
間の電気的接続が切れるために抵抗が増大すると考えら
れている。このタイプのＰＴＣ素子は、従来のＰＴＣサ
ーミスタより定常時の抵抗値が低く、高温時の抵抗値が
高い改良されたＰＴＣ素子として提案されている。しか
しながら、定常時の抵抗値はまだ十分ではなく、また、
温度により作動するため、応答速度がやや遅いという問
題がある。また、ビスマス金属等の融点による温度等の
制限がある。
高抵抗の無機材料に分散させたＰＴＣ素子は、ビスマス
金属粒子が無機材料中で３次元マトリックスを形成し、
温度が上昇し、ビスマス金属の融点になるとビスマス金
属が溶融しそれに伴い体積が減少し、ビスマス金属粒子
間の電気的接続が切れるために抵抗が増大すると考えら
れている。このタイプのＰＴＣ素子は、従来のＰＴＣサ
ーミスタより定常時の抵抗値が低く、高温時の抵抗値が
高い改良されたＰＴＣ素子として提案されている。しか
しながら、定常時の抵抗値はまだ十分ではなく、また、
温度により作動するため、応答速度がやや遅いという問
題がある。また、ビスマス金属等の融点による温度等の
制限がある。
【０００７】本発明は、従来のＰＴＣサーミスタの問題
点を解決し、さらに、従来のＰＴＣ素子よりさらに定常
時の抵抗値が小さく、電流切断時の漏れ電流が少なく、
材料の融点などの温度に影響されず、電流により速い応
答速度で作動する新しいタイプの電気ヒューズ材料およ
びそれを用いた自己修復可能な電気ヒューズ素子を提供
することを目的とする。
点を解決し、さらに、従来のＰＴＣ素子よりさらに定常
時の抵抗値が小さく、電流切断時の漏れ電流が少なく、
材料の融点などの温度に影響されず、電流により速い応
答速度で作動する新しいタイプの電気ヒューズ材料およ
びそれを用いた自己修復可能な電気ヒューズ素子を提供
することを目的とする。
【０００８】さらに詳しくは、定常時の比抵抗値が２．
０Ω・ｃｍ以下、異常電流制限時の比抵抗値が１０５Ω
・ｃｍ以上で、電流量による遮断の応答速度が数十ミリ
秒以下である電気ヒューズ材料と、それを用いた漏れ電
流が０．１ミリアンペア以下の小型で、正常状態に回復
した際に再利用可能な自己修復型電気ヒューズ素子を提
供することを目的とする。
０Ω・ｃｍ以下、異常電流制限時の比抵抗値が１０５Ω
・ｃｍ以上で、電流量による遮断の応答速度が数十ミリ
秒以下である電気ヒューズ材料と、それを用いた漏れ電
流が０．１ミリアンペア以下の小型で、正常状態に回復
した際に再利用可能な自己修復型電気ヒューズ素子を提
供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、特定の金
属または合金からなる導電性物質の粒子を特定の量、電
気絶縁性物質に分散させ、かつ該導電性物質の粒子同士
が線状の該導電性物質で連結された構造を有する特殊な
ネットワーク複合組織とすることにより、従来の電気ヒ
ューズとは異なる組織構造で前記導電性物質の融点等の
温度に影響されず、過電流に対して敏感に感応して電流
を制限し、かつ過電流が除かれた後に自己修復すること
を見出した。
属または合金からなる導電性物質の粒子を特定の量、電
気絶縁性物質に分散させ、かつ該導電性物質の粒子同士
が線状の該導電性物質で連結された構造を有する特殊な
ネットワーク複合組織とすることにより、従来の電気ヒ
ューズとは異なる組織構造で前記導電性物質の融点等の
温度に影響されず、過電流に対して敏感に感応して電流
を制限し、かつ過電流が除かれた後に自己修復すること
を見出した。
【００１０】また本発明のヒューズ素子は、スパッタ法
などの薄膜形成プロセスや微細加工プロセスなどの高度
な半導体技術を必要とせず一般的で簡便な混合法にて作
製できるため、特別な設備も必要でなく製造コストを低
減することも可能となる。
などの薄膜形成プロセスや微細加工プロセスなどの高度
な半導体技術を必要とせず一般的で簡便な混合法にて作
製できるため、特別な設備も必要でなく製造コストを低
減することも可能となる。
【００１１】本発明は、ビスマス金属またはビスマス基
合金からなる導電性物質の粒子が絶縁性物質に分散した
電気ヒューズ材料であり、前記粒子同士が線状の前記導
電性物質で連結されており、前記電気ヒューズ材料中の
前記導電性物質の含有量が３０〜６０ｗｔ％であり、前
記導電性物質の融解現象を利用せず電流を遮断すること
を特徴とする電気ヒューズ材料に関する。
合金からなる導電性物質の粒子が絶縁性物質に分散した
電気ヒューズ材料であり、前記粒子同士が線状の前記導
電性物質で連結されており、前記電気ヒューズ材料中の
前記導電性物質の含有量が３０〜６０ｗｔ％であり、前
記導電性物質の融解現象を利用せず電流を遮断すること
を特徴とする電気ヒューズ材料に関する。
【００１２】前記電気絶縁性物質は、５００℃以下の軟
化点を有する低融点ガラスであることが好ましい。
化点を有する低融点ガラスであることが好ましい。
【００１３】また、前記線状の前記導電性物質は、１μ
ｍ未満の線幅を有することを特徴とする。
ｍ未満の線幅を有することを特徴とする。
【００１４】また、本発明は、前記電気ヒューズ材料を
使用した電気ヒューズ素子に関し、その一実施形態は、
前記電気ヒューズ材料で形成された電気ヒューズ層と該
電気ヒューズ層の対向する２面の上に形成された一対の
電極とを有する電気ヒューズ素子であり、他の一実施形
態は、前記電気ヒューズ材料で形成された電気ヒューズ
層と、該電気ヒューズ層の対向する２面の上に形成され
た導電性保護層と、前記導電性保護層のそれぞれの上に
形成された１対の電極とを有する電気ヒューズ素子であ
って、前記導電性保護層は前記電気ヒューズ層中の導電
性物質の溶出を抑える金属または金属と前記絶縁性物質
との複合体であることを特徴とする電気ヒューズ素子に
関する。
使用した電気ヒューズ素子に関し、その一実施形態は、
前記電気ヒューズ材料で形成された電気ヒューズ層と該
電気ヒューズ層の対向する２面の上に形成された一対の
電極とを有する電気ヒューズ素子であり、他の一実施形
態は、前記電気ヒューズ材料で形成された電気ヒューズ
層と、該電気ヒューズ層の対向する２面の上に形成され
た導電性保護層と、前記導電性保護層のそれぞれの上に
形成された１対の電極とを有する電気ヒューズ素子であ
って、前記導電性保護層は前記電気ヒューズ層中の導電
性物質の溶出を抑える金属または金属と前記絶縁性物質
との複合体であることを特徴とする電気ヒューズ素子に
関する。
【００１５】さらに、本発明は、平均粒子径５〜５０μ
ｍの前記導電性物質の粒子と前記絶縁性物質の粒子を、
前記導電性物質の含有量が３０〜６０ｗｔ％となるよう
に混合し、成形した後、還元性雰囲気下、４００〜５０
０℃で焼成することを特徴とする前記の電気ヒューズ材
料の製造方法に関する。
ｍの前記導電性物質の粒子と前記絶縁性物質の粒子を、
前記導電性物質の含有量が３０〜６０ｗｔ％となるよう
に混合し、成形した後、還元性雰囲気下、４００〜５０
０℃で焼成することを特徴とする前記の電気ヒューズ材
料の製造方法に関する。
【００１６】
【発明の実施の形態】本発明の電気ヒューズ材料は、ビ
スマス金属またはビスマス基合金からなる導電性物質の
粒子が絶縁性物質に分散した電気ヒューズ材料であり、
前記粒子同士が線状の前記導電性物質で連結されたネッ
トワーク構造を有しており、前記電気ヒューズ材料中の
前記導電性物質の含有量が３０〜６０ｗｔ％であり、前
記導電性物質の融解現象を利用せず電流を遮断すること
を特徴としている。本発明の電気ヒューズ材料により、
導通状態では低抵抗であり、かつ異常時では非常に高い
絶縁抵抗となり、良好な電流遮断特性を有し、導電性物
質の融点などの温度に影響されず、電流量で作動する自
己修復型電気ヒューズ素子が得られる。
スマス金属またはビスマス基合金からなる導電性物質の
粒子が絶縁性物質に分散した電気ヒューズ材料であり、
前記粒子同士が線状の前記導電性物質で連結されたネッ
トワーク構造を有しており、前記電気ヒューズ材料中の
前記導電性物質の含有量が３０〜６０ｗｔ％であり、前
記導電性物質の融解現象を利用せず電流を遮断すること
を特徴としている。本発明の電気ヒューズ材料により、
導通状態では低抵抗であり、かつ異常時では非常に高い
絶縁抵抗となり、良好な電流遮断特性を有し、導電性物
質の融点などの温度に影響されず、電流量で作動する自
己修復型電気ヒューズ素子が得られる。
【００１７】本発明の電気ヒューズ材料に使われる導電
性物質は、ビスマス金属またはビスマス基合金である。
前記ビスマス基合金を例示すると、Ｂｉ−Ｐｂ、Ｂｉ−
Ｓｎ、Ｂｉ−Ｉｎ、Ｂｉ−Ｓｎ−Ｐｂ、Ｂｉ−Ｐｂ−Ｓ
ｎ−Ｓｂ、Ｂｉ−Ｓｂ、Ｂｉ−Ｐｂ−Ｓｎ−Ｉｎ、Ｂｉ
−Ｐｂ−Ｓｎ−Ｃｄ等である。ビスマス基合金における
Ｂｉの量は合金重量に対して４０ｗｔ％以上、特に５０
ｗｔ％以上が好ましい。これらの導電性物質は、融解状
態で体積収縮を起こす。
性物質は、ビスマス金属またはビスマス基合金である。
前記ビスマス基合金を例示すると、Ｂｉ−Ｐｂ、Ｂｉ−
Ｓｎ、Ｂｉ−Ｉｎ、Ｂｉ−Ｓｎ−Ｐｂ、Ｂｉ−Ｐｂ−Ｓ
ｎ−Ｓｂ、Ｂｉ−Ｓｂ、Ｂｉ−Ｐｂ−Ｓｎ−Ｉｎ、Ｂｉ
−Ｐｂ−Ｓｎ−Ｃｄ等である。ビスマス基合金における
Ｂｉの量は合金重量に対して４０ｗｔ％以上、特に５０
ｗｔ％以上が好ましい。これらの導電性物質は、融解状
態で体積収縮を起こす。
【００１８】本発明の電気ヒューズ材料に使われる絶縁
性物質は、電気ヒューズ素子が使用される環境で形状と
電気絶縁性を保持する無機材料が好ましい。特に、前記
絶縁性物質が、５００℃以下の軟化点を有する低融点ガ
ラスが好ましい。本発明の電気ヒューズ材料は、通常、
前記導電性物質の粒子とガラス等の絶縁性物質の粒子を
混合し、焼成することにより得られるが、低軟化点のガ
ラスを使用すると、低温度で焼成することが可能であ
り、ビスマスなどの導電性物質の焼成中の揮発を押さ
え、導電性物質が閉じ込められた緻密な材料が得られ
る。このようなガラスの組成は特に限定されず、所望の
性能、用途等に応じて適宜選択することができるが、例
えば、ＰｂＯ−Ｂ２Ｏ３、ＰｂＯ−Ｂ２Ｏ３−Ｓｉ
Ｏ２、ＰｂＯ−Ｂ２Ｏ３−ＺｎＯ、Ｂｉ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ
３等のＢ２Ｏ３系酸化物、ＳｉＯ２系酸化物などを挙げ
ることができる。また、ガラス粉末の平均粒子径は特に
限定されないが、通常０．１〜１００μｍであるのが、
同様な理由から好ましい。
性物質は、電気ヒューズ素子が使用される環境で形状と
電気絶縁性を保持する無機材料が好ましい。特に、前記
絶縁性物質が、５００℃以下の軟化点を有する低融点ガ
ラスが好ましい。本発明の電気ヒューズ材料は、通常、
前記導電性物質の粒子とガラス等の絶縁性物質の粒子を
混合し、焼成することにより得られるが、低軟化点のガ
ラスを使用すると、低温度で焼成することが可能であ
り、ビスマスなどの導電性物質の焼成中の揮発を押さ
え、導電性物質が閉じ込められた緻密な材料が得られ
る。このようなガラスの組成は特に限定されず、所望の
性能、用途等に応じて適宜選択することができるが、例
えば、ＰｂＯ−Ｂ２Ｏ３、ＰｂＯ−Ｂ２Ｏ３−Ｓｉ
Ｏ２、ＰｂＯ−Ｂ２Ｏ３−ＺｎＯ、Ｂｉ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ
３等のＢ２Ｏ３系酸化物、ＳｉＯ２系酸化物などを挙げ
ることができる。また、ガラス粉末の平均粒子径は特に
限定されないが、通常０．１〜１００μｍであるのが、
同様な理由から好ましい。
【００１９】本発明の前記電気ヒューズ材料中の前記導
電性物質の含有量は３０〜６０ｗｔ％であり、この範囲
内で本発明に適したナノサイズの線状ネットワーク構造
が形成される。前記電気ヒューズ材料中の前記導電性物
質の含有量が３０ｗｔ％より少ない場合は、ビスマス金
属などの融解現象による温度による抵抗変化が大きくな
る。また、含有量が少ないほど定常時の抵抗値が高くな
り、発熱するという問題が発生する。前記電気ヒューズ
材料中の前記導電性物質の含有量が６０ｗｔ％より大き
い場合、過電流に対する応答性が著しく低下し、更に含
有量が多くなると適度なネットワークを形成せず、電流
量による遮断特性を示さなくなる。
電性物質の含有量は３０〜６０ｗｔ％であり、この範囲
内で本発明に適したナノサイズの線状ネットワーク構造
が形成される。前記電気ヒューズ材料中の前記導電性物
質の含有量が３０ｗｔ％より少ない場合は、ビスマス金
属などの融解現象による温度による抵抗変化が大きくな
る。また、含有量が少ないほど定常時の抵抗値が高くな
り、発熱するという問題が発生する。前記電気ヒューズ
材料中の前記導電性物質の含有量が６０ｗｔ％より大き
い場合、過電流に対する応答性が著しく低下し、更に含
有量が多くなると適度なネットワークを形成せず、電流
量による遮断特性を示さなくなる。
【００２０】本発明の導電性粒子同士は、線状の前記導
電性物質で連結されてネットワークを形成している。前
記導電性物質の線状組織の線幅は、連結される導電性物
質のの粒子径にくらべ細いことが重要である。良好な過
電流遮断特性を示すためには、前記線状の前記導電性物
質が、１μｍ未満の線幅を有することが好ましい。導電
性物質の量が多い場合には、線状導電性物質の線幅が大
きくなり電流遮断ができない。また、導電性物質の量が
少ない場合には、適度な線状導電性物質が形成されず、
融解現象によるＰＴＣ特性を示し、融点以上で使用する
ことができない。
電性物質で連結されてネットワークを形成している。前
記導電性物質の線状組織の線幅は、連結される導電性物
質のの粒子径にくらべ細いことが重要である。良好な過
電流遮断特性を示すためには、前記線状の前記導電性物
質が、１μｍ未満の線幅を有することが好ましい。導電
性物質の量が多い場合には、線状導電性物質の線幅が大
きくなり電流遮断ができない。また、導電性物質の量が
少ない場合には、適度な線状導電性物質が形成されず、
融解現象によるＰＴＣ特性を示し、融点以上で使用する
ことができない。
【００２１】導電性物質の融解現象を利用した過電流保
護とは次のような現象をいう。従来のビスマス金属等の
導電性粒子を無機材料に分散したＰＴＣ素子では、その
導電性粒子は適度な割合で接触してネットワーク構造を
形成している。この状態では、金属粒子間に伝導パスが
形成されているために低抵抗を示す。次に自己発熱で素
子が高温になると、分散している導電性粒子が融点で融
解し、急激な体積減少を起こし、導電性粒子のネットワ
ークが除々に切断される。これにより電流値をある程度
の漏れ電流のレベルまで制限する。この場合の漏れ電流
値は、数百ミリアンペア程度である。
護とは次のような現象をいう。従来のビスマス金属等の
導電性粒子を無機材料に分散したＰＴＣ素子では、その
導電性粒子は適度な割合で接触してネットワーク構造を
形成している。この状態では、金属粒子間に伝導パスが
形成されているために低抵抗を示す。次に自己発熱で素
子が高温になると、分散している導電性粒子が融点で融
解し、急激な体積減少を起こし、導電性粒子のネットワ
ークが除々に切断される。これにより電流値をある程度
の漏れ電流のレベルまで制限する。この場合の漏れ電流
値は、数百ミリアンペア程度である。
【００２２】本発明の電気ヒューズ材料またはヒューズ
素子は、上記のＰＴＣ素子のような導電性物質の溶解現
象を利用するものではなく、温度では電流遮断特性を示
さず、過電流でのみ保護機能を発現するものである。こ
れにより、従来材料にくらべ低抵抗で応答速度の速い過
電流保護素子を実現できる。また、ビスマス金属または
ビスマス基合金の融点以上の温度領域で使用可能であ
り、保護素子としての用途範囲が格段に広がる。
素子は、上記のＰＴＣ素子のような導電性物質の溶解現
象を利用するものではなく、温度では電流遮断特性を示
さず、過電流でのみ保護機能を発現するものである。こ
れにより、従来材料にくらべ低抵抗で応答速度の速い過
電流保護素子を実現できる。また、ビスマス金属または
ビスマス基合金の融点以上の温度領域で使用可能であ
り、保護素子としての用途範囲が格段に広がる。
【００２３】本発明の電気ヒューズ材料および素子の動
作原理は、明確ではないが以下のように推察される。
作原理は、明確ではないが以下のように推察される。
【００２４】本発明の電気ヒューズ材料は、導電性粒子
間に、局所的にそれらを連結する線状の導電性物質が存
在し、これにより導電性物質のネットワークが形成され
ている。この導電性物質のネットワークに電流が流れる
ことによって、高抵抗な線状導電物質が選択的に発熱し
融点以上で体積収縮を伴って融解するが、これだけでは
線状導電物質の切断は起こらず、加えて絶縁性物質の急
激な熱膨張による応力によって、線状導電物質のネット
ワークの電気的導通が破れ、その結果として素子の電気
抵抗が瞬時に増大し電気絶縁状態に変化し電流をほぼ完
全に遮断する。次いで、過電流が除去されると金属ネッ
トワークの温度が低下し、融解金属ネットワークが凝固
する際に体積増加して電気的導通を回復する。また、本
発明ヒューズ素子が顕著なＰＴＣ特性を示さないことか
らも、電流遮断特性は前記ＰＴＣ特性にも依存せず、過
電流に対して新しい動作原理で過電流保護素子としての
機能を発現することが明らかである。
間に、局所的にそれらを連結する線状の導電性物質が存
在し、これにより導電性物質のネットワークが形成され
ている。この導電性物質のネットワークに電流が流れる
ことによって、高抵抗な線状導電物質が選択的に発熱し
融点以上で体積収縮を伴って融解するが、これだけでは
線状導電物質の切断は起こらず、加えて絶縁性物質の急
激な熱膨張による応力によって、線状導電物質のネット
ワークの電気的導通が破れ、その結果として素子の電気
抵抗が瞬時に増大し電気絶縁状態に変化し電流をほぼ完
全に遮断する。次いで、過電流が除去されると金属ネッ
トワークの温度が低下し、融解金属ネットワークが凝固
する際に体積増加して電気的導通を回復する。また、本
発明ヒューズ素子が顕著なＰＴＣ特性を示さないことか
らも、電流遮断特性は前記ＰＴＣ特性にも依存せず、過
電流に対して新しい動作原理で過電流保護素子としての
機能を発現することが明らかである。
【００２５】本発明の電気ヒューズ材料は例えば以下の
ようにして製造できる。まず、ビスマス金属やビスマス
基合金などの導電性物質と、ガラスなどの絶縁性物質
を、それぞれ、各種ミル等で粉砕し、適度な大きさの粒
子とする。導電性物質の粒子の平均径としては５〜５０
μｍが好ましい。この様にして粉砕したビスマス金属や
ビスマス基合金などの導電性物質の粒子とガラスなどの
絶縁性物質の粒子を、導電性物質が混合物全体に対し３
０〜６０ｗｔ％になるように計量し、均一に分散するよ
うに混合して、混合粉とする。
ようにして製造できる。まず、ビスマス金属やビスマス
基合金などの導電性物質と、ガラスなどの絶縁性物質
を、それぞれ、各種ミル等で粉砕し、適度な大きさの粒
子とする。導電性物質の粒子の平均径としては５〜５０
μｍが好ましい。この様にして粉砕したビスマス金属や
ビスマス基合金などの導電性物質の粒子とガラスなどの
絶縁性物質の粒子を、導電性物質が混合物全体に対し３
０〜６０ｗｔ％になるように計量し、均一に分散するよ
うに混合して、混合粉とする。
【００２６】プレス等で成形する場合は、必要に応じて
エチルセルロースなどのバインダーを添加し、金型に仕
込み、加圧成形する。グリーンシートを作製する場合
は、前記の混合粉にトルエン等の溶媒や分散剤、可塑剤
等を添加して混合し、ドクターブレード法によりグリー
ンシートを形成する。
エチルセルロースなどのバインダーを添加し、金型に仕
込み、加圧成形する。グリーンシートを作製する場合
は、前記の混合粉にトルエン等の溶媒や分散剤、可塑剤
等を添加して混合し、ドクターブレード法によりグリー
ンシートを形成する。
【００２７】上記の成形体やグリーンシートは、窒素や
水素またはそれらの混合物の還元性雰囲気下、電気炉に
て焼成される。焼成温度は４００〜５００℃が好まし
く、特に４３０〜４７０℃での焼成が好適である。本発
明の電気ヒューズ材料の線状の導電性物質を含むネット
ワークの形成には、焼成時の収縮が必要であり、焼成温
度が低いと焼成による収縮が十分でなく、十分な電流遮
断特性を示さない。また、焼成温度が高すぎると導電性
物質である金属が凝集し巨大球状となり線状の構造がで
きない傾向がある。
水素またはそれらの混合物の還元性雰囲気下、電気炉に
て焼成される。焼成温度は４００〜５００℃が好まし
く、特に４３０〜４７０℃での焼成が好適である。本発
明の電気ヒューズ材料の線状の導電性物質を含むネット
ワークの形成には、焼成時の収縮が必要であり、焼成温
度が低いと焼成による収縮が十分でなく、十分な電流遮
断特性を示さない。また、焼成温度が高すぎると導電性
物質である金属が凝集し巨大球状となり線状の構造がで
きない傾向がある。
【００２８】次に、本発明の電気ヒューズ素子について
説明する。
説明する。
【００２９】本発明の電気ヒューズ素子の一形態は、本
発明の電気ヒューズ材料からなる電気ヒューズ層と該電
気ヒューズ層の対向する２面の上に形成された一対の電
極を有する電気ヒューズ素子である。電極としては、Ｎ
ｉ，Ａｇなどが好適に用いられる。
発明の電気ヒューズ材料からなる電気ヒューズ層と該電
気ヒューズ層の対向する２面の上に形成された一対の電
極を有する電気ヒューズ素子である。電極としては、Ｎ
ｉ，Ａｇなどが好適に用いられる。
【００３０】本発明の電気ヒューズ素子は、電気ヒュー
ズ材料を上記の方法で焼結した後に、Ｎｉメッキまた
は、Ａｇペーストの塗布焼きつけにより電極を形成する
ことで製造できる。
ズ材料を上記の方法で焼結した後に、Ｎｉメッキまた
は、Ａｇペーストの塗布焼きつけにより電極を形成する
ことで製造できる。
【００３１】また、本発明の電気ヒューズ素子の他の形
態として、前記電気ヒューズ材料で形成された電気ヒュ
ーズ層と該電気ヒューズ層の対向する２面の上に形成さ
れた導電性保護層と、前記導電性保護層のそれぞれの上
に形成された１対の電極を有する電気ヒューズ素子であ
って、前記導電性保護層は前記電気ヒューズ層中の導電
性物質の溶出を抑える金属または金属と前記絶縁性物質
との複合体である電気ヒューズ素子を挙げることが出来
る。
態として、前記電気ヒューズ材料で形成された電気ヒュ
ーズ層と該電気ヒューズ層の対向する２面の上に形成さ
れた導電性保護層と、前記導電性保護層のそれぞれの上
に形成された１対の電極を有する電気ヒューズ素子であ
って、前記導電性保護層は前記電気ヒューズ層中の導電
性物質の溶出を抑える金属または金属と前記絶縁性物質
との複合体である電気ヒューズ素子を挙げることが出来
る。
【００３２】導電性保護層は、金属または合金からなる
膜、あるいは絶縁性物質に金属または合金を含有させた
複合体の層である。この導電性保護層は、焼成時の金属
または合金の焼結体外部への溶出による組成変動や電極
との反応を防止することにより、製造時の素子特性のば
らつきを低減し、さらには素子の安全性や信頼性を格段
に向上させる効果がある。導電性保護層の形成方法とし
ては、複合体の場合は、加圧成形法やシート成形法、押
し出し成形法などの一般的なセラミックス成形法の他、
金属膜の場合は、印刷法やスパッタ法、蒸着法などの膜
形成法が挙げられる。
膜、あるいは絶縁性物質に金属または合金を含有させた
複合体の層である。この導電性保護層は、焼成時の金属
または合金の焼結体外部への溶出による組成変動や電極
との反応を防止することにより、製造時の素子特性のば
らつきを低減し、さらには素子の安全性や信頼性を格段
に向上させる効果がある。導電性保護層の形成方法とし
ては、複合体の場合は、加圧成形法やシート成形法、押
し出し成形法などの一般的なセラミックス成形法の他、
金属膜の場合は、印刷法やスパッタ法、蒸着法などの膜
形成法が挙げられる。
【００３３】前記金属膜、合金膜あるいは複合体に使用
される金属、合金としては、融点が５００℃以上である
金属または合金であれば良いが、通常ビスマスまたはビ
スマス基合金と他の合金または金属間化合物を形成しな
いものが好ましい。また導電性保護層の導電率について
は、ビスマスまたはビスマス基合金を絶縁性物質に分散
させた電気ヒューズ層よりも高導電率であれば良く、通
常、１０３Ω−１・ｃｍ−１以上であるのが好ましい。
例えば、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｗ、Ｍｏ、ＮｉならびにＴｉＳｉ
２、ＺｒＳｉ２、ＶＳｉ２、ＮｂＳｉ２、ＴａＳｉ２、
ＣｒＳｉ２、ＭｏＳｉ２、ＷＳｉ２などの金属ケイ化
物、ＴｉＢ２、ＺｒＢ２、ＨｆＢ２、ＶＢ ２、Ｎｂ
Ｂ２、ＴａＢ２、ＣｒＢ２、ＭｏＢ２、Ｗ２Ｂ５などの
ホウ化物、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＶＮ、ＮｂＮ、Ｔ
ａＮ、Ｃｒ２Ｎ、Ｍｏ２Ｎ、Ｗ２Ｎなどの窒化物、Ｔｉ
Ｃ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、Ｖ４Ｃ３、ＮｂＣ、ＴａＣ、Ｃｒ
３Ｃ２、Ｍｏ３Ｃ、ＷＣなどの炭化物などが挙げられ
る。
される金属、合金としては、融点が５００℃以上である
金属または合金であれば良いが、通常ビスマスまたはビ
スマス基合金と他の合金または金属間化合物を形成しな
いものが好ましい。また導電性保護層の導電率について
は、ビスマスまたはビスマス基合金を絶縁性物質に分散
させた電気ヒューズ層よりも高導電率であれば良く、通
常、１０３Ω−１・ｃｍ−１以上であるのが好ましい。
例えば、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｗ、Ｍｏ、ＮｉならびにＴｉＳｉ
２、ＺｒＳｉ２、ＶＳｉ２、ＮｂＳｉ２、ＴａＳｉ２、
ＣｒＳｉ２、ＭｏＳｉ２、ＷＳｉ２などの金属ケイ化
物、ＴｉＢ２、ＺｒＢ２、ＨｆＢ２、ＶＢ ２、Ｎｂ
Ｂ２、ＴａＢ２、ＣｒＢ２、ＭｏＢ２、Ｗ２Ｂ５などの
ホウ化物、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＶＮ、ＮｂＮ、Ｔ
ａＮ、Ｃｒ２Ｎ、Ｍｏ２Ｎ、Ｗ２Ｎなどの窒化物、Ｔｉ
Ｃ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、Ｖ４Ｃ３、ＮｂＣ、ＴａＣ、Ｃｒ
３Ｃ２、Ｍｏ３Ｃ、ＷＣなどの炭化物などが挙げられ
る。
【００３４】導電性保護層を有する素子を製造する場合
は、前記の電気ヒューズ材料の製造方法によって得られ
た焼結体の上にさらに金属膜をスパッタ等で形成するこ
とも出来るが、電気ヒューズ材料を焼成する際に反応し
ない導電性保護層の材料であれば、焼成前の電気ヒュー
ズ材料に予め導電性保護層を形成して一緒に焼成しても
よい。特に、導電性保護層が、金属と絶縁性物質との混
合物である場合は、導電性保護層と電気ヒューズ層を同
時に成形して焼成により一体化させることができる。
は、前記の電気ヒューズ材料の製造方法によって得られ
た焼結体の上にさらに金属膜をスパッタ等で形成するこ
とも出来るが、電気ヒューズ材料を焼成する際に反応し
ない導電性保護層の材料であれば、焼成前の電気ヒュー
ズ材料に予め導電性保護層を形成して一緒に焼成しても
よい。特に、導電性保護層が、金属と絶縁性物質との混
合物である場合は、導電性保護層と電気ヒューズ層を同
時に成形して焼成により一体化させることができる。
【００３５】
【実施例】以下に実施例を示し、本発明を具体的に説明
する。
する。
【００３６】実施例１
電気ヒューズ層用材料としてＰｂＯ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ
２系ガラス粉末（平均粒子径３μｍ）及びＢｉ金属粉末
（平均粒子径１０μｍ）をそれぞれ６５ｗｔ％、３５ｗ
ｔ％含有するように調整・混合した。また導電性保護層
用材料として、前記ガラス粉末及びＮｉ金属粉末（平均
粒子径５μｍ）をそれぞれ７５ｗｔ％、２５ｗｔ％含有
するように調整・混合した。これら混合紛を、Ｎｉ金属
／ガラス混合紛、Ｂｉ金属／ガラス混合紛、Ｎｉ金属／
ガラス混合紛の順序で金型に仕込み、２．５ｔ／ｃｍ２
の圧力で直径１０ｍｍφ、厚さ１．８ｍｍの円板形状に
加圧し、導電性保護層付きＢｉ金属／ガラス複合成形体
を得た。次いでこれを水素４ｖｏｌ％含有窒素の還元性
雰囲気中、４３５℃、約１０分の条件で焼成した。この
ようにして得られた焼結体に、Ａｇペーストを焼付けて
電極を形成して電気ヒューズ素子を得た。
２系ガラス粉末（平均粒子径３μｍ）及びＢｉ金属粉末
（平均粒子径１０μｍ）をそれぞれ６５ｗｔ％、３５ｗ
ｔ％含有するように調整・混合した。また導電性保護層
用材料として、前記ガラス粉末及びＮｉ金属粉末（平均
粒子径５μｍ）をそれぞれ７５ｗｔ％、２５ｗｔ％含有
するように調整・混合した。これら混合紛を、Ｎｉ金属
／ガラス混合紛、Ｂｉ金属／ガラス混合紛、Ｎｉ金属／
ガラス混合紛の順序で金型に仕込み、２．５ｔ／ｃｍ２
の圧力で直径１０ｍｍφ、厚さ１．８ｍｍの円板形状に
加圧し、導電性保護層付きＢｉ金属／ガラス複合成形体
を得た。次いでこれを水素４ｖｏｌ％含有窒素の還元性
雰囲気中、４３５℃、約１０分の条件で焼成した。この
ようにして得られた焼結体に、Ａｇペーストを焼付けて
電極を形成して電気ヒューズ素子を得た。
【００３７】得られた素子の直径は、９．１ｍｍであ
り、電気ヒューズ層の厚さは１．３ｍｍで、その両側の
導電性保護層の厚みはそれぞれ０．２ｍｍであった。こ
の電気ヒューズ層の材料の室温における比抵抗は１．１
Ω・ｃｍであり、１７アンペアの電流を流し遮断した時
の比抵抗は、１．２×１０５Ω・ｃｍであった。図１に
得られた電気ヒューズ素子研磨面の金属ネットワーク構
造の光学顕微鏡写真を示す。図１中、白い部分がガラス
であり、黒い部分がＢｉ金属である。図１のように、Ｂ
ｉ金属粒子が線幅１μｍ未満の線状組織をした金属ネッ
トワークにより連結されていることがわかる。
り、電気ヒューズ層の厚さは１．３ｍｍで、その両側の
導電性保護層の厚みはそれぞれ０．２ｍｍであった。こ
の電気ヒューズ層の材料の室温における比抵抗は１．１
Ω・ｃｍであり、１７アンペアの電流を流し遮断した時
の比抵抗は、１．２×１０５Ω・ｃｍであった。図１に
得られた電気ヒューズ素子研磨面の金属ネットワーク構
造の光学顕微鏡写真を示す。図１中、白い部分がガラス
であり、黒い部分がＢｉ金属である。図１のように、Ｂ
ｉ金属粒子が線幅１μｍ未満の線状組織をした金属ネッ
トワークにより連結されていることがわかる。
【００３８】この素子の定常抵抗は、０．３Ωであり、
図２は、１７アンペアの電流を素子に印加した場合の電
流遮断特性である。図からも明らかなように、本実施例
のような小型の素子でありながら、１７アンペアの過電
流を数十ミリ秒で０．１ミリアンペア以下まで制限し
た。
図２は、１７アンペアの電流を素子に印加した場合の電
流遮断特性である。図からも明らかなように、本実施例
のような小型の素子でありながら、１７アンペアの過電
流を数十ミリ秒で０．１ミリアンペア以下まで制限し
た。
【００３９】この素子の比抵抗の温度特性を調べた結果
を図３に示す。図３から分かるように、Ｂｉ金属の融点
２７１℃における融解現象に起因する抵抗の変化は、わ
ずかに観測されるものの、電流の遮断を決定する程の変
化ではないことが分かる。
を図３に示す。図３から分かるように、Ｂｉ金属の融点
２７１℃における融解現象に起因する抵抗の変化は、わ
ずかに観測されるものの、電流の遮断を決定する程の変
化ではないことが分かる。
【００４０】実施例２
電気ヒューズ層用材料としてＰｂＯ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ
２系ガラス粉末（平均粒子径３μｍ）及びＢｉ−Ｐｂ−
Ｓｎ合金粉末（平均粒子径１０μｍ）をそれぞれ６８ｗ
ｔ％、３２ｗｔ％含有するように調整・混合した。また
導電性保護層用材料として、前記ガラス粉末及びＮｉ金
属粉末（平均粒子径５μｍ）をそれぞれ７５ｗｔ％、２
５ｗｔ％含有するように調整・混合した。これら混合紛
を、Ｎｉ金属／ガラス混合紛、Ｂｉ−Ｐｂ−Ｓｎ合金／
ガラス混合紛、Ｎｉ金属／ガラス混合紛の順序で金型に
仕込み、２．５ｔ／ｃｍ２の圧力で直径１０ｍｍφ、厚
さ１．８ｍｍの円板形状に加圧し、導電性保護層付きＢ
ｉ−Ｐｂ−Ｓｎ合金／ガラス複合成形体を得た。次いで
これを水素４ｖｏｌ％含有窒素の還元性雰囲気中、４６
５℃、約１０分の条件で焼成した。このようにして得ら
れた焼結体に、Ａｇペーストを焼付けて電極を形成して
電気ヒューズ素子を得た。
２系ガラス粉末（平均粒子径３μｍ）及びＢｉ−Ｐｂ−
Ｓｎ合金粉末（平均粒子径１０μｍ）をそれぞれ６８ｗ
ｔ％、３２ｗｔ％含有するように調整・混合した。また
導電性保護層用材料として、前記ガラス粉末及びＮｉ金
属粉末（平均粒子径５μｍ）をそれぞれ７５ｗｔ％、２
５ｗｔ％含有するように調整・混合した。これら混合紛
を、Ｎｉ金属／ガラス混合紛、Ｂｉ−Ｐｂ−Ｓｎ合金／
ガラス混合紛、Ｎｉ金属／ガラス混合紛の順序で金型に
仕込み、２．５ｔ／ｃｍ２の圧力で直径１０ｍｍφ、厚
さ１．８ｍｍの円板形状に加圧し、導電性保護層付きＢ
ｉ−Ｐｂ−Ｓｎ合金／ガラス複合成形体を得た。次いで
これを水素４ｖｏｌ％含有窒素の還元性雰囲気中、４６
５℃、約１０分の条件で焼成した。このようにして得ら
れた焼結体に、Ａｇペーストを焼付けて電極を形成して
電気ヒューズ素子を得た。
【００４１】得られた素子の直径は、９．１ｍｍであ
り、電気ヒューズ層の厚さは１．３ｍｍで、その両側の
導電性保護層の厚みはそれぞれ０．２ｍｍであった。こ
の電気ヒューズ層の材料の室温における比抵抗は０．７
６Ω・ｃｍであり、１６アンペアの電流を流し遮断した
時の比抵抗は、４．０×１０６Ω・ｃｍであった。
り、電気ヒューズ層の厚さは１．３ｍｍで、その両側の
導電性保護層の厚みはそれぞれ０．２ｍｍであった。こ
の電気ヒューズ層の材料の室温における比抵抗は０．７
６Ω・ｃｍであり、１６アンペアの電流を流し遮断した
時の比抵抗は、４．０×１０６Ω・ｃｍであった。
【００４２】この素子の定常抵抗は、０．２Ωである。
図４は、１６アンペアの電流を素子に印加した場合の電
流遮断特性である。図４からも明らかなように、本実施
例のような小型の素子でありながら、１６アンペアの過
電流を数ミリ秒で０．１ミリアンペア以下まで制限し
た。
図４は、１６アンペアの電流を素子に印加した場合の電
流遮断特性である。図４からも明らかなように、本実施
例のような小型の素子でありながら、１６アンペアの過
電流を数ミリ秒で０．１ミリアンペア以下まで制限し
た。
【００４３】実施例３
電気ヒューズ層用材料としてＰｂＯ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ
２系ガラス粉末（平均粒子径３μｍ）及びＢｉ−Ｓｎ合
金粉末（平均粒子径１０μｍ）をそれぞれ６６ｗｔ％、
３４ｗｔ％含有するように調整・混合した。また導電性
保護層用材料として、前記ガラス粉末及びＮｉ金属粉末
（平均粒子径５μｍ）をそれぞれ７５ｗｔ％、２５ｗｔ
％含有するように調整・混合した。これら混合紛を、Ｎ
ｉ金属／ガラス混合紛、Ｂｉ−Ｓｎ合金／ガラス混合
紛、Ｎｉ金属／ガラス混合紛の順序で金型に仕込み、
２．５ｔ／ｃｍ２の圧力で直径１０ｍｍφ、厚さ１．８
ｍｍの円板形状に加圧し、導電性保護層付きＢｉ−Ｓｎ
合金／ガラス複合成形体を得た。次いでこれを水素４ｖ
ｏｌ％含有窒素の還元性雰囲気中、４７５℃、約１０分
の条件で焼成した。このようにして得られた焼結体に、
Ａｇペーストを焼付けて電極を形成して電気ヒューズ素
子を得た。
２系ガラス粉末（平均粒子径３μｍ）及びＢｉ−Ｓｎ合
金粉末（平均粒子径１０μｍ）をそれぞれ６６ｗｔ％、
３４ｗｔ％含有するように調整・混合した。また導電性
保護層用材料として、前記ガラス粉末及びＮｉ金属粉末
（平均粒子径５μｍ）をそれぞれ７５ｗｔ％、２５ｗｔ
％含有するように調整・混合した。これら混合紛を、Ｎ
ｉ金属／ガラス混合紛、Ｂｉ−Ｓｎ合金／ガラス混合
紛、Ｎｉ金属／ガラス混合紛の順序で金型に仕込み、
２．５ｔ／ｃｍ２の圧力で直径１０ｍｍφ、厚さ１．８
ｍｍの円板形状に加圧し、導電性保護層付きＢｉ−Ｓｎ
合金／ガラス複合成形体を得た。次いでこれを水素４ｖ
ｏｌ％含有窒素の還元性雰囲気中、４７５℃、約１０分
の条件で焼成した。このようにして得られた焼結体に、
Ａｇペーストを焼付けて電極を形成して電気ヒューズ素
子を得た。
【００４４】得られた素子の直径は９．１ｍｍであり、
電気ヒューズ層の厚さは１．３ｍｍで、その両側の導電
性保護層の厚みはそれぞれ０．２ｍｍであった。この電
気ヒューズ層の材料の室温における比抵抗は１．１Ω・
ｃｍであり、１６アンペアの電流を流し遮断した時の比
抵抗は、１．０×１０５Ω・ｃｍであった。この素子の
定常抵抗は、０．３Ωである。図５は、１６アンペアの
電流を素子に印加した場合の電流遮断特性である。図５
からも明らかなように、本実施例のような小型の素子で
ありながら、１６アンペアの過電流を数ミリ秒で０．１
ミリアンペア以下まで制限した。
電気ヒューズ層の厚さは１．３ｍｍで、その両側の導電
性保護層の厚みはそれぞれ０．２ｍｍであった。この電
気ヒューズ層の材料の室温における比抵抗は１．１Ω・
ｃｍであり、１６アンペアの電流を流し遮断した時の比
抵抗は、１．０×１０５Ω・ｃｍであった。この素子の
定常抵抗は、０．３Ωである。図５は、１６アンペアの
電流を素子に印加した場合の電流遮断特性である。図５
からも明らかなように、本実施例のような小型の素子で
ありながら、１６アンペアの過電流を数ミリ秒で０．１
ミリアンペア以下まで制限した。
【００４５】実施例４
電気ヒューズ層用材料としてＰｂＯ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ
２系ガラス粉末（平均粒子径３μｍ）及びＢｉ−Ｐｂ−
Ｓｎ合金粉末（平均粒子径１０μｍ）をそれぞれ６８ｗ
ｔ％、３２ｗｔ％含有するように調整しシート用原料と
した。また導電性保護層用材料として、前記ガラス粉末
及びＮｉ金属粉末（平均粒子径５μｍ）をそれぞれ７５
ｗｔ％、２５ｗｔ％含有するように調整しシート用原料
とした。
２系ガラス粉末（平均粒子径３μｍ）及びＢｉ−Ｐｂ−
Ｓｎ合金粉末（平均粒子径１０μｍ）をそれぞれ６８ｗ
ｔ％、３２ｗｔ％含有するように調整しシート用原料と
した。また導電性保護層用材料として、前記ガラス粉末
及びＮｉ金属粉末（平均粒子径５μｍ）をそれぞれ７５
ｗｔ％、２５ｗｔ％含有するように調整しシート用原料
とした。
【００４６】各原料１００ｇに、トルエン１４ｇ、イソ
プロピルアルコール７ｇ、エチルセルロース３ｇ、分散
剤１ｇ、可塑剤２．３ｇをポリ容器に入れ、回転容器式
混合器で５分混合し、各スラリーを得た。これらスラリ
ーからドクターブレード法にて１００μｍ程度の厚みの
グリーンシートを作製した。前記２種のグリーンシート
の中から、まずＢｉ−Ｐｂ−Ｓｎ合金／ガラス混合紛か
らなるグリーンシートを複数枚積層し厚み方向に仮圧着
し、次いでその対向する上下面にＮｉ金属／ガラス混合
紛からなる導電性保護層用グリーンシートを複数枚積層
し本圧着することで、積層厚さが１．５ｍｍ程度のシー
ト圧着体を得た。この圧着体を、８ｍｍ×８ｍｍ角の平
面形状を有するように切断機により切断し成形体を得
た。この切断後成形体を還元性雰囲気中、４６５℃、約
１０分の条件で焼成した。このようにして得られた焼結
体に、Ａｇペーストを焼きつけて電極を形成して電気ヒ
ューズ素子を得た。
プロピルアルコール７ｇ、エチルセルロース３ｇ、分散
剤１ｇ、可塑剤２．３ｇをポリ容器に入れ、回転容器式
混合器で５分混合し、各スラリーを得た。これらスラリ
ーからドクターブレード法にて１００μｍ程度の厚みの
グリーンシートを作製した。前記２種のグリーンシート
の中から、まずＢｉ−Ｐｂ−Ｓｎ合金／ガラス混合紛か
らなるグリーンシートを複数枚積層し厚み方向に仮圧着
し、次いでその対向する上下面にＮｉ金属／ガラス混合
紛からなる導電性保護層用グリーンシートを複数枚積層
し本圧着することで、積層厚さが１．５ｍｍ程度のシー
ト圧着体を得た。この圧着体を、８ｍｍ×８ｍｍ角の平
面形状を有するように切断機により切断し成形体を得
た。この切断後成形体を還元性雰囲気中、４６５℃、約
１０分の条件で焼成した。このようにして得られた焼結
体に、Ａｇペーストを焼きつけて電極を形成して電気ヒ
ューズ素子を得た。
【００４７】得られた素子の電極面積は、５３．３ｍｍ
２であり、電気ヒューズ層の厚さは０．７ｍｍで、その
両側の導電性保護層の厚みはそれぞれ０．３ｍｍであっ
た。この電気ヒューズ層の材料の室温における比抵抗は
１．２Ω・ｃｍであり、１７アンペアの電流を流し遮断
した時の比抵抗は、１×１０５Ω・ｃｍであった。
２であり、電気ヒューズ層の厚さは０．７ｍｍで、その
両側の導電性保護層の厚みはそれぞれ０．３ｍｍであっ
た。この電気ヒューズ層の材料の室温における比抵抗は
１．２Ω・ｃｍであり、１７アンペアの電流を流し遮断
した時の比抵抗は、１×１０５Ω・ｃｍであった。
【００４８】この素子の定常抵抗は、０．３Ωである。
図６は、１７アンペアの電流を素子に印加した場合の電
流遮断特性である。図６からも明らかなように、本実施
例のような小型の素子でありながら、１７アンペアの過
電流を数ミリ秒で０．１ミリアンペア以下まで制限し
た。
図６は、１７アンペアの電流を素子に印加した場合の電
流遮断特性である。図６からも明らかなように、本実施
例のような小型の素子でありながら、１７アンペアの過
電流を数ミリ秒で０．１ミリアンペア以下まで制限し
た。
【００４９】比較例１
電気ヒューズ層用材料としてＰｂＯ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ
２系ガラス粉末（平均粒子径３μｍ）及びＢｉ金属粉末
（平均粒子径１０μｍ）をそれぞれ３０ｗｔ％、７０ｗ
ｔ％含有するように調整・混合した。この混合紛を金型
に仕込み、２．５ｔ／ｃｍ２の圧力で直径１０ｍｍφ、
厚さ１．８ｍｍの円板形状に加圧し、Ｂｉ金属／ガラス
複合成形体を得た。次いでこれを水素４ｖｏｌ％含有窒
素の還元性雰囲気中、４３５℃、約１０分の条件で焼成
した。このようにして得られた焼結体に、Ａｇペースト
を焼付けて電極を形成して電気ヒューズ素子を得た。
２系ガラス粉末（平均粒子径３μｍ）及びＢｉ金属粉末
（平均粒子径１０μｍ）をそれぞれ３０ｗｔ％、７０ｗ
ｔ％含有するように調整・混合した。この混合紛を金型
に仕込み、２．５ｔ／ｃｍ２の圧力で直径１０ｍｍφ、
厚さ１．８ｍｍの円板形状に加圧し、Ｂｉ金属／ガラス
複合成形体を得た。次いでこれを水素４ｖｏｌ％含有窒
素の還元性雰囲気中、４３５℃、約１０分の条件で焼成
した。このようにして得られた焼結体に、Ａｇペースト
を焼付けて電極を形成して電気ヒューズ素子を得た。
【００５０】得られた素子の直径は、９．１ｍｍであ
り、素子の厚みは１．２ｍｍであった。この電気ヒュー
ズ材料の室温における比抵抗は０．０９Ω・ｃｍであっ
た。図７に得られた電気ヒューズ素子研磨面の金属ネッ
トワーク構造の光学顕微鏡写真を示す。図７中、白い部
分がガラスであり、黒い部分がＢｉ金属である。図７の
ように、Ｂｉ金属粒子同士が直接に接合または結合して
おり、この場合には、線幅が大きくなり１μｍ未満の線
状組織をした金属ネットワークが形成されないことがわ
かる。
り、素子の厚みは１．２ｍｍであった。この電気ヒュー
ズ材料の室温における比抵抗は０．０９Ω・ｃｍであっ
た。図７に得られた電気ヒューズ素子研磨面の金属ネッ
トワーク構造の光学顕微鏡写真を示す。図７中、白い部
分がガラスであり、黒い部分がＢｉ金属である。図７の
ように、Ｂｉ金属粒子同士が直接に接合または結合して
おり、この場合には、線幅が大きくなり１μｍ未満の線
状組織をした金属ネットワークが形成されないことがわ
かる。
【００５１】この素子の定常抵抗は、０．０３Ωであ
り、図８は、１９アンペアの電流を素子に印加した場合
の電流遮断特性である。図からも明らかなように、本比
較例のようにガラスの絶縁物質中のＢｉ量が多い場合
は、導電体物質の粒子間に太い導電パスが形成される
が、電流量による遮断が起こらないことがわかる。
り、図８は、１９アンペアの電流を素子に印加した場合
の電流遮断特性である。図からも明らかなように、本比
較例のようにガラスの絶縁物質中のＢｉ量が多い場合
は、導電体物質の粒子間に太い導電パスが形成される
が、電流量による遮断が起こらないことがわかる。
【００５２】比較例２
電気ヒューズ層用材料としてＰｂＯ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ
２系ガラス粉末（平均粒子径３μｍ）及びＢｉ金属粉末
（平均粒子径１０μｍ）をそれぞれ７５ｗｔ％、２５ｗ
ｔ％含有するように調整・混合した。この混合紛を金型
に仕込み、２．５ｔ／ｃｍ２の圧力で直径１０ｍｍφ、
厚さ１．８ｍｍの円板形状に加圧し、Ｂｉ金属／ガラス
複合成形体を得た。次いでこれを水素４ｖｏｌ％含有窒
素の還元性雰囲気中、４３５℃、約１０分の条件で焼成
した。このようにして得られた焼結体に、Ａｇペースト
を焼付けて電極を形成して電気ヒューズ素子を得た。
２系ガラス粉末（平均粒子径３μｍ）及びＢｉ金属粉末
（平均粒子径１０μｍ）をそれぞれ７５ｗｔ％、２５ｗ
ｔ％含有するように調整・混合した。この混合紛を金型
に仕込み、２．５ｔ／ｃｍ２の圧力で直径１０ｍｍφ、
厚さ１．８ｍｍの円板形状に加圧し、Ｂｉ金属／ガラス
複合成形体を得た。次いでこれを水素４ｖｏｌ％含有窒
素の還元性雰囲気中、４３５℃、約１０分の条件で焼成
した。このようにして得られた焼結体に、Ａｇペースト
を焼付けて電極を形成して電気ヒューズ素子を得た。
【００５３】得られた素子の直径は、９．１ｍｍであ
り、素子の厚みは１．９ｍｍであった。この電気ヒュー
ズ材料の室温における比抵抗は２．８Ω・ｃｍであっ
た。図９に得られた電気ヒューズ素子研磨面の金属ネッ
トワーク構造の光学顕微鏡写真を示す。図９中、白い部
分がガラスであり、黒い部分がＢｉ金属である。図９の
ように、Ｂｉ金属粒子がガラスマトリックス中にほぼ均
一に分散しており、この場合には、線幅１μｍ未満の線
状組織をした金属ネットワークが形成されないことがわ
かる。
り、素子の厚みは１．９ｍｍであった。この電気ヒュー
ズ材料の室温における比抵抗は２．８Ω・ｃｍであっ
た。図９に得られた電気ヒューズ素子研磨面の金属ネッ
トワーク構造の光学顕微鏡写真を示す。図９中、白い部
分がガラスであり、黒い部分がＢｉ金属である。図９の
ように、Ｂｉ金属粒子がガラスマトリックス中にほぼ均
一に分散しており、この場合には、線幅１μｍ未満の線
状組織をした金属ネットワークが形成されないことがわ
かる。
【００５４】この素子の比抵抗の温度特性を調べた結果
を図１０に示す。図１０から分かるように、Ｂｉ金属の
融点２７１℃における融解現象に起因する急峻な抵抗増
加が観測される。
を図１０に示す。図１０から分かるように、Ｂｉ金属の
融点２７１℃における融解現象に起因する急峻な抵抗増
加が観測される。
【００５５】本比較例のようにガラス中のＢｉ量が少な
く、適切なネットワークを形成しない場合は、Ｂｉの融
解現象によりＢｉの融点付近の温度で抵抗の大きな変化
が見られる。このようなＰＴＣ効果を示す素子では、室
温における比抵抗は、小さくなく、また、Ｂｉの融点以
上で素子を使用することもできず、また、ＰＴＣ素子の
特徴として、電流制限後の漏れ電流は、ＰＴＣ素子の温
度を動作後の温度に保つように働き、熱平衡状態を継続
するため、素子温度と抵抗値がバランスするような電流
値となり、電気ヒューズのように漏れ電流を低くするに
は限界がある。
く、適切なネットワークを形成しない場合は、Ｂｉの融
解現象によりＢｉの融点付近の温度で抵抗の大きな変化
が見られる。このようなＰＴＣ効果を示す素子では、室
温における比抵抗は、小さくなく、また、Ｂｉの融点以
上で素子を使用することもできず、また、ＰＴＣ素子の
特徴として、電流制限後の漏れ電流は、ＰＴＣ素子の温
度を動作後の温度に保つように働き、熱平衡状態を継続
するため、素子温度と抵抗値がバランスするような電流
値となり、電気ヒューズのように漏れ電流を低くするに
は限界がある。
【００５６】
【発明の効果】本発明では、ビスマス金属またはビスマ
ス基合金からなる導電性物質の粒子が絶縁性物質に分散
した電気ヒューズ材料であり、前記粒子同士が線状の前
記導電性物質で連結されており、前記電気ヒューズ材料
中の前記導電性物質の含有量が３０〜６０ｗｔ％である
電気ヒューズ材料とすることにより、従来のＰＴＣ材料
よりさらに定常時の抵抗値が小さく、電流切断時の漏れ
電流が少なく、材料の融点などの温度に影響されず、電
流により速い応答速度で作動する新しいタイプの電気ヒ
ューズ材料およびそれを用いた自己修復可能な電気ヒュ
ーズ素子を提供できる。
ス基合金からなる導電性物質の粒子が絶縁性物質に分散
した電気ヒューズ材料であり、前記粒子同士が線状の前
記導電性物質で連結されており、前記電気ヒューズ材料
中の前記導電性物質の含有量が３０〜６０ｗｔ％である
電気ヒューズ材料とすることにより、従来のＰＴＣ材料
よりさらに定常時の抵抗値が小さく、電流切断時の漏れ
電流が少なく、材料の融点などの温度に影響されず、電
流により速い応答速度で作動する新しいタイプの電気ヒ
ューズ材料およびそれを用いた自己修復可能な電気ヒュ
ーズ素子を提供できる。
【００５７】また、前記電気ヒューズ材料からなる電気
ヒューズ層の対向する２面の上に導電性保護層を形成
し、さらにその上に電極を形成した電気ヒューズ素子と
することで、素子特性のばらつきを低減し、さらには素
子の安全性や信頼性を格段に向上させる。
ヒューズ層の対向する２面の上に導電性保護層を形成
し、さらにその上に電極を形成した電気ヒューズ素子と
することで、素子特性のばらつきを低減し、さらには素
子の安全性や信頼性を格段に向上させる。
【００５８】本発明の電気ヒューズ素子は、スパッタ法
などの薄膜形成プロセスや微細加工プロセスなどの高度
な半導体技術を必要とせず一般的で簡便な混合法にて作
製できるため、特別な設備も必要でなく製造コストを低
減させることが出来る。
などの薄膜形成プロセスや微細加工プロセスなどの高度
な半導体技術を必要とせず一般的で簡便な混合法にて作
製できるため、特別な設備も必要でなく製造コストを低
減させることが出来る。
【００５９】そして、本発明の電気ヒューズ素子は、導
通状態で１Ω以下の低抵抗、非導通状態で数百万Ωの高
抵抗となり、良好な電流遮断特性を示し、かつ異常が取
り除かれた後は元の状態に自己復帰し再利用可能である
自己修復型電気ヒューズ素子であり、大電流が流れる過
電流保護回路等や非線形特性を利用した各種信号処理回
路での利用が見込まれる。
通状態で１Ω以下の低抵抗、非導通状態で数百万Ωの高
抵抗となり、良好な電流遮断特性を示し、かつ異常が取
り除かれた後は元の状態に自己復帰し再利用可能である
自己修復型電気ヒューズ素子であり、大電流が流れる過
電流保護回路等や非線形特性を利用した各種信号処理回
路での利用が見込まれる。
【図１】本発明の実施例１で得られた電気ヒューズ素子
の研磨面の金属ネットワーク構造を示す図面にかわる光
学顕微鏡写真図である。
の研磨面の金属ネットワーク構造を示す図面にかわる光
学顕微鏡写真図である。
【図２】本発明の実施例１による電気ヒューズ素子の電
流遮断特性の例を示す図である。
流遮断特性の例を示す図である。
【図３】本発明の実施例１による電気ヒューズ素子の比
抵抗の温度特性を示す図である。
抵抗の温度特性を示す図である。
【図４】本発明の実施例２による電気ヒューズ素子の電
流遮断特性の例を示す図である。
流遮断特性の例を示す図である。
【図５】本発明の実施例３による電気ヒューズ素子の電
流遮断特性の例を示す図である。
流遮断特性の例を示す図である。
【図６】本発明の実施例４による電気ヒューズ素子の電
流遮断特性の例を示す図である。
流遮断特性の例を示す図である。
【図７】比較例１で得られたＢｉ−絶縁性物質複合体の
研磨面の構造を示す図面にかわる光学顕微鏡写真図であ
る。
研磨面の構造を示す図面にかわる光学顕微鏡写真図であ
る。
【図８】比較例１で得られたＢｉ−絶縁性物質複合体の
電流遮断特性の例を示す図である。
電流遮断特性の例を示す図である。
【図９】比較例２で得られたＢｉ−絶縁性物質複合体の
研磨面の構造を示す図面にかわる光学顕微鏡写真図であ
る。
研磨面の構造を示す図面にかわる光学顕微鏡写真図であ
る。
【図１０】比較例２で得られたＢｉ−絶縁性物質複合体
の比抵抗の温度特性を示す図である。
の比抵抗の温度特性を示す図である。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｈ０１Ｈ 87/00 Ｈ０１Ｈ 87/00
// Ｃ２２Ｃ 12/00 Ｃ２２Ｃ 12/00
(72)発明者 藤永 昌孝
山口県宇部市大字小串1978番地の５ 宇部
興産株式社 宇部研究所内
Ｆターム(参考） 5E034 FA01
5G502 AA01 BB01 JJ01 KK10
Claims (6)
- 【請求項１】 ビスマス金属またはビスマス基合金から
なる導電性物質の粒子が絶縁性物質に分散した電気ヒュ
ーズ材料であり、前記粒子同士が線状の前記導電性物質
で連結されており、前記電気ヒューズ材料中の前記導電
性物質の含有量が３０〜６０ｗｔ％であり、前記導電性
物質の融解現象を利用せず電流を遮断することを特徴と
する電気ヒューズ材料。 - 【請求項２】 前記絶縁性物質が、５００℃以下の軟化
点を有する低融点ガラスである請求項１に記載の電気ヒ
ューズ材料。 - 【請求項３】 前記線状の前記導電性物質が、１μｍ未
満の線幅を有することを特徴とする請求項１または２に
記載の電気ヒューズ材料。 - 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載の電気ヒ
ューズ材料で形成された電気ヒューズ層と該電気ヒュー
ズ層の対向する２面の上に形成された一対の電極とを有
する電気ヒューズ素子。 - 【請求項５】 請求項１〜３のいずれかに記載の電気ヒ
ューズ材料で形成された電気ヒューズ層と、該電気ヒュ
ーズ層の対向する２面の上に形成された導電性保護層
と、前記導電性保護層のそれぞれの上に形成された１対
の電極とを有する電気ヒューズ素子であって、前記導電
性保護層は前記電気ヒューズ層中の導電性物質の溶出を
抑える金属または金属と前記絶縁性物質との複合体であ
ることを特徴とする電気ヒューズ素子。 - 【請求項６】 平均粒子径５〜５０μｍの前記導電性物
質の粒子と前記絶縁性物質の粒子とを、前記導電性物質
の含有量が３０〜６０ｗｔ％となるように混合し、成形
した後、還元性雰囲気下、４００〜５００℃で焼成する
ことを特徴とする請求項１記載の電気ヒューズ材料の製
造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002118877A JP4196582B2 (ja) | 2002-04-22 | 2002-04-22 | 電気ヒューズ素子及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002118877A JP4196582B2 (ja) | 2002-04-22 | 2002-04-22 | 電気ヒューズ素子及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003317602A true JP2003317602A (ja) | 2003-11-07 |
| JP4196582B2 JP4196582B2 (ja) | 2008-12-17 |
Family
ID=29535590
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002118877A Expired - Fee Related JP4196582B2 (ja) | 2002-04-22 | 2002-04-22 | 電気ヒューズ素子及びその製造方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4196582B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006025199A1 (ja) * | 2004-08-30 | 2006-03-09 | Kyushu Institute Of Technology | 誘電泳動力を用いた自己回復性限流ヒューズ |
| WO2009060709A1 (ja) * | 2007-11-09 | 2009-05-14 | Kyushu Institute Of Technology | 自己回復性限流ヒューズ |
| WO2009087812A1 (ja) * | 2008-01-10 | 2009-07-16 | Kyushu Institute Of Technology | メカニカルヒューズ及びその感度設定方法 |
| KR101679335B1 (ko) | 2015-03-10 | 2016-11-24 | (주)로콤 | 철도차량 주행장치의 과열 알림장치 |
-
2002
- 2002-04-22 JP JP2002118877A patent/JP4196582B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006025199A1 (ja) * | 2004-08-30 | 2006-03-09 | Kyushu Institute Of Technology | 誘電泳動力を用いた自己回復性限流ヒューズ |
| US7626483B2 (en) | 2004-08-30 | 2009-12-01 | Kyushu Institute Of Technology | Self-recovering current limiting fuse using dielectrophoretic force |
| WO2009060709A1 (ja) * | 2007-11-09 | 2009-05-14 | Kyushu Institute Of Technology | 自己回復性限流ヒューズ |
| US8299887B2 (en) | 2007-11-09 | 2012-10-30 | Kyushu Institute Of Technology | Self-recovery current limiting fuse |
| WO2009087812A1 (ja) * | 2008-01-10 | 2009-07-16 | Kyushu Institute Of Technology | メカニカルヒューズ及びその感度設定方法 |
| KR101679335B1 (ko) | 2015-03-10 | 2016-11-24 | (주)로콤 | 철도차량 주행장치의 과열 알림장치 |
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