JP2004176105A - 合金型温度ヒューズ及び温度ヒューズエレメント用材料 - Google Patents

Abstract

Ｓｎ−Ｉｎ−Ｂｉ系三元合金を用い、オーバーロード特性及び耐圧特性に優れ、動作後での絶縁安全性を充分に保証でき、しかもヒューズエレメントの細線化を容易に達成できる合金型温度ヒューズを提供することにある。
【解決手段】Ｓｎが２５％を超え、且つ６０％以下、Ｂｉが１２％を超え、かつ３３％以下、Ｉｎが２０％以上で、かつ５０％未満の合金組成のヒューズエレメントを使用した。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＢｉ−Ｉｎ−Ｓｎ系の温度ヒューズエレメント用材料及び合金型温度ヒューズに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気機器や回路素子、例えば半導体装置、コンデンサ、抵抗素子等に対するサーモプロテクタとして合金型温度ヒューズが汎用されている。
この合金型温度ヒューズは、所定融点の合金をヒューズエレメントとし、このヒューズエレメントを一対のリード導体間に接合し、該ヒューズエレメントにフラックスを塗布し、このフラックス塗布ヒューズエレメントを絶縁体で封止した構成である。
この合金型温度ヒューズの動作機構は次の通りである。
保護しようとする電気機器や回路素子に合金型温度ヒューズが熱的に接触して配設される。電気機器や回路素子が何らかの異常により発熱すると、その発生熱により温度ヒューズのヒューズエレメント合金が溶融され、既溶融の活性化されたフラックスとの共存下、溶融合金がリード導体や電極への濡れにより分断球状化され、その分断球状化の進行により通電が遮断され、この通電遮断による機器の降温で分断溶融合金が凝固されて非復帰のカットオフが終結される。
【０００３】
従来では、前記ヒューズエレメントに固相線と液相線との間の固液共存域が狭い合金組成、理想的には共晶組成を用いることが常套手法とされ、ヒューズエレメントをほぼ液相線温度（共晶組成では固相線温度と液相線温度とが同温度）で溶断させることを企図している。すなわち、固液共存域が存する合金組成のヒューズエレメントでは、固液共存域内の不確定の温度で溶断する可能性があり、固液共存域が広いとその固液共存域でヒューズエレメントが溶断する温度の不確定巾が広くなり、動作温度のバラツキが大きくなるので、このバラツキを小さくするために固相線と液相線との間の固液共存域が狭い合金組成、理想的には共晶組成を用いることを常套手法としている。
【０００４】
近来、合金型温度ヒューズに要求される要件として、近来の環境保全意識の高揚から生体に有害な物質の使用を禁止しようとする動きが活発化しており、当該温度ヒューズのエレメントにおいても有害物質を含まないことが強く要請されている。
かかる温度ヒューズエレメントの合金組成としてＢｉ−Ｉｎ−Ｓｎ系があり、従来、合金組成がＳｎ４７〜４９％，Ｉｎ５１〜５３％，Ｂｉ残部のもの（特許文献１）、Ｓｎ４２〜４４％，Ｉｎ５１〜５３％，Ｂｉ４〜６％のもの（特許文献２）、Ｓｎ４４〜４８％，Ｉｎ４８〜５２％，Ｂｉ２〜６％のもの（特許文献３）、Ｓｎ０．３〜１．５％，Ｉｎ５１〜５４％，Ｂｉ残部のもの（特許文献４）、Ｓｎ３３〜４３％，Ｉｎ０．５〜１０％、Ｂｉ残部のもの（特許文献５）、Ｓｎ４０〜４６％，Ｂｉ７〜１２％、Ｉｎ残部のもの（特許文献６）、Ｓｎ２．５〜１０％，Ｂｉ２５〜３５％、Ｉｎ残部のもの（特許文献７）、Ｓｎ１〜１５％，Ｂｉ２０〜３３％、Ｉｎ残部のもの（特許文献８）等が知られている。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭５６−１１４２３７号公報
【特許文献２】
特開昭５９−８２２９号公報
【特許文献３】
特開平３−２３６１３０号公報
【特許文献４】
特開平６−３２５６７０号公報
【特許文献５】
特開２００１−２６６７２３号公報
【特許文献６】
特開２００１−２６６７２４号公報
【特許文献７】
特開平２００１−２９１４５９号公報
【特許文献８】
特開２００１−３２５８６７号公報
【０００６】
ところで、Ｂｉ−Ｉｎ−Ｓｎ系三元合金の液相面状態図を求めると、５２Ｉｎ−４８Ｓｎの二元共晶点と三元共晶点として２１Ｓｎ−４８Ｉｎ−３１Ｂｉが存在し、前記二元共晶点から三元共晶点に向かう二元共晶曲線がほぼ２４〜４７Ｓｎ、５０〜４７Ｉｎ、０〜２８Ｂｉの枠内を通過している。
周知の通り、合金に熱エネルギーを一定の速度で加えると固相または液相状態を保つ限り、その熱エネルギーが昇温のみに費やされる。而るに、溶け始めると、そのエネルギーの一部が相変化にも費やされつつ昇温され、液相化が完了すると、相状態不変のもとで昇温のみに熱エネルギーが費やされ、この昇温／熱エネルギーの状態は示差走査熱量分析〔基準試料（不変化）と測定試料をＮ２ガス容器内に納め、容器ヒータに電力を供給して両試料を一定速度で昇温させ、測定試料の状態変化に伴う熱エネルギー入力量の変化を示差熱電対により検出する分析であり、ＤＳＣと称されている〕により求めることができる。
【０００７】
ＤＳＣ測定結果は合金組成により異なる。本発明者は各種組成のＢｉ−Ｉｎ−Ｓｎ系合金のＤＳＣを測定し鋭意検討した結果、組成に応じ図１１の（イ）〜（ニ）に示すようなパターンの溶融特性を呈し、図１１の（イ）に示すパターンが上記二元共晶曲線から離れた特定の領域に存在すること、この溶融パターンのＢｉ−Ｉｎ−Ｓｎ系合金をヒューズエレメントに使用すると、予想外にも最大吸熱ピーク点の近傍でヒューズエレメントを集中的に溶断動作させ得ることを知った。
【０００８】
図１１の（イ）のパターンを説明すると、固相線温度ａで液相化し始め（溶融し始め）、液相化の進行と共に熱エネルギー吸収量が増していき、ピーク点ｐで熱エネルギー吸収量が最大となり、この点を通過すると熱エネルギー吸収量が次第に減少していき、液相線温度ｂで熱エネルギー吸収量が零になって液相化が終了し、以後液相状態のもとで昇温されていく。
最大吸熱ピーク点ｐの近傍でヒューズエレメントの分断動作が発生する理由は、かかる溶融特性を呈するＢｉ−Ｉｎ−Ｓｎ系組成では、表面張力の低いＩｎおよびＳｎが多量に含まれているために完全液相状態以前の最大吸熱ピーク点ｐ近傍の固液共存域で既に優れた濡れ性を呈し、その固液共存域状態を超えての状態を待たずに球状化分断が生じる結果と推定できる。
図１１の（ロ）の溶融パターンは前記した二元共晶曲線近傍組成のパターンであり、固相線温度ａと液相線温度ｂとがほぼ一致し、前記した常套手法によるヒューズエレメントの分断動作が得られる。
図１１の（ハ）の溶融パターンでは、熱エネルギーの吸収が緩慢であり、濡れ性の急変点がなく、ヒューズエレメントの分断動作点が集中範囲に定まらず、図１１の（ニ）の溶融パターンでは、吸熱ピーク点が複数であり、何れの吸熱ピーク点でもヒューズエレメントの分断動作が生じる蓋然性があり、図１１の（ハ）、（ニ）共にヒューズエレメントの分断動作点が狭い範囲に集中され得ない。
【０００９】
上記のように、本発明者においてはＢｉ−Ｉｎ−Ｓｎ系の前記二元共晶曲線から離れた組成でも、図１１の（イ）に示すような溶融パターンでは、固液共存域内の最大吸熱ピーク点近傍で確定的にヒューズエレメントの分断動作が得られることを確認した。
更に、これに加え、図１１の（イ）に示すような溶融パターンのＢｉ−Ｉｎ−Ｓｎ系合金組成では、優れたオーバーロード特性及び耐圧特性が得られることを確認した。
オーバーロード特性とは、温度ヒューズに規定の電流・電圧を印加している状態で、周囲温度が上昇して動作するときにヒューズが損傷したり、アーク、炎等を発生して危険な状態に達しない外形的安定性を指し、耐圧特性とは、動作した温度ヒューズが規定の高電圧のもとでも絶縁破壊を起こすことなく絶縁性を維持できる絶縁安定性を指している。
【００１０】
このオーバーロード特性及び耐圧特性の評価方法としては、代表的な規格であるＩＥＣ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ）規格６０６９１に、定格電圧×１．１，定格電流×１．５を印加しながら２±１Ｋ／ｍｉｎの速度で昇温させて動作させた際、アーク、炎等を発生して危険な状態にならないこと、及び動作後のヒューズボディーに巻装した金属箔とリード線間に定格電圧×２＋１０００Ｖを、両リード導体間に定格電圧×２をそれぞれ１分間印加しても、放電したり、絶縁破壊しないことが規定されており、図１１の（イ）に示すような溶融パターンのＢｉ−Ｉｎ−Ｓｎ系合金組成のヒューズエレメントを用いた温度ヒューズでは、この規格に優れた成績で合格する。
【００１１】
本発明の目的は、上記の知見に基づき、新規かつ有用なＢｉ−Ｉｎ−Ｓｎ系合金の温度ヒューズエレメント用材料を提供することにある。
更に、オーバーロード特性及び耐圧特性に優れた合金型温度ヒューズを提供することにある。
更に、ヒューズエレメントの比抵抗の低下や細線化により合金型温度ヒューズの薄型化・小型化を図ることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る温度ヒューズエレメント用材料Ｓｎが２５％を超え、かつ６０％以下、Ｂｉが１２％を超え、かつ３３％以下、Ｉｎが２０％以上で、かつ５０％未満である合金組成を有することを特徴とする。
【００１３】
請求項２に係る温度ヒューズエレメント用材料はＳｎが２５％を超え、かつ６０％以下、Ｂｉが１２％を超え、かつ３３％以下、Ｉｎが２０％以上で、かつ４５％未満である合金組成を有することを特徴とする。
【００１４】
請求項３に係る温度ヒューズエレメント用材料は請求項１または２記載の合金組成１００重量部にＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｇｅの１種または２種以上が０．１〜３．５重量部添加されていることを特徴とする。
【００１５】
上記温度ヒューズエレメント用材料においては、各原料地金の製造上及びこれら原料の溶融撹拌上生じ、特性に実質的な影響を来さない量の不可避的不純物の含有が許容される。更に、上記合金型温度ヒューズにおいては、リード導体または膜電極の金属材や金属膜材が固相拡散により微量にヒューズエレメントに不可避的に移行され、特性に実質的な影響を来さない場合は、不可避的不純物として許容される。
【００１６】
請求項４に係る合金型温度ヒューズは、請求項１〜３何れか記載の温度ヒューズエレメント用材料をヒューズエレメントとしたことを特徴とする。
【００１７】
請求項５に係る合金型温度ヒューズは、請求項４記載の合金型温度ヒューズにおいてヒューズエレメントに不可避的不純物が含有されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項６に係る合金型温度ヒューズは、リード導体間にヒューズエレメントが接続され、リード導体の少なくともヒューズエレメント接合部にＳｎまたはＡｇ膜が被覆されていることを特徴とする請求項４または５記載の合金型温度ヒューズである。
【００１９】
請求項７に係る合金型温度ヒューズは、ヒューズエレメントの両端にリード導体が接合され、ヒューズエレメントにフラックスが塗布され、該フラックス塗布ヒューズエレメント上に筒状ケースが挿通され、筒状ケースの各端と各リード導体との間が封止され、しかも、リード導体端がディスク状とされ、ディスク前面にヒューズエレメント端が接合されていることを特徴とする請求項４〜６何れか記載の合金型温度ヒューズである。
【００２０】
請求項８に係る合金型温度ヒューズは、金属粒体及びバインダーを含有する導電ペーストの印刷焼き付けにより基板上に一対の膜電極が設けられ、これらの膜電極間にヒューズエレメントが接続され、しかも、金属粒体がＡｇ、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｇ−Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｕの何れかであることを特徴とする請求項４〜５何れか記載の合金型温度ヒューズである。
【００２１】
請求項９に係る合金型温度ヒューズは、ヒューズエレメントを溶断させるための発熱体が付設されていることを特徴とする請求項４〜８何れか記載の合金型温度ヒューズである。
【００２２】
請求項１０に係る合金型温度ヒューズは、一対の各リード導体の一部が絶縁プレートの片面より他面に露出され、これらのリード導体露出部にヒューズエレメントが接続され、前記絶縁プレートの他面に絶縁体が被覆されていることを特徴とする請求項４〜６何れか記載の合金型温度ヒューズである。
【００２３】
請求項１１に係る合金型温度ヒューズは、一対のリード導体間に接続されたヒューズエレメントが絶縁フィルムで挾まれていることを特徴とする請求項４〜６何れか記載のの合金型温度ヒューズである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明において、ヒュ−ズエレメントは円形線または扁平線とされ、その外径または厚みが１００μｍ〜８００μｍ、好ましくは、３００μｍ〜６００μｍとされる。
【００２５】
請求項１においてヒューズエレメントの合金組成を、２５％＜Ｓｎ重量≦６０％、１２％＜Ｂｉ重量≦３３％、２０％≦Ｉｎ重量＜５０％と限定した理由は、前記した公知の合金組成との重畳を排除し、かつＢｉ−Ｉｎ−Ｓｎ系三元合金の液相面状態図における、５２Ｉｎ−４８Ｓｎの二元共晶点から三元共晶点２１Ｓｎ−４８Ｉｎ−３１Ｂｉに向かう二元共晶曲線の近傍で呈する図１１の（ロ）に示すパターンの合金溶融特性及び同二元共晶曲線から隔たっているが熱吸収ピーク近傍で確定的にヒューズエレメントの分断動作を行なわせ得る図１１の（イ）に示すパターンの合金溶融特性を得ることにある。
ここで、従来の温度ヒューズエレメントの公知のＢｉ−Ｉｎ−Ｓｎ系組成との重畳を排除するために、Ｓｎ２５％以下、Ｉｎ５０％超、Ｂｉ１２％以下を除外している。Ｓｎ６０超、Ｉｎ２０％未満、Ｂｉ３３％超の範囲は、本出願人の別出願の範囲に重畳したり、固液共存域が広くてもＤＳＣ測定結果が図１１の（ハ）や（ニ）のパターンとなって動作温度のバラツキが促されたり、比抵抗が高くなり過ぎたり、または後述のホールディング温度（動作温度−２０℃）を固相線温度以下にすることが難しなったりするので、排除している。
【００２６】
請求項２においてヒューズエレメントの合金組成を、２５％＜Ｓｎ重量≦６０％、１２％＜Ｂｉ重量≦３３％、２０％≦Ｉｎ重量≦４５％と限定した理由は、同二元共晶曲線から隔たっているが最大吸熱ピーク近傍で集中的にヒューズエレメントの分断動作を行なわせ得る図１１の（イ）に示す溶融特性を得るためであり、好ましい範囲は、３０％≦Ｓｎ重量≦５０％、２０％≦Ｂｉ重量≦３０％、３０％≦Ｉｎ重量≦４０％である。基準組成は、Ｓｎ４０％、Ｂｉ２５％、Ｉｎ３５％であり、その液相線温度は１２４℃、固相線温度は約５９℃であり、昇温速度５℃／ｍｉｎでＤＳＣ測定した結果、最大吸熱ピークが単一でその温度は約６３℃である。
【００２７】
請求項１〜２記載の合金組成のヒューズエレメントは次のような効能を備えている。
（１）溶融過程の吸熱挙動において、最大吸熱ピークが単一であり、その点の吸熱量差が吸熱過程の他の部分の吸熱量差に比較して極めて大きく、この最大吸熱ピークの固液共存域の濡れ性が完全液相化を待たずとも充分に良くなり、最大吸熱ピーク点近傍で温度ヒューズエレメントの球状化分断が行われ得る。
（２）従って、温度ヒューズの動作温度のバラツキが許容範囲の±５℃以内に収められる。
（３）ヒューズエレメントに通電電流による自己発熱が生じると、無負荷時よりも低い環境温度で温度ヒューズが動作するので、定格電流を１６８時間流しつづけても動作しない最高保持温度を設定することが義務付けられており、この最高保持温度はホールディング温度と称され通常（動作温度−２０℃）とされている。ヒューズエレメントの固相線温度がこのホールディング温度以上であることが要求されるが、この要件を満たしている。
（４）Ｉｎ、Ｓｎが比較的多いために細線の線引き加工に必要な充分な延性が与えられ、２００〜３００μｍφといった細線の線引きも可能となる。
（５）優れたオーバーロード特性及び耐圧特性を保証できる。前記したように、常套手法に基づく温度ヒューズでは、ヒューズエレメントの固液共存域が狭いために、通電昇温中に固体から液体に瞬時に変化して動作時にアークが発生し易く、アークが発生すると局所的且つ急激な昇温が起こり、その影響でフラックスの気化に伴う内圧上昇やフラックスの炭化が発生し、更に、表面張力が高ければ加えて影響が大となる溶融合金や炭化フラックスの通電動作による飛散が激しくなる結果、炭化フラックス間の再導通に起因するアーク発生による物理的破壊が起こり易く、また、飛散した合金や炭化フラックスの絶縁距離不保持により動作後の電圧印加時、再導通による絶縁破壊が発生し易い。請求項２に係る合金組成のヒューズエレメントでは、前記の二元共晶曲線から相当に外れており固液共存域が相当に広いことから、通電昇温中においても広い固液共存状態で分断されるために、動作直後のアーク発生がよく抑制され、通常定格に添ったオーバーロード試験でも前述した物理的破壊を発生せず、動作後の絶縁抵抗を充分に高く維持でき、優れた耐圧特性を保証できる。
【００２８】
請求項１中の合金組成の内、２５％＜Ｓｎ重量≦４３％、１２％＜Ｂｉ重量≦３０％、４５％≦Ｉｎ重量＜５０％の範囲は、二元共晶曲線を包含する近傍の範囲であり、固相線温度と液相線温度との差が狭く、前記した常套手法に基づき合金型温度ヒューズのヒューズエレメントに使用され、前記した（２）、（３）、（４）の効能を充足している。
【００２９】
本発明において、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｂの１種または２種以上を前記の合金組成１００重量部に対し０．１〜３．５重量部添加する理由は、合金の比抵抗を低減すると共に機械的強度を向上させるためであり、０．１重量部未満では満足な効果が得られず、３．５重量部を越えると、前記の溶融特性の保持が困難になる。
而して、線引きに対し、より一層の強度及び延性を付与して１００μｍφ〜３００μｍφという細線への線引き加工を容易に行うことができる。更に、ヒューズエレメントが比較的多量のＩｎを含むために凝集力がかなり強く、ヒューズエレメントのリード導体等への溶接接合が不完全であっても、その凝集力のために見掛上接合された外見を呈するが、前記元素の添加により凝集力を低減でき、かかる不具合を排除でき、溶接後検査における合否判別精度を向上できる。
また、リード導体の金属材、薄膜材または膜電極中の粒体金属材等の被接合材が固相拡散によりヒューズエレメント中に移行することが知られているが、予めヒューズエレメント中に被接合材と同一元素、例えば上記のＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ等を添加しておくことによりその移行を抑制でき、本来は特性に影響を来すような被接合材のその影響（例えば、Ａｇ、Ａｕ等は融点降下に伴う動作温度の局所的な低下やバラツキをもたらし、Ｃｕ、Ｎｉ等は接合界面に形成される金属間化合物層の増大による動作温度のバラツキや動作不良をもたらす）を排除しヒューズエレメントとしての機能を損なうことなく、正常な温度ヒューズの動作を保証できる。
【００３０】
本発明に係る合金型温度ヒュ−ズのヒュ−ズエレメントは、通常、ビレットを製作し、これを押出機で粗線に押出成形し、この粗線をダイスで線引きすることにより製造でき、外径は１００μｍφ〜８００μｍφ、好ましく３００μｍφ〜６００μｍφとされる。また、最終的にカレンダーロールに通し、扁平線として使用することもできる。
また、冷却液を入れたシリンダーを回転させて回転遠心力により冷却液を層状に保持し、ノズルから噴射した母材溶融ジェツトを前記の冷却液層に入射させ冷却凝固させて細線材を得る回転ドラム式紡糸法により製造することも可能である。
これらの製造時、各原料地金の製造上及びこれら原料の溶融撹拌上生じる不可避的不純物を含有することが許容される。
【００３１】
本発明は独立したサーモプロテクタとしての温度ヒューズの形態で実施される。その外、半導体装置やコンデンサや抵抗体に温度ヒューズエレメントを直列に接続し、このエレメントにフラックスを塗布し、このフラックス塗布エレメントを半導体やコンデンサ素子や抵抗素子に近接配置して半導体やコンデンサ素子や抵抗素子と共に樹脂モールドやケース等により封止した形態で実施することもできる。
【００３２】
図１は本発明に係る筒型ケ−スタイプの合金型温度ヒュ−ズを示し、一対のリ−ド線１，１間に請求項１〜３何れかのヒュ−ズエレメント２を接続し、例えば溶接により接続し、該ヒュ−ズエレメント２上にフラックス３を塗布し、このフラックス塗布ヒュ−ズエレメント上に耐熱性・良熱伝導性の絶縁筒４、例えば、セラミックス筒を挿通し、該絶縁筒４の各端と各リ−ド線１との間を封止剤５、例えば、常温硬化型エポキシ樹脂等で封止してある。
【００３３】
図２はケ−スタイプラジアル型を示し、並行リ−ド導体１，１の先端部間に請求項１〜３何れかのヒュ−ズエレメント２を接続し、例えば溶接により接続し、ヒュ−ズエレメント２にフラックス３を塗布し、このフラックス塗布ヒュ−ズエレメントを一端開口の絶縁ケ−ス４、例えばセラミックスケ−スで包囲し、この絶縁ケ−ス４の開口を封止剤５、例えば常温硬化型エポキシ樹脂等で封止してある。
【００３４】
図３は、薄型を示し、厚み１００〜３００μｍのプラスチックベ−スフィルム４１に厚み１００〜２００μｍの帯状リ−ド導体１，１を固着し、例えば接着剤または融着により固着し、帯状リ−ド導体間に線径２５０μｍφ〜５００μｍφの請求項１〜３何れかのヒュ−ズエレメント２を接続し、例えば溶接により接続し、このヒュ−ズエレメント２にフラックス３を塗布し、このフラックス塗布ヒュ−ズエレメントを厚み１００〜３００μｍのプラスチックカバ−フィルム４１の固着、例えば接着剤または超音波融着による固着で封止してある。
【００３５】
図４は、別の薄型を示し、厚み１００〜３００μｍのプラスチックベ−スフィルム４１の片面に厚み１００〜２００μｍの帯状リ−ド導体１，１を固着、例えば接着剤または融着により固着すると共に各帯状リ−ド導体の一部１’をベ−スフィルム４１の他面側に露出させ、これらのリード導体露出部間に線径２５０μｍφ〜５００μｍφの請求項１〜３何れかのヒュ−ズエレメント２を接続し、例えば溶接により接続し、このヒュ−ズエレメント２にフラックス３を塗布し、このフラックス塗布ヒュ−ズエレメントを厚み１００〜３００μｍのプラスチックカバ−フィルム４１の固着、例えば接着剤または超音波融着による固着で封止してある。
【００３６】
図５は樹脂ディツピングタイプラジアル型を示し、並行リ−ド導体１，１の先端部間に請求項１〜３何れかのヒュ−ズエレメント２を接合し、例えば溶接により接合し、ヒュ−ズエレメント２にフラックス３を塗布し、このフラックス塗布ヒュ−ズエレメントを樹脂液ディッピングにより絶縁封止剤、例えばエポキシ樹脂５で封止してある。
【００３７】
図６は基板タイプを示し、絶縁基板４、例えばセラミックス基板上に一対の膜電極１，１を導電ペ−ストの印刷焼付けにより形成し、各電極１にリ−ド導体１１を接続し、例えば溶接やはんだ付け等により接続し、電極１，１間に請求項１〜３何れかのヒュ−ズエレメント２を接合し、例えば溶接等により接合し、ヒュ−ズエレメント２にフラックス３を塗布し、このフラックス塗布ヒュ−ズエレメントを封止剤５例えばエポキシ樹脂で被覆してある。この導電ペ−ストには、金属粒体とバインダーを含有し、金属粒体に例えばＡｇ、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｇ−Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｕ等を用い、バインダーに例えばガラスフリット、熱硬化性樹脂等を用いたものを使用できる。
【００３８】
上記合金型温度ヒューズにおいて、ヒューズエレメントのジュール発熱を無視できるときは、被保護機器が許容温度Ｔｍに達したときのヒューズエレメントの温度ＴｘはＴｍより２℃〜３℃低くなり、通常ヒューズエレメントの融点が〔Ｔｍ−（２℃〜３℃）〕に設定される。
【００３９】
本発明は、合金型温度ヒューズにヒューズエレメントを溶断させるための発熱体を付設して実施することもできる。例えば、図７に示すように、絶縁基板４、例えばセラミックス基板上にヒューズエレメント用電極１，１と抵抗体用電極１０，１０を有する導体パターン１００を導電ペ−ストの印刷焼付けにより形成し、抵抗ペースト（例えば、酸化ルテニウム等の酸化金属粉のペースト）の塗布・焼き付けにより膜抵抗６を抵抗体用電極１０，１０間に設け、ヒューズエレメント用電極１，１間に請求項１〜３何れかのヒュ−ズエレメント２を接合し、例えば溶接により接合し、ヒュ−ズエレメント２にフラックス３を塗布し、このフラックス塗布ヒュ−ズエレメント２や膜抵抗６を封止剤５例えばエポキシ樹脂で被覆することができる。
この発熱体付き温度ヒューズでは、機器の異常発熱の原因となる前兆を検出し、この検出信号で膜抵抗を通電して発熱させ、この発熱でヒューズエレメントを溶断させることができる。
上記発熱体を絶縁基体の上面に設け、この上に耐熱性・熱伝導性の絶縁膜、例えばガラス焼き付け膜を形成し、更に一対の電極を設け、各電極に扁平リード導体を接続し、両電極間にヒューズエレメントを接続し、ヒューズエレメントから前記リード導体の先端部にわたってフラックスを被覆し、絶縁カバーを前記の絶縁基体上に配設し、該絶縁カバー周囲を絶縁基体に接着剤により封着することができる。
【００４０】
上記の合金型温度ヒューズ中、リード導体にヒューズエレメントを直接に接合する型式においては（図１〜図５）、リード導体の少なくともヒューズエレメント接合部分にＳｎやＡｇの薄膜（厚みは、例えば１５μｍ以下、好ましくは５〜１０μｍ）を被覆し（例えばめっきにより被覆し）、ヒューズエレメントとの接合強度の増強を図ることができる。
上記の合金型温度ヒューズにおいて、リード導体の金属材、薄膜材または膜電極中の粒体金属材が固相拡散によりヒューズエレメント中に移行する可能性があるが、前記した通り、予めヒューズエレメント中に薄膜材と同一元素を添加しておくことによりヒューズエレメントの特性を充分に維持できる。
【００４１】
上記のフラックスには、通常、融点がヒュ−ズエレメントの融点よりも低いものが使用され、例えば、ロジン９０〜６０重量部、ステアリン酸１０〜４０重量部、活性剤０〜３重量部を使用できる。この場合、ロジンには、天然ロジン、変性ロジン（例えば、水添ロジン、不均化ロジン、重合ロジン）またはこれらの精製ロジンを使用でき、活性剤には、ジエチルアミン等のアミン類の塩酸塩や臭化水素酸塩、アジピン酸等の有機酸を使用できる。
【００４２】
上記した合金型温度ヒューズ中、筒型ケ−スタイプの場合、図８の（イ）に示すように、リード導体１，１を筒型ケース４に対し偏心無く配設することが、図８の（ロ）に示す正常な球状化分断を行わせるための前提条件であり、図８の（ハ）に示すように、偏心があれば、図８の（ニ）に示すように、動作後、筒状ケースの内壁にフラックス（フラックス炭化物を含む）や飛散合金が付着し易く、絶縁抵抗値の低下や耐圧特性の悪化が招来される。
そこで、かかる不具合を防止するために、図９の（イ）に示すように、各リード導体１，１の端をディスク状ｄに形成し、ヒューズエレメント２の各端を各ディスクｄの前面に接合し（例えば溶接により接合し）、ディスク外周の筒型ケース内面への支承によりヒューズエレメント２を筒型ケース４に対し実質的に同心に位置させることが有効である〔図９の（イ）において、３はヒューズエレメント２に塗布したフラックス、４は筒状ケース、５は封止剤例えばエポキシ樹脂である。ディスク外径は筒型ケース内径にほぼ等しくしてある〕。この場合、溶融したヒューズエレメントを図９の（ロ）に示すように、ディスクｄの前面に球面状に凝集させてケース４の内面にフラックス（炭化物を含む）や飛散合金が付着するのを防止できる。
【００４３】
【実施例】
以下の実施例及び比較例において使用した合金型温度ヒューズは交流定格３Ａ×２５０Ｖの筒型ケースタイプであり、筒状セラミックスケースが外径２．５ｍｍ、ケース厚み０．５ｍｍ、ケース長さ９ｍｍ、リード導体が外径０．６ｍｍφのＳｎメッキ軟銅線、ヒューズエレメントが外径０．６ｍｍφ、長さ３．５ｍｍであり、フラックスに天然ロジン８０重量部，ステアリン酸２０重量部，ジエチルアミン臭化水素酸塩１重量部の組成物を使用し、封止剤に常温硬化型のエポキシ樹脂を使用した。
ヒューズエレメントの固相線温度及び液相線温度は昇温速度５℃／ｍｉｎの条件でＤＳＣにより測定した。
【００４４】
試料数を５０箇とし、０．１アンペアの検知電流を通電しつつ、昇温速度１℃／ｍｉｎのオイルバスに浸漬し、ヒューズエレメント溶断による通電遮断時のオイル温度Ｔ０を測定し、Ｔ０−２℃を温度ヒューズエレメントの動作温度とした。
【００４５】
オーバーロード特性及び温度ヒューズ動作後の絶縁安定性はＩＥＣ ６０６９１に規定されたオーバーロード試験法及び耐圧試験法に準じた試験に基づき評価した（オーバーロード試験前の湿度試験は省略した）。
すなわち、試料に１．１×定格電圧，１．５×定格電流を印加しながら周囲温度を（２±１）Ｋ／ｍｉｎの速度で上昇させて動作させた際の破壊や物理的損傷の有無を確認した。破壊や損傷を生じなかった試料のうち、リード導体間が定格電圧×２（５００Ｖ）に１分間耐え、かつ動作後のヒューズボディーに巻着した金属箔とリード導体間が定格電圧×２＋１０００Ｖ（１５００Ｖ）に１分間耐えたものを耐圧特性に対し合格とし、また直流電圧値が定格電圧×２（５００Ｖ）印加時のリード導体間の絶縁抵抗が０．２ＭΩ以上で、かつ動作後のヒューズボディーに巻着した金属箔とリード導体間の絶縁抵抗が２ＭΩ以上のものを絶縁特性に対し合格とし、耐圧特性及び絶縁特性共に合格したものを絶縁安全性に合格とした。試料数を５０箇とし、５０箇全てが絶縁安定性に合格した場合のみを○、一箇でも不合格となった場合を×と評価した。
【００４６】
〔実施例１〕
ヒューズエレメントの組成にＳｎ４０％、Ｂｉ２５％、残部Ｉｎを使用した。ヒューズエレメントは１ダイスについての減面率を６．５％、線引き速度を５０ｍ／ｍｉｎの条件で３００μｍφに細線加工することにより得たが、断線は皆無でクビレ等の発生もなく良好な加工性を示した。
ＤＳＣ測定結果は図１０に示す通りであり、液相線温度は１２４℃、固相線温度は５９℃、最大吸熱ピーク温度は６３℃であった。
温度ヒューズ動作時のヒューズエレメント温度は６２±１℃であった。従って、温度ヒューズ動作時のヒューズエレメント温度が最大吸熱ピーク温度にほぼ一致することが明かである。
前記したオーバーロード試験を行っても、破壊等の物理的損傷を全く伴うことなく動作させ得た。この動作後の耐圧試験についても、リード導体間が定格電圧×２（５００Ｖ）に１分間以上耐え、かつ動作後のヒューズボディーに巻いた金属箔とリード導体間が定格電圧×２＋１０００Ｖ（１５００Ｖ）に１分間以上耐えたことから合格であり、絶縁特性についても直流電圧値が定格電圧×２（５００Ｖ）印加時のリード導体間の絶縁抵抗が０．２ＭΩ以上で、かつ動作後のヒューズボディーに巻いた金属箔とリード導体間の絶縁抵抗値が２ＭΩ以上であって、共に合格であることから絶縁安定性の評価は○であった。
このように良好なオーバーロード特性及び動作後の絶縁安定性が得られた理由は、前記通電昇温中においてもヒューズエレメントが広い固液共存状態で分断されるために、動作直後のアーク発生がよく抑制されて急激な昇温が発生し難く、それに起因するフラックスの気化に伴う圧力上昇やフラックスの炭化等が抑制され、物理的破壊が惹起されることもなく、溶融合金や炭化フラックスの通電動作による飛散等もよく抑制でき、充分な絶縁距離を確保できたためである。
【００４７】
〔実施例２〜５〕
実施例１に対し、合金組成を表１に示すように変えた以外、実施例１に同じとした。
これら実施例の固相線温度、液相線温度は表１の通りであった。温度ヒューズ動作時のヒューズエレメント温度は表１の通りであり、バラツキが±４℃以内であって固液共存域にある。
オーバーロード特性及び絶縁安定性とも実施例１と同様に合格であり、その理由は実施例１と同様にヒューズエレメントが広い固液共存状態で分断されることにあると推定できる。
何れの実施例とも、実施例１と同様良好な線引き加工性であった。
【表１】

【００４８】
〔実施例６〜８〕
実施例１に対し、合金組成を表２に示すように変えた以外、実施例１に同じとした。
これら実施例の固相線温度、液相線温度は表２の通りであった。温度ヒューズ動作時のヒューズエレメント温度は表２の通りであり、バラツキが±４℃以内であって固液共存域にある。
オーバーロード特性及び絶縁安定性とも実施例１と同様に合格であり、その理由は実施例１と同様にヒューズエレメントが広い固液共存状態で分断されることにあると推定できる。
何れの実施例とも、実施例１と同様良好な線引き加工性であった。
【表２】

【００４９】
〔実施例９〜１２〕
実施例１に対し、合金組成を表３に示すように変えた以外、実施例１に同じとした。
これら実施例の固相線温度、液相線温度は表３の通りであった。温度ヒューズ動作時のヒューズエレメント温度は表３の通りであり、バラツキが±３℃以内であって固液共存域にある。
オーバーロード特性及び絶縁安定性とも実施例１と同様に合格であり、その理由は実施例１と同様にヒューズエレメントが広い固液共存状態で分断されることにあると推定できる。
何れの実施例とも、実施例１と同様良好な線引き加工性であった。
【表３】

【００５０】
〔実施例１３〕
ヒューズエレメントに、実施例１の合金組成１００重量部にＡｇを１重量部を添加した合金組成を使用した以外は実施例１に同じとした。
実施例１のヒューズエレメント線材の線引き条件よりも過酷な条件である、１ダイスについての減面率８％、線引き速度８０ｍ／ｍｉｎの条件にて３００μｍφのヒューズエレメント線材を製造したが、断線は皆無でクビレ等の問題も発生せず、優れた加工性を示した。
固相線温度は５７℃、最大吸熱ピーク温度及び温度ヒューズ動作時のヒューズエレメント温度は実施例１に比べ約２℃低下するだけで、実施例１の動作温度及び溶融特性と大差なく保持できることを確認できた。
実施例１と同様、前記したオーバーロード試験においても破壊等の物理的損傷を全く伴うことなく動作させ得たことから合格であり、動作後の耐圧試験についても、リード導体間が定格電圧×２（５００Ｖ）に１分間以上耐え、かつ動作後のヒューズボディーに巻いた金属箔とリード導体間が定格電圧×２＋１０００Ｖ（１５００Ｖ）に１分間以上耐えたことから合格であり、絶縁特性についても直流電圧値が定格電圧×２（５００Ｖ）印加時のリード導体間の絶縁抵抗が０．２ＭΩ以上で、かつ動作後のヒューズボディーに巻いた金属箔とリード導体間の絶縁抵抗値が２ＭΩ以上であって、共に合格であることから絶縁安定性の評価は○であった。従って、Ａｇ添加にもかかわらず、良好なオーバーロード特性及び絶縁安定性を保持できることを確認できた。
Ａｇの添加量０．１〜３．５重量部の範囲で上記効果が認められることも確認できた。
更に、被接合体であるリード導体金属材、薄膜材または膜電極中の粒体金属材がＡｇの場合、本実施例のように同一元素であるＡｇを予め添加しておくことにより、その金属材がヒューズエレメント接合後経時的に固相拡散によりヒューズエレメント中に移行するのを抑制でき、融点低下に伴う動作温度の局所的な低下やバラツキ等の影響を排除できることを確認できた。
【００５１】
〔実施例１４〜２１〕
ヒューズエレメントに、実施例１の１００重量部にＡｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｇａ、Ｇｅ，Ｓｂのそれぞれを０．５重量部を添加した以外実施例１と同様とした。
実施例１３の添加金属Ａｇと同様にＡｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｇａ、Ｇｅ，Ｓｂの添加によっても、優れた線引き加工性が得られ、実施例１の動作温度と溶融特性も充分に保証でき、良好なオーバーロード特性及び絶縁安定性を保持でき、更に同種金属材の固相拡散抑制も達成できることを確認した。
更に、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｇａ、Ｇｅ，Ｓｂのそれぞれの添加量０．１〜３．５重量部の範囲で上記効果が認められることも確認した。
【００５２】
〔比較例１〕
実施例１に対し、ヒューズエレメントの組成をＳｎ２０％、Ｂｉ２５％、残部Ｉｎとした以外、実施例１に同じとした。
加工性は良好であった。固液共存域が比較的狭いので動作温度のバラツキも許容できる範囲であった。
オーバーロード試験においても破壊等の物理的損傷なく動作したことから合格であった。
しかしながら、動作後の耐圧試験において、リード導体間の絶縁抵抗値が０．１ＭΩ以下と低く、２×定格電圧（５００Ｖ）の電圧を印加した際、再導通したものが多かったので、絶縁安定性が×であった。
その理由は、ヒューズエレメントの分断が固液共存域で行われても、その範囲が比較的狭く、通電昇温中に固体から液体に迅速に変化するために動作直後にアークが発生し、局所的且つ急激な昇温のためにフラックスが炭化し、動作時に飛散した合金や炭化フラックスに起因しての絶縁距離不保持のために絶縁抵抗値が低く、電圧印加時、再導通して絶縁破壊に至ったと推定される。
【００５３】
〔比較例２〕
実施例１に対し、ヒューズエレメントの組成をＳｎ６５％、Ｂｉ２５％、残部Ｉｎとした以外、実施例１に同じとした。
加工性は良好であったが、動作温度が１４０±１０℃であり、バラツキが許容範囲の±５℃に比べ過大であった。
その理由は固液共存域が広くても、その共存域の溶融速度が緩慢でヒューズエレメントの分断温度を集中できないためである。そのＤＳＣ測定結果は図１１の（ハ）のパターンに属する。
また、固相線温度が５２℃であり、固相線温度が（動作温度−２０℃）よりも低く、前記ホールディング温度の要件を満たしていない。
【００５４】
〔比較例３〕
実施例１に対し、ヒューズエレメントの組成をＳｎ４０％、Ｂｉ３５％、残部Ｉｎとした以外、実施例１に同じとした。
加工性は良好で、動作温度も８１±２℃とバラツキが小さく問題はなかった。
しかし、固相線温度が５１℃であり、固相線温度が（動作温度−２０℃）よりも低く、前記ホールディング温度の要件を満たしていない。
【００５５】
〔比較例４〕
実施例１に対し、ヒューズエレメントの組成をＳｎ３３％、Ｂｉ１５％、残部Ｉｎとした以外、実施例１に同じとした。
加工性は良好であった。固液共存域が比較的狭いので動作温度のバラツキも許容できる範囲であった。
オーバーロード試験においても破壊等の物理的損傷なく動作したことから合格であった。
しかしながら、動作後の耐圧試験において、リード導体間の絶縁抵抗値が０．１ＭΩ以下と低く、２×定格電圧（５００Ｖ）の電圧を印加した際、再導通したものが多かったので、絶縁安定性が×であった。
その理由は、ヒューズエレメントの分断が固液共存域で行われても、その範囲が比較的狭く、通電昇温中に固体から液体に迅速に変化するために動作直後にアークが発生し、局所的且つ急激な昇温のためにフラックスが炭化し、動作時に飛散した合金や炭化フラックスに起因しての絶縁距離不保持のために絶縁抵抗値が低く、電圧印加時、再導通して絶縁破壊に至ったと推定される。
【００５６】
〔比較例５〕
実施例１に対し、ヒューズエレメントの組成をＳｎ５５％、Ｂｉ３０％、残部Ｉｎとした以外、実施例１に同じとした。
加工性は良好であったが、そのＤＳＣ測定結果が図１１の（ニ）のパターンに属し、動作温度が約７５℃〜１５０℃にわたりバラツキが大であった。また、固相線温度が５２℃であり、固相線温度が（動作温度−２０℃）よりも低く、前記ホールディング温度の要件を満たしていない。
【００５７】
【発明の効果】
本発明に係るヒューズエレメント用材料によれば、生体系に有害な金属を含まないＳｎ−Ｉｎ−Ｂｉ系三元合金を用いて、新規かつ有用な温度ヒューズエレメント及びそのヒューズエレメントを用いた温度ヒューズを提供できる。
特に、請求項２に係るヒューズエレメント用材料や温度ヒューズによれば、オーバーロード特性及び動作後の耐圧特性や絶縁特性に優れた合金型温度ヒューズを提供できる。
更に、請求項３に係るヒューズエレメント用材料や合金型温度ヒューズによれば、ヒューズエレメント用材料の優れた線引き加工性のためにヒューズエレメントの細線化が容易であり、温度ヒューズの小型化、薄型化に有利であり、また、本来影響を来すような被接合材とヒューズエレメントを接合して合金型温度ヒューズを構成する場合でも、ヒューズエレメントの機能を損なうことなく、正常な動作を保証できる。
特に、請求項４〜１１に係る合金型温度ヒューズによれば、筒型ケースタイプ温度ヒューズ、基板型温度ヒューズ、テープタイプの薄型温度ヒューズ、発熱体付き温度ヒューズ、リード導体にＡｇ等をメッキした温度ヒューズ乃至は発熱体付き温度ヒューズに対し上記の効果を保証してこれら温度ヒューズ乃至は発熱体付き温度ヒューズの有用性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る合金型温度ヒュ−ズの一例を示す図面である。
【図２】本発明に係る合金型温度ヒュ−ズの上記とは別の例を示す図面である。
【図３】本発明に係る合金型温度ヒュ−ズの上記とは別の例を示す図面である。
【図４】本発明に係る合金型温度ヒュ−ズの上記とは別の例を示す図面である。
【図５】本発明に係る合金型温度ヒュ−ズの上記とは別の例を示す図面である。
【図６】本発明に係る合金型温度ヒュ−ズの上記とは別の例を示す図面である。
【図７】本発明に係る合金型温度ヒュ−ズの上記とは別の例を示す図面である。
【図８】筒型ケースタイプの合金型温度ヒュ−ズ及びその動作状態を示す図面である。
【図９】本発明に係る合金型温度ヒュ−ズの上記とは別の例を示す図面である。
【図１０】実施例１のヒューズエレメントのＤＳＣ曲線を示す図面である。
【図１１】Ｓｎ−Ｉｎ−Ｂｉ系三元合金の各種溶融パターンを示す図面である。
【符号の説明】
１ リード導体または膜電極
２ ヒューズエレメント
３ フラックス
４ 絶縁体
５ 封止剤
６ 膜抵抗
ｄ ディスク

Claims (11)

1. Ｓｎが２５％を超え、かつ６０％以下、Ｂｉが１２％を超え、かつ３３％以下、Ｉｎが２０％以上で、かつ５０％未満である合金組成を有することを特徴とする温度ヒューズエレメント用材料。
2. Ｓｎが２５％を超え、かつ６０％以下、Ｂｉが１２％を超え、かつ３３％以下、Ｉｎが２０％以上で、かつ４５％未満である合金組成を有することを特徴とする温度ヒューズエレメント用材料。
3. 請求項１または２記載の合金組成１００重量部にＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｇｅの１種または２種以上が０．１〜３．５重量部添加されていることを特徴とする温度ヒューズエレメント用材料。
4. 請求項１〜３何れか記載の温度ヒューズエレメント用材料をヒューズエレメントとしたことを特徴とする合金型温度ヒューズ。
5. ヒューズエレメントに不可避的不純物が含有されていることを特徴とする請求項４記載の合金型温度ヒューズ。
6. リード導体間にヒューズエレメントが接続され、リード導体の少なくともヒューズエレメント接合部にＳｎまたはＡｇ膜が被覆されていることを特徴とする請求項４または５記載の合金型温度ヒューズ。
7. ヒューズエレメントの両端にリード導体が接合され、ヒューズエレメントにフラックスが塗布され、該フラックス塗布ヒューズエレメント上に筒状ケースが挿通され、筒状ケースの各端と各リード導体との間が封止され、しかも、リード導体端がディスク状とされ、ディスク前面にヒューズエレメント端が接合されていることを特徴とする請求項４〜６何れか記載の合金型温度ヒューズ。
8. 金属粒体及びバインダーを含有する導電ペーストの印刷焼き付けにより基板上に一対の膜電極が設けられ、これらの膜電極間にヒューズエレメントが接続され、しかも、金属粒体がＡｇ、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｇ−Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｕの何れかであることを特徴とする請求項４〜５何れか記載の合金型温度ヒューズ。
9. ヒューズエレメントを溶断させるための発熱体が付設されていることを特徴とする請求項４〜８何れか記載の合金型温度ヒューズ。
10. 一対の各リード導体の一部が絶縁プレートの片面より他面に露出され、これらのリード導体露出部にヒューズエレメントが接続され、前記絶縁プレートの他面に絶縁体が被覆されていることを特徴とする請求項４〜６何れか記載の合金型温度ヒューズ。
11. 一対のリード導体間に接続されたヒューズエレメントが絶縁フィルムで挾まれていることを特徴とする請求項４〜６何れか記載の合金型温度ヒューズ。

Images