JP2004307958A

JP2004307958A - Thermal fuse

Info

Publication number: JP2004307958A
Application number: JP2003105101A
Authority: JP
Inventors: Motohide Takemura; 元秀竹村; Shinichi Kato; 伸一加藤; Shiro Hara; 四朗原; Masahiro Sugiura; 正洋杉浦; Toshihiro Kubota; 敏弘久保田
Original assignee: Solder Coat Co Ltd; Anzen Dengu KK
Current assignee: Solder Coat Co Ltd; Anzen Dengu KK
Priority date: 2003-04-09
Filing date: 2003-04-09
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2023-04-09
Also published as: JP4212400B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermal fuse which has a fuse element consisting of a Pb-free soluble alloy, and has properties equal to those of the conventional thermal fuse having a fuse element consisting of a Pb-containing soluble alloy. <P>SOLUTION: The thermal fuse is characterised by being provided with a fuse element formed by a soluble alloy comprising, by mass, 0.1 to 9% Zn and 0.1 to 20% In, and the balance Sn with inevitable impurities. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は過度の温度上昇による電気機器の熱破損を防止する温度ヒューズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
温度ヒューズは、テレビやビデオあるいはトランスや二次電池といった電気機器の電気回路に組み込まれている。温度ヒューズ周囲の環境温度が温度ヒューズの動作温度を超えると、温度ヒューズに組み込まれたヒューズエレメントが溶断する。このヒューズエレメントの溶断により、温度ヒューズは電気機器の熱破損を防止している。
【０００３】
ヒューズエレメントは、Ｐｂを含有した可溶性合金から形成されている（例えば、特許文献１参照）。すなわち、電気機器の種類等にもよるが、温度ヒューズの動作温度は、１００℃〜２００℃程度に設定される場合が多い。可溶性合金において、Ｐｂは合金全体の溶融温度を下げる役割を有している。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−７３８６９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、廃棄された電気機器の温度ヒューズから自然環境中にＰｂが溶出することが問題となっている。このため、工業材料としてＰｂを使用しないことが世界的な趨勢となっている。
【０００６】
本発明の温度ヒューズは、上記課題に鑑みて完成されたものである。したがって、本発明は、Ｐｂフリーの可溶性合金からなるヒューズエレメントを持ち、かつＰｂ含有可溶性合金からなるヒューズエレメントを持つ従来の温度ヒューズと、同等の特性を有する温度ヒューズを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の温度ヒューズは、０．１質量％以上９質量％以下のＺｎと、０．１質量％以上２０質量％以下のＩｎと、を含み、残部がＳｎと不可避不純物とからなる可溶性合金により形成されたヒューズエレメントを備えることを特徴とする。本発明の温度ヒューズの動作温度は、１７０℃〜１９０℃である。従来、同範囲の動作温度を有する温度ヒューズのヒューズエレメントは、Ｓｎ−Ｐｂ可溶性合金により形成されていた。
【０００８】
また、上記課題を解決するため、本発明の温度ヒューズは、０．１質量％以上１０質量％以下のＩｎと、４３質量％を超えて６０質量％以下のＳｎと、を含み、残部がＢｉと不可避不純物とからなる可溶性合金により形成されたヒューズエレメントを備えることを特徴とする。本発明の温度ヒューズの動作温度は、１３０℃〜１４０℃である。従来、同範囲の動作温度を有する温度ヒューズのヒューズエレメントは、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｉｎ可溶性合金、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｉｎ−Ｃｄ可溶性合金により形成されていた。
【０００９】
本発明の温度ヒューズのヒューズエレメントを形成する可溶性合金には、Ｐｂが含有さえていない。したがって、自然環境中にＰｂが溶出するおそれがない。また、上記組成範囲を有する可溶性合金からなるヒューズエレメントは、所定の動作温度において精度良く溶断する。また、上記組成範囲を有する可溶性合金からなるヒューズエレメントは、濡れ性が高い。このため、ヒューズエレメントのリード線に対する溶接強度は、比較的高い。したがって、機器振動などによりヒューズエレメントとリード線とが断線するおそれが小さい。このように、本発明の温度ヒューズは、従来の温度ヒューズの代替品として使用することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の温度ヒューズの実施の形態について説明する。
【００１１】
〈可溶性合金〉
第一に、可溶性合金について説明する。請求項１の可溶性合金は、不可避不純物を除外すれば、ＺｎとＩｎとＳｎとから形成されている。Ｚｎの含有割合を０．１質量％以上としたのは、０．１質量％未満の場合、可溶性合金の溶融温度が下がり、温度ヒューズの動作温度が１７０℃以下になってしまうからである。
【００１２】
また、Ｚｎの含有割合を９質量％以下としたのは、９質量％を超える場合、可溶性合金の液相温度が上昇するからである。そして、固相温度と液相温度との間に存在する固液共存領域が大きくなるからである。
【００１３】
Ｉｎの含有割合を０．１質量％以上としたのは、０．１質量％未満の場合、可溶性合金の溶融温度が上昇し、温度ヒューズの動作温度が１９０℃を超えるからである。また、可溶性合金の硬度が上がりヒューズエレメントが脆くなるからである。
【００１４】
また、Ｉｎの含有割合を２０質量％以下としたのは、２０質量％を超える場合、可溶性合金の硬度が下がり、後述するヒューズエレメント製造時においてヒューズエレメントがつぶれるからである。
【００１５】
残部としてＳｎを含有したのは、Ｓｎを含有すると可溶性合金の硬度が上がるからである。このため、Ｓｎを上記Ｉｎとともに含有させることで、可溶性合金の硬度を調整することができるからである。すなわち、ヒューズエレメント製造時の加工性や、ヒューズエレメントを電気機器に搭載する際の搭載性などを考慮して、可溶性合金の硬度バランスを採ることができるからである。
【００１６】
請求項２の可溶性合金は、不可避不純物を除外すれば、ＩｎとＳｎとＢｉとから形成されている。Ｉｎの含有割合を０．１質量％以上としたのは、０．１質量％未満の場合、可溶性合金の溶融温度が上昇し、温度ヒューズの動作温度が１４０℃を超えるからである。また、ヒューズエレメントが脆くなるからである。
【００１７】
また、Ｉｎの含有割合を１０質量％以下としたのは、１０質量％を超える場合、可溶性合金の硬度が過度に下がり、後述するヒューズエレメント製造時においてヒューズエレメントがつぶれるからである。
【００１８】
Ｓｎの含有割合を４３質量％を超えるように設定したのは、４３質量％以下の場合、可溶性合金の硬度が過度に下がり、後述するヒューズエレメント製造時においてヒューズエレメントがつぶれるからである。
【００１９】
また、Ｓｎの含有割合を６０質量％以下としたのは、６０質量％を超える場合、可溶性合金の液相温度が上昇するからである。そして、固相温度と液相温度との間に存在する固液共存領域が大きくなり、ヒューズエレメントの速断性が悪化するからである。すなわち、所定の動作温度においてヒューズエレメントが迅速に断線しなくなるからである。
【００２０】
残部としてＢｉを含有したのは、Ｂｉを含有すると可溶性合金の硬度が上がるからである。このため、Ｂｉを上記ＩｎおよびＳｎとともに含有させることで、可溶性合金の硬度を調整することができる。すなわち、ヒューズエレメント製造時の加工性や、ヒューズエレメントを電気機器に搭載する際の搭載性などを考慮して、可溶性合金の硬度バランスを採ることができるからである。
【００２１】
好ましくは、上記可溶性合金に、ＣｕまたはＡｇを０．０１質量％以上５質量％以下含有させた方がよい。ＣｕまたはＡｇを含有させると、ヒューズエレメントの電気抵抗が小さくなる。このため、ヒューズエレメントがジュール熱により発熱するのを抑制することができる。したがって、所定の動作温度においてヒューズエレメントが、さらに精度良く溶断する。
【００２２】
ＣｕまたはＡｇの含有割合を０．０１質量％以上としたのは、０．０１質量％未満の場合、上記電気抵抗を下げる効果が、ヒューズエレメントに充分発現しないからである。
【００２３】
また、ＣｕまたはＡｇの含有割合を５質量％以下としたのは、５質量％を超える場合、液相温度が上昇するため、固液共存領域が大きくなるからである。そして、温度ヒューズの動作温度が不安定になるからである。
【００２４】
〈ヒューズエレメント〉
第二に、ヒューズエレメントについて説明する。ヒューズエレメントは、上記組成範囲を有する可溶性合金により形成されている。電気機器は、利用の便から小型化の一途を辿っている。したがって、温度ヒューズひいてはヒューズエレメントも小型である方が好ましい。
【００２５】
具体的には、ヒューズエレメントの通電方向に対し直交する方向の断面積は、０．３ｍｍ^２以下である方がよい。０．３ｍｍ^２以下としたのは、０．３ｍｍ^２を超える場合、温度ヒューズの容積が大きくなり、他の部品の設置スペースを圧迫するからである。また、ヒューズエレメントの速断性が悪化するからである。
【００２６】
ヒューズエレメントは、従来からヒューズエレメントの製造に用いられてきた種々の方法により製造することができる。その一例として、引抜き法によりＺｎ−Ｉｎ−Ｓｎ合金からなるヒューズエレメントを作製する場合について説明する。
【００２７】
引抜き法は、可溶性合金の原料を溶融炉に配合する原料配合工程と、配合した原料を溶融させ合金を調製し型に流し込みビレットを作るビレット作製工程と、ビレットから粗線材を作製する粗線材作製工程と、粗線材を細線化し線材を作製する細線化工程と、線材を所定の長さに裁断する裁断工程と、からなる。
【００２８】
まず、原料配合工程では、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｎの地金を所望の組成となるように秤量、配合し溶融炉に投入する。次に、ビレット作製工程では、配合原料を２５０〜４００℃の温度下で溶融させＺｎ−Ｉｎ−Ｓｎ合金を調製する。そして、この溶融状態の調製合金を型に流し込み、柱状のビレットを作製する。続いて、粗線材作製工程では、型からビレットを取り出し、押出し成形機により押し出し成形することで線径の大きい粗線材を作製する。その後、細線化工程では、この粗線材を引抜き成形機にかけ、成形機の型に設けられたダイス隙間から引き抜くことにより粗線材の線径の小径化、つまり細線化を行う。この細線化は、具体的には粗線材を直列に並んだ複数のダイス隙間に通すことにより行う。ダイス隙間は下流側ほど小径に設定されている。このため、粗線材は複数のダイス隙間を通る間に徐々に細線化される。したがって、粗線材を通過させるダイス隙間の数を増減することで、線材の線径を調整することができる。最後に、裁断工程では、線材を所定の長さに裁断する。このようにして、引抜き法ではヒューズエレメントを作製する。
【００２９】
上述したように、引抜き法では、押し出し成形工程の後に、引抜き成形を行う細線化工程が設定されている。この引き抜き法のように、引抜き成形を行う工程を持つ製造方法の利点は、他の製造方法、例えば押し出し成形工程のみを有する製造方法と比較して、より線径の細い線材を作製できる点である。
【００３０】
ここで、可溶性合金、すなわち粗線材の硬度が過度に高いと、引抜き成形を行う工程において、脆性により粗線材が切れるおそれがある。この点、上記組成の可溶性合金からなる線材は、硬度が適切なため適度の延性を有する。したがって、引抜き成形を行う工程を有する製造方法により作製することができる。このため、線材の断面積つまりヒューズエレメントの断面積を、比較的簡単に小さくすることができる。すなわち、比較的簡単に上記０．３ｍｍ^２以下という断面積を実現することができる。
【００３１】
なお、ヒューズエレメントの断面形状は特に限定するものではない。すなわち断面が真円状のものは勿論、楕円状あるいは多角形状など従来から用いられている様々の形状とすることができる。ここで、例えば平らな四角形状、つまりテープ状のヒューズエレメントを作製する場合は、上記細線化工程と裁断工程との間に、線材を径方向に圧縮し変形させる圧縮成形工程を追加すればよい。
【００３２】
〈温度ヒューズ〉
第三に、温度ヒューズについて説明する。図１に、温度ヒューズの一例として筒型温度ヒューズの断面図を示す。まず、温度ヒューズ１の構成について説明する。温度ヒューズ１は、ヒューズエレメント１０とリード線１３とフラックス１１とセラミックケース１２とからなる。ヒューズエレメント１０は、丸棒状を呈している。ヒューズエレメント１０の長手方向（通電方向）両端は、Ｃｕ製のリード線１３に溶接されている。フラックス１１は、ヒューズエレメント１０を封止している。フラックス１１は、松脂を主成分とし、これに活性剤やチキソ剤などを添加したものである。このフラックス１１は、活性の高いヒューズエレメント１０の表面に酸化膜が形成されるのを抑制する役割を有する。またフラックス１１は、ヒューズエレメント１０が溶断したとき溶断面を包み込み、溶断面同士が再結合するのを防止する役割を有する。セラミックケース１２は円筒状を呈しており、上記ヒューズエレメント１０、リード線１３の端部、フラックス１１を密封している。セラミックケース１２は、これらの部材を保護する役割を有する。またセラミックケース１２は、ヒューズエレメント１０が溶断し、可溶性合金が液化した際、この液状の可溶性合金が電気回路に漏出するのを防止する役割を有する。
【００３３】
次に、温度ヒューズ１の動作について説明する。温度ヒューズ１周囲の環境温度が上昇し、温度ヒューズ１の動作温度に達すると、まず、表面張力の作用によりヒューズエレメント１０は、長手方向両端に向かって分裂するように変形する。次に、この変形により、ヒューズエレメント１０中間部の線径は徐々に細くなり、ヒューズエレメント１０が溶断する。それから、溶断したヒューズエレメント１０の溶断面をフラックス１１が覆う。このようにして、温度ヒューズ１はヒューズエレメント１０を挟むリード線１３間の電気的導通を遮断する。
【００３４】
次に、温度ヒューズ１の組み付け方法について説明する。まず、ヒューズエレメント１０の長手方向両端をレーザにより半溶融状態とし、この長手方向両端にリード線１３を接合する。次に、ヒューズエレメント１０の表面にフラックス１１を塗布する。そして、ヒューズエレメント１０とリード線１３端部とフラックス１１との接合体を、セラミックケース１２内に封入する。このようにして、温度ヒューズ１が組み付けられる。
【００３５】
ヒューズエレメント１０は、適度な硬度を持っている。このため、電気機器搭載時における機械的衝撃などにより、ヒューズエレメント１０が断線するおそれが小さい。また、前記組成を有する可溶性合金からなるヒューズエレメント１０は、濡れ性が高い。したがってリード線１３との接合性が良好で、電気機器搭載時における機械的衝撃などによりヒューズエレメント１０がリード線１３から分離するおそれが小さい。このように、温度ヒューズ１は、機械的衝撃に対する信頼性が高い。
【００３６】
なお、本発明の温度ヒューズの形状は、図１に示す筒型ヒューズの他、従来から用いられている様々の形状として具現化することができる。例えばヒューズエレメントとリード線とフラックスとの接合体を、二枚の絶縁板で挟持したカード型温度ヒューズとして具現化してもよい。また、ケース型温度ヒューズ、基板型温度ヒューズなどとして具現化してもよい。
【００３７】
以上、本発明の温度ヒューズについて説明した。しかしながら、実施形態は上記形態に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態あるいは改良的形態で実施することができる。
【００３８】
【実施例】
上記実施形態に基づいて、所定の組成を有する可溶性合金からなるインゴットを作製した。そしてこのインゴットから粉末サンプルとヒューズエレメントサンプルを採取した。これら二つのサンプルのうち、粉末サンプルにより可溶性合金の溶融温度特性を測定した。また、ヒューズエレメントサンプルにより、ヒューズエレメントの溶断温度特性を測定した。
【００３９】
〈サンプルの作製方法〉
（１）実施例１−１、実施例１−２
実施例１−１および実施例１−２のサンプルは、６．５９質量％のＺｎ、１０質量％のＩｎ、８３．４１質量％のＳｎという組成を有する可溶性合金からなる。これらのサンプルは以下の方法により作製した。まず、純度９９．９９％のＺｎ、純度９９．９９％のＩｎ、純度９９．９９％のＳｎを所定量秤量し、溶融炉に投入した。次に、投入したＺｎ、Ｉｎ、Ｓｎを溶融攪拌し合金の調製を行った。そして、調製後の合金を型に流し込み放冷および脱型することでインゴットを作製した。
【００４０】
このようにして作製したインゴットから、質量５ｍｇの粉末サンプルを採取した。そして、このサンプルを実施例１−１とした。また同様に、インゴットから断面積０．１２ｍｍ^２のヒューズエレメントサンプルを作製した。なおヒューズエレメントサンプルの作製方法は、前述した引抜き法により行った。そして、このサンプルを実施例１−２とした。実施例１−２の目標とする溶断温度（つまり温度ヒューズの動作温度）は、１７０℃〜１９０℃とした。なお、調整後の合金を型に流し込む際、化学分析にて合金組成の確認を行った。
【００４１】
（２）実施例２−２
実施例２−２のサンプルは、６．２９質量％のＺｎ、１２質量％のＩｎ、８１．７１質量％のＳｎという組成を有する可溶性合金からなる。実施例２−２のサンプルも、実施例１−２のサンプルと同様の方法により作製した。実施例２−２の目標とする溶断温度は、１７０℃〜１９０℃とした。
【００４２】
実施例２−２のサンプルの断面積は、実施例１−２のサンプルの断面積と同面積とした。なお、実施例２−２のサンプルも、実施例１−２のサンプルと同様に化学分析にて合金組成の確認を行った。
【００４３】
（３）実施例３−２
実施例３−２のサンプルは、２質量％のＩｎ、４３．２質量％のＳｎ、５４．８質量％のＢｉという組成を有する可溶性合金からなる。実施例３−２のサンプルも、実施例１−２のサンプルと同様の方法により作製した。実施例３−２の目標とする溶断温度は、１３０℃〜１４０℃とした。
【００４４】
実施例３−２のサンプルの断面積は、実施例１−２のサンプルの断面積と同面積とした。なお、実施例３−２のサンプルも、実施例１−２のサンプルと同様に化学分析にて合金組成の確認を行った。
【００４５】
（４）比較例１−１、比較例１−２
比較例１−１および比較例１−２のサンプルは、４質量％のＩｎ、４０．９６質量％のＳｎ、５５．０４質量％のＢｉという組成を有する可溶性合金からなる。比較例１−１および比較例１−２のサンプルも、実施例１−１および実施例１−２のサンプルと同様の方法により作製した。
【００４６】
比較例１−１のサンプルの質量は、実施例１−１のサンプルの質量と同量とした。また、比較例１−２のサンプルの断面積は、実施例１−２のサンプルの断面積と同面積とした。比較例１−２の目標とする溶断温度は、１３０℃〜１４０℃とした。なお、比較例１−１および比較例１−２のサンプルも、実施例１−１および実施例１−２のサンプルと同様に化学分析にて合金組成の確認を行った。
【００４７】
〈測定方法〉
（１）可溶性合金の溶融温度特性の測定
測定に用いたサンプルは、実施例１−１、比較例１−１の粉末サンプルである。測定は、これらのサンプルを、加熱炉にて徐々に加熱し、示差走査熱量計（以下、「ＤＳＣ」と称す。）を用いて溶融温度特性を調べることにより行った。
【００４８】
（２）線材の溶断温度特性の測定
測定に用いたサンプルは、実施例１−２、２−２、３−２、比較例１−２のヒューズエレメントサンプルである。測定は、電流を流すことによりこれらのサンプルを加熱し、サンプルが完全に溶断したときの温度を調べることにより行った。なお溶断温度のばらつきを調べるため、各サンプルは複数本作製した。そして、測定も複数回繰り返し行った。
【００４９】
〈測定結果〉
（１）可溶性合金の溶融温度特性の測定結果
図２に、実施例１−１のサンプルのＤＳＣ測定結果を示す。図中、測定曲線は下方に突出するピークを示している。ピークの下降部分の接線と、平坦部分の接線との交点は、サンプルを形成する可溶性合金が、固相から固液共存相に相変化する点に相当する。したがって、このときの温度が固相化温度である。図から、実施例１−１のサンプルを形成する可溶性合金の固相化温度は、約１７９℃であることが判る。
【００５０】
同様に、図３に、比較例１−１のサンプルのＤＳＣ測定結果を示す。図から、比較例１−１のサンプルを形成する可溶性合金の固相化温度は、約１２５℃であることが判る。
【００５１】
（２）線材の溶断温度特性の測定結果
実施例１−２、２−２、３−２、比較例１−２の各サンプルをオイルバスに浸漬し、オイルバスの温度を０．５℃／ｍｉｎ．の速度で上昇させ、各サンプルが溶断したときの温度を溶断温度とした。図４に、実施例１−２のサンプルの溶断温度測定結果（測定回数ｎ＝２５回）を示す。溶断温度の平均値は１８２．２℃、最大値は１８２．９℃、最小値は１８１．３℃であった。図５に、実施例２−２のサンプルの溶断温度測定結果（測定回数ｎ＝２５回）を示す。溶断温度の平均値は１７９．５℃、最大値は１８０．３℃、最小値は１７８．８℃であった。
図６に、実施例３−２のサンプルの溶断温度測定結果（測定回数ｎ＝２４回）を示す。溶断温度の平均値は１３５．１℃、最大値は１３５．６℃、最小値は１３４．８℃であった。
【００５２】
これらの図から、実施例１−２、２−２の溶断温度は、いずれも１７０℃〜１９０℃範囲内にあることが判る。また、実施例３−２の溶断温度は、１３０℃〜１４０℃範囲内にあることが判る。また、各サンプルの溶断温度のばらつきは極めて小さいことが判る。したがって、これらのサンプルから作製した温度ヒューズは、大量生産時における動作温度信頼性が高い。
【００５３】
図７に、比較例１−２のサンプルの溶断温度測定結果（測定回数ｎ＝２５回）を示す。溶断温度の平均値は１３０．１℃、最大値は１３１．３℃、最小値は１２９．５℃であった。最小値が１２９．５℃であるため、１３０℃〜１４０℃で作動する温度ヒューズ用としては、使用できないことが判る。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によると、Ｐｂフリーの可溶性合金からなるヒューズエレメントを持ち、かつＰｂ含有可溶性合金からなるヒューズエレメントを持つ従来の温度ヒューズと、同等の特性を有する温度ヒューズを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である筒型温度ヒューズの断面図である。
【図２】実施例１−１サンプルのＤＳＣ測定結果を示すグラフである。
【図３】比較例１−１サンプルのＤＳＣ測定結果を示すグラフである。
【図４】実施例１−２のサンプルの溶断温度測定結果を示すグラフである。
【図５】実施例２−２のサンプルの溶断温度測定結果を示すグラフである。
【図６】実施例３−２のサンプルの溶断温度測定結果を示すグラフである。
【図７】比較例１−２のサンプルの溶断温度測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１：温度ヒューズ、１０：ヒューズエレメント、１１：フラックス、１２：セラミックケース、１３：リード線。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a thermal fuse for preventing electrical equipment from being thermally damaged due to an excessive rise in temperature.
[0002]
[Prior art]
The thermal fuse is incorporated in an electric circuit of an electric device such as a television, a video or a transformer or a secondary battery. When the ambient temperature around the thermal fuse exceeds the operating temperature of the thermal fuse, the fuse element incorporated in the thermal fuse is blown. The melting of the fuse element prevents the thermal fuse from being damaged by heat of the electric device.
[0003]
The fuse element is formed from a soluble alloy containing Pb (for example, see Patent Document 1). That is, the operating temperature of the thermal fuse is often set to about 100 ° C. to 200 ° C., although it depends on the type of the electric equipment. In a soluble alloy, Pb has a role of lowering the melting temperature of the entire alloy.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-11-73869
[Problems to be solved by the invention]
However, in recent years, there has been a problem that Pb is eluted from the thermal fuse of a discarded electric device into the natural environment. For this reason, there is a worldwide trend not to use Pb as an industrial material.
[0006]
The thermal fuse of the present invention has been completed in view of the above problems. Accordingly, an object of the present invention is to provide a thermal fuse having a fuse element made of a Pb-free soluble alloy and having the same characteristics as a conventional thermal fuse having a fuse element made of a Pb-containing soluble alloy. .
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, a thermal fuse of the present invention contains 0.1% by mass to 9% by mass of Zn and 0.1% by mass to 20% by mass of In, and the rest is inevitable with Sn. A fuse element formed of a soluble alloy containing impurities is provided. The operating temperature of the thermal fuse of the present invention is 170C to 190C. Conventionally, a fuse element of a thermal fuse having an operating temperature in the same range has been formed of a Sn-Pb soluble alloy.
[0008]
Further, in order to solve the above problem, the thermal fuse of the present invention includes In of 0.1% by mass or more and 10% by mass or less, Sn of more than 43% by mass and 60% by mass or less, with the balance being Bi. And a fuse element formed of a soluble alloy of unavoidable impurities. The operating temperature of the thermal fuse of the present invention is 130C to 140C. Conventionally, a fuse element of a thermal fuse having an operating temperature in the same range has been formed of a Sn-Pb-In soluble alloy or a Sn-Pb-In-Cd soluble alloy.
[0009]
The soluble alloy forming the fuse element of the thermal fuse of the present invention does not even contain Pb. Therefore, there is no fear that Pb is eluted in the natural environment. Further, a fuse element made of a soluble alloy having the above composition range blows accurately at a predetermined operating temperature. A fuse element made of a soluble alloy having the above composition range has high wettability. Therefore, the welding strength of the fuse element to the lead wire is relatively high. Therefore, there is little possibility that the fuse element and the lead wire are disconnected due to device vibration or the like. Thus, the thermal fuse of the present invention can be used as a substitute for the conventional thermal fuse.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the thermal fuse of the present invention will be described.
[0011]
<Soluble alloy>
First, the soluble alloy will be described. The fusible alloy of claim 1 is formed of Zn, In, and Sn, excluding unavoidable impurities. The reason why the content ratio of Zn is set to 0.1% by mass or more is that when the content is less than 0.1% by mass, the melting temperature of the soluble alloy decreases, and the operating temperature of the thermal fuse becomes 170 ° C. or lower.
[0012]
The reason why the content ratio of Zn is set to 9% by mass or less is that when the content ratio exceeds 9% by mass, the liquidus temperature of the soluble alloy increases. This is because the solid-liquid coexistence region existing between the solid phase temperature and the liquid phase temperature becomes large.
[0013]
The reason why the content ratio of In is set to 0.1% by mass or more is that when the content is less than 0.1% by mass, the melting temperature of the soluble alloy increases, and the operating temperature of the thermal fuse exceeds 190 ° C. Further, the hardness of the soluble alloy increases and the fuse element becomes brittle.
[0014]
The reason why the content ratio of In is set to 20% by mass or less is that if the content exceeds 20% by mass, the hardness of the soluble alloy is reduced, and the fuse element is crushed at the time of manufacturing a fuse element described later.
[0015]
The reason for including Sn as the balance is that the inclusion of Sn increases the hardness of the soluble alloy. For this reason, by including Sn together with In, the hardness of the soluble alloy can be adjusted. That is, the hardness balance of the soluble alloy can be taken in consideration of the workability at the time of manufacturing the fuse element and the mountability at the time of mounting the fuse element on an electric device.
[0016]
The soluble alloy of claim 2 is formed of In, Sn, and Bi, excluding unavoidable impurities. The reason why the content ratio of In is set to 0.1% by mass or more is that when the content is less than 0.1% by mass, the melting temperature of the soluble alloy increases and the operating temperature of the thermal fuse exceeds 140 ° C. Also, this is because the fuse element becomes brittle.
[0017]
The reason why the content ratio of In is set to 10% by mass or less is that when the content exceeds 10% by mass, the hardness of the soluble alloy is excessively reduced, and the fuse element is crushed at the time of manufacturing a fuse element described later.
[0018]
The reason for setting the Sn content ratio to exceed 43% by mass is that when the content is 43% by mass or less, the hardness of the soluble alloy is excessively reduced, and the fuse element is crushed during the production of a fuse element described later.
[0019]
The reason why the content ratio of Sn is set to 60% by mass or less is that when the content ratio exceeds 60% by mass, the liquidus temperature of the soluble alloy increases. This is because the solid-liquid coexistence region existing between the solid-phase temperature and the liquid-phase temperature becomes large, and the fast-acting property of the fuse element deteriorates. That is, the fuse element does not quickly break at a predetermined operating temperature.
[0020]
The reason for containing Bi as the balance is that the hardness of the soluble alloy increases when Bi is contained. Therefore, by including Bi together with In and Sn, the hardness of the soluble alloy can be adjusted. That is, the hardness balance of the soluble alloy can be taken in consideration of the workability at the time of manufacturing the fuse element and the mountability at the time of mounting the fuse element on an electric device.
[0021]
Preferably, the soluble alloy contains Cu or Ag in an amount of 0.01% by mass or more and 5% by mass or less. When Cu or Ag is contained, the electric resistance of the fuse element decreases. Therefore, it is possible to prevent the fuse element from generating heat due to Joule heat. Therefore, the fuse element is blown more accurately at a predetermined operating temperature.
[0022]
The reason why the content ratio of Cu or Ag is set to 0.01% by mass or more is that if the content ratio is less than 0.01% by mass, the effect of lowering the electric resistance is not sufficiently exhibited in the fuse element.
[0023]
The reason why the content ratio of Cu or Ag is set to 5% by mass or less is that when the content ratio exceeds 5% by mass, the liquidus temperature rises, and the solid-liquid coexistence region becomes large. Then, the operating temperature of the thermal fuse becomes unstable.
[0024]
<Fuse element>
Second, the fuse element will be described. The fuse element is formed of a soluble alloy having the above composition range. Electric appliances are being reduced in size from the convenience of use. Therefore, it is preferable that the thermal fuse and thus the fuse element be small in size.
[0025]
More specifically, the cross-sectional area of the fuse element in a direction perpendicular to the direction of conduction is preferably 0.3 mm ² or less. The reason why the thickness is 0.3 mm ² or less is that if the thickness exceeds 0.3 mm ² , the volume of the thermal fuse becomes large, and the installation space for other components is compressed. In addition, this is because the quick-acting property of the fuse element deteriorates.
[0026]
The fuse element can be manufactured by various methods conventionally used for manufacturing a fuse element. As an example, a case where a fuse element made of a Zn-In-Sn alloy is manufactured by a drawing method will be described.
[0027]
The drawing method includes a raw material blending step of blending the raw materials of the soluble alloy in a melting furnace, a billet producing step of melting the blended raw materials, preparing an alloy and pouring it into a mold, and a coarse wire rod producing a coarse wire from the billet. It comprises a process, a thinning process of making a coarse wire into a thin wire to produce a wire, and a cutting process of cutting the wire into a predetermined length.
[0028]
First, in a raw material blending step, base metals of Zn, In, and Sn are weighed and blended so as to have a desired composition, and then put into a melting furnace. Next, in a billet production process, the compounding raw materials are melted at a temperature of 250 to 400 ° C. to prepare a Zn—In—Sn alloy. Then, the prepared alloy in a molten state is poured into a mold to produce a columnar billet. Subsequently, in the coarse wire production step, the billet is taken out of the mold and extruded by an extruder to produce a coarse wire having a large wire diameter. Thereafter, in the thinning step, the coarse wire is set in a drawing molding machine and pulled out from a die gap provided in a mold of the molding machine to reduce the wire diameter of the coarse wire, that is, to thin the wire. Specifically, the thinning is performed by passing a coarse wire through a plurality of die gaps arranged in series. The diameter of the die gap is set to be smaller toward the downstream side. Therefore, the coarse wire is gradually thinned while passing through the plurality of die gaps. Therefore, the diameter of the wire can be adjusted by increasing or decreasing the number of die gaps through which the coarse wire passes. Finally, in the cutting step, the wire is cut into a predetermined length. In this way, the fuse element is manufactured by the drawing method.
[0029]
As described above, in the drawing method, a thinning step of performing a drawing process is set after the extrusion process. The advantage of the manufacturing method having the step of performing the pultrusion like this drawing method is that compared to other manufacturing methods, for example, the manufacturing method having only the extrusion forming step, a wire having a smaller wire diameter can be manufactured. is there.
[0030]
Here, if the hardness of the soluble alloy, that is, the coarse wire is excessively high, the coarse wire may be cut due to brittleness in the step of performing the drawing. In this regard, a wire made of a soluble alloy having the above composition has an appropriate hardness, and thus has an appropriate ductility. Therefore, it can be manufactured by a manufacturing method having a step of performing pultrusion molding. For this reason, the cross-sectional area of the wire, that is, the cross-sectional area of the fuse element can be reduced relatively easily. That is, the cross-sectional area of 0.3 mm ² or less can be realized relatively easily.
[0031]
The sectional shape of the fuse element is not particularly limited. That is, various shapes conventionally used such as an elliptical shape or a polygonal shape as well as a true circular cross section can be used. Here, for example, in the case of producing a flat rectangular, that is, a tape-shaped fuse element, a compression molding step of compressing and deforming the wire in the radial direction may be added between the above-described thinning step and the cutting step. .
[0032]
<Thermal fuse>
Third, the thermal fuse will be described. FIG. 1 is a sectional view of a cylindrical thermal fuse as an example of the thermal fuse. First, the configuration of the thermal fuse 1 will be described. The thermal fuse 1 includes a fuse element 10, a lead wire 13, a flux 11, and a ceramic case 12. The fuse element 10 has a round bar shape. Both ends of the fuse element 10 in the longitudinal direction (current direction) are welded to lead wires 13 made of Cu. The flux 11 seals the fuse element 10. The flux 11 contains rosin as a main component, to which an activator, a thixotropic agent, and the like are added. The flux 11 has a role of suppressing the formation of an oxide film on the surface of the highly active fuse element 10. Further, the flux 11 has a role of wrapping around the fused section when the fuse element 10 is blown, and preventing the fused sections from being recombined. The ceramic case 12 has a cylindrical shape and seals the fuse element 10, the end of the lead wire 13, and the flux 11. The ceramic case 12 has a role of protecting these members. When the fuse element 10 is blown and the soluble alloy is liquefied, the ceramic case 12 has a function of preventing the liquid soluble alloy from leaking into an electric circuit.
[0033]
Next, the operation of the thermal fuse 1 will be described. When the ambient temperature around the thermal fuse 1 rises and reaches the operating temperature of the thermal fuse 1, first, the fuse element 10 is deformed so as to split toward both ends in the longitudinal direction by the action of surface tension. Next, due to this deformation, the wire diameter of the intermediate portion of the fuse element 10 gradually decreases, and the fuse element 10 melts. Then, the flux 11 covers the fused section of the blown fuse element 10. In this manner, the thermal fuse 1 cuts off electrical continuity between the lead wires 13 sandwiching the fuse element 10.
[0034]
Next, a method of assembling the thermal fuse 1 will be described. First, both ends in the longitudinal direction of the fuse element 10 are made into a semi-molten state by a laser, and lead wires 13 are joined to both ends in the longitudinal direction. Next, a flux 11 is applied to the surface of the fuse element 10. Then, a joined body of the fuse element 10, the end of the lead wire 13, and the flux 11 is sealed in the ceramic case 12. Thus, the thermal fuse 1 is assembled.
[0035]
The fuse element 10 has an appropriate hardness. For this reason, there is little possibility that the fuse element 10 will be disconnected due to a mechanical shock or the like when the electric device is mounted. Further, the fuse element 10 made of a soluble alloy having the above composition has high wettability. Therefore, the bondability with the lead wire 13 is good, and the possibility that the fuse element 10 is separated from the lead wire 13 due to a mechanical impact or the like when the electric device is mounted is small. Thus, the thermal fuse 1 has high reliability against mechanical shock.
[0036]
The shape of the thermal fuse of the present invention can be embodied as various shapes conventionally used in addition to the cylindrical fuse shown in FIG. For example, a joined body of a fuse element, a lead wire, and a flux may be embodied as a card-type thermal fuse in which two insulating plates are sandwiched. Further, it may be embodied as a case-type thermal fuse, a substrate-type thermal fuse, or the like.
[0037]
The thermal fuse of the present invention has been described above. However, embodiments are not limited to the above embodiments. The present invention can be implemented in various modified forms or improved forms that can be performed by those skilled in the art.
[0038]
【Example】
Based on the above embodiment, an ingot made of a soluble alloy having a predetermined composition was manufactured. Then, a powder sample and a fuse element sample were collected from the ingot. Of these two samples, the melting temperature characteristics of the soluble alloy were measured using powder samples. Further, the fusing temperature characteristics of the fuse element were measured using the fuse element sample.
[0039]
<Sample preparation method>
(1) Example 1-1 and Example 1-2
The samples of Example 1-1 and Example 1-2 consist of a soluble alloy having a composition of 6.59% by mass of Zn, 10% by mass of In, and 83.41% by mass of Sn. These samples were produced by the following method. First, predetermined amounts of Zn with a purity of 99.99%, In with a purity of 99.99%, and Sn with a purity of 99.99% were weighed and put into a melting furnace. Next, the charged Zn, In, and Sn were melt-stirred to prepare an alloy. Then, the prepared alloy was poured into a mold, allowed to cool, and removed from the mold to produce an ingot.
[0040]
A powder sample having a mass of 5 mg was collected from the ingot thus produced. And this sample was set to Example 1-1. Similarly, a fuse element sample having a sectional area of 0.12 mm ² was prepared from the ingot. The method for producing the fuse element sample was performed by the above-described drawing method. And this sample was set to Example 1-2. The target fusing temperature (that is, the operating temperature of the thermal fuse) of Example 1-2 was 170 ° C. to 190 ° C. When the adjusted alloy was poured into a mold, the composition of the alloy was confirmed by chemical analysis.
[0041]
(2) Example 2-2
The sample of Example 2-2 is made of a soluble alloy having a composition of 6.29% by mass of Zn, 12% by mass of In, and 81.71% by mass of Sn. The sample of Example 2-2 was also manufactured by the same method as the sample of Example 1-2. The target fusing temperature in Example 2-2 was 170 ° C to 190 ° C.
[0042]
The cross-sectional area of the sample of Example 2-2 was the same area as the cross-sectional area of the sample of Example 1-2. The alloy composition of the sample of Example 2-2 was confirmed by chemical analysis in the same manner as the sample of Example 1-2.
[0043]
(3) Example 3-2
The sample of Example 3-2 is made of a soluble alloy having a composition of 2% by mass of In, 43.2% by mass of Sn, and 54.8% by mass of Bi. The sample of Example 3-2 was also manufactured by the same method as the sample of Example 1-2. The target fusing temperature in Example 3-2 was 130 ° C to 140 ° C.
[0044]
The cross-sectional area of the sample of Example 3-2 was the same as the cross-sectional area of the sample of Example 1-2. The alloy composition of the sample of Example 3-2 was confirmed by chemical analysis in the same manner as the sample of Example 1-2.
[0045]
(4) Comparative Example 1-1, Comparative Example 1-2
The samples of Comparative Examples 1-1 and 1-2 consist of a soluble alloy having a composition of 4% by mass of In, 40.96% by mass of Sn, and 55.04% by mass of Bi. The samples of Comparative Example 1-1 and Comparative Example 1-2 were produced in the same manner as the samples of Example 1-1 and Example 1-2.
[0046]
The mass of the sample of Comparative Example 1-1 was the same as the mass of the sample of Example 1-1. The cross-sectional area of the sample of Comparative Example 1-2 was the same as the cross-sectional area of the sample of Example 1-2. The target fusing temperature of Comparative Example 1-2 was 130 ° C to 140 ° C. The alloy composition of the samples of Comparative Example 1-1 and Comparative Example 1-2 was confirmed by chemical analysis in the same manner as the samples of Example 1-1 and Example 1-2.
[0047]
<Measuring method>
(1) Measurement of Melting Temperature Characteristics of Soluble Alloy The samples used for measurement are the powder samples of Example 1-1 and Comparative Example 1-1. The measurement was performed by gradually heating these samples in a heating furnace and examining the melting temperature characteristics using a differential scanning calorimeter (hereinafter, referred to as “DSC”).
[0048]
(2) The sample used for the measurement of the fusing temperature characteristics of the wire is the fuse element sample of Examples 1-2, 2-2, 3-2 and Comparative Example 1-2. The measurement was performed by heating these samples by passing an electric current and examining the temperature when the samples were completely blown. In addition, in order to examine the variation of the fusing temperature, a plurality of each sample was manufactured. And the measurement was also repeated several times.
[0049]
<Measurement result>
(1) Measurement Results of Melting Temperature Characteristics of Soluble Alloy FIG. 2 shows DSC measurement results of the sample of Example 1-1. In the figure, the measurement curve shows a peak projecting downward. The intersection of the tangent of the falling part of the peak and the tangent of the flat part corresponds to the point at which the soluble alloy forming the sample changes from a solid phase to a solid-liquid coexisting phase. Therefore, the temperature at this time is the solidification temperature. From the figure, it can be seen that the solidification temperature of the soluble alloy forming the sample of Example 1-1 is about 179 ° C.
[0050]
Similarly, FIG. 3 shows a DSC measurement result of the sample of Comparative Example 1-1. From the figure, it can be seen that the solidification temperature of the soluble alloy forming the sample of Comparative Example 1-1 is about 125 ° C.
[0051]
(2) Measurement results of fusing temperature characteristics of wire rods Each of the samples of Examples 1-2, 2-2 and 3-2 and Comparative Example 1-2 was immersed in an oil bath, and the temperature of the oil bath was set at 0.5 ° C / min. The temperature at which each sample was blown was defined as the fusing temperature. FIG. 4 shows the results of measuring the fusing temperature of the sample of Example 1-2 (measurement number n = 25). The average value of the fusing temperature was 182.2 ° C., the maximum value was 182.9 ° C., and the minimum value was 181.3 ° C. FIG. 5 shows the results of measuring the fusing temperature of the sample of Example 2-2 (the number of measurements n = 25). The average value of the fusing temperature was 179.5 ° C, the maximum value was 180.3 ° C, and the minimum value was 178.8 ° C.
FIG. 6 shows the results of measuring the fusing temperature of the sample of Example 3-2 (measurement frequency n = 24). The average value of the fusing temperature was 135.1 ° C, the maximum value was 135.6 ° C, and the minimum value was 134.8 ° C.
[0052]
From these figures, it can be seen that the fusing temperatures of Examples 1-2 and 2-2 are all in the range of 170 ° C to 190 ° C. Further, it can be seen that the fusing temperature of Example 3-2 is in the range of 130 ° C to 140 ° C. Further, it can be seen that the variation in the fusing temperature of each sample is extremely small. Therefore, thermal fuses manufactured from these samples have high operating temperature reliability during mass production.
[0053]
FIG. 7 shows the results of measuring the fusing temperature of the sample of Comparative Example 1-2 (measurement frequency n = 25). The average value of the fusing temperature was 130.1 ° C, the maximum value was 131.3 ° C, and the minimum value was 129.5 ° C. Since the minimum value is 129.5 ° C., it can be seen that it cannot be used for a thermal fuse operating at 130 ° C. to 140 ° C.
[0054]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a thermal fuse having a fuse element made of a Pb-free soluble alloy and having the same characteristics as a conventional thermal fuse having a fuse element made of a Pb-containing soluble alloy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a cylindrical thermal fuse according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a DSC measurement result of a sample of Example 1-1.
FIG. 3 is a graph showing DSC measurement results of a sample of Comparative Example 1-1.
FIG. 4 is a graph showing a measurement result of a fusing temperature of a sample of Example 1-2.
FIG. 5 is a graph showing a measurement result of a fusing temperature of a sample of Example 2-2.
FIG. 6 is a graph showing a measurement result of a fusing temperature of a sample of Example 3-2.
FIG. 7 is a graph showing a measurement result of a fusing temperature of a sample of Comparative Example 1-2.
[Explanation of symbols]
1: temperature fuse, 10: fuse element, 11: flux, 12: ceramic case, 13: lead wire.

Claims

A fuse element including Zn in an amount of 0.1% by mass or more and 9% by mass or less and In of 0.1% by mass or more and 20% by mass or less, and a balance including a fuse element formed of a soluble alloy including Sn and inevitable impurities. Thermal fuse.

A fuse element including In of 0.1% by mass or more and 10% by mass or less and Sn of more than 43% by mass and 60% by mass or less, with a balance formed of a soluble alloy composed of Bi and unavoidable impurities is provided. Thermal fuse.

3. The thermal fuse according to claim 1, wherein the soluble alloy further contains 0.01% by mass or more and 5% by mass or less of Cu or Ag. 4.

The cross-sectional area in a direction perpendicular to the flowing direction of the fuse element, the thermal fuse according to any one of claims 1 to 3 is 0.3 mm ² or less.