JP2009081119A - ヒューズ - Google Patents

Abstract

【課題】大きなタイムラグ性を持ち、抵抗値が低く、生産性の高いヒューズを提供する。
【解決手段】線状の金属線１と、この金属線の周囲に巻かれた金属線２と、これらの金属線を被い、巻かれた金属線の間隙を埋める形で配置された低融点金属層３からなる要素を可溶体とするヒューズ。
【選択図】図１

Description

本発明は過電流により溶断する可溶体を備えたヒューズに関する。

ヒューズは過電流が流れた際に、可溶体が溶融することで、負荷から回路を切り離し、回路を保護するものである、

しかし、モータの起動回路の様に突入電流の大きい回路や、突発的なサージ電流が混入する回路においては、それらの一時的な過電流に応答して可溶体が溶融すると、その度、ヒューズを交換する必要があり、また、回路が停止する不都合が生じる。
そこで、過渡的な電流が流れる回路には、大きな電流が流れても短時間であれば溶融しないタイムラグ性を持ったヒューズが使用されている。

特許文献１では、可溶体の長さを電極間距離より長くしたヒューズが開示されている。これは、タイムラグ性を大きくするために可溶体の断面積を大きくした場合、本来溶断すべき電流が流れても溶断しない問題に鑑みての発明で、可溶体を屈曲させで電極間での可溶体の距離を長くすることで、抵抗値を高くし、かつ、発熱を集中させることで溶断を行うものである。

同様の作用は、絶縁性の芯の周囲に可溶体を巻きつけ、断面積を大きく保ちながら、可溶体の長さを長くとる方法でも得られ、これに準じた発明は、特許文献２〜７等に開示されており、また、製品として広く販売されている。

しかし、これらの可溶体を長くしたヒューズでは、ヒューズの抵抗値が大きくなり、実使用において回路中での電圧降下が大きくなる不都合がある。

特許文献８では、可溶体の溶断部に低融点金属を乗せたヒューズが開示されている。このヒューズでは、過電流が比較的小さく、長時間で溶断する場合には、可溶体のジュール発熱により、乗せられた低融点金属が溶融し、その溶融した金属と可溶体が相互拡散する。すると、その部分が高抵抗になり、かつ、可溶体自体の融点より低い融点となるので、可溶体を単独で用いた場合より、低い電流で溶断する。しかし、短い時間で溶断する大きな過電流が流れた際には、拡散が起こる時間がないので、可溶体単独と同じ溶断時間となり、結果としてタイムラグ特性を持つヒューズとなる。

同様の技術は、特許文献９〜１４等に開示されており、実際の製品も広く販売されている。

しかし、これらの発明からなるヒューズでは、ヒューズ搭載時のはんだ付け作業の熱により、低融点金属が溶け、その位置や形状が変化したり、著しい場合は可溶体から外れてしまうと言う問題点がある。また、製造にあたっては、個別のヒューズ毎に低融点金属を配置する工程が必要になり、生産性をあげることが難しい。

特許文献１５は、前記の特許文献８〜１４と同様に拡散によりタイムラグ性を実現したもので、低融点金属を可溶体に巻きつけるか、可溶体と拠り合わせる方法を開示している。しかし、この発明によるヒューズでは、低融点金属と可溶体は機械的な力で接触しており、熱接合が不十分になるので、拡散が効果的に起こらず、大きなタイムラグ性を得ることは難しい。また、製造にあたっては、個別のヒューズ毎に低融点金属を配置する工程が必要になり、生産性をあげることが難しい。

特許文献１６には、低融点金属とそれより高い融点を持つ金属を直列に接続したタイムラグヒューズが開示されている。このヒューズでは、過電流が比較的小さく長時間で溶断する場合には、低融点金属が溶融し、短い時間で溶断する大きな過電流が流れた際には高い融点の金属が溶融する様に設計することでタイムラグ特性を実現している。

同様の技術は特許文献１７〜１９等に開示されており、実際の製品も広く販売されている。

しかし、これらの発明からなるヒューズでは、ヒューズ搭載時のはんだ付け作業の熱により、低融点金属が溶け易く、その場合はヒューズが切れてしまうと言う問題点がある。また、製造にあたっては、２種金属の接合が個別のヒューズ毎に必要になり、生産性をあげることが難しい。

特開２００４−１３４０９１号公報 特公昭６２−２０６４９号公報 特開平１１−９６８８７号公報 特開２００２−５６７６０号公報 特開２００２−２３１１２３号公報 特開２００２−３１９３４５号公報 特開２００６−３３９１６１号公報 特開平５−１６６４５３号公報 特表平１０−５１２０９４号公報 特開平１０−１７２４１４号公報 特開２００３−１２３６１８号公報 特開２００３−２５７３０１号公報 特開２００４−１２７７０１号公報 特表２００５−５０５１１０号公報 特開昭５１−９７７５０号公報 特開平３−１０５８２５号公報 特開平１０−１７２４１３号公報 特開平１１−２７３５２２号公報 特開２００１−０７６６１０号公報

本発明は、前記の従来の技術における問題点を解決し、低抵抗で実使用時の電圧降下が小さく、搭載時のはんだ付け工程における信頼性を確保し、且つ生産性の高い、大きなタイムラグ性を持つヒューズを提供するものである。

請求項１記載のヒューズは、線状の金属線と、この金属線の周囲に巻かれた金属線と、これらの金属線を被い、巻かれた金属線の間隙を埋める形で配置された低融点金属層からなる要素を可溶体とするヒューズである。
ヒューズの抵抗値は、線状の金属線の抵抗値と、巻かれた金属線と間隙の低融点金属の複合体の抵抗値の並列接続となるので、低い抵抗値を実現できる。電流は、線状の金属線と巻かれた金属線の内部を流れる経路以外に、巻かれた金属線と低融点金属層をを横切る経路にも流れる。したがって、低融点金属層は、線状の金属線と巻かれた金属線のジュール発熱からの熱伝導以外にも、それ自体のジュール発熱により加熱されるので、効率的に温度が上昇し、大きなタイムラグ性を実現できる。
なお、線状の金属線は必ずしも直線である必要はなく、任意に屈曲した形状でも良い。

請求項２記載のヒューズは、請求項１記載のヒューズにおいて、低融点金属層に鉛フリーはんだを用いたもので、入手が容易であり、かつ、有害性がない。

請求項３記載のヒューズは、請求項１記載のヒューズにおいて、低融点金属層を溶融めっきで形成したもので、優れた生産性を実現できる。

請求項４記載のヒューズは、請求項１記載のヒューズにおいて、線状の金属線とその周囲に巻かれた金属線は、銀、銅又はそれらの合金であるものである。銀や銅の様な純金属では、低融点金属の拡散が効率的に起こる。また、元々の固有抵抗が低い金属なので、拡散時の抵抗の上昇率が大きくなり、加速度的に可溶体の温度が上昇し、優れたタイムラグ性を実現できる。また、それらの合金においても、それに準ずる効果がある。
なお、線状の金属線と巻かれた金属線の材料は同じにしても良いが、異なっても良い。これらの材料は任意に選択できる。金属線の線径についても、同じでも、異なっていても良く、任意に設定できる。これらの組合せを設計することで、所望のヒューズの特性を容易に実現することが可能になる。

請求項５記載のヒューズは、請求項１記載のヒューズにおいて、線状の金属線とその周囲に巻かれた金属線の線径比が０．５〜１．５のものである。線径比は、「線径比＝巻かれた金属線の線径／線状の金属線の線径」で計算される。
線径の比は任意に決められるが、線状の金属線の方があまりに太いすぎる場合は、ヒューズの特性は線状の金属線単独に近くなり、タイムラグ性が小さくなる。また、逆に巻かれる線の方があまりに太いすぎる場合は、巻きつける作業が困難になる。したがって、請求項５記載の線径比が望ましい。

請求項６記載のヒューズは、請求項１記載のヒューズにおいて、巻かれた金属線の線径と巻ピッチの比が１．５〜３であるものである。比は、「比＝巻ピッチ／巻かれた金属線の線径」で計算される。
線径と巻ピッチの比が大きいものは、巻かれた線の間隔が広くなる。その場合、その間隙を埋める低融点金属層の厚さを一定に形成することが難しく、ヒューズ特性にバラツキが生じやすくなる。また、搭載時のはんだ付けで低融点金属層が溶融した場合、流れ易くなり、再固化した際の位置が変化しやすくなる。
線径と巻ピッチの比が小さいものは、巻かれた線の間隔が狭くなる。その場合、巻かれた金属線の間隙への低融点金属の充填が不完全になりやすい。また、低融点金属の量が少なくなるので、タイムラグ性は小さくなってくる。
巻かれた金属線の線径と巻ピッチの比が１．５〜３の場合は、これらの問題がないので特性的なバラツキが少なくなり、優れたタイムラグ性を実現できる。

本発明による、線状の金属線と、この金属線の周囲に巻かれた金属線と、これらの金属線を被い、巻かれた金属線の間隙を埋める形で配置された低融点金属層からなる要素を可溶体とするヒューズでは、低抵抗で優れたタイムラグ性を実現でき、効率的な生産が可能である。また、所望のヒューズの特性を容易に実現でき、環境に対する有害性がない。

以下、図１をもって本発明の実施の形態について説明する。
図１において、１の金属線１は線状の形態をしている。２の金属線２は、金属線１に巻きつけられている。３は低融点金属層であり、１を被い、２の間隙を埋める形で配置されている。２は１に巻きつけられており、その巻きピッチはｄで示されている。

３の低融点金属層は任意の材料を使用することができるが、入手性と環境への有害性のなさから、鉛フリーはんだ、特に錫−銀−銅系の鉛フリーはんだが望ましい。低融点金属層を配置する方法は任意に選択できるが、もっとも容易で確実な方法は、溶融した低融点金属に、金属線１に金属線２を巻きつけたものを浸漬し、溶融めっきする方法である。

金属線１及び金属線２は任意の材料から選択できるが、もっとも望ましいものは、銀、銅等の固有抵抗の低い純金属である。

金属線１と金属線２の線径比としては、０．５〜１．５の間が望ましい。また、巻かれた金属線２の線径と巻きピッチｄの比は１．５〜３であることが望ましい。

線径０．０９３ｍｍの銀線に、同じ銀線（金属線の線径比は１）を巻ピッチ０．１８ｍｍ（線径と巻ピッチの比は１．９４）で巻き、Ｓｎ９６．５％−Ａｇ３％−Ｃｕ０．５％の組成の溶融した鉛フリーはんだに浸すことでの溶融めっきを行い、巻かれた銀線の間隙を鉛フリーはんだで埋めた可溶体を製作した。この可溶体を、電極となる黄銅製の口金にはんだ付けし、長さ２０ｍｍ×径５ｍｍのガラス管ヒューズを製作した。
このヒューズは、６０秒で溶断する電流は４．２Ａ、０．０１秒で溶断する電流は６０Ａであった。また、ヒューズ抵抗値は１９ｍΩと低い値であった。
比較として、鉛フリーはんだを用いない以外は同様に製作したヒューズについても製作し、溶断試験を行ったところ、６０秒で溶断する電流は５Ａ、０．０１秒で溶断する電流は３５Ａであった。
鉛フリーはんだを用いた実施例では、長時間の６０秒で溶断する電流に対する短時間の０．０１秒で溶断する電流の割合は、比較品に対して大幅に大きくなっており、優れたタイムラグ性を示した。

線径０．１８ｍｍの銀線に、同じ銀線（金属線の線径比は１）を巻ピッチ０．２９４ｍｍ（線径と巻ピッチの比は１．６）で巻き、Ｓｎ９６．５％−Ａｇ３％−Ｃｕ０．５％の組成の溶融した鉛フリーはんだに浸すことでの溶融めっきを行い、巻かれた銀線の間隙を鉛フリーはんだで埋めた可溶体を製作した。この可溶体を、電極となる黄銅製の口金にはんだ付けし、長さ２０ｍｍ×径５ｍｍのセラミック管ヒューズを製作した。セラミック管の内部には、消弧材として珪砂を充填した。
このヒューズは、６０秒で溶断する電流は２１Ａ、０．０１秒で溶断する電流は３００Ａであった。また、ヒューズ抵抗値は４ｍΩと低い値であった。
比較として、鉛フリーはんだを用いない以外は同様に製作したヒューズについても製作し、溶断試験を行ったところ、６０秒で溶断する電流は１９Ａ、０．０１秒で溶断する電流は１６０Ａであった。
鉛フリーはんだを用いた実施例では、長時間の６０秒で溶断する電流に対する短時間の０．０１秒で溶断する電流の割合は、比較品に対して大幅に大きくなっており、優れたタイムラグ性を示した。

線径０．１ｍｍの銅線に、同じ銅線（金属線の線径比は１）を巻ピッチ０．１８ｍｍ（線径と巻ピッチの比は１．８）で巻き、Ｓｎ９６．５％−Ａｇ３％−Ｃｕ０．５％の組成の溶融した鉛フリーはんだに浸すことでの溶融めっきを行い、巻かれた銅線の間隙を鉛フリーはんだで埋めた可溶体を製作した。この可溶体を、電極となる黄銅製の口金にはんだ付けし、長さ２０ｍｍ×径５ｍｍのセラミック管ヒューズを製作した。セラミック管の内部には、消弧材として珪砂を充填した。
このヒューズは、６０秒で溶断する電流は９Ａ、０．０１秒で溶断する電流は９０Ａであった。また、ヒューズ抵抗値は１６ｍΩと低い値であった。
比較として、鉛フリーはんだを用いない以外は同様に製作したヒューズについても製作し、溶断試験を行ったところ、６０秒で溶断する電流は１３Ａ、０．０１秒で溶断する電流は５０Ａであった。
鉛フリーはんだを用いた実施例では、長時間の６０秒で溶断する電流に対する短時間の０．０１秒で溶断する電流の割合は、比較品に対して大幅に大きくなっており、優れたタイムラグ性を示した。

線径０．０５８ｍｍの銀合金線（Ａｇ４０％−Ｃｕ３０％−Ｚｎ２５％−Ｉｎ５％）に、線径０．０８５ｍｍ（金属線の線径比は１．４７）の銅線を巻ピッチ０．１７ｍｍ（線径と巻ピッチの比は２）で巻き、Ｓｎ９６．５％−Ａｇ３％−Ｃｕ０．５％の組成の溶融した鉛フリーはんだに浸すことでの溶融めっきを行い、巻かれた銅線の間隙を鉛フリーはんだで埋めた可溶体を製作した。この可溶体を電極となる黄銅製の口金にはんだ付けし、長さ２０ｍｍ×径５ｍｍのセラミック管ヒューズを製作した。セラミック管の内部には、消弧材として珪砂を充填した。
このヒューズは、６０秒で溶断する電流は４．６Ａ、０．０１秒で溶断する電流は３９Ａであった。また、ヒューズ抵抗値は４１ｍΩと低い値であった。
比較として、鉛フリーはんだを用いない以外は同様に製作したヒューズについても製作し、溶断試験を行ったところ、６０秒で溶断する電流は３．７Ａ、０．０１秒で溶断する電流は２１Ａであった。
鉛フリーはんだを用いた実施例では、長時間の６０秒で溶断する電流に対する短時間の０．０１秒で溶断する電流の割合は、比較品に対して大幅に大きくなっており、優れたタイムラグ性を示した。

線径０．０４８ｍｍの銀合金線（Ａｇ４０％−Ｃｕ３０％−Ｚｎ２５％−Ｉｎ５％）に、線径０．０３９ｍｍ（金属線の線径比は０．８）の銀合金線（Ａｇ５０％−Ｃｕ３４％−Ｚｎ１６％）を巻ピッチ０．０９８ｍｍ（線径と巻ピッチの比は２．５）で巻き、Ｓｎ９６．５％−Ａｇ３％−Ｃｕ０．５％の組成の溶融した鉛フリーはんだに浸すことでの溶融めっきを行い、巻かれた銅線の間隙を鉛フリーはんだで埋めた可溶体を製作した。この可溶体を電極となる黄銅製の口金にはんだ付けし、長さ２０ｍｍ×径５ｍｍのセラミック管ヒューズを製作した。セラミック管の内部には、消弧材として珪砂を充填した。
このヒューズは、６０秒で溶断する電流は２．１Ａ、０．０１秒で溶断する電流は１１Ａであり、優れたタイムラグ性を示した。また、ヒューズ抵抗値は１９０ｍΩと低い値であった。

線径０．０９５ｍｍの銀合金線（Ａｇ５６％−Ｃｕ２２％−Ｚｎ１７％−Ｓｎ５％）に、線径０．０４８ｍｍ（金属線の線径比は０．５）の銀合金線（Ａｇ４０％−Ｃｕ３０％−Ｚｎ２５％−Ｉｎ５）を巻ピッチ０．０９８ｍｍ（線径と巻ピッチの比は３）で巻き、Ｓｎ９６．５％−Ａｇ３％−Ｃｕ０．５％の組成の溶融した鉛フリーはんだに浸すことでの溶融めっきを行い、巻かれた銅線の間隙を鉛フリーはんだで埋めた可溶体を製作した。この可溶体を電極となる黄銅製の口金にはんだ付けし、長さ２０ｍｍ×径５ｍｍのセラミック管ヒューズを製作した。セラミック管の内部には、消弧材として珪砂を充填した。このヒューズは、６０秒で溶断する電流は３．５Ａ、０．０１秒で溶断する電流は２１Ａであり、優れたタイムラグ性を示した。また、ヒューズ抵抗値は８８ｍΩと低い値であった。

本発明のヒューズの可溶体の一実施を示す説明図である。

符号の説明

１ 線状の金属線
２ 巻かれた金属線
３ 低融点金属層
ｄ 巻ピッチ

Claims (6)

1. 線状の金属線と、この金属線の周囲に巻かれた金属線と、これらの金属線を被い、巻かれた金属線の間隙を埋める形で配置された低融点金属層からなる要素を可溶体とするヒューズ。
2. 前記低融点金属は、鉛フリーはんだであるところの請求項（１）記載のヒューズ。
3. 前記低融点金属層は、溶融めっきで形成されたところの請求項（１）記載のヒューズ。
4. 前記金属線は、銀、銅又はそれらの合金であるところの請求項（１）記載のヒューズ。
5. 前記線状の金属線とその周囲に巻かれた金属線の線径比が０．５〜１．５であるところの請求項（１）記載のヒューズ。
6. 前記周囲に巻かれた金属線の線径と巻ピッチの比が１．５〜３であるところのヒューズ。

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