JP2010077459A - 温度ヒューズ用エレメント及び合金型温度ヒューズ - Google Patents

Abstract

【課題】ヒューズエレメントの溶断温度が９２℃〜９８℃の温度ヒューズにおいて、その溶断温度未満と固相線温度との間の温度で繰返し加熱を受けても、ヒューズエレメントの損傷をよく軽減できる温度ヒューズを提供する。
【解決手段】Ｉｎ４８〜５４％、Ｂｉ７〜１０％、Ｚｎ１．５〜３．０％、Ａｇ０．１〜１．０％、残部Ｓｎの合金組成を有する。
【選択図】なし

Description

本発明は温度ヒューズ用エレメント及び合金型温度ヒューズに関し、携帯電子機器に取り付けて使用されるサーモプロテクタとして有用なものである。

電子・電気機器の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。
合金型温度ヒューズは、リード導体間に低融点可溶合金片（ヒューズエレメント）を接続し、該低融点可溶合金片にフラックスを塗布し、該フラックス塗布低融点可溶合金片を絶縁外皮で封止してなり、電子・電気機器に良好な熱的接触状態で取付け、電子・電気機器が過電流のために所定の限界温度にまで発熱する際に、低融点可溶合金片を溶断させて電子・電気機器への給電を遮断している。

合金型温度ヒューズの溶断動作の機構は、低融点可溶合金片が溶融され、その溶融合金がリード導体先端部に濡れ拡がり分断されて通電が遮断されることにある。
ヒューズエレメントの溶融過程は、固相線温度で溶解し始め、液相線温度で溶解が終了し、固相線温度と液相線温度との間では、溶解液体に固相体が粒子状で分散した状態、すなわち固液共存状態となる。
ヒューズエレメントの溶断温度は、固相線温度よりも高温側であるが、固液共存物のリード導体への濡れ性や粘度等に左右される。

携帯型電子・電気機器、例えば携帯電話機では、リチウムイオン電池等の二次電池を電源として使用しており、その二次電池の発熱から携帯する者の人体を保護するために、二次電池に温度ヒューズを取り付けて二次電池温度９０℃〜９９℃で温度ヒューズを動作させ携帯電話機を不能状態とすることが行われている。

温度ヒューズ用エレメントの合金として、Ｓｎ−Ｉｎ−Ｂｉ−Ｚｎの４元合金が提案されている（特許文献１〜３）。
特開２００６−２９９２８９号公報 特開２００７−１１３０５０号公報 国際公開２００４−１０６５６８号公報 図２は、５１％Ｉｎ−９％Ｂｉ−３％Ｚｎ−３７％ＳｎのＤＳＣ（示差走行熱量）曲線を示している。 ＤＳＣ測定は、合金試料とアルミ基準試料に各ヒータにより電力を供給して両者間の温度差を０とするように一定速度で加熱していき、合金試料が溶解すると吸熱が生じるのでその吸熱分の電力を合金試料側に補給して前記温度差を０としていくものであり、縦軸に両者間の電力供給量の差を、横軸に温度を示している。図２においては、固相線温度が８０．７℃、液相線温度が９６．９℃、吸熱ピーク温度が９５．３℃となっている。

本発明者等においては、鋭意実験を行い、Ｉｎ４８〜５４％、Ｂｉ７〜１０％、Ｚｎ１．５〜３．０％、残部Ｓｎの組成では、固相線温度が７９℃〜８１℃の範囲内にあること、ピーク温度が９４℃〜９６℃の範囲内にあり、ヒューズエレメントの溶断が（ピーク温度の±２℃）の範囲内で生じること確認した。
しかしながら、この合金を携帯電話機用温度ヒューズのヒューズエレメントとして使用すると、溶断温度（９２℃〜９８℃）と固相線温度（７９℃〜８１℃）との差が大きく、この固相線温度と溶断温度との間では、温度ヒューズが作動しなくてもヒューズエレメントが半溶解され、これが繰り返されると、ヒューズエレメントが損傷して温度ヒューズの所定の作動が保証できなくなる。

このように、Ｉｎ４８〜５４％、Ｂｉ７〜１０％、Ｚｎ１．５〜３．０％、残部Ｓｎの組成を携帯電話機用温度ヒューズのヒューズエレメントとして使用すると、二次電池の発熱によりヒューズエレメント温度が９２℃〜９８℃に達すると、ヒューズエレメントを溶断させて携帯電話機を通電不能として人体を火傷から安全に保護できるが、保護範囲外の溶断温度未満から固相線温度（７９℃〜８１℃）までの温度での繰返し加熱でも携帯電話機が使用不可となってしまう。

そこで、Ｉｎ４８〜５４％、Ｂｉ７〜１０％、Ｚｎ１．５〜３．０％、残部Ｓｎの組成の合金について、ＤＳＣピーク温度を変えることなく、従ってヒューズエレメントの溶断温度を変えることなく固相線温度を高めるべく鋭意検討した結果、Ａｇを０．１〜１．０％添加すれば、細線加工性を充分に保持して固相線温度を２℃〜４℃上昇できることを知った。

合金の機械的強度をアップするために、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｇｅ、Ｇａ等の金属を少量添加することは周知手段に属する。 この理由を考察すると次の通りである。ａ_１，……ａ_ｎのｎ種類の金属元素からなる合金Ａにおいては、ａ_１にａ_２，……ａ_ｎが溶けた固溶体、……、ａ_ｎにａ_１，ａ_２，……ａ_ｎ−１が溶けた固溶体というようにｎ種類の固溶体が生成し、ａ_１，……ａ_ｎ、ａ_ｎ＋１の（ｎ＋１）種類の金属元素からなる合金Ａ’においては、ａ_１にａ_２，……ａ_ｎ，ａ_ｎ＋１が溶けた固溶体、……、ａ_ｎ＋１にａ_１，……ａ_ｎが溶けた固溶体というように（ｎ＋１）種類の固溶体が生成し、合金Ａの溶解温度の最も低い固溶体の溶解温度に対し合金Ａ’の溶解温度の最も低い固溶体の溶解温度が高いためであると推定できる。
しかしながら、前記Ａｇの添加に代えＣｕ、Ａｌ、Ｇｅ、Ｇａ等を添加しても、固相線温度の上昇は得られない。

本発明の目的は、ヒューズエレメントの溶断温度が９０℃〜９９℃の温度ヒューズにおいて、その溶断温度未満と固相線温度との間の温度で繰返し加熱を受けても、ヒューズエレメントの損傷をよく軽減できる温度ヒューズを提供することにある。

請求項１に係る温度ヒューズ用エレメントは、Ｉｎ４８〜５４％、Ｂｉ７〜１０％、Ｚｎ１．５〜３．０％、Ａｇ０．１〜１．０％、残部Ｓｎの合金組成を有することを特徴とする。
請求項２に係る温度ヒューズ用エレメントは、Ｉｎ４８〜５４％、Ｂｉ７〜１０％、Ｚｎ１．５〜３．０％、Ａｇ０．１〜１．０％、残部Ｓｎの１００重量部にＣｕ、Ａｌ、Ｇｅ、Ｇａの少なくとも一種以上が合計で０．０５重量部以下含有されてなる合金組成を有することを特徴とする。
請求項３に係る温度ヒューズは、ヒューズエレメントが請求項１または２何れかの温度ヒューズ用エレメントであることを特徴とする。
請求項４に係る温度ヒューズは、リード導体間に請求項１または２何れかの温度ヒューズ用エレメントが接続され、該エレメントにフラックスが塗布され、該フラックス塗布エレメントがベースフィルムとカバーフィルムとで封止されていることを特徴とする。

Ｉｎ４８〜５４％、Ｂｉ７〜１０％、Ｚｎ１．５〜３．０％、残部Ｓｎの組成を携帯電話機用温度ヒューズのヒューズエレメントとして使用すると、二次電池の発熱によりヒューズエレメント温度が溶断温度９０℃〜９９℃に達すると、ヒューズエレメントを溶断させて携帯電話機を通電不能として人体を火傷に対し安全に保護できるが、保護範囲外の溶断温度未満から固相線温度（７９℃〜８１℃）までの温度での繰返し加熱でも携帯電話機が使用不可となってしまう。
本発明では、Ａｇを０．１〜１．０％添加しており、溶断温度９２℃〜９８℃を殆ど変化させることなく固相線温度（８２℃〜８５℃））へと２℃〜４℃高めることができ、その高まった範囲では、高める前に前記繰返し加熱により受けていたヒューズエレメントの損傷を排除できる。

すなわち、使用危険温度範囲を従来の「ヒューズエレメント溶断温度（９０℃〜９９℃）と固相線温度（７９℃〜８１℃）との間の範囲」から「ヒューズエレメント溶断温度（９０℃〜９９℃）と固相線温度（８２℃〜８５℃）との間の範囲」に狭めることができる。

本発明において使用する合金組成は、Ｉｎ４８〜５４重量部、Ｂｉ７〜１０重量部、Ｚｎ１．５〜３．０重量部、残部Ｓｎの合計１００部をベースとし、これにＡｇを０．１〜１．０重量部添加したものである。
このベース組成の合金においては、固相線温度が７９℃〜８１℃の範囲内にある、ピーク温度が９４℃〜９６℃の範囲内にありヒューズエレメントの溶断が（ＤＳＣピーク温度の±２℃）の範囲内で生じる、２００〜４００μｍφの細線加工、または厚み２０〜４０μｍの板状加工が可能である等の特長を有する。このベース組成にＡｇを０．１〜１．０重量部添加する理由は、ベース組成に対ＤＳＣピーク温度を殆ど変えずに固相線温度を２℃〜４℃高めるためである。Ａｇ０．１重量部未満では有効な固相線温度アップを得難く、１．０重量部を越えると溶断温度が高温側にシフトしてしまう（溶解金属の粘度が高くなり、濡れによる分断が生じ難くなる）。
Ａｇの添加により固相線温度が上昇する理由は、既述した通り、最低溶解温度の固溶体の溶解温度が高るためである。

請求項２において添加しているＣｕ、Ａｌ、Ｇｅ、Ｇａは不可避的不純物であり、その量を０．１〜１．０重量部にしても前記Ａｇ添加の効果は期待できない。
温度ヒューズとしては、帯状リード導体間に板状ヒューズエレメントを接続し、該エレメントにフラックスを塗布し、該フラックス塗布エレメントをベースフィルムとカバーフィルムとでヒートシールや接着剤で封止した薄型とすることが好ましい。
セラミックス基板等の耐熱基板上に一対の膜電極を導電ペーストの印刷焼成により設け、膜電極間に温度ヒューズ用エレメントを接続し、該エレメントにフラックスを塗布し、該フラックス塗布エレメントをエポキシ樹脂などのポッテングにより封止した基板型を使用することもできる。
フラックスには、通常、融点がヒュー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。ロジンには、天然ロジン、変性ロジン（水添ロジン、不均化ロジン、重合ロジン等）、または、これらの精製ロジンを使用することができ、活性剤にはジエチルアミンの塩酸塩や臭化水素酸塩等を使用できる。

以下の実施例及び比較例においては、温度ヒューズには前記した薄型温度ヒューズを使用した。帯状リード導体の材質はスズメッキ銅とし、巾を１０００μｍ、厚みを１０μｍとした。フラックスには、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重量部の組成を使用し、プラスチックベースフィルム及びプラスチックカバーフィルムには厚み２００μｍのポリエチレンテレフタレートフィルムを使用した。
ヒューズエレメントには、１ダイスについての引落率６．５％、線引き速度４５m/minの条件で３００φμｍに線引きしたものを使用した。

固相線温度、ピーク温度、液相線温度は、示差熱測定装置Thermo plus TG8120 リガク社製を使用し、測定試料重量10〜14mg、昇温速度5℃/1分の条件で測定した。
温度ヒューズに０．１アンペアの電流を流しつつ、昇温温度１℃／１分のオイルバス中に浸漬し、溶断による通電遮断時のオイル温度を測定し、この温度を溶断温度とした（帯状リード導体がオイルに接触しており、ヒューズエレメントとオイルとの温度差は無視でまる）。
〔実施例１−１〕
ベース組成に５１％Ｉｎ−３７％Ｓｎ−９％Ｂｉ−３％Ｚｎを使用した。このベース１００重量部にＡｇを０．５重量部を添加した実施例合金を、１ダイスについての引落率６．５％、線引き速度４５m/minの条件で３００φμｍに線引きしてヒューズエレメントを製作した。断線などなく円滑に伸線できた。
実施例合金のＤＳＣ曲線は図１の通りであり、固相線温度が８３．７℃、ピーク温度が９６．８℃である。
薄型温度ヒューズを製作して溶断温度を測定したところ、９４℃±１℃であり、ピーク温度にほぼ一致していた。
図２はベース組成のＤＳＣ曲線を示し、固相線温度が８０．７℃、ピーク温度が９５．３℃であり、固相線温度が実施例合金よりも３．０℃低い。
図３は実施例合金組成からＺｎを除いた合金のＤＳＣ曲線を示し、ピーク温度が９９．３℃と高く、作動温度９０℃〜９９℃の温度ヒューズの温度要件を充足させ難い。
〔実施例１−２〕
ベース組成に５１％Ｉｎ−３７％Ｓｎ−９％Ｂｉ−３％Ｚｎを使用した。このベース１００重量部にＡｇを１．０重量部を添加した実施例合金を、１ダイスについての引落率６．５％、線引き速度４５m/minの条件で３００φμｍに線引きしてヒューズエレメントを製作した。断線などなく円滑に伸線できた。
実施例合金の固相線温度は８４．８℃、ピーク温度は９７．９℃であり、ヒューズエレメントの溶断温度は９７．１℃であった。

〔実施例２−１〕
ベース組成に５１％Ｉｎ−３８．３％Ｓｎ−９％Ｂｉ−１．７％Ｚｎを使用した。このベース１００重量部にＡｇを０．５重量部を添加した実施例合金を、１ダイスについての引落率６．５％、線引き速度４５m/minの条件で３００φμｍに線引きしてヒューズエレメントを製作した。断線などなく円滑に伸線できた。
実施例合金の固相線温度は８３．７℃、ピーク温度は９６．７℃であり、ヒューズエレメントの溶断温度は９５．４℃であった。
〔実施例２−２〕
ベース組成に５１％Ｉｎ−３８．３％Ｓｎ−９％Ｂｉ−１．７％Ｚｎを使用した。このベース１００重量部にＡｇを１．０重量部を添加した実施例合金を、１ダイスについての引落率６．５％、線引き速度４５m/minの条件で３００φμｍに線引きしてヒューズエレメントを製作した。断線などなく円滑に伸線できた。
実施例合金の固相線温度は８４．８℃、ピーク温度が９７．２℃であり、ヒューズエレメントの溶断温度は９６．３℃であった。

〔実施例３−１〕
ベース組成に５３％Ｉｎ−３７．０％Ｓｎ−７％Ｂｉ−３．０％Ｚｎを使用した。このベース１００重量部にＡｇを０．５重量部を添加した実施例合金を、１ダイスについての引落率６．５％、線引き速度４５m/minの条件で３００φμｍに線引きしてヒューズエレメントを製作した。断線などなく円滑に伸線できた。
実施例合金の固相線温度は８２．６℃、ピーク温度は９５．５℃であり、ヒューズエレメントの溶断温度は９４．４℃であった。
〔実施例３−２〕
ベース組成に５３％Ｉｎ−３７．０％Ｓｎ−７％Ｂｉ−３．０％Ｚｎを使用した。このベース１００重量部にＡｇを１．０重量部を添加した実施例合金を、１ダイスについての引落率６．５％、線引き速度４５m/minの条件で３００φμｍに線引きしてヒューズエレメントを製作した。断線などなく円滑に伸線できた。
実施例合金の固相線温度は８３．８℃、ピーク温度が９８．１℃であり、ヒューズエレメントの溶断温度は９７．４℃であった。

本発明において使用するＩｎ−Ｓｎ−Ｂｉ−Ｚｎ−Ａｇ合金の一例のＤＳＣ曲線を示す図面である。 本発明において使用する合金組成に対しＡｇを除去したＩｎ−Ｓｎ−Ｂｉ−Ｚｎ合金の一例のＤＳＣ曲線を示す図面である。 本発明において使用する合金組成に対しＺｎを除去したＩｎ−Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ合金の一例のＤＳＣ曲線を示す図面である。

符号の説明

ｐ ピーク

Claims (4)

1. Ｉｎ４８〜５４％、Ｂｉ７〜１０％、Ｚｎ１．５〜３．０％、Ａｇ０．１〜１．０％、残部Ｓｎの合金組成を有することを特徴とする温度ヒューズ用エレメント。
2. Ｉｎ４８〜５４％、Ｂｉ７〜１０％、Ｚｎ１．５〜３．０％、Ａｇ０．１〜１．０％、残部Ｓｎの１００重量部にＣｕ、Ａｌ、Ｇｅ、Ｇａの少なくとも一種以上が合計で０．０５重量部以下含有されてなる合金組成を有することを特徴とする温度ヒューズ用エレメント。
3. ヒューズエレメントが請求項１または２記載の温度ヒューズ用エレメントであることを特徴とする温度ヒューズ。
4. リード導体間に請求項１または２記載の温度ヒューズ用エレメントが接続され、該エレメントにフラックスが塗布され、該フラックス塗布エレメントがベースフィルムとカバーフィルムとで封止されていることを特徴とする温度ヒューズ。

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