JP2010522420A - 可融合金要素、可融合金要素を備えた温度ヒューズ、及び温度ヒューズの製造のための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、殊に温度ヒューズの製造のための可融合金要素（１）であって、溶断温度で溶解可能な融解エレメント（２）、並びに可融合金要素（１）の少なくとも接続領域の表面上に設けられた支持層（４）を含んでおり、この場合に支持層（４）の材料の溶融温度は、溶断温度よりも高くなっており、支持層（４）の材料は該材料が固相の状態で、前記融解エレメントの溶融された材料上で溶けるように選ばれている。

Description

本発明は、可融合金要素に関し、殊に、電流回路若しくは高圧電流回路内で使用されているモジュール、特に制御機器を過熱に対して保護するために、温度ヒューズに用いられる可融合金要素に関する。

電気的なモジュール若しくは電気機器を過熱に対して保護するためには、非可逆性の温度ヒューズを用いており、該温度ヒューズは過度に高い周囲温度（温度ヒューズの周囲の温度）では電流供給用の通路若しくは導体を遮断（溶断）するようになっている。この場合に温度ヒューズは、溶断温度が供給される電流によっては達成されず、したがって温度ヒューズが高い電流によってではなく、専ら過度に高い周囲温度によってのみ溶断するように構成されている。つまり温度ヒューズは、電気的なモジュールのための独立の遮断路として用いられるものであり、該遮断路は、例えば構成要素の故障、例えば外乱若しくは外部影響による短絡、絶縁材料の機能不良若しくは劣化等に起因するモジュール内の過度に高い温度に際して、電流路を確実に遮断するようになっている。

従来の温度ヒューズは、固定されたばね（例えばろう付けされた板ばね）の構成をベースにしており、この場合には温度の作用時に固定部は例えば溶解により離れ、その結果、ばね力により温度ヒューズは開かれることになる。この場合に温度ヒューズの通常の作動時に、つまり閉じられた状態でも、機械的な力が結合箇所（結合部位）に作用しており、このことは特に自動車分野における長い運転時間の場合に品質の問題を生じさせ、例えばろう付け箇所の破壊をもたらしている。

別の構成の温度ヒューズは導電性の溶融材料を含んでおり、該溶融材料は溶断温度で融解し始めて、結合部を分離するようになっている。

溶融材料を用いる温度ヒューズにおいて注意される点として、溶融ブリッジは組立プロセス中に融解されてはならず、プロセス温度は溶融ブリッジの溶融温度を超えており、したがって電流路は温度ヒューズの製造に際して遮断されてしまうことになる。つまり、溶融材料から成る予め製造された可融合金要素を温度ヒューズの製造に用いる場合には、可融合金要素は温度ヒューズの組立中に例えば可融合金要素のろう付けに際して少なくとも部分的に融解され、その結果、電流路は遮断されてしまうおそれがある。この場合には、温度ヒューズは使用不能な不良品となってしまう。

したがって、可融合金要素の固定のためのろう付けプロセスに際して、可融合金要素を局所的にしか溶融せず、このためにろう付けプロセスの極めて正確な制御を必要とすることになる。接続箇所（接続部位）への固定のための可融合金要素の局所的な溶融の際には、低温のろう付け部を生じてしまうことになり、このようなろう付け部は電気的な結合部の機能特性及び品質を著しく損なわせることになる。或いは、可融合金要素のろう付けのために、可融合金要素の溶融温度よりも低い溶融温度の適切なろう材を用いる必要がある。このような特殊なろう材の可能な溶断温度は、可融合金要素の溶融温度よりも明らかに低くなる。

本発明の課題は、温度ヒューズ及び可融合金要素（可融合金エレメント）を改善して、可融合金要素が構成要素の故障、例えば外乱若しくは外部影響による短絡、絶縁材料の機能不良若しくは劣化等に起因する不当に高い温度に際して、電流路を溶断により確実に遮断するようにし、この場合に、溶断機構は電流にではなく、周囲温度に依存しており、その結果、許容の最大電流よりも小さな電流しか生ぜしめないことにつながってしまうような障害も確実に認識されるようにすることである。殊に、温度ヒューズは、可融合金要素を備えた格子状打ち抜き片の装備によって簡単に形成されるようにして、製造工程中に可融合金要素が完全に若しくは部分的に融解してしまうことを避けたい。

前記課題を解決するために、本発明に基づく可融合金要素は、溶断温度で溶解可能な融解エレメント、並びに可融合金要素の少なくとも接続領域（接触領域若しくは結合領域）の少なくとも１つの表面上に設けられた支持層を含んでおり、該支持層の材料の溶融温度は、溶断温度よりも高くなっており、この場合に前記支持層の材料は、該材料若しくは該支持層が固相の状態で、融解エレメントの溶融された材料上で溶けるように規定され、つまり選ばれている。

上記構成により、簡単かつ確実に組み付け可能な可融合金要素を形成することができるようになっており、それというのは該可融合金要素は、ろう付け若しくはそのほかの組立工程の際に生じる温度に対して高められた固有抵抗を有しているからである。可融合金要素の組立時のこのようなプロセス温度は、直ちに可融合金要素を溶け出させることにはならず、それというのは、融解エレメントが上記プロセス温度で溶解されて生じることになる材料の凝集は、表面張力を減少してあることに基づき阻止されるからである。換言すれば、融解エレメントが溶解されて生じることになる材料の凝集は、支持層を設けてあることによりその表面張力に基づき、エネルギーを獲得できないようになっている。支持層は、可融合金要素の溶け出し（溶けて生じた溶融液が凝集し或いは流れ出すこと）を永続的には阻止しないように形成されており、つまり可融合金要素の溶断のためには支持層の材料は、融解エレメントの溶解されて生じる溶融液によって溶けるようになっている。

本発明の実施態様では、融解エレメント（溶断要素）の材料はスズを含み、かつ支持層の材料は銅を含んでいる。有利な実施態様では、融解エレメントは、温度ヒューズに用いた場合に所定の電流分布を達成するために直方体状に形成されている。

本発明の別の実施態様では、支持層は可融合金要素若しくは融解エレメントの少なくとも１つの表面に一貫して形成され、つまり中断されることなく表面の面全体にわたって形成されている。本発明の有利な実施態様では、支持層は、融解エレメントの互いに相対する表面、つまり少なくとも１つの表面、及び該表面と相対する表面に形成され、若しくは特に有利には融解エレメントの全表面に形成されて、融解エレメントを完全に包囲している。

支持層の厚さ及び材料は、該材料若しくは該支持層が融解エレメントの材料の溶融時に所定の時間の前に融解エレメントの溶融された材料上で完全には溶融されないように、選ばれ、つまり所定の時間の経過の後に融解エレメントの溶融された溶融液内に完全に溶けるように規定され、つまり選ばれている。

本発明の別の実施態様では、融解エレメントの表面には、支持層のほかに、ろう材層、腐食防止層及び付着性の改善のための層（付着性改善層）のうちの少なくともいずれか１つから成る１つ若しくは複数の層（付加層）を付加的（追加的）に設けてある。

本発明に基づく温度ヒューズは、上記可融合金要素を有しており、該可融合金要素は表面でもって、温度ヒューズの構成部分、つまり電流路部材、例えば格子状打ち抜き片上の接続箇所に取り付けられ、つまり固定され、若しくはろう付けされている。さらに本発明に基づく、上記可融合金要素を用いる方法（使用方法）において、可融合金要素は、温度ヒューズの電流路に用いられる。

さらに本発明に係る、温度ヒューズを製造するための方法において、該方法は本発明に基づき次の工程を含み、つまり、接続材料（接続結合材料若しくは接点材料）、殊にろう材を接続箇所に施す若しくは塗布する工程、上記可融合金要素を装着し、すなわち可融合金要素を接続箇所に、つまり接続箇所の接続材料上に載置し、これによって、可融合金要素の支持層の少なくとも１つの領域を接続材料と接触させる工程、接続材料を、支持層の材料が接続材料と接触している領域で可融合金要素の融解エレメントの材料及び接続材料の溶融に基づき完全に溶かされる時間により規定される所定の時間で、つまり支持層の材料が完全には溶けないような所定の時間内で、接続材料の融点（溶融温度）に加熱し、若しくは融点を超えて加熱し、つまり融点より高い温度に加熱し、これによって、接続材料と接続箇所並びに支持層の材料とを結合（溶融接合若しくは融着結合）する工程を含んでいる。

次に本発明を図示の有利な実施例に基づき詳細に説明する。

本発明に基づく可融合金要素の種々の実施例を示す図である。 本発明に基づく可融合金要素の別の実施例を示す図である。 可融合金要素を格子状打ち抜き片に取り付ける方法を示す図であり、ａ）及びｂ）は装着過程を示しており、ｃ）は温度ヒューズを溶断した後の状態で示している。

本発明に基づく可融合金要素は、融解可能（若しくは溶解可能）な延べ棒状の素材（若しくはブロック）から成る可溶材若しくは融解エレメント２を含んでいる。融解エレメント２は、金属を含み、若しくは導電性の合金を含み、或いは、可融合金要素１を温度ヒューズ（図３ａ〜図３ｃ、参照）内に組み込んだ場合に電流が流れる材料を含んでいる。可融合金要素の所定の大きさの横断面、十分に低い固有抵抗、並びに可融合金要素と周囲の空気とを充分に熱伝達可能に接触させてあることにより、可融合金要素１は、許容の最大電流が可融合金要素１内を流れる場合でもほとんど加熱されない。

融解エレメント２の材料の融点は、素材、つまり融解エレメントが運転障害に起因する温度上昇に際して、例えば構成要素の故障、絶縁材料の機能不良若しくは劣化、外乱若しくは外部影響による短絡等に起因して、溶融温度を超える温度上昇に際して融解されて、可融合金要素により形成された電流路を確実に遮断するように、規定されている。

可融合金要素１は、互いに電気的に絶縁された２つの接点（接続箇所若しくは接続部位）間に設けられ、つまり両方の接点にろう付けされる。つまり、両方の接点は、可融合金要素によって接続（電気的に接触）される。可融合金要素１の該ろう付けに際して重要なことは、可融合金要素１が、組立工程中には融解エレメント２の溶融温度と同じ温度若しくはそれより高い温度の作用を受ける場合でも、電流路を遮断（中断）しないようにすることである。

したがって、ろう付け工程に際して可融合金要素１は、接続箇所との結合のために局所的にしか溶融されず、若しくは融解エレメント２の融点よりも低い融点のろう材を用いて接続箇所にろう付けされるようになっている。

可融合金要素１から成る温度ヒューズの製造工程を簡単にするために、支持層４を設けてあり、該支持層を介して可融合金要素１は接続箇所に取り付けられ、例えば被着され若しくはろう付け固定される。支持層４は、融解可能な材料２及びろう付け過程に用いられるろう材の融点よりも高い融点を有している。支持層４はさらに、可溶材若しくは融解エレメント２の材料内に緩速に溶着され、つまり溶けるようになっている材料を含んでいる。融解エレメント２にとって可能な材料として、十分なスズ割合、例えば３０％を越える割合、５０％を越える割合、若しくは７０％を越える割合、特に有利には３０％を越える割合を有する材料が考えられる。支持層４の材料としては、銅若しくは、高い銅割合、例えば７０％を越える銅割合を有する合金も用いられ得る。銅は、固相の状態で溶融のスズ内に溶けるので有利であり、溶融のスズの温度は、銅の溶融温度に相当していて、約１０μｍ／分であり、このような１０Ｋの温度上昇の値は溶融温度を超えてほぼ二倍である。上記材料とは異なる別の材料も融解エレメント２及び支持層４のための材料として可能である。

可融合金要素１を所定の接続箇所に装着する場合に、従来のろう材、例えば融解エレメント２の材料と同じ材料が用いられる。この場合に、可融合金要素１の融解エレメント２は完全に若しくは部分的に融解し、支持層４の材料は、融解エレメント２の融解した材料上で溶け始める。このようなろう付け過程（ろう付けプロセス）は、支持層が完全に溶ける前に終了されたい。支持層４が、融解した融解エレメント上で完全に溶けない間では、支持層は、１つ若しくは複数の接続箇所で可融合金要素１の凝集（集合）を阻止して、表面張力を減少させるようになっている。支持層４の厚さ、及び接続箇所への可融合金要素１の固定のためのろう付け過程の時間は、支持層４の一部分だけしか溶かされず、したがって、電流路が融解エレメント２の融解にもかかわらず中断されないように選ばれる。

溶断時には、組立中のろう付け過程の後に残されている支持層４は、可融合金の融解に基づき、融解エレメント２の融解された材料上で溶け、つまり融解エレメントが融解されて生じる溶融液内に溶け込み、融解エレメントと同様に溶断し、可融合金要素１は電流路を遮断（中断若しくは分断）して、溶解された材料の一部分は、接続箇所で滴状に集合（凝集）し、若しくは堆積するようになっている。融解エレメント２の溶融温度を越える温度上昇の際の応働の特性、つまり溶断時間は、できるだけ短くされる。

本発明においては、融点の低いろう材を用いるろう付けに比べて利点として、接続箇所における可融合金要素１の接点接続を可融合金と同一のろう材で行っており、これによって溶断温度の低い温度ヒューズを形成でき、それというのは接続箇所への可融合金要素１の固定のためのろう材の溶融温度と、融解エレメントの融解可能な材料との溶融温度との間の温度差がないからである。

図１ａ〜図１ｅに、可融合金要素１の種々の実施例を示してある。図１ａに示してあるように、可融合金要素１は融解エレメント２を含んでおり、融解エレメント２の片側に支持層４を設けてある。支持層４は融解エレメントの、温度ヒューズのための後続の組立工程で接続箇所と結合若しくはろう付けされる側に装着（被着）されている。

可融合金要素の図１ａの実施例のほかに、支持層の配置の異なる別の実施例も可能である。図１ｂにおいては、支持層４は、融解エレメント２の、該融解エレメントでもって可融合金要素１を組み立てる表面では面状ではなく、接続箇所と結合される領域にのみ設けられている。つまり、支持層４は例えば中央領域で中断されている。しかしながら、反対側の表面及び／又は側面（図面に示されている面）には、融解エレメントの溶融された材料（溶融液体）の凝集阻止（集合阻止若しくは滴形成阻止）の効果を生ぜしめるために、一貫した支持層を設けてある。

図１ａ〜図１ｅの実施例から明らかなように、支持層４は、融解エレメント２の両側の表面（可融合金要素の接続箇所間を延びる両側の表面）に設けられ、若しくは、可融合金要素の接続箇所間を延びる２つの表面、或いは２つよりも多い表面に設けられていてよく、これによって、融解エレメント２の完全な溶融、ひいては完全に溶融された融解エレメント２の材料（該溶融により生じる液体）内で生じる支持層４の材料の溶解に基づき、可融合金要素１により形成された温度ヒューズの溶断が行われるようになっている。

図１ｄの実施例においては、融解エレメント２は支持層４によって完全に取り囲まれており、その結果、表面上で相対する支持層４により囲まれる領域からの融解エレメント２の材料の流れ出しは避けられるようになっている。このような構成により、相対して位置する支持層４が互いに接近して相互に接触し、ひいては、支持層間に融解エレメント２の溶融された材料のなくなっていることによりもはや溶融しなくなるというようなことは避けられ、つまり温度ヒューズの溶断が妨げられるというようなことは避けられるようになっている。

図１ｅの実施例は、図１ｄの実施例をベースにしており、支持層に加えて付加的（追加的）に別の１つ若しくは複数の層を設けてあり、該層（付加的な層、つまり付加層）は、付加的な所定の機能を有しているものである。図１ｅの実施例の部分を図２に示してあり、図２から見て取れるように、融解エレメント２には支持層４及び１つの付加層５を設けてある。

付加層５は、例えばろう材層であってよく、このようなろう材層は、ろう材ペースト（ペースト状ろう材）を追加的に設けるためのものであり、若しくは接続箇所間での可融合金要素１のろう付け若しくはろう付け溶融を不要にするものであってよい。可融合金要素１のろう付けは、接続箇所上への可融合金要素１の載設（取り付け）及び適切な加熱によって行われるようになっている。

さらに付加層５は、追加的な手段として、若しくは別の手段として支持層４のための酸化防止層であって、高い耐腐食性を生ぜしめるようになっていてよい。このための可能な材料は、例えばＥｎｔｅｃ若しくはＳｎＡｇＣｕである。

さらに付加層５は、追加的な手段として、若しくは別の手段として、付着の促進若しくは付着性の改善のための層（付着改善層）であってよく、該層は例えばＮｉ若しくはＡｕを含んでいて、接続箇所での可融合金要素１の接着若しくはボンディングを容易にするようになっている。さらに付加層は、融剤を含んでいてよく、若しくは複数の付加層の１つは融剤を含んでいてよい。有利には、付加層の材料は、該材料が融解エレメント２の溶融に際して該融解エレメント内で液状化し、若しくは融解し、或いは処理温度により蒸発するように選ばれている。

図３ａ及び図３ｂには、温度ヒューズのための組立過程（組み付け工程）を示してある。図３ａには、図１ａの実施例の可融合金要素１を格子状打ち抜き片７の通路領域９の接続箇所６上へ装着する直前の工程段階が示してある。格子状打ち抜き片７の接続箇所６はろう材ペースト８を備えている。ろう材ペースト８上に可融合金要素１を載せて、次いでろう材ペースト８はその溶融温度を超えて加熱される。この場合に、融解エレメント２も熱せられ、可融合金要素１の支持層４は、ろう材ペースト８内で溶けるようになり、つまり、ろう材ペーストの溶融により溶解され、融解エレメント２の溶融に際して融解エレメント２内でも溶けるようになる。これによって、支持層は、融解エレメント２を接続箇所にろう付けする部分で、該部分（部位若しくは領域）のほかの部分でよりも薄くなっている。

図３ｂには、融解エレメント及び支持層から成る可融合金要素若しくは可融合金エレメントを支持層でもって温度ヒューズの通路の接続箇所に載せて装着する段階を示してある。支持層４の厚さ並びに融解エレメント２及び支持層４の材料は、支持層４を融解エレメント２の溶融された部分上で完全に溶解することなしに、可融合金要素１を接続箇所に例えばろう付けにより確実に固定することができるように選ばれている。融解エレメント上での支持層の完全な溶解は、可融合金要素１による電流路の中断につながり、ろう付け過程の精度を損ねることになる。しかしながら支持層の厚さは、溶断を生ぜしめたい場合には支持層４の材料が融解エレメント２の溶融された材料内で短い時間で、例えば１〜１０秒内でできるだけ完全に溶けるように制限されている。厚さによって、温度ヒューズの容量若しくは特性を調節することができる。

図３ｃには、温度ヒューズを、可融合金（若しくは易融合金）が高い周囲温度に基づき溶解し、かつ支持層４が溶解された融解エレメント２により溶かされて溶断した状態で示してある。溶解した可融合金の各部分は、表面張力に基づき通路領域９上へ引っ張られて、それぞれ滴状に凝集している。融解エレメントの溶融された材料は、融解エレメント２の溶融された材料若しくは液体の表面張力及び親和力に基づき、両方の通路領域９間の領域から外側へ、つまり通路領域へ引っ張られて、通路領域間の領域（部位）で分断若しくは分離される。

１ 可融合金要素、 ２ 融解エレメント、 ４ 支持層、 ５ 層、 ６ 接続箇所、 ７ 格子状打ち抜き片、 ８ ろう材ペースト

Claims (10)

1. 可融合金要素（１）、殊に温度ヒューズの製造のための可融合金要素（１）であって、溶断温度で溶解可能な融解エレメント（２）、並びに前記可融合金要素（１）の少なくとも接続領域の表面上に設けられる支持層（４）を含んでおり、前記支持層（４）の材料の溶融温度は、前記溶断温度よりも高くなっており、この場合に前記支持層（４）の材料は該材料が固相の状態で、前記融解エレメントの溶融された材料上で溶けるように選ばれていることを特徴とする可融合金要素。
2. 前記融解エレメント（２）の材料はスズを含み、かつ前記支持層（４）の材料は銅を含んでいる請求項１に記載の可融合金要素。
3. 前記融解エレメント（２）は直方体状に形成されている請求項１又は２記載の可融合金要素。
4. 前記支持層（４）は前記表面に一貫して形成されている請求項１から３のいずれか１項に記載の可融合金要素。
5. 前記支持層（４）は、前記融解エレメント（２）の相対する表面に形成されていて、殊に融解エレメント（２）を完全に取り囲んでいる請求項１から４のいずれか１項に記載の可融合金要素。
6. 前記支持層（４）の厚さ及び材料は、該材料が前記融解エレメント（２）の材料の溶融時に所定の時間の前には前記融解エレメント（２）の溶融された材料上で完全には溶融されないように選ばれている請求項１から５のいずれか１項に記載の可融合金要素。
7. 前記表面に、前記支持層のほかに付加的に１つ若しくは複数の層（５）を設けてあり、該付加的に設けられる層は、ろう材層、腐食防止層及び、付着性の改善のための層のうちの少なくとも１つを含んでいる請求項１から６のいずれか１項に記載の可融合金要素。
8. 格子状打ち抜き片（７）上の接続箇所、並びに請求項１から７のいずれか１項に記載の可融合金要素（１）を備えた温度ヒューズにおいて、前記可融合金要素は前記表面でもって前記接続箇所（６）に固定され、殊にろう付けされていることを特徴とする、温度ヒューズ。
9. 請求項１から７のいずれか１項に記載の可融合金要素（１）を用いる方法において、該可融合金要素（１）を温度ヒューズの電流路に用いることを特徴とする、可融合金要素を用いる方法。
10. 温度ヒューズを製造するための方法において、次の工程を含んでおり、
    接続材料、殊にろう材を接続箇所に施す工程、
    請求項１から７のいずれか１項に記載の可融合金要素（１）を装着し、その結果、支持層（４）の少なくとも１つの領域を前記接続材料と接触させる工程、
    前記接続材料を、前記支持層（４）の材料が前記接続材料と接触している領域で融解エレメント（２）の材料及び前記接続材料上で完全に溶かされる時間により規定される所定の時間で、前記接続材料の融点に加熱し、若しくは該融点を超えて加熱し、その結果、前記接続材料と前記支持層（４）及び前記接続箇所の材料とを結合する工程を含んでいることを特徴とする、温度ヒューズの製造のための方法。

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