JP2012155912A - 可動電極を有する温度ヒューズ - Google Patents

Abstract

【課題】可溶金属感温体に弾性ばね部材の押圧作用を利用した温度ヒューズに関して、定格電流の向上と優れた耐アーク性、及び高温環境での長期信頼性を実現する。
【解決手段】絶縁ベース１１を貫通させた第１リード１２と、当該第１リード１２と相対する第２リード１４を有し、当該第１リード１２と第２リード１４に可動電極１３を可溶金属感温体１６で接合し、当該絶縁ベース１１で挟み込んで保持した弾性ばね部材１５を当該可動電極１３に圧縮係留し、これらをパッケージ１７に収納した。
【選択図】図１

Description

本発明は、可溶金属材を感温体に使用し、弾性ばね部材により付勢した可動電極を有する温度ヒューズに関する。

電気機器の過昇温に因る事故を防止する目的で各種ヒータや電源回路に実装される部品に温度ヒューズがある。温度ヒューズには、感温体として低融点合金をヒューズエレメントに用いた可溶合金型温度ヒューズがある。（例えば特許文献１参照）また、別形態の温度ヒューズとして、両端にリード線を取付けた金属ケース内に絶縁性の感温ペレットを圧縮ばねと可動接点と共に収容して、所定の温度に達すると感温ペレットが軟化または溶融し、圧縮ばねの押圧作用で可動接点を移動させて回路遮断する感温ペレット型温度ヒューズがある。（例えば特許文献２参照）

特開２００７−１１３０２４号公報 特開２００９−１８７７３２号公報

しかしながら、従来の可溶合金型温度ヒューズは、低融点合金のヒューズエレメントに直接通電して使用されるため、使用合金の固有抵抗によって使用できる電流に制限を受ける場合があった。特に金属間化合物を含有する可溶合金をヒューズエレメントに使用した可溶合金型温度ヒューズは、一般に内部抵抗が高く定格電流値を大きくとることが困難であった。また、可溶合金型温度ヒューズは合金の溶断動作を保証するため有機系のフラックスを合金表面に塗布する必要があり、２００℃を超える環境においては、フラックス材料が熱劣化して流動性や化学作用を失い長期信頼性を確保することが困難であった。一方、感温ペレット型温度ヒューズは、固定接点に可動接点をばねで押圧させて接触させ、これを感温体の絶縁性ペレットで係止した構造であるため、内部抵抗値を低くすることができるが、多数の部品を缶ケース内に組み込む必要があり、コスト的な制約があった。また、接点材料を使用した構成であるため、接点同士が分離する際にアーク放電が発生し、接点が融着して動作不良を起こすことがあった。さらに、感温ペレット型温度ヒューズは、感温体に有機材料のペレットを使用しているが、２００℃を超える環境においてはペレットの材料が昇華により減少し誤動作することや、材料の熱劣化により融点が変化したり、あるいは有機材料の炭化により絶縁性が低下したりするものがあるため利用できる材料が限られていた。

そこで本発明は、従来の可溶合金型温度ヒューズと感温ペレット型温度ヒューズにおける上記問題点を解決すべく、感温体に金属材料を用いながら弾性ばね部材と可動電極のカットオフ作動機構を備える新規かつ改良された温度ヒューズの提供を目的とする。

本発明は、一対の導出リードと、このリード端部を可溶金属で接合した可動電極と、前記可動電極に付勢力を与えて可動電極を開放動作させる弾性ばね部材と、前記弾性ばね部材を電気絶縁する絶縁ベースからなる継合構造体の一式をパッケージ内に収納した構造からなる温度ヒューズである。より詳細には、一端に絶縁ベースを貫通固定した第１リードと、可動電極の間に弾性ばね部材を挟み込んで圧縮したまま、第１リード端部を前記可動電極に設けたリード取付け孔に挿入して、可溶金属で第１リードと可動電極とを接合する。さらに反対側の前記リード取付け孔に第２リードの一端を挿入し、可溶金属で第２リード片端と可動電極を接合する。本発明の温度ヒューズは、可溶金属からなる接合継ぎ手を感温体として利用している。動作機構は、接合継ぎ手の可溶金属が、過熱によって所定の動作温度に達すると溶融し、圧縮した弾性ばね部材の付勢力によって接合継ぎ手が破壊され、可動電極を押し動かして回路を遮断する仕組みとなっている。この時、動作温度において液状化した可溶金属の液相面が互いに開離して動作する。通電経路に介在する可溶金属が接合継ぎ手部分にのみ局部的に用いられているため、温度ヒューズの内部抵抗をリード導体の抵抗値近傍まで低減することができる。かかる構成により、可溶金属を感温体に使用しながら大電流への対応が可能な温度ヒューズを実現することができる。

換言すると、本発明の温度ヒューズのカットオフ動作温度に可溶金属感温体の溶融温度を利用すると共に、弾性ばね部材と可動電極の配置を工夫した機械的押圧付与の動作機構を利用している。それゆえ、溶融金属の表面張力を利用した可溶合金型温度ヒューズのように、溶融金属の表面を整える有機系フラックスを必要とせず、動作温度の使用領域が２００℃以下に制限されない。また、感温ペレット型温度ヒューズの特長の大電流を活かしつつ、欠点である使用部品点数の削減を可能にする温度ヒューズを提供できる。

本発明は、可溶金属を感温体に利用しながら温度ヒューズの内部抵抗を低減することができ、かつ有機材料であるフラックスやペレットを使用しないため、温度ヒューズの使用できる温度帯を高温側に拡張することができる。また、有機材料を使わないため材料成分が気化消失する心配がなく、必要に応じてパッケージの封止を簡略化することができる。

本発明の温度ヒューズは、動作温度で固体状態である接点材料を使用しないので接点開離時に発生するアーク放電によって接点同士が融着する心配がない。

本発明に係る第１実施例の温度ヒューズを示し、図１（Ａ）は正常時動作前の温度ヒューズの断面図、図１（Ｂ）はその動作後の温度ヒューズの断面図である。 本発明に係る第２実施例の温度ヒューズを示し、図（Ａ）は動作前の断面図、図２（Ｂ）は、その動作後の断面図である。 本発明に係る第３実施例の温度ヒューズを示す断面図である。 本発明に係る第４実施例の温度ヒューズを示す水平断面図および垂直断面図である。

本発明に係る温度ヒューズは、一対の導出リードを設けたパッケージに、リード端部に可溶金属の感温体により接合した可動電極と、この可動電極に所定方向の弾圧力を付与する弾性ばね部材とを収容し、前記感温体の溶融により前記リード端部間を電気的に離合して一対の導出リード間をカットオフする。ここで、可動電極は片側端部に鍔部を有した筒型導体からなり、その一端側にフランジ状鍔部があり、この鍔部に弾性ばね部材の圧縮ばねが当接される。したがって、この可動電極は、常時、軸心方向の押圧力が付与され、感温体が溶融温度になると離合する継合構造としている。また、パッケージはガラス、セラミックまたは耐熱プラスチックを含む絶縁材から選ばれる少なくとも１種の絶縁部材を使用した絶縁ベースと外周を囲繞するカバーとを具備し、必要に応じて、パッケージカバー内部に、可動電極が円滑にスライドするように突起等のガイド手段を設けることもできる。このようにして、本発明の温度ヒューズは従来の可溶合金型温度ヒューズや感温ペレット型温度ヒューズとは異なるタイプの温度ヒューズを提供する。

本発明による第１実施例の温度ヒューズ１０を図１（Ａ）に示す。この温度ヒューズ１０は、一対の導出リード１２および１４と、このリード端部を可溶金属１６で接合した可動電極１３と、可動電極１３に付勢力を与えて可動電極１３を開放動作させる圧縮コイルスプリング１５と、圧縮コイルスプリング１５を電気絶縁する絶縁ベース１１からなる継合構造体の一式を金属パッケージ１７内に収納し樹脂封止した構造からなる温度ヒューズである。より詳細には、絶縁ベース１１に貫通固定した第１リード１２、筒型の可動電極１３に先端部を挿通した第２リード１４と、この可動電極１３と絶縁ベース１１との間に挟んだ圧縮コイルスプリング１５とを備え、可動電極１３に第１リード１２と第２リード１４とを可溶金属１６で接合することにより、コイルスプリング１５を圧縮して係止し、これを金属缶パッケージ１７に収納してパッケージの片側をエポキシ樹脂の封止樹脂６０で封止した温度ヒューズである。この実施例の温度ヒューズ１０は、感温性の接合継ぎ手を形成する可溶金属１６が、過熱によって所定の動作温度に達すると溶融することで、圧縮したコイルスプリング１５の押圧力によって接合継ぎ手が破壊され、可動電極を押し動かして回路を遮断する仕組みとなっている。第１実施例の温度ヒューズ１０が動作した状態を図１（Ｂ）に示す。なお、この温度ヒューズ１０には、動作温度以上の環境下でリードに外部から押し込み方向の力が加わった際、リード貫入ストッパーとして働くリードかしめ部６１を、第１リード１２と第２リード１４にそれぞれ設けてあり、可動電極１３にはコイルスプリングを当接する鍔部６２を設けている。

第２実施例の温度ヒューズ２０を図２に示す。この温度ヒューズ２０は、金属缶の開口部を内側に折り曲げたケースかしめ部６３で、収容部品がパッケージから抜け落ちないように固定している。封止樹脂を使用しないので、組立工程から歩留まりの悪い樹脂塗布工程と、時間を要する樹脂硬化工程とを省略でき、工程の省力短縮化に寄与することができる。温度ヒューズ２０は、図２（Ａ）に示すように、第１リード２２のインナー部および絶縁ベース２１、弾性ばね部材２５、非貫通のリード装着孔を有する筒型の可動電極２３、可溶金属からなる感温性の接合継ぎ手２６、第２リード２４のインナー部の各部を、金属缶からなるパッケージ２７に収納したものであり、第２リードにパッケージにリードを圧入して固定できるように、第２リード２４の中程に段付部６４を設けた段付きリードとしている。温度ヒューズ２０が動作した状態を図２（Ｂ）に示す。可動電極２３のリード装着孔を非貫通とすることで、可溶金属と可動電極の接合界面を増やし、溶融した可溶金属の可動電極に対する付着力を増大させる。すなわち、動作時に溶融した可溶金属と可動電極との界面張力を増加させることにより、溶融状態の可溶金属を可動電極のリード装着孔内壁面に一層付着しやすくして、可動電極がスライド作動する際に第１リード２２のハンダ離れを改善する。

図３に示す第３実施例の温度ヒューズ３０は、上記温度ヒューズ１０のパッケージ１７を金属缶から絶縁管パッケージ３７に変更した温度ヒューズである。ここでは、パッケージが絶縁性であるので、パッケージによる接触短絡を気にせずに被保護機器に実装することができる。また、第１リード３２のインナー部および絶縁ベース３１、弾性ばね部材３５、筒型の可動電極３３、可溶金属からなる感温性の接合継ぎ手３６、第２リード３４のインナー部の各部を、ガラス材やセラミック材またはプラスチック材からなる絶縁管パッケージ３７に収納してパッケージ両端をエポキシ樹脂などの封止樹脂６０で封止した温度ヒューズである。

第４実施例の温度ヒューズ４０は、図４に示すようにパッケージを更に改良して組立式プラスチック製ケースとし、互いにピンで合体固定できる２個の半筒形の耐熱樹脂製ケースを組み立てたパッケージ４７を用いる。第１リード４２のインナー部および絶縁ベース４１、弾性ばね部材４５、非貫通のリード装着孔を有する筒型の可動電極４３、可溶金属からなる感温性の接合継ぎ手４６、第２リード４４のインナー部の各部を、半筒形の組み立て式の耐熱樹脂製パッケージ４７に収納し、これと対を成すもう一方の半筒形の耐熱樹脂製パッケージで蓋をして互いに組み合わせることでパッケージングした温度ヒューズ４０である。この温度ヒューズ４０には、動作温度以上の環境下でリードに外部から押し込み方向の力が加わった際、リード貫入ストッパーとして働くリードかしめ部６１を、第１リード４２と第２リード４４に設けてあり、樹脂製パッケージにも前記リードかしめ部と合致した位置に予め固定溝６５を施している。なお、可動電極のスライド動作をサポートするためにケース内側に受け溝型の電極ガイド部６６を設けている。

上述した各実施例のように、本発明の温度ヒューズに用いられるパッケージは、第１リードのインナー部および絶縁ベース、弾性ばね部材、筒状の可動電極、可溶金属からなる感温性の接合継ぎ手、第２リードのインナー部の各部が収納でき、かつ可溶金属の溶融温度において弾性ばね部材と可動電極の動作を阻害せず、温度ヒューズとして機能できる形状であればどのような材質でも良い。上記接合継ぎ手として用いられる可溶金属として、各種のはんだ材、ろう材など低融点合金や低融点の金属単体を使用する。例えば温度ヒューズ用可溶合金、ソルダリング用はんだ、ろう付け用硬ろうなどの既存合金材料や、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｓｎなどの低融点金属が好適である。

本発明の温度ヒューズに用いられる絶縁ベースの材料は、使用する温度において耐熱性を有する絶縁性部材であれば何れの材料でも良い。例えば、アルミナ、窒化ケイ素、ムライト、ステアタイトおよびジルコニア等のセラミック材料や、フェノール樹脂、ジアリルフタレート樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェニレンサルファイド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリサルホン樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂および液晶ポリエステル樹脂等のプラスチック材料が好適である。

本発明の温度ヒューズに用いられるパッケージは、めっき缶ケースなどの金属材料カバー材、およびガラス、セラミック、プラスチックなどの絶縁材料のベース材を使用する。つまり、パッケージとして一定以上の機械的強度や加工性を満足していれば、何れの材料を用いても差し支えない。また、温度ヒューズに用いられる弾性ばね部材としてコイルスプリング等を使用し、動作後の短絡防止のため、弾性ばね部材の表面にフッ素樹脂などの絶縁コーティング処理を施し、必要に総じて、セラミック、ＦＲＰなどからなる絶縁材のばねを使用する。

５種類の可溶金属を用いて第１実施例の温度ヒューズ１０を各５個試作し、同様に可溶金属を可溶合金に適用した比較例１の可溶合金型温度ヒューズを各５個試作し、四端子法で動作前の内部抵抗値を測定した後、各可溶金属の溶融開始温度より１０℃低い温度から昇温速度０．５℃／分で昇温させて各温度ヒューズが溶断した動作温度を測定した結果を表１に示す。実施例の温度ヒューズ１０は、内部抵抗が、感温材に使用した可溶金属の種類に依存することなく一定の値を示しており、可溶金属の固有抵抗によるジュール熱の影響を受けにくい温度ヒューズを実現する。

次に実施例の温度ヒューズ１０の接点融着性を比較するため、２００℃に調節したオーブン中に試験する温度ヒューズを入れ、ＤＣ２４Ｖ／２０Ａを負荷させながら、昇温速度０．５℃／分で所定動作温度＋２０℃まで昇温させる過負荷動作試験を実施した結果を表２に示す。過酷な通電負荷条件下においても、実施例の温度ヒューズ１０は、接点融着せず全数正常動作し、動作後の絶縁抵抗も全数正常な値を示しているのに対して、比較例２の感温ペレット型温度ヒューズは、全数が接点融着して動作することができなかった。

本発明は、特に高電流、耐高温が要求される温度ヒューズに有効である。

１１，２１，３１，４１・・・絶縁ベース、
１２，２２，３２，４２・・・第１リード、
１３，２３，３３，４３・・・可動電極、
１４，２４，３４，４４・・・第２リード、
１５，２５，３５，４５・・・弾性ばね部材（コイルスプリング）、
１６，２６，３６，４６・・・可溶金属（感温体、接合継ぎ手）、
１７，２７，３７，４７・・・パッケージ、
１８，２８・・・動作後の接合継ぎ手、
６０・・・封止樹脂、 ６１・・・リードかしめ部、 ６２・・・鍔部、
６３・・・ケースかしめ部、 ６４・・・段付部、 ６５・・・固定溝、
６６・・・ガイド。

Claims (5)

1. 一対の導出リードを設けたパッケージに、リード端部に可溶金属の感温体により接合した可動電極と、この可動電極に所定方向の弾圧力を付与する弾性ばね部材とを収容し、前記感温体の溶融により前記リード端部を離合して一対の導出リード間をカットオフする温度ヒューズ。
2. 前記可動電極は片側端部に鍔部を有した筒型導体であり、前記弾性ばね部材は圧縮ばねからなり前記可動電極の鍔部に当接して軸心方向の押圧力を付与する継合構造としたことを特徴とする請求項１に記載の温度ヒューズ。
3. 前記パッケージは外周を囲繞するカバーを具備し、このカバー内部に、前記可動電極をスライド可能にするガイド手段を設けたことを特徴とする請求項２に記載の温度ヒューズ。
4. 前記パッケージはガラス、セラミックまたは耐熱プラスチックを含む絶縁材から選ばれる少なくとも１種の絶縁部材を使用した絶縁ベースを具備することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の温度ヒューズ。
5. 前記弾性ばね部材は、表面に絶縁性コーティングを施したことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の温度ヒューズ。
   

Images