JP2015176770A - ハイブリッドサブストレートヒューズエレメント - Google Patents

Abstract

【課題】 事故時の短絡電流を異常なく遮断できると共に、定格電流を超える過電流に対しても遮断でき、直流系統を確実に保護できるヒューズを提供する。
【解決手段】 ハイブリッドサブストレートヒューズエレメント１は、電気的絶縁性を有するセラミック基板２上に形成された導電性薄膜３から構成される。導電性薄膜３は、大電流遮断部（Ｐ部）４と小電流遮断部（Ｉ部）５とが通電部６を介して直列に接続されて、構成される。一実施形態として、Ｐ部４には、断面積が狭小にされた狭小部４ａが３２個電気的に並列に配置されて、並列遮断部４ｂが形成されている。Ｐ部４は、この並列遮断部４ｂが放熱部４ｃを介してさらに１０個電気的に直列に配置されて、構成される。Ｉ部５は、延べ板状に形成され、くびれた最小断面積部５ａが形成されており、Ｐ部４が遮断する事故電流よりも小さく定格電流よりも大きな過電流を、Ｐ部４よりも先に遮断する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気的絶縁性を有する基板の表面に導電性薄膜が形成されて構成されるサブストレートヒューズエレメントに関するものである。

従来、この種のサブストレートヒューズエレメントとしては、例えば、特許文献１に開示された電力用ヒューズに用いられるものや、特許文献２に開示されたヒューズリンクに用いられるものがある。

特許文献１に開示された電力用ヒューズに用いられるサブストレートヒューズエレメントは、セラミック基板上に導電膜が印刷法によって積層されて形成され、積層数の多い複数の放熱部と、積層数の少ない複数の遮断部とが一体的に連続形成されて構成されている。遮断部は、複数の狭小部が並列に並べられ、さらにこれが直列に配置されて構成されている。このような構成をした遮断部は、電流−溶断時間特性が異なるように形成されたものが、同一のセラミック基板上において連続的に接続されて構成されることがある。

また、特許文献２に開示されたヒューズリンクに用いられるサブストレートヒューズエレメントは、絶縁性基板の表面に形成された導電性薄膜のパターンからなる。この導電性薄膜のパターンは、複数個の遮断部狭小帯を並列配置した遮断部を、さらに直列に連結帯を介して交互に周期的に配列して、直列接続したパターンをなしている。

特開２０１２−２２７０７７号公報 特許第５１１６１１９号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２に開示された上記従来の各サブストレートヒューズエレメントは、交流電流を遮断する交流遮断には良好な結果を示すが、直流電流を遮断する直流遮断については、満足な結果が得られていない。近年、世界的な環境問題への関心の高まりや資源制約により、電動機を動力源とする電気自動車の開発が進められている。電気自動車の電源には直流の系統が用いられており、そのため、充分な通電容量を有し、事故時の短絡電流を異常なく遮断できると共に、定格電流を超える過電流に対しても所定の溶断時間−電流特性を有し、直流系統を確実に保護できるヒューズが求められている。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、
電気的絶縁性を有する基板と、
断面積が狭小にされた狭小部が電気的に並列に配置されて並列遮断部が形成され、さらにこの並列遮断部が電気的に直列に配置されて基板の表面に形成された導電性薄膜から構成される大電流遮断部と、
基板の表面に延べ板状に形成される導電性薄膜から構成され、大電流遮断部が遮断する事故電流よりも小さく定格電流よりも大きな過電流を大電流遮断部よりも先に遮断する、大電流遮断部に直列に接続された小電流遮断部と
から、ハイブリッドサブストレートヒューズエレメントを構成した。

本構成によれば、定格電流よりも大きな過電流は、大電流遮断部に直列に接続される小電流遮断部によって大電流遮断部に先んじて遮断され、過電流よりも大きな事故電流は、大電流遮断部により、または大電流遮断部と小電流遮断部との双方により、遮断される。このため、充分な通電容量を有し、事故時の短絡電流を異常なく遮断できると共に、定格電流を超える過電流に対しても遮断でき、直流系統を確実に保護できるヒューズが提供される。

また、本発明は、
小電流遮断部の抵抗値が、小電流遮断部が大電流遮断部よりも先に過電流を遮断するように、大電流遮断部の抵抗値よりも所定割合高く設定され、
狭小部の最小断面積部における電流密度が、大電流遮断部が事故電流の遮断を担うように、小電流遮断部の最小断面積部における電流密度よりも所定割合高く設定されている
ことを特徴とする。

本構成によれば、小電流遮断部の抵抗値が大電流遮断部の抵抗値よりも所定割合高く設定されることで、過電流に対して所定の溶断時間−電流特性が得られると共に、小電流遮断部が大電流遮断部よりも確実に先に溶断して過電流を遮断する。また、狭小部の最小断面積部における電流密度が小電流遮断部の最小断面積部における電流密度よりも所定割合高く設定されることで、急激に電流値が上昇する事故電流の発生に応じて狭小部が率先して溶断して発弧し、大電流遮断部において電流遮断が速やかに行われて、事故電流は確実に限流されて遮断される。

また、本発明は、小電流遮断部を構成する導電性薄膜に、くびれた最小断面積部が形成され、この最小断面積部のくびれによって減った断面積に相当する分、導電性薄膜の幅が広く形成されていることを特徴とする。

本構成によれば、小電流遮断部ではくびれた最小断面積部の発熱量が高く、過電流発生時における小電流遮断部の溶断時間は、延べ板状に形成される小電流遮断部におけるこの最小断面積部の形成位置により、制御することができる。すなわち、小電流遮断部における最小断面積部の形成位置がヒューズの中心に近寄ると、ヒューズ内の熱が逃げ難い熱分布が形成され、小電流遮断部の高温領域において速く発弧温度に達して、小電流遮断部の溶断時間は短くなる傾向になる。また、小電流遮断部における最小断面積部の形成位置がヒューズの中心から離れると、ヒューズ内の熱が放散し易い熱分布が形成されて、小電流遮断部の高温領域が発弧温度に達するのに時間がかかり、小電流遮断部の溶断時間は長くなる傾向になる。

また、本発明は、小電流遮断部を構成する導電性薄膜の一部の表面に低融点金属が形成されていることを特徴とする。

本構成によれば、低融点金属が形成された導電性薄膜の部分は、溶断時に低融点金属と合金化されて融点が低下するため、過電流発生時における小電流遮断部の溶断時間は、低融点金属の種類や、小電流遮断部におけるこの低融点金属の形成位置により、制御することができる。

また、本発明は、小電流遮断部を構成する導電性薄膜が、厚さが一定で基板の表面に薄く広く形成されていることを特徴とする。

本構成によれば、小電流遮断部を構成する導電性薄膜に発生する熱は、基板に速やかに伝わり、小電流遮断部の放熱性が向上する。このため、小電流遮断部の溶断時間は、小電流域における過電流に対しては長くなり、大電流域における事故電流に対しては、基板への熱の伝導が断熱状態で電流遮断が行われるために短くなり、ヒューズエレメントの溶断時間特性は速応型になる。

また、本発明は、小電流遮断部が、ヒューズ端子に近い基板の端部に形成されることを特徴とする。

本構成によれば、小電流遮断部を構成する導電性薄膜に発生する熱は、ヒューズ端子に速やかに伝わり、小電流遮断部の放熱性が向上する。このため、本構成によっても、小電流遮断部の溶断時間は、小電流域における過電流に対しては長くなり、ヒューズエレメントの溶断時間特性を速応型にする。

本発明によれば、充分な通電容量を有し、事故時の短絡電流を異常なく遮断できると共に、定格電流を超える過電流に対しても遮断でき、直流系統を確実に保護できるヒューズが提供される。

（ａ）は、本発明の一実施の形態によるハイブリッドサブストレートヒューズエレメントを示す平面図、（ｂ）は一部拡大図である。 （ａ）は、一実施の形態によるハイブリッドサブストレートヒューズエレメントを備えたヒューズリンクの一部破断平面図、（ｂ）は一部破断側面図である。 一実施の形態によるハイブリッドサブストレートヒューズエレメントを備えたヒューズリンクについて行った直流遮断試験の試験回路図である。 上記の直流遮断試験の試験結果を示し、（ａ）は遮断電圧波形、（ｂ）は遮断電流波形を示すグラフである。 上記の直流遮断試験結果をまとめた図表である。 一実施の形態によるハイブリッドヒューズエレメントを備えたヒューズリンクについて行った溶断時間試験結果を示すグラフである。

次に、本発明によるハイブリッドサブストレートヒューズエレメントを電気自動車における駆動回路の保護用ヒューズに適用した一実施の形態について説明する。

図１（ａ）は、この一実施の形態による定格電圧４５０Ｖ、定格電流４０Ａのハイブリッドサブストレートヒューズエレメント１を示す平面図である。

ハイブリッドサブストレートヒューズエレメント１は、電気的絶縁性を有するセラミック基板２上に形成された導電性薄膜３から構成される。本実施の形態では、セラミック基板２は、厚さ１ｍｍ、幅９ｍｍ、長さ４０ｍｍの外形寸法をしている。導電性薄膜３は、セラミック基板２の表面に銅ペーストが印刷されて焼成されることで図示するパターンに形成され、溶断特性および遮断特性が互いに異なる大電流遮断部（以下、Ｐ部と記す）４と小電流遮断部（以下、Ｉ部と記す）５とが通電部６を介して直列に接続されて、構成される。通電部６の厚さは１００μｍに設定されている。

同図（ｂ）はＰ部４の一部拡大図を示し、本実施の形態では、Ｐ部４には、断面積が狭小にされた狭小部４ａが３２個電気的に並列に配置されて、並列遮断部４ｂが形成されている。Ｐ部４は、この並列遮断部４ｂが放熱部４ｃを介してさらに１０個電気的に直列に配置されて、構成される。したがって、Ｐ部４の直列遮断点数（Ｓ）は１０Ｓ、並列遮断点数（Ｐ）は３２Ｐになっている。並列遮断部４ｂの厚さは４０μｍに設定され、放熱部４ｃの１００μｍの厚さよりも薄く形成されている。

Ｉ部５は、２５μｍの厚さで、通電方向の長さＬの大きい延べ板状に形成され、Ｐ部４が遮断する事故電流よりも小さく定格電流よりも大きな過電流を、後述するようにＰ部４よりも先に遮断する。通電方向の長さＬが大きいのは、遮断時に発生するアークを引き延ばし、アーク電圧を高める手法が、直流の遮断においても有効であると考えられるからである。Ｉ部５の直列遮断点数（Ｓ）は１Ｓ、並列遮断点数（Ｐ）は１Ｐである。このＩ部５は、平面視、単純な矩形型形状をしておらず、くびれた最小断面積部５ａが形成されてバタフライ型形状をしている。また、Ｉ部５は、厚さが一定で、セラミック基板２の表面に薄く広く形成されている。くびれは、最小断面積部５ａの幅ｗ２が矩形型の幅ｗ１より所定の割合で絞られて形成されており、このくびれによって減った断面積に相当する分、つまり抵抗値が増加した分、周辺部の幅ｗ１が広く形成されている。本実施の形態では、幅ｗ１が６ｍｍ、幅ｗ２が５．４ｍｍに設定されている。

Ｉ部５の抵抗値は、Ｉ部５がＰ部４よりも先に過電流を遮断するように、Ｐ部４の抵抗値よりも所定割合高く設定される。本実施の形態では、Ｐ部４とＩ部５の抵抗値比は２：３に設定されている。また、狭小部４ａの最小断面積部における電流密度は、Ｐ部４が事故電流の遮断を担うように、Ｉ部５の最小断面積部５ａにおける電流密度よりも所定割合高く設定される。本実施の形態では、Ｐ部４とＩ部５のこの電流密度比は１．３：１に設定されている。

上記のハイブリッドサブストレートヒューズエレメント１は、図２に示すように、セラミック筒７の内部に収容されることで、ヒューズリンク８を構成する。同図（ａ）はヒューズリンク８の一部破断平面図、同図（ｂ）は一部破断側面図である。セラミック筒７は直径２５ｍｍの中空円筒形状をしており、内部には消弧剤９が充填されて、両端部がキャップ１０，１０で塞がれている。ハイブリッドサブストレートヒューズエレメント１は、その両端部の通電部６，６に銅板からなるヒューズ端子１１，１１が半田付けされ、このヒューズ端子１１，１１がキャップ１０，１０の挿入口に圧入されて、セラミック筒７の内部に収容されている。従って、ハイブリッドサブストレートヒューズエレメント１におけるＩ部５は、一方のヒューズ端子１１に近いセラミック基板２の端部に位置することとなる。

このように構成されるヒューズリンク８について、直流遮断試験を行った。この直流遮断試験は図３に示す試験回路で行い、合成容量が０．１４７Ｆの直列接続した３個のコンデンサＣ_０を充電し、スイッチＳＷを閉じることで、供試ヒューズ(Test Fuse)となるヒューズリンク８にコンデンサＣ_０の放電電流を供給した。供試ヒューズには、インダクタンス０．３９４ｍＨのインダクタＬ_０と、直流抵抗値２２３ｍΩの抵抗Ｒ_０とが直列接続されており、遮断後の回復電圧が約５００Ｖに設定されている。この試験回路により、ヒューズリンク８には、立ち上がり時間２．０±０．５ｍｓで、固有電流値約２２００Ａの直流減衰電流が供給される。このときの供試ヒューズに発生する電圧Ｖａを測定すると共に、供試ヒューズに流れる電流Ｉａをシャント抵抗Ｒ_ｓｈで測定した。

図４はこの直流遮断試験結果を示し、同図（ａ）は遮断電圧波形、同図（ｂ）は遮断電流波形を示すグラフである。これら各グラフの横軸は時間(Time)[ｍｓ]、縦軸は電圧(Voltage)[Ｖ]および電流(Current)[Ａ]である。また、○印のプロットは試験回路のスイッチＳＷを投入した投入時間、△印のプロットはハイブリッドサブストレートヒューズエレメント１の溶断が開始した溶断時、◇印のプロットは遮断が完了した遮断時を示している。

○印の投入時間から約１．８０８ｍｓ後の△印で示す溶断時に、Ｐ部４の狭小部４ａが溶断することで、同図（ａ）の遮断電圧波形のグラフに示すように電圧が急峻に上昇している。そして、最大電圧値（動作過電圧）が１３１３Ｖ、最大電流値（限流値）が１４５６．８Ａとなり、その後、同図（ｂ）の遮断電流波形のグラフに示すように電流が急激に減少して、◇印の遮断時に電流遮断が完了していることが、各グラフから把握される。また、遮断後の回復電圧が約５００Ｖになっていることも、遮断電圧波形のグラフから把握される。遮断後のヒューズリンク８の全ての絶縁体には外見上の変化、損傷がないことから、良好な遮断が行われたものと言える。また、遮断後のハイブリッドサブストレートヒューズエレメント１におけるＰ部４およびＩ部５には、消弧剤９が溶けて固まったフルグライトが付着していることにより、設計の狙い通り、Ｐ部４およびＩ部５の双方が事故電流の遮断に寄与していることが確認された。

図５は、上記の遮断試験結果をまとめた図表である。この図表に示されるように、本試験に供された定格電流４０Ａの試作Ｎｏ．１のヒューズリンク８は、抵抗値が５．７５ｍΩであった。また、上述のように動作過電圧が１３１３Ｖ、限流値が１４５６．８Ａであった。また、遮断が完了するまでの電流エネルギーに相当する動作Ｉ^２ｔ値は２１７９．８Ａ^２ｓであり、その内訳は、溶断時までの電流エネルギーに相当する溶断Ｉ^２ｔ値が１４７４．７Ａ^２ｓ、アークの発生時における電流エネルギーに相当するアークＩ^２ｔ値が７０５．１Ａ^２ｓであった。また、遮断が完了するまでの動作時間は３．８２４ｍｓであり、その内訳は、溶断時までの時間である溶断時間が１．８０８ｍｓ、アークの発生している時間であるアーク時間が２．０１６ｍｓであった。また、遮断後におけるヒューズ端子１１，１１間の絶縁抵抗は１００ＭΩ以上であり、遮断の良否は良と判定された。

また、本実施の形態のヒューズリンク８について、溶断時間試験も行った。この溶断時間試験は、日本自動車技術会規格（ＪＡＳＯ規格）の電装規格Ｎｏ．Ｄ６２２−１１「ねじ締め型高電圧ヒューズ」で指定されている電流を通電し、溶断までの時間を測定することで、行った。

図６はこの溶断時間試験結果を示すグラフである。同グラフの横軸は通電電流(Current)[Ａ]、縦軸は溶断時間(Pre-arching time)[ｓ]である。また、◇印のプロットを結ぶ溶断時間特性線２１は、定格電流４０ＡのヒューズについてＪＡＳＯ規格で定められている規定最小時間、□印のプロットを結ぶ溶断時間特性線２２は、定格電流４０ＡのヒューズについてＪＡＳＯ規格で定められている規定最大時間、△印のプロットを結ぶ溶断時間特性線２３は、本試験に供された定格電流４０Ａの試作Ｎｏ．２のヒューズリンク８の溶断時間を表している。

同グラフから理解されるように、本実施の形態によるヒューズリンク８の溶断時間−電流特性は、ＪＡＳＯ規格で要求される溶断時間特性の上限と下限の範囲内に収まっていることが、確認された。

このような本実施の形態によるハイブリッドサブストレートヒューズエレメント１によれば、定格電流よりも大きな過電流は、Ｐ部４に直列に接続されるＩ部５によってＰ部４に先んじて遮断され、過電流よりも大きな事故電流は、Ｐ部４により、またはＰ部４とＩ部５との双方により、遮断される。このため、充分な通電容量を有し、事故時の短絡電流を異常なく遮断できると共に、定格電流を超える過電流に対しても遮断でき、直流系統を確実に保護できるヒューズリンク８が提供される。

また、本実施の形態によるハイブリッドサブストレートヒューズエレメント１によれば、Ｉ部５の抵抗値がＰ部４の抵抗値よりも所定割合高く設定されることで、過電流に対して所定の溶断時間−電流特性が図６のグラフに示すように得られると共に、Ｉ部５がＰ部４よりも確実に先に溶断して過電流を遮断する。また、狭小部４ａの最小断面積部における電流密度が、Ｉ部５の最小断面積部５ａにおける電流密度よりも所定割合高く設定されることで、急激に電流値が上昇する事故電流の発生に応じて狭小部４ａが率先して溶断して発弧し、Ｐ部４において電流遮断が速やかに行われて、事故電流は確実に限流されて遮断される。

また、Ｉ部５ではくびれた最小断面積部５ａの発熱量が高く、過電流発生時におけるＩ部５の溶断時間は、延べ板状に形成されるＩ部５におけるこの最小断面積部５ａの形成位置により、制御することができる。すなわち、Ｉ部５における最小断面積部５ａの形成位置がヒューズリンク８の中心に近寄ると、ヒューズリンク８内の熱が逃げ難い熱分布が形成され、Ｉ部５の高温領域が速く発弧温度に達して、Ｉ部５の溶断時間は短くなる傾向になる。また、Ｉ部５における最小断面積部５ａの形成位置がヒューズリンク８の中心から離れると、ヒューズリンク８内の熱が放散し易い熱分布が形成されて、Ｉ部５の高温領域が発弧温度に達するのに時間がかかり、Ｉ部５の溶断時間は長くなる傾向になる。

また、Ｉ部５は、厚さが一定で、セラミック基板２の表面に薄く広く形成されているので、Ｉ部５を構成する導電性薄膜３に発生する熱は、セラミック基板２に速やかに伝わり、Ｉ部５の放熱性が向上する。このため、Ｉ部５の溶断時間は、小電流域における過電流に対しては長くなり、大電流域における事故電流に対しては、セラミック基板２への熱の伝導が断熱状態で電流遮断が行われるために短くなる。したがって、ハイブリッドヒューズエレメント１の溶断時間特性は、図６のグラフに示すように、溶断時間特性線２３が立ち上がった速応型になる。

また、Ｉ部５は、ヒューズ端子１１に近いセラミック基板２の端部に位置するので、Ｉ部５を構成する導電性薄膜３に発生する熱は、ヒューズ端子１１に速やかに伝わり、Ｉ部５の放熱性が向上する。このため、本構成によっても、Ｉ部５の溶断時間は、小電流域における過電流に対しては長くなり、ハイブリッドヒューズエレメント１の溶断時間特性を速応型にする。

なお、上記の実施の形態において、Ｉ部５を構成する導電性薄膜３の一部の表面に、錫等の低融点金属を形成するように、構成してもよい。例えば、Ｉ部５の適切な箇所の幅方向表面に、スリット状に錫メッキを施して構成する。本構成によれば、低融点金属が形成された導電性薄膜３の部分は、溶断時に低融点金属と合金化されて融点が低下するため、過電流発生時におけるＩ部５の溶断時間は、低融点金属の種類や、Ｉ部５におけるこの低融点金属の形成位置により、制御することができる。このため、このような制御によってＩ部５の溶断時間を短くし、ヒューズリンク８の筒７の温度上昇を抑制することで、筒７の材質をセラミックから安価なＦＲＰ等に変更することが可能になる。

上記の実施の形態では、本実施の形態によるハイブリッドサブストレートヒューズエレメント１を電気自動車における駆動回路の保護ヒューズに用いた場合について説明した。しかし、本発明はこのような用途に限定されることはなく、例えば、車両用充電機器の保護用や、送発電用大容量システムの保護用、太陽電池等の分散型電源における直流給配電システムの保護用、半導体保護用などのヒューズにも、同様に適用することができる。さらに、電圧・電流の高い電車用ヒューズや、データセンターにおける直流用ヒューズなどにも、同様に適用することができる。また、本実施の形態によるハイブリッドサブストレートヒューズエレメント１は、直流遮断用ヒューズに適用した場合について説明したが、交流遮断用ヒューズにも同様に適用することができる。そして、このような各ヒューズに本発明を適用した場合においても、上記の実施形態と同様な作用効果が奏される。

１…ハイブリッドサブストレートヒューズエレメント
２…セラミック基板
３…導電性薄膜
４…大電流遮断部（Ｐ部）
５…小電流遮断部（Ｉ部）
６…通電部
７…セラミック筒
８…ヒューズリンク
９…消弧剤
１０…キャップ
１１…ヒューズ端子

Claims (6)

1. 電気的絶縁性を有する基板と、
   断面積が狭小にされた狭小部が電気的に並列に配置されて並列遮断部が形成され、さらにこの並列遮断部が電気的に直列に配置されて前記基板の表面に形成された導電性薄膜から構成される大電流遮断部と、
   前記基板の表面に延べ板状に形成される導電性薄膜から構成され、前記大電流遮断部が遮断する事故電流よりも小さく定格電流よりも大きな過電流を前記大電流遮断部よりも先に遮断する、前記大電流遮断部に直列に接続された小電流遮断部と
   から構成されるハイブリッドサブストレートヒューズエレメント。
2. 前記小電流遮断部の抵抗値は、前記小電流遮断部が前記大電流遮断部よりも先に前記過電流を遮断するように、前記大電流遮断部の抵抗値よりも所定割合高く設定され、
   前記狭小部の最小断面積部における電流密度は、前記大電流遮断部が前記事故電流の遮断を担うように、前記小電流遮断部の最小断面積部における電流密度よりも所定割合高く設定されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッドサブストレートヒューズエレメント。
3. 前記小電流遮断部を構成する前記導電性薄膜は、くびれた最小断面積部が形成され、この最小断面積部のくびれによって減った断面積に相当する分、幅が広く形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のハイブリッドサブストレートヒューズエレメント。
4. 前記小電流遮断部を構成する前記導電性薄膜の一部の表面に低融点金属が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のハイブリッドサブストレートヒューズエレメント。
5. 前記小電流遮断部を構成する前記導電性薄膜は、厚さが一定で前記基板の表面に薄く広く形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のハイブリッドサブストレートヒューズエレメント。
6. 前記小電流遮断部は、ヒューズ端子に近い前記基板の端部に形成されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のハイブリッドサブストレートヒューズエレメント。

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