JP2016143646A - 保護素子 - Google Patents

Abstract

【課題】予測不可能な要因によって大きなアークが発生した際に破裂する恐れを軽減する。【解決手段】保護素子は、導電体５４と、ケース１２とを備える。導電体５４はジュール熱積分値が所定の値以上になると溶断する。ケース１２は導電体５４を収容する。ケース１２の少なくとも一部が熱可塑性樹脂によって形成されている。ケース１２の少なくとも一部が熱可塑性樹脂によって形成されていると、通電により導電体５４で熱が発生した際、その熱により、ケース１２のいずれかの箇所が軟化する。その箇所が軟化するので、導電体５４が溶断した際にアークが発生しても、そのアークのエネルギはその軟化した箇所の変形に費やされる。アークのエネルギがケース１２のうち軟化した箇所の変形に費やされるので、予測不可能な要因によって大きなアークが発生した際に破裂する恐れは低くなる。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば電流ヒューズといった保護素子に関する。

特許文献１は、電流ヒューズを開示する。この電流ヒューズは、基板と、電極パッドと、導電体と、フラックスと、キャップとを備える。電極パッドは基板上に配置される。導電体は電極パッド上に配置される。フラックスは導電体に塗布される。キャップは導電体およびフラックスを保護する。

特許文献１に開示された電流ヒューズによれば、フラックスが外部からの振動または衝撃によって剥離するという問題を解消できる。

特開平１１−２１３８５２号公報

しかしながら、特許文献１に開示された電流ヒューズには、導電体の溶断の際に予測不可能な要因によって大きなアークが発生すると、破裂する恐れがあるという問題点がある。本発明は、このような問題を解決するものである。本発明の目的は、予測不可能な要因によって大きなアークが発生した際に破裂する恐れが低い保護素子を提供することにある。

図面を参照し本発明の保護素子を説明する。なおこの欄で図中の符号を使用したのは発明の内容の理解を助けるためであって内容を図示した範囲に限定する意図ではない。

上述した課題を解決するために、本発明のある局面に従うと、保護素子は、導電体５４と、ケース１２とを備える。導電体５４はジュール熱積分値が所定の値以上になると溶断する。ケース１２は導電体５４を収容する。ケース１２の少なくとも一部が熱可塑性樹脂によって形成されている。

ケース１２の少なくとも一部が熱可塑性樹脂によって形成されていると、通電により導電体５４で熱が発生した際、その熱により、ケース１２のいずれかの箇所が軟化する。その箇所が軟化するので、導電体５４が溶断した際にアークが発生しても、そのアークのエネルギはその軟化した箇所の変形に費やされる。アークのエネルギがケース１２のうち軟化した箇所の変形に費やされるので、予測不可能な要因によって大きなアークが発生した際に破裂する恐れは低くなる。

また、上述した熱可塑性樹脂がポリエステルを含むことが望ましい。熱可塑性樹脂の中ではポリエステルが耐衝撃性に優れているので、ケース１２が軟化する前にアークが発生しても、そのアークのエネルギによってケース１２が破壊される恐れは、他の熱可塑性樹脂によってケース１２が形成されている場合に比べ、低くなる。

もしくは、上述したポリエステルがポリブチレンテレフタレートを含むことが望ましい。

また、上述した保護素子が接触材１４をさらに備えることが望ましい。接触材１４は、導電体５４およびケース１２に接触する。接触材１４は、導電体５４と共にケース１２に収容される。

導電体５４およびケース１２が接触材１４に接触されると、そうでない場合に比べ、通電により導電体５４で発生した熱が接触材１４を介してケース１２へ伝わりやすくなる。熱が伝わりやすくなると、そうでない場合に比べ、導電体５４が溶断した後にアークが早く冷やされ、かつ、ケース１２のいずれかの箇所が軟化しやすくなる。

もしくは、上述したケース１２が、外殻部３０と放熱体４０とを有していることが望ましい。外殻部３０は熱可塑性樹脂によって形成されている。放熱体４０は外殻部３０の内周面に取り付けられる。放熱体４０は接触材１４と直接接触する。放熱体４０は接触材１４よりも熱伝導率が高い。

放熱体４０が接触材１４と直接接触していると、放熱体４０が外殻部３０と直接接触している場合に比べ、導電体５４で発生した熱が容易に導電体５４の外へ流出しやすくなる。放熱体４０が接触材１４よりも熱伝導率が高いためである。これにより、そうでない場合に比べ、導電体５４が溶断した後にアークが早く冷やされる。

本発明によれば、予測不可能な要因によって大きなアークが発生した際に破裂する恐れを軽減できる。

本発明のある実施形態にかかる保護素子の平面図である。 本発明のある実施形態にかかる保護素子の断面図である。 本発明のある実施形態にかかるケースの斜視図である。

以下、本発明について図面に基づき詳細に説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称及び機能も同一である。従って、それらについての詳細な説明は繰返さない。

［構成の説明］
図１は、本実施形態にかかる保護素子の平面図である。図１において、接触材１４の一部と被覆樹脂１６の一部と裏ロウ材６６の一部とは取り除かれている。図２は、本実施形態にかかる保護素子の断面図である。図２において、本実施形態にかかる保護素子は、中央部分でリード線６４に沿って切断されている。図１と図２とに基づいて、本実施形態にかかる保護素子の構成が説明される。

本実施形態にかかる保護素子は、導電部１０と、ケース１２と、接触材１４と、被覆樹脂１６とを備える。導電部１０は電流が流れる部分である。ケース１２は導電部１０を収容する。接触材１４は導電部１０と共にケース１２に収容される。被覆樹脂１６は、ケース１２に収容された導電部１０を被覆する。

本実施形態にかかる導電部１０は、基板５０と、図示されない一対の表電極と、導電体５４と、一対の表ロウ材５６と、合金基部５８と、低融点合金６０と、一対の裏電極６２と、一対のリード線６４と、一対の裏ロウ材６６とを有する。表電極は、基板５０のいずれかの面に配置される。本実施形態では、表電極が配置されている面を基板５０のおもて面とみなす。本実施形態の場合、表電極として銅箔が基板５０のおもて面に固定される。導電体５４は、基板５０のおもて面に配置される。ケース１２の中において、導電体５４はケース１２の内周面に対向するように配置される。導電体５４は電流が流れるとその電流のエネルギの一部を熱にする。導電体５４はジュール熱積分値が所定の値以上になると自ずと溶断する。「ジュール熱積分値」とは、ヒューズのエレメント（本実施形態の場合は導電体５４がヒューズのエレメントに相当する）が溶断するのに必要とされるエネルギのことである。ジュール熱積分値の算出式は周知なのでここではその説明は繰返されない。本実施形態の場合、導電体５４は線材である。本実施形態の場合、導電体５４の一端は表電極の一方に接続されている。導電体５４の他端は表電極の他方に接続されている。本実施形態の場合、導電体５４は錫メッキされた純銅製である。表ロウ材５６は、表電極と導電体５４とを接続する。これにより、表電極と導電体５４との間が導通する。合金基部５８は、基板５０のおもて面に固定される。低融点合金６０は、導電体５４と同様に、基板５０のおもて面に配置される。低融点合金６０は、合金基部５８を介して基板５０に固定される。低融点合金６０もケース１２の内周面に対向する。本実施形態の場合、低融点合金６０は導電体５４の中央部分をまたぐようにして導電体５４を覆っている。本実施形態の場合「低融点合金」とは、上述した導電体５４が溶断する温度以下の融点であり、かつ、融解した状態であれば上述した導電体５４が溶解する合金のことである。このような低融点合金は周知である。したがって、ここではその詳細な説明は繰返されない。裏電極６２は、基板５０の面のうち、上述したおもて面から見て裏にあたる面に配置される。本実施形態では、この面を基板５０の裏面とみなす。本実施形態の場合、裏電極６２は、表電極と同様に銅箔である。一対の裏電極６２のうち一方は、一対の表電極のうち一方の裏にあたる位置に配置される。一対の裏電極６２のうち他方は、一対の表電極のうち他方の裏にあたる位置に配置される。一対のリード線６４の一方が一対の裏電極６２の一方に接続される。一対のリード線６４の他方が一対の裏電極６２の他方に接続される。リード線６４はケース１２の側壁を貫通する。裏ロウ材６６は、裏電極６２とリード線６４とを接続する。これにより、裏電極６２とリード線６４との間が導通する。

基板５０はスルーホール７０を有する。本実施形態の場合、基板５０は４個のスルーホール７０を有する。表電極の一方と裏電極６２の一方とは２つのスルーホール７０において互いに接続されている。これにより、表電極の一方と裏電極６２の一方との間が導通する。表電極の他方と裏電極６２の他方とは他の２つのスルーホール７０において互いに接続されている。しかも、これら４つのスルーホール７０には、裏ロウ材６６の一部が進入している。表ロウ材５６は、これらのスルーホール７０の端部で、裏ロウ材６６とつながっている。その端部で、表ロウ材５６と裏ロウ材６６とは一体となっている。その結果、リード線６４の一方を流れた電流は、裏電極６２の一方と表電極の一方とを経て導電体５４に流れる。導電体５４に流れた電流は、裏電極６２の他方と表電極の他方とを経てリード線６４の他方を流れる。

図３は、本実施形態にかかるケース１２の斜視図である。図１ないし図３に基づいて、本実施形態にかかるケース１２の構成が説明される。ケース１２は、外殻部３０と補強部３２とを有する。外殻部３０には導電部１０が収容される。補強部３２は外殻部３０に力がかかったときに外殻部３０の変形を抑える。

本実施形態の場合、外殻部３０はポリブチレンテレフタレート製である。外殻部３０の内周面は、底面部３６と側面部３８とを有する。底面部３６は、外殻部３０の内周面のうち底となる部分である。側面部３８は底面部３６を取囲む。導電部１０は、外殻部３０のうち底面部３６と側面部３８とによって取囲まれる空間に配置されることとなる。

補強部３２は１枚の放熱体兼補強板４０と４枚の仕切り４２とを有する。本実施形態の場合、放熱体兼補強板４０はアルミナ製である。本実施形態の場合、放熱体兼補強板４０はアルミナを焼結したものである。したがって、本実施形態の場合、放熱体兼補強板４０はポリブチレンテレフタレート製の外殻部３０よりも熱伝導率が高い。放熱体兼補強板４０は接触材１４の熱を吸収する。放熱体兼補強板４０は、吸収した熱を、外殻部３０へ放出する。本実施形態の場合、放熱体兼補強板４０は直方体状である。本実施形態の場合、放熱体兼補強板４０は、外殻部３０の内周面のうち底面部３６に取り付けられる。これにより、放熱体兼補強板４０のうち最も面積が大きい面が導電体５４と対向する。本実施形態の場合、４枚の仕切り４２は外殻部３０と一体となっている。４枚の仕切り４２は外殻部３０の底面部３６から突出する。４枚の仕切り４２のうち一対が放熱体兼補強板４０の一端を挟むように配置される。４枚の仕切り４２のうち他の一対が放熱体兼補強板４０の他端を挟むように配置される。

図１と図２とに基づいて、本実施形態にかかる接触材１４が説明される。接触材１４の一部は、ケース１２の放熱体兼補強板４０と導電体５４との間に配置される。接触材１４は導電体５４およびケース１２に接触している。接触材１４が直接接触しているのは放熱体兼補強板４０である。接触材１４の他の一部は、仕切り４２の間を介して導電体５４の両端方向へ及んでいる。本実施形態の場合、接触材１４は、シリコーンゴム８０と粒子状のアルミナ８２と含む。これにより、接触材１４は少なくとも導電体５４の溶断の際に固体である。なお、漏電が発生しない程度の電気抵抗を接触材１４が有することは言うまでもない。

図１と図２とに基づいて、本実施形態にかかる被覆樹脂１６が説明される。被覆樹脂１６は、ケース１２内の空間のうち導電部１０から側面部３８の縁までの部分に充填される。これにより、上述したように、被覆樹脂１６は、ケース１２に収容された導電部１０を被覆することとなる。被覆樹脂１６の一部は、ケース１２の側面部３８を伝って導電部１０と底面部３６との間の空間に進入している。本実施形態の場合、被覆樹脂１６は、エポキシ樹脂と粒子状のアルミナとの混合物である。

［製造方法の説明］
本実施形態にかかる保護素子の製造方法は、導電部形成工程と、接触材塗布工程と、ケース収容工程と、被覆工程とを備える。導電部形成工程において導電部１０が形成される。導電部１０を形成するための具体的な工程は、基板上に形成される周知の保護素子と同様なのでここではその詳細な説明は繰返されない。接触材塗布工程において、導電部１０の導電体５４にシリコーンゴムと粒子状のアルミナとの混合物が塗布される。ケース収容工程において、まず、ケース１２の外殻部３０に放熱体兼補強板４０が固定される。外殻部３０は射出成型によって予め製造されている。放熱体兼補強板４０が固定された外殻部３０がケース１２である。ケース１２は、導電部１０に被せられる。これにより、外殻部３０の区画のうち真ん中の区画において、接触材塗布工程において塗布された混合物が、導電体５４と放熱体兼補強板４０とに接触する。その区画の隣の区画においては、仕切り４２によってその混合物の進入が抑えられるので、空間が形成される。その後、接触材塗布工程において塗布された混合物は、硬化させられる。硬化したその混合物が、接触材１４となる。被覆工程において、粒子状のアルミナとまだ硬化していないエポキシ樹脂との混合物がケース１２内に充填される。これにより、ケース１２内の導電部１０は被覆される。その後、その充填されたエポキシ樹脂は硬化させられる。エポキシ樹脂が硬化した後の混合物が被覆樹脂１６となる。

［使用方法の説明］
本実施形態にかかる保護素子の使用方法は、周知の電流ヒューズと同一である。すなわち、本実施形態にかかる保護素子は、図示されない回路に接続される。予め定められていた範囲の大きな電流が導電体５４に流れると、導電体５４の温度は所定の温度を超える。導電体５４はジュール熱積分値が所定の値以上になると溶断する。溶断後アークが発生する場合は保護素子内部で消弧される。これにより、保護素子が接続されていた回路において電流が遮断される。

［実施例および比較例の説明］
（実施例）
上述した保護素子を８個作成した。各保護素子には、「１」ないし「８」という試験片番号が設定された。

（比較例）
外殻部３０の素材がフェノール樹脂である点を除き実施例と同一構造の保護素子を１９個作成した。各保護素子には、「１」ないし「１９」という試験片番号が設定された。

（熱衝撃サイクルの影響）
実施例にかかる保護素子（試験片番号「１」ないし試験片番号「４」）と比較例にかかる保護素子（試験片番号「１」ないし試験片番号「４」）とに、次に述べられる手順で熱衝撃が与えられた。まず、保護素子の抵抗値が測定された。次に、１０００サイクルの熱衝撃が導電部に与えられた。１サイクルの熱衝撃は、保護素子が摂氏マイナス２０度で３０分間保持された後にその保護素子が摂氏１２０度で３０分間保持されるというものであった。１０００サイクルの熱衝撃が保護素子に与えられると、その保護素子の抵抗値が測定された。抵抗値が測定されると、次の式（１）に基づいて、抵抗変化率が測定された。
１０００サイクルの熱衝撃が与えられた時点の抵抗変化率［％］＝［［１０００サイクルの熱衝撃が与えられた時点の抵抗値］−［熱衝撃が与えられる前の抵抗値］］÷［熱衝撃が与えられる前の抵抗値］×１００・・・（１）
表１には、測定結果の一覧が示される。

表１の結果から明らかな通り、実施例にかかる保護素子は、比較例にかかる保護素子に比べ、１０００サイクルの熱衝撃が与えられた後の抵抗変化率が小さかった。すなわち、外殻部３０の素材がポリブチレンテレフタレートである保護素子は、外殻部３０の素材がフェノール樹脂である保護素子に比べ、１０００サイクルの熱衝撃が与えられた後の抵抗変化率が小さかった。

（遮断限界電圧の測定）
実施例にかかる保護素子（試験片番号「５」ないし試験片番号「８」）と比較例にかかる保護素子（試験片番号「５」ないし試験片番号「１９」）とについて、遮断限界電圧が測定された。測定は、電流値５０アンペアかつ電圧値が互いに異なる直流電流を各保護素子に流すという方法で行った。直流電流が流れた結果、次のいずれかの要件を満たす保護素子は、不合格と判定された。その第１の要件は、漏れ電流が２．５ミリアンペアを超えるというものである。第２の要件は、発火するというものである。第３の要件は、例えば破壊するといった外観上の問題が生じるという要件である。第４の要件は、絶縁抵抗が０．２ＭΩ未満であるという要件である。これらの要件のいずも満たさない保護素子は合格と判定された。また、遮断限界電圧の測定後に、各保護素子の絶縁抵抗が測定された。表２には、測定結果の一覧が示される。

表２に示されるように、実施例にかかる保護素子の場合、電圧値が３８０ボルト以下の直流電流が流されたものはいずれも合格と判定された。電圧値が４００ボルトの直流電流が流されたものは漏れ電流が２．５ミリアンペアを超えた。これにより、その保護素子は不合格と判定された。したがって、実施例１にかかる保護素子の遮断限界電圧は３８０ボルトと判定された。比較例にかかる保護素子の場合、電圧値が３００ボルトの直流電流が流されたものは合格と判定された。電圧値が３２０以上ボルト３８０ボルト以下の直流電流が流されたものには外観上の問題が生じた。電圧値が４００ボルトの直流電流が流されたものは漏れ電流が２．５ミリアンペアを超えた。したがって、比較例にかかる保護素子の遮断限界電圧は３００ボルトと判定された。

表２の結果から明らかな通り、実施例にかかる保護素子は、比較例にかかる保護素子に比べ、遮断限界電圧が高かった。すなわち、外殻部３０の素材がポリブチレンテレフタレートである保護素子は、外殻部３０の素材がフェノール樹脂である保護素子に比べて、遮断限界電圧が高い。

［効果の説明］
本実施形態にかかる保護素子では、導電体５４に電流が流れると、導電体５４はその電流のエネルギの一部を熱にする。熱は、接触材１４の粒子状のアルミナ８２とシリコーンゴム８０と低融点合金６０とに伝わる。空間に伝わる場合に比べ、導電体５４で発生した熱は容易に粒子状のアルミナ８２及びシリコーンゴム８０へ流出する。粒子状のアルミナ８２を伝って、熱は接触材１４全体に拡がる。接触材１４の熱はケース１２に伝わる。本実施形態にかかる保護素子では、ケース１２がポリブチレンテレフタレートによって形成されているので、通電により導電体５４で熱が発生した際、その熱により、ケース１２のうち放熱体兼補強板４０に接触している箇所が軟化する。その箇所が軟化するので、導電体５４が溶断した際にアークが発生しても、そのアークのエネルギはその軟化した箇所の変形に費やされる。アークのエネルギがその軟化した箇所の変形に費やされるので、予測不可能な要因によって大きなアークが発生した際に破裂する恐れは低くなる。

ケース１２が軟化する前にアークが発生しても、そのアークのエネルギによってケース１２が破壊される恐れは、ポリエステル以外の熱可塑性樹脂によってケース１２が形成されている場合に比べ、低くなる。ケース１２の外殻部３０がポリブチレンテレフタレートを含むためである。

〈変形例の説明〉
上述した保護素子は、本発明の技術的思想を具体化するために例示したものである。上述した保護素子は、本発明の技術的思想の範囲内において種々の変更を加え得るものである。

例えば、外殻部３０の素材はポリブチレンテレフタレートに限定されない。すなわち外殻部３０の素材はポリブチレンテレフタレート以外のポリエステルであってもよい。外殻部３０の素材はその他の熱可塑性樹脂であってもよい。

放熱体兼補強板４０の形態は特に限定されない。本発明にかかる保護素子は放熱体兼補強板４０を備えていなくてもよい。

１０…導電部
１２…ケース
１４…接触材
１６…被覆樹脂
３０…外殻部
３２…補強部
３６…底面部
３８…側面部
４０…放熱体兼補強板
４２…仕切り
５０…基板
５４…導電体
５６…表ロウ材
５８…合金基部
６０…低融点合金
６２…裏電極
６４…リード線
６６…裏ロウ材
７０…スルーホール
８０…シリコーンゴム
８２…粒子状のアルミナ

Claims (5)

1. ジュール熱積分値が所定の値以上になると溶断する導電体と、
   前記導電体を収容するケースとを備える保護素子であって、
   前記ケースの少なくとも一部が熱可塑性樹脂によって形成されていることを特徴とする保護素子。
2. 前記熱可塑性樹脂がポリエステルを含むことを特徴とする請求項１に記載の保護素子。
3. 前記ポリエステルがポリブチレンテレフタレートを含むことを特徴とする請求項２に記載の保護素子。
4. 前記保護素子が、前記導電体および前記ケースに接触し前記導電体と共に前記ケースに収容される接触材をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の保護素子。
5. 前記ケースが、
   前記熱可塑性樹脂によって形成されている外殻部と、
   前記外殻部の内周面に取り付けられ、前記接触材と直接接触し、かつ、前記接触材よりも熱伝導率が高い放熱体とを有していることを特徴とする請求項４に記載の保護素子。

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