JP2018133171A - 感熱作動素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】マンガンを含む合金が用いられた感熱作動素子であって、含まれるマンガンが腐食されると、素子の厚みが増加し、これにより素子がアームを押し上げて接点を開いてしまうため、マンガンが腐食を受けにくい感熱作動素子を提供する。
【解決手段】感熱作動素子全体を、めっきにより覆うことにより、素子中のマンガンの腐食を防止する。
【選択図】図４
【解決手段】感熱作動素子全体を、めっきにより覆うことにより、素子中のマンガンの腐食を防止する。
【選択図】図４
Description
本発明は、感熱作動素子に関する。
感熱作動素子として、バイメタル素子などのクラッド材が知られている。バイメタル素子は、バイメタル金属のシート部材を有して成り、それ自体が特定の温度を超えて高温になった場合、あるいはその周囲の雰囲気の温度が高くなってバイメタル素子が特定の温度を超えて高温になった場合、変形する素子である。バイメタル素子は、例えば、電気装置等に組み込まれて、保護素子として機能し得る。
具体的には、このようなバイメタル素子が組み込まれた保護デバイスとして、下記特許文献１に開示されている保護デバイスが挙げられる。かかる保護デバイスは、ターミナルを有する樹脂ベースに設けた空間内にＰＴＣ素子、バイメタル素子およびアームが配置され、上方プレートを予め設けた樹脂カバーが樹脂ベース上に配置され、この状態で樹脂ベースと樹脂カバーとが接着剤または超音波溶融によって一体に接着されている。バイメタル素子は、過電流または他の理由によって電気装置が異常な高温になると作動して、接点を開き、電流を遮断する。
上記のような従来の保護デバイスは、バイタル素子が、過電流または他の理由によって所定の温度を超えると作動して、ターミナルとアームの接点を開き、電流を遮断する。この際、確実に電流を遮断するために、開かれたターミナルの接点とアームの接点間の距離は可能な限り大きい方が好ましい。しかしながら、近年の電子機器の小型化に応じて、用いられるバイメタル素子も小さくなり、作動時に大きな接点間距離を確保することが困難になってきている。
本発明者らは、作動時の接点間距離を確保するために、高膨張層に熱膨張係数の大きなマンガンを含む合金が用いられたバイメタル素子を用いることにより、バイメタル素子の湾曲係数を大きくすることに想到した。しかしながら、さらに検討を行った結果、マンガンは腐食されやすく、バイメタル素子中のマンガンが腐食されると、バイメタル素子の厚みが増加し、この厚みの増加によりバイメタル素子がアームを押し上げて接点を開いてしまうという問題が生じ得ることに気付いた。
本発明の目的は、マンガンを含む合金が用いられた感熱作動素子であって、含まれるマンガンが腐食を受けにくい感熱作動素子を提供することにある。
本発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意検討した結果、感熱作動素子（代表的には、バイメタル素子）全体を、めっきにより覆うことにより、感熱作動素子中のマンガンの腐食を防止できることに想到し、本発明を完成するに至った。
本発明の第１の要旨によれば、含マンガン表面を有する感熱作動要素と
前記含マンガン表面を覆うめっき層と
を有して成る感熱作動素子が提供される。
前記含マンガン表面を覆うめっき層と
を有して成る感熱作動素子が提供される。
本発明の第２の要旨によれば、上記の感熱作動素子を有して成る保護デバイスが提供される。
本発明によれば、含マンガン表面を有する感熱作動要素の含マンガン表面をめっき層で覆うことにより、マンガンが腐食性物質と接触し、腐食することを防止することができる。
本発明の感熱作動素子は、含マンガン表面を有する感熱作動要素と、前記含マンガン表面を覆うめっき層とを有して成る。
感熱作動要素とは、温度を感知することにより作動する要素、即ち、温度に応じて形状が変化する要素を意味する。
含マンガン表面とは、マンガン原子が露出した表面を意味する。含マンガン表面は、感熱作動素子の主表面に存在するマンガン原子が露出した表面だけではなく、感熱作動素子の側面（例えば、バイメタル要素の場合は、原料のクラッド材を打ち抜いた後の断面部）に存在するマンガン原子が露出した部分も含む。
含マンガン表面を有する感熱作動要素において、含マンガン表面は、全体にわたっていてもよく、または、一部のみであってもよい。
感熱作動要素の例としては、熱膨張係数が異なる複数の層を貼り合わせた要素（いわゆるクラッド材）、形状記憶合金等が挙げられる。
好ましい態様において、感熱作動要素は、熱膨張係数が異なる複数の層を貼り合わせたクラッド材である。特に好ましい態様において、感熱作動要素は、２層のクラッド材、いわゆるバイメタル要素である。
上記クラッド材において、層の数は特に限定されず、例えば、２層以上、好ましくは２〜５層であってもよく、より好ましくは２層または３層であり得る。代表的には、クラッド材は、バイメタル要素である。
上記クラッド材において、各層を形成する材料は、同じ材料であっても、異なる材料であってもよいが、少なくとも２つの層は、異なる熱熱膨張係数を有する材料から形成される。
上記の層のうち、少なくとも１つの層は、マンガンを含む合金から形成される。好ましくは、マンガンを含む合金は、例えばＮｉ−Ｍｎ−Ｆｅ合金、Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｕ合金等であり得る。
上記マンガンの含む合金におけるＭｎ含有量は、特に限定されないが、例えば０．１質量％以上９０質量％以下、好ましくは１．０〜７０質量％、より好ましくは５〜６０質量％、さらに好ましくは２０〜５０質量％であり得る。
他の各層を形成する材料としては、例えば、鉄、ニッケル、銅、銀、金、アルミニウム、亜鉛、クロム、コバルト、モリブデン、チタン、スズなど、および、これらの合金、例えばＮｉ−Ｆｅ合金、Ｃｒ−Ｆｅ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｎｉ−Ｃｕ合金、Ｎｉ−Ｍｏ−Ｆｅ合金、Ｃｕ−Ｚｎ合金、Ａｇ−Ｃｕ合金、Ａｇ−Ｓｎ合金、Ｚｎ−Ｃｕ合金等が挙げられる。
好ましい態様において、他の層を形成する材料は、銅、ニッケル、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｃｕ−Ｚｎ合金、Ｎｉ−Ｃｕ合金、またはＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金であり得る。
クラッド材における各層の形状は、特に限定されない。一の態様において、クラッド材は、各層を全面で貼り合わせた形状であってもよい。この場合、層は複数あってもよく、例えば２層、３層または４層であってもよい（それぞれ、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）参照）。別の態様において、クラッド材は、一つの層の表面の一部に、別の層を貼り合わせた形状であってもよい。この場合、別の層は１層であってもよく（例えば図２（ａ）参照）、一の主表面に２層であってもよく（例えば図２（ｂ）参照）、あるいは別個の主要面に１つずつ計２層であってもよい（図２（ｃ）参照）。図中、符号１〜４は、それぞれ、クラッド材を構成する層を示す。
各層の厚みは、特に限定されないが、例えば、０．０１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、好ましくは２０〜１００μｍ、より好ましくは２０〜５０μｍ、さらに好ましくは２５〜３５μｍであり得る。
クラッド材全体の厚みは、特に限定されないが、例えば、０．０２ｍｍ以上２．０ｍｍ以下、好ましくは３０〜２００μｍ、より好ましくは４０〜８０μｍ、さらに好ましくは５０〜７０μｍであり得る。
上記感熱作動要素の形状は、特に限定されず、例えば、その平面形状は、多角形、例えば矩形、台形、三角形等、円形、楕円形、あるいはこれらを組み合わせた形状であってもよく、その断面形状は、多角形、例えば四角形、円形、楕円形、あるいはこれらを組み合わせた形状であってもよい。
一の態様において、上記感熱作動要素は、四角形または円形の平面形状を有し、その一辺または直径は、好ましくは５０ｍｍ以下、より好ましくは３０ｍｍ以下であり、例えば５ｍｍ以上３０ｍｍ以下、または１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下であり得る。
好ましい態様において、上記の感熱作動要素は、低熱膨張係数を有する層として、Ｎｉ−Ｆｅ合金の層を有し、高熱膨張係数を有する層として、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｆｅ合金またはＭｎ−Ｎｉ−Ｃｕ合金の層を有するバイメタル要素である。
上記めっき層は、上記感熱作動要素の含マンガン表面上に形成される。上記めっき層は、感熱作動要素の含マンガン表面を覆っていればよく、マンガン不含の表面はめっき層により覆われていなくてもよい。
一の態様において、感熱作動要素は、全体がめっき層により覆われている。全体をめっき層で覆うことにより、めっき処理が容易になる。
上記めっき層を形成する材料は、特に限定されないが、例えばニッケル、スズ、金、銀、銅、パラジウムまたはこれらの合金等が挙げられる。上記材料は、好ましくは、ニッケル、金、またはパラジウム、あるいはこれらの合金であり、より好ましくはニッケル、金、またはパラジウムであり、さらに好ましくはニッケルである。
上記めっき層は、単層であっても、複数の層、例えば２層または３層から構成されていてもよい。好ましくは、上記めっき層は、複数の層、好ましくは２層または３層から構成される。
上記めっき層の厚み（複数層の場合はその合計）は、感熱作動要素の機能に対する影響を小さくするという観点からは可能な限り薄いことが好ましく、一方、マンガンを腐食性物質から保護するという観点からは、十分に厚いことが好ましい。上記めっき層の厚み（複数層の場合はその合計）は、好ましくは０．００１μｍ以上１０μｍ以下、より好ましくは０．０１μｍ〜１．０μｍ、さらに好ましくは０．０５μｍ〜０．８μｍであり得る。
上記めっき層の同一平面内における厚みの差は、好ましくは０．１μｍ以下、より好ましくは０．０５μｍ以下であり得る。このようにめっき層の厚みを均一にすることにより、感熱作動素子の特性のばらつきを抑制することができる。
一の態様において、感熱作動要素の含マンガン表面上にストライクめっき層が存在し、その上に、本めっき層が存在する。このようにストライクめっきを施すことにより、本めっきをより良好に行うことができる。
好ましい態様において、上記ストライクめっき層は、ニッケルストライクめっき層であり、上記本めっき層は、ニッケルめっき層である。このような構成とすることにより、めっき層の密着性および均一性がより向上する。
好ましい態様において、本発明の感熱作動素子は、Ｎｉ−Ｆｅ合金から形成された層と、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｆｅ合金またはＭｎ−Ｎｉ−Ｃｕ合金から形成された層からなるバイメタル要素と、少なくともＮｉ−Ｍｎ−Ｆｅ合金またはＭｎ−Ｎｉ−Ｃｕ合金の表面がニッケルめっき層で覆われており、該ニッケルめっき層は、ニッケルストライクめっき層およびニッケル本めっき層から形成されている。
本発明の感熱作動素子は、感熱作動要素をめっき処理に付すことにより製造することができる。以下、感熱作動要素の含マンガン表面上へのめっき処理について説明する。
従来、マンガンはめっき付着性が低いことから、含マンガン表面のめっき処理は困難であった。特に電子部品の分野においては、含マンガン表面にめっき処理した場合、めっき付着性が低いことに加え、マンガンが酸化等の反応を起こし、感熱作動素子の電気特性および作動特性にばらつきが生じ易いなどの問題もあった。本発明者らは、鋭意検討した結果、本めっき処理の前に適当なストライクめっき処理を行うことにより、得られる感熱作動素子の電気特性および作動特性のばらつきを抑制しつつ、密着性が高いめっき層を得ることができることを見出した。以下に、本発明に用いられるめっき処理について説明する。
上記ストライクめっき処理は、めっき浴の温度を所定の温度範囲、例えば、１０℃以上３０℃以下、好ましくは１５℃以上２５℃以下に保持して行われる。このように、めっき浴の温度を所定の温度範囲に保持することにより、マンガンが酸化されることによる黒変および密着不良を抑制することができる。
ストライクめっき用のめっき浴のｐＨは、好ましくは１．０〜２．０、より好ましくは１．３〜１．６である。また、電流密度は、好ましくは１〜１０Ａ／ｄｍ２、より好ましくは２〜５Ａ／ｄｍ２である。
ストライクめっき層は、好ましくはニッケルストライクめっき層である。ニッケルストライク処理は、好ましくはスルファミン酸浴を用いて行うことができる。
上記本めっき処理は、めっき浴の温度を所定の温度範囲、例えば、室温以下、例えば３０℃以上８０℃以下、好ましくは４０℃以上６０℃以下に保持して行われる。このように、めっき浴の温度を所定の温度範囲に保持することにより、マンガンが酸化されることによる黒変および密着不良を抑制することができる。
本めっき用のめっき浴のｐＨは、好ましくは２．０〜５．０、より好ましくは３．０〜４．５、さらに好ましくは４．０〜４．５である。また、電流密度は、好ましくは０．５〜８Ａ／ｄｍ２、より好ましくは２〜５Ａ／ｄｍ２である。
上記本めっき処理は、一回で行っても、複数回で行ってもよいが、複数回に分けて行われることが好ましい。即ち、本めっき層は、複数回に分けて形成されることが好ましい。このように、本めっき処理を複数回に分けて、本めっき層を徐々に形成することにより、より均一な本めっき層を形成することができる。
好ましい態様において、めっき工程は、下記の前処理の１つまたはそれ以上を含み得る。
・前処理
（ａ）脱脂処理
感熱作動要素を、脱脂処理に付す。脱脂処理は、通常のめっき工程と同様に行うことができ、例えば、アルカリ浸漬、エマルジョン洗浄、電解脱脂などを用いることができる。
（ａ）脱脂処理
感熱作動要素を、脱脂処理に付す。脱脂処理は、通常のめっき工程と同様に行うことができ、例えば、アルカリ浸漬、エマルジョン洗浄、電解脱脂などを用いることができる。
（ｂ）酸洗い
感熱作動要素を、酸で洗浄する。
感熱作動要素を、酸で洗浄する。
用いる酸としては、特に限定されないが、好ましくは塩酸、硫酸、およびこれらの混合物が挙げられる。好ましくは、塩酸と硫酸の混合物が用いられる。
上記の前処理は、全て行うことが好ましい。
本発明の感熱作動素子は、高い湾曲係数を有しつつ、かつ、高い耐環境性を有する。従って、電子部品の保護デバイスにおいて、好適に利用することができる。本発明は、本発明の感熱作動素子を有して成る保護デバイスをも提供する。
一の態様において、図３および図４に示すように、本発明の保護デバイス１１は、
ターミナル１２を有する樹脂ベース１３、ＰＴＣ素子１４、本発明の感熱作動素子１５、アーム１６、上方プレート１７および樹脂カバー１８を有して成り、
樹脂ベースの空間内においてターミナル上に、ＰＴＣ素子、感熱作動素子、アームおよび上方プレートがこの順に重ねられ、これらを覆うように樹脂カバーが位置し、
平常時にはターミナルとアームとが電気的に直列に接続された状態にあり、
バイメタル素子が作動する異常時には、ターミナルの接点１９とアームの接点２０とが電気的に遮断された状態になる一方、ターミナル、ＰＴＣ素子、感熱作動素子およびアームがこの順で電気的に直列に接続された状態となるように構成されている。
ターミナル１２を有する樹脂ベース１３、ＰＴＣ素子１４、本発明の感熱作動素子１５、アーム１６、上方プレート１７および樹脂カバー１８を有して成り、
樹脂ベースの空間内においてターミナル上に、ＰＴＣ素子、感熱作動素子、アームおよび上方プレートがこの順に重ねられ、これらを覆うように樹脂カバーが位置し、
平常時にはターミナルとアームとが電気的に直列に接続された状態にあり、
バイメタル素子が作動する異常時には、ターミナルの接点１９とアームの接点２０とが電気的に遮断された状態になる一方、ターミナル、ＰＴＣ素子、感熱作動素子およびアームがこの順で電気的に直列に接続された状態となるように構成されている。
好ましい態様において、感熱作動素子は、バイメタル素子である。
本発明の保護デバイスは、本発明の感熱作動素子を用いていることから、大きく湾曲することができ、アームの接点とターミナルの接点間の距離を、大きく離間させることができる。従って、本発明の保護デバイスは、小型化に有利である。
好ましい態様において、本発明の保護デバイスは、樹脂ベースと樹脂カバーから構成される本体部分の寸法が、縦５．０ｍｍ以下、横３．０ｍｍ以下、高さ０．９ｍｍ以下、好ましくは縦４．６ｍｍ以下、横２．８ｍｍ以下、高さ０．８５ｍｍ以下であり得る。
以上、本発明を図面を参照しながら説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の改変が可能である。
実施例１：本発明の感熱作動素子の製造
感熱作動要素として、下記のバイメタル要素を準備した。
・ＢＲ−１（Ｎｅｏｍａｘ社製）
高熱膨張係数側：含Ｍｎ合金（厚さ：約３０μｍ）
低熱膨張係数側：非Ｍｎ合金（厚さ：約３０μｍ）
感熱作動要素として、下記のバイメタル要素を準備した。
・ＢＲ−１（Ｎｅｏｍａｘ社製）
高熱膨張係数側：含Ｍｎ合金（厚さ：約３０μｍ）
低熱膨張係数側：非Ｍｎ合金（厚さ：約３０μｍ）
上記のバイメタル要素を、縦２．９ｍｍ、横２．９ｍｍに打ち抜いて、バイメタル片を得た。得られたバイメタル片を脱脂した。
次いで、バイメタル片を、塩酸と硫酸の混合液（温度２０℃）で洗浄し、バイメタル片の表面の錆などを洗い流した。
次いで、下記の条件で、ニッケルストライクめっき処理を行った。
ニッケルストライク用ウッド浴
主成分：塩化ニッケル ２４０ｇ／ｌ
添加剤：塩酸 １２５ｇ／ｌ
浴温：２０〜２５℃
電流密度：２〜５Ａ／ｄｍ２
ニッケルストライク用ウッド浴
主成分：塩化ニッケル ２４０ｇ／ｌ
添加剤：塩酸 １２５ｇ／ｌ
浴温：２０〜２５℃
電流密度：２〜５Ａ／ｄｍ２
次いで、下記の条件で、本めっき処理を行った。
ニッケルメッキ用スルファミン酸浴
主成分：塩化ニッケル ３０ｇ／ｌ
スルファミン酸 ４００ｇ／ｌ
臭化ニッケル ４０ｇ／ｌ
ホウ酸 ３０ｇ／ｌ
浴温：４０〜６０℃
電流密度：２〜５Ａ／ｄｍ２
ニッケルメッキ用スルファミン酸浴
主成分：塩化ニッケル ３０ｇ／ｌ
スルファミン酸 ４００ｇ／ｌ
臭化ニッケル ４０ｇ／ｌ
ホウ酸 ３０ｇ／ｌ
浴温：４０〜６０℃
電流密度：２〜５Ａ／ｄｍ２
上記の処理により、バイメタル片の全体にわたってニッケルめっき層を有する本発明の感熱作動素子を得た。
試験例
上記で得られた本発明の感熱作動素子、およびめっき処理を施していないバイメタル片を、それぞれ１２片、温度６０℃、湿度９０％の条件下で耐環境試験に付した。試験前（０時間）、５００時間および１００時間後に、バイメタル片の含Ｍｎ面および非Ｍｎ面を観察した。結果を下記表に示す。
上記で得られた本発明の感熱作動素子、およびめっき処理を施していないバイメタル片を、それぞれ１２片、温度６０℃、湿度９０％の条件下で耐環境試験に付した。試験前（０時間）、５００時間および１００時間後に、バイメタル片の含Ｍｎ面および非Ｍｎ面を観察した。結果を下記表に示す。
上記の結果に示されるように、本発明の感熱作動素子は、素子表面に黒変は見られなかったが、めっき処理を施していないバイメタル片は、含Ｍｎ面（高熱膨張係数）側の層が黒変した。即ち、酸化が認められた。以上の結果から、本発明の感熱作動素子は、耐環境性に優れることが確認された。
本発明の感熱作動素子は、種々の電子機器の保護デバイスにおいて、特に小型の保護デバイスにおいて、好適に利用できる。
１〜４…クラッド材を構成する層
１１…保護デバイス
１２…ターミナル
１３…樹脂ベース
１４…ＰＴＣ素子
１５…感熱作動素子
１６…アーム
１７…上方プレート
１８…樹脂カバー
１９…ターミナルの接点
２０…アームの接点
１１…保護デバイス
１２…ターミナル
１３…樹脂ベース
１４…ＰＴＣ素子
１５…感熱作動素子
１６…アーム
１７…上方プレート
１８…樹脂カバー
１９…ターミナルの接点
２０…アームの接点
Claims (9)
- 含マンガン表面を有する感熱作動要素と
前記含マンガン表面を覆うめっき層と
を有して成る感熱作動素子。 - 感熱作動要素が、異なる熱膨張係数を有する２以上の金属層から形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の感熱作動素子。
- 感熱作動要素が、バイメタル要素であることを特徴とする、請求項１または２のいずれか１項に記載の感熱作動素子。
- 少なくとも１つの層が、マンガンを含む合金層であることを特徴とする、請求項２または３に記載の感熱作動素子。
- マンガンを含む合金層を形成する合金が、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｆｅ合金またはＭｎ−Ｎｉ−Ｃｕ合金であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の感熱作動素子。
- 感熱作動要素の全表面上に、めっき層が形成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の感熱作動素子。
- めっき層がニッケルめっき層であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の感熱作動素子。
- めっき層の同一平面内における厚みの差が、０．１μｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の感熱作動素子。
- 請求項１〜８のいずれか１項に記載の感熱作動素子を有して成る保護デバイス。
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