JP2019016507A - ヒューズ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】定格電流および定格電圧が大きなヒューズ素子の提供。【解決手段】筐体と、板状の第１リードおよび第２リードと、フラックスとを有して成るヒューズ素子であって、前記第１リードおよび第２リードの接点領域は、互いに重なって、分離力が作用した状態で、低融点金属により電気的に接続され、前記第１リードおよび第２リードは、ターミナル領域が筐体から突出し、接点領域が筐体の内部に位置するように配置され、前記フラックスは、前記筐体の内部に充填されているヒューズ素子。【選択図】図１

Description

本発明は、ヒューズ素子、特に温度ヒューズ素子に関する。

電気装置の温度が異常に高くなった場合、電気装置を流れる電流を遮断して、電気装置の安全を確保する必要がある。一般的に、電流を遮断する手段として温度ヒューズ素子が使用されている。

従来、温度ヒューズとして、特許文献１および２に記載のような、合金型温度ヒューズおよび感温ペレット型温度ヒューズ等が知られている。合金型温度ヒューズは、２つのリード間をヒューズエレメントで電気的に接続し、このヒューズエレメントは、フラックスが塗布され、さらにセラミック管、エポキシ樹脂等により封止されている。合金型温度ヒューズは、所定の温度を超えると、ヒューズエレメントが溶融し、その表面張力により両リードに引っ張られ、両リード間にフラックスが流入することにより、電流を遮断する。感温ペレット型温度ヒューズは、２つのリード間が、スイッチング可動部材と金属外囲器を介して電気的に接続されており、スイッチング可動部材とリード間においては、バネ荷重によりスイッチング可動部材が一方のリードに押しつけられて電気的接続が保持されている。かかるバネ荷重は感温ペレットの押付力により保持されている。感温ペレット型温度ヒューズにおいては、所定の温度を超えると、感温ペレットが溶融し、これによりスイッチング可動部材に負荷されるバネ荷重が低減し、これによりスイッチング可動部材がリードから離隔して、その結果、電流が遮断される。

特開２０１０−１４０７１０号公報 特開２００９−１０５０３８号公報

上記の合金型温度ヒューズは、ヒューズエレメントを構成する低融点金属が比較的高抵抗であり、また、ヒューズエレメントの電流が流れる方向に垂直な断面を大きくすることが困難であることから、ヒューズエレメント自体の抵抗が比較的高い。従って、大きな電流が流れるとヒューズエレメントが発熱し、溶断してしまうことから、合金型温度ヒューズは、定格電流を大きく設定することが難しいという問題がある。また、ヒューズエレメントの溶断が、自然溶断であるので、ヒューズエレメント自体の溶断およびフラックスの流入が遅く、耐電圧性が低くなるという問題もある。感温ペレット型温度ヒューズは、スイッチング可動部材をリードに押しつけることにより、両者は電気的に接続されている。即ち、単なる接触による接続であるので、抵抗が高くなる。従って、定格電流を大きく設定することが難しいという問題がある。このような理由から、従来の温度ヒューズは、特にパワーツールなどの大電流および大電圧を必要とする機器に、単独で対応することが困難であった。

従って、本発明は、定格電流および定格電圧が大きなヒューズ素子を提供することを目的とする。

本発明者は、鋭意検討した結果、２つの板状のリードを重ね合わせ、これを低融点金属により接続することにより、接続面積を大きくし、かつ、リード間距離を小さくすることができ、これにより定格電流を大きくすることができることを見出した。また、本発明者は、２つのリードを、両者が離隔する方向の力が加わった状態で、低融点金属により接続することにより、ヒューズ素子が動作した場合に、短時間での溶断が可能になり、これにより定格電圧を高くすることができることを見出した。さらに、本発明者は、接点部をフラックスと一緒に筐体内に封入することにより、２つのリードが離隔した際に、短時間でフラックスをリード間に流入させることが可能になり、これにより定格電圧を高くすることができることを見出した。本発明者は、これらの知見に基づき、本発明に至った。

本発明の１つの要旨によれば、
筐体と、
板状の第１リードおよび第２リードと、
フラックスと
を有して成るヒューズ素子であって、
前記第１リードおよび第２リードの接点領域は、互いに重なって、分離力が作用した状態で、低融点金属により電気的に接続され、
前記第１リードおよび第２リードは、ターミナル領域が筐体から突出し、接点領域が筐体の内部に位置するように配置され、
前記フラックスは、前記筐体の内部に充填されている、
ヒューズ素子が提供される。

本発明のもう１つの要旨によれば、上記のヒューズ素子を有して成ることを特徴とする電気装置が提供される。

本発明によれば、２つのリードを互いに重ねて、分離力が作用した状態で接続し、さらに筐体内にフラックスと共に収容することにより、高定格電流および高定格電圧を有するヒューズ素子が提供される。

図１は、本発明の一の態様のヒューズ素子１ａの断面図である。 図２は、図１のヒューズ素子１ａの内部を上方から見た場合の平面図である。 図３は、図１のヒューズ素子１ａが動作した後の状態を示す断面図である。 図４は、別の態様の接点領域を有するヒューズ素子の内部を上方から見た場合の平面図である。 図５は、別の態様の接点領域を有するヒューズ素子の内部を上方から見た場合の平面図である。 図６は、本発明の別の態様のヒューズ素子１ｂの断面図である。 図７は、図６のヒューズ素子１ｂが動作した後の状態を示す断面図である。

本発明の一の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明のヒューズ素子１ａは、概略的には図１および図２に示すような構造を有する。具体的には、ヒューズ素子１ａは、筐体２と、板状の第１リード３および第２リード４と、フラックス５とを有して成る。第１リード３および第２リード４は、それぞれ、その一方の端に第１接点領域６および第２接点領域７を有し、これらの接点領域は、互いに重なって、低融点金属８により電気的に接続されている。第１接点領域６および第２接点領域７は、両者が離隔する方向の力（以下、「分離力」ともいう）が加わった状態で、低融点金属８により接合されている。第１リード３および第２リード４は、それぞれ、接点領域側の端と反対側に第１ターミナル領域１２および第２ターミナル領域１３を有する。第１リード３および第２リード４は、第１ターミナル領域１２および第２ターミナル領域１３が筐体２から突出し、第１接点領域６および第２接点領域７が筐体２の内部に位置するように配置されている。フラックス５は、筐体２の内部に充填されている。本発明のヒューズ素子１ａにおいて、第１リード３、低融点金属８および第２リード４は、この順に電気的に接続されている。本発明のヒューズ素子１ａは、異常時、即ちヒューズ素子の温度が所定の温度を超えた場合、低融点金属８が軟化、溶融し、第１リードと第２リード間の接合力が弱まり、接点領域に働く分離力により、第１リードと第２リードが離隔し、その結果、電流を遮断する。第１リードと第２リードが離隔する際、これらの周囲に存在するフラックスは、移動する第１リードおよび第２リードに押し出されて、第１リードと第２リード間に流入し、両者の絶縁をより確実にする。

上記第１リードおよび第２リードは、導電性であり、板状であれば特に限定されない。

上記第１リードおよび第２リードの平面形状は、特に限定されないが、好ましくは全体として矩形である。尚、「全体として矩形」とは、貫通孔、くびれ部分等を無視する、あるいは貫通孔およびくびれ部分が存在しないと仮定した場合に、矩形であることを意味する。

上記第１リードおよび第２リードを構成する材料としては、特に限定されないが、例えば銅、鉄、亜鉛、錫、燐、ニッケル、アルミニウム、ベリリウム、コバルト、マンガン、クロム、ならびにこれらの合金が挙げられ、好ましくは銅および銅合金である。

上記第１リードおよび第２リードの厚みは、特に限定されないが、例えば、１００μｍ以上２．０ｍｍ以下、好ましくは２００μｍ以上１．０ｍｍ以下であり得る。リードの厚みを調整することにより、分離力を調整することができる。

上記第１リードおよび第２リードは、表面の一部または全部が被覆されていてもよい。一の態様において、上記第１リードおよび第２リードは、全面が被覆されている。別の態様において、上記第１リードおよび第２リードは、ターミナル領域のみが被覆されている。ここに、「ターミナル領域」とは、本発明のヒューズ素子を他の電気要素に接続するために用いるための部分を意味し、典型的には、筐体から突出した部分である。別の態様において、上記第１リードおよび第２リードは、接点領域のみが被覆されている。ここに、「接点領域」とは、他方のリードに直接または低融点金属を介して電気的に接続される部分を意味する。リードの表面を被覆することにより、低融点金属との接合性、他の電気要素との接合性、耐酸化性等を改善することができる。

上記被覆を設ける方法は、特に限定されないが、蒸着、めっき等が挙げられ、好ましくはめっきが用いられる。

リードを被覆する材料は、特に限定されないが、例えば、スズ、ニッケル、銅が挙げられ、好ましくはニッケルである。

上記第１リードと第２リードを接合する低融点金属としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｎ、Ｂｉ−Ｃｄ合金、Ｂｉ−Ｐｂ合金、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｃｏ−Ｎｉ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｂ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｓｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｃｄ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｐｂ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｐｂ−Ｃｄ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｐｂ−Ｃｄ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｐｂ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｚｎ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ合金、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｐ−Ｇｅ合金、Ｓｎ−Ｃｄ合金、Ｓｎ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ｐｂ合金、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｃｄ合金、Ｓｎ−Ｚｎ合金およびＳｎ−Ｓｂ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｚｎ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ｚｎ合金、Ｓｎ−Ｉｎ−Ｚｎ合金、Ｉｎ−Ｂｉ合金、Ｉｎ−Ｚｎ合金、Ｉｎ−Ａｇ合金等が挙げられる。好ましくは、Ｉｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ｉｎ−Ｚｎ合金が用いられる。

上記低融点金属は、接点領域の全面にわたって存在していてもよく、一部のみに存在していてもよい。一の態様において、低融点金属は、接点領域の一部に存在する。例えば、低融点金属が存在する領域は、接点領域の６０．０％以上、好ましくは８０．０％以上、さらに好ましくは９０．０％以上であり、９９．９％以下、例えば９９．０％以下または９５．０％以下であり得る。一の態様において、低融点金属が存在する領域は、接点領域の６０．０％以上９９．９％以下、例えば８０．０％以上９９．０％以下または９０．０％以上９５．０％以下であり得る。好ましい態様において、低融点金属は、接点領域の実質的に全面に存在する。

一の態様において、上記低融点金属は、第１リードの接点領域と第２リードの接点領域の間に層状に存在する。かかる態様において、低融点金属の層の厚みは、特に限定されないが、例えば、５００μｍ以下、好ましくは３００μｍ以下であり得、１０μｍ以上、好ましくは３０μｍ以上、より好ましくは６０μｍ以上であり得る。低融点金属の層の厚みを５００μｍ以下とすることにより、第１リードと第２リード間の抵抗を小さくすることができる。当該厚みをより小さくすることにより、抵抗をより小さくすることができる。また、低融点金属の層の厚みを１０μｍ以上とすることにより、第１リードと第２リード間の接合をより確実にすることができる。当該厚みをより大きくすることにより、接合の強度をより高めることができる。

第１リードおよび第２リードの接点領域の面積は、特に限定されないが、例えば、それぞれ、１ｍｍ^２以上、好ましくは２ｍｍ^２以上、より好ましくは５ｍｍ^２以上、さらに好ましくは１０ｍｍ^２以上であり得る。かかる面積を大きくすることにより、第１リードと第２リード間の抵抗を小さくすることができる。

第１リードと第２リードの接合方法は、特に限定されない。本発明に用いられる第１リードおよび第２リードは板状であり、重ね合わせた状態で接合することから、リフローにより接合することができる。尚、リフローにより接合する時点では、第１リードと第２リードに分離力は作用しない。リフローする場合、例えば、低融点金属を一方のリードに塗布した状態、低融点金属を両方のリードに塗布した状態、または低融点金属片をリードで挟んだ状態でリフローすることができる。

低融点金属８を介して接合された第１リード３と第２リード４は、第１ターミナル領域１２および第２ターミナル領域１３が筐体２から突出し、接点領域６，７が筐体２の内部に位置するように、配置される。本実施形態において、第１リード３および第２リード４は、筐体２の壁により支持することにより固定される。第１リード３および第２リード４を固定する際には、リードの接合部に分離力が作用するように固定される。例えば、図１に示されるように、第１リード３と第２リード４を固定する高さを異なる高さとすることにより、筐体２の内部で各リードがたわみ、接合部に分離力が作用する。即ち、本発明のヒューズ素子において、リードは板バネとしての機能も有し得る。ヒューズ素子が動作して低融点金属が軟化または溶融すると、第１リード３と第２リード４間の接続は解除され、上記分離力により両リードは離隔する。本発明において、温度ヒューズが動作する際に、動きを生じるリードを「可動接点」といい、動きを生じないリードを「固定接点」という。例えば、本実施形態においては、両方のリードがたわんでおり、動作時に互いに離隔するように動くことから、第１リード３および第２リード４は、共に可動接点である。

上記フラックス５は、筐体２の内部に充填されている。該フラックスは、ヒューズ素子が動作した場合に、離隔した第１リード３と第２リード４の間に流入する（例えば、図３および図７の矢印で示すように）。本発明においては、少なくとも一方のリードが可動接点であることから、この可動接点の動きにより、筐体内のフラックスは押し出される形で、第１リード３と第２リード４の間に流入し得る。従って、本発明においては、フラックスの第１リード３と第２リード４間への流入速度が速い。第１リード３と第２リード４の間にフラックスが流入することにより、第１リード３と第２リード４の間の絶縁性を高めることができ、また、アークの発生を抑制することができる。

上記フラックス５は、筐体２の内部空間（ここでは、リードが存在する部分を除く）の、好ましくは５０体積％以上、より好ましくは８０体積％以上、さらに好ましくは９０体積％以上、さらにより好ましくは９５体積％以上、例えば実質的に１００体積％、含まれる。フラックスの量を内部空間の５０体積％以上とすることにより、接点領域間へのフラックスの流入がより促進される。フラックスの量をより多くすることにより、接点領域間へのフラックスの流入がより促進される。

上記フラックス５の材料は、温度ヒューズの動作温度で流動性を有するものであれば特に限定されず、ロジン系フラックス、有機酸等の公知のフラックスを使用することができる。

上記筐体２は、その内部空間に第１リードと第２リードの接合部およびフラックスを収容する。また、上記したように、筐体２は、第１リードおよび第２リードを支持する支持部としても機能し得る。

上記筐体２を構成する材料は、例えば、ＬＣＰ（Liquid Crystal Polymer）樹脂、ポリアミド系樹脂、ＰＰＳ（Poly Phenylene Sulfide）系樹脂、ＰＬＡ（Polylactic acid）樹脂、ＡＢＳ（Acrylonitrile-Butadiene-Styrene）樹脂、ＰＥ樹脂、ＰＰ樹脂、エポキシ樹脂等が挙げられ、好ましくはＬＣＰ樹脂またはＰＰＳ樹脂が用いられる。

上記筐体２の壁面の厚みは、好ましくは０．１ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下、より好ましくは０．６ｍｍ以上５．０ｍｍ以下、例えば０．６ｍｍ以上３．０ｍｍ以下または０．６ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり得る。壁面の厚みを小さくすることにより、ヒューズ素子の小型化に有利となる。また、壁面の厚みを大きくすることにより、壁が第１リードおよび第２リードの少なくとも一方を支持する場合に、支持をより確実にすることができる。

本発明のヒューズ素子は、第１リードおよび第２リードが板状であり、互いに面で接していることから、接点領域の面積を大きく確保することができる。即ち、第１リードと第２リードを接合する低融点金属における、電流が流れる方向に垂直な断面の面積を大きく確保することができる。また、両リードを接近させることが可能であるので、低融点金属の層を薄くすることができる。従って、抵抗が比較的高い低融点金属の断面積が大きくなり、かつ、電流が低融点金属を流れる距離が小さくなるので、第１リードと第２リード間の抵抗は小さくなる。従って、本発明のヒューズ素子は、大きな定格電流を有し得る。また、本発明のヒューズ素子は動作する際、第１リードと第２リードの接触領域に分離力が働くので、短時間で両リード間の絶縁距離を確保することができる。さらに、本発明のヒューズ素子は、筐体内にフラックスが充填されているので、第１リードと第２リードが離隔した際、両リードの接点領域間に速やかにフラックスが流入し、両リード間の絶縁を確保し、また、アークを抑制することができる。従って、本発明のヒューズ素子は、高い定格電圧を有し得る。以上から、本発明のヒューズ素子は、温度ヒューズ素子として、高定格電流および高定格電圧の両方を有し得る。

上記のように、本発明のヒューズ素子は、高い定格電流と高い定格電圧を有することから、種々の電気装置において好適に用いられる。従って、本発明は、本発明のヒューズ素子を有して成ることを特徴とする電気装置をも提供する。

以上、本発明の一の実施形態について説明したが、本発明のヒューズ素子は種々の改変が可能である。

一の態様において、第１リードおよび第２リードの少なくとも一方は、その可動部において、貫通孔１５（図４）、くびれ部１６（図５）等を有していてもよい。可動部に貫通孔またはくびれを有することにより、動作時に、フラックスが貫通孔またはくびれを通ることができるので、より短時間に第１リードと第２リード間に流入することができる。これにより、動作時の第１リードと第２リード間の絶縁性を高めることができ、また、アークの発生をより抑制することができることから、耐電圧が向上する。

別の態様において、上記実施形態においては、第１リードおよび第２リードは、筐体の側方の壁のみによって支持されているが、筐体の内部空間において一部を底面に固定することにより支持してもよい。例えば、内部空間にあるリードは、壁面からの突出部分から、内部空間にあるリードの長さの１０％まで、３０％まで、５０％まで、または７０％まで固定されていてもよい。

別の態様において、図６に示されるように、一方のリード、例えば第２リードは、内部空間にある部分がすべて底面に固定されていてもよい。このように内部空間にある部分がすべて固定された第２リードは、本発明のヒューズ素子において、固定接点と理解される。この場合、他方の第１リードは、可動接点となる。即ち、この態様においては、第１リードおよび第２リードの一方が固定接点であり、他方が可動接点である。本態様のヒューズ素子が動作した場合、第１リードのみが上方に移動し、第１リードと第２リードが離隔する。この場合も、上記の実施形態と同様に、第１リードと第２リード間にフラックスが流入する（図７）。

実施例
図１に示すようなヒューズ素子を準備した。各部材の詳細は下記の通りである。

・第１リードおよび第２リード：
材料：Ｃ５２１０−１／２Ｈ
厚み：１５０μｍ
幅：４ｍｍ
筐体内長さ：８ｍｍ
第１リードおよび第２リードの固定部分の高さの差：１ｍｍ
・低融点金属
材料：Ｉｎ−Ｂｉ合金
・フラックス
樹脂系固形フラックス（Ｓ１７）系フラックス
・筐体
材料：ＰＬＡ樹脂
側壁厚み：１ｍｍ
・その他
接点部の面積：８ｍｍ^２

（評価）
上記のヒューズ素子に、２４Ａ、１２Ｖの電流を印加した。この状態で６０分間観察したがヒューズ素子に特に変化は見られなかった。即ち、本発明のヒューズ素子は、２４Ａの電流を問題なく通電することができることが確認された。従って、本発明のヒューズ素子は、高電流を通電することができることが確認された。

また、上記の状態から、徐々に温度を上げながら抵抗値を測定した。抵抗値は１１０℃付近で急激に増加し、電流が遮断されたことから、ヒューズ素子は問題なく動作することが確認された。

さらに、ヒューズ素子が動作した後の接点領域を観察した。その結果、各リードの表面に特に異常は見当たらなかった。従って、本発明のヒューズ素子は、耐電圧性に優れることが確認された。

本発明のヒューズ素子は、高定格電流および高定格電圧を有し得るので、種々の電気装置、特に高電流および高電圧を必要とする電気装置において、好適に利用することができる。

１ａ…ヒューズ素子
１ｂ…ヒューズ素子
２…筐体
３…第１リード
４…第２リード
５…フラックス
６…第１接点領域
７…第２接点領域
８…低融点金属
１０…第１ターミナル領域
１１…第２ターミナル領域
１５…貫通孔
１６…くびれ部

Claims (6)

1. 筐体と、
   板状の第１リードおよび第２リードと、
   フラックスと
   を有して成るヒューズ素子であって、
   前記第１リードおよび第２リードの接点領域は、互いに重なって、分離力が作用した状態で、低融点金属により電気的に接続され、
   前記第１リードおよび第２リードは、ターミナル領域が筐体から突出し、接点領域が筐体の内部に位置するように配置され、
   前記フラックスは、前記筐体の内部に充填されている、
   ヒューズ素子。
2. 前記第１リードおよび第２リードの一方が固定接点であり、他方が可動接点である、請求項１に記載のヒューズ素子。
3. 前記第１リードおよび第２リードが、いずれも可動接点である、請求項１に記載のヒューズ素子。
4. 前記可動接点であるリードの可動部において、くびれ部分を有する、請求項２または３に記載のヒューズ素子。
5. 前記可動接点であるリードの可動部において、貫通孔を有する、請求項２または３に記載のヒューズ素子。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のヒューズ素子を有して成ることを特徴とする電気装置。

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