JP2530692B2

JP2530692B2 - 電路保護素子

Info

Publication number: JP2530692B2
Application number: JP19256988A
Authority: JP
Inventors: 公志辻; 禎信竹川
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1988-03-04
Filing date: 1988-08-01
Publication date: 1996-09-04
Anticipated expiration: 2011-09-04
Also published as: JPH0265028A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、電路に流れる過電流を検出して電路遮断機
構を動作させるための電路保護素子に関するものであ
り、回路遮断器等に用いられるものである。

［従来の技術］過電流や短絡電流等の事故電流から負荷を保護するた
めの回路遮断器等においては、事故電流を検出して、電
路を遮断するように動作する電路保護素子が内蔵されて
いる。この種の素子としては、既に種々の形式のものが
提案されている。

第２図はバイメタル方式を用いた従来例を示す。これ
は熱膨張係数の小さい金属１と熱膨張係数の大きい金属
２とを貼り合わせたバイメタル３を用いて、このバイメ
タル３に事故電流が流れると、その発熱によりバイメタ
ル３が矢印で示す方向に撓み、その結果、このバイメタ
ル３と対向配置された周知のラッチ機構乃至引き外し機
構（図示せず）を作動させて、回路を遮断させるように
なっている。しかし、このようなバイメタル方式では、
単一の事故電流に対してしか、その保護機能を発揮でき
ないという欠点がある。

また、第３図はオイルダッシュポットを用いた従来例
であり、過電流が流れたときにはプランジャ４が徐々に
上方へ移動し、上部に達したときに可動鉄片４′が蓋部
５に吸着され、一方、短絡電流が流れたときには可動鉄
片４′が直接吸着され、これによりラッチ機構を作動さ
せるようになっているが、この構成においては、吸引力
が小さく、高速性に欠けるため、短絡電流に対して十分
な保護が望めないという問題がある。また、吸引力が小
さいため、回路遮断器のラッチ機構に負担が掛かり、小
型化にも限界がある。

一方、特開昭57−148858号公報には、形状記憶合金を
用いて過電流及び短絡電流を共に検出できるようにした
電路保護素子が開示されている。しかしながら、本公報
では、形状記憶合金を電路保護素子に応用するときに問
題となる合金自体の信頼性、特に動作温度の変動等につ
いては開示されていない。また、動作が保証される環境
温度の範囲や、動作温度に関係する相変態温度等につい
ても全く言及されていない。信頼性の高い電路保護素子
として実用化するためには、これらの合金特性、特に使
用する相変態機構の特定が非常に重要である。

［発明が解決しようとする課題］形状記憶合金を電路保護素子に使用する場合において
は、形状記憶合金の特性として、次のような特性が望ま
れる。

（ａ）動作の繰り返し信頼性が高いこと。すなわち、発
生荷重や相変態温度が繰り返し動作により変動しないこ
と。

（ｂ）動作温度が60℃〜90℃の範囲内で設定できるこ
と。

（ｃ）動作が保証される温度範囲が−10℃〜60℃である
こと。したがって、この範囲内の任意の温度から加熱を
開始したときに、相変態開始温度（As点）が一定である
こと。

（ｄ）温度ヒステリシスが小さいこと（概略10deg以下
であること）。

実用化されている形状記憶合金には、大別してニッケ
ル−チタニウム系と、銅系（CuZn,CuZnAl等）がある。C
u系は信頼性や耐食性の点でニッケル−チタニウム系よ
りも劣り、信頼性の要求される電路保護素子に応用する
には、ニッケル−チタニウム系の方が良いと判断でき
る。このニッケル−チタニウム系において、形状記憶合
金の形状変化に関与する相変態機構には、マルテンサイ
ト相変態とＲ相変態がある。

マルテンサイト相変態では、歪みを大きく取ることが
でき、したがって、発生荷重も大きいが、繰り返し動作
の信頼性が低い。例えば、発生荷重を例に取れば、１回
目と２回目とでは、発生荷重が約５％低下する例もあ
る。また、変態温度も繰り返し動作させていると変動
し、このため動作温度が変動することになる。

Ｒ相変態では、歪みは約１％以下の状態でしか使用で
きず、したがって、マルテンサイト相変態に比較して、
発生荷重を大きく取ることはできないが、繰り返し信頼
性が良いという利点がある。ところが、このＲ相変態に
おいて、動作温度を60℃以上に設定すると、必然的にマ
ルテンサイト相の相変態開始温度（Ms点）が−10℃以上
となる。このため、形状記憶合金を加熱するときに、そ
の加熱開始温度によって、相の状態が異なり、発生する
荷重の立ち上がり温度（As点）が異なることになり、結
果として動作温度が異なることになる。したがって、動
作を保証される環境温度の範囲を−10℃〜60℃とするこ
とができない。

また、特開昭53−138071号公報には、ニッケル−チタ
ニウム−銅系を含む種々の形状記憶合金を使用した熱電
型開閉器が開示されている。しかしながら、本公報の熱
電型開閉器は、形状記憶合金に直接通電して加熱する形
式（いわゆる直熱形）であり、第２図の従来例と同様に
単一の事故電流に対してしか、その保護機能を発揮でき
ない。

本発明は上述のような点に鑑みてなされたものであ
り、その目的とするところは、繰り返し動作による相変
態温度の変動が少なく、動作が安定で信頼性が高く、使
用できる環境温度の範囲が広く、短絡電流及び過電流の
検出が共に可能な電路保護素子を提供することにある。

［課題を解決するための手段］本発明にあっては、上記の課題を解決するために、電
路に流れる電流を通電されるヒータコイルと、ヒータコ
イルに過電流が流れたときにヒータコイルの発生する熱
により電路遮断機構を動作させるように形状変化する形
状記憶合金と、ヒータコイルに短絡電流が流れたときに
ヒータコイルの発生する磁界により電路遮断機構を動作
させるように駆動される磁性材料とを備える電路保護素
子において、形状記憶合金はニッケル−チタニウム−銅
系（Ni−Ti−Cuの３元合金、さらに添加物を含む４元以
上の合金）の形状記憶合金であり、且つ、形状記憶合金
の形状変化に関与する相変態機構がオーソロミック相
（斜方晶）変態であることを特徴とするものである。

さらに、前記オーソロミック相変態を生じさせると共
に合金の加工性の観点から、銅が６〜12原子％、チタニ
ウムが49〜51原子％、残りニッケルの３元合金に組成を
限定し、動作の信頼性をさらに向上させるために、素線
に冷間加工を施し、材料の再結晶温度以下の低温で形状
記憶のための熱処理を行い、合金内部に加工歪を残した
状態で使用することを第２の特徴とする。

また、本発明のその他の特徴は、形状記憶合金の動作
温度が上昇するように、形状記憶合金に予めバイアスば
ねにより応力を付与された状態で使用することにある。

［作用］本発明者らは、種々の形状記憶合金の相変態について
検討した結果、ニッケル−チタニウム−銅系で出現する
オーソロミック相変態が電路保護素子に要求される形状
記憶合金の特性を全て満足することを発見した。すなわ
ち、ニッケル−チタニウム−銅系の形状記憶合金におけ
るオーソロミック相変態では、従来の材料にはない次の
３つの特性を同時に満たすことができる。

疲労が少なく、信頼性が高い。繰り返し動作試験の結
果、相変態温度の変動は僅かである。これは、昇温・降
温時のヒステリシスがマルテンサイト相変態では約30℃
と大きいが、オーソロミック相変態では約５〜10℃と小
さく、このことが疲労を小さくしているものと考えられ
る。

動作温度を60℃以上に設定できる。相変態温度は、形
状記憶合金の組成や熱処理温度に依存するが、これらの
条件を適当に選ぶことにより、動作温度を60℃以上に設
定できる。

−10℃〜60℃の温度範囲を保証できる。ニッケル−チ
タニウム−銅系では、マルテンサイト相の相変態開始温
度（Ms点）が−10℃以下となるため、−10℃〜60℃の範
囲内の任意の温度で加熱を開始しても、オーソロミック
相変態のみとなり、形状記憶合金の相変態開始温度（As
点）は一定となる。

以上の〜の条件がニッケル−チタニウム−銅系で
のみ満たされる理由について、さらに詳しく述べる。

オーソロミック相変態をする記憶合金としては、ニッ
ケル−チタニウム−銅系及びニッケル−チタニウム−パ
ラジウム系の各合金がある。ここで、ニッケル−チタニ
ウム−パラジウム系合金は高価なパラジウムを成分とし
て含むので、コスト的に実用化は困難である。

ニッケル−チタニウム−銅系合金には、ニッケル−チ
タニウム−銅の３成分系合金と、ニッケル−チタニウム
−銅にさらにニオブ、ホウ素等の第４元素を添加した４
成分系合金があるが、本用途に用いる形状記憶合金とし
ては、ニッケル−チタニウム−銅系の３元合金で、銅が
６〜12原子％、チタニウムが49〜51原子％、残りがニッ
ケルの組成が適正である。いずれも相変態様式は、オー
ソロミック（斜方晶）変態であり、オーソロミック相
（低温相）とB2相（高温相）とに変態する。

以下、上記組成の限定理由について述べると、銅が６
原子％以下ではオーソロミック相変態とならず、また12
原子％以上になると、加工性が劣化して伸線加工が困難
となる。また、チタニウムが49原子％以下又は51原子％
以上になると、記憶合金の必要条件である金属間化合物
生成の組成範囲を外れ、形状記憶現象がなくなる。

さらに、繰り返しによる劣化特性改善のため、すなわ
ち信頼性の向上のために、素線に冷間加工を施し、再結
晶温度以下の温度で形状記憶のための熱処理を施すこと
が有効である。このことは、合金に加工歪を残留させた
状態で使用することを意味し、こうすることにより、さ
らに信頼性を向上させることができる。ここで、熱処理
温度は350〜500℃が望ましい。350℃以下であると形状
記憶が十分でなく、500℃以上になると再結晶温度を越
える結果、繰り返しによる劣化が大きくなる。また、冷
間加工率は加工前後による断面の減面率で表現して10〜
40が適正である。10％以下では劣化特性の改善効果がな
く、40以上になると伸線加工が困難となる。

また、本発明の他の特徴は、動作温度が上昇するよう
に、予め形状記憶合金に応力を付与した状態で使用する
ことにある。すなわち、形状記憶合金の相変態温度は応
力下において上昇する性質を本発明者らは見出だし、こ
の性質を積極的に利用したものである。

ニッケル−チタニウム−銅系のオーソロミック相変態
において、種々の応力下での相変態温度を測定したとこ
ろ、応力依存性が0.06℃/MPaと大きく、Ni−Ti合金の約
２倍であることが判明した（Ni−Ti合金の場合、0.03℃
/MPa）。この性質を積極的に利用し、第１図に示すよう
に、形状記憶合金ばね８とバイアス付与ばね12を組み合
わせることにより、動作温度を上昇させることができ、
また、バイアス付与ばね12の出力荷重を変えることによ
り、電路保護素子の動作温度を調整することが可能であ
る。

［実施例］第１図は本発明の一実施例の断面図である。図におい
て、10は磁性材料よりなるヨークであり、このヨーク10
内にはコイル筒11が配され、コイル筒11の周囲には、ヒ
ータコイル９が巻回されている。このヒータコイル９に
は、電路に流れる電流が通電される。コイル筒11の内部
には、磁性材料よりなるプランジャー７が上下動自在に
貫通されている。プランジャー７の上端部は、負荷レバ
ー６と係合している。この負荷レバー６は、所定の荷重
が加わると、回路遮断器のラッチ機構（図示せず）を作
動させて、電路を遮断させるようになっている。プラン
ジャー７の下端部には、太径のフランジ7aが形成されて
いる。プランジャー７のフランジ7aとヨーク10の上片10
aとの間には、形状記憶合金ばね８が配されている。こ
こで、形状記憶合金は高温で成形しておけば、その成形
時の形状を記憶しており、常温で変形させておいても温
度が上昇すれば、その形状が高温成形時の形に戻る性質
を有するものであり、形状記憶合金ばね８は、このよう
な形状記憶合金をばね状に成形したものである。また、
プランジャー７のフランジ7aとヨーク10の下片10bとの
間には、バイアス付与ばね12が配されている。形状記憶
合金ばね８は、このバイアス付与ばね12にて付勢され
て、定歪み状態（拘束状態）で使用されている。コイル
筒11の底部、すなわち、プランジャー７と対向する側に
は、ヨーク10の下片10bに固定された固定鉄心13が配さ
れている。

ヒータコイル９に定格電流に105〜125％の電流（すな
わち過電流）が流れると、ヒータコイル９が発熱し、形
状記憶合金ばね８の温度を上昇させる。形状記憶合金ば
ね８の温度が上昇し、その相変態開始温度（As点）を越
えると、形状記憶合金ばね８は急激にプランジャー７を
押し下げる方向に変形しようとする。しかし、形状記憶
合金ばね８は拘束状態であるため、プランジャー７の変
位は生じない。そして、この荷重が負荷レバー６の一定
の荷重とバイアス付与ばね12の発生荷重の和よりも大き
くなったときに、負荷レバー６に連結された回路遮断器
のラッチ機構が外れ、電路を遮断する。また、短絡電流
が流れたときには、ヒータコイル９から発生する電磁吸
引力によりプランジャー７が下方の固定鉄心13に吸引さ
れ、負荷レバー６を押し下げて、ラッチ機構を外し、電
路を遮断する。

このような構造にすると、短絡電流及び過電流検出機
構の一体化による小型化が可能となり、ばね状とした形
状記憶合金の発生荷重が大きく、また、短絡時の吸引力
が大きいことにより、高速応答性が達成される。

試料１（実施例）ニッケル−チタニウム−銅系の３元組成の合金線を、
治具に巻き付けてコイルばね状に成形し、拘束状態で熱
処理を行った。このようにして得られた形状記憶合金ば
ねを、所定の歪み量となるように拘束し、温度を変化さ
せて、温度−荷重特性を測定した。第４図は銅が9.2原
子％、チタニウムが49.4原子％、残りがニッケルの３元
合金で熱処理温度500℃とした場合の温度−出力荷重特
性を示す図である。図中、As点及びAf点はそれぞれ高温
相への相変態開始温度及び相変態終了温度を示し、Ms点
及びMf点はそれぞれ低温相（オーソロミック相）への相
変態開始温度及び相変態終了温度を示す。第４図より、
動作が保証される環境温度の範囲内で最低の温度−10℃
（Ｓ点）から加熱を開始しても、他の温度36℃（Ｓ′
点）から加熱を開始しても、発生荷重の立ち上がり温度
である相変態開始温度（As点）は約60℃で一定であるこ
とが分かる。また、本合金のDSCでの測定結果を第５図
（ａ），（ｂ）に示す。同図（ａ）は昇温時、同図
（ｂ）は降温時の測定結果を示す。−50℃から100℃の
温度範囲で加熱、冷却してもピークは各々１つしか検出
されない。これは、この温度範囲で相変態様式が１つで
あることを示し、したがって相変態開始温度も一定とな
る。以上のことは、動作保証される環境温度の範囲を−
10℃〜60℃のように広く取れることを意味する。

第６図は、種々の組成のニッケル−チタニウム−銅合
金について、熱処理温度を変化させ、相変態開始温度
（第４図のAs点）を調べた結果を示している。第６図よ
り、熱処理温度が高くなるにしたがって、相変態開始温
度は上昇するが、550℃以上になると、相変態開始温度
は却って低下することが分かる。しかし、いずれも60℃
以上であり、ニッケル−チタニウム合金の実用使用温度
上限である55℃よりも高く、本用途に適しているといえ
る。

また、熱処理温度が500℃のときのヒステリシスを第
１表に示す。ヒステリシスは、昇温時と降温時の温度幅
であり、（As＋Af−Ms−Mf）/2で計算できる。

第１表より銅の含有率が高くなるにしたがって、ヒス
テリシスは減少することが分かる。何れの組成でもオー
ソロミック相変態の特徴である５〜10degのヒステリシ
スを満足しており、このことより相変態様式がオーソロ
ミック相変態であり、また、本用途への要求特性を満た
していることが分かる。なお、マルテンサイト相変態で
は、第10図に示すように、ヒステリシスが約30degであ
る。

次に、繰り返し動作の信頼性について相変態温度を挟
む２つの温度の間でヒートサイクル試験を実施し、試験
前後の相変態温度（As点）の変化及び出力の変化率を調
べた結果を第７図に示す。ヒートサイクル試験は、T₁＝
85℃（30分）とT₂＝０℃（30分）の間で、1000回の昇温
と降温を繰り返した。形状記憶合金は、銅が6.1原子％
及び9.2原子％の銅−ニッケル−チタニウム合金であ
り、冷間加工率は27％とし、熱処理温度の影響を調べる
ために、種々の温度で熱処理した。図中、白丸○と黒丸
●は銅が6.1原子％の合金の相変態温度の変化と出力変
化率をそれぞれ示しており、白い三角△と黒い三角▲は
銅が9.2原子％の合金の相変態温度の変化と出力変化率
をそれぞれ示している。ニッケルの含有率は49.4〜50.0
原子％、せん断歪率は0.55％であった。

第７図から明らかなように、熱処理温度を350〜500℃
に選ぶことにより、相変態開始温度の変化幅は1deg以下
であり、出力低下率も最大30％以下に抑えることができ
る。一方、熱処理温度が500℃を越えると、合金内部で
再結晶が開始され、繰り返し動作による劣化は大きくな
る。したがって、劣化防止の観点から熱処理温度は350
〜500℃とすることが望ましい。

第８図は冷間加工率を種々変化させて、相変態温度を
DSC法により調べた結果を示している。合金の組成は銅
が9.0原子％、チタニウムが50.5％、残りがニッケルと
し、熱処理条件は500℃で１時間とした。加工率10％以
上の冷間加工を施すと、相変態温度は一定になることが
わかる。残留加工歪が相変態温度に影響することを考え
ると、残留加工歪による劣化防止の効果を得るために
は、少なくとも相変態温度が一定になる10％以上の加工
率が必要である。

次に、異なる歪み量にて測定を行うことにより、せん
断応力と相変態温度の関係を調べた結果を第９図に示
す。合金組成は銅が9.0原子％、チタニウムが50.0原子
％、残りがニッケルとし、熱処理温度は450℃とした。
第９図より、負荷応力の上昇と共に、相変態終了温度
（Af点）が上昇していることが分かる。本実施例にあっ
ては、バイアス付与ばね12により形状記憶合金ばね８に
予め応力を付与した状態で使用しているので、形状記憶
合金ばね８の動作温度が上昇する。そして、このバイア
ス付与ばね12の発生荷重を調整することにより、動作温
度を調整することができる。第８図に示す特性から概略
60〜80℃の範囲で調整可能である。

最後に、この形状記憶合金を第１図に示す構造の電路
保護素子に組み込み、負荷レバー６の荷重を50g、バイ
アス付与ばね12の発生荷重を50gとし、動作試験を行っ
た結果、70℃の温度で動作することを確認した。

試料２（比較例）ニッケル−チタニウム系の２元組成の合金線を用い
て、Ｒ相変態の試料２を試料１と同じ方法で作成し、温
度−荷重特性を測定した。第10図はＲ相変態の試料２に
ついての温度−荷重特性を示す図である。この試料２で
は、ある温度６℃（Ｓ点）から昇温すると、相変態開始
温度（As点）は約70℃であるのに対して、他の温度44℃
（Ｓ′点）から昇温すると、相変態開始温度（As点）は
約60℃であった。このため、動作保証されるべき温度範
囲内（−10〜60℃）で、加熱を開始する温度が異なる
と、発生荷重の立ち上がり点が大きく異なることにな
り、電路保護素子への適用は困難である。

試料３（比較例）ニッケル−チタニウム系の２元組成の合金線を用い
て、マルテンサイト相変態の試料３を試料１と同じ方法
で作成し、温度−荷重特性を測定した。第11図はヒート
サイクル試験前、第12図は300回のヒートサイクル試験
後の温度−荷重特性をそれぞれ示す図である。ヒートサ
イクル試験後で、As点は13℃低くなり、また、発生荷重
も大きく低下していることが分かる。このことは、マル
テンサイト相変態の試料３の信頼性が低いことを意味
し、電路保護素子への適用は困難である。

以上述べたことから明らかなように、ニッケル−チタ
ニウム−銅系のオーソロミック相変態を行う形状記憶合
金を用いた場合にのみ、本発明の電路保護素子は実現可
能である。

［発明の効果］本発明の電路保護素子は、電路に流れる電流を通電さ
せるヒータコイルからの発熱又は発生磁界により形状記
憶合金又は磁性材料を駆動できるので、過電流と短絡電
流の検出が共に可能であり、２つの事故電流の検出機構
の一体化による小型化が可能であるという効果があり、
また、ニッケル−チタニウム−銅系で出現するオーソロ
ミック相変態を用いたから、動作の繰り返しによる特性
の変化が少なく、したがって、信頼性が高くなるという
効果があり、また、相変態開始温度が比較的高いので、
動作温度を実用温度範囲内とすることができるという効
果があり、さらに、加熱を開始する温度によって異なる
相変態が生じることはないので、動作が保証される温度
範囲を広く取れるという効果がある。

また、形状記憶合金の動作温度が上昇するように、形
状記憶合金に予め応力を付与した状態で使用すれば、電
路保護素子の動作温度をさらに高く設定することができ
るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の断面図、第２図は従来例の
一部破断正面図、第３図は他の従来例の要部破断正面
図、第４図乃至第９図は本発明の動作説明図、第10図乃
至第12図は従来例の動作説明図である。７はプランジャー、８は形状記憶合金ばね、９はヒータ
コイル、12はバイアス付与ばねである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭53−28518（ＪＰ，Ａ) 特開昭53−138071（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−153642（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−148858（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−189423（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−128252（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−221922（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−230967（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−147862（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−76123（ＪＰ，Ａ) 実開昭58−14641（ＪＰ，Ｕ) 実開昭61−139552（ＪＰ，Ｕ) 実開昭63−84840（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電路に流れる電流を通電されるヒータコイ
ルと、ヒータコイルに過電流が流れたときにヒータコイ
ルの発生する熱により電路遮断機構を動作させるように
形状変化する形状記憶合金と、ヒータコイルに短絡電流
が流れたときにヒータコイルの発生する磁界により電路
遮断機構を動作させるように駆動される磁性材料とを備
える電路保護素子において、形状記憶合金はニッケル−
チタニウム−銅系の形状記憶合金であり、且つ、形状記
憶合金の形状変化に関与する相変態機構がオーソロミッ
ク相変態であることを特徴とする電路保護素子。
【請求項２】ニッケル−チタニウム−銅系の形状記憶合
金は、銅が６乃至12原子％、チタニウムが49乃至51原子
％、残りニッケルの３元合金であることを特徴とする請
求項１記載の電路保護素子。
【請求項３】前記３元合金に冷間加工を施し、合金の再
結晶温度以下の温度で形状記憶のための熱処理を施し、
合金内部に加工歪みを残した状態で使用することを特徴
とする請求項２記載の電路保護素子。
【請求項４】熱処理温度が350乃至500℃であることを特
徴とする請求項３記載の電路保護素子。
【請求項５】冷間加工率が10乃至40％であることを特徴
とする請求項３記載の電路保護素子。
【請求項６】形状記憶合金は、動作温度が上昇するよう
に予め応力を付与された状態で使用されることを特徴と
する請求項１記載の電路保護素子。