JP3493279B2

JP3493279B2 - 安全機器部品

Info

Publication number: JP3493279B2
Application number: JP10993197A
Authority: JP
Inventors: 洋一藤岡; 功治榎田; 裕子反田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-04-25
Filing date: 1997-04-25
Publication date: 2004-02-03
Anticipated expiration: 2017-04-25
Also published as: JPH10298437A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電気機器、電気回路の過
電流の防止、異常発熱による発火、火災の防止のために
使用される安全機器部品、すなわちサーモスタット、温
度ヒューズ、温度スイッチ、電流ヒューズ、ヒューズ抵
抗器、バリスタ、サーミスタ、アレスタ、サーキットプ
ロテクタ、ブレイカー等に関し、またこれらの安全機器
部品のケース等として好適に用いられる樹脂−セラミッ
クス複合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気機器、電気回路部品に使用される安
全機器部品のケースのようにアークが発生する場所に使
用される電気絶縁物には、高信頼性のために耐熱性、耐
燃性、耐アーク性、耐トラッキング性、耐絶縁性が要求
される。そこで、安全機器部品のケースの材質として
は、耐熱性、耐燃性に優れたフェノール樹脂、不飽和ポ
リエステル、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂が多く使用
されている。

【０００３】しかし、これらの樹脂からなるものでは、
耐熱性が低いために使用時に熱によって樹脂成分が分
解、あるいは変形しやすかった。また、高電圧が印加さ
れると、樹脂の表面が炭化されて導電路が発生し、この
導電路に沿って電流が流れてしまうというトラッキング
現象が生じ、その結果、絶縁性が維持できなくなるだけ
でなく、ジュール熱が発生してしまうという問題点があ
った。

【０００４】例えば、一般的なフェノール樹脂では耐熱
温度が１５０〜１８０℃前後であるため、使用される用
途が制限されてしまう。すなわち、サーモスタットのよ
うな、温度過昇防止、温度制御を行う安全機器部品で
は、その用途拡大の為、使用温度範囲を拡げる必要があ
るにもかかわらず、樹脂の耐熱温度には限界があり、そ
れ以上の温度になるような用途では使用できなかった。

【０００５】そのため、より高温で使用する場合は、セ
ラミックス製の部品を採用しているが、このような部品
をセラミックスで製造すると、コストが高くなるばかり
でなく、樹脂製品に比べて耐熱衝撃性が低下する上、そ
の形状が制限される等の問題点があった。

【０００６】また、難燃性を高める目的で、アスベスト
繊維を配合した難燃性フェノール樹脂も用いられている
が、近年アスベストの発ガン性が注目され、法規制がま
すます厳しくなっていくなか、作業環境問題で使用が規
制されていることから、アスベストを含むことなく、耐
熱性、耐トラッキング性に優れた樹脂材料が望まれてい
る。

【０００７】そこで、上記樹脂にフィラーを添加混合す
ることで、樹脂単体よりも機械的強度、耐熱性、熱伝導
性を高めた樹脂−セラミックス複合体を得ることが提案
されている（特開昭５７−１５１３０８号、特開平８−
１５３４５２号、特開平３−２３５６１０号公報等参
照）。また、特に樹脂としてフェノール樹脂を用い、種
々のフィラーを混合して、耐トラッキング性を向上させ
た樹脂−セラミックス複合体が提案されている（特公昭
５７−６１２９０号、特公昭６２−４４２３号、特開昭
４９−１０４１９７号、特開昭６４−７９２５２号公報
等参照）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、フィラ
ーを多量に添加混合した樹脂複合材料は、コストが高く
なるだけでなく、成形性が悪化するという問題があっ
た。

【０００９】即ち、このような樹脂複合材の成形方法と
して一般的である射出成形法、トランスファ成形法で
は、フィラー配合比を多くすると溶融樹脂の粘性が増大
する結果、流れ性が悪くなって金型内への均一な充填が
困難になってしまい、寸法精度の低下や、クラック、そ
りの発生等の不良が生じていた。

【００１０】また、このような樹脂複合材料の成形方法
として、所定量の原料を加熱した金型のキャビティに供
給し、材料の軟化後加圧を行い、引き続き一定時間金型
内で硬化反応を進め成形する圧縮成形法もある。しか
し、この圧縮成形方法は成形サイクルの時間が長いた
め、実用的なものではなかった。

【００１１】このように、フィラーを含む樹脂複合材料
は成形性が非常に悪いことから、射出成形法やトランス
ファ成形法で成形するためには、フィラー含有量を２０
〜３０体積％程度と低くせざるを得ないのが現状であっ
た。そのため、通常の樹脂材料に比べて特に耐熱性、体
トラッキング性を向上させることができなかった。

【００１２】一般に、上述した各種電気機器や電気回路
の安全機器部品のケース等として使用される樹脂材料
は、電気部品や各種素子の支持だけでなく、それらを電
気的に絶縁する機能を併せ持たねばならず、さらに、近
年、電気部品からの火災発生を防止するために難燃性に
対する要求が強い。具体的な電気部品からの発火原因と
しては、絶縁破壊やトラッキング破壊による発火、およ
び発火後の樹脂の燃え易さが考えられる。そこで、これ
らの電気機器における安全性に対する認識が高まってい
るなか、安全機器部品の安全性、特に発火安全性に対す
る要求が高まっている。

【００１３】ところが、上述したように、樹脂の耐熱
性、耐トラッキング性に関しては、その要求に充分に応
えることができておらず、特性の向上が強く望まれてい
るのが現状である。

【００１４】

【課題を解決するための手段】そこで本発明は、上記樹
脂複合材料の成形方法として、常温にて粉末加圧成形を
行った後、金型から離型し、加熱硬化させれば、フィラ
ーの含有量を多くしても成形性を良好にできることを見
出した。そして、フィラーとしてセラミックス粉末を用
いて上記方法により製造した樹脂−セラミックス複合体
は耐熱性を向上できることから第１発明を成し、またセ
ラミックス粉末の平均粒径を小さくすれば、耐トラッキ
ング性も良好にできることから第２発明を成したのであ
る。

【００１５】即ち、第１発明は、３０〜７０体積％の熱
硬化性樹脂と、７０〜３０体積％のセラミックスからな
り、荷重たわみ温度が１５０℃以上である樹脂−セラミ
ックス複合体を特徴とする。

【００１６】

【００１７】このような本発明の製造方法によれば、フ
ィラーを成すセラミックスの含有量を７０〜３０体積％
と多くしても成形性を良好にすることができる結果、荷
重たわみ温度が１５０℃以上と耐熱性に優れた樹脂−セ
ラミックス複合体を得られるのである。

【００１８】なお、ここで荷重たわみ温度とは、詳細を
後述するように、所定形状の樹脂−セラミックス複合体
に荷重を加えながら温度を高くしていった際に、変形し
始める温度のことであり、この荷重たわみ温度が１５０
℃以上であれば、安全機器部品として好適に使用するこ
とができる。

【００１９】また、熱硬化性樹脂の比率を３０〜７０体
積％としたのは、３０体積％未満では、耐熱性を向上す
る効果に乏しく、また粉末加圧成形が困難になるためで
あり、７０体積％を超えると加熱硬化時の変形のために
寸法精度を高くできず、また耐熱性が低下するためであ
る。

【００２０】さらに、上記セラミックスとしては、アル
ミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、シリカ（ＳｉＯ₂）、ステアタイ
ト（ＭｇＯ・ＳｉＯ₂）、フォルステライト（２ＭｇＯ
・ＳｉＯ₂）、ムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２Ｓｉ
Ｏ₂）、コージライト（３ＭｇＯ・２Ａｌ₂Ｏ₃・５Ｓ
ｉＯ₂）等の一種以上を用い、その平均粒径は２０μｍ
以下とする。なお、熱硬化性樹脂としては、エポキシ
系、フェノール系、メラニン系、ポリエステル系等さま
ざまなものを用いることができるが、フェノール系樹脂
が最適である。

【００２１】なお、上記セラミックスと樹脂以外に、着
色剤、難燃剤や潤滑剤等の添加剤を配合することもで
き、またセラミックス粉末の表面改質のためにシランカ
ップリング剤等を添加することもできる。

【００２２】また、上記の樹脂−セラミックス複合体に
おいて、セラミックスの平均粒径を小さくすることによ
って、耐トラッキング性も向上することができる。

【００２３】即ち、第２発明は、３０〜７０体積％の熱
硬化性樹脂と、７０〜３０体積％のセラミックスからな
り、耐トラッキング性（ＣＴＩ）が２５０Ｖ以上である
樹脂−セラミックス複合体を特徴とする。

【００２４】

【００２５】このような本発明の製造方法によれば、フ
ィラーを成すセラミックスの含有量を７０〜３０体積％
と多くしても成形性を良好にすることができ、しかもセ
ラミックスの平均粒径を小さくしておくことによって、
耐トラッキング性（ＣＴＩ）が２５０Ｖ以上と耐トラッ
キング性に優れた樹脂−セラミックス複合体を得られる
のである。また、この樹脂−セラミックス複合体は、前
述した荷重たわみ温度についても２００℃以上と高い耐
熱性を示す。

【００２６】なお、ここで耐トラッキング性（ＣＴＩ）
とは、詳細を後述するように、所定形状の樹脂−セラミ
ックス複合体に二つの電極を配置してこの間に交流電圧
を印加し、両電極の間の樹脂−セラミックス複合体に電
解液を滴下して、絶縁破壊する際の電圧のことであり、
この耐トラッキング性（ＣＴＩ）が２５０Ｖ以上であれ
ば、安全機器部品として好適に使用することができる。

【００２７】また、熱硬化性樹脂の比率を３０〜７０体
積％としたのは、３０体積％未満では、耐トラッキング
性性を向上する効果に乏しく、また粉末加圧成形が困難
になるためであり、７０体積％を超えると加熱硬化時の
変形のために寸法精度を高くできず、また耐熱性が低下
するためである。

【００２８】さらに、上記セラミックスとしては、アル
ミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、シリカ（ＳｉＯ₂）、ステアタイ
ト（ＭｇＯ・ＳｉＯ₂）、フォルステライト（２ＭｇＯ
・ＳｉＯ₂）、ムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２Ｓｉ
Ｏ₂）、コージライト（３ＭｇＯ・２Ａｌ₂Ｏ₃・５Ｓ
ｉＯ₂）等の一種以上を用い、その平均粒径は５μｍ以
下とすることが好ましい。これは、セラミックスの平均
粒径が５μｍよりも大きいと、期待する耐トラッキング
性が得られなくなるためである。なお、樹脂−セラミッ
クス複合体中のセラミックスの平均粒径は、樹脂−セラ
ミックス複合体の任意の表面または断面を画像解析装置
で分析し、この面に存在するセラミックス粒子の円相当
径の平均値を算出することによって測定することができ
る。

【００２９】また、上記のようにセラミックスの粒径を
小さくした場合、樹脂との混合時に分散性が悪くなる恐
れがあるが、この場合はセラミックス粉末の表面にカッ
プリング剤をコートしておけば良い。

【００３０】なお、熱硬化性樹脂としては、エポキシ
系、フェノール系、メラニン系、ポリエステル系等さま
ざまなものを用いることができるが、フェノール系樹脂
が最適である。

【００３１】また、上記樹脂−セラミックス複合体中に
は、熱硬化性樹脂とセラミックス以外に、公知の充填
材、例えばクレー、タルク、マイカ、カオリン、珪砂、
炭酸カルシウム等を増量剤として適宜配合してもなんら
差し支えない。また、必要に応じて、公知の硬化剤、硬
化助剤、滑剤、可塑剤、分散剤、着色剤、離型剤等その
他公知の添加剤を、実用上問題無い程度に少量添加して
もなんら差し支え無い。

【００３２】ただし、耐トラッキング性を２５０Ｖ以上
にするためには、着色剤として一般的に使用されるカー
ボン（Ｃ）の含有量を０．５重量％以下、好ましくは
０．２重量％以下としておくことが好ましい。

【００３３】また、上述した第１発明、第２発明におい
て、各種原料を配合する方法は特に制限は無く、公知の
方法を採用することができる。例えば、熱硬化性樹脂に
セラミックス等の配合物をミキサーで混合し、ブラベン
ダーで混練した後、粉砕する方法。あるいは、配合物を
加熱ロールで溶融混練後、粉砕する方法等があげられ
る。また、必要に応じて、所定の粒度になるように造粒
し、成型に用いても良い。

【００３４】さらに、加熱硬化の工程は、金型から離型
し、熱処理は８０〜２５０℃の範囲の温度で、熱硬化性
樹脂の性状とセラミックスの配合量等に合わせて行う。
また、熱処理の際には場合によって、型治具を使用して
も良い。また、本発明は上述した第１、第２発明の樹脂
複合体でケースを形成し、この中に各種素子や電気部品
を配置して安全機器用部品を構成したことを特徴とす
る。

【００３５】即ち、上述したように荷重たわみ温度や耐
トラッキング性の高い樹脂複合体を用いて安全機器部品
を構成することにより、高温でも変形することなく、高
い電圧が印加されても絶縁性を良好に維持できることか
ら、さまざまな用途において良好に使用可能な安全機器
部品を得ることができる。

【００３６】なお、本発明において、安全機器部品と
は、電気機器、電気回路の過電流の防止、異常発熱によ
る発火、火災の防止のために使用される部品のことであ
り、具体的にはサーモスタット、温度ヒューズ、温度ス
イッチ、電流ヒューズ、ヒューズ抵抗器、バリスタ、サ
ーミスタ、アレスタ、サーキットプロテクタ、ブレイカ
ー等を意味する。

【００３７】

【実施例】実施例１以下第１発明の実施例を説明する。

【００３８】熱硬化性樹脂としてフェノール樹脂を用
い、セラミックスとしてアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を用い
た。フェノール樹脂、アルミナの配合比とアルミナの平
均粒径を表１に示すように種々に変化させた原料を調合
した。各原料を用いて、常温で加圧成形した後、８０〜
２５０℃で加熱硬化し、試験片を作製した。

【００３９】得られた試験片について荷重たわみ温度を
測定した結果を表１に示す。なお、測定方法はＪＩＳ
Ｋ７２０７の方法にて行った。

【００４０】具体的には、例えば図１に示すように、Ｈ
ＤＴ（ＨＥＡＴＤＩＳＴＯＲＴＩＯＮＴＥＭＰＥＲ
ＡＴＵＲＥ）試験機を用いて、伝熱媒体中で６．４×１
２．７×１１０ｍｍの試験片１を１００ｍｍスパンで支
持し、中央部に荷重棒１１とおもり１２で応力１８．５
ｋｇｆ／ｃｍ²、４．６ｋｇｆ／ｃｍ²の荷重を加えな
がら、伝熱媒体の温度を２℃／分で上昇させ、ワイヤー
ゲージ１３によって試験片１の撓みが０．２５ｍｍに達
した時の温度を温度系１４で測定することによって求め
ることができる。

【００４１】表１によれば、フェノール樹脂の含有量が
２０体積％以下では、常温での加圧成形後の成形体の形
状保持ができなかった。また、８０体積％以上では加熱
硬化時の形状保持ができないため実用的でなかった。

【００４２】これらに対し、フェノール樹脂の含有量を
３０〜７０体積％の範囲内としたものでは、全て１５０
℃以上の高い荷重たわみ温度を示すことがわかる。ま
た、フェノール樹脂の含有量を少なくし、アルミナの含
有量を多くするほど荷重たわみ温度が向上している。な
お、一般にフェノール樹脂自体の荷重たわみ温度は１６
０℃であるから、アルミナ粉末の添加によって荷重たわ
み温度を大きく向上できることがわかる。

【００４３】なお、アルミナの平均粒径については、荷
重たわみ温度とは直接関係ないが、２０μｍを超えると
樹脂複合体の表面粗度が粗くなり、実用的でなかったた
め、２０μｍ以下とすることが好ましい。

【００４４】

【表１】

【００４５】次に、樹脂とセラミックの組合せを種々に
変化させたものについて同様の実験を行った。フェノー
ル樹脂−シリカ（ＳｉＯ₂）を表２に、フェノール樹脂
−ステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ₂）を表３に、不飽和
ポリエステル樹脂−アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を表４に、
エポキシ樹脂−シリカ（ＳｉＯ₂）を表５に、それぞれ
示す。

【００４６】いずれの材料の組合せにおいても、熱硬化
性樹脂を３０〜７０体積％、セラミックスを７０〜３０
体積％としたのは、荷重たわみ温度１５０℃以上とする
ことができた。

【００４７】

【表２】

【００４８】

【表３】

【００４９】

【表４】

【００５０】

【表５】

【００５１】実施例２次に第２発明の実施例を説明する。

【００５２】熱硬化性樹脂としてフェノールノボラック
樹脂を用い、セラミックスとしてアルミナ（Ａｌ
₂Ｏ₃）とムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）を用
い、これらの配合比とセラミックスの平均粒径を表６、
７のように種々に変化させた原料粉末を秤量、混合し、
次いで、この混合物を常温で粉末加圧成型し、８０〜２
５０℃で熱処理することにより加熱硬化させ樹脂複合体
の試験片を得た。

【００５３】なお、本発明の樹脂複合体には、不可避不
純物として、Ｃｌ，Ｐ，Ｎａ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｓｒ，Ｍ
ｇ，Ｚｒ，Ｆｅ，Ｃo ，Ｃu ，Ｔａ等が含まれることも
あり、また、これらが全量中０．１重量％程度混入して
も特性上問題ない。また、製造工程上の都合でその他の
金属元素等が極微量混入する場合もある。

【００５４】かくして得られた試験片について、実施例
１と同様にしてＪＩＳＫ７２０７の方法により荷重
たわみ温度を測定し、また耐トラッキング性について
は、ＩＥＣＰｕｂ１１２法に基づいて測定した。これ
らの結果を表６、７に示す。

【００５５】なお、耐トラッキング性の測定は、図２に
示すように、試験片１上に二つの白金電極２１、２１を
圧着荷重１Ｎで当接させ、両電極２１、２１間に商用交
流電圧を印加する。この状態で試験片１の上から電極２
１、２１間の中央に、０．１％ＮＨ₄Ｃｌの試験液２２
を３０秒毎に滴下し、トラッキング破壊する（０．５Ａ
の電流が２秒間流れる）まで行う。結果をグラフ化し、
５０滴の滴下で絶縁破壊を生じる電圧を求め、この電圧
を耐トラッキング性（ＣＴＩ：Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ
ＴｒａｃｋｉｎｇＩｎｄｅｘ）とする。

【００５６】表１、２によれば、アルミナの平均粒径が
５μｍより大きいもの（Ｎｏ．１、２、８、９）や樹脂
とセラミックスの比率が本発明の範囲外であるもの（Ｎ
ｏ．３、１０）では耐トラッキング性が２５０Ｖに達せ
ず、特に樹脂の配合量が７０体積％を越えるもの（Ｎ
ｏ．３、１０）では荷重たわみ温度も低くなることが判
る。

【００５７】これらに対し、本発明の範囲内のもの（Ｎ
ｏ．４〜７、１１〜１３）は、耐トラッキング性が２５
０Ｖ以上、荷重たわみ温度が２００℃以上と優れた結果
を示した。なお、一般にフェノール樹脂自体の体トラッ
キング性は１３０Ｖ程度であるから、セラミックス粉末
を添加することによって、大きく耐トラッキング性を向
上できることがわかる。

【００５８】

【表６】

【００５９】

【表７】

【００６０】

【００６１】

【００６２】

【００６３】

【発明の効果】本発明によれば、上記の樹脂複合体から
なるケース内に、各種素子や電気部品を配置して安全機
器部品を構成すれば、ケースが耐熱性、耐トラッキング
性に優れているため、高温や高電圧の加わる環境下でも
良好に使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】荷重たわみ温度の測定方法を説明するための図
である。

【図２】耐トラッキング性の測定方法を説明するための
図である。

【符号の説明】

１：試験片１１：荷重棒１２：おもり１３：ワイヤーゲージ１４：温度計２１：白金電極２２：電解液

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C08L 1/00 - 101/16

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】３０〜７０体積％の熱硬化性樹脂と、７０
〜３０体積％のセラミックスからなり、荷重たわみ温度
が１５０℃以上の樹脂−セラミックス複合体からなるケ
ース内に、各種素子又は電気部品を配置してなることを
特徴とする安全機器部品。
【請求項２】３０〜７０体積％の熱硬化性樹脂と、７０
〜３０体積％のセラミックスからなり、耐トラッキング
性（ＣＴＩ）が２５０Ｖ以上の樹脂−セラミックス複合
体からなるケース内に、各種素子又は電気部品を配置し
てなることを特徴とする安全機器部品。
【請求項３】上記セラミックスの平均粒径が５μｍ以下
であることを特徴とする請求項２に記載の安全機器部
品。
【請求項４】上記セラミックスの表面にカップリング剤
をコートしたことを特徴とする請求項２記載の安全機器
部品。
【請求項５】上記樹脂−セラミックス複合体に着色剤と
して一般的に使用されるカーボン（Ｃ）の含有量を０．
５重量％以下したことを特徴とする請求項２記載の安全
機器部品。