JP4212400B2 - 温度ヒューズ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は過度の温度上昇による電気機器の熱破損を防止する温度ヒューズに関する。
【0002】
【従来の技術】
温度ヒューズは、テレビやビデオあるいはトランスや二次電池といった電気機器の電気回路に組み込まれている。温度ヒューズ周囲の環境温度が温度ヒューズの動作温度を超えると、温度ヒューズに組み込まれたヒューズエレメントが溶断する。このヒューズエレメントの溶断により、温度ヒューズは電気機器の熱破損を防止している。
【0003】
ヒューズエレメントは、Pbを含有した可溶性合金から形成されている(例えば、特許文献1参照)。すなわち、電気機器の種類等にもよるが、温度ヒューズの動作温度は、100℃〜200℃程度に設定される場合が多い。可溶性合金において、Pbは合金全体の溶融温度を下げる役割を有している。
【0004】
【特許文献1】
特開平11−73869号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、廃棄された電気機器の温度ヒューズから自然環境中にPbが溶出することが問題となっている。このため、工業材料としてPbを使用しないことが世界的な趨勢となっている。
【0006】
本発明の温度ヒューズは、上記課題に鑑みて完成されたものである。したがって、本発明は、Pbフリーの可溶性合金からなるヒューズエレメントを持ち、かつPb含有可溶性合金からなるヒューズエレメントを持つ従来の温度ヒューズと、同等の特性を有する温度ヒューズを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の温度ヒューズは、0.1質量%以上6.29質量%以下のZnと、0.1質量%以上20質量%以下のInと、を含み、残部がSnと不可避不純物とからなる可溶性合金により形成されたヒューズエレメントを備えることを特徴とする。本発明の温度ヒューズの動作温度は、170℃〜190℃である。従来、同範囲の動作温度を有する温度ヒューズのヒューズエレメントは、Sn−Pb可溶性合金により形成されていた。
【0009】
本発明の温度ヒューズのヒューズエレメントを形成する可溶性合金には、Pbが含有さえていない。したがって、自然環境中にPbが溶出するおそれがない。また、上記組成範囲を有する可溶性合金からなるヒューズエレメントは、所定の動作温度において精度良く溶断する。また、上記組成範囲を有する可溶性合金からなるヒューズエレメントは、濡れ性が高い。このため、ヒューズエレメントのリード線に対する溶接強度は、比較的高い。したがって、機器振動などによりヒューズエレメントとリード線とが断線するおそれが小さい。このように、本発明の温度ヒューズは、従来の温度ヒューズの代替品として使用することができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の温度ヒューズの実施の形態について説明する。
【0011】
〈可溶性合金〉
第一に、可溶性合金について説明する。請求項1の可溶性合金は、不可避不純物を除外すれば、ZnとInとSnとから形成されている。Znの含有割合を0.1質量%以上としたのは、0.1質量%未満の場合、可溶性合金の溶融温度が下がり、温度ヒューズの動作温度が170℃以下になってしまうからである。
【0012】
また、Znの含有割合を6.29質量%以下としたのは、6.29質量%を超える場合、可溶性合金の液相温度が上昇するからである。そして、固相温度と液相温度との間に存在する固液共存領域が大きくなるからである。
【0013】
Inの含有割合を0.1質量%以上としたのは、0.1質量%未満の場合、可溶性合金の溶融温度が上昇し、温度ヒューズの動作温度が190℃を超えるからである。また、可溶性合金の硬度が上がりヒューズエレメントが脆くなるからである。
【0014】
また、Inの含有割合を20質量%以下としたのは、20質量%を超える場合、可溶性合金の硬度が下がり、後述するヒューズエレメント製造時においてヒューズエレメントがつぶれるからである。
【0015】
残部としてSnを含有したのは、Snを含有すると可溶性合金の硬度が上がるからである。このため、Snを上記Inとともに含有させることで、可溶性合金の硬度を調整することができるからである。すなわち、ヒューズエレメント製造時の加工性や、ヒューズエレメントを電気機器に搭載する際の搭載性などを考慮して、可溶性合金の硬度バランスを採ることができるからである。
【0024】
〈ヒューズエレメント〉
第二に、ヒューズエレメントについて説明する。ヒューズエレメントは、上記組成範囲を有する可溶性合金により形成されている。電気機器は、利用の便から小型化の一途を辿っている。したがって、温度ヒューズひいてはヒューズエレメントも小型である方が好ましい。
【0025】
具体的には、ヒューズエレメントの通電方向に対し直交する方向の断面積は、0.3mm2以下である方がよい。0.3mm2以下としたのは、0.3mm2を超える場合、温度ヒューズの容積が大きくなり、他の部品の設置スペースを圧迫するからである。また、ヒューズエレメントの速断性が悪化するからである。
【0026】
ヒューズエレメントは、従来からヒューズエレメントの製造に用いられてきた種々の方法により製造することができる。その一例として、引抜き法によりZn−In−Sn合金からなるヒューズエレメントを作製する場合について説明する。
【0027】
引抜き法は、可溶性合金の原料を溶融炉に配合する原料配合工程と、配合した原料を溶融させ合金を調製し型に流し込みビレットを作るビレット作製工程と、ビレットから粗線材を作製する粗線材作製工程と、粗線材を細線化し線材を作製する細線化工程と、線材を所定の長さに裁断する裁断工程と、からなる。
【0028】
まず、原料配合工程では、Zn、In、Snの地金を所望の組成となるように秤量、配合し溶融炉に投入する。次に、ビレット作製工程では、配合原料を250〜400℃の温度下で溶融させZn−In−Sn合金を調製する。そして、この溶融状態の調製合金を型に流し込み、柱状のビレットを作製する。続いて、粗線材作製工程では、型からビレットを取り出し、押出し成形機により押し出し成形することで線径の大きい粗線材を作製する。その後、細線化工程では、この粗線材を引抜き成形機にかけ、成形機の型に設けられたダイス隙間から引き抜くことにより粗線材の線径の小径化、つまり細線化を行う。この細線化は、具体的には粗線材を直列に並んだ複数のダイス隙間に通すことにより行う。ダイス隙間は下流側ほど小径に設定されている。このため、粗線材は複数のダイス隙間を通る間に徐々に細線化される。したがって、粗線材を通過させるダイス隙間の数を増減することで、線材の線径を調整することができる。最後に、裁断工程では、線材を所定の長さに裁断する。このようにして、引抜き法ではヒューズエレメントを作製する。
【0029】
上述したように、引抜き法では、押し出し成形工程の後に、引抜き成形を行う細線化工程が設定されている。この引き抜き法のように、引抜き成形を行う工程を持つ製造方法の利点は、他の製造方法、例えば押し出し成形工程のみを有する製造方法と比較して、より線径の細い線材を作製できる点である。
【0030】
ここで、可溶性合金、すなわち粗線材の硬度が過度に高いと、引抜き成形を行う工程において、脆性により粗線材が切れるおそれがある。この点、上記組成の可溶性合金からなる線材は、硬度が適切なため適度の延性を有する。したがって、引抜き成形を行う工程を有する製造方法により作製することができる。このため、線材の断面積つまりヒューズエレメントの断面積を、比較的簡単に小さくすることができる。すなわち、比較的簡単に上記0.3mm2以下という断面積を実現することができる。
【0031】
なお、ヒューズエレメントの断面形状は特に限定するものではない。すなわち断面が真円状のものは勿論、楕円状あるいは多角形状など従来から用いられている様々の形状とすることができる。ここで、例えば平らな四角形状、つまりテープ状のヒューズエレメントを作製する場合は、上記細線化工程と裁断工程との間に、線材を径方向に圧縮し変形させる圧縮成形工程を追加すればよい。
【0032】
〈温度ヒューズ〉
第三に、温度ヒューズについて説明する。図1に、温度ヒューズの一例として筒型温度ヒューズの断面図を示す。まず、温度ヒューズ1の構成について説明する。温度ヒューズ1は、ヒューズエレメント10とリード線13とフラックス11とセラミックケース12とからなる。ヒューズエレメント10は、丸棒状を呈している。ヒューズエレメント10の長手方向(通電方向)両端は、Cu製のリード線13に溶接されている。フラックス11は、ヒューズエレメント10を封止している。フラックス11は、松脂を主成分とし、これに活性剤やチキソ剤などを添加したものである。このフラックス11は、活性の高いヒューズエレメント10の表面に酸化膜が形成されるのを抑制する役割を有する。またフラックス11は、ヒューズエレメント10が溶断したとき溶断面を包み込み、溶断面同士が再結合するのを防止する役割を有する。セラミックケース12は円筒状を呈しており、上記ヒューズエレメント10、リード線13の端部、フラックス11を密封している。セラミックケース12は、これらの部材を保護する役割を有する。またセラミックケース12は、ヒューズエレメント10が溶断し、可溶性合金が液化した際、この液状の可溶性合金が電気回路に漏出するのを防止する役割を有する。
【0033】
次に、温度ヒューズ1の動作について説明する。温度ヒューズ1周囲の環境温度が上昇し、温度ヒューズ1の動作温度に達すると、まず、表面張力の作用によりヒューズエレメント10は、長手方向両端に向かって分裂するように変形する。次に、この変形により、ヒューズエレメント10中間部の線径は徐々に細くなり、ヒューズエレメント10が溶断する。それから、溶断したヒューズエレメント10の溶断面をフラックス11が覆う。このようにして、温度ヒューズ1はヒューズエレメント10を挟むリード線13間の電気的導通を遮断する。
【0034】
次に、温度ヒューズ1の組み付け方法について説明する。まず、ヒューズエレメント10の長手方向両端をレーザにより半溶融状態とし、この長手方向両端にリード線13を接合する。次に、ヒューズエレメント10の表面にフラックス11を塗布する。そして、ヒューズエレメント10とリード線13端部とフラックス11との接合体を、セラミックケース12内に封入する。このようにして、温度ヒューズ1が組み付けられる。
【0035】
ヒューズエレメント10は、適度な硬度を持っている。このため、電気機器搭載時における機械的衝撃などにより、ヒューズエレメント10が断線するおそれが小さい。また、前記組成を有する可溶性合金からなるヒューズエレメント10は、濡れ性が高い。したがってリード線13との接合性が良好で、電気機器搭載時における機械的衝撃などによりヒューズエレメント10がリード線13から分離するおそれが小さい。このように、温度ヒューズ1は、機械的衝撃に対する信頼性が高い。
【0036】
なお、本発明の温度ヒューズの形状は、図1に示す筒型ヒューズの他、従来から用いられている様々の形状として具現化することができる。例えばヒューズエレメントとリード線とフラックスとの接合体を、二枚の絶縁板で挟持したカード型温度ヒューズとして具現化してもよい。また、ケース型温度ヒューズ、基板型温度ヒューズなどとして具現化してもよい。
【0037】
以上、本発明の温度ヒューズについて説明した。しかしながら、実施形態は上記形態に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態あるいは改良的形態で実施することができる。
【0038】
【実施例】
上記実施形態に基づいて、所定の組成を有する可溶性合金からなるインゴットを作製した。そしてこのインゴットから粉末サンプルとヒューズエレメントサンプルを採取した。これら二つのサンプルのうち、粉末サンプルにより可溶性合金の溶融温度特性を測定した。また、ヒューズエレメントサンプルにより、ヒューズエレメントの溶断温度特性を測定した。
【0039】
〈サンプルの作製方法〉
(1)参考例1−1、参考例1−2
参考例1−1および参考例1−2のサンプルは、6.59質量%のZn、10質量%のIn、83.41質量%のSnという組成を有する可溶性合金からなる。これらのサンプルは以下の方法により作製した。まず、純度99.99%のZn、純度99.99%のIn、純度99.99%のSnを所定量秤量し、溶融炉に投入した。次に、投入したZn、In、Snを溶融攪拌し合金の調製を行った。そして、調製後の合金を型に流し込み放冷および脱型することでインゴットを作製した。
【0040】
このようにして作製したインゴットから、質量5mgの粉末サンプルを採取した。そして、このサンプルを参考例1−1とした。また同様に、インゴットから断面積0.12mm2のヒューズエレメントサンプルを作製した。なおヒューズエレメントサンプルの作製方法は、前述した引抜き法により行った。そして、このサンプルを参考例1−2とした。参考例1−2の目標とする溶断温度(つまり温度ヒューズの動作温度)は、170℃〜190℃とした。なお、調整後の合金を型に流し込む際、化学分析にて合金組成の確認を行った。
【0041】
(2)実施例1−2
実施例1−2のサンプルは、6.29質量%のZn、12質量%のIn、81.71質量%のSnという組成を有する可溶性合金からなる。実施例1−2のサンプルも、参考例1−2のサンプルと同様の方法により作製した。実施例1−2の目標とする溶断温度は、170℃〜190℃とした。
【0042】
実施例1−2のサンプルの断面積は、参考例1−2のサンプルの断面積と同面積とした。なお、実施例1−2のサンプルも、参考例1−2のサンプルと同様に化学分析にて合金組成の確認を行った。
【0043】
(3)参考例2−2
参考例2−2のサンプルは、2質量%のIn、43.2質量%のSn、54.8質量%のBiという組成を有する可溶性合金からなる。参考例2−2のサンプルも、参考例1−2のサンプルと同様の方法により作製した。参考例2−2の目標とする溶断温度は、130℃〜140℃とした。
【0044】
参考例2−2のサンプルの断面積は、参考例1−2のサンプルの断面積と同面積とした。なお、参考例2−2のサンプルも、参考例1−2のサンプルと同様に化学分析にて合金組成の確認を行った。
【0045】
(4)比較例1−1、比較例1−2
比較例1−1および比較例1−2のサンプルは、4質量%のIn、40.96質量%のSn、55.04質量%のBiという組成を有する可溶性合金からなる。比較例1−1および比較例1−2のサンプルも、参考例1−1および参考例1−2のサンプルと同様の方法により作製した。
【0046】
比較例1−1のサンプルの質量は、参考例1−1のサンプルの質量と同量とした。また、比較例1−2のサンプルの断面積は、参考例1−2のサンプルの断面積と同面積とした。比較例1−2の目標とする溶断温度は、130℃〜140℃とした。なお、比較例1−1および比較例1−2のサンプルも、参考例1−1および参考例1−2のサンプルと同様に化学分析にて合金組成の確認を行った。
【0047】
〈測定方法〉
(1)可溶性合金の溶融温度特性の測定
測定に用いたサンプルは、参考例1−1、比較例1−1の粉末サンプルである。測定は、これらのサンプルを、加熱炉にて徐々に加熱し、示差走査熱量計(以下、「DSC」と称す。)を用いて溶融温度特性を調べることにより行った。
【0048】
(2)線材の溶断温度特性の測定
測定に用いたサンプルは、参考例1−2、実施例1−2、参考例2−2、比較例1−2のヒューズエレメントサンプルである。測定は、電流を流すことによりこれらのサンプルを加熱し、サンプルが完全に溶断したときの温度を調べることにより行った。なお溶断温度のばらつきを調べるため、各サンプルは複数本作製した。そして、測定も複数回繰り返し行った。
【0049】
〈測定結果〉
(1)可溶性合金の溶融温度特性の測定結果
図2に、参考例1−1のサンプルのDSC測定結果を示す。図中、測定曲線は下方に突出するピークを示している。ピークの下降部分の接線と、平坦部分の接線との交点は、サンプルを形成する可溶性合金が、固相から固液共存相に相変化する点に相当する。したがって、このときの温度が固相化温度である。図から、参考例1−1のサンプルを形成する可溶性合金の固相化温度は、約179℃であることが判る。
【0050】
同様に、図3に、比較例1−1のサンプルのDSC測定結果を示す。図から、比較例1−1のサンプルを形成する可溶性合金の固相化温度は、約125℃であることが判る。
【0051】
(2)線材の溶断温度特性の測定結果
参考例1−2、実施例1−2、参考例2−2、比較例1−2の各サンプルをオイルバスに浸漬し、オイルバスの温度を0.5℃/min.の速度で上昇させ、各サンプルが溶断したときの温度を溶断温度とした。図4に、参考例1−2のサンプルの溶断温度測定結果(測定回数n=25回)を示す。溶断温度の平均値は182.2℃、最大値は182.9℃、最小値は181.3℃であった。図5に、実施例1−2のサンプルの溶断温度測定結果(測定回数n=25回)を示す。溶断温度の平均値は179.5℃、最大値は180.3℃、最小値は178.8℃であった。図6に、参考例2−2のサンプルの溶断温度測定結果(測定回数n=24回)を示す。溶断温度の平均値は135.1℃、最大値は135.6℃、最小値は134.8℃であった。
【0052】
これらの図から、参考例1−2、実施例1−2の溶断温度は、いずれも170℃〜190℃範囲内にあることが判る。また、参考例2−2の溶断温度は、130℃〜140℃範囲内にあることが判る。また、各サンプルの溶断温度のばらつきは極めて小さいことが判る。したがって、これらのサンプルから作製した温度ヒューズは、大量生産時における動作温度信頼性が高い。
【0053】
図7に、比較例1−2のサンプルの溶断温度測定結果(測定回数n=25回)を示す。溶断温度の平均値は130.1℃、最大値は131.3℃、最小値は129.5℃であった。最小値が129.5℃であるため、130℃〜140℃で作動する温度ヒューズ用としては、使用できないことが判る。
【0054】
【発明の効果】
本発明によると、Pbフリーの可溶性合金からなるヒューズエレメントを持ち、かつPb含有可溶性合金からなるヒューズエレメントを持つ従来の温度ヒューズと、同等の特性を有する温度ヒューズを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態である筒型温度ヒューズの断面図である。
【図2】参考例1−1サンプルのDSC測定結果を示すグラフである。
【図3】比較例1−1サンプルのDSC測定結果を示すグラフである。
【図4】参考例1−2のサンプルの溶断温度測定結果を示すグラフである。
【図5】実施例1−2のサンプルの溶断温度測定結果を示すグラフである。
【図6】参考例2−2のサンプルの溶断温度測定結果を示すグラフである。
【図7】比較例1−2のサンプルの溶断温度測定結果を示すグラフである。
Claims (2)
- 0.1質量%以上6.29質量%以下のZnと、0.1質量%以上20質量%以下のInと、を含み、残部がSnと不可避不純物とからなる可溶性合金により形成されたヒューズエレメントを備える温度ヒューズ。
- 前記ヒューズエレメントの通電方向に対し直交する方向の断面積は、0.3mm2以下である請求項1に記載の温度ヒューズ。
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