JP4230313B2 - 筒状ケースタイプ合金型温度ヒューズ - Google Patents

Description

本発明はオーバーロード特性に優れたアキシャル型の筒状ケースタイプ合金型温度ヒューズに関するものである。

電子・電気機器を熱的に保護するためのサーモプロテクタとして合金型温度ヒューズが汎用されている。
この合金型温度ヒューズは、リード導体間に可溶合金片を接合し、フラックスをこの可溶合金片上に塗布し、このフラックス塗布可溶合金片をケース等の絶縁包囲体やエポキシ樹脂等の封止材で封止した構成である。
この合金型温度ヒューズによる電子・電気機器の保護においては、合金型温度ヒューズを機器に熱的に接触して取付け、機器異常時の過電流に基づく発生熱で合金型温度ヒューズを加熱し、この加熱で当該合金型温度ヒューズの可溶合金片を溶融させ、この溶融合金を活性化された加熱溶融フラックスとの共存のもとでリード導体や電極に濡れ拡げさせて分断させ、この分断による通電遮断に基づく温度降下に伴う分断合金の凝固で通電カットオフを完結させている。

この合金型温度ヒューズとして、図６の（イ）、（ロ）〔図６の（イ）におけるロ−ロ断面図〕及び（ハ）〔図６の（イ）におけるハ−ハ断面図〕に示すように、可溶合金片１’の両端にリード導体２’，２’を接合し、該可溶合金片１’にフラックス４’を塗布し、該フラックス塗布可溶合金片上に円形筒状ケース５’を挿通し、円形筒状ケース各端とリード導体との間を封止材６’で封止したアキシャル型の筒状ケースタイプ合金型温度ヒューズが多用されている。

合金型温度ヒューズにおいては、動作時にアークが発生し、更にアークが一旦消滅しても再アークが発生し、内圧上昇により封止部等が破壊されることが往々にしてある。
従って、動作時アークに対する安全性を試験する必要があり、現にオーバーロード試験法が規定されている（例えば、ＩＥＣ６０６９１）。
オーバーロード特性がよくなれば、より高い電圧印加・電流通電下でも、動作時のアークを軽減でき、より確実な動作が可能となるために、より高い電圧及び電流下で合格となるオーバーロード特性が求められている。

本発明の目的は、アキシャル型の筒状ケースタイプ合金型温度ヒューズの動作時アークに対する安全性を、温度ヒューズの寸法を実質的にもとのままに保持して充分に向上することにある。

請求項１に係る筒状ケースタイプ合金型温度ヒューズは、可溶合金片の両端にリード導体を接合し、該可溶合金片にフラックスを塗布し、該フラックス塗布可溶合金片を筒状ケースで覆い、ケース各端と各リード導体との間を封止材で封止した合金型温度ヒューズにおいて、筒状ケースに断面正方形の筒状ケースを用いたことを特徴とする。

請求項２に係るケースタイプ合金型温度ヒューズは、請求項１の合金型温度ヒューズにおいて、リード導体が扁平導体とされていることを特徴とする。

請求項３に係るケースタイプ合金型温度ヒューズは、請求項２の合金型温度ヒューズにおいて、可溶合金片が扁平リード導体の先端部上面間に接合されていることを特徴とする。

請求項４に係るケースタイプ合金型温度ヒューズは、請求項２の合金型温度ヒューズにおいて、可溶合金片の各端に接合される各扁平リード導体の先端部が同じ方向に折り曲げられていることを特徴とする。

請求項５に係るケースタイプ合金型温度ヒューズは、請求項４の合金型温度ヒューズにおいて、扁平リード導体先端部の折り曲げ高さが筒状ケース内の高さにほぼ等しくされ、各折り曲げ部前面のほぼ中央に可溶合金片各端が接合されていることを特徴とする。

（１）四角形筒状ケース内スペースをその断面の縦巾及び横巾をほぼ等しくして断面正方形に近づけてあり、その縦巾または横巾に等しい内径の円筒状ケースに対し、ケースの占有スペースを実質上同等にしてケース内スペースを充分に大きくできるから、動作時アークの気化物による内圧をそれだけ低くでき、また、ガス濃度が低く爆発限界濃度に達しにくく爆発を抑制できる等のために封止部の破壊やリード導体の抜脱を軽度にとどめ得る。
従来、筒状ケースを断面四角形にすることは公知であるが（特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４等参考）、そのケース断面を正方形にすることを示唆するものではなく、本発明の効果を得ることができない。
（２）特に、請求項２では、リード導体の扁平化により溶融合金のリード導体への濡れに供する面積を広くできるので、動作性能を向上できる。
（３）特に、請求項３〜５では、可溶合金片をケースの軸心に容易に位置させることができ、可溶合金片のケース内面への接触を確実に排除できるので、一層の動作性能を向上を得ることができる。

実開平２−７４７４２号公報 実開昭５９−２４０号公報 実開昭５８−１９２４３５号公報 意匠登録第１０３９７６６号公報

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１の（イ）は本発明に係る筒状ケースタイプ合金型温度ヒューズの一例を示す断面図、図１の（ロ）は図１の（イ）におけるロ−ロ断面図である。
図１において、１は可溶合金片である。２，２は円形断面のリード導体であり、可溶合金片１の両端に溶接等により接合してある。４は可溶合金片１に塗布したフラックスである。５は断面の横巾と縦巾との比を１とした断面正方形筒状ケースである。６はエポキシ樹脂等の硬化型樹脂からなる封止材であり、筒状ケース５をフラックス塗布可溶合金片上に挿通し、筒状ケース各端と各リード導体との間を封止材６で封止してある。

前記四角形筒状ケース５の断面の横巾と縦巾との比を０．７〜１．４にした理由は、従来のケース断面円形の可溶合金片断面積にて可溶合金片をスムーズに溶断させ得る、ケース断面の縦巾及び横幅を維持しつつケース内容積を円形筒状ケース内容積よりも大きくするためであり、この範囲を越えると、縦巾または横巾が大きくなり過ぎ、温度ヒューズの機器への取付けに過大なスペースが必要となり、実質的に機器の小型化に適合し得ないことによる。

この横巾と縦巾との比はを１にすることにより、前記した立体的な占有スペースの実質的同等のもとで、ケース内容積をほぼ１．３倍（４／π倍）にできる。
従って、温度ヒューズ動作時のアークで発生する気化物による内圧上昇を軽減でき、封止部の圧力破壊をそれだけ軽度にとどめ得る。
また、前記気化ガス濃度が爆発限界濃度に達し難くガス爆発を生じにくいために、前記封止部の破壊確立がそれだけ減少される。

通常の筒状ケースタイプの合金型温度ヒューズの動作機構は、温度ヒューズ外部の昇温により可溶合金片が溶融され、この溶融合金がフラックスの活性による酸化物の溶解、表面張力の減少によりリード導体先端部に濡れ拡げられて分断される、とされている。
この動作機構によれば、（リード導体先端部の濡れに供され得る面積）／（可溶合金片の体積量）の比が大であるほど動作性能が良くなると、帰結される。
しかしながら、本発明者の鋭意検討結果によれば、可溶合金片の長さがリード導体径の２倍以下の場合、上記の結論が成立し難くなる。その理由としては、可溶合金片がリード導体を基準として線状よりも魂状に近づき、線状と魂状とでは、表面張力の方向等の作用状態に差が生じるためであると推定できる。
而るに、前記のように可溶合金片の長さを短くしても、図２の（イ）、（ロ）〔図２の（イ）におけるロ−ロ断面図〕及び（ハ）〔図２の（イ）におけるハ−ハ断面図〕に示すように、リード導体２を扁平化し、そのリード線先端部上面間に可溶合金片１を接合すれば、優れた動作性能を保証できる（後述の実施例３と比較例２との対比）。
図２において、４は可溶合金片１に塗布したフラックス、５は断面四角形で断面の横巾と縦巾との比を０．７〜１．４好ましくは０．９〜１．１とした四角形筒状ケースである。６はエポキシ樹脂等の硬化型樹脂からなる封止材であり、筒状ケース５をフラックス塗布可溶合金片上に挿通し、筒状ケース各端と各リード導体との間を封止材６で封止してある。
請求項３によれば、可溶合金片の長さがリード導体径（扁平導体の場合は、同一断面積の円形導体の外径）の１．５倍程度の短い長さでも、動作温度が安定している。

ケースタイプの合金型温度ヒューズの動作において、溶融合金がケース内面に接触すると、前記した溶融合金のリード導体先端部への濡れ拡がりに対し、溶融合金とケース内面との間の界面張力及びケース内面の表面張力がその濡れ拡がりを遅らせる方向に作用し、動作性能の低下が惹起される。
そこで、扁平リード導体を使用する場合、図３の（イ）、（ロ）〔図３の（イ）におけるロ−ロ断面図〕及び（ハ）〔図３の（イ）におけるハ−ハ断面図〕に示すように、可溶合金片１とケース内面５０との距離を充分に確保するように、リード導体先端部を上向きに折り曲げこれら折り曲げ部２１，２１の上端間に可溶合金片１を接合することが有効である。
図３において、４は可溶合金片１に塗布したフラックス、５は断面正方形の筒状ケースである。６はエポキシ樹脂等の硬化型樹脂からなる封止材であり、筒状ケース５をフラックス塗布可溶合金片上に挿通し、筒状ケース各端と各リード導体との間を封止材６で封止してある。
特に、図４の（イ）、（ロ）〔図４の（イ）におけるロ−ロ断面図〕及び（ハ）〔図４の（イ）におけるハ−ハ断面図〕に示すように、扁平リード導体先端部の上向き折り曲げ部２１の高さをケース内の高さに接近させ、折り曲げ部前面のほぼ中央に可溶合金片１を接合すれば、上向き折り曲げ部２１，２１がケース内厚み方向に対する位置決め部材になり、可溶合金片１をケース内軸芯により確実に一致させて配設できる。
前記リード導体先端部の折り曲げ部２１，２１は、ケース長さを短くしても、封止材６の折り曲げ部２１を越えての過剰な侵入を防止でき、ケース５の短尺化を図ることができる。
更に、リード導体の耐引き抜き強度が高められ、前記アーク内圧によるリード導体の抜脱をよく抑えることができ、動作時アークに対する安全性を一層に向上できる。
更に、ケース裏面の平坦性及びリード導体の扁平性のために、図５の（イ）及び（ロ）〔図５の（イ）におけるロ−ロ断面図〕に示すように温度ヒューズのケース５を基板Ａ上に安定に載設でき、扁平リード導体２と基板Ａとの良好な熱的接触、リード導体の扁平化による断面積の増加（円形リード導体に較べての断面積の増加）に基づく熱伝達性アップ等により、温度ヒューズの感温性を向上でき、かかる面からも作動性を向上できる。

上記可溶合金片１には、断面円形線の他、扁平線、断面楕円形線等も使用できる。
合金組成には、ＰｂやＣｄ等の生体系に有害な元素を含まない組成を使用することが好ましく、（１）４３％＜Ｓｎ≦７０％，０．５％≦Ｉｎ≦１０％，残Ｂｉ、（２）２５％≦Ｓｎ≦４０％，５０％≦Ｉｎ≦５５％，残Ｂｉ、（３）２５％＜Ｓｎ≦４４％，５５％＜Ｉｎ≦７４％，１％≦Ｂｉ＜２０％、（４）４６％＜Ｓｎ≦７０％，１８％≦Ｉｎ＜４８％，１％≦Ｂｉ≦１２％、（５）５％≦Ｓｎ≦２８％，１５％≦Ｉｎ＜３７％，残Ｂｉ（但し、Ｂｉ５７．５％，Ｉｎ２５．２％，Ｓｎ１７．３％とＢｉ５４％，Ｉｎ２９．７％，Ｓｎ１６．３％のそれぞれを基準にＢｉ±２％，Ｉｎ及びＳｎ±１％の範囲を除く）、（６）１０％≦Ｓｎ≦１８％，３７％≦Ｉｎ≦４３％，残Ｂｉ、（７）２５％＜Ｓｎ≦６０％，２０％≦Ｉｎ＜５０％，１２％＜Ｂｉ≦３３％、（８）（１）〜（７）の何れか１００重量部にＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐの１種または２種以上を合計０．０１〜７重量部添加、（９）３３％≦Ｓｎ≦４３％，０．５％≦Ｉｎ≦１０％，残Ｂｉ、（１０）４７％≦Ｓｎ≦４９％，５１％≦Ｉｎ≦５３％の１００重量部にＢｉを３〜５重量部を添加、（１１）４０％≦Ｓｎ≦４６％，７％≦Ｂｉ≦１２％，残Ｉｎ、（１２）０．３％≦Ｓｎ≦１．５％，５１％≦Ｉｎ≦５４％，残Ｂｉ、（１３）２．５％≦Ｓｎ≦１０％，２５％≦Ｂｉ≦３５％，残Ｉｎ、（１４）（９）〜（１３）の何れか１００重量部にＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐの１種または２種以上を合計０．０１〜７重量部添加、（１５）１０％≦Ｓｎ≦２５％，４８％≦Ｉｎ≦６０％，残Ｂｉを１００重量部にＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐの１種または２種以上を合計０．０１〜７重量部添加、等のＩｎ−Ｓｎ−Ｂｉ系合金の組成[Ｂ]（１６）３０％≦Ｓｎ≦７０％，０．３％≦Ｓｂ≦２０％，残Ｂｉ、（１７）（１６）の１００重量部にＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐの１種または２種以上を合計０．０１〜７重量部添加、等のＢｉ−Ｓｎ−Ｓｂ系合金の組成[Ｃ]（１８）５２％≦Ｉｎ≦８５％，残Ｓｎ、（１９）（１８）の１００重量部にＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐの１種または２種以上を合計０．０１〜７重量部添加、等のＩｎ−Ｓｎ系合金の組成[Ｄ]（２０）４５％≦Ｂｉ≦５５％，残Ｉｎ、（２１）（２０）の組成の１００重量部にＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐの１種または２種以上を合計０．０１〜７重量部添加、等のＩｎ−Ｂｉ系合金の組成、[Ｅ]（２２）５０％＜Ｂｉ≦５６％，残Ｓｎ、（２３）（２２）の１００重量部にＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐの１種または２種以上を合計０．０１〜７重量部添加、等のＢｉ−Ｓｎ系合金の組成[Ｆ]（２４）Ｉｎの１００重量部にＡｕ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐの１種または２種以上を合計０．０１〜７重量部添加、（２５）９０％≦Ｉｎ≦９９．９％，０．１％≦Ａｇ≦１０％の１００重量部にＡｕ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐの１種または２種以上を合計０．０１〜７重量部添加、（２６）９５％≦Ｉｎ≦９９．９％，０．１％≦Ｓｂ≦５％の１００重量部にＡｕ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐの１種または２種以上を合計０．０１〜７重量部添加等のＩｎ系合金の組成等から温度ヒューズの動作温度に適合した融点の組成を選定することができる。

上記フラックス４には、ロジンにアジピン酸等の有機酸を活性剤として添加したものを使用できる。

上記扁平リード導体２には、丸線を圧延ロール等で圧潰加工したもの、金属板を切断したもの等を使用できる。

上記ケース５にはセラミックスやガラス等の無機質製の外、繊維強化フエノール樹脂等のＦＲＰ製も使用できる。

前記筒状ケースタイプ合金型温度ヒューズの各部寸法は通常次ぎの通りとされる。すなわち、四角形筒状ケースの内郭の縦巾または横巾は０．５ｍｍ〜３ｍｍ、厚みは０．２ｍｍ〜０．７ｍｍ、長さは３ｍｍ〜２０ｍｍとされる。リード導体の寸法は、円形リード導体の場合ケース内郭の縦巾または横巾の小さい方の０．２〜０．７倍、扁平リード導体の場合、巾についてはケース内郭の縦巾または横巾の小さい方の０．８〜１．０倍、厚みについては巾よりも小なる寸法とされる。可溶合金片の断面積はリード導体断面積の０．５〜１．５倍とされる。

以下の実施例及び比較例において、オーバーロード試験は、試料数を３０箇とし、試料を端子台に取付け、オーブンに入れ、定格電圧の１．１倍の電圧、定格電流の１．５倍の電流を課電した状態で、オーブン温度を（公称動作温度−１０℃）から公称動作温度まで２℃／１分間の速度で昇温させ、動作後の試料外観に全試料とも損傷がない場合を合格とした。
動作温度試験は、試料数を３０箇とし、試料を（予想動作温度−７℃）のシリコンオイル槽中に５分間保持し、０．１ｍＡを通電した状態でオイル温度を１℃／１分間の速度で（予想動作温度＋７℃）まで昇温し、動作時のオイル温度を測定し、その平均値を動作温度とした。
何れの実施例及び比較例においても、可溶合金組成にはＳｎ４６．５％，Ｐｂ３０％，Ｃｄ１７％，Ｉｎ６．５％（融点１３５℃）を用い、フラックスにはＷＷロジン９３％，アジピン酸７％を使用した。

図１に示す構成であり、ケースに断面内郭寸法１．０ｍｍ×１．０ｍｍ、長さ６．０ｍｍの正方形筒状セラミックスケースを使用し、リード導体に外径０．５３mmφの円形リード導体を使用した。可溶合金片の外径を０．５ｍｍφ、両リード導体の先端間距離を２．５ｍｍとした。
この温度ヒューズの公称動作温度は１３９℃、定格は定格電流ＡＣ０．５Ａ、定格電圧ＡＣ２５０Ｖである。
３０箇の試料は全て可溶合金片がケースの軸芯位置にあるものを使用した。

〔比較例１〕
実施例１に対し、ケースに内径１．０ｍｍφの円形筒状セラミックスケースを使用した以外実施例１に同じとした。
これら実施例と比較例についてのオーバーロード試験の結果は、実施例１については試料３０箇の何れにも外観異常は認められず合格であったが、比較例１については試料３０箇中の６箇に外観異常は認められ不合格であった。
動作温度については、実施例１及び比較例１ともに平均１３９℃が得られ、問題はなかった。

図４に示す構成であり、実施例１に対し、リード導体に巾０．９ｍｍ、厚み０．２４５ｍｍの扁平導体を使用し、各扁平リード導体の先端部に先端から０．９ｍｍの位置を直各に折り曲げ、両リード導体の折り曲げ部前面の間隔を２．５ｍｍとし、両曲げ部前面の中央に可溶合金片各端を接合した以外、実施例１に同じとした。
オーバーロード試験及び動作温度試験ともに実施例１と実質的に同等であったが、リード導体先端の折り曲げ部による位置決め効果のために可溶合金片をケース内の軸芯に確実に位置させ得、優れた歩留りを保証できる。

図２に示す構成であり、ケースに断面内郭寸法１．０ｍｍ×１．０ｍｍ、長さ６．０ｍｍの正方形筒状セラミックスケースを使用し、リード導体に巾０．９ｍｍ、厚み０．２４５ｍｍの扁平導体を使用し、両リード導体の先端間距離を１．０ｍｍとし、リード導体先端部上面間に外径０．５ｍｍの可溶合金片を接合した。 オーバーロード試験及び動作温度試験ともに合格であった。

〔比較例２〕
図６に示す構成であり、ケースに内径１．０ｍｍφ、長さ６．０ｍｍの円形筒状セラミックスケースを使用し、リード導体に外径０．５ｍｍφの円形リード導体を使用し、両リード導体の先端間距離を１．０ｍｍとした。
この比較例２では、動作温度試験で動作しないものが多発し、この分についてはオーバーロード試験による安全性評価も行ない得なかった。
この結果は、可溶合金片の長さ（１．０ｍｍ）がリード導体外径（０．５ｍｍ）のたかだか２倍に過ぎず、可溶合金片が線状の形態から遠のき塊状に接近するために、応力分布が線状と場合と異なり分断し難くなる結果と推定される（これははんだ付け継ぎ手の隙間が狭くなるほど継ぎ手の引張り強度が大となる継ぎ手理論でも説明可能である）。
これに対し、実施例３では、リード導体間の間隔が短くても、可溶合金片が両扁平リード導体の先端部上面間にわたり線状で接合されているから、前記の不具合を排除できる。

本発明に係るケースタイプ合金型温度ヒューズの一例を示す図面である。 本発明に係るケースタイプ合金型温度ヒューズの上記とは別の例を示す図面である。 本発明に係るケースタイプ合金型温度ヒューズの上記とは別の例を示す図面である。 本発明に係るケースタイプ合金型温度ヒューズの上記とは別の例を示す図面である。 本発明に係るケースタイプ合金型温度ヒューズの基板への後付け状態を示す図面である。 従来のケースタイプ合金型温度ヒューズを示す図面である。

符号の説明

１ 可溶合金片
２ リード導体
２１ 折り曲げ部
４ フラックス
５ 筒状ケース
６ 封止材

Claims (5)

1. 可溶合金片の両端にリード導体を接合し、該可溶合金片にフラックスを塗布し、該フラックス塗布可溶合金片を筒状ケースで覆い、ケース各端と各リード導体との間を封止材で封止した合金型温度ヒューズにおいて、筒状ケースに断面が正方形の筒状ケースを用いたことを特徴とする筒状ケースタイプ合金型温度ヒューズ。
2. リード導体が扁平導体とされていることを特徴とする請求項１記載のケースタイプ合金型温度ヒューズ。
3. 可溶合金片が扁平リード導体の先端部上面間に接合されていることを特徴とする請求項２記載の筒状ケースタイプ合金型温度ヒューズ。
4. 可溶合金片の各端に接合される各扁平リード導体の先端部が同じ方向に折り曲げられていることを特徴とする請求項２記載の筒状ケースタイプ合金型温度ヒューズ。
5. 扁平リード導体先端部の折り曲げ高さが筒状ケース内の高さにほぼ等しくされ、各折り曲げ部前面のほぼ中央に可溶合金片各端が接合されていることを特徴とする請求項４記載の筒状ケースタイプ合金型温度ヒューズ。

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