JP4386274B2

JP4386274B2 - ヒューズエレメント

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Publication number: JP4386274B2
Application number: JP2004254663A
Authority: JP
Inventors: 健吾廣瀬
Original assignee: 健吾廣瀬
Priority date: 2004-09-01
Filing date: 2004-09-01
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2024-09-01
Also published as: JP2006073331A

Description

本発明は、導電性薄膜の断面積が狭小にされた狭小部が電気的に並列に配置されて並列遮断部が形成され、さらに、この並列遮断部が電気的に直列に配置されて基板表面に形成されるヒューズエレメントに関するものである。

従来、この種のヒューズエレメントとしては、例えば、図１（ａ）に示すエッチング・ヒューズエレメント１がある。

このエッチング・ヒューズエレメント１は、電気的絶縁性を有する長方形の板状をしたセラミック基板２の表面に、導電性薄膜３が形成されて構成されており、ヒューズ筒中に消弧砂に埋められて収納される。導電性薄膜３は銅箔や銀箔等からなり、図示するようにエッチングされてパターンニングされている。このパターンニングにより、４個の楕円部３ａおよびこの両側の半楕円部３ｂにある銅箔等がエッチングによって除去され、導電性薄膜３には、断面積が狭小にされた狭小部Ｐが５個電気的に並列に配置された並列遮断部３ｃが形成されている。この並列遮断部３ｃはさらに５個電気的に直列に配置され、狭小部Ｐは、５個直列(Sereis)で５個並列(Parallel)、つまり、５Ｓ５Ｐにパターンニングされている。

通電電流はヒューズエレメント１の導電性薄膜３を通常流れているが、事故電流が発生すると、断面積が小さくて抵抗値の高い各狭小部Ｐが溶断し、アーク電圧が高まって事故電流が速やかに遮断される。

また、従来、図１（ｂ）に示すリボン型のヒューズエレメント１１もある。このヒューズエレメント１１は、銀（Ａｇ）リボンがプレス金型によって図示するように打ち抜かれ、銀リボンの断面積が狭小にされた狭小部Ｐが５個直列で４個並列、つまり、５Ｓ４Ｐの形状にパターンニングされている。

このヒューズエレメント１１も、ヒューズ筒中に消弧砂に埋められて収納される。通電電流はヒューズエレメント１１を通常流れているが、事故電流が発生すると、断面積が小さくて抵抗値の高い各狭小部Ｐが溶断し、アーク電圧が高まって事故電流が速やかに遮断される。

これらヒューズエレメント１，１１を用いた電力用限流ヒューズ、特に半導体保護用ヒューズにおいては、限流性能を示す代表値として、遮断電流Ｉの二乗値（Ｉ^２ｄｔ）を遮断時間０〜ｔで積分したＩ^２ｔ値が採用され、また、その参考値として、並列遮断部における各狭小部Ｐの断面積Ｓの総和（Σ）に相当するヒューズエレメント１，１１の総合最小断面積ΣＳが使用される場合が多い。

図２（ａ）は、これら従来のヒューズエレメント１，１１を用いた半導体保護用ヒューズの遮断電圧波形であり、縦軸は電圧ｖ，横軸は時間ｔを表す。また、同図（ｂ）は同ヒューズ１，１１の遮断電流波形を示すグラフであり、縦軸は電流ｉ，横軸は時間ｔを表す。これらグラフに示すように、時刻ｔ_０に短絡電流が発生すると、各狭小部Ｐに大電流が流れることによって各狭小部Ｐは熱せられ、時刻ｔ_１に各狭小部Ｐは溶断する。各狭小部Ｐが溶断するとアークが発生し、商用周波５０[Hz]の電圧波形Ｖは電圧値Ｖｍまで急峻に立ち上がるアーク電圧となり、時刻ｔ_２で遮断が行われる。遮断が行われると、電流波形Ｉは急速に減少して電流値Ｉｍに限流され、時刻ｔ_３において電流値が０となって遮断が完了する。

溶断後のアーク電圧の立ち上がりはほとんど垂直に近く、アーク電圧が電源電圧まで立ち上がったところで限流されるのが理屈であるが、溶断時刻ｔ_１と限流時刻ｔ_２との時間差は数μｓｅｃ以下で、その差はほとんど認められない。従って、溶断時刻ｔ_１を限流時刻ｔ_２としても大きな間違いとはならない。また、短絡電流の突進率は極めて大きく、約１１．１×１０^６〜４４．４×１０^６Ａ／ｓｅｃもあるので、溶断は、各狭小部Ｐが断熱的に熱せられて起こり、発生した熱が消弧砂に逃げることなく、発弧に至るものと考えられる。従って、溶断時に各狭小部Ｐが吸収する熱の容量を決めるヒューズエレメント１，１１の総合最小断面積ΣＳは、ヒューズの限流特性を予測する参考値と考えられる。すなわち、総合最小断面積ΣＳは電流波形Ｉから計算されるＩ^２ｔ値と比例関係にあり、総合最小断面積ΣＳの二乗に比例してＩ^２ｔ値も大きくなると考えられている。

ヒューズエレメント１，１１を製作するうえで、同じ大きさで１枚当たりの定格電流容量を大きくすることは、ヒューズの製造コストを下げるうえで重要であるが、Ｉ^２ｔ値を大きくすることなく、つまり、限流性能を低下させることなく、これを実現することが重要である。定格電流容量を大きくするには、導電性薄膜３や銀リボンといったヒューズリンクのＷ（ワット）損を小さくするため、総合最小断面積ΣＳを大きくする必要がある。しかし、上記従来のヒューズエレメント１，１１では、上述したように、総合最小断面積ΣＳの二乗に比例してＩ^２ｔ値も大きくなるため、同じ大きさで１枚当たりの定格電流容量が大きいヒューズエレメントを限流性能を低下させることなく実現することは至難であった。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、電気的絶縁性を有する基板と、断面積が狭小にされた狭小部が電気的に並列に配置された並列遮断部が電気的に直列に配置されて基板表面に形成された導電性薄膜とから構成されるヒューズエレメントにおいて、導電性薄膜は、狭小部の断面積が小さく形成され、この断面積が小さくされた分に基づいて狭小部の個数が多く形成されて、狭小部の総合最小断面積が、狭小部の増加前後の個数比に逆比例した値を最小値とした狭小部の断面積と、狭小部の増加後の個数との積に設定されていることを特徴とする。

この構成によれば、狭小部Ｐの断面積Ｓは、狭小部Ｐの増加前の個数をＰ_Ａ、増加後の個数をＰ_Ｂとすると、狭小部Ｐの増加前後の個数比（Ｐ_Ｂ／Ｐ_Ａ）に逆比例（Ｐ_Ａ／Ｐ_Ｂ）した断面積、つまり、Ｓ×（Ｐ_Ａ／Ｐ_Ｂ）を最小値として設定される。従って、各狭小部Ｐの断面積の総和である総合最小断面積ΣＳ（＝Ｓ×Ｐ_Ａ）を同等のΣＳ（＝Ｓ×（Ｐ_Ａ／Ｐ_Ｂ）×Ｐ_Ｂ）、またはこれ以上に設定しながら、狭小部Ｐの個数を増やすことが出来る。また、導電性薄膜は、砂粒の間に空隙があって熱伝導性の悪い従来の消弧砂とは異なり、基板に密着しているため、導電性薄膜で生じた熱は速やかに基板に放散する。このため、総合最小断面積ΣＳを同等または同等以上にしながら狭小部Ｐの個数を増やすことにより、事故電流の遮断時に各狭小部Ｐに発生する熱を基板に放散することの出来る箇所が増え、放熱量を増大させるため、遮断電流の限流値Ｉｍを従来よりも低い値に抑えることができる。この結果、総合最小断面積ΣＳの二乗値とＩ^２ｔ値とは比例すると考えられていた従来の常識に反し、総合最小断面積ΣＳを同等または同等以上にして、定格電流容量を同じかまたはより大きく確保しながら、Ｉ^２ｔ値を小さくすることが可能なヒューズエレメントが提供される。

また、本発明は、導電性薄膜が、狭小部間のピッチが各狭小部の冷却特性の独立性を失わないところまで狭く形成され、この狭くされた分に基づいて狭小部の個数が多く形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、各狭小部Ｐ間のピッチが狭く形成されて１個当たりの狭小部Ｐの断面積が小さくされ、この小さくされた断面積の分に基づいて狭小部Ｐの個数が多く形成されることにより、Ｉ^２ｔ値を小さくしながら総合最小断面積ΣＳを同等または同等以上に設定することが出来る。

また、本発明は、導電性薄膜が、並列遮断部の厚さが並列遮断部以外の厚さに比較して薄く形成され、この薄くされた分に基づいて狭小部の個数が多く形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、並列遮断部の厚さが薄く形成されて１個当たりの狭小部Ｐの断面積が小さくされ、この小さくされた断面積の分に基づいて狭小部Ｐの個数は、上記の狭小部間のピッチが狭く形成される場合よりもさらに多く形成される。そして、狭小部Ｐの個数が多く形成されることにより、Ｉ^２ｔ値を小さくしながら総合最小断面積ΣＳを同等または同等以上に設定することが出来る。このように導電性薄膜の一部分を薄くする構造は、極薄い銀リボンをプレス成型して形成するヒューズエレメントでは実現し得ない。

このように本発明によれば、上記のように、総合最小断面積ΣＳの二乗値とＩ^２ｔ値とは比例すると考えられていた従来の常識に反し、総合最小断面積ΣＳを同等または同等以上にして、定格電流容量が同じかまたはより大きいヒューズエレメントを同じ大きさでしかもＩ^２ｔ値特性のよりよいものを実現することが可能となる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図３は、本実施形態によるエッチング・ヒューズエレメント２１の平面図である。

このエッチング・ヒューズエレメント２１は、電気的絶縁性を有する長方形の板状をした厚さ１[ｍｍ]のセラミック基板２２の表面に、導電性薄膜２３が形成されて構成されており、ヒューズ筒中に消弧砂に埋められて収納される。導電性薄膜２３は銅箔や銀箔等からなり、図示するようにエッチングされてパターンニングされている。このパターンニングにより、９個の楕円部２３ａおよびこの両側の半楕円部２３ｂにある銅箔等がエッチングによって除去され、導電性薄膜２３には、断面積が狭小にされた狭小部Ｐが１０個電気的に並列に配置された並列遮断部２３ｃが形成されている。この並列遮断部２３ｃはさらに５個電気的に直列に配置され、狭小部Ｐは、５個直列(Sereis)で１０個並列(Parallel)、つまり、５Ｓ１０Ｐにパターンニングされている。

また、本実施形態では、導電性薄膜２３が、エッチングにより、並列遮断部２３ｃの厚さが並列遮断部２３ｃ以外の厚さに比較して薄く形成され、この薄くされた分に基づいて狭小部Ｐの個数Ｐ_Ｂが図１（ａ）に示す従来のエッチング・ヒューズエレメント１の個数Ｐ_Ａよりも５個多く形成されている。

つまり、本実施形態のヒューズエレメント２１の導電性薄膜２３は、並列遮断部２３ｃの厚さｔ_Ｂが４０[μ]、並列遮断部２３ｃ以外の厚さが１００[μ]となっており、楕円部２３ａ間の間隔、つまり、狭小部Ｐの幅ｂ_Ｂが８０[μ]となっている。このように導電性薄膜２３の一部分を薄くする構造は、銀リボンをプレス成型して形成する従来のヒューズエレメントでは、穴径に制約があり、余り大きなＰ値を採用できないばかりか、厚さが８０[μ]以上で一定で１つのパターン内に厚さの大小をつけることが出来ず、実現し得ない。従って、狭小部Ｐの断面積Ｓ_Ｂはｔ_Ｂ×ｂ_Ｂ＝４０[μ]×８０[μ]となり、総合最小断面積ΣＳ_Ｂはｔ_Ｂ×ｂ_Ｂ×Ｐ_Ｂ＝４０[μ]×８０[μ]×１０＝３２０００×１０^−１２となる。また、図１（ａ）に示す従来のエッチング・ヒューズエレメント１の導電性薄膜３は、厚さｔ_Ａが５０[μ]で均一となっており、楕円部３ａ間の間隔、つまり、狭小部Ｐの幅ｂ_Ａが１００[μ]となっている。従って、狭小部Ｐの断面積Ｓ_Ａはｔ_Ａ×ｂ_Ａ＝５０[μ]×１００[μ]となり、総合最小断面積ΣＳ_Ａはｔ_Ａ×ｂ_Ａ×Ｐ_Ａ＝５０[μ]×１００[μ]×５＝２５０００×１０^−１２となる。

総合最小断面積ΣＳはヒューズエレメントの定格電流に比例する。従って、本実施形態のヒューズエレメント２１の定格電流は、計算式（ΣＳ_Ｂ／ΣＳ_Ａ）^１／２＝（３２０００×１０^−１２／２５０００×１０^−１２）^１／２＝１．１３により、従来のヒューズエレメント１の定格電流の１．１３倍になっている。

また、本実施形態のヒューズエレメント２１は、狭小部Ｐの増加前の個数Ｐ_Ａが従来のヒューズエレメント１の５、増加後の個数Ｐ_Ｂが１０であり、並列遮断部２３ｃの導電性薄膜３の厚さｔ_Ｂ（４０[μ]）は、狭小部Ｐの増加前後の個数比（Ｐ_Ｂ／Ｐ_Ａ＝１０／５）に逆比例（Ｐ_Ａ／Ｐ_Ｂ＝５／１０）した厚さ（ｔ_Ａ×（Ｐ_Ａ／Ｐ_Ｂ）＝５０[μ]×５／１０＝２５[μ]）を最小値として設定されている。従って、本実施形態のヒューズエレメント２１は、厚さｔ_Ｂ（４０[μ]）に狭小部Ｐの幅ｂ_Ｂ（８０[μ]）を乗算して得られる狭小部Ｐの断面積Ｓ_Ｂ（＝３２００×１０^−１２）が、狭小部Ｐの増加前後の個数比（Ｐ_Ｂ／Ｐ_Ａ＝１０／５）に逆比例（Ｐ_Ａ／Ｐ_Ｂ＝５／１０）した値（Ｓ_Ａ×（Ｐ_Ａ／Ｐ_Ｂ）＝５０００×１０^−１２×５／１０＝２５００×１０^−１２）を最小値として設定されていることになる。

しかし、ここで、並列遮断部２３ｃの導電性薄膜３の厚さｔ_Ｂを、狭小部Ｐの増加前後の個数比（Ｐ_Ｂ／Ｐ_Ａ＝１０／５）に逆比例（Ｐ_Ａ／Ｐ_Ｂ＝５／１０）した厚さと等しくし（ｔ_Ｂ＝２５[μ]）、狭小部Ｐの断面積Ｓ_Ｂを、狭小部Ｐの増加前後の個数比（Ｐ_Ｂ／Ｐ_Ａ＝１０／５）に逆比例（Ｐ_Ａ／Ｐ_Ｂ＝５／１０）した断面積と等しくすることにより（Ｓ_Ｂ＝２５００×１０^−１２）、本実施形態のヒューズエレメント２１の定格電流を、従来のヒューズエレメント１の定格電流と等しく設定することが出来る（ΣＳ_Ｂ＝２５００×１０^−１２×１０＝ΣＳ_Ａ）。

また、本実施形態のヒューズエレメント２１のＩ^２ｔ値は、従来のヒューズエレメント１のＩ^２ｔ値の０．２５倍となっている。すなわち、本実施形態のヒューズエレメント２１は、上述したように、並列遮断部２３ｃの厚さが並列遮断部２３ｃ以外の厚さに比較して薄く形成され、この薄くされた分に基づいて狭小部Ｐの個数Ｐ_Ｂ（＝１０）が従来のエッチング・ヒューズエレメント１の個数Ｐ_Ａ（＝５）よりも多く形成されているため、本実施形態のヒューズエレメント２１のＩ^２ｔ値は、従来のヒューズエレメント１のＩ^２ｔ値と比較して、狭小部Ｐの増加前後の個数比（Ｐ_Ｂ／Ｐ_Ａ＝１０／５）の逆比（Ｐ_Ａ／Ｐ_Ｂ＝５／１０）の二乗倍（（５／１０）^２＝０．２５倍）になっている。

これは、ヒューズリンクを構成する導電性薄膜２３が、セラミック基板２２の表面と分子的に結合してセラミック基板２２に密着しているため、砂粒の間に空隙があって熱伝導性の悪い従来の消弧砂とは異なり、導電性薄膜２３で生じた熱が速やかにセラミック基板２２に放散するためであると考えられる。このため、総合最小断面積ΣＳ_Ｂを総合最小断面積ΣＳ_Ａと同等または同等以上にしながら、狭小部Ｐの個数をＰ_ＡからＰ_Ｂに増やすことにより、事故電流の遮断時に各狭小部Ｐに発生する熱をセラミック基板２２に放散することの出来る箇所が増え、放熱量を増大させるため、遮断電流の限流値Ｉｍを従来よりも低い値に抑えることができる。この結果、総合最小断面積ΣＳ_Ｂを総合最小断面積ΣＳ_Ａと同等または同等以上にして、定格電流容量を同じかまたはより大きく確保しながら、ヒューズエレメント１と同じ大きさでしかもＩ^２ｔ値を小さくすることが可能なヒューズエレメント２１を実現できる。

このようなヒューズエレメント２１を実現することが出来たのは、総合最小断面積ΣＳの二乗値とＩ^２ｔ値とは比例すると考えられていた従来の常識に反し、Ｉ^２ｔ値は、狭小部Ｐの増加前後の個数比（Ｐ_Ｂ／Ｐ_Ａ）の逆比（Ｐ_Ａ／Ｐ_Ｂ）の二乗（（Ｐ_Ａ／Ｐ_Ｂ）^２）倍になるということを、出願人が以下の実験によって見いだしたからである。

この実験は、図４（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すエッチング・ヒューズエレメント３１，３２，３３を試料として行った。これらヒューズエレメント３１，３２，３３は、セラミック基板３４の表面に導電性薄膜３５，３６，３７が形成されて構成されている。各導電性薄膜３５，３６，３７は、幅８[ｍｍ]，長さ４０[ｍｍ]の長方形状で、厚さｔが６０[μ]で均一の銅箔からなり、同図（ｄ）に拡大して示す直径φで間隔がｂの４個の円部４０、およびこの両側の半円部４１にある銅箔がエッチングによって除去され、それぞれ図示するようにパターンニングされている。

このパターンニングにより、同図（ａ）に示すヒューズエレメント３１の導電性薄膜３５は、断面積が狭小にされた狭小部Ｐが５個電気的に並列に配置された並列遮断部４２が、５個電気的に直列に配置されて、５Ｓ５Ｐにパターンニングされいる。また、同図（ｂ）に示すヒューズエレメント３２の導電性薄膜３６は、狭小部Ｐが５個電気的に並列に配置された並列遮断部４２が４個電気的に直列に配置されて、４Ｓ５Ｐにパターンニングされいる。また、同図（ｃ）に示すヒューズエレメント３３の導電性薄膜３７は、狭小部Ｐが５個電気的に並列に配置された並列遮断部４２が３個電気的に直列に配置されて、３Ｓ５Ｐにパターンニングされいる。

上記実験は、さらに、導電性薄膜３５，３６，３７の各並列遮断部４２における並列配置された狭小部Ｐの個数を４個にして、５Ｓ４Ｐ，４Ｓ４Ｐ，３Ｓ４Ｐにパターンニングした図示しないエッチング・ヒューズエレメントも試料に用いた。そして、これら各試料における狭小部Ｐの幅ｂの値を０．０９，０．１，０．１１，０．１２[ｍｍ]とし、図６の表に示す、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉ，Ｊ，Ｋ，Ｌの１２種類の試料を各３枚、計３６枚製作した。ここで、ヒューズ筒の大きさは、定格電圧の値と小型化の目標によって決められているので、定格電流を決めるものは、ヒューズ筒内で発生する熱量であり、その主たるものは遮断点の発熱であるから、各試料は、形状係数Ｋ（Ｋ＝（φ／ｂ）×（Ｓ／Ｐ）×（１／１００））の値が全て同一の値（１．００）となるように製作している。

実験は、これら試料を、図５に示す等価ＬＣ遮断試験回路で遮断試験をすることにより、行った。この遮断試験回路は、５[ｋＶ]に充電された１４，０００[μＦ]のコンデンサＣ_１と空芯リアクトルＬ_０とによって商用周波数５０[Ｈｚ]の共振電流を発生させ、この共振電流を事故電流として被試験器Ｆとされる各試料に流す。コンデンサＣ_１への充電は、ＡＣ２００[Ｖ]までの可変電圧が印加される６[ｋＶ]のトランスＴｒで行われ、スイッチＳ_１，Ｓ_２を投入することにより、被試験器Ｆに共振電流が流される。また、空芯リアクトルＬ_０の接続を変えることにより、被試験器Ｆにかかる電圧が調整され、また、タップＴａ，Ｔｂ間に挿入されるリアクトルＬ１〜Ｌ３の種類により、回路定数が変更される。遮断試験電流Ｉａはシャント抵抗ｓｈを介して計測され、遮断試験電圧Ｖａは抵抗ＶＤを介して計測される。

図６に示す実験結果Ｉｍ[Ａ]，実験結果Ｉ^２ｔ[Ａ^２Ｓ]の欄の各値は、各試料についての３回の遮断試験で得られた遮断電流のピーク電流値Ｉｍ，およびＩ^２ｔ値の各平均値である。

図７は、図６に示す試料Ｄを被試験器Ｆとして上記の回路で遮断試験を行った実験結果を、各試料の代表として示している。同図（ａ）は縦軸を電圧[Ｖ]，横軸を時間[ｍｓｅｃ]とする試料Ｄの遮断電圧波形のグラフ、同図（ｂ）は縦軸を電流[Ａ]，横軸を時間[ｍｓｅｃ]とする試料Ｄの遮断電流波形のグラフである。

図８は、縦軸にとった図６に示した実験結果Ｉ^２ｔ値を、横軸にとった円部４０の直径φと対比して示したグラフである。このグラフでは、Ｉ^２ｔ値を５Ｓ型、４Ｓ型、３Ｓ型にグループ化した。このグラフから、Ｉ^２ｔ値は、５Ｓ＜４Ｓ＜３Ｓの順に大きくなっていることが分かる。さらに、各グループ内の各試料のＩ^２ｔ値の違いを見ると、例えば、試料Ａと試料Ｇとでは、φの値はほぼ同一であるのにＩ^２ｔ値に差が出ている。これは、ｂ値とＰ値の違いによって生じたものと考えられ、狭小部Ｐの幅ｂの値が大きく、並列個数Ｐが少ないほど、Ｉ^２ｔ値が大きくなると言える。他の各試料についても調べた結果、これと同じことが言える。

図９は、縦軸にとった図６に示した実験結果Ｉｍ値を、横軸にとった円部４０の直径φと対比して示したグラフである。このグラフを用いて、Ｉ^２ｔ値に最も大きく影響を与えるＩｍの特性について検討すると、各試料についてのプロットは極めて規則的な関係があることが分かった。さらに詳しく調べて見ると、プロットＡ，Ｂを含む５Ｐの特性線５１とプロットＧ，Ｈ，Ｉを含む４Ｐの特性線５２との間で、総合最小断面積ΣＳ（＝ｂ×ｔ×Ｐ）は、５Ｐで２７０００×１０^−１２（＝９０[μ]×６０[μ]×５）、４Ｐで２６４００×１０^−１２（＝１１０[μ]×６０[μ]×４）となっているので、その差は僅かに２％である。同様に、プロットＤ，Ｅ，Ｆを含む５Ｐの特性線５３とプロットＪ，Ｋ，Ｌを含む４Ｐの特性線５４との間で、総合最小断面積ΣＳは、５Ｐで３００００×１０^−１２（＝１００[μ]×６０[μ]×５）、４Ｐで２８８００×１０^−１２（＝１２０[μ]×６０[μ]×４）となっているので、その差は僅かに４％である。従って、その差は無いものと考えると、同一φ値に対するＩｍ値は、狭小部Ｐの増加前後の個数比に逆比例していることが明白となった。

例えば、特性線５１と特性線５２との間で、同一φ値に対するＩｍ値は、例えば、φ＝０．９のところで特性線５１が１３２０、特性線５２が１６８０になっているので、特性線５２の１６８０は、特性線５１の１３２０に対して約１．２７倍になり、狭小部Ｐの増加前後の個数比（４／５）のほぼ逆比（５／４＝１．２５）倍になっている。また、特性線５３と特性線５４との間で、同一φ値に対するＩｍ値は、例えば、φ＝１．０のところで特性線５３が１５９５、特性線５４が１９８０になっているので、特性線５４の１９８０は、特性線５３の１５９５に対して約１．２４倍になり、狭小部Ｐの増加前後の個数比（４／５）のほぼ逆比（５／４＝１．２５）倍になっている。

すなわち、このグラフから、Ｉｍ値は、狭小部Ｐの増加前後の個数比（Ｐ_Ｂ／Ｐ_Ａ）の逆比（Ｐ_Ａ／Ｐ_Ｂ）倍になることが言える。従って、Ｉｍ値の二乗に比例するＩ^２ｔ値は、前述したように、狭小部Ｐの増加前後の個数比（Ｐ_Ｂ／Ｐ_Ａ）の逆比（Ｐ_Ａ／Ｐ_Ｂ）の二乗（（Ｐ_Ａ／Ｐ_Ｂ）^２）倍になるということが分かり、大きな成果を得ることが出来た。

図１０は、縦軸にとった図６の表に示した補正Ｉ^２ｔ[Ａ^２Ｓ]を、横軸にとった円部４０の直径φと対比して示したグラフである。補正Ｉ^２ｔ値は、Ｉ^２ｔ値を１／Ｐ^２で補正した値である。このグラフから、各プロットはある線上に並び、Ｄ→Ｆで示される下限特性と、Ｇ→Ｃで示される上限特性とがあることが分かる。これは、３Ｓ型、４Ｓ型がアーク電圧が上昇せず、不安定遮断のためと言うことが出来る。３Ｓ、４Ｓ型は、定格電圧６００[Ｖ]用のヒューズリンクとしては不適格であり、５Ｓ型が適格と考えられる。また、このグラフから、φ＝０．９５[ｍｍ]付近にＩ^２ｔ値の最小値があり、その値は２７０[Ａ^２Ｓ]であることが分かる。

上記の実験の結果から、最もよい特性が得られる試料の導電性薄膜のエッチングパターンは、５Ｓ直列型で、φ＝０．９５[ｍｍ]のものであり、狭小部Ｐの幅ｂはエッチングの精度が許す限り細くし、並列個数は定格電流によって決定すればよいことが分かった。Ｉ^２ｔ値は、５Ｓ５Ｐでφ＝０．９５[ｍｍ]とすれば２７０[Ａ^２Ｓ]になるという結果が得られており、この値は現用の同定格ヒューズのＩ^２ｔ値である５６０[Ａ^２Ｓ]に対して５０％以下に抑えられることが分かった。

なお、図３に示した本実施形態によるヒューズエレメント２１では、導電性薄膜２３が、並列遮断部２３ｃの厚さが並列遮断部以外の厚さに比較して薄く形成され、この薄くされた分に基づいて狭小部Ｐの個数が薄くしない場合に比べてさらに多く形成されている場合について説明した。しかし、導電性薄膜２３は、エッチング技術の将来の向上によって狭小部Ｐの断面積がより小さく形成され、この断面積が小さくされた分に基づいて狭小部Ｐの個数が多く形成されていればよく、また、狭小部Ｐ間のピッチが各狭小部Ｐの冷却特性の独立性を失わないところまで狭く形成され、この狭くされた分に基づいて狭小部Ｐの個数が多く形成されていてもよい。この構成によっても、Ｉ^２ｔ値を小さくしながら総合最小断面積ΣＳを同等または同等以上に設定することが出来るヒューズエレメントが提供される。ただし、狭小部Ｐの個数は、並列遮断部２３ｃの厚さが並列遮断部以外の厚さに比較して薄く形成される上記実施形態の場合の方が、狭小部Ｐの断面積をより容易に縮小させることが出来るため、狭小部Ｐ間のピッチが狭く形成される場合よりもさらに多く形成することが出来る。

本実施形態によるヒューズエレメント２１は、電力用限流ヒューズ、特に半導体保護用ヒューズに適用すると、好適である。

従来のヒューズエレメントの平面図である。従来のヒューズエレメントの遮断波形を示すグラフである。本発明の一実施形態によるヒューズエレメントの平面図である。本発明の一実施形態によるヒューズエレメントを製作する上で行った実験試料の平面図である。上記実験に用いられた遮断試験回路図である。上記実験に用いられた各試料と実験結果とを示す表図である。上記実験における代表的な遮断波形を示すグラフである。上記実験により得られたＩ^２ｔ値とφ値との関係を示すグラフである。上記実験により得られたＩｍ値とφ値との関係を示すグラフである。上記実験により得られた補正Ｉ^２ｔ値とφ値との関係を示すグラフである。

符号の説明

２１…ヒューズエレメント
２２…セラミック基板
２３…導電性薄膜
２３ａ…円部
２３ｂ…半円部
２３ｃ…並列遮断部
Ｐ…狭小部

Claims

電気的絶縁性を有する基板と、断面積が狭小にされた狭小部が電気的に並列に配置された並列遮断部がさらに電気的に直列に配置されて前記基板表面に形成された導電性薄膜とから構成されるヒューズエレメントにおいて、
前記導電性薄膜は、前記狭小部の断面積が小さく形成され、この断面積が小さくされた分に基づいて前記狭小部の個数が多く形成されて、前記狭小部の総合最小断面積が、前記狭小部の増加前後の個数比に逆比例した値を最小値とした前記狭小部の断面積と、前記狭小部の増加後の個数との積に設定されていることを特徴とするヒューズエレメント。
前記導電性薄膜は、前記狭小部間のピッチが各前記狭小部の冷却特性の独立性を失わないところまで狭く形成され、この狭くされた分に基づいて前記狭小部の個数が多く形成されていることを特徴とする請求項１に記載のヒューズエレメント。
前記導電性薄膜は、前記並列遮断部の厚さが前記並列遮断部以外の厚さに比較して薄く形成され、この薄くされた分に基づいて前記狭小部の個数が多く形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒューズエレメント。