JP4692822B2 - 温度ヒューズ用合金 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器に設置する可溶合金型の温度ヒューズ用合金、特に100℃付近で溶融する温度ヒューズ用合金に関する。

電子機器の内部温度が異常に上昇すると、電子機器を熱損傷させるばかりでなく、火災が発生して多大な損害を与えることになってしまうことも懸念される。そこで、従来より電子機器には温度異常による事故を防ぐため温度ヒューズが設置されている。温度ヒューズとは、周囲温度が所定の作動温度以上に上昇すると、温度ヒューズ内合金が溶融して電気回路を切断し、それ以上に温度上昇をさせないものである。

温度ヒューズは図１に示すように、温度ヒューズ用合金１の両端に一対の銅を基材としたリード線２、２が溶着されており、温度ヒューズ用合金１の表面にはフラックス３が塗布されている。温度ヒューズ用合金１は絶縁ケース４内に収納されていて、該絶縁ケースの両端は樹脂５で封止されている。

上記構造の温度ヒューズは、周囲温度が温度ヒューズ用合金の溶融温度以上に昇温すると、温度ヒューズ用合金が溶融して銅リード線２、２間の導通を遮断する。このときフラックスが温度ヒューズ用合金表面の酸化物を還元除去するため、温度ヒューズ用合金は表面張力で丸くなり、リード線間を完全に遮断するようになる。

このような可溶型温度ヒューズの作動温度は、温度ヒューズ用合金の融点に依存しており、合金の融点は組成により決定されるものである。従って、温度ヒューズ用合金の選定組成は自ずとその構成組成に制限を受けることになる。特に温度ヒューズとしての作動性を考えた場合、使用される温度ヒューズ用合金は理想的には溶融温度域を有していない共晶合金が最適である。しかしながら共晶合金は限定されているため、任意に選定することは不可能である。そこで溶融温度域の狭い合金が選定されることになる。

ところで、現行の温度ヒューズの作動温度には、60℃付近から180℃付近に至るまで、各種のタイプが用意されており、さらに種類を増やしている傾向にある。例えば、100〜150℃の中温域の合金としては以下に示すような成分系が挙げられる。In-Sn系合金(In52-Sn48融点118℃)、Cd-In系(Cd26-In74：融点123℃)、In-Pb-Sn系合金（In34-Pb17-Sn49：融点130℃）、Bi-In系合金（Bi54-In46：融点91℃）、Cd-Pb-Sn系合金（Cd18-Pb32-Sn50：融点145℃）、などの公知合金を基に、それぞれ120℃、130℃、140℃、150℃付近にて溶融する合金を調整し、作製されている。

本出願人はPbおよびCdを含まない温度ヒューズ用合金として、溶融温度約６６℃のSn-Bi-In系温度ヒューズ用合金（特開2004-213928号公報）および溶融温度約１３５℃のZn-In系温度ヒューズ用合金（特開2004-256829号公報）を開示している。
また、溶融温度９５〜１０５℃のSn-Bi-In系温度ヒューズ用合金（特開2001-266724号公報）や溶融温度９５〜１０５℃のBi-In系温度ヒューズ用合金（特開2003-281986号公報もある。
特開2004-213928号公報 特開2004-256829号公報 特開2001-266724号公報 特開2003-281986号公報

温度ヒューズは、一般の電子機器類において他の電子部品と共にプリント基板上に実装されるものであり、電子機器類の廃棄の際には、当然のことながら法規に則った処理が必要となる。特に近年においては地球環境保護の動きが活発になっており、電子機器類に使用される部品から有害成分を排除しようとする傾向にある。特にCdやPb成分は人体に悪影響を及ぼすため、早期から規制の対象になっている。

温度ヒューズを作製する際には、温度ヒューズ用合金を細線にして銅リードに接続しなければならないため、温度ヒューズ用合金の細線材を準備する必要がある。従って、合金組成の選定にあたっては、その展延性などの加工性も考慮した上で選定する必要がある。
一般的にPbおよびCdフリーの低温合金は、延性に優れたPbおよびCdを含有しないため、延性に劣るものが多い。例えば、特許文献４のBi54-In46（融点91℃）は延性に乏しいため細線への加工性という面で、温度ヒューズへの適用が困難であり、また銅リード材質への濡れ性にも乏しいものであった。
また特許文献３に開示されているSn-Bi-In系温度ヒューズ用合金は、本願発明と同じ９５〜１０５℃の温度域のものであるが、温度ヒューズとして利用するには、動作温度を決定する固相温度とピーク温度の差が大きく、誤動作することがあった。さらに合金自体の延びが少ないため、細線材にすることに困難がつきまとった。

本発明が解決しようとする課題は、人体に悪影響を及ぼすCdやPbを含有しないだけでなく、固相温度とピーク温度の差が小さく、さらに加工性の良い100℃前後で動作する温度ヒューズ用合金を提供することにある。

本発明者は、従来の100℃前後で動作する温度ヒューズ用合金の欠点について鋭意検討を重ねた結果、Sn-In-Bi系合金にZnを微量添加した合金において、目的とする任意の作動温度に対しても対応可能であり、その溶融温度域も狭く、温度ヒューズに適していることを見い出し、本発明を完成させた。しかも該合金は有害成分であるCdやPbを一切含有しない。

本発明は、In 51〜53質量％、Bi 6〜8質量％、Zn 0.5〜1.5質量％、残部Snからなることを特徴とする温度ヒューズ用合金である。また本発明のSn-In-Bi-Zn系合金には、経時変化を抑制するため、Al、Ge、Gaを微量に添加することが出来る。添加するAl、Ge、Gaの量は、Sn-In-Bi-Zn系合金の溶融温度に影響を及ぼさない量が好ましい。本発明では、In 51〜53質量％、Bi 6〜8質量％、Zn 0.5〜1.5質量％、残部Snからなる温度ヒューズ用合金にさらにAl,Ge,Gaから選ばれた1種以上を合計で0.05質量％以下を添加する。

本発明の温度ヒューズ用合金は、人体に悪影響を及ぼすCdやPbを含有しないだけでなく、温度ヒューズの動作性を決定する固相温度とピーク温度の差が小さい。さらに本発明の温度ヒューズ用合金は、延びがあるので細線材への加工性も良いという利点がある。

温度ヒューズとしての作動温度は、温度ヒューズ用合金の溶融する温度に依存しているが、より詳細には合金の示差熱分析を行った際の吸熱ピーク最下点の温度に依存している。本発明の合金選定には、この吸熱ピーク最下点の温度を参考にして、目的とする作動温度にて溶融することが前提となる。本発明では、この吸熱ピーク最下点の温度を95〜105℃としてSn-In-Bi-Zn系合金から選定している。
本発明の温度ヒューズ用合金は、Sn-In-Bi系合金に適正なZn量を添加した合金を選択することによって、加工性が良く、温度安定性が良い温度ヒューズを得ることができる。 即ちZnの含有量を0.5〜1.5質量％と限定することによって加工性が良く、安定した100℃近傍の作動温度に設定することが可能である。本発明の温度ヒューズ用合金は、Znの含有量が0.5質量％より少ないとSn-In-Bi-Zn系合金のZn添加による融点降下が見られず、ピーク温度が上がってしまう。また、Znの含有量が1.5質量％を超えてしまうとSn-In-Bi-Zn系合金の液相温度が上昇するため、温度ヒューズの動作温度が不確実となってしまう。さらにより好ましくは、Ｚｎ量が１質量％である。

また、本発明の温度ヒューズ用合金は、目的とする作動温度を達成するために、適正なBiおよびIn含有量を選択することによって、任意の間隔（例えば3℃間隔）で95〜105℃の温度帯内の目的とする作動温度を設定することが可能となる。
Bi含有量が６質量％より少ないとピーク温度が上昇するため、固相線温度との差が生じて温度ヒューズの動作温度が不確実となってしまう。Bi含有量が８質量％より多いと温度ヒューズ用合金の延びが低下するため、加工性が悪くなる。
また、In含有量が５１質量％より少ないと温度ヒューズの動作温度が９５℃より低くなってしまい、In含有量が５３質量％より多いと温度ヒューズの動作温度が１０５℃を超えてしまう。
このように、本発明の合金系の基本構成成分は、上述の組成から外れた場合、溶融温度域が広くなってしまい、温度ヒューズとしての作動安定性が損なわれてしまう。

本発明の温度ヒューズ用合金および従来の温度ヒューズ用合金の溶融温度を示差走査熱量計（ＤＳＣ）で測定した。比較例の中で、実施例１は特許文献４の温度ヒューズ用合金であり、実施例２は、特許文献３の温度ヒューズ用合金である。
測定結果を表１に示す。

１．測定方法
測定装置：ＳＩＩ製示差走査熱量計
昇温速度：１０℃／min
試料重量：約２０ｍｇ
２．用語の定義
固相温度：示差熱分析の加熱曲線の吸熱ピーク開始点
ピーク温度：示差熱分析の加熱曲線の吸熱ピーク最下点
液相温度：示差熱分析の加熱曲線の吸熱ピーク終了点

本発明の温度ヒューズ用合金および従来の温度ヒューズ用合金を線径５０ｍｍのビレットから線径０．５ｍｍの細線を伸線して製造した。
細線表面に傷、割れのないものを ○
細線表面に傷、割れが発生したものを △
伸線中に切断が発生、または全く伸線不可能のものを ×
とした。結果を表１に示す。

本発明の温度ヒューズは、固相温度とピーク温度の差が小さく、また加工性の良い優れたものである。

なお、本発明の温度ヒューズ用合金は、細線にして用いられるのが一般的であるが、温度ヒューズタイプによっては、プリフォーム（リボン状、ペレット状）にして用いることもできる。

温度ヒューズの正面断面図

符号の説明

１ 温度ヒューズ用合金
２ リード線
３ フラックス
４ 絶縁ケース
５ 封止用樹脂

Claims (3)

1. In 51〜53質量％、Bi 6〜8質量％、Zn 0.5〜1.5質量％、残部Snからなることを特徴とする温度ヒューズ用合金。
2. 前記温度ヒューズ用合金に、さらにAl,Ge,Gaから選ばれた1種以上を合計で0.05質量％以下含有する請求項１に記載の温度ヒューズ用合金。
3. 前記請求項１又は２の温度ヒューズ用合金を用いた溶融温度域が９５〜１０５℃の温度ヒューズ。

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