JP5116119B2 - ヒューズリンク及びヒューズ - Google Patents

Description

本発明は、ＧＴＯサイリスタやＩＧＢＴ等の半導体スイッチングデバイスの保護用のヒューズに用いるヒューズリンク及びこのヒューズリンクを用いたヒューズに関する。

半導体スイッチングデバイスの著しい発達に対し、その半導体装置を保護する保護用ヒューズは常に遅れて発達して来た。半導体装置保護用ヒューズにおいては、その遮断実験のオシログラム波形で読まれる遮断電流Ｉの二乗値（Ｉ^２ｄｔ）を遮断時間０〜ｔで積分したＩ^２ｔ値が定義され、同一定格のヒューズと比較して、Ｉ^２ｔ値が小さい方が性能が良いとされる。又、単位ヒューズを並列に配列して単位並列部（並列遮断部）を構成し、この並列遮断部をＳ個直列に接続してヒューズエレメントができる。即ち、並列遮断部を構成する遮断部狭小帯の並列数が「Ｐ値」として表され、並列遮断部を直列に並べた直列数が「Ｓ値」で表される。ヒューズエレメントの設計に際しては、Ｓ値は定格電圧に対応して決定し、Ｐ値は定格電流に対応して決定される。これらの値の従来値はＳ値に対して１〜１．２５／１００Ｖ、Ｐ値に対し１〜１０Ｐ／ｃｍが２０年以上も守られてきた。

半導体装置保護用ヒューズとしては、従来、銀リボンプレス加工型のヒューズエレメントが知られている。例えば、銀（Ａｇ）リボンにプレス金型によって３個の円形の穴を隣接して並列に開口し、更に両側に半円形の窪みを設けることにより、４個の遮断部狭小帯を構成し、これにより単位ヒューズを４個並列に並べた並列遮断部を構成し、更にこの４個並列した並列遮断部を連結帯（放熱帯）を介して５組直列に並べた構造が知られている。この場合は、銀リボンの断面積が狭小にされた遮断部狭小帯が５個直列で４個並列なので、５Ｓ４Ｐと表現される。銀リボンプレス加工型のヒューズエレメントは、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遮断部狭小帯が溶断し、アーク電圧が高まって事故電流が速やかに遮断される。銀リボンプレス加工型のヒューズエレメントは、最近では、ＡＣ８０００Ｖ電流３０００Ａを越えるものも作られているが、大型で価格も１ヶ２０万円以上のものまである。しかし、従来のプレス加工型のヒューズエレメントは、板厚１５０μ線幅１５０μが限界であり、Ｉ^２ｔ値の低減、コスト低減と小型化には、その限界が見えてきたように考えられている。

このため、この様な銀リボンプレス加工型のヒューズエレメントに対し、本発明者は、エッチング・ヒューズエレメントを提案してきた（特許文献１参照。）。エッチング・ヒューズエレメントは、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の表面に、導電性薄膜が形成されて構成され、銀リボンプレス加工型のヒューズエレメントと同様に、ヒューズ筒中に消弧砂に埋められて収納される。導電性薄膜は銅箔や銀箔等からなり、エッチングにより、遮断部狭小帯のパターンが形成される。例えば、エッチングによるパターニングにより、隣接して並列配置された４個の楕円部及びこの両側の半楕円部（切り欠き部）により、５個の遮断部狭小帯を構成し、これにより単位ヒューズを４個並列に並べた並列遮断部を構成し、更にこの並列遮断部を連結帯（放熱帯）を介して５組直列に並べた構造が知られている。この場合は、上記定義により、５Ｓ５Ｐのパターンとなる。通電電流はヒューズエレメントの導電性薄膜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遮断部狭小帯が溶断し、アーク電圧が高まって事故電流が速やかに遮断される。このエッチングヒューズも、従来、フイルム厚さ３０〜６０μｍ線幅１００μｍ程度が限界と考えられていた。特に、並列遮断部を接続する連結帯（放熱帯）の直列方向に測った長さが３ｍｍは必要であろうと考えられており、このためＳ値の最大は、定格電圧６００Ｖクラスでは、８Ｓ程度であろうと考えられ、Ｉ^２ｔ値の低減、コスト低減と小型化には、その限界が見えてきた。Ｓ値に対して１／１００Ｖ、Ｐ値に対し１０Ｐ／ｃｍの従来型エッチング・ヒューズエレメントが製品化され、銀リボンプレス加工型のヒューズエレメントに比し、小型高性能であっても、ややコスト高となるので販売の低迷が続いている。ＥＵに於いても基礎研究がありながら実用化しないので同一原因かと思われる。
特開２００６−７３３３１号公報

（発明が解決しようとする課題）
図２（ａ）は、エッチングヒューズを構成する単位ヒューズの構造を詳細に説明する断面図である。又、図２（ｂ）は図２（ａ）に対応し、４個の単位ヒューズの構造を詳細に説明する平面図である。即ち、図２は、厚さｔ_Hで、直列方向に測った長さＨ、並列方向に測った最小幅ｂ、最大幅Ｂとなるように臼型に括れた形状の遮断部狭小帯２２_-kと、遮断部狭小帯２２_-kに接続され、厚さｔ_Rで、直列方向に測った長さＲ、並列方向に測った幅Ｂの矩形の連結帯（放熱帯）２１_-kとで単位ヒューズを構成していることを示している。このため、単位ヒューズの直列方向に測った長さＰ_L＝Ｈ＋Ｒとなる。

図３に示すように、ヒューズリンクの直列方向に測った長さをＬ、ヒューズリンクの並列方向に測った幅をＷ、端子部１１，１２の直列方向に測った長さをＴとすれば、分割Ｐ値及び分割Ｓ値を用いて：

Ｂ＝Ｗ／Ｐ ……（１）
Ｐ_L＝Ｈ＋Ｒ＝（Ｌ−２Ｔ）／Ｓ ……（２）

従来も、ヒューズの遮断性能を改善するために、遮断点を多くすることが試みられていた。しかしながら、Ｓ値を増大し、ヒューズの直列遮断点を増加させる場合、二つの直列遮断点の間に直列方向に測った長さＲの大きな連結帯（放熱帯）２１_-kが必要となる。長さＲの大きな連結帯（放熱帯）２１_-kがなければ、連結帯（放熱帯）２１_-kの直列方向の両側の端部から連結帯（放熱帯）２１_-kの内部に向かって延びる二つのアークは発生後間もなく一つのアークとなってしまう。特に、遮断に時間がかかると、連結帯（放熱帯）２１_-kの直列方向の両側の端部から連結帯（放熱帯）２１_-kの内部に向かって延びる二つのアークが進展し、連結帯（放熱帯）２１_-kを侵食して消滅させ、両アークが合体して一つのアークとなり遮断不能となる。又、長さＲの大きな連結帯（放熱帯）２１_-kがあることが、遮断部狭小帯２２_-kの幅ｂをより小さくすることができるので、Ｉ^２ｔ特性改善の大きな決め手となる。

故にエッチングヒューズはこれが消滅しないように連結帯（放熱帯）２１_-kの長さＲを確保することが、最重要事項となり、従来はＲ＝３ｍｍが最小値であると考えられていた。ヒューズの開発は常に熾烈な競争の中にあるので、ヒューズリンクの直列方向に測った長さ（全長）Ｌにも限られた長さがあり、連結帯（放熱帯）２１_-kの長さＲを確保しながらＳ値を増大し、遮断点を増加させることは甚だ難しい。ここ数十年にわたり遮断点数は１〜１．２個／１００Ｖの中にあることがそれを証明している。

又、分割Ｓ値を増大し、直列遮断点を増加させるとヒューズエレメント全体の抵抗も増加させることになり、定格電流値が小となる。定格電流値を大きくするために、遮断部２２_-kにおける遮断部狭小帯の断面積Ｓの総和（Σ）に相当するヒューズリンクの総合最小断面積ΣＳ＝ｂ・Ｐを大きくすることは、半導体装置保護用ヒューズの、最重要であるＩ^２ｔ値を大きくするので、到底許されることではない。この点からも、分割Ｓ値のみを安易に増加できないのである。

この様に、従来は、Ｓ値を増加させることによりヒューズの遮断性能を向上させることが要望されていたのにもかかわらず、現実には、長年の間、これを実施した例はなく、この分割Ｓ値を増加させることは解決できない技術的課題であった。

上記問題を鑑み、本発明は、Ｉ^２ｔ値の低減、コスト低減と小型化が可能なヒューズリンク及びこのヒューズリンクを用いたヒューズを提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段）
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、隣接して並列配置された複数の穴及びこの両側の切り欠き部により、Ｐ個の遮断部狭小帯を並列配置した遮断部を構成し、この遮断部が、直列方向に測った長さが２．５ｍｍ以下で、厚さ８０〜１５０μｍの連結帯を介してＳ組直列に並べられ、遮断部の厚さが１０〜６０μｍであるヒューズリンクであることを特徴とする。微細加工性を考慮すると、遮断部の厚さは１０〜４０μｍが好ましく、更に分割Ｐ値及び分割Ｓ値を増大するためには、遮断部の厚さが１０〜３０μｍ程度が好ましい。

本発明の第２の態様は、ヒューズ筒となる絶縁管と、この絶縁管の内部に収納され、絶縁性基板と、この絶縁性基板の表面に形成された導電性薄膜のパターンからなるヒューズリンクとを備えるヒューズに関する。即ち、本発明の第２の態様に係るヒューズは、このヒューズに用いられるヒューズリンクにおいて、導電性薄膜のパターンが、複数個の遮断部狭小帯を並列配置した遮断部を、更に直列に連結帯を介して交互に周期的に配列して直列接続したパターンをなし、遮断部の厚さが１０〜６０μｍで、連結帯の厚さが８０〜１５０μｍであり、且つ連結帯の直列方向に測った長さが２．５ｍｍ以下であることを特徴とする。

（発明の効果）
本発明によれば、Ｉ^２ｔ値の低減、コスト低減と小型化が可能なヒューズリンク及びこのヒューズリンクを用いたヒューズを提供することができる。

本発明の実施の形態に係るヒューズリンクの概略構成を説明する模式的な平面図（上面図）である。 図２（ａ）は、エッチングヒューズを構成する単位ヒューズの構造（立体構造）を詳細に説明する断面図で、図２（ｂ）は図２（ａ）に対応し、４個の単位ヒューズの構造を詳細に説明する平面図である。 単位ヒューズとヒューズリンクの全体との関係を説明する模式的な平面図（上面図）である。 分割Ｐ値Ｐ＝８、全溶断長さＬ＝３４ｍｍ、全溶断幅Ｗ＝８ｍｍの場合の、分割Ｓ値Ｓ＝４，８，１２，１６，２４の５種類のヒューズリンクの表面パターンをそれぞれ示す模式図である。 ＡＣ６００Ｖ用のヒューズリンクの直列抵抗（全抵抗）ｒ_e＝１．５ｍΩ，３ｍΩ，５ｍΩの場合について、それぞれＩ^２ｔ値の分割Ｓ値依存性を示す図である。 分割Ｐ値Ｐ＝８及びＰ＝３２のＡＣ６００Ｖ用のヒューズリンクについて、それぞれＩ^２ｔ値の分割Ｓ値依存性を示して、Ｓ−Ｐ相乗効果を説明する図である（並列配置方向に測った遮断部の幅は８ｍｍである。）。 分割Ｓ値Ｓ＝６のＡＣ６００Ｖ用のヒューズリンクについて、Ｉ^２ｔ値の分割Ｐ値依存性を示す図である（並列配置方向に測った遮断部の幅は８ｍｍである。）。 分割Ｓ値Ｓ＝６のＡＣ６００Ｖ用のヒューズリンクについて、６Ｓ５Ｐ型のヒューズリンクのＩ² ｔ値を１００％として基準化して、Ｉ^２ｔ値の分割Ｐ値依存性を示す図である 図９（ａ）は分割Ｓ値Ｓ＝６，分割Ｐ値Ｐ＝３２（６Ｓ３２Ｐ）のＡＣ６００Ｖ用のヒューズリンクの遮断実験のオシログラムの電圧波形で、図９（ｂ）は対応する電流波形ある。 図１０（ａ）は分割Ｓ値Ｓ＝１６，分割Ｐ値Ｐ＝８（１６Ｓ８Ｐ）のＡＣ６００Ｖ用のヒューズリンクの遮断実験のオシログラム波形で、図１０（ｂ）は対応する電流波形ある。 図１１（ａ）は分割Ｓ値Ｓ＝２４，分割Ｐ値Ｐ＝８（２４Ｓ８Ｐ）のＡＣ６００Ｖ用のヒューズリンクの遮断実験のオシログラム波形で、図１１（ｂ）は対応する電流波形ある。 本発明の実施の形態に係るヒューズリンクにおける単位ヒューズに着目し、１個のアーク電圧Ｖ_aiと電極降下電圧Ｖ_ｐiを示す模式図である。 図１２に示したモデルによって求められる動作過電圧値Ｖ_ｍ（Ａ特性）、総合極降下値ΣＶ_pi（Ｂ特性）及び単位ヒューズの極降下特性Ｖ_p（Ｃ特性）を示す図である。 Ｘ軸を分割Ｐ値とし、パラメーターを分割Ｓ値とし、両対数グラフ上でＩ^２ｔ値を直線近似したグラフである。 図１５（ａ）は、本発明の実施の形態に係るヒューズリンクの実装構造を示す模式的な断面図で、図１５（ｂ）は内キャップに収納（挿入）された３枚のヒューズリンクを示す図である。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。又、本発明の実施の形態で例示的に記述した各層の厚さや寸法等も限定的に解釈すべきではなく、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

又、以下に示す本発明の実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

図１に示すように、本発明の実施の形態に係るヒューズリンクは、隣接して並列配置されたｍ個の楕円の穴Ｑ₁，Ｑ₂，Ｑ₃，……，Ｑ_m-1，Ｑ_m（ｍ＝Ｐ−１は正の整数。）及びこの両側の半楕円部（切り欠き部）により、臼型に括れたＰ個の遮断部狭小帯を並列配置してｎ個（ｎ＝Ｓは正の整数。）の遮断部２２_-1，２２_-2，２２_-3，……，２２_-(n-1)，２２_-nを構成している。そして、この遮断部２２_-1，２２_-2，２２_-3，……，２２_-(n-1)，２２_-nが、直列方向に測った長さが２．５ｍｍ以下の連結帯（放熱帯）２１_-1，２１_-2，２１_-3，……，２１_-(n-1)，２１_-nを介してｎ組直列に並べられている。直列方向に測ったヒューズリンクの両端には、端子部１１，１２が設けられている。冒頭で述べた定義によればＳ＝ｎ，Ｐ＝ｍ＋１（「ｎＳ（ｍ＋１）Ｐ」）のパターンのエッチングヒューズである。

図２（ａ）に示した厚さの定義を用いて説明すれば、本発明の実施の形態に係るヒューズリンクは遮断部２２_-1，２２_-2，２２_-3，……，２２_-(n-1)，２２_-nの厚さｔ_H＝１０〜６０μｍであり、連結帯（放熱帯）２１_-1，２１_-2，２１_-3，……，２１_-(n-1)，２１_-nの厚さｔ_R＝８０〜１５０μｍであることを特徴とする。遮断部狭小帯の最小幅ｂが遮断部の厚さｔ_Hに依存するので、微細加工性を考慮すると、遮断部の厚さｔ_Hは１０〜４０μｍが好ましく、更に、全溶断幅Ｗ＝ΣＢ_j 及び全溶断長さＬ＝ΣＰＬ_i をそれぞれ一定にして、分割Ｐ値及び分割Ｓ値を増大するためには、遮断部の厚さｔ_Hが１０〜３０μｍ程度が好ましい。遮断部狭小帯の最小幅ｂは、理論上は遮断部の厚さｔ_H程度まで可能であるが、加工寸法のバラツキを考慮すると、遮断部の厚さｔ_Hの２倍程度が好ましい。したがって、遮断部の厚さｔ_Hを３０μｍ程度とすれば、遮断部狭小帯の最小幅ｂ＝６０μｍがエッチングにより加工可能であり、遮断部の厚さｔ_Hを１０μｍ程度とすれば、遮断部狭小帯の最小幅ｂ＝２０μｍがエッチングにより加工可能である。

従来から１００Ｖヒューズリンクを２本直列にして使用すれば２００Ｖのヒューズリンクとして使え、６００Ｖヒューズが６Ｓで出来る場合、これを６０Ｓにすれば凡そ６０００Ｖのヒューズの設計の目安となる事などは常識であった。従来、６Ｓのヒューズを７Ｓで設計すれば性能が良くなり、６９Ｓのヒューズを７９Ｓ型にすれば性能が良くなったことを、「Ｓ効果」と言っていた。これに対し本発明の「Ｓ分割効果」は、図３に示す全溶断長さＬ＝ΣＬ_i を一定にして、これをＳ分割した場合の効果を意味する。

図４は、並列数は８Ｐで、全溶断長さＬ＝３４ｍｍ一定とした場合の５種類のＳ分割を示す。図１に示す例ではＰ＝１６，Ｓ＝１６であるが、図４には分割Ｓ値Ｓ＝４，８，１２，１６，２４の場合が示されている。図１及び図５において、並列配置方向に測った遮断部の幅（全溶断幅）Ｗ＝は８ｍｍである。即ち、図４（ａ）は４Ｓ８Ｐ型の、図４（ｂ）は８Ｓ８Ｐ型の、図４（ｃ）は１２Ｓ８Ｐ型の、図４（ｄ）は１６Ｓ８Ｐ型の、図４（ｅ）は２４Ｓ８Ｐ型のヒューズパターンを示す。

本発明の実施の形態に係るヒューズリンクにおいては、連結帯（放熱帯）２１_-1，２１_-2，２１_-3，……，２１_-(n-1)，２１_-nの厚さｔ_Rを厚くして、連結帯（放熱帯）２１_-1，２１_-2，２１_-3，……，２１_-(n-1)，２１_-nの抵抗値を小とし、且つ連結帯（放熱帯）２１_-1，２１_-2，２１_-3，……，２１_-(n-1)，２１_-nの質量を大きくしている。このため、図４に示すように、全溶断長さＬ＝一定として、分割Ｓ値を増大し、連結帯（放熱帯）２１_-1，２１_-2，２１_-3，……，２１_-(n-1)，２１_-nの長さＲが小さくても連結帯（放熱帯）２１_-1，２１_-2，２１_-3，……，２１_-(n-1)，２１_-nの存在を確保できるようになった。

表１は、図４に示した並列数８Ｐ、全溶断長さＬ＝３４ｍｍ、全溶断幅Ｗ＝８ｍｍの場合の、分割Ｓ値Ｓ＝４，８，１２，１６，２４の５種類のヒューズリンクの実験結果をまとめたものである。

表１から、動作過電圧Ｖ_ｍ（「動作過電圧Ｖ_ｍ」の定義は、図９〜１１参照。）が分割Ｓ値と共に大きくなり、最大で２．１倍にもなることが分かる。これに対し、限流値Ｉ_m（「限流値Ｉ_m」の定義は、図９〜１１参照。）は最小で８７．５％と小さくなり、Ｓ分割効果の寄与率は余り大きくはない。全Ｉ² ｔ値は、動作過電圧Ｖ_ｍ値に逆比例して最大１／２０と小さくなり、Ｓ分割効果が如何に大きいかが分かる。

表２は分割Ｐ値を３２Ｐとし、分割Ｓ値Ｓ＝４，８，１２，１６，２４とした場合の試験結果で、全Ｉ² ｔ値に対するＳ分割効果は更に大きくなったことが分かる。

又、本発明の実施の形態に係るヒューズリンクによれば、遮断部２２_-1，２２_-2，２２_-3，……，２２_-(n-1)，２２_-nの厚さｔ_Hを薄くしたので、総合最小断面ΣＳを同一にして分割Ｐ値を大きくしてＰ分割効果を高めながら分割Ｓ値も大きくできるようになったのでＳ分割効果を最大限に利用してＩ^２ｔ値を従来ヒューズの１／１０にも小さくすることができる。「Ｐ効果」といえば従来の常識では、Ｐ値を多くすれば総合最小断面ΣＳが大きくなるので、Ｉ² ｔ値は大きくなり、Ｉ² ｔ特性が悪くなると考えられていた。本発明における「Ｐ分割効果」とは、総合最小断面ΣＳが同一で、これをＰ分割した場合の効果を意味する。即ち、本発明の実施の形態に係るヒューズリンクにおいては、総合最小断面ΣＳを同一にして分割Ｐ値を増大しているので、分割Ｐ値を増大すればする程ヒューズリンクのＩ² ｔ値は小さくなり、Ｉ² ｔ特性は良くなる。このため、「Ｐ分割効果」は従来の「Ｐ効果」の常識からすれば、逆の現象となる。

例えば接地抵抗において接地棒を多くすればするほど、接地抵抗が小さくなり、接地棒１本を２本にすれば全接地抵抗は１／２になる。しかし、これを１０本に増しても１／１０にはならない。お互いの接地電位を上げる干渉がある事で、次第にその接地棒を多くする事による効果が薄れてゆくからである。以上の現象は総てヒューズリンクのＰ分割効果においても同様である。つまり、熱回路はすべて電気回路に置き換えて考える事ができるので、接地抵抗を熱抵抗に、電位を熱電位に置き換えると、本発明の実施の形態に係るヒューズリンクの冷却特性の問題は、接地抵抗計算式と同一と考えてヒューズリンクの説明が出来る。

即ち、接地棒数をヒューズリンクの狭小部数Ｐに置き換えて、ヒューズリンクの分割Ｐ値を多くすればヒューズリンクの冷却が良くなり、ヒューズリンクの総合最小断面ΣＳが同じでも、より多くの電流を流す事が可能になる。その結果、定格電流値の大きなヒューズリンクが提供できる。ヒューズリンクのＩ² ｔ特性は定格を同一にして比較すべきものであるから、ヒューズリンクの分割Ｐ値が大きくなれば、ヒューズリンクのΣＳはより小さくしても、定格電流値を同一とする事が可能となるので、ΣＳが小さくなった分だけヒューズリンクのＩ² ｔ値が小さくなる訳である。

図１に示すように、本発明の実施の形態に係るヒューズリンクは、厚さ０．８ｍｍ〜１．５ｍｍのセラミック基板等の絶縁性基板の上に導電性薄膜のパターンを形成して構成される。セラミック基板の素材としてはアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）、ベリリア（ＢｅＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）等が使用可能である。導電性薄膜としては金属薄膜、特に安価且つ加工の容易性を鑑みると銅（Ｃｕ）が好ましいが、銅に限定されるものではない。金属薄膜、特に銅の薄膜であれば、本発明の実施の形態に係るヒューズリンクのパターンは、銅（Ｃｕ）のメッキ及び、エッチングにより簡単に形成できる。即ち、セラミック基板の上に厚さｔ_H＝１０〜６０μｍの銅の薄メッキをして、遮断部２２_-1，２２_-2，２２_-3，……，２２_-(n-1)，２２_-nのパターニングをした後、連結帯（放熱帯）２１_-1，２１_-2，２１_-3，……，２１_-(n-1)，２１_-nの部分が厚さｔ_R＝８０〜１５０μｍとなるまで追加のメッキをすれば良い。

図５では、ヒューズリンクの直列抵抗（全抵抗）ｒ_e＝１．５ｍΩ，３ｍΩ，５ｍΩの場合について、それぞれＩ^２ｔ値の分割Ｓ値依存性が示されている。例えば、直列抵抗（全抵抗）ｒ_e＝５ｍΩの場合では、Ｓ＝２４でＩ^２ｔ＝３５０となりＳ＝４の場合に比してＩ^２ｔ値が１／１０になっていることが分かる。

図６はＰ＝８及びＰ＝３２の場合について、それぞれ全Ｉ^２ｔ値の分割Ｓ値依存性を示すが、Ｐ＝３２の場合の方がＰ＝８の場合より全Ｉ^２ｔ値の分割Ｓ値依存性が大きく、Ｓ−Ｐ相乗効果が認められる。図６において、並列配置方向に測った遮断部の幅は８ｍｍである。Ｐ＝８の場合、図６のａ点で示したＳ＝４の場合、全Ｉ^２ｔ＝４５００であり、ｂ点で示したＳ＝２４の場合、全Ｉ^２ｔ＝２４０であるのでｂ／ａ＝１／１９の全Ｉ^２ｔ値の改善が認められる。一方、Ｐ＝３２の場合、図６のａ点で示したＳ＝４の場合、全Ｉ^２ｔ＝４５００であり、ｃ点で示したＳ＝２４の場合、全Ｉ^２ｔ＝８０であるのでｃ／ａ＝１／５６の全Ｉ^２ｔ値の改善が認められ、Ｓ−Ｐ相乗効果により、分割Ｐ値の大きい方が、全Ｉ^２ｔ値の分割Ｓ値の増大による改善の効果が高いことが分かる。現在、ＡＣ６００Ｖ用ヒューズでは、Ｓ＝６，Ｐ＝８（６Ｓ８Ｐ）が高性能ヒューズとされているが、図６でａ'で示した６Ｓ８Ｐの全Ｉ^２ｔ＝１８００であるので、ｃ／ａ'＝１／１３となり、１桁以上の顕著な全Ｉ^２ｔ値の改善が認められる。

以上の如く、本発明の実施の形態に係るヒューズリンクによれば、従来の常識値１〜１．２／１００Ｖを越えた、１．５／１００Ｖ以上の分割Ｓ値を持つヒューズを提供できる。ここで「１．５／１００Ｖ以上の分割Ｓ値」は、分割Ｓ値が実効電圧１００Ｖ当たり１．５以上であることを示す。図５及び図６からは、２／１００Ｖ以上の分割Ｓ値を持つヒューズを提供できることが分かる。

図６において現用ヒューズの性能は６Ｓ８Ｐの（ａ'点）付近と考えると、その値は５ｍΩで規格化した等価Ｉ^２ｔ値で１６００Ａ² ｓとなるから、この値を１００とする。ｃ点（２４Ｓ３２Ｐ）の６ｍΩにおける全Ｉ^２ｔ値＝７９Ａ² ｓは、５ｍΩで規格化した等価Ｉ^２ｔ値で１１４Ａ² ｓとなる（表２参照。）が、この１１４Ａ² ｓの値はａ'点の７．１％となる。このように１０％以下の非常に小さなＩ² ｔ値は、実用的には不必要な過剰値となる場合が多い。このため、工業的には、最小断面積を大きくして定格を上げ、コストダウンを考えることが実用上必要である。

本発明のヒューズリンクは立体的に作られ、しかも微細加工が必要なので、その製造コストは少なくとも従来費の１．５倍のコストアップになると推定される。同じ容器にして定格電流値を１．５倍に出来れば、本発明のヒューズリンクの立体化によるコストアップ分を吸収して、更に現用品に対する容器代と組み立て工賃が少なくなる分で、コストダウンが促進される事になる、そこで１．５倍の定格電流を実現するためには抵抗値を１／１．５² と小さくしなければならない。これは又、狭小部断面積を（１．５）² ＝２．２５倍大きくすることにより、更にそのＩ² ｔ値は（２．２５）² ＝５．０６倍大きくなる。

図６の分割Ｐ値＝３２Ｐの特性上で、１．５／１００Ｖはデータポイントはないが、分割Ｓ値＝９Ｓの内挿点（ｅ点）が１．５／１００Ｖに対応する。ｅ点のＩ² ｔ値は、５ｍΩで規格化した等価Ｉ^２ｔ値で表すと、グラフ上、上方にシフトし、４６０Ａ² ｓである。この時点で断面積換算でＩ² ｔ値が５．０６倍になると仮定すると、その時のＩ² ｔ値は４００Ａ² ｓ×５．０６倍となり、５ｍΩで規格化した等価Ｉ² ｔ値の２３２８Ａ² ｓに対応する。この値は現用ヒューズの等価Ｉ² ｔ値の１６００Ａ² sを超えるので、１．５倍のコストアップの仮定のもとでは、あまり魅力のあるヒューズにはならない。しかし、分割Ｓ値を１０Ｓにすると、５ｍΩで規格化した等価Ｉ² ｔ値が３３０Ａ²ｓとなり、３３０×５．０６＝１６７０Ａ² ｓとなるので現用ヒューズに匹敵する値となり、一転して良いヒューズになる。

製造コストのコストアップ率をどのように見積もり、抵抗値の減少分をどのように見積もるかにも依存するが、上記の様にＳ分割効果は著しい変化をもたらす。製造コストのコストアップ率が１．５倍程度の前提では、分割Ｓ値＝９Ｓが、製造コストを鑑みた工業的観点から、顕著な効果を奏する臨界値と評価される。より現実的には、分割Ｓ値＝１０Ｓが、工業的観点から評価される顕著な効果を奏する、臨界値となる。

図７はＳ＝６の場合について、全Ｉ^２ｔ値の分割Ｐ値依存性を示すが、分割Ｐ値の増大とともに全Ｉ^２ｔ値が減少し、Ｐ＝１６で全Ｉ^２ｔ値が最小となるが、Ｐ＝３２の場合、全Ｉ^２ｔ値が再び増大することを示す。図７のヒューズリンクは、並列配置方向に測った遮断部の幅が８ｍｍであるが、分割Ｐ値の再増大は、遮断部２２_-1，２２_-2，２２_-3，……，２２_-(n-1)，２２_-nにおける再点弧が原因と考えられる。又、分割Ｐ値の増大に伴う点弧点の熱干渉、アーク干渉も考えられるが、分割Ｓ値を増大することにより、Ｓ−Ｐ相乗効果により、図７の破線で示すように、これらの影響を抑制し、全Ｉ^２ｔ値が再び増大しないようにできる。

図７のｄ点で示したＰ＝５（６Ｓ５Ｐ）の現在のＡＣ６００Ｖ用高性能ヒューズの全Ｉ^２ｔ＝２１６０と読めるので、この値と図６のｃ点（２４Ｓ３２Ｐ）の全Ｉ^２ｔ＝８０とを比較すれば、ｃ／ｄ＝８０／２１６０＝１／２９となり、１桁以上の顕著な全Ｉ^２ｔ値の改善が、ＡＣ６００Ｖ用ヒューズで認められる。

図８に示すグラフでは、６Ｓ５Ｐ型のヒューズリンクのＩ² ｔ値を１００％として基準化して、分割Ｐ値の異なるヒューズリンクのＩ² ｔ値を比較している。図８より分かるように、１６Ｐまでは分割Ｐ値の増加に伴いＩ² ｔ値が減少しているが、１６Ｐより更に分割Ｐ値が増加すると、実験値のバラツキが大きく不安定域に入る事が分かる。図７及び図８で説明したＰ分割効果は、定常現象での話である。接地棒の場合は棒数を多くすれば飽和特性となるだけであったが、Ｐ分割効果の場合は効果が飽和する事だけでなく、分割Ｐ値をさらに多くすると図７及び図８に示すように、現象が不安定となり、それ以上は効果が逆転しＩ² ｔ値が増大する場合がある。接地抵抗の場合は定常現象だけの解析であるから、一連の並列帯のみを扱うが、ヒューズリンクは電流を遮断する責任を持っているので、過渡特性(遮断特性)についても調べる必要がある。遮断となると単独の並列帯だけでは遮断はできない。直列数Ｓ個からなる並列帯の共同作業で遮断を行う事になるので、全ＳＰの遮断現象によって過渡特性を知る必要がある。

表１に示したように、分割Ｐ値＝８Ｐに対する分割Ｓ値＝２４Ｓ時の５ｍΩで規格化した等価Ｉ² ｔ値は３９０Ａ² ｓであるのに対し、分割Ｐ値＝３２Ｐとした場合の分割Ｓ値＝２４Ｓ時の５ｍΩで規格化した等価Ｉ² ｔ値は、表２に示したように、１１４Ａ² ｓとなっている。その比は１１４／３９０≒１／４となる。もしもＳ，Ｐ分割効果が独立であるとしたならば、２４Ｓ８Ｐ時のＳ分割効果による等価Ｉ² ｔ値は３９０であるから、飽和したＰ分割効果８０％を掛けても等価Ｉ² ｔ値は３１２にしかならない。その違いはＳ分割効果によってＰ分割効果が不安定域には入らず、更に伸びてゆくために現れた「Ｓ，Ｐ相乗効果」である。「Ｓ，Ｐ相乗効果」は、その後の各種試験によってＳ分割効果によって、並列帯にＳ分割効果の影響で遮断性能が良くなり、再発弧現象を抑制する働きがあるためと推測している。

図９は、Ｓ＝６，Ｐ＝３２（６Ｓ３２Ｐ）のヒューズの遮断実験のオシログラム波形であるが、電流波形に瘤が見られ、再点弧が発生していることが分かる。図１０は、図９と同一の遮断試験回路を用いた場合のＳ＝１６，Ｐ＝８（１６Ｓ８Ｐ）のヒューズの遮断実験のオシログラム波形であるが、同様に電流波形に瘤が見られ、再点弧が発生しているが、図１１に示すように、Ｓ＝２４，Ｐ＝８（２４Ｓ８Ｐ）とすると、図９と同一の遮断試験回路による遮断試験において、電流波形の瘤が消え、再点弧が抑制されたことが分かる。図９〜図１１に示したヒューズリンクは、定格電圧６００Ｖ、定格電流４０〜６０Ａ、推定短絡電流１００ｋＡの遮断試験回路で試験し、限流値Ｉ_m＝２０００〜８０Ａのものである。

本発明の実施の形態に係るヒューズリンクにおける単位ヒューズに着目し、１個のアーク電圧を考えて見ると、図１２の如く考えるのが最も妥当かと推考される。電極降下電圧Ｖ_ｐは低圧放電では空間電荷によって発生する電圧であるが、ヒューズアーク現象の様に高温、高圧、過渡現象である場合でも、同様に高い電圧降下が発生するかどうかは知られていない。プラズマ降下の中に電圧に逆比例したｄｖ／ｄｔの上昇効果が、Ｓ分割効果として存在する可能性もあるが、ここでは、電極降下電圧Ｖ_ｐを検討してみる。各ヒューズリンクのアーク電圧構成は、アーク柱電圧Ｖ_ai、電極降下電圧Ｖ_piとして、動作過電圧値Ｖ_ｍを考えると：

Ｖ_m＝ΣＶ_ai＋ΣＶ_pi …(３)

となる。ここで電極降下電圧Ｖ_piは、陰極降下電圧Ｖ_pi／２と陽極降下電圧Ｖ_pi／２の和である。具体的には、

４Ｓ８Ｐヒューズの構成式は Ｖ_m4＝ΣＶ_a4＋ΣＶ_p4 …(４ａ)
８Ｓ８Ｐヒューズの構成式は Ｖ_m8＝ΣＶ_a8＋ΣＶ_p8 …(５ａ)
１２Ｓ８Ｐヒューズの構成式は Ｖ_m12＝ΣＶ_a12＋ΣＶ_p12 …(６ａ)
１６Ｓ８Ｐヒューズの構成式は Ｖ_m16＝ΣＶ_a16＋ΣＶ_p16 …(７ａ)
２４Ｓ８Ｐヒューズの構成式は Ｖ_m24＝ΣＶ_a24＋ΣＶ_p24 …(８ａ)

ここで式（４ａ）〜（７ａ）に、それぞれ表１の実験値を入れると、式（４ｂ）〜（８ｂ）が得られる：

９１８Ｖ＝４Ｖ_a4＋４Ｖ_p4 … （４ｂ）
１０７２Ｖ＝８Ｖ_a8＋８Ｖ_p8 … （５ｂ）
１２６０Ｖ＝１２Ｖ_a12＋１２Ｖ_p12 … （６ｂ）
１３４７Ｖ＝１６Ｖ_a16＋１６Ｖ_p16 … （７ｂ）
１９３８Ｖ＝２４Ｖ_a24＋２４Ｖ_p24 … （８ｂ）

式（４ｂ）〜（８ｂ）でアーク柱を流れる電流は外部定数で決定され、一定であるから総合アーク長ΣＬtを同一にする為には総溶断長ΣＬのＬを分割数の逆比で小さくすれば良い。その結果、

４Ｖ_a4＝８Ｖ_a8＝１２Ｖ_a12＝１６Ｖ_a16＝２４Ｖ_a24 …（９）

と同一値となるので、「式（５ｂ）」−「式（４ｂ）」を計算すると、

８Ｖ_p8−４Ｖ_p4＝１０７２Ｖ−９１８Ｖ＝１５４Ｖ …（１０）

となる。電極降下電圧Ｖ_piも同じアーク電流が流れている限り略同一の値と推定される。４Ｓ８Ｐ対８Ｓ８Ｐ，８Ｓ８Ｐ対１２Ｓ１２Ｐのようにお互いに隣り同志の電極降下電圧Ｖ_pi値は更に近いと考えると、

Ｖ_p4≒Ｖ_p8、Ｖ_p８≒Ｖ_p12、Ｖ_p12≒Ｖ_p16、Ｖ_p16≒Ｖ_p24 …（１１）

となる。（１０）式は大略Ｖ_p8＝１５９Ｖと考えて良いので、Ｖ_p4＝Ｖ_p8＝３８．５Ｖとなる。同様にしてＶ_p12、Ｖ_p12、Ｖ_p24の値を求め、図１３にこれをプロットする。点ａ，ｂ，ｃ，ｄ，が求められたものである。特性としては図１３に図示した点線Ｃの如くなる。更に、表１において測定された動作過電圧値Ｖ_ｍをプロットするとＡ特性の様になり、これに計算して出したＶ_p値に、それぞれの分割数を掛けて総合極降下値ΣＶ_pを計算した結果を、図１３中にプロットするとＢ特性のようになる。故にＡ特性とＢ特性の差はアーク特性Ｖ_aで、４Ｓから２４Ｓまで一定値であり、またＣ特性は極降下特性で２４Ｓの短アーク値ではやや小さくなる事が分かる。Ｉ² ｔ値のＳ分割効果もこの様な僅かな飽和特性である事で一致する。

図１４は、図６から誘導されたもので、Ｘ軸を分割Ｐ値とし、パラメーターを分割Ｓ値としている。Ｐ分割効果はＳ分割効果よりかなり緩やかに変化するので、両対数グラフ上で直線近似とする。パラメーターとしての分割Ｓ値が２４Ｓの特性の１０Ｐ点のＩ² ｔ値は、５ｍΩで規格化した等価Ｉ^２ｔ値で表すと、図１４のグラフ上、上方にシフトし、２８０Ａ² ｓになる。製造コストのコストアップ率から抵抗値の減少分を見積り、定格電流値を１．５倍にすると、最小断面積は（１．５）² 倍にする必要があることは、前述したとおりである。定格電流値を１．５倍にしたときの、Ｉ² ｔ値は５．６倍悪くなるので、その場合の５ｍΩで規格化した等価Ｉ² ｔ値は２８０×５．０６倍＝１４１７Ａ²ｓとなる。１４１７Ａ²ｓの値は、現用ヒューズに対し１４１７／１６００＝８９％と未だ多少の優位性を持っている。したがって、製造コストを鑑みた工業的観点から、１０分割Ｐ値が、顕著な効果を奏する臨界値と評価される。この値は１２Ｐ／ｃｍに相当するものとなる。

具体的には、ＡＣ６００Ｖ用ヒューズの分割Ｓ値は６〜７Ｓが常識であるのに対し、本発明の実施の形態に係るヒューズリンクによれば、ＡＣ６００Ｖ用ヒューズの分割Ｓ値は２４Ｓ〜３２Ｓが可能である。又、ＡＣ６０００Ｖ用ヒューズでは６０〜７０Ｓが、従来の常識であるが、本発明の実施の形態に係るヒューズリンクによれば、１４８〜１９８Ｓが実現できる。

（実装構造）
図１５は、本発明の実施の形態に係るヒューズリンクの実装構造の一例を示す。図１５では３枚のヒューズリンク１ａ，１ｂ，１ｃが内キャップ２ａ，２ｂに設けられた矩形のスリットを介して固定されている。そして、絶縁管５の両端を閉じるように内キャップ２ａ，２ｂが絶縁管の両端に被せられ、内キャップ２ａ，２ｂの外側にヒューズ端子４ａ，４ｂをそれぞれ有する外キャップ３ａ，３ｂが嵌め込まれることにより、ヒューズ筒を構成している。

上述したように、本発明の実施の形態に係るヒューズリンクによれば、全Ｉ^２ｔ値を従来ヒューズの１／１０にも小さくすることができるので、設計上、電流に余裕が生じる。このため、全Ｉ^２ｔ値を所望値以下に維持しつつ、遮断部狭小帯の最小幅ｂを大きくすることにより、定格電流を増大できる。即ち、一枚のヒューズリンクに流れる定格電流を２倍にすることも容易であるので、図１５に示すように、ヒューズリンクの実装構造における用いるヒューズリンクの枚数を半分以下にして、実装構造（ヒューズ筒）の小型化と低コスト化を図ることが可能である。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は本発明の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な態様や代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。したがって、本発明はここでは記載していない様々な態様や実施の形態等を含むことは勿論であり、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

産業上の利用の可能性

本発明ヒューズリンクは、ＧＴＯサイリスタやＩＧＢＴ等の半導体スイッチングデバイスの保護用のヒューズとして、大電力用電源、電力用ＤＣ−ＤＣコンバータ、電力用ＤＣ−ＡＣコンバータ、電力用ＡＣ−ＤＣコンバータ、汎用インバータ、無停電電源、自動車や電車等の車両のモータ制御用電源、船舶のモータ制御用電源、種々の産業用モータの駆動電源、ＮＣマシンやロボットなどのパワーエレクトロニクス機器、あるいは、これらの電源やパワーエレクトロニクス機器の電力制御装置や周辺端末機器の分野に利用可能である。

Claims (5)

1. 絶縁性基板と、該絶縁性基板の表面に形成された導電性薄膜のパターンからなるヒューズリンクであって、
   前記導電性薄膜のパターンが、複数個の遮断部狭小帯を並列配置した遮断部を、更に直列に連結帯を介して交互に周期的に配列して直列接続したパターンをなし、
   前記遮断部の厚さが１０〜６０μｍで、前記連結帯の厚さが８０〜１５０μｍであり、
   且つ前記遮断部の直列接続の数が、１００Ｖ当たり、１．５以上、５．３以下であることを特徴とするヒューズリンク。
2. 前記遮断部狭小帯の並列数が、前記並列方向に測った前記遮断部の幅１ｃｍ当たり１２以上、４０以下であることを特徴とする請求項１に記載のヒューズリンク。
3. ヒューズ筒となる絶縁管と、
   該絶縁管の内部に収納され、絶縁性基板と、該絶縁性基板の表面に形成された導電性薄膜のパターンからなるヒューズリンク
   とを備えるヒューズであって、
   前記導電性薄膜のパターンが、複数個の遮断部狭小帯を並列配置した遮断部を、更に直列に連結帯を介して交互に周期的に配列して直列接続したパターンをなし、
   前記遮断部の厚さが１０〜６０μｍで、前記連結帯の厚さが８０〜１５０μｍであり、且つ前記遮断部の直列接続の数が、１００Ｖ当たり、１．５以上、５．３以下であることを特徴とするヒューズ。
4. 前記ヒューズリンクの複数枚が、前記絶縁管の内部に並列接続されて収納されていることを特徴とする請求項３に記載のヒューズ。
5. 前記遮断部狭小帯の並列数が、前記並列方向に測った前記遮断部の幅１ｃｍ当たり１２以上、４０以下であることを特徴とする請求項３に記載のヒューズ。

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