JP5382961B2 - 可溶合金型温度ヒューズ - Google Patents

Description

本発明は、低融点可溶合金を感温材に用い周囲温度に感応して電気機器の損傷を防ぐ温度ヒューズに関し、特に、所定温度で溶融する有害金属を含まない低融点可溶合金の表面にフラックス被膜を設ける可溶合金型温度ヒュ−ズに関する。

電気・電子機器等を過熱損傷から保護する保護素子として、特定温度で動作して回路を遮断する温度ヒューズが知られている。このうち、感温材として低融点可溶合金を用いる可溶合金型温度ヒューズは、周囲温度が所定の動作温度に過昇した際に、通電回路に設けた低融点可溶合金の溶融により溶断して回路遮断するものである。通常、低融点可溶合金は溶断を確実にするために、フラックス被膜を表面に設けている。こうした可溶合金型温度ヒューズには発熱抵抗体と併設して抵抗体の通電加熱により低融点可溶合金を強制的に溶断させる抵抗内蔵型温度ヒューズも知られており、保温コタツ、炊飯器等の家電製品、液晶テレビや複写機器等のＯＡ機器、照明機器など機器の安全手段として広く普及されている。

一方、低融点可溶合金に共晶はんだ６２Ｓｎ−３８Ｐｂ（質量％）を用いて動作温度を１８３±２℃の可溶合金型温度ヒューズが知られていたが、組成物の鉛（Ｐｂ）が地下水に深刻な汚染をもたらすことから地球環境に対する汚染が問題となっていた。すなわち、温度ヒューズを搭載した電気・電子機器が廃棄された場合、雨水などの作用によりＰｂが溶出するなど長期にわたって有害金属を漏出させることによる。この問題回避には、たとえば、特許文献１、特許文献２および特許文献３が開示する鉛フリー可溶合金型温度ヒュ−ズが知られている。これらは適用温度範囲が１９０℃から４００℃の動作温度であり、使用するフラックスについてそれぞれの適合物質を提案している。
特開２００５−２７６５７７号公報 特開２００７−１１３０２４号公報 特開２００７−２０７５５８号公報

可溶合金型温度ヒューズに所望される特性は、作動時に低融点可溶合金を確実に溶断することである。その場合に、使用する低融点可溶合金の融点とその表面に設けたフラックス被膜の作用効果により溶断の速さや精度が決定される。特に、溶断時に特定の温度で合金を球状化させる作用を得るには、低融点可溶合金表面に形成したフラックス被膜の構成物質が大きく影響することが判明している。たとえば、低融点可溶合金は単一の溶融点を持つ共晶合金組成が好ましいが、フラックス被膜は合金被覆として保持力、硬度、靭性等のバランスに優れるのが望まれる。また、所望する動作温度の温度帯で有効に作用効果を奏することが必要である。さらに、電源回路に直列に実装される温度ヒューズの特性上から、高温作動用低融点可溶合金では内部抵抗値が長期の高温保管によっても変化せず、省エネルギーや動作温度の安定面から所望する抵抗値に維持されることが望まれる。加えて、温度ヒューズ組み立て過程でのフラックス被膜の特性が劣化しないことが必要と考えられている。

可溶合金型温度ヒューズに使用するフラックスはロジン、ワックスと共に活性剤およびチクソ剤や酸化防止剤等の添加物からなる。しかし、製造工程や正常動作中における高温環境下等においてはフラックス被膜の劣化に問題があった。そのため、劣化度合いを遅らせたり、熱劣化の時間を延ばしたりすることが望まれる。たとえば、フラックス材料として精製ロジン、ウッドロジン、トールオイルロジンなどの天然ロジンをそのまま使用すると、高温時に主成分のアビエチン酸を代表とする樹脂酸分子の炭素二重結合（Ｃ＝Ｃ）に酸素が反応し開裂して脂肪酸の分子同士が互いに重合し、その結果、急激に粘度低下を起こして合金表面に塗布したフラックスの流動性を損なって可溶合金の溶断を妨げる。こうした場合、耐熱面での信頼性が欠如するため、最高動作温度１９０℃を超えて動作させる可溶合金型温度ヒューズではフラックス材料の選択が重要であり、熱環境状態で長期保管に耐えて安定動作させることができるフラックス材料の選定が望まれる。また、製造工程において合金表面に塗布したフラックスにべたつきがあると作業性が悪化することから、被膜の硬度が高いフラックス材料の選定が望まれる。

本発明者等は、フラックスの流動性を損なう要因がフラックス材料の熱分解性に依存することからフラックス材料の熱重量変化および常温での硬度に着目した。先ず、空気中で融点近くの温度で所定時間放置した場合の重量変化に着目した。そして使用可能なワックス各種材料に関し、５％の重量減少を生ずる温度を測定した。次に、そのワックス材料について、常温での硬度を調べた。これらの結果は、表１に示されるように、５％重量減少温度では温度値が高いほど熱重量変化が小さくて変質が少なく、温度ヒューズの作動を阻害しないと推定された。一方、常温での硬度が高いほどべたつきがなく取り扱いが容易であることが分かった。ここで常温での硬度を調査するに際しての硬度測定は、日本工業規格ＪＩＳ Ｋ ２２０７に基づく針入度により測定した。すなわち、常温でのワックス硬度が高いものは、針入度が小さくなり、フラックスとしてのべたつきが改善され、常温での扱いが容易であることが判明した。

したがって、本発明は上述する問題欠陥を排除するために、本発明者等の知見からワックス材料の選択に着目し、フラックス材料として通常使用されるパラフィンワックスなどの石油系ワックスに代えて耐熱性と高硬度の特性を備えるワックスを使用して、新規かつ改良された可溶合金型温度ヒューズの提供を目的とする。具体的に新規組成物のワックスとしてポリオレフィン系ワックスを選定すると共にＰｂやＣｄ等の有害物質を含まない低融点可溶合金を使用して所定の融点の動作温度で正確かつ素早く作動しかつ耐熱面と精度面での信頼性を向上できる新規かつ改良された可溶合金型温度ヒューズの提供を目的とするものである。

本発明によれば、ロジン、ワックスおよび添加物を含むフラックス被膜を一対のリ−ド部材間に接続した低融点可溶合金の表面に設け、絶縁製容器に収容配置して構成した可溶合金型温度ヒューズにおいて、前記ワックスとしてポリアルファオレフィンワックスを使用したことを特徴とする可溶合金型温度ヒューズが提供される。このようなワックスは、従来のパラフィンワックスなどの石油系ワックスに比べて熱分解温度が高く、さらに溶融時に高い流動性を有するものであり、フラックスの熱劣化に対して効果的である。また、従来のパラフィンワックスなどの石油系ワックスに比べて高い硬度を有しており、製造工程での取り扱いを容易にする効果がある。

一方、ロジンは水添ロジン、不均化ロジン、重合ロジン、酸変性水添ロジン、酸変性不均化ロジンおよび酸変性重合ロジン等のロジン誘導体からなるグループから選択される物質であり、これにパルミチン酸アミド、オレイン酸アミド、ステアリン酸アミド、１２−ヒドロキシステアリン酸アミド、エルカ酸アミド、ベヘニン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ジオレイルアジピン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ジステアリルアジピン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ジオレイルセバシン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ジステアリルセバシン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ジステアリルパラフタル酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ジステアリルイソフタル酸アミド、Ｎ、Ｎ’―エチレンビスラウリン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―エチレンビスステアリン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―メチレンビスステアリン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―エチレンビスオレイン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―エチレンビスベヘニン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―エチレンビス−１２−ヒドロキシステアリン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ブチレンビスステアリン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ヘキサメチレンビスステアリン酸アミド、Ｎ、Ｎ’―ヘキサメチレンビスオレイン酸アミドおよびＮ、Ｎ’―キシリレンビスステアリン酸からなる群から選択される有機酸アミド誘導体を添加する。その添加量は、ポリオレフィン系ワックスが１〜６０質量％、ロジン３０〜９０質量％に対し、残部として有機酸アミド誘導体を配合調整する。さらに、前記フラックス被膜の添加物がパルミチン酸、ステアリン酸、ベへニン酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、ウンデカン二酸、ドデカン二酸からなる群から選ばれるいずれかの脂肪酸または脂肪族二塩基酸であり、フラックス被膜の１００質量部に対して、１〜５０質量部の範囲内で添加する。このフラックス被膜の添加物により、合金表面の酸化膜除去作用が促進され、ヒューズの動作特性に対して効果を発揮する。

本発明の可溶合金型温度ヒューズはフラックス被膜にポリアルファオレフィンワックスが使用される。そのために、低融点可溶合金表面の形成被覆は保持力および硬度が高まり、靭性のバランスに優れた被膜として温度ヒューズの耐熱特性を改善する。特に、所望する動作温度に近い温度帯での経時変化を抑止しフラックス機能を効果的に発揮する粘り強さを向上する。たとえば、従来のパラフィンワックスなどの石油系ワックスに比べて保持力・硬度・靭性等で優れ、被膜がべたつかず取り扱いや組立中の作業が容易になる。また、熱分解温度の高いワックスもあり、動作温度が１９０℃以上の比較的高い温度領域でも使用でき、かつ高温保管後でも動作温度の信頼性が高く安定性を確保する。

本発明は低融点可溶合金の表面にフラックス被膜を設けた可溶合金型温度ヒューズである。この種の温度ヒューズにはアキシャルタイプ、ラジアルタイプ、小型・薄型タイプ、および抵抗内蔵型タイプなどがあるが、特定の型式タイプに限定されるものではない。以下、実施形態の一例としてはアキシャルタイプの可溶合金型温度ヒューズについて説明するが、本発明の特徴はフラックス被膜にポリオレフィン系ワックスを配合したことにある。すなわち、フラックスには耐酸化性、耐熱性、耐候性を増した水添ロジン、不均化ロジン、重合ロジン、酸変性水添ロジン、酸変性不均化ロジン、酸変性重合ロジンのいずれかのロジン誘導体に有機酸アミド誘導体を添加し、さらにポリオレフィン系ワックスおよび必要な添加物を配合する。配合としてはポリオレフィン系ワックスを１〜６０質量％、ロジンを３０〜９０質量％とし、残部として有機酸アミド誘導体を配合調整する。ここで、ポリオレフィン系ワックスが１質量％未満である場合、フラックスの熱劣化および酸化劣化に対して効果が無く、さらにフラックスの塗布被膜のべたつきを無くす効果も見られなくなる。また、ポリオレフィン系ワックスが６０質量％を超えると、フラックス被覆の靭性が小さくなり製造時の組み立て作業が困難となる。また、上記フラックス１００質量部に対して、必要に応じて、パルミチン酸、ステアリン酸、ベへニン酸等の脂肪酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、ウンデカン二酸、ドデカン二酸の脂肪族二塩基酸を１〜５０質量部の範囲で配合することもできる。ここで、上記添加剤が１質量部未満である場合、ヒューズの動作特性に対する効果が見られなくなる。また、上記添加剤が５０質量部を超えると、フラックス被覆の靭性が小さくなり製造時の組み立て作業が困難となる。次に、添加物としての酸化防止剤は好ましくはフェノール系、リン系または硫黄系から選ばれる。この添加量は、フラックス１００質量部に対して０．０１〜５質量％の範囲で配合する。ここで、酸化防止剤の添加量が０．０１質量％未満である場合、添加による酸化防止効果が見られなくなる。また、酸化防止剤の添加量が５質量％を超えると、合金表面の酸化膜除去作用が阻害される。また、添加物としての金属不活性化剤の添加量は、フラックス１００質量部に対して０．０１〜１質量％の範囲で配合する。ここで、金属不活性化剤の添加量が０．０１質量％未満である場合、金属イオンによる劣化に対する防止効果が見られなくなる。また、金属不活性化剤の添加量が１質量％を超えると、合金表面の酸化膜除去作用が阻害される。

次に、本発明のフラックスが適用される可溶合金型温度ヒューズの低融点可溶合金としては、例えば、Ｚｎ−Ａｌ系合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ｇｅ系合金およびＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金から選択されるいずれかの合金を使用し、溶融動作温度を２６０℃〜４００℃の範囲内で設定したことを特徴とする合金が挙げられる。ここで、前記低融点可溶合金には、Ａｌが１．５〜７．０質量％の範囲内で含まれることを特徴とする。さらにこの低融点可溶合金には、Ｓｎが５〜２０質量％の範囲で、またＧａが２〜１０質量％の範囲で添加されていてもよい。また、本発明のフラックスが適用される可溶合金型温度ヒューズの低融点可溶合金として、Ｓｎ−Ａｇ系合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金およびＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系合金から選択されるいずれかの合金を使用し、溶融動作温度を２１４℃〜２２２℃の範囲内で設定したことを特徴とする合金が挙げられる。ここで、前記低融点可溶合金には、Ａｇが２．０〜４．０質量％、Ｃｕが０．２〜２．５質量％、Ｉｎが０．５〜３．０質量％の範囲内で含まれることを特徴とする。さらに、本発明のフラックスが適用される可溶合金型温度ヒューズの低融点可溶合金として、Ｓｎ−Ｉｎ−Ａｇ系合金およびＳｎ−Ｉｎ−Ａｇ−Ｂｉ系合金から選択されるいずれかの合金を使用し、溶融動作温度を１９０℃〜２１０℃の範囲内で設定したことを特徴とする合金が挙げられる。ここで、前記低融点可溶合金には、Ｉｎが６．０〜１０．０質量％、Ａｇが３．０〜４．０質量％、Ｂｉが０．２〜１．０質量％の範囲内で含まれることを特徴とする。なお、ポリオレフィン系ワックスを配合したフラックスは、上記の温度帯に限らず、溶融動作温度を１９０℃未満の範囲内で設定した合金に対しても、耐熱性安定化で信頼性を向上させることができる。

以下、本発明の実施例であるアキシャルタイプ可溶合金型温度ヒューズについて図面を参照しつつ説明する。この可溶合金型温度ヒューズは、図１に示すように、めっき銅線からなる一対のリ−ド部材１，２に、低融点可溶合金３が抵抗溶接により接合され、低融点可溶合金３の表面には本発明の特徴とするフラックス被膜４が形成され、アルミナ等のセラミック碍管の絶縁容器またはケース５に収容され、耐熱封着材６，７によりリード部材１，２の導出部を残して絶縁ケース５の両端部を封着して構成される。なお、アキシャルタイプ以外のラジアルタイプ、小型・薄型のチップタイプ、抵抗内蔵タイプ、絶縁容器使用のパッケージタイプなど各種タイプの可溶合金型温度ヒューズに対しても、上述する可溶合金とフラックスを適用できるのは勿論である。ここで、リ−ド部材１，２はＳｎ−Ｃｕめっき銅線を使用した。変形例として、Ａｇめっき銅線、Ｓｎめっき銅線、Ｎｉめっき銅線をリード部材に使用できる。低融点可溶合金３の組成は後述する３種類を使用した。形状については、φ０．３〜０．７ｍｍ線を使用するが、断面円形のほかに必要に応じて同一の断面積を有するテープ状合金の平角片も使用できる。必要に応じてφ０．３ｍｍ以下またはφ０．７ｍｍ以上に変更することもできる。線材加工は合金鋳塊の押出し加工及び引抜き加工により処理し、必要に応じてテープ状に圧延加工することもできる。次に、耐熱封着材６，７は、樹脂材としてエポキシ樹脂を用い、また無機物添加材としてＢＥＴ法による比表面積３００ｍ２／ｇで平均粒径７ｎｍのヒュームドシリカ（ＳｉＯ２）を用い、樹脂材である２液常温硬化型エポキシ樹脂の硬化前主剤１００質量部に対して無機物添加材２．５質量部を均一に混ぜ合わせて準備した。

上述する実施例構造の可溶合金型温度ヒューズにおいて、低融点可溶合金３は、Ｚｎ８６．９質量％、Ａｌ４質量％、Ｍｇ３．２質量％、Ｓｎ５．９質量％の初期動作温度３３３℃用合金（実施１〜３）、Ｓｎ９６質量％、Ａｌ３．５質量％、Ｃｕ０．５質量％の初期動作温度２１９℃用合金（実施４〜６）およびＳｎ８８．５質量％、Ｉｎ８質量％、Ａｇ３．５質量％の初期動作温度２０４℃用合金（実施７〜９）の３種類を、いずれも線径φ０．７ｍｍとして使用した。また、酸変性ロジン５５．５質量％、ワックス３４質量％、アジピン酸８．７質量％、フェノール系酸化防止剤１．５質量％および金属不活性化剤０．３質量％の配合によりフラックスが調製され、前述の低融点可溶合金３の表面にコーティングしてフラックス被膜４を作製した。本発明が注目のワックスは、ポリオレフィン系ワックスとして３種類を選び使用した。すなわち、実施例の試作品として、ポリエチレンワックス（実施１，４および７）、ポリプロピレンワックス（実施２，５および８）、およびポリアルファオレフィンワックス（実施３，６および９）の３種類が使用された。これら実施例の９種類の試作品と同様に、比較例として従来のパラフィンワックスを使用した試作品（比較１ないし３）が用意された。試作品はそれぞれの初期特性および高温処理後の負荷特性を測定するために、各１０個の試作用温度ヒューズを作製した。製品完成後の温度ヒューズは、初期の動作温度および５００時間高温保管（負荷）後の動作温度を各１０個全ての温度ヒューズについて測定した。これらの測定結果は表２に示される。

表２に示す測定結果については、実施１〜３（Ｚｎ８６．９質量％、Ａｌ４質量％、Ｍｇ３．２質量％、Ｓｎ５．９質量％合金）の温度ヒューズは、負荷試験として３２０℃で５００時間高温保管し、測定値はヒューズ動作温度とし、この測定値を初期の動作温度（平均値）と比較して最大の温度差（ばらつき）を確認した。本発明のフラックス被膜に使用したポリエチレンワックスおよびポリアルファオレフィンワックスの場合、動作温度は３３３±１０℃の範囲内で作動し、ポリプロピレンワックスの場合、動作温度は３３３±２０℃の範囲で作動し、いずれも動作温度として満足な結果を得た。一方、比較例である従来のパラフィンワックスを使用した場合の比較１の温度ヒューズは、５００時間の保管で動作しなくなった。次に、実施４〜６のＳｎ９６質量％、Ａｌ３．５質量％、Ｃｕ０．５質量％の合金を使用した温度ヒューズについて、２１０℃で高温保管して動作温度を測定した。その結果、本発明のポリエチレンワックス、ポリプロピレンワックスおよびポリアルファオレフィンワックスを使用した場合、いずれも５００時間後２１９±５℃の範囲内で作動し、良好な結果を得た。これに対し、比較２の従来のパラフィンワックスを使用した場合、５００時間保管後２１９±１０℃の範囲で作動したが、動作精度を悪化させた。さらに、実施７〜９のＳｎ８８．５質量％、Ｉｎ８質量％、Ａｇ３．５質量％の合金を使用した温度ヒューズについては１９５℃で高温保管した後、動作温度を測定した結果、ポリエチレンワックス、ポリプロピレンワックスおよびポリアルファオレフィンワックスを使用した本発明品の場合、５００時間後２０４±１０℃の範囲内で動作し、良好な結果を得た。しかし、比較３として示す従来のパラフィンワックスを使用した場合、５００時間保管後では動作範囲が２０４±２０℃の範囲内になり、動作精度を悪化させた。これらのことから、ワックス材料としてポリエチレン、ポリプロピレンおよびポリアルファオレフィンのいずれかから選択したポリオレフィン系ワックスを使用することにより、温度ヒューズの耐熱性を改善し信頼性を向上させることが判明した。ここで注目すべきは、温度ヒューズの組み立て作業において、ワックス材料として従来のパラフィンワックス使用ではべたつきが目立ち取り扱いが難しかったが、本発明のポリエチレン、ポリプロピレンおよびポリアルファオレフィンのいずれかから選択したポリオレフィン系ワックスの使用では、フラックスとしてのべたつきがなくて取り扱いが容易となり作業性の向上となることが分った。特にポリアルファオレフィンワックスは耐熱性の改善と作業性の向上に対してより有効な結果を得たが、ポリアルファオレフィンワックスが他のポリオレフィン系ワックスに比べて５％重量減少温度が高く、また針入度がもっとも小さいことから、これらの性質が耐熱性の改善と作業性の向上に対してより優れた効果を発揮させたものと考えられる。

上述するように本発明のポリオレフィン系ワックスを含むフラックス膜を有する可溶合金型温度ヒューズは家庭用および産業用電気機器類で安全性を保証するための保護素子として耐熱性の改善と信頼性の向上および取り扱い作業性の向上が得られるなど工業的価値が評価されることが判明した。

本発明に係る実施例の低融点可溶合金を使用した合金型温度ヒューズの断面図である。

１，２；リード部材
３；低融点可溶合金
４；フラックス被膜
５；絶縁ケ−ス（容器）
６，７；耐熱封着材

Claims (3)

1. ロジン、ワックスおよび添加物を含むフラックス被膜を一対のリ−ド部材間に接続した低融点可溶合金の表面に設け、この低融点可溶合金を絶縁製容器内に収容配置した可溶合金型温度ヒューズにおいて、前記フラックス被膜は、前記ロジンがロジン誘導体、前記ワックスが日本工業規格ＪＩＳ Ｋ ２２０７に基づく針入度が１〜３であるポリアルファオレフィンワックス、前記添加物が有機酸アミド誘導体であり、それぞれ所定の配合割合で調製されたことを特徴とする可溶合金型温度ヒューズ。
2. 前記フラックス被膜の添加物がパルミチン酸、ステアリン酸、ベへニン酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、ウンデカン二酸、ドデカン二酸からなる群から選ばれるいずれかの脂肪酸または脂肪族二塩基酸であり、前記フラックス被膜の１００質量部に対して、１〜５０質量部の範囲内で添加したことを特徴とする請求項１に記載の可溶合金型温度ヒューズ。
3. 前記低融点可溶合金が、Ｓｎ−Ａｇ系合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金およびＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系合金から選択されるいずれかの合金であり、溶融動作温度を２１４℃〜２２２℃の範囲内で設定したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の可溶合金型温度ヒューズ。

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