JP6101908B2 - 温度ヒューズ用可溶合金、温度ヒューズ用線材および温度ヒューズ - Google Patents
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- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
- H01H85/00—Protective devices in which the current flows through a part of fusible material and this current is interrupted by displacement of the fusible material when this current becomes excessive
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Description
本発明は、温度ヒューズ用可溶合金、温度ヒューズ用線材および温度ヒューズに関する。
電子機器等では、故障等に起因する発熱を感知して回路等の導通を遮断する過熱保護部品として温度ヒューズが使用されている。特許文献１には、所定の温度（高温）で溶断される可溶合金を用いた温度ヒューズが記載されている。
従前より、本発明の温度ヒューズの動作温度範囲（１８０℃近傍）では、Ｓｎ−Ｐｂ合金による温度ヒューズが一般的に使用されてきた。昨今の鉛フリー規制に伴い、電子部品に使用する合金材料に関して、鉛を含有しない材料が求められている。
上述した特許文献１には、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｓｎの組成、動作温度１６０℃〜１９０℃の可溶合金を用いた温度ヒューズが記載されている。特許文献１の温度ヒューズは、動作温度範囲も本発明とほぼ同等で且つ鉛フリーを実現したものである。
しかしながら、特許文献１の温度ヒューズは、インジウム（Ｉｎ）を相当量配合する必要があり、コストアップの要因となっている。従来、鉛フリーであり、且つ、安価であり、且つ、比較的高温の動作温度（例えば１８０℃〜２００℃）を有する温度ヒューズはなかった。
したがって、本発明の目的は、鉛フリーであり、且つ、安価であり、且つ、比較的高温の動作温度を有する温度ヒューズ用可溶合金、温度ヒューズ用線材および温度ヒューズを提供することにある。
上述した課題を解決するために、本発明は、ビスマスと、銅と、スズおよび不可避不純物からなる残部とからなり、ビスマスの含有量は、２０質量％以上３０質量％以下であり、銅の含有量は、０．１質量％以上５質量％以下である温度ヒューズ用可溶合金である。
本発明は、上述の温度ヒューズ用可溶合金を含む温度ヒューズ用線材である。本発明は、上述の温度ヒューズ用線材を有する温度ヒューズ素子を備えた温度ヒューズである。
本発明によれば、鉛フリーであり、且つ、Ｉｎ（インジウム）を使用しないため安価であり、且つ、比較的高温の動作温度（例えば１８０℃〜２００℃）を有する温度ヒューズ用可溶合金、温度ヒューズ用線材および温度ヒューズを提供できる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、説明は、以下の順序で行う。
１．一実施の形態
２．変形例
１．一実施の形態
２．変形例
１.一実施の形態
本発明の一実施の形態による温度ヒューズについて説明する。図１Ａおよび図１Ｂは本発明の一実施の形態による温度ヒューズの構成および動作を説明するための概略断面図である。図１Ａは可溶合金が溶断される前の状態を示し、図１Ｂは可溶合金が溶断された後の状態を示す。
本発明の一実施の形態による温度ヒューズについて説明する。図１Ａおよび図１Ｂは本発明の一実施の形態による温度ヒューズの構成および動作を説明するための概略断面図である。図１Ａは可溶合金が溶断される前の状態を示し、図１Ｂは可溶合金が溶断された後の状態を示す。
温度ヒューズの一例は、例えばアキシャル型の温度ヒューズであり、可溶合金１１および可溶合金１１にコーティングされた特殊樹脂１２からなるヒューズ素子１３と、可溶合金１１の両端部のそれぞれに溶接され、ヒューズ素子１３の両端部のそれぞれから延出された２本のリード線１４と、ヒューズ素子１３および２本のリード線１４が収納される絶縁ケース１５と、絶縁ケース１５の一端および他端の開口を封止する封止材１６とを備える。
２本のリード線１４のそれぞれは、封止材１６によって開口が封止された絶縁ケース１５の一端および他端のそれぞれから延出されている。リード線１４としては、錫メッキ軟銅線等の導体を用いることができる。絶縁ケース１５は、例えば、筒状であり、長手方向の一端および他端に開口を有する絶縁性のケースである。封止材１６としては、エポキシ樹脂等を用いることができる。
温度ヒューズの一例は、温度上昇により、ヒューズ素子１３が動作する動作温度に達すると、図１Ｂに示すように可溶合金が溶融しヒューズ素子１３が溶断され、２本のリード線１４間の導通が遮断される。これにより、温度ヒューズを含む回路等を遮断し、温度ヒューズを含む電子機器等を保護する。温度ヒューズの一例の動作温度は、例えば、１８０℃以上２００℃以下である。
（ヒューズ素子）
ヒューズ素子１３は、可溶合金１１と、可溶合金１１を被覆する膜状等の特殊樹脂１２とを含む。なお、ヒューズ素子１３は、特殊樹脂１２を省略した構成としてもよい。
ヒューズ素子１３は、可溶合金１１と、可溶合金１１を被覆する膜状等の特殊樹脂１２とを含む。なお、ヒューズ素子１３は、特殊樹脂１２を省略した構成としてもよい。
（可溶合金）
可溶合金１１は、可溶合金１１の原料を押し出し成型または引抜成型等によって線状に加工することにより得た温度ヒューズ用の線材等である。可溶合金１１は、ビスマス（Ｂｉ）と、銅（Ｃｕ）と、スズ（Ｓｎ）とを含む。可溶合金１１では、例えば、銅およびスズが、これらの元素を含む金属間化合物を形成している。その結果、耐熱特性が向上し、温度ヒューズとしての特性を満足することができる。可溶合金１１は、さらにビスマス、銅およびスズの他に不可避的な不純物を含む。なお、不可避的な不純物とは、ビスマス、銅、スズ以外の他の物質である。他の物質としては、例えば、製造時に混入を完全には防止できない他の元素や、溶融時に生じる酸化物等が挙げられる。
可溶合金１１は、可溶合金１１の原料を押し出し成型または引抜成型等によって線状に加工することにより得た温度ヒューズ用の線材等である。可溶合金１１は、ビスマス（Ｂｉ）と、銅（Ｃｕ）と、スズ（Ｓｎ）とを含む。可溶合金１１では、例えば、銅およびスズが、これらの元素を含む金属間化合物を形成している。その結果、耐熱特性が向上し、温度ヒューズとしての特性を満足することができる。可溶合金１１は、さらにビスマス、銅およびスズの他に不可避的な不純物を含む。なお、不可避的な不純物とは、ビスマス、銅、スズ以外の他の物質である。他の物質としては、例えば、製造時に混入を完全には防止できない他の元素や、溶融時に生じる酸化物等が挙げられる。
（可溶合金の組成）
可溶合金１１は、ビスマスの含有量が５質量％（重量％、以下同様）以上３０質量％以下であり、銅の含有量が０．１質量％以上５質量％以下であり、残部がスズおよび不可避不純物からなるものである。なお、ビスマスの含有量、銅の含有量は、ビスマス、銅およびスズの合計質量に対する質量百分率で規定したものである。
可溶合金１１は、ビスマスの含有量が５質量％（重量％、以下同様）以上３０質量％以下であり、銅の含有量が０．１質量％以上５質量％以下であり、残部がスズおよび不可避不純物からなるものである。なお、ビスマスの含有量、銅の含有量は、ビスマス、銅およびスズの合計質量に対する質量百分率で規定したものである。
可溶合金１１に銅が含まれることによって、温度ヒューズの動作温度のばらつきを大幅に低減できる。可溶合金１１の銅の含有量は、上記範囲より少ないと、組成の均一性が保ちにくく（偏析しやすく）なり、量産時の動作温度の再現性がとりにくくなる傾向にある。可溶合金１１の銅の含有量は、上記範囲より多いと可溶合金を押し出し成型等で加工する際、脆くなり、押し出し時にポロポロと砕けてしまう等の問題が生じてしまう。可溶合金１１の銅の含有量は、０．５質量％以上４質量％以下であることが好ましい。銅の含有量を０．５質量％以上にすることによって、より組成の均一性が保ちやすく（より偏析しにくく）なる。銅の含有量を４質量％以下にすることによって、押し出し成型が可能になる等、可溶合金の加工性をより向上できる。０．５質量％以上２質量％以下であることがより好ましい。銅の含有量を２質量％以下にすることによって、押し出し成型が容易に可能になる等、可溶合金の加工性をさらに向上できる。
可溶合金１１のビスマスの含有量は、本発明の目的である比較的高温の動作温度（例えば、１８０℃〜２００℃）に調整する観点から上記範囲に規定されている。可溶合金１１のビスマスの含有量は、２０質量％以上３０質量％以下であることが好ましい。ビスマスの含有量を２０質量％以上にすることによって、動作温度が２００℃を超えないように調整することができる。可溶合金１１のビスマスの含有量は、２０質量％以上２５質量％以下であることがより好ましい。ビスマスの含有量を２５質量％以下にすることにより、機械的強度が高まり、生産時のさらなる不良率低減に寄与でき、また、可溶合金１１を機器へ組み込む際のハンドリングが容易になる。
（可溶合金の調製方法）
可溶合金１１は、本技術の技術分野における通常の溶融手段を用いることにより調製することが可能である。例えば、可溶合金１１の所望の組成に対応する重量で秤取ったスズ、ビスマスおよび銅を加熱中の容器に入れて溶融させること等により、可溶合金１１を調製することができる。この場合、部分的に合金を用いてもよい。これらの金属は従来の何れの溶融技術を用いても溶融できる。可溶合金１１を調製の際には、これらの金属はすべて液体になるまで加熱される。
可溶合金１１は、本技術の技術分野における通常の溶融手段を用いることにより調製することが可能である。例えば、可溶合金１１の所望の組成に対応する重量で秤取ったスズ、ビスマスおよび銅を加熱中の容器に入れて溶融させること等により、可溶合金１１を調製することができる。この場合、部分的に合金を用いてもよい。これらの金属は従来の何れの溶融技術を用いても溶融できる。可溶合金１１を調製の際には、これらの金属はすべて液体になるまで加熱される。
（特殊樹脂）
特殊樹脂１２としては、例えば、ロジン等を主成分とする樹脂等を用いることができる。
特殊樹脂１２としては、例えば、ロジン等を主成分とする樹脂等を用いることができる。
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。なお、本発明は、下記の実施例の構成に限定されるものではない。
＜実施例１＞
下記組成の可溶合金を調製した。次に、この可溶合金を例えば押し出し成型によって線状に加工して線材を作製した。次に、この線材を用いた図１Ａに示す温度ヒューズを作製した。
（可溶合金の組成）
Ｓｎ：６９.８５質量％
Ｂｉ：３０.００質量％
Ｃｕ：０．１５質量％
なお、温度ヒューズの構成部材の詳細は次の通りである。
リード線：錫（スズ）メッキ軟銅線
特殊樹脂：ロジン系フラックス
絶縁ケース：アルミナケース（アキシャル型）
封止材：エポキシ樹脂
下記組成の可溶合金を調製した。次に、この可溶合金を例えば押し出し成型によって線状に加工して線材を作製した。次に、この線材を用いた図１Ａに示す温度ヒューズを作製した。
（可溶合金の組成）
Ｓｎ：６９.８５質量％
Ｂｉ：３０.００質量％
Ｃｕ：０．１５質量％
なお、温度ヒューズの構成部材の詳細は次の通りである。
リード線：錫（スズ）メッキ軟銅線
特殊樹脂：ロジン系フラックス
絶縁ケース：アルミナケース（アキシャル型）
封止材：エポキシ樹脂
＜実施例２＞
下記組成の可溶合金を調製したこと以外は、実施例１と同様にして温度ヒューズを作製した。
（可溶合金の組成）
Ｓｎ：７９．７０質量％
Ｂｉ：２０．００質量％
Ｃｕ：０．３０質量％
下記組成の可溶合金を調製したこと以外は、実施例１と同様にして温度ヒューズを作製した。
（可溶合金の組成）
Ｓｎ：７９．７０質量％
Ｂｉ：２０．００質量％
Ｃｕ：０．３０質量％
＜実施例３＞
下記組成の可溶合金を調製したこと以外は、実施例１と同様にして温度ヒューズを作製した。
（可溶合金の組成）
Ｓｎ：８４．６０質量％
Ｂｉ：１５．００質量％
Ｃｕ：０．４０質量％
下記組成の可溶合金を調製したこと以外は、実施例１と同様にして温度ヒューズを作製した。
（可溶合金の組成）
Ｓｎ：８４．６０質量％
Ｂｉ：１５．００質量％
Ｃｕ：０．４０質量％
＜実施例４＞
下記組成の可溶合金を調製したこと以外は、実施例１と同様にして温度ヒューズを作製した。
（可溶合金の組成）
Ｓｎ：９４．５０質量％
Ｂｉ：５．００質量％
Ｃｕ：０．５０質量％
下記組成の可溶合金を調製したこと以外は、実施例１と同様にして温度ヒューズを作製した。
（可溶合金の組成）
Ｓｎ：９４．５０質量％
Ｂｉ：５．００質量％
Ｃｕ：０．５０質量％
＜実施例５＞
下記組成の可溶合金を調製したこと以外は、実施例１と同様にして温度ヒューズを作製した。
（可溶合金の組成）
Ｓｎ：８９．５０質量％
Ｂｉ：１０．００質量％
Ｃｕ：０．５０質量％
下記組成の可溶合金を調製したこと以外は、実施例１と同様にして温度ヒューズを作製した。
（可溶合金の組成）
Ｓｎ：８９．５０質量％
Ｂｉ：１０．００質量％
Ｃｕ：０．５０質量％
＜実施例６＞
下記組成の可溶合金を調製したこと以外は、実施例１と同様にして温度ヒューズを作製した。
（可溶合金の組成）
Ｓｎ：８０．００質量％
Ｂｉ：１９．５０質量％
Ｃｕ：０．５０質量％
下記組成の可溶合金を調製したこと以外は、実施例１と同様にして温度ヒューズを作製した。
（可溶合金の組成）
Ｓｎ：８０．００質量％
Ｂｉ：１９．５０質量％
Ｃｕ：０．５０質量％
＜実施例７＞
下記組成の可溶合金を調製したこと以外は、実施例１と同様にして温度ヒューズを作製した。
（可溶合金の組成）
Ｓｎ：７４．５０質量％
Ｂｉ：２５．００質量％
Ｃｕ：０．５０質量％
下記組成の可溶合金を調製したこと以外は、実施例１と同様にして温度ヒューズを作製した。
（可溶合金の組成）
Ｓｎ：７４．５０質量％
Ｂｉ：２５．００質量％
Ｃｕ：０．５０質量％
＜実施例８＞
下記組成の可溶合金を調製したこと以外は、実施例１と同様にして温度ヒューズを作製した。
（可溶合金の組成）
Ｓｎ：７５．００質量％
Ｂｉ：２３．０質量％
Ｃｕ：２．００質量％
下記組成の可溶合金を調製したこと以外は、実施例１と同様にして温度ヒューズを作製した。
（可溶合金の組成）
Ｓｎ：７５．００質量％
Ｂｉ：２３．０質量％
Ｃｕ：２．００質量％
＜実施例９＞
下記組成の可溶合金を調製したこと以外は、実施例１と同様にして温度ヒューズを作製した。
（可溶合金の組成）
Ｓｎ：７４．００質量％
Ｂｉ：２２．００質量％
Ｃｕ：４．００質量％
下記組成の可溶合金を調製したこと以外は、実施例１と同様にして温度ヒューズを作製した。
（可溶合金の組成）
Ｓｎ：７４．００質量％
Ｂｉ：２２．００質量％
Ｃｕ：４．００質量％
＜比較例１＞
下記組成の可溶合金を調製したこと以外は、実施例１と同様にして温度ヒューズを作製した。
（可溶合金の組成）
Ｓｎ：８０．００質量％
Ｂｉ：２０．００質量％
下記組成の可溶合金を調製したこと以外は、実施例１と同様にして温度ヒューズを作製した。
（可溶合金の組成）
Ｓｎ：８０．００質量％
Ｂｉ：２０．００質量％
＜比較例２＞
下記組成の可溶合金を調製したこと以外は、実施例１と同様にして温度ヒューズを作製した。
（可溶合金の組成）
Ｓｎ：７４．００質量％
Ｂｉ：２０．００質量％
Ｃｕ：６．００質量％
下記組成の可溶合金を調製したこと以外は、実施例１と同様にして温度ヒューズを作製した。
（可溶合金の組成）
Ｓｎ：７４．００質量％
Ｂｉ：２０．００質量％
Ｃｕ：６．００質量％
（動作温度の測定、判定）
各実施例および比較例について、複数個（例えば１００個）のサンプルの温度ヒューズの動作温度（溶断温度）を測定し、温度ヒューズの動作温度の平均値（ＡＶＥ（℃））、温度ヒューズの動作温度の最大値および最小値の差（範囲＝Ｒ（℃））、温度ヒューズの動作温度の標準偏差（σ（℃））を求めた。測定および判定結果を表１に示す。
判定は下記基準で行った。
○：σが２．５℃以下、且つ、Ｒが１０℃以内、且つ、未動作品がない
×：σが２．５℃を超える、Ｒが１５℃を超える、若しくは未動作品が多数発生する、または、組み立て作業工程で作業が困難
各実施例および比較例について、複数個（例えば１００個）のサンプルの温度ヒューズの動作温度（溶断温度）を測定し、温度ヒューズの動作温度の平均値（ＡＶＥ（℃））、温度ヒューズの動作温度の最大値および最小値の差（範囲＝Ｒ（℃））、温度ヒューズの動作温度の標準偏差（σ（℃））を求めた。測定および判定結果を表１に示す。
判定は下記基準で行った。
○：σが２．５℃以下、且つ、Ｒが１０℃以内、且つ、未動作品がない
×：σが２．５℃を超える、Ｒが１５℃を超える、若しくは未動作品が多数発生する、または、組み立て作業工程で作業が困難
実施例１〜実施例９では、ビスマスの含有量が５質量％以上３０質量％以下であり、銅の含有量が０．１質量％以上５質量％以下であり、残部がスズおよび不可避不純物からなる可溶合金を用いているため、判定結果が良好であった。一方、比較例１では、σが２．５℃を超え、未動作品が多数発生した。比較例２では、可溶合金の押し出し成型ができないため、組み立てできず評価を行うまでには至らなかった。
２．変形例
本発明は、上述した本発明の一実施の形態および実施例に限定されるものでは無く、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。
本発明は、上述した本発明の一実施の形態および実施例に限定されるものでは無く、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。
例えば、上述の一実施の形態および実施例において挙げた数値、構造、形状、材料、原料、製造プロセス等はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構造、形状、材料、原料、製造プロセス等を用いてもよい。
また、上述の一実施の形態および実施例の構成、方法、工程、形状、材料および数値等は、本発明の主旨を逸脱しない限り、互いに組み合わせることが可能である。
上述の一実施の形態では、アキシャル型の可溶合金型温度ヒューズについて説明したが、本発明は、ラジアル型の可溶合金型温度ヒューズ等の他のタイプの可溶合金型温度ヒューズにも適用可能である。また、例えば、リード線１４として、銀メッキリード線、錫メッキ鋼線等を用いてもよい。
１１・・・可溶合金、１２・・・特殊樹脂、１３・・・ヒューズ素子、１４・・・リード線、１５・・・絶縁ケース、１６・・・封止材
Claims (6)
- ビスマスと、
銅と、
スズおよび不可避不純物からなる残部と
からなり、
前記ビスマスの含有量は、２０質量％以上３０質量％以下であり、
前記銅の含有量は、０．１質量％以上５質量％以下である温度ヒューズ用可溶合金。 - 前記銅の含有量は、０．５質量％以上４質量％以下である請求項１に記載の温度ヒューズ用可溶合金。
- 前記銅の含有量は、０．５質量％以上２質量％以下である請求項１〜２の何れか一項に記載の温度ヒューズ用可溶合金。
- 前記ビスマスの含有量は、２０質量％以上２５質量％以下である請求項１〜３の何れか一項に記載の温度ヒューズ用可溶合金。
- 請求項１〜４の何れか一項に記載の温度ヒューズ用可溶合金を含む温度ヒューズ用線材。
- 請求項１〜４の何れか一項に記載の温度ヒューズ用可溶合金を含む温度ヒューズ用線材を有する温度ヒューズ素子を備えた温度ヒューズ。
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