JP7010706B2 - ヒューズ素子 - Google Patents
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Description
本技術に係るヒューズ素子1は、小型且つ高定格のヒューズ素子を実現するものであり、平面寸法が3~5mm×5~10mm、高さが2~5mmと小型でありながら、抵抗値が0.2~1mΩ、50~150A定格と高定格化が図られている。なお、本発明は、あらゆるサイズ、抵抗値及び電流定格を備えるヒューズ素子に適用することができるのはもちろんである。
ケース3は、例えばエンジニアリングプラスチック、アルミナ、ガラスセラミックス、ムライト、ジルコニアなどの絶縁性を有する部材によって形成することができ、また、ケース3は、モールド成型、粉体成型等、材料に応じた製法によって製造される。
ヒューズエレメント2を収容するケース3は、ヒューズエレメント2を収容する収納空間8を有し、ヒューズエレメント2に面する内壁表面8aの少なくとも一部に、ヒューズエレメント2が溶断する際に発生する溶融飛散物を捕捉する樹脂部4を有する。樹脂部4は、例えば内壁表面8aのケース3に収容されたヒューズエレメント2の通電方向の中間位置と対向する位置に、ヒューズエレメント2の通電方向と直交する方向にわたって、すなわち、ヒューズエレメント2の周囲を囲む内壁表面8aの全周にわたって形成されている。これにより、樹脂部4は、収納空間8内において、ヒューズエレメント2を中空で支持する一対の導出口7、7間に亘る内壁表面8aを、上記ヒューズエレメントの通電方向と直交する方向に遮るように形成される。
ここで、ヒューズエレメント2は、電流定格の向上に伴い、過電流による自己発熱遮断時の発熱量も多くなることから、ケース3に対する熱影響も増してくる。例えば、ヒューズ素子の電流定格が100Aレベルに上昇し、且つ定格電圧が60Vレベルに上昇すると、電流遮断時のアーク放電によりケース3のヒューズエレメント2と対向する表面や樹脂部4が炭化して、リーク電流が流れて絶縁抵抗が低下したり、発火して素子筐体が破損し、あるいは搭載基板からズレたり、脱落したりする事象も懸念される。
また、ケース3は、上述したように、中空で保持されたヒューズエレメント2を局所的に過熱、溶断させ、溶融飛散物の量及び付着領域を限定的なものに抑える点で、熱伝導性に優れるセラミック材料により形成されることが好ましい。一方で、セラミック材料からなるケース3は、熱伝導率に優れるがゆえに、ケース3の内壁表面8aに高熱の溶融飛散物11が付着すると急速に冷やされ、図2(B)に示すように、溶融飛散物11の堆積層が形成されやすく、堆積した溶融飛散物11を介してヒューズエレメント2の端子部2a,2b間にわたるリーク電流が発生するおそれがある。
図4(A)はアルミナ(セラミック材料)からなるケースの内壁表面を写したSEM画像であり、図4(B)はアルミナ(セラミック材料)からなるケースにヒューズエレメント2の溶融飛散物11が付着した状態を写したSEM画像であり、図4(C)はアルミナ(セラミック材料)からなるケースにヒューズエレメント2の溶融飛散物11が付着した状態をさらに拡大して写したSEM画像である。図5(A)はナイロン46(ナイロン系樹脂材料)からなるケースの内壁表面を写したSEM画像であり、図5(B)は、ナイロン46(ナイロン系樹脂材料)からなるケースにヒューズエレメント2の溶融飛散物11が付着した状態を写したSEM画像であり、図5(C)は、ナイロン46(ナイロン系樹脂材料)からなるケースにヒューズエレメント2の溶融飛散物11が付着した状態をさらに拡大して写したSEM画像である。
次いで、ヒューズエレメント2について説明する。ヒューズエレメント2は、ハンダ又はSnを主成分とするPbフリーハンダ等の低融点金属、若しくは低融点金属と高融点金属の積層体である。例えば図6に示すように、ヒューズエレメント2は、内層と外層とからなる積層構造体であり、内層として低融点金属層9、低融点金属層9に積層された外層として高融点金属層10を有する。
また、図7に示すように、ヒューズエレメント2は、溶融した低融点金属の流動を抑え、変形を規制する変形規制部6を設けてもよい。これにより大面積化することで高定格化、低抵抗化されたヒューズエレメント2においても、リフロー加熱時等において低融点金属の流動による変形を抑制し、溶断特性の変動を防止することができる。
なお、ヒューズ素子1は、高融点金属層10又は低融点金属層9の酸化防止と、溶断時の酸化物除去及びハンダの流動性向上のために、ヒューズエレメント2の表面や裏面に図示しないフラックスをコーティングしてもよい。
このようなヒューズ素子1は、図8(A)に示す回路構成を有する。ヒューズ素子1は、端子部2a,2bを介して外部回路に実装されることにより、当該外部回路の電流経路上に組み込まれる。ヒューズ素子1は、ヒューズエレメント2に所定の定格電流が流れている間は、自己発熱によっても溶断することがない。そして、ヒューズ素子1は、定格を超える過電流が通電するとヒューズエレメント2が自己発熱によってヒューズエレメント2がアーク放電の発生を伴って溶断し、端子部2a,2b間を遮断することにより、当該外部回路の電流経路を遮断する(図8(B))。
次いで、本技術が適用されたヒューズ素子の変形例について説明する。なお、以下の説明において、上述したヒューズ素子1と同一の構成については、同一の符号を付してその詳細を省略する。本発明が適用されたヒューズ素子20は、図9(A)(B)に示すように、ベース部材21と、ベース部材21の表面21a上に実装されるヒューズエレメント2と、ヒューズエレメント2が実装されたベース部材21の表面21a上を覆い、ベース部材21とともにヒューズエレメント2を収容する素子筐体28を構成するカバー部材22とを備える。
また、図9に示すように、ヒューズ素子20は、ケース3の外部に導出されているヒューズエレメント2の端子部2a,2bを、ベース部材21の側面に沿うように屈折させてもよい。ヒューズエレメント2は、端子部2a,2bを屈折させることによりベース部材21の側面に嵌合されるとともに、端子部2a,2bがベース部材21の底面側へ向けられる。これにより、ヒューズ素子1は、ベース部材21の底面が実装面とされ、端子部2a,2bが外部回路基板の接続電極と接続されることにより、表面実装が可能となる。
また、本技術は、図13(A)(B)に示すように、ベース部材21に発熱体41を設けたヒューズ素子40に適用することもできる。なお、以下の説明において、上述したヒューズ素子1,20と同一の部材については同一の符号を付してその詳細を省略する。本発明が適用されたヒューズ素子40は、ベース部材21と、ベース部材21に積層され、絶縁部材42に覆われた発熱体41と、ベース部材21の両端に形成された第1の電極24及び第2の電極25と、ベース部材21上に発熱体41と重畳するように積層され、発熱体41に電気的に接続された発熱体引出電極45と、両端が第1、第2の電極24,25にそれぞれ接続され、中央部が発熱体引出電極45に接続されたヒューズエレメント2とを備える。そして、ヒューズ素子40は、ベース部材21とカバー部材22とは、互いに接着もしくは嵌合することにより素子筐体28を構成する。また、カバー部材22は、上述したように、内壁表面の少なくとも一部に、上述した樹脂部4が形成されている。
また、ヒューズ素子40は、高融点金属層10又は低融点金属層9の酸化及び硫化防止と、溶断時の酸化物及び硫化物除去及びハンダの流動性向上のために、ヒューズエレメント2の表面や裏面にフラックス47をコーティングしてもよい。フラックス47をコーティングすることにより、ヒューズ素子40の実使用時において、低融点金属層9(例えばハンダ)の濡れ性を高めるとともに、低融点金属が溶解している間の酸化物及び硫化物を除去し、高融点金属(例えばAg)への溶食作用を用いて溶断特性を向上させることができる。
本発明が適用されたヒューズ素子40は、図14に示すような回路構成を有する。すなわち、ヒューズ素子40は、発熱体引出電極45を経て一対の端子部2a,2b間にわたって直列接続されたヒューズエレメント2と、ヒューズエレメント2の接続点を介して通電して発熱させることによってヒューズエレメント2を溶融する発熱体41とからなる回路構成である。そして、ヒューズ素子40は、ヒューズエレメント2の両端部に設けられた端子部2a,2b及び第2の発熱体電極49と接続された発熱体給電電極49aが、外部回路基板に接続される。これにより、ヒューズ素子40は、ヒューズエレメント2が端子部2a,2bを介して外部回路の電流経路上に直列接続され、発熱体41が発熱体給電電極49aを介して外部回路に設けられた電流制御素子と接続される。
このような回路構成からなるヒューズ素子40は、外部回路の電流経路を遮断する必要が生じた場合に、外部回路に設けられた電流制御素子によって発熱体41が通電される。これにより、ヒューズ素子40は、発熱体41の発熱により、外部回路の電流経路上に組み込まれたヒューズエレメント2が溶融され、ヒューズエレメント2の溶融導体が、濡れ性の高い発熱体引出電極45及び第1、第2の電極24,25に引き寄せられることによりヒューズエレメント2が溶断される。これにより、ヒューズエレメント2は、確実に端子部2a~発熱体引出電極45~端子部2bの間で溶断され(図14(B))、外部回路の電流経路を遮断することができる。また、ヒューズエレメント2が溶断することにより、発熱体41への給電も停止される。
Claims (13)
- ヒューズエレメントと、
上記ヒューズエレメントを収容するケースとを有し、
上記ケースは、上記ヒューズエレメントを収容する内部に面する内壁表面の少なくとも一部に、上記ヒューズエレメントの溶断に伴う熱により表面が溶融する樹脂部を有し、
上記樹脂部は、ナイロン系又はフッ素系の樹脂材料を用いて形成されているヒューズ素子。 - ヒューズエレメントと、
上記ヒューズエレメントを収容するケースとを有し、
上記ケースは、上記ヒューズエレメントを収容する内部に面する内壁表面の少なくとも一部に、上記ヒューズエレメントの溶融飛散物を捕捉する樹脂部を有し、
上記樹脂部は、ナイロン系又はフッ素系の樹脂材料を用いて形成されているヒューズ素子。 - 上記樹脂部に捕捉された上記溶融飛散物は、不連続状態である請求項2に記載のヒューズ素子。
- 上記ケースは、セラミック材により形成されている請求項1~3のいずれか1項に記載のヒューズ素子。
- 上記樹脂部は、耐トラッキング性が250V以上である材料からなる請求項1~4のいずれか1項に記載のヒューズ素子。
- 上記樹脂部は、耐トラッキング性が600V以上である材料からなる請求項1~4のいずれか1項に記載のヒューズ素子。
- 上記樹脂部は、融点が400℃以下である材料からなる請求項1~3のいずれか1項に記載のヒューズ素子。
- 上記樹脂部は、熱伝導率が1W/m・K以下である材料からなる請求項1~3のいずれか1項に記載のヒューズ素子。
- 上記ケースは、上記ヒューズエレメントの通電方向に離間した2か所を支持し、当該支持された部位の間を中空で支持する請求項1~8のいずれか1項に記載のヒューズ素子。
- 上記ケースは、上記内壁の上記支持された部位の間を、上記ヒューズエレメントの通電方向と直交する方向に遮るように、上記樹脂部が形成されている請求項9に記載のヒューズ素子。
- 上記樹脂部は、上記内壁表面の全面に形成されている請求項1~10のいずれか1項に記載のヒューズ素子。
- 上記ヒューズエレメントは、内層を低融点金属層、外層を高融点金属層とする積層体である請求項1~11のいずれか1項に記載のヒューズ素子。
- 発熱体を備え、
上記ヒューズエレメントは、上記発熱体が通電することによる発熱により溶断される請求項1~12のいずれか1項に記載のヒューズ素子。
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