JPH08509573A - 電気ヒューズ及び保護回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この発明は電気的保護回路に関するものであって、はんだ接合体（３）を含む電気ヒューズと、ヒューズ（１）に直列に接続された電気抵抗ループ（１０）とを具備し、ヒューズ及びループが基板に実装された保護回路である。はんだ接合体（３）は基板（１１）の加熱によって生ずる高温において溶融するようにされ、周囲空気の酸化作用からはんだ接合体（３）を保護する材料（８）によって包囲され、材料（８）ははんだ接合体（３）を包囲する領域に堆積され、障壁（７）によってその範囲を画定され、それによって、はんだ接合体（３）は溶融すると接続端子（４ａ、４ｂ）上に収縮し、その結果、電流経路を遮断する。材料（８）は通常のヒューズ動作温度では固体状態であって温度安定である。抵抗ループ（１０）は、橋絡素子（１３）によって相互に接続された電流伝導経路とループの抵抗を調節するためのトリミング素子（１４）とを具備し、橋絡素子（１３）の電気抵抗は電流伝導経路（１２）の電気抵抗よりも極めて小さい。

Description

【発明の詳細な説明】 電気ヒューズ及び保護回路 技術分野 この発明は、電気ヒューズ及びヒューズに直列に接続された抵抗ループを具備 し、そのヒューズ及びループは基板に実装されている形式の電気的保護回路の分 野に関するものである。この保護回路を電気通信システムの電線路インタフェー スボードに使用すれば有利である。 背景技術 電気通信システムの電話線は、いわゆる電線路インタフェースボードという手 段によって電話交換中枢すなわち電話切換中枢に接続され、この電線路インタフ ェースボードは、音声の受信及び送信、受話器の昇降の監視、及び電話呼出信号 の送信といった電線路機能を具備する。電線路インタフェースボードは電話線の 直近に配設される電気回路を具備するから、雷撃によって電話線に誘起される電 圧や電圧供給電力回路網における直接短絡から電気回路を保護しなければならな い。 過電圧に対する保護機能に求められる要件は、気候、布設規則等に応じて国に よって様々である。例えば、ある国では、電力ケーブルと電話ケーブルとは一つ の同一架線ダクト内に布設される。不適切な環境下においては、電力線と電話線 との間で短絡が起こることがある。 電話線を介して侵入し易い有害な過電圧は、次に示すように、３種の異なるグ ループに区分できる。 １．最も高頻度には１ミリ秒未満の持続時間を有し、最も高頻度には２，５００ ボルト未満のピーク電圧を有する雷放電誘導パルス。 ２．電力線と電話線との間における２２０ボルトと６００ボルトの間の電圧によ って起こり、数時間に及ぶ短絡。 ３．電気通信システム内の５０ボルトの供給電圧によって起こり、数時間に及ぶ 内部短絡。 放電管、サーミスタ、及び抵抗は、このような過電圧から保護するために用い られるヒューズの例である。 規定される必須条件は、過電圧のタイプが異なれば、異なってくる。第１のグ ループに属する過電圧、すなわち雷放電誘導パルス、の場合は、回路は略１００ パルスに対して損傷されることなく耐え得るものでなければならない。第２のグ ループに属する過電圧、電力線と電話線との間の短絡、の場合は、電線路インタ フェースボード上にある構成部品もしくは回路のうちの一つはヒューズとして作 用して、電気通信システムのボードその他の部品が重大な損傷を被る前に電流経 路を遮断する必要がある。十分な熱が発生すれば、ヒューズとして作用する構成 部品は熱分解し、それによって電流経路を遮断して所望の安全機能をもたらす。 第３のグループに属する過電圧、すなわち電気通信システム電圧供給回路内の内 部短絡、の場合は、構成部品は所定の限定時間のわたって損傷されることなく耐 え得るものであって、比較的長時間の短絡に対しては安全機能を開始できるもの でなければならない。この場合は、短絡電流は小さいから、構成部品内部に発生 する熱は少なくなろう。しかし、比較的長時間にわたって熱が発生すれば、構成 部品が熱せられて所望の安全機能が有効に作用するようになろう。 ある種の過負荷はヒューズ機能付抵抗で対処できることは周知である。米国特 許明細書第３，９７８，４４３号は、基板に実装された接続板間をつなぐ抵抗の 形態をとった過負荷保安器を教示している。十分に大きな電流が抵抗を流れれば 、抵抗と基板は加熱される。基板は、脆性材料、例えばセラミック材料、から作 られており、それゆえに高温では亀裂を生じる。ヒューズは基板が亀裂を生ずる ように構成され、それによって電流経路が遮断されて所望の安全機能が起動する ようになっている。 抵抗回路網内の２つのはんだ端子間にはんだ付けされた小型の金属タブもしく ははんだ合金のワイヤの小片を利用して、ヒューズを作ることも周知である。ワ イヤもしくはタブは便宜的には低融点はんだからなる。抵抗回路網の基板が抵抗 から放出される熱によって加熱され、はんだははんだ端子上に向けて収縮し、そ れによって電流経路の遮断と所望の安全機能を生ずる。 この方法に関して生ずる一つの問題は、ヒューズに用いられたはんだが熱せら れて酸化することである。負荷の性質によっては、はんだは比較的長時間にわた って比較的高温に熱せられ、はんだがかなり酸化されると、所望の安全機能は有 効に作用できなくなる。これは、はんだの周囲の表面酸化物すなわち酸化膜が非 常に強固なので溶融はんだがはんだ端子上に収縮できなくなり、それによって所 望の安全機能の起動を妨げるからである。このことは、原理的には、加熱された 際に表面酸化物が初期の形態を保持するはんだを生ずることを意味する。実際の はんだが溶融することは事実であるが、そのはんだは収縮せず回路は遮断されな いのである。 米国特許明細書第４，９７３，９３２号は電気ヒューズを教示している。この ヒューズは短絡ヒューズとヒューズ付カットオフを具備する。ヒューズ付カット オフは部分的に熱可塑性材料で被覆され、過負荷時にはヒューズのはんだ接合体 に生ずる空洞に熱可塑性材料が溶け込み、ヒューズを塑性溶込みさせた結果とし てそこで電流経路が遮断される。 発明の開示 本発明の目的は、過電圧すなわち過剰な電圧を防ぎ、かつ空気の酸化作用を受 けないヒューズを具備するとともにヒューズに直列に接続されて例えば雷放電誘 導パルスのような誘導パルスを防ぐ抵抗ループを更に具備した保護回路を提供す ることである。この目的は、温度安定材料を利用して高温において空気の酸化作 用から保護されるはんだ接合体を具備するヒューズ付カットオフと、誘導パルス のエネルギーを吸収し、それによってパルスを減衰させる抵抗ループをヒューズ に付加することによって達成される。 温度安定材料は、弱い融剤の性質も有しており、はんだ金属表面に形成された 酸化物を分解する。この材料がヒューズ表面に堆積され、はんだ合金の保護皮膜 を形成する。ヒューズの周囲には壁体の形態の障壁が更に形成されて、温度安定 材料がヒューズの周囲領域から散逸するのを防ぐ。 本発明によって得られる一つに利点は、ヒューズが酸化せず、それによって高 信頼性のヒューズが得られることである。別の利点は、保護回路が回路基板上に 集積できることである。 以下では、好ましい実施例と添付の図面を参照して、本発明を更に詳細に説明 する。 図面の簡単な説明 第１図は、本発明の保護回路を備えるヒューズ装置の平面図である。 第２図は、第１図のＡ−Ａ線に沿って切ったヒューズ装置の断面図である。 第３図は、第１図のヒューズ装置の安全機能起動後の平面図である。 第４図は、第３図のＢ−Ｂ線に沿って切ったヒューズ装置の断面図である。 第５図は、第１図のヒューズ装置と、ヒューズ装置に直列に接続されて誘導パ ルスを防ぐ抵抗ループとを具備した本発明の保護回路の平面図である。 発明実施の最良の形態 第１図は、２つの相互に独立したヒューズ１及び２を具備するヒューズ装置を 示す。ヒューズ装置は基板１１に実装されており、このヒューズ装置は電気通信 システムに適用されて有効である。電話線は２つの実導線を備えているので、ヒ ューズは第１図に示すように一双となっている。単純化するために、以下では第 １図の右側に示されるヒューズのみを考えることにする。 実際のヒューズははんだ接合体３を含んで成り、２つの端子４ａと４ｂとを接 続する。接続端子４ａ、４ｂは、順に電流伝導経路５ａ、５ｂに接続される。ヒ ューズが電気回路に接続されると、電流は、例えば、導線経路５ａから、対応す る接続端子４ａを通り、はんだ接合体３を通り、更に接続端子４ｂを通って、他 方の電流経路５ｂに流れる。はんだ接合体３が十分に熱せられると、はんだ接合 体は溶融して接続端子上に収縮し、それによって電流経路を遮断し、所望の安全 機能を果たす。図中には、はんだ接合体の周囲を取り巻く障壁７があって、領域 ９を画定している。次に第２図を参照して、障壁７及びその機能について更に詳 細に説明する。はんだ接合体は金属板の形態をとってもよく、各種のはんだ合金 から構成されてよい。適切な合金はスズ９６．５％と銀３．５％を含むものであ ろう。しかし、はんだは、好ましくは特殊なはんだ−ペースト混合物であって、 その混合物が接続端子にはんだ付けによって固着されると同時に、金属製電気伝 導性ヒューズを形成するように焼結される。この構造体によって得られる一つの 利点は焼結されたヒューズは細孔を備えており、その中に融剤を封入できること であり、それによって次に説明するように、はんだ接合体表面の酸化膜の分解を 助け、かつヒューズの安全機能を向上させることができる。 第２図は、第１図に示したヒューズ装置を同図のＡ−Ａ線に沿って切った断面 図である。第１図で示したように、はんだ接合体は障壁７で取り囲まれ、障壁７ はヒューズの領域すなわち範囲を画定する。第２図で示すように、障壁７によっ て画定される領域内には温度安定材料８が堆積され、障壁の内側ではこの材料に よってはんだ接合体は完全に覆われる。材料８は高温における酸化防止効果を有 する、換言すると、この材料は室温を超える温度における空気の酸化作用を防止 する。材料は弱い融剤の性質も有しており、室温ではんだ接合体の表面に形成さ れた酸化物を分解することができる。この点に関して適切な材料は、通常の動作 温度においては固体であり、高温においては液体又は流動体になる有機物である 。この種の材料は、例えば、次のグループ、すなわち、ワックス類、樹脂類、熱 可塑性材料、及び合成融剤、の中から見いだせる。好ましい融剤は、塩基性エチ レン酢酸ビニルからなる熱可塑性樹脂である。 材料８は、通常の動作温度では固体であり、材料がはんだ接合体から散逸した り、あるいは蒸発したりすることはない。電流伝導経路を大電流が流れてヒュー ズ１が熱くなると、その結果として材料８も熱せられ、それに伴って流動性を帯 びてくる。障壁７は酸化防止材８が領域９から流出するのを防ぐ。領域９には十 分な量の材料８が堆積されて、はんだ接合体全体が完全に確実に材料８で覆われ るようにする。 例えば、電話局もしくは切換中枢においては、ヒューズは長期間にわたって交 換されることなく同一場所に配置されるように計画される。この期間にヒューズ は酸化され、はんだ接合体の表面酸化物すなわち酸化膜は十分に強固になって、 通常の動作温度を超える、もしくはかなり超える、温度になっても所望の安全機 能が有効に作用しない可能性がある。表面酸化物ははんだ接合体が球状になって 接続端子上に収縮するのを妨げるので、電流伝導経路はそのまま損なわれずに残 り、所望の安全機能は失われる。はんだ接合体の酸化及び所望の安全機能を消滅 させるような強固な表面酸化物による漸進的被覆形成の問題は、はんだ接合体を 酸化防止材８で被覆することによって防止できる。 第３図は、安全機能が有効に作用した後の第１図のヒューズ装置を示す。電流 がヒューズを流れると、接続端子及びはんだ接合体に通ずる電流伝導経路の抵抗 の作用によって基板１１内に熱が発生する。この電流が十分に長い期間にわたっ て十分に大きければ、基板１１は非常に高温になり、はんだ接合体３は溶融して 、接続端子４ａ、４ｂ上に収縮して球状はんだ６ａ、６ｂを形成するようになり 、それに伴って、電流経路は遮断され、所望の安全機能が得られる。第３図では 球状はんだ６ａと６ｂとを相互に同一サイズを有するように示したが、実際には 球状はんだ６ａと６ｂとは必ずしも第３図に示すような同一サイズではなく、ま た、相称的でもないことは当然である。 はんだ接合体が収縮する理由を簡単に説明すれば、はんだの接続端子への濡れ 現象の結果として表面張力がはんだ材料を接続端子に引き寄せるからである。 第４図は、第３図に示したヒューズ装置を同図のＢ−Ｂ線に沿って切った断面 図である。第２図は、比較的十分な余裕をもって材料８で覆われたヒューズを示 す。堆積される材料８の層厚を十分に厚くして、該材料がヒューズ全体を有効に 覆うようにすることが重要である。ヒューズの安全機能が有効に作用して、はん だ接合体が接続端子上に収縮すると、第４図で曲線１８によって表されるように 、材料８は変形する。 第５図は本発明の別の実施例を示す。この場合には、装置は第１図に示したヒ ューズ付カットオフのほかに、基板１１に実装されてヒューズ付カットオフと共 に電気的保護回路を形成する抵抗ループ１０を更に具備する。この図のヒューズ 付カットオフと抵抗ループは、先述した理由と同じ理由、すなわち、この種の装 置は電話に関連した用途に好適であり、２本の実導線を含んでなる電話線を保護 するために用いられるからである。第５図の実施例の場合には、第１図に示した ヒューズ付カットオフが抵抗ループ１０と直列に接続されて、端末が接続端子１ ５及び１６にそれぞれ接続された保護回路を形成する。抵抗ループ１０は、誘導 パルス、例えば雷放電誘導パルス、を防ぐように作用する。ヒューズ装置は第１ 図で示したヒューズ１も具備しており、該ヒューズは前述と同様にヒューズ付カ ットオフであって、基板１１が十分に熱せられると電流経路を遮断する。したが って、この実施例は前述のヒューズ付カットオフに加えて、抵抗ループの形態の 保護機能を具備するものである。 抵抗ループ１０は、所定の所望の抵抗、例えば２０オームの抵抗、を有する電 流伝導経路を具備する。電流伝導経路は一平面内で延び、他の伝導路と相互に交 差することはない。抵抗ループ１０は、ループ１０の一方の端末に侵入するパル スに含まれるエネルギーを吸収する。 抵抗ループ１０は、橋絡素子１３にそれぞれの端末を接続されてコヒーレント ループが得られるようにされた複数の電流伝導経路１２を具備する。電流伝導経 路は実抵抗を形成している。電流伝導経路１２の端末における電流集束を避ける ために、橋絡素子１３内の抵抗は電流伝導経路１２内の抵抗よりも格段に小さい 。橋絡素子１３内の抵抗が電流伝導経路１２内の抵抗と等しい大きさであれば、 電流は経路１２と素子１３の間の角部に集束する結果となる。したがって、素子 １３は経路１３よりも低抵抗を有して、電流が一つの電流伝導経路から他の電流 伝導経路に向けて通過する際に、電流が均一に分布するようにする。 第５図に示すように、若干の電流伝導経路１２は、１個もしくはそれ以上のト リミング素子１４に対をなして接続される。端子１６と４ｂとをつなぐループ１ ０内の総抵抗は、所要数のトリミング素子１４をはずすことによって調節可能で ある。トリミング素子をはずす、すなわち解放するためには、単にトリミング素 子を切断すればよい。トリミングを行う目的は、ひとつには抵抗ループ内の抵抗 に関して所望の許容度を実現するためであり、ひとつには第５図における抵抗ル ープ１０と他の対応する抵抗ループとに同じ抵抗を与えて２つの抵抗ループ間の 抵抗値の比率に関して所望の許容度を実現するためである。例えば、ループ１０ 内の抵抗は２０オーム（許容度１％）であり、２つのループ間の抵抗値の比率は １（許容度０．１％）である。トリミング素子１４は橋絡素子１３と同じ形式を 有する。 第５図の実施例は、電話線を介して侵入する過電圧に対する保護回路として作 用する。この保護回路は、持続時間が大抵の場合１ミリ秒未満であってピーク電 圧が最大頻度で２，５００ボルト未満である雷放電誘導パルスに対する保護と、 部分的には５０ボルトの電気通信システム供給電圧の内部短絡に対する保護とを 行う。これらの短絡は最大頻度で数時間にわたって発生する。 雷放電誘導パルスは持続時間が短いから、ヒューズが長時間熱せられてはんだ 接合体３を溶融し、それによって安全機能を誘発させる危険はない。 ヒューズ及び保護回路は回路板に容易に集積でき、極めて小さな寸法である。 ヒューズ１は幅１ｍｍで長さ３ｍｍを有するように容易に製作できる。ループ１ ０は、それよりも幾分広い空間を占めるが、やはり極く小型に製作できる。この ヒューズ及び保護回路はバッチ生産に好適である。 このヒューズ及び保護回路は一双をなし、しかも各電話線には２つのヒューズ と２つの保護回路が必要であるから、本発明のヒューズ及び保護回路は電気通信 システムの電線路インタフェースボードに有効に使用できる。 基板１１はセラミック材料からなるものでもよい。この点に関して適切な材料 は、９０〜１００％の酸化アルミニウムを含有するセラミック基板である。 本発明は前述の説明で開示した実施例に限定されるものではなく、次に示す請 求の範囲内において種々の変形が可能なことは当然である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．電気ヒューズ（１）及び前記ヒューズ（１）に直列に接続された電気抵抗 ループ（１０）を具備してなる電気的保護回路において、 前記のヒューズ及びループは基板（１１）に実装され、 前記ヒューズは、接続端子（４ａ、４ｂ）をつなぐ電流直列回路内の抵抗とし て接続されて基板（１１）の加熱によって生ずる高温で溶融するはんだ接合体（ ３）を具備し、 前記はんだ接合体（３）は、前記はんだ接合体の周囲空気による酸化作用を防 止する材料（８）によって包囲され、それによって前記はんだ接合体（３）は溶 融時に接続端子（４ａ、４ｂ）上に収縮して電流経路を遮断できるようになり、 前記材料（８）は、通常のヒューズ動作温度において固体状態で温度安定であ って、ワックス類、樹脂類、熱可塑性材料及び合成融剤からなる群から選ばれる 材料もしくはその組合せからなり、 前記材料（８）は室温においても高温においても空気の酸化作用を防止するこ とと、 前記材料（８）は前記はんだ接合体（３）を包囲する領域すなわち範囲（９） に堆積されることと、 前記領域（９）は、前記材料（８）が前記領域（９）から流出することを防止 する障壁（７）によって画定されることと、 前記抵抗ループ（１０）は、橋絡素子（１３）によって相互に接続された電流 伝導経路（１２）を備えることと、 前記橋絡素子（１３）の電気抵抗は、前記電流伝導経路（１２）の電気抵抗よ りも極めて小さいことと、 前記抵抗ループ（１０）は、前記抵抗ループ（１０）の抵抗を調節するための トリミング素子（１４）を備えることと、 を特徴とする保護回路。 ２．請求項１記載の保護回路であって、 前記材料（８）は塩基性エチレン酢酸ビニルからなる熱可塑性材料であること を特徴とする保護回路。 ３．請求項１記載の保護回路であって、 前記抵抗ループ（１０）とヒューズ（１）は一双をなし、前記トリミング素子 （１４）は前記の一双をなす抵抗ループ（１０）の抵抗値を調節するために使用 されて、前記抵抗値は完全に同一にされることを特徴とする保護回路。