(57)【要約】      （修正有）【課題】鉛やカドミウムを含まない合金型感温素子材料を提供する。【解決手段】第１は、インジウムが５２±５重量％、残部が錫で構成される合金１００重量部に対し、亜鉛が１重量部以上６重量部以下で添加された合金型感温素子材料およびそれを用いた温度ヒューズである。また、第２は、インジウムが５２±５重量％、残部が錫で構成される合金１００重量部に対し、亜鉛が１重量部以上５重量部未満、ビスマスが５重量部以上９重量部未満で添加された合金型感温素子材料およびそれを用いた温度ヒューズである。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
インジウムが５２±５重量％、残部が錫で構成される合金１００重量部に対し、亜鉛が１重量部以上６重量部以下で添加された組成であることを特徴とする合金型感温素子材料。
【請求項２】
インジウムが５２±５重量％、残部が錫で構成される合金１００重量部に対し、亜鉛が１重量部以上５重量部未満、ビスマスが５重量部以上９重量部未満添加された組成であることを特徴とする合金型感温素子材料。
【請求項３】
インジウムが５２±５重量％、残部が錫で構成される合金１００重量部に対し、亜鉛が１重量部以上６重量部以下で添加された組成である合金型感温素子材料が用いられたことを特徴とする温度ヒューズ。
【請求項４】
インジウムが５２±５重量％、残部が錫で構成される合金１００重量部に対し、亜鉛が１重量部以上５重量部未満、ビスマスが５重量部以上９重量部未満添加された組成である合金型感温素子材料が用いられたことを特徴とする温度ヒューズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機器や電子機器等に用いられる合金型感温素子材料およびそれを用いた温度ヒューズに関するものである。詳しくは、動作温度が概ね９０℃〜１０９℃である温度ヒューズ用の感温素子として使用する、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系合金並びにＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系合金及びそれを用いた温度ヒューズに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気電子機器（以下機器）が故障等により異常な状態となった時、場合によっては機器が高温となり、火災の原因となることがある。これを防止するために機器の異常な温度上昇を感知して電気の通電を遮断する温度ヒューズが使用されている（例えば下記の特許文献１）。
【特許文献１】特開２００１−２４３８６５
【０００３】
この温度ヒューズは、所定の温度で溶融する合金線を感温素子とし、その両端にリード線を接続し、感温素子表面にフラックスを塗布した後に容器に収納、封止した構造となっている。また、上記フラックスには、ロジンを基剤として、それに合金表面の酸化物を除去するための活性剤、並びに融点調整用に各種樹脂、ワックス等を添加したものが使用されている。上記活性剤には、各種アミン類のハロゲン化水素酸塩や各種の有機酸等が用いられる。
【０００４】
上記温度ヒューズの動作機構は次の通りである。機器が故障などにより異常な状態となり高温になると感温素子が溶融し、感温素子に塗布されたフラックスの作用で酸化物が除去され、自身の持つ表面張力の発現とリード線への濡れ作用により、溶融した感温素子がリード線端部に凝集・分断され、このことにより電気回路が遮断される。なお、この感温素子の凝集を一般に球状化と呼ぶ。
【０００５】
こういった、前述の動作機構を有する温度ヒューズでは、その動作温度は合金がフラックスの作用により球状化する温度でほぼ決定される。一方、合金の熱分析的概念で、液相温度、固相温度というファクターがあるが、当該温度ヒューズの動作温度という観点からは必ずしも重要ではない。なぜなら、その合金の組成によっては液相温度よりも低い温度で球状化が起こる場合があるからである。従って、感温素子がフラックスの作用により球状化する温度が重要なファクターであると言える。
【０００６】
また、球状化する温度と共に、球状化がスムーズに行われるかどうかも重要なファクターである。溶融した合金の流動性が悪い場合やシャーベット状の半溶融状態の場合、フラックスの作用によっても球状化の速さが遅く緩慢であり、製品ベースでの動作温度のバラツキの原因となり、またリード線間の必要な離隔距離に到達するまでの時間が長くなり、遮断時の電気的アークの増大により電気的絶縁破壊が発生し、時には製品本体が破裂する恐れがある。従って、固相温度と液相温度が同じである共晶合金が優先的に用いられてきた。
【０００７】
９０℃台で動作する合金型感温素子としては、
（１）鉛３２重量％、錫１６重量％、ビスマス５２重量％で構成される融点９６℃の公知共晶合金、（２）インジウム４４重量％、錫４２重量％、カドミウム１４重量％で構成される融点９３℃の公知共晶合金がある。
【０００８】
一方、１００℃台で動作する合金型感温素子としては、
（３）鉛２０重量％、錫３４重量％、ビスマス４６重量％で構成される融点１００℃の公知共晶合金、（４）錫２６重量％、ビスマス５４重量％、カドミウム２０重量％で構成される融点１０３℃の公知共晶合金がある。
【０００９】
ここで、上記合金を直径φ０．７ｍｍの線に押し出し加工し、長さ約５ｍｍに切断したものの両端に、直径φ０．６ｍｍの錫メッキ銅線を溶着し、この合金部にフラックスを塗布した後、外径約φ２．５ｍｍ、内径約φ１．５ｍｍ，長さ約１０ｍｍの筒状セラミックケースに挿入し、セラミックケース両端の開口部を熱硬化性エポキシ樹脂で封止したものをＩＥＣ６０６９１に規定された方法で動作温度を測定した場合、上記合金の球状化温度よりも２〜３℃高いことが知られている。従って、合金の球状化温度＋（２〜３℃）が動作温度として予想できる。
【００１０】
したがって、上記（１）の公知共晶合金を用いれば、概ね９８℃で動作するものを提供でき、（２）の公知共晶合金を用いれば、概ね９５℃程度で動作するものを提供できる。また、（３）の公知共晶合金を用いれば、概ね１０２℃程度で動作するものを提供できる、（４）の公知共晶合金を用いれば、概ね１０５℃程度で動作するものを提供できる。
【００１１】
近年、環境保全の観点から有害な物質の使用を禁止しようという動きが盛んになり、ＥＵ（欧州連合）でも「鉛を含む有害物質規制（ＲｏＨＳ指令）」において、鉛、水銀、カドミウム、六価クロムといった物質は原則的に規制対象となっており、機器に使用される配線材料、接続材科、搭載部品も上記物質を含まないものへの転換が求められている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前述の物質の規制により、今まで合金型感温素子材科として用いられてきた鉛、カドミウムが使用できなくなったため、これらを含まない合金型感温素子材料並びにこれを用いた温度ヒューズが求められている。
【００１３】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、従来用いられてきた鉛、カドミウムを含まない合金型感温素子材料並びにこれを用いた９０℃〜１００℃台で動作する温度ヒューズの提供をその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するため、本発明の第１の合金型感温素子材料は、インジウムが５２±５重量％、残部が錫で構成される合金１００重量部に対し、亜鉛が１重量部以上６重量部以下で添加された組成であることを要旨とする。
【００１５】
また、上記目的を達成するため、本発明の第２の合金型感温素子材料は、インジウムが５２±５重量％、残部が錫で構成される合金１００重量部に対し、亜鉛が１重量部以上５重量部未満、ビスマスが５重量部以上９重量部未満添加された組成であることを要旨とする。
【００１６】
上記目的を達成するため、本発明の第１の温度ヒューズは、インジウムが５２±５重量％、残部が錫で構成される合金１００重量部に対し、亜鉛が１重量部以上６重量部以下で添加された組成である合金型感温素子材料が用いられたことを要旨とする。
【００１７】
また、上記目的を達成するため、本発明の第２の温度ヒューズは、インジウムが５２±５重量％、残部が錫で構成される合金１００重量部に対し、亜鉛が１重量部以上５重量部未満、ビスマスが５重量部以上９重量部未満添加された組成である合金型感温素子材料が用いられたことを要旨とする。
【００１８】
本発明者は前述の課題のうち、１００℃台で動作する温度ヒューズを提供する手段として、インジウム−錫系の融点１１７℃〜１１９℃の共晶合金に注目した。そしてその動作温度を低下させ１００℃台で球状化させるべく、種々の試行を繰り返し、亜鉛・ビスマスを添加することで俊敏に動作する感温素子が得られることを見出し、本発明に至った。
【発明の効果】
【００１９】
従来用いられてきた鉛、カドミウムを含まない合金型感温素子材料並びにこれを用いた９０℃〜１１０℃で動作する温度ヒューズが得られた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
つぎに、本発明の実施の形態を詳しく説明する。
【００２１】
図１は、本発明が適用される温度ヒューズを示す図である。この温度ヒューズ１は、一対のリード導体２間にヒューズエレメント３が設けられている。このヒューズエレメント３は、合金型感温素子材料である低融点の可溶合金４と、この可溶合金４に塗布されたロジン系のフラックス５とで構成されている。このフラックス５は可溶合金４の酸化防止や、可溶合金４が溶断した際にその球状化分断を促すために塗布されたものである。
【００２２】
上記ヒューズエレメント３はセラミックス、絶縁性の樹脂成形品等からなる円筒状の絶縁ケース６内に収納され、かつ絶縁ケース６の両端の開口部はエポキシ樹脂等の封止樹脂７によって塞がれ、また、この封止樹脂７により一対のリード導体２、ヒューズエレメント３は固定されている。
【実施例１】
【００２３】
まず、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系合金による合金型感温素子材料について説明する。
【００２４】
本発明者は、１００℃台で動作する温度ヒューズを提供するため、インジウム−錫系で融点１１７℃〜１１９℃の２元共晶合金に着目し、インジウム５２重量％、錫４８重量％の組成比率の合金をベース合金として亜鉛を添加することにより、融点を低下させ１００℃台で球状化させることができることを見出した。
【００２５】
そして、インジウム５２重量％、錫４８重量％で構成される合金１００ｇに対して、亜鉛を１ｇから順に添加量を増やした合金をそれぞれ調整し、下記の表１に示すサンプルを得た。
【００２６】
上記各サンプルを線状に加工し、フラックスを塗布して、温度制御可能なプレートの上に置いて加熱し溶融・球状化させ、近傍のプレート表面の温度を読み取り球状化温度を測定し、球状化のスムーズ度を観測したところ、下記の表１の結果を得た。
【００２７】
【表１】
2006299289.tif 000002
【００２８】
上記表１からわかるように、インジウム（Ｉｎ）５２重量％、錫（Ｓｎ）４８重量％からなる合金１００ｇに対して亜鉛（Ｚｎ）を１〜６ｇの割合の範囲内で添加すれば１０５〜１１０℃でスムーズに球状化し、この合金を感温素子に用いれば、１０５〜１１０℃で良好に動作する温度ヒューズを提供できることがわかる。
【００２９】
このように、従来、電機電子機器のプリント配線板に用いられるハンダにおいて、亜鉛は流動化を低下させてハンダ付け性を阻害するものとされていたが、合金型感温素子の用途であれば一定量までなら問題なく球状化してスムーズに動作することが見出された。
【００３０】
なお、亜鉛の添加量が１重量部未満では、球状化温度が１１０℃以下まで低下せず、製品化したときの動作温度として１１０℃以下にならず、反対に６重量部を超えると、球状化がスムーズに起こり難くなる。
【００３１】
ただし、球状化性を低下させない範囲内での亜鉛の添加量では、後述の９０〜１００℃で動作する温度ヒューズに用いる合金型感温素子としての性能、つまり球状化温度を９０〜１００℃まで低下させることはできなかった。
【００３２】
上述したように、本発明では、インジウム５２重量％、錫４８重量％を基準の組成として構成される合金をベースとし、この合金１００重量部に対して亜鉛を１重量部以上６重量部以下添加した。
【００３３】
ここで、上記インジウム５２重量％、錫４８重量％を基準値とするベース合金は、上記基準の組成を挟んで球状化に差し支えない範囲で組成を若千の変動させて使用することができる。例えば、インジウム５４重量％、錫４６重量％としても、融点はほとんど変化せず、固液共存相の温度幅が狭いため、球状化に問題は無く使用することができる。また、インジウム５０重量％、錫５０重量％としても同様に、融点はほとんど変化せず、固液共存相の温度幅が狭いため、球状化に問題は無く使用することができる。
【００３４】
そして、上記ベースの合金は、インジウム５２±５重量％、残部が錫で構成される合金とすれば、球状化に問題は無く使用することができる。このベース合金１００重量部に対して亜鉛を１重量部以上６重量部以下添加することにより、インジウム４４．３〜５６．５重量％、錫４０．５７〜５２．５重量％、亜鉛０．９９〜５．７重量％、残部が不可避的不純物からなる組成範囲である本発明の合金型感温素子材料を得ることができた。
【実施例２】
【００３５】
つぎに、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系合金による合金型感温素子材料について説明する。
【００３６】
本発明者は前述の課題のうち９０〜１００℃で動作する温度ヒューズを提供する手段として、９０〜１００℃で球状化させるべく、ビスマス（Ｂｉ）の添加を試みた。インジウム５２重量％、錫４８重量％で構成されるベース合金１００ｇに対して、ビスマスを１ｇから順に添加量を増やした合金を調整し、下記の表２に示すサンプルを得た。
【００３７】
上記各サンプルを線状に加工し、フラックスを塗布して、温度制御可能なプレートの上に置いて加熱し溶融・球状化させ、近傍のプレート表面の温度を読み取り球状化温度を測定し、球状化のスムーズ度を観測したところ、下記の表２の結果を得た。
【００３８】
【表２】
2006299289.tif 000003
【００３９】
上記表２に示す通り、ビスマスの添加量が概ね７ｇまでであれば、１０５〜１１５℃でスムーズに球状化しており、前記亜鉛の添加と同様に１０５〜１１５℃で動作させるための合金型感温素子材料を提供することが可能であるが、ビスマスの添加量を１０ｇまで増やしても球状化温度は１００℃以下にならず、また球状化が緩慢であり採用には不適であった。１５ｇの添加でようやく球状化温度が９８℃と、９０℃台になったが、これも球状化が緩慢であり９０℃台で動作させるための合金型感温素子としての採用には不適であった。
【００４０】
そして、本発明者はさらなる鋭意研究の結果、上記ベース合金に対してビスマスと亜鉛の両方を添加することが有効であることを見出した。
【００４１】
そして、インジウム５２重量％、錫４８重量％で構成されるベース合金１００ｇに対して、亜鉛を０．５〜５ｇ添加し、さらにビスマスを０．１〜１０ｇ添加した合金を調整し、下記の表３および表４に示すサンプルを得た。
【００４２】
上記各サンプルを線状に加工し、フラックスを塗布して、温度制御可能なプレートの上に置いて加熱し溶融・球状化させ、近傍のプレート表面の温度を読み取り球状化温度を測定し、球状化のスムーズ度を観測したところ、下記の表３および表４の結果を得た。
【００４３】
【表３】
2006299289.tif 000004
【表４】
2006299289.tif 000005
【００４４】
このように、本発明では、インジウム５２重量％、錫４８重量％で構成されるベース合金１００重量部に対して、亜鉛を１重量部以上５重量部未満添加し、さらにビスマスを５重量部以上９重量部未満添加した。この合金型感温素子材料により、球状化温度を９０〜１０５℃で制御し、この温度範囲で動作する温度ヒューズが得られた。
【００４５】
なお、亜鉛の添加量が１重量部未満では、球状化温度が１００℃以下まで低下せず、反対に５重量部以上だと、球状化がスムーズに起こり難くなる。また、ビスマスの添加量が５重量部未満では、球状化温度が１００℃以下まで低下せず、反対に９重量部以上では、球状化がスムーズに起こり難くなる。
【００４６】
この実施例の場合も、上記インジウム５２重量％、錫４８重量％を基準値とする合金は、上記基準の組成を挟んで球状化に差し支えない範囲で組成を若千の変動させて使用することができる。例えば、インジウム５４重量％、錫４６重量％としても、融点はほとんど変化せず、固液共存相の温度幅が狭いため、球状化に問題は無く使用することができる。また、インジウム５０重量％、錫５０重量％としても同様に、融点はほとんど変化せず、固液共存相の温度幅が狭いため、球状化に問題は無く使用することができる。
【００４７】
そして、上記ベースの合金は、インジウム５２±５重量％、残部が錫で構成される合金とすれば、球状化に問題は無く使用することができる。このベース合金１００重量部に対して亜鉛を１重量部以上５重量部未満添加し、さらにビスマスを５重量部以上９重量部未満添加することにより、インジウム４１．２〜５３．８重量％、錫３７．７〜５０重量％、亜鉛０．９〜４．３重量％、ビスマス４．７〜７．８重量％、残部が不可避的不純物からなる組成範囲である本発明の合金型感温素子材料が得られた。
【実施例３】
【００４８】
インジウム５２重量％、錫４８重量％で構成される合金１０００ｇに対して、亜鉛を３０ｇ、ビスマスを７０ｇの割合で添加した合金（Ｉｎ：４７.２７重量％−Ｓｎ：４３.６４重量％−Ｚｎ：２.７３重量％−Ｂｉ：６.３６重量％）を直径φ０．８ｍｍの線に押し出し加工し、６ｍｍに切断したものの両端に、直径φ０．６ｍｍの錫メッキ銅線を溶着し、この合金部にフラックスを塗布した後、外径φ３ｍｍ、内径φ２ｍｍ，長さ１０ｍｍの筒状セラミックケースに挿入し、セラミックケース両端の開口部を熱硬化性エポキシ樹脂で封止したものをＩＥＣ６０６９１に規定された方法で動作温度を測定した。下記の表５はその結果である。表５からわかるように、動作温度９８．５℃を中心として９８〜９９℃の範囲内で動作していることがわかる。
【００４９】
【表５】
2006299289.tif 000006
【００５０】
つぎに、インジウム５２重量％、錫４８重量％を基準組成とするベース合金のインジウムと錫の組成を変化させて効果を確認した。
【００５１】
まず、インジウム配合比を４７重量％〜５７重量％の間で変化させて残部を錫としたベース合金を調整し、各ベース合金１００重量部に対して亜鉛を３重量部添加したサンプルを得た。
【００５２】
上記各サンプルを線状に加工し、フラックスを塗布して、温度制御可能なプレートの上に置いて加熱し溶融・球状化させ、近傍のプレート表面の温度を読み取り球状化温度を測定し、球状化のスムーズ度を観測したところ、下記の表６の結果を得た。
【００５３】
【表６】
2006299289.tif 000007
【００５４】
つぎに、インジウム配合比を４７重量％〜５７重量％の間で変化させて残部を錫としたベース合金を調整し、各ベース合金１００重量部に対して亜鉛を１重量部、ビスマスを６重量部添加したサンプルを得た。
【００５５】
上記各サンプルを線状に加工し、フラックスを塗布して、温度制御可能なプレートの上に置いて加熱し溶融・球状化させ、近傍のプレート表面の温度を読み取り球状化温度を測定し、球状化のスムーズ度を観測したところ、下記の表７の結果を得た。
【００５６】
【表７】
2006299289.tif 000008
【００５７】
これらの結果から、ベースの合金組成としてＩｎ５２±５重量％、残部Ｓｎをベースの合金とすれば問題なく使用できることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明が適用される温度ヒューズを示す断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１：温度ヒューズ
２：リード導体
３：ヒューズエレメント
４：可溶合金
５：フラックス
６：絶縁ケース
７：封止樹脂
【図１】
2006299289.tif 000009