(57)【要約】【課題】Ｐｂフリーの可溶性合金からなるヒューズエレメントを持ち、かつＰｂ含有可溶性合金からなるヒューズエレメントを持つ従来の温度ヒューズと、同等の特性を有する温度ヒューズを提供することを課題とする。【解決手段】本発明の温度ヒューズは、０．１質量％以上９質量％以下のＺｎと、０．１質量％以上２０質量％以下のＩｎと、を含み、残部がＳｎと不可避不純物とからなる可溶性合金により形成されたヒューズエレメントを備えることを特徴とする。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．１質量％以上９質量％以下のＺｎと、０．１質量％以上２０質量％以下のＩｎと、を含み、残部がＳｎと不可避不純物とからなる可溶性合金により形成されたヒューズエレメントを備える温度ヒューズ。
【請求項２】
０．１質量％以上１０質量％以下のＩｎと、４３質量％を超えて６０質量％以下のＳｎと、を含み、残部がＢｉと不可避不純物とからなる可溶性合金により形成されたヒューズエレメントを備える温度ヒューズ。
【請求項３】
前記可溶性合金は、さらにＣｕまたはＡｇを０．０１質量％以上５質量％以下含む請求項１または請求項２に記載の温度ヒューズ。
【請求項４】
前記ヒューズエレメントの通電方向に対し直交する方向の断面積は、０．３ｍｍ２以下である請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の温度ヒューズ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は過度の温度上昇による電気機器の熱破損を防止する温度ヒューズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
温度ヒューズは、テレビやビデオあるいはトランスや二次電池といった電気機器の電気回路に組み込まれている。温度ヒューズ周囲の環境温度が温度ヒューズの動作温度を超えると、温度ヒューズに組み込まれたヒューズエレメントが溶断する。このヒューズエレメントの溶断により、温度ヒューズは電気機器の熱破損を防止している。
【０００３】
ヒューズエレメントは、Ｐｂを含有した可溶性合金から形成されている（例えば、特許文献１参照）。すなわち、電気機器の種類等にもよるが、温度ヒューズの動作温度は、１００℃〜２００℃程度に設定される場合が多い。可溶性合金において、Ｐｂは合金全体の溶融温度を下げる役割を有している。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−７３８６９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、廃棄された電気機器の温度ヒューズから自然環境中にＰｂが溶出することが問題となっている。このため、工業材料としてＰｂを使用しないことが世界的な趨勢となっている。
【０００６】
本発明の温度ヒューズは、上記課題に鑑みて完成されたものである。したがって、本発明は、Ｐｂフリーの可溶性合金からなるヒューズエレメントを持ち、かつＰｂ含有可溶性合金からなるヒューズエレメントを持つ従来の温度ヒューズと、同等の特性を有する温度ヒューズを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の温度ヒューズは、０．１質量％以上９質量％以下のＺｎと、０．１質量％以上２０質量％以下のＩｎと、を含み、残部がＳｎと不可避不純物とからなる可溶性合金により形成されたヒューズエレメントを備えることを特徴とする。本発明の温度ヒューズの動作温度は、１７０℃〜１９０℃である。従来、同範囲の動作温度を有する温度ヒューズのヒューズエレメントは、Ｓｎ−Ｐｂ可溶性合金により形成されていた。
【０００８】
また、上記課題を解決するため、本発明の温度ヒューズは、０．１質量％以上１０質量％以下のＩｎと、４３質量％を超えて６０質量％以下のＳｎと、を含み、残部がＢｉと不可避不純物とからなる可溶性合金により形成されたヒューズエレメントを備えることを特徴とする。本発明の温度ヒューズの動作温度は、１３０℃〜１４０℃である。従来、同範囲の動作温度を有する温度ヒューズのヒューズエレメントは、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｉｎ可溶性合金、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｉｎ−Ｃｄ可溶性合金により形成されていた。
【０００９】
本発明の温度ヒューズのヒューズエレメントを形成する可溶性合金には、Ｐｂが含有さえていない。したがって、自然環境中にＰｂが溶出するおそれがない。また、上記組成範囲を有する可溶性合金からなるヒューズエレメントは、所定の動作温度において精度良く溶断する。また、上記組成範囲を有する可溶性合金からなるヒューズエレメントは、濡れ性が高い。このため、ヒューズエレメントのリード線に対する溶接強度は、比較的高い。したがって、機器振動などによりヒューズエレメントとリード線とが断線するおそれが小さい。このように、本発明の温度ヒューズは、従来の温度ヒューズの代替品として使用することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の温度ヒューズの実施の形態について説明する。
【００１１】
〈可溶性合金〉
第一に、可溶性合金について説明する。請求項１の可溶性合金は、不可避不純物を除外すれば、ＺｎとＩｎとＳｎとから形成されている。Ｚｎの含有割合を０．１質量％以上としたのは、０．１質量％未満の場合、可溶性合金の溶融温度が下がり、温度ヒューズの動作温度が１７０℃以下になってしまうからである。
【００１２】
また、Ｚｎの含有割合を９質量％以下としたのは、９質量％を超える場合、可溶性合金の液相温度が上昇するからである。そして、固相温度と液相温度との間に存在する固液共存領域が大きくなるからである。
【００１３】
Ｉｎの含有割合を０．１質量％以上としたのは、０．１質量％未満の場合、可溶性合金の溶融温度が上昇し、温度ヒューズの動作温度が１９０℃を超えるからである。また、可溶性合金の硬度が上がりヒューズエレメントが脆くなるからである。
【００１４】
また、Ｉｎの含有割合を２０質量％以下としたのは、２０質量％を超える場合、可溶性合金の硬度が下がり、後述するヒューズエレメント製造時においてヒューズエレメントがつぶれるからである。
【００１５】
残部としてＳｎを含有したのは、Ｓｎを含有すると可溶性合金の硬度が上がるからである。このため、Ｓｎを上記Ｉｎとともに含有させることで、可溶性合金の硬度を調整することができるからである。すなわち、ヒューズエレメント製造時の加工性や、ヒューズエレメントを電気機器に搭載する際の搭載性などを考慮して、可溶性合金の硬度バランスを採ることができるからである。
【００１６】
請求項２の可溶性合金は、不可避不純物を除外すれば、ＩｎとＳｎとＢｉとから形成されている。Ｉｎの含有割合を０．１質量％以上としたのは、０．１質量％未満の場合、可溶性合金の溶融温度が上昇し、温度ヒューズの動作温度が１４０℃を超えるからである。また、ヒューズエレメントが脆くなるからである。
【００１７】
また、Ｉｎの含有割合を１０質量％以下としたのは、１０質量％を超える場合、可溶性合金の硬度が過度に下がり、後述するヒューズエレメント製造時においてヒューズエレメントがつぶれるからである。
【００１８】
Ｓｎの含有割合を４３質量％を超えるように設定したのは、４３質量％以下の場合、可溶性合金の硬度が過度に下がり、後述するヒューズエレメント製造時においてヒューズエレメントがつぶれるからである。
【００１９】
また、Ｓｎの含有割合を６０質量％以下としたのは、６０質量％を超える場合、可溶性合金の液相温度が上昇するからである。そして、固相温度と液相温度との間に存在する固液共存領域が大きくなり、ヒューズエレメントの速断性が悪化するからである。すなわち、所定の動作温度においてヒューズエレメントが迅速に断線しなくなるからである。
【００２０】
残部としてＢｉを含有したのは、Ｂｉを含有すると可溶性合金の硬度が上がるからである。このため、Ｂｉを上記ＩｎおよびＳｎとともに含有させることで、可溶性合金の硬度を調整することができる。すなわち、ヒューズエレメント製造時の加工性や、ヒューズエレメントを電気機器に搭載する際の搭載性などを考慮して、可溶性合金の硬度バランスを採ることができるからである。
【００２１】
好ましくは、上記可溶性合金に、ＣｕまたはＡｇを０．０１質量％以上５質量％以下含有させた方がよい。ＣｕまたはＡｇを含有させると、ヒューズエレメントの電気抵抗が小さくなる。このため、ヒューズエレメントがジュール熱により発熱するのを抑制することができる。したがって、所定の動作温度においてヒューズエレメントが、さらに精度良く溶断する。
【００２２】
ＣｕまたはＡｇの含有割合を０．０１質量％以上としたのは、０．０１質量％未満の場合、上記電気抵抗を下げる効果が、ヒューズエレメントに充分発現しないからである。
【００２３】
また、ＣｕまたはＡｇの含有割合を５質量％以下としたのは、５質量％を超える場合、液相温度が上昇するため、固液共存領域が大きくなるからである。そして、温度ヒューズの動作温度が不安定になるからである。
【００２４】
〈ヒューズエレメント〉
第二に、ヒューズエレメントについて説明する。ヒューズエレメントは、上記組成範囲を有する可溶性合金により形成されている。電気機器は、利用の便から小型化の一途を辿っている。したがって、温度ヒューズひいてはヒューズエレメントも小型である方が好ましい。
【００２５】
具体的には、ヒューズエレメントの通電方向に対し直交する方向の断面積は、０．３ｍｍ２以下である方がよい。０．３ｍｍ２以下としたのは、０．３ｍｍ２を超える場合、温度ヒューズの容積が大きくなり、他の部品の設置スペースを圧迫するからである。また、ヒューズエレメントの速断性が悪化するからである。
【００２６】
ヒューズエレメントは、従来からヒューズエレメントの製造に用いられてきた種々の方法により製造することができる。その一例として、引抜き法によりＺｎ−Ｉｎ−Ｓｎ合金からなるヒューズエレメントを作製する場合について説明する。
【００２７】
引抜き法は、可溶性合金の原料を溶融炉に配合する原料配合工程と、配合した原料を溶融させ合金を調製し型に流し込みビレットを作るビレット作製工程と、ビレットから粗線材を作製する粗線材作製工程と、粗線材を細線化し線材を作製する細線化工程と、線材を所定の長さに裁断する裁断工程と、からなる。
【００２８】
まず、原料配合工程では、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｎの地金を所望の組成となるように秤量、配合し溶融炉に投入する。次に、ビレット作製工程では、配合原料を２５０〜４００℃の温度下で溶融させＺｎ−Ｉｎ−Ｓｎ合金を調製する。そして、この溶融状態の調製合金を型に流し込み、柱状のビレットを作製する。続いて、粗線材作製工程では、型からビレットを取り出し、押出し成形機により押し出し成形することで線径の大きい粗線材を作製する。その後、細線化工程では、この粗線材を引抜き成形機にかけ、成形機の型に設けられたダイス隙間から引き抜くことにより粗線材の線径の小径化、つまり細線化を行う。この細線化は、具体的には粗線材を直列に並んだ複数のダイス隙間に通すことにより行う。ダイス隙間は下流側ほど小径に設定されている。このため、粗線材は複数のダイス隙間を通る間に徐々に細線化される。したがって、粗線材を通過させるダイス隙間の数を増減することで、線材の線径を調整することができる。最後に、裁断工程では、線材を所定の長さに裁断する。このようにして、引抜き法ではヒューズエレメントを作製する。
【００２９】
上述したように、引抜き法では、押し出し成形工程の後に、引抜き成形を行う細線化工程が設定されている。この引き抜き法のように、引抜き成形を行う工程を持つ製造方法の利点は、他の製造方法、例えば押し出し成形工程のみを有する製造方法と比較して、より線径の細い線材を作製できる点である。
【００３０】
ここで、可溶性合金、すなわち粗線材の硬度が過度に高いと、引抜き成形を行う工程において、脆性により粗線材が切れるおそれがある。この点、上記組成の可溶性合金からなる線材は、硬度が適切なため適度の延性を有する。したがって、引抜き成形を行う工程を有する製造方法により作製することができる。このため、線材の断面積つまりヒューズエレメントの断面積を、比較的簡単に小さくすることができる。すなわち、比較的簡単に上記０．３ｍｍ２以下という断面積を実現することができる。
【００３１】
なお、ヒューズエレメントの断面形状は特に限定するものではない。すなわち断面が真円状のものは勿論、楕円状あるいは多角形状など従来から用いられている様々の形状とすることができる。ここで、例えば平らな四角形状、つまりテープ状のヒューズエレメントを作製する場合は、上記細線化工程と裁断工程との間に、線材を径方向に圧縮し変形させる圧縮成形工程を追加すればよい。
【００３２】
〈温度ヒューズ〉
第三に、温度ヒューズについて説明する。図１に、温度ヒューズの一例として筒型温度ヒューズの断面図を示す。まず、温度ヒューズ１の構成について説明する。温度ヒューズ１は、ヒューズエレメント１０とリード線１３とフラックス１１とセラミックケース１２とからなる。ヒューズエレメント１０は、丸棒状を呈している。ヒューズエレメント１０の長手方向（通電方向）両端は、Ｃｕ製のリード線１３に溶接されている。フラックス１１は、ヒューズエレメント１０を封止している。フラックス１１は、松脂を主成分とし、これに活性剤やチキソ剤などを添加したものである。このフラックス１１は、活性の高いヒューズエレメント１０の表面に酸化膜が形成されるのを抑制する役割を有する。またフラックス１１は、ヒューズエレメント１０が溶断したとき溶断面を包み込み、溶断面同士が再結合するのを防止する役割を有する。セラミックケース１２は円筒状を呈しており、上記ヒューズエレメント１０、リード線１３の端部、フラックス１１を密封している。セラミックケース１２は、これらの部材を保護する役割を有する。またセラミックケース１２は、ヒューズエレメント１０が溶断し、可溶性合金が液化した際、この液状の可溶性合金が電気回路に漏出するのを防止する役割を有する。
【００３３】
次に、温度ヒューズ１の動作について説明する。温度ヒューズ１周囲の環境温度が上昇し、温度ヒューズ１の動作温度に達すると、まず、表面張力の作用によりヒューズエレメント１０は、長手方向両端に向かって分裂するように変形する。次に、この変形により、ヒューズエレメント１０中間部の線径は徐々に細くなり、ヒューズエレメント１０が溶断する。それから、溶断したヒューズエレメント１０の溶断面をフラックス１１が覆う。このようにして、温度ヒューズ１はヒューズエレメント１０を挟むリード線１３間の電気的導通を遮断する。
【００３４】
次に、温度ヒューズ１の組み付け方法について説明する。まず、ヒューズエレメント１０の長手方向両端をレーザにより半溶融状態とし、この長手方向両端にリード線１３を接合する。次に、ヒューズエレメント１０の表面にフラックス１１を塗布する。そして、ヒューズエレメント１０とリード線１３端部とフラックス１１との接合体を、セラミックケース１２内に封入する。このようにして、温度ヒューズ１が組み付けられる。
【００３５】
ヒューズエレメント１０は、適度な硬度を持っている。このため、電気機器搭載時における機械的衝撃などにより、ヒューズエレメント１０が断線するおそれが小さい。また、前記組成を有する可溶性合金からなるヒューズエレメント１０は、濡れ性が高い。したがってリード線１３との接合性が良好で、電気機器搭載時における機械的衝撃などによりヒューズエレメント１０がリード線１３から分離するおそれが小さい。このように、温度ヒューズ１は、機械的衝撃に対する信頼性が高い。
【００３６】
なお、本発明の温度ヒューズの形状は、図１に示す筒型ヒューズの他、従来から用いられている様々の形状として具現化することができる。例えばヒューズエレメントとリード線とフラックスとの接合体を、二枚の絶縁板で挟持したカード型温度ヒューズとして具現化してもよい。また、ケース型温度ヒューズ、基板型温度ヒューズなどとして具現化してもよい。
【００３７】
以上、本発明の温度ヒューズについて説明した。しかしながら、実施形態は上記形態に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態あるいは改良的形態で実施することができる。
【００３８】
【実施例】
上記実施形態に基づいて、所定の組成を有する可溶性合金からなるインゴットを作製した。そしてこのインゴットから粉末サンプルとヒューズエレメントサンプルを採取した。これら二つのサンプルのうち、粉末サンプルにより可溶性合金の溶融温度特性を測定した。また、ヒューズエレメントサンプルにより、ヒューズエレメントの溶断温度特性を測定した。
【００３９】
〈サンプルの作製方法〉
（１）実施例１−１、実施例１−２
実施例１−１および実施例１−２のサンプルは、６．５９質量％のＺｎ、１０質量％のＩｎ、８３．４１質量％のＳｎという組成を有する可溶性合金からなる。これらのサンプルは以下の方法により作製した。まず、純度９９．９９％のＺｎ、純度９９．９９％のＩｎ、純度９９．９９％のＳｎを所定量秤量し、溶融炉に投入した。次に、投入したＺｎ、Ｉｎ、Ｓｎを溶融攪拌し合金の調製を行った。そして、調製後の合金を型に流し込み放冷および脱型することでインゴットを作製した。
【００４０】
このようにして作製したインゴットから、質量５ｍｇの粉末サンプルを採取した。そして、このサンプルを実施例１−１とした。また同様に、インゴットから断面積０．１２ｍｍ２のヒューズエレメントサンプルを作製した。なおヒューズエレメントサンプルの作製方法は、前述した引抜き法により行った。そして、このサンプルを実施例１−２とした。実施例１−２の目標とする溶断温度（つまり温度ヒューズの動作温度）は、１７０℃〜１９０℃とした。なお、調整後の合金を型に流し込む際、化学分析にて合金組成の確認を行った。
【００４１】
（２）実施例２−２
実施例２−２のサンプルは、６．２９質量％のＺｎ、１２質量％のＩｎ、８１．７１質量％のＳｎという組成を有する可溶性合金からなる。実施例２−２のサンプルも、実施例１−２のサンプルと同様の方法により作製した。実施例２−２の目標とする溶断温度は、１７０℃〜１９０℃とした。
【００４２】
実施例２−２のサンプルの断面積は、実施例１−２のサンプルの断面積と同面積とした。なお、実施例２−２のサンプルも、実施例１−２のサンプルと同様に化学分析にて合金組成の確認を行った。
【００４３】
（３）実施例３−２
実施例３−２のサンプルは、２質量％のＩｎ、４３．２質量％のＳｎ、５４．８質量％のＢｉという組成を有する可溶性合金からなる。実施例３−２のサンプルも、実施例１−２のサンプルと同様の方法により作製した。実施例３−２の目標とする溶断温度は、１３０℃〜１４０℃とした。
【００４４】
実施例３−２のサンプルの断面積は、実施例１−２のサンプルの断面積と同面積とした。なお、実施例３−２のサンプルも、実施例１−２のサンプルと同様に化学分析にて合金組成の確認を行った。
【００４５】
（４）比較例１−１、比較例１−２
比較例１−１および比較例１−２のサンプルは、４質量％のＩｎ、４０．９６質量％のＳｎ、５５．０４質量％のＢｉという組成を有する可溶性合金からなる。比較例１−１および比較例１−２のサンプルも、実施例１−１および実施例１−２のサンプルと同様の方法により作製した。
【００４６】
比較例１−１のサンプルの質量は、実施例１−１のサンプルの質量と同量とした。また、比較例１−２のサンプルの断面積は、実施例１−２のサンプルの断面積と同面積とした。比較例１−２の目標とする溶断温度は、１３０℃〜１４０℃とした。なお、比較例１−１および比較例１−２のサンプルも、実施例１−１および実施例１−２のサンプルと同様に化学分析にて合金組成の確認を行った。
【００４７】
〈測定方法〉
（１）可溶性合金の溶融温度特性の測定
測定に用いたサンプルは、実施例１−１、比較例１−１の粉末サンプルである。測定は、これらのサンプルを、加熱炉にて徐々に加熱し、示差走査熱量計（以下、「ＤＳＣ」と称す。）を用いて溶融温度特性を調べることにより行った。
【００４８】
（２）線材の溶断温度特性の測定
測定に用いたサンプルは、実施例１−２、２−２、３−２、比較例１−２のヒューズエレメントサンプルである。測定は、電流を流すことによりこれらのサンプルを加熱し、サンプルが完全に溶断したときの温度を調べることにより行った。なお溶断温度のばらつきを調べるため、各サンプルは複数本作製した。そして、測定も複数回繰り返し行った。
【００４９】
〈測定結果〉
（１）可溶性合金の溶融温度特性の測定結果
図２に、実施例１−１のサンプルのＤＳＣ測定結果を示す。図中、測定曲線は下方に突出するピークを示している。ピークの下降部分の接線と、平坦部分の接線との交点は、サンプルを形成する可溶性合金が、固相から固液共存相に相変化する点に相当する。したがって、このときの温度が固相化温度である。図から、実施例１−１のサンプルを形成する可溶性合金の固相化温度は、約１７９℃であることが判る。
【００５０】
同様に、図３に、比較例１−１のサンプルのＤＳＣ測定結果を示す。図から、比較例１−１のサンプルを形成する可溶性合金の固相化温度は、約１２５℃であることが判る。
【００５１】
（２）線材の溶断温度特性の測定結果
実施例１−２、２−２、３−２、比較例１−２の各サンプルをオイルバスに浸漬し、オイルバスの温度を０．５℃／ｍｉｎ．の速度で上昇させ、各サンプルが溶断したときの温度を溶断温度とした。図４に、実施例１−２のサンプルの溶断温度測定結果（測定回数ｎ＝２５回）を示す。溶断温度の平均値は１８２．２℃、最大値は１８２．９℃、最小値は１８１．３℃であった。図５に、実施例２−２のサンプルの溶断温度測定結果（測定回数ｎ＝２５回）を示す。溶断温度の平均値は１７９．５℃、最大値は１８０．３℃、最小値は１７８．８℃であった。
図６に、実施例３−２のサンプルの溶断温度測定結果（測定回数ｎ＝２４回）を示す。溶断温度の平均値は１３５．１℃、最大値は１３５．６℃、最小値は１３４．８℃であった。
【００５２】
これらの図から、実施例１−２、２−２の溶断温度は、いずれも１７０℃〜１９０℃範囲内にあることが判る。また、実施例３−２の溶断温度は、１３０℃〜１４０℃範囲内にあることが判る。また、各サンプルの溶断温度のばらつきは極めて小さいことが判る。したがって、これらのサンプルから作製した温度ヒューズは、大量生産時における動作温度信頼性が高い。
【００５３】
図７に、比較例１−２のサンプルの溶断温度測定結果（測定回数ｎ＝２５回）を示す。溶断温度の平均値は１３０．１℃、最大値は１３１．３℃、最小値は１２９．５℃であった。最小値が１２９．５℃であるため、１３０℃〜１４０℃で作動する温度ヒューズ用としては、使用できないことが判る。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によると、Ｐｂフリーの可溶性合金からなるヒューズエレメントを持ち、かつＰｂ含有可溶性合金からなるヒューズエレメントを持つ従来の温度ヒューズと、同等の特性を有する温度ヒューズを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である筒型温度ヒューズの断面図である。
【図２】実施例１−１サンプルのＤＳＣ測定結果を示すグラフである。
【図３】比較例１−１サンプルのＤＳＣ測定結果を示すグラフである。
【図４】実施例１−２のサンプルの溶断温度測定結果を示すグラフである。
【図５】実施例２−２のサンプルの溶断温度測定結果を示すグラフである。
【図６】実施例３−２のサンプルの溶断温度測定結果を示すグラフである。
【図７】比較例１−２のサンプルの溶断温度測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１：温度ヒューズ、１０：ヒューズエレメント、１１：フラックス、１２：セラミックケース、１３：リード線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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