(57)【要約】  【課題】  感温材にＳｎ―Ｂｉ母体合金を主組成とし動作温度が１３０〜１３５℃である鉛フリー可溶合金型温度ヒューズを提供する。  【解決手段】  Ｓｎ−Ｃｕめっき銅線からなる一対のリ−ド部材１、２に母体合金組成が４２Ｓｎ−５８Ｂｉの二元合金にＡｇを１重量％とＩｎおよび／またはＧａを添加または一部置換して含有させた低融点可溶合金３が抵抗溶接により接合される。低融点可溶合金３の表面にはロジン、ワックスおよび活性剤からなるフラックス４を被覆し、その後、アルミナ等のセラミック碍管の絶縁ケース５に収容し、エポキシ樹脂と無機物添加材の耐熱封着材６、７によりリード部材１、２の導出部を残して絶縁ケース５の両端部を封着して構成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対のリード部材に接続した可溶合金を絶縁ケースに収容し、前記リード部材の導出部を封着した合金型温度ヒューズにおいて、前記可溶合金は４２Ｓｎ−５８Ｂｉ母体合金とＡｇを含む微量金属とからなる合金であって、前記微量金属の含有量を前記母体合金の組成に対して４重量％以内の範囲で添加または一部置換したことを特徴とするＰｂフリー可溶合金型温度ヒューズ。
【請求項２】
前記微量金属は少なくとも１．０重量％のＡｇを含み、線材加工容易なＳｎ−Ｂｉ−Ａｇ系合金を使用して動作温度を１３０〜１３５℃の範囲内に設定することを特徴とする請求項１に記載のＰｂフリー可溶合金型温度ヒューズ。
【請求項３】
前記微量金属としてＩｎおよび／またはＧａを含むことを特徴とする請求項２に記載のＰｂフリー可溶合金型温度ヒューズ。
【請求項４】
前記可溶合金は（４２Ｓｎ−５５Ｂｉ−３Ｇａ）−１Ａｇ、４２Ｓｎ−５５Ｂｉ−２Ｇａ−１Ａｇ、（４２Ｓｎ−５６Ｂｉ−２Ｇａ）−１Ａｇ、（４２Ｓｎ−５６Ｂｉ−２Ｉｎ）−１Ａｇ、（４２Ｓｎ―５６Ｂｉ−１Ｇａ−１Ｉｎ）−１Ａｇ、４２Ｓｎ−５６Ｂｉ−１Ｇａ−１Ａｇ、４１Ｓｎ−５７Ｂｉ−１Ｇａ−１Ａｇ、４２Ｓｎ−５６Ｂｉ−０．５Ｇａ−０．５Ｉｎ−１Ａｇ、（４２Ｓｎ−５８Ｂｉ）−１Ｇａ−１Ａｇ、および４２Ｓｎ−５６Ｂｉ−１Ｉｎ−１Ａｇの合金組成群から選択されるいずれかであり、冷間加工性の良いＳｎ−Ｂｉ−Ａｇ系合金を使用したことを特徴とする請求項１に記載のＰｂフリー可溶合金型温度ヒューズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周囲温度の異常温度上昇や過熱加温状態を感知して電気回路を遮断して電気機器の損傷を防ぐ保護素子である可溶合金型温度ヒューズ、特に、１３０〜１３５℃の動作温度で機能する低融点可溶合金を用いたＰｂ（鉛）フリー可溶合金型温度ヒュ−ズに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気、電子機器等を過熱損傷から保護する保護素子として、所定温度で動作して回路を遮断する温度ヒューズが知られている。このうち、感温材に低融点可溶合金をヒューズエレメントに使用した可溶合金型温度ヒューズは、通電回路に設けて利用され、周囲温度の過昇により低融点可溶合金が溶融して回路遮断する。また、低融点合金は発熱抵抗体と併設して抵抗体の通電加熱により所定温度で低融点可溶合金を強制的に溶断させる抵抗内蔵型温度ヒューズも知られている。この種の合金型温度ヒューズは、保温コタツ、炊飯器等の家電製品、液晶テレビや複写機器等のＯＡ機器、照明機器など機器の安全手段として広く利用されている。
【０００３】
一方、感温材である低融点可溶合金は、環境保全の立場から生態系に有害な物質、たとえば、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｔｌ等を含まないことが強く要望されている。そして、生態系に有害な物質を含まない合金として、動作温度が１４０℃前後のＳｎ―Ｂｉ共晶合金が合金型温度ヒューズの低融点可溶合金として知られている。この合金組成は４２Ｓｎ−５８Ｂｉ（±３重量％）であるが、広く利用される使用温度領域の１１０〜１１５℃に対して動作温度は１３０〜１３５℃に設定される。したがって、１４０℃前後の動作温度では約８℃高い温度であるので、半導体装置を利用するパック電池などの電気機器にとって安全領域の使用温度限界として、１３２℃前後の動作温度で安定して動作する可溶合金型温度ヒューズが求められている。
【０００４】
ところで、Ｐｂフリー合金型温度ヒューズとしては合金組成がＳｎ−Ｉｎ−Ｂｉ三元合金のものが特許文献１に開示されるほか、Ｉｎ―Ｂｉ系やＳｎ−Ｂｉ系の可溶合金を用いる温度ヒューズが特許文献２および３に開示される。しかし、Ｓｎ−Ｂｉ系の場合の動作温度は１４０℃以上であるので動作温度１３２℃近辺には不向きである。さらに、こうした問題を回避するために、特許文献４乃至８にはそれぞれ合金組成を特定して所定の動作温度で作動するＰｂフリーの合金型温度ヒューズが知られている。
【特許文献１】特開２００１−２６６７２３号公報
【特許文献２】特開２００３−２４９１５５号公報
【特許文献３】特開２００３−１４７４６１号公報
【特許文献４】特開２００４−１４６２２８号公報
【特許文献５】特開２００４−１５２５５８号公報
【特許文献６】特開２００４−２５６８２９号公報
【特許文献７】特開２００４−２５６８８８号公報
【特許文献８】特開２００３−８２４３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
温度ヒューズに要求される作動条件は利用分野に応じて異なるが、半導体装置を制御素子に用いるパック電池などの電気機器で広く利用されるものとして、動作温度が１３０〜１３５℃の合金型温度ヒューズの提供が強く要望されている。こうした要請に対応するには、動作温度が１３２℃近辺にあって信頼性が高くて製造加工が容易な可溶合金を見出すことが必要であり、特に環境面からの安全性を考慮して低融点可溶合金が有害物質を含まないＰｂフリー可溶合金型温度ヒューズであることが必要である。ここで所望する可溶合金として特許文献１に示されるものがあるが、従来から広く知られるようにＩｎ含量が多いと軟化したり酸化したりするので信頼性が得られない。また、線材での加工性が容易でないので問題であり、易酸化性や高延展性材料は加工中に変質して寸法上の管理が厳格にできないなどの理由から信頼性を低下させる。本発明者の知見によれば、温度ヒューズに用いられる低融点可溶合金は、特定の温度で球状溶断させる必要上、できれば単一の溶融点を持つ共晶合金組成が好ましい。
【０００６】
したがって、本発明は上述の課題を解決するために、本発明者の知見に基づき、ＰｂやＣｄ等の有害物質を含まずかつ高い信頼性を有し、動作温度が１３０〜１３５℃に設定できる低融点可溶合金材として、基本的にＳｎ−Ｂｉ二元合金を母体合金とすることに着眼し、これに特徴ある微量金属を添加し、または置換することで所望される溶融開始温度と加工性とを考慮して見い出した可溶合金を使用した新規かつ改良された可溶合金型温度ヒューズの提供を目的とする。
【０００７】
換言すると、絶縁ケースに収容する可溶合金の両端にリード部材を接続し、その導出部を耐熱性封着材で封着する合金型温度ヒューズにおいて、可溶合金に錫（Ｓｎ）とビスマス（Ｂｉ）の組成がＳｎ４２重量％およびＢｉ５８重量％の二元母体合金を主要組成として、これに動作温度の調整と線材加工性とを満足させる微量金属を添加または置換して使用することを提案する。特に、線材加工性または冷間加工性を改善するよう銀（Ａｇ）の含有とインジウム（Ｉｎ）および／またはガリウム（Ｇａ）を微量含有させて有害金属フリーの低融点可溶合金を使用した新規かつ改良されたＰｂフリー可溶合金型温度ヒューズの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、一対のリード部材に接続した可溶合金を絶縁ケースに収容し、リード部材の導出部を封着した合金型温度ヒューズにおいて、可溶合金は４２Ｓｎ−５８Ｂｉ母体合金とＡｇを含む微量金属とからなる低融点可溶合金であって、微量金属の含有量を母体合金の組成に対して４重量％以内の範囲で添加または一部置換したことを特徴とするＰｂフリー可溶合金型温度ヒューズが提供される。ここで、前記微量金属は少なくとも１．０重量％のＡｇを含み、線材加工容易なＳｎ−Ｂｉ−Ａｇ系合金を使用して動作温度を１３０〜１３５℃の範囲内に設定することを特徴とするＰｂフリー可溶合金型温度ヒューズ、あるいは、前記微量金属としてＩｎおよび／またはＧａを含むことを特徴とするＰｂフリー可溶合金型温度ヒューズを開示する。ここで、低融点可溶合金の選定に当たっては、合金の溶融開始温度および圧下率や冷間加工性を選択基準とし、特に、次の１０種類の合金組成を好ましい可溶合金として利用できることを見い出した。すなわち、（４２Ｓｎ−５５Ｂｉ−３Ｇａ）−１Ａｇ、４２Ｓｎ−５５Ｂｉ−２Ｇａ−１Ａｇ、（４２Ｓｎ−５６Ｂｉ−２Ｇａ）−１Ａｇ、（４２Ｓｎ−５６Ｂｉ−２Ｉｎ）−１Ａｇ、（４２Ｓｎ―５６Ｂｉ−１Ｇａ−１Ｉｎ）−１Ａｇ、４２Ｓｎ−５６Ｂｉ−１Ｇａ−１Ａｇ、４１Ｓｎ−５７Ｂｉ−１Ｇａ−１Ａｇ、４２Ｓｎ−５６Ｂｉ−０．５Ｇａ−０．５Ｉｎ−１Ａｇ、（４２Ｓｎ−５８Ｂｉ）−１Ｇａ−１Ａｇおよび４２Ｓｎ−５６Ｂｉ−１Ｉｎ−１Ａｇからなる合金組成群のいずれかの一つの合金組成を選択した低融点可溶合金を使用したＰｂフリー可溶合金型温度ヒューズを開示する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の可溶合金型温度ヒューズは動作温度が１３０〜１３５℃の比較的広範囲に利用できるＰｂフリー可溶合金型温度ヒューズであって、高い信頼性と製造過程での容易な線材加工性を備える実用的価値の高い温度ヒューズである。特に、二元母体合金を主要組成として、これにＡｇを含む微量金属を加えて所望する動作温度に影響する溶融開始温度と、線材加工等の冷間加工性の良い低融点可溶合金である。また、加工処理に影響する特性の圧下率を選定基準として利用し、所望される低融点可溶合金を見い出した。したがって、ＰｂやＣｄなどの有害金属を含有せず環境保全に役立つ有害金属フリーの可溶合金型温度ヒューズを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の可溶合金型温度ヒューズはアキシャルタイプ、ラジアルタイプ、小型薄型タイプおよび抵抗内蔵型タイプ等の各種タイプの温度ヒューズとして利用できる。以下、アキシャルタイプ可溶合金型温度ヒューズについて実施形態の一例として説明する。本発明は動作温度が１３０〜１３５℃の合金型温度ヒューズであるが、低融点可溶合金の母体合金が４２Ｓｎ−５８Ｂｉ（±３重量％）の二元組成からなり、微量金属をこの母体合金に添加、または一部置換して組成とすることを特徴とする。ここで微量金属にはＡｇを含むＳｎ−Ｂｉ−Ａｇ系合金とすることにより線材加工性を容易に、さらに第２の微量金属としてＩｎおよび／またはＧａを含有する合金組成とする。Ｓｎ―Ｂｉ母体合金に対する微量金属は、所望する動作温度を決める溶融開始温度と、製造工程での線材処理に影響する冷間加工性または圧下率を測定して試作検討した。その結果、ＰｂやＣｄなどの有害金属を含有せず環境保全に役立つ有害金属フリーの可溶合金型温度ヒューズに使用する好ましい可溶合金は、溶融開始温度１１９．９℃の（４２Ｓｎ−５５Ｂｉ−３Ｇａ）−１Ａｇ、同じく１２０．３℃の４２Ｓｎ−５５Ｂｉ−２Ｇａ−１Ａｇ、同じく１２２．４℃の（４２Ｓｎ−５６Ｂｉ−２Ｇａ）−１Ａｇ、同じく１２２．８℃の（４２Ｓｎ−５６Ｂｉ−２Ｉｎ）−１Ａｇ、同じく１２６．６℃の（４２Ｓｎ―５６Ｂｉ−１Ｇａ−１Ｉｎ）−１Ａｇ、同じく１２９．６℃の４２Ｓｎ−５６Ｂｉ−１Ｇａ−１Ａｇ、同じく１２９．６℃の４１Ｓｎ−５７Ｂｉ−１Ｇａ−１Ａｇ、同じく１２９．９℃の４２Ｓｎ−５６Ｂｉ−０．５Ｇａ−０．５Ｉｎ−１Ａｇ、同じく１３０．０℃の（４２Ｓｎ−５８Ｂｉ）−１Ｇａ−１Ａｇおよび同じく１３１．２℃の４２Ｓｎ−５６Ｂｉ−１Ｉｎ−１Ａｇの１０種類の合金組成群からなるいずれかの一つの合金組成を有し、圧下率が相対的値で１０％以上のものが良好な合金組成として選ばれることが判明した。温度ヒューズの動作温度は、従来共晶型合金の単一な溶融温度を用いて獲得するのが一般的であったが、共晶型合金でなくても対象温度で固相−液相の存在比によって流動性が発現しない場合は温度ヒューズに使用できる。具体的に、動作温度１３０〜１３５℃の温度ヒューズに使用する選択された合金の溶融開始温度が１１９〜１３１℃であるのは、合金の約７０％以上が溶融液化しないと流動性が充分に発現せず、部分溶解するものの液相線温度付近になるまで溶断しないことが明らかにされた。したがって、温度ヒューズの通常の使用温度は１１０〜１１５℃の範囲と考えられるが、上述のような溶融特性を有する合金であれば動作温度より低い温度に固液共存域を持っている合金も、動作温度を１３０〜１３５℃に設定できる新規かつ改良された可溶合金型温度ヒューズに適用可能となることが分かった。  
【実施例１】
【００１１】
以下、本発明の実施例であるアキシャルタイプ可溶合金型温度ヒューズについて図面を参照しつつ説明する。前述のように、動作温度が１３０〜１３５℃である可溶合金型温度ヒューズの使用温度は、通常１１０〜１１５℃の範囲と考えられ、使用する可溶合金の溶融特性によっては動作温度より低い温度に固液共存域を有する合金も適用可能である。図１に示すように、可溶合金型温度ヒューズはＳｎ−Ｃｕめっき銅線からなる一対のリ−ド部材１、２に、本発明の特徴とする母体合金組成が４２Ｓｎ−５８Ｂｉの二元合金に微量金属Ａｇを１重量％とさらにＩｎまたはＧａのいずれかを含有させた低融点可溶合金３が抵抗溶接により接合して作製される。低融点可溶合金３の表面にはロジン、ワックスおよび活性剤からなるフラックス４を被覆する。その後、アルミナ等のセラミック碍管の絶縁ケース５に収容され、エポキシ樹脂と少量の無機物添加材からなる耐熱封着材６、７によりリード部材１、２の導出部を残して絶縁ケース５の両端部を封着して構成される。このような構成の可溶合金型温度ヒューズにおいて、次のような変形例も可能である。先ず、低融点可溶合金３の形状に関し、通常、φ０．３〜０．７ｍｍ線を使用するが、必要に応じて同一の断面積を有するテープ状合金の平角片も使用できる。必要に応じてφ０．３ｍｍ以下やφ０．７ｍｍ以上の線材として使用することもできる。なお、低融点可溶合金は合金鋳塊の押出し加工および引抜き加工により線材が製造されるが、その後の加工処理として必要に応じてテープ状に圧延加工することもある。いずれも加工性の良い可溶合金を選択して使用することが必要である。
【００１２】
ここで、低融点可溶合金の選定方法について詳述する。本発明の温度ヒューズに使用する動作温度１３０〜１３５℃の低融点可溶合金は、先ず、次の試作実験品に関する溶融開始温度および圧下率の測定により選ばれる。試作された合金母体となる４２Ｓｎ―５８Ｂｉの二元合金に各種微量金属を添加または一部置換して、試作実験品Ｓｎ−Ｂｉ−Ｘの合金組成１９種類が用意される。これらの合金組成はそれぞれに示差走査熱量測定（以下ＤＳＣ測定）により溶融開始温度（または固相線温度と呼ばれる）およびＤＳＣピーク温度（または液相線温度）が測定され、冷間圧延に対する柔軟度合である圧下率が測定される。なお、ＤＳＣ測定はそれぞれの合金組成を２０〜２００℃の間を１分間に５℃の昇温速度として測定される。その結果、表１に示すような各合金組成に対する溶融開始温度が求められる。測定された溶融開始温度は動作温度に影響するのでこれにより本発明の対象となる動作温度が１３０〜１３５℃の合金組成の第一候補が選別される。しかし、これらの合金組成が全て合金型温度ヒューズ使用できるかはφ０.７ｍｍの線材に加工して可溶合金型温度ヒューズを容易に作製可能かどうかの試験が必要であり、そのために、線材加工に影響するねじり試験を行い、圧下率を測定する。なお、第一候補の選別実験では微量金属にＡｇ、Ａｕ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｉｎを５％以内の量で添加または置換しているが、所望の動作を得るのに必要な溶融開始温度となる合金組成は全て２％以内の微量金属の添加または一部置換したものであることが判明した。
【００１３】
【表１】
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【００１４】
次に、表１に示される溶融開始温度からの第一候補として評価した７種類の合金組成と母体合金の４２Ｓｎ−５８Ｂｉについて、それぞれの線材加工性の良否を判別するための試験を行なった。この試験は冷間圧延による脆さを試験するものであり、線材をねじり加工して変形を与える試験である。具体的には、圧延のときロールを通過する前と後の厚みの差を最初の厚みで除して１００を乗じた圧延率または圧下率を試験測定して算出する。この試験測定のために、それぞれの合金組成は直径４０〜４５ｍｍ、厚さ２〜３ｍｍの円柱体に成形加工したテストピースが用意される。次いで、用意されたテストピースは冷間ロール間で圧縮されて厚さを減少するように圧延されるが、その際圧延によりクラックが生ずる。クラックの生じはじめたときの厚みを測定するものであるので、この厚み測定値は厚みが薄い程柔軟性があることになる。一方、圧下率は圧延前の円柱体テストピースの厚みｄ０とクラック発生時の円柱体テストピースの厚みｄ１を測定し、両者の差ｄ０−ｄ１を最初の厚みｄ０で割った値の百分率％で示す。すなわち、圧延引き伸ばしにより破断するのにどれほどの柔軟性を保つかによって線材の加工性の良否が判別されるが、測定結果は基準合金４２Ｓｎ―５８Ｂｉを含む７種類に４２Ｓｎ−５７Ｂｉ−１Ｇａのテストピースを加えた８種類の合金組成について、２〜５個のテストピースの圧下率の個別値から平均値を求めた。図２はテストピース８種の合金組成について、測定結果の圧下率（％）と溶融開始温度(℃)を棒グラフにして測定値を付して表示する。ここで、注目すべきは圧下率が１０％未満では、合金型温度ヒューズに使用するための線材加工が極めて困難となり、実用化には不適当であった。したがって、この試作実験品から動作温度１３０〜１３５℃を設定するに必要な本発明の可溶合金型温度ヒューズに使用できる合金組成は、溶融開始温度が１３２℃±４℃でかつ圧下率１０％以上である５種類が実用可能な可溶合金であることが判明した。なお、母体合金４２Ｓｎ―５８Ｂｉおよび比較例として４２Ｓｎ−５７Ｂｉ−１Ｇａテストピースは、同様に測定に供されてきたが、実用化には溶融開始温度および圧下率の特性において満足されるものでないことが明らかになった。
【実施例２】
【００１５】
同様にして別の実験で合金組成の１４種類の試料を作製してそれぞれの固相線温度の溶融開始温度（℃）、液相線温度のＤＳＣピーク温度（℃）および冷間加工性を示す圧下率（％）を測定した。１４種類の合金組成中、動作温度１３０〜１３５℃に設定できる可溶合金型温度ヒューズに使用可能な合金組成は１０種類であることが判明した。表２はこれら使用可能な１０種類の合金組成に関する特性値の測定結果を示す一覧表である。ここに挙げた合金型温度ヒューズに使用できる合金としては、先ず、冷間加工性の圧下率が１０％以上であることが要件であり、さらに、本発明の動作温度１３０〜１３５℃の範囲内に設定するためには、実施例１および２で示した１０種類の組成合金が好ましいことが判明した。好ましい可溶合金は、溶融開始温度１１９．９℃の（４２Ｓｎ−５５Ｂｉ−３Ｇａ）−１Ａｇ、同じく１２０．３℃の４２Ｓｎ−５５Ｂｉ−２Ｇａ−１Ａｇ、同じく１２２．４℃の（４２Ｓｎ−５６Ｂｉ−２Ｇａ）−１Ａｇ、同じく１２２．８℃の（４２Ｓｎ−５６Ｂｉ−２Ｉｎ）−１Ａｇ、同じく１２６．６℃の（４２Ｓｎ―５６Ｂｉ−１Ｇａ−１Ｉｎ）−１Ａｇ、同じく１２９．６℃の４２Ｓｎ−５６Ｂｉ−１Ｇａ−１Ａｇ、同じく１２９．６℃の４１Ｓｎ−５７Ｂｉ−１Ｇａ−１Ａｇ、同じく１２９．９℃の４２Ｓｎ−５６Ｂｉ−０．５Ｇａ−０．５Ｉｎ−１Ａｇ、同じく１３０．０℃の（４２Ｓｎ−５８Ｂｉ）−１Ｇａ−１Ａｇおよび同じく１３１．２℃の４２Ｓｎ−５６Ｂｉ−１Ｉｎ−１Ａｇの１０種類の群からなるいずれかの一つの合金組成を有し、冷間加工性が良好な合金が選ばれる。換言すると、可溶合金型温度ヒューズは、感温材に組成が４２Ｓｎ−５８Ｂｉの母体合金に対してＡｇを１重量％含有させた三元組成であって線材加工性を容易にするものであり、第２の微量金属としてさらにＩｎおよびＧａのいずれか一方または両者を含有する。その結果、１３０〜１３５℃の動作温度を有するＳｎ−Ｂｉ−Ａｇ系合金により線材加工性を容易にして温度ヒューズの製作を可能にした。
【００１６】
【表２】
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【００１７】
また、図３には本発明の可溶合金型温度ヒューズに使用可能な好ましい４種類の可溶合金について、（ａ）４２Ｓｎ−５６Ｂｉ−１Ｇａ−１Ａｇ、（ｂ）４２Ｓｎ−５６Ｂｉ−０．５Ｇａ−０．５Ｉｎ−１Ａｇ、（ｃ）（４２Ｓｎ−５８Ｂｉ）−１Ｇａ−１Ａｇおよび（ｄ）４２Ｓｎ−５６Ｂｉ−１Ｉｎ−１Ａｇに関するＤＳＣチャートを示す。なお、それぞれの合金組成について、同様に組織構造に関して電子顕微鏡写真による観察も確認した。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る実施例の可溶合金型温度ヒューズの断面図を示す。
【図２】本発明に関わる温度ヒューズ用の各種合金組成の溶融開始温度と圧下率を示すグラフである。
【図３】同じく本発明に使用可能な合金組成４種類のＤＳＣチャートである。
【符号の説明】
【００１９】
１、２…リード部材、  ３…低融点可溶合金、  ４…フラックス、  ５…絶縁ケース、  
６、７…封着材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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