社団法人 電子情報通信学会
THE INSTITUTE OF ELECTRONICS,INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS

信学技報
IEICE Technical Report

電子機器における発火防止の設計思想
渡部利範
株式会社テクノクオリテイー 〒359-0024 埼玉県所沢市下安松 1510-4-605
E-mail: rie4337@nifty.com

あらまし 電子機器の発火防止の設計思想は、電気部品および電子部品（以下、部品と呼ぶ）が発火した場合、近傍のプラスチックへの着火に至るまでの発火の連鎖を断ち切ることである。私は、炎の広がりと延焼時間を軸に電子機器の発火防止を考えた。第一に、特定の部品の特徴を捉えた電気的対策がある。例えば、アルミ電解コンデンサの発火メカニズムを解明して発火しないコンデンサを実用化した。第二は、機械的な方法である。それは、部品とプラスチックの隔離距離を適切な値にすること、および部品とプラスチックの間に金属板を設置する方法等である。電気的方法と機械的方法を組み合わせて、電子機器の発火を防止する。電気設計者と機械設計者の協働が欠かせない。

キーワード 発火防止の設計思想、アルミ電解コンデンサ、バリスタ

The design concept of fire prevention in electronic equipment
Tshinori Watabe
TechnoQuality, 1510-4-605, Simoyasumstu,Tokorozawa-city Saitama,359-0024,Japan†Abstract The design concept of fire prevention in electronic equipment, if the ignition electrical components , is to break the chain
leading up to ignition and ignition of plastic parts in the vicinity. I thought about fire prevention and fire time to spread the flame base. First,
there are measures that capture the electrical characteristics of the particular part. For example, I have to elucidate the mechanism of ignitionof aluminum electrolytic capacitors, the capacitor does not fire developed. The second is a mechanical way. It is a method of installing a
metal plate between the plastic and electrical components to the appropriate value of the plastic parts and electrical isolation distances. I havea combination of methods to electrical and mechanical and electronic equipment to prevent ignition.

Keyword

The design concept of fire prevention、Aluminum electrolytic capacitors, varistors

1. は じ め に
本論文では、部品が発火して製品の発火に至るまでのステップを正確に理解し、発火防止の設計思想を 報

ポリアセタール樹脂【燃えやすい】

告する 。電 子機器 が発 火す る場合 とは 、例 えば 、過電圧 で 電 子 部 品 が 発 火 し 、数 ㎜ か ら 数 cm の 炎 が 数 秒 間 継
電子部品は炎を出して数秒間燃え続ける続する。次に近傍の燃えやすい樹脂に着火して大きな炎が出て、製品内部にとどまらず、製品の外まで広が電子部品

る 発 火 事 故 に な る （ 図 1）。
電子機器の発火防止の設計思想は、いずれかのステップで発火の連鎖を断ち切り、電子機器の発火 事故を防 止 す る こ と で あ る 。UL,VDE 等 の 安 全 規 格 の 認 証 部 品

図1 プラスチックに着火は、発火しない前提で製品の評価をする。しかし、市場では様々な条件が発生する。安全規格認証部品の市

2． 電 子 部 品 の 発 火 現 象場 の 実 態 と の 差 （ 表 1） を 把 握 し 、 電 子 機 器 の 発 火 を（ 1） 市 場 で の 発 火 源 の 事 例防止する設計思想の本質的な対策を理解する。

パ ソ コ ン や プ リ ン タ 等 の 電 子 機 器 に は 、約 60 種 類This article is a technical report without peer review, and its polished and/or extended version may be published elsewhere.
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の部品が使用されている。全ての部品に発火する可能性がある。しかし、それを前提に製品を設計することは、困難であり、現実的ではない。電子機器に

4.電 子 機 器 の 発 火 防 止 の 基 本 思 想（ 発 火 の 連 鎖 を 断 ち切る）

おける発火防止の設計思想に とって大切なのは、各発火対策の本質的な考え方は、部品が発火した場

種部品がどのような条件の時、発火して、どの程度合、他のプラスチックや部品への着火の有無を 軸に（炎の高さや広がり＆炎の燃焼の継続時間）の炎か考える。特に、製品内部に使用されている難燃グレを見極めることである。

ー ド HB の 樹 脂 は 燃 え や す く 、 平 板 や ギ ヤ の 先 端 部

部品を構成している材料、構造と発火に至る条件

は、炎が暴露すれば約 2 秒後に着火する。電気・電により、発火した場合の炎の大きさ・広がりと時間

子 部 品 と 近 傍 の 難 燃 グ レ ー ド HB の 樹 脂 の 間 隔 を 把が異なる。発火した場合の発火の広がりと時間のモ握する。

デルを図 2 に示す。これらの数値を自ら検証し正確発火対策は、電気的方法と機械的方法の組み合わに把握することにより、近傍のプラスチックへの着せである。発火事故を防ぐ対策は、第一に電気的対火を防止する設計の本質的な考え方を確立する 。

策 を 考 え 、次 に 機 械 的 な 対 策 を 組 み 合 わ せ て 、着 火 、延焼の炎の連鎖を断ち切ることである。

表1 認証品の故障事例と原因
認証部品

主な原因

市場での現象（○：報告例あり。△：事例少ない）

5.電 気 的な 対 策破裂

発火発煙

電源コード

無い

○

△

電線と金具部の接続ミス
絶縁被覆の製造不良

電源スィッチ無い○○

認証時の電気定格と異なる使い方。

電流ヒューズ△△無い

AC120Vの製品をAC220のコンセントに差し込む

Ｘコンデンサ

ほとんど無い△激減△

過大な雷サージ浸入
フィルムの製造不良

アルミ電解コンデンサ

○

○

○

バリスタ

△

過電圧、雷サージの侵入・アルミ電解コンデンサ
破裂、発煙、発火・バリスタ電圧
発煙、発火

○

○

部品の個別の対策では、部品ごとの構造、特性を考 え た 対 策 コ ン セ プ ト を 考 え る （ 表 2）。

表2 電気的対策
発火源

光源、熱源 （100w～ 二重保護回路（温度ヒューズ＋サーミ1kw）スタ回路）炎の高さ・広がり2バリスタ

難燃バリスタ（発火時の炎が1cm以下）を使用する

Xコンデンサ

DC3kvの絶縁耐圧に耐えるコンデンサ

アルミ電解コンデンサ 発火しないコンデンサを使用する。

Ｘフイルムコンデンサ

発火した時の炎の高さ・広がりの領域モデル

対策の例

１０ｃｍ

トランジスタ、FET、抵抗電流ヒューズ、ヒューズ抵抗等

DC-DCコンバータ

電源回路のフの字保護特性
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10

アルミ電解コンデンサ（1）難 燃 性 の酸 化 亜 鉛 バリスタの実 現バリスタ

5ｃｍ

バリスタは、過電圧が印加されると、バリスタに積層セラミックコンデンサ
タンタルコンデンサ電流が流れ、ジュール熱で局所的に過熱する。半田電源スイッチ
トランジスタが溶け始め、バリスタは次第に高熱になる。バリスタ素体は、特定の部分に電流が集中し発熱して約5秒10秒

1300℃ か ら 1400℃ に な り 、ス パ ー ク 、発 火 す る 。炎炎の継続時間

図2 電子部品の特定＆発火時の炎の高さと継続時間のモデル

が 発 生 す る 要 因 は 、 外 装 樹 脂 の 耐 熱 温 度 800℃ の エポキシ樹脂が燃焼 するためである。
6

バリスタの炎によるプラスチックへの着火の可能性を減少させるため、バリスタの発火に対する仕3.安 全 規 格 （ IEC60950） の 発 火 防 止 対 策

様 は 次 の ２ 点 で あ る 。第 一 に 、IEC60950

下記の基本的な考え方を組み合わせて対策する

4.7.3.2 では、発火源と可燃性のプラスチックの隔離距離は、か、いずれかを選択する。

13mm 未 満 と 定 め ら れ て い る の で 、 バ リ ス タ と 可 性（ 1） 部 品 が 発 火 し た 時 は 、 防 火 エ ン ク ロ ー ジ ャ ー

プラスチックの隔離距離は、バラツキを考慮して10mm 以 下 に す る こ と を 目 標 と す る 。

で炎を封じ込める。
（ 2） 部 品 の 故 障 モ ー ド を 想 定 し 、 短 絡 ・ 開 放 の 異
常試験で発火・延焼を確認し必要に応じてヒューズ 挿 入 し て 対 策 す る（ IEC60950

Cl.5.3.7

表 2）。

サの両極は、陽極箔と陰極箔から構成され、電解紙により両極がセパレートされている。電解液として
①②
銀ペースト
半田

③④

は、エチレングリコールを主溶媒とし、ホウ酸アン

部品名材質

①外装樹脂

エポキシ樹脂モニウム等が溶質として使用される。両極箔と電解②バリスタ素体

酸化亜鉛、他

紙 を 巻 き 取 り 、中 央 の 両 極 箔 か ら ア ル ミ リ ー ド 線（ あ③電極

銀るいは平板）をひきだし、素子の外側をテープで固④はんだ共晶はんだ⑤リード線

半田めっき線⑤定する。その後、素子を含侵して電解液を電解紙に含ませて素子全体を完成させケースの中に固定する。
爆発を防止するため、アルミケースに切り込み（防図3 バリスタの構造図爆弁）を入れる。

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電気化合物：約0.4μ 不均一誘電体（酸化ｱﾙﾐﾆｳﾑ Ａｌ ２ O ３ ）第 二 に 、 ポ リ ア セ タ ー ル や ABS 等 の 可 燃 性 プ ラ ス
チ ッ ク の 鋭 利 部 分 は 、1.0s 以 下 の 炎 の 暴 露 で は 着 火陰 極 箔

継 続 時 間 は 1.0s 以 下 に 低 減 さ せ る 。

箔端部陽 極 箔

しないことを実験で確認したので、バリスタの炎のリード
アルミリード
電解紙
陰極箔
陽極箔
電解紙

この二つの数値目標を同時に達成して、バリスタの発火による電子機器の出火を確実に防止する 。炎が発生する要因は、外装樹脂のエポキシ樹脂が燃焼しているからである。外装樹脂の材料と量を変更す

電解液

図6

アルミ電解コンデンサることで、炎の高さと継続時間を低減する ことができた。

貫通孔

発 火 の メ カ ニ ズ ム は 以 下 で あ る（ 図 7）。ア ル ミ 電 解

外装塗料
可燃性ガス発生(ｴﾎﾟｷｼ樹脂)

境界層破壊

ｼﾞｭｰﾙ熱発生

コンデンサの陽極酸化皮膜は、わずかながら欠陥を有800℃まで上昇

し て い る 。 ア ル ミ 電 解 コ ン デ ン サ に 定 格 電 圧 の 1.5 倍
以 上 の DC 過 電 圧 が 印 加 さ れ た 場 合 、 酸 化 皮 膜 に ク ラックが生じ、その部分に電流が集中して絶縁破壊に至り、電流が流れる。電解液と電解紙で構成される内部

ｼｮｰﾄ電流継続発火

抵抗でジュール熱が発生し電解液が気化し、素子の膨外装塗料(ｴﾎﾟｷｼ樹脂)気化

張と共にその気化ガスでアルミケースの内圧が上昇し

図4 バリスタの発火メカニズム

気化ガスは素子の巻芯部の空洞部から開弁した防ｻｰｼﾞ電圧ｼｮｰﾄ電流

防爆弁が作動する。
爆弁の中心部に向かって瞬時に吹き抜ける。防爆弁作動と同時に内部の 4 箇所のいずれか、および複数箇所でショートおよびスパークすると、電解液が気化したガスに着火してアルミ電解コンデンサの発 火となる。
その炎で近傍プラスチックに着火すれば、電気機器の発火となる。
以 上 の メ カ ニ ズ ム を 考 慮 し て 、ア ル ミ 電 解 コ ン デ ン

外装樹脂がエポキシ樹脂の試料

・炎の高さ最大80mm、継続時間9.5sec
・2cm上のポリアセタール樹脂に着火した。

外装樹脂をフェノール樹脂5％とシリカ90%に変更したタイプ
・炎の高さ10mm以下、継続時間1.0sec以下
・1cm上のポリアセタール樹脂に着火しなかった。

図5 ビスマス系バリスタの発火時の炎の比較

サを改良した。巻芯部で座屈する前に防爆弁を作動させることを目的に、巻芯部へ集中する素子の急激な膨張力を緩和するため電解紙だけを先に巻き取り（空巻き と 言 う ）、巻 芯 径 を 6mm か ら 9mm に 変 更 し た 。加 えて陽極箔は芯残しタイプを採用し、冷間圧接の接続点（2）発 火 しないアルミ電 解 コンデンサの実 現
AC 電 源 の 一 次 側 平 滑 用 の ア ル ミ 電 解 コ ン デ ン サの原理図と構造を 図 6 に示す。アルミ電解コンデン数 を 7 点 か ら 11 点 に 増 加 し て 、発 火 し な い ア ル ミ 電 解コンデンサを実現した。

法がある。内部温度上昇による部品の寿命への影響を考慮することが肝心であ る。

発 火 メ カ ニ ズ ム

表3 電気的・機械的対策の課題
1.電気的対策
対策方法

ショート箇所

1 .巻 芯 部
3 .リ ード 部

2. 外 周 部
4. 箔 端 部

課題

発火しない電気部品の選定

構造上不可能の電気部品あり

電気保護回路構成する電子部品の信頼性

電流ヒューズ、サーモスタット

ロットごとの信頼性の確保

2.機械的対策

図7 アルミ電解コンデンサの発火メカニズム

電解紙先巻巻芯部ショート

対策方法

課題

電気部品とプラスチックの隔離

隔離距離の数値、検証方法

難燃材使用

難燃性と機能のバランス、コスト

電気部品を板金で覆うカバーの隙間、内部温度11

試験前

4.む す び
電子機器の発火防止の基本は、部品と近傍の燃えや
試 験後

芯残し陽極箔
電解紙巻 始め箔箔すいプラスチックの隔離距離をいかに保つかである 。
その具体例として、部品その物への対策方法として、バリスタとアルミ電解コンデンサの実用化した例をあげた。

気化ｶﾞｽ膨張ｽﾄﾚｽの吸収・緩和

積 層 セ ラ ミ ッ ク コ ン デ ン サ 、抵 抗 等 が 搭 載 さ れ た プ

図8 アルミ電解コンデンサの巻芯部の対策

リント基板上の小さな部品への発火対策で は、電子部品その物への対策は極めて困難である。くわえて、それらが発火した場合、炎の高さや延焼時間を定量的に（ 3） 電 気 保 護 素 子 の 活 用把握することが困難なこと による。

電 気 保 護 素 子 と し て 、電 流 ヒ ュ ー ズ 、漏 電 ブ レ ー カ 、

従 っ て 、そ れ ら の 部 品 へ の 電 力 を 制 限 す る 回 路 に す

サーモスタット、温度ヒューズ等があげられる。通る等の手法と金属カバーで覆う方法で補完する。この常使用してそれらが作動せず、異常時に確実に作動ように電気的対策と機械的な対策の組み合わせでよするように、部品の選択を適切に行うことが重要でりよい対策の設計思想を練り上げてゆく。

ある。選択後は、異常時の確認試験を行う。

筆者の長年の電子機器の発火対策の経験から言えくわえて大切なのは、設計思想である。異常時のることは、電気設計者と機械設計者のコミニュケイシ危険性を考えて、二重保護回路にすることを基本にョンが最も大切である。両者がお互いの設計の考え方、す る こ と を 推 奨 す る 。 例 え ば 、 100 ワ ッ ト の ヒ ー タ

方法を話し合うことにより、電子機器の発火・発煙の回路なら温度センサーと温度ヒューズを巧みに組多くを防止 出来ると確信している。

み合わせる等の設計である 。保護素子や回路全体の信頼性に留意しながら、対策する 。

文[1]

4

献

渡 部 利 範 、藤 原 義 親 、竹 内 学 、“アルミ電解コン

機械的対策

デ ン サ の 発 火 メ カ ニ ズ ム と 対 策 ”、ｐ ｐ .797-809、

機械的対策とは、発火してもプラスチックに炎を日 本 信 頼 性 学 会 、 Vol.25、 No.8、 2003 年 11 月

暴露させない方法である。対策の有効性を確認するに は 、検 証 方 法 に 工 夫 が 必 要 で あ る （ 表 3）。第 一 として、部品からの炎とプラスチックを隔離する場合
は、炎の継続時間と高さ・広がりの数値を量的に把握する。第二に部品とプラスチックの間に難燃材あるいは金属を設置する。思わぬ隙間を作らないようにする。第三に部品を難燃材あるいは金属で覆う方