JP2023038709A - 保護素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】ヒューズエレメントの溶断時に大規模なアーク放電が発生しにくく、絶縁ケースのサイズを小型軽量化することが可能な保護素子を提供する。【解決手段】ヒューズエレメント積層体と、前記ヒューズエレメント積層体を収容する絶縁ケースと、第１端子と、第２端子とを有し、前記ヒューズエレメント積層体は、厚さ方向に並列配置された複数個の可溶性導体シートと、複数個の前記可溶性導体シートの各々の間に近接もしくは接触させた状態で配置された第１絶縁部材と、を含み、複数個の前記可溶性導体シートの各々は、互いに対向する第１端部と第２端部を有し、前記第１端子は、一方の端部が前記第１端部と接続し他方の端部が前記絶縁ケースから外部に露出し、前記第２端子は、一方の端部が前記第２端部と接続し他方の端部が前記絶縁ケースから外部に露出している保護素子。【選択図】図２
Description
本発明は、保護素子に関する。
従来、電流経路に定格を超える電流が流れたときに、発熱して溶断し、電流経路を遮断するヒューズエレメントがある。ヒューズエレメントを備える保護素子（ヒューズ素子）は、家電製品から電気自動車など幅広い分野で使用されている。
例えば、特許文献１には、主に自動車用電気回路等に用いられるヒューズエレメントとして、両端部に位置する端子部の間に連結された２つのエレメントと、当該エレメントの略中央部に設けられた溶断部と、を備えるヒューズエレメントが記載されている。特許文献１には、ケーシングの内部に２枚組のヒューズエレメントが格納され、ヒューズエレメントとケーシングとの間に、消弧材を封入したヒューズが記載されている。
高電圧かつ大電流の電流経路に設置される保護素子においては、ヒューズエレメントが溶断されると、アーク放電が発生しやすい。大規模なアーク放電が発生すると、ヒューズエレメントが収納されている絶縁ケースが破壊されてしまう場合がある。このため、ヒューズエレメントの材料として、銅などの低抵抗でかつ高融点の金属を用いてアーク放電の発生を抑えることが行われている。また、絶縁ケースの材料として、セラミックスなどの堅牢でかつ高耐熱性の材料を用いること、さらに絶縁ケースのサイズを大きくすることが行われている。
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、ヒューズエレメントの溶断時に大規模なアーク放電が発生しにくく、絶縁ケースのサイズを小型軽量化することが可能な保護素子を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
［１］ヒューズエレメント積層体と、前記ヒューズエレメント積層体を収容する絶縁ケースと、第１端子と、第２端子とを有し、前記ヒューズエレメント積層体は、厚さ方向に並列配置された複数個の可溶性導体シートと、複数個の前記可溶性導体シートの各々の間に近接もしくは接触させた状態で配置された第１絶縁部材と、を含み、複数個の前記可溶性導体シートの各々は、互いに対向する第１端部と第２端部を有し、前記第１端子は、一方の端部が前記第１端部と接続し他方の端部が前記絶縁ケースから外部に露出し、前記第２端子は、一方の端部が前記第２端部と接続し他方の端部が前記絶縁ケースから外部に露出している、保護素子。
［２］複数個の前記可溶性導体シートのうちの最下部に配置された可溶性導体シートと前記絶縁ケースとの間、および複数個の前記可溶性導体シートのうちの最上部に配置された可溶性導体シートと前記絶縁ケースとの間の各々に第２絶縁部材が配置されている、［１］に記載の保護素子。
［３］前記第１絶縁部材および前記第２絶縁部材は、前記可溶性導体シートの前記第１端部と前記第２端部との間の中央部で前記第１端部から前記第２端部に向かう方向を遮るように分離されている、［２］に記載の保護素子。
［４］前記絶縁ケースの内部に配置され、前記第２絶縁部材を前記可溶性導体シート側の方向に押圧する押圧部材を有する、［２］または［３］に記載の保護素子。
［３］前記第１絶縁部材および前記第２絶縁部材は、前記可溶性導体シートの前記第１端部と前記第２端部との間の中央部で前記第１端部から前記第２端部に向かう方向を遮るように分離されている、［２］に記載の保護素子。
［４］前記絶縁ケースの内部に配置され、前記第２絶縁部材を前記可溶性導体シート側の方向に押圧する押圧部材を有する、［２］または［３］に記載の保護素子。
［５］前記第１絶縁部材、前記第２絶縁部材及び前記絶縁ケースのうち少なくとも一つは、耐トラッキング指標ＣＴＩが５００Ｖ以上の材料で形成されている、［２］～［４］のいずれかに記載の保護素子。
［６］前記第１絶縁部材、前記第２絶縁部材及び前記絶縁ケースのうち少なくとも一つは、ポリアミド系樹脂、フッ素系樹脂からなる群より選ばれる一種の樹脂材料で形成されている、［２］～［５］のいずれかに記載の保護素子。
［７］複数個の前記可溶性導体シートの各々は、低融点金属層と高融点金属層とを含む積層体であり、前記低融点金属層は錫を含み、前記高融点金属層は銀もしくは銅を含む、５、［１］～［６］のいずれかに記載の保護素子。
［８］複数個の前記可溶性導体シートの各々は、前記高融点金属層を２層以上有し、前記低融点金属層を１層以上有し、前記低融点金属層が前記高融点金属層の間に配置された積層体である、［７］に記載の保護素子。
［９］複数個の前記可溶性導体シートの各々は、銀もしくは銅を含む単層体である、［１］～［６］のいずれかに記載の保護素子。
［６］前記第１絶縁部材、前記第２絶縁部材及び前記絶縁ケースのうち少なくとも一つは、ポリアミド系樹脂、フッ素系樹脂からなる群より選ばれる一種の樹脂材料で形成されている、［２］～［５］のいずれかに記載の保護素子。
［７］複数個の前記可溶性導体シートの各々は、低融点金属層と高融点金属層とを含む積層体であり、前記低融点金属層は錫を含み、前記高融点金属層は銀もしくは銅を含む、５、［１］～［６］のいずれかに記載の保護素子。
［８］複数個の前記可溶性導体シートの各々は、前記高融点金属層を２層以上有し、前記低融点金属層を１層以上有し、前記低融点金属層が前記高融点金属層の間に配置された積層体である、［７］に記載の保護素子。
［９］複数個の前記可溶性導体シートの各々は、銀もしくは銅を含む単層体である、［１］～［６］のいずれかに記載の保護素子。
［１０］複数個の前記可溶性導体シートの各々は、前記第１端部と前記第２端部の間に溶断部を有し、前記第１端部および前記第２端部の前記第１端部から前記第２端部に向かう通電方向の断面積より、前記溶断部の前記通電方向の断面積の方が小さい、［１］～［９］のいずれかに記載の保護素子。
本発明によれば、ヒューズエレメントの溶断時に大規模なアーク放電が発生しにくく、絶縁ケースのサイズを小型軽量化することが可能な保護素子を提供することが可能となる。
以下、本実施形態について、図面を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。
（保護素子）
図１～図６は、本発明の一実施形態に係る保護素子を示した模式図である。以下の説明で用いる図面において、Ｘで示す方向はヒューズエレメントの通電方向である。Ｙで示す方向はＸ方向と直交する方向であり、幅方向ともいう。Ｚで示す方向は、Ｘ方向およびＹ方向に直交する方向であり、厚さ方向ともいう。
図１～図６は、本発明の一実施形態に係る保護素子を示した模式図である。以下の説明で用いる図面において、Ｘで示す方向はヒューズエレメントの通電方向である。Ｙで示す方向はＸ方向と直交する方向であり、幅方向ともいう。Ｚで示す方向は、Ｘ方向およびＹ方向に直交する方向であり、厚さ方向ともいう。
図１は、本発明の一実施形態に係る保護素子の斜視図である。図２は、図１に示す保護素子の分解斜視図である。図３は、図２に示すヒューズエレメント積層体の分解斜視図である。図４は、図３に示す可溶性導体シートの平面図である。図５は、図１のＶ－Ｖ’線に沿った保護素子の横断面図である。図６は、図１のVI－VI’線に沿った保護素子の縦断面図である。
図１～図６に示す本実施形態の保護素子１００は絶縁ケース１０と、絶縁ケース１０内に収容されたヒューズエレメント積層体４０と、第１押圧部材７１と、第２押圧部材７２と、第１端子９１と、第２端子９２とを有する。なお、本実施形態の保護素子１００において、通電方向は、使用時において電気が流れる方向（Ｘ方向）を意味し、通電方向の断面積は、通電方向に対して直交する方向の面（Ｙ－Ｚ面）の面積を意味する。
（絶縁ケース）
絶縁ケース１０は、略円柱状である。絶縁ケース１０は、カバー２０と保持部材３０とからなる。
カバー２０は、両端が開口した円筒形状である。カバー２０の開口部における内側の縁部は、面取りされた傾斜面２１とされている。カバー２０の中央部は、保持部材３０が収容される収容部２２とされている。
絶縁ケース１０は、略円柱状である。絶縁ケース１０は、カバー２０と保持部材３０とからなる。
カバー２０は、両端が開口した円筒形状である。カバー２０の開口部における内側の縁部は、面取りされた傾斜面２１とされている。カバー２０の中央部は、保持部材３０が収容される収容部２２とされている。
保持部材３０は、第１保持部材３０ａと第２保持部材３０ｂとからなる。第１保持部材３０ａと第２保持部材３０ｂは同形であり、略半円柱状である。第１保持部材３０ａと第２保持部材３０ｂの通電方向（Ｘ方向）における両端部（第１端部３１ａ、第２端部３１ｂ）の頂面には端子載置面３２が設けられていて、端子載置面３２に接続した半円形状の端子接着剤注入口３３が設けられている。また、第１端部３１ａと第２端部３１ｂの幅方向（Ｙ方向）の両端にはそれぞれ切り欠き３４ａが形成されている。切り欠き３４ａは、第１保持部材３０ａと第２保持部材３０ｂとが一体化されることにより、通電方向から見て断面視半円形の溝状形状を有する中空のケース接着剤注入口３４を形成する。さらに第１端部３１ａの頂面には凸部３５が、第２端部３１ｂの頂面には凹部３６が設けられている。第１保持部材３０ａの凸部３５と第２保持部材３０ｂの凹部３６とを係合させ、第１保持部材３０ａの凹部３６と第２保持部材３０ｂの凸部３５とを係合させることにより、保持部材３０が形成される。
第１保持部材３０ａおよび第２保持部材３０ｂの通電方向における中央は、ヒューズエレメント収容部３７とされている。ヒューズエレメント収容部３７は、ヒューズエレメント積層体４０を固定するガイドピン４１を受けるガイドピン挿入孔３８と、ヒューズエレメント積層体４０を押圧する押圧部材（第１押圧部材７１、第２押圧部材７２）を受ける押圧部材挿入孔３９を備える。
ヒューズエレメント収容部３７は、側面が削れていて、これにより、絶縁ケース１０の内部には、内圧緩衝空間８０が形成されている。内圧緩衝空間８０は、ヒューズエレメント積層体４０の溶断時に発生するアーク放電によって生成する気体による保護素子１００の内圧の急激な上昇を抑える作用がある。
カバー２０および保持部材３０は、耐トラッキング指標ＣＴＩ（トラッキング（炭化導電路）破壊に対する耐性）が５００Ｖ以上の材料で形成されていることが好ましい。耐トラッキング指標ＣＴＩは、ＩＥＣ６０１１２に基づく試験により求めることができる。
カバー２０および保持部材３０の材料としては、樹脂材料を用いることができる。樹脂材料は、セラミック材料よりも熱容量が小さく融点も低い。このため、保持部材３０の材料として樹脂材料を用いると、ガス化した金属及び溶融飛散した金属粒子が保持部材３０に付着したとき、保持部材３０の表面が変形したり、保持部材３０の表面で金属粒子が粒状に凝集したりすることで、保持部材３０に付着した金属や金属粒子が疎らとなり伝導パスを形成し難くなる傾向があり好ましい。
樹脂材料としては、例えば、ポリアミド系樹脂またはフッ素系樹脂を用いることができる。ポリアミド系樹脂は、脂肪族ポリアミドであってもよいし、半芳香族ポリアミドであってもよい。脂肪族ポリアミドの例としては、ナイロン４、ナイロン６、ナイロン４６、ナイロン６６を挙げることができる。半芳香族ポリアミドの例としては、ナイロン６Ｔ、ナイロン９Ｔ、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）樹脂を挙げることができる。フッ素系樹脂の例としては、ポリテトラフルオロエチレンを挙げることができる。また、ポリアミド系樹脂およびフッ素系樹脂は耐熱性が高く、燃焼しにくい。特に、脂肪族ポリアミドは燃焼してもグラファイトが生成しにくい。このため、脂肪族ポリアミドを用いて、カバー２０および保持部材３０を形成することで、ヒューズエレメント積層体４０の溶断時のアーク放電に生成したグラファイトによって、新たな電流経路が形成されることをより確実に防止できる。
（ヒューズエレメント積層体）
ヒューズエレメント積層体４０は、厚さ方向（Ｚ方向）に並列配置された６個の可溶性導体シート５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｅ、５０ｆを有する。可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの各々の間には、第１絶縁部材６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄ、６１ｅが配置されている。第１絶縁部材６１ａ～６１ｅは、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの各々に近接もしくは接触させた状態で配置されている。近接させた状態は、第１絶縁部材６１ａ～６１ｅと可溶性導体シート５０ａ～５０ｆとの距離が０．５ｍｍ以下の状態であることが好ましく、より好ましくは０．２ｍｍ以下の状態である。また、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆのうちの最下部に配置された可溶性導体シート５０ａと第１保持部材３０ａとの間には、第２絶縁部材６２ａが可溶性導体シート５０ａに近接もしくは接触させた状態で配置されている。さらに、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆのうちの最上部に配置された可溶性導体シート５０ｆと第２保持部材３０ｂとの間には、第２絶縁部材６２ｂが可溶性導体シート５０ｆに近接もしくは接触させた状態で配置されている。可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの幅（Ｙ方向の長さ）は、第１絶縁部材６１ａ～６１ｅおよび第２絶縁部材６２ａ、６２ｂの幅よりも狭くなっている。第１絶縁部材６１ａ～６１ｅと第２絶縁部材６２ａ、６２ｂが可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの各々に近接もしくは接触させた状態で配置されていることにより、過電流に伴う可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの溶断時にアーク放電が発生する空間自体を極めて狭くできる。アーク放電を構成するプラズマは空間内の気体が電離することよって発生するので、アーク放電が発生する空間自体を極めて狭くすることにより、プラズマの発生量が低減し、アーク放電の規模を小さく抑えることができる。
ヒューズエレメント積層体４０は、厚さ方向（Ｚ方向）に並列配置された６個の可溶性導体シート５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｅ、５０ｆを有する。可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの各々の間には、第１絶縁部材６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄ、６１ｅが配置されている。第１絶縁部材６１ａ～６１ｅは、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの各々に近接もしくは接触させた状態で配置されている。近接させた状態は、第１絶縁部材６１ａ～６１ｅと可溶性導体シート５０ａ～５０ｆとの距離が０．５ｍｍ以下の状態であることが好ましく、より好ましくは０．２ｍｍ以下の状態である。また、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆのうちの最下部に配置された可溶性導体シート５０ａと第１保持部材３０ａとの間には、第２絶縁部材６２ａが可溶性導体シート５０ａに近接もしくは接触させた状態で配置されている。さらに、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆのうちの最上部に配置された可溶性導体シート５０ｆと第２保持部材３０ｂとの間には、第２絶縁部材６２ｂが可溶性導体シート５０ｆに近接もしくは接触させた状態で配置されている。可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの幅（Ｙ方向の長さ）は、第１絶縁部材６１ａ～６１ｅおよび第２絶縁部材６２ａ、６２ｂの幅よりも狭くなっている。第１絶縁部材６１ａ～６１ｅと第２絶縁部材６２ａ、６２ｂが可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの各々に近接もしくは接触させた状態で配置されていることにより、過電流に伴う可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの溶断時にアーク放電が発生する空間自体を極めて狭くできる。アーク放電を構成するプラズマは空間内の気体が電離することよって発生するので、アーク放電が発生する空間自体を極めて狭くすることにより、プラズマの発生量が低減し、アーク放電の規模を小さく抑えることができる。
可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの各々は、互いに対向する第１端部５１と第２端部５２とを有する。厚さ方向に並列配置された可溶性導体シート５０ａ～５０ｆのうちの下から３つの可溶性導体シート５０ａ～５０ｃの第１端部５１は、第１端子９１の下面に接続し、上から３つの可溶性導体シート５０ｄ～５０ｆの第１端部５１は、第１端子９１の上面に接続されている。また、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆのうちの下から３つの可溶性導体シート５０ａ～５０ｃの第２端部５２は、第２端子９２の下面に接続し、上から３つの可溶性導体シート５０ｄ～５０ｆの第２端部５２は、第２端子９２の上面に接続されている。なお、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆと第１端子９１及び第２端子９２の接続位置はこれに限定されるものではない。例えば、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの第１端部５１の全てが、第１端子９１の上面に接続されていてもよいし、第１端子９１の下面に接続されていてもよい。また、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの第２端部５２の全てが、第２端子９２の上面に接続されていてもよいし、第２端子９２の下面に接続されていてもよい。
可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの各々は、低融点金属層と高融点金属層とを含む積層体であってもよいし、単層体であってもよい。
積層体の低融点金属層はＳｎを含む。低融点金属層は、Ｓｎ単体であってもよいし、Ｓｎ合金であってもよい。Ｓｎ合金は、Ｓｎを主成分とする合金である。Ｓｎ合金は、合金に含まれる金属の中でＳｎの含有量が最も多い合金である。Ｓｎ合金の例としては、Ｓｎ－Ｂｉ合金、Ｉｎ－Ｓｎ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ合金を挙げることができる。高融点金属層は、ＡｇもしくはＣｕを含む。高融点金属層は、Ａｇ単体であってもよいし、Ｃｕ単体であってもよいし、Ａｇ合金であってもよいし、Ｃｕ合金であってもよい。Ａｇ合金は合金に含まれる金属の中でＡｇの含有量が最も多い合金であり、Ｃｕ合金は、合金に含まれる金属の中でＣｕの含有量が最も多い合金である。積層体は、低融点金属層／高融点金属層の２層構造であってもよいし、高融点金属層を２層以上有し、低融点金属層が１層以上で、前記低融点金属層が高融点金属層の間に配置された３層以上の多層構造であってもよい。
積層体の低融点金属層はＳｎを含む。低融点金属層は、Ｓｎ単体であってもよいし、Ｓｎ合金であってもよい。Ｓｎ合金は、Ｓｎを主成分とする合金である。Ｓｎ合金は、合金に含まれる金属の中でＳｎの含有量が最も多い合金である。Ｓｎ合金の例としては、Ｓｎ－Ｂｉ合金、Ｉｎ－Ｓｎ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ合金を挙げることができる。高融点金属層は、ＡｇもしくはＣｕを含む。高融点金属層は、Ａｇ単体であってもよいし、Ｃｕ単体であってもよいし、Ａｇ合金であってもよいし、Ｃｕ合金であってもよい。Ａｇ合金は合金に含まれる金属の中でＡｇの含有量が最も多い合金であり、Ｃｕ合金は、合金に含まれる金属の中でＣｕの含有量が最も多い合金である。積層体は、低融点金属層／高融点金属層の２層構造であってもよいし、高融点金属層を２層以上有し、低融点金属層が１層以上で、前記低融点金属層が高融点金属層の間に配置された３層以上の多層構造であってもよい。
単層体の場合は、ＡｇもしくはＣｕを含む。単層体は、Ａｇ単体であってもよいし、Ｃｕ単体であってもよいし、Ａｇ合金であってもよいし、Ｃｕ合金であってもよい。
可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの各々は、第１端部５１と第２端部５２との間の中央部５３に貫通孔５４を有していてもよい。貫通孔５４を有することによって、第１端部５１および第２端部５２の断面積より、中央部５３の断面積が小さくなる。中央部５３の断面積が小さくなることによって、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの各々に定格を超える大電流が流れた場合には、中央部５３の発熱量が大きくなるため、中央部５３が溶断部となって溶断（消失）しやすくなる。
可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの各々は、Ｘ方向（通電方向）に対する断面積が同等であることが好ましい。可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの断面積は、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの断面積の平均値に対して±１０％以内にあってもよい。可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの厚さは、特に限定されるものではないが、例えば、０．０１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内とすることができる。ＡｇもしくはＣｕを含む単層体の場合の可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの厚さは０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下、低融点金属層と高融点金属層とを含む積層体の場合の可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの厚さは０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下が好ましい。
第１絶縁部材６１ａ～６１ｅおよび第２絶縁部材６２ａ、６２ｂの各々は、互いに隙間６５を介して対向した第１絶縁片６３ａと第２絶縁片６３ｂからなる。第１絶縁片６３ａおよび第２絶縁片６３ｂはそれぞれ、ガイドピン４１が挿入されるガイドピン貫通孔６４を有する。隙間６５は、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの第１端部５１と第２端部５２との中央部５３に対向する位置にある。すなわち、第１絶縁部材６１ａ～６１ｅおよび第２絶縁部材６２ａ、６２ｂの各々は、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの第１端部５１と第２端部５２との中央部５３に対向する位置で分離されている。
第１絶縁部材６１ａ～６１ｅおよび第２絶縁部材６２ａ、６２ｂは、耐トラッキング指標ＣＴＩが５００Ｖ以上の材料で形成されていることが好ましい。
第１絶縁部材６１ａ～６１ｅおよび第２絶縁部材６２ａ、６２ｂの材料としては、樹脂材料を用いることができる。樹脂材料の例は、カバー２０および保持部材３０の場合と同じである。
第１絶縁部材６１ａ～６１ｅおよび第２絶縁部材６２ａ、６２ｂの材料としては、樹脂材料を用いることができる。樹脂材料の例は、カバー２０および保持部材３０の場合と同じである。
ガイドピン４１としては、例えば、樹脂ワイヤーやガラスワイヤーなどの絶縁性ワイヤーを用いることができる。樹脂ワイヤーの材料としては、例えば、ポリアミド系樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリカーボネート樹脂を用いることができる。ガイドピン４１の直径は、例えば、０．５ｍｍ以上１．２ｍｍ以下の範囲内であってもよい。ガイドピン４１は、例えば、ナイロンワイヤであってもよい。
ヒューズエレメント積層体４０は、例えば、次のようにして製造することができる。
まず、第１保持部材３０ａのガイドピン挿入孔３８にガイドピン４１を挿入する。次に、第１絶縁部材６１ａ～６１ｅと第２絶縁部材６２ａ、６２ｂのそれぞれのガイドピン貫通孔６４をそれぞれガイドピン４１に挿入しながら、第２絶縁部材６２ａの上に、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆと第１絶縁部材６１ａ～６１ｅとを、それぞれ厚さ方向に交互に積層し、最上部に配置された可溶性導体シート５０ｆの上面に第２絶縁部材６２ｂ配置して、積層体を得る。ガイドピン４１が挿入された第１保持部材３０ａの代わりに、同等形状もしくはガイドピン４１が適正位置に立設された形状の金属製治具を用いてもよい。
まず、第１保持部材３０ａのガイドピン挿入孔３８にガイドピン４１を挿入する。次に、第１絶縁部材６１ａ～６１ｅと第２絶縁部材６２ａ、６２ｂのそれぞれのガイドピン貫通孔６４をそれぞれガイドピン４１に挿入しながら、第２絶縁部材６２ａの上に、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆと第１絶縁部材６１ａ～６１ｅとを、それぞれ厚さ方向に交互に積層し、最上部に配置された可溶性導体シート５０ｆの上面に第２絶縁部材６２ｂ配置して、積層体を得る。ガイドピン４１が挿入された第１保持部材３０ａの代わりに、同等形状もしくはガイドピン４１が適正位置に立設された形状の金属製治具を用いてもよい。
（第１押圧部材、第２押圧部材）
第１押圧部材７１は、一方の端部が第１保持部材３０ａの押圧部材挿入孔３９に挿入され、他方の端部が第２絶縁部材６２ａの第２絶縁片６３ｂの隙間６５側の端部に接している。第１押圧部材７１は、第２絶縁片６３ｂを上方（可溶性導体シート５０ａ側）に押圧している。第１押圧部材７１の押圧は、例えば、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆを切断しない圧力で、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆが溶断したときは、第１絶縁部材６１ａ～６１ｅおよび第２絶縁部材６２ａ、６２ｂの第２絶縁片６３ｂを上方に押し上げることができる圧力である。
第１押圧部材７１は、一方の端部が第１保持部材３０ａの押圧部材挿入孔３９に挿入され、他方の端部が第２絶縁部材６２ａの第２絶縁片６３ｂの隙間６５側の端部に接している。第１押圧部材７１は、第２絶縁片６３ｂを上方（可溶性導体シート５０ａ側）に押圧している。第１押圧部材７１の押圧は、例えば、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆを切断しない圧力で、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆが溶断したときは、第１絶縁部材６１ａ～６１ｅおよび第２絶縁部材６２ａ、６２ｂの第２絶縁片６３ｂを上方に押し上げることができる圧力である。
第２押圧部材７２は、一方の端部が第２保持部材３０ｂの押圧部材挿入孔３９に挿入され、他方の端部が第２絶縁部材６２ｂの第１絶縁片６３ａの隙間６５側の端部に接している。第２押圧部材７２は、第１絶縁片６３ａを下方（可溶性導体シート５０ｆ側）に押圧している。第２押圧部材７２の押圧は、例えば、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆを切断しない圧力で、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆが溶断したときは、第１絶縁部材６１ａ～６１ｅおよび第２絶縁部材６２ａ、６２ｂの第１絶縁片６３ａを下方に押し下げることができる圧力である。
第１押圧部材７１および第２押圧部材７２としては、例えば、圧縮コイルバネおよびゴムを用いることができる。
（第１端子、第２端子）
第１端子９１は、一方の端部が可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの第１端部５１と接続し、他方の端部が絶縁ケース１０の外部に露出している。また、第２端子９２は、一方の端部が可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの第２端部５２と接続し、他方の端部が絶縁ケース１０の外部に露出している。
第１端子９１は、一方の端部が可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの第１端部５１と接続し、他方の端部が絶縁ケース１０の外部に露出している。また、第２端子９２は、一方の端部が可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの第２端部５２と接続し、他方の端部が絶縁ケース１０の外部に露出している。
第１端子９１と第２端子９２とは、略同形であってもよいし、それぞれ異なる形状であってもよい。第１端子９１および第２端子９２の厚みは、特に限定されるものではないが、例えば、０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内にあってもよい。第１端子９１の厚みと第２端子９２の厚みとは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
第１端子９１は、外部端子孔９１ａを備えている。また、第２端子９２は、外部端子孔９２ａを備えている。外部端子孔９１ａ、外部端子孔９２ａのうち、一方は電源側に接続するために用いられ、他方は負荷側に接続するために用いられる。もしくは、外部端子孔９１ａ、外部端子孔９２ａは、負荷の内部の通電経路に接続されるために用いられてもよい。外部端子孔９１ａおよび外部端子孔９２ａは、平面視略円形の貫通孔とすることができる。
第１端子９１および第２端子９２としては、例えば、銅、黄銅、ニッケルなどからなるものを用いることができる。第１端子９１および第２端子９２の材料として、剛性強化の観点からは黄銅を用いることが好ましく、電気抵抗低減の観点からは銅を用いることが好ましい。第１端子９１と第２端子９２とは、同じ材料からなるものであってもよいし、異なる材料からなるものであってもよい。
図７は、保護素子１００のヒューズエレメント積層体４０が溶断された状態を示す縦断面図である。図７の縦断面図は、図１のVI－VI’線に沿った縦断面図に相当する。
図７において、ヒューズエレメント積層体４０の可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの中央部が溶断している。可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの中央部が溶断することによって、第１押圧部材７１の押圧によって、第１絶縁部材６１ａ～６１ｅおよび第２絶縁部材６２ａ、６２ｂの第２絶縁片６３ｂが上方に押し上げられる。また、第２押圧部材７２の押圧によって、第１絶縁部材６１ａ～６１ｅおよび第２絶縁部材６２ａ、６２ｂの第１絶縁片６３ａが下方に押し下げられる。これによって、積層する第１絶縁片間及び積層する第２絶縁片間が近接・接触し、通電経路の空間が物理的に遮蔽され、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの溶断によって発生したアーク放電を早期に消弧させることができる。
図７において、ヒューズエレメント積層体４０の可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの中央部が溶断している。可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの中央部が溶断することによって、第１押圧部材７１の押圧によって、第１絶縁部材６１ａ～６１ｅおよび第２絶縁部材６２ａ、６２ｂの第２絶縁片６３ｂが上方に押し上げられる。また、第２押圧部材７２の押圧によって、第１絶縁部材６１ａ～６１ｅおよび第２絶縁部材６２ａ、６２ｂの第１絶縁片６３ａが下方に押し下げられる。これによって、積層する第１絶縁片間及び積層する第２絶縁片間が近接・接触し、通電経路の空間が物理的に遮蔽され、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの溶断によって発生したアーク放電を早期に消弧させることができる。
（保護素子の製造方法）
本実施形態の保護素子１００は、次のようにして製造することができる。
先ず、第１保持部材３０ａとガイドピン４１もしくは同等形状の治具にて位置決めされたヒューズエレメント積層体４０と、第１端子９１および第２端子９２とを用意する。そして、ヒューズエレメント積層体４０の可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの各々の第１端部５１と第１端子９１とをハンダ付けによって接続する。また、第２端部５２と第２端子９２とをハンダ付けによって接続する。ハンダ付けに使用されるハンダ材料としては、公知のものを用いることができ、抵抗率と融点および環境対応鉛フリーの観点からＳｎを主成分とするものを用いることが好ましい。可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの第１端部５１と第１端子９１との接続およびの可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの第２端部５２と第２端子９２との接続は、ハンダ付けに限定されるものではなく、溶接による接合など公知の接合方法を用いてもよい。
本実施形態の保護素子１００は、次のようにして製造することができる。
先ず、第１保持部材３０ａとガイドピン４１もしくは同等形状の治具にて位置決めされたヒューズエレメント積層体４０と、第１端子９１および第２端子９２とを用意する。そして、ヒューズエレメント積層体４０の可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの各々の第１端部５１と第１端子９１とをハンダ付けによって接続する。また、第２端部５２と第２端子９２とをハンダ付けによって接続する。ハンダ付けに使用されるハンダ材料としては、公知のものを用いることができ、抵抗率と融点および環境対応鉛フリーの観点からＳｎを主成分とするものを用いることが好ましい。可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの第１端部５１と第１端子９１との接続およびの可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの第２端部５２と第２端子９２との接続は、ハンダ付けに限定されるものではなく、溶接による接合など公知の接合方法を用いてもよい。
次に、第１保持部材３０ａと第２保持部材３０ｂを用意する。第１保持部材３０ａのヒューズエレメント収容部３７に、第１端子９１と第２端子９２とを接続したヒューズエレメント積層体４０を配置する。このとき、ヒューズエレメント積層体４０のガイドピン４１を第１保持部材３０ａのガイドピン挿入孔３８に挿入する。次いで、ヒューズエレメント積層体４０を配置した第１保持部材３０ａの上に、第２保持部材３０ｂを、第２保持部材３０ｂのヒューズエレメント収容部３７がヒューズエレメント積層体４０と対向するように配置する。このとき、ヒューズエレメント積層体４０のガイドピン４１を第２保持部材３０ｂのガイドピン挿入孔３８に挿入すると共に、第１保持部材３０ａの凸部３５と第２保持部材３０ｂの凹部３６とを係合させ、第１保持部材３０ａの凹部３６と第２保持部材３０ｂの凸部３５とを係合させる。こうして、保持部材３０を形成する。
次に、第１押圧部材７１と第２押圧部材７２を用意する。第１保持部材３０ａの押圧部材挿入孔３９に第１押圧部材７１を圧縮した状態で収容し、第２保持部材３０ｂの押圧部材挿入孔３９に第２押圧部材７２を圧縮した状態で収容する。
次に、カバー２０を用意する。そして、カバー２０の収容部２２に、保持部材３０を挿入する。次いで、保持部材３０の端子接着剤注入口３３に接着剤を注入して、端子載置面３２と第１端子９１および第２端子との隙間を埋める。また、ケース接着剤注入口３４とカバー２０の傾斜面２１に接着剤を注入して、カバー２０と保持部材３０とを接着させる。接着剤としては、例えば、熱硬化性樹脂を含む接着剤を用いることができる。こうして、カバー２０内が密閉された絶縁ケース１０が形成される。
以上の工程により、本実施形態の保護素子１００が得られる。
以上の工程により、本実施形態の保護素子１００が得られる。
本実施形態の保護素子１００では、ヒューズエレメント積層体４０が厚さ方向に並列配置された複数個の可溶性導体シート５０ａ～５０ｆを含み、その可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの各々がその間に配置された第１絶縁部材６１ａ～６１ｅと近接もしくは接触（密着）して絶縁されている。このため、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの各々に流れる電流値が小さくなり且つ可溶性導体シート５０ａ～５０ｆを取り巻く空間が極めて狭くなり、溶断することによって発生するアーク放電の規模が小さくなりやすくなる。よって、本実施形態の保護素子１００によれば、絶縁ケース１０のサイズを小型軽量化することが可能となる。
本実施形態の保護素子１００において、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆのうちの最下部に配置された可溶性導体シート５０ａと絶縁ケース１０の第１保持部材３０ａとの間、および可溶性導体シート５０ａ～５０ｆのうちの最上部に配置された可溶性導体シート５０ｆと絶縁ケース１０の第２保持部材３０ｂとの間の各々に第２絶縁部材６２ａ、６２ｂが配置されていると、可溶性導体シート５０ａ、５０ｆが第１保持部材３０ａ、第２保持部材３０ｂと直接接触しないので、アーク放電によって、これらの絶縁ケース１０の内部表面に導電路となる炭化物が形成されにくくなるので、絶縁ケース１０のサイズを小型にしてもリーク電流が発生しにくくなる。
本実施形態の保護素子１００において、第１絶縁部材６１ａ～６１ｅおよび第２絶縁部材６２ａ、６２ｂが可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの第１端部５１と第２端部５２との中央部５３に対向する位置で分離されていると、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆが中央部５３で溶断したときに、第１絶縁部材６１ａ～６１ｅおよび第２絶縁部材６２ａ、６２ｂの表面の連続的な溶融飛散物の付着を抑制することができる。このため、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの溶断によって発生したアーク放電を早期に消弧させ、遮断後の保護素子１００の絶縁抵抗を高くすることができる。
本実施形態の保護素子１００において、第１押圧部材７１と第２押圧部材７２とを配置すると、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆが溶断したときに、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆを上方と下方とに分けて押圧して移動させることができ、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの第１端部５１側の溶断部（消失部）が積層する第１絶縁片間及び積層する第２絶縁片間が近接・接触し、通電経路の空間が物理的に遮蔽される。このため、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの溶断によって発生したアーク放電をより早期に消弧させることができる。なお、本実施形態の保護素子１００においては、第１押圧部材７１と第２押圧部材７２とを有するが、第１押圧部材７１と第２押圧部材７２のどちらか一方のみが配置されていてもよい。
本実施形態の保護素子１００において、第１絶縁部材６１ａ～６１ｅ、第２絶縁部材６２ａ、６２ｂおよび絶縁ケース１０のカバー２０、保持部材３０のうち少なくとも一つは、指標ＣＴＩが５００Ｖ以上の材料で形成されていると、アーク放電によって、これらの部品の表面に導電路となる炭化物が形成されにくくなるので、絶縁ケース１０のサイズを小型にしてもリーク電流がより発生しにくくなる。
本実施形態の保護素子１００において、第１絶縁部材６１ａ～６１ｅ、第２絶縁部材６２ａ、６２ｂおよび絶縁ケース１０のカバー２０、保持部材３０のうち少なくとも一つは、ポリアミド系樹脂またはフッ素系樹脂で形成されていると、ポリアミド系樹脂またはフッ素系樹脂は、絶縁性と耐トラッキング性とが優れるので、小型化と軽量化を両立しやすくなる。
本実施形態の保護素子１００において、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの各々が、低融点金属層と高融点金属層とを含む積層体であり、低融点金属層がＳｎを含み、高融点金属層がＡｇもしくはＣｕを含むと、低融点金属層が溶融することによって高融点金属がＳｎによって溶解されるので、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの溶断温度が低くなる。また、ＡｇやＣｕはＳｎよりも物理的強度が高いため、低融点金属層に高融点金属層を積層した可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの物理的強度は、低融点金属層単体の物理的強度よりも高くなる。さらには、ＡｇやＣｕはＳｎよりも電気抵抗率が低く、低融点金属層に高融点金属層を積層した可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの電気抵抗値は、低融点金属層単体の電気抵抗値よりも低くなる。即ち、より大電流対応のヒューズエレメントとなる。
本実施形態の保護素子１００において、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの各々が、高融点金属層を２層以上有し、低融点金属層を１層以上有し、低融点金属層が高融点金属層の間に配置された積層体であると、外側に高融点金属層があるので、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの強度が高くなる。特に、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの第１端部５１と第１端子９１および第２端部５２と第２端子９２とをハンダ付けで接続する場合には、ハンダ付け時の加熱による可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの変形が起こりにくくなる。
本実施形態の保護素子１００において、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの各々が、銀もしくは銅を含む単層体であると、高融点金属層と低融点金属層の積層体である場合と比較して、電気抵抗率が小さくなりやすい。このため、銀もしくは銅を含む単層体からなる可溶性導体シート５０ａ～５０ｆは、高融点金属層と低融点金属層の積層体からなる可溶性導体シート５０ａ～５０ｆと同じ面積で同等の電気抵抗を有する場合でも、厚みを薄くすることができる。可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの厚みが薄いと、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆが溶断したときの溶融飛散物量も厚みに比例して少なくなり、遮断後の絶縁抵抗が高くなる。
本実施形態の保護素子１００において、可溶性導体シート５０ａ～５０ｆの各々は、中央部５３に貫通孔５４が設けられていて、第１端部５１および第２端部５２の通電方向の断面積より中央部５３の通電方向の断面積が小さくなるようにされた溶断部を有しているので、電流経路に定格を超える電流が流れたとき溶断する部位が安定する。なお、本実施形態の保護素子１００においては中央部５３に貫通孔５４を設けているが、中央部５３の断面積が小さくする方法に特に制限はない。例えば、中央部５３の両端部を凹状に切り取ることによって、中央部５３の断面積を小さくしてもよい。
本発明の保護素子は、上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、上述した実施形態の保護素子１００においては、絶縁ケース１０は円筒形状であるが、絶縁ケース１０の形状には特に制限はない。絶縁ケース１０は立方体であってもよい。また、ヒューズエレメント積層体４０は、６個の可溶性導体シート５０ａ～５０ｆが積層された構成とされているが、可溶性導体シートの個数には特に制限はない。可溶性導体シートの個数は２個以上であればよい。可溶性導体シートの個数は、例えば、２個以上１０個以下の範囲内にあってもよい。
例えば、上述した実施形態の保護素子１００においては、絶縁ケース１０は円筒形状であるが、絶縁ケース１０の形状には特に制限はない。絶縁ケース１０は立方体であってもよい。また、ヒューズエレメント積層体４０は、６個の可溶性導体シート５０ａ～５０ｆが積層された構成とされているが、可溶性導体シートの個数には特に制限はない。可溶性導体シートの個数は２個以上であればよい。可溶性導体シートの個数は、例えば、２個以上１０個以下の範囲内にあってもよい。
１０ 絶縁ケース
２０ カバー
２１ 傾斜面
２２ 収容部
３０ 保持部材
３０ａ 第１保持部材
３０ｂ 第２保持部材
３１ａ 第１端部
３１ｂ 第２端部
３２ 端子載置面
３３ 端子接着剤注入口
３４ ケース接着剤注入口
３４ａ 切り欠き
３５ 凸部
３６ 凹部
３７ ヒューズエレメント収容部
３８ ガイドピン挿入孔
３９ 押圧部材挿入孔
４０ ヒューズエレメント積層体
４１ ガイドピン
５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｅ、５０ｆ 可溶性導体シート
５１ 第１端部
５２ 第２端部
５３ 中央部
５４ 貫通孔
６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄ、６１ｅ 第１絶縁部材
６２ａ、６２ｂ 第２絶縁部材
６３ａ 第１絶縁片
６３ｂ 第２絶縁片
６４ ガイドピン貫通孔
６５ 隙間
７１ 第１押圧部材
７２ 第２押圧部材
８０ 内圧緩衝空間
９１ 第１端子
９２ 第２端子
９１ａ、９２ａ 外部端子孔
１００ 保護素子
２０ カバー
２１ 傾斜面
２２ 収容部
３０ 保持部材
３０ａ 第１保持部材
３０ｂ 第２保持部材
３１ａ 第１端部
３１ｂ 第２端部
３２ 端子載置面
３３ 端子接着剤注入口
３４ ケース接着剤注入口
３４ａ 切り欠き
３５ 凸部
３６ 凹部
３７ ヒューズエレメント収容部
３８ ガイドピン挿入孔
３９ 押圧部材挿入孔
４０ ヒューズエレメント積層体
４１ ガイドピン
５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｅ、５０ｆ 可溶性導体シート
５１ 第１端部
５２ 第２端部
５３ 中央部
５４ 貫通孔
６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄ、６１ｅ 第１絶縁部材
６２ａ、６２ｂ 第２絶縁部材
６３ａ 第１絶縁片
６３ｂ 第２絶縁片
６４ ガイドピン貫通孔
６５ 隙間
７１ 第１押圧部材
７２ 第２押圧部材
８０ 内圧緩衝空間
９１ 第１端子
９２ 第２端子
９１ａ、９２ａ 外部端子孔
１００ 保護素子
Claims (10)
- ヒューズエレメント積層体と、前記ヒューズエレメント積層体を収容する絶縁ケースと、第１端子と、第２端子とを有し、
前記ヒューズエレメント積層体は、厚さ方向に並列配置された複数個の可溶性導体シートと、複数個の前記可溶性導体シートの各々の間に近接もしくは接触させた状態で配置された第１絶縁部材と、を含み、
複数個の前記可溶性導体シートの各々は、互いに対向する第１端部と第２端部を有し、前記第１端子は、一方の端部が前記第１端部と接続し他方の端部が前記絶縁ケースから外部に露出し、前記第２端子は、一方の端部が前記第２端部と接続し他方の端部が前記絶縁ケースから外部に露出している、保護素子。 - 複数個の前記可溶性導体シートのうちの最下部に配置された可溶性導体シートと前記絶縁ケースとの間、および複数個の前記可溶性導体シートのうちの最上部に配置された可溶性導体シートと前記絶縁ケースとの間の各々に第２絶縁部材が配置されている、請求項１に記載の保護素子。
- 前記第１絶縁部材および前記第２絶縁部材は、前記可溶性導体シートの前記第１端部と前記第２端部との間の中央部で前記第１端部から前記第２端部に向かう方向を遮るように分離されている、請求項２に記載の保護素子。
- 前記絶縁ケースの内部に配置され、前記第２絶縁部材を前記可溶性導体シート側の方向に押圧する押圧部材を有する、請求項２または請求項３に記載の保護素子。
- 前記第１絶縁部材、前記第２絶縁部材及び前記絶縁ケースのうち少なくとも一つは、耐トラッキング指標ＣＴＩが５００Ｖ以上の材料で形成されている、請求項２～請求項４のいずれか１項に記載の保護素子。
- 前記第１絶縁部材、前記第２絶縁部材及び前記絶縁ケースのうち少なくとも一つは、ポリアミド系樹脂、フッ素系樹脂からなる群より選ばれる一種の樹脂材料で形成されている、請求項２～請求項４のいずれか１項に記載の保護素子。
- 複数個の前記可溶性導体シートの各々は、低融点金属層と高融点金属層とを含む積層体であり、前記低融点金属層は錫を含み、前記高融点金属層は銀もしくは銅を含む、請求項１～６のいずれか１項に記載の保護素子。
- 複数個の前記可溶性導体シートの各々は、前記高融点金属層を２層以上有し、前記低融点金属層を１層以上有し、前記低融点金属層が前記高融点金属層の間に配置された積層体である、請求項７に記載の保護素子。
- 複数個の前記可溶性導体シートの各々は、銀もしくは銅を含む単層体である、請求項１～６のいずれか１項に記載の保護素子。
- 複数個の前記可溶性導体シートの各々は、前記第１端部と前記第２端部の間に溶断部を有し、前記第１端部および前記第２端部の前記第１端部から前記第２端部に向かう通電方向の断面積より、前記溶断部の前記通電方向の断面積の方が小さい、請求項１～９のいずれか１項に記載の保護素子。
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