JP4521842B2

JP4521842B2 - ヒューズ組立体

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Publication number: JP4521842B2
Application number: JP01222999A
Authority: JP
Inventors: ベドナレクアライアン
Original assignee: Whitaker LLC
Current assignee: Whitaker LLC
Priority date: 1998-01-22
Filing date: 1999-01-20
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2019-01-20
Also published as: JPH11260238A; DE69906836T2; DE69906836D1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に自動車用の電源部分に使用されるヒューズ組立体に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明の解決すべき課題】
自動車用バッテリーのための大電流用ヒューズが、欧州特許公開公報第６９９５６５号に開示される。この出願に開示されるヒューズの一つは、溶融部分となる合金から成るヒューズ部（又はヒューズバー）、及びそれを間に支持して溶融可能なヒューズ合金よりも高い融点を有する材料から成る支持バーを含む。支持バーの材料は例えば青銅（ＣｕＺｎ３０）の如き銅合金であり、ヒューズ部の材料は例えば半田合金の如き錫合金とされる。ヒューズ部はリフロー工程、即ち支持バー間における溶融材料の溶融及びそれに続く凝固又は固化によって支持バーに機械的に及び電気的に結合される。ヒューズ部の機械的強度の要求を低くするために、近接する支持バーは絶縁支持部材に強固に固定される。欧州特許公開公報第６９９５６５号に示される如き低融点の溶融材料を提供することは、好ましいブローイング特性（又は溶融特性）を得るために特に効果的であることが知られているが、その場合ヒューズ部は１００乃至６００Ａ程度の大電流に対して所定の時間維持される。高融点の溶融材料が、例えば近接配置される支持バーに一体的に形成されて使用されるとき、信頼性の高いブローイング特性は提供できない。その場合、ヒューズ部のそりを生じること、高温での溶融が要求されること、ヒューズリンクに置かれるとき高温溶融材料に拡散されるよう作用してその抵抗特性を変化させてしまう溶融錫のビードを除去する必要があることなどの様々な問題を伴うものである。最後の点に関連して、錫ビードはしばしばヒューズ部のブローイング又は溶融破壊される前に溶融するものであるが、内部振動が生じるような特定の環境では、溶融ビードはヒューズ部がブローイングを生じる前にヒューズから離散されてしまうこともあるので、これによりヒューズのブローイング特性は不安定となる。
【０００３】
そのような問題はヒューズ部に対して低融点材料を使用することによって解決される。しかしながら、低融点材料によるヒューズ部（又はヒューズリンク）の問題の一つは、機械的強度が弱くなることである。温度変化によって生じる絶縁支持体に対するヒューズ部の熱膨張及び熱収縮により、ヒューズ部にそのサイクルによるひずみ応力が加わる。熱サイクルはヒューズ部の電流の変化、及び外部温度の変化によっても生じ得る。
【０００４】
本発明の発明者は、低融点ヒューズ部に適用される特定の引張応力に係る熱的又は機械的応力によってヒューズ部にクラックが生じ更にそれが大きく成長し、それによってヒューズ部の機械的抵抗が小さくなり、加えてヒューズ部の導電率が小さくなってしまうことを認識している。これは、経時的にヒューズ部のブローイング特性を悪化させる。特に電流の流れ方向に対して交差する方向に成長するクラックが形成されることにより最も導電性が悪くなるが、そのようなクラックは電流の方向に加わる引っ張り応力によって影響を受ける。クラックは支持体に対してヒューズ部が相対的に収縮及び膨張することによって形成され得る。発明者は更に、粒界及び材料構造内の転位等の不規則要素がクラックの成長を助長するのであるから、小径の結晶粒（又はグレイン）が形成され且つその結晶粒がヒューズ部の電流の流れ方向に対して交差する方向に粒界を形成することがヒューズ部の経時的な信頼性を悪くすることを認識した。
【０００５】
本発明は、上述のことに鑑みて、経時的な面から信頼性の高い大電力用のヒューズ組立体を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、金属板によって形成される一対の端子の間にヒューズ部が固着されて成るヒューズ組立体において、前記ヒューズ部は、前記一対の端子間を前記ヒューズ部の電流の流れ方向に平行に延びる柱状結晶粒構造を含むことを特徴とする。
【０００７】
好ましくは、前記柱状結晶粒構造は方向性凝固によって実現される。
【０００８】
好ましくは、前記一対の端子は、前記ヒューズ部の形成前及び形成途中工程で両者を相互に連結し、前記ヒューズ部の形成後に切除される連結部を具える。
【０００９】
好ましくは、該連結部は前記ヒューズ部の両外側に位置し、前記ヒューズ部の両側方への延長位置に略接触して重なるよう配置される。
【００１０】
好ましくは、前記ヒューズ部は半田合金（ＰｂＳｎ６０／４０）又は銀錫合金（ＳｎＡｇ９６．５／３．５）から成る。
【００１１】
好ましくは、前記端子は、青銅（ＣｕＺｎ３０）の如き銅合金から形成される。
【００１８】
本発明によれば、特にヒューズ組立体は、一対の端子に設けられる支持バー間に延びるヒューズ部又はヒューズリンクを有し、ヒューズ部は支持バーよりも低融点とされ、更にヒューズ部はそれを通って流れる電流の流れ方向に沿って延びる柱状組織構造を構成する結晶粒を有する。柱状結晶粒はヒューズ部に対して方向性を持たせた凝固（又は固化）によって形成される。方向性を持たせた凝固は、ヒューズ部に対して局所的に提供されて特に電流の流れ方向に沿ってヒューズ部に対して相対移動される熱源を提供することによって実現される。これによってヒューズ部の第１端から電流の流れ方向に沿って温度勾配が生ぜしめられる。結晶粒の発生は支持部と溶融されたヒューズ部との間の界面で生じ得るが、それらの結晶粒は熱源が移動されるにつれて電流の流れ方向にそって柱状に成長する。効果的な熱源はレーザービーム、又はヒューズに対して一つの支持部から他の支持部へと延びる方向（即ち電流の流れ方向）に移動するビームである。熱源の速度を制御することによって、ヒューズ部に使用される合金の固相／液相の界面における所定の温度勾配が保証され得る。温度勾配が液相線の凝固曲線より大きく維持される場合には、固相／液相の界面の前に溶質が形成され、界面の先に結晶粒が形成されることはない。換言すれば、十分な温度勾配を保証することによって、新たな結晶粒をほとんど形成することなく柱状結晶粒の安定した成長が実現される。電流の流れ方向を交差する方向に延びる粒界が減らされるので、機械的抵抗強度が増し、特に電流の流れ方向に加わる引っ張り力に対してのクリープ（又は匍匐）特性が改善される。方向性を有する凝固の際の温度勾配は、ヒューズ部の結晶粒形成端近傍位置に制御された冷却手段を提供することによって改善され得る。例えば、ヒューズ部の結晶粒形成端に設けられる支持手段は、制御された冷却を伴う導電性支持体に固定され得る。
【００１９】
溶融可能なヒューズ部用合金として効果的な材料は、市販されて直ぐに入手可能な鉛：錫が６：４の組成を有する半田合金である。しかしながら錫：銀の質量組成比が９６．５：３．５とされる銀錫合金等の他の低融点合金も使用され得る。
【００２０】
ヒューズ部に使用される合金は、所定の長さに切断されてヒューズ部の対向する支持バー間のスロット内に挿入される連続ストリップとして提供され得る。ヒューズ部を支持する支持バーは一体連結部によって相互に所定位置に保持され、これによってヒューズ部支持部分及び一体連結部は単一の金属部材から打ち抜き形成される。ヒューズ部の材料はその後熱源によって溶融可能とされ、それに続いて上述した方向性を持たせた凝固の方法によって冷却される。ヒューズ部のためのストリップは方向性凝固法に使用される局所的熱源とは別の熱源によって予め加熱されていても良く、これによって製造サイクル時間が短縮され得る。方向性凝固の工程の後でヒューズ部の延長部は切除され、ヒューズ部は絶縁支持体に装着される。溶融され凝固された後、即ち完成時のヒューズ部の断面積を略一定にすることを保証するために、支持バーに組み立てられるヒューズ部用合金のストリップは支持バー間の幅よりも大きな長さを有するようにして設けられ、凝固された後の過剰な材料は切除され得る。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態となるヒューズ組立体、及びその製造方法について添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
図１は、導電性ケーブルにクリンプ固定されるヒューズ組立体となる電気端子を絶縁支持体を省略して示す斜視図である。図２は、絶縁支持体に組立てられるヒューズ部（ヒューズリンク）の斜視図である。図３は、複数のヒューズ部を含む他の実施形態を絶縁支持体なしで示す斜視図である。図４は、図３のヒューズ部を含む組立体の完成状態を示す斜視図である。図５は、ヒューズ部の挿入及び結合の前段階として部分的に製造されたヒューズ組立体を示す図３類似の図である。図６は、ヒューズ部支持用基体の平面図である。図７は、基体に組み立てられるヒューズ部用合金のストリップをそれに続く製造工程にして示す図６類似の図である。図８は、レーザによる熱源の作用を簡易的に示す図７類似の図である。図９は、連結部及びヒューズ部材料の延長部が切除される工程を示す図８類似の図である。図１０は、ヒューズ部支持用の基体が絶縁支持体にクリンプ固定される図９に続く工程を示す図９類似の図である。図１１は、凝固（又は固化）が制御されないヒューズ部の概略構造を示す図で、ヒューズ部の結晶粒を概略的に拡大して示す図である。図１２は、本発明によってヒューズ部の凝固が制御される場合を示す図１１に類似の図である。図１３は、半田合金の相図である。図１４は、鉛：錫の比が６０：４０の半田合金による固相／液相の界面での液相線のグラフである。図１５は、レーザビームが照射される３つの位置Ａ、Ｂ、Ｂ’を示すヒューズ部の側方から見たヒューズ部の断面図である。図１６は、凸形のレンズによって集光される単一のレーザビームを示すヒューズ部の部分平面図で、ヒューズ部の熱流を示す図である。図１７は、２つのレーザビームを示す図１６類似の図である。図１８は、固相及び液相の界面の移動を示すヒューズ部の一部を示す断面図である。
【００２３】
図１及び図２を参照すれば、ヒューズ組立体（又はヒューズリンク組立体）２は導電性を有する基体（又は端子）４、ヒューズ部８を含むヒューズ構造６、導体接続部１０、１２、及び組立体の支持体１６（図２参照）にクランプ固定されるための変形可能なタブ形状の取付部１４を有する。絶縁材料から成る支持体１６には更にカバー１８が提供され、それはヒューズ構造６に重ねて置かれる。接続部１０は自動車のバッテリー端子に接続されるバッテリー端子接続部であり、他の接続部１２は圧着バレルの形状とされ、自動車に電源を供給するケーブルに圧着接続される。接続部１０、１２は外部導体に接続されるための自動車バッテリー及びケーブルに限らない多くの相違する形状形態とされることも可能である。本実施形態による導電性基体４はシート金属から打ち抜き折り曲げ加工され、これにより接続部１０、１２は様々な形状とされ、また様々な方向を向くようにして導電性基体４に一体的に設けられ得る。図３に例示されるヒューズ組立体の他の実施形態によれば、ケーブル接続部１２’は導電性基体４’から略直交方向にそれと一体にして延出するよう構成され、ヒューズ組立体２’には２つの相違するヒューズ構造６’、６”が提供される。第１ヒューズ構造６’はバッテリー端子接続部１０’から電源ケーブル接続部１２’への主要電気パスを構成し、第２ヒューズ構造６”はタブ１１’を介して更なる外部導体１３’（図４参照）へのプラグ接続を可能にし、それは主電源から独立して置かれる安全機能のような自動車の他の機能を提供し得る。自動車に対して電源ケーブル１２’を介して電源を供給する代わりに多数の小径の電源ケーブルが使用されても良く、その場合多数のヒューズ構造６を介して基体４への接続が行われる。
【００２４】
図４に示されるように、ヒューズ組立体２’は更に絶縁支持体１６を有し、導電性基体が４’はそれに設けられる変形可能なタブ１４’による固定手段によってクリンプ固定される。組立体は更にヒューズ構造６’、６”を覆うカバー１８’を有する。絶縁支持体１６’は更に第２タブ１１’に係合されるためにコネクタ１９’をプラグ嵌合して受容可能なハウジング部１７’を有する。従って絶縁支持体（又はハウジング）１６、１６’は、ヒューズ構造６、６’、６”を機械的に支持するべく作用する。よってケーブル１３、１３’又は接続部１０、１０’に加わる外力は、ヒューズ構造６、６’、６”に加わることはなく、主に支持体１６、１６’に加わる。この構成はヒューズ部８が組立体に一体的に形成されて接続部１０、１２、１０’、１２’同士がそれによって相互に連結することを可能にする。
【００２５】
ヒューズ構造６は、相互接続部２２の幅を介して基体に結合されるヒューズ部８の両側に支持バー２０を有するが、基体４の本体部分と連結される相互接続部２２の幅は支持バー２０の幅とは相違し、特に支持バー２０の幅Ｗ２よりも小さく設定された幅Ｗ１とされる。幅Ｗ１及びＷ２は、ヒューズのブローイング特性を調節するためにヒューズ部８に発生する熱からの熱流を制御するための所定の寸法に設定される。調節のために、基体４の材料厚さ、ヒューズ部８の特性、ヒューズ部８を介した電流の流れ方向Ｉの長さＬが考慮される。
【００２６】
ヒューズ部８は、近接する支持バー２０よりも低い融点を有する導体から成り、そのための好適な合金は、半田の共融合金組成のものである。広く市販される半田合金は質量比にして錫６０％に対して鉛が４０％とされるものであり、それは図１３に示すように最も低い融点である共融温度に近いものとされる。支持バーはＣｕＺｎ３０の如き銅合金から構成されることができ、それは共融合金材料であるＳｎＰｂの融点である１８３℃よりかなり高い融点を有する。ヒューズ部８の材料として２２１℃の融点を有するＳｎＡｇ９６．５／３．５の如き他の低融点溶融合金も考慮され得る。しかしながら、他の低融点合金が使用される際には、そのヒューズ部のブローイング特性を考慮しなければならない。広く市販される点から考えられる好ましい合金はＳｎＰｂ６０／４０及びＳｎＡｇ９６．５／３．５であり、前者は特に安価である。これらの両合金は小寸法の結晶構造を有する多結晶構造を成し、単相にして結晶寸法が微細ではない材料に比較するとクリープ抵抗が改善されるという利点を有する。
【００２７】
ヒューズ部８はその使用寿命の間に、様々な負荷及び温度変化を受ける。前者の「負荷」は接続部１０、１２に加わる力に起因する機械的なものである。支持体１６、１６’はそのような力の大部分を吸収するが、ヒューズ部６に残りの力が加わる。他の負荷はヒューズ組立体２、２’の熱膨張及び熱収縮によるものであり、特にそれらは支持体１６と導電性基体４との相違する材料に起因する熱膨張係数の相違によって生じる。温度変化はヒューズ組立体２、２’又はそれに接続される導体の電力損、又は外部温度の変化によって生じる。自動車製造業者は、−４０℃乃至７０℃を動作温度範囲として規格している。
【００２８】
ヒューズ部８の負荷及び温度は、クラック又はキャビティの成長を助長し、最悪の状況によれば高温にさらされてヒューズ部８の電流の流れ方向Ｉに強い引っ張り力を生じせしめる。低融点のヒューズ部８は機械的抵抗を有するものの、支持用基体４よりもクリープ抵抗は更に小さいので、ヒューズ部８内又は支持バー２０とヒューズ部８の界面にクリープ又は亀裂が生じ得る。
【００２９】
ヒューズ部８内又は支持バー２０との界面にクラックが形成され成長することによって、ヒューズ部８を通して流れる電流の流れ方向の有効断面積が変化し、これによってヒューズのブローイング特性は劣化してしまう。クラックの形成及び成長は、更にヒューズ部８の機械的強度を劣化させ、それはヒューズ部８の断絶につながる。例えば、自動車の応用によれば、例えば１０年を超えるヒューズの寿命の間にわたって、信頼性の高いヒューズブローイング特性を維持することが望まれ、その際に、自動車のエンジン室又は他の場所での環境下で、ヒューズが受ける機械的及び熱的負荷を考慮する必要がある。
【００３０】
本発明によるヒューズ部８は、以下に詳細に説明するように電流の流れ方向Ｉに略平行に延びる柱状の結晶構造を提供することによって、ヒューズの寿命の間に信頼性の高いブローイング特性を保証するものである。
【００３１】
図６乃至図１０によれば、ヒューズ組立体の製造工程が示される。まず図６を参照すると、導電性基体４はシート金属から打ち抜き折り曲げ形成され、導体接続部１０、１２、支持バー２０、及びヒューズ部６のための接続部２２が構成される。支持バー２０は対向する第１及び第２端面２４、２６をそれぞれ有し、それらの間にヒューズ部８を受容するための長さＬの間隙（図１参照）を形成する。基体４の接続部１０、１２はヒューズ構造６の両外側に位置する一対の連結部２８によって相互に支持され、それらは間隙３０を介してヒューズ構造６とは離間される。図６に示される打ち抜き折り曲げ形成された基部４はその後金めっきされ、支持バー２０に溶着又は半田付けされるヒューズ部８の合金に接着固定を容易にする。めっき材料はヒューズ部８に使用される合金に合わせて他のものに変更しても良い。図７に示す次の製造工程では、ＳｎＰｂ６０／４０の如き固体ヒューズ材料の線材（又はストリップ）７６が支持バー２０の第１及び第２端面２４、２６の間に締まり嵌め固定される。線材７は例えば連続したリールとして提供されて基部４に組み立てられるための所定長さにして提供され得る。線材７は支持バー２０の両側端部３４を超えて延びる延長部３２を有し、図７に示すように連結部２８を交差して配置され得る。延長部３２は、溶着される工程の間、ヒューズ部８の収縮を防止すべく作用する。延長部３２は連結部２８を交差するように延びるので、ヒューズ部８の溶融、凝固による固着工程の際に支持され得る。
【００３２】
次の工程では、支持バー２０間のヒューズ部８は熱源を提供することによって溶融される。本実施形態によれば、熱源はレーザとして提供される。溶融したヒューズ部８は、支持バー端面２４、２６間に張力現象によって維持され、これによってヒューズ部８の若干の垂下が生じ得る。ヒューズ用線材７の延長部３２は溶融したヒューズ部８を補助的に支持し、支持バー２０間のヒューズ部８の収縮を防止する。側端部３４に沿うヒューズ部８の収縮、即ち側端部３４における支持バー２０間に形成されるヒューズ部８の湾曲面形状は、特定の電流通路を有するヒューズの信頼性を低下させてしまう。
【００３３】
ヒューズ用線材７の溶融に先立って、支持体２０及びヒューズ用線材７をその材料の融点に近い温度にするよう予め加熱しておいても良い。この予加熱は、レーザ照射に晒される過程及びそれに続く凝固の過程を通して製造サイクル回数を増やすために行われる。予加熱は溶融のためのレーザとは別の加熱手段によって行われるが、例えばそれはホットプレート、誘導加熱の他、レーザ技術に比較して十分安価である従来の加熱手段による。
【００３４】
図８に最も良く示されるように、予加熱の後にレーザビームがヒューズ用線材７に集光して照射され、細長断面の照射部３６がヒューズ部の上に設定される。これに関連して、レーザビームは、ヒューズ部８が幅Ｗ２にわたって略全体が加熱されるよう、単一もしくは複数のレーザビームとされて略長円又は細長い多角形形状とされる。レーザビームの形状は、更にレンズを使用して集光状態を変更するように構成しても良く、またビームの出力強度及びビームの広がりを調節するようにしても良い。本実施形態によれば、図１６及び図１７に示すように、長円形状のビームは、支持されたヒューズ用線材７の方向に２つのビーム３６’が近接してヒューズ上の照射位置で比較的広い面積となるよう焦点位置からずらされるように設定されるか、又はレンズによって長円形状とされる単一のビーム３６とされる。レーザビームは、ヒューズ用線材に対して、図１５に示すように、まず初期位置Ａに設定され、ヒューズ材料を溶融するためにヒューズ部８に重ねられ、次に凝固のためにレーザビームがヒューズ材料に対して第２位置に向けて方向Ｄに移動され基体４上のヒューズ部８から離される。凝固のための方向Ｄはヒューズ部８の電流の流れ方向Ｉに平行とされる。方向性を有する凝固を適確に制御することによって、ヒューズ部８は以下に詳細に示すように柱状の結晶構造を有する。
【００３５】
ヒューズ部８の凝固は第１端面２４に始まり、支持バー２０の第２端面２６へと進む。第１端の基体４には、第１側５にその温度を略一定にするべく維持する温度制御手段３７（図１５参照）がヒューズ部から所定の距離だけ離して置かれる。例えばこれは、基体４の第１側がアルミニウム等の熱伝導性の材料にクランプ固定されることにより実現され、その材料はアルミニウムブロックに沿って循環される水等の強制的熱対流手段によって一定の温度に維持される。ヒューズ基体４の第２側３の冷却は図１５に示すように自然冷却手段４１によって行われ得る。方向性凝固の後で、図９に示すように連結部２８及びヒューズ部８の延長部３２は図１０に示すヒューズ構造６を形成するように切除され、その後基体４は取付タブ１４のクリンプ固定によって支持体１６に固定され得る。
【００３６】
それに続く工程では、カバーがヒューズ部６に重なるように置かれ、それは例えば熱的手段によってハウジング１６に固定され、ヒューズ部６の安全ケースを提供する。組立体２はその後電力ケーブル１３にクリンプ固定され、バッテリー端子又は他の導電性部材に取り付けられる。同様の製造工程は、例えば図３に示すように複数のヒューズ部を有する設計にも適用可能であり、その場合ヒューズ部８’、８”は方向性凝固され、連結部２８はその後切除され、ヒューズ基体４’は支持体に固定され得る。
【００３７】
図１１乃至図１６によれば、方向性を有する凝固工程が詳細に示される。発明者は、大電力用ヒューズを自動車環境下で１０年又はそれ以上の間の寿命にわたって使用する際に信頼性の高い特性を保証し、特にそれに低融点ヒューズを利用して機械的及び熱的要求を考慮すべき場合にヒューズ部におけるクラックの形成及びその成長が抑制される必要のあることを理解している。特に電流の流れ方向Ｉに沿う方向の力に対して、ヒューズ部のクリープ抵抗を改良することは有効である。これは、ヒューズ部に柱状の結晶粒組織構造を提供することによって実現される。柱状の結晶粒構造は方向性凝固によって実現される。電流の流れ方向に沿う柱状の結晶粒構造は、電流の流れ方向Ｉに交差する方向に延びる粒界、転移、欠陥、及び不純物の量又は数を減らす。電流の流れ方向に交差する方向又はヒューズ部の主要応力方向に延びる粒界及び転移は、電流の流れ方向に交差するクラックを形成及び成長させ、これによってヒューズの導電性及び機械的強度を劣化させてしまう。クラックはヒューズ部の破断にもつながるが、特にヒューズ部の電気抵抗の変化はそれがブローイング特性を変えてしまうという意味から好ましくない。
【００３８】
図１１によれば、ヒューズ部を制御することなく溶融させて凝固させた場合の結晶粒の形成が示される。ヒューズ部は自然の対流及び伝導によって冷却されるものであるので、冷却は主要なＦ１乃至Ｆ４の４つの方向、即ちヒューズ部の対向端面２４、２６、及び対向側端部３４に進む。近接する支持バー２０への大きな熱流によって、支持バーの端面２４、２６に近接して小径の結晶粒がこの界面で急激な冷却凝固によって形成される。多くの小径の結晶粒については以下のように説明される。
【００３９】
同源による結晶粒形成の場合に、結晶粒形成のための自由エンタルピーΔＧに関する方程式は以下のようになる。
【００４０】
【数式１】

【００４１】
これにおいて、
Ｖ：結晶粒の体積（ｍ^３）
Ｓ：結晶粒の表面積（ｍ^２）
γ：固相／液相表面エネルギー（Ｊ／ｍ^２）
ΔＴ：冷却度（℃）
Ｔｆ：融点（℃）
である。
【００４２】
結晶粒の半径をｒとすると上記方程式は以下のようになる。
【００４３】
【数式２】

【００４４】
半径ｒの結晶粒が安定して維持され、成長可能であるためには、自由エンタルピーΔＧは減らされる方向にされる、即ちδΔＧ／δｒが０以下にされる必要がある。第１の安定した結晶粒の最小半径をｒ^＊とすると、ｒ^＊はΔＴの逆数に比例する。
【００４５】
結晶粒成長温度Ｔｇ＝Ｔｆ−ΔＴで形成され得る結晶粒の数は、以下の式で現される。
【００４６】
【数式３】

【００４７】
ここでＮ_０は初期の原子の数で、Ｋはボルツマン定数である。
【００４８】
このようにｒ^＊及びｎに関する計算によれば、冷却度が小さいほど、安定した結晶粒の数が小さくなり、大寸法となることが理解される。
【００４９】
逆に、多数の結晶粒の形成が避けられるためには、冷却度は融点に非常に近い領域に設定されなければならない。発明者は更に、多くの結晶粒の形成は電流の流れ方向に交差する方向に延びる多くの粒界を形成してしまうという欠点を有することを認識している。柱状の結晶粒の構造を提供し、更にその数を少なくして寸法を大きくすることが有効であるが、それは第１端面２４において初期の凝固、特に凝固の速度を落とすことを制御することによって実現される。数の少ない大きな結晶粒の形成によれば、ヒューズ部８を交差する方向のクリープ抵抗を改善し、支持バー２０に対するヒューズ部８の接着強度を改善する。
【００５０】
図１１に示す制御されないヒューズ部の凝固状態から理解されるように、溶融ゾーン３８がヒューズ部の中央に生じ、更に好ましくないクリープ抵抗を生じる多くの小径の結晶粒を含む。加えて側端部３４の冷却端部Ｆ３、Ｆ４は、電流の流れ方向Ｉに交差する方向に配向する結晶粒によってゾーン３９を形成するが、それは電流の流れ方向Ｉに交差する方向の負荷に対抗するクリープ抵抗に対して望まれないものである。溶融ゾーン３８は、支持バー２０の第１端面２４に始まり第２端面２６に終わる方向性凝固によって防止され得る。方向性凝固によって実現される柱状の結晶粒構造は、図１２に概略的に示される。
【００５１】
図１５に最も良く示されるように、レーザビームはヒューズ部８を溶融すべくそれに重なるよう最初は第１位置Ａに設定される。熱４０、４１は、ヒューズ部８の第１及び第２側５、３から流れるが、第１側５には熱レギュレータ３７が提供され、それはヒューズ部８から所定距離離れて第１側５を略一定の温度に維持する。これによって支持バー２０の第１端面２４温度の効果的な制御が行われ、そこでは第１の結晶粒が凝固される。基体４は絶縁体４３に対して、ヒューズ部８からの熱流をより効果的に制御するためにヒューズ部８のいずれか一側に置かれる。レーザエネルギーの出力はパルスレーザビームを提供することによって制御され、その周波数はヒューズからの熱流を増減するよう適当に変化される。またその出力は合金の融点に近い領域での溶融周期の中でヒューズ部８を溶融すると共にヒューズ部８を維持するよう調節される。材料溶融のための高い温度は、重力によって溶融されたヒューズ部の張力現象を減らし、大きな垂下作用を生じる。加えて、融点に近い温度は第１端面２４での結晶粒の初期形成を十分制御することを可能にする。初期の結晶粒形成は、レーザビームを位置Ａから凝固方向である方向Ｄに移動されることで実現され、これによって第１端５から伝導される熱エネルギー４０は端面２４の冷却端に提供される。ビームを初期位置Ａから凝固方向Ｄにより低速で移動するほど、冷却はよりゆっくり行われ、即ち徐冷される。従って、上述したような比較的大きな寸法を有する少数の結晶粒の形成が端面２４で実現される。本実施形態によれば、ＰｂＳｎの組成は亜共晶の組成であるので、初期形成される結晶粒は共融結晶前に形成されるＰｂ（１９％）の組成を有する。これは図１３の相図において液相の組成Ｃ０が融点に達していることにより理解される。
【００５２】
初期の結晶粒の形成後に、固相／液相の界面の先で新しい結晶粒の形成をすることなく、柱状（又は板状）の結晶粒を形成するために、略安定した又は面状の固相／液相界面を維持することが必要とされる。これは以下のように説明される。固相の界面の前に液相の組成が変わった溶質の抵抗を生じる。この組成の変化は構造における冷却を生じる。換言すれば、融点は、液相の組成が変化することによって図１３の相図に示す共融温度によって決定される最も低い融点よりも高くなる。液相と固相との界面の前に位置する液相部分の融点の上昇によって、液体が冷却温度となる低い温度を有するならば、界面の前に結晶粒が形成されるよう凝固が生じる。大寸法の柱状の結晶粒が形成されるべきならば、これは避けられるべき不安定状態である。図１４によれば、液相曲線は固相界面の前に位置する液相の融点を、液相の組成に対する界面からの距離の関数として示すが、それは界面Ｃｅにおける共融組成から合金の組成Ｃ０へと変化する。小さな温度勾配ＴＬ１による冷却度ΔＴのために、液相における温度勾配はＴＬ２より大きいか又はそれに等しくされる必要がある。この状態は次の関係を満たすべきものとして理解される。
【００５３】
【数式４】

【００５４】
ここで
Ｒ：界面の転移割合
ＧＬ：液相の熱勾配
ｍ：Ｘ＝０における液相線の勾配
ＤＬ：液体の溶質の拡散係数
である。（ＤＬ及びｍは合金の特性値であり、例えば上述した半田合金に対しては、ＤＬ＝６．７×１０^−６ｃｍ^２／ｓｅｃであり、ｍ＝−２．３２６℃である。）
【００５５】
０．２ｃｍの長さＬを有し、好ましい凝固割合Ｒ＝４×１０^−２ｓｅｃ^−１（即ちヒューズ部の凝固に５秒必要とされる割合）を有するヒューズ部のために、温度勾配ＧＬは２６３℃／ｃｍとされ、それはヒューズの両端面２４、２６間で５２℃となる温度勾配である。
【００５６】
温度勾配をより高くするほど、凝固割合は高くなり、これによって凝固サイクルの時間は短くなる。しかしながら、温度勾配の増加効果が溶融された合金の平均温度を増すことが可能であるので、この合金の粘性は小さくなり、体積は増加する。液相合金は凝固又は半田接着の間に支持されず、張力現象によって所定位置に維持されるのみであるので、溶融された合金の温度は安定した面端のための最小の温度勾配を確実に実現できるよう十分な温度に制御されるべきである。
【００５７】
温度勾配を制御するために、レーザビームの方向Ｄへの移動速度及びレーザの出力強度が制御される。レーザ出力は金属によって相違する放射率εを考慮して制御されても良く、例えば上述の半田合金によれば、放射率はε＝０．２２であり、それは錫めっき青銅基部によるε＝０．１３とは相違する。従って、ヒューズ部８は本実施形態では支持体２０よりも多くのレーザエネルギーを吸収する。例えばパルスモードのＹＡＧレーザを５００Ｗにして、周波数を１から５０ＫＨｚで動作可能にしてヒューズの出力破壊の出力を制御する。端面２４における初期結晶粒成長のための低い温度勾配の要求は、及びそれに続く柱状結晶粒形成のための温度勾配とは多少の矛盾を生じるものである。更に製造サイクルを短くするために、熱源の移動の適正な速度が提供されるが、例えばそれは０．５乃至１．０ｍｍ／ｓｅｃ程度である。より少ない数でより大きな結晶粒が必要とされるとき、最初の凝固相形成のためのレーザ照射位置のより遅い移動、及び初期の結晶粒形成の後のより早い割合での移動との間で効果的な妥協点が見つけられ得る。
【００５８】
図１６及び図１７に示すように、単一又は多重のビーム３６、３６’が提供可能である。図１６及び図１７によれば、凝固工程の後にヒューズ線材延長部３２は、くびれ部３３を介してヒューズ部８に結合されるが、くびれ部３３はヒューズ部８の断面積を維持することを保証する。上述した工程で形成される柱状の結晶粒は、安定した多層型凝固を生じる共融組成の平板構造に類似し、そのための半田合金（６０／４０）によるＣｏに近い組成を有する並置されたＰｂＳｎの平板構造を有し得る。
【００５９】
図１８によれば、方向性凝固工程の間のヒューズ部８の断面が示される。凝固の間に、線５０で示される固相／液相の界面は、端面２４、２６に対して傾斜して位置するが、それは対向端面２６、２４の間の温度勾配、及びレーザビーム３６を受容する頂面５２と熱源からの熱を受容しないヒューズの対向端５４との間の温度勾配によって生じるものである。固相／液相の界面５０の斜め方向の移動は破線５０’で示されるように第２端面２６に界面が重なる凝固工程の最終段階で有効である。液相の合金の体積は固相の合金よりも大きく、もし固相／液相の界面が第２端面２６で平行に合致するならば、それは凝固の間に相対収縮のために平滑でない粗さ部分を形成する。固相／液相界面５０’の傾斜角は、それが端面２６に合致するときに液相合金５８のポケットが材料の固相界面によって形成され、よって界面５０’は粗さ部分を形成することなく端面２６に沿って上方に移動する。非常に小さな液相のポケットが端面２６と頂面５２との間の頂隅部６０に残るときにのみ、体積の収縮によって粗さ部分が形成される。しかしながら、頂隅部６０は溶融した合金にかかる引力によって生じるヒューズ部８の湾曲した頂面による応力の低い部分（又は応力逃がし部分）となる。頂隅部６０内の比較的弱い接着及び結晶粒構造は、従ってヒューズ部に加わる引っ張り応力６１を効果的に抑え、よってヒューズの機械的強度又はクリープ抵抗に悪影響が及ばないようにヒューズ部８を実現可能である。従って、頂面５２への熱源を提供し、又は第１側５での底面５４側のみに冷却素子３７を提供し、又は図１８に示すように対向側に熱源及び冷却素子をそれぞれ提供することによって固相／液相界面が端面２６、２４に対して傾斜角を成すように設定することは効果的である。
【００６０】
他の場合として、ヒューズ部８の第２端面２６が垂直方向Ｖ及び頂面５２と底端５４とに対して傾斜角を成すように設定しておく場合には、固相／液相の界面が粗さ部分を生じるような垂直方向に延びるものであっても良い。
【００６１】
垂直方向Ｖに作用する重力を考慮するとき、頂隅部６０で凝固が終結することは特に効果的であるが、それはこの頂隅部６０がヒューズ部８の頂面の湾曲形状６２を考慮したときの応力を小さくすることができ、これによりヒューズ部８を交差する主要な応力６１が抑えられるからである。
【００６２】
まとめると、パルスレーザによる熱源の使用によって容易に制御されることが可能であるヒューズ部の方向性凝固は、電流の流れ方向を交差する方向のクリープ抵抗を増し、中央の溶融ゾーンを減らし、支持用端面２４、２６での小径の結晶粒の形成を阻止し、結晶粒の数を減らし、特に電流の流れ方向を交差する方向の結晶粒界を減らす。これらの点は、第１端面２４での制御された初期の結晶粒の凝固、及び熱源の出力と凝固方向Ｄの熱源の移動速度との制御による固相／液相界面での温度勾配の維持によって実現される。図８、図１６、及び図１７に示されるようにレーザビーム３６、３６’の端部は基体４の第２側３に入り、結晶粒が第２端面２６に達するまでに固相界面に温度勾配を維持することを保証する。製造工程を制御するために、温度センサ４６、４８がヒューズ部８に対して配置されても良い。方向性凝固工程における温度変化において、その変化の曲線は工程の間に正確な温度勾配が確実に維持される特性曲線となるように制御されることが可能である。支持端に対して傾斜方向を向く凝固端は、例えばヒューズの厚さ方向の熱調整によって実現され、支持部に対するヒューズ部の接着性及びクリープ抵抗を改善する。
【００６３】
以上の如く本発明によるヒューズ組立体及びその製造方法について詳細に説明したが、これはあくまでも例示的なものであり、本発明を制限するものではなく、当業者によって様々な変形変更が成され得る。
【００６４】
【発明の効果】
本発明のヒューズ組立体によれば、ヒューズ部は、一対の端子間をブリッジする方向に延びる柱状結晶粒構造を含むことを特徴とするので、ヒューズ特性のばらつきが抑えられ信頼性の高い動作が保証されるとともに、外力によって生じる内部応力に対して十分大きない耐性を有し、使用寿命の間で経時変化が少なく確実なブローイング特性を保証できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】導電性ケーブルにクリンプ固定されるヒューズ組立体となる電気端子を絶縁支持体を省略して示す斜視図
【図２】絶縁支持体に組立てられるヒューズ部（ヒューズリンク）の斜視図。
【図３】複数のヒューズ部を含む他の実施形態を絶縁支持体なしで示す斜視図。
【図４】図３のヒューズ部を含む組立体の完成状態を示す斜視図。
【図５】ヒューズ部の挿入及び結合の前段階として部分的に製造されたヒューズ組立体を示す図３類似の図。
【図６】ヒューズ部支持用基体の平面図。
【図７】基体に組み立てられるヒューズ部用合金のストリップをそれに続く製造工程にして示す図６類似の図。
【図８】レーザによる熱源の作用を簡易的に示す図７類似の図。
【図９】連結部及びヒューズ部材料の延長部が切除される工程を示す図８類似の図。
【図１０】ヒューズ部支持用の基体が絶縁支持体にクリンプ固定される図９に続く工程を示す図９類似の図。
【図１１】凝固（又は固化）が制御されないヒューズ部の概略構造を示す図で、ヒューズ部の結晶粒を概略的に拡大して示す図。
【図１２】本発明によってヒューズ部の凝固が制御される場合を示す図１１に類似の図。
【図１３】半田合金の相図。
【図１４】鉛：錫の比が６０：４０の半田合金による固相／液相の界面での液相線のグラフ。
【図１５】レーザビームが照射される３つの位置Ａ、Ｂ、Ｂ’を示すヒューズ部の側方から見たヒューズ部の断面図。
【図１６】凸形のレンズによって集光される単一のレーザビームを示すヒューズ部の部分平面図で、ヒューズ部の熱流を示す図。
【図１７】２つのレーザビームを示す図１６類似の図である。
【図１８】固相及び液相の界面の移動を示すヒューズ部の一部を示す断面図
【符号の説明】
２、２’ ヒューズ組立体
４、４’ 端子（導電性基体）
７ヒューズ用線材
８、８’ ヒューズ部
３６レーザ光照射部

Claims

金属板によって形成される一対の端子の間にヒューズ部が固着されて成るヒューズ組立体において、
前記ヒューズ部は、前記一対の端子間を前記ヒューズ部の電流の流れ方向に平行に延びる柱状結晶粒構造を含むことを特徴とするヒューズ組立体。