JP5532814B2

JP5532814B2 - 応力ヒューズ

Info

Publication number: JP5532814B2
Application number: JP2009236693A
Authority: JP
Inventors: 浩和加藤
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2009-10-13
Filing date: 2009-10-13
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2029-10-13
Also published as: JP2011086418A

Description

本発明は、過大な応力発生時に作動する応力ヒューズに関する。

ヒューズには、電気機器に過大電流が流れたときに作動する電力ヒューズ、異常温度発生時に作動する温度ヒューズ、過大応力発生時に作動する応力ヒューズ等がある。
このうち、応力ヒューズは、各種構造物、機械系部品等に設けられ、過大な応力発生時にこれら構造物自体の破損に至る前に破壊され、あるいは変形することによって、構造物や機械系部品等を保護することができるものである。

このような応力ヒューズとして、従来、例えば特許文献１〜３に記載のものがある。特許文献１記載のものは、パワーステアリング装置における二つの回転軸の間に設けられたシャーピン（メカニカルヒューズ）によって構成されており、過大な負荷が作用したときにシャーピンが折損するようになっている。特許文献２記載のものは、シートベルトをセンターピラーに支持するベース部材に設けられている。このベース部材は、衝撃時に変形して乗員に作用する衝撃を吸収するものであるが、ヒューズ部材は、ベース部材を所定の力で拘束しており、ベース部材が変形を開始する力をヒューズ部材によって設定するようにしている。また、特許文献３記載のものは、反応器のノズルの開口を封止するラプチャーディスクであり、反応器内が異常に昇圧したときにラプチャーディスクが破裂することによって圧力を開放することができるものである。

特開平７−１３３８２０号公報特開平１１−１７０９７１号公報特開２００８−２９８１７４号公報

しかしながら、いずれの応力ヒューズも、構造物や機械系部品の構成要素の一部を負担するように設けられているため、過大な応力発生により応力ヒューズに破壊や変形が生じると、その構造物や機械系部品自体も構成要素の一部を失うことになる。このため、その構造物等を復旧させるには、破壊された応力ヒューズを新しいものに取り替えて、構造物自体を所定の条件のもとに組み立て直す必要がある。
この場合、応力ヒューズを構造物等の構成要素とは別に設けることができれば、応力ヒューズに破壊や変形が生じても、構造物自体を破壊させずに済むが、上記特許文献記載のような応力ヒューズでは実現困難である。また、ヒューズではなく歪ゲージ等を構造物等に取り付けることも考えられるが、一般に歪ゲージは耐熱性が低く、高温環境での使用には適さない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、構造物等に取り付けて、過大な応力発生時に破壊されることにより、構造物等の破壊を事前に防止するとともに、その作動時に構造物自体の機能を損なわないようにすることができ、しかも高温環境下での使用を可能にする応力ヒューズの提供を目的とする。

本発明の応力ヒューズは、セラミックス板の表面の一部に線状に弱化部が形成されると
ともに、該弱化部を横断するように前記セラミックス板の表面に導電体が形成され、前記弱化部を介して導電体の両端部が外部接続端子部とされ、前記セラミックス板の両端部に金属板が固着され、該金属板は、引っ張り応力又は曲げ応力が発生する部位の表面に形成した隙間に挿入状態に固定されることを特徴とする。

この応力ヒューズは、セラミックス板が脆性材料であるため、過大な応力発生時に弱化部から破断され、その破断により、この弱化部を横断するように形成されている導電体が切断される。したがって、両外部接続端子部間で導電体の通電状態を検知することにより、セラミックス板が破断されたことを検知することができる。また、セラミックス板により構成されるので、耐熱性にも優れており、高温環境下での使用を可能とする。
また、セラミックス板の破断にまでは至らない程度の応力が繰り返し生じる場合でも、セラミックス板は疲労強度が高いので、耐久性に優れており、ヒューズとしての機能を長期的に健全に維持することができる。

すなわち、本発明の応力ヒューズにおいて、前記外部接続端子部間に、前記導電体の通電状態を検知する通電検知部が接続されることにより、過大応力発生時のセラミックス板の破断を検知する機能を備えることができる。
そして、この応力ヒューズのセラミックス板を圧力容器の壁等の外面に貼り付けることにより、圧力容器の内部圧力などが異常に上昇して壁に生じる引張り応力が過大になったときに、その壁に張り付けてある応力ヒューズのセラミックス板が破断して、導電体が切断するので、異常な応力上昇を検知することができ、圧力容器等の破損を事前に防止することができる。この場合、圧力容器の壁等に貼り付けることにより取り付けられ、圧力容器等の構造材の一部を負担するものではないから、ヒューズが作動して破断したとしても、圧力容器等の構造物自体は破損されないので、異常応力を解消すれば、構造物としてはそのまま使用可能である。
また、本発明の応力ヒューズにおいて、前記引っ張り応力又は曲げ応力が発生する部位は圧力容器の壁である。

本発明の応力ヒューズによれば、過大な応力発生時にセラミックス板が弱化部から破断して導電体が切断されるので、その通電状態を検知することにより、セラミックス板の破断を検知することができる。したがって、この応力ヒューズを圧力容器の壁等の構造物に貼り付けて使用することにより、構造物の異常な応力上昇を検知し、構造物の破損を事前に防止することができる。しかも、構造物に貼り付けて使用するものであるので、構造物自体を損傷させることはない。また、セラミックス板からなるので耐熱性に優れており、高温環境下での使用が可能である。

本発明の応力ヒューズの第１実施形態を示すヒューズ部分を斜視図にした概略構成図である。図１の応力ヒューズを圧力容器の壁に貼り付けた状態を示す正面図である。図２に示す貼り付け状態における縦断面図である。図１の応力ヒューズの弱化部と破断強度との関係を示すグラフであり、（ａ）はレーザ加工による弱化部の深さと破断強度との関係、（ｂ）はケガキ加工による弱化部長さと破断強度との関係を示している。本発明の応力ヒューズの第２実施形態を示す図３同様の縦断面図である。本発明の応力ヒューズの第３実施形態を示す（ａ）がヒューズ部分の斜視図、（ｂ）が圧力容器の壁に取り付けた状態を示す斜視図、（ｃ）がその取り付け状態の縦断面図である。

以下、本発明の応力ヒューズの実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１〜図４は第１実施形態を示しており、この実施形態の応力ヒューズ１は、図１に示すように、セラミックス板２の表面の一部に線状に弱化部３が形成されるとともに、この弱化部３を横断するようにセラミックス板２の表面に導電体４が形成され、弱化部３を介して導電体４の両端部が外部接続端子部５とされている。

セラミックス板２は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ₃Ｎ₄（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、若しくはＡｌ₂Ｏ₃（アルミナ）等の酸化物系セラミックス、あるいはＳｉＣ（炭化珪素）等により形成される。図１に示すセラミックス板２は方形に形成されているが、その形状は特に限定されるものではない。そして、このセラミックス板２の表面に、このセラミックス板２を二つに分割するように線状の弱化部３が形成されている。

この弱化部３は、セラミックス板２にレーザ加工やケガキ加工で形成した溝又は傷によって構成されており、その弱化部（溝又は傷）３の深さは、その形成方法によって異なり、例えばＡｌＮのセラミックス板２にレーザ加工によって弱化部３を形成する場合は、セラミックス板２の全体厚さが０．５〜１．０ｍｍの場合に１０〜３００μｍとされる。また、ケガキ加工によって形成する場合は、弱化部３の深さは、セラミックス板２の全体厚さ０．５〜１．０ｍｍの場合に０．１〜２μｍとされる。弱化部（溝又は傷）３の長さは、セラミックス板２の幅と同じ長さとしてセラミックス板２を横断するように形成すればよいが、セラミックス板２の幅の１倍〜１／２倍の範囲内で設定してもよい。なお、レーザ加工によって弱化部３を形成する場合は、溝の内面にガラス質層が形成される場合があるので、このガラス質層をエッチング処理等によって除去するようにしてもよい。

そして、このセラミックス板２の表面に、弱化部３を横断するように導電体４が形成されている。この導電体４は、銅、アルミニウム等の導電性の金属材料により形成され、これら金属材料のスパッタリング、ＣＶＤ等による被覆、導電ペーストの印刷などにより形成される。その膜厚は、セラミックス板２が割れる際の抵抗とならないように薄い方がよく、例えば１〜５μｍとされる。また、このような成膜方法によって導電体４を形成する方法の他に、直径が５０〜２００μｍの細いワイヤを弱化部３に交差して張り付けることにより導電体４としてもよい。

このように構成した応力ヒューズ１において、導電体４の両端部が外部接続端子部５とされ、この外部接続端子部５に、導電体４の通電状態を検知する通電検知部６が接続される。この通電検知部６は、例えば導電体４に１００〜５００ｍＡの微小電流を流しておき、導電体４が切断されたときに通電が遮断されることにより、その導電体４の切断を検知する回路である。

そして、この応力ヒューズ１を圧力容器７の壁に接着剤８によって貼り付けた状態とする。このとき、図１〜図３に示す例では、弱化部３が外側に向くように、セラミックス板２の裏面が容器７の壁に貼り付けられ、弱化部３の背面を避けてセラミックス至２の両端部に接着剤８が設けられている。この場合の接着剤８としては、無機耐熱接着剤、例えば東亜合成株式会社製アロンセラミックＣ（主成分シリカ、無機ポリマー）が好適である。
この貼り付け状態で導電体４への通電状態を検知しておき、圧力容器７の内圧が異常に上昇するなどにより、その壁に過大な引っ張り応力が生じたときに、その壁に貼り付けられたセラミックス板２が引っ張り応力によって弱化部３から破断されると、導電体４が切断されることにより通電が遮断され、これを通電検知部６が検知して、セラミックス板２の破断を検知することができる。このセラミックス板２は脆性材料であるから、割れやすく、その破断強度は、金属材料からなる圧力容器７の壁の強度に比べてはるかに小さく、したがって、圧力容器７の内圧により壁にクラック等の損傷が生じる前にセラミックス板２が破断され、圧力容器７の事故発生を未然に防止することができる。

この場合、応力ヒューズ１は圧力容器７の壁に貼り付けることにより取り付けられ、圧力容器７の壁の一部を負担するものではないから、異常圧力によりセラミックス板２が破断したとしても、圧力容器７自体は破損されないので、その異常圧力状態を解消すれば、圧力容器７としてはそのまま使用可能であり、新たな応力ヒューズを貼り付けて使用することができる。また、セラミックス板２は歪ゲージなどよりも耐熱性に優れるため、圧力容器７が高温環境下に設置される場合も、ヒューズとしての健全性を維持することができる。
なお、図２に示すように、圧力容器７の壁の湾曲に沿わせてセラミックス板２を配置する場合、セラミックス板２を若干撓ませて装着することになるため、その曲率に応じた応力分布の余裕を持った設計とするとよい。

図４は、このような応力ヒューズにおけるセラミックス板の弱化部と破断強度との関係を示したものである。セラミックス板には、ＡｌＮを使用し、厚さが０．６３５ｍｍ、幅が２０ｍｍに対して、弱化部は幅の中央部に形成した。３点曲げ試験法により破断強度を測定した。
図４（ａ）は、弱化部をレーザ加工によって２０ｍｍの長さで形成した場合の弱化部の深さと破断強度との関係を示しており、１０〜３００μｍの深さで破断強度はおおむね５０〜４００ＭＰａとなる。
また、図４（ｂ）は、弱化部として超硬合金のＧ２材からなるケガキ針にて荷重約１０Ｎで傷を付けて形成した場合の例を示しており、弱化部（キズ）の深さは０．４〜０．５μｍとした。この図４（ｂ）から明らかなように、弱化部を有しない（キズ長さ＝０）場合に、破断強度が５００〜５６０ＭＰａであったのに対して、弱化部の大きさにより、破断強度が４８０ＭＰａ以下となっており、傷の長さが１５ｍｍの場合には、１００ＭＰａ程度にまで低下している。
したがって、圧力容器の壁に貼り付けることにより、圧力容器から伝わる引っ張り応力によってセラミックス板を破損させることが可能であり、ヒューズとして機能できることがわかる。

図５は本発明の第２実施形態を示している。第１実施形態の応力ヒューズ１ではセラミックス板２の弱化部３の上に導電体４を形成したが、図５に示す応力ヒューズ１１は、セラミックス板２の弱化部３を形成した面とは反対面に導電体４を形成している。また、弱化部３を圧力容器７の壁に向けた状態として、セラミックス板２の両端部を接着剤８によって固着しており、弱化部３と圧力容器７の壁との間にはわずかな隙間が形成されている。

図６は本発明の第３実施形態を示している。この実施形態の応力ヒューズ１５は、セラミックス板２の両端部の両面にアルミニウム等の金属板１６がろう付け等により固着されるとともに、この金属板１６に導電体４が電気的接続状態とされており、その金属板１６が外部接続端子部とされている。また、圧力容器７の壁には、一対の鍵形の固定ブロック１７が相互間隔を開けて対向状態に配設されている。これら固定ブロック１７の対向端部には、圧力容器７の壁との間に応力ヒューズ１５の両端部の金属板１６を含めた全体の厚さよりわずかに小さい隙間を開けて突出片１８が形成されており、その隙間に応力ヒューズ１５の両端部が挿入状態に固定される構成である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、弱化部をセラミックス板の片面にのみ設けたが、その反対面の同じ位置にも弱化部を形成して、両面に弱化部を配置してもよい。導電体は片面に配置すれば十分である。
また、応力ヒューズを圧力容器の壁に貼り付けたが、圧力容器以外にも、引っ張り応力又は曲げ応力が発生する部位であれば、建築物の壁や柱、梁などの各種構造物に貼り付けることが可能であり、その場合に、セラミックス板が高い耐熱性を有しているので、高温環境下に設置される構造物への適用が可能である。

１応力ヒューズ
２セラミックス板
３弱化部
４導電体
５外部接続端子部
６導通検知部
７圧力容器
１１応力ヒューズ
１５応力ヒューズ
１６金属板（外部接続端子部）
１７固定ブロック
１８突出片

Claims

セラミックス板の表面の一部に線状に弱化部が形成されるとともに、該弱化部を横断するように前記セラミックス板の表面に導電体が形成され、前記弱化部を介して導電体の両端部が外部接続端子部とされ、前記セラミックス板の両端部に金属板が固着され、該金属板は、引っ張り応力又は曲げ応力が発生する部位の表面に形成した隙間に挿入状態に固定されることを特徴とする応力ヒューズ。
前記外部接続端子部間に、前記導電体の通電状態を検知する通電検知部が接続されていることを特徴とする請求項１記載の応力ヒューズ。
前記引っ張り応力又は曲げ応力が発生する部位は圧力容器の壁であることを特徴とする請求項１又は２記載の応力ヒューズ。