JP2013196984A - クラッド構造を有する電極材料 - Google Patents

Abstract

【課題】温度ヒューズの可動電極に好適な電極材料であって、長期使用に伴うケースとの接触不良の問題を解消可能なものを提供する。
【解決手段】本発明は、温度ヒューズ１の可動電極５０を構成する電極材料において、Ａｇ−ＣｕＯ系酸化物分散強化合金からなる接点層に、Ｃｕ又はＣｕ合金からなるベース層が接合されたクラッド構造を有する電極材料である。この電極材料は、ケース１０との接触抵抗を改善するため、ベース層の裏面にＡｇからなるコンタクト層が接合されたものが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、電極材料に関し、特に、温度ヒューズの可動電極に好適な材料に関する。

図１は、一般的な温度ヒューズの構成を示すものである。温度ヒューズ１は、導電性金属よりなるケース１０にリード線２１、２２が接続されており、ケース１０の内部には絶縁材３０とスプリング４１、４２、可動電極５０、可溶体６０が内装されている。スプリング４１は可動電極５０と絶縁材３０との間に設置され、スプリング４２は可動電極５０と可溶体６０との間に設置されている。可動電極５０は、ケース１０の内面に接触しつつ移動可能な状態なっている。温度ヒューズは、平常時（図１の状態）においては、リード線２１から可動電極５０及びケース１０へ、更にリード線２２へ通電するようになっている。そして、温度ヒューズが接続された電子機器等に対して負荷過剰により過熱状態となったとき、所定の作動温度（一般的には２４０℃前後である）で可溶体６０が変形・溶融するためスプリング４２が除荷により伸張し、同時にスプリング４１が伸張することにより可動電極５０がリード線２１から離隔して移動する。以上の動作により通電が遮断される。

上記の作動機構を有する温度ヒューズの可動電極の構成材料には、電極材料としての導電性に加え、リード線に対する耐溶着性が要求される。可動電極は、常時リード線との接触状態のもと通電されているが、溶着が生じると温度ヒューズの作動不良の要因となるからである。かかる要求に対し、従来の可動電極の構成材料としてＡｇ−ＣｕＯ系酸化物分散合金が知られている（特許文献１：以下この合金をＡｇ−ＣｕＯ合金と称する。）。

Ａｇ−ＣｕＯ合金は、ＡｇをマトリックスとしＣｕＯが分散した合金であり、耐溶着性に優れる。そして、Ａｇ−ＣｕＯ合金は、それ以前に使用していたＡｇ−ＣｄＯ合金とは異なり有害物質であるＣｄを使用しないという点も相まって適用例が増えている。

特開２０１１−１３７１９８号公報

しかしながら、本発明者等の検討によるとＡｇ−ＣｕＯ合金からなる可動電極を用いた温度ヒューズにおいては、可動電極の溶着の問題は軽減されているものの、長期の使用に伴いケースと可動電極との間に接触不良が生じて通電不良となる個体が存在することが確認されている。この問題は温度ヒューズの全てに生じるものではないものの、そのようなおそれのある温度ヒューズを使用するのは電気機器の信頼性に影響を与えることとなる。

そこで本発明は、温度ヒューズの可動電極に好適な電極材料であって、上記したような接触不良の問題を解消可能なものを提供することを目的とする。

本発明者等は、従来のＡｇ−ＣｕＯ合金からなる可動電極においてケースとの接触不良が生じる要因について検討した。そして、その結果、Ａｇ−ＣｕＯ合金は、温度ヒューズの使用温度（１００℃以上）で長時間加熱を受けることでＡｇマトリクスに軟化が生じ、そのバネ性が低下するためケースに安定して接触できなくなくなると考えた。そこで、Ａｇ−ＣｕＯ合金に加熱を受けてもバネ性を維持できる金属層をクラッドした電極材料とすることでその強度を確保することとした。これは、Ａｇ−ＣｕＯ合金は上記したバネ性低下の問題はあるものの、耐溶着性についてみれば優れた材料であることを考慮したものであり、このようなクラッド構造の採用により強度と耐溶着性との両立を図ることができる。

即ち、上記課題を解決する本願発明は、温度ヒューズの可動電極を構成する電極材料において、Ａｇ−ＣｕＯ系酸化物分散強化合金からなる接点層に、Ｃｕ又はＣｕ合金からなるベース層が接合されたクラッド構造を有する電極材料である。

以下、本発明につき詳細に説明する。本発明に係る電極材料は、上記の通り複数の金属層が積層するクラッド構造を有する。これらの金属層は、Ａｇ−ＣｕＯ合金からなり温度ヒューズのリード線に対する接点材料として機能する接点層と、Ｃｕ又はＣｕ合金からなり接点層の強度確保の機能を有するベース層である。

接点層を構成するＡｇ−ＣｕＯ合金は、Ｃｕ：１〜２０質量％のＡｇ−Ｃｕ合金を内部酸化処理したものが好ましい。上記の通り、接点層は温度ヒューズのリード線に接触する接点材料であり耐溶着性が要求される。Ａｇ−ＣｕＯ合金の耐溶着性は分散する酸化物（ＣｕＯ）量により変化し、これは内部酸化するＡｇ−Ｃｕ合金のＣｕ含有量に依存する。これを考慮して好適な耐溶着性を確保するため、内部酸化されるＡｇ−Ｃｕ合金のＣｕ含有量を１〜２０質量％とする。

ベース層はＣｕ又はＣｕ合金からなるが、Ｃｕの場合は、いわゆる無酸素銅（ＯＦＣ）やタフピッチ銅（ＴＰＣ）等の酸素濃度の少ないＣｕからなるものが好ましい。導電性を十分に確保できるからである。また、ベース層にＣｕ合金を適用する場合、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｃｒ、Ｎｉの少なくともいずれかを各々０．１〜３質量％含むＣｕ合金が好ましい。バネ性と導電性を確保できるからある。尚、導電性を重視する場合、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｃｒ、Ｎｉの合計濃度を低くし、合計で０．１〜３質量％含むＣｕ合金の適用が好ましい。

そして、本発明に係るクラッド構造を有する電極材料は、ベース層の裏面（接点層との接合面の反対側）にＡｇからなるコンタクト層が接合されたものが好ましい。本発明は電極材料であり温度ヒューズのケースとの接触の際の接触抵抗の低減が必要となる。ここで、上記のようなクラッド構造を有する電極は、Ａｇ−ＣｕＯ合金単独の状態よりも接触抵抗が上昇する傾向がある。そこで、Ａｇからなるコンタクト層を設けることで可動電極としたときのケースとの接触抵抗を低減させることができる。このＡｇ層は、抵抗値低減のため高純度のＡｇが好ましく、９９．９質量％以上のＡｇで構成するのが好ましい。

以上の接点層、ベース層、コンタクト層の各金属層の厚さは、その比率で接点層（Ａｇ−ＣｕＯ合金）とベース層（Ｃｕ又はＣｕ合金）の厚さ比は、接点層とベース層の厚さの総和に対して、接点層の厚さを１０〜４０％とするのが好ましい。強度確保を考慮するものである。そして、コンタクト層（Ａｇ）は接触抵抗低減の目的から厚みはさほど必要ではなく、材料全体の総厚に対して０．５〜５％とするのが好ましい。好適な具体的例としては、接点層を１５〜２５μｍとし、ベース層を５９〜６８μmとし、コンタクト層を１〜３μmとする。

また、本発明に係る電極材料は、接点層とベース層との間にＡｇからなる中間層を備えるものが好ましい。接点層であるＡｇ−ＣｕＯ合金とベース層であるＣｕ、Ｃｕ合金は、いずれもＣｕを含有するが厳密には異種材料であることから、それらの接合性を確保するためである。この中間層を構成するＡｇは高純度のＡｇが好ましく、９９．９質量％以上のＡｇが好ましい。また、中間層の厚さは、中間層を含めた材料全体の総厚に対して０．５〜５％とするのが好ましい。この中間層は、電極材料の導電性、強度に対して影響を与えるものではないことから必須の構成ではないが、複雑形状を有する加工率の高い可動電極の製造において有用である。

本発明に係る電極材料の製造は、各金属層を構成する板材、箔材、又はテープ材を重ね圧延して接合することでクラッド材とすることができる。中間層（Ａｇ）を適用する電極材料についても、その接合部位に対してこの方法で接合できる。尚、コンタクト層、中間層のＡｇは、板材、箔材、又はテープ材をクラッド接合する他、メッキ法等の薄膜製造技術により形成することができる。これらのＡｇ層は比較的薄いことから厚さ制御に優れたこれらの方法が適用できる。

各金属層を接合したクラッド材は、その後必要に応じて圧延して全体の厚さ調整を行うことができる。また、温度ヒューズの可動電極として必要な形状及び寸法に切断加工、スリット加工、曲げ加工をすることができる。

本発明に係る電極材料は、温度ヒューズの可動電極に好適であり、Ａｇ−ＣｕＯ合金にＣｕ又はＣｕ合金をクラッドするものであり、これにより加熱下でもバネ性を低下させることなく温度ヒューズのケースとの接触を安定的に保持することができる。本発明は、Ａｇ−ＣｕＯ合金を用いたことにより、可動電極に対し本来要求される耐溶着性も良好である。

一般的な温度ヒューズの構造を説明する図。

以下、本発明の好適な実施例を説明する。以下の各実施形態では、接点層、ベース層、コンタクト層、中間層を適宜に配した電極材料を複数種類製造し、その特性を評価した。

第１実施形態：ここでは、接点層とベース層とからなる２層構造の電極材料を製造した。Ａｇ−Ｃｕ合金（Ｃｕ濃度５、１０、１２質量％）を内部酸化して製造したＡｇ−ＣｕＯ合金の線材（線径４．５ｍｍ）を用意し、これを圧延加工にて幅７ｍｍ×厚さ０．６ｍｍまで圧延してＡｇ−ＣｕＯ合金（接点層）テープを製造した。また、Ｃｕ（無酸素銅）、Ｃｕ合金（Ｃｕ−０．１５質量％Ｓｎ合金、Ｃｕ−１質量％Ｎｉ合金）の線材（線径５．５ｍｍ）を圧延加工し幅７ｍｍ×厚さ１．５ｍｍまでＣｕ、Ｃｕ合金（ベース層）テープを製造した。そして、これら２つの金属テープを重ねて不活性雰囲気中で圧延してクラッド接合した。このクラッド材を更に圧延、スリット加工し電極材料用のテープとした。このとき、Ａｇ−ＣｕＯ合金（接点層）の厚さは２０μｍであり、Ｃｕ、Ｃｕ合金（ベース層）の厚さは６４μｍであった（合計８４μｍ）。このテープ材を切り出して試験片を製造し、その特性評価を行った。

特性評価は、製造後の試験片について、バネ限界値試験によりバネ限界値を測定してバネ性を評価した。また、電極材料自体の導電性を確認するため、１ｍのフープ材についてミリオームメーターで比抵抗を測定し、ＩＡＣＳ８５％を超える導電率に対して「◎」とし、８０〜８５％を「○」と評価した。そして、試験片を２４０℃に１００時間保持して加熱し、加熱後のバネ性、導電性を同様にして測定した。この結果を表１に示す。尚、比較のため、上記Ａｇ−ＣｕＯ合金のみかなる電極材料（厚さ８４μｍ）についても同様の測定を行っている。

表１から、従来のＡｇ−ＣｕＯ合金からなる単層の電極材料は、加熱によりバネ性が低下８０Ｎ／ｍｍ^２未満になる。これに対して、各実施例ではベース層を設けたことで、接点層となるＡｇ−ＣｕＯ合金の強度低下を補完し、電極材料のバネ性を１０％以上向上させている。また、電極材料自体の導電性に関しては、各実施例及び比較例は、ＩＡＣＳ基準でみるといずれも十分なものであった。

第２実施形態：ここでは、コンタクト層となるＡｇ層を接合した３層構造の電極材料を製造・評価した。まず、Ａｇ（純度９９．９以上）の線材（線径４．０ｍｍ）を用意し、これを圧延加工にて幅７ｍｍ×厚さ０．１ｍｍまで圧延してＡｇテープを製造した。そして、第１実施形態と同様にして製造した、Ａｇ−ＣｕＯ合金テープとＣｕ又はＣｕ合金テープを重ねて不活性雰囲気中で圧延してクラッド接合した。その後、第１実施形態と同様に圧延、スリット加工し電極材料用のテープとした。このとき、Ａｇ−ＣｕＯ合金（接点層）の厚さは２０μｍであり、Ｃｕ、Ｃｕ合金（ベース層）の厚さは６２μｍであり、Ａｇ（コンタクト層）の厚さは２μｍであった（合計８４μｍ）。

上記で製造したこのテープ材を切り出して試験片を製造し、その特性評価を行った。評価は、２４０℃加熱前後に行い、第１実施形態と同様バネ限界値測定を行った。また、導電性の評価として接触抵抗計で接触抵抗値を測定した。この結果を表２に示す。表２には、第１実施形態の各実施例、比較例についての結果も示した。

表２から、コンタクト層であるＡｇ層の追加により接触抵抗が大きく改善しているのが確認できる。これらの実施例は、従来の接点材料の接触抵抗よりも低くなっている。尚、Ａｇ層の追加は、電極材料のバネ性に対しては特段の影響はないといえる。

第３実施形態：ここでは、中間層となるＡｇ層を接合した４層構造の電極材料を製造し、接点層とベース層との間の接合性改善効果について確認した。第２実施形態で製造したＡｇのテープ材を用い、第１、第２実施形態のＡｇ−ＣｕＯ合金テープ、Ａｇテープ、Ｃｕ又はＣｕ合金テープ、Ａｇテープを重ねて不活性雰囲気中で圧延してクラッド接合した。そして、圧延及びスリット加工し電極材料用のテープとした。このとき、Ａｇ−ＣｕＯ合金（接点層）の厚さは２０μｍであり、Ａｇ（中間層）の厚さは２μｍであり、Ｃｕ、Ｃｕ合金（ベース層）の厚さは６０μｍであり、Ａｇ（コンタクト層）の厚さは２μｍであった（合計８４μｍ）。

上記で製造したこのテープ材を切り出して試験片を製造し、その特性評価を行った。評価は、２４０℃加熱前後のバネ限界値測定を行った。加熱後の電極材料について、接点層とベース層との接合力を評価した。この評価は、折曲試験（材料を１８０度折り曲げて戻す試験）を行い、接点層とベース層との間に口開きが生じるかを観察した。評価内容は、折曲試験を２回以上行っても口開きが生じないときを「◎」とし、１回で口開きが生じないときを「○」とした。この結果を表３に示す。表３には、第２実施形態の各実施例（実施例１０〜１８）についての結果も示した。

表３から、中間層としてＡｇ層を設けることにより、接点層とベース層との接合強度が上昇していることが確認された。但し、中間層を設けない場合であっても、加工により直ちに剥離が生じるわけではない。従って、可動電極の形状等から、複雑な加工や高い加工率が必要か否かに応じて、中間層を設定するか否かを判断するのが好ましい。

本発明は、耐溶着性を有すると共に加熱によるバネ性低下の少ない電極材料であり、温度ヒューズの可動電極に好適である。本発明によれば、温度ヒューズの作動不良を抑制することができ、各種の電気機器の信頼性を確保することができる。

Claims (9)

1. 温度ヒューズの可動電極を構成する電極材料において、
   Ａｇ−ＣｕＯ系酸化物分散強化合金からなる接点層に、Ｃｕ又はＣｕ合金からなるベース層が接合されたクラッド構造を有する電極材料。
2. ベース層の裏面にＡｇからなるコンタクト層が接合された請求項１記載の電極材料。
3. 更に、接点層とベース層との間に、Ａｇからなる中間層を備える請求項１又は請求項２記載の電極材料。
4. 接点層を構成するＡｇ−ＣｕＯ系酸化物分散強化合金は、Ｃｕ：１〜２０質量％のＡｇ−Ｃｕ合金を内部酸化処理したものである請求項１〜請求項３のいずれかに記載の電極材料。
5. ベース層を構成するＣｕ又はＣｕ合金は、無酸素銅又はタフピッチ銅のいずれかである請求項１〜請求項４のいずれかに記載の電極材料。
6. ベース層を構成するＣｕ又はＣｕ合金は、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｃｒ、Ｎｉの少なくともいずれかを各々０．１〜３質量％含むＣｕ合金、のいずれかである請求項１〜請求項４のいずれかに記載の電極材料。
7. 接点層とベース層との厚さの比は、接点層とベース層の厚さの総和に対して接点層の厚さが１０〜４０％である請求項１〜請求項６のいずれかに記載の電極材料。
8. コンタクト層の厚さは、電極材料全体の総厚に対し０．５〜５％である請求項１〜請求項７のいずれかに記載の電極材料。
9. 中間層の厚さは、電極材料全体の総厚に対し０．５〜５％である請求項１〜請求項８のいずれかに記載の電極材料。

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