図1は、本発明に基づき構成したメカニカ ルヒューズを例示する縦断面図(A)、及び図中 のa-a’ラインで切断した断面図(B)である。図 示の構成は、断面が長方形であるが、丸状の 断面形状でもよい。自己回復性ヒューズとそ れを取り付ける取付部材の間に緩衝材を介在 させた状態で、自己回復性ヒューズを取付部 材に固着する。この緩衝材の配置は、自己回 復性ヒューズのリード線がある面を除いた全 面を緩衝材で被覆した例を示しているが、リ ード線がある面を含め全面被覆にしても良い 。また、緩衝材の配置は下面のみでも良く、 その場合は自己回復性ヒューズと緩衝材を接 着剤等で取付部材に固着する。図中に示すXYZ は、後述する衝撃力の方向を示している。

 本発明のメカニカルヒューズは、主構成� ��素として自己回復性ヒューズを用いて過電� ��に対する遮断・限流動作を行うだけでなく� ��印加機械力に対して接続状態を切断して電� ��遮断を行うよう機能する。自己回復性ヒュ� ��ズ自体は、上述した特許文献1に記載のよう な公知の構成とすることができる。図示の自 己回復性ヒューズは、絶縁容器内に充填され た液体マトリックス中に固体導電粒子を流動 分散させると共に互いに対向して電極を配設 して自己回復性ヒューズを構成している。電 極間の電圧印加で発生する固体導電粒子の誘 電泳動力によって、固体導電粒子を電極間に 捕集して電極間を橋絡する通電状態と、液体 マトリックス中での固体導電粒子の蒸発・散 開による遮断・限流状態とを繰り返し実現す る。

 このように、電極間に過電流が流れると� ��固体導電粒子を蒸発・散開させることによ� ��高抵抗状態を形成して、遮断・限流動作を� ��現するが、この遮断・限流動作に加えて、� ��己回復性ヒューズ(ヒューズ素子)は、機械� �な衝撃に対する保護素子として利用する。� �えば、地震や衝突等の機械的な衝撃や振動(� ��械力)に対して固体導電粒子の互いの接続状 態のパールチェーンが切れることで、電流遮 断を行う。

 自己回復性ヒューズをオフさせる機械力� ��感度は、印加される機械力の加速度の時間� ��化、即ち加速度波形の周波数を変化させる� ��とにより変更する。この機械力の感度を変� ��する手段として、緩衝材(周波数変更部材)� �用いる。緩衝材をヒューズ素子とその取付� �材の間に挟んだ状態で、ヒューズ素子を取� �付ける。この緩衝材の材質或いは厚さを選� �することにより、自己回復性ヒューズを切� �する機械力の感度を設定する。

 周波数変更部材は、感度を下げる場合は� ��属やガラスなどの硬い物体を選択する。即� ��、同一加速度に対してオフさせる機械力感� ��を下げる場合には加速度波形周波数を上げ� ��方向に周波数変更する。また、周波数変更� ��材は、感度を上げる場合にはゴムやプラス� ��ック、衝撃吸収体などの柔らかい物体を選� ��する。即ち、同一加速度に対してオフさせ� ��機械力感度を上げる場合には加速度波形周� ��数を下げる。

 このように、ヒューズ素子をオフするに� ��要な動作加速度と加速度波形周波数の間に� ��所定の関係がある。それ故、加速度波形周� ��数と動作加速度の関係を事前に知っておく� ��とで、一定周波数の加速度が入力される場� ��にメカニカルヒューズが動作した場合の印� ��された加速度の大きさを知ることができる� ��また、加速度波形の周波数と動作加速度の� ��係を事前に知っておくことで、一定加速度� ��入力される場合にメカニカルヒューズが動� ��した場合の印加された加速度波形の周波数� ��大きさを知ることができる。

 段階的なオフ衝撃加速度の設定は、使用� ��る液体マトリックス(例えば、オイル)の粘� �の違いによって、衝撃に対してオフ衝撃加� �度が変わってくることを利用して行うこと� �できる。緩衝材はヒューズ素子が出来た後� �微調整に使用することによって、実使用に� �応でき、コンパクトでシンプルな安全装置� �センサを提供できる。

 印加される機械力の加速度波形の周波数� ��応じて当該メカニカルヒューズの動作加速� ��が変化することを考慮して、周波数変更部� ��を取り付けない場合には、可能性のある入� ��加速度波形の周波数範囲で入力加速度(機械 力)の動作感度を設定する。

 図2に測定装置を例示し、(A)は側面図を、 (B)は上面図を示している。緩衝材で被覆した 自己回復性ヒューズに外部から衝撃を加えた ときにオフする衝撃加速度の値が、緩衝材の 違いによりどのように変化するかの測定を行 った。使用した自己回復性ヒューズの仕様は 以下の通りである。

 電極:Cu電極 ギャップ長600mm、導電粒子:Cu粒 子 粒径~150mm、液体絶縁マトリックス:シリコ ーン油 動粘性係数10mm ² /s、ON抵抗値は一定の範囲内(3~4W)(OFF特性にはO N抵抗依存性がある)、印加電圧はV _a =10V。

 使用した緩衝材は、以下の通りである。� ��(固定)、布(自由)、発泡スチロール、αゲル( 1mm)、αゲル(3mm)。ここで、布(固定)とは、図2� ��示すように、布の裏全面をテープで支持台( 取付部材)と固定した場合であり、布(自由)と は、布の四隅のみをテープで支持台と固定さ せた場合である。また、αゲルとは、シリコ� ��ンを主原料とする非常に柔らかいゲル状素� ��であり、株式会社ジェルテックで取り扱う� ��品の中の「θゲル-5」を使用した(厚さ:1mm, 3 mm)。

 衝撃は、図示のように、振り子おもりに� ��って加えた。印加した衝撃の方向は、図示� ��ように、一対の電極を結ぶラインに直交す� ��X方向とした。このX方向が最も感度が高か� �たが、Y方向或いはZ方向に衝撃を印加しても 、ヒューズ素子はオフ動作可能である。自己 回復性ヒューズに加えられる加速度は、加速 度センサにより測定した。また、加速度の時 間変化波形をオシロスコープ(図示省略)で測� ��し、周波数は時間変化波形の周期から計算� ��求めた。

 図3は、各緩衝材毎の振り子の角度θ(図2(A))� ��対する衝撃加速度(m/s ² )を示すグラフである。例えば緩衝材が「αゲ ル1mm」の場合、振り子の角度θが40度のとき� �衝撃加速度は80 m/s ² 弱程度であり、「緩衝材なし」の場合は、振 り子の角度θが40度のとき、衝撃加速度は380  m/s ² 程度である。

 図4は、上記の緩衝材毎のヒューズ素子の OFF転移加速度特性試験結果を示すグラフであ る。上記の緩衝材を用いて、異なる周波数の 衝撃を加えたときの自己回復性ヒューズのOFF 特性を示している。図2に示したような振り� �おもりにより、同一の衝撃を加えても、緩� �材(物質)が異なると、周波数が変化した。こ れは、物質固有の音響インピーダンスがこと なるために、波形、即ち周波数が異なるもの と考えられる。衝撃による波形は原理的に種 々の周波数が組み合わされたものとなるが、 基板や緩衝材質などの振動は、主に、その物 質固有の周波数で揺れることになる。衝撃振 動は縦波で、進行方向に粗密があるために、 概念的には、物質自身が揺れ、かつ、その揺 れ方は堅い物は周波数が高く、柔らかい物は 周波数が低くなる。 

 オフ衝撃加速度とは、緩衝材で被覆した� ��己回復性ヒューズに外部から衝撃を加えた� ��きにオフする加速度の値を意味している。� ��の図より、オフするに必要な加速度と周波� ��の関係は、二次曲線を近似したようなカー� ��となることを示している。即ち、自己回復� ��ヒューズがOFF転移する加速度は、低周波数� ��衝撃ほど低いことが示された。どの緩衝材� ��料も緩衝材無しよりも低い値で、OFF転移を� ��している。即ち、緩衝材で被覆することに� ��り感度を高くすることができる。緩衝材を� ��れることで衝撃加速度自体は低下するが、� ��かし、加速度の低下よりも、周波数の低下� ��より動作感度が上がることが、図4より読み 取ることができる。言い換えると、同一の加 速度であれば、周波数が低い衝撃の方がオフ しやすいことになる。

 このように、自己回復性ヒューズを切断す� ��加速度の感度は、緩衝材の材質に依存して� ��化するが、さらに、緩衝材の厚さによって� ��変化する。以下の表1及び図5は、αゲルの厚 さとオフ衝撃加速度の関係を示す試験結果の 表及びグラフである。例えば、緩衝材「αゲ� ��1mm」を使用した場合に、緩衝材外部からの� ��撃の加速度は380 m/s ² 程度でオフすることを意味する。この試験結 果から分かるように、αゲルで被覆した自己� ��復性ヒューズに外部から衝撃を加えたとき� ��オフする衝撃加速度の値は、緩衝材厚さに� ��してほぼ直線の特性が確認できた。

(表1)

  図6は、本発明のメカニカルヒューズに� ��いることのできる自己回復性ヒューズの別� ��例を示す図であり、(A)はオン維持定常状態� ��示し、(B)及び(C)は過電流時及び切断時の動� ��をそれぞれ説明する図である。図示の自己� ��復性ヒューズは、非磁性材料の絶縁容器内� ��、非磁性材料の液体マトリックスを収容し� ��液体マトリックスを介して互いに対向する� ��極を設置する。液体マトリックス中には、� ��電性を有する固体粒子を流動分散させる。� ��縁容器の内側に固定されている一対の電極� ��は、それぞれ外部からの配線が接続される� ��とになる。以上に加えて、図示の自己回復� ��ヒューズには、絶縁容器外部に磁界発生部� ��備える。

 磁界発生部は、発生する磁界が、過電流� ��よりヒューズ素子(固体粒子の連鎖)に流れ� �電流と作用して発生する電磁力が、ヒュー� �素子を切断するか、ヒューズ素子を電極外� �押し出す方向に配置する。図6において、ヒ� ��ーズ素子と直交する方向の成分を有する磁� ��が紙面のおもて面から裏面方向に発生する� ��うに、磁界発生部は配置されている。この� ��界は、ヒューズ素子と直交する方向の成分� ��、十分な値を有していれば良いが、発生磁� ��をヒューズ素子と直交させることにより効� ��よく作用させることができる。磁界発生部� ��しては、永久磁石或いはコイルを用いるこ� ��ができる。

 図6(A)に示すオン維持定常状態で、電源(図� �省略)からの電力が、図示の自己回復性ヒュ� ��ズを介して、負荷(図示省略)に供給されて� �る。このため、この自己回復性ヒューズの� �極間に電圧が印加されている。このとき、� �体マトリックス中の固体粒子が導電性を有� �るために、この固体粒子には誘電泳動力F _DEP  が作用する。これによって、図6(A)に示すよ うに、導電性を有する固体粒子が互いに連続 して接続され、導電パス(ヒューズ素子)を形� ��する。このとき、磁界発生部により紙面の� ��もて面から裏面方向に発生した磁界強度Bと 、ヒューズ素子に流れる電流Iとの相互作用� �より、そのいずれにも直交する方向の電磁� �Fが働く。この電磁力Fは、電極間の距離に相 当するヒューズ素子の長さをLとして、F=IBLで あることが知られているように、流れる電流 値Iに比例する。それ故、磁界発生部の磁界� �度B、及び液体マトリックスの粘度などを適� ��に予め設定しておくことにより、オン維持� ��常状態では、電磁力Fが、導電パスを切断す る程には大きくならないようにしておく。

 図6(A)に示すオン維持定常状態では、液体マ トリックス中の固体粒子の誘電泳動力F _DEP  によって、固体粒子を効率よく電極間に収� ��即ち捕集し、固体粒子同士が連鎖する現象� ��発生し、固体粒子がパールチェーン化して� ��電パスが形成され、オン(ON)即ち通電状態に なる。

 次に、図6(B)に示すように、自己回復性ヒ ューズに過電流I’が流れたとする。このと� �、導電性を有する固体粒子に作用して、過� �流に比例して発生する大きな電磁力Fが、固� ��粒子の連鎖により構成されるヒューズ素子� ��切断するか、或いは、電極外に押し出す。

 図6(C)は、このようにして、ヒューズ素子が 切断された状態を示している。電流路は切断 されているが、電極間に電源からの電圧は依 然として印加されている。この状態では、液 体マトリックス中で浮遊状態の固体粒子に誘 電泳動力F _DEP  が働いて固体粒子が電極間に捕集されて橋� ��即ち連鎖し、再び、図6(A)に示す通電即ちオ ン状態になる。

 このような自己回復性ヒューズもまた、� ��1に示したように、緩衝材で被覆することに よりメカニカルヒューズを構成することがで きる。

 図7は、主回路(主配線)を遮断する配線例� ��示す図である。上述したような構成を有す� ��メカニカルヒューズは、遮断後、誘電泳動� ��によって一定時間経過後導通状態になる。� ��断回路は、メカニカルヒューズの遮断を感� ��して、主回路を遮断し、メカニカルヒュー� ��が一定時間経過後導通状態になっても遮断� ��態を維持する。遮断回路にリセット信号を� ��力することによって主回路の遮断状態を解� ��する。

 図8は、外部装置へ作動指令を出す配線例 を示す図である。メカニカルヒューズは、遮 断後、誘電泳動力によって一定時間経過後導 通状態になる。出力回路は、メカニカルヒュ ーズの遮断を感知して、エアバッグ等の外部 装置へ作動指令信号(出力信号)を出力し 、� �カニカルヒューズが一定時間経過後導通状� �になっても信号を維持する。出力回路にリ� �ット信号を入力することによって定常状態� �復帰する。

 以上、本開示にて幾つかの実施の形態の� ��を単に一例として詳細に説明したが、本発� ��の新規な教示及び有利な効果から実質的に� ��脱せずに、その実施の形態には多くの改変� ��が可能である。