CN102439674B - 活性材料电路保护器 - Google Patents

Abstract

一种电路保护器，包括第一和第二导电构件。活性材料响应于活化信号改变至少一种属性。活性材料操作性地连接到第一和第二导电构件，以改变第一和第二构件之间的电阻。

Description

活性材料电路保护器

相关申请的交叉引用

本申请是2009年5月20日递交的美国临时专利申请No.12/469,556的部分继续申请，且该申请通过引用合并与此。

技术领域

本发明涉及电路保护器，用于保护电子部件不受过度电流的损害。

背景技术

电路有时会由于过度电流而倾向于过热。结果，电路或其部件会包括电路保护器，所述电路保护器在过度电流流动事件时打开电路，由此防止对电路部件造成损害。电路保护器包括保险丝和机械电路断路器。

保险丝包括导电元件，其配置为在流过其的电流超过预定量时瓦解或燃烧，由此使得电路断开。机械电路断路器包括开关，该开关在流过其的电流超过预定量时自动地运动到打开位置。在示例性的机械电路断路器中，电流流过电磁体；当电流超过预定量时，通过电磁体产生的磁场足以将开关移动到打开位置。

发明内容

一种电路保护器，包括第一导电构件和第二导电构件。第二导电构件选择性地在第一位置和第二位置之间运动，在该第一位置中第二导电构件接触第一导电构件，且在第二位置中第二导电构件不接触第一导电构件。电路保护器还包括活性材料，其配置为响应于活化信号经历至少一种属性的变化。活性材料操作性地连接到第二导电构件，从而至少一种属性的变化使得第二导电构件在第一和第二位置之间运动，由此选择性地防止第一和第二构件之间的电流。

所提供的电路保护器是可重置的，类似于保险丝。进而，所提供的电路保护器与现有技术的电路断路器相比具有较少的机械复杂性，这能使得电路保护器可应用在现有技术的电路断路器的尺寸和成本都受限的应用场合。

一种设备，包括电子装置、电接触部和电路保护器，该电路保护器至少部分地限定出接触部和电子装置之间的导电路径。电路保护器包括活性材料，其配置为响应于活化信号经历至少一种属性的变化。电路保护器配置为使得至少一种属性的变化能改变接触部和电子装置之间的导电路径的电阻。

本发明的上述特征和优势以及其他特征和优势将通过用于执行本发明的较佳模式的以下详细描述结合附图而显而易见。

附图说明

图1是电子装置和电路保护器的示意性截面侧视图，具有在第一位置的导体；

图2是图1的电子装置和电路保护器的示意性截面侧视图，具有在第二位置的导体；

图3是根据要求保护的本发明的电子装置和电路保护器的示意性截面侧视图，具有在第一位置的导体；和

图4是图3的电子装置和电路保护器的示意性截面侧视图，具有在第二位置的导体。

具体实施方式

参见图1，电路10的一部分被示意性地显示。电路10包括至少一个电子装置14。在所示实施例中，电子装置14是微处理器，即集成电路；但是，任何电子装置都可以在要求保护的本发明的范围内采用。微处理器包括绝缘硅基电路板18。微处理器芯片22安装到基板18。如本领域技术人员所理解的，芯片22包括被多个导电构件互连的晶体管和其他部件。

电路10包括第一和第二导电构件26、30，它们协作以选择性地提供去往和来自微处理器芯片22的电通讯。所示实施例中的第一构件26显示为是输入/输出管脚，通过所述管脚电子输入和/或输出信号可被传递到微处理器芯片22。如本领域技术人员所理解的，微处理器14包括多个输入和输出管脚，通过所述管脚微处理器芯片22发送和接收电子信号形式的信号。在附图中仅显示了这些管脚中的一个。第一构件26由此用作电接触部，其例如可以与印刷电路板上的互补接触部接合。

第一构件26安装到基板18。第二构件30相对于微处理器芯片22安装并与之电通讯。第二构件30是机电电路保护器32的一部分，且至少部分地限定出从管脚(即第一构件26)到芯片22的导电路径。微处理器14还包括硅(或其他IC基体材料，本领域技术人员是熟知的)外壳34，其相对于基板18安装并用作散热器。电路保护器32还包括活性材料构件38，其配置为响应于活化信号而经历至少一种属性的变化。

活化信号在流过第二构件30的电流量超过预定量时产生。电路保护器32配置为使得属性的变化能改变第一构件26和第二构件30之间导电路径的电阻，限制或防止流到微处理器芯片22的电流并由此保护微处理器芯片22不受过度电流和过热的损害。

更具体地，在所示实施例中，第二构件30可选择性地在第一位置(如图1所示)和第二位置(如图2所示)之间运动。当第二构件30处于第一位置时，第二构件30与第一构件26接触，由此建立从第一构件26到第二构件30的直接电连接。由此，当第二构件30处于其第一位置时，电流可从第一构件26经由第二构件30流到芯片22。参见图2，当第二构件30处于其第二位置时，第二构件30并不接触第一构件26，且由此在从第一构件26到芯片22的导电路径中存在空气间隙，其提供大量的电阻并防止电流从第一构件26流到芯片22。

活性材料构件38安装到外壳34并安装到第二导电构件30。在所示实施例中，构件38的活性材料是形状记忆合金(SMA：shape memory alloy)。形状记忆合金特点在于冷态，即当合金的温度低于其马氏体终轧温度(martensite finish temperature)M_f时。形状记忆合金特点还在于热态，即当合金的温度高于其奥氏体终轧温度(austenite finish temperature)A_f时。用该合金形成的物体特点在于预定的形状。当物体在冷态下从其预定形状伪塑性(pseudo-plastically)变形时，通过将该物体加热到其奥氏体终轧温度A_f以上应变会被反向，即施加足以将该物体加热到其A_f以上的热活化信号将使得物体返回到其预定形状。在冷态下SMA的弹性模量和屈服强度还显著地低于热态。如本领域技术人员所理解的，伪塑性应变(pseudo-plastic strain)类似于尽管导致应变的应力被去除而应变仍持续的应变。但是，不同于塑性应变，伪塑性在物体被加热到其热态时是可逆的。

构件38的特点在于预定形状(如图2所示)和伪塑性变形的状态(如图1所示)。更具体地，构件38配置为使得其特点在于当第二构件30处于其第一位置并与第一构件26接触时(如图1所述)的伪塑性拉伸应变，从而构件38的高度大于其预定高度。将活性材料构件38加热到其热状态(即通过向活性材料构件38施加热活化信号)能使得图1所示的伪塑性拉伸应变反向，且构件38呈现其预定形状，如图2所示。在构件38呈现其预定形状时，构件38将第二构件30拔起脱开与第一构件26的接触并达到其第二位置，由此增加了导电路径中的电阻并防止电流流到微处理器芯片22。

活性材料构件38与第二构件30接触，且由此活性材料构件38与第二构件30成直接导电加热传递关系。构件38的活性材料的奥氏体终轧温度被设置为当流过第二构件30的电流量超过预定量时由于电阻加热而使第二构件30到达的温度。所示实施例中电流的预定量是芯片22能安全接受而不会有损坏时的最大电流量。由此，电路保护器32被配置为使得，当在第二构件30中流动的电流超过预定量时，活性材料构件38呈现其预定形状，该预定形状让第二构件30运动离开与第一构件26的接触，由此防止电流从第一构件26流到芯片22并保护芯片22不会过热。

替换地，且在所要求权利要求的范围内，可在由于冷却系统失效、环境状况等的原因芯片22、构件30、构件26等的温度超过预定量时产生活化信号。更具体地，来自芯片22、构件30、构件26等的热被传递到构件38。构件38可被芯片22、构件30、构件26等加热到其奥氏体终轧温度以上，并由此停止电流的流动。

在所示实施例，电流保护器32在第二构件30的温度(且由此活性材料构件38的温度)冷却时自动地重置(reset)。更具体地，电路保护器32包括弹簧，其将第二构件30朝向其第一位置偏压。所示实施例，第二构件30用作弹簧：第二构件30在从其第一位置运动到其第二位置时弹性地变形，由此被促使返回到其第一位置。在替换实施例中，且在要求保护的本发明范围内，一单独的弹簧可促使第二构件朝向其第一位置运动。例如，螺旋弹簧可设置在第二构件30和外壳34之间。

当构件38的活性材料处于其热态时，构件38的模量足够高以抵抗弹簧的偏压。但是，在热能从第二构件30和活性材料构件38传递到外壳34时，活性材料构件38的模量随着构件38冷却到马氏体终轧温度以下而减小，且弹簧的力足以让构件38变形并让第二构件30返回到其第一位置，由此重新建立从第一构件26经由第二构件30到芯片22的直接电通讯。当温度状况允许时电路保护器还可被手动地重置。

参见图3，其中相同的附图标记指示与图1和2相同的部件，替换的电路10A的一部分被示意性地显示。电路10A包括至少一个电子装置14A。所示实施例，电子装置14A是微处理器；但是，任何电子装置都可在要求保护的本发明的范围内采用。微处理器包括绝缘基板18A。微处理器芯片22安装到基板18A。

电路10A包括第一和第二导电构件26、30A，它们协作以选择性地提供去往和来自微处理器芯片22的电通讯。所示实施例中的第一构件26是输入/输出管脚，电子输入和/或输出信号通过该管脚可传递到微处理器芯片22或从该芯片传递而来。

第一构件26被安装到基板18A。第二构件30A相对于微处理器芯片22安装并与之电通讯。第二构件30A是机电电路保护器32A的一部分，且至少部分地限定出从管脚(即第一构件26)到芯片22的导电路径。微处理器14还包括外壳34，该外壳相对于基板18安装且其用作散热器。

基板18A限定出沟槽42，所述沟槽从芯片22延伸到管脚26。第二构件30A至少部分地设置在沟槽42中。第二构件包括活性材料，即形状合金，由此第二构件30A也是活性材料构件38A。第二构件30A显示为处于图3的第一位置和图4中的第二位置。当构件30A处于其第一位置时，其与构件26接触，且由此提供构件26和芯片22之间的电通讯。当构件30A处于其第二位置时，其并不接触构件26；构件26和构件30A的空气间隙提供了导电路径中的足够电阻，以防止电流从管脚26流到芯片22。

第二构件30A特点在于预定形状(长度)，其对应于其在图4中的第二位置。第二构件30A特点在于在其第一位置中的拉伸伪塑性应变，如图3所示。因而，构件30A的长度在第一位置中比在第二位置中大。第二构件30A配置为当流过其的电流量超过预定量时由于电阻加热而达到其奥氏体终轧温度。当达到奥氏体终轧温度时，拉伸伪塑性应变反向且第二构件30A运动到其第二位置，如图4所示，由此停止电流的流动。

电路保护器32A在SMA构件38A冷却时自动地重置。在一个实施例中，第二构件30A包括双向形状记忆合金，其中合金中的相变提供了收缩和伸长两种作用。作为单向SMA的替换，随着构件30A冷却，其直径增加；由此，沟槽42的壁提供了促使构件30A返回到其第一位置并与构件26接触的返回力。由此，沟槽42或沿沟槽42所设的特征结构促使SMA构件30A、38A以可预测的方式伸长并接触，以便不需要使用返回弹簧。除了双向SMA，电路板本身或其他弹簧元件可以附接到构件30A并提供返回力。

应注意，尽管形状记忆合金被用在本文中，但是可以在要求保护的本发明的范围内采用其他活性材料，如电活化聚合物、压电材料以及磁致伸缩和电致伸缩的材料。

本领域技术人员将认识到电路保护器32、32A在航空电子设备、通讯、音频视频设备、机动车系统、航空航天等中的广泛应用。例如，在要求保护的本发明的范围内，电路保护器可用于备用电子驱动器系统、功率晶体管、电路板、配线、蜂窝电话、传真机、缆线、视频卡带记录器、电视、无线电、光盘播放器、视频摄像机、视频游戏机、发动机控制器、车身控制器、机动车冷却系统、氢燃料电池充电系统、用于混合动力车辆的电池系统、加热和冷却控制、电池充电、马达保护、导航系统等。

电路保护器32、32A可增加从损坏的计算机恢复数据的可能性，可提供哪个电路已经失效的视觉指示，由此减少对电路的繁琐的定位和修复的时间，可反过来用作暂时断电等。应注意，会导致非典型的电路冷却时间的滞后。还应注意活性材料构件需要非标准的转变温度。对于某些系统需要采用备用电路。

尽管用于执行本发明的较佳模式已经被详细描述，本发明所述的本领域的技术人员将意识到用于执行本发明的替换设计和实施例，用于在所附权利要求的范围内执行本发明。

Claims (6)

1.一种设备，包括：

电子装置，包括外壳构件；

电接触部；

电路保护器，至少部分地限定出从接触部到电子装置的导电路径；

其中导电路径包括第一导电构件和第二导电构件；

其中电路保护器包括活性材料构件，该活性材料构件是安装到第二导电构件和外壳构件的形状记忆合金和形状记忆聚合物中的一种，且该活性材料构件配置为响应于活化信号经历至少一种属性的变化；

其中活性材料构件设置在第二导电构件和外壳构件之间；

其中，所述第二导电构件能选择性地在第一位置和第二位置之间运动，在该第一位置中第二导电构件接触第一导电构件，在该第二位置中第二导电构件不接触第一导电构件；和

其中，所述电路保护器配置为使得至少一种属性的所述变化使得活性材料构件能让第二导电构件在第一和第二位置之间运动。

2.如权利要求1所述的设备，其中第一导电构件是接触部。

3.如权利要求1所述的设备，其中至少一种属性的所述变化包括活性材料形状的变化。

4.如权利要求1所述的设备，其中电子装置是集成电路且其中电接触部是管脚。

5.如权利要求1所述的设备，其中活化信号是热信号。

6.一种设备，包括：

微处理器，具有绝缘基板、相对于该基板安装的外壳构件和相对于该基板安装的芯片；

电接触部；

电路保护器，至少部分地限定出从接触部到芯片的导电路径；

其中导电路径包括第一导电构件和第二导电构件；

其中电路保护器包括活性材料构件，该活性材料构件是安装到第二导电构件和外壳构件的形状记忆合金和形状记忆聚合物中的一种，且该活性材料构件配置为响应于活化信号经历至少一种属性的变化；

其中活性材料构件设置在第二导电构件和外壳构件之间；

其中，所述第二导电构件能选择性地在第一位置和第二位置之间运动，在该第一位置中第二导电构件接触第一导电构件，在该第二位置中第二导电构件不接触第一导电构件；和

其中，所述电路保护器配置为使得至少一种属性的所述变化使得活性材料构件能让第二导电构件在第一和第二位置之间运动。