JP2013529855A - 熱過負荷保護構造 - Google Patents

Abstract

【解決手段】本願発明は、通電素子（１４、１６）を有するマウント装置（１０）上に配置された電気コンポーネント（１２）、特に電子コンポーネントを保護する熱過負荷保護構造（４０）に関する。当該熱過負荷保護構造（４０）は、複数のはんだ接合部（１８、２０）が設けられ、当該複数のはんだ接合部（１８、２０）は、通電素子（１４、１６）の１つと、電気部品の関連する接続部（２２、２４）との間で電気的に接触し、電気コンポーネント（１２）に過負荷がかかったときに溶融し、また、分離装置（３０）が設けられ、当該分離装置（３０）は、接合部（１８、２０）の少なくとも１つを切断する。本願発明によると、部品は電気コンポーネント（１２）であるか、少なくとも電気コンポーネント（１２）を有し、分離装置（３０）は、はんだ接合部（１８、２０）が溶融したときに分離動作し、少なくとも加熱されたときにマウント装置（１０）に対し電気コンポーネント（１２）をプレストレスし、通電素子（１４、１６）の少なくとも１つから電気コンポーネント（１２）を物理的に分離する。本願発明は、電気コンポーネント（１２）を保護する方法にも関する。
【選択図】図１

Description

本願発明は、通電素子を有するマウント装置上に配置された電気コンポーネント、特に電子コンポーネントを保護する熱過負荷保護構造に関し、熱過負荷保護構造は、各通電素子を電気部品の各端子に接触させ、電気コンポーネントに対し熱過負荷がかかったときに溶融する複数の電気的に接触するはんだ接合部と、これら接合部の少なくとも１つを切断する切断装置とを備える。また本願発明は、通電素子がマウント装置上に配置された電気コンポーネント、特に電子コンポーネントを保護する方法に関する。

電子コンポーネントに過負荷がかかることにより、それら電子コンポーネントが定格動作範囲外で動作することとなり得る。例えば損傷コンポーネントの絶縁強度の低下により電力変換が生じ、さらに発熱する。許容される閾値を超えたコンポーネントの加熱を防がなければ、周囲の材料の損傷、オフガスの生成、または発火のリスクへとつながり得る。

したがって、習慣的にこのようなコンポーネントには温度ヒューズが備えられ、許容範囲を超える加熱があった場合、動作を停止させるようになっている。しかしサーマルカップリングの機能には制限があるため、非常に急速な加熱プロセスにおいてはこの構造は適切ではない。

習慣的に過電圧保護装置は、熱作動型切断装置とともに、可変抵抗体で特に用いられる過電圧保護コンポーネントを具備する。

プリント配線を備えた回路基板に配置されたパワー電子コンポーネントを保護する熱過負荷保護構造は、特許公開公報ＤＥ １０ ２００５ ０４５ ７７８ Ａ１に開示されており、同公報では熱過負荷保護構造は、はしごの横木状の各端子エリアと電気的に接触し、回路基板の各プリント配線に熱過負荷がかかったときに溶融する複数のはんだ接合部、温度センサー、これら接合部の少なくとも１つを切断する開成素子とを備える。

コンポーネントと熱過負荷保護構造とを空間的に分離すれば、一方ではシステムに所定の慣性がかかり、また他方では、比較的大きなスペースが必要となる。

本願発明の目的は、迅速かつ信頼性の高い保護機構を有し、マウント装置に対する要求スペースが最少となる、コンポーネントを保護する熱過負荷保護構造と方法を提供することである。

この目的は、特許請求の範囲の独立項に係る発明により達成される。本願発明の有利な実施形態は、特許請求の範囲の従属項に係る発明により特徴づけられている。

本願発明の熱過負荷保護構造によると、部品はそれ自体がコンポーネントであるか、コンポーネントを少なくとも有し、分離装置は、はんだ接合部が溶融を始めたときに作動し、少なくとも加熱されたときにマウント装置に対しコンポーネントをプレストレスし、通電素子の少なくとも１つからコンポーネントを空間的に分離する。好ましくは電子コンポーネントであるコンポーネントは、低融点はんだを用い、例えば回路基板のプリント配線であるマウント装置の通電素子に取り付けられる。このはんだの融点は例えば１５０℃である。コンポーネントに熱応力がかかったとき、端子からはんだ接合部へと熱が伝わる。熱応力を生む熱がはんだの融点を超えたとき、はんだ接合部が溶融する。分離装置は、マウント装置に対しコンポーネントをプレストレスするため、はんだ接合部の溶融によって直ちに分離動作し、コンポーネントの空間的位置を変えて、永久的にコンポーネントを通電素子から空間的に分離する。電気回路を開成するために独立したコンポーネントを用いないので、必要なスペースが小さくてすむ。さらに、コンポーネントに直接接続された切断分離する部材により、分離が迅速なものになる。

本願発明の好ましい実施形態によると分離装置は、（ａ）バネ機構および／または（ｂ）膨張材料からなる装置および／または（ｃ）形状記憶材料からなる装置および／または（ｄ）形状が化学的に変化する材料からなる装置として設計されるアクチュエータを有する。そのようなアクチュエータは通常時、または少なくとも加熱時にマウント装置に対し、コンポーネントをプレストレスする。

他の実施形態（ｂ）から（ｄ）の利点は、他の実施形態（ｂ）から（ｄ）のいずれか１つによるアクチュエータにより分離装置が作動を開始した後にのみ対応する力が発生するため、通常動作時においては、はんだ接合部および／または分離装置全体に対し力がかからないことにある。

これら実施形態のうちの１つにおいては、分離装置は、特に圧縮バネとして設計されたバネ機構を有する。選択的にコンポーネントまたはバネ機構は、はんだ接合部への機械的負荷を最小限にするために低融点プラスチックを用いて固定されてもよい。はんだ接合部の融点は、溶融プラスチックの融点よりも高い。融点を超えて分離する時に表面張力により低温はんだが確実にはんだ面に残るように、低温はんだが溶剤を用いて実施された場合、コンポーネントまたはバネ素子を固定するために用いた可融性プラスチックの融点は、はんだの融点より高くてもよい。

熱過負荷保護構造は、分離されたコンポーネントを単体で、または分離装置と共に、決められた位置に固定する制動装置をさらに備える。この制動装置は、マウント装置を有する装置内のコンポーネントの、分離後の制御不能な動きを防ぐために備えられている。制動装置は、マウント装置を囲むハウジング部によって形成されると有利である。コンポーネントは、制動装置内において解放可能に固定されるのが好ましい。

本願発明の他の例によれば、分離装置は、マウント装置の面を横切って前記通電素子の少なくとも１つからコンポーネントを分離するように当該コンポーネントを並行移動させる。そのような分離装置は、特にマウント装置の面に垂直な面の方向に、マウント装置の面を横切って分離するように、コンポーネントを動かす。

一般的な分離装置と特別のそのアクチュエータとは、コンポーネントの横、コンポーネントの上方、コンポーネントの下方、またはマウント装置の下方に配置される。しかし分離装置及びそのアクチュエータは、マウント装置とコンポーネントそれ自体との間に配置されるのが有利である。そのような熱過負荷保護構造は、特にスペースを節約するために設計される。アクチュエータは、特に好ましくはマウント装置とコンポーネントの重心との間に配置される。本願発明の好ましい実施形態では、分離装置は、特にマウント装置の表面積に基づいて、少なくとも２つのはんだ接合部の間に配置される。

本願発明の他の実施形態では、この場合も有利ではあるが、分離装置は、マウント装置の面に沿って少なくとも１つの通電素子からコンポーネントを分離するようにコンポーネントの空間的位置を変える。そのような分離装置は、本質的にはマウント装置の面に沿ってコンポーネントを動かし、特にコンポーネントを介し互いに電気的に結合された２つのはんだ接合部の間の仮想的な連結線を横切ってコンポーネントを動かし、分離させる。

本願発明の変形例において、熱過負荷保護構造はコンポーネントおよび／またはマウント装置も備える。一般的には、コンポーネントは任意の所望のコンポーネントであってもよい。しかし、表面実装部品（ＳＭＤ）として実施されるのが好ましい。

表面実装のリフローはんだ付けプロセスの前には、例えば過負荷保護装置のいくつかのコンポーネントとの部分的なアセンブリ作業がある。追加のコンポーネントは、リフローはんだ付けプロセスの後に実装される。本実施形態のこの変形例は、前述の（ａ）から（ｄ）のアクチュエータのすべてに適用可能である。

さらに熱過負荷保護構造は、バネ機構、ＳＭＤ部品、およびはんだ接合部として実施されるアクチュエータを備え、表面実装構造として設計されるのが有利である。リフロープロセスの前の部分的なアセンブリ作業をせずに、バネ機構として設計されたアクチュエータを用いた表面実装構造の場合、構造全体にリフロープロセスを実行することもできる。構造に用いられる生産プロセスに応じて、（ｉ）プレストレスバネ機構をリフロープロセスの間はブロック素子によりブロックしておき、ブロック素子を除去することによって、バネ機構を解放するか、あるいは（ｉｉ）リフロープロセスの間はバネ装置に対し力がかからず、かつ、リフロープロセスの後にのみ対応するプレストレスがかかるようにするか、のいずれかが可能である。

本願発明によれば、複数のはんだ接合部が設けられ、当該はんだ接合部は、各通電素子をコンポーネントの対応する端子に電気的に接触させ、コンポーネントに過負荷がかかったときに溶融し、また、これらはんだ接合部を分離する分離装置が設けられ、当該分離装置は、少なくとも加熱されたときマウント装置に対しコンポーネントをプレストレスし、はんだ接合部の溶融によって通電素子から空間的にコンポーネントを分離する。

以下、添付図面を用いて、本願発明の実施形態を詳細に説明する。

本願発明の第１実施形態による、作動前の動作状態の電子コンポーネントと熱過負荷保護構造とを示す。 作動中の動作状態の、図１の電子コンポーネントと熱過負荷保護構造を示す。 本願発明の第２実施形態による、作動前の動作状態の電子コンポーネントと熱過負荷保護構造とを示す。 作動中の動作状態の、図３のコンポーネントと熱過負荷保護構造を示す。

図１は、電気コンポーネント１２、特に電子コンポーネントの実装および電気接触のための、回路基板として設計されたマウント装置１０の詳細を示す側面図である。したがってマウント装置１０は上面に、プリント配線として設計された通電素子１４、１６を有する。ここでは、これら２つの通電素子１４と１６とが示されている。これらの各素子は、低融点はんだを用いたはんだ接合部１８、２０を介し、電子コンポーネント１２の各端子２２、２４にそれぞれ接触する。この電子コンポーネントは、ＳＭＤ部品２６として設計されている。このコンポーネント１２の下方のマウント装置１０の１エリアは貫通路として設計された凹み２８を有する。バネ機構３２（圧縮バネ）として設計されたアクチュエータ３４を備える分離装置３０は、凹み２８に配置され、マウント装置１０の基板３６に対しコンポーネント１２をプレストレスし、「圧力がかかった状態」としている。

図１に示す状況は、動作状態にあるマウント装置１０上のコンポーネント１２を図示する。図２の説明に関連してその機能が説明される制動装置３８は、マウント装置１０の上方、すなわちマウント装置１０の面に対し垂直な方向であり、コンポーネントを積載する側に配置されている。

マウント装置１０及びコンポーネント１２に関連したはんだ接合部１８、２０と分離装置３０の構造は、熱過負荷保護構造４０である。熱過負荷保護構造４０は、マウント装置１０上に配置された電気コンポーネント１２を保護する。図１から４に示す例示的な実施形態では、この熱過負荷保護構造は、制動装置３８も備える。

このことにより、過負荷保護構造４０の以下のような機能がもたらされる。分離装置３０がマウント装置１０に対しコンポーネント１２をプレストレスし、コンポーネント１２への熱応力の増加があると、マウント装置１０上にコンポーネント１２を保持するはんだ接合部の温度も上がる。温度がはんだの融点を超えると、はんだ接合部１８、２０が溶融し、コンポーネント１２が、分離装置３０のアクチュエータ３４によって面に垂直な方向に（矢印ｎ）マウント装置から分離され、特に通電素子１４、１６から分離される。この状況を図２に図示する。

分離プロセスの後にコンポーネントを決められた位置に維持するために、かごのように設計された制動装置３８がコンポーネント１２の上方に配置されている。分離装置３０のアクチュエータ３４が、分離プロセスにおいて制動装置３８の受取りエリアにコンポーネント１２を移動させ、その後は弾性力によってその位置にコンポーネントを固定する。制動装置３８の受取りエリア４２のコンポーネント１２の位置によってマウント装置１０の通電素子１４、１６からの十分な距離Ｄが確保され、スパークギャップが発生しない。

コンポーネント１２それ自体の電力損失による電子コンポーネント１２の加熱によって、はんだ１８、２０の強度が低下する。バネ機構３２の力がはんだ接合部１８、２０の保持力を超えると、コンポーネント１２が回路基板から持ち上げられる。コンポーネント１２は、加熱を引き起こす電源から分離されて、その後、安定状態へと移行する。安定状態とは、その後いかなる加熱もなく、かつ、電気接合部が不可逆的に分離され、電気的絶縁が確保された状態のことを指す。

装置３０が、低融点プラスチックによるバネ機構３２の係留によって実施された場合、このプラスチックがまず溶融し、はんだ接合部が溶融する直前にバネ機構３２が作動する。

膨張性物質、形状記憶材料、または熱的に活性化された化学反応に基づいて作動するアクチュエータ３４（ここでは示さず）によっても分離は可能である。コンポーネントの電力損失によってアクチュエータ３４が作動温度まで上がると、コンポーネント１２に対する圧力が上昇する。さらに、加熱によってはんだ接合部１８、２０の強度が低下する。アクチュエータ３０の力がはんだ接合部１８、２０の保持力を超えると、コンポーネント１２が回路基板から持ち上げられる。コンポーネント１２は、電源から遠く分離され、熱過負荷保護構造４０によって安定状態に移行する。

図３および４に図示された構造は、図１および２の構造と本質的に対応するので、相違する部分の説明に留める。

図３および４では、上方から見た表面実装部品１２（ＳＭＤ部品２６）を備えるマウント装置１０の詳細を示す。図３は通常動作にある構造を示す。図４は熱過負荷保護構造４０の分離装置３０が作動した構造を示す。

図１および２の構造との本質的な違いは分離装置３０、コンポーネント１２、制動装置３８の構造である。これらはここではマウント装置の面に沿った仮想的な軸線上にこの順で直列に配置されている。はんだ接合部１８、２０が溶融すると、分離装置３０は、本質的にはマウント装置１０の面に沿ってコンポーネント１２を動かし、特にコンポーネント１２を介し互いに電気的に接続された２つのはんだ接合部１８、２０の間の仮想的な連結線を横切ってコンポーネント１２を動かし、通電素子１４、１６から分離させる。

１０ マウント装置、１２ コンポーネント、１４ 通電素子、１６ 通電素子、１８ はんだ接合部、２０ はんだ接合部、２２ 端子、２４ 端子、２６ ＳＭＤ部品、２８ 凹み、３０ 分離装置、３２ バネ機構、３４ アクチュエータ、３６ 基板、３８ 制動装置、４０ 熱過負荷保護構造、４２ 受取りエリア

Claims (11)

1. 複数の通電素子を有するマウント装置上に配置された電気コンポーネント、特に電子コンポーネントを保護する熱過負荷保護構造であって、
   前記複数の通電素子の各々を電気部品の各端子に接触させ、前記電気コンポーネントに過負荷がかかったときに溶融する複数のはんだ接合部と、
   前記複数のはんだ接合部の少なくとも１つを解放する分離装置と
   を備え、
   前記電気部品は、前記電気コンポーネントであるか、少なくとも前記電気コンポーネントを有し、
   前記分離装置は、前記複数のはんだ接合部が溶融したときに作動し、少なくとも加熱されたときにマウント装置に対し前記電気コンポーネントをプレストレスし、前記複数の通電素子の少なくとも１つから前記電気コンポーネントを空間的に分離する、熱過負荷保護構造。
2. 前記分離装置が、バネ機構、膨張材料からなる装置、は形状記憶材料からなる装置、および形状が化学的に変化する材料からなる装置のうちの少なくとも１つとして設計されるアクチュエータを有する、請求項１に記載の熱過負荷保護構造。
3. 分離された前記電気コンポーネントを単体で、または前記分離装置（３０）と共に、決められた位置に固定する制動装置を備える、請求項１または２に記載の熱過負荷保護構造。
4. 前記分離装置は、特に前記マウント装置の面に垂直な方向に、前記マウント装置の面を横切って前記複数の通電素子の少なくとも１つから分離するように前記電気コンポーネントを移動させる、請求項１から３のいずれか１項に記載の熱過負荷保護構造。
5. 前記分離装置が前記マウント装置と前記電気コンポーネントとの間に配置される、請求項４に記載の熱過負荷保護構造。
6. 前記アクチュエータが少なくとも２つの前記複数のはんだ接合部の間に配置される、請求項２から５のいずれか１項に記載の熱過負荷保護構造。
7. 前記分離装置は、前記マウント装置の面に沿って前記複数の通電素子の少なくとも１つから分離するように前記電気コンポーネントを並行移動させる、請求項１から３のいずれか１項に記載の熱過負荷保護構造。
8. 前記電気コンポーネントおよび前記マウント装置の少なくとも一方を備える、請求項１から７のいずれか１項に記載の熱過負荷保護構造。
9. 前記電気コンポーネントがＳＭＤ部品として設計される、請求項８に記載の熱過負荷保護構造。
10. バネ構造、前記ＳＭＤ部品、および前記複数のはんだ接合部として設計される前記アクチュエータを備え、表面実装構造として設計される、請求項９に記載の熱過負荷保護構造。
11. 通電素子を有するマウント装置上に配置された電気コンポーネント、特に電子コンポーネントを保護する方法であって、
    複数のはんだ接合部が、各前記通電素子を前記電気コンポーネントの対応する端子に電気的に接触させ、前記電気コンポーネントに対し過負荷がかかったときに溶融する段階と、
    分離装置が前記複数のはんだ接合部を作動させる段階と
    を備え、
    前記分離装置は、少なくとも加熱されたときにマウント装置に対し前記電気コンポーネントをプレストレスし、前記複数のはんだ接合部が溶融したときに前記電気コンポーネントを前記通電素子から空間的に分離させる、方法。

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