JP5264484B2 - 熱的に結合したｍｏｖ過電圧要素とｐｐｔｃ過電流要素を有する回路保護デバイス - Google Patents
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Description
本発明は、平面ポリマー正温度係数（ＰＰＴＣ：polymeric positive temperature coefficient）過電流要素（又は素子）に不可逆的な損傷を生じさせることなく、平面金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ：metal oxide varistor）過電圧要素が不可逆的に損傷を受ける前に、ＭＯＶ要素内で生じた熱を効果的に移動（又は移送）して、ＰＰＴＣ要素を遮断するように、平面ポリマー正温度係数（ＰＰＴＣ）過電流要素と熱的に結合する、平面金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）過電圧要素を含み、過電圧／過電流過渡条件に対して保護する、複合電気回路保護デバイス（機器又装置）に関する。
熱的結合関係にある過電圧保護要素と過電流保護要素を含む複合回路保護デバイスは従来から知られている。このような要素間の熱的結合をもたらす場合、その設計手法は、発熱要素から熱起動要素への熱移動を最大化することである。過電圧保護要素の一例として金属酸化物バリスタ又は“ＭＯＶ”が知られている。また、過電流保護デバイスの一例としてサーミスタが知られている。例えば、特許文献１及び特許文献２に開示される直列接続サーミスタと、並列又はシャント接続ＭＯＶとを用いる複合デバイスは、バルク材料（サーミスタの場合、例えば、チタン酸バリウム）から中実円筒形スラグとして形成されるサーミスタとバリスタを、シート状金属スペーサによって、端と端で接続し、例えば、デジタルマルチメータ等の電子計測デバイスを、測定範囲外の過電圧インパルス事象や測定範囲外の過電流状態から保護するために、「熱移動を最適化するための」複合回路保護デバイスを形成する。
サーミスタ−バリスタ複合保護デバイスのもう一つの例が、特許文献３に開示されている。この特許の図３及び図４は、内部の円筒状ＰＰＴＣ要素を囲み、直接接触するＭＯＶ円筒状要素を含んで成るヒューズデバイスを説明する。
ＭＯＶは、典型的には主に酸化亜鉛と他の微量な金属及び酸化物を含む、電圧依存性がある非線形電気要素である。ＭＯＶを構成する混合材料は、焼結操作で非常に高い圧力と温度を加えられ、それにより複雑な亜鉛酸化物ミクロ組織を有する薄いディスク（又は円盤）等の最終的な物理形状に成形される。ＭＯＶの主面は、そこに作るべき端子リード又は他の接続を可能にするために、導電性金属（例えば、銅又は銀−ガラス）の形成又は堆積が設けられる。ＭＯＶは、逆並列接続のツェナーダイオードのなだれ降伏特性に似たＩ−Ｖ特性を有することが望ましい。実際には、各々のＭＯＶは、亜鉛酸化物の粒界に多数の半導体接合部を含むので、電圧を公称レベルに固定しながら円盤の表面全体にわたりかなりの熱を潜在的に発生させて、ＭＯＶは、過電圧状態に応じて素早く作動するからである。従って、この分散した熱をより動作の遅い過電流保護要素、最も好ましくはポリマー正温度係数（ＰＰＴＣ）抵抗要素、に効率的な方法で移動し、それによって、ＰＰＴＣ抵抗デバイスが非常に高い抵抗状態になる（又はトリップする：trip）ことを加速することが望ましい。
独立型のポリマーＰＴＣデバイスは、既知である。特に有用なデバイスは、ＰＴＣ導電性ポリマー、即ち、有機ポリマーと、その中に分散又は分布した粒子状導電性充填材（例えば、カーボンブラック）又は金属もしくは導電性金属化合物からできているＰＴＣ要素を含む。本明細書では、これらのデバイスを、ポリマーＰＴＣ、ＰＰＴＣ抵抗（又は抵抗）、ＰＰＴＣデバイス及び／又はＰＰＴＣ要素と呼ぶ。適当な導電性ポリマー組成物及び構成成分並びにその製造方法は、例えば、特許文献４（ｖａｎ Ｋｏｎｙｎｅｎｂｕｒｇ他）、特許文献５（Ｆｏｕｔｓ他）、特許文献６（Ａｕ他）、特許文献７（Ｄｅｅｐ他）、特許文献８（ｖａｎ Ｋｏｎｙｎｅｎｂｕｒｇ他）、特許文献９（Ｅｖａｎｓ他）、特許文献１０（Ｂａｉｇｒｉｅ他）、特許文献１１（Ｃｈａｎｄｌｅｒ他）、特許文献１２（Ｃｈｕ他）、特許文献１３（Ｗａｒｔｅｎｂｅｒｇ他）及び特許文献１４（Ｔｏｔｈ他）に開示されており、これらの開示は、参照することによって、本明細書に組み込まれる。
本明細書で使用する用語「ＰＴＣ」とは、Ｒ１４は、１４℃域（幅又は範囲）の終了抵抗値と開始抵抗値との比、Ｒ１００は、１００℃域の終了抵抗値と開始抵抗値との比、Ｒ３０は、３０℃域の終了抵抗値と開始抵抗値との比とする場合、少なくとも２．５のＲ１４値及び／又は少なくとも１０のＲ１００値を有する物質組成物を意味し、及び少なくとも６のＲ３０値を有する物質組成物であることが好ましい。一般に本発明のデバイスに用いられる組成物は、これらの最小値よりもはるかに大きな抵抗値の増加を示す。
ポリマーＰＴＣ抵抗デバイスは様々な用途に使用され、特に回路保護用途に有用であり、過電流及び／又は温度によって生ずる破壊から電気部品を防ぐ為の遠隔リセット可能なデバイスとして機能する。このような方法で保護される部品には、モータ、バッテリー、充電器、スピーカー、自動車の配線用ハーネス、電気通信設備及び回路、並びに他の電気、電子部品、回路及びデバイスが含まれる。このようなＰＰＴＣ抵抗要素、部品及びデバイスの用途は近年急速に広まっており、増え続けている。
ＰＰＴＣ抵抗デバイス又は要素に、ツェナーダイオード、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、及び電圧／電流調整器を形成するより複雑な集積回路等（同一出願人による特許文献１５（Ｔｈｏｍａｓ他）によって教示及び開示に例示されることによって例示される）の電子部品との保護的な電気接続や熱接触を設けることが知られている。特許文献１５の開示は、参照することで、本明細書に組み込まれる。更に、特許文献１６（Ｗｈｉｔｎｅｙ他）及び特許文献１７（Ｓａｔｏ）も参照。また、例えば、電圧依存性抵抗器等の他の回路要素と熱伝導性電気絶縁材料によって熱的に結合したＰＰＴＣ要素を開示する同一出願人による特許文献１８（Ｆａｈｅｙ他）も留意されたい。
十分な電流がＰＰＴＣデバイスを通過すると、それは臨界値又は遮断値（又はトリップ値：trip value）に達し、ほとんどの場合、非常に大きな熱部分（及び電圧降下）がデバイスの非常に小さな体積部分に起こる。この小さな部分を、本明細書では、「ホットライン」又は「ホットゾーン」と呼ぶ。例えば、特許文献１９（Ｍｉｄｄｌｅｍａｎ他）を参照されたい。ＰＰＴＣ層の厚さを増大させると保護デバイスが高電圧に耐える能力は増大すると一般に理解されているが、我々は、既存のデバイス構造を用いてＰＰＴＣ層の厚さを単に増やすことは、十分に高い耐圧を有する回路保護デバイスをもたらさないことを見出した。従って、改良された回路保護デバイスを実現するために、ＰＰＴＣ抵抗要素の過電流保護特性とＭＯＶの過電圧保護特性とを、両保護要素の利益を一つの複合デバイス内に相乗的に実現する、効果的な方法で組み合わせることが望ましい。
他のＰＴＣ材料として、例えば、チタン酸バリウム等のドープしたセラミックスが知られているが、電源保護用途では、ＰＴＣ導電性ポリマー材ほど一般に有用とされていない。これは特に、セラミックスの非動作、休止抵抗が高く、またそのキュリー遷移温度レベルがＰＰＴＣ抵抗の高抵抗状態への遮断に関する遷移温度より高いためである。
電気通信分野では、通信機器の突起や環状ワイヤーは、例えば、落雷又はＡＣ電源の誘導又は接触等の高電位源を何らかの理由で誘起する、又は直接これらと接触する場合がある。電気通信用保護デバイスは、高電圧と、このような場合に出会う結果として発生する高電流に耐えることが出来なければならない。従来、高電圧用途、特に電気通信分野において、リード型ＰＰＴＣデバイスが使用された。従来のリード型ＰＰＴＣデバイスは、回路基板からリードを介して金属箔電極に電流を送る。リードは、端子として、またＰＰＴＣデバイスの金属箔電極への相互接続として、役を果たす。従来のリード型デバイスは、対称性を有するので、電気伝導は、向かい合って面する金属箔電極に直角又は垂直なＰＴＣ複合材料を通る方向に起こる。従って、熱ホットゾーン（及び最も電位差の大きなゾーン（又は領域））は、ＰＰＴＣ抵抗器の金属箔から一般的に等間隔かつ平行な薄い平面領域として、見かけ上形成される。
前述の特許文献３の教示は、ボルト形ヒューズ構造体の内でＭＯＶ円筒層と直接接触するＰＰＴＣ円筒層を説明するが、我々は、例えば、対向するＭＯＶデバイスの平面と直接接続する平面ＰＰＴＣ積層デバイスを配置すること等によって、複合デバイス故障の高い可能性を伴うことなく、ＭＯＶ要素からＰＰＴＣ要素への熱移動を最適化又は最大化することによって、満足な結果を得られないことを見出した。我々は、この故障の可能性は、ＰＰＴＣ要素の主箔電極がＭＯＶの主面に直接接触するように位置する場合、ＭＯＶ内で発生する熱がＰＰＴＣ抵抗のホットゾーンを主箔電極の近傍に移動して、ＰＰＴＣ要素の電圧破壊とそれに伴う故障を直接もたらすという事実に起因すると考える。
逆に言えば、ＰＰＴＣ要素とＭＯＶ要素との熱的結合が乏しい又は本質的に存在しない場合、過電圧事象及びＰＰＴＣ要素の故障によって生ずる過電流により、ＭＯＶ要素は故障して、不可逆的故障からＭＯＶを保護する十分な時間発熱し、トリップし得る。
我々は、ＰＰＴＣ抵抗（抵抗器又はレジスタ）のホットゾーンがＭＯＶに対向する箔電極の主平面から確実に（又は常に）離れて形成され、それによって、ＭＯＶ要素からＰＰＴＣ抵抗要素への熱移動を厳しく調整できるような方法で、例えば、金属スペーサ及び／又ははんだ（いずれも単独又は伝導性もしくは非伝導性接着剤との組み合わせ）もしくは他の手段等による熱質量体材料を、平面的ＰＰＴＣ要素と平面的ＭＯＶ要素との間に直接挿入することによって、平面的ＰＰＴＣ要素と平面的ＭＯＶ要素との間の熱的接続を制御できることを見出した。
従って、本発明の一般的な目的は、ＭＯＶ要素が不可逆的に損傷（又は故障）する前に、それによってＰＰＴＣ要素に不可逆的な損傷を生じること無く、ＭＯＶ要素内で発生した熱を効果的に移動して、ＰＰＴＣ要素を遮断するように、ＭＯＶ要素からの熱の移動を調整して複合電気回路保護デバイスのＰＰＴＣ要素を遮断するための熱質量体を提供することである。
本発明のもう一つの目的は、ＰＰＴＣ要素とＭＯＶ要素を分離し、ＭＯＶ要素からＰＰＴＣ要素への熱移動を調整するための熱質量体材料を含む単一複合電気回路保護デバイスにおいて、両方の保護要素の十分な利益を相乗的に実現する有効な方法で、ＰＰＴＣ要素の過電流保護特性とＭＯＶ要素の過電圧保護特性を結合することである。
本発明のさらなる目的は、先行技術の限界と欠点を克服するように、ＰＰＴＣ抵抗の主面と、対向するＭＯＶ要素の主面を電気的及び熱的に結合（又は接合）するための熱質量体材料を含む複合電気回路保護デバイスを提供することである。
本発明の原理に基づく複合回路保護デバイスは、
第一及び第二主平面、前記第一主平面に形成され、それと電気的に密接接触（又は接続）する第一電極、及び前記第二主平面に形成され、それと電気的に密接接触する第二電極を有するＰＰＴＣ抵抗要素；
第三及び第四電極主平面を有するＭＯＶ要素；
前記ＰＰＴＣ及び前記ＭＯＶを分離する空間を形成しそこを占める所定の形状と厚さの熱質量体材料及び前記第二電極と前記第三電極主平面を接続するためのコネクタ要素（又は接続要素）；
前記第一電極にデバイス第一端子接続部；及び前記第四電極にデバイス第二端子接続部とを含む。
第一及び第二主平面、前記第一主平面に形成され、それと電気的に密接接触（又は接続）する第一電極、及び前記第二主平面に形成され、それと電気的に密接接触する第二電極を有するＰＰＴＣ抵抗要素；
第三及び第四電極主平面を有するＭＯＶ要素；
前記ＰＰＴＣ及び前記ＭＯＶを分離する空間を形成しそこを占める所定の形状と厚さの熱質量体材料及び前記第二電極と前記第三電極主平面を接続するためのコネクタ要素（又は接続要素）；
前記第一電極にデバイス第一端子接続部；及び前記第四電極にデバイス第二端子接続部とを含む。
一つの要旨において、本発明は二端子デバイスを含み、もう一つの要旨において、本発明は、第三端子が前記コネクタ要素に設けられる三端子デバイスを含んで成る。
関連する要旨において、熱質量体材料は、金属プレート（又は板）もしくははんだ材料、又はコネクタ要素も形成するコネクタリード（又は接続リード）である。代わりに、スペーサ要素は、伝導性又は非伝導性エポキシ樹脂スペーサ材料を囲む、又はこれと協働しても良い。熱質量体材料の厚さは、最も好適には０．２８ｍｍ（０．０１１インチ）と２．８ｍｍ（０．１１インチ）の範囲内にある。
本発明のこれ等の目的、利点、要旨及び特徴は、添付図面と併せて示される好適な実施形態の詳細な記述を考察することで、より明確に理解されるであろう。
本発明の原理に基づく、二端子電気回路保護デバイス１０を、図１の電気回路概略図に示す。複合デバイス１０は、平面的ＰＰＴＣ抵抗要素１２と平面的ＭＯＶ要素１４を含む。本発明の原理に基づいて、ＰＰＴＣ要素１２とＭＯＶ要素１４は、電気的に直列接続し、更に中間の熱質量体材料１３を介して熱的に接続する。二端子複合デバイス１０は、第一デバイスコネクタリード又はパッド１６と第二デバイスコネクタリード又はパッド１８を有する。複合デバイス１０は、電源装置導体に接続されるリード１６と帰路線又は接地線に接続されるリード１８を有するシャント（分路又は分流器：shunt）保護回路として機能することを目的とする。典型的には、二端子デバイス１０は、例えばアンダーライター・ラボラトリーズ（Underwriter Laboratories）標準番号ＵＬ１４４９等の種々の工業規格及び規制基準に要求される、過電流／過電圧条件を順守（又は準拠）することを確保するために、例えば、モータ、電源コード、制御システム（又は施設）のサージ保護等の産業用途に使用される。
図２の電気回路概略図に、複合三端子回路保護デバイス１１を示し、それは、例えば、電気通信センター施設のバッテリー電圧源１３等の電源装置に接続した供電入力リード１６、ＰＰＴＣ要素１２とＭＯＶ要素１４とに共通する電気的節を例えば、電気通信回路又は設備等の電気負荷１５の入力に接続する供電出力リード１７、及び電源装置１３と電力負荷１５の帰路線の両方に接続した帰路リード１８を含む。それ以外においてデバイス１１は、図１のデバイス１０と本質的に同じである。図２は、例えば、雷からの交流電流、交流誘導又はショート等の過電圧／過電流の発生源１９、及び常時開スイッチ２１として描かれた間欠性の発生源（又は要因）を含む。通常、ＰＰＴＣ要素１２は、リード１６と１７の間で非常に低い直列抵抗を示し、またＭＯＶ要素１４は、リード１７と１８の間で非常に高い並列抵抗を示し、保護デバイス１１は、休止し、電源１３と電気負荷１５に対し電気的に透明な状態にある。しかし、過電圧／過電流状態が、発生源１９／スイッチ２１によって引き起こされた場合、ＭＯＶ要素１４は、非常に素早く作動し、負荷１５に到達する電圧を、定格最大電圧レベルに制限する。電圧を制限する際、ＭＯＶ要素１４にはかなりの熱が発生するが、その熱はＭＯＶ要素が損傷する前に、ＰＰＴＣ要素が大量の熱を急激に受ける事によって損傷することなく、熱質量体１３を経由して制御された状態でＰＰＴＣ要素１２に移送され、ＰＰＴＣ要素の高インピーダンス状態への遮断（又はトリップ）を加速する。三端子デバイス１１は、例えば、ＵＬ６０９５０、ＴＩＡ−９６８−Ａ、ＩＴＵ−ＴＫ．２０／Ｋ．２１等の基準に準拠した電気通信用途、又は遮断表示機能が第三コネクタリード１７で検知され、他の表示やアラームの制御に用いられる工業途における過電流及び過電圧複合保護に良く適する。ある種の回路応用では、図２の三端子直列（又は一連）シャント回路保護デバイス１１の代わりに、図１のシャント回路保護デバイス１０で置き換えることが出来る事は当業者にとって明白であろう。
図３の構造図について、複合電気回路保護デバイス６０は、保護用熱質量体１３を用いることなく、ＰＰＴＣ要素１２をＭＯＶ要素１４と熱的に直接接触させて配置することに起因する問題を説明する。図３の例示的デバイス６０において、平面的ＰＰＴＣ要素１２は、コネクタリード１６に接続領域を提供する上箔層２２、底箔層２４、及び上箔層２２と底箔層２４との間に挟まれたＰＰＴＣ材料層２６を含み、常套のＰＰＴＣ構造配置である。底箔層２４は、例えば、セラミック製ＭＯＶ１４の主面３４上に焼き付け印刷することで形成されるガラス−銀隆起平坦接続領域３２に直接固定されている。（同様の平坦域３６は、ＭＯＶ１４の反対側の主面３８にもあり、コネクタリード１８のために接続領域を提供する。）公称動作条件では、点線２８で示すホットゾーンがＰＰＴＣ材料層２６中で、箔層２２と２４から等距離の位置に存在する。しかし、デバイスの端子１６と１８の間で過電圧状態が起こると、ＭＯＶ１４はそのニー電圧（knee voltage）特性で伝導し、かなりの量の電気エネルギーを吸収し始め、吸収されたエネルギーを熱に変換する。この熱は、ＰＰＴＣ要素１２に直接移送され、（直線２８下方の）破線２８Ａで示すように、ホットゾーンをＭＯＶ要素１４側に向けて動かす。ホットゾーンが底箔２４に近づくため、ＰＰＴＣ要素の破壊電圧が低くなり、ＰＰＴＣ要素１２の不可逆的故障をもたらし得る。本例ではホットゾーンが破線２８Ａで示すように箔電極２４の方向に逸脱するが、アーク放電により炭化し導通化したアーク痕がＰＰＴＣポリマー層２６中に形成され、ＰＰＴＣ要素１２、そして複合デバイス６０の不可逆的な故障を招く場合もある。従って、図３は、ＭＯＶ要素１４からＰＰＴＣ要素１２への最適又は最大の熱移動は、一又はそれ以上のＰＰＴＣ抵抗要素を用いる決して満足なものではない複合回路保護デバイスを生ずる理由を説明する。
一方、ＰＰＴＣ要素１２が、ＭＯＶ要素１４と熱的に十分結合していない場合、ＰＰＴＣ要素１２が、過電流による、その内部からの加熱の結果遮断（又はトリップ：trip）する前に、ＭＯＶ要素１４は、容易に過熱し、故障する。これにより、ＭＯＶ要素１４が不可逆的に故障し、図１の二端子複合保護デバイス１０又は図２の三端子複合保護デバイス１１が故障する結果となる。
本発明をする際に、我々は、平面的ＰＰＴＣ要素への熱移動を、高電圧過渡条件に応じて、ＭＯＶ要素を特徴付ける温度時間曲線に関して、調整又は制御しなければならないことを見出した。更に我々は、平面的ＰＰＴＣ要素１２と平面的ＭＯＶ要素１４との間の空間に、熱移動材料を含む熱質量体１３を設けることによって、ＰＰＴＣ要素のホットゾーンを過度に変形することなく、またＭＯＶ要素の不可逆的な故障を生ずることなく、ＰＰＴＣ要素へ移送される熱量が適切となるように、ＭＯＶ要素１４からＰＰＴＣ要素１２への熱移動を、調整及び制御することができ、複合デバイス１０又は１１は、特に高電圧電気通信分野において、回路保護の業界標準に適合するように行えることを見出した。
熱質量体の厚さは、使用材料の種類、熱質量体材料の熱伝導性、及びデバイスの形状に依存する。不均一形状や異形（例えば、テーパ形状）にも適合させるために、厚さは平均厚さとする。一般に、熱質量体は、０．０１３〜６．３５ｍｍ（０．０００５〜０．２５インチ）、好ましくは０.０２５〜５．１ｍｍ（０．００１〜０．２インチ）、特には０．２５〜５．１ｍｍ（０．０１〜０．２インチ）、とりわけ０．２５〜１．３ｍｍ（０．０１〜０．０５インチ）の厚さを有する。ＭＯＶの平均厚さは、９．５〜１０．１ｍｍ（０．３７〜０．４０インチ）である場合、有用なデバイスが製造されるが、他のＭＯＶの厚さを用いることができる。
図４、５、５Ａ、６、及び７Ａ、７Ｂ、７Ｃ及び７Ｄでは、図３から本質的に変更されていない要素は、図３で与えた参照符号と同一の符号を有する。図４は、熱質量体がＰＰＴＣ要素１２をＭＯＶ要素１４から分離するための金属スペーサ４２を含んで成るデバイス４０を説明する。
図５は、熱質量体１３が、コネクタリード１７の平坦化したパドル部１７Ａと、この平坦パドル部分１７を囲むはんだ充填物４６を含むデバイス４４を説明する。図５Ａは、コネクタリード１７が、圧印（鋳造又はコイニング：coining）又は成形（型押し、プレス成形、打ち抜き加工又はスタンピング：stamping）により、わずかにテーパ状（又は先細り）となった端部１７Ｂを有し、ＰＰＴＣ要素１２がＭＯＶ要素１４に対し若干の角度で取り付けられるデバイス４４Ａを説明する。図５Ａは、二つの要素１２及び１４が、図５の例の場合のように、完全に同一面上である必要はないことを説明する。図５及び５Ａの場合、スペーサを形成するワイヤー端部を平坦化することができる、又は鋳造又はプレス成形を用いて又は用いないで、例えば、ジグザグ形状、鉤形状、ループ形状その他好適な形状等の、所望のスペーサを構築する他の適する形状に成形できることは当業者に明らかである。
図６は、接着剤の小球又はドット（又は少量）５０を、配置し熱硬化することによって、ＰＰＴＣ要素１２をＭＯＶ１４から離すデバイス４８を説明する。中央のスペーサ材料５０は、熱的及び／又は電気的に伝導性でも非伝導性でもよい。はんだリング５２は、中央スペーサドット５０を囲み、ＰＰＴＣ要素１２とＭＯＶ要素１４の対向する主面間の電気的接続と同時に制御された熱接続をもたらす熱質量体１３を含んで成る。
当業者であれば、容易に理解され、正しく認識できるように、本発明の二端子及び三端子複合回路保護デバイスは、コネクタリードと保護コーティング（又は被覆）を用いて形成してよく、又は直接表面実装用に形成してよい。
デバイス４０、４４、４４Ａ、４８を含む一連の複合保護デバイスを組み立てた。デバイスのいくつか（全てではない）は、一般に本発明の原理に基づき、ＰＰＴＣチップ１２、熱質量体１３、及びＭＯＶディスク１４を備える。例えば、デバイス４０は、約５．５ｍｍ×５．５ｍｍ×２．２ｍｍの寸法を有するＰＰＴＣ要素、約０．２９ｍｍ（０．０１１５インチ）の厚さを有する金属スペーサ要素４２、及び１０ｍｍのディスク直径と１．３ｍｍの厚さを有するディスク状（又は円盤状）リード付きＭＯＶ要素１４を組み合わせて組み立てた。使用したＰＰＴＣ要素１２は、６０Ｖの最大作動電圧、２５０Ｖの最大トリップ（又は遮断）電圧、及び３アンペアの最大トリップ電流の公称定格である。使用したＭＯＶ要素１４は、２７０ボルトＤＣ（最大１７５ＶＡＣ）、４５５ＶＤＣの最大固定電圧、１７５０アンペアのサージ電流（８×２０μｓ）、及び０．２５Ｗのワット数定格の公称定格である。デバイス４０を含むデバイスに、その後、ＵＬ６０９５０電気通信標準の試験電流範囲内である、６００ボルト／５アンペア／５秒テストを含む試験を行った。本発明の原理に基づくデバイスは、不可逆的故障をすることなくこの試験に合格したが、熱移動を最適化したデバイス（図３）又は熱的に結合されていないデバイスは、この試験に不合格となった。下記表は、図３、４、５、５Ａ及び６に基づくデバイス例及び熱的に結合されていないデバイス例の試験結果を表す。
＊Ｅｐｉｂｏｎｄ７２７５接着剤は、Ａｌｐｈａ Ｍｅｔａｌｓ（ａ Ｃｏｏｋｓｏｎ Ｃｏ．）から市販の非伝導性表面実装用接着剤である。
本発明の原理を具体化する実用的なデバイスを、図７Ａ、７Ｂ、７Ｃ及び７Ｄで説明する。ここで、三端子複合回路保護デバイス７０は、特に電気通信分野用途に適する。デバイス７０は、ＰＰＴＣ要素１２とＭＯＶ要素１４を含む。ＰＰＴＣ要素１２とＭＯＶ要素１４との間に、スペーサが形成される。スペーサは、図４又は６の教示に基づいてよく、図５Ａの教示に基づいてわずかにテーパ状（又は先細り）のコネクタリード（又は接続リード）の形状とすることが最も好ましい。スズめっきされた＃２４ゲージ銅線で形成された端子リード１６、１７及び１８は、複合デバイスを接続して、電子通信設備を保護することを可能とする。ＭＯＶ要素１４は、約１０ｍｍ（０．３９インチ）の外径及び約１．３ｍｍの厚さを有する酸化亜鉛を含んで成る薄いセラミック製ディスク（又は円盤）であることが最も好ましい。ＰＰＴＣ要素１２は、一般に矩形、又はわずかにテーパ状の箱形（例えば５．５ｍｍ×５．５ｍｍ×２．２ｍｍ）であり、典型的には箔状電極層とＰＰＴＣのサンドイッチシートから成形され、ＭＯＶ円盤の径内におさまる側寸を有する。複合デバイス７０は、約６ｍｍ（０．２４インチ）の厚さを有する。端末リード１６と１７の間のＰＰＴＣ要素１２は、例えば、６０ＶＤＣの公称動作電圧、２５０ＶＡＣ ＲＭＳの故障電圧、３Ａ ＲＭＳの中断又は遮断電流を有する。端子リード１７と１８の間のＭＯＶ要素１４は、例えば、１７５Ｖ ＲＭＳの公称ＡＣ定格電圧を有する。端子リード１７は、典型的にはわずかにテーパ状を有する所定の最適な厚さに平坦化又は成形された端部１７Ｂを有し、ＰＰＴＣ要素１２とＭＯＶ要素１４の間に最適なスペースを設けるために初期スペーサを形成する。
デバイス７０を組み立てる間に、ＰＰＴＣ要素１２とＭＯＶ要素１４に、例えば、紙テープで遠位端を一緒に共通接続されるコネクタリード１６と１８を設け、それによって、二つの要素をバネの弱いバイアス力で固定する。その後、コネクタ１７のテーパ状パドル端部１７Ｂを、ＰＰＴＣ要素１２とＭＯＶ要素１４の間に挿入して、スペーサを形成する。そして、図７ＢのＸ線側面図に示すように、コネクタリード１７の平坦化したスペーサ部分１７Ｂによって占められていないＭＯＶ要素とＰＰＴＣデバイス１２の間の空間にはんだ４６が流れ込むように、複合デバイス７０にフラックスを塗布し、はんだ槽に浸漬する。平坦化したスペーサ部分１７Ｂとはんだ領域４６を組み合わせることにより、二つの保護要素１２と１４の間に非常に良く制御された熱伝導性を提供でき、更にそれらの間の電気接続を提供でき、それによって、図３の例５０に示す欠点及び上述した不十分な熱的接続の欠点を克服する。最終的な組み立て及び試験に続いて、典型的には個々のＰＰＴＣデバイス及びＭＯＶデバイスに設けられるような、プラスチック製又は樹脂製コーティングを複合保護デバイス７０に設けてよい。更に、リード１６、１７及び１８を、例えば、図７Ｂ及び７Ｄに示すような一列に並んだ（又は直列の）配列に形成し、製造工程で使用する紙テープから分離してよい。
本発明に基づくデバイスは、６００ボルト／５アンペア／５秒試験に合格した。しかし、このようなデバイスは、具体的な回路条件に依存する、例えば、２５０〜６００Ｖ、０．５〜４０Ａ等の種々の電圧及び電流条件範囲にわたって有用である。
以下、本発明の主な態様を記載する。
１．第一及び第二主平面、第一主平面と電気的に密接接触し第一主平面に形成される第一電極シート、及び第二主平面と電気的に密接接触し第二主平面に形成される第二電極シートを有するポリマー正温度係数（ＰＰＴＣ）要素；
第三及び第四電極主平面を有する金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）要素；
ＭＯＶ要素が故障温度に達する前に、ＰＰＴＣ要素が高抵抗状態になるように、ＭＯＶ要素からＰＰＴＣ要素への熱移動を制御し、第二電極シートと第三電極主平面を電気的に接続するために、ＰＰＴＣ要素とＭＯＶ要素の対向する第二及び第三主平面の間に設けられた、所定の厚さ及び形状の熱質量体材料；
第一電極シートにデバイス第一端子接続部；及び
第四電極主平面にデバイス第二端子接続部
を含んで成る複合回路保護デバイス。
２．第一端子接続部は、第一コネクタリードであり、第二端子接続部は、第二コネクタリードである上記１に記載の複合回路保護デバイス。
３．デバイス第三端子接続部は、第二電極シートと第三電極主平面の間に設けられ、好ましくは、第三端子接続部は、第三コネクタリードを含んで成る上記１に記載の複合回路保護デバイス。
４．熱質量体材料は、金属プレートを含み、好ましくは、金属プレートは、約０．０２５ｍｍ〜約２．５ｍｍ（０．００１〜０．１００インチ）の平均厚さを有する上記１に記載の複合回路保護デバイス。
５．熱質量体材料は、第三コネクタリードの端部と、その端部によって占められない第二及び第三主平面によって規定される空間を満たすはんだ材料を含む上記３に記載の複合回路保護デバイス。
６．端部は、平坦化形状に形成され、好ましくは、その平坦化形状は、テーパーを有する上記５に記載の複合回路保護デバイス。
７．端部は、０．２５ｍｍ（０．０１０インチ）と０．５１ｍｍ（０．０２０インチ）の範囲内の厚さを有する上記５に記載の複合回路保護デバイス。
８．第二及び第三主平面は、中央に配置される接着材料のドットによって隔てられ、熱質量体材料は、ドットを包囲し、そのドットによって占められない第二及び第三主平面の間の空間を満たすはんだ材料を含み、好ましくは、接着材料は、０．２５ｍｍ（０．０１インチ）と５ｍｍ（０．２インチ）の範囲内の厚さを有する上記１に記載の複合回路保護デバイス。
９．公称量の動作電力を供給する電源装置；
動作電力を受容するために通常接続される電気負荷；及び
電源装置と電気負荷の間に接続される直列シャント複合回路保護デバイスであって、そのデバイスと電源装置の間の電気回路に生ずる過渡的過電圧／過電流条件発生源に応答するためのデバイス
を含んで成る電気回路であって、
該複合回路保護デバイスは、
電源装置と電気負荷の間に直列に接続されるポリマー正温度係数（ＰＰＴＣ）要素であって、第一及び第二主平面、第一主平面と電気的に密接接触し第一主平面に形成される第一電極シート、及び第二主平面と電気的に密接接触し第二主平面に形成される第二電極シートを有するポリマー正温度係数要素；
電気負荷に並列に接続され、第三及び第四電極主平面を有する金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）要素；及び
ＭＯＶ要素が故障温度に達する前に、ＰＰＴＣ要素が高抵抗状態になるように、該過電圧／過電流状態から結果として生ずるＭＯＶ要素からＰＰＴＣ要素への熱移動を制御し、第二電極シートと第三電極主平面を電気的に接続するために、ＰＰＴＣ要素とＭＯＶ要素の対向する第二及び第三主平面の間に設けられた、所定の厚さ及び形状の熱質量体材料
を含んで成る、電気回路。
１０．電源装置、電気負荷、及び直列シャント複合回路保護デバイスは、電気通信施設の部分である上記９に記載の電気回路。
以下、本発明の主な態様を記載する。
１．第一及び第二主平面、第一主平面と電気的に密接接触し第一主平面に形成される第一電極シート、及び第二主平面と電気的に密接接触し第二主平面に形成される第二電極シートを有するポリマー正温度係数（ＰＰＴＣ）要素；
第三及び第四電極主平面を有する金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）要素；
ＭＯＶ要素が故障温度に達する前に、ＰＰＴＣ要素が高抵抗状態になるように、ＭＯＶ要素からＰＰＴＣ要素への熱移動を制御し、第二電極シートと第三電極主平面を電気的に接続するために、ＰＰＴＣ要素とＭＯＶ要素の対向する第二及び第三主平面の間に設けられた、所定の厚さ及び形状の熱質量体材料；
第一電極シートにデバイス第一端子接続部；及び
第四電極主平面にデバイス第二端子接続部
を含んで成る複合回路保護デバイス。
２．第一端子接続部は、第一コネクタリードであり、第二端子接続部は、第二コネクタリードである上記１に記載の複合回路保護デバイス。
３．デバイス第三端子接続部は、第二電極シートと第三電極主平面の間に設けられ、好ましくは、第三端子接続部は、第三コネクタリードを含んで成る上記１に記載の複合回路保護デバイス。
４．熱質量体材料は、金属プレートを含み、好ましくは、金属プレートは、約０．０２５ｍｍ〜約２．５ｍｍ（０．００１〜０．１００インチ）の平均厚さを有する上記１に記載の複合回路保護デバイス。
５．熱質量体材料は、第三コネクタリードの端部と、その端部によって占められない第二及び第三主平面によって規定される空間を満たすはんだ材料を含む上記３に記載の複合回路保護デバイス。
６．端部は、平坦化形状に形成され、好ましくは、その平坦化形状は、テーパーを有する上記５に記載の複合回路保護デバイス。
７．端部は、０．２５ｍｍ（０．０１０インチ）と０．５１ｍｍ（０．０２０インチ）の範囲内の厚さを有する上記５に記載の複合回路保護デバイス。
８．第二及び第三主平面は、中央に配置される接着材料のドットによって隔てられ、熱質量体材料は、ドットを包囲し、そのドットによって占められない第二及び第三主平面の間の空間を満たすはんだ材料を含み、好ましくは、接着材料は、０．２５ｍｍ（０．０１インチ）と５ｍｍ（０．２インチ）の範囲内の厚さを有する上記１に記載の複合回路保護デバイス。
９．公称量の動作電力を供給する電源装置；
動作電力を受容するために通常接続される電気負荷；及び
電源装置と電気負荷の間に接続される直列シャント複合回路保護デバイスであって、そのデバイスと電源装置の間の電気回路に生ずる過渡的過電圧／過電流条件発生源に応答するためのデバイス
を含んで成る電気回路であって、
該複合回路保護デバイスは、
電源装置と電気負荷の間に直列に接続されるポリマー正温度係数（ＰＰＴＣ）要素であって、第一及び第二主平面、第一主平面と電気的に密接接触し第一主平面に形成される第一電極シート、及び第二主平面と電気的に密接接触し第二主平面に形成される第二電極シートを有するポリマー正温度係数要素；
電気負荷に並列に接続され、第三及び第四電極主平面を有する金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）要素；及び
ＭＯＶ要素が故障温度に達する前に、ＰＰＴＣ要素が高抵抗状態になるように、該過電圧／過電流状態から結果として生ずるＭＯＶ要素からＰＰＴＣ要素への熱移動を制御し、第二電極シートと第三電極主平面を電気的に接続するために、ＰＰＴＣ要素とＭＯＶ要素の対向する第二及び第三主平面の間に設けられた、所定の厚さ及び形状の熱質量体材料
を含んで成る、電気回路。
１０．電源装置、電気負荷、及び直列シャント複合回路保護デバイスは、電気通信施設の部分である上記９に記載の電気回路。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したことで、本発明の目的が十分に達成されることが明らかとなり、また当業者は、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、本発明の構成上の変更及び様々な実施形態と用途が数多く存在することを理解するであろう。従って、本明細書の開示と説明は単に説明するためのものであり、限定することを意図するものではない。
Claims (6)
- 第一及び第二主平面、第一主平面と電気的に密接接触し第一主平面に形成される第一電極シート、及び第二主平面と電気的に密接接触し第二主平面に形成される第二電極シートを有するポリマー正温度係数（ＰＰＴＣ）要素；
第三及び第四電極主平面を有する金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）要素；
ＭＯＶ要素が故障温度に達する前に、ＰＰＴＣ要素が高抵抗状態になるように、ＭＯＶ要素からＰＰＴＣ要素への熱移動を制御し、第二電極シートと第三電極主平面を電気的に接続するために、ＰＰＴＣ要素とＭＯＶ要素の対向する第二及び第三主平面の間に設けられた、所定の厚さ及び形状の熱質量体材料；
第一電極シートにデバイス第一端子接続部；
第四電極主平面にデバイス第二端子接続部；及び
第二電極シートと第三電極主平面の間に設けられ、第三コネクタリードを含んで成るデバイス第三端子接続部、及び
第三コネクタリードの端部と、その端部によって占められない第二及び第三主平面によって規定される空間を満たすはんだ材料を含むその熱質量体材料
を含んで成る複合回路保護デバイス。 - 第一端子接続部は、第一コネクタリードであり、第二端子接続部は、第二コネクタリードである請求項１に記載の複合回路保護デバイス。
- 端部は、平坦化形状に形成され、好ましくは、その平坦化形状は、テーパーを有する請求項１に記載の複合回路保護デバイス。
- 端部は、０．２５ｍｍ（０．０１０インチ）と０．５１ｍｍ（０．０２０インチ）の範囲内の厚さを有する請求項１に記載の複合回路保護デバイス。
- 公称量の動作電力を供給する電源装置；
動作電力を受容するために通常接続される電気負荷；及び
電源装置と電気負荷の間に接続される直列シャント複合回路保護デバイスであって、そのデバイスと電源装置の間の電気回路に生ずる過渡的過電圧／過電流条件発生源に応答するためのデバイス
を含んで成る電気回路であって、
該複合回路保護デバイスは、
電源装置と電気負荷の間に直列に接続されるポリマー正温度係数（ＰＰＴＣ）要素であって、第一及び第二主平面、第一主平面と電気的に密接接触し第一主平面に形成される第一電極シート、及び第二主平面と電気的に密接接触し第二主平面に形成される第二電極シートを有するポリマー正温度係数要素；
電気負荷に並列に接続され、第三及び第四電極主平面を有する金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）要素；及び
ＭＯＶ要素が故障温度に達する前に、ＰＰＴＣ要素が高抵抗状態になるように、該過電圧／過電流状態から結果として生ずるＭＯＶ要素からＰＰＴＣ要素への熱移動を制御し、第二電極シートと第三電極主平面を電気的に接続するために、ＰＰＴＣ要素とＭＯＶ要素の対向する第二及び第三主平面の間に設けられた、所定の厚さ及び形状の熱質量体材料、
を含んで成る、電気回路であり、
第一電極シートにデバイス第一端子接続部；
第四電極主平面にデバイス第二端子接続部；及び
第二電極シートと第三電極主平面の間に設けられ、第三コネクタリードを含んで成るデバイス第三端子接続部、及び
第三コネクタリードの端部と、その端部によって占められない第二及び第三主平面によって規定される空間を満たすはんだ材料を含むその熱質量体材料
を含む、電気回路。 - 電源装置、電気負荷、及び直列シャント複合回路保護デバイスは、電気通信施設の部分である請求項５に記載の電気回路。
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