JP5587971B2 - リフロー可能な温度ヒューズ - Google Patents

Description

本発明は、電子保護回路に一般に関する。より具体的には、本発明は、自己活性型表面実装温度ヒューズに関する。

保護回路は、故障した回路を他の回路から分離するために電子回路でしばしば利用される時間である。例えば、保護回路は、電子自動車エンジンコントローラにおいて回路モジュールの連続的な故障を防止するために利用されるかもしれない。保護回路は、また、電源回路の故障によってもたらされる火事のような、より重大な問題を監視するために利用されるかもしれない。

保護回路の一つのタイプは、温度ヒューズである。温度ヒューズは、一般的なガラス管ヒューズと同様に機能する。即ち、通常動作状態下では、ヒューズは短絡するように振る舞い、故障状態では、ヒューズは開回路のように振る舞う。温度ヒューズの温度が規定温度を超えるとき、温度ヒューズは、それら２つの動作モード間を移動する。それらのモードを容易にするために、温度ヒューズは、導電状態から非導電状態へ切り換え可能である、可溶性のワイヤー、１セットの金属接触、あるいははんだ付けされた金属接触セットのような導通素子を含んでいる。検出素子も組み込まれるかもしれない。検出素子の物理的状態は、検出素子の温度に関して変化する。例えば、検出素子は、活性化温度で溶ける低融点合金、あるいは個別溶融有機化合物（discrete melting organic compound）に相当するかもしれない。検出素子の状態が変化したとき、電気伝導路を物理的に遮ることにより、導通素子が導電状態から非導電状態へ切り換わる。

動作では、電流は、ヒューズ素子を流れる。一旦、検出素子が規定温度に達すれば、それは状態が変化し、導通素子は、導電状態から非導電状態へ切り換わる。

既存の温度ヒューズの一つの欠点は、温度ヒューズの取り付けの間、検出素子が状態を変える温度に温度ヒューズが達するのを防止することに注意しなければならないことである。結果として、既存の温度ヒューズは、検出素子を早期に開とする温度で動作するリフロー炉によって回路パネルに実装することができない。

一つの態様において、リフロー可能な温度ヒューズは、第１端及び第２端を有する正温度係数（ＰＴＣ）デバイス、ＰＴＣデバイスの第２端と電気的に連通する第１端を有する導通素子、並びに、ＰＴＣデバイスの第１端と電気的に連通する第１端及び導通素子の第２端と電気的に連通する第２端を有する抑制素子を含む。抑制素子は、温度ヒューズの取り付け状態において、導通素子がＰＴＣデバイスと電気的連通するのを防止するのに適している。故障状態の間に、温度ヒューズに加えられた熱は、ＰＴＣデバイスの第１端と導通素子の第２端との間に流れる電流を抑制素子に迂回させ、抑制素子に導通素子を解放させ、ヒューズを活性化させる。

別の態様では、リフロー可能な温度ヒューズをパネルに設ける方法は、上述したようなリフロー可能な温度ヒューズを提供することを含む。そして、リフロー可能な温度ヒューズは、表面実装可能なヒューズをパネルへはんだ付けするためのパッドを含むパネルに置かれる。その後、パネルは、表面実装可能なヒューズをパネルへはんだ付けするようにリフロー炉を通過する。

図１は、リフロー可能な温度ヒューズを表す図である。 図２は、リフロー可能な温度ヒューズに関して利用可能なハウジングの実施形態の底面の斜視図である。 図３は、リフロー可能な温度ヒューズに関して利用されるＰＴＣデバイスの抵抗と温度との間の関係を示す図である。 図４は、図１のリフロー可能な温度ヒューズの例示的な機構図である。 図５は、図１のリフロー可能な温度ヒューズの動作を記述するフロー図である。

上述した問題を克服するために、リフロー可能な温度ヒューズが提供される。一般的に、リフロー可能な温度ヒューズは、負荷電流が流れる導通素子、正温度係数（ＰＴＣ）デバイス、及び抑制素子を含む。抑制素子は、リフロープロセスの間、導通素子を閉状態に維持するために利用される。

通常の動作状態下では、リフロー可能な温度ヒューズに流れる電流は、主としてＰＴＣデバイス及び導通素子を通って流れる。いくらかの電流がまた抑制素子を通って流れる。
高温及び／又は高電流の故障状態の間、ＰＴＣデバイスの抵抗は増す。このことは、抑制素子が機械的に開くまで、ＰＴＣデバイスを通り流れる電流を、今度は抑制素子に迂回させる。抑制素子が開いた後、導通素子は、開状態に入ることを許される。いくつかの実施形態において、リフロー可能な温度ヒューズのまわりの高い環境温度は、センサの回復力を喪失させ及び／又は溶融させる。このことは、導通素子が、今度は開状態に入ることを可能にする。他の実施形態において、リフロー可能な温度ヒューズ及びＰＴＣデバイスに流れる電流は、センサに回復力を喪失させ及び／又は溶融させ、その結果、導通素子を解放するのに十分な熱をＰＴＣデバイスに発生させる。

リフロー可能な温度ヒューズの細部は、より詳細に以下に述べられる。添付の図面は、更なる理解を提供するために含まれており、この明細書に組み込まれ、その一部を構成する。

図１は、リフロー可能な温度ヒューズ１００を表す図である。リフロー可能な温度ヒューズ１００は、正温度係数（ＰＴＣ）デバイス１０５、導通素子１１０、及び抑制素子１１５を含んでいる。ＰＴＣデバイス１０５、導通素子１１０及び抑制素子１１５は、図２に示されるハウジング２００のようなハウジング内に配列されてもよい。

図２に示されるように、ハウジング２００は、第１及び第２の実装パッド２１０及び２０５を含んでもよい。第１及び第２の実装パッド２１０及び２０５は、ハウジング２００内に配置されたＰＴＣデバイス１０５、導通素子１１０、及び／又は抑制素子１１５に、回路パネルに配置された回路を電気的に連通するのに使用されてもよい。別の実施形態では、ＰＴＣデバイス１０５、導通素子１１０及び抑制素子１１５は、基板、回路基板、あるいは、基板、回路基板及び／又はハウジングの組み合わせたものに配列されてもよい。

図１を参照して、ＰＴＣデバイス１０５は、第１端及び第２端を有する電気デバイスに相当する。ＰＴＣデバイス１０５は、ＰＴＣデバイス１０５の温度に関して変化する抵抗を有する非線形デバイスに相当してもよい。ＰＴＣデバイス１０５の抵抗と温度との関係は、図３のグラフに示される。

図３を参照し、グラフの横軸は、ＰＴＣデバイス１０５の温度を表わす。グラフの縦軸は、ＰＴＣデバイス１０５の抵抗３０５、及びＰＴＣデバイス１０５を通り流れる電流３１０の両方を表わす。図示されるように、低温では、ＰＴＣデバイス１０５の抵抗３０５は、比較的低い。例えば、抵抗３０５は、約１０ミリオーム未満かもしれない。温度が上がるにつれて、領域１ ３１５によって表わされるように、抵抗３０５は、急増を始める。温度が上昇し続けるにつれて、抵抗３０５は、線形領域２ ３２０に入る。最終的に、さらなる温度上昇は、抵抗３０５における別の急増が発生する第３領域３２５にＰＴＣデバイス１０５を置く。

ＰＴＣデバイス１０５を通る電流３１０は、ＰＴＣデバイス１０５にかかる電圧に関してＰＴＣデバイス１０５の抵抗３０５に対応する。電流３１０は、ＰＴＣデバイス１０５の抵抗３０５に反比例するかもしれない。図示されるように、抵抗３０５が増加すると、電流３１０は、ＰＴＣデバイス１０５を通って流れる電流がほぼなくなるまで減少する。

図１を参照して、導通素子１１０は、一つの端部がＰＴＣデバイス１０５と電気的に連通する第１端及び第２端を含む。いくつかの実施形態において、導通素子１１０は、ＰＴＣデバイスヒューズの第２端との電気的連通に導通素子を解放可能に確保するセンサを含んでいる。このセンサは、温度ヒューズの活性化温度で溶融するあらゆる材料に相当してもよい。例えば、その材料は、約２００℃で溶融する、はんだに相当するかもしれない。より高温あるいはより低温で溶融する他の材料が用いられてもよい。導通素子は、また、センサが溶融したとき、導通素子が機械的に開き、電流が導通素子１１０を流れるのを防止するように、バネのような張力下にある部分を含んでもよい。

抑制素子１１５は、ＰＴＣデバイス１０５の第１端と電気的に連通する第１端と、導通素子１１０の第２端と電気的に連通する第２端とを含んでもよい。抑制素子１１５は、リフロー可能な温度ヒューズ１００の取り付け状態の間に、導通素子１１０がＰＴＣデバイス１０５と電気的に連通することを防止するのに適している。例えば、抑制素子１１５の一端は、導通素子１１０に物理的に取り付けられてもよく、また、他端は、ハウジング及び／又は基板に物理的に取り付けられてもよい。

抑制素子１１５は、電流を通すことができるいずれの材料に相当してもよい。例えば、抑制素子１１５は、銅、ステンレス鋼、あるいは合金で作製することができる。抑制素子１１５の直径は、故障状態の間、抑制素子１１５を吹き飛ばす、あるいは開くことができるようなサイズであってもよい。一つの実施形態において、抑制素子１１５は、約１アンペアの電流が流れたときに開く。出願人は、抑制素子１１５の直径あるいは他の寸法を増減してもよく、より高いあるいはより低い電流を許可することを考えている。

図４は、図１のリフロー可能な温度ヒューズ１００の例示的な機械的表示４００である。例示の実施形態において、導通素子１１０は、センサ１１０ａ及びバネ部分１１０ｂを含んでいる。導通素子１１０の第１端は、第１パッド２０５と電気的に連通してもよく、導通素子１１０の第２端は、ＰＴＣデバイス１０５の第１端と電気的に連通してもよい。導通素子１１０のセンサ１１０ａは、２００℃のような活性化温度で、溶融するか、あるいはその保持強度を喪失する材料で作製してもよい。バネ部分１１０ｂは、センサ１１０ａがその保持強度を喪失したとき、導通素子がＰＴＣデバイス１０５から分離するように、張力を受けても良い。

示されるように、ＰＴＣデバイス１０５は、導通素子１１０よりも下に配置されてもよい。ＰＴＣデバイス１０５の第１端は、第２パッド２１０と電気的に連通してもよい。

抑制素子１１５は、導通素子１１０の一部分上に覆われてもよく、示されるように第１及び第２パッド２０５、２１０に固定される。

図５は、図１のリフロー可能な温度ヒューズ１００の動作を記述するフロー図である。ブロック３００では、リフロー可能な温度ヒューズ１００は、パネルに置かれる。マスキングプロセスによってリフロー可能な温度ヒューズ１００に関連したパネル上のパッド位置に、予め、はんだペーストが塗布されてもよい。その後、リフロー可能な温度ヒューズを有するパネルは、パッド上のはんだを溶融させるリフロー炉内に置かれる。

リフロープロセスの間、導通素子のセンサは、その保持強度を喪失するかもしれない。例えば、はんだで作製されたセンサでは、はんだは、溶融するかもしれない。しかしながら、はんだは、その表面張力によって適所に保持可能である。抑制素子は、リフロープロセスの間、導通素子が機械的に開くのを防止することができる。リフロー後、センサが再度その保持強度を回復することができる時間にて、パネルは冷却される。

ブロック５０５では、リフロー可能な温度ヒューズ１００は、非故障状態において利用可能である。図１を参照して、電源１２０からリフロー可能な温度ヒューズ１００を通り負荷１２５へ流れる電流は、ＰＴＣデバイス１０５と導通素子１１０との間に形成された直列回路を流れることができ、また、抑制素子１１５を経由して並列に流れる。抑制素子１１５を通って流れる電流量は、抑制素子１１５を機械的に開くのに必要な電流量よりも少ないかもしれない。

ブロック５１０では、故障状態が発生するかもしれない。例えば、リフロー可能な温度ヒューズ１００の近くの周囲温度は、２００℃のような危険レベルまで上昇するかもしれない。

ブロック５１５では、図２に記載されているように、ＰＴＣデバイス１０５の抵抗は、周囲温度の上昇につれて増加し始めるかもしれない。ＰＴＣデバイス１０５の抵抗が増加するとき、ＰＴＣデバイス１０５に流れ込む電流は、抑制素子１１５に迂回可能である。

ブロック５２０では、抑制素子１１５を通って流れる電流は、抑制素子１１５を機械的に開き、導通素子１１０を解放するポイントに達する。

ブロック５２５では、導通素子１１０は、機械的に開くかもしれない。抑制素子１１５が導通素子１１０を解放した後、導通素子１１０は、直ちに開くことができる。例えば、導通素子１１０のセンサは、既にその保持強度を喪失しているかもしれない。あるいは、リフロー可能な温度ヒューズ１００のまわりの環境温度は、上昇し続けるかもしれず、センサは、高温で崩れるかもしれない。さらに別のものでは、リフロー可能な温度ヒューズ１００に流れ込みＰＴＣデバイス１０５を通る電流は、導通素子１１０のセンサにその保持強度を喪失させるのに十分な温度へＰＴＣデバイス１０５を自己発熱させてもよい。

上述の説明から理解できるように、リフロー可能な温度ヒューズは、リフロー炉を経由するパネル上への温度ヒューズの配置に関連した問題を克服する。抑制素子は、リフロープロセスの間、導通素子を保護することを可能にする。そして、故障状態の間、ＰＴＣデバイスは、リフロー可能な温度ヒューズを通って流れる電流を効果的に抑制素子へ導き、それは、今度は抑制素子を開かせる。このことは、今度は導通素子を解放する。

リフロー可能な温度ヒューズ、及びリフロー可能な温度ヒューズを用いる方法が、ある実施形態に関して記述されているが、種々の変更がなされてもよく、かつ本出願の請求範囲の権利範囲から逸脱することなく均等なものが代用されてもよいことは、当業者によって理解されるだろう。さらに、教示したことへの特別な状況あるいは材料に適応するため、その権利範囲から逸脱することなく、多くの変更がなされてもよい。したがって、リフロー可能な温度ヒューズ、及びリフロー可能な温度ヒューズを使用するための方法は、開示された特定の実施形態に限定されず、請求範囲の権利範囲内にあるあらゆる実施形態のものであることが意図される。

Claims (12)

1. 第１端及び第２端を形成する正温度係数（ＰＴＣ）デバイスと、
   第１端及び第２端を形成する導通素子であって、導通素子の第１端がＰＴＣデバイスの第２端と電気的に連通する、導通素子と、
   第１端及び第２端を形成する抑制素子であって、抑制素子の第１端がＰＴＣデバイスの第１端と電気的に連通し、抑制素子の第２端が導通素子の第２端と電気的に連通し、温度ヒューズの取り付けの間中、導通素子がＰＴＣデバイスと電気的に連通するのを防止する抑制素子と、を備え、
   ＰＴＣデバイスの第１端と導通素子の第２端との間を流れる電流は、故障状態の間、抑制素子に導通素子を解放させるために抑制素子へ迂回される、
   温度ヒューズ。
2. 高温故障状態の間、温度ヒューズに作用する熱は、ＰＴＣデバイスの第１端と導通素子の第２端との間に流れる電流を抑制素子へ迂回させ、抑制素子に導通素子を解放することをもたらす、請求項１に記載の温度ヒューズ。
3. 高電流故障状態の間、温度ヒューズに流れ込む故障電流は、ＰＴＣデバイスの第１端と導通素子の第２端との間に流れる電流を抑制素子へ迂回させ、抑制素子に導通素子を解放することをもたらし、故障電流は、導通素子を電気的に開かせる熱をＰＴＣデバイスに発生させる、請求項１に記載の温度ヒューズ。
4. 導通素子は、ＰＴＣデバイスの第２端との電気的連通に当該導通素子を解放可能に確保するセンサを含んでいる、請求項１に記載の温度ヒューズ。
5. センサは、約２００℃で溶融する、請求項４に記載の温度ヒューズ。
6. ＰＴＣデバイス、導通素子、及び抑制素子を備えたハウジングをさらに備える、請求項１に記載の温度ヒューズ。
7. パネルへの温度ヒューズの表面実装を可能にしハウジングの外側の少なくとも部分的に配置される、複数の実装パッドをさらに備える、請求項６に記載の温度ヒューズ。
8. ＰＴＣデバイス、導通素子、及び抑制素子は、基板に取り付けられる、請求項１に記載の温度ヒューズ。
9. 温度ヒューズをパネルに設けるための方法であって、
   第１端及び第２端を形成する正温度係数（ＰＴＣ）デバイスと、
   第１端及び第２端を形成する導通素子であって、導通素子の第１端がＰＴＣデバイスの第２端と電気的に連通する、導通素子と、
   第１端及び第２端を形成する抑制素子であって、抑制素子の第１端がＰＴＣデバイスの第１端と電気的に連通し、抑制素子の第２端が導通素子の第２端と電気的に連通し、温度ヒューズの取り付けの間中、導通素子がＰＴＣデバイスと電気的に連通するのを防止するのに適合している抑制素子と、
   を含むリフロー可能な温度ヒューズを設けること、
   表面実装可能な温度ヒューズをパネルへはんだ付けするためのパッドを含むパネルにリフロー可能な温度ヒューズを置くこと、
   表面実装可能な温度ヒューズをパネルへはんだ付けするように、リフロー炉にパネルを通過すること、
   故障状態の間、抑制素子に導通素子を解放させるために、ＰＴＣデバイスの第１端と導通素子の第２端との間を流れる電流を抑制素子へ迂回すること、
   を備えた方法。
10. 抑制素子が導通素子を解放した後、作用した熱は導通素子を電気的に開かせる、請求項２に記載の温度ヒューズ。
11. 導通素子は、張力下にあるバネ部分を含んでいる、請求項５に記載の温度ヒューズ。
12. ＰＴＣデバイスの第１端及び抑制素子の第１端は、複数のパッドの第１パッドと電気的に連通し、導通素子の第２端及び抑制素子の第２端は、複数の実装パッドの第２パッドと電気的に連通する、請求項７に記載の温度ヒューズ。

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