KR101170525B1

KR101170525B1 - 형상기억합금을 이용한 반복형 온도퓨즈

Info

Publication number: KR101170525B1
Application number: KR20100108484A
Authority: KR
Inventors: 박지오
Original assignee: 박지오
Priority date: 2010-11-03
Filing date: 2010-11-03
Publication date: 2012-08-01
Also published as: KR20120046929A

Abstract

본 발명은 온도에 반응하여 양측 단자선(11)(12)을 전기적으로 단속하는 온도퓨즈에 있어서: 개방되는 일측에 내향단부(25)를 구비하고, 타측은 단자선(12)과 접합되도록 일체형으로 형성된 외통(20); 상기 외통(20)의 내부에 수용되고, 내부의 일측에서 단자선(11)과 맞물리는 절연체(30); 상기 외통(20)과 미끄럼 운동하는 면의 단부를 향하여 일정한 곡률로 두껍게 확장한 곡면부(47)를 구비한 외향단부(45)와, 상기 외향단부(45)에서 절연체(30)측으로 돌출되어 절연체(30)의 내측에서 미끄럼 운동하는 외단곡부(42)로 이루어진 내통(40); 상기 내통(40)의 외향단부(45)를 지지하는 바이어스 스프링(35); 및 상기 절연체(30)와 일측이 결합되고 타측은 상기 내통(40)의 외향단부(45)를 지지하도록 결합되는 적어도 2개 이상의 SMA 스프링(50);으로 구성되되, 상기 SMA 스프링(50)의 각각은 중앙에 만곡부(52)를 구비한 선형 형상으로 구성되고, 상기 SMA 스프링(50)이 갖는 일정 온도 이상에서의 탄성력의 합은 바이어스 스프링(35)이 갖는 탄성력보다 큰 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 반복형 온도퓨즈인 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 표면실장형으로 구현하면서 핵심 부품의 소형화와 무용접 설계를 통하여 제조원가를 절감하고 품질 불량을 방지하기 위한 효과가 있다.

Description

형상기억합금을 이용한 반복형 온도퓨즈{Repeatable thermal fuse using shape-memory-alloy}

본 발명은 온도퓨즈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 표면실장형으로 구현하면서 핵심 부품의 소형화와 무용접 설계를 통하여 제조원가를 절감하고 품질 불량을 방지하기 위한 형상기억합금을 이용한 반복형 온도퓨즈에 관한 것이다.

통상적인 1회용 온도퓨즈는 교체를 위한 별도의 퓨즈박스가 필요하고, 자삽이나 자동 Soldering(납땜, 용접)이 곤란하다는 단점을 가지고 있다. 이와 같은 1회용 온도퓨즈의 단점을 보완하기 위하여 소모성이 아닌 영구적 사용이 가능한 반복형 온도퓨즈(센서)가 개발되고 있다.

일예로, 한국 공개특허공보 제2010-0022395호의 "재현기능을 갖는 온도퓨즈"는 절연재질의 관상몸체의 양편에, 통전재질로 이루어진 제 1 단자와 제 2 스위칭 단부가 설치된 중공의 퓨즈몸체의 중공부에 접점판과 가동단자가 설치되어, 상기 가동단자의 스위칭 단부가 진출입하도록 구성되고, 상기 접점판과 제 1 단자 사이에는 제 1 스프링이, 가동단자와 진출구의 내벽 사이에는 제 2 스프링이 각각 설치되어, 상기 접점판과 가동단자의 두부는 제 1 스프링과 제 2 스프링에 의해 탄지되어 항시 접점을 형성하도록 구성되고, 주위 온도값의 변화에 따른 제 2 스프링의 신축에 의해 가동단자가 좌우 변위되어, 가동단자의 스위칭 단부와 제 2 단자 사이의 도통상태가 온도값에 따라 전환되도록 작동된다.

이는 절연부쉬의 삭제에 의한 구조의 간소화와 부피의 축소가 가능하여 휴대폰 배터리 등 소형의 전자기기에 수용될 수 있다고 밝히고 있으나, 형상기억합금이 스프링의 형태로서 소요량이 많을 뿐더러 리드선의 용접이 필요하므로 제조원가 절감과 품질 불량 감소에 한계성을 보인다.

한국 공개실용신안공보 제2007-0000515호의 "선형 형상기억합금 써멀 퓨즈"는 임의의 온도 이상에서는 선 상태의 형상기억합금의 수축력이 바이어스 스프링의 탄성력을 극복하여 접점을 끊어줌으로써 전류의 흐름을 차단하고, 임의의 온도 이하에서는 선 상태의 형상기억합금의 수축력이 약해져, 바이어스 스프링의 탄성력이 이를 극복하여 접점을 연결하여 전류를 흘려주어 회로를 연결시켜 주도록 한 것이다. 이 원리를 응용하여 전기적 회로인 I형 및 M형의 회로용 퓨즈 소자를 제안한다.

이는 과열 또는 과전류에 대하여 반복작동 함으로써 반영구적 사용이 가능하여 친환경적이고 비용절감, 생산성 및 신뢰성을 높일 수 있다고 밝히지만, 형상기억합금의 소요량을 축소할 여지는 있으나 리드선의 용접을 배제할 수 없을 뿐더러 수평 상태에서 처짐 현상에 기인한 구조적 불완전성을 보인다.

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 표면실장형으로 구현하면서 핵심 부품의 소형화와 무용접 설계를 통하여 제조원가를 절감하고 품질 불량을 방지하기 위한 형상기억합금을 이용한 반복형 온도퓨즈를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 온도에 반응하여 양측 단자선(11)(12)을 전기적으로 단속하는 온도퓨즈에 있어서: 개방되는 일측에 내향단부를 구비하고, 타측은 단자선과 접합되도록 일체형으로 형성된 외통; 상기 외통의 내부에 수용되고, 내부의 일측에서 단자선과 맞물리는 절연체; 상기 외통과 미끄럼 운동하는 면의 단부를 향하여 일정한 곡률로 두껍게 확장한 곡면부를 구비한 외향단부와, 상기 외향단부에서 절연체측으로 돌출되어 절연체의 내측에서 미끄럼 운동하는 외단곡부로 이루어진 내통; 상기 내통의 외향단부를 지지하는 바이어스 스프링; 및 상기 절연체와 일측이 결합되고 타측은 상기 내통의 외향단부를 지지하도록 결합되는 적어도 2개 이상의 SMA 스프링;으로 구성되되, 상기 SMA 스프링의 각각은 중앙에 만곡부를 구비한 선형 형상으로 구성되고, 상기 SMA 스프링이 갖는 일정 온도 이상에서의 탄성력의 합은 바이어스 스프링이 갖는 탄성력보다 큰 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 반복형 온도퓨즈인 것을 그 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 외통은 바이어스 스프링의 일단을 요동 없도록 지지하기 위한 내단요부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 내통은 바이어스 스프링과 SMA 스프링이 접하는 외향단부 상에 곡면부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 SMA 스프링은 중앙에 만곡부를 지니는 선형 구조이고, 적어도 2개소의 대칭적 위치에 설치되는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명의 형상기억합금을 이용한 반복형 온도퓨즈에 의하면, 표면실장형으로 구현하면서 핵심 부품의 소형화와 무용접 설계를 통하여 제조원가를 절감하고 품질 불량을 방지하기 위한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 온도퓨즈의 작동전 상태를 나타내는 구성도
도 2는 본 발명에 따른 온도퓨즈의 작동후 상태를 나타내는 구성도

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 온도에 반응하여 양측 단자선(11)(12)을 전기적으로 단속하는 온도퓨즈에 관련된다. 특히 단자선(11)(12)이 인쇄회로기판에 실장되는 소형화 구조의 온도퓨즈에 있어서 열, 진동 등의 환경에서 작동 신뢰성과 함께 내구성을 유지해야 한다. 특정 온도에서 전기적으로 단속하도록 상온에서 변형되었다가 다시 특정 온도가 되면 본래의 모양으로 되돌아가는 형상기억합금(SMA)을 핵심 부품으로 사용한다. 이 경우 티탄니켈 SMA 합금처럼 물성이 우수하지만 가공성, 성형성, 용접성 및 가격 측면에서 부담이 크다는 폐단을 극복해야 한다.

본 발명에 따르면 외통(20)은 개방되는 일측에 내향단부(25)를 구비하고, 타측에 단자선(11)(12)의 하나가 접합되는 구조이다. 외통(20)의 소재는 전기전도성과 소성가공성이 양호한 동합금으로 하고, 내부에 직경이 다른 이중의 공간을 형성한다. 외통(20)에서 직경이 큰 부분은 후술하는 절연체(30)를 수용하고, 직경이 작은 부분은 후술하는 내통(40)을 수용한다. 외통(20)의 개방되는 입구에 형성되는 내향단부(25)는 절연체(30)를 수용한 후에 절곡되는 부분이다.

또, 본 발명에 따르면 내부에 단자선(11)(12)의 다른 하나가 맞물리는 절연체(30)가 상기 외통(20)의 내부에 긴밀하게 수용된다. 절연체(30)는 전기절연성을 지닌 세라믹 또는 내열성 수지를 사용하여 원통형으로 형성되고, 중심에 이중의 직경으로 단차를 형성한 관통공을 구비한다.

또, 본 발명에 따르면 바이어스 스프링(35)에 의하여 탄성적으로 지지되는 내통(40)이 상기 외통(20)과 절연체(30) 상에 미끄럼 운동 가능하게 설치된다. 내통(40)도 전기전도성과 소성가공성이 양호한 동합금을 사용하여 내부에 공간을 지닌 원통 구조로 형성한다. 내통(40)은 일단에서 외통(20)에 미끄럼 운동 가능하게 지지되면서 타단에서 절연체(30)의 관통공에 미끄럼 운동 가능하게 수용된다. 내통(40)의 단부에 바이어스 스프링(35)이 접촉하여 단자선(11)(12) 간의 전기적 연결을 유지하도록 탄성력을 작용한다.

이때, 본 발명의 상기 외통(20)은 일체형으로 바이어스 스프링(35)의 일단을 요동 없도록 지지하기 위한 내단요부(22)를 구비한다. 외통(20)을 딥드로잉으로 가공하는 과정에서 내향단부(25)와 함께 내단요부(22)가 형성되도록 하면 공수가 절감된다. 내단요부(22)는 바이어스 스프링(35)의 일단을 요동하지 않도록 지지한다.

한편, 본 발명의 일측 단자선(11)은 단부를 두껍게 성형하여 절연체(30)의 관통공에 삽착하고, 타측 단자선(12)은 단부를 두껍게 성형하여 외통(20)의 내단요부(22)에 압접한다.

또, 본 발명에 따르면 일정 온도 이상에서 탄성력을 작용하는 SMA 스프링(50)은 일측이 절연체(30)에결합되고, 타측은 상기 바이어스 스프링(35)의 반대 방향으로 내통(40)을 지지하도록 설치한다. SMA 스프링(50)의 탄성력의 합은 설정된 온도(예컨대 60℃)에 이르면 최초에 기억된 형태로 복원되면서 바이어스 스프링(35)보다 큰 탄성력을 작용한다.

이때, 본 발명의 상기 SMA 스프링(50)은 중앙에 만곡부(52)를 지니는 선(線)형 구조이고, 내통(40)이 SMA 스프링(50)의 탄성력이 편중되게 작용하지 아니한 상태에서 이동될 수 있도록 적어도 2개소의 대칭적 위치에 SMA 스프링(50)을 설치하는 것을 특징으로 한다. SMA 스프링(50)을 선형 구조로 하면 스프링의 나선 구조(코일형으로 감긴 구조)로 하는 것에 비하여 소재를 50% 이상 절감할 수 있어 원가절감에 크게 기여한다. 또한 전체적으로 선형 구조이면서 중앙에 만곡부(52)를 두면 나선 구조의 스프링에 비해 작은 크기(길이)로 큰 변위[내통(40)을 이동시키는 거리]를 유발하는데 유리하다. SMA 스프링(50)의 결합단부(55)는 절연체(30)에 압입하거나 인서트 몰드로 일체화한다. SMA 스프링(50)는 대향된 2개소에 설치하는 것이 적절하지만, 3개소 이상에서 균등한 간격으로 설치할 수도 있다.

한편, 본 발명의 상기 내통(40)은 바이어스 스프링(35)과 SMA 스프링(50)이 접하는 외향단부(45) 상에 곡면부(47)를 구비한다. 내통(40)의 일단을 절곡하여 마치 플랜지와 같은 형태로 외향단부(45)를 형성하고, 이와 동시에 외향단부(45)의 단부를 일정한 곡률로 두껍게 확장한 곡면부(47)를 형성한다. 또한 상기 외향단부(45)에서 절연체(30)측으로 돌출된 외단곡부(42)를 형성하여 외단곡부(42)가 절연체(30)의 내측에서 미끄럼 운동한다. 내통(40)의 외향단부(45)를 기준으로 하여 일측에 바이어스 스프링(35)이 접하고 타측에 SMA 스프링(50)이 접한다. 곡면부(47)는 내통(40)이 외통(20)에 접촉하는 저항력을 줄여 미끄럼 운동에 의한 전기적 단속 기능이 원활하도록 한다.

제조에 있어서, 외통(20)을 딥드로잉으로 형성한 후 일측에 단자선(12)을 압접하고, 외통(20)의 내부에 바이어스 스프링(35)을 넣은 후 내통(40)과 단자선(11)을 넣고, 이어서 SMA 스프링(50)이 접합된 절연체(30)를 내통(40)으로 끼워 넣으며, 마지막으로 외부에서 내향단부(25)를 절곡하면 조립이 완료된다. 이와 같이 용접을 최소화하므로 공수 절감과 품질 향상을 기대할 수 있다.

사용에 있어서, 평상시 도 1처럼 단자선(11), 내통(40), 외통(20), 단자선(12)을 통한 전류 흐름이 유지되나, 설정된 온도에 도달하면 도 2처럼 SMA 스프링(50)이 바이어스 스프링(35)을 밀어 단자선(11)과 내통(40)이 분리되므로 전류 흐름이 차단된다. 이와 같이 본 발명의 온도퓨즈는 내통(40)이 외통(20)과 절연체(30) 사이에서 안정적으로 지지되므로 어떠한 제품에 탑재되더라도 진동 등의 외부 환경에 대응하여 작동 신뢰성을 유지하고 내구성을 향상할 수 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

11, 12: 단자선 20: 외통
22: 내단요부 25: 내향단부
30: 절연체 35: 바이어스 스프링
40: 내통 42: 외단곡부
45: 외향단부 47: 곡면부
50: SMA 스프링 52: 만곡부
55: 결합단부

Claims

온도에 반응하여 양측 단자선(11)(12)을 전기적으로 단속하는 온도퓨즈에 있어서:
개방되는 일측에 내향단부(25)를 구비하고, 타측은 단자선(12)과 접합되도록 일체형으로 형성된 외통(20);
상기 외통(20)의 내부에 수용되고, 내부의 일측에서 단자선(11)과 맞물리는 절연체(30);
상기 외통(20)과 미끄럼 운동하는 면의 단부를 향하여 일정한 곡률로 두껍게 확장한 곡면부(47)를 구비한 외향단부(45)와, 상기 외향단부(45)에서 절연체(30)측으로 돌출되어 절연체(30)의 내측에서 미끄럼 운동하는 외단곡부(42)로 이루어진 내통(40);
상기 내통(40)의 외향단부(45)를 지지하는 바이어스 스프링(35); 및
상기 절연체(30)와 일측이 결합되고 타측은 상기 내통(40)의 외향단부(45)를 지지하도록 결합되는 적어도 2개 이상의 SMA 스프링(50);으로 구성되되, 상기 SMA 스프링(50)의 각각은 중앙에 만곡부(52)를 구비한 선형 형상으로 구성되고, 상기 SMA 스프링(50)이 갖는 일정 온도 이상에서의 탄성력의 합은 바이어스 스프링(35)이 갖는 탄성력보다 큰 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 반복형 온도퓨즈.
제1항에 있어서,
상기 외통(20)은 바이어스 스프링(35)의 일단을 요동 없도록 지지하기 위한 내단요부(22)를 구비하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 반복형 온도퓨즈.
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