TWI707367B - 壓敏電阻器組件及用於保護壓敏電阻器組件之方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供具有改良失效安全性之壓敏電阻器組件。該壓敏電阻器組件包括壓敏電阻器及第二外部端子。若熱敏元件之該溫度超過臨界溫度，在該壓敏電阻器及第二外部端子之間之電流路徑可以藉由遮板而主動地阻擋。
Description
本發明係關於具有增加失效安全性之壓敏電阻器組件及係關於在異常操作條件下用於保護壓敏電阻器組件之方法。
壓敏電阻器組件為具有視施加至該組件之電壓而定的電阻之電性組件。該電阻可以隨著增加施加的電壓而降低。當正常操作條件之電壓為施加至該組件時，壓敏電阻器組件可以具有電阻於KΩ、MΩ或GΩ範圍中。若該施加的電壓超過臨界電壓，則該組件的電阻可以縮減至數歐姆之範圍。
此類的壓敏電阻器組件在電路中可以使用作為補償元件或以保護敏感電路免受過高電壓。當使用作為保護裝置時，該壓敏電阻器組件可以電性連接在電路及接地電位之間及分流可能損壞的電功率。
因此，當該壓敏電阻器組件在高電壓下變成低歐姆時，耗散於壓敏電阻器組件中之電功率可能超過臨界值並且該耗散的功率可能破壞該壓敏電阻器組件或甚至
破壞該整體的電氣電路，包含具有該壓敏電阻器組件之該整體的電氣裝置。當臨界電壓條件超過時，壓敏電阻器組件甚至可能著火。
由美國專利申請案US 2001/0055187 A1，已知各種保護的金屬氧化物壓敏電阻器組件。壓敏電阻器組件包括熔絲並且當保留正常操作條件時，可以產生絕緣間隙。
由美國專利申請案US 2009/0027153 A1，已知另外的金屬氧化物壓敏電阻器組件。而且，當保留正常操作條件時，熔絲是使用以開路該電路以避免更進一步的損壞。
然而，已知使用可熔融材料產生熔絲之壓敏電阻器組件無法保證該熔絲的材料在熔化後維持電性上不連接。尤其在其中壓敏電阻器組件之該方向性或其中該組件是受到加速度之環境條件中，其中該熔絲之材料將流動至位置是未知的並且維持電性連接之風險存在。
本發明之目的在於提供具有改良的安全性之壓敏電阻器組件。尤其，本發明之目的在於提供改良在異常操作條件下獲得開路電路之可能性以及減少熔絲之材料以維持電性接觸之可能性的壓敏電阻器組件。
再者，本發明之目的在於提供在超過正常操作條件之情況下，保護壓敏電阻器組件之方法。
因此，依據獨立項申請專利範圍，本發明提
供壓敏電阻器組件及保護壓敏電阻器組件之方法。附屬項申請專利範圍提供有利的實施例。
該壓敏電阻器組件包括第一外部端子及第二外部端子。再者，該壓敏電阻器組件包括電性連接至該第一外部端子之壓敏電阻器。該組件更具有在該壓敏電阻器及該第二外部端子之間之路徑。再者，該壓敏電阻器組件具有具備遮板及熱敏元件之主動釋放裝置。該熱敏元件在異常操作條件下釋放該遮板。接者，該遮板沿著直線移動並且關閉在該壓敏電阻器及該第二外部端子之間之該路徑。
該壓敏電阻器可以是任何種類的壓敏電阻器，例如，金屬氧化物壓敏電阻器。
該第一及該第二外部端子為提供以電性連接該壓敏電阻器組件至外部電路環境，例如，作為在接地電位及敏感電氣電路之間之分流元件以保護該敏感電氣電路免於高壓脈衝。
在該壓敏電阻器及該第二外部端子之間之該路徑為其中電流在正常操作條件下應該流動之該路徑，意即，在該第一外部端子及該第二外部端子之間而該相應的電壓是施加至該壓敏電阻器。該壓敏電阻器及在該壓敏電阻器及該第二外部端子之間之該路徑是以串聯方式電性連接。
由於提供遮板及熱敏元件並且由於該釋放裝置為主動裝置，該主動釋放裝置區分該壓敏電阻器組件與
該上述壓敏電阻器組件。並不需要依靠該熔絲之熔融的材料以在無害的位置處冷凝。該釋放裝置主動地關閉該遮板並且較佳地避免在該壓敏電阻器及該第二外部端子之間所連接之電流。
對於每一個壓敏電阻器組件，例如依據已知欲實現的規格定義出正常的操作條件。該熱敏元件是以這種方式所構成，並且本身的材料，尤其該材料的熔點溫度，是以這種方式做選擇，其中若該定義的正常操作條件超過時，則該遮板關閉在該壓敏電阻器及該第二外部端子之間之該路徑，並且-最好獨立於該冷凝材料之後來靜止的位置-該關閉的路徑避免更進一步的電流及電流隔離該壓敏電阻器與該第二外部端子。
在正常操作條件及異常操作條件之間導致該釋放裝置之該啟動之該臨界值可以參考UL1449，章節44.4，有限電流異常過電壓測試，自2015年3月26日生效。
該熱敏元件是可以配置在該路徑中並且建立電性連接在該壓敏電阻器及該第二外部端子之間。
接著，藉由關閉該路徑及電性隔離該壓敏電阻器與該第二外部端子，該壓敏電阻器是與外部電路環境電性解除連結並且沒有更進一步的電功率可能耗散，並且該壓敏電阻器組件著火之潛在的危險為大量降低。
然而，在正常的操作條件期間，該熱敏元件當作在該壓敏電阻器及該第二外部端子之間之電性相連並且連結該壓敏電阻器至可以連接至該第二外部端子之外部
電路環境，以便該壓敏電阻器組件之該壓敏電阻器可以當作保護元件以保護該相應的外部電路環境。
該熱敏元件在低於選擇的溫度下可以是固體並且在高於該臨界溫度時將熔化，意即，液化。導致該熱敏元件之相轉換之該熱能可以藉由在本身具有有限的歐姆電阻之該熱敏元件內之能量耗散所產生。然而，該熱敏元件因為在配置於實體上接近該熱敏元件之該壓敏電阻器中所產生之熱能也可以或額外地反應。再者，當異常操作條件達到時，該壓敏電阻器組件也可以含有諸如歐姆電阻之額外的散熱元件以產生熔化該熱敏元件之熱能。
因此，該熱敏元件可以是熔絲及具有熔點之傳導材料。該熔點可以是低於230℃。
尤其，該熱敏元件可以包括具有相應的熔點溫度之焊料。該較佳的熔點溫度可以位在185℃及230℃之間。較佳相應的材料成份為錫鉍合金或錫銀銅焊膏或焊絲。
該壓敏電阻器組件，尤其當保留正常操作條件時，可以更進而包括產生力量於該遮板上之功能性元件。該功能性元件可以彈簧、熱膨脹材料或記憶金屬。
在正常操作條件下，該彈簧在張力下是配置在該壓敏電阻器組件內。該熱敏元件在正常操作條件下是固態並且阻擋該遮板。因此，該彈簧推動以關閉該遮板但是該固態熱敏電阻元件保持著該遮板開啟並且透過該路徑建立電性連接於該壓敏電阻器及該第二外部端子之間。
當在該熱敏元件附近之溫度達到先前指定的閥值時，接著該熱敏元件經歷轉換成為液相並且無法更進一步承受該彈簧的力量。對應地，在該熱敏電阻元件熔化之瞬間，該遮板藉由該彈簧移動進入關閉的位置並且在該壓敏電阻器及該第二外部端子之間之該電流隔離可以獲得。
相較於習知的壓敏電阻器組件其中重力能是經由使用以移位該熔絲材料，若該熔融材料無法流動，該熔絲材料可能不會完全移位，該壓敏電阻器組件的釋放裝置之該功能性可在任何時間及所保證之任何位置而執行並且該釋放裝置之該響應時間可大為縮減。
該壓敏電阻器組件更可以包括線性導引軌道。該遮板可以配置在該導引軌道內。
該導引軌道確保沿著該直線之正確的轉移及避免當移動時該遮板之偏移。該導引軌道可以限制該遮板至平行於該壓敏電阻器之該側邊平面之平面。再者該導引軌道可以實現限制該遮板至一維路徑之通道。該通道可以具有主要圓形的橫截面或方形的(諸如正方形的)橫截面。
該遮板可以是滑塊。該熱敏元件可以是延伸穿越該導引軌道及穿越該遮板及電性連接該壓敏電阻器至該第二外部端子之金屬本體。
該熱敏元件可以是金屬本體，例如粗的或圓柱形本體，延伸穿越在該導引軌道中之孔洞。再者，該熱敏元件電性連接該壓敏電阻器至該第二外部端子。
該熱敏元件可以具有縱向方向及例如桿形。該熱敏元件可以此類方式配置使得本身的縱向方向主要是垂直於定義至該遮板之可能的移動方向之該直線。再者，該熱敏元件之該縱向方向可以平行於該壓敏電阻器之側邊平面。
該熱敏元件可以是電性連接至該第二外部端子之導體區段。該熱敏元件阻擋由該彈簧所驅動之該遮板。當該臨界溫度到達時，則該熱敏元件熔化及無法承受該彈簧的力量並且該遮板以此類方式沿著該直線而移動使得該遮板意即相對於在該導引軌道中之該孔洞而平移，以這樣的方式使得該遮板之介電材料完全地封閉在該導引軌道中之該孔洞。
該系統之該提到的幾何是簡單的。因此，在該導引軌道內卡住該遮板之該風險可以減少。
該彈簧可以是線圈彈簧或螺旋彈簧。然而，線圈彈簧是較佳的。
該壓敏電阻器組件更可以包括第三外部連接。在正常操作條件下，該第三外部連接是與該第一外部端子及與該第二外部端子隔離。若離開正常操作條件之區域並且該釋放裝置啟動，則該遮板可以由該路徑移除該熱敏元件之材料，其中該熱敏元件之該仍然傳導的材料建立電性連接在該第二外部端子及該第三外部端子之間，而該第一外部端子及該壓敏電阻器為電性上與該第二外部端子及與該第三外部端子隔離之方式。藉由提供在該第二外部端子
及該第三外部端子之間之電性連接，該電路環境之指示器，例如發光二極體，可以切換開啟而顯示該釋放裝置之啟動及顯示在該外部電路環境中之錯誤而導致該釋放裝置之啟動。
該第一外部端子、該第二外部端子及該第三外部端子可以是諸如金屬帶狀電極之其它種類之引線端子。
該外部端子從該壓敏電阻器組件之殼體或直接從該壓敏電阻器或該釋放裝置所延伸。
該遮板包括由熱塑性塑料或陶瓷所組成之材料。
尤其，該遮板及該導引軌道可以包括陶瓷材料，例如金屬氧化物、例如氧化鋁、例如三氧化二鋁或熱塑性塑料材料。
最好該遮板包括具有低傳導性及具有向著高溫為高電阻性之介電材料。
該壓敏電阻器組件更可以包括蓋子。該遮板及該熱敏元件為配置於腔體中並且該蓋子覆蓋該腔體。
接著，使得該壓敏電阻器組件能夠快速啟動該遮板及具有改善的失效安全性之該壓敏電阻器組件之該內部機構是受到保護免於環境的影響。再者，該熱敏元件之該熔化及受熱的材料不會留在該腔體內及危害該壓敏電阻器組件的環境。
該遮板可以經由設計以在獨立於該壓敏電阻器組件之方向性及獨立於施加至該組件之加速度之異常的
操作條件下關閉該路徑。
殼體可以配置在該壓敏電阻器之其中一側端處。該釋放裝罝可以配置在該殼體中。
對於該殼體、該蓋子及該遮板之材料可以是具有耐溫性高於230℃之介電材料。尤其，該殼體及該遮板可以包括或由芳香族液晶聚合物(ALCP，Aromatic Liquid Crystal Polymer)所組成。該彈簧可以包括或由鋼材所組成。該外部端子可以包括或者由銅(Cu，Copper)或銀(Ag，Silver)所組成。該壓敏電阻器可以是在接近1100℃所燒結之氧化鋅片狀壓敏電阻器。
該導引軌道具有使用寬度在2毫米至6毫米之間之範圍內、厚度在2至5毫米之間之範圍內及長度在0.5毫米及20毫米之間之範圍內之主要長方體形狀。尤其，該導引軌道可以具有4.1毫米之寬度、3.5毫米之厚度及9毫米之長度。
該導引軌道主要可以在容納該遮板之內部具有長方體形中空空間。該中空空間之尺寸可以是：(寬度：2毫米至3毫米/厚度：2毫米至3毫米/長度：7毫米至8.5毫米)。尤其，該中空空間可以具有2.5毫米之寬度、2.5毫米之厚度及8.2毫米之長度。
該遮板主要可以具有使用在0.1至10毫米之間之範圍內之厚度及在0.5毫米至20毫米之間之範圍內之長度。尤其，該遮板可以具有2.4毫米之寬度、2.4毫米之厚度及3.5毫米之長度。
該導引軌道可以具有開口端以允許在該中空空間內部之該彈簧及該遮板之安裝。
該導引軌道及該遮板可以具有倒角邊緣。
在正常操作及異常操作之間之該電壓閥值視該熱能產生而定及因此視該組件之材料及尺寸而定。
該第二外部端子可以具有桿狀本體及螺栓狀頭部。該桿狀本體是提供用於連接至外部電路環境。該螺栓狀頭部是提供用於連接至該熱敏元件。該螺栓狀頭部可以具有厚度大於或輕微大於該本體之厚度。
如同上文所描述之保護壓敏電阻器組件之方法具有該遮板主動地關閉該路徑及電性上隔離該壓敏電阻器與該第二外部端子。
該壓敏電阻器組件、該組件之該工作原理及較佳實施例之細節為顯示於該附加的示意圖中。
ARD‧‧‧主動釋放裝置
EC2‧‧‧第二外部端子
GR‧‧‧導引軌道
HSE‧‧‧熱敏元件，熔絲
P‧‧‧路徑
SH‧‧‧遮板
STL‧‧‧直線
V‧‧‧壓敏電阻器
W‧‧‧線路
EC1‧‧‧第一外部端子
EC3‧‧‧第三外部端子
H‧‧‧孔洞
M‧‧‧遮罩
S‧‧‧焊料
SL‧‧‧滑塊
SP‧‧‧彈簧
VC‧‧‧壓敏電阻器組件
第1圖係顯示該壓敏電阻器組件之該工作原理。
第2及3圖係顯示其中當該釋放裝置啟動時，該遮板之孔洞為相對於遮罩之孔洞而移動之實施例。
第4圖係顯示具有長方體形狀導引軌道之實施例之透視圖。
第5圖係顯示橫截面穿越該導引軌道之透視圖。
第6圖係顯示具有第三外部端子之壓敏電阻
器組件之透視圖。
第7圖係顯示該壓敏電阻器之該背部及本身的電性連接至該第一外部端子之透視圖。
第8圖係顯示其中該第一外部端子為焊接於該壓敏電阻器之該背部之實施例。
第9及10圖係顯示該第三外部端子之該工作原理。
第1圖顯示該壓敏電阻器組件VC之基本工作原理。該壓敏電阻器組件VC具有壓敏電阻器V、第一外部端子EC1及第二外部端子EC2。該壓敏電阻器V在正常操作條件下為以串聯方式電性連接在該第一外部端子EC1及該第二外部端子EC2之間。該熱敏元件HSE為電性連接在壓敏電阻器V及該第二外部端子EC2之間並且配置於由該箭頭所指示之該路徑P中。該壓敏電阻器組件VC更進一步包括遮板SH作為部分該主動釋放裝置ARD。
在正常操作條件下，該熱敏元件HSE是固態的並且電性連接該壓敏電阻器V至該第二外部端子EC2。然而，當該熱敏元件HSE之溫度超過先前選擇的極限時，則該熱敏元件HSE熔化並且該遮板SH主動地關閉該路徑P及電性隔離該壓敏電阻器V與該第二外部端子EC2。該遮板SH可以由彈簧SP所驅動。
該遮板SH是主動地驅動之事實減少該壓敏電阻器組件之該關閉之該響應時間並且增加該壓敏電阻器
阻件之該可靠度。
第2及3圖說明其中該壓敏電阻器組件具有第一孔洞H1於遮罩M中及第二孔洞H2於該遮板SH中之實施例之該工作原理。該熱敏元件HSE是配置在建立該電流路徑P之該兩個孔洞中。當該釋放裝置受到啟動(第3圖)時，該熱敏元件HSE熔化並且無法更進一步承受該彈簧SP的力量。因此，該遮板將移動並且該遮板之該孔洞H2是相對於在該遮罩M中之該孔洞H1而移動而且該路徑將受到阻擋而導致該壓敏電阻器V與該第二外部端子EC2之該電性隔離。
最好該遮板SH，例如未具有孔洞之區段，完全地關閉於該遮罩M中之該孔洞，該方式是以其中該熔化的熱敏元件HSE之殘留材料無法建立剩餘的電性連接在該壓敏電阻器V及該第二外部端子EC2之間。
第4圖顯示其中遮板SH主要是具有孔洞H或缺口之長方體形狀滑塊SL之實施例之分解圖式。該導引軌道GR亦具有主要為長方體形狀及容納該滑塊SL及該彈簧SP。在正常操作期間該熱敏元件HSE是延伸穿越在該軌道中之該兩個孔洞(在每一個側端具有一個孔洞)之螺栓並且穿越該滑塊SL之該孔洞H。該軌道GR建立該遮罩。該遮罩及該遮板具有此類的幾何形狀使得該熱敏元件HSE維持電性連接之剩餘材料之該可能性將消除。
該熱敏元件HSE具有主要圓柱之形狀並且是與該導引軌道GR之該側牆及該遮板SH形成機械式接觸以
及與電性連接至該第二外部端子EC2之線路接觸。當該熱敏元件HSE是固態時，該元件維持該遮板SH於該開啟位置上具有該遮板的孔洞H是直接配置在該導引軌道GR之該孔洞H上。該熱敏元件HSE建立該電性接觸在該壓敏電阻器及該第二外部端子EC2之間。
當該熱敏元件HSE之溫度超過臨界溫度並且該熱敏元件熔化時，該彈簧SP沿著該直線STL推動該遮板SH並且該電性接觸將斷開。
該外部端子EC2可以具有桿狀本體及較厚於該桿狀本體之螺栓狀頭部。該螺栓狀頭部可以具有矩形橫截面以連接至該熱敏元件HSE。
第5圖顯示穿越該導引軌道GR之橫截面之透視圖。該導引軌道的本體是中空的及容納該彈簧SP及該遮板SH。該彈簧SP在正常操作條件下是在應力推動下靠向該遮板SH。該熱敏元件(未顯示於第5圖中)保護該遮板於本身的位置。當該熱敏元件熔化時，靠向該彈簧SP之該推力之該阻力結束並且該彈簧SP推抵該遮板SH，以中斷在該壓敏電阻器V及該第二外部接觸EC2(在第5圖中未顯示)之間之該電性連接。
第6圖顯示實施例其中該壓敏電阻器組件VC具有電性上連接至金屬化部之第三外部端子EC3。在正常操作條件下，該第三外部端子EC3在電性上是連接至該第二外部端子EC2。然而，一旦該熱敏元件HSE熔化，該殘留的材料可以電性上不連接該第三外部端子EC3至該第二
外部端子EC2，以指示該主動釋放裝置ARD之該啟動至外部電路環境。
光學指示器，諸如發光二極體(LED，Light-Emitting Diode)，可以經由使用以顯示是否操作之該模式是正常的或者異常的。當該釋放裝置是啟動時，連接至該第三外部端子之發光二極體可以停用。
然而，在正常操作期間在該第三外部端子EC3之間之電流連接是可能的並且經選擇來自該第一EC1及該第二外部端子EC2之連接在由該釋放裝置之該啟動所中斷之正常操作期間是存在的。接著啟動的發光二極體可以指示正常操件並且停用的發光二極體指示錯誤。
第7圖顯示具有線路W連結至本身的背面之該壓敏電阻器V之背面，而建立在該壓敏電阻器V及該外部連接EC1之該導體之間之連接。
第8圖顯示該壓敏電阻器V之該背面之較佳的實施例，其中該線路W為使用焊料S而機械式及電性連接至該壓敏電阻器V之該背面。
第9及10圖說明該第三外部端子EC3之該基本原理。當該熱敏元件HSE是位於本身的位置以連接該壓敏電阻器至該第二外部端子EC2，該第三外部端子EC3在正常操作期間為電性連接至該第二外部端子EC2。第10圖說明在啟動之後之情況。該熱敏元件HSE之該材料是由本身的初始位置所移除。在該壓敏電阻器及該外部端子EC2之間之該電性路徑受到阻擋(開路電路)並且該熱敏元件
HSE之材料不再電性連接該第二外部端子EC2至該第三外部端子EC3。
該壓敏電阻器組件可以具有額外的元件，諸如額外的遮板、熔絲、彈簧、電性連接，並且該殼體可以具有多邊形形狀，例如，矩形形狀的基本區域。該遮板可以是旋轉的遮板或具有線性移動之遮板。
ARD‧‧‧主動釋放裝置
EC1‧‧‧第一外部端子
EC2‧‧‧第二外部端子
HSE‧‧‧熱敏元件，熔絲
P‧‧‧路徑
SH‧‧‧遮板
SP‧‧‧彈簧
V‧‧‧壓敏電阻器
VC‧‧‧壓敏電阻器組件
Claims (12)
- 一種壓敏電阻器組件(VC)，包括第一及第二外部端子(EC1、EC2)，壓敏電阻器(V)，電性連接至該第一外部端子(EC1)，路徑(P)，在該壓敏電阻器(V)及該第二外部端子(EC2)之間，主動釋放裝置(ARD)，具有遮板(SH)及熱敏元件(HSE)，其中在異常操作條件下該熱敏元件(HSE)釋放該遮板(SH)，該遮板(SH)沿著直線移動並且關閉在該壓敏電阻器(V)及該第二外部端子(EC2)之間之該路徑(P)，該熱敏元件(HSE)電性連接該壓敏電阻器(V)至該第二外部端子(EC2)。
- 如申請專利範圍第1項所述之壓敏電阻器組件，其中該熱敏元件(HSE)是配置在該路徑(P)中並且建立電性連接在該壓敏電阻器(V)及該第二外部端子(EC2)之間。
- 如申請專利範圍第1至2項中任一項所述之壓敏電阻器組件，其中該熱敏元件(HSE)為熔絲並且具有具備熔點之傳導材料。
- 如申請專利範圍第1至2項中任一項所述之壓敏電阻器組件，更包括產生力量於該遮板(SH)上之元件，該 元件是選擇來自彈簧(SP)、熱膨脹材料及記憶金屬。
- 如申請專利範圍第1至2項中任一項所述之壓敏電阻器組件，更包括線性導引軌道(GR)，其中該遮板(SH)是配置在該導引軌道(GR)中。
- 如申請專利範圍第5項之壓敏電阻器組件，其中該遮板(SH)為滑塊，該熱敏元件(HSE)為延伸穿越該導引軌道(GR)及穿越該遮板(SH)之金屬本體。
- 如申請專利範圍第1至2項中任一項所述之壓敏電阻器組件，更包括第三外部端子(EC3)，其中在異常操作條件下該熱敏元件(HSE)電性不連接該第二外部端子(EC2)至該第三外部端子(EC3)。
- 如申請專利範圍第1至2項中任一項所述之壓敏電阻器組件，其中該第一(EC1)、第二(EC2)及第三(EC3)電氣端子為導線或金屬帶狀電極。
- 如申請專利範圍第1至2項中任一項所述之壓敏電阻器組件，其中該遮板(SH)包括陶瓷材料、金屬氧化物、氧化鋁或熱塑性材料。
- 如申請專利範圍第5項所述之壓敏電阻器組件，其中該遮板(SH)及該導引軌道(GR)包括陶瓷材料、金屬氧化物、氧化鋁或熱塑性材料。
- 如申請專利範圍第1至2項中任一項所述之壓敏電阻器組件，其中該遮板(SH)是經由指定以在獨立於該壓 敏電阻器組件(VC)之方向性之異常操作條件下關閉該路徑(P)。
- 一種保護如申請專利範圍第1至11項中任一項所述的在異常操作條件下之壓敏電阻器組件(VC)之方法，其中該遮板(SH)主動地關閉該路徑(P)及電性隔離該壓敏電阻器(V)與該第二外部端子(EC2)。
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