JP7676696B2 - 能動／受動ヒューズモジュール - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、２０１９年１２月１６日出願の米国仮特許出願第６２／９４８，７２８号、及び２０２０年６月９日出願の米国仮特許出願第６３／０３６，６１３号の利益を主張し、これらの仮特許出願は両方とも、その全体の参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は概して、回路保護デバイスの分野に関し、より具体的には、受動的な回路保護素子及び能動的な回路保護素子の両方を含む能動／受動ヒューズモジュールに関する。

ヒューズは通常、過電流保護を提供するために電気的システムに実装されている。ほとんどのヒューズは、通常動作において定格電流量を流すように構成されているヒューズエレメントを含む「受動」デバイスである。ヒューズエレメントを流れる電流がヒューズエレメントの定格電流値を超えた場合、ヒューズエレメントは溶ける、分解する、又は他の方法で分離することによって電流を阻止し、接続されている電気部品への損傷を防止又は軽減する。

場合によっては、回路を流れる電流量にかかわらず、電気回路に物理的オープン状態を「能動的に」形成することが望ましいことがある。例えば、自動車が衝突に巻き込まれた場合、自動車の電気回路を物理的にオープン状態にして、接続されている電気部品の電源を遮断し、衝突に続いて発生する火災及び／又は感電の危険を確実に軽減するのが望ましいことがある。そのために、いわゆる火工式電流断続器（ＰＩ）が開発されており、これは、指定のイベントが発生した際に選択的に作動して、回路を流れる電流を遮断することができる。例えば、自動車が衝突した場合に、コントローラ（例えば、エアバッグ制御装置、バッテリ管理システムなど）が起動信号をＰＩに送信し、ＰＩ内の火工式点火器を爆発させてよい。その結果生じるＰＩ内の圧力の増加が、ピストン又はブレードに、ＰＩの中に延在する導体を直ちに断ち切らせることになる。これにより、ＰＩを流れる電流が遮断され、誘電材料で形成されたピストンは、導体の分離された部分同士の間に電気的絶縁バリアを設けて、両部分の間に電気アーク放電が発生するのを防止する。

特定の用途では、受動的な回路保護素子及び能動的な回路保護素子を両方とも実装するのが望ましいことがある。さらに、そのような素子を、簡便な取り付けを容易にする小型の省スペースフォームファクタに実装するのが望ましいことがある。

この改善が役立ち得るということが、これらの及び他の考慮すべき問題に関連している。

この概要は、詳細な説明でさらに後述される概念から選択したものを、簡易的な形式で紹介するために提供される。この概要は、請求される主題の重要な特徴又は不可欠な特徴を確認することが意図されているわけでもなく、この概要は、請求される主題の範囲を決定する際の補助として意図されているわけでもない。

本開示の非限定的な実施形態による能動／受動ヒューズモジュールが、ベースと、ベースの上面に配置され且つヒューズエレメント並びにヒューズエレメントの相対する端部から延在する第１端子部及び第２端子部を含むバスバーであって、ヒューズエレメントはベースの上面にあるキャビティの上に広がっている、バスバーと、ベースの上に配置された火工式電流断続器（ＰＩ）であって、ＰＩは、ヒューズエレメントの上方にあるシャフトの内部に配置されたピストンと、コントローラに結合された第１の火工式点火器であって、第１の火工式点火器は、コントローラから起動信号を受信すると爆発してピストンにヒューズエレメントを貫かせるように構成される、第１の火工式点火器と、バスバーに一対のリード線で結合された第２の火工式点火器であって、第２の火工式点火器は、これらのリード線間の電圧が増加すると、爆発してピストンにヒューズエレメントを貫かせるように構成される、第２の火工式点火器とを含む、ＰＩとを含んでよい。

本開示の別の非限定的な実施形態による能動／受動ヒューズモジュールが、電気的に絶縁したベースと、ベースの上面に配置され且つヒューズエレメント並びにヒューズエレメントの相対する端部から延在する第１端子部及び第２端子部を含むバスバーであって、ヒューズエレメントはベースの上面に形成されたキャビティの上に広がる、バスバーと、ベースの上に配置された火工式電流断続器（ＰＩ）であって、ＰＩは、ヒューズエレメントの上方にあるシャフトの内部に配置されたピストンと、バスバーに接続され且つバスバーを流れる電流を測定するように構成された電流検知モジュールと、コントローラ及び電流検知モジュールに結合された火工式点火器であって、火工式点火器は、コントローラ及び電流検知モジュールのうちの少なくとも一方から起動信号を受信すると、爆発してピストンにヒューズエレメントを貫かせるように構成される、火工式点火器とを含む、ＰＩとを含んでよい。

本開示の別の非限定的な実施形態によるヒューズモジュールが、ベースと、ベースの上面に配置され且つヒューズエレメント並びにヒューズエレメントの相対する端部から延在する第１端子部及び第２端子部を含むバスバーであって、ヒューズエレメントはベースの上面にあるキャビティの上に広がる、バスバーと、ベースの上に配置された火工式電流断続器（ＰＩ）であって、ＰＩは、ヒューズエレメントの上方にあるシャフトの内部に配置されたピストンをと、コントローラに結合された第１の火工式点火器と、一対のリード線でバスバーに結合された火工式点火器であって、火工式点火器は、これらのリード線間の電圧が増加すると、爆発してピストンにヒューズエレメントを貫かせるように構成される、火工式点火器と含む、ＰＩとを含んでよい。

非作動状態における、本開示による能動／受動ヒューズモジュールの実施形態を示す断面図である。

作動状態における、図１に示す能動／受動ヒューズモジュールを示す断面図である。

本開示による能動／受動ヒューズモジュールの別の実施形態を示す断面図である。

本開示による能動／受動ヒューズモジュールの別の実施形態を示す断面図である。

本開示による能動／受動ヒューズモジュールが、ここで、添付図面を参照してより十分に説明される。添付図面には、能動／受動ヒューズモジュールの好ましい実施形態が示されている。しかしながら、能動／受動ヒューズモジュールは、多数の異なる形態で具現化されてよく、本明細書に記載される実施形態に限定されるものと解釈されるべきではないことが理解されるであろう。むしろ、これらの実施形態は、本開示が能動／受動ヒューズモジュールの特定の例示的な態様を当業者に伝えるように提供されている。

図１及び図２を参照すると、本開示の例示的で非限定的な実施形態による能動／受動ヒューズモジュール１０（以後、「ヒューズモジュール１０」）を示す断面図が示されている。便宜上且つ明確さのために、「前部」、「後部」、「上部」、「下部」、「上」、「下」、「鉛直」、及び「水平」などの用語は、本明細書において、ヒューズモジュール１０の様々な構成要素の相対的な位置及び向きを説明するのに用いられてよく、それぞれの用語は、ヒューズモジュール１０が図１及び図２に現われているのと同様の構造及び向きを基準にしている。上記の専門用語には、具体的に言及された単語、その派生語、及び同様の意味を持つ単語が含まれることになる。

ヒューズモジュール１０は概して、ベース１２と、バスバー１４と、火工式電流断続器（ＰＩ）１８とを含んでよい。ベース１２は、プラスチック、ポリマ、セラミックなどの電気絶縁材料で形成されてよい。本開示は、この点について限定されない。ベース１２は、その上面に形成されたキャビティ２０を含んでよい。

バスバー１４は、単片の又は細長い導電材料から形成されてよく（例えば、１枚の銅板などから打ち抜かれてよく）、ヒューズエレメント２２と、ヒューズエレメント２２の相対する端部から延在する第１端子部２６ａ及び第２端子部２６ｂとを含んでよい。バスバー１４は、ヒューズエレメント２２がキャビティ２０の上に広がる状態で、ベース１２の上面に水平の向きに配置されてよい。第１端子部２６ａ及び第２端子部２６ｂは、回路内のヒューズモジュール１０への接続を容易にするために、ベース１２の側面の外側に、又は側面を超えて延在してよい。

ヒューズエレメント２２は、バスバー１４を流れる電流が所定の閾値、又はヒューズモジュール１０の「定格電流」を超えた場合、溶ける、分解する、又は別の方法でオープン状態になるように構成されてよい。様々な例において、ヒューズエレメント２２は、打ち抜き穴、細長い穴、若しくは薄く狭い部分、及び／又はヒューズエレメント２２をバスバー１４の他の部分より溶けやすくする若しくはオープン状態になりやすくするための様々な他の特徴を含んでよい。非限定的な例において、ヒューズエレメント２２は、３０アンペアから１０００アンペアの範囲の定格電流を有するように構成されてよい。本開示は、この点について限定されない。

ＰＩ１８は、その下部から突出する取り付けフランジ３８を有するハウジング３６を含んでよい。ハウジング３６は、複数の構成要素を一緒に鉛直に積み重ねた関係に固定するために、機械的締結具４０ａ及び４０ｂが取り付けフランジ３８を貫通してベース１２に延在した状態で、ベース１２の上に配置されてよい。ハウジング３６は、ハウジングの中を通って延在する中空の鉛直に方向付けられたシャフト４３を含んでよい。シャフト４３は、ヒューズエレメント２２及びキャビティ２０の上に直接配置された開放下部を有してよい。

ハウジング３６は、ベース１２のキャビティ２０の上方に配置された中空のシャフト４３の内部に配置された、可動性のピストン又はブレード４２（以後、「ピストン４２」）を含んでよい。ハウジング３６はさらに、シャフト４３の内部でピストン４２の上方に配置された第１の火工式点火器４４ａを含んでよい。第１の火工式点火器４４ａは、コントローラ４５（例えば、自動車のエアバッグ制御装置、バッテリ管理システムなど）に結合されてよい。自動車の衝突などの所定のイベントが発生すると（すなわち、ヒューズモジュール１０が自動車に実装されている場合）、コントローラ４５は起動信号を火工式点火器４４ａに送信して、火工式点火器４４を爆発させてよい。その結果生じるシャフト４３内の圧力の増加が、ピストン４２を直ちにシャフト４３の下向きに押し下げて、図２に示すようにバスバー１４のヒューズエレメント２２を貫通させる。これにより、バスバー１４を流れる電流は遮断され、誘電材料で形成され得るピストン４２は、ヒューズエレメント２２の分離された端部間に電気的絶縁バリアを設けて、その間で電気アーク放電が発生するのを防止し得る。

火工式点火器４４ｂを起動する（すなわち、衝突などが発生した際にコントローラ４５を介して起動信号を火工式点火器４４ｂに送信する）上述の方式は、火工式点火器４４ｂの「外部トリガ」とみなされてよい。様々な実施形態において、ヒューズモジュール１０は、追加的に又は代替的に、「アークトリガ」機能を含んでよく、第２の火工式点火器４４ｂは、シャフト４３の内部に第１の火工式点火器４４ａに隣接して配置されてよい。一対のリード線５２ａ及び５２ｂが、第２の火工式点火器４４ｂから第１端子部２６ａ及び第２端子部２６ｂにそれぞれ延在してよい。様々な実施形態において、リード線５２ａ及び５２ｂは、シャフト４３を通って／横切ってピストン４２の下方に延在してよい。ヒューズエレメント２２が（例えば、過電流状態が発生した際に）溶けると、分離した第１端子部２６ａ及び第２端子部２６ｂの間の電圧は、リード線５２ａ及び５２ｂに十分な電流を生成し、第２の火工式点火器４４ｂを爆発させ得る。その結果生じるシャフト４３内の圧力の増加が、ピストン４２を急激にシャフト４３の下向きに押し下げて、（上述したように、また図２に示すように）バスバー１４のヒューズエレメント２２を貫通させる。さらに、ピストン４２は、リード線５２ａ及び５２ｂを切断して、第１端子部２６ａと第２端子部２６ｂとの間のあらゆる可能性のある代替電流経路を排除する。

上述の構成は限定を意図するものではなく、リード線５２ａ及び５２ｂは、シャフト４３の内部以外の様々な場所で、ピストン４２以外の構造体によって切断されてよいことが企図されている。例えば、リード線５２ａ及び５２ｂは、シャフト４３を通って延在する代わりに、キャビティ２０、又はシャフト４３に隣接した他の場所を通って延在してもよい。様々な実施形態において、リード線５２ａ及び５２ｂは、ピストン４３の経路の外側に又はその経路から離れて配置されてよく、ピストン４３によって直接的に切断される代わりに、ピストン４３から延在するシャンク若しくは突起によって、又はピストン４３の動きで起動され得る電気的／機械的構造体若しくはデバイスによって切断されてよい。本開示は、この点について限定されない。

第２の火工式点火器４４ｂが爆発した後の、第１端子部２６ａと第２端子部２６ｂとの間の電気的絶縁を確保するための、様々な追加的又は代替的なデバイス、構成、及び／又は配置が、本開示の範囲から逸脱することなく実装されてよい。

火工式点火器４４ｂが爆発してピストン４２を動かす前に、ヒューズエレメント２２が分離し始める（例えば、溶け始める）ので、ヒューズエレメント２２はピストン４２を動かす前に弱くなり（例えば、部分的に溶ける）、ピストン４２がヒューズエレメント２２を断ち切ることが容易になる。したがって、火工式電流断続器を組み込んだ従来のヒューズモジュールに見られるようなバスバー１４の弱くなっていない部分（すなわち、部分的に溶けたヒューズエレメント２２以外のバスバー１４の部分）を断ち切るのにピストン４２が必要とされる場合に可能となるよりも、ヒューズエレメント２２は厚く／大きくてよい（したがって、より大きい電流を扱うことができる）。

上述したヒューズモジュール１０は、コントローラ４５に結合された第１の火工式点火器４４ａと、バスバー１４の第１端子部２６ａ及び第２端子部２６ｂにそれぞれ結合された第２の火工式点火器４４ｂとを含むが、第１の火工式点火器４４ａ及びコントローラ４５が省略される本開示の実施形態も企図されており、ヒューズモジュール１０は、バスバー１４に接続され且つ（第２の火工式点火器４４ｂに関して上述したように）ヒューズエレメント２２が分離すると爆発するように構成された火工式点火器を１つだけ含む。

図３を参照すると、正の温度係数（ＰＴＣ）を持つ素子６０がヒューズモジュール１０と並列に接続され得る本開示の実施形態が企図されている。ＰＴＣ素子６０は、ＰＴＣ素子６０の温度が上がると電気抵抗が増加するように作られた任意の種類のＰＴＣ材料（例えば、ポリマＰＴＣ材料、セラミックＰＴＣ材料など）で形成されてよい。特に、ＰＴＣ素子６０は所定のトリップ温度を有してよく、この温度を上回ると、ＰＴＣ素子６０の電気抵抗が急激且つ大幅に（例えば、非線形的に）増加し、ＰＴＣ素子６０を通過する電流が実質的に阻止される。ＰＴＣ素子６０は、通常の動作温度範囲内（すなわち、トリップ温度未満）で、ヒューズエレメント２２の抵抗値より大きい抵抗値を有してよい。

ヒューズモジュール１０の通常動作では、電流がバスバー１４を通って第１端子部２６ａと第２端子部２６ｂとの間を流れてよい。過電流状態が発生すると、ヒューズモジュール１０を流れる電流がヒューズエレメント２２の定格電流を超え、ヒューズエレメント２２は溶けるか又は別の方法で分離し得る。その後、電流は、唯一の利用可能な代替経路を通って（すなわち、ＰＴＣ素子６０を通って）流れるように迂回してよい。電流はこの代替経路を流れるので、溶けたヒューズエレメント２２の分離された端部間に電位を蓄積することができず、これにより、分離された端部間での電気アークの形成及び拡大が防止される。

図４を参照すると、本開示の別の実施形態が企図されている。ここで、電流検知モジュール７０（例えば、マイクロプロセッサを備えた電流センサ）が、バスバー１４の端子部２６ａ及び２６ｂのうちの一方とＰＩ１８の火工式点火器４４ａとに接続されてよい。電流検知モジュール７０は、バスバー１４を流れる電流を測定するように構成されてよく、所定の閾値を上回る電流を検知すると、上述したように、起動信号を火工式点火器４４ａに送信し、火工式点火器４４ａを爆発させてヒューズエレメント２２を切断してよい。電流検知モジュール７０は、起動信号を直ちに、又は所望の所定時間（例えば、１０ミリ秒）が経過した後に、所望の所定量の電流をバスバー１４で検知したことに応答して送信するようにプログラミングされてよい。様々な実施形態において、電流検知モジュール７０はコントローラ４５にも接続されてよく、電流検知モジュール７０は、特定の所定の条件が満たされた場合に限り、起動信号を火工式点火器４４ａに送信するように構成されてよい。例えば、電流検知モジュール７０は、電流検知モジュール７０が所定量の電流を超える電流をバスバー１４で検知し、且つコントローラ４５が条件不一致のインジケーションを電流検知モジュール７０に提供した場合に、起動信号を火工式点火器４４ａに送信するように構成されてよい。本開示は、この点について限定されない。

前述の説明を考慮すると、本開示の能動／受動ヒューズモジュールは、受動的な回路保護素子及び能動的な回路保護素子（例えば、従来のヒューズエレメント及び火工式電流断続器）の両方を、様々な用途に対して簡便な取り付けを容易にする単一の小型の省スペースフォームファクタに実装するのを容易にすることが理解されるであろう。

本明細書で用いられる場合、単数形で記載され、「ａ」又は「ａｎ」という単語で始まる要素又は段階が、複数の要素又は段階を除外しないものと、そのような除外が明確に記載されない限り理解されたい。さらに、本開示の「１つの実施形態」に対する言及は、記載された同じ特徴を組み込んださらなる実施形態の存在を除外すると解釈されることを意図していない。

本開示では特定の実施形態を参照しているが、添付の特許請求の範囲に定められる本開示の領域及び範囲から逸脱することなく、説明した実施形態に対する数々の修正、改変、及び変更が可能である。したがって、本開示は説明した実施形態に限定されず、また以下の特許請求の範囲の文言と、その均等例により定められる全範囲を含むことが意図されている。

Claims (7)

1. 電気的に絶縁したベースと、
   前記ベースの上面に配置され、ヒューズエレメント並びに前記ヒューズエレメントの相対する端部から延在する第１端子部及び第２端子部を有するバスバーであって、前記ヒューズエレメントは前記ベースの前記上面に形成されたキャビティの上に広がっている、バスバーと、
   前記ベースの上に配置された火工式電流断続器（ＰＩ）であって、前記ＰＩは、
   前記ヒューズエレメントの上方にあるシャフトの内部に配置されたピストンと、
   コントローラに結合された第１の火工式点火器であって、前記第１の火工式点火器は、前記コントローラから起動信号を受信すると、爆発して前記ピストンに前記ヒューズエレメントを貫通させるように構成される、第１の火工式点火器と、
   前記バスバーに一対のリード線で結合された第２の火工式点火器であって、前記第２の火工式点火器は、前記一対のリード線間の電圧が増加すると、爆発して前記ピストンに前記ヒューズエレメントを貫通させるように構成される、第２の火工式点火器と
   を有する、ＰＩと
   を備え、
   前記一対のリード線は、前記シャフトを通って、且つ、前記ピストンの経路を横切って延在し、前記一対のリード線は、前記第１の火工式点火器が爆発すると、又は、前記第２の火工式点火器が爆発すると、前記ピストンにより切断されるように構成される、能動／受動ヒューズモジュール。
2. 前記バスバーに前記ヒューズエレメントと電気的に並列に接続された、正の温度係数を持つ素子をさらに備える、請求項１に記載の能動／受動ヒューズモジュール。
3. 前記正の温度係数を持つ素子は、通常の動作温度範囲内で、前記ヒューズエレメントの抵抗値より大きい抵抗値を有する、請求項２に記載の能動／受動ヒューズモジュール。
4. 前記コントローラは、所定のイベントが発生すると、前記第１の火工式点火器に起動信号を送信するように適合される、請求項１から３のいずれか一項に記載の能動／受動ヒューズモジュール。
5. 前記ピストンは電気絶縁材料で形成される、請求項１から４のいずれか一項に記載の能動／受動ヒューズモジュール。
6. 前記第１の火工式点火器及び前記第２の火工式点火器は、前記シャフトの内部に並列して配置される、請求項１から５のいずれか一項に記載の能動／受動ヒューズモジュール。
7. 電気的に絶縁したベースと、
   前記ベースの上面に配置され、ヒューズエレメント並びに前記ヒューズエレメントの相対する端部から延在する第１端子部及び第２端子部を有するバスバーであって、前記ヒューズエレメントは前記ベースの前記上面に形成されたキャビティの上に広がっているバスバーと、
   前記ベースの上に配置された火工式電流断続器（ＰＩ）であって、前記ＰＩは、
   前記ヒューズエレメントの上方にあるシャフトの内部に配置されたピストンと、
   前記バスバーに一対のリード線で結合された火工式点火器であって、前記火工式点火器は、前記一対のリード線間の電圧が増加すると、爆発して前記ピストンに前記ヒューズエレメントを貫通させるように構成される、火工式点火器と
   を有する、ＰＩと
   を備え、
   前記一対のリード線は、前記シャフトを通って、且つ、前記ピストンの経路を横切って延在し、前記一対のリード線は、前記火工式点火器が爆発すると、前記ピストンにより切断されるように構成される、ヒューズモジュール。