Diode switch to short-circuit operated by heat

【発明の詳細な説明】 発明の背景 1. 発明の技術分野 本発明は電気ヒューズ、特に、熱により作動して短絡するダイオード・スイッチに関する。

以下に特定の実施例を参照して本発明を説明するが、本発明は説明に使用する実施例に限定されるものではないことを予め断っておく。 この技術分野で通常の技術力を有する者が本明細書を読めば、本発明の範囲内で本発明を様々に実施したり使用したりすることができることは言うまでもない。

2. 従来技術 直列に接続してあるバッテリー・セルの一つに欠陥がある場合に、短絡により欠陥のあるバッテリー・セルを除去する機能が望まれるが、このようにして導通経路を切り替える際に回路を流れる電流を中断してはならないことが極めて重要である。 例えば、通信衛星では揮発性処理回路機構に供給される電流が本の一瞬でも中断すると、基本的な動作能力が失われてしまい、回復不能になることもある。 衛星では本来的に重量に制限があるので、これも制約になる。 即ち、重量が制限されているので、電流維持装置を取り付けることはできない。 従って、バッテリー短絡機構自体が電流維持能力を有していなければならない。

従来のダイオード短絡ヒューズには電流の中断を確実に防止する能力がないという致命的な欠点がある。 例えば、米国特許第3,213,345号の装置では、ヒューズには弾性力により位置を変える弾性導線成分が設けられている。 この弾性導線成分が物理的に変位すると、所望の短絡接触が達成される。 短絡前の非導通状態では、弾性導線成分は温度に敏感な半田によりダイオード素子と電気的に接続されている。 接合材である半田が溶けて、導線成分がそれ自体の弾性力により横方向に変位する。 この時、装置の動作中に回路が瞬間的に切断される可能性がある。 この可能性は衛星のような厳しい物理的環境の下では更に増大する。 この装置に使用されている半田には流れる特性があり、導線成分には弾性力により変位する特性があるが、衛星では飛行により必然的に生じる激しい振動や、不規則な姿勢や、遠心力などにより半田や導線成分の特性がかなり変化してしまう可能性がある。 従って、物理機能の維持が重要な場合には、米国特許第3,
213,345号の装置を使用することはできない。

しかしながら、電流の流れを中断し易いこのような短絡装置の替わりに従来の構成のダイオード装置を用いることは好ましくない。 従来の構成のダイオード装置では位置の物理的な変化はないので電流の中断は確実に防止できるが、「短絡」機能は抵抗の低い順方向導通状態により達成される。 ところで、宇宙船では先にも述べたように使用可能な空間や重量に制約があり、従来の構成のダイオード装置ではバッテリーの迂回路に多数のダイオードを用いているために使用空間や重量が増大し、しかもダイオードが低抵抗状態であるとは言えパワーがダイオードにより多少消費されてしまうので、他の装備を除去するなどして宇宙船の装備と重量や空間との兼ね合いを考慮しなければならず、その結果、宇宙船の装備全体の性能が制限されてしまうことになる。

従って、電流の中断を確実に防止し、しかも短絡機能を有しているダイオード・スイッチが是非とも必要である。

発明の概要 本発明は従来の技術が有している以上に述べた欠点を解消するためになされたものであり、熱により作動して短絡するダイオード・スイッチが本発明により提供される。 本発明のダイオード・スイッチでは、熱に敏感な付属素子によりダイオードの短絡が達成されて自動的に導通経路が切り替わる。

本発明のダイオード・スイッチには半導体ダイオード素子が用いられている。 半導体ダイオード素子には第１及び第２の導線成分が固定されている。 両導線成分は固定されていて全然移動しないので、どのような動作環境でも電気の流れを中断させることがない。 導通によりダイオード素子の温度が上昇してダイオード・スイッチが作動すると、付属の短絡素子が両導線成分相互を直に接続してダイオード素子の迂回路を形成する。

本発明では、温度に応じて変形する感熱変形機構が用いられている。 感熱変形機構は作動すると第１の導線のカンチレバー片を変形させて第２の導線の対応片に接続させて、ダイオード素子を越えて架橋する接続経路を形成する。

図面の簡単な説明 図１に参考例を示す。 この参考例では、熱による短絡はダイオード素子の導通温度で溶けて流れ出してダイオード素子を覆う半田プリフォームにより達成される。

図２に実施態様を示す。 実施態様では、熱による短絡はカンチレバー状の導線片により達成される。 カンチレバー状の導線片は弧状のバイメタル部材である感熱変形機構により変形してダイオード素子を越えて架橋する接続経路を形成する。

図3aに本発明の短絡ダイオード・スイッチの動作特性を示す回路網の概略を示す。

図3bに従来の短絡ダイオード・スイッチの動作特性を示す回路網の概略を示す。

詳細な説明 I. 発明の原理 熱により作動して短絡する本発明のダイオード・スイッチは、固定されていて移動しない接続経路を有する複合ダイオード機構と、このダイオード機構に組み合わされた短絡機構とを備えている。 ダイオード機構自体は半導体ダイオード素子と、２本の導線機構とを有している。
両導線機構は一方がダイオード素子の第１の接点形成領域に接続されていて、他方がダイオード素子の第２の接点形成領域に接続されている。 接続経路が固定されていて移動しないという特性は、両導線機構がダイオード素子に移動しないように固定されているという特徴より生じるものである。

ダイオード機構は順方向にバイアスされると導通し、予め設定しておくことのできる導通領域の温度になるまで温度が上昇する。 このダイオード機構に組み合わされている短絡機構は、一般にダイオード機構の温度に応答するように構成されている。 ダイオード素子が導通し始めるときに短絡することが望ましいので、ダイオード機構の温度が特定の導通領域に到達したときに短絡機構の短絡機能が作動するように構成されている。 即ち、所定の温度になると、短絡機構が作動して両導線機構が接続されることにより短絡が生じ、迂回路が形成される。

II. 従来の機構についての注意 従来のダイオード・アセンブリを使用して、本発明の実施態様を様々に実現することができることを予め断っておく。 図１に断面を示した参考例に基づく複合ユニットであるダイオード・スイッチ100は、以下に説明する素子110を除いて、商業的に入手可能な装置を本発明の実施に適用した例である。 ダイオード・スイッチ100として図示したユニットは、米国陸海軍共通部品番号第1N63
04号〜第1N6306号と指定することができるもので、例えば、（米国）マサチューセッツ州レキシントンのユナイトロード・コーポレーション社で入手可能な一連のダイオード・コンポーネントである。 このようなユニットには、半導体ダイオード・ウェーハ120が含まれている。
この半導体ダイオード・ウェーハ120は、図示していないが第１及び第２の接点形成領域を本来的に有している。 第１の接点形成領域には半田153により第１の導線機構130が固定されていて、第２の接点形成領域には半田158により第２の導線機構140が固定されている。 このようにして形成されたダイオード素子と導線との接続部は決して移動しない。 即ち、破壊のような極限状態を除いて、通常の切り替え動作では接続部の一般的な形状が変形することはない。

半田153及び158は導体なのであるから、対応する導線機構130及び140の動作部とみなすことができる。 更に、両導線機構はダイオード・ウェーハと共に本発明のダイオード機構を構成している。

導線機構140は金属ベース145を有している。 この金属ベース145にはケース160が取り付けられている。 ケース16
0は側壁163と、絶縁セグメント165と、ピンチ管167とを有している。 導線機構130は端部170がピンチ管167により保持されている。 金属ベース145は一般にネジ・スタッド147のヘッドで構成されている。 ネジ・スタッド147
はこの複合アセンブリ（ダイオード・スイッチ）を外部構造に取り付ける際に用いられる。

本発明を実施する際には、以上に述べた標準的なユニットを用途に合わせて様々に修整しなければならないことを予め断っておく。 例えば、ケース160と金属ベース145
により感熱機構及びダイオード素子の複合アセンブリを収容するハウジング180が構成されているので、このハウジングがある程度熱を遮断して内部の感熱機構及びダイオード素子を熱から保護する環境を形成するように設計しておくとしばしば有利である。 断熱は、ケース160
の金属部を公知の適切なエポキシ組成物に置き換え、ベース140と図示していない取り付け面との間に、或いはベース140と半田158が選択的に形成される図示していない導体ワッシャとの間にさえも、適切な形状のセラミック性又はガラス繊維性のワッシャを挿入する従来の手段により達成することができる。

導線機構の構成要素のうちでベース145やスタッド147のような熱を伝える要素を少なくすれば、断熱性能を更に高めることができる。 しかし、特定の電気伝導要件を満たさなければならないので、むやみに熱伝導性要素を少なくすることはできない。 即ち、特定の電気伝導要件を満たし、しかも半田付けによる接続端170の外部への接続や、推進機構によりホスト衛星に戻る際に生じる発熱などの過渡的な現象に曝されているときに熱の伝導を抑えて内部を保護できるように、この矛盾した両要件の兼ね合いを考慮して適切に設計しなければならない。 同様に、ここに例示する装置の全体的な特性は、用途に応じた動作要件に従って適宜設定しなければならないことは言うまでもない。

断熱ハウジングという考えは、従来のハウジングの考えに反していることに注意されたい。 従来では、ハウジングの熱伝導性を高めて放熱しやすくしている。 ダイオード機構全体にパルス状の電流を供給する典型的な動作状況では、放熱特性を高めることにより、装置の温度と電流との両者の相乗効果で周期的に上昇していく温度の影響を緩和して、装置の完全性を維持している。 従来のダイオード・スイッチ・ユニットでは、適切に形成されたベースとスタッドとのアセンブリの放熱による温度上昇遅延特性により熱伝導性ハウジングの放熱機能を補うように設計されていることに注意されたい。

しかしながら、本発明のように電流が最初に流れるときに短絡して迂回路を形成することを目的とする装置では、パルス状電流の影響をなくすことは一般に重要ではない。 むしろ温度を上昇させて熱により作動して短絡する機能を積極的に誘発することが重要である。 本発明では、電流により生じる熱を断熱ハウジングで蓄積することにより、温度上昇の効率を高めている。

以上に述べた従来の標準的な装置に温度により作動してダイオード素子を短絡させる素子を付け加えることにより本発明を実施することができる。 このような短絡機構として２種類の例を以下に説明する。

III. 短絡機構 A. 半田プリフォーム 短絡機構の最初の例として半田プリフォームを説明する。 ダイオード機構が導通状態にある時の温度で溶ける半田プリフォームをダイオード機構が発生する熱に感応するように取り付ける。 このとき、溶け出した半田プリフォームがダイオード機構を覆って２本の導線機構を接続するように注意して設定する。

図１に示した参考例では、素子110が半田プリフォームである。 半田プリフォーム110は温度感応及び溶融接続の両要件を満たすように取り付けられている。 半田プリフォーム110の組成は、適用条件を考慮して経験的に得られるものである。 例えば、導線機構130及び140をダイオード素子120は共融接合してからハウジング180に半田プリフォーム110を挿入する場合を考えてみる。 この場合には、半田153及び158を物理的に完全なまま維持しておくために、即ち、半田153及び158が溶けて装置が故障してしまう前に、半田プリフォーム110が必ず先に溶けなければならないので、半田プリフォーム110は半田153
及び158の溶融温度よりもかなり低い温度で溶融する半田で形成しなければならない。 また、半田プリフォーム
110の溶融温度をダイオード素子120の破壊温度よりもかなり低く設定して、ダイオード素子の不純物拡散が悪影響を及ぼすことのないようにしなければならない。 プリフォーム用の半田は以上に述べた要件を満たさなければならない。 以上の要件を満たす半田の一例としては、溶融温度が約190℃で40％の鉛と60％の錫からなる半田を挙げることができる。

半田プリフォーム110は図１に示すように第１の導線機構130の近くに配置することが好ましい。 第１の導線機構130と半田プリフォーム110とダイオード機構全体を相互に適切に配置すると、導通により発生した熱で溶けた半田プリフォーム110を毛細管現象により必ずダイオード機構に向かって流れるようにすることができる。 毛細管現象により生じる溶融半田の流れの方向は、スイッチの向きや、スイッチに加えられる外部の力とは無関係である。

スイッチ100の第１の導線機構130は、縦断面がＴ字形状をしている釘型部材であり、Ｔ字の横の棒の部分に当たる第１の部分133とＴ字の縦の棒の部分に当たる第２の部分138とからなる。 共融接合手段である半田153によりダイオード素子120に物理的に接触しているのは、第１
の部分133である。 このような構成の導線機構と一緒に使用できるように、半田プリフォーム110は軸方向に延びて第２の部分138を収容する軸部118を有している。 第２の部分138は、半田プリフォーム110が有している軸方向に延びる軸部118に収容されている。 半田プリフォーム110は軸部118が第２の部分138を収容するように第１
の導線機構130に隣接して取り付けられている。 第２の部分138は通常断面が円形であり、半田プリフォーム110
は内周が第２の部分138の外周に一致した管状に形成されている。

半田プリフォーム110はピンチ管167と第２の部分138とによりしっかりと挟まれているので、半田プリフォーム
110を固定するための手段を特に設ける必要はない。 半田プリフォーム110は接続端170の近くに設けられているので、コネクタを接続端170に半田付けしている際に、
半田プリフォーム110が溶けてしまわないように何らかの適切な手段を講じておくことが好ましい。 先にも述べたように第２の部分138と接続端170とに熱を伝えにくい材料を使用することの他に、熱の分路を設けて不要な熱が半田プリフォーム110の領域に伝わらないようにしても良い。

B. 変形するカンチレバー接点 短絡機構の第２の例として、図２を参照しながら、一方の導線機構のカンチレバー状延長部と共に作動する感熱変形機構を説明する。 感熱変形機構により一方の導線機構のカンチレバー状延長部が変形して対応する他方の導線機構に接続され、これによりダイオード素子を越えて架橋する迂回接続経路が形成される。

図２に示したダイオード・スイッチ200は図１のダイオード・スイッチ100とほぼ同じ構成要素からなっているので、以下では図１のダイオード・スイッチ100とは異なる構成要素のみを説明する。

第１の導線機構230は第１のダイオード接触部233を有しており、第２の導線機構240は第２のダイオード接触部2
43を有している。 第１のダイオード接触部233は半導体ダイオード素子220の第１の接点形成領域に当接しており、第２のダイオード接触部243は半導体ダイオード素子220の第２の接点形成領域に当接している。 第１のダイオード接触部233は共融半田253によりダイオード素子
220に接続されていて、第２のダイオード接触部243は半融半田自体で形成されていることが好ましい。

第１のダイオード接触部233は第１の迂回路形成部235を有していて、第２のダイオード接触部243は第２の迂回路形成部245を有している。 後に詳しく説明するように、ダイオード素子220と、第１及び第２のダイオード接触部233及び243と、両迂回路形成部235及び245とは、
両迂回路形成部235及び245が相互に離隔していて、未だに架橋されていない状態に維持されるように、相互に構成されている。

ダイオード素子220に接触している第１のダイオード接触部233のうちで、ダイオード素子220からはみ出している部分が第１の迂回路形成部235である。 このはみ出している第１の迂回路形成部235がカンチレバー延長部である。 第１の迂回路形成部235はカンチレバー延長部として変形可能な性質を有していなければならない。 後に説明する感熱変形機構210によりこの第１の迂回路形成部235が選択的に変形すると、ダイオード素子220の周囲に両迂回路形成部235及び245により形成されている空間
255が架橋され、ダイオード素子を迂回する電気接続経路が形成される。

スイッチ200は、第１の迂回路形成部235に作用する作用面を有している。 この作用面としてスイッチのどの部分を使用するかは、どのような感熱変形機構を採用するかによって決まる。 例えば、図２に示した感熱変形機構21
0ではケース260の基準部261を作用面として用いることが好ましい。

感熱変形機構210は短絡機構の感熱部として機能する。
感熱変形機構210は作用面261とカンチレバー状の第１の迂回路形成部235との間に配置されていて、ダイオード機構の温度、特に、両迂回路形成部近傍の温度が導通領域に至ると作動する。 感熱変形機構210は、作動するとカンチレバー状の第１の迂回路形成部235を押し曲げて、これを第２のダイオード接触部243の第２の迂回路形成部245に接触させて、ダイオードを迂回する電気接続経路を形成する。

このように感熱変形機構210と、カンチレバー状の第１
の迂回路形成部235と、第２の迂回路形成部245との協働作用により短絡が生じて、ダイオードを迂回する電気経路が形成される。 即ち、ここに述べた短絡機構の第２の例はこれらの３種類の要素で構成されている。

短絡機構の第２の例の特徴を以下に詳しく説明する。 ケース260の基準部261で形成されている作用面は、離隔した状態で第１のダイオード接触部233に面していることが好ましい。 このような作用部との関連で、感熱変形機構210を弧状のバイメタル部材で構成し、凹面が第１のダイオード接触部233に向くように配置することが好ましい。

弧状部材は一端が作用面261に当接する中央の作用部211
で、他端がカンチレバー部として延出している第１の迂回路形成部235に当接して最終的に押圧する押圧部212である。 第１の迂回路形成部235が折れ曲がって第２の迂回路形成部245に接触するように、押圧部212と第１の迂回路形成部235との接点は、ダイオード素子220から十分に離隔している。

作用部211を図示の例のように配置する替わりに、第１
のダイオード接触部233に当接させても良いし、ケースの側壁263に当接させても良い。 作用部211を第１のダイオード接触部233に当接させた場合には、第１のダイオード接触部233が作用面として機能し、作用部211をケースの側壁263に当接させた場合には、側壁263が作用面として機能する。 作用部211を第１のダイオード接触部233
に当接させた場合には、感熱変形機構210の凹面を第１
のダイオード接触部233に面して配置し、作用部211をケースの側壁263に当接させた場合には、感熱変形機構210
の凹面を側壁263に面して配置する。

弧状のバイメタル部材で形成されている感熱変形機構21
0は、基本的に通常の性質を有しているもので、外側の弧を形成する板状部材213は内側の弧を形成する板状部材216よりも熱膨張率が大きいものを利用する。 両板状部材の熱膨張係数の違いにより、感熱変形機構210は温度が上昇すると曲率が変化する。 曲率の変化は固定作用面261の支持作用の助けにより所望の曲げ力を第１の迂回路形成部235に及ぼす。

本発明を実施する際には、本発明の装置を適用する環境の下で感熱変形機構210が適切に作動するように、両金属板の熱膨張率の差及び両金属板の熱反応特性を適切に設定しなければならない。 熱膨張率の差と熱反応特性を適切に設定するための要因としては、使用するダイオード機構が導通により発生する熱、導通から短絡までの所望の反応時間、様々な切り替え構成要素の実際の物理的寸法の３点を挙げることができる。

第１の導線機構230が図示のようにほぼＴ字形状をしていて、Ｔ字の横の棒の部分が第１のダイオード接触部23
3を構成する第１の部分である。 Ｔ字の縦の棒の部分が縦に延びる第２の部分238である。 第１のダイオード接触部233とカンチレバーの第１の迂回路形成部235は、第２の部分238を中心に対称である。

第１の導線機構230がＴ字形状をしている場合、感熱変形機構210を椀形状にして、第２の部分238を中心に対称に配置しても良い。

カンチレバー状の第１の迂回路形成部235には、第２のダイオード接触部243の第２の迂回路形成部245に向かって折り曲げられている屈曲部236を予め設けておいても良い。 このような構成にすることにより、屈曲部236が形成されていない場合に比べて、第１の迂回路形成部23
5の端部237を第２の迂回路形成部245の近傍に配置することができるので、導通から短絡までの時間を短くすることができる。 これに対して、屈曲部236が形成されていない場合には、端部237と第２の迂回路形成部245との間はダイオード素子220の厚さと共融半田接合部の厚さとにより決まる距離だけ相互に離隔してしまうので、導通から短絡までの時間が掛かってしまうことにる。

ダイオード素子と両接続部はどのような形状にしても構わないが、図示のように実質的に平坦であることが好ましい。 平坦な構成とした場合には、３種類の各構成要素はそれぞれが平坦面に沿って所定の長さを有していることが好ましい。 即ち、既に述べたダイオードの迂回路を考慮して、第１のダイオード接触部233の長さE1と、第２のダイオード接触部243の長さE2が、共にダイオード素子220の長さE3よりも長く、これら３要素が図示のように配置されていることが好ましい。 また、第２の迂回路形成部245がダイオード素子220の長さE3を越えて延びる延長片とすることが好ましい。

IV. 実際の動作特性 図3a及び図3bに熱で作動する２種類のダイオード・スイッチの実際の動作特性を示す概略図を比較のために示す。 図3aは本発明の装置を示しており、図3bは米国特許第3,213,345号に示されているような従来の短絡スイッチを示している。 図3aの装置ではダイオード310は主回路に通じる経路350に常に接続されている。 電流は短絡迂回路スイッチ315の状態には無関係に常に流れている。 これに対して、図3bの装置にはダイオード320と短絡迂回路スイッチ325の他に、「不確定スイッチ」321が存在している。 この不確定スイッチ321は、ある状況の下では、スイッチ325が閉じる前に開いてしまうので、
主回路に通じる経路360を流れる電流を止めてしまうことがある。

V. 請求の範囲について 以上に本発明を適用した好ましい実施態様を例示して本発明を説明した。 当業者であれば添付の請求の範囲に記載されている本発明の趣旨及び範囲を逸脱しないで本発明を種々様々に修整や変更をすることができることは言うまでもない。

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