KR101207581B1 - 과전류 차단 기능을 갖는 반복형 퓨즈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기준치 보다 높은 과전류가 인가되어 특정 임계 온도 보다 높아지면 정특성 서미스터는 전기저항이 증가되고 메인 스프링은 신장되며, 상기 메인 스프링의 인장력에 의해 스핀들이 하우징의 타측 방향으로 이동되어 제1 리드 단자와 전기적으로 단락됨으로써 제2 리드 단자와 상기 제1 리드 단자 사이의 전류 흐름이 지속적으로 차단되고, 상기 과전류가 사라지면 상기 정특성 서미스터는 냉각되고 상기 메인 스프링은 인장력이 감소됨으로써 상기 스핀들이 상기 하우징의 일측 방향으로 이동되어 상기 제1 리드 단자와 전기적으로 접속되어 정상상태로 복귀되는 과전류 차단 기능을 갖는 반복형 퓨즈에 관한 것이다.

Description

과전류 차단 기능을 갖는 반복형 퓨즈{Repeatable fuse for preventing over-current}
본 발명은 정특성 서미스터(positive temperature coefficient thermistor)가 구비된 반복형 퓨즈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 과전류에 의하여 정특성 서미스터가 자체발열(self-heating)하면서 특정 임계 온도 이상으로 상승하게 되면 전기저항이 급격하게 증가되어 전류의 흐름이 계속 제한됨으로써 전원 공급을 지속적으로 차단할 수 있고 과전류가 사라지게 되면 정특성 서미스터가 냉각되면서 정상 상태의 전류 흐름으로 복귀되는 과전류 차단 기능을 갖는 반복형 퓨즈에 관한 것이다.
일반적으로 전기를 이용하는 모든 전기전자 제품은 항상 회로 내 비정상적인 과전류나 외부 과열원인에 의한 과열에 따른 사고 발생 가능성이 내재되어 있다. 종래에는 이를 예방하기 위하여, 과전류가 흐르면 전류로 발생하는 열에 의해 용융되어 절단되는 물질로 형성된 일회용 퓨즈를 사용하였다. 이러한 일회용 퓨즈는 가격이 저렴하지만 재사용이 불가능하여 사용한 후 새로운 퓨즈로 교체해야 하기 때문에 교체에 따른 비용이 크다는 단점이 있었다. 이를 해결하기 위하여 일회용 퓨즈 대신 열팽창계수가 다른 이종의 금속판을 접합한 바이메탈 써멀 스위치를 사용하였으나, 바이메탈 써멀스위치는 단지 접점의 기능을 수행하며 온도에 따른 작동 편차가 클 뿐만 아니라 리미트 스위치 등과 같은 별도의 장치가 요구되는 문제점이 있다.
한편, 최근 전자기기는 주로 인쇄회로기판의 표면실장화에 따라 퓨즈 역시 표면실장이 가능한 퓨즈가 요구되고 있다. 하지만, 종래 기술에 따른 일회용 퓨즈는 표면실장 과정에서 솔더링을 위해 약 270℃ 이상의 온도가 필요하므로 퓨즈 본래의 특성으로 인해 용융되어 표면실장이 불가능하다. 물론, 바이메탈 써멀 스위치는 이러한 문제를 해결할 수 있으나, 과도한 부품 크기와 솔더링 온도에 의한 열화 가능성으로 인하여 표면실장하는 것이 곤란하다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 연속 사용이 가능하고 표면실장화 할 수 있는 탄성부재, 예를 들면 형상기억합금 재질의 탄성부재를 이용하여 전원 차단 및 상기 전원 차단 상태의 해제를 자동적으로 실시할 수 있으며, 형상기억합금 재질의 탄성부재의 온도 편차가 적어서 높은 신뢰도를 지닌 반복형 퓨즈가 개발되었다.
그러나, 전류 또는 전압이 불안정한 상황에서, 반복형 퓨즈가 전원을 차단하고, 회로 등이 아직 충분히 냉각되지 않은 상태에서 상기 전원 차단 상태를 자동적으로 해제하는 과정을 반복하게 되면, 결국 반복형 퓨즈 자체에서 이상이 발생하거나 또는 전기전자 제품의 회로 과열 등과 같은 이상이 발생하게 되고, 이는 결국 전기전자 제품의 화재나 고장 발생으로 연결되는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-1017995호 대한민국 등록특허 제10-0912215호 대한민국 등록특허 제10-1017996호
본 발명이 해결하려는 과제는 과전류에 의하여 정특성 서미스터가 자체발열(self-heating)하면서 특정 임계 온도 이상으로 상승하게 되면 전기저항이 급격하게 증가되어 전류의 흐름이 계속 제한됨으로써 전원 공급을 지속적으로 차단할 수 있고 과전류가 사라지게 되면 정특성 서미스터가 냉각되면서 정상 상태의 전류 흐름으로 복귀되는 과전류 차단 기능을 갖는 반복형 퓨즈를 제공함에 있다.
본 발명은, 내부공간이 구비된 하우징과, 상기 하우징 일측에 배치되는 제1 리드 단자와, 상기 하우징 타측에 배치되는 제2 리드 단자와, 상기 하우징 내부에 배치되어 상기 제1 리드 단자와 전기적으로 단속(斷續)되며 상기 제2 리드 단자와 전기적으로 접속되는 스핀들과, 상기 제1 리드 단자와 스핀들 사이에 구비되고 상기 제1 리드 단자와 상기 스핀들을 전기적으로 단락시키기 위한 메인 스프링과, 상기 스핀들과 상기 제2 리드 단자 사이에 구비되고 상기 제1 리드 단자와 상기 스핀들을 전기적으로 단속하기 위한 바이어스 스프링과, 상기 하우징의 내부 일측에 삽설되고 상기 제1 리드 단자 및 상기 하우징에 접속되거나 상기 제1 리드 단자 및 상기 메인 스프링에 접속되는 정특성 서미스터를 포함하며, 상기 정특성 서미스터는 특정 임계 온도 보다 높아지면 전기저항이 커지는 정온도계수 소자를 포함하며, 기준치 보다 높은 과전류가 인가되어 특정 임계 온도 보다 높아지면 상기 정특성 서미스터는 전기저항이 증가되고 상기 메인 스프링은 신장되며, 상기 메인 스프링의 인장력에 의해 상기 스핀들이 상기 하우징의 타측 방향으로 이동되어 상기 제1 리드 단자와 전기적으로 단락됨으로써 상기 제2 리드 단자와 상기 제1 리드 단자 사이의 전류 흐름이 지속적으로 차단되고, 상기 과전류가 사라지면 상기 정특성 서미스터는 냉각되고 상기 메인 스프링은 인장력이 감소됨으로써 상기 스핀들이 상기 하우징의 일측 방향으로 이동되어 상기 제1 리드 단자와 전기적으로 접속되어 정상상태로 복귀되는 과전류 차단 기능을 갖는 반복형 퓨즈를 제공한다.
상기 정특성 서미스터는, 상기 제1 리드 단자와 접속되는 제1 전극과, 상기 하우징과 접속되는 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 구비되고 특정 임계 온도 보다 높아지면 전기저항이 커지는 정온도계수 소자를 포함할 수 있다.
상기 정특성 서미스터는, 상기 제1 리드 단자와 접속되는 제1 전극과, 상기 하우징과 접속되는 제2 전극과, 상기 메인 스프링과 접속되는 제3 전극, 및 상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 제3 전극 사이에 구비되고 특정 임계 온도 보다 높아지면 전기저항이 커지는 정온도계수 소자를 포함할 수 있다.
상기 정특성 서미스터는, 상기 제1 리드 단자와 접속되는 제1 전극과, 상기 메인 스프링과 접속되는 제3 전극, 및 상기 제1 전극과 상기 제3 전극 사이에 구비되고 특정 임계 온도 보다 높아지면 전기저항이 커지는 정온도계수 소자를 포함할 수 있다.
상기 정온도계수 소자는 BaTiO3계 세라믹 재질로 이루어질 수 있다.
상기 정온도계수 소자는 도전성을 갖는 금속 입자들이 폴리머 매트릭스 내에 분포되어 형성된 폴리머 재질로 이루어질 수 있다.
상기 정온도계수 소자는, 상기 스핀들이 왕복 이동되는 통로를 제공하는 개구부가 중심부에 구비된 링 구조를 가질 수 있으며, 상기 제1 전극은 상기 정온도계수 소자의 정면에 형성되고, 상기 제3 전극은 상기 정온도계수 소자의 배면에 형성되며, 상기 정온도계수 소자의 측면에는 상기 제1 전극과 상기 제3 전극 간의 쇼트를 방지하기 위한 절연체가 구비되어 있을 수 있다.
상기 과전류 차단 기능을 갖는 반복형 퓨즈는, 상기 제1 리드 단자가 위치된 상기 하우징의 일측 내부에 위치되고, 상기 제1 리드 단자의 전체 영역 중 상기 하우징의 일측 내부에 삽입된 영역의 일부를 감싸되 상기 제1 리드 단자가 상기 스핀들과 전기적으로 접속되는 영역 이외의 영역을 감싸도록 구비되며, 상기 하우징과 상기 제1 리드 단자가 전기적으로 접속되는 것을 방지하기 위한 절연체로 이루어진 세라믹블럭을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 리드 단자는 길게 뻗어 있는 막대 모양의 핀과 상기 핀의 일단에 구비된 넓게 퍼진 판 모양의 접속판을 포함하는 압정형 구조를 가질 수 있으며, 상기 제1 전극은 상기 제1 리드 단자의 접속판과 접속되고, 상기 제1 전극과 반대쪽에 구비된 상기 제3 전극은 상기 메인 스프링과 접속을 이룰 수 있다.
상기 과전류 차단 기능을 갖는 반복형 퓨즈는, 상기 제1 리드 단자가 위치된 상기 하우징의 일측 내부에 위치되고 상기 하우징과 상기 제1 리드 단자가 전기적으로 접속되는 것을 방지하면서 상기 제1 리드 단자를 고정하기 위한 절연체로 이루어진 세라믹블럭을 더 포함할 수 있으며, 상기 세라믹블럭에는 상기 제1 리드 단자의 일부가 안착되는 도랑 또는 트렌치(trench) 모양의 단턱부가 구비되며, 상기 제1 리드 단자는 배터리의 플러스(+) 단자와 용이하게 접속되기 위하여 판형의 스트랩(strap)부와 상기 스트랩부의 일단에 구비된 넓게 퍼진 판 모양의 접속부를 포함하는 구조를 가지며, 상기 단턱부에 안착된 상기 제1 리드 단자의 상부에는 절연체가 구비될 수 있다.
상기 하우징은 사각 박스형 구조를 가질 수 있으며, 상기 정온도계수 소자는, 상기 스핀들이 왕복 이동되는 통로를 제공하는 개구부가 중심부에 구비된 사각 박스형 또는 링형 구조를 가질 수 있고, 상기 제1 전극은 상기 정온도계수 소자의 정면에 형성되고, 상기 제3 전극은 상기 정온도계수 소자의 배면에 형성되며, 상기 정온도계수 소자의 측면에는 상기 제1 전극과 상기 제3 전극 간의 쇼트를 방지하기 위한 절연체가 구비되어 있을 수 있다.
상기 메인 스프링은 형상기억합금으로 이루어지고 상기 제1 리드 단자와 전기적으로 단락되어 있으며, 상기 바이어스 스프링은 도전성 스프링으로 이루어지며, 기준치 보다 높은 과전류가 인가되어 전이온도 보다 높을 경우에 상기 메인 스프링의 인장력은 상기 바이어스 스프링의 인장력보다 커서 상기 스핀들이 상기 제2 리드 단자 방향으로 이동되어 상기 제1 리드 단자와 상기 스핀들은 전기적으로 단락되며, 과전류 원인이 사라져 상기 정특성 서미스터가 냉각되거나, 외부과열 열원이 사라질 경우 상기 메인 스프링의 인장력은 상기 바이어스 스프링의 인장력보다 작아 상기 스핀들은 상기 바이어스 스프링의 인장력에 의해 상기 제1 리드 단자 방향으로 이동하려는 힘을 받는다.
본 발명에 의하면, 과전류에 의하여 정특성 서미스터가 자체발열(self-heating)하면서 특정 임계 온도 이상으로 상승하게 되면 전기저항이 급격하게 증가되어 전류의 흐름이 계속 제한됨으로써 전원 공급을 지속적으로 차단할 수 있고, 따라서 회로 등의 과전류나 과열에 의한 전기전자 제품의 화재나 고장 발생을 억제할 수 있다.
또한, 과전류가 사라지게 되면 정특성 서미스터가 냉각되면서 정상 상태의 전류 흐름으로 복귀되며, 정상 상태의 전류 흐름으로 복귀되는 경우에 있어 정특성 서미스터가 냉각되는 시간 만큼 시간이 지연되게 되고, 따라서 회로 등이 충분히 냉각된 상태에서 상기 전원 차단 상태를 자동적으로 해제하는 과정이 수행됨으로써, 반복형 퓨즈 자체에서 이상이 발생하는 현상이 억제될 뿐만 아니라 전기전자 제품의 회로 과열 등과 같은 현상이 억제되게 되며, 따라서 전기전자 제품의 화재나 고장 발생을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 예에 따른 반복형 퓨즈를 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4는 일 예에 따른 정특성 서미스터를 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 예에 따른 반복형 퓨즈를 도시한 도면이다.
도 7은 다른 예에 따른 정특성 서미스터를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 예에 따른 반복형 퓨즈의 분해 사시도이다.
도 9는 정특성 서미스터의 온도에 따른 저항 특성을 보여주는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 예에 따른 반복형 퓨즈를 도시한 도면이다.
도 11은 정특성 서미스터를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 예에 따른 반복형 퓨즈의 하우징을 도시한 도면이다.
도 13은 제1 리드 단자, 세라믹블럭 및 정특성 서미스터를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 예에 따른 반복형 퓨즈를 도시한 도면이고, 도 3 및 도 4는 일 예에 따른 정특성 서미스터(positive temperature coefficient thermistor)를 도시한 도면이며, 도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 예에 따른 반복형 퓨즈를 도시한 도면이고, 도 7은 다른 예에 따른 정특성 서미스터(positive temperature coefficient thermistor)를 도시한 도면이며, 도 8은 본 발명의 일 예에 따른 반복형 퓨즈의 분해 사시도이고, 도 9는 정특성 서미스터의 온도에 따른 저항 특성을 보여주는 그래프이다.
도 1 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반복형 퓨즈는 내부공간이 구비된 하우징(100)과, 하우징(100)의 일측에 배치되는 제1 리드 단자(110)와, 하우징(100)의 타측에 배치되는 제2 리드 단자(120)와, 하우징(100) 내부에 배치되어 제1 리드 단자(110)와 전기적으로 단속(斷續)되며 제2 리드 단자(120)와 전기적으로 접속되는 스핀들(130)과, 하우징 내부에 설치되어 스핀들(130)과 연결되며 제1 리드 단자(110)와 스핀들(130)을 전기적으로 단속(斷續)시키는 탄성 부재인 메인 스프링(140) 및 바이어스(Bias) 스프링(150)과, 하우징(100)의 내부 일측에 삽설되어 제1 리드 단자(110)와 하우징(100)에 접속되거나 제1 리드 단자(110)와 메인 스프링(140)에 접속되는 정특성 서미스터(positive temperature coefficient thermistor)(160)를 포함한다. 이때, 제1 리드 단자(110)를 고정시키며 하우징(100)의 내부를 밀봉 처리하는 비전도성 방수 접착부(102)가 더 포함될 수 있다.
하우징(100)은 내부 공간을 갖고 길이 방향으로 연장 형성된 박스 형상으로, 그 내부에 스핀들(130), 메인 스프링(140) 및 바이어스 스프링(150)을 수납하여 보호한다. 또한, 하우징(100)의 내부 일측에는 제1 리드 단자(110)와 하우징(100)에 접속되거나 제1 리드 단자(110)와 메인 스프링(140)에 접속되는 정특성 서미스터(160)가 구비된다. 하우징(100)의 일 측과 타 측에는 개구부(104, 106)가 형성되며, 하우징(100)의 일 측에 형성된 제1 개구부(104)에는 제1 리드 단자(110)가 삽입되어 위치되고, 하우징(100)의 타 측에 형성된 제2 개구부(106)에는 제2 리드 단자(120)가 삽입되어 위치될 수 있다. 하우징(100)은 절연물질 또는 전도성 물질로 형성될 수 있으나, 본 실시예에 따른 반복형 퓨즈의 하우징(100)은 제2 리드 단자(120)와 접하여 전기적으로 접속될 수 있으므로, 전도성 물질로 형성되는 경우를 예로 들어 설명한다. 물론, 실시 형태에 따라 비전도성 물질로 형성될 수도 있다. 하우징(100)은 길이 방향과 수직한 단면이 원형, 타원형, 다각형 등으로 형성될 수 있어서 원형 박스, 타원형 박스, 다각형 박스 등의 다양한 형상을 가질 수 있다. 본 실시예에서는 길이 방향과 수직한 단면이 원형을 이루는 실린더형 하우징(100)을 예시한다.
제1 리드 단자(110)는 전기적 연결을 위한 수단으로서, 예를 들면 제2 리드 단자(120)로부터 인가받은 전류를 전기전자 소자에 전달하며, 전도성 물질 재질을 포함하여 구성되어 있다. 제1 리드 단자(110)는 하우징(100) 일측에 마련되는데, 본 실시예에서는 원형 박스 형상의 하우징(100)의 일단에 배치되어 있다. 이때 제1 리드 단자(110)는 하우징(100)의 일측을 관통하여 삽입된 형태로 배치될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 하우징(100) 일측에 이격되어 배치될 수도 있다. 즉, 스핀들(130)이 이동하여 제1 리드 단자(110)와 접속 또는 단락할 수 있는 위치라면 어떠한 위치에서도 배치하는 것이 가능하다.
제2 리드 단자(120)는 외부 전원을 인가받거나 전원과 연결되는 구성요소로서, 전도성 물질을 포함하여 구성되어 있다. 제2 리드 단자(120)는 제1 리드 단자(110)와 일정한 거리만큼 이격되어 배치되는데, 본 실시예에서는 원형 박스 형상의 하우징(100)에서 제1 리드 단자(110)가 형성된 일단과 반대 방향에 위치한 타단에 형성된다. 제2 리드 단자(120)는 하우징(100) 또는 별도의 연결부재(미도시) 등을 통해 메인 스프링(140) 또는 바이어스 스프링(150)과 전기적으로 접속되어 있으며, 이를 통해 다시 스핀들(130)과 전기적으로 접속되어 있다. 예를 들면, 하우징(100)이 전도성 물질로 구성되고 메인 스프링(140) 또는 바이어스 스프링(150)이 하우징(100)의 내면과 접하는 경우에는 제2 리드 단자(120)는 하우징(100)을 통해 전기적으로 접속하게 된다. 그리고, 메인 스프링(140) 또는 바이어스 스프링(150)은 스핀들(130)과 연결되어 전기적으로 접속할 수 있다. 제2 리드 단자(120)는 본 실시예에서 원주 형상으로 구비되어 있으나 이에 한정되지 않고, 전기적으로 접속 가능한 어떠한 형상이라도 무방하다.
제1 리드 단자(110)는 스핀들(130)을 통해 제2 리드 단자(120)와 전기적으로 접속 또는 단락하게 된다. 제1 리드 단자(110)는 스핀들(130)을 통해서 제2 리드 단자(120)와 전기적으로 접속되므로, 제2 리드 단자(120)와 전기적으로 접속된 하우징(100)과는 절연되어 배치된다. 이를 위해, 제1 리드 단자(110)가 배치되는 하우징(100)의 일측을 개구 형상으로 하여 하우징(100)과 제1 리드 단자(110)를 이격시키거나, 제1 리드 단자(110)가 지나가는 하우징(100)의 내주면에 절연물을 코팅하여 형성할 수도 있다. 또한, 하우징(100)과 제1 리드 단자(110) 사이에 정특성 서미스터(160)가 배치됨으로써 제1 리드 단자(110)는 하우징(100)과 절연될 수 있다.
정특성 서미스터(160)는 제1 리드 단자(110)가 위치된 하우징(100)의 일측 내부에 위치되며, 제1 리드 단자(110)의 전체 영역 중 하우징(100)의 일측 내부에 삽입된 영역의 일부를 감싸도록 하는 것이 효과적이다. 물론, 정특성 서미스터(160)는 제1 리드 단자(110)가 스핀들(130)과 전기적으로 접속되는 영역 이외의 영역을 감싸는 것이 바람직하다. 정특성 서미스터(160)는 하우징(100)의 내부에서 고정될 수 있도록 하우징(100)의 일측 내부 영역에 대응되도록 형성될 수 있다. 이때, 정특성 서미스터(160)가 삽입되는 영역의 하우징(100) 내부를 단턱지게 하여 정특성 서미스터(160)가 소정위치까지 삽입되면 고정되도록 할 수 있다. 한편, 이와 같이 정특성 서미스터(160)가 구비될 경우, 정특성 서미스터(160)에 삽입된 제1 리드 단자(110)에는 정특성 서미스터(160)와의 이탈을 방지하기 위해 단턱부가 형성되는 것이 효과적이다. 이때, 상기 단턱부는 제1 리드 단자(110)의 길이 방향과 교차되는 방향, 예를 들어, 제1 리드 단자(110)의 길이 방향과 수직하는 방향으로 단턱지게 하는 것이 효과적이다. 또한, 제1 리드 단자(110)는 메인 스프링(140)과 접하는 영역의 일부가 길이 방향에 수직한 방향으로 돌출되어 정특성 서미스터(160)의 단턱부에 위치될 수 있으며, 이로 인해 제1 리드 단자(110)가 고정될 수 있다.
정특성 서미스터(160)는 온도가 올라가면 저항값이 올라가는 정온도계수(positive temperature coefficient; PTC)를 갖는 서미스터(thermally sensitive resistor)로서 온도 변화에 대하여 저항값이 급격하게 증가하는 저항기이다. 이와 같은 정특성 서미스터(160)는 자체바발열(self-heating)하는 특성을 나타낸다.
도 1, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이 일 예에 따른 정특성 서미스터(160)는 제1 리드 단자(110)와 접속되는 제1 전극(162)과, 하우징(100)과 접속되는 제2 전극(164)과, 특정 임계 온도 이상에서 전기저항이 급격히 커지는 성질을 지닌 정온도계수(positive temperature coefficient; PTC)를 갖는 정온도계수 소자(166)로 이루어질 수 있다. 정온도계수 소자(166)는 세라믹 재질 또는 폴리머 재질로 이루어질 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이 다른 예에 따른 정특성 서미스터(160)는 제1 리드 단자(110)와 접속되는 제1 전극(162)과, 하우징(100)과 접속되는 제2 전극(164)과, 메인 스프링(140)과 접속되는 제3 전극(168)과, 특정 임계 온도 이상에서 전기저항이 급격히 커지는 성질을 지닌 정온도계수(positive temperature coefficient; PTC)를 갖는 정온도계수 소자(166)로 이루어질 수 있다.
도 1 및 도 2에서는 하우징(100)과 접속되는 제2 전극(164)을 형성하였으나, 메인 스프링(140)과 접속되는 제3 전극(168)이 형성되는 경우에는 제2 전극(160)이 형성되지 않을 수도 있음은 물론이다.
정특성 서미스터(160)는 도 9에 도시된 바와 같이 임계 온도(퀴리 온도) 근처에서 전기저항이 급변하는 특성을 갖는다.
정온도계수 소자(166)는 BaTiO3계 세라믹에 주석, 세륨 등을 소정 함량(예컨대, 2～0.01%) 혼합하여 만들 수 있다.
정온도계수 소자(166)를 제조하는 다른 일 예로서 티탄산바륨(BaTiO3) 분말과 삼산화나이오븀(NbO3) 분말을 중량비로 98～99.95:2～0.05의 비율로 혼합하고, 원하는 정특성 서미스터의 형상으로 성형한 후, 1100～1500℃ 정도의 온도에서 1～12시간 동안 소성하여 형성할 수도 있다.
정온도계수 소자(166)를 제조하는 또 다른 일 예로서 티탄산바륨(BaTiO3) 분말, 삼산화나이오븀(NbO3) 분말, 오산화이나이오븀(Nb2O5) 분말을 소정의 중량비(예컨대, 98～99.95:2～0.05:0.5～0.01의 비율)로 혼합하고, 원하는 정특성 서미스터의 형상으로 성형한 후, 1100～1500℃ 정도의 온도에서 1～12시간 동안 소성하여 형성할 수도 있다.
정온도계수 소자(166)는 다른 예로서 도전성을 갖는 니켈(Ni)과 같은 도전성 금속 입자들이 폴리머 매트릭스 내에 함유되어 형성된 폴리머 재질로 이루어질 수도 있다.
도 9는 정특성 서미스터의 온도에 따른 저항 특성을 보여준다. 일반적인 정특성 서미스터들은 80～150℃에서 전기저항이 매우 급격히 증가된다. 이와 같은 정특성 서미스터가 구비된 반복형 퓨즈는, 과전류에 의하여 정특성 서미스터의 온도가 임계 온도인 80～150 ℃ 이상으로 상승하게 되면 정특성 서미스터 자체의 전기저항이 매우 급격히 증가됨으로써 전류가 통전하지 않게 되며, 정특성 서미스터의 온도가 임계 온도 미만으로 하강하지 않는 한 정특성 서미스터를 통한 전류의 흐름이 지속적으로 차단될 수 있다.
스핀들(130)은 제1 리드 단자(110)와 제2 리드 단자(120)를 전기적으로 접속 또는 단락시키기 위한 수단으로서, 하우징(100)의 내부에 구비된다. 스핀들(130)은 제1 리드 단자(110)과 접속하는 부위인 제1 접속부(132), 지지부(134) 및 제2 리드 단자(120)와 접속하는 제2 접속부(136)를 포함할 수 있다. 길이 방향으로 연장 형성된 하우징(100)과 마찬가지로 스핀들(130)은 길이 방향으로 연장 형성된 축 형태로 구비될 수 있다. 스핀들(130)은 길이 방향과 수직한 단면이 원형, 타원형, 다각형 등으로 형성될 수 있는데, 하우징(100)의 단면 형상과 동일하게 형성되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 실린더 형태의 하우징(100)을 따라 형성된 피스톤 형상으로 형성되어 있다. 스핀들(130)은 메인 스프링(140)에 의해 제1 리드 단자(110)와 전기적으로 접속될 수 있으며, 이를 위해 전도성 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 스핀들(130)은 메인 스프링(140)과 바이어스 스프링(150)의 신축 운동에 의해 하우징(100) 내부를 길이 방향으로 왕복하면서 제1 리드 단자(110)와 전기적으로 단속(斷續), 즉 전기적으로 접속되거나 단락된다. 따라서 스핀들(130)이 제1 리드 단자(110)와 접속 또는 단락되는 것에 따라 제1 리드 단자(110)와 제2 리드 단자(120)가 접속 또는 단락하게 된다. 스핀들(130)은 측면의 적어도 일부에 메인 스프링(140) 또는 바이어스 스프링(150)를 지지할 수 있는 지지부(134)가 형성되어 메인 스프링(140) 또는 바이어스 스프링(150)과 연결될 수 있다. 지지부(134)는 스핀들(130) 측면에 스핀들(130) 축 방향과 수직 방향으로 돌출 형성될 수 있다. 지지부(134)는 스핀들(130) 측면의 둘레를 따라 연속적으로 형성될 수 있고, 스핀들(130) 측면에 불연속적으로 형성될 수도 있다. 즉 스핀들(130)이 메인 스프링(140) 또는 바이어스 스프링(150)과 접속할 수 있는 형태라면 어떠한 형태라도 가능하다.
메인 스프링(140)과 바이어스 스프링(150)은 제1 리드 단자(110)와 스핀들(130)을 접속 또는 단락시키기 위한 수단이다. 메인 스프링(140)과 바이어스 스프링(150)은 하우징(100) 내부에 배치되는데, 하우징(100)의 길이 방향으로 신장되거나 압축되도록 배치된다. 메인 스프링(140)은 하우징(100) 내부 일측에 배치되며, 본 실시예에서는 하우징(100) 내부의 정특성 서미스터(160)와 연결된다. 그리고 바이어스 스프링(150)은 스핀들(130)을 기준으로 메인 스프링(140)이 배치된 반대편인 하우징(100) 내부 타측에 배치되어 스핀들(130)과 연결되거나 스핀들(130)의 지지부(134)에 연결되어 전기적으로 접속된다.
구체적으로, 메인 스프링(140)은 제1 리드 단자(110)와 스핀들(130)을 전기적으로 단락시키기 위한 것으로서, 제1 리드 단자(110)와 스핀들(130) 사이에 구비될 수 있다. 이때, 메인 스프링(140)은 스핀들(130)의 일측에 구비되되, 정특성 서미스터(160)와 스핀들(130)의 사이에 구비되는 것이 바람직하다. 또한, 메인 스프링(140)은 압축된 상태로 정특성 서미스터(160)와 스핀들(130) 사이에 위치될 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 반복형 퓨즈는 메인 스프링(140)이 압축된 상태일 때 제1 리드 단자(110)와 스핀들(130)이 접하게 되며, 메인 스프링(140)이 신장된 상태일 때 제1 리드 단자(110)와 스핀들(130)이 단락될 수 있다. 또한, 이를 위해 본 발명에서는 전이온도 이하에서 변형되고, 전이온도 이상이 되면 변형 이전의 형상으로 되돌아가는 성질을 가진 형상기억합금으로 메인 스프링(140)을 형성하며, 압축된 상태의 메인 스프링(140)에 열이 가해질 경우 신장될 수 있도록 이루어진다. 이러한 메인 스프링(140)은 티탄(Ti)과 니켈(Ni)의 합금인 니티놀(nitinol) 또는 구리(Cu)/아연(Zn)/알루미늄(Al) 합금 등을 포함하여 이루어질 수 있다. 이러한 메인 스프링(140)은 스핀들(130)과는 전기적으로 접속되되, 제1 리드 단자(110)와는 전기적으로 단락되는 것이 바람직하다.
바이어스 스프링(150)은 메인 스프링(140)과 함께 제1 리드 단자(110)와 스핀들(130)을 전기적으로 단속하기 위한 것으로서, 스핀들(130)에서 메인 스프링(140)의 반대 측면에 접하도록 구비될 수 있다. 이때, 바이어스 스프링(150)은 메인 스프링(140)과는 달리 형상기억합금 재질이 아닌 스테인레스 스틸 같은 일반 금속 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 바이어스 스프링(150)은 본체로는 스테인레스 스틸을 사용하고, 상기 본체에 은막 도금이 실시되어 형성될 수 있다. 즉, 바이어스 스프링(150)은 임의의 스프링 인장력이 요구되며 전류의 흐름을 도와주기 위해 일정 두께의 은막 도금처리 하는 것이다. 일정한 전압과 전류에서는 금속 자체의 전도성과 은막 도금으로 인해 안정적인 전류가 흐르다가 과전압 또는 과전류의 인가될 때 바이어스 스프링(150)의 온도가 상승하게 된다. 이와 같이, 바이어스 스프링(150)은 일반 스프링과 동일하게 인장된 상태로 스핀들(130)의 타 측면에 구비되어 스핀들(130)이 제1 리드 단자(110)와 접속을 유지할 수 있도록 압력을 가하며, 메인 스프링(140)이 신장될 경우 바이어스 스프링(150)은 압축되어 제1 리드 단자(110)와 스핀들(130)을 단락시킬 수 있다.
상기와 같은 구조를 갖는 일 실시예에 따른 반복형 퓨즈는 제1 리드 단자(110)와 제2 리드 단자(120)에 기준치 이하의 정상적인 전류 또는 전압이 인가될 때 도 1 및 도 5에 도시된 바와 같이, 바이어스 스프링(150)은 인장된 상태이며 인장된 바이어스 스프링(150)의 인장력에 의해 메인 스프링(140)은 압축된 상태를 유지한다. 또한, 이에 따라, 제1 리드 단자(110)는 스핀들(130)의 제1 접속부(132)와 접하며, 스핀들(130)의 타 면과 접하는 바이어스 스프링(150)과, 바이어스 스프링(150)과 접하는 하우징(100)을 통해 제2 리드 단자(120)와 전기적으로 접속된다.
일 실시예에 따른 반복형 퓨즈는 제1 리드 단자(110)와 제2 리드 단자(120)에 비정상적인 전원, 예를 들어, 기준치보다 높은 전류 또는 전압이 인가될 경우, 바이어스 스프링(150)에 높은 전류가 인가된다. 바이어스 스프링(150)에 높은 전류가 인가되면 바이어스 스프링(150)이 갖는 저항값에 의해 바이어스 스프링(150)의 온도가 상승하며, 하우징(100) 내부의 온도를 상승시킨다. 또한, 전열기기나 전기기기의 이상 과열로 인하여 형상기억합금으로 형성된 메인 스프링(140)은 높아진 온도에 따라 인장된 메인 스프링(140)의 형상으로 변화한다. 즉, 도 2 및 도 6에 도시된 바와 같이, 메인 스프링(140)이 인장된 형상으로 될 경우, 메인 스프링(140)의 인장력에 의해 스핀들(130)이 바이어스 스프링(150)이 위치된 방향으로 압박되며 이에 따라 바이어스 스프링(150)은 압축된다. 또한, 이와 같이 메인 스프링(140)이 인장되면 스핀들(130)의 이동에 의해 제1 리드 단자(110)와 스핀들(130)은 단락되며, 결과적으로 제1 리드 단자(110)와 제2 리드 단자(120)가 단락되어 제1 리드 단자(110)와 제2 리드 단자(120) 사이에는 전류가 흐르지 않는다. 이때, 이러한 동작을 위해 전이(변태) 온도 이하일 때의 메인 스프링(140)의 인장력은 바이어스 스프링(150)의 인장력보다 작으며, 전이(변태) 온도 이상일 때의 메인 스프링(140)의 인장력은 바이어스 스프링(150)의 인장력보다 큰 것이 바람직하다.
상술한 예에서는 메인 스프링(140)이 형상기억합금으로 구성된 경우를 예로 들었으나, 바이어스 스프링(150)이 형상기억합금으로 구성되고 메인 스프링(140)이 형상기억합금 재질이 아닌 스테인레스 스틸 같은 일반 금속 재질로 형성될 수도 있다.
한편, 본 실시예에서는 코일 형태의 메인 스프링(140)과 바이어스 스프링(150)을 탄성부재로 이용하여 반복형 퓨즈를 형성하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 메인 스프링(140) 또는/및 바이어스 스프링(150)은 판 스프링 등과 같은 코일 이외의 형태를 지닌 스프링일 수도 있다.
상술한 실시예는 과전류에 의하여 정특성 서미스터(160)가 특정 임계 온도 이상으로 상승하게 되면 정특성 서미스터(160)의 전기저항이 급격하게 증가되어 전류의 흐름이 계속 제한됨으로써 전원 공급을 지속적으로 차단할 수 있고 과전류가 사라지게 되면 정특성 서미스터가 냉각되면서 정상 상태의 전류 흐름으로 복귀되는 반복형 퓨즈의 일 실시예를 설명한 것일 뿐이다.
본 발명에서는 온도가 상승할수록 전기 저항이 커지고 특히 특정한 임계 온도 이상에서는 전기저항이 급격히 커져서 전류 흐름을 지속적으로 제한하는 특성을 지닌 세라믹 또는 폴리머 재질이 사용되어 정특성 서미스터(160)가 형성되며, 상기와 같은 정특성 서미스터(160)가 하우징(100)의 내부 일측에 배치되어 제1 리드 단자(110)를 고정하는 역할을 한다.
정특성 서미스터(160)는 티탄산바륨(BaTiO3)계 세라믹이나 폴리머 재질로 이루어지며, 온도가 상승하면 전기저항이 급격히 커지는 성질을 지니고 있다. 정특성 서미스터(160)는 온도 상승에 정비례하여 전기저항이 서서히 증가되는 것이 아니라, 특정 임계 온도에서 전기저항이 급격히 증가되는 특성을 지니고 있으며, 상기 특정 임계 온도 이상으로 유지되면 전류의 흐름을 지속적으로 제한하여 외기의 온도나 전원전압의 변동에도 불구하고 정특성 서미스터(160) 자체의 온도는 거의 일정하게 유지되며, 이에 따라 온도에 따라 전기저항이 달라지거나 또는 과전류가 흐르면 전기저항이 커져서 전류가 흐르지 않게 하는 스위치 작용을 수행할 수 있다.
정특성 서미스터(160)가 포함되는 반복형 퓨즈로 과전류가 인가되면, 형상기억합금 재질인 메인 스프링(140)이 온도 상승에 의하여 인장되고, 인장된 메인 스프링(140)의 압력에 의해 스핀들(130)이 이동하여 제2 리드 단자(120)와 접속되고 메인 스프링(140)의 신장으로 인해 제1 리드 단자(110)와 스핀들(130) 사이는 전기적인 단락 상태가 되며, 곧바로 전류 패스(path)는 정특성 서미스터(160)를 통하게 되고, 정특성 서미스터도 주울(joule)열에 의해 급격히 온도가 상승하게 되고 특정 임계 온도 이상으로 상승하게 되면 정특성 서미스터(160) 자체의 전기저항이 급격히 증가되고 자체발열(self-heating)함으로써 형상기억합금 재질인 메인 스프링(140)을 인장된 상태로 계속 유지되게 함으로써 정특성 서미스터(160)의 온도가 특정 임계 온도 이하로 하강하지 않는 한 전류의 흐름이 지속적으로 차단될 수 있다.
또한, 과전류가 지속적으로 인가되더라도 정특성 서미스터(160)의 온도가 특정 임계 온도 이하로 하강하지 않아, 정특성 서미스터(160) 자체의 높은 전기 저항이 그대로 유지되고 정특성 서미스터(160)의 발열에 의해 형상기억합금 재질인 메인 스프링(140)을 인장된 상태로 계속 유지되게 하며, 이로 인하여 정특성 서미스터(160)에서 전류가 통전되지 않는 상태가 지속된다. 따라서, 메인 스프링(140)의 신장으로 인한 제1 리드 단자(110)와 스핀들(130) 사이의 전기적인 단락 상태가 지속되는 동안에는 전류의 흐름이 지속적으로 차단되므로, 반복형 퓨즈를 통한 전원 공급을 차단할 수 있게 된다. 정특성 서미스터(160)가 포함된 반복형 퓨즈는 과전류가 지속적으로 인가되더라도 정특성 서미스터(160)에 의해 전류 차단 상태를 계속 유지하여 반복형 퓨즈가 전기적으로 연결되는 것을 방지함으로써, 회로 등의 과열에 의한 전기전자 제품의 화재나 고장 발생을 예방할 수 있다.
바이어스 스프링(150)의 신장에 의하여 스핀들(130)이 복귀하여 제1 리드 단자(110)와 접속하기 전에는 반복형 퓨즈를 통한 전원 공급이 완전히 차단된다. 과전류가 사라지게 되면 정특성 서미스터(160)가 냉각되고 바이어스 스프링(150)의 신장에 의하여 스핀들(130)이 복귀하여 제1 리드 단자(110)와 전기적으로 접속된 후에는 정상 상태의 전류 흐름으로 복귀되며, 정상 상태의 전류 흐름으로 복귀되는 경우에 있어 정특성 서미스터가 냉각되는 시간 만큼 시간이 지연되게 되고, 따라서 회로 등이 충분히 냉각된 상태에서 상기 전원 차단 상태를 자동적으로 해제하는 과정이 수행됨으로써 반복형 퓨즈 자체에서 이상이 발생하는 현상이 억제되고 전기전자 제품의 회로 과열 등과 같은 현상이 억제될 수 있다.
이상의 설명에서 제2 리드 단자(120)에 전원이 연결되고 제1 리드 단자(110)에 회로와 같은 전기전자 소자가 연결되는 것으로 설명하였으나, 제1 리드 단자(110)에 전원이 연결되고 제2 리드 단자(120)에 전기전자 소자가 연결될 수도 있음은 물론이다.
이하에서, 반복형 퓨즈의 동작에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
과전류 혹은 주변온도가 과열상태가 아닌 경우로서 전기전자 제품에 공급되는 전원이 정상 상태일 경우에는, 전류는 제2 리드 단자(120), 하우징(100), 바이어스 스프링(150), 스핀들(130) 및 제1 리드 단자(110)로 정상적으로 흘러 거의 도선에 가까운 저항값(예컨대, 수mΩ 정도)을 유지하여 정상동작이 이루어진다.
정상동작 상태일 때는 도 1 및 도 5에 도시된 바와 같이 바이어스 스프링(150)의 인장력에 의해 스핀들(130)이 제1 리드 단자(110)에 전기적으로 접속되어 있다. 제2 리드 단자(120)를 통해 기준치 이하의 전류 또는 전압이 인가되는 경우에는 제2 리드 단자(120)를 통해 스핀들(130)로 전류가 흐르고, 스핀들(130)이 제1 리드 단자(110)에 접속되어 있으므로 회로가 구성되어 전기전자 소자 쪽으로 전류가 흐르게 된다.
전기전자 제품에서 기준치 이상의 과전류 또는 과전압이 인가되면 바이어스 스프링(150)의 저항값으로 인한 주울(joule)열이 발생하여 형상기억합금 재질인 메인 스프링(140)이 신장되고, 메인 스프링(140)의 압력에 의해 하우징(100)의 타측 방향으로 스핀들(130)이 진행되어 제2 리드 단자(120)와 접속하게 된다. 메인 스프링(140)의 신장에 의해 스핀들(130)과 제2 리드 단자(120) 사이의 접속 상태가 고정되기 때문에 스핀들(130)이 자동적으로 복귀하여 제1 리드 단자(110)와 접속하는 것이 방지됨으로써 전기전자 제품의 전원 연결을 차단할 수 있다.
과전류가 갑자기 흐르게 될 경우, 바이어스 스프링(150)의 저항에 의해 바이어스 스프링(150)이 주울(Joule)열에 의해 급격히 발열하여 형상기억합금으로 이루어진 메인 스프링(140)을 작동(팽창)시키고, 이에 따라 도 2 및 도 6에 도시된 바와 같이 제1 리드 단자(110)와 스핀들(130) 사이의 접속이 떨어져서 전기적으로 단락되게 되어 전류 패스(path)는 바이어스 스프링(150), 스핀들(130), 하우징(100) 및 정특성 서미스터(160)로 흐르게 되는데, 이때 정특성 서미스터(160)의 저항은 수십mΩ～수Ω 정도로서 바이어스 스프링(150)의 값(수mΩ)보다는 높지만 과전류에 의해 역시 주울(Joule) 발열하여 수 초(second) 내에 저항값이 수십㏀～수십㏁으로 증가하게 되어 거의 절연체화 되므로 과전류를 차단하는 효과를 나타내게 된다.
정특성 서미스터(160)는 완전히 과전류가 차단되기 전에는 지속적으로 발열하여 형상기억합금으로 이루어진 메인 스프링(140)을 팽창한 상태로 계속 유지시켜 주므로 과전류가 해소되지 않는 한 스핀들(130)이 복귀되지 않고 제1 리드 단자(110)와 스핀들(130) 사이의 접속이 단락된 상태를 계속 유지하게 되며, 지속적인 과전류 차단이 가능하게 된다.
과전류가 해소되어 정특성 서미스터(160)에 전류가 흐르지 않게 되면, 정특성 서미스터(160)의 자체발열이 힘들게 되고 정특성 서미스터(160)는 자연적으로 냉각되게 되며, 따라서 메인 스프링(140)의 인장력은 없어지고 바이어스 스프링(150)의 인장력이 메인 스프링(140)의 인장력보다 강하게 되고 이에 따라 스핀들(130)이 제1 리드 단자(110) 쪽으로 이동하여 제1 리드 단자(110)와 스핀들(130)이 전기적으로 접속되게 되고, 반복형 퓨즈는 정상 동작 상태로 복귀된다.
과전류가 해소되어 정특성 서미스터(160)가 냉각되게 되면, 메인 스프링(140)의 인장력은 힘을 잃게 되어 스핀들(130) 복귀의 걸림돌이 제거되며, 이에 따라 바이어스 스프링(150)의 인장력에 의해 스핀들(130)이 복귀되어 제1 리드 단자(110)와 접속하게 됨으로써, 전기전자 제품의 전원이 연결되는 것이다. 정특성 서미스터(160)의 냉각과 함께 형상기억합금으로 이루어진 메인 스프링(140)의 온도도 내려가게 되며, 온도가 내려간 메인 스프링(140)은 온도에 의해 발생된 인장력이 감소하게 되고, 이와 같이 메인 스프링(519)의 인장력이 감소되면 바이어스 스프링(150)의 인장력에 의해 메인 스프링(142)은 다시 압축되며, 이에 따라 제1 리드 단자(110)와 스핀들(130)은 전기적으로 접속되게 된다. 이러한 동작을 위해 일 실시예에 따른 반복형 퓨즈는 전이(변태) 온도 이상일 때의 메인 스프링(140)의 인장력은 바이어스 스프링(150)의 인장력보다 크지만, 하우징(100) 내부의 온도가 내려가서 메인 스프링(140)의 전이(변태) 온도 이하가 될 때 바이어스 스프링(150)의 인장력은 메인 스프링(140)의 인장력보다 크도록 설정되는 것이 바람직하다.
도 1 내지 도 2, 도 5 내지 도 6에 도시된 반복형 퓨즈의 구조는 정온도계수 소자(166)의 굴곡면에 전극(162, 164, 168)을 형성해야 하므로 전극 형성이 용이하지 않을 수 있으며, 이를 고려하여 실제 생산시 생산성을 높이고 전극 형성 불량 등의 문제점을 개선하기 위하여 도 10 내지 도 11에 도시된 바와 같은 반복형 퓨즈를 제시한다. 도 10은 본 발명의 또 다른 예에 따른 반복형 퓨즈를 도시한 도면이고, 도 11은 정특성 서미스터를 도시한 도면이다.
도 10 내지 도 11을 참조하면, 정온도계수 소자(166)를 개구부(172)를 갖는 링 모양으로 형성한다. 정온도계수 소자(166)를 링 모양으로 하면 전극(162, 168) 형성이 용이하고 조립생산성이 향상될 수 있다. 정특성 서미스터(160)의 중심부에 형성된 개구부(172)에는 스핀들(130)의 제1 접속부(132)가 삽입되게 된다. 링 모양의 정특성 서미스터(160) 양단에는 제1 전극(162)와 제3 전극(168)이 형성된다. 제1 리드 단자(110)는 길게 뻗어 있는 막대 모양의 핀(112)과 상기 핀(112)의 일단에 구비된 넓게 퍼진 판 모양의 접속판(114)을 포함하는 압정형 구조를 가진다.
또한 하우징(100)과 제1 리드 단자(110)가 전기적으로 접속되는 것을 방지하기 위하여 절연체로 이루어진 링 모양의 세라믹블럭(애자)(190)이 필요하고, 제1 리드 단자(110)와 정특성 서미스터(160)의 전기적 접속을 위해 제1 리드 단자(110)의 끝을 압정과 같이 넓게 퍼진 모양으로 가공할 필요가 있다. 제1 전극(162)은 제1 리드 단자(110)의 접속판(114)와 접속되고, 반대쪽의 제3 전극(168)은 메인 스프링(140)과 전기적 접속을 이룬다. 도 10에 도시된 바 같이 정특성 서미스터(160)의 양쪽 전극(162, 168) 간의 쇼트(short)를 방지하고 하우징(100)과의 절연을 위해 링 모양의 정특성 서미스터(160)의 측면에 절연체(170)를 코팅하거나 증착하는 등의 절연 처리를 할 수 있다.
과전류 유입시 바이어스 스프링(150)의 자체발열에 의해 메인 스프링(140)이 팽창하여 제1 리드 단자(110)와 스핀들(130) 사이의 접속이 떨어져서 전기적으로 단락되게 되면, 전류 패스는 바이어스 스프링(150), 스핀들(130), 메인 스프링(140), 정특성 서미스터(160)로 되고, 이때 메인 스프링(140)의 저항은 보통 수백 mΩ 정도로 낮은 편으로 거의 도체에 가까워 정특성 서미스터(160)로 전류를 흘려주며, 과전류 유입시 정특성 서미스터(160)의 급격한 자체발열로 인하여 지속적으로 메인 스프링(140)을 고온 상태(예컨대, 110℃ 이상)로 유지시켜 주어 제1 리드 단자(110)와 스핀들(130)은 전기적으로 단락된 상태를 유지한다.
그러나, 과전류 원인이 해소되어 더 이상 과전류가 흐르지 않게 되면, 정특성 서미스터(160)의 자체발열은 중지되어 냉각되고 메인 스프링(140)의 인장력도 감소하게 되어 바이어스 스프링(150)의 인장력에 의해 스핀들(130)이 제1 리드 단자(110) 쪽으로 이동하게 되고 제1 리드 단자(110)와 스핀들(130)은 전기적으로 접속되는 상태로 복귀된다.
또한, Li이온 배터리 등과 같은 배터리의 과전류/과열 방호용으로, 배터리 단자(210, 220)와 부착이 용이하도록 도 12 내지 도 13에 도시된 바와 같이 같은 리드 스트랩 구조를 채용한 반복형 퓨즈를 제시한다. 도 12는 본 발명의 또 다른 예에 따른 반복형 퓨즈의 하우징을 도시한 도면이고, 도 13은 제1 리드 단자, 세라믹블럭 및 정특성 서미스터를 도시한 도면이다.
하우징(100)은 내부 공간을 갖고 길이 방향으로 연장 형성된 사각 박스형의 구조로 이루어진다. 또한 하우징(100)과 제1 리드 단자(110)가 전기적으로 접속되는 것을 방지하기 위하여 절연체로 이루어진 세라믹블럭(애자)(190)이 필요하다. 세라믹블럭(190)은 하우징(100)의 일측에 수용된다. 세라믹블럭(190)은 사각형의 블럭 모양으로 형성되는 것이 바람직하며, 세라믹블럭(190)에는 제1 리드 단자(110)의 일부가 안착되는 단턱부(192)가 형성되며, 단턱부(192)는 도랑 또는 트렌치(trench) 모양으로 형성될 수 있다.
제1 리드 단자(110)는 배터리의 플러스(+) 단자(210)와 용이하게 접속되기 위하여 판형의 스트랩(strap) 구조로 이루어지는 것이 바람직하다. 이를 위해 제1 리드 단자(110)는 판형의 스트랩(strap)부(116)와 상기 스트랩부(116)의 일단에 구비된 넓게 퍼진 판 모양의 접속부(118)를 포함하는 구조를 가진다. 제1 리드 단자(110)가 스트랩부(116)와 일단이 넓게 펼쳐진 접속부(118)를 가짐으로써 조립 생산성이 향상될 수 있는 장점이 있다. 제1 리드 단자(110)는 단턱부(192)에 일부가 안착되고, 단턱부(192)에 안착된 제1 리드 단자(110)의 상부는 절연체(194)로 코팅하거나 증착 등을 하여 절연처리함으로써 제1 리드 단자(110)가 하우징(100)과 전기적으로 접속되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
정특성 서미스터(160)는 중심부에 개구부(180)를 갖는 외곽 형태가 사각 박스 형태로 형성되거나 링 모양 등으로 형성될 수 있다. 이와 같이 사각 박스 형태로 형성되거나 링 모양으로 형성함으로써 전극(162, 168) 형성이 용이하고 조립생산성이 향상될 수 있다. 정특성 서미스터(160)의 중심부에 형성된 개구부(180)에는 스핀들(130)이 삽입되게 된다. 정특성 서미스터(160) 양단에는 제1 전극(162)와 제3 전극(168)이 형성된다. 제1 전극(162)은 제1 리드 단자(110)와 접속되고, 반대쪽의 제3 전극(168)은 메인 스프링(140)과 전기적 접속을 이룬다. 도 13에 도시된 바 같이 정특성 서미스터(160)의 양쪽 전극(162, 168) 간의 쇼트(short)를 방지하고 하우징(100)과의 절연을 위해 정특성 서미스터(160)의 측면에 절연체(170)를 코팅하거나 증착하는 등의 절연 처리를 할 수 있다.
메인 스프링(140), 바이어스 스프링(150) 및 스핀들(130)은 도 1 내지 도 2, 도 5 내지 도 6에 도시된 바와 같이 동일 또는 유사하게 형성할 수 있으므로 이에 대하여는 그 설명을 생략한다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
100 : 하우징 102 : 비전도성 방수 접착부
104 : 제1 개구부 106 : 제2 개구부
110 : 제1 리드 단자 112: 핀
114 : 접속판 116: 스트랩부
118 : 접속부 120 : 제2 리드 단자
130 : 스핀들 132 : 제1 접속부
134 : 지지부 136 : 제2 접속부
134 : 지지부 140 : 메인 스프링
150 : 바이어스 스프링 160 : 정특성 서미스터
162 : 제1 전극 164 : 제2 전극
166 : 정온도계수 소자 168 : 제3 전극
170: 절연체 172, 180 : 개구부

Claims (12)

  1. 내부공간이 구비된 하우징;
    상기 하우징 일측에 배치되는 제1 리드 단자;
    상기 하우징 타측에 배치되는 제2 리드 단자;
    상기 하우징 내부에 배치되어 상기 제1 리드 단자와 전기적으로 단속(斷續)되며 상기 제2 리드 단자와 전기적으로 접속되는 스핀들;
    상기 제1 리드 단자와 스핀들 사이에 구비되고 상기 제1 리드 단자와 상기 스핀들을 전기적으로 단락시키기 위한 메인 스프링;
    상기 스핀들과 상기 제2 리드 단자 사이에 구비되고 상기 제1 리드 단자와 상기 스핀들을 전기적으로 단속하기 위한 바이어스 스프링;
    상기 하우징의 내부 일측에 삽설되고 상기 제1 리드 단자 및 상기 하우징에 접속되거나 상기 제1 리드 단자 및 상기 메인 스프링에 접속되는 정특성 서미스터를 포함하며,
    상기 정특성 서미스터는 특정 임계 온도 보다 높아지면 전기저항이 커지는 정온도계수 소자를 포함하며,
    기준치 보다 높은 과전류가 인가되어 특정 임계 온도 보다 높아지면 상기 정특성 서미스터는 전기저항이 증가되고 상기 메인 스프링은 신장되며, 상기 메인 스프링의 인장력에 의해 상기 스핀들이 상기 하우징의 타측 방향으로 이동되어 상기 제1 리드 단자와 전기적으로 단락됨으로써 상기 제2 리드 단자와 상기 제1 리드 단자 사이의 전류 흐름이 지속적으로 차단되고,
    상기 과전류가 사라지면 상기 정특성 서미스터는 냉각되고 상기 메인 스프링은 인장력이 감소됨으로써 상기 스핀들이 상기 하우징의 일측 방향으로 이동되어 상기 제1 리드 단자와 전기적으로 접속되어 정상상태로 복귀되는 것을 특징으로 하는 과전류 차단 기능을 갖는 반복형 퓨즈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 정특성 서미스터는,
    상기 제1 리드 단자와 접속되는 제1 전극;
    상기 하우징과 접속되는 제2 전극; 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 구비되고 특정 임계 온도 보다 높아지면 전기저항이 커지는 정온도계수 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 과전류 차단 기능을 갖는 반복형 퓨즈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 정특성 서미스터는,
    상기 제1 리드 단자와 접속되는 제1 전극;
    상기 하우징과 접속되는 제2 전극;
    상기 메인 스프링과 접속되는 제3 전극; 및
    상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 제3 전극 사이에 구비되고 특정 임계 온도 보다 높아지면 전기저항이 커지는 정온도계수 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 과전류 차단 기능을 갖는 반복형 퓨즈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 정특성 서미스터는,
    상기 제1 리드 단자와 접속되는 제1 전극;
    상기 메인 스프링과 접속되는 제3 전극; 및
    상기 제1 전극과 상기 제3 전극 사이에 구비되고 특정 임계 온도 보다 높아지면 전기저항이 커지는 정온도계수 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 과전류 차단 기능을 갖는 반복형 퓨즈.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 정온도계수 소자는 BaTiO3계 세라믹 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 과전류 차단 기능을 갖는 반복형 퓨즈.
  6. 제2항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 정온도계수 소자는 도전성을 갖는 금속 입자들이 폴리머 매트릭스 내에 분포되어 형성된 폴리머 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 과전류 차단 기능을 갖는 반복형 퓨즈.
  7. 제4항에 있어서, 상기 정온도계수 소자는,
    상기 스핀들이 왕복 이동되는 통로를 제공하는 개구부가 중심부에 구비된 링 구조를 가지며,
    상기 제1 전극은 상기 정온도계수 소자의 정면에 형성되고,
    상기 제3 전극은 상기 정온도계수 소자의 배면에 형성되며,
    상기 정온도계수 소자의 측면에는 상기 제1 전극과 상기 제3 전극 간의 쇼트를 방지하기 위한 절연체가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 과전류 차단 기능을 갖는 반복형 퓨즈.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 리드 단자가 위치된 상기 하우징의 일측 내부에 위치되고, 상기 제1 리드 단자의 전체 영역 중 상기 하우징의 일측 내부에 삽입된 영역의 일부를 감싸되 상기 제1 리드 단자가 상기 스핀들과 전기적으로 접속되는 영역 이외의 영역을 감싸도록 구비되며, 상기 하우징과 상기 제1 리드 단자가 전기적으로 접속되는 것을 방지하기 위한 절연체로 이루어진 세라믹블럭을 더 포함하는 과전류 차단 기능을 갖는 반복형 퓨즈.
  9. 제7항에 있어서, 상기 제1 리드 단자는 길게 뻗어 있는 막대 모양의 핀과 상기 핀의 일단에 구비된 넓게 퍼진 판 모양의 접속판을 포함하는 압정형 구조를 가지며,
    상기 제1 전극은 상기 제1 리드 단자의 접속판과 접속되고, 상기 제1 전극과 반대쪽에 구비된 상기 제3 전극은 상기 메인 스프링과 접속을 이루는 것을 특징으로 하는 과전류 차단 기능을 갖는 반복형 퓨즈.
  10. 제4항에 있어서, 상기 제1 리드 단자가 위치된 상기 하우징의 일측 내부에 위치되고 상기 하우징과 상기 제1 리드 단자가 전기적으로 접속되는 것을 방지하면서 상기 제1 리드 단자를 고정하기 위한 절연체로 이루어진 세라믹블럭을 더 포함하며,
    상기 세라믹블럭에는 상기 제1 리드 단자의 일부가 안착되는 도랑 또는 트렌치(trench) 모양의 단턱부가 구비되며,
    상기 제1 리드 단자는 배터리의 플러스(+) 단자와 용이하게 접속되기 위하여 판형의 스트랩(strap)부와 상기 스트랩부의 일단에 구비된 넓게 퍼진 판 모양의 접속부를 포함하는 구조를 가지며,
    상기 단턱부에 안착된 상기 제1 리드 단자의 상부에는 절연체가 구비되는 것을 특징으로 하는 과전류 차단 기능을 갖는 반복형 퓨즈.
  11. 제10항에 있어서, 상기 하우징은 사각 박스형 구조를 가지며,
    상기 정온도계수 소자는,
    상기 스핀들이 왕복 이동되는 통로를 제공하는 개구부가 중심부에 구비된 사각 박스형 또는 링형 구조를 가지며,
    상기 제1 전극은 상기 정온도계수 소자의 정면에 형성되고,
    상기 제3 전극은 상기 정온도계수 소자의 배면에 형성되며,
    상기 정온도계수 소자의 측면에는 상기 제1 전극과 상기 제3 전극 간의 쇼트를 방지하기 위한 절연체가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 과전류 차단 기능을 갖는 반복형 퓨즈.
  12. 제1항에 있어서, 상기 메인 스프링은 형상기억합금으로 이루어지고 상기 제1 리드 단자와 전기적으로 단락되어 있으며,
    상기 바이어스 스프링은 도전성 스프링으로 이루어지며,
    기준치 보다 높은 과전류가 인가되어 전이온도 보다 높을 경우에 상기 메인 스프링의 인장력은 상기 바이어스 스프링의 인장력보다 커서 상기 스핀들이 상기 제2 리드 단자 방향으로 이동되어 상기 제1 리드 단자와 상기 스핀들은 전기적으로 단락되며,
    과전류 원인이 사라져 상기 정특성 서미스터가 냉각되거나, 외부과열 열원이 사라질 경우 상기 메인 스프링의 인장력은 상기 바이어스 스프링의 인장력보다 작아 상기 스핀들은 상기 바이어스 스프링의 인장력에 의해 상기 제1 리드 단자 방향으로 이동하려는 힘을 받는 것을 특징으로 하는 과전류 차단 기능을 갖는 반복형 퓨즈.
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