(57)【要約】【課題】ＰＴＣサーミスタで電流も検出できるようにする。【解決手段】電源５と負荷６との間に設ける電流制限用のＰＴＣサーミスタ２に参照用のサーミスタ３を形成し、両者が同じ温度特性を呈するようにする。そして、両者の差動出力がゼロとなるように、参照用のサーミスタ３に流れる電流をすれば、温度による電流の変化を取り除くことができるので、その取り除いた電流と両サーミスタの抵抗値の比から、電流制限用のＰＴＣサーミスタ２に流れる負荷電流を検出する。【選択図】  図１
2004342898.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の端子を電源側と接続し、他方の端子を負荷側に接続した電流制限用のＰＴＣサーミスタの近傍に、参照用のサーミスタを設け、
上記参照用のサーミスタが、上記電流制限用のＰＴＣサーミスタと同特性で、かつ、一方の端子が前記電流制限用のサーミスタの一方の端子と接続され、他方の端子から参照出力が出力されるようにして、その参照出力と前記電流制限用のサーミスタの他方の端子の出力とに基づいて負荷に流れる電流を測定できるようにした高機能ヒューズ。
【請求項２】
上記電流制限用のＰＴＣサーミスタの素子の一部に、上記参照用のサーミスタを形成した請求項１に記載の高機能ヒューズ。
【請求項３】
上記参照用サーミスタの他方の端子とアース間に、制御端子を有する電流制御手段と電流検出抵抗を直列に接続するとともに、前記電流制御手段の制御端子に、上記参照用サーミスタと上記電流制限用のＰＴＣサーミスタの他方の端子の出力の差を入力し、その際、検出される前記電流検出抵抗の端子電圧から負荷に流れる電流を測定できるようにした請求項１または２に記載の高機能ヒューズ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動復帰可能なヒューズであるＰＴＣサーミスタで、負荷電流の測定もできるようにした高機能ヒューズに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）サーミスタは、正の温度特性を呈するもので、セラミック系とポリマー系とがある。
【０００３】
セラミック系のＰＴＣサーミスタは、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３  ）に微量のＬａやＹなどの希土類元素を加えて焼成し、導電性を持たせた酸化物半導体の一種で、キュリー点での相転移に基づいて抵抗値が増大するようになっている。
【０００４】
一方、ポリマー系のＰＴＣサーミスタは、絶縁体であるポリマーと導電体であるカーボンを混ぜ合わせたもので、混ぜ合わされたカーボンの導電パスが温度の上昇とともにポリマーの熱膨張で切断されることで、ある温度で急激に抵抗値が増大するようになっている。
【０００５】
いずれの素子も増大した抵抗値は、素子の温度が低下するとともに、もとの抵抗値に戻る可逆性を有しており、この性質を利用して、自己復帰型のヒューズ（電流制限素子）や温度センサあるいは定温発熱体などに用いられている。
【０００６】
また、このＰＴＣサーミスタは、セラミック系のものでは、成形金型による焼成などにより、円板、角板、ドーナツ、円筒、円柱などの形状をしたものや、それらの形状の素子にリード線を取り付けたものなど様々な形態のものが作られており、一方、ポリマー系では、シート状に形成した導電性ポリマーを、例えば、２枚の金属電極箔で挟んで半田付けなどでリードを取り付けたものなど、こちらもいろいろな形態のものが作られていて、多種多様な機器に用いることができるようになっている。
【０００７】
そのため、例えば、自動車の電装関係の分野においても、ＰＴＣサーミスタを従来の溶断ヒューズに代えて（電源（バッテリー）と負荷の間に設けて）用いる試みがなされている。
【０００８】
ところで、ＰＴＣサーミスタは、先に述べたとおり、過電流が流れるとサーミスタ自体の温度が上昇し、上昇した温度が例えば、キュリー点に達すると急激な抵抗変化を起こして電流を抑制（遮断）し、温度が下がれば抵抗値が下がって電流を再び流すことができるというものである。
【０００９】
一見、こうした動作は、ＰＴＣサーミスタが、あたかも電流量を直接検出して作動しているように見えるが、実際は過電流による発熱に基づいて電流を断続させているに過ぎない。つまり、ＰＴＣサーミスタは温度センサであり、温度に基づいて電流を断続するものである。
【００１０】
したがって、ＰＴＣサーミスタ自体には電流を検出するセンサとしての機能がなく、電源と負荷の間に設けても自己復帰可能な溶断ヒューズの代わりとしてしか用いることができないというものであった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のＰＴＣサーミスタでは、前述のとおり電流の検出ができないので、多数の電装品に限られた容量のバッテリーから電流を供給しなければならない、例えば自動車などでは、別に電流センサや回路を設けて電流の規制や管理をしなければならない必要が生じていた。そのため、コストの上昇や装置の小型化を阻む原因となることが懸念されている。
【００１２】
そこで、この発明の課題は、ＰＴＣサーミスタで電流も検出できるようにすることである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、この発明では、一方の端子を電源側と接続し、他方の端子を負荷側に接続した電流制限用のＰＴＣサーミスタの近傍に、参照用のサーミスタを設け、上記参照用のサーミスタが、上記電流制限用のＰＴＣサーミスタと同特性で、かつ、一方の端子が前記電流制限用のサーミスタの一方の端子と接続され、他方の端子から参照出力が出力されるようにして、その参照出力と前記電流制限用のサーミスタの他方の端子の出力とに基づいて負荷に流れる電流を測定できるようにした構成を採用したのである。
【００１４】
このような構成を採用することにより、参照用サーミスタは、電流制限用のＰＴＣサーミスタの近傍に設けたことで、両者を同じ温度にすることができる。このとき、参照用サーミスタは、電流制限用のＰＴＣサーミスタと同特性としたので同じ温度特性を呈する。そのため、例えば、両者の差動出力をとれば、温度の影響は同相信号となるので取り除くことができる。したがって、差動出力は両者の抵抗値の違い（温度上昇による抵抗値の変化を除いた）に比例し、例えば、差動出力で参照用サーミスタに流れる電流を差動出力がゼロとなるようにすれば、その電流と先の抵抗値の違いから、電流制限用のＰＴＣサーミスタに流れる電流を検出できる。よって、ＰＴＣサーミスタを電流センサとして使用できる。その際、電流制限用のＰＴＣサーミスタは、過電流により温度が上昇すると電流を制限することができるため、ヒューズとしても使用できる。
【００１５】
このとき、上記電流制限用のＰＴＣサーミスタの素子の一部に、上記参照用のサーミスタを形成した構成を採用することにより、電流制限用のＰＴＣサーミスタと参照用のサーミスタとを熱的に密に結合させることができるので、電流検出時の誤差を低減できる。
【００１６】
また、このとき、上記参照用サーミスタの他方の端子とアース間に、制御端子を有する電流制御手段と電流検出抵抗を直列に接続するとともに、前記電流制御手段の制御端子に、上記参照用サーミスタと上記電流制限用のＰＴＣサーミスタの他方の端子の出力の差を入力し、その際、検出される前記電流検出抵抗の端子電圧から負荷に流れる電流を測定できるようにした構成を採用することができる。
【００１７】
このような構成を採用することにより、両サーミスタの抵抗値の違いに基づいて、電流制御手段が両サーミスタの差動出力が無くなるように電流を制御するので、参照用サーミスタに接続された電流検出抵抗の端子電圧から負荷に流れる電流を測定できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１に示すように、この形態の高機能ヒューズ１は、２  個のＰＴＣサーミスタ２、３とセンサ回路４とで構成されている。
【００２０】
２  個のＰＴＣサーミスタ２、３は、電流制限用のＰＴＣサーミスタ（メインＰＴＣ）２と、参照用のＰＴＣサーミスタ（センスＰＴＣ）３とからなり、メインＰＴＣ２は、電源５と負荷６との間に設けられる。また、センスＰＴＣ３は、一方の端子をメインＰＴＣ２と電源５間に接続し、他方の端子を後述のセンサ回路４の電流制御手段９に接続するようになっている。
【００２１】
その際、図２に示すように、ＰＴＣ自体を面積比Ｎ対１（抵抗値は１対Ｎになる）として、メインＰＴＣ２とセンスＰＴＣ３とに分割し、同じＰＴＣ素子７の一部にセンスＰＴＣ３を形成するようにして、センスＰＴＣ３をメインＰＴＣ２の近傍に設けるようにして、熱結合を密にできるようにしている。
【００２２】
なお、これ以外にも、センスＰＴＣ３のメインＰＴＣ２への近傍への設け方は、例えば、メインＰＴＣ２とセンスＰＴＣ３とを接するようにしたり、メインＰＴＣ２とセンスＰＴＣ３とを同一のモールドで封止するなどの方法もできる。
【００２３】
また、図２にはメインＰＴＣ２とセンスＰＴＣ３の構造を模式的にしか示していないため、入出力端子を記載していないが、入出力端子が設けられていることは当然である。
【００２４】
一方、センサ回路４は、差動増幅回路８と電流制御手段９及び電流検出抵抗１０とで構成されており、この形態では、センサ回路４に、ウインドコンパレータ１１を接続している。
【００２５】
差動増幅回路８は、ここでは、オペアンプなどを使用して、オペアンプの非反転入力（＋）をメインＰＴＣ２と負荷６の間に接続して、非反転入力（＋）に電流が入力できるようにするとともに、反転入力（−）をセンスＰＴＣ３と電流制御手段９の間に接続して、反転入力（−）に参照信号が入力するようにしている。また、差動増幅回路８の出力は電流制御手段９の制御端子１２に接続するようになっている。
【００２６】
電流制御手段９は、この形態では、ＰＮＰトランジスタを用いたもので、トランジスタのエミッタをセンスＰＴＣ３の参照出力の端子と接続し、制御端子１２であるベースを差動増幅回路８の出力と接続して、コレクタを電流検出抵抗１０と接続することにより、センスＰＴＣ３の他方の端子とアース間に電流制御手段９と直列に電流検出抵抗１０が接続される構成となっており、その電流検出抵抗１０と電流制御手段９との接続点にウインドコンパレータ１１を接続して、そこから出力を取り出すようになっている。
【００２７】
なお、この形態では、電流制御手段９にＰＮＰトランジスタを用いたが、これに限定されるものではなく、Ｐチャンネルの金属・酸化物・電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）など、様々な電流制御素子を用いることができる。
【００２８】
前記ウインドコンバレータ１１は、図１に示すように、２個のコンパレータＡ１  とＡ２  とで構成したもので、コンパレータＡ１  の非反転入力（＋）とコンパレータＡ２  の反転入力（−）を並列に接続して電流検出抵抗１０と電流制御手段９との間に接続するとともに、コンパレータＡ１  の反転入力（−）に設定値Ｖｒｅｆ１を入力し、コンパレータＡ２  の非反転入力（＋）に設定値Ｖｒｅｆ２を入力するようになっている。また、コンパレータＡ１  とＡ２  の出力は、並列に接続してダイオードＤを介して出力（ダイオードオア）することにより、設定値Ｖｒｅｆ１と設定値Ｖｒｅｆ２の間の入力に対して出力が「Ｌ」（アクティブロー）となり、それ以外は「Ｈ」となるようにしてある。
【００２９】
この形態は、上記のように構成されており、この高機能ヒューズは、例えば、図１のように、入力側を電源５に接続し、出力側に負荷６を接続することにより、負荷６に流れる電流Ｉが変化すると、メインＰＴＣ２とセンスＰＴＣ３に流れる電流に差が生じる。このとき、メインＰＴＣ２とセンスＰＴＣ３の面積比はＮ対１なので、抵抗値は１対Ｎとなっており、この抵抗値の比に基づいて差動増幅回路８が電流制御手段９を制御して電圧が同じ値となるようにセンスＰＴＣ３に流れる電流を制御する。したがって、電流検出抵抗１０には、負荷６の電流Ｉに応じた電圧が発生し、その電圧から負荷６の電流Ｉを検出することができる。
【００３０】
このとき、センスＰＴＣ３はメインＰＴＣ２の一部に形成しているので、熱的に結合しており、温度による抵抗値の変化は、同時に、かつ、同じように生じる。したがって、この抵抗値（温度によるもの）による電流の変化は、同相信号として差動増幅回路８に入力し、差動信号としては出力されないので、負荷の電流Ｉのみを検出することができる。このように、ＰＴＣサーミスタで電流の検出が行える。
【００３１】
また、その際、メインＰＴＣ２とセンスＰＴＣ３の面積比をＮ対１とし、抵抗値を１対Ｎとしたことにより、センスＰＴＣ３に流す電流を少なくし、少しの電流の変化で大きな電圧変化が得られるようにして感度アップと省エネとが図れるようにしている。
【００３２】
この電圧はウインドコンパレータ１１によって設定値と比較され、その比較結果が出力される。
【００３３】
また、一方、負荷６の電流Ｉが増加して、メインＰＴＣ２の温度がキュリー点に達すると、メインＰＴＣ２は、ＰＴＣサーミスタの正の温度特性により、抵抗値が増大し、電流Ｉを抑制して流れなくするので、過電流から電源５及び負荷６を保護することができる。
【００３４】
その結果、従来は、自動復帰のヒューズ機能しか持たなかったＰＴＣサーミスタに、新たに、電流センサの機能を付加することが可能になる。
【００３５】
このとき、上述したように、メインＰＴＣ２とセンスＰＴＣ３とを同一の素子７に形成すれば、温度変化に対しても精度よく電流値がモニタ可能となる。なお、参考のため、従来の溶断ヒューズとの比較した結果を図３に示す。
【００３６】
また、このように、ＰＴＣサーミスタに電流センサの機能を付加することが可能になるため、この高機能ヒューズを自動車の電流の管理のために使用することができる。
【００３７】
そのため、例えば、このヒューズ１を図１に示すように（図１のカッコで囲まれた）、電源（自動車のバッテリー）５につながる自動車のイグニッション（ＩＧ）と接続されるアクセサリーソケット間に設け、ウインドコンパレータ１１の出力をエンジンのアイドル回転数を増加させるアイドルアップ信号として使用することができる。このように使用すると、と、アクセサリーソケットに接続される負荷６や系統の増加により電流が増加して設定量を越えると、ウインドコンパレータ１１からアイドルアップ信号が出力して、エンジンのアイドル回転数を負荷電流に応じて増減させることができる。また、短絡時には過電流から負荷６と電源（バッテリー）５を保護することもできる。このように、負荷の保護と同時に、電流の規制や管理が行える。
【００３８】
なお、この回路は、回路部分は小型化が図れるので、アクセサリーソケット内に設けることもできる。
【００３９】
【発明の効果】
この発明は、以上のように構成したことにより、自動復帰のヒューズ機能しか持たなかったＰＴＣサーミスタに、新たに、電流センサの機能を付加することが可能となり、コストの低減や装置の小型化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の回路図
【図２】実施形態のＰＴＣサーミスタを示す模式図
【図３】本願の高機能ヒューズと従来のヒューズとの比較表
【符号の説明】
１  高機能ヒューズ
２  メインＰＴＣ
３  センスＰＴＣ
４  センサ回路
５  電源
６  負荷
７  ＰＴＣ素子
８  差動増幅回路
９  電流制御手段
１０  電流検出抵抗
Ｉ  電流
【図１】
2004342898.tif 000003
【図２】
2004342898.tif 000004
【図３】
2004342898.tif 000005