(57)【要約】【課題】第１ＰＴＣ（抵抗率の温度係数）チップに、ほぼ一定なＰＴＣを有する第２抵抗器を密接に熱的に機械的に結合して直列に接続して、ロータの一時的なロック状態での有害な温度上昇を緩和するソリッド・ステート・モータ保護装置を得る。【解決手段】第１実施例において、ポリマＰＴＣレジスタ（１２）と固定レジスタ（１４）はスプリング部材（２２）により共にスタックされて、オープン・エンド・アイソレータ（１６）がこれを受けて、その上部と下部にある端子プレートによりスプリングに負荷を与えてスタックを電気的に接続する。【選択図】図３
2004201494.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
抵抗率の正温度係数（ＰＴＣ）を有する第１抵抗器と
抵抗率の概して固定の温度係数を有し、並列関係に装着され、前記第１ポリマ抵抗器に熱的に密接に結合され、さらに、電気的に直列に接続された第２抵抗器を含むソリッド・ステート・モータ保護装置。
【請求項２】
前記第１抵抗器がポリマＰＴＣ物質で形成された請求項１記載のソリッド・ステート・モータ保護装置。
【請求項３】
前記第１および第２抵抗器にそれぞれ電気的に結合するための端子部材を更に含み前記第１および第２抵抗器を選択された整列位置に維持して端子部材を装着するために電気的に絶縁するアイソレータを更に含む請求項２記載のソリッド・ステート・モータ保護装置。
【請求項４】
ある領域を取り囲み、開放された上側と開放された下側を有する側壁を前記アイソレータが含み、また、前記端子部材は概してプレート型であり、前記アイソレータの前記側壁に滑動的に係合し、前記上側および下側でそれぞれ受けられるように配置された対向する側壁を有する請求項３記載のソリッド・ステート・モータ保護装置。
【請求項５】
一つの端子部材と前記横並びの第１および第２抵抗器の間で受けられるスプリング部材を更に含む請求項４記載のソリッド・ステート・モータ保護装置。
【請求項６】
それぞれの棚の上に前記端子側壁を容易に圧接するために、前記アイソレータの前記上側と前記下側の両方に隣接した棚を画定する間隔を空けた凹所部が前記アイソレータの前記側壁に形成されている請求項５記載のソリッド・ステート・モータ保護装置。
【請求項７】
前記第１ポリマ抵抗器は、対向面を有して各表面に金属箔電流コレクタが取り付けられ、前記第２抵抗器が対向面を有して金属接触面が各表面に付けられている請求項３記載のソリッド・ステート・モータ保護装置。
【請求項８】
前記第１端子部材は、ほぼカップ型であって、ほぼ円筒形の側壁と下壁を有し、前記アイソレータは、上部と下部を有するほぼ環型であり、前記第１端子部材の側壁は、前記第１端子部材が露出した下壁を有する前記アイソレータ内に埋め込まれ、前記アイソレータと第１端子部材は空洞を形成し、前記第１および第２抵抗器は、前記空洞に受けられるようなサイズで円筒形に形成され、前記第１抵抗器は、対向表面を有し、各対向表面上に一つの電流コレクタが配置され、一つの表面が前記第１端子部材の下壁上に受けられ、一つの導電スプリング部材が前記第２抵抗器の上部に配置され、前記第２端子部材はほぼカップ型をしていて、前記アイソレータの上部の上に受けられて前記アイソレータへクリンプされて前記スプリング部材へ負荷を加えて、各電流コレクタ上に均一な圧力分布を供給する請求項３記載のソリッド・ステート・モータ保護装置。
【請求項９】
前記アイソレータが、その中心部を通じて形成された開口があるほぼプレート型をしていて、前記アイソレータの周辺の少なくとも一部に沿って高くされた余部により各々形成された上面と下面を前記アイソレータが有し、抵抗率の正温度係数を有するポリマ抵抗器が前記開口内に受けられ、前記ポリマ抵抗器は、各表面に取り付けられた金属箔電流コレクタを有する上面および下面、および抵抗物質から作られてそれぞれの高くされた余部内に前記アイソレータのそれぞれ上面および下面上に受けられるように構成された第１および第２の長い端子部材を有し、前記第１および第２の長い端子部材は、各々前記アイソレータを超えて延長する第１端と前記アイソレータ内の前記開口を超えて配置され前記ポリマ抵抗器へ電気的に接続される第２端を有する請求項３記載のソリッド・ステート・モータ保護装置。
【請求項１０】
前記第１および第２の端子部材がスパイラル構成に形作られた請求項９記載のソリッド・ステート・モータ保護装置。
【請求項１１】
抵抗率の正温度係数を有する追加の第１ポリマ抵抗器と抵抗率のほぼ固定された温度係数を有する追加の第２抵抗器を更に含み、これら追加の抵抗器は、前記第１および第２の抵抗器により、共にはさまれている請求項２に記載のソリッド・ステート・モータ保護装置。
【請求項１２】
抵抗率の正温度係数を有する追加の第１ポリマ抵抗器と抵抗率のほぼ固定された温度係数を有する追加の第２抵抗器を更に含み、これらは、前記第１および第２の抵抗器へ横並び関係に密接に熱的に結合されるように装着されて、二つの外側表面を有する抵抗器の一つのスタックを形成し、端子部材は、第１、第２および第３端子層を含み、第１および第３の端子層は、前記スタックのそれぞれの外側表面に接続され、また、第２端子層は、第１および第２抵抗器のペアの一つの隣接表面および追加の第１抵抗器および追加の第２抵抗器のペアへ接続されている請求項２記載のソリッド・ステート・モータ保護装置。
【請求項１３】
各々陽極と陰極を有する第１および第２のダイオードをさらに含み、前記第１ダイオードの陽極が前記第２端子層へ接続され、また、前記第２ダイオードの前記陰極が第３端子層へ接続されている請求項１２記載のソリッド・ステート・モータ保護装置。
【請求項１４】
巻線を有する電気モータを更に含み、前記第１ダイオードの前記陰極および前記第２ダイオードの前記陽極が共通接続を有し、正および負の極性を有する電池と、前記共通接続へ前記負極性を接続しモータ巻線へ正極性を接続する一つの位置から、前記正極性を前記共通接続へ接続し前記負極性をモータ巻線へ接続するもう一つの位置へ移動できるスイッチと、これに対して前記モータ保護装置の第１端子部材へ接続されるモータ巻線とを更に含む請求項１３記載のソリッド・ステート・モータ保護装置。
【請求項１５】
抵抗率の正温度係数を有し、また、対向する表面を有する第１抵抗器と、
抵抗率のほぼ固定された温度係数を各々有する第２および第３の抵抗器であって、それぞれ対向する表面を有して、前記第１抵抗器の各側に横並び関係で装着されて、前記第１抵抗器に密接に熱的に結合されて抵抗器のスタックを形成するものと、
前記スタックの外側表面および前記第１抵抗器のそれぞれの表面に面する反対の内側表面を有する第２および第３の抵抗器と、
前記第２抵抗器の前記外側表面に接続される第１端子部材と前記第３抵抗器の前記外側表面へ接続される第２端子部材と、前記第１および第３抵抗器の間の前記表面の間に接続される第３端子部材とを含むソリッド・ステート・モータ保護装置。
【請求項１６】
主巻線と始動巻線を有する単相モータであって、前記第１および第３端子部材は前記主巻線を横切って接続され、また前記第１および第２端子部材は、前記指導巻線を横切って接続されているものを更に含む請求項１５記載のソリッド・ステート・モータ保護装置。
【請求項１７】
前記第１抵抗器が、セラミック材料で構成される請求項１６記載のソリッド・ステート・モータ保護装置。
【請求項１８】
各々が、抵抗率の正温度係数を有し、上面および下面を有し、また、各表面に金属箔電流コレクタを有するほぼ平らな板の形であるポリマ抵抗器のスタックを含むソリッド・ステート・モータ保護装置。
【請求項１９】
隣接するポリマ抵抗器が、金属箔電流コネクタを分かち合う請求項１８記載のソリッド・ステート・モータ保護装置。
【請求項２０】
前記ポリマ抵抗器がおのおの選択された１つのスイッチ温度を有し、また少なくとも二つの抵抗器のスイッチ温度が互いに異なる請求項１９記載のソリッド・ステート・モータ保護装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に電気モータの保護装置に関し、特に、ソリッド・ステートの保護ＰＴＣ（抵抗の正温度係数）素子を使用する保護装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気モータは、ロータの酷使的なロック状態の間に巻線絶縁が劣化するのを防止するために、多様な保護装置を採用している。自動車産業で応用される永久磁石モータは、ブラシ・カード上に装着されたバイメタルまたはポリマＰＴＣの保護装置を使用し、このブラシ・カードはモータ巻線と直列に接続されている。この配列は、正常な運転電流に対して増大したロック時のロータの電流と、モータ・ハウジング内の環境温度増大の検出を促進する。内部ジュール熱によるＩ２ｒ加熱と増大する雰囲気温度とが合わさって、保護装置が作動して電気回路を遮断し、巻線温度を許容できるレベルに抑える。
【０００３】
先行技術のポリマＰＴＣ保護装置の一例は、特に図１に示す１４Ｖｄｃ窓ガラス上昇用モータの応用に使用するのに適しているが、図１において、たとえば厚さ約０．０１０インチ（０．２５４ｍｍ）のポリマ・チップ１が、対向する両面に金属箔電流コレクタ１ａを有し、比較的厚いたとえば厚さ０．０３１インチ（０．７９ｍｍ）の銅または真鍮の端子２にはさまれて半田付けされて、正しい作動（トリップ）時間応答曲線を生成する。これらの厚い端子は、高められた雰囲気温度（基準８０℃）において初期作動（トリップ）を展開して有害な作動（トリップ）を防止するために、一時的にロックされたロータの状態中にポリマＰＴＣチップをヒート・シンクするために使用される。チップの電流感度は、固定ロックされたロータの状態中に増大するモータの内部雰囲気温度と共に働いて、巻線温度を２５０ないし３００℃よりも低く保つように設計される。低電圧、低い環境および低電流の整流におけるトリップ（作動）時間は、典型的に数分を要し、これにより増大する内部雰囲気温度が、ポリマＰＴＣチップを作動させることに依存するようになっている。
【０００４】
提案された４２Ｖ自動車用動作システム・モータの巻線温度は、４２Ｖｄｃにおける正常運転に必要な設計の修正のために、１０秒間に３００℃増加できる。結果として、ブラシ・カード上に装着されたモータ保護装置の温度を上げるのに先立って、加速された巻線温度上昇が巻線絶縁を溶解させるので、遮断動作を効果的に行なわせるために、モータの内部雰囲気温度を保護装置が利用することができない。
【０００５】
４２Ｖモータと共に使用するように作られる保護装置は、１４ｖのシステムに比較して、同様な電力のアプリケーションのために３倍までのアンペア・レベルの減少に対処しなければならない。これは、同様のＩ２ｒ（ジュール熱）電流感度を生成し、および／または、チップの体積減少のために、９倍までポリマＰＴＣチップの抵抗の増加を助長する。
【０００６】
上述のように、ポリマＰＴＣの解決法において、抵抗要件を達成するための断面積の削減は、温度上昇率の増加による過負荷状態中に保護装置の作動が９倍速くなるということになる。これはまた、ロータの一時的なロック状態中に有害な作動の問題をもたらす。いくつかのモータ製造者は、ロータの一時的なロック状態または高トルク状態中の最小作動時間要件（すなわち２０秒）を規定していて、特定の時間間隔または上下動サイクルの回数だけ、窓ガラス上昇用モータがガラスをシール部へ動かすような応用を可能にしている。ポリマＰＴＣの厚さを増し、断面積を３倍まで減らすと、温度上昇率を減少させ、電流感度を増すことになる。しかしながら、現在の製造技術によっては、提案された直径対厚さ比率を有するポリマＰＴＣチップを効果的に打抜くコストは、困難な問題となる。その上、ロックされたモータに対するモータ運転電流の比率は、４２Ｖシステムにおいて一層大きくなり、ポリマＰＴＣの温度上昇率における更なる削減が有害な作動（トリップ）を防止するために必要になる。
【０００７】
もうひとつやっかいな問題は、ポリマＰＴＣがこうむるトルク効率の悪化の現象に関係していて、ここでＰＴＣの抵抗は、最初のスイッチ後にＰＴＣ素子のリセット運転において約４０％増加することである。これは、ポリマ内のカーボン粒子が１００％の再整列を達成しないために起こるとみなされている。この抵抗のシフトは供給電圧が除去された直後に４０％以上にもなり、モータの過渡的な性能劣化と有害な作動条件を一層増大する。こうして、安全なアプリケーションは最低レベルのＩ２ｒ加熱が起こるポリマＰＴＣのより低い抵抗率状態で製作されなければならず、また最高抵抗率状態にあるポリマＰＴＣによって有害作動分析を遂行しなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って本発明の一つの目的は、４２Ｖｄｃ程度の自動車用動作電圧で特に有用なスイッチング素子としてポリマＰＴＣチップを使用した、ソリッド・ステート・モータ保護装置を供給することである。本発明のもう一つの目的は、１４および４２Ｖｄｃのアプリケーションの両方について、上述した先行技術の限界を克服するモータ保護装置を供給することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、ソリッド・ステート・モータ保護装置は、固定抵抗器に直列になったポリマＰＴＣチップを含み、これは、低い電圧、環境および電圧条件において、ロックされたロータの保護を遂行すると共に、低い電圧、雰囲気および電流の条件において、ロータの一時的なロック状態の間に有害性を回避する色々な望ましい性能特性をもたらす。
【００１０】
第１実施例において、固定抵抗器および直列に接続されたポリマＰＴＣ抵抗器が、端子部材を分離するアイソレータへ圧着された対向する端子プレート部材の間でスプリング部材と積重ねられている。第２実施例はカップ型の端子を含み、その側壁は、空洞を形成するアイソレータ・リング内にインサート成形され、この空洞は、一つの固定抵抗器と、一つのスプリングと直列接続したポリマ抵抗器を受け入れる。この空洞は、アイソレータ・リングへ押し付けられたもう一つのカップ型端子により閉じられている。第３実施例は、プレート状のアイソレータを含み、これにはポリマＰＴＣチップを受ける開口が形成され、また、アイソレータの反対面で受け入れられて、ポリマＰＴＣチップへ取り付けられる細長い螺旋形の端子／固定抵抗器素子が形成される。もう一つの実施例は、ダイオードを使用することで、瞬間的に逆方向の電流能力を供給して、アセンブリ内の追加ＰＴＣチップおよび固定抵抗器を通る電流の流れを駆動電圧の反転に際して制御する装置を含む。さらにもう一つの実施例は、ポリマＰＴＣチップを含み、これは一対の固定抵抗器の間に挟まれて、ロックされたロータ状態の間に単相モータの主巻線と始動巻線を保護する保護装置として使用される３つの端子を備えている。さらにもう一つの実施例は、直列に接続されたＰＴＣポリマのスタックを含み、全スタックを通過する電流がその中で一つのチップを駆動して、利用雰囲気温度範囲内で抵抗率の線形ＴＣＲ温度係数により、固定抵抗器として残りのチップが機能してスイッチする。
【００１１】
上記のように、内部Ｉ２ｒ加熱を通じて過負荷電流状態を検出して、ある程度の大きさまでＰＴＣ材料抵抗率が増加するときに最大供給電圧を遮断するために、既存のアプリケーションはポリマＰＴＣチップを使用する。供給電圧が除去されるまで回路はラッチして開放のままであり、こうしてＰＴＣチップが冷却できて、その低い抵抗の状態へ遷移することができる。
【００１２】
本発明によれば、電流の検出と電圧の遮断の二つの機能が分離されて、アプリケーションのために有利な電流応答曲線の形状を調節する追加の自由度を与える。ＰＴＣ構成要素は最大供給電圧を遮断するために設計され、一方極端な電流過負荷において最大断熱作動時間を与え、また固定抵抗器は、伝導および対流による熱伝送を介して、ポリマＰＴＣ構成要素を外部的に加熱することによる最終トリップおよび初期トリップ時間の性能特性を規定するために使用される。
【００１３】
ＰＴＣ構成要素から抵抗を除去して、その「温度上昇率」を低減することは、極端な割合の過負荷における初期トリップ時間を延長し、一時的にロックされたロータ状態の間の有害な遮断動作を少くする。これだけを取ればこの動作は低い電流レベルにおける電流感度の損失をもたらし、これは最小の雰囲気、電圧および電流条件において、ロックされたロータの安全性能を悪化させる。本発明によれば、固定抵抗器が追加されるのは、極端な電圧、雰囲気および整流状態を通じてロックされたロータの安全に必要な中間的な割合の過負荷条件において、正常な運転電流を保ち、電流応答曲線を調節するための適当な最終遮断動作性能を生成するためである。
【００１４】
本発明の追加の目的、特徴および方法は、一部分は下記の説明に提示され、また一部分は説明から自明になる。本発明の目的と長所は、添付の特許請求の範囲に特に指摘された手段、組合わせおよび方法により実現され達成される。
【実施例】
【００１５】
図２および図３を参照すると、本発明の第１実施例により作られた高電圧（たとえば、４２Ｖｄｃ）自動車システムに特に有用なモータ保護装置１０は、ポリマＰＴＣチップ１２を含み、ポリマＰＴＣチップ１２の対向する両面には金属箔電流コレクタ（図示なし）があり、それは固定抵抗器１４に電気的に直列に接続されており、固定抵抗器１４の対向する両面上には接触面１４ａがある。サーモプラスチック・ポリマのような電気的絶縁物質で形成されたほぼ正方形な側壁が、ニッケル亜鉛めっきスチールのような適当な導電物質で形成された上部端子プレート１８および下部端子プレート２０をそれぞれ分離する絶縁体１６として作用する。ＰＴＣチップ１２、固定抵抗器１４および鋼、ベリリュウム銅または他の適当な材料の導電スプリング２２が、アイソレータにより整列されて、側壁１８ａ、２０ａ、側壁の曲がり部、側壁を、アイソレータの反対側でそれぞれの凹所の端子側に保持棚１６ｂを有する対応の凹所１６ａへ圧着することにより、アイソレータ１６へ適当に取り付けられた端子の間に重ねられる。端子１８、２０は、保護すべきモータにエネルギーを与える回路内の接続のために端子タブ１８ｂ、２０ｂをそれぞれ備えている。スプリング２２は構成部品のスタック（積み重ねたもの）を共に保持して、充分な電気的接触を供給するのに充分な力を生じる。
【００１６】
希望するならば、このスプリングは、スプリング・タブを打ち抜いてそれを内部構成要素すなわちＰＴＣチップ中におよび固定抵抗器１４へ向けて形成することにより、一つまたは両方の端子から形成される。
【００１７】
固定抵抗器１４およびＰＴＣチップ１２のバルク抵抗率を修正することにより、またたとえば正方形から円形へ構成を変えるか、またはＰＴＣチップ１２内に種々の形を打ち抜いたりして、ポリマＰＴＣチップ１２から材料を除去することにより、同一のパッケージ外形に対し種々の定格を与えることができる。その上、固定抵抗器１４とＰＴＣチップ１２の間にスプリング２２を配置して、熱伝達速度および関連する作動時間を修正するために、部品の配置を変更することができる。
【００１８】
本発明の第２実施例を図４と図５に示す。モータ保護装置３０は、ドア・ロックに使用されるモータのような小さなモータを使用する自動車用アプリケーションのために、特に有用である。モータ保護装置３０はインサート・モールデッド部材３２を有するボタン・セル・タイプであって、インサート成形部材３２は、端子部３２ａと、パッケージおよび外部電気接続面への構造的一体性を供給するほぼ環状のアイソレータ３２ｂとを有する。ほぼ円筒形な固定抵抗器３４は、適当な電気接触面３４ａ、ほぼ円筒形のポリマＰＴＣ抵抗器素子３６によって示され、対向する正面に電流コレクタを有するが、図２をわかりやすくするために、個別に表示されず、適当な導電スプリング部材３８が、インサート成形部材３２内に形成された凹所内に受け取られている。追加のカップ型端子４０が、このサブアセンブリの上に受けられて、スプリング３８を担う円周フランジ３２Ｃの底面の上で、側壁４０ａの自由末端を曲げることによりアイソレータ部３２ｂへ圧着されていて、これにより電気回路を完成して、両方の電流コネクタ上へ均等な圧力分布を与えて、断面全体にわたって均等な機械的圧縮応力と電流密度となるよう促す。端子部３２ａは、好ましくはフランジ部３２ｃ内にインサート成形された外側に放射上に広がるフランジで形成されて、押圧された端子部材４０と構造的に相互作用して、モータ保護装置の構造的一体性を改良する。モータ保護装置３０は、利用できる空間が極度に制限されているかまたはロックされたロータ電流の感度が１ａｍｐより低いことが求められる場所で使用するために、全体の直径が１０ｍｍまたはそれ以下に小さくなるように作られる。
【００１９】
ポリマＰＴＣ物質の局所的な変形を引き起こすことなしに均一な機械的圧縮応力を促進するスプリングを装着した接続機構設計を使用することは、ポリマＰＴＣマトリックス内の熱勾配と応力を最小化して、トリップ・ジャンプ抵抗器シフトを削減するのを助ける。
【００２０】
図６と図７にもう一つの実施例を示す。この実施例のモータ保護装置５０は、電気的絶縁ポリマおよびそこを貫く中央のＰＴＣ素子受け入れ開口５２ａを有するプレート状のケース部材５２を有する。ケース部材５２は、その周辺を巡って一段高くされたマージン（余部）５２ｂ、それぞれの組み合わせ端子を受けるために各正面に残した開口５２ｃおよび固定抵抗器部材５４、５６から形成される。部材５４、５６は選択された抵抗材料から形成され、また、長いまたは平たい螺旋で内部末端部５４ａ、５６ａを有して形成される。部材５４、５６は、マージン５２Ｂの杭で区分けした部分によってケース部材５２へ取り付けられ、各それぞれの部材５４、５６のエッジは構成要素のスタックを共に保持し、末端部５４ａ、５６ａはステップ抵抗であって、ポリマＰＴＣ抵抗器５８の表面上のＰＴＣ電流コレクタへ接続されて、ケース５２の開口５２ａ内に受け入れられるように構成されている。
【００２１】
その中で保護装置が使用される環境温度が増加すると、有害作動問題が悪化する。しかしながら本発明により作られた保護装置は、図８のグラフに反映されているように、先行技術の保護装置に比較して高い電流で、改良済み初期作動時間を有する。このグラフは、初期作動時間の曲線ａと曲線ｂを秒で示したものに対し、４２Ｖおよび＋８２℃環境で加えられた電流をアンペアで示す。本発明により作られた保護装置はＰＴＣ１、すなわち０．５００インチの直径を有し固定抵抗器Ｒへ直列に熱的に接続された円形のポリマＰＴＣ素子を含む。先行技術の保護装置は、ＰＴＣ２、すなわち０．２５０インチの直径を有するポリマＰＴＣ素子を含む。先行技術の保護装置の曲線ｂは、１６アンペアで０．２秒の初期作動時間を示すが、一方直列接続ポリマＰＴＣ素子および固定抵抗器を有する保護装置の曲線は、同等な最終トリップ属性において、１６アンペアで２．４秒の初期作動時間を示し、ロックされたロータの安全を供給するための低電圧環境およびアンペア条件を供給する。曲線ａを表示する保護装置は、一時的なロックされたロータ状態の間に有害な作動を回避するために、典型的な１．５秒最小作動時間規格に適合する。６：１のロックされたモータ対運転電流の比率が、４２Ｖｄｃ高電力ウインドウ昇降およびウインドウ・シールド・ワイパのアプリケーションにおいて典型的である。これは、一時的なロックされたロータ状態の間に有害な作動を回避するために、高いパーセントの過負荷において、初期作動時間を拡張する必要を促す。
【００２２】
図８のグラフに示すように、先行技術の保護装置と本発明により作られた保護装置は両方とも、同等な最終作動値のために高トルク状態の間に同一の電流搬送能力を有する。しかしながらＰＴＣ２の先行技術の保護装置は、本発明により作られた保護装置のＰＴＣ１＋Ｒ曲線と比較して、そのより高速応答曲線に伴う高い割合の過負荷で過渡的にロックされたロータ状態の間に有害な作動になる傾向が著しい。
【００２３】
さらに、アッセンブリの抵抗率温度係数（ＴＣＲ）値が、アッセンブリで使用される二つの抵抗器の合計に対する構成抵抗器の割合に比例して低減されるので、固定構成抵抗器およびポリマＰＴＣチップの組み合わせは、雰囲気温度条件に対して一層一貫した最終作動性能を与える。
【００２４】
さらに、固定部材の抵抗を約＋／−５％以内に決定できる一方で、ポリマＰＴＣ抵抗が約＋／−２０％の許容誤差を有するので、そうした保護装置の製造において、改良された歩留まりが得られる。
【００２５】
図９は、モータ反転回路内に使用される本発明により作られたモータ保護装置６０を示し、たとえば身体の一部が絡んだり挟まったりしたときそれを開放するのに一時的ロック状態のロータの間に瞬間的に方向を反転できるようにするために、ウインドウ昇降用モータなどに使用できる。この回路図は、反時計方向に回転するモータＭ、モータ保護装置６０および電池へ接続された二極双投式スイッチ７０ａ、７０ｂを示す。
【００２６】
モータ保護装置６０は二端子装置であって、その各々がそれぞれ固定抵抗器６２ａ、６２ｂ、それぞれポリマＰＴＣ抵抗器６４ａ、６４ｂを含み、また固定抵抗器６２ａ、６２ｂの間に接続された第１端子６０ａ、ポリマＰＴＣ抵抗器６４ａ、６４ｂ上の外部電流コレクタ、すなわち端子層６０ｂ、６０ｃへ接続されたそれぞれのダイオードＤ１、Ｄ２および二つのダイオードへ接続する第２端子６０ｄを含む並列回路である。各並列回路内のダイオードは、二極双投式スイッチ６６ａ、６６ｂ内で生成される供給電圧極性に基づいて、それぞれの固定抵抗器とポリマＰＴＣ抵抗器のペアを通じて電流の流れを制御するために反転される。
【００２７】
通常の運転においてスイッチ６６ａ、６６ｂは実線の位置にあって、ダイオードＤ１を順方向バイアスして、図示のように下に結合された抵抗器構成要素６２ａ、６４ａを通じて電流を供給して、モータは反時計周りのモータ回転を供給する。点線で示されたスイッチ位置へ反転すると、ダイオードＤ２が順方向にバイアスされて、図示のように上に結合された抵抗器構成要素６２ｂ、６４ｂを通じて電流を供給して、モータは時計周り方向のモータ回転を生成する。
【００２８】
ロックされたロータの状態の間に、実線のスイッチ位置はダイオードＤ１を順方向バイアスして、ロックされたロータの電流が固定抵抗器６２ａ、Ｄ１分岐のＰＴＣ抵抗器６４ａおよびモータ巻線を通って流れられるようにする。ＰＴＣ抵抗器６４ａは、固定抵抗器６２ａおよびＰＴＣ抵抗器６４ａ内のＩ２ｒ加熱により駆動されて高抵抗状態へスイッチされ、また、電流レベルをいくつかのマグニチュードの程度まで削減して、安全な巻線温度を供給する。回路の分岐が一つしかない保護装置は、電圧が除去されてＰＴＣ抵抗器がそのスイッチ温度に冷却できるまで、モータ方向を反転させるために「逆極性」にエネルギーを与えることができず、これは数秒または数分間までかかる。しかしながら、上述のロックされたロータ状態の間に点線位置へスイッチの位置を反転することにより、ダイオードＤ２は順方向バイアスされて、Ｄ２分岐内の固定抵抗器６２ｂおよびＰＴＣ抵抗器６４ｂを通じて電流を瞬間的に流すことができ、その結果、モータは時計周り回転および反対方向の動作をする。
【００２９】
両方の方向におけるロックされたロータ状態に際して、スイッチされたＰＴＣ抵抗器構成要素からスイッチされていないＰＴＣ抵抗器構成要素への熱伝達を促進するために、固定抵抗器とＰＴＣ抵抗器のペアは密接な近辺にある、すなわち密接に熱的結合されていなければならない。ロックされたロータの初期状態が巻き線温度を上げて、瞬間的に逆方向ロックされたロータ状態の間に作動するために、第２のＰＴＣ抵抗器が、より少ない時間でできる雰囲気温度よりも高くする。第２分岐回路内で発生されるＩ２ｒ加熱に加えて、第１分岐回路の固定抵抗器およびＰＴＣ抵抗器から伝達される熱のために、電気の密接な熱的結合は、逆方向にロックされたロータ状態の間に第２ＰＴＣ抵抗器の初期作動時間を低減する。ポリマＰＴＣ抵抗器６２ａ、６２ｂは、端子６０ａへ接続された抵抗器のスタックの中心に示されているが、端子６０ａへ接続された中心へ固定抵抗器６４ａ、６４ｂを配置することにより、この構成を反転させることができる。さらに、ダイオードおよび端子ｄの結合は、モータへ結合される端子６６ａにより反転することができる。
【００３０】
図１０は、本発明のもう一つの好ましい実施例を示し、ここで、保護装置７０は、一対の固定抵抗器７４、７４ａの間に挟まれて直列に接続された単一のＰＴＣ抵抗器７２を含む。端子リード線７０ａ、７０ｃがそれぞれの固定抵抗器７４、７４ａの外側表面へ接続され、第３の端子７０ｂは、ＰＴＣ抵抗器７２および固定抵抗器７４ａの間に接続された共通端子である。保護装置７０は、モータの主巻線を横切って結合された端子７０ａ、７０ｂ、およびロックされたロータ状態の間に巻線のための保護を供給する始動巻線を横切って結合された端子７０ａ、７０ｃを有する単相モータへ接続されている。抵抗器７４、７４ａの値は、特定の運転の必要に応じて選択される。そうしたアプリケーションに使用される場合は、ＰＴＣ抵抗器７２がセラミック材料で形成されるのが望ましく、これにより、長期間（たとえば、数週間）のロックされたロータ条件などに際して、また、Ａ／Ｃモータの典型的な条件における電圧ブロッキング性能について、改良された耐久性を供給する。
【００３１】
図１１に更にもう一つの実施例を示す。本発明により作られたモータ保護装置８０は、ポリマＰＴＣチップ８２ａ、８２ｂ、８２ｃおよび８２ｄの直列接続のスタックを含む。この配置において、一つのＰＴＣチップは電圧遮断装置として働き、その他は固定抵抗加熱部品として働く。ＰＴＣチップのスタック全体を通過する電流が一つのＰＴＣチップを駆動して、境界条件と始動抵抗の影響の下にスイッチする。スイッチされたＰＴＣチップは数桁分まで電流レベルが下がり、これにより隣接するＰＴＣチップを冷却することができる。それから、隣接するＰＴＣチップがスイッチされたＰＴＣチップにより加熱されて、隣接するＰＴＣチップをそれらのスイッチ温度よりも低く保つ。その結果、隣接するチップは、スイッチされたＰＴＣポリマ物質の典型的な４０％抵抗シフト特性を経験しない。このノン・スイッチングＰＴＣチップは、アプリケーション雰囲気温度範囲内で、リニアＴＣＲを有する固定抵抗器のように作用する。
【００３２】
このタイプのアプリケーションのために特に設計されたポリマとカーボンをブレンドした抵抗器を使用して、アプリケーション温度範囲を超えてＴＣＲ値を最小化できるが、それは、この物質システムがポリマＰＴＣ物質をスイッチするのに関連した指数的な抵抗増加と電力喪失に耐えなくても良いからである。この低いＴＣＲ特性は、最適なモータ・トルク性能のために抵抗安定性を供給する。たとえば、導電性粒子で充填された高温ポリマ物質を、隣接するポリマＰＴＣチップ材料のスイッチング温度までのＴＣＲ安定性のために設計できる。この擬似固定低ＴＣＲポリマ抵抗器は、電流過負荷の間にＰＴＣチップを加熱して、希望する作動時間応答を生成することができる。本発明により作られた一つの保護装置は、直列になった４つの長方形ポリマＰＴＣチップ（０．２５０インチ×０．７５０インチ）を使用する４２Ｖウインドウ昇降モータに使用され、ロックされたロータ状態の間にモータを保護して、高い環境温度条件において有害な作動を回避することに成功している。
【００３３】
図１２および図１２ａは修正された実施例を示し、保護装置９０は、第２ポリマＰＴＣ層９０ｂおよび第３ポリマＰＴＣ層９０ｃの間に挟まれた、第１の選択された温度と厚さを有し、第２ポリマＰＴＣ層９０ｂと第３ポリマＰＴＣ層９０ｃは、第２の一層高いスイッチ温度と厚さを有する。粒状ニッケルめっき銅箔などの電流コレクタ９０ｅがそれぞれ層９０ａ、９０ｃに分かち与えられ、一方前記分かち与えられたコレクタと同じ方法、同じ物質で形成できる別々の電流コレクタ９０ｆと９０ｇが、それぞれ層９０ｂ、９０ｃの外面に供給される。保護装置９０は、これらの層をラミネートして一体に形成して、特にコスト効果的な保護装置を作る。図１２により製作された保護装置の一例は、最大電圧３０Ｖｄｃ、最大電流１５ａｍｐ、２０℃環境において０．７５ｏｈｍ−ｃｍに等しい抵抗率と、２０℃環境において０．１８３ｏｈｍ＋／−０．０３７に等しい抵抗を有するアプリケーションのためのものであって、大きさ９．３０ｍｍ×７．５ｍｍで高さ（厚さ）１．９０ｍｍの保護装置９０である。中心スイッチング層９０ａは、１２０℃スイッチ温度、ポリマＰＴＣ０．３０ｍｍ厚さで形成され、外層９０ｂ、９０ｃは一層高いスイッチ温度たとえば３００℃ポリマＰＴＣ０．７０ｍｍ厚さにより各々形成される。これらの電流コレクタは、粒状（すなわち粗）ニッケルめっき銅箔０．０５ｍｍ厚さである。理解すべきは、図１２の保護装置は、一つの層９０ｂまたは９０ｃのみによって作ることもでき、また種々の厚さと抵抗率の物質で作ることもできることである。
【００３４】
上記のように、ポリマＰＴＣチップの正常運転抵抗すなわち室温におけるチップの抵抗が初期スイッチの後に約４０％増加し、供給電圧が除去された直後にはリセット動作に一層大きな増加をする。本発明によれば、固定抵抗器とポリマＰＴＣ抵抗器の組み合わせにより、これらの問題の両方を著しく削減できるが、それは、過負荷条件の結果として固定抵抗器の抵抗率が、大きく変化しないからである。たとえば、本発明により製作された０．２５０ｏｈｍ保護装置が、室内雰囲気条件において２アンペアの最終作動特性を有し、そのスイッチング温度までＰＴＣを上げるのに１ワットを必要とすると仮定する。この固定抵抗器は、製品抵抗の２/３（０．１６７ｏｈｍ）で設計され、また、ポリマＰＴＣは、製品抵抗の１/３（０．０８３ｏｈｍ）で、設計されている。過負荷条件からソース電圧を除去した後、一時間後の装置の抵抗は、０．１６７ｏｈｍ＋（０．０８３＊１．４）＝０．２８２ｏｈｍであり、元の値よりも約１３％大きい。
【００３５】
これに対して、ＰＴＣのみの製品の抵抗シフトは、元の供給された製品の値よりも４０％高い０．２５０*０．４＝０．３５０ｏｈｍであり、有害作動または性能悪化問題を増大させる。
【００３６】
交互のパーセント・シフトは、保護装置内で使用される固定対ＰＴＣ抵抗比率に基づいて達成できる。その上、この抵抗シフトは、すでに過負荷シフト済みになっているＰＴＣを有する保護装置を供給することにより、更に削減できる。それは、固定抵抗器が、抵抗および電流感度の安定性を供給して、ロックされたロータの安全性能を確実にするからである。４０％抵抗シフトは、結局もとの値へ戻るが、この過程は、起こるべき特定条件の下で数ヶ月を要する。したがって、ポリマＰＴＣの最低抵抗状態において、安全アプリケーションを行って、最低Ｉ２ｒ抵抗をもたらさなければならない。図１１に示すＰＴＣスタックは、スタック内のＰＴＣチップの数（Ｎ）の平方根に比例する初期抵抗シグマすなわち（Ｎ）−１／２×初期抵抗シグマを減少させて、より少ない電圧下降の変動を通じてモータ性能の改善をもたらす。たとえば、０．４００ｏｈｍ制御製品を生み出すために、５％のＰＴＣ抵抗率シグマ能力（１シグマ）を仮定する。＋／−シグマ分布に基づいて、単一の０．４００ｏｈｍ構成要素が＋／−２０％すなわち０．３２０Ωないし０．４８０Ωの抵抗範囲を生成する。１/４厚さと５％シグマ容量で０．１００Ωの抵抗器を使用する４スタックＰＴＣの解決法は、０．４００ｏｈｍアセンブリ抵抗に基づいて、０．４００ｏｈｍの全抵抗値と［（０．００５）２＋（０．００５）２＋（０．００５）２＋（０．００５）２］１／２＝０．０１ｏｈｍ、すなわち２．５％に等しいアッセンブリ・シグマを生成する。この４スタックＰＴＣアッセンブリは、＋／−４シグマ分布に基づいて、＋／−１０％の抵抗範囲、すなわち０．４４０Ωないし０．３６０Ωを生成する。
【００３７】
スタックされたシグマの長所を＋４０％のトリップ・ジャンプ抵抗シフトを経験する単一のＰＴＣと組み合わせて、モータ効率を更に改良できる。たとえば、０．４００ｏｈｍの単一のＰＴＣ構成要素は、０．５６０ｏｈｍ＋／−０．０８ｏｈｍまで名目シフト（０．４００×１．４）して、最大値＝０．６４０ｏｈｍに対して０．３２０ｏｈｍの最小値（０．４００−０．０８ｏｈｍ）を生成することができる。４スタックＰＴＣアセンブリは、名目シフト（０．３００＋０．１００×１．４）＝０．４４０＋／−０．０４ｏｈｍをして、最大値＝０．４８０ｏｈｍに対して０．３６０ｏｈｍの最小始動値（０．４００−０．０４ｏｈｍ）を生成する。組み合わせると、このスタックＰＴＣアセンブリは、最小から最大までの抵抗範囲として、３３％（（０．４８０−０．３６０）×１００／０．３６０）に等しいものを生成し、一方先行技術の解決法は、１００％の最初から最大までの範囲（０．６４０−０．３２０）×１００／０．３２０を生成し、一層大きなモータ効率の悪化を導く。
【００３８】
本発明をその特定の好ましい実施例に関して説明してきたが、諸変化および諸修正が当業者に明らかになるであろう。従って、添付の特許請求の範囲は、先行技術を考慮に入れて、できるだけ広く解釈されて、そうした諸変形と諸修正を含むことを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
添付の図面は、この明細書の一部分を構成して組み込まれ、本発明の好ましい実施例を図示し、説明と共に本発明の目的、利点および原則を説明するのに役立つ。
【図１】１４Ｖｄｃモータに特に有用な先行技術によって製作されたポリマＰＴＣモータ保護装置の正面図である。
【図２】本発明の第１実施例により製作された保護装置の正面図である。
【図３】図２の保護装置の分解透視図である。
【図４】本発明の第２実施例により製作された保護装置の正面断面図である。
【図５】図４の保護装置の分解透視図である。
【図６】本発明の第３実施例により製作された保護装置の透視図である。
【図７】図６の保護装置の分解透視図である。
【図８】先行技術のポリマＰＴＣ保護と、本発明により製作された保護装置についての初期作動時間対付加電流のグラフである。
【図９】モータ反転システム内に使用される本発明のもう一つの実施例の略図である。
【図１０】単相モータの始動および主巻線を保護するために使用される本発明のもう一つの実施例の略図である。
【図１１】ポリマＰＴＣチップのスタックを含む本発明の修正された実施例の正面図である。
【図１２】シェアード電流コレクタを有する多重ラミネート・ポリマＰＴＣ保護装置を含むもう一つの実施例の正面図である。
【図１２ａ】図１２の部分拡大図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  ポリマ・チップ
２  端子
１０  モータ保護装置
１２  ポリマＰＴＣチップ
１４  固定抵抗器
１４ａ  接触面
１６  絶縁体
１６ａ  凹所
１６ｂ  保持棚
１８  上部端子プレート
１８ａ  側壁
１８ｂ  端子タブ
２０  下部端子プレート
２０ｂ  端子タブ
２２  導電スプリング
３０  モータ保護装置
３２  インサート成形部材
３２ａ  端子部
３２ｂ  アイソレータ
３４  固定抵抗器
３４ａ  電気接触面
３６  ポリマＰＴＣ抵抗器素子
３８  導電スプリング部材
４０  カップ型端子
４０ａ  側壁
５０  モータ保護装置
５２  ケース部材
５４、５６  固定抵抗器部材
５８  ポリマＰＴＣ抵抗器
６０  モータ保護装置
６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ  端子
６２ａ、６２ｂ  固定抵抗器
６４ａ、６４ｂ  ポリマＰＴＣ抵抗器
６６ａ、６６ｂ  二極双投スイッチ
７０  保護装置
７０ａ、７０ｂ、７０ｃ  端子
７２  ＰＴＣ抵抗器
７４、７４ａ  固定抵抗器
８０  モータ保護装置
８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｃ、８２ｄ  ポリマＰＴＣチップ
９０  保護装置
９０ｂ、９０ｃ  ポリマＰＴＣ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１２ａ】
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