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JP4237615B2 - ネットワーク装置用の静電放電装置 - Google Patents
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Description

本発明は、電気的に絶縁されたシステムの過電圧保護に関する。さらに詳しくは、本発明は、イーサネット（登録商標）システムにおいて採用される静電放電（“ＥＳＤ”; electrostatic discharge）装置に関する。
本出願は、上記発明の名称と同一の名称を有し且つ代理人整理番号１１２６９０−０７３を有する２００１年７月１０日に出願された米国仮特許出願番号６０／３０４３７４の利益を主張する非仮出願である。
電気的過剰ストレス過渡現象(“ＥＯＳ過渡現象(electrical overstress transient)”)は、回路または回路中の高感度(sensitive)な電気部品(electrical component)を一時的または恒久的に機能させなくする高電界および高ピーク電力を生じる。ＥＯＳ過渡現象は、回路動作を妨害し又は回路を完全に破壊し得る過渡電圧または過渡電流を含む。例えば、ＥＯＳ過渡現象は、例えば装置または人体、稲妻、静電気の蓄積からの静電放電や電磁パルスに起因して発生し、または他の電子または電気部品の動作により誘起される。ＥＯＳ過渡現象は、サブナノセカンドからマイクロセカンドの時間でその最大振幅に達し、そして振幅ピークを繰り返す。
静電放電（ＥＳＤ）過度現象波のピーク振幅は、１００アンペアよりも大きな電流を伴って２５０００ボルトを超え得る。ＥＯＳ過渡現象の波形を規定する多くの規格が存在する。これらは、ＩＥＣ６１０００−４−２、ＥＳＤ（ＡＮＳＩ Ｃ６３．１６）に関するＡＮＳＩガイドライン、ＤＯ−１６０、およびＦＡＡ−２０−１３６を含む。また、ＭＩＬＳＴＤ８８３パート３０１５．７のような軍用規格も存在する。
ＥＯＳ過渡現象に対する保護のための材料が存在し（ＥＯＳ材料）、それは、即座に応答するように設計されており（即ち、理想的には、過渡現象波がそのピークに達する前に応答し）、伝達される電圧を十分に一層低い値に減少させ、そして、ＥＯＳ過渡現象の期間中、その電圧をその低い値に固定する。ＥＯＳ材料は、低電圧または通常の動作電圧および電流で高い電気的インピーダンス値を有することを特徴とする。ＥＯＳ過渡現象に応答して、その材料は、本質的に瞬時に低い電気的インピーダンス状態に切り替わる。ＥＯＳの脅威が和らぐと、これら材料はその高インピーダンス状態に回復する。これら材料は、高インピーダンス状態と低インピーダンス状態との間で繰り返しの切り替わりが可能であり、多数のＥＯＳイベントに対する回路保護を可能とする。
ＥＯＳ材料はまた、本質的に瞬時に、ＥＯＳ過渡現象が終了した直後にその本来の高インピーダンス値に回復する。ＥＯＳ材料は、何千ものＥＳＤイベントに耐えながら、その低インピーダンス状態に何千回も切り替わることが可能であり、そして、個々のＥＳＤイベントのそれぞれからの保護を提供した後に高インピーダンス状態に回復する。
ＥＯＳ材料を利用する回路部品は、電気回路およびその部品を保護しながら、グランドに向かうＥＯＳ過渡現象による過剰な電圧または電流の一部を分流(shunt)することができる。しかしながら、高速な立ち上がり時間過渡現象の大部分は、その脅威の源の方にはね返される。このはね返された波は、その脅威の源により減衰され、放散されるか、または、その脅威のエネルギーが安全なレベルに減少するまで、各リターンパルスに応答するサージ保護装置(the surge protection device)に再び戻される。
ＥＯＳ過渡現象に対する保護を提供するための一つの電気部品が、本発明の譲受人に譲渡された米国特許番号６２１１５５４Ｂ１に開示されており、この明細書の中にも引用することにより組み入れられている。電気的過剰ストレスに対する保護を提供するための一つの電圧可変材料(“ＶＶＭ”; voltage variable material)または構成物(composition)が、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願シリアル番号０９／１３６５０７に開示されており、そしてまたこの明細書の中にも引用することにより組み入れられている。
代表的なローカルエリアネットワーク（“ＬＡＮ”）デザインは、イーサネット（登録商標）プロトコルを使用し、それは通常、ベースバンド(base band)またはベースバンド伝送(base band transmission)を必要とする。なぜなら、ＬＡＮは、通常、ネットワーク装置（サーバ、ワークステーション、プリンタ等）の間の長距離を網羅し、グランド電位が場所によって著しく変わるからである。このことは、データ伝送エラーをもたらし、もしデータ通信ラインがアースグランドを基準としていれば、実に装置の損傷を招く。この理由により、ＬＡＮおよび電気通信アプリケーション用のトランシーバは、一般には差動モード装置(differential mode device)であり、通常は変圧器(transformer)によってネットワーク配線から絶縁されている。これらの変圧器は、ツイストペアネットワーク配線からの差動モードデータ信号をトランシーバ装置に効率よく結合(couple)する一方、グランド電位差に起因するもののような同相信号(common mode signal)を減衰させる。
同相信号の他の源は、エアコン、ヒータ、エレベータ、コピーおよびレーザプリンタなどのような装置における負荷スイッチングによって引き起こされる建物の送電線から放射される過度現象(transient)である。ケーブルあるいはケーブルコネクタへの直接放電によって、またはケーブルへの電界あるいは磁界結合によって、同相ＥＳＤ信号をネットワーク配線に結合(couple)させることもあり得る。
理想的な変圧器は、一次（ネットワーク配線側）から二次（ネットワーク装置トランシーバ側）にゼロの同相信号を結合するが、実際の変圧器は、一次と二次巻線をリークする多少のキャパシタンスを有しており、それは、多少の同相電流が変圧器を介して流れることを許容する。同相のチョーク(choke)および差動モードトランシーバは、信号を一層減衰させるか受け付けないが、ＥＳＤに起因するもののように高振幅で立ち上がりの速い信号は、依然としてシステムの異常や損傷を引き起こす。
ネットワーク装置上の接続ポートは、確立された規格に従って電気的に絶縁されなければならない。例えば、イーサネット（登録商標）１０ＢａｓｅＴネットワーク通信装置は、国際規格ＩＳＯ／ＩＥＣ８８０２−３（ＡＮＳＩ／ＩＥＥＥ規格８０２．３）に準拠しなければならず、また１００ｂａｓｅＴネットワーク通信装置は、ＡＮＳＩ Ｘ３．２６３−１９９５，セクション８．４．１１に示される規格に準拠しなければならない。１０ＢａｓｅＴ装置に関しては、規格８０２．３は、ＲＪ−４５に見られるような各ＰＭＡ／ＭＤＩについて、２５００ボルト程度の高い直流電圧に対しネットワーク配線への接続がグランドから絶縁されなければならないことを要求する。
既知のＶＶＭ型ＥＳＤ装置は、定常状態信号(steady state signal)の高電圧の存在に耐えることができない。スパークギャップ(spark gap)のようなＥＳＤ保護の他の形式は信頼性がない。スパークギャップは熱や湿度のような環境条件に制約される。さらに、スパークギャップは、ＥＳＤイベントが繰り返された後に劣化する。このことは、ＥＳＤ保護および高電圧直流電流絶縁を必要とするネットワーク通信システムについて問題を提起する。従って、定常状態信号である高電圧（例えば２５００ＶＤＣ）の存在に耐え得る信頼性のあるＶＶＭ型ＥＳＤ装置について要求がある。
本発明は、改善された静電放電（“ＥＳＤ”）装置を提供する。さらに詳しくは、本発明は、キャパシタと直列に存在する電気的過剰ストレス抑制装置を具備するＥＳＤ装置を提供するが、ＥＳＤ保護および絶縁を必要とする如何なる電気的装置も本発明のＥＳＤ装置を採用することができる。
上記目的を達成するため、本発明の一実施形態において、ＥＳＤ装置が提供される。本ＥＳＤ装置は、キャパシタと、重合体の非オーミック電圧可変な材料を備える電気的過剰ストレス保護装置を具備し、この材料は上記キャパシタと直列に存在して電気的に通じる(communicate)。
一つの実施形態において、前記装置は、前記過剰ストレス保護装置と電気的に通じる信号線を具備する。
一つの実施形態において、前記信号線は、１０ＢａｓｅＴ、１００ＢａｓｅＴ、および１０００ＢａｓｅＴのデータ線から構成されるグループの中から選択されたデータ線である。
一つの実施形態において、前記ＥＳＤ装置は、前記信号線と電気的に通じるイーサネット（登録商標）ネットワーク装置を具備する。
一つの実施形態において、前記ＥＳＤ装置は、前記信号線と電気的に通じるトランシーバ(transceiver)を具備する。
一つの実施形態において、前記ＥＳＤ装置は、前記過剰ストレス保護装置と電気的に通じるアースグランド(earth ground)を具備する。
一つの実施形態において、前記キャパシタは、前記ＥＳＤ装置が所定の定常状態または直流電流電圧の印加に耐えることができるようなサイズに形成される。
一つの実施形態において、前記キャパシタは、信号線からグランドに流れるＤＣ電流を阻止する。
一つの実施形態において、前記キャパシタは、データ伝送コネクタの使用されないデータ線に結合する。
一つの実施形態において、前記ＥＳＤ保護装置および前記キャパシタは、プリント回路基板（“ＰＣＢ”）に設けられる。
一つの実施形態において、前記装置および前記キャパシタは、データ伝送コネクタに電気的に通じる少なくとも一つのＰＣＢトレース(PCB trace)に電気的に通じる。
一つの実施形態において、前記ＥＳＤ保護装置および前記キャパシタは、フレキシブル回路に設けられる。
一つの実施形態において、前記ＥＳＤ装置および前記キャパシタは、前記フレキシブル回路に設けられたバネ接点(spring contact)に電気的に通じる。
一つの実施形態において、複数のＥＯＳ装置およびキャパシタは、前記フレキシブル回路に設けられた複数の接点に電気的に通じる。
一つの実施形態において、前記ＥＯＳ装置およびキャパシタは、電気装置のコネクタピンに電気的に通じる。
本発明の他の実施形態において、静電放電（“ＥＳＤ”）装置が提供される。本ＥＳＤ装置は、非オーミック電圧可変の材料（“ＶＶＭ”）およびキャパシタまたは前記ＶＶＭと直列に存在して電気的に通じるキャパシタ材料を具備する。前記キャパシタは、前記ＶＶＭが所定の定常状態電圧の印加に耐えることができるようなサイズに形成される。
一つの実施形態において、前記電圧可変材料は、１０ミクロンよりも小さな平均粒子径を有する導電性および半導電性の粒子(particle)の基質(matrix)を具備する。一つの実施形態において、前記基質は、３００オングストロームよりも大きな平均粒子径を有する絶縁性の粒子をさらに具備する。
一つの実施形態において、前記電圧可変材料は、基質に結合した絶縁性酸化表面コーティング(insulative oxide surface coating)を有する不規則に成形された導電性の粒子を具備する。
一つの実施形態において、前記電圧可変材料は、絶縁性酸化フィルムでコーティングされた表面を有する導電性および半導電性粒子の混合物を具備し、前記導電性および半導電性粒子は、絶縁性の結合剤(binder)で互いに結合される。
一つの実施形態において、前記電圧可変材料は、絶縁性酸化フィルムでコーティングされた導電性および半導電性粒子を具備し、それは相互に点接触で結合される。
一つの実施形態において、前記電圧可変材料は、１０から２０ミクロンに成形された導電性および半導電性粒子を具備する。
一つの実施形態において、前記電圧可変材料は、１０から２０ミクロンに成形され、且つ少なくとも１０００オングストロームだけ間隔を空ける。
一つの実施形態において、前記ＶＶＭおよびキャパシタまたはキャパシタ材料は、共通の筐体内部に配置される。
一つの実施形態において、前記ＶＶＭは、自己付着(self-adhering)であり、且つＰＣＢ、ｐｏｙｍｉｄｅ、フレックス回路(flex circuit)、または、キャパシタまたはキャパシタ材料を備える筐体内部に自己付着される。
本発明の更なる実施形態において、静電放電抑制のための電気回路が提供される。本回路は、信号線、および該信号線に電気的に通じるキャパシタを具備する。本回路は、重合体の非オーミック電圧可変な材料を有する電気的過剰ストレス保護装置を具備し、この材料は、上記キャパシタと直列に存在して電気的に通じる。本回路はまた、前記過剰ストレス保護装置と電気的に通じるアースグランドを具備する。
一つの実施形態において、前記回路は、前記信号線に電気的と通じるイーサネット（登録商標）ネットワーク装置を具備する。
従って、イーサネット（登録商標）ＬＡＮネットワークにおける使用のためのＥＳＤ装置を提供することが本発明の利点である。
本発明の他の利点は、定常状態ブロッキング機能(steady state blocking function)を備えるＥＳＤ装置を提供することである。
本発明の更なる利点は、ＩＥＥＥ８０２．３試験に耐えることができ、且つＥＯＳ過渡現象の適切な抑制を維持することができるＥＳＤ装置を提供することである。
本発明の更なる他の利点は、上記ＥＳＤ装置の一部を構成する電気的過剰ストレス保護装置のキャパシタンスよりも小さな集合キャパシタンス(aggregate capacitance)を横切って高速データが伝わるＥＳＤ装置を提供することであり、且つ前記装置は、高速データの完全性を妥協しない。
本発明の付加的な特徴および利点は、次の望ましい実施形態の詳細な説明および図面において述べられて明らかになるであろう。
さて、図面、特に図１を参照すると、電気回路図が本発明の改善されたＥＳＤ装置の一実施形態を図解している。一つの好ましい実施形態において、改善されたＥＳＤ装置は、ネットワーク通信装置に適合されるということが理解される。当業者であれば、ＥＳＤ過渡現象保護を必要とする如何なる電子システムにおいても本装置が使用できることを認識するであろう。
図１において、ＥＯＳ過渡電圧１２は、信号線１４上を回路１０に入る。通常の動作においては、過剰ストレス保護装置１６は、通常は電流がトランシーバ１８に流れ且つ保護装置１６には流れないようなハイインピーダンスを有する。ＥＯＳ過渡電圧１２が現れるとすぐに、保護装置１６は、ハイインピーダンス状態からロウインピーダンス状態に切り替わる。信号線１４からの過渡電圧１２の一部はアースグランド２０に消える。保護装置１６は、過渡電圧１２の殆どを、その脅威の源の方に反射して戻す。
一つの実施形態において、信号線１４は、高速データ線であり、それは、単一のケーブル上に多くのキャリア周波数が存在することを可能とするために、高周波帯域(large frequency band width)または動作周波数範囲(operating frequency range)を必要とする。ＩＥＥＥ８０２．３イーサネット（登録商標）仕様は、ＥＳＤ装置または装置２２が２２５０ＶＤＣに耐えることができることを要求する。装置２２の保護装置１６は、この高電圧定常状態信号に耐えることができない。装置２２は、従って、キャパシタ２４を備え、それは、信号線１４とアースグ欄後２０との間に保護装置１６と直列に接続されている。この実施形態では、キャパシタ２４は信号線１４と保護装置１６との間に配置される。
この技術分野で従来知られているように、キャパシタ２４のようなカップリング型のキャパシタは、このキャパシタを交流電流が通ることを許すが、初期のサージ電流を除いてはこのキャパシタをＤＣ電流が通ることは許されない。保護装置１６は、この電流の初期のバースト(burst)に耐えることができる。装置２２のキャパシタ２４は、もし正しいサイズに成形されているならば、保護装置１６が電流の初期のバースト以外に２２５０ＶＤＣの定常状態電圧に出会うことを許さない。なぜなら、キャパシタ２４は、ＤＣ電流がアースグランド２０に流れることを許さないからである。
キャパシタ２４のキャパシタンスは適切に選択されなければならない。もしキャパシタンスが小さすぎると、オーバーシュート(overshoot)およびアンダーシュート(undershoot)が発生する。もしそのキャパシタが大きすぎると、キャパシタ２４は電力の余剰分を吸収する。キャパシタ２４における電力の消費は、周波数、デューティサイクル、および電気通信データのビットパターンの関数である。これらのファクタは、キャパシタ２４の充電および放電に影響を与え、従って装置２２の電力消費性能に影響を与える。
しかしながら、もし、キャパシタのバルブ(valve)が適切に選択されていれば、装置２２のカップリングキャパシタ２４はＤＣ電流を阻止し、これにより、保護装置１６を保護し、且つ相当な電力を節約する。さらに、キャパシタの値の適切な選択は、入力波形と略一致する信号線１４の負荷端での波形をもたらす。即ち、装置２２は、入力波形の形状や大きさを実質的に変えない。
装置２２は、同相(common mode)および差動モード(differential mode)過渡現象の双方に有効である。一つの実施形態において、各イーサネット（登録商標）信号線１４は、各トランシーバ１８が、異なる信号線１４間を流れる差動電流から絶縁され且つ相互接続されたリードからグランドに流れる同相電流から絶縁されるように、個別に絶縁されている。また、保護装置１６のみがグランドへのＥＯＳ過渡現象の一部を分流(shunt)するので、過渡電圧スパイク１２の殆どがその源に送り戻され、同相電流の発生を低減させる。
直列のキャパシタは逆数を加算すること、例えば、１／Ｃトータル＝１／Ｃキャパシタ＋１／Ｃ保護装置であることは良く知られている。これは、その直列における最も小さなキャパシタンスよりも常に小さいトータル直列キャパシタンス(total series capacitance)をもたらす。保護装置１６のキャパシタンスは、一般には、キャパシタ２４のそれよりも著しく小さいので、装置２２に対するトータルキャパシタンスは、おおよそ同じかまたは保護装置１６のキャパシタンスのそれよりもわずかに小さい。
装置２２が接続された配線１４上に現れる高速データは、二つの装置の集合キャパシタンスに出会い、そしてそれは、おおよそ保護装置１６単体のそれと同じか、それよりも小さい。他の回路保護方法と比較して、装置２２は、従って、データ線が速度において増加するにつれてより良く働く。
図２を参照すると、他の実施形態において、複数の装置２２がＰＣＢ基板３０の片側(one side)に表面実装されている。グランドバス２０は、はんだ接合３４で示されるように、複数のキャパシタ２４の一端に半田付けされている。キャパシタ２４は、過剰ストレス保護装置１６によって提供されるリード（図示なし）に直接的にそれぞれ半田付けされている。過剰ストレス保護装置は、トランシーバ（図示なし。ＰＣＢ３０の他側(other side)に配置し得る）のターミナル３２に順に半田付けされる。一つの実施形態において、ターミナル３２は、ＲＪ−４５コネクターのようなデータ伝送コネクターに電気的に直接的に接続する。リフローソルダリング(reflow soldering)のような、本発明の装置２２の過剰ストレス保護装置１６およびキャパシタ２４の表面実装方法は良く知られている。
図２に図解された装置２２は首尾よく試験された。PulseGurde（登録商標）Model PGB002ST23 ＥＳＤ保護装置１６を用いて装置２２に実施された試験において、保護装置１６は、要求された２２５０ＶＤＣ定常状態電圧に６０秒間耐えた。さらに、この試験は、トランシーバチップが、データ線、例えばＲＪ−４５コネクターに飛び移る繰り返しの１５ｋＶの空中放電に耐えることを示した。ＥＯＳ過渡電圧１２が発生した時に、装置２２のキャパシタ２４は、過渡スパイク１２に関してショートのように見えるので、保護装置１６は、トランシーバ１８を保護することが予定されたかのように動作する。一つの実施形態において、キャパシタ２４は、規定によって指定された電圧に対して評価された１０００ｐＦのキャパシタである。
この実施形態において、図１の実施形態とは反対に、キャパシタ２４は、保護装置１６とグランドバス２０との間に配置されることが理解される。ＤＣカップリングキャパシタ２４は、ＤＣ電流がトランシーバターミナル３２からグランドバス２０に流れることを拒否し、これにより、保護装置１６を高いＤＣ電圧から保護する。信号線およびグランド間の保護装置１６およびキャパシタ２４の双方は、保護装置１６を保護するために働き、そして両構成は本発明に含まれる。
図３Ａおよび３Ｂは、データ伝送またはＲＪ−４５コネクターと組み合わせた本発明における装置２２の一つの可能性のある電気的構成を図解する。図３Ａは、ＲＪ−４５コネクター４０の代表的構成を示す。ＲＪ−４５コネクター４０は、８個の接点(contact)４２ａ〜４２ｈを備える。通常は、二つの接点、例えばコンタクト４２ａおよび４２ｂは、信号伝送線に接続する一方、２つのコンタクト、例えばコンタクト４２ｃおよび４２ｄは、信号受信線に接続する。四つのデータ線、即ち線４２ｅ〜４２ｈは、通常は提供されるが使用されない。これらの線は使用されないので、それらはフローティングであると言え、即ちそれらは入力電圧によってハイ状態にもロウ状態にも固定されない。データ線４２ｅ〜４２ｈは浮く(float)ので、それらは何れも通常はＰＣＢ（図示なし）上のカップリングキャパシタ２４によってグランドに電気的に結合される。カップリングキャパシタ２４は、上述したように、使用されない線４２ｅ〜４２ｈを通じて消費されるＤＣ電流を阻止し、これによりシステムの電力消費を低減する。キャパシタ２４は、通常、ＩＥＥＥ８０２．３イーサネット（登録商標）仕様書に謳われているＤＣ電圧に耐えるように選択される。
ＲＪ−４５コネクターを備える多くのＰＣＢは、キャパシタ２４を既に具備しているか、またはキャパシタ２４を備える仕様とされている。図３Ｂは、本発明の装置２２が既存のキャパシタ２４と直列に保護装置１６を付け加えることにより容易に構成されることを図解している。図３Ｂは、Ｒｘデータ線４２ｄが電気的に保護装置１６に接続することを示し、次に保護装置１６はキャパシタ２４に電気的に接続し、次にキャパシタ２４はアースグランド２０に接続する。もちろん、保護装置１６は、トレースまたはリード４４がデータ線４２ｄに電気的に接続される限り、代わりに、キャパシタ２４とグランド２０との間に配置されてもよい。
図３Ｂは、装置２２が単一のＲｘデータ線４２ｄを保護することを図解している。トレースまたはリード４４を任意の組み合わせまたは活性(active)のデータ線４２ａ〜４２ｄに拡張することにより、本発明の装置２２は、任意の数または全てのデータ線を保護できることが理解される。図３Ａおよび３Ｂは、本発明の用途(application)を四つの活性のデータ線に限定することを意図するものではない。むしろ、それらは、既存のキャパシタ２４を利用する一つの用途を示している。もし、八つの全てのデータ線４２ａ〜４２ｈが活性であれば、装置２２は、どれをも保護し、八つのデータ線の組み合わせまたはその全てを保護する。さらに、必要であれば、装置２２は、図３Ａおよび３Ｂに図解される不活性のデータ線４２ｅ〜４２ｈを保護するのに適合されてもよい。さらに、本発明は、ＲＪ−４５コネクターに制限されず、そしてＲＪ−１１、ＵＳＢおよびファイアーワイヤー(fire wire)コネクターのような他のタイプのコネクターと共に実施可能である。
他の代わりの実施形態（図示なし）において、複数の装置２２は、組み合わせデータ線(combination data line)を保護するために採用される。この実施形態において、各装置２２は、一つまたは複数のデータ線を保護してもよい。例えば、一つの装置２２は、データ線４２ａおよび４２ｂを保護する一方、他の装置２２は、データ線４２ｃおよび４２ｄを保護する。この例は多くの方法で実施できる。一つの実施において、二つの装置２２は、同一のキャパシタ２４および同一のグランドコネクションを共有する。他の実施において、二つの装置は、それぞれ独自のキャパシタ２４を採用するが、同一のグランドコネクションを使用する。更なる実施において、二つの装置は、それぞれ独自のキャパシタ２４およびグランド接続を採用する。
図４を参照すると、装置２２についての他の応用は、フレキシブル回路５０上への装置２２の導入を含む。フレキシブル回路または“フレックス回路(flex circuit)”は、よく知られており、そしてＫａｐｔｏｎ（登録商標）フィルムのような薄いフレキシブル基板５２を採用する。フレックス回路は、所定システム内の別個の固定構造物、例えばＰＣＢ上に配置された電気的接続部品に対して都合の良い手段を提供する。フレックス回路５０は、複数のバネ接点および少なくとも一つのグランドバスを備える。フレックス回路５０は、一対の接点の行(row)およびグランドバス２０を備える。本発明はまた、他の電気的構成を備えるフレックス回路と共に実施可能(operable)である。
多くのタイプの装置がフレックス回路５０に結合されてもよく、ＲＪ−４５コネクターに接続するための例えばフレックス回路は、少なくとも八つのバネ接点５４等を備える。他の構成において、フレックス回路５０は、ＰＣＢの他の場所に搭載されたＲＪ−４５コネクターに達するリード(lead)またはトレース(trace)４２ａ〜４２ｈ（図示なし）を備える。装置２２は、図３Ａおよび３Ｂに関連した開示と同様に、フレックス回路上のデータ線に、または、図示されたバネ接点５４に接続することができる。
図示したように、バネ接点５４は、一つの実施においてはスルーホール型のコネクションであり、このバネ接点５４は、スルーホール型のコネクターのピン５６または回路(circuit)５０に搭載されるべき装置(device)を受ける。他の実施においては、バネ接点５４は、表面実装パッド(surface-mount pad)の代わりであり、表面実装コネクターは、パッドに半田(solder)をリフロー(reflow)する。いずれの場合にしても、バネ接点５４またはパッドが、例えば半田を介して接合部(joint)３４を装置２２の保護装置１６に結合し、次に保護装置１６が例えば半田接合３４を介して装置２２のキャパシタ２４に結合し、次にキャパシタ２４がグランドバス２０に結合する。もちろん、保護装置１６およびキャパシタ２４の順序は、バネ接点５４（またはパッド）およびグランドバス２０に関して逆転してもよい。何れの場合においても、装置２２のキャパシタ２４は、バネ接点５４（またはパッド）とグランドバス２０との間をＤＣ電流が流れることを阻止する。保護装置１６は、ＥＳＤイベントをグランドバス２０に分流し、および／または、その信号をその源に向けて反射し、そしてこれにより、ピン５６の一つを介してバネ接点５４に接続された装置の信号線を保護する。
図３Ａおよび３Ｂに関して上述した装置２２およびデータ線の組み合わせのそれぞれは、フレックス回路上に採り入れてもよい。さらに、複数の装置２２は、複数の装置を保護するために基板５２上に存在してもよい。さらにまた、一つまたはそれ以上のキャパシタ２４は複数の装置１６で作動でき、そしてその装置の複数の信号線が１つの保護装置１６により保護されてもよい。
保護装置１６は、電圧可変材料（“ＶＶＭ”）を備える。一つの実施形態において、ＶＶＭは、“Polymer Composites for Overvoltage Protection”と題された米国特許番号６２５１５１３に開示されている組成(composition)を備え、そしてそれは、１０ミクロンよりも小さな平均粒子径を有する導電性および半導電性の粒子の基質(matrix)を備える。その基質は、３００オングストロームよりも大きな粒子径を有する絶縁性の粒子をさらに備える。比較的小さな粒子径の導電性および半導電性の充填材(filler)を利用するＶＶＭは、約３０ボルトから約２０００ボルトまたはそれ以上の範囲において制限電圧(clamping voltage)を示す。他の実施形態において、保護装置１６は、如何なる既知の電圧可変材料をも備えることができる。具体的に言うと、電圧可変材料は、次の如何なる組成をも備えることができ、それはこの明細書の中にも引用することにより組み入れられている。
Grisdaleに付与された米国特許番号２２７３７０４は、非線形の電流／電圧関係を示す粒状組成物を開示している。これらの混合体は、薄い絶縁性の層でコーティングされ且つ密着体を提供するために押し付けられて互いに結合された導電性および半導電性の顆粒(granule)から構成される。
Bocciarelliに付与された米国特許番号２７９６５０５は、非線形の電圧規制エレメント(non-linear voltage regulating element)を開示している。このエレメントは、基質に結合した絶縁性の酸化表面コーティングを有する導電性の粒子(particle)から構成される。この粒子は、形状が不規則であり、他のものと点接触している。
Hyatt等に付与された米国特許番号４７２６９９１は、導電性および半導電性の粒子の混合物から構成されるＥＯＳ保護材料を開示しており、その表面の全てが、絶縁性の酸化フィルムでコーティングされている。これらの粒子は、絶縁性の結合剤で互いに結び付けられている。コーティングされた粒子は、望ましくは、互いに点接触しており、且つ量子メカニズムトンネルモードで選択的に導通する。
Hyattに付与された米国特許番号５４７６７１４は、１０〜１００ミクロンの範囲のサイズとなるように形成された導電性および半導電性の粒子の混合物から構成されたＥＯＳ複合材料を開示している。この材料はまた、１００オングストロームのサイズに形成された或る割合の絶縁性粒子を備える。これら材料の全ては、絶縁性の結合剤で互いに結合されている。本発明は、組成(composition)が粒子に互いに優先的関係をとらせるような粒子径の等級付けを含む。
Childersに付与された米国特許番号５２６０８４８は、過渡的過剰電圧からの保護を提供する折り返し(foldback)可能なスイッチング材料を開示している。これらの材料は、１０〜２００ミクロンの範囲の導電性粒子の混合物から構成される。半導体および絶縁性粒子はまた、これらの組成(composition)に採り入れられる。導電性粒子間の間隔は少なくとも１０００オングストロームである。
ＥＯＳ高分子複合材料はまた、米国特許番号４３３１９４８、４７２６９９１、４９７７３５７、４９９２３３３、５１４２２６３、５１８９３８７、５２９４３７４、５４７６７１４、５６６９３８１に開示されており、それが教示する事柄は、この明細書の中にも引用することにより組み入れられている。
上記実施形態は、本発明の装置２２を具備するものとして説明され図解され、それはＥＯＳ装置１６およびキャパシタ２４を備える。これは、装置２２が少なくとも二つの個別の装置１６および２４を備えることを意味する。図解したように、装置２２は、個別のＥＯＳ装置１６と個別のキャパシタ２４を具備することができ、それは一般には装置(device)の形式で提供される。図３Ｂに関連して図解したように、ＰＣＢに既に存在するキャパシタ２４にＥＯＳ装置１６を結合することは望ましいであろう。
他の実施形態において、キャパシタまたはキャパシタ材料、例えば半導電性の材料、およびＥＯＳ材料は、単一の筐体に収容されてもよく、このキャパシタまたはキャパシタ材料およびＥＯＳ材料は少なくとも一つの電極を介して通じる。さらに他の実施形態においては、本発明の譲受人に譲渡された“Voltage Variable Material for Direct Application and Employing Same”と題された仮米国特許出願番号６０／３７０９７５に示される直接的に印加可能な電圧可変材料（“ＶＶＭ”）を採用してもよい。このＶＶＭ材料は、筐体の中に備える必要はなく、従って基板に直接的に適用されてもよく、硬化され又は硬化されず、そしておそらくはエポキシコーティングによって封入されてもよい。このＶＶＭは、導電性の金属表面または非導電性の絶縁性表面または基板のような表面に元来付着し、追加的な処理を用いずに硬化(cure)する。しかしながら、このＶＶＭを用いた用途は、同じものの製造プロセスを速めるために硬化され得る。
仮特許出願番号６０／３７０９７５に開示された自己硬化(self-curing)および自己付着(self-adhering)の絶縁性結合剤は、ポリエステルのような熱可塑性樹脂(thermoplastic resin)または重合体(polymer)を含み、それは溶剤に溶解しない。ポリエステル樹脂は、６℃〜８０℃の範囲にガラス転移温度を有し、且つ１５０００と２３０００原子質量単位(“ＡＭＵ”)の間の分子量を有する。重合体(polymer)を溶解する一つの適切な溶剤は、一般には“カービトールアセタテート(carbitol acetatate)”として引用されるジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート(diethylene glycol monoethyl ether acetate)である。一つの実施形態において、増粘剤(thickening agent)が絶縁性結合剤に添加され、それは、絶縁性結合剤の粘性を増加させる。例えば、増粘剤は、商標名Ｃａｂ−ｏ−ＳｉｌＴＳ−７２０の下に見出されるもののようなヒュームドシリカ(fumed silica)でもよい。
本発明の絶縁性結合剤は、高い絶縁破壊強度、高い抵抗率および高いトラッキングインピーダンス(tracking impedance)を有する。絶縁性結合剤は、導電性粒子、絶縁粒子、半導電性粒子、ドープ半導電性粒子(doped semiconductive particles)、およびこれらの種々の組み合わせのように、ＶＶＭ１００の他の可能性のあるコンポーネント間の十分な粒子間の間隔を提供し且つ維持する。粒子間の間隔、抵抗率、および絶縁性結合剤の絶縁強度は、それぞれ、通常状態におけるＶＶＭのハイインピーダンスの特性(quality)に影響を与える。一つの実施形態において、絶縁性結合剤は、少なくとも１０９ohm-cmの体積抵抗率を有する。その結合剤に異なる重合体(polymer)を混ぜ合わせ、同じものを交差結合(cross-link)することが可能である。
本明細書でここで述べた好ましい実施形態についての種々の変形および修正は当業者には明白であろう。このような変形および修正は、本発明の思想および目的から始めることなく、且つその付随する利益を減じることなく達成される。
本発明の改善されたＥＳＤ装置の一実施形態の電気回路図である。 本発明の改善されたＥＳＤ装置のための一つの可能性のある導入を示すプリント回路基板の断片的な部分平面図である。 既知のデータ伝送コネクターに関する電気回路ダイアグラムを図解する図である。 図３Ａのデータ伝送コネクターと組み合わせた本発明のＥＳＤ装置を図解する電気回路図である。 フレキシブル回路上に採用された本発明の改善されたＥＳＤ装置を図解する斜視図である。
符号の説明
１２ ＥＯＳ過渡電圧
１４ 信号線
１６ 保護装置
１８ トランシーバ
２０ アースグランド
２２ 装置
２４ キャパシタ

Claims (12)

  1. 静電放電（“ＥＳＤ”）装置であって、
    高分子複合電圧可変材料（“ＶＶＭ”）を備える電気的過剰ストレス（“ＥＯＳ”）保護装置と、
    前記保護装置と直列に存在して電気的に通じるキャパシタと
    を具備し、
    前記高分子複合電圧可変材料（“ＶＶＭ”）は、導電性粒子と、半導電性粒子と、ポリエステルを含む絶縁性結合剤とを含み、
    前記絶縁性結合剤は、前記高分子複合電圧可変材料自身を基板に付着させる粘着性を有すると共に、追加的な処理を用いずに硬化するものであることを特徴とする静電放電装置。
  2. 前記ＥＯＳ保護装置および前記キャパシタのうちの一つに電気的に結合する信号線を具備することを特徴とする請求項１記載のＥＳＤ装置。
  3. 前記ＥＯＳ保護装置および前記キャパシタのうちの一つと電気的に通じるグランドを備えることを特徴とする請求項１記載のＥＳＤ装置。
  4. 前記ＥＯＳ保護装置および前記キャパシタは、プリント回路基板（“ＰＣＢ”）に設けられたことを特徴とする請求項１記載のＥＳＤ装置。
  5. 静電放電（“ＥＳＤ”）装置であって、
    重合体複合可変電圧材料（“ＶＶＭ”）と、
    前記ＶＶＭと直列に存在して電気的に通じるキャパシタ材料とを具備し、
    前記キャパシタ材料は、前記ＶＶＭが所定の直流電流電圧の印加に耐えることができるようなサイズに形成され、
    前記重合体複合可変電圧材料（“ＶＶＭ”）は、導電性粒子と、半導電性粒子と、ポリエステルを含む絶縁性結合剤とを含み、
    前記絶縁性結合剤は、前記重合体複合可変電圧材料自身を基板に付着させる粘着性を有すると共に、追加的な処理を用いずに硬化するものであることを特徴とする静電放電装置。
  6. 前記ＶＶＭは、基質に結合した絶縁性酸化表面コーティングを有して不規則な形状に形成された導体粒子を備えたことを特徴とする請求項５記載のＥＳＤ装置。
  7. 前記ＶＶＭは、絶縁性酸化フィルムで覆われた表面を有する導電性および半導電性の粒子の混合物を備え、前記導電性および半導電性粒子は絶縁性の結合剤で互いに結合されたことを特徴とする請求項５記載のＥＳＤ装置。
  8. 前記ＶＶＭは、絶縁性酸化フィルムで覆われ且つ他のものと点接触で互いに結合された導電性および半導電性の粒子を備えたことを特徴とする請求項５記載のＥＳＤ装置。
  9. 前記ＶＶＭは、１０〜２０ミクロンのサイズに形成された導電性および半導電性の粒子を備えたことを特徴とする請求項５記載のＥＳＤ装置。
  10. 前記ＶＶＭは、基板に直接的に自己付着したことを特徴とする請求項５記載のＥＳＤ装置。
  11. 静電放電（ＥＳＤ）抑制用の電気回路であって、
    信号線と、
    前記信号線と電気的に通じた高分子複合電圧可変材料（“ＶＶＭ”）と、
    前記ＶＶＭと直列に存在して電気的に通じるキャパシタと、
    前記キャパシタと電気的に通じるグランドと
    を備え、
    前記高分子複合電圧可変材料（“ＶＶＭ”）は、導電性粒子と、半導電性粒子と、ポリエステルを含む絶縁性結合剤とを含み、
    前記絶縁性結合剤は、前記高分子複合電圧可変材料自身を基板に付着させる粘着性を有すると共に、追加的な処理を用いずに硬化するものであることを特徴とする電気回路。
  12. 前記高分子複合電圧可変材料（“ＶＶＭ”）は、当該電気回路に適用された場合に適所で硬化されると共に要望どおりに加工されるものであることを特徴とする請求項１１記載の電気回路。
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