JP2003524883A

JP2003524883A - 回路保護素子

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Publication number: JP2003524883A
Application number: JP2001519452A
Authority: JP
Inventors: インホ・ミョン; ウェイン・モントヤ; ジェイムズ・トス
Original assignee: Tyco Electronics Corp
Current assignee: TE Connectivity Corp
Priority date: 1999-08-24
Filing date: 2000-08-18
Publication date: 2003-08-19
Also published as: WO2001015180A3; TW478231B; EP1206781A2; US6300859B1; CN1413350A; WO2001015180A2

Abstract

(57)【要約】【課題】感度の低下しない過電流検知素子を提供する。【解決手段】本発明による過電流検知素子は、上部主面と底部主面とを備え、パターン化された金属薄片導体と、ＰＴＣ動作を示す材料から成る平坦板と、パターン化された金属薄片の制御電流集中層とを含む。その金属薄片導体は、その上部主面に沿って区画され、１つの端部領域に第１の電極領域、対向する端部領域に第２の電極領域、その第１の電極部分と第２の電極部分との間に電流集中領域を有する。ＰＴＣ動作を示す材料から成る平坦板は、その金属薄片導体の少なくとも前記の架橋部に熱的に接触する第１の主面と、それに対向する第２の主面とを備える。金属薄片の制御電流集中層は、その平坦板の第２の主面に接続される。また、金属薄片の制御電流集中層は、一般的に電流集中領域に制限され、かつ、実質的に電流集中領域と平行に一列に並ぶ表面領域を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】（技術分野）本発明は、ＰＴＣ過電流検知素子に物理的に集積され、かつ、熱的に結合され
た電流集中導体を備える電気回路過電流保護素子の改良形に関する。

【０００２】（背景技術）正温度係数（ＰＴＣ）回路保護素子は周知である。その素子は、負荷と直列に
配列され、正常な動作条件の下で低い温度にあるときは、低抵抗状態にある。し
かし、もしＰＴＣ素子を流れる電流が過度に増大し、および／または、ＰＴＣ素
子の周囲温度が過度に上昇し、いずれかの条件が正常の動作時間以上維持される
なら、電流が実質的に削減されるようにＰＴＣ素子が「トリップ」される、すな
わち、ＰＴＣ素子が高温、高抵抗状態に変換される。一般的に、ＰＴＣ素子は、
たとえ電流および／または温度が正常のレベルに戻っても、ＰＴＣ素子が電源か
ら外され、冷却することが許されるまで、そのトリップされた状態を維持する。
特に有益なＰＴＣ素子は、ＰＴＣ導電性ポリマから成るＰＴＣ要素を備える。Ｐ
ＴＣ導電性ポリマとは、すなわち、（１）有機ポリマと、（２）微粒子導電性フ
ィラー、好ましくは、カーボンブラックおよび／または導電性無機フィラー、例
えば、ポリマ中に分散または分布されている、セラミック酸化物、または、チタ
ニウムカーバイド等の炭化金属、窒化金属若しくはホウ酸化金属とから成る組成
物である。ＰＴＣ導電性ポリマおよびそれらを含む素子は、例えば、米国特許第
４２３７４４１号、米国特許第４２３８８１２号、米国特許第４３１５２３７号
、米国特許第４３１７０２７号、米国特許第４４２６６３３号、米国特許第４５
４５９２６号、米国特許第４６８９４７５号、米国特許第４７２４４１７号、米
国特許第４７７４０２４号、米国特許第４７８０５９８号、米国特許第４８００
２５３号、米国特許第４８４５８３８号、米国特許第４８５７８８０号、米国特
許第４８５９８３６号、米国特許第４９０７３４０号、米国特許第４９２４０７
４号、米国特許第４９３５１５６号、米国特許第４９６７１７６号、米国特許第
５０４９８５０号、米国特許第５０８９８０１号および米国特許第５３７８４０
７号に開示され、国際特許公開公報ＷＯ９４／０１８７６号、ＷＯ９５／０８１
７６号、ＷＯ９５／３１８１６号において、その開示は、全ての目的のために参
照によって本明細書に組み込まれる。セラミックＰＴＣ材料も当業界で周知であ
る。セラミック負温度係数（ＮＴＣ）材料を含むＮＴＣ回路保護素子も、当業界
で周知である。

【０００３】ＰＣＴ国際公開公報ＷＯ９８／０２９４６号（レイケム社、１９９８年１月２
２日発行）は、比較的小さな過電流に対してでさえ速い反応を示す過電流保護シ
ステムについて述べる。その開示は、この参照により本明細書に組み込まれる。
そのシステムにおいて、電流源と電気的負荷との間に、検知素子および回路遮断
素子が直列に配置される。検知素子は、制御素子を経由して、回路遮断素子に機
能的に接続される。故に、回路中の電流があらかじめ決められた量を越えるとき
、検知素子はその過電流を検知し、制御素子と通じる。その制御素子は、回路遮
断素子を、正常の動作状態から故障状態に変化させる。正常状態は、導電状態ま
たは非導電状態のどちらかであってよい。故障状態は、正常状態の反対、すなわ
ち、特定の過電流保護回路装置に応じて、それぞれ、（完全な開放状態を含む）
非導電状態または導電状態である。好ましい実施の形態において、検知素子は、
負荷に直列に接続された抵抗素子を備え、制御素子は、その抵抗素子に熱的に接
続され、かつ、回路遮断素子に電気的に接続されるＰＴＣ素子を備える。過電流
がそのようなシステムを流れるとき、抵抗素子の温度が上昇し、ＰＴＣ素子を加
熱させ、高抵抗状態にトリップさせる。ＰＴＣ素子は回路遮断素子に接続される
ので、ＰＴＣ素子の抵抗の増大は、回路遮断素子を、その故障状態に切り換えさ
せる。ＰＴＣ素子は、負荷に直列に配列されないので、負荷を流れる正常な回路
電流よりもずっと低いレベルの電流で動作できる。

【０００４】ＰＣＴ国際公開公報ＷＯ９８／５６０１４号（レイケム社、１９９８年１２月
１０日発行）は、過電流保護素子の重要な効果を提供する。その開示は、この参
照により本明細書に組み込まれる。この出願において開示された保護素子は、Ｐ
ＴＣ特性を示す材料の、一般的に長方形かつ平坦な板を備える。その材料は、中
に微粒子導電性フィラーが分散された有機ポリマから成る。その一般的に長方形
かつ平坦な板は、第１の主面と、それに対向する第２の主面とを備える。本明細
書において開示される発明の原則に従って、第１の導電層は、ＰＴＣ板の第１の
主面に熱的に結合され、かつ、電気的に接続されたパターン化された金属薄片を
備える。そのパターン化された金属薄片は、その板の１つの端部における第１の
端部電極領域と、板の第２の端部における第２の端部電極領域と、その第１の端
部電極領域と第２の端部電極領域との間にある、一般的に薄い電流集中領域また
は電流集中部分を区画する。この従来の特許出願に述べられていることとして、
第２の金属薄片の導電層は、実質的に、ＰＴＣ板の対向する第２の主面全体に渡
って延びている。この従来の手法の欠点の１つは、パターン化された金属薄片の
電流集中部分が、ＰＴＣ板の面積の小さい表面領域に過電流の熱を集める一方、
電流勾配が存在し、その電流勾配が、ＰＴＣ板材料の対向する第２の主面全体に
渡って集められ、結果として、ＰＴＣ過電流センサが、所望の感度よりも低くな
ることである。従来の手法のもう１つの欠点は、制御電流が、必然的に、パター
ン化された金属薄片からＰＴＣ板を介して第２の導電層まで流れる一方、いくつ
かの電気的制御回路は、電気回路の隔離が望まれる、または、必要とされること
である。最終的に、その素子は、大抵、ほとんどの過電流状態に対して保護を提
供するが、もし、ある期間の間、過熱が連続的に続くなら、臨界過電流レベルは
、素子を過熱および自己破壊させる。潜在的に破壊的な臨界過電流レベルの一例
は、従来素子によってその負荷を通す複数の接触部が保護されるリレーが、過電
流状態の間、同時に溶融または溶接されるとき生じうる。もし、接触溶接または
接触溶融が発生するなら、過電流は、リレーコイル回路が開放された後でさえ、
ソースと負荷の間を流れつづける。この状態において、パターン化された金属薄
片導体の電流集中領域における加熱は、ＰＴＣ板層の熱分解反応を引き起こし、
潜在的に破壊的な電気火災を発生させる。これらの欠点は、本発明の原理による
改良形によって克服される。

【０００５】（発明の開示）（発明の概要）最も一般的な側面において、本発明は、電流集中負荷輸送（ｌｏａｄ−ｃａｒ
ｒｙｉｎｇ）導電性素子と、その導電性素子に熱的に接続され、かつ、ＰＴＣ動
作等の特異な抵抗／温度動作を示す検知素子とを一体化させた電気素子の改良さ
れた精巧な構造に関する。

【０００６】第１の側面において、本発明は、上部主面と底部主面とを有する平坦な基板を
備え、かつ、その上部主面に沿って区画されるパターン化された金属薄片導体を
含む、一般的に長方形かつ平坦な過電流検知素子を提供する。その金属薄片導体
は、１つの端部領域に第１の電極領域を有し、対向する端部領域に第２の電極領
域を有し、その第１の電極部分と第２の電極部分との間に電流集中領域を有する
。ある例において、その基板は、ＰＴＣ動作を示し、かつ、その中に微粒子導電
性フィラーが分散された有機ポリマから成る組成物の形をとっている。別の例に
おいて、その基板は、ＰＴＣ素子が装着されるか、または、ＰＴＣ素子が、その
基板の一部として電流集中領域に近接して含まれる非導電性のプリント回路板組
成物の形をとっている。基板は、その架橋部と熱的に接触する第１の主面と、対
向する第２の主面とを含む。少なくとも第３のパターン化された金属薄片制御電
極は、金属薄片導体を通して流れる過電流のために架橋部において生成される熱
が、ＰＴＣ動作を示す回路素子に伝えられ、結果として、第１および第２の電極
領域のうち少なくとも１つの電極領域からＰＴＣ素子を経由して第３のパターン
化された金属薄片電極に制御電流が流れるように、電流集中領域と平行に一列に
、その基板の第２の主面に固定される。

【０００７】第２の側面において、本発明は、上部主面と底部主面とを有し、かつ、その上
部主面に沿って区画される第１のパターン化された金属薄片導体を含む、一般的
に長方形かつ平坦な過電流検知素子を提供する。その金属薄片導体は、１つの端
部領域に第１の電極領域を有し、対向する端部領域に第２の電極領域を有し、そ
の第１の電極部分と第２の電極部分との間に電流集中領域を有する。その素子は
、さらに、誘電材料の板と、ＰＴＣ動作を示し、かつ、その中に微粒子導電性フ
ィラーが分散された有機ポリマから成る組成物の板とを含む平坦な積層構造を備
える。その平坦な積層構造は、その架橋部と熱的に接触する第１の主面と、それ
に対向する第２の主面とを備える。第２のパターン化された金属薄片構造は、Ｐ
ＴＣ板の第２の主面に固定された、電流集中領域と平行に一列に並んだ、間隔の
離れた２つの接触パッドと、金属薄片導体を流れる過電流によって電流集中領域
に生成される熱がＰＴＣ動作を示す平坦板に伝えられるようにそれぞれ延びてい
る第３および第４の電極領域とを区画し、第３の電極領域と第４の電極領域との
間の変化した制御電流が、その金属薄片導体を流れる過電流を示し、その過電流
から隔離されることを可能にする。

【０００８】第３の側面において、本発明は、上部主面と底部主面とを有し、かつ、その上
部主面に沿って区画されるパターン化された金属薄片導体を含む、一般的に方形
かつ平坦な過電流検知素子を提供する。その金属薄片導体は、１つの端部領域に
第１の電極領域を有し、対向する端部領域に第２の電極領域を有し、その第１の
電極部分と第２の電極部分との間に電流集中領域を有する。その素子は、さらに
、ＰＴＣ動作を示し、かつ、その中に微粒子導電性フィラーが分散された有機ポ
リマから成る組成物の平坦板を含む。その平坦板は、その架橋部と熱的に接触す
る第１の主面と、それに対向する第２の主面とを備える。第３の金属薄片電極は
、金属薄片導体を通して流れる過電流のために架橋部において生成される熱が、
ＰＴＣ動作を示す平坦板に伝えられ、結果として、第３のパターン化された金属
薄片電極に制御電流が流れるように、平坦なＰＴＣの第２の主面に固定される。
本発明のこの側面において、パターン化された金属薄片導体の電流集中領域は、
電流集中領域が、被った過電流状態に応じて、有機ポリマＰＴＣ板材料の熱分解
温度または燃焼（ｆｌａｍｉｎｇ）温度よりも小さい温度で、損壊するおよび開
放されることを可能にする過電流フェイルセーフ特性によって特徴付けられる。

【０００９】本発明の第４の側面において、過電流検知素子は、片面プリント回路板または
両面プリント回路板等の基板を備える。その基板は、電流源領域、電流負荷領域
、および、その電流源接続領域と電流負荷接続領域との間の電流集中領域を備え
るパターン化された金属薄片導体を含む基板の上部主面を有する。この側面にお
いて、ＰＴＣ抵抗体は、上部表面または底部表面のいずれかで、電流集中領域に
おいて、基板によって支持される。金属薄片導体を流れる過電流のために電流集
中領域で生成される熱が、ＰＴＣ抵抗体に伝えられ、結果として、制御電流が過
電流検知領域に流れるように、ＰＴＣ抵抗体は、過電流検知領域に電気的に接触
される。金属薄片導体の回路からの電気的隔離が必要なとき、第２の過電流検知
領域が提供される。電流集中領域は、狭いトレース幅を有してもよい、または、
より薄い厚さの寸法を有してもよい。その基板は、有機ポリマで形成されてもよ
く、有機基板材料の燃焼温度よりも低い温度で融解させるために１以上の融解温
度低下合金化ペレットが、電流集中領域に提供されてもよい。

【００１０】本発明の素子は、特に、（ａ）第１および第２の電極と電流集中領域とが負荷
と直列であり、（ｂ）有機ポリマＰＴＣ素子電極が、回路遮断素子に接続される
制御素子と直列である回路において有益である。そのような回路では、負荷に過
電流が流れているとき、制御素子を流れる電流が減少すると、回路遮断素子が起
動し、負荷を流れる電流を実質的に遮断または減少させる。もし、過電流状態が
、長時間に渡って、電流遮断素子のリレー接触部の溶接または溶融のために生じ
るような電流レベルで続くなら、電流集中領域は、安全な方法で、かつ、有機ポ
リマＰＴＣ層の熱分解温度または燃焼温度よりも低い温度で、損壊および破損す
る。

【００１１】本発明の素子は、典型的に、ライト、始動モータ、操作窓、座席、ラジオアン
テナ、冷却ファン等の電気的負荷を含み、かつ、モータ始動およびエンスト時、
または、ベアリング／ブッシング故障時等に過電流状態を示す自動車等の、電気
機械的環境においてしばしば直面する比較的大きい直流電流と比較的低い電圧の
負荷を保護する保護回路において有益である。

【００１２】また、本発明は、本明細書に参照により組み込まれる国際公開番号ＷＯ９８／
５６０１４号に述べられる方法で、本発明の複数の別個の素子に分解されうる電
気アセンブリを含む。

【００１３】本発明の原則は、個々の素子を提供する際に従われ、または、他の領域、エリ
アまたは回路と区別されない過電流保護プリントトレース領域またはエリアを含
む回路板またはサブアセンブリを提供する際に従われる。

【００１４】（発明の詳細な説明）以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。本発明の原則による素子１００が、図１に示される。ここで、素子１００は、
広い入力端領域１２と、広い出力端領域１４と、狭い電流集中架橋部１６とをも
つ導体１０を備えた第１の平坦層を含む。また、制御電極１８および制御電極１
８’も、第１の平坦層内にある。例えば、導体１０と制御電極１８および制御電
極１８’は、好ましくは、一片の金属板の中央部分から金属の一部を除去するこ
とによって、例えば、（ａ）ＰＴＣ材料の層２０にすでに従来通りに固定された
金属の層（例えば、金属薄片）をエッチすることによって（そのＰＴＣ材料の層
２０は、エッチ処理によって変化されない）、（ｂ）一片の金属を、素子の残り
の部分に連結する前に掘削することによって、（ｃ）金属層とＰＴＣ層の積層板
を掘削することによって（その場合に、積層板のＰＴＣ層および他の任意の層、
例えば、その積層板の対向する表面上の電流集中制御層３２を含む層３０は、同
じ形状である。）形成される。電流集中架橋部１６の断面積は、好ましくは、端
子領域１２および端子領域１４の各々の断面積の０．１倍から０．８倍であり、
特に好ましくは、０．１５倍から０．５倍である。ＰＴＣ層２０を貫通するめっ
きされた導電性バイア２２と導電性バイア２２’は、制御電極１８および制御電
極１８’を、直接、電流集中層３２に接続する。

【００１５】ＰＴＣ層２０は、好ましくは、第１の主面および第２の主面を備える平坦板の
形状をしている。平坦な導体１０は、第１の主面に固定され、電流集中層３２は
、対向する第２の主面に固定される。ＰＴＣ材料は、好ましくは、有機ポリマと
、中に分散される微粒子導電性フィラーとから成る。しかし、周知のＰＴＣセラ
ミックを含む、所望のＰＴＣ特性を示す他の材料を使用することも可能である。
そのＰＴＣ材料の抵抗率と厚さ、および、電流集中架橋部１６とＰＴＣ層２０と
の間の熱的結合は、（ａ）導体１０と電流集中制御電極１８および電流集中制御
電極１８’との間の（すなわち、ＰＴＣ層２０によって提供される抵抗体を通し
た）正常動作中における所望の電流、および、（ｂ）過電流故障状態時における
所望の電流の低下を達成するように選択されるべきである。もし、望まれるなら
、熱的および電気的に絶縁性のある材料本体が、導体１０、電極１８および電極
１８’の少なくとも一部、しばしば、それら全部の上に配置されてもよい。およ
び／または、ＰＴＣ層２０によって形成された抵抗体に伝達される熱量を変える
（大抵、増加させる）ために、熱的（随意に電気的）に伝導性のある材料の層が
、電流集中架橋部１６とＰＴＣ層２０との間に配置されてもよい。通常好ましく
は、故障状態は、導体１０と制御電極１８および制御電極１８’との間の電流を
、制御経路を流れる正常動作電流の０．６倍未満、特に好ましくは、０．４倍未
満に減ずる。

【００１６】素子１００の完成に続き、電気的接続のために直接の接触アクセスが必要とさ
れる場所を除く全ての外側領域を覆う絶縁保護膜が塗布できる。一般に「ソルダ
マスク」として知られる保護材料は、完成された素子１００上にスピンコートで
きる、または、選択的に堆積できる適当なポリマ樹脂材料である。

【００１７】図１に示されるように、導体１０の電流集中架橋部１６に過度の電流が集中す
ると、その結果、温度が上昇する。この温度上昇は、架橋部１６付近に限定され
、隣接部、熱的に結合されたＰＣＴ層２０に熱勾配を生成する。ＰＣＴ層２０は
、熱を、図１において架橋部１６付近から外側に放射状に広がる一連の同心円に
よって図式的に示されるように、熱源から外側に放射状に放出する。ＰＴＣ層２
０全体があらかじめ決められた一様なＰＴＣ特性を示すので、その特性は、結果
として生じる熱勾配に沿って変化する。本発明の原則に従って、ＰＴＣトリガ点
の感度および制御を改善するために、第３の電極３２は、前に参照された国際公
開公報ＷＯ９８／５６０１４号によって得られる例のように、主に熱勾配付近で
ＰＴＣ層２０と電気的接触をし、かつ、ＰＴＣ層２０の表面範囲の全体を覆わな
いように形成される。

【００１８】用途の中には、ＰＴＣ層２０を通って流れる制御電流を、導体１０を通る主要
電流経路から分離することが望ましい場合がある。図２は、そのような分離を提
供し、参照された国際公開公報ＷＯ９８／５６０１４号の素子の改良形を含む別
の保護素子２００を示す。図２において、図１の素子１００に示される要素およ
び部品と同一のものは、同一の符号が付される。保護素子２００において、導体
１０、制御電極１８および制御電極１９の平面と、ＰＴＣ層２０との間に、電気
絶縁層４０が挟まれている。その絶縁層４０は、最も好ましくは、高温高抵抗高
分子薄層から形成される。その高分子薄層は、例えば、ＰＶＤＦ、または、ナイ
ロン（繰り返すアミド群を含む合成長鎖ポリアミド）の高温高抵抗誘導体の１つ
である。層４０は、実際に製作可能な十分な厚さを持ち、動作環境における過渡
電流に関連した電圧スパイクに十分耐えうる所望の電気的誘電特性を有するべき
である。自動車の用途において、その高分子薄層は、好ましくは、その厚さが、
少なくとも約０．００１インチのオーダであり、１００ボルトのオーダのピーク
の電圧スパイクに耐えることができる。図１の素子１００に示される単一の電流
集中制御層３２と異なり、図２の素子２００は、最も好ましくはＰＴＣ層２０の
熱勾配の中央に位置された狭い間隔３４だけ分離される２つの電流集中制御セグ
メント３２および電流集中制御セグメント３３を有する。素子２００において、
制御抵抗体３５は、主に、制御セグメント３２と制御セグメント３３の間にある
ＰＴＣ層２０の領域によって形成される。少なくとも１つのバイア２２は、セグ
メント３２を電極１８に接続し、少なくとも１つのバイア２３は、セグメント３
３を電極１９に接続する。

【００１９】図４は、本発明の素子２００を組み込む保護回路４００を示す。ここで、一次
電流源４０２は、素子２００の平坦な導体１０を通る一次動作電流を供給する。
保護リレー４０４の接触部４１２と接触部４１４が閉じられるとき、一次電流は
、自動車用途における比較的高い電流のＤＣブラッシュモータ等である負荷４０
６に到達して、その負荷４０６を流れる。電流は、共通経路または接地経路４０
１を経由して、一次電流源４０２に戻る。一次電流源４０２と分離されている制
御電流源４０８は、電極１８に接続され、ＰＴＣ抵抗体３５を通る制御電流を供
給する。制御抵抗体の電極１８は、制御電流を、リレー４０４のコイル４１０に
供給し、通常、接触部４１２と接触部４１４を閉じ、それによって、一次電流源
４０２と負荷４０６との間の回路を完成する。もし、モータが止まるときのよう
に、負荷４０６で過電流状態が現れるなら、平坦な金属薄層導体１０の電流集中
架橋部１６Ａは、温度が上昇する。その熱は、ＰＴＣ層２０に伝えられ、熱勾配
に従ってその層２０に放射状に広がる。抵抗体３５は、好ましくは、熱勾配の中
央の領域３４にあるので、抵抗体３５の電気抵抗が十分に増大して、コイル４１
０に接触部４１２と接触部４１４を閉じたままにさせるほど十分な電流を流すこ
とをやめるとき、トリップ状態に到達する。正常状態において、接触部４１２と
接触部４１４が開き、それによって、負荷４０６における過電流故障状態の原因
となる一次電流を除く。

【００２０】まれに、リレー接触部４１２と接触部４１４が、過電流故障状態によって、同
時に溶接または溶融される状況がある。リレー接触部溶接の原因の１つは、リレ
ーが動作を開始または中止する高い電流である。もし、リレー接触部４１２と接
触部４１４が、原因の如何を問わず同時に溶融されるなら、リレーコイル４１０
を流れる制御電流の除去は、接触部４１２と接触部４１４を開けさせず、架橋部
１６Ａが、電流を集めつづけ、かつ、熱を発生し続ける。過電流保護を必要とす
る別の状況は、リレーのフレームまたはベースプレートの破損につながるリレー
コイルの温度上昇から生じうる。そのような破損は、電流がリレーコイルから排
除されたとき、リレー接触部が開くことを妨げる場合がある。

【００２１】大規模な過電流状態の状況では、電流集中架橋部１６Ａは、容易に分離してフ
ェイルセーフし、負荷から過電流状態を排除する。しかし、中には電流集中架橋
部１６Ａを即座に故障させない中間の過電流状態もある。金属薄片導体１０が銅
のみで形成されるとき、非常に高い温度に達する（すなわち、実質的に純粋な銅
が約１０８３℃の融解状態に達する）まで、一次電流経路を融解、および、開放
することはできない。

【００２２】これらの中間過電流状態下で、銅、電流集中架橋部１６Ａは、光を放ち始める
が、損壊されない。層２０および層４０から成る有機ポリマ材料の熱分解温度（
典型的に、４００℃から５００℃の間の範囲）を越えるとき、これらの層は、分
解される。もし、その温度が、熱分解温度よりも十分高いなら、これらの層２０
および層４０は突然燃え上がり、環境（例えば、自動車のエンジンコンパートメ
ント）内の電気火災を保護させる。本発明の別の側面は、この危険を排除または
相当減少させる。

【００２３】もし、スズ等の他の金属が銅に混ぜられるなら、結果として得られる合金の融
点は、１０００℃以上から、２００℃乃至３００℃に低く減少することが知られ
ている。１９４０年代にＭｅｔｃａｌｆによって発見された従来のヒューズの設
計に使用される１つの既知の技術は、銅のヒューズリングの電流集中領域のくぼ
みに、小さなスズのペレットを提供することである。過電流によって銅が高温に
達するとき、そのスズのペレットは融解し、銅と混合して合金となり始める。結
果として得られる合金は、銅の元素の融点よりもずっと低い融点で分離する。ま
た、スズのペレットは、融解するまで、実質的に、その銅のヒューズリングの電
流処理特性を妨害しない。

【００２４】本発明は、金属薄層導体の電流集中部分１６Ａに、Ｍｅｔｃａｌｆ原理を組み
合わせる。図１を参照すると、架橋部１６には、中央穴６０と、その各々がスズ
のペレットを含むまたは保持する２つの間隔の離れた穴６２および穴６４とが提
供される。図１の素子１００の架橋部１６が過電流状態の間に合金化温度に達す
るとき、そのスズのペレットは融解し、架橋部１６の隣接した銅薄層と混合する
。その後、銅−スズ合金部は融解して分離し、故に、ＰＴＣ層を含む有機ポリマ
材料の燃焼温度よりもずっと低い制御可能な低温度で、一次電流経路を開放する
。一次電流金属薄層導体１０の溶融に似た特性は、図４の回路に図式的に示され
る。

【００２５】図５は、本発明の原則による素子の金属層の別の構造を示す。その素子は、図
１の実施の形態による３端子素子であって、ＰＴＣ層２０のみを含んでいてもよ
い。または、それは、図２で示される４端子素子であって、金属導体層をＰＴＣ
層２０から分離する絶縁層４０を有していてもよい。図５の素子において、金属
薄片導体５１０は、入力端部分５１２、出力端部分５１４、および、波状の架橋
部５１６を備える。制御電極５１８および制御電極５１９は、その波状の架橋部
５１６によって占められていない領域に間隔を開けて位置される。制御電流集中
薄片層５３２および制御電流集中薄片層５３３は、一般的に架橋部５１６の波状
の経路と平行に一列に並べられる間隔５３４を区画する。バイア５２２は、層５
３２を電極５１８に接続し、バイア５２３は、層５３３を電極５１９に接続する
。ＰＴＣ抵抗体５３５は、実質的かつ本質的に、ＰＴＣ層２０において間隔５３
４の領域に存在する。中央の穴５６０は、波状の架橋部５１６において区画され
、２つの穴５６２および穴５６４は、その波状の架橋部を制御された比較的低い
温度でフェイルセーフヒューズにするスズのペレットを含む。

【００２６】図６を参照すると、素子６００は、本発明の別の実施の形態を提供する。素子
６００は、誘電コア層６１０と、その各々の主面の銅被覆とを有する両面プリン
ト回路板から成る。一方の主面６１１は、広い入力端領域６１２、広い出力端領
域６１４、および、端子領域６１２と端子領域６１４の橋渡しをする狭い電流集
中部分６１６を区画するパターン化された銅被覆を備える。また、制御電極６１
８と制御電極６１９も、その一方の主面６１１において区画される。第２の主面
６３０は、制御電極領域６１８および制御電極領域６１９と一般的に平行に一列
に並べられ、それぞれ、めっきスルーバイア６２２およびバイア６２３によって
制御電極領域６１８および制御電極領域６１９と接続される第１のボンディング
パッド６３２および第２のボンディングパッド６３３を区画するパターン化され
た銅被覆を備える。小さな長方形のＰＴＣ素子６２０は、第１のボンディングパ
ッド６３２と第２のボンディングパッド６３３を横切って形成され、それらに電
気的に接続される。ＰＴＣ素子６２０は、表面実装個別構成要素として、堆積、
積層、被覆、印刷、溶融または形成され、ボンディングパッド６３２およびボン
ディングパッド６３３に半田付けされる、または、エッジ結合されてもよい。続
く特別な形成／装着方法に関わらず、ＰＴＣ素子６２０は、表面６１１の電流集
中架橋部６１６の真上で、誘電基板６１０と熱的に接触している。故に、過電流
状態の結果として電流集中領域６１６で生成される熱は、好ましくは、ＰＴＣ素
子６２０に伝えられ、結果として、上述されたように、制御電極６１８および制
御電極６１９を渡る制御信号が発生する。理想的には、プリント回路板６１０は
、構造的に実際と同様に薄く形成され、最も好ましくは、全体的に、約０．０１
３ｍｍ（０．００５インチ）またはそれ以下の厚さを有する。基板６１０を形成
する誘電材料は、Ｍｙｌａｒ^ＴＭ等の薄いポリエステル材料、または、他の適切
な薄いフレキシブル基板であってよい。また、ガラス繊維強化樹脂の、薄く、そ
の上比較的固い基板が使用されてもよい。各々の主面は、好ましくは、約０．０
３４ｍｍ（０．００１３５インチ）の厚さの銅（すなわち、１平方フィートの基
板当たり約１オンスの銅）の層で覆われる。銅層のパターンニングは、当業者に
既知である従来のフォトレジストおよび化学エッチ技術によって実行されてよい
。

【００２７】図７は、本発明の原則の別の例を示す。過電流保護素子７００は、誘電支持基
板７１０と、銅材料の絶縁保護コーティングがなされた単一の主面とを備える片
面プリント回路板上に形成される。銅表面層は、上述の例と同様に、適切にパタ
ーン化され、広い入力端領域７１２、広い出力端領域７１４、および、狭い電流
集中領域７１６を区画する。また、制御電極７１８および制御電極７１９も、単
一の銅被覆面で区画される。ＰＴＣ素子７２０は、制御電極７１８および制御電
極７１９と直接に電気的接触し、かつ、電流集中領域７１６と熱的接触するよう
に、プリント回路板上に堆積される、または、別個に形成されて、プリント回路
板に結合される。電気絶縁材料７４０の薄層は、制御回路と、領域７１２、領域
７１４および領域７１６を備える負荷輸送導体との間に電気的絶縁を提供するた
めに、ＰＴＣ素子７２０と電流集中領域７１６との間に挟まれてよい。

【００２８】図８Ａおよび図８Ｂに示される過電流保護素子８００は、本発明の原則の更な
る例を提供する。両面プリント回路板８１０は、電流源領域８１２と、電流負荷
領域８１４と、高さが減じられて薄くなった電流集中領域８１６とを備える負荷
輸送導体を含む。制御電極領域８１８および制御電極領域８１９は、負荷輸送導
体を支持する表面上に形成され、高さが減じられて薄くなった電流集中領域８１
６に隣接して配列される。小さく、一般的に長方形のＰＣＴ素子８２０は、プリ
ント回路板８１０の対向する側に形成、堆積または装着され、それぞれ、めっき
スルーバイア８２２およびバイア８２３によって領域８１８および領域８１９に
通じるボンディングパッド８３２およびボンディングパッド８３４に接続される
。電流集中領域８１６は、スズ等の金属のペレット８６０を含んでもよい。その
ペレットは、負荷輸送導体トレースの銅よりも低い融点を有し、故に、上述され
たように、図５の実施の形態に関連して述べられた方法で、電流集中領域をフェ
イルセーフヒューズにする。ソルダマスクの絶縁保護コーティング８５０は、他
の回路素子への電気的接続が意図されない領域でプリント回路板８１０を保護す
るように提供されてよい。完成した過電流素子８００は、本明細書に述べられた
他の実施の形態に関して上述された同じ方法で動作する。

【００２９】本発明の原則を実施する素子の特定の大きさおよび形状は、素子に直列に接続
された回路構成要素を動作させるために必要とされる所望の動作電流の関数であ
る。一般的に自動車用途の素子は、最大６４５ｍｍ^２（１ｉｎｃｈ^２）の大きさ
を持つ。一般的に、入力端部分から出力端部分まで測定される抵抗は、３端子素
子の薄片導体から制御電極まで測定される抵抗よりもずっと小さい。その素子の
抵抗は、ＰＴＣ素子の層の厚さ、および、電流集中層の構造だけでなく、制御抵
抗体を形成するＰＴＣ成分の抵抗によって制御できる。種々の素子が、動作電流
が大きいまたはより小さい用途に使用するために適切であるが、本発明の素子は
、正常の動作電流、すなわち、薄膜金属導体の入力端部分から出力端部分まで流
れる電流が、１００アンペアを越える電流に対して１アンペアよりも小さい用途
において使用するために適切である。故障電流は、電源とその電流戻り端との間
の電気回路の任意の構成要素に損傷を引き起こす電流レベルである。実際の自動
車の過電流保護用途において、故障電流は、一般的に、動作電流の少なくとも１
．３５倍、好ましくは、少なくとも１．４倍、特に好ましくは、少なくとも１．
５倍であることがわかっている。

【００３０】本発明の原則を具体化する個々の素子は、好ましくは、参照された国際公開公
報ＷＯ９８／５６０１４号に述べられたような電気アセンブリから作成される。
本発明の原則は、本発明によって提供され、配列される構成要素に加えて、複数
の構成要素を含むより大きい回路基板装置およびサブアセンブリ内で採用されて
もよい。従って、当業者は、本発明の精神から逸脱することなく、上述の好まし
い実施の形態の考慮して、多くの変形および修正が容易に明らかとなることを評
価するであろう。その範囲は、特に、特許請求の範囲によって指摘される。本明
細書の記述およびその開示は、説明のみを目的とするものであり、本発明の範囲
を限定するものとして解釈されるべきではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原則による過電流保護素子の拡大分解等角図。

【図２】本発明の原則による別の過電流保護素子の拡大分解等角図。

【図３】図２の素子の線３−３についての部分立面図。

【図４】本発明の過電流保護素を備える電気回路の図式的な回路図。

【図５】本発明の原則による別の過電流保護素子の拡大分解図。

【図６】本発明の原則による更なる別の過電流保護素子の拡大分解等角図
。

【図７】本発明の原則による更なる別の過電流保護素子の拡大分解等角図
。

【図８Ａ】本発明の原則によるもう１つの過電流保護素子の拡大分解等角
図。

【図８Ｂ】本発明の原則によるもう１つの過電流保護素子の線８−８につ
いての部分立面図。

【符号の説明】

１０導体１２入力端領域１４出力端領域１６電流集中架橋部１８、１８’ 制御電極２０ＰＴＣ層２２、２２’ バイア３２電流集中層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ウェイン・モントヤアメリカ合衆国94062カリフォルニア州レッドウッド・シティ、パロマー・アベニュー544番 (72)発明者ジェイムズ・トスアメリカ合衆国94070カリフォルニア州サン・カルロス、クレストビュー・コート 107番Ｆターム(参考） 5E034 AA09 AB01 AC10 DA02 DC03 DC05 DC10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】上部主面と底部主面とを備える過電流検知素子であって、その上部主面に沿って区画され、１つの端部領域に第１の電極領域を有し、対
向する端部領域に第２の電極領域を有し、その第１の電極部分と第２の電極部分
との間に電流集中領域を有するパターン化された金属薄片導体と、前記の金属薄片導体の少なくとも前記の架橋部に熱的に接触する第１の主面と
、それに対向する第２の主面とを備えたＰＴＣ動作を示す材料から成る平坦板と
、前記の平坦なＰＴＣ板の第２の主面に接続されるパターン化された金属薄片の
制御電流集中層とを含み、前記の金属薄片の制御電流集中層は、前記の金属薄片導体を流れる過電流によ
って前記の架橋部に生成される熱が、前記のＰＴＣ動作を示す平坦板に伝えられ
、結果として、前記の素子を含む回路の他の任意の部品の温度が損傷を起こす過
熱温度に達する前に、トリップ状態の制御電流が前記の制御電流集中層に流れる
ように、一般的に前記の電流集中領域に制限され、かつ、実質的に前記の電流集
中領域と平行に一列に並ぶ表面領域を備える過電流検知素子。
【請求項２】さらに、前記のパターン化された金属薄片導体を含む平面内
に形成されたパターン化された金属薄片制御電極と、前記の制御電流集中層と前記の制御電極とを互いに接続する少なくとも１つの
バイアとを備える請求項１に記載の過電流検知素子。
【請求項３】前記のＰＴＣ動作を示す材料から成る平坦板が、その中に微
粒子導電性フィラーが分散された有機ポリマから成る請求項１に記載の過電流検
知素子。
【請求項４】さらに、前記の金属薄片導体と前記のＰＴＣ動作を示す材料
から成る平坦板との間に電気絶縁層を備え、前記のパターン化された金属薄片の制御電流集中層は、一般的に前記のパター
ン化された金属薄片導体の電流集中領域と平行に一列に並んだ、ある間隔だけ分
離された第１の導電性領域と第２の導電性領域とから成る請求項１に記載の過電
流検知素子。
【請求項５】さらに、（ａ）前記のパターン化された金属薄片導体を含む
平面内に形成された第１のパターン化された金属薄片制御電極と、前記の第１の
制御電極と前記の第１の導電性領域とを互いに接続する少なくとも１つの第１の
バイア、および、（ｂ）前記の平面内に形成された第２のパターン化された金属薄片制御電極と
、前記の第２の制御電極と前記の第２の導電性領域とを互いに接続する少なくと
も１つの第２のバイアを備える請求項４に記載の過電流検知素子。
【請求項６】さらに、前記の金属薄片導体の融解／損壊温度を、過電流状
態に応じて、前記の有機ポリマの燃焼温度よりも低い、制御された低いレベルま
で低下させる、前記のパターン化された金属薄片導体の電流集中領域に位置され
た融解温度低下合金化手段を備える請求項３に記載の過電流検知素子。
【請求項７】前記のパターン化された金属薄片導体が銅から成り、前記の融解温度低下合金化手段が、前記のパターン化された金属薄片導体の電
流集中領域と接触した少なくとも１つの合金化スズペレットから成り、好ましくは、前記のパターン化された金属薄片導体の電流集中領域が、前記の
第１の電極領域と前記の第２の電極領域との間で波状になっている請求項６に記
載の過電流検知素子。
【請求項８】前記の素子が、一般的に、長方形かつ平坦であり、好ましくは、前記の電流集中領域が、前記の第１の電極領域と前記の第２の電
極領域との間の、狭く、かつ、実質的に直線状の領域から成る請求項１に記載の
過電流検知素子。
【請求項９】前記のパターン化された金属薄片導体の電流集中領域が、前
記の第１の電極領域と前記の第２の電極領域との間で波状になっており、前記の第１の導電性領域と第２の導電性領域とを分離する間隔が、パターン化
された金属薄片導体の前記の電流集中領域の波状の経路の少なくとも一部をたど
る請求項４に記載の過電流検知素子。
【請求項１０】上部主面と底部主面とを備える過電流検知素子であって、その上部主面に沿って区画され、１つの端部領域に第１の電極領域を有し、対
向する端部領域に第２の電極領域を有し、その第１の電極部分と第２の電極部分
との間に電流集中領域を有するパターン化された金属薄片導体と、前記の上部主面と前記のパターン化された金属薄片導体とに対向する電気絶縁
層と、ＰＴＣ動作を示す材料から成る平坦板とを含む積層構造と、ある間隔だけ分離された第１の導電性領域と第２の導電性領域とを備えるパタ
ーン化された金属薄片の制御電流集中層とを含み、前記の積層構造は、前記のパターン化された金属薄片導体の少なくとも前記の
架橋部に熱的に接触する第１の主面と、それに対向する第２の主面とを備え、前記の金属薄片の制御電流集中層は、前記の金属薄片導体を流れる過電流によ
って前記の架橋部に生成される熱が、前記のＰＴＣ動作を示す平坦板の一部によ
って形成された抵抗体に、前記の電流集中領域付近で、前記の第１の導電性領域
と第２の導電性領域との間の間隔において伝えられ、結果として、制御電流が、
前記の第１の導電性領域と第２の導電性領域の間を前記の抵抗体を通して流れる
ように、一般的に、前記のパターン化された金属薄片導体の電流集中領域と平行
に一列に並べられる過電流検知素子。
【請求項１１】さらに、前記のパターン化された金属薄片導体を含む平面
内に形成された、第１のパターン化された金属薄片制御電極と、前記の第１の制
御電極と前記の第１の導電性領域とを互いに接続する少なくとも１つの第１のバ
イア、および、前記の平面内に形成された、第２のパターン化された金属薄片制御電極と、前
記の第２の制御電極と前記の第２の導電性領域とを互いに接続する少なくとも１
つの第２のバイアを備える請求項１０に記載の過電流検知素子。
【請求項１２】上部主面と底部主面とを備える過電流検知素子であって、その上部主面に沿って区画され、１つの端部領域に第１の電極領域を有し、対
向する端部領域に第２の電極領域を有し、かつ、その第１の電極部分と第２の電
極部分との間に電流集中領域を有する第１のパターン化された銅薄片導体と、前記の電流集中領域と熱的に接触する第１の主面と、それに対向する第２の主
面とを備える、その中に微粒子導電性フィラーが分散された有機ポリマから成る
ＰＴＣ動作を示す材料から成る平坦板と、前記の平坦なＰＴＣの第２の主面に固定された第３の金属薄片電極とを含み、前記の第３の金属薄片電極は、前記の金属薄片導体を流れる過電流によって前
記の架橋部に生成される熱が、前記のＰＴＣ動作を示す平坦板に伝えられ、結果
として、制御電流が、前記の第３のパターン化された金属薄片電極に流れるよう
に、前記の平坦なＰＴＣの第２の主面に固定され、前記のパターン化された銅薄片導体の電流集中領域は、被った過電流状態、お
よび、その結果として生じる、前記の有機ポリマＰＴＣ板材料の燃焼温度よりも
低い制御された低温度での損壊およびフェイルセーフに応じて、前記の電流集中
領域の銅と混合する、その銅と熱的に接触した少なくとも１つのスズのペレット
を含む過電流検知素子。
【請求項１３】その上部主面が、電流源領域、電流負荷領域、および、前
記の電流源接続領域と前記の電流負荷接続領域との間の電流集中領域を含むパタ
ーン化された金属薄片導体を含む基板と、前記の基板によって前記の電流集中領域で支持されるＰＴＣ抵抗体と、少なくとも１つの過電流検知領域とを備える素子であって、前記のＰＴＣ抵抗体は、前記の金属薄片導体を流れる過電流によって前記の電
流集中領域に生成される熱が、前記のＰＴＣ抵抗体に伝えられ、結果として、制
御電流が、前記の過電流検知領域に流れるように、前記の少なくとも１つの過電
流検知領域と電気的に接触される過電流検知素子。
【請求項１４】前記の基板が誘電性材料から成る請求項１３に記載の過電
流検知素子。
【請求項１５】前記の基板が有機ポリマから成り、好ましくは、前記の基
板はフレキシブルである請求項１４に記載の過電流検知素子。
【請求項１６】前記の基板が、実質的に固い請求項１４に記載の過電流検
知素子。
【請求項１７】前記の基板の上部表面上で区画された２つの過電流検知領
域と、前記の基板の底部表面上で区画され、前記の２つの過電流検知領域と実質的に
平行な面にあり、かつ、それぞれがバイアによって前記の２つの過電流検知領域
と電気的に接続される２つのＰＴＣ抵抗体接続パッドとを備え、前記のＰＴＣ抵抗体は、前記の電流集中領域上に橋をかける方法で、前記の２
つのＰＴＣ抵抗体接続パッドに渡って配列および接続される請求項１４に記載の
過電流検知素子。
【請求項１８】前記の基板の上部表面上で区画された２つの過電流検知領
域を備え、前記のＰＴＣ抵抗体は、絶縁層を備え、前記の電流集中領域と熱的に接触し、
かつ、電気的に絶縁される方法で、前記の２つの過電流検知領域に渡って配列お
よび接続される請求項１４に記載の過電流検知素子。
【請求項１９】前記の電流集中領域が、前記のパターン化された金属薄片
導体の幅が狭い部分、または、厚さの薄い部分から成る請求項１３に記載の過電
流検知素子。
【請求項２０】前記の基板が、有機ポリマ材料から成り、前記の電流集中領域が、前記の金属薄片導体の融解／損壊温度を、過電流状態
に応じて、前記の基板の燃焼温度よりも低い、制御された低いレベルまで低下さ
せる融解温度低下合金化材料のペレットを含む請求項１３に記載の過電流検知素
子。
【請求項２１】前記のパターン化された金属薄片導体が銅から成り、前記の融解温度低下合金化手段が、前記のパターン化された金属薄片導体の電
流集中領域と熱的に接触した少なくとも１つの合金化スズペレットから成る請求
項１８に記載の過電流検知素子。
【請求項２２】さらに、保護材料の膜を含む請求項１３に記載の過電流検
知素子。