JP2013041829A - 保護素子および保護素子を用いた保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】埋め込み（密閉）孔の補助を用いて電力供給の動作を切断する保護素子、およびこの保護素子を用いた保護装置を提供する。
【解決手段】パッケージ基板１００、パッケージ基板１００内に設けられ、第１の溶断作用領域を有する第１の溶断ユニット１０１、パッケージ基板１００内に設けられ、第２の溶断作用領域を有し、第１の溶断ユニット１０１と隣接して設けられる第２の溶断ユニット１０２、および第１の溶断作用領域および第２溶断作用領域に対応してパッケージ基板１００内に設けられ、第１と第２の溶断作用領域の１つが溶断した時、溶断で生じたエネルギーがもう１つの溶断作用領域を切断するのを補助するように設けられた第１の埋め込み孔１０３を含んでいる。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、保護素子に関し、特に、埋め込み（密閉）孔の補助を用いて電力供給の動作を切断する保護素子およびこの保護素子を用いた保護装置に関するものである。

例えば携帯電話、ノート型パソコンなどの携帯型電子製品は、全て二次電池を用いている。二次電池の中のリチウム電池は、特に、そのメモリ効果がない（充電特性が劣化しにくい）特性を有しているため、携帯型電子製品に広く用いられている。リチウム電池の充電は先ず安全性が重要であり、正常でない状態、または規格外の動作がある場合、発火、爆発などの危険が発生する。よって、商業化されたリチウム電池パックは、保護回路を設けてリチウム電池パックの充放電を制御しなければならない。多機能型保護ヒューズ（保護素子）は、空間を占有しない、多重保護などの利点を有し、現在のリチウム電池パックに欠かせない部品であり、多くの業者が各種の多機能型保護ヒューズの研究に尽力し、二次電池または他の電子設備を応用して商業利益を得ている。

これに鑑みて、本発明は、埋め込み（密閉）孔の補助を用いて電力供給の動作を切断する保護素子、およびこの保護素子を用いた保護装置を提供することを目的とする。

本発明の典型的な実施形態に基づく保護素子は、パッケージ基板、前記パッケージ基板内に設けられ、第１の溶断作用領域を有する第１の溶断ユニット、前記パッケージ基板内に設けられ、前記第１の溶断作用領域と近接して第２の溶断作用領域を有する第２の溶断ユニット、および前記第１および第２の溶断領域に対応して前記パッケージ基板内に設けられる少なくとも１つの第１の埋め込み孔を含み、前記第１の埋め込み孔が、前記第１および第２の溶断作用領域の１つの溶断作用領域を切断するための溶断エネルギーを補助する。

本発明の典型的な実施形態に基づく前記保護素子を用いた保護装置は、前述の前記保護素子、センサユニット、およびスイッチ素子を含み、前記保護素子は、さらに、前記第１の溶断ユニットの第１の端子と電気的接続され、少なくとも１つの電圧源が供給する電力を受けるように用いられる第１の端子電極、前記第１の溶断ユニットの第２の端子と電気的接続され、前記電力を負荷装置に供給するように用いられる第２の端子電極、および前記第２の溶断ユニットの第１の端子と電気的接続される第３の端子電極を更に含み、その中の前記第２の溶断ユニットの第２の端子は、前記第１および第２の端子電極の１つと選択的に電気的接続されている。センサユニットは、前記保護素子と前記負荷装置に接続され、前記電力が所定値より高く検出された時、保護信号を出力する。前記スイッチ素子は、前記第３の端子電極と基準電位節点との間に接続され、前記保護信号を受けた時、オンにされ、前記負荷に供給される前記電力を前記基準電位節点に迂回させる。

本発明の保護素子によれば、第１の溶断ユニットと、第２の溶断ユニットとが設けられ、その溶断作用領域が近接して設けられているため、通常の過電流の場合に電源供給回路を切断するというだけではなく、負荷装置に過電圧が供給された場合でも、その過電圧を把握して第２の溶断ユニットを切断し、併せて第１の溶断ユニットも切断することができ、負荷装置を保護することができる。また、本発明の保護装置によれば、センサユニットとスイッチ素子とを有しているため、たとえば保護素子を流れる電流を検出したり、負荷装置に印加される電圧を検出したり、更には、雰囲気温度の検出等をしたりすることができ、これらの検出電流や検出電圧が異常である場合には、第２の溶断ユニットに接続しておいたスイッチ素子をオンにして、過電圧や過電流を第２の溶断ユニットにバイパスさせることができ、それにより第２の溶断ユニットを切断し、その第２の溶断ユニットの切断と連動して第１の溶断ユニットを切断させることができる。その結果、過電流に対する保護のみならず、過電圧や周囲温度など、種々の異常に対しても負荷装置（リチウムイオン電池やそれが搭載された装置など）を保護することができる。

本発明の実施形態に基づく保護素子１の構造概略図を表している。 本発明の実施形態に基づく保護素子１０の構造概略図を表している。 図１Ａおよび１Ｂに示された保護素子の等価回路図を表している。 本発明の保護素子１０の１つの実施形態を表しており、各形態は、前記第１方向に沿って保護素子１０を切断した断面概略図である。 本発明の保護素子１０の他の実施形態を表しており、各形態は、前記第１方向に沿って保護素子１０を切断した断面概略図である。 本発明の保護素子１０の更に他の実施形態を表しており、各形態は、前記第１方向に沿って保護素子１０を切断した断面概略図である。 本発明の保護素子１のもう１つの実施形態を表しており、前記第１方向に沿って保護素子１を切断した断面概略図である。 本発明の保護素子１０の更に他の実施形態を表しており、前記第１方向に沿って保護素子１０を切断した断面概略図である。 本発明の保護素子１０の更に他の実施形態を表しており、前記第１方向に沿って保護素子１０を切断した断面概略図である。 本発明の保護素子１０の更に他の実施形態を表しており、各形態は、前記第１方向に沿って保護素子１０を切断した断面概略図である。 本発明の保護素子１０の更に他の実施形態を表しており、各形態は、前記第１方向に沿って保護素子１０を切断した断面概略図である。 本発明の実施形態に基づく保護素子１の構造概略図を表している。 本発明の実施形態に基づく保護素子１０の構造概略図を表している。 本発明の実施形態に基づく保護素子１の構造概略図を表している。 図６Ａの実施形態の保護素子１が第２方向に沿って切断された断面概略図を表している。 図６Ｂの実施形態の保護素子１０が第２方向に沿って切断された断面概略図を表している。 図６Ｃの実施形態の保護素子１が第２方向に沿って切断された断面概略図を表している。 上述の保護素子１または１０を用いた保護装置６０を表している。 上述の保護素子１または１０を用いた保護装置６０を表している。 上述の保護素子１または１０を用いた保護装置６０を表している。

以下の説明は、本発明が当業者に容易に理解できるように、図面を参照して説明した各種の実施形態である。この説明は、本発明の一般原理を種々の形態に具現化したもので本発明を限定するものではない。本発明の範囲は、添付の請求の範囲を参考にして決定される。

図１Ａおよび１Ｂは、本発明の実施形態に基づく保護素子１および１０の構造概略図を表している。図１Ｃは、図１Ａおよび１Ｂに示された保護素子１および１０の等価回路図を表している。

図１Ａを参照すると、保護素子１は、パッケージ基板１００、第１方向に沿って延伸し、前記パッケージ基板１００内に設けられた第１の溶断ユニット１０１、第２方向に沿って延伸し、前記パッケージ基板１００内に設けられ、且つ前記第１の溶断ユニット１０１と互いに交差する第２の溶断ユニット１０２、および前記第１および第２の溶断ユニット（１０１、１０２）の交差位置に対応して前記パッケージ基板１００内に設けられた埋め込み孔１０３を含んでいる。前記埋め込み孔１０３は、密閉空間（パッケージ基板の外側に露出しない）である。

本実施形態では、埋め込み孔１０３は、第１の溶断ユニット１０１および第２の溶断ユニット１０２が互いに交差した位置に設けられ、図１Ａに示される実施形態のように、前記第１の溶断ユニット１０１の上方に設けられている。しかしながら、埋め込み孔は、前記第２の溶断ユニット１０２の下方、または前記第１および第２の溶断ユニット（１０１、１０２）の間に設けられることもできる。前記埋め込み孔１０３は、必要な設計に応じて前記第１および／または第２の溶断ユニット（１０１、１０２）の一部を前記埋め込み孔１０３内に露出させることができる。

図１Ｂに示された保護素子１０は、図１Ａの保護素子１と比較して、主に異なるのは、２つの埋め込み孔１０３ａ、１０３ｂを有することである。

前記埋め込み孔１０３ａ、１０３ｂは、互いに独立した密閉空間（パッケージ基板の外側に露出しない）であり、主に第１の溶断ユニット１０１および第２の溶断ユニット１０２が互いに交差した位置に設けられている。

前記第１の溶断ユニット１０１および第２の溶断ユニット１０２は、例えば溶断作用領域（図示されていない）を有するヒューズ部品である。前記第１の溶断ユニット１０１および第２の溶断ユニット１０２に設けられる時、可能な限り溶断作用領域を互いに（上下に）交差させる。

例えば、保護素子１または１０が保護機能を発揮することで第２の溶断ユニット１０２が溶断する時、第２の溶断ユニット１０２の溶断作用領域が溶断する時に生じた破壊エネルギー（例えば爆破力、熱エネルギー、蒸気圧、電気アークなど）は、埋め込み孔１０３ｂ（或いは埋め込み孔１０３ａ）の補助によって、ガイドされるか、または強化され、合わせて第１の溶断ユニット１０１に構造的な破壊をするか、または更に切断する。

再度、図１Ａおよび１Ｂを参照すると、保護素子１と１０は、第１の端子電極Ｔ１、第２の端子電極Ｔ２、および第３の端子電極Ｔ３をそれぞれ含んでいる。前記第１の溶断ユニット１０１の第１および第２の端子は、前記パッケージ基板１００の外側に延伸され、前記第１の端子電極Ｔ１および第２の端子電極Ｔ２とそれぞれ電気的接続されている。第２の溶断ユニット１０２の第１の端子は、前記パッケージ基板１００の外側に延伸され、前記第３の端子電極Ｔ３と電気的接続されている。またこの例では、第２の溶断ユニット１０２の第２の端子は、接続部１０２ａによって前記第２の端子電極Ｔ２と電気的接続を構成する。図１Ｃは、図１Ａおよび１Ｂに示された保護素子１および１０の等価回路図を表している。

この実施形態では、前記第１方向と前記第２方向は、実質的に互いに垂直になっているがこれに限定されるものではない。

以下、図１Ａおよび１Ｂの保護素子１および１０を前記第１方向に沿って切断した断面図と合わせて、前記保護素子１および１０のパッケージ基板内に埋め込み孔を設ける各種実施形態および構造を説明する。以下の図面では、同じ符号は基本的に同じ構成部分または構造を表しているが、説明を明白にするために、図１Ａおよび１Ｂの断面図内に一部対応する素子は、異なる符号を用いて表示されることもあるため、説明書内の文の叙述とその対応の断面図の符号に述べられるのを基準とする。

図２Ａ〜２Ｃは、本発明の保護素子１０の３つの実施形態の断面図を表しており、各形態は、第１方向に沿って保護素子１０（および前記第１の溶断ユニット１０１）を切断している。

図２Ａは、図１Ｂに比べ、前記パッケージ基板１００内に設けられた隔板２００を更に含み、前記隔板２００は、前記パッケージ基板１００と同じ材料を用いることもできる。前記第１の溶断ユニット１０１は、前記隔板２００の一面に設けられている。ここで第１の溶断ユニット１０１は、たとえば隔壁２００の裏面に形成されているが、隔壁２００の表面（裏面の反対側）に形成されていても良い。前記埋め込み孔１０３ａ及び１０３ｂは、前記第１および第２の溶断ユニット（１０１、１０２）の交差位置に設けられている。前記第１および第２の溶断ユニット（１０１、１０２）の一部は、前記埋め込み孔１０３ｂ内に露出されている。図２Ａに示される実施形態では、前記隔板２００上に例えばノッチ、ギャップなどの弱化欠陥２０１が更に設けられている。この弱化欠陥２０１は、第２の溶断ユニットが溶断している時に破壊エネルギーを生じる瞬間に、前記隔板２００が断裂して、もう１つの溶断ユニットの構造も容易に破壊する。

図２Ｂに示される実施形態では、図２Ａと比較すると、前記埋め込み孔１０３ｂに露出する第２の溶断ユニットの一部または全部を覆う高揮発性材料層２０２を更に含んでいる。前記高揮発性材料層２０２は、例えば、低融点金属材料、高分子材料、ガラス材料等であるが、これを限定するものではない。この高揮発性材料層２０２は、前記第２の溶断ユニット１０２が溶断する時に、前記第１の溶断ユニット１０１に対する破壊力を増強する。図２Ａと比較すると、図２Ｂの隔板はパッケージ基板１００と同じ材料を用いているため、パッケージ基板１００と一体構造を形成することができる。よって、図２Ｂでは、前記隔板２００を図示していないが、前記弱化欠陥２０１は、図２Ｂ内に図示されている。以下の説明の各実施形態の叙述では、隔板がパッケージ基板と同じ材料を用い、パッケージ基板と一体構造で表されている場合、簡単にするため、前記隔板を再度特に符号で表示しない。このように、隔板をパッケージ基板１００と同じ材料で形成することにより、弱化欠陥２０１を形成することができ、前述と同様に、第２の溶断ユニット１０２の溶断の際の断裂を第１の溶断ユニット１０１に伝達しやすくなる。

図２Ｃに示される実施形態では、図２Ａと比較すると、前記第１の溶断ユニット１０１の部分は前記埋め込み孔１０３ａ内に露出し、前記第２の溶断ユニット１０２の一部と前記弱化欠陥２０１は、前記埋め込み孔１０３ｂ内に露出している。図２Ｃの隔板は、パッケージ基板１００と同じ材料を用いている。

図３は、保護素子１のもう１つの実施形態を表しており、前記第１方向に沿って前記保護素子１を切断した断面概略図である。

図３に示される実施形態では、図１Ａと比較すると、前記パッケージ基板１００内に設けられた隔板を更に含んでいる。前記隔板２００は、前記パッケージ基板１００と同じ材料を用いることもできる。前記第１溶断ユニット１０１は、前記隔板２００の第１表面上に設けられ、前記第２溶断ユニット１０２は、第１表面の反対面上に設けられる。図３の保護素子は、前記第１および第２の溶断ユニット（１０１、１０２）の交差位置に、埋め込み孔３０３だけ設けられている。前記第１の溶断ユニット１０１の一部は、前記埋め込み孔３０３内に露出している。前記第２の溶断ユニット１０２が溶断している時、前記埋め込み孔３０３は、破壊力（破壊エネルギー）の導引を提供し、前記破壊エネルギーが前記第１の溶断ユニット１０１の構造を容易に破壊できるようにする。例えば、パッケージ基板１００よりも強度の小さい材料を用いて隔板２００を形成することにより、隔板２００を比較的に容易に破壊させることができる。

図４Ａ〜４Ｂは、本発明の保護素子１０の、さらに他の２つの実施形態を表しており、各形態は、前記第１方向に沿って保護素子１０を切断した断面概略図である。

図４Ａに示される実施形態では、保護素子１０は、前記第１および第２の溶断ユニット（１０１、１０２）の交差位置を挟む方式で前記パッケージ基板１００内に設けられた埋め込み孔４０１と４０２を含んでいる。注意すべきことは、前記第１および第２の溶断ユニット（１０１、１０２）は、前記埋め込み孔４０１と４０２内に露出されていないことである。

図４Ｂに示された実施形態で図４Ａと異なるのは、前記埋め込み孔４０１の前記第１の溶断ユニット１０１に近接した位置に弱化欠陥４０３が設けられ、前記埋め込み孔４０２の前記第２の溶断ユニット１０２に近接した位置に弱化欠陥４０４が設けられていることである。

図５Ａ〜５Ｂは、他の２つの実施形態を表しており、各形態は、前記第１方向に沿って保護素子１０を切断した断面概略図である。

図５Ａに示される実施形態では、保護素子１０は、埋め込み孔５０１と５０２を含み、前記第１および第２の溶断ユニット（１０１、１０２）の交差位置に対応して前記パッケージ基板１００内に設けられている。前記第１および第２の溶断ユニット（１０１、１０２）は、それぞれ前記埋め込み孔５０１と５０２内に一部露出している。図５Ｂに示される実施形態の構造は、図５Ａとほぼ同じであるが、図５Ａに示される前記第１と前記第２の溶断ユニットの距離は、図５Ｂに示されるのより大きい。図５Ｂを参照すると、前記第１および第２の溶断ユニット（１０１、１０２）は、隔板（パッケージ基板と同じ材料であるため、図示されていない）の２つの面の上に設けられると見なすことができる。

また、高揮発性材料層（図５Ａ、５Ｂに示されていない）を用いて前記埋め込み孔５０２に露出している第２の溶断ユニット１０２の一部または全部を覆う。

図６Ａ〜６Ｃは、もう１つの形態の保護素子構造を応用した実施形態を表している。図６Ａは、本発明の実施例の保護素子１の構造概略図を表している。図７Ａ〜７Ｃは、それぞれ図６Ａ〜６Ｃの保護素子１に対応した実施形態の断面概略図であり、その断面は、第２方向に沿って前記保護素子１（および第１の溶断ユニット１０１と第２の溶断ユニット１０２）を切断している。

図６Ａを参照すると、保護素子１は、パッケージ基板１００、第１の溶断作用領域１０１ｂを有し、第２方向と直角方向の第１方向に沿って延伸して前記パッケージ基板１００内に設けられた第１の溶断ユニット１０１、第２の溶断作用領域１０２ｂを有し、第２方向と直角方向の第１方向に沿って延伸して前記パッケージ基板１００内に設けられた第２の溶断ユニット１０２を含んでいる。図６Ａに示される本実施例では、第１の溶断ユニット１０１と第２の溶断ユニット１０２は、互いに平行し、且つ埋め込み孔１０３は、前記パッケージ基板１００内に設けられ、パッケージ基板の外側に露出しないで、密閉空間になっており、第１および第２の溶断領域１０１ｂ、１０２ｂに対応して設けられている。図６Ａに示される実施例では、第１の溶断作用領域１０１ｂと第２の溶断作用領域１０２ｂは、埋め込み孔１０３内に露出している。

保護素子１は、前記パッケージ基板１００内に設けられ、第１の溶断作用領域１０１ｂと第２の溶断作用領域１０２ｂを分離させる隔板２００を更に含んでいる。前記隔板２００は、前記パッケージ基板１００と同じ材料を選ぶことができる。前記隔板２００上に例えばノッチ、ギャップなどの弱化欠陥（図示されていない）を更に選択的に形成することができる。この弱化欠陥は、第１と第２の溶断ユニットのいずれかが溶断している時に破壊エネルギーを生じる瞬間に、前記隔板が断裂して、もう１つの溶断ユニットの構造も破壊させる。一部の他の実施例では、前記埋め込み孔１０３に露出した第２の溶断作用領域１０２ｂの一部または全部を覆う高揮発性材料層（図示されていない）を更に含んでいる。前記高揮発性材料層２０２は、例えば、低融点金属材料、高分子材料、ガラス材料等であるが、これらに限定されるものではない。この高揮発性材料層は、前記第２の溶断作用領域１０２ｂが溶断する時に、前記第１の溶断作用領域１０１ｂに対する破壊力を増強する。隔板、弱化欠陥と、高揮発性材料層の詳細は、図２Ａ〜図２Ｃおよびその関連する説明の内容を参考にすることができる。

次いで、図７Ａを参照にすると、第１および第２の溶断作用領域１０１ｂと１０２ｂは、隣接して設けられている。実施形態では、第１と第２の溶断作用領域１０１ｂと１０２ｂ間の距離は、第１と第２の溶断ユニット１０１と１０２間の最短距離である。本実施形態では、第１および第２の溶断ユニット１０１と１０２は、互いに垂直に重複しないが、他の一部の実施形態では、第１および第２の溶断ユニット１０１と１０２は、垂直に重複または部分的に垂直に重複することができる。本実施形態では、第１の溶断作用領域１０１ｂは、隔板２００の上に設けられている。

保護素子１は、第１の端子電極Ｔ１、第２の端子電極Ｔ２、および第３の端子電極Ｔ３を含んでいる。第１の溶断ユニット１０１の第１および第２の端子は、前記パッケージ基板１００の外側にそれぞれ延伸され、第１の端子電極Ｔ１および第２の端子電極Ｔ２と、電気的接続される。前記第２の溶断ユニット１０２の第１の端子は、前記パッケージ基板１００の外側に延伸され、第３の端子電極T３と電気的接続される。またこの実施形態では、前記第２の溶断ユニット１０２の第２の端子は、接続部１０２ａによって前記第３の端子電極Ｔ３と電気的接続を構成する。

図６Ｂは、本発明のもう１つの実施形態の保護素子１０の構造概略図を表している。図７Ｂは、図６Ｂの保護素子１０の実施形態に対応する断面概略図であり、その断面は、前記第２方向に沿って前記保護素子１０（および第１の溶断ユニット１０１と第２の溶断ユニット１０２）を切断している。図６Ｂに示された保護素子１０は、図６Ａの保護素子１と比較して、主に異なるのは、２つの埋め込み孔１０３ａ、１０３ｂを有することである。前記埋め込み孔１０３ａ、１０３ｂは、互いに独立した密閉空間である。本実施形態では、第１の埋め込み孔１０３ａは、第１の溶断作用領域１０１ｂの上に設けられ、且つ第１の溶断作用領域１０１ｂを前記第１の埋め込み孔１０３ａの底部で露出させ、前記第２の埋め込み孔１０３ｂは、第１の溶断作用領域１０１ｂの下に設けられ、且つ第２の溶断作用領域１０２ｂを前記第２の埋め込み孔１０３ｂの上部または底部で露出させる。

保護素子１０は、第１の端子電極Ｔ１、第２の端子電極Ｔ２、および第３の端子電極Ｔ３を含んでいる。第１の溶断ユニット１０１の第１および第２の端子は、前記パッケージ基板１００の外側にそれぞれ延伸され、第１の端子電極Ｔ１および第２の端子電極Ｔ２は、電気的接続されている。前記第２の溶断ユニット１０２の第１の端子は、前記パッケージ基板１００の外側に延伸され、第３の端子電極Ｔ３と電気的接続され、前記第２の溶断ユニット１０２の第２の端子は、接続部１０２ａによって前記第３の端子電極Ｔ３と電気的接続を構成している。

次いで、図７Ｂを参照すると、第１および第２の溶断作用領域１０１ｂと１０２ｂは、隣接して設けられる。実施形態では、第１と第２の溶断作用領域１０１ｂと１０２ｂ間の距離は、第１と第２の溶断ユニット１０１と１０２間の最短距離である。本実施形態では、第１および第２の溶断ユニット１０１と１０２は、互いに垂直に重複しないが、他の一部の実施形態では、第１および第２の溶断ユニット１０１と１０２は、垂直に重複または部分的に垂直に重複することができる。

図６Ｃは、本発明のもう１つの実施形態の保護素子１に基づく構造概略図を表している。図７Ｃは、図６Ｃの保護素子１の実施形態に対応する断面概略図であり、その断面は、前記第２方向に沿って前記保護素子１（および第１の溶断ユニット１０１と第２の溶断ユニット１０２）を切断している。図６Ｃに示された保護素子１は、図６Ｂの保護素子１０と比較して、主に異なるのは、１つの埋め込み孔１０３ａだけを有し、第１の溶断作用領域１０１ｂの上に形成され、且つ第１の溶断作用領域１０１ｂをその中で露出させていることである。

保護素子１或いは１０は、第１の端子電極Ｔ１、第２の端子電極Ｔ２、および第３の端子電極Ｔ３を含んでいる。第１の溶断ユニット１０１の第１および第２の端子は、前記パッケージ基板１００の外側にそれぞれ延伸され、第１の端子電極Ｔ１および第２の端子電極Ｔ２と電気的接続される。前記第２の溶断ユニット１０２の第１の端子は、前記パッケージ基板１００の外側に延伸され、第３の端子電極Ｔ３と電気的接続され、またこの実施形態では、前記第２の溶断ユニット１０２の第２の端子は、接続部１０２ａによって前記第３の端子電極Ｔ３と電気的接続を構成する。

次いで、図７Ｃを参照すると、第１と第２の溶断作用領域１０１ｂと１０２ｂは、隣接して設けられる。実施形態では、第１と第２の溶断作用領域１０１ｂと１０２ｂ間の距離は、第１と第２の溶断ユニット１０１と１０２間の最短距離である。本実施形態では、第１および第２の溶断ユニット１０１と１０２は、互いに垂直に重複しないが、他の一部の実施形態では、第１および第２の溶断ユニット１０１と１０２は、垂直に重複または部分的に垂直に重複することができる。

図６Ａ〜６Ｃの保護素子１および１０は、前記第１と前記第２の溶断作用領域の中の１つが溶断を発生した時、溶断で発生したエネルギーは、もう１つの溶断作用領域を溶断する効果がある。例えば、保護素子１または１０が保護機能を起動することで第２の溶断ユニット１０２が溶断された時、第２の溶断ユニット１０２の溶断作用領域１０２ｂが溶断の時に生じた破壊エネルギー（例えば爆破力、熱エネルギー、蒸気圧、電気アークなど）は、図６Ａまたは図６Ｃの埋め込み孔１０３ｂ（或いは図６Ｂの埋め込み孔１０３ａおよび／または１０３ｂ）の補助によって、ガイドされるか、または強化され、一緒に第１の溶断ユニット１０１に構造的な破壊をするか、または更に切断をする。

以上に述べた保護素子１０を対応する回路に合わせて電子設備に対して保護の範例を行う（保護素子１を用いても同じ効果を達成することができる）。

図８Ａは、上述の保護素子１または１０を用いた保護装置６０を表している。保護装置６０は、前述の前記保護素子１または１０、センサユニット６０１、およびスイッチ素子６０２を含んでいる。この実施形態では、この保護装置６０は、電圧源に接続された負荷装置、例えばノートブック型パソコン用のリチウム電池セットＢＳ（二次電池）を保護するのに用いられるが、これに限定されるものではなく、他の電子設備を保護するのに用いることもできる。

前記保護素子１または１０は、図２Ａおよび前述の各種実施形態に示され、且つ第１〜第３端子電極（Ｔ１〜Ｔ３）を有する、第１および第２の溶断ユニット１０１と１０２によって構成される。前記第１端子電極Ｔ１は、少なくとも１つの電圧源が供給した電力を受けるように用いられる。前記第２端子電極Ｔ２は、前記電力を前記リチウム電池セットＢＳ（負荷装置）に供給するように用いられる。

前記電圧源は前記第１の溶断ユニット１０１によって電力を前記リチウム電池セットＢＳに供給し、異常な、またはその他の原因により、前記第１の溶断ユニット１０１に流れる電流が、前記第１の溶断ユニット１０１が許容できる第１電流規格値を超える（即ち過電流を発生する状態）場合、前記第１の溶断ユニット１０１は即溶断を生じ、これによって、前記電圧源が供給する電力を切断し、前記リチウム電池セットＢＳが過電流の破壊を受けないように保護する。

前記スイッチ素子６０２は、前記第３の端子電極Ｔ３と基準電位節点との間（例えば基準接地節点（ＧＮＤ））に接続される。この実施形態では、前記スイッチ素子６０２は、電界効果トランジスタであるがこれに限定されるものではない。

図８Ａに示されたセンサユニット６０１は、前記リチウム電池セットＢＳの両端に接続され、前記リチウム電池セットＢＳに供給された電圧（即ち、リチウム電池セットＢＳの端子間電圧）が所定の電圧を超えるかどうかを検出する。所定の電圧を超えて検出された時（即ち過電圧を発生）、前記センサユニット６０１は、保護信号ＰＳを発し、前記スイッチ素子６０２をオンにするため、本来リチウム電池セットＢＳに供給される電圧は、前記第２の溶断ユニット１０２および前記スイッチ素子６０２を通過して、基準接地節点ＧＮＤに迂回（bypass）される。過電圧が発生する状況では、前記第１または第２の溶断ユニットの中の１つが溶断を生じた時、溶断で生じた破壊エネルギーは、もう１つの溶断ユニットにも連帯して構造的な破壊を発生させるため、リチウム電池セットＢＳを前記電圧源と完全に隔絶し、同時にリチウム電池セットＢＳと電圧源を保護することを達成する。

また、第２の溶断ユニット１０２の許容可能な第２電流規格値を前記第１の溶断ユニット１０１の第１電流規格値より小さく設計するように選択することができ、前記第２の溶断ユニット１０２を流れる電流が前記第２電流規格値より大きい（しかし前記第１電流規格値より小さい）時、前記第２の溶断ユニット１０２は、溶断を発生し、同時に溶断で生じた破壊エネルギーは、前記第１の溶断ユニット１０１にも連帯して構造的な破壊を発生させるため、リチウム電池セットＢＳを前記電圧源と完全に隔絶し、同時にリチウム電池セットＢＳと電圧源を保護することを達成する。

図８Ｂは、上述の保護素子１または１０を用いた保護装置６０のもう１つの実施形態を表している。図８Ａに示されたように、前記電圧源は前記第１の溶断ユニット１０１によって電力を前記リチウム電池セットＢＳに供給し、異常な、またはその他の原因により、前記第１の溶断ユニット１０１に流れる電流が、前記第１の溶断ユニット１０１が許容できる第１電流規格値を超える（即ち過電流を発生する状態）場合、前記第１の溶断ユニット１０１は即溶断を生じ、これによって、前記電圧源が供給する電力を切断し、前記リチウム電池セットＢＳが過電流の破壊を受けないように保護する。

図８Ｂのセンサユニット６０１は、前記第１の溶断ユニット１０１の両端に接続され、第１と第２の端子電極（Ｔ１とＴ２）が接地節点ＧＮＤに対してそれぞれ電圧を得ることによって、前記第１の溶断ユニット１０１の端子間電圧（Ｔ１〜Ｔ２間の電圧降下）および前記リチウム電池セットＢＳが受ける電圧｛（供給電圧−Ｖ_T1-T2）＝（Ｖ_T2−Ｖ_GND）｝を検出する。

前記リチウム電池セットＢＳが受けた電圧が所定の電圧を超えて検出された時（即ち過電圧を発生）、前記センサユニット６０１は、保護信号ＰＳを発し、前記スイッチ素子６０２をオンにするため、本来リチウム電池セットＢＳに供給される電圧は、前記第２の溶断ユニット１０２および前記スイッチ素子６０２を通過して、基準接地節点ＧＮＤに迂回（bypass）する。

また、前記センサユニット６０１は、前記第１の溶断ユニット１０１の端子間電圧およびそれ自体の抵抗値によって前記第１の溶断ユニット１０１に流れる電流Ｉ１（図示されていない）を得ることができる。前記センサユニット６０１が前記第１の溶断ユニット１０１に流れた電流が第１電流規格値よりは小さいが警報値より大きいと判断した時も、前記保護信号ＰＳを発し、前記スイッチ素子６０２をオンにし、前記電流Ｉ１を前記スイッチ素子６０２および前記第２の溶断ユニット１０２に流す。前記第２の溶断ユニットが許容可能な第２電流規格値は、前記第１の溶断ユニット１０１の第１電流規格値より小さくするか、または等しくすることができる。

この実施形態では、前記第１および第２の電流規格値はそれぞれ１２アンペアと４アンペアであるものとする。前記電圧源が前記リチウム電池セットＢＳに対して充電している時、前記第１の溶断ユニット１０１に流れる電流Ｉ１は、過電流を発生しないが、リチウム電池セットＢＳに対して言えば、充電電流（即ちＩ１）が持続して前記警報値より大きい場合、リチウム電池セットに対して破損を与える。よって、前記センサユニット６０１は、前記第１溶断ユニット１０１に流れる電流Ｉ１が前記警報値（この例では７アンペア）を超えたと判断した時、前記保護信号ＰＳを発し、前記スイッチ素子６０２をオンにし、電流Ｉ１は前記スイッチ素子６０２と前記第２の溶断ユニット１０２に流れる。電流Ｉ１は、第２電流規格値より大きいため、前記第２の溶断ユニット１０２が溶断を発生した時、溶断で生じた破壊エネルギーは、前記第１の溶断ユニット１０１にも及び、構造的な破壊を発生させるため、リチウム電池セットＢＳを前記電圧源と完全に隔絶することを達成する。上述の方式によって、前記警報値を設定することにより、リチウム電池セットＢＳに対する保護を更に提供する。

図８Ｃは、上述の図８Ａ、８Ｂの上位回路構造を表している。図８Ａ、８Ｂと同じ素子および動作はここでは述べない。

図８Ｃの前記センサユニット６０１は、前記保護素子１または１０と前記リチウム電池セットＢＳを接続し、リチウム電池セットＢＳの両端の電圧（例えば図８Ａ、８Ｂ）を直接検出して過電圧を発生した状態かどうかを決定することができる。前記センサユニット６０１は、前記リチウム電池セットＢＳ内に設けられた電圧監視デバイスが提供した対応信号によって過電圧の状態を発生したかどうかを判定することもできる。また、前記リチウム電池セットＢＳ内に設けられた電流監視デバイスが提供した対応信号によって前述の警報値を超える状態が発生したかどうかを判定することもできる。

実施形態では、保護装置６０は、温度センサ（図８Ａ、８Ｂ）を更に含み、環境温度または前記リチウム電池セットＢＳの温度を測定することができる。測定して得られた温度が既定の温度値より高い時、制御信号ＣＳを発し、前記スイッチ素子６０２をオンに駆動し、電力を迂回させる。

注意するのは、前記保護素子１または１０の第１端子電極Ｔ１を前記リチウム電池セットＢＳに接続した場合、第２端子電極Ｔ２は、前記電圧源と接続し、上述の図８Ａ〜８Ｃで述べた動作は正常なまま動作される。

上述の図８Ａ〜８Ｃに述べられるように、本発明の保護素子の内部は埋め込み孔構造が接地され、且つ２つの溶断ユニットを含んでいる。過電圧または過電流を発生した時、第２の溶断ユニット１０２の溶断時の破壊エネルギーは、埋め込み孔の作用によって合わせて第１の溶断ユニット１０１の構造を更に破壊することができるため、より完成した保護効果を提供することができる。

本発明は、実施例の方法および望ましい実施の形態によって記述されているが、本発明は、これらに限定されるものではないことは理解される。本開示の精神及び範囲を逸脱しない限りにおいては、当業者であればそのような等価な構成を達成することが可能であり、当業者は、本開示の精神および範囲を逸脱せずに、ここで種々の変更、代替、および改変をするだろう。

１、１０ 保護素子
１００ パッケージ基板
１０１ 第１の溶断ユニット
１０１ｂ 第１の溶断作用領域
１０２ 第２の溶断ユニット
１０２Ａ 接続部
１０２ｂ 第１の溶断作用領域
１０３、１０３ａ、１０３ｂ 埋め込み孔
Ｔ１〜Ｔ３ 第１〜第３の端子電極
２００ 隔板
２０１、４０３、４０４ 弱化欠陥
２０２ 高揮発性材料層
３０３、４０１、４０２、５０１、５０２ 埋め込み孔
６０ 保護装置
６０１ センサユニット
６０２ スイッチ素子
６０３ 温度センサ
ＢＳ リチウム電池セット（負荷装置）
ＰＳ 保護信号
ＣＳ 制御信号
ＧＮＤ 基準接地節点

Claims (21)

1. パッケージ基板、
   前記パッケージ基板内に設けられ、第１の溶断作用領域を有する第１の溶断ユニット、
   前記パッケージ基板内に設けられ、前記第１の溶断作用領域と隣接して第２の溶断作用領域を有する第２溶断ユニット、および
   前記第１の溶断作用領域および前記第２の溶断作用領域に対応して前記パッケージ基板内に設けられる第１の埋め込み孔を含み、
   前記第１および前記第２の溶断作用領域の１つが溶断した時、前記第１の埋め込み孔が、前記第１および第２の溶断領域の他の１つの溶断作用領域を切断するための溶断エネルギーを補助する
   ことを特徴とする保護素子。
2. 前記パッケージ基板内に設けられた隔板を更に含み、前記第１の溶断ユニットは、前記隔板上に設けられる請求項１に記載の保護素子。
3. 前記隔板は、前記第１および第２の溶断作用領域に対応して設けられる弱化欠陥を更に有し、前記第１および第２の溶断作用領域の１つが溶断した時に前記隔板の断裂を加速するように用いられる請求項２に記載の保護素子。
4. 前記第１の溶断作用領域は、前記第１の埋め込み孔に露出している請求項１に記載の保護素子。
5. 前記第１および第２の溶断作用領域に対応し、且つ前記第１の埋め込み孔の上または下で、前記パッケージ基板内に設けられる第２の埋め込み孔を更に含む請求項１に記載の保護素子。
6. 前記第１および第２の溶断作用領域は、前記第２の埋め込み孔に露出している請求項５に記載の保護素子。
7. 前記第２の埋め込み孔に露出している前記第２の溶断作用領域の一部または全部を覆う高揮発性材料層を更に含む請求項５に記載の保護素子。
8. 前記第１の溶断作用領域は、前記第１の埋め込み孔に露出し、前記第２の溶断作用領域は、前記第２の埋め込み孔に露出している請求項５に記載の保護素子。
9. 前記第１の溶断作用領域は、前記第１の埋め込み孔に露出し、前記第２の溶断ユニットは、前記第１溶断ユニットで前記隔板が設けられた位置の背面に設けられる請求項２に記載の保護素子。
10. 前記パッケージ基板に設けられる第２の埋め込み孔をさらに有し、前記第１および第２の埋め込み孔は、前記第１および第２の溶断作用領域を挟む構造である請求項１に記載の保護素子。
11. 前記第１および第２の溶断作用領域の位置に近接して前記第１および第２の埋め込み孔の中にそれぞれ設けられた第１および第２の弱化欠陥を更に含む請求項１０に記載の保護素子。
12. 前記第１の埋め込み孔は、前記第１の溶断ユニットの上に設けられ、且つ前記第１の溶断作用領域が前記第１の埋め込み孔の底部に露出し、前記第２の埋め込み孔は、前記第１の埋め込み孔の下に設けられ、且つ前記第２溶断作用領域が前記第２の埋め込み孔の上部または底部で露出している請求項１０に記載の保護素子。
13. 前記第２の埋め込み孔に露出している前記第２の溶断作用領域の一部または全部を覆う高揮発性材料層を更に含む請求項１２に記載の保護素子。
14. 前記パッケージ基板内に設けられた隔板を更に含み、前記第１および第２の溶断作用領域は、前記第１の埋め込み孔に露出し、前記第１の溶断作用領域は、前記隔板上に設けられる請求項１に記載の保護素子。
15. 前記隔板は、弱化欠陥を更に含み、前記第１および第２の溶断作用領域の１つが溶断した時に、前記隔板の断裂を加速するように用いられる請求項１４に記載の保護素子。
16. 前記第１の埋め込み孔に露出する前記第１および第２の溶断作用領域の一部または全部を覆う高揮発性材料層を更に含む請求項１４に記載の保護素子。
17. 前記パッケージ基板内に設けられた第１、第２、および第３の端子電極を更に含み、
    前記第１の溶断ユニットの第１および第２の端子は、前記パッケージ基板の外側に延伸され、前記第１および第２の端子電極とそれぞれ電気的接続され、
    前記第２の溶断ユニットの第１端子は、前記パッケージ基板の外側に延伸され、前記第３の端子電極と電気的接続され、前記第２の溶断ユニットの第２の端子は、前記第１および第２の端子電極の１つと電気的接続される請求項１に記載の保護素子。
18. 請求項１に記載の保護素子であって、前記保護素子は、
    前記第１の溶断ユニットの第１の端子と電気的接続され、少なくとも１つの電圧源が供給した電力を受けるように用いられる第１の端子電極と、
    前記第１の溶断ユニットの第２の端子と電気的接続され、前記電力を負荷装置に供給するように用いられる第２の端子電極と、
    前記第２の溶断ユニットの第１の端子と電気的接続され、前記第２の溶断ユニットの第２の端子が前記第１および第２の端子電極のうちの１つと選択的に電気的接続される第３の端子電極と、を更に有する保護素子、
    前記保護素子と前記負荷装置とに接続され、前記電力が所定値より高く検出された時、保護信号を出力するセンサユニット、および
    前記第３の端子電極と基準電位節点との間に接続され、前記保護信号を受けた時、オンにされ、前記負荷に供給される前記電力を前記基準電位節点に迂回させるスイッチ素子を含む保護装置。
19. 前記センサユニットは、前記負荷ユニットに供給された電流または電圧を検出し、前記電力が前記所定値より高いか否かを決定する請求項１８に記載の保護装置。
20. 環境温度または前記負荷装置の温度を測定するのに用いられる温度センサを更に含み、測定して得られた温度が所定の温度値より高い時、制御信号を発し、前記スイッチ素子をオンに駆動する請求項１８に記載の保護装置。
21. 前記負荷装置が二次電池である請求項１８に記載の保護装置。

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