JP5844272B2 - 回路保護装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、回路保護装置の技術分野に関する。特に、本発明は、過電圧または過熱状態の際に、バネへの接続を溶断する熱を発生させ、回路を開状態として、電源および関連する回路を保護する回路保護装置に関する。
過電圧および過熱状態に対応する回路保護装置は、異常な状態の時に溶断して回路を開状態とする熱リンクを利用している。これらの回路保護装置は、例えば、充電器と複数の二次電池セル(例えば、リチウムイオン電池)との間に配置することができる。閾値電圧よりも高い電圧が検出およびトリガー動作を行う回路に印加されたとき、電流は発熱体を通って流れ、一つまたはそれ以上の熱リンクを溶断する。熱リンクが溶断されると、回路が開状態となり、過電圧状態による損傷から電池セルを保護する。また異なる型の回路保護装置では、温度ヒューズ機能が電源、例えば電池セルを保護するのに用いられる。セルの温度が所定の閾値を超えると、一つまたはそれ以上の熱リンクが溶断し、回路を開状態として充電装置を電池セルから遮断する。
しかしながら、過熱状態となっている電池セルと熱リンクの間の熱的結合が十分でなく、熱リンクが反応時間を確保できないような場合、熱暴走状態になりうる。したがって、電池セルを保護するために十分速い応答を得られるように構成された回路保護装置が必要とされている。
本発明の例示的な実施形態は、充電器と、充電対象である一つまたはそれ以上の電池セルとの間に配置された回路保護装置に関するものである。例示的な一実施形態においては、回路保護装置は、基板上に配置された導電性のバネと、一対の低融点部材と、一つまたはそれ以上の発熱抵抗体と、を含む。導電性のバネは、一対の低融点部材のうち第一の低融点部材に接続された第一の端部と、一対の低融点部材のうち第二の低融点部材に接続された第二の端部とを備える。低融点部材は、抵抗体によって発生した熱によって溶けるはんだ接続であってよい。少なくとも一つのはんだ接続が、過電圧または過熱状態によって発生した電流に十分早く反応して溶けると、バネの対応する一端が外れてはんだ接続とバネの間の回路を開状態として、開回路を形成する。
また本発明の他の例示的な一実施形態においては、回路保護装置は基板と、導電層と、抵抗体と、導電パッドと、拡散層と、ガラス層と、を含む。導電層は基板上に配置され、少なくとも第一および第二の端子を備える。抵抗体は導電層の少なくとも一部の上に配置される。導電パッドは抵抗体上に配置される。拡散層は導電パッド上に配置される。ガラス層は拡散層上に配置され、回路が異常な状態となった時に、抵抗体によって熱が発生し、その熱が拡散層の一部をガラス層内に拡散させ、第一および第二の端子の間の回路を開状態にする。
また本発明の他の例示的な実施形態では、保護回路は基板と、基板上に配置され少なくとも第一および第二の端子を備えた導電層と、導電層の少なくとも一部の上に配置された抵抗体と、抵抗体上に配置された導電パッドと、導電パッド上に配置された熱リンク層と、熱リンク層上に配置されたホットメルト接着剤(ｈｏｔ ｍｅｌｔ ａｄｈｅｓｉｖｅ：ＨＭＡ)カバー層と、を含み、回路が異常な状態となった時に、抵抗体によって熱が発生し、その熱によってＨＭＡ層が熱リンク層を吸収し、第一および第二の端子の間の回路を開状態とする。
本発明の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明の他の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明の他の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明の他の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明の他の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明の他の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明の他の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明の他の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明の他の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明の他の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明のさらに他の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明のさらに他の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明のさらに他の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明のさらに他の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明のさらに他の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明のさらに他の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明のさらに他の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明のさらに他の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明のさらに他の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明のさらに他の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明のさらに他の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明のさらに他の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明のさらに他の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明のさらに他の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明のさらに他の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明のさらに他の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明のさらに他の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明のさらに他の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明のさらに他の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明のさらに他の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明のさらに他の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明のさらに他の一実施形態による回路保護装置の各層を示す図である。 本発明の一実施形態による回路保護装置の例示的なカバーを示す平面図である。
以下、本発明を、好ましい実施形態を示す添付した図面を参照してより完全に説明する。しかしながら、本発明は多様な異なる形態として実施することもでき、ここに示された実施形態に限定して解釈されるべきではない。これらの実施形態は完全に開示されたものであり、当業者に対し本発明の範囲を完全に提示するものである。図面中で、類似した符号は類似した要素を示す。
以下の明細書および／または請求の範囲において、「上に」、「重なって」、「上に配置されて」および「上方に」という語句が用いられることがある。「上に」、「重なって」、「上に配置して」および「上方に」は二つまたはそれ以上の要素が互いに直接物理的に接触している状態を示すために用いられることがある。しかしながら、「上に」、「重なって」、「上に配置して」および「上方に」はまた二つまたはそれ以上の要素が直接接していないような状態を示すこともある。例えば、「上方に」はある一つの要素が他の要素の上方にあるが、互いに接触しておらず、これら二つの要素の間にさらに別の要素があってもよい。さらに、「および／または」は「および」を指すこともあれば、「または」、をさすこともある。また、「いずれか一方のみ」、「一つの」、「いくつか、しかし全てではない」、「どちらでもない」、「両方」を指すこともある。しかし、請求の範囲がこれによって限定されるわけではない。
図１Ａから図１Ｋは、本発明で開示される回路保護装置１０を示している。第一層１２は、基板１５上に配置されたメタライズされた導電パス２２および２４と、第一の端子２０１と、第二の端子２０２と、第三の端子２０３と、第四の端子２０４と、からなる。メタライズされた導電パス２２はパッド２１を含む。第一の端子２０１および第二の端子２０２は、充電源と保護されるべき装置、例えば、複数の電池セルとの間に回路保護装置１０を接続するのに用いられる。第三の端子２０３は導電パス２４に接続され、過電圧や過熱状態を報知する信号を回路保護装置１０に送出する制御回路(例えば、センサー回路やセンサートランジスタ)への電気的接続を供する。
図１Ｂは、導電パス２２および２４の上および間に配置された第一の抵抗体３２と第二の抵抗体３４とを示している。代替的に、後述のように、少なくとも一つのはんだ接続を十分溶かすことのできる熱を発生させるような導電パス間に配置された単一の抵抗体、または唯一の抵抗体を用いることもできる。また印加される電圧に対して耐性が得られるように、抵抗体３２および３４の形状を変更してもよい。さらに後述するように、必要ならばより長い時間はんだパッド４６および４７に熱を供するような抵抗体の形状としてもよい。
図１Ｃは、基板１５上に配置され、抵抗体３２および３４を覆う絶縁層３５を示している。絶縁層３５を貫通して開口３６が設けられ、導電パス２２への接続を供する。絶縁層３５は、例えば、抵抗体３２および３４によって生成された熱を通すことのできる所定の熱伝導率を備えたガラスであってもよい。
図１Ｄは、第一の抵抗体３２の上方であって絶縁層３５上に配置された第一の導電パッド４２と、第二の抵抗体３４の上方であって絶縁層３５上に配置された第二の導電パッド４４と、を示している。第一の導電パッド４２は第一の端子２０１との接続を形成し、第二の導電パッド４４は第二の端子２０２との接続を形成している。
図１Ｅは、例えばガラスからなる絶縁層４５を示している。絶縁層４５は、導電パッド４２、４４および開口３６の一部の上方に配置され、絶縁層の下に配置された導電パッドのうち、露出された部分ははんだ接続パッド４６、４７および４８となる。低融点はんだがはんだパッド４６、４７および４８上に配置される。パッド４８は、後述するように、回路が異常な状態となると端子２０３を介して、バネから制御回路への電流を流すのに用いられる(図１Ｆに示される)。
図１Ｆは、頂点部５１から延びる一対の側部５０１および５０２を備えた略Ｕ字型の平らなバネ５０を示している。側部５０１および５０２のそれぞれの端部は、はんだ４６’および４７’を用いてはんだパッド４６および４７に接続され、頂点５１ははんだパッド４８にはんだ接続される。バネ５０は、例えば、銀を成膜された高炭素鋼や、形状記憶合金材料や、その他類似の導電材料から形成されることもできる。また、もちろん代替となる特性を持つ材料であってもよい。（図６に示されるような）プラスチックカバーが回路保護装置１０の上方に配置され、基板１２の周縁部に設けられた突出部５９に接着される。
図１Ｇは、抵抗体３２および３４と、低融点はんだ材４６’および４７’と、第一の端子２０１と、第二の端子２０２と、第三の端子２０３とを含む回路保護装置１０の概略図である。はんだパッド４６および４７(およびそれぞれ対応する抵抗体３２および３４)は、バネの側部５０１および／または５０２に沿って、バネ５０の頂点部５１により近い位置にあってもよい。このようにすれば、はんだ接続４６’および４７’が溶けてバネ５０が回路を開状態にするときの信頼性を向上させることができる。加えて、バネ５０を配置された位置に維持させるためにより多くのはんだが必要ならば、面積を大きくするようにはんだパッド４６、４７(および４８)の形状を調整することもできる。さらに、はんだパッド４６および４７がバネの側部５０１および５０２のそれぞれに一つまたはそれ以上設けられてもよい。特に、バネの側部５０１は、パッド４６と、パッド４６とバネ５０の頂点にあるパッド４８との間に配置された他のパッドと、を含んでもよい。同様に、バネの側部５０２は、パッド４７と、パッド４７とバネ５０の頂点にあるパッド４８との間に配置された他のパッドと、を含んでもよい。その結果、追加されたパッドそれぞれとそれに対応する抵抗体(例えば、パッド４６に対して抵抗体３２)とともに、はんだ接続も追加して設けられる。また、はんだ接続を溶断するために、抵抗体が追加されてもよい。
図１Ｈは、基板１２上に配置され、斜線部で示された回路保護装置１０の各層、および通常の導電状態において流れる電流を示す平面図である。通常の動作時は、電流は(実線矢印で示されるように)、端子２０１から端子２０２を介して保護される装置へと流れる。
図１Ｉに示すように、過電圧または過熱状態が検出されると、端子２０３に接続された制御回路(図示されない)が回路を閉じ、バネ５０から導電パス２２を介して電流を引き込む。この電流(破線矢印で示される)は、抵抗体３２および３４を通って流れ、抵抗体３２および３４は発熱し、導電パッド４２および４４を介して一つ以上のはんだ接続４６’および／または４７’を溶かす。用いられるはんだは、溶融時にはんだ表面の酸化を防ぐフラックスを含んでもよい。フラックスが含まれない場合、バネが動作するとはんだが塗りつけられたり引きずられたりする可能性がある。一つまたはそれ以上のはんだ接続が溶けると、バネ５０の側部５０１および／または５０２の少なくとも一つが外れて閉じる。これにより、充電源と保護されるべき装置との間の回路が開状態となる。
図１Ｊは、回路に異常な状態が発生し、抵抗体３２および３４の熱によってはんだ４６’および４７’がともに溶けた状態のバネ５０を示している。むろん、はんだパッド４６および４７の下に配置された単一の抵抗体のみを備えた場合であっても、回路保護装置は同様に動作する。このように、回路保護装置１０は、電池や充電回路に好ましくない電気的あるいは熱的状態が発生した際に回路を開状態とする、複数の層内に配置されたバネを利用している。また他の実施形態においては、一方のバネの側部(例えば５０１)のみが移動でき、他方のバネの側部(例えば５０２)は取り付けられた位置に固定された状態としてもよい。抵抗体をはんだパッドの下に配置しないようにすれば、はんだ材の加熱を防ぐことができるので、固定される方のバネの側部を接続する際にも同一のはんだパッドとはんだ材とを用いることができる。
また代替的に、（図１Ｋに示すように）回路保護装置１０はバネ５０の端部間に接続され電流の大部分を流すシャント８０を含んでもよい。通常の充電および放電が行われる状態では、シャント８０が電流の大部分を通すので、電気抵抗はより高いがバネ特性がより優れたバネ合金を用いることができる。過電圧または過熱状態が発生すると、抵抗体３２および３４は発熱し、はんだパッド４６および４７の少なくとも一方の部分でバネの接続が外れる。その際にシャントがつぶされて回路が開状態となる。
図２Ａから図２Ｊは、本発明で開示される回路保護装置１０’を示している。第一層１２は、基板１５上に配置されたメタライズされた導電パス２２および２４と、第一の端子２０１と、第二の端子２０２と、第三の端子２０３と、第四の端子２０４と、からなる。メタライズされた導電パス２２はパッド２１を含む。第一の端子２０１および第二の端子２０２は、充電源と保護されるべき装置、例えば、一つまたはそれ以上の電池セルとの間に回路保護装置１０を接続するのに用いられる。第三の端子２０３は導電パス２４に接続され、過電圧状態を報知する信号を回路保護装置１０に送出する制御回路(例えば、トランジスタ)への電気的接続を供する。
図２Ｂは、導電パス２２および２４の上および間に配置された第一の抵抗体３２と第二の抵抗体３４とを示している。また代替的に、後述のように、バネに接続された少なくとも一つのはんだ接続を十分溶かすことのできる熱を発生させるような導電パス間に配置された単一の抵抗体、または唯一の抵抗体を用いることもできる。
図２Ｃは、基板１５上に配置され、抵抗体３２および３４を覆う絶縁層３５を示している。絶縁層３５を貫通して開口３６が設けられ、導電パス２２への接続を供する。絶縁層３５は、例えば、抵抗体３２および３４によって発生した熱を通すことのできる所定の熱伝導率を備えたガラスであってもよい。
図２Ｄは、第一の抵抗体３２の上方であって絶縁層３５上に配置された第一の導電パッド４２と、絶縁層３５上に配置された第二の導電パッド４４と、を示している。第一の導電パッド４２は第一の端子２０１との接続を形成し、第二の導電パッド４４は第二の端子２０２との接続を形成している。
図２Ｅは、例えばガラスからなる絶縁層４５を示している。絶縁層４５は、導電パッド４２、４４および開口３６の一部の上方に配置され、絶縁層の下に配置された導電パッドのうち、露出された部分ははんだ接続パッド４６、４７および４８となる。低融点はんだがはんだパッド４６、４７および４８上に配置される。パッド４８は、後述するように、回路が異常な状態となると、端子２０３を介して、バネから制御回路への電流を流す(図２Ｆに示される)のに用いられる。
図２Ｆは、頂点部７１から延びる一対の側部７０１および７０２を備えた略Ｖ字型の薄板状のバネ７０を示している。側部７０１および７０２のそれぞれの端部７２および７４は、はんだ４６’および４７’を用いてはんだパッド４６および４７に接続され、頂点ははんだパッド４８にはんだ接続されている。バネ７０は、例えば、銀を成膜された高炭素鋼や、形状記憶合金材料や、その他類似の導電材料から形成されることもできる。また、もちろんそれぞれのはんだパッドに接続するその他の形状であってもよい。プラスチックカバーが回路保護装置１０’の上方に配置され、基板１２の周縁部に設けられた突出部５９に接着される。図２Ｇは、抵抗体３２および３４と、はんだ材４６’および４７’と、第一の端子２０１と、第二の端子２０２と、第三の端子２０３とを含む回路保護装置１０’の概略図である。
図２Ｈは、基板１２上に配置された薄板状のバネ７０を利用した、通常の電流状態における回路保護装置１０’の側面図である。通常の動作時は、電流は、図１Ｈおよび図１Ｉに示したように流れる。しかしながら、本実施形態においては、過電圧状態が負荷において検出されると、端子２０３に接続された（図示されない）制御回路が回路を閉じ、バネ７０から導電パス２２を介して電流を引き込む。この電流は抵抗体３２および３４を通って流れ、抵抗体３２および３４は発熱し、一つまたはそれ以上のはんだ接続４６’および／または４７’が溶ける。そのため、バネの端部７２および７４の一つまたはそれ以上が外れる。
図２Ｉは、薄板状のバネ７０が開状態の位置となった回路保護装置１０’の側面図である。一つまたはそれ以上のはんだ接続が溶けることにより、バネ７０の側部７０１および／または７０２の少なくとも一つが上方に向かって外れ、開回路を形成するので、接続された電池セルを保護することができる。
図３Ａから図３Ｇは、複数の層を備えた他の一実施形態による、バネを利用した回路保護装置１００を示している。図１Ａは、基板１１５上に配置されたメタライズされた導電パス１２３および１２４からなる第一層の平面図である。第一の端子１２０１、第二の端子１２０２および第三の端子１２０３は、充電源と、例えば複数の電池セルのような電源装置との間に回路保護装置を接続するために用いられる。第一の抵抗体１３２と第二の抵抗体１３４は、導電パス１２３および１２４の上に配置される。
図３Ｂは、基板１１５上に配置され、抵抗体１３２および１３４を覆う絶縁層１３５を示している。絶縁層１３５を貫通して開口１３６が設けられ、導電パス１２４への接続を供する。絶縁層１３５は、例えば、抵抗体１３２および１３４によって発生した熱を通すことができる所定の熱伝導率を備えたガラスであってもよい。図３Ｃは第一の抵抗体１３２の上方であって絶縁層１３５上に配置された第一の導電パッド１４２を備えた回路保護装置１００の平面図を示している。第二の導電パッド１４３は絶縁層１３５上に配置され、開口１３６を通して導電パス１２４と接続する。第三の導電パッド１４４は第二の抵抗体１３４の上方であって絶縁層１３５上に配置されている。図３Ｄに示すように、はんだ材１５２は第一の導電パッド１４２上に配置され、はんだ材１５４は導電パッド１４４上に配置される。はんだ１５２および１５４のどちらも低融点はんだであってもよいし、はんだ材１５２と１５４のいずれか一方が低融点はんだであり、もう一方のはんだ材が高い融点を持つはんだであってもよい。用いられる低融点はんだは、過電圧または過熱状態の際に抵抗体１３２および１３４によって発生する熱に応じた所定の温度で溶けるように構成される。
図３Ｅは、抵抗体１３２および１３４と、低融点はんだ１５２および１５４と、第一の端子１２０１、第二の端子１２０２および第三の端子１２０３と、を含む回路保護装置１００の概略図である。
図３Ｆは回路保護装置１００の基板１１５上に配置された各層のうち、融着部１６１によって導電パッド１４３に電気的に接続されたバネ１６０を含む一層の平面図である。バネ１６０は略長方形として示されているが、その他の形状とすることもできる。バネ１６０の第一の端部１６２ははんだ材１５２を介して導電パッド１４２に接続され、バネ１６０の第二の端部１６４ははんだ材１５４を介して導電パッド１４４に接続されている。バネ１６０は、例えば、ベリリウム銅、高炭素鋼やその他のバネ合金から形成されてもよい。バネは、導電性を増すために、銀や金のような材料が表面に成膜されていてもよい。また、代替的に、通常の電池の充電および放電動作中には電流の大部分を流せるように、バネの一方の端部からもう一方の端部へ、低抵抗シャント線が配置されてもよい。
図３Ｇは、回路保護装置１００の各層を示す側面図である。バネ１６０はビア１３６およびビア１３６の内部に配置された導電パッド１４３を介して端子１２０３に接続されている。絶縁層１３５は、基板１１５と導電パッド１４２、１４３および１４４との間に配置されている。バネ１６０は、導電パッド１４３上に配置されるとともに、はんだ１５２および１５４を介してそれぞれ導電パッド１４２および１４４の上に配置されている。通常の動作時は、電流は端子１２０１からはんだ１５２を介して導電パッド１４２を通り、バネ１６０の第一の端部１６２へ流れる。さらに電流はバネ１６０を通って第二の端部１６４へ流れ、はんだ１５４を介して導電パッド１４４へ、さらに端子１２０２へ流れ、接続された電源装置へ到達する。
図３Ｈに示すように、異常な電圧や異常な温度の状態が検出されると、端子１２０３に接続された（図示されない）制御回路が回路を閉じ、バネ１６０の中央部の下部に配置された導電パッド１４３を介して、バネ１６０から端子１２０３に接続された導電パス１２３へ電流を引き込む。この電流は抵抗体１３２および１３４を通って流れるので、熱が発生し、一つまたはそれ以上の低融点はんだ接続１５２および／または１５４を溶かす。一つまたはそれ以上のはんだ接続１５２および／または１５４が溶けると、バネは端部１６２と１６４の一方または両方の部分で外れる。端部１６２と１６４の一方または両方が導電パッド１４２または１４４から外れると回路は開状態となり、接続された電源装置が保護される。このように、回路保護装置１００は、充電回路において好ましくない電気的状態が発生したときに、回路を開状態にする、複数の層内に配置されたバネを利用している。
図４Ａから図４Ｇは、さらに他の実施形態による、開回路状態を供する拡散層を利用した複数の層を備える回路保護装置２００を示している。図４Ａは、基板２１５上に配置されたメタライズされた導電パス２２３および２２４からなる第一層の平面図である。第一の端子２２０１、第二の端子２２０２および第三の端子２２０３は、充電源と、例えば複数の電池セルのような負荷との間に回路保護装置を接続するために用いられる。第一の抵抗体２３２と第二の抵抗体２３４は、導電パス２２３および２２４の上に配置される。
図４Ｂは、基板２１５上に配置され、抵抗体２３２および２３４を覆う絶縁層２３５を示している。絶縁層２３５を貫通してビア２３６が設けられ、導電パス２２４への接続を供する。絶縁層２３５は、例えば、抵抗体２３２および２３４によって発生した熱を通すことができる所定の熱伝導率を備えたガラスであってもよい。図４Ｃは第一の抵抗体２３２の上方であって絶縁層２３５上に配置された第一の導電パッド２４２を備えた回路保護装置２００の平面図を示している。第二の導電パッド２４３は絶縁層２３５上に配置され、ビア２３６を通して導電パス２２４と接続する。第三の導電パス２４４は第二の抵抗体２３４の上方であって絶縁層２３５上に配置されている。
図４Ｄは、回路保護装置２００の平面図であって、導電パッド２４２、２４３および２４４の層の、少なくとも一部の上方に配置された拡散層２５０を含む。拡散層２５０は、抵抗体２３２の上方に配置された第一の端部２５２と、抵抗体２３４の上方に配置された第二の端部２５４と、導電パッド２４３の上方に配置された中央部２５３とからなる。拡散層２５０は、例えば、金の薄膜であってもよい。用いられる拡散層の材料は、回路が異常な状態の際に抵抗体２３２および２３４によって発生した熱による所定の温度で層２３５および／または２６０に拡散するように構成される。
図４Ｅは、抵抗体２３２および２３４と、第一の端子２２０１、第二の端子２２０２および第三の端子２２０３と、拡散層の端部２５２および２５４とを含む拡散層型回路保護装置２００の概略図である。通常の動作時は、電流は端子２２０１から導電パッド２４２を通って拡散層２５０の第一の端部２６２へと流れる。さらに拡散層２５０を通って第二の端部２５４へと流れ、さらに導電パッド２４４から端子２２０２を通り、接続された装置へ到達する。
図４Ｆは、基板２１５上で拡散層２５０の上方に配置されたガラスカバー層２６０を備えた回路保護装置２００の平面図である。図４Ｇは基板２１５およびビア２３６を埋める導電パッド２４３の上に配置されたガラスカバー層２６０を示す回路保護装置２００の各層の側面図である。ガラス層２６０は、回路が異常な状態の時に層２５０の拡散を吸収するように構成される。過電圧または過熱状態が検出されると、端子２２０３に接続された（図示されない）制御回路が回路を閉じ、拡散層２５０から、拡散層２５０の中央部２５３の下部に配置された導電パッド２４３を通って、端子２２０３に接続された導電パス２２３へ電流を引き込む。この電流は抵抗体２３２および２３４を通って流れるので、抵抗体２３２および２３４の上部に配置された拡散層の端部２５２および／または２５４を層２３５および／または２６０へ拡散させることのできる熱が発生する。一か所またはそれ以上の箇所がガラス層２３５および／または２６０内へ拡散し、拡散層２５０の端部２５２および／または２５４の一方または両方の部分で回路が開状態となる。拡散層２５０の一方または両方の端部２５２および／または２５４がガラス層２３５および／または２６０に拡散すると、回路が開状態となって接続された装置が保護される。このように、回路保護装置２００は、充電回路において好ましくない電気的状態が発生したときに回路を開状態とする、複数の層内に配置された拡散層を利用している。
図５Ａから図５Ｇは、さらに他の一実施形態による、オープンになると回路を開状態とするように構成された熱リンクを利用した複数の層を備えた回路保護装置３００を示している。図５Ａは、基板３１５上に配置されたメタライズされた導電パス３２３および３２４からなる第一層の平面図である。第一の端子３２０１、第二の端子３２０２および第三の端子３２０３は、充電源と、例えば複数の電池セルのような電源装置との間に回路保護装置を接続するために用いられる。第一の抵抗体３３２と第二の抵抗体３３４は、導電パス３２３および３２４の上に配置される。
図５Ｂは、基板３１５上に配置され、抵抗体３３２および３３４を覆う絶縁層３３５を示している。絶縁層３３５を貫通してビア３３６が設けられ、導電パス３２４への接続を供する。絶縁層３３５は、例えば、抵抗体３３２および３３４によって発生した熱を通すことのできる所定の熱伝導率を備えたガラスであってもよい。図５Ｃは第一の抵抗体３３２の上方であって絶縁層３３５上に配置された第一の導電パッド３４２を備えた回路保護装置３００の平面図を示している。第二の導電パッド３４３は絶縁層３３５上に配置され、ビア３３６を通して導電パス３２４と接続する。第三の導電パッド３４４は第二の抵抗体３３４の上方であって絶縁層３３５上に配置されている。
図５Ｄは、回路保護装置３００の平面図であって、導電パス２４２、２４３および２４４並びに絶縁層３３５の、少なくとも一部の上方に配置された熱リンク層３５０を含む。熱リンク層３５０は、抵抗体３３２の上方に配置された第一の端部３５２と、抵抗体３３４の上方に配置された第二の端部３５４と、導電パッド３４３の上方に配置された中央部３５３とからなる。熱リンク層３５０は、少なくとも、抵抗体３３２および３３４のそれぞれの上に配置された第一の端部３５２と第二の端部３５４の部分で低融点を有するように構成されている。用いられる熱リンク層は、過電圧状態の際に抵抗体３３２および３３４によって発生する熱による所定の温度で溶けるように構成される。
図５Ｅは、抵抗体３３２および３３４と、第一の端子３２０１、第二の端子３２０２および第三の端子３２０３と、熱リンク層の端部３５２および３５４とを含む熱リンク層型回路保護装置３００の概略図である。通常の動作時は、電流は端子３２０１から導電パッド３４２を通って熱リンク層３５０の第一の端部３６２へと流れる。さらに熱リンク層３５０を通って第二の端部３５４へと流れ、さらに導電パッド３４４から端子３２０２を通り、接続された負荷へ到達する。
図５Ｆは基板３１５上で熱リンク層３５０の上方に配置されたホットメルト接着剤(ｈｏｔ ｍｅｌｔ ａｄｈｅｓｉｖｅ：ＨＭＡ)カバー層３６０を備えた回路保護装置３００の平面図である。図５Ｇは基板３１５およびビア３３６を埋める導電パッド３４３の上に配置されたＨＭＡ層３６０を示す回路保護装置３００の各層の側面図である。ＨＭＡ層３６０は、過電圧時に熱リンク層３６０を吸収するように構成される。回路の異常な状態が負荷において検出されると、端子３２０３に接続された（図示されない）制御回路が回路を閉じ、熱リンク層３５０から、熱リンク層３５０の中央部３５３の下部に配置された導電パッド３４３を通って、端子３２０３に接続された導電パス３２３へ電流を引き込む。この電流は抵抗体３３２および３３４を通って流れるので、抵抗体３３２および３３４の上部に配置された熱リンク層の端部３５２および／または３５４を溶かし、ＨＭＡカバー層３６０へ吸収させることのできる熱が発生する。熱リンク層の一か所またはそれ以上の箇所がＨＭＡカバー層３６０へ溶けて吸収されると、熱リンク層３５０の端部３５２および／または３５４の一方または両方の部分で回路が開状態となり、接続された負荷が保護される。このようにして、回路保護装置３００は、充電回路において好ましくない電気的状態が発生したときに回路を開状態にするような複数の層内に配置された熱リンク層を利用している。
図６は、図１から図５を参照して記述され、また図５Ｇでカバー３６０として示されるカバー６００の例示的な実施形態を示している。カバー６００は回路保護装置１０、１０’、１００、２００および３００のそれぞれの上方に配置され、それぞれの基板１５、１１５、２１５および３１５の周縁部に接着されている。典型的には、カバー６００はエポキシ樹脂を用いてそれぞれの回路保護装置に接着されるが、その他の接着剤を用いることもできる。カバー６００は、カバー６００の周囲に、エポキシ樹脂による接着強度を向上させるために表面積を追加する接着部６０１を含んでもよい。加えて、接着部６０１は、エポキシ樹脂による接着強度をさらに向上させるために、粗い表面または凹凸をつけられた表面を備えていてもよい。接着部６０１の近傍にスルーホール６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃおよび６０２ｄが設けられてもよい。これらのスルーホールは、エポキシ樹脂やその他の接着剤が充填されて表面においてカバー６００の固定部材として作用するように、テーパーが設けられてもよい。さらに、スルーホール６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃおよび６０２ｄはカバー６００のさまざまな位置に配置されてもよい。例を挙げれば、接着部６０１とスルーホール６０２を組み合わせて用いると、カバー６００は典型的な工業的標準である約１．１２ｌｂｓと比べて十分大きな５．８ｌｂｓの引っ張り強度に耐えることができる。
各実施形態を参照して本発明が開示されたが、記載された実施形態に対して、請求の範囲で定義される本発明を超えない範囲において、多様な改変や要素の代替、変更が可能である。それゆえ、本発明は記載された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲で述べられた内容およびそれと等価な内容によって保護されるべき範囲は決定される。
１０ 回路保護装置
１２ 第一層
１５ 基板
２０１、２０２、２０３、２０４ 端子
２１ パッド
２２、２４ 導電パス
３２、３４ 抵抗体
３５ 絶縁層
３６ 開口
４２、４４ 導電パッド
４６、４７、４８ はんだパッド
５０ バネ
５０１、５０２ バネの側部
５１ 頂点部
５９ 突出部
８０ シャント
１０’ 回路保護装置
７０ バネ
７０１、７０２ バネの側部
７１ 頂点部
７２、７４ バネの端部
１００ 回路保護装置
１１５ 基板
１２０１、１２０２、１２０３ 端子
１２３、１２４ 導電パス
１３２、１３４ 抵抗体
１３５ 絶縁層
１３６ ビア
１４２、１４３、１４４ 導電パッド
１５２、１５４ はんだ材
１６０ バネ
１６１ 融着部
１６２、１６４ バネの端部
２００ 回路保護装置
２１５ 基板
２２０１、２２０２、２２０３ 端子
２２３、２２４ 導電パス
２３２、２３４ 抵抗体
２３５ 絶縁層
２３６ ビア
２４２、２４３、２４４ 導電パッド
２５０ 拡散層
２５２、２５４ 拡散層の端部
２５３ 拡散層中央部
２６０ ガラスカバー層
３００ 回路保護装置
３１５ 基板
３２０１、３２０２、３２０３ 端子
３２３、３２４ 導電パス
３３２、３３４ 抵抗体
３５０ 熱リンク層
３５２、３５４ 熱リンク層端部
３５３ 熱リンク層中央部
６００ カバー
６０１ 接着部
６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃ、６０２ｄ スルーホール

Claims (17)

  1. 基板と、
    前記基板上に配置され、少なくとも第一および第二の端子を備えた導電層と、
    前記基板上に配置された抵抗体と、
    前記基板上に配置され、前記抵抗体と対応する位置に設けられた導電パッドと、
    前記抵抗体と前記導電パッドとの間において前記基板上に配置された絶縁層と、
    前記基板上に配置され、前記第一の端子に電気的に接続された第一の端部と、前記第二の端子に電気的に接続された第二の端部とを備えたバネと、
    前記導電パッドと、前記バネの前記第一の端部および前記第二の端部のうち少なくとも一方との間に配置された低融点材料と、を備え、
    前記バネは、前記第一の端部および前記第二の端部が前記第一の端子および前記第二の端子のそれぞれと接続された第一の導電位置と、回路が異常な状態となったときに前記抵抗体が前記低融点材料を加熱し、前記バネの前記第一の端部および前記第二の端部のうち少なくとも一方が前記第一の端子および前記第二の端子のうち少なくとも一方から外れて開回路を形成する第二の開位置と、を備えた回路保護装置。
  2. 前記絶縁層は第一の絶縁層であり、前記基板上であって前記導電パッドと前記バネとの間に配置された第二の絶縁層をさらに備える、請求項１に記載の回路保護装置。
  3. 前記抵抗体は第一の抵抗体であり、前記基板上に配置された第二の抵抗体をさらに備える、請求項１に記載の回路保護装置。
  4. 前記基板上であって前記抵抗体と前記低融点材料との間に配置された第一の導電パッドおよび第二の導電パッドをさらに備え、前記第一の導電パッドが前記第一の抵抗体と対応する位置に設けられ、前記第二の導電パッドが前記第二の抵抗体と対応する位置に設けられた、請求項３に記載の回路保護装置。
  5. 前記低融点材料が前記第一の導電パッド上に配置され前記バネの前記第一の端部と前記第一のパッドとの電気的接触を維持させる低融点材料の第一の部分であり、前記第二の導電パッド上に配置され前記バネの前記第二の端部と前記第二のパッドとの電気的接触を維持させる低融点材料の第二の部分をさらに備える、請求項４に記載の回路保護装置。
  6. 前記第一の導電パッド及び前記第二の導電パッドと、前記バネの前記第一の端部及び前記バネの前記第二の端部との間に配置されたシャント接続をさらに備え、前記シャント接続が前記回路保護装置を通して流れる電流の大部分を流すように構成された、請求項５に記載の回路保護装置。
  7. 前記第一の抵抗体および前記第二の抵抗体がそれぞれ前記低融点材料の第一の部分と前記低融点材料の第二の部分とを加熱し、前記バネの前記第一の端部と前記バネの前記第二の端部のうち少なくとも一方が前記第一の端子と前記第二の端子のうち少なくとも一方から外れて開回路を生成すると、前記バネは前記第二の開位置を形成する、請求項５に記載の回路保護装置。
  8. 前記バネ上に配置され前記基板に取り付けられたカバーをさらに備える、請求項１に記載の回路保護装置。
  9. 前記カバーが、前記基板に取り付けるために前記カバーの表面積を大きくする少なくとも一つの延長部を含む、請求項８に記載の回路保護装置。
  10. 前記少なくとも一つの延長部が、前記カバーを前記基板へ接着する接着剤を配置できるように構成された、請求項８に記載の回路保護装置。
  11. 前記少なくとも一つの延長部が、前記カバーを前記基板へ接着する接着剤を配置できるように構成された凹凸をつけられた表面を有する、請求項８に記載の回路保護装置。
  12. 前記少なくとも一つの延長部が、前記カバーを前記基板へ固定できるよう接着剤を配置できるように構成されたスルーホールを含む、請求項９に記載の回路保護装置。
  13. 前記接着剤がエポキシ樹脂である、請求項１０に記載の回路保護装置。
  14. 前記第一の端子に電気的に接続された前記第一の端部となる端部を備えた前記第一の側部と、前記第二の端子に電気的に接続された前記第一の端部となる端部を備えた第二の側部と、を備え、前記第一の側部および前記第二の側部が第一の平面上の前記装置内に配置された、請求項１に記載の回路保護装置。
  15. 前記バネの前記第一の端部および前記バネの前記第二の端部のうち少なくとも一方が前記第一の端子および前記第二の端子のうち少なくとも一方から外れて開回路を生成すると、前記バネの第一の側部が前記バネの前記第二の側部の方へ第一の平面内を移動する、請求項１４に記載の回路保護装置。
  16. 前記バネの前記第一の端部および前記バネの前記第二の端部のうち少なくとも一方が前記第一の端子および前記第二の端子のうち少なくとも一方から外れて開回路を生成すると、前記バネの第一の側部が第一の平面に対して垂直に移動する、請求項１４に記載の回路保護装置。
  17. 前記バネの前記第一の端部および前記バネの前記第二の端部のうち少なくとも一方が前記第一の端子および前記第二の端子のうち少なくとも一方から外れて開回路を生成すると、前記バネの第二の側部が第一の平面に対して垂直に移動する、請求項１４に記載の回路保護装置。
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