JP2015005508A

JP2015005508A - 回路保護装置

Info

Publication number: JP2015005508A
Application number: JP2014121467A
Authority: JP
Inventors: ディッシュ、ジー・トッド; Todd Dietsch G; スパルドン−スチュワート、オルガ; Spaldon-Stewart Olga; ジェイ・ホイットニー、スティーブン; j whitney Stephen
Original assignee: Littelfuse Inc
Current assignee: Littelfuse Inc
Priority date: 2013-06-18
Filing date: 2014-06-12
Publication date: 2015-01-08
Also published as: DE102014105683B4; CN104241060A; TW201508802A; US20140368309A1; DE102014105683A1

Abstract

【課題】十分速い応答特性を有する回路保護装置を提供する。
【解決手段】積層された基板１１２、１１６と、第１の端子と第２の端子とを有し基板１１６上に配置された導電層と、前記第１の端子と該第２の端子とを電気的に接続し、第１の端子と該第２の端子との間に閉回路を形成し、基板１１６上に配置た導体１２０と、導体１２０と前記第１の端子との間及び導体１２０と前記第２の端子との間に配置された低融点素材と、基板１１２上に配置された抵抗要素と、該抵抗要素が前記低融点素材を加熱するような異常な回路状態の期間、前記導体１２０に力を加えて導体１２０移動させ、第１の端子と第２の端子との間を開回路状態にし、基板１１６上に配置されたスプリング１２２を備える。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明の実施の形態は回路保護装置の分野に関する。さらに詳細には、本発明は、過電圧状態又は過熱状態で熱を発生し、導体への接続部を溶断し、スプリングで移動させて開回路を生じさせそれにより電源及び関連する回路を保護する保護装置に関する。

過電圧保護装置及び過熱保護装置は、異常状態で溶断し開回路を形成することのできる温度ヒューズを用いる。これらの保護装置は、例えば、チャージャーと複数の充電式バッテリーセル（例えば、リチウムイオンバッテリー）との間に配置される。閾値電圧より高い電圧が検出回路及びトリガー回路に加わったとき電流は熱を発生させる部材を流れ１以上の温度ヒューズを溶断させる。一旦ヒューズが溶断すると、過電圧状態によるバッテリーセルの損傷を未然に防ぐ。別のタイプの保護装置では、温度による遮断機能が電源、例えば、バッテリーセルを保護するために用いられる。セルの温度が特定の閾値レベルを超えたとき、１以上の温度ヒューズが溶断し、開回路を生じさせそれにより装置をバッテリーセルから切り離す。しかしながら、過熱状態が生じているセル同士の温度結合及び温度ヒューズが、十分な応答時間を確保できないことがあり、結果として熱暴走状態になることもある。

従って、バッテリーセルを保護するために十分速く応答する結果が得られるよう構成された保護装置を提供する必要性がある。本発明の例示的実施の形態は、チャージャーと充電すべき１以上のバッテリーセルとの間に配置された保護装置に関する。このような例示的保護装置には、基板上に配置された第１の端子と第２の端子とを有する導電層を含めるとができる。導体は、基板上に配置され、第１の端子と第２の端子との間に閉回路を形成させるために第１の端子と第２の端子とを電気的に接続する。加えて、低融点素材を導体と第１の端子との間及び導体と第２の端子との間に配置し、導体を所定の位置に保持することができる。抵抗要素を、異常回路状態で低融点素材を加熱する位置に置かれた基板上に配置することができる。スプリングを基板上に配置し、導体チップ移動させるよう力を加え、抵抗要素が低融点素材を加熱するような異常な回路状態の期間、第１の端子と第２の端子との間を開回路状態にすることができる。

本開示の実施の形態による保護装置の層を示す。本開示の実施の形態による保護装置の層を示す。本開示の実施の形態による保護装置の層を示す。本開示の実施の形態による保護装置の層を示す。本開示の実施の形態による保護装置の層を示す。本開示の実施の形態による保護装置の層を示す。本開示の実施の形態による保護装置の層を示す。本開示の実施の形態による保護装置の層を示す。本開示の実施の形態による保護装置の層を示す。本開示の実施の形態による保護装置の層を示す。本開示の実施の形態による保護装置の層を示す。本開示の実施の形態による保護装置の層を示す。本開示の実施の形態による保護装置の層を示す。本開示の実施の形態による保護装置の層を示す。本開示の実施の形態による保護装置の層を示す。本開示の実施の形態による保護装置の層を示す。本開示の実施の形態による保護装置の例示的なカバーの底面図を示す。

本発明を、本発明の好ましい実施の形態が示された添付図を参照して以下に詳細に説明する。この発明は、しかしながら、多くの異なった形態で実施することができ、ここに説明する実施の形態に限定するよう解釈されるものではない。むしろ、これらの実施の形態は、本発明の技術的範囲のすべてを十分完全に本技術分野における通常の知識を有する者に伝達するために提示するものである。図において、全体として、類似の番号は類似の要素を意味する。

下記の説明及び／又は請求項において、用語「上に」、「上に横たわる」、「上に配置」、及び「上部に」を、下記の説明及び請求項において用いることができる。「上に」、「上に横たわる」、「上に配置」、「上部に」を、２以上の要素がお互いに物理的に直接接触していることを示すために用いることができる。しかし、「上に」、「上に横たわる」、「上に配置」、及び「上部に」を、２以上の要素がお互いに直接接触していないことを意味することもできる。例えば、「上部に」は、１つの要素が他の１つの要素の上にあるがお互いに接触していないことを意味することもあり、また他の要素が２つの要素の間にあることを意味することもある。さらに、用語「及び／又は」は「及び」を意味すること、「又は」を意味すること、「排他的論理和」を意味すること、「１つ」を意味すること、「いくつかであるが全てではない」を意味すること、「どれも〜ない」を意味すること、及び／又は、「両方」を意味することもできるが、請求項に記載した対象物の技術劇範囲はこのことで限定されない。

図１Ａ〜図１Ｋは、本開示の少なくともいくつかの実施例による回路保護装置１００を示す。図１Ａは、回路保護装置１００の側面図を示し、第１の基板１１２と第２の基板１１６で画定され、それぞれの上に堆積させた層１１４及び１１８を有する。第１の基板１１２と第２の基板１１６とは一緒に（例えば、層状に張り合わせて、接着して、はんだ付けして、エポキシ樹脂で、又はその類により）くっつけて、図示のように回路保護装置１００を形成する。加えて、回路保護装置１００には、導体チップ１２０と周壁１２４との間に配置したスプリング１２２と共に層１１８の上に配置された導体チップ１２０が含まれる。いくつかの実施例では、周壁１２４は装置全体を取り囲むことができる。しかしながら、図１Ａでは、周壁１２４内に位置する層１１８、導体チップ１２０、及びスプリング１２２が図で見えるように、周壁１２４は３方の側にのみ示されている。回路保護装置１００の動作、及び第１の基板１１２と第２の基板１１６及び対応する層１１４及び１１８の詳細を以下に説明する。

図１Ｂは、第１の基板１１２上に配置した、充填されたビア１２６ａ〜１２６ｆを有する第１の基板１１２を示す。図１Ｃは、第１の基板１１２の下面１１２’を示す。図示の通り、端子１２８ａ〜１２８ｃは、充填されたビア１２６ａ〜１２６ｆを導電性素材で覆うことで形成される。一般に、端子１２８ａ〜１２８ｃは、電気を通す任意の素材で形成することができる。いくつかの実施例では、端子１２８ａ〜１２８ｃは、耐浸出性銀ペーストを第１の基板１１２の下面１１２’に印刷することにより形成される。第１の端子１２８ａ及び第２の端子１２８ｂは、例えば、充電源と１以上のバッテリーセルとの間のような、充電源と保護すべき装置との間に回路保護装置１００を接続するために用いられる。第３の端子１２８ｃは、回路保護装置１００に過電圧信号又は過熱信号を提供することができる制御回路（例えば、検出回路及びトランジスタ）に電気接続を行う。

図１Ｄは、第１の基板１１２上に配置された第１の金属導電経路１３０及び第２の金属導電経路１３２を有する回路保護装置１００の層１１４を示す。第１の金属導電経路１３０及び１３２は、それぞれ、パッド１３０ａ及び１３２ａを有する。図示の通り、パッド１３２ａは充填されたビア１２６ｃ及び１２６ｄの上に配置され、端子１２８ｃと第２の金属導電経路１３２との間に電気接続を行う。パッド１３０ａの目的は以下に説明する。

図１Ｅは、金属導電経路１３０及び１３２の上及びこれらの間に置かれた抵抗要素１３４を有する回路保護装置１００を示す。いくつかの実施の形態では、抵抗要素１３４の幾何形状は、印加する電圧に対して堅牢性を持つように変更することができる。これらの幾何形状は、以下にさらに詳細説明するように、半田パッド１４０ａ、１４２ａ、及び１３８ａを加熱することを意図するものである。

図１Ｆは、充填されたビア１３６ａ〜１３６ｆを有する第２の基板１１６と、第２の基板１１６に配置されたスルーホールビア１３８とを示す。図１Ｇは、第２の基板１１６の上に配置された第１の導電パッド１４０と第２の導電パッド１４２とを有する回路保護装置１００の層１１８を示す。図示の通り、第１の導電パッド１４０は充填されたビア１３６ａ及び１３６ｂの上に配置され、一方、第２の導電パッド１４２は充填されたビア１３６ｅ及び１３６ｆの上に配置される。

図１Ｈは、第１の導電パッド１４０、第２の導電パッド１４２、及びスルーホールビア１３８を部分的に覆う、第２の基板１１６の上に配置された絶縁層１４４を示す。開口が絶縁層１４４を貫通して形成され、第１の導電パッド１４０上の第１の半田パッド１４０ａに、第２の導電パッド１４２の第２の半田パッド１４２ａに、及び、スルーホールビア１３８上で貫通する半田パッド１３８ａに、接続手段を提供する。絶縁層１４４は、下にあり、又は隣接する部品に対するソルダーレジストとしての役割を果たすような、電流の電導を十分抑制するために、絶縁体としての役割を果たすために十分高い電気抵抗を持つ、例えば、ガラス素材又はセラミック素材とすることができる。実施例によっては、絶縁層１４４は、セラミック及び／又はガラス素材（例えば、パウダー）及び適切な有機バインダーで形成することができる。この配合はしばしば「グリーンテープ」と称される。グリーンテープを第２の基板１１６に積層し、その後高温で加熱し、第２の基板１１６と結合した強固なセラミック層とすることができる。加えて、絶縁層１４４は、抵抗要素１３４で発生した熱を放熱させるため、望ましい熱伝導率を持たせることができる。

図１Ｉは、充填されたビア１２６ａ〜１２６ｆが充填されたビア１３６ａ〜１３６ｆと実質的に位置合わせされ電気接続をもたらすような、第１の基板１１２上に積層した第２の基板１１６を示す。さらに、スルーホールビア１３８は実質的にパッド１３０ａと位置合わせされる。従って、第１の端子１２８ａは、第１の導電パッド１４０及び第１の半田パッド１４０ａと、充填されたビア１２６ａ〜１２６ｂ及び１３６ａ〜１３６ｂを介して、電気的に接続される。同様に、第２の端子１２８ｂは、第２の半田パッド１４２ａと、充填されたビア１２６ｅ〜１２６ｆ及び１３６ｅ〜１３６ｆを介して、電気的に接続される。

図１Ｊは、第２の基板１１６上に積層させた周壁１２４を示す。上述の通り、周壁１２４は、回路保護装置１００すべての側に壁を有する。いくつかの実施の形態では、周壁１２４は、例えば、上述のグリーンテープセラミック素材のような基板素材で形成することができる。周壁１２４は、次に、第２の基板１１６上に積層させ、２つを結びつけるために高温で加熱する。いくつかの実施の形態では、周壁１２４は、第２の基板１１６上に複数の層を印刷又は積み上げることで形成することができる。

図１Ｋは、スプリング１２２及び導体チップ１２０を示す。導体チップ１２０は、半田パッド１４０ａ、１４２ａ、及び１３８ａの上に配置される。スプリング１２２は、導体チップ１２０と周壁１２４との間に配置される。導体チップ１２０は、電流を通す任意の素材で作ることができ、低温半田を介して回路保護装置１００と、半田パッド１４０ａ、１４２ａ、及び１３８ａとに固着される。特に、導体チップ１２０は、半田パッド１４０ａ、１４２ａ、及び１３８ａ相互に電気接続を形成するために底面に配置された、銀、銅、等のような導体とセラミック素材とにより作ることができる。スプリング１２２は、例えば銀メッキした高炭素鋼、形状記憶合金素材、又は同様の導電素材で作ることができ、勿論、他の構成とすることもできる。代替的に、スプリング１２２は、例えば、エラストマー素材のような電流を通さない素材で作ることもできる。加えて、スプリング１２２は、円形、方形、又は他の構成にすることができる。一般に、スプリング１２２は、以下に説明するように、異常な回路状態のときに半田パッド１４０ａ及び１４２ａから離れるように導体チップ１２０に力を加えることができる。（図２に示すような）プラスチックのカバーは、回路保護装置１００の上に配置し、周壁１２４に接着することができる。

図１Ｌは、導体１２０ａが配置されている導体チップ１２０’の底面を示す。上述の通り、導体１２０ａは、接続パッド１４０、１４２、及びスルーホールビア１３８相互に電気接続を形成する。

図１Ｍは、抵抗要素１３４、低融点半田素材１４０ａ’、１４２ａ’、及び１３８ａ’、及び第１の端子１２８ａ、第２の端子１２８ｂ、及び第３の端子１２８ｃを含む回路保護装置１００の概略回路図である。半田パッド１４０a、１４２ａ、及び／又は、１３８ａは、スプリング１２２を伴う位置に導体チップ１２０を保持するためにもっと半田が必要な場合は、表面積を増やすよう変更することができる。

図１Ｎは、第１の基板１１２及び第２の基板１１６の上に影で示し、通常の導電状態での関連する電流の流れを示した、回路保護装置１００の種々の層の平面図である。通常運転状態では、電流は（実線の矢印で示したように）、第２の端子１２８ｂから第１の端子１２８ａへ電気伝導層を通って流れる。特に、第２の端子１２８ｂから第２の導電パッド１４２へは、充填されたビア１２６ｃ、１２６ｄ、１３６ｃ、及び１３６ｄを通って流れ、第２の導電パッド１４２から第１の導電パッド１４０へは、導体チップ１２０の底面１２０’に配置された導体１２０ａを通って流れ、導電パッド１４０から第１の端子１２８ａへは、充填されたビア１２６ａ、１２６ｂ、１３６ａ、及び１３６ｃを通って流れる。

図１Ｏに示すように、過電圧状態又は過熱状態が検出されたとき、第３の端子１２８ｃと接続された制御回路（不図示）は、回路を閉じ、スルーホールビア１３８を介して導体チップ１２０から電流を引き出す。（点線の矢印で示した）この電流は、第１の金属導電経路１３０から第２の金属導電経路１３２へ抵抗要素１３４を通って流れ、これにより熱が生じ、半田素材１４０ａ’、１４２ａ’、及び１３８ａ’が溶融する。使用される半田素材には、溶融したときに半田の表面の酸化を防止する融剤が含まれ、融剤がなければスプリングの動作により汚染又はスリ傷を生じることがある。半田結合部の溶融により、導体チップ１２０がフリーになり、スプリング１２２は導体を半田パッド１４０ａ及び１４２ａから離れる方向に押す。これにより、端子１２８ａと端子１２８ｂとの間が開回路となる。このようにして、異常回路状態では、充電電源と保護すべき装置との間に開回路が形成される。

図１Ｐは、上述したような異常回路状態が起こり、抵抗要素１３４の過熱により半田素材１４０ａ’、１４２ａ’、及び１３８ａ’が溶融した後の、スプリング１２２及び導体チップ１２０を示す。図示の通り、導体チップ１２０は、スプリング１２２により半田パッド１４０ａ及び１４２ａから離れる方向に動かされている。このようにして、回路保護装置１００は、機械的手段（例えば、スプリング１２２）を用いて、回路を積極的に切り離す。一方、先行技術による装置は、開回路とを生じさせるために導電要素の溶融に依存し、上述のように、端子間の不十分な切断をもたらすことがあり、装置内で好ましくない過剰な熱を生じさせることがあり、及び／又は、端子間で好ましくない漏れ電流を生じさせることがある。

図２は、図１を参照して説明したカバー２００の例示的実施の形態を示す。カバー２００は回路保護装置１００の上に配置され、周壁１２４に接着される。通常は、カバー２００は、エポキシを用いてそれぞれの装置に接着させるが、別の接着剤又は接着方法を用いることもできる。カバー２００には、エポキシによる接着強度を強化するために、カバー２００の周囲に付加した接着面となる部分２０１が含まれる。加えて、部分２０１は、エポキシによる接着強度をさらに強化するために、粗くした又はザラザラした面を持たせることができる。スルーホール２０２ａ〜２０２ｄは、それぞれの部分２０１の近くに配置することができる。これらのホールは傾斜させ、エポキシ又は他の接着剤を受け入れカバー２００をそれぞれの基板に「固定」させるものとしての役割を果たすことができる。加えて、スルーホール２０２ａ〜２０２ｄは、カバー２００上の様々な位置に配置することもできる。例えば、一般の工業標準では約１．１２ｌｂｓ（０．５０８ｋｇ）に対して、部分２０１とスルーホール２０２の組み合わせを用いることで、カバー２００は、約５．８ｌｂｓ（２．６ｋｇ）の引張力まで耐えることができる。

特定の実施の形態を参照して本発明を開示してきたが、記載した実施の形態に対して、添付特許請求の範囲で定義した本発明の技術的範囲から逸脱することなく、多くの修正、変更、及び変形が可能である。従って、本発明は記載した実施の形態に限定するものではなく、以下の特許請求の範囲の言葉及びその均等物定義される全範囲を有するものである。

Claims

基板と、
該基板上に配置された導電層であって、該導電層は第１の端子と第２の端子とを有することを特徴とする導電層と、
該基板上に配置された導体であって、該導体は、通常運転状態において、該第１の端子と該第２の端子とを電気的に接続し、該第１の端子と該第２の端子との間に閉回路を形成することを特徴とする導体と、
該導体と該第１の端子との間及び該導体と該第２の端子との間に配置された低融点素材と、
該基板上に配置された抵抗要素と、
該基板上に配置されたスプリングであって、該スプリングは、該抵抗要素が該低融点素材を加熱するような異常な回路状態の期間、該導体に力を加えて移動させ、第１の端子と第２の端子との間を開回路状態にすることを特徴とするスプリングと、
を具備することを特徴とする回路保護装置。
前記基板は、複数の充填されたビアを配置した第１の基板と第２の基板とを有することを特徴とする請求項１に記載の回路保護装置。
前記第１の端子は、前記第１の基板に配置した前記複数の充填されたビアのうちの少なくとも第１のグループと電気的に接続した、前記第１の基板の第１の面に配置され、
前記第２の端子は、前記第１の基板に配置した前記複数の充填されたビアのうちの少なくとも第２のグループと電気的に接続した、前記第１の基板の第１の面に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の回路保護装置。
前記導電層は、前記第２の基板上に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の回路保護装置。
前記導電層は、
前記第２の基板上に配置された、前記複数の充填されたビアのうちの少なくとも第１のグループと電気的に接続した、前記第２の基板上に配置された、第１の導電パッドと、
前記第２の基板上に配置された、前記複数の充填されたビアのうちの少なくとも第２のグループと電気的に接続した、前記第２の基板上に配置された、第２の導電パッドと、
を具備することを特徴とする請求項４に記載の回路保護装置。
前記第２の基板上に配置された絶縁層であって、該絶縁層は、前記第１の導電パッドと前記第２の導電パッドとを部分的に覆う絶縁層を具備することを特徴とする請求項５に記載の回路保護装置。
前記導電層は、前記第１の基板の第２の面に配置された金属導電経路をさらに具備することを特徴とする請求項６に記載の回路保護装置。
前記複数の充填されたビアのうちの少なくとも１つを介して前記金属導電経路と電気的に接続する、前記第１の基板の第１の面に配置された第３の端子をさらに具備することを特徴とする請求項７に記載の回路保護装置。
前記抵抗要素は、前記金属導電経路を部分的に覆う、前記第１の基板の前記第２の面に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の回路保護装置。
前記抵抗要素が前記低融点素材を加熱したときに前記開回路が生じ、前記スプリングが前記導体を、前記第１の導電パッド及び前記第２の導電パッドの少なくとも１つから離れるように、動かすことを特徴とする請求項９に記載の回路保護装置。
前記第２の基板は、前記第１の基板中の前記充填されたビアが、前記第２の前記充填されたビアと実質的に位置合わせされるように、前記第１の基板上に積層されることを特徴とする請求項１０に記載の回路保護装置。
前記導体は、前記第２の基板上に配置されたスルーホールビアを介して電気的に前記金属導電経路に接続されていることを特徴とする請求項８に記載の回路保護装置。
前記異常な回路状態には、前記第３の端子が前記第１の端子及び前記第２の端子から前記抵抗要素を通って電流を引き出していることが含まれることを特徴とする請求項８に記載の回路保護装置。
前記異常な回路状態には、前記第１の端子と前記第２の端子との間の過電圧状態、前記第１の端子と前記第２の端子との間の過電流状態、及び、過熱状態のうちの１つ以上が含まれることを特徴とする請求項１に記載の回路保護装置。
前記スプリングは、異常な回路状態の期間に前記導体を押すように変位させてあることを特徴とする請求項１に記載の回路保護装置。
前記スプリングは、異常な回路状態の期間に前記導体を引っ張るように変位させてあることを特徴とする請求項１に記載の回路保護装置。
前記抵抗要素は、第１の抵抗要素であり、前記装置は、前記金属導電経路を部分的に覆う前記第１の基板の前記第２の面に配置されている第２の抵抗要素をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の回路保護装置。
前記導電装置の上に配置され、前記基板に接触するカバーをさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の回路保護装置。
前記カバーには、前記基板のアタッチメントとしての前記カバーの表面領域を増加させるよう構成した、少なくとも１つの拡張部分が含まれることを特徴とする請求項１６に記載の回路保護装置。
回路保護装置の１以上の部品を配置するための基板と、
該基板上に配置された、電流を流すための導電層であって、該導電層は、該回路保護装置をバッテリーと該バッテリーを充電する電源とに電気的に接続するための第１の端子及び第２の端子を有することを特徴とする導電層と、
該基板上に置かれ、該第１の端子と該第２の端子とを電気的に接続し、通常運転状態の期間該第１の端子と該第２の端子との間に閉回路を形成する導体と、
該導体と該第１の端子との間及び該導体と該第２の端子との間に配置され、該通常運転状態の期間、該導電層を所定の位置に保持するための低融点素材と、
異常回路状態の期間、該低融点素材を加熱する抵抗要素と、
該異常回路状態の期間、該導体を移動させて、該第１の端子と該第２の端子との間に開回路を形成するスプリングと、
を具備することを特徴とする回路保護装置。