DE69834231T2

DE69834231T2 - PTC-Element, Schutzvorrichtung und elektrische Leiterplatte

Info

Publication number: DE69834231T2
Application number: DE69834231T
Authority: DE
Inventors: Norikazu Kanuma-shi Iwasaki; Hisaya Kanuma-shi Tamura; Toyoji Kanuma-shi Yamazaki; Yukio Kanuma-shi Yamada
Original assignee: Sony Chemicals Corp
Current assignee: Dexerials Corp
Priority date: 1997-10-07
Filing date: 1998-10-05
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2018-10-06
Also published as: EP0908902B1; JPH11176610A; DE69834231D1; KR19990036855A; JP3257521B2; EP0908902A3; EP0908902A2; KR100551099B1; US6114672A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Element mit positivem Temperaturkoeffizienten (hier nachstehend als PTC-Element abgekürzt), das einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands aufweist, und insbesondere auf ein PTC-Element, das als eine Schutzvorrichtung zum Schutz gegen Überstrom, Überspannung und anderen Phänomenen anwendbar ist, die Wärmeentwicklung beinhalten, sowie auch auf eine Schutzvorrichtung und eine elektrische Leiterplatte mit einem derartigen PTC-Element.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein PTC-Element, das ebenfalls ein PTC-Thermistor genannt wird, weist einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands auf, wobei dessen elektrischer Widerstand ansteigt, wenn die Temperatur angehoben wird, und wird als eine Schutzvorrichtung zum Schutz gegen Überstrom, Überspannung und anderen Phänomenen verwendet, die Wärmeentwicklung beinhalten. Ein gegenwärtig verwendetes PTC-Element ist aus einer Matrix eines nichtleitenden kristallinen Polymers und eines darin verteilten elektroleitenden partikulären Materials zusammengesetzt. Der elektrische Widerstand eines derartigen PTC-Elements ist bei niedrigeren Temperaturen niedrig, da die Teilchen des Leitermaterials in Kontakt miteinander bei niedrigeren Temperaturen gehalten werden. Wenn jedoch die Temperatur erhöht wird, wird der elektrische Widerstand durch ein mögliches Auftreten einer Trennung der Teilchen des Leiters von ihrem Kontakt aufgrund der thermischen Ausdehnung des nichtleitenden kristallinen Polymers verstärkt und erreicht schließlich eine Stromabschaltung.
Als PTC-Elemente des Standes der Technik wurden beispielsweise jene vorgeschlagen, bei denen sphärische Kohlenstoffteilchen, insbesondere solche einer perfekten Kugel, für das Leitermaterial verwendet werden (offengelegte japanische Patentanmeldung Hei-8-298201 A), und jene, bei denen derartige sphärische Kohlenstoffteilchen wie oben jeweils mit einer Metallschicht- Oberflächenbeschichtung versehen sind (offengelegte japanische Patentanmeldung Hei-8-172001 A).
Derartige PTC-Elemente mit einem sphärischen partikulären Leitermaterial sollen einen niedrigen Volumenwiderstand, einen hohen elektrischen Widerstand an der Spitze und eine Kapazität eines steilen Anstiegs im Widerstand innerhalb eines schmalen Temperaturbereichs aufweisen.
Beim Anbringen eines derartigen herkömmlichen PTC-Elements auf der Oberfläche einer elektrischen Leiterplatte entsteht jedoch ein Problem, bei dem der anfängliche spezifische Volumenwiderstand des PTC-Elements in einigen Fällen auf einen hohen Wert aufgrund einer möglichen Temperaturerhöhung bei dessen Zusammenbau eingestellt wird, wenn eine Hochtemperatur-Verarbeitung, wie beispielsweise Aufschmelzbehandlung des Lötmittels, benutzt wird, wodurch seine Verwendung als ein zusammengebautes PTC-Element schwierig wird.
Die EP 0 235 454 offenbart eine PTC-Zusammensetzung mit Kohlenstoffschwarz, das in einem Polymer dispergiert ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein PTC-Element mit einem niedrigen spezifischen Volumenwiderstand, einem hohen elektrischen Widerstand an der Spitze, einer Kapazität eines plötzlichen Anstiegs des elektrischen Widerstands innerhalb eines schmalen Temperaturbereichs, einem niedrigen Anfangswert des spezifischen Volumenwiderstands, sogar nachdem es einer Hochtemperaturverarbeitung, wie beispielsweise Aufschmelzbehandlung von Lötmittel, unterzogen wurde, und einer Kapazität, den niedrigen spezifischen Volumenwiderstand nach wiederholten Auslösungen zu erhalten, bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Schutzvorrichtung mit dem oben erwähnten PTC-Element bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine elektrische Leiterplatte bereitzustellen, die mit einer derartigen Schutzvorrichtung, wie oben erwähnt, ausgestattet ist.
Das PTC-Element gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst gemäß Anspruch 1 ein nichtleitendes kristallines Polymer und ein partikuläres Leitermaterial, das in dem nichtleitenden kristallinen Polymer dispergiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitermaterial aus elektroleitenden Teilchen gebildet ist, die jeweils aus einem sphärischen Grundteilchen (2a) und einer darauf gebildeten Schicht mit unregelmäßigen Oberflächenkonturen (2b) zusammengesetzt sind, wobei das sphärische Grundteilchen eine Teilchengröße von 5 bis 50 μm aufweist und die Höhe von Vorsprüngen in den unregelmäßigen Oberflächenkonturen in dem Bereich von 0,01 bis 10 μm ist.
Die Schutzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst gemäß Anspruch 5
ein PTC-Element, das ein nichtleitendes kristallines Polymer und ein partikuläres Leitermaterial, das in dem nichtleitenden kristallinen Polymer dispergiert ist, umfasst,
ein Heizelement zum Übertragen von Wärme an das PTC-Element und
ein Erfassungselement zum Erfassen jedes abnormalen Zustands und, wenn erfasst, zum Fließen eines Stroms durch das Heizelement;
dadurch gekennzeichnet, dass das Leitermaterial aus elektrischen Teilchen gebildet ist, die jeweils aus einem sphärischen Grundteilchen (2a) und einer darauf gebildeten Schicht mit unregelmäßigen Oberflächenkonturen (2b) zusammengesetzt sind, wobei das sphärische Grundteilchen eine Teilchengröße von 5 bis 50 μm aufweist und die Höhe von Vorsprüngen in den unregelmäßigen Oberflächenkonturen in dem Bereich von 0,01 bis 10 μm ist.
Die elektrische Leiterplatte gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst gemäß Anspruch 9 oder 10 darin installiert eine Schutzvorrichtung, die umfasst:
ein PTC-Element, das ein nichtleitendes kristallines Polymer und ein partikuläres Leitermaterial, das in dem nichtleitenden kristallinen Polymer dispergiert ist, umfasst,
ein Heizelement zum Übertragen von Wärme an das PTC-Element und
ein Erfassungselement zum Erfassen jedes abnormalen Zustands und, wenn erfasst, zum Fließen eines Stroms durch das Heizelement;
dadurch gekennzeichnet, dass das Leitermaterial aus elektrischen Teilchen gebildet ist, die jeweils aus einem sphärischen Grundteilchen (2a) und einer darauf gebildeten Schicht mit unregelmäßigen Oberflächenkonturen (2b) zusammengesetzt sind, wobei das sphärische Grundteilchen eine Teilchengröße von 5 bis 50 μm aufweist und die Höhe von Vorsprüngen in den unregelmäßigen Oberflächenkonturen in dem Bereich von 0,01 bis 10 μm ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1(a) veranschaulicht das Teilchen des partikulären Leitermaterials gemäß der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Querschnittsansicht.
1(b) veranschaulicht eine Ausführungsform des PTC-Elements gemäß der vorliegenden Erfindung in einer schematischen longitudinalen Querschnittsansicht.
2(a) und 2(b) zeigen eine Ausführungsform des Schutzelements gemäß der vorliegenden Erfindung in einer schematischen senkrechten Querschnittsansicht und in einer schematischen Draufsicht jeweils mit Ausschluss der Abdeckplatte.
3(a) und 3(b) zeigen eine Ausführungsform der elektrischen Leiterplatte gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht und in einem vertikalen Querschnitt jeweils entlang der Linie A-A der Ersteren.
4(a) und 4(b) zeigen eine weitere Ausführungsform der elektrischen Leiterplatte gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht und in einem vertikalen Querschnitt jeweils entlang der Linie B-B der Ersteren.
5(a) und 5(b) geben jeweils ein Schaltbild zum Aufnehmen der in 3(a), 3(b) bzw. in 4(a), 4(b) gezeigten Leiterplatte als eine Schutzvorrichtung.
6 ist eine graphische Darstellung, die die experimentellen Ergebnisse der erfinderischen Beispiele und von Vergleichsbeispielen darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Alle herkömmlichen Polymere können für das kristalline Polymer gemäß der vorliegenden Erfindung ohne Einschränkung verwendet werden, soweit wie sie organische Polymere sind, die nichtleitend sind und sich ausdehnen können, wenn die Temperatur ansteigt, wobei insbesondere der Vorzug denen gegeben wird, die sich plötzlich innerhalb eines schmalen Temperaturbereichs ausdehnen können. Für derartige kristalline Polymere können beispielsweise Polyolefine, wie beispielsweise Polyethylen und Polypropylen, und Polycaprolacton aufgezählt werden, wobei die Bevorzugten Polyethylen und Ethylen/Methacrylat-Copolymere sind.
Das partikuläre Leitermaterial gemäß der vorliegenden Erfindung kann aus mikrosphärischen Teilchen einer elektroleitenden Substanz zusammengesetzt sein, die auf jedem Teilchen mit unregelmäßigen Oberflächenkonturen bereitgestellt wird, wobei die Form des Grundteilchen eine Kugel, vorzugsweise eine perfekt Kugel ist, auf der winzige unregelmäßige Konturen ausgebildet sind. Die Teilchengröße liegt zwischen 5 und 50 μm, vorzugsweise zwischen 10 und 40 μm. Die Höhe der Vorsprünge einer derartiger Oberflächen-Unregelmäßigkeit liegen zwischen 0,01 und 10 μm, vorzugsweise zwischen 0,1 und 1 μm, und entsprechend dem Verhältnis bezogen auf die Teilchengröße in dem Bereich von 1/5 bis 1/1.000, vorzugsweise 1/10 bis 1/100. Das spezifische Gewicht des Teilchens kann in dem Bereich von 2 bis 5, vorzugsweise von 2 bis 3,5 liegen.
Es ist erlaubt, für ein derartiges Leitermaterial ohne irgendeine besondere Einschränkung jedes elektroleitende partikuläre Material, zum Beispiel Metalle, wie beispielsweise Silber und andere, Kohlenstoff usw. zu verwenden. Vom Gesichtspunkt einer leichteren Herstellung usw. ist ein bevorzugtes Material partikulärer Kohlenstoff, insbesondere partikuläres Graphit, oder eines, bei dem jedes Graphitteilchen mit einer Schicht eines Metalls, beispielsweise durch Plattierung, beschichtet ist. Für das Metall der Beschichtungs-Schicht kann beispielsweise Gold, Silber, Kupfer und Nickel aufgezählt werden. Gold ist vorzuziehen, während eine doppelt geschichtete Beschichtung von Nickel/Gold hinsichtlich besserer Adhäsion an dem Grundteilchen aus Kohlenstoff bevorzugter ist.
Die Kohlenstoffteilchen mit unregelmäßigen Oberflächenkonturen können erzeugt werden, indem auf jedem sphärischen Teilchen eines partikulären hitzehärtbaren Kunststoffs oder eines karbonisierten Produkts davon unregelmäßige Oberflächenkonturen durch Teerbeschichtung oder dergleichen gebildet und die resultierenden Teilchen einer Karbonisation unterzogen werden, während ein anderes Verfahren ebenfalls zum Erzeugen der Kohlenstoffteilchen mit unregelmäßigen Oberflächenkonturen benutzt werden kann, beispielsweise ein Verfahren, bei dem jedes der sphärischen Kohlenstoffteilchen mit einer Schicht aus Kohlenstoffpulver beschichtet ist.
Zum Bilden einer Metallschicht über der Oberfläche des Kohlenstoffteilchens mit unregelmäßigen Oberflächenkonturen können physikalische Verfahren einschließlich Vakuum-Aufdampfung, Ionen-Abscheidung und thermisches Spritzen benutzt werden, wobei Vorzug den Abscheidungstechniken, wie beispielsweise elektrolytischer Abscheidung und stromloser Abscheidung, gegeben wird. Für das abzuscheidende Material werden Nickel und Gold bevorzugt. Die Dicke der Metallschicht kann in Übereinstimmung mit jeder spezifischen verwendeten Technik variieren, obwohl sie vorzugsweise zwischen 0,02 und 0,2 μm und insbesondere zwischen 0,1 und 0,15 μm liegen kann.
Das PTC-Element gemäß der vorliegenden Erfindung ist eines, bei dem eine geknetete Mischung, die die Teilchen des Leitermaterials enthält, das in der aus dem nichtleitenden kristallinen Polymer bestehenden Matrix dispergiert ist, zwischen den Elektroden angeordnet ist. Das Verhältnis des partikulären Leitermaterials bezogen auf das Gesamtgemisch kann in dem Bereich von 25 bis 60%, vorzugsweise von 40 bis 50% auf Volumengrundlage liegen. Kein zufriedenstellender niedriger Anfangswert für den spezifischen Volumenwiderstand kann mit einem Verhältnis des partikulären Leitermaterials erhalten werden, das geringer als 25% nach Volumen ist, und andererseits zeigt das PCT-Element keine zufriedenstellenden Materialeigenschaften bei einem Verhältnis des partikulären Leitermaterials, das höher als 60% nach Volumen ist.
Das PTC-Element gemäß der vorliegenden Erfindung kann zusätzlich zu dem kristallinen nichtleitenden Polymer und dem partikulären Leitermaterial andere Bestandteile, wie beispielsweise ein Wärmewiderstands-Stabilisierungsmittel, ein Alterungs-Stabilisierungsmittel usw., enthalten.
Das PTC-Element gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch Mischen des kristallinen nichtleitenden Polymers und des partikulären Leitermaterials zusammen mit dem optional aufgenommenen zusätzlichen Bestandteilen, Kneten der resultierenden Vormischung in einen geschmolzenen Zustand und Unterziehen der gekneteten Masse einer Formung, um zu ermöglichen, dass das geformte Produkt zwischen den Elektroden angeordnet wird, erzeugt werden. Es ist möglich, das PTC-Element in einer Form einer integrierten Einheit mit den Elektroden durch Pressformen der gekneteten Masse zusammen mit zwei Metallfolien zu erstellen, die als die Elektroden dienen, die an die geknetete Masse angepasst ist.
Der spezifische Volumenwiderstand des PTC-Elements gemäß der vorliegenden Erfindung, der auf die Art und Weise wie oben erhalten wurde, überschreitet vor und nach der Aufschmelzbehandlung des Lötmittels nicht 1 × 10^–1 Ω cm, und ein derartiger niedriger spezifischer Volumenwiderstand kann sogar nach wiederholtem Auslösen desselben erhalten bleiben. Daher ist das PTC-Element gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet, selbst als ein Schutzelement zu dienen, das auf einer elektrischen Leiterplatte einzubauen ist, das einer Aufschmelzbehandlung des Lötmittels unterzogen wird, obwohl es natürlich eine allgemeine Verwendung als Schutzelement für gewöhnliche Zwecke findet.
Das PTC-Element gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands auf. Bei niedrigeren Temperaturen werden die Teilchen des Leitermaterials in Kontakt miteinander gehalten, wodurch die elektrische Leitfähigkeit des PTC-Elements gewährleistet und dessen spezifischer Volumenwiderstand niedrig gehalten wird. Bei höheren Temperaturen, insbesondere innerhalb eines bestimmten spezifischen Temperaturbereichs, erfolgt jedoch eine plötzliche Ausdehnung des Volumens des nichtleitenden kristallinen Polymers, wodurch die Teilchen des Leitermaterials voneinander getrennt werden, was zu einem plötzlichen Anstieg in dem spezifischen Volumenwiderstand des Elements führt, um dadurch das Auslösen des PTC-Elements zu verursachen und eine Stromabschaltung zu bewirken.
Das PTC-Element gemäß der vorliegenden Erfindung kann somit als ein Schutzelement mit einer Funktion zum Erfassen jedes abnormalen Zustands, der durch Wärmeentwicklung in einem elektrischen System aufgrund von Überstrom oder Überspannung oder aufgrund einer abnormalen Elektrodenreaktion in einer Batterie verursacht wird und zum Verursachen einer Stromabschaltung, verwendet werden.
Die Auslösetemperatur des PTC-Elements gemäß der vorliegenden Erfindung kann auf eine ähnliche Art und Weise wie bei einem herkömmlichen PCT-Element, beispielsweise durch Auswählen jedes spezifischen nichtleitenden kristallinen Polymers und des Verhältnisses der Menge des partikulären Leitermaterials bezogen auf das nichtleitende kristalline Polymer, eingestellt werden.
Die Schutzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird aus dem oben erwähnten PTC-Element aufgebaut, das ein Heizelement zum Übertragen Joulescher Wärme zu dem PTC-Element und ein Erfassungselement zum Erfassen jedes abnormalen Zustands und Veranlassen, dass ein Strom durch das Heizelement fließt, umfasst. Das Heizelement ist in der Schutzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auf eine solche Art und Weise angeordnet, dass das PTC-Element und das Heizelement in einem thermisch verbundenen Zustand unter Zwischenschaltung eines elektrischen Isolators gehalten werden. Ein oder mehrere PTC-Elemente können in einer einzigen Schutzvorrichtung aufgenommen sein. Das Erfassungselement ist angeordnet, um jeden abnormalen Zustand zuverlässig zu erfassen und zu veranlassen, wenn erfasst, dass ein Strom durch das Heizelement fließt. Als das Erfassungselement kann beispielsweise ein spannungserfassendes Element benutzt werden, indem es verbunden wird, um eine Überspannung zu erfassen, und zu veranlassen, dass ein Strom durch das Heizelement fließt, wenn eine Überspannung erfasst wird.
Bei der oben erwähnten Schutzvorrichtung wird das Heizelement bei Erfassung eines abnormalen Zustands, wie beispielsweise einer Überspannung, durch das Erfassungselement betätigt, um eine Joulesche Wärme zu entwickeln, die an das PTC-Element übertragen wird, um dessen Auslösung zu verursachen, die zu einer Stromabschaltung führt. Das Prinzip der Funktion der Schutzvorrichtung ist wie oben. Bei einer Schutzvorrichtung mit einem Erfassungselement basierend auf der Erfassung einer Überspannung wird die Stromabschaltung des PTC-Elements durch eine Überspannung ausgelöst, um die Schutzfunktion auszuführen.
Das PTC-Element oder die oben angegebene Schutzvorrichtung können auf einer elektrischen Leiterplatte zusammen mit anderen Bestandteilen der Schaltung angebracht werden, um eine elektrische Leiterplatten-Anordnung zu erhalten, die mit dem PTC-Element oder der Schutzvorrichtung ausgestattet ist. Hier wird das PTC-Element nicht durch eine mögliche Hochtemperatur-Verarbeitung, wie beispielsweise durch Aufschmelzen des Lötmittels, beeinträchtigt und seine ordnungsgemäße Funktion aufrechterhalten.
Die elektrische Leiterplatte gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit einer oben beschriebenen Schutzvorrichtung ausgestattet, die aus dem oben erwähnten PTC-Element, einem Heizelement und einem Erfassungselement zusammengesetzt ist. Diese elektrische Leiterplatte kann sogar in dem Fall eines solchen abnormalen Zustands, wie Überentladung oder Überspannung, der sich von der Wärmeentwicklung unterscheidet, betätigt werden, indem er erfasst und es veranlasst wird, dass ein Strom durch das Heizelement fließt, um das Auslösen des PTC-Elements zu bewirken. Wenn beispielsweise eine Überspannung in der Ladeschaltung einer Speicherbatterie am Ende des Ladevorgangs erscheint oder wenn eine Überentladung in der Ausgangsleitung einer Batterie oder Zelle aufgrund einer abnormalen Elektrodenreaktion erscheint, wird es durch das Erfassungselement erfasst, was veranlasst, dass das Heizelement betätigen wird, wodurch die Auslösung des PTC-Elements verursacht wird.
Wie oben beschrieben ist, beinhaltet das PTC-Element gemäß der vorliegenden Erfindung mikrosphärische leitende Teilchen mit unregelmäßigen Oberflächenkonturen als das partikuläre Leitermaterial, das in der Matrix des nichtleitenden kristallinen Polymers dispergiert ist. Es wird dadurch möglich gemacht, ein PTC-Element zu erhalten, das einen niedrigen spezifischen Volumenwiderstand bei niedrigeren Temperaturen, einen hohen Widerstand an der Spitze und eine Kapazität, einen plötzlichen Anstieg des spezifischen Volumenwiderstands innerhalb eines schmalen Temperaturbereichs mit Gewährleistung eines niedrigen spezifischen Volumenwiderstands zu veranlassen, sogar nachdem es einer Hochtemperatur-Wärmebehandlung unterzogen wurde, wie beispielsweise das Aufschmelzen von Lötmittel, zusammen mit der Erhaltung des niedrigen spezifischen Volumenwiderstands sogar nach wiederholten Auslösungen desselben, aufweist.
Es ist einfach, ein PTC-Element mit einem niedrigen anfänglichen spezifischen Volumenwiderstand herzustellen, wenn Kohlenteilchen mit unregelmäßigen Oberflächenkonturen für die oben erwähnten mikrosphärischen Teilchen mit unregelmäßigen Oberflächenkonturen benutzt werden. Geeignete unregelmäßige Oberflächenkonturen können insbesondere mit Kohlenstoffteilchen erreicht werden, die jeweils Oberflächenunregelmäßigkeiten aufweisen, die durch Teerbeschichtung auf den Kohlenstoffgrundteilchen erhalten werden.
Wenn ein partikuläres Leitermaterial benutzt wird, das auf der Oberfläche jedes Teilchens mit einer Metallschicht versehen ist, kann ein PTC-Element erhalten werden, das einen niedrigen spezifischen Volumenwiderstand bei Stromleitung aufweist. Wenn ein partikuläres Leitermaterial benutzt wird, das durch Beschichten von Kohlenstoffteilchen, die jeweils unregelmäßige Oberflächenkonturen aufweisen, mit einer Metallschicht erhalten wird, kann ein PTC-Element, das einen niedrigen spezifischen Volumenwiderstand bei Stromleitung aufweist, auf eine einfache und wirtschaftliche Art und Weise erhalten werden.
Die Schutzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das/die oben beschriebene(n) PTC-Element(e), das/die Heizelement(e) und das Erfassungselement in Kombination. Sie arbeitet, um eine stromleitende Vorrichtung oder ein stromleitendes System durch Erfassen eines abnormalen Zustands, wie beispielsweise einer Überspannung, eines Überstroms oder dergleichen, der nicht nur mit dem PTC-Element erfasst werden kann, zu schützen. Hier bleibt der anfängliche spezifische Volumenwiderstand ebenfalls niedrig, nachdem eine Verarbeitung mit hoher Temperatur angewendet wurde, wie beispielsweise das Aufschmelzen von Lötmittel, und bleibt sogar nach wiederholten Auslösungen des PTC-Elements erhalten.
Da die elektrische Leiterplatte gemäß der vorliegenden Erfindung mit dem/den oben beschriebenen PTC-Element(en) oder der Schutzvorrichtung ausgestattet ist, wird sich der spezifische Volumenwiderstand des/der so zusammengebauten PTC-Elements/Elemente nicht von dem anfänglichen niedrigen Wert unterscheiden, nachdem es einer hohen Temperaturverarbeitung durch Aufschmelzen des Lötmittels bei dem Zusammenbau unterzogen wurde, und kann langfristig bei Betrieb der Schaltung mit wiederholten Auslösungen des/der PTC-Elements/Elemente erhalten bleiben.
BESTE ART ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung ferner ausführlicher mittels Ausführungsformen derselben bezogen auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1(a) veranschaulicht ein typisches Teilchen des mit einer Metallschicht beschichteten partikulären Leitermaterials gemäß der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Querschnittsansicht. 1(b) zeigt schematisch das PTC-Element in einer Querschnittsansicht.
Wie in 1(a) gezeigt ist, umfasst das Teilchen des Leitermaterials 1 ein mikrosphärisches Kohlenstoffteilchen 2 mit unregelmäßigen Oberflächenkonturen, das mit einer Metallschicht 3 beschichtet ist. Die unregelmäßige Kontur des Kohlenstoffteilchens 2 wird durch Bereitstellen einer Schicht mit unregelmäßigen Vorsprüngen 2b auf einem Grundteilchen 2a einer nahezu perfekten Kugel durch eine Teerbeschichtung mit anschließender Karbonisation erhalten. Die Metallschicht 3 wird über der gesamten Oberfläche des Kohlenstoffteilchens 2 galvanisiert, indem zuerst mit Nickel und dann mit Gold darauf galvanisiert wird, um eine doppelschichtige Metallbeschichtung zu bilden, obwohl lediglich eine einzige Schicht in der Zeichnung gezeigt ist. Die Metallschicht wird hier mit einer vergrößerten Dicke zur einfacheren Betrachtung gezeigt.
In 1(b) wird das PTC-Element 5 in einem Aufbau gezeigt, bei dem die beiden Elektroden 8a und 8b, die jeweils aus einer Metallfolie bestehen, an beiden Seiten einer festen Masse 7 befestigt, die aus einer nichtleitenden Matrix des kristallinen Polymers 6 und des in der Matrix dispergierten partikulären Leitermaterials 1 zusammengesetzt ist.
Das PTC-Element 5 ist als eine integrierte Einheit ausgebildet, die durch Kneten des kristallinen Polymers 6 zusammen mit dem partikulären Leitermaterial 1 in ein heterogenes Gemisch 7, Anordnen des Gemisches 7 zwischen zwei Elektroden 8a und 8b, die jeweils aus einer Metallfolie bestehen, Pressformen des Gemisches zusammen mit den daran befestigten Elektroden in ein geformtes Produkt und Schneiden dieses geformten Produkts in die integrierte Einheit einer vorbestimmten Größe erzeugt wird.
Das so erhaltene PTC-Element 5 kann einer praktischen Verwendung dienen, indem es in eine Erfassungs- oder Schutzschaltung durch Verbinden der Elektroden 8a und 8b mit der Schaltung eingefügt. Bei niedrigeren Temperaturen werden die Teilchen des partikulären Leitermaterials in Kontakt miteinander gehalten, um elektrische Leitfähigkeit dadurch zu gewährleisten, wohingegen sie, wenn erwärmt, durch Ausdehnung des nichtleitenden kristallinen Polymers 6 voneinander getrennt, der spezifische Volumenwiderstand des PTC-Elements 5 einen hohen Wert innerhalb eines schmalen Temperaturbereichs erreicht und schließlich dessen Auslösung erfolgt.
Das PTC-Element 5 kann als ein Erfassungselement, wenn es zum Beobachten und Anzeigen des spezifischen Volumenwiderstandswerts des PTC-Elements verwendet wird, oder als ein Schutzelement gegen Wärmeentwicklung, wenn es zum Steuern oder Abschneiden des elektrischen Stroms zu dem Heizelement verwendet wird, verwendet werden. Das PTC-Element 5 kann ebenfalls als ein Erfassungs- oder Schutzelement gegen das Auftreten eines Überstroms dienen, da sein Widerstand ansteigt, wenn es durch den Überstrom erhitzt wird.
Eine Ausführungsform der Schutzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird in 2(a) und 2(b) in einer schematischen vertikalen Querschnittsansicht bzw. in einer schematischen Draufsicht mit entfernter Abdeckplatte gezeigt.
In 2(a) und 2(b) wird das Schutzelement durch die Ziffer 10 angegeben, und die Elektroden 12a und 12b dafür werden auf einer Substratplatine 11 angeordnet. Das PTC-Element 5 ist an einer der Elektroden (12a) befestigt, um es mit einer der Elektroden (8b) des PTC-Elements 5 zu verbinden, während die andere Elektrode 8a des PTC-Elements 5 mit der anderen Elektrode 12b des Schutzelementes 10 auf der Platine 11 durch eine Metallfolie 13 verbunden ist, die dazwischen eine Brücke bildet. Das gesamte Schutzelement wird durch eine Kappe 14 abgedeckt.
Die Substratplatine 11 ist aus einem isolierenden Material, beispielsweise einem glasfaserverstärktem Epoxydharz hergestellt, auf dem die Elektroden 12a und 12b, die jeweils beispielsweise aus einer Metallfolie aus Kupfer oder dergleichen hergestellt sind, angeordnet sind. Die Elektroden 8a und 8b des PTC-Elements 5, die Elektroden 12a und 12b des Schutzelements 10 und die Metallfolie 13 werden durch Aufschmelzen von Lötmittel angebracht.
Das Schutzelement 10 kann nahe dem Heizelement zum Übertragen von Wärme an das PTC-Element angeordnet sein, um die Auslösung des PTC-Elements aufgrund des Anstiegs in seinem spezifischen Volumenwiderstand zu erreichen, indem es durch die übertragene Wärme erhitzt wird, um Stromabschaltung zu verursachen, wodurch die stromleitende Vorrichtung oder das stromleitende System, die/das mit der Schutzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist, zuverlässig geschützt werden kann.
In 3(a) und 3(b) wird eine Ausführungsform der elektrischen Leiterplatte gemäß der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Draufsicht bzw. in einer schematischen vertikalen Querschnittsansicht entlang der Line A-A der Ersteren gezeigt.
Bei der elektrischen Leiterplatte 20 sind die Elektroden 12a und 12b für die PTC-Elemente und die Elektroden 15a und 15b für das Heizelement 16 auf der Substratplatine 11 als gemusterte Leitersegmente angeordnet. Die Elektroden 12a und 12b für die PTC-Elemente sind mit den PTC-Elementen 5a und 5b verbunden, und eine Metallfolie 13 ist angeordnet, um die PTC-Elemente durch Brückenbildung zwischen ihnen zu verbinden, um das Schutzelement aufzubauen. Ein Heizelement 16 ist zwischen den PTC-Elementen 5a und 5b angeordnet, um eine elektrische Verbindung mit den Elektroden 15a und 15b für das Heizelement zu halten, wobei es jedoch von anderen Elementen isoliert ist, indem es durch einen Isolator 17 umgeben ist. Das gesamte Schutzelement wird durch eine Kappe oder ein Dichtungselement 14 abgedeckt.
Die Elektroden 12a und 12b, die PTC-Elemente 5a und 5b und die Metallfolie 13 in der elektrischen Leiterplatte 20 sind untereinander mit Lötmittel durch Aufschmelzen des Lötmittels verbunden.
Bei der elektrischen Leiterplatte 20 werden die PTC-Elemente 5a und 5b zur Auslösung gebracht, wenn das Heizelement 16 erhitzt wird, wodurch der Strom durch die Elektroden 12a und 12b verringert wird.
4(a) zeigt eine alternative Ausführungsform der elektrischen Leiterplatte gemäß der vorliegenden Ausführung in einer schematischen Draufsicht. 4(b) zeigt die Ausführungsform von 4(a) in einer schematischen vertikalen Querschnittsansicht entlang der Line B-B der Ersteren. Bei dieser Ausführungsform ist eine Zwischenelektrode 12c zwischen den Elektroden 12a und 12b für die PTC-Elemente auf eine solche Art und Weise angeordnet, dass die Heizelemente 16a und 16b getrennt angeordnet sind, um die Zwischenelektrode 12c mit der Elektrode 12a bzw. mit der Elektrode 12b zu verbinden, wobei das PTC-Element 5a und das PTC-Element 5b untereinander durch eine Metallfolie 13 über die Zwischenelektrode 12c verbunden sind.
Die Elektroden 12a, 12b und 12c, die PTC-Elemente 5a und 5b und die Metallfolie 13 sind bei der obigen elektrischen Leiterplatte untereinander mit Lötmittel durch Aufschmelzen des Lötmittels verbunden.
Bei der obigen elektrischen Leiterplatte 20 werden die PTC-Elemente 5a und 5b zur Auslösung gebracht, wenn die Heizelemente 16a und 16b erhitzt werden, wodurch der Strom durch die Elektroden 12a und 12b verringert wird, sodass ein Schutz einer stromleitenden Vorrichtung oder eines stromleitenden Systems, die/das diese Leiterplattenanordnung benutzt, durch die Verringerung der Wärmeentwicklung in den Heizelementen 16a und 16b aufgrund des so verringerten Stroms durch die Elektroden 15a und 15b erreicht werden kann.
5(a) zeigt ein Schaltbild, das die in 3(a) und 3(b) gezeigte elektrische Leiterplatte als die Schutzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet. Diese Schutzvorrichtung umfasst PTC-Elemente 5a und 5b, ein Heizelement 16 und ein Erfassungselement 21. Bei der Anordnung von 5(a) sind die PTC-Elemente 5a und 5b, das Heizelement 16 und ein Transistor 22 des Erfassungselements 21 in Reihe zwischen den Anschlüssen f und g geschaltet, wobei eine Zener-Diode 23 und ein Widerstand 24, die das Erfassungselement 21 bilden, zwischen dem Anschluss f und der Basis des Transistors 22 angeordnet sind. Es werden nicht alle Bestandteile des Erfassungselements 21, das in dieser elektrischen Leiterplatte 20 eingebaut ist, in 3(a) und 3(b) gezeigt.
Bei der obigen Schutzvorrichtung beginnt ein Strom durch die Zener-Diode 23 zu fließen, wenn eine zwischen den Anschlüssen f und g geprägte Überspannung die Zener-Spannung erreicht, wodurch der Transistor 22 betätigt wird, um einen Strom dadurch und durch das Heizelement 16 zu leiten, um Wärmeentwicklung zu verursachen. Diese Joulesche Wärme wird an die PTC-Elemente 5a und 5b über die Metallfolie 13 übertragen und verursacht einen Anstieg in deren Widerstand, um schließlich deren Auslösung zu bewirken, um eine Stromabschaltung zu erreichen. Somit kann die Schutzvorrichtung dieser Ausführungsform zum Schutz gegen eine Überspannung in beispielsweise einer Ladeschaltung einer Speicherbatterie oder dergleichen verwendet werden.
5(b) zeigt ein Schaltbild, das die in 4(a) und 4(b) gezeigte elektrische Leiterplatte als eine Schutzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verkörpert. Diese Schutzvorrichtung umfasst PTC-Elemente 5a und 5b, Heizelemente 16a und 16b und ein Erfassungselement 21. Bei dieser Ausführungsform wird eine Verdrahtung auf die gleiche Art und Weise wie die in 5(a) mit der Ausnahme verwirklicht, dass die PTC-Elemente 5a und 5b und die Heizelemente 16a und 16b durch eine Zwischenelektrode 12c getrennt angeordnet sind.
Bei dieser Schutzvorrichtung wird das Erfassungselement 21 betätigt, wenn eine Überspannung sowohl in dem Fall, in dem die Stromleitung auf der Seite der Anschlüsse f und g erfolgt, als auch in dem Fall, in dem die Stromleitung durch die Anschlüsse h und i bewirkt wird, um dadurch zu veranlassen, dass beide Heizelemente 16a und 16b durch die Joulesche Wärme erhitzt werden, wodurch beide PTC-Elemente zum Auslösen gebracht werden, und um die Abschaltung des Stroms zu den Heizelemente 16a und 16b zu bewirken. Die Schutzvorrichtung dieser Ausführungsform kann somit beispielsweise in einer Ladeschaltung einer Speicherbatterie zum Schutz gegen Überspannung benutzt werden.
BEISPIEL
Nachstehend wird die folgende Erfindung weiter mit Hilfe von Beispielen ausführlicher beschrieben.
Beispiele 1 und 2 und Vergleichsbeispiele 1 und 2

Ein partikuläres Leitermaterial (Leiter 1 oder Leiter 2) wurde jeweils durch Verarbeiten eines Produkts aus mikrosphärischen Kohlenstoffteilchen von sphärischer Teilchenform {CARBON MICROBEADS PC (Warenzeichen), ein Produkt von Nippon Carbon K. K.} erstellt, indem auf jedem Teilchen Oberflächen-Unregelmäßigkeiten mit einer Teerbeschichtung (Beispiele 1 und 2) bereitgestellt wurden, auf die eine Metallbeschichtungs-Schicht durch eine stromlose Abscheidung zuerst mit Nickel und dann mit Gold darauf aufgebracht wurde. Bei den Vergleichsbeispielen 1 und 2 wurden die gleichen Prozeduren mit der Ausnahme verfolgt, dass ein Produkt aus mikrosphärischen Kohlenstoffteilchen mit der Teilchenform einer perfekten Kugel {CARBON MICROBEADS ICB (Warenzeichen), ein Produkt von Nippon Carbon K. K.} benutzt wurde, um das partikuläre Leitermaterial (Leiter 3 bzw. Leiter 4) zu erhalten.

Leiter 1:

Ein Kohlenstoffprodukt mit einer Teilchengröße von 5 μm mit Oberflächenvorsprüngen von durchschnittlicher Höhe von 0,5 μm, das durch Teerbeschichtung und Karbonisation mit anschließender Metallabscheidung von Ni/Au mit einer Ni-Dicke von 0,092 μm und Au-Dicke von 0,061 μm verarbeitet wurde.

Leiter 2:	Ein Kohlenstoffprodukt mit einer Teilchengröße von 10 μm mit Oberflächenvorsprüngen von durchschnittlicher Höhe von 1,0 μm, das durch Teerbeschichtung mit anschließender Metallabscheidung von Ni/Au mit Ni-Dicke von 0,110 μm und Au-Dicke von 0,064 μm verarbeitet wurde.
Leiter 3:	Ein Kohlenstoffprodukt mit einer Teilchengröße von 5 μm und einer Teilchenform einer perfekten Kugel, das durch Metallabscheidung von Ni/Au mit Ni-Dicke von 0,091 μm und Au-Dicke von 0,061 μm verarbeitet wurde.
Leiter 4:	Ein Kohlenstoffprodukt mit einer Teilchengröße von 10 μm und einer Teilchenform einer perfekten Kugel, das durch Metallabscheidung von Ni/Au mit Ni-Dicke von 0,110 μm und Au-Dicke von 0,057 μm verarbeitet wurde.

Ein hochdichtes Polyethylen-Produkt (HDPE) (HIZEX 5000N (Warenzeichen), ein Produkt von Mitsui Petrochemical Ind., Ltd.) und ein Ethylen/Ethyl-Acrylat-Copolymer (EEA) (NUC 6170 (Warenzeichen), ein Produkt von Nippon Unicar Co., Ltd.) wurden für das nichtleitende kristalline Polymer verwendet. Jedes der wie oben erstellten partikulären Leitermaterialien und das obige nichtleitende kristalline Polymer wurden in einem Verhältnis, wie in Tabelle 1 angegeben, durch Kneten auf einem Presskneter bei 190°C vermischt, und die resultierende Masse wurde auf einer Heißpresse unter einem Zustand von 190°C, 0,49 Mpa (5 kp/cm²) für 20 s in einen Film mit einer Dicke von 300 μm pressgeformt. Dieser Film wurde zwischen zwei Nickelfolien angeordnet, und die resultierende Lamination wurde weiter durch eine Heißpresse (190°C, 0,49 Mpa für 30 s) in ein PTC-Element mit einer Dicke von 200 μm verarbeitet.
Der anfängliche spezifische Volumenwiderstand dieses PTC-Elements wurde beobachtet. Mit diesem PTC-Element wurde eine Schutzvorrichtung erstellt, indem es auf einer Substratplatine auf eine Art und Weise angebracht wurde, die ähnlich der in 2 ist, indem eine Aufschmelzbehandlung des Lötmittels bei einer Aufschmelztemperatur von 250°C integriert wurde. Die resultierende Schutzvorrichtung wurde auf ihren spezifischen Volumenwiderstand, nachdem sie der Aufschmelzbehandlung unterzogen wurde, auf den elektrischen Widerstand bei Leitung eines Überstroms (10 A) und auf den elektrischen Widerstand nach Wiederholen von 100 Zyklen von Stromleitung bei einem Strom von 10 A geprüft. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass sowohl die beobachteten Werte des Widerstands vor als auch nach dem Aufschmelzen für die erfinderischen Beispiele 1 und 2 verglichen mit denen der Vergleichsbeispiele 1 und 2 niedriger sind (beide bei Werten unter 1 × 10^–1). Hinsichtlich des spezifischen Volumenwiderstands nach 100 Zyklen von An-/Aus-Prüfungen führten beide erfinderischen Beispiele 1 und 2 zu niedrigeren Werten als jene der Vergleichsbeispiele 1 und 2, wobei insbesondere der spezifische Volumenwiderstand für Beispiel 2, bei dem ein partikuläres Leitermaterial mit einer Teilchengröße von 10 μm benutzt wurde, einen niedrigeren Wert ergab.
Die obigen PTC-Elemente wurden auf einer Substratplatine auf eine ähnliche Art und Weise angebracht, wie in 3(a) und 3(b) gezeigt ist, und die resultierende Leiterplatte wurde in einer elektrischen Schaltung auf eine ähnliche Art und Weise installiert, wie in 5(a) gezeigt ist, um eine Schutzvorrichtung zu erstellen. Mit dieser Schutzvorrichtung wurde eine An/Aus-Wiederholungsprüfung durch Einprägen einer Spannung von 4,5 Volt zwischen den Anschlüssen von f und g mit 5 Minuten aus „An" und 5 Minuten aus „Aus" ausgeführt, wobei die Ergebnisse davon in 6 als eine graphische Darstellung dargestellt sind.
Wie in 6 ersichtlich ist, ist der Anstieg in dem elektrischen Widerstand für die erfinderischen Beispiele 1 und 2, bei denen partikuläre Leiterteilchen mit Oberflächenunregelmäßigkeiten verwendet werden, verglichen mit den Vergleichsbeispielen 1 und 2 niedriger. Es wurde festgestellt, dass der Anstieg in dem Widerstand insbesondere für Beispiel 2 niedrig war, bei dem ein partikuläres Leitermaterial mit einer Teilchengröße von 10 μm benutzt wurde.

Claims

PTC-Element (5) umfassend ein nichtleitendes kristallines Polymer (6) und ein teilchenförmiges Leitermaterial (1), das in dem nichtleitenden kristallinen Polymer (6) dispergiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitermaterial (1) aus elektrisch leitenden Teilchen gebildet ist, die jeweils aus einem sphärischen Grundteilchen (2a) und einer darauf gebildeten Schicht mit unregelmäßigen Oberflächenkonturen (2b) zusammengesetzt sind, wobei das sphärische Grundteilchen (2a) eine Teilchengröße von 5 bis 50 μm aufweist und die Höhe von Vorsprüngen in den unregelmäßigen Oberflächenkonturen (2b) im Bereich von 0,01 bis 10 μm ist.
PTC-Element (5) gemäß Anspruch 1, bei dem das sphärische Grundteilchen (2a) ein Kohlenstoffteilchen ist, das darauf die Schicht mit unregelmäßigen Oberflächenkonturen (2b) durch Teerbeschichtung und anschließende Karbonisierung gebildet hat.
PTC-Element (5) gemäß Anspruch 1, bei dem das teilchenförmige Leitermaterial (1) aus elektrisch leitenden Teilchen gebildet ist, die durch Karbonisieren von Teilchen, die jeweils aus einem sphärischen Grundteilchen (2a) eines hitzehärtbaren Kunststoffs oder eines karbonisierten Produkts davon und einer darauf durch Teerbeschichtung gebildeten Schicht mit unregelmäßigen Oberflächenkonturen (2b) zusammengesetzt sind, erzeugt werden.
PTC-Element (5) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die elektrisch leitenden Teilchen eine oberflächenbeschichtete Metallschicht aufweisen.
Schutzvorrichtung (10) umfassend ein PTC-Element (5), das ein nichtleitendes kristallines Polymer (6) und ein teilchenförmiges Leitermaterial (1), das in dem nichtleitenden kristallinen Polymer (6) dispergiert ist, umfasst, ein Heizelement (16) zum Übertragen von Wärme an das PTC-Element (5) und ein Erfassungselement (21) zum Erfassen jedes abnormalen Zustands und, wenn erfasst, zum Fließen eines Stroms durch das Heizelement (16); dadurch gekennzeichnet, dass das Leitermaterial aus elektrischen Teilchen gebildet ist, die jeweils aus einem sphärischen Grundteilchen (2a) und einer darauf gebildeten Schicht mit unregelmäßigen Oberflächenkonturen (2b) zusammengesetzt sind, wobei das sphärische Grundteilchen (2a) eine Teilchengröße von 5 bis 50 μm aufweist und die Höhe von Vorsprüngen in den unregelmäßigen Oberflächenkonturen (2b) im Bereich von 0,01 bis 10 μm ist.
Schutzvorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der eine Mehrzahl von PTC-Elementen (5) bereitgestellt wird.
Schutzvorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 6, bei der das Erfassungselement (21) ein Spannungserfassungselement ist.
Schutzvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der das PTC-Element (5) und das Heizelement (21) in einem thermisch verbundenen Zustand unter Einfügung eines elektrischen Isolators (17) gehalten werden.
Elektrische Leiterplatte (20) umfassend ein darin installiertes PTC-Element (5), das ein nichtleitendes kristallines Polymer (6) und ein teilchenförmiges Leitermaterial (1), das in dem nichtleitenden kristallinen Polymer (6) dispergiert ist, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitermaterial (1) aus elektrisch leitenden Teilchen, die jeweils aus einem sphärischen Grundteilchen (2a) und einer darauf gebildeten Schicht mit unregelmäßigen Oberflächenkonturen (2b) zusammengesetzt sind, gebildet ist, wobei das sphärische Grundteilchen (2a) eine Teilchengröße von 5 bis 50 μm aufweist und die Höhe von Vorsprüngen in den unregelmäßigen Oberflächenkonturen (2b) im Bereich von 0,01 bis 10 μm ist.
Elektrische Leiterplatte (20) umfassend die darin installierte Schutzvorrichtung (10) gemäß Anspruch 5.