JP2000269001A - 過電流保護用素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 常温において低抵抗特性で、高温時におい
て高抵抗特性を保持する信頼性に優れたかつ常温におけ
る抵抗の小さい過電流保護素子を提供することである。 【解決手段】 本発明の過電流保護用素子は、高抵抗材
料の第二導電材料を造粒・成形した内部粒子３と、この
内部粒子３の表面に第一導電性材料の被覆部４とからな
る被覆粒子を多数備える。これら被覆粒子同士が圧縮・
成形され偏平状に形成されることにより、過電流保護用
素子を製造する。常温においては、被覆部４の導電性ポ
リマーの低抵抗特性１を示すが、高温時においては、内
部粒子３を構成する高抵抗材料の高抵抗特性２が顕著に
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ＰＴＣ効果を持
つＰＴＣ素子材料により構成した過電流保護回路ｑ用素
子に関する。

【０００２】

【従来の技術】導電性材料が温度にしたがって固有抵抗
が変化することは従来より知られている。ある温度範囲
において固有抵抗値が急激に増大する導電材料のうち、
正温度係数を示すものは、ＰＴＣ素子材料と呼ばれてい
る。

【０００３】ＰＴＣ素子材料は、一般的に２種類に分け
られる。一つは、チタン酸バリウムのような無機酸化物
に代表されるセラミックＰＴＣ素子材料、もう一つは、
導電性ポリマー材料、例えば、ポリマー中に特殊な導電
性材料（フィラー）を分散させて形成される導電性ポリ
マーを用いたＰＴＣ素子材料がある。

【０００４】セラミックＰＴＣ素子材料に関する特徴と
して、利点として安定した電気特性を有し繰り返しの使
用における再現性に優れている。

【０００５】ところで、常温（２５℃）における固有抵
抗値は、近年の研究においても、１０オーム・ｃｍ以上
であり大電流における回路への応用は限定されるもので
あった。また、機械的な性質においてもセラミックであ
るがゆえに、もろく、成形が難しいという欠点があっ
た。

【０００６】一方、導電性ポリマーを用いたＰＴＣ素子
材料に関して、利点として、常温（２５℃）において、
低い固有抵抗値（１０オーム・ｃｍ以下）を示し高温
（１２０℃付近）において常温時における固有抵抗の１
０００倍以上の高い固有抵抗値を示す。したがって、大
電流における回路に対して広範囲の応用が可能となりま
た小型化も可能となった。

【０００７】しかしながら、ＰＴＣ効果の基本的な原理
が結晶性ポリマーの融解に起因するため、繰り返しの使
用に対する信頼性に不安がある。また、機械的な特性に
ついても、熱可塑性ポリマーのため高温時に変形が起こ
りやすく、断線や短絡がおこりやすいという欠点があっ
た。

【０００８】このような従来の技術の欠点に対して、Ｐ
ＴＣ素子を用いた過電流保護回路用素子の構成をセラミ
ック材料や導電性ポリマーの各々の組成により、特性や
信頼性を向上するように、導電性ポリマーに分散される
導電材料としてチタン酸バリウムなどの無機酸化物を分
散させる手段が用いられている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな無機酸化物を分散したＰＴＣ素子でも、基本的にセ
ラミック材料および導電性ポリマーの持つ欠点を補うも
のではなく、所望の抵抗−温度特性を持つＰＴＣ素子を
得ることができなかった。

【００１０】そこで、本発明の技術的課題（目的）は、
所望の抵抗−温度特性を持つＰＴＣ素子すなわち過電流
保護素子を得ることである。

【００１１】すなわち、常温において、導電性ポリマー
の特徴である低抵抗特性を示す一方、高温時において、
高抵抗材料、例えば、セラミック材料において高抵抗を
保持する特性を示すことを特徴とし、信頼性に優れたか
つ常温における抵抗の小さい特性を示す過電流保護素子
を提供するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、電力を
供給する装置に直列に接続されインピーダンスＲ_Ｌオー
ムを有するＰＴＣ素子として電気回路を保護するための
過電流保護用素子において、該過電流保護用素子は、導
電性ポリマーを含み造粒・成形される第一導電材料と、
高抵抗材料を含む第二導電材料とから成り、該第二導電
材料に前記第一導電材料を被膜して、内部粒子とその外
部表面を被膜する被覆部とからなる被覆粒子を多数備
え、０．０１〜１００ミクロンの厚みを持つようにこれ
ら被覆部同士が密接に接触するように圧縮・成形され、
常温において前記第一導電材料の中が導電性ポリマーの
低抵抗特性を示す一方、高温時において前記第二導電材
料の中の高抵抗材料が高抵抗保持特性を示すことを特徴
とする過電流保護用素子が得られる。

【００１３】この過電流保護用素子において、前記第一
導電材料は、黒鉛と導電性ポリマーとしてのポリエチレ
ンとを予め定められた割合で混合したものであり、前記
第二導電材料の中の高抵抗材料は、チタン酸バリウムで
あることを特徴とする過電流保護用素子が得られる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態による
過電流保護用素子を図１〜図３を用いて説明する。

【００１５】図２に示すように、本発明の実施の形態に
よる過電流保護素子では、導電性ポリマーを含み造粒・
成形される第一導電材料と、高抵抗材料を含む第二導電
材料とから成る。第二導電材を第一導電材料で被膜する
ことにより、第二導電材料から成る内部粒子３とその外
部表面を被膜する第一導電材料から成る被覆部４とから
なる被覆粒子を多数備え、０．０１〜１００ミクロンの
厚みを持つようにこれら被覆部４同士が密接に接触する
ように圧縮・成形される。

【００１６】第一導電材料は、ポリエチレン、アクリ
ル、ポリ塩化ビニルなどの絶縁材料が導電性ポリマーと
して用いられる。第一導電材料は、導電性ポリマー以外
には、無機酸化物、金属、黒鉛、カーボンブラック等の
材料で構成される。

【００１７】また、第二導電材料の中の高抵抗材料は、
チタン酸バリウムなどの半導体材料、ＳｉＣＳｎＯなど
の無機酸化物、カンタル、ニッケルクロムの金属などが
ある。ここで、カンタルとは、Ｋａｎｔｈａｌ線のＦｅ
−Ｃｒ−Ａｌ−Ｃｏ合金でニクロムと同様に電熱用抵抗
材料に使用されるものである。

【００１８】圧縮・成形の際に、複数の被覆粒子は圧力
を受けて偏平状になり、例えば、円板状に形成された
後、両側に電極をそれぞれメタライズすれば、本発明の
過電流保護用素子であるＰＴＣ素子を製造できる。本発
明の過電流保護用素子を接続した電気回路において、電
源から電流が回路保護器を介して本発明の過電流保護素
子に流れ、過電流保護素子すなわちＰＴＣ素子が加熱さ
れる。そして、回路の電流や温度の異常な上昇により、
ＰＴＣ素子の第一導電材料の抵抗が上昇し、第二導電材
料の抵抗値を超えるに従って、電流は、第二導電材を経
由して流れるようになる。第二導電材料は、ＰＴＣ素子
の温度上昇によって、少なくとも３０００オーム・ｃｍ
の９９％の高抵抗を示すため、過電流保護のための機能
はこの時点において、第一導電材料の一部と第二導電材
料によって高抵抗が保持され、異常電流を正常電流以下
に抑制する。

【００１９】本発明において、第一導電材料の中の導電
性ポリマーは、絶縁材料の樹脂として、ポリエチレン、
ポリプロピレンなどのオレフィン系樹脂、ポリメタル酸
メチルなどのアクリル系樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリ酢
酸ビニルなどの独義のビニル系樹脂、アクリロニトリル
・スチレン樹脂、ポリアミド、ポリカーボネート、フッ
化系樹脂、繊維素系樹脂、フォルマリン系樹脂、エポキ
シ樹脂、不飽和ポリエステル、アルキド樹脂、ポリアミ
ド樹脂、ポリウレタン、ジアリルフタレート樹脂、また
樹脂をゴムに置き換えたり混合して構成することが挙げ
られる。

【００２０】第一導電材料は、導電性ポリマーと混合さ
れる材料として、無機酸化物、金属、黒鉛、カーボンブ
ラックなどが挙げられる。

【００２１】第二導電材料の高抵抗材料として、チタン
酸バリウムなどの半導体材料ＳｉＯ₂ 、ＳｎＯなどの無
機酸化物、カンタル、ニッケルクロムなどの高抵抗の金
属が挙げられる。

【００２２】本発明によれば、電源から電流が回路保護
器を介して過電流保護素子に流れると、ＰＴＣ素子が加
熱される。そして、回路の電流や温度の異常な上昇によ
り、ＰＴＣ素子を構成する第一導電材料の抵抗が上昇
し、第二導電材料の抵抗を超えるにしたがって、電流
は、第二導電材料を経由して流れるようになる。第二導
電材料は、ＰＴＣ素子の温度上昇によって、少なくとも
３０００オーム・ｃｍに対して９９％の高抵抗を示すた
め、過電流保護機能は、この時点において、第一導電材
料の一部と第二導電材料によって高抵抗が保持され、異
常電流を正常電流以下に抑制する。

【００２３】

【実施例】

【表１】

【００２４】表１の第一導電材料は、導電性ポリマーと
絶縁材料との混合物である。第一導電材料として、導電
性ポリマーの高密度ポリエチレンと絶縁材料としての黒
鉛を表１に示す割合において混合し、温度１８５℃にお
いて、ミキシングローラを用いて約１０分間混練し十分
に分散を行う。試料ａ〜ｅすなわち第一導電材料混練物
を得た。第一導電材料混練物の抵抗率は、常温において
２オーム・ｃｍ、１２０℃において５０００オーム・ｃ
ｍになるようにポリエチレンと黒鉛の配合比を選択し
た。

【００２５】

【表２】

【００２６】表２の第二導電材料は、チタン酸バリウム
と導電性ポリマーの高密度ポリエチレンとの混合物であ
る。

【００２７】第二導電材料では、直径１ミクロンのチタ
ン酸バリウム粉末を直径約５０〜６０ミクロンの球体に
なるよう造粒した。試料Ａ〜Ｅすなわち第二導電材料造
粒物は、常温において１００オーム・ｃｍ、１２０℃に
おいて４５００オーム・ｃｍとなる組成のものを選択し
た。

【００２８】第二導電材料造粒物を焼結後、約２００℃
の温度において第一導電材料混練物を融解し、その中
に、第二導電材料造粒物であるチタン酸バリウムを混合
し、ミキシングローラにおいて混練した。第二導電材料
を被覆する第一導電材料は、厚さ約５０ミクロンになる
ように調整した。

【００２９】第二導電材料に第一導電材料を被覆した被
膜粒子は、約１８０℃において熱プレスを行い、厚さ３
００ミクロンになるよう調整した。これによって得られ
た形状は、シート状であった。このシートにＮｉ板厚さ
方向に熱プレスによって２枚貼り合わせた。これにより
得られた過電流保護素子の温度と抵抗の関係を図１に示
す。図１から明らかな様に、常温（２６℃）において
は、第一導電材料の抵抗率に対して第二導電材料の抵抗
率が高いため、電流は、第一導電材料を流れる。これに
対して、温度１２０℃においては、第一導電材料が正温
度特性を示し、第二導電材料の抵抗率を上回る。この状
態において流れる電流は、第一導電材料の一部を経て抵
抗率の小さい第二導電材料を流れる。次に、試料ａおよ
び試料ｄを破断し、その断面をダイヤモンドペーストを
用いて鏡面加工し、電子走査顕微鏡において観察した結
果を図２に示す。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したごとく、本発明による過電
流保護素子は多数の被膜粒子で構成されているため、常
温時においては被膜粒子の被膜部の導電性ポリマーに電
流が流れこの導電性ポリマーの低抵抗率（１０オーム・
ｃｍ以下）特性を示す。

【００３１】一方、高温状態および過電流による発熱が
起きている状態においては被膜粒子の内部の造粒・成形
した粒子に電流が流れ込む結果、粒子材料の高抵抗特性
が顕著となる。

【００３２】従って、本発明によれば、特性的に安定で
あり、再現性、信頼性に優れた過電流保護素子が得られ
るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による過電流保護素子の温
度−抵抗特性図である。

【図２】図３の過電流保護素子の要部を電子走査顕微鏡
により観察するためにＩＩ−ＩＩ線に沿って切断した断
面図である。

【図３】本発明の実施の形態による過電流保護素子の外
観斜視図である。

【符号の説明】

１ 第一導電材料の抵抗−温度の特性図 ２ 第二導電材料の抵抗−温度の特性図 ３ 第二導電材料から成る内部粒子 ４ 第一導電材料から成る被膜部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電力を供給する装置に直列に接続されイ
   ンピーダンスＲ_Ｌオームを有するＰＴＣ素子として電気
   回路を保護するための過電流保護用素子において、 該過電流保護用素子は、導電性ポリマーを含み造粒・成
   形される第一導電材料と、高抵抗材料を含む第二導電材
   料とから成り、該第二導電材料に前記第一導電材料を被
   膜して、内部粒子とその外部表面を被膜する被覆部とか
   らなる被覆粒子を多数備え、０．０１〜１００ミクロン
   の厚みを持つようにこれら被覆部同士が密接に接触する
   ように圧縮・成形され、 常温において前記第一導電材料の中の導電性ポリマーが
   低抵抗特性を示す一方、高温時において前記第二導電材
   料の中の高抵抗材料が高抵抗保持特性を示すことを特徴
   とする過電流保護用素子。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の過電流保護用素子にお
   いて、 前記第一導電材料は、黒鉛と導電性ポリマーとしてのポ
   リエチレンとを予め定められた割合で混合したものであ
   り、 前記第二導電材料の中の高抵抗材料は、チタン酸バリウ
   ムであることを特徴とする過電流保護用素子。