JP2001267104A - Ｐｔｃ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スイッチングの繰り返しに対し、安定で再現
性が良好なＰＴＣ効果を有するＰＴＣ導電性組成物及び
それを用いたＰＴＣ素子を提供すること。 【解決手段】 ＰＴＣ導電性組成物に、接着性ポリオレ
フィンとカップリング剤で表面処理した導電性フィラー
を用いるとともに、ＰＴＣ導電性組成物の表面に半田粉
末を付着させた状態で電極と一体成形することにより、
電極とＰＴＣ導電性組成物の接着性を向上して、安定し
た特性を具備したＰＴＣ素子を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＰＴＣ（Positive
Temperature Coefficient；正温度係数）特性を示す導
電性組成物（以下、ＰＴＣ導電性組成物という）を用い
た素子に関するものである。更に詳しくは、電気機器、
電子機器に用いられ、これらの機器に異常発生時に流れ
る過電流によって、機器が損傷するのを防止するために
用いられる、電気回路保護素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】二次電池を始めとする、電気機器、電子
機器に用いられている電気回路保護素子として、カーボ
ン系導電性フィラーを結晶性高分子マトリックスに分散
させた、有機導電性組成物が知られている。この有機導
電性組成物においては、高分子マトリックスの結晶融点
よりも低い温度領域では、カーボン系導電性フィラーが
高分子マトリックスの非結晶領域のみに存在し、連鎖状
構造をとるため、導電性フィラーが電子移動担体となり
低い電気低抗率を示す。

【０００３】そして、温度が上昇し、高分子マトリック
スが融解し始めると、高分子マトリックスの体積が増加
するとともに、結晶が非晶に相変化するために、高分子
マトリックス中のカーボン系導電性フィラー間の距離が
広がるとともに、カーボン系導電性フィラーが高分子マ
トリックス中の低温域で結晶領域であった部分にまで拡
散する。その結果、導電経路の破壊が進み抵抗が上昇す
る。

【０００４】以上の動作原理を応用した電気回路保護素
子として、室温で低抵抗であり温度上昇とともに抵抗が
増大して電流を制限する素子、特に所望のスイッチング
温度で急激に抵抗が大きくなるＰＴＣ特性を示すＰＴＣ
導電性組成物からなる素子が用いられている。そして、
このような特性を示す素子、即ちＰＴＣ素子は、ＰＴＣ
導電性組成物を一対の電極の間に密着させて挟んだ構造
である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これらの素子
においては、スイッチングを繰り返すうちに抵抗の変化
が大きくなるという問題がある。この原因は、導電性フ
ィラーを用いたＰＴＣ導電性組成物に良好な導電性を付
与するには、導電性フィラーの高充填化を行わなければ
ならないが、導電性フィラーを高充填すると、スイッチ
ングの繰り返しにより、ＰＴＣ導電性組成物と電極の剥
離が起き易くなるためである。

【０００６】このために、これらに素子においては、繰
り返し使用に対する信頼性について、改善の余地があっ
た。そこで、本発明の技術的課題は、ＰＴＣ導電性組成
物が電極から剥がれることを防ぎ、スイッチングの繰り
返しに対し、安定で再現性が良好なＰＴＣ効果を有する
ＰＴＣ導電性組成物及びそれを用いたＰＴＣ素子を提供
することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記の課題を
解決するため、ＰＴＣ導電性組成物と、ＰＴＣ素子に用
いられる電極の構成を検討した結果なされたものであ
る。

【０００８】即ち、本発明は、結晶性高分子と導電性フ
ィラーからなるＰＴＣ導電性組成物を一対の電極に挟ん
だ構造を有するＰＴＣ素子において、前記ＰＴＣ導電性
組成物の表面に半田粉末を付着させてなることを特徴と
するＰＴＣ素子である。

【０００９】また、本発明は、前記のＰＴＣ素子におい
て、前記ＰＴＣ導電性組成物が、結晶性高分子１００重
量部に対して、カップリング剤で表面処理を施した導電
性フィラー３００ないし５５０重量部、架橋剤０.０１
ないし１００重量部が配合されてなることを特徴とする
ＰＴＣ素子である。

【００１０】また、本発明は、前記のＰＴＣ素子におい
て、前記結晶性高分子が、接着性ポリオレフィン、熱可
塑性高分子から選ばれる少なくとも１種類以上を含むこ
とを特徴とするＰＴＣ素子である。

【００１１】

【作用】本発明のＰＴＣ導電性組成物は、結晶性高分子
と金属導電性フィラーを含む導電性組成物であり、２０
℃における抵抗率が１Ω・ｃｍ以下であり、スイッチン
グ温度以上で１０^６Ω・ｃｍ以上の抵抗率を示す。

【００１２】また、本発明のＰＴＣ導電性組成物は、安
定なＰＴＣ特性を示すように導電性フィラーを充分に均
一な分散状態にすることと、金属箔電極に充分な強度で
接着することを目的に、カップリング剤で導電性フィラ
ーに表面処理を施しており、スイッチングを繰り返して
も素子の抵抗の変化は殆ど見られない。従って、本発明
のＰＴＣ導電性組成物によって、大きなスイッチング電
力を要求される過電流保護素子についても、特性が安定
したものを得ることができる。

【００１３】本発明のＰＴＣ導電性組成物を用いたＰＴ
Ｃ素子が、上記のようにスイッチングを繰り返しても素
子の抵抗が安定し、スイッチング温度以上の領域で１０
^６Ω・ｃｍ以上の高い抵抗率を示す理由は、以下の現象
が複合して効果を発現しているものと考えられる。

【００１４】導電性フィラーの高充填化を行うことで素
子特性の安定化が図れ、良好な導電性を有する素子が得
られる。一方で、ＰＴＣ導電性組成物に含まれるフィラ
ー量を増加させると、ＰＴＣ導電性組成物の主成分であ
るポリオレフィンの含有量が相対的に減少し、金属箔電
極とＰＴＣ導電性組成物間で良好な接着状態が保てなく
なり、金属箔電極とＰＴＣ導電性組成物が徐々に剥離す
る。

【００１５】本発明のＰＴＣ導電性組成物においては、
導電性フィラーに無極性カップリング剤で表面処理を施
すことで、接着性ポリオレフィンが効率よく選択的に電
極と化学的な結合を形成するようになる。通常、金属の
表面には、大気中の水分などとの反応により、水酸基な
どの官能基が形成され、これと反応し得る官能基を持つ
化合物と化学的な結合を形成するが、導電性フィラーを
無極性のカップリング剤で表面処理することにより、導
電性フィラー表面と接着性ポリオレフィンとの間に化学
的な結合が形成されなくなり、前記のような現象が生じ
ると解される。

【００１６】また、ＰＴＣ導電性組成物の表面に半田粉
末を付着させることにより、熱プレスによってＰＴＣ導
電性組成物を電極に密着させる際に、半田粉末が溶融し
て電極に溶着し、接着強度を向上することができる。こ
れは、電極への半田の付着により電極表面に凹凸構造を
付与することで電極の表面積、即ち、接着面積を増加す
るとともに、接着面で、いわゆるアンカー効果を発現で
きるためと解される。また、ＰＴＣ導電性組成物と電極
との接触面積の増加による界面抵抗の減少を図ることも
できる。

【００１７】なお、本発明において、導電性フィラーの
量を、結晶性高分子１００重量部に対して３００重量部
ないし５５０重量部に限定したのは、この範囲以下では
ＰＴＣ素子に必要な導電性が確保できないためであり、
この範囲以上では相対的に結晶性高分子の量が過少とな
り、ＰＴＣ素子の形状が保持できなくなるためである。

【００１８】また、架橋剤の量を結晶性高分子１００重
量部に対して０.０１重量部ないし１００重量部に限定
したのは、この範囲以下では架橋反応が不十分で、高温
でＰＴＣ素子の形状が保持できなくなり、この範囲以上
では充分なＰＴＣ特性を発現できなくなるためである。

【００１９】また、本発明においては、結晶性高分子と
して接着性ポリオレフィンを用いる。接着性ポリオレフ
ィンは、元来、接着性に乏しいポリオレフィンに酸無水
物などの基を導入し、接着性を改善したものであるが、
ホットメルト接着剤に用いられる高分子を併用すること
で、接着性を更に向上することができる。このような高
分子で、しかもポリオレフィンとの親和性の高いものと
して、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−アク
リル酸エチル共重合体などの熱可塑性高分子が挙げられ
る。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下に、具体的な例を挙げ、本発
明の実施の形態について説明する。

【００２１】接着性ポリオレフィンとして、三菱化学製
のポリエチレン系ポリマー（商品名：ＭＯＤＩＣ−Ａ
Ｐ）、導電性フィラーとして新日本金属製のＴｉＣ粉
末、架橋剤として日本油脂製の過酸化ベンゾイル（商品
名：パーヘキシン２５Ｂ）、カップリング剤として味の
素製のチタネート系カップリング剤（商品名：ＫＲ−Ｔ
ＴＳ）を準備した。また熱可塑性高分子として、デュポ
ン製のエチレン−酢酸ビニル共重合体（商品名：Ｅｌｖ
ａｘ４０Ｌ−０８）を準備した。更に、比較試料作製の
ため、三井化学製の高密度ポリエチレン（商品名：ハイ
ゼックス３５３０）を準備した。

【００２２】次に、前記の原材料を表１に示した比率で
秤量し、１５０℃で１５分間、均一になるまで混練し、
本発明のＰＴＣ素子に用いるＰＴＣ導電性組成物を得
た。このＰＴＣ導電性組成物を厚さ５００μｍのシート
状とし、両面に半田粉末を付着させた状態で厚さ２５μ
ｍのニッケル箔の間に挟み、加圧成形するとともに、２
００℃で１５分間保持して架橋処理を行った。

【００２３】

【表１】

【００２４】この操作により、ＰＴＣ組成物と電極から
なる厚さ３００μｍのシート状の成形体を得た。なお、
導電性フィラーは、導電性フィラー１００重量部に対し
て、カップリング剤３重量部を用いて、予め表面処理を
施して使用した。その後、前記の操作で得られたシート
状の成形体を、外径１０ｍｍ、内径６ｍｍのリング状に
切断し、ＰＴＣ素子とした。

【００２５】次に、このＰＴＣ素子の繰り返し電流遮断
時の抵抗変化を測定した。その評価方法は、室温におけ
る抵抗率、５Ａ、３０Ｖを通電してスイッチングしたと
きの抵抗率、自然冷却して室温まで温度を下げたときの
抵抗率を測定するというものである。この評価に供する
試料としては、表１に示したＰＴＣ導電性組成物を用い
て、半田粉末を付着させたＰＴＣ素子の他に、従来品１
として、片面を粗面化したニッケル箔を電極として半田
粉末を用いていないＰＴＣ素子、従来品２として、粗面
化していないニッケル箔を電極として半田粉末を用いて
いないＰＴＣ素子をも採り上げた。表２に、これらの結
果をまとめて示した。

【００２６】

【表２】

【００２７】その結果、本発明によるＰＴＣ素子である
試料１及び試料２は、室温における抵抗率が０.８Ω・
ｃｍ、５Ａ、３０Ｖを通電した際のスイッチングまでの
時間が４秒で、そのときの抵抗率が１０^６Ω・ｃｍ、自
然冷却して室温まで温度を下げたときの抵抗率が１.０
Ω・ｃｍであった。これは、ＰＴＣ導電性組成物と粗面
化ニッケル箔電極を接着した従来品と同等であり、本発
明によるＰＴＣ素子が従来品と同等以上の安定な繰り返
し電流遮断特性を発現できることが確認できた。

【００２８】次に、本発明によるＰＴＣ素子を長期間使
用したときの信頼性を確認するため、温度８５℃、相対
湿度９０％の条件で一定日数、試料を保持した後の抵抗
上昇率を測定した。ここで、抵抗上昇率とは、１０回ス
イッチングを行った後の抵抗率と初期の抵抗率との比率
である。図１に、それらの結果を示す。

【００２９】図１から明らかなように、本発明によるＰ
ＴＣ素子においては、抵抗上昇率の変化が少なく、充分
な信頼性を具備していることが確認された。また、結晶
性高分子として高密度ポリエチレンのみを用いたＰＴＣ
素子も、抵抗上昇率の変化が大きいが、これは接着強度
が不十分なため剥離を起こしていることによると解され
る。

【００３０】次に、前記の評価を行った試料について、
電極とＰＴＣ導電性組成物との間の接着強度を評価する
ために剥離試験を行った。この結果を表３に示す。

【００３１】

【表３】

【００３２】表３より、本発明のＰＴＣ素子は、接着強
度が向上していることが明らかである。これは信頼性を
評価した前記の結果にも反映されている。

【００３３】

【発明の効果】以上に詳しく説明したように、本発明に
よれば、ＰＴＣ導電性組成物の組成と、電極との接着界
面の構造の改善により、長期間使用した際の抵抗率変化
の少ない、安定したＰＴＣ素子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＰＴＣ素子を長期間使用したときの信頼性の評
価結果を示す図。

【符号の説明】

１ 試料１の結果 ２ 試料２の結果 ３ 比較試料の結果 ４ 従来品１の結果 ５ 従来品２の結果

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 結晶性高分子と導電性フィラーからなる
   ＰＴＣ導電性組成物を一対の電極に挟んだ構造を有する
   ＰＴＣ素子において、前記ＰＴＣ導電性組成物の表面に
   半田粉末を付着させてなることを特徴とするＰＴＣ素
   子。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のＰＴＣ素子において、
   前記ＰＴＣ導電性組成物は、結晶性高分子１００重量部
   に対して、カップリング剤で表面処理を施した導電性フ
   ィラー３００ないし５５０重量部、架橋剤０.０１ない
   し１００重量部が配合されてなることを特徴とするＰＴ
   Ｃ素子。
3. 【請求項３】 請求項１及び請求項２のいずれかに記載
   のＰＴＣ素子において、前記結晶性高分子は、接着性ポ
   リオレフィン、熱可塑性高分子から選ばれる少なくとも
   １種類以上を含むことを特徴とするＰＴＣ素子。