JP2002124402A

JP2002124402A - Ｐｔｃ素子及びその製造方法

Info

Publication number: JP2002124402A
Application number: JP2000317502A
Authority: JP
Inventors: Okikuni Takahata; 興邦高畑
Original assignee: Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2000-10-18
Filing date: 2000-10-18
Publication date: 2002-04-26

Abstract

(57)【要約】【課題】結晶性ポリマーに導電性粉末を混練したＰＴ
Ｃ組成物の成形体表面に、電極を取り付けた構造を有す
るＰＴＣ素子の、電極の密着性を向上し、スイッチング
動作、経時変化に対する信頼性向上すること。【解決手段】ＰＴＣ組成物表面に、導電体と塩素化ポ
リオレフィンと溶媒からなるペーストを塗布して乾燥し
た後、圧着処理を施すことにより、前記導電体の一部が
塩素化ポリオレフィンを介して成形体表面に露出した構
造を付与し、更にメッキにより導電体が露出した面に電
極を形成する。塩素化ポリオレフィンとＰＴＣ組成物と
の親和性が向上することで、電極とＰＴＣ組成物の界面
の接触抵抗が低下し、経時変化に対する信頼性も向上す
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、導電体粉末と結晶
性高分子化合物を含む成形体に電極を接着した構造を有
し、ある特定の温度領域（以下、スイッチング温度と称
する）に達したときに、急激に電気抵抗が上昇する正温
度特性、いわゆるＰＴＣ（Positive Temperature Coe
fficient）特性を有するＰＴＣ素子の製造方法、特にＰ
ＴＣ素子の電極と成形体との接触抵抗を低減し、所要の
オーミック接触を備えたＰＴＣ素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＰＴＣ素子は、結晶性高分子に導電性粉
末を混練して得られるＰＴＣ組成物と電極からなり、あ
る特定の温度で急激な抵抗上昇を示す。そのため、環境
温度が上昇することによって急激に電気抵抗が上昇す
る。

【０００３】また、ＰＴＣ組成物は、材料固有の抵抗値
Ｒと素子に流された電流値Ｉに起因する、いわゆるジュ
ール熱（Ｉ^２Ｒ加熱）により発熱する。そのため、ＰＴ
Ｃ組成物に比較的大きな電流が流れると発熱し、抵抗率
が上昇する。

【０００４】このＰＴＣ組成物に電極を形成したＰＴＣ
素子は、環境温度の変化に対する温度センサとして、ま
た前述のジュール熱を利用した面状発熱体や、抵抗率の
上昇を利用した過電流保護素子などに用いられる。

【０００５】このようなＰＴＣ素子の電極としては、ス
テンレス、ニッケルなどの金属板が用いられる。そし
て、金属板表面をＰＴＣ組成物表面に接合して電極とし
た場合、ＰＴＣ組成物と電極間の接触抵抗が高く、所要
のオーミック接触が得られず、ＰＴＣ素子の室温におけ
る抵抗率が高くなることがある。また、ＰＴＣ組成物と
電極間の密着性が不十分で、繰り返し動作により、抵抗
が大幅に増加するなど、実用上の問題が残る。

【０００６】このため、ＰＴＣ組成物と電極との密着性
向上を目的として、金属板のＰＴＣ組成物表面に接する
面を、物理的、化学的に粗面化して電極とすることがあ
る。また、ＰＴＣ組成物を所要の形状に成形した後、表
面に直接金属メッキを施し、これを電極とすることもあ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、ＰＴＣ組成
物表面に接する面を物理的、化学的に粗面化した金属板
を接合して電極とした場合、比較的接触抵抗が低く、Ｐ
ＴＣ組成物と電極間の密着性も確保できるが、ＰＴＣ組
成物と金属板との間で、所要のオーミック接触が得られ
ない問題が残る。

【０００８】特に、ＰＴＣ素子の室温における抵抗率の
低減、及び繰り返し動作に対する安定性向上を目的とし
て、ＰＴＣ組成物に分散する導電性粉末量を、４５体積
％程度以上に増加させた場合では、室温における抵抗率
を、ある一定値以下とすることが困難なことや、繰り返
し動作毎の抵抗率上昇を完全には抑制できないことなど
の問題が残る。

【０００９】また、ＰＴＣ組成物へ直接金属メッキを施
し、これを電極とした場合、ＰＴＣ組成物とメッキ被膜
との間の密着強度が十分ではなく、ＰＴＣ組成物とメッ
キ被膜との間の接触抵抗が高く、更に、繰り返し動作に
より大幅な抵抗率増加が生じる問題がある。ＰＴＣ素子
を繰り返し動作、即ち通電を繰り返した場合、ＰＴＣ組
成物自体の劣化によっても室温抵抗率が増加する問題が
ある。これは、繰り返し動作毎のヒートショックにより
結晶性ポリマー成分が劣化することによると推定され
る。

【００１０】そこで、本発明の技術的課題は、繰り返し
動作安定性に優れ、かつＰＴＣ組成物との間の密着性が
十分で、接触抵抗が低い電極を有するＰＴＣ素子の製造
法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するため、ＰＴＣ組成物と電極との界面の構造、及び
導電性粉末充填材の適正な条件を種々検討した結果、な
されたものである。

【００１２】即ち、本発明は、結晶性ポリマーを含む成
分に、結晶性ポリマーを含む成分に対して４５〜６０体
積％となるように導電性粉末充填材を混練した組成物の
成形体表面に、導電体、前記結晶性ポリマーと溶解度パ
ラメータの差が３（ＭＰａ^1/ ²）以内のポリマー、及び
溶媒からなるペーストを塗布し乾燥した後、導電体を導
電体の一部が前記成形体の表面から露出するように圧着
して埋設し、前記導電体の一部が露出した前記成形体の
表面にメッキ処理を施すことを特徴とするＰＴＣ素子の
製造方法である。

【００１３】また、本発明は、前記ＰＴＣ素子の製造方
法において、前記結晶性ポリマーと溶解度パラメータの
差が３（ＭＰａ^1/2）以内の前記ポリマーは、塩素化ポ
リオレフィンであるＰＴＣ素子の製造方法である。

【００１４】また、本発明は、前記のＰＴＣ素子の製造
方法において、前記導電性粉末充填材は、ＴｉＣ、Ｗ
Ｃ、Ｗ_２Ｃ、ＺｒＣ、ＶＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ、Ｍｏ_２Ｃ
から選択される少なくとも一種であることを特徴とする
ＰＴＣ素子の製造方法である。

【００１５】また、本発明は、４５〜６０体積％の導電
性粉末充填材と結晶性ポリマーを含む成分からなる成形
体と、一部が露出するように前記成形体の表面に埋設さ
れた導電体と、導電体が露出した前記成形体の表面に形
成されたメッキ被膜からなることを特徴とするＰＴＣ素
子である。

【００１６】

【作用】前記のように、ＰＴＣ組成物の成形体表面に導
電体を含むペーストを塗布し、導電体を圧着して埋設す
るには、ＰＴＣ組成物成形体、即ち結晶性ポリマーと、
ペーストに含まれるバインダーの接着性が重要となる。
結晶性ポリマーとバインダーとの密着性が不十分な場
合、素子作製直後は比較的良好な密着性が得られるが、
その後の経時変化、特に水分の侵入によって密着性が低
下し、ＰＴＣ組成物表面に埋設した導電体の拘束力が低
下して電極自体の密着性が低下するためである。

【００１７】一般に異種ポリマーの密着性を向上させる
には、双方の溶解度パラメータ（ＳＰ値）の数値を近づ
けることが重要である。そこで、本発明においては、ペ
ーストに用いる最も一般的なバインダーであるポリビニ
ルブチラール（以下、ＰＶＢと称する）よりも、ＳＰ値
が結晶性ポリマーに近く、結晶性ポリマーに対する接着
性を有するとされる塩素化ポリオレフィンを、導電体塗
布の際のバインダーとして選択した。また、表１には、
代表的な結晶性ポリマーである高密度ポリエチレン（以
下、ＨＤＰＥと称する）と、ＰＶＢ及び塩素化ポリオレ
フィンのＳＰ値を示した。

【００１８】

【表１】

【００１９】また、本発明では、導電性粉末として、Ｔ
ｉＣ、ＷＣ、Ｗ_２Ｃ、ＺｒＣ、ＶＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ、
Ｍｏ_２Ｃという金属炭化物を用いるが、これに限定した
のは次の理由による。つまり、金属粉末を用いた場合で
は、粉末の凝集が生じ、局部的に導電路が形成され、耐
電圧特性が低下する。また、カーボンブラックや黒鉛な
どのカーボン系の導電性粉末を用いた場合では、粉末の
抵抗率が金属炭化物よりも高く、ＰＴＣ組成物の室温に
おける抵抗率が、ＰＴＣ組成物として必要とされる２Ω
・ｃｍという数値を上回ることによる。

【００２０】また、本発明で導電性粉末の充填量を４５
〜６０体積％としたのは、４５体積％以下の範囲では、
初期の室温における抵抗率が２Ω・ｃｍ以下であって
も、繰り返し動作における安定性が低下し、動作回数の
増加に従い、室温における抵抗率が２Ω・ｃｍを超える
からであり、６０体積％以上の範囲では、混練などの作
業性が著しく低下し、実質的にＰＴＣ素子を得るのが不
可能となるからである。なお、ＰＴＣ素子の繰り返し動
作の安定性が向上することから、導電性粉末の充填量を
５０体積％以上とすることが望ましい。

【００２１】

【実施例】次に、具体的な実施例に基づいて、本発明を
詳細に説明する。

【００２２】（実施例１）まず、結晶性ポリマー成分と
して、軟化点が１３０℃程度のＨＤＰＥと、粒径１〜５
μｍの導電性粉末を、表面温度を１４０〜２００℃に設
定した加熱ロールを用いて、導電性粉末が４５〜６０体
積％となるように混練し、ＰＴＣ組成物を得た。導電性
粉末としてはＴｉＣ、ＷＣ、Ｗ_２Ｃ、ＺｒＣ、ＶＣ、Ｎ
ｂＣ、ＴａＣ、Ｍｏ_２Ｃを用いた。

【００２３】次に、ＰＴＣ組成物を粉砕した後、１４０
〜２００℃の範囲の温度でプレス成形しシート化した。
得られたＰＴＣ組成物シートの両面に、Ｎｉ粉末と塩素
化ポリエチレン及び溶媒からなる導電性ペーストを塗布
し、室温で５時間以上の乾燥処理を行った。乾燥処理後
のシートを１４０〜２００℃の範囲の温度で、５〜１５
分間熱プレスを行い、Ｎｉ粉末の圧着処理を行った。そ
の結果、Ｎｉ粉末の大部分がシート中に埋設され、その
一部がシート表面に露出した状態のＰＴＣ組成物シート
が得られた。

【００２４】このように導電体の圧着処理が施されたＰ
ＴＣ組成物シートを脱脂処理した後、Ｎｉ無電解及びＮ
ｉ電解メッキ処理を施し、電極を形成した。以上のよう
にして得られたＮｉメッキを施したＰＴＣ組成物シート
より、面積１ｃｍ^２の試験片を打ち抜き、評価用試料と
した。

【００２５】（比較例１）次に、比較に供するために、
ＰＶＢをバインダーとした導電性ペーストを用いた場合
について、第１の比較例として説明する。ＰＴＣ組成物
のシート化までは実施例と同様に行った。得られたＰＴ
Ｃ組成物シートの両面に、Ｎｉ粉末とポリビニルブチラ
ール及び溶媒からなる導電性ペーストを塗布し、室温で
５時間以上の乾燥処理を行った。

【００２６】乾燥処理後のシートを１４０〜２００℃の
温度で、５〜１５分間熱プレスを行い、Ｎｉ粉末の圧着
処理を行った。その結果、Ｎｉ粉末の大部分がシート中
に埋設され、その一部がシート表面に露出した状態のＰ
ＴＣ組成物のシートが得られた。

【００２７】このように圧着処理が施されたＰＴＣ組成
物シートを脱脂処理した後、Ｎｉ無電解及びＮｉ電解メ
ッキ処理を施し、電極を形成した。以上のようにして得
られたシートより、面積１ｃｍ^２の試験片を打ち抜き、
評価用試料とした。

【００２８】（比較例２）次に、第２の比較例として、
導電性ペーストの塗布を施さず、かつ電極の形成をメッ
キではなく、金属板の貼り付けによった場合について説
明する。ＰＴＣ組成物のシート化までは実施例と同様に
行った。その後、ＰＴＣ組成物シートの両面に、金属板
を１４０〜２００℃の温度の熱プレスにより接合し電極
を形成した。得られたシートを面積１ｃｍ^２の大きさに
打ち抜き加工し、ＰＴＣ素子を得、評価用試料とした。
なお、ここで使用した金属板の表面には、粗面化などの
処理を施していない。

【００２９】（比較例３）次に、第３の比較例として、
導電性ペーストの塗布を施さず、片面を粗面化した金属
板を電極に用いた場合について説明する。この比較例に
おいても、ＰＴＣ組成物のシート化までは、実施例と同
様に行った。その後、ＰＴＣ組成物シートの両面に、シ
ートに接する側を電解質で粗面化した金属板を１４０〜
２００℃の温度の熱プレスにより接合し電極を形成し
た。その後、１ｃｍ^２の大きさに打ち抜き、ＰＴＣ素子
を得、評価用の試料とした。

【００３０】（比較例４）次に、第４の比較例として、
導電性ペーストの塗布を施さず、ＰＴＣ組成物のシート
の表面に直接メッキを行い、電極を形成した場合につい
て説明する。この比較例においてもＰＴＣ組成物のシー
ト化までは実施例と同様に行なった。その後、ＰＴＣ組
成物のシートを脱脂処理した後、Ｎｉ無電解及びＮｉ電
解メッキ処理を施し、電極を形成した。その後、１ｃｍ
^２の大きさに打ち抜き加工し、ＰＴＣ素子を得、評価用
の試料とした。

【００３１】（比較例５）次に、第５の比較例として、
導電性粉末の充填率を４４体積％とした場合について説
明する。導電性粉末の充填率を４４体積％とした他は、
実施例とまったく同様にしてＰＴＣ素子を得、評価用の
試料とした。

【００３２】ここでＰＴＣ素子として十分な信頼性を確
保するために必要な特性について説明する。まず、電極
の接合強度については、５.１Ｐａ以上、室温における
電気抵抗については、前記のように、２Ω・ｃｍ以下で
あることが必要である。また、温度センサ、過電流保護
素子として十分に動作し、かつ、面状発熱体としての使
用に耐えるには、抵抗率が温度上昇に伴って急激に上昇
した後、即ちスイッチング後の抵抗率と室温における抵
抗率の比が、１０^４以上であることが必要である。更
に、経時変化に関する信頼性については、５００回程度
のスイッチング後の室温における抵抗値が２Ω・ｃｍを
上回らないことが必要である。

【００３３】次に、前記の実施例、比較例の試料につい
ての評価方法及び結果について説明する。まず、ＰＴＣ
素子電極表面に、リード線を半田付けにより接続した。
更に、リード線の周囲をエポキシ樹脂で被覆して、電極
の接合強度測定用の試料とした。この試料を用い、電極
と素子との接合強度を測定した。表２には実施例、各比
較例の接合強度の測定結果を示した。

【００３４】

【表２】

【００３５】表２から明らかなように、本発明によるＰ
ＴＣ素子の電極の接合強度は、粗面化していない金属板
を電極とした比較例２、メッキ処理のみで電極を形成し
た比較例４と比較して大きく、金属板を祖面化して電極
とした比較例２と同等であり、電極として十分な信頼性
を確保できる、５.１Ｐａ以上であることが確認され
た。また、ＰＶＢをバインダーとして導電性ペーストを
作製した比較例１の場合でも、試料作製直後は、十分な
接合強度を発現した。

【００３６】次に、実施例、比較例の試料について、室
温における抵抗率を測定した。測定は直流４探針でディ
ジタルマルチメータを用いた。表３は、これらの測定結
果をまとめて示したものである。

【００３７】

【表３】

【００３８】表３から明らかなように、本発明によるＰ
ＴＣ素子の室温における抵抗率は、導電性粉末が、Ｔｉ
Ｃ、ＷＣ、Ｗ_２Ｃ、ＺｒＣ、ＶＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ、Ｍ
ｏ_２Ｃのいずれの場合も、ＰＴＣ素子として必要な、２
Ω・ｃｍ以下という数値を下回ることが確認された。こ
れに対して、金属板を粗面化しないで電極とした比較例
２、及びメッキ処理のみで電極を形成した比較例４で
は、電極とＰＴＣ組成物の界面での接触抵抗が高いた
め、室温における抵抗率が高い。

【００３９】また、図１は、実施例の試料について、抵
抗率の温度依存性を測定した結果を示したものである。
測定はオイルバス中、４探針法で行い、抵抗率の測定に
はディジタルマルチメータを用いた。

【００４０】図１から明らかなように、実施例のＰＴＣ
素子は、室温における抵抗率が、２Ω・ｃｍ以下であ
り、かつ抵抗率の温度依存性を見ると、結晶性ポリマー
の軟化点に対応した温度で抵抗率の急峻な立ち上がりが
見られる。また、スイッチング後と室温の抵抗の比率
が、１０^８であり、ＰＴＣ素子として必要な数値を大き
く上回っている。

【００４１】また、図２は、実施例及び比較例の試料に
ついて、１０Ａ（５０Ｖ）の電流を繰り返し通電した際
の、動作後の抵抗率の変化を示したものである。図２か
ら明らかなように、実施例のＰＴＣ素子は、初期の室温
における抵抗率が、ＰＴＣ素子として必要な２Ω・ｃｍ
以下の数値を示し、かつ繰り返し通電後も、数回の通電
後に抵抗率の増加が飽和状態となり、２Ω・ｃｍ以下の
数値を維持した。なお、図２における実施例は、前記８
種類の導電性粉末を用いたいずれも同等の特性を示した
ので、ＴｉＣを用いた試料を代表として示した。

【００４２】これに対し、金属板を粗面化しないで電極
とした比較例２、メッキ処理のみで電極を形成した比較
例４では、初期の室温における抵抗率が２Ω・ｃｍを大
きく上回り、更に、繰り返し通電により室温における抵
抗率が急激に上昇する。金属板を粗面化して電極とした
比較例３は、初期の室温における抵抗率が２Ω・ｃｍ以
下であるが、繰り返し通電により室温における抵抗率
が、２Ω・ｃｍを超えて上昇し、しかも飽和に達するこ
とがない。

【００４３】また、導電性粉末であるＴｉＣの混合率を
４４体積％以下とした比較例４では、初期の室温におけ
る抵抗率が２Ω・ｃｍ以下であるが、繰り返し通電によ
り室温における抵抗率が２Ω・ｃｍを超え、安定した繰
り返し動作特性が得られない。また、導電性ペーストの
バインダーとしてＰＶＢを用いた比較例１では、試料作
製直後は、抵抗率が２Ω・ｃｍを大きく下回り、繰り返
し通電後も２Ω・ｃｍという数値を維持した。

【００４４】次に、実施例及び比較例１の試料につい
て、恒温恒湿槽に装入して、８５℃、９０％ＲＨに２週
間保持した後、１０Ａ（５０Ｖ）の電流を繰り返し通電
した際の、素子動作後の抵抗率の変化を測定した。この
結果を図３に示した。図３から明らかなように、本発明
によるＰＴＣ素子は、恒温恒湿で２週間保持した後も、
初期の室温における抵抗率が２Ω・ｃｍ以下であり、か
つ繰り返し通電後も２Ω・ｃｍ以下の数値を維持した。
なお、この場合も、実施例はＴｉＣを用いた試料であ
る。

【００４５】これに対して、導電体ペーストのバインダ
ーにＰＶＢを用いた比較例１は、恒温恒湿下で２週間保
持した後の繰り返し通電により、室温における抵抗率が
２Ω・ｃｍを上回り、安定した繰り返し動作が得られな
い。

【００４６】

【発明の効果】以上に詳しく説明したように、実施例の
ＰＴＣ素子は、初期の抵抗率、繰り返し動作後の抵抗
率、及び恒温恒湿試験後の抵抗率も、ＰＴＣ素子として
必要な数値を十分に確保していることが分かる。

【００４７】よって、本発明によれば、結晶性ポリマー
成分と体積充填率４５〜６０％の導電性粉末を混練した
ＰＴＣ組成物成形体表面に、導電体をその一部が表面に
露出するように塩素化ポリオレフィンを介して埋設し、
更に導電体を埋設した面にメッキにより形成された電極
を有するＰＴＣ素子と、その製造方法が得られる。本発
明によるＰＴＣ素子は、前記のように初期特性、経時変
化の特性に優れたものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の温度と抵抗率の関係を示す図。

【図２】実施例及び比較例の動作回数と抵抗率の関係を
示す図。

【図３】実施例及び比較例の恒温恒湿試験前後の動作回
数と抵抗率の関係を示す図。

【符号の説明】

２１実施例２２比較例１２３比較例２２４比較例３２５比較例４２６比較例５３１実施例（恒温恒湿試験前）３２実施例（恒温恒湿試験後）３３比較例１（恒温恒湿試験前）３４比較例１（恒温恒湿試験後）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】結晶性ポリマーを含む成分に、結晶性ポ
リマーを含む成分に対して４５〜６０体積％となるよう
に導電性粉末充填材を混練した組成物の成形体表面に、
導電体、前記結晶性ポリマーと溶解度パラメータの差が
３（ＭＰａ^1/ ²）以内のポリマー、及び溶媒からなるペ
ーストを塗布し乾燥した後、導電体を導電体の一部が前
記成形体の表面から露出するように圧着して埋設し、前
記導電体の一部が露出した前記成形体の表面にメッキ処
理を施すことを特徴とするＰＴＣ素子の製造方法。
【請求項２】請求項１に記載のＰＴＣ素子の製造方法
において、前記結晶性ポリマーと溶解度パラメータの差
が３（ＭＰａ^1/2）以内の前記ポリマーは、塩素化ポリ
オレフィンであることを特徴とするＰＴＣ素子の製造方
法。
【請求項３】請求項１もしくは請求項２のいずれかに
記載のＰＴＣ素子の製造方法において、前記導電性粉末
充填材は、ＴｉＣ、ＷＣ、Ｗ_２Ｃ、ＺｒＣ、ＶＣ、Ｎｂ
Ｃ、ＴａＣ、Ｍｏ_２Ｃから選択される少なくとも一種で
あることを特徴とするＰＴＣ素子の製造方法。
【請求項４】４５〜６０体積％の導電性粉末充填材と
結晶性ポリマーを含む成分からなる成形体と、一部が露
出するように前記成形体の表面に埋設された導電体と、
導電体が露出した前記成形体の表面に形成されたメッキ
被膜からなる請求項１ないし請求項３のいずれかに記載
の方法で得られることを特徴とするＰＴＣ素子。