JP2002208503A - 高分子ｐｔｃ素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高分子ＰＴＣ素子における、高分子ＰＴＣ組
成物と電極の界面における接触抵抗を低減し、導電性粒
子の凝集を抑制して動作温度における抵抗率を向上する
とともに、耐電圧を改善する方法を提供すること。 【解決手段】 結合材及び導電性粒子を溶媒に分散させ
たスラリーを、電極に塗布乾燥した後、塗布面を対向さ
せて圧着することで、高分子ＰＴＣ組成物と界面の接触
抵抗を低減し、導電性粒子として金属炭化物を用い、導
電性粒子の凝集を抑制することで動作温度における抵抗
率と耐電圧を向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、結晶性高分子物質
に導電性粒子が分散された高分子ＰＴＣ（Positive Tem
perature Coefficient：正温度係数）組成物にて形成し
たＰＴＣ 組成物層に電極を配置した高分子ＰＴＣ素子
に関し、更に詳しくは電池や電子機器の回路などにおけ
る異常発生時に、過電流が流れるのを防止する過電流保
護素子として用いる高分子ＰＴＣ素子に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、特定の温度領域において電気抵抗
が急激に増大する正の温度特性を示すＰＴＣ素子は、自
動的に温度を制御するヒータや、自己復帰型の過電流保
護素子などとして多用されている。そして、ＰＴＣ素子
に用いる組成物としては、酸化イットリウム（Ｙ
_２Ｏ_３）を微量添加したチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ
_３）などのセラミックス系ＰＴＣ組成物、カーボンブラ
ックなどの導電性粒子を結晶性高分子中に分散した高分
子ＰＴＣ組成物が知られている。

【０００３】セラミックス系ＰＴＣ組成物を用いたＰＴ
Ｃ 素子では、キュリー点での急激な抵抗値上昇を利用
しているが、定常状態における抵抗率が、約〜１００Ω
・ｃｍと高いために、数Ａ程度の比較的大きな電流を流
すことができない。このことは、セラミック系ＰＴＣ組
成物を用いたＰＴＣ素子が、過電流保護素子として利用
するのが困難であることを意味している。また、セラミ
ック系ＰＴＣ組成物は、所望の形状に成形、加工するの
に多くの工程を要し、耐衝撃性に劣るという問題があ
る。

【０００４】これに対し、高分子ＰＴＣ組成物を用いた
ＰＴＣ素子では、室温での抵抗率が低いために、過電流
保護素子に適していて、耐衝撃性が優れ、成形、加工が
容易である。

【０００５】高分子ＰＴＣ素子の動作原理は、結晶性高
分子の結晶融点での大きな熱膨張を利用して、室温でネ
ットワークを形成している導電性粒子を切り離すことに
よるものである。このために、結晶性高分子の結晶融点
近傍の温度で、抵抗率が急激に上昇し、室温に戻ると、
導電性粒子のネットワークが再形成され、抵抗率も低下
する

【０００６】そして、高分子ＰＴＣ素子の一般的な製造
方法は、ロールなどを用いて結晶性高分子に導電性粒子
を分散させて高分子ＰＴＣ組成物を得、これを加熱プレ
スやロールなどでシート成形し、金属箔などからなる電
極を圧着した後、所要の形状に打ち抜くというものであ
る。

【０００７】このような製造方法では、大量かつ連続的
な生産には不適であり、電極と高分子ＰＴＣ組成物との
密着が不十分で、界面での接触抵抗が高いために電気的
特性においても改善の余地があるとされている。

【０００８】また、一般に、従来の高分子ＰＴＣ組成物
には、導電性粒子として、カーボンブラックのように比
較的かさ密度が大きく、粒径の小さい安価な材料が用い
られているが、他の導電性粒子である金属炭化物に比較
して凝集しやすく、動作温度における抵抗率が低く、耐
電圧も低いという問題がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の技術
的な課題は、大量生産が可能で、電気的特性が優れた高
分子ＰＴＣ素子、及びその製造方法を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記の問題点
を解決するために、高分子ＰＴＣ素子における高分子Ｐ
ＴＣ組成物層の形成方法と、電極への貼り付け方法を検
討した結果なされたものである。

【００１１】即ち、本発明は、高分子化合物を主成分と
する結合材及び導電性粒子からなる高分子ＰＴＣ組成物
を溶媒に分散させたスラリーを、電極基板の表面に塗布
乾燥して得られる、電極基板と高分子ＰＴＣ組成物の塗
膜からなる積層体を、塗膜側を対向させて貼り合わせて
圧着する工程を含むことを特徴とする高分子ＰＴＣ素子
の製造方法である。

【００１２】また、本発明は、前記の高分子ＰＴＣ素子
の製造方法において、前記高分子ＰＴＣ組成物の導電性
粒子と結合材の構成比が、重量比で６０／４０ないし９
９／１であることを特徴とする高分子ＰＴＣ素子の製造
方法である。

【００１３】また、本発明は、前記の高分子ＰＴＣ素子
の製造方法において、前記導電性粒子が少なくとも１種
の金属炭化物、もしくは少なくとも１種の導電性炭素材
料、もしくは少なくとも１種の金属炭化物及び導電性炭
素材料を含むことを特徴とする高分子ＰＴＣ素子の製造
方法である。

【００１４】また、本発明は、前記の方法で得られる、
電極基板層と高分子ＰＴＣ組成物層からなる積層体の高
分子ＰＴＣ組成物層側を貼り合わせてなること特徴とす
る高分子ＰＴＣ素子である。

【００１５】

【作用】本発明による高分子ＰＴＣ素子においては、高
分子ＰＴＣ組成物を溶媒に分散させたスラリーを電極に
塗布し、乾燥後に圧着するという方法を用いるため、従
来の製造方法で得られる高分子ＰＴＣ素子よりも、高分
子ＰＴＣ組成物と電極との界面における接触抵抗を低く
することができる。

【００１６】また、本発明の製造方法においては、電極
として長尺の金属箔を用いることにより、高分子ＰＴＣ
組成物のスラリーを連続的に塗布できる。また、塗布が
終了した金属箔は、切断しないで、そのまま乾燥工程に
供給することも可能で、更に連続的に圧着工程に供給す
ることも可能なため、大量生産に適している。

【００１７】ここで、本発明に用いることができる導電
性粒子を例示すると、金属炭化物としては、チタンカー
バイド（ＴｉＣ）、タングステンカーバイド（ＷＣ、Ｗ
２Ｃ）、ジルコニウムカーバイド（ＺｒＣ）、バナジウ
ムカーバイド（ＶＣ）、タンタルカーバイド（Ｔａ
Ｃ）、モリブデンカーバイド（ＭｏＣ）などが、炭素系
の粒子としては、ファーネスブラック、サーマルブラッ
ク、アセチレンブラックなどのカーボンブラック類や、
グラファイト、カーボンファイバ、カーボンビーズ、カ
ーボンナノチューブなどが挙げられる。

【００１８】また、本発明に用いられる高分子化合物と
しては、適当な溶媒に溶解するものであれば、特に限定
されるものではないが、結晶性を有する高分子が望まし
く、各種のポリオレフィン、エチレン−アクリル酸コポ
リマー、ポリエステル、各種ポリアミド、各種ポリエチ
レンオキサイドなどが挙げられ、ＰＴＣ素子の動作温度
によって適宜選択される。なお、これらの高分子化合物
は、単一または混合して用いることもできる。

【００１９】本発明において、導電性粒子と高分子化合
物の構成比を限定した理由は、導電粒子の含有量が５０
重量％以下では、高分子ＰＴＣ組成物の抵抗率、特に室
温における抵抗率が高くなり、９９重量％以上では、導
電性粒子の量が多過ぎて実質的にシート形状を保持する
ことが不可能となるばかりでなく、高分子化合物の結晶
融点以上の温度、即ち動作温度においても、抵抗率が上
昇せず、所要のＰＴＣ特性が得られないことである。そ
して、導電性粒子と高分子化合物の構成比の更に望まし
い範囲は、重量比で８０／２０ないし９５／５である。

【００２０】また、本発明に用いられるスラリーの塗布
装置としては、グラビアロールコーター、リバースロー
ルコーター、コンマコーター、ダイコーターなどが挙げ
られる。

【００２１】

【発明の実施の形態】次に、図を参照して、本発明の実
施の形態について説明する。

【００２２】まず、電極として厚さ３０μｍのニッケル
箔を、導電性粒子としてＴｉＣ粉末とカーボンブラック
粉末を、高分子化合物として塩素化ポリエチレンを、溶
媒としてトルエンとメチルエチルケトン（ＭＥＫ）をそ
れぞれ準備した。そして、導電性粒子、高分子化合物、
溶媒、そして分散安定剤を、それぞれ表１の組成となる
ように秤量して、３種類の高分子ＰＴＣ組成物のスラリ
ーを準備した。

【００２３】

【表１】

【００２４】図１は、本発明による高分子ＰＴＣ素子の
製造装置の概略を、模式的に示したものである。高分子
ＰＴＣ組成物のスラリー１は、タンク３に投入され、所
要の速度で送り出されるニッケル箔２の表面に滴下され
る。ニッケル箔２は、一定幅で巻き取られたロールの状
態で使用される。ニッケル箔２の上に滴下された高分子
ＰＴＣ組成物のスラリー１は、コーターナイフ４で所要
の厚さで塗布される。

【００２５】塗布後のニッケル箔２は、そのまま連続的
に、乾燥炉７に搬送され、遠赤外線及び熱風により溶媒
が除去される。引き続き、高分子ＰＴＣ組成物が塗布さ
れたニッケル箔２は、図１に示したように、塗布面を対
向させた状態で、カレンダーロール５で仮圧着され、積
層体８となる。

【００２６】このようにして得られた積層体８を、適当
な長さに切断し、熱プレスで圧着を行なう。ここでは、
温度を１５０℃、圧力を２０ＭＰａ、時間を１５分とし
て、圧着を行なった。圧着後の積層体８を切断して、１
辺が４ｍｍの正方形で、電極を含む厚さが３００μｍの
高分子ＰＴＣ素子を得た。図２は、この高分子ＰＴＣ素
子の断面を模式的に示したものである。

【００２７】また、比較に供するために、塩素化ポリエ
チレンとカーボンブラック粉末をロールで混練した高分
子ＰＴＣ組成物を、厚さ２５０μｍのシートに成形し、
実施例に用いたニッケル箔を両面に配置して、実施例と
同じ条件で熱プレスを行い、電極を含む厚さが３００μ
ｍの積層体を作製した。この積層体を、やはり１辺が４
ｍｍの正方形に切断し、比較用の高分子ＰＴＣ素子とし
た。表２には、この比較試料の秤量組成を示した。

【００２８】

【表２】

【００２９】次に、前記の高分子ＰＴＣ素子のそれぞれ
について、温度が２５℃、湿度が４０ＲＨ％という環境
における抵抗率（Ｒ_１）、結晶融点以上の温度、即ち動
作温度における抵抗率（Ｒ_２）、耐電圧（Ｖ）を測定し
た。これらの結果を表３にまとめて示した。なお、これ
らの高分子ＰＴＣ素子の動作温度は９８℃であった。

【００３０】

【表３】

【００３１】表３に示したように、実施例のＮｏ.１及
びＮｏ.２の高分子ＰＴＣ素子は、比較例の高分子ＰＴ
Ｃ素子と比較すると、Ｒ_１の数値が小さく、Ｒ_２の数値
が大きくなっていて、好適なＰＴＣ特性を示した。これ
は、本発明の高分子ＰＴＣ素子の製造方法における、ス
ラリーの電極への塗布と、導電性粒子に金属炭化物を用
いた効果が発現されたためと解される。

【００３２】また、実施例のＮｏ.３の高分子ＰＴＣ素
子においても、導電性粒子として、比較例と同様にカー
ボンブラック粉末のみを用いているにも関わらず、比較
例よりもＲ_１の数値が小さくなっていて、本明の効果に
よって、高分子ＰＴＣ組成物と電極との界面における接
触抵抗が低減されている。

【００３３】更に、耐電圧（Ｖ）においては、実施例の
Ｎｏ.１及びＮｏ.２の高分子ＰＴＣ素子が、比較例の約
３倍である１１０Ｖという数値となった。これは、導電
性粒子として金属炭化物を用いたことにより、導電性粒
子の凝集が起こり難くなっているためと解される。

【００３４】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、高分子ＰＴＣ組成物と電極との界面における接触抵
抗が低減され、動作温度における抵抗率と耐電圧が従来
の製造方法によるものよりも向上した、高分子ＰＴＣ素
子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高分子ＰＴＣ素子の製造装置を模式的
に示す図。

【図２】高分子ＰＴＣ素子の断面を模式的に示す図。

【符号の説明】

１ 高分子ＰＴＣ組成物のスラリー ２ ニッケル箔 ３ タンク ４ コーターナイフ ５ カレンダーロール ６ 誘導ロール ７ 乾燥炉 ８ 積層体 ９ 高分子ＰＴＣ素子 １０ 導電性粒子 １１ 結合材 １２ 電極

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高分子化合物を主成分とする結合材及び
   導電性粒子からなる高分子ＰＴＣ組成物を溶媒に分散さ
   せたスラリーを、電極基板の表面に塗布乾燥して得られ
   る、電極基板と高分子ＰＴＣ組成物の塗膜からなる積層
   体を、塗膜側を対向させて貼り合わせて圧着する工程を
   含むことを特徴とする高分子ＰＴＣ素子の製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の高分子ＰＴＣ素子の製
   造方法において、前記高分子ＰＴＣ組成物の導電性粒子
   と結合材の構成比は、重量比で６０／４０ないし９９／
   １であることを特徴とする高分子ＰＴＣ素子の製造方
   法。
3. 【請求項３】 請求項１もしくは請求項２のいずれかに
   記載の高分子ＰＴＣ素子の製造方法において、前記導電
   性粒子は少なくとも１種の金属炭化物、もしくは少なく
   とも１種の導電性炭素材料、もしくは少なくとも１種の
   金属炭化物及び導電性炭素材料を含むことを特徴とする
   高分子ＰＴＣ素子の製造方法。
4. 【請求項４】 電極基板層と高分子ＰＴＣ組成物層から
   なる積層体の、高分子ＰＴＣ組成物層側を貼り合わせて
   なること特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか
   に記載の方法で得られる高分子ＰＴＣ素子。