JP2003318008A - 高分子ｐｔｃ組成物及び高分子ｐｔｃ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 結晶性高分子化合物を含む結合材に、金属系
導電性粉末を混合・分散した高分子ＰＴＣ組成物を、シ
ート状に成形して両側に電極板を配置した高分子ＰＴＣ
素子で、導電性粉末の占積率を低くしても、所要の電気
抵抗を発現し得る高分子ＰＴＣ素子を提供すること。 【解決手段】 導電性粉末として、炭化チタンや窒化チ
タンなどのような金属系導電性粉末を用い、それらの導
電性粉末の粒度分布を調整することで、導電性粉末の占
積率が低い領域においても、十分に低い電気抵抗を備え
た高分子ＰＴＣ素子が得られる。具体的には、平均粒径
が０.２〜２０μｍの導電性粉末と、平均粒径が２０〜
２００μｍの導電性粉末を混合して用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特定の温度領域に
達した際に、急激に抵抗が上昇する正温度特性、いわゆ
るＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）特性
を有するＰＴＣ素子に関し、特に結晶性高分子に導電性
粉末を充填したＰＴＣ組成物からなる成形体に、電極を
設けた構造の高分子ＰＴＣ素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】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
高分子ＰＴＣ素子では、室温における抵抗率が低いため
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、規定値以上の電流により
過度に発熱した際に、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
方法には、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、乾式
法がある。

【０００７】また、高分子ＰＴＣ組成物のシートを得る
方法として、結晶性高分子の溶液に導電性フィラーを分
散させたペーストを用いて成膜する湿式法もあり、この
場合は、電極を構成する金属箔の上に成膜して、成膜し
た側を対向させて一体化するという方法もある。

【０００８】そして、近年の二次電池を始めとする、電
気電子機器やそれらに用いられる部品の小型が進むに従
い、高分子ＰＴＣ素子についても、抵抗値の低減が要求
され、用いる導電性粉末として、カーボン系に替えて、
金属や金属炭化物が用いられていて、その中でも炭化チ
タンのような金属炭化物が、導電性が高いことや凝集が
生じ難いことなどから多用される傾向にある。

【０００９】しかしながら、前記のような金属系の導電
性粉末を用いた高分子ＰＴＣ組成物では、導電性粉末の
占積率が一定値以上でないと、所要の導電性が得られな
いため、原材料費がコスト増加の要因となる。また、粒
径の大きな導電性粉末を用いることで、占積率低減が図
れるが、高分子ＰＴＣ素子の耐電圧が低下するという問
題があった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の技術
的な課題は、前記の問題を解決するため、導電性粉末の
占積率が低い場合でも、常温における電気抵抗が低く、
かつ安定したＰＴＣ特性を発現する高分子ＰＴＣ組成
物、並びにそれを用いた高分子ＰＴＣ素子を提供するこ
とにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、高分子ＰＴＣ
組成物に充填する導電性粉末の量が少ない場合でも、導
電性粉末が導電路を確実に形成し得るように、導電性粉
末の粒径分布の最適化を検討した結果、なされたもので
ある。

【００１２】即ち、本発明は、結晶性高分子を含む結合
材と導電性粉末とを混合混練してなる高分子ＰＴＣ組成
物において、前記導電性粉末は、平均粒径を異にする少
なくとも２種類からなり、占積率が３０〜６４％である
ことを特徴とする高分子ＰＴＣ組成物である。

【００１３】また、本発明は、前記の高分子ＰＴＣ組成
物において、前記導電性粉末は、粒径が０.２〜２０μ
ｍの導電性粉末の少なくとも１種、粒径が２０〜２００
μｍの導電性粉末の少なくとも１種からなることを特徴
とする高分子ＰＴＣ組成物である。

【００１４】また、本発明は、前記の高分子ＰＴＣ組成
物において、前記導電性粉末は、炭化チタン、窒化チタ
ンの少なくともいずれかを含むことを特徴とする高分子
ＰＴＣ組成物である。

【００１５】また、本発明は前記の高分子ＰＴＣ組成物
のシート状成形体の両面に、電極が配置されてなること
を特徴とする高分子ＰＴＣ素子である。

【００１６】本発明による、高分子ＰＴＣ組成物におい
ては、導電性粉末として、平均粒径の異なるものを少な
くとも２種類混合してあるので、比較的径の大きな粒子
の間隙に、比較的径の小さな粒子が配置されることで、
粒子間の接点が飛躍的に多くなる。その結果、高分子Ｐ
ＴＣ組成物の常温における電気抵抗が低くなり、安定し
たＰＴＣ特性を有する高分子ＰＴＣ素子を得ることがで
きる。

【００１７】本発明者の検討結果によると、粒子径が
０.２〜２０μｍの導電性粉末だけで高分子ＰＴＣ組成
物を作製すると、導電性粉末の占積率を４２％以上にし
ないと、所要の導電性が得られない。また、粒子径が２
０〜２００μｍの導電性粉末だけで高分子ＰＴＣ組成物
を作製すると、導電性粉末の占積率が３０％以上の領域
で、所要の導電特性が得られるが、高分子ＰＴＣ素子の
耐電圧が低下し、ショートが起こりやすくなる。

【００１８】これに対して、粒子径が０.２〜２０μｍ
の導電性粉末と、粒子径が２０〜２００μｍの導電性粉
末を混合して使用した場合、占積率が３５％以上の領域
で、所要の導電性を有し、安定したＰＴＣ特性を発現す
る高分子ＰＴＣ素子が得られる。

【００１９】この理由は、粒子径が０.２〜２０μｍの
導電性粉末が、電流密度の増加を抑制し、耐電圧を低下
させることなく、粒子径が２０〜２００μｍの導電性粉
末が導電助剤として機能するためと解される。その結
果、導電性粉末の占積率を抑制しても、常温における電
気抵抗が小さい、従来の方法では得られなかった高特性
の高分子ＰＴＣ素子が得られる。

【００２０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につ
き、例を挙げて説明する。

【００２１】本発明の高分子ＰＴＣ素子の作製では、ま
ず結晶性高分子を主成分とする結合材と、粒径の異なる
２種以上の導電性粉末とを所要量秤量し、結合材の軟化
点以上の温度で混練し、高分子ＰＴＣ組成物とする。混
練には加圧ニーダーや、ロールが用いられる。

【００２２】結晶性高分子としては、高分子ＰＴＣ素子
の温度上昇に際して、所要温度で電気抵抗が急激に増加
する、即ちスイッチング動作が起こる温度付近に、融点
を有するものであれば、特に限定されるものではない。
一般的には、融点が１３０℃以上である、高密度ポリエ
チレン（以下、ＨＤＰＥと記す）などが好適である。

【００２３】また、電極には、厚さが２５μｍ程度の金
属箔が用いられ、高分子ＰＴＣ組成物との密着性を考慮
して、高分子ＰＴＣ組成物が配置される側に、粗面化加
工を施しておくことが望ましい。電極の接着は、高分子
ＰＴＣ組成物の熱可塑性を利用して、熱プレスで行うの
が最も簡便で確実である。

【００２４】

【実施例】次に、実施例を挙げ、さらに具体的に説明す
る。

【００２５】（実施例１）まず、第１の実施例として、
導電性粉末の占積率の好ましい範囲が、３０〜６４％で
あることを検証するために、新日本金属製の平均粒径が
１．５μｍの炭化チタン（以下、ＴｉＣと記す）粉末
と、同じく新日本金属製で平均粒径が７０μｍのＴｉＣ
粉末を重量比で８：２で混合した導電性粉末と、三菱化
学製で融点が１３７℃のＨＤＰＥ（商品名；ＨＹ５４
０）を、導電性粉末の占積率が２０〜６０％となるよう
に秤量し、ロールを用いて１６０℃で２０分間混練し、
高分子ＰＴＣ組成物を得た。

【００２６】得られた高分子ＰＴＣ組成物を、片面に粗
面化加工を施した厚さが２５μｍのニッケル箔の間に挟
み、全体の厚さが３００μｍとなるように、２００℃で
１０分間プレスを行い、電極を形成した。この際、ニッ
ケル箔の粗面化した側を高分子ＰＴＣ組成物側に配置し
た。

【００２７】次いで、両側に電極を形成した高分子ＰＴ
Ｃ組成物を、５ｍｍ×１０ｍｍに切断し、電極部にリー
ドを接合して高分子ＰＴＣ素子を得た。この際、比較の
ため、前記２種類のＴｉＣ粉末をそれぞれ単独に導電性
粉末として用い、占積率を２０〜６０％とした高分子Ｐ
ＴＣ素子も調製した。

【００２８】これら高分子ＰＴＣ素子の試料について、
常温における電気抵抗を測定した。図１ないし図３は、
これらの測定結果を示した図で、図１は、２種類のＴｉ
Ｃ粉末を混合して用いた高分子ＰＴＣ素子の電気抵抗の
測定結果を示し、図２は、平均粒径が７０μｍのＴｉＣ
粉末を用いた高分子ＰＴＣ素子の電気抵抗の測定結果を
示し、図３は、平均粒径が１.５μｍのＴｉＣ粉末を用
いた高分子ＰＴＣ素子の電気抵抗の測定結果を示す。

【００２９】（実施例２）次に、第２の実施例として、
粒径の異なる導電性粉末の混合比と、高分子ＰＴＣ素子
の電気的特性との関係を検証するため、前記２種類のＴ
ｉＣ粉末の混合比を変えて、導電性粉末として用いた高
分子ＰＴＣ素子を調製し、常温における電気抵抗と耐電
圧を測定した。

【００３０】ここでは、実施例１で用いた、平均粒径が
７０μｍと、平均粒径が１.５μｍのＴｉＣ粉末を重量
比で、８：２、５：５、２：８として混合し、占積率を
４３％とした他は、実施例１と同様にして高分子ＰＴＣ
素子を調製した。表１は、第２の実施例の高分子ＰＴＣ
素子の特性測定結果を示したものである。

【００３１】

【表１】

【００３２】図１ないし図３と、表１に示した結果か
ら、２種類のＴｉＣ粉末を混合して調製した高分子ＰＴ
Ｃ素子は、平均粒径が小さなＴｉＣ粉末を単独で用いた
場合よりも、低占積率においても電気抵抗が低いことが
明らかである。また、平均粒径が大きなＴｉＣ粉末を単
独で用いた高分子ＰＴＣ素子では、同一の占積率におい
て、２種類のＴｉＣ粉末を混合した場合よりも低い電位
抵抗を示しているが、表１に示したように、耐電圧が不
十分で、高分子ＰＴＣ素子として必要な数値を確保でき
ないことが明らかである。

【００３３】なお、別途に導電性粉末の占積率を、６５
％に設定して調製した高分子ＰＴＣ素子では、導電性粉
末の粒径がいずれの場合でも、電極との接着性が不十分
で、特性の測定が満足に実施できる状態ではなく、導電
性粉末の占積率の上限は、６４％程度であることが確認
できた。また、ここでは、特に具体的な例を示さなかっ
たが、導電性粉末として、窒化チタンを用いた場合にお
いても、本発明が同様の効果を奏することが確認でき
た。

【００３４】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、用いる導電性粉末の粒度分布の最適化により、金属
系の導電性粉末の占積率が低い領域でも、高分子ＰＴＣ
素子の電気抵抗を低くすることができる。このことは、
高分子ＰＴＣ組成物における、結合材の含有量が少ない
ことに起因する特性低下要因の解消に繋がり、安定した
特性を発現し、高信頼性を有する高分子ＰＴＣ素子の提
供に寄与するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】２種類のＴｉＣ粉末を混合して用いた高分子Ｐ
ＴＣ素子の電気抵抗の測定結果を示す図。

【図２】平均粒径が７０μｍのＴｉＣ粉末を用いた高分
子ＰＴＣ素子の電気抵抗の測定結果を示す図。

【図３】平均粒径が１.５μｍのＴｉＣ粉末を用いた高
分子ＰＴＣ素子の電気抵抗の測定結果を示す図。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 結晶性高分子を含む結合材と導電性粉末
   とを混合混練してなる高分子ＰＴＣ組成物において、前
   記導電性粉末は、平均粒径を異にする少なくとも２種類
   からなり、占積率が３０〜６４％であることを特徴とす
   る高分子ＰＴＣ組成物。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の高分子ＰＴＣ組成物に
   おいて、前記導電性粉末は、粒径が０.２〜２０μｍの
   導電性粉末の少なくとも１種、粒径が２０〜２００μｍ
   の導電性粉末の少なくとも１種からなることを特徴とす
   る高分子ＰＴＣ組成物。
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組成物において、前記導電性粉末
   は、炭化チタン、窒化チタンの少なくともいずれかを含
   むことを特徴とする高分子ＰＴＣ組成物。
4. 【請求項４】 請求項１ないし請求項３のいずれかに記
   載の高分子ＰＴＣ組成物のシート状成形体の両面に、電
   極が配置されてなることを特徴とする高分子ＰＴＣ素
   子。