JP2006024863A - Overcurrent protecting element and method of manufacturing the same - Google Patents

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Masaru Yoneyama
勝 米山
Tsutomu Saga
努 佐賀
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an overcurrent protecting element which reduces the resistance value in a room temperature area and indicates a rapid trip action, and to provide a method of manufacturing the same. <P>SOLUTION: There are provided a conductive polymer matrix 2 formed on a sheet 1 and a pair of metal foils 3 stuck on both front and rear sides of the conductive polymer matrix 2, and the conductive polymer matrix 2 is prepared from a polymer matrix 20, a carbon black 21 that is a conductive particle kneaded into the polymer matrix 20, and an organic material layer 22 coating the surface of the carbon black 21. The organic material layer 22 is formed by using an organic material which is not compatible with the polymer matrix 20 at molecular level and is different from the polymer matrix 20, more specifically, using a pyrrole conductive resin which is not reactive to the polymer matrix 20. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、例えばパーソナルコンピュータ、携帯電話、直流ブレーカ等からなる電気電子機器に使用され、温度の上昇とともに抵抗値が大きくなる特性を有する過電流保護素子及びその製造方法に関するものである。   The present invention relates to an overcurrent protection element that is used in electrical and electronic equipment including, for example, a personal computer, a mobile phone, a DC breaker, and the like, and has a characteristic that a resistance value increases as temperature rises, and a method for manufacturing the same.

従来、短絡電流から電気電子機器やシステムを保護する場合には、ヒューズが使用されているが、このヒューズには、一度しか使用することができず、サイズが大きく、しかも、コストが高いという大きな問題がある。そこで近年、繰り返して使用することのできるコンパクトで安価な過電流保護素子が提案され、この過電流保護素子に関して大いに研究開発がなされている(特許文献1、2、3参照)。   Conventionally, fuses are used to protect electrical and electronic equipment and systems from short-circuit currents. However, these fuses can only be used once, are large, and are expensive. There's a problem. Therefore, in recent years, a compact and inexpensive overcurrent protection element that can be used repeatedly has been proposed, and much research and development has been made on this overcurrent protection element (see Patent Documents 1, 2, and 3).

過電流保護素子は、PTC(Positive temperature coefficient)素子とも呼ばれ、過電流の発生時に温度に依存して電気抵抗が増加する特性(PTC特性)を有する素子であり、通常はセラミック系と高分子系に大別されている。   An overcurrent protection element is also called a PTC (Positive temperature coefficient) element, and is an element having a characteristic (PTC characteristic) in which an electrical resistance increases depending on temperature when an overcurrent occurs. It is roughly divided into systems.

後者の高分子系過電流保護素子は、図示しないが、導電性高分子マトリクスを使用して形成されたシートと、このシートの表裏両面にそれぞれ設けられた金属箔とから構成されている(特許文献4、5参照)。導電性高分子マトリクスは、高密度ポリエチレン等からなる高分子マトリクスに、カーボンブラックやグラファイト等の炭素系の導電性粒子が混合・分散されることにより調製される。   The latter polymer-based overcurrent protection element is composed of a sheet formed using a conductive polymer matrix and metal foils provided on both the front and back surfaces of the sheet (not shown) (patented) References 4 and 5). The conductive polymer matrix is prepared by mixing and dispersing carbon-based conductive particles such as carbon black and graphite in a polymer matrix made of high-density polyethylene or the like.

高分子マトリクスに高密度ポリエチレンが使用されるのは、結晶化の高い高密度ポリエチレンを使用すれば、過負荷により発熱し、融点に達すると、結晶が溶融して体積が急激に膨張し、導電経路を形成する個々の導電性粒子同士の距離が広がることにより、抵抗値が上昇(以下、トリップという)するからである。   High-density polyethylene is used for the polymer matrix. If high-density polyethylene with high crystallization is used, heat is generated due to overload, and when the melting point is reached, the crystal melts and the volume rapidly expands. This is because the resistance value increases (hereinafter referred to as trip) as the distance between the individual conductive particles forming the path increases.

このような過電流保護素子は、正常な通常電流の通電時には低抵抗値(初期抵抗値という)を示し、異常な過電流の発生時には温度に依存して電気抵抗を急激に増加させ、通電を遮断する過電流・過熱保護素子、自己制御型発熱体、あるいは温度センサーとして機能する。そしてその後、正常な電流が再度通電された場合には、過電流の発生前の状態と同等あるいは略同等の低抵抗値に復帰する(復帰抵抗値という)。   Such an overcurrent protection element exhibits a low resistance value (referred to as an initial resistance value) when a normal current is passed, and when an abnormal overcurrent occurs, the electrical resistance increases rapidly depending on the temperature. It functions as an overcurrent / overheat protection element that shuts off, a self-control heating element, or a temperature sensor. After that, when a normal current is supplied again, it returns to a low resistance value equivalent to or substantially equivalent to the state before the occurrence of overcurrent (referred to as a return resistance value).

ところで、過電流保護素子は、電気電子回路に直列に接続される過電流・過熱保護素子として使用される場合には、(1)室温域(20℃±5℃)での抵抗値が十分に低いこと、(2)室温域の抵抗値と動作時の抵抗値との変化率が十分に大きいこと、(3)繰り返し動作時の抵抗値が小さいこと、が特性として求められ、低抵抗化を図るために導電性、DBP吸油量、ストラクチャーの大きいカーボンブラック等が大量に配合される。
特開2001‐110603号公報 特開2002‐313604号公報 特開2002‐241554号公報 米国特許第3243753号 米国特許第3351882号
By the way, when an overcurrent protection element is used as an overcurrent / overheat protection element connected in series to an electric / electronic circuit, (1) the resistance value in a room temperature range (20 ° C. ± 5 ° C.) is sufficient. Low resistance, (2) The rate of change between the resistance value in the room temperature region and the resistance value during operation is sufficiently large, and (3) The resistance value during repeated operation is small. For the purpose, a large amount of conductivity, DBP oil absorption, carbon black having a large structure and the like are blended.
JP 2001-110603 A JP 2002-313604 A JP 2002-241554 A U.S. Pat. No. 3,243,753 U.S. Pat. No. 3,351,882

従来の過電流保護素子は、以上のように過電流・過熱保護素子として使用される場合には、低抵抗化のために導電性、DBP吸油量、ストラクチャーの大きいカーボンブラック等が大量に配合されるので、温度上昇に伴う抵抗変化率が減少し、過電流・過熱保護素子として十分な特性を得られないおそれが少なくない。また、同時に急激かつ良好なトリップ挙動を得ようとすると、DBP吸油量やストラクチャーの小さいカーボンブラック等を使用する必要があり、抵抗値とトリップ挙動に優れた過電流・過熱保護素子を得ることができないという問題がある。   When the conventional overcurrent protection element is used as an overcurrent / overheat protection element as described above, a large amount of conductivity, DBP oil absorption, carbon black with a large structure, etc. are blended in order to reduce resistance. Therefore, the rate of change in resistance with increasing temperature decreases, and there is a high possibility that sufficient characteristics as an overcurrent / overheat protection element cannot be obtained. In addition, when trying to obtain a rapid and good trip behavior at the same time, it is necessary to use carbon black or the like having a DBP oil absorption amount or a small structure, and an overcurrent / overheat protection element excellent in resistance value and trip behavior can be obtained. There is a problem that you can not.

本発明は上記に鑑みなされたもので、室温域での抵抗値が低く、急激なトリップ挙動を示す過電流保護素子及びその製造方法を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide an overcurrent protection element having a low resistance value in a room temperature region and exhibiting a rapid trip behavior and a method for manufacturing the same.

本発明においては上記課題を解決するため、温度に依存して電気抵抗値が増加するものであって、
高分子マトリクスと、この高分子マトリクスに含有される導電性粒子と、この導電性粒子の表面を覆う有機物質層とを含み、
有機物質層を、高分子マトリクスと分子レベルで相溶性を有さず、高分子マトリクスとは異なる有機材料を用いて形成したことを特徴としている。
In the present invention, in order to solve the above problems, the electrical resistance value increases depending on the temperature,
Including a polymer matrix, conductive particles contained in the polymer matrix, and an organic material layer covering the surface of the conductive particles,
The organic material layer is formed using an organic material that is not compatible with the polymer matrix at the molecular level and is different from the polymer matrix.

なお、高分子マトリクスを、熱可塑性ポリマーとすることができる。
また、導電性粒子を、カーボン粒子とすることができる。
また、有機材料に導電性を付与することもできる。
さらに、有機材料を、高分子マトリクスに対して反応性を有しないピロール系の材料とすることが好ましい。
The polymer matrix can be a thermoplastic polymer.
Further, the conductive particles can be carbon particles.
Moreover, electroconductivity can also be provided to an organic material.
Furthermore, the organic material is preferably a pyrrole material that is not reactive with the polymer matrix.

また、本発明においては上記課題を解決するため、請求項1ないし5いずれかに記載の過電流保護素子の製造方法であって、
導電性粒子の表面を有機物質層により被覆し、この被覆された導電性粒子を高分子マトリクスに混合、分散させることを特徴としている。
Further, in the present invention, in order to solve the above problem, the overcurrent protection element manufacturing method according to any one of claims 1 to 5,
The surface of the conductive particles is covered with an organic material layer, and the coated conductive particles are mixed and dispersed in a polymer matrix.

ここで、特許請求の範囲におけるカーボン粒子であるカーボンブラックは、平均粒径が70〜120nmの範囲が好ましく、DBP吸油量がASTM D2414−93の測定法下で30〜60ml/100gの範囲、好ましくは50ml/100g前後の範囲、より好ましくは50ml/100gが良い。これは、DBP吸油量が30ml/100g未満の場合には、抵抗値がきわめて高くなり、過電流保護素子としては不適切になるという理由に基づく。逆に、DBP吸油量が60ml/100gを超える場合には、トリップが低く不十分になるという理由に基づく。   Here, the carbon black as the carbon particles in the claims preferably has an average particle size in the range of 70 to 120 nm, and the DBP oil absorption is in the range of 30 to 60 ml / 100 g under the measurement method of ASTM D2414-93, preferably Is in the range of about 50 ml / 100 g, more preferably 50 ml / 100 g. This is based on the reason that when the DBP oil absorption is less than 30 ml / 100 g, the resistance value becomes extremely high and becomes inappropriate as an overcurrent protection element. Conversely, when the DBP oil absorption exceeds 60 ml / 100 g, this is based on the reason that the trip becomes low and insufficient.

過電流保護素子は、60〜75体積%の高分子マトリクスと、25〜40体積%のカーボンブラックとからなる導電性高分子マトリクスを使用して形成することができる。この過電流保護素子には、低分子有機化合物が適宜含まれる。さらに、過電流保護素子は、少なくとも過電流・過熱保護素子、自己制御型発熱体、あるいは温度センサーとして、パーソナルコンピュータ、携帯電話、直流ブレーカ、一次電池や二次電池等からなる電気電子機器、電力系統、スピーカ、自動車のモータに使用される。   The overcurrent protection element can be formed using a conductive polymer matrix composed of 60 to 75% by volume of a polymer matrix and 25 to 40% by volume of carbon black. This overcurrent protection element appropriately includes a low molecular organic compound. Furthermore, the overcurrent protection element is at least an overcurrent / overheat protection element, a self-control heating element, or a temperature sensor, such as a personal computer, a mobile phone, a DC breaker, a primary battery, a secondary battery, etc. Used in systems, speakers, and automobile motors.

本発明によれば、室温域での低抵抗値化を図ることができ、しかも、急激なトリップ挙動を得ることができるという効果がある。   According to the present invention, it is possible to achieve a low resistance value in a room temperature region and to obtain an abrupt trip behavior.

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態を説明すると、本実施形態における過電流保護素子は、図1や図2に示すように、平面矩形の薄いシート1に成形される導電性高分子マトリクス2と、この導電性高分子マトリクス2の表裏両面にそれぞれ貼着される一対の金属箔3とを備え、導電性高分子マトリクス2を、熱可塑性ポリマーからなる結晶性の高分子マトリクス20と、この高分子マトリクス20に混練される導電性粒子であるカーボンブラック21と、このカーボンブラック21の表面にコーティングされる有機物質層22とから調製し、この有機物質層22を、高分子マトリクス20と分子レベルで相溶性を有さず、高分子マトリクス20とは異なる有機材料を用いて形成するようにしている。   Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIGS. 1 and 2, the overcurrent protection element in the present embodiment is a conductive material formed on a thin sheet 1 having a flat rectangular shape. A crystalline polymer matrix comprising a polymer matrix 2 and a pair of metal foils 3 adhered to both the front and back surfaces of the conductive polymer matrix 2, and the conductive polymer matrix 2 made of a thermoplastic polymer. 20, carbon black 21 that is conductive particles kneaded in the polymer matrix 20, and an organic material layer 22 coated on the surface of the carbon black 21. It is formed using an organic material that is not compatible with the matrix 20 at the molecular level and is different from the polymer matrix 20.

シート1は100〜300μmの厚さに形成され、導電性高分子マトリクス2は結晶化度40%以上、好ましくは50%の高分子マトリクス20にカーボンブラック21が混入されることにより調製される。結晶化度40%以上の高分子マトリクス20とは、常温で成分の40%以上の質量が高分子の結晶で占められる組成物をいう。結晶化度に40%以上が要求されるのは、40%未満の場合には、トリップ特性が不十分になるからである。   The sheet 1 is formed to a thickness of 100 to 300 μm, and the conductive polymer matrix 2 is prepared by mixing carbon black 21 in the polymer matrix 20 having a crystallinity of 40% or more, preferably 50%. The polymer matrix 20 having a crystallinity of 40% or more refers to a composition in which a mass of 40% or more of a component is occupied by polymer crystals at room temperature. The reason why the crystallinity is required to be 40% or more is that the trip characteristic becomes insufficient when the crystallinity is less than 40%.

導電性高分子マトリクス2には、60〜75体積%の高分子マトリクス20と25〜40体積%のカーボンブラック21とが含有される。カーボンブラック21が25〜40体積%の範囲であるのは、配合量が25体積%未満の場合には、室温域(20℃±5℃)における導電性高分子マトリクス2の抵抗値が高すぎて過電流保護素子としては不適切だからである。また、配合量が40体積%を超える場合には、室温域における導電性高分子マトリクス2の抵抗値が15mΩ以上にならないので、十分なトリップ挙動が期待できないからである。   The conductive polymer matrix 2 contains 60 to 75% by volume of the polymer matrix 20 and 25 to 40% by volume of carbon black 21. The carbon black 21 is in the range of 25 to 40% by volume when the blending amount is less than 25% by volume, the resistance value of the conductive polymer matrix 2 in the room temperature region (20 ° C. ± 5 ° C.) is too high. This is because it is inappropriate as an overcurrent protection element. Further, when the blending amount exceeds 40% by volume, the resistance value of the conductive polymer matrix 2 in the room temperature region does not become 15 mΩ or more, so that a sufficient trip behavior cannot be expected.

導電性高分子マトリクス2には、金属箔3との接着性を高めるため、金属との接着性を有するエラストマーが配合される。このようなエラストマーとしては、エチレン−プロピレン共重合体(EPR)、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体(EPDM)等のエチレン―α―オレフィン−ジエン共重合体、スチレン−エチレン−ブタジエン共重合体等のスチレン系ゴム、ポリエステル系ゴム、アクリル系ゴム、ブタジエン系ゴム、イソプレン系ゴム、天然ゴム等の未架橋のゴムに、カルボン酸又はその無水化物等の酸性を有する官能基、水酸基やエポキシ基等の金属との親和性を有する官能基をもつエラストマー等があげられる。   The conductive polymer matrix 2 is blended with an elastomer having adhesion to metal in order to enhance adhesion to the metal foil 3. Examples of such elastomers include ethylene-α-olefin-diene copolymers such as ethylene-propylene copolymer (EPR) and ethylene-propylene-diene copolymer (EPDM), and styrene-ethylene-butadiene copolymers. Styrene rubber, polyester rubber, acrylic rubber, butadiene rubber, isoprene rubber, uncrosslinked rubber such as natural rubber, acid functional group such as carboxylic acid or anhydride, hydroxyl group, epoxy group, etc. And an elastomer having a functional group having an affinity for other metals.

これらのエラストマーのムーニー粘度、分子内の分岐、分子量分布等の分子構造的特性は、任意であり、特に限定されるものではない。また、未架橋のゴム又は非架橋ゴムに、パラフィンオイル等の可塑剤を添加して流動性を改質したもの、他の高分子やフィラー等により補強されたものでも良い。   The molecular structural properties such as Mooney viscosity, intramolecular branching, and molecular weight distribution of these elastomers are arbitrary and are not particularly limited. Further, uncrosslinked rubber or non-crosslinked rubber may be obtained by adding a plasticizer such as paraffin oil to improve fluidity, or may be reinforced with other polymers or fillers.

金属との接着性を有するエラストマーとして、最適なのはエチレン―α―オレフィン共重合体、及びエチレン―α―オレフィン−ジエン共重合体に無水マレイン酸を付加したものである。このエラストマーの製造方法としては、パーオキサイドを用いるのが主ではあるが、架橋剤や架橋補助剤や併用するようにしても良い。   The most suitable elastomer having adhesiveness to metal is an ethylene-α-olefin copolymer and an ethylene-α-olefin-diene copolymer added with maleic anhydride. As a method for producing this elastomer, peroxide is mainly used, but it may be used in combination with a crosslinking agent or a crosslinking aid.

なお、過電流保護素子には、耐熱性付与のため、放射線や電子線が放射されるが、この放射線や電子線の放射により、エラストマーの接着性(接着強度)は50〜500%程度まで向上する。   In addition, radiation and electron beams are radiated to the overcurrent protection element to impart heat resistance. The radiation (electron beam) radiation improves the adhesiveness (adhesion strength) of the elastomer to about 50 to 500%. To do.

高分子マトリクス20としては、α−オレフィン類、例えば密度0.94以上のポリエチレンやホモタイプのポリプロピレン等、密度1.95以上のポリフッ化ビニリデンやポリフェニリデンエーテル等のポリマーがあげられる。これらの高分子マトリクス20は、分子量、短鎖や長鎖の分岐状態、シンジオタックチックやアイソタックチック、アタックチック等の分子のコーホメーション等の分子構造的特徴も限定されず、任意である。   Examples of the polymer matrix 20 include α-olefins, for example, polymers such as polyethylene having a density of 0.94 or more and homo-type polypropylene, and polyvinylidene fluoride and polyphenylidene ether having a density of 1.95 or more. These polymer matrices 20 are not limited in molecular structure, such as molecular weight, short-chain or long-chain branching state, molecular conformation such as syndiotactic, isotactic, and attack ticks, and are arbitrary. .

なお、角型リチウムイオン電池等に過電流保護素子が使用される場合には、温度80〜90℃付近でトリップの生じることが要求される。そこでこの場合、エチレン−酢酸ビニルを代表例とするカルボン酸ビニルとエチレンとの共重合体、エチレン−メチルアクリレート、エチレン−エチルアクリレート、及びエチレン−ブチルアクリレート等のアクリル酸エステルとエチレンとの共重合体、エチレン−メチルメタクリレートやエチレン−エチルメタクリレート等のメタクリル酸エステルとエチレンとの共重合体等のエラストマーとポリエチレン、ポリプロピレン等の高分子マトリクス20との混合物にすると良い。   When an overcurrent protection element is used for a prismatic lithium ion battery or the like, it is required that a trip occurs at a temperature around 80 to 90 ° C. Therefore, in this case, a copolymer of vinyl carboxylate and ethylene, typically ethylene-vinyl acetate, ethylene-methyl acrylate, ethylene-ethyl acrylate, ethylene-butyl acrylate and other acrylic esters and ethylene It is preferable to use a mixture of a polymer, an elastomer such as a copolymer of methacrylic acid ester such as ethylene-methyl methacrylate or ethylene-ethyl methacrylate and ethylene, and a polymer matrix 20 such as polyethylene or polypropylene.

高分子マトリクス20は、結晶化度40%以上の高分子の混合物、高分子と混合物にその他の高分子やオリゴマー、フィラー、安定剤、及び又は添加物を適宜混合したものでも良い。   The polymer matrix 20 may be a mixture of polymers having a crystallinity of 40% or more, or a mixture of the polymer and the mixture with other polymers, oligomers, fillers, stabilizers, and / or additives as appropriate.

カーボンブラック21は、その平均粒径が70〜120nmの範囲、好ましくは100nm程度とされ、高性能で安価であるという特徴を有している。このカーボン粉末であるカーボンブラック21の平均粒径が70〜120nmの範囲なのは、カーボンブラック21の平均粒径が70nm未満の場合には、トリップが不十分になるからである。逆に、カーボンブラック21の平均粒径が120nmを超える場合には、初期の抵抗値が高くなるからである。   Carbon black 21 has a feature that its average particle size is in the range of 70 to 120 nm, preferably about 100 nm, and is high performance and inexpensive. The reason why the average particle size of the carbon black 21, which is the carbon powder, is in the range of 70 to 120 nm is that the trip is insufficient when the average particle size of the carbon black 21 is less than 70 nm. Conversely, when the average particle size of the carbon black 21 exceeds 120 nm, the initial resistance value increases.

カーボンブラック21の窒素比表面積は50m2/g以下が好ましい。これは、カーボンブラック21の窒素比表面積が50m2/gを超える場合には、過電流保護素子の立ち上がりが悪化するからである。 The nitrogen specific surface area of the carbon black 21 is preferably 50 m 2 / g or less. This is because when the nitrogen specific surface area of the carbon black 21 exceeds 50 m 2 / g, the rise of the overcurrent protection element is deteriorated.

有機物質層22を形成する有機材料としては、カーボンブラック21と共有結合後、過電流保護素子や高分子マトリクス20に対して反応性を有しないピロール系の各種導電性樹脂が使用される。具体的には、ピロールやパラトルエンスルホン酸等が使用される。   As an organic material for forming the organic material layer 22, various pyrrole-based conductive resins that are not reactive with the overcurrent protection element or the polymer matrix 20 after being covalently bonded to the carbon black 21 are used. Specifically, pyrrole, paratoluenesulfonic acid, or the like is used.

金属箔3は、50〜200μm、好ましくは100〜150μmの厚さを有する圧延箔とされ、表面が化学的に粗面化処理されて細かい凹凸にされており、リード線の端子として兼用される。この金属箔3の材料としては、銅、アルミニウム、亜鉛、チタン、ステンレス、鉄、金、銀、ニッケル等があげられ、これらの中でも、不導体皮膜が形成されにくく、容易に酸化せず、しかも、導電性に優れるニッケルが好ましい。   The metal foil 3 is a rolled foil having a thickness of 50 to 200 μm, preferably 100 to 150 μm, and the surface is chemically roughened to have fine irregularities, and is also used as a lead wire terminal. . Examples of the material of the metal foil 3 include copper, aluminum, zinc, titanium, stainless steel, iron, gold, silver, nickel and the like. Among these, a nonconductive film is difficult to be formed, and is not easily oxidized. Nickel having excellent conductivity is preferable.

金属箔3の厚さは50〜200μmの範囲とされるが、これは、係る範囲から外れると、取り扱いが困難になるからである。また、リード端子として使用することも困難になるからである。   The thickness of the metal foil 3 is in the range of 50 to 200 μm because it is difficult to handle if it is out of the range. It is also difficult to use as a lead terminal.

金属箔3の表面は化学的に粗面化処理されるが、この化学的処理としては、薬品溶液中に金属箔3を浸し、金属の化学的な溶解作用を利用して金属箔3の表面を粗面化する方法があげられる。薬品としては、リン酸、クロム酸、硫酸、硝酸、塩酸、過酸化水素、フッ素等が使用される。これらは、単独で使用することもできるし、複数種を組み合わせて使用することもできる。   The surface of the metal foil 3 is chemically roughened. As this chemical treatment, the metal foil 3 is immersed in a chemical solution, and the surface of the metal foil 3 is utilized by utilizing the chemical dissolution action of the metal. Is a method of roughening the surface. As chemicals, phosphoric acid, chromic acid, sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, hydrogen peroxide, fluorine and the like are used. These can be used alone or in combination of two or more.

薬品溶液中に金属箔3を浸す時間は金属の材料に応じて設定することができるが、通常は5〜60分間である。薬品溶液中に金属箔3を浸す温度は、室温域でも良いし、加熱しても良い。また、金属箔3は、片面でも両面でも粗面化処理することができるが、片面のみを粗面化処理する場合には、片面にマスキングフィルムを貼着すれば良い。   Although the time which immerses the metal foil 3 in a chemical | medical solution can be set according to the metal material, it is 5 to 60 minutes normally. The temperature at which the metal foil 3 is immersed in the chemical solution may be a room temperature range or may be heated. The metal foil 3 can be roughened on one side or both sides, but when only one side is roughened, a masking film may be attached to one side.

金属箔3の化学的な粗面化処理の一例を示すと、例えば金属箔3がニッケルの圧延箔である場合には、薬液として硝酸、塩酸、過酸化水素等が使用されるとともに、この薬液が10〜90質量%、温度30〜60℃の条件に設定され、この薬液中に金属箔3が5〜30分間程度浸漬して粗面化処理されることとなる。   An example of the chemical surface roughening treatment of the metal foil 3 is as follows. For example, when the metal foil 3 is a nickel rolled foil, nitric acid, hydrochloric acid, hydrogen peroxide, etc. are used as the chemical solution. Is set to conditions of 10 to 90% by mass and a temperature of 30 to 60 ° C., and the metal foil 3 is immersed in the chemical solution for about 5 to 30 minutes to be roughened.

金属箔3の表面粗さは、JIS B0601の規定に準拠した方法により測定されるRa(中心線平均粗さ)、Ry(最大高さ)、Rz(十点平均粗さ)を指標とすることが好ましい。Raは、0.5μm以上、好ましくは0.9〜2.0μmの範囲が良い。Raが係る範囲なのは、この範囲から外れると、金属箔3の表面粗さにバラツキが生じてくるからである。また、Ryは、5.0μm以上、好ましくは10〜20μmの範囲が良い。Rzは、1.5μm以上、好ましくは3.5〜7.5μmの範囲が良い。   The surface roughness of the metal foil 3 is determined by using Ra (centerline average roughness), Ry (maximum height), and Rz (ten-point average roughness) measured by a method in accordance with JIS B0601. Is preferred. Ra is 0.5 μm or more, preferably 0.9 to 2.0 μm. The range related to Ra is that, if it is out of this range, the surface roughness of the metal foil 3 varies. Ry is 5.0 μm or more, preferably 10 to 20 μm. Rz is 1.5 μm or more, preferably 3.5 to 7.5 μm.

上記において、過電流保護素子を製造する場合には、先ず、水溶性のピロール系導電性樹脂からなる有機物質層22により、DBP吸油量が30〜60ml/100gのカーボンブラック21の表面を析出等の方法によりコーティングし、図示しない180℃の温度に調整された加圧ニーダに、高分子マトリクス20とコーティングされたカーボンブラック21とを投入するとともに、これらを30分間混練して導電性高分子マトリクス2を調製し、この導電性高分子マトリクス2をカレンダーロールでシーティングしてシート1を形成する。   In the above, when manufacturing an overcurrent protection element, first, the surface of the carbon black 21 having a DBP oil absorption of 30 to 60 ml / 100 g is deposited by the organic material layer 22 made of a water-soluble pyrrole conductive resin. The polymer matrix 20 and the coated carbon black 21 are put into a pressure kneader that is coated by the above method and adjusted to a temperature of 180 ° C. (not shown), and these are kneaded for 30 minutes to conduct the conductive polymer matrix. 2 is prepared, and the conductive polymer matrix 2 is sheeted with a calender roll to form a sheet 1.

次いで、シート1の表裏両面に、既に粗面化処理された金属箔3をそれぞれラミネートして加熱加圧し、中間体を形成し、この中間体に電子線を照射してその導電性高分子マトリクス2を架橋させた後、所定の大きさに裁断すれば、過電流保護素子を製造することができる。   Next, the metal foils 3 that have already been roughened are laminated on both the front and back surfaces of the sheet 1 and heated and pressed to form an intermediate, and this intermediate is irradiated with an electron beam so that its conductive polymer matrix After cross-linking 2, the overcurrent protection element can be manufactured by cutting into a predetermined size.

上記構成によれば、カーボンブラック21の表面を覆う有機物質層22を、高分子マトリクス20と分子レベルで相溶性を有さず、高分子マトリクス20とは異なるピロール系の導電性樹脂を用いて形成するので、温度上昇に伴う抵抗変化率の減少を有効に抑制防止することができ、過電流・過熱保護素子として十分な特性を得ることができる。   According to the above-described configuration, the organic material layer 22 covering the surface of the carbon black 21 is not compatible with the polymer matrix 20 at the molecular level, and a pyrrole conductive resin different from the polymer matrix 20 is used. Therefore, it is possible to effectively suppress and prevent a decrease in the rate of change in resistance accompanying a temperature rise, and to obtain sufficient characteristics as an overcurrent / overheat protection element.

また、同時に良好なトリップ挙動を得る場合に、DBP吸油量やストラクチャーの小さいカーボンブラック21等を使用する必要がないので、抵抗値とトリップ挙動に優れた過電流・過熱保護素子を得ることができる。また、カーボンブラック21の平均粒径を70〜120nmの範囲とするとともに、DBP吸油量を30〜60ml/100gの範囲とするので、カーボンブラック21の分散状態が非常に良くなる。したがって、良好なトリップ特性を確保し、異常な過電流の発生時に十分な遮断効果を得ることが可能になる。   In addition, when a good trip behavior is obtained at the same time, it is not necessary to use carbon black 21 having a small DBP oil absorption amount or a structure, so that an overcurrent / overheat protection element excellent in resistance value and trip behavior can be obtained. . Moreover, since the average particle diameter of the carbon black 21 is in the range of 70 to 120 nm and the DBP oil absorption is in the range of 30 to 60 ml / 100 g, the dispersion state of the carbon black 21 is very good. Therefore, it is possible to ensure a good trip characteristic and obtain a sufficient interruption effect when an abnormal overcurrent occurs.

また、製造の際の高分子マトリクス20とカーボンブラック21の混練時間を大幅に短縮して混練エネルギーを小さくすることができるので、製造方法の円滑化、効率化、容易化を図ることが可能になる。また、金属箔3をリード線の端子として兼用することが可能なので、新たにリード線を接続する必要がなく、部品点数の削減が大いに期待できる。   In addition, since the kneading time of the polymer matrix 20 and the carbon black 21 during the production can be greatly shortened and the kneading energy can be reduced, the production method can be made smooth, efficient and easy. Become. Further, since the metal foil 3 can be used as a lead wire terminal, it is not necessary to newly connect a lead wire, and the number of parts can be greatly reduced.

さらに、金属箔3の表面を化学的に粗面化処理して細かい凹凸にし、この凹凸に高分子マトリクス20を侵入させるので、アンカー効果により金属箔3と高分子マトリクス20の強固な接着が期待できる。   Furthermore, since the surface of the metal foil 3 is chemically roughened to form fine irregularities, and the polymer matrix 20 is intruded into the irregularities, strong adhesion between the metal foil 3 and the polymer matrix 20 is expected due to the anchor effect. it can.

以下、本発明に係る過電流保護素子及びその製造方法の実施例を比較例と共に説明する。
実施例と比較例の過電流保護素子をそれぞれ製造し、各過電流保護素子のPTC特性を図3のグラフにまとめた。
Embodiments of an overcurrent protection element and a method for manufacturing the same according to the present invention will be described below together with comparative examples.
The overcurrent protection elements of Examples and Comparative Examples were manufactured, and the PTC characteristics of each overcurrent protection element were summarized in the graph of FIG.

実施例
先ず、1リットルビーカー中の純水500mlに、カーボンブラックを含む表1の材料を投入して室温で約1時間攪拌し、減圧濾過して純水とカーボンブラックとを分離し、70℃で8時間減圧乾燥してピロールからなる有機物質層でコーティングされたカーボンブラックを製造した。
Example First, the material shown in Table 1 containing carbon black was added to 500 ml of pure water in a 1 liter beaker, stirred at room temperature for about 1 hour, and filtered under reduced pressure to separate pure water and carbon black at 70 ° C. Was dried under reduced pressure for 8 hours to produce carbon black coated with an organic material layer composed of pyrrole.

Figure 2006024863
Figure 2006024863

次いで、表2に示す高分子マトリクスとコーティングされたカーボンブラックとを180℃の温度に調整された加圧ニーダにより混練して導電性高分子マトリクスを調製し、この導電性高分子マトリクスをカレンダー加工機でシーティングして厚さ200μmのシートを形成した。   Next, the polymer matrix shown in Table 2 and the coated carbon black were kneaded by a pressure kneader adjusted to a temperature of 180 ° C. to prepare a conductive polymer matrix, and this conductive polymer matrix was calendered Sheeting with a machine formed a sheet having a thickness of 200 μm.

次いで、シートを粗面化処理された一対の金属箔の間に挟み、これらをプレス成形機にセットして加熱(250℃)加圧(5kgf/cm2)し、シートと一対の金属箔とが溶融密着した厚さ400μmの中間体を形成した。こうして中間体を形成したら、この中間体に電子線架橋装置により30Mradの電子線を照射してその導電性高分子マトリクスを架橋させ、その後、5mm×12mmの大きさに裁断して過電流保護素子を製造した。 Next, the sheet is sandwiched between a pair of roughened metal foils, set in a press molding machine, heated (250 ° C.) and pressurized (5 kgf / cm 2 ), and the sheet, the pair of metal foils, Formed an intermediate having a thickness of 400 μm. When the intermediate is formed in this manner, the intermediate is irradiated with an electron beam of 30 Mrad by an electron beam crosslinking apparatus to crosslink the conductive polymer matrix, and then cut into a size of 5 mm × 12 mm to obtain an overcurrent protection element. Manufactured.

Figure 2006024863
Figure 2006024863

比較例
180℃の温度に調整された加圧ニーダに、表3に示す高分子マトリクスとコーティングの施されない通常のカーボンブラックとを投入し、これらを混練して導電性高分子マトリクスを調製し、この導電性高分子マトリクスをカレンダー加工機でシーティングして厚さ200μmのシートを形成した。その他は実施例と同様とした。
Comparative Example A pressure kneader adjusted to a temperature of 180 ° C. was charged with the polymer matrix shown in Table 3 and ordinary carbon black not coated, and kneaded to prepare a conductive polymer matrix. This conductive polymer matrix was sheeted with a calendering machine to form a sheet having a thickness of 200 μm. Others were the same as in the example.

Figure 2006024863
Figure 2006024863

PTC特性の測定
製造した各過電流保護素子に電線を結合してもう一方の電線の端部を抵抗測定器に接続し、過電流保護素子をオーブン内にセットしてその抵抗値を測定し、各過電流保護素子の初期抵抗値(昇温前の20℃での抵抗値)、復帰抵抗値、復帰率を表4にまとめるとともに、PTC特性を図3にまとめた。
Measurement of PTC characteristics Connect a wire to each manufactured overcurrent protection element, connect the end of the other wire to a resistance measuring instrument, set the overcurrent protection element in the oven, measure its resistance value, The initial resistance value (resistance value at 20 ° C. before temperature rise), the return resistance value, and the return rate of each overcurrent protection element are summarized in Table 4, and the PTC characteristics are summarized in FIG.

具体的には、20℃から順次10℃毎に昇温して160℃まで昇温し、各測定温度で10分間その温度を保持して抵抗値を測定した。160℃に達したら、今度は逆に10℃毎に順次冷却して20℃まで冷却し、各測定温度で10分間その温度を保持して抵抗値を測定した。20℃における抵抗値を測定したら、1時間20℃に保持して1時間後の抵抗値を測定し、この抵抗値を最終的な復帰抵抗値とした。   Specifically, the temperature was increased from 20 ° C. every 10 ° C. to 160 ° C., and the resistance value was measured by holding the temperature for 10 minutes at each measurement temperature. When the temperature reached 160 ° C., this time, on the contrary, the temperature was sequentially cooled every 10 ° C. to 20 ° C., and the resistance value was measured while maintaining the temperature for 10 minutes at each measurement temperature. When the resistance value at 20 ° C. was measured, the resistance value after 1 hour was measured by keeping at 20 ° C. for 1 hour, and this resistance value was defined as the final return resistance value.

測定の結果、図3に示すように、実施例の過電流保護素子の場合には、急激かつ良好なPTC特性が得られた。これに対し、比較例の過電流保護素子の場合には、不十分なPTC特性しか得ることができなかった。   As a result of the measurement, as shown in FIG. 3, in the case of the overcurrent protection element of the example, a rapid and good PTC characteristic was obtained. On the other hand, in the case of the overcurrent protection element of the comparative example, only insufficient PTC characteristics could be obtained.

Figure 2006024863
Figure 2006024863

本発明に係る過電流保護素子の実施形態を示す断面説明図である。It is a section explanatory view showing an embodiment of an overcurrent protection element concerning the present invention. 本発明に係る過電流保護素子の実施形態における導電性高分子マトリクスを示す要部拡大説明図である。It is principal part expansion explanatory drawing which shows the conductive polymer matrix in embodiment of the overcurrent protection element which concerns on this invention. 本発明に係る過電流保護素子の実施例と比較例のPTC特性を示すグラフである。It is a graph which shows the PTC characteristic of the Example of the overcurrent protection element which concerns on this invention, and a comparative example.

符号の説明Explanation of symbols

1 シート
2 導電性高分子マトリクス
3 金属箔
20 高分子マトリクス
21 カーボンブラック(カーボン粒子)
22 有機物質層
1 Sheet 2 Conductive Polymer Matrix 3 Metal Foil 20 Polymer Matrix 21 Carbon Black (Carbon Particles)
22 Organic material layer

Claims (6)

温度に依存して電気抵抗値が増加する過電流保護素子であって、高分子マトリクスと、この高分子マトリクスに含有される導電性粒子と、この導電性粒子の表面を覆う有機物質層とを含み、
有機物質層を、高分子マトリクスと分子レベルで相溶性を有さず、高分子マトリクスとは異なる有機材料を用いて形成したことを特徴とする過電流保護素子。
An overcurrent protection element whose electric resistance value increases depending on temperature, comprising a polymer matrix, conductive particles contained in the polymer matrix, and an organic material layer covering the surface of the conductive particles. Including
An overcurrent protection element, wherein an organic material layer is formed using an organic material that is not compatible with a polymer matrix at a molecular level and is different from the polymer matrix.
高分子マトリクスを、熱可塑性ポリマーとした請求項1記載の過電流保護素子。   The overcurrent protection element according to claim 1, wherein the polymer matrix is a thermoplastic polymer. 導電性粒子を、カーボン粒子とした請求項1又は2記載の過電流保護素子。   The overcurrent protection element according to claim 1, wherein the conductive particles are carbon particles. 有機材料に導電性を付与した請求項1、2、又は3記載の過電流保護素子。   The overcurrent protection element according to claim 1, 2, or 3, wherein conductivity is imparted to the organic material. 有機材料を、高分子マトリクスに対して反応性を有しないピロール系の材料とした請求項1ないし4いずれかに記載の過電流保護素子。   The overcurrent protection element according to any one of claims 1 to 4, wherein the organic material is a pyrrole-based material having no reactivity with the polymer matrix. 請求項1ないし5いずれかに記載の過電流保護素子の製造方法であって、導電性粒子の表面を有機物質層により被覆し、この被覆された導電性粒子を高分子マトリクスに混合、分散させることを特徴とする過電流保護素子の製造方法。   6. The method of manufacturing an overcurrent protection element according to claim 1, wherein the surface of the conductive particles is coated with an organic material layer, and the coated conductive particles are mixed and dispersed in a polymer matrix. A method for manufacturing an overcurrent protection element.
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