JP2011060952A - 正特性サーミスタ - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性を損なわずにモータの小型化を図る技術を提供する。
【解決手段】ＰＴＣ４０は、正の温度係数を持つ抵抗体素子６３と、抵抗体素子の一方の面に設けられた第１の電極６５と、抵抗体素子の他方の面に設けられた第２の電極６４と、を備える。第１の電極６５は、第２の電極６４より厚い。この態様によると、第１の電極６５と第２の電極６４の厚みが互いに異なるため、両電極全体の容積を変えずに第１の電極６５と第２の電極６４の厚みを同じにした場合と比べて、より大きな熱流量を得ることができる。
【選択図】図６

Description

本発明は正特性サーミスタに関する。

自動車等の電装機器や音響・映像機器、あるいは家電機器から玩具・模型に到るまで、ＤＣモータ（以下、単に「モータ」ともいう）はあらゆる分野および用途に使用されている。

このようなモータにおける回路を加熱や過電流から保護するためのものとして、正特性サーミスタ（以下、ＰＴＣ（positive temperature coefficient）という）が知られている（特許文献１参照）。ＰＴＣは、抵抗体とこの抵抗体をサンドイッチ状に挟む両電極とが層状に配置されており、ある温度を越えると急激に内部抵抗値が増大する特性を有している。したがって、モータに過負荷が持続的に掛かった場合又はモータの回転が強制的にロックされた場合には、過電流が流れてモータの内部温度が上昇するとともに、ＰＴＣの温度も上昇し内部抵抗値が急増していわゆるトリップする。このトリップ現象により、モータに供給される電流が急速に低下し、モータの過熱及び焼損が防止される。

特開２００２−２０３７０４号公報

ところで、モータの小型化は、そこに含まれる各部材、例えば前述のＰＴＣやチョークコイル、に対してその大きさやレイアウトに制限を加えることになる。例えば、ＰＴＣを小型化するとトリップ時間が所望の設定時間より短くなる傾向がある。例えば、自動車の窓を開閉するパワーウィンド機構の駆動源にモータが使用されており、そのモータがＰＴＣにより保護されるように設計されている場合に、モータが作動するとＰＴＣも発熱する。通常の仕様では、ＰＴＣが発熱してトリップする前に窓が完全に開くか又は閉じることが必要であるが、ＰＴＣが早めにトリップしてしまうと窓が途中で止まってしまうことにもなりかねない。したがって、ＰＴＣのトリップ時間が短いこと、換言すれば、早すぎるトリップ現象（いわゆる早切れ現象）は用途によっては望ましいものではない。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、信頼性を損なわずにモータの小型化を図る技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の正特性サーミスタは、正の温度係数を持つ抵抗体素子と、抵抗体素子の一方の面に設けられた第１の電極と、抵抗体素子の他方の面に設けられた第２の電極と、を備える。第１の電極は、第２の電極より厚い。

この態様によると、第１の電極と第２の電極の厚みが互いに異なるため、両電極全体の容積を変えずに第１の電極と第２の電極の厚みを同じにした場合と比べて、より大きな熱流量を得ることができる。つまり、外部に対する放熱性が向上する。そのため、抵抗体素子の温度の上昇が抑えられトリップ時間が延びることで、このような正特性サーミスタが装着された機器が所望の設定時間より早く動作停止する状況が抑制される。

本発明によれば、信頼性を損なわずにモータの小型化を図ることができる。

本実施の形態に係るＤＣモータの斜視図である。 本実施の形態に係るＤＣモータを回転軸方向から見た断面図である。 本実施の形態に係るＤＣモータを回転軸と垂直な方向から見た一部断面図である。 本実施の形態に係るＤＣモータの蓋部材を回転軸方向から見た場合の内部構造を示す図である。 本実施の形態に係るＤＣモータの構成を説明するための図である。 本実施の形態に係るＰＴＣを模式的に示した断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

図１乃至図５は、本実施の形態に係るＤＣモータの構成を説明するための図である。図１は、本実施の形態に係るＤＣモータの斜視図である。図２は、本実施の形態に係るＤＣモータを回転軸方向から見た断面図である。図３は、本実施の形態に係るＤＣモータを回転軸と垂直な方向から見た一部断面図である。

はじめに、図１乃至図３により小型のＤＣモータの全体の構成を説明する。図１乃至図３に示すように、本実施の形態に係る小型のＤＣモータ（以下、「モータ」という）１は、ケーシング３の内部に取り付けられた固定子２と、ケーシング３の内部に配設された回転子４とを備えている。回転子４の回転軸５は、ケーシング３に設けられた軸受装置６，７により回転自在に支持されている。

ケーシング３は、導電性のハウジング８と絶縁性の蓋部材１０とを備えている。ハウジング８は、例えば軟鋼を素材とした冷間圧延鋼板のような導体によって有底中空筒状に形成されている。蓋部材１０は、ハウジング８の開口部９に嵌合し、例えば樹脂材料又はその他の絶縁材料によって形成されている。ケーシング３には、平行面を形成する一対のフラット部１４が形成されている。なお、ケーシングは、前述のフラット部１４が形成されていない断面円形の場合であってもよい。

蓋部材１０には、外部直流電源（図示せず）から外部端子１２（図４参照）を介して電流が供給される一対の端子接続部１１が設けられている。電源に接続された電流供給用の外部端子１２は、端子接続部１１に挿脱可能に挿着される。なお、外部端子１２はモータ１の構成部品ではなく、モータ１が取り付けられる例えばアクチュエータ（図示せず）側の部品である。

固定子２は、ハウジング８の円筒状の内周面１５に固着されており、例えばハードフェライトのような磁性材料によってアークセグメント状に形成された一対の永久磁石からなっている。回転子４は、蓋部材１０及びハウジング８により囲まれたモータ内部１３に回転自在に配設されている。回転子４は、回転中心となる中心軸の方向に延びる回転軸５と、回転軸５にそれぞれ取り付けられたコア１７及び整流子１８とを備えている。コア１７には電機子巻線１６がコイル状に巻回されており、コア１７は、固定子２に対して所定のギャップを介してその内方に配置されている。整流子１８は電機子巻線１６に電気的に接続されている。

図４は、本実施の形態に係るＤＣモータの蓋部材を回転軸方向から見た場合の内部構造を示す図である。図５は、図４に示す蓋部材を回転軸と垂直な方向から見た一部破断図である。図４は図１に示す蓋部材１０を含む内部構造図であり、全体構造は図示するように略左右対称形になっている。なお、説明の便宜上、「上、下、左、右」等の文言は図４における位置及び方向を例にとっている。

図４に示すように、蓋部材１０の略中央部にはカーボン等の導体の材料により形成された複数組（例えば二組）のブラシ１９が、整流子１８（図３参照）に摺接して電流を流すように設けられている。ブラシ１９は、例えば、リン青銅、ベリリウム銅、真鍮又は洋白などの導体からなる複数組（例えば二組）のブラシアーム２０の自由端にそれぞれ取り付けられており、ブラシアーム２０は蓋部材１０の内部に取り付けられている。ブラシアーム２０の他端に電気的に接続された一対のブラシベース２１が蓋部材１０の内部に取り付けられており、ブラシベース２１は平板状部２２を有している。

端子接続部１１には、外部端子１２を挿入するための貫通孔２３が穿設されている。蓋部材１０の内部には、外部端子１２が貫通孔２３に挿入される時に摺接して外部端子１２を案内保持する絶縁性の案内部材２４が形成されている。案内部材２４は、蓋部材１０の裏面壁部２５と内周壁部２６とに一体的に取り付けられている。案内部材２４は左右に一対設けられており、前方（ハウジング８の方向）に向けて突出形成されている。

蓋部材１０の内部には、端子接続部１１に含まれる内部端子３０，３１が左右に設けられており、内部端子３０，３１は、例えば、リン青銅、ベリリウム銅、真鍮又は洋白等の可撓性の導体からなっている。左右の内部端子３０，３１の上端部には、Ｓ字状及び逆Ｓ字状の湾曲部３２がそれぞれ形成されている。湾曲部３２は、蓋部材１０に一体的に形成された絶縁性の保持部３３により保持されている。湾曲部３２と案内部材２４との間にはスリット部３７が形成されている。内部端子３０，３１の下端部３４，３５は、蓋部材１０に一体的に形成された絶縁性の支持台３６により支持されている。

外部端子１２が矢印Ｂ方向に挿着されて貫通孔２３を通ってスリット部３７に侵入すると、外部端子１２と湾曲部３２とが接触する。そして、各内部端子３０，３１は、外部端子１２に押圧されることにより撓んで弾性変形し、左の外部端子１２と左の内部端子３０，右の外部端子１２と右の内部端子３１がそれぞれ電気的に接続される。

蓋部材１０には、回転子４の電機子巻線１６に流れる電流を制御する正特性サーミスタ（ＰＴＣ）４０が内蔵されている。ＰＴＣは「正温度係数サーミスタ」とも呼ばれているもので、温度上昇で抵抗値が大きくなる性質を有している。

ＰＴＣ４０は、一方の（図中右の）内部端子３１とブラシベース２１との間に装着されている。この内部端子３１の弾性力によりＰＴＣ４０の両電極６４，６５を内部端子３１及びブラシベース２１にそれぞれ圧接させることによりＰＴＣ４０は保持されて電気的に直列に接続される。

ＰＴＣ４０は厚み寸法が大きいので、他方（図中左側）の内部端子３０と比べて一方の内部端子３１を大きく弾性変形させる必要がある。したがって、この一方の内部端子３１は他方の内部端子３０に対して別の形状を有するものを用い、弾性変形量を他方の内部端子３０とほぼ同じにして、左右の外部端子１２に圧接する内部端子３０，３１の各湾曲部３２の押圧力を左右略均等にするのが好ましい。なお、両内部端子を左右対称の形状にしてもよい。

蓋部材１０は、両側面５０が円形状で上部表面５１及び下部表面５２がそれぞれ平面状の蓋本体４１を備えている。蓋本体４１にはハウジング嵌合部５４が前方に向けて一体的に突出形成されている。ハウジング嵌合部５４の外側寸法及び形状は、ハウジング８の内側寸法及び形状に対応して形成されている。ハウジング嵌合部５４の両側の側部突出部５５の外周面５６は円形状に、下部突出部５７の外表面５８は平面状に、上部突出部５９の外表面６０も平面状に、それぞれ形成されている。

側部突出部５５の内面６１は平面状に形成されており、この内面６１にブラシベース２１の平板状部２２が当接している。蓋本体４１の裏面壁部２５には、内面６１に連続する縦長で矩形状の窪み部４２が形成されている。保持部３３は、裏面壁部２５の中央上部に前方に向けて一体的に突出形成されている。案内部材２４と保持部３３との近傍には、内部端子３０，３１を支持する梁状のボス６２が裏面壁部２５から前方に向けて一体的に突出形成されており、ボス６２は蓋本体４１と同じ絶縁材料からなっている。ボス６２は案内部材２４と保持部３３との間でかつ下方に位置しており、左右一対設けられている。

図４及び図５に示すように、ＰＴＣ４０は、薄板状で矩形の抵抗体素子６３と、抵抗体素子６３の両面にそれぞれに固着されて抵抗体素子６３をサンドイッチ状に挟む電極６４，６５とを有して層状をなしている。

（正特性サーミスタ）
次に、本実施の形態に係るＰＴＣ４０について詳述する。本実施の形態に係るＰＴＣ４０は、正の温度係数を有するサーミスタである。本実施の形態では抵抗体素子がポリマ系の材料であるサーミスタについて例示するが、例えば、セラミック系の材料を用いたものであってもかまわない。ポリマ系のＰＴＣは、低融点のポリマ中にカーボンブラック、ニッケル等の導電性粒子を分散させたものが知られている。そのメカニズムは、ポリマが溶融することによって導電性粉末の接触が断たれ電気抵抗が増大することによって、電流が流れにくくなり、過電流や過熱が抑制される。具体的には、ポリエチレンなどの結晶性ポリマにカーボンブラックなどの導電性粒子を均一に分散させることで良好な特性が得られる。一方、セラミック系のＰＴＣは、チタン酸バリウムに添加物を加えたセラミック等が知られている。このようなＰＴＣは、チタン酸バリウムのキュリー温度付近で急激に電気抵抗が増大する性質を利用して、過電流や過熱が抑制される。

図６は、本実施の形態に係るＰＴＣを模式的に示した断面図である。ＰＴＣ４０は、正の温度係数を持つ抵抗体素子６３と、抵抗体素子６３の一方の面に設けられた第１の電極６５と、抵抗体素子６３の他方の面に設けられた第２の電極６４と、を備える。第１の電極６５は、第２の電極６４より厚い。ＰＴＣ４０は、通電回路内の過電流あるいは周囲の過度な温度上昇を検知してその回路を遮断する。

本発明者は、板状の抵抗体素子の両面を電極で挟んだ構成のＰＴＣにおける熱の流れ、換言すれば、抵抗体素子で発生した熱が外部にどのように放出されるかについて鋭意検討を行った。その結果、抵抗体素子の両側の電極の厚みの総和を変えずに第１の電極６５と第２の電極のそれぞれの厚みを変えていくと、第１の電極と第２の電極の厚みが互いに異なる場合に放熱性が向上する可能性に想到した。つまり、これにより、ＰＴＣのサイズを変えずにトリップ時間を延ばせることに想到した。

熱流量は、下記の式（１）で表される。
熱流量（ｑ）＝熱伝導率（λ）×表面積（Ｓ）×温度差（Δｔ）／電極の厚み（Ｌ）・・・（１）

（ａ）左右の電極の厚みが均等（板厚は片側２Ｌ、合計４Ｌ）である場合、片側の電極の熱流量ｑ１は、
ｑ１＝λ×Ｓ×Δｔ／２Ｌ・・・（２）
となる。厚みが同じもう一方の電極についても同じなため、全体の熱流量ｑは、ｑ１の２倍となる。つまり、
ｑ＝ｑ１×２＝λ×Ｓ×Δｔ／Ｌ・・・（３）
となる。
（ｂ）左右の電極の厚みが異なる（第１の電極の厚みが３Ｌ、第２の電極の厚みがＬ、合計４Ｌ）場合、第１の電極の熱流量ｑ２は、
ｑ２＝λ×Ｓ×Δｔ／３Ｌ・・・（４）
第２の電極の熱流量ｑ３は、
ｑ３＝λ×Ｓ×Δｔ／Ｌ・・・（５）
となる。したがって、左右の電極の厚みが異なる場合の熱流量の総和ｑ’は、
ｑ’＝ｑ２＋ｑ３＝４／３×λ×Ｓ×Δｔ／Ｌ＝４／３×ｑ・・・（６）
となり、左右の電極の厚みが均等な場合と比較して熱流量が増大する。

このように、第１の電極と第２の電極の厚みを異ならせた場合、第１の電極と第２の電極の厚みを同じにした場合と比べて、より大きな熱流量を得ることができる。つまり、外部に対する放熱性が向上する。そのため、抵抗体素子６３の温度の上昇が抑えられトリップ時間が延びることで、このようなＰＴＣ４０が装着されたモータ１が所望の設定時間より早く動作停止する状況が抑制される。

本実施の形態に係る第１の電極６５の厚みｔ１は、抵抗体素子６３の厚みｔ２より大きい。これにより、抵抗体素子６３の厚みがＰＴＣ４０全体から見て相対的に薄くなることでＰＴＣ４０全体の抵抗が低くなり発熱量が小さくなるため、トリップ時間が長くなることが期待できる。また、第１の電極６５が抵抗体素子６３より薄い場合と比較して、抵抗体素子６３の発熱量に対する第１の電極６５の放熱量を高めることができる。

本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

１ モータ、 ２ 固定子、 ３ ケーシング、 ４ 回転子、 ５ 回転軸、 ６ 軸受装置、 ８ ハウジング、 ９ 開口部、 １０ 蓋部材、 １１ 端子接続部、 １２ 外部端子、 １３ モータ内部、 １４ フラット部、 １５ 内周面、 １６ 電機子巻線、 １７ コア、 １８ 整流子、 １９ ブラシ、 ２０ ブラシアーム、 ２１ ブラシベース、 ４０ ＰＴＣ、 ６３ 抵抗体素子、 ６４ 第２の電極、 ６５ 第１の電極。

Claims (1)

1. 正の温度係数を持つ抵抗体素子と、
   前記抵抗体素子の一方の面に設けられた第１の電極と、
   前記抵抗体素子の他方の面に設けられた第２の電極と、を備え、
   前記第１の電極は、前記第２の電極より厚いことを特徴とする正特性サーミスタ。

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