JP2011135092A

JP2011135092A - Ｐｔｃ素子と金属リード要素との接続構造体の製造方法及びその製造方法に用いられるｐｔｃ素子

Info

Publication number: JP2011135092A
Application number: JP2011031123A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Nakagawa; 敦中川; Arata Tanaka; 新田中; Mikio Iimura; 幹夫飯村
Original assignee: Tyco Electronics Raychem KK
Current assignee: Tyco Electronics Raychem KK
Priority date: 2002-09-06
Filing date: 2011-02-16
Publication date: 2011-07-07
Also published as: US20060102692A1; CN1682324B; WO2004023499A1; TWI340398B; US7528350B2; CN1682324A; KR101027902B1; JPWO2004023499A1; TW200418054A; KR20050057163A

Abstract

【課題】カシメ、ハンダ付けによる接続法の問題点を回避できる、ポリマーＰＴＣ素子と金属リード要素との間の新たな電気的接続法を提供する。
【解決手段】（Ａ）（i）層状ポリマーＰＴＣ要素（12）及び（ii）層状ポリマーＰＴＣ要素の主表面上に配置された金属箔電極（14）を有するＰＴＣ素子（10）、並びに（Ｂ）金属箔電極に電気的に接続された金属リード要素（20）を有して成る接続構造体をレーザー溶接を用いて製造する方法であり、金属箔電極は、少なくとも二つの金属層から形成され、層状ポリマーＰＴＣ要素から最も離れて位置する金属箔電極の金属層（第一層：レーザー光吸収率（ｂ％））（18）と層状ポリマーＰＴＣ要素（12）との間に、金属箔電極（14）の金属層の中でレーザー光吸収率が最も小さい金属層（第Ｘ層：レーザー光吸収率（ａ％）、ｂ＞ａ）（16）が存在し、レーザー光がＹＡＧレーザーである製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ポリマーＰＴＣ素子と金属リード素子の接続構造体の製造方法、その製造方法によって製造される接続構造体、及びそのような製造方法に使用されるＰＴＣ素子に関する。

ＰＴＣ（positive temperature coefficient）素子は、電気回路を保護する回路保護素子として種々の電気機器または電子機器で使用されている。そのようなＰＴＣ素子は、その抵抗が温度と共に変化し、特に、トリップ温度（trip temperature）とも呼ばれる特定の閾温度においてＰＴＣ素子の抵抗が急激に変化（又は増加）する性質を有する。このように温度が上昇すると抵抗が増加する、好ましくは急激に増加する性質をＰＴＣ特性と呼ぶ。

ＰＴＣ素子は、電気または電子機器の電気回路に組み込まれて使用される。例えば、機器の使用中に何らかの理由によって電気回路に過剰電流が流れて機器の温度が上昇した結果、ＰＴＣ素子の温度自体が閾温度に達した場合、ＰＴＣ素子は非常に高抵抗となる（例えば、ＰＴＣ素子の抵抗は１×１０^１〜１×１０^４倍以上に増加する）。その結果、ＰＴＣ素子を組み込んだ電気回路で、ＰＴＣ素子が電源ライン上である様な場合、電流を遮断して機器が故障することを未然に防止する。ＰＴＣ素子を組み込んだ電気回路が機器内の保護回路であるような場合、周囲の異常昇温によってＰＴＣ素子は高抵抗となり、その結果ＰＴＣ素子は、電圧変化を検知する保護回路中で、トランジスタのスイッチングを行い、機器が故障することを未然に防止する。ＰＴＣ素子は周知であり、種々のタイプのものが使用されている。例えば、ＰＴＣ素子は、携帯電話の２次電池の電気回路の保護回路に組み込まれる。そして２次電池の充電中及び放電中に過剰電流が流れた場合、ＰＴＣ素子は電流を遮断して２次電池を保護する。

従来のＰＴＣ素子の一例として、分散した導電性フィラーを含むポリマー材料から作られた層状のポリマーＰＴＣ要素を有するＰＴＣ素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。層状のポリマーＰＴＣ要素は、例えばカーボンブラックような導電性フィラーを分散状態で含む高密度ポリエチレンを押出成形することによって製造することができる。ポリマーＰＴＣ要素の両側の主表面に適当な電極を配置してＰＴＣ素子が得られる。そのような電極として、金属箔電極が使用される。金属箔電極は、例えば熱圧着することによって、層状のポリマーＰＴＣ要素に接着される。

ＰＴＣ素子を所定の電気回路又は電子回路に組み込むために、その金属箔電極を金属リード要素に電気的に接続する。この電気的な接続は、一般に金属箔電極と金属リード要素を２つの要素とし、その間のカシメ、ハンダ付け等により実施されている。カシメでは、一方の要素が開口部を有し、他方の要素はその開口部に対して相補的な形状で寸法的により大きい部分を有し、他方の要素のその部分を一方の要素の開口部に押し込むことによって２つの要素を結合する。このようなカシメは、機械的な力が双方の要素に過度に作用し得るので、ＰＴＣ素子が損傷し易いという問題がある。

ハンダ付けは、２つの要素の間にハンダ材料を介在させて溶融させることによって行われ、ハンダ材料を溶融するために高温に加熱する必要がある。近年ハンダ材料に含まれる鉛が問題とされ、鉛フリー化が提案されている。一般に鉛フリーハンダは、従来のハンダより融点が高く、ハンダ付けのためには、より高温に加熱する必要がある。ＰＴＣ素子の金属箔電極は非常に薄いためハンダ付けの熱は直ちにポリマーＰＴＣ要素に伝わり、ポリマーＰＴＣ要素が局所的に高温となって軟化または溶融することがある。その結果、ポリマー中のフィラーの分散性が局所的に不均一となり、そのような部分のＰＴＣ特性が変化し、ＰＴＣ素子全体の性能に影響を与える可能性があるという問題がある。従って、ハンダ付けを用いる場合、そのような影響を考慮した、耐熱性に余裕を有するＰＴＣ素子を用いる必要があり、そのようなＰＴＣ素子が要求される。特に、鉛フリーハンダを使用する場合、更に耐熱性により大きな余裕を有するポリマーＰＴＣ素子が要求される。

特表平１０−５０１３７４号公報（第７−１５頁）

そこで、本発明は、ポリマーＰＴＣ要素の金属箔電極と金属リード要素との間の新たな電気的な接続方法を提供することによって、上述したカシメ又はハンダ付けを用いて、ポリマーＰＴＣ素子とリード要素とを電気的に接続する場合に生じ得る、ポリマーＰＴＣ素子が機械的に損傷するという問題及びポリマーＰＴＣ素子の耐熱性が不十分であるという問題が少なくとも緩和され、好ましくは回避された接続構造体、その製造方法、及びその製造方法に用いられるＰＴＣ素子を提供することを目的とする。

本発明者等は、種々検討した結果、上述の課題は、ポリマーＰＴＣ素子の金属箔電極と金属リード要素との電気的接続をレーザー溶接によって実施する際に、ポリマーＰＴＣ素子の金属箔電極として特定の構成を有する金属箔電極を用いることにより解決することができることを見出して、本発明を完成するに至ったものである。

本発明は、一の要旨において、新たな接続構造体の製造方法を提供し、それは、
（Ａ）（ｉ）層状ポリマーＰＴＣ要素及び
（ｉｉ）層状ポリマーＰＴＣ要素の主表面上に配置された金属箔電極
を有して成るＰＴＣ素子、並びに
（Ｂ）金属箔電極と電気的に接続された金属リード要素
を有して成る接続構造体を、金属箔電極と金属リード要素をレーザー溶接によって電気的に接続して製造する方法であって、
金属箔電極は少なくとも二つの金属層から形成され、層状ポリマーＰＴＣ要素から最も離れて位置する金属箔電極の金属層（第一層：レーザー光吸収率（ｂ％））と層状ポリマーＰＴＣ要素との間に、金属箔電極の金属層の中でレーザー光吸収率が最も小さい金属層（第Ｘ層：レーザー光吸収率（ａ％）、ｂ＞ａ）が存在することを特徴とする接続構造体の製造方法を提供する。尚、Ｘ（エックス）は、２以上であって、金属箔電極を構成する金属層の総数以下の整数である。

本発明は、好ましい態様において、
金属リード要素は、少なくとも一つの金属層から形成され、金属リード要素と金属箔電極が接する金属リード要素の金属層のレーザー光に対するレーザー光吸収率（ｃ％）が、金属箔電極の第Ｘ層のレーザー光吸収率（ａ％）より大きい（即ち、ｃ＞ａ）接続構造体の製造方法を提供する。

別の要旨において、本発明は上述の製造方法によって製造される接続構造体を提供し、それは、
（Ａ）（ｉ）層状ポリマーＰＴＣ要素及び
（ｉｉ）層状ポリマーＰＴＣ要素の主表面上に配置された金属箔電極
を有して成るＰＴＣ素子、並びに
（Ｂ）金属箔電極と電気的に接続された金属リード要素
を有して成り、金属箔電極と金属リード要素をレーザー溶接によって電気的に接続して製造される接続構造体であって、
金属箔電極は少なくとも二つの金属層から形成され、層状ポリマーＰＴＣ要素から最も離れて位置する金属箔電極の金属層（第一層：レーザー光吸収率（ｂ％））と層状ポリマーＰＴＣ要素との間に、金属箔電極の金属層の中でレーザー光吸収率が最も小さい金属層（第Ｘ層：レーザー光吸収率（ａ％）、ｂ＞ａ）が存在する接続構造体である。

更に、他の要旨において、本発明は上述の製造方法に使用されるＰＴＣ素子を提供し、それは、
（Ａ）（ｉ）層状ポリマーＰＴＣ要素及び
（ｉｉ）層状ポリマーＰＴＣ要素の主表面上に配置された金属箔電極
を有して成り、
金属箔電極が金属リード要素とレーザー溶接によって電気的に接続されるＰＴＣ素子であって、
金属箔電極は少なくとも二つの金属層から形成され、層状ポリマーＰＴＣ要素から最も離れて位置する金属箔電極の金属層（第一層：レーザー光吸収率（ｂ％））と層状ポリマーＰＴＣ要素との間に、金属箔電極の金属層の中でレーザー光吸収率が最も小さい金属層（第Ｘ層：レーザー光吸収率（ａ％）、ｂ＞ａ）が存在するＰＴＣ素子である。
本発明は一の態様において、金属箔電極が、層状ポリマーＰＴＣ要素の両側の主表面上に配置され、少なくとも一方の金属箔電極が金属リード要素にレーザー溶接によって電気的に接続されるＰＴＣ素子を提供する。

更に、上述のいずれの要旨においても、金属箔電極は二つの金属層から形成され、第Ｘ層は金属箔電極が層状ポリマーＰＴＣ要素と接する金属層であることが好ましい。
また、上述の金属箔電極は三つの金属層から形成され、第Ｘ層は金属箔電極が層状ポリマーＰＴＣ要素と接する金属層又は第一層と金属箔電極が層状ポリマーＰＴＣ要素と接する金属層との中間の金属層であることが好ましい。

本発明に係る接続構造体の製造方法を用いると、金属箔電極と金属リード要素との間の接続について、十分に大きな接続強度を保ちながら、カシメ又はハンダ付けを用いて、ポリマーＰＴＣ素子と金属リード要素とを電気的に接続する場合に生じ得る、ポリマーＰＴＣ素子が機械的に損傷するという問題及びポリマーＰＴＣ素子の耐熱性が不十分であるという問題を少なくとも緩和し、好ましくは回避することができる。従って、本発明に係る製造方法を用いると、十分に大きな接続強度を有するにもかかわらず、ポリマーＰＴＣ素子が機械的に損傷するという問題及びポリマーＰＴＣ素子の耐熱性が不十分であるという問題が、少なくとも緩和され、好ましくは回避された、ポリマーＰＴＣ素子と金属リード要素を有して成る接続構造体を得ることができる。

図１は、ＰＴＣ素子に金属リード要素を接続する様子を模式的に断面図にて示す。図２は、パルス−シーム溶接法を模式的に示す。図３は、ＹＡＧレーザーを用いて、９パルスシームを１ラインとして、ＰＴＣ素子に金属リード要素を２ライン溶接した例を示す。図４は、レーザー溶接強度の評価に用いた、リード引張り強度測定法を模式的に示す。

上述のいずれの要旨においても、金属箔電極と金属リード要素とがレーザーにより接続されること、金属箔電極が少なくとも二つの金属層から形成されること、そして、金属箔電極の金属層のレーザー光吸収率が特定の関係を有することを除いて、本発明の接続構造体の製造方法、その製造方法を用いて製造される接続構造体及びその製造方法に用いられるＰＴＣ素子は、基本的には常套のものであってよい。

本明細書において、ＰＴＣ素子の「層状ポリマーＰＴＣ要素」とは、例えば、導電性フィラーを含むポリマー材料（例えば、カーボンブラック粒状物質を分散状態で含む高密度ポリエチレン）であって、ＰＴＣ特性を示す、層状の形態のものであれば、自体既知のものであってよく、本発明が目的とする接続構造体の製造方法に用いることができるものであれば、特に制限されるものではない。具体的には、例えば、特表平１０−５０１３７４号公報に記載されているようなＰＴＣ素子に用いられるＰＴＣ要素であってよい。

更に、「金属箔電極」とは、層状ポリマーＰＴＣ要素に配置されて電極として用いられる金属箔であれば、自体既知のものであってよいが、本発明においては、金属箔電極は少なくとも二つの金属層から形成され、層状ポリマーＰＴＣ要素から最も離れて位置する金属箔電極の金属層（第一層：レーザー光吸収率（ｂ％））と層状ポリマーＰＴＣ要素との間に、金属箔電極の金属層の中でレーザー光吸収率が最も小さい金属層（第Ｘ層：レーザー光吸収率（ａ％）、ｂ＞ａ）が存在するという特定の構造を有する。

即ち、本発明において「金属箔電極」は、層状ポリマーＰＴＣ要素から最も離れて位置する金属箔電極の金属層（又は金属箔電極が金属リード要素と接する金属層）から、金属箔電極がポリマーＰＴＣ要素と接する金属層に向かって、金属箔電極の金属層に、第一層、第二層、第三層、・・・・・・と番号を付けると、第一層以外のいずれかの層が、金属箔電極中の金属層の中で最もレーザー光吸収率が最も小さい金属層であるという特徴を有する。本明細書において、この最もレーザー光吸収率が小さい金属層を第Ｘ層ともいう。従って、層状ポリマーＰＴＣ要素から最も離れて位置する金属箔電極の金属層（第一層）のレーザー吸収率を（ｂ％）とし、この最もレーザー光吸収率が小さい金属層（第Ｘ層）のレーザー吸収率を（ａ％）とすると、ｂ＞ａである。

本発明において金属箔電極は二つの金属層により形成されている場合、第Ｘ層は第二層であって、金属箔電極が層状ポリマーＰＴＣ要素と接する金属箔電極の金属層である。このような金属箔電極として、例えば、圧延、電解もしくは無電解銅箔にニッケルを電解もしくは無電解メッキすることによって得られるニッケルメッキ銅箔を例示することができる。このニッケルメッキ銅箔は、ポリマーＰＴＣ要素と接触する側について、密着性向上処理を施した後、ポリマーＰＴＣ要素と熱圧着することで、ポリマーＰＴＣ要素に接着することができる。

また、本発明において金属箔電極が三つの金属層により形成されている場合、第Ｘ層は第二層又は第三層である。即ち、第Ｘ層は、金属箔電極が層状ポリマーＰＴＣ要素と接する金属箔電極の金属層（第三層）又は第一層と金属箔電極が層状ポリマーＰＴＣ要素と接する金属箔電極の金属層との中間の金属層（第二層）である。第Ｘ層が第二層の場合、第三層のレーザー光吸収率は、第一層のレーザ光吸収率（ｂ％）より大きくても小さくてもよいが、第二層のレーザー光吸収率（ａ％）より大きい。また、第Ｘ層が第三層の場合、第二層のレーザ光吸収率は、第一層のレーザ吸収率（ｂ％）より大きくても小さくてもよいが、第三層のレーザー光吸収率（ａ％）より大きい。

尚、本発明において金属箔電極は、四つ以上の金属層から構成されてもよい。この場合、先に説明した第Ｘ層は、層状ポリマーＰＴＣ要素から最も離れて位置する金属箔電極の金属層（第一層：レーザー光吸収率（ｂ％））以外の金属箔電極のいずれの金属層であってもよく、そのレーザー光吸収率は（ａ％）である。第Ｘ層が、第二層の場合、第三層及び第四層はａ％より大きいいずれのレーザー光吸収率を有してもよく、第Ｘ層が、第三層の場合、第二層及び第四層はａ％より大きいいずれのレーザー光吸収率を有してもよく、第Ｘ層が、第四層の場合、第二層及び第三層はａ％より大きいいずれのレーザー光吸収率を有してもよい。

本発明においては、金属箔電極は二つの金属層により形成され、第Ｘ層は第二層であって、金属箔電極が層状ポリマーＰＴＣ要素と接する金属箔電極の金属層であることが特に好ましい。

本明細書において「レーザー光吸収率」とは、金属箔電極と金属リード要素との間で電気的接続部を形成するために使用するレーザー光の吸収率を意味する。従って、「レーザー光吸収率」の「レーザー」とは、そのような特定のレーザー光（従って、特定の波長を有する）を意味する。本発明においてレーザー溶接に使用できるレーザーは、金属を溶融して固化することによって接続できるいずれの適当なレーザーであってもよい。一般的に金属材料の切断または溶接に使用されているレーザーを使用できる。そのようなレーザーとして、例えば、ＹＡＧレーザー、ＣＯ_２レーザー等を使用できる。

本明細書において「レーザー光吸収率」とは、下記数式（１）にて定義する。単位は％である。
数式（１）：レーザー光吸収率＝１００−反射率（％）
金属のレーザー光（その光エネルギー）の反射率は、光の波長によって変化するので、吸収率もその変化に応じて変化する。金属は特定の光の波長に対して特有の反射率を示す。そのようなレーザー光の反射率は、例えば、イフレンダー・アール（Ifflaender, R.）著「ソリッド−ステイト・レーザー・フォー・マテリアルズ・プロセシング（Solid-State Laser for Materials Processing）」，（独国），初版，シュプリンガー・フェアラーク（Springer Verlag）発行，２００１年，ｐ．３２３、及び金岡優著，「加工レーザー」，初版，日刊工業新聞社，１９９９年，ｐ．６−７等の科学技術参考書に記載されている。

使用するレーザーおよびその出力等の装置条件、ならびに照射時間等の操作条件は、接続する金属箔電極および金属リード要素の種類および厚さ等に応じて種々の条件で試行することによって最適なものを選択できる。

例えば、波長１．０６μｍのＹＡＧレーザーに対して、Ｃｕのレーザー光吸収率は１０％、Ｎｉのレーザー光吸収率は２８％である。また、波長１０．６μｍのＣＯ_２レーザーに対して、Ｃｕのレーザー光吸収率は１％、Ｎｉのレーザー光吸収率は４％である。従って、金属箔電極が二つの金属層から形成される場合、第二層（第Ｘ層）としてのＣｕ層に第一層としてのＮｉ層が積層された金属箔電極を使用できる。より具体的には、これらのレーザーを使用する場合、銅箔（例えば電解銅箔）の片面にニッケルメッキしたものをＰＴＣ素子の金属箔電極として使用できる。

尚、第一層のレーザー光吸収率（ｂ％）と第Ｘ層のレーザー光吸収率（ａ％）の差、即ちｂ−ａは、本発明が目的とする接続構造体、その製造方法、その製造方法に用いられるＰＴＣ素子を得られる限り、特に制限されるものではないが、上述したレーザー溶接の条件等との関係から、ｂ−ａ＞５％であることが好ましく、ｂ−ａ＞１０％であることがより好ましく、ｂ−ａ＞２０％であることが特に好ましい。

本発明のように、金属箔電極を少なくとも二つの金属層で構成した場合、金属箔電極を金属リード要素と接続するために照射されるレーザーにより加えられるエネルギーは、層状ポリマーＰＴＣ要素から最も離れて位置する金属箔電極の金属層（第一層）及び金属リード要素によって主に吸収される。その結果、第一層及び金属リード要素が局所的に溶融して固化し得る。一方、本発明に係る金属箔電極には、第一層とポリマーＰＴＣ要素との間に、最もレーザー光吸収率が小さい金属箔電極の金属層（第Ｘ層）が存在し、このレーザー光吸収率（ａ％）は、第一層のレーザー吸収率（ｂ％）より必ず小さい、即ち、ｂ＞ａである。

従って、照射されたレーザーによるエネルギーはこの第Ｘ層には吸収されにくいので、第Ｘ層からＰＴＣ要素に向かって、その後エネルギーが流れることが抑制される。その結果、レーザーによって加えられるエネルギーによるポリマーＰＴＣ要素への影響が最小限になり得る。換言すれば、レーザー照射によって加えられるエネルギーを、金属リード要素とそれに隣接する第一層とが局所的に融合する程度に充分な量としながら、融合に用いられた残りのエネルギーによるポリマーＰＴＣ要素への影響を、第一層とポリマーＰＴＣ要素との間に存在する第Ｘ層によって、少なくとも緩和し、好ましくは実質的に回避することができる。

本発明において「金属リード要素」とは、ＰＴＣ素子に用いられている金属リード要素であれば、自体既知のものであってよく、本発明が目的とする接続構造体の製造方法に用いることができるものであれば、特に制限されるものではない。レーザーにより加えるエネルギーを金属箔電極と金属リード要素を接続するために有効に利用するために、金属リード要素から第一層にエネルギーが円滑に伝達することを目的として、本発明に係る「金属リード要素」のレーザー光吸収率は、大きいことが好ましい。

更に、本発明に係る「金属リード要素」は、少なくとも一つの金属層から形成されることが好ましく、金属リード要素と金属箔電極が接する金属リード要素の金属層のレーザー光に対するレーザー光吸収率（ｃ％）が、金属箔電極の第Ｘ層のレーザー光吸収率（ａ％）より大きいこと、即ち、ｃ＞ａであることが好ましい。ｃ＞ａである場合、レーザーから照射されるエネルギーは、金属リード要素および第一層には充分に吸収されながらも、レーザー光吸収率の最も小さい金属電極の金属層（第Ｘ層）には吸収されにくくなる。

金属リード要素と金属箔電極が接する金属リード要素の金属層のレーザー光に対するレーザー光吸収率（ｃ％）と、金属箔電極の第Ｘ層のレーザー光吸収率（ａ％）との差、即ち、ｃ−ａは、ｃ−ａ＞５％であることが好ましく、ｃ−ａ＞１０％であることがより好ましく、ｃ−ａ＞２０％であることが特に好ましい。

本発明において、金属リード要素は、いずれの形態であってもよく、例えば層状の金属リード要素であってもよい。この場合、金属リード要素は、シート状の形態（厚さが例えば０．５〜１．５ｍｍ）、それより薄いフィルム状の形態（厚さが例えば０．１〜０．５ｍｍ）、あるいは更に薄い箔状の形態（厚さが例えば０．０５〜０．１ｍｍ）であってもい。そのような金属リード要素は、単一の層であっても、複数の層から形成されていてもよい。例えば、金属リード要素は、ニッケルリード要素であってよく、あるいはメッキされたニッケルリード要素であってよい。

特に好ましい態様では、金属リード要素はシート状のニッケル金属（厚さ１．０〜１．２５ｍｍ）であり、金属箔電極は第二層としての銅箔（厚さ５０〜７０μｍ）の上に第一層として形成されたニッケルメッキ層（厚さ１０〜３０μｍ）を有するニッケルメッキ銅箔である。

ＰＴＣ素子は通常ＰＴＣ要素の両側の主表面上に金属箔電極を有するが、レーザーによる金属箔電極と金属リード要素との接続は、少なくとも一方の金属箔電極に関して実施すればよく、双方の金属箔電極に対して実施するのが特に好ましい。

本発明において、レーザーによる接続は、既知のいずれの態様で実施してもよい。例えば、ＰＴＣ素子の金属箔電極上に金属リード要素を重ねて所定の面積で相互に接触させ、金属リード要素の所定の箇所にレーザーを照射して実施することができる。レーザーの照射は、例えば、レーザーの照射箇所を移動させないで、所定時間照射するスポット溶接法（この場合、円形状の接続部が１つ形成される）、レーザーの照射箇所を断続的または連続的に移動させながら照射をパルス状に実施するパルス溶接法（この場合、円形または長円形状の複数の溶接部が離間して形成される）、レーザーの照射箇所を連続的に移動させながら照射も連続的に実施するシーム溶接法（この場合、線状の溶接部が形成される）であってよい。

本発明は、パルス−シーム溶接法で接続部を形成する場合に特に好適である。このパルス−シーム溶接法とは、パルス溶接により形成される接続部が離間するのではなく、円形または長円形の接続部が部分的に重なるようにレーザーを照射する方法である。この方法は、パルス溶接とシーム溶接の中間的な溶接法であるので「パルス−シーム溶接法」と呼ばれ、パルス溶接法に際して、レーザー照射箇所の移動量を小さくすることによって実施できる。この溶接法では、溶接部が重なる部分では、二重に（即ち、重複して）エネルギーを受けることとなり、溶接により形成される接続部の強度は大きくなり得るが、ポリマーＰＴＣ要素への熱的な影響も大きくくなり得る。しかし、本発明のように金属箔電極の第一層とポリマーＰＴＣ要素との間に、最もエネルギーを吸収しにくい第Ｘ層が存在すると、二重にエネルギーを受ける影響が抑制され得る。

本発明は、上述したように（Ａ）（ｉ）ポリマーＰＴＣ要素及び（ｉｉ）金属箔電極を有して成るＰＴＣ素子、並びに（Ｂ）金属リード要素を有して成る接続構造体をレーザー溶接によって製造する方法を提供する。更に、本発明は、上述の製造方法によって製造される接続構造体を提供する。また、本発明は、上述の接続構造体の製造方法に用いられるＰＴＣ素子を提供する。このＰＴＣ素子は、金属箔電極が、層状ポリマーＰＴＣ要素の両側の主表面上に配置され、少なくとも一方の金属箔電極が金属リード要素にレーザー溶接によって電気的に接続されるＰＴＣ素子であることが好ましい。更に、ＰＴＣ素子は、主表面の両側の金属箔電極が金属リード要素にレーザー溶接によって電気的に接続されるＰＴＣ素子であることが特に好ましい。

本発明は、ポリマーＰＴＣ素子の金属箔電極に金属リード要素をレーザー溶接を用いて接続する際、レーザーによるＰＴＣ要素への熱的影響を抑制する方法を提供し、その方法は、金属箔電極を少なくとも二つの金属層から形成し、層状ポリマーＰＴＣ要素から最も離れて位置する金属箔電極の金属層（第一層：レーザー光吸収率（ｂ％）と層状ポリマーＰＴＣ要素との間に、金属箔電極の金属層の中でレーザー光吸収率が最も小さい金属層（第Ｘ層：レーザー光吸収率（ａ％）、ｂ＞ａ）を配置することを特徴とする。

即ち、本発明の抑制方法では、金属箔電極を構成する金属層の中で最もレーザー光吸収率が小さい金属層が、金属箔電極の第一層以外の金属層であることを特徴とする。このように金属箔電極を構成すると、ＰＴＣ要素に近い側に第一層よりレーザー吸収率が相対的に小さい金属層が配置されることになる。従って、その金属層によって、エネルギーの吸収が減少するので、ＰＴＣ要素へのエネルギーの伝達量が減り、その結果、ＰＴＣ要素に対するレーザーの影響が最小限になる。

次に、添付図面を参照して、本発明を更に詳細に説明する。
図１は、ＰＴＣ素子に金属リード要素を接続する様子を模式的に断面図にて示す。ＰＴＣ素子１０は、その中央に位置するポリマーＰＴＣ要素１２およびその両側に位置する金属箔電極１４を有する。この金属箔電極１４は、２つの層、即ち、ＰＴＣ要素１２に接し、ＰＴＣ要素により近い金属層（第二層）１６及び金属リード要素と接し、ＰＴＣ要素１２からより遠い金属層（第一層）１８から構成されている。金属箔電極１４上に金属リード要素２０を配置して、これらが所定のように重なるようにする。好ましくは、金属リード要素２０を、ＰＴＣ素子１２の下面の金属箔電極１４の下にも配置して、同様にレーザー溶接を行うが、これは図示していない。

金属箔電極１４と金属リード要素２０の重なる部分の所定の箇所にレーザー光が照射されるように、金属リード要素２０の上方からレーザー光を照射する。照射するレーザー光２２は、金属リード要素２０と第一層１８とを融合させるのに充分な出力で所定時間照射する。使用するレーザー光に対する第二層１６の吸収率（ａ％）は、第一層１８のそれ（ｂ％）より小さい、即ち、ａ＜ｂである。従って、レーザー光は、第二層１６と第一層１８との間で矢印（小さい矢印）で示すように反射され、その結果、第二層１６へのレーザー光による熱的影響は有るとしても最小限となり、その結果、レーザー光によるＰＴＣ要素１２への影響は最小限となる。

尚、図１において、溶接により形成された接続部２４を点描により模式的に示すように、レーザー光により形成された接合部（または溶接部）２４は、第二層と第一層の界面に近い第二層の部分にまで延在するものの、第二層とＰＴＣ要素との界面付近には延在しない。また、金属リード要素２０のレーザー光吸収率（ｃ％）は、レーザー光のエネルギーの効率を考慮すると、大きいことが好ましく、特にａ＜ｃであることがより好ましい。

図２は、パルス−シーム溶接法を模式的に示す。図示するように、複数の円形の溶接部２４が部分的に重なるように形成されている。従って、重なる部分２６は、２回レーザー照射されているので、レーザー２２による熱的エネルギーの影響を受け易いが、本発明のようにレーザー光吸収率を選択することによってその影響を最小限に抑えることができ、特にＰＴＣ要素１２への実質的な悪影響を避けることができる。

１つの好ましい態様では、ＰＴＣ素子の金属箔電極としてニッケルメッキ銅箔（厚さ：ニッケル２０μｍ、銅６０μｍ）を使用し、金属リード要素としてニッケルシート（厚さ１．２５ｍｍ）を使用する。１パルス当たり出力１．８ＷのＹＡＧレーザー光を使用して０．７秒間照射して、パルス−シーム溶接を行う。

以下、本発明を実施例により具体的かつ詳細に説明するが、この実施例は本発明の一態様にすぎず、本発明はこの例によって何ら制限されるものではない。

実施例１
ポリマーＰＴＣ要素として、幅５ｍｍ×長さ１２ｍｍ×厚さが０．２５ｍｍのポリエチレンＰＴＣ要素（米国ミレニアム・ケミカル（ＭＩＬＥＮＮＩＵＭＣＨＥＭＩＣＡＬ）社製のＬＢ８３２（商品名））の両方の主表面に、２０μｍの厚さのニッケルメッキがされた厚さが６０μｍの銅箔を、熱圧着することによって接着して得られたポリマーＰＴＣ素子（タイコエレクトロニクス（株）社製のＶＴＰ２１０用チップ（商品名））を用いた。また、金属リード要素として、幅４ｍｍ×長さ１６ｍｍ×厚さ１．２５ｍｍのニッケル金属の金属リード要素を用いた。１パルス当たり出力１．８ＷのＹＡＧレーザー光を使用し０．７秒間照射して、パルス−シーム溶接を行った。９パルスで１ラインとし、２ラインの溶接を行った。このＹＡＧレーザーを用いて、９パルスシームを１ラインとして、ＰＴＣ素子に金属リード要素を２ライン溶接した例を、図３に示した。

得られたレーザー溶接の強度を、リード引張り強度試験を行って、リード引張り強度を測定することで評価した。レーザー溶接の強度の評価に用いたリード引張り強度測定法を図４に模式的に示す。図４においては、金属リード要素２０が、ＰＴＣ素子１０の両方の主表面に、いずれも９パルスシームを１ラインとして、２ライン溶接されている。溶接部は、パルス−シーム溶接部２８として示されている。尚、図４では、ＰＴＣ要素１２と金属箔電極１４は省略されている。リード引張り強度は、デジタルフォースゲージ（ＡＭＤＡ製のＤＳＰ−２０（商品名））を用いて、金属リード要素２０の端部をつかみ９０度上方に６０ｍｍ／ｍｉｎの等速度で引張り、得られる最大の力を測定した。上述したレーザー溶接によって得られた５０個の試料についてリード引張り強度を測定した結果、リード引張り強度は、平均値が１８．２４Ｎ（１．８６Ｋｇｆ）であり、標準偏差は３．３３Ｎ（０．３４Ｋｇｆ）であった。一般的に、リード引張り強度は、４．９０Ｎ（０．５Ｋｇｆ）以上の大きさが必要とされるので、本実施例１で得られたレーザー溶接による溶接強度は、十分に大きいことがわかった。

尚、この実施例１で得られたＰＴＣ素子１０と金属リード要素２０とのパルス−シーム接続部２８を側方からＸ線写真を撮って詳細に検討したところ、パルス−シーム溶接を行うことによって、ポリマーＰＴＣ素子１０のポリマーＰＴＣ要素１２に、何らの損傷も生じていないことが明らかとなった。

本発明の主な態様を、以下に示す。
１．（Ａ）（ｉ）層状ポリマーＰＴＣ要素及び
（ｉｉ）層状ポリマーＰＴＣ要素の主表面上に配置された金属箔極
を有して成るＰＴＣ素子、並びに
（Ｂ）金属箔電極と電気的に接続された金属リード要素
を有して成る接続構造体を、金属箔電極と金属リード要素をレーザー溶接によって電気的に接続して製造する方法であって、
金属箔電極は少なくとも二つの金属層から形成され、層状ポリマーＰＴＣ要素から最も離れて位置する金属箔電極の金属層（第一層：レーザー光吸収率（ｂ％））と層状ポリマーＰＴＣ要素との間に、金属箔電極の金属層の中でレーザー光吸収率が最も小さい金属層（第Ｘ層：レーザー光吸収率（ａ％）、ｂ＞ａ）が存在することを特徴とする接続構造体の製造方法。
２．金属箔電極は二つの金属層から形成され、第Ｘ層は金属箔電極が層状ポリマーＰＴＣ要素と接する金属層であることを特徴とする上記１に記載の製造方法。
３．上述の金属箔電極は三つの金属層から形成され、第Ｘ層は金属箔電極が層状ポリマーＰＴＣ要素と接する金属層又は第一層と金属箔電極が層状ポリマーＰＴＣ要素と接する金属層との中間の金属層であることを特徴とする上記１に記載の製造方法。
４．（ｂ−ａ）＞５％であることを特徴とする上記１〜３のいずれかに記載の製造方法。
５．金属リード要素は、少なくとも一つの金属層から形成され、金属リード要素と金属箔電極が接する金属リード要素の金属層のレーザー光に対するレーザー光吸収率（ｃ％）が、金属箔電極の第Ｘ層のレーザー光吸収率（ａ％）より大きい（即ち、ｃ＞ａ）ことを特徴とする上記１〜４のいずれかに記載の製造方法。
６．（ｃ−ａ）＞５％であることを特徴とする上記５記載の製造方法。
７．レーザー光が、ＹＡＧレーザーであることを特徴とする上記１〜６のいずれかに記載の製造方法。
８．金属箔電極が、ニッケルメッキ銅箔であり、金属リード要素はニッケル金属であることを特徴とする上記７に記載の製造方法。
９．上記１〜８のいずれかに記載の製造方法を用いて製造される接続構造体。
１０．上記１〜８のいずれかに記載の製造方法に用いられるＰＴＣ素子。
１１．上記１０に記載のＰＴＣ素子であって、金属箔電極が、層状ポリマーＰＴＣ要素の両側の主表面上に配置され、少なくとも一方の金属箔電極が金属リード要素にレーザー溶接によって電気的に接続されるＰＴＣ素子。

１０ＰＴＣ素子、１２ＰＴＣ要素、１４金属電極箔、１６第１層、
１８第２層、２０金属リード要素、２２レーザー光、２４接続部、
２６重なり部分、２８パルス−シーム接続部、３０引張り方向。

Claims

（Ａ）（ｉ）層状ポリマーＰＴＣ要素及び
（ｉｉ）層状ポリマーＰＴＣ要素の主表面上に配置された金属箔極
を有して成るＰＴＣ素子、並びに
（Ｂ）金属箔電極と電気的に接続された金属リード要素
を有して成る接続構造体を、金属箔電極と金属リード要素をレーザー溶接によって電気的に接続して製造する方法であって、
金属箔電極は少なくとも二つの金属層から形成され、層状ポリマーＰＴＣ要素から最も離れて位置する金属箔電極の金属層（第一層：レーザー光吸収率（ｂ％））と層状ポリマーＰＴＣ要素との間に、金属箔電極の金属層の中でレーザー光吸収率が最も小さい金属層（第Ｘ層：レーザー光吸収率（ａ％）、ｂ＞ａ）が存在する接続構造体の製造方法であり、
レーザー光が、ＹＡＧレーザーである接続構造体の製造方法。
金属箔電極は二つの金属層から形成され、第Ｘ層は金属箔電極が層状ポリマーＰＴＣ要素と接する金属層であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
上述の金属箔電極は三つの金属層から形成され、第Ｘ層は金属箔電極が層状ポリマーＰＴＣ要素と接する金属層又は第一層と金属箔電極が層状ポリマーＰＴＣ要素と接する金属層との中間の金属層であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
（ｂ−ａ）＞５％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法。
金属リード要素は、少なくとも一つの金属層から形成され、金属リード要素と金属箔電極が接する金属リード要素の金属層のレーザー光に対するレーザー光吸収率（ｃ％）が、金属箔電極の第Ｘ層のレーザー光吸収率（ａ％）より大きい（即ち、ｃ＞ａ）ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の製造方法。
（ｃ−ａ）＞５％であることを特徴とする請求項５に記載の製造方法。
金属箔電極が、ニッケルメッキ銅箔であり、金属リード要素はニッケル金属であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の製造方法。
請求項１〜７のいずれかに記載の製造方法を用いて製造される接続構造体。
請求項１〜７のいずれかに記載の製造方法に用いられるＰＴＣ素子。
請求項９に記載のＰＴＣ素子であって、金属箔電極が、層状ポリマーＰＴＣ要素の両側の主表面上に配置され、少なくとも一方の金属箔電極が金属リード要素にレーザー溶接によって電気的に接続されるＰＴＣ素子。