JP2011507222A - Ｐｔｃ抵抗器 - Google Patents

Abstract

素体が中位面２に沿って伸展し、素体が面３、４によって囲まれ、少なくとも１つの面が素体と電気的に接触し、少なくとも１つの面の面積が素体の中位面に垂直な方向への射影の面積と比較して大きいことを特徴とする、オーム抵抗の正の温度係数を有するセラミック素材から構成される素体１を有するＰＴＣ抵抗器を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくともある温度範囲において、オーム抵抗の正の温度係数を有するセラミック素材から構成される素体を有する、ＰＴＣ抵抗器に関する。

温度の関数としての、電気抵抗率ρの増加は、ある温度範囲において対数関数的な曲線を描く。ＰＴＣ抵抗器は、円、正方形、あるいは長方形のディスクの形で生産される可能性がある。このようなＰＴＣ抵抗器が好適に使用される応用範囲は広く、典型的な例には過電流保護素子、スイッチ、さらにヒーターが含まれる。

ＰＴＣ抵抗器は、粒状物質の乾式プレスによって製造される。乾式プレスによって製造される素体を有するＰＴＣ抵抗器においては、前記のディスク状のような単純な幾何形状
をとるように、形状の多様性が強く限定されている。

少なくともある温度範囲において、オーム抵抗の正の温度係数を有するセラミック素材から構成される素体を有するＰＴＣ抵抗器について記載する。

素体は主に中位面に沿って伸展している。さらに、この素体は中位面に垂直な方向にも伸展してよい。

この素体は、複数の面によって囲まれ、ここで少なくとも一つの面は素体と電気的な接触状態にあるように構成される。

この素体において、少なくとも１つの面の面積が、素体の、中位面に垂直な方向への平行射影の面積よりも、大きい。

このようなＰＴＣ抵抗器において、通常２５℃において測定されるオーム抵抗が低減するようなセラミック素体の表面体積比を達成することが可能であり、これによってＰＴＣ構成要素にある特性が付与される。

前述の通り、バルクＰＴＣ抵抗器の表面体積比を増加させることによって得られる、ある表面体積比を有する構造化されたＰＴＣ抵抗器について記載する。

表面の面積を増すことで、素体を流れる電流の分布が広がり、２５℃におけるこのＰＴＣ抵抗器の構成要素の抵抗（Ｒ_２５）が減少する。前記表面とはＰＴＣ抵抗器の素体に電気的に接触させるのに好適な表面である。ＰＴＣ抵抗器の実施例の多くにおいて、室温において抵抗率が低いことが有利となる。

例えば、過電流保護装置の実施例において、このＰＴＣ抵抗器は回路に直列に接続されて過電流を阻む。このようにして、回路の通常の動作に必要な動作電流は、ＰＴＣ抵抗器全体を流れる。通常の動作温度において抵抗値が低い場合、ＰＴＣ抵抗器の電圧降下が最小化され、電力の散逸を低減することが可能である。

ヒーターでの実施例では、加熱電流がＰＴＣ抵抗器を流れる。オームの法則によると、このＰＴＣ抵抗器の抵抗値を下げると、ある量の加熱電流を供給する際に必要とされる電圧が低くなる。これは、自動車への適用など、電圧が制限されているような多くの実施例において有用である。

ＰＴＣ抵抗器のある実施形態において、少なくとも１つの面は凸部を備える。

他の実施形態において、素体の少なくとも１つの面は、凹部を備える。

望ましい実施形態において、少なくとも１つの面が、凸部及び凹部の両方を備える。

少なくとも１つの面の形状は、所定の厚さのシートを折りたたむことで作製されてよい。

他の実施形態において、この素体の１つの面の形状にとどまらず、素体自体の形状が、シートの折りたたみによって作製可能である。

この素体の形状は、シートを中位面に垂直な方向に折りたたむことによって、達成されうる。望ましい実施形態において、複数回の折りたたみが実施される。

ＰＴＣ抵抗器の他の実施形態において、すくなくとも１つの面が複数の折り目を持つ。ここで、各折り目は頂上線を持ち、この頂上線は隣接する折り目の頂上線と平行である。

少なくとも１つの面が複数の折り目を持つだけでなく、素体自体が、シートの複数回の折りたたみによって得られる。

シートの折りたたみによって素体を成形した結果、波状の形状を有する素体が得られると考えられる。

このＰＴＣ抵抗器の他の実施形態において、素体が持つ折り目の数を増やした場合、室温におけるオーム抵抗が低下する。

このＰＴＣ抵抗器は、ある種の原料物質を使用した射出成形によって製造されてよい。

この射出成形可能な原料物質は、望ましくは、セラミック充填剤、充填剤を保持するマトリクスを備え、金属の混入物が存在した場合には１０ｐｐｍより低いことが望ましい。

セラミックは、例えばペロブスカイト型（ＡＢＯ_３）のセラミックであるチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）を基にする。

射出成形の過程において、セラミック充填剤と、充填剤を保持するマトリクスと、望ましくは１０ｐｐｍより少ない金属の混入物とを備える原料物質を使用することが可能である。セラミック充填剤の例としては次の構造で記述できるものが考えられる：
Ｂａ_{１−ｘ−ｙ}Ｍ_ｘＤ_ｙＴｉ_{１−ａ−ｂ}Ｎ_ａＭｎ_ｂＯ_３
ここでパラメータは、ｘ＝０〜０．５、ｙ＝０〜０．０１、ａ＝０〜０．０１、ｂ＝０〜０．０１である。この構造において、Ｍは２価の陽イオンであり例えばＣａ、Ｓｒ、Ｐｂ、Ｄは３価あるいは４価のドナーであり例えばＹ、Ｌａ、あるいは希土類、そして、Ｎは５価あるいは６価の陽イオンであり例えばＮｂ、Ｓｂである。このように、セラミック素材が高度な多様性を持つことは、セラミック組成を選択する際に有用であり、この選択は、焼結後のセラミックに必要とされる電気的特性を考慮して行われる。

この原料物質のセラミック充填剤は、低い抵抗率を有し、抵抗−温度曲線の傾きが大きいＰＴＣセラミックに転換できる。このような原料物質によって作られたＰＴＣセラミックの抵抗率は、セラミック充填剤の組成と、原料の焼結の間の条件に依存して、２５℃において、３Ωｃｍから３００００Ωｃｍの範囲の抵抗値を持つことができる。抵抗値が上昇し始める温度である特性温度Ｔｂは、−３０℃から３４０℃の範囲にある。不純物が多い場合、成形されたＰＴＣセラミックの電気的性質を損なう可能性があるため、原料物質の金属不純物の量は１０ｐｐｍよりも低い。

原料物質の金属不純物はＦｅ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｗを備えてよい。原料物質を調製する際の器具の摩耗による、金属不純物の原料物質中の含有量は、合計あるいは単独において、１０ｐｐｍよりも少ない。

摩耗の程度が小さく、原料物質に加わる不純物の量が１０ｐｐｍよりも少なくなるような器具を使用して、原料物質を調製する。このようにして、金属不純物の混入の原因となる摩耗の程度が低い、射出形成可能な原料物質が調製され、成形ＰＴＣセラミックの望ましい電気的特性は損なわれない。

この原料物質を調製する器具は、硬い金属のコーティングを備える。このコーティングは、例えば炭化タングステン（ＷＣ）のような任意の硬い金属を備える。このようなコーティングによって、セラミックの充填剤とマトリクスの混合物と接触した場合の器具の摩耗の程度が低減し、摩耗による金属不純物の含有の少ない原料物質の調製が可能となる。金属不純物は、Ｆｅ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒであってよい。使用器具が、ＷＣのような硬い被膜によってコーティングされた場合、タングステンが不純物として原料物質に混入する。しかし、それらの不純物の含有量は５０ｐｐｍより少ない。この含有濃度では、焼結ＰＴＣセラミックの望まれる電気的性質には影響しないことが見いだされた。

ＰＴＣセラミックの形成に射出成形法を使用する場合、ＰＴＣセラミックの効率が損なわれないために、形成物中の金属不純物に留意する必要がある。セラミック物質のＰＴＣ効果には、温度Ｔの関数としての、電気抵抗率ρの変化が存在する。ある温度範囲において、温度Ｔの増加に対して抵抗率ρの変化量は少ない。一方、いわゆるキュリー温度Ｔｃより高い温度では、抵抗率ρは温度上昇に対して急激に増加する。この２番目の温度範囲において、ある温度における抵抗率の相対的な変化である温度係数は、１００％／Ｋとなりうる。キュリー温度における急激な温度上昇がなければ、この形成物の自己制御能は不完全である。

このＰＴＣ抵抗器のその他の特徴は、下記の詳細な記述とそれに伴った図とによって明確にされる。

波状の形状を有するＰＴＣ抵抗器の透視図である。 ２個の異なる波型の構造が互いに交差する、ＰＴＣ抵抗器の透視図である。 図１に示したＰＴＣ抵抗器の横断面図である。

図１に、素体１を有するＰＴＣ抵抗器を示した。この素体は、オーム抵抗の正の温度係数を持つセラミック素材から構成される。例えば、セラミック素材として次の物質を使用してよい：
（Ｂａ_{０．３２９０}Ｃａ_{０．０５０５}Ｓｒ_{０．０９６９}Ｐｂ_{０．１３０６}Ｙ_{０．００５}）
（Ｔｉ_{０．５０２}Ｍｎ_{０．０００７}）Ｏ_{１．５０４５}

このセラミック素材の焼結体は、特性参照温度Ｔｂ１２２℃と、（焼結時の条件に依存して）４０から２００Ωｃｍの範囲の抵抗率を持つ。

このセラミック素材に特徴的な抵抗率ρは２０から２００Ωｃｍの範囲にわたる。ＰＴＣ抵抗器の望ましい実施形態において、素体は、オーム抵抗の温度挙動のような、ＰＴＣ抵抗器のオーム抵抗に影響をあたえる成分を含まない。

ＰＴＣ抵抗器の素体は、中位面２に沿って伸展する。これは、素体１のｂ、ｌで示した大きい辺が中位面２に平行に、ｈで示した小さい辺が中位面２に垂直に伸びることを意味する。

この素体は、例えば３で示した上面、４で示した下面のような、面によって囲まれている。さらに、１１と１２で示した面によっても囲まれている。

少なくとも１つの面が、素体と電気的に接触するように構成される。図１の例の中では、上面３と下面４が電気的に素体と接触するように構成されている。これは、素体を流れる電流が、上面３全体と下面４全体に分布することを意味する。これによって電流分布が拡大し、ＰＴＣ抵抗器のオーム抵抗が低減する。

図３に示すようにそれぞれの面をコーティングすることによって、このような電気的接触が構成されうる。図３に関して言えば、導電層３１と４１が素体１の上部と下部にそれぞれ配置されている。これらの導電層は、金属粒子含有ペーストをスクリーン印刷する方法、又は、スパッタリングあるいは真空蒸着のようなコーティング技術によって塗布してよい。

導電層３１と４１に、付加的な外部端子を接続すると利便性が高いと考えられる。例えば、導線として選択される、リード線が考えられる。導線は、はんだ付けや溶接によって導電層に接続してよい。

図１に２つの異なる面が示され、これらの面の面積は素体の平行射影の面積よりも大きい。平行射影とは、中位面に垂直な方向への射影を意味する。このような射影の図解が図３に示され、矢印は、素体１の上部に、中位面２に垂直な方向に投影される平行光を表す。この射影は、中位面２に平行な投影面６に影を落とす。影６１の面積は、上面３及び下面４の面積よりも小さい。

ＰＴＣ抵抗器の１つの実施形態によると、少なくとも１つの面は、１つあるいは複数の凸部を備える。図１の例の場合、凸部７１、７２、７３が、素体１の上面３に備わっている。

他の実施形態において、ＰＴＣ抵抗器は、凹部を備える少なくとも１つの面を有する。図１の例において、凹部８１、８２が上面３に備わっている。下面４にはさらに凹部７１２、７２２、７３２が備わっている。

上面３と下面４の形成は、所定の厚さのシートを折りたたむことによって達成されてよい。前述の方法で上面と下面を形成した結果、素体１が得られ、この形状はシートの折りたたみによって得られてよい。

図１の例において、シート５を折りたたむ工程の結果物であると考えてもよいのは、形状のみであり、製造工程ではない。ここで折りたたみの工程は、折り目９１と折り目９２が中位面２に対して垂直な方向に伸展するように実行される。シートを均一に折りたたんだ場合、結果的に折り目は互いに均等な距離を隔てて配置される。さらに、好適な折りたたみ工程を用いた場合、折り目に頂上線７１１、７２１、７３１が形成される結果となる。頂上線７１１、７２１、７３１は、それぞれの折り目の頂上に位置し、互いに平行に伸展する。

図１に示した素体の形状が、所定の厚さの層を折りたたむことで得られる一方、図１のＰＴＣ抵抗器は、ＰＴＣセラミックの射出成形によって製造することはできない。

さらに、図１に示したＰＴＣ抵抗器は波状の形をしており、これは、特に、図３で示した、図１の素体の横断面図から明白である。

折り目９１、９２の形成によって、上面３のそれぞれの凸部７１、７２、７３と、これらに対応する凹部７１２、７２２、７３２が反対側に、つまり素体の下面４に形成される。

素体１の電気的接触を促進するために、導電層３１と４１が、上面３と下面４にそれぞれ図３に図解したように配置される。

図１に示した素体の幾何的寸法に関して、素体の長さはｌ、素体の幅はｂ、折りたたまれた層の厚さはｄ、素体１の高さはｈと表記される。

一般的に、ｌ、ｂ、ｄ、ｈの値は、ＰＴＣ抵抗器の具体的な実施例に応じて、広範囲の多様な値を選択してよい。

素体の高さは、層の厚さｄの２倍に０．５ｍｍを足したものである。

オーム抵抗を低減するためのＰＴＣ抵抗器の層の折りたたみの効果の例を下表に示す。

初めの列に、構成要素のタイプを表記した。全てのタイプは、図１に例示した形をとっている。

ここで、Ｓは区分（ｓｅｇｍｅｎｔ）の数を表す。各区分は、一方の面の１つの凸部の頂上に始まり、反対の面の隣接する凸部の頂上に及ぶ。表１で使われている区分の例は、図３に、１００で示した。表１で、ｈは素体１の高さを表し、単位はミリメートルである。

表１には、面積（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）Ｄも示され、ここでＤは素体１の長さ（最初の項目）と、素体１の幅ｂ（二番目の項目）の積である。

Ｐで表した、陰の部分の各射影面積をｍｍ^２で表した。２５℃で計測したオーム抵抗Ｒを、表にΩ単位で示した。表の次の列には、二つの面積の比を示した。最初の面積Ａ１は、表で言及した、陰の面積である。二番目の面積Ａ１は、波形抵抗器と同じ質量及び厚さ（ｈで示される）を有するディスク型抵抗器の面積である。それらの比がＡ２／Ａ１として計算される。

最後の列には、抵抗器をスイッチとして使用した場合の最大開閉電流の最小値が、Ａで与えられている。

二番目の面積は、セラミック素材と同じ質量を有し、形状が平坦であり、表の３列目に与えた厚さを有するＰＴＣ抵抗器の面積である。

表１に見られるように、多様な実施形態における陰の面積は、ディスク型のＰＴＣ抵抗器の面積よりも常に小さい。

１列目に挙げた全てのタイプにおいて、最大印加電圧は２６５Ｖで、絶縁破壊電圧は４２０Ｖ以上である。

図２の例では、凹部と凸部の数は図１の例よりも多い。図２の素体１は波が２つある形をとり、個々の波は複数の折り目を備える。最初の波は折り目９１と９２を備える。折り目は同方向に走り、対応する平行な頂上線７１１、７２１を与える。

素体１に別の波が形成され、折り目９３、９４が形成される。これらの折り目は同様に同方向に伸展する。最初の折り目群９１、９２は二番目の折り目群９３、９４と垂直に伸展する。このように、図２は交差した波の形状を持つＰＴＣ構成要素を例示する。

折り目９１、９２、９３、９４によって、素体１の上面３にそれぞれ凸部７１、７２、７３、７４が形成される。凸部７１、７２、７３、７４の間に凹部８１、８２、８３、８４、８５が形成される。

図１の実施形態と比較して、図２の実施形態においては表面の複雑さが増しており、表面と影領域の比が増加している。

表１から、ＰＴＣセラミックの抵抗率に関らず、このＰＴＣ構成要素のオーム抵抗は区分の数を増やすことによって低減できることが結論付けられる。例えば列６と列２の比較を参照。

Claims (11)

1. 素体が中位面に沿って伸展し、前記素体が面によって囲まれ、前記面のうち少なくとも１つが前記素体と電気的に接触し、前記中位面に垂直な方向への前記素体の平行射影の面積と比較して前記面のうち少なくとも１つの面積が大きいことを特徴とする、
   オーム抵抗の正の温度係数を有するセラミック素材から構成される素体を有するＰＴＣ抵抗器。
2. 前記面の少なくとも１つが凸部を備えることを特徴とする、請求項１に記載のＰＴＣ抵抗器。
3. 前記面の少なくとも１つが凹部を備えることを特徴とする、請求項１に記載のＰＴＣ抵抗器。
4. 前記面の少なくとも一つが所定の厚みを有するシートを折りたたむ工程によって得られることを特徴とする、請求項１に記載のＰＴＣ抵抗器。
5. 前記素体の形状が、所定の厚みを有するシートを折りたたむ工程によって得られることを特徴とする、請求項１に記載のＰＴＣ抵抗器。
6. 前記面の少なくとも一つが複数の折り目を有し、前記折り目はそれぞれ頂上線を有し、頂上線は隣接する折り目の頂上線と平行に伸展することを特徴とする、請求項４に記載のＰＴＣ抵抗器。
7. 前記素体が複数の折り目を有し、前記折り目はそれぞれ頂上線を有し、頂上線は隣接する折り目の頂上線と平行に伸展することを特徴とする、請求項５に記載のＰＴＣ抵抗器。
8. 前記素体が波状の形状を有することを特徴とする、請求項７に記載のＰＴＣ抵抗器。
9. 前記面の少なくとも一つに属する凸部のそれぞれについて、前記素体の反対側の面に対応する凹部が存在することを特徴とする、請求項５に記載のＰＴＣ抵抗器。
10. 前記面の少なくとも一つが、導電層でコーティングされていることを特徴とする、請求項１に記載のＰＴＣ抵抗器。
11. 前記素体の、導電層でコーティングされた面の反対側の面が、導電層でコーティングされていることを特徴とする、請求項１０に記載のＰＴＣ抵抗器。

Images