JP2011507222A - Ptc抵抗器 - Google Patents
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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
【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。
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(R25)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(ABO3)のセラミックであるチタン酸バリウム(BaTiO3)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:
Ba1−x−yMxDyTi1−a−bNaMnbO3
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。
Ba1−x−yMxDyTi1−a−bNaMnbO3
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。
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:
(Ba0.3290Ca0.0505Sr0.0969Pb0.1306Y0.005)
(Ti0.502Mn0.0007)O1.5045
(Ba0.3290Ca0.0505Sr0.0969Pb0.1306Y0.005)
(Ti0.502Mn0.0007)O1.5045
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mm2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。
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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