JP4095080B2 - Ptc素子及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、PTC素子及びその製造方法に関する。
過電流から回路素子を保護するための素子として、PTC(Positive Temperaature Coefficient)素子が知られている。PTC素子は、ある特定の温度領域に達すると抵抗値の正温度係数が急激に増大する素子である(例えば、下記特許文献1参照)。
特開平5−21207号公報
上記特許文献1に記載のPTC素子は、結晶性ポリマーに導電性粒子を分散した有機質正温度特性組成物を電極に挟み込んで成形した素体を作製した後、電極に端子をスポットウェルディングやはんだ付けにて接合して作製している。このように素体の作製後に端子をはんだ付け等する場合には、はんだ付け時の熱によって素体が劣化するおそれがある。また、素体を作製した後に別途端子を取り付けているので、作業工数が増える。
そこで本発明では、素体の熱による劣化を抑制できると共により簡便に製造可能なPTC素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
従来のPTC素子においては、素体を作製した後に別途端子を取り付けているために、端子を取り付ける作業において熱の影響を受けている。本発明者らはこの点に着目し、端子を一体的に製造できるPTC素子の形態及び製造方法について検討を行った。この検討の過程において、例えば端子を一体的に形成してある電極で素体を挟み込んでPTC素子を形成する場合に、PTC素子の電気的な特性に影響を与えてしまうことが判明した。
そこで本発明者らは、素体の熱による劣化を抑制し、より簡便に製造可能であると共に、電気的な特性への影響も抑制できるPTC素子及びその製造方法を提供すべく本発明を成し得たものである。
本発明に係るPTC素子は、一対の端子電極と素体とを備えるPTC素子であって、一対の端子電極は、一部が対向するように配置され、当該配置によって互いに重なり合う第1領域と重なり合わない第2領域とがそれぞれに形成され、素体は、一対の第1領域に挟まれる位置に配置されており、当該配置されている素体の外周面は切断面となっていることを特徴とする。
本発明によれば、対向配置されている端子電極の第1領域間に素体が配置され、各端子電極の重なり合わない第2領域が素体から延びているので、素体に接する部分に後から端子を取り付ける必要がなくなる。従って、後から端子をはんだ付け等によって取り付けた素子に比較して、素体に対する熱の影響を低減できる。また、素体の外周面は切断面となっているので、素体に端子電極を取り付ける際に第1領域から延出する部分を除去したPTC素子となっている。従って、組成分布が著しく不均一な部分を除去することができ、素体の組成分布をより均一に近いものとすることができる。
本発明に係るPTC素子の製造方法は、一対の端子電極と素体とを備えるPTC素子の製造方法であって、一対の端子電極を、その一部が対向するように配置し、当該配置によって互いに重なり合う第1領域に挟まれる位置に素体となる素体素材を配する配置工程と、一対の端子電極を素体素材に向けて加圧し、加熱して一対の端子電極と素体素材とを接続する端子接続工程と、端子接続工程における加圧に応じて第1領域から延出した素体素材を切断して素体を形成し、素体の外周面を切断面とする切断工程と、を備える。
本発明によれば、一対の端子電極で素体素材を挟んで加圧・加熱によって、一対の端子電極と素体素材とを接続するので、素体となる部分に接する電極に後から端子を取り付ける必要がなくなる。従って、後から端子をはんだ付け等によって取り付けた素子に比較して、素体(素体素材)に対する熱の影響を低減できる。また、加圧に応じて延出した素体素材を切断するので、組成分布が著しく不均一な部分を除去することができ、素体となる部分の組成分布をより均一に近いものとすることができる。
本発明に係るPTC素子は、上記PTC素子の製造方法によって得ることのできるPTC素子である。本発明によれば、素体に対する熱の影響が低減されていると共に、組成分布が著しく不均一な部分を除去したPTC素子とすることができる。
本発明によれば、素体に対する熱の影響が低減されていると共に、組成分布が著しく不均一な部分を除去したPTC素子を提供することができる。従って、素体の熱による劣化を抑制できるのみならず、より簡便に製造可能であり、電気的な特性への影響も抑制できるPTC素子を提供することができる。
本発明の知見は、例示のみのために示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解することができる。引き続いて、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
本発明の実施形態であるPTC素子について図1を参照しながら説明する。図1は、PTC素子1の斜視図である。PTC素子1は、ポリマーPTC素子であり、一対の端子電極10,20と、素体30とを備えている。
一対の端子電極10,20は、厚みが0.1mm程度のNi又はNi合金である。一対の端子電極10,20は、それぞれの一部が対向するように配置されている。従って、一対の端子電極10,20にはそれぞれ、互いに重なり合う第1領域101,201と、互いに重なり合わない第2領域102,202とが形成されている。
素体30は、導電性フィラーを含む熱可塑性樹脂によって形成されている。導電性フィラーとしてはNi粉が、熱可塑性樹脂としてはポリエチレン樹脂がそれぞれ好適に用いられる。素体30は、一対の端子電極10,20それぞれの第1領域101,201に挟まれる位置に配置されている。後述するように、素体30は一対の端子電極10,20に加圧・加熱して圧着されている。
素体30が一対の端子電極10,20と接していない外周面は切断面となっている。より具体的には、外周面を構成する側面301,302,303,304の全てが切断面となっている。後述するように、素体30が一対の端子電極10,20に圧着される際に、第1領域101,201で挟まれている領域から延出する素体30を切断して、側面301,302,303,304を形成している。
側面301は、端子電極10の一端から端子電極20の第1領域201及び第2領域202の境界に至るように形成されている。側面303は、端子電極20の一端から端子電極10の第1領域101及び第2領域102の境界に至るように形成されている。側面302,304は、側面301及び側面303に隣り合うようにそれぞれ形成されている。
引き続いて、上述したPTC素子1の製造方法について図1〜図3を参照しながら説明する。図2は、PTC素子1の製造方法の手順を示した図である。図3は、各製造工程におけるPTC素子1の状対を示す図である。PTC素子1の製造方法は、素体作製工程(S01)と、配置工程(S02)と、端子接続工程(S03)と、切断工程(S04)とを備えている。
素体作製工程(S01)は、素体30(図1参照)となる素体素材Mを作製する工程である。まず、導電性フィラーとなるNi粉と、母材樹脂となるポリエチレンとを混錬してブロックを形成する。このブロックを円盤状にプレスし、素体30の体積よりも大きな堆積となるようにカットして素体素材Mを得る。素体素材Mは、体積は素体30よりも大きいけれども、投影面積は素体30よりも小さくなるように形成する。
続いて、配置工程(S02)では、一対の端子電極10,20及び素体素材Mを準備する。その後、端子電極10の第1領域101と端子電極20の第1領域201とがそれぞれ対向すると共に、端子電極10の第2領域102と端子電極20の第2領域202とがそれぞれ反対側に延びるように配置する。この際、第1領域101と第1領域201との間に素体素材Mを配置する(図3の(a)参照)。
続いて、端子接続工程(S03)では、図3の(a)に示した状態から、一対の端子電極10,20を素体素材Mに向けて加圧し、加熱して一対の端子電極10,20を素体素材Mに接続する。図3の(b)に示すように、素体素材Mは圧縮されることで第1領域101,201から延出する。尚、加熱しながら加圧してもよく、加熱後に加圧してもよい。
従って、素体素材Mは、第1領域101,201間に存在する部分30aと、第1領域101,201から延出する部分30b,30cとを有するようになる。尚、図3の(b)においては、図示の都合上、端子電極20の第2領域202に延出する部分30bと、端子電極10の第2領域102に延出する部分30cとを図示しているけれども、素体素材Mはそのほかの方向にも延出している。
続いて、切断工程(S04)では、図3の(b)に示した状態から、第1領域101,201から延出した素体素材Mを切断する。図3の(c)に示すように、端子電極10の一端から端子電極20の第1領域201と第2領域202との境界に至る切断線L1に沿って、素体素材Mの部分30bを切断して切断面を形成し側面301とする。また、端子電極20の一端から端子電極10の第1領域101と第2領域102との境界に至る切断線L2に沿って、素体素材Mの部分30cを切断して切断面を形成し側面303とする。また、図示しない方向(図3の紙面に垂直な方向)に延出する素体素材Mを切断して切断面を形成し側面302,304とする。尚、本実施形態では素体素材Mのみを切断しているけれども、端子電極10,20の一部と共に切断するようにしてもよい。
本実施形態の効果を説明するために、上述したような切断面を形成しないPTC素子2と比較する。PTC素子2の製造方法を図4を参照しながら説明する。図4の(a)に示すように、端子電極10,20の間に素体素材M1を配置する。続いて、図4の(b)に示すように、端子電極10,20を素体素材M1に向けて加圧し、加熱して素体素材M1を端子電極10,20に接続して素体35とする。素体35は素体素材M1と同体積あり、加圧しても端子電極10,20が重なり合う領域から外に延出することはない。
本実施形態のPTC素子1では、電気耐圧性にも特に問題は発生しないが、比較例のPTC素子2で加圧条件や加熱条件等の製造条件を変更した場合に電気耐圧性に問題が発生する場合がある。より具体的には電気耐圧試験(20V、20A通電を2〜3回)を行うと、PTC素子2の素体35の周辺に近い部分において破壊が生じる。
本発明者らはこの原因を究明するために、PTC素子2の端子電極10を剥がしてプローブで抵抗値を測定した。その測定結果によれば、図4において示した位置Aにおいて著しく抵抗値が増大していることが判明した。一方、本実施形態のPTC素子1について同様に抵抗値を測定しても著しい変動は確認されなかった。
この結果から考察すると、比較例としたPTC素子2の素体35における導電性フィラーの分布に偏りが生じているのではないかと考えられる。図5にこの偏りの概念図を示す。図5は、素体35を構成する樹脂R及び導電性フィラーFの分布の様子を概念的に示したものであり、実際の分布の様子を忠実に示したものではない。
素体素材M1を端子電極10,20によって加圧して圧縮すると、素体素材M1は外側に向けて延伸していく。そうすると、素体素材M1を構成する樹脂Rは流動性が高いため、導電性フィラーFを置き去りにする形で広がっていく。従って、図5に示すように、位置Aでは導電性フィラーFが比較的希薄になって抵抗値が増大する。一方、位置Aよりも内側の位置Bでは置き去りにされた導電性フィラーFが残留して導電性のギャップ領域が形成されると考えられる。従って、位置Bにおいて電流のパスが形成され、この位置の前後において破壊が生じると考えられる。
この考察から類推すると、本実施形態のPTC素子1の素体素材M(素体30)は、概念的に図6に示したような状態になっていると考えられる。本実施形態のPTC素子1を製造する際に、素体素材Mは完成品の素体30の体積よりも大きな体積で形成され、加圧圧縮される。従って、第1領域101,201よりも外側に延出する部分30b,30cが形成される。素体素材Mを構成する樹脂R及び導電性フィラーFの挙動が上述した考察の通りであれば、圧縮された素体素材Mの周辺部で導電性フィラーFが希薄な部分と濃厚な部分とが形成される。しかしながら本実施形態では、素体素材Mが第1領域101,201よりも十分はみ出すように圧縮しているので、そのように導電性フィラーFが濃厚であったり希薄であったりする部分は、いずれ切断除去される部分30b,30cに形成される。従って、実際に素体30となる部分30aでは、樹脂Rに対する導電性フィラーFの比率が適切に保たれ、PTC素子1の電気的な特性に悪影響を与えないものと考えられる。
上述したように本実施形態のPTC素子1は、対向配置されている端子電極10,20の第1領域101,201間に素体30が配置され、各端子電極10,20の重なり合わない第2領域102,202が素体30から延びているので、素体30に接する部分に後から端子を取り付ける必要がなくなる。従って、後から端子をはんだ付け等によって取り付けた素子に比較して、素体30に対する熱の影響を低減できる。また、素体30の外周面は切断面となっているので、素体30に端子電極10,20を取り付ける際に第1領域101,201から延出する部分30b,30cを除去したPTC素子となっている。従って、組成分布が著しく不均一な部分30b,30cを除去することができ、素体30の樹脂R及び導電性フィラーF等の組成分布をより均一に近いものとすることができる。
本実施形態におけるPTC素子を示す斜視図である。 本実施形態におけるPTC素子の製造方法を説明するためのフロー図である。 PTC素子の製造方法各工程における状態を説明するための図である。 比較例としてのPTC素子の製造方法を説明するための図である。 比較例としてのPTC素子の素体の状態を説明するための図である。 本実施形態におけるPTC素子の素体の状態を説明するための図である。
符号の説明
1…PTC素子、10,20…端子電極、30…素体、101,201…第1領域、102,202…第2領域、301,302,303,304…側面。

Claims (3)

  1. 一対の端子電極と、樹脂および当該樹脂に分散された導電性フィラーを含む素体と、を備えるPTC素子であって、
    前記一対の端子電極は、一部が対向するように配置され、当該配置によって互いに重なり合う第1領域と重なり合わない第2領域とがそれぞれに形成され、
    前記素体は、一対の前記第1領域に挟まれる位置に配置されており、当該配置されている素体のうち前記一対の端子電極と接していない外周面を全て切断面とすることにより、前記素体において一対の前記第1領域の間に位置する部分と比べて前記導電性フィラーの分布が不均一な部分を除去することを特徴とするPTC素子。
  2. 一対の端子電極と素体とを備えるPTC素子の製造方法であって、
    導電性フィラーと樹脂とを混練して、前記素体となる素体素材を作製する素体作製工程と、
    前記一対の端子電極を、その一部が対向するように配置し、当該配置によって互いに重なり合う第1領域に挟まれる位置に前記素体素材を配する配置工程と、
    前記一対の端子電極を前記素体素材に向けて加圧し、加熱して前記一対の端子電極と前記素体素材とを接続する端子接続工程と、
    前記端子接続工程における加圧に応じて前記第1領域から延出した前記素体素材を切断して前記素体を形成し、前記素体のうち前記一対の端子電極と接していない外周面を全て切断面とすることにより、前記素体において一対の前記第1領域の間に位置する部分と比べて前記導電性フィラーの分布が不均一な部分を除去する切断工程と、
    を備えるPTC素子の製造方法。
  3. 請求項2に記載のPTC素子の製造方法によって得ることのできるPTC素子。
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