JP4104760B2 - Ｐｔｃサーミスタ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＰＴＣサーミスタに関し、特に素子自体が高抵抗であり、電気抵抗が低抵抗状態から高抵抗状態に急激に変化する温度（以下、トリップ温度と言う。）が高く、かつトリップ温度の製品毎のバラツキが小さく、しかも耐ヒートサイクル性に優れたＰＴＣサーミスタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＰＴＣサーミスタには、高密度ポリエチレンなどの結晶性ポリマーにカーボンブラックなどの導電性粉末を分散して得られた導電性ポリマー層の両面に銅箔などの金属箔を電極として貼り合わせ、この積層体を円形等の所望の形状に打ち抜いて作成したものが知られており、結晶性ポリマーの融点付近の温度で電気抵抗が急激に増加する急峻なＰＴＣ特性を発現し、過電流保護素子、過熱保護素子などの回路素子として使用されている。
【０００３】
この種のＰＴＣサーミスタにあっては、図２に示すように、その温度が上昇するにつれて、導電性ポリマー層の電気抵抗が増大してゆき、ある温度（トリップ温度）を越えると、その電気抵抗が急激に増大する性質があり、その用途上、周囲温度がトリップ温度を越える範囲での電気抵抗の増大が激しいもの、すなわち急峻なＰＴＣ特性を有するものが好ましい。
なお、このトリップ温度は、導電性ポリマー層を構成する結晶性ポリマーの融点付近となる。これは、結晶性ポリマーがその融点において急激な体積膨張を示し、これによって導電性粒子の連鎖が切れて電気抵抗が急激に増加することに起因する。
【０００４】
ところで、このようなＰＴＣサーミスタにおいて、サーミスタそのものの電気抵抗が高いものを作成しようとする場合には、導電ポリマー層の厚みを厚くするか、電極の有効面積を小さくする必要がある。
導電性ポリマー層の厚みを厚くすると、図３に示すように、導電性ポリマー層１の横方向（層方向）の体積膨張が生じ、結晶性ポリマーの融点付近での結晶性ポリマー自体の体積膨張が生じる温度以下で体積膨張が起こり、これによって本来のトリップ温度が低下する不都合が生じる。
【０００５】
また、導電性ポリマー層１の変形状態の微かな相違がトリップ温度に影響を与え、製品毎のトリップ温度のバラツキが多くなると言う問題点もある。
さらに、導電性ポリマー層１の膨張収縮が繰り返されると、導電ポリマー層１と電極である金属箔２，２との間の密着性が低下し、導電性ポリマー層１と金属箔２との界面の電気抵抗が増大し、耐ヒートサイクル性が劣ることにもなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
よって、本発明における課題は、素子自体が高抵抗であり、トリップ温度が高く、トリップ温度の製品毎のバラツキが小さく、しかも耐ヒートサイクル性に優れたＰＴＣサーミスタを得ることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
かかる課題は、ｎ層（ｎは２以上の整数）の導電性ポリマー層と、ｎ＋１層の電極となる金属箔とを交互に積層した構造とし、ｎ層の導電性ポリマー層のうち、最も厚みの厚い層の厚みをｔ（ｍ）とし、導電性ポリマー層の剪断弾性率をＧ（Ｐａ）とし、（４×金属箔の面積（ｍ^２））÷πの平方根で表される電極の等価外径をＤ（ｍ）としたとき、５０＜Ｄ×ｌｏｇＧ÷ｔ＜２０００を満足し、前記厚みｔを１．０×１０ ^−３ ｍ以上、１．３×１０ ^−３ ｍ以下とすることで解消される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
図１は、この発明のＰＴＣサーミスタの一例を示すもので、図中符号１１は導電性ポリマー層、１２は電極となる金属箔１２を示す。この例のＰＴＣサーミスタでは、２層の導電性ポリマー層１１，１１と、３層の金属箔１２，１２，１２とが交互に積層し、最外面に金属箔１２，１２が露出した構造となっている。
【０００９】
導電性ポリマー層１１は、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、ポリプロピレンなどの結晶性ポリマーに、カーボンブラック、グラファイト粉末、金属粉末などの導電性粉末を３０〜６０重量％程度均一に分散してなる厚み０．１〜５ｍｍの層であり、導電性を有し、かつ急峻なＰＴＣ特性を発現するものである。
金属箔１２は、厚み１０〜１００μｍ程度の銅箔、ニッケル箔、アルミニウム箔、ステンレス箔などからなるものである。
これらの導電性ポリマー層１１と金属箔１２とは、ホットプレスなどによって溶融、加圧して積層一体化される他、その界面に接着性を高める層を介在させて積層一体化されている。
【００１０】
そして、本発明のＰＴＣサーミスタでは、この積層構造において、導電性ポリマー層１１…の内、その厚みの最も厚い層１１の厚みをｔ（ｍ）とし、導電性ポリマー層１１をなす樹脂組成物の剪断弾性率をＧ（Ｐａ）とし、（４×金属箔の面積（ｍ²））÷πの平方根で表される電極の等価外径をＤ（ｍ）とすると、Ｄ×ｌｏｇＧ÷ｔが５０を越え、２０００未満であることが必要となる。
【００１１】
導電性ポリマー層１１を構成する樹脂組成物の剪断弾性率Ｇは、小歪の引張りせん断試験によって求められる。また、等価外径Ｄは、ＰＴＣサーミスタの平面形状が円形のものではその直径と等しい値となり、平面形状が円形以外のものでは、上述の定義によって算出できる。
Ｄ×ｌｏｇＧ÷ｔの値が５０以下であると、導電性ポリマー層１１の横方向の体積膨張が無視できなくなり、トリップ温度が低下する。また、変形状態の微かな相違が生じ、これによってトリップ温度の製品毎のバラツキが大きくなる。さらに、導電性ポリマー層１１の横方向の膨らみを伴う膨張収縮の繰り返しは、電極である金属箔１２と導電性ポリマー層１１との間の密着性を低下させ、界面の電気抵抗の上昇を生じ、耐ヒートサイクル性が低下する。
また、この値が２０００以上となっても、素子としての特性上の問題は生じないが、等価外径Ｄが大きくなってしまい、好ましくない。
【００１２】
このような関係式を満足するＰＴＣサーミスタにあっては、導電性ポリマー層１１の実質的な全厚みを厚くできるため、素子自体の電気抵抗を高いものとすることができる。
また、１層の導電性ポリマー層１１の厚みを厚くする必要がないので、導電性ポリマー層１１の横方向の膨張がほとんど無視でき、トリップ温度が低下することがなく、製品毎のトリップ温度のバラツキがなくなる。また、加熱、冷却が繰り返されても、導電性ポリマー層１１と金属箔１２との密着性が低下することがなく、界面の電気抵抗が増大することがなく、耐ヒートサイクル性が良好となる。
【００１３】
以下、具体例を示し、本発明の作用、効果を明確にする。
高密度ポリエチレン１００重量部とカーボンブラック９０重量部との混合物をロールミルで混練し、押出機によりフィルム状に押出成形して、導電性ポリマー層となるフィルムを作成した。このフィルムの剪断弾性率Ｇは３×１０⁹Ｐａであった。
このフィルムと厚さ３５μｍの電解銅箔とを交互に所定枚数積層し、温度１６０℃で加熱、加圧して、導電ポリマー層ｎ層と銅箔ｎ＋１層とからなる積層体を得た。ついで、この積層体を外径Ｄの円形に打ち抜き、１０種のＰＴＣサーミスタを１種につき各５０個作製した。
【００１４】
これらのＰＴＣサーミスタのトリップ温度を測定し、その平均値、最大温度と最小温度との温度差を求めた。
また、耐ヒートサイクル性を以下の通り評価した。すなわち、各々ＰＴＣサーミスタに２０〜１５０℃のヒートサイクルを１０回繰り返して与え、その前後における２０℃での電気抵抗値を測定し、その変化率が＋１００％以上であるものを耐ヒートサイクル性が劣るものとし、５０個中の個数で不良率を表した。
結果を表１に示す。表１には、１０種のＰＴＣサーミスタの各々のＤ×ｌｏｇＧ÷ｔの値も示してある。
【００１５】
【表１】

【００１６】
表１の結果から、実施例のＰＴＣサーミスタにあっては、トリップ温度が高く、かつその製品毎のバラツキも小さく、耐ヒートサイクル性も優れていることが明らかである。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＰＴＣサーミスタによれば、素子自体の電気抵抗が高く、高抵抗型とすることができ、トリップ温度が高く、かつそのバラツキも小さく、耐ヒートサイクル性も優れたものとなるなどの効果が得られる。
また、導電性ポリマー層が２層以上の多層構造のものでは、特に上述の効果が著しくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のＰＴＣサーミスタの一例を示す概略断面図である。
【図２】 ＰＴＣサーミスタの温度と電気抵抗との関係を示す図表である。
【図３】 ＰＴＣサーミスタの加熱状態における導電性ポリマー層の変形を示す模式図である。
【符号の説明】
１１…導電性ポリマー層、１２…金属箔

Claims (1)

1. ｎ層（ｎは２以上の整数）の導電性ポリマー層と、ｎ＋１層の電極となる金属箔とを交互に積層した構造を有し、
   ｎ層の導電性ポリマー層のうち、最も厚みの厚い層の厚みをｔ（ｍ）とし、
   導電性ポリマー層の剪断弾性率をＧ（Ｐａ）とし、（４×電極の面積（ｍ^２））／πの平方根で表される電極の等価外径をＤ（ｍ）としたとき、５０＜Ｄ×ｌｏｇＧ÷ｔ＜２０００を満足し、前記厚みｔが１．０×１０ ^−３ ｍ以上、１．３×１０ ^−３ ｍ以下であることを特徴とするＰＴＣサーミスタ。

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