WO2004114331A1

WO2004114331A1 - Ｐｔｃサーミスタ、および回路の保護方法

Info

Publication number: WO2004114331A1
Application number: PCT/JP2004/009076
Authority: WO
Inventors: Hiroyuki Koyama
Original assignee: Tyco Electronics Raychem K.K.
Priority date: 2003-06-23
Filing date: 2004-06-22
Publication date: 2004-12-29
Also published as: US20070057759A1; CN1809902A; US8058966B2; EP1650770A4; EP1650770A1; CN102176357A; KR20060061302A; JPWO2004114331A1; TW200514105A

Abstract

このPTCサーミスタは、PTC特性を有する導電性部材と、該導電性部材の異なる2箇所にそれぞれ配置された2つの電極と、導電性を有するとともに過熱状態で劣化して不可逆的に電気抵抗が高まる特性を有し、前記導電性部材と前記2つの電極の少なくともいずれか一方とを接合する接着剤とを備える。

Description

PTCサーミスタ、および回路の保護方法技分野

本発明は、過電流保護素子や温度保護素子として使用されて回路を保護するサ一ミスタ、および回路の保護方法に関する。

本願は、 2003年 6月 23日に出願された特願 2003— 1 78662号に明

ついて優先権を主張し、その内容をここに援用する。

田背景技術

P T Cサーミスタは、熱膨張することによつて導電性を変化させる導電性部材の正の抵抗温度特性、すなわち PTC (Positive Temperature Coefficient) を利用して電流を流れ難くしたり流れるようにしたりする素子である。具体的な構造としては、導電性ポリマーやセラミック等によって構成される導電性部材の異なる 2箇所に、 2つの電極がそれぞれハンダ付けされたものが一般的である。

上記導電性部材を構成する材料のひとつである導電性ポリマーは、例えばポリォレフィンあるいはフッ素系樹脂とカーボンブラックとを混練した後、放射線によって架橋することで構成された高分子樹脂体である。導電性ポリマーの内部には、常温の環境下ではカーボンブラックの粒子が繋がって存在するために電流が流れる多数の導電パスが形成され、良好な導電性が発揮される。ところが、導電パスを流れる電流の超過によって導電性ポリマーが熱膨張すると、カーボンブラックの粒子間距離が拡大して導電パスが切られ、抵抗値が急激に増大してしまう。これが上記の正の抵抗温度特性（PTC) である。

上記のような PTCサーミスタは、導電性部材の異なる 2箇所に設けられた電極間に過電流が生じると導電性部材がジュール熱による自己発熱によつて熱膨張し、内部に含まれるカーボンブラックの粒子間距離が拡大して導電パスが切れることで電流が流れ難くなり、電極間に電流を流さなくすると自己発熱が止んで導電性部材が収縮し、カーボンブラックの粒子間距離が狭まって導電パスが形成されることで通電可能な状態に戻るというように、電極間に流れる電流の大きさの変化をトリガとするスィッチとして機能させることが可能である。

また、上記のような P T Cサーミスタは、導電性部材の P T C特性を利用して、周辺の環境温度が所定の温度（導電性部材が熱膨張する温度）より低ければ所定の大きさ以下の電流（これを保持電流という）を流すことが可能になり、環境温度が所定の温度以上になれば導電性部材が熱膨張して電流が流れ難くなるというように、導電性部材の置かれる環境温度の変化をトリガとするスィツチとして機能させることも可能である。

特開平 6— 1 6 3 2 0 3号公報には、熱変化に対応して導電率が変化する導電性ペーストについて記載されている。

上記のような P T Cサーミスタを回路中に設置すると、適正な状態で使用される場合にはなんらの問題も生じないが、過電流によつて素子が長時間動作し続けた場合や、長時間にわたって非常に高い温度環境下に置かれた場合、導電性部材が破壊されて 2つの電極が短絡する可能性が指摘されている。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、 2つの電極間の短絡を防止して回路の安全性を確保することを目的としている。発明の開示

本発明は、 P T C特性を有する導電性部材と、該導電性部材の異なる 2箇所にそれぞれ配置された 2つの電極と、導電性を有するとともに過熱状態で劣化して不可逆的に電気抵抗が高まる特性を有し、前記導電性部材と前記 2つの電極の少なくとも！/、ずれか一方とを接合する接着剤とを備える P T Cサーミスタを提供する。

上記 P T Cサーミスタによれば、 2つの電極間に過剰な大きさの電流が流れると、まず、導電性部材がジュール熱による自己発熱によって熱膨張して 2つの電極間に電流が流れ難くなる。電流が流れ難くなっても導電性部材は自己発熱を続けるので、発熱が長時間に及ぶと、導電性部材と電極とを接合している接着剤が劣化して導電性を低下させてしまう（電気抵抗が高まった結果である）。接着剤の電気抵抗が高まると、当初は主に導電性部材が負担していた電圧を接着剤も負担するようになる。やがて接着剤の電気抵抗が導電性部材の電気抵抗を上回ると、主に接着剤が電圧を負担するようになり、導電性部材の消費する熱エネルギーが少なくなつてトリップ状態が解除され、自己発熱は収束に向かう。したがって、導電性部材が破壊されるような事態には至らず、 P T Cサーミスタが設置された回路の安全が保たれる。

また、上記 P T Cサーミスタによれば、長時間にわたって非常に高い温度環境下に置かれ、導電性部材が破壊されるような事態に至っても、それまでに接着剤が劣化して自らの導電性を低下させてしまい、 2つの電極間に介在する接着剤が抵抗体となって電極間を流れる電流値を小さくする働きをする。したがって、導電性部材が破壌されるような事態に至っても、 2つの電極が短絡することはなく、 P T Cサーミスタを設置された回路の安全が保たれる。

本発明は、過剰な電流が流れることによって発熱する部品を含む回路の保護方法であって、前記回路に P T Cサーミスタを設けるとともに、前記回路を構成する配線を、導電性を有するとともに過熱状態で劣化して不可逆的に電気抵抗が高まる接着剤を使って前記部品に通電可能に接着する回路の保護方法を提供する。上記回路の保護方法によれば、回路に過剰な電圧が印可されると、前記部品に過剰な電流が流れて発熱する。同時に、 P T Cサーミスタの両極間に過剰な大きさの電流が流れ、 P T Cサーミスタを構成する導電性部材がジュール熱による自己発熱によつて熱膨張して両極間に電流が流れ難くなる。

前記部品の発熱が長時間に及ぶと、部品と配線とを接着している接着剤が劣化して導電性を低下させてしまう。接着剤の電気抵抗が高まると、当初は主に導電性部材が負担していた電圧を接着剤も負担するようになる。やがて接着剤の電気抵抗が導電性部材の電気抵抗を上回ると、主に接着剤が電圧を負担するようになり、導電性部材の消費する熱エネルギーが少なくなつてトリップ状態が解除され、自己発熱は収束に向かう。したがって、導電性部材が破壌されるような事態には至らず、回路の安全が保たれる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の第 1の実施形態を示す図であって、ポリマー P T Cサーミスタを斜め上方から斜視した図である。

図 2は、同じく、本発明の第 1の実施形態を示す図であって、ポリマー P T C サーミスタを側方から断面視して要部を拡大した図である。

図 3は、本発明の第 2の実施形態を示す図であって、保護回路を搭載したリチゥム電池を平面視した図である。

図 4は、本発明の第 3の実施形態を示す図であって、 P T Cサーミスタを搭載したプリント基板を断面視した保護回路を搭載したリチウム電池を平面視した図である。 . 発明を実施するための最良の形態

本発明の第 1の実施形態を図 1および図 2の各図に示して説明する。

図 1および図 2には、過電流保護素子としてのポリマー P T Cサーミスタを示している。このポリマー P T Cサーミスタは、 2つの電極 1， 2と、これら 2つの電極 1， 2間に介装された導電性部材 3とを備えている。電極 1 , 2と導電性部材 3とは、導電性を有する接着剤 4 , 5を介して接合されており、両者が直接接している部分はない。

電極 1は、導電性部材 3の一方の側面に配設され、電極 2は、導電性部材 3の他方の側面に配設されている。電極 1は、平面視すると長方形で厚さが均一な板状をなし、ニッケル板 1 aに金の薄膜 1 bを被覆した二層構造となっている。電極 2も電極 1と同形状をなし、ニッケル板 2 aに金の薄膜 2 bを被覆した二層構造となっている。

導電性部材 3は、平面視すると正方形で厚さが均一な板状で、？丁〇素子3 _& の両面にそれぞれ金の薄膜 3 b , 3 cが形成されたものである。 P T C素子 3 a は、例えばポリオレフインあるいはフッ素系樹脂とカーボンブラックとを混練した後、放射線によって架橋することで構成された導電性ポリマー 3 dの両面に、ニッケル箔（または銅箔にニッケルメツキを施したもの） 3 eを圧着したものである。導電性ポリマー 3 dの内部には、常温の環境下ではカーボンブラックの粒子が繋がって存在するために電流が流れる多数の導電パスが形成され、良好な導電性が発揮される。ところが、導電パスを流れる電流の超過によって導電性ポリマー 3 dが熱膨張すると、カーボンブラックの粒子間距離が拡大して導電パスが切られ、抵抗値が急激に増大してしまう（正の抵抗温度特性； P T C )。

電極 1と導電性部材 3とは、互いに金の薄膜 1 b , 3 bを向かい合わせ T配置され、両者間に充填された接着剤 4によって接合されている。同様に、電極 2と導電性部材 3とは、互いに金の薄膜 2 b , 3 cを向かい合わせて配置され、両者間に充填された接着剤 5によって接合されている。接着剤 4 , 5は、上記のごとく導電性を有し、かつ過熱状態では劣化して不可逆的に電気抵抗が高まる特性を備えている。また、導電性ポリマー 3 dが熱膨張をしない温度域では劣化し難く、導電性ポリマー 3 dが熱膨張をする温度域では劣化し易い特性を備えている。接着剤 4 , 5は合成樹脂と導電性粉末とを必須の成分とし、必要に応じて粘度調整用等の添加剤を加えて混練したものである。合成樹脂には、酢酸ビニル樹脂、ポリビュルアルコール樹脂、アクリル樹脂、ビュルウレタン樹脂等の熱可塑性榭脂が使用可能である。また、ユリア樹脂、メラミン樹脂、フエノール樹脂、レゾルシノール樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、 α—ォレフイン無水マイレン酸樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂等が使用可能である。さらに、以上のいずれか二種以上を混合して使用することも可能である。導電性粉末には、例えば金粉末、銀粉末、ニッケル粉末、カーボン粉末、表面に導電性を有する粉末が使用可能である。

電極 1 , 2や P T C素子 3 aの表面に形成される金の薄膜は、各部材表面の酸化を防止するとともに、良好な導電性を確保しつつ接着剤 4 , 5による接着をより強固にするためのものである。金の他、パラジウムや銀等の適切な導電材料を用いることができる。

上記のように構成されたポリマー P T Cサーミスタにおいては、電極 1 , 2間に過剰な大きさの電流が流れると、まず、 P T C素子 3 aを構成する導電性ポリマー 3 dがジュール熱による自己発熱によって熱膨張して電極 1， 2間に電流が流れ難くなる。導電性ポリマー 3 dは、電流が流れ難い状態のままで自己発熱を続けるので、発熱が長時間に及ぶと、電極 1， 2と導電性部材 3とを接合している接着剤 4 , 5が劣化して自らの導電性を低下させてしまう（電気抵抗が高まる）。接着剤 4， 5の電気抵抗が高まると、当初は主に導電性ポリマー 3 dが負担していた電圧を接着剤 4， 5も負担するようになる。やがて接着剤 4 , 5の電気抵抗が導電性ポリマー 3 dの電気抵抗を上回ると、主に接着剤 4， 5が電圧を負担するようになり、導電性ポリマー 3 dの消費する熱エネルギーが少なくなつてトリップ状態が解除され、自己発熱は収束に向かう。したがって、導電性ポリマー 3 dが破壊されるような事態には至らず、ポリマー P T Cサーミスタが置かれた回路やその回路を内蔵する機器の安全が保たれる。

また、上記のポリマー P T Cサーミスタにおいては、長時間にわたって非常に高い温度環境下に置かれ、導電性ポリマー 3 dが破壌されるような事態に至っても、それまでに接着剤 4 , 5が劣化して自らの導電性を低下させてしまい、電極 1， 2間に介在する接着剤 4 , 5が抵抗体となって電極 1， 2間を流れる電流値を小さくする働きをする。したがって、導電性ポリマー 3 dが破壌されるような事態に至っても、 2つの電極が短絡することはなく、ポリマー P T Cサーミスタが置かれた回路やその回路を内蔵する機器の安全が保たれる。

ところで、本実施形態においては、導電性部材として導電性ポリマーを使用したポリマー P T Cサーミスタについて説明したが、本発明の P T Cサーミスタは、導電性部材としてポリマー以外に例えばセラミック等の P T C特性を有する導電性材料を使用してもよい。

また、本実施形態においては、接着剤 4 , 5による接着強度を高めるために、電極 1 , 2や導電性ポリマー 3の表面に金やその他の金属の薄膜を形成するようにしたが、使用する接着剤の組成等の違いによっては、こうした金やその他の薄膜を設ける必要はない。

さらに、本実施形態においては、 2つの電極 1， 2をともに接着剤で導電性部材 3に接着したが、本発明の P T Cサーミスタは、一方の電極を接着剤を用いて、他方の電極を溶接やハンダ付け等の他の接着手段を用いて導電性部材に接着したものであっても同様の効果を奏する。

本発明の P T Cサーミスタは、本実施形態において説明した形態のものに限定されるものではなく、例えば表面実装型等、あらゆる型式のサーミスタに適用が可能である。

次に、本発明の第 2の実施形態を図 3に示して説明する。図 3には、リチウム電池の保護回路を示している。この保護回路は、リチウム電池.（部品） 1 0と P T Cサーミスタ 1 1とを備えている。 P T Cサーミスタ 1 1には、上記第 1の実施形態で説明した構造ではなく、従来構造のものが採用されている。 P T Cサーミスタ 1 1の一方のリードはリチウム電池 1 0の陽極に繋がる配線 1 1 aに接続されており、配線 1 1 aは、リチウム電池 1 0の陽極に、上記第 1の実施形態で説明した接着剤と同様の接着剤 1 2によつて通電可能に接着されている。また、 P T Cサーミスタ 1 1の他方のリードはリチウム電池 1 0 の陰極に繋がる配線 1 1 bに接続されており、配線 1 1 bは、リチウム電池 1 0 の陰極に、溶接ゃハンダ付け等の接着手段によつて通電可能に接続されている。上記のように構成された保護回路においては、リチウム電池 1 0を充電する際に過剰な電圧が印可されると、リチウム電池 1 0に過剰な電流が流れて発熱する。同時に、 P T Cサーミスタ 1 1の両極間に過剰な大きさの電流が流れ、 P T Cサ一ミスタ 1 1を構成する導電性ポリマー 1 1 cがジュール熱による自己発熱によつて熱膨張して両極間に電流が流れ難くなる。

リチウム電池 1 0の発熱が長時間に及ぶと、リチウム電池 1 0と配線 1 1 aとを接着している接着剤 1 2が劣化して導電性を低下させてしまう。接着剤 1 2の電気抵抗が高まると、当初は主に電性ポリマー 1 1 cが負担していた電圧を接着剤 1 2も負担するようになる。やがて接着剤 1 2の電気抵抗が導電性ポリマー 1 1 cの電気抵抗を上回ると、主に接着剤 1 2が電圧を負担するようになり、電性ポリマー 1 1 cの消費する熱エネルギーが少なくなってトリップ状態が解除され、自己発熱は収束に向かう。したがって、電性ポリマー 1 1 cが破壊されるような事態には至らず、回路の安全が保たれる。

次に、本発明の第 3の実施形態を図 4に示して説明する。なお、上記実施形態において既に説明した構成要素には同一符号を付して説明は省略する。

図 4は、プリント基板上に構成された回路を示している。この回路には、コンデンサ（部品） 2 0と、 2つの電極の一方をコンデンサ 2 0の一方の極に接続された P T Cサーミスタ 1 1とが設けられている。 P T Cサーミスタ 1 1の一方の電極には配線 2 1の一端が、他方の電極には配線 2 2の一端がともにハンダ付けされている（ハンダは符号 2 3 )。配線 2 1の他端は、回路の図示しないインプヅト側に接続されている。また、配線 2 2の他端は、コンデンサ 2 0の一方の極に、上記第 1、第 2の実施形態で説明した接着剤と同様の接着剤 2 5によって通電可能に接着されている。コンデンサ 2 0の他方の極には、配線 2 4の一端が、接着剤 2 5によって通電可能に接着されている。配線 2 4の他端は、回路の図示しなぃァゥトプット側に接続されている。

上記のように構成された回路においては、回路に過剰な電圧が印可されると、コンデンサ 2 0の両極間に過剰な電流が流れて発熱する。同時に、 P T Cサーミスタ 1 1の両極間に過剰な大きさの電流が流れ、丁じサーミスタ 1 1を構成する導電性ポリマー（図示略）がジュール熱による自己発熱によって熱膨張して両極間に電流が流れ難くなる。

コンデンサ 2 0の発熱が長時間に及ぶと、コンデンサ 2 0と配線, 2 2 , 2 4とを接着している接着剤 2 5が劣化して導電性を低下させてしまう。接着剤 2 5の電気抵抗が高まると、当初は主に電性ポリマーが負担していた電圧を接着剤 2 5 も負担するようになる。やがて接着剤 2 5の電気抵抗が導電性ポリマーの電気抵抗を上回ると、主に接着剤 2 5が電圧を負担するようになり、電性ポリマーの消費する熱エネルギーが少なくなつてトリップ状態が解除され、自己発熱は収束に向かう。したがって、電性ポリマーが破壌されるような事態には至らず、回路の安全が保たれる。

ところで、本実施形態においては、コンデンサ 2 0に対し配線 2 2， 2 4をともに接着剤 2 5で接着したが、どちらか一方の配線だけを接着剤 2 5で接着し、他方の配線は溶接やハンダ付け等の接着手段によって接続したとしても相応の効果が得られる。

また、上記第 2、第 3の実施形態においては部品としてリチウム電池およびコンデンサを例に挙げたが、これらに限らず過剰な電流が流れることによって発熱するものであればどのような部品であってもよい。

以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明は上記実施例に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付のクレームの範囲によってのみ限定される。産業上の利用の可能性

本発明は、 P T C特性を有する導電性部材と、該導電性部材の異なる 2箇所にそれぞれ配置された 2つの電極と、導電性を有するとともに過熱状態で劣化して不可逆的に電気抵抗が高まる特性を有し、前記導電性部材と前記 2つの電極の少なくともいずれか一方とを接合する接着剤とを備える P T Cサーミスタに関する。本発明の P T Cサーミスタによれば、導電性部材の自己発熱が長時間に及ぶと、導電性部材と電極とを接合している接着剤が劣化し、当初は主に導電性部材が負担していた電圧を接着剤も負担するようになる。やがて接着剤の電気抵抗が導電性部材の電気抵抗を上回ると、主に接着剤が電圧を負担するようになり、導電性部材の消費する熱エネルギーが少なくなつてトリップ状態が解除され、自己発熱は収束に向かって導電性部材が破壊されるような事態には至らない。

また、本発明の P T Cサーミスタが長時間にわたって非常に高い温度環境下に置かれ、導電性部材が破壌されるような事態に至っても、それまでに着剤が劣化して自らの導電性を低下させてしまい、 2つの電極間に介在する接着剤が抵抗体となって電極間を流れる電流値を小さくする働きをするので、導電性部材が破壊されるような事態に至っても、 2つの電極が短絡することはない。したがって、 P T Cサーミスタの信頼性を向上させて回路の安全を確保することができる。本発明は、過剰な電流が流れることによって発熱する部品を含む回路の保護方法であって、前記回路に P T Cサーミスタを設けるとともに、前記回路を構成する配線を、導電性を有するとともに過熱状態で劣化して不可逆的に電気抵抗が高まる接着剤を使って前記部品に通電可能に接着する回路の保護方法に関する。本発明の回路の保護方法によれば、部品の発熱が長時間に及ぶと、部品と配線とを接着している接着剤が劣化し、当初は主に P T Cサーミスタが負担していた電圧を接着剤も負担するようになる。やがて接着剤の電気抵抗が P T Cサーミスタの電気抵抗を上回ると、主に接着剤が電圧を負担するようになり、 P T Cサーミスタの消費する熱エネルギーが少なくなつてトリップ状態が解除され、自己発熱は収束に向かって導電性部材が破壊されるような事態には至らない。したがつて、 P T Cサーミスタを保護して回路の安全を確保することができる。

Claims

請求の範囲

1 . P T C特性を有する導電性部材と、該導電性部材の異なる 2箇所にそれぞれ配置された 2つの電極と、導電性を有するとともに過熱状態で劣化して不可逆的に電気抵抗が高まる特性を有し、前記導電性部材と前記 2つの電極の少なくともいずれか一方とを接合する接着剤とを備える P T Cサーミスタ。

2 . 過剰な電流が流れることによって発熱する部品を含む回路の保護方法であつて、前記回路に P T Cサーミスタを設けるとともに、前記回路を構成する配線を、導電性を有するとともに過熱状態で劣化して不可逆的に電気抵抗が高まる接着剤を使って前記部品に通電可能に接着する。