WO2010053158A1 - Ptcデバイス - Google Patents

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WO2010053158A1
WO2010053158A1 PCT/JP2009/068999 JP2009068999W WO2010053158A1 WO 2010053158 A1 WO2010053158 A1 WO 2010053158A1 JP 2009068999 W JP2009068999 W JP 2009068999W WO 2010053158 A1 WO2010053158 A1 WO 2010053158A1
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ptc
ptc element
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resin
potting
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建次 原戸
新 田中
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タイコエレクトロニクスジャパン合同会社
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    • Y10T29/4913Assembling to base an electrical component, e.g., capacitor, etc.

Definitions

  • the present invention relates to a PTC device having a PTC element, in particular, a polymer PTC element, and an electric apparatus having such a PTC device.
  • the polymer PTC element has, for example, a characteristic that a resistance value increases rapidly when the temperature exceeds a predetermined critical value in order to prevent a failure due to an excessive current in the electric device, an overheating of the electric device, and the like. That is, it has a so-called positive temperature coefficient or PTC (positive temperature coefficient) characteristic.
  • Such critical temperature is also called trip temperature.
  • the substrate on which the IC chip is mounted which is disposed in the electric device, generates a large amount of heat when the electric device is used, it has a heat radiating plate to dissipate the heat to the outside. If for some reason (for example, due to excessive current flowing through such a substrate), if such a substrate becomes abnormally hot, the heat dissipation by the heat sink cannot catch up and the heat sink, and therefore the substrate, May remain abnormally hot. Therefore, a ceramic PTC element (for example, Posister (registered trademark) commercially available from Murata Manufacturing Co., Ltd.) is attached to the heat sink to detect the temperature of the substrate and indirectly prevent the substrate from becoming abnormally hot. Things have been done.
  • Posister registered trademark
  • Such a ceramic PTC element functions to prevent the substrate from becoming abnormally hot, but in some cases, such a function is not always sufficient. For example, when the temperature rises, the resistance value does not increase with time, that is, the resistance value does not increase sharply in a short time, and as a result, the current cannot be cut off in a short time. For this reason, a method of interrupting the current (independent of the PTC element) when the resistance value of the ceramic PTC element reaches a certain value (that is, an indirect method) is generally employed. In particular, it is desired to detect the possibility of an abnormally high temperature of the substrate more promptly and to prevent the abnormally high temperature in advance.
  • the present invention provides: A PTC device comprising a layered support that functions as a heat transfer medium and a polymer PTC element disposed thereon, The polymer PTC element is disposed on one surface of the layered support (in a thermally connected state), and these are molded in the resin so that the other surface of the layered support is exposed.
  • a featured PTC device is provided.
  • the PTC element is molded in the resin.
  • the molded PTC element is separated from the environment around the PTC device by the molding resin.
  • the resin to be molded has a barrier function against moisture, oxygen, and the like.
  • the layered support can be in thermal contact with an object whose temperature is to be detected by the PTC device.
  • Thermal contact means that heat is quickly transferred from the object to the exposed surface of the layered support by contacting the exposed surface of the layered support with the surface of the object.
  • such thermal contact results in the temperature of the exposed surface of the layered support being substantially equal to the surface temperature of the object. More preferably, as a result of such thermal contact, the temperature of the exposed surface of the layered support is also substantially equal to the temperature of the unexposed opposite surface.
  • the material constituting such a layered support is preferably a heat conductive material, particularly a good heat conductive material (for example, a metal material such as stainless steel or copper).
  • a good heat conductive material for example, a metal material such as stainless steel or copper.
  • the material is not so good heat conductive material (for example, composite material such as glass epoxy (glass fiber + epoxy resin), other ceramic materials, etc.) Such a material may be used because it is not very resistive.
  • the polymer PTC element is thermally connected to the layered support, so that heat is transferred from the exposed surface of the layered support, and thus from the object on which the PTC device is placed, through the layered support to the PTC element.
  • it is configured to transmit quickly.
  • the expression that the layered support “functions as a heat transfer medium” is used in the sense of transferring heat from the object to the PTC element.
  • the connection of the polymer PTC element to the layered support may be direct or indirect.
  • the direct connection corresponds to an aspect in which there is no intervening between the polymer PTC element and the layered support, and the indirect connection is another material between the polymer PTC element and the layered support. It corresponds to the mode to do.
  • Such other materials include adhesive materials (adhesives, solders, conductive adhesives, conductive pastes, etc.), insulating materials, etc., such materials usually present in the form of layers.
  • the layered support and the PTC element are connected via a heat conductive material, particularly a good heat conductive material (for example, a metal material). Even if the material is not so good in heat conductivity (for example, a ceramic material), if the thickness is small, it does not become so resistant to heat transfer, so such a material may be used. .
  • a good heat conductive material for example, a metal material.
  • the present invention is a method for producing a PTC device comprising a layered support and a polymer PTC element disposed thereon, Disposing the polymer PTC element on one surface of the layered support and molding the layered support and polymer PTC element so that the other surface of the layered support is exposed.
  • the above-described PTC device of the present invention can be manufactured.
  • the arrangement of the polymer PTC element on the layered support may be direct or indirect, as in the connection of the polymer PTC element to the layered support.
  • the present invention provides an electrical apparatus comprising the PTC device described above.
  • an electric apparatus includes a circuit board having the PTC device of the present invention, in particular, an IC board of a circuit for controlling a power source, a circuit module, an overheat detection device, and the like.
  • the PTC device of the present invention is formed by combining a polymer PTC element having higher sensitivity than a ceramic PTC element with a layered support and molding so that one surface of the support is exposed.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a PTC device of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic plan view showing the PTC device of FIG. 1 viewed from the left side of FIG.
  • FIG. 3 shows the RT measurement result of the PTC device of the present invention of Example 1.
  • FIG. 4 shows the RT measurement result of the PTC device of the present invention in Example 5.
  • FIG. 5 shows the RT measurement result of the PTC device of the present invention in Example 6.
  • FIG. 6 shows temporal changes in resistance value and thermocouple temperature when the ambient temperature is raised for the PTC device of the present invention of Example 1.
  • FIG. 7 shows temporal changes in the resistance value and the temperature of the thermocouple when the ambient temperature is raised for the inorganic PTC element.
  • the polymer PTC element constituting the PTC device of the present invention is well known, and various types are commercially available. Such polymer PTC elements are used in the meaning of commonly used terms.
  • the polymer PTC element has a polymer PTC element in which a so-called polymer PTC composition is formed in layers, and a first metal electrode (particularly a foil electrode) and a second metal electrode (particularly a foil) disposed on both main surfaces thereof. It is particularly preferable that the electrode has a shape electrode).
  • a conductive filler for example, a carbon filler, a metal filler (a filler such as copper, nickel, nickel-cobalt alloy), etc.
  • a polymer material for example, polyethylene, polyvinylidene fluoride, etc.
  • PTC elements can be obtained by extruding such compositions.
  • the layered support is defined by two main surfaces facing each other, and is capable of directly or indirectly mounting the polymer PTC element on one of the main surfaces as a heat conductive material to the polymer PTC element.
  • it is a metal layer, for example, a metal sheet or a metal film.
  • the same layered metal lead frame (for example, stainless steel, other suitable metal, etc.) used for the wiring board may be used as the layered support.
  • it may be a layered support of ceramic material.
  • the layered support is preferably larger than the area occupied by the PTC element placed thereon.
  • the state in which the PTC element is disposed on the layered support is viewed from above, at least a part of the periphery of the PTC element, preferably a part of the layered support extends outside the entire circumference of the PTC element. Is preferred.
  • the layered support When placing the PTC element on the layered support, if the layered support is an electrically conductive material, it is necessary to dispose an insulating material between the PTC element and the layered support. If the layered support is electrically insulating, it is not necessary to arrange such an insulating material.
  • the insulating material is preferably in a layered form.
  • an insulating material layer is bonded to the layered support with an adhesive material, and a PTC element is bonded to the bonded insulating material layer with an adhesive material.
  • adhesive materials may be the same or different, and preferably have thermal conductivity, more preferably good thermal conductivity.
  • solder, conductive material paste for example, silver paste
  • solder paste for example, conductive adhesive, or the like may be used for bonding.
  • the PTC element and the layered support are molded so that the other surface of the layered support (that is, the surface on which the PTC element is not placed) is exposed.
  • the layered support on which the PTC element is placed is placed in a predetermined mold with the other surface of the layered support exposed, and then a resin is injected into the mold to solidify and / or cure.
  • the resin to be injected is a curable resin such as a thermosetting resin, a light or radiation curable resin, and various epoxy resins and silicone resins can be used.
  • the resin to be injected may be a thermoplastic resin.
  • the molten resin is injected into a mold and then solidified by cooling.
  • Such molding is well known and is performed so that at least a portion, preferably most, more preferably substantially all of the other surface of the layered support is exposed.
  • the mold resin has a function of separating the molded PTC element from the environment around the PTC device. Specifically, the PTC element is prevented from being adversely affected by surrounding moisture, oxygen, and the like as much as possible.
  • the PTC element placed on the layered support is pre-enclosed by potting with a curable resin before being molded as described above, and then the curable resin is cured.
  • potting means so-called “resin coating (or resin coating)”, covering the element with resin, and then curing the coating resin.
  • a curable resin is placed on a PTC element placed on a layered support and cured. The pile of curable resin is carried out so that the PTC element placed on the layered support is entirely covered with the resin. As a result, on the layered support, the PTC element is covered with a cured resin, i.e.
  • a coating surrounding the PTC element is formed as a potting element.
  • potting can also be said to encapsulate other parts while securing an exposed part.
  • a wire (or wiring) connected to the PTC element needs to pass through the potting element and extend outward. In this way, after the PCT element placed on the layered support is covered with the potting element, molding is performed.
  • the melting point of polyethylene (PE) used for the PTC element is, for example, 180 ° C. to 240 ° C.
  • a high temperature liquid epoxy resin of about 180 ° C. is used as a resin for molding such an element.
  • the potting element can function as a cushioning material that suppresses such adverse effects on the PTC element.
  • a polymer such as PE constituting the PTC element may be altered or deteriorated by an organic solvent or oil.
  • the potting element prevents the chemical component (for example, a curing agent) contained in the molten / softened resin contained in the resin to be injected at the time of molding as much as possible.
  • the curable resin forming the potting element may be any suitable curable resin.
  • a thermosetting resin such as an epoxy resin or a silicone resin
  • the curable resin forming the potting element may be a light or radiation curable resin.
  • the resin used for molding is a curable resin
  • the curable resin is a resin different from the curable resin that forms the potting element.
  • the curable resin forming such a potting element preferably has a linear expansion coefficient after curing larger than that of the mold resin at the trip temperature of the PTC element.
  • the PTC element constituting the PTC element It is more preferable that it is the same as or smaller than the linear expansion coefficient of the polymer.
  • the linear expansion coefficient of the resin forming the potting element is preferably 3.0 ⁇ 10 ⁇ 5 / ° C. or higher at a temperature higher than Tg (glass transition temperature) after curing. It is preferably 40.0 ⁇ 10 ⁇ 5 / ° C. or less, and particularly preferably 30.0 ⁇ 10 ⁇ 5 / ° C. or less.
  • the linear expansion coefficient of the cured resin is, for example, 10 ⁇ 10 ⁇ 5 / ° C. to 20 ⁇ 10 ⁇ 5 / ° C.
  • the polymer constituting the polymer PTC element is polyethylene, it is particularly preferable that the cured resin has a linear expansion coefficient within this range.
  • the linear expansion coefficient of the resin is 3.0 ⁇ 10 ⁇ 5 / ° C. or more at a temperature near the trip temperature of the PTC element after curing. Is preferably 40.0 ⁇ 10 ⁇ 5 / ° C. or less.
  • the force generated by the expansion of the element balances the force generated by compressing the periphery of the PTC element. Therefore, when the molding material located around the PTC element is relatively hard, that is, when the temperature does not expand so much (that is, when the linear expansion coefficient is small), the PTC element cannot expand sufficiently, and as a result. It is considered that the PTC characteristics are adversely affected. For example, the resistance may not be sufficiently high during a trip.
  • the soft material exists around the PTC element, so that the PTC element can easily expand.
  • Such soft materials have a relatively large coefficient of linear expansion. Therefore, when a material having a large linear expansion coefficient is used as the potting element, it is possible to suppress the expansion of the PTC element, and as a result, the characteristics as the PTC element are maintained as much as possible. For example, by interposing such a potting element, compared to the case where no potting element is present, the RT characteristic of the PTC device is 2 to 4 times the resistance value after a trip in which the PTC element is expanded due to heat. (See FIG. 5 described later).
  • the linear expansion coefficient of the molding material is smaller than the linear expansion coefficient of the potting element.
  • This linear expansion coefficient relationship is preferably satisfied at least in the vicinity of the trip temperature of the PTC element (preferably trip temperature ⁇ 20 ° C., more preferably trip temperature ⁇ 10 ° C., for example, trip temperature ⁇ 5 ° C.).
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a PTC device of the present invention. 1 is shown in a schematic plan view in FIG. 2 so that the state of the PTC element located inside the mold resin can be understood similarly.
  • the cut surface when cut along a vertical straight line passing through the center of FIG. 2 corresponds to FIG.
  • the PTC device 10 of the present invention comprises a polymer PTC element 12 and a layered support 14.
  • the layered support 14 has two main surfaces 15 (also referred to as one surface) and a main surface 15 ′ (also referred to as the other surface) that face each other, and the PTC element 12 is placed on one main surface 15. .
  • the main surface 15 ' is the surface to be exposed.
  • the main surface 15 ' is a surface that contacts an object 32 to be detected for an abnormal condition (for example, excessively high temperature, excessive current, etc.), and as a result of detection, the PTC element 12 trips according to the abnormal condition.
  • the main surface 15 ' is in contact with the object 32 at least in part, preferably most, more preferably substantially all as shown (the object 32 is not shown in FIG. 2). By such contact, heat is quickly transferred from the object 32 to the PTC device 10 via the layered support 14.
  • an insulating material layer (for example, a ceramic material layer, a glass epoxy material layer, or a resin layer that can be used in the above-described mold) 20 exists between the PTC element 12 and the layered support 14.
  • the layered support 14 is made of a conductive material, it is effective to interpose the insulating material layer in this way.
  • the layered support 14 and the insulating material layer 20 are connected by a solder material layer 18, and a silver paste layer 22 exists between the insulating material layer 20 and the PTC element 12. Accordingly, in the illustrated embodiment, the PTC element 12 and the layered support 14 are indirectly connected, and thus indirectly in thermal contact.
  • These layers existing between the PTC element 12 and the layered support 14 are both made of a heat conductive material, preferably a good heat conductive material.
  • a potting element 24 so as to cover the PTC element 12 disposed on the layered support 14 and the above-described layers (18, 20 and 22).
  • one end of a wire 28 is connected to the upper side of the PTC element (that is, one metal electrode of the PTC element), which extends outside through the potting element 24.
  • the other end of the wire 28 is connected to the lead 26.
  • one end of a wire 28 ' is connected to the lower side of the PTC element (that is, the other metal electrode of the PTC element) via a silver paste layer 22, which extends outward through the potting element 24. Exist.
  • the other end of the wire 28 is connected to the lead 26 '.
  • the lead 26 'and the wire 28' are not shown in FIG.
  • the PTC element 12 arranged on the layered support 14 is molded, and as shown in the figure, the mold resin 16 covers the PTC element 12 and various layers located below the PTC element 12. As shown in the drawing, the mold resin 16 does not cover the other surface 15 ′ of the layered support 14 and is exposed. That is, the PTC device of the present invention in which the PTC element 12 is molded in the resin 16 is obtained.
  • the layered support 14 has a screw opening 30 so that the PTC device can be screwed when attached to an object.
  • the PTC element 12 is first mounted directly or indirectly on the layered support 14, and thereafter, between the PTC element 12 and the lead 26 and the lead 26 ′. Wires 28 and 28 'are formed by wire bonding. In this state, if necessary, the resin is piled up by potting and cured to form a potting element 24. An assembly in which the PTC element 12 connected to the lead 26 is placed on the layered support 14 is assembled. obtain. Then, the PTC device 10 of the present invention molded in the resin 16 can be obtained by molding the obtained assembly.
  • a lead frame in which the layered support 14 and the leads 26 and 26 'are originally integrated is prepared, and after wire bonding is performed and the wires 28 and 28' are connected, as shown in the figure. It is advantageous to separate the layered support and the lead. It is also effective to directly connect the leads 26 and 26 'to the front and back sides of the PTC element without performing wire bonding.
  • PTC element A conductive polymer composition containing polyethylene (PE, 46% by weight) and carbon black (54% by weight) was extruded to obtain an extrudate.
  • This PTC element is a lead frame (corresponding to a layered support, made of copper / tin alloy with nickel base silver plating (nickel plated on an alloy frame and further silver plated thereon), thickness: 1.3 mm).
  • a 5 mm ⁇ 3 mm ceramic insulating substrate (Tn / Ni, thickness 0.6 mm) is soldered as an insulating material layer on the lead frame (Senju Metal M705), and the above PTC element is mounted thereon.
  • the paste was hardened by fixing with silver paste (Panasonic DBC130SD) and holding at 150 ° C. for 10 minutes. In this way, as shown in FIG. 1, the PTC element 12 was placed on the layered support 14 via the solder material layer 18, the insulating material layer 20, and the silver paste layer 22 as an adhesive material.
  • Epoxy resin epoxy (Epoxy) (Epiform K-8908, manufactured by Somar Co., Ltd.) 24 so as to cover the PTC element 12 and the underlying layer of the obtained assembly
  • the epoxy resin was heated at 80 ° C.
  • the precursor of the PTC device was obtained by curing in 7 hours and covering the PTC element placed on the layered support and the underlying layer with the potting element 24 as shown in FIG.
  • the precursor is attached to the injection mold so that the surface 15 'of the lead frame on which the PTC element is not placed is exposed, and after the molten mold material (epoxy resin, Sumitomo Bakelite, Sumicon EME6200) is injected And temporarily cured at 180 ° C. for 3 minutes.
  • the assembly is removed from the mold and deburred, and then the assembly is maintained at 175 ° C. for 8 hours to completely cure the molding material 16 and the PTC device 10 shown in FIG. (Tr) is a device using a PTC element having a 95 ° C. and a device using a PTC element having a trip temperature of 125 ° C.
  • Example 1 was repeated except that the potting element was formed using another epoxy resin (Epiform R-2101, manufactured by Somar Co., Ltd.), and then molded, and the PTC of the present invention having the potting element was repeated. A device precursor was obtained. However, a PTC element having Tr of 95 ° C. was used.
  • Epiform R-2101 manufactured by Somar Co., Ltd.
  • Example 2 was repeated to obtain the precursor of the PTC device of the present invention, except that the potting element was formed using another epoxy resin (SOMAKOTE KZ-106, manufactured by Somaru Corporation). However, a PTC element having Tr of 95 ° C. was used.
  • Example 2 was repeated to obtain a precursor of the PTC device of the present invention, except that a potting element was formed using another epoxy resin (SOMAKOTE KZ-107, manufactured by Somaru Corporation). However, a PTC element having Tr of 95 ° C. was used.
  • Example 1 was repeated to obtain the PTC device of the present invention except that silicone resin (manufactured by Shin-Etsu Polymer, KE-1867) was used. However, a PTC element having Tr of 95 ° C. was used.
  • Example 1 was repeated to obtain the PTC device of the present invention.
  • the PTC device of the present invention was obtained without forming the above-described potting element.
  • the used PTC element had a Tr of 125 ° C.
  • the measurement results are shown in Table 1 and Table 2 below.
  • Tg glass transition temperature of the cured resin (except PE)
  • T> Tg linear expansion coefficient at a temperature higher than Tg
  • T ⁇ Tg linear expansion coefficient at a temperature lower than Tg
  • the resistance value at room temperature is very small for any of the PTC devices detected at 95 ° C., as in the case of the PTC element, and is slightly higher than the trip temperature (60).
  • the resistance value at (° C.) is not so large, but shows a very large resistance value near the trip temperature, which means that the PTC device of the present invention has appropriate properties as a PTC element.
  • the resistance at the time of tripping in Example 6 that was not potted was as low as about half of the resistance at the time of tripping in Example 1 that was potted, and potting was performed. It is speculated that the processing can have a slight effect on the expansion of the PTC element.
  • FIG. 3 shows the RT measurement result of the PTC device of the present invention of Example 1 (using a PTC element with Tr of 125 ° C.).
  • the RT measurement result of the PTC element itself having a Tr of 125 ° C. and the measurement result of the ceramic PTC element as a comparative example are plotted together.
  • FIG. 3 shows that the device of Example 1 of the present invention and the inorganic PTC element of the comparative example (detected at 125 ° C.) had a threshold temperature in the range of about 120 ° C. to 130 ° C. (The temperature at which the resistance of the PTC element suddenly increases in the vicinity of a temperature also called “trip temperature”), and in any case, the resistance value after such a range is at least about 10 6 times or more of the previous resistance value Therefore, it is apparent that both the PTC device and the inorganic PTC element have a switching function as a PTC element. In general, when the resistance value is increased by at least about 10 3 times or more, it may be considered to have a function as a PTC element.
  • the PTC device of the present invention when comparing the molded PTC device of the present invention and the inorganic PTC device, the PTC device of the present invention is far more than the inorganic PTC element in terms of the rate of increase in resistance before and after the trip and the sharp increase in resistance. It turns out that it is excellent. That is, the PTC device of the present invention exhibits RT characteristics that are not significantly different from polymer PTC elements, and the characteristics are clearly superior to those of inorganic PTC elements.
  • FIG. 4 shows the RT measurement result of the PTC device of Example 5 (using a PTC element with Tr of 95 ° C.).
  • the measurement results of the RT measurement results of the PTC element itself with Tr of 95 ° C. are plotted together.
  • the PTC element both not PTC device and any alms present invention (Example 5), has a threshold temperature to trip at about 95 ° C., also any increase of about 104 times the resistance value It can be seen that it shows sufficient trip characteristics. That is, even when another potting material such as a silicone resin is used in the device of the present invention, the PTC device of the present invention exhibits RT characteristics that are not significantly different from those of the PTC element. The characteristics are sufficient for use as an element.
  • FIG. 5 shows the RT measurement result of the PTC device of Example 6 (using a PTC element with Tr of 125 ° C.).
  • FIG. 5 plots together the RT measurement result of the PTC element itself having a Tr of 125 ° C. and the measurement result of the PTC device of the present invention obtained using the same, as in FIG. Yes.
  • the PTC device having no potting element of the present invention has a threshold temperature that trips around 125 ° C., similar to Example 1 having the potting element. Further, in Example 6, it is considered that the PTC element expansion is somewhat hindered by having no potting element, and the resistance value at the time of trip is reduced to about 2 to 1/4 compared to Example 1. are but one to rise to about 10 4 times the resistance value even when observed, it can be seen that exhibits sufficient trip characteristic. That is, even when the potting element is omitted, the PTC device of the present invention exhibits an RT characteristic that is not significantly different from that of the PTC element, and the characteristic is sufficient for use as a PTC element.
  • the device is fixed with a heat-resistant tape on a hot plate (manufactured by ASONE, EC-1200NP) so that the exposed surface of the layered support of the PTC device is in contact with the hot plate, and a thermocouple (TC-KH- 0.1-1 WP) was attached to the hot plate surface and the exposed surface of the layered support of the device, and the hot plate temperature was raised to 20 ° C. to 160 ° C.
  • a thermocouple TC-KH- 0.1-1 WP
  • FIG. 7 shows data when an inorganic PTC element (molded ceramic PTC element, manufactured by Murata Manufacturing Co., Ltd., PTFM04BB222Q2N34B0) is similarly heated on a hot plate.
  • the PTC device of the present invention reached the trip state in 20 seconds to 25 seconds while the temperature of the hot plate increased from 100 ° C. to 130 ° C. for about 25 seconds. I understand.
  • the temperature of the PTC element hardly changed for about 25 seconds when the temperature of the hot plate reached from 100 ° C. to 130 ° C., and 30 seconds passed. Later, the temperature starts to rise gradually, and then it can be seen that it has tripped.
  • the PTC device of the present invention reacts to the temperature change of the hot plate to be detected in a very fast time and exhibits a steep increase in resistance as compared with the inorganic PTC element. That is, it can be seen that the PTC device of the present invention can detect the temperature of the object whose temperature is to be detected more quickly and more accurately.

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Abstract

 基板が異常に高温になる可能性をより速やかに検知して、異常高温を未然に防止する、より十分な機能を有するPTCデバイスを提供する。  伝熱媒体として機能する層状支持体14およびその上に配置したポリマーPTC素子12を有して成るPTCデバイス10であって、  ポリマーPTC素子は層状支持体の一方の表面(15)上に(熱的に接続された状態で)配置され、これらは、層状支持体の他方の表面(15’)が露出するように樹脂内にモールドされている。

Description

PTCデバイス
 本発明は、PTC素子、特にポリマーPTC素子を有して成るPTCデバイスおよびそのようなPTCデバイスを有して成る電気装置に関する。
 ポリマーPTC素子は、例えば、電気装置における過剰電流による障害、電気装置の過熱等を未然に防止するために、その温度が所定の臨界的な値を越えると、抵抗値が急激に増加する特性、即ち、いわゆる正温度係数またはPTC(positive temperature coefficient)特性を有する。そのような臨界的な温度はトリップ温度とも呼ばれる。
 電気装置に配置されている、ICチップがマウントされた基板は、電気装置の使用によって大量に発熱するため、その熱を外部に発散するために放熱板を有する。何らかの原因のために(例えばそのような基板に過剰電流が流れることによって)、そのような基板が異常に高温となる場合、放熱板による熱の発散が追いつかず、放熱板も、従って、基板も異常に高温のままになることがある。そこで、セラミックPTC素子(例えば(株)村田製作所から市販されているポジスタ(登録商標))を放熱板に取り付けて基板の温度を検知し、基板が異常に高温になるのを間接的に防止することが行われている。
特開平04-162701号公報
 このようなセラミックPTC素子は、基板が異常に高温となるのを防止する機能を果たすが、場合によって、そのような機能は必ずしも十分ではない。例えば、温度が上昇する際の抵抗値の時間的増加が大きくなく、即ち、シャープに抵抗値が短時間で増加せず、その結果、電流を短時間で遮断することができない。そのため、セラミックPTC素子の抵抗値がある値に達すると、電流を(PTC素子によらずに)遮断する方法(即ち、間接的な方法)が一般的に採用されている。特に、基板が異常に高温になる可能性をより速やかに検知して、異常高温を未然にかつ直接防止することが望まれている。
 上述の課題に関して、鋭意検討を重ねた結果、ポリマーPTC素子を用い、更に、それを支持体に載せた状態でこれらをモールド成形することによって得られるPTCデバイスによって課題を解決できることが見出された。
 従って、第1の要旨において、本発明は、
 伝熱媒体として機能する層状支持体およびその上に配置したポリマーPTC素子を有して成るPTCデバイスであって、
 ポリマーPTC素子は層状支持体の一方の表面上に(熱的に接続された状態で)配置され、これらは、層状支持体の他方の表面が露出するように樹脂内にモールドされている
ことを特徴とするPTCデバイスを提供する。
 本発明のPTCデバイスでは、PTC素子が樹脂内にモールドされている。その結果、モールドされるPTC素子は、PTCデバイスの周囲の環境からモールド樹脂によって離隔される。例えば、デバイスの周囲に存在する水分、酸素等によってPTC素子が悪影響を受けるのを可及的に防止できる。従って、モールドする樹脂は、水分、酸素等に対するバリア機能を有するのが特に好ましい。
 層状支持体は、PTCデバイスが温度を検知すべき対象物に対して熱的接触できる。熱的接触とは、層状支持体の露出表面と対象物の表面とが接触することによって、対象物から層状支持体の露出表面に熱が速やかに伝わるようになっていることを意味する。好ましくは、そのような熱的接触の結果、層状支持体の露出表面の温度が対象物の表面温度に実質的に等しくなる。より好ましくは、そのような熱的接触の結果、層状支持体の露出表面の温度と露出していない反対側の表面の温度も実質的に等しくなる。
 このような層状支持体を構成する材料は、熱伝導性材料、特に良熱伝導性材料(例えばステンレススチール、銅のような金属材料等)であるのが好ましい。尚、それほど良熱伝導性材料でない材料(例えばガラエポ(ガラス繊維+エポキシ樹脂)等の複合材料、他のセラミック材料等)であっても、その厚さが薄い場合には、伝熱に対してそれほど抵抗とならないので、そのような材料を使用してもよい。
 ポリマーPTC素子は、層状支持体に熱的に接続されており、その結果、層状支持体の露出表面から、従って、PTCデバイスを配置した対象物から層状支持体を経てPTC素子に熱が伝わる、好ましくは速やかに伝わるように構成されている。このように対象物からPTC素子に熱を伝えるという意味で、層状支持体が「伝熱媒体として機能する」との表現を用いる。尚、ポリマーPTC素子の層状支持体への接続は、直接的であっても、あるいは間接的であってもよい。
 直接的な接続は、ポリマーPTC素子と層状支持体との間に介在するものが存在しない態様に相当し、間接的な接続は、ポリマーPTC素子と層状支持体との間に他の材料が存在する態様に相当する。そのような他の材料には、接着材料(接着剤、ハンダ、導電性接着剤、導電性ペースト等)、絶縁材料等が含まれ、そのような材料は通常層の形態で存在する。
 明らかなように、間接的な接続の場合は、層状支持体とPTC素子とは、熱伝導性材料、特に良熱伝導性材料(例えば金属材料)を介して接続されているのが好ましい。尚、それほどの良熱伝導性でない材料(例えばセラミック材料)であっても、その厚さが薄い場合には、伝熱に対してそれほど抵抗とならないので、そのような材料を使用してもよい。
 第2の要旨において、本発明は、層状支持体およびそれに配置されたポリマーPTC素子を有して成るPTCデバイスの製造方法であって、
 層状支持体の一方の表面にポリマーPTC素子を配置する工程、ならびに
 層状支持体の他方の表面が露出するように、層状支持体およびポリマーPTC素子をモールド成形する工程
を含んで成る。この製造方法によって、上述の本発明のPTCデバイスを製造できる。尚、層状支持体へのポリマーPTC素子の配置は、上述のポリマーPTC素子の層状支持体への接続と同様に、直接的であっても、あるいは間接的であってもよい。
 第3の要旨において、本発明は、上述のPTCデバイスを有して成る電気装置を提供すする。例えば、そのような電気装置は、本発明のPTCデバイスを有する回路基板、特に電源を制御する回路のIC基板、回路モジュール、過熱検知装置等を有する。
 本発明のPTCデバイスは、セラミックPTC素子よりも感度に優れたポリマーPTC素子を層状支持体と組み合わせて、支持体の一方の表面が露出するようにモールド成形して形成されている。その結果、層状支持体の露出している表面が異常温度を検出すべき対象物に接触するようにPTCデバイスを対象物に配置すると、対象物の温度上昇が速やかにポリマーPTC素子に伝わり、その結果、その温度上昇に応じてPTC素子が作動できる。即ち、温度上昇が対象物から速やかに伝わるので、ポリマーPTC素子の優れた感度を有効に利用できる。
図1は、本発明のPTCデバイスを模式的断面図にて示す。 図2は、図1のPTCデバイスを図1の左側から見た様子を模式的平面図にて示す。 図3は、実施例1の本発明のPTCデバイスのR-T測定結果を示す。 図4は、実施例5の本発明のPTCデバイスのR-T測定結果を示す。 図5は、実施例6の本発明のPTCデバイスのR-T測定結果を示す。 図6は、実施例1の本発明のPTCデバイスについて、周辺温度を上昇させた時の抵抗値および熱電対の温度の時間的変化を示す。 図7は、無機PTC素子について、周辺温度を上昇させた時の抵抗値および熱電対の温度の時間的変化を示す。
10…PTCデバイス、12…PTC素子、14…層状支持体、
15,15’…主表面、16…モールド樹脂、18…ハンダ材料層、
20…絶縁材料層、22…銀ペースト層、24…ポッティング要素、
26,26’…リード、28,28’…ワイヤ、30…開口部、32…対象物。
 本発明のPTCデバイスを構成するポリマーPTC素子は周知であり、種々のものが市販されている。そのようなポリマーPTC素子は、一般的に使用されている用語の意味で使用している。ポリマーPTC素子は、いわゆるポリマーPTC組成物を層状に形成したポリマーPTC要素を有して成り、その両主表面に配置された第1金属電極(特に箔状電極)および第2金属電極(特に箔状電極)を有して成るのが特に好ましい。ポリマーPTC要素は、ポリマー材料(例えばポリエチレン、ポリビニリデンフルオライド等)中に導電性フィラー(例えばカーボンフィラー、金属フィラー(銅、ニッケル、ニッケル-コバルト合金等のフィラー)等)が分散している、いわゆる導電性ポリマー組成物から構成されているものである。通常、そのような組成物を押出成形することによってPTC要素を得ることができる。
 層状支持体は、対向する2つの主表面によって規定され、ポリマーPTC素子をその一方の主表面上にポリマーPTC素子への熱伝導性材料として、直接的又は間接的に載置できるものであればよい。具体的には、金属層、例えば金属シートまたは金属フィルムである。1つの態様では、層状支持体として、配線基板に用いられる金属(例えばステンレススチール、他の適当な金属等)のリードフレームと同じものを使用してもよい。別の態様では、セラミック材料の層状支持体であってもよい。層状支持体は、その上に載置するPTC素子の占有面積より大きいのが好ましい。即ち、層状支持体上にPTC素子を配置した様子をこれらの上方から見た場合、PTC素子の周囲の少なくとも一部分、好ましくはPTC素子の全周の外側で層状支持体の一部分が延在するのが好ましい。
 層状支持体上にPTC素子に載置するに際して、層状支持体が電気伝導性材料である場合には、PTC素子と層状支持体との間に絶縁材料を配置する必要がある。層状支持体が電気絶縁性である場合には、そのような絶縁材料を配置する必要はない。絶縁材料は、層状形態であるのが好ましい。
 絶縁材料を介して載置する場合、層状支持体に絶縁材料の層を接着材料によって接着し、接着した絶縁材料の層にPTC素子を接着材料によって接着する。これらの接着材料は同じであっても、あるいは異なってもよく、好ましくは熱伝導性、より好ましくは良熱伝導性である。例えばハンダ、導電性材料ペースト(例えば銀ペースト)、ハンダペースト、導電性接着剤等を使用して接着してよい。
 本発明のPTCデバイスでは、層状支持体の他方の表面(即ち、PTC素子が載置されていない表面)が露出するように、PTC素子および層状支持体がモールド成形されている。モールド成形では、PTC素子が載置された層状支持体を、層状支持体の他方の表面が露出した状態で、所定の型に配置し、その後、型に樹脂を注入して固化および/または硬化させる。
 注入する樹脂、即ち、モールド樹脂は、硬化性樹脂、例えば熱硬化性樹脂、光または放射線硬化性樹脂であり、例えば種々のエポキシ樹脂、シリコーン樹脂等を使用できる。別の態様では、注入する樹脂は熱可塑性樹脂であってもよく、この場合、溶融状態の樹脂を型に注入し、その後、冷却することによって固化させる。このようなモールド成形自体は周知であり、層状支持体の他方の表面の少なくとも一部分、好ましくは大部分、より好ましくは実質的に全部が露出するように実施する。モールド樹脂は、モールドされるPTC素子をPTCデバイスの周囲の環境から離隔する機能を有する。具体的には、周囲の水分、酸素等によってPTC素子が悪影響を受けるのを可及的に防止する。
 本発明の特に好ましい態様では、上述のようにモールド成形する前に、層状支持体上に載置されたPTC素子を硬化性樹脂によってポッティングすることによって予め包囲し、その後、この硬化性樹脂を硬化してポッティング要素を形成し、その後、モールド成形する。ここで、ポッティングとは、いわゆる「樹脂盛り(または樹脂盛りコーティング)」して素子を樹脂で覆い、その後、コーティング樹脂を硬化させることを意味する。通常、層状支持体上に載置されたPTC素子上に硬化性樹脂を盛ってそれを硬化させる。硬化性樹脂の盛りは、層状支持体上に載置されたPTC素子が全体的に樹脂によって覆われるように実施する。その結果、層状支持体上で、PTC素子は硬化した樹脂によって覆われる、即ち、PTC素子を包むコーティングがポッティング要素として形成される。当然ながら、ポッティングに際しても、層状支持体の他方の面の少なくとも一部分を露出状態としておく必要がある。従って、ポッティングとは、露出部分を確保しながら、それ以外の部分を封入すること(encapsulation)とも言える。尚、PTC素子に電流を流すために、PTC素子に接続されたワイヤ(または配線)は、ポッティング要素を通過して外側に延在する必要がある。このように、層状支持体上に載置されたPCT素子をポッティング要素によって覆った後、モールド成形を実施する。
 ポッティング要素によって覆われたPTC素子をモールド成形する場合、そのようなPTC素子を型に入れた状態で、溶融または軟化した熱い樹脂を型に注入する。その場合、熱い樹脂が直接PTC素子に接触することが無いので、熱い樹脂がPTC素子に与える熱的影響を緩和できる。
 具体的には、PTC素子に用いられるポリエチレン(PE)の融点は例えば180℃~240℃であり、そのような素子をモールド成形するための樹脂として例えば約180℃の高温の液状のエポキシ樹脂を型に注入すると、ポッティング要素は、PTC素子とモールド樹脂との間に介在し、その結果、モールド樹脂の高温液体のPTC素子に対する熱的影響の緩衝材として機能する。
 上述の熱的影響に対する緩衝機能に加えて、あるいは代えて、モールド樹脂、特にそれを型に注入する際の状態の樹脂が、PTC素子に化学的に悪影響を与える可能性がある場合には、ポッティング要素は、PTC素子へのそのような悪影響を抑制する緩衝材として機能できる。例えば、PTC要素を構成するPE等のポリマーは、有機溶剤や油類によって変質・劣化することがある。モールド成形に際して注入する樹脂に含まれる溶融・軟化樹脂に含まれる化学成分(例えば硬化剤)が、PTC素子に直接接触することがポッティング要素によって可及的に防止される。
 ここで、ポッティング要素を形成する硬化性樹脂は、いずれの適当な硬化性樹脂であってもよい。例えば熱硬化性樹脂(例えばエポキシ樹脂、シリコーン樹脂等)であるのが好ましい。別の態様では、ポッティング要素を形成する硬化性樹脂は、光または放射線硬化性樹脂であってよい。尚、モールド成形に用いる樹脂が硬化性樹脂である場合、その硬化性樹脂は、ポッティング要素を形成する硬化性樹脂とは異なる樹脂である。このようなポッティング要素を形成する硬化性樹脂は、PTC素子のトリップ温度において、硬化後の線膨張係数がモールド樹脂の線膨張係数より大きいのが好ましく、加えて、PTC素子を構成するPTC要素のポリマーの線膨張係数と同じか、あるいはそれより小さいものがより好ましい。
 一般的には、ポッティング要素を形成する樹脂の線膨張係数は、硬化後では、Tg(ガラス転移温度)より高い温度において、3.0×10-5/℃以上であるのが好ましく、また、40.0×10-5/℃以下、特に30.0×10-5/℃以下であるのが好ましい。硬化後の樹脂の線膨張係数は、例えば10×10-5/℃~20×10-5/℃である。ポリマーPTC素子を構成するポリマーがポリエチレンである場合、硬化後の樹脂がこの範囲内の線膨張係数を有するのが特に好ましい。例えば、ポッティング要素を構成する樹脂がエポキシ樹脂である場合、その樹脂の線膨張係数は、硬化後では、PTC素子のトリップ温度付近の温度において、3.0×10-5/℃以上であるのが好ましく、40.0×10-5/℃以下であるのが好ましい。
 PTC素子の温度が上昇してPTC素子のポリマーPTC要素が熱膨張する際、PTC要素の膨張によってその体積が大きくなろうとすることによって生じる力は、PTC素子の周辺部を押すことになる。その結果、素子が膨張することによって生じる力は、PTC素子の周辺部が圧縮されることによって生じる力とバランスする。従って、PTC素子の周囲に位置するモールド材が比較的硬い場合、即ち、温度上昇してもそれほど膨張しない場合(即ち、線膨張率が小さい場合)、PTC要素は十分に膨張できず、その結果、PTC特性に悪影響を与えることが考えられる。例えば、トリップ時に十分に高抵抗とならないことが有り得る。
 この場合、PTC素子とモールド材との間に、比較的柔らかい材料を介在させると、PTC要素の周囲に柔らかい材料が存在することになるので、PTC要素は容易に膨張することができる。そのような柔らかい材料は、比較的大きい線膨張率を有する。従って、線膨張率が大きい材料をポッティング要素として用いると、PTC要素の膨張を妨げることが抑制され、その結果、PTC素子としての特性が可及的に保持される。例えば、そのようなポッティング要素を介在させることによって、ポッティング要素が存在しない場合と比べると、PTCデバイスのR-T特性は、熱によるPTC要素が膨張したトリップ後の抵抗値は、2倍~4倍となった(後述の図5参照)。
 従って、本発明のPTCデバイスにおいて、モールド材の線膨張率は、ポッティング要素の線膨張率より小さいのが特に好ましい。この線膨張率の関係は、PTC素子の少なくともトリップ温度付近(好ましくはトリップ温度±20℃、より好ましくはトリップ温度±10℃、例えばトリップ温度±5℃)において満足されるのが好ましい。
 次に図面を参照して、本発明のPTCデバイスをより詳細に説明する。図1は、本発明のPTCデバイスを模式的断面図にて示す。また、図1のPTCデバイスを図1の左側から見た様子を、同様にモールド樹脂の内部に位置するPTC素子の様子が分かるように、図2に模式的平面図にて示す。容易に理解できるように、図2の中央を通過する垂直方向の直線(図2の矢印AおよびA’を結ぶ線)に沿って切断した場合の切り口が図1に相当する。
 本発明のPTCデバイス10は、ポリマーPTC素子12および層状支持体14を有して成る。層状支持体14は対向する2つの主表面15(一方の表面とも呼ぶ)および主表面15’(他方の表面とも呼ぶ)を有し、一方の主表面15にPTC素子12が載置されている。本発明のPTCデバイス10において、主表面15’が露出すべき表面である。主表面15’は、異常状態(例えば過剰高温、過剰電流等)を検知すべき対象物32に接触する面であり、検知した結果、その異常状態に応じてPTC素子12がトリップする。
 尚、主表面15’は、その少なくとも一部分、好ましくは大部分、より好ましくは図示するように実質的に全部が対象物32に接触する(対象物32は図2においては図示せず)。このような接触によって、対象物32から層状支持体14を介して熱が速やかにPTCデバイス10に伝わる。
 図示した態様では、PTC素子12と層状支持体14との間に、絶縁材料層(例えばセラミック材料層、ガラエポ材料層、あるいは上述のモールドに使用できる樹脂の層等)20が存在する。層状支持体14が導電性材料である場合にはこのように絶縁材料層が介在するのが有効である。層状支持体14と絶縁材料層20とは、ハンダ材料層18によって接続され、絶縁材料層20とPTC素子12との間には銀ペースト層22が存在する。従って、図示した態様では、PTC素子12と層状支持体14とは間接的に接続され、従って、間接的に熱的に接触している。PTC素子12と層状支持体14との間に存在するこれらの層は、いずれも熱伝導性、好ましくは良熱伝導性材料でできている。
 図示した態様では、層状支持体14の上に配置されたPTC素子12および上述の層(18,20および22)を覆うようにポッティング要素24が存在する。尚、PTC素子の上側(即ち、PTC素子の一方の金属電極)にはワイヤ28の一端が接続されており、これはポッティング要素24を通過して外に延在している。ワイヤ28の他方の端部は、リード26に接続されている。また、PTC素子の下側(即ち、PTC素子の他方の金属電極)には銀ペースト層22を介してワイヤ28’の一端が接続されており、これはポッティング要素24を通過して外に延在している。ワイヤ28の他方の端部は、リード26’に接続されている。尚、理解を容易にするため、リード26’およびワイヤ28’は、図1では図示していない。
 このように層状支持体14上に配置されたPTC素子12がモールド成形され、図示するようにモールド樹脂16がPTC素子12およびその下方に位置する種々の層を覆っている。図示するように、モールド樹脂16は、層状支持体14の他方の面15’を覆っておらず、露出させている。即ち、樹脂16内にPTC素子12がモールドされた本発明のPTCデバイスが得られる。尚、層状支持体14は、PTCデバイスを対象物に取り付ける際にネジ留めできるように、ネジ用の開口部30を有する。
 このような本発明のPTCデバイス10は、最初に、層状支持体14上にPTC素子12を直接的または間接的に載置し、その後、PTC素子12とリード26およびリード26’との間をワイヤボンディングによって接続してワイヤ28およびワイヤ28’を形成する。この状態で、必要に応じて、ポッティングによって樹脂盛りして、これを硬化させてポッティング要素24を形成し、リード26に接続されたPTC素子12が層状支持体14上に載置されたアッセンブリを得る。その後、得たアッセンブリをモールド成形することによって、樹脂16内にモールドされた本発明のPTCデバイス10を得ることができる。
 尚、PTCデバイスの製造に際して、層状支持体14とリード26および26’とが元々一体であるリードフレームを用意し、ワイヤボンディングを実施してワイヤ28および28’を接続した後に、図示するように、層状支持体とリードとに分離するのが好都合である。なお、ワイヤボンディングを行わず、PTC素子の表および裏側にリード26および26’をそれぞれ直接接続する方法も有効な方法である。
 以下に説明するように、本発明のPTCデバイスを製造した。
 PTC素子:ポリエチレン(PE、46重量%)およびカーボンブラック(54重量%)を含む導電性ポリマー組成物を押し出して押出物を得、この両主表面に第1および第2金属電極:Niメッキ銅箔を熱圧着して、2種類のPTC素子を得た。これらのPTC素子のトリップ温度(Tr)は、それぞれ95℃および125℃であった。その後、PTC素子の金属電極を金メッキした(メッキ厚さ:0.03μm以下)。PTC素子のサイズは、Tr=95℃の素子については1.6mm×0.8mm×0.3mm(厚さ)であり、Tr=125℃の素子については3.2mm×2.5mm×0.3mm(厚さ)であった。
 このPTC素子をニッケル下地銀メッキ付の銅・錫合金製(合金製のフレームにニッケルメッキを施し、その上に更に銀メッキを施したもの)のリードフレーム(層状支持体に相当、厚さ:1.3mm)上に載置した。載置に際しては、リードフレーム上に、5mm×3mmのセラミック絶縁基板(Tn/Ni、厚さ0.6mm)を絶縁材料層としてハンダ付け(千住金属M705)し、その上に上記のPTC素子を銀ペースト(パナソニック製DBC130SD)で固定し、150℃で10分保持することによってペーストを硬化させた。このようにして、図1に示すように、層状支持体14上にハンダ材料層18、絶縁材料層20および接着材料としての銀ペースト層22を介してPTC素子12を載置した。
 次に、PTC素子の上面とリード26の片端とを、そして、セラミック絶縁基板上の銀ペースト層22とリードフレーム26’の片端とを、図2に示すようにφ150μmのワイヤボンディング(アルミニウムワイヤ28および28’を使用)を施して、PTC素子とリードフレームとを電気的に接続して、層状支持体14上にPTC素子12が載置されたアッセンブリを得た。
 次に、得られたアッセンブリのPTC素子12およびその下の層が覆われるように、エポキシ樹脂(Epoxy)(ソマール株式会社製、EPIFORM K-8908)24をポッティングした後、エポキシ樹脂を80℃、7時間で硬化させて、層状支持体上に載置したPTC素子およびその下の層を図1に示すようにポッティング要素24によって覆うことによって、PTCデバイスの前駆体を得た。
 その後、PTC要素を載置していないリードフレームの表面15’が露出するように、前駆体を射出型へ取付け、溶融させたモールド材(エポキシ樹脂、住友ベークライト製、スミコンEME6200)を注入した後、180℃で3分間仮硬化させた。仮硬化の後、アッセンブリを型から外し、バリ取りを施した後、アッセンブリを175℃で8時間維持して、モールド材16を本硬化させて本発明の図1に示すPTCデバイス10(トリップ温度(Tr)が95℃のPTC素子を使用したデバイスと、トリップ温度が125℃のPTC素子を使用したデバイスの2種類)を得た。
 別のエポキシ樹脂(ソマール株式会社製、EPIFORM R-2101)を使用してポッティング要素を形成し、その後、モールド成形しなかった以外は、実施例1を繰り返して、ポッティング要素を有する本発明のPTCデバイスの前駆体を得た。但し、Trが95℃のPTC素子を使用した。
 別のエポキシ樹脂(ソマール株式会社製、SOMAKOTE KZ-106)を使用してポッティング要素を形成した以外は、実施例2を繰り返して本発明のPTCデバイスの前駆体を得た。但し、Trが95℃のPTC素子を使用した。
 別のエポキシ樹脂(ソマール株式会社製、SOMAKOTE KZ-107)を使用してポッティング要素を形成した以外は、実施例2を繰り返して本発明のPTCデバイスの前駆体を得た。但し、Trが95℃のPTC素子を使用した。
 シリコーン樹脂(Silicone)(信越ポリマー製、KE-1867)を使用した以外は、実施例1を繰り返して本発明のPTCデバイスを得た。但し、Trが95℃のPTC素子を使用した。
 実施例1を繰り返して本発明のPTCデバイスを得た。但し、本実施例では、上述のポッティング要素を形成しないで本発明のPTCデバイスを得た。使用したPTC素子は、Trが125℃のものであった。
(1)PTC特性の確認
 上述のようにして得られた種々のPTCデバイスまたはその前駆体について、その周囲の温度を5℃ずつ上昇させ、その温度雰囲気で10分間保持した後、PTCデバイスの抵抗を測定することを繰り返して、PTCデバイスまたはその前駆体の抵抗(R)-温度(T)特性を評価した。測定温度範囲は20℃~160℃とした。
 尚、抵抗は、2つのリード間の抵抗値を測定することによって求めた。これらのPCTデバイスおよびその前駆体に加えて、PTC素子自体(ポッティング要素を有さず、また、モールド成形もしていないもの)および比較例としての無機PTC素子(村田製作所製、商品名:ポジスタ、125℃を検知する素子)についても、同様に抵抗を測定した。
 測定結果を下記の表1および表2に示す。尚、表において、硬化後の樹脂(PEは以外)のガラス転移温度(Tg)、Tgより高い温度(T>Tg)における線膨張係数およびTgより低い温度(T<Tg)における線膨張係数をも示す。また、実施例1(Trが125℃のPTC素子を使用したPTCデバイス)、実施例5のデバイスおよび実施例6のデバイスの測定に関しては、測定結果を図3~図5に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
 表1の結果から明らかなように、95℃検知のいずれのPTCデバイスについても、PTC素子と同様に、室温(25℃)条件における抵抗値は非常に小さく、トリップ温度以下のやや高い温度(60℃)における抵抗値もそれほど大きくはないが、トリップ温度付近では、非常に大きい抵抗値を示し、これは、本発明のPTCデバイスがPTC素子としての適切な性質を有することを意味する。
 表2の結果から明らかなように、トリップ温度が125℃のPTC素子を用いる場合、ポッティング要素を有する場合(実施例1)とポッティング要素を有さない場合(実施例6)のそれぞれに関し、モールドしたいずれのPTCデバイスについても、PTC素子と同様に、室温(25℃)条件における抵抗値は非常に小さく、トリップ温度以下のやや高い温度(100℃)における抵抗値もそれほど大きくはないが、トリップ温度付近では、非常に大きい抵抗値を示し、これは、本発明のPTCデバイスがPTC素子としての適切な性質を有することを意味する。また、この結果より、ポッティング加工していない(即ち、ポッティング要素を有さない)実施例6のトリップ時の抵抗は、ポッティング加工した実施例1のトリップ時の抵抗の約半分程度と低く、ポッティング加工がPTC素子の膨張に若干の影響を与え得ることが推測される。
 図3に実施例1の本発明のPTCデバイス(Trが125℃のPTC素子を使用)のR-T測定結果を示す。尚、図3には、Trが125℃のPTC素子自体のR-T測定結果、および比較例としてのセラミックPTC素子の測定結果を一緒にプロットしている。
 図3から、実施例1の本発明のデバイスおよび比較例(125℃検知)の無機PTC素子については約120℃~130℃の範囲に閾温度(PTC素子の温度が室温から上昇してトリップ温度(trip temperature)とも呼ばれる温度付近でPTC素子の抵抗が急激に増加する温度)を有し、いずれについても、そのような範囲の後の抵抗値は、前の抵抗値の少なくとも約10倍以上となっており、従って、PTCデバイスおよび無機PTC素子は、いずれもPTC素子としてのスイッチング機能を有することが明らかである。尚、一般的には抵抗値が少なくとも約103倍以上大きくなると、PTC素子としての機能を有すると考えてよい。
 また、モールド加工を施した本発明のPTCデバイスと無機PTCデバイスを比較すると、トリップ前後の抵抗値の増加の割合および抵抗のシャープな増加については、本発明のPTCデバイスが無機PTC素子より遥かに優れていることが分かる。即ち、本発明のPTCデバイスは、ポリマーPTC素子と大差の無いR-T特性を示し、その特性は、無機PTC素子の特性より明らかに優れている。
 図4に実施例5のPTCデバイス(Trが95℃のPTC素子を使用)のR-T測定結果を示す。尚、図4には、Trが95℃のPTC素子自体のR-T測定結果の測定結果を一緒にプロットしている。
 図4から、本発明(実施例5)のPTCデバイス及び何も施していないPTC素子共に、95℃前後でトリップする閾温度を有し、またいずれも約104倍以上の抵抗値の上昇が見られ、十分なトリップ特性を示していることが分かる。即ち、本発明のデバイスにおいて、シリコーン樹脂のような他のポッティング材を用いる場合であっても、本発明のPTCデバイスは、PTC素子と大差の無いR-T特性を示し、その特性は、PTC素子として使用するのに十分な特性である。
 図5に実施例6のPTCデバイス(Trが125℃のPTC素子を使用)のR-T測定結果を示す。尚、図5には、図3と同様に、Trが125℃のPTC素子自体のR-T測定結果、およびそれを用いて得られた本発明のPTCデバイスの測定結果を一緒にプロットしている。
 図5から、本発明(実施例6)のポッティング要素を有さないPTCデバイスは、ポッティング要素を有する実施例1と同様に、125℃前後でトリップする閾温度を有していることがわかる。また、実施例6はポッティング要素を有さないことにより若干PTC要素の膨張が妨げられることが考えられ、実施例1に比べて2~4分の1程度にトリップ時の抵抗値が低くなっているが、いずれにしても約104倍以上の抵抗値の上昇が見られ、十分なトリップ特性を示していることが分かる。即ち、ポッティング要素を省略した場合であっても、本発明のPTCデバイスは、PTC素子と大差の無いR-T特性を示し、その特性は、PTC素子として使用するのに十分な特性である。
(2)PTCデバイスの熱反応特性の確認
 実施例1の本発明のPTCデバイス(Tr=125℃のPTC素子を使用)について、デバイスの周辺環境の温度を所定時間的割合で上昇させた場合のPTCデバイスの温度および抵抗値を測定することによって、PTCデバイスの熱反応特性試験を実施した。
 具体的には、ホットプレート(アズワン製、EC-1200NP)上に、PTCデバイスの層状支持体の露出面がホットプレートに接するように、デバイスを耐熱テープで固定し、熱電対(TC-K-H-0.1-1WP)をホットプレート表面及びデバイスの層状支持体の露出面に取付け、ホットプレート温度を20℃~160℃まで上昇させた。
 このように上昇させる間、所定時間毎に本発明のPTCデバイスの抵抗値および熱電対の温度を測定した。これらは、データロガー(KEYENCE製、GR-3000)で測定し、それらの測定結果を時間に対してプロットしたものを図6に示す。また、比較のため、無機PTC素子(モールド型セラミックPTC素子、村田製作所製、PTFM04BB222Q2N34B0)を同様にホットプレート上で加熱させたときのデータを図7に示す。
 図6の結果から、本発明のPTCデバイスでは、ホットプレートの温度が100℃から130℃に達する約25秒の間、本発明のPTCデバイスは20秒~25秒でトリップ状態に達していることがわかる。
 また、図7の結果から、セラミックPTC素子についても同様に、ホットプレートの温度が100℃から130℃へ到達する約25秒の間、PTC素子の温度は殆ど変化せず、30秒を経過した後、緩やかに温度上昇を開始し、その後、トリップしていることがわかる。
 これらの結果から、本発明のPTCデバイスは、無機PTC素子と比較して、検知対象とするホットプレートの温度変化に非常に速い時間で反応し、急峻な抵抗上昇を示す。即ち、本発明のPTCデバイスは、温度を検知すべき対象の温度をより速やかに、そしてより精度良く検知できることがわかる。

Claims (11)

  1.  伝熱媒体として機能する層状支持体およびその上に配置したポリマーPTC素子を有して成るPTCデバイスであって、
     ポリマーPTC素子は層状支持体の一方の表面上に配置され、これらは、層状支持体の他方の表面が露出するように樹脂内にモールドされている
    ことを特徴とするPTCデバイス。
  2.  ポリマーPTC素子は層状支持体の一方の表面上に熱的に接続された状態で配置されている請求項1に記載のPTCデバイス。
  3.  PTC素子とモールドしている樹脂との間に、硬化性樹脂により形成したポッティング要素を更に有して成る請求項1または2に記載のPTCデバイス。
  4.  ポッティング要素の線膨張係数は、モールド樹脂の線膨張係数より大きい請求項3に記載のPTCデバイス。
  5.  ポッティング要素の線膨張係数は、3.0×10-5/℃以上であり、また、40.0×10-5/℃以下である請求項3または4に記載のPTCデバイス。
  6.  ポッティング要素の線膨張係数は、30.0×10-5/℃以下である請求項3~5のいずれかに記載のPTCデバイス。
  7.  層状支持体およびそれに配置されたポリマーPTC素子を有して成るPTCデバイスの製造方法であって、
     層状支持体の一方の表面にポリマーPTC素子を配置する工程、ならびに
     層状支持体の他方の表面が露出するように、層状支持体およびポリマーPTC素子をモールド成形する工程
    を含んで成るPTCデバイスの製造方法。
  8.  層状支持体へのポリマーPTC素子の配置は、直接的または間接的である請求項7に記載の製造方法。
  9.  モールド成形する前に、層状支持体上に載置されたPTC素子を硬化性樹脂によってポッティングすることによって包囲し、
     その後、この硬化性樹脂を硬化してポッティング要素を形成し、
     その後、モールド成形する請求項7または8に記載の製造方法。
  10.  ポッティングする硬化性樹脂は、硬化後の線膨張係数が3.0×10-5/℃以上、40.0×10-5/℃以下となる樹脂である請求項9に記載の製造方法。
  11.  請求項1~6のいずれかに記載のPTCデバイスを有して成る電気装置。
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