(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＴＣ特性を有する複数のＰＴＣポリマー層からなる多層構造のＰＴＣポリマー層と、多層構造の最上層の外側表面上と最下層の外側表面上にそれぞれ形成された少なくとも一対の電極層を備え、前記複数のＰＴＣポリマー層のそれぞれの常温電気抵抗率が異なり、かつそれぞれのＰＴＣポリマー層が隣合うＰＴＣポリマー層または電極層と融着せしめられたＰＴＣ素子であって、
前記常温抵抗率の異なる各ＰＴＣポリマー層のＰＴＣ特性発現温度領域Ｔ1〜Ｔ2がすべてのＰＴＣポリマー層について等しく、最も常温電気抵抗率が低い層の常温電気抵抗率より常温電気抵抗率が高い層の総厚さが、最も常温電気抵抗率が低い層の総厚さより小さくなるよう構成されていることを特徴とするＰＴＣ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＰＴＣ（ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）素子に関する。さらに詳しくは、短絡電流や過電流を限流するために用いられるＰＴＣ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、特開平４−２６６００１号公報に開示された従来のＰＴＣ素子を示す断面図である。図７において、２１はＰＴＣ特性を有するポリマー層であり、２２は一対の板状の電極である。ポリマー層２１と電極２２とは融着されているかまたは図示しないバネにより圧接されている。図８は、ポリマー層２１の温度−抵抗率特性を示し、ポリマー層２１の抵抗率は図８に示されるように温度Ｔ１までは低く、温度Ｔ１を超えると急激に増加し、温度Ｔ２を超えると緩やかに増加する。ＰＴＣポリマーの一例では、Ｔ１は１２０℃、Ｔ２は１３０℃であり、温度Ｔ２における抵抗率はＴ１における抵抗率の１０００倍程度である。
【０００３】
つぎにＰＴＣ素子の動作について説明する。負荷電流が流れるとジュール熱によりポリマー層２１の温度が上昇するが、通電電流が小さいのでポリマー層２１の温度はＴ１より低い。短絡電流または過電流が流れて、ポリマー層２１の温度上昇が大きくなると、ポリマー層２１の温度がＴ２より高くなるので、ポリマー層２１の抵抗率が高くなる。したがって、短絡電流または過電流が抑制される。抑制された電流は図示しない開閉器で遮断される。電流が遮断されるとＰＴＣ素子においてジュール熱が発生しなくなり、ＰＴＣ素子内の熱が外部に放散されるので、ポリマー層２１の温度が低下する。したがって、ＰＴＣ素子の温度は低下して初期状態に戻り、負荷電流の再通電が可能となる。なお、ＰＴＣ素子によって抑制された電流の波高値は限流波高値と呼ばれる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＰＴＣ素子は上記のように動作するが、連続通電できる電流を大きくするため、常温電気抵抗率が低いＰＴＣポリマーが用いられる。そのため、短絡時におけるＰＴＣポリマーの温度上昇がゆるやかとなるので、限流波高値が高いという問題がある。なお、限流波高値を下げるためＰＴＣポリマーの常温電気抵抗率を高くする方法があるが、ＰＴＣ素子の抵抗が高くなるので連続して通電できる電流が小さくなるという問題がある。また、ＰＴＣポリマー層と電極層が圧接されたばあいと、ＰＴＣポリマー層と他のＰＴＣポリマー層が圧接されているばあい、圧接による接触抵抗が高いので連続して流せる負荷電流が小さいという問題点がある。
【０００５】
本発明は連続して通電できる電流の低下を極力抑制しつつ限流波高値を下げられるＰＴＣ素子をうることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかわるＰＴＣ素子は、ＰＴＣ特性を有する複数のＰＴＣポリマー層からなる多層構造のＰＴＣポリマー層と、多層構造の最上層の外側表面上と最下層の外側面上にそれぞれ形成された少なくとも一対の電極層を備え、前記複数のＰＴＣポリマー層のそれぞれの常温電気抵抗率が異なり、かつそれぞれのＰＴＣポリマー層が隣合うＰＴＣポリマー層または電極層と融着せしめられたＰＴＣ素子であって、前記常温抵抗率の異なる各ＰＴＣポリマー層のＰＴＣ特性発現温度領域Ｔ1〜Ｔ2がすべてのＰＴＣポリマー層について等しいことを特徴とする。
【０００７】
また、前記複数のＰＴＣポリマー層のうち、常温電気抵抗率の高いＰＴＣポリマー層が前記一対の電極層の少なくとも一方に融着して設けられている。
【０００８】
また、前記複数のＰＴＣポリマー層のうち、常温電気抵抗率が他より高いＰＴＣポリマー層を、常温電気抵抗率が低いＰＴＣポリマー層２層のあいだに挟んで設けられている。
【０００９】
また、前記複数のＰＴＣポリマー層のうち、常温電気抵抗率が他より高いＰＴＣポリマー層を複数層設けられている。
【００１０】
また、前記複数のＰＴＣポリマー層のうち、常温電気抵抗率が他より高いＰＴＣポリマー層を前記電極層の少なくとも一方と接し、かつ常温電気抵抗率が他より低いＰＴＣポリマー層のあいだに設けられている。
【００１１】
また、最も常温電気抵抗率が低い層の常温電気抵抗率より常温電気抵抗率が高い層の総厚さが、最も常温電気抵抗率が低い層の総厚さより小さくなるよう構成されている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のＰＴＣ素子の一実施例を図を参照しながら説明する。
【００１３】
［実施例１］
図１は、本発明の一実施例のＰＴＣ素子を示す断面図である。図１において、１はＰＴＣ特性を有し、常温電気抵抗率が低いＰＴＣポリマー層であり、２は一対の電極層であり、３はＰＴＣ特性を有し、常温電気抵抗率がＰＴＣポリマー層１よりも高いＰＴＣポリマー層である。常温電気抵抗率の高い、低いは相対的なものであり、ＰＴＣポリマー層３の常温電気抵抗率がＰＴＣポリマー層１のそれよりも高くなる（図６の曲線Ｂが常に曲線Ａよりも上にある方が望ましいが、Ｔ２以上の温度域ではＰＴＣポリマー層３の抵抗率はＰＴＣポリマー層１のそれよりも低くてよい）ようにＰＴＣポリマー層３の材料を選べばよい。たとえば、ＰＴＣポリマー層１が高密度ポリエチレンに粒径０．０９μｍのカーボンブラックを５５重量％混入したものならば、ＰＴＣポリマー層３はたとえば、高密度ポリエチレンに粒径０．０４μｍのカーボンブラックを３０重量％混入したものなどが選ばれうる。また、ＰＴＣポリマー層１は０．６ｍｍ程度の厚さに形成され、電極層２は５０μｍ程度の厚さに形成される。なお、電極層の表面は粗面化され、ＰＴＣポリマー層３と電極層２とは融着されている。ＰＴＣポリマー層１の抵抗率は、前述のように図６の曲線Ａに示されるように温度Ｔ１までは低く、温度Ｔ１を超えると急激に増加し、温度Ｔ２を超えると緩やかに増加する。ＰＴＣポリマー層３の抵抗率は図６の曲線Ｂに示されるように温度Ｔ１までは低く、温度Ｔ１を超えると急激に増加し、温度Ｔ２を超えると緩やかに増加する。ＰＴＣポリマーの一例ではＴ１は１２０℃、Ｔ２は１３０℃であり、温度Ｔ２における抵抗率は温度Ｔ１における抵抗率の１０００倍程度である。
【００１４】
つぎに本発明の一実施例であるＰＴＣ素子の動作について説明する。負荷電流が流れるとジュール熱の発生によりＰＴＣポリマー層１、３の温度が上昇するが、通電電流が小さいので、ＰＴＣポリマー層１、３の温度はともにＴ１より低い。短絡電流または過電流が流れると、ＰＴＣポリマー層３の温度上昇が大きくなり、ＰＴＣポリマー層３の温度がＴ２より高くなるので、図６の曲線Ｂに示されるようにＰＴＣポリマー層３の抵抗率が高くなる。また、ＰＴＣポリマー層１は電流が流れることによって自身で発熱すると共にＰＴＣポリマー層３によっても加熱される。したがって、温度上昇が大きくなり、ＰＴＣポリマー層１の抵抗率が高くなる。したがって、短絡電流または過電流が抑制される。抑制された電流は図示しない開閉器で遮断される。電流が遮断されるとＰＴＣ素子において熱が発生しなくなるので、放熱によりＰＴＣポリマー層１、３の温度が低下し、ポリマー層は初期状態に戻り負荷電流の再通電が可能となる。
【００１５】
本発明では常温電気抵抗率が高いＰＴＣポリマー層３が設けられているので、従来のＰＴＣ素子と比べ、限流波高値を低減することができる。
【００１６】
本実施例では、常温電気抵抗率が高いＰＴＣポリマー層３が設けられているが、その層の厚さは、たとえば０．２ｍｍ程度であり小さいので、ＰＴＣ素子の上下の電極層間の合成抵抗の増加はわずかである。したがって、通電性能の低下はわずかで、限流波高値を低減することができる。このように常温電気抵抗率が高いＰＴＣポリマー層３の総厚さを常温電気抵抗率が低いＰＴＣポリマー層１の総厚さより小さくすれば、電極層間の合成抵抗の増加がわずかとなり、より大きい負荷電流を連続して通電することができる。なお、常温電気抵抗率が高いＰＴＣポリマー層３を単相とすれば合成抵抗の増加をよりわずかにすることができる。
【００１７】
本実施例では、常温電気抵抗率が高いＰＴＣポリマー層３が電極層に接するように設けられているので、常温電気抵抗率が高いＰＴＣポリマー層３に発生する熱は内部に蓄積されることなく、容易に外部に放散される。したがって、通電性能の低下はわずかで、限流波高値を低減することができる。
【００１８】
［実施例２］
図２は、本発明の第２の実施例であるＰＴＣ素子の断面図である。
【００１９】
図２に示されるように、本実施例２では常温電気抵抗率が低いＰＴＣポリマー層１１ａと１１ｂに挟まれるサンドイッチ構造になるように常温電気抵抗率が高いＰＴＣポリマー層１３が形成されている。常温電気抵抗率が低いＰＴＣポリマー層１１ａ、１１ｂとしては、たとえば、高密度ポリエチレンに粒径０．０９μｍ程度のカーボンブラックを５５重量％程度配合して厚さ０．６ｍｍ程度で抵抗率が０．１７Ω・ｃｍ程度のＰＴＣポリマーが用いられ、常温電気抵抗率が低いＰＴＣポリマー層１１よりも常温電気抵抗率が高いＰＴＣポリマー層１３たとえば、高密度ポリエチレンに粒径０．０４μｍ程度のカーボンブラックを３０重量％程度配合して厚さ０．２ｍｍ程度で抵抗率が１Ω・ｃｍ程度のＰＴＣポリマーが用いられている。本実施例では常温電気抵抗率が高いＰＴＣポリマー層は、電極と比べ熱伝導率が劣る常温電気抵抗率が低いＰＴＣポリマー層にはさまれている。したがって、短絡事故時、常温電気抵抗率が高いＰＴＣポリマー層１３に発生するジュール熱は電極層に放散されにくい。したがって常温電気抵抗率が高いＰＴＣポリマー層１３の抵抗上昇が速くなる。したがって、限流波高値がより低減される。
【００２０】
［実施例３］
図３は、本発明の第３の実施例であるＰＴＣ素子の断面図である。
【００２１】
図３に示されるように、本実施例３では常温電気抵抗率が低いＰＴＣポリマー層１１ａと１１ｂに挟まれるようにして常温電気抵抗率が高いＰＴＣポリマー層１３ａが設けられ、常温電気抵抗率が低いＰＴＣポリマー層１１ｂと１１ｃのあいだに挟まれるようにして常温電気抵抗率が高いＰＴＣポリマー層１３ｂが設けられている。すなわち、図２における常温電気抵抗率が高いＰＴＣポリマー層１３が１層であるのに対して、本実施例では常温電気抵抗率が高いＰＴＣポリマー層を１３ａと１３ｂの２層にわけて設けてあるので、実施例２のばあいと比べ、常温電気抵抗率が高いＰＴＣポリマー層１３ａと１３ｂの抵抗上昇がいっそう速くなる。したがって、限流波高値がいっそう低減される。
【００２２】
常温電気抵抗率の高いＰＴＣポリマー層は、２層より多い複数層でもよい。常温電気抵抗率の高いＰＴＣポリマー層を複数にすることによって、常温電気抵抗率の高いＰＴＣポリマー層の抵抗上昇がいっそう速くなる。また、前記複数の常温電気抵抗率の高いＰＴＣポリマー層の常温電気抵抗率は、常温電気抵抗率が低いＰＴＣポリマー層１１よりも高い常温電気抵抗率を有する材料であればよく、異なっていてもよい。
【００２３】
［実施例４］
図４および図５は、本発明の第４の実施例であるＰＴＣ素子の断面図である。
【００２４】
図４に示されるように、本実施例４ではそれぞれの電極層２に接する常温電気抵抗率がたとえば、１Ω・ｃｍと高いＰＴＣポリマー層１４ａ、１４ｂと、常温電気抵抗率がたとえば０．２Ω・ｃｍと低いＰＴＣポリマー層１１ａ、１１ｂのあいだに常温電気抵抗率がたとえば２Ω・ｃｍと高いＰＴＣポリマー層１３が設けられている。この実施例では常温電気抵抗率が高いＰＴＣポリマー層の数が多いので、常温電気抵抗率が高いＰＴＣポリマー層の抵抗上昇がいっそう速くなる。したがって、限流波高値がいっそう低減される。なお、常温電気抵抗率が低いＰＴＣポリマー層１１ａ、１１ｂに融着によって挟まれるようにして形成された常温電気抵抗率が高いＰＴＣポリマー層１３は複数層設けられてもよい。
【００２５】
また、常温電気抵抗率が高い複数のＰＴＣポリマー層の常温電気抵抗率は同一（たとえば１Ω・ｃｍ）であってもよいし、たとえば１Ω・ｃｍ、１．２Ω・ｃｍ、０．８Ω・ｃｍなどのように互いに異っていてもよい。
【００２６】
さらに、本実施例では、常温電気抵抗率の高いＰＴＣポリマー層１４ａと１４ｂの両方が電極層２に接するように設けられている例について説明したが、少なくとも一方の電極層に常温電気抵抗率の高いＰＴＣポリマー層に常温電気抵抗率の高いＰＴＣポリマー層が融着されていればよい。
【００２７】
本発明において用いられるＰＴＣポリマーは結晶性ポリマー中に導電性粒子を分散させたものである。結晶性ポリマーとしては、前述のように、その融点において結晶が融解する際に急激な体積膨脹を起こし、この結晶性ポリマー中に分散させた導電性粒子の間隔を広げる作用を有するものであれば特に限定されない。結晶化度は２０％以上が好ましく、４０％以上がより好ましい。具体例としては、たとえば特公昭６４−３３２２号公報、特公平４−２８７４４号公報、特公平５−６６００１号公報などに開示されるような結晶性ポリマーがあげられ、それらのうち、より好ましい例としてたとえば高密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、低密度ポリエチレンなどのポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ−ブテン−１、ポリメチルペンチン（ＴＰＸ）、エチレンプロピレンゴムなどのポリオレフィン類；ポリビニリデンフルオライド、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレンなどのフルオロカーボンポリマー類；ポリアミド、ポリアセタール、シンジオクタチック−ポリスチレン、飽和ポリエステルなどの他の結晶性高分子などの１種または２種以上の混合物があげられる。これらの中で結晶化度が高いことにより、高い抵抗増加率がえられるという観点からポリエレフィン類の中のポリエチレンが好ましい。導電性粒子としては、粒径が０．０２〜２００μｍ程度のたとえば、カーボンブラック、グラファイト、金属繊維、カーボンファイバー、金属粒子などを、結晶性ポリマー中に４０〜８０重量％混入することが常温電気抵抗率を０．５Ω・ｃｍ程度以下に保つために好ましい。さらに、実用面およびコスト面のバランスからは、粒径０．０３〜０．２μｍ程度のカーボンブラックを、結晶性ポリマー中に５０〜７０重量％混入することがより好ましい。
【００２８】
本発明の電極層としては、銀が用いられてよいが低コストの点からニッケルメッキ銅、銀、銀メッキ銅、銅などが好ましい。
【００２９】
本発明において好ましい一例としては、高密度ポリエチレンに粒径０．０９μｍ程度のカーボンブラックを５５重量％程度配合して厚さ０．６ｍｍ程度のＰＴＣポリマー層とし、該ＰＴＣポリマー層の両表面に高密度ポリエチレンに粒径０．０４μｍ程度のカーボンブラックを３０重量％配合して厚さ０．２ｍｍ程度の該ＰＴＣポリマー層の常温電気抵抗率よりも高いＰＴＣポリマー層とし、粗面化された銅を電極とし、後者のＰＴＣポリマー層を融着したものがあげられる。このように構成された素子では、優れた限流特性がえられることが実験により確認されている。
【００３０】
【発明の効果】
本発明にかかわるＰＴＣ素子によれば、複数のＰＴＣポリマー層を常温電気抵抗率が異なるＰＴＣポリマー層が隣合うＰＴＣポリマー層または電極層と融着されていることにより限流波高値を低減できる。
【００３１】
また、常温電気抵抗率が高いＰＴＣポリマー層が電極層の少なくとも一方に融着して設けたことにより限流波高値を低減できる。
【００３２】
また、常温電気抵抗率が高いＰＴＣポリマー層を、常温電気抵抗率が他より低いＰＴＣポリマー層２層のあいだに挟んで設けたことにより限流波高値を低減できる。
【００３３】
また、常温電気抵抗率が他より高いＰＴＣポリマー層を複数設けたことにより限流波高値を低減できる。
【００３４】
また、常温電気抵抗率が他より高いＰＴＣポリマー層を、電極層の少なくとも一方と接し、かつ常温電気抵抗率が低いＰＴＣポリマー層のあいだに設けたことにより限流波高値を低減できる。
【００３５】
また、常温電気抵抗率が低い層の常温電気抵抗率より常温電気抵抗率が高い層の総厚さが、最も常温電気抵抗率が低い層の総厚さより小さくなるよう構成されたことにより電極層間の合成抵抗を極力小さくでき、限流波高値を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるＰＴＣ素子を示す断面図である。
【図２】本発明の他の実施例であるＰＴＣ素子を示す断面図である。
【図３】本発明のさらに他の実施例であるＰＴＣ素子を示す断面図である。
【図４】本発明のさらに他の実施例であるＰＴＣ素子を示す断面図である。
【図５】本発明のさらに他の実施例であるＰＴＣ素子を示す断面図である。
【図６】ＰＴＣ素子の温度−電気抵抗率の関係説明図である。
【図７】従来のＰＴＣ素子を示す断面図である。
【図８】ＰＴＣ素子の温度−電気抵抗率の関係説明図である。
【符号の説明】
１  ＰＴＣポリマー層、２  電極層、３  ＰＴＣポリマー層、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ  常温電気抵抗率が低いＰＴＣポリマー層、１３、１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂ  常温電気抵抗率が高いＰＴＣポリマー層。
【図１】
0003628075.tif 000002
【図２】
0003628075.tif 000003
【図３】
0003628075.tif 000004
【図４】
0003628075.tif 000005
【図５】
0003628075.tif 000006
【図６】
0003628075.tif 000007
【図７】
0003628075.tif 000008
【図８】
0003628075.tif 000009