(57)【要約】【課題】  高分子マトリクス中に導電フィラーを比較的短時間で安価に良分散させることのできる過電流保護素子の製造方法及び過電流保護素子を提供する。【解決手段】  高分子マトリクス２に導電フィラー３を含有した導電性のシート体１と、シート体１を挟持する一対の金属箔４とを備え、ペレット化された高分子マトリクス原材料をジェットミルにより粉砕して微細な高分子マトリクス２を形成し、高分子マトリクス２中に導電フィラー３を含有して良分散させる。高分子マトリクス原材料をジェットミルに投入して微粉砕し、メッシュパスが１６〜３００のシャープな高分子マトリクス２を生成するので、高分子マトリクス２中に導電フィラー３を良好な状態に分散させることができる。また、ジェットミルにより粉砕するので、粉砕による温度上昇が少なく、容易にミクロンオーダの微細を瞬時に得ることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子マトリクスに導電フィラーを含有した導電性のシート体を複数の金属体間に挟んだ過電流保護素子の製造方法であって、
高分子マトリクス原材料を粉砕して高分子マトリクスを形成し、この高分子マトリクスに導電フィラーを含有することを特徴とする過電流保護素子の製造方法。
【請求項２】
高分子マトリクスを熱可塑性ポリマーとしてその粒度を１６〜３００メッシュパスとする請求項１記載の過電流保護素子の製造方法。
【請求項３】
導電フィラーをカーボン粒子とする請求項１又は２記載の過電流保護素子の製造方法。
【請求項４】
高分子マトリクス原材料をジェットミルにより粉砕する請求項１、２、又は３記載の過電流保護素子の製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれかに記載した過電流保護素子の製造方法により製造されたことを特徴とする過電流保護素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばパーソナルコンピュータ、携帯電話、直流ブレーカ等からなる電気電子機器に使用され、温度の上昇とともに抵抗値が大きくなる特性を有する過電流保護素子の製造方法及び過電流保護素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、短絡電流から電気電子機器やシステムを保護する場合、ヒューズが使用されているが、このヒューズは、一度しか使用することができず、サイズが大きく、しかも、コストが高いという大きな問題がある。
そこで近年、繰り返して使用することのできるコンパクトで安価な過電流保護素子（ＰＴＣ素子ともいう）が提案され、この過電流保護素子に関して大いに研究開発がなされている（特許文献１、２参照）。
【０００３】
この種の過電流保護素子は、過電流の発生時に温度に依存して電気抵抗が増加する特性（ＰＴＣ特性）を有する素子であり、通常はセラミック系と高分子系に大別されている。後者の高分子系過電流保護素子は、図示しないが、導電性組成物を使用して形成されたシート体と、このシート体の表裏両面にそれぞれ設けられた金属箔とから構成されている。
【０００４】
導電性組成物は、高密度ポリエチレン等の高分子マトリクスに、カーボン粒子等からなる導電フィラーが分散することにより導電性に調製される。高分子マトリクスに高密度ポリエチレンが使用されるのは、結晶化の高い高密度ポリエチレンを使用すれば、過負荷により発熱し、融点に達すると、結晶が溶融して体積が急激に膨張し、個々の導電フィラー同士の距離が広がることにより、抵抗値が上昇（以下、トリップという）するからである。
【０００５】
このような過電流保護素子は、正常な通常電流の通電時には低抵抗値（初期抵抗値ともいう）を示し、異常な過電流の発生時には温度に依存して電気抵抗を急激に増加させ、通電を遮断するよう機能する。そしてその後、正常な電流が再度通電された場合には、過電流の発生前の状態と同等あるいは略同等の低抵抗値に復帰する（復帰抵抗値という）。
【特許文献１】特開２００１−１１０６０３号公報
【特許文献２】特開２００２−３１３６０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の過電流保護素子は、以上のように構成され、（１）室温での抵抗値が十分低いこと、（２）室温の抵抗値と動作時の抵抗値の変化率が大きいこと、（３）繰り返し動作時における抵抗値の変化が小さいことが特性として求められるので、高分子マトリクス中に導電フィラーが良好な状態に分散することがきわめて重要となる。
しかしながら、高分子マトリクス中に導電フィラーを良分散させるには、長時間に亘って分散作業を行ったり、あるいは分散作業を複数回に分けて実施しなければならず、高分子マトリクス中に導電フィラーを良分散させるのは非常に困難である。
【０００７】
本発明は上記に鑑みなされたもので、高分子マトリクス中に導電フィラーを比較的短時間で安価に良分散させることのできる過電流保護素子の製造方法及び過電流保護素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明においては上記課題を解決するため、高分子マトリクスに導電フィラーを含有した導電性のシート体を複数の金属体間に挟んだものの製造方法であって、
高分子マトリクス原材料を粉砕して高分子マトリクスを形成し、この高分子マトリクスに導電フィラーを含有することを特徴としている。
【０００９】
なお、高分子マトリクスを熱可塑性ポリマーとしてその粒度を１６〜３００メッシュパスとすることが好ましい。
また、導電フィラーをカーボン粒子とすることが好ましい。
また、高分子マトリクス原材料をジェットミルにより粉砕することが好ましい。
【００１０】
さらに、本発明においては上記課題を解決するため、請求項１ないし４いずれかに記載した過電流保護素子の製造方法により過電流保護素子を製造することを特徴としている。
【００１１】
ここで、特許請求の範囲における高分子マトリクスとしては、１種類の熱可塑性ポリマー又は複数種の熱可塑性ポリマーを使用することができる。金属体は、金属箔としてその表面を化学的に粗面化処理することができる。また、金属体を圧延箔としてその表面を化学的に粗面化処理することもできる。
【００１２】
化学的な粗面化処理は、リン酸、クロム酸、硫酸、硝酸、塩酸、過酸化水素、フッ素の少なくとも１種類以上の薬液を使用して行うことができる。金属体の表面粗さＲａは０．５μｍ以上とすることができる。さらに、過電流保護素子は、少なくともパーソナルコンピュータ、携帯電話、直流ブレーカ、一次電池や二次電池等からなる電気電子機器、電力系統、スピーカ、自己制御型の発熱体、温度センサ、回路素子、自動車のモータに使用される。
【００１３】
本発明によれば、高分子マトリクス原材料を高圧気流を利用して粉砕し、メッシュパスが１６〜３００の細かい高分子マトリクスを形成するので、高分子マトリクス中に導電フィラーを良好な状態に分散させることができる。また、ジェットミルにより粉砕し、粉砕に伴う温度上昇が少ないので、粉砕時に高分子マトリクス原材料の溶けるおそれが少なく、ミクロンオーダの微細を短時間で得ることができる。
また、導電フィラーを黒鉛等ではなく、カーボン粒子とすれば、優れたＰＴＣ特性を得ることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高分子マトリクス中に導電フィラーを比較的短時間で安価に良分散させることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態を説明すると、本実施形態における過電流保護素子は、図１に示すように、複数種の高分子マトリクス２に導電フィラー３を含有した導電性の薄いシート体１と、このシート体１を電気的に挟持する一対の金属箔４とを備え、ペレット化された複数種の高分子マトリクス原材料をジェットミルにより粉砕して微細な高分子マトリクス２を形成し、この複数種の高分子マトリクス２中に導電フィラー３を溶融良分散させて導電性組成物を得るようにしている。
【００１６】
シート体１は、高分子マトリクス２に導電フィラー３を分散させた導電性組成物がシート化されることにより、１００〜３００μｍの厚さを有する平面矩形に形成される。導電性組成物の高分子マトリクス２としては、複数種の熱可塑性ポリマーが使用され、具体的には、結晶化度４０％以上のポリエチレン、エチレン‐メタアクリル酸共重合体、マレイン酸変性ＥＰＲ等が使用される。結晶化度が４０％以上なのは、４０％未満の場合には、電気抵抗が急激に増加せず、トリップ特性が不十分になるからである。
【００１７】
熱可塑性ポリマーの粒度は、抵抗値の上昇防止と良分散の両立を図る観点から１６〜３００メッシュパス（８０μｍ〜１ｍｍ）、好ましくは１００メッシュパス前後が良い。
【００１８】
導電性組成物の導電フィラー３としては、高性能で安価なカーボン粒子が好適に使用され、このカーボン粒子の平均粒径は７０〜１２０ｎｍの範囲、好ましくは１００ｎｍ程度とされる。このカーボン粒子の平均粒径が７０〜１２０ｎｍの範囲なのは、カーボン粒子の平均粒径が７０ｎｍ未満の場合には、トリップが不十分になるからである。逆に、カーボン粒子の平均粒径が１２０ｎｍを超える場合には、初期の抵抗値が高くなるからである。
【００１９】
カーボン粒子のＤＢＰ吸油量は、ＡＳＴＭ  Ｄ２４１４−９３の測定法下で３０〜６０ｍｌ／１００ｇの範囲、好ましくは５０ｍｌ／１００ｇ前後の範囲、より好ましくは５０ｍｌ／１００ｇとされる。これは、ＤＢＰ吸油量が３０ｍｌ／１００ｇ未満の場合には、抵抗値がきわめて高くなり、過電流保護素子としては不適切になるという理由に基づく。逆に、ＤＢＰ吸油量が６０ｍｌ／１００ｇを超える場合には、トリップが低く不十分になるという理由に基づく。
【００２０】
カーボン粒子の窒素比表面積は５０ｍ２／ｇ以下が好ましい。これは、カーボン粒子の窒素比表面積が５０ｍ２／ｇを超える場合には、過電流保護素子の立ち上がりが悪化するからである。
【００２１】
金属箔４は、５０〜２００μｍ、好ましくは１００〜１５０μｍの厚さを有する圧延箔とされ、表面が化学的に粗面化処理されて細かい凹凸にされており、リード線の端子として兼用される。この金属箔４の材料としては、銅、アルミニウム、亜鉛、チタン、ステンレス、鉄、金、銀、ニッケル等があげられ、これらの中でも、不導体皮膜が形成されにくく、容易に酸化せず、しかも、導電性に優れるニッケルが好ましい。
【００２２】
金属箔４の厚さは５０〜２００μｍの範囲とされるが、これは、係る範囲から外れると、取り扱いが困難になるからである。また、リード端子として使用することも困難になるからである。
【００２３】
金属箔４の表面は化学的に粗面化処理されるが、この化学的処理としては、薬品溶液中に金属箔４を浸し、金属の化学的な溶解作用を利用して金属箔４の表面を粗面化する方法があげられる。薬品としては、リン酸、クロム酸、硫酸、硝酸、塩酸、過酸化水素、フッ素等が使用される。これらは、単独で使用することもできるし、複数種を組み合わせて使用することもできる。
【００２４】
薬品溶液中に金属箔４を浸す時間は金属の材料に応じて設定することができるが、通常は５〜６０分間である。薬品溶液中に金属箔４を浸す温度は、室温でも良いし、加熱しても良い。また、金属箔４は、片面でも両面でも粗面化処理することができるが、片面のみを粗面化処理する場合には、片面にマスキングフィルムを貼着すれば良い。
【００２５】
金属箔４の化学的な粗面化処理の一例を示すと、例えば金属箔４がニッケルの圧延箔である場合には、薬液として硝酸、塩酸、過酸化水素等が使用されるとともに、この薬液が１０〜９０質量％、温度３０〜６０℃の条件に設定され、この薬液中に金属箔４が５〜３０分間程度浸漬して粗面化処理が完了する。
【００２６】
金属箔４の表面粗さは、ＪＩＳ  Ｂ０６０１の規定に準拠した方法により測定されるＲａ（中心線平均粗さ）、Ｒｙ（最大高さ）、Ｒｚ（十点平均粗さ）を指標とすることが好ましい。Ｒａは、０．５μｍ以上、好ましくは０．９〜２．０μｍの範囲が良い。Ｒａが係る範囲なのは、この範囲から外れると、金属箔４の表面粗さにバラツキが生じてくるからである。また、Ｒｙは、５．０μｍ以上、好ましくは１０〜２０μｍの範囲が良い。Ｒｚは、１．５μｍ以上、好ましくは３．５〜７．５μｍの範囲が良い。
【００２７】
上記のような過電流保護素子を製造する場合には、先ず、メーカーからペレットの状態で購入した高分子マトリクス原材料を複数種用意し、この複数種の高分子マトリクス原材料を小型のジェットミルに投入して微粉砕し、メッシュパスが１６〜３００の微細な高分子マトリクス２を均一に生成する。
【００２８】
ジェットミルは、図示しないが、圧縮空気等の高圧気流を利用して高分子マトリクス原材料を音速前後の速度に気流中で加速させ、高分子マトリクス原材料を衝突させて粉砕する粉砕装置である。粉砕物を含む気流は排出口に導かれるが、その際、粗粒は分級作用により再度粉砕され、微細な高分子マトリクス２となる。
【００２９】
次いで、微粉砕した複数種の高分子マトリクス２を微細な導電フィラー３と共に所定の温度に調整した加圧ニーダに投入し、これらを分散・混練して導電性組成物を生成する。こうして導電性組成物を生成したら、この導電性組成物をカレンダー加工機にセットしてシーティングし、所定の厚みを有するシート体１を形成してその表裏両面には粗面化処理済の金属箔４をそれぞれ積層するとともに、このシート体１と金属箔４の積層体をプレス成形機にセットして加熱加圧し、シート体１と一対の金属箔４を溶融接着して過電流保護素子の中間体を製造する。
【００３０】
そして、中間体に電子線を電子線架橋装置により照射して導電性組成物を架橋させ、その後、所定の大きさに裁断すれば、過電流保護素子を製造することができる。
【００３１】
上記構成によれば、高分子マトリクス２に導電フィラー３を高せん断抵分散機や連続式押出し分散機により分散させるのではなく、複数種の高分子マトリクス原材料をジェットミルに投入して微粉砕し、メッシュパスが１６〜３００のシャープな高分子マトリクス２を均一に生成するので、高分子マトリクス２中に導電フィラー３を良好な状態に分散させることができる。したがって、優れたＰＴＣ特性の過電流保護素子を得ることができる。また、他の粉砕装置ではなく、ジェットミルにより粉砕するので、粉砕による温度上昇が少なく、ポリエチレン等からなる高分子マトリクス原材料の溶融を招くことがなく、比較的安価かつ容易にミクロンオーダの微細を瞬時に得ることができる。
【００３２】
また、高分子マトリクス原材料の相互衝突による粉砕が支配的であるので、ジェットミルの装置本体の磨耗や異物混入を有効に抑制防止することができる。また、ジェットミルには、駆動部分がないので、比較的安価であり、保守点検や清掃が実に容易である。また、カーボン粒子の平均粒径を７０〜１２０ｎｍの範囲とするとともに、ＤＢＰ吸油量を３０〜６０ｍｌ／１００ｇの範囲とするので、カーボン粒子の分散状態が非常に良くなる。したがって、急激かつ良好なトリップ特性を確保し、異常な過電流の発生時に十分な遮断効果を得ることが可能になる。
【００３３】
また、製造の際の高分子マトリクス２とカーボン粒子の混練時間を大幅に短縮して混練エネルギーを小さくすることができるので、製造方法の円滑化、効率化、容易化を図ることが可能になる。また、金属箔４をリード線の端子として兼用することが可能なので、新たにリード線を接続する必要がなく、部品点数の削減が大いに期待できる。さらに、金属箔４の表面を化学的に粗面化処理して細かい凹凸にし、この凹凸に高分子マトリクス２を侵入させるので、アンカー効果により金属箔４と高分子マトリクス２の強固な接着が大いに期待できる。
【実施例】
【００３４】
以下、本発明に係る過電流保護素子の製造方法及び過電流保護素子の実施例を比較例と共に説明する。
【００３５】
実施例１
先ず、ペレットの状態で購入した高分子マトリクス原材料を複数種用意し、この複数種の高分子マトリクス原材料をジェットミルに投入して粉砕し、メッシュパスが１６〜１００の高分子マトリクスを生成した。複数種の高分子マトリクス原材料は、ポリエチレン（出光石油化学製  商品名５４８Ｂ）、エチレン−メタアクリル酸共重合体（日本合成ゴム製  商品名Ｔ７７４１Ｐ）、マレイン酸変性ＥＰＲ（三井デュポン・ポリケミカル製  商品名ＮＯ９０３ＨＣ）とした。
【００３６】
次いで、粉砕した複数種の高分子マトリクスを導電フィラーと共に１８０℃の温度に調整した加圧ニーダに投入し、これらを２０分間分散・混練して導電性組成物を生成した。導電フィラーは、カーボンブラック（東海カーボン製  商品名シーストＳＰ）とした。また、複数種の高分子マトリクスと導電フィラーの配合組成は、ポリエチレン１５ｗｔ％、エチレン‐メタアクリル酸共重合体３０ｗｔ％、マレイン酸変性ＥＰＲ４ｗｔ％、カーボンブラック５０ｗｔ％とした。
【００３７】
導電性組成物を生成したら、この導電性組成物をカレンダー加工機にセットしてシーティングし、２００μｍの厚みを有するシート体を形成してその表裏両面には粗面化処理済の金属箔をそれぞれ積層した。
次いで、シート体と金属箔の積層体をプレス成形機にセットして加熱（２５０℃）加圧（５ｋｇｆ／ｃｍ２）し、シート体と一対の金属箔を溶融接着して厚さ４００μｍの中間体を製造した。そして、中間体に３０Ｍｒａｄの電子線を電子線架橋装置により照射して導電性組成物を架橋させ、その後、５×１２ｍｍの大きさに裁断して過電流保護素子を製造した。
【００３８】
実施例２
基本的には実施例１と同様であるが、メッシュパスが３００の高分子マトリクスを生成した。
【００３９】
比較例１
基本的には実施例１と同様であるが、メッシュパスが５〜１５の高分子マトリクスを生成した。
比較例２
基本的には実施例１と同様であるが、メッシュパスが２００〜４００の高分子マトリクスを生成した。
【００４０】
ＰＴＣ特性等の測定
実施例１、２の過電流保護素子、比較例１、２の過電流保護素子のＰＴＣ特性を測定し、その結果を表１と図２にまとめた。測定に際しては、各過電流保護素子に電線を結合してもう一方の電線の端部を抵抗測定器に接続し、過電流保護素子をオーブン内にセットしてその抵抗値を測定し、実施例と比較例とを組み合わせながらＰＴＣ特性の測定結果を図２に示した。
【００４１】
具体的には、２０℃から順次１０℃毎に昇温して１６０℃まで昇温し、各測定温度で１０分間その温度を保持して抵抗値を測定した。１６０℃に達したら、今度は逆に１０℃毎に順次冷却して２０℃まで冷却し、各測定温度で１０分間その温度を保持して抵抗値を測定した。２０℃における抵抗値を測定したら、１時間２０℃に保持して１時間後の抵抗値を測定し、この抵抗値を最終的な復帰抵抗値とした。
【００４２】
【表１】
2006080213.tif 000003
【００４３】
測定の結果、実施例１、２の過電流保護素子の場合には、良好なトリップ状態、初期抵抗値、復帰抵抗値を得ることができた。
これに対し、比較例１の過電流保護素子の場合には、分散状態が十分とはいえず、図２に示すように不十分なＰＴＣ特性しか得ることができなかった。また、比較例２の過電流保護素子の場合には、トリップ状態は良好であったが、初期抵抗値と復帰抵抗値が高くなってしまった。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係る過電流保護素子の実施形態を示す断面説明図である。
【図２】本発明に係る過電流保護素子の製造方法及び過電流保護素子の実施例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４５】
１          シート体
２          高分子マトリクス
３          導電フィラー
４          金属箔（金属体）
【図１】
2006080213.tif 000004
【図２】
2006080213.tif 000005