(57)【要約】【課題】結晶性高分子を含む結合材に、金属炭化物からなる導電性粉末を分散した高分子ＰＴＣ組成物のシート状成形体の両面に、電極を配置した構造の高分子ＰＴＣ素子の、温度上昇に対する応答性を向上すること。【解決手段】窒化アルミニウムのように、金属炭化物よりも熱伝導率の高い材料の粉末を高分子ＰＴＣ組成物に添加することで、高分子ＰＴＣ組成物の熱伝導率を向上し、高分子ＰＴＣ素子としての温度上昇に対する応答性を向上する。【選択図】　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶性高分子を含む結合材に金属系導電性粉末を分散してなる高分子ＰＴＣ組成物に、粉砕前のバルクの熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の無機化合物の粉末を添加してなることを特徴とする高分子ＰＴＣ組成物。
【請求項２】
請求項１に記載の高分子ＰＴＣ組成物において、前記無機化合物の粉末の添加量は、前記結合材１００重量部に対して１〜４０重量部であることを特徴とする高分子ＰＴＣ組成物。
【請求項３】
請求項１または請求項２のいずれかに記載の高分子ＰＴＣ組成物のシート状成形体の両面に、電極が配置されてなることを特徴とする高分子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、特定の温度領域に達した際に、急激に抵抗が上昇する正温度特性、いわゆるＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）特性を有するＰＴＣ素子に関し、特に結晶性高分子に導電性粉末を充填したＰＴＣ組成物からなる成形体に、電極を設けた構造の高分子ＰＴＣ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
特定の温度領域において、電気抵抗が急激に増大する正の温度特性を示すＰＴＣ素子は、自動的に温度を制御するヒータや、自己復帰型の過電流保護素子などとして多用されている。そして、ＰＴＣ素子に用いる組成物としては、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）を微量添加したチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）などのセラミックス系ＰＴＣ組成物、カーボンブラックなどの導電性粒子を結晶性高分子中に分散した高分子ＰＴＣ組成物が知られている。
【０００３】
セラミックス系ＰＴＣ組成物を用いたＰＴＣ素子では、キュリー点での急激な抵抗値上昇を利用しているが、定常状態における抵抗率が、約１００Ω・ｃｍと高いために、数Ａ程度の比較的大きな電流を流すことができない。このことは、セラミックス系ＰＴＣ組成物を用いたＰＴＣ素子が、過電流保護素子として利用するのが困難であることを意味している。また、セラミックス系ＰＴＣ組成物は、所望の形状に成形、加工するのに多くの工程を要し、耐衝撃性に劣るという問題がある。
【０００４】
これに対し、高分子ＰＴＣ組成物を用いた高分子ＰＴＣ素子では、室温における抵抗が低いために、過電流保護素子に適していて、耐衝撃性が優れ、成形、加工が容易である。
【０００５】
高分子ＰＴＣ素子の動作原理は、結晶性高分子の結晶融点での大きな熱膨張を利用して、室温でネットワークを形成している導電性粉末の粒子を切り離すことによるものである。このために、規定値以上の電流により過度に発熱した際に、結晶融点近傍の温度で、抵抗率が急激に上昇し、室温に戻ると、導電性粉末のネットワークが再形成され、抵抗率も低下する。
【０００６】
そして、高分子ＰＴＣ素子の一般的な製造方法には、ロールなどを用いて結晶性高分子に導電性粉末を分散させて高分子ＰＴＣ組成物を得、これを加熱プレスやロールなどでシート成形し、金属箔などからなる電極を圧着した後、所要の形状に打ち抜くという、乾式法がある。
【０００７】
また、高分子ＰＴＣ組成物のシートを得る方法として、結晶性高分子の溶液に導電性粉末を分散させたペーストを用いて成膜する湿式法もあり、この場合は、電極を構成する金属箔の上に成膜して、成膜した側を対向させて一体化するという方法もある。
【０００８】
そして、近年の二次電池を始めとする、電気電子機器やそれらに用いられる部品の小型化が進むに従い、高分子ＰＴＣ素子についても、抵抗の低減が要求され、導電性粉末として、カーボン系に替えて、金属や金属炭化物が用いられていて、その中でも炭化チタンのような金属炭化物が、導電性が高いことや凝集が生じ難いことなどから多用される傾向にある。
【０００９】
しかし、二次電池を始めとする部品や、電気機器、電子機器の小型化が進むに従い、高分子ＰＴＣ素子自体が過電流検出機能と温度検出機能を兼ね備え、かつ、より低い抵抗率を持つことが、新たに要求されている。
【００１０】
ところが、高分子ＰＴＣ組成物は、熱伝導性が低い高分子材料のマトリックスに、導電性粉末を分散させているので、元来熱伝導性が低い上に、従来のカーボン系導電性粉末に替えて、金属系導電性粉末を用いることで、熱伝導性がより低下することが避けられない。ちなみに、高分子ＰＴＣ組成物に導電性粉末として用いられる炭化チタンの熱伝導率は、約２０Ｗ／ｍ・Ｋであり、カーボン系材料の約１／５である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
熱伝導性の低下は、急激な温度変化に対応して、ＰＴＣ素子の電気抵抗上昇、即ちスイッチング動作が必ずしも確実に起こらないことに繋がる。つまり、温度検出機能の低下に直結することになる。そこで、本発明の技術的な課題は、常温での電気抵抗値が小さく、かつ、温度変化に対する応答性が高い高分子ＰＴＣ組成物、及びそれを用いた高分子ＰＴＣ素子を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の課題解決のため、高分子ＰＴＣ組成物に、熱伝導率が高く、かつ、高分子材料への分散性が高い、粉末を添加することを検討した結果なされたものである。
【００１３】
即ち、本発明は、結晶性高分子を含む結合材に金属系導電性粉末を分散してなる高分子ＰＴＣ組成物に、粉砕前のバルクの熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の無機化合物の粉末を添加してなることを特徴とする高分子ＰＴＣ組成物である。
【００１４】
また、本発明は、前記の高分子ＰＴＣ組成物において、前記無機化合物の粉末の添加量は、前記結合材１００重量部に対して１〜４０重量部であることを特徴とする高分子ＰＴＣ組成物である。
【００１５】
また、本発明は、前記の高分子ＰＴＣ組成物のシート状成形体の両面に、電極が配置されてなることを特徴とする高分子ＰＴＣ素子である。
【００１６】
本発明の高分子ＰＴＣ素子は、熱伝導率が高い粉末を含むため、温度上昇に対する応答性が、従来のものよりも向上することができる。本発明に用いる無機化合物の熱伝導率を、粉砕前の状態で、１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上に限定したのは、熱伝導率がこれに満たない場合は、その効果をほとんど期待できないからである。
【００１７】
また、本発明で無機化合物の混合率を、結合材が１００重量部に対して１〜４０重量部に限定したのは、混合率がこの範囲に満たない場合では、その効果がほとんど期待できず、この範囲を超える領域では、常温における抵抗など、必要な電気的特性を有する高分子ＰＴＣ素子が得られないからである。
【００１８】
そして、本発明の目的から、無機化合物の熱伝導率は、なるべく高いことが望ましく、具体的には、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する窒化アルミニウムなどが望ましい。また、近年、窒化ケイ素セラミックを特殊な条件で焼結することで、１５０Ｗ／ｍ・Ｋという熱伝導率を発現することが見出され、注目されているが、このような材料も好適である。これらの材料は、高分子ＰＴＣ素子に要求される特性や、製造コストを勘案して、適宜選択する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、具体的な例を挙げ、本発明の実施の形態について説明する。
【００２０】
融点が１３７℃の高密度ポリエチレン（三菱化学製、商品名；ＨＹ５４０）を１００重量部、平均粒径が１．５μｍの炭化チタン粉末（日本新金属製）を５２５重量部、やはり平均粒径が１．５μｍの高純度窒化アルミニウム（トクヤマ製；商品名；ＴｙｐｅＨ、以下ＡｌＮと記す）粉末を３０重量部、それぞれ秤量し、高密度ポリエチレンの融点以上の１６０℃に温度を設定したロールを用いて均一になるまで混練し、高分子ＰＴＣ組成物を得た。
【００２１】
次いで、片面を粗面加工した厚さ２５μｍのニッケル箔を準備し、粗面化加工を施した側を対向させた状態で、間に前記導電性組成物を挟み、厚さ３００μｍになるように２００℃で１０分熱プレスを施して電極を形成した。電極を形成した後、５ｍｍ×１０ｍｍの大きさに切断し、電極にリード線を接合して本発明の高分子ＰＴＣ素子の試料とした。
【００２２】
そして、前記の高分子ＰＴＣ素子の試料を、１００個調製し、特性の評価を行った。評価項目は、室温における初期抵抗値と温度応答性である。温度応答性の評価は、試料を８０℃及び１００℃の温度に保持したオイルバスに投入し、抵抗値が１０Ωに到達するまでの時間を測定するという方法で行った。また、比較に供するために、ＡｌＮ粉末を加えなかった他は、前記とまったく同様にして、高分子ＰＴＣ素子の比較例の試料も調製し、同様に特性を評価した。表１は、これら本発明と比較例の試料の評価結果をまとめて示したものである。
【００２３】
【表１】
2004047555.tif 000002
【００２４】
表１に示した結果によれば、本発明の試料の抵抗値の平均値は、１７ｍΩであった。また、その標準偏差は０．２であった。一方、比較例として調製した、ＡｌＮ粉末を加えていない試料の抵抗値は、平均が１７ｍΩ、標準偏差が０．２であった。また、温度応答性の評価結果は、本発明の試料が、８０℃で７．５秒、１４０℃で４．８秒、比較例の試料が、８０℃で８．３秒、１４０℃で５．５秒と、ＡｌＮ粉末の添加により、高分子ＰＴＣ素子の温度応答性に著しい効果が見られた。
【００２５】
次に、ＡｌＮ粉末の混合比の適正値を、検証するためにＡｌＮ粉末の混合比を１〜５０重量部として検討した結果について説明する。ここでは、平均粒径が１．５μｍのＡｌＮ（トクヤマ製；商品名；ＴｙｐｅＨ）粉末を用い、混合比を１重量部、１０重量部、２０重量部、３０重量部、４０重量部、５０重量部として、融点が１３７℃の高密度ポリエチレン（三菱化学製　商品名；ＨＹ５４０）を１００重量部、平均粒径が１．５μｍの炭化チタン粉末（日本新金属製）を５２５重量部、それぞれ秤量して、高分子ＰＴＣ組成物を調製した。
【００２６】
その後は、前記の場合と同様にして、高分子ＰＴＣ素子の試料を作製し、抵抗値と温度応答性を評価した。それらの結果を、表２に示した。また、図１には、ＡｌＮ粉末の混合比について、高分子ＰＴＣ素子の温度応答性をプロットした結果を示した。
【００２７】
【表２】
2004047555.tif 000003
【００２８】
表２及び図１に示したように、ＡｌＮ粉末の混合比が１重量部でも、温度応答性には明らかな違いが認められる。一方、５０重量部の混合比では、４０重量部の場合と比較して、温度応答性について顕著な差が認められないばかりでなく、抵抗値が増加する傾向が見受けられ、ＡｌＮ粉末の混合比の適性値が１〜４０重量部であることが分かる。
【００２９】
また、ここでは、結合材として高密度ポリエチレン、導電性粉末として炭化チタンを用いた例を示したが、他の材料を用いた場合でも、本発明が効果を奏することは、勿論である。
【００３０】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、金属炭化物系の導電性粉末を用いた場合においても、温度変化に対する応答性が優れた高分子ＰＴＣ組成物及び高分子ＰＴＣ素子を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＡｌＮ粉末の混合比について高分子ＰＴＣ素子の温度応答性をプロットした結果を示す図。
【符号の説明】
１　　温度が８０℃の結果
２　　温度が１４０℃の結果
【図１】
2004047555.tif 000004