(57)【要約】【課題】完全に通電遮断するＰＴＣ素子を得ることにある。【解決手段】ＰＴＣ素子は一対の電極とＰＴＣ組成物から構成されているが、本発明では、一対の電極１および１´が膨張収縮性高分子組成物２を介して対向した状態で配置された構成とし、膨張収縮性高分子組成物２が熱膨張すると双方の電極が開くことにより、完全に通電遮断させるに至った。そして、上記電極の双方もしくは片方は、ＰＴＣ組成物３が電気的に接続されていて、周囲温度が任意の温度になると、ＰＴＣ組成物３が抵抗上昇を呈してトリップを開始し、さらに周囲温度が上昇すると膨張収縮性高分子組成物２の膨張によって双方の電極が開いて導通遮断を呈する。なお、本発明のＰＴＣ素子は、トリップを開始する温度と導通遮断する温度を自由に設定することが出来るが、特に、所望とする温度で導通遮断させるには、硬化性ゴムの成型収縮特性および膨張収縮特性を関数的に把握し、硬化温度を解として導き出すことを好適としている。【選択図】　図１
2004103848.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極が、膨張収縮性高分子組成物を介して対向した状態で配置され、上記電極の双方もしくは片方が、ＰＴＣ組成物に電気的に接続されて構成されてなり、周囲温度が６０℃以上である任意の温度になると、ＰＴＣ組成物が抵抗上昇を呈して、室温時における素子の抵抗に対して３倍の抵抗値に至り、さらに周囲温度が上昇すると膨張収縮性高分子組成物の膨張によって双方の電極が開いて、導通を遮断することを特徴とするＰＴＣ素子。
【請求項２】
請求項１における高分子組成物がエラストマーもしくはゴムの硬化物であって、対になっている電極の双方を、エラストマーもしくはゴムの未硬化物を介して貼着してから、双方の電極を閉じた状態を保持しつつ、下記数式１）に示す周囲温度ｔ［℃］で硬化した高分子組成物であることを特徴とする請求項１のＰＴＣ素子。
ｔＡ＝Ｃ・｛ｔＸ　−（１−σ・ρ）・（ｔＹ−ｔＲ）／（１−ρ）　｝　・・・数式１）
ｔＡ：硬化する際の周囲温度［℃］
Ｃ　：　誤差を補正する係数
ｔＸ：　所望とする導通の遮断を開始する温度［℃］
ｔＹ：　下記ρおよびσを知るための任意の温度［℃］
ｔＲ：　室温域（１５〜３０℃　）における任意の温度［℃］
ρ　：２５［℃］における高さもしくは長さがＷ１［ｍｍ］の未硬化物を、ｔＹ［℃］で硬化し、この硬化物をｔＲ［℃］に冷却して、上記の　Ｗ１［ｍｍ］が　Ｗ２［ｍｍ］に収縮した場合の下記数式３）に示す成型収縮係数［−］。
σ　：上記硬化物を、ｔＹ［℃］に加熱し、上記のＷ２［ｍｍ］がＷ３［ｍｍ］に膨張した場合の数式４）に示す膨張係数［−］。
ρ　＝　Ｗ２　／　Ｗ１　・・・数式２）
σ　＝　Ｗ３　　／　Ｗ２　・・・数式３）
【請求項３】
上記高分子組成物が、シリコーンゴム組成物であることを特徴とした請求項１，２のＰＴＣ素子。
【請求項４】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、突発的に発生する過電流や高温時における部品の危機的破損に対して、電器機に内蔵された電池や回路などの部品を保護する機能を呈する部品、もしくはセンサー等のＰＴＣ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ヒューズや保護素子は、突発的に過電流が発生するなどの異常事態に、電子器機に内蔵された電池や回路などの部品を保護する機能を呈する部品として使用されている。これらヒューズや保護素子は、回路の一部として接続され、異常事態の際は導通を遮断する機能を有する。
【０００３】
前者のヒューズは電流に依存して導通を遮断する機構であるのに対して、後者の保護素子は温度と電流の双方に反応して導通を遮断する。この保護素子は、温度に依存して電気抵抗が増大する特性（　以下、ＰＴＣ特性、ＰＴＣはＰｏｓｉｔｉｖｅ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　の略　）を有するＰＴＣ素子が広く使用されている。ＰＴＣ素子は、保護したい部品に対して直列に接続し、異常事態の際は、抵抗値を上昇することにより電流を減少させて保護している。
【０００４】
ヒューズは、一度異常事態が発生すると断線した導通が復帰することはないが、完全に通電を遮断できるといった特徴を持っている。一方、保護素子は、異常事態が発生して導通が遮断しても、繰り返して復帰させることができるが、ヒューズのように完全に通電を遮断するわけではない。したがって、より安全性を追求する用途には、ＰＴＣ素子を単独で装着せずに、ヒューズを追加するといった方法を採っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
かかるに、本発明は、ヒューズのように完全に通電を遮断する機能が付与されてなるＰＴＣ素子を得ることにある。これによって、完全な通電の遮断しながなも復帰特性を有する新規な素子を提供することができる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
発明者は、加熱によって膨張した高分子は冷却によって、もとの体積に収縮する性質に着目し、該高分子組成物が任意の温度に達すると電極対が開閉して、回路を遮断するＰＴＣ素子を発明した。
【０００７】
すなわち、本発明のＰＴＣ素子は、請求項１に述べたように、一対の電極が、膨張収縮性高分子組成物を介して対向した状態で配置がなされ、上記電極の双方もしくは片方に、ＰＴＣ組成物が電気的に接続されてなる基本構成を採った。このＰＴＣ素子は、ＰＴＣ組成物が抵抗上昇を呈して、室温時における素子の抵抗に対して３倍の抵抗値に至り、さらに周囲温度が上昇すると膨張収縮性高分子組成物の膨張によって双方の電極が開いて、導通を遮断する。なお、スイッチ作動温度域で遮断を呈したこのスイッチ素子は、冷却されると高分子組成物が収縮し、ＰＴＣ組成物の抵抗値がもとの抵抗値付近に低減して導通が復帰する。このように、本ＰＴＣ素子は、完全な通電を遮断しながならも何回でも使用することができるのである。
【０００８】
本発明は、高分子組成物の有する膨張収縮特性を利用したＰＴＣ素子であるが、本発明における膨張収縮性高分子組成物は、熱可塑性高分子組成物や熱硬化性高分子組成物などが該当する。特に、高分子組成物の中でもエラストマーもしくはゴムの硬化物は、硬化した時の温度と形状寸法を記憶していて、温度に依存して膨張もしくは収縮を呈するが、未硬化物を硬化する際の成型収縮を考慮し、上記の膨張収縮特性を利用すれば、本素子を極めて合理的に得ることができる。すなわち、導通している回路を遮断するＰＴＣ素子は、請求項２に述べたように、高分子組成物がエラストマーもしくはゴムの硬化物であって、対になっている電極の双方を、エラストマーもしくはゴムの未硬化物を介して貼着してから、双方の電極を閉じた状態を保持しつつ、下記の数式１）　に示す周囲温度ｔＡ［℃］で硬化して得たものを好適としている。
ｔＡ＝Ｃ・｛ｔＸ　−（１−ρ・σ）・（ｔＹ−ｔＲ）／　（１−σ）　｝　・・・数式１）ｔＡ：硬化する際の周囲温度［℃］
Ｃ　：　誤差を補正する係数
ｔＸ：　所望とする、［℃］
ｔＹ：　下記ρおよびσを知るための任意の温度［℃］
ρ　：２５［℃］における高さもしくは長さがＷ１［ｍｍ］の未硬化物を、ｔＹ［℃］で硬化し、この硬化物を２５［℃］に冷却して、上記の　Ｗ１［ｍｍ］が　Ｗ２［ｍｍ］に収縮した場合の下記数式３）に示す成型収縮係数［−］。
σ　：上記硬化物を、ｔＹ［℃］に加熱し、上記のＷ２［ｍｍ］がＷ３［ｍｍ］に膨張した場合の数式４）に示す膨張係数［−］。
ρ　＝　Ｗ２　／　Ｗ１　　・・・数式２）
σ　＝　Ｗ３　　／　Ｗ２　　・・・数式３）
【０００９】
本発明のスイッチ素子は、高分子組成物の硬化温度によって、導通の遮断を開始する温度（以下、導通遮断温度）を任意に設定することができるが、そのためには、請求項３に述べたように、硬化温度が任意に選択ができ、しかも金属との接着性に富んでいる硬化性ゴムであるシリコーンゴム組成物が適している。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明のＰＴＣ素子は、ＰＴＣ組成物による抵抗上昇と、高分子組成物の膨張と収縮を利用した電極の開閉機能といった二つの機構により目的とする作動を呈する。そして、ＰＴＣ組成物は、高分子組成物と導電性粒子により構成されている。まず、導電性粒子についての説明を行う。
【００１１】
本発明における導電性粒子とは、黒鉛，グラファイト，膨張黒鉛などの炭素系微粉末，金や銀などの金属微粒子，　金属の酸化物もしくは他の原子によってドープされた酸化金属の微粒子，ポリアニリンやポリアセチレンなどの導電性ポリマーの微粒子が挙げられる。そして、平均粒径については特に限定がないが、１０００μｍ　より大きいと、バインダーとなる高分子への保持が困難であるが、粒径の下限はなく、０．１μｍ〜１０ｎｍ　が望ましい。また、本発明において、何種類かの導電性粒子を複合してもかまわない。
【００１２】
本発明において、上記の導電性粒子のうち、高性能で安価なカーボンを選択するのがより好適であり、以下に、カーボン粒子の集合体、すなわち、カーボン粉末について説明をする。
【００１３】
カーボン粉末は、平均粒径が１０〜２００ｎｍ程度のカーボン粒子（　一次粒子　）の集合体であって、一次粒子の平均粒径や凝集してなる塊状粒子（　二次粒子　）の粒径、ＰＨなど粒子の表面における化学的特性などが異なる多種のグレードがある。普通、ＰＴＣ素子の用途におけるカーボン粉末は、平均粒径が１０〜２００ｎｍ　程度のカーボン粒子（　一次粒子　）の集合体を使用していが、本発明においても上記の粒径のものを使用すると良い。また、本発明において、粒子の表面におけるＰＨなど特に限定は無く、任意に選択することができる。
【００１４】
次に、本発明におけるＰＴＣ組成物を構成する高分子成分について説明をする。
【００１５】
本発明におけるＰＴＣ組成物は、結晶性高分子組成物もしくは非結晶性高分子組成物であってもかまわないが、室温域で低抵抗であって、ある温度になると急激な抵抗上昇を呈するといった挙動が望まれるので、結晶性高分子組成物であることが望ましい。そして、結晶性高分子組成物は、▲１▼．　結晶を有する高分子の単体、▲２▼．　結晶を有する複数の高分子からなる混合物、▲３▼．　上記▲１▼および▲２▼に、その他の高分子やオリゴマーもしくはフィラーや安定剤もしくはその他の添加物質との混合物、といった形態をしている。
【００１６】
以下に、本発明に用いる結晶性高分子を例に挙げると、密度が０．９４以上のポリエチレン，ホモタイプのポリプロピレン，ポリフッ化ビニリデン，ポリフェニリデンエーテルなどの液晶性ポリマーが挙げられ、本発明においては任意に選択することができる。そして、本発明における結晶性高分子は、上記の高分子であれば、分子量、短鎖や長鎖の分岐の状態、シンジオタックチックやアイソタックチックもしくはアタックチックなど分子のコーホメーションなどの分子構造的特徴にも限定はなく任意である。
【００１７】
また、電池の保護を目的としてＰＴＣ素子を使用する場合には、室温域における素子の抵抗値に対して３〜５倍の抵抗値になる温度（　以下、トリップ開始温度　）が１００℃以下であることが望まれるが、このような抵抗値の上昇を得るには、エチレン−酢酸ビニルを代表とするカルボン酸ビニルとエチレン、エチレン−メチルアクリレートやエチレン−エチルアクリレートおよびエチレン−ブチルアクリレートなどのアクリル酸エステルとエチレンとの共重合体、エチレン−メタクリレートメタクリルレートなどのメタクリル酸エステルとエチレンとの共重合体などのエラストマーとポリエチレンやポリプロピレンなどの結晶性高分子との混合物とする配合処方があり、本発明においては任意である。
【００１８】
なお、トリップ開始温度は、発明者らの検討によると、高分子成分に占める結晶の重量に依存することが確認できており、例えば８０℃でトリップを呈するには、高分子成分中の結晶が７０［　重量％　］である。一方、上記のエラストマーにおける結晶の含有量は、エチレン構成比に依存しており、例えば、エチレン構成比が９３［　重量％　］のエチレン−エチルアクリレートは６１［　重量％　］の結晶を含有するが、該エラストマー７８［　重量％　］とポリエチレン（　９７［　重量％　］の結晶を含有する　）２２［　重量％　］からなる配合とすれは、高分子成分中の結晶が７０［　重量％　］となり、８０℃でトリップを呈する。本発明においては、上記のエラストマーと、ポリエチレンなどの結晶性高分子を任意に配合することによって、トリップ開始温度を自由に操作することができる。
【００１９】
そして、本発明において、ＰＴＣ組成物の種類について、特に限定はしないが、安価な導電性微粒子が熱可塑性高分子からなるＰＴＣ組成物が、最適である。特に、本発明におけるＰＴＣ組成物は、金属である電極と一体化させる必要があるので、金属との接着性を有することが望ましく、そのためには、カルボン酸基や水酸基など接着性を呈する官能基を含有する熱可塑性高分子をバインダーとする組成物が理想的である。また、上記高分子系ＰＴＣ組成物は、組成物を構成する高分子の結晶化度や、組成物としての軟化点を調整することによって、絶縁域に達する固有抵抗値を任意に設定することができる。普通、電機器は通常使用温度が６０℃までとなっているので、ＰＴＣ素子は６０℃以下の温度でトリップしてしまうのは不適当でかるので、本発明のＰＴＣ素子のトリップ開始温度は６０℃以上とした。
【００２０】
本発明のＰＴＣ素子は、ＰＴＣ組成物が抵抗値の上昇を呈して、トリップを開始するに至り、さらに周囲温度が上昇すると膨張収縮性高分子組成物の膨張によって双方の電極が開いて、導通を遮断する。そして、本発明の基本構成である請求項１の発明においては、電極の開閉を作動させる膨張収縮性高分子組成物は、熱可塑性高分子系もしくは硬化性高分子系のどちらにも限定していない。たとえば、熱可塑性高分子系組成物を用いる場合は、該組成物のガラス転移点や融点もしくは軟化点を有する高分子を選択して、これらの温度を導通遮断温度となるように設計したり、熱可塑性エラストマーを選択し、このエラストマーは高い膨張収縮特性を有するのでこの性質を利用して導通遮断温度するように設計すれば良い。なお、熱可塑性高分子系組成物は融点になると溶融してしまうので、何らかの手段によって硬化する必要がある。ポリプロピレンなど架橋の手段が無い高分子を用いる場合は、使用温度範囲を融点未満に限定する必要がある。硬化性高分子系組成物は、メラニン樹脂やエポキシ樹脂などモノマーを硬化させて得る非弾性なものと、エラストマーやゴム、もしくはゲルなどオリゴマーやポリマーを硬化させて得る弾性なものに大別される。前者のモノマー硬化タイプのものは、架橋密度が高すぎて膨張収縮が小さいので本発明の高分子組成物としては不向きであるが、後者のオリゴマーやポリマーの硬化タイプのものは、膨張収縮が大きいので、本発明における膨張収縮性高分子系組成物として適している。
【００２１】
したがって、本発明における膨張収縮性高分子組成物として、膨張収縮が大きい後者のオリゴマーやポリマーの硬化タイプが適しているが、物性が堅牢なエラストマーもしくはゴムを選択することを好適としている。そして、このエラストマーもしくはゴムは、高い膨張収縮特性を有するのでこの性質を利用して導通を遮断するように設計すれば良い。ことに、硬化性エラストマーもしくは硬化性ゴム組成物は硬化した際の温度と形状寸法を記憶していて、温度に依存して膨張もしくは収縮を呈するが、上記の膨張収縮特性を利用すれば、本ＰＴＣ素子を極めて合理的に得ることができる。なお、上記エラストマーもしくはゴムの硬化の手段には、▲１▼．パーオキサイドなど硬化剤を用いる方法、▲２▼．ＵＶや電子線など高エネルギー下に暴露させて硬化する方法、▲３▼．触媒などにより付加重合させる方法、▲４▼．高活性な縮合性官能基を導入して硬化する方法、などがあるが、上記▲２▼，▲３▼，▲４▼の方法を採用すれば、ある程度の範囲であれば自由に硬化温度を選択できるので、本発明のＰＴＣ素子において導通遮断温度を任意に設定することができる。
【００２２】
つまり、本発明においては、トリップ開始温度はＰＴＣ組成物における配合処方によって自由に設定することができ、且つ、膨張収縮性高分子組成物として硬化性ゴム組成物を選択すれば、その硬化温度によって導通遮断温度についても設定することができるのである。そして、本発明のＰＴＣ素子は、導通遮断温度を任意に設定することができるが、所望の導通遮断温度を得るためには、下記の理論にしたがって硬化温度を定める必要がある。
【００２３】
硬化性エラストマーもしくは硬化性ゴムは、硬化の際に体積の減少（成型収縮）を呈する。もし、この成型収縮がなかったのならば、導通遮断温度は硬化したときの温度と一致するが、実際には、成型収縮は必ずあるので、所望の温度で導通を遮断する素子を得るためには、上記収縮を考慮して設定をする必要があり、本発明における硬化温度の設定方法は下記に述べる基本概念によるものである。
【００２４】
いまここで、図４に示すＰＴＣ素子を作製しようとする場合、電極１と膨張収縮性高分子組成物（ゴム）２との界面の距離がＷ［ｍｍ］であって、所望の導通遮断をｔＸ［℃］とし、ｔＸ［℃］で作動するために硬化すべき温度をｔＡ［℃］（ｔＸ＞ｔＡ　）であったとする。そして、Ｗ［ｍｍ］の電極間に未硬化ゴムを装着してｔＹ［℃］で硬化したときに、未硬化の時点ではＷ［ｍｍ］であったゴムの厚さが、硬化後にはｙＡ［ｍｍ］に収縮したならば、収縮率は下記数式４）のρとして与えられる。そして、ｔ［℃］の時に高さｙＡ［ｍｍ］であったゴムの厚さは、温度に応じて膨張収縮して変化するが、その厚さの変化は下記数式５）に示す関数として与えられたならば、数式６）におけるｔＢを解として求めれば、ｔＸ［℃］で導通遮断する素子を得るための硬化温度を定めることがきる。
【００２５】
図４
【００２６】
ρ　＝　（　Ｗ　−　ｙＡ　／　Ｗ　）　・・・数式４）
【００２７】
ｙ＝ｆ（ｔ）　・・・　数式５）
【００２８】
ｔ＝ｔＳ　−　（１−ρ）　・　Ｗ／ｆ´（ｔＳ）・・・数式６）
【００２９】
しかしながら、上記の数式６）に基づいて、硬化すべき温度を求めるのには、数式５）の関数を正確に把握したり、また電極などの付属部品の熱伝導性などの解釈を加える必要があるので、正確に硬化すべき温度を把握するのは困難である。
そこで、本発明では、下記に述べる方法によりｔＡを求めることを好適とした。
【００３０】
本発明においては、ゴムの成型収縮を把握した上で、膨張収縮挙動により電極の開閉を呈する作動を好適としているが、この好適処方は、下記に述べる三つの予備実験を行ってから硬化すべき温度ｔＡを定める。まずは、使用するゴムに関する成型収縮を把握するための確認試験、膨張収縮挙動を把握するための確認試験、そして、誤差を修正するための係数を把握するための確認試験が、好適処方における予備実験である。
【００３１】
第一の成型収縮を把握するための確認試験は、以下にのべる方法によって、成型収縮係数ρを求めると良い。ｔＲ［℃］（１５〜３０℃の範囲で任意　）に温度調節された部屋にて、未架橋のゴムの形状を成型し、この時、ｔＲ［℃］における未硬化ゴムの任意な片、もしくは寸方計測用に設けた印を測定し、この寸法をｗ１　［ｍｍ］として記録する。そして、ただちに、この未硬化ゴムを任意の温度ｔＹ［℃］に所定の時間さらして、ゴムが硬化していることが確認できたら、これをｔＲ［℃］の部屋にもどす。そして、硬化ゴムがｔＲ［℃］になったら、上記ｗ１［ｍｍ］を測定した部分の寸法を測定し、この値をｗ２［ｍｍ］とし、数式２）によって算出したρを本発明における成型収縮係数とする。なお、上記のｔＹは、本発明において特に限定はないが、より正確にρを把握するには、所望とする導通遮断温度ｔｘと一致しているほうが望ましい。
【００３２】
次に、第二の膨張収縮挙動を把握するための確認試験は、以下にのべる方法によって、膨張係数σを求めると良い。上記第一の確認試験と同素材である硬化ゴムについて、ｔＲ［℃］における未硬化ゴムの任意な片、もしくは寸法計測用に設けた任意な印を測定し、この寸法をｗ２　［ｍｍ］として記録する。そして、この硬化ゴムを、任意の温度に温度調節された封鎖系に封入して、この温度における上記ｗ２［ｍｍ］を測定した部分の寸法を測定し、この値をｗ３［ｍｍ］とし、数式３）によって算出したσを本発明における膨張係数σとする。なお、上記の封鎖系の温度は、ｔＹと同一の温度であることが望ましく、且つ所望とする導通遮断温度と一致しているほうが望ましい。また、両者の温度が、かけ離れているならば、封鎖系の温度からｔＹに換算してσを求めても良い。
【００３３】
そして、第三の誤差を修正するための係数を把握するための確認試験は、以下にのべる方法によって、上記係数Ｃを求めると良い。まず、数式２）おけるＣに１を代入、上記確認実験によって得られたρおよびσの数値を代入して、ｔＡをｔ１として算出する。そして、実際に図１から図３に例示されるスイッチ素子のサンプルを作製して実際にスイッチ作動する温度ｔ２を観測して、ｔ２／ｔ１から上記係数Ｃとする。あるいは、経験則から導きだされた数値であってもかまわない。なお、素子サンプルの作製の工程は、第一の確認試験におけるｔＲ［℃］において未硬化のゴムを電極や支持体に組み込み、そして、固定用治具を用いるなどしてしっかりと電極を閉じ、第二の確認試験における硬化温度で硬化さることで得ることを前提とする。そして、作製が完了してから、実際にスイッチが作動する温度を観測し、ｔ２／ｔ１もしくは経験則による数値を上記係数Ｃとし、改めてｔＡを算出する。この数値を数式１）に代入した解　として与えられるｔＡが、硬化すべき温度として定められるのである。そして、ｔＡで硬化すれば、所望の温度ｔＸで導通遮断を呈する素子が得られるのである。なお、本発明においては、実際に硬化する温度がｔＡと一致していることがのぞましいが、ヒーター等の調節能力が至らない場合であったとしても、発明者らの経験によると、１０℃前後の範囲であれば不一致であっても実用が可能ではある。そして、２℃前後の範囲で温度調節が可能な温度調節機器を用いて硬化するのが望ましい。
【００３４】
本発明におけるｔＡ数式１）によって導き出されるが、この数式の意味するところは、以下のとおりである。
【００３５】
たとえば、図４に示すＰＴＣ素子を得る場合、高さがＷ１［ｍｍ］である未硬化のゴムをｔＹ［℃］で硬化してから、ｔＲ［℃］に冷却すると、Ｗ１［ｍｍ］であった高さはＷ２［ｍｍ］である。
【００３６】
Ｗ２　＝　ρＷ１　・・・・数式７）
【００３７】
そして、素子をｔＲ［℃］からｔＹ［℃］に素子を暖めると、Ｗ２［ｍｍ］であった高さはＷ３［ｍｍ］に膨張するがＷ１とＷ３は、下記数式８）に示す関係にある。
【００３８】
Ｗ３＝　σ・Ｗ２　＝　σ・ρＷ１・・・・数式８）
【００３９】
一方、本素子は高さがＷ１［ｍｍ］になると絶縁作動を呈するが、Ｗ１とＷ３の差であるｄＷ（高さの変化量）は下記数式９）に示すとおりである。ここで、ρ＞σである場合、Ｗ３はＷ１の高さに至らず、Ｗ１とＷ３は下記数式９）に示す関係にある。
【０４０】
ｄＷ　＝　Ｗ１−Ｗ３　＝　Ｗ１−σ・ρＷ１＝（１−σ・ρ）Ｗ１　・・・・数式９）
【００４１】
一方、ｔＲ［℃］からｔＹ［℃］に素子を暖めると、Ｗ２であった高さはＷ３に膨張するから、その変化率（温度による高さの変化率）は下記数式１０）に示すｄＷ／ｄｔである。ここで、ｄＷ／ｄｔは温度依存が無いと仮定すると、数式９）における変化量を、数式１０）における変化量で割ったものは、数式１１）に示すｄｔが与えられるが、このｄｔがＷ１とＷ３の高さ変化に相当する温度変化を示す。したがって、所望とする遮断温度ｔＸからｄｔを引くと、数式１）に示すｔＡをもとめることができるのである。
【００４２】
ｄＷ／ｄｔ　＝（Ｗ１−Ｗ２）／（ｔＹ−ｔＲ）
＝　Ｗ１−ρＷ１／（ｔＹ−ｔＲ）
＝（１−ρ）Ｗ１／（ｔＸ−ｔＲ）　・・・・数式１０）
【００４３】
ｄｔ＝ｄＷ÷ｄＷ／ｄｔ
＝（１−σ・ρ）Ｗ１　÷（１−ρ）Ｗ１／（ｔＲ−ｔＸ）
＝　（１−σ・ρ）・（ｔＸ−ｔＲ）／（１−ρ）　・・・・数式１１）
【００４４】
本発明における膨張収縮性高分子組成物として硬化性エラストマーおよびゴムを選択する場合、硬化温度が任意に選択できることが望まれるが、電極やリードとして構成される金属との接着性を有するほうが望ましい。なお、請求項３では、高分子組成物をシリコーン系組成物とした。
【００４５】
シリコーン系組成物は、シリコーンゴム、シリコーンレジン、シリコーンオイル、シリコーンゲルに大別されるが、本発明においては、弾性的性質を持つシリコーンゴムとシリコーンゲルが適している。そして、シリコーンゴムおよびシリコーンゲルは、硬化形態によって、パーオキサイド硬化タイプと付加反応型硬化タイプおよび縮合反応型硬化タイプに分類されるが、硬化温度を自由に選択できるのは付加反応型硬化タイプおよび縮合反応型硬化タイプであって、本発明においては、両者の硬化タイプのものを選択する良い。具体的に、付加反応型硬化タイプは塩化白金酸などの白金系触媒によりＳｉＨ基と不飽和基を付加反応させて硬化するものであって、一方の縮合反応型硬化タイプは、脱水や脱アルコールおよび脱オキシムといった縮合反応によって硬化を呈するものである。特に、脱アルコールおよび脱オキシムといった縮合反応型硬化タイプのものは、金属との接着性を有するのでより適している。一方、付加反応型硬化タイプのほうは、金属との接着性が基本的にはないが、シラン系化合物やチタネート系化合物などの接着助剤の添加によって上記接着性を付加することができる。そして、付加反応型硬化タイプおよび縮合反応型硬化タイプのシリコーン系組成物は、粘度や硬化前の形体によって、さまざまな種類があるが、本発明においては特に限定はなく、任意である。また、液剤や充填材などを配合したり、金属にプライマーを塗布するなどすることもできる。
【００４６】
本発明のＰＴＣ素子における電極の材質については、金属である限りは特に限定はなく、金、銀、チタン、パラジウム、ニッケルなど高性能な金属であったり、鉛、亜鉛、アルミニウム、ステンレスなど鉄系合金、ジュラルミンなどアルミ系合金など安価な金属を選択してもかまわない。また、銅箔、鉄箔、銅系合金箔、鉄系合金箔などの酸化しやすい金属部品には、金、パラジウム、亜鉛、錫、ニッケルから選択される金属によってメッキ処理して表面保護層を設けることを施すことを好適といしている。さらに、金属部品に対して、ソーダ塩類、燐酸塩類、アンモニア塩類、から選択される化合物の水溶液、無機酸、有機酸から選択される化合物またはこれら化合物の水溶液に浸漬して、酸化物と金属の一部を溶解させるなどして洗浄することもできる。
【００４７】
本発明のＰＴＣ素子を応用すれば、図５および図６に示すように、定常時には導通させていた回路を異常事態には遮断して、遮断されていた別の回路を導通させるといったリレータイプのＰＴＣ素子をも得ることができる。例えば、図６に示すＰＴＣ素子は、定常時には電極１から電極１´を経る回路が導通しているが、過電流が発生すると、ＰＴＣ組成物３が発熱すると、３箇所にある高分子組成物２が膨張して、電極１と電極１´が隔絶すると同時に、電極１と電極１”が接して別の回路が導通する。つまり、電極１´を集積基盤に接続し、電極１”を冷却ファンに接続すれば、過電流発生時に集積回路基板の保護したり、異常高温の際は冷却機能を発現させることが出来るのである。
【００４８】
そして、本発明のＰＴＣ素子は、携帯電話の電池や回路、自動車などのモーターの保護，スピーカーの保護，コンピューター回路の保護，などの用途で使用される。
【００４９】
［実施，比較例］
次に具体的に実施例を挙げるが、本発明はこの実施例の記載に限定されるものではない。
【００５０】
実施例１
８０〜９０℃でトリップ作動を開始して、１００〜１１０℃で絶縁作動する図３に示すＰＴＣ素子を得ることを目的とし、下記の手順により作製した。なお、所望の導通遮断温度ｔＸは１０５℃とする。
【００５１】
２５℃に温度が調整された部屋で、脱オキシム硬化型シリコーンゴム（　ＲＴＶＫＥ−４５　信越化学工業株式会社製　製品名　）の未硬化物を、直径５．００［ｍｍ］で　高さが　１５．００［ｍｍ］のキャビティを有する型枠に充填した。
この時、上記未硬化物からなる高分子組成物２の高さ（　図１における電極１と電極１´の間　）は、１５．００［ｍｍ］であるが、この高さをＷ１とする。なお、この際の温度を２５℃をｔＲとする。
【００５２】
そして、１０５℃に温度調節がなされたオーブンに８時間封入したところ、上記未硬化物が完全に硬化していたので、取り出した。ただちに、型枠から硬化物を取り出して、２５±２℃に温度が調整された部屋で、２４時間放置したところ、硬化物の高さは、１４．２５［ｍｍ］であったが、この高さをＷ２とする。そして、この硬化物を１０５℃に温度調節がなされたオーブンに２時間封入し、取り出した直後に、１０５℃に温度調節がなされたプレートに乗せておき、その状態で上記未硬化物からなる高分子組成物２の高さを測ったところ、１４．５５［ｍｍ］であった。この高さをＷ３とする。なお、上記未硬化物は、上記のとおりに、１０５℃で硬化させたが、この温度を数式１）におけるｔＹとする。
【００５３】
そして、数式２）および数式３）から、ρ＝０．９５０、σ＝１．０２１が導き出され、これらの係数とｔＲとｔＸおよびｔＹを数式１）に代入すると、ｔＢ＝５６．９Ｃ［℃］が得られる。ここで、Ｃ＝１とすると、ｔＡ＝　５６．９［℃］であるから、硬化温度を５７［℃］として、所望の形状のＰＴＣ素子を試作することとした。
【００５４】
下記表１に示す、厚さが５０μｍ　で４００×４００ｍｍ　のＰＴＣ組成物シートの表裏に、厚さ２０μｍ　のニッケル箔を、１８０℃に温度調節したプレス盤でプレスして、一体化シート状物を得た。なお、上記ＰＴＣ組成物組成物は、別件の実験にて、８３℃で２０℃における抵抗値に対して３倍の抵抗値に至ることが確認されている。
【００５５】
表１および表２中の材料は、下記のとおりである。
・高密度ポリエチレン　　　　　　　：　三井化学（株）　製製品　ハイゼックス５０００
・エチレン−メタクリル酸共重合体：　三井デュポンポリケミカル（株）製製品ニュクレル
・カーボン粉末　　　　　　　　　　：　コロンビア　カーボン（株）　製製品　４１０
【００５６】
【表１】
2004103848.tif 000003
【００５７】
そして、ＰＴＣ組成物と箔の接着を強固にする目的で、１０［Ｍｒａｄ］の放射線を照射した。その後に、２０．０×１００．０ｍｍ　の短冊状にカットした。一方、厚さが１２５μｍ　のニッケル板を加工して得た、図７の断面形状の金属部品を用意した。この金属部品は、図７における横手方向が２０ｍｍ　で、高さが１．５０ｍｍといった寸法形状をしていて、１００．０ｍｍの長さを有する。
【００５８】
そして、２５℃に温度が調整された部屋で、上記シート状物と金属部品を、上記シリコーンゴムの未硬化物を用いて接着して、図３に示す素子の形状に組み立て、図８に示す固定用冶具７に固定して５７℃に温度調節されたオーブンに８時間入れてから取り出し、固定用冶具７をはずしたところ、図３に示すＰＴＣ素子を得た。そして、下記に述べる抵抗値の温度特性を確認したところ、導通遮断温度は所望とする温度よりも約１０℃低いことがわかったので、Ｃ＝１．１５として数式１）からｔＡ＝　６５．４［℃］であるから、硬化温度を６５［℃］として、所望の形状のＰＴＣ素子を試作することとした。
【００５９】
そこで、オーブンを６５［℃］として、上記試作と同様の手順により、ＰＴＣ素子を作製した。
【００６０】
そして、再び下記に述べる抵抗値の温度特性を試験したところ、図９に示すように、このＰＴＣ素子は８０℃付近から抵抗上昇を呈し、９０℃では３．６Ωになってから１００℃では２０．３Ωに至り、１１０℃では絶縁域に至り、所望とするＰＴＣ素子を得ることができた。
【００６１】
また、同試験の冷却の際には、９０℃での絶縁域から８０℃では１４．５Ωといった中抵抗域を経て、４０℃以下では０．１Ω以下の低抵抗域に復帰するものであった。
【００６２】
抵抗値の温度特性の測定方法
スイッチ素子の電極に、ハンダにより電線を接合し、電線を抵抗測定器に接続して素子の抵抗を測定する。測定の環境は３０、８０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０℃であり、素子をオーブンに入れて測定を開始する。そして、測定の方法は、３０℃から順次に昇温してゆき、測定する温度に達したら５分間その温度を保持して、その時（　５分間　保持した時　）に抵抗値をプロットする。
プロットし終えたら、つぎの測定温度に昇温して測定を行う。なお、１６０℃に達したら、逆のやり方で、２０℃にまで温度を下げてゆき、抵抗値を観測して、抵抗値が試験まえの値付近に復帰するかを確認する。
【００６３】
実施例２
１２０〜１３０℃でトリップ作動を開始して、１３０〜１４０℃で絶縁作動する図３に示すＰＴＣ素子を得ることを目的とし、下記の手順により作製した。なお、所望の導通遮断温度ｔＸは１３５℃とする。所望の導通遮断温度ｔＸは１３５℃とし、実施例１の結果から、ｔＢ＝　８６．９Ｃ［℃］が導き出されるが、実施例１と同様にＣ＝１．１５とするとｔＢ＝　９９．６［℃］になるので、硬化温度を１００［℃］とした。
【００６４】
厚さが５０μｍ　で４００×４００ｍｍ　の下記表２に示すＰＴＣ組成物シートの表裏に、厚さ２０μｍ　のニッケル箔を、１８０℃に温度調節したプレス盤でプレスして、一体化シート状物を得た。なお、上記ＰＴＣ組成物組成物は、別件の実験にて、１２５℃で２０℃における抵抗値に対して３倍の抵抗値に至ることが確認されている。
【００６５】
表１および表２中の材料は、下記のとおりである。
・高密度ポリエチレン　　　　　　：　三井化学（株）　製製品　ハイゼックス５０００
・マレイン変性ＥＰＲ　　　　　　：　ＪＳＲ（株）　製製品　Ｔ−７７４１Ｐ
・カーボン粉末　　　　　　　　　：　コロンビア　カーボン（株）　製製品　４１０
【００６６】
【表２】
2004103848.tif 000004
【００６７】
そして、ＰＴＣ組成物と箔の接着を強固にする目的で、１０［Ｍｒａｄ］の放射線を照射した。その後に、２０．０×１００．０ｍｍ　の短冊状にカットした。一方、厚さが１２５μｍ　のニッケル板を加工して得た、図７の断面形状の金属部品を用意した。この金属部品は、図７における横手方向が２０．０ｍｍ　で、高さが１．５０ｍｍといった寸法形状をしていて、１００．０ｍｍの長さを有する。
【００６８】
そして、２５℃に温度が調整された部屋で、上記シート状物と金属部品を、上記シリコーンゴムの未硬化物を用いて接着して、図３に示す素子の形状に組み立て、図８に示す固定用冶具７に固定して１００℃に温度調節されたオーブンに８時間入れてから取り出し、固定用冶具７をはずしたところ、図３に示すＰＴＣ素子を得た。そして、抵抗値の温度特性を試験したところ、図１０に示すように、この素子は１２０℃付近から抵抗上昇を呈し、１４０℃では絶縁域に至り、所望とするＰＴＣ素子を得ることができた。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、ヒューズのように完全に通電を遮断する機能が付与されてなるＰＴＣ素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるＰＴＣ素子の一例を、断面図に示したものである。
【図２】本発明におけるＰＴＣ素子の一例を、断面図に示したものである。
【図３】本発明におけるＰＴＣ素子の一例を、断面図に示したものである。
【図４】本発明におけるＰＴＣ素子における膨張収縮性高分子組成物の高さＷを示したものである。
【図５】本発明におけるＰＴＣ素子における応用例を示したものであって、正常時には導通させていた回路を異常事態には遮断して、遮断されていた別の回路を導通させるといったリレー的機能を有する。
【図６】常本発明におけるＰＴＣ素子における応用例を示したものであって、正常時には導通させていた回路を異常事態には遮断して、遮断されていた別の回路を導通させるといったリレー的機能を有する。
【図７】本発明におけるＰＴＣ素子の電極を部品として示したものである。
【図８】本発明のＰＴＣ素子の高分子組成物を硬化する際に使用する固定用冶具の一例を、断面図に示したものである。
【図９】実施例１で作製したＰＴＣ素子における、抵抗値の温度特性を示したものである。
【図１０】実施例２で作製したＰＴＣ素子における、抵抗値の温度特性を示したものである。
【符号の説明】
１　電極
１´電極
２　膨張収縮性高分子組成物
３　ＰＴＣ組成物
４　リード
５　支持体
６　固定用冶具
７　ＰＴＣ素子
【図１】
2004103848.tif 000005
【図２】
2004103848.tif 000006
【図３】
2004103848.tif 000007
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2004103848.tif 000012
【図９】
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【図１０】
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