(57)【要約】【課題】  常温時には低抵抗であり、高温時には良好なＰＴＣ特性を発現するとともに、ヒートショック後も常温時の抵抗率の増加を抑制したＰＴＣ素子を提供する。【解決手段】  結晶性プラスチック１に導電粒子２、３が分散して充填され、一対の電極４を有するＰＴＣ素子１０において、導電粒子２、３は互いに平均粒径が異なる複数の粒子群からなるものである。とくに、複数の粒子群は相対的に粒径が大きい大粒子群と相対的に粒径が小さい小粒子群であり、大粒子群と小粒子群との平均粒径の比が１：０．５〜１：０．７５であるようにした。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶性プラスチックに導電粒子が分散して充填され、一対の電極を有するＰＴＣ素子において、前記導電粒子は互いに平均粒径が異なる複数の粒子群からなることを特徴とするＰＴＣ素子。
【請求項２】
前記複数の粒子群は相対的に粒径が大きい大粒子群と相対的に粒径が小さい小粒子群であり、大粒子群と小粒子群との平均粒径の比が１：０．５〜１：０．７５であることを特徴とする請求項１記載のＰＴＣ素子。
【請求項３】
大粒子群と小粒子群との体積比が５０：５０〜３０：７０であることを特徴とする請求項２記載のＰＴＣ素子。
【請求項４】
電源と負荷との間に通流する電流を可動接点と固定接点との開離によって遮断する開閉器において、
前記可動接点を有する可動接触子と、前記固定接点を有する固定接触子と、当該開閉器を電源に接続するための電源側端子と、当該開閉器を負荷に接続するための負荷側端子とを備え、
前記固定接触子と前記電源側端子との間に、結晶性プラスチックに導電粒子が分散して充填され一対の電極を有するＰＴＣ素子を配置し、前記導電粒子は互いに平均粒径が異なる複数の粒子群からなることを特徴とする開閉器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電気材料の分野に属するものであり、温度上昇に伴って比較的狭い温度領域で電気抵抗が急増するＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）特性を有するＰＴＣ素子に関するものである。さらに、そのＰＴＣ素子を用いた開閉器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＰＴＣ素子は、常温では低い抵抗率でありながら、高温時には高い抵抗率を示し、その差が大きいことが望ましい。従来のＰＴＣ素子として、結晶性プラスチックに導電粒子を高充填し、プラスチックの融点における急激な体積膨張を利用して導電粒子間距離を伸長させるものが知られている。導電粒子としてタングステンカーバイドを用いることにより、常温抵抗率を大幅に低減でき、常温時と高温時とにおける抵抗変化率が向上したことが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。また、導電粒子をあらかじめカップリング剤で処理することにより、高温高湿やヒートショックなどの耐環境特性を向上できたことが開示されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１５３４０２号公報（段落０００７、表１）
【特許文献２】特開平１０−３０３００３号公報（段落００３４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の技術では、ヒートショックにおいて、カップリング剤によりプラスチックと導電粒子の界面に水分が侵入することは防止できるものの、プラスチックの非晶部分の変形を防止することはできない。導電粒子を被覆しているのは非晶部分であり、ヒートショックによって加熱と冷却を繰り返されると、非晶部分が変形して導電粒子間距離も変化する。そのため、ヒートショック後に、常温時の抵抗率が著しく増加するという問題があった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、常温時には低抵抗であり、高温時には良好なＰＴＣ特性を発現するとともに、ヒートショック後も常温時の抵抗率の増加を抑制したＰＴＣ素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明におけるＰＴＣ素子は、結晶性プラスチックに導電粒子が分散して充填され、一対の電極を有するＰＴＣ素子において、前記導電粒子は互いに平均粒径が異なる複数の粒子群からなるものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、常温時には低抵抗であり、高温時には良好なＰＴＣ特性を発現するとともに、ヒートショック後も常温時の抵抗率の増加を抑制したＰＴＣ素子を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、本発明が適用されるＰＴＣ素子の実施の形態１を説明するための断面模式図である。ＰＴＣ素子１０は、結晶性プラスチック１に導電粒子２および導電粒子３が分散して充填された薄板状成形物と、その両面に熱融着された一対の電極４を有する。ここで、導電粒子２と導電粒子３は、互いに粒径が異なる。相対的に粒径が大きい導電粒子２からなる粒子群を大粒子群とよび、相対的に粒径が小さい導電粒子３からなる粒子群を小粒子群とよぶことにする。なお、この実施の形態では粒子群が２つの場合を例示的に説明するが、これに限定するものではない。
【０００９】
結晶性プラスチック１は、例えば高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデンなどが用いられ、結晶化度の高いものが好ましい。これは、結晶化度が高いものほど融点付近において体積膨張率が急激に変化し、そのために導電粒子間距離が伸張しやすく、よって良好なＰＴＣ特性を得やすいためである。なお、結晶化度は一般に熱分析やＸ線分析で測定できる。
【００１０】
導電粒子２と導電粒子３は、例えばタングステンカーバイドなどの導電性金属化合物の粒子が用いられる。これら導電粒子の充填量は、たいてい薄板状成形物の３０〜４０体積％であるが、薄板状成形物の抵抗率と成形性とのバランスから適宜設定される。一般に導電粒子が多いほど常温時の抵抗率を低下させることができるが、多すぎると相対的に結晶性プラスチック１が少ないから成形性を低下させる。また、導電粒子をあらかじめカップリング剤で表面処理すること、あるいは結晶性プラスチック１にカップリング剤を添加することは適宜実施できる。
【００１１】
導電粒子として、導電粒子２からなる大粒子群と導電粒子３からなる小粒子群とを用いるのは、ヒートショックの加熱時における結晶性プラスチック１の非晶部分の変形と関係する。結晶性プラスチック１は、導電粒子２および導電粒子３の表面を被覆しているが、これら導電粒子との界面周辺は結晶化できずに非晶部分となる。結晶性プラスチック１の結晶部分は融点以上で変形するのに対して、非晶部分はガラス転移温度以上で変形する。すなわち、非晶部分はヒートショックの加熱温度でもミクロに変形しうるものである。導電粒子２および導電粒子３を被覆している非晶部分が変形すれば、導電粒子間距離も変化する。このとき、導電粒子間距離が伸張する部分が多いと、ＰＴＣ素子としての常温抵抗率は上昇してしまう。
【００１２】
ここでは、非晶部分の変形によって導電粒子２同士の距離が伸張したとしても、その隙間に相対的に粒径の小さい導電粒子３が移動することにより、導電粒子間距離の伸張を抑制する。よって、ヒートショック後におけるＰＴＣ素子としての常温抵抗率の上昇を抑制できる。とくに、大粒子群の平均粒径を基準とした場合、小粒子群の平均粒径が０．５〜０．７５倍であると、導電粒子２同士の隙間を導電粒子３が埋めるように移動しやすく、抵抗率の上昇を効果的に抑制できる。また、導電粒子３が多いほど導電粒子２同士の隙間を埋めやすくなり、ヒートショック後の常温抵抗率が安定しやすい。その一方で導電粒子３が多すぎると成形性は低下する。そのため、大粒子群と小粒子群との体積比が５０：５０〜３０：７０であることが好ましい。
【００１３】
次に、導電粒子の粒径とヒートショック前後におけるＰＴＣ素子の特性について説明する。まず、ここでは、結晶性プラスチック１として高密度ポリエチレン（日本ポリケム製）を６５体積％、導電粒子としてタングステンカーバイド粒子（日本新金属製）を３５体積％となるようにして、厚さ１ｍｍの薄板状成形物を作製した。この薄板状成形物の両面に、厚さ３５μｍの銅箔（福田金属箔粉工業製）を熱融着した。このようにして得られたＰＴＣ素子は、常温抵抗率０．０３Ωｃｍ、ピーク抵抗率１０５Ωｃｍであった。
【００１４】
大粒子群および小粒子群の平均粒径、大粒子群と小粒子群の体積比をパラメータとして、得られた種々のＰＴＣ素子に、ヒートショック試験機（タバイエスペック製）にて、−２５℃で３０分の冷却と８５℃で３０分の加熱とを６００サイクル繰り返すヒートショックを与えた。表１は、これらＰＴＣ素子におけるヒートショック前後の常温抵抗率の変化を示す特性表である。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
タングステンカーバイド粒子を大粒子群と小粒子群の組み合わせとして充填した実施例１では、大粒子群の平均粒径が０．８μｍ、小粒子群の平均粒径が０．６μｍ、大粒子群と小粒子群の体積比が３０：７０とした。同じく実施例２では、大粒子群の平均粒径が０．８μｍ、小粒子群の平均粒径が０．６μｍ、大粒子群と小粒子群の体積比が４０：６０とした。同じく実施例３では、大粒子群の平均粒径が０．８μｍ、小粒子群の平均粒径が０．６μｍ、大粒子群と小粒子群の体積比が５０：５０とした。同じく実施例４では、大粒子群の平均粒径が１．０μｍ、小粒子群の平均粒径が０．５μｍ、大粒子群と小粒子群の体積比が５０：５０とした。これに対して、単一の平均粒径のタングステンカーバイド粒子を充填した比較例では、平均粒径が０．８μｍとした。
【００１７】
大粒子群と小粒子群の組み合わせである実施例１〜４では、ヒートショック後の常温抵抗率がヒートショック前に対してほとんど変化なかった。これに対して、単一の平均粒径である比較例では、ヒートショック後の常温抵抗率はヒートショック前の４００倍にも上昇した。
【００１８】
実施例１〜４および比較例のＰＴＣ素子について、タングステンカーバイド粒子の分散状態を電子顕微鏡で観察した。すると、実施例１〜４では、粒径の大きな粒子の隙間に粒径の小さな粒子が入り込むように分散しており、ヒートショック前後において均一分散状態が維持されていた。これに対して、比較例では、ヒートショック後にタングステン粒子同士の距離が伸張していた。
【００１９】
実施例１〜４と比較例との間で差が生じたのは、ヒートショックの加熱時に高密度ポリエチレンの非晶部分が変形した際、タングステンカーバイド粒子の移動の様子にちがいがあるためである。実施例１〜４では、粒径の大きな粒子同士の距離が伸張したとしても、その隙間に粒径の小さな粒子が入り込むため、全体的なタングステンカーバイド粒子同士の距離は、常温抵抗率が上昇するほど伸張していない。一方、比較例では、タングステンカーバイド粒子同士の距離が伸張してしまうと、そのままになってしまうために常温抵抗率が顕著に上昇する。
【００２０】
したがって、大粒子群と小粒子群を組み合わせた導電粒子を用いると、ヒートショック後における常温抵抗率の上昇を抑制することができる。そのため、ＰＴＣ素子の耐環境性が向上する。さらに、ＰＴＣ特性発現時には結晶性プラスチックの結晶部分が融解するが、その後に再結晶化する際にも、粒径の大きな粒子同士の隙間に粒径の小さな粒子が入り込み、常温低効率の上昇を抑制できる。そのため、ＰＴＣ素子として繰り返し使用可能な回数を増やすこともできる。
【００２１】
実施の形態２．
図２は、実施の形態２を説明するための開閉器の断面模式図である。この実施の形態は、実施の形態１におけるＰＴＣ素子を用いた開閉器に関するものである。開閉器２０は、電源と負荷との間に通流する電流を可動接点２１と固定接点２２との開離によって遮断するものであり、可動接点２１を有する可動接触子２３と、固定接点２２を有する固定接触子２４と、当該開閉器２０を電源に接続するための電源側端子２５と、当該開閉器２０を負荷に接続するための負荷側端子２６とを備える。ＰＴＣ素子１０は、固定接触子２４と電源側端子２５との間に配置されている。ここで、ＰＴＣ素子１０の電極４は、開閉器２０の特性に応じて例えば網目状に設計される。
【００２２】
このような開閉器２０では、耐環境性にすぐれたＰＴＣ素子１０を用いるため、通常の通電時には良好な導通性が得られる。さらに、大電流・高電圧下ではＰＴＣ特性発現により、過電流から回路を保護できるとともに、限流効果のためにアークによる接点の消耗を低減できる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
この発明は、とくに開閉器などの電流遮断時にＰＴＣ特性を発現するＰＴＣ素子に適しているが、電気材料として広く利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施の形態１を説明するためのＰＴＣ素子の断面模式図である。
【図２】実施の形態２を説明するための開閉器の断面模式図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  結晶性プラスチック、２  導電粒子、３  導電粒子、４  電極、１０  ＰＴＣ素子、２０  開閉器、２１  可動接点、２２  固定接点、２３  可動接触子、２４  固定接触子、２５  電源側端子、２６  負荷側端子。
【図１】
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【図２】
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