(57)【要約】このＰＴＣサーミスタは、ＰＴＣ特性を有する導電性部材と、該導電性部材の異なる２箇所にそれぞれ配置された２つの電極と、導電性を有するとともに過熱状態で劣化して不可逆的に電気抵抗が高まる特性を有し、前記導電性部材と前記２つの電極の少なくともいずれか一方とを接合する接着剤とを備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＴＣ特性を有する導電性部材と、該導電性部材の異なる２箇所にそれぞれ配置された２つの電極と、導電性を有するとともに過熱状態で劣化して不可逆的に電気抵抗が高まる特性を有し、前記導電性部材と前記２つの電極の少なくともいずれか一方とを接合する接着剤とを備えるＰＴＣサーミスタ。
【請求項２】
過剰な電流が流れることによって発熱する部品を含む回路の保護方法であって、前記回路にＰＴＣサーミスタを設けるとともに、前記回路を構成する配線を、導電性を有するとともに過熱状態で劣化して不可逆的に電気抵抗が高まる接着剤を使って前記部品に通電可能に接着する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、過電流保護素子や温度保護素子として使用されて回路を保護するサーミスタ、および回路の保護方法に関する。
本願は、２００３年６月２３日に出願された特願２００３−１７８６６２号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】  ＰＴＣサーミスタは、熱膨張することによって導電性を変化させる導電性部材の正の抵抗温度特性、すなわちＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を利用して電流を流れ難くしたり流れるようにしたりする素子である。具体的な構造としては、導電性ポリマーやセラミック等によって構成される導電性部材の異なる２箇所に、２つの電極がそれぞれハンダ付けされたものが一般的である。
上記導電性部材を構成する材料のひとつである導電性ポリマーは、例えばポリオレフィンあるいはフッ素系樹脂とカーボンブラックとを混練した後、放射線によって架橋することで構成された高分子樹脂体である。導電性ポリマーの内部には、常温の環境下ではカーボンブラックの粒子が繋がって存在するために電流が流れる多数の導電パスが形成され、良好な導電性が発揮される。ところが、導電パスを流れる電流の超過によって導電性ポリマーが熱膨張すると、カーボンブラックの粒子間距離が拡大して導電パスが切られ、抵抗値が急激に増大してしまう。これが上記の正の抵抗温度特性（ＰＴＣ）である。
上記のようなＰＴＣサーミスタは、導電性部材の異なる２箇所に設けられた電極間に過電流が生じると導電性部材がジュール熱による自己発熱によって熱膨張し、内部に含まれるカーボンブラックの粒子間距離が拡大して導電パスが切れることで電流が流れ離くなり、電極間に電流を流さなくすると自己発熱が止んで導電性部材が収縮し、カーボンブラックの粒子間距離が狭まって導電パスが形成されることで通電可能な状態に戻るというように、電極間に流れる電流の大きさの変化をトリガとするスイッチとして機能させることが可能である。
また、上記のようなＰＴＣサーミスタは、導電性部材のＰＴＣ特性を利用して、周辺の環境温度が所定の温度（導電性部材が熱膨張する温度）より低ければ所定の大きさ以下の電流（これを保持電流という）を流すことが可能になり、環境温度が所定の温度以上になれば導電性部材が熱膨張して電流が流れ難くなるというように、導電性部材の置かれる環境温度の変化をトリガとするスイッチとして機能させることも可能である。
特開平６−１６３２０３号公報には、熱変化に対応して導電率が変化する導電性ペーストについて記載されている。
上記のようなＰＴＣサーミスタを回路中に設置すると、適正な状態で使用される場合にはなんらの問題も生じないが、過電流によって素子が長時間動作し続けた場合や、長時間にわたって非常に高い温度環境下に置かれた場合、導電性部材が破壊されて２つの電極が短絡する可能性が指摘されている。
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、２つの電極間の短絡を防止して回路の安全性を確保することを目的としている。
【発明の開示】
本発明は、ＰＴＣ特性を有する導電性部材と、該導電性部材の異なる２箇所にそれぞれ配置された２つの電極と、導電性を有するとともに過熱状態で劣化して不可逆的に電気抵抗が高まる特性を有し、前記導電性部材と前記２つの電極の少なくともいずれか一方とを接合する接着剤とを備えるＰＴＣサーミスタを提供する。
上記ＰＴＣサーミスタによれば、２つの電極間に過剰な大きさの電流が流れると、まず、導電性部材がジュール熱による自己発熱によって熱膨張して２つの電極間に電流が流れ難くなる。電流が流れ難くなっても導電性部材は自己発熱を続けるので、発熱が長時間に及ぶと、導電性部材と電極とを接合している接着剤が劣化して導電性を低下させてしまう（電気抵抗が高まった結果である）。接着剤の電気抵抗が高まると、当初は主に導電性部材が負担していた電圧を接着剤も負担するようになる。やがて接着剤の電気抵抗が導電性部材の電気抵抗を上回ると、主に接着剤が電圧を負担するようになり、導電性部材の消費する熱エネルギーが少なくなってトリップ状態が解除され、自己発熱は収束に向かう。したがって、導電性部材が破壊されるような事態には至らず、ＰＴＣサーミスタが設置された回路の安全が保たれる。
また、上記ＰＴＣサーミスタによれば、長時間にわたって非常に高い温度環境下に置かれ、導電性部材が破壊されるような事態に至っても、それまでに接着剤が劣化して自らの導電性を低下させてしまい、２つの電極間に介在する接着剤が抵抗体となって電極間を流れる電流値を小さくする働きをする。したがって、導電性部材が破壊されるような事態に至っても、２つの電極が短絡することはなく、ＰＴＣサーミスタを設置された回路の安全が保たれる。
本発明は、過剰な電流が流れることによって発熱する部品を含む回路の保護方法であって、前記回路にＰＴＣサーミスタを設けるとともに、前記回路を構成する配線を、導電性を有するとともに過熱状態で劣化して不可逆的に電気抵抗が高まる接着剤を使って前記部品に通電可能に接着する回路の保護方法を提供する。
上記回路の保護方法によれば、回路に過剰な電圧が印可されると、前記部品に過剰な電流が流れて発熱する。同時に、ＰＴＣサーミスタの両極間に過剰な大きさの電流が流れ、ＰＴＣサーミスタを構成する導電性部材がジュール熱による自己発熱によって熱膨張して両極間に電流が流れ難くなる。
前記部品の発熱が長時間に及ぶと、部品と配線とを接着している接着剤が劣化して導電性を低下させてしまう。接着剤の電気抵抗が高まると、当初は主に導電性部材が負担していた電圧を接着剤も負担するようになる。やがて接着剤の電気抵抗が導電性部材の電気抵抗を上回ると、主に接着剤が電圧を負担するようになり、導電性部材の消費する熱エネルギーが少なくなってトリップ状態が解除され、自己発熱は収束に向かう。したがって、導電性部材が破壊されるような事態には至らず、回路の安全が保たれる。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明の第１の実施形態を示す図であって、ポリマーＰＴＣサーミスタを斜め上方から斜視した図である。
図２は、同じく、本発明の第１の実施形態を示す図であって、ポリマーＰＴＣサーミスタを側方から断面視して要部を拡大した図である。
図３は、本発明の第２の実施形態を示す図であって、保護回路を搭載したリチウム電池を平面視した図である。
図４は、本発明の第３の実施形態を示す図であって、ＰＴＣサーミスタを搭載したプリント基板を断面視した保護回路を搭載したリチウム電池を平面視した図である。
【発明を実施するための最良の形態】  本発明の第１の実施形態を図１および図２の各図に示して説明する。
図１および図２には、過電流保護素子としてのポリマーＰＴＣサーミスタを示している。このポリマーＰＴＣサーミスタは、２つの電極１，２と、これら２つの電極１，２間に介装された導電性部材３とを備えている。電極１，２と導電性部材３とは、導電性を有する接着剤４，５を介して接合されており、両者が直接接している部分はない。
電極１は、導電性部材３の一方の側面に配設され、電極２は、導電性部材３の他方の側面に配設されている。電極１は、平面視すると長方形で厚さが均一な板状をなし、ニッケル板１ａに金の薄膜１ｂを被覆した二層構造となっている。電極２も電極１と同形状をなし、ニッケル板２ａに金の薄膜２ｂを被覆した二層構造となっている。
導電性部材３は、平面視すると正方形で厚さが均一な板状で、ＰＴＣ素子３ａの両面にそれぞれ金の薄膜３ｂ，３ｃが形成されたものである。ＰＴＣ素子３ａは、例えばポリオレフィンあるいはフッ素系樹脂とカーボンブラックとを混練した後、放射線によって架橋することで構成された導電性ポリマー３ｄの両面に、ニッケル箔（または銅箔にニッケルメッキを施したもの）３ｅを圧着したものである。導電性ポリマー３ｄの内部には、常温の環境下ではカーボンブラックの粒子が繋がって存在するために電流が流れる多数の導電パスが形成され、良好な導電性が発揮される。ところが、導電パスを流れる電流の超過によって導電性ポリマー３ｄが熱膨張すると、カーボンブラックの粒子間距離が拡大して導電パスが切られ、抵抗値が急激に増大してしまう（正の抵抗温度特性；ＰＴＣ）。
電極１と導電性部材３とは、互いに金の薄膜１ｂ，３ｂを向かい合わせて配置され、両者間に充填された接着剤４によって接合されている。同様に、電極２と導電性部材３とは、互いに金の薄膜２ｂ，３ｃを向かい合わせて配置され、両者間に充填された接着剤５によって接合されている。接着剤４，５は、上記のごとく導電性を有し、かつ過熱状態では劣化して不可逆的に電気抵抗が高まる特性を備えている。また、導電性ポリマー３ｄが熱膨張をしない温度域では劣化し難く、導電性ポリマー３ｄが熱膨張をする温度域では劣化し易い特性を備えている。
接着剤４，５は合成樹脂と導電性粉末とを必須の成分とし、必要に応じて粘度調整用等の添加剤を加えて混練したものである。合成樹脂には、酢酸ビニル樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、アクリル樹脂、ビニルウレタン樹脂等の熱可塑性樹脂が使用可能である。また、ユリア樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、レゾルシノール樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、α−オレフィン無水マイレン酸樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂等が使用可能である。さらに、以上のいずれか二種以上を混合して使用することも可能である。導電性粉末には、例えば金粉末、銀粉末、ニッケル粉末、カーボン粉末、表面に導電性を有する粉末が使用可能である。
電極１，２やＰＴＣ素子３ａの表面に形成される金の薄膜は、各部材表面の酸化を防止するとともに、良好な導電性を確保しつつ接着剤４，５による接着をより強固にするためのものである。金の他、パラジウムや銀等の適切な導電材料を用いることができる。
上記のように構成されたポリマーＰＴＣサーミスタにおいては、電極１，２間に過剰な大きさの電流が流れると、まず、ＰＴＣ素子３ａを構成する導電性ポリマー３ｄがジュール熱による自己発熱によって熱膨張して電極１，２間に電流が流れ難くなる。導電性ポリマー３ｄは、電流が流れ難い状態のままで自己発熱を続けるので、発熱が長時間に及ぶと、電極１，２と導電性部材３とを接合している接着剤４，５が劣化して自らの導電性を低下させてしまう（電気抵抗が高まる）。
接着剤４，５の電気抵抗が高まると、当初は主に導電性ポリマー３ｄが負担していた電圧を接着剤４，５も負担するようになる。やがて接着剤４，５の電気抵抗が導電性ポリマー３ｄの電気抵抗を上回ると、主に接着剤４，５が電圧を負担するようになり、導電性ポリマー３ｄの消費する熱エネルギーが少なくなってトリップ状態が解除され、自己発熱は収束に向かう。したがって、導電性ポリマー３ｄが破壊されるような事態には至らず、ポリマーＰＴＣサーミスタが置かれた回路やその回路を内蔵する機器の安全が保たれる。
また、上記のポリマーＰＴＣサーミスタにおいては、長時間にわたって非常に高い温度環境下に置かれ、導電性ポリマー３ｄが破壊されるような事態に至っても、それまでに接着剤４，５が劣化して自らの導電性を低下させてしまい、電極１，２間に介在する接着剤４，５が抵抗体となって電極１，２間を流れる電流値を小さくする働きをする。したがって、導電性ポリマー３ｄが破壊されるような事態に至っても、２つの電極が短絡することはなく、ポリマーＰＴＣサーミスタが置かれた回路やその回路を内蔵する機器の安全が保たれる。
ところで、本実施形態においては、導電性部材として導電性ポリマーを使用したポリマーＰＴＣサーミスタについて説明したが、本発明のＰＴＣサーミスタは、導電性部材としてポリマー以外に例えばセラミック等のＰＴＣ特性を有する導電性材料を使用してもよい。
また、本実施形態においては、接着剤４，５による接着強度を高めるために、電極１，２や導電性ポリマー３の表面に金やその他の金属の薄膜を形成するようにしたが、使用する接着剤の組成等の違いによっては、こうした金やその他の薄膜を設ける必要はない。
さらに、本実施形態においては、２つの電極１，２をともに接着剤で導電性部材３に接着したが、本発明のＰＴＣサーミスタは、一方の電極を接着剤を用いて、他方の電極を溶接やハンダ付け等の他の接着手段を用いて導電性部材に接着したものであっても同様の効果を奏する。
本発明のＰＴＣサーミスタは、本実施形態において説明した形態のものに限定されるものではなく、例えば表面実装型等、あらゆる型式のサーミスタに適用が可能である。
次に、本発明の第２の実施形態を図３に示して説明する。
図３には、リチウム電池の保護回路を示している。この保護回路は、リチウム電池（部品）１０とＰＴＣサーミスタ１１とを備えている。ＰＴＣサーミスタ１１には、上記第１の実施形態で説明した構造ではなく、従来構造のものが採用されている。ＰＴＣサーミスタ１１の一方のリードはリチウム電池１０の陽極に繋がる配線１１ａに接続されており、配線１１ａは、リチウム電池１０の陽極に、上記第１の実施形態で説明した接着剤と同様の接着剤１２によって通電可能に接着されている。また、ＰＴＣサーミスタ１１の他方のリードはリチウム電池１０の陰極に繋がる配線１１ｂに接続されており、配線１１ｂは、リチウム電池１０の陰極に、溶接やハンダ付け等の接着手段によって通電可能に接続されている。
上記のように構成された保護回路においては、リチウム電池１０を充電する際に過剰な電圧が印可されると、リチウム電池１０に過剰な電流が流れて発熱する。同時に、ＰＴＣサーミスタ１１の両極間に過剰な大きさの電流が流れ、ＰＴＣサーミスタ１１を構成する導電性ポリマー１１ｃがジュール熱による自己発熱によって熱膨張して両極間に電流が流れ難くなる。
リチウム電池１０の発熱が長時間に及ぶと、リチウム電池１０と配線１１ａとを接着している接着剤１２が劣化して導電性を低下させてしまう。接着剤１２の電気抵抗が高まると、当初は主に電性ポリマー１１ｃが負担していた電圧を接着剤１２も負担するようになる。やがて接着剤１２の電気抵抗が導電性ポリマー１１ｃの電気抵抗を上回ると、主に接着剤１２が電圧を負担するようになり、電性ポリマー１１ｃの消費する熱エネルギーが少なくなってトリップ状態が解除され、自己発熱は収束に向かう。したがって、電性ポリマー１１ｃが破壊されるような事態には至らず、回路の安全が保たれる。
次に、本発明の第３の実施形態を図４に示して説明する。なお、上記実施形態において既に説明した構成要素には同一符号を付して説明は省略する。
図４は、プリント基板上に構成された回路を示している。この回路には、コンデンサ（部品）２０と、２つの電極の一方をコンデンサ２０の一方の極に接続されたＰＴＣサーミスタ１１とが設けられている。ＰＴＣサーミスタ１１の一方の電極には配線２１の一端が、他方の電極には配線２２の一端がともにハンダ付けされている（ハンダは符号２３）。配線２１の他端は、回路の図示しないインプット側に接続されている。また、配線２２の他端は、コンデンサ２０の一方の極に、上記第１、第２の実施形態で説明した接着剤と同様の接着剤２５によって通電可能に接着されている。コンデンサ２０の他方の極には、配線２４の一端が、接着剤２５によって通電可能に接着されている。配線２４の他端は、回路の図示しないアウトプット側に接続されている。
上記のように構成された回路においては、回路に過剰な電圧が印可されると、コンデンサ２０の両極間に過剰な電流が流れて発熱する。同時に、ＰＴＣサーミスタ１１の両極間に過剰な大きさの電流が流れ、ＰＴＣサーミスタ１１を構成する導電性ポリマー（図示略）がジュール熱による自己発熱によって熱膨張して両極間に電流が流れ難くなる。
コンデンサ２０の発熱が長時間に及ぶと、コンデンサ２０と配線２２，２４とを接着している接着剤２５が劣化して導電性を低下させてしまう。接着剤２５の電気抵抗が高まると、当初は主に電性ポリマーが負担していた電圧を接着剤２５も負担するようになる。やがて接着剤２５の電気抵抗が導電性ポリマーの電気抵抗を上回ると、主に接着剤２５が電圧を負担するようになり、電性ポリマーの消費する熱エネルギーが少なくなってトリップ状態が解除され、自己発熱は収束に向かう。したがって、電性ポリマーが破壊されるような事態には至らず、回路の安全が保たれる。
ところで、本実施形態においては、コンデンサ２０に対し配線２２，２４をともに接着剤２５で接着したが、どちらか一方の配線だけを接着剤２５で接着し、他方の配線は溶接やハンダ付け等の接着手段によって接続したとしても相応の効果が得られる。
また、上記第２、第３の実施形態においては部品としてリチウム電池およびコンデンサを例に挙げたが、これらに限らず過剰な電流が流れることによって発熱するものであればどのような部品であってもよい。
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明は上記実施例に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付のクレームの範囲によってのみ限定される。
産業上の利用の可能性
本発明は、ＰＴＣ特性を有する導電性部材と、該導電性部材の異なる２箇所にそれぞれ配置された２つの電極と、導電性を有するとともに過熱状態で劣化して不可逆的に電気抵抗が高まる特性を有し、前記導電性部材と前記２つの電極の少なくともいずれか一方とを接合する接着剤とを備えるＰＴＣサーミスタに関する。
本発明のＰＴＣサーミスタによれば、導電性部材の自己発熱が長時間に及ぶと、導電性部材と電極とを接合している接着剤が劣化し、当初は主に導電性部材が負担していた電圧を接着剤も負担するようになる。やがて接着剤の電気抵抗が導電性部材の電気抵抗を上回ると、主に接着剤が電圧を負担するようになり、導電性部材の消費する熱エネルギーが少なくなってトリップ状態が解除され、自己発熱は収束に向かって導電性部材が破壊されるような事態には至らない。
また、本発明のＰＴＣサーミスタが長時間にわたって非常に高い温度環境下に置かれ、導電性部材が破壊されるような事態に至っても、それまでに接着剤が劣化して自らの導電性を低下させてしまい、２つの電極間に介在する接着剤が抵抗体となって電極間を流れる電流値を小さくする働きをするので、導電性部材が破壊されるような事態に至っても、２つの電極が短絡することはない。したがって、ＰＴＣサーミスタの信頼性を向上させて回路の安全を確保することができる。
本発明は、過剰な電流が流れることによって発熱する部品を含む回路の保護方法であって、前記回路にＰＴＣサーミスタを設けるとともに、前記回路を構成する配線を、導電性を有するとともに過熱状態で劣化して不可逆的に電気抵抗が高まる接着剤を使って前記部品に通電可能に接着する回路の保護方法に関する。
本発明の回路の保護方法によれば、部品の発熱が長時間に及ぶと、部品と配線とを接着している接着剤が劣化し、当初は主にＰＴＣサーミスタが負担していた電圧を接着剤も負担するようになる。やがて接着剤の電気抵抗がＰＴＣサーミスタの電気抵抗を上回ると、主に接着剤が電圧を負担するようになり、ＰＴＣサーミスタの消費する熱エネルギーが少なくなってトリップ状態が解除され、自己発熱は収束に向かって導電性部材が破壊されるような事態には至らない。したがって、ＰＴＣサーミスタを保護して回路の安全を確保することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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