(57)【要約】【課題】  回路の過熱時に電流を遮断するトリップ温度が素子毎に相違したり、チャタリングが発生するのを抑制することのできる過熱保護素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】  導電性を有する一対の金属箔１と、この一対の金属箔１の間に挟持される高分子マトリクス層１０とを備える。各金属箔１の接触面２に、高分子マトリクス層１０用の滞留部３を複数凹み形成するとともに、金属箔１の高分子マトリクス層１０に接触する接触面２を粗面化し、高分子マトリクス層１０に絶縁性微粒子１１を配合しており、一対の金属箔１同士の接触により導通を確保する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性を有する複数の電極体の間に高分子マトリクスを挟み持たせ、複数の電極体同士を常温時には接触させて導通可能とし、常温よりも温度の上昇する温度上昇時には高分子マトリクスを膨張させて離隔させる過熱保護素子であって、
電極体の接触面を粗面化し、高分子マトリクスに絶縁性微粒子を配合したことを特徴とする過熱保護素子。
【請求項２】
電極体の接触面に、高分子マトリクス用の滞留部を形成してその面積率を接触面の２５〜８０％とし、この滞留部を、電極体の厚み×４０〜７０％の範囲の深さで凹み形成した請求項１記載の過熱保護素子。
【請求項３】
各電極体をニッケル、銅、あるいはこれらの合金とし、電極体の接触面における表面粗さＲａを０．５〜５０μｍとした請求項１又は２記載の過熱保護素子。
【請求項４】
高分子マトリクスは、結晶性の熱可塑性ポリマーを７０ｗｔ％以上有し、絶縁性微粒子をシリコーン微粒子としてその平均粒子径を０．１〜５．０μｍとした請求項１、２、又は３記載の過熱保護素子。
【請求項５】
導電性を有する複数の電極体の間に高分子マトリクスを挟み持たせ、複数の電極体同士を常温時には接触させて導通可能とし、常温よりも温度の上昇する温度上昇時には高分子マトリクスを膨張させて離隔させる過熱保護素子の製造方法であって、
各電極体の接触面を粗面化し、高分子マトリクスに絶縁性微粒子を配合することを特徴とする過熱保護素子の製造方法。
【請求項６】
電極体の接触面に、高分子マトリクス用の滞留部を形成してその面積率を接触面の２５〜８０％とし、この滞留部を、電極体の厚み×４０〜７０％の範囲の深さで凹み形成する請求項５記載の過熱保護素子の製造方法。
【請求項７】
各電極体をニッケル、銅、あるいはこれらの合金とし、電極体の接触面における表面粗さＲａを０．５〜５０μｍとする請求項５又は６記載の過熱保護素子の製造方法。
【請求項８】
高分子マトリクスは、結晶性の熱可塑性ポリマーを７０ｗｔ％以上有し、絶縁性微粒子をシリコーン微粒子としてその平均粒子径を０．１〜５．０μｍとする請求項５、６、又は７記載の過熱保護素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機器の回路、電池、部品等を保護する過熱保護素子及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の過熱保護素子は、図示しないが、導電性を有する一対の金属箔と、この一対の金属箔の間に挟持される導電性の高分子マトリクス層とを備え、所定の電気回路あるいは電子回路に組み込まれて導通機能を発揮する。高分子マトリクス層には、導電性樹脂や導電性微粒子が分散して配合されている（特許文献１、２参照）。
このような過熱保護素子には、特に室温での抵抗値が十分に低いこと、室温抵抗値と動作時の抵抗値の変化率が十分に大きいこと、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。
【０００３】
しかしながら、従来の過熱保護素子は、動作の繰り返しにより室温抵抗値が上昇し、しかも、一対の金属箔間に導電性の高分子マトリクス層を挟む構成のため、通電時には高分子マトリクス層自体が回路内の抵抗として機能してしまうという不都合な特徴を有している。
係る問題点に鑑み、通電時には電極となる一対の金属箔同士が接触し、回路の過熱時には熱を検知して一対の金属箔が離隔することにより電流を遮断する過熱保護素子が提案されている。
【特許文献１】特開２００６‐０２４８６３号公報
【特許文献２】特開２００５‐３４７４８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
提案されている過熱保護素子は、以上のように構成されているので、高分子マトリクス層が回路の抵抗になるのを抑制防止することができる。しかし、金属箔の接触する接触面が単なる平面なので、高分子マトリクス層の成形時の歪等により、周囲温度の上昇時に僅かな膨張の偏りが発生し、その結果、回路の過熱時に電流を遮断するトリップ温度が素子毎に相違してしまうというおそれが考えられる。さらに、トリップ温度の近辺で通電状態と絶縁状態が交互に発生するチャタリングが生じてしまうので、過熱保護素子としては不適切である。
【０００５】
本発明は上記に鑑みなされたもので、回路の過熱時に電流を遮断するトリップ温度が素子毎に相違したり、チャタリングが発生するのを抑制することのできる過熱保護素子及びその製造方法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】
【０００６】
本発明においては上記課題を解決するため、導電性を有する複数の電極体の間に高分子マトリクスを挟み持たせ、複数の電極体同士を常温時には接触させて導通可能とし、常温よりも温度の上昇する温度上昇時には高分子マトリクスを膨張させて離隔させるものであって、
電極体の接触面を粗面化し、高分子マトリクスに絶縁性微粒子を配合したことを特徴としている。
【０００７】
なお、電極体の接触面に、高分子マトリクス用の滞留部を形成してその面積率を接触面の２５〜８０％とし、この滞留部を、電極体の厚み×４０〜７０％の範囲の深さで凹み形成することが好ましい。
【０００８】
また、各電極体をニッケル、銅、あるいはこれらの合金とし、電極体の接触面における表面粗さＲａを０．５〜５０μｍとすることが好ましい。
また、高分子マトリクスは、結晶性の熱可塑性ポリマーを７０ｗｔ％以上有し、絶縁性微粒子を球状シリカ又はシリコーン微粒子としてその平均粒子径を０．１〜５．０μｍとすることが好ましい。
【０００９】
また、本発明においては上記課題を解決するため、導電性を有する複数の電極体の間に高分子マトリクスを挟み持たせ、複数の電極体同士を常温時には接触させて導通可能とし、常温よりも温度の上昇する温度上昇時には高分子マトリクスを膨張させて離隔させる過熱保護素子の製造方法であって、
各電極体の接触面を粗面化し、高分子マトリクスに絶縁性微粒子を配合することを特徴としている。
【００１０】
なお、電極体の接触面に、高分子マトリクス用の滞留部を形成してその面積率を接触面の２５〜８０％とし、この滞留部を、電極体の厚み×４０〜７０％の範囲の深さで凹み形成すると良い。
また、各電極体をニッケル、銅、あるいはこれらの合金とし、電極体の接触面における表面粗さＲａを０．５〜５０μｍとすると良い。
また、高分子マトリクスは、結晶性の熱可塑性ポリマーを７０ｗｔ％以上有し、絶縁性微粒子をシリコーン微粒子としてその平均粒子径を０．１〜５．０μｍとすると良い。
【００１１】
さらに、導電性を有する複数の電極体の間に高分子マトリクスを挟み持たせ、複数の電極体同士を常温時には接触させて導通可能とし、常温よりも温度の上昇する温度上昇時には高分子マトリクスを膨張させて離隔させるものであって、
電極体の接触面に、高分子マトリクス用の滞留部を形成するとともに、電極体の接触面を粗面化し、高分子マトリクスに絶縁性微粒子を配合したことを特徴としても良い。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電極体の接触面を粗面化し、高分子マトリクスに絶縁性微粒子を配合するので、回路の過熱時に電流を遮断するトリップ温度が素子毎に相違したり、チャタリングが発生するのを抑制することができるという効果がある。
【００１３】
また、電極体の接触面に、高分子マトリクス用の滞留部を形成してその面積率を接触面の２５〜８０％とし、この滞留部を、電極体の厚み×４０〜７０％の範囲の深さで凹み形成すれば、電極体間の長さ（距離）を長期間安定して確保し、長時間の導通時における短絡のおそれを排除することができるという効果がある。また、高分子マトリクスの膨張に支障を来たしたり、初期抵抗値が当初から高くなるのを防ぐことができる。
【００１４】
さらに、各電極体をニッケル、銅、あるいはこれらの合金とし、電極体の接触面における表面粗さＲａを０．５〜５０μｍとすれば、優れた導電性を比較的安価に得ることができ、しかも、通電状態と絶縁状態が交互に発生するチャタリングを防ぐことが可能になる。
【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熱保護素子は、図１に示すように、導電性を有する一対の金属箔１と、この相対向する一対の金属箔１の間に接着挟持される膨張可能な絶縁性の高分子マトリクス層１０とを備え、コンピュータや自動車等の所定の電気回路あるいは電子回路に組み込まれて一対の金属箔１同士の直接接触により導通機能を発揮する。
【００１６】
一対の金属箔１と高分子マトリクス層１０とは、それぞれ平面矩形に形成され、各金属箔１が圧延等により薄肉に形成されており、高分子マトリクス層１０が比較的厚肉に形成される。
【００１７】
複数の金属箔１は、錆びにくく安価なニッケル、銅、あるいはこれらの合金等を使用して形成され、対向する金属箔１に接触する接触面２には、高分子マトリクス層１０の一部を滞留させる複数の滞留部３がエッチング法等により凹み形成されており、高分子マトリクス層１０に接触しない非接触面４には、回路接続用のリード線５が接続されて電極として機能する。複数の金属箔１のうち、少なくとも一の金属箔１の接触面２は、粗くランダムな凹凸に粗面化される。
【００１８】
複数の滞留部３は、その面積率が接触面２の２５〜８０％の範囲とされ、接触面２から金属箔１の厚み×４０〜７０％の範囲の深さで凹み形成されており、高分子マトリクス層１０の一部に嵌合してその膨張を増大させるよう機能する。滞留部３の面積率が接触面２の２５〜８０％の範囲とされ、接触面２から金属箔１の厚み×４０〜７０％の範囲の深さで凹み形成されるのは、係る範囲から外れる場合には、高分子マトリクス層１０の膨張を支障を来たしたり、初期抵抗値が当初から高くなり、実用に耐えないからである。
【００１９】
金属箔１の接触面２における表面粗さＲａは、導電性を向上させる観点から０．５〜５０μｍの範囲とされる。
【００２０】
高分子マトリクス層１０は、結晶性を有する熱可塑性ポリマーを７０ｗｔ％（重量％）以上含有したシートに成形され、非相溶の絶縁性微粒子１１が多数配合される。この高分子マトリクス層１０としては、例えば適切な膨張率を得ることのできるポリエチレンやマレイン酸変性ＥＰＲ等が材料に使用される。
【００２１】
絶縁性微粒子１１は、例えば球状シリカやシリコーン微粒子等からなり、平均粒子径が０．１〜５．０μｍ、好ましくは０．３〜２．０μｍの範囲とされており、高分子マトリクス層１０の剛性を向上させるよう機能する。この絶縁性微粒子１１の平均粒子径が０．１〜５．０μｍの範囲なのは、平均粒子径が０．１μｍ未満の場合には、樹脂の分散時に粘度が上昇したり、成形性に問題が生じ、コストが上昇するからである。逆に、平均粒子径が５．０μｍを超える場合には、長期間使用するときに過熱保護素子の強度が不十分になるからである。
【００２２】
上記において、過熱保護素子を製造する場合には、先ず、一対の金属箔１を用意してその接触面２に、高分子マトリクス層１０用の滞留部３をそれぞれ複数凹み形成し、金属箔１の接触面２を凹凸に粗面化する。
【００２３】
また、金属箔１の加工と前後して、ペレット状の高分子マトリクスと絶縁性微粒子１１とをジェットミル等にセットしてその粒度を調整し、この高分子マトリクスと絶縁性微粒子１１とをミキサーに投入して混合攪拌し、所定の温度に調整された加圧ニーダーにより混練した後にカレンダー加工機にセットし、このカレンダー加工機によりシーティングして高分子マトリクス層１０を製造する。
【００２４】
こうして一対の金属箔１と高分子マトリクス層１０とをそれぞれ製造したら、一対の金属箔１に高分子マトリクス層１０を挟持させてプレス成形機にセットし、このプレス成形機により加熱加圧してラミネート物を製造し、その後、ラミネート物に電子線を照射して高分子マトリクスを架橋させ、各金属箔１の非接触面４にリード線５を接続すれば、過熱保護素子を製造することができる。
【００２５】
このように製造された過熱保護素子は、所定の電気回路あるいは電子回路に組み込まれ、一対の金属箔１同士が常温時には接触して回路を導通可能とし、常温よりも温度の上昇する温度上昇時、すなわち過熱時には高分子マトリクス層１０が膨張して離隔し、電流を遮断する。係る過熱保護素子は、一次電池、二次電池、自動車のモータ、スピーカ、コンピュータ回路の保護等にヒューズとして広く利用することができる。
【００２６】
上記によれば、金属箔１の接触面２を平面ではなく、適度な凸凹に粗面化するとともに、高分子マトリクス層１０に絶縁性微粒子１１を配合するので、常温よりも温度の上昇する回路の過熱時に電流を遮断するトリップ温度が素子毎に相違してしまうことがなく、しかも、安定した初期抵抗値や急峻なトリップ特性を得ることができる。また、トリップ温度の近辺で通電状態と絶縁状態が交互に発生するチャタリングが生じるのを抑制防止することができるので、適切な過熱保護素子を提供することができる。
【００２７】
また、高分子マトリクスに絶縁性微粒子１１を配合するので、過熱保護素子のトリップ後における安定性を向上させることが可能になる。さらに、各金属箔１に、ある程度の高分子マトリクス層１０の体積を確保する滞留部３を形成して過熱保護素子の過熱時に高分子マトリクス層１０の膨張幅を増大させるので、例え過熱保護素子自体の熱により薄い高分子マトリクス層１０が軟化しても、全体的な金属箔１間の距離を長時間安定して確保することができ、しかも、長時間の導通時に接近して短絡の発生するおそれがない。
【００２８】
なお、上記実施形態では一の金属箔１の接触面２を粗くランダムな凹凸に粗面化したが、各金属箔１の接触面２を粗くランダムな凹凸に粗面化しても良い。また、各金属箔１の接触面２に、複数の滞留部３を凹み形成したが、何らこれに限定されるものではなく、例えば単一の滞留部３を凹み形成しても良い。さらに、高分子マトリクス層１０の高分子マトリクスは、絶縁性を有するものであれば、一種類、多種類、単数複数を特に問うものではない。
【実施例】
【００２９】
以下、本発明に係る過熱保護素子及びその製造方法の実施例を比較例と共に説明する。
実施例１
先ず、高分子マトリクス層と絶縁性微粒子を製造するため、材料としてポリエチレン（出光石油化学製：商品名５４８Ｂ）９２ｗｔ％、マレイン酸変性ＥＰＲ（ＪＳＲ製：商品名Ｔ−７７４１Ｐ）７ｗｔ％、シリコーン微粒子（ＧＥ東芝シリコーン製：商品名ＸＣ９９−Ａ８８０８）１ｗｔ％を用意した。
【００３０】
こうして高分子マトリクス層と絶縁性微粒子の材料を用意したら、ジェットミルにより支給形態であるペレットから１６〜１００ｍｅｓｈの粒度に調整し、この高分子マトリクスと絶縁性微粒子とをスーパーミキサー（カワタ製）に投入して混合攪拌し、１８０℃の温度に調整された加圧ニーダーにより混練して混練物を製造するとともに、この混練物をカレンダー加工機にセットしてシーティングし、厚さ５０μｍの高分子マトリクス層を製造した。
【００３１】
次いで、図２や表１に示す粗面化処理した一対の金属箔に高分子マトリクス層を挟持させてプレス成形機にセットし、このプレス成形機により２５０℃、１０ｋｇｆ／ｃｍ２の条件で加熱加圧して厚さ２５０μｍのラミネート物を製造し、その後、ラミネート物に３０ＭＲａｄの電子線を電子線架橋装置により照射して高分子マトリクスを架橋させ、過熱保護素子を製造した。各金属箔は、厚さ１２５μｍのニッケル箔としてその接触面の表面粗さＲａを２．０μｍとした。
【００３２】
実施例２
高分子マトリクス層と絶縁性微粒子を製造するため、材料としてポリエチレン（出光石油化学製：商品名５４８Ｂ）９２ｗｔ％、マレイン酸変性ＥＰＲ（ＪＳＲ製：商品名Ｔ−７７４１Ｐ）７ｗｔ％、シリコーン微粒子（ＧＥ東芝シリコーン製：商品名ＸＣ９９−Ａ８８０８）１ｗｔ％を用意した。また、一対の金属箔の寸法比を表１に示すように変更した。その他の部分については、実施例１と同様とした。
【００３３】
実施例３
高分子マトリクス層と絶縁性微粒子を製造するため、材料としてポリエチレン（出光石油化学製：商品名５４８Ｂ）９２ｗｔ％、マレイン酸変性ＥＰＲ（ＪＳＲ製：商品名Ｔ−７７４１Ｐ）７ｗｔ％、シリコーン微粒子（ＧＥ東芝シリコーン製：商品名トスパール１４５）１ｗｔ％を用意した。また、一対の金属箔の寸法比を表１に示すように変更した。その他の部分については、実施例１と同様とした。
【００３４】
実施例４
高分子マトリクス層と絶縁性微粒子を製造するため、材料としてポリエチレン（出光石油化学製：商品名５４８Ｂ）９２ｗｔ％、マレイン酸変性ＥＰＲ（ＪＳＲ製：商品名ＮＯ９０３ＨＣ）７ｗｔ％、シリコーン微粒子（ＧＥ東芝シリコーン製：商品名ＸＣ９９−Ａ８８０８）１ｗｔ％を用意した。また、一対の金属箔の寸法比を表１に示すように変更した。その他の部分については、実施例１と同様とした。
【００３５】
実施例５
高分子マトリクス層と絶縁性微粒子を製造するため、材料としてポリエチレン（出光石油化学製：商品名５４８Ｂ）９２ｗｔ％、マレイン酸変性ＥＰＲ（ＪＳＲ製：商品名ＮＯ９０３ＨＣ）７ｗｔ％、シリコーン微粒子（ＧＥ東芝シリコーン製：商品名ＸＣ９９−Ａ８８０８）１ｗｔ％を用意した。また、一対の金属箔の寸法比を表１に示すように変更した。その他の部分については、実施例１と同様とした。
【００３６】
比較例
先ず、材料としてポリエチレン（出光石油化学製：商品名５４８Ｂ）９３ｗｔ％、マレイン酸変性ＥＰＲ（ＪＳＲ製：Ｔ−７７４１Ｐ）７ｗｔ％を選択し、この材料をジェットミルにより支給形態であるペレットから１６〜１００ｍｅｓｈの粒度に調整し、これらをスーパーミキサー（カワタ製）に投入して混合攪拌し、１８０℃の温度に調整された加圧ニーダーにより混練して混練物を製造した。こうして混練物を製造したら、この混練物をカレンダー加工機にセットしてシーティングし、厚さ５０μｍのシートを製造した。
【００３７】
次いで、表１に示す一対の金属箔にシートを挟持させてプレス成形機にセットし、このプレス成形機により２５０℃、１０ｋｇｆ／ｃｍ２の条件で加熱加圧して厚さ２５０μｍのラミネート物を製造し、その後、ラミネート物に３０ＭＲａｄの電子線を電子線架橋装置により照射してシートの高分子配合物を架橋させ、過熱保護素子を製造した。各金属箔は、実施例の場合とは異なり、粗面化処理や滞留部を有しない構造に構成した。
【００３８】
【表１】
2007242654.tif 000003
【００３９】
実施例と比較例の過熱保護素子をそれぞれ製造したら、各過熱保護素子の特性とＲ−Ｔ曲線とをそれぞれ測定して表２〜４と図３〜９にまとめた。
【００４０】
過熱保護素子の特性の測定に際しては、過熱保護素子に電線を接続するとともに、電線のもう一方の端部を抵抗測定器に接続し、接続した過熱保護素子をオーブンに入れて抵抗値の測定を開始した。２０℃から順次１０℃毎に昇温して抵抗値を測定し、１６０℃まで昇温した。こうして１６０℃に達したら、温度を保持して過熱保護素子の抵抗値の状態を観察した。絶縁状態が保てなくなったら、その時点で測定は中止した。絶縁状態の抵抗値は３５０００Ωを限界として測定した。
【００４１】
約２４時間毎にトリップ状態の抵抗値を測定し、１０００時間に達するまで観察した（ＵＬ１４３４のエージングテスト相当）。その後、問題の生じなかった過熱保護素子について、室温に1時間放置後、Ｒ−Ｔ曲線を測定した。
【００４２】
Ｒ−Ｔ曲線は以下の通りに測定した。すなわち、２０℃から順次１０℃毎に昇温して抵抗値を測定し、１６０℃まで昇温した。１６０℃に達したら、温度を順次１０℃毎に降温して２０℃まで測定を続け、２０℃に戻った時の抵抗値を緩和抵抗値と呼ぶこととした。
【００４３】
【表２】
2007242654.tif 000004
【００４４】
【表３】
2007242654.tif 000005
【００４５】
【表４】
2007242654.tif 000006
【００４６】
実施例１〜５の場合には、良好な絶縁状態を示し、１０００時間後のＲ−Ｔ測定でも問題が無かった。
これに対し、比較例の場合には、トリップ温度に到達後、約５０時間以降に絶縁状態が保たれず、チャタリングしている様子が確認され、２５０時間後には全て通電状態になっている様子を確認した。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明に係る過熱保護素子の実施形態を模式的に示す断面説明図である。
【図２】本発明に係る過熱保護素子の実施例を模式的に示す斜視説明図である。
【図３】本発明に係る過熱保護素子の実施例における長期安定性を示すグラフである。
【図４】本発明に係る過熱保護素子の比較例における長期安定性を示すグラフである。
【図５】本発明に係る過熱保護素子の実施例１におけるＲ−Ｔ曲線を示すグラフである。
【図６】本発明に係る過熱保護素子の実施例２におけるＲ−Ｔ曲線を示すグラフである。
【図７】本発明に係る過熱保護素子の実施例３におけるＲ−Ｔ曲線を示すグラフである。
【図８】本発明に係る過熱保護素子の実施例４におけるＲ−Ｔ曲線を示すグラフである。
【図９】本発明に係る過熱保護素子の実施例５におけるＲ−Ｔ曲線を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４８】
１        金属箔（電極体）
２        接触面
３        滞留部
１０      高分子マトリクス層（高分子マトリクス）
１１      絶縁性微粒子  
【図１】
2007242654.tif 000007
【図２】
2007242654.tif 000008
【図３】
2007242654.tif 000009
【図４】
2007242654.tif 000010
【図５】
2007242654.tif 000011
【図６】
2007242654.tif 000012
【図７】
2007242654.tif 000013
【図８】
2007242654.tif 000014
【図９】
2007242654.tif 000015