(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＴＣポリマー層と、該ＰＴＣポリマー層の両表面上にそれぞれ設けられ、かつ、前記ＰＴＣポリマー層と電気的に接続される電極層と、前記ＰＴＣポリマー層の表面と前記電極層との間にそれぞれ設けられる、貫通孔を有する絶縁物層とからなるＰＴＣ素子であって、
前記電極層はその表面に突起部が形成されており、この突起部が前記絶縁物層の貫通孔に挿入されて前記ＰＴＣポリマー層と接続されるとともに、前記ＰＴＣポリマー層の表面の面積の５〜９５％が前記絶縁物層で覆われていることを特徴とするＰＴＣ素子。
【請求項２】
前記絶縁物層がメッシュ状に形成されてなる請求項１に記載のＰＴＣ素子。
【請求項３】
前記貫通孔が複数のスリット状に形成されてなる請求項１に記載のＰＴＣ素子。
【請求項４】
前記絶縁物層がセラミックからなる請求項１〜３のいずれか１項に記載のＰＴＣ素子。
【請求項５】
前記電極層から前記ＰＴＣポリマー層へ流入する電流の大きさに応じて前記ＰＴＣポリマー層の前記絶縁物層により覆われる面の表面積の大きさを変化させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＰＴＣ素子。
【請求項６】
前記ＰＴＣポリマー層が電極層を介し、多層に設けられてなる請求項１〜３のいずれか１項に記載の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ＰＴＣ（positive temperature coefficient）素子に関する。さらに詳しくは、ＰＴＣポリマー層と電極層のあいだにそれぞれ絶縁物層が形成されたＰＴＣ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は従来のＰＴＣ素子の断面を示している。図において、２１はＰＴＣポリマー層であり、３、４は前記ＰＴＣポリマー層と電気的に接続された電極層である。この種のＰＴＣ素子におけるＰＴＣ特性は、主成分である結晶性ポリマーが、その融点において結晶が融解する際に急激な体積膨脹を起こし、この結晶性ポリマー中に分散させた導電性粒子の間隔が広げられることにより発現される。つぎに、ＰＴＣ素子の温度に対する電気抵抗率の変化について図８を用いて説明する。通常の素子動作範囲である期間Ａにおいては、ＰＴＣ素子の電気抵抗率は数ｍΩ・ｃｍを示しており、ＰＴＣ素子の温度上昇に伴い緩やかに電気抵抗率が高くなる。さらに、たとえば短絡電流や過電流が流れた際にはジュール熱の発生によってＰＴＣ素子の温度が上昇し、図８においてＴtで示される特定の温度（以下、「遷移温度」という）を超えると電気抵抗率は急激に上昇する。このように、ＰＴＣ素子の温度が遷移温度Ｔtを超えた時点で素子は低抵抗状態から高抵抗状態へと変化し、高抵抗状態におけるＰＴＣ素子の電気抵抗率は十ｋΩ・ｃｍないし数十ｋΩ・ｃｍとなる。かかる抵抗増大作用によって、前記ＰＴＣ素子は、ＰＴＣ素子を通過する電流を低減させることができるという限流特性を有し、電気機器の配電システムなどを短絡電流や過電流から保護する役目を果たす。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＰＴＣ素子は、ＰＴＣ素子にたとえば数十ｋＡという大きな短絡電流が流れたばあい、ＰＴＣ素子の温度が上昇し、電気抵抗率は急激に高くなるが、遷移温度を超えてから、ＰＴＣ素子が高電気抵抗率になって限流作用を示すまでに、約２ｍｓｅｃ程度の時間がかかってしまい限流素子としての充分な限流効果がえられないという問題がある。
【０００４】
本発明はかかる問題を解決するためになされたものであり、ＰＴＣ素子に短絡電流などが流れたばあい、短時間でＰＴＣ素子の電気抵率が高くなる限流特性のよいＰＴＣ素子を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のＰＴＣ素子は、ＰＴＣポリマー層と、該ＰＴＣポリマー層の両表面上にそれぞれ設けられ、かつ、前記ＰＴＣポリマー層と電気的に接続される電極層と、前記ＰＴＣポリマー層の表面と前記電極層との間にそれぞれ設けられる、貫通孔を有する絶縁物層とからなり、前記電極層はその表面に突起部が形成されており、この突起部が前記絶縁物層の貫通孔に挿入されて前記ＰＴＣポリマー層と接続されるとともに、前記ＰＴＣポリマー層の表面の面積の５〜９５％が前記絶縁物層で覆われていることを特徴とするものである。
【０００６】
前記絶縁物層がメッシュ状に形成されてなることが好ましい。
【０００７】
前記貫通孔が複数のスリット状に形成されてなることが好ましい。
【０００８】
前記絶縁物層がセラミックからなることが好ましい。
【０００９】
前記電極層から前記ＰＴＣポリマー層へ流入する電流の大きさに応じて前記ＰＴＣポリマー層の前記絶縁物層により覆われる面の表面積の大きさを変化させてなることが好ましい。
【００１０】
前記ＰＴＣポリマー層が電極層を介し、多層に設けられてなることが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
つぎに図面を参照しながら本発明のＰＴＣ素子の実施例を説明する。
【００１２】
［参考例］
図１は本発明のＰＴＣ素子の一参考例を示す断面図であり、図２は図１に示される絶縁物層を示す斜視図である。図１に示すように、１は、円柱または角柱状の多数の凸部１ａが形成されたＰＴＣポリマー層であり、２は、該ＰＴＣポリマー層１の凸部１ａに嵌合し、かつ断面形状が円形または角形である厚さ方向の貫通孔２ａが形成された絶縁物層である。図２にその貫通孔の形状がさらに詳しく示されている。３、４は、前記ＰＴＣポリマー層１の凸部１ａにたとえば溶着により電気的に接続される電極層である。
【００１３】
つぎに本参考例のごとくＰＴＣポリマー層と電極層とを接続したＰＴＣ素子の限流作用について説明する。
【００１４】
前記ＰＴＣポリマー層１の凸部１ａを介して前記電極層３、４間に流れる電流が少ないばあいは、ＰＴＣポリマー層１の温度は遷移温度を超えないため、ＰＴＣポリマー層１の電気抵抗率は低いままである。しかし、短絡電流などの過電流が前記電極層３、４間に流れるばあいは、従来のＰＴＣ素子では過電流がＰＴＣポリマー層の全表面に流入していたが、本参考例のＰＴＣ素子では過電流は全表面からではなくＰＴＣポリマー層１の凸部１ａのみから流れることとなり、ジュール熱の発生による温度上昇は凸部１ａ部分に集中して急速に生じることとなり、ＰＴＣポリマー層の凸部１ａの温度が急上昇する。よって、ＰＴＣポリマー層１の電気抵抗率は急激に高くなり、前記電極層３、４間に流れる電流は短時間で制限される。
【００１５】
また、ＰＴＣポリマー層１の局部的に温度上昇した部分の熱が、周囲に放熱され、ＰＴＣポリマー層１の温度が遷移温度より低くなれば、ＰＴＣポリマー層１は低抵抗に戻る。
【００１６】
また、本参考例のＰＴＣ素子に含まれる絶縁物層は、ＰＴＣポリマー層１の両表面の面積の５〜９５％を覆う。絶縁物層がＰＴＣポリマー層を覆う面積が、ＰＴＣポリマー層の両表面の面積の５％より少ないと短絡電流に対して所望の高抵抗がえられず、９５％より大きいとＰＴＣポリマー層と電極層のあいだで電流が流れなくなるためである。
【００１７】
［実施例１］
図３は、本実施例によるＰＴＣ素子の断面図を示す。図３において、７はＰＴＣポリマー層を示し、２は絶縁物層を示し、参考例の絶縁物層と同一のものであり、５、６は電極層を示す。前記参考例では、絶縁物層２に設けた貫通孔２ａに嵌合する凸部１ａを備えるＰＴＣポリマー層１を有するＰＴＣ素子について示したが、図３に示す本実施例１のように、絶縁物層２に設けた貫通孔２ａに嵌合する突起部５ａ、６ａを電極層５、６に設けてもよい。すなわち本実施例においては、電極層５、６の前記突起部５ａ、６ａが、ＰＴＣポリマー層７と電気的に接続するため、前記参考例と同様の効果をうることができる。
【００１８】
また、本発明のＰＴＣ素子に含まれる絶縁物層は、ＰＴＣポリマー層の両表面の面積の５〜９５％を覆う。絶縁物層がＰＴＣポリマー層を覆う面積が、ＰＴＣポリマー層の両表面の面積の５％より少ないと短絡電流に対して所望の高抵抗がえられず、９５％より大きいとＰＴＣポリマー層と電極層のあいだで電流が流れなくなるためである。
【００１９】
［実施例２］
図４（ａ）は、本実施例によるＰＴＣ素子の断面図を示し、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ線断面図を示す。図４において、７はＰＴＣポリマー層を示し、１０ａ、１０ｂは絶縁物層を示し、８、９は電極層を示す。また図５（ａ）は、本実施例によるＰＴＣ素子の断面図を示し、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＢ−Ｂ線断面図を示す。図５において７は、ＰＴＣポリマー層を示し、１３ａ、１３ｂは絶縁物層を示し、１１、１２は電極層を示す。
【００２０】
前記参考例では、絶縁物層２に設けた貫通孔２ａに嵌合する凸部１ａを備えるＰＴＣポリマー層１を有するＰＴＣ素子について示したが、図４に示す本実施例２のように、電極層８、９とＰＴＣポリマー層７とのあいだに、メッシュ状の絶縁物層１０ａ、１０ｂを介在させることができる。または、図５に示されるように、電極層１１、１２とＰＴＣポリマー層７とのあいだにスリット状の絶縁物層１３ａ、１３ｂが介在されてなるＰＴＣ素子においても前記参考例と同様の効果をうることができる。
【００２１】
［実施例３］
また前記参考例、実施例１または２の絶縁物層に、たとえば０．０１ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃の熱伝導率を有するセラミックを使用してもよく、絶縁物層として作用するとともに、ＰＴＣポリマー層において発生する熱の放熱が効率よく行えるため、より大きな定格電流に対応できるＰＴＣ素子が実現される。
【００２２】
たとえば、従来より絶縁物層として用いられているポリエステルの代わりにセラミックを使用するばあい１０倍程度放熱が効率よく行える。
【００２３】
［実施例４］
前記参考例、実施例１または２のＰＴＣポリマー層と電極層とのあいだに設けられる絶縁物層の形状の変化により、ＰＴＣポリマー層の表面を覆う面積を変化させることで、定格電流や短絡電流の変化に対応するＰＴＣ素子が実現される。
【００２４】
たとえば、ＰＴＣポリマー層の上面および下面を絶縁物層が３０％覆うばあいと６０％覆うばあいをくらべると、２倍程度の定格電流を流せる。
【００２５】
［実施例５］
図６は、本実施例によるＰＴＣ素子の断面図を示す。
【００２６】
図６において、１はＰＴＣポリマー層を示し、２は絶縁物層を示し、３、４、１６は電極層を示す。
【００２７】
前記参考例、実施例１または２においては、ＰＴＣポリマー層を１層だけ有するＰＴＣ素子について示したが、図６に示すようにＰＴＣポリマー層１を電極層１６を介して多層としても短絡電流などの過電流が流れるばあい、ＰＴＣポリマー層１の凸部１ａのみから流れることになりＰＴＣポリマー層１の凸部１ａの温度が急上昇し、ＰＴＣポリマー層１の電気抵抗率は急激に高くなり、電流は短時間で制限されるため、前記参考例、実施例１または２に示される効果と同様の効果がもたらされる。
【００２８】
本発明において用いられるＰＴＣポリマーは結晶性ポリマー中に導電性粒子を分散させたものである。結晶性ポリマーとしては、前述のように、その融点において結晶が融解する際に急激な体積膨脹を起こし、この結晶性ポリマー中に分散させた導電性粒子の間隔を広げる作用を有するものであれば特に限定されない。結晶化度は２０％以上、特に４０％以上が好ましい。具体例としては、たとえば特公昭６４−３３２２号公報、特公平４−２８７４４号公報、特公平５−６６００１号公報などに開示されるような結晶性ポリマーがあげられ、それらのうち、たとえば高密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、低密度ポリエチレンなどのポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ−ブテン−１、ポリメチルペンテン（ＴＰＸ）、アイオノマー、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレンープロピレンゴムまたはエチレンプロピレンブロック共重合体などのポリオレフィン類；ポリビニリデンフルオライド、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレンまたはポリクロロトリフルオロエチレンなどのフルオロカーボンポリマー類；ポリアミド、ポリアセタール、シンジオタウチッノ−ポリスチレンまたは飽和ポリエステルなどの結晶性高分子などの１種または２種以上の混合物が好ましい。これらの中で最も好ましいものは、結晶化度がもっとも高い点からポリオレフィン類中のポリエチレンである。導電性粒子としては、粒径が０．０２〜２００μｍ程度のたとえば、カーボンブラック、グラファイト、カーボンファイバー、金属メッキカーボンファイバー、金属粒子（Ｎｉ、Ａｇ、Ａｌ、ＦｅまたはＣｕなど）、金属繊維または無機物ウィスカーなどを、結晶性ポリマー中に４０〜８０重量％混入することが常温抵抗率を０．２Ωｃｍ程度に保つために好ましい。さらに、実用面およびコスト面のバランスからは、粒径０．０３〜０．２μｍ程度のカーボンブラックを、結晶性ポリマー中に５０〜７０重量％混入することが最も好ましい。
【００２９】
また、本発明のＰＴＣ素子の絶縁物層としては、たとえばポリエチレン、ポリエステル、ポリプロピレン、テフロンまたはセラミックなどがあげられるが、ＰＴＣポリマーとの密着性の点において、ポリエチレンが好ましい。
【００３０】
本発明のＰＴＣ素子の電極層としては、高導電性および低コストの点からニッケルメッキ銅、ニッケル、銅または銀などが好ましい。
【００３１】
本発明においては、高密度ポリエチレンにたとえば粒径０．０９μｍのカーボンブラックを５５重量％程度配合してたとえば厚さ０．６ｍｍのＰＴＣポリマーとし、該ＰＴＣポリマーの両表面にたとえば０．１ｍｍのポリエチレンを蒸着により絶縁物層として形成し、さらにその外側にたとえば１ｍｍのニッケルメッキ銅を電極層として形成する組合わせがＰＴＣポリマーと絶縁物膜の密着性がよい点で好ましい。
【００３２】
本発明においては、高密度ポリエチレンにたとえば粒径０．０９μｍのカーボンブラックを５５重量％程度配合してたとえば厚さ０．６ｍｍのＰＴＣポリマーとし、該ＰＴＣポリマーの両表面にたとえば０．１ｍｍのセラミックを蒸着により絶縁物層として形成し、さらにその外側にたとえば１ｍｍのニッケルメッキ銅を電極層として形成する組合わせが放熱がよくより大きな電流を流せる点で好ましい。
【００３３】
【発明の効果】
請求項１に記載のＰＴＣ素子は、ＰＴＣポリマー層と、該ＰＴＣポリマー層の両表面上にそれぞれ設けられ、かつ、前記ＰＴＣポリマー層と電気的に接続される電極層と、前記ＰＴＣポリマー層の表面と前記電極層との間にそれぞれ設けられる、貫通孔を有する絶縁物層とからなり、前記電極層はその表面に突起部が形成されており、この突起部が前記絶縁物層の貫通孔に挿入されて前記ＰＴＣポリマー層と接続されるとともに、前記ＰＴＣポリマー層の表面の面積の５〜９５％が前記絶縁物層で覆われているため、短絡電流などが流れたばあい、短時間でＰＴＣ素子の電気抵抗率が高くなり、優れた限流特性をうることができる。
【００３４】
請求項２に記載のＰＴＣ素子は、前記絶縁物層がメッシュ状に形成されるため、短絡電流などが流れたばあい、短時間でＰＴＣ素子の電気抵抗率が高くなり、優れた限流特性をうることができる。
【００３５】
請求項３に記載のＰＴＣ素子は、前記貫通孔が複数のスリット状に形成されるため短絡電流などが流れたばあい、短時間でＰＴＣ素子の電気抵抗率が高くなり、優れた限流特性をうることができる。
【００３６】
請求項４に記載のＰＴＣ素子は、前記絶縁物層がセラミックからなるため、素子に流れる電流により起こる熱の放熱がよくなり、より大きな電流を流すことができる。
【００３７】
請求項５に記載のＰＴＣ素子は、前記電極層から前記ＰＴＣポリマー層へ流入する電流の大きさに応じて前記ＰＴＣポリマー層の前記絶縁物層により覆われる面の表面積の大きさを変化させているため、種々の大きさの定格電流または短絡電流に対応することができる。
【００３８】
請求項６に記載のＰＴＣ素子は、前記ＰＴＣポリマー層が電極層を介し、多層に設けられてなり、短絡電流などが流れたばあい、短時間でＰＴＣ素子の電気抵抗率が高くなり、すぐれた限流特性をうることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の参考例によるＰＴＣ素子を示す断面図である。
【図２】  本発明の参考例の絶縁物層を示す斜視図である。
【図３】  本発明の一実施例によるＰＴＣ素子を示す断面図である。
【図４】  本発明の他の実施例によるＰＴＣ素子を示す断面図である。
【図５】  本発明の他の実施例によるＰＴＣ素子を示す断面図である。
【図６】  本発明の他の実施例によるＰＴＣ素子を示す断面図である。
【図７】  従来のＰＴＣ素子を示す断面図である。
【図８】  ＰＴＣポリマー層の温度−電気抵抗率特性を示す図である。
【符号の説明】
１  ＰＴＣポリマー層、２  絶縁物層、３、４  電極層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【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】
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