JPH0969416A

JPH0969416A - 正の温度特性を持つ有機抵抗体

Info

Publication number: JPH0969416A
Application number: JP24882495A
Authority: JP
Inventors: Junji Niihara; 淳二新原; Chisato Manome; 千里馬目; Hisashi Kobuke; 恆小更; Kenji Shibata; 憲治柴田
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1995-08-31
Filing date: 1995-08-31
Publication date: 1997-03-11

Abstract

(57)【要約】【課題】耐圧が低下せず、小型で大電流用途に用いられ
る正の温度特性を持つ抵抗体を提供する。【解決手段】熱可塑性重合体に導電性フィラーを分散混
合した有機抵抗体層５と、導体からなる内部電極６ａ、
６ｂとを、内部電極６ａ、６ｂ間に介在する有機抵抗体
層５の層数が２層以上となるように交互に積層して有機
抵抗体素体７を構成する。抵抗体素体７の側面に、それ
ぞれ対向する内部電極６ａ、６ｂに接続される外部電極
８ａ、８ｂを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、正の温度特性（ＰＴ
Ｃ）を有する有機抵抗体に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、結晶性の熱可塑性重合体中に１
種またはそれ以上の導電性充填剤、例えばカーボンブラ
ックまたは微粉化された金属を分散させた抵抗体は正の
抵抗温度係数を有する。このような正の抵抗温度特性を
有する抵抗体として良く知られたものとしては、高密度
ポリエチレンにカーボンブラックを導電性フィラーとし
て添加したものがある（特公昭６４−３３２２号公
報）。図５はその一例を示すもので、カーボンブラック
または微粉化された金属を熱可塑性重合体に分散混合さ
せた抵抗体ＰＴＣ素体１の両面に電極２を固着し、該各
電極２にそれぞれリード線３を固着し、このような電極
２およびリード線３を設けた素体１全体を、モールド重
合体４によりリード線３の先端部を除いて一体にモール
ドしたものである。

【０００３】また、特開平７−１４７０２号公報には、
チタン酸バリウムのようなセラミック層と内部電極とを
積層した積層形としてＰＴＣの抵抗体を構成したものが
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記特公昭６４−３３
２２号公報に記載の導電フィラーとしてカーボンブラッ
クのみを用いた正の温度特性の有機抵抗体には下記のよ
うな問題点がある。前述のように、カーボンブラックを
導電性フィラーとして用いた実用可能な有機抵抗体で
は、せいぜい室温比抵抗が２Ωｃｍ程度にしか低くする
ことはできず、大電流用途には不向きであった。また、
ＰＴＣ特性の有機抵抗体を低抵抗化できれば、小型化が
可能であり、例えば電池等における過大電流による放電
あるいは充電を防止するものとして電池内収容あるいは
電池外への取付けに至便な小型のものが提供できるが、
前述のように、従来のカーボンブラック使用のものでは
低抵抗化に制限があるため、小型化が達成できず、取付
け上、省スペース化されたものの提供が困難である。

【０００５】また、低抵抗化できれば、同じ電流でも発
熱が押えられ、ＰＴＣとして動作せず、大電流で使用す
れば発熱するため、大電流での使用が可能となるが、前
述したカーボンブラック使用のものでは、低抵抗化に制
限があるため、大電流での使用ができない。もし、低抵
抗化を図るために、導電性フィラーの量を増やすと、抵
抗変化率が小さくなり、異常時の電流遮断がしにくくな
るという欠点がでてくる。

【０００６】また、製品として抵抗を下げるためには、
ＰＴＣ抵抗体を薄くすることが必要であるが、その場
合、耐圧が低下してしまうという問題点がある。

【０００７】一方、前記特開平７−１４７０２号公報に
記載のものは、ＰＴＣ特性を得るためにセラミックを用
いているため、内部電極間の比抵抗が高く、せいぜい５
Ωｃｍ程度のものしか得られないから、大電流量化する
には大型となり、小型化には不向きである。また、抵抗
値を下げるには、各内部電極間のセラミック層の厚みを
薄くしなければならず、このため、耐圧が低くなり、１
００Ｖを超えるような比較的高い電圧における使用には
不向きであるという問題点がある。また、耐圧を高くす
るために内部電極間のセラミック層の厚みを厚くする
と、全体としての厚みが厚くなるという問題点がある。

【０００８】本発明は、上記した問題点に鑑み、耐圧が
低下せず、小型で大電流用途に用いられる正の温度特性
を持つ抵抗体を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明は、熱可塑性重合体に導電性フィラーを分散
混合した有機抵抗体層と、導体からなる内部電極とを、
内部電極間の抵抗体層の層数が２層以上となるように交
互に積層して有機抵抗体素体を構成し、該素体の側面
に、それぞれ対向する内部電極に接続される外部電極を
設けたことを特徴とする。

【００１０】本発明において、導電性フィラーは、スパ
イク状の金属粉末と、カーボンブラックと、導電物質で
被覆することにより導電性を持たせたウイスカー状の導
電酸化物とにより構成することが好ましい。また、前記
内部電極は、金属箔もしくは薄膜形成技術により成膜さ
れた薄膜からなることが好ましい。

【００１１】

【作用】本発明においては、熱可塑性重合体に導電性フ
ィラーを分散混合した有機抵抗体抗体と内部電極とを積
層形に形成することにより、各層の内部電極の面積の総
和として広い電極面積が得られ、室温比抵抗を低くする
ことが可能となる。また、有機抵抗体を用いているた
め、大電流用途とするために内部電極間を薄くする必要
がなく、従って耐圧を低くすることもない。

【００１２】

【実施例】図１は本発明による有機抵抗体の一実施例を
示す断面図であり、この有機抵抗体は、例えばポリフッ
化ビニリデンからなる熱可塑性重合体内に導電性フィラ
ーを分散混合してなるＰＴＣ抵抗体層５と内部電極６
ａ、６ｂとを、内部電極６ａ、６ｂ間の抵抗体層の層数
が２層以上（図示例は３層）積層して、有機抵抗体素体
７を構成し、該素体７の側面に、それぞれ対向する内部
電極６ａ、６ｂに接続された外部電極８ａ、８ｂを設け
たものである。

【００１３】図２はこの有機抵抗体の製造工程を示す図
であり、結晶性の熱可塑性重合体の一例であるポリフッ
化ビニリデンと、導電性フィラーとしてのカーボンブラ
ックと、架橋剤とを２００℃で１時間混練し（Ｓ１）、
このように混練した材料を押出機によりもしくはプレス
によりシート状に形成し（Ｓ２）、電子線等により架橋
処理し（Ｓ３）、その後、シートの両面にニッケル、
金、銅、アルミニウム等の箔を２００℃の加熱状態にお
いて加圧して付けるかあるいは薄膜形成技術（スパッタ
リング、メッキあるいは蒸着）によってこれらの金属で
なる電極６ａ、６ｂを形成し（Ｓ４）、このように電極
６ａ、６ｂを付けたシート状の素材を加温加圧状態で積
層した（Ｓ５）後、所定形状に打ち抜き（Ｓ６）、その
後、側面に導電ペーストの塗布や金属キャップを付けて
外部電極８ａ、８ｂとする（Ｓ７）。

【００１４】表１は、図１のように、内部電極６ａ、６
ｂ間の有機抵抗体層５を３層、すなわち内部電極６ａ、
６ｂの層数を４層とした場合における初期比抵抗と抵抗
変化率と破壊電圧（温度上昇状態において短絡を起こす
電圧）を示すものである。なお、前記抵抗変化率は、ｌ
ｏｇ（最大抵抗値／２５℃における抵抗値）で表現され
る値であり、また、表１ないし以降の表中における％は
体積％を表す。試験に供した素子は、全体形状を矩形と
し、従来のように抵抗体１の両面に電極２を固着した１
層型のものは縦（Ｌ）を４．５ｍｍ、横（Ｗ）を３．２
ｍｍ、厚さ（Ｔ）を０．５ｍｍとし、カーボンブラック
充填率は体積率で２２．５％とした。一方、本発明によ
るものは、内部電極６ａ、６ｂ間の間隔と縦Ｌ、横Ｗの
寸法を従来型のもの同じとして厚さ（Ｔ）のみを変えて
２．０ｍｍとした。

【００１５】その結果、室温比抵抗（２５℃における比
抵抗）は、本発明による場合、０．７５Ωｃｍとなり、
従来品の１．８Ωｃｍの約４割程度に低下し、抵抗変化
率は従来品の５．３に対して本発明による場合には５．
１と殆ど変わらず、また、破壊電圧（短絡する電圧）が
従来品の２００Ｖに対して本発明の場合は１９５Ｖと殆
ど変わらないという結果が得られた。

【００１６】また、前記のように、内部電極６ａ、６ｂ
間の抵抗体層５の層数を３層とした場合、内部電極６
ａ、６ｂ間の対向面積の総和が従来の約３倍程度となる
から、大幅な小型化、大電流化が達成できる。また、チ
タン酸バリウムをＰＴＣ抵抗体に用いた場合に小型化、
薄型化するために、内部電極６ａ、６ｂの間隔を狭くす
れば耐圧が低くなり、比較的高圧で用いる用途には適し
なくなるが、本発明による場合には、内部電極６ａ、６
ｂ間の間隔を狭くする必要がないので、耐圧が低くなる
ことはなく、高圧用に用いることができる。

【００１７】また、前記供試品について、ＤＣ１２Ｖ−
１５Ａの通電を１５秒行い、１５０秒休止するという繰
り返し通電試験を行ったところ、図３に示すように、１
万回の繰り返しにおいて、従来品では初期の室温抵抗値
に対し、繰り返し後の室温抵抗値は約２３％上昇した
が、本発明による場合には、この抵抗値の変化が約１２
％程度に押えられ、長期にわたって低い抵抗値が保持で
きることが分かった。

【００１８】なお、内部電極６ａ、６ｂの形成は、導電
ペーストの印刷等による塗布によっても形成できるが、
前述のように、これを金属箔の固着や薄膜形成技術によ
る形成によって行うことにより、薄くて抵抗の低い内部
電極６ａ、６ｂを形成でき、抵抗体全体の薄型化に寄与
できる。

【００１９】ＰＴＣ抵抗体を構成する導電性フィラーと
しは、カーボンブラック以外に、金属粉末を用いること
ができ、また、他の添加物を導電助剤として混入したも
のを用いることができる。そして、より好ましくは、導
電性フィラーの主剤としての金属粉末と、室温被抵抗を
低下させるための導電助剤としてのカーボンブラック
と、抵抗変化率を上げるための導電助剤としてのウイス
カ状導電酸化物とを混合し、結晶性の熱可塑性重合体に
分散、混合してなるものがより好ましい。

【００２０】このよな導電性フィラーの組成とする場
合、金属粉末としてはスパイク状のニッケル粉末（粒体
の周囲に多数の突起を有する粉末）とすることが好まし
い。また、導電酸化物としては、ウイスカ状のチタン酸
カリウムのような酸化物粉末の表面を、銀、ニッケル、
炭素、二酸化錫（ＳｎＯ₂）等の導電物で被覆したもの
とすることが好ましい。

【００２１】上述のように製造された有機抵抗体におい
て、ポリフッ化ビニリデンとして呉羽化学社製ＫＦ１０
００、ニッケル粉末としてインコ（ＩＮＣＯ）社製＃２
５５、カーボンブラックとしてケッチェンブラック・イ
ンターナショナル社製ＥＣ６００ＪＤ、カーボンコート
チタン酸カリウムとして大塚化学社製デントールＢＫ３
００を用い、それぞれの体積％を表２の組成として、抵
抗体そのものの抵抗特性を調べるため、図５に示した構
造でＰＴＣ抵抗体を構成した場合、２５℃における初期
比抵抗が０．８２Ωｃｍのものが得られ、従来のカーボ
ンブラックを導電性フィラーとして充填した有機抵抗体
に比較し、かなり低い初期比抵抗が得られた。また、温
度変化に対する比抵抗の変化は図４に示す通りとなり、
抵抗変化率［＝log（最大抵抗値／初期抵抗値）］は
８．６、すなわち６桁以上となり、十分実用可能な値と
なった。なお、図４に示す比較例１、２は、それぞれ表
２に示す下記の組成からなる。比較例１：ポリフッ化ビニリデン（前記ＫＦ１０００）
７５体積％、カーボンブラック（東海カーボン社製＃４
５００）２５体積％比較例２：ポリフッ化ビニリデン（前記ＫＦ１０００）
７５体積％、ニッケル粉末（前記＃２５５）１５体積
％、カーボンブラック（前記ＥＣ６００ＪＤ）１０体積
％

【００２２】図４から分かるように、本実施例によれ
ば、比較例１、２、すなわちカーボンブラック単独、あ
るいはカーボンブラックとニッケルを混入した抵抗体に
比較して、大きな抵抗変化率が得られた。また、前記特
願平６−７９３９０号のように、金属粉末のみを用いた
場合には、抵抗変化率が最大６．０程度であったが、本
発明によれば、この金属粉末だけの場合よりも大きな抵
抗変化率が得られた。

【００２３】本発明において、金属粉末として用いられ
る材料としては、比較的酸化しにくいものが好ましく、
この酸化しにくい化合物としては、炭化物、窒化物、ホ
ウ化物等がある。また、酸化しにくい金属としては、
銀、ニッケルがある。その中から、比較的安価で比抵抗
も低い前記ニッケル粉末と、炭化チタンと炭化タングス
テンを導電性フィラーに用いた場合の初期比抵抗と抵抗
変化率を比較した。

【００２４】試作品は、表３に示すように、重合体に前
記ポリフッ化ビニリデンを用い、これらの金属粉末の重
合体に対する充填率をほぼ同じ（１５．２体積％または
１６．８体積％）、カーボンブラックの重合体に対する
充填率を３．０体積％、カーボンコートチタン酸カリウ
ムの重合体に対する充填率を１１．１体積％〜１１．２
体積％とした。これらの金属粉末を用いた素体の初期比
抵抗と抵抗変化率は表３に示す通りであり、表３から分
かるように、スパイク状のニッケル粉末を用いれば、初
期比抵抗を大幅に低減でき、抵抗変化率も６桁以上の値
が得られ、金属粉末としてスパイク状のニッケル粉末を
用いることが好ましいことが分かる。なお、導電性フィ
ラー充填率とは、例えば導電性フィラー（ニッケルまた
はカーボンブラックもしくはチタン酸カリウム）の体積
をａ、重合体の体積をｂとすると、重合体に対する充填
率（％）＝｛ａ／（ａ＋ｂ）｝×１００である。

【００２５】なおこのようにスパイク状のニッケル粉末
を用いた場合、ニッケル粉末の平均粒径を１．０μｍ〜
４．０μｍとし、見掛密度を０．５ｇ／ｃｍ³〜０．８
ｇ／ｃｍ³とすることが好ましい。平均粒径が１．０μ
ｍ未満であると、酸化しやすくなって経年変化を起こし
易くなり、また、４．０μｍを超えると、抵抗値が高く
なる。また、見掛密度が０．５ｇ／ｃｍ³未満であると
抵抗値が上り、見掛密度が０．８ｇ／ｃｍ³を超えると
抵抗変化率が低くなる。

【００２６】一方、前記ウイスカ状導電酸化物は、これ
を導電性フィラーとして添加することにより、抵抗変化
率を上げることができるが、無処理のまま使用すると、
抵抗値が高くなってしまう。そこでウイスカ状導電酸化
物の表面を導電物で被覆して抵抗値を下げることが好ま
しく、抵抗値を下げるため、炭素、銀、酸化錫、ニッケ
ルでチタン酸カリウムのウイスカ状粉末をコートしたと
ころ、初期比抵抗、抵抗変化率共に十分な値が得られ
た。表４は炭素、銀、酸化錫でコートしたウイスカ状導
電酸化物を導電性フィラーの一部に用い、他の導電性フ
ィラーや重合体を前記同様とした場合の初期比抵抗と抵
抗変化率とを示す。銀をウイスカ状導電酸化物のコート
材に用いると高価になるため、実用的には炭素コートで
十分である。

【００２７】本発明において、抵抗値を低くする導電助
剤として用いるカーボンブラックは、比表面積が大きい
程、抵抗値を下げる効果が大きかった。比表面積の小さ
なカーボンブラックを増すと抵抗値は下がるが、添加量
が増えると、抵抗変化率が低くなる。そこで、いかに少
ない添加量で抵抗値を下げるかがポイントであり、カー
ボンブラックの比表面積と初期比抵抗および抵抗変化率
について検討した。表４はその結果を示す表であり、表
５の試料において、ニッケル粉末およびカーボンコート
チタン酸カリウムは表２について説明したものと同じも
のを用いた。また、表５の比表面積はＢＥＴ法によるも
のであり、Ｎｏ．１の試料のカーボンブラックは、東海
カーボン社製＃４５００、Ｎｏ．２はキャボット（Ｃａ
ｂｏｔ）社製ブルカン（Ｖｕｌｃａｎ）ＸＣ−７２、Ｎ
ｏ．３はケッチェンブラック・インターナショナル社製
ＥＣ、Ｎｏ．４はケッチェンブラック・インターナショ
ナル社製ＥＣ６００ＪＤを用いた。

【００２８】表５に示すように、比表面積が５８ｍ²／
ｇ以上のカーボンブラックを用いたものにおいて、５桁
以上の抵抗変化率が得られるものの、初期比抵抗が高く
なる。表５に示す組成において、比表面積と初期比抵抗
との関係から、おおよそ８００ｍ²／ｇ以上であれば、
初期比抵抗を２Ωｃｍ以下に押えることができることが
判明した。また、この比表面積の上限は、５桁以上の抵
抗変化率を得るため、１３００ｍ²／ｇ以下とすること
が好ましい。

【００２９】次に導電粉末としてのニッケル粉末の充填
量について検討した結果を説明する。比抵抗を下げるに
は、重合体中に導電性フィラーを多く添加すればよいわ
けであるが、あまり添加量が多過ぎると、重合体が膨張
した後も導電性フィラー間の接触が解けずに抵抗が上が
らず、抵抗変化率が小さいため、ＰＴＣ抵抗体として実
用に耐えない。そこで、表６に示すように、カーボンブ
ラックのポリフッ化ビニリデンに対する充填率を３．０
体積％、カーボンブラックのポリフッ化ビニリデンに対
する充填率を１１．１体積％といずれもほぼ一定にし、
ポリフッ化ビニリデンとニッケル粉末の割合、すなわち
ニッケル粉末の充填率を種々に変え、初期比抵抗と抵抗
変化率とを測定した。その結果、重合体に対するニッケ
ル粉末の充填率が１０体積％を下まわると、抵抗が大き
過ぎ、２５体積％を上まわると抵抗変化率も５桁以下に
なり、実用に耐えないことが判明した。

【００３０】ウィスカー状のチタン酸カリウムの添加の
目的は、ニッケル単体の添加に比べ、抵抗変化率を大き
くすることにある。しかしながら、チタン酸カリウムが
少な過ぎたり、多過ぎたりすると、抵抗変化率が小さく
なってしまう。よってその適正な添加量について検討し
た。表７はポリフッ化ビニリデンに対するニッケル粉
末、カーボンブラックの充填率をそれぞれ１５．０体積
％〜１５．１体積％、３．０体積％とほぼ一定にし、ポ
リフッ化ビニリデンとカーボンコートチタン酸カリウム
との充填率を種々に変化させて初期比抵抗と抵抗変化率
とを測定した結果を示す。表７の結果から、チタン酸カ
リウムは重合体に対する充填率が５体積％〜２０体積％
が適当な量であれば初期比抵抗としてほぼ４Ωｃｍ以下
の値が得られ、抵抗変化率も５桁以上の値が得られるこ
とが判った。

【００３１】また、カーボンブラックの添加により、少
量の添加量であっても比抵抗を低くできるため、ニッケ
ル粉末の助剤として、その添加量を検討した。このカー
ボンブラックの充填量は、ニッケル粉末の場合と同様
に、あまり多過ぎると抵抗変化率が小さくなってしま
う。表８は重合体に対するニッケル粉末とカーボンコー
トチタン酸カリウムの充填率を、それぞれ１５．０体積
％〜１５．１体積％、１１．０体積％〜１１．１体積％
とほぼ一定にし、カーボンブラックの重合体に対する充
填率を変えて初期比抵抗と抵抗変化率を測定した結果を
示すものであり、重合体に対するカーボンブラックの充
填率が１体積％〜５体積％であれば、初期比抵抗が約２
Ωｃｍより低くすることができ、抵抗変化率も５桁以上
の値を得ることができることが判明した。

【００３２】本発明において用いる熱可塑性重合体とし
ては、ポリフッ化ビニリデン以外に高密度ポリエチレ
ン、ポリプロピレン、ポリアミド樹脂、ポリアセター
ル、ポリン塩化ビニリデン、ポリ四フッ化エチレン等が
挙げられる。（以下余白）

【００３３】

【表１】

【００３４】

【表２】

【００３５】

【表３】

【００３６】

【表４】

【００３７】

【表５】

【００３８】

【表６】

【００３９】

【表７】

【００４０】

【表８】

【００４１】

【発明の効果】請求項１によれば、熱可塑性重合体に導
電性フィラーを分散混合した有機抵抗体層と、導体から
なる内部電極とを、内部電極間の抵抗体層数が２層以上
となるように交互に積層して有機抵抗体素体を構成し、
該素体の側面に、それぞれ対向する内部電極に接続され
る外部電極を設けたので、電極間の対向面積が増え、見
かけ上の比抵抗を大幅に低減することができ、また、抵
抗体にセラミックを用いる場合に比較して、抵抗体層の
比抵抗が低いため、全体の厚みや大きさをそれほど大き
くすることなく、しかも耐圧性能を落とすことなく、よ
り大電流用のＰＴＣ有機抵抗体を提供することができ、
ひいてはＰＴＣ有機抵抗体の小型化を達成できる。

【００４２】請求項２によれば、金属粉末とウイスカ状
導電酸化物およびカーボンブラックを結晶性の熱可塑性
重合体に分散、混合してＰＴＣ特性の有機抵抗体を構成
したので、カーボンブラックからなる単一の導電性フィ
ラーのものに比較し、室温比抵抗を低く押えることがで
き、しかも金属粉末単独あるいは金属粉末とカーボンブ
ラックとからなる導電性フィラーを用いたものよりも大
きな抵抗変化率が得られ、大電流用途への使用可能なＰ
ＴＣ特性の有機抵抗体が得られる。また、小型化が達成
できるので、取付け上有利なＰＴＣ特性の有機抵抗体を
提供できる。

【００４３】請求項３によれば、内部電極は、金属箔も
しくは薄膜形成技術により成膜された薄膜で構成したの
で、薄くて抵抗の低い内部電極を形成でき、抵抗体全体
の薄型化に寄与できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるＰＴＣ特性の有機抵抗体の一実施
例を示す断面図である。

【図２】本実施例の製造工程図である。

【図３】本実施例について繰り返し通電試験を行った場
合における抵抗値の変化を従来例と対比して示すグラフ
である。

【図４】本実施例の温度に対する抵抗値の変化を比較例
と対比して示すグラフである。

【図５】従来のＰＴＣ特性の有機抵抗体を示す断面図で
ある。

【符号の説明】

５：ＰＴＣ抵抗体層、６ａ、６ｂ：内部電極、７：抵抗
体素体、８ａ、８ｂ：外部電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者柴田憲治東京都中央区日本橋一丁目13番１号ティ −ディ−ケイ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱可塑性重合体に導電性フィラーを分散混
合した有機抵抗体層と、導体からなる内部電極とを、内
部電極間に介在する有機抵抗体層の層数が２層以上とな
るように交互に積層して有機抵抗体素体を構成し、該素
体の側面に、それぞれ対向する内部電極に接続される外
部電極を設けたことを特徴とする正の温度特性を持つ有
機抵抗体。
【請求項２】請求項１において、前記導電性フィラー
は、スパイク状の金属粉末と、カーボンブラックと、導
電物質で被覆することにより導電性を持たせたウイスカ
ー状の導電酸化物とからなることを特徴とする正の温度
特性を持つ有機抵抗体。
【請求項３】請求項１または２において、前記内部電極
は、金属箔もしくは薄膜形成技術により成膜された薄膜
からなることを特徴とする正の温度特性を持つ有機抵抗
体。