JPH11176610A - Ptc素子、保護装置および回路基板 - Google Patents

Ptc素子、保護装置および回路基板

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JPH11176610A
JPH11176610A JP10279778A JP27977898A JPH11176610A JP H11176610 A JPH11176610 A JP H11176610A JP 10279778 A JP10279778 A JP 10279778A JP 27977898 A JP27977898 A JP 27977898A JP H11176610 A JPH11176610 A JP H11176610A
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則和 岩崎
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久弥 田村
Toyoji Yamazaki
豊司 山崎
Yukio Yamada
幸男 山田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 体積抵抗値が低く、ピーク時の抵抗値が高
く、しかも狭い温度範囲で抵抗値を急激に上昇させるこ
とができるとともに、リフロー処理等の高温処理を行っ
ても、低い初期体積抵抗値が得られ、トリップを繰返し
後も低い体積抵抗値を得ることができるPTC素子なら
びにこれを用いた保護装置および回路基板を提供する。 【解決手段】 非導電性の結晶性高分子6中に導電材1
が分散した混練物7の両側に電極8a、8bを一体化し
たPTC素子5において、導電材1は表面に凹凸を有す
る導電粒子、特に球状炭素粒子2の表面に金属層3を形
成した導電粒子を使用する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は正温度係数を有する
PTC素子、特に過電流、過電圧、その他の発熱に対す
る保護素子として使用できるPTC素子、ならびにこれ
を用いた保護装置および回路基板に関するものである。
【0002】
【従来の技術】PTC(Positive Temperature Coeffic
ient)素子はPTCサーミスタとも呼ばれ、正温度係数
を有し、温度の上昇に伴って抵抗が増加するため、過電
流、その他の発熱に対する保護素子として使用されてい
る。このようなPTC素子としては非導電性の結晶性高
分子中に導電材が分散したものが使用されている。この
ようなPTC素子では、低温状態では導電材が接触して
導通するため低い抵抗値を示すが、温度上昇に伴って結
晶性高分子が膨張することにより、導電材の接触が破れ
て抵抗値が大きくなり、電流が遮断されるようになって
いる。
【0003】従来のPTC素子として導電材に球状、特
に真球状の炭素粒子を用いるもの(特開平8−2982
01号)、あるいはこのような球状粒子の表面に金属層
を形成したもの(特開平8−172001号)などがあ
る。このようなPTC素子では、球状の導電材を用いる
ことにより、体積抵抗値が低く、ピーク時の抵抗値が高
く、しかも狭い範囲で抵抗値を急激に上昇させることが
できるとされている。
【0004】しかしながら、このような従来のPTC素
子を回路基板に表面実装する場合、はんだのリフロー処
理等の高温処理を行うと、初期体積抵抗値が高くなるた
め、表面実装用のPTC素子としての使用が困難な場合
がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、体積
抵抗値が低く、ピーク時の抵抗値が高く、しかも狭い温
度範囲で抵抗値を急激に上昇させることができるととも
に、リフロー処理等の高温処理を行っても、低い初期体
積抵抗値が得られ、トリップを繰返した後も低い体積抵
抗値を得ることができるPTC素子、ならびにこれを用
いた保護装置および回路基板を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は次のPTC素
子、保護装置ならびに回路基板である。 (1) 非導電性の結晶性高分子と、この結晶性高分子
中に分散した導電材とからなるPTC素子において、前
記導電材は表面に凹凸を有する導電粒子からなることを
特徴とするPTC素子。 (2) 導電材が表面に凹凸を有する微小球状炭素粒子
である上記(1)記載のPTC素子。 (3) 導電材がコーティングにより表面に凹凸を形成
した微小球状炭素粒子である上記(1)記載のPTC素
子。 (4) 導電材が粒子の表面に金属層を有する上記
(1)ないし(3)のいずれかに記載のPTC素子。 (5) 初期体積抵抗値およびリフロー投入後の体積抵
抗値が共に1×10-1Ω・cm以下である上記(4)記
載のPTC素子。 (6) 上記(1)ないし(5)のいずれかに記載のP
TC素子と、このPTC素子に熱を伝える発熱体と、異
常を検知して発熱体に通電する検知素子を有する保護装
置。 (7) PTC素子が複数個設けられた上記(6)記載
の保護装置。 (8) 探知素子が電圧検知素子である上記(6)また
は(7)記載の保護装置。 (9) PTC素子と発熱体が絶縁材を介して熱的に接
続された上記(6)ないし(8)記載の保護装置。 (10) 上記(1)ないし(5)のいずれかに記載の
PTC素子が実装された回路基板。 (11) 上記(6)ないし(9)のいずれかに記載の
保護装置が実装された回路基板。
【0007】本発明において用いる結晶性高分子は非導
電性であって、温度上昇により膨張する有機ポリマーで
あれば、従来から使用されているものが制限なしに使用
できるが、特定の狭い温度領域で急激に膨張するものが
好ましい。このような結晶性高分子としては、ポリエチ
レン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリカプロ
ラクトンなどがあげられるが、これらの中でもポリエチ
レン、エチレン・メタクリレートコポリマなどが好まし
い。
【0008】本発明で用いる導電材は表面に凹凸を有す
る微小球状粒子であり、基本形状は球形、好ましくは真
球形であって、その表面に小さい凹凸が形成されている
導電体である。粒径は5〜50μm、好ましくは10〜
40μm、凹凸を形成する突起の高さは0.01〜10
μm、好ましくは0.1〜1μmであって、粒径の1/
5〜1/1000、好ましくは1/10〜1/100、
比重は2〜5、好ましくは2〜3.5が望ましい。
【0009】このような導電材の材質としては銀その他
の金属、炭素材など導電性を有する材料が特に制限なく
使用できるが、製造その他の点から炭素材、特に黒鉛な
らびにその表面にめっき等により金属層を形成したもの
が好ましい。金属層としては金、銀、銅、ニッケル等が
あり、金が好ましいが固着性の面からニッケル−金の2
層を形成するのが好ましい。
【0010】上記の表面に凹凸を有する球状の炭素粒子
は、球状の熱硬化性樹脂またはこれを炭素化して得られ
る炭素粒子に、ピッチコーティング等により表面に凹凸
を形成した状態で、炭素化することにより製造すること
ができるが、上記炭素粒子に炭素粉末をコーティングす
る方法などの他の方法により製造することもできる。
【0011】こうして得られる表面に凹凸を有する炭素
粒子の表面に金属層を形成する方法としては、真空蒸
着、イオンプレーティング、金属溶射などの物理的方法
によることもできるが、電解めっき、または無電解めっ
き等のめっきによる方法が好ましい。めっきとしてはニ
ッケルめっきおよび金めっきを施したものが好ましい。
金属層の厚さは製法により異なるが、一般的には0.0
2〜0.2μm、好ましくは0.1〜0.15μmが適
当である。
【0012】本発明のPTC素子は結晶性高分子中に上
記導電材が分散した混練物を電極間に配置したものであ
り、導電材の割合は全体の25〜60容積%、好ましく
は40〜50容積%とされる。25容積%未満では十分
な初期体積抵抗値が得られず、また60容積%を超える
と十分なPTC特性が得られない。本発明のPTC素子
は結晶性高分子および導電材のほかに耐熱安定剤、耐候
安定剤その他の成分を含んでいてもよい。
【0013】本発明のPTC素子は、結晶性高分子およ
び導電材、ならびに必要により添加される他の成分を混
合し、溶融状態で混練して成形し、混練物を電極間に配
置することにより製造される。このとき混練物を電極と
しての金属箔に挟んでプレスすることにより、電極と一
体化したPTC素子が得られる。
【0014】こうして得られる本発明のPTC素子は初
期体積抵抗値およびリフロー投入後の体積抵抗値がとも
に1×10-1Ω・cm以下のものであり、トリップを繰
返した後も低い体積抵抗値を得ることができる。従って
本発明のPTC素子は一般の保護素子として使用できる
他、回路基板に表面実装しリフロー処理を行う保護素子
としての使用にも適している。
【0015】本発明のPTC素子は正温度係数を有し、
低温下においては導電材が接触して体積抵抗値は低く導
通するが、温度の上昇により、特に特定の温度領域にお
いて急激に結晶性高分子の体積膨張が生じ、これにより
導電材が離間して体積抵抗値が急激に増加し、これによ
りPTC素子がトリップして電流が遮断される。これに
より本発明のPTC素子は過電流、過電圧による発熱な
らびに電池の異常反応による発熱などを検知して電流を
遮断する保護素子として利用することができる。
【0016】本発明のPTC素子のトリップ温度は従来
のものと同様に結晶性高分子の種類、組成ならびに導電
材の量などにより調整することができる。本発明の保護
装置は上記のようなPTC素子と発熱体と検知素子とか
ら構成される。発熱体はPTC素子に熱を伝えるように
例えば絶縁体を介して熱的に接続される。PTC素子は
複数個設けることができる。検知素子は異常を検知して
発熱体に通電するように接続される。検知素子としては
例えば電圧検知素子が使用され、この場合過電圧の検知
により発熱体に通電するように接続される。
【0017】上記の保護装置においては検知装置が過電
圧等の異常を検知して発熱体に通電すると、発熱体が発
熱してこの熱がPTC素子に伝えられ、PTC素子がト
リップして電流が遮断され、これにより保護装置として
機能する。検知素子が電圧検知素子の場合は過電圧によ
りPTC素子が電流を遮断し、装置を保護する。
【0018】上記のPTC素子または保護装置は他の装
置とともに回路基板に実装することにより、保護装置付
の回路基板が得られる。この場合PTC素子または保護
装置の実装に際してリフロー処理を行ってもPTC素子
は劣化することなく、保護素子としての機能を維持す
る。
【0019】本発明の回路基板は、前記PTC素子、発
熱体および検知素子からなる保護素子を実装した回路基
板である。この回路基板では過電圧、過放電のような異
常が生じた場合に、検知器がこれを検知して発熱体に給
電して発熱させ、これによりPTC素子をトリップさせ
ることができる。例えば、蓄電池の充電回路において過
電圧が生じた場合、あるいは電池の放電回路において異
常反応により過放電が生じた場合などにおいて、検知器
がこれらを検知して発熱体を発熱させ、PTC素子をト
リップさせることができる。
【0020】
【発明の効果】本発明のPTC素子は、結晶性高分子中
に分散する導電材として表面に凹凸を有する微小球状導
電粒子を用いたので、体積抵抗値が低く、ピーク時の抵
抗値が高く、しかも狭い温度範囲で抵抗値を急激に上昇
させることができるとともに、リフロー処理等の高温処
理を行っても、低い初期体積抵抗値が得られ、トリップ
を繰返した後も低い体積抵抗値を得ることができるPT
C素子が得られる。
【0021】上記の表面に凹凸を有する微小球状粒子と
して、表面に凹凸を有する炭素粒子を用いることによ
り、初期体積抵抗値の小さいものを容易に製造すること
ができ、特にピッチコートにより表面に凹凸を有する炭
素粒子を用いることにより、容易に適正な凹凸形状を形
成することができる。
【0022】導電材として粒子の表面に金属層を有する
ものを用いる場合は、導通時の体積抵抗値を小さくする
ことができるが、表面に凹凸を有する炭素粒子の表面に
金属層を形成したものは導通時の体積抵抗値の小さいも
のを容易かつ安価に製造することが可能になる。
【0023】本発明の保護装置はこのようなPTC素子
と発熱体と検知素子とを組合せたので、PTC素子では
検知できない過電圧等の異常を検知して電流を遮断し装
置を保護することができ、この場合でも高温処理を行っ
ても低い初期体積抵抗値が得られ、トリップを繰返した
後も低い体積抵抗値を得ることができる。
【0024】本発明の回路基板は上記のようなPTC素
子または保護装置を回路基板に実装するため、実装に際
してリフロー処理を行っても低い初期体積抵抗値が得ら
れ、トリップを繰返した後も低い体積抵抗値を得ること
ができる。
【0025】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
より説明する。図1(a)は実施形態の導電材を示す断
面図、(b)はPTC素子を示す断面図である。
【0026】図1(a)において、1は導電材であっ
て、表面に凹凸を有する微小球状炭素粒子2の表面に金
属層3が形成されている。炭素粒子2は真球状の粒子本
体2aにピッチコートおよび炭化により表面に突出部2
bを形成し、これにより全体を、凹凸形状に形成した炭
素粒子である。金属層3は炭素粒子2の表面の全面にニ
ッケルめっきおよび金めっきによって2層に形成されて
いるが、1層として図示されている。また金属層3は理
解を容易にするために実際よりも厚く表示されている。
【0027】図1(b)において、5はPTC素子であ
り、上記のような導電材1が結晶性高分子6中に分散し
た混練物7の両側に、金属箔からなる電極8a、8bが
一体化されている。
【0028】上記のPTC素子5は結晶性高分子6と導
電材1とを混練し、混練物7を電極8a、8bで挟んで
プレスし、所定の大きさに切断することにより製造され
る。
【0029】上記のPTC素子5は、電極8a、8bを
保護または検知回路に接続して使用される。この場合、
低温では導電材1が接触しているため体積抵抗値は低い
が温度上昇により結晶性高分子6が膨張すると、導電材
1が離間して抵抗値が増加する。この抵抗値を検出して
表示し、または発熱体の電源を制御することにより、発
熱に対する検知または保護素子として利用される。また
PTC素子5は過電流により発熱すると抵抗値が増加す
るため過電流に対する検知または保護素子として利用さ
れる。
【0030】図2(a)は実施形態の保護素子を示す断
面図、(b)はキャップを外した平面図である。図2に
おいて10は保護素子であって、基板11上に電極12
a、12bが形成され、一方の電極12a上にPTC素
子5が搭載されて、電極8bと接続し、PTC素子5の
電極8aと基板11の他方の電極12b間を接続するよ
うに金属箔13が固着され、全体をキャップ14が覆っ
ている。
【0031】上記の基板11はガラス繊維強化エポキシ
樹脂等の絶縁材からなり電極12a、12bは銅箔等に
より形成される導体層パターンである。PTC素子5の
電極8a、8b、基板11の電極12a、12b、およ
び金属箔13はリフロー処理によりはんだ付けされる。
【0032】上記の保護素子10は発熱体に近接して配
置すると、発熱により高温になると、PTC素子5が、
抵抗の増大によりトリップして、発熱を検知し、電流を
遮断して装置を保護することができる。
【0033】図3(a)は実施形態の回路基板の平面
図、(b)はそのA−A断面図である。回路基板20は
基板11上に導体パターンとしてPTC用電極12a、
12bと発熱体用電極15a、15bが形成されてい
る。PTC用電極12a、12bにはそれぞれPTC素
子5a、5bが固着され、これらを接続するように金属
箔13が固着されて保護素子が形成されている。発熱体
用電極15a、15bを接続するように、PTC素子5
a、5b間に発熱体16が設けられ、絶縁材17により
絶縁されており、全体がキャップ(封止体)14で覆わ
れている。
【0034】上記の回路基板20においては電極12
a、12b、PTC素子5a、5bおよび金属箔13の
接続はリフロー処理によりはんだ付けされる。上記の回
路基板20において発熱体16の温度が高くなると、そ
の熱によりPTC素子5a、5bがトリップして電極1
2a、12bの電流値が小さくなる。
【0035】図4(a)は他の実施形態の回路基板の平
面図、(b)はそのB−B断面図である。この実施形態
では、PTC用電極12a、12bの中間に中間電極1
2cが形成され、発熱体16a、16bがこの中間電極
12cと各PTC用電極12a、12b間に分離形成さ
れるとともに、PTC素子5aとPTC素子5bの間が
中間電極12cを介して金属箔13で接続されている。
【0036】上記の回路基板20においては、電極12
a、12b、12c、PTC素子5a、5bおよび金属
箔13の接続はリフロー処理によりはんだ付けされる。
上記の回路基板において発熱体16a、16bの温度が
高くなると、その熱によりPTC素子5a、5bがトリ
ップして電極12a、12bの電流値が小さくなるの
で、これにより電極15a、15bへの通電量を減少さ
せることにより発熱体16a、16bの温度が低下し装
置全体が保護される。
【0037】図5(a)は図3(a)、(b)の回路基
板を本発明の保護装置として用いる実施形態を示す回路
図である。この保護装置はPTC素子5a、5b、発熱
体16および検知素子21を含む。ここでは端子f、g
間にPTC素子5a、5b、発熱体16および検知素子
21のトランジスタ22を直列に接続し、端子fとトラ
ンジスタ22のベース間に検知素子21を構成するツェ
ナーダイオード23と抵抗24が接続されている。この
検知素子21の各部材も回路基板20に実装されている
が、図3(a)、(b)における図示は省略されてい
る。
【0038】上記の保護装置においては、f、g間の電
圧がツェナー電圧に達する過電圧になると、ツェナーダ
イオード23に電流が流れ、これによりトランジスタ2
2が導通して発熱体16に電流が流れ、発熱する。その
熱が金属箔13を通してPTC素子5a、5bに伝導し
てその抵抗値を上昇させ電流を遮断する。このため過電
圧に対する保護装置として、電池の充電回路等に利用さ
れる。
【0039】図5(b)は図4(a)、(b)の回路基
板を本発明の保護装置として用いる実施形態を示す回路
図である。この保護装置はPTC素子5a、5b、発熱
体16a、16bおよび検知素子21を含む。この実施
形態では中間電極12cによりPTC素子5a、5bお
よび発熱体16a、16bが分離されているほかは図5
(a)と同様に接続されている。
【0040】上記の保護装置においては、端子f、g側
で通電が行われる場合と、h、i側で通電が行われる場
合のいずれの場合も、過電圧が生じると検知素子21が
動作して発熱体16a、16bの両方が発熱し、これに
よりPTC素子5a、5bの両方がトリップして発熱体
16a、16bの通電を停止する。このため過電圧に対
する保護素子として電池の充電回路等に利用される。
【0041】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。
【0042】実施例1、2、比較例1、2 次の微小球状炭素粒子を用い、その表面上に無電解めっ
きにより、Niめっきおよびさらにその上にAuめっき
を施して金属層を形成し導電材とした。微小球状炭素粒
子としては、実施例1、2で用いた導電材1、2の炭素
粒子としてはピッチコートにより表面に凹凸を形成した
球状炭素粒子(日本カーボン(株)製、カーボンマイク
ロビーズPC、商標)を用い、比較例1、2で用いた導
電材3、4の微小球状炭素粒子としては、真球状炭素粒
子(日本カーボン(株)製、カーボンマイクロビーズI
CB、商標)を用いた。
【0043】導電材1:粒径5μm、突起高さ0.5μ
mのピッチコート表面修飾微小球状炭素粒子にNi−A
uめっきしたもの(Niめっき厚0.092μm、Au
めっき厚0.061μm) 導電材2:粒径10μm、突起高さ1.0μmのピッチ
コート表面修飾微小球状炭素粒子にNi−Auめっきし
たもの(Niめっき厚0.110μm、Auめっき厚
0.064μm) 導電材3:粒径5μmの真球炭素粒子にNi−Auめっ
きしたもの(Niめっき厚0.091μm、Auめっき
厚0.061μm) 導電材4:粒径10μmの真球炭素粒子にNi−Auめ
っきしたもの(Niめっき厚0.110μm、Auめっ
き厚0.057μm)
【0044】結晶性高分子として高密度ポリエチレン
(HDPE:三井石油化学工業社製、商標ハイゼックス
5000H)およびエチレン−エチルアクリレートコポ
リマー(EEA:日本ユニカー社製、商標NUC617
0)を用い、これらと上記導電材を表1に示す割合で配
合したものを、加圧ニーダを用いて190℃で混練後、
ホットプレス(190℃、5kg/cm2、20秒)で
厚さ300μmのフィルム状にし、さらにNi箔で挟ん
でホットプレス(190℃、5kg/cm2、20秒)
し、200μmの厚さに成形した。
【0045】このPTC素子の初期体積抵抗値を測定す
るとともに、図2に示すように基板にリフロー処理によ
り表面実装して保護素子を得た。リフロー温度はMax
250℃である。また上記の保護素子を用いてリフロー
投入後の初期抵抗値、過電流(10A)を通電したとき
の抵抗値、10A通電サイクルを100回繰返した後の
抵抗値を測定した結果を表1に示す。
【0046】
【表1】
【0047】表1の結果より表面に凹凸を有する導電材
1、2を用いた実施例1、2は初期抵抗値およびリフロ
ー投入後の初期体積抵抗値ともに10-2Ω・cm以下と
比較例1、2よりも低い。また10A通電サイクル後の
体積抵抗値は実施例1、2のものは比較例1、2のもの
より低いが、特に粒径10μmのものを用いた実施例2
のものが低いことがわかる。
【0048】次に上記のPTC素子を図3(a)、
(b)のように回路基板に実装し、図5(a)のように
保護装置を形成し、端子f、g間に4.5Vを印加する
ONを5分間、OFFを5分間繰返したときの抵抗値の
変化を図6に示す。図6より、表面に凹凸を有する導電
材1、2を用いた実施例1、2は比較例1、2よりも抵
抗値の上昇は小さく、特に粒径10μmの実施例2の上
昇が小さいことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態の導電材の断面図、(b)はPTC素
子の断面図である。
【図2】(a)は実施形態の保護素子の断面図、(b)
はキャップを外した平面図である。
【図3】(a)は実施形態の回路基板の平面図、(b)
はそのA−A断面図である。
【図4】(a)は実施形態の回路基板の平面図、(b)
はそのB−B断面図である。
【図5】(a),(b)はそれぞれ図3および図4の回
路基板を保護装置として用いる実施形態を示す回路図で
ある。
【図6】実施例の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
1 導電材 2 炭素粒子 2a 粒子本体 2b 突出部 3 金属層 5、5a、5b PTC素子 6 結晶性高分子 7 混練物 8a、8b、12a、12b、12c、15a、15b
電極 10 保護素子 11 基板 13 金属箔 14 キャップ 16、16a、16b 発熱体 17 絶縁材 20 回路基板 21 検知素子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 幸男 栃木県鹿沼市さつき町12−3 ソニーケミ カル株式会社内

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 非導電性の結晶性高分子と、 この結晶性高分子中に分散した導電材とを含むPTC素
    子において、 前記導電材は表面に凹凸を有する導電粒子からなること
    を特徴とするPTC素子。
  2. 【請求項2】 導電材が表面に凹凸を有する微小球状炭
    素粒子である請求項1記載のPTC素子。
  3. 【請求項3】 導電材がコーティングにより表面に凹凸
    を形成した微小球状炭素粒子である請求項1記載のPT
    C素子。
  4. 【請求項4】 導電材が粒子の表面に金属層を有する請
    求項1ないし3のいずれかに記載のPTC素子。
  5. 【請求項5】 初期体積抵抗値およびリフロー投入後の
    体積抵抗値が共に1×10-1Ω・cm以下である請求項
    4記載のPTC素子。
  6. 【請求項6】 請求項1ないし5のいずれかに記載のP
    TC素子と、このPTC素子に熱を伝える発熱体と、異
    常を検知して発熱体に通電する検知素子を有する保護装
    置。
  7. 【請求項7】 PTC素子が複数個設けられた請求項6
    記載の保護装置。
  8. 【請求項8】 探知素子が電圧検知素子である請求項6
    または7記載の保護装置。
  9. 【請求項9】 PTC素子と発熱体が絶縁材を介して熱
    的に接続された請求項6ないし8記載の保護装置。
  10. 【請求項10】 請求項1ないし5のいずれかに記載の
    PTC素子が実装された回路基板。
  11. 【請求項11】 請求項6ないし9のいずれかに記載の
    保護装置が実装された回路基板。
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