JPS62285332A - 自己復帰形過電流保護素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ３、発明の詳細な説明 （産業上の利用分野） 本発明は有機系導電材料を用いて性能を改善した自己復
帰形過電流保護素子（以下自明の場合には過電流保護素
子または素子と略記する）に関するものである。

（従来の技術） 過電流に対する保護装置としてヒユーズやサーキットブ
レーカなどが広く用いられている。しかしヒユーズは溶
断後の再使用に当っては張り替えが必要であり、他方サ
ーキットブレーカは動作後の復帰操作は比較的容易であ
るが小形化が困難でプリント配ｖＡ仮などに取付使用す
るには不適当である。従ってこれらに代るものとして抵
抗値が温度の上昇に伴って大幅に増加する特性を利用し
た抵抗体、たとえば正特性サーミスタが自己復帰形保護
素子として用いられるようになった。

ところで正特性サーミスタには従来からチタン酸バリウ
ム系磁器半導体を主成分とするもの、および有機半導体
を利用したプラスチックサーミスタなどがあるが、前者
は成形性や可撓性に乏しく、また後者は印加電圧の上昇
につれて導電性が広い範囲に亘って増加し過電流制限作
用が失われるなどの欠点があり自己復帰形過電流保護素
子として満足できるものはなかった。

最近これらの欠点を持っていない正特性サーミスタとし
てカーボンプラ・ツクにアクリル酸、メタクリル酸エス
テルなどのビニル系モノマーをグラフト重合させ、さら
にエポキシ樹脂などの架橋剤を加えて加熱硬化させたも
のが開発されつつある。

（発明が解決しようとする問題点） グラフト重合などを経て得られる前記のサーミスタは正
特性を有し、成形性も良く、熱サイクル等による熱履歴
に対しても安定しているから自己復帰形過電流保護素子
として用いることができる。

しかし欠点もある、すなわちこの種のサーミスタは大き
い抵抗温度係数を得るためにグラフト率を高くされ樹脂
分が多くなっていることなどの理由で素子としての抵抗
値も比較的高く、動作電圧すなわち定格電圧が数１００
■で、動作電流すなわち定格電流が最高数ｍＡ以下のも
のしか得られない。

他方過電流保護素子としてはプリント配線回路用のよう
に小形で低電圧回路に用いる用途が何よりも多くこれら
の用途に適するものはまだ得られていない。

（問題点を解決するための手段） 本発明者らは前記の問題点を解決して大きな抵抗温度係
数を有し、しかも抵抗値の小さい自己復帰形過電流保護
素子を得るため鋭意研究の結果粒子の表面が部分的に金
属めっきされたカーボンブラックを使用することにより
これらの目的に到達できることを見出し本発明を完成し
た。すなわち本発明は表面が金属で部分的にめっきされ
たカーボンブランクにビニル系モノマーをグラフト重合
させ、さらに架橋剤としてエポキシ系樹脂を加えて加熱
することにより得られた硬化物を素子としたことを特徴
としている。

本発明において使用されるカーボンブランクとしてはチ
ャンネルブラック、ファーネスブラック。

アセチレンブランクなどが挙げられる。カーボンブラン
クの表面には部分的に金属めっきが施される。金属めっ
きには通常無電解めっき、いわゆる化学めっきが用いら
れる。めっきされる金属には特に制限はないがニッケル
、銅、恨、ＳＰＡ、金などが実用される。

カーボンブランクの粒子の表面全体を金属で覆うとビニ
ル系モノマーをグラフト重合させることができなくなり
正の抵抗温度係数を有するサーミスタが得られなくなる
ため、本発明においてはカーボンブラックの表面は露出
面が一部残るようにして金属で部分的めっきを施す。こ
のため金属の付着量は重量比でカーボンブランクを１と
して通常は０．１〜ＩＯ１好ましい値は０．５〜６であ
る。

さて金属で部分めっきしたカーボンブランクの粒子表面
には金属が付着した部分と付着してない部分とがあるが
、金属が付着した部分にもピンホールやクラックが存在
し、カーボンブラックの表面が直接露出している箇所も
あるので、ビニル系モノマーはこれらの金属に覆われて
いない部分とグラフト反応を生ずる。なお金属で部分的
にめっきされたカーボンブラックに金属めっきされてい
ないカーボンブラックを一部混合して上記同様に使用す
ることもできる。しかし金属めっきされたカーボンブラ
ンクを用いる代りに、カーボンブランクにこれらの金属
粉を単に混合しただけでは正の抵抗温度係数を有するサ
ーミスタは得られない。

本発明においては金属をめっきしたカーボンブラックに
ビニル系モノマーがグラフト重合されることは前記の通
りであるがビニル系モノマーとしては一般式 ％式％ （ただしＲは水素またはメチル基、Ｒ゛は水素または炭
素数１〜１０のアルキル基、グリシジル基。

ＮＮ’−ジアルキルアミノ置換炭化水素基）で表される
もので、たとえばアクリル酸、メタクリル酸またはこれ
らの酸のエステル類、あるいはアクリルるたはメタクリ
ルアミド、アクリロニトリル。

メタクリロニトリル、酢酸ビニル、スチレン及びその誘
導体ならびに無水マレイン酸などである。

これらのうちアクリル酸とメタクリル酸エステルなどの
組合わせが特に好適である。

また重合開始剤としてはα、α゛　−アゾビスイソブチ
ロニトリル、α、α′　−アゾビスプロピオニトリルや
その他のアゾ及びジアゾ化合物、過酸化物などが用いら
れる。

重合方法としては通常溶液重合法が用いられるが、塊状
重合、懸濁重合などの方法も用いることができる。

さてこの様にしてビニル系モノマーはカーボンブラック
の表面で金属めっきされていない部分と反応し、カーボ
ンブラックグラフトポリマーが生成する。これらのカー
ボンブラックグラフトポリマーに架橋剤としてエポキシ
環を有する化合物。

通常はエポキシ樹脂を加えてアルミナ製などの基板に塗
布した後（１５０〜２００℃で加熱硬化させることによ
って正の抵抗温度係数を有し、しかも抵抗値の低い自己
復帰形過電流保護素子を得ることができる。

第１図は本発明による自己復帰形過電流保護素子の構造
例を示すもので（ａ）は平面図、（ｂｌはその横断面を
それぞれ表している。これらの図には四角形のアルミナ
基板ｌの上面両側にはＡｇ、　ｐｄｉｉ極２ａ。

２ｂが取付けられ、アルミナ基板１の上面の２つの電極
２ａ、　２ｂで挟まれた部分には電極２ａ、　２ｂの一
部とも重複してカーボンブラックグラフトポリマー３が
塗布され、加熱硬化させ密着させることによって作られ
た素子が示されている。電極２ａと２ｂ間には電圧が加
えられると電流が流れるが電流の値が異常に大きくなる
と温度上昇によって素子の抵抗が急増し電流は遮断され
る。しかしその後電圧が定常状態に戻りかつ素子の温度
が下がるとともに素子抵抗も低下し電流は自動的に復帰
する。

（発明の実施例） 化学めっき法を用いて重量比でカーボンブランク（ファ
ーネスブラック）１に対しニッケルをそれぞれ１，２お
よび５の割合で付着させることにより、ニッケルによっ
て部分的にめっきされた３種類のカーボンブランクを用
意した。このカーボンブラックのそれぞれに触媒として
α、α°　−アゾビスイソフ゛チロニトリル、ン容剤と
してジメチルホルムアミド及びメチルイソブチルケトン
を用い、次表に示した配合で溶液重合法によりアクリル
酸及びメタクリル酸オクチルを９５℃で８時間反応させ
それぞれニッケル含有量の異なるカーボンブランクグラ
フトポリマーを作製した。

次にこのようにして得られた金属めっきカーボンブラッ
クグラフトポリマーのそれぞれに架橋剤としてエポキシ
樹脂（商品名エピコート８２８）　２０ｇを混合し、電
極間の距離０．５ｍｍ、幅８ｆｌで第１図と同様のアル
ミナ基板面に塗布した後、７０℃で２時間、さらに１５
０℃で２時間、さらに１８０℃で１時間加熱硬化させニ
ッケル含有量がそれ縁れ異なる３種類の自己復帰形過電
流保護素子を得た。

ここで比較のため本発明のように部分的にニッケルめっ
きされたカーボンブランクを用いる代りにめっきされて
いない通常のカーボンブランクを用い前記の実施例と全
く同様にして自己復帰形過電流保護素子を作製し前記の
実施例の素子と比較してみた、その結果は次のようであ
る。

第２図および第３図は抵抗温度特性の比較図であるが、
まず第２図はＮｉめっきの有無による特性比較図で、■
はＮｉめっきなし、■はＮｉめっきをＮｉ：　ＣＢ（カ
ーボンブラック）＝１：１で行った場合である。この図
から明らかなように■と■の特性はほぼ同様な変化特性
を示すが素子の抵抗値は本発明によるものが這かに小さ
い。つぎに第２図は実施例素子についてＮｉめっきの量
を変えた場合の特性比較図でＮｉとＣＢの比が曲線■で
は１：１゜曲線■では２：１１曲線■では５：１である
。この図から明らかなようにカーボンブランクにめっき
されたＮｉの量が増加するにつれて抵抗値は小さくなる
。従ってＮｉめっき量の調整によって任意の抵抗値を持
つ素子が得られることがわかる。

第４図は過電流保護素子の電圧−電流特性を求める回路
の一例図で■、は可変電圧源、４はテストされる素子で
その端子電圧を■７とする、Ｒは抵抗である。また第５
図と第６図はこの回路によって得られた素子４の電圧電
流特性である。まず第５図はＮｉめっきの有無による特
性の比較を示し、図中の特性■はＮｉめっきを行わぬ素
子、また特性■はＮｉ：ＣＢ＝１：１のＮｉめっきを行
った素子それぞれに対するものである。第５図からＮｉ
めっきカーボンブランクを使用した本発明の素子は従来
の素子よりピーク電流Ｅｐが大きく、ピーク電圧Ｖ、が
低いことがわかる。第６図はＮｉめっき量を変えた場合
の素子４の電圧電流特性で、図中の曲線■はＮｉ：ＣＢ
が１：１１曲線■は２：１１曲線■は５：１の各場合を
示し、カーボンブランクに対するニッケルめっきの量が
増す程Ｉ、が大きく、■、は低くなる傾向がある。

さて第５図において素子に流れる電流■がピーク電流値
Ｉ、以下の場合は過電流保護素子は定常状態にあって第
２図の曲線■の平坦部すなわち低抵抗状態にある。ここ
で第４図の■、が大となり、または負荷抵抗Ｒが小とな
って電流Ｉが１１以上となり■ア＞Ｖ、となった場合を
考えると第２図の曲線■の急増部に遷移するから素子電
流Ｉは第７図に示すような時間を対電流Ｉ特性を示す。

第７図はＮｉめっきの有無による過電流保護素子の限流
特性を示すもので図中の曲線■はＮｉめっきを行ってい
ない素子に、曲線■はＮｉめっきをＮｉ：ＣＢ＝１：１
の重量比で行った素子にそれぞれ対応する。すなわちこ
の特性は過電流保護素子の限流特性となり、そのピーク
電流値！、はヒユーズやブレーカの定格電流と同じ内容
を持つものとなるが、この特性からも同一電圧■、をＮ
ｔめっき有、無の各素子に与えた場合Ｎ＋めっきを施し
た本発明の素子は低抵抗であるため電流が多く流れる自
己発熱によって直ちに限流することがわかる。第７図の
曲線■の例について説明すると、１０３ｍ　Ａが流れる
と５〜８秒以下で限流動作が発効し回路電流Ｉを５ｍＡ
程度に限流し続けることになり、また限流後は一般に電
源を断とし、素子を放冷すれば前記定常状態に復帰する
ことができる。これが自己復帰形過電流保護素子と呼ば
れるゆえんである。

（発明の効果） 本発明による自己復帰形過電流保護素子は太きい正の抵
抗温度係数を有するとともにその抵抗値が小さいことか
ら、低い動作電圧でも大きい定格電流が得られるという
従来のものにては得られなかった優れた特性を有し、し
かもこれらの特性はカーボンブラックに対する金属のめ
っき量によって任意に調節できること、小形化が可能な
こと、従来品では使用できなかった低電圧回路にも使用
できること等の特長を有するので実用上の効果は大きく
、用途も広い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による自己復帰形過電流保護素子の平面
図（ａ）と横断面図！ｂｌ、第２図と第３図は過電流保
護素子の抵抗一温度特性図９、第４図は過電流保護素子
の試験用回路図、第５図と第６図は過電流保護素子の電
圧−電流特性図、第７図は過電流保護素子の限流特性側
図である。 １・・・アルミナ基板、２ａ、　２ｂ・・・電極、３・
・・カーボンブラックグラフトポリマー、４・・・自己
復帰形過電流保護素子。 （、＋；龜、ｉ　　　（’Ｃ１ 臂ミ→−ンＳち、７虻　　（０Ｃ） 力５囚 一６四　　　力７囚 手３売（甫正書（自発） 昭和６１年７月 特許庁長官　宇　賀　道　部　殿 １、事件の表示 特願昭６１−１２７２５７号 ２、発明の名称 自己復帰形過電流保護素子 ３、補正をする者 事件との関係　　出願人 大東通信機株式会社 日本バイオニクス株式会社 ４、代理人 東京都新宿区西新宿１−２３−１ ５、補正の対象 明細書の「発明の詳細な説明」の欄 ６、補正の内容

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 表面を金属で部分的にめっきしたカーボンブラックの粒
   子にビニル系モノマーをグラフト重合させ、さらに架橋
   剤としてエポキシ系樹脂を加えたものを加熱して得られ
   た硬化物を素子として用いることを特徴とする自己復帰
   形過電流保護素子。