WO1991007762A1

WO1991007762A1 - Small dc motor

Info

Publication number: WO1991007762A1
Application number: PCT/JP1990/001447
Authority: WO
Inventors: Kazuo Tajima
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1989-11-13
Filing date: 1990-11-08
Publication date: 1991-05-30
Anticipated expiration: 1992-05-13
Also published as: CA2045496A1; EP0454857A1; JPH03155352A

Description

明細書小型直流モータ一技術分野

本発明は定温発熱素子、温度センサー、電流制限素子などに応用されている P T C ( Positive Teaperatnre Coefficient の略称）サーミス夕を過負荷保護素子として小型直流モーターのケース内に内蔵した小型直流モーターに関するものである。発明の背景

従来から、小型直流モーターの過負荷に対処して使用する過電流保護素子には、主としてバイメタル、 P T C サーミス夕などが公知であり、特に自動車業界を中心にその使用量は、增加の傾向にある。

そのうち、バイメタノレは主として 40 aa 0 以上即ち、過負荷電流約 3 〜 4 A 以上のモータ一に直列に接続され、 —般的には、モータ一内蔵型として使用されるのが普通である。このバイメタルは、一般には、過負荷電流が 3 〜 4 A 以下に対しては、スイッチング動作の精度が低下し、安定動作に欠けるため、 3 〜 4 A以上即ち 40Μ φ未満のモーターには、広く P T C サーミス夕が使われている。

P T C サーミスタは、公知の如く正の温度係数を有する抵抗素子で、常温では低抵抗であるけれども、過電流による自己発熱や、ある熱源力、らの伝熱などによって、所定のスイッチング温度以上になると、抵抗値が急激に増大し、それは 10⁴ 〜 10⁷ 倍にも及ぶものである。

最も一般的には、 BaTi0₃ 系セラミッタスが知られているが、これ以外にも、 V Q 0 ₃ 系セラミックスや、ポリオレフィン系樹脂にカーボンブラックなどの導電性粒子を含有して成る樹脂 P T C サーミス夕などが知られている o

—方、チタン酸バリウム系 P T C セラミックスの特性としては、室温での比抵抗が小さいこと、抵抗変化率が大きいこと、抵抗温度係数が大きいこと、耐電圧が高いこと、などがある。このうち、特に、電流制限素子用の P T C セラミックスに求められる特性は、比抵抗が可及的に小さく、かつ、耐電圧が高いこと力あげられる。この理由は、同一定格電圧の素子を互いに比較した場合に、比抵抗が小さいと、更に低抵抗の素子を得ることができ、耐電圧が高いと、更に薄型で小型の素子を得ることができると共に、より高電圧の回路にも使用することが可能となる力、らである。

チタン酸ノ《リウム系 P T C セラミックスの組成物および製造方法に関して、従来から多くの提案がなされているが、いずれの場合も比抵抗を小さくするに従って耐電圧が低下する。一方、耐電圧を向上させようとすると、比抵抗が大きくなるという不都合がある。このため、従来の低抵抗チタン酸バリウム系 P T C セラミックスは、比抵抗 5 Ω αηで耐電圧 20〜 30V ノ M、比抵抗 ΙΟ Ω αηで耐電圧 40〜 60 V Z ma程度であって、これを耐電圧と比抵抗の比（ V _B / P ₂₅) でみると、いずれも 4 〜 6 又はこれ以下になり、比抵抗の割りに耐電圧が小さく、実用的ではない。

従来のチタン酸バリウム系 P T C セラミックスは、主成分である BaO と Ti0₉ の他に、キュリー点シフタとして SrO , PbO を、原子価制御剤として Sb₂ 0 ₃ , Nb_g O ₅ 並びに希土類元素などを、抵抗温度係数の改良剤として MnO を、更に焼結助剤として Si0₂ , A β ₂ 0 。などを組成中に含む。このような P T C セラミックスを製造する場合は、各種の配合原料を湿式混合した後に約 1000〜 1200での温度で仮焼し、いわゆる固相反応法により BaTi0₃ として結晶化させ、再度これを粉砕した後に所望の形状に成形し、約 1300〜 1400での温度で本焼成している。

特に、耐電圧が高く、かつ耐突入電流特性に優れたチタン酸バリウム系半導体磁器組成物として、特公昭 63- 28324 号公報に記載されたものがある。これに開示された P T C セラミックスは、チタン酸ノ、 * リウムの Baの一部をキュリ一点シフターである Pb, Srで同時に置換すると共に、更に Caを含有させることにより耐電圧'を向上させたものである。これによれば、出発原料に BaCOp , Pb₃ O ₄ , SrCOg ， CaC0。， Ti0₂ を用い、この他に半導体化剤として MnC0₃ , Si0₂ を所定の比率で配合添加して湿式混合し、その後、いわゆる固相反応法によりチタン酸バリゥム系磁器として結晶化させることによって得られている。

以上のように、従来の小型直流モーターの電流制限素子用に供せられている P T C サーミス夕は、 BaTi0₃ を主成分とする半導体セラミックスにより構成されており、材料の比抵抗 8 Ω αη以上、耐電圧 30〜 40 V / MIという材料特性の制約から、通常は、リード線付円扳型の部品として、その直径 10〜 12 ma ø 以上、厚さ 1 am程度のものである。した力《つて、 P T C サ一ミス夕は小型直流モー夕一に直列接铳するようになっているが、その大きさ力、らモーターに内蔵するようにはできておらず、制御回路基扳上に実装して用いられるのが通常である。

し力、し、上記のように、 P T C サーミス夕を付加して用いる従来の小型直流モーターは、用いる P T C サ一ミスタが、その性能上の制約から比較的大きなものとならざるを得ないので、モーターの電機子に直列接続はされていても、モータ一内に組込んで配置するようにはなつていないため、回路基板上に実装して使用されているのが実状である。

そのため、実装の手間がかかるだけでなく、特に小型、軽量化、コンパクト化を追求する自動車業界等からは、 40ma ø 未満の小型モーターにおいても、過負荷保護素子 (電流制限素子）を内蔵した小型直流モーターの開発が望まれていた。

し力、しな力くら、従来の小型直流モーターに P T C サ一ミス夕を内蔵することができない最大のネックは、小型でモータ一に内蔵できるだけの材質性能を従来の P T C が有していな力、つたことにあるので、ここで従来の P T C サ一ミス夕の性能上の課題について以下説明する。

上記のような従来の P T C セラミックスの耐電圧特性は、比抵抗の小さなものについては 200 〜 250 V Z M程度の耐電圧 V _B を示すものの、室温の比抵抗 p ₂₅はせいぜぃ 40〜 50Ω αηであって、耐電圧と比抵抗の比（ V _B Z

P 25 ) でみると概ね 4 〜 6 の範囲にあり、比抵抗に対する耐電圧は従来の領域を出ているとはいえない。

一般に、チタン酸バリウム系 P T C セラミックスの耐電圧を向上させるためには、セラミックスの結晶粒径を可及的に小さくすることによって達成できることが知られている。これに関して、従来技術では下記（1) 〜（3) に示すように種々改良改善を加えている。

(1) 結晶粒成長抑制効果および均一化効果をもつ成分を添加する。

(2) 仮焼成後の粉砕粒度を均一微細化する

(3) 本焼成温度を可及的に低く抑える。

特に、上記の従来技術の特徵といえるのは固相反応法による原料力、ら出発しているところにあるすなわち、原料として金属炭酸塩、金属酸化物などを用い、これらを所定の比率に配合し、湿式混合した後に、いわゆる固相反応法に従って結晶化させ、所望のセラミックスを得ている。

し力、しな力《ら、上記従来法のいずれの方法においても結晶粒径は平均 Ιϋμπί程度まで小さくなって耐電圧の向上には寄与するが、同時に比抵抗が増大するので、低比抵抗で高耐電圧の P T C セラミックスを得ることができなかった ο 発明の開示

この発明は室温での比抵抗が比較的小さく、かつ耐電圧の高いチタン酸バリゥム（BaTiO„ ) 系 P T C 磁器組成物からなる P T C サーミス夕を電流制限素子として内蔵する小型直流モーターを提供することを目的とするものである。そこで、この目的を達成するために、平均粒径が 10 μιη以下で、常温比抵抗 /0 _n rが 3 〜： L ϋ Ω cm、かつ耐電圧 V „ が 40〜 200 V Z Mの特性、すなわち耐電圧と比抵抗との比（ V _B / p ₂₅) が 7 以上の BaTi0₃ 系セラミックスを提供し、これらの材料から内蔵用の P T C サーミス夕に適合する性能を有する小型の P T C サーミス夕を形成して内蔵用 P T C サーミス夕として用いたものである o

この発明に係る小型直流モーターは、常温比抵抗 P ₂₅ と耐電圧 V _n との比 V _B Z p ₂₅が 7 以上 20以下の

BaTiOg 系セラミックスの P T C サーミスタを電機子巻線に直列に接続し、かつ P T C サ一ミス夕をモーターケースに内蔵したものである。この場合、上記の内蔵用

P T C サーミス夕は次にのべる第 1 〜第 3 の 3 種類の BaTiOo 系磁器組成物（以下 BaTi0₃ 系セラミ 'ソクスという）を材料として用いることによって適切な内蔵を行うことが可能である。

第 1 の BaTiO^ 系セラミックスは、（ Ba — x— y-z δτ_χ

Pb_y Ca^ ；) TiO。からなる主成分組成物に対して、原子価制御剤として Sb, Bi, Nb, Ta, 並びに希土類元素のうち一種以上の元素が 0.2 〜； L .0 モル％の割合で、かつ、 Mn が 0.02〜 0.08モル％および S iが 3.0 モル％以下の割合で含まれており、前記主成分組成物が、液相溶液反応法によりそれぞれ合成された BaTiOo , SrTiOg , PbTiOg ，並びに CaTiO。を用いて、 0.02≤ x ≤ 0.25, 0.01≤ y ≤ 0.3 , 0.02≤ z ≤ 0.3 の比率に成分配合されてなるものである。これを第 1 の P T C サーミス夕とする。

第 2 の BaTiOg 系セラミックスは、（ Ba₁__x_„_„ Sr_x Pb_y Ca— )TiO。からなる主成分組成物に対して、原子価抑制剤として Sb， Bi, Nb, Ta, 並びに希土類元素のうち —種以上の元素が 0.2 〜； L.0 モル％の割合で、かつ、 Mn が 0.02〜 0.08モル％および S iが 3.0 モル％以下の割合で含まれており、前記主成分組成物が、液相溶液反応法により直接 0.02≤ x ≤ 0.25, 0.01≤ y ≤ 0.3 , 0.02≤ z ≤ 0.25の比率に成分配合されてなるものである。これを第 2 の P T C サーミス夕とする。

第 3 の BaTi0₃ 系セラミックスは、（ Ba _x__y— _ _a ^Srx ^Pby ^Caz ^M a >^{Ti 0}3 または（ ^Bal - x-y-z ^Srx ^Pby Ca_z ) ( M _a ) 0 ₃ からなる主成分組成物に対し

て、原子価抑制剤 M として Sb, Bi, Nb， Ta, 並びに希土類元素のうち一種以上の元素が所定の割合で、かつ、 Mn が 0.2 〜 0.08モル％および S iが 3.0 モル％以下の割合で含まれており、前記主成分組成物が、液相溶液反応法により直接 0.02≤ X ≤ 0.25, 0.01≤ y ≤ 0.3.0.02≤ z ≤

0.25, 0.002 ≤ a ^ 0.005 の比率に成分配合されてなるものである。これを第 3 の P T C サ一ミス夕とする。

また、この発明に係る小型直流モーターはブラシに接続しているリン青銅板と入力端子間に両面に電極を有する扳状の P T C サ一ミス夕を設けたものであり、このようにモーター内に内蔵される P T C サーミス夕は上記第

1 〜第 3 の P T C サーミス夕のうちのいずれのものであつてもよい。

また、この発明のもう一つの発明に係る小型直流モーターは、モーターのブラシと入力端子に接続するリン青銅板との間に両端に電極を有する P T C サーミスタを揷入して配設してモーターに内蔵させたものであり P T C サーミス夕は上記第 1 〜第 3 の P T C サーミス夕のいずれを用いてもよい。

さらに、この発明の別の発明に係る小型直流モーターは、モーターの端子盤に両端面に電極を有する円筒状の P T C サーミスタを埋め込み電極の一方が入力端子に、他方がブラシに接続するリン青鋦扳又はそれに接続する端子にそれぞれ接続されて内蔵されたものであり、 P T C サーミスタは上記第 1 〜第 3 の P T C サーミスタのいずれを用いてもよい。

この発明においては、小型直流モーターの電機子に直列に接続して電流制限素子として用いる P T C サーミスタは常温比抵抗 P ₂₅と耐電圧 V _B / p ₂₅が 7 以上 20以下の材質特性を有する BaTiO。系セラミックスである力、ら、特に室温での比抵抗 P ₂₅が低い上に耐電圧 v_B が高いため、大幅に小型化が可能となり、モーターのケース内に組み込み内蔵が可能となる。例えば、この発明の小型直流モーターに用いる P T C サーミスタは、薄く、し力、も小さな面積の扳状体や、小型の円筒状体にも容易に形成できるため、電流制限素子としての性能をもちながら内蔵することができる材質性能を有するものとすること力 < できる。

このように、材質特性の優れた BaTiO 系 P T C セラミックスは、出発原料としていわゆる化学法原料を使用して焼成したことに特徴を有するものであり、発明者らが化学法原料の諸特性から BaTi0₃ 系セラミックスの主成分組成物を出発原料に供する製造方法、焼成助剤等の添加物組成を種々検討した結果得られたものである。すなわち、化学法原料とは、シユウ酸塩法、水酸化物法、水熱合成法、アルコキシド法等の液相溶液反応法によつて得られた BaTiOg , SrTiO ， PbTiOg , CaTiOg 等の結晶又はそれらの固溶体又は混晶体であって、従来の固相反応法によって得られる原料（結晶粉末）に比べて、下記 ) 〜（6) の優れた特徴を有する。

(4) 粒度が均一微細であって、粉体活性が高い。

(5) 高純度である。

(6) 分子レベルでの組成の均一性が高い。

発明者等は、このような化学法原料の諸特性に着目し、チタン酸バリウム系 P T C セラミックスの主成分組成物の出発原料に供することを種々検討した。その結果、チタン酸バリウム系 P T C セラミックスの焼結助剤として添加していた S i 0₂ の添加量を、従来の固相反応法により得られた原料を使用する場合よりも低減できるという知見を得た。

この知見にもとづいて、この発明における小型直流モ一ターに内蔵させる P T C セラミックスはその製造方法において、従来の固相反応法の代わりに、出発原料としていわゆる化学法原料を用い、かつ、その化学法原料の特徴を生かす組成を見出だしたことにより、従来のチタン酸バリウム系 P T C セラミックスに比べ、特に室温での比抵抗 /0 。₅が数分の 1 位に低く、かつ耐電圧 V _B が高いものが得られ、 V _B /0 _{2 5}の値が 7 以上のものを使用することができる。

化学法原料は、前述のように一般に高純度で粒度が均一微細であって、特に粉体活性が高いなどの特性を有するため、従来の固相反応法による原料を出発原料にした場合には、液相焼結助剤として Si0。を通常 0.5 〜 2 モル％程度添加する。これに対して、本発明に用いる P τ C セラミックスにおいては、 Si 0₂ の含有量を 3 モル％以下において V D / p ₂ rの値を 7 以上とすることができる。とりわけ、化学法原料を出発原料として供することにより、液相焼結助剤としての Si0₂ が無添加の場合であっても焼結するが、 Si0₂ の添加量を 3 モル％まで上げても結晶粒径が ΙΟμιη以下で V _n の値を 7 以上とすることができた。このため、セラミックスの結晶粒径は 10 μηι以下と微細になり、耐電圧が高くなる。また、

Si0₂ は、通常セラミックスにおいてはガラス相として粒界析出相を形成するものであり、この相は電気伝導度が小さく、結局 Si0₂ の添加量を比較的増大させることによりセラミックス素子としての常温比抵抗が大きくなつても本発明の内蔵用 P T C サーミス夕として使用できる o

この場合、上記 P T C セラミヅクスの各添加元素の限定理由については、上記の V _B p ₂₅が 7 以上に対しては下記のようになる。

Srは、 X が 0.1 未満では電気的特性が不十分であり、また機械的 · 熱的強度が低下する傾向にあり、一方、 X が 0.25を超えるとキュリ一点が 80で以下となつて電流制限素子として実用的でない。

Pbは、 y が 0.01以下であると高耐電圧化に対しては特性改善の効果が小さくなり、一方、 y が 0.3 を超えるとキュリー点が 150 でを超えるようになり電流制限素子として実用的でなくなると共に、常温での比抵抗が逆に高くなる傾向がある。

Caは、 z が 0.02以下であると均一微細化、すなわち高耐電圧化に関する効果がなくなり、一方、 z が 0.25を超えると比抵抗が大きくなる。

原子価制御剤は、その添加量が 0.2 モル未満であっても 1.0 モル％を超えても、すなわち 0.2 〜 1.0 モル％の範囲を外れると、高抵抗化する傾向にある。

Mnは、その添加量が 0.02モル％未満では P T C 領域における抵抗温度係数が 8 % で以下となって実用的でなく、一方、 0.08モル％を超えると常温比抵抗が急激に高まる o

Si0₂ は、その添加量が 3.0 モル％を超えると、常温比抵抗が大きくなり、本発明の目的に合致しなくなり、実用的でない。

—図面の簡単な説明

第 1 図はこの発明による小型直流モーターの一実施例を示す構成説明図である。

第 2 図はこの発明による P T C サーミスタを内蔵させようとする小型直流モーターの構造説明図である。

第 3 図は第 1 図の実施例のモーターのロック状態の回路電流の時間変化を試験した結果を示す測定データ図である。

第 4 図は従来型の P T C サ一ミスタ外付け小型直流乇 — ターの口ック状態の回路電流の時間変化を示す比較例データ図である。

第 5 図はこの発明の他の実施例を示す小型直流モータ一の構造説明図である。

第 6 図は第 5 図の実施例の試験結果を示す剁定データでめる。

第 7 図はこの発明の他の実施例を示す小型直流モータ一の構造説明図である。

第 8 図はこの発明の第 1 の P T C サーミスタの製造方法を説明する工程図である。

第 9 図はこの発明の第 2 の P T C サーミスタの製造方法を説明する工程図である。

第 10図はこの発明の第 3 の P T C サ一ミス夕の製造方法を説明する工程図である。発明を実施するための最良の形態

(実施例 1 )

この実施例では、この発明による小型直流モーターに内蔵使用する 3種の P T C サ一ミスタの製造方法を説明する。なお、第 1 表は、本発明による P T C セラミックスの実施例及び比較例のセラミヅクス組成をそれぞれ示す表である。

( その 1 ) 第 8 図はこの発明の小型直流モーターに用いた第 1 の P T C サーミスタ（請求項 2 で使用）用の P T C セラミックスの製造方法を示す工程図である。 BaTiOg , SrTiOg , PbTiOg ， CaTiOg をそれぞれ液相溶液反応法により合成するために、各原料粉を調整する（工程 10) 0 このうち、 BaTi0₃ , SrTiOg ,

CaTiOg について ίま BaC0₃ , SrCOg ， CaCOo , Ti0₂ を原料にシユウ酸塩法により合成し、 PbTi0₃ については PbO, Ti0₂ を原料として水熱合成法により合成する。以下、説明を簡略化するため、 BaTi0₃ の合成についてのみ説明する。

BaC0₃ および Ti0₂ の粉末をそれぞれ所定の溶液に加え、十分に撹拌混合する（工程 11) 。

混合溶液に所定のアルカリ溶液を添加する（工程 12) BaC0_P ， Ti0₂ , 並びに各溶液間の反応により

BaTiO_P が沈殿する（工程 13) 。

沈殿物を所定温度に加熱し、乾燥する（工程 14) 。乾燥物を粉砕し、秤量する。このとき、成分配合が第 1 表中の Ν 5 〜 33となるように、 BaTi0₃ , SrTiOg , PbTiOg ， CaTiOg をそれぞれ抨量する（工程 15) 。

4種のチタン酸塩を固相状態で混合し、更に、 La， Y などの希土類元素あるいは Sb, Bi, Nb, Taを原子価制御剤として、 MnC0₃ を抵抗温度係数の改良剤として、

Si0_o を焼結助剤として、それぞれ適量を添加する（ェ程 16) 。

混合物をボールミルにより約 10時間かけて粉砕混合した後に、脱水乾燥する。 6 % P V Aを試料 100 グラムに対して約 3 cc加え、これを成形圧力 1000 kg cm ³ で成形し、直径 15 で厚さ 1.5 maのペレツトとする（工程 17) _e ペレツトを所定温度で仮焼する（工程 18) 0

仮焼後、ペレツトを粉砕する（工程 19) 。

粉砕物にバインダを添加し、所望の形状に成形する

(工程 20) 。

成形物を本焼成する。本焼成の条件は、昇温速度が毎時 200 で、焼成温度が 1280〜 1340でであり、約 1 時間焼成した後に炉内にて自然放冷した（工程 21) 。このようにして得られた P T C セラミックスにォーミックコンタクト良好な Ag電極を焼付けて素子を作成し、このキュリー点、常温比抵抗、並びに耐電圧をそれぞれ測定した。

( その 2 ) 第 9 図は第 2 の P C T サ一ミスタ（請求項 3 で使用）の用の P T C セラミックスの製造方法を示すェ程図である。

BaC0₃ , SrC0« , PbO , CaCOo 並びに Ti0₂ をそれぞれ調整する（工程 30) 。すなわち、成分配合が第 1 表中 N( 5 〜 33となるように、各原料粉をそれぞれ抨量する。

秤量した各原料粉を所定の溶液に加え、十分に撹拌混合する（工程 31) 。

混合溶液に所定のアルカリ溶液を添加する（工程 32) 。各原料粉および各溶液間の反応により

( Β_¾1._χ__γ__ζ Sr_x Pb_y Ca_z )TiOg が共沈する（工程 33) 。

沈殿物を所定温度に加熱し、乾燥する（工程 34) 。

乾燥物を粉砕し、秤量する（工程 35) 。

( Ba^ —。 Sr_x Pb_y Ca_z )Ti0₃ の粉に、更に、 La, Y などの希土類元素あるいは Sb， Bi, Nb, Taを原子価制御剤として、 MnC0₃ を抵抗温度係数の改良剤として、

SiO。を焼結助剤として、それぞれ適量を添加する（ェ程 36) 。

混合物をボールミルにより約 10時間かけて粉砕混合した後に、脱水乾燥する。 6 % P V A を試料 100 グラムに対して約 3 cc加え、これを成形圧力 1000 kg / cm ^ϋ で成形し、直径 15 Baで厚さ 1.5 maのペレツトとする（工程 37) ペレツトを所定温度で仮焼する（工程 38) 。

仮焼後、ペレツトを粉砕する（工程 39) 。

粉砕物にバインダを添加し、所望の形状に成形する (工程 40) 。

成形物を本焼成する。本焼成の条件は、昇温速度が毎時 200 でで、焼成温度が 1280〜 1340でであり、約 1 時間焼成した後に炉内にて自然放冷した（工程 41) 。このようにして得られた P T C セラミックスにォーミックコンタクト良好な Ag電極を焼付けて素子を作成し、このキュリー点、常温比抵抗、並びに耐電圧をそれぞれ測定した ( その 3 ) 第 10図は第 3 の P T C サーミスタ（請求項 3 で使用）用の P T C セラミックスの製造方法を示す工程図である。

BaCOg , SrCOg , PbO , CaCOg 並びに Ti0₃ をそれぞれ調整する（工程 50) 。すなわち、成分配合が第 1 表中の Νθ· 5 〜 33となるように、各原料粉をそれぞれ秤量する枰量した各原料粉に適量の原子価制御剤 Μを添加し、これを所定の溶液に溶かし、十分に撹拌混合する（工程 51) o

混合溶液に所定のアルカリ溶液を添加する（工程 52 ) 各原料粉および各溶液間の反応により

( B_ai__x__y__z__a Sr_x Pb_y Ca_z M _¾ )Ti0₃ または

^ ^Bal-x-y-z ^Srx Pby ^Caz ) (^Til-a ， ^M a ) ⁰ 3 が共沈する（工程 53)

沈殿物を所定温度に加熱し、乾燥する（工程 54) 。

乾燥物を粉砕し、秤量する。（工程 55) 。

^{( Ba}l-x-y-z-a ^Srx ^Pby ^Caz ^M a >^{Ti 0}3 または

( ^Bal-x-y-z ^Srx ^pby ^Caz ) (^Til-a ' ^M _a ) ⁰ 3 の粉に更に、 MnC0₃ を抵抗温度係数の改良剤として、 Si0₂ を焼結助剤として、それぞれ適量を添加し、これを混合する（工程 56) 。

混合物をボールミルにより約 10時間かけて粉砕混合した後に、脱水乾燥する。 6 % P V A を試料 100 グラムに対して約 3 cc加え、これを成形圧力 1000kg cm ³ で成形し、直径 15Mで厚さ 1.5 Mのペレツトとする（工程 57) « ペレツトを所定温度で仮焼する（工程 58) 。

仮焼後、ペレツトを粉砕する（工程 59〉。

粉砕物にバインダを添加し、所望の形状に成形する

(工程 60) 0

成形物を本焼成する。本焼成の条件は、昇温速度が毎時 200 でで、焼成温度が 1280〜 1340でであり、約 1 時間焼成した後に炉内にて自然放冷した（工程 61) 。このようにして得られた P T C セラミックスにォーミックコンタクト良好な Ag電極を焼付けて素子を作成し、このキュリ —点、常温比抵抗、並びに耐電圧をそれぞれ測定した。

( その 4 ) ここでは比較例として従来の固相反応法原料 . により P T C セラミックスの製造方法を説明する。

成分配合が第 1 表 No. 1 〜 4 となるように、 BaC0₃ ， SrCOg , PbO , CaCO ， Ti0₂ , Sb₂ O _g , MnCOg , 並びに Si0₂ の粉をそれぞれ抨量し、ボールミルにて 10時間粉砕混合した後に脱水乾燥する。これに 6 % P V A を加えて一次成形した後、 1050でで 2 時間仮焼する。仮焼後、ボールミルにより 10時間粉砕し、脱水乾燥した後に、 6 % P V A を試料 100 グラムに対して約 3 cc加え、これを成形圧力 lQQOkg Z cm ² で成形し、直径 15Mで厚さ 1.5 Mのペレツ卜とする。

本焼成の条件は、昇温速度が毎時 200 でで、焼成温度が 1300でであり、約 1 時間焼成した後に炉内に自然放冷した。このようにして得られた P T C セラミックスにォーミックコンタクト良好な Ag電極を焼付けて素子を作成し、このキュリー点、常温比抵抗、並びに耐電圧をそれぞれ測定した。

以上、（その 1 ) , ( その 2 ) , (その 3 ) の実施例及び（その 4 ) の比較例の各製造条件（組成）、特性値をまとめて第 1 表に示した。第 1 表から明らかなように、第 1 , 第 2 , 第 3 の各 P T C セラミックスは比較例のものに比べて、耐電圧と常温比抵抗の比（ V _B / p ₂₅) が大幅に増大し、大部分のものが 10以上の V _B Z P ₂₅値を示すようになる。これに対して、比較例では、 α 1 のように組成を本発明の成分組成の範囲内としても、常温比抵抗 Ρ ₂₅は約 100 Ω αηと大きい。また、比較例の fe 2 〜 4 のように、 Si0₂ を更に加えていくと、常温比抵抗

P 25は添加量 1 モル％において 40 Ω に低下するものの、添加量 2 モル％では 80 Ω cmに増加する。つまり、従来法により製造された P T C セラミックスは、いずれも本発明方法により製造された P C Tセラミックスにおける常温比抵抗 / O n e 3 〜 10Q cffl、耐電圧 40〜 200 V Z aiをクリァしないこと力《わ力、つた。

(実施例 2 )

第 2 図は P T C サーミスタを内蔵しょうとする典型的な小型直流モータを示し、第 2 図の（b) はその縱断面図、第 2 図の（a) は小ケースを取りはずした状態の内側を示す側面図である。図において、 1 は大ケースであり、 2 は端子盤を構成する小ケースで、大ケース 1 には界磁用の磁石 3 が固定されている。小ケース 2 には整流子 4 が位置し、大ケース 1 内に形成されている電機子コイル 5 と接銃され、電機子コイル 5 はシャフト 11に固定されている。 6 は整流子 4 に接触するブラシであり、ブラシ 6 に接続するリン青鋦扳 7 を介して入力端子 8 に接続されている。入力端子 8 は第 2 図の（a) に示すように小ケース 2 の内側に接着された樹脂 9 に設けた溝 10に固定されたリン青銅板 7 と接続されている。なお、第 2 図の（a) では大ケース 1 から取りはずした状態のため、ブラシ 6 は整流子 4 の外周からはずれた状態となって図示されている。

以上のように第 2 図に示した小型直流モーターは 3 極の整流子形であり、モータ一の入力端子板すなわた榭脂 9 と、先端にブラシ 6 の取り付けられたリン青鋦扳 7 (以下「ブラシ板」と称する）は、図のように構成されている。

即ち、モーターのシャフト 11および入力端子板 9 を固定している端子盤 2 (以下単に「小ケース」と称する）の内側に接着された樹脂 9 上又は小ケース 2 そのものが樹脂 9 で形成されている場合にはその内側に作られた凹条の溝 10に入力端子板 9 と、ブラシ板 7 とをほぼ直角にスポット溶接等を施し、溝 10にはさみ込み固定している第 1 図はこの発明（請求項 5 ) の一実施例を示す小型直流モータ一の構造説明図である。第 1 図の（a) は小ケースの内側を示す平面図、第 1 図の（b) は小型直流モーターの縱断面図、第 1 図の（c) は溝 10の部分の要部拡大図である。図において、 1 〜 11は第 2 図に示した符号と同一又は相当部分を示しその説明は省略する。

第 2 図に示した内部抵抗約 18 Ω の 12V用小型直流モ一ター（ 2 O ø ) の小ケース 2 の内側に接着された樹脂 9 上の凹状の溝 10に、両面に電極を付着した角形扳状 P T C サーミスタ 12を入力端子 8 の板とブラシ扳 7 によつて両側力、らはさみ込むようにして固定し、 P T C サーミス夕内蔵型の小型直流モータ一を形成した。 P T C サーミスタ 12には上記第 1 〜第 3 の P T C サーミス夕のいずれを使用してもよく、例えばその形状は 3.0 X 3.2 ma ^u の角型で厚さ 0.4 maのものを用いた。常温抵抗値 1.6 Ω

(常温比抵抗 P ₂₅が約 4 Ω αη ) で耐電圧 ν_β が 60V Z のものを用いたから、本実施例では V _B p ₂₅ 14.0の P T C サ一ミス夕である。この場合スイッチング温度は 100 のものを使用した。

試験は、第 1 図の小型直流モータのシャフト 11を固定してロック状態としたのち、常温下で入力端子 8 間にそれぞれ 9 , 12, 14, 16 V の電圧を印加して回路電流の時間的変化を求めて行った。その結果を第 3 図に示す。第 3 図の（a) は 9 V、 (b) は 12V、 (c) は 14V、 (d) は 16 V の印加電圧の場合のデータを示し、縱軸は電流、横軸は入力（ 0 秒）後の時間である。第 3 図よりそれぞれ電圧印加とともに過電流が流れるが 1.5 ( 16 V ) 秒〜 8

( 9 V ) 秒後には 10 ΟπΑ 以下に電流が減小し P T C サーミスタ 12が電流制限素子として有効に働きモーターの過熱を防止する働きを示したことがわかる。

(比較例 1 )

第 1 図の実施例に用いたものと同様の材質特性を有する P T C サーミス夕にリード線をハンダ付けしたのち、モールド付加を行い、従来型のリード線付き P T C サーミスタを作成し、これを第 2 図に示した小型直流モータ一の図示しない外部駆動回路に設置して直列接続し、実施例 1 と同様の試験を行った結果を比較例として第 4 図の（a) , (b) . (c) , (d) に示した。この場合には電流制限の応答時間が 3秒（ 16V ) ~ 25秒（ 9 V ) と長くなることが示されている。

第 4 図の結果を第 3 図の結果と比較すると、この発明による P T C サーミスタ内蔵型では、電流制限の応答時間は同一電圧に対してそれぞれ 1 / 2 〜 1 / 3 に小さくなり、熱結合の効果も生じて、著るしい応答性の向上が認められる力、ら、 P T C サーミスタ内蔵の効果は歴然であるということ力できる。

(実施例 3 )

第 5 図はこの発明（請求項 6 ) の一実施例を示す小型直流モーターの構造説明図である。第 5 図の（a) は小ケースの内側を示す平面図、第 5 図の（b) はモーターの縱断面図、第 5 図の（c) はブラシの部分拡大図である。図において、 1 〜 11は第 2 図の小型直流モーターで説明したものと同一又は相当部分であり、その説明は省略する。

図において、第 2 図に示した小型直流モーターのブラシ 6 ( 2 X 2 ma ² , 厚さ 1.5 ma ) と角扳状（ 3 x 3 mm ² , 厚さ 0.45M ) の例えば第 1 の P T C サーミス夕 12a の両面に図示しない電極面を設けて片面を耐熱樹脂系接着剤により接着し、さらに他の面をリン青鋦扳 7 に同様に接着して、 P T C サーミス夕 12a をブラシ 6 とリン青鋦扳 7 の間にサンドウイツチしたいわば過負荷保護機能付ブラシを第 5 図の（c) に示すように形成した。このように構成することにより、 P T C サーミス夕を内蔵した小型直流モーターを形成した。 P T C サ一ミス夕 12a は常温抵抗値約 2 Ω (比抵抗約 4 Ω αη ) で、スイッチング温度 100 での第 1 図の実施例で用いたものと同様の材質特性をもつものである。

第 5 図の実施例モーターを用いて第 1 図の実施例で示した同様の方法で回路電流の時間変化を記録した結果を第 6 図に示した。第 6 図の ) は印加電圧 9 V、 (b) は 12 V、（c) は 14V、 (d) は 16 V の場合の電流の時間変化

( スタート 0 秒）を示すデータである。電流制限応答時間は 2秒（ 16V ) 〜 9秒（ 9 V ) と前記第 4 図の比較例の結果と比べて著るしく短かくなり、本実施例の内蔵方法ではブラシとの熱結合の効果が顕著となり、応答性の向上が認められる。

(実施例 4 )

第 7 図はこの発明（請求項 7 ) の一実施例を示す小型直流モーターの要部構造説明図である。第 7 図の ) は小ケースの内側平面図、第 7 図の（b) は小ケースの断面図、第 7 図の（c) は、この実施例に用いた P T C サーミスタの形状を示す斜視図である。図において、小型直流モーターの説明図は第 2 図（a) , (b) に示したものと同一のものである。

小型直流モーターの小ケース 2 に接着した樹脂 9 に設けた凹状の溝 10に、第 7 図の（c) に示す形状をした準同筒状の P T C サーミス夕 12b を埋め込み、第 7 図の（a)， (b) のように一方の電極を入力端子 8 に、他方の電極をブラシ 6 に接続するリン青鋇扳 7 に接続して固定し、 P T C サーミスタ内蔵型の小型直流モーターを作成した。なお、上記準円筒状の P T C サーミス夕は円筒状であつてもよい。 P T C サーミスタ 12b は、内径 1 M、小外径 2 ma、大外径 3, 5 Mで、常温抵抗値 1.8 Ω (比抵抗約 4 Ω cm ) 、スイッチング温度 100 。C のものである。 P T C サーミス夕 12b の材質は第 1 , 第 2 , 第 3 の P T C サーミス夕のいずれであつもよく、かつ容易に同筒形状とすることができる。

第 7 図の実施例モーターのシャフト 11を固定してロック状態としたのち、常温下で実施例 2 , 3 の場合と同様に試験して回路電流の時間変化を求めたところ、図は省略するが、第 3 図及び第 6 図に示したデータと同様の結果が得られた。この結果も、比較例 1 のデータを示す第 4 図の結果と比較して、実施例 2 , 3 の場合と同様の優れた電流制限の応答特性を示し、本実施例の内蔵方法によっても熱結合の効果も生じて応答性の向上が達成されている。

以上、実施例 2 , 3 , 4 によって詳細に説明したように、本発明による小型直流モータ一は、基本的に第 1 図に示す如く、小ケース内の入力端子の位置に板状又は、第 7 図に示す円筒型又はそれに準ずる形状の P T C サーミスタを配置し、 P T C サーミス夕の一方の電極が入力端子に、もう一方の電極がブラシに接銃しているリン青鋦扳又は、それに接続する端子に接続されて成るものである。なお、小ケースが金属板で出来ている場合には内蔵される P T C サ一ミス夕との絶縁性を確保するため P T C サーミスタの外側に更に樹脂等の絶縁物を取り付ければよい。

また、 P T C サ一ミスタは、前述の如く発熱素子であり、通常モーターの過負荷保護用に供される P T C 材料のスィツチング温度は約 90〜 120 でに設計されるため、スイッチング状態即ち、電流制限状態においては、 P T C サーミス夕の温度は約 150 〜 200 で程度となる。そのため上記小ケースの材質の耐熱性が問題となる場合には、当該 P T C サーミス夕の外側に、更に熱伝導率の小さな絶縁板を設ければよい。

このように構成することにより、 P T C サ一ミス夕がモーターに内蔵された状態となり、モーターの両電極端子間に所定の電圧を印加しつつ、モーターに過負荷を力、ける即ち、ロック状態にすると、過電流による P T C サ一ミス夕の自己発熱によって、 P T C サーミス夕が高抵抗状態となり、回路電流を制限して、モーターを保護することになる。

さて、以上のような小型直流モーターに内蔵することの出来るチップ状の小さな P T C サーミスタは、実施例 1 において説明した製造方法を応用して得られる

BaTiOo 系 P T C セラミックスを材料として形成した P T C サーミスタによってはじめて得られるものである。すなわち、本発明の小型直流モーターに用いる P T C サ一ミスタは耐電圧 V _B と常温比抵抗 p ₂₅の比つまり V _B / P ₂ rが 7 以上程度の大きなものによってはじめて小型モーターに内蔵し得るだけの薄く、しかも小面積の P T C サ一ミス夕が形成できる力、らである。一方、固相反応法による従来の BaTii 系 P T C セラミックスは第 1 表の o. 1 〜 4 の試料に示したように V Z p ₂₅の値は 3 〜 6 程度であって、この材料では本発明で用いた小型モーターに内蔵しうるような小型の P T C サ一ミス夕は形成できない力、らである。

上述のような手段に基づく小型直流モーターの構成により、 P T C サーミス夕はリード線、ハンダ、モールド材は一切不要になり、しかも電気的にはモーターと直列に接続され、且つ内蔵することができる。

また同時に、このような構成にすることにより、モーターが過負荷状態になった場合、 P T C の自己発熱と共に、過電流に伴なうモーターコイルの発熱がブラシを通して P T C サ一ミス夕に伝熱され、熱結合の効果によつて、 P T C サーミス夕のスイッチング動作の応答性が更に向上するという効果も生まれると共に、電流制限状態においては、逆に P T C サーミス夕に放熱板を付与した効果が生まれ、放熱速度が大きくなるため、 P T C サーミスタの耐電圧がより向上するとう相乗効果も生まれる筇衷

Hn SI キュリー点常温比抵抗

Να X y z (■olX) (nolX) Tc

(で） (ΩέΚ)

Sb

1 0.10 0.05 0.10 0.24 0.04 0.3 120 128 300 2.3

2 0.5 120 65 220 3.4

3 1.0 120 40 fln 5.0

4 1 1 1 t 各 2.0 120 80 250 3.1

Sb

5 0.03 0.05 0.10 0.24 0.04 0.3 128 4.3 GO 14.0

6 0.05 125 4.8 15.6

7 0.20 80 5. B 15.2

8 0.25 I 1 1 I I 75 6.0 go 13.3

9 0.10 0.01 0.10 0.24 0.04 0.3 95 5.2 45 8.6

10 0.03 105 5.5 g5 15.5

11 0.20 150 8.0 1 0 15.0

12 1 0.25 I I \ 180 20 150 7.5

13 0.10 0.05 0.03 0.24 0.04 0.3 120 3.8 30 7.9

14 0.05 m 120 4.5 65 14.4

15 0.15 120 5.2 85 16.3

16 1 0.20 1 喜 \ 120 18 J 70 9.4

0.10 Sb

17 0.10 0.05 0.18 a

0.04 0.3 120 18 160 8.8

18 0.20 120 5.5 go IB .

19 0.30 120 6.0 100 16.7

20 0.50 120 10 130 13

21 ί i i 0.60 1 i 120 26 220 8.5

22 0.10 0.05 0.10 0.24 0.01 0.3 120 3.5 30 8.6

23 0.02 120 4.2 B0 14.3

24 0.04 120 5.0 «Ω 16 n nit l oenv 1 nU 180 18

26 1 I 1 I 0.10 \ 120 20 180 9

27 0.10 0.05 0.10 0.24 0.04 0 . 120 8 120 15.0

28 0.1 120 7 110 15.7

29 0.4 120 5.3 80 16.7

30 0.5 120 12 190 15.8

31 1 1 1 i 1.0 120 28 320 11.4

Y

32 0.10 0.05 0.10 0.4 0.04 0.3 120 8 95 15.8

33 1 i 1 0.4 I 1 120 5 80 16.0 ヽ ^

ォ

Claims

請求の範囲

1 . 耐電圧 v_B と常温比抵抗 P ₂₅の比 v_B Z P ₂₅の値が 7 以上 20以下の BaTi0₃ 系セラミックス材料力、らなる P T C サーミスタを電機子巻線に直列に接続し、かつ前 . 記 P T C サーミスタをモーターケースに内蔵したことを特徴とする小型直流モーター。

2 . BaTi0_o 系セラミックスの P T C サーミス夕は、 ( Ba,__x__y_„ Sr_x Pb_y Ca_z )Ti0g からなる主成分組成物に対して、原子価制御剤として Sb, Bi, Nb, Ta, 並びに希土類元素のうち一種以上の元素が 0.2 1.0 モル％の割合で、かつ、 Mn力《 0.02 0.08モノレ％および Si力《 3.0 モル％以下の割合で含まれており、

前記主成分組成物が、液相溶液反応法によりそれぞれ合成された BaTi0₃ SrTiOg , PbTiOg , 並びに

CaTiOg を用いて、 0.02≤ x ≤ 0.25, 0.01≤ y ≤ 0.8 , 0.02≤ ζ ≤ 0.25の比率に成分配合されている P T C 磁器組成物であることを特徴とする請求の範囲第 1 項記載の小型直流モーター。

3 . BaTiO ₃ 系セラミックスの P T C サーミス夕は、 ( Ba Sr_x Pb_y Ca„ )TiO。からなる主成分組成物に対して、原子価制御剤として Sb, Bi, Nb, Ta, 並びに希土類元素のうち一種以上の元素が 0.2 1.0 モル％の割合で、かつ、 Mnが 0.02 0.08モル％および Siが 3.0 モル％以下の割合で含まれており、

前記主成分組成物が、液相溶液反応法により直接 0.02 ≤ x ≤ 0.25, 0.01≤ y ≤ 0.3 ， 0.02≤ z 25の比率に成分配合されている P τ C 磁器組成物であることを特徴とする請求の範囲第 1 項記載の小型直流モータ一。

4 . BaTiOg 系セラミックスの P T C サーミス夕は、

(

^Srx ^Pby ^Caz ^M a )^{Ti 0}3 または

( Β ₁__χ一 _y__z Sr_x Pb_y Ca_x ) ( Ti^ M _a )0₃ からなる主成分組成物に対して、原子価抑制剤 M として Sb, Bi,

Nb, Ta, 並びに希土類元素のうち一種以上の元素が所定の割合で、かつ、 Mnが 0.02〜 0.08モル％および S iが 3.0 モル％以下の割合で含まれており、

前記主成分組成物が、液相溶液反応法により直接 0.02 ≤ X ≤ 0.25, 0.01≤ y ≤ 0.3 , 0.02≤ z ≤ 0.25, 0.002 ≤ a ≤ 0.005 の比率に成分配合されている P T C 磁器組成物であることを特徴とする請求の範囲第 1 項記載の小型直流モーター。

5 . 小型直流モータ一のブラシに接続しているリン青鋦板と入力端子間に両面に電極を有する板状の P τ C サ一ミスタを配設したことを特徴とする請求の範囲第 1 項記載の小型直流モーター。

6 . 小型直流モーターのブラシと入力端子に接続するリン青鋦板との間に両端に電極を有する P T C サーミスタを揷入 · 接着して配設したことを特徴とする請求の範囲第 1 項記載の小型直流モーター。

7 . 小型直流モーターの端子盤に両端面に電極を有する円筒状の P T C サーミスタを埋め込み、上記電極の一方が入力端子に接続し、他方がブラシに接続しているリン青鋦扳又はそれに接続する端子に接続されてなることを特徴とする請求の範囲第 1 項記載の小型直流モータ一。