説明

過電流保護素子及びその製造方法

【課題】長時間過電流を流し続けても発熱状態を保持することができ、長時間高温雰囲気下に置いても、高分子マトリクスと電極体とが剥離せず、破壊又は劣化することなく安定した絶縁状態を保持できる過電流保護素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】高分子マトリクスを電極体である一対の金属箔間に接着挟持させ、高分子マトリクスに、無水化物により変性されたエラストマー、複数の導電性微粒子、及び結晶性の樹脂をそれぞれ含有する。無水化物により変性されたエラストマーを、カルボン酸あるいは無水マレイン酸を付加してなるエチレン−αオレフィン−ジエン共重合体、及び又はカルボン酸あるいは無水マレイン酸を付加してなるスチレン−ブタジエン系共重合体で構成されているエラストマーとして一種類以上含有する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電気電子機器の回路、部品、電源等を保護するための過電流保護素子及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
樹脂型の過電流保護素子は、図示しない高分子マトリクスが電極体となる一対の金属箔間に挟持され、高分子マトリクスに導電性粒子が分散した素子であり、(1)特に室温での抵抗値が十分低いこと、(2)室温抵抗値と動作時の抵抗値の変化率が十分大きいこと、(3)繰り返しの動作における抵抗値の変化が小さいことが特性として求められる(特許文献1、2参照)。
【0003】
このような過電流保護素子は、高温雰囲気下あるいは高電流の通電に基づく動作時に素子自体が加熱し、高温の状態になると、高分子マトリクスが熱膨張して当該高分子マトリクス内に分散された個々の導電性粒子間の距離が離れ、絶縁状態を形成すると考えられる。
【0004】
ところで、高分子マトリクスを用いた従来の過電流保護素子は、UL1434(サーミスタ規格)中のエージングテストに見られるよう、過電流を長時間通電して発熱状態を呈したり、あるいは長時間高温の雰囲気下に置くと、高分子マトリクスと金属箔との剥離による素子の破壊が発生しやすいという特徴がある。また、例え破壊されなくても、過電流保護素子を室温に戻したときに抵抗値が初期状態に対して大幅に上昇してしまう等の好ましくない問題が生じる。
【0005】
これは、長時間高温下に置くことにより、高分子マトリクスと金属箔の間に微細な隙間が発生し、結果的に素子の抵抗値上昇を招き、極端な場合には、空隙にスパークが発生し、高分子マトリクスに引火して破壊するおそれがあるという理由によるものである。
【0006】
そこで、金属箔と高分子マトリクスとが高温時に剥離しないように対策を講じる必要があり、この対策としては、(1)粗面化された金属箔を使用する、(2)金属箔との界面にプライマー等の接着成分を塗布する等の技術が一般的に考えられる。しかしながら、粗面化された素子については、高温時においては、高分子マトリクスと金属箔との接着力の低下を防ぐことは困難である。
【特許文献1】特開2006‐80213号公報
【特許文献2】特開2006‐24863号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明者等は上記に鑑みて鋭意検討を重ねた結果、高分子マトリクスの軟化点に支配されているトリップ時の素子温度付近で金属と粘着作用を持つ成分を混合すれば、上記問題は起こり得ず、長時間過電流を流し続けて発熱状態を維持したり、又は長時間高温雰囲気下に置いても、金属箔と高分子マトリクスとの剥離の発生しない好ましい素子の製造が可能になることを見出した。
【0008】
本発明は上記に鑑みなされたもので、長時間過電流を流し続けても発熱状態を保持することができ、長時間高温雰囲気下に置いても、高分子マトリクスと電極体とが剥離せず、破壊又は劣化することなく安定した絶縁状態を保持することのできる過電流保護素子及びその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明においては上記課題を解決するため、高分子マトリクスを複数の電極体の間に挟んでなるものであって、
高分子マトリクスは、少なくとも無水化物により変性されたエラストマーと導電性微粒子とをそれぞれ含有することを特徴としている。
【0010】
なお、高分子マトリクスは、結晶性の樹脂を含有することが好ましい。
また、無水化物により変性されたエラストマーは、カルボン酸あるいは無水マレイン酸を付加してなるエチレン−αオレフィン−ジエン共重合体、カルボン酸あるいは無水マレイン酸を付加してなるスチレン−ブタジエン系共重合体で構成されているエラストマーを一種類以上含有することが好ましい。
【0011】
また、高分子マトリクスは、少なくとも無水化物により変性されたエラストマーを1〜20%含有することが好ましい。
また、高分子マトリクスは、少なくとも無水化物により変性された接着性のエラストマーを6〜8%含有することが好ましい。
また、導電性微粒子を、平均粒子径が70〜100nm前後のカーボンブラックとしてそのDBP吸油量を30〜70cm/100gとすることが好ましい。
【0012】
また、本発明においては上記課題を解決するため、高分子マトリクスを複数の電極体の間に挟んでなる過電流保護素子の製造方法であって、
高分子マトリクスは、少なくとも無水化物により変性されたエラストマー、導電性微粒子、及び結晶性の樹脂を含有し、
無水化物により変性されたエラストマーは、カルボン酸あるいは無水マレイン酸を付加してなるエチレン−αオレフィン−ジエン共重合体、カルボン酸あるいは無水マレイン酸を付加してなるスチレン−ブタジエン系共重合体で構成されているエラストマーを一種類以上含有することを特徴としている。
【0013】
さらに、高分子マトリクスを複数の電極体の間に挟んで使用するものの製造方法であって、
高分子マトリクス、無水化物により変性されたエラストマー、導電性微粒子、及び結晶性の樹脂を混練して混練物を調製し、この混練物をシートに形成してその両面には電極体をそれぞれ重ねてプレスし、これらを加熱、加圧してラミネート体を製造するとともに、このラミネート体の高分子マトリクスと電極体の少なくとも密着部分に、1〜40MRadの電子線あるいはγ線を照射することを特徴としても良い。
【0014】
ここで、特許請求の範囲における高分子マトリクスを複数の電極体の間に挟む際、高分子マトリクスと電極体とを密着させ、この密着部分に、1〜40MRadの電子線あるいはγ線を照射することができる。電極体としては、ニッケルと銅のいずれかを単数複数使用することができる。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、高分子マトリクスに、高分子マトリクスの軟化点に支配されているトリップ時の素子温度付近で金属と粘着作用を発揮する成分、換言すれば、無水化物により変性されたエラストマーを含有するので、長時間過電流を流し続けても、発熱状態を保持することができ、しかも、長時間高温雰囲気下に置いても、高分子マトリクスと電極体とが剥離するのを抑制防止することができるという効果がある。また、破壊又は劣化することなく、安定した絶縁状態を保持することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
以下、本発明の好ましい実施の形態を説明すると、本実施形態における過電流保護素子は、高分子マトリクスを電極体である一対の金属箔間に接着挟持させ、高分子マトリクスに、無水化物により変性されたエラストマー、複数の導電性微粒子、及び結晶性の樹脂をそれぞれ含有しており、コンピュータや自動車等の所定の電気回路、あるいは電子回路に組み込まれて一対の金属箔同士の直接接触により導通機能を発揮する。
【0017】
高分子マトリクスと導電性の一対の金属箔とは、同じ大きさの平面矩形に形成され、相互に密着してその密着部分に、1〜40MRad、好ましくは1〜30MRad、より好ましくは5〜30MRad、さらに好ましくは10〜20MRadの電子線、あるいはγ線が照射されることにより一体化される。電子線あるいはγ線の照射量が40MRad以下なのは、照射量が40MRadを超える場合には、高分子マトリクスの樹脂分子鎖の断裂が進行して過電流保護素子の樹脂部分が脆くなるからである。また、X線ではなく、電子線あるいはγ線が照射されるのは、確実な接着を重視したものである。
【0018】
一対の金属箔は、相互に対向し、各金属箔が扱い易さやコストの観点から10〜100μm程度の厚さを有する薄い平面長方形に形成されており、各金属箔の高分子マトリクスと接触しない表面には、回路接続用のリード線が接続される。この金属箔は、電解析出法により製造されるニッケル、銅、鉄、圧延法により製造されるニッケル、金、銀、銅が使用され、これらには、ニッケルメッキや金メッキが適宜施される。また、金属箔の酸化を回避したい場合には、銅にニッケルがメッキされる。
【0019】
金属箔は、上記材料ならばいずれでも良いが、電解析出法により製造されるニッケルや銅を使用する場合には、電解析出で表面に複数の凹凸が生じるので、高分子マトリクスとの物理的な接着が大いに期待できる。
【0020】
無水化物により変性されたエラストマーは、カルボン酸あるいは無水マレイン酸を付加してなるエチレン−αオレフィン−ジエン共重合体、及び又はカルボン酸あるいは無水マレイン酸を付加してなるスチレン−ブタジエン系共重合体で構成されているエラストマーが一種類以上含有される。このエラストマーは、1〜20wt%(重量%、以下同じ)、好ましくは2〜15wt%、より好ましくは3〜9wt%、さらに好ましくは7wt%程度高分子マトリクスに含有される。
【0021】
エラストマーの含有量が1〜20wt%の範囲なのは、1wt%未満の場合には、接着性が不安定化して剥離のおそれがあり、逆に20wt%を超える場合には、上昇した抵抗値が初期状態に復帰せず、過電流保護素子のPTC特性に支障を来たすからである。
【0022】
なお、高分子マトリクスは、結晶性の樹脂である熱可塑性ポリマー、具体的には接着性を示すマレイン酸変性EPR等を7wt%以上含有し、平面長方形のシートに成形される。この高分子マトリクスの材料としては、例えば適切な膨張率を得ることのできる絶縁性のポリエチレン等があげられる。
【0023】
導電性微粒子は、例えば平均粒子径が70〜100nm前後、好ましくは70〜100nmのカーボンブラック等が使用され、高分子マトリクスの剛性を向上させるよう機能する。この導電性微粒子の平均粒子径が70〜100nm前後なのは、この範囲ならば、導電性微粒子同士が離れやすく、過電流保護素子としてトリップ時の絶縁抵抗値が保ち易いからである。
【0024】
導電性微粒子のDBP吸油量は、30〜70cm/100g、好ましくは40〜60cm/100gが良い。これは、DBP吸油量が30〜70cm/100gの範囲ならば、無水化物により変性されたエラストマー中への分散が容易になるという理由に基づく。
【0025】
過電流保護素子を製造する場合には、先ず、所定量の高分子マトリクス、無水化物により変性されたエラストマー、及び複数の導電性微粒子をミキサーにより混合・攪拌するとともに、所定の温度に調整した加圧ニーダで混練して混練物を調製した。こうして混練物を調製したら、この混練物をカレンダー加工機にセットしてシーティングし、150μmの厚さを有するシートを製造した。
【0026】
次いで、シートの表裏両面に金属箔をそれぞれ積層してプレス成形機にセットし、所定の条件で加熱加圧して多層構造のラミネート体を製造し、その後、ラミネート体の高分子マトリクスと各金属箔の少なくとも密着部分に、1〜40MRadの電子線を電子線架橋装置により照射して高分子配合物を架橋させれば、過電流保護素子を製造することができる。
【0027】
上記によれば、過電流保護素子の機能を何ら損なうことなく、長時間のトリップ状態でも非常に安定した絶縁状態を得ることができる。
【0028】
なお、上記実施形態では高分子マトリクスと接触しない金属箔の表面に回路接続用のリード線を接続したが、高分子マトリクスと接触する金属箔の接触面を粗くランダムな凹凸に粗面化しても良い。
【実施例】
【0029】
以下、本発明に係る過電流保護素子及びその製造方法の実施例を比較例と共に説明する。
実施例1
先ず、ポリエチレン(出光石油化学製 商品名548B)53wt%、導電性微粒子(東海カーボン製 商品名シーストSP)40wt%、及びマレイン酸変性EPR(JSR製 商品名T7741P)7wt%を原料としてスーパーミキサー(カワタ製)により混合・攪拌するとともに、180℃の温度に調整した加圧ニーダで混練して混練物を調製した。こうして混練物を調製したら、この混練物をカレンダー加工機にセットしてシーティングし、150μmの厚さを有するシートを製造した。
【0030】
次いで、製造したシートの表裏両面に金属箔をそれぞれ積層してプレス成形機にセットし、所定の条件で加熱加圧して総厚190μmのラミネート体を製造し、その後、このラミネート体に10MRadの電子線を電子線架橋装置により照射して高分子配合物を架橋させ、過電流保護素子を製造した。
金属箔は20μmの厚さを有する圧延ニッケル箔(東洋製箔製)とし、250℃の条件で加熱するとともに、10kgf/cmの条件で加圧した。
【0031】
実施例2
実施例1と同様に製造したラミネート体に1MRadの電子線を電子線架橋装置により照射して高分子配合物を架橋させ、過電流保護素子を製造した。その他は実施例1と同様とした。
【0032】
実施例3
実施例1と同様に製造したシートの表裏両面に金属箔をそれぞれ積層してプレス成形機にセットし、所定の条件で加熱加圧して総厚200μmのラミネート体を製造し、その後、このラミネート体に40MRadの電子線を電子線架橋装置により照射して高分子配合物を架橋させ、過電流保護素子を製造した。
金属箔は25μmの厚さを有する電解ニッケル箔(福田金属製)とし、その他は実施例1と同様とした。
【0033】
実施例4
先ず、ポリエチレン(出光石油化学製 商品名548B)57wt%、導電性微粒子(東海カーボン製 商品名シーストSP)40wt%、及びマレイン酸変性EPR(JSR製 商品名T7741P)3wt%を原料としてスーパーミキサー(カワタ製)により混合・攪拌するとともに、180℃の温度に調整した加圧ニーダで混練して混練物を調製した。こうして混練物を調製したら、この混練物をカレンダー加工機にセットしてシーティングし、150μmの厚さを有するシートを製造した。
【0034】
次いで、製造したシートの表裏両面に金属箔をそれぞれ積層してプレス成形機にセットし、所定の条件で加熱加圧して総厚200μmのラミネート体を製造し、その後、このラミネート体に20MRadの電子線を電子線架橋装置により照射して高分子配合物を架橋させ、過電流保護素子を製造した。
金属箔は25μmの厚さを有する電解ニッケル箔(東洋製箔製)とし、250℃の条件で加熱するとともに、10kgf/cmの条件で加圧した。
【0035】
実施例5
基本的には実施例4と同様だが、ポリエチレン(出光石油化学製 商品名548B)52wt%、導電性微粒子(東海カーボン製 商品名シーストSP)40wt%、及びマレイン酸変性EPR(JSR製 商品名T7741P)8wt%を原料としてスーパーミキサー(カワタ製)により混合・攪拌した。また、ラミネート体に20MRadの電子線を電子線架橋装置により照射して高分子配合物を架橋させ、過電流保護素子を製造した。
【0036】
実施例6
基本的には実施例4と同様だが、ポリエチレン(出光石油化学製 商品名548B)55wt%、導電性微粒子(東海カーボン製 商品名シーストSP)40wt%、及びマレイン酸変性EPR(JSR製 商品名T7741P)5wt%を原料としてスーパーミキサー(カワタ製)により混合・攪拌した。また、ラミネート体に30MRadの電子線を電子線架橋装置により照射して高分子配合物を架橋させ、過電流保護素子を製造した。
【0037】
実施例7
基本的には実施例4と同様だが、ポリエチレン(出光石油化学製 商品名548B)42wt%、導電性微粒子(東海カーボン製 商品名シーストSP)40wt%、及びマレイン酸変性EPR(JSR製 商品名T7741P)8wt%を原料としてスーパーミキサー(カワタ製)により混合・攪拌した。また、ラミネート体に5MRadの電子線を電子線架橋装置により照射して高分子配合物を架橋させ、過電流保護素子を製造した。
【0038】
比較例1
先ず、ポリエチレン(出光石油化学製 商品名548B)60wt%、導電性微粒子(東海カーボン製 商品名シーストSP)40wt%を原料としてスーパーミキサー(カワタ製)により混合・攪拌するとともに、180℃の温度に調整した加圧ニーダで混練して混練物を調製した。こうして混練物を調製したら、この混練物をカレンダー加工機にセットしてシーティングし、150μmの厚さを有するシートを製造した。
【0039】
次いで、製造したシートの表裏両面に金属箔をそれぞれ積層してプレス成形機にセットし、所定の条件で加熱加圧して総厚190μmのラミネート体を製造し、その後、このラミネート体に20MRadの電子線を電子線架橋装置により照射して高分子配合物を架橋させ、過電流保護素子を製造しようとした。
金属箔は20μmの厚さを有するニッケル箔(東洋製箔製)とし、その他は実施例1と同様とした。
【0040】
比較例2
比較例1と同様に製造したシートの表裏両面に金属箔の粗面をそれぞれ積層してプレス成形機にセットし、所定の条件で加熱加圧して総厚250μmのラミネート体を製造し、その後、このラミネート体に0.5MRadの電子線を電子線架橋装置により照射して高分子配合物を架橋させ、過電流保護素子を製造した。
金属箔は50μmの厚さを有するニッケル箔(東洋製箔製)とし、この金属箔の表面粗さRaは2.0μmとした。その他は比較例1と同様とした。
【0041】
比較例3
比較例1と同様に製造したシートの表裏両面に金属箔をそれぞれ積層してプレス成形機にセットし、所定の条件で加熱加圧して総厚200μmのラミネート体を製造し、その後、このラミネート体に45MRadの電子線を電子線架橋装置により照射して高分子配合物を架橋させ、過電流保護素子を製造した。
金属箔は25μmの厚さを有する電解ニッケル箔(福田金属製)とし、その他は比較例1と同様とした。
【0042】
過電流保護素子の特性の測定
実施例、比較例の過電流保護素子を製造したら、得られた各過電流保護素子の特性を測定した。測定に際しては、過電流保護素子の一対の金属箔に電線をそれぞれ接合してその一方の端部を抵抗測定器に接続し、接続した過電流保護素子をオーブンにセットして抵抗値の測定を開始した。
【0043】
測定は、20℃から順次10℃毎に昇温して抵抗値を測定し、160℃まで昇温させ、160℃に達したら、温度を保持して過電流保護素子の抵抗値の状態を観察した。絶縁状態が保てなくなったら、その時点で測定は中止した。また、絶縁状態の抵抗値は、35000Ωを限界として測定した。
【0044】
約24時間毎に抵抗値を測定し、1000時間に達するまで観察した(UL1434のエージングテストに相当)。そして、問題の生じなかった過電流保護素子について室温に1時間放置し、その後、R−T曲線を測定した。
【0045】
R−T曲線は以下の通りに測定した。先ず、20℃から順次10℃毎に昇温させて抵抗値を測定し、160℃まで昇温したら、温度を順次10℃毎に降温して20℃まで測定を続けた(20℃に戻った時の抵抗値を緩和抵抗値という)。
【0046】
実施例、比較例の過電流保護素子の特性を測定したら、表1に実施例、比較例の長期トリップテスト時の抵抗値の状態をそれぞれまとめ、表2に1000時間後のR−T曲線を示した。
【0047】
【表1】

【0048】
【表2】

【0049】
実施例1〜3の場合には、良好な絶縁状態を示し、1000時間後のR−T曲線でも何ら問題は生じなかった。
これに対し、比較例1の場合には、樹脂と金属箔が接着せず、過電流保護素子を製造することができなかった。また、比較例2の場合には、トリップ温度に到達後、約100時間で過電流保護素子の破壊が生じた。さらに、比較例3の場合には、トリップ温度に到達後、約300時間で過電流保護素子の破壊が生じた。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
高分子マトリクスを複数の電極体の間に挟んでなる過電流保護素子であって、高分子マトリクスは、少なくとも無水化物により変性されたエラストマーと導電性微粒子とをそれぞれ含有することを特徴とする過電流保護素子。
【請求項2】
高分子マトリクスは、結晶性の樹脂を含有する請求項1記載の過電流保護素子。
【請求項3】
無水化物により変性されたエラストマーは、カルボン酸あるいは無水マレイン酸を付加してなるエチレン−αオレフィン−ジエン共重合体、カルボン酸あるいは無水マレイン酸を付加してなるスチレン−ブタジエン系共重合体で構成されているエラストマーを一種類以上含有する請求項1又は2記載の過電流保護素子。
【請求項4】
高分子マトリクスを複数の電極体の間に挟んでなる過電流保護素子の製造方法であって、
高分子マトリクスは、少なくとも無水化物により変性されたエラストマー、導電性微粒子、及び結晶性の樹脂を含有し、
無水化物により変性されたエラストマーは、カルボン酸あるいは無水マレイン酸を付加してなるエチレン−αオレフィン−ジエン共重合体、カルボン酸あるいは無水マレイン酸を付加してなるスチレン−ブタジエン系共重合体で構成されているエラストマーを一種類以上含有することを特徴とする過電流保護素子の製造方法。

【公開番号】特開2007−317994(P2007−317994A)
【公開日】平成19年12月6日(2007.12.6)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−148132(P2006−148132)
【出願日】平成18年5月29日(2006.5.29)
【出願人】(000190116)信越ポリマー株式会社 (1,394)
【Fターム(参考)】