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(In Japanese)PTCサーミスタ部材およびPTCサーミスタ素子 commons

Patent code P170014741
Posted date Dec 21, 2017
Application number P2017-501931
Date of filing Feb 22, 2016
International application number JP2016000923
International publication number WO2016136228
Date of international filing Feb 22, 2016
Date of international publication Sep 1, 2016
Priority data
  • P2015-032495 (Feb 23, 2015) JP
Inventor
  • (In Japanese)石田 順彦
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人名古屋大学
Title (In Japanese)PTCサーミスタ部材およびPTCサーミスタ素子 commons
Abstract (In Japanese)大きなPTC効果を備えるとともに通電耐久性を備えるPTCサーミスタ部材およびPTCサーミスタ素子を提供することが目的である。PTCサーミスタ素子(1)は、PTCサーミスタ部材(2)と、電極(3a)、(3b)と、を有している。PTCサーミスタ部材(2)は、母相と、母相の全体に分散された導電粒子と、を含有する。母相は、電気絶縁性の無機材料を含有する。無機材料は、相転移温度で結晶構造が相転移するとともに体積変化するものである。導電粒子は、第1の導電粒子と、第1の導電粒子と材質の異なる第2の導電粒子と、を有する。第1の導電粒子は、融点が1550℃以上の粒子である。第2の導電粒子は、金属ホウ化物と、金属珪化物と、金属炭化物と、融点が1550℃未満の粒子と、のうちのいずれかである。
【選択図】
 図1
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

PTC(Positive Temperature Coefficient of resistance)材料は、特定の温度において急激に電気抵抗値が増加する性質を有する。そのため、例えばリチウムイオン二次電池の短絡電流を抑制する用途、モーターの過負荷電流を防止する用途の限流素子として利用されている。また、通電することで自発的に一定の温度を保持するヒーター材料として利用されている。

PTC材料としては、特許文献1に示すように、所定の温度で電気的特性が変化するチタン酸バリウム系セラミックスが最もよく知られている。しかし、室温におけるチタン酸バリウム系セラミックスの電気抵抗率は高い。そのため通電による損失が大きい。また、仕様により鉛を添加する必要がある。そのため、地球環境面で問題がある。さらには、製造コストが高い。そこで、他のPTC材料が探索されてきている。

その結果、ポリマーを母材とするとともに導電性物質を添加剤とする複合材料にPTC特性が見出された。ここで、PTC特性とは、特定の温度において急激に電気抵抗率が増加する定性的な特性のことである。例えば、特許文献2には、絶縁体であるポリエチレン等の結晶性ポリマーにカーボン等の導電粒子を混合した複合材料が開示されている。この複合材料では、特定の混合比においてポリマーマトリックス中に導電パスが形成される。そのため、導電粒子の増加にともなって、電気抵抗率が急激に減少する混合比が存在する。

このような混合比で製造された複合材料では、ポリマーの熱膨張は導電粒子の熱膨張よりもはるかに大きい。そのため、この複合材料の温度を上昇させていくと、結晶性ポリマーが溶解する際にこの結晶性ポリマーが急激に膨張する。この膨張する結晶性ポリマーが、ポリマー中で導電パスを形成している導電粒子同士を引き離す。そのため、導電パスは切断されて電気抵抗率は急激に上昇する。これにより、PTC特性が発現する。

一方、ポリマー等の有機材料を母材とする複合材料では、耐熱性が低い。そのため、150℃以上の高温に保持するヒーター用途では安定に動作しない。また、カーボンを導電粒子とするため比抵抗が1Ω・cm程度のものしか得られない。すなわち、用途が非常に限定される。

そこで、クリストバライトもしくはトリジマイトに導電粒子を混合した複合材料が開発されてきている。クリストバライトおよびトリジマイトは、熱膨張率の高い無機材料である。特許文献3-5には、ポリマー等を母材とする複合材料に比べて1桁から2桁程度低い室温抵抗率を備える無機複合PTCサーミスタ部材が開示されている。この無機複合PTCサーミスタ部材では、ポリマーを用いたPTCサーミスタ部材に比べて耐熱性が優れている。

Field of industrial application (In Japanese)

本明細書の技術分野は、PTCヒーターや過電流保護素子等に好適に用いられるPTCサーミスタ部材およびPTCサーミスタ素子に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
母相と、
前記母相の全体に分散された複数の導電粒子と、
を含有するPTCサーミスタ部材において、
前記母相は、
電気絶縁性の無機材料を含有し、
前記無機材料は、
相転移温度で結晶構造が相転移するとともに体積変化するものであり、
前記複数の導電粒子は、
第1の導電粒子と、前記第1の導電粒子と材質の異なる第2の導電粒子と、を有し、
前記第1の導電粒子は、
融点が1550℃以上の粒子であり、
前記第2の導電粒子は、
金属ホウ化物と、金属珪化物と、金属炭化物と、融点が1550℃未満の粒子と、のうちのいずれかであること
を特徴とするPTCサーミスタ部材。

【請求項2】
 
請求項1に記載のPTCサーミスタ部材において、
前記第1の導電粒子は、
金属、合金、金属炭化物、金属窒化物、金属珪化物、金属炭化珪化物、のうちのいずれかであること
を特徴とするPTCサーミスタ部材。

【請求項3】
 
請求項2に記載のPTCサーミスタ部材において、
前記第1の導電粒子は、
タングステン、モリブデン、ニオブ、ジルコニウム、タンタル、チタン、クロム、バナジウム、炭化タングステン、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ニオブ、炭化モリブデン、窒化チタン、窒化ジルコニウム、珪化モリブデン、珪化ニオブ、珪化タンタル、珪化クロム、珪化タングステン、これらの材料を含有する合金または固溶体のうちのいずれかであること
を特徴とするPTCサーミスタ部材。

【請求項4】
 
請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載のPTCサーミスタ部材において、
前記第2の導電粒子は、
金属ホウ化物と、金属珪化物と、金属炭化物と、融点が1100℃以上1550℃未満の粒子とのうちのいずれかであること
を特徴とするPTCサーミスタ部材。

【請求項5】
 
請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載のPTCサーミスタ部材において、
前記無機材料は、
クリストバライト型二酸化珪素と、トリジマイト型二酸化珪素と、クリストバライト型リン酸アルミニウムと、トリジマイト型リン酸アルミニウムと、カーネギアイトと、のうち少なくとも1つ以上の材料を含有すること
を特徴とするPTCサーミスタ部材。

【請求項6】
 
請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載のPTCサーミスタ部材において、
前記母相に占める前記複数の導電粒子の総和の体積分率は、
19%以上32%以下の範囲内であること
を特徴とするPTCサーミスタ部材。

【請求項7】
 
請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載のPTCサーミスタ部材において、
前記母相に占める前記第1の導電粒子の体積分率は、
前記複数の導電粒子の総和の体積分率の4%以上95%以下であること
を特徴とするPTCサーミスタ部材。

【請求項8】
 
請求項1から請求項7までのいずれか1項に記載のPTCサーミスタ部材において、
前記第2の導電粒子がアトマイズ法により作製されたものであること
を特徴とするPTCサーミスタ部材。

【請求項9】
 
請求項1から請求項8までのいずれか1項に記載のPTCサーミスタ部材と、
前記PTCサーミスタ部材と電気的に接続された第1電極および第2電極と、
を有すること
を特徴とするPTCサーミスタ素子。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2017501931thum.jpg
State of application right Published
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