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(In Japanese)PTCサーミスタ素子 commons

Patent code P180014973
File No. (NU-596)
Posted date May 23, 2018
Application number P2017-517617
Date of filing May 12, 2016
International application number JP2016002338
International publication number WO2016181655
Date of international filing May 12, 2016
Date of international publication Nov 17, 2016
Priority data
  • P2015-098352 (May 13, 2015) JP
Inventor
  • (In Japanese)石田 順彦
  • (In Japanese)小橋 眞
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人名古屋大学
Title (In Japanese)PTCサーミスタ素子 commons
Abstract (In Japanese)
【課題】
  比較的大きなPTC効果を備えるとともに高い通電耐久性を備えるPTCサーミスタ素子を提供することである。
【解決手段】
  PTCサーミスタ素子1は、PTCサーミスタ部材10と、PTCサーミスタ部材20と、PTCサーミスタ部材10とPTCサーミスタ部材20との間に位置するPTCサーミスタ部材30と、を有する。PTCサーミスタ部材30の電気抵抗率の変化率は、PTCサーミスタ部材10の電気抵抗率の変化率およびPTCサーミスタ部材20の電気抵抗率の変化率よりも小さい。電気抵抗率の変化率は、第1の温度での電気抵抗率に対する第2の温度での電気抵抗率の比である。第1の温度は、25℃である。第2の温度は、300℃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ヒーターもしくは過電流保護素子等に好適に用いられるPTCサーミスタ素子に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
第1のPTCサーミスタ部材と、
第2のPTCサーミスタ部材と、
前記第1のPTCサーミスタ部材と前記第2のPTCサーミスタ部材との間に位置する第1の導電性部材と、
を有し、
前記第1のPTCサーミスタ部材は、
電気絶縁性かつ熱膨張性の第1の無機材料を含有する第1の母相と、
前記第1の母相の全体に分散された第1の導電粒子と、
を含有し、
前記第2のPTCサーミスタ部材は、
電気絶縁性かつ熱膨張性の第2の無機材料を含有する第2の母相と、
前記第2の母相の全体に分散された第2の導電粒子と、
を含有し、
前記第1の導電性部材の電気抵抗率の変化率は、
前記第1のPTCサーミスタ部材の電気抵抗率の変化率および前記第2のPTCサーミスタ部材の電気抵抗率の変化率よりも小さく、
前記電気抵抗率の変化率は、
第1の温度での電気抵抗率に対する第2の温度での電気抵抗率の比であり、
前記第1の温度は、
25℃であり、
前記第2の温度は、
300℃であること
を特徴とするPTCサーミスタ素子。

【請求項2】
 
請求項1に記載のPTCサーミスタ素子において、
前記第1の導電性部材は、
第3のPTCサーミスタ部材であり、
前記第3のPTCサーミスタ部材は、
電気絶縁性かつ熱膨張性の第3の無機材料を含有する第3の母相と、
前記第3の母相の全体に分散された第3の導電粒子と、
を含有すること
を特徴とするPTCサーミスタ素子。

【請求項3】
 
請求項2に記載のPTCサーミスタ素子において、
前記第3の導電粒子の平均粒子径は、
前記第1の導電粒子の平均粒子径および前記第2の導電粒子の平均粒子径よりも小さいこと
を特徴とするPTCサーミスタ素子。

【請求項4】
 
請求項2または請求項3に記載のPTCサーミスタ素子において、
前記第1の導電性部材に占める前記第3の導電粒子の体積分率は、
前記第1のPTCサーミスタ部材に占める前記第1の導電粒子の体積分率および前記第2のPTCサーミスタ部材に占める前記第2の導電粒子の体積分率よりも5%以上大きいこと
を特徴とするPTCサーミスタ素子。

【請求項5】
 
請求項1に記載のPTCサーミスタ素子において、
前記第1の導電性部材は、
焼結金属、焼結合金、サーメット、導電性無機材料、のうちのいずれかを主成分とするものであること
を特徴とするPTCサーミスタ素子。

【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サーミスタ素子において、
前記第1の導電性部材の体積膨張率は、
前記第1のPTCサーミスタ部材の体積膨張率および前記第2のPTCサーミスタ部材の体積膨張率よりも小さいこと
を特徴とするPTCサーミスタ素子。

【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サーミスタ素子において、
前記第1の無機材料および前記第2の無機材料は、
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、のうちの少なくとも一つを含有すること
を特徴とするPTCサーミスタ素子。

【請求項8】
 
請求項2から請求項4までのいずれか1項に記載のPTCサーミスタ素子において、
前記第3の無機材料は、
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、のうちの少なくとも一つを含有すること
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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JP2017517617thum.jpg
State of application right Published
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