JPH10208903A - 過電流保護素子 - Google Patents
過電流保護素子Info
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- JPH10208903A JPH10208903A JP645097A JP645097A JPH10208903A JP H10208903 A JPH10208903 A JP H10208903A JP 645097 A JP645097 A JP 645097A JP 645097 A JP645097 A JP 645097A JP H10208903 A JPH10208903 A JP H10208903A
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- temperature
- ptc
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- Thermistors And Varistors (AREA)
- Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 異常電流に対して急激に温度上昇しトリップ
状態に達する過電流保護素子を得ることである。 【解決手段】 ＰＴＣ特性の異なる二つの複合材料を共
通の電極板の間に挟み込んで一体成形して回路的には並
列に熱的には熱伝導性のよい電極を共通にすることを特
徴とする。このように、相互の発熱による温度上昇及び
廃熱による温度低下を共通化する。
状態に達する過電流保護素子を得ることである。 【解決手段】 ＰＴＣ特性の異なる二つの複合材料を共
通の電極板の間に挟み込んで一体成形して回路的には並
列に熱的には熱伝導性のよい電極を共通にすることを特
徴とする。このように、相互の発熱による温度上昇及び
廃熱による温度低下を共通化する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電子機器や携帯機
器の電源回路において異常発生に伴う過剰な電流を感知
し過剰電流を遮断することで機器の損傷を防ぐための過
電流保護素子（ＰＴＣ素子）に関するものである。
器の電源回路において異常発生に伴う過剰な電流を感知
し過剰電流を遮断することで機器の損傷を防ぐための過
電流保護素子（ＰＴＣ素子）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種の過電流保護素子すなわち
ＰＴＣ素子は樹脂と炭素粉末からなる複合材料をＰＴＣ
特性（正の温度抵抗特性）を利用した素子が用いられて
いる。これは常温時においては樹脂内に含まれる炭素粉
末同士がネットワーク状につながって導電体になってい
る。従来のＰＴＣ素子の例を図９に示す。また使用され
ている樹脂としては、高密度ポリエチレン、低密度ポリ
エチレン、中密度ポリエチレン、エチレン／アクリル酸
コポリマー、ポリプロピレン、ポリビニリデンフルオリ
ド、フッ素化エチレン／プロピレンコポリマー、等々の
ポリマーである。
ＰＴＣ素子は樹脂と炭素粉末からなる複合材料をＰＴＣ
特性（正の温度抵抗特性）を利用した素子が用いられて
いる。これは常温時においては樹脂内に含まれる炭素粉
末同士がネットワーク状につながって導電体になってい
る。従来のＰＴＣ素子の例を図９に示す。また使用され
ている樹脂としては、高密度ポリエチレン、低密度ポリ
エチレン、中密度ポリエチレン、エチレン／アクリル酸
コポリマー、ポリプロピレン、ポリビニリデンフルオリ
ド、フッ素化エチレン／プロピレンコポリマー、等々の
ポリマーである。
【０００３】ＰＴＣ素子において、一定以上の電流が通
過する際、若干の抵抗によるジュール熱で自ら発熱し温
度が上昇する。温度が一定に達すると熱可塑性の樹脂は
融点に達し高分子の結晶構造を失う。それにより、炭素
粉末同士のネットワークは遮断され抵抗率が数桁も上昇
し回路の電流を遮断することができる。このときの状態
を通常トリップ状態と呼んでいる。ヒューズとの違いは
異常電流の原因を取り除き温度が常温に戻ると素子の抵
抗値も元に復帰し再度使用できることである。また小型
で用途によっては薄板状に形成できることから乾電池内
に実装されたりあるいは表面実装部品（ＳＭＤ）として
広く使用されている。
過する際、若干の抵抗によるジュール熱で自ら発熱し温
度が上昇する。温度が一定に達すると熱可塑性の樹脂は
融点に達し高分子の結晶構造を失う。それにより、炭素
粉末同士のネットワークは遮断され抵抗率が数桁も上昇
し回路の電流を遮断することができる。このときの状態
を通常トリップ状態と呼んでいる。ヒューズとの違いは
異常電流の原因を取り除き温度が常温に戻ると素子の抵
抗値も元に復帰し再度使用できることである。また小型
で用途によっては薄板状に形成できることから乾電池内
に実装されたりあるいは表面実装部品（ＳＭＤ）として
広く使用されている。
【０００４】前項で動作原理を説明したとおり、この種
の素子は通常電源回路等に直列に接続されており正常時
はできる限り抵抗が小さいことが望ましい。何となれば
正常の機器の動作電流でもジュール熱を発生してエネル
ギーの損失を生じ本来の目的以外のためにエネルギーを
放出する事になるからである。とくに携帯機器の場合は
わずかのエネルギー損失でも電池寿命の低下につながる
ことからこの部分でのエネルギー損失は好ましくない。
一方、保護素子の抵抗を低く押さえすぎると異常電流に
対しての応答時間が長くなる。図５は常温から１００℃
近辺までの温度に対する抵抗の変化の状況が異なる二つ
のＰＴＣ素子材料Ｒ１，Ｒ２の温度と抵抗の関係を示
す。この二つの素子について図６の回路のＲｐの位置に
セットしてスイッチＳをＯＮにした後の電流の時間変化
を図７に示した。図７から明らかなように短い時間で電
流を遮断できるのはＲ１でこれはＲ２に比べて抵抗の上
昇率が高く６０℃ですでに１Ωを越えている。一方、Ｒ
２は６０℃ではまだ０．２Ω程度である。機器の中で異
常が生じたときに過電流保護素子に要求されることはで
きる限り早く異常を感知し電流を遮断する事である。こ
のことにより機器の損傷は免れる確率が高くなる。この
点ではＲ１が好ましいが機器の動作状態で回路部品の温
度は室温より高く５０℃を越えることも通常あり得るこ
とである。このとき保護素子としてＲ１の温度変化の素
子を使用していた場合素子内のジュール熱によるエネル
ギー損失を無視できなくなる。そこで機器の動作時の回
路部品の温度範囲内では抵抗を０．５Ω以下に押さえ込
みそれ以上の温度（たとえば８０℃以上）では異常電流
に対して充分のジュール熱を発生できる数Ωの抵抗に上
昇して急激に温度上昇しトリップ状態に達することがで
きる図８に示す抵抗の温度変化が望ましい。
の素子は通常電源回路等に直列に接続されており正常時
はできる限り抵抗が小さいことが望ましい。何となれば
正常の機器の動作電流でもジュール熱を発生してエネル
ギーの損失を生じ本来の目的以外のためにエネルギーを
放出する事になるからである。とくに携帯機器の場合は
わずかのエネルギー損失でも電池寿命の低下につながる
ことからこの部分でのエネルギー損失は好ましくない。
一方、保護素子の抵抗を低く押さえすぎると異常電流に
対しての応答時間が長くなる。図５は常温から１００℃
近辺までの温度に対する抵抗の変化の状況が異なる二つ
のＰＴＣ素子材料Ｒ１，Ｒ２の温度と抵抗の関係を示
す。この二つの素子について図６の回路のＲｐの位置に
セットしてスイッチＳをＯＮにした後の電流の時間変化
を図７に示した。図７から明らかなように短い時間で電
流を遮断できるのはＲ１でこれはＲ２に比べて抵抗の上
昇率が高く６０℃ですでに１Ωを越えている。一方、Ｒ
２は６０℃ではまだ０．２Ω程度である。機器の中で異
常が生じたときに過電流保護素子に要求されることはで
きる限り早く異常を感知し電流を遮断する事である。こ
のことにより機器の損傷は免れる確率が高くなる。この
点ではＲ１が好ましいが機器の動作状態で回路部品の温
度は室温より高く５０℃を越えることも通常あり得るこ
とである。このとき保護素子としてＲ１の温度変化の素
子を使用していた場合素子内のジュール熱によるエネル
ギー損失を無視できなくなる。そこで機器の動作時の回
路部品の温度範囲内では抵抗を０．５Ω以下に押さえ込
みそれ以上の温度（たとえば８０℃以上）では異常電流
に対して充分のジュール熱を発生できる数Ωの抵抗に上
昇して急激に温度上昇しトリップ状態に達することがで
きる図８に示す抵抗の温度変化が望ましい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
樹脂と炭素粉末からなる複合材料で樹脂や炭素粉末の選
定及び、混合条件の調整ではこの要求を満足することは
不可能であった。
樹脂と炭素粉末からなる複合材料で樹脂や炭素粉末の選
定及び、混合条件の調整ではこの要求を満足することは
不可能であった。
【０００６】そこで、本発明の技術的課題（目的）は、
異常電流に対して急激に温度上昇しトリップ状態に達す
る過電流保護素子を得ることである。
異常電流に対して急激に温度上昇しトリップ状態に達す
る過電流保護素子を得ることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、正の温
度抵抗特性を利用した過電流保護素子において、温度−
抵抗特性の異なる複数の抵抗素子材料を回路的に並列に
配置し組み合わせ、一体成形したことを特徴とするる過
電流保護素子が得られる。
度抵抗特性を利用した過電流保護素子において、温度−
抵抗特性の異なる複数の抵抗素子材料を回路的に並列に
配置し組み合わせ、一体成形したことを特徴とするる過
電流保護素子が得られる。
【０００８】
【発明の実施の形態】図１に示されている本発明の実施
の形態による過電流保護素子（ＰＴＣ素子）は、図８に
示す抵抗の温度変化を実現するために、ＰＴＣ特性の異
なる二つの複合材料を共通の電極板の間に挟み込んで一
体成形して回路的には並列に熱的には熱伝導性のよい電
極にしている。このように、相互の発熱による温度上昇
及び廃熱による温度低下を共通化できる構造とすること
により、機器の動作時の回路部品の温度範囲内では抵抗
を０．５Ω以下に押さえ込みそれ以上の温度（たとえば
８０℃以上）では異常電流に対して充分のジュール熱を
発生する数Ωの抵抗に上昇して急激に温度上昇しトリッ
プ状態に達する。
の形態による過電流保護素子（ＰＴＣ素子）は、図８に
示す抵抗の温度変化を実現するために、ＰＴＣ特性の異
なる二つの複合材料を共通の電極板の間に挟み込んで一
体成形して回路的には並列に熱的には熱伝導性のよい電
極にしている。このように、相互の発熱による温度上昇
及び廃熱による温度低下を共通化できる構造とすること
により、機器の動作時の回路部品の温度範囲内では抵抗
を０．５Ω以下に押さえ込みそれ以上の温度（たとえば
８０℃以上）では異常電流に対して充分のジュール熱を
発生する数Ωの抵抗に上昇して急激に温度上昇しトリッ
プ状態に達する。
【０００９】図２を参照すると、選ぶ二つのＰＴＣ素子
材料のひとつは、常温ですでに数Ωの抵抗を持ちトリッ
プ温度は一方よりも高い温度に設定された抵抗材料Ｒ
４、他のひとつは常温での抵抗が０．１Ω程度に設定さ
れトリップ温度はやや低い温度に設定した抵抗材料Ｒ３
である。本発明の実施の形態の過電流保護素子Ｒ５は、
実施例でも述べるが、抵抗の並列回路の性質として合成
抵抗は低い方の抵抗に支配され二つの抵抗素子材料の温
度−抵抗曲線の交点より低い温度では合成抵抗は低い抵
抗材料Ｒ３の値に近くなる。交点以上の温度でも低い抵
抗に支配されこれ以上ではＲ４の値に近くなる。結局、
合成抵抗の温度変化は図のＲ５で示された曲線になる。
これは要求されるＰＴＣ特性である。
材料のひとつは、常温ですでに数Ωの抵抗を持ちトリッ
プ温度は一方よりも高い温度に設定された抵抗材料Ｒ
４、他のひとつは常温での抵抗が０．１Ω程度に設定さ
れトリップ温度はやや低い温度に設定した抵抗材料Ｒ３
である。本発明の実施の形態の過電流保護素子Ｒ５は、
実施例でも述べるが、抵抗の並列回路の性質として合成
抵抗は低い方の抵抗に支配され二つの抵抗素子材料の温
度−抵抗曲線の交点より低い温度では合成抵抗は低い抵
抗材料Ｒ３の値に近くなる。交点以上の温度でも低い抵
抗に支配されこれ以上ではＲ４の値に近くなる。結局、
合成抵抗の温度変化は図のＲ５で示された曲線になる。
これは要求されるＰＴＣ特性である。
【００１０】
【実施例】次に、本発明の実施例による過電流保護素子
（ＰＴＣ素子）を説明する。
（ＰＴＣ素子）を説明する。
【００１１】高密度ポリエチレン粉末二種と炭素粉末を
適量ずつ配合し加熱したロールミル上で加熱混練するこ
とにより、二つのＰＴＣ組成体Ｒａ，Ｒｂを得た。Ｒａ
は融点が９０℃近辺にある低密度ポリエチレン樹脂を用
いている。Ｒｂは融点が１２０℃近辺にある高密度ポリ
エチレン樹脂を用いて炭素粉末の量はＲａよりも少な目
（１０〜４０％Ｖｏｌ％）にした。これらの組成体を粉
末化した後、金型中で厚さ２５μｍのニッケル箔に挟み
込んで圧縮加熱して厚さ０．３ｍｍの成形体を得た。次
に打ち抜き金型を用いて外形１５ｍｍ内径８ｍｍのドー
ナツ状上の素子を作成した。Ｒａを用いたものを素子
Ａ，Ｒｂを用いたものを素子Ｂとした。またＰＴＣ組成
体Ｒａ，Ｒｂが素子の半分をそれぞれ占めるように配置
して一体成形することにより、本発明の実施例によるＰ
ＴＣ素子Ｃとした。素子Ａ，Ｂ，Ｃについて抵抗と温度
の関係をホイートストンブリッジと恒温槽を用いて測定
した。本実施例の素子Ｃの構成を図１に示す。
適量ずつ配合し加熱したロールミル上で加熱混練するこ
とにより、二つのＰＴＣ組成体Ｒａ，Ｒｂを得た。Ｒａ
は融点が９０℃近辺にある低密度ポリエチレン樹脂を用
いている。Ｒｂは融点が１２０℃近辺にある高密度ポリ
エチレン樹脂を用いて炭素粉末の量はＲａよりも少な目
（１０〜４０％Ｖｏｌ％）にした。これらの組成体を粉
末化した後、金型中で厚さ２５μｍのニッケル箔に挟み
込んで圧縮加熱して厚さ０．３ｍｍの成形体を得た。次
に打ち抜き金型を用いて外形１５ｍｍ内径８ｍｍのドー
ナツ状上の素子を作成した。Ｒａを用いたものを素子
Ａ，Ｒｂを用いたものを素子Ｂとした。またＰＴＣ組成
体Ｒａ，Ｒｂが素子の半分をそれぞれ占めるように配置
して一体成形することにより、本発明の実施例によるＰ
ＴＣ素子Ｃとした。素子Ａ，Ｂ，Ｃについて抵抗と温度
の関係をホイートストンブリッジと恒温槽を用いて測定
した。本実施例の素子Ｃの構成を図１に示す。
【００１２】図３から明らかなように、素子Ａは抵抗値
が低くかつトリップ温度は９０℃をわずかにしたまわ
る。素子Ｂは抵抗値が常温でも５Ω以上ありトリップ温
度は１２０℃をわずかにしたまわる。二つの交点（≒８
０℃）より下の温度では素子Ｃの抵抗はほとんど素子Ａ
に一致し、交点より上の温度では素子Ｂに一致している
ことがわかる。すなわち素子Ｃは８０℃以下では０．５
Ω以下になっているが８０℃を越えると抵抗が上昇し９
０℃では５Ωに達する。これは正常時においては素子で
ジュール熱として失われるエネルギーを低く抑え、かつ
異常電流に対してはトリップ状態に達する時間を早くす
る目的にかなった温度−抵抗特性が実現できたことにな
る。図３は素子Ａ，Ｂ，Ｃの電流遮断特性を図６の回路
を用いて測定した結果である。素子Ｂは、電流を遮断で
きる時間が最も短い点で好ましいが常温でも５Ω以上の
抵抗があり実用性がない。一方素子Ｃは常温時の抵抗に
おいて素子Ｂと同等ながら電流を遮断できる時間は素子
Ｂの半分程度に改善されていることがわかる。
が低くかつトリップ温度は９０℃をわずかにしたまわ
る。素子Ｂは抵抗値が常温でも５Ω以上ありトリップ温
度は１２０℃をわずかにしたまわる。二つの交点（≒８
０℃）より下の温度では素子Ｃの抵抗はほとんど素子Ａ
に一致し、交点より上の温度では素子Ｂに一致している
ことがわかる。すなわち素子Ｃは８０℃以下では０．５
Ω以下になっているが８０℃を越えると抵抗が上昇し９
０℃では５Ωに達する。これは正常時においては素子で
ジュール熱として失われるエネルギーを低く抑え、かつ
異常電流に対してはトリップ状態に達する時間を早くす
る目的にかなった温度−抵抗特性が実現できたことにな
る。図３は素子Ａ，Ｂ，Ｃの電流遮断特性を図６の回路
を用いて測定した結果である。素子Ｂは、電流を遮断で
きる時間が最も短い点で好ましいが常温でも５Ω以上の
抵抗があり実用性がない。一方素子Ｃは常温時の抵抗に
おいて素子Ｂと同等ながら電流を遮断できる時間は素子
Ｂの半分程度に改善されていることがわかる。
【００１３】なお、本実施例では、形状はドーナツ状と
したが、本発明は、この形状に限定されることはなく、
他の形状でも同様の効果を期待できることはいうまでも
ない。
したが、本発明は、この形状に限定されることはなく、
他の形状でも同様の効果を期待できることはいうまでも
ない。
【００１４】
【発明の効果】以上の説明の通り本発明によれば、過電
流保護素子の正常状態でのジュール熱によるエネルギー
損失をできる限り削減しかつ異常時の過剰電流に対して
応答性のよい素子が提供できるという効果を奏する。
流保護素子の正常状態でのジュール熱によるエネルギー
損失をできる限り削減しかつ異常時の過剰電流に対して
応答性のよい素子が提供できるという効果を奏する。
【図１】本発明の実施の形態による過電流保護素子（Ｐ
ＴＣ素子）の外観斜視図である。
ＴＣ素子）の外観斜視図である。
【図２】二つのＰＴＣ材料素子Ｒ３，Ｒ４およびＲ３と
Ｒ４とを並列接続した本発明の実施の形態のＰＴＣ素子
Ｒ５のそれぞれの温度−抵抗特性図である。
Ｒ４とを並列接続した本発明の実施の形態のＰＴＣ素子
Ｒ５のそれぞれの温度−抵抗特性図である。
【図３】本発明の実施例に係る試作した二つのＰＴＣ素
子（比較例ＡおよびＢ）とＰＴＣ素子Ｃ（本実施例）と
の温度−抵抗特性図である。
子（比較例ＡおよびＢ）とＰＴＣ素子Ｃ（本実施例）と
の温度−抵抗特性図である。
【図４】図３の三つのＰＴＣ素子Ａ，ＢおよびＣの図６
の回路における電流遮断特性図である。
の回路における電流遮断特性図である。
【図５】温度−抵抗特性が異なる二つの従来のＰＴＣ素
子Ｒ１およびＲ２の特性図である。
子Ｒ１およびＲ２の特性図である。
【図６】ＰＴＣ素子についての電流遮断特性評価回路で
ある。
ある。
【図７】図５のＲ１およびＲ２の電流遮断特性図であ
る。
る。
【図８】過電流保護素子に望ましい温度−抵抗特性図で
ある。
ある。
【図９】従来の過電流保護素子（ＰＴＣ素子）の外観斜
視図である。
視図である。
Claims (1)
- 【請求項１】 正の温度抵抗特性を利用した過電流保護
素子において、温度−抵抗特性の異なる複数の抵抗素子
材料を回路的に並列に配置し組み合わせ、一体成形した
ことを特徴とするる過電流保護素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP645097A JPH10208903A (ja) | 1997-01-17 | 1997-01-17 | 過電流保護素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP645097A JPH10208903A (ja) | 1997-01-17 | 1997-01-17 | 過電流保護素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10208903A true JPH10208903A (ja) | 1998-08-07 |
Family
ID=11638770
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP645097A Withdrawn JPH10208903A (ja) | 1997-01-17 | 1997-01-17 | 過電流保護素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10208903A (ja) |
-
1997
- 1997-01-17 JP JP645097A patent/JPH10208903A/ja not_active Withdrawn
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20040406 |