DE2853134A1

DE2853134A1 - Keramikvaristor

Info

Publication number: DE2853134A1
Application number: DE19782853134
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Oda
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1977-12-09
Filing date: 1978-12-08
Publication date: 1979-06-13
Also published as: US4211994A; JPS573203B2; JPS5480547A; DE2853134C2; NL7811949A

Description

DR. BERG DIPL.-ING. STAPF DIPL.-ING. SCHWABE D? DR SANDMAIR

Postfach 860245 · 8000 München 86

•3-

Anwaltsakte: 29 727

Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Kadoma-shi, Osaka-fu / Japan

Keramikvaristor

VII/XX/Ha

909824/OSBQ

9(089)988272 Telegramme: Bankkonten: Hypo-Bank Manchen 4410122850

988273 BERGSTAPFPATENT München (BLZ 70020011) Swift Code: HYPO DE MM

988274 . ' TELEX: ' Bayer; Vereinsbank München 453100(BLZ 70020270) 983310 0524560BERGd Postscheck München 65343-808 (BLZ 70010080)

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Anwaltsakte: 29 727

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Keramikvaristor, auf welchem eine große Energiemenge speicherbar ist.

Spannungsabhängige Widerstände (Varistoren) mit einer nichtlinearen Strpm-Spannungs-Kennlinie werden verwendet, um eine an einem elektrischen Gerät auftretende überspannung zu unterbinden. In letzter Zeit sind Keramikvaristoren, die hauptsächlich aus Zinkoxyd bestehen, entwickelt worden und wegen ihrer ausgezeichneten Wirksamkeit auf verschiedenen Gebieten angewendet worden. Wenn deren Anwendungen noch weiter ausgedeht werden, wird eine größere Energiespeicherung gefordert (was nachstehend als "Stehenergie" ("withstand energy") bezeichnet wird). Wenn ferner die Anwendungen ganz allgemein auf elektronsiche Einrichtungen in Betracht gezogen werden, wird gefordert, daß die Wirksamkeit und das Betriebsverhalten erhalten werden können, während die Größe verkleinert wird.

Hierbei ist ein Keramikvaristor so aufgebaut, daß ein Paar Elektroden an gegenüberliegenden Oberflächen eines gesinterten Körpers ausgebildet sind, der hauptsächlich aus Zinkoxid besteht. Dessen MikroStruktur ist so, daß Grenzschichten mit

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Zusätzen Zinkoxid-Partikel umgeben und sie in Zeilen und Spalten verbunden sind. Zinkoxid-Partikel G haben einen spezifischen Widerstand von 1 bis 1Oj-* cm, während die Grenzschichten einen spezifischen Widerstand von mehr als 10 Sc cm haben. Wenn infolgedessen eine überspannung an die Elektroden angelegt wird, werden beinahe alle Ladungen an den Grenzschichten aufgebracht, wo sie einer thermischen Umwandlung unterzogen und verbraucht werden, wodurch das Gerät u.a. geschützt werden kann. Ein wichtiger Faktor, welcher die sogenannte Stehenergie des Keramikvaristors festlegt, ist die Wärmekapazität bzw. das -aufnahmevermögen der Zinkoxidpartikel. Eine Verbesserung der sogenannten Stehenergie ist durch ein Vergrößern der Zinkoxid-Partikel möglich. Da jedoch die Keramiktechniken bei der Herstellung der Keramikvaristoren angewendet werden und aufgrund der Wirkungen der Zusatzstoffe und anderer charakteristischer Größen ist die Erwartung bezüglich des Wachsens von Zinkoxid- Partikeln begrenzt. Infolgedessen werden hierzu spezielle Einrichtungen (Herstellungsschritte) gefordert.

Die Erfindung soll daher einen Keramikvaristor mit denselben Wirkungen und demselben Betriebsverhalten schaffen, wie sie erhalten werden, wenn die Zinkoxidpartikel ungewöhnlich vergrößert werden. Hierbei ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß das Keramikmaterial eines Polykristallvaristors, wobei der gesinterte Körper selbst eine nichtlineare Spannungskennlinie hat, und Keramikmaterial· mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit über ein Metall ge- bzw. verbunden werden, und

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Elektroden an den äußersten, gegenüberliegenden Flächen ausgebildet werden.

Gemäß der Erfindung ist somit ein sehr gut verwendbares, eine Überspannung aufnehmendes Element mit einem verbesserten Energiespeicherungsvermögen (der sogenannten Stehenergie) geschaffen, das auf verschiedenen Gebieten anwendbar ist, wo es vorher nicht anwendbar war.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig.1 eine vertikale Schnittansicht durch einen

herkömmlichen Keramikvaristor;

Fig.2 dessen Mikrοstruktur; und

Fig.3 eine vertikale Schnittansicht durch einen

Keramikvaristor gemäß der Erfindung.

In Fig.1 und 2 weist ein herkömmlicher Keramikvaristor einen gesinterten Körper 1 und ein Paar Elektroden 2 auf, die an dessen gegenüberliegenden Flächen angebracht sind. Der gesinterte Körper 1 besteht hauptsächlich aus Zinkoxid und weist eine in Fig.2 dargestellte MikroStruktur auf. Zinkoxid-Partikel G sind mit Grenschichten B, die aus Zusätzen bzw. Zusatz-

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stoffen bestehen, ,verbunden.-"Der spezifische, elektrische Widerstand der Zinkoxid-Partikel G liegt zwischen 1 bis 10->Zcm, während der der Grenzschicht B höher als 10 JÖ cm ist. Wenn infolgedessen eine Überspannung zwischen den Elektroden 2 angelegt wird, werden beinahe alle Ladungen an den Grenzschichten B aufgebracht und in Wärme umgewandelt, wodurch ein Gerät oder eine Schaltung, die mit dem Varistor verbunden ist, vor einem Durchschlag oder Durchbruch geschützt werden kann. Der wichtigste Faktor, welcher die Stehenergie des Varistors festlegt, ist das Wärmeaufnahmevermögen bzw. die Wärmekapazität der Zinkoxid-Partikel G. Im allgemeinen gilt, je größer die Größe der Zinkoxid-Partikel G ist, umso höher ist die sogenannte Stehenergie . Da jedoch Keramikverfahren bei der Herstellung von Keramikvaristoren angewendet werden und aufgrund

der Wirkungen der Zusatzstoffe sowie anderer Faktoren ist das

Wachsen der Zinkoxid-Partikel begrenzt, pm d^-e Größe der Zink-

oxid-Partikel zu erhöhen, sind spezielle Verfahren erforder-

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Als nächstes wird daher eine bevorzugte Ausfuhrungsform der Erfindung beschrieben. Kleine Mengen von Wismutoxid, Kobaldoxid, Manganoxid, Antimonoxid und Chromoxid werden dem Zinkoxid hinzugefügt, und sie werden gut gemischt. Danach werden entsprechende Mengen von Polyvinyl-ButyIaI, Dibutylphthalat und ein organisches Lösungsmittel der Pulvermischung zugeführt, um eine Aufschlämmung zu schaffen. Die Aufschlämmung wird durch eine Düsenöffnung in eine dünne Lage extrudiert,

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welche getrocknet wird. Das Zinkoxidpulver wird auch zu einer dünnen Lage bzw. Tafel in einer Weise geformt, die im wesentlichen dem vorbeschriebenen Verfahrensschritt entspricht. Eine Pt-Pd-Legierung wird mittels Siebdruck auf die Hauptflächen der dünnen Zinkoxidplatte gedruckt. Danach werden, wie in Fig.3 dargestellt ist, die Zinkoxidplatten 13 mit den Pt-Pd-Legierungsschichten und die dünnen Platten 11, die aus Zinkoxid und den vorbeschriebenen Zusatzstoffen bestehen, abwechselnd oder schichtweise übereinandergelegt. Die auf diese Weise gebildete Schichtung wird einer Pressung unterzogen, um die dünnen Lagen 11 und 13 fest zu verbinden. Diese Schichtung wird dann in geforderte Formen (beispielsweise in Scheibenform) ausgestanzt, und die erhaltenen Formen werden bei hohen Temperaturen gesintert. Die auf diese Weise erhaltenen Formen werden dann einer Plasma-Sprühbeschichtung oder einer Sprühbeschichtung durch Flammschmelzen ausgesetzt, um Aluminiumelektroden 12 auf den gegenüberliegenden Hauptflächen der gesinterten Schichtung zu schaffen.

In Fig.3 ist eine vertikale Schnittansicht durch eine Ausführungsform des auf diese Weise erhaltenen Elements dargestellt. Hierbei sind in Fig.3 dargestellt das Keramikmaterial 11 eines Polykristallvaristors, wobei der gesinterte Körper selbst eine nichtlineare Spannungskennlinie aufweist, der gesinterte Zinkoxidkörper 13 und die Schicht 14 der Pt-Pd-Legierung. Um die Stehenergie dieses Elements zu bewerten, wurde es 2ms lang einem Rechteckwellenform-Stromstoß ausgesetzt. Die Stehener-

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gie war etwa 2,5-mal so hoch wie die eines vergleichbaren einschichtigen Keramikvaristorelements, wie esi.in Fig.1 dargestellt ist. Bei den Versuchen wurde die Dicke des gesinterten Körpers 1 aus Zinkoxid gleich der Summe der Dicke der Keramikschichten 11 gemacht.

Die Wirkungen hängen von der Dicke der einzelnen Keramikschichten 1 1 des Polykristallvaristors und der Dicke der Zinkoxidschicht 13 ab. Wenn die Dicke der einzelnen Zinkoxidschichten 11 des Polykristallvaristors zu sehr erhöht wird, werden diese Wirkungen geringer. Die Pt-Pd-Legierung ist*angeordnet, um die Übertragung der Zusatzstoffe von den Keramikschichten 11 des Polykristallvaristors an die Zinkoxidschicht 13 auf ein Minimum herabzusetzen. *zwischen den Schichten

Selbst wenn Zinnoxid anstelle von Zinkoxid als Keramikmaterial mit einer sehr hohen elektrischen Leitfähigkeit verwendet wird, wurden dieselben Wirkungen erhalten. Wenn jedoch andere Oxide, wie beispielsweise Nickeloxid, Eisenoxid usw. und Sulfide verwendet wurden, wurde nicht die erwünschte varistorcharakteristik erhalten. Den Erwartungen entsprechende !Wirkungen wurden erhalten, wenn Platin oder Palladium als Metall verwendet wurde, das zwischen der Keramikschichten angeordnet ist. Wenn jedoch andere Metalle, wie Wolfram, Molybdän, Gold usw. verwendet wurden, kam es zu einer Korrosion der Metalle und es fehlte die Bindung.

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Wenn eine Überspannung an das auf diese Weise geschaffene Element angelegt wird, wird sie in den Grenzschichten B, welche die Zinkoxid-Partikel G umgeben, thermisch umgewandelt, wodurch ein Energieverbrauch bewirkt wird. Die Joule'sehe Wärme wird durch die Keramikschichten 11 wirksam verteilt und ausgebreitet, welche eine sehr hohe thermische Leitfähigkeit haben, wodurch die Stehenergie verbessert werden kann. Das Element ist bei einem energieverbrauchenden Gerät und bei entsprechenden Maschinen anwendbar und kann auch kleiner hergestellt werden, wenn es bei üblichen elektronischen Einrichtungen angewendet wird. Infolgedessen ist ein sehr gut verwendbares, eine Überspannung aufnehmendes Element geschaffen.

Ende der Beschreibung

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Claims

DR. BFRO DIPL.-ING. STAPF DIPL.-ING. SCHWABE P? DR SANDMAIR Postfach 860245 · 8000 München 86 Anwaltsakte: 2 9 727 Patentansprüche

1.,Keramikvaristor, gekennz eichnet durch Keramikmaterial (11) eines Polykristallvaristors, bei welchem ein gesinterter Körper (13) eine nichtlineare Spannungskennlinie aufweist, durch Keramikmaterial, das eine hohe elektrische Leitfähigkeit hat und mit dem ersterwähnten Keramikmaterial (11) durch ein Metall (14) verbunden ist, und durch Elektroden (12), die auf den äußersten, einander gegenüberliegenden Flächen ausgebildet sind.

2. Keramikvaristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,daß das Keramikmaterial (11) des Polykristallvaristors hauptsächlich aus Zinkoxid mit einigen Zusätzen besteht und einer Sinterung unterzogen wird.

3. Keramikvaristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikmaterial mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit Zinkoxid ist.

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9(089)988272 Telegramme: Bankkonten: Hypo-Bank München 4410122850

988273 BERGSTAPFPATENT München (BLZ 70020011) Swift Code: HYPO DE MM

988274 TELEX: Bayer. Vereinsbank München 453100 (BLZ 70020270) 983310 0524560BERGd Postscheck München 65343-808 (BLZ 70010080)

4. Keramikvaristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikmaterial (11) mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit Zinnoxid ist.

5. Keramikvaristor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall (14) aus Platin Palladium oder einer Legierung daraus besteht.

6. Keramikvaristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikmaterial (11) eines Polykristallvaristors und ein Keramikmaterial mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit einzeln geschaffen werden, durch ein Metall (14) miteinander verbunden und dann gesintert werden.

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