DE8003393U1 - NON-LINEAR RESISTANCE ELEMENT - Google Patents
NON-LINEAR RESISTANCE ELEMENTInfo
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- H01C7/10—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material voltage responsive, i.e. varistors
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Description
PatentanwältePatent attorneys
, BEETZ & PARTNER, BEETZ & PARTNER
Steinsdorfstr. 10,8000 München 22Steinsdorfstrasse 10.8000 Munich 22
TDK Electronics Co., Ltd Tokyo, JapanTDK Electronics Co., Ltd Tokyo, Japan
Nicht-lineare Widerstandselemente aee-rNon-linear resistance elements a ee-r
e-e-
Die Erfindung bezieht sich auf ein nicht-lineares Wider standselement mit einer großen Spannungsabhängigkeit des elektrischen Widerstandes oder insbesondere auf ein sog. Varistorelement mit einem Sinterkörper auf Titandioxidbasis id FiThe invention relates to a non-linear cons Stand element with a large voltage dependency of the electrical resistance or in particular on a so-called. Varistor element with a sintered body based on titanium dioxide id Fi
Nicht-lineare Widerstandselemente, ζ. Β. ein keramischer Varistor, zeigen eine nicht-lineare Beziehung zwischen dem Wert des elektrischen Stroms durch einen keramischen Sinterkörper und der zwischen den an den Oberflächen des keramischen Körpers vorgesehenen Elektroden angelegten Spannung, und demgemäß ist der Wert des elektrischen Widerstandes des Körpers kein konstanter Wert, sondern fällt in dem Bereich, wo die an den Elektroden angelegte Spannung einen gewissen Schwellenwert übersteigt, der Varistorspannung genannt wird, abrupt ab. Unter Ausnutzung dieser • ungewöhnlichen Eigenschaft in einer elektrischen Schaltung fanden Varistoren vielseitige Anwendungen, z. B. zurNon-linear resistance elements, ζ. Β. a ceramic one Varistors, show a non-linear relationship between the value of the electric current through a ceramic Sintered body and applied between the electrodes provided on the surfaces of the ceramic body Voltage, and accordingly the value of the electrical resistance of the body is not a constant value, but falls in the area where the voltage applied to the electrodes exceeds a certain threshold value, the varistor voltage called abruptly. Taking advantage of this • unusual property in an electrical circuit Varistors found a wide range of applications, e. B. to
^ Funkentstörung klein bemessener, in oder im Zusammenhang^ Radio interference suppression of small dimensions, in or in connection
f mit akustischen Instrumenten verwendeter Gleichstrom-f DC current used with acoustic instruments
motoren, zum Schutz von Kontaktpunkten von Relais, zur Entladungsabsorption in Draunröhrenkreisen vonmotors, for the protection of contact points of relays, for discharge absorption in drainpipe circuits of
% Farbfernsehgeräten u. dgl. % Color televisions etc.
\ Herkömmliche Materialien für die bekannten Varistor- \ Conventional materials for the well-known varistor
elemente auf Keramikbasis sind beispielsweise ZinnoxidCeramic-based elements are, for example, tin oxide
j (SnO2), Eisenoxid (Fe2O3), Siliziumkarbid (SiC) u. dgl.j (SnO 2 ), iron oxide (Fe 2 O 3 ), silicon carbide (SiC) and the like.
\ Sinterkörper aus Zinnoxid oder Eisenoxid sind selbst \ Sintered bodies made of tin oxide or iron oxide are themselves
lineare WiderStandselemente,und die für ein Varistor-linear resistance elements, and those for a varistor
element erforderliche Nicht-Linearität wird durchelement required non-linearity is provided by
Ausbilden einer Potentialschwelle zwischen der Ober-Formation of a potential threshold between the upper
fläche des Sinterkörpers und einer besonderen, an dersurface of the sintered body and a special one on which
Oberfläche des Sinterkörpers vorgesehenen Elektrode erhalten. Die Elektroden für Varistoren auf Siliziumkarbidbasis weisen keine solche Beschränkung auf, da die Nicht-Linearität des Elements durch die Grenzschichterscheinung an den Korngrenzen des Siliziumkarbids gewährleistet wird.Surface of the sintered body provided electrode. The electrodes for varistors based on silicon carbide have no such limitation because of the non-linearity of the element due to the boundary layer phenomenon is guaranteed at the grain boundaries of the silicon carbide.
Herkömmliche keramische Varistoren dieser Art weisen jedoch mehrere Nachteile oder Probleme, wie z. B. die unerwünscht hohen Fertigungskosten aufgrund der Schwierigkeiten bei der Herstellung der Sinterkörper und der Ausbildung der Elektroden, der Verschlechterung der Nicht-Linearität im Lauf der Zeit und der verhältnismäßig hohen Varistorspannung auf, die zur Funkentstörung in bei niedrigen Spannungen angetriebenen Gleichstrommotoren geringer Abmessungen ungeeignet ist.However, conventional ceramic varistors of this type have several disadvantages or problems, such as B. the undesirably high manufacturing costs due to the difficulties in manufacturing the sintered bodies and the formation of the electrodes, the deterioration of the non-linearity over time and the relative high varistor voltage, which is used for radio interference suppression in DC motors driven at low voltages small dimensions is unsuitable.
Eine Verbesserung zur Überwindung der erwähnten Nachteile bei den bekannten keramischen Varistoren wurde in neuerer Zeit beschrieben, wonach der gesinterte keramische Körper mit Titandioxid als dem Hauptbestandteil unter Zumischung sehr geringer oder von Spurenmengen an Wismutoxid und einem Oxid eines halbleitenden Elements, wie z. B. Antimon, Niob, Tantal u. dgl., geformt wird (siehe z. B. Jap. Pat. Publ. 52-235 und US-PS 3 715 701). Sinterkörper dieser Art zeigen selbst eine Nicht-Linearität der Spannungs-Strom-Abhängigkeit bei erheblich niedriger Varistorspannung, so daß sie fürlNiederspannungsanwendungen, wie z. B. der Funkentstörung in kleinen Gleichstrommotoren, insoweit geeignet sind, als die Nicht-Linearität des Sinterkörpers allein betroffen ist.An improvement to overcome the disadvantages mentioned in the known ceramic varistors was in more recently described, according to which the sintered ceramic body with titanium dioxide as the main component under Admixture of very small or trace amounts of bismuth oxide and an oxide of a semiconducting element, such as Antimony, niobium, tantalum, and the like (see, e.g., Japanese Pat. Publ. 52-235 and U.S. Patent 3,715,701). Sintered bodies of this type even show a non-linearity of the voltage-current dependence at a considerably lower level Varistor voltage so that it is suitable for low voltage applications such as B. the radio interference suppression in small DC motors are suitable insofar as the non-linearity of the sintered body alone is concerned.
Eines der Probleme bei den keramischen Varistoren auf Titandioxidbasis liegt jedoch in der Art der Kontaktierung zwischen dem Sinterkörper und der Elektrode. Bei den bekannten Varistorelementen ist der Kontakt zwischen dem Titandioxidsinterkörper und der Elektrode nicht-ohmisch, so daß eine Gleichrichtungserscheinung in der Grenzfläche zwischen diese« auftritt, die die Nicht-Linearität der Spannungs-Strom-Abhängigkeit des Sinterkörpers selbst überlappt. Daher ist die Charakteristik des Varistorelements weniger eindeutig, und die ausgezeichneten nicht-linearen Eigenschaften des Sinterkörpers lassen sich nicht voll ausnutzen.However, one of the problems with the ceramic varistors based on titanium dioxide is the type of contact between the sintered body and the electrode. In the known varistor elements, the contact between the Titanium dioxide sintered body and the electrode non-ohmic, so that a rectification phenomenon occurs in the interface between them which impairs the non-linearity of the Voltage-current dependency of the sintered body itself overlaps. Hence the characteristic of the varistor element less clear, and the excellent non-linear properties of the sintered body can be demonstrated not take full advantage.
Der -rung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein neues undjverbessertes nicht-lineares Widerstandselement oder Varistorelement 1 e- es-cr zu entwickeln, das von den erwähnten Problemen der bekanntenThe -rung is therefore based on the task of developing a new and improved non-linear resistance element or varistor element 1 e-es-cr, which of the mentioned problems of the known
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Varistorelemente frei ist und bei dem die ausgezeichneten nicht-linearen Eigenschaften der keramischen Sinterkörper auf Titandioxidbasis bei eindeutiger Charakteristik des Varistorelements voll ausgenutzt werden können.Varistor elements is free and in which the excellent non-linear properties of the ceramic sintered body Titanium dioxide base can be fully utilized with clear characteristics of the varistor element.
Gegenstand der Neuerung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist das im Schutzanspruch 1 gekennzeichnete nicht-lineare Wi derstandselement.The subject of the innovation, with which this object is achieved, is the non-linear characterized in protection claim 1 Resistance element.
Ausgestaltungen der Neuerung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Refinements of the innovation are characterized in the subclaims.
Die Neuerung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausfü.hrungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:The innovation is illustrated using the one shown in the drawing Ausfü.hrungsbeispiele explained in more detail; show in it:
Fig. 1 einen Querschnitt eines typischen Varistorelements; Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung einer typischen Spannung-Strom-Abhängigkeit bei einem Varistorelement;Fig. 1 is a cross section of a typical varistor element; Fig. 2 is a diagram showing a typical Voltage-current dependency in a varistor element;
Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Störspannungen bei einem Gleichstrommotor als Funktion der Zeit;3 is a diagram showing the interference voltages in a DC motor as a function of time;
Fig. 4 ein schematisches Diagramm zur Veranschaulichung der Überlappung der Varistoreigenschaften im Körper eines Varistorelements und der Gleichrichtungseigenschaften an der Grenzfläche zwischen dem Varistorkörper und der Elektrode;4 is a schematic diagram for illustration the overlap of the varistor properties in the body of a varistor element and the rectification properties at the interface between the varistor body and the electrode;
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Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Flanun-Fig. 5 is a schematic representation of a flan
spritzmaschine und eines an der Maschine montierten Sinterkörpers beim Flammspritzen;injection molding machine and a sintered body mounted on the machine during flame spraying;
Fig. 6 (a) und Fig. 6 (b) Grundrisse der Oberseite6 (a) and 6 (b) are top plan views
bzw. der Unterseite eines/ringförmigen Sinterkörpers zur Verwendung zur Funkentstörung in Gleichstrommotoren mit Sektor- oder Ringelekfcroden;or the underside of a / ring-shaped sintered body for use for radio interference suppression in DC motors with sector or ring electrodes;
Fig. 7 einen schematischen Querschnitt eines Gleichstrommotors, der mit einem auf der Welle des Rotors montierten Varistorelement versehen ist;Fig. 7 is a schematic cross section of a DC motor with a on the shaft of the rotor mounted varistor element is provided;
Fig. 8 ein Ersatzschaltbild des Motorrotors mit einem Varistorelement in Sternschaltung;8 shows an equivalent circuit diagram of the motor rotor with a varistor element in a star connection;
Fig. 9 ein Ersatzschaltbild des Motorrotors mit einem Varistorelement in Dreieckschaltung;9 shows an equivalent circuit diagram of the motor rotor with a varistor element in a delta connection;
Fig. 10 einen Querschnitt des Varistorelements, dasFig. 10 is a cross section of the varistor element which
mit den Lot aufnehmenden Schichten auf den Elektrod versehen ist;is provided with the solder-receiving layers on the electrode;
Fig. 11 einen Querschnitt des Varistorelements, das11 shows a cross section of the varistor element which
mit den doppelten Lot aufnehmenden Schichten auf den Elektroden versehen ist;is provided with the double solder receiving layers on the electrodes;
Fig. 12 (a) und Fig. 12 (b) Grundrisse der Oberseite bzw.12 (a) and 12 (b) are top and bottom plan views, respectively.
der Unterseite eines ringförmigen Varistorelements mit drei Sektorelektroden auf jeder der Seiten, wobei die Elektroden an der Oberseite mit den Lot aufnehmenden Schichten bedeckt sind; undthe underside of an annular varistor element with three sector electrodes on each of the sides, wherein the electrodes are covered on the top with the solder receiving layers; and
Fig. 13 ein Ersatzschaltbild des Rotors eines Gleich-13 is an equivalent circuit diagram of the rotor of a DC
jc strommotors mit dem Varistorelement nach Fig.jc current motor with the varistor element according to Fig.
! Ein keramisches Varistorelement hat typisch einen! A ceramic varistor element typically has one
\ Aufbau, wie er im Querschnitt in Fig. 1 gezeigt ist, obwohl \ Structure as shown in cross-section in Fig. 1, although
tatsächliche Formen natürlich je nach den besonderen Anwendungsfällen der Varistorelemente bestimmt werden. Wieactual forms, of course, depending on the particular application the varistor elements can be determined. As
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Fig. 1 zeigt, ist ein keramischer Sinterkörper 1 in einer Form einer Scheibe an seinen beiden Oberflächen mit Elektroden 2, 2 versehen, und Anschlußdrähte 3, 3 sind mit den Elektroden 2, 2 unter Verwendung von Lot 4, 4 verbunden.1 shows, a ceramic sintered body 1 in a shape of a disk is provided with electrodes 2, 2 on both surfaces thereof, and lead wires 3, 3 are connected to the electrodes 2, 2 using solder 4, 4.
Fig. 2 zeigt die Spannungs-Strom-Abhängigkeit bei einem Varistor, bei dem der Strom I nicht-linear wächst, wenn die an die Elektroden angelegte Spannung V erhöht wird, und der Strom I, wenn die Spannung V einen bestimmten kritischen Wert V überschreitet, entsprechend dem Abfall des elektrischen Widerstandes rasch wächst.Fig. 2 shows the voltage-current dependency in a Varistor in which the current I increases non-linearly when the voltage V applied to the electrodes is increased, and the current I when the voltage V exceeds a certain critical value V, corresponding to the drop in the electrical Resistance is growing rapidly.
Gewöhnlich sind die Breiten der Kommutatorlamellen und der Bürsten, in Gleichstrommotoren geringer Abmessungen klein, und die Änderungsgeschwindigkeit des Stroms durch die Ankerspulen ist bei hoher Reaktanzspannung hoch, so daß sehr häufig Funken zwischen der Oberfläche des Kommutators^ und der Bürste in dem Augenblick auftreten, wenn die Bürste von einer Kommutatorlamelle zur nächsten überspringt. Diese Funken verursachen eine nadelspitzenartige Störspannung und beschleunigen den Verschleiß des Kommutators und der Bürsten, so daß die Lebensdauer des Motors verkürzt wird. Diese Störspannung ist, wie in Fig.3 als Funktion der Zeit t gezeigt ist, eine bipolare Spannung und hat einen Spitzenwert, der einige 10 Male größer als die Leitungsspannung ist und unerwünschte Einflüsse auf die anderen, elektrisch mit dem Motor verbundenen Instrumente ausübt. Varistorelemente werden mit dem Zweck verwendet, diese Störspannungen zu beseitigen, und die Störspannungen N1, N2 werden durch Kurzschließen in dem Bereich absorbiert, wo die Störspannungen N1 und N„ die Varistorspannung V„ übersteigen. Es ist daber erwünscht, daß die Varistorspannung VUsually the widths of the commutator bars and the brushes are small in DC motors of small dimensions, and the rate of change of the current through the armature coils is high at a high reactance voltage, so that sparks very often occur between the surface of the commutator ^ and the brush at the moment when the brush skips from one commutator bar to the next. These sparks cause a needle-like interference voltage and accelerate the wear of the commutator and the brushes, so that the life of the motor is shortened. As shown in FIG. 3 as a function of time t, this interference voltage is a bipolar voltage and has a peak value which is a few tens of times greater than the line voltage and has undesirable effects on the other instruments electrically connected to the motor. Varistor elements are used with the purpose of eliminating these interference voltages, and the interference voltages N 1 , N 2 are absorbed by short-circuiting in the area where the interference voltages N 1 and N "exceed the varistor voltage V". It is therefore desirable that the varistor voltage V
größer als die Leitungsspannung des Motors mit einem nicht so großen Unterschied ist, so daß die nicht-linearen Widerstandselemente wie der Varistor zur Vermeidung der Störungserzeugung in kleinen Gleichstrommotoren gute Varistoreigenschaften im Niederspannungsbereich haben sollten.greater than the line voltage of the motor with a not so great difference, so the non-linear Resistance elements such as the varistor are good for avoiding the generation of interference in small DC motors Should have varistor properties in the low voltage range.
Wie bereits erwähnt wurde, hat ein keramischer Varistor auf Titandioxidbasis ausgezeichnete Varistoreigenschaften, wie durch die Kurve L1 in Fig. ä gezeigt ist, mindestens solange nur die Nicht-Linearität des Sinterkörpers betroffen ist. Wenn der Kontakt zwischen dem Sinterkörper und den Elektroden nicht-ohmisch ist, tritt eine Gleichrichtungserscheinung an der Grenzfläche auf, wie durch die Kurve L in Fig.4 gezeigt ist, die zu einer Gesamt-Spannungs-Strom-Abhängigkeit führt, wie sie durch die Kurve L_ als Summierung der Kurven L1 und L„ gezeigt ist, die bezüglich der Varistoreigenschaften weniger befriedigend ist, so daß die ausgezeichnete Charakteristik des Sinterkörpers erheblich beeinträchtigt wird.As already mentioned, a titanium dioxide-based ceramic varistor has excellent varistor properties as shown by the curve L 1 in FIG. If the contact between the sintered body and the electrodes is non-ohmic, a rectification phenomenon occurs at the interface, as shown by curve L in FIG Curve L_ is shown as a summation of curves L 1 and L ", which is less satisfactory with regard to the varistor properties, so that the excellent characteristics of the sintered body are considerably impaired.
Daher schlägt die Erfindung als Ergebnis ausgedehnter Untersuchungen seitens der Erfinder ein nicht-lineares Widerstandselement vor,- das einen keramischen Sinterkörperder hauptsächlich aus Titandioxid zusammengesetzt ist, und wenigstens eine Elektrode aufweist, die aus einem metallischen Material besteht und mit der Oberfläche des keramischen Sinterkörpers in ohmschem Kontakt verbunden ist.Therefore, as a result of extensive investigations by the inventors, the invention is proposed to be non-linear Resistance element - which is a ceramic sintered body composed mainly of titanium dioxide, and at least one electrode made of a metallic material and connected to the surface of the ceramic Sintered body is connected in ohmic contact.
Der erwähnte keramische Sinterkörper wird durch Sintern von Titandioxid unter Zumischung geringer Mengen eines oder mehrerer der Oxide der Gruppe Nioboxid, Tantaloxid und Äntimonoxid hergestellt. Das Verfahren zur Herstellung einesThe aforementioned ceramic sintered body is made by sintering titanium dioxide with the addition of small amounts of a or more of the oxides from the group of niobium oxide, tantalum oxide and antimony oxide. The process of making a
solchen Sinterkörpers ist herkömmlich und wird hier nicht im einzelnen beschrieben. Die Formen und Abmessungen des Sinterkörpers sind ebenfalls nicht beschränkt und richten sich nach den besonderen Anwendungsfällen des Varistorelements .such a sintered body is conventional and will not be described in detail here. The shapes and dimensions of the Sintered bodies are also not restricted and are based on the particular applications of the varistor element .
Die Elektrode, die mit der Oberfläche des keramischen Sinterkörpers in ohmschen) Kontakt verbunden werden muß, besteht aus einem metallischen Material. Die zur Bildung einer solchen Elektrode in ohmschem Kontakt mit der Oberfläche des Sinterkörpers geeigneten Metallmaterialien umfassen Aluminium, Zink, Zinn, Silber, Kupfer, Blei, Wismut und Nickel sowie Legierungen dieser Metalle. Am meisten bevorzugt unter den genannten Metallen ist Silber, doch ist zu bemerken, daß hochreines Silber zur Bildung von mit dem Sinterkörper in ohmschem Kontakt verbundenen Elektroden nicht geeignet ist und aaä zur Verwendung in diesem Fall geeignete Silber wenigstens ein Hilfsmetallelement enthalten soll, das aus der Gruppe Indium, Gallium, Zinn, Antimon, Kadmium, Zink und Aluminium in einer Menge im Bereich von 2 bis 20 Gew. % gewählt ist.The electrode, which must be connected to the surface of the ceramic sintered body in ohmic contact, consists of a metallic material. The metal materials suitable for forming such an electrode in ohmic contact with the surface of the sintered body include aluminum, zinc, tin, silver, copper, lead, bismuth and nickel and alloys of these metals. Most preferred among the metals mentioned is silver, but it should be noted that high purity silver is not suitable for the formation of electrodes connected to the sintered body in ohmic contact and aaä silver suitable for use in this case should contain at least one auxiliary metal element which is selected from Group indium, gallium, tin, antimony, cadmium, zinc and aluminum is selected in an amount in the range from 2 to 20% by weight.
Verschiedene Verfahren oder Techniken lassen sich zur Bildung von Elektroden aus dem vorstehend erwähnten Metallmaterial an der Oberfläche des Sinterkörpers in ohmschem Kontakt anwenden, jedoch ist es wichtig, daß bestimmte Metallmaterialien mit besonderen Verfahren zur Ausbildung der Elektrode kombiniert werden, um den vollständigsten ohmschen Kontakt zwischen der Elektrode und dem Sinterkörper zu haben. Beispielsweise kann Vakuumabscheidung ' mit mehreren Arten der Metalle geeignet sein, wenn unpraktisch hohe Kosten im Verfahren unberücksichtigt bleiben.Various methods or techniques can be used for forming electrodes from the aforementioned metal material apply to the surface of the sintered body in ohmic contact, but it is important that certain Metal materials combined with special methods of forming the electrode to make the most complete to have ohmic contact between the electrode and the sintered body. For example, vacuum deposition ' with multiple types of metals if impractical high costs are disregarded in the process.
Ein weniger aufwendiges Verfahren zur Bildung von Silberelektroden am Sinterkörper ist die Verwendung einer Silberpaste, die ein Hilfsmetallelement, wie oben erwähnt, und eine Fritte enthält. Silberelektroden lassen sich ohne weiteres mit einer solchen Silberpaste nach der Technik beispielsweise des Siebdrucks mit nachfolgendem Einbrennen bilden. Dieses Verfahren des Drucks und Einbrennens ist für eine Massenproduktion von keramischen Varistorelementen mit relativ niedrigen Fertigungskosten gut geeignet.A less complex method of forming silver electrodes on the sintered body is to use a Silver paste containing an auxiliary metal element, as mentioned above, and contains a frit. Silver electrodes can be easily with such a silver paste after Form the technique of screen printing, for example, with subsequent baking. This process of printing and branding is for mass production of ceramic varistor elements with relatively low manufacturing costs well suited.
Ein anderes Verfahren zur Bildung guter Elektroden mit ohmschem Kontakt ist das sog. Flammspritzen des Metalls. Das Flammspritzen ist ein Verfahren, bei dem das Metallmaterial kontinuierlich in einer Flammspritzmaschine geschmolzen wird, wo die Metallschmelze mit einem Gasstrahl abgeblasen und in der Form feiner geschmolzener Teilchen auf die Substratoberfläche zur Bildung einer ζ usammenhängenden Metallschicht darauf gespritzt wird. Dieses Flammspritzverfahren kann ohne weiteres Elektroden aus einem Metallmaterial mit einer gewünscht hohen Reinheit in gutem ohmschen Kontakt mit der Oberfläche des Sinterkörpers ergeben. Was noch wichtiger ist, die Varistoreigenschaften der so hergestellten nicht-linearen Widerstandselemente sind sehr gleichmäßig, da die Reproduzierbarkeit der elektrischen Eigenschaften, z. B. des elektrischen Widerstandes, der Elektroden sehr hoch istοAnother method of forming good electrodes with ohmic contact is so-called flame spraying of the metal. Flame spraying is a process in which the metal material is continuously in a flame spraying machine is melted where the molten metal is blown off with a gas jet and in the form of fine molten particles onto the substrate surface to form a coherent Metal layer is sprayed on it. This flame spraying process can easily consist of electrodes Metal material with a desired high purity in good ohmic contact with the surface of the sintered body result. More importantly, the varistor properties of the non-linear resistance elements produced in this way are very uniform, since the reproducibility of the electrical properties, e.g. B. the electrical resistance, the electrodes are very high
Außerdem ist die Binde- und Haftfestigkeit der Metallelektrode am Sinterkörper sehr hoch, wenn die Elektrode nach dem Flammspritzverfahren gabildet wird, so daß die Elektroden eine gute Dauerhaftigkeit ohneIn addition, the bond strength and adhesive strength of the metal electrode on the sintered body is very high when the Electrode is formed by the flame spraying process, so that the electrodes have a good durability without
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ζ. B. die Gefahr eines Abblätterns aufweisen, so daß man eine sehr hohe Verläßlichkeit bei den Varistorelementen erzielt.ζ. B. have the risk of peeling, so that you have a very high reliability in the varistor elements achieved.
Für das Flammspritzverfahren geeignete Metallmaterialien umfassen Aluminium, Zink, Zinn, Silber, Kupfer, Blei und Wismut. Diese Metallmaterialien können ohne weiteres Elektrodenschichten auf der Oberfläche des Sinterkörpers in gutem ohmschen Kontakt bei geringem Aufwand im Vergleich mit den herkömmlich als Elektrodenmaterialien verwendeten Indium -Gallium-Legierungen bilden. Außerdem ist das Verfahren des Flammspritzens dieser Metallelemente auf den Titandioxidbasis-Sinterkörper fast das gleiche wie bei der Bildung von Elektroden mit ohmschem Kontakt auf keramischen Halbleitern auf Basis ; von Bariumtitanat u. dgl.Metal materials suitable for flame spraying include aluminum, zinc, tin, silver, copper, lead and bismuth. These metal materials can easily have electrode layers on the surface of the sintered body in good ohmic contact with little effort compared to conventional electrode materials the indium-gallium alloys used. Also is the process of flame spraying these metal elements on the titanium dioxide-based sintered body is almost the same as that in the formation of electrodes with ohmic Contact based on ceramic semiconductors; of barium titanate and the like.
Beim Durchführen des Verfahren des Flammspritzens auf die Oberfläche eines keramischen Sinterkörpers wird der Sinterkörper mit einer Maske belegt, die dem gewünschten Muster der Elektrode entsprechende Durchbrechungen aufweist, und die Metallschmelze wird darauf zur Ausbildung der Elektrode eines gewünschten Musters gespritzt.When performing the method of flame spraying onto the surface of a ceramic sintered body, the Sintered body covered with a mask which has openings corresponding to the desired pattern of the electrode, and the molten metal is sprayed thereon to form the electrode of a desired pattern.
Fig. 5 veranschaulicht eine Flammspritzmaschine und einen Sinterkörper beim Flammspritzen, der mit einer Maske abgedeckt und an der Maschine montiert ist. Wie die Figur zeigt, ist der Körper 31 der Maschine mit einer Spritzdüse 32 und einem Paar von Metalldrahtzubringern 33a, 33b ausgerüstet, durch die die Metalldrähte 39a, 39b kontinuierlich in die Spritzzone am Spritzende der Spritzdüse 32 unter Abziehen von den Drahtspulen 36a, 36b undFig. 5 illustrates a flame spraying machine and a sintered body in flame spraying with a mask covered and mounted on the machine. As the figure shows, the body 31 of the machine is provided with a Spray nozzle 32 and a pair of metal wire feeders 33a, 33b through which the metal wires 39a, 39b continuously into the spray zone at the spray end of the spray nozzle 32 while being withdrawn from the wire spools 36a, 36b and
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Vorrücken mittels der Zuführungsrollen 34a, 34b eingeführt werden. Druckluft oder ein geeignetes Gas wird in den Lufteinlaß 35 eingespeist und aus der Spritzdüse 32 als Strahl in die Spritzzone ausgeblasen. Ein elektrischer Wechsel- oder Gleichstrom wird den Metalldrähten, ζ. Β. Aluminiumdrähten, 39a, 39b über die vom Leitungsträger gehaltenen Leitungen 38a, 38b zugeführt. Wenn die vorrückenden Enden 39a 39b1 der Metalldrähte 39a, 39b miteinander in Berührung kommen und dann etwas auseinandergezogen werden, entsteht ein elektrischer Lichtbogen im Raum zwischen den vorrückenden Enden 39 .. 39f,i der Metalldrähte 39a, 39b, so daß die Drähte 39a, 39b an den Enden 39- ... 39, ^ geschmolzen werden. Das so geschmolzene Metall in der Spritzzone wird unverzüglich durch den aus der Spritzdüse 32 kommenden Gasstrahl abgeblasen und auf die Oberfläche des Sinterkörpers 1 durch die Durchbrechungen 41a, 41b der Maske 41 gespritzt, wodurch Metallschichten 2 auf der Oberfläche des Sinterkörpers 1 unter Bildung der Elektroden eines gewünschten Musters abgeschieden werden.Advancement can be introduced by means of the feed rollers 34a, 34b. Compressed air or a suitable gas is fed into the air inlet 35 and blown out of the spray nozzle 32 as a jet into the spray zone. An alternating or direct electrical current is fed to the metal wires, ζ. Β. Aluminum wires 39a, 39b are supplied via the leads 38a, 38b held by the lead carrier. When the advancing ends 39a, 39b 1 of the metal wires 39a, 39b come into contact with each other and are then pulled apart a little, an electric arc is created in the space between the advancing ends 39 .. 39f, i of the metal wires 39a, 39b, so that the wires 39a, 39b are melted at the ends 39- ... 39, ^. The thus melted metal in the spray zone is immediately blown off by the gas jet coming from the spray nozzle 32 and sprayed onto the surface of the sintered body 1 through the openings 41a, 41b of the mask 41, whereby metal layers 2 are deposited on the surface of the sintered body 1, forming the electrodes of a desired pattern can be deposited.
Das oben beschriebene Flammspritzverfahren durch eine Maske mit Durchbrechungen ist sehr vorteilhaft, da eine Maske mit beliebigen komplizierten Durchbrechungen ohne weiteres durch maschinelle Bearbeitung, Formgießen oder andere geeignete Maßnahmen hergestellt werden kann, so daß . jedes komplizierte Muster der Elektroden leicht mit hoher Genauigkeit und Bequemlichkeit reproduziert werden kann. Es brauchte wohl nicht erwähnt zu werden, daß eine gleichmäßige Spritzbeschichtung des Sinterkörpers ohne Maske durch Flammspritzen mit einem Metallschmelzenmaterial mit folgender Entfernung der nicht erforderlichen Teile der Metallschicht nur mit großen Schwierigkeiten und viel Mühe durchgeführt werden kann, was zu einer merklich verringerten Produktivität und zu erhöhten ProduktionskostenThe flame spraying process described above through a mask with perforations is very advantageous because a Mask with any complicated perforations easily by machining, molding or other suitable measures can be made so that. any complex pattern of electrodes easily can be reproduced with high accuracy and convenience. Needless to say that a uniform spray coating of the sintered body without a mask by flame spraying with a molten metal material with the following removal of the unnecessary parts of the metal layer only with great difficulty and much labor can be performed, resulting in markedly decreased productivity and increased production cost
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führt, wenn das Muster der erwünschten Elektroden kompliziert ist.leads when the pattern of the desired electrodes is complicated.
Die Maske 41 mit Durchbrechungen 41a, 41b wird von der Oberfläche des Sinterkörpers 1 nach Abschluß des Flammspritzens abgenommen und kann wiederholt verwendet werden. Zu empfehlende Materialien für die Maske 41 sollten Metalle sein, die am darauf gespritzten ge- \ The mask 41 with openings 41a, 41b is removed from the surface of the sintered body 1 after the flame spraying has been completed and can be used repeatedly. Recommendable materials for the mask 41 metals should be that sprayed at out overall \
schmolzenen Metall nicht haften, z. B. Messing, und sollten zweckmäßig auch mit einer Schicht aus einem Trennmittel, wie z. B. einem kohlenstoffhaltigen Material oder Äthylenglycol, vor ihrer Verwendung versehen sein, um das Ablösen und die Abnahme der darauf beim Flammspritzen abgeschiedenen Metallschicht ohne gewaltsames Abreißen zu erleichtern, das zu einer verkürzten Lebensdauer der Maske aufgrund der Verformung der Maskengestalt führen könnte.melted metal do not adhere, e.g. B. Brass, and should expediently also with a layer of a release agent, such as. B. a carbonaceous material or Ethylene glycol, prior to its use, must be provided to prevent the peeling and removal of the deposited on it during flame spraying Metal layer to facilitate tearing off without force, which leads to a shortened service life of the mask due to the deformation of the mask shape.
Der nach dem vorstehend beschriebenen Flammspritzverfahren mit den Elektroden versehene Sinterkörper wird vorzugsweise einer Anlaßbehandlung bei einer Temperatur von 100 bis 300 °c für 30 bis 180 Minuten unterworfen, um so die Stabilität des ohmschen Kontakt zwischen dem Sinter- | körper und der Elektrode zu verbessern.According to the flame spraying process described above Sintered bodies provided with the electrodes are preferably subjected to a tempering treatment at a temperature of Subjected to 100 to 300 ° c for 30 to 180 minutes, so as to maintain the stability of the ohmic contact between the sintering | body and the electrode.
Besondere Muster der auf der Oberfläche des Sinterkörpers vorgesehenen Elektroden hängen natürlich von den besonderen Anwendungsfällen der Varistorelemente mit den Elektroden ab. Eines der typischen Muster der Elektroden bei einem für die Funkentstörung in Gleichstrommotoren geringer Abmessungen verwendeten Varistorelement ist in Fig. 6 (a) und Fig.6(b) für die beiden gegenüberliegenden OberflächenParticular patterns of the electrodes provided on the surface of the sintered body naturally depend on the special applications of the varistor elements with the electrodes. One of the typical patterns of electrodes at a varistor element used for radio interference suppression in DC motors of small dimensions is shown in Fig. 6 (a) and Fig. 6 (b) for the two opposite surfaces
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eines Sinterkörpers gezeigt. Der Sinterkörper 6 ist mit einem kreisförmigen Loch 5 in seiner Mitte versehen, durch das die Drehwelle des Motors einzuführen ist. So hat der Sinterkörper 6 im ganzen eine ringförmige Gestalt. An einer Oberfläche des Sinterkörpers 6 sind gemäß Fig.6 (a) drei Elektroden 7a, 7b, 7c in gleichmäßig unterteilten Sektoren vorgesehen. Auf der gegenüberliegenden Oberfläche des gleichen Sinterkörpers 6 ist gemäß Fig. 6 (b) eine einzelne ringförmige Elektrode 8 vorgesehen. Diese Elektroden werden beispielsweise nach dem oben beschriebenen Flammspritzverfahren hergestellt.a sintered body shown. The sintered body 6 is provided with a circular hole 5 in its center, through which the rotating shaft of the motor is to be inserted. Thus, the sintered body 6 has an annular shape as a whole. According to FIG. 6 (a), three electrodes 7a, 7b, 7c are uniformly on one surface of the sintered body 6 subdivided sectors. On the opposite surface of the same sintered body 6 is a single annular electrode 8 is provided as shown in FIG. 6 (b). These electrodes are for example produced by the flame spraying process described above.
Fig. 7 ist eine Querschnittdarstellung eines Gleichstrommotors geringer Abmessungen mit einem eingebauten Varistorelement, wie es in den Fig. 6 (a) und 6 (b) dargestellt ist. Das Varistorelement, das aus dem Sinterkörper 6 und den Elektroden 7a, 7b, 7c und 8 an beiden Oberflächen zusammengesetzt ist, ist auf der Welle 10 des Rotors montiert, wobei eine Ankerspule 9 und ein Kommutator 11 fest auf der Welle 10 montiert sind, um in dem durch die Feldmagnete 13a, 13b gebildeten Magnetfeld drehbar zu sein. Die Lage des Varistorelements ist zwischen der Ankerspule 9 und dem Kommutator 11 auf der Welle 10. Jede der Elektroden 7a, 7b, 7c mit ohmschem Kontakt ist elektrisch mit einer der Kommutatorlamellen 11a, 11b, 11c verbunden, die in intermittierenden Kontakt mit den Bürsten 12a, 12b kommen, wenn der Rotor rotiert.7 is a cross-sectional view of a small-sized DC motor with a built-in one Varistor element as shown in Figs. 6 (a) and 6 (b). The varistor element made from the sintered body 6 and the electrodes 7a, 7b, 7c and 8 is composed on both surfaces, is on the shaft 10 of the Rotor mounted, wherein an armature coil 9 and a commutator 11 are fixedly mounted on the shaft 10 to to be rotatable in the magnetic field formed by the field magnets 13a, 13b. The location of the varistor element is between the armature coil 9 and the commutator 11 on the shaft 10. Each of the electrodes 7a, 7b, 7c with ohmic Contact is electrically connected to one of the commutator bars 11a, 11b, 11c, which are in intermittent contact with the brushes 12a, 12b come when the rotor rotates.
Bei dieser Montage und diesem Anschluß des Varistorelements im Gleichstrommotor zeigen sich die Varistoreigenschaften des Elements in den Teilen des Sinterkörpers zwischen jeder der Elektroden 7a, 7b, 7c mit ohmschem Kontakt und der gemeinsamen Elektrode 8 an der gegenüber-With this assembly and this connection of the varistor element in the direct current motor, the varistor properties become apparent of the element in the parts of the sintered body between each of the electrodes 7a, 7b, 7c with ohmic Contact and the common electrode 8 on the opposite
liegenden Oberfläche. Dies bedeutet, daß das Varistorelement im Motor eingebaut ist, um eine Sternschaltung zu bilden, wie im Ersatzschaltbild in Fig. 8 gezeigt ist, wonach drei nicht-lineare Widerstandselemente P , P. , P in Sternschaltung mit der Elektrode 8 als dem neutralen Punkt bezüglich der drei Ankerspulen 9a, 9b, 9c geschaltet sind. Wenn Störspannungen N1, N2, wie sie in Fig. 3 gezeigt sind, im Motor mit dieser Varistorschaltung auftreten, erhält man einen Varistoreffekt zur Absorption der Störspannung in wenigstens zwei der drei äquivalenten nicht-linearen Widerstandselemente P , P. , P , so daß die Störspannungen N1, N0 wirksamlying surface. This means that the varistor element is built in the motor to form a star connection, as shown in the equivalent circuit diagram in Fig. 8, after which three non-linear resistance elements P, P, P in star connection with the electrode 8 as the neutral point with respect to of the three armature coils 9a, 9b, 9c are connected. If interference voltages N 1 , N 2 , as shown in FIG. 3, occur in the motor with this varistor circuit, a varistor effect is obtained to absorb the interference voltage in at least two of the three equivalent non-linear resistance elements P, P., P, so that the interference voltages N 1 , N 0 are effective
a Xj C I £ a Xj CI £
im Kommutator 11 ohne nachteilige Einflüsse auf die äußeren Schaltkreise absorbiert werden.in the commutator 11 without adverse effects on the external circuits are absorbed.
Im Gegensatz zu der im Ersatzschaltbild in Fig. 8 gezeigten Sternschaltung kann auch eine Dreiecksscnaltung gebildet werden, wie sie mit dem in Fig. 9 dargestellten Ersatzschaltkreis gezeigt ist. Hierbei hat das zu verwendende Varistorelement drei Sektorelektroden 7a, 7b, 7c entsprechend Fig. 6 (a) auf einer Oberfläche des Sinterkörpers 6, jedoch ist auf der gegenüberliegenden Oberfläche keine Elektrode vorgesehen. Wie in Fig. 9 gezeigt ist, sind drei äquivalente nicht-lineare Widerstandselemente P1 , PV, P1 , die zwischen je zwei derIn contrast to the star connection shown in the equivalent circuit diagram in FIG. 8, a delta connection can also be formed, as shown with the equivalent circuit shown in FIG. 9. Here, the varistor element to be used has three sector electrodes 7a, 7b, 7c as shown in FIG. 6 (a) on one surface of the sintered body 6, but no electrode is provided on the opposite surface. As shown in Fig. 9, three equivalent non-linear resistance elements P 1 , PV, P 1 , which are between each two of the
el JD Cel JD C
Elektroden 7a, 7b, 7c gebildet sind, jeweils im Dreieck durch eine der Kommutatorlamellen 11a, 11b, 11c geschaltet. Diese Dreiecksschaltung ist ebenfalls zur Funkentstörung durch den von den drei nicht-linearen Widerstandseiementen P1 , P'K, P1 gezeigten Varistor-Electrodes 7a, 7b, 7c are formed, each connected in a triangle by one of the commutator bars 11a, 11b, 11c. This triangular connection is also used for radio interference suppression by the varistor shown by the three non-linear resistance elements P 1 , P ' K , P 1
el D Cel D C
effekt wirksam. Übrigens sind die Ankerspulen 9a, 9b, 9c in Fig. 8 und Fig. 9 in Dreiecksschaltung, doch können sie natürlich auch bei Bedarf in Sternschaltung angeschlossen sein.effective. By the way, the armature coils 9a, 9b, 9c in FIG. 8 and FIG. 9 in a delta connection, but of course they can also be in a star connection if necessary be connected.
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Es ist auch darauf hinzuweisen, daß die Zahl der Sektorelektroden je nach der Zahl der Kommutatorlamellen bestimmt wird, obwohl die vorstehende Beschreibung nur unter der Annahme von drei Kommutatorlamellen gegeben wurde.It should also be noted that the number of sector electrodes depends on the number of commutator bars is determined although the above description has been given assuming three commutator bars.
Unter den Verfahren zur Erzielung eines ohmschen Kontakts zwischen der Elektrode aus einem metallischen Material und der Oberfläche des Sinterkörpers ist das Flammspritzverfahren auf die meisten der Metallmaterialien anwendbar. Das Flammspritzverfahren ist jedoch nicht unbegrenzt für alle Arten von Metal lmat_-erialien einsetzbar. Beispielsweise ist der Kontakt zwischen einer durch Flammspritzen gebildeten Nickelelektrode und der Oberfläche eines Sinterkörpers aus Titandioxid kein so guter ohmscher Kontakt.Among the methods of achieving ohmic contact between the electrode made of a metallic material and the surface of the sintered body is the flame spraying process applicable to most of the metal materials. The flame spray process, however, is not unlimited use for all types of metal lmat_erialien. For example, the contact between a nickel electrode formed by flame spraying and the The surface of a sintered body made of titanium dioxide does not have such a good ohmic contact.
Demgemäß führten die Erfinder ausgedehnte Untersuchungen durch, um ein Verfahren zum Erhalten einer Nickelelektrode zu entwickeln, die in gutem ohmschen Kontakt mit der Oberfläche eines Titandioxid—Sinterkörpers ist, und kamen zu dem Ergebnis, daß ein guter ohmscher Kontakt einer Nickelelektrode erhalten wird, wenn man die Nickelelektrode durch stromloses Abscheiden auf der Oberfläche des Sinterkörpers ausbildet.Accordingly, the inventors made extensive studies to find a method for obtaining a nickel electrode to develop which is in good ohmic contact with the surface of a titanium dioxide sintered body, and came to the conclusion that a good ohmic contact of a nickel electrode is obtained if the Nickel electrode is formed by electroless deposition on the surface of the sintered body.
Das Verfahren zur stromlosen Abscheidung von Nickel auf der Oberfläche eines Sinterkörpers läuft folgendermaßen ab. Zunächst wird ein Sinterkörper, der irgendeine gewünschte Form je nach der bezweckten Anwendung, wie z. B. die in Fig. 6 (a) und (b) dargestellte Ringform, hat, mit einer Schicht aus einem Beschichtungsabdeckmittel auf derThe process for electrolessly depositing nickel on the surface of a sintered body is as follows away. First, a sintered body having any desired shape depending on the intended application such as B. has the ring shape shown in Figures 6 (a) and (b), with a layer of a coating masking agent thereon
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Oberfläche versehen, die die Teile abdeckt, wo keine Nickelschicht durch die stromlose Abscheidung benötigt wird, so daß die Flächenteile für die Elektroden frei bleiben und das Elektrodenmuster definieren. Die Schicht des Beschichtungsabdeckmittels kann.nach einem geeigneten Verfahren, wie z. B. dem Siebdruck, gebildet werden. Als das Material für das Beschichtungsabdeckmittel kann man verschiedene Arten organischer Polymerstoffe verwenden, die in den unten erwähnten Beschichtungslösungen unlöslich sind.Provided surface that covers the parts where no nickel layer is required by the electroless deposition so that the surface parts remain free for the electrodes and define the electrode pattern. The layer of the coating masking agent can after a suitable one Process such as B. screen printing. As the material for the coating masking agent can various kinds of organic polymer materials can be used in the coating solutions mentioned below are insoluble.
An nächster Stelle wird der so mit der Schicht aus dem Beschichtungsabdeckmittel versehene Sinterkörper an den für die Elektrodenbildung freiliegenden Flächenteilen durch Eintauchen in eine wässerige Lösung von Zinnchlorid und Palladiumchlorid (siehe z. B. "Journal of the Electrochemical Society" vol. 107, S. 250, 1960) aktiviert, worauf die stromlose Beschichtung in einer Beschichtungslösung, die Nickelchlorid, Natriumhypophosphit und Natriumzitrat enthält, bei einer Temperatur von 80 bis 90 0C folgt, um eine Schicht aus Phosphor enthaltendem Nickel abzuscheiden. Danach wird die Schicht des Beschichtungsabdeckmittels durch Auflösen mit einem geeigneten organischen Lösungsmittel entfernt. Falls erforderlich, wird die an unerwünschten Flächenteilen abgeschiedene Nickel-Phosphor-Schicht durch eine geeignete mechanische Maßnahme, wie z. B. spitzenloses Rundschleifen oder Sandblasen, entfernt, um die Elektroden in einem genauen erwünschten Muster übrigzulassen.In the next place the sintered body provided with the layer of the coating covering agent is applied to the surface parts exposed for the electrode formation by immersion in an aqueous solution of tin chloride and palladium chloride (see, for example, "Journal of the Electrochemical Society" vol. 107, p. 250, 1960), followed by electroless plating in a plating solution containing nickel chloride, sodium hypophosphite and sodium citrate at a temperature of 80 to 90 ° C. in order to deposit a layer of phosphorus-containing nickel. Thereafter, the coating resist layer is removed by dissolving it with a suitable organic solvent. If necessary, the deposited on undesired parts of the surface nickel-phosphorus layer by a suitable mechanical measure, such as. Cylindrical centerless grinding or sandblowing, to leave the electrodes in a precise desired pattern.
Es ist bedeutsam, daß der ohmsche Kontakt zwischen der durch stromlose Abscheidung gebildeten Nickelelektrode und der Oberfläche des Sinterkörpers vollständiger ist, wenn die Elektrode aus 98 bis 80 Gew. % Nickel und '2 bis 20 Gew. % Phosphor zusammengesetzt ist. Das Gewichts-It is important that the ohmic contact between the nickel electrode formed by electroless deposition and the surface of the sintered body is more complete when the electrode is composed of 98 to 80% by weight of nickel and 2 to 20% by weight of phosphorus. The weight
Verhältnis von Nickel und Phosphor in der abgeschiedenen Schicht wird durch Einstellen des pH-Werts der Beschichtungslösung gesteuert, der im Bereich von 2 bis 10 liegen soll, da ein höherer pH-Wert als 10 zu einem j geringeren Phosphorgehalt als 2 Gew. % führt, währendThe ratio of nickel and phosphorus in the deposited layer is determined by adjusting the pH of the coating solution controlled, which should be in the range of 2 to 10, as a higher pH than 10 to one j lower phosphorus content than 2 wt.% leads, while
ein niedrigerer pH-Wert als 2 einen höheren Phosphorgehalt als 20 Gew. % ergibt.a pH value lower than 2 results in a higher phosphorus content than 20% by weight.
Der gemäß vorstehender Beschreibung mit den Nickel-Phosphor-Elektroden versehene Sinterkörper wird dann vorzugsweise einer Alterungsbehandlung durch Erhitzen bei etwa 300 0C unterworfen, um den ohmschen Kontaktzustand der Elektroden an der Oberfläche des Sinterkörpers zu stabilisieren.The sintered body provided with the nickel-phosphorus electrodes as described above is then preferably subjected to an aging treatment by heating at about 300 ° C. in order to stabilize the ohmic contact state of the electrodes on the surface of the sintered body.
Eine alternative Art der Bildung von musterartigen Elektroden auf der Oberfläche des Sinterkörpers ist die Verwendung eines Ätzabdeckmittels. In diesem Fall wird der Sinterkörper zunächst durch die stromlose Beschichtung mit der Abscheidung des Nickel-Phosphors auf der gesamten Oberfläche versehen. Dann werden die dem gewünschten Elektrodenmuster entsprechenden Flächenteile mit einem Ätzabdeckmittel, das ein gegenüber der unten erwähntenAn alternative way of forming pattern-like electrodes on the surface of the sintered body is that Use of an etch masking agent. In this case, the sintered body is first covered by the electroless plating provided with the deposition of nickel-phosphorus on the entire surface. Then those will be the one you want Electrode pattern corresponding surface parts with an etching masking agent which is opposite to that mentioned below
Ätzlösung beständiges Material ist, durch Siebdruck oderEtching solution resistant material is, by screen printing or
andere geeignete verfahren überzogen. Der nächste Schritt ist das Eintauchen des Sinterkörpers in eine Ätzlösung, so daß die Nickel-Phosphor-Schicht auf den nicht mit dem Ätzabdeckmittel überzogenen Flächenteilen durch Auflösung in der Ätzlösung beseitigt wird. Ein Beispiel der Ätzlösung ist eine Mischung von Essigsäure, Salpetersäure und Aceton in einem Verhältnis von 1:1:1, die bei einer Temperatur von etwa 40 0C verwendet wird. Schließlich wird das die Elektrodenbereiche abdeckende Ätzabdeckmittel durch Waschother suitable procedures covered. The next step is to immerse the sintered body in an etching solution, so that the nickel-phosphorus layer on the surface parts not covered with the etching masking agent is removed by dissolving in the etching solution. An example of the etching solution is a mixture of acetic acid, nitric acid and acetone in a ratio of 1: 1: 1, which is used at a temperature of about 40 0 C. Finally, the etching resist covering the electrode areas is washed
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einer alkalischen Lösung oder einem organischen Lösungsmittel je nach der Art des verwendeten fitzabdeckmittelmaterials eatfeeat. Die Wärmebehandlung zur Alterung wird auch in diesem Fall in der gleichen Weise wie bei der Verwendung des Beschichtungsabdeckmittels vorgenommen .an alkaline solution or an organic solvent depending on the type of masking material used eatfeeat. The heat treatment for aging is made in this case also in the same manner as when the coating masking agent is used .
Auf jeden Fall ist das Verfahren der stromlosen Beschichtung zur Bildung der Nickel-Phosphor-Elektroden sehr vorteilhaft, da die Haftung der Elektroden an der Oberfläche des Sinterkörpers sehr stark ist und der Kontakt ausgezeichnet ohmisch ist, wenn man von den erheblich verringerten Kosten für die Elektrodenausbildung absieht. Außerdem können Elektroden jeden komplizierten Musters ohne weiteres mit hoher Genauigkeit erzeugt werden, da die Musterbildung nach den Techniken des Siebdrucks oder anderen Druckverfahren mit dem Beschichtungsabdeckmittel oder dem Ätzabdeckmittel erfolgt und die Beseitigung der Abdeckmaterialien durch Auflösen ohne mechanische Maßnahmen durchgeführt werden kann, so daß keine Gefahr auftritt, die Oberfläche des Sinterkörpers als solchen im Lauf der Musterbildung zu beschädigen. Either way, the process of electroless plating is used to form the nickel-phosphorus electrodes very advantageous because the adhesion of the electrodes to the surface of the sintered body is very strong and the contact is excellent ohmic considering the significantly reduced cost of electrode design disregards. In addition, electrodes of any complicated pattern can easily be made with high accuracy can be generated, as the pattern formation according to the techniques of screen printing or other printing processes with the Coating masking agent or the etching masking agent takes place and the removal of the masking materials by dissolving can be carried out without mechanical measures, so that there is no risk of the surface of the sintered body as such in the course of pattern formation.
Der nächste Schritt für die Herstellung eines Varistorelements ist die Verbindung der Zuführungsdrähte mit jeder der Elektroden durch Löten, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Ein dabei zu berücksichtigendes Problem ist die Lotaufnahmefähigkeit der Elektrodenoberflächen. Beispielsweise sind Aluminium- oder Nickelelektroden ohne Rücksicht auf das Verfahren zur Herstellung der ElektrodenThe next step in making a varistor element is connecting the lead wires with each of the electrodes by soldering as shown in FIG. One problem to consider is the solder absorption capacity of the electrode surfaces. For example are aluminum or nickel electrodes regardless of the process used to manufacture the electrodes
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infolge der Oxidschichtbildung auf der Oberfläche oder anderer/Gründe von schlechter Lotaufnahmefähigkeit. Außerdem kann eine Oxidation des Elektrodenmaterial manchmal den ohmschen Kontakt zwischen der Elektrode und der Oberfläche des Sinterkörpers ungünstig beeinflussen/ was zu einer verringerten Verläßlichkeit der Varistoreigenschaften bei einer Langzeitverwendung des Varistorelements führt. Außerdem ist auch eine nach dem Flammspritzverfahren erzeugte Silberelektrode von schlechter Lotaufnahmefähigkeit. Diese schlechte Lotaufnahmefähigkeit tritt noch stärker auf, wenn die Elektrode aus einem Silbermaterial unter Zusatz geringer Mengen der Hilfselemente, wie z. B. Indium, Gallium, Antimon, Kadmium, Zink,Aluminium u. dgl., wie oben erwähnt, gebildet ist, als es bei den Elektroden aus hochreinem Silber der Fall ist.as a result of the formation of oxide layers on the surface or other / reasons of poor solder absorption. aside from that Oxidation of the electrode material can sometimes reduce the ohmic contact between the electrode and the Affect the surface of the sintered body unfavorably / resulting in a reduced reliability of the varistor properties leads to long-term use of the varistor element. In addition, there is also one after the Flame spraying produced a silver electrode with poor solder absorption properties. This poor soldering ability occurs even more if the electrode is made of a silver material with the addition of less Amounts of auxiliary elements, such as B. indium, gallium, antimony, cadmium, zinc, aluminum and the like, as mentioned above, than is the case with the high-purity silver electrodes.
Die oben erwähnten Schwierigkeiten beim Löten können überwunden werden, indem man eine Schicht aus einem metallischen Material mit guter Lotaufnahmefähigkeit auf der auf dem Sinterkörper gebildeten Elektrode vorsieht.The above mentioned soldering difficulties can be overcome by making a layer of a metallic material with good solder absorbency provides on the electrode formed on the sintered body.
Ein Beispiel von mit einer solchen Schicht guter Lotaufnahmefähigkeit auf jeder der Oberflächen zur Bedeckung der Elektroden versehenen Varistorelementen ist in Fig. 10 im Querschnitt gezeigt. Der Sinterkörper 1 ist eine der in Fig. 1 gezeigten gleichartige Scheibe und auf jeder der gegenüberliegenden Oberflächen mit der nach einem geeigneten Verfahren, wie z. B. Bedrucken mit einer Silberpaste, Flammspritzen mit geschmolzenem AluminiumAn example of good solder absorbency with such a layer on each of the surfaces to be covered of the electrodes provided with varistor elements is shown in FIG. 10 in cross section. The sintered body 1 is one of the similar disc shown in Fig. 1 and on each of the opposing surfaces with the by a suitable method, such as. B. Printing with a silver paste, flame spraying with molten aluminum
+) Daher läßt sich eine feste Verbindung der Zuführungsdrähte aus diesen Metallmaterialien mit den Elektroden durch Löten kaum erzielen.+) Therefore, the lead wires made of these metal materials can be firmly connected to the electrodes hardly achieved by soldering.
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oder stromloser Beschichtung mit Nickel-Phosphor, gebildeten Elektrode 2, 2 versehen. Die Elektroden 2, 2 bedeckend sind lotaufnehmende Metallschichten 21, 21 vorgesehen, mit denen die Zuführungsdrähte 3, 3 mittels Lot 4, 4 verbunden sind. Das Verfahren zur Bildung der lotaufnehmenden Schicht ist nicht beschränkt. Beispielsweise werden die Schichten am zweckmäßigsten durch Drucken, z. B.■Siebdruck, mit einer Silberpaste hergestellt, die darin verteilte Teilchen aus hochreinem Silber enthält. Es ist bei der Durchführung des Bedrückens mit der Silberpaste wichtig, daß die Silberpaste niemals durch ungenaues Drucken auf die Flächenteile zerstreut wird, wo die Elektrodenschicht nicht gebildet ist. Ein zu empfehlendes Verfahren zur Vermeidung eines solchen Fehldrucks besteht darin, das gedruckte Muster nicht zum Bedecken der gesamten Elektroden 2 auszulegen, sondern das Druckmuster der lotaufnehmenden Schicht 21 etwas kleiner als die Elektroden 2 zu machen,, wobei Randstreifen g1 um den Umfang der Elektroden 2, 2 verbleiben.or electroless coating with nickel-phosphorus, formed electrode 2, 2 is provided. Covering the electrodes 2, 2, there are solder-receiving metal layers 21, 21 to which the lead wires 3, 3 are connected by means of solder 4, 4. The method for forming the solder receiving layer is not limited. For example, the layers are most conveniently made by printing, e.g. B. ■ Screen printing, made with a silver paste that contains particles of high purity silver dispersed therein. In performing the printing with the silver paste, it is important that the silver paste is never scattered by inaccurate printing on the surface portions where the electrode layer is not formed. A recommended method of avoiding such misprints is not to lay out the printed pattern to cover the entire electrodes 2, but to make the print pattern of the solder-receiving layer 21 slightly smaller than the electrodes 2, with marginal strips g 1 around the periphery of the electrodes 2, 2 remain.
Mehrere Vorteile werden durch diese Technik des Versehens lotaufnehmender Schichten 21 auf den Elektroden nicht nur durch die sehr stark verbesserte Bindefestigkeit der Zuführungsdrähte durch Löten, sondern auch durch die erhöhte Dauerhaftigkeit des Varistorelements aufgrund des Vermeidens einer Oxidation des Elektrodenmaterials durch die lotaufnehmenden Schichten erzielt, die fast die gesamten Elektrodenoberflächen abdecken, was zur Aufrechterhaltung des ohmschen Kontakts zwischen der Elektrode und der Oberfläche des Sinterkörpers über eine lange Zeitdauer führt.Several advantages are achieved by this technique of providing solder-receiving layers 21 on the electrodes not only through the greatly improved bonding strength of the lead wires through soldering, but also through the increased durability of the varistor element due to the avoidance of oxidation of the electrode material achieved by the solder-receiving layers, which cover almost the entire electrode surface, resulting in Maintaining the ohmic contact between the electrode and the surface of the sintered body via a leads to long periods of time.
Die lotaufnehmenden Metallschichten können auch durch die galvanische Beschichtung mit Zinn oder anderen geeigneten Metalien oder durch Beschichtung mit einer Lotlegierung gebildet werden. Einer der Vorteile dieser galvanischen Beschichtung gegenüber dem Druckverfahren mit einer Silberpaste ist der, daß die metallische Beschichtung auf den gesamten Oberflächen der Elektroden ohne die Gefahr einer Zerstreuung der lotaufnehmenden Schichten auf die unerwünschten Flächenbereiche erzielt wird, so daß die lotaufnehmenden Flächen der Elektroden stark vergrößert werden und die Vermeidung einer Elektrodenoxidation vollständiger ist.The solder-absorbing metal layers can also be electroplated with tin or others suitable metals or by coating with a solder alloy. One of the advantages of this Electroplating compared to the printing process with a silver paste is that the metallic Coating on the entire surfaces of the electrodes without the risk of scattering the solder-receiving ones Layers on the undesired surface areas is achieved, so that the solder-receiving surfaces of the electrodes can be greatly enlarged and the prevention of electrode oxidation is more complete.
Fig. 11 ist eine Querschnittsdarstellung eines Varistorelements, bei dem der Sinterkörper 1 zunächst mit Elektroden 2, 2 in ohmschem Kontakt auf beiden gegenüberliegenden Oberflächen versehen ist und dann auf den Elektrodenoberflächen lotaufnehmende Schichten 21, durch Bedrucken mit einer Silberpaste unter Belassen von Randstreifen g1 um die lotaufnehmenden Schichten 21,11 is a cross-sectional representation of a varistor element in which the sintered body 1 is first provided with electrodes 2, 2 in ohmic contact on both opposing surfaces and then solder-receiving layers 21 on the electrode surfaces, by printing with a silver paste, leaving edge strips g 1 um the solder-receiving layers 21,
gebildet sind. Anschließend sind dann noch zweite lotaufnehmende Schichten 22, 22 durch die galvanische Beschichtung mit z. B. Zinn gebildet, um die gesamten Flächen der ersten lotaufnehmenden Schichten 21, 21 und die nicht mit den ersten lotaufnehmenden Schichten 21, bedeckten Oberflächen der Elektroden 2, 2 abzudecken. Ein Vorteil einer solchen Doppelschichtabdeckung ist die weiter verbesserte Verhinderung der Elektrodenoxidation bei gleichzeitig vergrößerten Lotaufnahmeflächen.are formed. Then there are also second solder-receiving layers 22, 22 through the galvanic Coating with z. B. tin formed around the entire surfaces of the first solder-receiving layers 21,21 and those not with the first solder-receiving layers 21, covered surfaces of the electrodes 2, 2 to cover. One advantage of such a double-layer cover is the further improved prevention of electrode oxidation with enlarged soldering surfaces at the same time.
Fig. 12 (a) und Fig. 12 (b) sind Grundrisse der Oberseite bzw. der Unterseite eines ringförmigen Varistorelements,12 (a) and 12 (b) are plan views of the top and bottom, respectively, of an annular varistor element,
das dem in Fig. 6 gezeigten ähnlich ist und zur Funkentstörung in Gleichstrommotoren geringer Abmessungen verwendet wird. Wie in Fig. 12 (a) gezeigt ist, ist der Sinterkörper 1 auf der Oberseite mit drei Sektorelektroden 2a, 2b, 2c in ohmschem Kontakt mit der Oberfläche des Sinterkörpers 1 nach Bildung durch ein geeignetes Verfahren, wie z. B. Flammspritzen mit einer Metallschmelze, versehen. Jede der Elektroden 2a, 2b, 2c hat gleiche Fläche mit einer Spannweite von etwas weniger als 120° zum Mittelpunkt, wobei Spalte g2 zwischen den benachbarten Elektroden vorgesehen sind. Jede der Elektroden 2a, 2b, 2c ist mit der zugehörigen Lotaufnahmeschicht 21a, 21b oder 21c bedeckt, die durch Bedrucken mit einer Silberpaste oder durch galvanische Beschichtung mit Zinn nach obiger Beschreibung gebildet ist, wobei die Abmessung der Lotaufnahmeschichten 21a, 21b oder 21c etwas geringer als die der zugehörigen Elektrode 2a, 2b oder 2c mit unbedeckten Randstreifen ist. Drei Zuführungsdrähte 3a, 3b, 3c sind mit den Lotaufnahmeschichten 21a, 21b, 21c mittels Lot verbunden.which is similar to that shown in Fig. 6 and is used for radio interference suppression in DC motors of small dimensions. As shown in Fig. 12 (a), the sintered body 1 is on the top with three sector electrodes 2a, 2b, 2c in ohmic contact with the surface of the sintered body 1 after formation by a suitable method such as. B. flame spraying with a molten metal provided. Each of the electrodes 2a, 2b, 2c has the same area with a span of slightly less than 120 ° to the center, with gaps g 2 being provided between the adjacent electrodes. Each of the electrodes 2a, 2b, 2c is covered with the associated solder receiving layer 21a, 21b or 21c, which is formed by printing with a silver paste or by electroplating with tin as described above, the dimensions of the solder receiving layers 21a, 21b or 21c being somewhat smaller than that of the associated electrode 2a, 2b or 2c with uncovered edge strips. Three lead wires 3a, 3b, 3c are connected to the solder receiving layers 21a, 21b, 21c by means of solder.
Andererseits ist die Unterseite des Sinterkörpers 1, wie in Fig. 12 (b) gezeigt ist, mit drei gleichartigen Sektorelektrodan 20a, 20b, 20c mit Spalten g3 versehen. Diese Elektroden 20a, 20b, 20c auf der Unterseite sind mit gestrichelten Linien auch in Fig. 12 (a) dargestellt. Wie Fig. 12 (a) zeigt,ist die radiale Anordnung dieser Elektroden 20a, 20b, 20c an der Unterseite nicht in direkter Rückseiten-Vorderseiten-Zuordnung zu den Elektroden 2a, 2b, 2c an der Oberseite, sondern jede der Elektroden ist in der Winkellage angeordnet, die von der Lage in direkter Rückseiten-Vorderseiten-Zuordnung zuOn the other hand, as shown in Fig. 12 (b), the underside of the sintered body 1 is provided with three similar sector electrodes 20a, 20b, 20c with gaps g 3 . These electrodes 20a, 20b, 20c on the lower side are also shown with dashed lines in Fig. 12 (a). As FIG. 12 (a) shows, the radial arrangement of these electrodes 20a, 20b, 20c on the underside is not in direct rear-front-side association with the electrodes 2a, 2b, 2c on the upper side, but each of the electrodes is in the Angular position arranged from the position in direct rear-front assignment to
einer der Elektroden an der gegenüberliegenden Oberfläche um 60° gedrenl. So hat der Sinterkörper 1 sechs Varistorbereiche S1, S2, So, S., S1- und Sß, die jeweils zwischen den gegenüberliegenden Elektroden 2a-2Oa, 2a-2Ob, 2b-2Ob, 2b-2Oc, 2c-2Oc bzw. 2c-2Oa eingefügt sind, übrigens sind die Elektroden 20a, 20b, 20c an der Unterseite nicht mit den Lotaufnahmeschichten bedeckt, da mit diesen Elektroden keine Zuführungsdrähte durch Löten verbunden sind.one of the electrodes on the opposite surface rotated by 60 °. Thus, the sintered body 1 has six varistor areas S 1 , S 2 , So, S., S 1 - and S ß , each between the opposing electrodes 2a-20a, 2a-20b, 2b-20b, 2b-20c, 2c-20c and 2c-20a, respectively, and the electrodes 20a, 20b, 20c on the lower side are not covered with the solder receiving layers, since no lead wires are connected to these electrodes by soldering.
Die Montage des vorstehend beschriebenen Varistorelements mit drei Sektorelektroden an jeder der gegenüberliegenden Oberflächen ist genau die gleiche wie bei dem in Fig. 6 dargestellten und in Fig. 7 veranschaulichten Varistorelement. Das Ersatzschaltbild mit den Ankerspulen 9a, 5b, 9c und den Kommutatorlamellen 11a, 11b, 11c ist in diesem Fall, wie in Fig. 13 dargestellt. In diesem Ersatzschaltbild ist eine Reihenkombination von zwei der sechs Varistorbereiche S1 bis Sc in Dreiecksschaltung mit einer der Ankerspulen 9a, 9b, 9c ebenfalls in Dreiecksschaltung durch eine der Kommutatorlamellen 11a, 11b, 11c verbunden. Daher wird der Effekt der Funkentstörung in allen Varistorbereichen S1 bis S, erzielt, wenn eine Störspannung auftritt, so daß man einen ausgezeichneten Funkentstörungseffekt auch in hohen Strombereichen erhält.The assembly of the above-described varistor element with three sector electrodes on each of the opposing surfaces is exactly the same as that of the varistor element shown in FIG. 6 and illustrated in FIG. 7. The equivalent circuit diagram with the armature coils 9a, 5b, 9c and the commutator segments 11a, 11b, 11c in this case is as shown in FIG. In this equivalent circuit diagram, a series combination of two of the six varistor areas S 1 to S c is connected in a delta connection with one of the armature coils 9a, 9b, 9c also in a delta connection through one of the commutator segments 11a, 11b, 11c. Therefore, the radio interference suppression effect is achieved in all varistor areas S 1 to S 1 when an interference voltage occurs, so that an excellent radio interference suppression effect is obtained even in high current ranges.
Es folgt ein überblick über die mit den vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen nicht-linearen Widerstandselementen erhaltenen Vorteile.The following is an overview of the nonlinear resistance elements according to the invention with the above-described nonlinear resistance elements obtained benefits.
gege
(1) Die dem Sinterkörper selbst einen Varistoreigenschaften können sich bei geringen Varistorspannungen voll(1) The varistor properties of the sintered body itself can be fully developed at low varistor voltages
~ 28 - m ~ 28 - m
I auswirken, so daß man nicht-lineare Widerstandselemente |I so that one can get non-linear resistance elements |
als sehr wirksame Funkentstörungselemente für bei fas very effective radio interference suppression elements for at f
niedrigen Spannungen betriebene Gleichstrommotoren geringer Abmessungen erhält.DC motors operated at low voltages receive small dimensions.
(2) Die Bindefestigkeit zwischen der Oberfläche des Sinterkörpers und der Elektrode ohmschen Kontakts ist f sehr stark ohne daß eine Gefahr eventueller Abblätterung « der Elektroden auftritt, so daß die erfindungsgemäß erhaltenen Varistorelemente eine sehr hohe Verläßlichkeit auch bei langem Betrieb haben.(2) The bonding strength between the surface of the sintered body and the ohmic contact electrode is f very strong without the risk of possible peeling off of the electrodes, so that the invention obtained varistor elements have a very high reliability even with long operation.
(3) Eine Beeinträchtigung der Varistoreigenschaften ist im Verlauf der Zeit sehr gering, wobei gleichzeitig die Korrosionsbeständigkeit der Elektroden ausgezeichnet ist, was zur Dauerhaftigkeit der Varistorelemente beiträgt. (3) Deterioration in varistor characteristics is very little with the lapse of time and at the same time the corrosion resistance of the electrodes is excellent, which contributes to the durability of the varistor elements.
(4) Die Materialien für die Elektroden und die Lotaufnahmeschichten sind unaufwendig, und das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Varistorelemente ist auch nicht sehr kompliziert, so daß sich die Varistorelemente zu niedrigen Kosten und mit hoher Produktivität in einer Massenproduktion herstellen lassen.(4) The materials for the electrodes and the solder receiving layers are inexpensive, and the method for producing the varistor elements according to the invention is also not very complicated, so that the varistor elements can be made at low cost and with high productivity can be mass-produced.
(5) Die Reinheit der metallischen Materialien für die Elektroden mit ohmschem Kontakt läßt sich nach Bedarf so steuern,daß eine gute Reproduzierbarkeit in der Güte der Varistorelemente erhalten wird.(5) The purity of the metallic materials for the electrodes with ohmic contact can be determined as necessary control so that a good reproducibility in quality of the varistor elements is obtained.
(6) Die Genauigkeit der Elektrodengestalt wird durch die Verwendung von Masken beim Flammspritzen oder durch die Verwendung eines Beschichtungsabdeckmittels oder eines(6) The accuracy of the electrode shape is ensured by the use of masks in flame spraying or by the use of a coating masking agent or one
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Ätzabdeckmittels beim Beschichtungsverfahren gesichert, so daß die Abmessungsgenauigkeit der Produkte hoch ist.Etching resist is secured in the coating process, so that the dimensional accuracy of the products is high.
(7) Die Bindefestigkeit der Zuführungsdrähte ist
dank des Vorliegens der Lotaufnahmeschichten sehr hoch, was zur Vereinfachung der Zusammenbauarbeiten der
Varistorelemente zusammen mit der erwähnten Abmessungsgenauigkeit beiträgt.
(7) The bonding strength of the lead wires is
very high thanks to the presence of the solder receiving layers, which simplifies the assembly work of the
Contributes varistor elements together with the mentioned dimensional accuracy.
Claims (11)
dadurch gekennzeichnet,13. Resistance element according to one of claims 1 to 9,
characterized,
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