JP2000252106A - セラミックバリスタ - Google Patents

セラミックバリスタ

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JP2000252106A
JP2000252106A JP11054848A JP5484899A JP2000252106A JP 2000252106 A JP2000252106 A JP 2000252106A JP 11054848 A JP11054848 A JP 11054848A JP 5484899 A JP5484899 A JP 5484899A JP 2000252106 A JP2000252106 A JP 2000252106A
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sro
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varistor
moisture resistance
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Kiyoshi Matsuda
清 松田
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Marcon Electronics Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 TiO2 添加に起因する低電流領域の非直線
性低下を改善可能なバリスタ組成を提供する。 【解決手段】 Ba、Srの少なくとも1種類を添加
し、Ba、Srの添加量を、酸化物換算の0.1≦(B
aO,SrO)/TiO2 ≦0.5で規定することによ
り、酸化チタン(TiO2 )の添加に起因する非直線性
の低下を改善する。Ba、Srの添加は耐湿性を低下さ
せるが、粒界の耐湿性向上添加物であるSiO2 ,B2
O3 を添加すると共に、Ba、Srの添加量を、(Ba
O,SrO)/Bi2 O3 ≦0.35で規定し、SiO
2 、B2 O3 の添加量を、0.15≦SiO2 /(Ba
O,SrO,Bi2 O3 )<0.35、かつ、0.02
5≦B2 O3 /(BaO,SrO,Bi2 O3 )≦0.
2で規定することにより、耐湿性を向上する。

Description

【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】本発明は、酸化亜鉛を主成分
とするセラミックバリスタに関し、特に、その焼成時に
おける酸化亜鉛結晶の粒成長促進剤として酸化チタン
(TiO2 )を添加する場合のバリスタ組成の改善に関
する。
【従来の技術】酸化亜鉛を主成分とするバリスタは、自
動車のロードダンプサージのエネルギーの吸収を目的と
した車載用から、雷サージの吸収に至るまで、各種のサ
イズ、各種のバリスタ電圧のものが使用されている。バ
リスタ電圧の制御に関しては、セラミックを構成する酸
化亜鉛結晶の粒子径をコントロールすることによりなさ
れている。自動車のロードダンプサージのエネルギーの
吸収を目的としたバリスタに関しては、主としてバリス
タ電圧(V1mA)が20V前後のバリスタが使用され
ている。ここで、ロードダンプサージのエネルギーは最
大100ジュールに至る場合があるが、セラミックの単
位体積当たりのエネルギー耐量はその組成により一定の
限界値を有する。このため、バリスタの吸収エネルギー
耐量を増加するには、セラミックの体積の増加を図れば
よい。酸化亜鉛を主成分とするバリスタの構造の模式図
を図1に示す。酸化亜鉛結晶粒子1をBi2 O3 を主成
分とする粒界2が取り囲んでいる。このような構造を持
つバリスタの電圧は、対向電極間に存在する個々の粒界
で発現するバリスタ電圧が加算されたものである。この
ため、バリスタ電圧を一定にしてバリスタの体積を増加
するには、酸化亜鉛結晶粒を大粒径化すればよい。酸化
亜鉛結晶粒径の大粒径化には、セラミックの焼成時にお
ける粒成長を促進する必要がある。粒成長を促進するに
は、酸化チタン(TiO2 )の添加が非常に効果的であ
るが、このような酸化チタンの添加はまた、バリスタの
低電流領域の非直線性を低下させる。バリスタの低電流
領域の非直線性が低下すると、使用時の濡れ電流が増加
し、使用状態によっては熱暴走、焼損に至る可能性があ
る。
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な従来技術の問題点を解決するために提案されたもので
ある。すなわち、本発明の目的は、酸化亜鉛を主成分と
するセラミックバリスタにおいて、酸化チタン(TiO
2 )添加に起因する低電流領域の非直線性低下を改善可
能なバリスタ組成を提供することであり、それによっ
て、エネルギー吸収量の大きいセラミックバリスタを提
供することである。
【課題を解決するための手段】本発明は、酸化チタン
(TiO2 )の添加に起因する非直線性の低下をBa、
Srの添加により補うものである。Ba、Srの少なく
とも1種類を添加することにより、低電流領域の非直線
性を改善できる。その反面、Ba、Srの添加は耐湿性
の低下を発生させる。これは、Ba、Srが粒界に偏析
し、非直線性を発現する粒界の耐湿性が低下するためで
ある。Ba、Sr添加時の耐湿性は、粒界の耐湿性向上
添加物であるSiO2 、B2 O3を添加すると共に、粒
界の主成分であるBi2 O3 に対するBa、Sr添加量
の比率を最適化し、また、Bi2 O3 とBa、Srの合
計量に対するSiO2 、B2 O3 添加量の比率を最適化
することにより、向上できる。なお、酸化亜鉛バリスタ
の大きな非直線性は上記組成のみによって発現されるも
のでなく、他の非直線性向上に有効な添加物も含むトー
タル的な組成の最適化によって発現されるものである。
また、本発明に係る具体的な組成条件は、次の通りであ
る。 [具体的な組成条件] (1)TiO2 添加に起因するV−I特性低下の改善 本発明においては、低電流領域の非直線性を改善するた
めに、添加物としてBa、Srの少なくとも1種類を含
む。そして、Ba、Srの添加量は、Ba、Srの少な
くとも1種類とTiとの比率が、酸化物換算で、0.1
≦(BaO,SrO)/TiO2 ≦0.5となるように
規定される。なぜなら、(BaO,SrO)/TiO2
が0.1未満では、低電流領域の非直線性を改善する効
果が得られないからであり、逆に、(BaO,SrO)
/TiO2 が0.5を越えると低電流領域の非直線性を
改善する効果に変わりがなくなってしまい、このレベル
で添加しても実際上のメリットはないからである。 (2)Ba、Sr添加に起因する耐湿性低下の発生とそ
の改善 上述したように、本発明においては、(BaO,Sr
O)/TiO2 比を最適化することにより非直線性の改
善が可能となるが、添加したBa、Srは酸化亜鉛(Z
nO)結晶粒内に固溶せず、ZnO結晶粒界に偏析す
る。ZnOにBaO、SrOを添加した焼成体の場合、
Ba、Srを主成分とする化合物が生成する。この化合
物は水に可溶性であることが知られている。ZnO−B
i2 O3 系にBa、Srが添加された場合、Bi2 O3
はBa、Srと化合物を生成し、Bi(Ba,Sr)x
Oyなる化合物により粒界を生成する。この粒界はB
a、Srを含むため、耐湿性に問題を有する。すなわ
ち、上述したように、Ba、Sr添加により低電流領域
の非直線性に優れたバリスタが実現可能としても、実際
の使用上では高温・高湿の環境下での使用が考えられ
る。このような環境下では、温度や水分による粒界の変
質、非直線性の低下、漏れ電流の増加などを生じる可能
性があり、最悪の場合は熱暴走による焼損につながる。
これに対して、本発明においては、Ba、Sr添加に起
因する耐湿性を改善するために、添加物として、Si、
Bを含む。そして、Ba、Srの添加量は、Ba、Sr
の少なくとも1種類とBiとの比率が、酸化物換算で、
(BaO,SrO)/Bi2 O3 ≦0.35となるよう
に規定される。さらに、Si、Bの添加量は、Ba、S
rの少なくとも1種類にBiを合わせた量に対するSi
およびBの比率が、酸化物換算で、0.15≦SiO2
/(BaO,SrO,Bi2 O3)<0.35、かつ、
0.025≦B2 O3 /(BaO,SrO,Bi2 O3
)≦0.2となるように規定される。これらの比率条
件の理由は次の通りである。まず、(BaO,SrO)
/Bi2 O3 は、0.35以下であれば、SiO2 、B
2 O3 添加による耐湿性改善効果が得られるが、0.3
5を越える場合には、SiO2 、B2 O3 を添加しても
耐湿性改善効果が得られなくなる。また、Ba、Srの
添加時に、SiO2 /(BaO,SrO,Bi2 O3 )
が0.15以上であり、かつ、B2 O3 /(BaO,S
rO,Bi2 O3 )が0.025以上であれば、耐湿性
改善効果が得られる。しかしながら、SiO2 /(Ba
O,SrO,Bi2 O3 )が0.15未満であり、か
つ、B2 O3 /(BaO,SrO,Bi2 O3 )が0.
025未満であると、耐湿性改善効果が得られなくな
る。逆に、SiO2 /(BaO,SrO,Bi2 O3 )
が0.35以上の場合には、SiO2 が過剰となり、低
電流領域の非直線性が低下してしまう。同様に、B2 O
3 /(BaO,SrO,Bi2 O3 )が0.2を越える
場合には、B2 O3 が過剰となり、サージ電流耐量が低
下してしまう。
【実施例】以下には、本発明に係る各種の添加物の添加
量を適宜変化させてバリスタ組成を変化させることによ
り多様なセラミックバリスタを作製し、特性の評価を行
った結果について具体的に説明する。 [セラミックバリスタの製造工程]セラミックバリスタ
の作製にあたっては、次のように、一定の寸法形状を持
つセラミックバリスタを同じ製造工程によって組成のみ
を変化させて作製した。まず、酸化亜鉛(ZnO)粉体
に各種添加物を加え、原料粉体と水を重量比で1:1、
バインダとしてメチルセルロースを原料粉体重量比で
1:1として、ボールミルで16時間混合し、混合スラ
リを作製した。次に、この混合スラリを乾燥・造粒して
成型した後、1200℃、2時間の条件で焼成を行うこ
とにより、直径13.4mm、厚さ1.0mmのバリス
タ焼結体を作製した。続いて、このバリスタ焼結体に、
1cm2 の銀電極を700℃、10分の条件で焼成し
た。なお、後述する特性評価に必要な場合には、この焼
成体にリード線をはんだ付けしてエポキシ樹脂モールド
外装を行った。 [特性評価方法]そして、次の表1に示すような基本組
成により、本発明の添加条件に関係する添加物、すなわ
ち、Bi2 O3 、TiO2 、BaO、SrO、B2 O3
、SiO2 の添加量のみを変化させて多様な組成を持
つバリスタを作製し、目的とする特性の評価を行った。
【表1】 ここで、低電流領域の非直線性については、V1μΑ/
V1mAの比で評価を行った。また、耐湿性の評価は、
セラミック素子に銀電極を焼成形成した状態で、純水を
入れたビーカに入れ、プレッシャクッカ(121℃、9
9%RH)条件で100時間煮沸後のV1μΑの電圧変
化率ΔV1μΑ(%)で評価を行った。さらに、サージ
電流耐量については、標準雷サージ波形(8×20μ
Α)で2000Αのサージ電流を1回印加した後のV1
mAの電圧変化率ΔV1mA(%)で評価を行った。な
お、以下の組成表中の比率項のBa、Sr、Ti、B
i、Si、Bは、組成表中の酸化物を表している(例B
i=Bi2 O3 )。 [特性評価結果] (1)Ba、Srの添加による低電流領域の非直線性改
善効果 低電流領域の非直線性は、電流値1μΑと1mAの電圧
比で表すと、V1μΑ/V1mAとなる。この値が1に
近い程、低電流領域の非直線性に優れている。次の表2
は、組成No.1〜11として、BaO、SrO、Ti
O2 の添加量を変化させることにより、(BaO,Sr
O)/TiO2 比と低電流領域の非直線性との関係を示
している。
【表2】 この表2から、(BaO,SrO)/TiO2 比が0.
1未満の場合(組成No.1,2)には非直線性の改善
効果が不十分であることが判る。また、この(BaO,
SrO)/TiO2 比が0.1〜0.5の範囲(組成N
o.3〜8)では、値の上昇に伴って非直線性が上昇し
ているが、この比が0.5を越えた場合(組成No.9
〜11)には改善効果に変わりがなくなることが判る。
この結果から明らかなように、Ba、Srの添加量を、
0.1≦(BaO,SrO)/TiO2 ≦0.5で規定
したバリスタ組成によれば、TiO2 添加に起因する低
電流領域の非直線性低下に関して優れた改善効果が得ら
れる。 (2)(BaO,SrO)/Bi2 O3 比による耐湿性
の改善効果 耐湿性は、後述するように、粒界形成成分(Bi2 O3
,BaO,SrO)に対してSiO2 、B2 O3 を添
加することにより改善されるが、この添加効果は、(B
aO,SrO)/Bi2 O3 比により影響される。次の
表3は、組成No.12〜28として、Bi2 O3 の3
段階の添加量についてBaOとSrOの添加量を変化さ
せることにより、(BaO,SrO)/Bi2 O3 比と
耐湿性との関係を示している。
【表3】 この表3から、(BaO,SrO)/Bi2 O3 比が
0.35を越える場合(組成No.16,21,22,
28)には、耐湿性向上用のSiO2 、B2 O3を添加
しても十分な耐湿性改善効果が現れないことが判る。こ
れに対して、(BaO,SrO)/Bi2 O3 比が0.
35以下の場合には、SiO2 、B2 O3を添加するこ
とで十分な耐湿性改善効果が得られることが判る。この
結果から明らかなように、Ba、Srの添加量を、(B
aO,SrO)/Bi2 O3 ≦0.35で規定したバリ
スタ組成によれば、Ba、Sr添加に起因する耐湿性低
下に関して優れた改善効果が得られる。 (3)SiO2 、B2 O3 の添加による耐湿性の改善効
果 耐湿性は、前述したように、(BaO,SrO)/Bi
2 O3 比が0.35以下の場合に、粒界形成成分(Bi
2 O3 ,BaO,SrO)に対してSiO2 、B2 O3
を添加することにより改善される。次の表4は、組成N
o.29〜45として、SiO2 /(Bi2 O3 ,Ba
O,SrO)比と、耐湿性および低電流領域の非直線性
との関係を示している。より具体的には、この表4は、
(BaO,SrO)/Bi2 O3 比を0.35以下の3
段階の値に設定し、この3段階の(BaO,SrO)/
Bi2 O3 比の各々について、Bi2 O3 、BaO、S
rO、およびB2 O3 の添加量を一定としながらSiO
2 の添加量を変化させたものである。
【表4】 この表4から、SiO2 /(Bi2 O3 ,BaO,Sr
O)比が0.15未満の場合(組成No.29,34,
40)には、耐湿性が低下することが判る。これに対し
て、SiO2 /(Bi2 O3 ,BaO,SrO)比が
0.15以上の場合には、十分な耐湿性が得られること
が判る。また、SiO2 /(Bi2 O3 ,BaO,Sr
O)比がほぼ0.35以上の場合(組成No.33,3
9,45)には、低電流領域の非直線性が低下すること
が判る。これに対して、SiO2 /(Bi2 O3 ,Ba
O,SrO)比が0.35未満の場合には、十分な非直
線性が得られることが判る。次の表5は、組成No.4
6〜62として、B2 O3 /(Bi2 O3 ,BaO,S
rO)比と、耐湿性およびサージ電流耐量との関係を示
している。より具体的には、この表5は、(BaO,S
rO)/Bi2 O3 比を0.35以下の3段階の値に設
定し、この3段階の(BaO,SrO)/Bi2 O3 比
の各々について、Bi2 O3 、BaO、SrO、および
SiO2 の添加量を一定としながらB2 O3 の添加量を
変化させたものである。
【表5】 この表5から、B2 O3 /(Bi2 O3 ,BaO,Sr
O)比が0.025未満の場合(組成No.46,5
1,52,57)には、耐湿性が低下することが判る。
これに対して、B2 O3 /(Bi2 O3 ,BaO,Sr
O)比が0.025以上の場合には、十分な耐湿性が得
られることが判る。また、B2 O3 /(Bi2 O3 ,B
aO,SrO)比が0.2を越える場合(組成No.5
0,56,62)には、サージ電流耐量が低下すること
が判る。これに対して、B2 O3 /(Bi2 O3 ,Ba
O,SrO)比がほぼ0.2以下の場合には、十分なサ
ージ電流耐量が得られることが判る。さらに、次の表6
は、組成No.63,64として、SiO2 /(Bi2
O3,BaO,SrO)比およびB2 O3 /(Bi2 O3
,BaO,SrO)比と、耐湿性、サージ電流耐量、
および低電流領域の非直線性との関係を示している。よ
り具体的には、この表6は、(BaO,SrO)/Bi
2 O3 比を0.35以下として、Bi2 O3 、BaO、
SrOの添加量を一定としながら、SiO2 、B2 O3
の添加量を変化させたものである。
【表6】 この表6から、SiO2 /(Bi2 O3 ,BaO,Sr
O)比が0.15未満でかつB2 O3 /(Bi2 O3 ,
BaO,SrO)比が0.025未満の場合(組成N
o.63)には、耐湿性が低下することが判る。また、
SiO2 /(Bi2 O3 ,BaO,SrO)比が0.3
5を越えてかつB2 O3 /(Bi2 O3 ,BaO,Sr
O)比が0.2を越える場合(組成No.64)には、
サージ電流耐量、低電流領域の非直線性が共に低下する
ことが判る。以上のような表4〜表6の結果から明らか
なように、Si、Bの添加量を、0.15≦SiO2 /
(BaO,SrO,Bi2 O3 )<0.35、かつ、
0.025≦B2 O3 /(BaO,SrO,Bi2 O3
)≦0.2で規定したバリスタ組成によれば、Ba、
Sr添加に起因する耐湿性低下に関して優れた改善効果
が得られ、かつ、サージ電流耐量や低電流領域の非直線
性を低下させることはない。 [他の実施例]なお、本発明は、前記実施例に示した組
成に限定されるものではなく、各種の添加物の添加量
は、本発明の範囲内で自由に選択可能である。また、本
発明は、前記実施例に示した寸法形状のセラミックバリ
スタに限定されるものではなく、各種のサイズ、各種の
バリスタ電圧のセラミックバリスタに同様に適用可能で
あり、同様に優れた効果が得られるものである。さら
に、バリスタの具体的な製造工程についても、作製する
セラミックバリスタに応じて自由に選択可能である。
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
BaとSrの少なくとも1種類を添加することにより、
TiO2 添加に起因する低電流領域の非直線性低下を改
善可能なバリスタ組成を提供することができ、それによ
って、エネルギー吸収量の大きいセラミックバリスタを
提供することができる。また、Ba、Srの添加は耐湿
性の低下を発生させるが、本発明にしたがって粒界の耐
湿性向上添加物であるSiO2 、B2 O3 を添加すると
共に、粒界の主成分であるBi2 O3 に対するBa、S
r添加量の比率を最適化し、また、Bi2 O3 とBa、
Srの合計量に対するSiO2 、B2 O3 添加量の比率
を最適化することにより、十分な耐湿性改善効果が得ら
れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】酸化亜鉛を主成分とするバリスタの構造を示す
模式図である。
【符号の説明】
1…酸化亜鉛結晶粒子 2…粒界

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 酸化亜鉛(ZnO)を主成分とし、B
    i、Mg、Co、Mn、Ni、Sb、Al、Ag、Ti
    を含有するセラミックバリスタにおいて、 添加物としてBaとSrの少なくとも1種類を含み、 Ba、Srの添加量は、Ba、Srの少なくとも1種類
    とTiとの比率が、酸化物換算で、 0.1≦(BaO,SrO)/TiO2 ≦0.5 となるように規定されることを特徴とするセラミックバ
    リスタ。
  2. 【請求項2】 添加物としてSiとBを含み、 Ba、Srの添加量は、Ba、Srの少なくとも1種類
    とBiとの比率が、酸化物換算で、 (BaO,SrO)/Bi2 O3 ≦0.35 となるように規定されることを特徴とする請求項1記載
    のセラミックバリスタ。
  3. 【請求項3】 Si、Bの添加量は、Ba、Srの少な
    くとも1種類にBiを合わせた量とSiおよびBの比率
    が、酸化物換算で、 0.15≦SiO2 /(BaO,SrO,Bi2 O3 )
    <0.35 かつ0.025≦B2 O3 /(BaO,SrO,Bi2
    O3 )≦0.2 となるように規定されることを特徴とする請求項2記載
    のセラミックバリスタ。
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