JP2003297612A - 電圧非直線抵抗体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 １０００℃以下で焼成可能な電圧非直線抵抗
体を得る。またそのプロセス一部改善による製造方法に
関する。 【解決手段】 酸化亜鉛および酸化ビスマスを含む組成
物を焼結して得られる焼結体からなる電圧非直線抵抗体
であって、添加する酸化アンチモンと酸化ビスマスとの
モル比率が０．３〜１．５、酸化ビスマスと酸化アンチ
モンの総和が１．０〜３．０モル％であることを特徴と
する電圧非直線抵抗体である。遷移金属酸化物として酸
化ニッケル、二酸化マンガン、酸化コバルトおよび酸化
クロムからなる群から選択される少なくとも１種を０．
５〜２．０モル％含むことが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、酸化亜鉛を主成分
とする焼結体からなり、たとえば避雷器、サージアブゾ
ーバーなどに好適に使用しうる電圧非直線抵抗体に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、避雷器、サージアブゾーバーなど
に用いられる酸化亜鉛を主成分とする電圧非直線抵抗体
を図２、３を用いて説明する。電圧非直線抵抗体１は、
主成分である酸化亜鉛に、電圧非直線性の発現に必須で
ある酸化ビスマスをはじめ、電気特性の改善に有効な添
加物を含有した組成物を混合し、造粒、成形、焼成の各
工程を経た焼結体４からなり、この焼結体４に金属アル
ミニウム溶射などからなる金属電極２と側面高抵抗層３
を設けることによって構成されている。図３は電圧非直
線抵抗体１の断面図を示している。

【０００３】前記酸化亜鉛電圧非直線抵抗体の一般的な
電流−電圧特性を図４に示す。慣例により横軸を電流、
縦軸を電圧とすると、たとえば大電流特性を反映する数
値を１０ｋＡ通電時の制限電圧値（Ｖ１０ｋＡ）、動作
開始電圧（ＶｎｍＡ；ｎ＝１〜３、素子サイズにより決
まる）小電流域の指標として１０μＡ通電時の電圧Ｖ１
０μＡ等を用いた評価が電圧非直線性良否の判断基準に
なる。

【０００４】ＡＣ抵抗分漏れ電流の測定でもよいが、精
度の点で劣るためここでは前記評価方法を採用してい
る。なお後述の実験電圧非直線抵抗体では径が小さいた
め、大電流特性は面積比換算で２．５ｋＡを基準に議論
する。

【０００５】図５は、従来の一般的な電圧非直線抵抗体
の結晶組織の一部の微細構造を示す模式図である。亜鉛
およびアンチモンを主成分とするスピネル粒子５、酸化
亜鉛粒子６、酸化ビスマス主成分相７、酸化亜鉛結晶粒
子内の双晶境界８が示されている。亜鉛およびアンチモ
ンを主成分とするスピネル粒子５には、酸化亜鉛粒子６
の内部に取り囲まれて存在するものと、酸化亜鉛粒子６
の三重点（多重点）付近に存在するものの２種類の存在
状態があり、酸化ビスマス主成分相７の一部分は多重点
のみならず、酸化亜鉛粒子６の境界に存在している場合
もみられる。

【０００６】酸化ビスマスは、主に酸化亜鉛粒子６の三
重点（多重点）付近に存在する。酸化物単体融点は８２
４℃付近のため他の含有物や固溶状態にもよるが、それ
以上高い焼成温度では溶解液状化し、いわゆる液相焼結
となる。このため主成分である酸化亜鉛の粒成長や収縮
緻密化は大幅に促進される。

【０００７】一方酸化アンチモンと酸化亜鉛は酸化ビス
マスの介在で容易に反応し、パイロクロア相などを経て
最終的にスピネル粒子５となる（Masanori Inada, Japa
neseJournal of Applied Physics “Crystal Phases of
Nonohmic Zinc Oxide Ceramics”,19,[3] 409〜419(19
80)）が、前記スピネル粒子５は酸化亜鉛粒子に対する
ピン止め粒子となり、酸化ビスマスとは逆に酸化亜鉛粒
子６の粒成長を抑制する効果を示す。

【０００８】さらに重要な酸化アンチモンの含有効果
は、粒成長を大きく助長する酸化ビスマスの反応促進効
果と相まって極端な異常粒成長を制御し、酸化亜鉛粒子
の均一成長を促すことにある。

【０００９】特公平５−２２３６２号公報、特開昭６１
−５９７０３号公報では、本焼成工程は、一般的に１２
００〜１３００℃付近の温度が採用される。これは、前
記焼結体の密度が充分に高くなり、適切な電圧非直線性
やバリスタ電圧（通常ｎｍＡ程度の電流値を流すための
電圧をいい、避雷器でいう動作開始電圧）を得るのに必
要なためである。

【００１０】前記公報記載の代表的な含有割合は、酸化
ビスマス０．５ｍｏｌ％、酸化アンチモン１．０ｍｏｌ
％、二酸化マンガン、酸化コバルト、酸化ニッケルをそ
れぞれ０．５ｍｏｌ％、酸化硼素０．０４ｍｏｌ％、硝
酸アルミニウム０．００４ｍｏｌ％、残部酸化亜鉛であ
る。ついで、通常のセラミック製造プロセスで、大気中
１２００℃で５時間焼成している。前記プロセスを適用
して得られる焼結体の密度は約５．４ｇ／ｃｍ³、平均
収縮率１６％で、代表的電気特性であるバリスタ電圧は
２００Ｖ／ｍｍ前後（＝酸化亜鉛の平均粒子径〜２０μ
ｍ）である。

【００１１】一般に前記のように、酸化アンチモンが酸
化ビスマスに比較してやや多い系が従来採用されてい
る。このため焼結体の緻密化のため焼成温度は高くなら
ざるを得ない。また、酸化アンチモンが酸化ビスマスに
比較してやや多い系は、酸化亜鉛粒子を充分な大きさに
成長させ大きくする点および、前記電圧非直線抵抗体の
安定性、再現性、歩留まりの点から採用されている。

【００１２】酸化ビスマス、酸化アンチモンなどの少量
の添加物を酸化亜鉛に適切に含有した場合、前記焼結体
を緻密化（密度の向上、収縮率の増大）させるために、
最終焼成（本焼成）温度が１０００℃以下に低下させう
ることが明らかにされている。たとえば文献Jinho Kim,
Toshio Kimura,Takashi Yamaguchi,“Effct of Bismuth
Oxide Content on the Sintering of Zinc Oxide,” J
ournal of the American Ceramic Society 72 [8] 1541
〜1544(1989)、およびJinho Kim,Toshio Kimura,Takash
i Yamaguchi,“Sintering of Zinc Oxide Doped with A
ntimony Oxideand Bismuth Oxide,”Journal of the Am
erican Ceramic Society 72 [8] 1390〜1395(1989)）に
は、酸化亜鉛に対する酸化ビスマスおよび酸化アンチモ
ンの添加比率、添加総量調節が記載されている。前記文
献記載の方法によって単に焼結体の緻密化という点から
見れば、本焼成温度は低下できる。したがって、電圧非
直線抵抗体製造時の省エネルギー、酸化亜鉛の欠陥減少
による電気特性の安定化、酸化ビスマスの蒸発の低減と
それに起因する環境改善の効果が期待でき、産業上極め
て有用な方式になり得る。しかしながらこれらの論文に
は電気的特性についてははっきりした記述はない。

【００１３】前記従来公知の配合で製作された酸化亜鉛
焼結体は、８００〜１０００℃の低い温度で緻密化する
ことはわかるものの、電圧非直線抵抗体としての電気的
特性は十分に把握されてはいない。実用上つまり避雷器
用素子特性が十分に具備されているかどうか確認されて
いるわけではない。これを確認するためには、まず避雷
器設計の一番基礎的なバリスタ電圧（ＶｎｍＡ）の規定
が必要である。

【００１４】焼結体の収縮、高密化の過程で同時に酸化
亜鉛の粒子成長が起こり、電圧非直線抵抗体の酸化亜鉛
粒子の大きさは次式（１）でバリスタ電圧に関係づけら
れる。

【００１５】 ＶｎｍＡ＝ｋ・（１／Ｄ） （１） ここでｋは定数、Ｄは酸化亜鉛粒子の平均直径である。
したがってＤが大きいほどバリスタ電圧は低くなる。十
分に焼成が進めばこの粒径は大きくなるが、焼成温度が
低いと、緻密化が進んでいるにもかかわらずバリスタ電
圧が高すぎるという場合もあり得る。したがって、緻密
化と必要なバリスタ電圧の両立が最低限要求される。

【００１６】現状で使用されている電力用、配電用素子
のバリスタ電圧はその動作責務（エネルギ耐量）を考慮
し概ね通常素子タイプで２００Ｖ／ｍｍ、高抵抗素子で
４００Ｖ／ｍｍ付近で設計されている。さらに図４のよ
うに大電流、小電流領域の平坦性（指標となる電流値に
おける電圧とたとえばバリスタ電圧との比率）がその動
作機能上小さいことが必要である。前記文献には、電圧
非直線抵抗体の電圧非直線性については全く触れられて
はいない。

【００１７】すでに述べたように充分緻密化した焼結体
が得られても基本的に必要な電気特性が得られるかどう
か、避雷器用電圧非直線抵抗体の必須要件の１つである
耐量（サージエネルギ吸収能力）が十分実用レベルまで
達しているかどうかなど、実用上の機能の確認やそれに
関する情報も殆ど報告されていないというのが現状であ
る。

【００１８】従来の配合例にも示したように電圧非直線
抵抗体には焼結にかかわる酸化ビスマス、酸化アンチモ
ン以外にも遷移金属酸化物を数種以上添加し、電圧非直
線性（Ｖ１０ｋＡ／Ｖ１ｍＡ、Ｖ１ｍＡ／Ｖ１０μＡ）
の改善を図ることは従来からよく行なわれている。これ
らの添加物の最適化を図ることも重要である。

【００１９】方形波耐量の大小は電圧非直線抵抗体の電
極構成、側面高抵抗層の性状にも関係するため単純では
ないが、最低でも、焼結体の緻密化は必須要件である。
すなわち方形波耐量の大小は、電圧非直線抵抗体の収縮
率、密度に直接的に関係するため、それらのパラメータ
をできるだけ大きくする必要もある。

【００２０】一方従来から超微粉（１００ｎｍ以下の粒
子径を有する粉末をいう）酸化物を含有することは、さ
らに焼成温度の低下を助長するよい方法である。前記超
微粉の酸化物の分散性と反応性の高さ、とりわけ酸化ビ
スマスの超微粉を含有することは、通常のμｍ程度の工
業用原料に比較して効果が顕著である。

【００２１】主原料である酸化亜鉛粉末は最近、より微
粒子化に向かって新しい開発が進められている。通常で
は０．５μｍ程度の粒径であるが、その半分以下にまで
小径化し商品化されている。酸化亜鉛は、前記焼結体の
９０％以上を占める主成分であるため、より小さい粒子
径の酸化亜鉛を用いることの効果も大きく焼成温度低下
の一翼を担う。

【００２２】電圧非直線抵抗体の製造、特に大型サイズ
の電圧非直線抵抗体を成形するために、通常、ポリビニ
ルアルコール（以下、ＰＶＡという）などのバインダを
わずかに含有することが行なわれる。前記ＰＶＡは焼成
時に熱分解して飛散するが、焼成温度が低い条件では、
バインダ自体の熱分解性の程度や電圧非直線抵抗体内に
バインダが残留する程度により素子電気特性に悪影響を
与える。したがって、バインダの選択（平均分子量）は
重要な項目になる。

【００２３】同様にバインダの分解による炉内雰囲気
（酸素欠乏）も電圧非直線抵抗体の電気特性に影響を与
えるため酸素量の確保には注意を払う必要がある。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記課題を
解決し、優れた電気特性をもつ酸化亜鉛電圧非直線抵抗
体を得ることを目的とする。また、原料含有割合を充分
に調査し、好適な含有比率の組成物を１０００℃以下の
最適焼成条件下で、緻密化した焼結体であって、かつ必
要な電圧非直線性を有する電圧非直線抵抗体を提供する
ことを目的とするものである。

【００２５】さらに原料含有割合とあいまって焼成温度
をより低下させるための原料の選択、その製造プロセス
の最適化をも指摘することを目的とする。

【００２６】

【課題を解決するための手段】前記含有割合および製法
の組み合わせにより、電圧非直線抵抗体の緻密化と均一
化を達成した結果、従来より焼成温度が２００℃以上低
いにもかかわらず、実機サイズの電圧非直線抵抗体の方
形波耐量は、従来と同等の結果となった（２ｍｓ、１２
００Ａ、１０回クリア）。

【００２７】本発明の第１の電圧非直線抵抗体は、酸化
亜鉛および酸化ビスマスを含む組成物を焼結して得られ
る焼結体からなる電圧非直線抵抗体であって、添加する
酸化アンチモンと酸化ビスマスとのモル比率が０．３〜
１．５、酸化ビスマスと酸化アンチモンの総和が１．０
〜３．０モル％である電圧非直線抵抗体である。

【００２８】本発明の第２の電圧非直線抵抗体は、第１
の電圧非直線抵抗体において、遷移金属酸化物として酸
化ニッケル、二酸化マンガン、酸化コバルトおよび酸化
クロムからなる群から選択される少なくとも１種を０．
５〜２．０モル％含む電圧非直線抵抗体である。

【００２９】本発明の第３の電圧非直線抵抗体は、第１
の電圧非直線抵抗体において、１価イオンの総和が７０
ｐｐｍ以下である電圧非直線抵抗体である。

【００３０】本発明の第４の電圧非直線抵抗体は、第
１、２または３の電圧非直線抵抗体において、添加する
酸化ビスマスの粒径が１００ｎｍ以下の超微粉である電
圧非直線抵抗体である。

【００３１】本発明の第５の電圧非直線抵抗体は、第
１、２、３または４の電圧非直線抵抗体において、添加
する酸化亜鉛の数平均粒子径が０．５μｍ以下である電
圧非直線抵抗体である。

【００３２】本発明の第６の電圧非直線抵抗体は、第５
の電圧非直線抵抗体において、前記酸化亜鉛の数平均粒
子径が０．３μｍ以下である電圧非直線抵抗体である。

【００３３】本発明の第１の電圧非直線抵抗体の製造方
法は、第１、２、３、４、５または６の電圧非直線抵抗
体において、成形用バインダとして数平均分子量が５０
０以下のポリビニルアルコールを使用し、１０００℃以
下で大気中または酸素雰囲気で焼成した電圧非直線抵抗
体の製造方法である。

【００３４】

【発明の実施の形態】本発明は、酸化亜鉛および酸化ビ
スマスを含む組成物を焼結して得られる焼結体からなる
電圧非直線抵抗体であって、添加する酸化アンチモンと
酸化ビスマスとのモル比率が０．３〜１．５、酸化ビス
マスと酸化アンチモンの総和が１．０〜３．０モル％で
あることを特徴とする電圧非直線抵抗体に関する。

【００３５】前記モル比率は、０．３３〜１．００がよ
り好ましい。モル比率が０．３よりも小さいと大電流平
坦率と小電流平坦率の両者が同時に適切な値をとり得な
くなる。また、１．５をこえるとバリスタ電圧が高くな
り、適切な平坦性を示さなくなる。

【００３６】前記酸化ビスマスと酸化アンチモンの総和
は１．３〜２．０モル％がより好ましい。総和が１．０
モル％よりも小さいと大電流、小電流とも平坦性が悪化
する（大きな値となる）。また、３．０モル％をこえる
と、やはり大電流および小電流平坦性に問題を生じる。

【００３７】前記電圧非直線抵抗体の基本配合である酸
化亜鉛、酸化ビスマスおよび酸化アンチモン以外に、遷
移金属酸化物として酸化ニッケル、二酸化マンガン、酸
化コバルトおよび酸化クロムからなる群から選択される
少なくとも１種を０．５〜２．０モル％含むことが好ま
しい。０．５〜１．６モル％がより好ましい。０．５モ
ル％よりも少ないと小電流特性は顕著に悪化する傾向が
ある。２．０モル％をこえると、小電流平坦性が悪化す
る傾向がある。

【００３８】さらに前記酸化物には硝酸アルミニウム水
溶液を含有することができる。硝酸アルミニウムは、
０．００１〜０．００８モル％の添加が好ましく、０．
００１モル％より少ないと大電流平坦性の悪化がみられ
る傾向にある。また、０．００８モル％をこえると、小
電流特性の悪化がみられる傾向にある。

【００３９】また、電圧非直線抵抗中の１価のイオンの
総和は、７０ｐｐｍ以下であることが好ましい。とくに
３０ｐｐｍ以下であることがより好ましい。７０ｐｐｍ
をこえると大電流平坦性の悪化が顕著となり、硝酸アル
ミニウムの効果を無効とする傾向がある。とくに、前記
１価のイオンがＬｉイオン、Ｃｕイオンの場合には、前
記傾向が著しく、極端な大電流平坦性の悪化を生じる傾
向がある。

【００４０】添加する酸化ビスマスの粒径は１００ｎｍ
以下の超微粉が好ましい。５０ｎｍ以下であることがよ
り好ましい。添加する酸化ビスマスの粒径が１００ｎｍ
をこえると、その反応性が低下し、同一焼成温度での高
密化、または収縮率向上が達成されない傾向がある。

【００４１】添加する酸化亜鉛の平均粒径は、０．５μ
ｍ以下が好ましく、さらには０．３μｍ以下が好まし
い。０．５μｍをこえると、高密化または高収縮率は望
まれず、焼成温度の上昇を招く傾向にある。さらに、ナ
ノメートル（ｎｍ）レベルの粉末は、高価な上に、高粘
度化するなど、製造工程中のスラリーの取扱いが困難と
なる傾向にある。

【００４２】前記電圧非直線抵抗体は成型用バインダー
として、数平均分子量が５００以下のポリビニルアルコ
ールを使用することが好ましい。３００以下であること
がより好ましい。５００をこえると、スラリー粘度の上
昇や、分解温度の上昇で不要な残さが生じる傾向があ
る。

【００４３】さらに、大気中または酸素雰囲気中１００
０℃以下で焼成することが好ましい。１０００℃をこえ
ると電流−電圧特性の悪化、および過焼結現象がみら
れ、素子が変形するなどの現象がみられる傾向がある。
また、限定的ではないが、焼成温度の下限は９００℃以
上が好ましい。９００℃より低いと、配合によっては充
分に焼結しない、またはバリスタ電圧が高くなりすぎる
傾向がある。

【００４４】

【実施例】以下実施例に従って詳細を説明するが、本発
明はかかる実施例のみに限定されるものではない。

【００４５】前記文献にも記載されているように、原料
は従来から公知の組み合わせである。前記原料をパラメ
ータすなわち、１）酸化アンチモンと酸化ビスマスのモ
ル％および酸化アンチモンと酸化ビスマス量の総和、
２）その他の添加物の総量で表した。

【００４６】また、焼結体の緻密化を促進させるため原
料そのものの活性に注目し、より微細化した原料導入も
考えた。原料として酸化ビスマスの超微粉末（〜１００
ｎｍ）、酸化亜鉛は微細化酸化亜鉛（０．２８μｍ、堺
化学株式会社製）を取り上げの微細化した原料の有効性
も検討した。

【００４７】前記原料の含有量および焼成温度の変化に
より、作製プロセス上の留意すべき点もあわせて調べ、
バインダ（ＰＶＡ）の平均分子量の効果、混合粉砕の方
法にも言及した。特に電圧非直線抵抗体の歩留まり再現
性に大きく関係する因子であることも明らかになった。

【００４８】前記各原料の最適化を行い、さらに製法を
検討することによって、１０００℃以下の焼結温度にお
いても充分に実用上使用可能な電圧非直線抵抗体を得る
ことができた。

【００４９】実施例１〜２６および比較例１〜１８ まず酸化亜鉛電圧非直線抵抗体の製造方法について具体
的に説明する。焼結体本体はつぎのように作製した。基
本的には通常よく使用されるセラミック製造プロセスで
ある。所定量の酸化アンチモン、酸化ビスマスおよびそ
の他含有物を湿式ボールミルでジルコニアボールをメデ
ィアとしてよく粉砕、混合した後酸化亜鉛、ＰＶＡ、分
散材とをディスパミルなどの混合機で充分混合し、スラ
リを作製した。生成したスラリをディスク型スプレイド
ライヤ（ディスク回転数１００００ｒｐｍ、胴径１．５
ｍ、乾燥温度２１０℃）で造粒した後、この顆粒をおよ
そ４００ｋｇ・ｃｍ²の一軸加圧力でφ４０×ｔ１３程
度の大きさにプレス成形した。方形波耐量測定には焼結
体のサイズ効果もあるため実機大焼結体も併せて作製し
た。生産用スプレイドライヤで別途同配合で作製した成
形体の大きさは約φ８０×ｔ２５である。これらの成形
体を８５０〜１０００℃で約１０時間電気炉で焼成し
た。昇降温速度を５０℃／時間とし、５００℃付近のバ
インダ除去領域を設けたパターンで大気中または酸素気
流中で行なった。

【００５０】得られた焼成体は必要に応じ研磨洗浄し、
金属アルミニウムを溶射して電極とした。大電流特性
（Ｖ２．５ｋＡ）を得るため側面に樹脂層を形成し外閃
を防止することとした。

【００５１】限定的ではないが、電圧非直線抵抗体の良
否の判断基準は実用上の観点から表１記載の値が一般的
である。

【００５２】

【表１】

【００５３】原料配合条件と焼成温度、得られたセラミ
ックスの特性および電気特性は表２〜４にまとめて示し
ている。なお密度は焼結体径と重量から求めた見かけの
値で、収縮率は円板径方向の値である。

【００５４】

【表２】

【００５５】表２は酸化ビスマスと酸化アンチモンの添
加総量（Ｓｂ₂Ｏ₃＋Ｂｉ₂Ｏ₃）を一定として、酸化ビス
マスと酸化アンチモンのモル％比率（Ｓｂ₂Ｏ₃／Ｂｉ₂
Ｏ₃）を変化させ、８５０℃〜１０００℃で焼成した焼
結対に金属電極および側面に樹脂層を形成した電圧非直
線抵抗体の諸特性をまとめたものである。遷移元素の配
合量は酸化コバルト（０．５ｍｏｌ％）、二酸化マンガ
ン（０．５ｍｏｌ％）、酸化ニッケル（０．５ｍｏｌ
％、）酸化クロム（０．１ｍｏｌ％）、硝酸アルミニウ
ム水溶液（０．００４ｍｏｌ％）で、総量（１．６０４
ｍｏｌ％）はすべての実施例および比較例で一定であ
る。

【００５６】８５０℃焼成条件では、酸化ビスマスが多
い組成を除き（実施例１）ほぼ全部の実施例および比較
例で充分に緻密化していない。また、バリスタ電圧が高
すぎ、測定不能のものもある。（表２中‐で示した。定
電流法による測定では電圧非直線抵抗体での閃絡が生じ
たりする）。したがってこの組成範囲では８５０℃の焼
成条件では、電圧非直線抵抗体の製造はほぼ不可能であ
ることがわかる。

【００５７】また、極端に酸化ビスマスが多い組成の比
較例１３〜１６では、ここに示す特性以外にも電圧非直
線抵抗体間でバラツキが大きくなりすぎる欠点が生じ
た。これは、酸化亜鉛粒子成長の均一性が悪化している
と推定される。したがって最低、必要な酸化アンチモン
量が存在することになる。

【００５８】以上より、酸化アンチモン／酸化ビスマス
の範囲は０．３〜１．５となる。

【００５９】これらの全添加物を加え、酸化アンチモン
と酸化ビスマスの比を変えて、熱機械分析装置（ＴＭ
Ａ）を用いて前記形成体の収縮状態を調べた結果を図１
に示す。多数の添加物の存在下であっても、酸化アンチ
モンと酸化ビスマスのモル比率が収縮挙動に大きな影響
を与えていることは明確である。ここで、図１中、
（Ａ）は酸化アンチモン／酸化ビスマスのモル比率が
０．４５、収縮開始温度は７８６℃であった。（Ｂ）は
酸化アンチモン／酸化ビスマスのモル比率が１．０、収
縮開始温度は８２４℃であった。さらに（Ｃ）は酸化ア
ンチモン／酸化ビスマスのモル比率が２．０、収縮開始
温度は８９３℃であった。図１中、８６０℃、９１０℃
または９６０℃の記載は、最大収縮率値の１／２の温度
を表している。

【００６０】実施例２７〜４６、比較例１９〜３０

【００６１】

【表３】

【００６２】表３は酸化アンチモンと酸化ビスマスの総
和変化に対する諸特性を示している。８５０℃の焼成条
件の電圧非直線抵抗体は別として、総和に関しては実施
例２７〜４２、４３〜４６、比較例２３〜２６、２７〜
３０を考慮すると、１．０〜３．０ｍｏｌ％が適切な量
であると考えられる。

【００６３】実施例４７〜６７、比較例３１〜３３

【００６４】

【表４】

【００６５】その他含有総量に関して検討した結果は表
４である。ここでは酸化コバルト（０．５ｍｏｌ％）、
二酸化マンガン（０．５ｍｏｌ％）、酸化ニッケル
（０．５ｍｏｌ％、）酸化クロム（０．１ｍｏｌ％）の
各々の比率は同じとして全量を、０．５〜２．５ｍｏｌ
％と変化させた。硝酸アルミニウム水溶液（０．００４
ｍｏｌ％）はすべての実施例で同じとしている。

【００６６】実施例を見れば、９００または９５０℃か
ら１０００℃での焼成では各電圧非直線抵抗体は適切な
特性をもつとみられ、含有物総量も０．５〜２．０ｍｏ
ｌ％の範囲が妥当である。

【００６７】以上より、含有範囲として、酸化アンチモ
ンと酸化ビスマスのモル比率、酸化アンチモンと酸化ビ
スマスの総和およびその他添加物総量に関して、１００
０℃以下の温度で焼成し必要な電気特性を有する組成範
囲が示された。

【００６８】実施例６８〜８２、比較例３４ つぎに焼成（反応）をさらに促進させるための原料検討
を行なった。従来から原料粉末をより細かくした場合、
その粉体活性のため焼結温度が下がることはよく知られ
ている。ただし一般的に超微粉と言われるナノメータレ
ベルの粉末は、通常とは全く異なる合成法（たとえば気
相法）を使うため、現状では極めて高価である。また場
合によっては思わない不純物が混入することなどがあ
る。したがってこれらの材料の適用には、製品のコスト
を考え有効な添加法をとる必要がある。ここでは焼結体
収縮挙動に極めて関係の深い酸化ビスマスを選択検討し
た。

【００６９】酸化ビスマス自体は含有物として少量なた
め、スラリ工程に特別な考慮を払う必要はなく通常と粉
末と同様に扱え得た。この工程は造粒工程でも重要で、
超微粉であるが故に、場合によっては適当な分散剤がな
ければ極端な増粘を起こし製造が不可能になる場合もあ
る。さてこのような原料で作った電圧非直線抵抗体特性
は表５の通りである。

【００７０】表５に示した実施例１３〜１６は、標準粒
径の粉末を用いている。酸化亜鉛は、０．５μｍ、酸化
ビスマスは２．６μｍである。他の含有物はいずれも数
μｍレベルである。

【００７１】実施例６８〜７１は、超微粒子の酸化ビス
マス（〜５０ｎｍ）を用い、不純物としての銅イオンは
１００ｐｐｍ以下である。また、他の含有物はいずれも
標準粒径の粉末を用いた。

【００７２】実施例７２〜７５は、超微粒子の酸化ビス
マス（〜５０ｎｍ）を用い、不純物としての銅イオンは
１０００ｐｐｍ以下である。また、他の含有物はいずれ
も標準粒径の粉末を用いた。

【００７３】実施例７６〜８２、比較例３４は、微細酸
化亜鉛（平均粒径０．２８μｍ）を用い、他の含有物は
いずれも標準粒径の粉末を用いた。

【００７４】

【表５】

【００７５】従来の標準粒径の粉末にたいし酸化ビスマ
スのみを超微粉（平均粒径約５０ｎｍ）とした場合には
８５０℃でもかなり緻密化している（これについては実
施例６８〜７１）。ただしバリスタ電圧から見れば若干
上昇傾向が見え、式（１）からいっても必ずしも粒成長
が充分に起こっているとは言えない。ただし酸化ビスマ
ス量、酸化アンチモン量をやや減らすことにより、バリ
スタ電圧は低下することがわかっている（表３）ので調
整が可能であり、含有量低減は価格の面から言っても望
ましいといえる。

【００７６】なお原料中の不純物特に＋１価のイオン除
去は重要で、この本例の場合製造装置からの銅混在が実
施例７２〜７５にあるように、大電流の電流−電圧特性
を悪化させるので、アルカリ金属化合物も含め注意を要
する。周知のように＋１価のイオンは酸化亜鉛の抵抗値
を著しく高くすることが原因である。

【００７７】最近酸化亜鉛の用途拡大に伴いやや細かい
粉体の供給が量産レベルで可能となってきた。この微細
粉末の使用で、焼結体全体の密度が全体に大きくなり、
収縮率も最大値を示した（実施例７６〜７９、および８
１、８２）。バリスタ電圧はやや高い傾向を示したが前
述と同じ含有物減で対応可能である。

【００７８】実施例８３〜８６ プロセス的に注意を要する他の点は焼成雰囲気である。
ＰＶＡなどのバインダを含んでいるため焼成過程で分解
するため、炉の中の雰囲気がやや還元気味になったり、
電圧非直線抵抗体内部に炭素となって残留することもあ
る。焼結温度が１２００℃以上と高い場合はそれほど細
心の注意を払う必要はないが、この焼成温度が低下すれ
ば問題になる可能性がありそれなりの配慮は必要とな
る。

【００７９】

【表６】

【００８０】気中放置での焼成と酸素を流すなどの処置
をした場合の焼成雰囲気が、電流−電圧特性に与える影
響を実施例８３〜８６に示した。酸素不足では従来から
知られているように小電流の悪化が観測された。この対
策を考える上でバインダの選択もより重要になり、易分
解性のものに変更すべきである。そうでないと焼成温度
の低下は思わぬ問題点を提出する。

【００８１】実施例８７〜９０ 低数平均分子量（〜５００）で部分鹸化型のＰＶＡ（日
本合成；ゴーセノールＧＬ−０５）と比較的数平均分子
量の大きい（〜３０００）完全鹸化型（日本合成；ゴー
セノールＮ−３００）を使用し、前記実施例と全く同様
に成形体まで作製したものをそれぞれ焼成し、特性を比
較した。

【００８２】また両者の熱分解挙動を示差熱分析装置で
比較したところ完全分解温度は約１００℃程度ＧＬ−０
５の方が低く最終的には約４００℃で重量減が見られな
くなった。これらのＰＶＡの違いが最終電気特性に与え
る影響をまとめた。

【００８３】

【表７】

【００８４】これらは特に小電流域に影響を与える（実
施例８７〜９０）ことと、詳細は省くが小電流域バラツ
キに関係する。これらの単純な比較でもバインダの分解
特性が素子特性に与える影響は顕著である。

【００８５】実施例１１の配合で９５０℃で焼成した、
サイズ径６８ｍｍ厚さ２１ｍｍの電圧非直線抵抗体に樹
脂層を側面に付与した後、方形波耐量試験を実施した。
２ｍｓ．１２００Ａの電流を２分間隔で１０回通電した
が、貫通破壊や割れ、外部閃絡など不都合は見られなか
った。従来の素子１２００℃付近での焼成素子と比較し
ても遜色ない特性を得ている。

【００８６】焼成温度が低いにもかかわらず、少なくと
も本配合、焼成条件で十分焼結は完了していると判断で
きる。組成的に酸化ビスマス量を増やし酸化アンチモン
を減らしたのが有効に作用する。

【００８７】

【発明の効果】本発明の第１の電圧非直線抵抗体によれ
ば、酸化亜鉛および酸化ビスマスを含む組成物を焼結し
て得られる焼結体からなる電圧非直線抵抗体であって、
添加する酸化アンチモンと酸化ビスマスとのモル比率が
０．３〜１．５、酸化ビスマスと酸化アンチモンの総和
が１．０〜３．０モル％なので、１０００℃以下の温度
でも充分に焼結し、加えて避雷器などに使用可能な電気
特性をもつ電圧非直線抵抗体を得ることができる。

【００８８】本発明の第２の電圧非直線抵抗体によれ
ば、第１の電圧非直線抵抗体において、遷移金属酸化物
として酸化ニッケル、二酸化マンガン、酸化コバルトお
よび酸化クロムからなる群から選択される少なくとも１
種を０．５〜２．０モル％含むので、焼結体を緻密化
（密度の向上、収縮率の増大）させることができ、最終
焼成（本焼成）温度が１０００℃以下に低下させること
ができる。

【００８９】本発明の第３の電圧非直線抵抗体によれ
ば、第１の電圧非直線抵抗体において、１価のイオン総
和が７０ｐｐｍ以下であるので、大電流の電流−電圧特
性を悪化させない効果がある。

【００９０】本発明の第４の電圧非直線抵抗体によれ
ば、第１、２または３の電圧非直線抵抗体において、添
加する酸化ビスマスの粒径が１００ｎｍ以下の超微粉で
あるので、さらに焼成温度を低下させる効果がある。

【００９１】本発明の第５の電圧非直線抵抗体によれ
ば、第１、２、３または４の電圧非直線抵抗体におい
て、添加する酸化亜鉛の数平均粒子径が０．５μｍ以下
であるので、焼成温度を低下させる効果がある。

【００９２】本発明の第６の電圧非直線抵抗体の製造方
法によれば、第５の電圧非直線抵抗体において、前記酸
化亜鉛の数平均粒子径が０．３μｍ以下であるので、同
様に焼成温度を低下させる効果がある。

【００９３】本発明の第１の電圧非直線抵抗体の製造方
法によれば、第１、２、３、４、５または６の電圧非直
線抵抗体において、成形用バインダとして数平均分子量
が５００以下のポリビニルアルコールを使用し１０００
℃以下で大気中または酸素雰囲気で焼成するので、１０
００℃以下の焼成でも成型用バインダが容易に分解し電
圧非直線抵抗体内部に炭素となって残留するようなこと
がない効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による酸化ビスマスと酸化アンチモン
の比率を変化させた場合の成形体の加熱収縮挙動を示
す。

【図２】 一般的な酸化亜鉛電圧非直線抵抗体の形態を
示す模式図である。

【図３】 一般的な酸化亜鉛電圧非直線抵抗体の構成を
示す断面図である。

【図４】 酸化亜鉛電圧非直線抵抗体の電流ー電圧特性
を示す図である。

【図５】 一般的な酸化亜鉛電圧非直線抵抗体の結晶組
織の一部の微細構造を示す模式図である。

【符号の説明】

１ 電圧非直線抵抗体、２ 金属電極、３ 側面高抵抗
層、４ 焼結体、５ スピネル粒子、６ 酸化亜鉛粒
子、７ 酸化ビスマス主成分相、８ 双晶境界。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加東 智明 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 堀 昭夫 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 山下 秀 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 4G030 AA22 AA25 AA28 AA29 AA32 AA42 AA43 BA04 GA03 GA04 GA05 GA11 GA14 GA22 GA25 GA27 5E034 EA07 EA08 EB04 EC06 ED04

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸化亜鉛および酸化ビスマスを含む組成
   物を焼結して得られる焼結体からなる電圧非直線抵抗体
   であって、添加する酸化アンチモンと酸化ビスマスとの
   モル比率が０．３〜１．５、酸化ビスマスと酸化アンチ
   モンの総和が１．０〜３．０モル％である電圧非直線抵
   抗体。
2. 【請求項２】 遷移金属酸化物として酸化ニッケル、二
   酸化マンガン、酸化コバルトおよび酸化クロムからなる
   群から選択される少なくとも１種を０．５〜２．０モル
   ％含む請求項１記載の電圧非直線抵抗体。
3. 【請求項３】 １価イオンの総和が７０ｐｐｍ以下であ
   る請求項１記載の電圧非直線抵抗体。
4. 【請求項４】 添加する酸化ビスマスの粒径が１００ｎ
   ｍ以下の超微粉である請求項１、２または３記載の電圧
   非直線抵抗体。
5. 【請求項５】 添加する酸化亜鉛の数平均粒子径が０．
   ５μｍ以下である請求項１、２、３または４記載の電圧
   非直線抵抗体。
6. 【請求項６】 前記酸化亜鉛の数平均粒子径が０．３μ
   ｍ以下であることを特徴とする請求項５記載の電圧非直
   線抵抗体。
7. 【請求項７】 成形用バインダとして数平均分子量が５
   ００以下のポリビニルアルコールを使用し、１０００℃
   以下で大気中または酸素雰囲気で焼成する請求項１、
   ２、３、４、５または６記載の電圧非直線抵抗体の製造
   方法。