JP2008162820A - Voltage nonlinear resistor, and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、亜鉛を主成分とする焼成体から成り、例えば避雷器、サージアブゾーバーなどに好適に使用し得る電圧非直線抵抗体およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a voltage non-linear resistor that can be suitably used for a lightning arrester, a surge absorber, and the like, and a manufacturing method thereof.
従来、避雷器、サージアブゾーバーなどに用いられる亜鉛を主成分とする電圧非直線抵抗体は、主成分である亜鉛に電圧非直線性の発現に必須であるビスマスをはじめ、電気特性の改善に有効な材料を混合し、造粒、成形、焼成の各工程を経て得たものであって、かくして得られた電圧非直線抵抗体に金属アルミニウム溶射などから成る電極と側面高抵抗層を設けた抵抗体素子として実用に供されている。 Conventionally, voltage non-linear resistors with zinc as the main component used in lightning arresters, surge absorbers, etc. are effective in improving electrical characteristics, including bismuth, which is essential for the expression of voltage non-linearity in the main component, zinc. A resistor obtained by mixing materials, granulating, molding, and firing, and having a voltage non-linear resistor thus obtained and an electrode made of metal aluminum spraying and a side high resistance layer. It is used practically as an element.
従来の電圧非直線抵抗体の一般的なl−V特性を図8に示す。図8において、電圧非直線抵抗体における電圧非直線性の良否の判断基準としては、例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)、並びに動作開始電圧(VnmA)および小電流域の指標として10μA通電時の電圧V10μA等が用いられる。上記のnは、電圧非直線抵抗体のサイズにより決まり、1〜3である。なお、上記の測定にはAC抵抗分漏れ電流の測定が良いが、それは精度の点で劣るため、本発明では、上記の判断基準を採用している。また、後述の実施例で得られる電圧非直線抵抗体は径が小さいので、その大電流特性は、面積比換算で2.5kAを基準に議論する。 FIG. 8 shows a general l-V characteristic of a conventional voltage nonlinear resistor. In FIG. 8, as criteria for determining whether or not the voltage nonlinearity is good in the voltage nonlinear resistor, for example, a numerical value reflecting a large current characteristic is expressed as a limit voltage value (V10 kA) at the time of 10 kA energization, an operation start voltage (VnmA), and As an indicator of the small current region, a voltage V10 μA at the time of 10 μA energization is used. The above n is determined by the size of the voltage nonlinear resistor and is 1 to 3. In addition, although the measurement of AC resistance leakage current is good for said measurement, since it is inferior in terms of accuracy, in the present invention, the above-mentioned judgment standard is adopted. In addition, since the voltage nonlinear resistor obtained in the examples described later has a small diameter, the large current characteristic is discussed based on 2.5 kA in terms of area ratio.
図9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。同図において、5は亜鉛及びアンチモンを主成分とするスピネル粒子、6は酸化亜鉛粒子、7は酸化ビスマス主成分相、8は酸化亜鉛結晶粒子内の双晶境界である。即ち、亜鉛及びアンチモンを主成分とするスピネル粒子には、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。酸化ビスマスは、主に酸化亜鉛粒子の三重点(多重点)付近に存在するが、酸化物単体融点は824℃付近のため他の添加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。
FIG. 9 is a schematic diagram showing a partial fine structure of a crystal structure of a conventional general voltage nonlinear resistor. In the figure, 5 is a spinel particle mainly composed of zinc and antimony, 6 is a zinc oxide particle, 7 is a bismuth oxide main component phase, and 8 is a twin boundary in the zinc oxide crystal particle. That is, the spinel particles mainly composed of zinc and antimony are present in two kinds of existence states, one surrounded by the inside of the
一方、酸化アンチモンと酸化亜鉛は、後記の非特許文献1に報告されているように、酸化ビスマスの介在で容易に反応し、パイロクロア相等を経て最終的にスピネル5となる。しかし、この粒子は酸化亜鉛粒子の成長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の粒成長を抑制する効果を示す。更に重要な酸化アンチモンの添加効果は、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。
On the other hand, as reported in
後記する非特許文献1〜特許文献4に開示されたような従来の製造方法では、本焼成工程には一般的には1200〜1300℃付近の温度が採用されるが、その理由は、焼結体の密度が十分に高くなり、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、即ち避雷器で言う動作開始電圧)を得るのに必要なためである。
In the conventional manufacturing method as disclosed in
これら非特許文献1〜特許文献4に記載された代表的な配合は、酸化ビスマス0.5モル%、酸化アンチモン1.0モル%、酸化マンガン、酸化コバルト、酸化ニッケル、をそれぞれ0.5モル%、酸化硼素0.04モル%、硝酸アルミ0.004モル%、およびその他特定添加物とし残部酸化亜鉛であって、これを通常のセラミックプロセスで大気中1200℃付近の温度で2〜6hr程度焼成している。この方法を適用して得られる電圧非直線抵抗体の密度は、約5.4g/cm3、平均収縮率16%であって、代表的電気特性であるバリスタ電圧は220V/mm前後であり、酸化亜鉛の平均粒子径は10μm程度である。
Typical formulations described in these
従来技術においては、一般に、上述の例のようなアンチモンがビスマスに比較してやや多い系が多く採用されている。しかし、このためにスピネル粒子の生成等により酸化亜鉛粒子を適切な大きさに成長させるためや、焼結体の緻密化のために焼成温度は高くならざるを得ない。にも拘わらず、従来は電圧非直線抵抗体の安定性、再現性、歩留まりの点から、上記のアンチモンが多い系が採用されている。 In the prior art, generally, a system having a slightly larger amount of antimony as compared with bismuth as in the above-described example is employed. However, for this purpose, the firing temperature has to be increased in order to grow the zinc oxide particles to an appropriate size by generating spinel particles or the like, or to densify the sintered body. Nevertheless, conventionally, a system containing a large amount of antimony has been adopted in view of the stability, reproducibility, and yield of the voltage nonlinear resistor.
一方、後記の非特許文献2に示されるように、酸化亜鉛に対する酸化ビスマスと酸化アンチモンの添加比率、添加総量を調節すれば、焼成して得られる電圧非直線抵抗体の密度の向上や収縮率の増大、換言すると緻密化は、本焼成温度を1000℃以下にまで低下させ得ることが明らかにされている。こ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、焼成温度を低下できることから、電圧非直線抵抗体の製造の省エネルギ、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。
On the other hand, as shown in
しかしながら、これらの論文には電気的特性については、明確な記述は無い。この様に配合され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分かるものの、バリスタとしての電気的特性は十分に把握されておらず、実用上避雷器用素子特性が十分に具備されているかどうか以下に示すような特性の確認が必要である。 However, these papers do not clearly describe the electrical characteristics. Although the zinc oxide sintered body blended and manufactured in this way is densified at a low temperature of 800 to 1000 ° C., the electrical characteristics as a varistor are not sufficiently grasped, and it is practically used for a lightning arrester. It is necessary to check the characteristics as shown below to see if the element characteristics are sufficient.
まず、ギャップレス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。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)を考慮して、概ね、通常素子タイプで200〜250V/mm、高抵抗型素子で400V/mm付近で設計されている。このため、少なくともこのバリスタ電圧はこの程度の範囲にあることが必要である。収縮、高密度化の過程で同時に酸化亜鉛の粒子成長が起こり、素子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。
VnmA=k・(1/D) (1)
ここでkは定数、Dは酸化亜鉛粒子の平均粒径である。従って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、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。
更に加えて、避雷器の保護性能に直接関する大電流平坦性(指標となる電流値における電圧と例えばバリスタ電圧との比率、図8参照)がその動作機能上から出来るだけ小さいことが必要である。
First, it is necessary to define the most basic varistor voltage (VnmA) for gapless arrester design. The varistor voltage of power and distribution elements currently used is generally around 200 to 250 V / mm for normal element types and around 400 V / mm for high resistance elements in consideration of their operating duties (energy tolerance). Designed with. For this reason, at least the varistor voltage needs to be in this range. Zinc oxide particle growth occurs simultaneously in the process of shrinkage and densification, and the size of the zinc oxide particles of the device is related to the varistor voltage by the following equation (1).
VnmA = k · (1 / D) (1)
Here, k is a constant, and D is the average particle diameter of the zinc oxide particles. Therefore, the larger the D, the lower the varistor voltage. If the firing is sufficiently advanced, the particle size becomes large, but at the same time, it is required to satisfy both the densification and the necessary varistor voltage.
In addition, it is necessary that the large current flatness directly related to the protection performance of the lightning arrester (the ratio of the voltage at the current value as an index to the varistor voltage, for example, see FIG. 8) is as small as possible in terms of its operation function.
また酸化亜鉛素子には、常時交流電圧が印加されているため寿命、すなわち抵抗分漏れ電流の経時的安定性も重要である。またダイナミックな特性であるがサージエネルギ吸収時の素子温度上昇のため、熱暴走に至らないように高温時の抵抗分漏れ電流またはワットロスが少ないことも併せて望まれる。避雷器用素子の必須要件の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等もある。 In addition, since an alternating voltage is constantly applied to the zinc oxide element, the lifetime, that is, the stability over time of the resistance leakage current is also important. Although it is a dynamic characteristic, it is also desired that the resistance leakage current or watt loss at high temperature is small so as not to cause thermal runaway due to an increase in element temperature when absorbing surge energy. There is also whether or not the withstand amount (surge energy absorption capability), which is one of the essential requirements of the lightning arrester element, has reached a practical level.
以上実用上の機能について上記をまとめると、少なくとも密度、収縮率、バリスタ電圧、大電流域平坦性、寿命、ワットロスの温度依存性、および耐量の確認をするのが必要でであって、従来それらに関する情報も殆ど知られていないというのが現状である。 Summarizing the above for practical functions, it is necessary to confirm at least the density, shrinkage rate, varistor voltage, flatness of large current region, lifetime, temperature dependence of watt loss, and withstand capability. There is almost no information about the current situation.
上記した従来技術の現状に鑑みて、本発明は、1200℃未満の低温度で焼成しても十分緻密化し、しかも1200℃以上の高温度で焼成した従来品と同等のバリスタ電圧と大電流平坦率とを有する電圧非直線抵抗体およびその製造方法を提供するものである。 In view of the above-described current state of the prior art, the present invention is sufficiently dense even when fired at a low temperature of less than 1200 ° C., and has a varistor voltage and a large current flatness equivalent to those of a conventional product fired at a high temperature of 1200 ° C. or higher. And a method for manufacturing the same.
本発明は、亜鉛、ビスマス、アンチモン、マンガン、コバルト、ニッケル、アルミニウム、および硼素を焼成体構成元素として含む電圧非直線抵抗体であって、上記焼成体構成元素の総量中における亜鉛量が少なくとも90モル%であり、ビスマスとアンチモンの合計量が0.9〜3モル%であってビスマス1モルに対するアンチモンが0.25〜0.5モルであり、硼素量が0.03〜0.1モル%であることを特徴とするものである。 The present invention is a voltage nonlinear resistor containing zinc, bismuth, antimony, manganese, cobalt, nickel, aluminum, and boron as fired body constituent elements, wherein the amount of zinc in the total amount of the fired body constituent elements is at least 90. Mol%, the total amount of bismuth and antimony is 0.9 to 3 mol%, the amount of antimony per mol of bismuth is 0.25 to 0.5 mol, and the amount of boron is 0.03 to 0.1 mol %.
本発明は、また酸化亜鉛(ZnO)を主成分とし、ビスマス、アンチモン、マンガン、コバルト、ニッケル、アルミニウム、硼素の各酸化物を含む電圧非直線抵抗体であって、酸化ビスマス(Bi2O3換算)と酸化アンチモン(Sb2O3換算)の総和が0.5〜1.5モル%の範囲にあり、酸化ビスマス1モルに対する酸化アンチモンが0.25〜0.5モルであり、酸化硼素(B2O3換算)の添加量が0.015〜0.05モル%であることを特徴とするものである。 The present invention is also a voltage non-linear resistor comprising zinc oxide (ZnO) as a main component and containing oxides of bismuth, antimony, manganese, cobalt, nickel, aluminum, and boron, and comprises bismuth oxide (Bi 2 O 3 Conversion) and antimony oxide (Sb 2 O 3 conversion) in the range of 0.5 to 1.5 mol%, antimony oxide with respect to 1 mol of bismuth oxide is 0.25 to 0.5 mol, boron oxide The amount of addition (in terms of B 2 O 3 ) is 0.015 to 0.05 mol%.
本発明の電圧非直線抵抗体の製造方法は、上記焼成体構成元素の各酸化物または加熱することによる当該酸化物を生成する各化合物の混合物を、焼成最高温度を950〜1050℃とし、焼成最高温度から500℃までの冷却速度を少なくとも75℃/hr以上とすることを特徴とするものである。 The method for producing a voltage non-linear resistor according to the present invention includes a method of firing each oxide of the fired body constituent element or a mixture of each compound that generates the oxide by heating at a firing maximum temperature of 950 to 1050 ° C. The cooling rate from the maximum temperature to 500 ° C. is at least 75 ° C./hr or more.
本発明によれば、1000℃程度の温度でも十分焼結し、避雷器等に使用可能な電気特性を持つ電圧非直線抵抗体を得ることができる。焼成温度が1000℃程度であることにより、焼成の省エネルギ化、耐火物劣化の緩和と炉構造の耐熱使用の簡略化、さらには全体添加物量を減らし得る、即ち省資源化などの効果があって、酸化亜鉛電圧非直線抵抗体の製造技術の進歩に大きく寄与できる。 According to the present invention, it is possible to obtain a voltage nonlinear resistor having electrical characteristics that can be sufficiently sintered even at a temperature of about 1000 ° C. and can be used for a lightning arrester or the like. When the firing temperature is about 1000 ° C., there are effects such as energy saving of firing, mitigation of refractory deterioration and simplification of heat-resistant use of the furnace structure, and further reduction of the total amount of additives, that is, resource saving. Thus, it can greatly contribute to the advancement of the manufacturing technology of the zinc oxide voltage nonlinear resistor.
実施の形態
図1は、本発明の電圧非直線抵抗体を用いた抵抗体素子の斜視図であり、図2は図1のX−X断面図である。図1および図2において、抵抗体素子10は、円盤状に成形された本発明の電圧非直線抵抗体1(以下、抵抗体1と略称)、抵抗体1の下面に設けられた平板状の金属電極3、同上面に設けられた平板状の金属電極2、および抵抗体1の側面に設けられた、電気絶縁性樹脂、ガラス、あるいは酸化物などからなるリング状の側面高抵抗層4から構成されている。側面高抵抗層4は、抵抗体素子10の大電流特性を得るために、外閃防止の機能をなす。抵抗体1は、後記する実施例に示す条件および方法で得られた電圧非直線抵抗体を円盤状に成形したものであり、金属電極2、3は、それぞれ抵抗体1の上下面に金属アルミニウムを溶射して形成されており、側面高抵抗層4は、エポキシ変性シリコーン樹脂、Bi、Sb、Siなどの酸化物を含むペースト、ガラス粉末を含むペーストなどの電気絶縁性物質を塗布焼付け、あるいはその他の方法で形成されている。以下では、抵抗体1の構成および製造方法に就き説明する。
Embodiment FIG. 1 is a perspective view of a resistor element using a voltage nonlinear resistor of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view taken along line XX of FIG. 1 and 2, a
本発明の抵抗体1は、亜鉛、ビスマス、アンチモン、マンガン、コバルト、ニッケル、アルミニウム、および硼素を焼成体構成元素として含むものである。抵抗体1中における亜鉛量は、上記焼成体構成元素の総量中において、少なくとも90モル%であり、ビスマスとアンチモンの合計量は、0.9〜3モル%であり、またビスマス1モルに対するアンチモン量は、0.25〜0.5モルであり、硼素量は、0.03〜0.1モル%であり、マンガン、コバルト、ニッケル、アルミニウムの各量は、いずれも0.001〜9モル%、特に0.004〜3モル%である。
The
上記した各元素の量が上記の範囲内であることにより、前記した本発明の課題が達成されるが、一層バリスタ電圧と大電流平坦率とが良好な抵抗体1を得るうえで、抵抗体1中における亜鉛量は少なくとも93モル%であることが好ましく、ビスマスとアンチモンの合計量は0.5〜1.5モル%であることが好ましく、ビスマス1モルに対するアンチモン量は0.35〜0.5モルであることが好ましく、硼素量は0.03〜0.1モル%であることが好ましく、またマンガン、コバルト、ニッケル、アルミニウムの各量はいずれも0.005〜2モル%であることが好ましい。
When the amount of each element described above is within the above range, the above-described object of the present invention can be achieved. However, in order to obtain the
本発明の上記焼成体構成元素を含む抵抗体1は、上記焼成体構成元素の各酸化物または加熱することによる当該酸化物を生成する各化合物の混合物を焼成することにより製造することができる。その際に、原料となる亜鉛化合物としては、ZnO、または蓚酸亜鉛、炭酸水素化亜鉛あるいは焼成時の加熱により分解してZnOを生成するその他の亜鉛化合物類が用いられる。原料となるビスマス化合物としては、Bi2O3、Bi2O4、Bi2O5などの酸化ビスマス、または硝酸ビスマス、炭酸ビスムチルあるいは焼成時の加熱により分解して酸化ビスマスを生成するその他のビスマス化合物類が用いられる。原料となるアンチモン化合物としては、Sb2O3、Sb2O4、Sb2O5などの酸化アンチモン、または塩化酸化アンチモンと炭酸ナトリウムとの混合水溶液、硫化アンチモンあるいは焼成時の加熱により分解して酸化ビスマスを生成するその他のアンチモン化合物類が用いられる。
The
原料となるマンガン化合物としては、MnO、Mn2O3、Mn3O4、MnO2、Mn2O7などの酸化マンガン、または酸化マンガン水和物、硝酸マンガン、炭酸マンガン、蓚酸マンガンあるいは焼成時の加熱により分解して酸化マンガンを生成するその他のマンガン化合物類が用いられる。原料となるコバルト化合物としては、CoO、Co2O3、Co3O4などの酸化コバルト、または炭酸コバルト、水酸化コバルトあるいは焼成時の加熱により分解して酸化コバルトを生成するその他のコバルト化合物類が用いられる。原料となるニッケル化合物としては、NiO、または炭酸ニッケルコバルト、水酸化ニッケル、硝酸ニッケルあるいは焼成時の加熱により分解してNiOを生成するその他のニッケル化合物類が用いられる。 As a manganese compound used as a raw material, manganese oxide such as MnO, Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 , MnO 2 , Mn 2 O 7 , manganese oxide hydrate, manganese nitrate, manganese carbonate, manganese oxalate, or during firing Other manganese compounds that decompose by heating to produce manganese oxide are used. The cobalt compound as the raw material, CoO, Co 2 O 3, Co 3 O 4 cobalt oxide, such as, cobalt carbonate, and other cobalt compounds which generate decomposed to cobalt oxide by heating at cobalt hydroxide, firing Is used. As the nickel compound used as a raw material, NiO, nickel cobalt carbonate, nickel hydroxide, nickel nitrate, or other nickel compounds that decompose to generate NiO by heating during firing are used.
原料となるアルミニウム化合物としては、α−アルミナ、γ−アルミナ、δ−アルミナ、χ−アルミナ、η−アルミナ、ρ−アルミナなどの酸化アルミニウム、またはアルミナ水和物などの焼成時の加熱により分解して酸化アルミニウムを生成するその他のアルミニウム化合物類が用いられる。原料となる硼素化合物としては、B2O2、B2O3、B4O5などの酸化硼素、またはメタ硼酸、オルト硼酸、四硼酸あるいは焼成時の加熱により分解して酸化硼素を生成するその他の硼素化合物類が用いられる。 The aluminum compound used as a raw material is decomposed by heating during firing of aluminum oxide such as α-alumina, γ-alumina, δ-alumina, χ-alumina, η-alumina, ρ-alumina, or alumina hydrate. Other aluminum compounds that produce aluminum oxide are used. Boron oxides such as B 2 O 2 , B 2 O 3 , and B 4 O 5 , or metaboric acid, orthoboric acid, tetraboric acid, or boron oxide that is decomposed by heating during firing is generated as a raw material boron compound. Other boron compounds are used.
次に本発明の抵抗体1の製造方法に就き説明する。上記した焼成体構成元素の各酸化物または加熱することによる当該酸化物を生成する各化合物を、焼成後における焼成体構成元素の含有量が前記の範囲となるように秤量混合して被焼成混合物を得る。次いで、当該被焼成混合物を、焼成最高温度を950〜1050℃として焼成する。焼成時間は、通常通り2時間〜6時間程度でよいが、焼成最高温度が上記温度範囲から逸脱すると、本発明の前記課題が達成されない。よって焼成最高温度は、960〜1030℃であることが特に好ましい。上記焼成後の冷却は、大気中でも酸素気流中でもよいが、冷却速度に関しては、焼成最高温度から500℃までの冷却速度を少なくとも75℃/hr以上、特に少なくとも90℃/hr以上とすることが好ましい。なお焼成最高温度から500℃までの冷却速度が早すぎると、例えば250℃/hr以上では500℃までの冷却は可能であるが、それより低温では室温との温度差が減少して困難となる。以下、実施例および比較例により本発明を詳細に説明するが、本発明は後記の実施例に限定されるものではない。
Next, the manufacturing method of the
実施例1〜実施例3、比較例1〜10
以下の実施例および比較例における抵抗体1の製造方法は、基本的には通常よく使用されるセラミックプロセスである。出発原料物質として、酸化亜鉛(ZnO)、酸化アンチモン(Sb2O3)、酸化ビスマス(Bi2O3)、酸化マンガン(Mn3O4)、酸化コバルト(Co3O4)、酸化ニッケル(O)、の各粉末、硼酸(H3BO3)水溶液、および硝酸アルミニウム9水塩(Al(NO3)3・9H2O)水溶液を用い、それらの各量は、図3の表に示すモル%となる量比で配合した。なお硼酸水溶液および硝酸アルミニウム9水塩水溶液の各量は、硼酸および硝酸アルミニウム9水塩の量である。図3には、Sb2O3とBi2O3のモル比(Sb/Bi)、Sb2O3とBi2O3の合計モル%(Sb+Bi)、および硼酸(B)のモル%のみ示すが、Mn3O4は全て0.15モル%、Co3O4は全て0.4モル%、NiOは全て0.5モル%であり、硝酸アルミニウム9水塩は比較例5と比較例8は0.004モル%であり、その他は全て0.006モル%であり、残部はZnOである。
Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 10
The manufacturing method of the
なお図3は、前記した出発原料物質のモル%で記述しているが、本発明の請求項1における元素のモル%の換算できるので、1例として、実施例1について元素モル%で示す。実施例1では、モル比(Sb/Bi)が0.44であり、合計モル%(Sb+Bi)が1.4モル%であることから、Bi2O3が1モル%であり、Sb2O3が0.4モル%であることが分かる。またCo3O4が0.4モル%、Mn3O4が0.15モル%、NiOが0.5モル%、H3BO3が0.06モル%、Al(NO3)3・9H2Oが0.006モル%、残部がZnOである。よってこれらの数値から、各元素のモル%を算出すると、Bi;1.95モル%、Sb;0.78モル%、Co;1.17モル%、Mn;0.44モル%、Ni;0.49モル%、B:0.06モル%、Al;0.006モル%となる。 Although FIG. 3 is described in terms of mol% of the starting material, the element mol% in Example 1 of the present invention can be converted, and therefore, as an example, Example 1 is shown in element mol%. In Example 1, since the molar ratio (Sb / Bi) is 0.44 and the total mol% (Sb + Bi) is 1.4 mol%, Bi 2 O 3 is 1 mol%, and Sb 2 O It can be seen that 3 is 0.4 mol%. The Co 3 O 4 is 0.4 mol%, Mn 3 O 4 0.15 mol%, NiO 0.5 mol%, H 3 BO 3 0.06 mol%, Al (NO 3) 3 · 9H 2 O is 0.006 mol%, and the balance is ZnO. Therefore, when calculating mol% of each element from these numerical values, Bi: 1.95 mol%, Sb: 0.78 mol%, Co: 1.17 mol%, Mn: 0.44 mol%, Ni: 0 .49 mol%, B: 0.06 mol%, Al; 0.006 mol%.
実施例1〜実施例3は、いずれも本発明における量で含まれているが、比較例1ではSb/BiとSb+Biとを過大としており、比較例2ではSb/Biを過大としており、比較例3ではSb+Biを過大としており、比較例4〜8ではSb/Biを過小とし、比較例7と比較例8とではさらに硼素のモル量を過大としており、比較例9ではSb+Biを過小としており、比較例10では硼素モル量を過大としている。 Examples 1 to 3 are all included in the amount of the present invention, but in Comparative Example 1, Sb / Bi and Sb + Bi are excessive, and in Comparative Example 2, Sb / Bi is excessive. In Example 3, Sb + Bi is excessive, in Comparative Examples 4-8, Sb / Bi is excessively small, in Comparative Examples 7 and 8, the molar amount of boron is excessively large, and in Comparative Example 9, Sb + Bi is excessively small. In Comparative Example 10, the boron molar amount is excessive.
先ず、酸化亜鉛を除く他の出発原料物質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良く粉砕、混合した後、所定量の酸化亜鉛、PVA(ポリビニルアルコール)、および分散剤とをディスパミルにて十分混合し、スラリを調製した。上記で調製した各スラリをディスク型スプレイドライヤ(ディスク回転数7000rpm、胴径1.5m、乾燥温度170℃)で造粒し、平均粒径が約40μm程度の顆粒を得た。次いで、この顆粒をおよそ400kgf/cm2の一軸加圧力でφ40mm×t13mm程度の大きさにプレス成形した。これらの各抵抗体1を図3の表に示す各焼成温度(焼成最高温度)で約6時間電気炉で焼成し、その後、大気中で図3に示す降温速度で降温した。一方、方形波耐量測定には抵抗体素子10のサイズ効果もあるために、実機サイズの抵抗体1も併せて作製した。生産用スプレイドライヤを用い別途同配合で作製した。抵抗体1の大きさは、約φ80mm×t25mmである。
First, other starting materials except for zinc oxide are pulverized and mixed well with a wet ball mill using zirconia balls as a medium, and then a predetermined amount of zinc oxide, PVA (polyvinyl alcohol), and a dispersing agent are sufficiently mixed with a dispa mill. A slurry was prepared. Each of the slurries prepared above was granulated with a disk-type spray dryer (disk rotation speed: 7000 rpm, body diameter: 1.5 m, drying temperature: 170 ° C.) to obtain granules having an average particle diameter of about 40 μm. Next, this granule was press-molded to a size of about φ40 mm × t13 mm with a uniaxial pressure of about 400 kgf / cm 2 . Each of these
得られた実施例1〜実施例3および比較例1〜10の各焼成体(抵抗体1)は、必要に応じ研磨洗浄し、その上下両面に金属アルミニウムを溶射して金属電極2、3を形成し、側面に樹脂層としてエポキシ変性シリコーンをスプレイの方法で形成し、側面高抵抗層4とし、かくして前記図1および図2に示す形状並びに構造を有する抵抗体素子10を得た。それら各抵抗体素子10の諸特性は、図3にまとめて示す。なお抵抗体1の密度は、その径と重量から求めた見かけの値であり、収縮率は円板径方向の収縮の値である。
The fired bodies (resistors 1) of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 10 thus obtained were polished and washed as necessary, and metal aluminum was sprayed on both upper and lower surfaces thereof to form
図3から、実施例1〜実施例3は、いずれもバリスタ電圧が238.5〜254.0(V1mA/mmと高く、且つ大電流平坦率が1.587〜1,599(V2.5kA/V1mA)低い値となっている。これに対して比較例1〜10のいずれもは、高バリスタ電圧と低大電流平坦率の両方を満足するものはない。 3, all of Examples 1 to 3 have a varistor voltage of 238.5 to 254.0 (V1 mA / mm, and a large current flatness of 1.587 to 1,599 (V2.5 kA / mm). On the other hand, none of Comparative Examples 1 to 10 satisfies both the high varistor voltage and the low large current flatness.
なお比較例1は、従来通りのアンチモンが多い(Sb/Bi=2)配合で前記特許文献1に類似の従来系の配合であって、従って1200℃の高温で焼成している。これらと約220℃低い温度で焼成したにもかかわらず、実施例1〜実施例3から得た抵抗体素子10の特性は、図3の比較例や実施例全部に見られるように、アンチモンよりもビスマスの多い配合系では収縮率、密度の観点から見ても十分焼結している。
Comparative Example 1 is a conventional blend similar to
図3から、次の傾向のあることが明らかである。
(1)Sb/Biが小さいほどつまり、Sbが相対的に少ない(比較例4)とか、Sb+Biの全体量が少ないほどバリスタ電圧は低下傾向を示す。
(2)硼素量が多くなるとバリスタ電圧は上昇傾向を示す。
以上から、Sb/Biが0.25〜0.5でSb+Biが0.5〜1.5モル%が好適な範囲であることがわかる。
From FIG. 3, it is clear that there is the following tendency.
(1) The smaller the Sb / Bi, that is, the smaller the Sb (Comparative Example 4), or the smaller the total amount of Sb + Bi, the lower the varistor voltage.
(2) As the amount of boron increases, the varistor voltage tends to increase.
From the above, it can be seen that Sb / Bi is in the preferred range of 0.25 to 0.5 and Sb + Bi of 0.5 to 1.5 mol%.
アンチモンの量は、酸化亜鉛粒子の成長を抑制するスピネル粒子数(量)と関係し、少なくなるとバリスタ電圧を低下させる。硼素は、おそらくビスマスと反応し、ビスマスの粒成長促進の効果を低減させるものと推定される。 The amount of antimony is related to the number (amount) of spinel particles that suppress the growth of zinc oxide particles, and when it decreases, the varistor voltage is lowered. Boron probably reacts with bismuth to reduce the effect of promoting grain growth of bismuth.
実施例4〜9、比較例11〜14
図4の表は、特性が優れる実施例1の配合に焦点をあてて、焼成最高温度(保持時間は6時間)と降温速度を変化させた場合の抵抗体1のV−I特性を示す。まず降温速度が75℃/hrの場合、950℃以下ではバリスタ電圧はやや高くかつ大電流平坦率は大きい値であり、焼成温度に下限があることを示す。焼成温度を本発明における温度範囲外に高くすると急激にバリスタ電圧は低下傾向を示し、大電流平坦性も大きくなるので、1050℃以下に限定される。
Examples 4-9, Comparative Examples 11-14
The table in FIG. 4 focuses on the formulation of Example 1 with excellent characteristics, and shows the VI characteristics of the
V−I特性は、さらに降温速度にも大きく依存し、50℃/hrよりゆっくりした場合、バリスタ電圧はやや低く、かつ大電流平坦性は大きい値となる。一方、逆に250℃/hrではバリスタ電圧は再び低くなる。高速冷却は、酸化亜鉛同士に形成される粒界に電気的バリアが十分に形成されないためと推定される。 The V-I characteristic also greatly depends on the cooling rate, and when it is slower than 50 ° C./hr, the varistor voltage is slightly low and the large current flatness is a large value. On the other hand, at 250 ° C./hr, the varistor voltage decreases again. High-speed cooling is presumed to be because an electrical barrier is not sufficiently formed at a grain boundary formed between zinc oxides.
これらの結果から、焼成温度は950℃を下限として1050℃まで、かつ降温速度が75℃/hr以上200℃/hr程度に限定される。当然配合によって、上記の範囲内で一層好ましい最適焼成温度や降温速度は、若干の相違は生じる。また降温速度は、一般的にその炉構造にもよるが、炉の冷却速度(例えば75℃/hr以上)が速くても素子そのものの温度を計測すると、500℃程度までしか事実上追随せず、その後はテイリングを起こす。従って電気特性に係わるのは降温初期での冷却速度、すなわち高温での溶融酸化ビスマスが冷却時に結晶化する温度領域、即ち900℃〜700℃の領域が特に重要となる。 From these results, the firing temperature is limited to 950 ° C. with a lower limit of 950 ° C., and the temperature decrease rate is 75 ° C./hr or more and about 200 ° C./hr. Naturally, depending on the blending, there is a slight difference in the optimum firing temperature and temperature drop rate that are more preferable within the above range. Although the temperature drop rate generally depends on the furnace structure, even if the furnace cooling rate (for example, 75 ° C./hr or more) is high, the temperature of the element itself can be virtually tracked only up to about 500 ° C. Then, tailing occurs. Therefore, the electrical characteristics are particularly important in the cooling rate at the initial temperature drop, that is, the temperature range in which the molten bismuth oxide crystallizes at the time of cooling, that is, the range of 900 ° C. to 700 ° C.
次に寿命特性を、加速試験条件下で実施した。オーブン中で115℃に加熱した抵抗体素子10を課電率(印加電圧/V1mA)0.9のAC電圧を印加し、抵抗分漏れ電流の経時変化を調べたのが図5である。図5において、グラフ(c)は実施例1、グラフ(d)は実施例2、グラフ(e)は実施例3、グラフ(f)は比較例10に就いての各測定結果であって、Sb/Biおよび硼素量をパラメータとして寿命テストした結果を示す。
Life characteristics were then performed under accelerated test conditions. FIG. 5 shows the time-dependent change of the resistance leakage current by applying an AC voltage of 0.9 (applied voltage / V1 mA) to the
一般に、漏れ電流が時間に対し変化しないか、またはやや減少傾向を示すのが望ましいとされるので、同図からSb/Biと硼素含有量が経時変化に大きな影響を与えていることは明確であって、硼素含有量の上限量は0.1モル%となる範囲が適切であることが示される。とくに電流の経時変化から見ると、特性を満足する両配合領域は限定されることになる。硼素含有量が0.1モル%(実施例3)では、電流値は一旦増加し、それからピークを越してから減少に転じている。実施例3よりも硼素含有量が少ない方(実施例1および実施例2)が、全般的に変化が少なく安定でより望ましい方向ではある。Sb/Biも漏れ電流の絶対値に関係し、やや大きい方、即ち0.3より0.4の方がすぐれる傾向を示す。 In general, it is desirable that the leakage current does not change with time or shows a slight decreasing tendency, so it is clear from the figure that Sb / Bi and boron content have a great influence on the change with time. Thus, it is indicated that the upper limit of the boron content is appropriately within a range of 0.1 mol%. In particular, when viewed from the change of current over time, both blending regions that satisfy the characteristics are limited. When the boron content is 0.1 mol% (Example 3), the current value once increases and then decreases after passing the peak. The one having a lower boron content (Example 1 and Example 2) than Example 3 is a more desirable direction with little change in general and stable. Sb / Bi is also related to the absolute value of the leakage current, and shows a tendency that a slightly larger value, that is, 0.4 is better than 0.3.
なお、硼素含有量の下限は0.03モル%でこれ未満となると、寿命特性以外の耐湿性等に影響が出てくることがあるためにこの値を限度としている。図5にあげた各抵抗体1をX線回折装置を使用して調べると、図6の結果が得られた。図6の(A)は、実施例1〜3に就いてのX線回折であり、同(B)は比較例10に就いてのX線回折である。図6(A)から、実施例1〜3における寿命特性に優れる酸化ビスマスの結晶相は、ほぼ単斜晶系単独であることが分かる。一方、図6(B)から、比較例10の、正の電流変化微係数を持つ素子は、同じく正方晶が主で別の結晶相であることが分かる。
The lower limit of the boron content is 0.03 mol%, and if it is less than this, this value is limited because humidity resistance other than the life characteristics may be affected. When each
従来から指摘されているように、酸化ビスマスの結晶相は、寿命特性と大きく関係することはよく知られているが、本発明により単斜晶系を有する酸化ビスマスが望ましいことが示された。図7は、課電率(印加電圧/V1mA)0.9のAC電圧を印加した状態において、抵抗体1の室温から200℃付近までの温度範囲におけるワットロスと周囲温度との関係を調べたものである。図7において、グラフ(a)は実施例1、グラフ(b)は比較例10に就いての各測定結果であるが、実施例1と比較例10から硼素量が上記の関係に大きく影響していることが分かる。
As pointed out heretofore, it is well known that the crystal phase of bismuth oxide is largely related to the life characteristics, but the present invention has shown that bismuth oxide having a monoclinic system is desirable. FIG. 7 shows the relationship between the watt loss and the ambient temperature in the temperature range from room temperature to around 200 ° C. of the
SEM等の手段で抵抗体1の、例えば図9に示すような微細構造を観察すると、スピネル粒子や酸化ビスマス等の電気絶縁性部分は、酸化アンチモンの多い場合には数倍程度多くなる。このため余分な絶縁粒子が少ないため電流パスが確保され、大電流平坦性が改善され、同時にエネルギ耐量が改善されることが期待される。そこで実施例1に就き、量産炉中で980℃で焼成した径68mm、厚さ21mmの抵抗体1に図1および図2に示すように、金属電極2、金属電極3および側面高抵抗層4を付与して抵抗体素子10を得、それに就き方形波耐量試験を実施した。2msで1200Aの電流を2分間隔で10回通電したが、貫通破壊や割れ、外部閃絡等不都合は見られず、従来の1200℃付近で焼成して得た抵抗体素子と比較しても遜色ない特性を有していた。また当該素子10の電気的容量は、図3、4に示しているように、比較例1に対して1000℃付近で焼成した本発明の電圧非直線抵抗体の方が、多少の配合依存性があるものの概ね大きな容量を持っている。これは、静電容量によるもれ電流が小さくなり、避雷器にかかる電圧分布が一様にできるので、避雷器の設計上有利である。
When the fine structure as shown in FIG. 9, for example, of the
本発明の電圧非直線抵抗体は、避雷器、サージアブゾーバーなどとして利用される可能性が高い。 The voltage nonlinear resistor of the present invention is highly likely to be used as a lightning arrester, a surge absorber, or the like.
10:抵抗体素子、1:電圧非直線抵抗体、2:金属電極、3:金属電極、
4:側面高低抗層、5:スピネル粒子、6:酸化亜鉛粒子、7:酸化ビスマス、
8:双晶境界。
10: resistor element, 1: voltage nonlinear resistor, 2: metal electrode, 3: metal electrode,
4: Side surface high resistance layer, 5: Spinel particles, 6: Zinc oxide particles, 7: Bismuth oxide,
8: Twin boundary.
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