JP2013144637A - Method for manufacturing semiconductor porcelain composition - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for stably manufacturing a semiconductor porcelain composition in which a part of Ba in BaTiOis replaced with Bi-Na and which secures a jumping property in some degree and has a desired room temperature specific resistivity.SOLUTION: A method for manufacturing a semiconductor porcelain composition is such that raw materials of a (BaQ)TiOcomposition (wherein Q is at least one selected from La, Dy, Eu and Gd) or a Ba(TiM)Ocomposition (wherein M is at least one selected from Nb, Ta and Sb) and a (BiNa)TiOcomposition are separately prepared and individually calcined; and thereafter, the (BaQ)TiOcomposition and the (BiNa)TiOcomposition are mixed and sintered, wherein when the (BaQ)TiOcomposition is prepared, Si is added to the raw material of the (BaQ)TiOcomposition, which is thereafter calcined.

Description

本発明は、PTCサーミスタ、PTCヒータ、PTCスイッチ、温度検知器などに用いられる、正の抵抗温度係数を有する半導体磁器組成物の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a semiconductor ceramic composition having a positive resistance temperature coefficient used for a PTC thermistor, a PTC heater, a PTC switch, a temperature detector, and the like.

従来、PTCR特性(正の比抵抗温度係数:Positive Temperature Coefficient of Resistivity)を示す材料としてBaTiOに様々な半導体化元素を加えた組成物が提案されている。これらの組成物は、キュリー温度が120℃前後である。なお、これら組成物は、用途に応じてキュリー温度をシフトさせることが必要になる。 Conventionally, a composition in which various semiconducting elements are added to BaTiO 3 has been proposed as a material exhibiting PTCR characteristics (Positive Temperature Coefficient of Resistivity). These compositions have a Curie temperature around 120 ° C. These compositions need to shift the Curie temperature depending on the application.

例えば、BaTiOにSrTiOを添加することによってキュリー温度をシフトさせることが提案されているが、この場合、キュリー温度は負の方向にのみシフトし、正の方向にはシフトしない。現在、キュリー温度を正の方向にシフトさせる添加元素として知られているのはPbTiOである。しかし、PbTiOは環境汚染を引き起こすPbを含有するため、近年、PbTiOを使用しない材料が要望されている。 For example, it has been proposed to shift the Curie temperature by adding SrTiO 3 to BaTiO 3 , but in this case, the Curie temperature is shifted only in the negative direction and not in the positive direction. Currently, PbTiO 3 is known as an additive element that shifts the Curie temperature in the positive direction. However, since PbTiO 3 contains Pb that causes environmental pollution, a material that does not use PbTiO 3 has been demanded in recent years.

BaTiO系半導体磁器において、Pb置換による抵抗温度係数の低下を防止するとともに、電圧依存性を小さくし、生産性や信頼性を向上させることを目的として、PbTiOを使用しない、BaTiOのBaの一部をBi−Naで置換したBa1−2x(BiNa)TiOなる構造において、xを0<x≦0.15の範囲とした組成物にNb、Taまたは希土類元素のいずれか一種または一種以上を加えて窒素中で焼結した後、酸化性雰囲気中で熱処理するBaTiO系半導体磁器の製造方法が提案されている(特許文献1)。 In BaTiO 3 -based semiconductor ceramics, BaB of BaTiO 3 that does not use PbTiO 3 is used for the purpose of preventing a decrease in resistance temperature coefficient due to Pb substitution, reducing voltage dependency, and improving productivity and reliability. In the structure of Ba 1-2x (BiNa) x TiO 3 in which a part of Bi is substituted with Bi-Na, a composition in which x is in the range of 0 <x ≦ 0.15 is selected from any one of Nb, Ta, and rare earth elements Alternatively, a BaTiO 3 -based semiconductor ceramic manufacturing method in which one or more elements are added and sintered in nitrogen and then heat-treated in an oxidizing atmosphere has been proposed (Patent Document 1).

特許文献1には、実施例として、半導体化元素としてNdを0.1モル%添加した組成物が開示されているが、組成物の原子価制御を行う場合、3価の陽イオンを半導体化元素として添加すると、半導体化の効果が1価のNaイオンの存在のために低下する。そのため、室温比抵抗が高くなるという問題がある。 Patent Document 1 discloses, as an example, a composition in which 0.1 mol% of Nd 2 O 3 is added as a semiconducting element. However, when the valence of the composition is controlled, a trivalent cation is disclosed. Is added as a semiconducting element, the semiconducting effect is reduced due to the presence of monovalent Na ions. Therefore, there exists a problem that room temperature specific resistance becomes high.

PTC材料における大きな特徴は、PTC材料の比抵抗値がキュリー点Tc(単位:℃)で急激に高くなること(ジャンプ特性=抵抗温度係数α)にあるが、これは、結晶粒界に形成された抵抗(ショットキー障壁による抵抗)が増大するために起こると考えられている。Tcは比抵抗値が25℃における比抵抗値の2倍となる温度と定義される。また抵抗温度係数αは次式で定義される。PTC材料の特性としては、この比抵抗値のジャンプ特性が高いものが要求されている。
(ここで、αの単位はΩ・cm、Rは最大比抵抗、TはRを示す温度、Tcはキュリー点、RはTにおける比抵抗である。)
A major feature of the PTC material is that the specific resistance value of the PTC material rapidly increases at the Curie point Tc (unit: ° C.) (jump characteristic = resistance temperature coefficient α), which is formed at the grain boundary. It is believed that this occurs because of increased resistance (resistance due to the Schottky barrier). Tc is defined as the temperature at which the specific resistance value is twice the specific resistance value at 25 ° C. Further, the temperature coefficient of resistance α is defined by the following equation. As a characteristic of the PTC material, one having a high jump characteristic of this specific resistance value is required.
(Here, the unit of α is Ω · cm, R 1 is the maximum specific resistance, T 1 is the temperature indicating R 1 , Tc is the Curie point, and R c is the specific resistance at T c )

特許文献1のようなPbを含有しないPTC材料は、ジャンプ特性に優れているものは室温比抵抗が高く、ジャンプ特性に劣るものは室温比抵抗が低くなり過ぎるという傾向があり、安定した室温比抵抗と優れたジャンプ特性を両立することができないという問題があった。また、ジャンプ特性が劣るものは、当該材料に電流を流した際、キュリー点付近での温度変動が大きくなるとともに、キュリー点よりも安定温度が高くなる傾向があるなどの問題があった。 A PTC material that does not contain Pb as in Patent Document 1 has a high room temperature specific resistance when it has excellent jump characteristics, and a low room temperature specific resistance when it has poor jump characteristics. There was a problem that it was not possible to achieve both resistance and excellent jump characteristics. In addition, the inferior jump characteristic has a problem that, when an electric current is passed through the material, the temperature variation near the Curie point increases and the stable temperature tends to be higher than the Curie point.

安定温度の変動を抑制し、材料設計を容易に行うためには、ジャンプ特性を向上させる必要があり、それには室温比抵抗を若干上げることが考えられるが、高いジャンプ特性の維持と室温比抵抗の上昇抑制を両立することは非常に困難であり、室温比抵抗が上がり過ぎて実用的な範囲を超えてしまうのが通例であった。 In order to suppress fluctuations in the stable temperature and to facilitate material design, it is necessary to improve jump characteristics. For this purpose, it is conceivable to slightly increase the room temperature resistivity, but maintaining high jump characteristics and room temperature resistivity It is very difficult to achieve both suppression of the increase in the temperature, and it is usual that the room temperature specific resistance increases too much and exceeds the practical range.

また、特許文献1には、実施例として、出発原料となるBaCO、TiO、Bi、Na、PbOなど、組成物を構成する全ての元素を仮焼前に混合し、仮焼、成形、焼結、熱処理することが開示されているが、BaTiOのBaの一部をBi−Naで置換した組成物において、組成物を構成する全ての元素を仮焼前に混合すると、仮焼工程において、Biが揮散してBi−Naに組成ずれが生じ、それにより異相の生成が促進され、室温比抵抗の上昇、キュリー温度のばらつきを惹起するという問題がある。 In Patent Document 1, as an example, all elements constituting the composition such as BaCO 3 , TiO 2 , Bi 2 O 3 , Na 2 O 3 , and PbO as starting materials are mixed before calcination. , Calcining, molding, sintering, and heat treatment are disclosed, but in a composition in which a part of BaTiO 3 is replaced with Bi-Na, all elements constituting the composition are subjected to pre-calcination. When mixed, in the calcination step, Bi is volatilized and a composition shift occurs in Bi-Na, thereby promoting the generation of a heterogeneous phase, resulting in an increase in room temperature resistivity and a Curie temperature variation.

Biの揮散を抑制するため、低い温度で仮焼するということも考えられるが、Biの揮散は抑制されるものの、完全な固溶体を形成することができず、所望の特性を得ることができないという問題がある。 In order to suppress the volatilization of Bi, calcining at a low temperature may be considered, but although the volatilization of Bi is suppressed, a complete solid solution cannot be formed and desired characteristics cannot be obtained. There's a problem.

発明者らは先に、上述した従来のBaTiO系半導体磁器の問題を解決するため、Pbを使用することなく、キュリー温度を正の方向へシフトすることができるとともに、室温比抵抗を大幅に低下させた、BaTiOのBaの一部をBi−Naで置換した材料として、[(A10.5A20.5(Ba1−y1−x]TiO(A1はNa、K、Liのこれらから選ばれる少なくとも一種以上、A2はBi、QはLa、Dy、Eu、Gdのこれらから選ばれる少なくとも一種以上)、0<x≦0.2、0.002<y≦0.01を満足する半導体磁器組成物、及び[(A10.5A20.5Ba1−x][Ti1−z]O(A1はNa、K、Liのこれらから選ばれる少なくとも一種以上、A2はBi、MはNb、Ta、Sbのこれらから選ばれる少なくとも一種以上)0<x≦0.2、0<z≦0.01を満足する半導体磁器組成物を提案した(特許文献2)。 In order to solve the problems of the above-described conventional BaTiO 3 -based semiconductor ceramics, the inventors can shift the Curie temperature in the positive direction without using Pb, and greatly increase the room temperature resistivity. [(A1 0.5 A2 0.5 ) x (Ba 1-y Q y ) 1-x ] TiO 3 (A1 is a material obtained by substituting a part of BaTiO 3 with Bi—Na. At least one selected from Na, K, Li, A2 is Bi, Q is at least one selected from La, Dy, Eu, and Gd), 0 <x ≦ 0.2, 0.002 <y Semiconductor porcelain composition satisfying ≦ 0.01, and [(A1 0.5 A2 0.5 ) x Ba 1-x ] [Ti 1-z M z ] O 3 (A1 is one of Na, K, and Li) At least one selected from A, Is Bi, M proposed Nb, Ta, at least one or more selected from these Sb) to 0 <x ≦ 0.2, 0 a semiconductor ceramic composition satisfying the <z ≦ 0.01 (Patent Document 2).

さらに発明者らは、上記特許文献2による半導体磁器組成物を製造するに際して、(BaQ)TiO組成物と(BiNa)TiO組成物を別々に用意し、(BaQ)TiO組成物は比較的高温で、(BiNa)TiO組成物は比較的低温で、それぞれに応じた最適温度で仮焼することにより、(BiNa)TiO組成物のBiの揮散が抑制され、Bi−Naの組成ずれを防止して異相の生成を抑制することができ、それら仮焼粉を混合して、成形、焼結することにより室温比抵抗が低く、キュリー温度のばらつきが抑制された半導体磁器組成物が得られることを提案した(特許文献3)。 Furthermore, the inventors prepared a (BaQ) TiO 3 composition and a (BiNa) TiO 3 composition separately when manufacturing the semiconductor ceramic composition according to Patent Document 2, and the (BaQ) TiO 3 composition was compared. (BiNa) TiO 3 composition is relatively low temperature and calcined at the optimum temperature corresponding to each, thereby suppressing the volatilization of Bi in (BiNa) TiO 3 composition, and the composition of Bi-Na A semiconductor porcelain composition having low room temperature resistivity and curie temperature variation can be prevented by preventing misalignment and suppressing the formation of heterogeneous phases, mixing, calcining, molding, and sintering. It was proposed that it be obtained (Patent Document 3).

さらに発明者らは特許文献3における仮焼粉の(BaQ)TiO3組成物を製造するにあたり、原料であるTiO2とBaCO3を僅かに残存するよう仮焼する(特許文献4)、または仮焼粉である(BaQ)TiO組成物に原料であるTiO2とBaCO3を僅かに添加することで(特許文献5)、室温比抵抗がさらに低く、キュリー温度のばらつきが抑制された半導体磁器組成物が得られることを提案した。 Furthermore, when manufacturing the (BaQ) TiO3 composition of the calcined powder in Patent Document 3, the inventors calcined the raw materials TiO 2 and BaCO 3 so as to remain slightly (Patent Document 4), or calcined. Semiconductor porcelain composition in which TiO 2 and BaCO 3 as raw materials are slightly added to (BaQ) TiO 3 composition that is powder (Patent Document 5), room temperature resistivity is further reduced, and Curie temperature variation is suppressed Proposed to get things.

特開昭56−169301号公報JP-A-56-169301 特開2005−255493号公報JP 2005-255493 A WO2006/118274A1公報WO2006 / 118274A1 publication WO2008/050876A1公報WO2008 / 050876A1 WO2008/050877A1公報WO2008 / 050877A1 Publication

発明者らによって提案された上記の半導体磁器組成物は、従来の材料に比べ、室温比抵抗が低く、且つジャンプ特性に優れるものであるが、PTCサーミスタ、PTCヒータ、PTCスイッチなどの各種用途に供するためには、同じPTCR特性のものを安定して得ることが必要である。 The above-mentioned semiconductor ceramic composition proposed by the inventors has a low room temperature resistivity and excellent jump characteristics as compared with conventional materials, but it is suitable for various applications such as PTC thermistors, PTC heaters, and PTC switches. In order to provide it, it is necessary to stably obtain the same PTCR characteristics.

上記の半導体磁器組成物のPTCR特性に焼結条件が大きく影響するため、ジャンプ特性を安定して得るためには、焼結炉内に存在する温度、雰囲気のばらつきを抑制する必要がある。しかしこれを達成することは容易ではない。 Since sintering conditions greatly affect the PTCR characteristics of the above-mentioned semiconductor ceramic composition, it is necessary to suppress variations in temperature and atmosphere existing in the sintering furnace in order to stably obtain jump characteristics. But this is not easy to achieve.

本発明は、BaTiO3のBaの一部をBi-Naで置換した半導体磁器組成物において、ジャンプ特性がある程度確保され、且つ求められる室温比抵抗を有する半導体磁器組成物を安定して得るための製造方法を提供することを目的とする。 The present invention provides a semiconductor ceramic composition in which a part of Ba in BaTiO 3 is substituted with Bi-Na, and a jump characteristic is ensured to some extent, and a semiconductor ceramic composition having a required room temperature resistivity is stably obtained. An object is to provide a manufacturing method.

発明者らは、上記目的を達成すべく、鋭意研究の結果、発明者らが先に提案した上記特許文献3及び4,5を組み合わせた方法、すなわち、(BaQ)TiO3組成物またはBa(TiM)O3組成物(以下「BT仮焼粉」と称する)と(BiNa)TiO3組成物(以下「BNT」仮焼粉と称する)を別々に用意し、BT仮焼粉とBNT仮焼粉をそれぞれに応じた最適温度で仮焼する方法(以下「分割仮焼法」と称する)及び、上述BT仮焼粉の原料にSiを添加することに着目した。 In order to achieve the above object, the inventors of the present invention, as a result of earnest research, combined the above-mentioned Patent Documents 3 and 4, 5 previously proposed by the inventors, that is, a (BaQ) TiO 3 composition or Ba ( TiM) O 3 composition (hereinafter referred to as “BT calcined powder”) and (BiNa) TiO 3 composition (hereinafter referred to as “BNT” calcined powder) are prepared separately, and BT calcined powder and BNT calcined powder are prepared. We paid attention to the method of calcining the powder at the optimum temperature according to each (hereinafter referred to as “division calcining method”) and the addition of Si to the raw material of the BT calcined powder.

本願第1の発明は、(BaQ)TiO3組成物(QはLa、Dy、Eu、Gdのこれらから選ばれる少なくとも一種以上)またはBa(TiM)O3組成物(MはNb、Ta、Sbのこれらから選ばれる少なくとも一種以上)と(BiNa)TiO3組成物の原料を別々に用意してそれぞれ仮焼し、その後、前記(BaQ)TiO3組成物と(BiNa)TiO3組成物を混合、焼結する半導体磁器組成物の製造方法であって、
前記(BaQ)TiO3組成物を用意する際、前記(BaQ)TiO3組成物の原料にSiを添加してから仮焼することを特徴とする。
前記(BaQ)TiO3組成物またはBa(TiM)O3組成物の原料に対して、前記Siを0.97〜2.86mol%添加することが好ましい。
組成式(Ba1−xLax)TiO(0<x≦0.02)で表される前記(BaQ)TiO3組成物を選択することができる。
前記半導体磁器組成物が、第一相をBaとTiとBiおよびNaを主とする酸化物とし、第二相をBaとTiを主とする酸化物とし、前記第一相が組成式[(BiNa)x(Ba1-yLa1-x]TiO3と表し0<x≦0.3、0<y≦0.02を満足する組成になるように前記の仮焼した組成物を混合することが好ましい。
The first invention of the present application is a (BaQ) TiO 3 composition (Q is at least one selected from La, Dy, Eu, and Gd) or a Ba (TiM) O 3 composition (M is Nb, Ta, Sb). (BiNa) TiO 3 composition raw materials are prepared separately and calcined separately, and then the (BaQ) TiO 3 composition and (BiNa) TiO 3 composition are mixed. A method for producing a sintered semiconductor ceramic composition comprising:
When preparing the (BaQ) TiO 3 composition, characterized by calcination after the addition of Si to the raw material of the (BaQ) TiO 3 composition.
It is preferable to add 0.97 to 2.86 mol% of Si relative to the raw material of the (BaQ) TiO 3 composition or Ba (TiM) O 3 composition.
The (BaQ) TiO 3 composition represented by the composition formula (Ba 1-x La x ) TiO 3 (0 <x ≦ 0.02) can be selected.
In the semiconductor ceramic composition, the first phase is an oxide mainly composed of Ba, Ti, Bi and Na, the second phase is an oxide mainly composed of Ba and Ti, and the first phase is represented by a composition formula [( BiNa) x (Ba 1-y La y ) 1-x ] TiO 3, and the calcined composition may be mixed so that the composition satisfies 0 <x ≦ 0.3 and 0 <y ≦ 0.02. preferable.

本発明によれば、PTCR特性の評価指数であるジャンプ特性αが2[%/℃]以上であり、室温比抵抗ρ25が104Ω・cm未満であり、キュリー温度Tcが130℃以上である半導体磁器組成物を、室温比抵抗のばらつきΔρを小さくしつつ提供することが容易となる製造方法を提供できる。 According to the present invention, the jump characteristic α which is an evaluation index of the PTCR characteristic is 2 [% / ° C.] or more, the room temperature specific resistance ρ25 is less than 10 4 Ω · cm, and the Curie temperature Tc is 130 ° C. or more. It is possible to provide a manufacturing method that makes it easy to provide the semiconductor ceramic composition while reducing the variation Δρ in room temperature resistivity.

Siを添加し、第一相と第二相中のSi濃度を制御することにより、いっそう粒界構造を安定化させ、室温比抵抗のばらつきを小さくすることができる。 By adding Si and controlling the Si concentration in the first phase and the second phase, the grain boundary structure can be further stabilized and the variation in the room temperature resistivity can be reduced.

また本発明によれば、通常の電気ヒーターで必要とされる温度計などの温度検出手段、設定温度との比較回路、供給電力調整回路、熱暴走やそれに伴う火災などに備えた安全のための過熱検出機構と電力供給遮断機構などを省略することが可能になり、小型で安価な加熱機構システムを実現することが可能になる。従来のPbを含む半導体磁器組成物を用いた発熱体素子を組み込んだ場合においても、温度計などの温度検出手段、設定温度との比較回路、供給電力調整回路を省略することが可能である。しかしながらPbを含む半導体磁器組成物では200℃付近より高い温度範囲では抵抗値が低下する特性があるために熱暴走やそれに伴う火災などに備えた安全のための過熱検出機構と電力供給遮断機構などを設けなければいけない場合がある。それをも省略することが可能になる本発明による加熱機構システムは最も簡便にも関わらず安全性を兼ね備えたものとなる。 Further, according to the present invention, a temperature detection means such as a thermometer required for a normal electric heater, a comparison circuit with a set temperature, a supply power adjustment circuit, a thermal runaway and a safety in preparation for a fire accompanying it It becomes possible to omit the overheat detection mechanism, the power supply cutoff mechanism, and the like, and to realize a small and inexpensive heating mechanism system. Even when a conventional heating element using a semiconductor ceramic composition containing Pb is incorporated, it is possible to omit temperature detection means such as a thermometer, a comparison circuit with a set temperature, and a supply power adjustment circuit. However, since the semiconductor ceramic composition containing Pb has a characteristic that the resistance value decreases in a temperature range higher than about 200 ° C., an overheat detection mechanism and a power supply shut-off mechanism for safety in preparation for thermal runaway or fire accompanying it, etc. It may be necessary to provide. The heating mechanism system according to the present invention, which can also be omitted, has safety even though it is the simplest.

本発明による半導体磁器組成物の走査型電子顕微鏡(SEM)による観察像を示す写真である。It is a photograph which shows the observation image by the scanning electron microscope (SEM) of the semiconductor ceramic composition by this invention. 本発明による半導体磁器組成物の利用方法の応用として多数電極を設けた場合の、特に片面に合計3箇所設けた場合の素子の一例である。It is an example of the element when a large number of electrodes are provided as an application of the method of using the semiconductor ceramic composition according to the present invention, particularly when a total of three places are provided on one side. 本発明による半導体磁器組成物の利用方法の応用として多数電極を設けた場合の、特に両面に合計3箇所設けた場合の素子の一例である。It is an example of the element when a large number of electrodes are provided as an application of the method of using the semiconductor ceramic composition according to the present invention, particularly when a total of three locations are provided on both sides. 本発明による半導体磁器組成物に電極を設け、電極を兼ねた金属製の放熱フィンに挟み込んで固定した形態の発熱モジュールの模式図。The schematic diagram of the heat generating module of the form which provided the electrode in the semiconductor ceramic composition by this invention, and was inserted | pinched and fixed to the metal radiation fin which served as the electrode. 図4の発熱モジュールに電源を接続した加熱機構システムの模式図。The schematic diagram of the heating mechanism system which connected the power supply to the heat generating module of FIG.

本発明の製造方法において、半導体磁器組成物の第一相は、BaTiOのBaの一部をBi−Naで置換した、組成を含むものであればいずれの組成でも採用できるが、組成式を[(BiNa)(Ba1−yLa1−x]TiOと表し0<x≦0.3、0<y≦0.02を満足する組成が好ましい。 In the production method of the present invention, the first phase of the semiconductor porcelain composition may be any composition as long as it includes a composition in which a part of BaTiO 3 is replaced with Bi—Na. A composition represented by [(BiNa) x (Ba 1-y La y ) 1-x ] TiO 3 and satisfying 0 <x ≦ 0.3 and 0 <y ≦ 0.02 is preferable.

上記[(BiNa)(Ba1−yLa1−x]TiO組成物において、xは(BiNa)の成分範囲を示し0<x≦0.3が好ましい範囲である。xが0ではキュリー温度を高温側へシフトすることができず、0.3を超えると室温の比抵抗が10Ωcmに近づき、PTCヒータなどに適用することが困難となるため好ましくない。 In the [(BiNa) x (Ba 1-y La y ) 1-x ] TiO 3 composition, x represents the component range of (BiNa), and 0 <x ≦ 0.3 is a preferred range. If x is 0, the Curie temperature cannot be shifted to the high temperature side, and if it exceeds 0.3, the specific resistance at room temperature approaches 10 4 Ωcm, which makes it difficult to apply to a PTC heater or the like.

上記[(BiNa)(Ba1−yLa1−x]TiO組成物において、yはLaの成分範囲を示し、0<y≦0.02が好ましい範囲である。yが0では組成物が半導体化せず、0.02を超えると室温の抵抗率が大きくなるため好ましくない。このyの値を変化させて、原子価制御を行うのであるが、Baの一部をBi−Naで置換した系において、組成物の原子価制御を行う場合、3価の陽イオンを半導体化元素として添加すると半導体化の効果が1価のNaイオンの存在とBiの揮散のために低下し、室温の抵抗率が高くなるという問題がある。従って、より好ましい範囲は0.002≦y≦0.02である。なお、0.002≦y≦0.02はmol%表記では0.2mol%〜2.0mol%となる。ちなみに、先述した特許文献1においては、半導体元素としてNdを0.1モル%添加しているが、これではPTC用途としては十分な半導体化を実現できていないものと考えられる。 In the [(BiNa) x (Ba 1-y La y ) 1-x ] TiO 3 composition, y represents a component range of La, and 0 <y ≦ 0.02 is a preferred range. If y is 0, the composition does not become a semiconductor, and if it exceeds 0.02, the resistivity at room temperature increases, such being undesirable. The valence is controlled by changing the value of y. In a system in which a part of Ba is replaced with Bi-Na, when the valence of the composition is controlled, a trivalent cation is made into a semiconductor. When added as an element, there is a problem that the effect of semiconductorization is lowered due to the presence of monovalent Na ions and volatilization of Bi, and the resistivity at room temperature is increased. Therefore, a more preferable range is 0.002 ≦ y ≦ 0.02. Note that 0.002 ≦ y ≦ 0.02 is 0.2 mol% to 2.0 mol% in terms of mol%. Incidentally, in the above-mentioned Patent Document 1, 0.1 mol% of Nd 2 O 3 is added as a semiconductor element. However, it is considered that sufficient semiconductorization for PTC use cannot be realized.

上述した[(BiNa)(Ba1−yLa1−x]TiOにおいて、BiとNaの比は1:1を基本とする。組成式では、[(Bi0.5Na0.5(Ba1−y1−x]TiO、と表記することができる。前述の「BiとNaの比は1:1を基本とする」と明記したのは、仮焼工程などにおいてBiが揮散してBiとNaの比が1:1とならないことがあるためである。従って原料配合時はBiとNaの比が1:1であるが、焼結体では1:1になっていない場合なども、本発明に含まれるものとする。 In the above-described [(BiNa) x (Ba 1 -y La y) 1-x] TiO 3, the ratio of Bi and Na is 1: 1 to the basic. In the composition formula, it can be expressed as [(Bi 0.5 Na 0.5 ) x (Ba 1-y R y ) 1-x ] TiO 3 . The reason why “the ratio of Bi and Na is based on 1: 1” is clearly described in the above because Bi is volatilized in the calcination process and the ratio of Bi and Na may not be 1: 1. . Accordingly, the ratio of Bi and Na is 1: 1 at the time of blending the raw materials, but the case where the ratio is not 1: 1 in the sintered body is also included in the present invention.

本発明は上記構成を有する半導体磁器組成物において、任意の研磨面における全面積に対する前記第二相の面積比をaで表したとき1≦a≦15 [%]である半導体磁器組成物を得ることができる。 The present invention provides a semiconductor ceramic composition having the above-described configuration, wherein the area ratio of the second phase to the total area on an arbitrary polished surface is 1 ≦ a ≦ 15 [%]. be able to.

上述した第二相は焼結体中に点在しており、焼結体断面の全体面積に他する面積比率をaで表したとき1≦a≦15%であることが望ましい。15%を超える場合、室温比抵抗を低く安定して得られず、PTCヒータなどに適用することが困難となるため好ましくない。また1%未満である場合は室温比抵抗を低く維持しつつ、抵抗温度係数を2.0[%/K]以上安定して得ることが困難となる。 The above-mentioned second phase is scattered in the sintered body, and it is desirable that 1 ≦ a ≦ 15% when the area ratio other than the entire area of the cross section of the sintered body is represented by a. If it exceeds 15%, the room temperature resistivity cannot be obtained stably stably, and it is difficult to apply it to a PTC heater or the like. On the other hand, if it is less than 1%, it is difficult to stably obtain a temperature coefficient of resistance of 2.0 [% / K] or more while keeping the room temperature specific resistance low.

本発明は上記構成を有する半導体磁器組成物において、第一相に含まれるSiの濃度をb、第二相に含まれるSiの濃度をcで表したとき、b<c [wt%]である半導体磁器組成物を得ることができる。 In the semiconductor ceramic composition having the above-described configuration, b <c [wt%] when the concentration of Si contained in the first phase is represented by b and the concentration of Si contained in the second phase is represented by c. A semiconductor ceramic composition can be obtained.

第二相は焼結中に融点が約1200℃であるBNTが液相となり、Biが揮散することでTiとNaが残り、これらとBT仮焼粉中に含まれる未反応のBaCO3及びTiO2が反応することで生じる。従って本発明の半導体磁器組成物における第二相はEDXの組成分析においてBiの濃度が0.1wt%未満の極微量であり、TiがBaよりも組成比で多く含まれている。 In the second phase, BNT having a melting point of about 1200 ° C. becomes a liquid phase during sintering, and Ti and Na remain by volatilization of Bi, and these and unreacted BaCO 3 and TiO contained in the BT calcined powder It is generated when 2 reacts. Therefore, the second phase in the semiconductor ceramic composition of the present invention is a very small amount of Bi having a concentration of less than 0.1 wt% in EDX composition analysis, and Ti is contained in a larger proportion than Ba.

第二相は焼結前の半導体磁器組成物に含まれるSiを焼結中に第二相自身に集める効果がある。これは焼結中に液相となったBNTがSiを取り込みつつBiを揮散し、安定化するためと考えられる。この第二相が前述第一相を主相とする半導体磁器組成物中に一様に点在することで、PTCR特性発現をさらに安定して得られる適切な濃度のSiを第一相及び第二相中に含有させることができる。 The second phase has an effect of collecting Si contained in the semiconductor ceramic composition before sintering into the second phase itself during sintering. This is thought to be because BNT, which became liquid during sintering, volatilizes and stabilizes Bi while taking up Si. Since the second phase is uniformly scattered in the semiconductor ceramic composition having the first phase as the main phase, an appropriate concentration of Si, which can more stably obtain the PTCR characteristics, is obtained. It can be contained in two phases.

第一相と第二相に含まれるSiの濃度は、第二相の焼結過程中のSiを取り込む性質のため第二相の方が第一相よりも多い。従って第一相に含まれるSiの濃度をb、第二相に含まれるSiの濃度をcで表したとき、b<c [wt%]となる。原料組成、仮焼条件、混合粉砕および焼成までの一連の工程を理想的に制御した場合には第一相中のSi含有量が検出限界以下になることもある。 The concentration of Si contained in the first phase and the second phase is higher in the second phase than in the first phase due to the property of incorporating Si during the sintering process of the second phase. Therefore, when the concentration of Si contained in the first phase is represented by b and the concentration of Si contained in the second phase is represented by c, b <c [wt%]. When the raw material composition, calcination conditions, a series of steps up to mixing and pulverization are ideally controlled, the Si content in the first phase may be below the detection limit.

本発明は上記構成を有する半導体磁器組成物において、第二相に含まれるSiの濃度cが0<c≦7 [wt%]、より望ましくは0<c≦5 [wt%]である半導体磁器組成物を特徴とする。 The present invention provides a semiconductor ceramic composition having the above-described structure, wherein the concentration c of Si contained in the second phase is 0 <c ≦ 7 [wt%], more preferably 0 <c ≦ 5 [wt%]. Characterized composition.

前述第二相に含まれるSi濃度cが0[%wt]である場合、室温比抵抗を低く安定して得られず、特性が一様なPTCヒータの提供が困難となるため好ましくない。また7[%wt]<cである場合、室温比抵抗が104Ω・cm以上となり、PTCヒータなどに適用することが困難となるため好ましくない。 When the Si concentration c contained in the second phase is 0 [% wt], the room temperature specific resistance cannot be obtained stably stably, and it becomes difficult to provide a PTC heater with uniform characteristics, which is not preferable. Further, when 7 [% wt] <c, the room temperature specific resistance is 10 4 Ω · cm or more, which is not preferable because it is difficult to apply to a PTC heater or the like.

本発明は前述の構成を有する半導体磁器組成物の少なくとも2箇所以上に分離してオーミック電極を設けた発熱体素子であることを特徴とする。2箇所だけの電極を設けた場合には一定出力の発熱源として利用することができ、3箇所以上の電極を設ける場合には電流を流す電極の組み合わせを変更することにより、実質的に発熱源の定格電力を切り替えることが可能になる。 The present invention is characterized in that the heating element is provided with an ohmic electrode separated into at least two or more of the semiconductor ceramic composition having the above-described configuration. When only two electrodes are provided, it can be used as a heat source with a constant output. When three or more electrodes are provided, the heat source can be substantially changed by changing the combination of electrodes through which current flows. It becomes possible to switch the rated power.

本発明の半導体磁器組成物にAg電極やAu電極を設けた場合、半導体-金属界面に抵抗が生じ、合成の抵抗率が104Ω・cmを超えるため好ましくない。これは半導体-金属界面がショットキー接続をしているためと考えられ、オーミック接続となるAg-Zn電極を用いることで界面抵抗をほぼ無くすことができる。これにより室温比抵抗が低いPTC特性を有する発熱体素子を提供することができる。 When an Ag electrode or an Au electrode is provided in the semiconductor ceramic composition of the present invention, resistance is generated at the semiconductor-metal interface, and the combined resistivity exceeds 10 4 Ω · cm. This is thought to be because the semiconductor-metal interface is in Schottky connection, and the interface resistance can be almost eliminated by using an Ag-Zn electrode that forms an ohmic connection. Accordingly, it is possible to provide a heating element having a PTC characteristic with a low room temperature specific resistance.

発生した熱を効率よく流体に伝えてその流体を加熱するには、電力を供給する金属電極で発熱体素子を挟み込み、その金属電極に熱を拡散させることが最も望ましい。金属電極の面積を大きくすることで気体や液体などの流体に効率よく熱を伝えることができる。 In order to efficiently transmit the generated heat to the fluid and heat the fluid, it is most desirable to sandwich the heating element with a metal electrode that supplies electric power and diffuse the heat to the metal electrode. By increasing the area of the metal electrode, heat can be efficiently transferred to a fluid such as gas or liquid.

本発明の半導体磁器組成物を用いた発熱体素子を組み込んだ加熱機構システムでは温度計などの温度検出手段、設定温度との比較回路、供給電力調整回路、熱暴走や火災などに備えた安全のための過熱検出機構とそれに伴う電力供給遮断機構などを省略することができ、単純なオン/オフスイッチを挿入して交流または直流の電源に直接接続すればよい。 In a heating mechanism system incorporating a heating element using the semiconductor ceramic composition of the present invention, a temperature detection means such as a thermometer, a comparison circuit with a set temperature, a supply power adjustment circuit, a thermal runaway, a fire, etc. Therefore, an overheat detection mechanism and a power supply cutoff mechanism associated therewith can be omitted, and a simple on / off switch may be inserted and directly connected to an AC or DC power source.

まず、本発明においては、BaTiOのBaの一部をBi−Naで置換した半導体磁器組成物の製造に際して、Siを添加した(Ba1−xLax)TiO(0<x≦0.02)からなるBT仮焼粉と、(Bi0.5Na0.5)TiO仮焼粉からなるBNT仮焼粉を別々に用意し、該BT仮焼粉とBNT仮焼粉をそれぞれに応じた適正温度で仮焼する分割仮焼法を採用する。 First, in the present invention, Si is added (Ba 1-x La x ) TiO 3 (0 <x ≦ 0...) In the production of a semiconductor ceramic composition in which a part of BaTiO 3 is replaced with Bi—Na. 02) and BNT calcined powder made of (Bi 0.5 Na 0.5 ) TiO 3 calcined powder are prepared separately, and the BT calcined powder and BNT calcined powder are respectively prepared. A split calcining method is used in which calcining is performed at an appropriate temperature.

上記分割仮焼法を用いることにより、仮焼工程におけるBNT仮焼粉のBiの揮散によるBi−Naの組成ずれを防止して仮焼工程での異相の生成を抑制することができる。BT仮焼粉とBNT仮焼粉とを混合して、成形、焼結することにより、PTCR特性が一様な半導体磁器組成物が得られる。 By using the above-mentioned divided calcination method, it is possible to prevent the composition shift of Bi-Na due to the volatilization of Bi of the BNT calcined powder in the calcination process, and to suppress the generation of a different phase in the calcination process. A semiconductor ceramic composition having uniform PTCR characteristics can be obtained by mixing BT calcined powder and BNT calcined powder, molding and sintering.

上述した分割仮焼法を用いて、本発明による半導体磁器組成物を得るには、以下に示す三つの方法を採用することができる。(1)分割仮焼法においてBT仮焼粉を用意するに際して、BT仮焼粉中にBaCO及びTiOが一部残存するように調製する方法(以下「残存法」と称する)、(2)分割仮焼法にて作製したBT仮焼粉及び/又はBNT仮焼粉にBaCO及び/又はTiOを添加する方法(以下「添加法」と称する)、(3)分割仮焼法にて作製したBT仮焼粉とBNT仮焼粉を焼結する際に、BTとBNTを完全に固溶させずに焼結する方法(以下「不完全焼結法」と称する)である。以下順に説明する。 In order to obtain the semiconductor porcelain composition according to the present invention using the above-described divided calcination method, the following three methods can be employed. (1) When preparing BT calcined powder in the divided calcining method, a method of preparing BaCO 3 and TiO 2 to partially remain in the BT calcined powder (hereinafter referred to as “residual method”), (2 ) A method of adding BaCO 3 and / or TiO 2 to the BT calcined powder and / or BNT calcined powder produced by the divided calcining method (hereinafter referred to as “addition method”), (3) When the BT calcined powder and the BNT calcined powder prepared in this manner are sintered, the BT and BNT are sintered without completely solid solution (hereinafter referred to as “incomplete sintering method”). This will be described in order below.

(1)残存法
分割仮焼法においては、BT仮焼粉を用意するに際して、BaCO、TiOと半導体化元素の原料粉末であるLa、及び特性安定化のためのSiO2を混合して混合原料粉末を作製する。残存法は、この混合原料粉を900℃以下で仮焼し、(Ba1−xLax)TiOを完全に形成させずに、仮焼粉中にBaCO、TiOを一部残存させるものである。
(1) In the residual method division calcining method, when preparing BT calcined powder, BaCO 3 , TiO 2 and La 2 O 3 which is a raw material powder of a semiconducting element, and SiO 2 for stabilizing characteristics are used. Mixed raw material powder is prepared by mixing. In the residual method, this mixed raw material powder is calcined at 900 ° C. or less, and (Ba 1-x La x ) TiO 3 is not completely formed, and some BaCO 3 and TiO 2 remain in the calcined powder. Is.

残存法によるBaCO、TiOを一部残存させたBT仮焼粉と、別に用意したBNT仮焼粉を混合し、混合仮焼粉を成形、焼結することにより、本発明によるBaTiOのBaの一部がBi−Naで置換された第一相と、BaとTiとNaからなる酸化物である第二相とを有する半導体磁器組成物を得ることができる。 By mixing the BT calcined powder in which BaCO 3 and TiO 2 are partially left by the residual method and the separately prepared BNT calcined powder, the mixed calcined powder is molded and sintered, whereby the BaTiO 3 according to the present invention is formed. A semiconductor ceramic composition having a first phase in which a part of Ba is substituted with Bi-Na and a second phase that is an oxide composed of Ba, Ti, and Na can be obtained.

BT仮焼粉中におけるBaCO及びTiOの残存量を変化させるには、BT仮焼粉を用意する工程において、仮焼温度を900℃以下で変化させたり、仮焼時間を変化させたり、あるいはBT仮焼粉の配合組成を変化させることにより、BT仮焼粉中におけるBaCO及びTiOの残存量を変化させることができ、これによって第二相の生成量を制御することができる。 In order to change the remaining amount of BaCO 3 and TiO 2 in the BT calcined powder, in the step of preparing the BT calcined powder, the calcining temperature is changed at 900 ° C. or less, the calcining time is changed, Alternatively, the residual amount of BaCO 3 and TiO 2 in the BT calcined powder can be changed by changing the blending composition of the BT calcined powder, thereby controlling the amount of the second phase generated.

上記残存法において、仮焼温度が900℃を超えると(Ba1−xLax)TiOが形成され過ぎ、BaCO、TiOを残存させることができなくなるため好ましくない。仮焼時間は0.5時間〜10時間が好ましく、2〜6時間がより好ましい。 In the above-mentioned residual method, when the calcining temperature exceeds 900 ° C., (Ba 1-x La x ) TiO 3 is excessively formed, and BaCO 3 and TiO 2 cannot be left, which is not preferable. The calcining time is preferably 0.5 hours to 10 hours, and more preferably 2 to 6 hours.

BT仮焼粉におけるBaCO及びTiOの残存量は、(Ba1−xLax)TiOと、BaCO及びTiOの合計を100mol%としたとき、BaCOが30mol%以下、TiOが30mol%以下であることが好ましい。 The residual amounts of BaCO 3 and TiO 2 in the BT calcined powder are (Ba 1-x La x ) TiO 3 , BaCO 3 and TiO 2 being 100 mol% in total, and BaCO 3 is 30 mol% or less, TiO 2. Is preferably 30 mol% or less.

BaCOの残存量を30mol%以下としたのは、30mol%を超えると第二相が過剰に生じ、室温比抵抗が上昇するためである。また、焼結工程においてCOガスが発生し、焼結体にクラックが生じるため好ましくない。TiOの残存量を30mol%以下としたのは、30mol%を超えると第二相が過剰に生じ、室温比抵抗のばらつきが大きくなるためである。 The reason why the residual amount of BaCO 3 is set to 30 mol% or less is that when it exceeds 30 mol%, the second phase is excessively generated and the room temperature resistivity is increased. Further, CO 2 gas is generated in the sintering process, and cracks are generated in the sintered body, which is not preferable. The reason why the residual amount of TiO 2 is set to 30 mol% or less is that when it exceeds 30 mol%, the second phase is excessively generated and the variation in the room temperature specific resistance becomes large.

BaCO及びTiOの残存量の上限はBaCO30mol%、TiO30mol%の合計60mol%、下限は0を超える量となるが、BaCOが20mol%を超える場合、TiOが10mol%未満になると第二相が過剰に生じ室温比抵抗のばらつきが大きくなるため好ましくない。TiOが20mol%を超え、BaCOが10mol%未満になる場合も同様に好ましくない。よって、BaCO又はTiOの一方が20mol%を超える場合は、他方を10mol%以上にするよう、仮焼温度や温度、配合組成などを調整することが好ましい。 The upper limit of the remaining amount of BaCO 3 and TiO 2 is 60 mol% in total of 30 mol% of BaCO 3 and 30 mol% of TiO 2 , and the lower limit exceeds 0, but when BaCO 3 exceeds 20 mol%, TiO 2 is less than 10 mol% This is not preferable because the second phase is excessively generated and the variation in the room temperature specific resistance is increased. Similarly, when TiO 2 exceeds 20 mol% and BaCO 3 is less than 10 mol%, it is not preferable. Therefore, when one of BaCO 3 or TiO 2 exceeds 20 mol%, it is preferable to adjust the calcining temperature, temperature, blending composition, etc. so that the other is 10 mol% or more.

上述したBaCO及びTiOが一部残存するBT仮焼粉と混合する
(Bi0.5Na0.5)TiO仮焼粉からなるBNT仮焼粉を用意する工程は、まず、原料粉末となるNaCO、Bi、TiOを混合して混合原料粉末を作製する。このとき、Biを過剰に(例えば5mol%を超えて)添加すると、仮焼時に異相を生成し、室温比抵抗が高くなり好ましくない。
Mix with BT calcined powder in which BaCO 3 and TiO 2 partially remain
The process of preparing the BNT calcined powder made of (Bi 0.5 Na 0.5 ) TiO 3 calcined powder is first mixed by mixing Na 2 CO 3 , Bi 2 O 3 and TiO 2 as raw material powders. Raw material powder is prepared. At this time, if Bi 2 O 3 is added excessively (for example, exceeding 5 mol%), a heterogeneous phase is generated during calcination, and the room temperature specific resistance becomes high, which is not preferable.

次に、上記混合原料粉末を仮焼する。仮焼温度は700℃〜950℃の範囲が好ましい。仮焼時間は0.5時間〜10時間が好ましく、2時間〜6時間がさらに好ましい。仮焼温度が700℃未満あるいは仮焼時間が0.5時間未満では未反応のNaCOや分解して生成したNaOが雰囲気の水分あるいは湿式混合の場合はその溶媒と反応し、組成ずれや特性のばらつきを生じるため好ましくない。また、仮焼温度が950℃を超えるかあるいは仮焼時間が10時間を超えると、Biの揮散が進み、組成ずれを起こし、異相の生成が促進されるため好ましくない。 Next, the mixed raw material powder is calcined. The calcining temperature is preferably in the range of 700 ° C to 950 ° C. The calcining time is preferably 0.5 hours to 10 hours, more preferably 2 hours to 6 hours. If the calcining temperature is less than 700 ° C. or the calcining time is less than 0.5 hour, unreacted Na 2 CO 3 or decomposed NaO reacts with the water in the atmosphere or in the case of wet mixing, resulting in a composition shift And undesirably variations in characteristics occur. On the other hand, if the calcining temperature exceeds 950 ° C. or the calcining time exceeds 10 hours, the volatilization of Bi proceeds, the composition shifts, and the generation of heterogeneous phases is promoted.

上述した各々の仮焼粉を用意する工程においては、原料粉末の混合の際に、原料粉末の粒度に応じて粉砕を施してもよい。また、混合、粉砕は純水やエタノールを用いた湿式混合・粉砕または乾式混合・粉砕のいずれでもよいが、乾式混合・粉砕を行うと、組成ずれをより防止することができ好ましい。なお、上記においては、原料粉末として、BaCO、NaCO、TiOなどを例としてあげたが、その他のBa化合物、Na化合物などを用いてもよい。 In the step of preparing each calcined powder described above, pulverization may be performed according to the particle size of the raw material powder when the raw material powder is mixed. The mixing and pulverization may be either wet mixing / pulverization using pure water or ethanol, or dry mixing / pulverization. However, it is preferable to perform dry mixing / pulverization because the compositional deviation can be further prevented. In the above description, BaCO 3 , Na 2 CO 3 , TiO 2 and the like are exemplified as the raw material powder, but other Ba compounds and Na compounds may be used.

上記の通り、BaCO、TiOが一部残存するBT仮焼粉とBNT仮焼粉を別々に用意し、各仮焼粉を後述の比率に配合した後、混合する。混合は、純水やエタノールを用いた湿式混合または乾式混合のいずれでもよいが、乾式混合を行うと、組成ずれをより防止することができ好ましい。また、仮焼粉の粒度に応じて、混合の後粉砕、あるいは混合と粉砕を同時に行ってもよい。混合、粉砕後の混合仮焼粉の平均粒度は、0.5μm〜2.5μmが好ましい。 As described above, BT calcined powder and BNT calcined powder in which part of BaCO 3 and TiO 2 remain are prepared separately, and each calcined powder is blended in a ratio described later, and then mixed. Mixing may be either wet mixing using pure water or ethanol, or dry mixing. However, it is preferable to perform dry mixing because the compositional deviation can be further prevented. Further, depending on the particle size of the calcined powder, pulverization after mixing, or mixing and pulverization may be performed simultaneously. The average particle size of the mixed calcined powder after mixing and pulverization is preferably 0.5 μm to 2.5 μm.

BT仮焼粉とBNT仮焼粉の混合比率は素子の使用温度によって、調整する必要がある。Tcを120〜180℃に制御し、かつ低い室温比抵抗のPTCR素子を提供するためには、該半導体磁器組成物の組成を[(BiNa)(BaLa)1−x]TiOと表記したとき0<X≦0.3となるよう混合するが好ましい。 The mixing ratio of BT calcined powder and BNT calcined powder must be adjusted according to the operating temperature of the element. In order to control the Tc at 120 to 180 ° C. and provide a PTCR element having a low room temperature specific resistance, the composition of the semiconductor ceramic composition was expressed as [(BiNa) x (BaLa) 1-x ] TiO 3 . It is sometimes preferable to mix so that 0 <X ≦ 0.3.

BT仮焼粉とBNT仮焼粉を混合する工程により得られた混合仮焼粉は、所望の成形手段によって成形する。成形前に必要に応じて混合仮焼粉を造粒装置によって造粒してもよい。成形後の成形体密度は2.5〜3.5g/cmが好ましい。 The mixed calcined powder obtained by the process of mixing the BT calcined powder and the BNT calcined powder is molded by a desired molding means. If necessary, the mixed calcined powder may be granulated by a granulator before molding. The molded body density after molding is preferably 2.5 to 3.5 g / cm 3 .

焼結は、大気中または還元雰囲気中、あるいは低酸素濃度の不活性ガス雰囲気で行うことができるが、特に、酸素濃度1%未満の窒素またはアルゴン雰囲気中で焼結することが好ましい。焼結温度は1250℃〜1360℃が好ましい。焼結時間は1時間〜8時間が好ましく、4時間〜6時間がより好ましい。いずれも好ましい条件からはずれるに従って室温比抵抗が増加する、またはジャンプ特性が低下するため好ましくない。 Sintering can be performed in the air, in a reducing atmosphere, or in an inert gas atmosphere having a low oxygen concentration. In particular, sintering is preferably performed in a nitrogen or argon atmosphere having an oxygen concentration of less than 1%. The sintering temperature is preferably 1250 ° C to 1360 ° C. The sintering time is preferably 1 hour to 8 hours, and more preferably 4 hours to 6 hours. Any of them is not preferable because the room temperature resistivity increases or the jump characteristic decreases as it deviates from preferable conditions.

他の焼結工程として、温度1290℃〜1360℃、酸素濃度1%未満の雰囲気中において、(1)4時間未満の焼結時間で実行するか、あるいは(2)式:ΔT≧25t(t=焼結時間(hr)、ΔT=焼結後の冷却速度(℃/hr))を満足する焼結時間で実行され、次いで、上記式を満足する冷却速度で焼結後の冷却を実行することにより、室温比抵抗を低く保ったまま、高温域(キュリー温度以上)で抵抗温度係数を向上させた半導体磁器組成物を得ることができる。 As another sintering process, in an atmosphere having a temperature of 1290 ° C. to 1360 ° C. and an oxygen concentration of less than 1%, (1) it is executed with a sintering time of less than 4 hours, or (2) Formula: ΔT ≧ 25t (t = Sintering time (hr), ΔT = cooling rate after sintering (° C / hr)), and then cooling after sintering is performed at a cooling rate satisfying the above formula. As a result, it is possible to obtain a semiconductor ceramic composition having an improved resistance temperature coefficient in a high temperature region (Curie temperature or higher) while keeping the room temperature resistivity low.

(2)添加法
添加法において、BT仮焼粉を用意するには、BaCO、TiOと半導体化元素の原料粉末であるLaを混合して混合原料粉末を作製し、仮焼する。仮焼温度は1000℃以上が好ましい。仮焼温度が1000℃未満では(Ba1−xLa)TiOの完全な単一相が形成されないため好ましくない。完全な単一相が形成されないと未反応のBaCO、TiOが残存することとなり、BaCO粉及び/又はTiO粉の添加を前提とするためその添加量の予測が困難になるためであるが、若干のBaCOやTiOの残存は許容できる。好ましい仮焼温度は1000℃〜1300℃である。仮焼時間は0.5時間〜10時間が好ましく、2〜6時間がより好ましい。
(2) In the addition method, in order to prepare BT calcined powder, BaCO 3 , TiO 2 and La 2 O 3 which is a raw material powder of semiconducting element are mixed to prepare a mixed raw material powder, and calcined To do. The calcining temperature is preferably 1000 ° C. or higher. A calcining temperature of less than 1000 ° C. is not preferable because a complete single phase of (Ba 1-x La x ) TiO 3 is not formed. If a complete single phase is not formed, unreacted BaCO 3 and TiO 2 remain, and since it is assumed that BaCO 3 powder and / or TiO 2 powder is added, it is difficult to predict the amount of addition. However, some BaCO 3 or TiO 2 remains acceptable. A preferable calcination temperature is 1000 ° C to 1300 ° C. The calcining time is preferably 0.5 hours to 10 hours, and more preferably 2 to 6 hours.

添加法において、BNT仮焼粉を用意する工程、BT仮焼粉とBNT仮焼粉の混合(粉砕)工程などについては、上述した残存法と同様である。 In the addition method, the step of preparing the BNT calcined powder, the step of mixing (pulverizing) the BT calcined powder and the BNT calcined powder, and the like are the same as the residual method described above.

上記により用意したBT仮焼粉又はBNT仮焼粉或いはそれらの混合仮焼粉に、SiO2、BaCO及び/又はTiOを添加することが、添加法の特徴である。添加後の混合仮焼粉を成形、焼結することにより、この発明によるBaTiOのBaの一部がBi−Naで置換され、第二相を有する半導体磁器組成物を得ることができる。 The addition method is characterized by adding SiO 2 , BaCO 3 and / or TiO 2 to the BT calcined powder, BNT calcined powder or mixed calcined powder prepared as described above. By forming and sintering the mixed calcined powder after addition, a part of BaTiO 3 according to the present invention is substituted with Bi—Na, and a semiconductor ceramic composition having a second phase can be obtained.

BaCO及び/又はTiOの添加量は、(Ba1−xLa)TiOと、SiO2、BaCO及び/又はTiOの合計を100mol%としたとき、BaCOが30mol%以下、TiOが30mol%以下であることが好ましい。この添加量を変化させることにより、第二相の面積比率を制御することができる。特に、添加法によれば、添加量を正確に調整できるため、極めて精度よくジャンプ特性のコントロールが可能になるという効果も有する。 The amount of BaCO 3 and / or TiO 2 added is such that the total amount of (Ba 1-x La x ) TiO 3 and SiO 2 , BaCO 3 and / or TiO 2 is 100 mol%, and BaCO 3 is 30 mol% or less. it is preferred TiO 2 is not more than 30 mol%. By changing the amount of addition, the area ratio of the second phase can be controlled. In particular, according to the addition method, since the addition amount can be adjusted accurately, the jump characteristic can be controlled with extremely high accuracy.

BaCOの添加量を30mol%以下としたのは、30mol%を超えると第二相が過剰に生じ、室温比抵抗のばらつきが大きくなるためである。また、焼結工程においてCOガスが発生し、焼結体にクラックが生じるため好ましくない。TiOの添加量を30mol%以下としたのは、30mol%を超えると第二相が過剰に生じ、室温比抵抗のばらつきが大きくなるためである。 The reason why the amount of BaCO 3 added is 30 mol% or less is that when it exceeds 30 mol%, the second phase is excessively generated and the variation in the room temperature resistivity increases. Further, CO 2 gas is generated in the sintering process, and cracks are generated in the sintered body, which is not preferable. The reason why the amount of TiO 2 added is set to 30 mol% or less is that when it exceeds 30 mol%, the second phase is excessively generated and the variation in the room temperature resistivity increases.

BaCOとTiOを両方含むとき、添加量の上限はBaCO30mol%、TiO30mol%の合計60mol%、下限は0%を超える量となるが、BaCOが20mol%を超える場合、TiOが10mol%未満になると第二相が過剰に生じ、室温比抵抗のばらつきが大きくなるためである。TiOが20%molを超え、BaCOが10mol%未満になる場合も同様に好ましくない。よって、BaCOまたはTiOの一方が20%molを超える場合は、他方を10mol%以上にすることが好ましい。 When both BaCO 3 and TiO 2 are included, the upper limit of the amount added is 30 mol% BaCO 3 and 30 mol% TiO 2 in total, and the lower limit exceeds 0%. However, when BaCO 3 exceeds 20 mol%, TiO 2 This is because when 2 is less than 10 mol%, the second phase is excessively generated and the variation in the room temperature specific resistance becomes large. The case where TiO 2 exceeds 20% mol and BaCO 3 is less than 10 mol% is also not preferable. Therefore, when one of BaCO 3 or TiO 2 exceeds 20% mol, the other is preferably made 10 mol% or more.

SiO2の添加量は0mol%より多く3mol%未満が好ましい。この範囲外では室温比抵抗のばらつきが大きくなるためである。特に3mol%以上添加した場合、室温比抵抗が104Ω・cm以上となるため好ましくない。 The addition amount of SiO 2 is preferably more than 0 mol% and less than 3 mol%. This is because the variation in room temperature resistivity increases outside this range. In particular, when 3 mol% or more is added, the room temperature resistivity becomes 10 4 Ω · cm or more, which is not preferable.

なお、BT仮焼粉として(Ba1−xLa)TiOとの完全な単一相が形成されているものが好ましいことは先に述べた通りであるが、完全な単一相が形成されたBT仮焼粉の一部を、上述した残存法によるBaCO、TiOが残存するBT仮焼粉で置換し、さらに、SiO2、BaCO及び/又はTiOを所定量添加することにより、添加量を変化させることもできる。 As described above, it is preferable that a complete single phase with (Ba 1-x La x ) TiO 3 is formed as the BT calcined powder, but a complete single phase is formed. Replacing a part of the BT calcined powder with BT calcined powder in which BaCO 3 and TiO 2 remain by the above-mentioned residual method, and further adding a predetermined amount of SiO 2 , BaCO 3 and / or TiO 2 Thus, the addition amount can be changed.

添加法では、上記の通り、BT仮焼粉とBNT仮焼粉と別々に用意した後、該BT仮焼粉又はBNT仮焼粉或いはそれらの混合仮焼粉にSiO2、BaCO及び/又はTiOを添加する。次いで、各仮焼粉を所定量に配合した後、混合する。混合は、純水やエタノールを用いた湿式混合または乾式混合のいずれでもよいが、乾式混合を行うと、組成ずれをより防止することができ好ましい。また、仮焼粉の粒度に応じて、混合の後粉砕、あるいは混合と粉砕を同時に行ってもよい。混合、粉砕後の混合仮焼粉の平均粒度は、0.5μm〜2.5μmが好ましい。 In the addition method, as described above, after preparing the BT calcined powder and the BNT calcined powder separately, the BT calcined powder or the BNT calcined powder or a mixed calcined powder thereof is mixed with SiO 2 , BaCO 3 and / or TiO 2 is added. Next, each calcined powder is mixed in a predetermined amount and then mixed. Mixing may be either wet mixing using pure water or ethanol, or dry mixing. However, it is preferable to perform dry mixing because the compositional deviation can be further prevented. Further, depending on the particle size of the calcined powder, pulverization after mixing, or mixing and pulverization may be performed simultaneously. The average particle size of the mixed calcined powder after mixing and pulverization is preferably 0.5 μm to 2.5 μm.

BT仮焼粉とBNT仮焼粉を混合する工程以降の、成形、焼結などの工程は、上述した残存法と同様である。 The steps such as molding and sintering after the step of mixing the BT calcined powder and the BNT calcined powder are the same as the above-described residual method.

(3)不完全焼結法
不完全焼結法において、BT仮焼粉を用意する工程、BNT仮焼粉を用意する工程、BT仮焼粉とBNT仮焼粉を混合(粉砕)する工程、成形工程については、上述した残存法と添加法の何れも採用できる。
(3) Incomplete sintering method In the incomplete sintering method, a step of preparing BT calcined powder, a step of preparing BNT calcined powder, a step of mixing (pulverizing) BT calcined powder and BNT calcined powder, For the molding step, any of the above-described residual method and addition method can be employed.

不完全焼結法では、BT仮焼粉とBNT仮焼粉との混合仮焼粉を焼結する際に、BT仮焼粉とBNT仮焼粉を完全に固溶させないで焼結することが特徴である。これにより、この発明によるBaTiOのBaの一部がBi−Naで置換され、第二相を有する半導体磁器組成物を得ることができる。 In the incomplete sintering method, when the mixed calcined powder of BT calcined powder and BNT calcined powder is sintered, the BT calcined powder and BNT calcined powder may be sintered without completely dissolving them. It is a feature. Thereby, a part of Ba of BaTiO 3 according to the present invention is substituted with Bi—Na, and a semiconductor ceramic composition having a second phase can be obtained.

不完全焼結法における焼結温度、焼結時間は、BT仮焼粉の仮焼温度によって異なるが、例えば、BT仮焼粉の仮焼温度が700℃〜1200℃の場合、焼結温度は1250℃〜1380℃、焼結時間は2.5時間以下が好ましい範囲である。但し、焼結温度が比較的低い場合(例えば1300℃の場合)の好ましい焼結時間は3.5時間以下でもよく、焼結温度が比較的高い場合(例えば1380℃の場合)の好ましい焼結時間は2時間以下となる。焼結温度が高い場合(例えば1400℃以上の場合)や焼結温度が低くても焼結時間が長い場合(例えば5時間以上の場合)は、BT仮焼粉とBNT仮焼粉が完全に固溶してしまうため好ましくない。 Although the sintering temperature and sintering time in the incomplete sintering method vary depending on the calcining temperature of the BT calcined powder, for example, when the calcining temperature of the BT calcined powder is 700 ° C. to 1200 ° C., the sintering temperature is 1250 ° C to 1380 ° C and the sintering time is preferably 2.5 hours or less. However, the preferable sintering time when the sintering temperature is relatively low (for example, 1300 ° C.) may be 3.5 hours or less, and preferable sintering when the sintering temperature is relatively high (for example, 1380 ° C.). The time will be 2 hours or less. If the sintering temperature is high (for example, 1400 ° C. or higher), or if the sintering time is long (for example, 5 hours or longer), the BT calcined powder and BNT calcined powder are completely Since it dissolves, it is not preferable.

上記のように、焼結温度と焼結時間を制御することにより、BT仮焼粉とBNT仮焼粉の固溶度を変化させることができ、これによって第二相の面積比率を制御することができる。 As described above, by controlling the sintering temperature and sintering time, the solid solubility of the BT calcined powder and the BNT calcined powder can be changed, thereby controlling the area ratio of the second phase. Can do.

該半導体磁器組成物に適用する電極としてAg電極やAu電極を用いた場合、半導体-金属界面に抵抗が生じ、合成の比抵抗が104Ω・cmを超えるため好ましくない。これは半導体-金属界面がショットキー接続をしているためと考えられ、オーミック接続となるAgとZnとの合金電極を用いることで界面抵抗をほぼ無くすことができる。これにより室温における抵抗率が低いPTC特性を有する発熱体素子を提供することができる。 When an Ag electrode or Au electrode is used as an electrode applied to the semiconductor ceramic composition, resistance is generated at the semiconductor-metal interface, and the combined specific resistance exceeds 10 4 Ω · cm. This is thought to be because the semiconductor-metal interface is in Schottky connection, and the interface resistance can be almost eliminated by using an alloy electrode of Ag and Zn that forms an ohmic connection. Accordingly, it is possible to provide a heating element having a PTC characteristic with a low resistivity at room temperature.

金属電極は発生した熱を効率よく流体に伝えてその流体を加熱すると同時に、電力を供給する役割も持つため、アルミニウムまたは銅を主とする金属または合金を用いることが望ましい。電気的接続を良好かつ均一にするために、金属電極と本発明の半導体磁器組成物を用いる発熱素子の間には導電性と耐熱性があり、かつ柔軟なスペーサを挿入することもしばしば有効である。そのようなスペーサ材料としてはグラファイトシート、金属粒子を分散した導電性樹脂シートが挙げられる。また時には導電性接着剤を用いることも有効である。 The metal electrode efficiently transmits the generated heat to the fluid to heat the fluid and at the same time has a role of supplying electric power. Therefore, it is desirable to use a metal or alloy mainly composed of aluminum or copper. In order to make the electrical connection good and uniform, it is often effective to insert a flexible spacer between the metal electrode and the heating element using the semiconductor porcelain composition of the present invention. is there. Examples of such a spacer material include a graphite sheet and a conductive resin sheet in which metal particles are dispersed. In some cases, it is also effective to use a conductive adhesive.

本発明の半導体磁器組成物を用いた発熱体素子を組み込んだ加熱機構システムでは温度計などの温度検出手段、設定温度との比較回路、供給電力調整回路、熱暴走や火災などに備えた安全のための過熱検出機構とそれに伴う電力供給遮断機構などを省略することができ、単純なオン/オフスイッチを挿入して交流または直流の電源に直接接続すればよい。しかしながら、操作する人にとって加熱機構システムの作動状態がわかりやすいように表示装置へと接続される動作電源検出回路や、温度表示回路、電池や発電機のような電力供給源のオーバーロードを防止するための電流検出回路を適宜設けてもよい。 In a heating mechanism system incorporating a heating element using the semiconductor ceramic composition of the present invention, a temperature detection means such as a thermometer, a comparison circuit with a set temperature, a supply power adjustment circuit, a thermal runaway, a fire, etc. Therefore, an overheat detection mechanism and a power supply cutoff mechanism associated therewith can be omitted, and a simple on / off switch may be inserted and directly connected to an AC or DC power source. However, in order to prevent overloading of the operation power supply detection circuit connected to the display device so that the operating state of the heating mechanism system can be easily understood for the operator, the temperature display circuit, the battery and the generator, etc. The current detection circuit may be provided as appropriate.

[参考例1]
BaCO、TiO、Laの原料粉末を準備し、(Ba0.994La0.006)TiOとなるように配合し、純水で混合した。得られた混合原料粉末を900℃で4時間大気中にて仮焼し、BT仮焼粉を用意した。この温度での仮焼は前述の残存法になる。
[Reference Example 1]
Raw material powders of BaCO 3 , TiO 2 , and La 2 O 3 were prepared, blended so as to be (Ba 0.994 La 0.006 ) TiO 3, and mixed with pure water. The obtained mixed raw material powder was calcined in the atmosphere at 900 ° C. for 4 hours to prepare BT calcined powder. The calcination at this temperature becomes the aforementioned residual method.

NaCO、Bi、TiOの原料粉末を準備し、(Bi0.5Na0.5)TiOとなるように配合し、乾式混合した。得られた混合原料粉末を、800℃で2時間大気中にて仮焼し、BNT仮焼粉を用意した。 Na 2 CO 3, Bi 2 O 3, to prepare a raw material powder of TiO 2, was blended so as to (Bi 0.5 Na 0.5) TiO 3 , were dry mixed. The obtained mixed raw material powder was calcined in the air at 800 ° C. for 2 hours to prepare BNT calcined powder.

用意したBT仮焼粉とBNT仮焼粉を表1に示すモル比率で配合し、純水を媒体としてポットミルにより、混合仮焼粉の中心粒径が1.0μm〜2.0μmになるまで混合、粉砕した後、乾燥させた。該混合仮焼粉の粉砕粉にPVAを添加、混合した後、造粒装置によって造粒した。得られた造粒粉を一軸プレス装置にて8MPaで成形し、上記成形体を700℃で脱バインダー後、1340℃にて4時間、窒素雰囲気中にて焼結し、焼結体を得た。焼結時の雰囲気は酸素濃度を1%未満に制御した窒素を常時流入し、窒素雰囲気とした。昇温、降温の速度は200℃とした。なお、表1中のBNT添加量とLa添加量の括弧内の数値は第一相を[(BiNa)(Ba1−yLa1−x]TiOと表記したときのxとyの値である。 Mix the prepared BT calcined powder and BNT calcined powder in the molar ratio shown in Table 1 and mix them with a pot mill using pure water as a medium until the central particle size of the mixed calcined powder becomes 1.0 μm to 2.0 μm. After being pulverized, it was dried. After adding and mixing PVA to the pulverized powder of the mixed calcined powder, it was granulated by a granulator. The obtained granulated powder was molded at 8 MPa with a uniaxial press, and the molded body was debindered at 700 ° C. and then sintered at 1340 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere to obtain a sintered body. . As the atmosphere during sintering, nitrogen whose oxygen concentration was controlled to be less than 1% was constantly introduced to form a nitrogen atmosphere. The rate of temperature increase / decrease was 200 ° C. In Table 1, the numbers in parentheses of the BNT addition amount and the La addition amount are x and y when the first phase is expressed as [(BiNa) x (Ba 1-y La y ) 1-x ] TiO 3. Is the value of

得られた焼結体を10mm×10mm×1mmの板状に加工して試験片を作製し、オーミック電極を形成の後、各試験片を抵抗測定器で室温から270℃までの範囲で比抵抗値の温度変化を測定し、室温比抵抗、キュリー温度、抵抗温度係数を求めた。また、同条件で作製したサンプル50個から室温比抵抗の分布を求め、最大値と最小値の差を比抵抗ばらつきΔρとして求めた。その結果を表1に示す。表1において試料番号の横に*印を付したものは比較例である。なお、実施例において、抵抗温度係数αは次式により求めた。α=(lnR−lnR)×100/(T−T) Rは最大比抵抗、RはTにおける比抵抗、TはRを示す温度、Tはキュリー温度である。 The obtained sintered body is processed into a plate shape of 10 mm × 10 mm × 1 mm to produce a test piece, and after forming an ohmic electrode, each test piece is subjected to a specific resistance in a range from room temperature to 270 ° C. with a resistance measuring instrument. The temperature change of the value was measured, and the room temperature specific resistance, the Curie temperature, and the resistance temperature coefficient were obtained. Further, the distribution of the room temperature resistivity was obtained from 50 samples prepared under the same conditions, and the difference between the maximum value and the minimum value was obtained as the resistivity variation Δρ. The results are shown in Table 1. In Table 1, those marked with * next to the sample number are comparative examples. In the examples, the temperature coefficient of resistance α was obtained by the following equation. α = (lnR 1 −lnR c ) × 100 / (T 1 −T c ) R 1 is the maximum specific resistance, R c is the specific resistance at T c , T 1 is the temperature indicating R 1 , and T c is the Curie temperature is there.

図1に試料番号1−5の焼結体のSEM観察像の例を示す。観察視野は焼結体断面を平均粒径1μmのダイヤモンド砥粒で研磨処理を施した面である。像中に点在する黒いコントラストが第二相である。像中に点在する第二相よりも小さい白いコントラストは空孔がエッジ効果により明るく見えているものである。第二相が黒いコントラストとして見えるのは第二相の組成にBi がほぼ含まれておらず、BTにBNTが固溶した第一相に比べ第二相の二次電子発生量が少ないためである。これより、第二相は容易に第一相と区別可能であることが分かる。 FIG. 1 shows an example of an SEM observation image of the sintered body of sample number 1-5. The observation field is a surface obtained by polishing the cross section of the sintered body with diamond abrasive grains having an average particle diameter of 1 μm. The black contrast scattered in the image is the second phase. A white contrast smaller than the second phase scattered in the image means that the holes appear brighter due to the edge effect. The second phase appears as a black contrast because the composition of the second phase contains almost no Bi and the amount of secondary electrons generated in the second phase is less than that of the first phase in which BNT is dissolved in BT. is there. This shows that the second phase is easily distinguishable from the first phase.

また、得られた焼結体の平面における走査型電子顕微鏡(SEM)で得られた観察像の画像処理を行い、第二相に該当する部分のドット数を数え、そのドット数に1ドット当たりの面積を掛け、その面積を画像処理した部分の全面積で割り、第二相の面積比率a(%)を求めた。その結果を表1に示す。 Moreover, the image processing of the observation image obtained with the scanning electron microscope (SEM) in the plane of the obtained sintered body is performed, the number of dots corresponding to the second phase is counted, and the number of dots per dot is counted. The area was divided by the total area of the image-processed portion to obtain the area ratio a (%) of the second phase. The results are shown in Table 1.

表1から明らかなように、BNT添加量の比率を上げることで、キュリー温度、第二相の面積比率を増加させることができる。またBNTの添加量が0mol%(試料1−1)では高キュリー温度と第二相を得ることができていない。一方、BNTが30mol%(試料1−9)より多いと室温比抵抗が104Ω・cm程度となり、Δρが200となるため好ましくない。従って、BNT添加量を0<x≦0.3とし、aが0<a≦15[%]となるよう制御することで、低比抵抗の物を安定して作ることができる。 As is clear from Table 1, the Curie temperature and the area ratio of the second phase can be increased by increasing the ratio of the BNT addition amount. Further, when the addition amount of BNT is 0 mol% (Sample 1-1), a high Curie temperature and a second phase cannot be obtained. On the other hand, if the amount of BNT is more than 30 mol% (Sample 1-9), the room temperature resistivity becomes about 10 4 Ω · cm and Δρ becomes 200, which is not preferable. Therefore, by controlling the amount of BNT to be 0 <x ≦ 0.3 and a to be 0 <a ≦ 15 [%], a low specific resistance product can be stably produced.

[参考例2]
BNT仮焼粉の添加量、La添加量を表2に示す値とし、BT仮焼温度、焼結温度、焼結時間を参考例1と同様にして得られた焼結体の室温比抵抗、キュリー温度、抵抗温度係数、室温比抵抗のばらつきを求めた。その結果を表2に示す。表2において試料番号の横に*印を付したものは比較例である。なお、表2中のBNT添加量とLa添加量の括弧内の数値は第一相を[(BiNa)(Ba1−yLa1−x]TiOと表記したときのxとyの値である。
[Reference Example 2]
The addition amount of BNT calcined powder and the addition amount of La are the values shown in Table 2, and the BT calcining temperature, sintering temperature, and sintering time are the room temperature specific resistance of the sintered body obtained in the same manner as in Reference Example 1, Variations in Curie temperature, resistance temperature coefficient, and room temperature resistivity were obtained. The results are shown in Table 2. In Table 2, those marked with * next to the sample number are comparative examples. In Table 2, the numbers in parentheses for the BNT addition amount and the La addition amount are x and y when the first phase is expressed as [(BiNa) x (Ba 1-y La y ) 1-x ] TiO 3. Is the value of

表2よりLa添加量を増やすことで、室温比抵抗が減少させることができるのがわかる。しかし、添加量が3mol%より大きくなると(試料2−6)室温比抵抗が104Ω・cmを超えるため好ましくない。また、添加量が0mol%(試料2−1)はαが2以下となるため好ましくない。従ってLa添加量は0より大きく、2mol%以下であることが望ましい(試料2−2〜2−5)。 From Table 2, it can be seen that the room temperature resistivity can be decreased by increasing the amount of La added. However, it is not preferable that the amount added exceeds 3 mol% (Sample 2-6) because the room temperature specific resistance exceeds 10 4 Ω · cm. An addition amount of 0 mol% (Sample 2-1) is not preferable because α is 2 or less. Therefore, the amount of La added is preferably larger than 0 and 2 mol% or less (Samples 2-2 to 2-5).

[実施例1]
BaCO、TiO、Laの原料粉末を準備し、(Ba0.994La0.006)TiOとなるように配合し、さらに(Ba0.994La0.006)TiOに対し、SiO2粉を表3に示した量となるよう添加し純水で混合した。得られた混合原料粉末を表3で示した温度にて4時間大気中にて仮焼し、BT仮焼粉を用意した。
[Example 1]
Raw material powders of BaCO 3 , TiO 2 , and La 2 O 3 are prepared, blended so as to be (Ba 0.994 La 0.006 ) TiO 3, and further added to (Ba 0.994 La 0.006 ) TiO 3 . On the other hand, SiO 2 powder was added to the amount shown in Table 3 and mixed with pure water. The obtained mixed raw material powder was calcined in the atmosphere at the temperature shown in Table 3 for 4 hours to prepare BT calcined powder.

参考例1と同様にBNT仮焼粉を用意し、BNTが8mol%となるよう混合、成形、焼結、加工を行い試験片を用意し、PTCR特性を評価した。得られた焼結体の室温比抵抗、キュリー温度、抵抗温度係数、室温比抵抗のばらつきを表3に示す。表3において試料番号の横に*印を付したものは比較例である。なお、表3中のBNT添加量とLa添加量の括弧内の数値は第一相を[(BiNa)(Ba1−yLa1−x]TiOと表記したときのxとyの値である。 BNT calcined powder was prepared in the same manner as in Reference Example 1, and specimens were prepared by mixing, molding, sintering and processing so that BNT was 8 mol%, and PTCR characteristics were evaluated. Table 3 shows variations in room temperature specific resistance, Curie temperature, resistance temperature coefficient, and room temperature specific resistance of the obtained sintered body. In Table 3, an asterisk (*) beside the sample number is a comparative example. In Table 3, the numbers in parentheses of the BNT addition amount and the La addition amount are x and y when the first phase is expressed as [(BiNa) x (Ba 1-y La y ) 1-x ] TiO 3. Is the value of

表3よりSiO2添加量が0.97%mol以上、3.77mol%以下(試料3−2〜3−5)とすることで、室温比抵抗ρ25のばらつきΔρを10Ω・cm以下に低減できていることができるのがわかる。しかし、添加量が3.77mol%では室温比抵抗が104Ω・cmを超えるため好ましくない。 From Table 3, the variation Δρ in room temperature resistivity ρ25 can be reduced to 10 Ω · cm or less by setting the SiO 2 addition amount to 0.97% mol or more and 3.77 mol% or less (Samples 3 to 3-5). You can see that However, an addition amount of 3.77 mol% is not preferable because the room temperature resistivity exceeds 10 4 Ω · cm.

上述のSiO2添加量が0.97mol%以上、3.77mol%以下(試料3−2〜3−5)における第一相中Si濃度b[wt%]と第二相中Si濃度c[wt%]に注目すると、b<cとなっている。これは前述したように、第二相が焼結中の液相−固相反応にてSiを収集したためと考えられる。さらにcの値に注目すると0<c≦5wt%となるよう制御することで良好な特性を安定して得ることができる。 Si concentration b [wt%] in the first phase and Si concentration c [wt%] in the second phase when the SiO 2 addition amount is 0.97 mol% or more and 3.77 mol% or less (Samples 3 to 3-5). Note that b <c. As described above, this is presumably because Si was collected by the liquid phase-solid phase reaction during the second phase sintering. Further, when paying attention to the value of c, good characteristics can be stably obtained by controlling so that 0 <c ≦ 5 wt%.

仮焼温度を950℃、SiO2添加量を8.41mol%としたとき(試料3−6)、ρ25が104Ω・cmを超えるため好ましくない。このときb>cとなっており、これは仮焼温度を高くしたためBaCO3とTiO2の残存量が減り第二相の生成量が少なくなり、焼結中のSiの収集が不十分であったと考えられる。従ってc<bであることが望ましい。 When the calcining temperature is 950 ° C. and the SiO 2 addition amount is 8.41 mol% (Sample 3-6), ρ25 exceeds 10 4 Ω · cm, which is not preferable. At this time, b> c, and since the calcining temperature was increased, the remaining amount of BaCO 3 and TiO 2 decreased, the amount of second phase formed decreased, and the collection of Si during sintering was insufficient. It is thought. Therefore, it is desirable that c <b.

表4に試料番号1−5の焼結体の第一相と第二相の組成分析の結果を示す。第二相にはBiが含まれていないことが分かる。なお、組成分析には走査型電子顕微鏡S-2300(日立製作所製)を用いた。加速電圧20kVにて点分析を行い(X線発生領域はビーム中心から直径1μm程度)、組成分析はエネルギー分散型(EDX)の半導体X線検出器を用いて、Ba、Ti、Bi、Na、Si、Oを分析対象元素とした。ただし、X線スペクトルに明らかに前述の元素のピークが見られない場合は分析対象から外した。 Table 4 shows the results of the composition analysis of the first phase and the second phase of the sintered body of sample number 1-5. It can be seen that the second phase does not contain Bi. For composition analysis, a scanning electron microscope S-2300 (manufactured by Hitachi, Ltd.) was used. Point analysis is performed at an acceleration voltage of 20 kV (X-ray generation region is about 1 μm in diameter from the center of the beam), and composition analysis is performed using an energy dispersive (EDX) semiconductor X-ray detector, Ba, Ti, Bi, Na, Si and O were analyzed elements. However, when the above-mentioned element peak was not clearly seen in the X-ray spectrum, it was excluded from the analysis.

焼結した半導体磁器組成物の表面は粗いので平面研削盤や、スライサーを用いて加工を行なった。適宜バレル研磨などでバリや面取り加工を行なうことも有効である。加工は、半導体磁器組成物を小型の素子として回路基板に取り付けたり、加熱機構システムに組み込んだりするときに寸法精度を所定の値に保つ寸法調整の目的を兼ねて行なった。 Since the surface of the sintered semiconductor ceramic composition was rough, it was processed using a surface grinder or a slicer. It is also effective to perform burr and chamfering by barrel polishing as appropriate. The processing was performed also for the purpose of adjusting the dimensions to keep the dimensional accuracy at a predetermined value when the semiconductor ceramic composition was attached to a circuit board as a small element or incorporated in a heating mechanism system.

つぎに加工した半導体磁器組成物をトレーに搭載し、スクリーン印刷法で電極形成を行なう。トレーに搭載した半導体磁器組成物が所定の位置に正しく整列し固定されるよう、トレーには半導体磁器組成物を一方向に整列するばね機構などの工夫をすることが望ましい。まず銀微粒子と亜鉛微粒子を混合し有機バインダ、分散剤と有機溶剤で調整したペーストを印刷、乾燥しオーミック電極を所望の位置に印刷形成する。半導体磁器組成物との密着性を強くするためにガラスや酸化物等を少量混合することもしばしば有効である。なお、亜鉛は化学的な性質の似ているカドミウムを微量不純物として含有することがあるが、環境汚染の観点からは有害物質のカドミウム含有量は少ないことが望ましい。オーミック電極の表面には、さらに銀微粒子を主成分として有機バインダ、分散剤と有機溶剤で調整したペーストを印刷、乾燥し表面電極を形成する。表面電極にもガラスや酸化物等を少量混合し、密着性や緻密性を向上する効果を得ることができる。 Next, the processed semiconductor ceramic composition is mounted on a tray, and electrodes are formed by screen printing. It is desirable to devise a mechanism such as a spring mechanism for aligning the semiconductor ceramic composition in one direction on the tray so that the semiconductor ceramic composition mounted on the tray is correctly aligned and fixed at a predetermined position. First, silver fine particles and zinc fine particles are mixed, and a paste adjusted with an organic binder, a dispersant and an organic solvent is printed and dried to form an ohmic electrode at a desired position. It is often effective to mix a small amount of glass, oxide, or the like in order to enhance the adhesion to the semiconductor ceramic composition. Zinc sometimes contains cadmium having similar chemical properties as a trace impurity, but from the viewpoint of environmental pollution, it is desirable that the cadmium content of harmful substances is small. On the surface of the ohmic electrode, a paste prepared by using silver fine particles as a main component and adjusting with an organic binder, a dispersant and an organic solvent is printed and dried to form a surface electrode. A small amount of glass, oxide, or the like can also be mixed with the surface electrode to obtain an effect of improving adhesion and denseness.

こうして2層構造の電極を形成したのち、焼結炉にて電極を焼結する。なお、半導体磁器組成物の材質、オーミック電極の材質、表面電極の材質の組み合わせによっては電極焼結を2回に分ける方が望ましい場合もある。すなわちオーミック電極をいったん焼結した後に、表面電極を印刷形成し2回目の焼結を行なう方法である。これにより、オーミック電極と表面電極の相互拡散が抑制されそれぞれの特徴を十分に発揮させることができる。さらに半導体磁器組成物の材質、オーミック電極の材質、表面電極の材質によっては、その特徴を発揮させるために焼結時の雰囲気を調整する場合もあり、特に酸素濃度を調整することで電極密着強度と電気特性を向上できる場合がある。酸素濃度を調整するためには空気と窒素ガスを混合して、その比率を変更することが最も容易である。印刷、焼結の工法によって形成したオーミック電極、表面電極それぞれの焼結後の厚みは通常5から20μm程度にすると制御し易い。これらの電極は印刷、焼結による形成方法だけではなく、真空蒸着やイオンプレーティング、スパッタ、めっきなどの薄膜法で形成することも可能である。薄膜法で形成するときには所望ではない部分にも電極が付着することがあるので、平面研削盤や、スライサーを用いた加工は電極形成の後で行い、所望ではない部分に付着した電極の除去を兼ねるように加工することが合理的である。 After forming a two-layer electrode in this way, the electrode is sintered in a sintering furnace. Depending on the combination of the material of the semiconductor porcelain composition, the material of the ohmic electrode, and the material of the surface electrode, it may be desirable to separate the electrode sintering into two times. In other words, after the ohmic electrode is once sintered, the surface electrode is printed and the second sintering is performed. Thereby, the mutual diffusion of the ohmic electrode and the surface electrode is suppressed, and the respective characteristics can be sufficiently exhibited. Furthermore, depending on the material of the semiconductor porcelain composition, the material of the ohmic electrode, and the material of the surface electrode, the atmosphere during sintering may be adjusted in order to exhibit its characteristics. In particular, the electrode adhesion strength can be adjusted by adjusting the oxygen concentration. In some cases, electrical characteristics can be improved. In order to adjust the oxygen concentration, it is easiest to change the ratio by mixing air and nitrogen gas. The thickness after sintering of the ohmic electrode and the surface electrode formed by the printing and sintering methods is usually easily controlled to about 5 to 20 μm. These electrodes can be formed not only by printing and sintering, but also by thin film methods such as vacuum deposition, ion plating, sputtering, and plating. Since electrodes may adhere to undesired parts when forming by the thin film method, processing using a surface grinder or slicer is performed after electrode formation, and the electrodes attached to undesired parts are removed. It is reasonable to process it so that it also doubles.

半導体磁器組成物を発熱体素子として用いるとき、電極の構造と配置は半導体磁器組成物を介して2つの電極が離れた位置で対になっていることが基本である。しかし時には3箇所以上に分離して設けることも応用設計として有効である。図2には本発明の半導体磁器組成物1に幅w(2mm)の帯状電極をそれぞれ間隔d(10mm)をおいて3箇所に設けて発熱体素子10とした例を示す。この例では電極1aと電極1b間の間隔は10mmであり、その間の室温での直流抵抗は20Ωであった。電極1aと電極1c間の間隔は22mmであり、その間の室温での直流抵抗は40Ωであった。電極1aと電極1b間に直流/交流いずれでも良いので20Vの電圧を印加し3分以上放置して自己発熱が安定したところで電流を測定すると2.6A、消費電力は52Wであった。一方、電極1aと電極1c間に同様に20Vの電圧を印加すると、安定状態での電流は1.3A、消費電力は26Wに半減した。さらに中央の電極1bを共通電極にして電極1aと電極1cに同じ電圧(交流の場合は同じ位相、かつ同じ振幅の電圧)20Vを印加すると、電流は5.2A、消費電力は104Wであった。上記いずれの場合でも安定状態の温度は電力にはほとんど関係なく、材料のキュリー温度に従いほぼ一定であった。このように2箇所以上、図2の例では3箇所に分離して電極を設ければ電圧を印加する電極を適切に選択することによって消費電力を数段階に変更することが可能であり電源装置の負荷状況や、希望する加熱の緩急の必要度合いに応じて単純な外付けスイッチなどで選択することができる。 When a semiconductor porcelain composition is used as a heating element, the structure and arrangement of the electrodes are basically such that two electrodes are paired at a position separated via the semiconductor porcelain composition. However, sometimes it is also effective as an applied design to be provided separately in three or more places. FIG. 2 shows an example in which the heating element 10 is formed by providing the semiconductor ceramic composition 1 of the present invention with strip electrodes having a width w (2 mm) at three positions with a distance d (10 mm). In this example, the distance between the electrode 1a and the electrode 1b was 10 mm, and the DC resistance at that time was 20Ω. The distance between the electrode 1a and the electrode 1c was 22 mm, and the DC resistance at room temperature was 40Ω. Since either direct current or alternating current may be applied between the electrode 1a and the electrode 1b, a current of 2.6A and power consumption of 52W were measured when a voltage of 20V was applied and left for 3 minutes or longer and the self-heating was stabilized. On the other hand, when a voltage of 20 V was similarly applied between the electrode 1a and the electrode 1c, the current in the stable state was reduced to 1.3 A and the power consumption was reduced to 26 W. Furthermore, when the central electrode 1b was used as a common electrode and the same voltage (voltage having the same phase and the same amplitude in the case of alternating current) 20V was applied to the electrodes 1a and 1c, the current was 5.2A and the power consumption was 104W. . In any of the above cases, the temperature in the stable state was almost constant according to the Curie temperature of the material, irrespective of the electric power. As described above, if the electrodes are provided separately in two or more places, or three places in the example of FIG. 2, the power consumption can be changed in several stages by appropriately selecting the electrodes to which the voltage is applied. It can be selected with a simple external switch or the like according to the load condition of the user and the degree of necessity of heating desired.

本発明の半導体磁器組成物に上記の例とは異なる構造と配置の電極を3箇所に分離して電極2a,電極2b,電極2cを設けた発熱体素子11を製作した。図3を参照しながら説明をする。焼成と加工を行なった半導体磁器組成物2の大きさは10mm×23mmの平板状で厚みは0.7mmである。電極2aと電極2cはそれぞれ一辺(W)が10mmの正方形であり間隙D(3mm)をあけて同一の面に並ぶように形成した。電極2bは、電極2aや電極2cとは平板状の半導体磁器組成物をはさんで反対側の面のほぼ全面にわたって形成した。 In the semiconductor ceramic composition of the present invention, a heating element 11 having electrodes 2a, 2b, and 2c provided with electrodes having a structure and arrangement different from those of the above example in three locations was manufactured. This will be described with reference to FIG. The size of the sintered ceramic porcelain composition 2 is 10 mm × 23 mm and the thickness is 0.7 mm. The electrode 2a and the electrode 2c were each formed to be a square having a side (W) of 10 mm and to be aligned on the same plane with a gap D (3 mm). The electrode 2b was formed over almost the entire surface opposite to the electrode 2a and the electrode 2c with a flat-plate semiconductor ceramic composition interposed therebetween.

この発熱体素子を電極を兼ねた金属製の放熱フィンに挟み込むようにして固定した。このときの放熱フィンの構造を図4を参照しながら説明する。発熱体素子11の一方の面に形成した電極2aは電力供給電極20aに熱的および電気的に密着し、電極2cは電力供給電極20cに熱的および電気的に密着し、他方の面に形成した電極2bは電力供給電極20bに熱的および電気的に密着するよう組み立てられ発熱モジュール20となる。電力供給電極20a,20b,20cはそれぞれ放熱フィン20a1,20b1,20c1と熱的に接続している。発熱体素子11で生じた熱は電極2a,2b,2c,電力供給電極20a,20b,20c,放熱フィン20a1,20b1,20c1の順に伝わり主に放熱フィン20a1,20b1,20c1から雰囲気中に放出される。電力供給電極20a,20c間に設けた絶縁物20dは両者の電気的絶縁を図る。電源との接続は電力供給電極20aと電力供給電極20bの間、または電力供給電極20cと電力供給電極20bの間に接続すれば低消費電力となり、電力供給電極20aおよび電力供給電極20cの両方と電力供給電極20bの間に接続すれば大消費電力となり、消費電力を2段階に変更することが可能である。こうして電源装置の負荷状況や、希望する加熱の緩急の必要度合いに応じて加熱能力を切り替え可能な発熱モジュールとなる。 The heating element was fixed so as to be sandwiched between metal heat radiation fins that also served as electrodes. The structure of the radiation fin at this time will be described with reference to FIG. The electrode 2a formed on one surface of the heating element 11 is in thermal and electrical contact with the power supply electrode 20a, and the electrode 2c is in thermal and electrical contact with the power supply electrode 20c and formed on the other surface. The formed electrode 2b is assembled to be in thermal and electrical contact with the power supply electrode 20b to form the heat generating module 20. The power supply electrodes 20a, 20b, and 20c are thermally connected to the radiation fins 20a1, 20b1, and 20c1, respectively. Heat generated in the heating element 11 is transmitted in the order of the electrodes 2a, 2b, 2c, the power supply electrodes 20a, 20b, 20c, and the radiation fins 20a1, 20b1, 20c1, and is mainly released from the radiation fins 20a1, 20b1, 20c1 into the atmosphere. The An insulator 20d provided between the power supply electrodes 20a and 20c achieves electrical insulation between them. When the power supply is connected between the power supply electrode 20a and the power supply electrode 20b, or between the power supply electrode 20c and the power supply electrode 20b, the power consumption is reduced, and both the power supply electrode 20a and the power supply electrode 20c are connected. When connected between the power supply electrodes 20b, the power consumption becomes large, and the power consumption can be changed in two stages. In this way, the heat generating module is capable of switching the heating capacity in accordance with the load condition of the power supply device and the degree of necessity of heating desired.

上記の加熱能力切り替え可能な発熱モジュールを電源に接続して加熱機構システムを製作した例を図5を参照しながら説明する。用意する電源は直流/交流どちらでも良い。発熱モジュール20の電力供給電極20aと電力供給電極20cはそれぞれ別のスイッチ30a,30bを介して電源30cの一方の電極に並列接続され、電力供給電極20bは共通端子として電源30cの他方の電極に接続され加熱機構システム30を構成する。スイッチ30a,30bの何れか一方を投入すれば加熱能力を小さくして電源の負荷を軽くすることができ、両方を投入すれば加熱能力を大きくすることができる。電源の位相や振幅を調整する回路が不要なので簡単に加熱能力を切り替え可能な加熱機構システムを実現することができる。安定状態の温度は半導体磁器組成物のキュリー温度で一定に収束するので温度検出機構や目標温度との比較機構、加熱電力調整回路なども不要なため、非常に簡単に加熱機構システムを実現することができる。図5に示したフィンの間に空気を流して暖めたり、水などの液体を通す管状の金属を接続して液体を温めるために好適で安全な加熱機構システムとすることができる。 An example in which a heating mechanism system is manufactured by connecting the heating module capable of switching the heating capacity to a power source will be described with reference to FIG. The power supply to be prepared may be either DC / AC. The power supply electrode 20a and the power supply electrode 20c of the heat generating module 20 are connected in parallel to one electrode of the power supply 30c via separate switches 30a and 30b, respectively, and the power supply electrode 20b is connected to the other electrode of the power supply 30c as a common terminal. The heating mechanism system 30 is connected. If either one of the switches 30a and 30b is turned on, the heating capacity can be reduced to reduce the load of the power source, and if both are turned on, the heating capacity can be increased. Since a circuit for adjusting the phase and amplitude of the power supply is not required, a heating mechanism system capable of easily switching the heating capacity can be realized. Since the temperature in the stable state converges uniformly at the Curie temperature of the semiconductor porcelain composition, a temperature detection mechanism, a comparison mechanism with the target temperature, a heating power adjustment circuit, etc. are unnecessary, so a heating mechanism system can be realized very easily. Can do. It is possible to provide a heating mechanism system that is suitable and safe for warming a liquid by flowing air between fins shown in FIG. 5 or connecting a tubular metal through which a liquid such as water passes.

本発明により得られる半導体磁器組成物は、PTCサーミスタ、PTCヒータ、PTCスイッチ、温度検知器などの材料として最適である。 The semiconductor ceramic composition obtained by the present invention is most suitable as a material for PTC thermistors, PTC heaters, PTC switches, temperature detectors and the like.

1,2 半導体磁器組成物
1a,1b,1c,2a,2b,2c 電極
10,11 発熱体素子
20 発熱モジュール
20a,20b,20c 電力供給電極
20a1,20b1,20c1 放熱フィン
20d 絶縁物
30 加熱機構システム
30a,30b スイッチ
30c 電源
1, 2 Semiconductor porcelain compositions 1a, 1b, 1c, 2a, 2b, 2c Electrodes 10, 11 Heating element 20 Heating modules 20a, 20b, 20c Power supply electrodes 20a1, 20b1, 20c1 Radiation fins 20d Insulator 30 Heating mechanism system 30a, 30b Switch 30c Power supply

本発明は、PTCサーミスタ、PTCヒータ、PTCスイッチ、温度検知器などに用いられる、正の抵抗温度係数を有する半導体磁器組成物の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a semiconductor ceramic composition having a positive resistance temperature coefficient used for a PTC thermistor, a PTC heater, a PTC switch, a temperature detector, and the like.

従来、PTCR特性(正の比抵抗温度係数:Positive Temperature Coefficient of Resistivity)を示す材料としてBaTiOに様々な半導体化元素を加えた組成物が提案されている。これらの組成物は、キュリー温度が120℃前後である。なお、これら組成物は、用途に応じてキュリー温度をシフトさせることが必要になる。 Conventionally, a composition in which various semiconducting elements are added to BaTiO 3 has been proposed as a material exhibiting PTCR characteristics (Positive Temperature Coefficient of Resistivity). These compositions have a Curie temperature around 120 ° C. These compositions need to shift the Curie temperature depending on the application.

例えば、BaTiOにSrTiOを添加することによってキュリー温度をシフトさせることが提案されているが、この場合、キュリー温度は負の方向にのみシフトし、正の方向にはシフトしない。現在、キュリー温度を正の方向にシフトさせる添加元素として知られているのはPbTiOである。しかし、PbTiOは環境汚染を引き起こすPbを含有するため、近年、PbTiOを使用しない材料が要望されている。 For example, it has been proposed to shift the Curie temperature by adding SrTiO 3 to BaTiO 3 , but in this case, the Curie temperature is shifted only in the negative direction and not in the positive direction. Currently, PbTiO 3 is known as an additive element that shifts the Curie temperature in the positive direction. However, since PbTiO 3 contains Pb that causes environmental pollution, a material that does not use PbTiO 3 has been demanded in recent years.

BaTiO系半導体磁器において、Pb置換による抵抗温度係数の低下を防止するとともに、電圧依存性を小さくし、生産性や信頼性を向上させることを目的として、PbTiOを使用しない、BaTiOのBaの一部をBi−Naで置換したBa1−2x(BiNa)TiOなる構造において、xを0<x≦0.15の範囲とした組成物にNb、Taまたは希土類元素のいずれか一種または一種以上を加えて窒素中で焼結した後、酸化性雰囲気中で熱処理するBaTiO系半導体磁器の製造方法が提案されている(特許文献1)。 In BaTiO 3 -based semiconductor ceramics, BaB of BaTiO 3 that does not use PbTiO 3 is used for the purpose of preventing a decrease in resistance temperature coefficient due to Pb substitution, reducing voltage dependency, and improving productivity and reliability. In the structure of Ba 1-2x (BiNa) x TiO 3 in which a part of Bi is substituted with Bi-Na, a composition in which x is in the range of 0 <x ≦ 0.15 is selected from any one of Nb, Ta, and rare earth elements Alternatively, a BaTiO 3 -based semiconductor ceramic manufacturing method in which one or more elements are added and sintered in nitrogen and then heat-treated in an oxidizing atmosphere has been proposed (Patent Document 1).

特許文献1には、実施例として、半導体化元素としてNdを0.1モル%添加した組成物が開示されているが、組成物の原子価制御を行う場合、3価の陽イオンを半導体化元素として添加すると、半導体化の効果が1価のNaイオンの存在のために低下する。そのため、室温比抵抗が高くなるという問題がある。 Patent Document 1 discloses, as an example, a composition in which 0.1 mol% of Nd 2 O 3 is added as a semiconducting element. However, when the valence of the composition is controlled, a trivalent cation is disclosed. Is added as a semiconducting element, the semiconducting effect is reduced due to the presence of monovalent Na ions. Therefore, there exists a problem that room temperature specific resistance becomes high.

PTC材料における大きな特徴は、PTC材料の比抵抗値がキュリー点Tc(単位:℃)で急激に高くなること(ジャンプ特性=抵抗温度係数α)にあるが、これは、結晶粒界に形成された抵抗(ショットキー障壁による抵抗)が増大するために起こると考えられている。Tcは比抵抗値が25℃における比抵抗値の2倍となる温度と定義される。また抵抗温度係数αは次式で定義される。PTC材料の特性としては、この比抵抗値のジャンプ特性が高いものが要求されている。
(ここで、αの単位はΩ・cm、Rは最大比抵抗、TはRを示す温度、Tcはキュリー点、RはTにおける比抵抗である。)
A major feature of the PTC material is that the specific resistance value of the PTC material rapidly increases at the Curie point Tc (unit: ° C.) (jump characteristic = resistance temperature coefficient α), which is formed at the grain boundary. It is believed that this occurs because of increased resistance (resistance due to the Schottky barrier). Tc is defined as the temperature at which the specific resistance value is twice the specific resistance value at 25 ° C. Further, the temperature coefficient of resistance α is defined by the following equation. As a characteristic of the PTC material, one having a high jump characteristic of this specific resistance value is required.
(Here, the unit of α is Ω · cm, R 1 is the maximum specific resistance, T 1 is the temperature indicating R 1 , Tc is the Curie point, and R c is the specific resistance at T c )

特許文献1のようなPbを含有しないPTC材料は、ジャンプ特性に優れているものは室温比抵抗が高く、ジャンプ特性に劣るものは室温比抵抗が低くなり過ぎるという傾向があり、安定した室温比抵抗と優れたジャンプ特性を両立することができないという問題があった。また、ジャンプ特性が劣るものは、当該材料に電流を流した際、キュリー点付近での温度変動が大きくなるとともに、キュリー点よりも安定温度が高くなる傾向があるなどの問題があった。 A PTC material that does not contain Pb as in Patent Document 1 has a high room temperature specific resistance when it has excellent jump characteristics, and a low room temperature specific resistance when it has poor jump characteristics. There was a problem that it was not possible to achieve both resistance and excellent jump characteristics. In addition, the inferior jump characteristic has a problem that, when an electric current is passed through the material, the temperature variation near the Curie point increases and the stable temperature tends to be higher than the Curie point.

安定温度の変動を抑制し、材料設計を容易に行うためには、ジャンプ特性を向上させる必要があり、それには室温比抵抗を若干上げることが考えられるが、高いジャンプ特性の維持と室温比抵抗の上昇抑制を両立することは非常に困難であり、室温比抵抗が上がり過ぎて実用的な範囲を超えてしまうのが通例であった。 In order to suppress fluctuations in the stable temperature and to facilitate material design, it is necessary to improve jump characteristics. For this purpose, it is conceivable to slightly increase the room temperature resistivity, but maintaining high jump characteristics and room temperature resistivity It is very difficult to achieve both suppression of the increase in the temperature, and it is usual that the room temperature specific resistance increases too much and exceeds the practical range.

また、特許文献1には、実施例として、出発原料となるBaCO、TiO、Bi、Na、PbOなど、組成物を構成する全ての元素を仮焼前に混合し、仮焼、成形、焼結、熱処理することが開示されているが、BaTiOのBaの一部をBi−Naで置換した組成物において、組成物を構成する全ての元素を仮焼前に混合すると、仮焼工程において、Biが揮散してBi−Naに組成ずれが生じ、それにより異相の生成が促進され、室温比抵抗の上昇、キュリー温度のばらつきを惹起するという問題がある。 In Patent Document 1, as an example, all elements constituting the composition such as BaCO 3 , TiO 2 , Bi 2 O 3 , Na 2 O 3 , and PbO as starting materials are mixed before calcination. , Calcining, molding, sintering, and heat treatment are disclosed, but in a composition in which a part of BaTiO 3 is replaced with Bi-Na, all elements constituting the composition are subjected to pre-calcination. When mixed, in the calcination step, Bi is volatilized and a composition shift occurs in Bi-Na, thereby promoting the generation of a heterogeneous phase, resulting in an increase in room temperature resistivity and a Curie temperature variation.

Biの揮散を抑制するため、低い温度で仮焼するということも考えられるが、Biの揮散は抑制されるものの、完全な固溶体を形成することができず、所望の特性を得ることができないという問題がある。 In order to suppress the volatilization of Bi, calcining at a low temperature may be considered, but although the volatilization of Bi is suppressed, a complete solid solution cannot be formed and desired characteristics cannot be obtained. There's a problem.

発明者らは先に、上述した従来のBaTiO系半導体磁器の問題を解決するため、Pbを使用することなく、キュリー温度を正の方向へシフトすることができるとともに、室温比抵抗を大幅に低下させた、BaTiOのBaの一部をBi−Naで置換した材料として、[(A10.5A20.5(Ba1−y1−x]TiO(A1はNa、K、Liのこれらから選ばれる少なくとも一種以上、A2はBi、QはLa、Dy、Eu、Gdのこれらから選ばれる少なくとも一種以上)、0<x≦0.2、0.002<y≦0.01を満足する半導体磁器組成物、及び[(A10.5A20.5Ba1−x][Ti1−z]O(A1はNa、K、Liのこれらから選ばれる少なくとも一種以上、A2はBi、MはNb、Ta、Sbのこれらから選ばれる少なくとも一種以上)0<x≦0.2、0<z≦0.01を満足する半導体磁器組成物を提案した(特許文献2)。 In order to solve the problems of the above-described conventional BaTiO 3 -based semiconductor ceramics, the inventors can shift the Curie temperature in the positive direction without using Pb, and greatly increase the room temperature resistivity. [(A1 0.5 A2 0.5 ) x (Ba 1-y Q y ) 1-x ] TiO 3 (A1 is a material obtained by substituting a part of BaTiO 3 with Bi—Na. At least one selected from Na, K, Li, A2 is Bi, Q is at least one selected from La, Dy, Eu, and Gd), 0 <x ≦ 0.2, 0.002 <y Semiconductor porcelain composition satisfying ≦ 0.01, and [(A1 0.5 A2 0.5 ) x Ba 1-x ] [Ti 1-z M z ] O 3 (A1 is one of Na, K, and Li) At least one selected from A, Is Bi, M proposed Nb, Ta, at least one or more selected from these Sb) to 0 <x ≦ 0.2, 0 a semiconductor ceramic composition satisfying the <z ≦ 0.01 (Patent Document 2).

さらに発明者らは、上記特許文献2による半導体磁器組成物を製造するに際して、(BaQ)TiO組成物と(BiNa)TiO組成物を別々に用意し、(BaQ)TiO組成物は比較的高温で、(BiNa)TiO組成物は比較的低温で、それぞれに応じた最適温度で仮焼することにより、(BiNa)TiO組成物のBiの揮散が抑制され、Bi−Naの組成ずれを防止して異相の生成を抑制することができ、それら仮焼粉を混合して、成形、焼結することにより室温比抵抗が低く、キュリー温度のばらつきが抑制された半導体磁器組成物が得られることを提案した(特許文献3)。 Furthermore, the inventors prepared a (BaQ) TiO 3 composition and a (BiNa) TiO 3 composition separately when manufacturing the semiconductor ceramic composition according to Patent Document 2, and the (BaQ) TiO 3 composition was compared. (BiNa) TiO 3 composition is relatively low temperature and calcined at the optimum temperature corresponding to each, thereby suppressing the volatilization of Bi in (BiNa) TiO 3 composition, and the composition of Bi-Na A semiconductor porcelain composition having low room temperature resistivity and curie temperature variation can be prevented by preventing misalignment and suppressing the formation of heterogeneous phases, mixing, calcining, molding, and sintering. It was proposed that it be obtained (Patent Document 3).

さらに発明者らは特許文献3における仮焼粉の(BaQ)TiO 組成物を製造するにあたり、原料であるTiO2とBaCO3を僅かに残存するよう仮焼する(特許文献4)、または仮焼粉である(BaQ)TiO組成物に原料であるTiO2とBaCO3を僅かに添加することで(特許文献5)、室温比抵抗がさらに低く、キュリー温度のばらつきが抑制された半導体磁器組成物が得られることを提案した。 Upon further inventors to produce a calcined powder of (BaQ) TiO 3 composition in Patent Document 3, calcined to slightly remain TiO 2 and BaCO 3, which is a raw material (Patent Document 4), or temporary Semiconductor porcelain in which TiO 2 and BaCO 3 as raw materials are slightly added to the (BaQ) TiO 3 composition that is a calcined powder (Patent Document 5), the room temperature resistivity is further reduced, and the Curie temperature variation is suppressed. It was proposed that a composition could be obtained.

特開昭56−169301号公報JP-A-56-169301 特開2005−255493号公報JP 2005-255493 A WO2006/118274A1公報WO2006 / 118274A1 publication WO2008/050876A1公報WO2008 / 050876A1 WO2008/050877A1公報WO2008 / 050877A1 Publication

発明者らによって提案された上記の半導体磁器組成物は、従来の材料に比べ、室温比抵抗が低く、且つジャンプ特性に優れるものであるが、PTCサーミスタ、PTCヒータ、PTCスイッチなどの各種用途に供するためには、同じPTCR特性のものを安定して得ることが必要である。 The above-mentioned semiconductor ceramic composition proposed by the inventors has a low room temperature resistivity and excellent jump characteristics as compared with conventional materials, but it is suitable for various applications such as PTC thermistors, PTC heaters, and PTC switches. In order to provide it, it is necessary to stably obtain the same PTCR characteristics.

上記の半導体磁器組成物のPTCR特性に焼結条件が大きく影響するため、ジャンプ特性を安定して得るためには、焼結炉内に存在する温度、雰囲気のばらつきを抑制する必要がある。しかしこれを達成することは容易ではない。 Since sintering conditions greatly affect the PTCR characteristics of the above-mentioned semiconductor ceramic composition, it is necessary to suppress variations in temperature and atmosphere existing in the sintering furnace in order to stably obtain jump characteristics. But this is not easy to achieve.

本発明は、BaTiO3のBaの一部をBi-Naで置換した半導体磁器組成物において、ジャンプ特性がある程度確保され、且つ求められる室温比抵抗を有する半導体磁器組成物を安定して得るための製造方法を提供することを目的とする。 The present invention provides a semiconductor ceramic composition in which a part of Ba in BaTiO 3 is substituted with Bi-Na, and a jump characteristic is ensured to some extent, and a semiconductor ceramic composition having a required room temperature resistivity is stably obtained. An object is to provide a manufacturing method.

発明者らは、上記目的を達成すべく、鋭意研究の結果、発明者らが先に提案した上記特許文献3及び4,5を組み合わせた方法、すなわち、(BaQ)TiO3組成物またはBa(TiM)O3組成物(以下「BT仮焼粉」と称する)と(BiNa)TiO3組成物(以下「BNT」仮焼粉と称する)を別々に用意し、BT仮焼粉とBNT仮焼粉をそれぞれ仮焼する方法(以下「分割仮焼法」と称する)及び、上述BT仮焼粉の原料にSiを添加することに着目した。 In order to achieve the above object, the inventors of the present invention, as a result of earnest research, combined the above-mentioned Patent Documents 3 and 4, 5 previously proposed by the inventors, that is, a (BaQ) TiO 3 composition or Ba ( TiM) O 3 composition (hereinafter referred to as “BT calcined powder”) and (BiNa) TiO 3 composition (hereinafter referred to as “BNT” calcined powder) are prepared separately, and BT calcined powder and BNT calcined powder are prepared. how powder calcination, respectively it (hereinafter referred to as "separate calcination method") and was focused on the addition of Si to the raw material of the above calcined BT powder.

本願第1の発明は、(BaQ)TiO3組成物(QはLa、Dy、Eu、Gdのこれらから選ばれる少なくとも一種以上)の原料と(BiNa)TiO3組成物の原料を別々に用意してそれぞれ仮焼し、その後、前記(BaQ)TiO3組成物と(BiNa)TiO3組成物を混合、焼結する半導体磁器組成物の製造方法であって、
前記(BaQ)TiO3組成物を用意する際、前記(BaQ)TiO3組成物の原料にSiを添加してから仮焼することを特徴とする。
前記(BaQ)TiO3組成物の原料に対して、前記SiをSiO 2 換算で0.97〜2.86mol%添加することが好ましい。
組成式(Ba1−xLax)TiO(0<x≦0.02)で表される前記(BaQ)TiO3組成物を選択することができる。
前記半導体磁器組成物が、第一相をBaとTiとBiおよびNaを主とする酸化物とし、第二相をBaとTiを主とする酸化物とし、前記第一相が組成式[(BiNa)x(Ba1-yLa1-x]TiO3と表し0<x≦0.3、0<y≦0.02を満足する組成になるように前記の仮焼した組成物を混合することが好ましい。
First aspect of the invention, (BaQ) TiO 3 composition (Q is La, Dy, Eu, at least one kind selected from these Gd) prepared separately and raw ingredients and (BiNa) TiO 3 composition And calcining each, and then mixing and sintering the (BaQ) TiO 3 composition and (BiNa) TiO 3 composition,
When preparing the (BaQ) TiO 3 composition, characterized by calcination after the addition of Si to the raw material of the (BaQ) TiO 3 composition.
It is preferable to add 0.97 to 2.86 mol% of Si in terms of SiO 2 with respect to the raw material of the (BaQ) TiO 3 composition.
The (BaQ) TiO 3 composition represented by the composition formula (Ba 1-x La x ) TiO 3 (0 <x ≦ 0.02) can be selected.
In the semiconductor ceramic composition, the first phase is an oxide mainly composed of Ba, Ti, Bi and Na, the second phase is an oxide mainly composed of Ba and Ti, and the first phase is represented by a composition formula [( BiNa) x (Ba 1-y La y ) 1-x ] TiO 3, and the calcined composition may be mixed so that the composition satisfies 0 <x ≦ 0.3 and 0 <y ≦ 0.02. preferable.

本発明の製造方法によれば、室温比抵抗のばらつきΔρを小さくすることができる。Siを添加し、第一相と第二相中のSi濃度を制御することにより、いっそう粒界構造を安定化させ、室温比抵抗のばらつきを小さくすることができる。 According to the production method of the present invention, it is possible to reduce variations Δρ of resistivity at room temperature. By adding Si and controlling the Si concentration in the first phase and the second phase, the grain boundary structure can be further stabilized and the variation in the room temperature resistivity can be reduced.

PTCR特性の評価指数であるジャンプ特性αが2[%/℃]以上であり、室温比抵抗ρ25が10The jump characteristic α, which is an evaluation index of PTCR characteristics, is 2% / ℃ or more, and the room temperature resistivity ρ25 is 10 4Four Ω・cm未満であり、キュリー温度Tcが130℃以上である半導体磁器組成物が得られる。A semiconductor ceramic composition that is less than Ω · cm and has a Curie temperature Tc of 130 ° C. or higher is obtained.

また本発明によれば、通常の電気ヒーターで必要とされる温度計などの温度検出手段、設定温度との比較回路、供給電力調整回路、熱暴走やそれに伴う火災などに備えた安全のための過熱検出機構と電力供給遮断機構などを省略することが可能になり、小型で安価な加熱機構システムを実現することが可能になる。従来のPbを含む半導体磁器組成物を用いた発熱体素子を組み込んだ場合においても、温度計などの温度検出手段、設定温度との比較回路、供給電力調整回路を省略することが可能である。しかしながらPbを含む半導体磁器組成物では200℃付近より高い温度範囲では抵抗値が低下する特性があるために熱暴走やそれに伴う火災などに備えた安全のための過熱検出機構と電力供給遮断機構などを設けなければいけない場合がある。それをも省略することが可能になる本発明による加熱機構システムは最も簡便にも関わらず安全性を兼ね備えたものとなる。 Further, according to the present invention, a temperature detection means such as a thermometer required for a normal electric heater, a comparison circuit with a set temperature, a supply power adjustment circuit, a thermal runaway and a safety in preparation for a fire accompanying it It becomes possible to omit the overheat detection mechanism, the power supply cutoff mechanism, and the like, and to realize a small and inexpensive heating mechanism system. Even when a conventional heating element using a semiconductor ceramic composition containing Pb is incorporated, it is possible to omit temperature detection means such as a thermometer, a comparison circuit with a set temperature, and a supply power adjustment circuit. However, since the semiconductor ceramic composition containing Pb has a characteristic that the resistance value decreases in a temperature range higher than about 200 ° C., an overheat detection mechanism and a power supply shut-off mechanism for safety in preparation for thermal runaway or fire accompanying it, etc. It may be necessary to provide. The heating mechanism system according to the present invention, which can also be omitted, has safety even though it is the simplest.

本発明による半導体磁器組成物の走査型電子顕微鏡(SEM)による観察像を示す写真である。It is a photograph which shows the observation image by the scanning electron microscope (SEM) of the semiconductor ceramic composition by this invention. 本発明による半導体磁器組成物の利用方法の応用として多数電極を設けた場合の、特に片面に合計3箇所設けた場合の素子の一例である。It is an example of the element when a large number of electrodes are provided as an application of the method of using the semiconductor ceramic composition according to the present invention, particularly when a total of three places are provided on one side. 本発明による半導体磁器組成物の利用方法の応用として多数電極を設けた場合の、特に両面に合計3箇所設けた場合の素子の一例である。It is an example of the element when a large number of electrodes are provided as an application of the method of using the semiconductor ceramic composition according to the present invention, particularly when a total of three locations are provided on both sides. 本発明による半導体磁器組成物に電極を設け、電極を兼ねた金属製の放熱フィンに挟み込んで固定した形態の発熱モジュールの模式図。The schematic diagram of the heat generating module of the form which provided the electrode in the semiconductor ceramic composition by this invention, and was inserted | pinched and fixed to the metal radiation fin which served as the electrode. 図4の発熱モジュールに電源を接続した加熱機構システムの模式図。The schematic diagram of the heating mechanism system which connected the power supply to the heat generating module of FIG.

本発明の製造方法において、半導体磁器組成物の第一相は、BaTiOのBaの一部をBi−Naで置換した、組成を含むものであればいずれの組成でも採用できるが、組成式を[(BiNa)(Ba1−yLa1−x]TiOと表し0<x≦0.3、0<y≦0.02を満足する組成が好ましい。 In the production method of the present invention, the first phase of the semiconductor porcelain composition may be any composition as long as it includes a composition in which a part of BaTiO 3 is replaced with Bi—Na. A composition represented by [(BiNa) x (Ba 1-y La y ) 1-x ] TiO 3 and satisfying 0 <x ≦ 0.3 and 0 <y ≦ 0.02 is preferable.

上記[(BiNa)(Ba1−yLa1−x]TiO組成物において、xは(BiNa)の成分範囲を示し0<x≦0.3が好ましい範囲である。xが0ではキュリー温度を高温側へシフトすることができず、0.3を超えると室温の比抵抗が10Ωcmに近づき、PTCヒータなどに適用することが困難となるため好ましくない。 In the [(BiNa) x (Ba 1-y La y ) 1-x ] TiO 3 composition, x represents the component range of (BiNa), and 0 <x ≦ 0.3 is a preferred range. If x is 0, the Curie temperature cannot be shifted to the high temperature side, and if it exceeds 0.3, the specific resistance at room temperature approaches 10 4 Ωcm, which makes it difficult to apply to a PTC heater or the like.

上記[(BiNa)(Ba1−yLa1−x]TiO組成物において、yはLaの成分範囲を示し、0<y≦0.02が好ましい範囲である。yが0では組成物が半導体化せず、0.02を超えると室温の抵抗率が大きくなるため好ましくない。このyの値を変化させて、原子価制御を行うのであるが、Baの一部をBi−Naで置換した系において、組成物の原子価制御を行う場合、3価の陽イオンを半導体化元素として添加すると半導体化の効果が1価のNaイオンの存在とBiの揮散のために低下し、室温の抵抗率が高くなるという問題がある。従って、より好ましい範囲は0.002≦y≦0.02である。なお、0.002≦y≦0.02はmol%表記では0.2mol%〜2.0mol%となる。ちなみに、先述した特許文献1においては、半導体元素としてNdを0.1mol%添加しているが、これではPTC用途としては十分な半導体化を実現できていないものと考えられる。 In the [(BiNa) x (Ba 1-y La y ) 1-x ] TiO 3 composition, y represents a component range of La, and 0 <y ≦ 0.02 is a preferred range. If y is 0, the composition does not become a semiconductor, and if it exceeds 0.02, the resistivity at room temperature increases, such being undesirable. The valence is controlled by changing the value of y. In a system in which a part of Ba is replaced with Bi-Na, when the valence of the composition is controlled, a trivalent cation is made into a semiconductor. When added as an element, there is a problem that the effect of semiconductorization is lowered due to the presence of monovalent Na ions and volatilization of Bi, and the resistivity at room temperature is increased. Therefore, a more preferable range is 0.002 ≦ y ≦ 0.02. Note that 0.002 ≦ y ≦ 0.02 is 0.2 mol% to 2.0 mol% in terms of mol%. Incidentally, in the above-mentioned Patent Document 1, 0.1 mol % of Nd 2 O 3 is added as a semiconductor element. However, it is considered that sufficient semiconductorization for PTC use cannot be realized.

上述した[(BiNa)(Ba1−yLa1−x]TiOにおいて、BiとNaの比は1:1を基本とする。組成式では、[(Bi0.5Na0.5(Ba1−y1−x]TiO、と表記することができる。前述の「BiとNaの比は1:1を基本とする」と明記したのは、仮焼工程などにおいてBiが揮散してBiとNaの比が1:1とならないことがあるためである。従って原料配合時はBiとNaの比が1:1であるが、焼結体では1:1になっていない場合なども、本発明に含まれるものとする。 In the above-described [(BiNa) x (Ba 1 -y La y) 1-x] TiO 3, the ratio of Bi and Na is 1: 1 to the basic. In the composition formula, it can be expressed as [(Bi 0.5 Na 0.5 ) x (Ba 1-y R y ) 1-x ] TiO 3 . The reason why “the ratio of Bi and Na is based on 1: 1” is clearly described in the above because Bi is volatilized in the calcination process and the ratio of Bi and Na may not be 1: 1. . Accordingly, the ratio of Bi and Na is 1: 1 at the time of blending the raw materials, but the case where the ratio is not 1: 1 in the sintered body is also included in the present invention.

本発明は上記構成を有する半導体磁器組成物において、任意の研磨面における全面積に対する前記第二相の面積比をaで表したとき1≦a≦15 [%]である半導体磁器組成物を得ることができる。 The present invention provides a semiconductor ceramic composition having the above-described configuration, wherein the area ratio of the second phase to the total area on an arbitrary polished surface is 1 ≦ a ≦ 15 [%]. be able to.

上述した第二相は焼結体中に点在しており、焼結体断面の全体面積に対する面積比率をaで表したとき1≦a≦15%であることが望ましい。15%を超える場合、室温比抵抗を低く安定して得られず、PTCヒータなどに適用することが困難となるため好ましくない。また1%未満である場合は室温比抵抗を低く維持しつつ、抵抗温度係数を2.0[%/K]以上安定して得ることが困難となる。 Second phase described above is scattered in the sintered body, it is preferable area ratio against the total area of the sintered body cross-section that is 1 ≦ a ≦ 15% when expressed in a. If it exceeds 15%, the room temperature resistivity cannot be obtained stably stably, and it is difficult to apply it to a PTC heater or the like. On the other hand, if it is less than 1%, it is difficult to stably obtain a temperature coefficient of resistance of 2.0 [% / K] or more while keeping the room temperature specific resistance low.

本発明は上記構成を有する半導体磁器組成物において、第一相に含まれるSiの濃度をb、第二相に含まれるSiの濃度をcで表したとき、b<c [wt%]である半導体磁器組成物を得ることができる。 In the semiconductor ceramic composition having the above-described configuration, b <c [wt%] when the concentration of Si contained in the first phase is represented by b and the concentration of Si contained in the second phase is represented by c. A semiconductor ceramic composition can be obtained.

第二相は焼結中に融点が約1200℃であるBNTが液相となり、Biが揮散することでTiとNaが残り、これらとBT仮焼粉中に含まれる未反応のBaCO3及びTiO2が反応することで生じる。従って本発明の半導体磁器組成物における第二相はEDXの組成分析においてBiの濃度が0.1wt%未満の極微量であり、TiがBaよりも組成比で多く含まれている。 In the second phase, BNT having a melting point of about 1200 ° C. becomes a liquid phase during sintering, and Ti and Na remain by volatilization of Bi, and these and unreacted BaCO 3 and TiO contained in the BT calcined powder It is generated when 2 reacts. Therefore, the second phase in the semiconductor ceramic composition of the present invention is a very small amount of Bi having a concentration of less than 0.1 wt% in EDX composition analysis, and Ti is contained in a larger proportion than Ba.

第二相は焼結前の半導体磁器組成物に含まれるSiを焼結中に第二相自身に集める効果がある。これは焼結中に液相となったBNTがSiを取り込みつつBiを揮散し、安定化するためと考えられる。この第二相が前述第一相を主相とする半導体磁器組成物中に一様に点在することで、PTCR特性発現をさらに安定して得られる適切な濃度のSiを第一相及び第二相中に含有させることができる。 The second phase has an effect of collecting Si contained in the semiconductor ceramic composition before sintering into the second phase itself during sintering. This is thought to be because BNT, which became liquid during sintering, volatilizes and stabilizes Bi while taking up Si. Since the second phase is uniformly scattered in the semiconductor ceramic composition having the first phase as the main phase, an appropriate concentration of Si, which can more stably obtain the PTCR characteristics, is obtained. It can be contained in two phases.

第一相と第二相に含まれるSiの濃度は、第二相の焼結過程中のSiを取り込む性質のため第二相の方が第一相よりも多い。従って第一相に含まれるSiの濃度をb、第二相に含まれるSiの濃度をcで表したとき、b<c [wt%]となる。原料組成、仮焼条件、混合粉砕および焼成までの一連の工程を理想的に制御した場合には第一相中のSi含有量が検出限界以下になることもある。 The concentration of Si contained in the first phase and the second phase is higher in the second phase than in the first phase due to the property of incorporating Si during the sintering process of the second phase. Therefore, when the concentration of Si contained in the first phase is represented by b and the concentration of Si contained in the second phase is represented by c, b <c [wt%]. When the raw material composition, calcination conditions, a series of steps up to mixing and pulverization are ideally controlled, the Si content in the first phase may be below the detection limit.

本発明は上記構成を有する半導体磁器組成物において、第二相に含まれるSiの濃度cが0<c≦7 [wt%]、より望ましくは0<c≦5 [wt%]である半導体磁器組成物を特徴とする。 The present invention provides a semiconductor ceramic composition having the above-described structure, wherein the concentration c of Si contained in the second phase is 0 <c ≦ 7 [wt%], more preferably 0 <c ≦ 5 [wt%]. Characterized composition.

前述第二相に含まれるSi濃度cが0[%wt]である場合、室温比抵抗を低く安定して得られず、特性が一様なPTCヒータの提供が困難となるため好ましくない。また7[%wt]<cである場合、室温比抵抗が104Ω・cm以上となり、PTCヒータなどに適用することが困難となるため好ましくない。 When the Si concentration c contained in the second phase is 0 [% wt], the room temperature specific resistance cannot be obtained stably stably, and it becomes difficult to provide a PTC heater with uniform characteristics, which is not preferable. Further, when 7 [% wt] <c, the room temperature specific resistance is 10 4 Ω · cm or more, which is not preferable because it is difficult to apply to a PTC heater or the like.

述の構成を有する半導体磁器組成物の少なくとも2箇所以上に分離してオーミック電極を設けた発熱体素子とすることができる。2箇所だけの電極を設けた場合には一定出力の発熱源として利用することができ、3箇所以上の電極を設ける場合には電流を流す電極の組み合わせを変更することにより、実質的に発熱源の定格電力を切り替えることが可能になる。 It can be a heating element provided with an ohmic electrode is separated into at least two portions of the semiconductor ceramic composition having the configuration before mentioned. When only two electrodes are provided, it can be used as a heat source with a constant output. When three or more electrodes are provided, the heat source can be substantially changed by changing the combination of electrodes through which current flows. It becomes possible to switch the rated power.

本発明の半導体磁器組成物にAg電極やAu電極を設けた場合、半導体-金属界面に抵抗が生じ、合成の抵抗率が104Ω・cmを超えるため好ましくない。これは半導体-金属界面がショットキー接続をしているためと考えられ、オーミック接続となるAg-Zn電極を用いることで界面抵抗をほぼ無くすことができる。これにより室温比抵抗が低いPTC特性を有する発熱体素子を提供することができる。 When an Ag electrode or an Au electrode is provided in the semiconductor ceramic composition of the present invention, resistance is generated at the semiconductor-metal interface, and the combined resistivity exceeds 10 4 Ω · cm. This is thought to be because the semiconductor-metal interface is in Schottky connection, and the interface resistance can be almost eliminated by using an Ag-Zn electrode that forms an ohmic connection. Accordingly, it is possible to provide a heating element having a PTC characteristic with a low room temperature specific resistance.

発生した熱を効率よく流体に伝えてその流体を加熱するには、電力を供給する金属電極で発熱体素子を挟み込み、その金属電極に熱を拡散させることが最も望ましい。金属電極の面積を大きくすることで気体や液体などの流体に効率よく熱を伝えることができる。 In order to efficiently transmit the generated heat to the fluid and heat the fluid, it is most desirable to sandwich the heating element with a metal electrode that supplies electric power and diffuse the heat to the metal electrode. By increasing the area of the metal electrode, heat can be efficiently transferred to a fluid such as gas or liquid.

本発明の半導体磁器組成物を用いた発熱体素子を組み込んだ加熱機構システムでは温度計などの温度検出手段、設定温度との比較回路、供給電力調整回路、熱暴走や火災などに備えた安全のための過熱検出機構とそれに伴う電力供給遮断機構などを省略することができ、単純なオン/オフスイッチを挿入して交流または直流の電源に直接接続すればよい。 In a heating mechanism system incorporating a heating element using the semiconductor ceramic composition of the present invention, a temperature detection means such as a thermometer, a comparison circuit with a set temperature, a supply power adjustment circuit, a thermal runaway, a fire, etc. Therefore, an overheat detection mechanism and a power supply cutoff mechanism associated therewith can be omitted, and a simple on / off switch may be inserted and directly connected to an AC or DC power source.

まず、本発明においては、BaTiOのBaの一部をBi−Naで置換した半導体磁器組成物の製造に際して、Siを添加した(Ba1−xLax)TiO(0<x≦0.02)からなるBT仮焼粉と、(Bi0.5Na0.5)TiO仮焼粉からなるBNT仮焼粉を別々に用意し、該BT仮焼粉とBNT仮焼粉をそれぞれに応じた適正温度で仮焼する分割仮焼法を採用する。 First, in the present invention, Si is added (Ba 1-x La x ) TiO 3 (0 <x ≦ 0...) In the production of a semiconductor ceramic composition in which a part of BaTiO 3 is replaced with Bi—Na. 02) and BNT calcined powder made of (Bi 0.5 Na 0.5 ) TiO 3 calcined powder are prepared separately, and the BT calcined powder and BNT calcined powder are respectively prepared. A split calcining method is used in which calcining is performed at an appropriate temperature.

上記分割仮焼法を用いることにより、仮焼工程におけるBNT仮焼粉のBiの揮散によるBi−Naの組成ずれを防止して仮焼工程での異相の生成を抑制することができる。BT仮焼粉とBNT仮焼粉とを混合して、成形、焼結することにより、PTCR特性が一様な半導体磁器組成物が得られる。 By using the above-mentioned divided calcination method, it is possible to prevent the composition shift of Bi-Na due to the volatilization of Bi of the BNT calcined powder in the calcination process, and to suppress the generation of a different phase in the calcination process. A semiconductor ceramic composition having uniform PTCR characteristics can be obtained by mixing BT calcined powder and BNT calcined powder, molding and sintering.

上述した分割仮焼法を用いて、本発明による半導体磁器組成物を得るには、以下に示す三つの方法を採用することができる。(1)分割仮焼法においてBT仮焼粉を用意するに際して、BT仮焼粉中にBaCO及びTiOが一部残存するように調製する方法(以下「残存法」と称する)、(2)分割仮焼法にて作製したBT仮焼粉及び/又はBNT仮焼粉にBaCO及び/又はTiOを添加する方法(以下「添加法」と称する)、(3)分割仮焼法にて作製したBT仮焼粉とBNT仮焼粉を焼結する際に、BTとBNTを完全に固溶させずに焼結する方法(以下「不完全焼結法」と称する)である。以下順に説明する。 In order to obtain the semiconductor porcelain composition according to the present invention using the above-described divided calcination method, the following three methods can be employed. (1) When preparing BT calcined powder in the divided calcining method, a method of preparing BaCO 3 and TiO 2 to partially remain in the BT calcined powder (hereinafter referred to as “residual method”), (2 ) A method of adding BaCO 3 and / or TiO 2 to the BT calcined powder and / or BNT calcined powder produced by the divided calcining method (hereinafter referred to as “addition method”), (3) When the BT calcined powder and the BNT calcined powder prepared in this manner are sintered, the BT and BNT are sintered without completely solid solution (hereinafter referred to as “incomplete sintering method”). This will be described in order below.

(1)残存法
分割仮焼法においては、BT仮焼粉を用意するに際して、BaCO、TiOと半導体化元素の原料粉末であるLa、及び特性安定化のためのSiO2を混合して混合原料粉末を作製する。残存法は、この混合原料粉を900℃以下で仮焼し、(Ba1−xLax)TiOを完全に形成させずに、仮焼粉中にBaCO、TiOを一部残存させるものである。
(1) In the residual method division calcining method, when preparing BT calcined powder, BaCO 3 , TiO 2 and La 2 O 3 which is a raw material powder of a semiconducting element, and SiO 2 for stabilizing characteristics are used. Mixed raw material powder is prepared by mixing. In the residual method, this mixed raw material powder is calcined at 900 ° C. or less, and (Ba 1-x La x ) TiO 3 is not completely formed, and some BaCO 3 and TiO 2 remain in the calcined powder. Is.

残存法によるBaCO、TiOを一部残存させたBT仮焼粉と、別に用意したBNT仮焼粉を混合し、混合仮焼粉を成形、焼結することにより、本発明によるBaTiOのBaの一部がBi−Naで置換された第一相と、BaとTiとNaからなる酸化物である第二相とを有する半導体磁器組成物を得ることができる。 By mixing the BT calcined powder in which BaCO 3 and TiO 2 are partially left by the residual method and the separately prepared BNT calcined powder, the mixed calcined powder is molded and sintered, whereby the BaTiO 3 according to the present invention is formed. A semiconductor ceramic composition having a first phase in which a part of Ba is substituted with Bi-Na and a second phase that is an oxide composed of Ba, Ti, and Na can be obtained.

BT仮焼粉中におけるBaCO及びTiOの残存量を変化させるには、BT仮焼粉を用意する工程において、仮焼温度を900℃以下で変化させたり、仮焼時間を変化させたり、あるいはBT仮焼粉の配合組成を変化させることにより、BT仮焼粉中におけるBaCO及びTiOの残存量を変化させることができ、これによって第二相の生成量を制御することができる。 In order to change the remaining amount of BaCO 3 and TiO 2 in the BT calcined powder, in the step of preparing the BT calcined powder, the calcining temperature is changed at 900 ° C. or less, the calcining time is changed, Alternatively, the residual amount of BaCO 3 and TiO 2 in the BT calcined powder can be changed by changing the blending composition of the BT calcined powder, thereby controlling the amount of the second phase generated.

上記残存法において、仮焼温度が900℃を超えると(Ba1−xLax)TiOが形成され過ぎ、BaCO、TiOを残存させることができなくなるため好ましくない。仮焼時間は0.5時間〜10時間が好ましく、2〜6時間がより好ましい。 In the above-mentioned residual method, when the calcining temperature exceeds 900 ° C., (Ba 1-x La x ) TiO 3 is excessively formed, and BaCO 3 and TiO 2 cannot be left, which is not preferable. The calcining time is preferably 0.5 hours to 10 hours, and more preferably 2 to 6 hours.

BT仮焼粉におけるBaCO及びTiOの残存量は、(Ba1−xLax)TiOと、BaCO及びTiOの合計を100mol%としたとき、BaCOが30mol%以下、TiOが30mol%以下であることが好ましい。 The residual amounts of BaCO 3 and TiO 2 in the BT calcined powder are (Ba 1-x La x ) TiO 3 , BaCO 3 and TiO 2 being 100 mol% in total, and BaCO 3 is 30 mol% or less, TiO 2. Is preferably 30 mol% or less.

BaCOの残存量を30mol%以下としたのは、30mol%を超えると第二相が過剰に生じ、室温比抵抗が上昇するためである。また、焼結工程においてCOガスが発生し、焼結体にクラックが生じるため好ましくない。TiOの残存量を30mol%以下としたのは、30mol%を超えると第二相が過剰に生じ、室温比抵抗のばらつきが大きくなるためである。 The reason why the residual amount of BaCO 3 is set to 30 mol% or less is that when it exceeds 30 mol%, the second phase is excessively generated and the room temperature resistivity is increased. Further, CO 2 gas is generated in the sintering process, and cracks are generated in the sintered body, which is not preferable. The reason why the residual amount of TiO 2 is set to 30 mol% or less is that when it exceeds 30 mol%, the second phase is excessively generated and the variation in the room temperature specific resistance becomes large.

BaCO及びTiOの残存量の上限はBaCO30mol%、TiO30mol%の合計60mol%、下限は0を超える量となるが、BaCOが20mol%を超える場合、TiOが10mol%未満になると第二相が過剰に生じ室温比抵抗のばらつきが大きくなるため好ましくない。TiOが20mol%を超え、BaCOが10mol%未満になる場合も同様に好ましくない。よって、BaCO又はTiOの一方が20mol%を超える場合は、他方を10mol%以上にするよう、仮焼温度や温度、配合組成などを調整することが好ましい。 The upper limit of the remaining amount of BaCO 3 and TiO 2 is 60 mol% in total of 30 mol% of BaCO 3 and 30 mol% of TiO 2 , and the lower limit exceeds 0, but when BaCO 3 exceeds 20 mol%, TiO 2 is less than 10 mol% This is not preferable because the second phase is excessively generated and the variation in the room temperature specific resistance is increased. Similarly, when TiO 2 exceeds 20 mol% and BaCO 3 is less than 10 mol%, it is not preferable. Therefore, when one of BaCO 3 or TiO 2 exceeds 20 mol%, it is preferable to adjust the calcining temperature, temperature, blending composition, etc. so that the other is 10 mol% or more.

上述したBaCO及びTiOが一部残存するBT仮焼粉と混合する
(Bi0.5Na0.5)TiO仮焼粉からなるBNT仮焼粉を用意する工程は、まず、原料粉末となるNaCO、Bi、TiOを混合して混合原料粉末を作製する。このとき、Biを過剰に(例えば5mol%を超えて)添加すると、仮焼時に異相を生成し、室温比抵抗が高くなり好ましくない。
Mix with BT calcined powder in which BaCO 3 and TiO 2 partially remain
The process of preparing the BNT calcined powder made of (Bi 0.5 Na 0.5 ) TiO 3 calcined powder is first mixed by mixing Na 2 CO 3 , Bi 2 O 3 and TiO 2 as raw material powders. Raw material powder is prepared. At this time, if Bi 2 O 3 is added excessively (for example, exceeding 5 mol%), a heterogeneous phase is generated during calcination, and the room temperature specific resistance becomes high, which is not preferable.

次に、上記混合原料粉末を仮焼する。仮焼温度は700℃〜950℃の範囲が好ましい。仮焼時間は0.5時間〜10時間が好ましく、2時間〜6時間がさらに好ましい。仮焼温度が700℃未満あるいは仮焼時間が0.5時間未満では未反応のNaCOや分解して生成したNaOが雰囲気の水分あるいは湿式混合の場合はその溶媒と反応し、組成ずれや特性のばらつきを生じるため好ましくない。また、仮焼温度が950℃を超えるかあるいは仮焼時間が10時間を超えると、Biの揮散が進み、組成ずれを起こし、異相の生成が促進されるため好ましくない。 Next, the mixed raw material powder is calcined. The calcining temperature is preferably in the range of 700 ° C to 950 ° C. The calcining time is preferably 0.5 hours to 10 hours, more preferably 2 hours to 6 hours. If the calcining temperature is less than 700 ° C. or the calcining time is less than 0.5 hour, unreacted Na 2 CO 3 or decomposed NaO reacts with the water in the atmosphere or in the case of wet mixing, resulting in a composition shift And undesirably variations in characteristics occur. On the other hand, if the calcining temperature exceeds 950 ° C. or the calcining time exceeds 10 hours, the volatilization of Bi proceeds, the composition shifts, and the generation of heterogeneous phases is promoted.

上述した各々の仮焼粉を用意する工程においては、原料粉末の混合の際に、原料粉末の粒度に応じて粉砕を施してもよい。また、混合、粉砕は純水やエタノールを用いた湿式混合・粉砕または乾式混合・粉砕のいずれでもよいが、乾式混合・粉砕を行うと、組成ずれをより防止することができ好ましい。なお、上記においては、原料粉末として、BaCO、NaCO、TiOなどを例としてあげたが、その他のBa化合物、Na化合物などを用いてもよい。 In the step of preparing each calcined powder described above, pulverization may be performed according to the particle size of the raw material powder when the raw material powder is mixed. The mixing and pulverization may be either wet mixing / pulverization using pure water or ethanol, or dry mixing / pulverization. However, it is preferable to perform dry mixing / pulverization because the compositional deviation can be further prevented. In the above description, BaCO 3 , Na 2 CO 3 , TiO 2 and the like are exemplified as the raw material powder, but other Ba compounds and Na compounds may be used.

上記の通り、BaCO、TiOが一部残存するBT仮焼粉とBNT仮焼粉を別々に用意し、各仮焼粉を後述の比率に配合した後、混合する。混合は、純水やエタノールを用いた湿式混合または乾式混合のいずれでもよいが、乾式混合を行うと、組成ずれをより防止することができ好ましい。また、仮焼粉の粒度に応じて、混合の後粉砕、あるいは混合と粉砕を同時に行ってもよい。混合、粉砕後の混合仮焼粉の平均粒度は、0.5μm〜2.5μmが好ましい。 As described above, BT calcined powder and BNT calcined powder in which part of BaCO 3 and TiO 2 remain are prepared separately, and each calcined powder is blended in a ratio described later, and then mixed. Mixing may be either wet mixing using pure water or ethanol, or dry mixing. However, it is preferable to perform dry mixing because the compositional deviation can be further prevented. Further, depending on the particle size of the calcined powder, pulverization after mixing, or mixing and pulverization may be performed simultaneously. The average particle size of the mixed calcined powder after mixing and pulverization is preferably 0.5 μm to 2.5 μm.

BT仮焼粉とBNT仮焼粉の混合比率は素子の使用温度によって、調整する必要がある。Tcを120〜180℃に制御し、かつ低い室温比抵抗のPTCR素子を提供するためには、該半導体磁器組成物の組成を[(BiNa)(BaLa)1−x]TiOと表記したとき0<X≦0.3となるよう混合するが好ましい。 The mixing ratio of BT calcined powder and BNT calcined powder must be adjusted according to the operating temperature of the element. In order to control the Tc at 120 to 180 ° C. and provide a PTCR element having a low room temperature specific resistance, the composition of the semiconductor ceramic composition was expressed as [(BiNa) x (BaLa) 1-x ] TiO 3 . It is sometimes preferable to mix so that 0 <X ≦ 0.3.

BT仮焼粉とBNT仮焼粉を混合する工程により得られた混合仮焼粉は、所望の成形手段によって成形する。成形前に必要に応じて混合仮焼粉を造粒装置によって造粒してもよい。成形後の成形体密度は2.5〜3.5g/cmが好ましい。 The mixed calcined powder obtained by the process of mixing the BT calcined powder and the BNT calcined powder is molded by a desired molding means. If necessary, the mixed calcined powder may be granulated by a granulator before molding. The molded body density after molding is preferably 2.5 to 3.5 g / cm 3 .

焼結は、大気中または還元雰囲気中、あるいは低酸素濃度の不活性ガス雰囲気で行うことができるが、特に、酸素濃度1%未満の窒素またはアルゴン雰囲気中で焼結することが好ましい。焼結温度は1250℃〜1360℃が好ましい。焼結時間は1時間〜8時間が好ましく、4時間〜6時間がより好ましい。いずれも好ましい条件からはずれるに従って室温比抵抗が増加する、またはジャンプ特性が低下するため好ましくない。 Sintering can be performed in the air, in a reducing atmosphere, or in an inert gas atmosphere having a low oxygen concentration. In particular, sintering is preferably performed in a nitrogen or argon atmosphere having an oxygen concentration of less than 1%. The sintering temperature is preferably 1250 ° C to 1360 ° C. The sintering time is preferably 1 hour to 8 hours, and more preferably 4 hours to 6 hours. Any of them is not preferable because the room temperature resistivity increases or the jump characteristic decreases as it deviates from preferable conditions.

他の焼結工程として、温度1290℃〜1360℃、酸素濃度1%未満の雰囲気中において、(1)4時間未満の焼結時間で実行するか、あるいは(2)式:ΔT≧25t(t=焼結時間(hr)、ΔT=焼結後の冷却速度(℃/hr))を満足する焼結時間で実行され、次いで、上記式を満足する冷却速度で焼結後の冷却を実行することにより、室温比抵抗を低く保ったまま、高温域(キュリー温度以上)で抵抗温度係数を向上させた半導体磁器組成物を得ることができる。 As another sintering process, in an atmosphere having a temperature of 1290 ° C. to 1360 ° C. and an oxygen concentration of less than 1%, (1) it is executed with a sintering time of less than 4 hours, or (2) Formula: ΔT ≧ 25t (t = Sintering time (hr), ΔT = cooling rate after sintering (° C / hr)), and then cooling after sintering is performed at a cooling rate satisfying the above formula. As a result, it is possible to obtain a semiconductor ceramic composition having an improved resistance temperature coefficient in a high temperature region (Curie temperature or higher) while keeping the room temperature resistivity low.

(2)添加法
添加法において、BT仮焼粉を用意するには、BaCO、TiOと半導体化元素の原料粉末であるLaを混合して混合原料粉末を作製し、仮焼する。仮焼温度は1000℃以上が好ましい。仮焼温度が1000℃未満では(Ba1−xLa)TiOの完全な単一相が形成されないため好ましくない。完全な単一相が形成されないと未反応のBaCO、TiOが残存することとなり、BaCO粉及び/又はTiO粉の添加を前提とするためその添加量の予測が困難になるためであるが、若干のBaCOやTiOの残存は許容できる。好ましい仮焼温度は1000℃〜1300℃である。仮焼時間は0.5時間〜10時間が好ましく、2〜6時間がより好ましい。
(2) In the addition method, in order to prepare BT calcined powder, BaCO 3 , TiO 2 and La 2 O 3 which is a raw material powder of semiconducting element are mixed to prepare a mixed raw material powder, and calcined To do. The calcining temperature is preferably 1000 ° C. or higher. A calcining temperature of less than 1000 ° C. is not preferable because a complete single phase of (Ba 1-x La x ) TiO 3 is not formed. If a complete single phase is not formed, unreacted BaCO 3 and TiO 2 remain, and since it is assumed that BaCO 3 powder and / or TiO 2 powder is added, it is difficult to predict the amount of addition. However, some BaCO 3 or TiO 2 remains acceptable. A preferable calcination temperature is 1000 ° C to 1300 ° C. The calcining time is preferably 0.5 hours to 10 hours, and more preferably 2 to 6 hours.

添加法において、BNT仮焼粉を用意する工程、BT仮焼粉とBNT仮焼粉の混合(粉砕)工程などについては、上述した残存法と同様である。 In the addition method, the step of preparing the BNT calcined powder, the step of mixing (pulverizing) the BT calcined powder and the BNT calcined powder, and the like are the same as the residual method described above.

上記により用意したBT仮焼粉又はBNT仮焼粉或いはそれらの混合仮焼粉に、SiO2、BaCO及び/又はTiOを添加することが、添加法の特徴である。添加後の混合仮焼粉を成形、焼結することにより、この発明によるBaTiOのBaの一部がBi−Naで置換され、第二相を有する半導体磁器組成物を得ることができる。 The addition method is characterized by adding SiO 2 , BaCO 3 and / or TiO 2 to the BT calcined powder, BNT calcined powder or mixed calcined powder prepared as described above. By forming and sintering the mixed calcined powder after addition, a part of BaTiO 3 according to the present invention is substituted with Bi—Na, and a semiconductor ceramic composition having a second phase can be obtained.

BaCO及び/又はTiOの添加量は、(Ba1−xLa)TiOと、SiO2、BaCO及び/又はTiOの合計を100mol%としたとき、BaCOが30mol%以下、TiOが30mol%以下であることが好ましい。この添加量を変化させることにより、第二相の面積比率を制御することができる。特に、添加法によれば、添加量を正確に調整できるため、極めて精度よくジャンプ特性のコントロールが可能になるという効果も有する。 The amount of BaCO 3 and / or TiO 2 added is such that the total amount of (Ba 1-x La x ) TiO 3 and SiO 2 , BaCO 3 and / or TiO 2 is 100 mol%, and BaCO 3 is 30 mol% or less. it is preferred TiO 2 is not more than 30 mol%. By changing the amount of addition, the area ratio of the second phase can be controlled. In particular, according to the addition method, since the addition amount can be adjusted accurately, the jump characteristic can be controlled with extremely high accuracy.

BaCOの添加量を30mol%以下としたのは、30mol%を超えると第二相が過剰に生じ、室温比抵抗のばらつきが大きくなるためである。また、焼結工程においてCOガスが発生し、焼結体にクラックが生じるため好ましくない。TiOの添加量を30mol%以下としたのは、30mol%を超えると第二相が過剰に生じ、室温比抵抗のばらつきが大きくなるためである。 The reason why the amount of BaCO 3 added is 30 mol% or less is that when it exceeds 30 mol%, the second phase is excessively generated and the variation in the room temperature resistivity increases. Further, CO 2 gas is generated in the sintering process, and cracks are generated in the sintered body, which is not preferable. The reason why the amount of TiO 2 added is set to 30 mol% or less is that when it exceeds 30 mol%, the second phase is excessively generated and the variation in the room temperature resistivity increases.

BaCOとTiOを両方含むとき、添加量の上限はBaCO30mol%、TiO30mol%の合計60mol%、下限は0%を超える量となるが、BaCOが20mol%を超える場合、TiOが10mol%未満になると第二相が過剰に生じ、室温比抵抗のばらつきが大きくなるためである。TiOが20%molを超え、BaCOが10mol%未満になる場合も同様に好ましくない。よって、BaCOまたはTiOの一方が20%molを超える場合は、他方を10mol%以上にすることが好ましい。 When both BaCO 3 and TiO 2 are included, the upper limit of the amount added is 30 mol% BaCO 3 and 30 mol% TiO 2 in total, and the lower limit exceeds 0%. However, when BaCO 3 exceeds 20 mol%, TiO 2 This is because when 2 is less than 10 mol%, the second phase is excessively generated and the variation in the room temperature specific resistance becomes large. The case where TiO 2 exceeds 20% mol and BaCO 3 is less than 10 mol% is also not preferable. Therefore, when one of BaCO 3 or TiO 2 exceeds 20% mol, the other is preferably made 10 mol% or more.

SiO2の添加量は0mol%より多く3mol%未満が好ましい。この範囲外では室温比抵抗のばらつきが大きくなるためである。特に3mol%以上添加した場合、室温比抵抗が104Ω・cm以上となるため好ましくない。 The addition amount of SiO 2 is preferably more than 0 mol% and less than 3 mol%. This is because the variation in room temperature resistivity increases outside this range. In particular, when 3 mol% or more is added, the room temperature resistivity becomes 10 4 Ω · cm or more, which is not preferable.

なお、BT仮焼粉として(Ba1−xLa)TiOとの完全な単一相が形成されているものが好ましいことは先に述べた通りであるが、完全な単一相が形成されたBT仮焼粉の一部を、上述した残存法によるBaCO、TiOが残存するBT仮焼粉で置換し、さらに、SiO2、BaCO及び/又はTiOを所定量添加することにより、添加量を変化させることもできる。 As described above, it is preferable that a complete single phase with (Ba 1-x La x ) TiO 3 is formed as the BT calcined powder, but a complete single phase is formed. Replacing a part of the BT calcined powder with BT calcined powder in which BaCO 3 and TiO 2 remain by the above-mentioned residual method, and further adding a predetermined amount of SiO 2 , BaCO 3 and / or TiO 2 Thus, the addition amount can be changed.

添加法では、上記の通り、BT仮焼粉とBNT仮焼粉と別々に用意した後、該BT仮焼粉又はBNT仮焼粉或いはそれらの混合仮焼粉にSiO2、BaCO及び/又はTiOを添加する。次いで、各仮焼粉を所定量に配合した後、混合する。混合は、純水やエタノールを用いた湿式混合または乾式混合のいずれでもよいが、乾式混合を行うと、組成ずれをより防止することができ好ましい。また、仮焼粉の粒度に応じて、混合の後粉砕、あるいは混合と粉砕を同時に行ってもよい。混合、粉砕後の混合仮焼粉の平均粒度は、0.5μm〜2.5μmが好ましい。 In the addition method, as described above, after preparing the BT calcined powder and the BNT calcined powder separately, the BT calcined powder or the BNT calcined powder or a mixed calcined powder thereof is mixed with SiO 2 , BaCO 3 and / or TiO 2 is added. Next, each calcined powder is mixed in a predetermined amount and then mixed. Mixing may be either wet mixing using pure water or ethanol, or dry mixing. However, it is preferable to perform dry mixing because the compositional deviation can be further prevented. Further, depending on the particle size of the calcined powder, pulverization after mixing, or mixing and pulverization may be performed simultaneously. The average particle size of the mixed calcined powder after mixing and pulverization is preferably 0.5 μm to 2.5 μm.

BT仮焼粉とBNT仮焼粉を混合する工程以降の、成形、焼結などの工程は、上述した残存法と同様である。 The steps such as molding and sintering after the step of mixing the BT calcined powder and the BNT calcined powder are the same as the above-described residual method.

(3)不完全焼結法
不完全焼結法において、BT仮焼粉を用意する工程、BNT仮焼粉を用意する工程、BT仮焼粉とBNT仮焼粉を混合(粉砕)する工程、成形工程については、上述した残存法と添加法の何れも採用できる。
(3) Incomplete sintering method In the incomplete sintering method, a step of preparing BT calcined powder, a step of preparing BNT calcined powder, a step of mixing (pulverizing) BT calcined powder and BNT calcined powder, For the molding step, any of the above-described residual method and addition method can be employed.

不完全焼結法では、BT仮焼粉とBNT仮焼粉との混合仮焼粉を焼結する際に、BT仮焼粉とBNT仮焼粉を完全に固溶させないで焼結することが特徴である。これにより、この発明によるBaTiOのBaの一部がBi−Naで置換され、第二相を有する半導体磁器組成物を得ることができる。 In the incomplete sintering method, when the mixed calcined powder of BT calcined powder and BNT calcined powder is sintered, the BT calcined powder and BNT calcined powder may be sintered without completely dissolving them. It is a feature. Thereby, a part of Ba of BaTiO 3 according to the present invention is substituted with Bi—Na, and a semiconductor ceramic composition having a second phase can be obtained.

不完全焼結法における焼結温度、焼結時間は、BT仮焼粉の仮焼温度によって異なるが、例えば、BT仮焼粉の仮焼温度が700℃〜1200℃の場合、焼結温度は1250℃〜1380℃、焼結時間は2.5時間以下が好ましい範囲である。但し、焼結温度が比較的低い場合(例えば1300℃の場合)の好ましい焼結時間は3.5時間以下でもよく、焼結温度が比較的高い場合(例えば1380℃の場合)の好ましい焼結時間は2時間以下となる。焼結温度が高い場合(例えば1400℃以上の場合)や焼結温度が低くても焼結時間が長い場合(例えば5時間以上の場合)は、BT仮焼粉とBNT仮焼粉が完全に固溶してしまうため好ましくない。 Although the sintering temperature and sintering time in the incomplete sintering method vary depending on the calcining temperature of the BT calcined powder, for example, when the calcining temperature of the BT calcined powder is 700 ° C. to 1200 ° C., the sintering temperature is 1250 ° C to 1380 ° C and the sintering time is preferably 2.5 hours or less. However, the preferable sintering time when the sintering temperature is relatively low (for example, 1300 ° C.) may be 3.5 hours or less, and preferable sintering when the sintering temperature is relatively high (for example, 1380 ° C.). The time will be 2 hours or less. If the sintering temperature is high (for example, 1400 ° C. or higher), or if the sintering time is long (for example, 5 hours or longer), the BT calcined powder and BNT calcined powder are completely Since it dissolves, it is not preferable.

上記のように、焼結温度と焼結時間を制御することにより、BT仮焼粉とBNT仮焼粉の固溶度を変化させることができ、これによって第二相の面積比率を制御することができる。 As described above, by controlling the sintering temperature and sintering time, the solid solubility of the BT calcined powder and the BNT calcined powder can be changed, thereby controlling the area ratio of the second phase. Can do.

該半導体磁器組成物に適用する電極としてAg電極やAu電極を用いた場合、半導体-金属界面に抵抗が生じ、合成の比抵抗が104Ω・cmを超えるため好ましくない。これは半導体-金属界面がショットキー接続をしているためと考えられ、オーミック接続となるAgとZnとの合金電極を用いることで界面抵抗をほぼ無くすことができる。これにより室温における抵抗率が低いPTC特性を有する発熱体素子を提供することができる。 When an Ag electrode or Au electrode is used as an electrode applied to the semiconductor ceramic composition, resistance is generated at the semiconductor-metal interface, and the combined specific resistance exceeds 10 4 Ω · cm. This is thought to be because the semiconductor-metal interface is in Schottky connection, and the interface resistance can be almost eliminated by using an alloy electrode of Ag and Zn that forms an ohmic connection. Accordingly, it is possible to provide a heating element having a PTC characteristic with a low resistivity at room temperature.

金属電極は発生した熱を効率よく流体に伝えてその流体を加熱すると同時に、電力を供給する役割も持つため、アルミニウムまたは銅を主とする金属または合金を用いることが望ましい。電気的接続を良好かつ均一にするために、金属電極と本発明の半導体磁器組成物を用いる発熱素子の間には導電性と耐熱性があり、かつ柔軟なスペーサを挿入することもしばしば有効である。そのようなスペーサ材料としてはグラファイトシート、金属粒子を分散した導電性樹脂シートが挙げられる。また時には導電性接着剤を用いることも有効である。 The metal electrode efficiently transmits the generated heat to the fluid to heat the fluid and at the same time has a role of supplying electric power. Therefore, it is desirable to use a metal or alloy mainly composed of aluminum or copper. In order to make the electrical connection good and uniform, it is often effective to insert a flexible spacer between the metal electrode and the heating element using the semiconductor porcelain composition of the present invention. is there. Examples of such a spacer material include a graphite sheet and a conductive resin sheet in which metal particles are dispersed. In some cases, it is also effective to use a conductive adhesive.

本発明の半導体磁器組成物を用いた発熱体素子を組み込んだ加熱機構システムでは温度計などの温度検出手段、設定温度との比較回路、供給電力調整回路、熱暴走や火災などに備えた安全のための過熱検出機構とそれに伴う電力供給遮断機構などを省略することができ、単純なオン/オフスイッチを挿入して交流または直流の電源に直接接続すればよい。しかしながら、操作する人にとって加熱機構システムの作動状態がわかりやすいように表示装置へと接続される動作電源検出回路や、温度表示回路、電池や発電機のような電力供給源のオーバーロードを防止するための電流検出回路を適宜設けてもよい。 In a heating mechanism system incorporating a heating element using the semiconductor ceramic composition of the present invention, a temperature detection means such as a thermometer, a comparison circuit with a set temperature, a supply power adjustment circuit, a thermal runaway, a fire, etc. Therefore, an overheat detection mechanism and a power supply cutoff mechanism associated therewith can be omitted, and a simple on / off switch may be inserted and directly connected to an AC or DC power source. However, in order to prevent overloading of the operation power supply detection circuit connected to the display device so that the operating state of the heating mechanism system can be easily understood for the operator, the temperature display circuit, the battery and the generator, etc. The current detection circuit may be provided as appropriate.

[参考例1]
BaCO、TiO、Laの原料粉末を準備し、(Ba0.994La0.006)TiOとなるように配合し、純水で混合した。得られた混合原料粉末を900℃で4時間大気中にて仮焼し、BT仮焼粉を用意した。この温度での仮焼は前述の残存法になる。
[Reference Example 1]
Raw material powders of BaCO 3 , TiO 2 , and La 2 O 3 were prepared, blended so as to be (Ba 0.994 La 0.006 ) TiO 3, and mixed with pure water. The obtained mixed raw material powder was calcined in the atmosphere at 900 ° C. for 4 hours to prepare BT calcined powder. The calcination at this temperature becomes the aforementioned residual method.

NaCO、Bi、TiOの原料粉末を準備し、(Bi0.5Na0.5)TiOとなるように配合し、乾式混合した。得られた混合原料粉末を、800℃で2時間大気中にて仮焼し、BNT仮焼粉を用意した。 Na 2 CO 3, Bi 2 O 3, to prepare a raw material powder of TiO 2, was blended so as to (Bi 0.5 Na 0.5) TiO 3 , were dry mixed. The obtained mixed raw material powder was calcined in the air at 800 ° C. for 2 hours to prepare BNT calcined powder.

用意したBT仮焼粉とBNT仮焼粉を表1に示すモル比率で配合し、純水を媒体としてポットミルにより、混合仮焼粉の中心粒径が1.0μm〜2.0μmになるまで混合、粉砕した後、乾燥させた。該混合仮焼粉の粉砕粉にPVAを添加、混合した後、造粒装置によって造粒した。得られた造粒粉を一軸プレス装置にて8MPaで成形し、上記成形体を700℃で脱バインダー後、1340℃にて4時間、窒素雰囲気中にて焼結し、焼結体を得た。焼結時の雰囲気は酸素濃度を1%未満に制御した窒素を常時流入し、窒素雰囲気とした。昇温、降温の速度は200℃とした。なお、表1中のBNT添加量とLa添加量の括弧内の数値は第一相を[(BiNa)(Ba1−yLa1−x]TiOと表記したときのxとyの値である。 Mix the prepared BT calcined powder and BNT calcined powder in the molar ratio shown in Table 1 and mix them with a pot mill using pure water as a medium until the central particle size of the mixed calcined powder becomes 1.0 μm to 2.0 μm. After being pulverized, it was dried. After adding and mixing PVA to the pulverized powder of the mixed calcined powder, it was granulated by a granulator. The obtained granulated powder was molded at 8 MPa with a uniaxial press, and the molded body was debindered at 700 ° C. and then sintered at 1340 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere to obtain a sintered body. . As the atmosphere during sintering, nitrogen whose oxygen concentration was controlled to be less than 1% was constantly introduced to form a nitrogen atmosphere. The rate of temperature increase / decrease was 200 ° C. In Table 1, the numbers in parentheses of the BNT addition amount and the La addition amount are x and y when the first phase is expressed as [(BiNa) x (Ba 1-y La y ) 1-x ] TiO 3. Is the value of

得られた焼結体を10mm×10mm×1mmの板状に加工して試験片を作製し、オーミック電極を形成の後、各試験片を抵抗測定器で室温から270℃までの範囲で比抵抗値の温度変化を測定し、室温比抵抗、キュリー温度、抵抗温度係数を求めた。また、同条件で作製したサンプル50個から室温比抵抗の分布を求め、最大値と最小値の差を比抵抗ばらつきΔρとして求めた。その結果を表1に示す。表1において試料番号の横に*印を付したものは比較例である。なお、実施例において、抵抗温度係数αは次式により求めた。α=(lnR−lnR)×100/(T−T) Rは最大比抵抗、RはTにおける比抵抗、TはRを示す温度、Tはキュリー温度である。 The obtained sintered body is processed into a plate shape of 10 mm × 10 mm × 1 mm to produce a test piece, and after forming an ohmic electrode, each test piece is subjected to a specific resistance in a range from room temperature to 270 ° C. with a resistance measuring instrument. The temperature change of the value was measured, and the room temperature specific resistance, the Curie temperature, and the resistance temperature coefficient were obtained. Further, the distribution of the room temperature resistivity was obtained from 50 samples prepared under the same conditions, and the difference between the maximum value and the minimum value was obtained as the resistivity variation Δρ. The results are shown in Table 1. In Table 1, those marked with * next to the sample number are comparative examples. In the examples, the temperature coefficient of resistance α was obtained by the following equation. α = (lnR 1 −lnR c ) × 100 / (T 1 −T c ) R 1 is the maximum specific resistance, R c is the specific resistance at T c , T 1 is the temperature indicating R 1 , and T c is the Curie temperature is there.

図1に試料番号1−5の焼結体のSEM観察像の例を示す。観察視野は焼結体断面を平均粒径1μmのダイヤモンド砥粒で研磨処理を施した面である。像中に点在する黒いコントラストが第二相である。像中に点在する第二相よりも小さい白いコントラストは空孔がエッジ効果により明るく見えているものである。第二相が黒いコントラストとして見えるのは第二相の組成にBi がほぼ含まれておらず、BTにBNTが固溶した第一相に比べ第二相の二次電子発生量が少ないためである。これより、第二相は容易に第一相と区別可能であることが分かる。 FIG. 1 shows an example of an SEM observation image of the sintered body of sample number 1-5. The observation field is a surface obtained by polishing the cross section of the sintered body with diamond abrasive grains having an average particle diameter of 1 μm. The black contrast scattered in the image is the second phase. A white contrast smaller than the second phase scattered in the image means that the holes appear brighter due to the edge effect. The second phase appears as a black contrast because the composition of the second phase contains almost no Bi and the amount of secondary electrons generated in the second phase is less than that of the first phase in which BNT is dissolved in BT. is there. This shows that the second phase is easily distinguishable from the first phase.

また、得られた焼結体の平面における走査型電子顕微鏡(SEM)で得られた観察像の画像処理を行い、第二相に該当する部分のドット数を数え、そのドット数に1ドット当たりの面積を掛け、その面積を画像処理した部分の全面積で割り、第二相の面積比率a(%)を求めた。その結果を表1に示す。 Moreover, the image processing of the observation image obtained with the scanning electron microscope (SEM) in the plane of the obtained sintered body is performed, the number of dots corresponding to the second phase is counted, and the number of dots per dot is counted. The area was divided by the total area of the image-processed portion to obtain the area ratio a (%) of the second phase. The results are shown in Table 1.

表1から明らかなように、BNT添加量の比率を上げることで、キュリー温度、第二相の面積比率を増加させることができる。またBNTの添加量が0mol%(試料1−1)では高キュリー温度と第二相を得ることができていない。一方、BNTが30mol%(試料1−9)より多いと室温比抵抗が104Ω・cm程度となり、Δρが200となるため好ましくない。従って、BNT添加量を0<x≦0.3とし、aが0<a≦15[%]となるよう制御することで、低比抵抗の物を安定して作ることができる。 As is clear from Table 1, the Curie temperature and the area ratio of the second phase can be increased by increasing the ratio of the BNT addition amount. Further, when the addition amount of BNT is 0 mol% (Sample 1-1), a high Curie temperature and a second phase cannot be obtained. On the other hand, if the amount of BNT is more than 30 mol% (Sample 1-9), the room temperature resistivity becomes about 10 4 Ω · cm and Δρ becomes 200, which is not preferable. Therefore, by controlling the amount of BNT to be 0 <x ≦ 0.3 and a to be 0 <a ≦ 15 [%], a low specific resistance product can be stably produced.

[参考例2]
BNT仮焼粉の添加量、La添加量を表2に示す値とし、BT仮焼温度、焼結温度、焼結時間を参考例1と同様にして得られた焼結体の室温比抵抗、キュリー温度、抵抗温度係数、室温比抵抗のばらつきを求めた。その結果を表2に示す。表2において試料番号の横に*印を付したものは比較例である。なお、表2中のBNT添加量とLa添加量の括弧内の数値は第一相を[(BiNa)(Ba1−yLa1−x]TiOと表記したときのxとyの値である。
[Reference Example 2]
The addition amount of BNT calcined powder and the addition amount of La are the values shown in Table 2, and the BT calcining temperature, sintering temperature, and sintering time are the room temperature specific resistance of the sintered body obtained in the same manner as in Reference Example 1, Variations in Curie temperature, resistance temperature coefficient, and room temperature resistivity were obtained. The results are shown in Table 2. In Table 2, those marked with * next to the sample number are comparative examples. In Table 2, the numbers in parentheses for the BNT addition amount and the La addition amount are x and y when the first phase is expressed as [(BiNa) x (Ba 1-y La y ) 1-x ] TiO 3. Is the value of

表2よりLa添加量を増やすことで、室温比抵抗が減少させることができるのがわかる。しかし、添加量が3mol%より大きくなると(試料2−6)室温比抵抗が104Ω・cmを超えるため好ましくない。また、添加量が0mol%(試料2−1)はαが2以下となるため好ましくない。従ってLa添加量は0より大きく、2mol%以下であることが望ましい(試料2−2〜2−5)。 From Table 2, it can be seen that the room temperature resistivity can be decreased by increasing the amount of La added. However, it is not preferable that the amount added exceeds 3 mol% (Sample 2-6) because the room temperature specific resistance exceeds 10 4 Ω · cm. An addition amount of 0 mol% (Sample 2-1) is not preferable because α is 2 or less. Therefore, the amount of La added is preferably larger than 0 and 2 mol% or less (Samples 2-2 to 2-5).

[実施例1]
BaCO、TiO、Laの原料粉末を準備し、(Ba0.994La0.006)TiOとなるように配合し、さらに(Ba0.994La0.006)TiOに対し、SiO2粉を表3に示した量となるよう添加し純水で混合した。得られた混合原料粉末を表3で示した温度にて4時間大気中にて仮焼し、BT仮焼粉を用意した。
[Example 1]
Raw material powders of BaCO 3 , TiO 2 , and La 2 O 3 are prepared, blended so as to be (Ba 0.994 La 0.006 ) TiO 3, and further added to (Ba 0.994 La 0.006 ) TiO 3 . On the other hand, SiO 2 powder was added to the amount shown in Table 3 and mixed with pure water. The obtained mixed raw material powder was calcined in the atmosphere at the temperature shown in Table 3 for 4 hours to prepare BT calcined powder.

参考例1と同様にBNT仮焼粉を用意し、BNTが8mol%となるよう混合、成形、焼結、加工を行い試験片を用意し、PTCR特性を評価した。得られた焼結体の室温比抵抗、キュリー温度、抵抗温度係数、室温比抵抗のばらつきを表3に示す。なお、表3中のBNT添加量とLa添加量の括弧内の数値は第一相を[(BiNa)(Ba1−yLa1−x]TiOと表記したときのxとyの値である。 BNT calcined powder was prepared in the same manner as in Reference Example 1, and specimens were prepared by mixing, molding, sintering and processing so that BNT was 8 mol%, and PTCR characteristics were evaluated. Table 3 shows variations in room temperature specific resistance, Curie temperature, resistance temperature coefficient, and room temperature specific resistance of the obtained sintered body . Contact name values in parentheses of BNT loading in Tables 3 and La addition amount and x when the representation of the first phase and [(BiNa) x (Ba 1 -y La y) 1-x] TiO 3 The value of y.

表3よりSiO2添加量が0.97%mol以上、3.77mol%以下(試料3−2〜3−5)とすることで、室温比抵抗ρ25のばらつきΔρを10Ω・cm以下に低減できていることができるのがわかる。しかし、添加量が3.77mol%では室温比抵抗が104Ω・cmを超えるため好ましくない。 From Table 3, the variation Δρ in room temperature resistivity ρ25 can be reduced to 10 Ω · cm or less by setting the SiO 2 addition amount to 0.97% mol or more and 3.77 mol% or less (Samples 3 to 3-5). You can see that However, an addition amount of 3.77 mol% is not preferable because the room temperature resistivity exceeds 10 4 Ω · cm.

上述のSiO2添加量が0.97mol%以上、3.77mol%以下(試料3−2〜3−5)における第一相中Si濃度b[wt%]と第二相中Si濃度c[wt%]に注目すると、b<cとなっている。これは前述したように、第二相が焼結中の液相−固相反応にてSiを収集したためと考えられる。さらにcの値に注目すると0<c≦5wt%となるよう制御することで良好な特性を安定して得ることができる。 Si concentration b [wt%] in the first phase and Si concentration c [wt%] in the second phase when the SiO 2 addition amount is 0.97 mol% or more and 3.77 mol% or less (Samples 3 to 3-5). Note that b <c. As described above, this is presumably because Si was collected by the liquid phase-solid phase reaction during the second phase sintering. Further, when paying attention to the value of c, good characteristics can be stably obtained by controlling so that 0 <c ≦ 5 wt%.

仮焼温度を950℃、SiO2添加量を8.41mol%としたとき(試料3−6)、ρ25が104Ω・cmを超えるため好ましくない。このときb>cとなっており、これは仮焼温度を高くしたためBaCO3とTiO2の残存量が減り第二相の生成量が少なくなり、焼結中のSiの収集が不十分であったと考えられる。従ってc<bであることが望ましい。 When the calcining temperature is 950 ° C. and the SiO 2 addition amount is 8.41 mol% (Sample 3-6), ρ25 exceeds 10 4 Ω · cm, which is not preferable. At this time, b> c, and since the calcining temperature was increased, the remaining amount of BaCO 3 and TiO 2 decreased, the amount of second phase formed decreased, and the collection of Si during sintering was insufficient. It is thought. Therefore, it is desirable that c <b.

表4に試料番号1−5の焼結体の第一相と第二相の組成分析の結果を示す。第二相にはBiが含まれていないことが分かる。なお、組成分析には走査型電子顕微鏡S-2300(日立製作所製)を用いた。加速電圧20kVにて点分析を行い(X線発生領域はビーム中心から直径1μm程度)、組成分析はエネルギー分散型(EDX)の半導体X線検出器を用いて、Ba、Ti、Bi、Na、Si、Oを分析対象元素とした。ただし、X線スペクトルに明らかに前述の元素のピークが見られない場合は分析対象から外した。 Table 4 shows the results of the composition analysis of the first phase and the second phase of the sintered body of sample number 1-5. It can be seen that the second phase does not contain Bi. For composition analysis, a scanning electron microscope S-2300 (manufactured by Hitachi, Ltd.) was used. Point analysis is performed at an acceleration voltage of 20 kV (X-ray generation region is about 1 μm in diameter from the center of the beam), and composition analysis is performed using an energy dispersive (EDX) semiconductor X-ray detector, Ba, Ti, Bi, Na, Si and O were analyzed elements. However, when the above-mentioned element peak was not clearly seen in the X-ray spectrum, it was excluded from the analysis.

焼結した半導体磁器組成物の表面は粗いので平面研削盤や、スライサーを用いて加工を行なった。適宜バレル研磨などでバリや面取り加工を行なうことも有効である。加工は、半導体磁器組成物を小型の素子として回路基板に取り付けたり、加熱機構システムに組み込んだりするときに寸法精度を所定の値に保つ寸法調整の目的を兼ねて行なった。 Since the surface of the sintered semiconductor ceramic composition was rough, it was processed using a surface grinder or a slicer. It is also effective to perform burr and chamfering by barrel polishing as appropriate. The processing was performed also for the purpose of adjusting the dimensions to keep the dimensional accuracy at a predetermined value when the semiconductor ceramic composition was attached to a circuit board as a small element or incorporated in a heating mechanism system.

つぎに加工した半導体磁器組成物をトレーに搭載し、スクリーン印刷法で電極形成を行なう。トレーに搭載した半導体磁器組成物が所定の位置に正しく整列し固定されるよう、トレーには半導体磁器組成物を一方向に整列するばね機構などの工夫をすることが望ましい。まず銀微粒子と亜鉛微粒子を混合し有機バインダ、分散剤と有機溶剤で調整したペーストを印刷、乾燥しオーミック電極を所望の位置に印刷形成する。半導体磁器組成物との密着性を強くするためにガラスや酸化物等を少量混合することもしばしば有効である。なお、亜鉛は化学的な性質の似ているカドミウムを微量不純物として含有することがあるが、環境汚染の観点からは有害物質のカドミウム含有量は少ないことが望ましい。オーミック電極の表面には、さらに銀微粒子を主成分として有機バインダ、分散剤と有機溶剤で調整したペーストを印刷、乾燥し表面電極を形成する。表面電極にもガラスや酸化物等を少量混合し、密着性や緻密性を向上する効果を得ることができる。 Next, the processed semiconductor ceramic composition is mounted on a tray, and electrodes are formed by screen printing. It is desirable to devise a mechanism such as a spring mechanism for aligning the semiconductor ceramic composition in one direction on the tray so that the semiconductor ceramic composition mounted on the tray is correctly aligned and fixed at a predetermined position. First, silver fine particles and zinc fine particles are mixed, and a paste adjusted with an organic binder, a dispersant and an organic solvent is printed and dried to form an ohmic electrode at a desired position. It is often effective to mix a small amount of glass, oxide, or the like in order to enhance the adhesion to the semiconductor ceramic composition. Zinc sometimes contains cadmium having similar chemical properties as a trace impurity, but from the viewpoint of environmental pollution, it is desirable that the cadmium content of harmful substances is small. On the surface of the ohmic electrode, a paste prepared by using silver fine particles as a main component and adjusting with an organic binder, a dispersant and an organic solvent is printed and dried to form a surface electrode. A small amount of glass, oxide, or the like can also be mixed with the surface electrode to obtain an effect of improving adhesion and denseness.

こうして2層構造の電極を形成したのち、焼結炉にて電極を焼結する。なお、半導体磁器組成物の材質、オーミック電極の材質、表面電極の材質の組み合わせによっては電極焼結を2回に分ける方が望ましい場合もある。すなわちオーミック電極をいったん焼結した後に、表面電極を印刷形成し2回目の焼結を行なう方法である。これにより、オーミック電極と表面電極の相互拡散が抑制されそれぞれの特徴を十分に発揮させることができる。さらに半導体磁器組成物の材質、オーミック電極の材質、表面電極の材質によっては、その特徴を発揮させるために焼結時の雰囲気を調整する場合もあり、特に酸素濃度を調整することで電極密着強度と電気特性を向上できる場合がある。酸素濃度を調整するためには空気と窒素ガスを混合して、その比率を変更することが最も容易である。印刷、焼結の工法によって形成したオーミック電極、表面電極それぞれの焼結後の厚みは通常5から20μm程度にすると制御し易い。これらの電極は印刷、焼結による形成方法だけではなく、真空蒸着やイオンプレーティング、スパッタ、めっきなどの薄膜法で形成することも可能である。薄膜法で形成するときには所望ではない部分にも電極が付着することがあるので、平面研削盤や、スライサーを用いた加工は電極形成の後で行い、所望ではない部分に付着した電極の除去を兼ねるように加工することが合理的である。 After forming a two-layer electrode in this way, the electrode is sintered in a sintering furnace. Depending on the combination of the material of the semiconductor porcelain composition, the material of the ohmic electrode, and the material of the surface electrode, it may be desirable to separate the electrode sintering into two times. In other words, after the ohmic electrode is once sintered, the surface electrode is printed and the second sintering is performed. Thereby, the mutual diffusion of the ohmic electrode and the surface electrode is suppressed, and the respective characteristics can be sufficiently exhibited. Furthermore, depending on the material of the semiconductor porcelain composition, the material of the ohmic electrode, and the material of the surface electrode, the atmosphere during sintering may be adjusted in order to exhibit its characteristics. In particular, the electrode adhesion strength can be adjusted by adjusting the oxygen concentration. In some cases, electrical characteristics can be improved. In order to adjust the oxygen concentration, it is easiest to change the ratio by mixing air and nitrogen gas. The thickness after sintering of the ohmic electrode and the surface electrode formed by the printing and sintering methods is usually easily controlled to about 5 to 20 μm. These electrodes can be formed not only by printing and sintering, but also by thin film methods such as vacuum deposition, ion plating, sputtering, and plating. Since electrodes may adhere to undesired parts when forming by the thin film method, processing using a surface grinder or slicer is performed after electrode formation, and the electrodes attached to undesired parts are removed. It is reasonable to process it so that it also doubles.

半導体磁器組成物を発熱体素子として用いるとき、電極の構造と配置は半導体磁器組成物を介して2つの電極が離れた位置で対になっていることが基本である。しかし時には3箇所以上に分離して設けることも応用設計として有効である。図2には本発明の半導体磁器組成物1に幅w(2mm)の帯状電極をそれぞれ間隔d(10mm)をおいて3箇所に設けて発熱体素子10とした例を示す。この例では電極1aと電極1b間の間隔は10mmであり、その間の室温での直流抵抗は20Ωであった。電極1aと電極1c間の間隔は22mmであり、その間の室温での直流抵抗は40Ωであった。電極1aと電極1b間に直流/交流いずれでも良いので20Vの電圧を印加し3分以上放置して自己発熱が安定したところで電流を測定すると2.6A、消費電力は52Wであった。一方、電極1aと電極1c間に同様に20Vの電圧を印加すると、安定状態での電流は1.3A、消費電力は26Wに半減した。さらに中央の電極1bを共通電極にして電極1aと電極1cに同じ電圧(交流の場合は同じ位相、かつ同じ振幅の電圧)20Vを印加すると、電流は5.2A、消費電力は104Wであった。上記いずれの場合でも安定状態の温度は電力にはほとんど関係なく、材料のキュリー温度に従いほぼ一定であった。このように2箇所以上、図2の例では3箇所に分離して電極を設ければ電圧を印加する電極を適切に選択することによって消費電力を数段階に変更することが可能であり電源装置の負荷状況や、希望する加熱の緩急の必要度合いに応じて単純な外付けスイッチなどで選択することができる。 When a semiconductor porcelain composition is used as a heating element, the structure and arrangement of the electrodes are basically such that two electrodes are paired at a position separated via the semiconductor porcelain composition. However, sometimes it is also effective as an applied design to be provided separately in three or more places. FIG. 2 shows an example in which the heating element 10 is formed by providing the semiconductor ceramic composition 1 of the present invention with strip electrodes having a width w (2 mm) at three positions with a distance d (10 mm). In this example, the distance between the electrode 1a and the electrode 1b was 10 mm, and the DC resistance at that time was 20Ω. The distance between the electrode 1a and the electrode 1c was 22 mm, and the DC resistance at room temperature was 40Ω. Since either direct current or alternating current may be applied between the electrode 1a and the electrode 1b, a current of 2.6A and power consumption of 52W were measured when a voltage of 20V was applied and left for 3 minutes or longer and the self-heating was stabilized. On the other hand, when a voltage of 20 V was similarly applied between the electrode 1a and the electrode 1c, the current in the stable state was reduced to 1.3 A and the power consumption was reduced to 26 W. Furthermore, when the central electrode 1b was used as a common electrode and the same voltage (voltage having the same phase and the same amplitude in the case of alternating current) 20V was applied to the electrodes 1a and 1c, the current was 5.2A and the power consumption was 104W. . In any of the above cases, the temperature in the stable state was almost constant according to the Curie temperature of the material, irrespective of the electric power. As described above, if the electrodes are provided separately in two or more places, and in the example of FIG. 2, the power consumption can be changed in several stages by appropriately selecting the electrodes to which the voltage is applied. It can be selected with a simple external switch or the like according to the load condition of the user and the degree of necessity of heating desired.

本発明の半導体磁器組成物に上記の例とは異なる構造と配置の電極を3箇所に分離して電極2a,電極2b,電極2cを設けた発熱体素子11を製作した。図3を参照しながら説明をする。焼成と加工を行なった半導体磁器組成物2の大きさは10mm×23mmの平板状で厚みは0.7mmである。電極2aと電極2cはそれぞれ一辺(W)が10mmの正方形であり間隙D(3mm)をあけて同一の面に並ぶように形成した。電極2bは、電極2aや電極2cとは平板状の半導体磁器組成物をはさんで反対側の面のほぼ全面にわたって形成した。 In the semiconductor ceramic composition of the present invention, a heating element 11 having electrodes 2a, 2b, and 2c provided with electrodes having a structure and arrangement different from those of the above example in three locations was manufactured. This will be described with reference to FIG. The size of the sintered ceramic porcelain composition 2 is 10 mm × 23 mm and the thickness is 0.7 mm. The electrode 2a and the electrode 2c were each formed to be a square having a side (W) of 10 mm and to be aligned on the same plane with a gap D (3 mm). The electrode 2b was formed over almost the entire surface opposite to the electrode 2a and the electrode 2c with a flat-plate semiconductor ceramic composition interposed therebetween.

この発熱体素子を電極を兼ねた金属製の放熱フィンに挟み込むようにして固定した。このときの放熱フィンの構造を図4を参照しながら説明する。発熱体素子11の一方の面に形成した電極2aは電力供給電極20aに熱的および電気的に密着し、電極2cは電力供給電極20cに熱的および電気的に密着し、他方の面に形成した電極2bは電力供給電極20bに熱的および電気的に密着するよう組み立てられ発熱モジュール20となる。電力供給電極20a,20b,20cはそれぞれ放熱フィン20a1,20b1,20c1と熱的に接続している。発熱体素子11で生じた熱は電極2a,2b,2c,電力供給電極20a,20b,20c,放熱フィン20a1,20b1,20c1の順に伝わり主に放熱フィン20a1,20b1,20c1から雰囲気中に放出される。電力供給電極20a,20c間に設けた絶縁物20dは両者の電気的絶縁を図る。電源との接続は電力供給電極20aと電力供給電極20bの間、または電力供給電極20cと電力供給電極20bの間に接続すれば低消費電力となり、電力供給電極20aおよび電力供給電極20cの両方と電力供給電極20bの間に接続すれば大消費電力となり、消費電力を2段階に変更することが可能である。こうして電源装置の負荷状況や、希望する加熱の緩急の必要度合いに応じて加熱能力を切り替え可能な発熱モジュールとなる。 The heating element was fixed so as to be sandwiched between metal heat radiation fins that also served as electrodes. The structure of the radiation fin at this time will be described with reference to FIG. The electrode 2a formed on one surface of the heating element 11 is in thermal and electrical contact with the power supply electrode 20a, and the electrode 2c is in thermal and electrical contact with the power supply electrode 20c and formed on the other surface. The formed electrode 2b is assembled to be in thermal and electrical contact with the power supply electrode 20b to form the heat generating module 20. The power supply electrodes 20a, 20b, and 20c are thermally connected to the radiation fins 20a1, 20b1, and 20c1, respectively. Heat generated in the heating element 11 is transmitted in the order of the electrodes 2a, 2b, 2c, the power supply electrodes 20a, 20b, 20c, and the radiation fins 20a1, 20b1, 20c1, and is mainly released from the radiation fins 20a1, 20b1, 20c1 into the atmosphere. The An insulator 20d provided between the power supply electrodes 20a and 20c achieves electrical insulation between them. When the power supply is connected between the power supply electrode 20a and the power supply electrode 20b, or between the power supply electrode 20c and the power supply electrode 20b, the power consumption is reduced, and both the power supply electrode 20a and the power supply electrode 20c are connected. When connected between the power supply electrodes 20b, the power consumption becomes large, and the power consumption can be changed in two stages. In this way, the heat generating module is capable of switching the heating capacity in accordance with the load condition of the power supply device and the degree of necessity of heating desired.

上記の加熱能力切り替え可能な発熱モジュールを電源に接続して加熱機構システムを製作した例を図5を参照しながら説明する。用意する電源は直流/交流どちらでも良い。発熱モジュール20の電力供給電極20aと電力供給電極20cはそれぞれ別のスイッチ30a,30bを介して電源30cの一方の電極に並列接続され、電力供給電極20bは共通端子として電源30cの他方の電極に接続され加熱機構システム30を構成する。スイッチ30a,30bの何れか一方を投入すれば加熱能力を小さくして電源の負荷を軽くすることができ、両方を投入すれば加熱能力を大きくすることができる。電源の位相や振幅を調整する回路が不要なので簡単に加熱能力を切り替え可能な加熱機構システムを実現することができる。安定状態の温度は半導体磁器組成物のキュリー温度で一定に収束するので温度検出機構や目標温度との比較機構、加熱電力調整回路なども不要なため、非常に簡単に加熱機構システムを実現することができる。図5に示したフィンの間に空気を流して暖めたり、水などの液体を通す管状の金属を接続して液体を温めるために好適で安全な加熱機構システムとすることができる。 An example in which a heating mechanism system is manufactured by connecting the heating module capable of switching the heating capacity to a power source will be described with reference to FIG. The power supply to be prepared may be either DC / AC. The power supply electrode 20a and the power supply electrode 20c of the heat generating module 20 are connected in parallel to one electrode of the power supply 30c via separate switches 30a and 30b, respectively, and the power supply electrode 20b is connected to the other electrode of the power supply 30c as a common terminal. The heating mechanism system 30 is connected. If either one of the switches 30a and 30b is turned on, the heating capacity can be reduced to reduce the load of the power source, and if both are turned on, the heating capacity can be increased. Since a circuit for adjusting the phase and amplitude of the power supply is not required, a heating mechanism system capable of easily switching the heating capacity can be realized. Since the temperature in the stable state converges uniformly at the Curie temperature of the semiconductor porcelain composition, a temperature detection mechanism, a comparison mechanism with the target temperature, a heating power adjustment circuit, etc. are unnecessary, so a heating mechanism system can be realized very easily. Can do. It is possible to provide a heating mechanism system that is suitable and safe for warming a liquid by flowing air between fins shown in FIG. 5 or connecting a tubular metal through which a liquid such as water passes.

本発明により得られる半導体磁器組成物は、PTCサーミスタ、PTCヒータ、PTCスイッチ、温度検知器などの材料として最適である。 The semiconductor ceramic composition obtained by the present invention is most suitable as a material for PTC thermistors, PTC heaters, PTC switches, temperature detectors and the like.

1,2 半導体磁器組成物
1a,1b,1c,2a,2b,2c 電極
10,11 発熱体素子
20 発熱モジュール
20a,20b,20c 電力供給電極
20a1,20b1,20c1 放熱フィン
20d 絶縁物
30 加熱機構システム
30a,30b スイッチ
30c 電源
1, 2 Semiconductor porcelain compositions 1a, 1b, 1c, 2a, 2b, 2c Electrodes 10, 11 Heating element 20 Heating modules 20a, 20b, 20c Power supply electrodes 20a1, 20b1, 20c1 Radiation fins 20d Insulator 30 Heating mechanism system 30a, 30b Switch 30c Power supply

Claims (4)

(BaQ)TiO3組成物(QはLa、Dy、Eu、Gdのこれらから選ばれる少なくとも一種以上)またはBa(TiM)O3組成物(MはNb、Ta、Sbのこれらから選ばれる少なくとも一種以上)と(BiNa)TiO3組成物の原料を別々に用意してそれぞれ仮焼し、その後、前記(BaQ)TiO3組成物と(BiNa)TiO3組成物を混合、焼結する半導体磁器組成物の製造方法であって、
前記(BaQ)TiO3組成物を用意する際、前記(BaQ)TiO3組成物の原料にSiを添加してから仮焼することを特徴とする半導体磁器組成物の製造方法。
(BaQ) TiO 3 composition (Q is at least one selected from La, Dy, Eu, Gd) or Ba (TiM) O 3 composition (M is at least one selected from Nb, Ta, Sb) Above) and (BiNa) TiO 3 composition materials are prepared separately and calcined separately, and then the (BaQ) TiO 3 composition and (BiNa) TiO 3 composition are mixed and sintered. A method for manufacturing a product,
Wherein (BaQ) when preparing a TiO 3 composition, the (BaQ) The method of manufacturing a semiconductor ceramic composition characterized by calcination after the addition of Si to the raw material for TiO 3 composition.
前記(BaQ)TiO3組成物またはBa(TiM)O3組成物の原料に対して、前記Siを0.97〜2.86mol%添加することを特徴とする半導体磁器組成物の製造方法。 Wherein (BaQ) the raw material of TiO 3 composition or Ba (TiM) O 3 composition, a method of manufacturing a semiconductor porcelain composition, characterized in that the Si addition 0.97~2.86mol%. 前記(BaQ)TiO3組成物として組成式(Ba1-xLax)TiO(0<x≦0.02)で表されるものを選択することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体磁器組成物の製造方法。 Wherein (BaQ) according to claim 1 or claim 2, wherein the selecting those represented by the composition formula as TiO 3 composition (Ba 1-x La x) TiO 3 (0 <x ≦ 0.02) A method for producing a semiconductor porcelain composition. 前記半導体磁器組成物が、第一相をBaとTiとBiおよびNaを主とする酸化物とし、第二相をBaとTiを主とする酸化物とし、前記第一相が組成式[(BiNa)x(Ba1-yLa1-x]TiO3と表し0<x≦0.3、0<y≦0.02を満足する組成になるように前記の仮焼した組成物を混合することを特徴とする請求項3に記載の半導体磁器組成物の製造方法。 In the semiconductor ceramic composition, the first phase is an oxide mainly composed of Ba, Ti, Bi and Na, the second phase is an oxide mainly composed of Ba and Ti, and the first phase is represented by a composition formula [( BiNa) x (Ba 1-y La y ) 1-x ] TiO 3 and mixing the above calcined composition so that the composition satisfies 0 <x ≦ 0.3 and 0 <y ≦ 0.02. The method for producing a semiconductor porcelain composition according to claim 3.
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