JP2013251385A - Current and voltage nonlinear resistor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、電流−電圧非直線抵抗体およびその製造方法に関する。 Embodiments described herein relate generally to a current-voltage nonlinear resistor and a method for manufacturing the same.
一般に、電力系統や電子機器回路を異常電圧から保護するために、避雷器やサージアブソーバがなどの過電圧保護装置が用いられている。この避雷器やサージアブソーバは、正常な電圧下において絶縁特性を示す一方、異常電圧が印加されたときに低抵抗特性を示す非直線抵抗体を有しており、過電圧の抑制に有効である。 In general, an overvoltage protection device such as a lightning arrester or a surge absorber is used to protect a power system or an electronic device circuit from an abnormal voltage. The lightning arrester and surge absorber have a non-linear resistor that exhibits insulation characteristics under normal voltage and low resistance when an abnormal voltage is applied, and is effective in suppressing overvoltage.
この電流−電圧非直線抵抗体は、例えば、酸化亜鉛(ZnO)を主成分とし、これに副成分として、Bi2O3、Co2O3、MnO、Sb2O3、NiOが添加されたものを原料としている。電流−電圧非直線抵抗体は、これらの原料を混合、造粒、成形し、焼結して形成されたセラミック体である。この焼結体の側面には、サージ吸収時に側面からのフラッシュ・オーバを防止するために、電気絶縁材料による絶縁層が形成されている。 This current-voltage non-linear resistor has, for example, zinc oxide (ZnO) as a main component, and Bi 2 O 3 , Co 2 O 3 , MnO, Sb 2 O 3 , and NiO added as subcomponents thereto. Made from raw materials. The current-voltage non-linear resistor is a ceramic body formed by mixing, granulating, forming, and sintering these raw materials. An insulating layer made of an electrically insulating material is formed on the side surface of the sintered body in order to prevent flashover from the side surface during surge absorption.
近年の電力需要の増加に伴い、電力系統において送電コストを低減するために、送変電設備を構成する機器の小型化および高性能化が求められている。酸化亜鉛を主成分とする電流−電圧非直線抵抗体は、優れた非直線抵抗特性を有するため、避雷器に適用されている。この避雷器に適用されている電流−電圧非直線抵抗体の小型化を図ることにより、避雷器自体を小型化することができる。これによって、送変電設備を構成するための設備コストを削減することができる。 With the recent increase in power demand, there is a demand for downsizing and high performance of the equipment that constitutes the transmission and transformation equipment in order to reduce the transmission cost in the power system. A current-voltage non-linear resistor mainly composed of zinc oxide has excellent non-linear resistance characteristics and is therefore applied to a lightning arrester. By reducing the size of the current-voltage nonlinear resistor applied to the lightning arrester, the lightning arrester itself can be reduced in size. As a result, the equipment cost for configuring the transmission / transformation equipment can be reduced.
電流−電圧非直線抵抗体を小型化するために、例えば、Bi2O3、Co2O3、MnO、Sb2O3、NiOなどの副成分の含有量が限定され、さらに、ZnOを主成分とした焼結体に含まれるBi2O3の結晶相が限定された電流−電圧非直線抵抗体などが検討されている。 In order to reduce the size of the current-voltage nonlinear resistor, for example, the content of subcomponents such as Bi 2 O 3 , Co 2 O 3 , MnO, Sb 2 O 3 , NiO is limited, and ZnO is mainly used. A current-voltage nonlinear resistor in which the crystal phase of Bi 2 O 3 contained in the sintered body as a component is limited has been studied.
従来の避雷器において小型化を図るためには、避雷器に用いられる電流−電圧非直線抵抗体を小さくする必要がある。しかしながら、電流−電圧非直線抵抗体の大きさを小さくするに伴って、サージエネルギを吸収した後の電流−電圧非直線抵抗体におけるジュール熱による温度上昇が大きくなる。 In order to reduce the size of a conventional lightning arrester, it is necessary to reduce the current-voltage non-linear resistor used in the lightning arrester. However, as the size of the current-voltage nonlinear resistor is reduced, the temperature rise due to Joule heat in the current-voltage nonlinear resistor after absorbing the surge energy increases.
電流−電圧非直線抵抗体においては、温度の上昇に伴い、抵抗値が低下する特性を有する。そして、電流−電圧非直線抵抗体の温度が高くなると、漏れ電流が増加し、サージエネルギ吸収後の商用周波電流により熱暴走を引き起こすことがある。そのため、電流−電圧非直線抵抗体の小型化が制限され、従来、避雷器を十分に小型化することができなかった。 The current-voltage nonlinear resistor has a characteristic that the resistance value decreases as the temperature rises. When the temperature of the current-voltage nonlinear resistor increases, the leakage current increases, and thermal runaway may be caused by the commercial frequency current after absorbing the surge energy. Therefore, miniaturization of the current-voltage non-linear resistor is limited, and conventionally, the arrester cannot be sufficiently miniaturized.
本発明が解決しようとする課題は、非直線抵抗特性、エネルギ耐量特性および高温下での熱安定性に優れた電流-電圧非直線抵抗体を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a current-voltage non-linear resistor excellent in non-linear resistance characteristics, energy withstand characteristics, and thermal stability at high temperatures.
実施形態の電流-電圧非直線抵抗体は、酸化亜鉛を主成分とし、副成分として少なくとも、ビスマス、アンチモン、マンガン、コバルト、ニッケル、アルミニウムを含んだ混合物の焼結体を備える。そして、前記混合物は、酸化亜鉛を98mol%以上、かつビスマス、アンチモンをそれぞれBi2O3、Sb2O3に換算して、Bi2O3を0.1〜0.5mol%、Sb2O3を0.4〜0.9mol%含有する。 The current-voltage nonlinear resistor of the embodiment includes a sintered body of a mixture containing zinc oxide as a main component and at least bismuth, antimony, manganese, cobalt, nickel, and aluminum as subcomponents. Then, the mixture of zinc oxide 98 mol% or more, and bismuth, antimony and converted to Bi 2 O 3, Sb 2 O 3 , respectively, 0.1 to 0.5 mol% of Bi 2 O 3, Sb 2 O 3 is contained in an amount of 0.4 to 0.9 mol%.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、実施の形態の電流−電圧非直線抵抗体10の断面を示す図である。
FIG. 1 is a diagram illustrating a cross section of a current-voltage
図1に示すように、実施の形態の電流−電圧非直線抵抗体10は、酸化亜鉛(ZnO)を主成分とし、副成分として少なくともビスマス(Bi)、アンチモン(Sb)、マンガン(Mn)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)を含んだ混合物の焼結体20を備えている。混合物は、酸化亜鉛を98mol%以上、かつビスマス、アンチモンをBi2O3、Sb2O3に換算して、Bi2O3を0.1〜0.5mol%、Sb2O3を0.4〜0.9mol%含有している。
As shown in FIG. 1, the current-voltage
電流−電圧非直線抵抗体10は、焼結体20の側面を被覆する絶縁層30と、焼結体20の上下面に形成された電極40を備えている。
The current-voltage
混合物は、ビスマス、アンチモン以外の副成分である、マンガン、コバルト、ニッケル、アルミニウムをそれぞれMnO、Co2O3、NiO、Al3+に換算して、MnOを0.05〜0.2mol%、Co2O3を0.1〜0.3mol%、NiOを0.1〜0.25mol%、Al3+を0.002〜0.008mol%含有することが好ましい。 In the mixture, manganese, cobalt, nickel, and aluminum, which are subcomponents other than bismuth and antimony, are converted into MnO, Co 2 O 3 , NiO, and Al 3+ , respectively, and MnO is 0.05 to 0.2 mol%, Co the 2 O 3 0.1~0.3mol%, NiO of 0.1~0.25mol%, preferably contains 0.002~0.008Mol% of Al 3+.
次に、混合物の各組成成分の含有量の限定理由について説明する。 Next, the reason for limiting the content of each composition component of the mixture will be described.
酸化亜鉛の含有量が、98%より小さい場合には、焼結体20の内部の絶縁成分が多くなり、エネルギ耐量が低下し、熱安定性が悪化する。そのため、酸化亜鉛の含有量を98mol%以上とした。
When the content of zinc oxide is smaller than 98%, the insulating component inside the
Bi2O3は、主成分である酸化亜鉛の粒界に存在して非直線抵抗特性を発現させる成分である。Bi2O3の含有量が0.1mol%よりも小さい場合には、この非直線抵抗特性を発現させる効果を十分に得ることができない。一方、Bi2O3の含有量が0.5mol%よりも大きい場合には、非直線抵抗特性が悪化する。 Bi 2 O 3 is a component that exists at the grain boundary of zinc oxide, which is the main component, and develops non-linear resistance characteristics. When the content of Bi 2 O 3 is less than 0.1 mol%, it is not possible to sufficiently obtain the effect of developing this non-linear resistance characteristic. On the other hand, when the content of Bi 2 O 3 is larger than 0.5 mol%, the nonlinear resistance characteristic is deteriorated.
そのため、ビスマスをBi2O3に換算して、Bi2O3の含有量を0.1〜0.5mol%とした。また、Bi2O3の含有量のより好ましい範囲は、0.3〜0.45mol%である。 Therefore, in terms of bismuth Bi 2 O 3, it was 0.1 to 0.5 mol% of the content of Bi 2 O 3. Furthermore, more preferable range of the content of Bi 2 O 3 is 0.3~0.45mol%.
Sb2O3は、酸化亜鉛とスピネル粒子を形成して焼結中の酸化亜鉛粒子の粒成長を抑制し、均一化する働きを有し、非直線抵抗特性を向上させる効果を有する成分である。Sb2O3の含有量が0.4mol%よりも小さい場合には、この非直線抵抗特性を向上させる効果を十分に得ることができない。一方、Sb2O3の含有量が0.9mol%よりも大きい場合には、焼結体20の内部の絶縁成分が多くなり、エネルギ耐量が低下し、熱安定性が悪化する。
Sb 2 O 3 is a component that has the effect of suppressing the growth of zinc oxide particles during sintering by forming zinc oxide and spinel particles and making them uniform, and improving the non-linear resistance characteristics. . When the content of Sb 2 O 3 is smaller than 0.4 mol%, the effect of improving the nonlinear resistance characteristic cannot be sufficiently obtained. On the other hand, when the content of Sb 2 O 3 is larger than 0.9 mol%, the insulating component inside the sintered
そのため、アンチモンをSb2O3に換算して、Sb2O3の含有量を0.4〜0.9mol%とした。また、Sb2O3の含有量のより好ましい範囲は、0.5〜0.9mol%である。 Therefore, in terms of antimony Sb 2 O 3, it was 0.4~0.9Mol% content of Sb 2 O 3. Furthermore, more preferable range of the content of Sb 2 O 3 is 0.5~0.9mol%.
MnOは、主にスピネル粒子中に固溶して非直線抵抗特性を大きく向上させるために有効な成分である。MnOの含有量が0.05mol%よりも小さい場合には、この非直線抵抗特性を向上させる効果を十分に得ることができない。一方、MnOの含有量が 0.2mol%よりも大きい場合には、焼結体20の内部の電気絶縁成分が多くなり、エネルギ耐量が低下し、熱安定性が悪化する。
MnO is an effective component in order to largely improve the non-linear resistance characteristic by mainly dissolving in spinel particles. When the content of MnO is smaller than 0.05 mol%, the effect of improving the non-linear resistance characteristic cannot be sufficiently obtained. On the other hand, when the content of MnO is larger than 0.2 mol%, the electrical insulating component inside the sintered
そのため、マンガンをMnOに換算して、MnOの含有量を0.05〜0.2mol%とした。また、MnOの含有量のより好ましい範囲は、0.05〜0.15mol%である。 Therefore, manganese is converted into MnO, and the content of MnO is set to 0.05 to 0.2 mol%. Moreover, the more preferable range of content of MnO is 0.05-0.15 mol%.
Co2O3は、主にスピネル粒子中に固溶して非直線抵抗特性を大きく向上させるために有効な成分である。Co2O3の含有量が0.1mol%よりも小さい場合には、この非直線抵抗特性を向上させる効果を十分に得ることができない。一方、Co2O3の含有量が0.3mol%よりも大きい場合には、焼結体20の内部の電気絶縁成分が多くなり、エネルギ耐量が低下し、熱安定性が悪化する。
Co 2 O 3 is an effective component for largely improving the non-linear resistance characteristic by mainly dissolving in spinel particles. When the content of Co 2 O 3 is smaller than 0.1 mol%, the effect of improving the non-linear resistance characteristic cannot be sufficiently obtained. On the other hand, when the content of Co 2 O 3 is larger than 0.3 mol%, the electrical insulation component inside the
そのため、コバルトをCo2O3に換算して、Co2O3の含有量を0.1〜0.3mol%とした。また、Co2O3の含有量のより好ましい範囲は、0.1〜0.25mol%である。 Therefore, in terms of cobalt to Co 2 O 3, it was 0.1~0.3Mol% content of Co 2 O 3. Furthermore, more preferable range of the content of Co 2 O 3 is 0.1~0.25mol%.
NiOは、主にスピネル粒子中に固溶して非直線抵抗特性を大きく向上させるために有効な成分である。NiOの含有量が0.1mol%よりも小さい場合には、この非直線抵抗特性を向上させる効果を十分に得ることができない。一方、NiOの含有量が0.25mol%よりも大きい場合には、焼結体20の内部の電気絶縁成分が多くなり、エネルギ耐量が低下し、熱安定性が悪化する。
NiO is an effective component mainly for solid solution in spinel particles and greatly improving the non-linear resistance characteristics. When the content of NiO is smaller than 0.1 mol%, the effect of improving the non-linear resistance characteristic cannot be obtained sufficiently. On the other hand, when the content of NiO is larger than 0.25 mol%, the electrical insulating component inside the sintered
そのため、ニッケルをNiOに換算して、NiOの含有量を0.1〜0.25mol%とした。 Therefore, nickel is converted into NiO, and the content of NiO is set to 0.1 to 0.25 mol%.
Al3+は、主にZnO粒子中に固溶してZnO粒子の抵抗を下げ、非直線抵抗特性を大きく向上させるために有効な成分である。Al3+の含有量が0.002mol%よりも小さい場合には、この非直線抵抗特性を向上させる効果を十分に得ることができない。一方、Al3+の含有量が0.008mol%よりも大きい場合には、非直線抵抗特性が悪化する。 Al 3+ is an effective component for mainly dissolving in ZnO particles to lower the resistance of ZnO particles and greatly improve non-linear resistance characteristics. When the content of Al 3+ is smaller than 0.002 mol%, the effect of improving the non-linear resistance characteristic cannot be sufficiently obtained. On the other hand, when the content of Al 3+ is larger than 0.008 mol%, the non-linear resistance characteristic is deteriorated.
そのため、アルミニウムをAl3+に換算して、Al3+の含有量を0.002〜0.008mol%とした。 Therefore, in terms of aluminum to Al 3+, it was 0.002~0.008Mol% content of Al 3+.
また、混合物は、イットリウム(Y)、ユウロピウム(Eu)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、ガドリニウム(Gd)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、イッテルビウム(Yb)のうち少なくとも一種の希土類元素Rを、R2O3に換算して0.5mol%以下含むことが好ましい。 The mixture is at least one rare earth selected from yttrium (Y), europium (Eu), erbium (Er), thulium (Tm), gadolinium (Gd), dysprosium (Dy), holmium (Ho), and ytterbium (Yb). It is preferable that the element R is contained in an amount of 0.5 mol% or less in terms of R 2 O 3 .
ここで、上記した希土類元素RをR2O3に換算して0.5mol%以下含有することで、焼結体内部に絶縁成分を増やすことなく、優れた、非直線抵抗特性および熱安定性を得ることができる。一方、上記した希土類元素RをR2O3に換算して0.5mol%を超えて含有すると、非直線抵抗特性が悪化する。 Here, by including the rare earth element R described above in terms of R 2 O 3 in an amount of 0.5 mol% or less, excellent non-linear resistance characteristics and thermal stability without increasing the insulating component inside the sintered body Can be obtained. On the other hand, if the rare earth element R described above is contained in an amount exceeding 0.5 mol% in terms of R 2 O 3 , the non-linear resistance characteristics are deteriorated.
なお、上記したR2O3の含有量の下限値は、上記した希土類元素Rを添加することによる上記した効果を発揮するために、0.005mol%とすることが好ましい。 The lower limit of the content of R 2 O 3 mentioned above, in order to exhibit the above effects by the addition of rare earth element R described above, it is preferable to 0.005 mol%.
ここで、混合物の平均粒径は、0.4μm以下であることが好ましい。混合物の平均粒径を0.4μm以下にすることで、焼成過程における酸化亜鉛粒子の粒成長が均一に進み、局所的な通電パスの偏りがなくなる。そのため、優れた、非直線抵抗特性、エネルギ耐量特性および熱安定性を有する電流−電圧非直線抵抗体10が得られる。
Here, the average particle size of the mixture is preferably 0.4 μm or less. By making the average particle size of the mixture 0.4 μm or less, the growth of zinc oxide particles in the firing process proceeds uniformly, and there is no local bias of the current path. Therefore, the current-
一方、混合物の平均粒径が0.4μmを超えると、焼成過程における酸化亜鉛粒子の粒成長時において、局所的な通電パスの偏りが生じ、優れた、非直線抵抗特性、エネルギ耐量特性および熱安定性を得ることができない。なお、混合物の平均粒径は、小さいほど好ましいが、混合物を粉砕する際の作製上の限界により、混合物の平均粒径の下限値は、0.05μm程度となる。 On the other hand, if the average particle size of the mixture exceeds 0.4 μm, local bias of the current-carrying path occurs during the growth of zinc oxide particles in the firing process, and excellent non-linear resistance characteristics, energy resistance characteristics and heat Stability cannot be obtained. In addition, although the average particle diameter of a mixture is so preferable that it is small, the minimum value of the average particle diameter of a mixture will be about 0.05 micrometer by the limit on preparation at the time of grind | pulverizing a mixture.
混合物の粒度分布に基づく標準偏差は、混合物の平均粒径の75%以下であることが好ましい。すなわち、混合物の粒度分布に基づく標準偏差を混合物の平均粒径で除して、百分率で示した値が75%以下であることが好ましい。 The standard deviation based on the particle size distribution of the mixture is preferably 75% or less of the average particle size of the mixture. That is, it is preferable that the standard deviation based on the particle size distribution of the mixture is divided by the average particle size of the mixture and the value expressed as a percentage is 75% or less.
混合物の粒度分布に基づく標準偏差を混合物の平均粒径の75%以下にすることで、原料が均一に分散し、焼成過程における酸化亜鉛粒子の粒成長が均一に進み、焼結体20中の酸化亜鉛粒子の粒径が均一化される。これによって、優れた、非直線抵抗特性、エネルギ耐量特性および熱安定性を有する流−電圧非直線抵抗体10を得ることができる。
By setting the standard deviation based on the particle size distribution of the mixture to 75% or less of the average particle size of the mixture, the raw materials are uniformly dispersed, and the growth of zinc oxide particles in the firing process proceeds uniformly. The particle size of the zinc oxide particles is made uniform. As a result, it is possible to obtain the current-
一方、混合物の粒度分布に基づく標準偏差が混合物の平均粒径の75%を超えると、焼結体20中の酸化亜鉛粒子の粒径が均一化され難くなり、優れた、非直線抵抗特性、エネルギ耐量特性および熱安定性を得ることができない。
On the other hand, when the standard deviation based on the particle size distribution of the mixture exceeds 75% of the average particle size of the mixture, the particle size of the zinc oxide particles in the
混合物の平均粒径は、例えば、レーザ回折・散乱式の粒度分布測定装置を用いて測定される。また、上記した混合物の平均粒径は、メディアン径における平均粒径である。また、標準偏差は、上記した粒度分布測定装置で測定された混合物の粒度分布に基づいて求められる。 The average particle diameter of the mixture is measured using, for example, a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring apparatus. Moreover, the average particle diameter of the above-mentioned mixture is an average particle diameter in the median diameter. The standard deviation is determined based on the particle size distribution of the mixture measured by the above particle size distribution measuring apparatus.
ここで、焼結体20中の酸化亜鉛粒子の粒度分布に基づく標準偏差は、酸化亜鉛粒子の平均粒径の15%以下であることが好ましい。すなわち、焼結体20中の酸化亜鉛粒子の粒度分布に基づく標準偏差を酸化亜鉛粒子の平均粒径で除して、百分率で示した値が15%以下であることが好ましい。
Here, the standard deviation based on the particle size distribution of the zinc oxide particles in the
焼結体20中の酸化亜鉛粒子の粒度分布に基づく標準偏差を酸化亜鉛粒子の平均粒径の15%以下にすることで、酸化亜鉛の粒子径が均一化されるため、焼結体20中の微細構造が均質化される。そのため、局所的な導電パスの偏りがなくなり、優れた非直線抵抗特性、エネルギ耐量特性および熱安定性を得ることができる。
By setting the standard deviation based on the particle size distribution of the zinc oxide particles in the
焼結体20中の酸化亜鉛粒子の平均粒径は、焼結体20の内部を切り出し、その切り出した試料を鏡面研摩し、走査型電子顕微鏡(SEM)で反射電子像を観察して求められる。具体的には、複数の試料を切り出し、各試料について、異なる視野で数箇所のSEM写真を、例えば1000倍の倍率で撮り、例えば500〜1000個の酸化亜鉛粒子の粒径を測定することで、焼結体20中の酸化亜鉛粒子の平均粒径を求めることができる。
The average particle diameter of the zinc oxide particles in the
標準偏差は、上記したように、測定された平均粒径から得られる焼結体20中の酸化亜鉛粒子の粒度分布に基づいて算出される。なお、例えば、酸化亜鉛粒子、スピネル粒子、酸化ビスマス層、気孔などは、反射電子像における観察写真の色あいにより識別することができる。
As described above, the standard deviation is calculated based on the particle size distribution of the zinc oxide particles in the
焼結体20中のZn7Sb2O12を主成分とするスピネル粒子の粒度分布に基づく標準偏差は、スピネル粒子の平均粒径の30%以下であることが好ましい。すなわち、スピネル粒子の粒度分布に基づく標準偏差をスピネル粒子の平均粒径で除して、百分率で示した値が30%以下であることが好ましい。
The standard deviation based on the particle size distribution of the spinel particles mainly composed of Zn 7 Sb 2 O 12 in the
主に酸化亜鉛と三酸化アンチモン(Sb2O3)から形成されるスピネル粒子(Zn7Sb2O12)は、焼成過程における酸化亜鉛粒子の粒成長を抑制する特性を有する。しかしながら、絶縁物であるスピネル粒子が局所的に多数存在したり、スピネル粒子の大きさに偏りが生じると、通電パスが制限され、エネルギ耐量が低下する。 Spinel particles (Zn 7 Sb 2 O 12 ) formed mainly from zinc oxide and antimony trioxide (Sb 2 O 3 ) have the property of suppressing the growth of zinc oxide particles during the firing process. However, when a large number of spinel particles, which are insulators, are locally present, or when the size of the spinel particles is biased, the energization path is limited and the energy resistance is reduced.
そこで、上記したように、スピネル粒子の粒度分布に基づく標準偏差をスピネル粒子の平均粒径の30%以下とすることで、焼結体20中の酸化亜鉛粒径が均一化されるとともに、スピネル粒子の大きさの偏りが小さくなる。そのため、優れた、非直線抵抗特性、エネルギ耐量特性および熱安定性を有する電流−電圧非直線抵抗体10を得ることができる。
Therefore, as described above, by making the standard deviation based on the particle size distribution of the
ここで、焼結体20の側面を被覆する絶縁層30は、例えば、電気絶縁材料であるガラスフリットなどの無機絶縁物などで構成される。この絶縁層30は、焼結体20の側面に、例えば、上記した電気絶縁材料を塗布や吹き付けし、熱処理を施すことで形成される。なお、絶縁層30の厚さは、絶縁性能および機械的強度の観点から、0.05〜0.2mm程度に形成されることが好ましい。
Here, the insulating
焼結体20の上下面に形成された電極40は、例えば、電気導電性を有するアルミニウムや銀などの材料で構成される。電極40は、焼結体20の上下面に、例えば、上記した導電性材料を溶射などすることで形成される。なお、電極40の厚さは、焼結体20との接着性の観点から、0.05〜0.15mm程度に形成されることが好ましい。
The
次に、実施の形態の電流−電圧非直線抵抗体10の製造方法について説明する。
Next, a method for manufacturing the current-
まず、主成分である酸化亜鉛を98mol%以上含み、副成分として、ビスマス、アンチモン、マンガン、コバルト、ニッケル、アルミニウムをそれぞれBi2O3、Sb2O3、MnO、Co2O3、NiO、Al3+に換算して、Bi2O3を0.1〜0.5mol%、Sb2O3を0.4〜0.9mol%、MnOを0.05〜0.2mol%、Co2O3を0.1〜0.3mol%、NiOを0.1〜0.25mol%、Al3+を0.002〜0.008mol%含むように秤量し混合物を作製する。 First, it contains 98 mol% or more of zinc oxide as a main component, and Bi 2 O 3 , Sb 2 O 3 , MnO, Co 2 O 3 , NiO, bismuth, antimony, manganese, cobalt, nickel, and aluminum as subcomponents, respectively. Converted to Al 3+ , Bi 2 O 3 is 0.1 to 0.5 mol%, Sb 2 O 3 is 0.4 to 0.9 mol%, MnO is 0.05 to 0.2 mol%, Co 2 O 3 Is 0.1 to 0.3 mol%, NiO is 0.1 to 0.25 mol%, and Al3 + is 0.002 to 0.008 mol% to prepare a mixture.
続いて、作製された混合物、およびこの混合物の含有率が30〜60重量%となるように調整された有機溶剤を湿式粉砕装置に投入し、例えば、混合物の平均粒径が0.4μm以下となるように混合物を粉砕しながら混合し、スラリーを作製する。有機溶剤として、例えば、水とポリビニルアルコールなどの有機バインダを混合したものなどが用いられる。 Subsequently, the prepared mixture and an organic solvent adjusted so that the content of the mixture is 30 to 60% by weight are charged into a wet pulverizer. For example, the average particle size of the mixture is 0.4 μm or less. The mixture is mixed while being pulverized to prepare a slurry. As the organic solvent, for example, a mixture of water and an organic binder such as polyvinyl alcohol is used.
ここで、湿式粉砕装置として、例えば、直径が0.05〜0.3mmのジルコニアビーズを用いた循環方式の装置などが用いられる。また、湿式粉砕装置におけるベッセル内のビーズ充填率を35〜95%とし、攪拌用ロータの周速を500〜1500rpm、循環流量を5〜50L/minの条件で作動させることができる。 Here, as the wet pulverization apparatus, for example, a circulation type apparatus using zirconia beads having a diameter of 0.05 to 0.3 mm is used. Further, the bead filling rate in the vessel in the wet pulverization apparatus can be 35 to 95%, the peripheral speed of the stirring rotor can be 500 to 1500 rpm, and the circulation flow rate can be operated at 5 to 50 L / min.
続いて、作製されたスラリーを回転円盤方式または加圧ノズル方式により、噴霧して造粒して造粒粉を作製する。ここで、造粒粉の粒径は、70〜130μmとすることが好ましい。なお、この際の粒径は、前述したレーザ回折・散乱式の粒度分布測定装置などを用いて測定される。ここで、造粒粉の粒径を70〜130μmとするのが好ましいのは、成形性が良く、緻密な成形体を得ることができるからである。 Subsequently, the produced slurry is sprayed and granulated by a rotating disk method or a pressure nozzle method to produce a granulated powder. Here, the particle size of the granulated powder is preferably 70 to 130 μm. The particle size at this time is measured using the above-mentioned laser diffraction / scattering particle size distribution measuring device or the like. Here, the reason why the particle size of the granulated powder is preferably 70 to 130 μm is that moldability is good and a dense molded body can be obtained.
得られた造粒粉を、例えば油圧式のプレス成形機によって、円柱状に成形し、成形体を作製する。 The obtained granulated powder is molded into a columnar shape by, for example, a hydraulic press molding machine to produce a molded body.
続いて、この成形体を、第1の温度である350〜500℃の温度に加熱し、この温度に、例えば、1〜3時間維持して有機溶剤を脱脂する。 Subsequently, the molded body is heated to a first temperature of 350 to 500 ° C., and maintained at this temperature for 1 to 3 hours, for example, to degrease the organic solvent.
次に、成形体を、第2の温度である900〜1300℃の温度に加熱し、この温度に、例えば、2時間以上維持して焼成する。なお、焼成は、例えば、トンネル式の連続炉を使用して、アルミナやムライトなどの耐火物容器に成形体を設置して行われる。また、第1の温度から第2の温度までの加熱速度は、被焼成物内の温度均一性と焼成プロセスリードタイムの観点から、50〜200℃/時であることが好ましい。 Next, the molded body is heated to a second temperature of 900 to 1300 ° C. and maintained at this temperature for 2 hours or longer, for example, and fired. The firing is performed, for example, by using a tunnel-type continuous furnace and placing the compact in a refractory container such as alumina or mullite. Moreover, it is preferable that the heating rate from 1st temperature to 2nd temperature is 50-200 degreeC / hour from a viewpoint of the temperature uniformity in a to-be-baked thing, and a baking process lead time.
第2の温度の維持時間経過後、焼成された成形体を冷却する。なお、冷却する際、750℃以下の温度における冷却速度を25〜100℃/時とすることが好ましい。この冷却工程を経て、焼結体20が得られる。
After the maintenance time of the second temperature has elapsed, the fired molded body is cooled. In addition, when cooling, it is preferable to make the cooling rate in the temperature of 750 degrees C or less into 25-100 degrees C / hour. Through this cooling step, the
冷却後、焼結体20の側面に、前述した無機絶縁物を塗布または吹き付け、300〜500℃の温度で、1〜5時間熱処理して、絶縁層30を形成する。
After cooling, the above-described inorganic insulator is applied or sprayed onto the side surface of the
さらに、焼結体20の上下両端面を研磨し、この研磨面に、前述した導電性材料を、例えば溶射などして、電極40を形成する。
Further, the upper and lower end surfaces of the
なお、絶縁層30を形成する工程および電極40を形成する工程を行う順番は、特に限定されるものではなく、いずれを先に行ってもよい。
In addition, the order which performs the process of forming the insulating
このように、上記した工程を経ることで、電流−電圧非直線抵抗体10が作製される。
Thus, the current-
上記したように、実施の形態の電流−電圧非直線抵抗体10によれば、優れた非直線抵抗特性、エネルギ耐量特性および熱安定性を得ることができる。
As described above, according to the current-
次に、実施の形態の電流−電圧非直線抵抗体10が優れた特性を有することを以下に具体的に説明する。
Next, it will be specifically described below that the current-
(混合物の組成の影響)
ここでは、ZnOを主成分とし、副成分として、ビスマス(Bi)、アンチモン(Sb)、マンガン(Mn)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)Bi2O3、Sb2O3、MnO、Co2O3、NiO、Al3+を含んだ混合物の組成が、電流−電圧非直線抵抗体の特性に及ぼす影響について説明する。
(Influence of the composition of the mixture)
Here, ZnO is the main component, and subcomponents are bismuth (Bi), antimony (Sb), manganese (Mn), cobalt (Co), nickel (Ni), aluminum (Al) Bi 2 O 3 , Sb 2 O. 3 , the influence of the composition of the mixture containing MnO, Co 2 O 3 , NiO, and Al 3+ on the characteristics of the current-voltage nonlinear resistor will be described.
表1には、試料1〜試料14における混合物の組成が示されている。なお、表1において、*印が付された試料に係る組成は、本発明に係る組成の範囲外であり、*印が付された試料は、比較例である(以下において同じ。)。また、表1において示された含有量はmol%である。 Table 1 shows the composition of the mixture in Samples 1 to 14. In Table 1, the composition of the sample marked with * is outside the range of the composition according to the present invention, and the sample marked with * is a comparative example (the same applies hereinafter). Moreover, content shown in Table 1 is mol%.
表1に示した組成となるように調整した混合物、およびこの混合物の含有率が40重量%となるように調整した水および有機バインダを、循環方式の湿式粉砕装置に投入した。また、湿式粉砕装置において、ジルコニアビーズの粒径、ベッセル内のビーズ充填率、攪拌用ロータの周速、循環流量、混合時間を調整して、混合物の平均粒径が0.4μmとなるように粉砕を行った。この湿式粉砕装置における粉砕および混合処理によって、均一に混合されたスラリーを得た。 A mixture adjusted to have the composition shown in Table 1, and water and an organic binder adjusted so that the content of the mixture was 40% by weight were put into a circulation type wet pulverizer. In the wet pulverizer, the average particle size of the mixture is adjusted to 0.4 μm by adjusting the particle size of the zirconia beads, the bead filling rate in the vessel, the peripheral speed of the stirring rotor, the circulation flow rate, and the mixing time. Grinding was performed. A uniformly mixed slurry was obtained by pulverization and mixing in the wet pulverizer.
ここで、混合物の平均粒径は、レーザ回折・散乱式の粒度分布測定装置を用いて測定した。また、この平均粒径は、メディアン径における平均粒径である。 Here, the average particle diameter of the mixture was measured using a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring apparatus. Moreover, this average particle diameter is an average particle diameter in a median diameter.
続いて、このスラリーをスプレードライヤで、粒径が80μmとなるように噴霧造粒した。得られた造粒粉を、油圧式のプレス成形機によって、直径が40mm、厚さが40mmの円柱状の成形体とした。 Subsequently, this slurry was spray-granulated with a spray dryer so that the particle size became 80 μm. The obtained granulated powder was formed into a cylindrical shaped body having a diameter of 40 mm and a thickness of 40 mm by a hydraulic press molding machine.
続いて、この成形体を500℃の温度に加熱し、この温度に2時間維持して有機溶剤である有機バインダを脱脂した。 Subsequently, the molded body was heated to a temperature of 500 ° C. and maintained at this temperature for 2 hours to degrease the organic binder as an organic solvent.
次に、成形体を、1050℃の温度に加熱し、この温度に3時間維持して焼成した。なお、焼成は、トンネル式の連続炉を使用して、ムライトの耐火物容器に成形体を設置して行った。また、500℃から1050℃の各焼成温度にするまでの加熱速度を100℃/時とした。 Next, the molded body was heated to a temperature of 1050 ° C. and maintained at this temperature for 3 hours and fired. The firing was performed by using a tunnel-type continuous furnace and placing the compact in a mullite refractory container. Moreover, the heating rate until it became each baking temperature of 500 to 1050 degreeC was 100 degreeC / hour.
各焼成温度の維持時間経過後、焼成された成形体を冷却した。なお、750℃以下の温度における冷却する際の冷却速度を100℃/時とした。この冷却工程を経て、焼結体を得た。 After the maintenance time of each firing temperature elapsed, the fired molded body was cooled. In addition, the cooling rate at the time of cooling in the temperature of 750 degrees C or less was 100 degrees C / hour. Through this cooling process, a sintered body was obtained.
続いて、冷却された成形体である焼結体の側面に、ガラスフリットを塗布し、500℃の温度で、2時間熱処理して、絶縁層を形成した。さらに、焼結体の上下両端面を研磨し、この研磨面に、アルミニウムを溶射して電極を形成し、電流−電圧非直線抵抗体を得た。 Subsequently, glass frit was applied to the side surface of the sintered body, which was a cooled molded body, and heat-treated at a temperature of 500 ° C. for 2 hours to form an insulating layer. Furthermore, the upper and lower end surfaces of the sintered body were polished, and aluminum was sprayed on the polished surface to form an electrode to obtain a current-voltage nonlinear resistor.
得られた試料1〜試料14に係る電流−電圧非直線抵抗体について、非直線性係数(V10kA/V1mA)、エネルギ耐量および抵抗分漏れ電流(IR)を評価した。 For the obtained current-voltage nonlinear resistors according to Sample 1 to Sample 14, the non-linearity coefficient (V 10 kA / V 1 mA ), energy tolerance and resistance leakage current (I R ) were evaluated.
非直線抵抗特性の評価において、まず1mAの商用周波の電流を通電したときの電圧であるバリスタ電圧(V1mA)をJEC0202−1994に準じて測定した。次に、バリスタ電圧(V1mA)と、8×20μsインパルス電流を10kA流したときの電圧(V10kA)とを測定し、これらの比(V10kA/V1mA)を非直線性係数として評価した。この非直線性係数の値が小さいほど、非直線抵抗特性が優れていることを示す。 In evaluating the non-linear resistance characteristics, first, a varistor voltage (V 1 mA ), which is a voltage when a current of 1 mA of commercial frequency is applied, was measured according to JEC0202-1994. Next, the varistor voltage (V 1 mA ) and the voltage (V 10 kA ) when an 8 × 20 μs impulse current was applied at 10 kA were measured, and the ratio (V 10 kA / V 1 mA ) was evaluated as a nonlinear coefficient. . It shows that the nonlinear resistance characteristic is excellent, so that the value of this nonlinear coefficient is small.
エネルギ耐量の評価において、バリスタ電圧(V1mA)の1.3倍の商用周波電圧(50Hz)を印加し続け、破壊するまでに吸収したエネルギ値(J/cc)を測定し、このエネルギ値(J/cc)に基づいて、エネルギ耐量を評価した。ここで、破壊するまでとは、AE検出器により電流−電圧非直線抵抗体に亀裂が発生したことが検出されるまでをいう。このエネルギ値(J/cc)の値が大きいほどエネルギ耐量特性に優れていることを示す。 In the evaluation of energy tolerance, a commercial frequency voltage (50 Hz) that is 1.3 times the varistor voltage (V 1 mA ) is continuously applied, and the energy value (J / cc) absorbed until breakdown is measured, and this energy value ( J / cc) was evaluated for energy tolerance. Here, until breaking refers to until the AE detector detects that a crack has occurred in the current-voltage nonlinear resistor. The larger the energy value (J / cc), the better the energy withstand characteristics.
熱安定性の評価において、大気圧の下、恒温槽で200℃の温度雰囲気で、バリスタ電圧(V1mA)の90%の交流電圧を印加したときの抵抗分漏れ電流(IR)を測定し、この抵抗分漏れ電流(IR)に基づいて熱安定性を評価した。なお、抵抗分漏れ電流(IR)は、酸化亜鉛素子の粒界における電気特性を電気的等価回路を用いて、定性的に表したときの、抵抗成分に起因する電流である。この抵抗分漏れ電流(IR)の値が小さいほど高温下での熱安定性に優れていることを示す。 In the evaluation of thermal stability, resistance leakage current (I R ) was measured when an AC voltage of 90% of the varistor voltage (V 1 mA ) was applied in a thermostatic chamber at 200 ° C under atmospheric pressure. The thermal stability was evaluated based on the resistance leakage current (I R ). The resistance leakage current (I R ) is a current resulting from a resistance component when the electrical characteristics at the grain boundary of the zinc oxide element are qualitatively expressed using an electrical equivalent circuit. It indicates that the value of the resistive leakage current (I R) is excellent in thermal stability enough at high temperatures small.
なお、上記した各評価試験では、各電流−電圧非直線抵抗体を10ピース作製し、10ピースについて試験を行い、その平均値を用いて評価を行った(以下の他の試験においても同じ。)。 In each of the above-described evaluation tests, 10 pieces of each current-voltage non-linear resistor were produced, tested for 10 pieces, and evaluated using the average value (the same applies to other tests below). ).
表2には、試料1〜試料14に係る電流−電圧非直線抵抗体における、非直線性係数(V10kA/V1mA)、エネルギ耐量および抵抗分漏れ電流(IR)の測定結果が示されている。 Table 2 shows the measurement results of the non-linearity coefficient (V 10 kA / V 1 mA ), energy tolerance and resistance leakage current (I R ) in the current-voltage nonlinear resistors according to Sample 1 to Sample 14. ing.
表2に示すように、試料2〜試料4、試料7、試料8、試料10に係る電流−電圧非直線抵抗体においては、いずれも、非直線性係数(V10kA/V1mA)が1.7より小さく、エネルギ耐量が1000J/ccよりも大きく、抵抗分漏れ電流(IR)が3.0mAより小さくなることがわかった。すなわち、これらの試料に係る電流−電圧非直線抵抗体においては、非直線抵抗特性、エネルギ耐量特性および熱安定性のすべてにおいて優れていることがわかった。
As shown in Table 2, in the current-voltage nonlinear resistors according to Sample 2 to Sample 4, Sample 7, Sample 8, and
一方、比較例の電流−電圧非直線抵抗体においては、非直線抵抗特性、エネルギ耐量特性および熱安定性のすべてが優れているものはなかった。 On the other hand, none of the current-voltage nonlinear resistors of the comparative examples were excellent in all of the nonlinear resistance characteristics, energy withstand characteristics, and thermal stability.
ここで、非直線性係数(V10kA/V1mA)では1.7、エネルギ耐量では1000J/cc、抵抗分漏れ電流(IR)では3.0mAを評価基準としたのは、電流−電圧非直線抵抗体として使用されている一般的な材料を用いて、非直線抵抗特性、エネルギ耐量特性および熱安定性において同様の試験評価を行った場合を考慮しても、これらの評価基準は、優劣を評価する上で妥当な値と考えたからである。 Here, the non-linearity coefficient (V 10 kA / V 1 mA ) is 1.7, the energy resistance is 1000 J / cc, and the resistance leakage current (I R ) is 3.0 mA. Even if the same test evaluation is performed on the non-linear resistance characteristics, energy resistance characteristics and thermal stability using general materials used as linear resistors, these evaluation criteria are superior or inferior. This is because it was considered to be a reasonable value in evaluating
すなわち、電流−電圧非直線抵抗体として使用されている一般的な材料を用いて、非直線抵抗特性、エネルギ耐量特性および熱安定性において同様の試験評価を行った場合を考慮しても、非直線性係数(V10kA/V1mA)が1.7よりも小さい場合には、非直線抵抗特性に優れていると評価できる。また、エネルギ耐量が1000J/ccよりも大きい場合には、エネルギ耐量特性に優れていると評価できる。さらに、抵抗分漏れ電流(IR)が3.0mAより小さい場合には、高温下での熱安定性に優れていると評価できる。 That is, even when considering the case where the same test evaluation is performed in the non-linear resistance characteristic, the energy withstand characteristic and the thermal stability using a general material used as a current-voltage non-linear resistor, When the linearity coefficient (V 10 kA / V 1 mA ) is smaller than 1.7, it can be evaluated that the nonlinear resistance characteristic is excellent. Further, when the energy resistance is greater than 1000 J / cc, it can be evaluated that the energy resistance characteristics are excellent. Furthermore, when the resistance leakage current (I R ) is smaller than 3.0 mA, it can be evaluated that the thermal stability at high temperature is excellent.
(希土類元素の添加の影響)
ここでは、希土類元素の添加が、電流−電圧非直線抵抗体の特性に及ぼす影響について説明する。
(Effect of addition of rare earth elements)
Here, the effect of the addition of rare earth elements on the characteristics of the current-voltage nonlinear resistor will be described.
表3には、希土類元素が添加された、試料15〜試料41における混合物の組成が示されている。これらの混合物を用いて電流−電圧非直線抵抗体を作製する工程は、前述した混合物の組成の影響を調べる際の電流−電圧非直線抵抗体を作製する工程と同じとした。なお、試料15〜試料41は、前述した試料3を基本組成として、希土類元素を添加したものである。 Table 3 shows the compositions of the mixtures in Sample 15 to Sample 41 to which rare earth elements were added. The step of producing the current-voltage nonlinear resistor using these mixtures was the same as the step of producing the current-voltage nonlinear resistor when examining the influence of the composition of the mixture described above. Samples 15 to 41 are samples obtained by adding rare earth elements based on the sample 3 described above as a basic composition.
試料15〜試料41に係る電流−電圧非直線抵抗体について、非直線抵抗特性および熱安定性を評価した。なお、非直線抵抗特性および熱安定性の評価における実験条件や実験方法は、前述した混合物の組成の影響を調べる際の実験条件や実験方法と同じとした。 The current-voltage nonlinear resistors according to Sample 15 to Sample 41 were evaluated for nonlinear resistance characteristics and thermal stability. Note that the experimental conditions and experimental methods in the evaluation of the non-linear resistance characteristics and the thermal stability were the same as the experimental conditions and experimental methods for examining the influence of the composition of the mixture described above.
表4には、試料15〜試料41に係る電流−電圧非直線抵抗体における、非直線性係数(V10kA/V1mA)および抵抗分漏れ電流(IR)の測定結果が示されている。 Table 4 shows the measurement results of the nonlinearity coefficient (V 10 kA / V 1 mA ) and the resistance leakage current (I R ) in the current-voltage nonlinear resistors according to Sample 15 to Sample 41.
表4に示すように、試料15〜試料18、試料21〜試料22、試料24〜試料25、試料27〜試料28、試料30〜試料31、試料33〜試料34、試料36〜試料37、試料39〜試料40に係る電流−電圧非直線抵抗体においては、いずれも、非直線性係数(V10kA/V1mA)が1.7より小さく、抵抗分漏れ電流(IR)が3.0mAより小さくなることがわかった。すなわち、これらの試料に係る電流−電圧非直線抵抗体においては、非直線抵抗特性および熱安定性の双方において優れていることがわかった。なお、表4に示していないが、これらの試料におけるエネルギ耐量は、1000J/ccを超えていた。
As shown in Table 4, Sample 15 to Sample 18, Sample 21 to Sample 22, Sample 24 to Sample 25, Sample 27 to Sample 28,
一方、比較例の電流−電圧非直線抵抗体においては、非直線性係数(V10kA/V1mA)が1.7より大きく、さらに、抵抗分漏れ電流(IR)は、ほとんどの試料が3.0mAを超えていた。すなわち、比較例の電流−電圧非直線抵抗体においては、非直線抵抗特性および熱安定性の双方に優れたものはなかった。 On the other hand, in the current-voltage non-linear resistor of the comparative example, the non-linearity coefficient (V 10 kA / V 1 mA ) is larger than 1.7, and the resistance leakage current (I R ) is 3 for most samples. It exceeded 0.0 mA. That is, none of the current-voltage nonlinear resistors of the comparative examples were excellent in both nonlinear resistance characteristics and thermal stability.
(焼結体中の酸化亜鉛粒子の粒径分布の影響)
ここでは、焼結体中の酸化亜鉛粒子の粒度分布に基づく標準偏差が、電流−電圧非直線抵抗体の特性に及ぼす影響について説明する。
(Influence of particle size distribution of zinc oxide particles in sintered body)
Here, the influence of the standard deviation based on the particle size distribution of the zinc oxide particles in the sintered body on the characteristics of the current-voltage nonlinear resistor will be described.
前述した試料3の組成を有する混合物を使用し、この混合物の含有率が40重量%となるように調整された、水および有機バインダを循環方式の湿式粉砕装置に投入した。そして、湿式粉砕装置において、ジルコニアビーズの粒径、ベッセル内のビーズ充填率、攪拌用ロータの周速、循環流量、混合時間を異ならせることにより、異なる粒径条件の混合物を作製した。 Using the mixture having the composition of Sample 3 described above, water and an organic binder, which were adjusted so that the content of the mixture was 40% by weight, were put into a circulation type wet pulverizer. Then, in a wet pulverizer, mixtures having different particle size conditions were prepared by varying the particle size of zirconia beads, the bead filling rate in the vessel, the peripheral speed of the stirring rotor, the circulation flow rate, and the mixing time.
そして、各混合物を用いて、表5に示す試料42〜試料46に係る電流−電圧非直線抵抗体を作製した。なお、混合物作製後の、電流−電圧非直線抵抗体を作製する工程は、前述した混合物の組成の影響を調べる際の電流−電圧非直線抵抗体を作製する工程と同じとした。 And the current-voltage nonlinear resistor which concerns on the sample 42-sample 46 shown in Table 5 was produced using each mixture. In addition, the process for producing the current-voltage nonlinear resistor after producing the mixture was the same as the process for producing the current-voltage nonlinear resistor in examining the influence of the composition of the mixture described above.
作製された各試料について、焼結体中の酸化亜鉛粒子の平均粒径(μ1)および焼結体中の酸化亜鉛粒子の粒度分布に基づく標準偏差(σ1)を測定した。なお、ここでは、前述した試料3についても評価を行った。 About each produced sample, the standard deviation ((sigma) 1 ) based on the average particle diameter ((micro | micron | mu) 1 ) of the zinc oxide particle in a sintered compact, and the particle size distribution of the zinc oxide particle in a sintered compact was measured. Here, the above-described sample 3 was also evaluated.
ここで、焼結体中の酸化亜鉛粒子の平均粒径(μ1)は、焼結体の内部を切り出し、その切り出した試料を鏡面研摩し、走査型電子顕微鏡(SEM)で反射電子像を観察して求めた。具体的には、試料3、試料42〜試料46の各試料について、3つの試料を切り出し、この切り出した各試料について、異なる視野で5箇所のSEM写真を、1000倍の倍率で撮り、約3000個の酸化亜鉛粒子の粒径を測定して、平均粒径を求めた。また、標準偏差(σ1)は、測定された平均粒径から得られる焼結体中の酸化亜鉛粒子の粒度分布に基づいて算出した。 Here, the average particle diameter (μ 1 ) of the zinc oxide particles in the sintered body is determined by cutting out the inside of the sintered body, mirror-polishing the cut out sample, and analyzing the reflected electron image with a scanning electron microscope (SEM). Obtained by observation. Specifically, three samples were cut out for each of the samples 3 and 42 to 46, and five SEM photographs were taken at different magnifications for each of the cut out samples at a magnification of 1000 times, and approximately 3000 times. The average particle size was determined by measuring the particle size of each zinc oxide particle. The standard deviation (σ 1 ) was calculated based on the particle size distribution of the zinc oxide particles in the sintered body obtained from the measured average particle size.
試料42〜試料46に係る電流−電圧非直線抵抗体について、非直線抵抗特性、エネルギ耐量特性および熱安定性を評価した。なお、非直線抵抗特性、エネルギ耐量特性および熱安定性の評価における実験条件や実験方法は、前述した混合物の組成の影響を調べる際の実験条件や実験方法と同じとした。 The current-voltage nonlinear resistors according to Samples 42 to 46 were evaluated for nonlinear resistance characteristics, energy withstand characteristics, and thermal stability. Note that the experimental conditions and experimental methods in the evaluation of the non-linear resistance characteristics, the energy withstand characteristics, and the thermal stability were the same as the experimental conditions and experimental methods for investigating the influence of the composition of the mixture described above.
表5には、試料3、試料42〜試料46に係る電流−電圧非直線抵抗体における、酸化亜鉛粒子の粒径、非直線性係数(V10kA/V1mA)および抵抗分漏れ電流(IR)の測定結果が示されている。 Table 5 shows the zinc oxide particle size, nonlinearity coefficient (V 10 kA / V 1 mA ), and resistance leakage current (I R ) in the current-voltage nonlinear resistors according to Sample 3 and Samples 42 to 46. ) Measurement results are shown.
表5に示すように、試料3、試料42および試料43においては、焼結体中の酸化亜鉛粒子の粒度分布に基づく標準偏差(σ1)が酸化亜鉛粒子の平均粒径(μ1)の15%以下となっていた。また、これらの試料に係る電流−電圧非直線抵抗体では、いずれも、非直線性係数(V10kA/V1mA)が1.7より小さく、エネルギ耐量が1000J/ccよりも大きく、抵抗分漏れ電流(IR)が3.0mAより小さくなることがわかった。すなわち、これらの試料に係る電流−電圧非直線抵抗体においては、非直線抵抗特性、エネルギ耐量特性および熱安定性のすべてにおいて優れていることがわかった。 As shown in Table 5, in Sample 3, Sample 42, and Sample 43, the standard deviation (σ 1 ) based on the particle size distribution of the zinc oxide particles in the sintered body is the average particle size (μ 1 ) of the zinc oxide particles. It was 15% or less. Moreover, in the current-voltage nonlinear resistors according to these samples, the nonlinearity coefficient (V 10 kA / V 1 mA ) is smaller than 1.7, the energy withstand is larger than 1000 J / cc, and the resistance leakage leaks. It was found that the current (I R ) was smaller than 3.0 mA. That is, it was found that the current-voltage nonlinear resistors according to these samples are excellent in all of the nonlinear resistance characteristics, the energy withstand characteristics, and the thermal stability.
一方、σ1/μ1の値(百分率)が15%を超える比較例の電流−電圧非直線抵抗体においては、非直線抵抗特性、エネルギ耐量特性および熱安定性のすべてが優れているものはなかった。 On the other hand, in the current-voltage non-linear resistor of the comparative example in which the value (percentage) of σ 1 / μ 1 exceeds 15%, all of the non-linear resistance characteristics, the energy withstand characteristics, and the thermal stability are excellent. There wasn't.
(焼結体中のスピネル粒子の平均粒径等の影響)
ここでは、焼結体中のZn7Sb2O12を主成分とするスピネル粒子の粒度分布に基づく標準偏差が、電流−電圧非直線抵抗体の特性に及ぼす影響について説明する。
(Effect of average particle size of spinel particles in sintered body)
Here, the influence of the standard deviation based on the particle size distribution of the spinel particles containing Zn 7 Sb 2 O 12 as a main component in the sintered body on the characteristics of the current-voltage nonlinear resistor will be described.
前述した試料3の組成を有する混合物を使用し、この混合物の含有率が40重量%となるように調整された、水および有機バインダを循環方式の湿式粉砕装置に投入した。そして、湿式粉砕装置において、ジルコニアビーズの粒径、ベッセル内のビーズ充填率、攪拌用ロータの周速、循環流量、混合時間を異ならせることにより、異なる粒径条件の混合物を作製した。 Using the mixture having the composition of Sample 3 described above, water and an organic binder, which were adjusted so that the content of the mixture was 40% by weight, were put into a circulation type wet pulverizer. Then, in a wet pulverizer, mixtures having different particle size conditions were prepared by varying the particle size of zirconia beads, the bead filling rate in the vessel, the peripheral speed of the stirring rotor, the circulation flow rate, and the mixing time.
そして、各混合物を用いて、表6に示す試料47〜試料51に係る電流−電圧非直線抵抗体を作製した。なお、混合物作製後の、電流−電圧非直線抵抗体を作製する工程は、前述した混合物の組成の影響を調べる際の電流−電圧非直線抵抗体を作製する工程と同じとした。 And the current-voltage nonlinear resistor which concerns on the sample 47-sample 51 shown in Table 6 was produced using each mixture. In addition, the process for producing the current-voltage nonlinear resistor after producing the mixture was the same as the process for producing the current-voltage nonlinear resistor in examining the influence of the composition of the mixture described above.
作製された試料について、焼結体中のZn7Sb2O12を主成分とするスピネル粒子の平均粒径(μ2)および焼結体中のZn7Sb2O12を主成分とするスピネル粒子の粒度分布に基づく標準偏差(σ2)を測定した。なお、ここでは、前述した試料3についても評価を行った。 For fabricated sample, spinel composed mainly of average particle diameter (mu 2) and Zn 7 Sb 2 O 12 in the sintered body of the spinel grains, whose chief constituent Zn 7 Sb 2 O 12 in the sintered body The standard deviation (σ 2 ) based on the particle size distribution of the particles was measured. Here, the above-described sample 3 was also evaluated.
ここで、焼結体中のZn7Sb2O12を主成分とするスピネル粒子の平均粒径(μ2)は、焼結体の内部を切り出し、その切り出した試料を鏡面研摩し、走査型電子顕微鏡(SEM)で反射電子像を観察して求めた。具体的には、試料3、試料47〜試料51の各試料について、3つの試料を切り出し、この切り出した各試料について、異なる視野で5箇所のSEM写真を、1000倍の倍率で撮り、約3000個のスピネル粒子の粒径を測定して、平均粒径を求めた。また、標準偏差(σ2)は、測定された平均粒径から得られる焼結体中のZn7Sb2O12を主成分とするスピネル粒子の粒度分布に基づいて算出した。 Here, the average particle diameter (μ 2 ) of the spinel particles mainly composed of Zn 7 Sb 2 O 12 in the sintered body is cut out from the inside of the sintered body, the cut sample is mirror-polished, and a scanning type is obtained. This was determined by observing the reflected electron image with an electron microscope (SEM). Specifically, three samples were cut out for each of Sample 3 and Sample 47 to Sample 51, and five SEM photographs were taken at different magnifications for each of the cut out samples at a magnification of 1000 times, and approximately 3000 times. The average particle size was determined by measuring the particle size of the individual spinel particles. Further, the standard deviation (σ 2 ) was calculated based on the particle size distribution of spinel particles containing Zn 7 Sb 2 O 12 as a main component in the sintered body obtained from the measured average particle diameter.
試料47〜試料51に係る電流−電圧非直線抵抗体について、非直線抵抗特性、エネルギ耐量特性および熱安定性を評価した。なお、非直線抵抗特性、エネルギ耐量特性および熱安定性の評価における実験条件や実験方法は、前述した混合物の組成の影響を調べる際の実験条件や実験方法と同じとした。 The current-voltage nonlinear resistors according to Sample 47 to Sample 51 were evaluated for nonlinear resistance characteristics, energy tolerance characteristics, and thermal stability. Note that the experimental conditions and experimental methods in the evaluation of the non-linear resistance characteristics, the energy withstand characteristics, and the thermal stability were the same as the experimental conditions and experimental methods for investigating the influence of the composition of the mixture described above.
表6には、試料3、試料47〜試料51に係る電流−電圧非直線抵抗体における、スピネル粒子の粒径、非直線性係数(V10kA/V1mA)および抵抗分漏れ電流(IR)の測定結果が示されている。 Table 6 shows the particle size, nonlinearity coefficient (V 10 kA / V 1 mA ), and resistance leakage current (I R ) of the spinel particles in the current-voltage nonlinear resistors according to Sample 3 and Sample 47 to Sample 51. The measurement results are shown.
表6に示すように、試料3、試料47および試料48においては、焼結体中のZn7Sb2O12を主成分とするスピネル粒子の粒度分布に基づく標準偏差(σ2)がスピネル粒子の平均粒径(μ2)の30%以下となっていた。また、これらの試料に係る電流−電圧非直線抵抗体では、いずれも、非直線性係数(V10kA/V1mA)が1.7より小さく、エネルギ耐量が1000J/ccよりも大きく、抵抗分漏れ電流(IR)が3.0mAより小さくなることがわかった。すなわち、これらの試料に係る電流−電圧非直線抵抗体においては、非直線抵抗特性、エネルギ耐量特性および熱安定性のすべてにおいて優れていることがわかった。 As shown in Table 6, in Sample 3, Sample 47, and Sample 48, the standard deviation (σ 2 ) based on the particle size distribution of the spinel particles mainly composed of Zn 7 Sb 2 O 12 in the sintered body is the spinel particles. The average particle size (μ 2 ) was 30% or less. Moreover, in the current-voltage nonlinear resistors according to these samples, the nonlinearity coefficient (V 10 kA / V 1 mA ) is smaller than 1.7, the energy withstand is larger than 1000 J / cc, and the resistance leakage leaks. It was found that the current (I R ) was smaller than 3.0 mA. That is, it was found that the current-voltage nonlinear resistors according to these samples are excellent in all of the nonlinear resistance characteristics, the energy withstand characteristics, and the thermal stability.
一方、σ2/μ2の値(百分率)が30%を超える比較例の電流−電圧非直線抵抗体においては、非直線抵抗特性、エネルギ耐量特性および熱安定性のすべてが優れているものはなかった。 On the other hand, in the current-voltage non-linear resistor of the comparative example in which the value (percentage) of σ 2 / μ 2 exceeds 30%, all of the non-linear resistance characteristic, the energy resistance characteristic and the thermal stability are excellent. There wasn't.
(混合物の平均粒径の影響)
ここでは、電流−電圧非直線抵抗体の焼結体を構成するための、混合物の平均粒径が非直線抵抗特性に及ぼす影響について説明する。
(Influence of the average particle size of the mixture)
Here, the influence of the average particle size of the mixture on the non-linear resistance characteristic for constituting a current-voltage non-linear resistor sintered body will be described.
前述した試料3の組成を有する混合物を使用し、この混合物の含有率が40重量%となるように調整された、水および有機バインダを循環方式の湿式粉砕装置に投入した。そして、湿式粉砕装置において、ジルコニアビーズの粒径、ベッセル内のビーズ充填率、攪拌用ロータの周速、循環流量、混合時間を異ならせることにより、4種類のスラリーを得た。 Using the mixture having the composition of Sample 3 described above, water and an organic binder, which were adjusted so that the content of the mixture was 40% by weight, were put into a circulation type wet pulverizer. Then, four types of slurries were obtained by varying the particle diameter of zirconia beads, the bead filling rate in the vessel, the peripheral speed of the stirring rotor, the circulation flow rate, and the mixing time in a wet pulverizer.
なお、前述した試料3を使用して電流−電圧非直線抵抗体を作製する際のスラリーについても評価した。すなわち、ここでは、5種類のスラリーについて評価を行った。 In addition, it evaluated also about the slurry at the time of producing a current-voltage nonlinear resistor using the sample 3 mentioned above. That is, here, five types of slurry were evaluated.
これらの5種類のスラリーについて平均粒径を測定した。なお、平均粒径は、レーザ回折・散乱式の粒度分布測定装置を用いて測定した。また、この平均粒径は、メディアン粒径における平均粒径である。 The average particle size was measured for these five types of slurries. The average particle size was measured using a laser diffraction / scattering type particle size distribution measuring apparatus. Moreover, this average particle diameter is an average particle diameter in a median particle diameter.
そして、各スラリーを用いて、表7に示す試料52〜試料55に係る電流−電圧非直線抵抗体を作製した。なお、混合物作製後の、電流−電圧非直線抵抗体を作製する工程は、前述した混合物の組成の影響を調べる際の電流−電圧非直線抵抗体を作製する工程と同じとした。 And the current-voltage nonlinear resistor which concerns on the sample 52-sample 55 shown in Table 7 was produced using each slurry. In addition, the process for producing the current-voltage nonlinear resistor after producing the mixture was the same as the process for producing the current-voltage nonlinear resistor in examining the influence of the composition of the mixture described above.
試料52〜試料55に係る電流−電圧非直線抵抗体について、非直線抵抗特性、エネルギ耐量特性および熱安定性を評価した。なお、非直線抵抗特性、エネルギ耐量特性および熱安定性の評価における実験条件や実験方法は、前述した混合物の組成の影響を調べる際の実験条件や実験方法と同じとした。 The current-voltage nonlinear resistors according to Sample 52 to Sample 55 were evaluated for nonlinear resistance characteristics, energy withstand characteristics, and thermal stability. Note that the experimental conditions and experimental methods in the evaluation of the non-linear resistance characteristics, the energy withstand characteristics, and the thermal stability were the same as the experimental conditions and experimental methods for investigating the influence of the composition of the mixture described above.
表7には、試料3、試料52〜試料55に係る混合物の平均粒径の測定結果、および試料3、試料52〜試料55に係る電流−電圧非直線抵抗体における、スピネル粒子の粒径、非直線性係数(V10kA/V1mA)および抵抗分漏れ電流(IR)の測定結果が示されている。 Table 7 shows the measurement results of the average particle diameters of the mixtures according to Sample 3 and Samples 52 to 55, and the particle diameters of the spinel particles in the current-voltage nonlinear resistors according to Sample 3 and Samples 52 to 55. Measurement results of the nonlinearity coefficient (V 10 kA / V 1 mA ) and the resistance leakage current (I R ) are shown.
表7に示すように、試料3および試料52においては、混合物の平均粒径が0.4μm以下となっていた。また、これらの試料に係る電流−電圧非直線抵抗体では、いずれも、非直線性係数(V10kA/V1mA)が1.7より小さく、エネルギ耐量が1000J/ccよりも大きく、抵抗分漏れ電流(IR)が3.0mAより小さくなることがわかった。すなわち、これらの試料に係る電流−電圧非直線抵抗体においては、非直線抵抗特性、エネルギ耐量特性および熱安定性のすべてにおいて優れていることがわかった。 As shown in Table 7, in Sample 3 and Sample 52, the average particle size of the mixture was 0.4 μm or less. Moreover, in the current-voltage nonlinear resistors according to these samples, the nonlinearity coefficient (V 10 kA / V 1 mA ) is smaller than 1.7, the energy withstand is larger than 1000 J / cc, and the resistance leakage leaks. It was found that the current (I R ) was smaller than 3.0 mA. That is, it was found that the current-voltage nonlinear resistors according to these samples are excellent in all of the nonlinear resistance characteristics, the energy withstand characteristics, and the thermal stability.
一方、混合物の平均粒径が0.4μmを超える比較例の電流−電圧非直線抵抗体においては、非直線抵抗特性、エネルギ耐量特性および熱安定性のすべてが優れているものはなかった。 On the other hand, none of the current-voltage nonlinear resistors of the comparative examples in which the average particle size of the mixture exceeded 0.4 μm was excellent in all of the nonlinear resistance characteristics, energy resistance characteristics and thermal stability.
(混合物の粒度分布に基づく標準偏差の影響)
ここでは、電流−電圧非直線抵抗体の焼結体を構成するための、混合物の粒度分布に基づく標準偏差が非直線抵抗特性に及ぼす影響について説明する。
(Effect of standard deviation based on the particle size distribution of the mixture)
Here, the influence that the standard deviation based on the particle size distribution of the mixture for constituting the current-voltage nonlinear resistor sintered body has on the nonlinear resistance characteristics will be described.
前述した試料3の組成を有する混合物を使用し、この混合物の含有率が40重量%となるように調整された、水および有機バインダを循環方式の湿式粉砕装置に投入した。そして、湿式粉砕装置において、ジルコニアビーズの粒径、ベッセル内のビーズ充填率、攪拌用ロータの周速、循環流量、混合時間を調整し、混合物の平均粒径が0.4μmとなるように粉砕し、5種類のスラリーを得た。 Using the mixture having the composition of Sample 3 described above, water and an organic binder, which were adjusted so that the content of the mixture was 40% by weight, were put into a circulation type wet pulverizer. Then, in the wet pulverizer, adjust the particle size of the zirconia beads, the bead filling rate in the vessel, the peripheral speed of the stirring rotor, the circulation flow rate, and the mixing time, and pulverize so that the average particle size of the mixture becomes 0.4 μm. And five types of slurries were obtained.
なお、前述した試料3を使用して電流−電圧非直線抵抗体を作製する際のスラリーについても評価した。すなわち、ここでは、6種類のスラリーについて評価を行った。 In addition, it evaluated also about the slurry at the time of producing a current-voltage nonlinear resistor using the sample 3 mentioned above. That is, here, six types of slurry were evaluated.
ここで、混合物の平均粒径は、レーザ回折・散乱式の粒度分布測定装置を用いて測定した。また、この平均粒径は、メディアン粒径における平均粒径である。また、標準偏差は、上記した粒度分布測定装置で測定された混合物の粒度分布に基づいて求めた。 Here, the average particle diameter of the mixture was measured using a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring apparatus. Moreover, this average particle diameter is an average particle diameter in a median particle diameter. Moreover, the standard deviation was calculated | required based on the particle size distribution of the mixture measured with the above-mentioned particle size distribution measuring apparatus.
そして、各スラリーを用いて、表8に示す試料56〜試料60に係る電流−電圧非直線抵抗体を作製した。なお、混合物作製後の、電流−電圧非直線抵抗体を作製する工程は、前述した混合物の組成の影響を調べる際の電流−電圧非直線抵抗体を作製する工程と同じとした。 And using each slurry, the current-voltage nonlinear resistor which concerns on the sample 56-the sample 60 shown in Table 8 was produced. In addition, the process for producing the current-voltage nonlinear resistor after producing the mixture was the same as the process for producing the current-voltage nonlinear resistor in examining the influence of the composition of the mixture described above.
試料56〜試料60に係る電流−電圧非直線抵抗体について、非直線抵抗特性、エネルギ耐量特性および熱安定性を評価した。なお、非直線抵抗特性、エネルギ耐量特性および熱安定性の評価における実験条件や実験方法は、前述した混合物の組成の影響を調べる際の実験条件や実験方法と同じとした。 The current-voltage nonlinear resistors according to Sample 56 to Sample 60 were evaluated for nonlinear resistance characteristics, energy tolerance characteristics, and thermal stability. Note that the experimental conditions and experimental methods in the evaluation of the non-linear resistance characteristics, the energy withstand characteristics, and the thermal stability were the same as the experimental conditions and experimental methods for investigating the influence of the composition of the mixture described above.
表8には、試料3、試料56〜試料60に係る混合物の平均粒径や標準偏差、および試料3、試料56〜試料60に係る電流−電圧非直線抵抗体における、スピネル粒子の粒径、非直線性係数(V10kA/V1mA)および抵抗分漏れ電流(IR)の測定結果が示されている。 Table 8 shows the average particle size and standard deviation of the mixtures according to sample 3 and sample 56 to sample 60, and the particle size of spinel particles in the current-voltage nonlinear resistor according to sample 3 and sample 56 to sample 60. Measurement results of the nonlinearity coefficient (V 10 kA / V 1 mA ) and the resistance leakage current (I R ) are shown.
表8に示すように、試料3、試料56および試料57においては、混合物の粒度分布に基づく標準偏差(σ3)が混合物の平均粒径(μ3)の75%以下となっていた。また、これらの試料に係る電流−電圧非直線抵抗体では、いずれも、非直線性係数(V10kA/V1mA)が1.7より小さく、エネルギ耐量が1000J/ccよりも大きく、抵抗分漏れ電流(IR)が3.0mAより小さくなることがわかった。すなわち、これらの試料に係る電流−電圧非直線抵抗体においては、非直線抵抗特性、エネルギ耐量特性および熱安定性のすべてにおいて優れていることがわかった。 As shown in Table 8, in Sample 3, Sample 56, and Sample 57, the standard deviation (σ 3 ) based on the particle size distribution of the mixture was 75% or less of the average particle size (μ 3 ) of the mixture. Moreover, in the current-voltage nonlinear resistors according to these samples, the nonlinearity coefficient (V 10 kA / V 1 mA ) is smaller than 1.7, the energy withstand is larger than 1000 J / cc, and the resistance leakage leaks. It was found that the current (I R ) was smaller than 3.0 mA. That is, it was found that the current-voltage nonlinear resistors according to these samples are excellent in all of the nonlinear resistance characteristics, the energy withstand characteristics, and the thermal stability.
これは、σ3/μ3を75%以下とすることで、原料が均一に分散し、焼結体中の酸化亜鉛粒子の粒径が均一化されたために得られた結果であると考えられる。 This is considered to be a result obtained by setting the σ 3 / μ 3 to 75% or less so that the raw material is uniformly dispersed and the particle size of the zinc oxide particles in the sintered body is made uniform. .
一方、σ3/μ3の値(百分率)が75%を超える比較例の電流−電圧非直線抵抗体においては、非直線抵抗特性、エネルギ耐量特性および熱安定性のすべてが優れているものはなかった。 On the other hand, in the current-voltage nonlinear resistor of the comparative example in which the value (percentage) of σ 3 / μ 3 exceeds 75%, all of the nonlinear resistance characteristics, energy withstand characteristics, and thermal stability are excellent. There wasn't.
以上説明した実施形態によれば、優れた、非直線抵抗特性、エネルギ耐量特性および高温下での熱安定性を得ることが可能となる。 According to the embodiments described above, it is possible to obtain excellent non-linear resistance characteristics, energy withstand characteristics, and thermal stability at high temperatures.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
10…電流−電圧非直線抵抗体、20…焼結体、30…絶縁層、40…電極。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記混合物が、酸化亜鉛を98mol%以上、かつビスマス、アンチモンをそれぞれBi2O3、Sb2O3に換算して、Bi2O3を0.1〜0.5mol%、Sb2O3を0.4〜0.9mol%含有することを特徴とする電流−電圧非直線抵抗体。 A current-voltage nonlinear resistor comprising a sintered body of a mixture containing zinc oxide as a main component and at least bismuth, antimony, manganese, cobalt, nickel, and aluminum as subcomponents,
Wherein the mixture, the zinc oxide 98 mol% or more, and bismuth, antimony and converted to Bi 2 O 3, Sb 2 O 3 , respectively, 0.1 to 0.5 mol% of Bi 2 O 3, the Sb 2 O 3 A current-voltage non-linear resistor comprising 0.4 to 0.9 mol%.
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