JP2016079043A - Semiconductor ceramic composition and process for producing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体磁器組成物およびその製造方法に関する。より詳しくは、正の温度係数を有するチタン酸バリウム系半導体磁器組成物およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor ceramic composition and a method for producing the same. More specifically, the present invention relates to a barium titanate semiconductor ceramic composition having a positive temperature coefficient and a method for producing the same.
チタン酸バリウム(BaTiO3)系半導体磁器組成物は、主成分であるチタン酸バリウムを半導体化させた組成物であり、常温では比抵抗が低いが、キュリー点を超えると急激に比抵抗が増大(ジャンプ)するという、正の抵抗温度特性を有しており、従来からヒータ用、過電流保護用、温度検知用等の正特性サーミスタとして広く用いられている。
従来、チタン酸バリウムを半導体化させるための半導体化剤として、希土類元素(レアアース)が一般に用いられてきた。
Barium titanate (BaTiO 3 ) -based semiconductor ceramic composition is a composition in which barium titanate, which is the main component, is made into a semiconductor. The resistivity is low at room temperature, but the resistivity increases rapidly when the Curie point is exceeded. It has a positive resistance temperature characteristic of “jumping” and has been widely used as a positive temperature coefficient thermistor for heaters, overcurrent protection, temperature detection and the like.
Conventionally, rare earth elements (rare earth) have been generally used as a semiconducting agent for making barium titanate into a semiconductor.
例えば、下記の特許文献１には、ＰＴＣサーミスタ用として好適なチタン酸バリウム系半導体磁器組成物が開示されており、特許文献２には、消磁用正特性サーミスタに用いられるチタン酸バリウム系半導体磁器組成物が開示されているが、いずれも希土類元素を含有している。 For example, Patent Literature 1 below discloses a barium titanate-based semiconductor ceramic composition suitable for use in a PTC thermistor, and Patent Literature 2 discloses a barium titanate-based semiconductor ceramic used in a demagnetizing positive temperature coefficient thermistor. Compositions are disclosed, but all contain rare earth elements.
また、特許文献３には、チタン酸バリウム系組成物を主成分とする半導体セラミックを部品素体とする正特性サーミスタが開示されており、特許文献４には、チタン酸バリウム系の半導体磁器組成物が開示されているが、これらの文献の実施例に開示されているチタン酸バリウム系組成物も全て希土類元素（YまたはEr）を含有している。 Further, Patent Document 3 discloses a positive temperature coefficient thermistor having a semiconductor ceramic mainly composed of a barium titanate-based composition as a component body, and Patent Document 4 discloses a barium titanate-based semiconductor ceramic composition. However, all the barium titanate compositions disclosed in the examples of these documents also contain rare earth elements (Y or Er).
特許文献５には、チタン酸バリウム系でBaの一部をBiやNaで置換した組成の半導体磁器組成物に電極を形成したＰＴＣ素子が開示されており、一部の実施例において、希土類元素の代わりに、Nb、Ta、Sbを含む半導体磁器組成物が開示されている。しかしながら、特許文献５は、通電による抵抗の経時変化を抑えるためには、Yを含む二種類以上の希土類元素を使用することが好ましいと教示している。 Patent Document 5 discloses a PTC element in which an electrode is formed on a semiconductor ceramic composition having a barium titanate-based composition in which a part of Ba is replaced with Bi or Na. In some examples, a rare earth element is disclosed. A semiconductor porcelain composition containing Nb, Ta and Sb instead of is disclosed. However, Patent Document 5 teaches that it is preferable to use two or more kinds of rare earth elements including Y in order to suppress the change with time of resistance due to energization.
希土類元素はその名が示すとおり、希少な元素で生産国も限られており、日本はほぼ100％輸入に頼っているのが現状である。したがって、産出国との外交関係の悪化により急に輸入困難な事態に陥る場合があり、昨今では、希土類元素を用いない代替手段が求められている。 As the name suggests, rare earth elements are rare and the countries of production are limited. Japan currently relies almost 100% on imports. Therefore, imports may suddenly become difficult to import due to the deterioration of diplomatic relations with producing countries, and recently, alternative means that do not use rare earth elements are being sought.
上記問題に鑑み、本発明者は以前にも、半導体化剤として希土類元素ではなくマグネシウム酸チタン酸ビスマスを使用して半導体磁器組成物を製造する方法を開発し出願しているが（特許文献６）、今なお、希土類元素を用いない半導体磁器組成物およびその製造方法の開発が求められている。 In view of the above problems, the present inventor has previously developed and filed a method for producing a semiconductor porcelain composition using bismuth magnesium titanate instead of a rare earth element as a semiconducting agent (Patent Document 6). However, there is still a need for the development of a semiconductor ceramic composition that does not use rare earth elements and a method for producing the same.
それゆえ、本発明は、チタン酸バリウム系の半導体磁器組成物であって、希土類元素を添加しなくても、希土類元素を用いた従来の半導体磁器組成物に匹敵する性能を有する半導体磁器組成物およびその製造方法を提供することを課題とする。 Therefore, the present invention is a barium titanate-based semiconductor ceramic composition having a performance comparable to that of a conventional semiconductor ceramic composition using a rare earth element without adding a rare earth element. It is another object of the present invention to provide a manufacturing method thereof.
本発明者は、前記課題を解決するために種々検討した結果、Baの一部をストロンチウム、カルシウムのいずれか１種、または、ストロンチウム、カルシウムおよび鉛からなる群から選ばれる２種以上で置換したチタン酸バリウム系の磁器組成において、半導体化剤として希土類元素の代わりに、マグネシウム酸ジルコン酸ビスマス［Bi(Mg,Zr)O3］を特定の割合で添加含有させることによって、半導体磁器を得ることに成功し、前記課題を解決した。 As a result of various studies to solve the above-mentioned problems, the present inventor has partially replaced Ba with one of strontium and calcium, or two or more selected from the group consisting of strontium, calcium and lead. In a barium titanate-based porcelain composition, semiconductor porcelain is obtained by adding bismuth magnesium zirconate [Bi (Mg, Zr) O 3 ] at a specific ratio instead of rare earth elements as a semiconducting agent. Successfully solved the problem.
すなわち本発明は、主成分が、組成式(1-x)(BaaMe1-a)TiO3-xBi(Mg,Zr)O3で表される半導体磁器組成物であって、
前記aは0.4950≦a≦0.9500であり、
前記Meは、SrまたはCaのいずれか1種であるか、または、Sr，CaおよびPbからなる群から選ばれる2種以上であり、
前記MeがSrであるか、または、Sr，CaおよびPbからなる群から選ばれる2種以上であるときは、前記xが0.0040≦x≦0.0100であり、
前記MeがCaであるときは、前記xが0.0040≦x≦0.0080であること
を特徴とする。
That is, the present invention is a semiconductor ceramic composition whose main component is represented by the composition formula (1-x) (Ba a Me 1-a ) TiO 3 -xBi (Mg, Zr) O 3 ,
A is 0.4950 ≦ a ≦ 0.9500,
The Me is any one of Sr or Ca, or two or more selected from the group consisting of Sr, Ca and Pb,
When Me is Sr or two or more selected from the group consisting of Sr, Ca and Pb, x is 0.0040 ≦ x ≦ 0.0100,
When Me is Ca, the x is 0.0040 ≦ x ≦ 0.0080.
本発明に係る半導体磁器組成物は、希土類元素（Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu）を含んでいなくても、低い比抵抗値と高い耐電圧性を示し、キュリー点付近における抵抗値の立ち上がり幅(PTCジャンプ)の桁数が高く、優れた電気的特性を有するため、正特性サーミスタ材料として用いるのに好適である。
希土類元素の代わりに添加されているマグネシウム酸ジルコン酸ビスマスを構成する各金属元素は、国内で容易に入手できる元素であるため、本発明によれば、入手困難な元素に依存せず半導体磁器組成物を提供することができる。
The semiconductor ceramic composition according to the present invention contains rare earth elements (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu). Even if it is not, it shows a low specific resistance value and high voltage resistance, has a high number of digits of the rise width (PTC jump) of the resistance value near the Curie point, and has excellent electrical characteristics, so it is a positive thermistor material Suitable for use.
Since each metal element constituting bismuth magnesium zirconate added in place of the rare earth element is an element that can be easily obtained in Japan, according to the present invention, the semiconductor ceramic composition does not depend on the element that is difficult to obtain. Things can be provided.
また、本発明は、前記半導体磁器組成物の製造方法であって、
Ba，Me，Tiをそれぞれ含む化合物を秤量、混合、仮焼して、組成式(BaaMe1-a)TiO3で表されるBT仮焼粉末を得る工程(aは0.4950≦a≦0.9500であり、Meは、SrまたはCaのいずれか1種、または、Sr，CaおよびPbからなる群から選ばれる2種以上)、
Bi，Mg，Zrをそれぞれ含む化合物を秤量、混合、仮焼して、組成式Bi(Mg,Zr)O3で表されるBMZ仮焼粉末を得る工程、
前記BT仮焼粉末とBMZ仮焼粉末とを、1-x：xの重量比にて混合し、造粒して造粒粉を得る工程(xは、MeがSrであるか、または、Sr，CaおよびPbからなる群から選ばれる2種以上であるときは、0.0040≦x≦0.0100であり、MeがCaであるときは、0.0040≦x≦0.0080)、および
前記造粒粉を、成形、焼成する工程
を含むことを特徴とする。
Further, the present invention is a method for producing the semiconductor ceramic composition,
A step of obtaining a BT calcined powder represented by the composition formula (Ba a Me 1-a ) TiO 3 by weighing, mixing, and calcining a compound containing each of Ba, Me, and Ti (a is 0.4950 ≦ a ≦ 0.9500 And Me is any one of Sr or Ca, or two or more selected from the group consisting of Sr, Ca and Pb),
A step of weighing, mixing, and calcining a compound containing Bi, Mg, and Zr to obtain a BMZ calcined powder represented by a composition formula Bi (Mg, Zr) O 3 ,
The step of mixing the BT calcined powder and the BMZ calcined powder at a weight ratio of 1-x: x and granulating to obtain a granulated powder (x is Me is Sr or Sr , Ca and Pb, when two or more selected from the group consisting of 0.0040 ≦ x ≦ 0.0100, and when Me is Ca, 0.0040 ≦ x ≦ 0.0080), and molding the granulated powder, It includes a step of firing.
このように、Baの一部が、Sr，Caの少なくとも1種、さらに任意でPbによって置換されたチタン酸バリウム系の仮焼粉末を用意し、さらに、マグネシウム酸ジルコン酸ビスマスの仮焼粉末を用意し、これを上記所定の重量比にて混合し、造粒、成形、焼成することにより、半導体化剤として希土類元素を用いなくても、上記組成式で表される主成分を含み、優れた電気的特性を有する半導体磁器組成物を得ることができる。 In this way, a barium titanate-based calcined powder in which a part of Ba is substituted with at least one of Sr and Ca, and optionally Pb, is prepared, and further, a calcined powder of bismuth magnesium zirconate is prepared. Prepared, mixed at the above predetermined weight ratio, granulated, molded, and fired, including a main component represented by the above composition formula without using a rare earth element as a semiconducting agent, and excellent A semiconductor porcelain composition having excellent electrical characteristics can be obtained.
また、本発明は、半導体化剤として、マグネシウム酸ジルコン酸ビスマスを用いることを特徴とするが、特許文献６（半導体化剤としてマグネシウム酸チタン酸ビスマスを使用）と比べ、半導体化剤の添加割合の範囲が広いため、工業的により安定した生産が可能である。 The present invention is characterized in that bismuth magnesium zirconate is used as the semiconducting agent. Compared with Patent Document 6 (bismuth magnesium titanate titanate as the semiconducting agent), the addition ratio of the semiconducting agent Therefore, industrially more stable production is possible.
本発明によれば、希土類元素を使用しなくても、優れた電気的特性を有する半導体磁器組成物を得ることができる。 According to the present invention, a semiconductor ceramic composition having excellent electrical characteristics can be obtained without using rare earth elements.
本発明の半導体磁器組成物の主成分は、組成式(1-x)(BaaMe1-a)TiO3-x Bi(Mg,Zr)O3で表される。前記xは、前記MeがSrであるか、または、Sr，CaおよびPbからなる群から選ばれる2種以上であるとき(すなわち、MeがSr，Sr+Ca，Sr+Pb，Ca+PbまたはSr+Ca+Pbの場合)は、0.0040≦x≦0.0100の範囲内にある必要があり、前記MeがCaであるときは、前記xが0.0040≦x≦0.0080の範囲内にある必要がある。xが上記範囲を外れる場合は、比抵抗が高くなる。また、PTCジャンプが4桁未満まで低下する場合がある。 The main component of the semiconductor ceramic composition of the present invention is represented by the composition formula (1-x) (Ba a Me 1-a ) TiO 3 -x Bi (Mg, Zr) O 3 . The x is when the Me is Sr or two or more selected from the group consisting of Sr, Ca and Pb (ie, Me is Sr, Sr + Ca, Sr + Pb, Ca + Pb or Sr + Ca + Pb) needs to be in the range of 0.0040 ≦ x ≦ 0.0100, and when Me is Ca, the x needs to be in the range of 0.0040 ≦ x ≦ 0.0080. When x is out of the above range, the specific resistance increases. Also, the PTC jump may drop to less than 4 digits.
また、前記組成式において、Baの組成値aは0.4950≦a≦0.9500である。0.4950未満では比抵抗が高くなりやすく、0.9500を超えると耐電圧が低下しやすい。 In the composition formula, the composition value a of Ba is 0.4950 ≦ a ≦ 0.9500. If it is less than 0.4950, the specific resistance tends to increase, and if it exceeds 0.9500, the withstand voltage tends to decrease.
前記組成式において、MeはSr，CaおよびPbからなる群から選択される金属元素を表し、1種類の金属元素であっても、2種または3種の金属元素であってもよいが、SrかCaのいずれかは必須である（すなわち、MeがPb単独となる場合はない）。このように、Baの一部を、Sr，Caの少なくとも１種、および任意でPbで置換することにより、耐電圧を高くすることができる。
本発明において、Meの組成値は、1.0000から前記Baの組成値aを引いたものであるため、0.0500〜0.5050の範囲となる。
In the composition formula, Me represents a metal element selected from the group consisting of Sr, Ca and Pb, and may be one kind of metal element or two or three kinds of metal elements. Either Ca or Ca is essential (ie, Me is not Pb alone). Thus, the withstand voltage can be increased by substituting a part of Ba with at least one of Sr and Ca, and optionally with Pb.
In the present invention, since the composition value of Me is 1.000 minus the composition value a of Ba, it is in the range of 0.0500 to 0.5050.
また、前記組成式中の「Me1-a」を「SrbCacPbd(b＋c＋d＝1-a)」と表した場合、各組成値b、c、d、およびBaの組成値aの特に好ましい値は以下の通りである。
・MeがSr，CaおよびPbである場合(Sr+Ca+Pb)、a，b，c，dの好ましい値は、0.4950≦a≦0.8700、b≦0.1000、0.0300≦c≦0.2000、および、0.0300≦d≦0.3250；各組成値のより好ましい値は、0.5500≦a≦0.8700、b≦0.0800、0.0700≦c≦0.1700、0.0600≦d≦0.2000；
・MeがCaおよびPbである場合(Ca+Pb)、各組成値の好ましい値は、bがゼロであることを除いて、Sr+Ca+Pbの場合と同じである。
・MeがSrおよびCaである場合(Sr+Ca)、a，b，cの好ましい値は、0.6200≦a≦0.9500、0.0500≦b≦0.2500、および、c≦0.20000；
・MeがSr単独である場合、各組成値の好ましい値は、cがゼロであることを除いて、Sr+Caの場合と同じである。
・MeがSrおよびPbである場合(Sr+Pb)、a，b，dの好ましい値は、0.7400≦a≦0.90000、0.0400≦b≦0.2000、および、0.0400≦d≦0.2000；
・MeがCa単独である場合、a，cの好ましい値は、0.8000≦a≦0.9300、および、0.0700≦c≦0.2000；
各組成値を上記範囲とすることが、低い比抵抗値、高い耐電圧性、4桁以上のPTCジャンプ特性を達成する上で好ましい。
Further, when “Me 1-a ” in the composition formula is expressed as “Sr b Ca c Pb d (b + c + d = 1−a)”, the composition values a, b, c, d, and Ba Particularly preferred values are as follows.
When Me is Sr, Ca and Pb (Sr + Ca + Pb), preferable values of a, b, c and d are 0.4950 ≦ a ≦ 0.8700, b ≦ 0.1000, 0.0300 ≦ c ≦ 0.2000, and 0.0300 ≦ d ≦ 0.3250; more preferable values of the respective composition values are 0.5500 ≦ a ≦ 0.8700, b ≦ 0.0800, 0.0700 ≦ c ≦ 0.1700, 0.0600 ≦ d ≦ 0.2000;
When Me is Ca and Pb (Ca + Pb), the preferred values for each composition value are the same as for Sr + Ca + Pb, except that b is zero.
When Me is Sr and Ca (Sr + Ca), preferred values of a, b, c are 0.6200 ≦ a ≦ 0.9500, 0.0500 ≦ b ≦ 0.2500, and c ≦ 0.20000;
When Me is Sr alone, the preferred values for each composition value are the same as for Sr + Ca, except that c is zero.
When Me is Sr and Pb (Sr + Pb), preferred values of a, b, d are 0.7400 ≦ a ≦ 0.90000, 0.0400 ≦ b ≦ 0.2000, and 0.0400 ≦ d ≦ 0.2000;
When Me is Ca alone, preferable values of a and c are 0.8000 ≦ a ≦ 0.9300 and 0.0700 ≦ c ≦ 0.2000;
It is preferable to set each composition value within the above range in order to achieve a low specific resistance value, high voltage resistance, and PTC jump characteristics of 4 digits or more.
また、本発明の半導体磁器組成物は、希土類元素を添加せずに半導体磁器組成物を得ることを目的として開発されたものであるため、希土類元素を含んでいないことが好ましい。 Moreover, since the semiconductor ceramic composition of the present invention has been developed for the purpose of obtaining a semiconductor ceramic composition without adding a rare earth element, it is preferable that the semiconductor ceramic composition does not contain a rare earth element.
前記組成式中の(BaaMe1-a)TiO3を、(BaMe)TifO3と表した場合、Tiの組成値f［言い換えれば、Tiと(BaMe)のモル比；Ti／(BaMe)］は、0.9800≦f≦1.0250であることが好ましい。この範囲を外れると比抵抗が高くなりやすいか、耐電圧が低くなりやすい。
より好ましいfの値は1.0000≦f≦1.0150である。
When (Ba a Me 1-a ) TiO 3 in the composition formula is represented as (BaMe) Ti f O 3 , the composition value f of Ti [in other words, the molar ratio of Ti to (BaMe); Ti / ( BaMe)] is preferably 0.9800 ≦ f ≦ 1.0250. Outside this range, the specific resistance tends to increase or the withstand voltage tends to decrease.
A more preferable value of f is 1.000 ≦ f ≦ 1.0150.
前記組成式中のBi(Mg,Zr)O3を、Big(MgZr)O3と表した場合、Biの組成値g［言い換えれば、Biと(MgZr)のモル比：Bi／(MgZr)］は、0.9500≦g≦1.0000であることが好ましい。この範囲を外れると、半導体化しにくくなる。
より好ましいgの値は、0.9800≦g≦1.0000である。
また、前記組成式中のBi(Mg,Zr)O3をBi(Mgh,Zri)O3と表した場合(h＋i＝1)、半導体化させる観点から、hおよびiの値はそれぞれ0.5であること(すなわちMg：Zr＝1：1)が好ましい。
When Bi (Mg, Zr) O 3 in the composition formula is represented as Bi g (MgZr) O 3 , the composition value g of Bi [in other words, the molar ratio of Bi to (MgZr): Bi / (MgZr) ] Is preferably 0.9500 ≦ g ≦ 1.0000. Outside this range, it becomes difficult to make a semiconductor.
A more preferable value of g is 0.9800 ≦ g ≦ 1.0000.
Further, when Bi (Mg, Zr) O 3 in the composition formula is represented as Bi (Mg h , Zr i ) O 3 (h + i = 1), the values of h and i are each 0.5 from the viewpoint of making a semiconductor. (That is, Mg: Zr = 1: 1) is preferable.
また、前記半導体磁器組成物は、さらにMnおよびSiを含有することが好ましい。MnおよびSiは、(BaaMe1-a)TiO3仮焼粉末(BT仮焼粉末)を作製する際に添加してもよいし、仮焼後、BT仮焼粉末とBMZ仮焼粉末とを混合する際に添加してもよい。
Mnを添加することにより、電気的特性を向上させることができるが、添加量が多すぎると、比抵抗が高くなるため、(BaaMe1-a)TiO3に対し、Mnが元素換算で0.0075〜0.0230重量％となる量で添加することが好ましい。
また、Siを添加することにより、焼成温度を低くすることができ、1270〜1350℃程度の通常の焼成条件で、比抵抗が低く、良好な電気的特性を有する半導体磁器組成物を得ることができるが、添加量が多すぎると、電気的特性の劣化や、素子の融着が生じやすくなるため、(BaaMe1-a)TiO3に対し、SiO2換算で0.30〜0.75重量％となる量で添加することが好ましい。
The semiconductor ceramic composition preferably further contains Mn and Si. Mn and Si may be added when preparing (Ba a Me 1-a ) TiO 3 calcined powder (BT calcined powder), and after calcining, BT calcined powder and BMZ calcined powder May be added when mixing.
By adding Mn, the electrical characteristics can be improved, but if the amount added is too large, the specific resistance will increase, so that Mn is equivalent to the element in terms of (Ba a Me 1-a ) TiO 3. It is preferable to add in an amount of 0.0075 to 0.0230% by weight.
In addition, by adding Si, the firing temperature can be lowered, and it is possible to obtain a semiconductor ceramic composition having a low specific resistance and good electrical characteristics under normal firing conditions of about 1270 to 1350 ° C. However, if the amount added is too large, the electrical characteristics are deteriorated and the device is likely to be fused, so that (Ba a Me 1-a ) TiO 3 is 0.30 to 0.75 wt% in terms of SiO 2. It is preferable to add in such an amount.
本発明に係る半導体磁器組成物の製造方法の一例を以下に概説する。
まず、Ba，Me(Sr，Caの少なくとも1種、任意でPb)，Tiをそれぞれ含む化合物を、(BaaMe1-a)TiO3の組成となるように秤量・配合し(0.4950≦a≦0.9500)、さらに任意でMn含有化合物および／またはSi含有化合物を添加する。その後、ポットミル等を用いて、純水中で混合し、濾過・乾燥・仮焼の工程を経てチタン酸バリウム系の仮焼粉末(BT仮焼粉末)を得る。仮焼は、1100〜1250℃にて、1〜2時間行うことが好ましい。
同様に、マグネシウム酸ジルコン酸ビスマスを得るために、Bi，Mg，Zrをそれぞれ含む化合物を、好ましくはBi(Mg0.5Zr0.5)O3の組成となるように秤量・配合する。その後、ポットミル等を用いて、純水中で混合し、濾過・乾燥・仮焼の工程を経てマグネシウム酸ジルコン酸ビスマスの仮焼粉末(BMZ仮焼粉末)を得る。仮焼は、700〜900℃にて、1〜2時間行うことが好ましい。
その後、BT仮焼粉末とBMZ仮焼粉末が、重量比にて1-x：xとなるよう、秤量・配合し、ポットミル等を用いて、純水中で湿式にて混合を行い、その後濾過、乾燥、造粒を行う。なお、前記Mn含有化合物および／またはSi含有化合物は、当該造粒工程で添加してもよい(BT仮焼粉末およびBMZ仮焼粉末とともに混合した後、造粒する)。
この際、前記xの値は、前記Meが、Srであるか、または、Sr，CaおよびPbからなる群から選ばれる2種以上であるときは、0.0040≦x≦0.0100の範囲とし、前記MeがCaであるときは、0.0040≦x≦0.0080の範囲とする。
その後、得られた造粒粉をプレス成形機等にて成形し、焼成を行うことにより、本発明に係る半導体磁器組成物を得ることができる。焼成は、1270〜1350℃で1〜3時間行うことが好ましい。
An example of a method for producing a semiconductor ceramic composition according to the present invention will be outlined below.
First, a compound containing Ba, Me (at least one of Sr and Ca, optionally Pb), and Ti, respectively, is weighed and blended so as to have a composition of (Ba a Me 1-a ) TiO 3 (0.4950 ≦ a ≦ 0.9500), and optionally adding Mn-containing compounds and / or Si-containing compounds. Thereafter, using a pot mill or the like, mixing is performed in pure water, and a barium titanate-based calcined powder (BT calcined powder) is obtained through steps of filtration, drying, and calcining. The calcination is preferably performed at 1100 to 1250 ° C. for 1 to 2 hours.
Similarly, in order to obtain bismuth magnesium zirconate, a compound containing Bi, Mg, and Zr, respectively, is weighed and blended so as to preferably have a composition of Bi (Mg 0.5 Zr 0.5 ) O 3 . Thereafter, using a pot mill or the like, the mixture is mixed in pure water, and a calcination powder (BMZ calcination powder) of bismuth magnesium zirconate is obtained through filtration, drying and calcination processes. The calcination is preferably performed at 700 to 900 ° C. for 1 to 2 hours.
Then, BT calcined powder and BMZ calcined powder are weighed and blended so that the weight ratio is 1-x: x, mixed in pure water using a pot mill, etc., and then filtered. Dry, granulate. The Mn-containing compound and / or the Si-containing compound may be added in the granulation step (mixed with the BT calcined powder and BMZ calcined powder and then granulated).
At this time, the value of x is in the range of 0.0040 ≦ x ≦ 0.0100 when Me is Sr or two or more selected from the group consisting of Sr, Ca and Pb, and Me When is Ca, the range is 0.0040 ≦ x ≦ 0.0080.
Thereafter, the obtained granulated powder is molded with a press molding machine or the like and fired to obtain the semiconductor ceramic composition according to the present invention. Firing is preferably performed at 1270 to 1350 ° C. for 1 to 3 hours.
前記各金属元素を含む化合物としては、例えば各金属元素の酸化物、窒化物、炭酸塩等が挙げられる。
例えば、BaはBaCO3として、SrはSrCO3として、CaはCaCO3として、PbはPb3O4として、TiはTiO2として、MgはMgCO3、BiはBi2O3として、ZrはZrO2として添加することができる。
これらの化合物を、各金属元素が、各仮焼粉末の組成式・組成値を満たすように配合し、上記手順にてBT仮焼粉末およびBMZ仮焼粉末を得、その後、両者を混合し、上記手順にて焼成すればよい。なお、各金属元素が上記組成値を満たす割合で配合されていればよく、酸素の量は過剰となってもよい。
同様に、添加成分であるMnはMnCO3として、SiはSiO2やSi3N4として添加することができる。なお、焼成後の組成物において、MnやSiは主成分に固溶していてもよい。
Examples of the compound containing each metal element include oxides, nitrides, and carbonates of each metal element.
For example, Ba is BaCO 3 , Sr is SrCO 3 , Ca is CaCO 3 , Pb is Pb 3 O 4 , Ti is TiO 2 , Mg is MgCO 3 , Bi is Bi 2 O 3 , Zr is ZrO 2 can be added.
These compounds are blended so that each metal element satisfies the composition formula / composition value of each calcined powder, BT calcined powder and BMZ calcined powder are obtained by the above procedure, and then both are mixed, What is necessary is just to bake in the said procedure. In addition, each metal element should just be mix | blended in the ratio which satisfy | fills the said composition value, and the quantity of oxygen may be excess.
Similarly, the additive component Mn can be added as MnCO 3 , and Si can be added as SiO 2 or Si 3 N 4 . In the composition after firing, Mn and Si may be dissolved in the main component.
(BaaMe1-a)TiO3仮焼粉末(BT仮焼粉末)の出発原料としてBaCO3、SrCO3、CaCO3、Pb3O4、TiO2を、添加成分としてMnCO3、SiO2を準備し、これらを表1〜4に示す所定の組成となるよう、秤量し、配合した。その後、ポットミルを用いて純水中で湿式混合し、濾過し、乾燥を行った後、約1200℃で120分間仮焼して、BT仮焼粉末を得た。表中のMnおよびSiO2の%はそれぞれ、その左欄に示す組成式の化合物の重量に対するMn元素およびSiO2の重量％である。
同様に、Bi(MgZr)O3仮焼粉末(BMZ仮焼粉末)の出発原料としてBi2O3、MgCO3、ZrO2を準備し、これらをBi(Mg0.5Zr0.5)O3の組成となるよう、秤量し、配合した。その後、ポットミルを用いて純水中で湿式混合し、濾過し、乾燥を行った後、約850℃で120分間仮焼して、BMZ仮焼粉末を得た。
その後、BT仮焼粉末、BMZ仮焼粉末を、表に示す重量比x(BT：BMZ＝1-x：x)で秤量、配合し、ポットミルを用いて純水中で湿式混合を行い、濾過、乾燥を行った後、ポリビニルアルコール(バインダー)を用いて造粒した。
得られた造粒粉を、プレス成形機によって、円柱状(直径18.0mm×厚さ3.0mm)に成形し、大気雰囲気下、約1300℃で60分間焼成を行い、焼成体を得た。
BaBa 3 , SrCO 3 , CaCO 3 , Pb 3 O 4 , TiO 2 as starting materials of (Ba a Me 1-a ) TiO 3 calcined powder (BT calcined powder), MnCO 3 , SiO 2 as additive components These were prepared, weighed and blended so as to have predetermined compositions shown in Tables 1 to 4. Thereafter, the mixture was wet-mixed in pure water using a pot mill, filtered, dried, and calcined at about 1200 ° C. for 120 minutes to obtain a BT calcined powder. In the table,% of Mn and SiO 2 are% by weight of Mn element and SiO 2 with respect to the weight of the compound having the composition formula shown in the left column, respectively.
Similarly, Bi 2 O 3 , MgCO 3 , and ZrO 2 were prepared as starting materials for Bi (MgZr) O 3 calcined powder (BMZ calcined powder), and these were defined as the composition of Bi (Mg 0.5 Zr 0.5 ) O 3 . Weighed and blended so that Thereafter, the mixture was wet-mixed in pure water using a pot mill, filtered, dried, and calcined at about 850 ° C. for 120 minutes to obtain a BMZ calcined powder.
Then, BT calcined powder and BMZ calcined powder are weighed and blended at the weight ratio x (BT: BMZ = 1-x: x) shown in the table, wet-mixed in pure water using a pot mill, and filtered After drying, granulation was performed using polyvinyl alcohol (binder).
The obtained granulated powder was molded into a cylindrical shape (diameter 18.0 mm × thickness 3.0 mm) with a press molding machine, and fired at about 1300 ° C. for 60 minutes in an air atmosphere to obtain a fired body.
また、BMZ仮焼粉末を用いず、イットリウムを半導体化剤として用いた焼成体を製造した(比較例1〜比較例3および比較例5〜比較例8それぞれの枝番1参照)。出発原料として、Y2O3を添加した以外は、上記実施例のBT仮焼粉末の製造と同じ手順で仮焼を行い、得られた仮焼粉末を、BMZ仮焼粉末と混合せずに造粒したこと以外は、上記実施例と同じ手順にて焼成し、焼成体を製造した。
また、希土類元素もBMZ仮焼粉末も添加しない焼成体を製造した(比較例1〜比較例3および比較例5〜比較例8それぞれの枝番2参照)。実施例のBT仮焼粉末の製造と同じ手順で仮焼を行い、得られた仮焼粉末を、BMZ仮焼粉末と混合せずに造粒したこと以外は、実施例と同じ手順にて焼成し、焼成体を製造した。
また、Me(Sr，Ca，Pb)を添加しない焼成体を製造した(比較例4−1〜4−5)。BT仮焼粉末製造時に、MeおよびMn，Siを添加しないこと以外は、実施例と同じ手順にて焼成体を製造した。
In addition, a fired body using yttrium as a semiconducting agent was produced without using the BMZ calcined powder (see branch numbers 1 of Comparative Examples 1 to 3 and Comparative Examples 5 to 8). Except for adding Y 2 O 3 as a starting material, calcining was performed in the same procedure as the production of the BT calcined powder in the above example, and the obtained calcined powder was not mixed with the BMZ calcined powder. Except having granulated, it baked in the same procedure as the said Example, and manufactured the sintered body.
In addition, a fired body to which neither a rare earth element nor a BMZ calcined powder was added was produced (see branch numbers 2 of Comparative Examples 1 to 3 and Comparative Examples 5 to 8). Calcination was performed in the same procedure as in the production of the BT calcined powder in the example, and the calcined powder obtained was calcined in the same procedure as in the example except that it was granulated without mixing with the BMZ calcined powder. The fired body was manufactured.
Moreover, the sintered body which does not add Me (Sr, Ca, Pb) was manufactured (Comparative Examples 4-1 to 4-5). A fired body was manufactured in the same procedure as in the Examples, except that Me, Mn, and Si were not added when manufacturing the BT calcined powder.
このようにして得られた各焼成体の両面にIn−Ga電極を塗布し、比抵抗、耐電圧測定用の試料とした。比抵抗は温度25℃で測定し、耐電圧は、試料に印加する電圧を徐々に上昇させてゆき、絶縁破壊が生じる限界の電圧を測定することによって求めた。さらに、温度と抵抗の関係を測定し、キュリー点(CP)、PTCジャンプの桁数(比抵抗初期値からの変化桁数)を求めた。結果を表1〜4に示す。表1は、Meが(Sr＋Ca＋Pb)または(Ca＋Pb)である場合のデータを示し、表2は、Meが(Sr＋Ca)またはSr単独である場合のデータを示し、表3は、Meが(Sr+Pb)である場合のデータを示し、表4は、MeがCa単独である場合のデータを示す。
表中の評価が○の試料は、希土類不使用、比抵抗500Ω・cm以下、耐電圧200V以上、PTCジャンプ桁4.0以上を全て満たしたものであり、評価が×のものは、上記条件の一つ以上を満たさないものである。
In-Ga electrodes were applied to both sides of each fired body thus obtained to obtain samples for measuring specific resistance and withstand voltage. The specific resistance was measured at a temperature of 25 ° C., and the withstand voltage was obtained by gradually increasing the voltage applied to the sample and measuring the limit voltage at which dielectric breakdown occurred. Furthermore, the relationship between temperature and resistance was measured, and the number of Curie points (CP) and PTC jump digits (number of digits changed from the initial value of specific resistance) were obtained. The results are shown in Tables 1-4. Table 1 shows the data when Me is (Sr + Ca + Pb) or (Ca + Pb), Table 2 shows the data when Me is (Sr + Ca) or Sr alone, and Table 3 shows that Me is (Sr + The data when Pb) is shown, and Table 4 shows the data when Me is Ca alone.
Samples with an evaluation of ○ in the table satisfy all of the above conditions, with no rare earths, specific resistance of 500 Ω · cm or less, withstand voltage of 200 V or more, and PTC jump digit of 4.0 or more. It does not satisfy more than one.
表に示すとおり、本発明の組成式で表されるチタン酸バリウム系の半導体磁器組成物は、半導体化剤としてイットリウムを用いた比較例の試料(比較例1〜比較例3，比較例5〜比較例8それぞれの枝番1の試料)と比べて遜色のない特性を示した。これに対し、半導体化剤としてイットリウムを用いず、また、マグネシウム酸ジルコン酸ビスマスも添加しなかった比較例の試料(比較例1〜比較例3，比較例5〜比較例8それぞれの枝番2の試料)は半導体化しなかった。 As shown in the table, the barium titanate-based semiconductor ceramic composition represented by the composition formula of the present invention is a sample of a comparative example using yttrium as a semiconducting agent (Comparative Example 1 to Comparative Example 3, Comparative Example 5 to In comparison with Comparative Example 8, each branch No. 1 sample) showed inferior characteristics. On the other hand, a sample of a comparative example in which yttrium was not used as a semiconducting agent and bismuth magnesium zirconate was not added (Comparative Example 1 to Comparative Example 3, Comparative Example 5 to Comparative Example 8 each branch number 2 Sample) was not made semiconductor.
また、マグネシウム酸ジルコン酸ビスマスを添加した場合であっても、xが所定の範囲にない場合は、比抵抗が増大して500Ω・cmを超え、正特性サーミスタ材料に要求される特性を満たさないか、あるいは半導体化しなかった。また、試料によっては、PTCジャンプ桁数が4.0未満になる試料が見られた。より具体的には、Meが、Sr＋Ca＋Pb、Ca＋Pb、Sr＋Ca、Sr+Pb、またはSrの場合は、xが0.0040≦x≦0.0100の範囲を外れた場合(比較例1〜比較例3，比較例5〜比較例7それぞれの枝番3〜5の試料)、MeがCaの場合は、xが0.0040≦x≦0.0080の範囲を外れた場合(比較例8−3〜8−5)、マグネシウム酸ジルコン酸ビスマスを添加しても、正特性サーミスタ材料に要求される特性を備えた半導体磁器組成物は得られなかった。
また、マグネシウム酸ジルコン酸ビスマスを添加した場合であっても、Meを添加していない比較例4−1〜4−5の試料は、PTCジャンプ桁が3.0まで落ちる、半導体化しない、比抵抗が増大する、耐電圧が低下する等の結果となり、正特性サーミスタ材料に要求される特性を満たさなかった。
また、Baの添加量が少なすぎる場合(a＜0.4950である比較例1−6，3−6)、比抵抗が増大する傾向が見られ、Baの添加量が多すぎる場合(a＞0.9500である比較例5−6)、耐電圧が低下する傾向が見られた。
In addition, even when bismuth magnesium zirconate is added, if x is not within the specified range, the specific resistance increases and exceeds 500 Ω · cm, which does not satisfy the characteristics required for a positive temperature coefficient thermistor material. Or it was not made semiconductor. In addition, depending on the sample, there was a sample with a PTC jump digit number of less than 4.0. More specifically, when Me is Sr + Ca + Pb, Ca + Pb, Sr + Ca, Sr + Pb, or Sr, when x is out of the range of 0.0040 ≦ x ≦ 0.0100 (Comparative Examples 1 to 3, Comparative Example 5) ~ Samples of branch numbers 3 to 5 of Comparative Example 7), when Me is Ca, when x is out of the range of 0.0040 ≦ x ≦ 0.0080 (Comparative Examples 8-3 to 8-5), zircon magnesium acid Even when bismuth acid was added, a semiconductor ceramic composition having characteristics required for a positive temperature coefficient thermistor material could not be obtained.
Further, even when bismuth magnesium zirconate was added, the samples of Comparative Examples 4-1 to 4-5 without adding Me had a PTC jump digit of 3.0, did not become a semiconductor, and had a specific resistance. As a result, the withstand voltage was increased and the withstand voltage was lowered, and the characteristics required for the positive thermistor material were not satisfied.
In addition, when the amount of Ba added is too small (Comparative Examples 1-6 and 3-6 where a <0.4950), the specific resistance tends to increase, and when the amount of Ba added is too large (a> 0.9500 There was a tendency for the withstand voltage to decrease in some Comparative Examples 5-6).
上記実験等の結果から、Baの組成値が0.4950〜0.9500であり、MeがSrまたはCaのいずれか1種であるか、または、Sr，CaおよびPbからなる群から選ばれる2種以上であり、さらに、前記xが特定の範囲となるようにマグネシウム酸ジルコン酸ビスマスを配合した場合、比抵抗が低く、耐電圧が高く、PTCジャンプ桁が4.0以上の半導体磁器組成物が得られることが分かった。 From the results of the above experiments, the composition value of Ba is 0.4950 to 0.9500, Me is any one of Sr or Ca, or two or more selected from the group consisting of Sr, Ca and Pb. Furthermore, it was found that when bismuth magnesium zirconate was blended so that x was in a specific range, a semiconductor ceramic composition having a low specific resistance, a high withstand voltage, and a PTC jump digit of 4.0 or more was obtained. It was.
上記実験から、本発明によれば、チタン酸バリウム系組成に半導体化剤である希土類元素の代わりにマグネシウム酸ジルコン酸ビスマスを添加した組成系とすることにより、希土類元素を用いた半導体磁器組成物と同等の性能を実現できることが分かった。 From the above experiment, according to the present invention, a semiconductor ceramic composition using a rare earth element is obtained by adding bismuth magnesium zirconate magnesium instead of a rare earth element as a semiconducting agent to a barium titanate composition. It was found that the same performance can be realized.
Claims (5)
前記aは0.4950≦a≦0.9500であり、
前記Meは、SrまたはCaのいずれか1種であるか、または、Sr，CaおよびPbからなる群から選ばれる2種以上であり、
前記MeがSrであるか、または、Sr，CaおよびPbからなる群から選ばれる2種以上であるときは、前記xが0.0040≦x≦0.0100であり、
前記MeがCaであるときは、前記xが0.0040≦x≦0.0080であること
を特徴とする半導体磁器組成物。 The main component is a semiconductor ceramic composition represented by the composition formula (1-x) (Ba a Me 1-a ) TiO 3 -xBi (Mg, Zr) O 3 ,
A is 0.4950 ≦ a ≦ 0.9500,
The Me is any one of Sr or Ca, or two or more selected from the group consisting of Sr, Ca and Pb,
When Me is Sr or two or more selected from the group consisting of Sr, Ca and Pb, x is 0.0040 ≦ x ≦ 0.0100,
When the Me is Ca, the x is 0.0040 ≦ x ≦ 0.0080.
Bi，Mg，Zrをそれぞれ含む化合物を秤量、混合、仮焼して、組成式Bi(Mg,Zr)O3で表されるBMZ仮焼粉末を得る工程、
前記BT仮焼粉末とBMZ仮焼粉末とを、1-x：xの重量比にて混合し、造粒して造粒粉を得る工程(xは、MeがSrであるか、または、Sr，CaおよびPbからなる群から選ばれる2種以上であるときは、0.0040≦x≦0.0100であり、MeがCaであるときは、0.0040≦x≦0.0080)、および
前記造粒粉を、成形、焼成する工程
を含む、半導体磁器組成物の製造方法。 A step of obtaining a BT calcined powder represented by the composition formula (Ba a Me 1-a ) TiO 3 by weighing, mixing, and calcining a compound containing each of Ba, Me, and Ti (a is 0.4950 ≦ a ≦ 0.9500 And Me is any one of Sr or Ca, or two or more selected from the group consisting of Sr, Ca and Pb),
A step of weighing, mixing, and calcining a compound containing Bi, Mg, and Zr to obtain a BMZ calcined powder represented by a composition formula Bi (Mg, Zr) O 3 ,
The step of mixing the BT calcined powder and the BMZ calcined powder at a weight ratio of 1-x: x and granulating to obtain a granulated powder (x is Me is Sr or Sr , Ca and Pb, when two or more selected from the group consisting of 0.0040 ≦ x ≦ 0.0100, and when Me is Ca, 0.0040 ≦ x ≦ 0.0080), and molding the granulated powder, A method for producing a semiconductor ceramic composition, comprising a step of firing.
前記造粒粉を得る工程において、Mn含有化合物およびSi含有化合物を添加混合した後、造粒する
ことを特徴とする、請求項４に記載の半導体磁器組成物の製造方法。 In the step of obtaining the BT calcined powder, after adding and mixing the Mn-containing compound and the Si-containing compound, calcining, or,
The method for producing a semiconductor ceramic composition according to claim 4, wherein in the step of obtaining the granulated powder, the Mn-containing compound and the Si-containing compound are added and mixed, and then granulated.
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