JP2643545B2 - 正特性サーミスタ素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、正特性サーミスタ素子に関するもので、
特に、主として消磁用またはモータ起動用の正特性サー
ミスタ素子の、突入電流に対する熱破壊特性を向上させ
るための改良に関するものである。

［従来の技術］ BaTiO₃に微量の不純物および添加物を含有させること
により、正の抵抗温度特性を示す半導体セラミックにな
ることが知られており、このような半導体セラミックを
利用して、正特性サーミスタ素子が提供されている。

このような正特性サーミスタ素子の用途としては、温
度検知、過熱保護、温度制御、温度補償、定温発熱体、
過電流保護、雰囲気検知、モータ起動、自動消磁、など
がある。

消磁用回路は、TVブラウン管の残留磁気を消去するた
めに、まず、残留磁気より大きな交流電流を印加し、や
がて、電流を徐々に減衰させ、磁束密度を０に近づけ、
消磁を行なう。正特性サーミスタは、電流印加時に大き
な電流を流し、時間の経過とともに、半導体セラミック
からなる素子本体が発熱し、それによって抵抗が増加す
ることにより、電流が制限され減衰するという特性を有
しており、この特性を利用することにより、正特性サー
ミスタ素子単独で自動的な消磁用回路を構成することが
できる。

また、モータ起動用回路は、モータの起動を行なうた
めに、まず、大きな交流電流を印加し、モータが動出し
た後には、やがて、電流を徐々に減衰させる機能を有す
る。正特性サーミスタ素子は、電流印加時に大きな電流
を流し、時間の経過とともに、素子本体が発熱し、それ
によって抵抗が増加することにより、それ単独でモータ
起動用回路を構成することを可能にする。

［発明が解決しようとする課題］ したがって、正特性サーミスタ素子が、たとえば消磁
用またはモータ起動用に用いられる場合には、このよう
な正特性サーミスタ素子は、電流制限状態となる前には
抵抗が低く、また、耐電圧特性が高いことが望まれる。
このうち、耐電圧特性に関して、素子本体の発熱に伴な
い、素子本体の内部等で割れが生じる、といった熱破壊
特性に対して、特に優れていることが要求される。

しかしながら、従来から用いられている正特性サーミ
スタ素子においては、このような熱破壊特性に関して、
さらに改善されるべき問題があった。

第６図には、従来の典型的な正特性サーミスタ素子１
が示されている。正特性サーミスタ素子１は、正の抵抗
温度特性を示す半導体セラミックからなる素子本体２、
および素子本体２の相対向する面にそれぞれ形成された
電極３および４を備える。

このような正特性サーミスタ素子１に対して、電極３
および４を介して電圧を印加すると、素子本体２におい
て発熱が生じる。特に電流制限の際の発熱の様子を、サ
ーモビュアで見たときの等温線５で示すと、第６図に示
すようになる。等温線５からわかるように、電流制限の
際の発熱において、素子本体２は、その内部と外部とで
温度差が生じる。

このような温度差は、外部では、外気と接触している
ため、熱放散量が多く、温度が低くなる傾向にあるのに
対し、放熱の遅い内部では、温度が高くなる傾向がある
ためである。したがって、素子本体２の内部が、外部に
比べて、高抵抗となり内部の方が、外部に比べて、早く
熱応力破壊が生じる。特に、急激な電圧印加のときは、
内部と外部との間で、熱平衡状態の差が大きくなるた
め、破壊がより起こりやすい。

それゆえに、この発明の目的は、熱破壊特性に優れた
正特性サーミスタ素子を提供しようとすることである。

［課題を解決するための手段］ この発明は、正の抵抗温度特性を示す半導体セラミッ
クからなる素子本体、および前記素子本体の相対向する
面にそれぞれ形成された電極を備える、正特性サーミス
タ素子に向けられるものであって、上述した技術的課題
を解決するため、次のような構成を備えることを特徴と
している。

すなわち、前記素子本体は、前記電極が形成された面
に界面が現われるように接合された複数の部分からな
る。これら複数の部分のうち、外側に位置するものが、
内側に位置するものに比べて比抵抗の高い材料から構成
される。

好ましくは、前記複数の部分は、一体焼成により接合
された状態とされる。

［作用］ この発明によれば、素子本体の外部が、内部に比べ
て、比抵抗が高くなり、そのため発熱量が多くなる。し
かしながら、素子本体の外部は、熱放散量が多いため、
発熱量が多い割には温度が上がらず、結果として、素子
本体の外部の温度は、比抵抗が低く、それゆえに発熱量
が少ない素子本体の内部に与えられる温度に近づけられ
ることができる。

［発明の効果］ したがって、この発明によれば、電流制限の際の発熱
において、素子本体の内部と外部との間での温度差が小
さくなり、熱応力破壊が生じにくくなり、熱破壊特性の
向上を図ることができる。

また、このように熱応力破壊が生じにくくなるため、
機械的な破壊をより生じやすくする傾向がある素子の小
型化をより容易に行なうことができるようになり、それ
ゆえに、このような正特性サーミスタ素子を用いた電気
機器の小型化を図ることができる。

［実施例］ 第１図には、この発明の一実施例による正特性サーミ
スタ素子11が示されている。

正特性サーミスタ素子11は、概略的には、正の抵抗温
度特性を示す半導体セラミックからなる素子本体12、お
よび素子本体12の相対向する面にそれぞれ形成された電
極13および14を備える。

より詳細には、素子本体12は、電極13および14が形成
された面に界面が現われるように接合された複数たとえ
ば３つの部分15,16,15からなる。これらの部分15,16,15
のうち、外側に位置する部分15,15は、内側に位置する
部分16に比べて、比抵抗の高い材料から構成される。

このような正特性サーミスタ素子11は、たとえば、第
２図ないし第４図に示すような製造工程を経て製造され
ることができる。

まず、高抵抗PTC材料および低抵抗PTC材料が用意さ
れ、これらの材料に対して、乾式成形またはシート成形
等をそれぞれ適用することにより、第２図に示すような
高抵抗材料グリーン体15a,15aおよび低抵抗材料グリー
ン体16aが製造される。

次に、同じく第２図に示すように、高抵抗材料グリー
ン体15a、低抵抗材料グリーン体16aおよび高抵抗材料グ
リーン体15aを、この順序で積重ね、矢印17および18で
示すように、これらグリーン体15a,16a,15aを熱圧着す
る。

次に、第３図に示すように、圧着されたグリーン体15
a,16a,15aは、スライスされる。第３図において、両方
向矢印19は、スライシングの方向および位置を示してい
る。

上述のようにしてスライシングされることによって得
られた個々の成形体20は、次いで焼成される。このよう
に焼成された成形体20は、第１図に示した素子本体12と
なる。なお、素子本体12のスライシング面を、必要に応
じて、ラップ処理してもよい。

次に、第４図に示すように、素子本体12のスライシン
グ面に、電極13および14がそれぞれ形成され、第１図に
示すような正特性サーミスタ素子11が得られる。

以下に、この発明による効果を確認するため、具体的
に行なった実験例について説明する。

高抵抗材料グリーン体を得るため、74mol％のチタン
酸バリウム、および24.95mol％のチタン酸ストロンチウ
ムを含有するものに対して、半導体化剤としての酸化イ
ットリウムを0.05mol％、鉱化剤としてのSiO₂を0.5wt
％、および特性改善剤としてのMnO₂を0.2wt％添加し、
これを、1100℃で２時間仮焼した。次に、このように仮
焼されたものにポリビニルアルコール系バインダを加え
た造粒粉に乾式成形を適用して、30mm×30mm×6mmの角
板状の高抵抗材料グリーン体を形成した。

他方、低抵抗材料グリーン体を得るため、62mol％の
チタン酸バリウム、23mol％のチタン酸ストロンチウ
ム、および14.95mol％のチタン酸カルシウムを含有する
ものに対して、鉱化剤としてのSiO₂を0.3wt％、Al₂O₃を
0.2wt％、および特性改善剤としてのMnO₂を0.2wt％添加
して混合粉砕した後、1100℃で２時間仮焼した。次い
で、このように仮焼されたものにポリビニルアルコール
系バインダを加えた造粒粉に乾式成形を適用して、30mm
×30mm×6mmの角板状の低抵抗材料グリーン体を形成し
た。

次に、上述のようにして得られた高抵抗材料グリーン
体15aおよび低抵抗材料グリーン体16aを、第２図に示す
ように積重ね、2000kgf/cm²および60秒の温間等方プレ
スを適用して、熱圧着した後、30mmの辺を、第３図に示
すように、５分割し、18mm×18mm×6mmの５個の成形体2
0を作製した。

上述した成形体20を、1350℃で２時間焼成し、15mm×
15mm×5mmの素子本体12を得た。この素子本体12に、第
１図に示すように、In−Gaからなる電極13および14を形
成して、この発明の実施例による正特性サーミスタ素子
11を得た。

他方、比較例１として、前述した高抵抗材料グリーン
体と同様の組成および方法を用い、また、比較例２とし
て、前述した低抵抗材料グリーン体と同様の組成および
方法を用いて、それぞれ、18mm×18mm×6mmの角板状の
グリーン体を形成した。これら角板状グリーン体を、上
記実施例と同様、1350℃で２時間焼成し、15mm×15mm×
5mmの素子本体を得た。これら素子本体の各々に、In−G
aからなる電極を形成し、比較例１および２としての正
特性サーミスタ素子を得た。

これら実施例ならびに比較例１および２の特性が、以
下の表に示されている。

なお、表において、「静耐圧」は、正特性サーミスタ
素子が破壊に耐えられる電圧値を示すもので、具体的に
は、まず、100Vの電圧を３分間印加した後、素子が破壊
するまで、同じサイクルで電圧値を上げていき、破壊が
起こったときの電圧値を示している。

また、「Ｆ耐圧」は、突入電流に対する耐電圧のこと
であり、具体的には、まず、100Vの電圧を５秒間印加
し、その後、常温まで素子の温度を下げて抵抗値を測定
し、このとき測定した抵抗値が初期の抵抗値と比較して
変化がない場合には、電圧を上げて同様の測定を繰返
し、測定した抵抗値が初期の抵抗値と比較して変化が起
きたときの電圧値を示している。

上記表からわかるように、この発明の実施例は、比較
例１および２に比べて、特に「Ｆ耐圧」が向上されてお
り、突入電流に対する熱破壊特性の優れたものが得られ
ていると理解できる。

なお、第１図に示した実施例では、素子本体12は、高
抵抗部分15と低抵抗部分16とが電極13および14の延びる
方向に積重ねられた層構造を有しているが、第５図に示
すように、素子本体21が、リング状の高抵抗部分22およ
びそれによって取囲まれる低抵抗部分23によって構成さ
れるようにしてもよい。なお、第５図に示すような素子
本体21は、押出し成形を行なうことによって容易に得る
ことができる。

第５図に示した実施例によれば、低抵抗部分23が、す
べて、高抵抗部分22によって取囲まれるので、この発明
による効果をさらに期待することができる。

また、上述した各実施例では、所定の断面上で見たと
き、低抵抗部分16または23が中心にあり、その両側に高
抵抗部分15または22がそれぞれ１つずつ位置してした
が、比抵抗の異なる３種類以上の材料を用い、さらに多
段階に比抵抗の異なる部分を組合わせるようにしてもよ
い。

また、たとえば高抵抗部分15と低抵抗部分16とを接合
した状態とするため、前述した実施例では、一体焼成を
行なったが、別々に焼成して、後で接合する方法を採用
してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例による正特性サーミスタ
素子11を示す正面図である。 第２図ないし第４図は、第１図に示した正特性サーミス
タ素子11を得るための製造工程を順次示す。 第５図は、この発明の他の実施例に含まれる素子本体21
を示す斜視図である。 第６図は、従来の正特性サーミスタ素子１を示す正面図
である。 図において、11は正特性サーミスタ素子、12,21は素子
本体、13,14は電極、15,22は高抵抗部分、16,23は低抵
抗部分である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭54−99961（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−152603（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−149856（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−54842（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】正の抵抗温度特性を示す半導体セラミック
   からなる素子本体、および前記素子本体の相対向する面
   にそれぞれ形成された電極を備える、正特性サーミスタ
   素子において、 前記素子本体は、前記電極が形成された面に界面が現わ
   れるように接合された複数の部分からなり、前記複数の
   部分のうち、外側に位置するものが内側に位置するもの
   に比べて比抵抗の高い材料から構成されたことを特徴と
   する、正特性サーミスタ素子。
2. 【請求項２】前記複数の部分は、一体焼成により接合さ
   れた状態とされる、請求項１に記載の正特性サーミスタ
   素子。