JP3166784B2 - 正特性サーミスタ素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体磁器よりなる正
特性サーミスタ素体の両主面に電極を形成してなる正特
性サーミスタ素子に関し、とくに、両主面に形成される
電極構造が改良された正特性サーミスタ素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、チタン酸バリウム系半導体磁
器よりなる正特性サーミスタ（以下、ＰＴＣ）素体の両
主面に電極を形成してなるＰＴＣ素子が公知である。Ｐ
ＴＣ素子では、ＰＴＣ素体が半導体磁器よりなるため、
上記電極としては、該半導体磁器との間に障壁を形成し
ない材料からなるものを用いる必要がある。そこで、従
来、ＰＴＣ素体の両主面にニッケルをめっきし、ニッケ
ル電極を形成し、しかる後、ニッケル電極上に銀ペース
トを塗布・焼き付けることにより、銀電極を形成してな
るＰＴＣ素子が提案されている。

【０００３】しかしながら、上記ＰＴＣ素子の製造工程
においては、ニッケルめっきがＰＴＣ素体の全外表面に
行われるため、めっき後に電極不要部分すなわちＰＴＣ
素体の側面に付着しているニッケルめっき層を研磨・除
去するといった煩雑な作業が強いられていた。しかも、
電極不要部分のニッケルめっき層を研磨・除去するにあ
たり、ＰＴＣ素体が損傷を受け、その結果、ＰＴＣ素子
の特性、特にパルス電圧が印加された場合の耐電圧が劣
化するという問題があった。のみならず、ニッケル電極
上に形成された銀電極が露出しているため、ＰＴＣ素子
に連続通電を行った場合、両主面の銀電極間においてマ
イグレーションが発生し易いという問題もあった。

【０００４】他方、上記のような問題を解決するものと
して、Ｇａのようなオーミック接触を与える成分を含有
した銀ペーストをＰＴＣ素体の両主面に焼き付けて電極
を形成してなるＰＴＣ素子が提案されている。この方法
では、オーミック成分含有銀ペーストを塗布し、焼き付
けて電極を形成するものであるため、必要な部分にの
み、すなわちＰＴＣ素体の両主面にのみ電極を形成する
ことができる。従って、ＰＴＣ素体に傷を付けるおそれ
がないため、ＰＴＣ素子の耐電圧が劣化するといった問
題が生じない。しかしながら、オーミック成分含有銀ペ
ーストを塗布し、焼き付けることにより電極を形成する
方法では、形成された電極の寿命特性が悪く、経時によ
り電極−素子間の接触抵抗が高くなるという問題があっ
た。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本願発明者ら
は、ＰＴＣ素子の耐電圧特性の低下を招くおそれがな
く、かつ寿命特性に優れた電極を得るべく検討した結
果、アルミニウム及びケイ素を含有する電極ペーストを
塗布し、焼き付けてＡｌ−Ｓｉ電極を形成すれば、上述
した従来技術の問題を解消し得るのではないかと考え、
実験を行った。Ａｌ−Ｓｉ電極は、上記のようにアルミ
ニウム及びケイ素を含有する電極ペーストを塗布し、焼
き付けるものであるため、ＰＴＣ素体の必要な部分にの
み電極を形成することができる。従って、電極形成時に
ＰＴＣ素子を傷付けるおそれがないため、耐電圧特性の
劣化を招かない。また、Ａｌ−Ｓｉ電極は、寿命特性に
優れており、経時によりＰＴＣ素子の特性の劣化を招き
難い。よって、信頼性に優れたＰＴＣ素子を得ることが
できる。

【０００６】上記Ａｌ−Ｓｉ含有電極ペーストをＰＴＣ
素体の両主面の全面に塗布し、焼き付けてなるＰＴＣ素
子は、図２（ａ）に示すように、ＰＴＣ素子１のＰＴＣ
素体２の両主面の全面に電極３ａ，３ｂが形成されるこ
とになる。しかしながら、図２（ｂ）に拡大部分切欠断
面図で示すように、Ａｌ−Ｓｉ電極ペーストをＰＴＣ素
体２の両主面に塗布した場合、該ペースト、ひいては最
終的に形成される電極３ａ，３ｂがＰＴＣ素体の両主面
２ａ，２ｂから側面２ｃ側に回り込み、その結果、耐電
圧特性が劣化するといった問題があった。そこで、従来
のＧａ含有銀ペーストを塗布し、焼き付ける方法で行わ
れているように、両主面の電極３ａ，３ｂの周縁に幅３
ｍｍのギャップ領域を残すようにしてＡｌ−Ｓｉ電極を
形成した。しかしながら、上記のように幅３ｍｍのギャ
ップ領域を残すようにＡｌ−Ｓｉ電極３ａ，３ｂを形成
すると、ＰＴＣ素子１の耐電圧が大きく劣化した。

【０００７】本発明の目的は、電極形成による耐電圧、
特にパルス電圧を印加された場合の耐電圧が低下し難
く、かつ電極間マイグレーションが生じ難く、さらに経
時による特性の劣化の生じ難い、信頼性に優れたＰＴＣ
素子を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、円板状または
角板状のＰＴＣ素体の両主面に電極を形成してなるＰＴ
Ｃ素子において、上記電極がＡｌ−Ｓｉからなり、かつ
ＰＴＣ素体の両主面において周囲に幅ｘのギャップ領域
を残して形成されており、さらに、上記ＰＴＣ素子が円
板状の場合には、その直径をＤ、角板状の場合には最長
辺をＬとしたときに、上記ギャップ領域の幅ｘの上記Ｄ
またはＬに対する比ｘ／Ｄまたはｘ／Ｌが０．００７〜
０．１４３の範囲に入るように上記ギャップ領域が形成
されていることを特徴とする、ＰＴＣ素子である。

【０００９】Ａｌ−Ｓｉからなる電極は、本願出願人が
先に提出した特願平２−３４０８６０号に開示されてい
るように、アルミニウム４８〜９６重量％及びケイ素４
〜５２重量％の割合でアルミニウム及びケイ素を含有す
る電極により構成される。このような組成でアルミニウ
ム及びケイ素を含有するＡｌ−Ｓｉ電極は、ＰＴＣ素体
として用いられているチタン酸バリウム系半導体磁器に
対してオーミックな接触を与える。しかも、Ａｌを４８
〜９６重量％及びケイ素４〜５２重量％の割合でアルミ
ニウム及びケイ素を含有しているため、耐湿特性に優れ
た電極を形成することができる。

【００１０】上記Ａｌ−Ｓｉ電極は、アルミニウム粉末
及びケイ素粉末を上記割合で調合し、さらに低融点ガラ
スフリット及び有機ビヒクルを加えてペーストとし、該
ペーストを塗布し、焼き付けることにより電極として完
成される。アルミニウム粉末としては、例えば、粒径が
５〜３０μｍ程度の粉末が、また、ケイ素粉末として
は、例えば、粒径が０．５〜１０．０μｍ程度の粉末が
用いられる。また、低融点ガラスフリット及び有機ビヒ
クルの混合割合は特に限定されないが、一例を挙げる
と、上記アルミニウム粉末及びケイ素粉末を合計で７０
重量％に対し、低融点ガラスフリット１０重量％及び有
機ビヒクル２０重量％の割合で調合することができる。

【００１１】

【作用】Ａｌ−Ｓｉペーストを塗布し、焼き付けること
によりＡｌ−Ｓｉ電極が形成されており、電極形成工程
において必要な部分にのみ電極が形成され得るので、Ｐ
ＴＣ素体の損傷が生じ難い。しかも、Ａｌ−Ｓｉ電極
は、経時による特性の劣化が生じ難く、従ってＰＴＣ素
子の寿命特性が高められる。また、上記ギャップ領域の
幅ｘの上記ＤまたはＬに対する比ｘ／Ｄまたはｘ／Ｌ
が、０．００７〜０．１４３の範囲に入るように、該ギ
ャップ領域を残してＡｌ−Ｓｉ電極が形成されているた
め、後述の実施例から明らかなように、パルス電圧を印
加した際の耐電圧特性の劣化が生じ難い。

【００１２】

【実施例の説明】以下、本発明の非限定的な実施例を挙
げることにより、本発明を明らかにする。図１は、本発
明の一実施例のＰＴＣ素子を説明するための斜視図であ
る。本実施例のＰＴＣ素子１１は、円板状のＰＴＣ素体
１２を用いて構成されている。ＰＴＣ素体１２は、チタ
ン酸バリウム系半導体磁器のように従来よりＰＴＣ素体
を構成するのに用いられている公知の半導体磁器より構
成されている。また、円板状のＰＴＣ素体１２に代え
て、角板状のＰＴＣ素体を用いてもよい。ＰＴＣ素体１
２の上面には、周囲に幅ｘのギャップ領域１４を残して
電極１３が形成されている。ＰＴＣ素体１２の下面に
も、電極１３とＰＴＣ素体１２を介して重なり合うよう
に電極（図示されず）が形成されている。

【００１３】本実施例のＰＴＣ素子１１の特徴は、上記
電極１３が、Ａｌ−Ｓｉ電極からなること、並びにギャ
ップ領域１４の幅ｘのＰＴＣ素体１２の直径Ｄに対する
比ｘ／Ｄが０．００７〜０．１４３の範囲にあることに
ある。Ａｌ−Ｓｉ電極は、上述したように、アルミニウ
ム及びケイ素を含有する電極ペーストを塗布し、焼き付
けることにより形成される。従って、電極を形成される
ことが必要な部分にのみ上記電極ペーストを塗布し、焼
き付けることにより電極が形成されるため、電極形成工
程においてＰＴＣ素体１２が傷つくおそれがない。ま
た、Ａｌ−Ｓｉ電極１３は、経時による特性の劣化が生
じ難いため、ＰＴＣ素子１１の経時による特性の劣化も
生じ難い。

【００１４】他方、ギャップ領域１４の幅ｘのＰＴＣ１
２の直径Ｄに対する比、ｘ／Ｄが、０．００７〜０．１
４３の範囲とされているのは、該範囲外では、ＰＴＣ素
子１１の耐電圧特性、特にパルス電圧が印加された際の
耐電圧特性の劣化が生じるからである。これを、以下の
実験例に基づいて説明する。ＰＴＣ素体１２として、チ
タン酸バリウム系半導体磁器よりなり、直径１４ｍｍ×
厚み２ｍｍの円板状の形状を有し、両主面間の抵抗が１
０Ωであるものを用意した。この円板状のＰＴＣ素体の
両主面に、Ａｌ−Ｓｉ電極ペーストを塗布し、焼き付け
ることにより、３種類のＰＴＣ素子を作製した。第１の
ＰＴＣ素子は、ギャップ領域の幅ｘ＝０すなわちギャッ
プ領域を形成せずにＡｌ−Ｓｉ電極を形成したもの、第
２のＰＴＣ素子は、ギャップ領域の幅ｘ＝０．５ｍｍと
したものであり、第３のＰＴＣ素子はギャップ領域の幅
ｘ＝３ｍｍとしたものである。

【００１５】また、上記と同一のＰＴＣ素体を用い、Ｐ
ＴＣ素体の全外表面にＮｉめっきを施し、しかる後ＰＴ
Ｃ素体の側面のＮｉめっき層を除去し、さらに両主面の
Ｎｉ電極上にギャップ領域を形成せずに全面にＡｇペー
ストを塗布・焼き付けることによりＡｇ電極を形成した
ＰＴＣ素子（従来例１と略す。）、並びにＰＴＣ素体の
両主面に幅３ｍｍのギャップ領域を残してＧａ含有銀ペ
ーストを塗布し、焼き付けることにより両主面に電極を
形成してなるＰＴＣ素子（従来例２と略す。）を用意し
た。上述したＡｌ−Ｓｉ電極が形成された第１〜第３の
ＰＴＣ素子と、上記従来例１，２のＰＴＣ素子につき、
それぞれ、両主面の電極間の抵抗、耐電圧を測定した。
耐電圧の測定は、５秒間のパルス電圧をＰＴＣ素子に印
加し、素子が破壊するまで該パルス電圧の電圧を高めて
いくことにより行い、素子の破壊に至った電圧値を耐電
圧（Ｖ）とした。

【００１６】また、上記各ＰＴＣ素子についての寿命試
験を以下の要領で行った。 連続通電…１００Ｖの電圧をＰＴＣ素子に１０００時
間印加し、印加前後の抵抗値の変化率を測定した。 断続通電…１００Ｖの電圧をＰＴＣ素子に１分間印加
し、次に５分間無負荷で放置する工程を繰り返し、１０
００時間後の抵抗値の変化率を測定した。 上記のようにして測定した抵抗値、耐電圧及び寿命試験
（連続通電後の抵抗変化率及び断続通電後の抵抗変化
率）の結果を、下記の表１に示す。

【００１７】

【表１】

【００１８】表１から明らかなように、両主面の全面に
Ａｌ−Ｓｉ電極を形成した場合（すなわちギャップ幅ｘ
＝０の場合）、耐電圧が１２０Ｖと非常に低く、同様に
ギャップ領域の幅ｘが３．０ｍｍの場合にも耐電圧が１
２０Ｖと非常に低いことがわかる。これに対して、ギャ
ップ領域の幅ｘ＝０．５ｍｍとなるようにＡｌ−Ｓｉ電
極を形成したＰＴＣ素子では、耐電圧が１８１Ｖと高
く、従来例１，２に比べても優れた耐電圧特性を示すこ
とがわかる。

【００１９】また、Ｇａ含有銀ペーストを用いた従来例
２では、寿命試験において抵抗値の変化率が非常に大き
いのに対し、Ａｌ−Ｓｉ電極を用い、かつギャップ領域
の幅を０．５ｍｍとした場合には、低抵抗の変化率が非
常に小さいことがわかる。従って、ギャップ領域の幅ｘ
を０．５ｍｍとした場合、耐電圧特性に優れ、かつ寿命
特性においても優れた信頼性に優れたＰＴＣ素子の得ら
れることがわかる。そこで、優れた耐電圧特性及び優れ
た寿命特性のＰＴＣ素子の得るのに最適なギャップ幅ｘ
を求めるために、以下の実験を行った。

【００２０】すなわち、上述の実験に用いたものと同一
のＰＴＣ素体１２を用い、ギャップ幅ｘを種々変更して
Ａｌ−Ｓｉ電極を形成して各種のＰＴＣ素子を得、耐電
圧を測定した。結果を図３に示す。図３から明らかなよ
うに、ギャップ幅ｘがある程度よりも広くなると、耐電
圧はかなり低下していくことがわかる。これは、ＰＴＣ
素子１１が発熱素子であるため、ギャップ幅ｘを広くす
ると、ＰＴＣ素体１２内の発熱が不均一となり、割れや
すくなることによるものと考えられる。ＰＴＣ素子１１
として用いるには、ＰＴＣ素体１２自体の耐電圧特性を
劣化させないものであることが必要である。そこで、Ｐ
ＴＣ素体自体の耐電圧に対して５％以下の耐電圧劣化の
範囲に入るもの（図３のＰＴＣ素体の耐電圧×９５％の
レベルを超えるもの）を良品とすると、図３から明らか
なように、ギャップ領域の幅ｘは、約２ｍｍまでの大き
さとする必要がある。すなわち、円板状のＰＴＣ素体１
２の直径をＤ（＝１４．０ｍｍ）としたときに、比ｘ／
Ｄが０．１４３以下の範囲となるようにギャップ領域の
幅ｘを選ぶ必要のあることがわかる。

【００２１】また、同様に、ギャップ領域の幅ｘを非常
に小さくしていき、多数のＰＴＣ素子を作製したとこ
ろ、ギャップ領域の幅ｘのＰＴＣ素体の直径Ｄに対する
比が、０．００７未満になると、耐電圧が大幅に低下す
ることがわかった。従って、ｘ／Ｄは、０．００７以上
であることが必要である。なお、上記ｘ／Ｄの範囲０．
００７〜０．１４３は、円板状のＰＴＣ素体１２を用い
て実験を行って得られた結果であるが、本願発明者らの
実験によれば、ＰＴＣ素体として角板状のものを用いた
場合にも、最長辺の長さＬを基準とし、ｘ／Ｌが上記範
囲内に入れば、優れた耐電圧特性及び寿命特性を示すＰ
ＴＣ素子の得られることが確かめられた。なお、表１か
ら明らかなように、Ｇａ含有銀電極を用いた場合には、
ギャップ領域の幅ｘ＝３ｍｍでも耐電圧特性の劣化が小
さく、他方、Ａｌ−Ｓｉ電極ではギャップ領域の幅ｘ＝
３ｍｍで耐電圧の低下が大きくなっていた。このよう
に、同じ幅のギャップ領域を形成したにも関わらず、耐
電圧特性の傾向が異なったのは以下の理由によるものと
考えられる。

【００２２】図４は、Ａｌ−Ｓｉ電極及びＧａ含有銀電
極を、それぞれ、周囲にギャップ領域を残してＰＴＣ素
体の両主面に形成した場合のＰＴＣ素体内の電流分布及
び温度分布を説明するための図である。図４から明らか
なように、同じ幅のギャップ領域を周囲に残して電極を
形成した場合であっても、Ａｌ−Ｓｉ電極を用いた場合
とＧａ含有銀電極を用いた場合とでは、素子内の電流分
布及び温度分布の状態がかなり異なる。Ａｌ−Ｓｉ電極
では、電極の形成されている部分では電流密度が均一な
のに対し、ギャップ領域に至ると電流密度が急激に変化
する。これに対して、Ｇａ含有銀電極では、電極が形成
されている部分においてもＰＴＣ素体の中央から外側に
至るに連れて電流密度が漸次低下し、ギャップ領域にお
いてさらに漸次電流密度が低下している。従って、Ａｌ
−Ｓｉ電極を用いた場合には、温度分布を示す図からも
明らかなように、電極が形成されている部分と周囲のギ
ャップ領域部分との間でＰＴＣ素体にストレスが溜まり
易く、従ってギャップ領域の大きさを大きくした場合
に、耐電圧特性が急激に劣化するものと考えられる。他
方、Ｇａ含有銀電極では、上記のようなストレスが小さ
いため、Ａｌ−Ｓｉ電極を用いたＰＴＣ素子に比べてギ
ャップ領域の幅を大きくした場合の耐電圧特性の劣化が
生じ難いと考えられる。従って、本発明の構成要件であ
るｘ／Ｄまたはｘ／Ｌ＝０．００７〜０．１４３は、電
極材料としてＡｌ−Ｓｉを用いたときに初めて上記のよ
うな効果を発揮するものであることがわかる。

【００２３】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、Ａｌ−
Ｓｉ電極を円板状または角板状の正特性サーミスタ素体
の両主面に形成してなるものであるため、電極形成工程
においてＰＴＣ素体の損傷が生じ難く、かつ電極の寿命
特性も高められる。さらに、Ａｌ−Ｓｉ電極が、ｘ／Ｄ
またはｘ／Ｌが０．００７〜０．１４３の範囲に入るよ
うに幅ｘのギャップ領域を残して形成されているため、
耐電圧特性の劣化が生じ難い。

【００２４】また、銀電極を用いたＰＴＣ素子では電極
間マイグレーションの問題が生じるが、本発明のＰＴＣ
素子では、Ａｌ−Ｓｉ電極を用いたものであるため電極
間マイグレーションも生じない。よって、本発明によれ
ば、耐電圧特性に優れ、かつ寿命特性に優れた信頼性の
高いＰＴＣ素子を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例のＰＴＣ素子を示す斜視図。

【図２】（ａ）は従来のＰＴＣ素子の斜視図、（ｂ）は
従来のＰＴＣ素子の問題点を説明するための部分切欠断
面図。

【図３】ギャップ幅ｘと耐電圧との関係を示す図。

【図４】ギャップ領域を残してＡｌ−Ｓｉ電極またはＧ
ａ含有銀電極を形成したＰＴＣ素子のＰＴＣ素子内の電
流分布及び温度分布を説明するための図。

【符号の説明】

１１…正特性サーミスタ素子 １２…ＰＴＣ素体 １３…電極 １４…ギャップ領域 ｘ…ギャップ領域の幅 Ｄ…ＰＴＣ素体の直径

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円板状または角板状のチタン酸バリウム
   系半導体磁器からなる正特性サーミスタ素体の両主面に
   電極を形成してなる正特性サーミスタ素子において、 前記電極が、Ａｌを４８〜９６重量％及びＳｉを４〜５
   ２重量％の割合でＡｌ及びＳｉを含む焼付タイプのＡｌ
   −Ｓｉ電極からなり、かつ正特性サーミスタ素体の両主
   面において周囲に幅ｘのギャップ領域を残して形成され
   ており、 前記正特性サーミスタ素体が円板状の場合にはその直径
   をＤ、角板状の場合には最長辺の長さをＬとしたとき
   に、前記ギャップ領域の幅ｘの前記ＤまたはＬに対する
   比ｘ／Ｄまたはｘ／Ｌが、０．００７〜０．１４３の範
   囲に入るように前記ギャップ領域が形成されていること
   を特徴とする、正特性サーミスタ素子。