JP3554779B2

JP3554779B2 - Nonlinear dielectric element

Info

Publication number: JP3554779B2
Application number: JP01162398A
Authority: JP
Inventors: 真一小林; 誠村田; 晴信佐野; 和宏原田; 俊也江角; 善隆影山; 修山岡
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1998-01-23
Filing date: 1998-01-23
Publication date: 2004-08-18
Anticipated expiration: 2018-01-23
Also published as: JPH11214259A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば高輝度放電灯（ＨＩＤランプ）に用いられる高圧パルス発生用コンデンサのように、電界−電荷特性において非線形挙動を示す非線形誘電体素子及びその製造方法に関し、より詳細には、絶縁性を高めるために電極端部を覆うように絶縁層が形成されている非線形誘電体素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高輝度を実現するランプとして上記ＨＩＤランプが用いられている。この種のＨＩＤランプには、高圧ナトリウムランプやメタルハライドランプのように、始動時に１〜４ｋＶ程度の高圧パルスを必要とするものがある。そこで、この種のＨＩＤランプでは、高圧パルスを発生させるために、非線形特性を有するコンデンサが組み込まれている。
【０００３】
例えば、特公平５−８７９４０号公報には、上記高圧パルスを発生させるための非線形コンデンサが内蔵された高圧放電ランプが開示されている。この先行技術に記載の非線形コンデンサの構造を、図６に示す。
【０００４】
コンデンサ５１は、チタン酸バリウム系セラミックスよりなるセラミック板５２の両面に、電極５３，５４を形成した構造を有する。電極５３，５４の中央には、接合材５５ａ，５５ｂを介してリード端子５６，５７が接合されている。また、リード端子５６，５７が引き出されている部分を除いて全体が、ガラスペーストを塗布し、焼き付けることにより形成されたガラス絶縁層５８により被覆されている。
【０００５】
非線形コンデンサ５１では、高電圧パルスを発生させるものであるため、上記ガラス絶縁層５８を設けることにより、電極５３，５４間の絶縁性が高められている。このガラス絶縁層は、ガラス粉末含有ペーストをセラミック素体及び電極表面上に印刷し、焼成することにより完成されていた。
【０００６】
しかしながら、ガラス粉は、セラミック板５２内に拡散し易く、セラミックスの粒界内に侵入し、非線形特性を低下させるという問題があった。非線形特性が劣化すると、高圧パルスを発生させようとしても、パルス電圧が低下することになる。
【０００７】
また、セラミック板５２を構成するセラミックスと、ガラス絶縁層５８を構成するガラス材料とでは、線膨張係数が異なるため、ヒートショックが与えられると両者の間に応力が生じ、それによってもパルス電圧が低下するという問題があった。加えて、上記ヒートショックが加えられた場合、甚だしき場合には、ガラス絶縁層がセラミック素体から剥離するという問題もあった。
【０００８】
また、上記のようなガラスの拡散による影響を低減するために、電極５３，５４の外周縁近傍部分のみを被覆するようにセラミック板５２の上面及び下面にガラス絶縁層を形成した構造も提案されている。しかしながら、このような構造においては、ガラス絶縁層がセラミック素体を被覆している領域が小さくなるものの、やはりガラスの拡散に起因する特性の劣化を避けることはできなかった。
【０００９】
そこで、従来、ガラス絶縁層を形成するガラスとして、セラミックスに拡散し難いものを用いたり、線膨張係数がセラミックスに近いものを選択したりする方法が種々試みられている。しかしながら、セラミックスへのガラスの拡散によるパルス電圧の低下やヒートショックが与えられた際のパルス電圧の低下を確実に防止することはできず、かつ製造に際し、焼成温度や絶縁ガラス層の厚み等を高精度に管理する必要があり、製造工程が非常に煩雑であった。
【００１０】
本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、電界−電荷特性における非線形特性の低下が生じ難く、例えば大きなパルス電圧を確実に得ることができ、かつ製造容易な非線形誘電体素子及びその製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、電界−電荷特性においてヒステリシスを示す非線形誘電体素子であって、前記非線形特性を示す誘電体セラミック素体と、前記誘電体セラミック素体の第１，第２の面にそれぞれ形成された第１，第２の電極と、前記第１，第２の電極の外周縁近傍を覆うように第１，第２の面にそれぞれ形成されており、かつセラミックスよりなる絶縁層とを備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明では、上記絶縁層が、誘電体セラミック素体と同じセラミック材料により構成されている。
請求項３に記載の発明は、電界−電荷特性においてヒステリシスを示す非線形誘電体素子の製造方法であって、第１，第２の面に第１，第２の電極がそれぞれ形成されており、かつ非線形特性を示す誘電体セラミック材料よりなる成形体を用意する工程と、前記成形体の第１，第２の面において第１，第２の電極の外周縁近傍を覆うようにセラミック材料を付与する工程と、前記セラミック材料を焼成し、絶縁層を形成する工程とを備えることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明では、上記成形体が、未焼成のセラミック成形体であり、セラミック材料の焼成により絶縁層を形成すると同時に該セラミック成形体が焼成されている。
【００１４】
もっとも、本発明に係る非線形誘電体素子の製造方法では、上記セラミック成形体として、予め焼成されたセラミック成形体を用い、しかる後セラミック材料を付与し、焼成することにより絶縁層を形成してもよい。
【００１５】
請求項５に記載の発明では、上記セラミック成形体を用意する工程が、複数枚のセラミックグリーンシートを積層し、プレス成形することにより行われる。
請求項６に記載の発明では、上記成形体を用意する工程が、セラミック粉末を粉体プレス法により成形することにより行われる。
【００１６】
また、上記絶縁層を構成するためのセラミック材料の付与は、該セラミック材料を含むセラミックスラリーを成形体の第１，第２の面に塗布する方法、あるいはセラミック材料を主体とするセラミックグリーンシートを成形体表面に積層する方法など適宜の方法で行い得る。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の非限定的な実施例を挙げることにより、本発明をより詳細に説明する。
【００１８】
（第１の実施例）
図１は、本発明の一実施例に係る非線形誘電体素子を説明するための断面図である。この非線形誘電体素子は、例えばＨＩＤランプにおける始動のために高圧パルスを発生させる高圧パルス発生用コンデンサである。
【００１９】
非線形誘電体素子１は、円板状の誘電体セラミック素体２を有する。誘電体セラミック素体２の平面形状は、角板状等の他の形状であってもよい。
また、誘電体セラミック素体２を構成するセラミック材料については、電界−電荷特性においてヒステリシスを示す適宜のセラミック材料を用いることができ、例えばチタン酸バリウム系誘電体セラミックスを好適に用いることができる。
【００２０】
誘電体セラミック素体２の上面２ａ及び下面２ｂ上には、第１，第２の電極として、それぞれ、円形の第１，第２の電極３，４が形成されている。電極３，４の径は、誘電体セラミック素体１の径よりも小さくされている。これは、電極３，４間の沿面距離を大きくし、絶縁性能を高めるためである。
【００２１】
電極３，４は、適宜の導電性材料により形成することができるが、本実施例では、Ａｇ−Ｐｄ合金により形成されている。
電極３，４の外周縁近傍を覆うように、誘電体セラミック素体２の上面２ａ及び下面２ｂには、それぞれ、リング状の絶縁層５，６が形成されている。
【００２２】
絶縁層５，６は、本実施例では、誘電体セラミック素体２を構成するセラミック材料と同一のセラミック材料により構成されている。絶縁層５，６は、適宜のセラミック材料で構成することができ、絶縁層５，６を構成するセラミック材料は、セラミック素体２を構成するセラミック材料と同じものである必要は必ずしもない。その場合であっても、ガラス絶縁層を構成した従来の非線形コンデンサの場合に比べ、耐ヒートショック性を改善することができる。また、セラミック素体内への絶縁層５，６を構成しているセラミック材料の拡散が生じ難いため、パルス電圧の低下を効果的に抑制することができると共に、絶縁層５，６と誘電体セラミック素体２との比誘電率差が小さいので、電極３，４の絶縁性も高められる。
【００２３】
もっとも、上記のように、セラミック素体２を構成するセラミック材料と同じセラミック材料で絶縁層５，６を形成することにより、より一層耐ヒートショック性を改善し得ると共に、セラミック粒子の拡散を確実に防止することができ、より一層大きなパルス電圧を得ることができ、好ましい。加えて、セラミック素体２と絶縁層５，６の比誘電率εが等しくなるため、電極３，４の端部における電界強度が著しく緩和され、それによって電極５，６間の絶縁性も効果的に高められる。
【００２４】
なお、図１において、電極３，４の中央には、接合材７，８を介してリード端子９，１０がそれぞれ接合されている。接合材７，８は、電極３，４とリード端子９，１０とを接合し得る限り、適宜の接合材、例えばガラスフリット含有Ａｇ系接合材などにより構成することができる。
【００２５】
リード端子９，１０についても、Ｎｉ、Ｃｕなどの適宜の金属により構成することができる。
次に、具体的な実験例を挙げることにより、上記非線形誘電体素子１の効果を明らかにすると共に、その製造方法の一例を説明する。
【００２６】
（実験例１）
チタン酸バリウム系誘電体セラミック粉末を用い、粉体プレス法（乾式プレス）により、直径２１．６ｍｍ×厚み１．２ｍｍの円板状のセラミック成形体を作製した。
【００２７】
上記成形体の上面及び下面に、直径１９．２ｍｍの円形となるようにＡｇ−Ｐｄペーストを印刷し乾燥した。しかる後、セラミック成形体を構成するのに用いたのと同一組成のセラミック粉末を用いて形成されたセラミックスラリーを、セラミック成形体の両面に、外径２０．４ｍｍ、内径１６．８ｍｍのリング状となるように印刷し、しかる後１３５０℃で焼成し、非線形誘電体素子１を得た。なお、焼成後のセラミック素体２の直径は１８ｍｍ、厚みは１ｍｍであった。
【００２８】
比較のために、上記実験例の製造に用いたのと同じ組成のチタン酸バリウム系セラミック粉末を用い、予め焼成された直径１８ｍｍ×厚み１ｍｍの円板状セラミック素体の両面に、直径１６ｍｍとなるようにＡｇ−Ｐｄペーストを印刷し、しかる後、強誘電性結晶化ガラスを外径１７ｍｍ及び内径１４ｍｍのリング状に印刷し、５５０℃で焼成し、ガラス絶縁層を形成してなる比較例の非線形誘電体素子を作製した。
【００２９】
上述した実験例及び比較例の非線形誘電体素子に、直径２ｍｍのフランジ部を先端に有する径０．５ｍｍのＮｉ線よりなるリード端子をガラスフリットを３体積％含有している銀系接合材を用い、５００℃で焼き付けた。
【００３０】
上記のようにして得た実験例及び比較例の非線形誘電体素子について、図２に示す回路を構成し、パルスを発生させ、パルス電圧を測定した。すなわち、図２に示す回路では、電源１１に直列に４００Ｗの高圧水銀ランプ用安定器１２が接続されており、該高圧水銀ランプ用安定器１２の後段に、非線形誘電体素子１及びブレークオーバー電圧１５０Ｖの半導体スイッチ１３が接続されている。また、Ｖは電圧計を示す。
【００３１】
その結果、比較例の非線形誘電体素子では、発生パルス電圧が２０００Ｖであったのに対し、実験例の非線形誘電体素子では、２２００Ｖと１０％高くなっていることが確かめられた。
【００３２】
次に、上記実験例及び比較例の非線形誘電体素子の直流外部放電電圧を測定したところ、下記の表１に示す結果が得られた。
【００３３】
【表１】

【００３４】
表１から明らかなように、比較例に比べ、実施例の非線形誘電体素子では直流外部放電電圧が高められ、従って優れた絶縁性を示すことがわかる。
表１の結果から、実施例では、セラミック素体２と絶縁層５，６が同じセラミック材料を用いているため、誘電率が等しく、従って電極５，６の外周縁における電界集中が緩和され、直流外部放電電圧が高められていると考えられる。すなわち、ガラス絶縁層を形成した比較例においても、上記電極端部における電界集中は緩和されるものの、セラミック素体と絶縁ガラス層との誘電率がかなり異なるため、実施例に比べ電界集中が生じ易く、絶縁効果が低いものと考えられる。
【００３５】
さらに、上記実施例及び比較例の非線形誘電体素子を高圧ナトリウムランプ内に組み込み、１０，０００時間のライフ試験を実施した。すなわち、組み込んだ後、所定時間経過後に図２に示す回路を用いてパルス電圧を発生させ、発生されるパルス電圧を測定した。結果を下記の表２に示す。
【００３６】
【表２】

【００３７】
表２から明らかなように、比較例の非線形コンデンサでは、経時的に発生パルス電圧がかなり低下していくのに対し、実施例の非線形誘電体素子では、パルス電圧の低下が認められなかった。これは、ナトリウムランプに非線形誘電体素子を組み込んだ場合、３００℃程度の高温にさらされるため、比較例の非線形誘電体素子では、ガラス粉末のセラミック素体への拡散が加速され、パルス電圧の低下が生じているのに対し、実施例の非線形誘電体素子では上記拡散が生じないためパルス電圧が低下しないためと考えられる。
【００３８】
（第２の実施例）
上記実施例では、粉体プレス法を用い、セラミック成形体を得ていたが、本発明に係る非線形誘電体素子は他の様々な方法により製造することができる。第２の実施例として、セラミックグリーンシートを用いてセラミック成形体を得ることを特徴とする製造方法を説明する。
【００３９】
図３に示すように、チタン酸バリウム系セラミック粉末を主体とするセラミックスラリーをシート成形し、矩形の厚み６０μｍのグリーンシート２１を得た。
このグリーンシート２１の片面に、直径１９．２ｍｍの円形となるようにＡｇ−Ｐｄペースト２２をマトリックス状に複数形成した。図３に示すように、上記電極ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを上下逆転しセラミックグリーンシート２１Ａとして配置し、その上部に電極ペーストが印刷されていないセラミックグリーンシート２１を１８枚積層し、しかる後、上部に電極ペーストが印刷されたセラミックグリーンシート２１Ａを電極ペースト２２が上面となるように積層した。なお、セラミックグリーンシート２１の積層枚数は１８枚に限らず、１枚以上を所定の厚みとなるように成形すればよい。
【００４０】
さらに、上下に予め１６．８ｍｍ径の貫通孔２３がマトリックス状に形成されたセラミックグリーンシート２１Ｂを積層し、厚み方向にプレスすることにより図４に示すセラミックブロック２４を得た。
【００４１】
このセラミックブロック２４を直径２１．６ｍｍの円板状に打ち抜くことにより、図５に示すセラミック成形体２５を得た。このようにして得られたセラミック成形体２５では、上述した最上部及び最下部に配置されたセラミックグリーンシート２１Ｂにより、電極ペースト２２の外周縁近傍が被覆されている。
【００４２】
次に、上記セラミック成形体２５を焼成することにより、図１に示した非線形誘電体素子１におけるセラミック素体２、電極３，４及び絶縁層５，６を同時焼成により完成させた。
【００４３】
このように、第２の実施例の製造方法では、セラミック素体を構成するための成形体が複数枚のグリーンシートを積層し、焼成することにより得られ、かつ電極を構成するための導電ペーストを予め２枚のセラミックグリーンシート上に印刷しておくことにより容易に形成することができる。加えて、絶縁層についても、同じセラミック材料からなるセラミックグリーンシート２１Ｂ，２１Ｂを積層し、同時焼成により完成させることができる。従って、本発明に係る非線形誘電体素子を積層一体焼成技術を用い、容易にかつ能率よく量産することができる。
【００４４】
なお、本発明における非線形誘電体素子の製造方法は、第１，第２の実施例で説明したものに限定されず、焼成済みのセラミック素体を用い、該セラミック素体の両面に電極を形成した後に、セラミックスラリーの印刷・焼成あるいはセラミックグリーンシートの積層・焼成により絶縁層を形成してもよい。
【００４５】
また、第２の実施例において、セラミックグリーンシート２１Ｂ，２１Ｂを用いず、セラミック素体及び電極を焼成した後に、セラミックスラリーを付与し、再度焼成することにより絶縁層を形成してもよい。
【００４６】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明に係る非線形誘電体素子では、誘電体セラミック素体の第１，第２の面に形成された第１，第２の電極の外周縁近傍を覆うように形成されている絶縁層が、セラミックスにより構成されているので、製造工程において、あるいは実使用時に熱が加えられたとしても絶縁層を構成しているセラミック材料がセラミック素体内に拡散し難い。従来の非線形コンデンサでは、絶縁層を構成するガラスがセラミック素体内に拡散し、非線形特性が劣化し、パルス電圧が低下していたのに対し、本発明に係る非線形誘電体素子では、このような拡散が生じ難いため、非線形特性の劣化が生じ難く、大きなパルス電圧を得ることができる。
【００４７】
加えて、従来の非線形コンデンサでは、絶縁層がガラスで構成されていたため、誘電体セラミック素体との線膨張係数差が大きく、熱が加えられた際に応力が発生し、それによってもパルス電圧が低下していたのに対し、本発明に係る非線形誘電体素子では、絶縁層がセラミックスで構成されており、セラミック素体との線膨張係数差が小さいため、線膨張係数差による応力に起因するパルス電圧の低下も生じ難い。
【００４８】
さらに、誘電体セラミック素体と上記セラミックスよりなる絶縁層との比誘電率差を小さくできるため、電極端部における電界集中が緩和され、電極間の絶縁性を効果的に高めることができる。
【００４９】
よって、誘電体セラミック素体の持つ非線形特性を十分に発揮させることができ、大きなパルス電圧を得ることができ、電極間の絶縁性に優れた非線形誘電体素子を提供することができる。
【００５０】
請求項２に記載の発明では、さらに、上記絶縁層が、誘電体セラミック素体と同じセラミック材料により構成されているので、上記セラミック素体内への絶縁層を構成しているセラミックスの拡散が生じず、かつ両者の線膨張係数が等しいため、パルス電圧の低下をより一層効果的に防止することができ、大きなパルス電圧を得ることができる。さらに、セラミック素体と絶縁層の比誘電率が等しくなるため、電極端部における電界の集中も効果的に緩和され、より一層絶縁性能を高めることができる。
【００５１】
請求項３に記載の発明に係る非線形誘電体素子の製造方法では、第１，第２の電極が形成された成形体を用意し、成形体の第１，第２の面に絶縁層を構成するためのセラミック材料を付与し、しかる後該セラミック材料を焼成することにより絶縁層が形成される。従って、上記焼成により絶縁層が形成されるが、焼成に際しての熱が加えられたとしても、絶縁層がセラミック材料で構成されているので、セラミック素体内に絶縁層を構成するセラミック材料が拡散し難く、非線形特性の劣化が生じ難く、大きなパルス電圧及び絶縁性能を発揮し得る請求項１に記載の発明に係る非線形誘電体素子を確実に提供することができる。
【００５２】
請求項４に記載の発明によれば、上記成形体が未焼成のセラミック成形体であり、セラミック材料の焼成により絶縁層を形成すると同時にセラミック成形体も焼成されるので、セラミック素体及び絶縁層を同じ焼成工程により完成させることができ、製造工程の簡略化を果たし得る。
【００５３】
また、請求項５に記載の発明では、上記セラミック成形体が複数のグリーンシートを積層し、プレス成形することにより得られるため、セラミックの積層一体焼成技術を用い、セラミック成形体を容易に得ることができる。この場合、絶縁層を構成するセラミック材料についても、請求項８に記載のように、セラミックグリーンシートを用いて構成することにより、焼成前のセラミック成形体上に絶縁層を構成するためのセラミックグリーンシートを積層し、同時焼成すれば、セラミック成形体及び絶縁層を同じ焼成工程により容易に完成させることができる。請求項６に記載の発明では、セラミック粉末を粉体プレス法を用いて成形することによりセラミック成形体が得られるが、この場合には、粉体プレス法を用いるため、様々な形状のセラミック成形体を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る非線形誘電体素子を説明するための断面図。
【図２】実験例において非線形誘電体素子の発生パルス電圧を測定するのに用いた回路を示す回路図。
【図３】第２の実施例においてセラミック成形体を得るのに用いた複数枚のセラミックグリーンシート、電極ペースト印刷形態及び絶縁層を構成するためのセラミックグリーンシートを説明するための分解斜視図。
【図４】第２の実施例において、セラミック成形体を得るのに用いたマザーのセラミックブロックを説明するための斜視図。
【図５】図４に示したマザーのセラミックブロックから切り出されたセラミック成形体を示す斜視図。
【図６】従来の非線形コンデンサを説明するための断面図。
【符号の説明】
１…非線形誘電体素子
２…誘電体セラミック素体
２ａ，２ｂ…第１，第２の面としての上面及び下面
３，４…第１，第２の電極
５，６…絶縁層
２１…セラミックグリーンシート
２１Ａ…電極ペーストが印刷されたセラミックグリーンシート
２１Ｂ…絶縁層を形成するためのセラミックグリーンシート
２２…電極ペースト
２５…成形体[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a non-linear dielectric element exhibiting non-linear behavior in electric field-charge characteristics, such as a high-voltage pulse generating capacitor used in a high-intensity discharge lamp (HID lamp), and a method for manufacturing the same. The present invention relates to a non-linear dielectric element in which an insulating layer is formed so as to cover an end of an electrode in order to enhance the property, and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, the HID lamp has been used as a lamp for realizing high luminance. Some HID lamps of this type require a high-pressure pulse of about 1 to 4 kV at startup, such as a high-pressure sodium lamp or a metal halide lamp. Therefore, in this type of HID lamp, a capacitor having a non-linear characteristic is incorporated in order to generate a high-voltage pulse.
[0003]
For example, Japanese Patent Publication No. 5-87940 discloses a high-pressure discharge lamp having a built-in non-linear capacitor for generating the high-voltage pulse. FIG. 6 shows the structure of the nonlinear capacitor described in the prior art.
[0004]
The capacitor 51 has a structure in which

electrodes

53 and 54 are formed on both surfaces of a ceramic plate 52 made of barium titanate-based ceramic.

Lead terminals

56 and 57 are bonded to the centers of the

electrodes

53 and 54 via

bonding materials

55a and 55b. Except for the portions from which the

lead terminals

56 and 57 are drawn out, the entirety is covered with a glass insulating layer 58 formed by applying and baking a glass paste.
[0005]
Since the non-linear capacitor 51 generates a high-voltage pulse, the insulating property between the

electrodes

53 and 54 is enhanced by providing the glass insulating layer 58. This glass insulating layer has been completed by printing a paste containing glass powder on the surface of the ceramic body and the electrodes and firing the paste.
[0006]
However, there is a problem that the glass powder easily diffuses into the ceramic plate 52, penetrates into the grain boundaries of the ceramic, and degrades the nonlinear characteristics. When the non-linear characteristic is deteriorated, the pulse voltage is reduced even if a high-voltage pulse is to be generated.
[0007]
In addition, since the ceramic constituting the ceramic plate 52 and the glass material constituting the glass insulating layer 58 have different linear expansion coefficients, stress is generated between the two when heat shock is applied, which also causes a pulse voltage to be generated. There was a problem of lowering. In addition, there is also a problem that the glass insulating layer is separated from the ceramic body when the heat shock is applied or when the heat shock is severe.
[0008]
Further, in order to reduce the influence of the diffusion of glass as described above, a structure in which a glass insulating layer is formed on the upper and lower surfaces of the ceramic plate 52 so as to cover only the portions near the outer peripheral edges of the

electrodes

53 and 54 has been proposed. ing. However, in such a structure, although the region where the glass insulating layer covers the ceramic body becomes small, deterioration of the characteristics due to the diffusion of the glass still cannot be avoided.
[0009]
Therefore, conventionally, various methods have been tried to use a glass which forms a glass insulating layer, which hardly diffuses into ceramics, or a glass having a linear expansion coefficient close to that of ceramics. However, it is not possible to reliably prevent a decrease in pulse voltage due to the diffusion of glass into ceramics or a decrease in pulse voltage when heat shock is applied, and to reduce the firing temperature and the thickness of the insulating glass layer during manufacturing. It was necessary to control with high precision, and the manufacturing process was very complicated.
[0010]
An object of the present invention is to solve the above-mentioned drawbacks of the prior art, and to reduce the non-linear characteristics in the electric field-charge characteristics, for example, to reliably obtain a large pulse voltage, and to produce a non-linear dielectric element which is easy to manufacture. It is to provide a manufacturing method thereof.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 is a nonlinear dielectric element exhibiting hysteresis in electric field-charge characteristics, wherein the dielectric ceramic body exhibiting the non-linear characteristic, and first and second dielectric ceramic bodies. First and second electrodes formed on the first and second surfaces, respectively, and insulating materials made of ceramic formed on the first and second surfaces respectively so as to cover the vicinity of the outer peripheral edges of the first and second electrodes. And a layer.
[0012]
In the invention described in claim 2, the insulating layer is made of the same ceramic material as the dielectric ceramic body.
The invention according to claim 3 is a method for manufacturing a nonlinear dielectric element exhibiting hysteresis in electric field-charge characteristics, wherein first and second electrodes are formed on first and second surfaces, respectively. And a step of preparing a molded body made of a dielectric ceramic material exhibiting non-linear characteristics, and applying a ceramic material so as to cover the vicinity of the outer peripheral edges of the first and second electrodes on the first and second surfaces of the molded body. And firing the ceramic material to form an insulating layer.
[0013]
According to the fourth aspect of the present invention, the molded body is an unfired ceramic molded body, and the ceramic molded body is fired at the same time as forming the insulating layer by firing the ceramic material.
[0014]
However, in the method of manufacturing a nonlinear dielectric element according to the present invention, a ceramic molded body that has been previously fired is used as the ceramic molded body, and then a ceramic material is applied, and the insulating layer is formed by firing. Good.
[0015]
In the invention described in claim 5, the step of preparing the ceramic molded body is performed by laminating a plurality of ceramic green sheets and press-molding them.
In the invention described in claim 6, the step of preparing the molded body is performed by molding a ceramic powder by a powder pressing method.
[0016]
Further, the ceramic material for forming the insulating layer is applied by a method of applying a ceramic slurry containing the ceramic material to the first and second surfaces of the molded body, or a ceramic green sheet mainly composed of the ceramic material. It can be performed by an appropriate method such as a method of laminating on the surface of the molded body.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by giving non-limiting examples of the present invention.
[0018]
(First embodiment)
FIG. 1 is a sectional view illustrating a nonlinear dielectric element according to an embodiment of the present invention. This nonlinear dielectric element is a high-voltage pulse generating capacitor that generates a high-voltage pulse for starting the HID lamp, for example.
[0019]
The nonlinear dielectric element 1 has a disk-shaped dielectric ceramic body 2. The planar shape of the dielectric ceramic body 2 may be another shape such as a square plate shape.
Further, as the ceramic material constituting the dielectric ceramic body 2, an appropriate ceramic material exhibiting hysteresis in electric field-charge characteristics can be used. For example, a barium titanate-based dielectric ceramic can be suitably used.
[0020]
On the upper surface 2a and the lower surface 2b of the dielectric ceramic body 2, circular first and

second electrodes

3 and 4 are formed as first and second electrodes, respectively. The diameter of the

electrodes

3 and 4 is smaller than the diameter of the dielectric ceramic body 1. This is for increasing the creepage distance between the

electrodes

3 and 4 and improving the insulation performance.
[0021]
The

electrodes

3 and 4 can be formed of an appropriate conductive material. In this embodiment, the

electrodes

3 and 4 are formed of an Ag-Pd alloy.
Ring-shaped insulating layers 5 and 6 are formed on the upper surface 2a and the lower surface 2b of the dielectric ceramic body 2 so as to cover the vicinity of the outer peripheral edges of the

electrodes

3 and 4, respectively.
[0022]
In the present embodiment, the insulating layers 5 and 6 are made of the same ceramic material as that of the dielectric ceramic body 2. The insulating layers 5 and 6 can be made of an appropriate ceramic material. The ceramic material forming the insulating layers 5 and 6 does not necessarily need to be the same as the ceramic material forming the ceramic body 2. Even in this case, the heat shock resistance can be improved as compared with the case of a conventional nonlinear capacitor having a glass insulating layer. Further, since the diffusion of the ceramic material constituting the insulating layers 5 and 6 into the ceramic body is unlikely to occur, a reduction in pulse voltage can be effectively suppressed, and the insulating layers 5 and 6 and the dielectric ceramics are not formed. Since the difference in relative permittivity from the element body 2 is small, the insulating properties of the

electrodes

3 and 4 are also enhanced.
[0023]
However, as described above, by forming the insulating layers 5 and 6 with the same ceramic material as the ceramic material constituting the ceramic body 2, the heat shock resistance can be further improved and the diffusion of the ceramic particles can be ensured. This is preferable because a higher pulse voltage can be obtained. In addition, since the relative dielectric constants ε of the ceramic body 2 and the insulating layers 5 and 6 become equal, the electric field strength at the ends of the

electrodes

3 and 4 is remarkably reduced, thereby also improving the insulating property between the electrodes 5 and 6. Can be enhanced.
[0024]
In FIG. 1, lead terminals 9 and 10 are bonded to the centers of the

electrodes

3 and 4 via bonding materials 7 and 8, respectively. The joining materials 7 and 8 can be made of an appropriate joining material, for example, an Ag-based joining material containing glass frit, as long as the

electrodes

3 and 4 and the lead terminals 9 and 10 can be joined.
[0025]
The lead terminals 9 and 10 can also be made of an appropriate metal such as Ni or Cu.
Next, the effects of the above-described nonlinear dielectric element 1 will be clarified by giving specific experimental examples, and an example of a manufacturing method thereof will be described.
[0026]
(Experimental example 1)
Using a barium titanate-based dielectric ceramic powder, a disc-shaped ceramic molded body having a diameter of 21.6 mm and a thickness of 1.2 mm was produced by a powder pressing method (dry pressing).
[0027]
An Ag-Pd paste was printed and dried on the upper and lower surfaces of the molded body so as to form a circle having a diameter of 19.2 mm. Thereafter, a ceramic slurry formed using a ceramic powder having the same composition as that used to form the ceramic molded body was applied to both surfaces of the ceramic molded body in a ring shape having an outer diameter of 20.4 mm and an inner diameter of 16.8 mm. And then fired at 1350 ° C. to obtain a nonlinear dielectric element 1. The diameter of the fired ceramic body 2 was 18 mm and the thickness was 1 mm.
[0028]
For comparison, a barium titanate-based ceramic powder having the same composition as that used in the production of the above-mentioned experimental example was used. A comparative example in which an Ag-Pd paste is printed so that the ferroelectric crystallized glass is printed in a ring shape having an outer diameter of 17 mm and an inner diameter of 14 mm, and then fired at 550 ° C. to form a glass insulating layer. Was fabricated.
[0029]
A silver-based bonding material containing 3% by volume of glass frit as a lead terminal made of a Ni wire having a diameter of 0.5 mm and having a flange portion having a diameter of 2 mm at the tip was used for the nonlinear dielectric elements of the experimental example and the comparative example. And baked at 500 ° C.
[0030]
With respect to the nonlinear dielectric elements of the experimental example and the comparative example obtained as described above, a circuit shown in FIG. 2 was configured, a pulse was generated, and a pulse voltage was measured. That is, in the circuit shown in FIG. 2, a 400 W high-pressure mercury lamp ballast 12 is connected in series with a power supply 11, and a nonlinear dielectric element 1 and a breakover voltage are provided downstream of the high-pressure mercury lamp ballast 12. A 150 V semiconductor switch 13 is connected. V indicates a voltmeter.
[0031]
As a result, it was confirmed that the generated pulse voltage was 2,000 V in the nonlinear dielectric element of the comparative example, whereas the nonlinear dielectric element of the experimental example was 2200 V, which is 10% higher.
[0032]
Next, when the DC external discharge voltages of the nonlinear dielectric elements of the experimental example and the comparative example were measured, the results shown in Table 1 below were obtained.
[0033]
[Table 1]

[0034]
As is clear from Table 1, the non-linear dielectric element of the example has a higher DC external discharge voltage than the comparative example, and thus exhibits excellent insulation.
From the results shown in Table 1, in the example, since the ceramic body 2 and the insulating layers 5 and 6 use the same ceramic material, the dielectric constants are equal, and thus the electric field concentration at the outer peripheral edges of the electrodes 5 and 6 is reduced. It is considered that the DC external discharge voltage was increased. That is, also in the comparative example in which the glass insulating layer was formed, although the electric field concentration at the electrode end portions was reduced, the electric field concentration was larger than that in the example because the dielectric constant between the ceramic body and the insulating glass layer was considerably different. It is considered that it is easy and the insulating effect is low.
[0035]
Further, the nonlinear dielectric elements of the above Examples and Comparative Examples were incorporated in a high-pressure sodium lamp, and a life test of 10,000 hours was performed. That is, a pulse voltage was generated using the circuit shown in FIG. 2 after a predetermined period of time after the incorporation, and the generated pulse voltage was measured. The results are shown in Table 2 below.
[0036]
[Table 2]

[0037]
As is evident from Table 2, the pulse voltage generated in the non-linear capacitor of the comparative example decreases considerably with time, whereas the pulse voltage of the non-linear dielectric element of the example did not decrease. This is because, when a nonlinear dielectric element is incorporated in a sodium lamp, it is exposed to a high temperature of about 300 ° C. Therefore, in the nonlinear dielectric element of the comparative example, the diffusion of the glass powder into the ceramic body is accelerated, and the pulse voltage is reduced. This is probably because the pulse voltage does not decrease because the diffusion does not occur in the nonlinear dielectric element of the embodiment, while the decrease occurs.
[0038]
(Second embodiment)
In the above embodiment, the ceramic compact was obtained by using the powder pressing method. However, the nonlinear dielectric element according to the present invention can be manufactured by various other methods. As a second embodiment, a description will be given of a manufacturing method characterized in that a ceramic green body is obtained using a ceramic green sheet.
[0039]
As shown in FIG. 3, a ceramic slurry mainly composed of barium titanate-based ceramic powder was formed into a sheet to obtain a rectangular green sheet 21 having a thickness of 60 μm.
A plurality of Ag-Pd pastes 22 were formed in a matrix on one surface of the green sheet 21 so as to form a circle having a diameter of 19.2 mm. As shown in FIG. 3, the ceramic green sheet on which the electrode paste is printed is turned upside down to be disposed as a ceramic green sheet 21A, and 18 ceramic green sheets 21 on which the electrode paste is not printed are laminated thereon. Thereafter, a ceramic green sheet 21A having an electrode paste printed thereon is laminated such that the electrode paste 22 faces upward. The number of stacked ceramic green sheets 21 is not limited to 18, and one or more sheets may be formed to have a predetermined thickness.
[0040]
Further, ceramic green sheets 21B in which through holes 23 having a diameter of 16.8 mm were previously formed in a matrix in a vertical direction were laminated and pressed in the thickness direction to obtain a ceramic block 24 shown in FIG.
[0041]
The ceramic block 24 was punched into a disk having a diameter of 21.6 mm to obtain a ceramic molded body 25 shown in FIG. In the ceramic molded body 25 obtained as described above, the vicinity of the outer peripheral edge of the electrode paste 22 is covered with the above-described ceramic green sheets 21B arranged at the uppermost portion and the lowermost portion.
[0042]
Next, the ceramic body 25, the

electrodes

3, 4, and the insulating layers 5, 6 in the nonlinear dielectric element 1 shown in FIG. 1 were completed by simultaneous firing by firing the ceramic molded body 25.
[0043]
As described above, according to the manufacturing method of the second embodiment, the green body for forming the ceramic body is obtained by stacking and firing a plurality of green sheets, and the conductive paste for forming the electrodes is formed. Can be easily formed by printing in advance on two ceramic green sheets. In addition, the insulating layer can also be completed by laminating the ceramic

green sheets

21B and 21B made of the same ceramic material and firing them simultaneously. Therefore, the non-linear dielectric element according to the present invention can be easily and efficiently mass-produced by using the integrated lamination firing technique.
[0044]
The method of manufacturing the nonlinear dielectric element according to the present invention is not limited to the method described in the first and second embodiments, but uses a fired ceramic body and forms electrodes on both surfaces of the ceramic body. After that, the insulating layer may be formed by printing and firing ceramic slurry or laminating and firing ceramic green sheets.
[0045]
In the second embodiment, the ceramic

green sheets

21B, 21B may not be used, and the ceramic body and the electrode may be fired, and then the ceramic slurry may be applied and fired again to form the insulating layer.
[0046]
【The invention's effect】
In the nonlinear dielectric element according to the first aspect of the present invention, the nonlinear dielectric element is formed so as to cover the vicinity of the outer peripheral edges of the first and second electrodes formed on the first and second surfaces of the dielectric ceramic body. Since the insulating layer is made of ceramics, even if heat is applied in the manufacturing process or during actual use, the ceramic material forming the insulating layer is unlikely to diffuse into the ceramic body. In the conventional nonlinear capacitor, the glass constituting the insulating layer diffuses into the ceramic body, the nonlinear characteristics are deteriorated, and the pulse voltage is reduced. Since diffusion is less likely to occur, deterioration of the nonlinear characteristics is less likely to occur, and a large pulse voltage can be obtained.
[0047]
In addition, in conventional nonlinear capacitors, since the insulating layer is made of glass, the difference in linear expansion coefficient from the dielectric ceramic body is large, and stress is generated when heat is applied. On the other hand, in the nonlinear dielectric element according to the present invention, the insulating layer is made of ceramics, and the difference in linear expansion coefficient from the ceramic body is small. It is also difficult for the pulse voltage to drop.
[0048]
Furthermore, since the difference in the relative dielectric constant between the dielectric ceramic body and the insulating layer made of the ceramic can be reduced, the electric field concentration at the end of the electrode is reduced, and the insulation between the electrodes can be effectively improved.
[0049]
Therefore, the nonlinear characteristics of the dielectric ceramic body can be sufficiently exhibited, a large pulse voltage can be obtained, and a nonlinear dielectric element having excellent insulation between electrodes can be provided.
[0050]
According to the second aspect of the present invention, since the insulating layer is made of the same ceramic material as the dielectric ceramic body, diffusion of the ceramic constituting the insulating layer into the ceramic body occurs. In addition, since the coefficients of linear expansion are equal to each other, a decrease in pulse voltage can be prevented more effectively, and a large pulse voltage can be obtained. Further, since the relative dielectric constants of the ceramic body and the insulating layer become equal, the concentration of the electric field at the end of the electrode is effectively reduced, and the insulating performance can be further improved.
[0051]
In the method for manufacturing a nonlinear dielectric element according to the third aspect of the present invention, a molded body on which first and second electrodes are formed is prepared, and an insulating layer is formed on the first and second surfaces of the molded body. An insulating layer is formed by applying a ceramic material to be applied and then firing the ceramic material. Therefore, although the insulating layer is formed by the above-described firing, even if heat during firing is applied, the ceramic material constituting the insulating layer diffuses into the ceramic body because the insulating layer is formed of the ceramic material. Thus, it is possible to reliably provide a nonlinear dielectric element according to the first aspect of the present invention, which is hard to cause deterioration of nonlinear characteristics, and can exhibit a large pulse voltage and insulation performance.
[0052]
According to the invention described in claim 4, the molded body is an unfired ceramic molded body, and the ceramic molded body is fired at the same time as the insulating layer is formed by firing the ceramic material. Can be completed by the same baking process, and the manufacturing process can be simplified.
[0053]
Further, in the invention according to claim 5, since the ceramic molded body is obtained by laminating a plurality of green sheets and press-molding, it is possible to easily obtain the ceramic molded body by using a ceramic lamination integrated firing technique. Can be. In this case, as for the ceramic material constituting the insulating layer, the ceramic green sheet for constituting the insulating layer on the ceramic molded body before firing can be formed by using a ceramic green sheet as described in claim 8. If the sheets are laminated and fired simultaneously, the ceramic molded body and the insulating layer can be easily completed by the same firing process. According to the sixth aspect of the present invention, a ceramic compact is obtained by molding a ceramic powder by using a powder pressing method. In this case, since the powder pressing method is used, ceramic moldings of various shapes are used. The body can be obtained easily.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view for explaining a nonlinear dielectric element according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram showing a circuit used for measuring a pulse voltage generated by a nonlinear dielectric element in an experimental example.
FIG. 3 is an exploded perspective view for explaining a plurality of ceramic green sheets, an electrode paste printing form, and a ceramic green sheet for forming an insulating layer used for obtaining a ceramic molded body in a second embodiment.
FIG. 4 is a perspective view illustrating a mother ceramic block used to obtain a ceramic molded body in a second embodiment.
FIG. 5 is a perspective view showing a ceramic molded body cut out from the mother ceramic block shown in FIG. 4;
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a conventional nonlinear capacitor.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Nonlinear dielectric element 2 ... Dielectric ceramic body 2a, 2b ... Upper and lower surfaces as first and

second surfaces

3, 4 ... First and second electrodes 5, 6 ... Insulating layer 21 ... Ceramic green Sheet 21A: Ceramic green sheet 21B on which electrode paste is printed Ceramic green sheet 22 for forming an insulating layer: Electrode paste 25: Molded body

Claims

A non-linear dielectric element exhibiting hysteresis in electric field-charge characteristics,
A dielectric ceramic body showing the non-linear characteristic,
First and second electrodes respectively formed on first and second surfaces of the dielectric ceramic body;
A non-linear dielectric element, comprising: an insulating layer made of ceramics, each of which is formed on each of the first and second surfaces so as to cover the vicinity of an outer peripheral edge of the first and second electrodes.

2. The nonlinear dielectric element according to claim 1, wherein the insulating layer is made of the same ceramic material as the dielectric ceramic body. 3.

A method for manufacturing a non-linear dielectric element exhibiting hysteresis in electric field-charge characteristics,
A step of preparing a molded body made of a dielectric ceramic material having first and second electrodes formed on the first and second surfaces, respectively, and exhibiting non-linear characteristics;
Applying a ceramic material so as to cover the vicinity of the outer peripheral edges of the first and second electrodes on the first and second surfaces of the molded body;
Baking the ceramic material to form an insulating layer.

The molded body is an unfired ceramic molded body,
The method for manufacturing a nonlinear dielectric element according to claim 3, wherein an insulating layer is formed by firing the ceramic material, and the molded body is fired at the same time.

5. The nonlinear dielectric according to claim 3, wherein the step of preparing the molded body on which the first and second electrodes are formed includes a step of laminating and pressing a plurality of ceramic green sheets. 6. Method for manufacturing a body element.

The step of preparing the molded body on which the first and second electrodes are formed includes molding ceramic powder by a powder pressing method and forming electrodes on the first and second surfaces of the obtained molded body. The method for manufacturing a nonlinear dielectric element according to claim 3, wherein the method is performed by:

The method for manufacturing a nonlinear dielectric element according to claim 3, wherein the step of applying the ceramic material for forming the insulating layer is performed by printing a ceramic slurry.

The method of manufacturing a nonlinear dielectric element according to claim 3, wherein the step of applying a ceramic material for forming the insulating layer is performed by laminating a ceramic green sheet made of the ceramic material on a molded body. Method.