JP3624975B2 - Ｐｔｃサーミスタ材料およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電流制御素子等に用いられるＰＴＣサーミスタ材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＰＴＣサーミスタ材料は、正の温度係数を有し、ある温度で抵抗が急激に増加するという特徴を有する材料であり、その特性を用いて、モーターの起動素子、温度補償素子、ヒーター素子等として広く応用されている。従来から材料については広く検討されており、前記素子用の材料として、例えばチタン酸バリウムを主成分とし、Ｔａ、Ｓｂ、Ｂｉまたは希土類元素などのうち一種類以上を微量添加したチタン酸バリウム系ＰＴＣサーミスタ材料等が知られている。近年、過電流制限素子が注目されるようになり、その開発のために材料組成面やプロセス面からの改良がなされている。特に大電流遮断回路に用いるためには、電流制限素子として室温比抵抗が小さく、定格電流を大きくすることが必要である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記チタン酸バリウム系のＰＴＣサーミスタでは、室温比抵抗値が１０Ωｃｍ程度と大きく、定常時において発熱するため、大電流遮断回路の電流制限素子としての利用が困難であり、さらに室温比抵抗が小さい優れた特性を有するＰＴＣサーミスタ材料が求められている。本発明は、上記のような課題を解決し、大電流遮断回路の電流制限素子として利用可能な低比抵抗を有するＰＴＣサーミスタを提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、主成分としてＴｉＯ_２を含有するＰＴＣサーミスタ材料において、Ｂｉ金属をＴｉＯ_２に対して３０モル％以上１５０モル％以下含有させることを特徴とするＰＴＣサーミスタ材料に関する。
また、本発明は、水素ガスを１〜１００ｖｏｌ％含む窒素ガスまたはアルゴンガスの還元性雰囲気下、９００〜１１００℃の温度で焼成する工程を含むことを特徴とする前記ＰＴＣサーミスタ材料の製造方法に関する。
【０００５】
本発明において、Ｂｉ金属を含有させることにより、常温における比抵抗を小さくすることができる。Ｂｉ金属の含有量は、過度に多い場合には、正の温度係数を有するＰＴＣサーミスタ材料が得られなくなるので、主成分のＴｉＯ_２に対して通常、０．１モル％以上１５０モル％以下、好ましくは３０モル％以上１２０モル％以下が良い。
【０００６】
このような組成でＢｉ金属を含有させることにより主成分であるＴｉＯ_２の相とＢｉ金属の相との複合組織構造を有するＰＴＣサーミスタ材料が得られる。
【０００７】
本発明のＴｉＯ_２系ＰＴＣサーミスタ材料において、主成分であるＴｉＯ_２には半導体化剤としてＢｉ金属以外のＬａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ等の希土類元素、Ｙ、Ｎｂ、Ｗ、Ｔａ等を添加することができる。添加される半導体化剤の使用量が過度に多い場合には比抵抗が大きくなることがあるので、その使用量は、主成分であるＴｉＯ_２に対して５モル％以下が好ましい。
【０００８】
また、焼結性を向上させる目的でＳｉＯ_２を添加することができる。その使用量が過度に多いと比抵抗が大きくなることがあるので、ＴｉＯ_２に対して３モル％以下が好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明のＰＴＣサーミスタ材料の好適な製造法について次に説明する。出発原料として、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５等の半導体化剤およびＢｉ_２Ｏ_３とを所定の比率となるように調合し、ジルコニアボールを用いて２〜５０時間湿式ボールミル混合を行う。乾燥後、７００〜７５０℃の温度で空気雰囲気下に仮焼し、次いで粉砕した後、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を加えて加圧成形する。次いで水素ガスを１〜１００ｖｏｌ％、好ましくは２〜１０ｖｏｌ％含む窒素ガス、アルゴンガス等の還元性雰囲気中、９００〜１１００℃の温度で焼成する。得られた焼結体にオーミックコンタクトが良好な金属、例えばＩｎ−Ｇａ液体合金を塗布することによりＰＴＣサーミスタが得られる。
【００１０】
Ｂｉ金属を原料として使用する場合の製造は例えば以下のような方法により行う。
出発原料として、ＴｉＯ_２とＮｂ_２Ｏ_５等の半導体化剤とを所定の比率となるように調合し、ジルコニアボールを用いて２〜５０時間湿式ボールミル混合を行う。乾燥後、７００〜７５０℃の温度で空気雰囲気下に仮焼し、次いで粉砕した後、所定量のＢｉ金属およびＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を加えて加圧成形する。次いでＢｉ_２Ｏ_３を原料として用いる場合と同様な方法により焼成した後、電極を形成することによりＰＴＣサーミスタが得られる。
【００１１】
本発明において使用されるＴｉ、あるいは所望により添加される半導体化剤、ＳｉＯ_２等の原料としては、焼成時に酸化物となるものであれば特に限定されず、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩等を使用することもできる。
【００１２】
また、Ｂｉ金属の原料としては、Ｂｉ金属そのもの以外に還元性雰囲気中で焼成する際にＢｉ金属となるものであれば良く、Ｂｉ_２Ｏ_３のような酸化物等を使用することができる。
【００１３】
【実施例】
以下に実施例および比較例を示し、本発明についてさらに詳細に説明する。
実施例１
酸化チタン（ＴｉＯ_２）に対してＢｉ_２Ｏ_３を２６．５モル％、および半導体化剤としてＮｂ_２Ｏ_５を２．５モル％となるように調合し、ジルコニアボールを用いて１８時間湿式ボールミル混合を行った。乾燥後、７５０℃で２時間空気雰囲気下に仮焼した後、粉砕し、次いでＰＶＡ（ポリピニルアルコール）を２重量％加えて、１０００ｋｇ／ｃｍ^２の圧力で直径１０ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの円板に成形した。
【００１４】
次に、これをＮ_２（９６ｖｏｌ％）とＨ_２（４ｖｏｌ％）とからなる還元性雰囲気中、１０００℃で２時間焼成し焼結体とした。得られた焼結体に、オーミックコンタクトの良好なＩｎ−Ｇａ液体合金を塗布し、ＰＴＣ素子を得た。図１にこのＰＴＣ素子の抵抗−温度特性を示した。このように、Ｂｉ金属を含有させることにより、室温における比抵抗（図中、１で示す。）が０．２５６Ωｃｍと小さく、２３０℃付近から比抵抗が急増する正の抵抗温度係数を有するＰＴＣ素子が得られた。
【００１５】
図２に得られたＰＴＣ素子のＸ線回折図を示す。図からＰＴＣ素子はＴｉＯ_２とＢｉ金属との複合組織構造となっていることがわかる。
【００１６】
図３にＰＴＣ素子研磨面の粒子構造の電子顕微鏡写真を示す。図中、白い部分がＢｉ金属であり、黒い部分がＴｉＯ_２である。
【００１７】
実施例２
酸化チタン（ＴｉＯ_２）に対してＢｉ_２Ｏ_３を５０モル％となるように調合したほかは、実施例１と同様な方法によりＰＴＣ素子を作製した。このＰＴＣ素子の室温における比抵抗は０．１４３Ωｃｍであり、２３０℃付近から比抵抗が急増する正の抵抗温度係数を有するＰＴＣ素子が得られた。
【００１８】
比較例１
Ｂｉ金属を含有させなかったほかは、実施例１と同様な方法によりＰＴＣ素子を作製した。このＰＴＣ素子の抵抗−温度特性図を図１に示す。図１（図中、２で示す。）からＢｉ金属を含有しない場合には２３０℃付近から抵抗が急増するような正の抵抗温度特性を示さないことが判る。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によると、１０^−１Ωｃｍ程度の低比抵抗を実現することができ、大電流遮断回路の電流制限素子として利用されるＰＴＣサーミスタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】抵抗−温度特性を示す図である。
【図２】本発明で得られたＰＴＣ素子のＸ線回折図を示す。
【図３】ＰＴＣ素子の研磨面の粒子構造を示す図面にかわる電子顕微鏡写真図である。

Claims (2)

1. 主成分としてＴｉＯ_２を含有するＰＴＣサーミスタ材料において、Ｂｉ金属をＴｉＯ_２に対して３０モル％以上１５０モル％以下含有させることを特徴とするＰＴＣサーミスタ材料。
2. 水素ガスを１〜１００ｖｏｌ％含む窒素ガスまたはアルゴンガスの還元性雰囲気下、９００〜１１００℃の温度で焼成する工程を含むことを特徴とする請求項１記載のＰＴＣサーミスタ材料の製造方法。

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