JP5998328B2 - 非線形抵抗素子 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、避雷器、サージ吸収素子又は電圧安定化素子などの過電圧保護装置に用いられる非線形抵抗素子に関する。

一般的にバリスタと称される非線形抵抗素子は、印加電圧によってその抵抗値が変化する特性、つまり、正常な電圧が印加された時には高抵抗値であって絶縁特性を示し、異常な高電圧が印加された時には低抵抗値を示す非直線性の電圧−電流特性を具備する。このような特性を有する非線形抵抗素子は、サージ及びノイズの吸収を目的とした避雷器若しくはサージ吸収器、又は電圧安定化素子に広く利用されている。

非線形抵抗素子は、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とするセラミック焼結体からなる。当該セラミックス焼結体は、酸化亜鉛と、非直線性の電圧−電流特性を発現させる基本添加物である酸化ビスマス、酸化アンチモン及び酸化コバルトのうち少なくとも１つと、さらなる性能向上のために添加される各種の酸化物とを含む原料粉末が成形され、当該成形体が焼成されることにより得られる。

セラミック焼結体には、例えば、矩形板状に形成されたり、環状に形成されたり、実装される場所や、電極となる部材の形状に合わせてさまざまな形状に形成されている（特許文献１及び２参照）。

特開２００３−５９７０５号公報 特開昭６２−２８７５８４号公報

しかし、セラミックス焼結体の形状及びサイズによって、非線形抵抗素子の実装スペースの形状及び容積が制限されてしまう。

そこで、本発明は、実装スペースの設計自由度の向上を図りうる非線形抵抗素子を提供することを解決課題とする。

本発明の非線形抵抗素子は、球状または楕円球状のセラミックス焼結体からなる複数のセラミックスピースが柔軟性を備えた絶縁性樹脂により板状に固められることにより構成されている可撓性を有するセラミックスシートを少なくとも備え、一又は複数の前記セラミックスピースが前記セラミックスシートをその厚み方向に貫通する複数の導通経路のそれぞれを構成し、かつ、前記導通経路の両端を構成する前記セラミックスピースが前記絶縁性樹脂から部分的に突出していることを特徴とする。

本発明の非線形抵抗素子において、前記セラミックスシートの一対の主面のうち一方又は両方を被覆する導電層をさらに備えていることが好ましい。

本発明の非線形抵抗素子において、前記セラミックスシートの主面に対して平行に配置されている複数の前記セラミックスピースにより構成されるセラミックスピースレイヤーが、前記セラミックスシートの厚み方向に積み重ねられた状態で前記絶縁性樹脂により固められることにより構成されていることが好ましい。

本発明の非線形抵抗素子において、複数の前記セラミックスシートと、導電層とが交互に積層されることにより構成されていることが好ましい。

本発明の非線形抵抗素子によれば、絶縁性樹脂に対するセラミックスピースの突出量が確保される分だけ、当該絶縁性樹脂が薄くされるので、セラミックスシートの可撓性が確保される。これにより、任意の形状及び容積のスペースに合わせて非線形抵抗素子を容易に変形させることができる。また、セラミックスシートが絶縁性樹脂の部分において適当な工具により裁断され、その形状及びサイズが容易に調節されうる。これらの結果、実装スペースの形状及びサイズの設計自由度の向上が図られる。

また、非線形抵抗素子の電極又は端子を構成する導電体の表面に沿うようにセラミックスシートが変形された場合、セラミックスピースの突出部分を当該導電体に対して確実に当接させることができる。これにより、セラミックスシートを貫通する導通経路の一端又は両端を構成するセラミックスピースと当該導電体との電気的接点が確実に実現される。

本発明の第１実施形態としての非線形抵抗素子を構成するセラミックスシートの上面図。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図。 セラミックスシート及びその両主面を被覆する導電層を備えている非線形抵抗素子の構成説明図。 本発明の第１実施形態としての非線形抵抗素子の変形態様に関する説明図。 本発明の第２実施形態としての非線形抵抗素子を構成するセラミックスシートの構成説明図。 本発明の第２実施形態としての非線形抵抗素子の変形態様に関する説明図。

（第１実施形態）
（構成）
本発明の第１実施形態としての非線形抵抗素子は、図１に示されているようなセラミックスシート１０を備えている。セラミックスシート１０は、セラミックス焼結体からなる略球形状の複数のセラミックスピース（又はセラミックスビーズ）１１が略平面状に分散配置されている状態で、絶縁性樹脂１２により略平板状に固められることにより構成されている。図１に示されている例では複数のセラミックスピース１１は不規則的に配置されているが、規則的に配置されていてもよい。セラミックスシート１０の形状は、矩形状に限らず、円形状等、その用途に合わせて任意に変更されうる。

セラミックスピース１１は略球形状のほか、楕円球形状、円柱形状等の柱状、円筒形状等の筒状、円錐台形状等の錘台形状、又は直方体状若しくは正十二面体等の多面体形状等、任意の形状に形成されていてもよい。セラミックスピース１１は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）又は酸化スズ（ＳｎＯ_２）などを主成分とする、非直線性の電気抵抗特性を有するセラミックス焼結体により構成されている。酸化主成分に対する添加成分としては、Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｐｒ_６Ｏ_１１、ＢａＴｉＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、ＴｉＯ_２、ＳｎＯ_２又はＦｅ_３Ｏ_４などが選択される。

絶縁性樹脂１２としては、フッ素系樹脂、シリコン系樹脂、ウレタン系エラストマー又はオレフィン系エラストマーなどの合成樹脂等、用途に応じた絶縁性及び柔軟性を兼ね備えているさまざまな樹脂が採用される。絶縁性樹脂１２は、室温とは異なるある一定の温度範囲で柔軟性が顕在化するような樹脂であってもよい。

絶縁性樹脂１２としては、難燃性、耐熱性又は熱伝導性に優れた樹脂が用いられることにより、熱的性質の向上及び電気性能の改善が図られる。絶縁性樹脂１２は、その難燃性、耐熱性又は熱伝導性を改善するための添加物が含有されてもよい。当該添加物としては、アルミナ等の酸化物、又は窒化アルミニウム若しくは窒化ホウ素などの非酸化物のほか、表面が絶縁加工された熱伝導性粒子（金属及び非金属化合物の別を問わない。）、場合によっては絶縁性が低下しない範囲での微量の導電体粒子が採用されうる。

絶縁性樹脂１２として、加熱によって変色する性質を有する樹脂が採用されることにより、サージ電圧印加の有無や素子劣化の程度を目視で確認可能になるので、セラミックスシート１０の交換要否を判定する観点から有意義である。この場合、素子両面の電極層１３が蒸着又はスパッタリング等の物理的方法によって形成されたＩＴＯ（酸化インジウムスズ）等の透明電極であれば、その目視確認がより一層容易となる。

図２に示されているように、各セラミックスピース１１がセラミックスシート１０をその厚み方向（図中上下方向）に貫通する各導通経路を構成し、各導通経路の両端を構成するセラミックスピース１１が絶縁性樹脂１２から部分的に突出している。セラミックスピース１１の当該突出部分は略中央部が高い略球面状（凸面形状）である。セラミックスシート１０の主面に対して平行な方向について、セラミックスピース１１は相互に離間している必要はなく、電気的接点が構成されるように当接していてもよい。

図３に示されているように、非線形抵抗素子は、セラミックスシート１０の一対の主面のそれぞれを被覆する一対の電極層（導電層）１３を備えていてもよい。セラミックスシート１０の一方の主面のみが電極層１３により被覆されていてもよい。さらに、非線形抵抗素子は、電極層１３の外側を保護する絶縁性樹脂層又は絶縁性樹脂体を備えていてもよい。

（製造方法）
セラミックスピース１１の製造に際して、例えば、主成分であるＺｎＯ粉末に対して、Ｂｉ₂Ｏ₃：０．５［ｍｏｌ％］、Ｓｂ₂Ｏ₃：１．０［ｍｏｌ％］、Ｃｏ₂Ｏ₃：０．５［ｍｏｌ％］、ＭｎＯ₂：０．５［ｍｏｌ％］、Ｃｒ₂Ｏ₃：０．５［ｍｏｌ％］、Ａｌ（ＮＯ₃）・９Ｈ₂Ｏ：０．０１［ｍｏｌ％］が添加され、さらに溶剤及び分散剤が加えられて混合されたスラリーが精製される。

このスラリーが適当な容器に収容され、他の容器に収容されているアルギン酸アンモニウム水溶液とともに共通のノズルを経て金属亜鉛を溶かした希硝酸水溶液の中に滴下される。アルギン酸アンモニウムが金属亜鉛を溶かした希硝酸でゲルになってゼリー状に固まることにより、当該ゼリーにより被覆された略球形状の成形体が得られる。スラリーに対してアルギン酸アンモニウム水溶液が直接的に添加されてもよい。溶液と、当該溶液中でゼリー状に固まる物質との組み合わせは適当に変更されてもよい。

１回あたりの滴下量に応じて成形体、ひいてはセラミックスピース１１の大きさが調節されうる。アルギン酸アンモニウム水溶液の濃度及び希硝酸水溶液における金属亜鉛の濃度は適当に調節される。顆粒粉に代えて、セラミックス成形体が仮焼された後、粉砕されることにより得られる粉砕物が用いられてもよい。当該顆粒粉が適当な形状の金型のキャビティに充填かつ成形されることにより略球形状、楕円球形状、円柱状、角柱状、円錐台形状、多面体形状等、任意形状の成形体が作製されてもよい。

成形体が乾燥された後、焼成されることにより略球状のセラミックス焼結体がセラミックスピース１１として製造される。例えば、ＺｎＯ系のセラミックスであれば、１１００［℃］で２時間にわたり焼成される。乾燥中に成形体が扁平形状になるのを防止するため、ある程度乾燥された成形体が撹拌されながら乾燥されてもよい。

略球形のセラミックスピース１１の平均径ｒは、例えば０．２〜５［ｍｍ］の範囲に含まれるように調節されている。セラミックスピース１１が小さすぎる場合、その成形が困難となる一方、セラミックスピース１１が大きすぎる場合、セラミックスピース１１の組成的または微細構造的な不均一性が生じやすくなるためである。

セラミックスピース１１が溶融状態の絶縁性樹脂１２と混練されてシート状に押し出し成形されることにより、前記構成のセラミックスシート１０が製造される。セラミックスピース１１と絶縁性樹脂１２との配合比率が調節されることにより、セラミックスピース１１の密度（セラミックスシート１０の単位面積当たりのセラミックスピース１１の個数）又は平均間隔が調節される。その結果、非線形抵抗素子の、抵抗の非直線性、エネルギー耐量及び課電寿命等の基本性能に加えて、静電容量及びその周波数特性などの電気特性、放熱特性及び機械強度などが制御されうる。

押し出し成型法に代えて、射出成形法にしたがってセラミックスシート１０が製造されてもよい。具体的には、金型のキャビティ内に複数のセラミックスピース１１が所定の配列パターンで固定されている状態で、溶融状態の絶縁性樹脂１２が金型内に射出される。例えば、小形電子部品用実装機などが用いられてセラミックスピース１１が、絶縁性接着剤としてのレジスト（フォトエッチング法により、所定の箇所以外の部分は除去される。）により所定の箇所に固定されうる。これにより、当該複数のセラミックスピース１１の隙間が絶縁性樹脂で充填され、その結果として同様の構成のセラミックスシートが得られる。

セラミックスシート１０の主面付近のセラミックスピース１１が絶縁性樹脂１２により被覆されている場合、これを露出させるためにセラミックスシート１０の主面に対してサンドブラスト加工が施されてもよく、又は適当な溶液により被覆部分が溶解させられた上で除去されてもよい。当該被覆の除去の観点から絶縁性樹脂１２の種類が選択されてもよい。

セラミックスシート１０の両主面に銀粒子と熱可塑性樹脂を含む導電ペーストが所定のパターンで塗布又は印刷され、これが乾燥されることにより電極層１３が形成される。ペーストとしては、常温硬化型導電性接着剤又は熱硬化型の導電性接着剤が採用されうる。さらに、導電粒子としては銀以外にも、銅や金あるいはカーボン等を用いることが可能である。メッキ等の化学的方法、蒸着若しくはスパッタリング等の物理的方法、又はナノサイズの銀粒子の塗布及び焼き付けによって電極層１３が形成されてもよい。

非線形抵抗素子の焼損を防止する観点から、電極層１３を構成する接着剤として、昇温と共に急激に抵抗が増加することによりヒューズ機能を有する樹脂が用いられてもよい。このように電極層１３にヒューズ機能を持たせる以外に、正特性サーミスタ（ＰＴＣサーミスタ）の焼結体小片からなる層が、非線形抵抗素子の一方又は両方の主面に電極層１３の外側に接着されてもよい。

電極層１３が構成される代わりに、導電性板材がセラミックスピース１１に対して当接するようにセラミックスシート１０に対して接着剤又はボルト等により固定されてもよい。

単一のセラミックスシート１０の両主面のうち少なくとも一方に、相互に離間している複数の電極層１３が設けられてもよい。この場合、絶縁性樹脂１２により電気的短絡が防止されるように、当該複数の電極層１３の間隔が調節される。具体的には、複数の電極層１３のそれぞれに対して電気的接点を有するセラミックスピース群（一又は複数のセラミックスピース１１が属する。）同士を隔てる境界領域又は中間領域の間隔が調節される。

境界領域における電気絶縁性を確保するため、当該境界領域におけるセラミックスピース１１の体積占有率は、セラミックスシート１０における当該セラミックスピース群の体積占有率よりも低く調節されてもよい。これにより、各電極層１３を電極端子とする多端子の非線形抵抗素子が構成されうる。

（第２実施形態）
（構成）
本発明の第２実施形態としての非線形抵抗素子を構成するセラミックスシート１０は、図４（ａ）に示されているように、セラミックスシート１０の主面に対して平行に配置されている複数のセラミックスピース１１により構成されるセラミックスピースレイヤーが、セラミックスシート１０の厚み方向（図中上下方向）に３つ積み重ねられた状態で絶縁性樹脂１２により固められることにより構成されている。変形例として、図４（ｂ）に概念的に示されているように（断面図においてはセラミックスピース１１の断面径は一層おきに異なる。）、複数の略球形状かつ同径のセラミックスピース１１が、立体最密充填構造を有するように配置された状態で絶縁性樹脂１２によりシート状に固められていてもよい。

この場合、単一のセラミックスピース１１ではなく、セラミックスシート１０の厚み方向に相互に当接している複数のセラミックスピース１１により導電経路が構成されている。

第２実施形態におけるセラミックスシート１０の製造方法は、第１実施形態におけるセラミックスシート１０の製造方法と同様なので、説明を省略する。

（本発明の他の実施形態）
セラミックスシート１０の一部の領域が第１実施形態のように単一のセラミックスピース１１により導電経路が構成され（図２参照）、その他の領域が第２実施形態のようにセラミックスシート１０の厚み方向に相互に当接している複数のセラミックスピース１１により導電経路が構成されていてもよい（図５参照）。

セラミックスシート１０が、導電経路の存在密度（セラミックスシート１０の単位面積当たりの導電経路の数。第１実施形態ではセラミックスピース１１の存在密度と同等。）が相違する複数の領域に区分されていてもよい。例えば、セラミックスシート１０の第１領域における導電経路の存在密度Ｎ１が、第１領域に隣接する第２領域における導電経路の存在密度Ｎ２よりも高くなるようにセラミックスシート１０が構成されていてもよい。

セラミックスピース１１が第１比率で混合されている絶縁性樹脂１２により、押し出し成型法にしたがって第１領域に相当する部分が成形された後、セラミックスピース１１が第１比率より低い第２比率で混合されている絶縁性樹脂１２により、第２領域に相当する部分が、同じく押し出し成型法にしたがって成形されることにより、導電経路の存在密度に粗密がある当該構成のセラミックスシート１０が製造される。

本発明の第１及び第２実施形態のうち一方又は両方としての非線形抵抗素子を構成する複数のセラミックスシート１０と、一又は複数の導電層とが、当該セラミックスシート１０の厚み方向に交互に積み重ねられることにより、単一の非線形抵抗素子が構成されてもよい。

（本発明の非線形抵抗素子の作用効果）
前記構成の本発明の非線形抵抗素子によれば、絶縁性樹脂１２に対するセラミックスピース１１の突出量が確保される分だけ、当該絶縁性樹脂１２が薄くされるので、セラミックスシート１０の可撓性が確保される。これにより、任意の形状及び容積のスペースに合わせて、例えば、図５（ａ）〜（ｃ）に示されているように、本発明の第１実施形態としての非線形抵抗素子（図２参照）を構成するセラミックスシート１０、ひいては当該非線形抵抗素子を容易に変形させることができる。

同様に、図６に示されているように、本発明の第２実施形態としての非線形抵抗素子（図４（ａ）参照）を構成するセラミックスシート１０、ひいては当該非線形抵抗素子を容易に変形させることができる。第２実施形態は、第１実施形態と比較して絶縁性樹脂１２の厚みｔが大きいものの、絶縁性樹脂１２の素材のほか、セラミックスピース１１の密度又はセラミックスピースレイヤーの数が調節されることにより、セラミックスシート１０の用途に応じた十分な可撓性が確保されうる。

セラミックスシート１０の主面の一方又は両方に電極層１３が設けられていても（図３参照）、その可撓性が確保されている限りは同様である。また、セラミックスシート１０は、鋏またはカッター等の適当な工具により絶縁性樹脂１２の部分において裁断されることにより、その形状及びサイズが容易に調節されうる。

その結果、セラミックスシート１０を構成要素とする非線形抵抗素子の実装スペースの形状及びサイズの設計自由度の向上が図られる。

非線形抵抗素子の電極として導電体（避雷針又はアースなどに接続されていてもよい。）の表面に沿うようにセラミックスシート１０が変形された場合、セラミックスピース１１の突出部分を当該導電体に対して確実に当接させることができる。これは、セラミックスピース１１が略円球形状、略楕円球形状又は三十二面体等の多面形状であり、絶縁性樹脂１２に対するセラミックスピース１１の突出部分が略等方的な凸形状である場合に顕著な効果である。

例えば、本発明の第１実施形態としての非線形抵抗素子の電極として導電体の表面（図５（ａ）〜（ｃ）及び図６破線参照）に沿うようにセラミックスシート１０が変形された場合、セラミックスピース１１の突出部分を当該導電体に対して確実に当接させることができる（図５（ａ）〜（ｃ）及び図６参照）。

セラミックスシート１０を導電体に対して当接させる又は取り付ける作業は、工場における非線形抵抗素子の製造段階で実行されてもよいし、電極機能を果たす導電体が設けられている場所における非線形抵抗素子の構成又は実装段階で実行されてもよい。

これにより、セラミックスシート１０を貫通する導通経路の一端又は両端を構成するセラミックスピース１１と当該導電体との電気的接点が確実に実現される。その結果、本発明のセラミックスシートを構成要素とする非線形抵抗素子及びその実装スペースの設計自由度の向上が図られる。

１０‥セラミックスシート、１１‥セラミックスピース、１２‥絶縁性樹脂、１３‥電極層（導電層）。

Claims (4)

1. 球状または楕円球状のセラミックス焼結体からなる複数のセラミックスピースが柔軟性を備えた絶縁性樹脂により板状に固められることにより構成されている可撓性を有するセラミックスシートを少なくとも備え、
   一又は複数の前記セラミックスピースが前記セラミックスシートをその厚み方向に貫通する複数の導通経路のそれぞれを構成し、かつ、前記導通経路の両端を構成する前記セラミックスピースが前記絶縁性樹脂から部分的に突出していることを特徴とする非線形抵抗素子。
2. 請求項１記載の非線形抵抗素子において、
   前記セラミックスシートの一対の主面のうち一方又は両方を被覆する導電層をさらに備えていることを特徴とする非線形抵抗素子。
3. 請求項１または２記載の非線形抵抗素子において、
   前記セラミックスシートの主面に対して平行に配置されている複数の前記セラミックスピースにより構成されるセラミックスピースレイヤーが、前記セラミックスシートの厚み方向に積み重ねられた状態で前記絶縁性樹脂により固められることにより構成されていることを特徴とする非線形抵抗素子。
4. 請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の非線形抵抗素子において、
   複数の前記セラミックスシートと、導電層とが交互に積層されることにより構成されていることを特徴とする非線形抵抗素子。

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