JPH0332881B2 - - Google Patents

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JPH0332881B2
JPH0332881B2 JP59149209A JP14920984A JPH0332881B2 JP H0332881 B2 JPH0332881 B2 JP H0332881B2 JP 59149209 A JP59149209 A JP 59149209A JP 14920984 A JP14920984 A JP 14920984A JP H0332881 B2 JPH0332881 B2 JP H0332881B2
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JP
Japan
Prior art keywords
zno
core particles
added
powder
rare earth
Prior art date
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JP59149209A
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Japanese (ja)
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JPS6127602A (en
Inventor
Koichi Tsuda
Ikuo Nagasawa
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Fuji Electric Co Ltd
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Fuji Electric Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

〔発明の属する技術分野〕 本発明は酸化亜鉛(ZnO)を主成分とする低電
圧回路用バリスタの製造方法に関する。 〔従来技術とその問題点〕 ZnOを主成分とし、これに微量の添加物を加え
て混合した後焼結してつくられるセラミツクス
は、優れた電圧非直線性を示すことが知られてお
り、電気回路における異常電圧(サージ)を抑制
するためのバリスタとして広く実用に供されてい
る。 ZnOバリスタの電圧非直線性はZnO粒子の粒界
に形成されるシヨツトキー障壁に起因するもので
ある。実用的なバリスタにおいてはZnO粒子が結
合して形成される粒界1層当りのバリスタ電圧は
結晶粒径の大きさにかかわらずほぼ一定であり、
その値は2V程度である。バリスタ電圧とはバリ
スタに1mAの電流を流したときの端子間電圧で
あり通常V1mAで表わされる。したがつて電圧
非直線抵抗素子のバリスタ電圧はZnO焼結体上に
設けられた電極間に存在する粒界層の数によつて
決定される。このため低電圧回路に用いられる素
子に対しては、素子の厚さを薄くするか、あるい
はZnO粒子径を十分に大きくする必要がある。 例えばDC12V回路にZnOバリスタを適用する
場合回路電圧の変動などを考慮し、バリスタ電圧
は一般に22Vのものが使用されるが、前述のよう
に粒界1層当りのバリスタ電圧は約2Vであるか
ら、この素子の端子電極間に存在し得る粒界はた
かだか11層である。 一方通常の方法でつくられるZnOバリスタ焼結
体の粒子径は10〜20μmであるから、約22Vのバ
リスタ電圧を得るために素子の厚さは0.1〜0.2mm
にしなければならない。しかしZnOバリスタのよ
うな焼結体は0.1〜0.2mmの厚さでは機械的強度が
低く、製作中に割れを生ずるなどの問題があり、
素子をこのように薄くする方法は実用的でない。 これを解決するためにZnOバリスタをつくる際
に、原料の粉末にZnO粉末よりもはるかに大きな
粒径のZnO単結晶を少量添加し、そのZnO単結晶
(以下核粒子と称する)を核として粒成長を促進
させるという巧妙な方法が考え出されている。こ
の方法によれば結晶粒径が50μm以上に成長し、
素子厚さ1mm当りのバリスタ電圧(以下
V1mA/tと記す)を10V/mm程度まで低くする
ことができる。 粒成長を促進させる核粒子を製造するために通
常次の方法が用いられている。 (1) ZnO粉末にはBa化合物もしくはSr化合物を
少量添加した粉末を成形した後焼成し、得られ
た焼結体を加水分解する。 (2) ZnO粉末にBi2O3、希土類酸化物などの粒成
長促進剤を添加混合した粉末を成形した後焼成
して得られる焼結体を粉砕する。 (3) 気相成長法を用いて直接ZnO単結晶とする。 これらの核粒子製造方法のうち(1)の方法は粒成
長促進剤として用いられるBa化合物やSr化合物
を加水分解して除去することが可能であること、
また添加物の制御や核粒子径の制御などが容易で
あることから最も多く用いられている。 このようにして得られた核粒子を添加し
V1mA/tの値を低下させ、しかもその他の電
気的特性も良好に維持するために、核粒子径は25
〜53μmの範囲であることが本発明者らの発明に
よる特開昭58−20773号公報に開示されている。 しかしながら25〜53μmの径をもつ核粒子は歩
留りよく得ることができず、最もよく行われてい
る上記(1)の方法でさえ、核粒子径のばらつきが大
きく最適粒子径を有する核粒子の収率は40%程度
に過ぎない。また(1)の方法はBa化合物やSr化合
物を添加混合したZnO粉末を焼成するとき、ZnO
粒子は結晶構造的にはC軸に沿つて成長しやすい
ため細長い形状になりやすい。細長い形状のもの
を含む核粒子から25〜53μm径をもつ核粒子のみ
を選別するために篩分けすると、長手方向が
53μm以上ある核粒子が容易に篩目を通過して混
入してしまう。このような核粒子を添加したZnO
粉末を焼結して得られるバリスタは結晶粒が不均
一なものとなり、その結果バリスタの特性を低下
させるという欠点が避けられない。 〔発明の目的〕 本発明の目的は低電圧回路に用いられるZnOバ
リスタの粒子径を大きくし、V1mA/tの値を
低減させるために、このZnOバリスタに添加され
る核粒子が円形状でしかも粒子径が均一となる製
造方法を提供することにある。 〔発明の要点〕 本発明はBa化合物またはSr化合物を添加した
ZnO粉末にさらに希土類化合物を添加混合して成
形後焼成した焼結体を加水分解することにより、
希土類元素が異常な粒成長を抑制するために丸味
をもつた最適粒径の核粒子を歩留りよく得られる
ようにしたものである。 〔発明の実施例〕 以下本発明を実施例に基づき説明する。 ZnO粉末にBaCO3,Al(NO33,Co3O4とさら
にLa2O3の各粉末を、添加元素としてそれぞれ
Baが0.08原子%、Alが20原子ppm、Coが2原子
%、Laが0.1原子%含有されるように配合添加し、
十分に混合して加圧成形後、1150℃で4時間焼成
した。得られた焼結体は粒界に析出したBaO層
がZnO粒子を取り囲む構造となる。この焼結体を
純水中で十分に煮沸しBaO層を溶解させること
により核粒子が得られる。これを篩を用いて分級
したときの粒度分布を第1図に示す。比較のため
に従来方法すなわちZnO粉末にLa2O3を添加せず
につくられた核粒子の粒度分布を第2図に示す。
第1図と第2図の比較からわかるようにLa2O3
添加してない従来法では核粒子は広い範囲にわた
つて分布しており、粒径25〜53μmの範囲で急峻
なピークをもつて分布する山とならず、また異常
粒成長による100μmを超える粒径の核粒子が多数
存在しているのに対し、本発明によればLa2O3
添加することにより粒径25〜53μmの核粒子は顕
著なピークをもつて狭い範囲に分布し、また異常
粒成長を生ずることもない。 このようにLaの有無によつて核粒子の粒度分
布に相違があるのは、LaがZnO結晶粒界に析出
し急激な粒成長を抑制するためである。なお本実
施例ではAl,Coも添加しているがこれらは加水
分解の際にBaO層の溶解速度すなわち核粒子の
分離速度を速めることおよびバリスタの電気的特
性を向上させるためのものであつて核粒子の大き
さや形状には本質的に無関係である。 第1表は上記の方法を用いて得られた核粒子の
うち粒子径25〜53μmの収率およびそれらの形状
を示したものであり、BaCO3の代りにSrCO3
添加したものおよび比較のために従来方法により
つくられた核粒子についても併記してある。
La2O3を添加したものは異常粒成長が抑制されて
しかも
[Technical Field to Which the Invention Pertains] The present invention relates to a method for manufacturing a varistor for low voltage circuits containing zinc oxide (ZnO) as a main component. [Prior art and its problems] Ceramics made by mixing ZnO with a small amount of additives and sintering it as a main component are known to exhibit excellent voltage nonlinearity. It is widely used as a varistor to suppress abnormal voltage (surge) in electric circuits. The voltage nonlinearity of ZnO varistors is due to the Schottky barrier formed at the grain boundaries of ZnO particles. In practical varistors, the varistor voltage per grain boundary layer formed by bonding ZnO particles is almost constant regardless of the crystal grain size.
Its value is about 2V. Varistor voltage is the voltage between the terminals when a current of 1mA flows through the varistor, and is usually expressed as V1mA. Therefore, the varistor voltage of the voltage nonlinear resistance element is determined by the number of grain boundary layers existing between the electrodes provided on the ZnO sintered body. Therefore, for devices used in low-voltage circuits, it is necessary to reduce the thickness of the device or to sufficiently increase the ZnO particle size. For example, when applying a ZnO varistor to a DC12V circuit, a varistor voltage of 22V is generally used in consideration of circuit voltage fluctuations, but as mentioned above, the varistor voltage per grain boundary layer is approximately 2V. , the number of grain boundaries that can exist between the terminal electrodes of this device is at most 11 layers. On the other hand, the particle size of the ZnO varistor sintered body produced by the usual method is 10 to 20 μm, so the thickness of the element is 0.1 to 0.2 mm in order to obtain a varistor voltage of about 22 V.
must be done. However, sintered bodies such as ZnO varistors have low mechanical strength when the thickness is 0.1 to 0.2 mm, and there are problems such as cracking during manufacturing.
This method of making the device thin is not practical. To solve this problem, when making ZnO varistors, a small amount of ZnO single crystals with a particle size much larger than the ZnO powder is added to the raw material powder, and the ZnO single crystals (hereinafter referred to as core particles) are used as cores to form particles. Ingenious methods have been devised to encourage growth. According to this method, the crystal grain size grows to 50 μm or more,
Varistor voltage per 1 mm element thickness (below
V1mA/t) can be lowered to about 10V/mm. The following method is commonly used to produce core particles that promote grain growth. (1) ZnO powder to which a small amount of Ba compound or Sr compound is added is molded and fired, and the resulting sintered body is hydrolyzed. (2) A sintered body obtained by molding a powder obtained by adding and mixing a grain growth promoter such as Bi 2 O 3 or a rare earth oxide to ZnO powder and then firing it is pulverized. (3) Directly produce ZnO single crystal using vapor phase growth method. Among these methods for producing core particles, method (1) is capable of hydrolyzing and removing Ba compounds and Sr compounds used as grain growth promoters;
It is also the most commonly used because it is easy to control additives and the core particle size. Add the core particles obtained in this way
In order to reduce the value of V1mA/t and maintain other electrical properties well, the core particle diameter was set to 25
53 μm is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-20773, which was invented by the present inventors. However, it is not possible to obtain core particles with a diameter of 25 to 53 μm with a good yield, and even with the most commonly used method (1) above, there is a large variation in the core particle diameter, and it is difficult to obtain core particles with the optimum diameter. The rate is only about 40%. In addition, in method (1), when firing ZnO powder mixed with Ba compound or Sr compound, ZnO
Particles tend to grow along the C axis in terms of crystal structure, so they tend to have an elongated shape. When sieving is performed to select only core particles with a diameter of 25 to 53 μm from core particles that include elongated ones, the longitudinal direction is
Core particles larger than 53 μm easily pass through the sieve mesh and get mixed in. ZnO added with such core particles
The varistor obtained by sintering the powder has non-uniform crystal grains, which inevitably leads to a deterioration in the characteristics of the varistor. [Object of the Invention] The object of the present invention is to increase the particle size of ZnO varistors used in low voltage circuits and reduce the value of V1mA/t. It is an object of the present invention to provide a manufacturing method that makes the particle diameter uniform. [Summary of the invention] The present invention is characterized in that a Ba compound or a Sr compound is added.
By adding and mixing rare earth compounds to ZnO powder and hydrolyzing the sintered body, which is formed and fired,
The rare earth element suppresses abnormal grain growth, making it possible to obtain rounded core particles with an optimal grain size at a high yield. [Examples of the Invention] The present invention will be described below based on Examples. BaCO 3 , Al(NO 3 ) 3 , Co 3 O 4 , and La 2 O 3 powders were added to ZnO powder as additive elements.
Addition is made so that the content of Ba is 0.08 atomic%, Al is 20 atomic%, Co is 2 atomic%, and La is 0.1 atomic%.
After thorough mixing and pressure molding, the mixture was fired at 1150°C for 4 hours. The obtained sintered body has a structure in which a BaO layer precipitated at grain boundaries surrounds ZnO particles. Core particles are obtained by sufficiently boiling this sintered body in pure water to dissolve the BaO layer. Figure 1 shows the particle size distribution when this was classified using a sieve. For comparison, Figure 2 shows the particle size distribution of core particles produced by the conventional method, that is, without adding La 2 O 3 to ZnO powder.
As can be seen from the comparison between Figures 1 and 2, in the conventional method without the addition of La 2 O 3 , the core particles are distributed over a wide range, with a steep peak in the particle size range of 25 to 53 μm. In contrast, according to the present invention, by adding La 2 O 3, the particle size can be reduced to 25 to 100 μm by adding La 2 O 3 . The 53μm core particles are distributed in a narrow range with a prominent peak, and no abnormal grain growth occurs. The reason why the grain size distribution of the core particles differs depending on the presence or absence of La is that La precipitates at the ZnO grain boundaries and suppresses rapid grain growth. In this example, Al and Co are also added, but these are intended to increase the dissolution rate of the BaO layer during hydrolysis, that is, the separation rate of the core particles, and to improve the electrical characteristics of the varistor. It is essentially independent of the size and shape of the core particles. Table 1 shows the yield of core particles with a particle size of 25 to 53 μm and their shapes among the core particles obtained using the above method . Therefore, nuclear particles produced by conventional methods are also listed.
Abnormal grain growth may be suppressed with the addition of La 2 O 3 .

【表】 円形状となるものが多く、従来法によるものは異
常粒成長を起こし、さらに楕円状を呈するものが
多いために25〜53μm粒子径の収率が著しく異る。
またBaCO3の代りにSrCO3を添加した場合にも
Laによる効果は全く同様であり、第1表には示
してないがBaCO3とSrCO3を同時に添加しても
それぞれ単独に添加したときと同様の結果が得ら
れる。 第2表は同一添加量でLa2O3とは異る各種希土
類酸化物を用いたときの結果を第1表と同じ様式
で示したものであり●3〜No.9はBaCO3を添加
しNo.10〜No.16はSrCO3を添加した場合である。
[Table] Most of the grains are circular, and those produced by conventional methods suffer from abnormal grain growth, and many of the grains are elliptical, so the yield of particles with a diameter of 25 to 53 μm is significantly different.
Also, when SrCO 3 is added instead of BaCO 3
The effect of La is exactly the same, and although not shown in Table 1, even if BaCO 3 and SrCO 3 are added simultaneously, the same results as when each is added individually can be obtained. Table 2 shows the results when various rare earth oxides different from La 2 O 3 were used in the same amount added, in the same format as Table 1. ●No. 3 to No. 9 added BaCO 3 No. 10 to No. 16 are cases where SrCO 3 was added.

【表】【table】

【表】 第2表のようにLa以外の各種希土類元素を添
加した場合でも本発明の効果が認められる。 次に第3表はLa2O3を用いその添加量を0.01〜
2.0原子%の範囲に変化させて得られた核粒子の
結果を第1表、第2表と同じ様式で表わしたもの
であるが、第3表には加水分解による核粒子の分
離時間を追加記入した。 第3表のNo.17〜No.21はBaCO3添加のものであ
るがこれらの中にはLaの添加量にしたがつて第
1表のNo.1を含み、同様にNo.22〜No.26はSrCO3
加の場合であり第1表のNo.2で示したものをこの
中に再掲してある。
[Table] As shown in Table 2, the effects of the present invention are observed even when various rare earth elements other than La are added. Next, Table 3 uses La 2 O 3 and the amount added is 0.01 ~
The results for core particles obtained by changing the concentration to 2.0 at% are shown in the same format as Tables 1 and 2, but Table 3 adds the separation time of core particles by hydrolysis. Filled out. No. 17 to No. 21 in Table 3 are those with BaCO 3 added, but these include No. 1 in Table 1 according to the amount of La added, and similarly No. 22 to No. .26 is for the case of SrCO 3 addition, and the one shown in No. 2 of Table 1 is reprinted here.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

低電圧回路用のZnOバリスタを製造するときに
用いられる核粒子は従来ZnO粉末にBa化合物ま
たはSr化合物を添加した焼結体を加水分解する
方法が最も多く利用されているが、本発明では実
施例で説明したようにZnO粉末にBaやSrのほか
にさらに希土類元素を加えることにより、この希
土類元素が急激な粒成長を抑制する役割りを果す
ために、丸味のあるより均一な粒径をもつた核粒
子が得られ、しかも粒径の最適範囲25〜53μmに
急峻なピークをもつ粒度分布となるので核粒子の
収率が著しく向上する。この結果この核粒子を添
加して得られるバリスタの特性値のばらつきを小
さくすることができる。
Conventionally, the most common method for producing core particles used in manufacturing ZnO varistors for low-voltage circuits is to hydrolyze a sintered body made by adding Ba or Sr compounds to ZnO powder. As explained in the example, by adding rare earth elements in addition to Ba and Sr to ZnO powder, this rare earth element plays a role in suppressing rapid grain growth, resulting in a rounder and more uniform grain size. The yield of the core particles is significantly improved since the core particles are obtained and the particle size distribution has a steep peak in the optimum particle size range of 25 to 53 μm. As a result, variations in the characteristic values of varistors obtained by adding these core particles can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明により得られた核粒子の粒度分
布、第2図は従来方法により得られた核粒子の粒
度分布である。
FIG. 1 shows the particle size distribution of core particles obtained by the present invention, and FIG. 2 shows the particle size distribution of core particles obtained by the conventional method.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 酸化亜鉛(ZnO)粉末にバリウム(Ba)化
合物およびストロンチウム(Sr)化合物の少く
とも一方を加えた混合粉末を加圧成形し焼成して
なる焼結体を加水分解してZnOバリスタ原料の
ZnO単結晶粒子を製造する方法において、前記
ZnO粉末に希土類元素の化合物を添加することを
特徴とするZnO単結晶粒子の製造方法。 2 特許請求の範囲第1項記載の方法において、
希土類元素の化合物中の希土類元素は0.05〜1.0
原子%添加されることを特徴とするZnO単結晶粒
子の製造方法。
[Claims] 1. Hydrolyzing a sintered body obtained by press-molding and firing a mixed powder of zinc oxide (ZnO) powder and at least one of a barium (Ba) compound and a strontium (Sr) compound. ZnO varistor raw material
In the method of manufacturing ZnO single crystal particles,
A method for producing ZnO single crystal particles, which comprises adding a rare earth element compound to ZnO powder. 2. In the method described in claim 1,
Rare earth elements in compounds of rare earth elements are 0.05 to 1.0
A method for producing ZnO single crystal particles characterized in that atomic percent is added.
JP14920984A 1984-07-18 1984-07-18 Method of producing zno single crystal particles Granted JPS6127602A (en)

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JPS6127602A JPS6127602A (en) 1986-02-07
JPH0332881B2 true JPH0332881B2 (en) 1991-05-15

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