JPH068210B2 - バリスタ材料及びその製法 - Google Patents

バリスタ材料及びその製法

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JPH068210B2 JP63036170A JP3617088A JPH068210B2 JP H068210 B2 JPH068210 B2 JP H068210B2 JP 63036170 A JP63036170 A JP 63036170A JP 3617088 A JP3617088 A JP 3617088A JP H068210 B2 JPH068210 B2 JP H068210B2
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    • H01C7/10Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material voltage responsive, i.e. varistors
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    • H01C7/108Metal oxide
    • H01C7/112ZnO type
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Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は、酸化亜鉛を基材とする酸化亜鉛バリスタ材料
及びその製法に関するものである。
〔従来技術〕
ある種の添加剤を含む酸化亜鉛焼結体の電気抵抗が電圧
により著しく変化することがよく知られており、このよ
うなものは、その電圧と電流の非直線的な関係を利用し
て電圧の安定化、サージ電圧の吸収などに広く利用され
ている。このような電気的非線形素子がバリスタであ
る。
バリスタの電流と電圧の量的な関係は近似的に次式(1)
で示される。
I=(V/C)α (1) ここで、Vはバリスタに印加される電圧、Iはバリスタ
を流れる電流、Cは定数、αは1より大きい指数であ
る。この場合、αは非直線指数と呼ばれ、非直線性の程
度を示すもので、一般に大きいことが望ましい。αは次
式(2)によって計算される。
α=log10(I2/I1)/log10(V2/V1) (2) ここで、V1およびV2は、それぞれ与えられた電流I
よびIにおける電圧である。通常、I=1mA、I
=10mAと決め、V1をバリスタ電圧と呼ぶ。Cおよびαは
バリスタの処方および製法により変わる。これらのこと
は従来技術において周知である。
酸化亜鉛バリスタは普通下記のように製造される。
添加剤を酸化亜鉛と混合する。該混合物は、一般的なセ
ラミックス成形技術を用いて所望の形状に成形され、次
いで適当の温度で焼結される。この焼結工程により、酸
化亜鉛および添加剤間に必要な反応が起こり、混合物が
融合し、焼結してバリスタ材料になる。次いで電極と導
線が取り付けられ素子となる。
酸化亜鉛焼結体のバリスタ特性発現の機構はこれまで幾
つかの理論が報告されているが、まだ不明な点が多く明
確になっていない。しかしながら、バリスタの電気特性
がその微構造に由来していることは認められており、一
般に、その構造は酸化亜鉛の周囲を別の高抵抗な境界層
が取り囲み、それらが結着した形になっている。この境
界層を作るために添加剤が加えられる。通常数種類もし
くはそれ以上の添加剤が用いられており、添加剤の種類
および量は求められる特性に応じて変わる。
従来技術による酸化亜鉛バリスタ材料の製造において遭
遇する一つの問題は、焼結体の特性のバラつきが大き
く、同一特性のバリスタ材料を歩留まり良く得ることが
出来ないことである。それは、とりもなおさず、焼結体
(バリスタ材料)の微構造およびミクロ的な化学成分の
分布を均一、かつ再現性よくコントロールすることが難
しいためである。従来技術では添加剤の種類が多く、焼
成時における添加剤相互間の反応および添加剤と酸化亜
鉛との反応が複雑微妙で、製造条件の変動の影響を受け
やすい。
また、従来技術では、添加剤として酸化ビスマスのよう
な高温で極めて蒸発しやすい物質が使用される場合が多
く、これらのことが焼結体の微構造および化学成分のミ
クロ的分布のコントロールを難しくしている。
〔目 的〕
本発明は、従来の酸化亜鉛バリスタ材料に見られる前記
問題を解決し、バリスタ特性において高められた非直線
指数(α)を有し、かつ構造が簡単で製造容易なバリスタ
材料を提供することを目的とする。
〔構 成〕
本発明によれば、マンガン化合物をZnOに添加混合し、1
100〜1350℃で焼結した後、得られた焼結体を該焼結温
度より50℃以上低くかつ1000℃以上の温度で再度熱処理
することにより得られ、ZnOとZnMn2O4の2つの結晶相か
らなり、ZnとMnの割合が、ZnOとMnOのモル比換算で、Zn
O+MnO=100に対しMnOが3〜7の範囲にあり、かつバリス
タ特性なおける非直線指数(α)が10以上であることを特
徴とするバリスタ材料が提供される。
本発明のバリスタ材料は、酸化亜鉛に対し、マンガン化
合物を添加混合し、1100〜1350℃で焼結した後、得られ
た焼結体を該焼結温度よりも低くかつ1000℃以上の温度
で再熱処理することにより製造することができる。この
場合、マンガン化合物としては、酸化マンガン又は焼成
により酸化マンガンに変換できるものであればよい。こ
のようなものとしては、例えば、硝酸塩やハロゲン化物
等の無機酸塩や、酢酸塩やプロピオン酸塩、安息香酸塩
等の有機酸塩の他、水酸化マンガン等が挙げられる。
本発明により好ましくバリスタ材料を製造するには、酸
化亜鉛に、マンガン化合物を溶剤に溶解させた状態で混
合する。この混合は、例えば、マンガン化合物の溶液と
酸化亜鉛とを混合することによって、あるいはマンガン
化合物に溶解性を示す溶剤の存在下で酸化亜鉛とマンガ
ン化合物とを混合することによって実施することができ
る。この場合、溶剤としては、水又は有機溶剤あるいは
それらの混合溶剤が用いられる。この場合、有機溶剤と
しては、例えばメタノール、エタノール等のアルコール
が用いられる。溶剤としては、酸化亜鉛に直接作用する
ことがなく、混合後、蒸発除去の容易なものであればよ
い。このような混合においては、マンガン化合物が溶解
状で酸化亜鉛と混合されることから、マンガン化合物を
分子レベルで均一に酸化亜鉛粒子に混合担持することが
できる。
前記のようにして得られた混合物は、これを乾燥し、溶
剤を蒸発除去した後、焼結し次いで焼結体を再び加熱す
る。この場合、焼結温度は、得られる焼結対が酸化亜鉛
の理論密度に対し90%以上の焼結密度を示す温度、通
常、1100〜1350℃の温度が採用される。再加熱処理温度
は、酸化亜鉛(ZnO)とマンガン酸亜鉛(ZnMn2O4)の2つの
結晶相が存在するように、焼結に採用された温度より50
℃以上低い温度でかつ1000℃以上の温度、1000〜1300℃
の範囲の温度が採用される。本発明において、焼結処理
を約1300℃で行い、再加熱処理を約1100℃で行うことは
好ましい態様である。
本発明においては、酸化亜鉛とマンガン化合物との混合
は、前記のように、溶剤を用いてマンガン化合物を溶解
状に保持して行うのが好ましいが、もちろん、マンガン
化合物を可溶性、不溶性を問わず、従来技術に用いられ
ている物理的、機械的方法で酸化亜鉛と混合し得ること
は言うまでもない。
本発明のバリスタ材料において、酸化亜鉛に対するマン
ガン化合物の添加割合は、MnOモル比換算で、ZnO+MnO=
100に対して、MnO=3〜7である。マンガンの添加割合が
この範囲を逸脱すると、バリスタ特性における高められ
た非直線指数αを得ることが困難になる。
本発明では、前記で示したように、酸化亜鉛に対する添
加剤として、マンガン化合物のみの使用によって十分実
用性あるバリスタ材料を得ることができるものである
が、本発明の目的を特に阻害しない限り、他の添加剤の
使用を排除するものではない。
〔効 果〕
本発明のバリスタ材料は、酸化亜鉛に対しわずか1種類
の添加剤(マンガン)を用いればよいので、その製造は
極めて容易であり、しかも、そのバリスタ特性におい
て、実用上充分に高い非直線指数αを示すものである。
〔実施例〕
次に本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。
実施例 エタノール中で、酸化亜鉛に所定量の硝酸マンガン〔Mn
(NO3)2・6H2O〕を添加し、充分混合したあと溶剤を蒸発
除去せしめて乾燥し、700℃で1時間仮焼した。
次に、この仮焼試料を、300kg/cm2の圧力で直径10mm、
厚さ2mmの円板状に予備成形し、さらに1t/cm2の圧力で
静水圧成形した。該成形対を炭化珪素質抵抗加熱式電気
炉中に置き、大気下、6℃/minの割合で昇温し、1300℃
に達してからこの温度に1時間保持して焼結し、次いで
炉中においたまま放冷した。この未再加熱焼結体の一部
を取り出して両面を研磨して平滑にしたあと、インジウ
ム水銀アマルガムを塗布して電極とし、直流二端子法で
電流-電圧特性を測定した結果、マンガン化合物の添加
量がMnOの形に換酸して3〜7モル%(MnO+ZnO=100モル
%に対して、以下同様)の時に顕著なバリスタ特性が認
められた。
その結果を表-1に示す。
ここで、酸化亜鉛とマンガン化合物との混合物の焼結に
おいて、MnOのモル比が3〜7モル%の時、焼結温度1100
〜1350℃の範囲内で酸化亜鉛の理論密度に対し焼結密度
90%以上のち密な焼結体が得られたが、1100℃より低温
では焼結密度は90%より小さく、1350℃以上では再び焼
結密度が低下する傾向が見られた。次ぎに、焼結体の残
りを1100℃で1時間再加熱処理(昇温速度6℃/min、
大気下)し、得られた再加熱処理焼結体について同様に
電流-電圧特性を測定した。その結果、MnO 3〜7モル%
のものは非直線指数(α)が10以上に高められた。例え
ば、比抵抗4.09×106(Ω・cm)、非直線指数(α)6.1及び
バリスタ電圧320(V/mm)のバリスタ特性を示す焼結体か
ら、比抵抗1.31×107(Ω・cm)、非直線指数(α)18.4及び
バリスタ電圧280(V/mm)のバリスタ材料が得られたこと
が確認された。そして、高バリスタ特性を示した再加熱
サンプルの粉末X線回折の結果からは、それらが実質的
に、ZnOとZnO2O4の2つの結晶相からなっていることが
判った。そして、この2つの結晶相が出現する焼成温度
は、1000〜1300℃の範囲内であった。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】マンガン化合物をZnOに添加混合し、1100
    〜1350℃で焼結した後、得られた焼結体を該焼結温度よ
    り50℃以上低くかつ1000℃以上の温度で再度熱処理する
    ことにより得られ、ZnOとZnMn2O4の2つの結晶相からな
    り、ZnとMnの割合が、ZnOとMnOのモル比換算で、ZnO+M
    nO=100に対しMnOが3〜7の範囲にあり、かつバリスタ特
    性における非直線指数(α)が10以上であることを特徴と
    するバリスタ材料。
  2. 【請求項2】ZnO+MnOに対しMnOが3〜7モル%の割合に
    なるように、マンガン化合物をZnOに添加混合し、1100
    〜1350℃で焼結した後、得られた焼結体を該焼結温度よ
    り50℃以上低くかつ1000℃以上の温度で再度熱処理する
    ことを特徴とする請求項1に記載のバリスタ材料の製
    法。
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