JPH0799103A - サーミスタ用磁器組成物およびサーミスタ素子 - Google Patents
サーミスタ用磁器組成物およびサーミスタ素子Info
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- JPH0799103A JPH0799103A JP5346653A JP34665393A JPH0799103A JP H0799103 A JPH0799103 A JP H0799103A JP 5346653 A JP5346653 A JP 5346653A JP 34665393 A JP34665393 A JP 34665393A JP H0799103 A JPH0799103 A JP H0799103A
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- C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
- C04B35/44—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on aluminates
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Abstract
N1 を2a族に属する元素を示し、P2 を4a族、5a
族、6a族、7a族または8族に属するp型の特性を示
す元素を示し、N2 を4a族、5a族、6a族、7a族
または8族に属するn型の特性を示す元素を示すとした
とき、(M1 1-X・N1 X )(P2 1-Y-Z・N2 Y ・Al)
O3 なる組成物で、0.001≦X/(1−Y−Z)<
0.20、0.05≦Y/(1−Y−Z)≦0.80お
よび 0<Z/(1−Y−Z)≦0.90としたサーミ
スタ用磁器組成物。 【効果】300℃から1100℃の広い温度範囲で使用
可能で、酸化・還元のいずれの雰囲気でも抵抗値の安定
したサーミスタ素子を提供できた。また、リード線の劣
化を防止でき、高温における安定性が優れ、広い温度範
囲で使用可能で、振動の激しい場所で使用できるサーミ
スタ用磁器組成物を提供することができた。
Description
の高い負の温度係数を持つサーミスタ用磁器組成物およ
びその組成物から製作したサーミスタ素子に関するもの
である。
て従来から、(a)コランダム型結晶構造を主体とする
材料(例えば特開昭50−118294号公報や「ファ
インセラミックハンドブック」浜野健也著、朝倉書店1
984年発行)、(b)スピネル型結晶構造化合物を主
体とした材料(例えば特開昭49−63995号公
報)、(c)ZrO2 を主体とする材料(例えば「内燃
機関」第30巻第8号第98頁)、(d)ペロブスカイ
ト型結晶構造化合物を主体とした材料が使用されてき
た。
ンダム型結晶構造を主体とする材料は他元素を添加する
ことにより抵抗−温度特性に僅かなバリエーションをも
たせることはできるが、大幅に抵抗−温度特性を調整す
ることができなかった。また、添加剤を多く加えると安
定なコランダム構造ではなくなり、熱安定性が劣化する
等の問題があった。
した材料は温度−抵抗変化率(温度勾配定数β)が大き
いため広い温度域で使用できない等の問題があった。ま
た、NiAl2 O4 を主体とした材料(特開昭49−2
9493号公報等)、CoAl2 O4 を主体とした材料
(特開昭48−705号公報等)があるが、いずれも耐
熱性が低くて、高温で使用できないという問題があっ
た。
性化温度より低い温度域では抵抗値が大きくなり実用上
使用できないという問題があった。
主体とした材料は僅かでもLa酸化物が未反応のまま残
った場合には、その未反応物が大気中の水分と反応して
不安定なLa(OH)3 となり、素子が崩壊してしまう
とか、抵抗値が不安定である等の問題があった。
材料の組成を調整することにより広い範囲の抵抗値を得
ることができ、1600℃以下の温度で焼結することが
できることにより、リード線の劣化を防ぎ、吸湿性の物
質を含まず、雰囲気の湿度とか熱履歴による特性の劣化
が少なく、室温から1100℃までの広い温度域で使用
可能なサーミスタ用磁器組成物を提供することにある。
結果、M1 をLaを除く元素周期表の3A族に属する元
素から選ばれた1種または2種以上の元素を示し、N1
を元素周期表の2a 族に属する元素から選ばれた1種ま
たは2種以上の元素を示し、P2 を元素周期表の4A
族、5A族、6A族、7A族及び8族に属する元素の酸
化物がp型の特性を示す元素から選ばれた1種または2
種以上の元素を示し、N2 は元素周期表の4A族、5A
族、6A族、7A族及び8族に属する元素の酸化物がn
型の特性を示す元素から選ばれた1種または2種以上の
元素を示すとしたとき、(M1 1-X・N1 X )(P2 1-Y-Z
・N2 Y ・AlZ )O3 (ただし、X、Y、Zはいずれ
も0より大きく、かつ1未満とする)と一般式で表わさ
れる組成物において、X、YおよびZについて、0.0
01≦X/(1−Y−Z)<0.20、0.05≦Y/
(1−Y−Z)≦0.80、かつ0<Z/(1−Y−
Z)≦0.90とすることにより、上記の課題を解消し
たサーミスタ用磁器組成物を提供することができたこと
および該組成物により製作したサーミスタ素子を発明し
た。ここで、2A族,3A族、4A族、5A族、6A族
および7A族とは各々IUPAC(国際純粋および応用
化学連合)の無機化学命名法委員会(1965年)のと
りきめによる元素の周期表の2A、3A、4A,5A,
6Aおよび7Aを意味する。
y、Er、GdおよびYbから選ばれた1種または2種
以上の元素を示し、N1 はMg、Ca、SrおよびBa
から選ばれた1種または2種以上の元素を示し、P2 を
Cr、Mn、CoおよびNiから選ばれた1種または2
種以上の元素を示し、N2 をFe、VおよびTiから選
ばれた1種または2種以上の元素を示すとしたとき、
(M1 1-X ・N1 X )(P2 1-Y-Z・N2 Y ・AlZ )O
3 (ただし、X、Y、Zはいずれも0より大きく、かつ
1未満とする)と一般式で表わされる組成物において、
X、YおよびZについて、0.001≦X/(1−Y−
Z)<0.20、0.05≦Y/(1−Y−Z)≦0.
80、かつ0<Z/(1−Y−Z)≦0.90とするこ
とにより、好ましいサーミスタ用磁器組成物となること
がわかった。
トロンチウムとし、P2 をクロムとし、N2 を鉄とした
(Y1-X ・SrX )(Cr1-Y-Z ・FeY ・AlZ )O
3 (ただし、X、Y、Zはいずれも0より大きく、かつ
1未満とする)と表わされる組成物において、X、Yお
よびZについて、0.001≦X/(1−T−Z)<
0.20、0.05≦Y/(1−Y−Z)≦0.80、
かつ0<Z/(1−Y−Z)≦0.90とすることによ
り、好ましいサーミスタ用磁器組成物となることがわか
った。
トロンチウムとし、P2 をクロムとし、N2 を鉄とした
(Gd1-X ・SrX )(Cr1-Y-Z ・FeY ・AlZ )
O3(ただし、X、Y、Zはいずれも0より大きく、か
つ1未満とする)と表わされる組成物において、X、Y
およびZについて、0.001≦X/(1−T−Z)<
0.20、0.05≦Y/(1−Y−Z)≦0.80、
かつ0<Z/(1−Y−Z)≦0.90とすることによ
り、好ましいサーミスタ用磁器組成物となることがわか
った。
ロンチウムとし、P2 をクロムとし、N2 を鉄とした
(Sm1-X ・SrX )(Cr1-Y-Z ・FeY ・AlZ )
O3 (ただし、X、Y、Zはいずれも0より大きく、か
つ1未満とする)と表わされる組成物において、X、Y
およびZについて、0.001≦X/(1−T−Z)<
0.20、0.05≦Y/(1−Y−Z)≦0.80、
かつ0<Z/(1−Y−Z)≦0.90とすることによ
り、好ましいサーミスタ用磁器組成物となることがわか
った。
助剤を加えて焼結性を向上させることにより低温で焼成
することができ、強度が高く耐熱性に優れた特性が得ら
れる。ここで、焼結助剤としては、シリカ、ムライト等
粒界に液相を形成し、マトリックスを成して磁器の焼結
性を高めるものが好ましい。焼結助剤の添加量は前記サ
ーミスタ用磁器組成物に対して、0.5〜10重量%、
特に0.8〜5重量%とするが好ましい。
り、イオン半径が近い原子同士で互いに容易に置換でき
るため、その置換された組成が安定に存在するため広い
範囲で連続的に組成を変えて調整することができるもの
である。また、Laを含んでいないため雰囲気の湿度等
の影響を受けることがなく、高温における安定性も優れ
ており、室温から1100℃以上までの広い温度範囲で
使用することができる。これが、本発明の化合物は高温
においても安定であることによるものと考えられる。
る抵抗値の依存性が逆である、即ち酸素分圧が低くなる
とp型半導体の抵抗値は増大し、n型半導体のそれは減
少する。本願発明の磁器組成物はこの両者を混合したも
のからなり、お互いにその酸素分圧に対する特性が相殺
されて酸素分圧が変動しても安定な特性を示すこととな
る。また、熱に対して不安定な酸素イオンまたは金属イ
オンの格子欠陥が少なくなって熱履歴を受けても抵抗値
の変化がなく安定性が保たれる。本発明の磁器組成物
は、単純な置換固溶による反応によるものであるため副
生成物の生成が無く、1000℃以下の温度で焼結する
ことができて、リード線の劣化を防ぐことができ、しか
も焼結したサーミスタ素子は室温から1100℃以上の
広い温度範囲で使用することができるものである。ま
た、広い範囲で連続的に組成に調整することにより広い
範囲で抵抗値を変えることができるため、抵抗値や温度
勾配定数(以下これをβという)を自由に選ぶことがで
きる利点もある。
純度が99.9%以上で平均粒径が1μm のY2 O
3 と、純度が98.5%以上で平均粒径が1μm のSr
CO3 と、純度が98.5%以上で平均粒径が1μmの
Cr2 O3 と、純度が98.5%以上で平均粒径が1μ
mのFe2 O3と、純度が99.9%以上で平均粒径が
0.7μmのAl2 O3 を、(Y1-X ・SrX )(Cr
1-Y-Z ・FeY ・AlZ )O3 と表したとき、X、Y、
Zを表1の組成欄に示す割合になるように秤量し、湿式
により混合し、乾燥し、その後、1400℃で2時間保
持することにより仮焼する。仮焼された粉末に平均粒径
0.6μmのSiO2 粉末を1重量%加えて湿式により
混合する。混合したスラリーを 200メッシュの篩を通し
てから乾燥する。乾燥後PVNが15重量%、DBPが
10重量%、MEKが50重量%及びトルエンが25重
量%よりなるバインダーを添加して、プレス成形用粉末
を造粒する。
mである白金線を1.2mmの間隙を空けて2本平行に
配置した金型に充填して1000Kg/cm2 の圧力で
プレスすることにより、直径が3mm、厚みが2mmで
2本のリード線を有する図1に示す形状に成形する。そ
の成形品を1550℃の大気中で焼成することによりサ
ーミスタ素子を得る。
て、300℃、600℃及び900℃の大気中における
抵抗値およびβを測定した。その結果を表1の抵抗値欄
およびβ欄に併せ示す。次に、耐久試験として、各試料
を1000℃の大気中で300時間保持し、その保持の
前後の300℃、600℃及び900℃における抵抗値
を測定することにより、試験の前後の抵抗値の変化率
(以下これをΔR率という)を調べることにより耐久性
能を調べた。その結果を表2のΔR率(%)欄に示す。
また、環境試験として各試料を900℃で酸素分圧が1
0-7気圧の酸素減圧室に保持し、そのときの抵抗値を測
定することにより酸素分圧に対する抵抗値の安定性を調
べた。その結果を表2の環境試験ΔR率(%)欄に併せ
示す。
値は次式により定義されたものである。 β=ln(R/R0 )/(1/K−1/K0 ) ΔR率=(Rt −R0 )/R0 ×100% 温度換算値=β×K0 /(ln(Rt /R0 )×K0 +
β)−K0 ここで、lnは常用対数を示し、RおよびR0 は各々大
気中で絶対温度KおよびK0 における抵抗値を示す。3
00−600および600−900とあるは各々300
℃と600℃間、および600℃と900℃間における
βを示す。Rtは耐久試験においては耐久試験後の大気
中の、環境試験においては酸素減圧室における各々温度
t(耐久試験においては、t=300℃または900
℃、環境試験においてはt=900℃) における抵抗値
を示す。ΔR率の温度換算値は表2の環境試験ΔR率
(%)欄で[ ]内に示す。
rX )(Cr1-Y-Z ・FeY ・AlZ )O3 と表される
組成においてX/(1−Y−Z)、Y/(1−Y−
Z)、Z/(1−Y−Z)なる混合比を変えることによ
り抵抗値の調整を容易に行うことができる。例えば(Y
1-X ・SrX )(Cr1-Y-Z ・FeY ・AlZ )O3 に
おいてCrサイトをFeおよびAlで置換することによ
り抵抗値やβを増加させることができることがわかる。
従って必要とする抵抗値やβとなるサーミスタ素子を容
易に供給することができる。この反応系は置換固溶であ
り副生成物の生成がなく、抵抗値の調整を容易に行うこ
とができる利点がある。また耐久試験および環境試験か
らわかる通り、熱履歴とか雰囲気の酸素分圧に対して非
常に安定な特性を示していることがわかる。ここで、耐
久試験とか環境試験による抵抗の変化率は小さければ小
さいほど好ましいが、高温用検出センサとしては、温度
換算値で15℃以内であることが好ましく、表2におい
て試料番号3〜23がこれに相当する。これは、例えば
p型半導体材であるYCrO3 とn型半導体材であるF
e2 O3 の混合により、熱履歴に対して不安定な金属イ
オン欠陥や酸素イオン欠陥の量が減少するためであると
か、p型半導体とn型半導体の両成分の混合することに
より酸素分圧依存性が相殺されることによるものとも考
えられる。
酸素分圧に対する抵抗値の安定性の向上が見られるが、
Srの過剰な置換は抵抗値とかβを著しく低下させるた
め温度精度が悪くなるため、Srの置換は実用上の使用
可能な範囲内で、即ち、0.1%≦X/(1−Y−Z)
<20%の範囲で置換する必要がある。次に、試料番号
5、11、14および17の試料を1100℃の大気中
に20時間保持することによる抵抗値の変化率(ΔR
率)を調べた。その結果を表3に示す。この結果より、
本発明品は1100℃の高温に曝されてもその抵抗値を
大きく変化されることがないことがわかる。また、焼成
温度が1550℃であるためリード線の劣化も少なく強
度の高いサーミスタ素子を得るひとができる。
2 O3 の替わりに純度が99.9%以上で平均粒径が1
μm のGd2 O3 を用いること以外は第1の実施例と同
じ原料と方法により、(Gd1-X ・SrX )(Cr
1-Y-Z ・FeY ・AlZ )O3 と表したとき、X、Y、
Zを表4の組成欄で試料番号26および27に示す割合
になるように各原料を秤量し、調合してサーミスタ素子
を作成する。作成したサーミスタ素子の温度−抵抗値特
性を表4の抵抗値欄およびβ欄に併せ示す。
久試験および環境試験の結果を表5に併せ示す。これよ
り明らかなように、実用上適した抵抗値である350℃
で10KΩ台であり、900℃で100Ω前後の抵抗値
となり、βが5000〜8000となり、耐久試験およ
び環境試験を行っても抵抗値の変化は小さく温度検出装
置に使用するに適したサーミスタ素子である。
Y2 O3 の替わりに純度が99.9%以上で平均粒径が
1μm のSm2 O3 を用いること以外は第1の実施例と
同じ原料と方法により、(Gd1-X ・SrX )(Cr
1-Y-Z ・FeY ・AlZ )O3 と表したとき、X、Y、
Zを表4の組成欄で試料番号28に示す割合になるよう
に各原料を秤量し、調合してサーミスタ素子を作成す
る。作成したサーミスタ素子の温度−抵抗値特性を表4
の抵抗値欄およびβ欄に併せ示す。また、第1の実施例
と同様の方法により耐久試験および環境試験の結果を表
5に併せ示す。これより明らかなように、実用上適した
抵抗値となるとともに、耐久試験および環境試験を行っ
ても抵抗値の変化は小さく温度検出装置に使用するに適
したサーミスタ素子である。
℃の雰囲気に2時間放置する極高温試験を行ったが、い
ずれも抵抗値の変化率は、350℃で10%、900℃
で5%以内であった。
の広い温度範囲で使用可能で、酸化または還元のいずれ
の雰囲気に対しても抵抗値の安定したサーミスタ素子を
提供することができたものである。また、高温における
安定性が優れ、広い温度範囲で使用可能で、機械的強度
が強く、例えば自動車の排気ガスの浄化用触媒の過熱検
知装置とか、排気ガス還流装置の還流ガス温の検知装置
等高温のガス温の測定装置又は振動の激しい場所での測
定装置、その他各種の炉の温度検出装置として使用でき
るサーミスタ用磁器組成物およびサーミスタ素子を提供
することができた。
Claims (6)
- 【請求項1】 M1 はLaを除く元素周期表の3A族に
属する元素から選ばれた1種または2種以上の元素を示
し、N1 は元素周期表の2A族に属する元素から選ばれ
た1種または2種以上の元素を示し、P2 は元素周期表
の4A族、5A族、6A族、7A族および8族に属する
元素の酸化物がp型の特性を示す元素から選ばれた1種
または2種以上の元素を示し、N2 は元素周期表の4A
族、5A族、6A族、7A族および8族に属する元素の
酸化物がn型の特性を示す元素から選ばれた1種または
2種以上の元素を示すとしたとき、(M1 1-X ・
N1 X )(P2 1-Y-Z ・N2 Y ・AlZ )O3 (ただ
し、X、Y、Zはいずれも0より大きく、かつ1未満と
する)と一般式で表わされる組成物において、X、Yお
よびZが次の式を満たすことを特徴とするサーミスタ用
磁器組成物。 0.001≦X/(1−Y−Z)<0.20、 0.05≦Y/(1−Y−Z)≦0.80および 0<Z/(1−Y−Z)≦0.90 - 【請求項2】 M1 はY、Sm、Pr、Nd、Ho、D
y、Er、GdおよびYbの内から選ばれた1種または
2種以上の元素を示し、N1 はMg、Ca、Srおよび
Baから選ばれた1種または2種以上の元素を示し、P
2 はCr、Mn、CoおよびNiから選ばれた1種また
は2種以上の元素を示し、N2 はFe、YおよびTiか
ら選ばれた1種または2種以上の元素を示すとしたと
き、(M1 1-X・N1 X )(P2 1-Y-Z・N2 Y ・AlZ )
O3 (ただし、X、Y、Zはいずれも0より大きく、か
つ1未満とする)と一般式で表わされる組成物におい
て、X、YおよびZが次の式を満たすことを特徴とする
サーミスタ用磁器組成物。 0.001≦X/(1−Y−Z)<0.20、 0.05≦Y/(1−Y−Z)≦0.80および 0<Z/(1−Y−Z)≦0.90 - 【請求項3】 (Y1-X ・SrX )(Cr1-Y-Z ・Fe
Y ・AlZ )O3 (ただし、X、Y、Zはいずれも0よ
り大きく、かつ1未満とする)と表わされる組成物にお
いて、X、YおよびZが次の式を満たすことを特徴とす
るサーミスタ用磁器組成物。 0.001≦X/(1−Y−Z)<0.20、 0.05≦Y/(1−Y−Z)≦0.80および 0<Z/(1−Y−Z)≦0.90 - 【請求項4】 (Gd1-X ・SrX )(Cr1-Y-Z ・F
eY ・AlZ )O3 (ただし、X、Y、Zはいずれも0
より大きく、かつ1未満とする)と表わされる組成物に
おいて、X、YおよびZが次の式を満たすことを特徴と
するサーミスタ用磁器組成物。 0.001≦X/(1−Y−Z)<0.20、 0.05≦Y/(1−Y−Z)≦0.80および 0<Z/(1−Y−Z)≦0.90 - 【請求項5】 (Sm1-X ・SrX )(Cr1-Y-Z ・F
eY ・AlZ )O3 (ただし、X、Y、Zはいずれも0
より大きく、かつ1未満とする)と表わされる組成物に
おいて、X、YおよびZが次の式を満たすことを特徴と
するサーミスタ用磁器組成物。 0.001≦X/(1−Y−Z)<0.20、 0.05≦Y/(1−Y−Z)≦0.80および 0<Z/(1−Y−Z)≦0.90 - 【請求項6】 請求項1ないし請求項5に記載の組成物
に焼結助剤を加えたことを特徴とするサーミスタ用磁器
組成物。 【請求項6】 請求項1ないし請求項6に記載の組成物
から製作したことを特徴とするサーミスタ素子。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP34665393A JP3254594B2 (ja) | 1993-05-24 | 1993-12-22 | サーミスタ用磁器組成物およびサーミスタ素子 |
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Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP5-144294 | 1993-05-24 | ||
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JP34665393A Expired - Fee Related JP3254594B2 (ja) | 1993-05-24 | 1993-12-22 | サーミスタ用磁器組成物およびサーミスタ素子 |
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Country | Link |
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US (1) | US5568116A (ja) |
EP (1) | EP0626356B1 (ja) |
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