JPH0834136B2 - 電圧非直線抵抗体 - Google Patents

電圧非直線抵抗体

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JPH0834136B2
JPH0834136B2 JP62307722A JP30772287A JPH0834136B2 JP H0834136 B2 JPH0834136 B2 JP H0834136B2 JP 62307722 A JP62307722 A JP 62307722A JP 30772287 A JP30772287 A JP 30772287A JP H0834136 B2 JPH0834136 B2 JP H0834136B2
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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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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は酸化亜鉛を主成分とする電圧非直線抵抗体に
関し、さらに詳しくは、避電器などの過電圧保護装置に
使用される電圧非直線抵抗体に関するものである。
(従来の技術) 酸化亜鉛を主成分とする電圧非直線抵抗体は、そのす
ぐれた非直線電圧−電流特性から、電圧安定化あるいは
サージ吸収を目的とした避雷器やサージアブソーバに広
く利用されている。この電圧非直線抵抗体は、主成分の
酸化亜鉛に少量のビスマス、アンチモン、コバルト、マ
ンガン等の酸化物を添加し、混合、造粒、成形したのち
焼成し、その焼結体に電極を取り付けて構成されるもの
である。
焼結体は酸化亜鉛粒子とその周囲を取り巻く添加物か
ら形成される粒界層から成り、そのすぐれた非直線電圧
−電流特性は酸化亜鉛粒子と粒界層との界面に起因する
と考えられている。そして、電圧非直線抵抗体の制限電
圧は電極間に存在する粒界層の数で決まるため、単位厚
さで考えれば、焼結体を構成する酸化亜鉛粒子の大きさ
に依存する。制限電圧とは、ある一定電流を流したとき
に電圧非直線抵抗体に現れる電圧をいい、通常1mA/cm2
の電流に対する単位厚さ(1mm)あたりの制限電圧を考
えている。
電圧非直線抵抗体の制限電圧を高くするには、焼結体
を構成する酸化亜鉛粒子の粒成長を抑制すれば良く、従
来、粒成長を抑制する方法として、焼結温度を低くする
方法、あるいは粒成長抑制剤たとえば酸化珪素を添加す
る方法などが行われていた。
(発明が解決しようとする問題点) しかしながら、焼結温度を低くする方法は、液相を形
成し焼結を助ける添加物が周辺に十分ゆきわたらないた
め緻密に焼結せず、またその他の添加物も拡散が十分で
ないため良好な非直線電圧−電流特性を示さなくなると
いう欠点があった。このため、この方法で得られる制限
電圧は実用上300V/mm程度が限度であった。また酸化珪
素を添加する方法、例えば特公昭55−13124号公報、特
公昭59−12001号公報においては、酸化珪素の含有量が
通常製造される素子よりかなり多いものであった。酸化
珪素は珪酸亜鉛として粒界に析出し粒成長を抑制する
が、同時に、電気的には極めて良い絶縁物であるので電
流の通路を妨げる。従って、酸化珪素の含有量が多いと
粒界に析出する量が多くなり、電流分布が乱れて不均一
となる。電圧非直線抵抗体は抵抗の温度係数が負である
ので、電流分布が乱れて不均一となると電流の局部集中
を招きやすい。すなわち、ある部分に電流が集中すると
その部分はジュール熱による温度上昇が他の部分より大
きいため抵抗が低下する。そうすると電流集中がさらに
進んで、電流に対する実効の流路面積が減少することと
なる。その結果、電圧非直線抵抗体の一部で電流を処理
することになる。このため、大きなサージ電流を処理す
る必要がある避雷器などには適用できない欠点があっ
た。
本発明の目的は上述した不具合を解消して、電力用避
雷器特に500kV用さらに将来のUHV用等の高電圧用避雷器
に使用可能で、しかも避雷器の小型化を可能とするよう
な単位厚さあたりの制限電圧の高い酸化亜鉛電圧非直線
抵抗体を提供しようとするものである。
(問題点を解決するための手段) 本発明の電圧非直線抵抗体は、酸化亜鉛を主成分と
し、電圧非直線性を発現する添加物および酸化珪素を副
成分として含有し、酸化珪素の含有量がSiO2に換算して
0.3〜4.0モル%である混合物を加熱し反応させて形成さ
れる焼結体であって、焼結体を構成する酸化亜鉛の結晶
粒子の大きさが平均粒子径で2μm以上かつ6μm以下
であり、粒径の標準偏差が3μm以下であり、また該焼
結体の電流密度1mA/cm2における単位厚さあたりの制限
電圧が500V/mm以上であることを特徴とするものであ
る。
(作 用) 本発明の電圧非直線抵抗体は、主成分の酸化亜鉛に、
電圧非直線性を発現する添加物として例えば酸化コバル
ト、酸化マンガン、酸化クロム、酸化ニッケルのうちの
少なくとも1種以上と酸化ビスマス、酸化アンチモンお
よび酸化珪素を所定の割合で混合し、造粒し、所定の形
状に成形したのち、1050℃以下の温度でホットプレス装
置あるいは熱間静水圧プレス装置により、一軸性あるい
は等方性の圧力を加えながら焼結して得られる。直線抵
抗体は、酸化珪素の含有量がSiO2に換算して0.3〜4.0モ
ル%であって、前記酸化亜鉛結晶粒子の大きさが平均粒
子径で6μm以下であることから、前記制限電圧が500V
/mm以上となる。
電圧非直線抵抗体の単位厚さあたりの制限電圧は、単
位厚さに存在する粒界の数すなわち酸化亜鉛粒子の大き
さと一つの粒界あたりの制限電圧に依存する。一つの粒
界あたりの制限電圧は化学組成に、また酸化亜鉛粒子の
大きさは化学組成と焼成温度にそれぞれ依存するから、
電圧非直線抵抗体の制限電圧は化学組成だけでは決めら
れず、本発明のように、焼結体の化学組成と焼結体を構
成する酸化亜鉛粒子の大きさとにより決められるもので
ある。
(実施例) 以下、実際の例について説明する。
実施例1 ZnOを主成分とし、これに少量のBi2O3,Sb2O3,Co2O3,C
r2O3,MnO2,NiO,SiO2,Al2O3,B2O3を水、バインダ、分散
剤とともに添加混合し、スプレードライヤーで造粒し、
直径43mm、厚さ40mmの円筒状に成形した。次いでこの成
形体をバインダ、分散剤の除去のために約500℃で加熱
したのち、ホットプレス装置を用いて大気中で温度900
℃、圧力200kg/cm2にて1時間焼結した。なお、ホット
プレス条件としては、温度850〜1000℃、圧力100〜300k
g/cm2、時間0.5〜2時間が好ましい範囲である。この範
囲より以下では焼結体の緻密化が充分でなく、この範囲
を超えるとZnO粒子径が6μmを超えるようになり、い
ずれも好ましくない。加圧は昇温過程の700℃ら開始
し、降温過程の800℃で終了した。その後、焼結体の両
端面を研磨してアルミニウムの溶射電極を設け、電圧非
直線抵抗体を形成した。このようにして得た電圧非直線
抵抗体について、電流1mA/cm2における単位厚さあたり
の制限電圧、非直線指数αおよび2ms矩形波電流印加に
よるサージ耐量を測定した。その後、電圧非直線抵抗体
から板状試料を切り出して鏡面研磨しエッチングして、
焼結体を構成する酸化亜鉛粒子の大きさを測定した。そ
の結果を第1表に示す。第1表には、SiO2量が本発明の
範囲外のものおよびホットプレス装置によらず大気圧下
で通常のように焼結したものを比較例として示した。第
1表にはZnOの量は示していないが、実施例1におけるZ
nOの量は100モル%から添加物総量の占めるモル%を引
いた量であり、以下の実施例2においても同様である。
なお、電圧非直線指数αは、電流0.1mA/cm2と1mA/cm2
における制限電圧V0.1mA/cm2,V1mA/cm2から式α=1/lo
g10(V1mA/cm2/V0.1mA/cm2)により算出した。また焼結
体を構成する酸化亜鉛粒子の大きさは、上記のようにし
て作製した焼結体のエッチング面を走査型電子顕微鏡で
観察し、観察面について平均粒子径と粒径の標準偏差を
画像解析装置により測定して求めた。
第1表に示されるように、本発明の実施例1〜19は焼
結体を構成する酸化亜鉛粒子が平均粒子径で6μm以下
と小さく、粒径の標準偏差も3μm以下で均一であっ
た。電流1mA/cm2における制限電圧は500V/mm以上であ
り、サージ耐量が大きかった。
SiO2が0.3モル%未満の場合は、比較例1に示すよう
に焼結体を構成する酸化亜鉛粒子が平均粒子径で6μm
を越え、粒径の標準偏差も4μmと大きかった。また制
限電圧は従来知られている値と同程度の400V/mm以下で
あった。SiO2が4モル%を越える場合は、比較例2に示
すように酸化亜鉛粒子の平均粒子径、制限電圧ともに本
発明の実施例と同程度であるが、サージ耐量が実施例よ
り低かった。
実施例2 実施例1と同様にして、成形体を作製し、バインダ、
分散剤の除去のために熱処理した。次いで、この成形体
をステンレス(例えばSUS304)製のカプセル内にジルコ
ニア粉末に埋め込んだ状態で真空排気しながら封入した
のち、カプセルを熱間静水圧プレス装置によりアルゴン
中で温度1000℃、圧力600kg/cm2で約1時間焼結した。
なお、焼結条件は温度800〜1100℃、圧力300〜1200kg/c
m2以上、時間0.5〜2時間が好ましい。この限定理由
は、実施例1の場合と同じである。カプセルを除去して
焼結体を取り出し、大気中で温度約900℃で5時間加熱
した。この900℃の加熱は焼結体を酸化処理することに
よって電圧非直線性を発現させるために必要とされる。
熱処理後、実施例1と同様にして焼結体を電圧非直線抵
抗体に形成し、同様の測定を実施した。その結果を第2
表に示す。第2表にはSiO2が本発明の範囲外のものおよ
び熱間静水圧装置によらず大気圧下で通常のように焼結
したものを比較例として示した。
第2表にみられるように、実施例2においてもSiO2
が0.3〜4.0モル%の範囲で、酸化亜鉛粒子が平均粒子径
で6μm以下であり、電流1mA/cm2における制限電圧が5
00V/mm以上であって、サージ耐量がすぐれている。
第1,2表において比較例で示したように、焼結を通常
の大気中常圧下で行った場合は実施例と同じ温度では十
分に焼結しない。このため緻密な焼結体が得られず、サ
ージ耐量が低いものとなった。
なお、SiO2量が0.3〜4.0モル%をはずれた場合の特性
変化は、第1表および第2表において一つの組成に対し
て比較例に示したが、本発明の実施例に示した他の組成
にも同様にあてはまるものである。
(発明の効果) 以上詳細に説明したところから明らかなように、本発
明の電圧非直線抵抗体は、酸化珪素の含有量を多くする
ことなく、焼結体を構成する酸化亜鉛粒子の大きさを小
さくすることができ、制限電圧の高い電圧非直線抵抗体
を得ることができるから、避雷器の小型化が可能とな
り、500kV用さらには将来のUHV用等の高電圧用避雷器に
有用である。また、酸化珪素の含有量が少ないこと、焼
結体を構成する酸化亜鉛粒子の大きさが比較的そろって
いることから、電流分布の均一性が良く、避雷器等の用
途に好適である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】酸化亜鉛を主成分とし、電圧非直線性を発
    現する添加物および酸化珪素を副成分として含有し、酸
    化珪素の含有量がSiO2に換算して0.3〜4.0モル%である
    混合物を加熱し反応させて形成される焼結体であって、
    焼結体を構成する酸化亜鉛の結晶粒子の大きさが平均粒
    子径で2μm以上かつ6μm以下であり、粒径の標準偏
    差が3μm以下であり、また該焼結体の電流密度1mA/cm
    2における単位厚さあたりの制限電圧が500V/mm以上であ
    ることを特徴とする電圧非直線抵抗体。
  2. 【請求項2】前記混合物に一軸性または等方性の圧力を
    加えて焼結させる特許請求の範囲第1項記載の電圧非直
    線抵抗体。
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