JPH09289107A

JPH09289107A - 限流素子の電極の製造方法

Info

Publication number: JPH09289107A
Application number: JP10051696A
Authority: JP
Inventors: Masatomi Okumura; 正富奥村; Hirotsugu Morinaga; 洋次森永; Yoshikazu Uchiumi; 良和内海; Yoshio Takada; 良雄高田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1996-04-22
Filing date: 1996-04-22
Publication date: 1997-11-04

Abstract

(57)【要約】【課題】温度変化に対して剥離等がなく、各種特性が
優れ、製造が容易で低コストである限流素子の電極の製
造方法を提供すること。【解決手段】この発明にかかる限流素子の電極製造方
法においては、限流素子本体を形成するセラミック系焼
結体に電極用部材を溶射して電極部を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は限流素子の電極の製
造方法に関するもので、特に酸化バナジウム系焼結体を
用いた限流素子の電極付け方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】酸化バナジウム系焼結体（Ｖ₂Ｏ₃にＣ
ｒ等を微量添加し焼成した物）はＰＴＣ（電気抵抗の温
度係数が正である）抵抗体の特性を生かし、限流素子と
して配電盤の中のＭＣＣＢ（ＭｏｌｄＣａｓｅＣｉ
ｒｃｕｉｔＢｒｅａｋｅｒ）等の保護装置への用途が
期待されている。

【０００３】従って、用途の性格上この酸化バナジウム
系焼結体には、常時一定電流（例えば１０〜１００Ａ）
が流れるので定常ロスを小さく抑える必要がある。その
ためには室温での素子抵抗を小さくすること、ならびに
素子と電極との接合抵抗を小さくすることが重要とな
る。一般に素子の抵抗は配合組成、粉体混合、焼成条件
等によって決定され、素子と電極の接合抵抗は素子への
電極付け条件により変化する。

【０００４】現在、素子の電極は真空炉、あるいは還元
雰囲気中において７００〜１０００°Ｃの条件でのロー
付けにて接合されている。その他の電極付け方法として
は、電界および無電界メッキが考えられるが、大電流に
耐えるに十分な厚さを形成するには長時間を要し、また
セラミックスにメッキする場合は金属‐セラミックスの
異種接合となるので、接合強度の点で満足のゆくもので
はなかった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】現段階におけるロー付
け方法では、１×１０^-5（ｔｏｒｒ）以下の高真空にて
７００〜１０００°Ｃの高温で行われており、ロー付け
工程においてかなりコストが高くなる。

【０００６】一方接合面においても酸化バナジウム焼結
体と金属との直接接合では両者の熱膨張率に差があるた
め、限流素子として用いる際に短絡電流通電時の急激な
温度変化によって電極の剥離が生じる可能性がある。

【０００７】この発明はかかる問題点を解決するために
なされたもので、温度変化による電極の剥離等がなく、
各種特性に優れた限流素子を容易かつ低コストで得るこ
とができる酸化バナジウム系限流素子の製造方法を提供
することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明にかかる限流素
子の電極製造方法においては、限流素子本体を形成する
セラミック系焼結体に電極用部材を溶射して電極部を形
成する。また、電極形成部に溶射する電極用部材は、セ
ラミック系焼結体と同様の組成を有する部材と金属部材
の混合体である。さらに、電極部を形成した後に、還元
または不活性ガス中での熱処理を行う。さらにまた、セ
ラミック系焼結体は、酸化バナジウム系焼結体である。

【０００９】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．図１は本実施の形態１の電極形成方法の
概略を示すものである。図において、１は酸化バナジウ
ム系焼結体、２は溶射電極、３は溶射ガン、３ａは陽極
としての電極、３ｂは陰極としてのノズルである。４は
溶射炎、５はアルミニウム等の溶射原料、６は供給口で
ある。本実施の形態では、溶射によって素子表面にアル
ミニウム等の金属を溶射して電極付けを行う。以下溶射
原料５にアルミニウムを使用した製造方法について説明
する。

【００１０】まず、前処理をした酸化バナジウム系焼結
体１を設置する。その後、溶射装置を稼働させ、酸化バ
ナジウム系焼結体１の表面に溶射電極２としてのアルミ
ニウム皮膜を形成する。すなわち、アルゴンあるいは窒
素ガス圧で、溶射原料（アルミニウム粉末）５を供給口
６より溶射ガン３で発生した溶射炎４の中に投入し、溶
融させ酸化バナジウム系焼結体１の表面に吹き付ける。
このときの溶射炎（プラズマ炎）４は、陽極としての電
極３ａと陰極としてのノズル３ｂの隙間にアルゴンと水
素あるいは窒素と水素の混合ガスを流し、両極間に電圧
を印加し電流を流して発生させる。なお両極間に印加す
る電力（電圧、電流）および混合ガス流量を可変にする
ことにより溶射炎（プラズマ炎）４の熱量を調整するこ
とができ、溶射する粉末に適した熱量に調整することが
できる。

【００１１】なお標準的な溶射条件は以下の通りであ
る。溶射粉末（アルミニウム粉末）：粒径４５μｍ〜９０μ
ｍ溶射条件：電流５００Ａ、電圧７０Ｖ使用ガス：アルゴン、水素の混合ガス使用ガス流量：50リッタ／分雰囲気：大気中なお、１００μｍ程度の厚さの溶射電極２を形成するの
であれば、数秒の溶射で付ける事ができる。

【００１２】また、溶射ガン３あるいは焼結体１を適当
に移行させることにより、均一または目的の厚さの皮膜
を得ることができる。さらに、図示していないが適当な
マスクを施すことにより目的の部分のみに皮膜を形成さ
せることができる。本実施の形態では、溶射原料５であ
るアルミニウムは粉末のものを用いたが、これは特に粉
末のもののみに限定するものではなく線状のもの等を用
い、これを溶融して溶射させてもよい。

【００１３】また、溶射原料５は、アルミニウム以外に
銅や銀の単体あるいは混合物を用い、これらを溶射させ
ることも可能である。なお銀、銅の粉末を用いる場合に
おいても溶射条件はアルミニウムの条件とほぼ同様でよ
い。

【００１４】このように溶射を利用して皮膜を形成し溶
射電極２とする製法によれば、短時間で効率よく電極を
形成させることができる。また、焼結体１を適当に冷却
することにより焼結体１の温度を２００°Ｃ以下に保つ
ことができるので、焼結体１であるＶ₂Ｏ₃の酸化を防
ぐことができ、特性の劣化を防止することができる。ま
た、溶射で形成した皮膜は溶射皮膜の特徴である気孔を
含むため、熱衝撃に対して強くなり、電極の剥離、割れ
を少なくすることができる。

【００１５】実施の形態２．本実施の形態は、実施の形
態１では溶射原料５にアルミニウムあるいは銅、銀等の
みを用いていたのに対し、溶射原料５にアルミニウムあ
るいは銅、銀粉末に酸化バナジウム系焼結体を粉砕した
粉末、またはアルミニウム、あるいは銅、銀粉末に例え
ば焼成していない状態にあるＶ₂Ｏ₃にＣｒ₂Ｏ₃を
０．５ｗｔ％混合した粉末を用い、それらを素子表面に
溶射し電極付けをおこなったものである。以下その１例
としてアルミニウムに酸化バナジウム系焼結体を粉砕し
た粉末を用いた場合について説明する。

【００１６】アルミニウム粉末に酸化バナジウム系焼結
体を粉砕した粉末を３〜２０ｗｔ％混ぜた混合粉末を用
いて溶射し、厚さ約１００μｍの溶射電極２を形成し
た。なお溶射条件は以下の通りである。アルミニウム粉末：粒径４５μｍ〜９０μｍ酸化バナジウム系焼結体を粉砕した粉末：粒径５０μｍ
〜１００μｍ（アルミニウム粉末９７〜８０ｗｔ％、酸
化バナジウム系焼結体を粉砕した粉末３〜２０ｗｔ％）溶射条件：電流５００Ａ、電圧７０Ｖ使用ガス：アルゴン、水素の混合ガス使用ガス流量：50リッタ／分雰囲気：大気中なおアルミニウムと酸化バナジウム系焼結体を粉砕した
粉末の混合比はアルミニウム９７〜８０ｗｔ％、酸化バ
ナジウム系焼結体を粉砕した粉末３〜２０ｗｔ％とし
た。あまり酸化バナジウム系焼結体を粉砕した粉末が多
いと安定した溶射が困難であり、逆に少なすぎると効果
が少なくなる。従って、酸化バナジウム系焼結体を粉砕
した粉末は５〜１０ｗｔ％にすることが望ましい。

【００１７】本実施の形態によれば溶射原料５に酸化バ
ナジウム系焼結体１と同種の粉末を含むため、形成した
溶射皮膜は焼結体１の熱膨張係数に近づき、温度上昇時
の際生じる恐れがある電極の剥離や割れが金属のみの場
合と比較して少なくなる。また、アルミニウムに例えば
焼成していない状態にあるＶ₂Ｏ₃にＣｒ₂Ｏ₃を０．
５ｗｔ％混合した粉末を用いた場合においても上記の効
果は現れるが、電極自体および素子全体の抵抗が上記の
粉末を用いるより大きくなる。

【００１８】また、酸化バナジウム系焼結体粉末と金属
の比率を徐々に変えるようにして溶射を行えば、溶射皮
膜は酸化バナジウム系焼結体と金属の比率が徐々に変化
したものとなり、さらに剥離や割れを少なくすることが
できる。

【００１９】実施の形態３．図２は本実施の形態３の電
極形成方法の概略を示すものである。図において、１〜
６は図１に示した実施の形態１と同様なので省略する。
７はアルミナ等のグリッドである。本実施の形態では、
プレス成形、焼結体作成後に、焼結体１表面に＃５０程
度のアルミナのグリッド７を吹き付けて荒らした後、実
施の形態１と同様にして溶射により電極を形成させる。

【００２０】溶射皮膜の付着力は焼結体の表面状態の影
響を受ける。そのため、溶射粒子が強固に焼結体１に付
着するためには、焼結体１表面に適当な凹凸があること
が望ましい。従って、実施の形態１、２においては焼結
体１表面は焼成時の不純物を除く程度のわずかに研磨し
たものであったが、本実施の形態ではより付着力を向上
させるため焼結体１表面を荒らしているので、図４
（ｂ）に示すように付着力の改良を行うことができる。

【００２１】また、焼結体１が焼成される前、すなわち
プレス成形した状態で表面を荒らし、その後焼成しても
表面が荒れた状態の焼結体１が得られ、付着力を向上さ
せることができる。

【００２２】実施の形態４．図３は本実施の形態４の電
極形成方法の概略を示すものである。図において、１〜
６は図１に示した実施の形態１と同様なので省略する。
８はタンク、９は真空ポンプである。

【００２３】本実施の形態では、電極を付けようとする
酸化バナジウム系焼結体１および溶射ガン３等をタンク
８の中に入れ、このタンク８中を真空ポンプ９で排気し
て減圧状態（例えば、圧力が５０〜２００（ｔｏｒ
ｒ））にし、溶射することにより溶射電極２を形成し
た。

【００２４】これまでの実施の形態においては、溶射雰
囲気は大気中であった。大気中の場合は装置が安価で生
産性も高くコスト的に有利であるが、条件によっては焼
結体１表面および溶射電極２の酸化により付着力、およ
び電気特性の低下が生じる。本実施の形態は、アルゴン
あるいは窒素雰囲気での減圧中（例えば圧力が５０〜２
００（ｔｏｒｒ））で溶射を行っているので、焼結体１
および溶射皮膜電極２の酸化が抑制され、大気中で溶射
して溶射電極２を形成させた場合と比較して焼結体１と
溶射電極２間の密着力が約２０％向上し、電気抵抗も約
２０％低下した。

【００２５】実施の形態５．本実施の形態はこれまでの
実施の形態による限流素子（焼結体１に電極が付与され
た素子）をさらに電気炉中で還元あるいは不活性雰囲気
中にて熱処理するものである。熱処理温度は使用溶射金
属の融点を考慮して決めた。すなわちアルミニウムを含
む場合は約６００°Ｃ以下、銅の場合は１０００°Ｃ以
下にした。このような熱処理をすることにより、付着
力、導電率をともに改良することができる。

【００２６】図４は、製造条件と特性の関係を表す実験
結果である。図４（ａ）は大気中溶射により電極を付け
た素子、図４（ｂ）は表面荒らしを行った焼結体に大気
中溶射により電極を付けた素子、図４（ｃ）は表面荒ら
しを行った焼結体に減圧中溶射により電極を付けた素
子、図４（ｄ）は表面荒らしを行った焼結体に減圧中溶
射により電極を付けた素子にさらに熱処理を行った素子
についての特性を表したものである。ここで、焼結体と
溶射皮膜の付着力、ヒートサイクルをかけた時の溶射皮
膜の耐熱衝撃性、皮膜自身の導電率、室温における電極
間の導電率（同一の焼結体に付けた場合）は最高を１０
として相対的に表した。

【００２７】これらの表から明らかなように、付着力は
表面を荒らし減圧中溶射する条件で最高になる。これは
荒らされた表面の凹凸部に溶融した金属等が強く絡み付
くこと（アンカー効果）、および減圧下のため焼結体お
よび溶射物の酸化が少ないためである。また、材料的に
はアルミニウムがやや良かったが、これはアルミニウム
が他の物に比較しては軟らかいためである。

【００２８】耐熱衝撃性は、アルミニウムに酸化バナジ
ウム系焼結体を粉砕した粉末を加えたもので作製した素
子が最高であった。また、処理方法では図４（ｄ）に示
す熱処理工程まで行ったものが最高であった。

【００２９】皮膜の導電率は、純金属の導電率に対応し
た順序で良かった。すなわち銀、銅、アルミニウム、ア
ルミニウムにＶ₂Ｏ₃の添加の順序である。また、大気
中溶射の場合には溶射中に溶融した粉末が酸化するた
め、導電率は減圧中溶射したものと比較して低かった。

【００３０】電極間導電率は、付着力、皮膜導電率に関
係するが図４（ｄ）に示すように粉末に銀を用い、表面
荒らしを行い、減圧下で溶射しさらに適当な熱処理を行
った場合が最高であった。以上のように製造条件により
特性はかなり変わるため、コストと特性を考慮して適
宜、目的に応じて選択することが可能である。銀粉末は
高価であること、熱処理を行うとさらにコストが高くな
るなることから、特性およびコストを考慮すれば、表面
荒らしを行い、アルミニウムに焼結体の粉末を加えた粉
末を減圧中溶射で作製するものが推奨できる。

【００３１】

【発明の効果】この発明は以上説明したように構成され
ているので、以下に示すような効果を奏する。本発明に
ては上記方法により電極を形成しているので、短時間
で、付着力が強く、ＰＴＣ特性を低下させることなく電
極を付けることができる。また、電極を溶射で形成する
ため皮膜に気孔を含むので、耐熱衝撃が優れ各種特性の
優れた限流素子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態１の電極形成の構成図。

【図２】本実施の形態３の減圧中での電極形成の構成
図。

【図３】本実施の形態４の酸化バナジウム系限流素子
の製造工程図。

【図４】本実施の形態の製造条件と特性の関係の実験
結果を示した図。

【符号の説明】

１焼結体２溶射電極
（溶射皮膜）３溶射ガン３ａ電極（陽
極）３ｂノズル（陰極）４溶射炎５溶射原料６供給口７グリッド８タンク９真空ポンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高田良雄東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】限流素子本体を形成するセラミック系焼
結体に電極用部材を溶射して電極部を形成することを特
徴とする限流素子の電極製造方法。
【請求項２】電極形成部に溶射する電極用部材は、セ
ラミック系焼結体と同様の組成を有する部材と金属部材
の混合体であることを特徴とする請求項１記載の限流素
子の電極製造方法。
【請求項３】電極部を形成した後に、還元または不活
性ガス中での熱処理を行うことを特徴とする請求項１ま
たは請求項２記載の限流素子の電極製造方法。
【請求項４】セラミック系焼結体は、酸化バナジウム
系焼結体であることを特徴とする請求項１〜３のいずれ
か１項記載の限流素子の電極製造方法。