JPH1167501A - Current-limiting element and its manufacture - Google Patents

Current-limiting element and its manufacture

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JPH1167501A
JPH1167501A JP9217764A JP21776497A JPH1167501A JP H1167501 A JPH1167501 A JP H1167501A JP 9217764 A JP9217764 A JP 9217764A JP 21776497 A JP21776497 A JP 21776497A JP H1167501 A JPH1167501 A JP H1167501A
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JP
Japan
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current limiting
core particles
limiting element
grains
matrix
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Application number
JP9217764A
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Japanese (ja)
Inventor
Masaaki Ogino
正明 荻野
Takuya Suzuki
卓弥 鈴木
Toshiyuki Yoshizawa
利之 吉沢
Kenji Kunihara
健二 国原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH1167501A publication Critical patent/JPH1167501A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a highly reliable current-limiting element by preventing the deterioration of the element, composed of a vanadium oxide-based ceramic by repetitive transformations. SOLUTION: The material of a current-limiting element is constituted in such a texture that giant particles 5 larger than crystal grains 3 constituting a matrix are scattered in a matrix by mixing core particles which are increased in size by sintering in matrix powder composed of a vanadium oxide ceramic represented by (V1-x Ax )2 O3 (where, A represents at least one kind of elements selected from among aluminum, chromium, scandium, and lanthanoids and 0.001<=x<=0.30).

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、正の抵抗温度係
数を持つ酸化バナジウム系〔( V1-X X 2 3 Aは
アルミニウム、クロム、スカンジウムまたはランタノイ
ドから選ばれた少なくとも1種の元素〕PTC抵抗体
(以下V2 3 系PTC抵抗体と略す)を用いる限流素
子に係り、特に長期にわたる信頼性に優れる限流素子に
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention
Vanadium oxide based [(V1-XAX)TwoO Three A is
Aluminum, chrome, scandium or lantanoy
At least one element selected from metal] PTC resistor
(Hereinafter VTwoOThreeCurrent limiter using PTC resistor)
For current-limiting devices with excellent long-term reliability
Related.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年,低圧配電系統においても大容量化
が進展し,それに伴い負荷が短絡した際に流れる過電流
も大電流化しており,ブレーカーについても高遮断容量
化が望まれている。このような技術動向に対応して、大
電流・大電力用の過電流保護素子として酸化バナジウム
系セラミックスを主成分とするV2 3 系PTC抵抗体
素子の利用が期待されている。
2. Description of the Related Art In recent years, the capacity of a low-voltage distribution system has been increased, and the overcurrent flowing when the load is short-circuited has been increased accordingly. In response to such technical trends, the use of a V 2 O 3 -based PTC resistor element containing a vanadium oxide-based ceramic as a main component is expected as an overcurrent protection element for large current and large power.

【0003】V2 3 系PTC抵抗体は100℃〜20
0℃の間で金属から絶縁物に転移する性質(M−I転
移)を有しており、室温付近では比抵抗が10-3Ω・c
mと小さいが、室温から100℃〜150℃にかけてゆ
るやかに増加し、150℃付近で2桁程度急激に増大し
(この急増する温度を転移温度と称する)、150℃〜
200℃においてピークとなり,それ以上の温度では低
下する性質を有する。
A V 2 O 3 -based PTC resistor has a temperature of 100 ° C. to 20 ° C.
It has the property of transition from metal to insulator at 0 ° C. (MI transition), and has a specific resistance of 10 −3 Ω · c near room temperature.
m, but gradually increases from room temperature to 100 ° C. to 150 ° C., rapidly increases by about two orders of magnitude near 150 ° C. (this rapidly increasing temperature is referred to as a transition temperature).
It has the property of peaking at 200 ° C. and decreasing at higher temperatures.

【0004】このような性質を有するV2 3 系PTC
抵抗体は過電流が流れた際のジュール熱により温度が上
昇し,抵抗値が増大することを利用して、その抵抗増大
により過電流を限流することができる。そのため、これ
に電極を接合して限流素子として用いられる。
[0004] V 2 O 3 -based PTC having such properties
By utilizing the fact that the temperature of the resistor rises due to Joule heat when the overcurrent flows and the resistance value increases, the overcurrent can be limited by the increase in the resistance. Therefore, an electrode is joined to this to use as a current limiting element.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかし、これまでのV
2 3 系セラミックスでは、焼成後の初期特性では大き
なPTC倍率が得られているが、転移の繰り返しなどに
よって、PTC倍率が初期のそれよりも大きく低下して
しまい、期待した限流効果が得られないといった問題点
があった。
However, the conventional V
In the 2 O 3 ceramics, a large PTC magnification is obtained in the initial characteristics after firing, but due to repetition of transition, etc., the PTC magnification is much lower than that in the initial stage, and the expected current limiting effect is obtained. There was a problem that it could not be done.

【0006】V2 3 系PTC抵抗体のPTC現象は、
転移温度において結晶のc軸が0.6%収縮し、a軸が
1.0%膨張して、その結晶構造が変化し、バンド構造
が変わることによるものである。そして、転移の際に軸
の伸縮に伴って結晶粒が変形する。このため、隣り合う
結晶粒同士の変形方向が異なる場合には、転移に伴い粒
間、あるいは粒内に応力を生ずる。そして、これを緩和
するために結晶粒界、あるいは粒内にマイクロクラック
が入り、この過程が転移を繰り返すうちに徐々に進行
し、マイクロクラックが素子全体に伝播していく。
The PTC phenomenon of a V 2 O 3 -based PTC resistor is as follows.
This is because at the transition temperature, the c-axis of the crystal contracts by 0.6% and the a-axis expands by 1.0%, whereby the crystal structure changes and the band structure changes. Then, at the time of transition, the crystal grains are deformed along with the expansion and contraction of the axis. For this reason, when the deformation directions of adjacent crystal grains are different, stress is generated between the grains or within the grains due to the transition. In order to alleviate this, microcracks enter the crystal grain boundaries or in the grains, and this process gradually progresses while repeating the transition, and the microcracks propagate to the entire device.

【0007】図5(a)ないし(c)はこの過程を模式
的に示した組織図である。図5(a)は、焼結前の組織
図であり、1はV2 3 系マトリックス粉末である。図
5(b)は焼結後の組織図であり、成長したマトリック
ス結晶粒3が見られる。結晶の熱膨張率に異方性がある
ため、焼結後の冷却過程で発生したマイクロクラック4
が幾つか見られる。図5(c)は、転移を繰り返した限
流素子の組織であり、マトリックス結晶粒3間に、進行
した多数のマイクロクラック4が見られる。
FIGS. 5A to 5C are organization diagrams schematically showing this process. FIG. 5A is a structural diagram before sintering, and 1 is a V 2 O 3 matrix powder. FIG. 5B is a structural diagram after sintering, in which the grown matrix crystal grains 3 are seen. Microcracks 4 generated during the cooling process after sintering due to the anisotropy in the coefficient of thermal expansion of the crystal
Some are seen. FIG. 5C shows the structure of a current limiting element that has undergone repeated transition, and a large number of microcracks 4 that have progressed between the matrix crystal grains 3 are seen.

【0008】図5(d)および(e)は、マイクロクラ
ックの発生と成長機構を模式的に示した拡大図である。
転移の際の結晶軸の伸縮により、マトリックス結晶粒3
間あるいはマトリックス結晶粒3内に応力を生じる[図
5(d)]。これを緩和するために結晶粒界や結晶粒内
にマイクロクラック4が入り、更に転移の繰り返しによ
り、マイクロクラック4が進行する[図5(e)]。
FIGS. 5D and 5E are enlarged views schematically showing the generation and growth mechanism of microcracks.
Due to the expansion and contraction of the crystal axis during the transition, matrix crystal grains 3
A stress is generated between or in the matrix crystal grains 3 (FIG. 5D). In order to alleviate this, the microcracks 4 enter the crystal grain boundaries and the crystal grains, and the microcracks 4 further progress by repeating the transition [FIG. 5 (e)].

【0009】図6は、焼結後と、転移を約100回繰り
返した後の限流素子のPTC特性図である。転移を繰り
返した限流素子では、PTC倍率が低くなっていること
と、転移温度が高温側にシフトしていることがわかる。
この劣化要因の一つは、前述した応力緩和に伴う劣化モ
ードである。すなわち、V2 3 系セラミックスにおい
てPTC特性を発現させるためには、ある程度の応力が
結晶粒子にかかっている必要があるが、図5(d)、
(e)に示したように転移の繰り返しによってマイクロ
クラックが進行、伝播して、V2 3 系セラミックスの
結晶粒子の応力が緩和され、PTC倍率が低下するので
ある。
FIG. 6 is a PTC characteristic diagram of the current limiting element after sintering and after the transition is repeated about 100 times. It can be seen that in the current-limiting element that has repeatedly transitioned, the PTC magnification is low and the transition temperature has shifted to a higher temperature side.
One of the factors of this deterioration is the above-mentioned deterioration mode accompanying the stress relaxation. That is, in order to exhibit PTC characteristics in V 2 O 3 ceramics, it is necessary that a certain amount of stress be applied to the crystal grains.
As shown in (e), the microcracks progress and propagate due to the repetition of the transition, the stress of the crystal particles of the V 2 O 3 -based ceramics is relaxed, and the PTC magnification decreases.

【0010】本発明は上述の問題点を解決するためにな
されその目的は、転移の繰り返しに伴うマイクロクラッ
クの伝播を防止し、結晶内応力を維持して、特性変動が
なく、長期信頼性に優れる限流素子を提供することにあ
る。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to prevent the propagation of microcracks due to the repetition of the transition, maintain the stress in the crystal, maintain the characteristics, and improve the long-term reliability. It is to provide an excellent current limiting element.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記課題解決のため本発
明は、酸化バナジウム系セラミックス( V1-X X 2
3 〔Aはアルミニウム、クロム、スカンジウムまたは
ランタノイドから選ばれた少なくとも1種の元素で、
0.001≦x≦0.30〕からなり、正の抵抗温度特
性を有するPTC抵抗体を用いた限流素子において、マ
トリックス結晶粒の中にマトリックス結晶粒より大きい
巨大粒が分散した組織をもつものとする。
[MEANS FOR SOLVING THE PROBLEMS]
Ming is a vanadium oxide ceramic (V1-XAX) Two
OThree [A is aluminum, chromium, scandium or
At least one element selected from lanthanoids,
0.001 ≦ x ≦ 0.30] and has a positive resistance temperature characteristic.
Current limiting element using a PTC resistor
Trix grains are larger than matrix grains
It has a structure in which giant grains are dispersed.

【0012】焼結後に結晶粒内の一部に大きく成長した
結晶粒を作ることによって、転移の際の応力変化による
マイクロクラックが、大きく成長した結晶粒で止まり、
それ以上のマイクロクラックの進行、伝播を防止でき
る。特に、マトリックス結晶粒と、巨大粒とが、同じ組
成のPTC抵抗体からなるものとすれば、原材料を一種
類とすることができる。
[0012] By forming crystal grains that have grown large in a part of the crystal grains after sintering, microcracks due to a change in stress at the time of transition stop at the crystal grains that have grown large.
Further progress and propagation of microcracks can be prevented. In particular, if the matrix crystal grains and the giant grains are made of PTC resistors having the same composition, one kind of raw material can be used.

【0013】巨大粒の割合が、体積比で10〜50%の
範囲にあるものとする。巨大粒の割合が、10%未満で
あると、マイクロクラックの進行を阻止する効果が不足
であり、50%を越えると、焼結後のセラミックスにお
いて一つの巨大粒に働く応力が大きくなり、マイクロク
ラックが巨大粒に進行し、伝播する。マトリックス結晶
粒がA元素を含まない酸化バナジウムで、巨大粒がA元
素を含むPTC抵抗体であるようにすることもできる。
It is assumed that the ratio of the giant particles is in the range of 10 to 50% by volume. If the ratio of the giant grains is less than 10%, the effect of inhibiting the progress of microcracks is insufficient, and if it exceeds 50%, the stress acting on one giant grain in the ceramic after sintering increases, and Cracks propagate and propagate to giant grains. It is also possible that the matrix crystal grains are vanadium oxide containing no element A and the giant grains are PTC resistors containing element A.

【0014】そのようにすれば、マトリックス結晶粒は
転移しないので、転移に伴う異方性の膨張、収縮が無
い。その場合は、巨大粒の割合が、体積比で55〜90
%の範囲にあるものとする。巨大粒の割合が、55%未
満であると、初期PTC倍率が不十分である。90%を
越えると、焼結性が悪く、緻密な構造が得られない。
In this case, since the matrix crystal grains do not transition, there is no anisotropic expansion and contraction accompanying the transition. In that case, the ratio of the giant particles is 55 to 90 in volume ratio.
%. When the ratio of the giant grains is less than 55%, the initial PTC magnification is insufficient. If it exceeds 90%, the sinterability is poor and a dense structure cannot be obtained.

【0015】巨大粒の平均粒径は100〜400μmの
範囲にあるものとする。巨大粒の平均粒径が、100μ
m未満であると、マイクロクラックの進行を阻止する効
果が不十分であり、500μmを越えると、焼結後のセ
ラミックスにおいて一つの巨大粒に働く応力が大きくな
り、マイクロクラックが巨大粒に進行し、伝播する。
The average size of the giant grains is in the range of 100 to 400 μm. The average particle size of the huge particles is 100μ
If it is less than m, the effect of inhibiting the progress of microcracks is insufficient, and if it exceeds 500 µm, the stress acting on one giant grain in the ceramic after sintering increases, and the microcracks progress to giant grains. , Propagate.

【0016】上記のような限流素子の製造方法として
は、マトリックス粉末に、一度焼結して、粗大化させた
核粒子を混合し、焼成する。マトリックス粉末に核粒子
を混合して焼結すると、表面エネルギーの違いにより核
粒子を核として粒成長が進み、核粒子を添加しない場合
に比べて非常に大きな結晶粒が得られる。また、マトリ
ックス粉末も焼結により粒成長するが、前述した大きな
結晶粒ほど粒は大きくならない。このような方法でマト
リックス結晶粒間に、マイクロクラックを阻止する巨大
粒を分散させた組織が得られる。
As a method of manufacturing the current limiting element as described above, the core particles which have been once sintered and coarsened are mixed with the matrix powder and fired. When nuclei particles are mixed with the matrix powder and sintered, grain growth proceeds with the nuclei particles as nuclei due to the difference in surface energy, and extremely large crystal grains are obtained as compared with the case where no nucleus particles are added. The matrix powder also grows by sintering, but the larger the crystal grains, the smaller the grains. By such a method, a structure in which giant grains for preventing microcracks are dispersed between matrix crystal grains is obtained.

【0017】マトリックス粉末の結晶粒の粒径が、0.
05〜2μmであり、核結晶の粒径を50〜300μm
とするとよい。そのような配合で、焼結後は0.5〜1
0μmのマトリックス結晶粒と、100〜400μmの
巨大粒となる。マトリックス粉末と核粒子とがいずれも
A元素を含む酸化バナジウム系セラミックスである場合
には、核粒子の割合を重量比で5〜30%の範囲とする
のがよい。
When the particle size of the crystal grains of the matrix powder is 0.
0.5 to 2 μm, and the particle size of the core crystal is 50 to 300 μm.
It is good to With such a composition, after sintering 0.5 to 1
Matrix grains of 0 μm and giant grains of 100 to 400 μm. When both the matrix powder and the core particles are vanadium oxide-based ceramics containing the element A, the ratio of the core particles is preferably in the range of 5 to 30% by weight.

【0018】そのようにすれば、焼結後巨大粒の割合
(体積比)は、適当な10〜50%になる。マトリック
ス粉末がA元素を含まない酸化バナジウムであり、核粒
子がA元素を含む酸化バナジウム系セラミックスでああ
る場合には、核粒子の割合を50〜90%の範囲とする
のがよい。
In this case, the ratio (volume ratio) of the giant grains after sintering becomes an appropriate 10 to 50%. When the matrix powder is vanadium oxide containing no element A and the core particles are vanadium oxide-based ceramics containing element A, the ratio of the core particles is preferably in the range of 50 to 90%.

【0019】そのようにすれば、焼結後巨大粒の割合
(体積比)は、PTC特性を維持し、かつマイクロクラ
ックの抑止に適当な55〜90%になる。
By doing so, the ratio (volume ratio) of the giant grains after sintering becomes 55 to 90%, which is suitable for maintaining PTC characteristics and for suppressing microcracks.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】次にこの発明の実施例を図面に基
づいて説明する。 [実施例1]図1は、本発明の実施例にかかるPTC抵
抗体の模式的に表した組織図である。3はPTC特性を
有する例えば組成が(V0.9965Cr0.00352 3 のマ
トリックス結晶粒であり、5は同じ組成の巨大粒であ
る。例えば、マトリックス結晶粒3の粒径は0.5〜1
0μmであり、巨大粒5の粒径は100〜400μmで
ある。このように、均一な結晶粒3の中に適度に巨大粒
5が分散された組織となっている。巨大粒5は、断面の
10〜50%を占めている。すなわち体積比で10〜5
0%を占めていることになる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Embodiment 1 FIG. 1 is a schematic diagram showing a PTC resistor according to an embodiment of the present invention. 3 is has e.g. composition PTC characteristics (V 0.9965 Cr 0.0035) 2 0 3 matrix grains, 5 is huge grains of the same composition. For example, the particle size of the matrix crystal grains 3 is 0.5 to 1
0 μm, and the particle size of the giant grains 5 is 100 to 400 μm. In this way, the structure is such that the giant grains 5 are appropriately dispersed in the uniform crystal grains 3. The giant grains 5 occupy 10 to 50% of the cross section. That is, 10 to 5 by volume ratio
That is, it occupies 0%.

【0021】図2は、図1の組織を持つ限流素子の製造
工程を示すフロー図である。以下、この図を参照しなが
ら本発明のPTC抵抗体の製造工程を説明する。 (1)五酸化バナジウム(V2 5 )または三酸化バナ
ジウム(V2 3 )、酸化クロム(Cr2 3 )、酸化
鉄(Fe2 3 )粉末を、焼成後の組成が(V0. 9965
0.00352 3 +Fe5重量%となるように配合し、
水を加え湿式ボールミルで12時間混合・粉砕したスラ
リーを、凍結乾燥してマトリックス粉末を得る。マトリ
ックス粉末の粒径は0.05〜2μm程度である。 (2)マトリックス粉末の一部を、水素気流中、170
0℃で10時間焼成した後、めのう乳鉢などを使い細か
く砕いて、巨大粒の核となる核粒子とする。核粒子の平
均粒径は、後述の理由から50〜300μmとするのが
よい。 (3)次に、(2)の核粒子を、マトリックス粉末に入
れ、混合機で十分に混合し、金型で所定の形状に成形す
る。このとき、核粒子の混合率は重量比で5〜30%と
なるようする。(マトリックス粉末と核粒子とは、同じ
物質であるので、重量比は、体積比に等しい。)核粒子
が多すぎると焼結後のセラミックスにおいて、粒径の大
きい粒子の占める割合が多くなって、一つの粒子にかか
る応力が大きくなり、それを緩和するためにマイクロク
ラックが成長した巨大粒内に進行し、伝播するからであ
る。また、粒が大きくなることでV2 3 セラミックス
の機械的強度が低下する問題もある。図3(a)は、S
EM(走査型電子顕微鏡)で観察した焼結前の模式的な
組織図であり、マトリックス粉末1中に分散した核粒子
2が見られる。 (4)水素気流中で1550℃で1時間焼成する。図3
(b)は焼結後の組織図であり、成長したマトリックス
結晶粒3と巨大粒5とが見られる。結晶の熱膨張率に異
方性があるため、焼結後の冷却過程で発生したマイクロ
クラック4が幾つか見られる。核粒子をマトリックス粉
末に混合して焼結すると、表面エネルギーの違いにより
核粒子を核として粒成長が進み、核粒子を添加しない場
合に比べて非常に大きな結晶粒が得られる。また、マト
リックス粉末も焼結により粒成長するが、前述した大き
な結晶粒ほどは大きくならない。5〜30%添加した核
粒子は、焼結により成長して断面の10〜50%(=体
積比)を占めるようになる。 (5)焼成したPTC抵抗体にAg−Cu共晶ろうを介
してMo電極を、真空中で750℃×5分間の熱処理に
よりろう付けし、限流素子とする。
FIG. 2 is a flowchart showing a manufacturing process of the current limiting element having the structure shown in FIG. Hereinafter, the manufacturing process of the PTC resistor of the present invention will be described with reference to FIG. (1) Vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) or vanadium trioxide (V 2 O 3 ), chromium oxide (Cr 2 O 3 ), iron oxide (Fe 2 O 3 ) 0. 9965 C
r 0.0035 ) 2 O 3 + Fe 5% by weight
The slurry obtained by adding water and mixing and crushing with a wet ball mill for 12 hours is freeze-dried to obtain a matrix powder. The particle size of the matrix powder is about 0.05 to 2 μm. (2) A part of the matrix powder was placed in a hydrogen stream at 170
After baking at 0 ° C. for 10 hours, the mixture is finely crushed using an agate mortar or the like to obtain core particles serving as nuclei of giant particles. The average particle size of the core particles is preferably set to 50 to 300 μm for the reason described later. (3) Next, the core particles of (2) are put into a matrix powder, sufficiently mixed by a mixer, and formed into a predetermined shape by a mold. At this time, the mixing ratio of the core particles is set to 5 to 30% by weight. (Because the matrix powder and the core particles are the same substance, the weight ratio is equal to the volume ratio.) If the number of the core particles is too large, the proportion of the particles having a large particle diameter in the sintered ceramic increases. This is because the stress applied to one particle increases, and microcracks propagate and propagate in the grown giant particles in order to alleviate the stress. In addition, there is also a problem that the mechanical strength of the V 2 O 3 ceramics decreases due to the increase in the size of the grains. FIG.
FIG. 2 is a schematic structure diagram before sintering observed by EM (scanning electron microscope), in which core particles 2 dispersed in a matrix powder 1 can be seen. (4) Firing at 1550 ° C. for 1 hour in a hydrogen stream. FIG.
(B) is a structure diagram after sintering, in which grown matrix crystal grains 3 and giant grains 5 are seen. Due to the anisotropy in the coefficient of thermal expansion of the crystal, some microcracks 4 generated in the cooling process after sintering are observed. When the core particles are mixed with the matrix powder and sintered, grain growth proceeds with the core particles as nuclei due to the difference in surface energy, and very large crystal grains can be obtained as compared with the case where no core particles are added. The matrix powder also grows by sintering, but does not become as large as the large crystal grains described above. The core particles added with 5 to 30% grow by sintering and occupy 10 to 50% (= volume ratio) of the cross section. (5) The Mo electrode is brazed to the fired PTC resistor via a Ag-Cu eutectic solder by a heat treatment at 750 ° C for 5 minutes in a vacuum to form a current limiting element.

【0022】図4は、図1のような組織をもつ本発明に
かかる限流素子のPTC特性図である。100回の転移
を繰り返した後でも、PTC特性の劣化が抑えられてい
ることがわかる。図3(c)は、転移を繰り返した後の
限流素子の組織図である。マトリックス結晶粒3間に進
行したマイクロクラック4が、大きく成長した巨大粒5
で止められ、それ以上の伝播を防いでいる様子が見られ
る。
FIG. 4 is a PTC characteristic diagram of the current limiting element having the structure shown in FIG. 1 according to the present invention. It can be seen that the deterioration of the PTC characteristics is suppressed even after repeating the transition 100 times. FIG. 3C is a structural diagram of the current limiting element after the transition is repeated. The micro-cracks 4 that have progressed between the matrix crystal grains 3 are large
It can be seen that it has been stopped at that point, preventing further transmission.

【0023】核粒子の粒径を変える実験をおこなった結
果および限流素子としての適、不適を○と×で表1に示
した。比較のため、核粒子を加えない従来のPTC抵抗
体についての結果も同表に示した。
Table 1 shows the results of an experiment in which the particle size of the core particles was changed, and the suitability and unsuitability of the current limiting element as ○ and ×. For comparison, the results for the conventional PTC resistor without the addition of nuclear particles are also shown in the table.

【0024】[0024]

【表1】 [Table 1]

【0025】核粒子の平均粒径を、10〜500μmの
範囲で変えても、初期のPTC倍率はそれほど変わらな
かった。しかし、転移を繰り返した後のPTC倍率は、
平均粒径10μmのもの、500μmのものでは、PT
C倍率の大幅な低下が見られた。平均粒径30〜300
μmの範囲のものは、PTC特性の変化は従来のものよ
りもはるかに低く抑えられ、転移の繰り返しによる特性
劣化が防止できていることが分かる。
Even if the average particle size of the core particles was changed in the range of 10 to 500 μm, the initial PTC magnification did not change much. However, the PTC magnification after repeated metastasis is
For those with an average particle size of 10 μm and 500 μm, PT
A significant decrease in C magnification was observed. Average particle size 30-300
It can be seen that in the range of μm, the change of the PTC characteristics is suppressed much lower than that of the conventional one, and the characteristic deterioration due to the repetition of the transition can be prevented.

【0026】なお、転移繰り返し後の組織をSEMで観
察した結果も表1に記載した。核粒子の平均粒径が10
μmのものでは、マトリックス粉末との粒径差が小さい
ため、焼成によって核粒子はそれほど成長せず、従来の
限流素子と同様にマイクロクラックが全体に伝播してい
るのが観察された。核粒子の平均粒径30〜300μm
の範囲のものでは、マイクロクラックが巨大粒のまわり
に集中し、伝播が防止されていた。
Table 1 also shows the results of SEM observation of the tissue after the repetition of the metastasis. The average particle size of the core particles is 10
In the case of μm, since the difference in particle size from the matrix powder was small, the core particles did not grow so much by firing, and it was observed that microcracks propagated throughout as in the conventional current limiting device. Average particle size of core particles 30 to 300 μm
In the range, microcracks concentrated around the giant grains, and propagation was prevented.

【0027】核粒子の平均粒径が500μmのもので
は、巨大粒内にマイクロクラックが進行しているのが観
察された。これは、核粒子の数が少なく、マイクロクラ
ックが成長した巨大粒に集中して応力が大きくなるため
と考えられる。PTC倍率の低下が、従来の製造方法に
よるものより大きくなるのは、これが原因であろう。従
って、核粒子の平均粒径としては50〜300μmの範
囲が適当である。また核粒子としては、スラリーを造粒
したものを一度焼成し、粉砕した粉末を用いることもで
きる。
When the average particle diameter of the core particles was 500 μm, it was observed that microcracks were advanced in the giant particles. This is considered to be because the number of core particles is small and the stress is concentrated on the giant grains on which the microcracks have grown, and the stress increases. This may be the reason why the reduction in PTC magnification is larger than that by the conventional manufacturing method. Therefore, the average particle size of the core particles is suitably in the range of 50 to 300 μm. Further, as the core particles, powder obtained by firing a slurry obtained by granulating the slurry once and pulverizing the slurry may be used.

【0028】[実施例2]マトリックス粉末として、焼
結後にPTC特性を有しないV2 3 粉末を使用する。
すなわちPTC特性を起こす副成分を添加せず、V2
5 またはV2 3原料と焼結剤となる、Fe2 3 とを
使用する。核粒子とするのは、PTC特性を起こす副成
分をも添加したV2 3 系セラミックスであり、実施例
1と同様の方法で得られたものである。マトリックス粉
末の粒径は0.05〜2μm程度、核粒子の粒径は50
〜300μmである。
Example 2 As a matrix powder, a V 2 O 3 powder having no PTC characteristics after sintering is used.
That is, V 2 O was added without adding a sub-component causing PTC characteristics.
5 or V 2 O 3 raw material and Fe 2 O 3 serving as a sintering agent are used. The core particles are V 2 O 3 -based ceramics to which a subcomponent causing PTC characteristics is also added, and are obtained by the same method as in Example 1. The particle size of the matrix powder is about 0.05 to 2 μm, and the particle size of the core particles is 50
300300 μm.

【0029】限流素子の製造工程は、実施例1とほぼ同
様であり、マトリックス粉末と核粒子とを混合機で十分
に混合し、金型で所定の形状に成形した後、水素気流中
1550℃で1時間焼成した。ただし、マトリックス粉
末と核粒子との混合比は、次の理由により核粒子が(重
量比で)50〜90%となるようにする。但し、この場
合も、マトリックス粉末と、核粒子の比重はほぼ等しい
ので、重量比と体積比はほぼ同じである。焼結後の組織
を観察したところ、巨大粒は断面の55〜90%(=体
積比)を占めていた。特に核粒子が多い場合は、粒成長
の余地が少ないせいか巨大粒の占める比率は余り変わら
なかった。そしてマトリックス結晶粒部分には、殆どマ
イクロクラックが見られなかった。これは、マトリック
ス粉末に由来するマトリックス結晶粒の部分が、PTC
特性を有せず、転移に伴う異方性の膨張、収縮が無いた
めである。
The manufacturing process of the current limiting element is almost the same as that of the first embodiment. The matrix powder and the core particles are sufficiently mixed by a mixer, formed into a predetermined shape by a mold, and then placed in a hydrogen stream at 1550. Calcination was carried out at ℃ for 1 hour. However, the mixing ratio between the matrix powder and the core particles is such that the core particles are 50 to 90% (by weight) for the following reasons. However, also in this case, since the specific gravity of the matrix powder and the specific gravity of the core particles are substantially equal, the weight ratio and the volume ratio are substantially the same. Observation of the structure after sintering revealed that the giant grains occupied 55 to 90% (= volume ratio) of the cross section. In particular, when there were many core particles, the ratio of the giant grains did not change much because there was little room for grain growth. Microcracks were scarcely found in the matrix crystal grains. This is because the matrix grains derived from the matrix powder
This is because they have no characteristics and there is no anisotropic expansion and contraction accompanying the transition.

【0030】核粒子の混合率を変える実験をおこなった
結果を表2に示す。
Table 2 shows the results of an experiment in which the mixing ratio of the core particles was changed.

【0031】[0031]

【表2】 [Table 2]

【0032】核粒子の混合率を30%とした限流素子
は、初期のPTC倍率が低い。これは、副成分を添加し
たPTC特性を有する核粒子が少なく、PTC特性を有
しないマトリックス粉末に由来するマトリックス結晶粒
の占める割合が大きいためである。ただし、この限流素
子は、PTC倍率の低下はやや少なめであった。これ
は、前述のようにマトリックス結晶粒の部分が、PTC
特性を有しないので、転移に伴う結晶構造の変化がな
く、従ってマイクロクラックが進行が少なく、応力緩和
によるPTC特性の低下が抑えられるのである。
The current limiting element in which the mixing ratio of the core particles is 30% has a low initial PTC magnification. This is because there are few core particles having PTC characteristics to which sub-components are added, and the ratio of matrix crystal grains derived from the matrix powder having no PTC characteristics is large. However, in this current limiting element, the reduction in the PTC magnification was slightly smaller. This is because, as described above, the matrix grains
Since it has no properties, there is no change in the crystal structure due to the transition, so that micro-cracks do not progress much, and a decrease in PTC properties due to stress relaxation can be suppressed.

【0033】核粒子の混合率を、50〜90%としたも
のは、初期PTC倍率が大きく、転移を繰り返した後の
低下も少ない。転移繰り返し後の組織をSEMで観察し
た結果も表2に記載した。核粒子混合率30〜90%の
範囲で、マイクロクラックが巨大粒の周囲に集中してい
ることが確認された。
When the mixing ratio of the core particles is 50 to 90%, the initial PTC magnification is large, and the decrease after repeated transition is small. Table 2 also shows the results of SEM observation of the tissue after repeated metastasis. It was confirmed that microcracks were concentrated around the giant grains in the range of the core particle mixing ratio of 30 to 90%.

【0034】核粒子混合率が90%を越える場合には、
焼結性が悪くなり、緻密な構造が得られなかったため、
PTC特性の測定をおこなわなかった。以上より、核粒
子の混合の割合は、重量比で50〜90%の範囲が望ま
しいことがわかる。上記実施例においては、核粒子製造
工程として粉末を一度焼成し粒成長させ、それを解砕し
たが、造粒した後焼成してもよい。
When the mixing ratio of the core particles exceeds 90%,
Sinterability deteriorated and a dense structure could not be obtained.
PTC characteristics were not measured. From the above, it is understood that the mixing ratio of the core particles is desirably in the range of 50 to 90% by weight. In the above embodiment, the powder is fired once to grow the grains and then crushed as the core particle production step, but the powder may be fired after granulation.

【0035】例えば、特公昭56−11203号公報他
に、酸化亜鉛からなる電圧非直線抵抗体において、原料
粉末に核粒子を加えて焼成する方法が開示されている。
しかし、その発明は、核粒子を加えて焼成するという手
段は類似しているが、核粒子を核にして結晶成長を促
し、全体を巨大結晶粒の組織とすることを意図したもの
である。図7はその模式的な組織図である。すなわち、
細かい結晶粒組織のなかに巨大粒を分散させることを意
図した本発明とは、物質も、解決すべき課題も、また焼
成後の組織も、全く異なるものである。
For example, Japanese Patent Publication No. 56-11203 discloses a method of adding a core particle to a raw material powder and firing the voltage non-linear resistor made of zinc oxide.
However, in the invention, although the means of adding and sintering core particles is similar, the invention intends to promote crystal growth using the core particles as nuclei and to form a structure of giant crystal grains as a whole. FIG. 7 is a schematic organization diagram. That is,
The present invention, which is intended to disperse giant grains in a fine grain structure, has completely different substances, problems to be solved, and structures after firing.

【0036】[0036]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、マ
トリックス粉末に核粒子を混合して焼結し、結晶粒内の
一部に大きく成長した巨大粒を分散させることによっ
て、転移の際の応力変化によるマイクロクラックの進
行、伝播を防止できる。このような、限流素子は、転移
を繰り返してもマイクロクラックの進行、伝播による応
力緩和がなされないため、PTC特性の劣化が防止さ
れ、長期信頼性に優れる限流素子が得られる。
As described above, according to the present invention, the core particles are mixed with the matrix powder, sintered, and the large grains that have grown greatly are dispersed in a part of the crystal grains, thereby enabling the transition during the transition. , The propagation and propagation of microcracks due to the change in stress can be prevented. In such a current limiting element, the stress is not relaxed due to the progress and propagation of the microcrack even if the transition is repeated, so that the deterioration of the PTC characteristic is prevented, and a current limiting element excellent in long-term reliability can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明実施例の限流素子の模式的な組織図FIG. 1 is a schematic organization diagram of a current limiting element according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の限流素子の製造工程を示す流れ図FIG. 2 is a flowchart showing a manufacturing process of the current limiting element of the present invention.

【図3】(a)は限流素子の焼成前の模式な組織図、
(b)は焼成後の組織図、(c)は転移を繰り返した後
の組織図
FIG. 3A is a schematic structural diagram of a current limiting element before firing,
(B) is a structural diagram after firing, and (c) is a structural diagram after repeated transition.

【図4】本発明の限流素子のPTC特性図FIG. 4 is a PTC characteristic diagram of the current limiting element of the present invention.

【図5】(a)〜(c)は、従来の製造方法による限流
素子の模式的な組織図、(d)、(e)は転移繰り返し
時の結晶軸の伸縮によるマイクロクラックの発生、進行
を示した拡大図
5 (a) to 5 (c) are schematic structural diagrams of a current limiting element according to a conventional manufacturing method, and FIGS. 5 (d) and 5 (e) show generation of microcracks due to expansion and contraction of a crystal axis during repeated transition. Enlarged view showing progress

【図6】従来の限流素子のPTC特性図FIG. 6 is a PTC characteristic diagram of a conventional current limiting element.

【図7】電圧非直線抵抗体の模式的な組織図FIG. 7 is a schematic organization diagram of a voltage nonlinear resistor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 マトリックス粉末 2 核粒子 3 マトリックス結晶粒 4 マイクロクラック 5 巨大粒 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Matrix powder 2 Core particle 3 Matrix crystal grain 4 Micro crack 5 Huge grain

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 国原 健二 神奈川県川崎市川崎区田辺新田1番1号 富士電機株式会社内 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Kenji Kunihara 1-1-1 Tanabe Nitta, Kawasaki-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Prefecture Inside Fuji Electric Co., Ltd.

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】酸化バナジウム系セラミックス( V1-X
X 2 3 〔Aはアルミニウム、クロム、スカンジウム
またはランタノイドから選ばれた少なくとも1種の元素
で、0.001≦x≦0.30〕からなり、正の抵抗温
度特性を有するPTC抵抗体を用いた限流素子におい
て、マトリックス結晶粒の中にマトリックス結晶粒より
大きい巨大粒が分散した組織をもつことを特徴とする限
流素子。
1. A vanadium oxide-based ceramic (V1 - XA)
X ) 2 O 3 [A is at least one element selected from the group consisting of aluminum, chromium, scandium and lanthanoids, and is composed of 0.001 ≦ x ≦ 0.30] and has a positive resistance temperature characteristic PTC resistor. The current limiting element used has a structure in which giant grains larger than the matrix crystal grains are dispersed in the matrix crystal grains.
【請求項2】マトリックス結晶粒と、巨大粒とが、同じ
組成のPTC抵抗体からなることを特徴とする請求項1
記載の限流素子。
2. The method according to claim 1, wherein the matrix crystal grains and the giant grains are made of PTC resistors having the same composition.
Current limiting element as described.
【請求項3】巨大粒の割合が、体積比で10〜50%の
範囲にあることを特徴とする請求項2記載の限流素子。
3. The current limiting element according to claim 2, wherein the ratio of the giant particles is in the range of 10 to 50% by volume.
【請求項4】マトリックス結晶粒がA元素を含まない酸
化バナジウムで、巨大粒がA元素を含むPTC抵抗体で
あることを特徴とする請求項1記載の限流素子。
4. The current limiting element according to claim 1, wherein the matrix crystal grains are vanadium oxide containing no A element, and the giant grains are PTC resistors containing the A element.
【請求項5】巨大粒の割合が、体積比で55〜90%の
範囲にあることを特徴とする請求項4記載の限流素子。
5. The current limiting element according to claim 4, wherein the proportion of the giant particles is in the range of 55 to 90% by volume.
【請求項6】巨大粒の平均粒径が100〜400μmの
範囲にあることを特徴とする請求項1ないし5のいずれ
かに記載の限流素子。
6. The current limiting device according to claim 1, wherein the average size of the giant particles is in the range of 100 to 400 μm.
【請求項7】酸化バナジウム系セラミックス( V1-X
X 2 3 〔Aはアルミニウム、クロム、スカンジウム
またはランタノイドから選ばれた少なくとも1種の元素
で、0.001≦x≦0.30〕からなり、正の抵抗温
度特性を有するPTC抵抗体を用いた限流素子の製造方
法において、マトリックス粉末に、一度焼結して、粗大
化させた核粒子を混合し、焼成することを特徴とする限
流素子の製造方法。
7. A vanadium oxide-based ceramic (V 1-X A)
X ) 2 O 3 [A is at least one element selected from the group consisting of aluminum, chromium, scandium and lanthanoids, and is composed of 0.001 ≦ x ≦ 0.30] and has a positive resistance temperature characteristic PTC resistor. A method for manufacturing a current-limiting element, comprising: mixing core particles that have been once sintered and coarsened with a matrix powder, followed by firing.
【請求項8】マトリックス粉末の粒径が、0.05〜2
μmであり、核粒子の粒径を50〜300μmとするこ
とを特徴とする請求項7記載の限流素子の製造方法。
8. The matrix powder having a particle size of 0.05 to 2
The method according to claim 7, wherein the core particles have a particle diameter of 50 to 300 m.
【請求項9】マトリックス粉末と核粒子とがいずれもA
元素を含む酸化バナジウム系セラミックスであり、核粒
子の割合を重量比で5〜30%の範囲とすることを特徴
とする請求項7または8に記載の限流素子の製造方法。
9. Both the matrix powder and the core particles are A
The method for producing a current limiting element according to claim 7 or 8, wherein the element is a vanadium oxide-based ceramic containing an element, and a ratio of core particles is in a range of 5 to 30% by weight.
【請求項10】マトリックス粉末がA元素を含まない酸
化バナジウムであり、核粒子がA元素を含む酸化バナジ
ウム系セラミックスであり、核粒子の割合を重量比で5
0〜90%の範囲とすることを特徴とする請求項7また
は8に記載の限流素子の製造方法。
10. The matrix powder is vanadium oxide containing no element A, the core particles are vanadium oxide-based ceramics containing element A, and the ratio of the core particles is 5% by weight.
9. The method for manufacturing a current limiting element according to claim 7, wherein the current limiting element is set in a range of 0 to 90%.
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