JPH1179833A - チタン酸バリウム系半導体磁器 - Google Patents
チタン酸バリウム系半導体磁器Info
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Abstract
電圧のチタン酸バリウム系半導体磁器を提供する。製品
素子として十分な機能を果たすために適度の室温比抵抗
を有するチタン酸バリウム系半導体磁器を提供する。 【解決手段】 BaTiO3 を主成分として含有し、B
a2 TiSi2 O8 およびBan Tim On+2m(1≦n
≦4、2≦m≦13、n<m)を微量相の組成物として
それぞれ含有してなるチタン酸バリウム系半導体磁器で
あって、前記微量相の組成物であるBa2 TiSi2 O
8 とBan Tim On+2mとの含有比(Ba2 TiSi2
O8 /Ban Tim On+2m)が、0.5〜80.0であ
るように構成される。
Description
体やカラーテレビの自動消磁装置に用いられ、正の温度
係数(PTC: Positive Temperature Coefficient) を有す
るチタン酸バリウム系半導体磁器(PTCサーミスタ)
に関する。
ン酸バリウムBaTiO3 は、希土類やニオブ、アンチ
モン等の半導化剤を微量添加することによって半導体化
し、キュリー点以上の温度で抵抗値が急激に上昇するP
TC(Positive TemperatureCoefficient)現象を示すこ
とが知られている。
究が活発に行われており、チタン酸バリウム系の半導体
磁器組成物は、種々の発熱体やスイッチング素子、セン
サ、カラーテレビの自動消磁装置などとして実用化され
ている。
器は、製品素子としての信頼性を保証するために高い耐
電圧が要求される。また、製品素子として十分な機能を
果たすために、大き過ぎず小さ過ぎない適度の室温比抵
抗(例えば、比抵抗ρ25が10〜400Ω・cm)を有
することが望まれる。
るために、特開平4−338601号公報、特開平7−
335404号公報に開示されているような種々の提案
がなされている。すなわち、特開平4−338601号
公報には、チタン酸バリウム半導体燒結体の中心部のB
a2 TiSi2 O8 (111)面のX線回折強度In
と、燒結体表面部Ba2 TiSi2 O8 (111)面の
X線回折強度Isとの比In/Isを7以上にして、耐
電圧を向上させる旨の提案がなされている。また、特開
平7−335404号公報には、チタン酸バリウムの主
成分に、過剰のTiO2 を、主成分1モルに対して0.
5〜3モル%含有させることによって、抵抗温度係数、
耐電圧の高いチタン酸バリウム系半導体磁器が得られる
旨の提案がなされている。
開平4−338601号公報や特開平7−335404
号公報に開示されているチタン酸バリウム系半導体磁器
は、いずれもある程度の耐電圧の向上はみられるものの
決して十分な値であるとは言えない。さらに、特開平4
−338601号公報記載のものは、常温抵抗値が0.
85〜0.87程度と小さ過ぎる。また、素子の形態に
よっては、X線回折強度の測定箇所を特定することが困
難となり、公報提案どおりの要件を満たす素子をつくる
ことが極めて困難である。さらに、特開平7−3354
04号公報記載のものは、常温抵抗値が大き過ぎて絶縁
体に近く、本発明が目的とする用途には適さない。
たものであって、その目的は、製品素子として高い信頼
性を保証できる高耐電圧のチタン酸バリウム系半導体磁
器を提供することにある。また、製品素子として十分な
機能を果たすために大き過ぎず小さ過ぎない適度の室温
比抵抗(例えば、比抵抗ρ25が10〜400Ω・cm)
を有するチタン酸バリウム系半導体磁器を提供すること
にある。
に、本発明は、BaTiO3 を主成分として含有し、B
a2 TiSi2 O8 およびBan Tim On+2m(1≦n
≦4、2≦m≦13、n<m)を微量相の組成物として
それぞれ含有してなるチタン酸バリウム系半導体磁器で
あって、前記微量相の組成物であるBa2 TiSi2 O
8 とBan Tim On+2mとの含有比(Ba2 TiSi2
O8 /Ban Tim On+2m)が、0.5〜80.0であ
るように構成される。
前記微量相の組成物であるBa2 TiSi2 O8 の含有
割合は、BaTiO3 ペロブスカイト相に対するBa2
TiSi2 O8 相のX線回折(XRD)のピーク積分強
度比(Ba2 TiSi2 O8相の(211)面ピーク積
分強度/ペロブスカイト相の(110)面ピーク積分強
度)で表して、0.002〜0.03であるように構成
される。
原材料配合におけるBaTiO3 主成分をABO3 型チ
タン酸バリウムと表記した場合、A/B(モル比)が、
0.970以上1.000未満であり、原材料配合にお
けるSiO2 含有量が0.15〜3.7モル%であるで
あるように構成される。
について詳細に説明する。
は、BaTiO3 ペロブスカイト相を主成分として含有
し、この相以外にBa2 TiSi2 O8 およびBan T
im On+2m(1≦n≦4、2≦m≦13、n<m)を微
量相の組成物としてそれぞれ含有している。
a2 TiSi2 O8 とBan TimOn+2mとの含有比
(Ba2 TiSi2 O8 /Ban Tim On+2m)は、
0.5〜80.0とされる。この含有比が0.5未満と
なると、磁器が半導体化しなかったり、室温比抵抗ρ25
が極端に大きくなったり、燒結性が悪くなったりすると
いう不都合が生じてしまう。また、この含有比が80.
0を超えると磁器が半導体化しなかったり、室温比抵抗
ρ25が極端に小さくなったりするという不都合が生じて
しまう。
線回折(XRD)によって確認され、X線回折図の25
〜30degの範囲で、(211)面ピークとして確認
される。Ban Tim On+2m微量相の生成もまた、X線
回折(XRD)によって確認され、このものは、X線回
折図の25〜30degの範囲で確認されるチタン酸バ
リウム系の微量相であり、n<m、すなわち、Ti過剰
の相である。Ban Tim On+2m微量相は、その組成を
構成するn,mの値によって複数種類の組成形態をと
り、例えば、(n=4,m=13からなる微量相)、
(n=1,m=2からなる微量相)、(n=2,m
=5からなる微量相)、(n=2,m=9からなる微
量相)等が具体的に挙げられる。
Tim On+2mとの含有比(Ba2 TiSi2 O8 /Ba
n Tim On+2m)は、X線回折(XRD)のピーク積分
強度比により求められる。すなわち、Ba2 TiSi2
O8 相の(211)面ピーク積分強度とBan Tim O
n+2mのピーク積分強度との比により求められ、BanT
im On+2mのピークがn,mの値によって複数生じる場
合には、これらのピーク積分強度の総和をBan Tim
On+2mのピーク積分強度として上記の比を算出する。
相に対する上記Ba2 TiSi2 O8 微量相の含有割合
は、BaTiO3 ペロブスカイト相に対するBa2 Ti
Si2 O8 相のXRDのピーク積分強度比(Ba2 Ti
Si2 O8 相の(211)面ピーク積分強度/ペロブス
カイト相の(110)面ピーク積分強度)で表して、
0.002〜0.03、より好ましくは、0.003〜
0.02とされる。この値が0.002未満となった
り、0.03を超えたりすると、磁器が半導体化しなか
ったり、室温比抵抗ρ25が極端に大きくなったり小さく
なったりし、さらに燒結性が悪くなったりするという不
都合が生じてしまう。
相および上記の微量相を形成するに際して、原材料配合
におけるBaTiO3 主成分をABO3 型チタン酸バリ
ウムと表記した場合、A/B(モル比)が、0.970
以上1.000未満とすることが好ましい。ここで、A
は、2価の元素Ba,Ca,Pb等を表し、Bは4価の
元素Ti,Zr,Sn等を表す。
含有され、このSiO2 含有量は、0.15〜3.7モ
ル%とすることが好ましい。このSiO2 含有量がこの
範囲を外れたり、上記BaTiO3 主成分のBaO/T
iO2 (モル比)が上記範囲を外れたりすると、Ba2
TiSi2 O8 微量相とBan Tim On+2m微量相が本
発明の所定の割合で形成されず、磁器が半導体化しなか
ったり、適度な室温比抵抗ρ25が得られなかったり、燒
結性が悪くなったりするという不都合が生じてしまう。
組成物の中には、半導体化するための半導体化剤が含有
される。半導体化剤としては、Y、希土類元素(La,
Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,D
y,Ho,Er,Tm,Yb,Lu)、Nb、Ta、
W、Sb、Bi,Thのうち一種類以上であることが好
ましく、特に原料コストの点からY、La、Ce、N
b、TaおよびSbのうち一種類以上が好ましい。これ
らの元素は組成物中において、BaTiO3 を主成分と
したペロブスカイト型酸化物のBa,Ti等の構成元素
を一部置換する形で含有されていてもよい。半導体化剤
の主成分(BaTiO3 )における含有率は、酸化物に
換算して、通常、0.03〜0.5重量%の範囲とする
ことが好ましい。
改質剤としてMnを含有させることが好ましい。Mnを
含有させることによって、抵抗温度係数を増大させるこ
とができる。Mnは、組成物中において、ペロブスカイ
ト型酸化物の構成元素Ba,Tiを一部置換する形で含
有されていてもよい。Mnの主成分(BaTiO3 )に
おける含有率は、MnOに換算して、0.1重量%以
下、特に、0.01〜0.05重量%程度であることが
好ましい。
体磁器の製造方法について説明する。まず最初に、主成
分としてのBaTiO3 と、微量相としてのBa2 Ti
Si2 O8 およびBan Tim On+2m(1≦n≦4、2
≦m≦13、n<m)とが所定量形成されるように、原
料を配合・混合する。つまり原材料配合におけるBaT
iO3 主成分の上記A/B比(モル比)が、0.970
以上1.000未満であり、原材料配合におけるSiO
2 含有量が0.15〜3.7モル%とすることが必要で
ある。
物が用いられる。この他、焼成によってこれらの酸化物
や複合酸化物となる各種化合物、例えば、炭酸塩、シュ
ウ酸塩、硝酸塩、水酸化物、有機金属化合物等からなる
適宜選択して用いることができる。これらの原料は、通
常、平均粒径0.1〜3μm程度の粉末として用いられ
る。BaTiO3 主成分および微量相(Ba2 TiSi
2 O8 ,Ban TimOn+2m)形成のための具体的な原
料としては、BaCO3 、TiO2 、SiO2等が挙げ
られる。この他、必要に応じてSrCO3 ,CaCO3
等が添加される。通常、原料の配合時に半導体化剤も含
有され、半導体化剤の具体的な原料としては、例えば、
Y2 O3 、La2 O3 、Ce2 O3 、Nb2 O5 、Ta
2 O5 、Sb2 O5 等が挙げられる。さらに、特性向上
のためにMnの原料を添加することが好ましく、Mnの
原料としては、MnCO3 、Mn(NO3 )2 水溶液等
が挙げられる。
混合される。混合は乾式混合によっても湿式混合によっ
てもよく、湿式混合によるときは乾燥してから仮焼すれ
ばよい。
される。仮焼は、仮焼温度1000〜1400℃で行う
ことが好ましい。温度が低くすぎると、BaTiO3 ペ
ロブスカイト相が十分に生成しない。温度が高すぎると
粉砕が困難となる。仮焼時間は、仮焼における最高温度
保持時間で表して、通常、0.5〜6時間程度とされ
る。仮焼の昇降温度速度は100℃/時間〜500℃/
時間程度とすればよい。また、仮焼雰囲気は酸化性雰囲
気とし、通常、大気中で行われる。
式粉砕され、その後乾燥される。得られた粉砕物の粒径
は、平均粒径0.5〜2.0μm程度とすることが好ま
しい。
形状の成形体に成形された後、本焼成される。成形体を
得やすくするために、一般に、上記粉砕物材料にバイン
ダを添加することが望ましい。バインダとしては、例え
ば、ポリビニルアルコール(PVA)等が好適に用いら
れる。バインダの添加量は、通常、粉砕物材料に対して
0.5〜5.0重量%程度とされる。
うことが好ましく、焼成温度は1300〜1400℃で
あることが好ましい。焼成温度が低すぎると、製品であ
る磁器の比抵抗が小さくならず半導体化が十分とならな
い。また焼成温度が高すぎると、異常粒成長が起きやす
い。
おける最高温度保持時間で表して、通常、0.5〜4.
0時間程度とされる。本焼成の昇降温度速度は100℃
/時間〜500℃/時間程度とすればよい。
成条件等によって異なるが、通常、1〜100μm程度
である。グレインサイズは鏡面研磨、およびエッチング
した後の焼成体断面の光学顕微鏡写真あるいは走査顕微
鏡(SEM)写真から求めることができる。
所定の特性のチタン酸バリウム系半導体磁器を得ること
ができる。その一例を挙げれば、室温(25℃)におけ
る室温比抵抗ρ25が10〜400Ω・cm(好ましく
は、40〜100Ω・cm)で、抵抗温度係数αが10
〜20%/℃のもの等である。
囲気下、直径14mm、厚さ2.5mm程度の円盤状の
半導体磁器の両主面にIn−Ga合金をそれぞれ塗布し
て電極を形成した試料を用いて測定した値である。抵抗
温度係数αは、試料の温度を変化させながら抵抗を測定
し、抵抗が最小抵抗値の2倍になったときの温度をT1
、抵抗が最小値の200倍になったときの温度をT2
として下記式(1)により求められる。
ヒータ(定温発熱体)、温度センサ、カラーテレビの消
磁や過電流防止等に用いることができる。
詳細に説明する。
1μm)、CaCO3(平均粒径1μm)、TiO2
(平均粒径1μm)、Y2 O3 (平均粒径3μm)、M
n(NO3 )2 水溶液(0.1モル水溶液)およびSi
O2 (平均粒径3μm)を準備し、これらを下記表1に
示される配合割合で配合した。その後、ボールミルで湿
式混合し、乾燥させた後、仮焼して仮焼物を得た。仮焼
は、仮焼温度1150℃、仮焼時間110分(保持時
間)、大気中の仮焼雰囲気下で行った。この仮焼物をボ
ールミルで湿式粉砕した後、乾燥し、半導体磁器材料を
作製した。この材料の平均粒径は1μmであった。
ルアルコール(PVA)を2重量%加えて造粒し、プレ
スで円板状に成形したものを大気中で1350℃で11
0分(保持時間)本焼成して、直径14mm,厚さ2.
5mmの円板状の半導体磁器サンプル(サンプルNo.
1〜13)を作製した。
ルの両主面にそれぞれIn−Ga合金を塗布し、電気的
特性としての室温における比抵抗ρ25を測定した。ま
た、各サンプルについて、下記の要領で、耐電圧の指標
である破壊電圧を測定した。
印加し、サンプルを予備加熱する。予備加熱後、50V
ごとに、0Vから電圧を印加し、各印加電圧(50V,
100V,150V,……)で1分間保持する。その
際、サンプルが機械的破壊あるいは電流値が100mA
以上流れた時の印加電圧を耐電圧とした。
RD)によるBa2 TiSi2 O8とBan Tim O
n+2mとの含有比(Ba2 TiSi2 O8 /Ban Tim
On+2m)を測定した。測定機器は、マックサイエンス社
のMXP3システムを用い、測定条件は、電流400m
A,電圧40kV,測定角度25〜30degとした。
各微量相の含有量はサンプルの各微量相の積分強度と各
微量相の検量線から求めた。
を1380℃としたものである。
は、n=1,m=2で表される微量相が大部分であり、
サンプルNo.12は、n=2,m=5で表される微量
相が大部分であり、サンプルNo.13は、n=2,m
=9で表される微量相が大部分であり、これら以外のサ
ンプルは、n=4,m=13で表される微量相が大部分
であった。また、表1中の本発明サンプルのものすべて
において、微量相の組成物であるBa2 TiSi2 O8
の含有割合を測定したところ、それらの値は、BaTi
O3 ペロブスカイト相に対するBa2 TiSi2 O8 相
のX線回折(XRD)のピーク積分強度比(Ba2 Ti
Si2 O8 相の(211)面ピーク積分強度/ペロブス
カイト相の(110)面ピーク積分強度)で表して、
0.002〜0.03の範囲内にすべて入っていること
が確認できた。
である。すなわち、本発明のチタン酸バリウム系半導体
磁器は、BaTiO3 を主成分として含有し、Ba2 T
iSi2 O8 およびBan Tim On+2m(1≦n≦4、
2≦m≦13、n<m)を微量相の組成物としてそれぞ
れ含有し、前記微量相の組成物であるBa2 TiSi2
O8 とBan Tim On+2mとの含有比(Ba2 TiSi
2 O8 /Ban Tim On+2m)が、0.5〜80.0で
あるように構成されているので、極めて耐電圧に優れ、
製品素子として高い信頼性を保証できる。しかも製品素
子として十分な機能を果たすための適度の室温比抵抗ρ
25を有する。
Claims (3)
- 【請求項1】 BaTiO3 を主成分として含有し、B
a2 TiSi2 O8およびBan Tim On+2m(1≦n
≦4、2≦m≦13、n<m)を微量相の組成物として
それぞれ含有してなるチタン酸バリウム系半導体磁器で
あって、 前記微量相の組成物であるBa2 TiSi2 O8 とBa
n Tim On+2mとの含有比(Ba2 TiSi2 O8 /B
an Tim On+2m)が、0.5〜80.0であることを
特徴とするチタン酸バリウム系半導体磁器。 - 【請求項2】 前記微量相の組成物であるBa2 TiS
i2 O8 の含有割合は、BaTiO3 ペロブスカイト相
に対するBa2 TiSi2 O8 相のX線回折(XRD)
のピーク積分強度比(Ba2 TiSi2 O8 相の(21
1)面ピーク積分強度/ペロブスカイト相の(110)
面ピーク積分強度)で表して、0.002〜0.03で
ある請求項1記載のチタン酸バリウム系半導体磁器。 - 【請求項3】 原材料配合におけるBaTiO3 主成分
をABO3 型チタン酸バリウムと表記した場合、A/B
(モル比)が、0.970以上1.000未満であり、
原材料配合におけるSiO2 含有量が0.15〜3.7
モル%である請求項1または請求項2に記載のチタン酸
バリウム系半導体磁器。
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