JPS586286B2 - 電圧非直線性抵抗材料及びそれを用いた雑音防止素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、酸化チタン、酸化アンチモン等の半導体化元
素及び酸化ビスマスに添加物として二酸化ケイ素を添加
した焼結体から成り、その抵抗値の電圧依存度が大きく
、かつその特性が焼結体自身に起因し、しかも高温連続
負荷寿命、耐パルス特性のすぐれた電圧非直線性抵抗材
料及びそれを用いた雑音防止素子に関するものである。

近年、音響機器、制御機器及び小型原動機器の急速な進
歩と普及に伴い、小型電動機に起因する雑音の防止、過
電圧からの保護、リレー接点の保護などが重要な課題に
なってきている。

しかし、これらの機器は、全般的に低廉化の傾向にある
ため、前記の課題の解決に際してもこの点を考慮する必
要がある。

これまで、電圧非直線性抵抗材料としては、シリコンカ
ーバイト焼結体バリスタ、セレン及び亜酸化銅バリスタ
、酸化亜鉛焼結体バリスタなどが知られている。

ところで、バリスタの電圧電流特性は、一般に式 で表わされる。

ここで■はバリスタに印加される電圧、■はバリスタを
流れる電流であり、Ｃは所定の電流を流したときの電圧
に対応する定数である。

また指数αは非直線係数であって、次式によって求める
ことができる。

ここでＶ１とｖ２はそれぞれ与えられた電流Ｉ１と１２
における電圧である。

そして、α＝１のものは、オームの法則に従う通常の抵
抗体であり、αが大きいほど電圧非直線性が優れたもの
ということができるので、これを電圧非直線性抵抗材料
の特性評価の目安とすることができる。

また、Ｃについて望ましい値は、バリスタの用途により
変わるが、低電圧用のバリスタにおいては、Ｃ値が低く
、かつ用途に応じた値を容易に実現できることが好まし
い。

これまで用いられている公知のバリスタのうち，シリコ
ンカーバイト系バリスタは、粒径１００μ前後のシリコ
ンカーバイド粒子を粘土で焼き固めて製造され、その電
圧非直線性は粒子間の抵抗の電圧依存性によるため、Ｃ
の値はバリスタの厚み、すなわち電流が流れる方向の粒
界の数を変えることによって、調整可能である。

しかし、低電圧用の場合には、粒界１個当りのＣ値が高
いために、粒界数を減らさなければならず、粒界数を減
らせば耐電圧性が低下するという問題を生じる。

また、このものは非直線指数αも３〜７と比較的小さい
し、シリコンカーバイドが硬いため成形の際に使用する
金型の摩耗が激しく精巧な形状にしがたいという欠点を
有している。

他方、セレン、亜酸化銅系バリスタには、非直線指数α
が２〜３と小さく、制限電圧を大きくすることができな
いという欠点があり、満足できる材料とはいえない。

さらに、酸化亜鉛系バリスタは、一般に非直線指数αが
１０〜５０と大きく、粒子径も１０μ程度と小さくする
ことができるので電圧範囲も１０〜１０００Ｖに変える
ことができるという長所を有するが、主成分である酸化
亜鉛が化学的に不安定であるため、非直線性の経時的劣
化を免れず、しかも製造に手間がかかり価格が高くなる
という欠点がある。

このような、従来のバリスタの欠点を改善するために、
酸化チタンに添加物として酸化アンチモン酸化ビスマス
を加えて焼結した材料が提案された。

このものは、非直線指数αがシリコンカーバイド系バリ
スタやセレン、亜酸化銅系バリスタよりも高く、しかも
α値を変えることなく所望のＣ値を実現しうるという利
点を有する。

しかしながら、このものは、焼結体中へ添加成分の酸化
アンチモンや酸化ビスマスを均一に分散することが困難
なため品質にバラツキを生じるという欠点があった。

このため本発明者らは、すでにこのような欠点を克服し
、品質の安定した電圧非直線性抵抗材料を開発するため
に酸化アンチモン等の半導体化元素を溶液の形で他の原
料の粉末混合物に添加し、これを焼結することにより、
品質の安定した製品を得ることができることを提案して
いる。

しかし、このような溶液を用いる方法は、製造設備の腐
食や公害問題などの点で問題があり、この対策のために
製造コストが割り高になるなどの欠点を含んでいた。

また、Ｓｂなどの粉末添加では粒径が不均一となるため
に、信頼性も悪く実用性に乏しく、かつ機械的強度が弱
く、加工組み立て時における割れの発生も生じやすく、
歩留まりが悪かった。

加えて、半田付け時にクラツクが生じやすく実用的では
なかった。

このようなモーターにバリスタを実装した場合、信頼性
いわゆる高温負荷寿命、耐パルス特性が悪く、長時間の
使用には耐えられず、モーターの寿命を短かくする原因
となっていた。

本発明は、このような欠点を改良したものであり、酸化
ビスマス０．０５〜１０モル％（Ｂｉ２０３換算）、微
量の半導体化元素、および残部酸化チタンからなる組成
に、二酸化けい素を０．０２〜３重量％（Ｓ ｉ０２換
算）添加含有させることを特徴としている。

なお、本発明では酸化チタン原料及び酸化ビスマス原料
としては、通常粉末状の酸化チタン及び酸化ビスマスを
用いるが、そのほか、焼成により酸化チタン又は酸化ビ
スマスを形成しうる物質を用いることもできる。

これらは、平均粒径５〜３００μ程度の粉末として用い
られる。

本発明の電圧非直線性抵抗材料を製造するには、例えば
酸化チタン原料粉末と酸化ビスマス原料粉末とを所定の
割合で混合した粉末混合物の中へ、酸化アンチモン等の
半導体化元素所定量を加え、湿式ボールミル等を用いて
十分に混合する。

次にこの混合物を乾燥したのち、８００〜１０００℃の
温度で仮焼成し、この仮焼成体を粉砕する。

この粉砕物に適当なバインダー例えばポリビニルアルコ
ール、ＣＭＣなどを加え、か粒状に成形し、さらに適当
な形状にプレス成形して空気中又は不活性雰囲気中１１
００〜１４００℃の温度で焼結する。

この際、特に必要でなければ、仮焼成工程は省略するこ
とができる。

本発明の材料は、微量の半導体化元素、Ｂｉ２０３に換
算したときの酸化ビスマス含量Ｏ、０５′〜１０モルチ
及び酸化チタン（ Ｔｉ ０２ ）残の組成を有してい
る。

半導体元素は、酸化アンチモン（Ｓｂ２０３）酸化ニオ
ブ（Ｎｂ２０５）、酸化タンタル（ Ｔａ２０５ ）の
少くとも一種が好ましく、その含有量が０．００２モル
％未満であると良好な非直線性が得られない。

また、これが０．０７４モル％を越えた場合、非直線性
の向上は特に認められない上に、高電流領域での非直線
性が低下する。

他方、酸化ビスマス含量が０．０５モル％未満あるいは
１０モル％を越えた場合は、良好な非直線性が得られな
い。

また、二酸化けい素（ＳｉＯ２ ） ０． ０ ２重量
％以下では粒径は不均一のままであり、好ましくなくま
た、３重量％を越えると焼成時に素子どうしがくっつき
やすく、またバリスタ電圧のバラツキが大きくなる。

本発明の電圧非直線性抵抗材料は、その電圧非直線性が
焼結体自身に依存しているため、電流が流れる方向の厚
みを変えることにより、α値を変えることなく所望のＣ
値を容易に実現しうるという特徴を有している。

また、単位厚さ当りのＣ値が低く低電圧用の素子を容易
に作成しうる、均質なものとしうるので耐電圧性などが
信頼性が高い、α値がシリコンカーバイド系バリスタに
比べ著しく大きくしうるので広範囲の用途に供しうる。

原料成分の種類が少なくてよいので価格を安くしうる等
の利点を有している。

さらに、本発明は、高温連続負荷およびパルス電圧印加
に対してもすぐれた特性を有している。

次に、本発明の電圧非直線性抵抗材料は、３〜３０Ｖと
いう低い電圧において、非直線指数αを大きくすること
ができるので、マイクロモーター用の雑音防止素子とし
て好適である。

このマイクロモーターにおける雑音は、整流子と刷子間
に発生する火花現象に起因する。

さらに詳しくいえば、一般に整流子を用いるモーターに
おいては、整流子が、通常数個の整流子片を所定の間隔
をもって取り付けられ円柱状に形成されており、各整流
子片間には必ず絶縁層のギャップが生じる。

したがって、整流子が回転しているときには、整流子片
間のギャップ部分を刷子がジャンプして次の整流子片に
移っていくことになり、このジャンプ時に、磁性体にコ
イルを巻いて構成された回転子の大きな自己インダクタ
ンスの存在に伴い、スパイク状の電圧火花が発生する。

この火花が電気的雑音の原因となり、また整流子と刷子
の摩耗を起し、モーターとしての寿命を短縮する傾向を
生じる。

ところで、このスパイク状火花は、両極性の振動電圧で
、その波高値はモーター電源電圧の２０〜５０倍、接続
時間はおよそ１００μ秒で、２〜５ ＭＨｚの高周波成
分をもっているため、これらを消去するには、前記した
ように３〜３０Ｖの低電圧でできるだけ大きい非直線性
指数を有し、さらに高周波成分を吸収し、これらの雑音
をモーターの使用電圧付近まで消去しうる特性をもつバ
リスタ素子が要求される。

本発明の電圧非直線性抵抗材料は、これらの特性を全て
備えたものであり、これに電極を設けて素子としたもの
は、マイクロモーターの雑音防止用として非常に適した
ものということができる。

？の場合の電極は所定の材料の特性をそこなわない限り
、非オーム性、オーム性のいずれのものでもよく、また
装着方法としては、焼付け、めつき、蒸着、スパッタリ
ング、溶射など任意の方法を用いることができる。

次に実施例により、本発明をさらに詳細に説明する。

実施例 １ ｓｂ２ｏ３ｏ．ｏ ６ｍｏ６ ％ ， Ｂｔ２０３０．
５ｍｏｄ ％残りＴｉＯとなる割合で酸化チタン粉末（
平均粒径１０μ以下）と酸化ビスマス粉末（平均粒径１
０μ以下）との混合物中に、二酸化けい素（Ｓｉ０２）
を０．０１〜３重量％の範囲で加え、湿式ボールミルで
十分に混合した。

次にこの混合物を乾燥したのち、電気炉に装入し約１０
００℃において３０分間仮焼成した。

この仮焼成物を４８メッシュ通過程度に粉砕したのち、
バインダーとしてポリビニルアルコールを全重量当り２
％の割合で加え、いったんか粒としたのち、直径１６ｍ
ｍ、厚さ１．２ｍｍの円板状にプレス成形した。

次いでこの成形体を約１３００℃で１時間焼成し、所望
の電圧非直線性抵抗材料を得た。

このようにして得た種々の材料の両面に銀焼付け電極を
設け、バリスタ電圧特性を測定した。

その結果を第１図に示す。

この表よりわかるように、バリスタ電圧は、二酸化けい
素０．０２〜３重量％の範囲で極めて小さく、マイクロ
モータ用バリスタとして好適である。

また、ＳｉＯ２３重量％以上ではバリスタ電圧（Ｖ／ｍ
ｍ）の変化が大きくなって好ましくない。

次に、こうして得た焼結体の顕微鏡写真を第２？Ａ，Ｂ
とに示す。

第２図ＡはＳｉＯ無添加のもので、ＴｉＯの粒径が大き
くばらついている。

第２図ＢがＳｉ０２を０．１重量％添加したもので、Ａ
にくらべて、粒径が均一となっている。

なお、これらの写真の倍率は４００倍である。

次に、このようにして得た電圧非直線性抵抗素子の高温
連続負荷特性およびパルス電圧印加実験を行なった。

第３図は高温連続負荷特性の実験結果を示すもので、８
０℃の恒温槽中にＤＣ１ｏＶを印加した状態で０〜１２
００時間保持したものである。

第３図中、イ、口は、Ｓｂ２０３０．０６ｍｏｌ％，Ｂ
ｉ２Ｑ３０．５モル％残りＴｉＯに０．５重量％のＳｉ
Ｏ２を添加したものであり、イがＶ１ｏ（１０？Ａ流れ
る時の電圧）、ロがαを示している。

第３図中ハ、二は比較のために示すもので、イ、口と同
じ基本組成で、ＳｉＯを添加していないものである。

ハがＶ１ｏ１二がαを示している。たて軸はＶＩＯまた
はαの変化率ΔＶＩＯ／Ｖ ，Δα／αを示す。

このようにＳｉＯ２を添加したものは高温連続負荷特性
がすぐれていることがわかる。

第４図は、パルス電圧印加実験を示すもので、第５図に
測定回路図を示す。

パルス回数はそれぞれ１ｏ回づつで、第５図のスイッチ
ＳＷを切りかえることにより行い、Ｃは０．１μＦ、印
加電圧Ｅは２５０〜１２５０Ｖの範囲で測定した。

第４図中、ホが第３図と同じ組成よるもののデータであ
り、へは、比較のために示すＳｉＯ２無添加のものであ
？。

この第４図より、ＳｉＯを添加するとパルス印加特性が
向上することがわかる。

なお、本実施例では半導体化元素としてアンチモンを用
いたが、ニオブ、タンタルまたはこれらの複合を用いて
も同様の結果が得られた。

実施例 ２ 酸化アンチモン０．０５モル％、酸化ビスマス０．５モ
ル％、酸化チタン９９．４５モルチおよび酸化けい素０
．５重量％の組成をもつ電圧非直線性抵抗材料Ａ，Ｆｅ
２０３系材料Ｂ，Ｓｎ０２系材料Ｃ，ＺｎＯ系材料Ｄを
用い、使用電圧５■用のマイクロモーターのコイル間に
これらの素子を取りつけ、オシロスコープを用いてノイ
ズカット電圧を測定した。

各試料についてのノイズカットの状態を第？図に示す。

この図から明らかなように、本発明の材料は、従来のノ
イズカットに用いられていた材料に比べて優れた特性を
示す。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるＳｉＯ２添加とバリスタ電圧と
の関％を示すグラフである。 第２図Ａは比較のために示すＳｉＯ無添加の焼結体の顕
微鏡写真、第２図ＢはＳｉＯ２添加の写真である。 第３図は、高温連続負荷特性、第４図はパルス印加実験
を示し、第５図は第４図の実験回路である。 第６図は本発明材料及び公知材料をマイクロモーターの
雑音防止素子として用いたときのノイズカット状態を示
すオツシログラフ図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 酸化ビスマス０．０５〜１０モル％（Ｂｉ２０３換
   算）、微量の半導体化元素、および残部酸化チタンから
   なる組成に対して、二酸化けい素を０．０２〜３重量％
   （ＳｉＯ換算）添加含有したことを特徴とする電圧非直
   線性抵抗材料。 ２ 前記半導体化元素は、酸化アンチモン（Ｓｂ２０３
   換算）、酸化ニオブ（Ｎｂ２０，換算）、酸化タンタル
   （Ｔａ２０５換算）の少くとも一種であり、０．００２
   〜０．０７４モル％の範囲で含有することを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の電圧非直線性抵抗材料。 ３ 酸化ビスマス０．０５〜１０モル％（Ｂｉ２０３換
   算）、微量の半導体化元素、および残部酸化チタンから
   なる組成に対して二酸化けい素０．０２〜３重量％ （
   Ｓｉ ０２換算）添加含有した電圧非直線性抵抗材料
   に電極を設けてなるマイクロモータ用雑音防止素子。