JPS586288B2 - 電圧非直線抵抗素子の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は酸化亜鉛を主成分とする焼結体において出発原
料として金属亜鉛を含有する電圧非直線抵抗素子の製造
方法に関する。

近年、ＩＣ、トランジスタ、サイリスタなどの半導体素
子および半導体回路とその応用の急速な発展にともない
、計測、制御通信機器および電力機器における半導体素
子および半導体回路の使用が普及しこれら機器の小型化
、高性能化が急速に進展している。

しかし他方ではこのような進歩にともないこれらの機器
やその部品の耐電圧、耐サージおよび耐ノイズ性能は十
分とはいえない。

このためこれらの機器や部品を異常なサージやノイズか
ら保護すること、あるいは回路電圧を安定化することが
きわめて重要な課題になってきている。

これらの課題のために電圧非直線性がきわめて大きく放
電耐量の大きい寿命特性のすぐれたしかも安価な電圧非
直線抵抗素子の開発が要求されてきている。

従来これらの目的のためにＳｉＣバリスタやＳｉバリス
タなどの電圧非直線抵抗素子やツエナーダイオードなど
が用いられてきた。

また最近では酸化亜鉛を主成分としこれに添加物を加え
たバリスタが開発されている。

バリスタの電流電圧特性は一般につぎの関係 Ｉ ＝ （ Ｖ／Ｃ ）α で表示される。

ここで■はバリスタに印加されている電圧であり、■は
バリスタを流れる電流である。

またＣは与えられた電流を流したときの電圧に対応する
定数である。

α＝１はオームの法則にしたがう普通の抵抗体でありα
が大きいほど非直線性が優れているといえる。

ここではバリスタ特性をＣとαで表わすかわりに１ｍＡ
における立上り電圧Ｖ１ ｍＡとびで表わすこととする
。

従来用いられているＳｉＣバリスタはＳｉＣ粒子を磁器
結合剤で焼き固めたもので、その非直線性はＳｉＣ粒子
相互の接触抵抗の電圧依存性に起因している。

したがってバリスタを流れる電流方向の厚みを変えるこ
とによってＣ値を制御することができる。

しかし非直線指数αは３から７と比較的小さい。

しかも非酸化性雰囲気中で焼成する必要がある。

他方Ｓｉバリスタはその非直線性がＳｉのＰ−ｎ接合に
起因したものであるため広範囲にわたってＣ値を制御す
ることが不可能である。

ツエナーダイオードも同様にＳｉのＰ−ｎ接合を利用し
ているために電圧非直線性はきわめて大きいが高電圧用
の素子を作ることが難かしく、また放電耐量が小さくサ
ージに弱いという欠点がある。

また酸化亜鉛を主成分とするセラミックバリスタとして
酸化ビスマス、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化アン
チモンなどを含むものが最近開発されている。

これはその非直線性が焼結体自身に起因しており非直線
性が非常に大きいという長所をもっている。

しかしながら衝撃大電流を印加したときのＶ１ｍＡの正
方向の変化率と負方向の変化率の差が大きく、とくに負
方向の変化率が大きく信頼性に問題がある。

この他酸化ビスマスを含まないで酸化ニッケルと酸化バ
リウム等を含むものや希土類元素および酸化コバルトを
含むものなども開発されているが電圧非直線性は酸化ビ
スマスを含むものと比較してあまり大きくなく、シかも
寿命特性も必ずしも十分ではなかった。

本発明の目的は従来の電圧非直線抵抗素子における上記
の欠点を解決せんとするもので、電圧非直線性が焼結体
自体に依存しα値が５０以上の高い値をもち、かつ衝撃
大電流を印加した場合のＶ１ｍＡの正方向の変化率と負
方向の変化率が３％以下ときわめて小さい極性特性をも
つ電圧非直線抵抗素子の製造方法を提供せんとするもの
である。

以下本発明の詳細を一実施例にもとづき説明する。

実施例 酸化亜鉛に酸化ビスマス、酸化コバルト、酸化マンガン
および金属亜鉛をそれぞれ０．００１〜１０モル％の範
囲で添加し、これを十分に混合して２０ｍｍφ×１ｍｍ
ｔの寸法の円板型に成型し１０００℃以上の空気中高温
で焼成した。

焼成した試料の両面に電極をつけ特性を測定したところ
第１表に示すような結果が得られた。

すなわち第１表は焼結体の厚みを固定して電極の種類を
変えた場合の特性を調べたものであるが、この表から明
らかなように、電極の種類と無関係に素子の厚みによっ
て特性が変わる焼結体自体が非直線性をもつ素子である
ことがわかる。

つぎに第１図面に焼成温度と添加量を変えたときのＶ１
ｍＡに対応するα値の変化を示す。

試料の焼成温度と組成添加量は第２表に示すとおりであ
る。

曲線１は本発明の実施例でもつとも大きなα値を示す。

曲線２は比較例で前記試料において金属亜鉛を出発原料
として使用しない場合の特性を示す。

曲線３は参考例で酸化ビスマスを含まないで酸化亜鉛に
酸化ニッケルおよび酸化バリウム等を添加したものであ
る。

これからわかるように酸化ビスマスを含み金属亜鉛を出
発原料として含有するバリスタは大きいα値がＶ１ｍＡ
の広い範囲にわたり得られる。

このことは電圧非直線抵抗素子としての重要な特性であ
る大電流制限電圧を低くできるという特徴を示している
。

つぎに第３表に極性特性の比較を示す。すなわち第３表
は衝撃大電流特性、直流負荷特性、温湿度サイクル特性
をＶ１ｍＡの正方向の変化率と負方向の変化率で表わし
たもので、従来のこの種の電圧非直線抵抗素子のそれと
比較した。

第３表において使用した素子はいずれも同一の形状寸法
にあわせたＶ１ｍＡ＝２００Ｖの素子の場合に関して示
した例である。

従来のＺｎＯバリスタのデータは本発明の実施例の組成
から金属亜鉛を出発原料として含有しないものである。

第３表の値から本発明の製造方法により得られたバリス
タの値は従来バリスタの値に比して一段と優れているこ
とがわかる。

衝撃電流特性は５００Ａのサージ電流を１００００回印
加した場合のＶｌ ｍＡ値の正方向、負方向の変化率を
みたもので、バリスタの主要な用途である吸収素子とし
ての安定性を調べたものである。

直流負荷特性は８５℃中で２Ｗの負荷を連続５００時間
印加後のＶ１ｍＡの変化率を調べたものである。

従来のバリスタは高温度の場合の劣化が大きいことがわ
かる。

温湿度サイクル特性は−４０℃から８５℃９５％ＲＨの
雰囲気中で２Ｗの負荷を１００サイクル行った後の変化
率を調べたものである。

また図面に参考例（曲線３）として示した酸化亜鉛に酸
化ニッケルおよび酸化バリウムを添加したものの非直線
指数は図示したように高々３５程度であるが、極性特性
はαの正方向の変化率と負方向の変化率の差の絶対値が
４〜５％である。

本発明の製造方法により得られた電圧非直線抵抗素子は
非直線性が優れているうえ、さらに極性特性がきわめて
小さい。

このことは対称形の電圧電流特性を維持する意味で非常
に重要であるとともにこれらの寿命特性、安定性は素子
として高い信頼性を保証するものである。

このことは実用上からみて特に重要である。

なお添加物のビスマスやコバルト、マンガン等は前記実
施例では酸化物を用いたが空気中高温で酸化物になるも
のであればよく必ずしも酸化物に限らないことはいうま
でもない。

焼成温度の最適点は添加物の添加量に応じて若干異なる
が１０００℃以下の温度では焼結が不十分となり第２表
に示した安定性の特徴を発揮することは難かしい。

焼成温度の上限は焼結過度一すなわち焼結体が変形した
り膨張したりする現象一がみられない温度によってきめ
られる。

本発明者の実験結果から金属亜鉛のもつとも有効な添加
量は第２図に示す衝撃電流特性から明らかなように０．
００１〜１０モル％の範囲である。

０．００１モル％未満または１０モル％を越える範囲で
は負方向のＶｌ ｍＡ変化率がマイナスとなり従来と同
程度の安定性しかもたない。

本発明において上記添加物以外にさらに他の添加物をあ
らかじめ酸化亜鉛に添加しておくかあるいは焼結体中に
拡散させるかまたはこれらの方法を適宜組み合わせて実
施してもよい。

以上詳述したように本発明によれば酸化亜鉛を主成分と
し焼結体自体が電圧非直線抵抗素子の製造方法において
金属亜鉛を出発原料として含有することによってきわめ
て大きい非直線性を有し、しかも極性特性が非常に良好
でかつ製造方法がきわめて簡便であり安定した特性を有
する電圧非直線抵抗素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例と従来の参考例とのＶ１ｍＡに
対応するα値の変化の比較を示す曲線図、第２図は衝撃
電流特性を示す曲線図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 酸化亜鉛を主成分とし焼結体自体が電圧非直線特性
   を有する電圧非直線抵抗素子の製造方法において、金属
   亜鉛を出発原料として含有することを特徴とする電圧非
   直線抵抗素子の製造方法。 ２ 金属亜鉛の含有率が０．００１〜１０モル％である
   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
   線抵抗素子の製造方法。 ３ 焼結体が酸化亜鉛および金属亜鉛に少なくとも酸化
   ビスマスを加えたものからなることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項または第２項記載の電圧非直線抵抗素子
   の製造方法。 ４ 焼結体が酸化亜鉛、金属亜鉛に酸化コバルト酸化マ
   ンガンなどの金属酸化物の一種または二種以上を少量添
   加したものからなることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項ないし第３項のいずれかに記載の電圧非直線抵抗素
   子の製造方法。