JPS61170005A - バリスタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、６モル囁以下の酸化亜鉛（ＺｎＯ）の主成分
に金属Ｂｉ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ。

Ｍｎ、Ｍｇ、Ｂ、Ａｌ、Ｂａの１つまたは複数の酸化物
が添加された粒度７〜２２μｍのバリスタ材料から成る
２０〜３５０μｍの厚さの多数の薄膜から成りセラミッ
クに製作されたモノリシックな本体と、コーティングと
して使用される最高ｌＯμｍの厚さの貴金属膜とから成
り、この貴金属がバリスタ材料製薄膜と交互に配設され
て本体の側面の異なった個所に選択的に導かれ、そこで
他の金属に電気的Ｃ：結合されるバリスタに関する。

従って、本発明は多層薄膜作成技術によって製作された
バリスタに関する。

〔従来の技術〕

このようなバリスタは刊行物［アトパンセスイン　セラ
ミックス（Ａｄｖａｎｃｅｓ　ｉｎ　Ｃｅｒａｍｉｃｓ
）　Ｊ　Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｃｅｒａｍ、　８ｏｃｉｅ
ｔｙ、　Ｃｏｌｕｍｂｕｓｌ　９８１、　Ｖｏｌ、　１
．第３４９頁Ａ−ｉ３５８頁に記載されている。平均粒
度はここでは１０μｍにされている。粒界当たりの引上
電圧は２〜３ｖである。バリスタ材料製薄膜の厚さに関
するデータは２０〜２００μｍであり、その場合に膜厚
４０μ寓または１５０μｍの薄膜が２０個上下に積層さ
れて成るバリスタの特性が測定される。非直線係数αは
２０〜３０であり、一方１ｒｎＡの際に測定されたバリ
スタ電圧は４〜４０ボルトであった。

モノリシックな本体内に選択的に配設されたコーディン
グにその本体表面で結合するための金属膜として、焼き
付けられた銀電極が挙げられている。しかしモノリシッ
クな本体の内部におけるコーティングの材料に関する・
詳細なデータは開示されていない。同様に、材料の多孔
率に関するデータも開示されてない。

刊行物「ジャーナル　オブ　アプライド　フイジクス（
Ｊｏｕｒｎ’ａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉ
ｃｓ　）　Ｊ　。

、５４（５）１９８３年３月、第２７６４頁ないし第２
７７２頁においては、上述の刊行物と同様に低電圧バリ
スタが扱われており、第２７６５頁の左設では上述の刊
行物が引用されて詳細に述べられている。この刊行物に
よれば、多層薄膜作成技術によって作成されたバリスタ
は、粒度分布の基本問題が解決されなくても、過電圧の
際Ｃ：減少する電流密度と高容ンとを有する。

シーメンス社出版物（Ｓ　Ｉ　ＥＭＥＮＳ−Ｂｒｏｓｃ
ｈｉｉｒｅ）「希ガス充填形避雷器；金属酸化物バリス
タ５ＴＯＶＪ　（１９８４年１１月、第４４頁へ第６３
負）には、酸化亜鉛を主成分とする金属酸化物バリスタ
についての基礎理論が詳細に説明され、かつ個々の概念
に関する定義も同様になされている。

すなわちその第４８頁には、非直線指数αは次のように
示されている。

１ｏｇＬＩ、　−１ｏｇＬＩ。

ここで、■、はＩ　Ａ、　　Ｉｌ　ｗｔ　１　ｒｎＡ　
、　　０１はＩＡの際に測定された電圧、１＋、は１ｍ
Ａの際に測定された電圧である。

その第５２頁には、バリスタ電圧とは１ｍＡの際に測定
される電圧であると定義されている。このバリスタ電圧
はバリスタを分類するために利用される。

通常の技術に基づいて製作される微少電圧用バリスタ、
いわゆる低電圧バリスタは、コーティング間の粒界の個
数を少なくするために、約１００μｍ以上の粒度な有す
る。しかしながらこのように粗く結晶化させられた材料
は、粒度分布が著しく分散し、従って電流１−電圧℃】
特性線の傾斜（非直線係数α）が著しく下降するという
問題を生じる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このように製作された低電圧バリスタは大抵、高電圧保
護用としては使用可能ではない。という°　のは、セラ
ミック本体内に発生する熱の排出が保証されないからで
ある。

そこで本発明は一バリスタ電圧の範囲が拡張され、かつ
同じ材料から種々のバリスタ電圧を有するバリスタを製
作することができ、この種の構成素子用に通常使用され
るパラジウムの量を減らし、そして勿論熱排出が改善さ
れるように、菅頭で述べた種類のバリスタを改善するこ
とを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この目的を達成するために本発明は、Ｗ頭で述べた種類
のバリスタにおいて、 ａ）セラミック本体のバリスタ材料製薄膜の多孔率は５
％を越えず、 ｂ）　前記バリスタ材料のビスマス成分（Ｂｉ。

Ｂｉ２Ｏ３として計算）は０．４へ最高１モル％（２〜
５重ｔ％Ｃ：相当）の大きさであり、Ｃ）コーティング
は５０〜８０重量囁の銀（Ａｇ）と５０〜２０重量％の
パラジウム［Ｐｄ）とから成る ことを特徴とする。

多孔率を特に１％以下の大きさにして僅少にすることに
より、内部電極の金属は細孔内に侵入することができず
、それによりパルス印加の際に早期にスパーク（短絡）
を生ぜしめる電極区間が短縮される。通常２モルチ以上
のビスマス成分を最高１モル％特に０，６モル％（二減
少させることによって、一方では晶粒成長が減少し、従
って粒度分布が均質になり、他方では焼結温度の際にコ
ーティングとセラミック材料との反応が回避され、それ
によりコーティングに島を形成させるパラジウムの非合
金化が回避させる。

好適にはコーティングは７０重量チの銀と３０重量俤の
パラジウムとから形成される。

さらにセラミック本体を厚さが３５μ喝〜３５０μ亀の
範囲内にあるバリスタ材料製薄膜から形成し、厚い薄膜
が４ボルト〜３５０ボルトの範囲の高バリスタ電圧を有
するようにすることは有利である。

バリスタ本体は特にｌ−１０ｍの長さ、１−３．６簡の
幅およびｏ、ｈ〜３−の厚さを有し、その場合に厚さは
最少長さまたは最少幅よりも常に小さくされる。

バリスタ材料の優れた構成はモル俤表示で次の通りであ
る。なお、括弧内は重量うを表わす。

ＺｎＯ：９４．６（８７，３）、Ｂｉ２Ｏ３：０．６（
３，２＋、　　Ｓｂ、Ｏ，：　ｔ６　（５，１）、　　
Ｃｏ、０４：　０．４［１，１）、　Ｎｉｐ：　ｔ、３
（ｔｌ）、　　Ｃｒ２Ｏ３：ｏ、６（１，１１，ＭｎＣ
Ｏ３：　０．８　（１，０２）、　ＭｇＯ：０．０６（
Ｑ、ＱＯ３１，ＢｔＯ，：（１０３３（０，０５＋。

ＡＩ２Ｏ３：０．００２（０，０１７）、ＢａＣ０，：
　０．００５（０，００１）。

ビスマス成分を僅少にすることによって１１５０℃以下
の焼結温度が可能になり、それによって薄膜の厚さが薄
くかつ薄膜の個数を適当にすることＣ：より、最低４ｖ
のノミリスタ電圧を有するバリス夕を製作することがで
きる。

このようなバリスタを多層薄膜作成技術で製作すること
は、たとえば多層薄膜形セラミックコンデンナの製作方
法として公知であるのと同じ方法で行われる。これにつ
いては、たとえば米国特許第２，７３６，０８０号明細
書、米国特許第３，２３５゜９３９号明細書および西独
特許第１２８２１１９号明細書を参照されたい。

微粉砕によって約１μｍの平均粒度な有するような出発
材料から、公知のように、有機結合剤（たとえばポリメ
チルアクリル酸塩、メチルセルロース、ポリビニルアル
コール）および溶剤（たとえば水、エチルメチルケトン
）ならびに軟化剤（たとえばフタル酸塩、エステル）に
よって懸濁物が製作され、この懸濁物がその後ζ二通常
の技術（たとえばカレンダー掛け、ドクター法−ドクタ
ー・ブレード）によって非常に薄いシート（；形成され
る。このよう！＝シて製作されたシートの絵葉書穴の小
片の上に上述の銀−パラジウム化合物から成る内部コー
ティングが施され、その後かかる葉書穴のシートの適当
な個数が、完成後にはコーティングが選択的に位置ずれ
を生じるように、上下に積層される。最後Ｃ：、プレス
工程を経た後、積層体から粗製（つまり生の）薄膜バリ
スタが分割され、多層薄膜作成技術で用いられる通常の
温度および結合剤燃焼サイ６クルを経た後に、１１５０
℃し以下の温度で焼結される。

このような製作方法は前述のように良く知られており、
その場合に特殊な製作方法の変形例も同様に知られてい
る。

〔実施例〕

次Ｃ：本発明の実施例を内面に基づいて詳細に説明する
。

第１図にはバリスタ材料から成る薄膜２によって構成さ
れたバリスタ本体１が概略的に示されている。コーティ
ング３．４はバリスタ材料製薄膜２と交互に配設されて
おり、その場合にこの実施例においてはコーティング３
はセラミック本体の右側外表面５に至るまで導かれてお
り、一方コーティング４はセラミック本体の左側外表面
６に至るまで導かれている。セラミック本体ｌは焼結プ
ロセスによって、内部にコーティング３，４が設けられ
ているモノリシックなブロックから構成される。コーテ
ィング３，４をモノリシックなブロックの同一側面から
突出させ、かつ電気的結合端部なこの側面の異なった個
所（−選択的（；形成し、それらの個所で対極Ｃ；電気
的に結合するようにすることも可能である。

コーティング３．４は共に対極に電気的に結合される。

なお対極に結合されるとは、この実施例においては、表
面５のコーティング３が金属膜７つまり電圧源または回
路の一極に接続される金属膜７に結合され、一方、表面
６のコーティング４が金属膜８つまり電圧源または回路
の他極に接続される金属膜８に結合されることを意味す
る。金属膜７はたとえば銀または他のはんだ接合可能な
金属から成り、金属膜８は同様に銀または類似の金属か
ら成る。

符号９はバリスタ材料から成る薄膜２の厚さを示してい
る。

バリスタが動作するための必要条件は、上側コーティン
グ３と表面１４との間の間隔１０と、下側コーティング
４と表面１５との間の間隔１１と、金属膜８とコーティ
ング３との間の間隔１２と、金属膜７と金属コーティン
グ４との間の間隔１３とがそれぞれバリスタ材料製薄膜
２の厚さ９よりも大きいことである。間隔１０．１１の
必要な大きさを得るために、たとえばコーティング３お
よび４を有していないバリスタ材料製薄膜１が設けられ
る。第１因においては、このことは、コーティング３を
備えた上側薄膜２とコーティングを有していない薄膜２
Ｉとの間の境界線１６、およびコーティング４を備えた
下側薄膜２とコーティングを有していない薄膜ｉとの間
の境界線１７によって示されている。

本発明に基づくバリスタは、金属膜７および８にはんだ
付けされるかまたは他の方法にて固定された電流供給線
１８および１９を備えることができる。

本発明に基づくバリスタがチップとして印刷導体路の接
触個所に載置されて該個所に固定される場合ｅは、電流
供給線の代わりに接触面が設けられる。この接触面はこ
の実施例においては金属膜７の延長部２０．２１として
表面１４．１５上に設けられ、また金属膜８の延長部２
２．２３として表面１４．１５上に設けられている。

上記接触個所が格子寸法（２，５ｍの奇数倍または偶数
倍）にて配設されているような印刷回路（プリント回路
）に使用することができるようにするためＣ；、電流供
給線１８と１９との間の格子寸法間隔２４はこり種の構
成素子にとっては公知であるような値に設定される。

電流供給線を用いない場合、延長部２０．２２問および
延長部２１．２３間の必要な格子寸法間隔２５は、大き
さを適当に選定することにより設定され得る。

第１図から明らかなように、本発明の実施例におけるコ
ーティング３．４は、モノリシックなブロックの内部（
Ｅ発生する熱を良好に排出するために、５μｍ以下の厚
さ、特に２μ賜の厚さにされている。というのは、コー
ティング３．４はパラジウムよりも比較的多くの銀を使
用することにより、純粋なパラジウム膜として製作され
る場合よりも厚くすることができるからである。すなわ
ち純粋なパラジウムを得るには比較的高い費用がかかる
のでこのことは重要である。

第２図Ｃ：示された電圧【１−電流■ダイヤグラムは本
発明の利点の１つを示している。この利点は１バリスタ
材料のビスマスの量を少量にし、それによりコーティン
グ３，４用としてパラジウムに比較して多量の銀をでき
る限り使用することによって、コーティングの金属の非
合金化、従って特性を悪化させる島形成が生じないとい
う点にある。

第２因においては、このことは、従来のバリスタの特性
線２６はその電流強度の大きい領域において急微に上昇
するのに対し、本発明によるバリスタの特性線２７はこ
の領域において緩慢に上昇することによって、表わされ
ている。

コーティングの非合金化（移動）に起因する島形成は、
そのコーティングの直列抵抗がこの島形成によって相当
に増加するので、大電流の際に端子電圧を相当に増加せ
しめる。

第３図には、本発明のバリスタ（特性線３０）と公知の
バリスタ（特性線２８．２９）とが比較表示されている
Ｕ（電圧）−Ｉ（電流）ダイヤグラムが示されている。

第３図の尺度および特性線は前述の刊行物「アトパンセ
ス　イン　セラミックス（Ａｄｖａｎｃｅｓ　ｉｎ　Ｃ
ｅｒａｍｉｃｓ　）　Ｊ　　の第２図からとったもので
ある。

特性線２８はそれぞれ４０μｍの厚さのバリスタ材料製
薄膜が２０個積層されて成る公知のパリ１スタの特性線
であり、一方特性線２９はそれぞれ１５０μｍの厚さの
バリスタ材料製薄膜が同様に２０個積層されて成る公知
のバリスタの特性線である。

特性線３０は、それぞれ３Ｇｐｍの厚さのバリスタ材料
製薄膜が５０個積層されて成る本発明のバリスタの特性
線である。

第３図からは１．公知のバリスタは１０アンペアの際に
１００ボルトはどの相当！−増加した電圧を生じ、一方
このような増加は本発明Ｃ；よるバリスタの特性線３０
においては生じていないことがわかる。本発明による規
定が守られていない場合には、特性線３０′にて示され
るようになる。

５０個というように多数の薄膜が積層される（それによ
りバリスタの安定性が著しく高められる）にも拘わらず
、本体からの熱排出は、コーティングが７０％の銀と３
０％のパラジウムとから成りそれぞれ２μｍの厚さを有
する場合には、充分に大きい。従って大電流または大電
圧の際にも同様にバリスタの機能が保証される。

＄４図のダイヤグラムは、１０個の薄膜から成りしかも
その薄膜の膜厚が種々責なっているバリスタに対して焼
結時間を１時間とした際：；焼結温度に左右されるバリ
スタ電圧を示す。

バリスタ電圧はポル）（Ｖ）で縦軸に示され、焼結温度
ｔｓは℃で横軸に示されている。この場合も同様に、コ
ーティングは７０％の銀と３０％のパラジウムとから成
り、２μ港の厚さである。

特性線３！はそれぞれ１６５μｍの膜厚を有する１０個
の薄膜から成るバリスタの特性線である。特性線３２は
それぞれ７７μ亀の膜厚を有する１０個の薄膜から成る
バリスタの特性線である。

特性線３３はそれぞれ３７μ港の膜厚を有する１０個の
薄膜から成るバリスタの特性線であり、特性線３４はそ
れぞれ２３μ賜の膜厚を有する１０個の薄膜から成るバ
リスタの特性線である。

第４図からは、膜厚が減少しかつ焼結温度が増大するＣ
；応じて、それぞれバリスタ電圧が減少することがわか
る。

１０８０℃はどの比較的高い焼結温度により、セラミッ
ク材料から成る薄膜の密度が非常に高くなり、すなわち
多孔率が非常に低くなり、それによりバリスタの電気的
特性が著しく改善される。焼結温度を高めるととはビス
マス成分を少なくすることにより可能になる。

第５図は焼結温度に関連した保護レベルを表わす特性線
を示す。バリスタの保護レベルは表示された電流強度の
電流パルスが出現した際にバリスタに現われる端子電圧
である。

縦軸に端子電圧がボルト（ｖ）で示され、一方横軸に焼
結温度ｔ８が℃で示されている。

焼結された状態での膜厚１６５．　７７．３７．２３μ
ｍに関する４対の特性線３５，３６，３７．３８が示さ
れている。それぞれ上側の特性線は電流強度１０Ａの際
の特性線であり、それぞれ下側の特性線は電流強度５人
の際の特性線である。

第５図のダイヤグラムからは、膜厚が減少しかつ焼結温
度が増大するに応じて、端子電圧の値が減少することが
わかる。

上述したバリスタ材料は３００　Ｖ　７ｗの耐電圧を保
証し、それによって薄膜が薄い際にも同様に充分な傾斜
（非直線指数ａ）が保証される。

１５０Ｖ／ｗ以下の耐電圧を有する粗結晶性材料におい
ては、前述の刊行物［ジャーナル　オプアプライド　フ
イジクス（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＡｐｐｌｉｅｄＰｈ
ｙｓｉｃｓ　）　Ｊ　　において説明されているように
、直径がかなりばらつく際（；は粒体が少なすぎること
Ｃ：起因する問題が生じる。

〔発明の効果〕

以上に説明したように１本発明Ｃ：おいては、ａ）セラ
ミック本体のバリスタ材料製薄膜の多孔率は５％を越え
ず、　ｂ）バリスタ材料のビスマス成分（Ｂｉ　、　　
Ｂｉｇｏｔ　　として計算）は０４〜最高１モル％（２
〜５重ｉ％、に相当）の大きさであり、　　　ｃｌ　コ
ーティングは５０〜８０重ｔ％の銀と５０−２０重量俤
のパラジウムとから成る。従ってこのような本発明によ
れば、バリスタ電圧の範囲が拡張され、かつ同じ材料か
ら種々のバリスタ電圧を有するバリスタを製作可能とな
り、しかもパラジウムの量を減らすことができ、そして
勿論熱排出が改善される。

【図面の簡単な説明】

第１５！０は本発明による薄膜バリスタの一実施例の概
略図、第２因は本発明による改善を示す電圧−電流ダイ
ヤグラム、第３因は本発明と従来技術との比較を示す電
圧−電流ダイヤグラム、第４因はバリスタ電圧が焼結温
度（二左右されることを示すダイヤグラム、第５図は保
護レベルが焼結温度（；左右されることを示すダイヤグ
ラムである。 ｌ・・・バリスタ本体、　　２・・・薄膜、３．４・・
・コーティング、５．６・・外表面、　７，８・・・金
属膜、　９・・・薄膜２の厚さ、　ｌＯ・・・上側コー
ティング３と表面１４との間隔、　　１１・・・下側コ
ーティング４と表面１５との間隔、１２・・・コーティ
ング３と金属膜８との間隔、１３・・・コーティング４
と金属膜７との間隔。 ′６！１８）代理人弁理士官材

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）６モル％以下の酸化亜鉛の主成分に金属Ｂｉ、Ｓｂ
   、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｂ、Ａｌ、Ｂａの１
   つまたは複数の酸化物が添加された粒度７〜２２μｍの
   バリスタ材料から成る２０〜３５０μｍの厚さの多数の
   薄膜（２）から成りセラミックに製作されたモノリシッ
   クな本体（１）と、コーテイング（３、４）として使用
   される最高１０μｍの厚さの貴金属膜とから成り、この
   貴金属がバリスタ材料製薄膜（２）と交互に配設されて
   本体（１）の側面（５、６）の異なつた個所に選択的に
   導かれ、そこで他の金属膜（７、８）に電気的に結合さ
   れるバリスタにおいて、ａ）セラミック本体（１）のバ
   リスタ材料製薄膜（２）の多孔率は５％を越えず、 ｂ）バリスタ材料のビスマス成分（Ｂｉ、 Ｂｉ＿２Ｏ＿３として計算）は０．４〜最高１モル％（
   ２〜５重量％に相当）の大きさであり、ｃ）コーテイン
   グは５０〜８０重量％の銀（Ａｇ）と５０〜２０重量％
   のパラジウム（ Ｐｄ）とから成る ことを特徴とするバリスタ。 ２）バリスタ材料製薄膜（２）の多孔率は１％よりも小
   さいことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のバリ
   スタ。 ３）ビスマス成分は０．６モル％（３．２重量％Ｂｉ＿
   ２Ｏ＿３に相当）の大きさであることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項または第２項記載のバリスタ。 ４）コーテイング（３、４）は７０重量％Ａｇと３０重
   量％Ｐｄとから成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１項に記載のバリスタ。 ５）セラミック本体（１）は厚さ（９）が２０μｍ〜３
   ５０μｍの範囲内にあるバリスタ材料製薄膜（２）から
   成り、その際厚い薄膜（２）は４ボルト〜３５０ボルト
   の範囲の高バリスタ電圧を有することを特徴とする特許
   請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか１項に記載の
   バリスタ。 ６）バリスタ本体（１）は特に１〜１０ｍｍの長さ、１
   〜３．６ｍｍの幅および０．５〜３ｍｍの厚さを有し、
   その際厚さ（９）は最少長さまたは最少幅よりも常に小
   さいことを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第５
   項のいずれか１項に記載のバリスタ。 ７）バリスタ材料は、ＺｎＯ：９４．６モル％（８７．
   ３重量％）、Ｂｉ＿２Ｏ＿３：０．６モル％（３．２重
   量％）、Ｓｂ＿２Ｏ＿３：１．６モル％（５．１重量％
   ）、Ｃｏ＿３Ｏ＿４：０．４モル％（１．１重量％）、
   ＮｉＯ：１．３モル％（１．１重量％）、Ｃｒ＿２Ｏ＿
   ３：０．６モル％（１．１重量％）、ＭｎＣＯ＿３：０
   ．８モル％（１．０２重量％）、ＭｇＯ：０．０６モル
   ％（０．００３重量％）、Ｂ＿２Ｏ＿３：０．００３モ
   ル％（０．０５重量％）、Ａｌ＿２Ｏ＿３：０．００２
   モル％（０．０１７重量％）、ＢａＣｏ＿３：０．００
   ５モル％（０．００１重量％）から組成されることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項ないし第６項のいずれか
   １項に記載のバリスタ。