JPS61242003A - 酸化亜鉛電圧非直線抵抗体 - 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〕 この発明は、酸化亜鉛を主成分とする電圧非直線抵抗体
の電気特性の改良に関するものである。

〔従来の技術〕

電圧非直線抵抗体は、サージアグンーバ、電圧安定化素
子、避雷器などに広く使用されている。

近年では酸化亜鉛を主成分とする酸化物焼結体が開発さ
れ、この焼結体を使用することが多くその主流となって
いる。

従来この種の焼結体は、酸化亜鉛を主成分とし、さらに
添加物である酸化ビスマス、酸化マンガン、酸化；パル
トなどの原料を十分混合し、適当な大きさに加圧成形し
た後に、１０００℃以上の高温で焼成したものである。

この酸化亜鉛を主成分とする電圧非直線抵抗体は、焼結
体中に存在する酸化亜鉛の結晶同志の接触部分（粒界部
分）に存在するショットキ形の電位障壁により、電圧非
直線性を示すと解されてＩ７）る０ 酸化亜鉛を主成分とする電圧非直線抵抗体は、他の非直
線抵抗体（例えば、ＳｉＣなど）と比較して、優れた非
直線性を示す。さらに、この抵抗体の非直線性は、焼結
体自身の性質に起因していることから、素子の特性は素
子形状や焼成時の条件などを変えることにより比較的自
由に変化させることができる。以上のような利点を持つ
ことから酸化亜鉛を主成分とする電圧非直線抵抗体の使
用は、年々増加している。

従来の電圧非直線抵抗体は、直流または交流の電圧を印
加すると、もれ電流は時間とともに増大する傾向を持ち
、その結果、素子は発熱し、熱暴走現象を呈し、ついに
は素子破壊へと至るなど、寿命に限界があった。このよ
うなもれ電流の問題はきわめて重要であり、素子の長寿
命化を図ることは、不可欠なものである。このため従来
は、素子の初期もれｔ流を小さくすることやａ１１Ｌ率
（礪／ｖ１ｍ人）ｖｏ：印加電圧）をできるだけ小さく
するなどの方法がとられてきた。

しかし、電圧非ｉＩ線素子の性能向上という点からはあ
まり望ましいものではなかった。第４図は一般的な酸化
亜鉛電圧非直線抵抗体の電流電圧特性を示す特性図、縦
軸は電圧、横軸はｔ流を表わす。この図から説明すると
、素子の性能で大事なことは、規格により定まる大電流
側の制限電圧比、例えばｖｌ。Ｋ人と笑顔の印加電圧Ｖ
。との比（Ｖ、。ＫＡ／ｖＯ）であり、この比が小さい
程、望ましい特性とぎえる。

すなわち、Ｗが大きい程、制限電圧比が小さくなる。し
かし、Ｖｏが大きくなると課電率は上昇し、短寿命とな
り問題である。賽子性能の改善と寿命の問題はきわめて
重要であるｏ素子の長寿命化の試みは、焼成条件や添加
物の選択や組み合せ等により進められ、ある程度成功し
たが制限電圧比（ｖｌｏ　ＫＡ／’Ｖ　１ｍ人）の値が
大きくなるなどの欠点があった０ さらに、課電中の素子に高エネルギサージが注入された
場合の熱的安定性の問題がある。これはサージ吸収によ
る素子の温度上昇と放熱に関する問題で、素子温度があ
る臨界温度を越えると素子は熱暴走へと至る。

印ＥＯｔ圧が一定とすると、素子への電気人力ＰはＥｌ
）式で示される； Ｐ−Ｐｏｅｘｐ　（−ＥＱ／Ｉ（Ｔ）　　　　　　（１
）ここで、Ｅｑは活性化エネルギ、Ｋはボルツマン定数
、Ｔは絶対温度、Ｐｏは定数である。

また、自然放熱量Ｑは（２）式により示される；Ｑ　＝
Ｋ　（Ｔ　−Ｔｏ　）　　　　　　　　　＋２）ここで
、Ｋは定数である。

このようすを第５図の酸化亜鉛電圧非直線抵抗体の熱収
支を示す特性図に示せば、曲線Ａ（（１）式に対応し、
電気的入力Ｐを示す０）と直線Ｂ（（２）式に対応し、
放熱量Ｑを示す。）とで表わせる。

なお、縦軸は熱量を、横軸は温度を表わす。直線Ｂは周
囲条件により決まるが、曲線Ａは、素子の温度特性によ
り決定する。

図中のＣ−Ｄ点の間では放熱が発熱を上回り熱的には安
定であるが、Ｄ点を越えると素子は熱暴走へと至る。そ
れ故、Ｄ点はより高温であることが望ましい。これはΔ
Ｔが大きくなること、すなわち（１）式でＥａ　、　Ｐ
ｏが小さい値を持つことに対応する。

これらの値も組成や焼成の条件で変化する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のように従来の酸化亜鉛電圧非直線抵抗体では、素
子の長寿命化を図ると動作性能が劣る。

また一方制限電圧比を小さくして性能向上を図ると寿命
が短かくなるという問題点があった。ざらに課電中の素
子に高エネルギが注入された場合の熱的安定性にも問題
があった。

この発明はかかる問題点を除去するため脅こなされたも
ので、電圧印ｍ時において、長寿命で制限電圧比が小さ
く、もれ電流の温度特性に酸化亜鉛電圧非直線抵抗体を
得ることを目的とする。

〔発明を解決するための手段〕

この発明の酸化亜鉛電圧非直線抵抗体は、酸化亜鉛を主
成分とし、金属ビスマスを２〜１０モＡ、４含有する混
合物を焼結したものである。

〔作　用〕

この発明においては、金属ビスマスを２〜ｌＯモル壬添
加すること番こより、第１図に示すようにｔ流の経時変
化を小さく長寿命化を達成でき、また第２図に示すよう
に制限電圧比を小さく、さらにもれ電流の温度特性もよ
くなり優れた熱的安定性を示した。

これは、金属ビスマスが、酸化ビスマスに比較してより
高純度であり、不純物の影響を受けにくいためか、また
は金属ビスマスの融点が低いことから、より早く、より
均一に素子内部へ拡散していくため、などが考えられる
。

なお、Ｘ線回折の結果は、金属ビスマスは、はホ醗化さ
れ酸化ビスマスとして、素子内部に存在する０ 〔実施例〕 この発明の酸化亜鉛電圧非直線抵抗体は、酸化亜鉛（Ｚ
ｎｏ）を主成分とし、金属ビスマスを２〜１０モル係の
範囲で含有し、さらに微量成分として酸化コバルト（Ｃ
Ｏ２０Ｂ　）　％酸化マンガン（Ｍｎ０２　）　、酸化
アンチモン（ｓｂ、ｏ、　”）及び酸化クロム（Ｃｒ２
０ｇ）を各々０．１〜１．０モル憾の範囲で含有する混
合物を１０００℃以上で焼結して形成する。

実施例 酸化コバルトの０．５モルｉ酸化マンガン０．５モル１
２化アンチモン１．０モルｉ酸化クロム０．５モル係、
及び３００メツシユを通過した金属ビスｆｆスを１．０
〜１０．０モル憾の範囲で変えて含有し残部が酸化亜鉛
とした配合比の原料粉末を十分に混合物を調製した。こ
の混合物を加圧成形し、さらに成形体を１１９０℃で焼
成し、その後６００℃で焼なましを行なった０次いでア
ルミニウム電標を形成し電気特性の測定を行なった０な
お、比較例として金属ビスマスに変えて酸化上２１１１
．０モル係含有する配合比の混合物を調製し、以下実施
例と同様にして電気特性の測定を行なった。

第１図は、素子の課電寿命について検討したもので、酸
化亜鉛電圧非直線抵抗体の金属ビスマスの添加量をパラ
メータとして素子のもれ電流の１１時変化を示す特性図
で、縦軸はもれ電流（１人）を、横軸は時間（ｈｒ　）
を表わす。図中、特性曲線【１）は比較例の酸化ビスマ
スを１．０七ル憾混合した場合の、（２）　＋ｉ　金１
４コンバルトを１．０モル％　、＋３）は金属；ンバル
トヲ２．０モル１（４）ｉ１金属コンバルトを４．０モ
ル％混合した場合の酸化亜鉛電圧非直線抵抗体のもれ電
流の経時変化を表わす。

各曲線の値は、金属ビスマスとして換算した値である。

もれ電流の経時変化は、図中の曲線が水平または右下が
りである程、素子は安定であると言え、長寿命と見なせ
る。従って第１図の曲線の中では（４）の曲線が最も安
定した素子で長寿命であると言える。この時の金属ビス
マスの混合物への添加量は４．０モル憾である。ｔ２、
この時１０．０モル壬添加の素子は、非直線性をほとん
ど示さなかった。

第２図は酸化亜鉛電圧非直線抵抗体の金属ビスマスの添
加量と制限電圧比との関係を示す特性図で、縦軸は酸化
ビスマスを１．０モル優添加した場合の値で正規化した
制限電圧比を、横軸は金属ビスマスの添加量（モル％）
を表わす。制限ｔＥＥ比は、金属ビスマスの添加により
、酸化ビスマスを添加した場合より、やや減少し、さら
に、２．０モル係以上の添加により、大幅な減少がみら
れる。

またｌＯ０θモル係以上添加すると急に増加し始める０
制限電圧比から見ると、金属ビスマスの添加量は、２．
０モル壬以上ｌＯモル係以下が適当であり、４〜８モル
壬の範囲が最適と考えられる。

第３図は、もれ電流の温度特性からみた熱的安定性につ
いて検討したもので、酸化亜鉛電圧非直線抵抗体の金属
ビスマスの添加量ともれ電流との関係を示す特性図で、
縦軸は酸化ビスマスを１．０モル係添加した場合の値で
正規化したもれ電流を、横軸は金属ビスマスの添加ｔ（
モル％）を表わす０なお、この値は測定＠度１５０℃と
し、Ｖ　２　ｊ　ＫＡの５０チの電圧を印加した場合の
もれｔ流を測定したものである。もれ電流は２．０モル
係添加の場合がもつと大きくなり、その前後で小さくな
っている。

ここでも、金属ビスマスの添加量は２．０モル係以上で
もれ電流が減少し始めるので適していると思われる。４
．０モル係以上がより適当である。

これらの結果から見て、金属ビスマスを添加した場合は
酸化ビスマスを添加した場合と比較して、より長寿命で
あり、また、添加量を制御することにより、制限電圧比
やもれ電流の温Ｉｆ％性も優れた素子を得ることができ
る。その時の、金属ビスマスの添加量は、第し〜３図か
ら２モル憾以上から効果が現われ始め、また１０モル係
では電圧非直線性を示さないため２〜１０モルチモル当
であり、４〜８モル係がさらに適当である。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、酸化亜鉛を主成分と
し、金属ビスマスを２〜１０モル係含有する混合物を焼
結することにより、制限電圧比の小さい、温度特性に優
れた長寿命の酸化亜鉛電圧非直線抵抗体が得られる効果
がある。

【図面の簡単な説明】

Ｋｘ■は金属ビスマスの添加量をパラメータとした酸化
亜鉛電圧非直線抵抗体のもれ電流の１時変化を示す特性
図、第２図は酸化亜鉛電圧非直線抵抗体金属ヒスマスの
添加量を制限電圧比との関係を示す特性図、第３図は酸
化亜鉛電圧非直線抵抗体の金属ビスマスの添加量ともれ
電流の関係を示す特性図、第４図は一般的な酸化亜鉛電
圧非直線抵抗体の電流電圧特性を示す特性図、第５図は
素子における熱収支を示す特性図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）酸化亜鉛を主成分とし、金属ビスマスを２〜１０
   モル％含有する混合物を焼結してなる酸化亜鉛電圧非直
   線抵抗体。
2. （２）混合物は金属ビスマスを４〜８モル％含有してい
   る特許請求の範囲第１項記載の酸化亜鉛電圧非直線抵抗
   体。