JPS6127602A - Method of producing zno single crystal particles - Google Patents

Method of producing zno single crystal particles

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JPS6127602A
JPS6127602A JP14920984A JP14920984A JPS6127602A JP S6127602 A JPS6127602 A JP S6127602A JP 14920984 A JP14920984 A JP 14920984A JP 14920984 A JP14920984 A JP 14920984A JP S6127602 A JPS6127602 A JP S6127602A
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zno
core particles
varistor
powder
compound
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孝一 津田
永沢 郁郎
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Fuji Electric Co Ltd
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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。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は酸化亜鉛(ZnO)を主成分とする低電圧回路
用バリスタの製造方法に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of the Invention] The present invention relates to a method for manufacturing a varistor for low voltage circuits containing zinc oxide (ZnO) as a main component.

〔従来技術とその問題点〕[Prior art and its problems]

、ZnOを主成分とし、これに微量の添加物を加えて混
合した後焼結してつくられるセラミ、クスは、優れた電
圧非直線性を示すことが知られており、電気回路におけ
る異常電圧(サージ)を抑制するためのバリスタとして
広く実用に供されている。
, Ceramics made by mixing and sintering ZnO with trace amounts of additives as its main component are known to exhibit excellent voltage nonlinearity, and are known to exhibit excellent voltage nonlinearity, which can prevent abnormal voltages in electrical circuits. It is widely used as a varistor to suppress surges.

ZnOバリスタの電圧非直線性はZnO粒子の粒界に形
成されるシミ、トキー障壁に起因するものである。実用
的なバリスタにおいてはZnO粒子が結合して形成され
る粒界1層当りのバリスタ電圧は結晶粒径の大きさにか
かわらずほぼ一定であり、その値は2■程度である。バ
リスタ電圧とはバリスタに1 mAの電流を流したとき
の端子間電圧で′あり通常V 1 mAで表わされる。
The voltage nonlinearity of the ZnO varistor is caused by spots and toky barriers formed at the grain boundaries of ZnO particles. In a practical varistor, the varistor voltage per layer of grain boundaries formed by bonding of ZnO particles is almost constant regardless of the size of the crystal grains, and its value is about 2. The varistor voltage is the voltage between the terminals when a current of 1 mA is passed through the varistor, and is usually expressed as V 1 mA.

したがって電圧非直線抵抗翼子のバリスタ電圧はZnO
焼結体上に設けられた電極間に存在する粒界層の数によ
って決定される。このため低電圧回路lご用いられる素
子に対しては、素子の厚さを薄くするか、あるいはZn
O粒子径を十分に大きくする必要がある。
Therefore, the varistor voltage of the voltage nonlinear resistance blade is ZnO
It is determined by the number of grain boundary layers existing between the electrodes provided on the sintered body. Therefore, for devices used in low-voltage circuits, the thickness of the device must be made thinner, or Zn
It is necessary to make the O particle size sufficiently large.

例えばDC12V回路にZnOバリスタを適用する場合
回路電圧の変動などを考慮し、バリスタ電圧は一般に2
2Vのものが使用されるが、前述のように粒界1層当り
のバリスタ電圧は約2■であるから、この素子の端子電
極間に存在し得る粒界はたかだか11層である。
For example, when applying a ZnO varistor to a DC12V circuit, the varistor voltage is generally 2.
A varistor voltage of 2V is used, but as mentioned above, the varistor voltage per grain boundary layer is about 2V, so the number of grain boundaries that can exist between the terminal electrodes of this element is at most 11 layers.

一方通常の方法でつくられるZnOバリスタ焼結体の粒
子径は10〜20μmであるから、約22Vのバリスタ
電圧を得るために素子の厚さは0.1−0.2閣にしな
ければならない。しかしZnOバリスタのような焼結体
は0.1〜0.2JImの厚さでは機械的強度が低く、
製作中に割れを生ずるなど、の問題があり、素子をこの
ように薄くする方法は実用的でない。
On the other hand, since the particle size of a ZnO varistor sintered body produced by a conventional method is 10 to 20 μm, the thickness of the device must be 0.1 to 0.2 mm in order to obtain a varistor voltage of about 22V. However, sintered bodies such as ZnO varistors have low mechanical strength at a thickness of 0.1 to 0.2 JIm.
This method of making the device thinner is not practical due to problems such as cracks occurring during manufacturing.

これを解決するためにZnOバリスタをつくる際に、原
料の粉末にZnO粉末よりもはるかに大きな粒径のZn
O単結晶を少量添加し、そのZnO単結晶(以下核粒子
と称する)を核として粒成長を促進させるという巧妙な
方法が考え出されている。この方法によれば結晶粒径が
(資)μm以上に成長し、素子厚さlaw当りのバリス
タ電圧(以下V 1 mA/ tと記す)をIOV/m
程度まで低くすることができる。
To solve this problem, when making ZnO varistors, the raw material powder contains Zn with a much larger particle size than the ZnO powder.
An ingenious method has been devised in which a small amount of O single crystal is added and grain growth is promoted using the ZnO single crystal (hereinafter referred to as a core particle) as a nucleus. According to this method, the crystal grain size grows to (capital) μm or more, and the varistor voltage (hereinafter referred to as V 1 mA/t) per device thickness law is IOV/m.
It can be lowered to a certain extent.

粒成長を促進させる核粒子を製造するために通常次の方
法が用いられている。
The following method is commonly used to produce core particles that promote grain growth.

ill Z n O粉末にBa化合物もしくはSr化合
物を少量添加混合した粉末を成形した後焼成し、得られ
た焼結体を加水分解する。
A powder obtained by adding and mixing a small amount of Ba compound or Sr compound to ill Z n O powder is molded and then fired, and the obtained sintered body is hydrolyzed.

(21Z n O粉末にBi2O3,希土類酸化物など
の粒成長促進剤を添加混合した粉末を成形した後焼成し
て得られる焼結体を粉砕する。
(A sintered body obtained by molding a powder obtained by adding and mixing a grain growth promoter such as Bi2O3 or a rare earth oxide to 21Z n O powder and then firing it is pulverized.

(3)気相成長法を用いて直接ZnO単結晶とする。(3) A ZnO single crystal is directly formed using a vapor phase growth method.

これらの核粒子製造方法のうち(1)の方法は粒成長促
進剤として用いられるBa化合物やSr化合物を加水分
解して除去することが可能であること、また添加物の制
御や核粒子径の制御などが容易であることから最も多く
用いられている。
Among these methods for producing core particles, method (1) is capable of hydrolyzing and removing Ba compounds and Sr compounds used as grain growth promoters, and is also effective in controlling additives and controlling the core particle diameter. It is the most commonly used because it is easy to control.

このようにして得られた核粒子を添加しV imA/l
の値を低下させ、しかもその他の電気的特性も良好に維
持するために、核粒子径はδ〜昭μmの範囲であること
が本発明者らの発明による特開昭間−20773号公報
に開示されている。
The core particles thus obtained were added to V imA/l.
In order to reduce the value of and maintain good electrical properties, the core particle diameter is in the range of δ to Showa μm, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 20773, which was invented by the present inventors. Disclosed.

しかしながら25〜53μmの径をもつ核粒子は歩留り
よく得ることができず、最もよく行われている上記(1
)の方法でさえ、核粒子径のばらつきが大きく最適粒子
径を有する核粒子の収率は40層程度に過ぎない。また
(1)の方法はBa化合物やSr化合物を添加混合した
ZnO粉末を焼成するとき、ZnO粒子は結晶構造的に
はC軸に沿って成長しやすいため細長い形状になりやす
い。細長い形状のものを含む核粒子から25〜53μm
径をもつ核粒子のみを選別するために篩分けすると、長
手方向が53μm以上ある核粒子が容易に篩目を通過し
て混入してしまう。このような核粒子を添加したZnO
粉末を焼結して得られるバリスタは結晶粒が不均一なも
のとなり、その結果バリスタの特性を低下させるという
欠点が避けられない。
However, core particles with a diameter of 25 to 53 μm cannot be obtained with a good yield, and the most common method is the above-mentioned method (1).
Even with the method (2), the core particle size varies widely and the yield of core particles having the optimum particle size is only about 40 layers. Further, in the method (1), when ZnO powder mixed with a Ba compound or a Sr compound is fired, the ZnO particles tend to grow along the C axis in terms of crystal structure, so they tend to have an elongated shape. 25 to 53 μm from the core particle, including elongated ones
When sieving is performed to select only core particles having a diameter, core particles having a longitudinal direction of 53 μm or more easily pass through the sieve mesh and are mixed in. ZnO added with such core particles
The varistor obtained by sintering the powder has non-uniform crystal grains, which inevitably leads to a deterioration in the characteristics of the varistor.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明の目的は低電圧回路に用いられるZnOバリスタ
の粒子径を大きくし、V l mA/lの値を低減させ
るために、このZnOバリスタに添加される核粒子が円
形状でしかも粒子径が均一となる製造方法を提供するこ
とにある。
The purpose of the present invention is to increase the particle size of a ZnO varistor used in a low voltage circuit and to reduce the value of V l mA/l. The objective is to provide a uniform manufacturing method.

〔発明の要点〕[Key points of the invention]

本発明はBa化合物またはSr化合物を添加したZnO
粉末にさらに希土類化合物を添加混合して成形後焼成し
た焼結体を加水分解することにより、希土類元素が異常
な粒成長を抑制するために丸味をもった最適粒径の核粒
子を歩留りよく得られるようにしたものである。
The present invention is based on ZnO containing Ba compound or Sr compound.
By hydrolyzing the sintered body that is formed by adding and mixing a rare earth compound to the powder and then firing it, core particles with a rounded shape and an optimum particle size can be obtained with a high yield because the rare earth element suppresses abnormal grain growth. It was designed so that

〔発明の実施例〕 以下本発明を実施例に基づき説明する。[Embodiments of the invention] The present invention will be explained below based on examples.

ZnO粉末にBaC0B 、 At(NOa )s 、
 Cog(J4とさらにLa2O3の洛粉末を、添加元
素としてそれぞれB息が0.08原子%、 Atが20
原子ppm、Coが2原子%、  Laが0.1原子%
含有されるように配合添加し、十分に混合して加圧成形
後、1150’ICで4時間焼成した。得られた焼結体
は粒界に析出したBaO層がZnO粒子を取り囲む構造
となる。この焼結体を純水中で十分に煮沸しBaO層を
溶解させることにより核粒子が得られる。これを篩を用
いて分級したときの粒度分布を第1図に示す。比較のた
めに従来方法すなわちZnO粉末にLa2O3を添加せ
ずにつくられた核粒子の粒度分布を第2図に示す。
ZnO powder contains BaC0B, At(NOa)s,
Cog (J4 and further La2O3 Raku powder, B breath is 0.08 at% and At is 20% as additive elements, respectively.
Atomic ppm, Co 2 at%, La 0.1 at%
After mixing thoroughly and press molding, it was fired at 1150'IC for 4 hours. The obtained sintered body has a structure in which a BaO layer precipitated at grain boundaries surrounds ZnO particles. Core particles are obtained by sufficiently boiling this sintered body in pure water to dissolve the BaO layer. Figure 1 shows the particle size distribution when this was classified using a sieve. For comparison, FIG. 2 shows the particle size distribution of core particles produced by the conventional method, that is, without adding La2O3 to ZnO powder.

第1図と第2図の比較かられかるようにLa2O3を添
加してない従来法では核粒子は広い範囲にわたって分布
しており、粒径25〜53μmの範囲で急峻なピークを
もって分布する山とならず、また異常粒成長による10
0μmを超える粒径の核粒子が多数存在しているのに対
し、本発明によればLa2O3を添加することにより粒
径25〜53μmの核粒子は顕著なピークをもって狭い
範囲に分布し、また異常粒成長を生ずることもない。
As can be seen from the comparison between Figures 1 and 2, in the conventional method without the addition of La2O3, the core particles are distributed over a wide range, and there is a mountain with a steep peak in the particle size range of 25 to 53 μm. 10 due to abnormal grain growth.
While there are many core particles with a particle size exceeding 0 μm, according to the present invention, by adding La2O3, the core particles with a particle size of 25 to 53 μm are distributed in a narrow range with a prominent peak, and abnormalities are observed. No grain growth occurs.

このようにLaの有無によって核粒子の粒度分布に相違
があるのは、LaがZnO結晶粒界に析出し急激な粒成
長を抑制するためである。なぢ本実施例ではAZI C
oも添加しているがこれらは加水分解の際にBaO層の
溶解速度すなわち核粒子の分離速度を速めることおよび
バリスタの電気的特性を向上させるためのも、のであっ
て核粒子の大きさや形状には本質的に無関係である。
The reason why the grain size distribution of the core particles differs depending on the presence or absence of La is that La precipitates at the ZnO grain boundaries and suppresses rapid grain growth. In this example, AZI C
o is also added, but these are used to speed up the dissolution rate of the BaO layer during hydrolysis, that is, the separation rate of the core particles, and to improve the electrical characteristics of the varistor. is essentially unrelated.

第1表は上記の方法を用いて得られた核粒子のうち粒子
径6〜53μmの収率およびそれらの形状を示したもの
であり、BaCO3の代りにSrCO3を添加したもの
および比較のために従来方法によりつくられた核粒子に
ついても併記しである。La20Bを添加したものは異
常粒成長が抑制されてしかも第1表 円形状となるものが多く、従来法によるものは異常粒成
長を起こし、さらに楕円状を呈するものが多いために5
〜53μm粒子径の収率が著しく異る。
Table 1 shows the yield of core particles of 6 to 53 μm in particle size and their shape among the core particles obtained using the above method, and shows the shapes of core particles with SrCO3 added instead of BaCO3 and for comparison. Nuclear particles produced by conventional methods are also listed. In the case of adding La20B, abnormal grain growth is suppressed and most of them have a circular shape as shown in Table 1, whereas in the case of the conventional method, abnormal grain growth occurs and many of them have an elliptical shape.
The yields for ~53 μm particle sizes are significantly different.

またBaCO3の代りにSrCO3を添加した場合にも
Laによる効果は全く同様であり、第1表には示してな
いがBaCO5とSrCO3を同時に添加してもそれぞ
れ単独に添加したときと同様の結果が得られる。
Furthermore, the effect of La is exactly the same when SrCO3 is added instead of BaCO3, and although it is not shown in Table 1, adding BaCO5 and SrCO3 at the same time gives the same results as when each is added individually. can get.

第2表は同一添加量でLa10gとは異る各種希土類酸
化物を用いたときの結果をg1表と同じ様式で示したも
のでありN13〜−9はBacosを添加し一10〜m
iaは5rCOBを添加した場合である。
Table 2 shows the results when using various rare earth oxides different from La10g at the same addition amount in the same format as the g1 table.
ia is the case when 5rCOB is added.

第2表 第2表のようにLm以外の各種希土類元素を添加した場
合でも本発明の効果が認められる。
As shown in Table 2, the effects of the present invention can be observed even when various rare earth elements other than Lm are added.

次に第3表はLa20mを用いその添加量を0.01〜
2.0原子%の範囲に変化させて得られた核粒子、の結
果を籐1表、第2表と同じ様式で表わしたものであるが
、第3表には加水分解による核粒子の分離時間を追加記
入した。
Next, Table 3 uses La20m and the amount added is 0.01~
The results of the nuclear particles obtained by changing the concentration to 2.0 atom% are shown in the same format as Rattan Tables 1 and 2, but Table 3 shows the results for the separation of the core particles by hydrolysis. I added the time.

第3表のML 17〜* 21はB aCOs添加のも
のであるがこれらの中にはLaの添加量にしたがって第
1表のNalを含み、同様にNa22〜Na26は5r
CO1添加の場合であり第1表の1m2で示したものを
この中に再掲しである。
MLs 17 to *21 in Table 3 are those with BaCOs added, but these include Nal in Table 1 according to the amount of La added, and similarly Na22 to Na26 are 5r.
In the case of CO1 addition, the amount shown as 1 m2 in Table 1 is reprinted here.

第3表からLaの添加量が0.05原子%以上であれば
適切な粒径をもった核粒子の収率も高く形状も円形とな
るが、Laの添加量が1原子%を超えると加水分解にお
ける核粒子の分離時開が急激に増加するようになり、実
用的でないことがわかる。
From Table 3, if the amount of La added is 0.05 atomic % or more, the yield of core particles with an appropriate particle size is high and the shape becomes circular, but if the amount of La added exceeds 1 atomic %, It can be seen that the separation time of the core particles during hydrolysis increases rapidly, which makes it impractical.

したがってLaの最も好ましい添加量の範囲は0.05
〜1.0原子%である。 この値は纂2表に示、したよ
うなLa以外の各種希土類元素の酸化物を用いても変わ
ることがなかった。
Therefore, the most preferable range of addition amount of La is 0.05
~1.0 at%. This value did not change even when oxides of various rare earth elements other than La were used as shown in Table 2.

なお本実施例では希土類元素は酸化物として添加した場
合について説明したが焼成中に酸化物となるものであれ
ば他の化合物、例えば炭酸化合物などでもよいことは勿
論である。
In this example, the case where the rare earth element is added as an oxide has been described, but it goes without saying that other compounds such as carbonate compounds may be used as long as they become oxides during firing.

C発明の効果〕 低電圧回路用のZnOバリスタを製造するときに用いら
れる核粒子は従来ZnO粉末にBm化合物またはSr化
合物を添加した焼結体を加水分解する方法が最も多く利
用されているが、本発明では実施例で説明したようにZ
nO粉末にEiaや8rのほかにさらに希土類元素を加
えることにより、この希土類元素が急激な粒成長を抑制
する役割りを果すために、丸味のあるより均一な粒径を
もった核粒子が得られ、しかも粒径の最適箱s25〜5
3μmに急峻なピークをもつ粒度分布となるので核粒子
の収率が著しく向上する。この結果この核粒子を添加し
て得られるバリスタの特性値のばらつきを小さくするこ
とができる。
C Effects of the Invention] Conventionally, the most commonly used method for producing core particles when manufacturing ZnO varistors for low-voltage circuits is to hydrolyze a sintered body of ZnO powder to which a Bm compound or Sr compound is added. , in the present invention, as explained in the embodiment, Z
By adding rare earth elements in addition to Eia and 8r to the nO powder, core particles with roundness and a more uniform particle size can be obtained because the rare earth elements play a role in suppressing rapid grain growth. and optimum particle size box s25~5
Since the particle size distribution has a steep peak at 3 μm, the yield of core particles is significantly improved. As a result, variations in the characteristic values of varistors obtained by adding these core particles can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1)酸化亜鉛(ZnO)粉末にバリウム(Ba)化合物
およびストロンチウム(Br)化合物の少くとも一方を
加えた混合粉末を加圧成形し焼成してなる焼結体を加水
分解してZnOバリスタ原料のZnO単結晶粒子を製造
する方法において、前記ZnO粉末に希土類元素の化合
物を添加することを特徴とするZnO単結晶粒子の製造
方法。 2)特許請求の範囲第1項記載の方法において、希土類
元素の化合物中の希土類元素は0.05〜1.0原子%
添加されることを特徴とするZnO単結晶粒子の製造方
法。
[Claims] 1) Hydrolyzing a sintered body obtained by press-molding and firing a mixed powder of zinc oxide (ZnO) powder and at least one of a barium (Ba) compound and a strontium (Br) compound. A method for producing ZnO single crystal particles as a raw material for a ZnO varistor, the method comprising: adding a compound of a rare earth element to the ZnO powder. 2) In the method according to claim 1, the rare earth element in the rare earth element compound is 0.05 to 1.0 at%.
A method for producing ZnO single crystal particles, characterized in that ZnO is added.
JP14920984A 1984-07-18 1984-07-18 Method of producing zno single crystal particles Granted JPS6127602A (en)

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