JPS6157685B2 - - Google Patents
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- JPS6157685B2 JPS6157685B2 JP56078217A JP7821781A JPS6157685B2 JP S6157685 B2 JPS6157685 B2 JP S6157685B2 JP 56078217 A JP56078217 A JP 56078217A JP 7821781 A JP7821781 A JP 7821781A JP S6157685 B2 JPS6157685 B2 JP S6157685B2
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Landscapes
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
- Thermistors And Varistors (AREA)
Description
本発明はパルス応答性およびサージ負荷寿命に
優れた酸化亜鉛を主成分とする焼結型バルク構造
の電圧非直線抵抗素子(以下バリスタと記す)に
関するものである。 過電圧保護素子や避雷器にバリスタが広く用い
られている。バリスタの電圧−電流特性は、 I=(V/C)a で表わされる。但し、Cは抵抗に相当する定数、
aは電圧非直線指数と呼ばれる。一般にバリスタ
の特性は、aと、ある特定電流における電圧であ
るバリスタ電圧で表わされる。xは通常0.1〜
1mA/cm2における電圧−電流特性より求める。
また、バリスタ電圧は便宜的に1mAの電流を流
した時の端子電圧(V1nA)で表わすことが多
い。バリスタとしては、バリスタ電圧が適当な範
囲(通常厚み1mmあたり数10〜数100Vである。)
にあり、aが大きいほど望ましい。 バリスタとしては炭化硅素を高温で焼き固めた
SiCバリスタと酸化亜鉛を主成分とする焼結体自
身が電圧非直線性を示す(バルク非直線性の)
ZnOバリスタが良く知られている。しかし過電圧
保護素子として考えた場合、ほとんどすべての特
性でZnOバリスタの方がSiCバリスタよりも優れ
ており、現在では主としてZnOバリスタが用いら
れるようになつてきた。 ZnOバリスタは、主成分のZnOに、酸化ビスマ
ス(Bi2O3)、酸化コバルト(Co2O3)、酸化マン
ガン(MnO2)などを少量加えて混合し、成型の
後1000℃〜1400℃で焼結させることにより得られ
る。このようにして作られるZnOバリスタは、従
来のSiCバリスタのaが3〜7であつたのに対し
30〜50あるいはそれ以上のものも得られるため、
過電圧保護素子の主流となつている。 ところでサイリスタなどのスイツチング機能を
有する半導体素子が電力変換に広く用いられるよ
うになり、それと共にスイツチングによつて発生
する過電圧から保護する素子が必要となつてき
た。とくに転流サージと呼ばれる過電圧は立上り
時間が早いため、応答性に優れた過電圧保護素子
が必要とされている。また転流サージは電圧とし
ては高くないが50ないしは60Hzの割合で加わる
ため、繰返しサージ負荷に強い過電圧素子が必要
とされている。すなわち1回あたりのサージ電流
は大きくないが(通常10A以下)、繰返し加わる
ため、電力に換算すると相当大きな負荷になるも
ので、しかも交流的(パルスの極性が1回毎に異
なる)に加わるものである。従来の用途では、こ
のような特性は必要とされなかつた。そのため特
性的にも十分でなかつた。 本発明は上記の問題点に鑑みて成されたもので
あり、パルス応答性、サージ負荷寿命特性に優れ
たバリスタを提供するもので、以下にその実施例
と共に詳細を説明する。 実施例 1 ZnO粉末に少量のBi2O3,Cc2O3、MnO2,
Sb2O3,BaO,B2O3,Al2O3、MgOの粉末を、添
加量をいろいろ変えて加え、十分混合し、250〜
400Kg/cm2の圧力で、直径17.5mm、厚み2mmの円
板状に圧縮成型した。 ついで1150℃〜1350℃の空気中で2時間焼成
し、その後両平面を研磨し、アルミニウムの溶射
電極を設けた。このようにして得られた素子の単
位厚みあたりのバリスタ電圧(1nA/mm)、α、パ
ルス応答性、サージ負荷寿命特性を測定した。結
果を第1表に示す。なおパルス応答性は、無誘導
抵抗負荷に対してピークまでの立上り時間が
50ns(ナノ秒)であるような矩形波パルスを試
料に印加し、50μs(マイクロ秒)後に試料に流
れる電流が1Aになるような条件に設定した時に
得られる図面に示すような試料両端の電圧波形に
おいて、電圧ピークVpと、矩形波パルス印加後
50μs後の電圧Vsとの差(Vp−Vs)をVsで除
した値に100をかけて%表示した値ΔVpで評価し
た。すなわちΔVp=Vp−Vs/Vs×100(%)であ る。 サージ負荷寿命は、サージ電流が最大1A以下
で60Hzの割合で交流的に加わり、サージ継続時
間が40μs以上、サージ電力が0.1W/cm2になる
条件で100時間印加した後のバリスタ電圧の初期
値に対する変化率ΔV1nAで評価した。 なお本実施例におけるZnOの量は、100モル%
から添加物総量の占めるモル%を引いた量であ
り、以下の各実施例についても同様である。
優れた酸化亜鉛を主成分とする焼結型バルク構造
の電圧非直線抵抗素子(以下バリスタと記す)に
関するものである。 過電圧保護素子や避雷器にバリスタが広く用い
られている。バリスタの電圧−電流特性は、 I=(V/C)a で表わされる。但し、Cは抵抗に相当する定数、
aは電圧非直線指数と呼ばれる。一般にバリスタ
の特性は、aと、ある特定電流における電圧であ
るバリスタ電圧で表わされる。xは通常0.1〜
1mA/cm2における電圧−電流特性より求める。
また、バリスタ電圧は便宜的に1mAの電流を流
した時の端子電圧(V1nA)で表わすことが多
い。バリスタとしては、バリスタ電圧が適当な範
囲(通常厚み1mmあたり数10〜数100Vである。)
にあり、aが大きいほど望ましい。 バリスタとしては炭化硅素を高温で焼き固めた
SiCバリスタと酸化亜鉛を主成分とする焼結体自
身が電圧非直線性を示す(バルク非直線性の)
ZnOバリスタが良く知られている。しかし過電圧
保護素子として考えた場合、ほとんどすべての特
性でZnOバリスタの方がSiCバリスタよりも優れ
ており、現在では主としてZnOバリスタが用いら
れるようになつてきた。 ZnOバリスタは、主成分のZnOに、酸化ビスマ
ス(Bi2O3)、酸化コバルト(Co2O3)、酸化マン
ガン(MnO2)などを少量加えて混合し、成型の
後1000℃〜1400℃で焼結させることにより得られ
る。このようにして作られるZnOバリスタは、従
来のSiCバリスタのaが3〜7であつたのに対し
30〜50あるいはそれ以上のものも得られるため、
過電圧保護素子の主流となつている。 ところでサイリスタなどのスイツチング機能を
有する半導体素子が電力変換に広く用いられるよ
うになり、それと共にスイツチングによつて発生
する過電圧から保護する素子が必要となつてき
た。とくに転流サージと呼ばれる過電圧は立上り
時間が早いため、応答性に優れた過電圧保護素子
が必要とされている。また転流サージは電圧とし
ては高くないが50ないしは60Hzの割合で加わる
ため、繰返しサージ負荷に強い過電圧素子が必要
とされている。すなわち1回あたりのサージ電流
は大きくないが(通常10A以下)、繰返し加わる
ため、電力に換算すると相当大きな負荷になるも
ので、しかも交流的(パルスの極性が1回毎に異
なる)に加わるものである。従来の用途では、こ
のような特性は必要とされなかつた。そのため特
性的にも十分でなかつた。 本発明は上記の問題点に鑑みて成されたもので
あり、パルス応答性、サージ負荷寿命特性に優れ
たバリスタを提供するもので、以下にその実施例
と共に詳細を説明する。 実施例 1 ZnO粉末に少量のBi2O3,Cc2O3、MnO2,
Sb2O3,BaO,B2O3,Al2O3、MgOの粉末を、添
加量をいろいろ変えて加え、十分混合し、250〜
400Kg/cm2の圧力で、直径17.5mm、厚み2mmの円
板状に圧縮成型した。 ついで1150℃〜1350℃の空気中で2時間焼成
し、その後両平面を研磨し、アルミニウムの溶射
電極を設けた。このようにして得られた素子の単
位厚みあたりのバリスタ電圧(1nA/mm)、α、パ
ルス応答性、サージ負荷寿命特性を測定した。結
果を第1表に示す。なおパルス応答性は、無誘導
抵抗負荷に対してピークまでの立上り時間が
50ns(ナノ秒)であるような矩形波パルスを試
料に印加し、50μs(マイクロ秒)後に試料に流
れる電流が1Aになるような条件に設定した時に
得られる図面に示すような試料両端の電圧波形に
おいて、電圧ピークVpと、矩形波パルス印加後
50μs後の電圧Vsとの差(Vp−Vs)をVsで除
した値に100をかけて%表示した値ΔVpで評価し
た。すなわちΔVp=Vp−Vs/Vs×100(%)であ る。 サージ負荷寿命は、サージ電流が最大1A以下
で60Hzの割合で交流的に加わり、サージ継続時
間が40μs以上、サージ電力が0.1W/cm2になる
条件で100時間印加した後のバリスタ電圧の初期
値に対する変化率ΔV1nAで評価した。 なお本実施例におけるZnOの量は、100モル%
から添加物総量の占めるモル%を引いた量であ
り、以下の各実施例についても同様である。
【表】
【表】
第1表からわかるように、0.1〜3.0モル%の
Bi2O3,0.1〜5.0モル%のCo2O3,0.1〜3.0モル%
のMnO2,0.1〜5.0モル%のSb2O3,0.01〜3.0モ
ル%のBaO,0.01〜3.0モル%のB2O3,0.0005〜
0.025モル%のAl2O3,0.05〜25.0モル%のMgOを
含む焼結体は、αが30以上、パルス応答性が15%
以下、サージ負荷寿命が15%以下の特性を有して
おり、このような特性は上記8成分の添加物が1
つ欠けても得られないものである。 参考のために、第1表にそれぞれ一成分が欠け
た場合の特性を示す。一成分でも欠けた場合に
は、αまたは、パルス応答性またはサージ負荷寿
命のうち少なくとも一つ以上の特性が上記値に達
していないのがわかる。 実施例 2 実施例1における代表的組成について、Al2O3
のかわりに、同量のGa2O3を加えて試料を作り、
実施例1と同様の測定を行つた。その結果を第2
表に示す。
Bi2O3,0.1〜5.0モル%のCo2O3,0.1〜3.0モル%
のMnO2,0.1〜5.0モル%のSb2O3,0.01〜3.0モ
ル%のBaO,0.01〜3.0モル%のB2O3,0.0005〜
0.025モル%のAl2O3,0.05〜25.0モル%のMgOを
含む焼結体は、αが30以上、パルス応答性が15%
以下、サージ負荷寿命が15%以下の特性を有して
おり、このような特性は上記8成分の添加物が1
つ欠けても得られないものである。 参考のために、第1表にそれぞれ一成分が欠け
た場合の特性を示す。一成分でも欠けた場合に
は、αまたは、パルス応答性またはサージ負荷寿
命のうち少なくとも一つ以上の特性が上記値に達
していないのがわかる。 実施例 2 実施例1における代表的組成について、Al2O3
のかわりに、同量のGa2O3を加えて試料を作り、
実施例1と同様の測定を行つた。その結果を第2
表に示す。
【表】
【表】
第2表と第1表を比較することにより、Ga2O3
がAl2O3とほぼ同様の効果を示すことがわかる。
したがつて、0.1〜3.0モル%のBi2O3,0.1〜5.0モ
ル%のCo2O3,0.1〜3.0モル%のMnO2,0.1〜5.0
モル%のSb2O3,0.01〜3.0モル%のBaO,0.01〜
3.0モル%のB2O3,0.0005〜0.025モル%の
Ga2O3,0.05〜25.0モル%のMgOを含む焼結体は
αが30以上、パルス応答性が15%以下、サージ負
荷寿命が15%以下の特性を有しており、この特性
は上記8成分が同時に存在することによつて初め
て得られるものである。 なお、実施例には特に示さなかつたが、実施例
(1)および(2)の結果より、Al2O3とGa2O3を同時に
加えても同様の効果の得られることは明らかであ
る。 酸化亜鉛バリスタ材料にBaOとB2O3を加える
と、直流負荷に対する安定性の改善されることが
知られており、かつ酸化亜鉛バリスタ材料にアル
ミニウムまたはガリウムを添加すると制限電圧特
性(大電流における電圧とV1nAの比)、サージ耐
量(数100A以上の大電流、2回印加に対する耐
量)、パルス負荷寿命(100A程度のサージ電流の
多数回印加に対する耐量)が改善されることが知
られている。しかしながら、本発明で用いている
材料組成において、8種類の添加物のうち1成分
でも加えなかつた場合には、αで30以上、パルス
応答性で15%以下、サージ負荷寿命で15%以下の
特性を同時に満たすのは得られなかつた。 またBi2O3,Co2O3,MnO2,Sb2O3に加えて
Cr2O3を加えるとαの良いバリスタの得られるこ
とが知られているが、本発明材料組成に1モル%
のCr2O3を添加したところ、サージ負荷寿命特性
が15%より大きくなつた。 なお、上記した実施例ではいずれも酸化物原料
を用いて行つたが、焼結後酸化物になるものであ
れば酸化物に限る必要はなく、たとえばハロゲン
化物や、硝酸塩、硫化物、炭酸塩の形で添加して
もよい。 以上述べた如く、本発明は特定の材料組成を選
ぶことにより、αおよびパルス応答性、サージ負
荷寿命に優れた、サイリスタなどの電力変換装置
用半導体素子の過電圧保護に適した素子を供給す
るものである。
がAl2O3とほぼ同様の効果を示すことがわかる。
したがつて、0.1〜3.0モル%のBi2O3,0.1〜5.0モ
ル%のCo2O3,0.1〜3.0モル%のMnO2,0.1〜5.0
モル%のSb2O3,0.01〜3.0モル%のBaO,0.01〜
3.0モル%のB2O3,0.0005〜0.025モル%の
Ga2O3,0.05〜25.0モル%のMgOを含む焼結体は
αが30以上、パルス応答性が15%以下、サージ負
荷寿命が15%以下の特性を有しており、この特性
は上記8成分が同時に存在することによつて初め
て得られるものである。 なお、実施例には特に示さなかつたが、実施例
(1)および(2)の結果より、Al2O3とGa2O3を同時に
加えても同様の効果の得られることは明らかであ
る。 酸化亜鉛バリスタ材料にBaOとB2O3を加える
と、直流負荷に対する安定性の改善されることが
知られており、かつ酸化亜鉛バリスタ材料にアル
ミニウムまたはガリウムを添加すると制限電圧特
性(大電流における電圧とV1nAの比)、サージ耐
量(数100A以上の大電流、2回印加に対する耐
量)、パルス負荷寿命(100A程度のサージ電流の
多数回印加に対する耐量)が改善されることが知
られている。しかしながら、本発明で用いている
材料組成において、8種類の添加物のうち1成分
でも加えなかつた場合には、αで30以上、パルス
応答性で15%以下、サージ負荷寿命で15%以下の
特性を同時に満たすのは得られなかつた。 またBi2O3,Co2O3,MnO2,Sb2O3に加えて
Cr2O3を加えるとαの良いバリスタの得られるこ
とが知られているが、本発明材料組成に1モル%
のCr2O3を添加したところ、サージ負荷寿命特性
が15%より大きくなつた。 なお、上記した実施例ではいずれも酸化物原料
を用いて行つたが、焼結後酸化物になるものであ
れば酸化物に限る必要はなく、たとえばハロゲン
化物や、硝酸塩、硫化物、炭酸塩の形で添加して
もよい。 以上述べた如く、本発明は特定の材料組成を選
ぶことにより、αおよびパルス応答性、サージ負
荷寿命に優れた、サイリスタなどの電力変換装置
用半導体素子の過電圧保護に適した素子を供給す
るものである。
図面はパルス応答性の評価方法の説明図であ
る。
る。
Claims (1)
- 1 ビスマスをBi2O3の形に換算して0.1〜3.0モ
ル%、コバルトをCo2O3の形に換算して0.1〜5.0
モル%、マンガンをMnO2の形に換算して0.1〜
3.0モル%、アンチモンをSb2O3の形に換算して
0.1〜5.0モル%、バリウムをBaOの形に換算して
0.01〜3.0モル%、ホウ素をB2O3の形に換算して
0.01〜3.0モル%、アルミニウムまたはガリウム
をAl2O3またはGa2O3の形に換算して0.0005〜
0.025モル%、マグネシウムをMgOの形に換算し
て0.05〜25.0モル%添加物として含むZnOを主成
分とする焼結体から成る電圧非直線抵抗素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP56078217A JPS57193002A (en) | 1981-05-22 | 1981-05-22 | Voltage nonlinear resistance element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP56078217A JPS57193002A (en) | 1981-05-22 | 1981-05-22 | Voltage nonlinear resistance element |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS57193002A JPS57193002A (en) | 1982-11-27 |
JPS6157685B2 true JPS6157685B2 (ja) | 1986-12-08 |
Family
ID=13655873
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP56078217A Granted JPS57193002A (en) | 1981-05-22 | 1981-05-22 | Voltage nonlinear resistance element |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS57193002A (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102016104990A1 (de) | 2016-03-17 | 2017-09-21 | Epcos Ag | Keramikmaterial, Varistor und Verfahren zum Herstellen des Keramikmaterials und des Varistors |
-
1981
- 1981-05-22 JP JP56078217A patent/JPS57193002A/ja active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS57193002A (en) | 1982-11-27 |
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