JPS6329902A - 電圧非直線抵抗体の製造方法 - 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】 ３、え扁１漬パ扁′〜Ｆ祷り容 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、例えば雷サージあるいは開閉サージを抑制す
るＺｎＯ型避雷器に用いられ、ＺｎＯを主成分とし、こ
れに微量の副成分を添加した電圧非直線抵抗体の製造方
法に関する。

〔従来技術とその問題点〕

ＺｎＯを主成分とし、これに副成分としてｐｒ、ｃｏｔ
Ｋ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｃａなどを化合物の形で添加し、混合
。

成形、焼結することによって製造された焼結体はすぐれ
た電圧非直線性を示すことが知られている。

添加物として上記のほかにさらにＡＩ、Ｂを添加した焼
結体はサージ耐量などの特性が向上することを本発明者
らは特開昭５９−８２７０２ないし５９−８２７０４号
公報に開示している。

この組成をもつ焼結体は、直径３２箇以下の大きさでは
通常の乾式成形方法で、サージ耐量、高温課電特性とも
に満足する値を得ることができる。

例えば、方形波インパルス放電電流（開閉サージ）耐量
試験では７０　Ａ／ｆｆｌ　、大電流インパルス放電電
流（雷サージ）耐量試験では１００ＯＯＡ／ｉの特性を
有している。また高温課電試験においては、周囲温度１
５０℃１課電率９５％の条件の下に、８０００時間経過
した後でもバリスタ電圧Ｖ１１．ＩＡの変化は−１チ程
度であり、すぐれた信頼性を有している。

しかし、このようにすぐれた特性が得られる組成をもっ
ているにもかかわらず、焼結体の直径が大きくなるにつ
れて単位面積当りの開閉サージ耐量が低下したり、ある
いは高温課電寿命が短くなるという問題が生じている。

本発明者らは、例えば直径４８ｍの焼結体を用いて焼結
密度と開閉サージ耐量およびｖｌｏよ”１　ｍＡの関係
を調べ、第４図に示す線図を得た０ただし、ｖ１０／Ｊ
Ａ／’　１ｒｎＡは低電流領域の電圧非直線性を示すパ
ラメータであって、焼結体の両端面にとりつけた電極間
に１０μＡの直流電流を流したときの電極間電圧ＶＩＯ
いと１ｍＡの電流を流したときの電極間電圧Ｖ１１！ｌ
Ａ（バリスタ電圧）との比である。

第４図の曲線１は焼結密度とＶＩＯい／Ｖｌ　ｍＡ　％
曲線２は焼結密度と開閉サージ１０ｋＪに対する合格率
との関係を示したものである。第４図の曲線１は焼結密
度が高くなるにつれてＶＩＯい／′ｖ１．は向上するが
、曲線２は開閉サージ１０ｋＪを印加したときの合格率
は焼結密度が５，３５〜ｓ、４ｓｇ／−の範囲になけれ
ば８０％以上の値が得られないことを示している。

ところが近年ＺｎＯ型避雪器に対する要求は非常に厳し
くなってきており、例えば、従来交流課電で課電率６０
％が一般的であったのに対して、直流課電でしかも課電
率８５％にも達する要求もなされるようになってきた。

本発明者らが実施した加速寿命試験によると、課電率８
５チの直流課電で２０年以上の寿命を保証するためには
、直径４８瓢の素子ではＶＩＯいバー１が０．８０以上
でなければならないことが判明した。したがって、ｖｌ
ｏい／Ｖ１．ＩＩＡを０，８０以上に保ったままで、し
かも開閉サージ耐量１０ｋＪに対して８０チ以上の合格
率を維持するためには、第４図から焼結密度は５．４０
〜５．４５ｇ／−という狭い範囲に管理しなければなら
ないことがわかる。しかし焼結密度は造粒粉末の特性、
成形条件、焼結条件などによって大きな影響を受けるの
で、５．４０〜ｓ、４ｓｇ／−の狭い範囲に制御して製
造するのは非常に困難であり、歩留りを低下させるとい
う問題がある。

そこで本発明者らは、高焼結密度領域におけるサージ耐
量低下の原因を明らかにするために、焼結密度と開閉サ
ージ耐量の関係を以下に述べる方法により詳細に検討し
た。

素子の均一性を調べるために、まず直径４８鵡の焼結体
の両端面を研摩し、一方の端面上に１簡角の微小電極を
１■間隔で同心円状に多数設け、もう一方の端面には直
径４４ｍの電極を設けた素子を作製し、この素子の微小
電極にＩＯＡのノくルス電流を流したときの電極間電圧
ＶＩＯＡを測定することによりその電圧分布を調べた。

第５図は、上記の方法により測定した端子間電圧ＶＩＯ
Ａを素子の中心から外周部に至る径方向の電圧分布とし
てプロットした線図である。第５図において、プロット
した点は同心円状に設けた微小電極の各円周についての
ＶＩＯＡの平均値である。第５図の曲線から明らかに焼
結体の外周から中心に向かって５〜８■の領域からＶＩ
ＯＡの低下がみられる。また外周部の電圧の低下する割
合は焼結密度が高いものほど大きい。

次いで、成形体の密度分布を調べた。その結果、成形体
の密度は成形体外周部両端面が最も高く、この部分を除
くと外周部の密度は中央部より低い成形密度分布であっ
た。成形密度の不均一さは成形圧力を高くし成形密度を
高くするほど大きかった。素子を作製する際は成形体を
焼結した後、素子厚さの調整を行うために両端面を研摩
する。したがって、最も焼結密度の高い素子外周部端面
は研摩により取り除かれているので、厚さ方向の平均焼
結密度は中央部に比べて外周部が低いことがわかった◇ ところで焼結密度と素子抵抗の関係は第６図の曲線で示
すように、焼結密度が低いほど素子抵抗が低くなる傾向
にある。

以上の結果から、高焼結密度で焼結体の開閉サージ耐量
が低下する原因を次のように推定した。

すなわちｖｌｏ１Ａ／■１．を改良しようとして焼結密
度を高くするためには、成型圧力を増し成型密度を高く
しておかなければならない。しかし、成型圧力を高くす
るほど成形密度が不均一になり、これを焼成すると焼結
体外周部の抵抗が中央部に比べ低くなる抵抗分布をもっ
た焼結体となりやすい。

このため焼結体外周部に電流集中が生じ、その結果開閉
サージ耐量が低下する◇ これに対して本発明者らは種々の実験を重ねた結果、密
度不均一な成形体を焼結する際に素子内部から発熱する
高周波誘電加熱による焼結を行なうと外周部の抵抗が中
央部に比べて高くなる理想的な抵抗分布をもった素子が
得られ、電圧非直線抵抗体の焼結には最適な方法である
ことがわかった０ 高周波誘電加熱方法は誘電体に高周波電界を加えて、誘
電体内部の誘電損失による発熱により加熱する方法であ
る。第７図は高周波誘電加熱装置のうち比較的使用周波
数が高いマイクロ波加熱装置の概念的構成図で、３はマ
イクロ波共振器、４はマイクロ波発生器、５はアンテナ
、６は導波管。

７は結合窓、８はスターラフアン、９は被加熱体。

１０は耐火断熱材である。

次に動作について説明する。マイクロ波発生器４で発生
したマイクロ波はアンテナ５を経て導波管６で伝送され
、整合用の結合窓７を介してマイクロ波共振器３に供給
される。このマイクロ波共振器３の内部電界はスターラ
フアン８で撹拌され、均一化が図られ、内部におかれた
被加熱体９を誘電加熱する。

高周波誘電加熱法では一般的な加熱方法（例えば抵抗加
熱）と異な夛誘電体内部から加熱され、しかも誘電体の
中心部が最も高温になる。これは中骨作用と呼ばれる現
象によるもので、例えば第８図で示すような厚さｄ、半
径ａの円板状誘電体に高周波電界をかけると、そのとき
誘電体中の電界分布は第９図で示すように中心部はど電
界が高くなる。これに伴い誘電体の温度分布も第９図と
同様に中心部が高い分布となる。

したがって、高周波誘電加熱法では焼結中に中心部と外
周部とで温度差ができ、しかも外周部の温度が低いため
中心部よ）外周部の粒径が小さい結晶粒径をもった焼結
体が得られる。

〔発明の目的〕

本発明は上述の点に鑑みてなされたものであり、−ｔｏ
目的はＺｎＯ１！圧非直線抵抗体のＶｔ　ＯＡＡ　／Ｖ
１ｍＡを高水準に保ったまま、開閉サージ耐量を向上さ
せる製造方法を提供することにある◇ 〔発明の要点〕 本発明は成形体を焼結するときに、高周波誘電加熱装置
により焼結すると中骨作用と呼ばれる現象により焼結体
外周部の焼結温度が中央部に比べ低くな９、その結果外
周部の結晶粒径が小さくなることに着目したもので、こ
の方法によると成形圧力を高め成形密度を高くしても素
子外周部の抵抗が内部に比べ低下しない焼結体が得られ
、その結果Ｖ１０．ａＡ／”１＋ｄ、開閉サージ耐量と
もに満足することのできるＺｎＯ電圧非直線抵抗体を得
ることができる。

〔発明の実施例〕

以下実施例に基づいて説明する。

まずＺｎＯを主成分とし、これに副成分としてＰｒ。

Ｃｏ、に、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂ、Ａｔなどを所定量添
加した粉末に有機バインダＰＶＡを添加し、ボールミル
により湿式混合してスラリー化する。このスラリーをス
プレードライヤーを用いて噴霧乾燥し、球状の造粒粉末
とする。次に造粒粉末を直径６０期の円板金型に充填し
、焼成後に種々の異なる焼結密度をもつ焼結体が得られ
るように成型圧力を変化させて多数の成形体を作製した
。これら成形体を高周波誘電加熱法にて１１００℃〜１
３５０℃で大気中で５時間保持することにより得られた
焼成体をそれぞれ両端面に研摩加工を施し、両研摩面に
電極を取シ付けて素子を構成しその特性を評価した。

また焼結体の一方の研摩面に１ｍｓ＋角の電極を約５０
０個取シ付け、もう一方の研摩面には通常の直径４３ｍ
の電極を設けた素子も同時に作製し、これらを抵抗分布
の評価用素子とした。

第１図は得られ素子の焼結密度とＶＩＯい／ｖ１．との
関係、第２図は焼結密度と開閉サージ耐量の関係をプロ
ットした線図であり、第１図、第２図とも比較のために
従来方法、すなわち抵抗加熱炉により焼結した場合の特
性も再び掲示しである。

第１図において実線曲線１１が本発明１点線曲線１２は
従来方法を表し、同様に第２図では実線曲線１３が本発
明１点線曲線１４が従来方法を表している。本発明の方
がＶＩＯい／■１．が良いのは側面からの漏れが少なく
なるためである。第２図の曲線１３から明らかなように
、本発明では成形圧力を増し、焼結密度を高くしても従
来方法に比べて開閉サージ耐量は高いレベルを維持する
ことができる。このため第１図のようにＶＩＯい／Ｖ１
１．ｌＡの０．８０以上の特性も本発明のほうが従来方
法より幅広い焼結密度の範囲にわたって得ることができ
る。

第３図は１ｍ角の微小電極に電流１０Ａのインパルスを
流したときの電圧ｖｌＯＡの素子中心から外周方向への
位置による変化を示した線図であり、第３図でも比較の
ため従来方法の場合を再掲しである。すなわち第３図に
おける実線１５が本発明。

点線曲線１６が従来方法を表す。第３図から素子のＶＩ
ＯＡの分布状態を比較すると、Ｖ１ｏＡ値は従来方法で
は素子外周部で低下するにもかかわらず、本発明によれ
ば素子外周部でむしろ上昇している。

この事実は素子外周部への電流集中が緩和され、開閉サ
ージ耐量が向上するという本発明の有効性を示すもので
ある。

ＺｎＯ非直線抵抗体の抵抗は粒径に逆比例するので、高
周波誘電加熱炉により焼結を行うと、素子外周部の抵抗
が高い焼結体が得られる。この作用は成形圧力を高くす
ると外周部の抵抗が低下する作用を十分相殺できるもの
である。

〔発明の効果〕

ＺｎＯを主成分とする電圧非直線抵抗体を製造するに当
カ、従来方法では大型素子に対しては成形圧力をあげ焼
結密度を高めると、素子外周部の抵抗が低下し、このた
め電流集中が生じて開閉サージ耐量などの特性を低下さ
せていたのに対し、本発明では実施例で説明したように
高周波誘電加熱方法を用いたため、焼結に際して素子外
周部の粒径が小さくなりこのため外周部の抵抗が高い素
子が得られることより外周部への電流集中が緩和され、
このため焼結密度を高めることが可能となり、その結果
低電流領域における電圧−電流特性１課電率寿命特性が
良好で、しかも開閉サージ耐量をも満足する素子が得ら
れるというすぐれた効果が得られるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明により得られた電圧非直線抵抗素子の焼
結密度とＶ１０ユ／■１．の関係を従来素子との比較で
示した線図、第２図は同じく開閉サージ耐量の比較線図
、第３図は素子の位置とＶＩＯＡの中心からの偏差値の
関係を本発明による素子と従来素子との比較で示した線
図、第４図は従来素子の焼結密度とＶＩＯい／Ｖ１ｆｆ
ｉＡおよび開閉サージ耐量との関係を示す線図、第５図
は従来素子の径方向のＶＩＯＡ値の分布を表した線図、
第６図は焼結密度と１ｍＡの電流を流したときの抵抗と
の関係を示す線図、第７図はマイクロ波加熱装置の概念
的構成図。 第８図は被加熱物である円板状誘電体の断面および平面
図、第９図は円板状誘電体に高周波電界をかけたときく
生じる中骨作用による電界分布を示７２、　　／’ｌ　
、　　／乙　−一′イ芝采占　ラ去ミ乙４ヒＡっ　ず　
ｄｎ、ね４乙　・′モ理人弁ｊノ士　、Ｌ　口　　　夏 嬉１図 ５．２　　５，３　　５，４　　５，５　　５．６妓姥
宝度（呪ｒｎ３） 第２図 呼ノ（４′力゛らの距萬がイ：ｍｍ） 第３図 ）ｊＬ話’ｊ！−Ｌ　（”Ｖｃ　ｍ３）ミ　　　　　　
第４図 中心がらのｎ１は？ｎｍ） 第６図 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、ＺｎＯを主成分とし、微量の副成分を添加し混合し
   た後、成形、焼結して電圧非直線抵抗体を製造する際、
   前記焼結を高周波誘電加熱により行なうことを特徴とす
   る電圧非直線抵抗体の製造方法。