WO2011052518A1

WO2011052518A1 - 抵抗素子、赤外線センサおよび電気機器

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Publication number: WO2011052518A1
Application number: PCT/JP2010/068806
Authority: WO
Inventors: 左京廣瀬
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2009-10-26
Filing date: 2010-10-25
Publication date: 2011-05-05
Also published as: US20120200969A1; CN102597724B; JPWO2011052518A1; CN102597724A

Abstract

　たとえば赤外線センサにおいて用いられる負の温度係数を有する抵抗素子について、任意の温度で大きな抵抗変化を実現し得るようにする。　ＲＢａＭｎ₂Ｏ₆（Ｒは、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、ＨｏおよびＹから選ばれる少なくとも１種。）で示される酸化物導電体を主成分とし、負の温度係数を有する素体（２）と、素体（２）の表層部（７）に電界を印加するために設けられる、１対の電極（３，４）とを備える、抵抗素子（５）を、たとえば赤外線センサ（１）において使用するとき、素体（２）に電界強度１００Ｖ／ｃｍ以上の電界を印加した際に素体（２）の抵抗に相関する素体（２）に流れる電流を測定するようにして、赤外線を検出する。

Description

抵抗素子、赤外線センサおよび電気機器

　この発明は、負の温度係数を有する抵抗素子、上記抵抗素子を用いて構成される赤外線センサ、および上記抵抗素子を突入電流抑制用途に用いた電気機器に関するものである。

　近年、表面実装可能な積層チップサーミスタが広く使用されており、特に負の温度係数を有する一般の負特性（ＮＴＣ）サーミスタは、従来の温度検知、補償の用途だけでなく、他の部材と組合せて、水素センサ、赤外線センサ、非接触温度センサなどの用途にも使用されるようになっている。これらのセンサでは、センシングしたい外部環境の変化を、触媒材料などを介したり、赤外線レンズなどで集光したりして温度変化に変換し、ＮＴＣサーミスタでその変化量を読み取りセンシングしている。したがって、より小さな温度変化で大きく抵抗が変化するＮＴＣサーミスタを用いれば、感度を高くすることが可能となる。

　また、この発明にとって興味ある負の温度係数を有する抵抗素子として、ＣＴＲ（Critical Temperature Resistor）素子がある。ＣＴＲ素子は、負の温度係数を有する一般のＮＴＣサーミスタと比べて、温度による抵抗変化が急である。すなわち、正の温度係数を有し、かつ通常ある温度を超えると急に抵抗が大きくなる正特性（ＰＴＣ）サーミスタとＣＴＲ素子とは逆の特性を示すものである。よって、このようなＣＴＲ素子は、一般のＮＴＣサーミスタよりも、微小な温度変化を検知する用途やパワーサーミスタとしての用途、すなわち突入電流抑制用に適していると考えられている。

　上記ＣＴＲ素子として、たとえば特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載のＣＴＲ素子は、素体の材料として、ＶＯ₂系酸化物を用いている。しかし、ＶＯ₂系酸化物を用いたＣＴＲ素子は、商品化されたことがあったが、繰り返し使用により特性が劣化する等、安定性が悪いこと、動作温度（転移温度）を制御しにくく、制御可能な温度範囲が狭いなどの問題により、広く普及することはなかった。

　近年、上記特許文献１に記載のもの以外に、強相関電子系材料を中心にいくつかＣＴＲ特性を示す材料が提案されているが、動作温度が室温を下回る低温であったり、抵抗変化率が小さかったりするなどの問題を抱えている。

　仮に、室温以上の任意の温度で大きな抵抗変化を示し、さらに動作温度を広い温度範囲で変化させることが可能なＣＴＲ素子が実現できれば、温度または赤外線検出用としてだけではなく、パワーサーミスタやＥＳＤ対策用サーミスタとしても使用できる可能性がある。

　また、人体検知センサとしての、ＮＴＣサーミスタを使った赤外線センサ、あるいはボロメータの需要が高くなっているが、より高感度に人体や発熱体を感知するためには、ＣＴＲ特性を発現する素体を備える抵抗素子が有効である。しかし、このような用途のＣＴＲ素子において、ＶＯ₂系酸化物を用いると、前述したように、信頼性や検出温度調整などの点で課題を有している。

　上記のような課題を解決すべく、本件発明者は、特許文献２または非特許文献１に記載されるＲＢａＭｎ₂Ｏ₆（Ｒは、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、ＨｏおよびＹから選ばれる少なくとも１種。）系材料に着目し、検討を行なってきた。ＲＢａＭｎ₂Ｏ₆系材料は、室温以上で電荷整列絶縁体という特殊な状態が維持され、温度上昇とともに電荷整列が崩れ、金属伝導となって、ＣＴＲ特性を示すことが知られている。また、ＲＢａＭｎ₂Ｏ₆系材料は、希土類元素Ｒの種類を変えることにより、動作温度を変えることが可能である。しかし、その抵抗変化率は１桁程度と小さく、実際の用途としては限られたものとならざるを得ない。

特開平５－１５２１０３号公報特開２００７－９９５５４号公報

T. Nakajima, H. Kageyama, and Y. Ueda, "Successive Phase Transitions in a Metal-Ordered Manganite Perovskite YBaMn2O6" J. Phys. Chem. Solids, 63 (2002) 913

　そこで、この発明の目的は、上述したような問題を解決し得る、抵抗素子を提供しようとすることである。

　この発明の他の目的は、上記抵抗素子を用いて構成される赤外線センサを提供しようとすることである。

　この発明のさらに他の目的は、上記抵抗素子を突入電流抑制用途に用いた電気機器を提供しようとすることである。

　この発明は、化学式：ＲＢａＭｎ₂Ｏ₆（Ｒは、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、ＨｏおよびＹから選ばれる少なくとも１種。）で示される酸化物導電体を主成分とし、負の温度係数を有する素体と、この素体の少なくとも一部に電界を印加するために設けられる、少なくとも１対の電極とを備える、抵抗素子にまず向けられる。

　この発明に係る抵抗素子は、１対の電極を通して素体に電界を印加する際に採用される電界強度の大きさに特徴があり、電界強度１００Ｖ／ｃｍ以上の電界を印加することにより素体の抵抗を大きく変化させて使用されることを特徴としている。

　好ましい実施態様では、抵抗素子は、たとえば、１対の電極を通して素体に電界強度１００Ｖ／ｃｍ以上の電界を印加した際の素体に流れる電流を測定するようにして、赤外線を検出するために使用されたり、当該抵抗素子を被保護回路への電流ラインに直列に接続し、被保護回路へ突入電流が流れた時に１対の電極を通して電界強度１００Ｖ／ｃｍ以上の電界が素体に印加されるようにして、突入電流抑制用途に使用されたりすることができる。

　この発明は、また、上述した抵抗素子を用いて構成される、赤外線センサにも向けられる。

　この発明に係る赤外線センサは、上記化学式：ＲＢａＭｎ₂Ｏ₆で示される酸化物導電体を主成分とし、負の温度係数を有する素体と、この素体の表層部に電界を印加するために設けられる、少なくとも１対の電極とを備える、抵抗素子を備えるとともに、上記１対の電極を通して素体に１００Ｖ／ｃｍ以上の電界を印加するための電源と、この電源から１００Ｖ／ｃｍ以上の電界が印加された際に素体に流れる電流を測定する電流測定手段を備えることを特徴としている。そして、この赤外線センサでは、素体の表層部に受ける赤外線による温度変化がもたらす素体の抵抗変化を、上記電流測定手段を用いて電流変化として測定することによって検出するようにしている。

　なお、上記の赤外線センサは、赤外線の検出のために、素体の表層部での温度変化を検出するようにしているので、温度センサとしても機能する。よって、本件明細書において、「赤外線センサ」の用語は、「温度センサ」と同義のものとして用いる。

　この発明は、さらに、被保護回路と、電源と、被保護回路へ電力を供給するための電流ラインとを備え、被保護回路への突入電流を抑制するための抵抗素子が電流ラインに直列に接続されている、電気機器にも向けられる。

　この発明に係る電気機器において、上記抵抗素子は、上記化学式：ＲＢａＭｎ₂Ｏ₆で示される酸化物導電体を主成分とし、負の温度係数を有する素体と、この素体の少なくとも一部に電界を印加するために設けられる、少なくとも１対の電極とを備え、被保護回路へ突入電流が流れた時に電界強度１００Ｖ／ｃｍ以上の電界が上記電極を通して素体に印加されるようにされていることを特徴としている。

　なお、この発明において用いられる負の温度係数を有する素体は、使用温度において負の温度係数を有していればよく、たとえば、使用温度を超える高温領域では、金属的になるもの、すなわち正の温度係数を示すものであってもよい。

　この発明において用いられる、化学式：ＲＢａＭｎ₂Ｏ₆で示される酸化物導電体を主成分とし、負の温度係数を有する素体は、１００Ｖ／ｃｍ以上といった、ある一定以上の電界強度の下に置くことにより、ある温度で急激に抵抗が低下するといったＣＴＲ特性を示すことがわかった。また、電界強度を変えたり、希土類元素Ｒの種類を変えたりすることにより、ＣＴＲ特性における動作（転移）温度を変え得ることもわかった。

　よって、上記素体を備える抵抗素子を用いて赤外線センサを構成すれば、このようなセンサの感度を高めることができるとともに、たとえば室温から２００℃程度の広範囲の温度を検出することが可能なセンサを実現することができる。

　また、上記素体を備える抵抗素子を被保護回路への突入電流抑制用途に用いたとき、ＮＴＣサーミスタを用いた場合に比べて、抵抗変化率がより高いため、より小さなチップサイズの素子で突入電流をより効率良く抑制することができる。

抵抗素子の素体を構成する酸化物として、（ａ）ＧｄＢａＭｎ₂Ｏ₆を用いた場合、および（ｂ）ＤｙＢａＭｎ₂Ｏ₆を用いた場合の各々について、種々の電界強度下で測定した抵抗素子の抵抗の温度依存性を示す図である。この発明において用いられる抵抗素子の場合と一般的なＮＴＣサーミスタの場合とを比較して、抵抗の温度依存性を示す図である。この発明において用いられる抵抗素子の場合と一般的なＮＴＣサーミスタの場合とを比較して、抵抗の時間依存性を示す図である。この発明の一実施形態による赤外線センサを図解的に示す正面図である。この発明の他の実施形態による電気機器を図解的に示すブロック図である。図５に示した抵抗素子の好ましい構造を示す断面図である。実験例において作製した試料４に係る抵抗素子について、種々の電界強度下で測定した抵抗の温度依存性を示す図である。転移温度（Ｔ_CTR）の求め方を、実験例において作製した試料４について説明する図である。実験例において作製した試料４に係る抵抗素子について、抵抗の電界強度依存性を示す図である。

　この発明において用いられる抵抗素子は、化学式：ＲＢａＭｎ₂Ｏ₆（Ｒは、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、ＨｏおよびＹから選ばれる少なくとも１種。）で示され、かつダブルペロブスカイト構造を有する酸化物導電体を主成分とする酸化物からなる、負の温度係数を有する素体と、この素体の少なくとも一部に電界を印加するために設けられる、少なくとも１対の電極とを備えるものである。この抵抗素子は、上記１対の電極を通して素体に電界強度１００Ｖ／ｃｍ以上のバイアス電界またはトリガー電界を印加した状態で使用される。

　上記のように、抵抗素子を１００Ｖ／ｃｍ以上の電界強度下で使用することにより、電圧依存性がある急峻なＣＴＲ特性を実現できることがわかった。より具体的に説明すると、抵抗素子の素体を構成する酸化物として、（ａ）ＧｄＢａＭｎ₂Ｏ₆を用いた場合、および（ｂ）ＤｙＢａＭｎ₂Ｏ₆を用いた場合の各々について、種々の電界強度下で測定した抵抗素子の抵抗の温度依存性を調査したところ、図１に示すような結果が得られた。

　図１に示すように、（ａ）ＧｄＢａＭｎ₂Ｏ₆の場合および（ｂ）ＤｙＢａＭｎ₂Ｏ₆の場合のいずれにおいても、０．０１Ｖから印加電圧を高め、０．１Ｖ～１Ｖの間では、一般的なＮＴＣサーミスタと実質的に同様の抵抗温度特性しか示さなかったが、印加電圧を１０Ｖにまで高めたときには、１桁以上の大きい抵抗変化率を示し、抵抗変化率が２桁まで達していることが確認された。

　図１（ａ）および（ｂ）において、印加電圧０．０１Ｖは２．５Ｖ／ｃｍの電界強度に相当し、印加電圧０．１Ｖは２５Ｖ／ｃｍの電界強度に相当し、印加電圧１Ｖは２５０Ｖ／ｃｍの電界強度に相当し、印加電圧１０Ｖは２５００Ｖ／ｃｍの電界強度に相当する。

　なお、用いた測定器が有する０．５Ａという電流制限のため、図１では、より低抵抗側では、正確な抵抗率が示されていない。また、図１において、後述する電荷整列転移温度（Ｔｃｏ）に相当する温度が表示されているが、図１（ｂ）に示したＤｙＢａＭｎ₂Ｏ₆のＴｃｏについては、測定温度範囲より高いところにあるが、約２２０℃である。

　また、印加電圧を変えることにより、動作（転移）温度を変え得ることを見出した。この場合、印加電圧が高くなると、転移温度がある温度に収束する傾向が見られ、たとえば（ａ）ＧｄＢａＭｎ₂Ｏ₆の場合には、－１００℃近傍の温度に収束することがわかっている。ここで、印加電圧を変えるとは、１対の電極間に印加される電界強度を変えることであり、電界強度を変えることは、１対の電極間の距離を変えることによっても可能である。

　この発明において用いられる、化学式：ＲＢａＭｎ₂Ｏ₆（Ｒは、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、ＨｏおよびＹから選ばれる少なくとも１種。）で示され、かつダブルペロブスカイト構造を有する酸化物導電体を主成分とする酸化物は、ある温度範囲では電荷整列状態という特殊な状態となる。本物質は、化学式からＭｎの平均価数は３．５となり、一般的には金属的な伝導を示す価数となっている。しかし、Ｍｎ³⁺－Ｍｎ⁴⁺（Ｍｎ³⁺／Ｍｎ⁴⁺＝５０／５０　平均価数３．５）が整列した電荷整列という特異な状態となるため、電荷整列転移温度（Ｔｃｏ）以下の温度ではキャリアが凍結されて半導体もしくは絶縁体的な特性を示す。Ｔｃｏ以上の温度になると、この電荷整列状態が崩れ、抵抗が高い状態から低い状態へと変化する金属絶縁体転移を示す特徴を有している。

　本件発明者は、上述の電荷整列状態が、電界や電流、ジュール熱によっても崩されるのではないかと考え、本願発明のように、１００Ｖ／ｃｍ以上といった、ある一定以上の電界強度の下で使用することにより、転移温度がシフトし、より大きな抵抗変化を実現できることを見出した。

　本発明において用いられる抵抗素子と一般的なＮＴＣサーミスタとの比較として、図２には抵抗の温度依存性が模式的に示され、図３には抵抗の時間依存性、すなわち、一定の電圧および電流下での抵抗の温度変化が模式的に示されている。

　図２において、点線で示すように、ＮＴＣサーミスタには、一般的に、温度の上昇に伴い、徐々に抵抗が低下する特徴がある。他方、本発明に係る抵抗素子では、実線で示すように、ある温度で急激に抵抗が低下する特徴がある。これら２種類の抵抗素子に、ある電圧および電流を加えたときの抵抗の時間変化は、図３に示すように、素体の発熱により、時間の経過とともに徐々に抵抗が低下し、定常状態に達する。ここで、本発明に係る抵抗素子の場合、素体の組成、１対の電極間の距離等を調整するとともに、印加電界および動作（転移）温度を制御すれば、図３に実線で示すように、同じ抵抗に低下させる場合の初期抵抗を、点線で示す一般的なＮＴＣサーミスタの場合よりも高くできることが期待される。

　このようなことが実現できると、たとえば、本発明に係る抵抗素子を、一般的なパワーサーミスタのように、電流ラインに直列で接続して使用した場合、電源オン時には、素子抵抗に合わせた一定の電圧および電流が当該抵抗素子にかかることになるが、一般的なパワーサーミスタと同様に、徐々に抵抗値が低下し、十分な電流が、電流を供給すべき素子または回路に流れるようになる。このとき、本発明に係る抵抗素子は、一般的なパワーサーミスタとは異なり、抵抗変化率が大きいため、前述したように、初期抵抗をパワーサーミスタの場合より高くできるという特徴がある。したがって、突入電流が流れた場合、一般的なパワーサーミスタより突入電流を効率良く抑制することが可能となる。

　現在、このような用途には一般的なＮＴＣサーミスタが使用されている。ＮＴＣサーミスタの場合、突入電流が流れることによって、発熱し、抵抗が下がる。しかし、ＮＴＣサーミスタが有するＢ定数にもよるが、たとえば１００℃急激に温度が上がったとしても、ＮＴＣサーミスタの場合には、抵抗が１桁程度しか低下しない。したがって、突入電流の抑制効果も限られ、大きな電流および電圧が加わった場合、そのストレスにより、ＮＴＣサーミスタが破壊してしまうこともある。

　これに対して、本発明に係る抵抗素子の素体を構成する酸化物は、前述したように、もともと電荷整列型絶縁体という特殊な状態にあり、キャリアは存在しているが、凍結された状態にある。この状態が、電圧、温度により崩された場合は、１桁以上の抵抗変化を示し、素子にかかる負荷は小さいため、すなわち、より大きな電流を流せるため、既存のＮＴＣサーミスタより高い耐性を示すことが期待される。また、このような機能から、本発明に係る抵抗素子を、一定電圧や電流下で使用すると、逆ヒューズ的な使い方、つまりＰＴＣサーミスタの逆の使い方も可能となる。

　次に、本発明に係る抵抗素子のより特定的な用途の一例としての赤外線センサについて説明する。

　従来、たとえば抵抗型ボロメータにおいて、一般的なＮＴＣサーミスタが用いられたり、ＣＴＲ特性を示すＶＯ₂系セラミックが用いられたりしていた。これらは、ともに、赤外線が照射された場合、表層部で温度が上昇し、抵抗が変化することを利用するもので、赤外線センサとして使用される。このような原理から、赤外線受光時に大きく抵抗が変化する方が好ましい。

　なお、温度Ｔ₁から温度Ｔ₂へ変化した際に、抵抗がＲ₁からＲ₂に変化した場合、その変化率の指標としてはＢ定数がよく使用される。Ｂ定数は、以下の式で算出される。

　Ｂ定数＝Ｌｎ（Ｒ₁／Ｒ₂）／（１／Ｔ₁－１／Ｔ₂）
ここで、抵抗Ｒ₁およびＲ₂の単位は「Ω」、温度Ｔ₁およびＴ₂の単位は「Ｋ」である。

　一般的なＮＴＣサーミスタでは、Ｂ定数は、大きくても４０００程度である。また、ＶＯ₂系セラミックでは、比較的大きな抵抗変化（Ｂ定数）が得られるものの、抵抗変化を示す温度範囲が室温～６０℃と限られ、制御性、安定性が悪いという問題がある。

　この発明に係る赤外線センサによれば、これらの問題を解決することができる。図４には、この発明の一実施形態による赤外線センサ１が図解的に示されている。

　図４を参照して、赤外線センサ１は、ＲＢａＭｎ₂Ｏ₆（Ｒは、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、ＨｏおよびＹから選ばれる少なくとも１種。）で示され、かつダブルペロブスカイト構造を有する酸化物導電体を主成分とする酸化物からなる、平板状の素体２と、この素体２の上面上に互いに所定のギャップを介して形成された１対の電極３および４とを含む、抵抗素子５を備えている。赤外線センサ１は、１対の電極３および４を通して素体２に電界を印加するための電源となるソースメータ６をさらに備えている。このソースメータ６は、これによって電極３および４間に電界が印加された際に、素体２に流れる電流を測定する電流測定手段を兼ねている。

　ソースメータ６から供給される電力によって、１００Ｖ／ｃｍ以上のトリガー電界が、電極３および４を通して、素体２の表層部７に定期的に印加される。これにより、赤外線（または熱）８が照射されて、素体２の表層部７の温度が上昇した場合、大きな抵抗変化が起こる。そのため、極めて優れた赤外線感度を実現することが可能となる。

　より具体的な実験例に基づいて説明すると、ＧｄＢａＭｎ₂Ｏ₆セラミックからなる素体２を用意し、その上面に、ＤＣスパッタリング法により、２つの電極３および４を、１００μｍのギャップを介した状態で形成し、図４に示すような構成の抵抗素子５を作製した。この抵抗素子５を用いて、赤外線センサ１を構成し、室温（２５℃）おいて、ソースメータ６から電極３および４間に定期的に２．５Ｖの電圧（電界強度：２５０Ｖ／ｃｍ）を印加し、この電圧が印加された際に、電極３および４間に流れる電流をソースメータ６により測定した。

　その結果、３０℃から３５℃の温度範囲でＢ定数が８７２５、３５℃から４０℃の温度範囲でＢ定数が１２６００となった。他方、同じ抵抗素子５を用いながら、電界強度を１０Ｖ／ｃｍとしたときのＢ定数は２５００となった。また、一般的なＮＴＣサーミスタのＢ定数は、前述したように、高々４０００程度である。すなわち、抵抗素子５を２５０Ｖ／ｃｍといった高い電界強度下で使用すると、電界強度が１０Ｖ／ｃｍの場合や一般的なＮＴＣサーミスタの場合と比較して、３倍以上のＢ定数が得られることがわかる。

　このことから、この発明に係る赤外線センサによれば、感度を飛躍的に向上させることができる。

　上記の実験例では、赤外線センサを室温近傍で動作させたが、電極間距離および／または素体材料を選択することにより、センサの動作温度を室温～２００℃と広範囲で設計することが可能である。よって、赤外線センサは、室温での人感センサとしてだけでなく、電子レンジなどの抵抗型ボロメータとしても使用することができる。

　次に、本発明に係る抵抗素子のより特定的な用途の他の例としての突入電流抑制用途としての使用、すなわちパワーサーミスタ用途について説明する。図５には、突入電流抑制用途の抵抗素子を備える電気機器がブロック図で示されている。

　図５を参照して、電気機器１１は、交流電源１２と被保護回路１３とを備え、交流電源１２は、整流器１４を介して、被保護回路１３へ電力を供給するようにされている。この電力供給のための電流ライン１５と直列に、突入電流抑制用途の抵抗素子１６が接続される。また、平滑コンデンサ１７が被保護回路１３と並列に接続されている。

　従来、上記突入電流抑制用途の抵抗素子１６として、ＮＴＣサーミスタがしばしば用いられている。ＮＴＣサーミスタは、一般的な抵抗体と異なり、電源オフ時から電源オン直後では、高い抵抗を示し、電源オン後は、自己発熱によって抵抗が低下する。したがって、ＮＴＣサーミスタによれば、温度変化によっても抵抗値がほとんど変わらない一般的な抵抗体と比較して、低消費電力化できる利点がある。

　このようなパワーサーミスタ用途の抵抗素子１６に関し、より優れた突入電流抑制効果と一層の低消費電力化のためには、待機時（電源オフ時）から電源オン直後で、より高い抵抗を示すとともに、その後、自己発熱の結果、より低抵抗化するものであることが好ましい。したがって、温度上昇に伴い急激に抵抗が大きく変化するＣＴＲ材料は、パワーサーミスタ用途としては理想的な特性を示すが、これまでに知られるＶＯ₂材料では、前述したように、再現性、安定性に欠けるという課題がある。

　この発明では、抵抗素子１６として、ＲＢａＭｎ₂Ｏ₆（Ｒは、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、ＨｏおよびＹから選ばれる少なくとも１種。）で示され、かつダブルペロブスカイト構造を有する酸化物導電体を主成分とする酸化物からなる、素体と、この素体の少なくとも一部に電界を印加するために設けられる少なくとも１対の電極とを備えるものが用いられる。そして、被保護回路１３へ突入電流が流れた時に上記１対の電極を通して電界強度１００Ｖ／ｃｍ以上の電界が素体に印加されるように設計される。

　図６は、抵抗素子１６の好ましい構造を示す断面図である。

　図６を参照して、抵抗素子１６は積層構造を有している。より詳細には、抵抗素子１６は素体２１を有し、素体２１は、積層された複数のセラミック層２２を備え、セラミック層２２間の界面に沿って、複数の内部電極２３および２４が形成される。また、素体２１の互いに対向する各端面上には、それぞれ、第１および第２の外部電極２５および２６が形成される。前述の内部電極２３および２４は、第１の外部電極２５に電気的に接続される複数の第１の内部電極２３と第２の外部電極２６に電気的に接続される複数の第２の内部電極２４とに分類され、これら第１および第２の内部電極２３および２４は、積層方向に関して交互に配置されている。

　このような積層構造の抵抗素子１６によれば、その外形寸法にとらわれることなく、セラミック層２２の厚みを変えることにより、素体２１に印加される電界強度を変えることができるので、被保護回路１３へ突入電流が流れた時に電界強度１００Ｖ／ｃｍ以上の電界が素体２１に印加されるように設計することが容易である。

　一実験例に基づいて、より具体的に説明すると、パワーサーミスタとして一般的によく用いられている室温での抵抗値が８Ωになるように、ＧｄＢａＭｎ₂Ｏ₆セラミックを用いて、平面寸法が２．０ｍｍ×１．２ｍｍの積層構造の素体２１を作製した。ここで、内部電極２３および２４の導電成分としてＰｄを用い、焼成後における電極総面積を０．２ｍｍ²とし、内部電極２３および２４間のセラミック層２２の厚みが１３０μｍとなるように設計したところ、室温での抵抗値が狙いどおりの約８Ωの抵抗素子１６を得ることができた。

　得られた抵抗素子１６について、電界強度２５Ｖ／ｃｍの下でＲＴＣ（電気抵抗率の温度依存性）評価を行なったところ、転移温度は約１５０℃であり、抵抗変化率が１桁未満となったが、２５０Ｖ／ｃｍの電界強度下では、抵抗変化率が大幅に改善され、転移温度が約５０℃となった。

　よって、本発明によれば、室温近傍において、上記抵抗素子１６は、電源オフ時には８Ω程度の抵抗を示し、電源オンにより、２５０Ｖ／ｃｍの電界強度をもって突入電流が入った場合、抵抗値が大きく変化して金属絶縁体転移を示し、定常状態では０．８Ω以下となり、消費電力を小さくすることが可能となった。したがって、一般的なＮＴＣサーミスタより効率良く突入電流を抑制し、復帰特性に優れたパワーサーミスタとして使用することが可能となる。

　次に、この発明による効果を体系的に確認するために実施した実験例について説明する。

　焼成後にＲＢａＭｎ₂Ｏ₆の組成が得られるように、炭酸バリウム（ＢａＣＯ₃）および酸化マンガン（Ｍｎ₃Ｏ₄）を秤量するとともに、酸化ネオジム(Ｎｄ₂Ｏ₃）、酸化サマリウム（Ｓｍ₂Ｏ₃）、酸化ユウロピウム（Ｅｕ₂Ｏ₃）、酸化ガドリニウム（Ｇｄ₂Ｏ₃）、酸化テルビウム（Ｔｂ_４Ｏ_７）、酸化ジスプロシウム（Ｄｙ₂Ｏ₃）、酸化ホロニウム（Ｈｏ₂Ｏ₃）、および酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）の少なくとも１種を、表１に示す組成となるように秤量し、さらに、分散剤およびイオン交換水を秤量し、これらを配合するとともに、直径２ｍｍのＰＳＺボールを用いて２４時間湿式混合を行なった。

　次に、上記混合物を、乾燥させた後、高純度Ａｒ雰囲気（９９．９９９９％）において、１２５０℃の温度で１２時間焼成し、次いで、粗粉砕を行なった。

　次に、上記粗粉砕された粗粉末に、有機溶剤、分散剤および直径５ｍｍのＰＳＺボールを加えて粉砕処理を行ない、その後、可塑剤およびバインダを添加して、シート成形用のスラリーを得た。

　次に、上記スラリーを、ドクターブレード法で厚み６０μｍ程度のシート状に成形し、得られたグリーンシートを、次いで、所定の大きさの短冊状にカットした。

　次に、上記グリーンシート上に、Ｐｔを導電成分として含む導電性ペーストをスクリーン印刷法により塗布することにより、内部電極となる導電性ペースト膜を形成した。

　次に、複数の上記グリーンシートを積層し、圧着し、カットする、各工程を経て、積層構造のグリーンチップを得た。

　次に、上記グリーンチップを、４５０℃程度の温度で脱バインダ処理し、次いで、高純度Ａｒ雰囲気（９９．９９９９％）において、１２５０℃の温度で４８時間焼成した。これによって、複数のセラミック層および内部電極が積層された構造を有する、焼結した素体を得た。

　次に、素体の端面上に外部電極を形成するため、Ａｇ含有ペーストを塗布した後、酸素雰囲気下、６００℃の温度で４８時間熱処理を行なった。これによって、Ａｇ焼付けによる外部電極が素体上に形成された、各試料に係る抵抗素子を得た。

　このようにして得られた各試料に係る抵抗素子について、素体のセラミック層部分を粉末Ｘ線回折で調べた結果、すべての試料において、主成分がダブルペロブスカイト構造を有する化合物であることが明らかになった。

　さらに、以下のような特性試験を行なった。

　すなわち、ＲＴＣ（電気抵抗率の温度依存性）測定を行ない、電気抵抗率の変曲点および抵抗率変化を求めた。より詳細には、電界強度２５Ｖ／ｃｍから１５００Ｖ／ｃｍまでの範囲の電界を印加しながら、－１９０℃から２５０℃までの温度範囲で、各試料に係る抵抗素子の抵抗を測定した。抵抗測定のための保持時間は０．５秒とした。

　代表例として、試料４に係る抵抗素子についてのＲＴＣ特性が図７に示されている。図７において、電界強度を２５Ｖ／ｃｍ、２５０Ｖ／ｃｍ、５００Ｖ／ｃｍ、７５０Ｖ／ｃｍ、１０００Ｖ／ｃｍ、１２５０Ｖ／ｃｍ、１３００Ｖ／ｃｍおよび１５００Ｖ／ｃｍとしたときのそれぞれの転移温度（Ｔ_CTR）が矢印で示されている。

　また、表１には、各試料について、電界強度を２５Ｖ／ｃｍ、１００Ｖ／ｃｍ、２５０Ｖ／ｃｍおよび１５００Ｖ／ｃｍとしたときの転移温度（Ｔ_CTR）が示されているとともに、電界強度２５Ｖ／ｃｍでの抵抗変化比が示されている。

　Ｔ_CTRは、次のようにして求めた。図８には、図７に示した試料４のＲＴＣ特性のうち、電界強度２５Ｖ／ｃｍの場合と７５０Ｖ／ｃｍの場合とが示されている。図８を参照して、転移前後の、もしくは電流制限値に達する前後の抵抗の温度依存性を簡易的に直線（点線で示す。）で近似し、その交点の位置に相当する温度を、便宜上、Ｔ_CTRと定義した。

　また、抵抗変化比は、
　抵抗変化比＝（Ｔ_CTRより１０℃低い温度での電気抵抗率）／（Ｔ_CTRより１０℃高い温度での電気抵抗率）
の式によって求めた。

　表１から明らかなように、印加電界強度が１００Ｖ／ｃｍより小さいときは、非特許文献１などで報告されているように、Ｔ_CTRは希土類元素のイオン半径の大きさに従った一定の転移温度を示す。しかし、電界強度を１００Ｖ／ｃｍより大きくした場合、電界強度の上昇に従って、Ｔ_CTRが低下し、抵抗変化は、図７から明らかなように、１００Ｖ／ｃｍより小さい電界強度の場合に比べて、大きく改善される。

　なお、表１において、試料１の「１５００Ｖ／ｃｍ」における「Ｔ_CTR」が「測定不能」とされたのは、使用した測定装置に備える温度槽が－１９０℃までしか設定できなかったため、Ｔ_CTRが－１９０℃を下回る場合には測定できなかったという意味である。すなわち、試料１の「１５００Ｖ／ｃｍ」における「Ｔ_CTR」は、－１９０℃より低いという意味である。

　また、試料４に係る抵抗素子についてのＲＴＣ特性を示した図７には、典型的なＲＴＣ特性が現れている。図７には、前述したように、電界強度を２５Ｖ／ｃｍ、２５０Ｖ／ｃｍ、５００Ｖ／ｃｍ、７５０Ｖ／ｃｍ、１０００Ｖ／ｃｍ、１２５０Ｖ／ｃｍ、１４００Ｖ／ｃｍおよび１５００Ｖ／ｃｍとしたときのそれぞれのＴ_CTRが矢印で示されているが、これら各電界強度下でのＴ_CTRが、以下の表２にも示されている。なお、表２中のデータの一部は表１中のデータと重複している。

　図７および表２から明らかなように、印加電界強度の上昇に従って、Ｔ_CTRが変化し、電界強度が高いほど、Ｔ_CTRが低温度化している。

　さらに、本発明に係る抵抗素子による効果を調べるために、パルス電圧印加時の抵抗の変化について調べた。抵抗素子が赤外線センサや突入電流抑制用といった用途に向けられるとき、より短い時間で、より大きな抵抗変化を示すことが望まれる。試料４に係る抵抗素子について、電流制限を５Ａとし、室温で、徐々に電界強度を変えながら、電圧パルス（パルス幅５０ミリ秒）で電流値を測定した結果が図９に示されている。

　図９から明らかなように、５０ミリ秒という短い電圧パルスでありながら、室温では、電界強度１００Ｖ／ｃｍ以上で徐々に抵抗が低下し、電界強度３００Ｖ／ｃｍ以上で電流制限の５Ａに到達している。そのときの抵抗変化率は２桁以上に達し、電界強度が１００Ｖ／ｃｍ以上で使用することにより、より大きな抵抗変化を示し、非常に応答速度も速いことがわかる。

　なお、同様の測定を繰り返し行なっても、同様の結果であり、この抵抗変化が素子破壊によるものではないことがわかる。

　以上の結果から、本発明によれば、様々な温度範囲で大きな抵抗変化を実現できることがわかる。

　なお、上記実験例では、ＲＢａＭｎ₂Ｏ₆の組成を得るために炭酸バリウムに添加するＭｎ等の添加元素は、酸化物の形態とされたが、その他、炭酸塩、水酸化物等の形態でも同様の結果が得られることが確認されている。

　また、上記実験例では、Ｐｔ含有導電性ペーストを用いたが、その他、Ａｇ－Ｐｄ含有導電性ペースト、Ｐｄ含有導電性ペースト等を用いても同様の結果が得られることが確認されている。

　また、上記実験例では、焼成工程でのトップ温度保持時間を４８時間としたが、２４～４８時間の範囲で変えても、同様の結果が得られることが確認されている。

　１　赤外線センサ
　２，２１　素体
　３，４　電極
　５，１６　抵抗素子
　７　表層部
　８　赤外線
　１１　電気機器
　１２　交流電源
　１３　被保護回路
　１５　電流ライン
　２２　セラミック層
　２３，２４　内部電極
　２５，２６　外部電極

Claims

　化学式：ＲＢａＭｎ₂Ｏ₆（Ｒは、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、ＨｏおよびＹから選ばれる少なくとも１種。）で示される酸化物導電体を主成分とし、負の温度係数を有する素体と、前記素体の少なくとも一部に電界を印加するために設けられる、少なくとも１対の電極とを備える、抵抗素子であって、
　前記１対の電極を通して前記素体に電界強度１００Ｖ／ｃｍ以上の電界を印加して前記素体の抵抗を変化させるように使用する、抵抗素子。
　前記１対の電極を通して前記素体に電界強度１００Ｖ／ｃｍ以上の電界を印加した際の前記素体に流れる電流を測定するようにして、赤外線を検出するために使用する、請求項１に記載の抵抗素子。
　当該抵抗素子を被保護回路への電流ラインに直列に接続し、前記被保護回路へ突入電流が流れた時に前記１対の電極を通して電界強度１００Ｖ／ｃｍ以上の電界が前記素体に印加されるようにして、突入電流抑制用として使用する、請求項１に記載の抵抗素子。
　化学式：ＲＢａＭｎ₂Ｏ₆（Ｒは、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、ＨｏおよびＹから選ばれる少なくとも１種。）で示される酸化物導電体を主成分とし、負の温度係数を有する素体と、前記素体の表層部に電界を印加するために設けられる、少なくとも１対の電極とを備える、抵抗素子、
　前記１対の電極を通して前記素体に１００Ｖ／ｃｍ以上の電界を印加するための電源、ならびに
　前記電源から１００Ｖ／ｃｍ以上の電界が印加された際に前記素体に流れる電流を測定する電流測定手段
を備え、
　前記素体の表層部に受ける赤外線による温度変化がもたらす前記素体の抵抗変化を、前記電流測定手段を用いて電流変化として測定することによって検出するようにした、赤外線センサ。
　被保護回路と、電源と、前記被保護回路へ前記電力を供給するための電流ラインとを備え、前記被保護回路への突入電流を抑制するための抵抗素子が前記電流ラインに直列に接続されている、電気機器であって、
　前記抵抗素子は、化学式：ＲＢａＭｎ₂Ｏ₆（Ｒは、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、ＨｏおよびＹから選ばれる少なくとも１種。）で示される酸化物導電体を主成分とし、負の温度係数を有する素体と、前記素体の少なくとも一部に電界を印加するために設けられる、少なくとも１対の電極とを備え、
　前記被保護回路へ突入電流が流れた時に電界強度１００Ｖ／ｃｍ以上の電界が前記電極を通して前記素体に印加されるようにされている、電気機器。