JP5258116B2 - 正特性サーミスタの製造方法および正特性サーミスタの焼結体 - Google Patents

Description

本発明は、正特性サーミスタの製造方法および正特性サーミスタの焼結体に関するものである。

チタン酸バリウム系等の正特性サーミスタは、主成分（チタン酸バリウム）にイットリウムなどの希土類元素を添加し半導体化させたもので、常温では比抵抗が低く半導体的性質を示すが、キュリー点を越えると急激に比抵抗が増大するという性質を有する。この性質を活かし、ブラウン管テレビ内の消磁回路中での電流減衰用や過電流保護用等に広く用いられている。
近年の電子機器の小形化・低コスト化に伴い、機器を構成する電子部品である正特性サーミスタについても同様に低抵抗化・小形化が要求されている。これに対応するためには素子材料の比抵抗の低減や、高耐圧化が必要となり、材料組成や製造プロセスの面から様々な検討がなされている。

正特性サーミスタ製品の一般的な量産方法としては、まず、チタン酸バリウム等の原料粉末をプレスなどの方法を用い、所望の形状（通常、円板等の平板形状）に成形する。その成形体をアルミナ製やムライト製等の匣材に整列させ１２５０〜１３５０℃の高温で焼成を行う（焼成工程）。
得られた磁器にメッキ等の各種電極処理を施した後、側面研磨を施すことにより側面の金属部分を除去する。その後、所望の形状に組み立てることにより正特性サーミスタ製品を完成する。

ところが、焼成工程において隣接する成形体同士が融着するため、焼成後、機械的に分離すると、融着面においてワレ・カケやクラックが発生し、製品の特性劣化の原因となる。

融着を防止するためには、特許文献１に開示されるように、ジルコニア粉末にポリビニルアルコールのような有機物を加えた融着防止剤を用いる方法や、特許文献２に開示されるように、セラミック成形体表面にあらかじめ１〜３０μｍの表面粗さを有する凹凸を設けることにより融着を防止する方法が知られている。

しかし、特許文献１に開示される方法では、ジルコニア粉末や有機物を用いるため、それが成形体と反応することにより特性の劣化を生じるという問題がある。
また、特許文献２に開示される方法では、あらかじめ設けた凹凸部は、成形時に密度分布差が大きくなり、焼成後においてもその密度分布差が維持され、または空孔が発生する。その結果、電圧を印加した場合、その部位に熱応力が集中し、動的耐電圧値の低下を招くという問題がある。

特開平６−３２１６４５号公報 特開２００５−２８９７７７号公報

したがって、本発明は、成形体同士の融着防止効果を維持しつつ、正特性サーミスタの電気的諸特性の低下を防止することができる正特性サーミスタの製造方法を提供することを課題とする。

この発明は、セラミック粉末を成形してなる成形体を複数個、隣接させた状態で焼成することで焼結体を形成する焼成工程を備える正特性サーミスタの製造方法であって、上記目的を達成するため、複数の成形体の各々は、互いに反対側を向いた（表裏の関係にある）２つの主面を有する板状体に成形されるとともに、両主面の周縁部にはそれぞれ両主面から突出した突出部が形成されており、突出部は、主面に直交する方向に突出した高さ（ｈ）が０．３０〜０．７０ｍｍに形成されるとともに、主面に平行な方向の幅（ｗ）が０．５０〜０．７０ｍｍに形成され、且つ、突出部が設けられた周縁の合計が、周縁全長の１／２以上となるよう形成されていること、焼成工程では、複数の成形体の各々は、互いの主面が向かい合って隣接した状態で焼成されることを特徴としている。

また、この発明は、セラミック粉末を成形してなる成形体を複数個、隣接させた状態で焼成することで製造される正特性サーミスタの焼結体であって、上記目的を達成するため、複数の成形体の各々は、互いに反対側を向いた２つの主面を有する板状体に成形されるとともに、両主面の周縁部にはそれぞれ両主面から突出した突出部が形成されており、互いの主面が向かい合って隣接した状態で焼成され、突出部は、前記主面に直交する方向に突出した高さが０．３０〜０．７０ｍｍであり、主面に平行な方向の幅が０．５０〜０．７０ｍｍであり、且つ、突出部が設けられた周縁の合計が、周縁全長の１／２以上であることを特徴としている。

このように構成された発明（正特性サーミスタの製造方法および正特性サーミスタの焼結体）では、板状の成形体を複数個、隣接させた状態で焼成することで焼結体を形成する際に、隣接する成形体の主面（板面）同士が融着するのを防止することができ、焼成後の割れ、欠け、クラックの発生を回避することができる。
すなわち、成形体の両主面の周縁部にはそれぞれ両主面から突出した突出部が形成されており、突出部は、主面に直交する方向に突出した高さ（ｈ）（以下「突出高さ」とも称する）が０．３０ｍｍ以上に形成されるとともに、主面に平行な方向の幅（ｗ）（以下「突出幅」とも称する）が０．５０ｍｍ以上に形成されているので、成形体の主面同士が融着するのを効果的に防止することができる。
しかも、突出高さ（ｈ）を０．７０ｍｍ以下、突出幅（ｗ）を０．７０ｍｍ以下に形成しているので、動的耐電圧特性の低下を防ぎ、優れた性能の正特性サーミスタを製造することができる。具体的には、突出部は、焼成後に焼結体の側面（両主面に挟まれた側面）を研磨することで除去（除去工程）されるが、突出部のサイズが大きすぎると、除去工程において焼結体表面に割れ、欠けが発生する。その結果、突出部に熱応力が集中し、動的耐電圧値の低下を招くことになるが、本発明では、突出高さ（ｈ）および突出幅（ｗ）を上記のように設定することで、このような不具合を回避することができる。
さらに、本発明では、突出部が成形体の両主面の周縁部に形成されているため、側面を研磨することによる突出部の除去が容易である。

前記突出部は、表裏それぞれの主面の周縁部の全周にわたって形成することが好ましい。このような構成とすることにより、隣接する成形体の主面同士の融着を確実に防ぐことができる。

上記のとおり、本発明によれば、成形体同士の融着防止効果を維持しつつ、正特性サーミスタの電気的諸特性が低下せずに、正特性サーミスタを製造することができる。

本発明にかかる成形体を模式的に示す図であって、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は縦断面図、（Ｃ）は平面図を示す。 本発明にかかる成形体を焼成匣内に配置して、焼成する時の模式断面図である。

以下、本発明に係る正特性サーミスタの製造方法に係る実施の形態について説明する。

正特性サーミスタの後述する原料を湿式で混合した後に脱水乾燥し、仮焼し、この仮焼体を湿式粉砕した後にバインダーを加えて造粒し、造粒粉体を得る。これを一軸方向に圧力を加えて円板状に成形した成形体１を作製し、その際、成形体１外周部を両主面から突出させ、図１に示すような突出部を設ける。
この際、突出部２の高さ（主面３から先端までの距離［主面と直交方向の最大長さ；ｈ］を０．３０〜０．７０ｍｍに調整する。０．３０ｍｍ未満の場合、融着防止の効果が低下し、０．７０ｍｍを超えると、後述する側面研磨工程で除去が不可能となり、また、側面研磨工程において磁器表面に割れ、欠けが発生し、その部位に熱応力が集中し、動的耐電圧の低下を招く。

また、突出部２の幅（主面３と平行方向の最大長さ；ｗ）を０．５０〜０．７０ｍｍに調整する。０．５０ｍｍ未満では融着防止効果が低下し、０．７０ｍｍを超えると側面研磨工程での応力発生部位の除去が不可能となり、動的耐電圧低下を招く。

焼成後、得られた磁器（焼結体）の側面４を研磨し、突出部２の幅（ｗ）にほぼ相当する厚み分を研磨除去することにより、焼結体の側面４の外周部とともに突出部２を除去することができる。突出部２を取り除いて両主面３を平らにした後、両主面３にニッケルメッキ等の金属メッキ処理を施し、その上に銀をスクリーン印刷し、側面４の余分なニッケルメッキを再度側面研磨して取り除き、正特性サーミスタ製品を得る。

前記突出部２は、主面３の周縁部の一部にのみ設けられてもよい。この際、周縁の３箇所以上に均等な間隔で設けることが好ましい（例えば、成形体が円板状の場合、１２０度間隔で周縁の３箇所に、または９０度間隔で周縁の４箇所に設ける）。また、突出部が設けられた周縁の合計が、周縁全長の１／２以上となるように突出部を形成する。

以下、本発明の具体的な実施例について説明する。

[実施例１〜１０、比較例Ａ〜Ｈ]
原料として、ＢａＣＯ_３、ＴｉＯ_２、ＳｒＣＯ_３、ＣａＣＯ_３、Ｐｂ_３Ｏ_４、Ｙ_２Ｏ_３を用意して、所定の配合比で配合し、これを湿式で混合した後に脱水・乾燥し、１１００〜１２００℃で２時間仮焼して仮焼体を得た。

次に、仮焼体を湿式粉砕した後に、バインダーを加えて造粒し、主面（板面）周縁の全周が突出した磁器を得ることができる金型を用い、一軸方向に圧力を加えて図１に示すような円板状（直径１３ｍｍ、厚さ２．５ｍｍ）の成形体を得た。なお、周縁の突出部のサイズは、表１に示すとおりとした。

次にムライト製の焼成匣５に部分安定化ジルコニア粉末６を敷き、その上に円板状の成形体１を図２に示すとおり、互いの主面が対向するように直立させて一列に並べ、この成形体の列を匣内に複数列設けた状態で、１２５０〜１３５０℃で１〜２時間焼成して、焼結体を得た。
なお、一匣当たりの入り数はいずれの場合も４００個とし、また焼成温度、焼成時間についても全試料とも同一条件とした。
図２に模式的に示すとおり、各成形体の表裏の主面は同一形状であり、各主面の周縁部には突出部が形成されているため、主面同士を対向させて複数の成形体を隣接配置しても、隣接する成形体の周縁部同士が当接するだけで、主面同士の間には間隔が保たれる。

焼成後、得られた磁器（焼結体）の側面を研磨し、突出部を取り除いて両主面を平らにした後、両主面にニッケル無電解メッキ処理を施し、その上に銀をスクリーン印刷し、側面の余分なニッケルメッキを再度側面研磨して取り除き、正特性サーミスタ製品を得た。
なお、いずれの実施例・比較例においても、上記側面研磨は、側面研磨後の焼結体の大きさが同一となるように、同程度行った。

（比較例１、２）
比較例として成形体表面を意図的に粗くし、凹凸を設け（比較例１［Ｒａ＝１．０μｍ］、比較例２［Ｒａ＝３０μｍ］）、外周部の突出部なしとした以外は、実施例と同じ仕様、製造方法で成形体を作製し、実施例と同じ焼成条件により焼結体を得た。

（従来例）
また、従来例として成形体表面にジルコニア粉末と有機物（ポリビニルアルコール）の混合物を付着させ、外周部の突出部なしとした以外は、実施例と同じ仕様、製造方法で成形体を作製し、実施例と同じ焼成条件により焼結体を得た。

比較例１，２および従来例についても、焼成後、得られた磁器（焼結体）の側面を実施例と同程度に研磨した後、両主面にニッケル無電解メッキ処理を施し、その上に銀をスクリーン印刷し、側面の余分なニッケルメッキを再度側面研磨して取り除き、正特性サーミスタ製品を得た。

上記の実施例１〜１０、比較例Ａ〜Ｈ、１、２、従来例について、融着率、比抵抗、（静的）耐電圧、動的耐電圧を調査した。その結果を表１に示す。

なお、表中の評価欄には、融着率２．０％未満で、かつ、比抵抗３０Ω・ｃｍ未満、（静的）耐電圧２００Ｖ／ｍｍ以上、動的耐電圧２６０Ｖ以上、これら全て満たすものに丸印を表示している。これらの比抵抗、（静的）耐電圧（後述）、動的耐電圧（後述）の数値は高電圧過電流防止用の正特性サーミスタに要求される仕様である。

上記の（静的）耐電圧とは、正特性サーミスタ素子に印加する電圧を徐々に昇圧すると、最初はオームの法則に従い電流が増大するが、ある電圧を境に電流が減少に転じ、さらに昇圧し続けると、ある電圧で電流が再び増大に転じる、その時の電圧値をいう。
一方、動的耐電圧とは、ある電圧を瞬時に正特性サーミスタ素子に印加した場合、熱応力が発生し正特性サーミスタ素子がそれに耐えられず、破壊を生じる、その時の電圧値をいう。

表の結果から明らかなように、本方法を用いた場合では、従来例や比較例１、２、比較例Ａ〜Ｈに比べ、成形体同士の融着が抑えられ、また、電気的特性の劣化が見られなかった。

具体的には、突出部の幅（ｗ）が０．５０ｍｍの場合では突出部の高さ（ｈ）が０．３０〜０．７０ｍｍの領域（実施例１〜３）において各要求性能を満足したが、高さ０．２０ｍｍ（比較例Ａ）では融着率が２．３％となり、０．８０ｍｍ（比較例Ｂ）では動的耐電圧特性が２５０Ｖとなり、要求性能を満足しなかった。

突出部の幅が０．７０ｍｍの場合も、上記同様に突出部の高さ０．３０〜０．７０ｍｍの領域（実施例４〜６）において各要求性能を満足したが、高さ０．２０ｍｍ（比較例Ｃ）では融着率が２．０％となり、０．８０ｍｍ（比較例Ｄ）では動的耐電圧特性が２５０Ｖとなり、要求性能を満足しなかった。

突出部の高さが０．３０ｍｍの場合では、突出部の幅０．５０〜０．７０ｍｍの領域（実施例１、７、８）において各要求性能を満足したが、幅０．４０ｍｍ（比較例Ｅ）では融着率が２．３％となり、０．８０ｍｍ（比較例Ｆ）では動的耐電圧特性が２５５Ｖとなり、要求性能を満足しなかった。

突出部の高さが０．７０ｍｍの場合も、上記同様に突出部の幅０．５０〜０．７０ｍｍの領域（実施例３、９、１０）において各要求性能を満足したが、突出部の幅０．４０ｍｍ（比較例Ｇ）では融着率が２．０％以上となり、０．８０ｍｍ（比較例Ｈ）では動的耐電圧特性が２５０Ｖとなり、要求性能を満足しなかった。

以上より、成形体同士の融着防止効果を維持しつつ、電気的諸特性の低下を招かない突出部の構造は、高さをｈ、幅をｗとすると、０．３０ｍｍ≦ｈ≦０．７０ｍｍで、かつ０．５０ｍｍ≦ｗ≦０．７０ｍｍとしたときが好適であることが分かった。

１ 成形体
２ 突出部
３ 主面
４ 側面
５ 焼成匣
６ ジルコニア粉末
ｈ 突出部の高さ
ｗ 突出部の幅

Claims (5)

1. セラミック粉末を成形してなる成形体を複数個、隣接させた状態で焼成することで焼結体を形成する焼成工程を備える正特性サーミスタの製造方法において
   前記複数個の成形体の各々は、互いに反対側を向いた２つの主面を有する板状体に成形されるとともに、両主面の周縁部にはそれぞれ両主面から突出した突出部が形成されており、
   前記突出部は、前記主面に直交する方向に突出した高さ（ｈ）が０．３０〜０．７０ｍｍに形成されるとともに、前記主面に平行な方向の幅（ｗ）が０．５０〜０．７０ｍｍに形成され、且つ、突出部が設けられた周縁の合計が、周縁全長の１／２以上となるよう形成されていること、
   前記焼成工程では、前記複数の成形体の各々は、互いの主面が向かい合って隣接した状態で焼成されることを特徴とする正特性サーミスタの製造方法。
2. 前記突出部は前記両主面の各々において該主面の周縁部の全周にわたって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の正特性サーミスタの製造方法。
3. 前記焼成工程後に、前記焼結体の側面を研磨することで前記突出部を除去する除去工程をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の正特性サーミスタの製造方法。
4. セラミック粉末を成形してなる成形体を複数個、隣接させた状態で焼成することで製造される正特性サーミスタの焼結体において、
   前記複数個の成形体の各々は、互いに反対側を向いた２つの主面を有する板状体に成形されるとともに、両主面の周縁部にはそれぞれ両主面から突出した突出部が形成されており、互いの主面が向かい合って隣接した状態で焼成され、
   前記突出部は、前記主面に直交する方向に突出した高さが０．３０〜０．７０ｍｍであり、前記主面に平行な方向の幅が０．５０〜０．７０ｍｍであり、且つ、突出部が設けられた周縁の合計が、周縁全長の１／２以上であることを特徴とする正特性サーミスタの焼結体。
5. 前記突出部は前記両主面の各々において該主面の周縁部の全周にわたって形成されていることを特徴とする請求項４に記載の正特性サーミスタの焼結体。

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