JPH10289808A - 機能性セラミックス素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電極縁部での電界を緩和して放電耐量の優れ
た信頼性の高い機能性セラミックス素子を提供する。 【解決手段】 酸化亜鉛バリスタ９の基材として焼結体
４が設けられ、この焼結体４側面には絶縁層８が形成さ
れる。また、焼結体４の端面４ａには電気抵抗値が異な
る電極中央部６および電極縁部７からなる電極が形成さ
れる。このうち、電極縁部７の領域は酸化亜鉛バリスタ
９の直径の０．１倍以下となるように設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コンデンサ、抵抗
体などの機能性セラミックス素子に関するものであり、
とくに、素子端面に形成された電極の構成に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】一般に、機能性セラミックス素子は、機
能性を発現する基材と、基材側面に形成される絶縁層
と、基材端面に形成される電極とから構成されており、
様々な変電機器に組込まれて使用されている。ここで酸
化亜鉛バリスタを例に挙げて、機能性セラミックス素子
の構成について図７を参照して具体的に説明する。

【０００３】酸化亜鉛バリスタ５は、電力系統における
異常電圧を抑制して電力系統を保護する避雷器に対し、
限流要素ユニットとして複数個を直列および並列に積層
されて組込まれる機能性セラミックス素子である。酸化
亜鉛バリスタ５は、正常な電圧でほぼ絶縁特性を示し、
異常電圧が発生したときに低抵抗性を示す非直線抵抗体
である。この非直線抵抗体の基材は、酸化亜鉛を主成分
とし、非直線特性を得るために添加物として少なくとも
１種類以上の金属酸化物を加えて、混合、造粒、成形
し、焼成した焼結体１から構成される。また、焼結体１
の側面には絶縁層３が形成され、焼結体１の両端面には
アルミニウムなどの金属の電極２が形成されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の酸化亜鉛バリス
タを含む機能性セラミックス素子において、その端面に
電極を形成する場合、金属溶射法が利用されるのが一般
的である。金属溶射法とは、電気、アーク、ガスなどを
用いて、単一組成のアルミニウムなどの電極材料を所定
の形状に均一に溶射する方法である。

【０００５】しかしながら、このような金属溶射法によ
り形成された電極を持つ機能性セラミックス素子には、
次のような問題点があった。すなわち、金属溶射法で形
成した電極は、電極の表面が粗く、電極の縁部、特に円
周方向の形状は凹凸が大きくなる傾向がある。そのた
め、機能性セラミックス素子に高電圧を印加すると、凹
凸がある電極縁部では電界集中が起こり、放電耐量が低
くなることがある。その結果、電極縁部が破壊され易い
といった不具合が生じた。

【０００６】本発明は、上記の問題点を解決するために
提案されてものであり、電極縁部での電界を緩和して放
電耐量の優れた信頼性の高い機能性セラミックス素子を
提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の発明は、機能性を示す基材が設けられ、
その端面に電極が形成された機能性セラミックス素子に
おいて、前記電極はその電気抵抗値が部分的に異なるよ
うに構成されたことを特徴とする。

【０００８】以上のような請求項１の発明では、機能性
セラミックス素子端面に形成された電極が、部分的に異
なる電気抵抗値を持っているため、電界が一か所に集中
することがない。したがって、電極と素子本体とにおけ
る電界を緩和することができ、機能性セラミックス素子
の放電耐量の低下を抑えることが可能となる。

【０００９】請求項２の発明は、請求項１記載の機能性
セラミックス素子において、前記電極が中央部と縁部と
で電気抵抗値が異なるように構成されたことを特徴とし
ている。

【００１０】以上の請求項２の発明では、中央部と縁部
とで電気抵抗値が異なる電極を形成しているため、電極
における電界集中を防ぎ、電極縁部に凹凸部分が多くあ
っても電界を緩和して電極縁部の破壊を防止することが
できる。

【００１１】請求項３の発明は、請求項１または２記載
の機能性セラミックス素子において、前記電極中央部の
電気抵抗値が前記電極縁部の電気抵抗値よりも小さく、
この電極縁部の電気抵抗値が機能性セラミックス素子自
体の電気抵抗値よりも小さく設定されたことを特徴とす
る。

【００１２】上記請求項３の発明では、機能性セラミッ
クス素子自体、電極縁部および電極中央部の電気抵抗値
を比べた場合、電極縁部の電気抵抗値は電極中央部のそ
れよりは大きく、機能性セラミックス素子自体のそれよ
りは小さくなっている。そのため、電極縁部における電
界緩和を確実に行うことができ、機能性セラミックス素
子に高電圧を印加しても、電極縁部は破壊されるおそれ
がない。

【００１３】請求項４の発明は、請求項１、２または３
記載の機能性セラミックス素子において、前記電極中央
部よりも電気抵抗値が大きい前記電極縁部の外径と内径
の差が、機能性セラミックス素子の直径の０．１倍以下
に設定されたことを特徴とする。

【００１４】また、請求項５の発明は、請求項１、２、
３または４記載の機能性セラミックス素子において、前
記電極中央部よりも電気抵抗値が大きい前記電極縁部の
外径寸法が、機能性セラミックス素子の直径寸法の０．
９〜１．０倍に設定されたことを特徴としている。

【００１５】上記請求項４、５の発明では、電極中央部
よりも電気抵抗値が大きい電極縁部の領域を限定してい
る。すなわち、請求項４の発明では、電極縁部の半径方
向の寸法を電極縁部の外径と内径の差が機能性セラミッ
クス素子の直径の０．１倍以下としている。また、請求
項５の発明では、電極縁部の外径寸法を機能性セラミッ
クス素子の直径寸法の０．９〜１．０倍に設定してい
る。このような領域を持つ電極縁部は、優れた放電耐量
を持つことができ、機能性セラミックス素子に高電圧を
印加しても、電極縁部が破壊される心配がない。

【００１６】請求項６の発明は、請求項１、２、３、４
または５記載の機能性セラミックス素子において、前記
電極縁部の電気抵抗値が、前記電極中央部の電気抵抗値
の０．７倍以下に設定されたことを特徴とする。

【００１７】以上のような請求項６の発明では、電極縁
部が電極中央部の０．７倍以下の電気抵抗値の持つた
め、電極縁部の放電耐量が向上する。したがって、機能
性セラミックス素子に高電圧を印加しても、電極縁部が
破壊されるおそれがない。

【００１８】請求項７の発明は、請求項１、２、３、
４、５または６記載の機能性セラミックス素子におい
て、前記電極となる電極材料の成分が導電性金属と接着
成分から構成されたことを特徴とする。

【００１９】上記請求項７の発明では、電極となる電極
材料が導電性金属と接着成分とを含んでいるため、電極
は導電性金属によって基材との導電性を確保することが
できると同時に、接着成分の働きにより基材と強固に接
合することができる。

【００２０】請求項８の発明は、請求項１、２、３、
４、５、６または７記載の機能性セラミックス素子にお
いて、前記電極縁部の電極材料中の導電性金属の重量割
合が、前記電極中央部の電極材料中の導電性金属の重量
割合の０．７倍以下に設定されたことを特徴とする。

【００２１】以上の請求項８の発明では、電極縁部の電
極材料中の導電性金属の重量割合が、電極中央部の電極
材料中の導電性金属の重量割合の０．７倍以下であるた
め、電極縁部は優れた放電耐量が確保することができ
る。したがって、機能性セラミックス素子に高電圧を印
加しても、電極縁部が破壊されるおそれがない。

【００２２】請求項９の発明は、請求項１、２、３、
４、５、６、７または８記載の機能性セラミックス素子
において、前記機能性セラミックス素子が非直線抵抗
体、直線抵抗体、またはコンデンサであることを特徴と
する。

【００２３】以上のような請求項９の発明では、上述し
た作用を持つ機能性セラミックス素子を非直線抵抗体、
直線抵抗体、またはコンデンサとして利用することがで
き、これらを組込む変電機器の信頼性を高めることがで
きる。

【００２４】請求項１０の発明は、請求項１、２、３、
４、５、６、７、８または９記載の機能性セラミックス
素子において、前記電極がスクリーン印刷法、金属溶射
法またはスパッタ法により形成されたことを特徴とす
る。

【００２５】上記請求項１０の発明では、スクリーン印
刷法、金属溶射法またはスパッタ法を採用することによ
り、以上の作用を持つ機能性セラミックス素子の電極
を、確実且つ簡単に形成することができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の一例
について、図面を参照して具体的に説明する。なお、以
下に示す実施形態では機能性セラミックス素子の一例と
して、酸化亜鉛バリスタを取り上げている。

【００２７】（１）第１の実施形態 ［構成］請求項３および４を含む第１の実施形態につい
て、図１および図２の構成図ならびに図３に示すグラフ
を参照して具体的に説明する。なお、図１および図２に
おいて、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。

【００２８】すでに述べたように、酸化亜鉛バリスタに
おける基材は、図２に示す非直線抵抗体である焼結体４
から構成される。この焼結体４は次のようにして形成さ
れる。まず、主原料となる酸化亜鉛に対し、二酸化マン
ガン、二酸化ケイ素、酸化クロムが例えば０．５ｍｏｌ
％、酸化ビスマス、酸化アンチモン、酸化ニッケルが例
えば１ｍｏｌ％添加される。この原料は水と分散剤など
の有機バインダ類とともにアトライタで混合され、スプ
レードライヤで噴霧、造粒される。これらの造粒粉が金
型に入れられて加圧され、円柱形状など所定の形状に成
形される。そして、１２００度で焼成されて形成され
る。

【００２９】また、図１に示すように、以上のような焼
結体４の側面にはアルミナ系の無機絶縁材料またはエポ
キシ系の有機絶縁材料が塗布され、４００℃の温度で焼
付けられて、絶縁層８が形成される。さらに、焼結体４
の両端面４ａは研磨され、ここに中央部と縁部とで異な
る電気抵抗値を有する電極材料が、スクリーン印刷法に
より塗布される。そして、電極材料塗布後、例えば４２
０度で焼付けられ、酸化亜鉛バリスタ９が構成される。
このようにして酸化亜鉛バリスタ７の両端面には、電気
抵抗値が異なる２つの部分、すなわち電極中央部６およ
び電極縁部７からなる電極が形成される。

【００３０】ところで、スクリーン印刷法での電極材料
の塗布においては、例えばテトロン製の、３００メッシ
ュ、乳剤厚５μｍのスクリーンが用いられ、次の３つの
条件を満たすようして電極材料が塗布される。第１に、
電極材料は焼付け後に３０μｍの厚さとなるように塗布
される。第２に、電極材料は電極縁部７において、円周
方向の凹凸の凹部と凸部の高さの差が焼付け後に２０μ
ｍ以下になるように塗布される。第３に、縁部７の領域
が酸化亜鉛バリスタ９の直径の０．１倍以下となるよう
に塗布される。具体的には酸化亜鉛バリスタ９の端面直
径を３２ｍｍとするとき、中央部６が直径２８ｍｍであ
り、縁部７が内径２８ｍｍ、外径３０ｍｍ、内外径差２
ｍｍとなるように電極材料が塗布される。なお、電極材
料の塗布の順番は、中央部側と縁部側とで同時であって
も良いし、いずれか一方から先に塗布しても良い。

【００３１】電極となる電極材料は、導電性金属である
銀と、接着成分であるホウケイ酸ガラスとから構成され
る。より具体的には、電極材料の成分は、中央部６にお
いては焼付け後の重量割合が銀：接着成分＝９７：３、
縁部７においては焼付け後の重量割合が銀：接着成分＝
６０：４０となるように構成される。この場合、電極中
央部６の電気抵抗値は電極縁部７の電気抵抗値よりも小
さく、この縁部７の電気抵抗値が酸化亜鉛バリスタ９自
体の電気抵抗値よりも小さく設定されている。

【００３２】［作用効果］以上のような第１の実施形態
において、酸化亜鉛バリスタ９端面に形成された電極中
央部６と電極縁部７とで電気抵抗値が異なっているの
で、電界が一か所に集中することがなく、電極縁部７に
凹凸部分が多くあっても電界を緩和することができる。

【００３３】図３のグラフに示すように、機能性セラミ
ック素子の端面中央部の電気抵抗値が素子端面縁部の電
気抵抗値よりも小さく（グラフ中のＢ₁ 〜Ｂ₃ ）、且つ
素子端面縁部の領域がセラミックス素子の直径の０．１
倍以下の範囲（グラフ中のＢ₁ ）であるとき、極めて高
い放電耐量を発揮することができる。第１の実施形態で
は、電極縁部７の電気抵抗値が中央部６のそれよりも大
きく、且つ縁部７の領域が酸化亜鉛バリスタ９の直径の
０．１倍以下となっているため、まさにグラフ中のＢ₁
に該当する。なお、グラフ中のＢ₂ は素子端面縁部の領
域がセラミックス素子の直径の０．１〜０．２倍、Ｂ₃
は素子端面縁部の領域がセラミックス素子の直径の０．
２倍以上であるものを示している。また、グラフ中のＡ
は機能性セラミック素子の端面中央部の電気抵抗値と素
子端面縁部の電気抵抗値とが等しいものを示している。

【００３４】このような第１の実施形態によれば、電極
縁部７は優れた放電耐量を持つことができる。したがっ
て、酸化亜鉛バリスタ９に高電圧を印加するとき、電極
縁部７の円周方向の形状が多少凹凸が大きくても、電極
縁部７が破壊されることがない。したがって、酸化亜鉛
バリスタ９は高い信頼性を発揮することができ、これが
組込まれる避雷器の信頼性の向上に寄与することができ
る。

【００３５】（２）第２の実施形態 ［構成］第２の実施形態は、請求項５に対応するもので
あり、基本的な構成は上記第１の実施形態と同じである
が、次の点を構成上の特徴としている。すなわち、電極
中央部６よりも電気抵抗値が大きい電極縁部７の外径寸
法が、酸化亜鉛バリスタ９の直径寸法の０．９〜１．０
倍に設定されている。

【００３６】［作用効果］以上のような第２の実施形態
において、外径寸法が酸化亜鉛バリスタ９の直径寸法の
０．９〜１．０倍にとなる領域を持つ電極縁部７は、優
れた放電耐量を持つことができる（図４のグラフ参
照）。したがって、第２の実施形態によれば、上記第１
の実施形態と同様、高電圧を印加しても、電極縁部が破
壊される心配がなく、高い信頼性を発揮し、これが組込
まれる避雷器の信頼性の向上に寄与することができる。

【００３７】（３）第３の実施形態 ［構成］第３の実施形態は、請求項６および８に対応す
るものであり、基本的な構成は上記第１の実施形態と同
じであるが、次の点を構成上の特徴としている。すなわ
ち、電極縁部７の電気抵抗値が、電極中央部６の電気抵
抗値の０．７倍以下に設定され、且つ電極縁部７の電極
材料中の導電性金属の重量割合が、電極中央部６の電極
材料中の導電性金属の重量割合の０．７倍以下に設定さ
れている。

【００３８】［作用効果］以上のような第３の実施形態
においては、電極縁部７が電極中央部６の０．７倍以下
の電気抵抗値の持つため、図５のグラフに示すように、
縁部７の放電耐量が高い。しかも、電極縁部７の電極材
料中の導電性金属の重量割合が、電極中央部６の電極材
料中の導電性金属の重量割合の０．７倍以下であるた
め、図６のグラフに示すように、電極縁部７は優れた放
電耐量が確保することができる。したがって、第３の実
施形態によれば、上記第１および第２の実施形態と同
様、高電圧を印加しても、電極縁部が破壊される心配が
なく、高い信頼性を発揮して、これが組込まれる避雷器
の信頼性の向上に寄与することができる。

【００３９】（４）他の実施形態 なお、本発明は、以上のような実施形態に限定されるも
のではなく、例えば、電極は中央部と縁部の２カ所で異
なる電気抵抗値を有するだけではなく、素子の端面に対
し３種類以上の異なる電気抵抗値を有する電極材料を部
分的に、または同心円上に塗り分けることにより、３種
類以上の電気抵抗値を持つ電極としても良い。また、電
気抵抗値が異なる電極材料を塗布した電極において、電
気抵抗値が徐々に段階的に変化するように形成しても良
い。

【００４０】また、電極材料中の導電性金属としては、
銀、アルミニウム、銅、金、パラジウムのうち少なくと
も１つを含んでいれば優れた導電性を持つことができ、
さらに電極材料中の接着成分としては有機高分子、ガラ
ス、セラミックの少なくとも１つを含んでいれば良好な
接合作用を得ることができる。

【００４１】さらに、機能性セラミックス素子は非直線
抵抗体の他、直線抵抗体やコンデンサであっても良い。
また、電極６はスクリーン印刷法ではなく、金属溶射法
やスパッタ法によって形成されたものでも良い

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
機能性セラミックス素子の端面において、部分的に、特
に中央部と縁部とで異なる電気抵抗値を有する電極を形
成することで、電極と素子本体および電極縁部における
電界集中を緩和することができ、放電耐量を向上した機
能性セラミックス素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を示す構成図であり、
（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。

【図２】第１の実施形態におけるを示す構成図であり、
（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。

【図３】素子端面中央部と素子端面縁部における電気抵
抗値および素子端面縁部の領域と放電耐量の関係を示す
グラフ。

【図４】電極材料の形状と放電耐量の関係を示すグラ
フ。

【図５】電極部の電気抵抗値の比と放電耐量の関係を示
すグラフ。

【図６】電極材料中の導電性金属の重量割合と放電耐量
の関係を示すグラフ。

【図７】従来の機能性セラミックス素子を示す構成図。

【符号の説明】

１，４…焼結体 ２…電極 ３，８…絶縁層 ４ａ…焼結体端面 ５，９…酸化亜鉛バリスタ ６…電極中央部 ７…電極縁部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 義康 神奈川県川崎市川崎区浮島町２番１号 株 式会社東芝浜川崎工場内 (72)発明者 安藤 秀泰 神奈川県川崎市川崎区浮島町２番１号 株 式会社東芝浜川崎工場内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 機能性を示す基材が設けられ、その端面
   に電極が形成された機能性セラミックス素子において、 前記電極はその電気抵抗値が部分的に異なるように構成
   されたことを特徴とする機能性セラミックス素子。
2. 【請求項２】 前記電極が中央部と縁部とで電気抵抗値
   が異なるように構成されたことを特徴とする請求項１記
   載の機能性セラミックス素子。
3. 【請求項３】 前記電極中央部の電気抵抗値が前記電極
   縁部の電気抵抗値よりも小さく、この電極縁部の電気抵
   抗値が機能性セラミックス素子自体の電気抵抗値よりも
   小さく設定されたことを特徴とする請求項１または２記
   載の機能性セラミックス素子。
4. 【請求項４】 前記電極中央部よりも電気抵抗値が大き
   い前記電極縁部の外径と内径の差が、機能性セラミック
   ス素子の直径の０．１倍以下に設定されたことを特徴と
   する請求項１、２または３記載の機能性セラミックス素
   子。
5. 【請求項５】 前記電極中央部よりも電気抵抗値が大き
   い前記電極縁部の外径寸法が、機能性セラミックス素子
   の直径寸法の０．９〜１．０倍に設定されたことを特徴
   とする請求項１、２、３または４記載の機能性セラミッ
   クス素子。
6. 【請求項６】 前記電極縁部の電気抵抗値が、前記電極
   中央部の電気抵抗値の０．７倍以下に設定されたことを
   特徴とする請求項１、２、３、４または５記載の機能性
   セラミックス素子。
7. 【請求項７】 前記電極となる電極材料の成分が導電性
   金属と接着成分から構成されたことを特徴とする請求項
   １、２、３、４、５または６記載の機能性セラミックス
   素子。
8. 【請求項８】 前記電極縁部の電極材料中の導電性金属
   の重量割合が、前記電極中央部の電極材料中の導電性金
   属の重量割合の０．７倍以下に設定されたことを特徴と
   する請求項１、２、３、４、５、６または７記載の機能
   性セラミックス素子。
9. 【請求項９】 前記機能性セラミックス素子が非直線抵
   抗体、直線抵抗体、またはコンデンサであることを特徴
   とする請求項１、２、３、４、５、６、７または８記載
   の機能性セラミックス素子。
10. 【請求項１０】 前記電極がスクリーン印刷法、金属溶
    射法またはスパッタ法により形成されたことを特徴とす
    る請求項１、２、３、４、５、６、７、８または９記載
    の機能性セラミックス素子。