(57)【要約】  セラミックス焼結体の面積の増大を図りながらも、セラミックス焼結体の組成的または微細構造的な均一性を確保し、非直線性、エネルギー耐量および課電寿命からなる基本性能を向上させる。 複数のバリスタ小片１１と絶縁性樹脂とを混練して押出し成形することにより、同一平面上に複数のバリスタ小片１１が相互に離間して並べられ、かつ、隣接するバリスタ小片１１同士が絶縁性樹脂を介して接着されるシート状のバリスタ層１３を形成する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート状に形成されたバリスタ層と、前記バリスタ層の相互に平行な表面及び裏面のそれぞれに対して接合された導電性の電極層とで構成された非線形抵抗素子であって、
前記バリスタ層は、表面及び裏面のそれぞれが前記バリスタ層の表面及び裏面のそれぞれに一致するように、相互に離間して並べられたセラミックス焼結体からなる複数のバリスタ小片と、隣接する前記バリスタ小片同士を接合する絶縁性の接合部とから形成されていることを特徴とする非線形抵抗素子。
【請求項２】
前記バリスタ層と前記電極層とが、前記バリスタ層の表面及び裏面のそれぞれの垂線方向に、交互に複数積層されていることを特徴とする請求項１に記載の非線形抵抗素子。
【請求項３】
前記接合部は、弾性を有する合成樹脂からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の非線形抵抗素子。
【請求項４】
前記接合部は、前記バリスタ小片との接合界面における厚みよりも、厚みの小さい部分を有することを特徴とする請求項３に記載の非線形抵抗素子。
【請求項５】
前記電極層には、他との電気的接続するための金属金具が取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の非線形抵抗素子。
【請求項６】
前記バリスタ層及び前記電極層の両端面を被覆樹脂材で被覆することを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の非線形抵抗素子。
【請求項７】
請求項１記載の非線形抵抗素子を製造する方法であって、
複数のセラミックスの基になる成形体小片を焼成して、それぞれが同じ厚みを有する複数の前記バリスタ小片を形成する工程と、
複数の前記バリスタ小片と絶縁性樹脂とを混練して押出し成形することにより、前記バリスタ小片の表面及び裏面のそれぞれが前記バリスタ層の表面及び裏面のそれぞれに一致するように、複数の前記バリスタ小片が相互に離間して並べられ、かつ、隣接する前記バリスタ小片同士が前記絶縁性樹脂を介して接着されるシート状の前記バリスタ層を形成する工程と、
前記バリスタ層の表面及び裏面のそれぞれに対して接合される導電性の前記電極層を形成する工程とを含むことを特徴とする非線形抵抗素子の製造方法。
【請求項８】
請求項２記載の非線形抵抗素子を製造する方法であって、
複数のセラミックスの基になる成形体小片を焼成して、それぞれが同じ厚みを有する複数の前記バリスタ小片を形成する工程と、
複数の前記バリスタ小片と絶縁性樹脂とを混練して押出し成形することにより、前記バリスタ小片の表面及び裏面のそれぞれが前記バリスタ層の表面及び裏面のそれぞれに一致するように、複数の前記バリスタ小片が相互に離間して並べられ、かつ、隣接する前記バリスタ小片同士が前記絶縁性樹脂を介して接着されるシート状の前記バリスタ層を形成する工程と、
前記バリスタ層と導電性の前記電極層とを、前記バリスタ層の表面及び裏面のそれぞれの垂線方向に、交互に複数積層して積層体を形成する工程と、
前記積層体の表面及び裏面のそれぞれに対して接合される前記電極層を形成する工程とを含むことを特徴とする非線形抵抗素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、避雷器、サージ吸収素子、電圧安定化素子などの過電圧保護装置に用いられ、酸化亜鉛を主成分として印加電圧によって抵抗値が変化する非線形抵抗素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的にバリスタと称される非線形抵抗素子は、印加電圧によってその抵抗値が変化する特性、つまり、正常な電圧が印加された時には高抵抗値であって絶縁特性を示し、異常な高電圧が印加された時には低抵抗値を示す非直線性の電圧−電流特性を具備する。このような特性を有する非線形抵抗素子の中でも、酸化亜鉛を主成分とする非線形抵抗素子は、優れた非直線性の電圧−電流特性を有する。【０００３】
この非線形抵抗素子は、例えば次の方法で製作される。すなわち、主成分となる大量の酸化亜鉛と、非直線性の電圧−電流特性を発現させる微量の酸化ビスマス、酸化アンチモン、酸化コバルト、酸化マンガン等の基本添加物とを湿式混合し、その湿式混合により得られたスラリーを噴霧乾燥により造粒し、その造粒粉を円柱状に成形した後、その成形体を焼成してセラミックス焼結体を製作する。そして、そのセラミックス焼結体の側面にガラス材料の塗布・焼き付けにより閃絡防止用の側面高抵抗層を形成して、必要に応じて熱処理を施し、さらに、そのセラミックス焼結体の上下端面にアルミニウム溶射などにより電極を形成するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−５９７０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来の非線形抵抗素子では、セラミックス焼結体の厚みを変えることでバリスタ電圧を制御し、セラミックス焼結体の体積を変えることでエネルギー耐量を制御することができる。例えば、高いエネルギー耐量を保ちつつバリスタ電圧が低い非線形抵抗素子を得るには、焼結体の板厚を薄くすると共に、焼結体の面積を増大することで実現できる。【０００６】
しかしながら、従来の非線形抵抗素子は、一体的に焼成されたセラミックス焼結体から構成されているため、セラミックス焼結体の面積が増大されると、焼成時における熱変形等よって焼結体が変形しやすいという問題があった。また、セラミックス焼結体は外力に対して脆いので、面積が増大されたセラミック焼結体は、輸送又は実装時などにより発生する外力によって破損するおそれがあり、耐久性や信頼性の点で問題があった。【０００７】
また、従来の非線形抵抗素子の製造においては、セラミックス焼結体の基となる円柱状の成形体を焼成するようにしているが、その成形体を製作する場合、造粒粉間の摩擦や造粒粉と金型との摩擦などによってその成形体における成形密度の均一性を確保することが困難であった。【０００８】
さらに、この金型成形による成形密度の不均一性に加えて、成形体を焼成するに際して、成形体の内部と表面部とで温度差が生じるために、焼結体における組成的または微細構造的な均一性をより一層確保することが困難となる。特に、素子形状が非常に大きい場合、例えば直径が１０ｃｍ以上の円板、あるいは、これに匹敵する大きさの角板などの場合は、従来の非線形抵抗素子では製造が困難で焼結体の組成的、微細構造的な不均一性が著しく増大し電気特性が極端に低下するという問題があった。【０００９】
そこで、本発明は、このような問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、セラミックス焼結体の面積の増大を図りながらも、バリスタ層の全体的な構造的性質の品質化、ひいては、非線形抵抗特性等の電気的特性の均質化を図られる非線形抵抗素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明の非線形抵抗素子は、シート状に形成されたバリスタ層と、前記バリスタ層の相互に平行な表面及び裏面のそれぞれに対して接合された導電性の電極層とで構成された非線形抵抗素子であって、前記バリスタ層は、表面及び裏面のそれぞれが前記バリスタ層の表面及び裏面のそれぞれに一致するように、相互に離間して並べられたセラミックス焼結体からなる複数のバリスタ小片と、隣接する前記バリスタ小片同士を接合する絶縁性の接合部とから形成されていることを特徴とする。【００１１】
本発明の非線形抵抗素子によれば、一定厚さを有する複数のバリスタ小片が同一平面上に（バリスタ小片の表面及び裏面のそれぞれが前記バリスタ層の表面及び裏面のそれぞれに一致するように）相互に離間して並べられた状態で、絶縁性の接合部により接合されている。このため、シート状のバリスタ層の面積が容易に増大されうる。【００１２】
また、各バリスタ小片の基となる成形体小片は、焼成時において、当該成形体小片の内側と外側とで焼成温度を含む焼成条件が同等になる程度に小型化されうる。このため、当該焼成の結果得られるセラミックス焼結体の各バリスタ小片において、その内側と外側とで結晶粒径等の構造的性質の均質化が図られる。【００１３】
これにより、従来のようにバリスタ層が一体的に焼成される場合と比較して、バリスタ層の面積の増大を図りながらも、バリスタ層の全体的な構造的性質の均質化、ひいては、非線形抵抗特性等の電気特性の均質化が容易に図られる。【００１４】
また、本発明において、前記バリスタ層と前記電極層とが、前記バリスタ層の表面及び裏面のそれぞれの垂線方向に、交互に複数積層されていることが好ましい。これによれば、その積層数が変更されるだけで、素子全体のバリスタ電圧が容易に調整できる。【００１５】
また、本発明において、前記接合部は、弾性を有する合成樹脂からなることが好ましい。これによれば、接合部が弾性変形するため、バリスタ層に外力が加わっても、一体的なセラミックス焼結体からなるバリスタ層と比較して、バリスタ層全体が撓みやすくなる。これにより、バリスタ層の外力に対する耐性が向上する。【００１６】
また、本発明において、前記接合部は、前記バリスタ小片との接合界面における厚みよりも、厚みが小さい部分を有することが好ましい。これによれば、接合部が弾性変形可能な合成樹脂からなると共に、バリスタ小片との接合界面よりも厚みが小さい部分を有している。このため、バリスタ層の接続部が一定厚みである場合より、バリスタ層の柔軟性が増大する。【００１７】
また、本発明において、前記電極層には、他との電気的接続するための金属金具が取り付けられていることが好ましい。これにより、非線形抵抗素子が回路基板などに容易に接続される。【００１８】
また、本発明において、前記バリスタ層及び前記電極層の両端面を被覆樹脂材で被覆することが好ましい。これにより、バリスタ層の外周端面が保護される。【００１９】
また、本発明の単層型の非線形抵抗素子の製造方法は、複数のセラミックスの基になる成形体小片を焼成して、それぞれが同じ厚みを有する複数の前記バリスタ小片を形成する工程と、複数の前記バリスタ小片と絶縁性樹脂とを混練して押出し成形することにより、前記バリスタ小片の表面及び裏面のそれぞれが前記バリスタ層の表面及び裏面にそれぞれに一致するように、複数の前記バリスタ小片が相互に離間して並べられ、かつ、隣接する前記バリスタ小片同士が前記絶縁性樹脂を介して接着されるシート状の前記バリスタ層を形成する工程と、前記バリスタ層の表面及び裏面のそれぞれに対して接合される導電性の前記電極層を形成する工程により製造されることを特徴とする。【００２０】
また、本発明の積層型の非線形抵抗素子の製造方法は、複数のセラミックスの基になる成形体小片を焼成して、それぞれが同じ厚みを有する複数の前記バリスタ小片を形成する工程と、複数の前記バリスタ小片と絶縁性樹脂とを混練して押出し成形することにより、前記バリスタ小片の表面及び裏面のそれぞれが前記バリスタ層の表面及び裏面のそれぞれに一致するように、複数の前記バリスタ小片が相互に離間して並べられ、かつ、隣接する前記バリスタ小片同士が前記絶縁性樹脂を介して接着されるシート状の前記バリスタ層を形成する工程と、前記バリスタ層と導電性の前記電極層とを、前記バリスタ層の表面及び裏面のそれぞれの垂線方向に、交互に複数積層して積層体を形成する工程と、前記積層体の表面及び裏面のそれぞれに対して接合される前記電極層を形成する工程により製造されることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態で、単層型の非線形抵抗素子の全体構成を示す断面図である。
【図２】図１の単層型の非線形抵抗素子の製造工程を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第２の実施形態で、積層型の非線形抵抗素子の全体構成を示す断面図である。
【図４】図３の積層型の非線形抵抗素子の製造工程を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第３の実施形態で、非線形抵抗素子の全体構成を示す断面図である。
【図６】本発明の第４の実施形態で、非線形抵抗素子の接合部を示す断面図である。
【図７】図６の非線形抵抗素子を螺旋状に巻き込んだ状態を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明に係る非線形抵抗素子の第１の実施形態について、図１および図２を参照しながら、以下に詳述する。
【００２３】
第１の実施形態における単層型の非線形抵抗素子１０は、図１に示すように、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とするセラミック焼結体からなり、一定厚みを有する複数のバリスタ小片１１を同一平面上に並置した状態で絶縁性の接合部１２で個々に接着してシート状に成形したバリスタ層１３と、導電性材料からなり、バリスタ層１３の主面上に被着された電極層１４とで構成されている。なお、バリスタ層１３の側面は、全周にわたり被覆樹脂材１６により保護されている。
【００２４】
この酸化亜鉛を主成分とする非線形抵抗素子１０は、バリスタ小片１１が整列方向と直交する方向（バリスタ層１３の表面及び裏面のそれぞれの垂線方向）に積み重なることなく、平行平面を有する一定厚みのバリスタ小片１１が同一平面上で縦横方向に整列し、バリスタ小片１１間のみに接合部１２が介在し、そのバリスタ小片１１の表面及び裏面上に接合部１２が存在せず、電極層１４に対して直接的接合された構造を具備する。
【００２５】
この非線形抵抗素子１０は、図２に示すように、酸化亜鉛を主成分とするシート材を所定の大きさに分断し、その分断片を焼成して一定厚みを有するバリスタ小片１１を形成する工程（STEP 11）と、そのバリスタ小片１１と絶縁性樹脂とを混練して押出し成形することにより、複数のバリスタ小片１１を同一平面上に並置した状態で絶縁性樹脂からなる接合部１２を介して接着し、シート状のバリスタ層１３を形成する工程（STEP 12）と、そのバリスタ層１３の主面上それぞれに導電性材料からなる電極層１４を被着形成する工程（STEP 13）とからなる各工程を経て製作することが可能である。
【００２６】
次に、本発明に係る非線形抵抗素子の第２の実施形態について、図３および図４を参照しながら、以下に詳述する。
【００２７】
第２の実施形態における積層型の非線形抵抗素子２０は、図３に示すように、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とするセラミック焼結体からなり、一定厚みを有する複数のバリスタ小片２１を同一平面上に並置した状態で絶縁性の接合部２２で個々に接着してシート状に成形したバリスタ層２３と、導電性材料からなる電極層２５とを交互に積層し、その積層体２７の上下に位置するバリスタ層２３の主面上それぞれに電極層２４を被着された構造を具備する。なお、積層体２７の側面は、全周にわたり被覆樹脂材２６により保護されている。
【００２８】
この酸化亜鉛を主成分とする非線形抵抗素子２０の各バリスタ層２３は、バリスタ小片２１が整列方向と直交する方向に積み重なることなく、平行平面を有する一定厚みのバリスタ小片２１が同一平面上で縦横方向に整列し、バリスタ小片２１間のみに接合部２２が介在し、そのバリスタ小片２１の表面及び裏面上に接合部２２が存在せず、電極層２４，２５に対して直接的接合された構造を具備する。
【００２９】
また、積層体２７中の電極層２５は、各バリスタ層２３間の単なる電気的接続を果たす機能を有するものであり、素子内部に発生した熱を放散させる役割を果たし、素子内部の局所的発熱を抑制することができる点で、この非線形抵抗素子２０は、従来の素子よりもエネルギー耐量および課電寿命に優れた性能を発揮する。
【００３０】
この非線形抵抗素子２０は、図４に示すように、酸化亜鉛を主成分とするシート材を所定の大きさに分断し、その分断片を焼成して一定厚みを有するバリスタ小片２１を形成する工程（STEP 21）と、そのバリスタ小片２１と絶縁性樹脂とを混練して押出し成形することにより、複数のバリスタ小片２１を同一平面上に並置した状態で絶縁性樹脂からなる接合部２２を介して接着し、シート状のバリスタ層２３を形成する工程（STEP 22）と、そのバリスタ層２３と導電性材料からなる電極層２５とを交互に積層して積層体２７を形成する工程（STEP 23）と、その積層体２７の上下に位置するバリスタ層２３の主面上それぞれに電極層２４を被着形成する工程（STEP 24）とからなる各工程を経て製作することが可能である。
【００３１】
前述した単層型の非線形抵抗素子１０および積層型の非線形抵抗素子２０は、具体的に、以下の要領でもって製作される。
【００３２】
まず、主成分であるＺｎＯに、Ｂｉ２Ｏ３：０．５mol％、Ｓｂ２Ｏ３：１．０mol％、Ｃｏ２Ｏ３：０．５mol％、ＭｎＯ２：０．５mol％、Ｃｒ２Ｏ３：０．５mol％、Ａｌ（ＮＯ３）・９Ｈ２Ｏ：０．０１mol％を添加して溶剤および分散剤を加えて混合した後、バインダを加えてスラリーを製作してドクターブレード法で厚み６０μｍのシート材を製作する。このシート材を０．６ｍｍ角に分断した後、その分断片を１１００℃で２時間焼成して厚み５０μｍで０．５ｍｍ角のバリスタ小片１１，２１を形成する。また、必要に応じてバリスタ小片１１，２１を熱処理する。
【００３３】
このようにして得られたバリスタ小片１１，２１と流動性がある状態の絶縁性樹脂とを混練して押出し成形することにより、厚み５０μｍのバリスタ小片１１，２１が整列方向と直交する方向に積み重なることなく、複数のバリスタ小片１１，２１を相互に離間させて同一平面上に並置した状態で、絶縁性樹脂からなる接合部１２，２２を介して接着し、シート状に成形する。このようにドクターブレード法や押出し成形法のテープ成形法によって得られたシート状成形体において、その表面に付着している絶縁性樹脂を、研磨剤として樹脂系ビーズを用いたサンドブラスト法により取り除くことによりバリスタ層１３，２３を製作する。
【００３４】
なお、上記では、ドクターブレード法や押出成形法によりバリスタ層１３，２３が製作されると説明しているが、バリスタ層１３，２３の製作方法はこれに限定されない。例えば、金型内に複数のバリスタ小片１１，２１を相互に離間して同一平面上に並べて、並べられた複数のバリスタ小片１１，２１の隙間に絶縁性樹脂を注入する方法（射出成形又はインサート成形）により、バリスタ層１３，２３を製作してもよい。
【００３５】
単層型の非線形抵抗素子１０の場合、前述のようにして得られたバリスタ層１３の主面上それぞれに銀粒子と熱可塑性樹脂を含む導電ペーストを塗布および乾燥させて電極層１４を形成し、そのバリスタ層１３を、例えば１０ｍｍ角に切断した後、その切断面を含む側面に全周にわたり被覆樹脂材１６を被着させることにより、最終的に、単層型の非線形抵抗素子１０が完成する。一方、積層型の非線形抵抗素子２０の場合、前述のようにして得られたバリスタ層２３の主面に前述の導電ペーストを塗布および乾燥させて電極層２５を形成すると共に、それら複数のバリスタ層２３を積層して加熱圧着により一体化し、その積層体２７の上下に位置するバリスタ層２３の主面上それぞれに電極層２４を形成した上で１０ｍｍ角に切断した後、その切断面に被覆樹脂材２６を被着させることにより、最終的に、積層型の非線形抵抗素子２０が完成する。
【００３６】
なお、非線形抵抗素子１０，２０を製作するに際して、バリスタ層１３あるいは積層体２７の切断面にバリスタ小片１１，２１が露呈しない状態に切断することが可能であれば、その切断面に絶縁性の接合部１２，２２が存在するため、前述した被覆樹脂材１６，２６を被着させる必要はない。
【００３７】
これら単層型の非線形抵抗素子１０および積層型の非線形抵抗素子２０のいずれも、従来の非線形抵抗素子と同等以上の優れた非直線性を示す。また、従来の非線形抵抗素子と同様、漏れ電流が時間と共に減少していく傾向にあり実用上の問題はない。
【００３８】
以上のように、一定厚みを有する複数のバリスタ小片１１，２１を同一平面上に並置した状態で絶縁性樹脂からなる接合部１２，２２を介して接着し、シート状に形成したバリスタ層１３，２３は、酸化亜鉛を主成分とするシート材を所定の大きさに分断し、その分断片を焼成して一定厚みを有するバリスタ小片１１，２１と絶縁性樹脂とを混練して押出し成形することにより製作されたものである。このことから、組成的な均一性を確保することが容易で、大きな気孔がないバリスタ小片１１，２１を得ることができて微細構造的な均一性も確保することが容易となる。
【００３９】
つまり、素子の構成単位であるバリスタ小片１１，２１を、酸化亜鉛を主成分とするシート材から分断された分断片を焼成することにより製作していることから、焼成効率が高く、密度ムラも少なく、焼成時の形状が小さいので内部と表面部とで温度差が小さくすることができて分断片中の残留応力も抑制されて形状精度も向上し、均一加熱が容易で熱処理後の粒界層の結晶構造の均一性を確保できる。このように、バリスタ小片１１，２１の組成的または微細構造的な均一性を確保することができるので、非直線性、エネルギー耐量および課電寿命からなる基本性能を向上させることが容易となる。その結果、設計の自由度の拡大、省エネルギー、省資源化などにも大きく貢献できる非線形抵抗素子１０，２０を提供できる。
【００４０】
尚、上記第１及び２の実施形態では、シート状の成形体を細かく分断した分断片を焼成することにより、バリスタ小片１１，２１を形成すると説明しているが、バリスタ小片１１，２１の基となる成形体小片の形成方法はこれに限定されない。例えば、適切な形状の金型に、成形体小片の基となる造粒粉を充填し成形する方法であってもよい。
【００４１】
この非線形抵抗素子１０，２０では、バリスタ層１３，２３のバリスタ小片１１，２１と絶縁性樹脂との配合比率や、バリスタ小片１１，２１の製作条件を選択することにより、非直線性、エネルギー耐量および課電寿命からなる基本性能に加えて、静電容量値やその周波数特性などの電気特性、放熱特性や機械強度などを制御することもでき、設計の自由度が拡大する。ここで、積層型の非線形抵抗素子２０では、各バリスタ層２３で、バリスタ小片２１の材料組成、バリスタ小片２１と絶縁性樹脂との配合比率、バリスタ小片２１の製作条件が異なるものを組み合わせて積層することでも、前述した設計の自由度が拡大する。
【００４２】
なお、バリスタ小片１１，２１と絶縁性樹脂との配合比率は、素子特性に応じて制御することになるが、例えば小型で高耐量の素子を製作する場合にはバリスタ小片１１，２１の配合比率を上げればよく、素子の柔軟性が必要な場合にはバリスタ小片１１，２１の配合比率を下げればよい。また、バリスタ小片１１，２１の製作条件としては、組成および微細構造の均一なバリスタ小片１１，２１を製作することが基本的に重要であり、成形時の密度ムラの抑制や焼成時の加熱とＢｉ２Ｏ３飛散の均一化を容易にするため、小型で薄い形状の成形体（角形の場合、例えば１０ｍｍ角×２ｍｍ厚み以下、あるいは円形の場合、例えば１０ｍｍ径×２ｍｍ厚み以下）をバリスタと類似組成の顆粒中に埋めたり、成形体を回転させたりして均熱化を図りながら焼成する製法が望ましい。さらに、素子の性能を向上するに当っては、バリスタ小片１１，２１の組成的均一性を高めるために、ＺｎＯに添加物を加えて混合したものを８００℃〜１０００℃で仮焼した後、これを粉砕したものにバインダを加えてスラリーを作成してからシート状に成形することが望ましいことは言うまでもない。
【００４３】
この設計の自由度の拡大としては、従来の素子では実現できなかった性能、つまり、バリスタ電圧が低くエネルギー耐量に優れた特性が実現可能である。バリスタ電圧は粒界の数によって決定されるので、バリスタ電圧を低くするには非線形抵抗素子の厚みを薄くしなければならない。一方、エネルギー耐量を上げるには非線形抵抗素子の体積を大きくしなければならない。従って、バリスタ電圧が低くエネルギー耐量に優れた特性を得るには、大面積で薄い非線形抵抗素子とする必要がある。ここで、従来の非線形抵抗素子では、焼成中に成形体が焼結収縮する際に変形するため、大面積で薄い形状にしようとした場合、収縮時の変形が著しくなり、焼成後に割れたり大きな機械的歪みが発生して焼成過程での歩留まりが極端に低下する問題がある。
【００４４】
これに対して、非線形抵抗素子１０では、バリスタ小片１１を絶縁性の接合部１２で接着したバリスタ層１３を形成した構造であるため、薄層化および大面積化が容易で、大電流に対応した設計が可能であり、形状精度にも優れたものが実現できる。
【００４５】
なお、積層型の非線形抵抗素子２０では、バリスタ電圧が確定したバリスタ層２３を積層したものであるため、その積層数を調整するだけで素子全体のバリスタ電圧を決定することができる。
【００４６】
バリスタ小片１１，２１の材料組成としては、主成分である酸化亜鉛にＢｉ２Ｏ３を添加したＢｉ２Ｏ３系の非線形抵抗素子１０，２０に限らず、Ｐｒ６Ｏ１１系、ＢａＴｉＯ３系、ＳｒＴｉＯ３系、ＴｉＯ２系、ＳｎＯ２系やＦｅ３Ｏ４系の非線形抵抗素子１０，２０であってもよい。また、上記実施形態では、バリスタ小片１２、２１が酸化亜鉛を主成分とする焼結体からなると説明しているが、例えば、チタン酸ストロンチウム、炭化ケイ素、酸化スズなどの非直線性の電気抵抗特性を有するセラミックスであれば良い。
【００４７】
バリスタ小片１１，２１の平面形状としては、正方形に限定されるものではなく、長方形、多角形などその他の角形や楕円形、真円形などの円形であってもよい。但し、ドクターブレード法や押出し成形法などのテープ成形法によってバリスタ小片１１，２１が積み重なることなく同一平面上に整列するのに適した形状である必要がある。なお、円形よりも角形の方が整列配置密度が高くなるので、小型で高耐量の非線形抵抗素子１０，２０を製作する場合に有効である。
【００４８】
また、厚みに対する角形の縦、横のいずれか短い寸法との比（アスペクト比）、真円形の場合、厚みに対する直径の比（アスペクト比）については大きい方がよく、そのアスペクト比としては少なくとも２以上が必要で、望ましくは５以上がよい。バリスタ小片１１，２１を製作するに際しては、薄いシート材を任意のサイズに分断することが可能であることから、前述のような最適なアスペクト比となるようにシート材を分断すればよい。
【００４９】
さらに、バリスタ小片１１，２１の大きさとしては、小さすぎるとバリスタ小片１１，２１の製作が困難となる。逆に大きすぎるとバリスタ小片１１，２１の組成的または微細構造的な不均一性が生じると共に非線形抵抗素子１０，２０中のバリスタ小片１１，２１の数が少なくなって非線形抵抗素子１０，２０全体としての均一性が不十分になるだけでなく、絶縁性樹脂との混練も困難になることから以下のような範囲とするのが望ましい。
【００５０】
単層型の非線形抵抗素子１０あるいは積層型の非線形抵抗素子２０のいずれの場合も、前述したテープ成形法によってバリスタ小片１１，２１が積み重なることなく同一平面上に整列するのに適したバリスタ小片１１，２１の大きさとしては、角形のバリスタ小片１１，２１の場合、最短辺寸法が５０μｍ以上で最長辺寸法が１ｍｍ以下、望ましくは最短辺寸法が１００μｍ以上で最長辺寸法が５００μｍ以下であればよく、円形のバリスタ小片１１，２１の場合、直径が５０μｍ〜１ｍｍ、望ましくは１００〜５００μｍであればよい。
【００５１】
なお、前述のアスペクト比を考慮すると、バリスタ小片１１，２１の厚みは２５〜５００μｍ、望ましくは５０〜２００μｍ程度となる。このバリスタ小片１１，２１の大きさが小さくなるにつれて、基本性能が向上し特性ばらつきも小さくなって製造安定性が高くなることから、前述の範囲内で最適値を選定する。
【００５２】
前述のテープ成形法以外の方法で、バリスタ小片１１，２１が積み重なることなく複数のバリスタ小片１１，２１を同一平面上に整列させてシート状に成形することも可能である。例えば、バリスタ小片１１，２１を小形電子部品用実装機などを用いて整列してから、絶縁性樹脂を流し込んでシート状に成形する場合には、バリスタ小片１１，２１は、その実装機で扱える大きさであればよく、角形のバリスタ小片１１，２１の場合、最短辺寸法が０．２ｍｍ以上で最長辺寸法が０．４ｍｍ以上であればよく、円形のバリスタ小片１１，２１の場合、直径が０．４ｍｍ以上であればよい。
【００５３】
この場合、バリスタ小片１１，２１の組成的、微細構造的な均一性を保つために形状の大きさは制約され、角形の場合は最長辺寸法が１０ｍｍ以下、円形の場合は直径が１０ｍｍ以下が好ましい。また、バリスタ小片１１，２１は必ずしも前述のテープ成形法に限る必要はなく、小さい形状の素子であれば、成形時の密度分布や焼成時の温度分布のバラツキを抑制ができるので、金型成形法を用いてもよい。
【００５４】
また、テープ成形法によって得られたシート状成形体において、その表面に付着している絶縁性樹脂を取り除く方法として、サンドブラスト法に限ることはなく、例えば、適当な溶液を用いて絶縁性樹脂を溶解して取り去る方法も有効である。さらに、バリスタ小片１１，２１を小形電子部品用実装機などを用いて位置決めして整列させる場合には、絶縁性接着剤としてレジストを用いて、フォトエッチング法によりバリスタ小片１１，２１上のレジストを除去する方法も可能である。
【００５５】
前述のバリスタ小片１１，２１を接着する絶縁性樹脂としては、難燃性、耐熱性や熱伝導性に優れた樹脂材料を用いることにより、熱的性質の向上や電気性能の改善を図ることができる。この樹脂材料そのものの選択だけに限らず、難燃性、耐熱性や熱伝導性を改善するための各種添加物を添加することも有効である。例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素などの酸化物、非酸化物の添加や、熱伝導性粒子（金属あるいは非金属化合物を問わない）の表面を絶縁加工した粒子、場合によっては導電性粒子を絶縁性が低下しない範囲で微量添加するようにしてもよい。また、素子製作過程において、シート状成形体の表面に付着している絶縁性樹脂をサンドブラスト法により取り除く際も、その絶縁性樹脂の樹脂材料や各種添加物の選択によってサンドブラスト法による処理の効率を上げることができる。
【００５６】
また、電極層１４，２４，２５については、導電粒子としての銀を含む常温硬化型導電性接着剤やそれ以外に熱硬化型の導電性接着剤を使用することが可能である。さらに、導電粒子としては銀以外にも、銅や金あるいはカーボン等を用いることが可能である。この電極層１４，２４，２５を形成する方法としては、メッキ等の化学的電極形成法や、蒸着、スパッタ等の物理的電極形成法、あるいはナノサイズの銀粒子を塗布して焼き付ける方法がある。なお、非線形抵抗素子１０，２０の焼損事故を防止する観点から、電極層１４，２４を構成する接着剤として、昇温と共に急激に抵抗が増加することによりヒューズ機能を有する樹脂を用いることが可能である。このように電極層１４，２４にヒューズ機能を持たせる以外に、正特性サーミスタ（ＰＴＣサーミスタ）の焼結体小片からなる層を、非線形抵抗素子１０，２０の一方あるいは両方の面に電極層１４，２４を介して接着するようにしてもよい。
【００５７】
ここで、積層型の非線形抵抗素子２０では、積層体２７中に電極層２５が介在する構造を具備するが、この電極層２５が、素子内部に発生した熱を放散する作用を呈し、素子内部の局部発熱を抑制することができる点で、耐熱性を向上させるための添加物を含む導電性樹脂で電極層２５を形成することも可能である。この電極層２５の厚みを素子全体の放熱性が向上するように設計したり、電極層２５の厚みを各層ごとに変えて局部発熱を抑制するように最適化したりすることが容易である。
【００５８】
なお、非線形抵抗素子１０，２０内に含まれる樹脂、例えば、絶縁性樹脂として、加熱によって変色する性質を有する樹脂を採用することにより、サージ電圧印加の有無や素子劣化の程度を目視で確認することができ、素子交換の時期を判定する上でその実用的価値は大きい。この場合、素子両面の電極層１４，２４が蒸着やスパッタ等に物理的電極形成法によって形成されたＩＴＯ（酸化インジウムスズ）等の透明電極であれば、その目視確認がより一層容易となる。
【００５９】
次に、本発明に係る非線形抵抗素子の第３及び４の実施形態について、図５から図７を参照しながら、以下に詳述する。
【００６０】
なお、図１に示した構成と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。第３及び４の実施形態における非線形抵抗素子１０は、上記第１の実施の形態におけるバリスタ小片１１を接着する接合部１２の構成のみが相違する。
【００６１】
第３の実施形態における接合部１２は、難燃性、耐熱性や熱伝導性に加えて、弾性的に撓み得る可撓性に優れた絶縁性樹脂から構成されている。例えば、ウレタン系エラストマーやオレフィン系エラストマーなどの合成樹脂から成るものであることが望ましい。
【００６２】
これにより、図５に矢印で示すように、バリスタ層１３に外力が加わっても、接合部１２の弾性力によってバリスタ層１３を撓ませることができるため、バリスタ層１３全体でその外力を受け止めることができる。その結果、バリスタ層１３の外力に対する耐性が向上する。
【００６３】
また、第４の実施形態における接合部１２は、第３の実施形態と同様に可撓性に優れた絶縁性樹脂から成り、さらに、図６に示すように、バリスタ小片１１との接合界面より内側に凹部１２１が形成されている。この凹部１２１は、サンドブラスト法などにより接合部１２を削って形成する。また、バリスタ層１３，２３が射出成形やインサート成形方法により形成される場合は、接合部１２に凹部１２１が形成されるように構成された金型を用いてもよい。
【００６４】
凹部１２１は、バリスタ小片１１と接合部１２との接合界面よりも厚みが薄い。このため、接続部１２の弾性力が、第３の実施形態の接合部１２によりも増大し、バリスタ層１３全体を湾曲させることができる。
【００６５】
これにより、従来のような一体的に焼成されたセラミックス焼結体では、実装が不可能だった狭いスペースにも、そのスペースに合うようにバリスタ層１３の形態を変化させて実装することが可能となる。例えば、図７に示すように、バリスタ層１３と絶縁シート３とを重ねて螺旋状に巻き上げて、コンデンサのように形成する方法などが考えられる。その結果、バリスタ層１３の実装時の取扱いが容易になり利便性が向上する。
【００６６】
なお、凹部１２１の形状は、接合部１２の弾性力を増大させる形状であればよい。例えば、図６（ａ）に示すように、角形状であってもよく、図６（ｂ）に示すように、Ｒ形状であってもよい。また、図６（ｃ）に示すように、接合部１２の表裏両面に凹部１２１を形成してもよい。
【００６７】
また、上記第３及び４の実施形態では、単層型の非線形抵抗素子について説明しているが、積層型の非線形抵抗素子であっても、本発明の効果を得ることができる。
【００６８】
本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。
【符号の説明】
【００６９】
１０，２０  非線形抵抗素子
１１，２１  バリスタ小片
１２，２２  接合部
１３，２３  バリスタ層
１４，２４，２５  電極層
【図１】
2012046765.tif 000003
【図２】
2012046765.tif 000004
【図３】
2012046765.tif 000005
【図４】
2012046765.tif 000006
【図５】
2012046765.tif 000007
【図６】
2012046765.tif 000008
【図７】
2012046765.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成25年10月28日(2013.10.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート状に形成されたバリスタ層と、前記バリスタ層の相互に平行な表面及び裏面のそれぞれに対して接合された導電性の電極層とで構成された非線形抵抗素子であって、
前記バリスタ層は、表面及び裏面のそれぞれが前記バリスタ層の表面及び裏面のそれぞれに一致するように並べられ、かつ、前記バリスタ層が可撓性を有する程度に相互に離間して並べられたセラミックス焼結体からなる複数のバリスタ小片と、隣接する前記バリスタ小片同士を接合する絶縁性の接合部とから形成されていることを特徴とする非線形抵抗素子。
【請求項２】
シート状に形成されたバリスタ層と、前記バリスタ層の相互に平行な表面及び裏面のそれぞれに対して接合された導電性の電極層とで構成された非線形抵抗素子であって、
前記バリスタ層は、表面及び裏面のそれぞれが前記バリスタ層の表面及び裏面のそれぞれに一致するように、相互に離間して並べられたセラミックス焼結体からなる複数のバリスタ小片と、隣接する前記バリスタ小片同士を接合する絶縁性の接合部とから形成され、
前記接合部は、前記バリスタ小片との接合界面における厚みよりも、厚みの小さい部分を有することを特徴とする非線形抵抗素子。
【請求項３】
前記バリスタ層と前記電極層とが、前記バリスタ層の表面及び裏面のそれぞれの垂線方向に、交互に複数積層されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の非線形抵抗素子。
【請求項４】
前記接合部は、弾性を有する合成樹脂からなることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の非線形抵抗素子。
【請求項５】
前記電極層には、他との電気的接続するための金属金具が取り付けられていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の非線形抵抗素子。
【請求項６】
前記バリスタ層及び前記電極層の両端面を被覆樹脂材で被覆することを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の非線形抵抗素子。
【請求項７】
請求項１又は２に記載の非線形抵抗素子を製造する方法であって、
複数のセラミックスの基になる成形体小片を焼成して、それぞれが同じ厚みを有する複数の前記バリスタ小片を形成する工程と、
複数の前記バリスタ小片と絶縁性樹脂とを混練して押出し成形することにより、前記バリスタ小片の表面及び裏面のそれぞれが前記バリスタ層の表面及び裏面のそれぞれに一致するように、複数の前記バリスタ小片が相互に離間して並べられ、かつ、隣接する前記バリスタ小片同士が前記絶縁性樹脂を介して接着されるシート状の前記バリスタ層を形成する工程と、
前記バリスタ層の表面及び裏面のそれぞれに対して接合される導電性の前記電極層を形成する工程とを含むことを特徴とする非線形抵抗素子の製造方法。
【請求項８】
請求項３に記載の非線形抵抗素子を製造する方法であって、
複数のセラミックスの基になる成形体小片を焼成して、それぞれが同じ厚みを有する複数の前記バリスタ小片を形成する工程と、
複数の前記バリスタ小片と絶縁性樹脂とを混練して押出し成形することにより、前記バリスタ小片の表面及び裏面のそれぞれが前記バリスタ層の表面及び裏面のそれぞれに一致するように、複数の前記バリスタ小片が相互に離間して並べられ、かつ、隣接する前記バリスタ小片同士が前記絶縁性樹脂を介して接着されるシート状の前記バリスタ層を形成する工程と、
前記バリスタ層と導電性の前記電極層とを、前記バリスタ層の表面及び裏面のそれぞれの垂線方向に、交互に複数積層して積層体を形成する工程と、
前記積層体の表面及び裏面のそれぞれに対して接合される前記電極層を形成する工程とを含むことを特徴とする非線形抵抗素子の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明の非線形抵抗素子は、シート状に形成されたバリスタ層と、前記バリスタ層の相互に平行な表面及び裏面のそれぞれに対して接合された導電性の電極層とで構成された非線形抵抗素子であって、前記バリスタ層は、表面及び裏面のそれぞれが前記バリスタ層の表面及び裏面のそれぞれに一致するように並べられ、かつ、前記バリスタ層が可撓性を有する程度に相互に離間して並べられたセラミックス焼結体からなる複数のバリスタ小片と、隣接する前記バリスタ小片同士を接合する絶縁性の接合部とから形成されていることを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明の非線形抵抗素子によれば、一定厚さを有する複数のバリスタ小片が同一平面上に（バリスタ小片の表面及び裏面のそれぞれが前記バリスタ層の表面及び裏面のそれぞれに一致するように）、かつ、相互に離間して並べられた状態で接合されたことにより、バリスタ層は、従来の一体的なセラミックス焼結体からなるバリスタ層よりも可撓性を有している。このため、シート状のバリスタ層に、輸送又は実装時などにより発生する外力が加わっても、バリスタ層全体でその外力を受け止めることができる。即ち、バリスタ層の外力に対する機械強度が向上するため、バリスタ層の薄層化および大面積化が容易に行える。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
また、本発明の非線形抵抗素子は、シート状に形成されたバリスタ層と、前記バリスタ層の相互に平行な表面及び裏面のそれぞれに対して接合された導電性の電極層とで構成された非線形抵抗素子であって、前記バリスタ層は、表面及び裏面のそれぞれが前記バリスタ層の表面及び裏面のそれぞれに一致するように、相互に離間して並べられたセラミックス焼結体からなる複数のバリスタ小片と、隣接する前記バリスタ小片同士を接合する絶縁性の接合部とから形成され、接合部は、バリスタ小片との接合界面における厚みよりも、厚みの小さい部分を有することを特徴とする。これによれば、バリスタ層の接続部が一定厚みである場合より、バリスタ層の柔軟性が増大する。
また、本発明において、前記バリスタ層と前記電極層とが、前記バリスタ層の表面及び裏面のそれぞれの垂線方向に、交互に複数積層されていることが好ましい。これによれば、その積層数が変更されるだけで、素子全体のバリスタ電圧が容易に調整できる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】削除
【補正の内容】
【国際調査報告】
2012046765.tif 000010
2012046765.tif 000011
2012046765.tif 000012
2012046765.tif 000013