(57)【要約】  セラミック製ベース（１）を有しており、該セラミック製ベース（１）の表面には、少なくとも部分的に絶縁層（２）が設けられており、該絶縁層（２）は、基本となるガラスと充填剤とから複合されており、該充填剤は、乃至3Al2O3乃至2SiO2を含んでいる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バリスタにおいて、セラミック製ベース（１）を有しており、該セラミック製ベース（１）の表面には、少なくとも部分的に絶縁層（２）が設けられており、該絶縁層（２）は、基本となるガラスと充填剤とから複合されており、該充填剤は、乃至3Al2O3乃至2SiO2を含んでいることを特徴とするバリスタ。
【請求項２】
層（２）は、５〜４０％の充填剤の重量配分を有している請求項１記載のバリスタ。
【請求項３】
基本となるガラスは、３０〜５０％のＺｎＯの重量配分を有している請求項２記載のバリスタ。
【請求項４】
基本となるガラスは、３０〜40％のB2O3の重量配分を有している請求項１から３迄の何れか１記載のバリスタ。
【請求項５】
基本となるガラスは、１0％以下のCuOの重量配分を有している請求項１から４迄の何れか１記載のバリスタ。
【請求項６】
基本となるガラスは、１0％以下のP2O５の重量配分を有している請求項１から５迄の何れか１記載のバリスタ。
【請求項７】
セラミック製ベース（１）には、金属化部（３）が設けられている請求項１から６迄の何れか１記載のバリスタ。
【請求項８】
バリスタは、多層バリスタである請求項１から７までのいずれか１記載のバリスタ。
【請求項９】
絶縁層（２）は、材料を強化する繊維（４）である請求項１から８迄の何れか１記載のバリスタ。
【請求項１０】
繊維（４）は、有機質及び／又は無機質である請求項９記載のバリスタ。
【請求項１１】
絶縁層（２）は、無機質の結合物質（４）を含む請求項９又は１０記載のバリスタ。
【請求項１２】
絶縁層（２）は、無機質の結合物質（４）を含む請求項９又は１０記載のバリスタ。
【請求項１３】
層（２）は、温度上昇により硬化することができる請求項１から１２迄の何れか１記載のバリスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バリスタに関する。
【０００２】
亜鉛酸化物（ＺｎＯ）電力バリスタは、亜鉛酸化物のベース上に抵抗要素としてセラミック焼結体を有する非直線の電圧依存抵抗である。バリスタでは、上昇電圧の応答電圧の上側では電気抵抗が低減する。この電気特性により、バリスタは、電気装置及び機器を過電圧及び電圧ピーク値から保護するために使用される。その際、バリスタは、保護される電気装置に対して並列に接続され、その電流−電圧特性曲線によって、電気装置に生じる最大電圧を制限する。バリスタの電気コンタクト接続のために、バリスタの円筒状主要部の両端面上に電極が設けられている。
【０００３】
過電圧及び電圧ピーク値の時間軸は、大雑把に、落雷−過電圧（時間領域：μｓ）、切り換え過電圧（時間領域：ｍｓ）及び一時的な過電圧（時間領域：ｓ）に分割することができる。殊に、μｓ領域内の過電圧は、非常に高い電圧ピーク値に達することがある。このような、非常に高速の高い電圧ピーク値は、バリスタの亜鉛酸化物セラミックのみならず、適切な対抗手段なしには、バリスタの外側乃至表面に電気閃絡を生じる。
【０００４】
米国特許第５２９４９０９号明細書から、セラミックベースの被覆面に高抵抗の層が設けられた亜鉛酸化物バリスタが公知である。セラミックベースの湿潤化用の結晶化ガラス成分は、主成分として鉛酸化物（ＰｂＯ）を有しており、層の結晶性及び絶縁特性を高めるために、各成分ZnO, B2O3, SiO2, MoO3, WO3, TiO2 及び NiOが添加されている。絶縁層に比較的多量のＰｂＯを付加することによって、絶縁層の熱膨張係数を高めることができ、その際、比較的多量のＰｂＯにより、層のガラス成分を結晶にすることができる。それに対して、殊に、B2O3の層の重量成分が１５％以上である場合に、比較的多量のB2O3を付加することによって、層の結晶を低減することができるようになる。更に、SiO2量を高めることにより、結晶が低減し、その際、それと同時に、熱膨張係数が大きくなる。
【０００５】
バリスタからなる避雷針は、長時間に亘って（寿命≧ 30年）湿気及び有害化学物質にさらされるような環境の影響下で使用される。この環境の影響により、バリスタのラセミックが還元してしまい、電流−電圧特性曲線が変わってしまう恐れがある。その際、周囲環境の影響からの保護機能は、被覆部が担う。
【０００６】
本発明の課題は、バリスタの閃絡に対する強度を高めるための手段を提供することにある。別の課題は、バリスタのセラミックを環境の影響から保護することができる手段を提供することにある。
【０００７】
本発明によると、セラミック製ベースを有しており、該セラミック製ベースの表面には、少なくとも部分的に絶縁層が設けられており、該絶縁層は、基本となるガラスと充填剤とから複合されており、該充填剤は、乃至3Al2O3乃至2SiO2を含んでおり、前記絶縁層は、付加的に、材料を強化する繊維を有しているバリスタが提供される。
【０００８】
前述の成分により、バリスタの良好な閃絡強度にも影響する電気絶縁性が高くなる。
【０００９】
絶縁層は、鉛を含む必要がないので、更に当該絶縁層が環境に負担を掛けない点に関して何等心配ない。有利には、この層には、鉛がない。
【００１０】
有利には、層は、５〜４０％の充填剤成分を有している。この充填剤成分によって、層に亀裂が生じるのを回避するために、絶縁層の熱膨張係数を低減することができる。殊に、この領域内の充填剤成分によって、層の熱膨張係数をバリスタのセラミックベースの熱膨張係数よりも小さくすることができる。
【００１１】
亜鉛酸化物が、基本となるガラスの３０〜５０％の重量成分からなると有利である。
【００１２】
更に、セラミックベースを有するバリスタが提供され、その際、少なくともセラミックベースの部分領域上に、材料を強化する繊維を含む層が堆積されている。
【００１３】
材料を強化する繊維を用いると、層は高い強度となり、その結果、層に高い機械的又は熱的な負荷が掛かっても層が破けたり、又は、裂けたりするしない。
【００１４】
有利には、層は、セラミックベースを少なくとも部分的にハーメチックに外側に向かって密閉し、その結果、電気構成素子乃至セラミックベースの燃焼に必要な酸素が、バリスタ乃至セラミックベースの高熱の点火源に入り込むことはできない。このようにして酸素が不足しているので、バリスタは、著しい過電圧の場合でも、点火することはない。
【００１５】
極めて強度が高い層の別の利点は、セラミックベースの有害物質が外側に出るのが回避される点にある。従って、ユーザが中毒する可能性が低下する。
【００１６】
更に、この層を用いると、電気構成素子を周囲環境に対して絶縁することができるようになり、その結果、バリスタと接触した際にユーザが火傷しにくくなり、従って、危険の可能性が低下する。
【００１７】
有利には、層は、耐火性又は少なくとも燃焼を抑止する材料を有している。例えば、極端な圧力又は温度条件下での高い層強度にも拘わらず、電気構成素子又はセラミックベースが点火した場合、層の燃焼抑制材料は、燃焼が拡がるのを遅くすることができる。
【００１８】
そのような耐火層を用いると同様に、外部から燃焼してこないように保護することができる。電気構成素子全体が燃焼する危険性、又は、複数の電気構成素子からなる装置に燃焼が拡がるのが、この手段により有利に低減することができる。
【００１９】
実施例によると、材料を強化するムライト混合物の繊維を含む外側層が添加されている。従って、高い閃絡及び材料強度の絶縁層が形成される。ムライト混合物が付加的に燃焼抑制材料に添加されると、更に、バリスタ乃至絶縁層の耐火強度を高くすることができる。
【００２０】
以下、本発明について、図示の実施例を用いて詳細に説明する。その際：
図１は、端面に金属化部が設けられていて、外套面に絶縁層が設けられているバリスタの斜視図、
図２は、種々異なる電流負荷での、3Al2O3乃至2SiO2を有する絶縁層を設けたバリスタと設けないバリスタの故障の割合を示すための図、
図３は、繊維を有する外側層を備えたバリスタを示す図、
図４は、端面にコンタクト部を有する、図３のバリスタを示す図、
図５は、複数の内部電極と繊維を有する外側層の電気構成素子を示す図である。
【００２１】
直接落雷のような負荷の場合は、ＩＥＣ標準でのμs-テストとして標準化されて定められている。４／１０μs-テストは、４μsのピーク電流以下の上昇時間を有しており、その際、減衰時間は、ピーク値１０μｓの５０％の値である。その際、１０ｋＡ及び２０ｋＡクラスの避雷針の場合、各々１００ｋＡのピーク電流の２つのパルスでの負荷について規定されているが、但し、その際、避雷針乃至バリスタに閃絡は生じない。４／１０テストに相応する負荷は、更にこの刊行物ではパルス負荷と呼ばれている。
【００２２】
図１は、セラミック製ベース１を備えたバリスタを示し、セラミック製ベース１の表面には、絶縁層２が設けられており、セラミック製ベース１の両端面には、金属化部乃至電極３が設けられている。殊に、ベース１の外套面には、絶縁層が設けられている。絶縁層には、基本となるガラスと充填剤とから形成された合成釉薬が提案される。基本となるガラスは、３０〜５０％のZnOを含み、３０〜４０％のB2O3を含み、０〜１０％のCuOを含み、及び、１０％のCP2O5を含む。混合物の充填剤として、ムライト（3Al2O3  2Si02）が、５〜４０％の範囲内で使用される。充填剤は、ガラス層乃至釉薬の粉末形式で（粒度０〜２００μｍ）混合されている。
【００２３】
ガラスの燃焼中、基本となるガラス乃至フリットガラスは溶融し、流し込み、バリスタのガラス状の被覆部を形成する。含有充填剤では、カラスの燃焼に使われる温度が、この充填剤の溶融温度のかなり下側であり、そのために、この充填剤は、溶融せず、変化しないまま基本となるガラスの内部に埋め込むことができる。
【００２４】
５〜４０％の充填剤含有率にすると、合成釉薬乃至絶縁層にとって有利である。
【００２５】
絶縁層は、例えば、以下の各ステップでコーティングすることができる：
１）  基本となるガラスであるフリットガラスに、充填剤ムライト、水及び結合剤を混合する。
【００２６】
２）  吹き付け技術又はペースト印刷技術を用いて、ペーストを堆積する。
【００２７】
３）  ６００〜６８０℃で、ガラスペーストを燃焼し、その際、これと同時に、バリスタセラミック用の焼戻しステップが達成され、セラミックの長時間安定性が改善される。
【００２８】
バリスタの電流−電圧特性曲線に影響を及ぼさないか、又は、僅かしか影響を及ぼさないようにするために、ZnOセラミックの被覆の製造ステップ時に温度を高くしないようにする必要がある。従って、溶融点が低いガラスだけしか使えない。しかし、低溶融点及び電力バリスタ用の良好な絶縁性能のガラスは、従来では、鉛含有ガラス又はビスマスをベースにしたガラスによってしか形成されて来ず、その際、鉛含有ガラスは、環境条件を充足できず、ビスマスをベースにしたガラスは、高いビスマス原料コストのために高価である。それに対して、有機エナメルは、被覆のコスト上有利な手段であるが、電力バリスタの所望の長時間安定性に関して、弱点がある。
【００２９】
被覆部乃至絶縁層のパルス強度にとって重要な点は、温度衝撃に対する安定性である。パルス負荷時に、電力バリスタの温度は、マイクロ秒内で１５０℃迄にも上昇することがある。被覆部の熱膨張係数が、セラミックの熱膨張係数よりも大きい場合、この負荷によって、被覆部内に亀裂が生じるのが一層強まり、従って、パルス強度が劣化してしまう。低溶融ガラスは、連続して、亜鉛酸化物セラミックに対して過度に高い熱膨張係数を有しており、その結果、パルス強度は、不十分なままである。
【００３０】
それに対して、非常に低い熱膨張係数の充填剤を基本となるガラスに混合すると、絶縁層の熱膨張係数を比較的小さくすることができる。充填剤ムライトを付加することによって、釉薬の熱膨張係数を小さくすることができる。合成釉薬の膨張係数を最適化することによって、この釉薬を、バリスタの亜鉛酸化物セラミックの膨張係数の値にほぼ適合することができる。
【００３１】
以下の表は、種々の温度でのバリスタセラミックと合成釉薬の熱膨張係数を示す。
【００３２】
【表１】
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各値Ｔ、α１、α２は、各々バリスタセラミックの膨張係数、絶縁層の膨張係数、乃至、合成釉薬の膨張係数を示す。
【００３３】
バリスタは、集積化内部電極を有する多層バリスタとして構成することができ、その際、この場合、コンタクト部は、有利には、ベースの側面に設けられている。各コンタクト部は、その際、内部電極セットの内部電極の端にコンタクト接続されている（図５も参照）。
【００３４】
図２は、上昇する電流パルス負荷での、ムライトを備えた絶縁層を設けたバリスタと設けないバリスタの故障の割合を示すための図である。垂直方向の軸は、バリスタの蓄積された故障率をパーセントで示し、それに対して、水平方向の軸は、バリスタに給電されるパルス電流をアンペアで示す。ハッチングを付けられたバーは、ムライトを有する絶縁層が設けられているバリスタの特性を示す。その際、そのようなバリスタの故障率は、相互に短い時間間隔で、バリスタにパルスが用いられる場合、１１０ｋＡ（キロアンペア）の比較的高い値で初めて上昇し始める。それに対して、バリスタの故障率は、ムライトを有している絶縁層がないと、９０ｋＡで上昇する。ハッチングしたバーによって示されたバリスタの絶縁層のムライトの重量配分は、２０％である。高さ４４ｍｍで、直径４３．５ｍｍの電力バリスタが使用された。
【００３５】
従って、ムライトを有する剛性釉薬は、設計により最適化された熱膨張係数を有している。釉薬は、非常に良好な機械的強度も有しており、この機械的な強度は、パルス強度にも同様に積極的に作用を及ぼす。つまり、ムライトの２０％の重量配分での曲げ強度は、７８ＭＰａである。
【００３６】
ここで用いられている合成釉薬は、有利には、ガラス状に溶融するので、周囲環境の影響からセラミックを保護する。合成釉薬は、特に無鉛に合成することができるので、無毒であり、周囲環境とも相容れて心配ない。同様に、合成釉薬は、ビスマスを含む必要がなく、その結果、現在使用できる代替物よりも著しくコスト上有利である。使用されている充填剤ムライトは、４０＊１０−７（Ｋ−１）の範囲内の低い熱膨張係数と、高い溶融点＞１８００℃を有している。高い溶融点によって、釉薬を燃焼している間、充填剤は、化学的及び／又は物理的に全く変化されないか、又は、少なくともほんの僅かしか変化しない。
【００３７】
図３は、表面に少なくとも部分的に、繊維結合材料４を含む絶縁層２が設けられたバリスタを示す。繊維結合材料は、有利には、前述のムライト混合物が混入されている。この層は、セラミックベースの内部領域を有利には外部に対してハーメチックに密閉する。
【００３８】
繊維結合材料を用いると、バリスタの絶縁被覆部２の強度を著しく高めることができる。それにより、亀裂又は孔があいたりせずに、例えば、セラミックベースが熱によって誘起されて膨張するといったような、高い負荷に対して耐久性があるようにすることができる。例えば、高い作動電圧が印加されることによって、セラミック部が熱によって誘起されて膨張することがある。つまり、高い作動電圧の印加により、バリスタセラミックの溶融に対して局所的に、セラミック材料及び種々の反応生成物が爆発したように流出して、バリスタの被覆部が点火してしまうことがある。続いて、バリスタの被覆部が点火することにより、バリスタが使用される装置全体乃至装置部分に引火してしまうことがある。繊維を含む層を用いて、セラミックベースから放出される、場合によっては有害物質が外部に漏れ出るのを回避することができ、又は、引火に必要な酸素がセラミックベースの内部領域内に達するのを回避することができる。
【００３９】
バリスタ被覆部２の強度を高めるのは、種々異なる長さの繊維状の有機性並びに無機質性の強化材料を添加することによって、並びに、有機質並びに無機質の基質要素乃至結合物質を添加することによって達成される。
【００４０】
有機質の繊維４として、アラミド繊維が有利である。無機質の繊維としては、有利には、ガラス繊維、炭素繊維又は鉱物線維が使われる。これらは、燃焼を抑制するように作用するという利点を有している。
【００４１】
適切な無機質の基質要素乃至結合物質は、シリコン樹脂、フェノール樹脂又はエポキシ樹脂である。無機質の基質要素は、有利には、ハイドロリックに固まる（hydraulisch abbindende)セラミック又はセメントが使われる。
【００４２】
有利には、ガラス繊維片(Glasfaserschnitze)４は、０．２ｍｍの長さで、シリコン樹脂−ラッカーレセプタ(Silikonharz-Lackrezeptur)又はフェノール−−ラッカーレセプタ(Phenolharz-Lackrezeptur)と混合されており、その結果、浸漬性(tauchfaehige)又は散水性(spritzfaehige)の混合が形成され、それらは、セラミックベース上に堆積することができる。被覆部２の堆積は、所要の被覆厚が達成される迄、多層に行うことができる。その際、３回〜７回、殊に、５回の浸漬過程は、１〜９ｍｍの被覆厚を達成するためには有利である。その理由は、この厚みにより、特に良好な強度が得られ、その際、比較的短い製造時間しか必要としないからである。
【００４３】
例えば、バリスタをオーブンを通過させることによって、温度上昇を特徴とする硬化方法後、添加物を添加した被覆部２が、所望の高さの強度で堆積される。
【００４４】
図４には、端面側にコンタクト部３が設けられたバリスタ１が示されている。コンタクト部の燃焼の前に被覆部２を堆積すると有利であり、その結果、コンタクト部の燃焼中極端に高い温度によって、バリスタの端面上に堆積された層が軟化し、続いて押し出され、乃至、排出される。従って、コンタクト部３は、各々外側を向いた空き面を有しており、この空き面を別のコンタクト部とコンタクト接続することができる。しかし、コンタクト部３は、セラミックベース１の端面上に堆積し、続いて、バリスタを被覆用ペースト乃至液体内に浸すこともでき、その際、続いて、例えば、硬化方法後、被覆部が、エッチング方法を用いて、殊にコンタクト部上の被覆したくない箇所から析出される。
【００４５】
図５は、セラミック部１を備えた多層バリスタが示されており、このバリスタの内部に内部電極５が設けられており、この内部電極は、各々一端がセラミックベースの上面乃至側面上に堆積されたコンタクト部乃至金属化部３と接続されている。多層バリスタは、前述の実施例によると、ムライトを含む外側層２を有しており、その外側層を、材料を強化する繊維を用いて強化することができる。従って、偶然又は意図的な過電圧の場合でも極めて強固、有利には燃焼防止の被覆部２を用いて燃焼しないか、又は、少なくとも燃焼しにくくすることができる多層バリスタが提供される。図４に記載されているように、金属化部３を被覆部材から離すと有利である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】端面に金属化部が設けられていて、外套面に絶縁層が設けられているバリスタの斜視図
【図２】種々異なる電流負荷での、3Al2O3乃至2SiO2を有する絶縁層を設けたバリスタと設けないバリスタの故障の割合を示すための図
【図３】繊維を有する外側層を備えたバリスタを示す図
【図４】端面にコンタクト部を有する、図３のバリスタを示す図
【図５】複数の内部電極と繊維を有する外側層の電気構成素子を示す図
【符号の説明】
【００４７】
１  バリスタのセラミックベース
２  絶縁層
３  金属化部
４  繊維
５  内部電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年3月16日(2007.3.16)
【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】
バリスタにおいて、セラミック製ベース（１）を有しており、該セラミック製ベース（１）の表面には、少なくとも部分的に絶縁層（２）が設けられており、該絶縁層（２）は、基本となるガラスと充填剤とから複合されており、該充填剤は、乃至3Al2O3乃至2SiO2を含んでおり、前記絶縁層は、付加的に、材料を強化する繊維を有していることを特徴とするバリスタ。
【請求項２】
絶縁層（２）は、５〜４０％の充填剤の重量配分を有している請求項１記載のバリスタ。
【請求項３】
基本となるガラスは、３０〜５０％のＺｎＯの重量配分を有している請求項２記載のバリスタ。
【請求項４】
基本となるガラスは、３０〜40％のB2O3の重量配分を有している請求項１から３迄の何れか１記載のバリスタ。
【請求項５】
基本となるガラスは、１0％以下のCuOの重量配分を有している請求項１から４迄の何れか１記載のバリスタ。
【請求項６】
基本となるガラスは、１0％以下のP2O５の重量配分を有している請求項１から５迄の何れか１記載のバリスタ。
【請求項７】
セラミック製ベース（１）には、金属化部（３）が設けられている請求項１から６迄の何れか１記載のバリスタ。
【請求項８】
材料を強化する繊維（４）は、有機質及び／又は無機質である請求項１から７迄の何れか１記載のバリスタ。
【請求項９】
絶縁層（２）は、有機質の結合物質（４）である請求項１から８迄の何れか１記載のバリスタ。
【請求項１０】
絶縁層（２）は、無機質の結合物質（４）である請求項１から９迄の何れか１記載のバリスタ。
【請求項１１】
絶縁層（２）は、温度上昇により硬化することができる請求項１から１０迄の何れか１記載のバリスタ。
【請求項１２】
バリスタは、多層バリスタである請求項１から１１までのいずれか１記載のバリスタ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４５】
図５は、セラミック部１を備えた多層バリスタが示されており、このバリスタの内部に内部電極５が設けられており、この内部電極は、各々一端がセラミックベースの上面乃至側面上に堆積されたコンタクト部乃至金属化部３と接続されている。多層バリスタは、前述の実施例によると、ムライトを含む外側層３を有しており、その外側層を、材料を強化する繊維を用いて強化することができる。従って、偶然又は意図的な過電圧の場合でも極めて強固、有利には燃焼防止の被覆部２を用いて燃焼しないか、又は、少なくとも燃焼しにくくすることができる多層バリスタが提供される。図４に記載されているように、金属化部３を被覆部材から離すと有利である。
【国際調査報告】
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2008513982.tif 000012
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2008513982.tif 000014