(57)【要約】  本発明は、バリスタ材料からなるセラミック体を含む多層バリスタであって、前記セラミック体は、複数の内部電極と、第１の領域（Ａ）及び第２の領域（Ｂ）とを含み、前記バリスタ材料は、前記第１の領域（Ａ）において第１の平均粒度ＤＡを有し、前記第２の領域（Ｂ）において第２の平均粒度ＤＢを有し、かつＤＡがＤＢよりも小さい多層バリスタに関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バリスタ材料からなるセラミック体を含む多層バリスタであって、
前記セラミック体は、複数の内部電極と、第１の領域（Ａ）及び第２の領域（Ｂ）とを有し、
前記バリスタ材料は、前記第１の領域（Ａ）において第１の平均粒度ＤＡを有し、
前記バリスタ材料は、前記第２の領域（Ｂ）において第２の平均粒度ＤＢを有し、かつ
ＤＡがＤＢよりも小さい、多層バリスタ。
【請求項２】
前記第１の領域（Ａ）は、平均粒度ＤＡ＜３μｍであり、前記第２の領域（Ｂ）は、平均粒度ＤＢ＞３μｍである請求項１に記載の多層バリスタ。
【請求項３】
前記第１の領域（Ａ）は、平均粒度ＤＡ＜０．９μｍであり、前記第２の領域（Ｂ）は、平均粒度ＤＢ＞０．９μｍである請求項１に記載の多層バリスタ。
【請求項４】
１つの領域が、少なくとも１つのサブ層、又はセラミック体の１つのサブ層の１つの表面領域を含む請求項１〜３のいずれか一項に記載の多層バリスタ。
【請求項５】
前記第１の領域（Ａ）は、前記バリスタの活性ゾーン（３）に設けられており、前記第２の領域（Ｂ）は、前記バリスタの非活性ゾーン（４）に設けられている請求項１〜４のいずれか一項に記載の多層バリスタ。
【請求項６】
接触状態の異なる第１の内部電極（１）と第２の内部電極（２）の末端を囲む領域に、前記第１の領域を含む活性ゾーン（３’）が形成されており、
他の活性ゾーン（３）及び非活性ゾーン（４）に、前記第２の領域が形成されている請求項１〜５のいずれか一項に記載の多層バリスタ。
【請求項７】
複数のバリスタが、一つのセラミック体において互いに直列接続されている請求項６に記載の多層バリスタ。
【請求項８】
前記多層バリスタの接触状態の異なる第１の内部電極（１）と第２の内部電極（２）の末端が相互に対向しており、かつ、接触状態の異なる第１の内部電極（１）と第２の内部電極（２）の間にある活性ゾーン（３）及び非活性ゾーン（４）に、前記第２の領域（Ｂ）が形成されている請求項１〜７のいずれか一項に記載の多層バリスタ。
【請求項９】
前記セラミック体の非活性ゾーン（４）が前記第１の領域（Ａ）を含み、前記活性ゾーン（３）が前記第２の領域（Ｂ）を含む請求項１〜４のいずれか一項に記載の多層バリスタ。
【請求項１０】
請求項１〜９に記載の多層バリスタを複数まとめて含むモジュールであって、内部電極を含む体積領域（５）は、前記第１の領域（Ａ）を含み、内部電極を含まない体積領域（８）は、前記第２の領域（Ｂ）を含むモジュール。
【請求項１１】
請求項１〜９に記載の多層バリスタを複数まとめて含むモジュールであって、前記セラミック体は、他の部材に接続するための内部接点（１０）及び外部接点（１１）、（１４）を有し、内部電極を含む体積領域（５）及び前記外部接点（１１、１４）に隣接する体積領域（９）は、前記第１の領域（Ａ）を含み、かつ、内部電極を含まず、前記外部接点（１１、１４）に隣接しない体積領域（１３）は、前記第２の領域（Ｂ）を含むモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック体を含む多層バリスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＺｎＯセラミックベースの多層バリスタは、過電圧を防止するために広く使用されている部材である。このような部材の小型化及び性能への要求が高まるにつれて、ますますバリスタの特性を継続的に改善する必要がある。また、この種のデバイスは要求される安定性も高まる一方であり、たとえば多層バリスタの電気絶縁強度、パルス耐性、導通特性及びクランプ特性を改善する必要がある。
【０００３】
電流パルスの発生時に典型的な電気・熱機械的過負荷が印加される場合、たとえば落雷又は静電気放電の場合には、多層バリスタの内部電極に沿った電流密度の分布が不均一となり、内部電極が不均一に昇温してしまう。これによって、多層バリスタのセラミック体に機械的応力が発生し、セラミック体に割れが生じ、さらに多層バリスタが完全に故障する可能性がある。これを回避するために、たとえばバリスタのセラミック体の破壊につながる可能性のある内部電極の局所的な過熱が発生しないように、内部電極に沿った電流密度の分布を最適化する必要がある。
【０００４】
さらに、高い要求に応えるバリスタの性能及び小型化を実現するためには、バリスタの特性、特にバリスタの比電圧を継続的に改善する必要がある。
【０００５】
バリスタの比電圧は、バリスタの接点間におけるＺｎＯ結晶粒の直線状に配列された粒界の数とともに増加するため、体積が所定の状況でバリスタの比電圧を高めるには、ＺｎＯ結晶粒のサイズを小さくし、さらに所定の体積において直線状に配列された粒界の数を増やす方法がある。
【０００６】
ＤＥ  １９９１５６６１  Ｂ４には、平均粒度が０．９μｍ〜３．０μｍの範囲であるセラミック体を含み、優れたバリスタ特性を有する多層バリスタが開示されている。そのセラミック体の結晶粒構造は、電流密度が局所的に高くなりすぎることを効果的に回避できず、そのため、バリスタの安定性が低下してしまう。
【０００７】
また、ＤＥ  １０  ２０１７  １０５  ６７３  Ａ１には、第１の領域及び第２の領域を有する基体を含むバリスタデバイスが開示されている。当該第１の領域は、第１のバリスタ材料を含み、当該第２の領域は、第１のバリスタ材料とは異なる第２のバリスタ材料を含む。第１のバリスタ材料と第２のバリスタ材料の差異は、その粒度のみであってもよい。
【０００８】
また、ＤＥ  １０  ２０１４  １０７  ０４０  Ａ１には、機能体と、当該機能体に電気的に接続される接点とを含むディスク型バリスタが開示されている。この機能体は、第１機能体部分と、第２機能体部分とを有し、第１機能体部分におけるバリスタ材料の粒度は、第２機能体部分におけるバリスタ材料よりも小さい。
【０００９】
ＤＥ  １０  ２００７  ０２０  ７８３  Ａ１には、まとめられた複数の多層バリスタで構成されるモジュールが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】ドイツ特許公報  第１９９１５６６１号
【特許文献２】ドイツ特許出願公開公報  第１０２０１７１０５６７３号
【特許文献３】ドイツ特許出願公開公報  第１０２０１４１０７０４０号
【特許文献４】ドイツ特許出願公開公報  第１０２００７０２０７８３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、本発明は、改善された結晶粒構造を有する多層バリスタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の多層バリスタを解決手段とする。前記多層バリスタの他の実施形態については、その他の請求項を参照されたい。
【００１３】
本発明によれば、複数の領域を有する多層バリスタであって、第１の領域は、第１の平均粒度ＤＡを有し、第２の領域は、第２の平均粒度ＤＢを有し、ＤＡがＤＢよりも小さい多層バリスタを提供する。多層バリスタのセラミック体にこのような異なる領域を構成することにより、セラミック体における異なる電界強度に基づいて、セラミック体の微細構造を最適に調整することができる。これにより、内部電極に沿った電流密度が均一となり、内部電極における不均一な昇温を回避することができる。その結果、セラミック体に発生する機械的応力が低下し、多層バリスタの安定性が向上する。
【００１４】
第１の領域において特に平均粒度を小さくすることにより、平均粒度の異なる第１の領域及び第２の領域を形成する。代替的に、第２の領域において特に平均粒度を大きくしてもよい。
【００１５】
また、本発明に係る多層バリスタは、バリスタ材料からなるセラミック体を含み、前記第１の領域と第２の領域は、特定のバリスタ特性が改善されるように選択されてもよい。これにより、多層バリスタの起動電圧を高め、あるいは所定の起動電圧でセラミック体の活性ゾーンを小さくすることができる。また、活性ゾーンの体積及び本発明に係る多層バリスタの起動電圧が定められている状況で、内部電極の数を増やし、且つそれによって、発生した電流をより良好に導出することができ、本発明に係る多層バリスタの電流安定性を改善することができる。
【００１６】
本明細書では、活性ゾーンとは、異なる極性を有する異なる内部電極の間にある領域を指し、これらの電極の間の電流に対して非常に重要な役割を果たす。逆に、多層バリスタのセラミック体において接触状態の異なる内部電極の間の電流に寄与しない領域を、以下では非活性ゾーンと呼ぶ。
【００１７】
また、本発明に係る多層バリスタは、セラミック体を含み、前記第１の領域と第２の領域は、非活性ゾーンにおける平均粒度が活性ゾーンにおける平均粒度よりも小さくなるように選択されてもよい。これにより、セラミック体の非活性ゾーンの絶縁強度を高めることで、非活性ゾーンを小さくすることができる。これにより、多層バリスタのさらなる小型化が可能となる。
【００１８】
本発明に係る多層バリスタの１つの実施形態において、第２の領域は、平均粒度＞３μｍであってもよく、第１の領域は、平均粒度＜３μｍであってもよい。バリスタの特性は、第１の領域と第２の領域の平均粒度に僅かな差がある場合でも改善できるが、第１の領域と第２の領域の平均粒度の差を大きくすることにより、この効果はより顕著となる。
【００１９】
本発明に係る多層バリスタの別の実施形態において、第２の領域は、平均粒度＞０．９μｍであってもよく、第１の領域は、平均粒度＜０．９μｍであってもよい。このように粒度を小さくすれば、活性ゾーンの体積が定められている状況で、より高い起動電圧を実現できる。また、所定の起動電圧で活性ゾーンの体積を小さくし、本発明に係る多層バリスタのさらなる小型化が可能となる。また、起動電圧及び活性ゾーンの体積が定められている状況で活性ゾーンにおける内部電極の数を増やし、発生した電流をより良好に導出することができる。これにより、本発明に係る多層バリスタの電流安定性が改善される。
【００２０】
別の実施形態において、前記平均粒度の異なる第１の領域と第２の領域は、互いに独立してそれぞれ１つの層、又は本発明に係る多層バリスタの１つのサブ層の１つの表面領域を含んでもよい。少なくとも１つの第２の領域及び１つの第１の領域が存在する。
【００２１】
少なくとも１つの別の実施形態において、本発明に係る多層バリスタは、セラミック体を含み、接触状態の異なる第１の内部電極と第２の内部電極は、当該セラミック体において重なっている。前記接触状態が異なり、重なっている第１の内部電極と第２の内部電極との間にある活性ゾーンは、前記第１の領域を含み、セラミック体の非活性ゾーンは、前記第２の領域を含んでもよい。これにより、活性ゾーンの体積が定められている状況で、本発明に係る多層バリスタの起動電圧を高め、あるいは所定の起動電圧でセラミック体の活性ゾーンの体積を小さくすることができ、本発明に係る多層バリスタの更なる小型化が可能となる。また、活性ゾーンの体積及び起動電圧が定められている状況で、より多くの内部電極を活性ゾーンに配置することができ、発生した電流をより良好に導出し、本発明に係る多層バリスタの電流安定性を強化することがきる。
【００２２】
別の実施形態において、本発明に係る多層バリスタは、セラミック体を含み、当該セラミック体において、第１の内部電極と第２の内部電極の末端領域を囲む活性ゾーンは、前記第１の領域を含み、また、その他の活性ゾーン及び非活性ゾーンは、前記第２の領域を含む。これにより、これらのゾーンにおいて電流密度が局所的に高くなりすぎることを回避し、内部電極の局所的な昇温を低減させ、セラミック体の機械的負荷をさらに低下させることができる。
【００２３】
別の実施形態において、本発明に係る多層バリスタのセラミック体は、直列接続された複数のバリスタを含み、前記接触状態の異なる第１の内部電極と第２の内部電極の末端領域を囲む活性ゾーンは、第１の領域を含んでもよい。また、接触状態の異なる第１の内部電極と第２の内部電極を有する本発明に係る多層バリスタを接続するための接続用内部電極の末端を囲む領域は、第１の領域を含んでもよい。その他の活性ゾーン及び非活性ゾーンは、前記第２の領域を含んでもよい。
【００２４】
少なくとも１つのさらなる実施形態において、本発明に係る多層バリスタは、セラミック体を含み、前記接触状態の異なる第１の内部電極と第２の内部電極は、１つの層面において相互に対向しており、また、前記接触状態の異なる内部電極の間にある活性ゾーンは、前記第１の領域を含み、非活性ゾーンは、前記第２の領域を含んでもよい。これにより、内部電極の先端における電界強度を最適化し、本発明に係る多層バリスタの安定性を改善することができる。また、これによって、多層バリスタの起動電圧を高めることができる。
【００２５】
別の実施形態において、本発明に係る多層バリスタは、セラミック体を含み、前記非活性ゾーンは、前記第１の領域を含み、前記活性ゾーンは、前記第２の領域を含んでもよい。非活性ゾーンにおける平均粒度が小さいため、単位体積あたりの結晶粒の数を増やし、これらのゾーンにおけるバリスタの比電圧を高めることができる。これによって、たとえば本発明に係る多層バリスタの内部電極から外部領域への望ましくない電圧破壊の発生に必要な電圧を高くし、本発明に係る多層バリスタの電気絶縁強度を改善することができる。また、絶縁強度が定められている状況で非活性ゾーンの体積を小さくし、本発明に係る多層バリスタをより小さく構成することができる。
【００２６】
別の実施形態において、本発明に係る複数の多層バリスタがその内部にまとめられ、特定の距離で配置されたセラミック体を含むモジュールを提供する。また、内部電極を含む体積領域（前記モジュールの異なるバリスタの内部電極を含む）は、前記第１の領域を含み、内部電極を含まない体積領域は、前記第２の領域を含んでもよい。平均粒度が小さくなることによってバリスタの比電圧が高くなるので、特定の距離で配置されたバリスタの内部電極の間の絶縁強度を強化することができる。これにより、特定の距離で配置されたバリスタの内部電極の間の電圧破壊を防止することができる。
【００２７】
別の実施形態において、本発明に係る多層バリスタはセラミック体を含み、複数のバリスタが当該セラミック体内にまとめられてモジュールを構成する。また、前記モジュールには、外部回路や、パワー半導体、ヒートシンクなどの他の部材との接点が設けられてもよい。内部電極と前記他の部材との間の絶縁強度を改善するために、内部電極を含む体積領域及び他の部材との接点に隣接する体積領域は、前記第１の領域を含み、また、内部電極を含まない体積領域及び他の部材との接点に隣接しない領域は、前記第２の領域を含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
以下では、実施例およびそれに対応する図面を参照しながら、本発明を詳しく説明する。
【００２９】
【図１】活性ゾーン内の平均粒度が低減された多層バリスタの実施形態の模式的な横断面図である。
【図２】内部電極の末端を囲む領域における活性ゾーン内の平均粒度が低減された多層バリスタの実施形態の模式的な横断面図である。
【図３】直列接続されたバリスタを含み、内部電極の末端を囲む領域における活性ゾーン内の平均粒度が低減された多層バリスタの実施形態の模式的な横断面図である。
【図４】内部電極の接触状態が逆の末端が相互に対向しており、接触状態が逆の内部電極の間にある活性ゾーン内の平均粒度が低減された多層バリスタの実施形態の模式的な横断面図である。
【図５】非活性ゾーン内の平均粒度が低減された多層バリスタの実施形態の模式的な横断面図である。
【図６】内部電極を含む体積領域内の平均粒度が低減された多層バリスタモジュールの１つの実施形態の模式的な横断面図及び平面図である。
【図７】他の部材との接点、内部電極を含む体積領域及び外部接点に隣接する体積領域内の平均粒度が低減された多層バリスタモジュールの１つの実施形態の模式的な横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図中では、同一の要素、類似する要素又は明らかに同じ要素には、同じ参照符号が付けられている。図面及び図中のサイズの比率は、正確な縮尺で描かれていない。図１〜図７におけるハッチングされた領域は、平均粒度が比較的小さい領域であり、ハッチングされていない領域は、平均粒度が比較的大きい領域である。
【００３１】
図１は、多層バリスタの１つの実施形態の模式的な横断面図である。当該多層バリスタはセラミック体を含み、接触状態の異なる第１の内部電極１と第２の内部電極２の間にある活性ゾーン３は、第１の領域Ａを含み、非活性ゾーン４は、第２の領域Ｂを含む。ここで、第１の領域Ａは、平均粒度＜３μｍであり、第２の領域Ｂは、平均粒度＞３μｍである。活性ゾーンにおける平均粒度を小さくすることによって、活性ゾーンの体積が定められている状況で、より高い起動電圧を実現できる。また、所定の起動電圧で活性ゾーンの体積を小さくし、多層バリスタのさらなる小型化が可能となる。また、起動電圧及び活性ゾーンの体積が定められている状況で、活性ゾーンの体積における内部電極の数を増やし、発生した電流をより良好に導出することができる。これによって、多層バリスタの電流安定性が改善される。
【００３２】
図２は、多層バリスタの１つの実施形態の模式的な横断面図である。当該多層バリスタはセラミック体を含み、接触状態の異なる第１の内部電極１と第２の内部電極２の間にある活性ゾーン３’は、第１の領域Ａを含み、また、その他の活性ゾーン３及び非活性ゾーン４は、第２の領域Ｂを含む。ここで、第１の領域Ａは、平均粒度＜３μｍであり、第２の領域（Ｂ）は、平均粒度＞３μｍである。接触状態の異なる第１の内部電極１と第２の内部電極２の末端領域を囲む活性ゾーン３’における平均粒度を小さくすることによって、内部電極に沿った電流密度が均一となり、内部電極の局所的な昇温が防止される。これにより、セラミック体にかかる機械的負荷が低下するため、多層バリスタの安定性が改善される。
【００３３】
図３は、多層バリスタの１つの実施形態の模式的な横断面図である。当該多層バリスタは、直列接続された２つのバリスタを含むセラミック体を含み、接続用内部電極１２の末端領域を囲む活性ゾーン３’は、第１の領域Ａを含み、また、その他の活性ゾーン３及び非活性ゾーン４は、第２の領域Ｂを含む。ここで、第１の領域Ａは、平均粒度＜３μｍであり、第２の領域Ｂは、平均粒度＞３μｍである。接続用内部電極１２の末端領域を囲む活性ゾーン３’における粒度を小さくすることによって、これらのゾーンにおける電流密度を低下させるとともに、内部電極の局所的な昇温が防止される。これにより、セラミック体にかかる機械的負荷が低下するため、多層バリスタの安定性が改善される。
【００３４】
図４は、多層バリスタの１つの実施形態の模式的な横断面図である。当該多層バリスタはセラミック体を含み、接触状態の異なる第１の内部電極１と第２の内部電極２は、１つの層面において相互に対向しており、接触状態の異なる第１の内部電極１と第２の内部電極２の間にある活性ゾーン３は、第１の領域Ａを含み、非活性ゾーン４は、第２の領域Ｂを含む。ここで、第１の領域Ａは、平均粒度＜３μｍであり、第２の領域Ｂは、平均粒度＞３μｍである。活性ゾーン３における粒度を小さくすることによって、多層バリスタの起動電圧を高めるとともに、接触状態の異なる第１の内部電極１と第２の内部電極２の末端での電流密度を最適化し、多層バリスタの安定性及びバリスタ特性が改善される。
【００３５】
図５は、多層バリスタの１つの実施形態の模式的な横断面図である。当該多層バリスタはセラミック体を含み、接触状態の異なる第１の内部電極１と第２の内部電極２の間にある活性ゾーン３は、第２の領域Ｂを含み、非活性ゾーン４は、第１の領域Ａを含む。ここで、第１の領域Ａは、平均粒度＜３μｍであり、第２の領域（Ｂ）は、平均粒度＞３μｍである。非活性ゾーン４における平均粒度を小さくすることによって、これらの領域の電気絶縁強度が強化される。
【００３６】
図６は、多層バリスタモジュールの１つの実施形態の平面図Ａ及び模式的な横断面図Ｂである。当該多層バリスタモジュールはセラミック体を含み、本発明に係る第１のバリスタと第２のバリスタは、当該セラミック体内部にまとめられて特定の距離ｄで配置されている。本発明に係る第１のバリスタは、接触状態の異なる第１の内部電極１と第２の内部電極２を含み、本発明に係る第２のバリスタは、接触状態の異なる第３の内部電極６と第４の内部電極７を含む。内部電極１、２、６及び７を含む体積領域５は、第１の領域Ａを含み、内部電極を含まない体積領域８は、第２の領域Ｂを含む。ここで、第１の領域Ａは、平均粒度＜３μｍであり、第２の領域Ｂは、平均粒度＞３μｍである。特に第１のバリスタと第２のバリスタの内部電極の間の距離ｄの領域における平均粒度を小さくすることによって、これらの領域における絶縁強度が強化される。これにより、第１のバリスタと第２のバリスタが距離ｄを越えて予期せぬ電圧破壊によって互いに悪影響をもたらすことを防止できる。
【００３７】
図７は、多層バリスタモジュールの１つの実施形態の模式的な横断面図Ａである。当該多層バリスタモジュールはセラミック体を含み、本発明に係る第１のバリスタと第２のバリスタは、当該セラミック体内部にまとめられて特定の距離ｄで配置されている。また、多層バリスタモジュールのセラミック体は、他の部材（図示せず）を当該モジュールに取り付けるための内部接点１０と外部接点１１、１４を含む。また、内部電極を含む体積領域５及び外部接点１１、１４に隣接する体積領域９は、平均粒度＜３μｍの第１の領域Ａを有する。内部電極を含まず、接点１１、１４に隣接しない体積領域１３は、平均粒度＞３μｍの第２の領域Ｂを有する。体積領域５、９における平均粒度を体積領域１３よりも小さくすることによって、たとえば第１のバリスタの第２の内部電極２と、第２のバリスタの第４の内部電極７との間の距離ｄにおける絶縁強度を強化する一方で、第１のバリスタの第２の内部電極２及び第２のバリスタの第４の内部電極７と、外部接点１１、１４との間の絶縁強度を改善する。これにより、バリスタと、たとえばパワー半導体（たとえばＬＥＤ）とが互いに悪影響をもたらすことを防止する。
【符号の説明】
【００３８】
１  第１の内部電極
２  第２の内部電極
１’  第１の内部電極に接続された外接点
２’  第２の内部電極に接続された外接点
３  活性ゾーン
３’  内部電極の末端領域を囲む活性ゾーン
４  非活性ゾーン
５  内部電極を含む体積領域
６  第３の内部電極
７  第４の内部電極
６’  第３の内部電極に接続された外接点
７’  第４の内部電極に接続された外接点
８  内部電極を含まない体積領域
９  内部電極を含まず、他の部材との接点に隣接する体積領域
１０  内部接点
１１  モジュールの表面にある外部接点
１２  接続用内部電極
１３  内部電極を含まず、外部接点に隣接しない体積領域
１４  モジュールの底側にある外部接点
Ａ  第１の領域
Ｂ  第２の領域
【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】
2021526737.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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2021526737.tif 000011
2021526737.tif 000012
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