(57)【要約】【課題】電極板の半田付け後の冷却時に、電極板と焼結体との熱膨張係数の差により焼結体に微小クラックが発生することを未然に防止することにある。【解決手段】酸化亜鉛を主成分とし、かつ、バリスタ特性を有する焼結体１の表裏面２ａ，２ｂに、複数の電極板７ａ，７ｂを焼結体１の表面２ａ側と裏面２ｂ側とで数を異ならせて接合した多端子バリスタにおいて、電極板７ａ，７ｂは、矩形帯板の外枠形状を有する電極部８ａ，８ｂと、その電極部８ａ，８ｂから一体的に延びる端子部９ａ，９ｂとで構成される。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化亜鉛を主成分とし、かつ、バリスタ特性を有する焼結体の表裏面に、複数の電極部材を焼結体の表面側と裏面側とで異数配置させて接合した多端子バリスタにおいて、前記電極部材は平板形状を有し、かつ、その電極部材を中抜き形状としたことを特徴とする多端子バリスタ。
【請求項２】
酸化亜鉛を主成分とし、かつ、バリスタ特性を有する焼結体の表裏面に、複数の電極部材を焼結体の表面側と裏面側とで異数配置させて接合した多端子バリスタにおいて、前記電極部材は、面状に屈曲成形されたリード線からなることを特徴とする多端子バリスタ。
【請求項３】
前記焼結体の表面側の電極部材と裏面側の電極部材とをほぼ対称な形状としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の多端子バリスタ。
【請求項４】
前記焼結体と電極部材との間に介装した下地電極層の接合材を、焼結体の表裏面で下地電極層が形成されていない部位に塗布したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の多端子バリスタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は多端子バリスタに関し、例えば、避雷器、サージ吸収素子、電圧安定化素子などを組み込んだ電気機器に用いられ、雷サージ、開閉サージなどの異常電圧から電気機器を保護する多端子バリスタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、家電機器、産業機器の電気回路の半導体化が著しく進行し、その主要な構成要素である半導体電子部品のサージ対策が不可欠なものになっている。一般的に、非直線抵抗体からなるバリスタは、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。
【０００３】
このような特性を有するバリスタは、例えば避雷器、サージ吸収素子、電圧安定化素子などの半導体電子部品のサージ対策に広く利用されている。各種のバリスタの中でも、酸化亜鉛を主成分とする酸化亜鉛バリスタは優れた非直線性の電圧−電流特性とサージ吸収能力を有する。一方、半導体電子部品の駆動電圧は低下傾向にあり、低電圧回路用でサージ電圧の抑制効果の高いバリスタが要望されている。
【０００４】
酸化亜鉛バリスタは、主成分の酸化亜鉛に非直線性の電圧−電流特性を発現させる基本添加物である酸化ビスマス、酸化アンチモン、酸化コバルトと、さらに性能向上のために添加される各種の酸化物とを含む酸化亜鉛原料粉末を成形して焼成させた焼結体からなる。その焼結体には、例えば矩形板状の形状を有するものがある。図７（ａ）（ｂ）に示すようにこの焼結体１の表裏面２ａ，２ｂに、銀ペーストを焼き付け処理することにより下地電極層３ａ，３ｂを形成し、図８（ａ）（ｂ）に示すようにその下地電極層３ａ，３ｂの上に、銅や黄銅などの電気的良導体からなる金属製の電極板４ａ，４ｂを半田付けにより接合する。
【０００５】
図８（ａ）（ｂ）は多端子バリスタの一例であり、三端子を有する酸化亜鉛バリスタを示す。電極板４ａ，４ｂは、矩形平板状の電極部５ａ，５ｂと、その電極部５ａ，５ｂから一体的に延びる端子部６ａ，６ｂとで構成される。この多端子バリスタは、焼結体１および電極板４ａ，４ｂの電極部５ａ，５ｂをエポキシ樹脂などでモールドすることにより、焼結体１の裏面２ｂに一つの電極板４ｂから延びる一つの端子部６ｂをモールド部から導出し、焼結体１の表面２ａに二つの電極板４ａから延びる二つの端子部ａをモールド部から導出した構造を具備する。焼結体１の表面２ａおよび裏面２ｂには、電極板４ａ，４ｂの電極部５ａ，５ｂとほぼ同一の大きさを有する下地電極層３ａ，３ｂが接合されている。なお、焼結体１の表面２ａ側では、二つの下地電極層３ａ間で焼結体１が露呈した構造となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、銅や黄銅などの電気的良導体からなる金属製の電極板４ａ，４ｂは、酸化亜鉛を主成分とする焼結体１と比べてその熱膨張係数が大きい。また、焼結体１の表面２ａ側と裏面２ｂ側とで電極板４ａ，４ｂの数が異なり、その形状が非対称である。このように、電極板４ａ，４ｂと焼結体１の熱膨張係数に差があることと、電極板４ａ，４ｂの形状が焼結体１の表裏面２ａ，２ｂで非対称であることから、電極板４ａ，４ｂを焼結体１の下地電極層３ａ，３ｂ上に半田付けした後で冷却する際に、焼結体１に微小なクラックが発生し易い。このように焼結体１にクラックが発生すると、バリスタの静特性の低下、高温課電試験時のワットロス上昇、放電耐量特性の低下を招来するという問題があった。
【０００７】
この焼結体１でのクラック発生を防止するため、電極板４ａ，４ｂの半田付け後の冷却スピードを遅くする対策も考えられるが、半田付け後の冷却スピードを遅くすると、製造リードタイムが長くなり、半田に銀ペーストが溶け込んでしまって銀ペーストと半田が合金化する銀食われと称される現象が発生し、電極板４ａ，４ｂが剥離し易くなる等の他の問題が生じることになる。
【０００８】
そこで、本発明は前記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、電極板の半田付け後の冷却時に、電極板と焼結体との熱膨張係数の差により焼結体に微小クラックが発生することを未然に防止し得る多端子バリスタを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための技術的手段として、本発明は、酸化亜鉛を主成分とし、かつ、バリスタ特性を有する焼結体の表裏対向面に、複数の電極部材を焼結体の表面側と裏面側とで異数配置させて接合した多端子バリスタにおいて、前記電極部材は平板形状を有し、かつ、その電極部材を中抜き形状としたことを特徴とする。また、本発明は、前記構成の多端子バリスタにおいて、前記電極部材は、面状に屈曲成形されたリード線からなることを特徴とする。
【００１０】
ここで、前述した「異数配置」とは、焼結体の表面側に設けた電極部材の数と焼結体の裏面側に設けた電極部材の数とを異ならせることを意味する。また、「中抜き形状」とは、平板形状の中央部分を中抜きした帯板の外枠形状を意味する。さらに、「面状に屈曲成形」とは、例えば平面内で渦巻状に成形することを意味する。
【００１１】
本発明では、電極部材を中抜き形状としたり、あるいは、電極部材を面状に屈曲成形されたリード線としたりすることにより、電極部材と焼結体との接触面積を従来品よりも小さくすることができることから、電極部材の半田付け後の冷却時、電極部材と焼結体の熱膨張係数の差により生じる焼結体への応力を軽減できるので、焼結体でのクラック発生を抑制することが容易となる。
【００１２】
本発明では、前記電極部材を中抜き形状とするか、あるいは、電極部材を面状に屈曲成形されたリード線とすることに加えて、焼結体の表面側の電極部材と裏面側の電極部材とをほぼ対称な形状とすれば、電極部材の半田付け後の冷却時、電極部材と焼結体の熱膨張係数の差により生じる焼結体への応力を軽減できて焼結体でのクラック発生を抑制できるだけでなく、大電流注入時に焼結体全体に電流が流れ易くなり、放電耐量特性の向上が図れる。
【００１３】
本発明では、前記構成において、前記焼結体と電極部材との間に介装した下地電極層の接合材を、焼結体の表裏面で下地電極層が形成されていない部位に塗布すれば、焼結体の表裏面全体に接合材が存在することになり、焼結体全体での熱膨張係数が均等になることから、焼結体の機械的強度および絶縁強度を向上させることができ、電極板の半田付け後の冷却時に焼結体でのクラック発生を抑制でき、さらに、静特性、課電特性、放電耐量特性の向上が図れる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）（ｂ）および図２は本発明に係る多端子バリスタの実施形態として、酸化亜鉛を主成分とする酸化亜鉛バリスタを示す。この実施形態の酸化亜鉛バリスタは、その主成分である酸化亜鉛（ＺｎＯ）原料と、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）、酸化コバルト（Ｃｏ２Ｏ３）、酸化アンチモン（Ｓｂ２Ｏ３）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等からなる添加物の所定量を、ポリビニルアルコール水溶液などのバインダや分散剤などと共に湿式混合してスラリーを製作する。
【００１５】
その後、湿式混合により得られたスラリーをスプレードライヤー等の噴霧乾燥装置に供給して造粒粉を製作する。この造粒粉である酸化亜鉛原料粉末としては、前述した酸化亜鉛（ＺｎＯ）原料と、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）、酸化コバルト（Ｃｏ２Ｏ３）、酸化アンチモン（Ｓｂ２Ｏ３）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等からなるＺｎＯ−Ｂｉ−Ｓｂ系以外に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）原料と、酸化プラセオジム（Ｐｒ２Ｏ３）、酸化コバルト（Ｃｏ２Ｏ３）、酸化アンチモン（Ｓｂ２Ｏ３）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等からなるＺｎＯ−Ｐｒ−Ｃｏ系も使用可能である。
【００１６】
この造粒粉を成形工程において所定の金型を用いて、例えば矩形平板状に成形圧力３００〜１０００ｋｇ／ｃｍ２で成形し、その成形体を１０００〜１３００℃の空気中で焼成することにより焼結体１を得る。この焼結体１の表裏面２ａ，２ｂに、銀ペーストをスクリーン印刷などの適宜の手段により塗布し、５００〜８００℃で焼き付け処理することにより下地電極層３ａ，３ｂを形成する。この下地電極層３ａ，３ｂは、銀ペースト中に含有されるガラスを接合材として焼結体１に接着される。さらに、下地電極層３ａ，３ｂの上にＳｎ−Ｐｂ半田ペーストを塗布し、銅や黄銅などの電気的良導体からなる電極部材である金属製の電極板７ａ，７ｂを載置して約２００℃以上で半田付けすることにより、下地電極層３ａ，３ｂに電極板７ａ，７ｂを接合する。
【００１７】
この実施形態の酸化亜鉛バリスタは、焼結体１の裏面２ｂに一つの電極板７ｂを接合してその電極部８ｂから延びる一つの端子部９ｂを導出し、焼結体１の表面２ａに二つの電極板７ａを接合してそれぞれの電極部８ａから延びる二つの端子部９ａを導出した三端子構造を具備する。なお、焼結体１の表面２ａ側では、二つの下地電極層３ａ間で焼結体１が露呈した構造となっている。電極板７ａ，７ｂの接合後、焼結体１および電極板７ａ，７ｂの電極部８ａ，８ｂをエポキシ樹脂などでモールドすることにより、そのモールド部から電極板７ａ，７ｂの端子部９ａ，９ｂを導出した製品が得られる。この酸化亜鉛バリスタは、モールド部から導出した端子部９ａ，９ｂを利用することにより、例えば配線基板などに実装される。
【００１８】
この実施形態の酸化亜鉛バリスタにおける電極板７ａ，７ｂを帯板外枠形状の中抜き形状とする。つまり、電極板７ａ，７ｂは、矩形帯板の外枠形状を有する電極部８ａ，８ｂと、その電極部８ａ，８ｂから一体的に延びる端子部９ａ，９ｂとで構成される。このように電極板７ａ，７ｂを中抜き形状としたことにより、電極板７ａ，７ｂと焼結体１との接触面積を従来品よりも小さくすることができることから、電極板７ａ，７ｂの半田付け後の冷却時、電極板７ａ，７ｂと焼結体１の熱膨張係数の差により生じる焼結体１への応力を軽減できるので、焼結体１でのクラック発生を抑制することが容易となる。
【００１９】
電極板７ａ，７ｂと焼結体１との接触面積を小さくする他の電極部材として、図３（ａ）（ｂ）に示す実施形態のようにリード線を用いることも可能である。この実施形態の電極部材１０ａ，１０ｂは、平面内で渦巻き状に成形されたリード線からなり、渦巻き状をなす電極部１１ａ，１１ｂとその電極部１１ａ，１１ｂから導出されたリード線の端部である端子部１２ａ，１２ｂとで構成される。なお、前述したリード線は、渦巻状に成形する以外に蛇行状に成形することも可能で、面状に屈曲成形させた他の形状であってもよい。
【００２０】
このように電極部材１０ａ，１０ｂとして、渦巻き状に成形されたリード線を用いたことにより、電極部材１０ａ，１０ｂと焼結体１との接触面積を従来品よりも小さくすることができることから、電極部材１０ａ，１０ｂの半田付け後の冷却時、電極部材１０ａ，１０ｂと焼結体１の熱膨張係数の差により生じる焼結体１への応力を軽減できるので、焼結体１でのクラック発生を抑制することが容易となる。
【００２１】
図４（ａ）（ｂ）の実施形態は、図１（ａ）（ｂ）の実施形態と同様、電極板７ａ，７ｂ’を帯板外枠形状の中抜き形状とし、さらに、焼結体１の表面２ａ側の電極板７ａと裏面２ｂ側の電極板７ｂ’とをほぼ対称な形状とする。つまり、焼結体１の表面２ａ側の二つの電極板７ａに対して、焼結体１の裏面２ｂ側に配置された一つの電極板７ｂ’を、表面２ａ側の電極板７ａの内側部分１３ａと対応する二つの連結部１３ｂが形成された形状とする。なお、焼結体１の裏面２ｂ側の電極板は、焼結体１の表面２ａ側の電極板７ａと対称な形状になるものであれば、図示以外の形状であってもよい。
【００２２】
このように電極板７ａ，７ｂ’を中抜き形状としたことにより、電極板７ａ，７ｂ’の半田付け後の冷却時、電極板７ａ，７ｂ’と焼結体１の熱膨張係数の差により生じる焼結体１への応力を軽減できて焼結体１でのクラック発生を抑制できるだけでなく、さらに、焼結体１の表面２ａ側の電極板７ａと裏面２ｂ側の電極板７ｂ’とをほぼ対称な形状としたことにより、表裏面２ａ，２ｂの電極部８ａ，８ｂ’間で大電流注入時に焼結体全体に電流が流れ易くなり、放電耐量特性の向上が図れる。
【００２３】
前述したように焼結体１と電極板７ａ，７ｂ’との間には下地電極層３ａ，３ｂが形成されているが、この下地電極層３ａ，３ｂの形成時、銀ペーストを焼結体１に塗布して焼き付け処理することにより、銀ペースト中に含有されているガラスが焼結体１に拡散して、その結果、下地電極層３ａ，３ｂが焼結体１に接着される。
【００２４】
そこで、下地電極層３ａの形成時、図５（ａ）（ｂ）に示すように焼結体１の下地電極層３ａが形成されていない部位ｍ、例えば、焼結体１の表面２ａに設けられた二つの電極板７ａ間にも、銀ペースト中に含有されているガラスと同一成分のガラスフリットを塗布して銀ペーストと共に焼き付け処理する。この処理は、図１（ａ）（ｂ）および図３（ａ）（ｂ）に示す実施形態においても採用することが可能である。なお、下地電極層３ａ，３ｂが形成されていない部位として、焼結体１の表裏面２ａ，２ｂの外周縁部にもガラスフリットを塗布することは有効である。
【００２５】
このようにすれば、焼結体１の下地電極層３ａが形成された部位とその下地電極層３ａが形成されていない部位ｍからなる焼結体１の表面全体に拡散したガラスが存在することになり、焼結体全体での熱膨張係数が均等になる。その結果、焼結体１の機械的強度および絶縁強度を向上させることができ、電極板７ａの半田付け後の冷却時に焼結体１でのクラック発生を抑制でき、さらに、静特性、課電特性、放電耐量特性の向上が図れる。
【００２６】
【実施例】
本出願人は、縦２６ｍｍ、横３０ｍｍ、厚み１．８ｍｍの矩形板状の焼結体１を用いて、図８（ａ）（ｂ）に示すような電極形状を有する従来例と、前述した実施形態のような電極形状を有する本発明の実施例について、酸化亜鉛バリスタの静特性、高温課電特性、放電耐量特性を測定した。
【００２７】
なお、本発明の実施例では、電極板７ａ，７ｂを中抜き形状としたもの〔図１（ａ）（ｂ）参照〕を実施例１とし、電極部材１０ａ，１０ｂをリード線としたもの〔図３（ａ）（ｂ）参照〕を実施例２とし、焼結体１の表裏面２ａ，２ｂで電極板７ａ，７ｂ’をほぼ対称な中抜き形状としたもの〔図４（ａ）（ｂ）参照〕を実施例３とし、焼結体１の表裏面２ａ，２ｂで電極板７ａ，７ｂ’をほぼ対称な中抜き形状にすると共に焼結体１の下地電極層３ａが形成されていない部位ｍにもガラスを拡散させたもの〔図５（ａ）（ｂ）参照〕を実施例４としている。
【００２８】
まず、酸化亜鉛バリスタの静特性に関しては、例えば１ｍＡの電流を流した時の端子間電圧Ｖ１ｍＡと、１０μＡの電流を流した時の端子間電圧Ｖ１０μＡとの比Ｖ１０μＡ／Ｖ１ｍＡを、バリスタの非直線性の程度を示すパラメータとして、電極板７ａ，７ｂ（７ｂ’）の半田付け前と半田付け後で測定した。その測定結果を表１に示す。なお、測定結果において、前述の電圧比Ｖ１０μＡ／Ｖ１ｍＡが１に近いほど、静特性が良好であることを示す。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
表１の結果から明らかなように従来例と比べて、実施例１〜４の値が高くなっており、酸化亜鉛バリスタの静特性が良好であることを示している。特に、焼結体１の電極板７ａが形成されていない部位ｍにもガラスを拡散させた実施例４が高い値を示している。
【００３１】
次に、図６は酸化亜鉛バリスタの高温課電特性を示す。この高温課電特性については、周囲温度１１５℃、課電率８５％（２５℃において交流１ｍＡを流すのに必要な電圧と同じ電圧ピーク値）で交流連続課電した時のワットロスを、試験開始直後のワットロスで割った値の時間変化（ワットロス変化率）を測定した。
【００３２】
なお、この特性図において、○は矩形平板状の電極板４ａ，４ｂを有する従来例、△は矩形平板状の電極板７ａ，７ｂを中抜き形状とした実施例１、□は電極部材１０ａ，１０ｂをリード線とした実施例２、×は焼結体１の表裏面２ａ，２ｂで電極板７ａ，７ｂ’をほぼ対称な中抜き形状とした実施例３、＊は焼結体１の表裏面２ａ，２ｂで電極板７ａ，７ｂ’をほぼ対称な中抜き形状にすると共に焼結体１の電極板７ａが形成されていない部位ｍにもガラスを拡散させた実施例４を示す。
【００３３】
同図に示すように従来例ではワットロス変化率が上昇傾向にあるのに対して、実施例１〜４ではワットロス変化率がほぼ横ばい状態であり、その値も小さい。特に、実施例１から実施例４にかけて徐々にワットロス変化率の値が小さくなっている。
【００３４】
最後に、酸化亜鉛バリスタの放電耐量特性に関して、例えば６００Ａから１００Ａずつステップアップさせ、印加回数を１０００回、印加間隔を３０秒間で測定した。その測定結果を表２に示す。なお、表中で、○はバリスタが正常に動作したことを示し、×はバリスタが破壊したことを示す。
【００３５】
【表２】
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【００３６】
表２の結果から明らかなように従来例では１０００Ａでバリスタが破壊したのに対して、実施例１と実施例２では１２００Ａ、実施例３では１３００Ａ、実施例４では１４００Ａまで放電耐量が向上した。
【００３７】
以上のように従来例に比べて、実施例１〜４は静特性、高温課電特性、放電耐量特性のいずれについても良好な測定結果が得られ、それら静特性、高温課電特性および放電耐量特性の向上が明らかとなった。なお、特性測定を終了したバリスタについて、電極板を剥離して焼結体の表面を研磨し、観察したところ、従来例のバリスタではその表面に微小クラックが確認されたが、実施例１〜４のいずれもその表面に微小クラックが確認されなかった。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、電極部材を中抜き形状としたり、あるいは、電極部材を面状に屈曲成形されたリード線としたりすることにより、電極部材と焼結体との接触面積を従来品よりも小さくすることができることから、電極部材の半田付け後の冷却時、電極部材と焼結体の熱膨張係数の差により生じる焼結体への応力を軽減できるので、焼結体でのクラック発生を未然に防止することができて信頼性の高い高品質の多端子バリスタを提供できる。
【００３９】
また、焼結体の表面側の電極部材と裏面側の電極部材とをほぼ対称な形状とすれば、電極部材の半田付け後の冷却時、焼結体でのクラック発生を抑制できるだけでなく、大電流注入時に焼結体全体に電流が流れ易くなり、放電耐量特性の向上が図れる。
【００４０】
さらに、焼結体と電極部材との間に介装した下地電極層の接合材を、焼結体の表裏面で下地電極層が形成されていない部位に塗布すれば、焼結体全体での熱膨張係数が均等になることから、焼結体の機械的強度および絶縁強度を向上させることができ、電極板の半田付け後の冷却時に焼結体でのクラック発生を抑制でき、さらに、静特性、課電特性、放電耐量特性の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る多端子バリスタの実施形態において、電極板を中抜き形状としたもので、（ａ）は焼結体の表面側を示す斜視図、（ｂ）は焼結体の裏面側を示す斜視図である。
【図２】図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態において、電極部材をリード線としたもので、（ａ）は焼結体の表面側を示す斜視図、（ｂ）は焼結体の裏面側を示す斜視図である。
【図４】本発明の他の実施形態において、中抜き形状の電極板を表裏面でほぼ対称な形状としたもので、（ａ）は焼結体の表面側を示す斜視図、（ｂ）は焼結体の裏面側を示す斜視図である。
【図５】本発明の他の実施形態において、焼結体の電極板が形成されていない部位にガラスを焼き付けたもので、（ａ）は焼結体の表面側を示す斜視図、（ｂ）は焼結体の裏面側を示す斜視図である。
【図６】本発明の実施例において、従来例と実施例とを比較するためのバリスタの高温課電特性を示すグラフである。
【図７】多端子バリスタの従来例において、焼結体に下地電極層を形成したもので、（ａ）は焼結体の表面側を示す斜視図、（ｂ）は焼結体の裏面側を示す斜視図である。
【図８】多端子バリスタの従来例において、矩形平板状の電極板を取り付けたもので、（ａ）は焼結体の表面側を示す斜視図、（ｂ）は焼結体の裏面側を示す斜視図である。
【符号の説明】
１　焼結体
２ａ，２ｂ　焼結体の表裏面
３ａ，３ｂ　下地電極層
７ａ，７ｂ　電極部材
１０ａ，１０ｂ　電極部材
【図１】
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【図２】
2004006517.tif 000006
【図３】
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【図４】
2004006517.tif 000008
【図５】
2004006517.tif 000009
【図６】
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【図７】
2004006517.tif 000011
【図８】
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