(57)【要約】本発明は、樹脂媒体内に実質的に均一に分散された酸化亜鉛粒子の固相を含むバリスタの製品および製造方法に関する。本発明のバリスタは、固体酸化亜鉛粒子と樹脂媒体との実質的に均質な混合物を混合し、前記樹脂を溶融し、その樹脂中に前記固体酸化亜鉛粒子を懸濁させる条件下で前記混合物を加熱することによって、合成される。【選択図】図３Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂媒体内に実質的に均一に分散された酸化亜鉛粒子の固相を含むバリスタ。
【請求項２】
前記バリスタは、酸化亜鉛以外の無機酸化物を実質的に含まない、請求項１に記載のバリスタ。
【請求項３】
前記酸化亜鉛粒子は実質的に均一な大きさである、請求項１または２に記載のバリスタ。
【請求項４】
前記酸化亜鉛粒子の大きさは、１μｍ〜５０μｍの範囲にある、請求項３に記載のバリスタ。
【請求項５】
前記樹脂はポリマーである、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のバリスタ。
【請求項６】
前記樹脂は熱可塑性物質である、請求項５に記載のバリスタ。
【請求項７】
前記樹脂は、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアセタール、ポリアクリル酸メチル、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、パーフルオロアルコキシエチレンおよびそれらの任意の混合物からなる群から選択される、請求項６に記載のバリスタ。
【請求項８】
前記酸化亜鉛は、５０ｖｏｌ％〜８０ｖｏｌ％の範囲で前記バリスタ中に存在する、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のバリスタ。
【請求項９】
前記酸化亜鉛は、６５ｖｏｌ％〜７０ｖｏｌ％の範囲で前記バリスタ中に存在する、請求項８に記載のバリスタ。
【請求項１０】
前記混合物の少なくとも１つの表面と接触した一対の電極をさらに備える、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のバリスタ。
【請求項１１】
前記混合物の表面に施されたコーティングをさらに備える、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のバリスタ。
【請求項１２】
前記バリスタは、少なくとも５０００Ｖのサージ電圧に耐えることができる、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のバリスタ。
【請求項１３】
前記バリスタは５％未満の空隙率を有する、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のバリスタ。
【請求項１４】
前記バリスタは０．１ｍｍ〜５ｍｍの範囲の厚さを有する、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のバリスタ。
【請求項１５】
バリスタを製造する方法であって、該方法は、
固体酸化亜鉛粒子と樹脂媒体との実質的に均質な混合物を混合する工程と、
前記樹脂を溶融し、その樹脂中に前記固体酸化亜鉛粒子を懸濁させる条件下で前記混合物を加熱する工程とを含む、方法。
【請求項１６】
溶融した前記樹脂を凝固させて、前記樹脂媒体内に実質的に均一に分散された酸化亜鉛粒子の固相を形成する工程をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記混合物は、酸化亜鉛以外の無機酸化物を実質的に含まない、請求項１５または１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記酸化亜鉛粒子は実質的に均一な大きさである、請求項１５乃至１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
前記酸化亜鉛粒子の大きさは、１μｍ〜５０μｍの範囲にある、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記混合する工程は混練を含む、請求項１５乃至１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
前記混合物を成形する工程をさらに含む、請求項１５乃至２０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
前記成形する工程は射出成形を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記樹脂はポリマーである、請求項１５乃至２２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２４】
前記樹脂は熱可塑性物質である、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記樹脂は、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアセタール、ポリアクリル酸メチル、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、パーフルオロアルコキシエチレンおよびそれらの任意の混合物からなる群から選択される、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記酸化亜鉛は、５０ｖｏｌ％〜８０ｖｏｌ％の範囲で前記混合物中に存在する、請求項１５乃至２５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２７】
前記酸化亜鉛は、６５ｖｏｌ％〜７０ｖｏｌ％の範囲で前記混合物中に存在する、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記加熱する工程は１００℃〜３００℃の温度範囲で行われる、請求項１５乃至２７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２９】
前記混合する工程は、０．５時間〜２時間の範囲の継続時間にわたって実施される、請求項１５乃至２８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３０】
前記混合する工程は、１００ｒｐｍ〜２００ｒｐｍの範囲の混練速度で実施される混練を含む、請求項１５乃至２９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３１】
一対の電極を提供する工程をさらに含む、請求項１５乃至２９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３２】
前記混合物にコーティングを施す工程をさらに含む、請求項１５乃至３０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３３】
焼結の工程は実施されない、請求項１５乃至３１のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、バリスタおよびそのようなバリスタを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バリスタの最も一般的な種類は酸化金属バリスタ（ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ  ｖａｒｉｓｔｏｒ：ＭＯＶ）である。従来、ＭＯＶは、電極として作用する２枚の金属板の間に挟持された小量のビスマス、コバルト、クロムおよび／またはマンガンのような他の無機酸化物のマトリックス中に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）粒のセラミックマスを含有する。前記ＺｎＯに添加される他の無機酸化物は、一般に、ＺｎＯより低い融点を有し、ＭＯＶが形成されるときに焼結工程中において焼結添加剤として作用する。
【０００３】
さらに、他の無機酸化物添加剤の存在はバリスタの非線形電圧電流特性に影響を与えることも知られている。より具体的には、用いられる他の無機酸化物添加剤の種類および組み合わせは、バリスタの非線形電圧電流特性だけでなく、バリスタを形成するのに必要とされる焼結温度および焼結時間にも影響を与える。
【０００４】
従来のバリスタの焼結後に、前記バリスタは、実質的に他の無機酸化物添加剤からなる粒界層によって封入された約１０μｍ〜約１５０μｍの直径を有するＺｎＯ結晶粒を含む。各ＺｎＯ結晶粒の境界では非線形の電気的挙動が生じる。理論によって縛られるものではないが、バリスタの非線形電圧電流特性はこの粒界層の種類および厚さに依存すると考えられている。
【０００５】
表１は、様々な他の無機酸化物添加剤が非線形抵抗および非線形係数（α）にどれくらい影響を与えるかを示している。αの値が大きいほど、バリスタの非線形抵抗特性は高くなる。前記表中に示すように、他の無機酸化物添加剤が１種のみ存在する場合には、αの値は小さいが、５種の無機酸化物添加剤の組み合わせが用いられる場合には、α＝５０である。そのため、従来、バリスタの特性に影響を与え得る多くの変数が存在し、性能の一定した品質を有するバリスタを得ることを困難にしている。加えて、バリスタの構成要素がセラミックであるため、従来のバリスタを形成する方法はこれまで非常に複雑であり、例えば、非常に高い温度（約１０００℃）での製品の焼結を必要とする。そのような高い温度は、多くの場合、細孔の形成により、バリスタ性能に不安定性をもたらす。更に、複雑な過程のために、均一な大きさの結晶粒を維持することが困難である。
【０００６】
【表１】
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【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、上述した不都合のうちの１つ以上を克服するか、または少なくとも部分的に改善するバリスタを提供する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１態様において、樹脂媒体内に実質的に均一に分散された酸化亜鉛粒子の固相を含むバリスタが提供される。
【０００９】
前記酸化亜鉛粒子は前記樹脂媒体内に実質的に均一に分散されるので、その分散物は実質的に均質であり得る。いくつかの開示される実施形態において、前記酸化亜鉛粒子は実質的に均一な粒径である。有利には、均一な分散および実質的に均一な大きさの粒子によって、前記樹脂媒体内における酸化亜鉛粒子の効率的な充填が可能となり、それにより粒子粒界の量が増大する。非線形の電気的挙動は各粒（ｇｒａｉｎ）の境界で生じるので、粒界の増大はバリスタの非線形特性を有利に増大する。
【００１０】
開示される実施形態において、前記バリスタは、酸化亜鉛以外の無機酸化物を実質的に含まない。有利には、開示されるバリスタは付加的な添加剤を必要とせず、従って、酸化亜鉛および樹脂以外の成分を含まなくてよい。より有利には、酸化亜鉛以外の無機酸化物が実質的にまたは完全に不在であるため、開示されるバリスタの特性は制御がより容易であり得る。
【００１１】
第２態様では、バリスタを製造する方法が提供される。前記方法は、固体酸化亜鉛粒子と樹脂媒体との実質的に均質な混合物を混合する工程と、前記樹脂を溶融し、その樹脂中に前記固体酸化亜鉛粒子を懸濁させる条件下で前記混合物を加熱する工程とを含む。
【００１２】
開示される方法は、前記樹脂と混合される実質的に均一な粒径の酸化亜鉛粒子を選択する工程を含み得る。
【００１３】
有利には、開示される方法は、簡素かつ簡単である。さらに、有利には、開示される方法は、多くの変数を含んでおらず、従って、品質および性能が一定したバリスタを製造することができる。
【００１４】
実施形態において、開示される方法は、前記バリスタを形成するために前記混合物を焼結させる工程を排除している。有利には、焼結工程に関連する高い温度は必要とされない。
【００１５】
定義
本願に用いられる以下の単語および用語は以下に示す意味を有するものとする。
【００１６】
「他の無機酸化物」および「他の無機酸化物添加剤」という用語は区別なく用いられてもよく、本願のためには、酸化亜鉛（ＺｎＯ）以外のすべての無機酸化物を指す。
【００１７】
「酸化亜鉛（ＺｎＯ）粒（ｇｒａｉｎ）」という用語は、この開示のためには、焼結したＭＯＶのバリスタ混合物中におけるＺｎＯを指す。
【００１８】
「酸化亜鉛（ＺｎＯ）粒子（ｐａｒｔｉｃｌｅ）」という用語は、この開示のためには、未焼結のｐＭＯＶのバリスタ混合物中におけるＺｎＯを指す。
【００１９】
前記バリスタの製造に関連する「焼結」という用語は、粉末が、高いが前記粉末中の材料の液化点よりは低い温度および／または圧力で、融合される過程を指す。前記過程は、前記粉末粒子中の原子または分子が前記粒子の境界を横切って拡散し、前記粒子を融合して、１つの固体片を生じることによって特徴付けられる。焼結は、材料の高密度化および粒成長を制御する。
【００２０】
「高密度化」という用語は、材料の空隙率を低減することによって、その密度を増大する作用を指す。
【００２１】
「粒成長」という用語は、高温の材料中における結晶粒（結晶子）の大きさの増大を指す。
【００２２】
本願で用いられる「型（ｍｏｌｄ）」という用語は、賦形部材のすべての形態を包含するように意図され、賦形される材料は、圧力の支援を有するか、または有することなく、注入または射出によって導入され得る。「成形（ｍｏｌｄｉｎｇ）」という用語は適宜解釈されるべきである。
【００２３】
「実質的に」という語は「完全に」を除外しない、例えばＹを「実質的に」含まない組成物は、Ｙを完全に含まなくてもよい。Ｙを「実質的に含まない」という用語はまた、前記組成物に物質的に影響を与えないか、または前記組成物の特性を変更しない少量のＹを有する組成物を含むように意図される。酸化亜鉛以外の無機酸化物に関連した「実質的に含まない」という用語は、約０．１ｖｏｌ％未満である量を指す。必要な場合には、「実質的に」という語は、本発明の定義から省略されてもよい。
【００２４】
本願に用いられる「実質的に均一に分散された」という用語およびそれらの別形は、樹脂媒体の単位体積中における前記酸化亜鉛粒子の個数密度（ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ  ｄｅｎｓｉｔｙ）（例えば粒子分布）の変動が約±２０％未満、約±１０％未満、または約±５％未満であることを指す。前記樹脂中および最終バリスタ製品中における分散された酸化亜鉛粒子の個数密度の変動は、既知の分析技術によって定量化することができる。例えば、押出物の試料を分析して、酸化亜鉛粒子の割合が粒径に関して本願において以下に述べる範囲内にある算出された大きさを有するかを判定する。別の方法は、分散物の試料を適当な波長および強度の光源上に配置して、「欠陥」として現われる粒子数の定量を可能にすることであり、各々の大きさはまた適当な拡大下で視認可能である。別の方法は、デジタル顕微鏡ＶＨＸ（キーエンス）を用いて、粒径および分散物中の均一性について試料を測定することである。
【００２５】
本願に用いられる「実質的に均質な」という用語は、樹脂媒体内における実質的な凝集または樹脂媒体からの分離を生じることなく、混合物または分散物内に概して均等に分散された粒子を指す。
【００２６】
粒径に関連して「均一」という用語は、概して、粒子の約８０％超が所定の寸法範囲、例えば約１〜５０μｍの粒径範囲を有する粒径分布を指す。前記粒径は、粒子が実質的に球形の場合には、粒子の直径を指し得る。粒子は非球形であってもよく、粒径範囲は球状粒子に対する前記粒子の相当径を指してもよいし、または非球形状粒子の寸法（長さ、幅、高さ、または厚さ）を指してもよい。
【００２７】
別段の定めがない限り、「備えた（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という用語、並びにそれらの文法上の変化形は、列挙された要素を含むだけでなく、付加的な列挙されていない要素の包含も許容するような「オープン」または「インクルーシブ」ランゲージを表すことが意図される。
【００２８】
本願で用いられる「約（ａｂｏｕｔ）」および「約（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」という用語は、調合物の構成要素の濃度の文脈において、または適用可能な場合には、典型的には表示された値の＋／−５％、より典型的には表示された値の＋／−４％、より典型的には表示された値の＋／−３％、より典型的には表示された値の＋／−２％、さらにより典型的には表示された値の＋／−１％、さらにより典型的には表示された値の＋／−０．５％を意味する。
【００２９】
この開示の全体にわたって、特定の実施形態を範囲形式で開示してもよい。当然のことながら、範囲形式における説明は単に利便性および簡潔性のためであり、開示範囲の範囲に対する確固たる限定として解釈されるべきでない。従って、範囲の説明は、その範囲内の個々の数値に加えて、可能な部分的範囲もすべて具体的に開示したと見なされるべきである。例えば、１〜６のような範囲の記載は、例えば、１、２、３、４、５および６のようなその範囲内の個々の数字に加えて、１〜３、１〜４、１〜５、２〜４、２〜６、３〜６等の部分的範囲も具体的に開示したと見なされるべきである。これは範囲の広さにかかわらず適用される。
【００３０】
添付図面は、開示される実施形態を示し、開示される実施形態の原理について説明するのに役立つ。しかしながら、前記図面は、例証のみを目的として考案されたものであり、本発明の範囲の定義として考案されたものではないことが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】バリスタの電圧電流特性を示すグラフである。
【図２】バリスタが回路内においてどのように典型的に接続されるかを示す図である。
【図３Ａ】本出願の実施形態に従った製造方法を示すフローチャートである。
【図３Ｂ】従来のセラミックバリスタの製造方法を示すフローチャートである。
【図４】従来のセラミックバリスタにおける粒および粒界の顕微鏡観察画像である。前記画像はＭ．マツオカら、ＺｎＯバリスタ、株式会社オーム社、２００９年から抜粋した。
【図５】本出願の実施形態に従ったバリスタ製品の概略図である。
【図６】バリスタ電圧とバリスタの板厚との間の相関性を示すグラフである。
【図７】本出願の実施形態および従来のセラミックバリスタに従ったバリスタの電圧電流特性を比較するグラフである。
【図８】本出願の実施形態に従ったバリスタの断面を示す概略図である。
【図９Ａ】実施例３のバリスタのインパルス電圧電流特性を示すグラフである。
【図９Ｂ】従来のバリスタ部品と比較された実施例３のバリスタのインパルス電圧電流特性を示すグラフである。
【図１０Ａ】従来のバリスタ部品の空隙の顕微鏡観察画像である。
【図１０Ｂ】実施例３のバリスタの空隙の顕微鏡観察画像である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
従来、バリスタは、例えば、２〜３例あげると、落雷、トリップした回路遮断器、電磁パルスおよび誘導スパイクからのようなイベントに由来する電圧または電流スパイクのような高い電気サージから装置を保護するための素子である。電気サージの種類および程度だけでなく、保護される装置の耐電圧にも応じて、様々なバリスタを使用に選択することができる。電気サージは、電力線、信号線および避雷針のような様々な地点から進入し得る。時に、静電気から生じる電気サージも考慮に入れなければならない。
【００３３】
例えば、回路の使用電圧が２００Ｖであり、保護される装置の耐電圧が４００Ｖである場合には、前記装置に並列接続されるバリスタは、理想的には、２００Ｖ×√２＜Ｖｃ＜４００Ｖの範囲から選択されるバリスタ電圧（また制限電圧Ｖｃとしても知られている）を有さなければならない。
【００３４】
図１は、正常バリスタ動作（Ｎｏｒｍａｌ  Ｖａｒｉｓｔｏｒ  Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）の範囲を記載している。図１は、漏れ領域１０２、正常なバリスタ動作１０４および上昇領域１０６を示している。また図１は、低α領域（ｂ）１１２、バリスタ作用領域（ａ）１１４、および低α領域（ｃ）１１６も記載している。
【００３５】
バリスタにおいて、非線形抵抗特性は図１に示すように正常バリスタ動作の範囲が広く、かつグラフ１００がこの範囲において平坦であることが好ましい。図１のグラフは、式Ｉ＝ＫＶαによって記述され、前記式中のαの値が大きいほど、線はより平坦になるであろう。
【００３６】
バリスタの別の重要な特性は、その許容電流である。図１によって記述された電圧電流特性に示されるように、電圧が特定の閾値に到達すると、バリスタの抵抗特性は、それが低電圧領域にある場合のそれと同様に挙動し始める。すなわち、バリスタの抵抗特性は非線形から線形に移行する。雷サージが印加されて、電圧が遷移領域（すなわち図１の低α領域（ｃ）１１６）を越えた場合には、バリスタ自身が損傷を受けるであろう。従来、図２に示すように、バリスタは保護される装置に並列接続される。図２は、電力線２０２、バリスタ２０４、電気装置２０６、アース２０８および接地接続２１０、並びに雷サージ２２０、雷電流２２２、雷サージ電圧２２４および電流の制限２２６を示す。バリスタ２０４が損傷を受けて、電気回路が開放するようになると、サージ２２０は装置２０６にも印加され、装置２０６も破壊されるようになるであろう。従って、広い非線形抵抗特性の領域が必要とされる。
【００３７】
開示されるバリスタはプラスチックＭＯＶ（ｐＭＯＶ）であり、ＺｎＯは樹脂と混合されている。一実施形態において、開示されるバリスタは、樹脂媒体内に実質的に均一に分散された酸化亜鉛粒子の固相を含む。
【００３８】
前記ｐＭＯＶは、従来のセラミックバリスタと比較して、優れた特性を有する。理論に縛られるものではないが、焼結添加剤の添加およびそれに続くバリスタを形成するための焼結を必要とする従来のバリスタは、焼結過程中に焼結体自身が粒界に類似した層を形成する大きな粒子として作用するので、ｐＭＯＶほど有効ではないと考えられる。これらの層は、今度はバリスタの絶縁特性に影響を与える空隙または細孔として作用し得る。対照的に、焼結添加剤が用いられず、かつ混合物が焼結されない場合には、ＺｎＯ粒子はその純粋な粉末形態で互いに近接させられ、空隙によって影響されない。これは従来のバリスタよりもより良好な絶縁特性を有するｐＭＯＶを生じる。
【００３９】
図３Ａおよび図３Ｂは、それぞれｐＭＯＶおよび従来のセラミックバリスタの形成に関わる工程のうちのいくつかを示すフローチャートである。図３Ａは、本発明の実施形態を形成するためのフローチャートを示す。図３Ｂは、従来のセラミックバリスタを形成するためのフローチャートを示す。図３Ｂに記載した従来の方法と比較して、図３Ａに記載した本出願のバリスタを形成する方法は、非常に簡素で複雑でないことが分かり得る。
【００４０】
従来のセラミックバリスタを製造する最も一般的な方法は、Ｂｉ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３、ＣｏＯ、ＭｎＯ、Ｃｒ２Ｏ３または任意のそれらの組み合わせのような他の無機酸化物添加剤をＺｎＯに添加して、その混合物を約１０００℃の温度で焼結させることである。従来のセラミックバリスタについて、ＺｎＯ出発材料は、通常、数μｍの大きさであるが、焼結後には、粒径４０２は、図４に示すように、約１０μｍ〜約１５０μｍに増大する。粒径４０２の増大は、存在する他の無機酸化物添加剤の種類、焼結工程の温度および継続時間に依存する。加えて、前記他の無機酸化物添加剤を含む粒界層４００は、ＺｎＯ結晶粒４０２のまわりに形成される。図４から分かるように、従来のセラミックバリスタにおいて、ＺｎＯ結晶粒４０２の大きさ、または粒界４００の厚さを制御することは、これらの因子がバリスタの電気的性質を決定するにもかかわらず、非常に困難である。
【００４１】
さらに、比較的高温での焼結によるセラミック材料の形成中に、焼結体内には多くの細孔が生じる。これらの細孔は焼結過程中に生じ、その形成は制御するのが困難である。さらに、これらの細孔は電気的に不安定であり、バリスタ製品における破壊または欠陥につながるブレークダウン（ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）または膨張を引き起こし得る。
【００４２】
従来のセラミックバリスタの場合、ＺｎＯ粒結晶は半導体として作用し、粒界は絶縁体として作用するが、規定された電圧より大きな電圧が印加されると、絶縁層によって与えられた絶縁は、トンネル効果のために打ち勝たれ、電流が流れ始める。
【００４３】
対照的に、ｐＭＯＶについては、簡素で複雑でない形成方法を用いることができ、該方法により、バリスタの主要成分、すなわちＺｎＯおよび樹脂は、射出成形に適した温度で一緒に混合され、次いで射出成形されてバリスタを形成する。より詳細には、特定の大きさを有するＺｎＯ粉末またはＺｎＯ結晶粒子を単に樹脂と混合して、バリスタを形成する。この方法により、ＺｎＯ粒子出発材料の形状および大きさがバリスタの形成中に維持される。これは、焼結工程中にＺｎＯ粒径が増大する従来のセラミックバリスタにおけるＺｎＯ粒径とは異なる。さらに、ｐＭＯＶの合成中に、混合する工程が最適化されている場合には、細孔はほとんど形成されない。これもまた、焼結工程中に多数の細孔が形成される従来のセラミックバリスタとは異なる。
【００４４】
ｐＭＯＶにおいて、前記樹脂は従来のセラミックバリスタの粒界の均等物として作用する。すなわち、前記樹脂は高抵抗絶縁層として作用する。前記樹脂はまた、ＺｎＯ粒子に対してバインダーとして作用する。ｐＭＯＶにおいて、ＺｎＯ粉末出発材料の形状または大きさ（粒径）、および前記樹脂とのその体積配合比を単に変更することによって、バリスタの単位体積当たりの電気的性質を決定することが可能である。例えば、ＺｎＯの粒径が２０μｍであり、かつ前記粒子がポリアセタール樹脂の層内に、その成形体（ｃｏｍｐａｃｔ）が１ｍｍの板厚を有するように封入される場合、前記粒子が理想的に配列されているならば、Ｖｃ＝１０００／２０×３ｅＶ（ＺｎＯのエネルギーレベル）＝１５０Ｖである。
【００４５】
今度はバリスタの例示的かつ非限定的な実施形態を開示する。
【００４６】
酸化亜鉛（ＺｎＯ）は純粋または実質的に純粋な供給源からのものであり得る。前記ＺｎＯの供給源は、不純物を実質的に含まないか、または完全に含まなくてよい。前記ＺｎＯの供給源は、約０．０１％未満、約０．０５％未満、約０．１％未満、約０．２％未満、約０．５％未満、または約１％未満の不純物を含有してもよい。前記ＺｎＯの供給源は、約０．１％未満の不純物を含有してもよい。
【００４７】
前記ＺｎＯは結晶質であってよい。前記ＺｎＯは多結晶質であってもよい。前記ＺｎＯは、結晶子（ｃｒｙｓｔａｌｌｉｔｅｓ）の形態にあってもよい。前記ＺｎＯは、粉末の形態にあってもよい。前記ＺｎＯは、粒子の形態にあってもよい。前記ＺｎＯは、粒子の形態にあってもよい。前記ＺｎＯは、結晶粒子の形態にあってもよい。
【００４８】
前記ＺｎＯは実質的に均一な大きさであり得る。前記酸化亜鉛（ＺｎＯ）粒子の大きさは、約１μｍ〜約５０μｍ、約１μｍ〜約２０μｍ、約１μｍ〜約５μｍ、約１μｍ〜約１０μｍ、約１μｍ〜約１５μｍ、約５μｍ〜約２０μｍ、約５μｍ〜約１０μｍ、約５μｍ〜約１５μｍ、約１０μｍ〜約１５μｍ、約１０μｍ〜約２０μｍ、または約１５μｍ〜約２０μｍの範囲にあり得る。前記酸化亜鉛（ＺｎＯ）粒子の大きさは、約５μｍ〜約５０μｍの範囲にあってもよい。
【００４９】
前記ＺｎＯ粒子は有利には狭い粒径分布を有し得る。前記ＺｎＯ粒子は、粒子の約８０％超、または約８５％超、または約９０％超、または約９５％超、または約９６％超、または約９７％超、または約９８％超、または約９９％超が、約１μｍ〜約５０μｍの大きさを有する粒径分布を有してもよい。
【００５０】
前記酸化亜鉛（ＺｎＯ）粒子が小さ過ぎる（例えば１μｍ未満である）場合には、前記粒子は凝集することがあり、樹脂と混合したときにバリスタの効率を低下させる。前記ＺｎＯ粒子が大き過ぎる（例えば５０μｍを超える）場合には、前記粒子は混合する工程中に砕けることがあり、ＺｎＯ粒子をもはや前記混合物内において実質的に均一な大きさではなくし、従って、バリスタの効率を低下させる。
【００５１】
前記酸化亜鉛（ＺｎＯ）粒子は、前記樹脂内において実質的に均一に分散され得る。前記酸化亜鉛（ＺｎＯ）粒子は、前記樹脂内に均質的に分散され得る。前記酸化亜鉛（ＺｎＯ）粒子が前記樹脂中に均一に分散されていない場合には、バリスタ電圧の変動が増大することがあり、バリスタが予測不可能な特性を有するようになる。バリスタ特性が予測不可能であることにより、バリスタの製造におけるコスト効率および時間的効率が低減され得、それは商業化に適さないものとなる。例えば、バリスタ電圧の変動はバリスタ厚さの変化につれて増大し得、それにより製造中にバリスタ特性を予測不可能なものにする。
【００５２】
樹脂中に分散された酸化亜鉛（ＺｎＯ）の均質性によって影響を受け得るバリスタの特に重要な特性は、制限電圧である。樹脂中における酸化亜鉛（ＺｎＯ）粒子の均質性は、バリスタ製品の制限電圧に影響を与え得る。バリスタ製品の制限電圧が高過ぎる（本出願における指定より高い）場合には、前記バリスタは、サージが生じるイベントにおいて保護されるべき電気装置または電子装置を保護することができないことがある。対照的に、制限電圧が低過ぎる場合には、前記バリスタは、電力線からの定格電圧下における定電流漏れにより、破壊されるであろう。そのため、バリスタが一定した制限電圧のような特性を有することを保証するためには、酸化亜鉛（ＺｎＯ）粒子が樹脂内において実質的に均一に分散されることが有利であり得る。
【００５３】
前記バリスタは、酸化亜鉛（ＺｎＯ）以外の無機酸化物を実質的に含まなくてよい。他の無機酸化物はＺｎＯ以外の金属酸化物であり得る。他の無機酸化物としては、ＺｎＯ以外の、Ｂｉ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３、ＣｏＯ、ＭｎＯ、Ｃｒ２Ｏ３、ＮｉＯ、または任意のそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００５４】
開示されるバリスタは、いかなるセラミック材料も含まない。開示されるバリスタは、セラミック材料ではない。
【００５５】
前記樹脂はポリマーであり得る。前記樹脂は、バリスタに用いるために適当な特性を有する任意のポリマーであり得る。前記ポリマーは、バリスタに用いるために適当な機械的、電気的および熱的性質を有し得る。前記樹脂は熱可塑性ポリマーであってもよい。熱可塑性ポリマーは、それらが優れた成形特性を有するので、熱硬化性プラスチックポリマー（ｔｈｅｒｍｏｓｅｔｔｉｎｇ  ｐｌａｓｔｉｃ  ｐｏｌｙｍｅｒｓ）よりも好ましい。とりわけ、前記熱可塑性ポリマーは、加熱された溶融した樹脂が圧力下で成形される射出成形法により適している。
【００５６】
好ましくは、前記樹脂は、メチレン基（−ＣＨ２−）およびエーテル基（−Ｏ−）を有するポリエーテル構造を含んでいでもよい。より好ましくは、前記樹脂は、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアセタール、ポリアクリル酸メチル、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、パーフルオロアルコキシエチレンおよびそれらの任意の混合物からなる群から選択されてもよい。これらの熱可塑性ポリマーは、バリスタに用いられるための理想的な電気的、熱的、および／または機械的性質を有し得る。これらのうち、ポリアセタールは、高温における加熱変形に対して優れた耐性を有する。すなわち、ポリアセタールは高温において優れた耐クリープ性を有し、これはポリアセタールをバリスタで使用するのに理想的なものにしている。
【００５７】
前記酸化亜鉛は、約５０ｖｏｌ％〜約８０ｖｏｌ％、約５０ｖｏｌ％〜約５５ｖｏｌ％、約５０ｖｏｌ％〜約６０ｖｏｌ％、約５０ｖｏｌ％〜約６５ｖｏｌ％、約５０ｖｏｌ％〜約７０ｖｏｌ％、約５０ｖｏｌ％〜約７５ｖｏｌ％、約５５ｖｏｌ％〜約６０ｖｏｌ％、約５５ｖｏｌ％〜約６５ｖｏｌ％、約５５ｖｏｌ％〜約７０ｖｏｌ％、約５５ｖｏｌ％〜約７５ｖｏｌ％、約５５ｖｏｌ％〜約８０ｖｏｌ％、約６０ｖｏｌ％〜約６５ｖｏｌ％、約６０ｖｏｌ％〜約６５ｖｏｌ％、約６０ｖｏｌ％〜約７０ｖｏｌ％、約６０ｖｏｌ％〜約７５ｖｏｌ％、約６０ｖｏｌ％〜約８０ｖｏｌ％、約６５ｖｏｌ％〜約７０ｖｏｌ％、約６５ｖｏｌ％〜約７５ｖｏｌ％、約６５ｖｏｌ％〜約８０ｖｏｌ％、約７０ｖｏｌ％〜約７５ｖｏｌ％、約７０ｖｏｌ％〜約８０ｖｏｌ％、または約７５ｖｏｌ％〜約８０ｖｏｌ％の範囲で前記バリスタ中に存在してもよく、残量は前記樹脂から構成されている。
【００５８】
一実施形態において、前記酸化亜鉛は、樹脂媒体内における酸化亜鉛粒子の充填を最適化するために、約６５ｖｏｌ％〜約７０ｖｏｌ％の範囲で前記バリスタ中に存在する。別の実施形態では、前記酸化亜鉛は、前記樹脂媒体内における酸化亜鉛粒子の充填を最適化するために、約６５ｖｏｌ％で前記バリスタ中に存在する。
【００５９】
前記バリスタ中に存在する酸化亜鉛の量が低く過ぎる（例えば約５０ｖｏｌ％未満）か、または高過ぎる（例えば約８０ｖｏｌ％超）場合には、前記酸化亜鉛粒子の充填は最適ではないことがあり、前記樹脂中における前記酸化亜鉛の分散の均一性を低下させる。理論に縛られるものではないが、ＺｎＯ粒子は、該粒子が理想的に回転楕円体状かつ均一である場合には、樹脂の立方体内の空間の７５％を占有し得るが、前記粒子がそれほど回転楕円体状ではないか、またはそれほど均一でない場合には、空間の８０％までを占有し得る。前記樹脂中に分散された酸化亜鉛の低い均質性は、製造されたバリスタの予測不能の特性を生じ得る。
【００６０】
前記バリスタが前記樹脂内における酸化亜鉛の均一な分散物から形成されるときには、バリスタ電圧の変動は、約２０％未満、約１０％未満、または約５％未満であり得る。一実施形態において、バリスタの厚さが変更されるときのバリスタ電圧の変動は約５％未満であり得る。一実施形態において、前記樹脂中に６５ｖｏｌ％の酸化亜鉛が存在する場合に、前記バリスタの厚さが変更されるときのバリスタ電圧の変動は約５％未満であり得る。前記バリスタは、その目的および用いられる場所に応じて、様々な形状および大きさを呈してもよい。円盤状のバリスタの片面上に電極５０２を備えたバリスタの一例を図５に示す。図５はコーティング５００、電極５０２、ディスク本体５０４、およびリード５０６を示している。バリスタがとることができる別の形状はボックスセル形であってもよい。
【００６１】
前記バリスタは、約０．１ｍｍ〜約５ｍｍ、約０．１ｍｍ〜約０．５ｍｍ、約０．１ｍｍ〜約１ｍｍ、約０．１ｍｍ〜約１．５ｍｍ、約０．１ｍｍ〜約２ｍｍ、約０．５ｍｍ〜約１ｍｍ、約０．５ｍｍ〜約１．５ｍｍ、約０．５ｍｍ〜約２ｍｍ、約０．５ｍｍ〜約５ｍｍ、約１ｍｍ〜約１．５ｍｍ、約１ｍｍ〜約２ｍｍ、約１ｍｍ〜約５ｍｍ、約１．５ｍｍ〜約２ｍｍ、約１．５ｍｍ〜約５ｍｍ、または約２ｍｍ〜約５ｍｍの範囲にある厚さを有し得る。
【００６２】
前記バリスタは、前記混合物の少なくとも１つの表面に接触した少なくとも１つの金属電極をさらに備えてもよい。前記バリスタは、前記混合物の両表面に接触した一対の金属電極をさらに備えてもよい。前記バリスタは、前記混合物の２つの表面にそれぞれ接触した２つの電極をさらに備えてもよい。図５に示すように、前記バリスタが円盤状である場合には、前記２つの電極の各々は前記円盤のいずれかの面に接触しているであろう。前記電極は、銀、錫、ニッケルまたはそれらの任意の混合物を含むが、これらに限定されるものではない。前記電極は、約１０ｍｍ、約２０ｍｍ、または約３０ｍｍの長さを有し得る。前記電極は、約２０ｍｍの長さを有してもよい。前記電極は、約０．５ｍｍ、約０．８ｍｍ、または約１．０ｍｍの直径を有し得る。前記電極は約０．８ｍｍの直径を有してもよい。
【００６３】
前記電極は、導電性エポキシ樹脂を用いて、バリスタ混合物に取り付けられ得る。
【００６４】
前記バリスタは、前記混合物の表面に施されたコーティングをさらに備えてもよい。前記コーティングは前記バリスタを保護するために施され得る。前記コーティングは絶縁ポリマーを含有してもよい。前記コーティングはエポキシ樹脂を含有してもよい。前記コーティングは、約０．３ｍｍ、約０．５ｍｍ、または約０．７ｍｍの厚さを有してもよい。前記コーティングは約０．５ｍｍの厚さを有してもよい。
【００６５】
前記バリスタは、少なくとも４５００Ｖ、少なくとも５０００Ｖ、少なくとも５５００Ｖ、少なくとも６０００Ｖ、少なくとも６５００Ｖ、または少なくとも７０００Ｖのサージ電圧に耐えることができ得る。
【００６６】
前記バリスタは、５％未満、４％未満、３％未満、２％未満、１％未満、０．５％未満または０．３％未満の空隙率を有し得る。有利には、低い空隙率は、開示されるバリスタに従来のバリスタよりも良好な絶縁特性および良好な非線形抵抗特性を与える。さらに有利には、低い空隙率によりブレークダウンまたは膨張の可能性が低下する。従って、開示されるバリスタは、従来のバリスタよりも安定した製品である。
【００６７】
今度はバリスタを製造する方法の例示的かつ非限定的な実施形態を開示する。
【００６８】
バリスタを製造する方法は、固体酸化亜鉛粒子と樹脂媒体との実質的に均質な混合物を混合することを含み得る。前記方法は、前記樹脂を溶融し、その樹脂中に前記固体酸化亜鉛粒子を懸濁させる条件下で前記混合物を加熱する工程を含み得る。
【００６９】
前記方法は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）および樹脂を提供する工程をさらに含み得る。前記方法は、前記樹脂と混合される実質的に均一な粒径の酸化亜鉛粒子を選択する工程を含み得る。
【００７０】
前記混合する工程は、前記樹脂媒体内に酸化亜鉛粒子の固相を実質的に均一に分散させる条件下で行われ得る。前記混合する工程は、前記混合物を均一な物質（ｕｎｉｆｏｒｍ  ｍａｓｓ）に混合および加工する任意の過程を含み得る。その方法がＺｎＯを樹脂と混合する機能を果たす限り、当業者に既知のいかなる混合方法が用いられてもよいことに留意すべきである。前記混合する工程は混合機を用いて実施されてもよい。前記混合する工程は混練を含んでもよい。混練は混練反応器を用いて実施されてもよい。前記酸化亜鉛（ＺｎＯ）粒子は、ポリアセタールのような熱可塑性樹脂と混合されて、バリスタ製品を形成するために成形されてもよい。
【００７１】
前記混合する工程は、均質にされる混合物を生じ得る。
【００７２】
前記加熱する工程は、混合する工程の前または後に、同時に行われてもよい。前記加熱する工程は、ＺｎＯと樹脂とを混合するのに適した温度で行われてもよい。前記加熱する工程は、前記樹脂の粘度を低減する温度で実施されてもよい。前記加熱する工程は、焼結に関連した温度より実質的に低い温度で実施されてもよい。前記加熱する工程は、前記混合物の液化点より約５０％、約６０％、または約７０％低い温度で実施されてもよい。
【００７３】
前記加熱する工程は、約１００℃〜約３００℃、約１００℃〜約１５０℃、約１００℃〜約２００℃、約１００℃〜約２５０℃、約１５０℃〜約２００℃、約１５０℃〜約２５０℃、約１５０℃〜約３００℃、約２００℃〜約２５０℃、約２００℃〜約３００℃、または約２５０℃〜約３００℃の範囲にある温度で行われ得る。
【００７４】
前記混合および／または加熱する工程は、固体酸化亜鉛粒子と樹脂媒体との実質的に均質な混合物を生じるのに十分な継続時間にわたって実施され得る。前記混合する工程は、約０．５時間〜約２時間、約０．５時間〜約１時間、約０．５時間〜約１．５時間、約１時間〜約１．５時間、約１時間〜約２時間、または約１．５時間〜約２時間の範囲にある継続時間にわたって実施されてもよい。
【００７５】
前記混合する工程が混練を含む実施形態において、前記混練は、約１００ｒｐｍ〜約２００ｒｐｍ、約１００ｒｐｍ〜約１２５ｒｐｍ、約１００ｒｐｍ〜約１５０ｒｐｍ、約１００ｒｐｍ〜約１７５ｒｐｍ、約１２５ｒｐｍ〜約１５０ｒｐｍ、約１２５ｒｐｍ〜約１７５ｒｐｍ、約１２５ｒｐｍ〜約２００ｒｐｍ、約１５０ｒｐｍ〜約１７５ｒｐｍ、約１５０ｒｐｍ〜約２００ｒｐｍ、または約１７５ｒｐｍ〜約２００ｒｐｍの範囲にある混練速度で実施されてもよい。
【００７６】
バリスタを製造する方法は、前記混合物を成形する工程をさらに含み得る。前記成形する工程は、前記混合物に形状を与えるいかなる工程を含んでもよい。その方法が前記ＺｎＯと樹脂との混合物をバリスタに成形する機能を果たす限り、当業者に既知のいかなる成形方法が用いられてもよいことに留意すべきである。前記成形する工程は射出成形を含んでもよい。前記射出成形する工程は、前記混合物を加熱されたバレルに供給する工程と、前記混合物を混合して型穴内に送り込む工程とを含んでもよく、前記型穴において、前記混合物は冷えて、前記型穴の形状に硬化し得る。前記送り込む工程は、ラムまたはネジ式プランジャーを用いて実施されてもよい。前記射出成形は、射出成形機によって実施されてもよい。
【００７７】
開示される方法は、公称電圧の目標値を得るために、前記混合物を所定の厚さの形にプレスすることを含んでもよい。ＺｎＯ粒径が一定である限り、ｐＭＯＶのバリスタ電圧（Ｖｃ）はｐＭＯＶの板厚によって制御され得る。
【００７８】
一実施形態において、前記バリスタを製造する方法は焼結工程を含まない。前記方法は、製造工程のいかなる時点においても焼結工程を必要としなくてよい。すなわち、前記バリスタは、全体として、焼結工程を有することなく、合成され得る。具体的には、前記ＺｎＯは前記樹脂と混合される前に焼結される必要がなくてよい。
【００７９】
焼結は、従来、高温下で長時間にわたって実施されるので、実施するのに高価であり、かつ時間が掛かり得る。開示される方法は、有利には、焼結させる工程を完全に排除し得ることにより、製造方法を簡素化する。前記製造方法の簡素な性質により、開示されるバリスタの大量生産はより容易になるであろう。さらに、開示される方法によって製造された前記バリスタの品質は、焼結工程を必要とする従来のセラミックバリスタと比較して、より良好で、かつより一定しているであろう。
【００８０】
更に、ＺｎＯを他の金属添加剤と混合して焼結させる追加工程がないので、ＺｎＯの粒径は、前記樹脂と混合および／または加熱した後でさえ、同じままである。よって、前記ＺｎＯの粒径は実質的に均一であり得る。加えて、前記ＺｎＯ粒子は、前記樹脂内に実質的に均質に分散され得る。
【００８１】
開示される方法は、溶融した前記樹脂を凝固させて、前記樹脂媒体内に実質的に均一に分散された酸化亜鉛粒子の固相を形成することをさらに含み得る。
【００８２】
前記ｐＭＯＶと従来のセラミックバリスタとの間における特性の差は、ｐＭＯＶが極僅かな細孔しか有さないことによるものであり得る。前記ｐＭＯＶ中に存在する細孔の量は、０．１ｖｏｌ％未満、０．２ｖｏｌ％未満、０．５ｖｏｌ％未満、０．７ｖｏｌ％未満、または１ｖｏｌ％未満であり得る。前記ｐＭＯＶ中に存在する細孔の量は０．５ｖｏｌ％未満であってもよく、またポリアセタール樹脂の優れたクリープ特性によるものであってもよい。
【００８３】
前記ＺｎＯ粒子が平面内に規則正しい方法で理想的に配列されている場合には、電流経路の数は前記平面内のＺｎＯ粒子の数に比例的に依存し得る。すなわち、電流経路の数は、成形体の水平面の面積に依存するであろう。
【００８４】
前記ｐＭＯＶは、バリスタの性能を不安定にする細孔が非常に僅かしか存在しないこと、および優れたクリープ特性を有するポリアセタール樹脂の使用に加えて、存在する多数の電流経路によって、高い許容電流および大きなα値を有し得る。
【００８５】
バリスタを製造する方法は、少なくとも１つの電極を提供する工程をさらに含んでもよい。電極形成（ｅｌｅｃｔｒｏｄｉｎｇ）工程は、前記バリスタに少なくとも１つの電極を提供する任意の工程を含み得る。バリスタを製造する方法は、一対の電極を提供する工程をさらに含んでもよい。前記電極形成工程は、一対の電極を提供する任意の工程を含んでもよい。その方法が前記バリスタに少なくとも１つの電極を提供する機能を果たす限り、当業者に既知のいかなる電極形成方法が用いられてもよいことに留意すべきである。前記電極形成工程は、前記バリスタ表面上に焼成された厚膜銀によって行われてもよい。次に、リード線またはストラップ端子が適所にはんだ付けされてもよい。前記バリスタにリードを接続するために、エポキシのような導電性接着剤が用いられてもよい。
【００８６】
開示される方法は、前記混合物にコーティングを施す工程を含んでもよい。前記コーティング工程は、前記酸化亜鉛と樹脂との混合物をパッケージ化するか、または保護する任意の工程を含み得る。前記コーティング工程は封入工程（ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎ  ｓｔｅｐ）を含んでもよい。前記コーティングは、前記混合物を保護することができる任意の適当な材料であり得る。例えば、プラスチック、エポキシまたはフェノールコーティングを用いることができる。
【００８７】
本発明について本願では特定の実施形態に関して説明してきたが、当業者には、本発明における多くの変更および変形が容易に想起されるであろう。従って、そのような変形および変更はすべて意図した本発明の範囲内に含まれる。
【実施例】
【００８８】
本発明の非限定的な例について、特定の実施例を参照することによってさらにより詳細に説明する。前記実施例は、いかなる場合にも本発明の範囲を限定するように解釈されるべきでない。
【００８９】
実施例１：ｐＭＯＶの形成
ｐＭＯＶを形成するために、２０μｍの平均直径を有するＺｎＯ粒子をポリアセタール樹脂と、樹脂の６５体積％の配合比で混合した。前記混合する工程は混練機（ラボラトリー  ニーダー（Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ  Ｋｎｅａｄｅｒ）  ＴＤＲ１００−３、トーシン（日本））内において実施した。続いて、その混合物を２００℃で加熱および混合し、１ｍｍの板厚および１０ｍｍの直径を有するバリスタに成形した。前記成形する工程は、１５０ＭＰａおよび２００℃において、３０ｍｍ／ｓの射出速度で実施した。
【００９０】
実施例２：ｐＭＯＶの電気的性質
実施例１に記載した方法によって形成したバリスタの電気的性質を試験した。
【００９１】
バリスタ電圧（Ｖｃ）
実施例１のｐＭＯＶの測定されたバリスタ電圧（Ｖｃ）は、１３０Ｖであった。実施例１のｐＭＯＶの計算されたＶｃは、Ｖｃ＝１０００／８  ×  ３  ＝３７５Ｖであるので、ｐＭＯＶが理想値に近いバリスタ電圧を有することは明らかである。この測定はまた、ＺｎＯ粒径が一定である限り、ｐＭＯＶのＶｃはｐＭＯＶの板厚によって制御され得ることを示している。
【００９２】
これは、図６においてさらに支援される。図６では、３つの異なる厚さ、すなわち、０．４ｍｍ（試料１）（６０１）、０．８ｍｍ（試料２）（６０２）、および１．８ｍｍ（試料３）（６０３）を有するバリスタのバリスタ電圧を測定した。すべての試料は樹脂中に６５ｖｏｌ％のＺｎＯを含有していた。各厚さについて、３つの試料を測定した。ｐＭＯＶのＶｃはバリスタ厚さに応じて一貫して変化することは明らかである。
インパルス波形
さらに、ｐＭＯＶの特性を評価するために、国際的に認められた基準８／２０μｓ試験インパルス波形実験を実施した。前記バリスタ特性は、６ｋＶで５０パルスを印加した後には変化せず、ｐＭＯＶへの損傷の兆候はなかった。従来のセラミックバリスタを用いた比較例では、４ｋＶの単一パルスの印加によって、前記バリスタは破壊された。理論によって縛られるものではないが、前記ｐＭＯＶと従来のセラミックバリスタとの間におけるこの特性の差は、ｐＭＯＶが極僅か（０．５ｖｏｌ％未満）の細孔しか有さないこととと、前記ポリアセタール樹脂の優れたクリープ特性とによるものと考えられる。
【００９３】
許容電流
図７は、実施例１で合成したｐＭＯＶの電圧電流特性を示す。同様の形状および大きさ（断面積）を有する従来のセラミックバリスタ７００と比較して、ｐＭＯＶ７０２は、２０倍高い許容電流を示した。さらに、バリスタ性能を示すα値は、約５０であることが示された。これは５種の他の金属添加剤を有する「理想的な」従来のセラミックバリスタにほぼ等しい。
【００９４】
理論に縛られるわけではないが、前記ＺｎＯ粒子が規則正しい方法で平面内に理想的に配列されている場合には、電流経路の数は、図８に示すように、前記平面内のＺｎＯ粒子の数に比例的に依存すると考えられる。すなわち、電流経路の数は、成形体の水平面の面積に依存するであろう。
【００９５】
そのような高い許容電流およびα値がｐＭＯＶについて観測された理由は、バリスタの性能を不安定にする細孔が非常に僅かしか存在しないこと、および優れたクリープ特性を有するポリアセタール樹脂の使用に加えて、存在する多数の電流経路によると考えられる。
【００９６】
さらに、図７に示した結果はまた、ｐＭＯＶの応用がより小型のバリスタの製造を可能にするだろうことを示している。前記バリスタ自身がより小型になれば、携帯機器におけるその応用も可能になるであろう。
【００９７】
実施例３
実施例１に記載した方法によってバリスタを形成し、その電気的性質を既知の従来のセラミックＭＯＶ（リテルヒューズ（Ｌｉｔｔｅｌｆｕｓｅ）（登録商標）Ｖ２５１ＨＢ３４）の電気的性質と比較した。その比較を下記の表２にまとめた。
【００９８】
【表２】
2018505569.tif 000004
【００９９】
従って、従来のセラミックバリスタと比較して、ｐＭＯＶはより良好な電気的性質を示したことは明らかである。特に、従来のセラミックバリスタと比較して、ｐＭＯＶの制限（ブレークダウン）電圧はより低く、ｐＭＯＶの耐サージ能力は５０％高く、信頼性は１０倍高く、かつ、耐えることができるサージの総数はほぼ９倍高い。
【０１００】
図９Ａは、この実施例のｐＭＯＶのインパルス電圧電流特性を示す。前記部品は典型的なバリスタ効果８００を示している。図９Ｂは、従来のｐＭＯＶ８１０と比較されたこの実施例８００のｐＭＯＶのインパルス電圧電流特性を示す。従来のバリスタは他の金属酸化物と共にＺｎＯを含有している。図９Ｂに見られるように、従来のバリスタ８１０は非線形のバリスタ特性を示さなかった。とりわけ、従来のバリスタ８１０は１０００Ｖの後ではバリスタ特性を示さなかったのに対して、本出願の実施形態に従ったバリスタ８００の非線形の抵抗特性は維持された。
【０１０１】
図１０Ａは従来のバリスタ部品の空隙の顕微鏡写真を示しており、一方、図１０Ｂはこの実施例のｐＭＯＶの空隙の顕微鏡写真を示している。従来のバリスタ部品の粒子の平均空隙率は、１１．４１％であることが示されているのに対し、この実施例のｐＭＯＶの粒子の平均空隙率は０．２３％であることが示されている。従って、従来のバリスタの平均空隙率は、本出願の実施形態に従ったバリスタの平均空隙率よりほぼ５０倍高い。
【０１０２】
従来のＭＯＶとｐＭＯＶとの間のさらなる比較は、以下において表３にまとめる。
【０１０３】
【表３】
2018505569.tif 000005
【０１０４】
応用
開示されるバリスタは、酸化亜鉛以外の無機酸化物を実質的に含まなくてよい。従って、高価かつ／または有害な無機酸化物添加剤は、開示されるバリスタまたは開示されるバリスタの製造において必要とされなくてよい。
【０１０５】
開示される方法は、高価かつ時間の掛かる焼結の工程を排除し得る。従って、開示される方法は有利に簡素かつ簡単である。更に、開示される方法の簡素な性質のために、開示されるバリスタの大量生産はより容易であろう。加えて、開示される方法によって製造された前記バリスタの品質は、製造するために焼結工程を必要とする従来のセラミックバリスタと比較して、より良好でより一定しているであろう。ＺｎＯを他の金属添加剤とともに焼結する工程を有さなので、ＺｎＯの粒径は、開示される方法の混合および／または加熱する工程の後でさえ同じままであり得る。従って、開示されるバリスタは、実質的に均一な大きさであり、かつ有利には前記樹脂内に実質的に均質的に分散され得るＺｎＯ粒子を含有し得る。
【０１０６】
開示されるｐＭＯＶを広範囲の用途に用いることが可能であり、例えば、機能性フィルムの表面上にｐＭＯＶを付着させることにより薄膜バリスタを形成したり、または３Ｄ印刷技術を用いて異なる特性を有する３Ｄバリスタを形成したりすることが可能であり得る。
【０１０７】
さらに、ｐＭＯＶの応用は、より小型のバリスタの製造を可能にしてもよい。前記バリスタ自身がより小型になれば、携帯機器におけるその応用も可能になるであろう。
【０１０８】
前述の開示を読んだ後、当業者には、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本発明の様々な他の変更および改造が明らかになることは明らかであろう。また、すべてのそのような変更および改造は添付された特許請求の範囲の範囲内に入ることが意図される。
【図１】
2018505569.tif 000006
【図２】
2018505569.tif 000007
【図３Ａ】
2018505569.tif 000008
【図３Ｂ】
2018505569.tif 000009
【図４】
2018505569.tif 000010
【図５】
2018505569.tif 000011
【図６】
2018505569.tif 000012
【図７】
2018505569.tif 000013
【図８】
2018505569.tif 000014
【図９Ａ】
2018505569.tif 000015
【図９Ｂ】
2018505569.tif 000016
【図１０Ａ】
2018505569.tif 000017
【図１０Ｂ】
2018505569.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成28年11月18日(2016.11.18)
【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】
樹脂媒体内に実質的に均一に分散された酸化亜鉛粒子の固相を含むバリスタであって、前記酸化亜鉛は、５０ｖｏｌ％〜８０ｖｏｌ％の範囲で前記バリスタ中に存在し、前記ＺｎＯまたは前記バリスタは焼結されていない、バリスタ。
【請求項２】
前記バリスタは、酸化亜鉛以外の無機酸化物を実質的に含まない、請求項１に記載のバリスタ。
【請求項３】
前記酸化亜鉛粒子は実質的に均一な大きさである、請求項１または２に記載のバリスタ。
【請求項４】
前記酸化亜鉛粒子の大きさは、１μｍ〜５０μｍの範囲にある、請求項３に記載のバリスタ。
【請求項５】
前記樹脂はポリマーである、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のバリスタ。
【請求項６】
前記樹脂は熱可塑性物質である、請求項５に記載のバリスタ。
【請求項７】
前記樹脂は、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアセタール、ポリアクリル酸メチル、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、パーフルオロアルコキシエチレンおよびそれらの任意の混合物からなる群から選択される、請求項６に記載のバリスタ。
【請求項８】
前記酸化亜鉛は、６５ｖｏｌ％〜７０ｖｏｌ％の範囲で前記バリスタ中に存在する、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のバリスタ。
【請求項９】
前記バリスタの少なくとも１つの表面と接触した一対の電極をさらに備える、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のバリスタ。
【請求項１０】
前記バリスタの少なくとも１つの表面に施されたコーティングをさらに備える、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のバリスタ。
【請求項１１】
前記バリスタは、少なくとも５０００Ｖのサージ電圧に耐えることができる、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のバリスタ。
【請求項１２】
前記バリスタは５％未満の空隙率を有する、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のバリスタ。
【請求項１３】
前記バリスタは０．１ｍｍ〜５ｍｍの範囲の厚さを有する、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のバリスタ。
【請求項１４】
バリスタを製造する方法であって、該方法は、
固体酸化亜鉛粒子と樹脂媒体との実質的に均質な混合物を混合する工程であって、前記酸化亜鉛は５０ｖｏｌ％〜８０ｖｏｌ％の範囲で前記混合物中に存在する、工程と、
前記樹脂を溶融し、その樹脂中に前記固体酸化亜鉛粒子を懸濁させる条件下で前記混合物を加熱する工程と
を含み、焼結の工程は実施されない、方法。
【請求項１５】
溶融した前記樹脂を凝固させて、前記樹脂媒体内に実質的に均一に分散された酸化亜鉛粒子の固相を形成する工程をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記混合物は、酸化亜鉛以外の無機酸化物を実質的に含まない、請求項１４または１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記酸化亜鉛粒子は実質的に均一な大きさである、請求項１４乃至１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
前記酸化亜鉛粒子の大きさは、１μｍ〜５０μｍの範囲にある、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記混合する工程は混練を含む、請求項１４乃至１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
前記混合物を成形する工程をさらに含む、請求項１４乃至１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
前記成形する工程は射出成形を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記樹脂はポリマーである、請求項１４乃至２１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
前記樹脂は熱可塑性物質である、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記樹脂は、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアセタール、ポリアクリル酸メチル、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、パーフルオロアルコキシエチレンおよびそれらの任意の混合物からなる群から選択される、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記酸化亜鉛は、６５ｖｏｌ％〜７０ｖｏｌ％の範囲で前記混合物中に存在する、請求項１４乃至２４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２６】
前記加熱する工程は１００℃〜３００℃の温度範囲で行われる、請求項１４乃至２５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２７】
前記混合する工程は、０．５時間〜２時間の範囲の継続時間にわたって実施される、請求項１４乃至２６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２８】
前記混合する工程は、１００ｒｐｍ〜２００ｒｐｍの範囲の混練速度で実施される混練を含む、請求項１４乃至２７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２９】
一対の電極を提供する工程をさらに含む、請求項１４乃至２８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３０】
前記混合物にコーティングを施す工程をさらに含む、請求項１４乃至２９のいずれか１項に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
第１態様において、樹脂媒体内に実質的に均一に分散された酸化亜鉛粒子の固相を含むバリスタであって、前記酸化亜鉛は、５０ｖｏｌ％〜８０ｖｏｌ％の範囲で前記バリスタ中に存在し、前記ＺｎＯまたは前記バリスタは焼結されていない、バリスタが提供される。
【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】
第２態様では、バリスタを製造する方法が提供される。前記方法は、固体酸化亜鉛粒子と樹脂媒体との実質的に均質な混合物を混合する工程であって、前記酸化亜鉛は５０ｖｏｌ％〜８０ｖｏｌ％の範囲で前記混合物中に存在する、工程と、前記樹脂を溶融し、その樹脂中に前記固体酸化亜鉛粒子を懸濁させる条件下で前記混合物を加熱する工程とを含み、焼結の工程は実施されない。
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３Ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３Ｂ】
2018505569.tif 000019
【国際調査報告】
2018505569.tif 000020
2018505569.tif 000021