JP3554778B2

JP3554778B2 - Nonlinear dielectric element

Info

Publication number: JP3554778B2
Application number: JP01162198A
Authority: JP
Inventors: 真一小林; 久志和田; 俊也江角; 善隆影山; 晴信佐野; 和宏原田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1998-01-23
Filing date: 1998-01-23
Publication date: 2004-08-18
Anticipated expiration: 2018-01-23
Also published as: JPH11214257A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば高輝度放電灯（ＨＩＤランプ）の始動時のように高圧パルスを発生させるのに好適に用いられる非線形誘電体素子に関し、より詳細には、電極材料の改良により非線形特性が改善された非線形誘電体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高輝度を実現するランプとして上記ＨＩＤランプが用いられている。この種のＨＩＤランプには、高圧ナトリウムランプやメタルハライドランプのように、始動時に１〜４ｋＶ程度の高圧パルスを必要とするものがある。そこで、この種のＨＩＤランプでは、高圧パルスを発生させるために、非線形特性を有するコンデンサが組み込まれている。
【０００３】
例えば、特公平５−８７９４０号公報には、上記高圧パルスを発生させるための非線形コンデンサが内蔵された高圧放電ランプが開示されている。この先行技術に記載の非線形コンデンサの構造を、図３に示す。
【０００４】
コンデンサ５１は、チタン酸バリウム系セラミックスよりなるセラミック板５２の両面に、電極５３，５４を形成した構造を有する。電極５３，５４の中央には、接合材５５ａ，５５ｂを介してリード端子５６，５７が接合されている。また、リード端子５６，５７が引き出されている部分を除いて全体が、ガラスペーストを塗布し、焼き付けることにより形成されたガラス被覆層５８により被覆されている。
【０００５】
上記電極５３，５４は、Ａｇ粉末、並びにホウ珪酸ガラスやホウ珪酸鉛ガラスを含む導電ペーストを塗布し、焼き付けることにより形成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の非線形コンデンサ５１では、チタン酸バリウム系セラミックスよりなるセラミック板５２が本来持っている非線形特性を十分に引き出すことができないという問題があった。これは、電極５３，５４の形成に用いられている導電ペースト中のガラスフリットが、電極焼き付け時にセラミック板５２に拡散し、セラミック板５２の非線形特性を低下させているためと考えられる。
【０００７】
本発明の目的は、上述した先行技術の欠点を解消し、非線形特性を有する誘電体セラミックスの非線形特性を十分に引き出すことができ、良好な非線形特性を発揮し得る非線形誘電体素子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、電界−電荷特性においてヒステリシスを示す非線形誘電体素子であって、非線形特性を示す誘電体セラミックスよりなる誘電体と、前記誘電体の第１，第２の面にそれぞれ形成された第１，第２の電極とを備え、前記第１，第２の電極が、金属粉末と、ホウ珪酸鉛ビスマス系ガラス及び／またはホウ珪酸バリウム系ガラスとを含むことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、上記金属粉末１００体積％に対し、上記ホウ珪酸鉛ビスマス系ガラス及び／またはホウ珪酸バリウム系ガラスが１０体積％未満、好ましくは５体積％以下の割合で配合されている。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、上記非線形誘電体素子が、高圧パルス発生用コンデンサであることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の非線形誘電体素子の一実施例を示す側面図である。非線形誘電体素子１は、ＨＩＤランプにおける高圧パルス発生用コンデンサとして用いられるものである。
【００１２】
非線形誘電体素子１は、非線形特性を示す誘電体セラミックスよりなる板状の誘電体２を用いて構成されている。なお、本明細書において、非線形特性とは、電界−電荷特性においてヒステリシスを示す特性をいうものとする。上記誘電体２は、このような非線形特性を発揮し得る適宜の誘電体セラミックスにより構成されるが、例えば、チタン酸バリウム系セラミック材料を好適に用いることができる。
【００１３】
誘電体２の第１の面としての上面２ａ上に第１の電極３が、第２の面としての下面２ｂ上に第２の電極４が形成されている。
【００１４】
本実施例の非線形誘電体素子１では、上記電極３，４は、金属粉末と、ホウ珪酸鉛ビスマス系ガラス及び／またはホウ珪酸バリウム系ガラスとを含む導電ペーストを塗布し、焼き付けることにより形成されている。従って、電極３，４は、上記金属粉末と、ホウ珪酸鉛ビスマス系ガラス及び／またはホウ珪酸バリウム系ガラスとを含む。
【００１５】
本実施例の非線形誘電体素子１では、電極３，４が、上記組成を有するため、十分な非線形特性を発揮する。これは、本願発明者らにより実験的に確かめられたものである。すなわち、従来の非線形誘電体素子５１で用いられていた電極ペーストでは、ホウ珪酸ガラスやホウ珪酸鉛ガラスを用いていたため、電極ペースト焼き付け時に、これらのガラス粉末が誘電体セラミックスの粒界に侵入し、粒界層が厚くなり、電界−電荷特性における上記ヒステリシスが鈍らされることが見出された。これに対して、上記ホウ珪酸鉛ビスマス系ガラス及びホウ珪酸バリウム系ガラスを用いた場合、セラミックスに拡散し難いためか、誘電体２が本来有している非線形特性を十分に発揮し得ることが確かめられた。これを、具体的な実験例に基づき説明する。
【００１６】
非線形特性を示す誘電体材料として、チタン酸バリウム系セラミック粉末を乾式プレスし、焼成することにより、直径１８ｍｍ×厚さ１ｍｍの円板状の誘電体２を作製した。この誘電体２の両面に、Ａｇ粉末１００体積％に対し、下記の表１に示す種々のガラスフリット５体積％を配合してなる導電ペーストを用意し、該導電ペーストを直径１７ｍｍの円板状となるように誘電体２の両面に印刷し、８５０℃で焼き付け、実施例１，２及び比較例１〜５の各非線形誘電体素子を作製した。
【００１７】
上記のようにして得られた非線形誘電体素子について、図２に示す回路を用いて発生パルス電圧を測定した。すなわち、図２に示す回路では、電源１１に直列に４００Ｗの高圧水銀ランプ用安定器１２が接続されており、該高圧水銀ランプ用安定器１２の後段に、非線形誘電体素子１及びブレークオーバー電圧１５０Ｖの半導体スイッチ１３が接続されている。また、Ｖは電圧計を示す。
【００１８】
実施例１，２及び比較例１〜５の各非線形誘電体素子１を図２に示したように接続し、発生パルス電圧を測定したところ、下記の表１に示す結果が得られた。
【００１９】
【表１】

【００２０】
表１から明らかなように、比較例１，２では、発生パルス電圧が１８００Ｖ、１７００Ｖと低かったが、これは、Ｂ−Ｓｉ−Ｐｂ系あるいはＢ−Ｓｉ−Ｂｉ系ガラスのセラミック内への拡散によるものと考えられる。
【００２１】
また、比較例３，４では、それぞれ、パルス電圧が１５５０Ｖ及び１７００Ｖと低かったが、これは、誘電体と電極との界面においてＢ−Ｓｉ−Ｃａ系またはＢ−Ｓｉ−Ｋ系ガラスが界面層を形成しているためと考えられる。さらに、比較例５では、パルス電圧が１２５０Ｖとかなり低かったが、これは、Ｂ−Ｓｉ−Ｚｎ系ガラス粉末は、セラミックス中のチタン酸バリウムと反応し、非線形特性を大幅に低下させているためと考えられる。
【００２２】
これに対して、実施例１，２では、それぞれ、ガラスフリットとしてホウ珪酸鉛ビスマス系ガラス及びホウ珪酸バリウム系ガラスを用いたため、発生パルス電圧は２１００Ｖ及び２０００Ｖであった。
【００２３】
従って、表１の結果から、ガラスフリットとして、ホウ珪酸鉛ビスマス系ガラスあるいはホウ珪酸バリウム系ガラスを用いることにより、同じ誘電体を用いた場合であっても、誘電体自体の持つ非線形特性を十分に発揮させ得ることがわかる。
【００２４】
次に、ホウ珪酸鉛ビスマス系ガラスまたはホウ珪酸バリウム系ガラスをガラスフリットとして用いて電極を形成した非線形誘電体素子において、ガラスフリットの配合割合を変化させ、発生パルス電圧の変化を測定した。すなわち、表２に示すように、Ａｇ粉末１００体積％に対し、ホウ珪酸鉛ビスマス系ガラス及びホウ珪酸バリウム系ガラスの配合割合を、それぞれ、３、５、１０体積％とした導電ペーストを用い、各非線形誘電体素子を得、発生パルス電圧を上記実験例と同様にして測定した。結果を下記の表２に示す。
【００２５】
【表２】

【００２６】
表２から明らかなように、ホウ珪酸鉛ビスマス系ガラス及びホウ珪酸バリウム系ガラスのいずれを用いた場合であっても、ガラスフリットの配合割合が１０体積％に至ると、パルス電圧が１７００Ｖあるいは１５００Ｖと低下することがわかる。従って、表２の結果から、これらのガラスフリットを用いる場合、金属粉末１００体積％に対し、１０体積％未満の割合で配合することが好ましいことがわかる。
【００２７】
また、表１及び表２の結果では、ガラスフリットとして、ホウ珪酸鉛ビスマス系ガラスあるいはホウ珪酸バリウム系ガラスをそれぞれ単独で用いたが、これらのガラスフリットがセラミックス内への拡散を生じ難く、かつセラミックス中のチタン酸バリウムと反応し難いため、これらを併用した場合においても同様の結果が得られると推測される。
【００２８】
なお、上述した実験例では、金属粉末としてＡｇ粉末を用いたが、金属粉末としては、良好な導電性を発揮し得るものである限り特に限定されず、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、ＮｉあるいはＰｄ粉末もしくはこれらの合金粉末を適宜用いることができ、その場合であっても、上記実験例と同様の効果が得られる。
【００２９】
また、図１では、誘電体２の両面に電極３，４を形成したが、電極３，４を形成した後に、従来の非線形コンデンサ５１と同様に絶縁ガラス層等を形成したり、あるいはリード端子等を接合してもよく、その場合であっても、電極３，４が既に誘電体２に接合されているため、良好な非線形特性を発揮し得る非線形誘電体素子とすることができる。
【００３０】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明に係る非線形誘電体素子では、非線形特性を示す誘電体セラミックスよりなる誘電体の第１，第２の面に形成される第１，第２の電極が、金属粉末と、ホウ珪酸鉛ビスマス系ガラス及び／またはホウ珪酸バリウム系ガラスとを含むため、これらのガラスが電極形成時の焼き付けに際し、誘電体中に拡散し難く、かつ誘電体との界面に界面層を形成し難い。よって、非線形特性を有する誘電体セラミックスを用いた誘電体の非線形特性を十分に発揮させることができ、良好な非線形特性を発揮し得る非線形誘電体素子を提供することが可能となる。
【００３１】
請求項２に記載の発明では、上記金属粉末１００体積％に対し、ホウ珪酸鉛ビスマス系ガラス及び／またはホウ珪酸バリウム系ガラスが１０体積％未満の割合で配合されているので、上記実験例から明らかなように、良好な非線形特性を発揮し得る非線形誘電体素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る非線形誘電体素子を示す側面図。
【図２】実験例において非線形誘電体素子を評価するために構成した回路を説明するための回路図。
【図３】従来の非線形コンデンサを説明するための断面図。
【符号の説明】
１…非線形誘電体素子
２…誘電体
３，４…電極[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a non-linear dielectric element suitably used for generating a high-voltage pulse, for example, when starting a high-intensity discharge lamp (HID lamp). More specifically, the non-linear dielectric element is improved by improving an electrode material. The present invention relates to a nonlinear dielectric element.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, the HID lamp has been used as a lamp for realizing high luminance. Some HID lamps of this type require a high-pressure pulse of about 1 to 4 kV at startup, such as a high-pressure sodium lamp or a metal halide lamp. Therefore, in this type of HID lamp, a capacitor having a non-linear characteristic is incorporated in order to generate a high-voltage pulse.
[0003]
For example, Japanese Patent Publication No. 5-87940 discloses a high-pressure discharge lamp having a built-in non-linear capacitor for generating the high-voltage pulse. FIG. 3 shows the structure of the nonlinear capacitor described in the prior art.
[0004]
The capacitor 51 has a structure in which

electrodes

53 and 54 are formed on both surfaces of a ceramic plate 52 made of barium titanate-based ceramic.

Lead terminals

56 and 57 are bonded to the centers of the

electrodes

53 and 54 via

bonding materials

55a and 55b. Except for the portions from which the

lead terminals

56 and 57 are drawn out, the entirety is covered with a glass coating layer 58 formed by applying and baking a glass paste.
[0005]
The

electrodes

53 and 54 are formed by applying and baking a conductive paste containing Ag powder and borosilicate glass or lead borosilicate glass.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described conventional nonlinear capacitor 51 has a problem in that the nonlinear characteristics inherent to the ceramic plate 52 made of barium titanate-based ceramics cannot be sufficiently brought out. This is probably because the glass frit in the conductive paste used to form the

electrodes

53 and 54 diffuses into the ceramic plate 52 when the electrodes are baked, thereby reducing the nonlinear characteristics of the ceramic plate 52.
[0007]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned drawbacks of the prior art and to provide a nonlinear dielectric element which can sufficiently draw out the nonlinear characteristics of dielectric ceramics having nonlinear characteristics and can exhibit good nonlinear characteristics. It is in.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 is a nonlinear dielectric element exhibiting hysteresis in electric field-charge characteristics, wherein a dielectric made of dielectric ceramics exhibiting nonlinear characteristics and a first and second surface of the dielectric are provided. It is provided with first and second electrodes respectively formed, wherein the first and second electrodes include metal powder and lead-bismuth borosilicate glass and / or barium borosilicate glass. I do.
[0009]
According to the second aspect of the present invention, the lead-bismuth borosilicate glass and / or the barium borosilicate glass is blended in an amount of less than 10% by volume, preferably 5% by volume or less with respect to 100% by volume of the metal powder. ing.
[0010]
The invention according to claim 3 is characterized in that the nonlinear dielectric element is a high-voltage pulse generating capacitor.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a side view showing one embodiment of the nonlinear dielectric element of the present invention. The nonlinear dielectric element 1 is used as a high-voltage pulse generating capacitor in an HID lamp.
[0012]
The nonlinear dielectric element 1 is configured using a plate-shaped dielectric 2 made of dielectric ceramics exhibiting nonlinear characteristics. In this specification, the non-linear characteristic refers to a characteristic that exhibits hysteresis in the electric field-charge characteristic. The dielectric 2 is made of an appropriate dielectric ceramic capable of exhibiting such non-linear characteristics. For example, a barium titanate-based ceramic material can be suitably used.
[0013]
A first electrode 3 is formed on an upper surface 2a as a first surface of the dielectric 2, and a second electrode 4 is formed on a lower surface 2b as a second surface.
[0014]
In the nonlinear dielectric element 1 of the present embodiment, the

electrodes

3 and 4 are formed by applying and baking a conductive paste containing metal powder and lead-bismuth borosilicate glass and / or barium borosilicate glass. ing. Therefore, the

electrodes

3 and 4 include the above-mentioned metal powder and lead-bismuth borosilicate glass and / or barium borosilicate glass.
[0015]
In the nonlinear dielectric element 1 of the present embodiment, the

electrodes

3 and 4 have the above-described composition, and thus exhibit sufficient nonlinear characteristics. This has been experimentally confirmed by the present inventors. That is, since the borosilicate glass and the lead borosilicate glass are used in the electrode paste used in the conventional nonlinear dielectric element 51, these glass powders penetrate into the grain boundaries of the dielectric ceramics when the electrode paste is baked. It has been found that the grain boundary layer becomes thicker, and the above-mentioned hysteresis in the electric field-charge characteristics is blunted. On the other hand, when the above-mentioned lead bismuth borosilicate-based glass and barium borosilicate-based glass are used, it is difficult to diffuse into ceramics, and it is possible to sufficiently exhibit the nonlinear characteristics inherent to the dielectric 2. I was assured. This will be described based on specific experimental examples.
[0016]
As a dielectric material exhibiting non-linear characteristics, a barium titanate-based ceramic powder was dry-pressed and fired to produce a disk-shaped dielectric 2 having a diameter of 18 mm and a thickness of 1 mm. On both sides of this dielectric 2, a conductive paste was prepared by blending 5% by volume of various glass frits shown in Table 1 below with respect to 100% by volume of Ag powder, and the conductive paste was disc-shaped with a diameter of 17 mm. Were printed on both surfaces of the dielectric 2 and baked at 850 ° C. to produce the nonlinear dielectric elements of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 5.
[0017]
With respect to the nonlinear dielectric element obtained as described above, the generated pulse voltage was measured using the circuit shown in FIG. That is, in the circuit shown in FIG. 2, a 400 W high-pressure mercury lamp ballast 12 is connected in series with a power supply 11, and a nonlinear dielectric element 1 and a breakover voltage are provided downstream of the high-pressure mercury lamp ballast 12. A 150 V semiconductor switch 13 is connected. V indicates a voltmeter.
[0018]
Each of the nonlinear dielectric elements 1 of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 5 was connected as shown in FIG. 2 and the generated pulse voltage was measured. The results shown in Table 1 below were obtained.
[0019]
[Table 1]

[0020]
As is clear from Table 1, in Comparative Examples 1 and 2, the generated pulse voltage was as low as 1800 V and 1700 V, but this was due to the diffusion of B-Si-Pb or B-Si-Bi glass into the ceramic. It is thought to be due to.
[0021]
In Comparative Examples 3 and 4, the pulse voltage was as low as 1550 V and 1700 V, respectively. This is because the B-Si-Ca-based or B-Si-K-based glass was used at the interface between the dielectric and the electrode. Is considered to be formed. Furthermore, in Comparative Example 5, the pulse voltage was considerably low at 1250 V. This is because the B-Si-Zn-based glass powder reacts with barium titanate in ceramics and greatly reduces nonlinear characteristics. it is conceivable that.
[0022]
On the other hand, in Examples 1 and 2, lead bisborosilicate glass and barium borosilicate glass were used as the glass frit, so that the generated pulse voltages were 2100 V and 2000 V, respectively.
[0023]
Therefore, from the results in Table 1, it can be seen from the results of Table 1 that the use of lead-bismuth borosilicate-based glass or barium borosilicate-based glass as the glass frit allows the nonlinear characteristics of the dielectric itself to be sufficiently improved even when the same dielectric is used. It can be seen that it can be demonstrated.
[0024]
Next, in a nonlinear dielectric element in which an electrode was formed using a lead bismuth borosilicate glass or a barium borosilicate glass as a glass frit, the change in the generated pulse voltage was measured by changing the mixing ratio of the glass frit. That is, as shown in Table 2, a conductive paste in which the mixing ratio of lead bismuth borosilicate-based glass and barium borosilicate-based glass was 3, 5, 10% by volume with respect to 100% by volume of Ag powder, Each nonlinear dielectric element was obtained, and the generated pulse voltage was measured in the same manner as in the above experimental example. The results are shown in Table 2 below.
[0025]
[Table 2]

[0026]
As is evident from Table 2, the pulse voltage becomes 1700 V or 1500 V when the glass frit content reaches 10% by volume, regardless of the use of lead bismuth borosilicate glass or barium borosilicate glass. It turns out that it falls. Therefore, from the results in Table 2, it can be seen that when these glass frits are used, it is preferable to mix them in a ratio of less than 10% by volume with respect to 100% by volume of the metal powder.
[0027]
Further, in the results of Tables 1 and 2, lead bismuth borosilicate-based glass or barium borosilicate-based glass was used alone as the glass frit, but these glass frit hardly diffused into ceramics, and Since it does not easily react with barium titanate in ceramics, it is presumed that similar results can be obtained even when these are used in combination.
[0028]
In the above-described experimental examples, Ag powder was used as the metal powder. However, the metal powder is not particularly limited as long as it can exhibit good conductivity. For example, Cu, Al, Ni, or Pd powder may be used. Alternatively, these alloy powders can be appropriately used, and even in such a case, the same effect as that of the above-described experimental example can be obtained.
[0029]
1, the

electrodes

3 and 4 are formed on both surfaces of the dielectric 2, but after the

electrodes

3 and 4 are formed, an insulating glass layer or the like is formed in the same manner as the conventional nonlinear capacitor 51, or the lead terminals are formed. In such a case, since the

electrodes

3 and 4 are already joined to the dielectric 2, a non-linear dielectric element capable of exhibiting good non-linear characteristics can be obtained.
[0030]
【The invention's effect】
In the non-linear dielectric element according to the first aspect of the present invention, the first and second electrodes formed on the first and second surfaces of the dielectric made of dielectric ceramic exhibiting non-linear characteristics are made of metal powder. , Lead-bismuth borosilicate-based glass and / or barium borosilicate-based glass, it is difficult for these glasses to diffuse into the dielectric during baking at the time of electrode formation, and an interface layer is formed at the interface with the dielectric. Difficult to do. Therefore, it is possible to sufficiently exhibit the nonlinear characteristics of a dielectric using dielectric ceramics having nonlinear characteristics, and to provide a nonlinear dielectric element capable of exhibiting excellent nonlinear characteristics.
[0031]
According to the second aspect of the present invention, the lead-bismuth borosilicate-based glass and / or the barium borosilicate-based glass are blended in a ratio of less than 10% by volume with respect to 100% by volume of the metal powder. As is apparent, it is possible to provide a nonlinear dielectric element that can exhibit good nonlinear characteristics.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view showing a nonlinear dielectric element according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram for explaining a circuit configured to evaluate a nonlinear dielectric element in an experimental example.
FIG. 3 is a sectional view for explaining a conventional nonlinear capacitor.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Nonlinear dielectric element 2 ... Dielectric 3, 4 ... Electrode

Claims

A non-linear dielectric element exhibiting hysteresis in electric field-charge characteristics,
A dielectric made of dielectric ceramics exhibiting nonlinear characteristics;
First and second electrodes respectively formed on first and second surfaces of the dielectric,
A nonlinear dielectric element, wherein the first and second electrodes include a metal powder and a lead-bismuth borosilicate glass and / or a barium borosilicate glass.

2. The nonlinear dielectric according to claim 1, wherein the lead-bismuth borosilicate-based glass and / or the barium borosilicate-based glass are contained in a proportion of less than 10% by volume with respect to 100% by volume of the metal powder. element.

3. The nonlinear dielectric element according to claim 1, wherein the non-linear dielectric element is a high-voltage pulse generating capacitor.