JPH0126168B2 - - Google Patents
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- JPH0126168B2 JPH0126168B2 JP56011159A JP1115981A JPH0126168B2 JP H0126168 B2 JPH0126168 B2 JP H0126168B2 JP 56011159 A JP56011159 A JP 56011159A JP 1115981 A JP1115981 A JP 1115981A JP H0126168 B2 JPH0126168 B2 JP H0126168B2
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Description
本発明は、チタン酸バリウム系(BaTiO3)を
主成分とする強誘電性多結晶体磁器によつて構成
した電圧感応性容量素子に関する。
一般にBaTiO3系磁器を中心としたペロブスカ
イト形結晶構造を有する、ABO3形強誘電体磁器
の応用分野としては、高誘電率の利用、圧電的性
質の利用等が主たる応用分野である。この内、強
誘電体磁器は磁器コンデンサの誘電体として広く
用いられ、あらゆる分野に最も多く使用されてい
る。この理由は、他のコンデンサたとえば、マイ
カ、紙、フイルム系のものが、比誘電率εsが、3
〜15程度であるのに比べ、BaTiO3系では、εsが
20000程度のものが、実用化されており、他の物
質より格段に高い比誘電率が得られるため小形
で、簡単な構造で高い容量値が得られるからであ
る。
反面、磁器組成物は、焼き物であるが故にフイ
ルムや紙を用いたコンデンサの構造のように巻回
や折り曲げ加工することが難しく体積として比較
した場合には、決して高い容量が与えられるもの
ではない。
一般に容量値は、次のような式とパラメーター
により与えられる。
C:容量値(F)
εo:真空の誘電率
C=εo×εs×S/tεs:比誘電率(誘電体物質の
もつ誘電率)
S:電極の重なり面積(m2)
t:誘電体厚み(m)
この式に示すように大容量を得ようとすれば厚
みtを小さくし、比誘電率の高い誘電体を使用
し、電極の重なり面積Sを大きくすることが必要
である。
しかし、第1図に示すような構造の磁器コンデ
ンサの一般的構造では、機械的強度や占有面積の
制限により実用化されているには、せいぜい
0.05μF程度の容量のものである。これ以上の容量
値を磁器コンデンサで得られるものとして、第2
図に示すような積層形磁器コンデンサがある。こ
のようなものであると一層の誘電体厚みが十分に
薄くても多層になつているため、トータルの厚み
が厚くなり、機械的強度が得られ、又電極を多層
化することにより、電極面積つまり比表積を大き
く取得することが出来、結果的には大容量が得ら
れるものである。
このように積層形磁器コンデンサは、小体積で
大容量を得られるが、反面多層する内部電極に貴
金属が用いられる為に非常にコスト高であるこ
と、誘電体層が薄い為に耐電圧の高いものを製作
することは困難であるとの欠点を有している。
つまり、積層形磁器コンデンサは、誘電体と電
極が同時焼成、形成されるという製造プロセスに
より得られるが、この焼成温度は通常1300〜1450
℃という高い温度であり、内部電極材としてPt、
Au、Pd、Ag又はこれ等の合金といつた非常に高
価な貴金属が用いられる。このために積層形磁器
コンデンサは非常に高価となつてしまい普及を妨
げる大きな問題となつている。更に、高耐電圧大
容量の積層形コンデンサを得ようとすると誘電体
を厚くしなければならず、一層当りの容量値が小
さくなるために電極数を増さなければならず、更
に高価となつてしまうため特殊な用途以外には用
いられていないのが現状である。
しかし、高信頼性で小形であり高耐電圧大容量
のものの要求は最近特に強くなりその対応をせま
られていた。例えば、500〜600v(o―p)程度
のサージ吸収用コンデンサとして0.1μF程度のも
のは、省エネルギーと関連して、モーター制御用
サイリスタの保護回路に多く使われているが、高
耐熱でなければならないために、積層形磁器コン
デンサが最適であるにもかかわらず価格の面で全
面的に使用出来なかつた。
これらの用途に適合する小形高耐電圧大容量で
しかも、低価格のコンデンサの提供を目的に鋭意
研究を重ねた結果、これらの要求を完全に満たす
ことが出来る電圧感応性容量素子を見出したもの
である。
以下に本発明の主旨についてのべる。
高耐電圧を得るためには、誘電体の厚みは一定
限度以下とすることは、難しいことと価格的な面
を考えると第1図に示すような構造とすることと
し、比誘電率(εs)の高い組成系により大容量を
得ることを目的として種々の強誘電体磁器組成物
で検討を重ねた結果、実用上使用可能な比誘電率
(εs)としては、前述の如く20000程度のものしか
得ることは出来なかつた。そこで、その結果につ
いて種々考察検討の結果、BaTiO3系磁器の交流
電圧特性に着目した。
BaTiO3系の高誘電率磁器組成物について特公
昭52−44440に引用されているように、交流電圧
を印加することにより見掛上のεsが100〜140%程
度(2〜2.4倍程度)増加することは良く知られ
ている。
しかし、このような増加率では極めて不満足で
あり最低でも10倍程度の増加率を示すものが望ま
しい。したがつてこのような従来例の特性では、
他の応用々途が考えられず、むしろ増加率が少な
く容量値が電圧に対し安定な方が、他の用途面が
拓けるというのが、特公昭52−44440の主旨であ
る。本発明は、逆に交流電圧の印加に対し十分に
容量値の増加率を高めることが出きないが、それ
により、更に多くの応用々途を拓くことの可能性
の追求に基づき研究が行なわれたものである。
比誘電率(εs)が測定電圧(印加電圧)により
変化するということは、比誘電率(εs)即ち、分
極現象に電圧依存性があることを示すものと考え
た。通常の磁器誘電体に於ては、比誘電率εsは電
圧依存性を無視し得るものとされ、誘電体中の電
束密度Dは、次式により決定される。
D:電束密度(C/m2)
D=εE ε:誘電率
εo:真空の誘電率
ε=εoεs εs:比誘電率(誘電体のもつ誘電率)
E:印加される電界(v/mm)
この関係を観測する手段としてソーヤ・タワー
の回路でD―Eヒステリシスを見ることが一般的
である。第3図に通常の誘電体としてTiO2系の
高誘電率磁器誘電体のD―Eヒステリシスループ
を示す。
このヒステリシスループを見ると通常の誘電体
は、D―Eがリニアな関係にあることは明確であ
るが、BaTiO3係の磁器誘電体の場合は直線関係
になく誘電率(ε)が印加される電界Eにより変
化していることを示峻するものである。そこで、
このBaTiO3系高誘電率磁器をコンデンサとし
て、容量電圧特性をシエーリングブリツジを用い
て、測定した結果第4図に示すように特公昭52−
44440で引用される程度の容量増加率を示すこと
が再確認された。そこで容量増加率を高く、最低
でも10倍程度の容量増加率となる様につまり、電
圧感応性容量素子としての感応度を高めるため
に、本発明者らは強誘電体磁器組成物について、
鋭意研究の結果、BaTiO3単独もしくはPb、Sn、
Zr、Srなどの副成分をBaTiO3のTi又はBaの一
部を置換したものが基本組成物として良好な結果
を得た。BaTiO3系以外のものについては容量増
加率が低いかあるいは、非常に高い交流電界を印
加しないと容量増加率が高くならず、磁器の耐電
圧との関係から実用的ではなかつた。その結果を
第一表に示す。更にこのような基本組成に鉱化剤
としてMn、Cr酸化物を微量含有させることによ
つて特性を損うことなく磁器焼結に際して還元防
止あるいは、その焼結性が向上、より緻密で均質
な優れた多結晶体が得られることが判明した。
これは第6図及び第7図、及び第2表に示すよ
うに添加元素とその量により特性が異なりMn及
びCrが最も良くその適正添加量はMn0.01〜0.6重
量%、Cr0.01〜0.3重量%であつた。又両者を複
合添加含有されても良好な結果が得られた。
この添加量は通常の磁器誘電体の場合と多少異
なるものである。
The present invention relates to a voltage-sensitive capacitive element made of ferroelectric polycrystalline ceramic whose main component is barium titanate (BaTiO 3 ). In general, ABO 3 type ferroelectric ceramics, which have a perovskite crystal structure centered on BaTiO 3 type porcelains, are mainly applied to the use of high dielectric constant and piezoelectric properties. Among these, ferroelectric ceramics are widely used as dielectric materials for ceramic capacitors, and are most commonly used in all fields. The reason for this is that other capacitors, such as those made of mica, paper, or film, have a dielectric constant εs of 3.
In contrast, in the BaTiO 3 system, εs is around ~15.
20,000 is in practical use, and because it has a much higher relative dielectric constant than other materials, it is small and has a simple structure, but a high capacitance value can be obtained. On the other hand, since porcelain compositions are made from ceramics, they are difficult to wind and bend like the structure of capacitors using film or paper, and when compared in terms of volume, they do not provide high capacitance. . Generally, the capacitance value is given by the following formula and parameters. C: Capacitance value (F) εo: Vacuum permittivity C=εo×εs×S/tεs: Relative permittivity (permittivity of dielectric material) S: Overlapping area of electrodes (m 2 ) t: Dielectric thickness (m) In order to obtain a large capacity as shown in this equation, it is necessary to reduce the thickness t, use a dielectric material with a high relative dielectric constant, and increase the overlapping area S of the electrodes. However, the general structure of the ceramic capacitor shown in Figure 1 is difficult to put into practical use due to limitations in mechanical strength and area occupied.
It has a capacitance of about 0.05μF. If a capacitance value higher than this can be obtained with a ceramic capacitor, the second
There is a multilayer ceramic capacitor as shown in the figure. In such cases, even if the thickness of one dielectric layer is sufficiently thin, it is made up of multiple layers, which increases the total thickness and provides mechanical strength, and by making the electrodes multi-layered, the electrode area In other words, it is possible to obtain a large specific surface area, and as a result, a large capacity can be obtained. In this way, multilayer ceramic capacitors can obtain large capacity with a small volume, but on the other hand, they are very expensive because precious metals are used for the multilayer internal electrodes, and the dielectric layer is thin, so they have a high withstand voltage. The disadvantage is that it is difficult to manufacture. In other words, multilayer ceramic capacitors are obtained through a manufacturing process in which the dielectric and electrodes are simultaneously fired and formed, and this firing temperature is usually 1300 to 1450.
The temperature is as high as ℃, and Pt and Pt are used as internal electrode materials.
Very expensive precious metals such as Au, Pd, Ag or alloys thereof are used. For this reason, multilayer ceramic capacitors have become very expensive, which is a major problem that hinders their widespread use. Furthermore, in order to obtain a multilayer capacitor with high withstand voltage and large capacity, the dielectric must be made thicker, and the capacitance per layer becomes smaller, requiring an increase in the number of electrodes, which further increases the cost. Currently, it is not used for anything other than special purposes. However, the demand for high reliability, small size, high withstand voltage, and large capacity has recently become particularly strong, and it has been necessary to respond to these demands. For example, capacitors of about 0.1 μF for absorbing surges of about 500 to 600 V (op) are often used in protection circuits for motor control thyristors to save energy, but they must be highly heat resistant. Therefore, even though multilayer porcelain capacitors are optimal, they cannot be used completely due to cost. As a result of intensive research aimed at providing a small, high-withstand-voltage, large-capacity, low-cost capacitor suitable for these applications, we have discovered a voltage-sensitive capacitive element that can completely meet these requirements. It is. The gist of the present invention will be described below. In order to obtain a high withstand voltage, it is difficult to keep the thickness of the dielectric material below a certain limit, and considering the cost, we decided to adopt a structure as shown in Figure 1. ) As a result of repeated studies on various ferroelectric ceramic compositions with the aim of obtaining large capacity with a composition system with a high There was nothing I could do but get it. Therefore, after various discussions and examinations of the results, we focused on the AC voltage characteristics of BaTiO 3 -based porcelain. As cited in Japanese Patent Publication No. 52-44440 regarding BaTiO 3 -based high permittivity ceramic compositions, the apparent εs increases by approximately 100 to 140% (approximately 2 to 2.4 times) by applying an AC voltage. It is well known to do so. However, such an increase rate is extremely unsatisfactory, and it is desirable to have an increase rate of at least 10 times. Therefore, with such characteristics of the conventional example,
No other applications can be considered, and the gist of Japanese Patent Publication No. 52-44440 is that if the rate of increase is small and the capacitance value is stable with respect to voltage, other applications can be opened up. On the contrary, the present invention cannot sufficiently increase the rate of increase in capacitance value with respect to the application of alternating current voltage, but as a result, research is being conducted based on the pursuit of the possibility of opening up even more applications. It is something that was given. The fact that the dielectric constant (εs) changes with the measurement voltage (applied voltage) was considered to indicate that the dielectric constant (εs), that is, the polarization phenomenon, has voltage dependence. In a normal ceramic dielectric material, the voltage dependence of the relative permittivity εs can be ignored, and the electric flux density D in the dielectric material is determined by the following equation. D: Electric flux density (C/m 2 ) D=εE ε: Dielectric constant εo: Dielectric constant of vacuum ε=εoεs εs: Relative permittivity (permittivity of dielectric material) E: Applied electric field (v/mm ) It is common to observe DE hysteresis in the Sawyer Tower circuit as a means of observing this relationship. FIG. 3 shows the DE hysteresis loop of a TiO 2 -based high permittivity ceramic dielectric as a normal dielectric. Looking at this hysteresis loop, it is clear that in a normal dielectric material, DE has a linear relationship, but in the case of BaTiO 3 ceramic dielectric material, there is no linear relationship and a dielectric constant (ε) is applied. This clearly indicates that the change is caused by the electric field E. Therefore,
Using this BaTiO 3 based high dielectric constant porcelain as a capacitor, we measured the capacitance voltage characteristics using a shearing bridge, and the results were as shown in Figure 4.
It has been reconfirmed that the capacity increase rate is comparable to that cited in 44440. Therefore, in order to increase the capacity increase rate, at least 10 times the capacity increase rate, in other words, to increase the sensitivity as a voltage-sensitive capacitive element, the present inventors developed a ferroelectric ceramic composition.
As a result of intensive research, BaTiO 3 alone or Pb, Sn,
Good results were obtained as a basic composition in which part of Ti or Ba in BaTiO 3 was replaced with subcomponents such as Zr and Sr. For materials other than BaTiO 3 -based materials, the rate of increase in capacity is low, or the rate of increase in capacity does not increase unless a very high alternating current electric field is applied, making them impractical due to the relationship with the withstand voltage of porcelain. The results are shown in Table 1. Furthermore, by adding small amounts of Mn and Cr oxides as mineralizers to this basic composition, reduction can be prevented during porcelain sintering without impairing the properties, and the sinterability can be improved, resulting in more dense and homogeneous ceramics. It has been found that excellent polycrystalline materials can be obtained. As shown in Figures 6 and 7 and Table 2, the characteristics vary depending on the added elements and their amounts, and Mn and Cr are the best. It was 0.3% by weight. Good results were also obtained even when both were added in combination. This amount of addition is somewhat different from that of ordinary porcelain dielectrics.
【表】【table】
【表】
更にこれらの組成物の良好な範囲のものは、
BaTiO3もしくは、BaTiO3と副成分との固溶体
の結晶粒径が従来の強誘電体磁器もしくは、容量
増加率の低い組成物のものに比べ著しく巨大であ
り、特異であるという共通した現象を発見した。
即ちこれらの良好なものの磁器表面に占める10μ
以上の従来の磁器コンデンサとして用いられてい
る高誘電率系誘電体磁器のそれと比べ著しく巨大
に成長した粒子の数が多く容量増加率と巨大粒子
の数すなわち磁器平担面の巨大粒子の占める面積
の割合いとが密接に関連があることが発見され、
その割合いが65%以上になると容量増加率が増し
10倍以上になることが確認された。
これらの結果、本発明の電圧感応性容量素子は
新規なものとして容量電圧特性が極めて鋭敏で容
量増加率0.5v/mmを基準とした時500v/mmの印加
交流電界では、最大で455倍にもなり、これを比
誘電率に換算すると106となり、従来の最高のも
のの75倍にも増加し非常に画期的であるといえ
る。
又、この組成系では用途に応じ副成分の選択に
より任意に容量増加率を制御することが可能であ
り、最低でも10倍、最高で455倍の倍率となり、
応用用途が非常に拡大されるものとなつた。
以下実施例をあげて本発明を詳細に説明する。
第1図Aは、従来より用いられている円板形磁
器コンデンサの構造図であり、Bはその断面図で
ある。
第2図は、Aは積層形磁器コンデンサの構造図
であり、Bはその断面図である。
第3図は、従来より用いられる通常の磁器誘電
体(TIO2系)のD―Eヒステリシスループであ
る。
第4図は、現在用いられている高誘電率磁器コ
ンデンサ(εs=18000)でBaTiO3を主成分とし
たもののD―Eヒステリシスループを示す。
第5図は、第1表に示す組成の中で容量電圧特
性の代表例を示したものである。
第6図は、第2表に示す組成の中での容量電圧
特性代表例を示したものである。
第7図は、第2表に示す組成の中での代表的な
ものの400倍の表面結晶写真でありA、Bは容量
電圧特性が3〜5倍程度のものでC、Dは334倍
〜220倍のものである。
尚、第7図中、Aは第2表中No.5、BはNo.9、
CはNo.2、DはNo.7に該当する。
第8図は、BaTiO3―BaSnO3系の磁器平担面
の結晶サイズと容量電圧特性に於ける容量増加率
を示すものである。
第9図は第7図A、B、C、Dの磁器平担面の
結晶写真に対応した粒子サイズ別の数とその粒子
が全面積に占める割合いを画像解折装置により解
折し、ヒストグラムに表わしたものである。
実施例 1
原料粉末BaCO3、TiO2、SnO2、SrCO3、
ZrO2、PbO、MnCO3、Cr2O3の1種又は、1種
以上を第一表の所望組成となるようにポリエチレ
ンポツト、メノーボールを用いて湿式混合した。
脱水乾燥後1150℃で2時間保持し仮焼成せしめ、
その後ふたたびポリエチレンポツト、メノーボー
ルを用いて粉砕を行なつた。
水分を蒸発させたあとこれに適当量のバインダ
ーを加え、16.5φ、0.45m/mの円板に10トンプ
レスで加圧成型した。ついで1300〜1400℃で2時
間焼成せしめた。
かくして得られた磁器素子に銀電極を焼付、そ
の後半田でリード線を固定し、洗浄の上1KHz
0.5v/mmの電圧でLCRメータにて測定した値を基
準値とした。その後AC50Hzでシエーリングブリ
ツジを用い数vより500v(r、m、s)まで測定
電圧を変化させ容量値を測定し、その値を基準値
で除いた値を容量増加率とした。
この結果は、第1表及び第5図に示すように、
本発明範囲内即ち、BaTiO3を主成分としたもの
は、電圧感応性、即ち交流電圧印加時の容量増加
率が十分に高い値を示している。これは、
BaTiO3が他の組成系の強誘電磁器にくらべ特異
な性質をもつているものであることを示すもので
全く新しい現象の発見である。
実施例 2
実施例1で良好な容量増加率を示したものにつ
いて即ちBaTiO3を主成分としたものに対し添加
剤の種類と、その添加量の範囲について、調査検
討を加えた。それらの中で最も平均的なものにつ
いての例を第2表及び第6図に示した。即ち
BaTiO394モル%、BaSnO36モル%に添加剤とし
てMnCO3、Cr2O3の1種又は両者の複合添加第
2表及び第6図に示すように添加せしめて実施例
1と同様に測定した。
第2表において添加物の添加量によつて容量増
加率が格段に向上する効果を有する。これ等の添
加物を添加する時は、例えばMnは、MnCO3、
Crは、Cr2O3として添加したがこれに限定するも
のではなく、他の化合物として用いても同様の効
果がみとめられるものであり、その添加量も添加
する化合物の状態を勘案すべきであるが主成分に
対してCr2O3で0.01〜0.3重量%が実用範囲内と考
えられ0.3重量%以上では容量増加率の劣化が著
しくなつて好ましくない。第6図は容量増加率と
添加量をグラフに示したものであるがこの図から
見ても添加量が0.001〜0.3重量%の範囲が電気諸
特性、特に容量増加率が満足される範囲であると
言つてよい。この場合0.01重量%以下では素体が
焼結されず添加による効果が全くみとめられな
い。一方、同様にMnCO3については0.01〜0.6重
量%が実用範囲と考えられ、0.01重量%以下で
は、効果が認められず焼結困難であつた。
更にMnCO3、CrO2O3の添加によつて焼結に際
し、磁器の還元防止あるいはより緻密なる焼結を
促進する。
「第2表中」試料No.5、9は本発明範囲外であ
る。
実施例 3
以上述べてきた実施例1、2に於て磁器表面の
結晶粒子の大きさを観察した結果、粒子の大きさ
及びその分布とそれが表面積に占める割合と容量
増加率との間に密接な関連があることが判明し
た。良好な容量増加率を示すものは、いずれも粒
子が良く成長し従来の高誘電率磁器では見られな
い巨大結晶粒が数多く観察された。各サンプルの
表面を400倍の電子顕微鏡で撮影した結果を第7
図に示す。更にこれを画像解析装置で粒子の大き
さと分布を測定し巨大粒子が全面積に占める割合
いを計算した結果第9図に示すようなヒストグラ
ムとなつた。
尚粒子の大きさは、粒子の面積を測定し、粒子
が真円と仮定した時、その直径を粒子径とした。
このように測定した結果と容量増加率との間の関
係を第8図に示した。即ちBaTiO3を主成分とし
た組成系であつても結晶粒子の成長が十分に行な
われていないものについては、容量増加率が小さ
い。具体的には全面積の65%となる粒子の径が
10μ以下では交流電圧感応度が低く、つまり容量
増加率が小さく実用的ではないということであ
る。これは、新規な現象事実であり、新規な発見
でもある。
これらの理由については種々推測されるが、強
誘電性結晶内の分域の生成が、結晶粒の成長つま
り大きさと係り合いがあり、それが誘電分極の電
圧依存性を左右することが考えられる。又一般に
結晶粒が、小さいものは全面積に占める粒界の割
り合いが多くなりそれが全体としての強誘電性を
弱めること即ち、物理的歪を与えていることと機
械的にも結晶粒内に歪を与えていることが、上述
のように誘電分極の電圧依存性を弱めているもの
と考えられ結晶粒が十分に成長していることが、
電圧依存性を高める必要条件であることがこれら
の結果から推測される。
以上のような結果から本発明の電圧感応性容量
素子は交流電圧に対し、鋭敏に感応し、その電圧
により容量値が10倍以上最高で455倍にも増加し、
実に比誘率で106にも達し、画期的な素子として、
今後の応用用途について無限の可能性を秘めたも
のとなつた。このように本発明による電圧感応性
容量素子の電子工業界における有用性は、多大な
るものがある。[Table] Furthermore, the good range of these compositions is as follows:
Discovered a common phenomenon in which the crystal grain size of BaTiO 3 or a solid solution of BaTiO 3 and subcomponents is significantly larger and unique than that of conventional ferroelectric porcelain or compositions with low capacity increase rates. did.
That is, 10 μ on the porcelain surface of these good ones.
Compared to the high-permittivity dielectric ceramics used in the above-mentioned conventional ceramic capacitors, the number of particles that have grown to be significantly larger is the capacity increase rate and the number of giant particles, i.e., the area occupied by the giant particles on the flat ceramic surface. It was discovered that the proportion of
When the ratio exceeds 65%, the capacity increase rate increases.
It was confirmed that the increase was more than 10 times. As a result, the voltage-sensitive capacitive element of the present invention has extremely sensitive capacitance-voltage characteristics as a novel product, and when the capacitance increase rate is 0.5v/mm as a reference, the capacitance increase rate increases by up to 455 times in an applied AC electric field of 500v/mm. Converting this into a dielectric constant of 106 , it is 75 times higher than the previous best value, making it extremely groundbreaking. In addition, with this composition system, it is possible to arbitrarily control the capacity increase rate by selecting subcomponents depending on the application, with a minimum magnification of 10 times and a maximum of 455 times.
The range of applications has been greatly expanded. The present invention will be explained in detail below with reference to Examples. FIG. 1A is a structural diagram of a conventionally used disk-shaped ceramic capacitor, and FIG. 1B is a sectional view thereof. In FIG. 2, A is a structural diagram of a multilayer ceramic capacitor, and B is a cross-sectional view thereof. FIG. 3 shows a DE hysteresis loop of a conventional ceramic dielectric (TIO 2 type). FIG. 4 shows the DE hysteresis loop of a currently used high dielectric constant ceramic capacitor (εs=18000) whose main component is BaTiO 3 . FIG. 5 shows typical examples of capacitance-voltage characteristics among the compositions shown in Table 1. FIG. 6 shows typical examples of capacitance-voltage characteristics among the compositions shown in Table 2. Figure 7 is a 400x magnification surface crystal photo of typical compositions shown in Table 2. A and B have capacitance-voltage characteristics of about 3 to 5 times, and C and D have 334x - It is 220 times larger. In addition, in Figure 7, A is No. 5 in Table 2, B is No. 9,
C corresponds to No. 2 and D corresponds to No. 7. FIG. 8 shows the crystal size of BaTiO 3 --BaSnO 3 -based ceramic flat surface and the rate of increase in capacity in terms of capacitance-voltage characteristics. Figure 9 shows the number of grains by size and the ratio of the grains to the total area corresponding to the crystal photographs of the porcelain flat surfaces shown in Figures 7A, B, C, and D, which are analyzed using an image analysis device. This is expressed in a histogram. Example 1 Raw material powder BaCO 3 , TiO 2 , SnO 2 , SrCO 3 ,
One or more of ZrO 2 , PbO, MnCO 3 and Cr 2 O 3 were wet-mixed using a polyethylene pot and an agate ball to obtain the desired composition shown in Table 1.
After dehydration and drying, it was held at 1150℃ for 2 hours and calcined.
Thereafter, pulverization was performed again using a polyethylene pot and an agate ball. After the water was evaporated, an appropriate amount of binder was added to the mixture, and the mixture was pressure-molded into a 16.5φ, 0.45m/m disc using a 10-ton press. Then, it was baked at 1300 to 1400°C for 2 hours. A silver electrode was baked onto the thus obtained ceramic element, the lead wires were then fixed with solder, and after cleaning, a 1KHz
The value measured with an LCR meter at a voltage of 0.5v/mm was used as the reference value. Thereafter, the capacitance value was measured by changing the measurement voltage from several volts to 500 volts (r, m, s) using a Schering bridge at AC 50 Hz, and the value obtained by subtracting this value by the reference value was taken as the capacity increase rate. The results are as shown in Table 1 and Figure 5.
Those within the scope of the present invention, that is, those containing BaTiO 3 as the main component, exhibit sufficiently high voltage sensitivity, that is, the rate of increase in capacity when AC voltage is applied. this is,
This is a completely new discovery, showing that BaTiO 3 has unique properties compared to other ferromagnetic compositions. Example 2 Regarding the product that showed a good capacity increase rate in Example 1, that is, the product whose main component was BaTiO 3 , an investigation and study was conducted regarding the type of additive and the range of the amount added. Examples of the most average among them are shown in Table 2 and Figure 6. That is,
The same procedure as in Example 1 was carried out by adding one or both of MnCO 3 and Cr 2 O 3 as additives to 94 mol % of BaTiO 3 and 6 mol % of BaSnO 3 as shown in Table 2 and Figure 6. It was measured. Table 2 shows that the capacity increase rate can be significantly improved depending on the amount of additive added. When adding these additives, for example, Mn, MnCO 3 ,
Although Cr was added as Cr 2 O 3 , it is not limited to this; similar effects can be seen even when used as other compounds, and the amount added should also take into account the state of the compound to be added. However, 0.01 to 0.3% by weight of Cr 2 O 3 based on the main component is considered to be within the practical range, and if it exceeds 0.3% by weight, the capacity increase rate will deteriorate significantly, which is not preferable. Figure 6 is a graph showing the capacity increase rate and addition amount. From this figure, it can be seen that the range of addition amount of 0.001 to 0.3% by weight is the range that satisfies various electrical properties, especially the capacity increase rate. It is safe to say that there is. In this case, if it is less than 0.01% by weight, the element body will not be sintered and no effect of addition will be observed. On the other hand, similarly, 0.01 to 0.6% by weight of MnCO 3 is considered to be in the practical range, and if it is less than 0.01% by weight, no effect was observed and sintering was difficult. Furthermore, the addition of MnCO 3 and CrO 2 O 3 prevents reduction of the porcelain or promotes more dense sintering during sintering. Samples Nos. 5 and 9 "in Table 2" are outside the scope of the present invention. Example 3 As a result of observing the size of crystal grains on the surface of the porcelain in Examples 1 and 2 described above, it was found that there is a relationship between the size of the grains, their distribution, the proportion of the surface area occupied by the grains, and the rate of increase in capacity. It turned out that there is a close relationship. In all of the samples showing a good capacity increase rate, the particles grew well and many giant crystal grains, which are not seen in conventional high dielectric constant porcelains, were observed. The surface of each sample was photographed using an electron microscope at 400x magnification.
As shown in the figure. Furthermore, the size and distribution of the particles were measured using an image analysis device, and the proportion of the giant particles to the total area was calculated, resulting in a histogram as shown in FIG. The particle size was determined by measuring the area of the particle, and assuming that the particle was a perfect circle, the diameter was defined as the particle diameter.
The relationship between the results of such measurements and the capacity increase rate is shown in FIG. That is, even if the composition is based on BaTiO 3 as a main component, the rate of increase in capacity will be small if crystal grains have not grown sufficiently. Specifically, the diameter of the particles that accounts for 65% of the total area is
If it is less than 10μ, the sensitivity to AC voltage is low, that is, the rate of increase in capacity is small, and it is not practical. This is a new phenomenon and a new discovery. Various reasons have been speculated about these reasons, but it is thought that the generation of domains within the ferroelectric crystal is related to the growth, or size, of crystal grains, and that this influences the voltage dependence of dielectric polarization. . In addition, in general, when crystal grains are small, the ratio of grain boundaries to the total area increases, which weakens the ferroelectricity as a whole. It is thought that the strain applied to the dielectric polarization weakens the voltage dependence of the dielectric polarization as mentioned above, and that the crystal grains have grown sufficiently.
It is inferred from these results that this is a necessary condition for increasing voltage dependence. From the above results, the voltage-sensitive capacitive element of the present invention is sensitive to alternating voltage, and the voltage increases the capacitance value by more than 10 times or up to 455 times.
In fact, it has a relative dielectric constant of 106 , making it a revolutionary element.
It has unlimited potential for future applications. As described above, the voltage-sensitive capacitive element according to the present invention has great utility in the electronic industry.
第1図Aは従来より用いられている円板形磁器
コンデンサの1部欠損図であり、同じくBはその
断面図である。第2図Aは積層形磁器コンデンサ
の1部欠損図であり、同じくBはその断面図であ
る。第3図は図面に代る写真で従来より用いられ
ている通常の磁器誘電体(TiO2系)のD―Eヒ
ステリシスループでそのオシロ波形である。第4
図は図面に代る写真で現在使用されている高誘電
率系磁器コンデンサ(s=18000)でBaTiO2を
主成分としたもののD―Eヒステリシスループで
そのオシロ波形である。第5図は本発明の第1表
に示す組成中、容量電圧特性の代表例を示す。第
6図は本発明の第2表に示す組成中、容量電圧特
性の代表例を示す。第7図は図面に代る写真で本
発明の第2表に示す組成中、代表的なものの400
倍の表面結晶写真であり、A,Bは容量電圧特性
が3〜5倍程度のものでC、Dは334〜220倍のも
のである。第8図は本発明のBaTiO2―BaSnO2
系の磁器平担面の結晶サイズと容量電圧特性に於
ける容量増加率を示すものである。第9図は本発
明の第7図A,B,C,Dの磁器平担面の結晶写
真に対応した粒子サイズ別の数とその粒子が全面
積に占める割合いのヒストグラムである。
FIG. 1A is a partially cutaway view of a conventionally used disk-shaped ceramic capacitor, and FIG. 1B is a sectional view thereof. FIG. 2A is a partially cutaway view of a multilayer ceramic capacitor, and FIG. 2B is a sectional view thereof. FIG. 3 is a photograph in place of a drawing and shows the oscilloscope waveform of a DE hysteresis loop of a conventionally used ordinary ceramic dielectric (TiO 2 system). Fourth
The figure is a photograph in place of a drawing and shows the oscilloscope waveform of a DE hysteresis loop of a currently used high dielectric constant ceramic capacitor (s=18000) whose main component is BaTiO 2 . FIG. 5 shows typical examples of capacitance-voltage characteristics among the compositions shown in Table 1 of the present invention. FIG. 6 shows typical examples of capacitance-voltage characteristics among the compositions shown in Table 2 of the present invention. Figure 7 is a photograph in place of a drawing, showing 400 typical compositions of the compositions shown in Table 2 of the present invention.
These are photographs of surface crystals magnified, with A and B having capacitance-voltage characteristics of about 3 to 5 times, and C and D having capacitance-voltage characteristics of 334 to 220 times. Figure 8 shows the BaTiO 2 -BaSnO 2 of the present invention.
It shows the crystal size of the ceramic flat surface of the system and the capacity increase rate in the capacitance-voltage characteristics. FIG. 9 is a histogram of the number of grains by size and the ratio of the grains to the total area corresponding to the crystal photographs of the flat porcelain surfaces of FIGS. 7A, B, C, and D of the present invention.
Claims (1)
た強誘電性多結晶体磁器で構成され、磁器素体平
坦面積の65%以上を平均結晶粒子径10μ以上の粒
子により占められており、0.5V/mmの交流電界
で測定した時の静電容量の値を基準とした時、
500V/mm以下の交流電界において、静電容量が
10倍以上の値となることを特徴とする電圧感応性
容量素子。 2 チタン酸バリウム(BaTiO3)を主成分とし
た強誘電性多結晶体磁器で、Baの1部をSr、
Pb、Tiの1部をZr、Snで置換されたことを特徴
とする特許請求の範囲第1項記載の電圧感応性容
量素子。 3 チタン酸バリウム(BaTiO3)を主成分とし
た強誘電性多結晶体磁器に鉱化剤として、Mnを
0.01〜0.6重量%、Crを0.01〜0.3重量%の範囲内
で、MnまたはCrが夫々単独で、または複合して
添加含有していて、磁器素体平坦面積の65%以上
を平均結晶粒子径10μ以上の粒子により占められ
ており、0.5V/mmの交流電界で測定した時の静
電容量の値を基準とした時、500V/mm以下の交
流電界において、静電容量が10倍以上の値となる
ことを特徴とする電圧感応性容量素子。[Scope of Claims] 1. Comprised of ferroelectric polycrystalline porcelain containing barium titanate (BaTiO 3 ) as a main component, 65% or more of the flat area of the porcelain body is occupied by particles with an average crystal grain size of 10μ or more. When the capacitance value measured in an AC electric field of 0.5V/mm is used as the standard,
In an AC electric field of 500V/mm or less, the capacitance is
A voltage-sensitive capacitive element characterized by a value of 10 times or more. 2 Ferroelectric polycrystalline porcelain whose main component is barium titanate (BaTiO 3 ), with a part of Ba replaced by Sr,
2. The voltage-sensitive capacitive element according to claim 1, wherein part of Pb and Ti is replaced with Zr and Sn. 3 Mn is added as a mineralizer to ferroelectric polycrystalline porcelain whose main component is barium titanate (BaTiO 3 ).
Mn or Cr is added in the range of 0.01 to 0.6% by weight, Cr in the range of 0.01 to 0.3% by weight, each alone or in combination, and 65% or more of the flat area of the porcelain body has an average crystal grain size. It is dominated by particles of 10μ or more, and when the capacitance value measured in an AC electric field of 0.5V/mm is used as the standard, the capacitance is more than 10 times as large in an AC electric field of 500V/mm or less. A voltage-sensitive capacitive element characterized by a value of .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1115981A JPS57126120A (en) | 1981-01-28 | 1981-01-28 | Voltage sensitive capacitance element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1115981A JPS57126120A (en) | 1981-01-28 | 1981-01-28 | Voltage sensitive capacitance element |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS57126120A JPS57126120A (en) | 1982-08-05 |
| JPH0126168B2 true JPH0126168B2 (en) | 1989-05-22 |
Family
ID=11770247
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1115981A Granted JPS57126120A (en) | 1981-01-28 | 1981-01-28 | Voltage sensitive capacitance element |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS57126120A (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57138122A (en) * | 1981-02-19 | 1982-08-26 | Tdk Electronics Co Ltd | Voltage responsive current limiting element |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS59125B2 (en) * | 1978-10-20 | 1984-01-05 | ティーディーケイ株式会社 | Nonlinear dielectric element |
-
1981
- 1981-01-28 JP JP1115981A patent/JPS57126120A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS57126120A (en) | 1982-08-05 |
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