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JPH0126169B2 - - Google Patents
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JPH0126169B2 - - Google Patents

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Publication number
JPH0126169B2
JPH0126169B2 JP56022220A JP2222081A JPH0126169B2 JP H0126169 B2 JPH0126169 B2 JP H0126169B2 JP 56022220 A JP56022220 A JP 56022220A JP 2222081 A JP2222081 A JP 2222081A JP H0126169 B2 JPH0126169 B2 JP H0126169B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
impedance
batio
porcelain
electric field
capacitance
Prior art date
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Expired
Application number
JP56022220A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS57138122A (en
Inventor
Masaru Masujima
Yoshishige Towatari
Shoichi Iwatani
Hitoshi Masumura
Hisao Abe
Norimasa Sakamoto
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Corp
Original Assignee
TDK Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by TDK Corp filed Critical TDK Corp
Priority to JP2222081A priority Critical patent/JPS57138122A/en
Publication of JPS57138122A publication Critical patent/JPS57138122A/en
Publication of JPH0126169B2 publication Critical patent/JPH0126169B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は電圧感応性電流制限素子、つまり印加
電界によりインピーダンスの変化する角形ヒステ
リシス特性をもつ多結晶性強誘電体磁器に関す
る。 本発明による素子はBaTiO3又はその一部を
Sr、Zr、Sn又はPbで置換したものを主成分とす
る。 本発明はBaTiO3系磁器のもつ強誘電性を最大
限に高め強調することにより、交流電界に対する
見掛上の比誘電率の変化を利用して、交流電流に
対する低損失のインピーダンス素子を提供する。 通常家庭用、工業用を問わず電気動力源として
50サイクル又は、60サイクルの100Vもしくは
200Vの単相又は、三相が用いられるがこれらの
電源をエネルギーとして用いる低インピーダンス
の負荷に対する電流調節機能として受動素子で
は、L.C.Rが考えられる。 この中で、最もコスト的に安く手軽なものとし
ては抵抗素子があるが使用時の発熱が非常に大き
くそれがすべて損失となり電力の利用効率が悪く
なるだけでなく、発熱による機器全体の劣化とい
う信頼性上の問題もあり現在では、微少電流を制
限する以外は用いられない。 現在、最も一般的に用いられているのは、Lす
なわちインダクタンスによる方法で具体的にはチ
ヨークコイルが用いられている(例えば放電燈に
おけるバラスト)。 これは大きな電流を流しても損失が少なく従つ
て発熱もなく、機器そのものの信頼性を損うこと
がないといつた理由によるものである。又大きな
電流を流す場合はインダクタンスは低くなり、巻
線数が少なくても良いことも有利な点である。反
面、大きな電流を流す場合は巻線の太いものを用
いなければならず従つて大形となり重量が増すた
めに小形の機器や軽量であることが必要な機器に
は用いることが難しかつた。一方Cすなわちコン
デンサのキヤパシタンスを用いる方法も考えられ
るが50サイクルもしくは60サイクルなどの低周波
に於ける電流調節機能としては、大きな容量が必
要なため非常に高価なものとなる。特に大きな電
流を流すためには、リアクタンス分を小さくする
必要があるために従来のコンデンサでは大形とな
つてしまうということと現在使われる容量の大き
なコンデンサについてはたとえばアルミ電解コン
デンサなどは必ずしも、高温での信頼性が十分で
はないため使用しずらいという問題があつた。故
に小形で高容量、高耐電圧、高耐熱性で廉価なイ
ンピーダンス素子が必要とされてきた。 これらの難しい条件を満す可能性が一番高いも
のとして従来、BaTiO3を主成分とした磁器コン
デンサが考えられていた。 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ある割
に高い容量値が得られるからである。 又、磁器は1300〜1400℃で焼成されたものであ
り耐熱性が高く、信頼性も良好である。 しかしBaTiO3系磁器は磁器(焼き物)である
ところから巻き込んだり折り曲げたりすることが
困難で、これを使つたコンデンサの体積当りの静
電容量は必ずしも大きくない。 一般に平行平板電極を有するコンデンサの静電
容量Cは次により与えられる。 C=εO×εS×S/t ここでCは静電容量F、εOは真空の誘電率、εS
は誘電体物質の比誘電率、Sは電極の重なり面積
m2、tは誘電体物質の厚みmである。従つて静電
容量を大きくするには厚みtを小さくすると共に
比誘電率εSの大きな誘電体を使用し、電極の重な
り面積Sを大きくする必要がある。 第1図A及びBは従来のチタン酸バリウムを用
いたコンデンサで、1は誘電率、2と3は電極、
4と5はリード線、6は絶縁樹脂のごとく構成さ
れる。この構造の磁器コンデンサでは、機械的強
度や占有面積の点から実用的な静電容量はたかだ
か0.05μF程度である。 第2図A及びBのごとく積層電極構造を用いる
と電極の重ね枚数により電極の重なり面積が大き
くなり、大きな静電容量が得られる。なお第2図
A及びBで1は誘電体、2は内部電極、2aは外
部電極を示す。 しかしながら積層電極構造は、誘電体が薄いこ
とから耐電圧が低いこと、及び電極材にPt、Au、
Pd、Ag等の貴金属が用いられるので高価である
ことといつた欠点を有している。 従つて本発明は従来の技術の上記欠点を改善す
るもので、小形で安価でかつ低損失の交流回路に
対する電流制限素子(インピーダンス素子)を提
供することを目的とする。本発明は強誘電体素子
の角形ヒステリシス特性を電流制限に利用するも
ので、5V/mmの交流電界で測定した時の電流値
から逆算したインピーダンス値を基準として、
500V/mm以下の交流電界におけるインピーダン
スが1/10以下となるごとき角形ヒステリシスをも
つチタン酸バリウム(BaTiO3)を主成分とする
強誘電体性多結晶磁器を特徴とする。 上記インピーダンス特性を改善するために、
BaTiO3のBaの一部をSr、Pb、に置換し、又Ti
の一部をZr、Snに置換することは有効である。 さらに鉱化剤として0.005〜0.3重量%のCr、及
び0.005〜0.3重量%のMnの少なくともいずれか
一方を添付することは上記インピーダンス特性を
改善する上から好ましい。 更に好ましくは、主成分及び鉱化剤以外の不純
物を0.5重量%以下とすることが有効である。 以下本発明を詳細に説明する。 一般に交流回路の電流制限を強誘電体により実
現する場合、キヤパシタンスにより定まるリアク
タンス分と、等価的にこれに直列に挿入される抵
抗分(等価直列抵抗)について考慮する必要があ
る。等価直列抵抗成分はエネルギ損失となるため
に極力小さな値におさえる必要があるが実際はキ
ヤパシテイによるアクタンスと密接に関係する為
に分離して両方の特性を操作することは困難であ
る。従つて単にリアクタンスを下げるため比誘電
率εSの高い組成系により大容量を得るばかりでは
なく、BaTiO3系磁器の比誘電率εSの交流電圧依
存性に着目して本発明は成されている。 BaTiO3系の高誘電率磁器組成物については、
特公昭52−44440にのべられるごとく交流電圧の
印加により見掛上のεSが100〜140%程度増加する
ことが知られている。比誘電率が印加電圧により
変化するということは、比誘電率即ち誘電分極現
象に電圧依存性があるものと考えられる。通常の
誘電体では、比誘電率εSの電圧依存性は無視しう
る程度に小さい。 ところで、誘電体中の電束密度Dは次式により
与えられる。 D=εE=εOεSE ここで D ;電束密度(C/m2) ε ;誘電率 εO;真空の誘電率 εS;誘電体の容量増加率 E ;印加電界(V/m) 上述の関係を観測する手段としては、ソーヤ・
タワーの回路でD―Eヒステリシス特性を観測す
るのが一般的である。第3図に通常の誘電体のD
―E特性を示す。この図から通常の誘電体ではD
―E特性はリニアである。 第4図は従来のBaTiO3系の高誘電率磁器のD
―E特性で直線関係にはなく、εがEにより変化
することが示唆される(この例ではεS=18000)。
第4図の試料でコンデンサを作成し、シエーリン
グブリツジを用いて容量電圧特性を測定したとこ
ろ、ほぼ第4図と同様の特性が得られたが、イン
ピーダンス自身は電圧依存性が小さいことが判つ
た。 ところで、D―Eヒステリシス特性が直線関係
にないということは、εが交流電界の関数として
変化することを示すものであり、D―E特性の立
上りが急唆であるということは、印加電界に対し
εが急激に大きくなつていることを示すことに他
ならない。又ヒステリシスループで囲まれた面積
は等価抵抗分(損失)に相当する。 従来、BaTiO3系磁器を中心とするペロブスカ
イト形結晶構造を有するABO3形強誘電体磁器の
応用分野は高誘電率の利用、圧電的性質の利用、
及びD―Eヒステリシス特性の利用が知られてい
るが、D―Eヒステリシス現象に関しては、良好
な角形特性を与える材料が未開発なため、検討が
未だ不十分である。 本発明者は、立上りが急唆で良好な角形ヒステ
リシス特性を有する誘電体磁器を開発し、その静
電容量及びインピーダンスが印加交流電界に大き
く依存する性質を利用して、交流回路における電
流制限素子又は可変インピーダンス素子を開発し
た。 このように、電圧感応形電流制限素子としての
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を重ねた結果BaTiO3
独もしくは副成分としてSn、ZrなどでBaTiO3
Tiの一部を置換したものあるいは、Sr、PbでBa
の一部を置換したものを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
印加しないとインピーダンスが低くならず磁器の
耐電圧との関係から実用的ではなかつた。更にこ
のような基本組成物に添加剤としてMn、Cr配化
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
性が向上し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。特性は添加剤(鉱化剤)
の元素と量により異なりMn及びCrが最も良くそ
の適正添加量はMnOで0.005〜0.3重量%、CrOで
0.005〜0.3重量%であつた。又、両者を混合体と
して添加含有されても、特に問題はない。基本的
にはSr、Sn、Zr、Pbは、BaTiO3結晶の中に入
り固溶体を形成し、結晶粒内の強誘電性を損うこ
となしにその特性を制御する作用を有するが、
Mn、Crは主として結晶粒界に析出し磁器の焼結
を促進すると共に還元防止の作用を行なう鉱化剤
としての役割を担うものである。それ自体は、常
誘電体であり、結晶粒そのものとは、電気的性質
が著しく異る。本来本素子は強誘電性の特長であ
る比誘電率の交流電圧依存性を最大限に引き出す
ことが必要であり、この常誘電体層となる粒界が
少ない方が良好な特性を得られることは、鉱化剤
の量を変えた実験でも確認された。しかし、原料
中に含まれる不純物や製造工程より混入される不
純物たとえばAl2O3、SiO2等は焼結することによ
り粒界に析出し常誘電体を形成するか、BaTiO3
と固溶し強誘電性を弱めることが判明し、許容さ
れる量もわずかであることがわかつた。これは、
一般の高誘電率系磁器誘電体の一般的添加物量よ
り見て、その種類、量が著しく制限されるもので
あり、使用する原材料や製造工程については従来
の磁器コンデンサと比較し、格段に厳密な不純物
管理を行なうことが必要であり従来の高誘電率多
結晶磁器に比べ特異である。これらの結果、本発
明の電圧感応性電流制限素子はインピーダンスの
電圧依存性が極めて鋭敏でインピーダンスの低下
率が5V/mmを基準とした時500V/mm以下の交流
電界では、最大で1/100にも達し、従来にない全
く新しい考え方による交流電流の制限素子を完成
することが出来た。このために小型軽量で信頼性
が高く低コストであり、応用用途が非常に広く電
気業界に貢献すること極めて大である。 実施例 1 原料粉末BaTiO3、TiO2、SnO2、ZrO2
SrO2、PbO、MnCO3を第1表の所望組成(試料
No.1〜No.15)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。水分を蒸発したあとこれに適当
量のバインダーを加え16.5φ0.50mm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、洗浄の上絶縁塗料
を施し、第6図に示す測定回路にて50Hz交流電圧
を変え回路に流れる実効電流を測定し、インピー
ダンスZを算出した。なお第6図で10は試料、
12は交流電流計、14は交流電圧計、16は50
Hzの交流電源を示す。測定結果は第1表、第7図
及び第5図に示す。なお試料No.14とNo.15は本発明
に属さない試料で、単に本発明試料との比較のた
めのものである。 第1表から5V/mm(rms)でのインピーダン
スZ1と500V/mmでのインピーダンスZ2との比
(Z2/Z1)は試料No.1〜No.13では1/20〜1/108であ
り電流制限素子としての実用的な値1/10を十分に
満足する。第7図は印加電界V/mm(rms)に対
するインピーダンスの関係を示すもので、本発明
に属するグループPに属する試料では電界が高く
なるに従がいインピーダンスはいつたん低下する
が、50〜100V/mm以上の高電界になるとインピ
ーダンスは再たび上昇する。インピーダンスが再
上昇する理論的理由は必らずしも明らかでない
が、500V/mm程度までは、実用的に十分に低下
したインピーダンスが得られる。なお第7図にお
けるインピーダンスは前述のごとく16.5mmφ、厚
さ0.50mmの試料を作成して電極を付着させたもの
に対する値である。 第5図は本発明による試料のD―Eヒステリシ
ス特性の実測例で、第1表の試料No.3の特性を示
し、優れたヒステリシス特性を示すことがわか
る。第5図の実験では試料の厚さは0.5mmであり、
印加電界は280V(rms)である。従つて560V/mm
の電界が印加されたことになる。 以上のごとく、BaTiO3を主成分としたもの
は、高電界印加時のインピーダンス低下が顕著
で、BaTiO3が他の組成系の強誘電体磁器に比べ
特異な性質をもつことを示している。
The present invention relates to a voltage-sensitive current limiting element, that is, a polycrystalline ferroelectric ceramic having a square hysteresis characteristic whose impedance changes depending on an applied electric field. The device according to the invention contains BaTiO 3 or a part thereof.
The main component is substituted with Sr, Zr, Sn or Pb. The present invention maximizes and emphasizes the ferroelectricity of BaTiO 3- based porcelain to provide an impedance element with low loss for alternating current by utilizing the change in apparent dielectric constant with respect to alternating electric field. . Normally used as an electric power source for both household and industrial purposes.
50 cycles or 60 cycles of 100V or
A 200V single-phase or three-phase power supply is used, and LCR can be considered as a passive element for current regulation function for low-impedance loads that use these power supplies as energy. Among these, resistance elements are the cheapest and easiest to use, but they generate a lot of heat during use, and all of that heat is lost, resulting in not only poor power usage efficiency, but also deterioration of the entire device due to the heat generated. Due to reliability issues, it is currently only used to limit minute currents. Currently, the most commonly used method is L, or inductance, and specifically, a chiyoke coil is used (for example, as a ballast in a discharge lamp). This is because even when a large current is passed through it, there is little loss and therefore no heat generation, which does not impair the reliability of the device itself. Another advantage is that when a large current is passed, the inductance is low and the number of windings can be reduced. On the other hand, if a large current is to flow, a wire with a thick winding must be used, which increases the size and weight, making it difficult to use in small equipment or equipment that needs to be lightweight. On the other hand, a method using C, that is, the capacitance of a capacitor, can be considered, but as a current adjustment function at low frequencies such as 50 cycles or 60 cycles, a large capacitance is required, which is very expensive. In particular, in order to flow a large current, it is necessary to reduce the reactance, so conventional capacitors are large.As for the large capacitance capacitors currently used, for example, aluminum electrolytic capacitors, etc. There was a problem that it was difficult to use because the reliability was not sufficient. Therefore, there has been a need for a small, high-capacity, high-voltage, high-heat-resistant, and inexpensive impedance element. Traditionally, ceramic capacitors containing BaTiO 3 as the main component were thought to be the most likely to meet these difficult conditions. The reason for this is that other capacitors such as mica,
While paper and film-based materials have a dielectric constant ε S of about 3 to 15, BaTiO 3 has a practical dielectric constant ε S of about 20,000, which is much higher than other materials. This is because a high capacitance value can be obtained despite the small size and simple structure. In addition, porcelain is fired at 1300 to 1400°C, so it has high heat resistance and good reliability. However, since BaTiO 3 -based porcelain is porcelain (pottery), it is difficult to roll or bend it, and capacitors using it do not necessarily have a large capacitance per volume. Generally, the capacitance C of a capacitor having parallel plate electrodes is given by: C=ε O ×ε S ×S/t where C is the capacitance F, ε O is the permittivity of vacuum, ε S
is the relative permittivity of the dielectric material, and S is the overlapping area of the electrodes.
m 2 , t is the thickness m of the dielectric material. Therefore, in order to increase the capacitance, it is necessary to reduce the thickness t, use a dielectric material with a large relative dielectric constant ε S , and increase the overlapping area S of the electrodes. Figures A and B show conventional capacitors using barium titanate, where 1 is the dielectric constant, 2 and 3 are the electrodes,
4 and 5 are lead wires, and 6 is composed of insulating resin. A ceramic capacitor with this structure has a practical capacitance of about 0.05 μF at most in terms of mechanical strength and area occupied. When a laminated electrode structure as shown in FIGS. 2A and 2B is used, the overlapping area of the electrodes increases depending on the number of stacked electrodes, and a large capacitance can be obtained. In FIGS. 2A and 2B, 1 is a dielectric, 2 is an internal electrode, and 2a is an external electrode. However, the laminated electrode structure has a low withstand voltage because the dielectric is thin, and the electrode materials include Pt, Au, etc.
Since noble metals such as Pd and Ag are used, it has the disadvantage of being expensive. SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention aims to improve the above-mentioned drawbacks of the prior art and provides a current limiting element (impedance element) for an AC circuit that is small, inexpensive, and has low loss. The present invention utilizes the rectangular hysteresis characteristic of a ferroelectric element for current limiting, and uses the impedance value calculated back from the current value measured in an AC electric field of 5V/mm as a reference.
It is characterized by ferroelectric polycrystalline porcelain whose main component is barium titanate (BaTiO 3 ), which has square hysteresis such that the impedance in an AC electric field of 500 V/mm or less is 1/10 or less. In order to improve the above impedance characteristics,
Part of Ba in BaTiO 3 is replaced with Sr, Pb, and Ti
It is effective to replace a part of with Zr or Sn. Furthermore, it is preferable to add at least one of 0.005 to 0.3% by weight of Cr and 0.005 to 0.3% by weight of Mn as a mineralizing agent in order to improve the impedance characteristics. More preferably, it is effective to limit the content of impurities other than the main component and mineralizer to 0.5% by weight or less. The present invention will be explained in detail below. Generally, when current limiting in an AC circuit is implemented using a ferroelectric material, it is necessary to consider the reactance determined by capacitance and the resistance inserted in series with the reactance (equivalent series resistance). The equivalent series resistance component causes energy loss, so it must be kept to a value as small as possible, but in reality it is closely related to the actance due to capacitance, so it is difficult to manipulate both characteristics separately. Therefore, the present invention was accomplished not only by obtaining a large capacity by using a composition system with a high relative permittivity ε S in order to simply lower the reactance, but also by focusing on the AC voltage dependence of the relative permittivity ε S of BaTiO 3 -based porcelain. There is. Regarding BaTiO 3 based high dielectric constant ceramic compositions,
As stated in Japanese Patent Publication No. 52-44440, it is known that the apparent ε S increases by about 100 to 140% by applying an alternating current voltage. The fact that the relative permittivity changes depending on the applied voltage is considered to mean that the relative permittivity, that is, the dielectric polarization phenomenon, has voltage dependence. In normal dielectrics, the voltage dependence of the relative permittivity ε S is negligibly small. Incidentally, the electric flux density D in the dielectric is given by the following equation. D=εE=ε O ε S E where D ; Electric flux density (C/m 2 ) ε ; Dielectric constant ε O ; Vacuum permittivity ε S ; Capacity increase rate of dielectric E ; Applied electric field (V/m ) As a means of observing the above relationship, the Sawyer
It is common to observe DE hysteresis characteristics in tower circuits. Figure 3 shows D of a normal dielectric.
- Indicates E characteristics. From this figure, in a normal dielectric material, D
-E characteristic is linear. Figure 4 shows the D of conventional BaTiO 3 based high permittivity porcelain.
- It is suggested that there is no linear relationship with the E characteristic, and that ε changes depending on E (in this example, ε S =18000).
When a capacitor was made using the sample shown in Figure 4 and its capacitance-voltage characteristics were measured using a Schering bridge, the characteristics were almost the same as those shown in Figure 4, but it was found that the impedance itself had little voltage dependence. Ivy. By the way, the fact that the DE hysteresis characteristic is not in a linear relationship indicates that ε changes as a function of the AC electric field, and the fact that the rise of the DE characteristic is sudden means that ε changes as a function of the applied electric field. On the other hand, this shows that ε is rapidly increasing. Further, the area surrounded by the hysteresis loop corresponds to the equivalent resistance (loss). Conventionally, the application fields of ABO 3 type ferroelectric porcelain, which has a perovskite crystal structure centered on BaTiO 3 type porcelain, have been applied to the use of high dielectric constant, piezoelectric properties,
Although it is known that the DE hysteresis phenomenon is utilized, studies on the DE hysteresis phenomenon have not yet been completed because materials that provide good squareness characteristics have not yet been developed. The present inventor has developed a dielectric ceramic having a sudden rise and good square hysteresis characteristics, and by utilizing the property that its capacitance and impedance greatly depend on the applied alternating current electric field, the present inventor has developed a dielectric ceramic that has a rapid rise and good square hysteresis characteristics, and by utilizing the property that its capacitance and impedance greatly depend on the applied alternating current electric field, the current limiting element in an alternating current circuit. Alternatively, we developed a variable impedance element. As described above, in order to increase the sensitivity as a voltage-sensitive current limiting element, the present inventors have conducted extensive research on ferroelectric ceramic compositions, and as a result, we have developed BaTiO 3 alone or with Sn, Zr, etc. as subcomponents . of
Partial replacement of Ti or Ba with Sr and Pb
Good results were obtained using a basic composition in which a portion of . For materials other than BaTiO 3 , impedance cannot be lowered unless the capacitance increase rate is low or a very high alternating current electric field is applied, making them impractical due to the relationship with the withstand voltage of porcelain. Furthermore, by adding a small amount of Mn and Cr coordination as additives to such a 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 porcelain. It has been found that a polycrystalline body can be obtained. Characteristics are additives (mineralizers)
Depending on the element and amount of
It was 0.005-0.3% by weight. Moreover, there is no particular problem even if both are added and contained as a mixture. Basically, Sr, Sn, Zr, and Pb enter BaTiO 3 crystals to form a solid solution and have the effect of controlling the properties of the ferroelectricity within the crystal grains without impairing them.
Mn and Cr mainly precipitate at grain boundaries and play the role of mineralizing agents that promote sintering of porcelain and prevent reduction. It is itself a paraelectric material, and its electrical properties are significantly different from those of the crystal grains themselves. Essentially, this device needs to maximize the AC voltage dependence of the dielectric constant, which is a feature of ferroelectricity, and the fewer grain boundaries that form this paraelectric layer, the better the characteristics. This was also confirmed in experiments in which the amount of mineralizing agent was varied. However, impurities contained in raw materials and impurities mixed in during the manufacturing process, such as Al 2 O 3 and SiO 2 , precipitate at grain boundaries during sintering to form a paraelectric substance, or BaTiO 3
It was found that the ferroelectricity was weakened by forming a solid solution with ferroelectricity, and that only a small amount was allowed. this is,
The types and amounts of additives are significantly limited compared to the amount of additives used in general high-permittivity ceramic dielectrics, and the raw materials and manufacturing processes used are much more rigorous than those for conventional ceramic capacitors. It is necessary to carefully control impurities, which is unique compared to conventional high dielectric constant polycrystalline porcelain. As a result, the voltage-sensitive current-limiting element of the present invention has an extremely sensitive impedance dependence on voltage, and the impedance reduction rate is at most 1/100 in an AC electric field of 500 V/mm or less when 5 V/mm is the standard. We were able to complete an alternating current limiting element based on a completely new concept. For this reason, it is small, lightweight, highly reliable, and low cost, and has a wide range of applications, making it an extremely important contribution to the electrical industry. Example 1 Raw material powder BaTiO 3 , TiO 2 , SnO 2 , ZrO 2 ,
SrO 2 , PbO, MnCO 3 with the desired composition shown in Table 1 (sample
No. 1 to No. 15) polyethylene pots,
Wet mixing was performed using an agate ball. After dehydration and drying
Temporarily fired by holding at 1150℃ for 2 hours, then using a polyethylene pot and agate ball again.
I did the crushing. After the water was evaporated, an appropriate amount of binder was added to this, and the mixture was pressure-molded into a 16.5φ0.50mm disc using a 10-ton press. Then, it was baked at 1300 to 1400°C for 2 hours. Silver electrodes were baked onto the thus obtained ceramic element, the lead wires were then fixed with solder, washed and coated with insulating paint, and the effective current flowing through the circuit was measured using the measurement circuit shown in Figure 6 by varying the 50Hz AC voltage. Then, impedance Z was calculated. In Fig. 6, 10 is the sample,
12 is an AC ammeter, 14 is an AC voltmeter, 16 is a 50
Indicates Hz AC power supply. The measurement results are shown in Table 1, FIG. 7, and FIG. 5. Note that Samples No. 14 and No. 15 are samples that do not belong to the present invention and are merely for comparison with the present invention samples. From Table 1, the ratio of impedance Z 1 at 5V/mm (rms) to impedance Z 2 at 500V/mm (Z 2 /Z 1 ) is 1/20 to 1/ for samples No. 1 to No. 13. 108, which fully satisfies the practical value of 1/10 as a current limiting element. Figure 7 shows the relationship between impedance and applied electric field V/mm (rms).In the samples belonging to Group P, which belongs to the present invention, as the electric field increases, the impedance gradually decreases; When the electric field becomes higher than mm, the impedance rises again. Although the theoretical reason why the impedance rises again is not necessarily clear, a sufficiently reduced impedance can be obtained for practical use up to about 500 V/mm. Note that the impedance in FIG. 7 is a value for a sample having a diameter of 16.5 mm and a thickness of 0.50 mm and having electrodes attached thereto as described above. FIG. 5 shows an example of actually measured DE hysteresis characteristics of a sample according to the present invention, which shows the characteristics of sample No. 3 in Table 1, and it can be seen that it exhibits excellent hysteresis characteristics. In the experiment shown in Figure 5, the sample thickness was 0.5 mm.
The applied electric field is 280V (rms). Therefore 560V/mm
This means that an electric field of . As described above, the impedance drop when a high electric field is applied is remarkable for those containing BaTiO 3 as the main component, indicating that BaTiO 3 has unique properties compared to ferroelectric ceramics of other compositions.

【表】【table】

【表】 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(試料No.1〜No.
13)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8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
の複合添加を第2表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
の添加により特性を損な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しより
緻密で均質な優れた多結晶体が得られた。これ等
の添加物を添加する時は例えば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0.005〜0.3重量%が実用範囲内と考えら
れ0.5重量%以上では、インピーダンスの低下が
少なくなつて好ましくない。第8図は、インピー
ダンスの低下度合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剤が0.05〜0.3重
量%の範囲が電気諸特性、特にインピーダンスの
低下が十分である範囲(グループP)であると言
つてよい。この場合0.005重量%以下では添加に
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0.005〜0.3重量%が実用範囲と
考えられ0.005重量%以下では効果が認められな
かつた。
[Table] Example 2 Regarding the samples that showed a good capacity increase rate in Example 1, that is, samples with BaTiO 3 as the main component (Samples No. 1 to No.
13) We investigated the types of additives and the range of their additive amounts. Examples of the most average among them are shown in Table 2 and FIG. i.e. BaTiO 3 94 mol%, BaSnO 3 6 mol%
Measurements were made in the same manner as in Example 1 by adding one or a combination of MnCO 3 and Cr 2 O 3 as additives as shown in Table 2. Table 2 shows that the addition of additives prevented reduction during porcelain sintering or improved the sinterability without impairing the properties, resulting in an excellent polycrystalline body that was denser and more homogeneous. When adding these additives, for example, MnCO 3 and Cr are
Although it was added as Cr 2 O 3 , it is not limited to this, and the same effect can be seen even if it is used as other compounds, and the amount added should also take into account the condition of the compound to be added, but the main for the ingredients
A content of 0.005 to 0.3% by weight of Cr 2 O 3 is considered to be within a practical range, but a content of 0.5% by weight or more is not preferable because the impedance decreases less. Figure 8 is a graph showing the degree of impedance reduction and the amount added. From this figure, it can be seen that an additive content of 0.05 to 0.3% by weight is sufficient to reduce electrical properties, especially impedance. It can be said that it is a range (group P). In this case, if the amount is less than 0.005% by weight, no effect will be observed at all. On the other hand, similarly
Regarding MnCO 3 , 0.005 to 0.3% by weight is considered to be a practical range, and no effect was observed below 0.005% by weight.

【表】【table】

【表】 更にMnCO3、Cr2O3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。 なお、試料No.6とNo.12は本発明範囲外のもので
ある。 実施例 3 前記実施例1および実施例2での良好な特性を
示すものに対し第3表に示すように不純物等特に
原料中に含まれたり材料製造工程中より混入しや
すい元素について添加し、実施例1と同様に測定
した結果、第3表および第9図に示すようにこれ
らの不純物については0.5重量%以下でないと
(グループP)十分なインピーダンス低下を示さ
ないことが判明し、従来の磁器誘電体の許容され
る量もしくは、本発明に属する実施例1、2以外
の添加される原素の量0.6〜1.0重量%程度に比較
し、非常に少なく動異な点である。これは前述し
たようにBaTiO3に固溶しない添加剤や不純物は
結晶粒界に析出し、常誘電体層を形成することか
ら磁器全体の強誘電性を弱める結果であり、これ
ら不純物や添加剤の量が著しく制限される理由で
ある。
[Table] Furthermore, the addition of MnCO 3 and Cr 2 O 3 prevents reduction of the porcelain during sintering or promotes more dense sintering. Note that Samples No. 6 and No. 12 are outside the scope of the present invention. Example 3 To the materials shown in Example 1 and Example 2 which showed good characteristics, as shown in Table 3, impurities, etc., especially elements that are easily included in the raw materials or mixed during the material manufacturing process, were added. As a result of measurement in the same manner as in Example 1, as shown in Table 3 and FIG. Compared to the permissible amount of the ceramic dielectric material or the amount of the added element other than Examples 1 and 2 belonging to the present invention, which is about 0.6 to 1.0% by weight, the difference is very small. This is because, as mentioned above, additives and impurities that do not dissolve in BaTiO 3 precipitate at grain boundaries and form a paraelectric layer, weakening the ferroelectricity of the entire porcelain. This is why the amount of

【表】 なお第3表で試料No.4とNo.8は倍率(Z2/Z1
が不十分で本発明の範囲外のものである。又第9
図で曲線aは不純物Al2O3が0wt%の試料の特性
である。 以上のごとく本発明による電流制限素子は交流
電圧に対し鋭敏に感応し、印加電界によりインピ
ーダンスの低下は1/10〜1/100にのぼる。又焼成
物であるので高温でも特性が劣化することはな
い。従つて小形で適当なインピーダンス値をもつ
電流制限素子への応用が可能で、放電燈のバラス
トは応用の1例であり、その他の電子工業界にお
ける応用にも有望である。
[Table] In Table 3, samples No. 4 and No. 8 have magnification (Z 2 /Z 1 )
is insufficient and is outside the scope of the present invention. Also the 9th
In the figure, curve a is the characteristic of a sample containing 0 wt% of impurity Al 2 O 3 . As described above, the current limiting element according to the present invention is sensitive to alternating current voltage, and the impedance decreases by 1/10 to 1/100 depending on the applied electric field. Furthermore, since it is a fired product, its properties do not deteriorate even at high temperatures. Therefore, it is possible to apply it to a small current limiting element having an appropriate impedance value, and ballasts for discharge lamps are one example of the application, and it is also promising for applications in other electronic industries.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図A及びBは従来の強誘電体磁器コンデン
サの構成例、第2図A及びBは従来の強誘電体磁
器コンデンサの別の構成例、第3図は一般の誘電
体におけるD―E特性を示す図、第4図は従来の
BaTiO3におけるD―E特性を示す図、第5図は
本発明による電流制限素子のD―E特性を示す
図、第6図は本発明の特性測定装置のブロツク
図、第7図と第8図と第9図は本発明による電流
制限素子の印加電界とインピーダンスの関係の実
験結果を示す図である。 10…試料(電流制限素子)、12…交流電流
計、14…交流電圧計、16…交流電源。
Figures 1A and B are configuration examples of conventional ferroelectric ceramic capacitors, Figures 2A and B are other configuration examples of conventional ferroelectric ceramic capacitors, and Figure 3 is D-E in a general dielectric material. Figure 4 shows the characteristics of the conventional
FIG. 5 is a diagram showing the DE characteristics of the current limiting element according to the present invention. FIG. 6 is a block diagram of the characteristic measuring device according to the present invention. FIGS. 9 and 9 are diagrams showing the experimental results of the relationship between the applied electric field and the impedance of the current limiting element according to the present invention. 10... Sample (current limiting element), 12... AC ammeter, 14... AC voltmeter, 16... AC power supply.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 チタン酸バリウム(BaTiO3)を主成分と
し、Baの一部をSr又はPbで置換し、Tiの一部を
Zr又はSnで置換した強誘電性多結晶体磁器に、
鉱化剤として、0.005〜0.3重量%のCr及び0.005〜
0.3重量%のMnのうち少なくとも一方が添加さ
れ、主成分及び鉱化剤以外の不純物の割合が0.5
重量%以下とすることを特徴とする電圧感応性電
流制限素子。
1 The main component is barium titanate (BaTiO 3 ), with some of the Ba replaced by Sr or Pb, and some of the Ti
Ferroelectric polycrystalline porcelain substituted with Zr or Sn,
As mineralizers, 0.005~0.3 wt% Cr and 0.005~
At least one of 0.3% by weight of Mn is added, and the ratio of impurities other than the main component and mineralizer is 0.5%.
% or less by weight.
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