Ceramic, graded resistivity monolith using the ceramic, and method of making

本明細書で提示する実施形態は、一般にモノリシック構造に関し、より詳しくは電気抵抗性モノリシック構造に関する。

電気回路で電流または電圧を制御または変化させる１つの一般的な方法は、可変抵抗器またはレオスタットの使用による。 典型的には、高い電力定格を持つ電気機器については、レオスタットを機器の始動および停止のために使用することができる。 例えば、ブラシ付きＤＣモータは、ＤＣモータを保護するために、電気子電流を小さい値から定格動作値まで徐々に増加させるための手動レオスタットスタータ、３点式レオスタットスタータ、４点式レオスタットスタータなどを有することがある。 しかしながら、動作中に、レオスタットは、ある抵抗分岐から別の抵抗分岐に段階的に切り替わる。 そのようなスイッチング動作は、電気機器に供給される高い電圧および／または電流により、移動接点と抵抗分岐との間でアーク放電を引き起こすこともある。

別の周知の解決策は、スタックに組み立てられた多層の離散的抵抗層を含み、そのスタックの上を摺動するように設計された移動接点を有する。 しかしながら、動作による摩耗が進むにつれて、移動接点と接触しているスタックの表面（本明細書では「摺動面」と呼ばれる）は、移動接点によって摩滅し、それによって摺動面が平らでなくなる。 従って、移動接点は、スタックの長さにわたって適正な接触圧を維持しないこともある。 さらに、スタックの異なる抵抗層は、抵抗層の硬度に基づいて異なるレベルに摩滅し、それによって摺動面に「段差」を形成することがある。 これにより、移動接点が連続する抵抗素子間の段差で動かなくなる可能性が生じる。 不均一な接触圧および摺動面の階段状プロファイルは共に、移動接点と摺動面との間でのアーク放電に通じるおそれがある。 また、そのような組立てスタックは、滑らかな摺動面を得るために機械加工し、研磨することも困難である。 しばしば、組立てスタックは、機械加工中にひび割れまたは破損を生じる。

従って、当技術分野では、周知の解決策に伴うこれらのおよび他の欠点に対処する抵抗素子が求められている。

一実施形態によれば、傾斜電気抵抗率を持つモノリシックカセットが提供される。 モノリシックカセットは、第１の端部と第２の端部との間に連続的な粒状構造を有し、モノリシックカセットの電気抵抗率は、抵抗が第１の端部から第２の端部へと連続的に変化するように漸変する。 モノリシックカセットを形成するための方法および組成物もまた提供される。

一実施形態によれば、電気抵抗性組成物が提供される。 本組成物は、重量で４５から５８パーセントのセラミック組成物を含み、そのセラミック組成物は、９９．５から９９．７パーセントの酸化亜鉛粉末および０．３から０．５パーセントの酸化アルミニウム粉末の実質的に均質な混合物を含む。 本組成物は、重量で４２から５５パーセントの銀粉末を含有し、本組成物の電気抵抗率は、銀粉末に対するセラミック組成物の比に基づいて１マイクロオームメートルから１メガオームメートルまで変化する。

一実施形態によれば、モノリシックカセットを形成する方法が提供される。 複数の抵抗性粉末が、層スタックを形成するためにダイに導入される。 複数の抵抗性粉末の各々は、セラミック組成物および導電性組成物を含む。 各層は、セラミック組成物および導電性組成物の別個の重量比を含む。 複数の抵抗性粉末は、１０メガパスカルから１ギガパスカルの間の圧力、およびセ氏１５度からセ氏１６００度の間の温度でグリーンカセットに圧縮される。 グリーンカセットは次いで、セ氏８００度からセ氏２０００度の間の温度で２から１００時間の間焼結される。

一実施形態による、例となるグリーンカセットの斜視図である。

一実施形態による、例となるモノリシックカセットの斜視図である。

一実施形態による、モノリシックカセットを形成するための抵抗性粉末について例となる組成を示す表である。

一実施形態による、モノリシックカセット上の長手位置に対してプロットされた抵抗率の例となる関係を示すグラフである。

一実施形態による、モノリシックカセット上の長手位置に対してプロットされた抵抗率の例となる関係を示すグラフの一部の拡大図である。

一実施形態による、モノリシックカセットの粒状構造を例示する図である。

一実施形態によれば、モノリシックカセットの長さにわたって傾斜抵抗率を示すモノリシックカセットが提供される。 モノリシックカセットは、例えばアークのないスイッチギヤで用いられてもよい。 電気アーク放電は、回路遮断器において、回路遮断器が電気的故障によりトリップするときよく見られる。 回路遮断器では、接点は、過剰な加熱なしに負荷電流を運ばなければならず、また回路が開くときに生成されるアークの熱にも耐えなければならない。 接点は、高導電性材料で作られる。 接点の耐用年数は、回路を開く間のアーク放電に起因する接点材料の腐食によって制限される。 アークは、場合によっては、特に可燃性ガスが漏れている間は、火災の潜在的原因となり得る。 モノリシックカセットを回路遮断器で使用し、電気アーク放電を実質的に抑制するまたは完全に排除することができる。 モノリシックカセットは、スイッチギヤの移動接点がスイッチング動作中にモノリシックカセットの上を摺動するようにアークのないスイッチギヤ内に配置されてもよい。 スイッチを切っている間、移動接点は、モノリシックカセットの低抵抗率端部から高抵抗率端部まで摺動することができ、その間に閉回路位置から開回路位置に切り替わる。 スイッチング中の抵抗の増加をそのように制御することで、固定接点と移動接点との間の電位差が突然変化することを防止し、それによって電気アーク放電を実質的に抑制するまたは完全に排除する。 スイッチを入れている間、移動接点は、低抵抗率端部から高抵抗率端部まで摺動することができ、その間に開回路位置から閉回路位置に切り替わる。

一実施形態では、モノリシックカセットは、各層が異なる抵抗率を示すように、抵抗性粉末の多層を最初に積み重ねることによって形成されてもよい。 積み重ねた層は次いで、グリーンカセットを形成するために圧縮される。 図１は、例となるグリーンカセット１００を示す。 グリーンカセット１００は、抵抗性粉末の４層１０２、１０４、１０６、および１０８を含み、各々は、異なる抵抗率を示す。 抵抗性粉末の例となる組成は、図３と併せて以下で述べられる。 グリーンカセットはまた、様々な抵抗性粉末での組成の異なる割合のために連続する層間に物理的界面（すなわち、物理的境界）を有することもある。 グリーンカセットは次いで、モノリシックカセットの長さにわたって傾斜抵抗率を示すモノリシックカセットを形成するために焼結されてもよい。 モノリシックカセットは、層間に物理的境界のない、連続的な粒状構造を有し、抵抗がモノリシックカセットの端部間で連続的に変化するように傾斜電気抵抗率を有してもよい。 図２は、一実施形態による、例となるモノリシックカセット２００を示す。 焼結後に形成されるモノリシックカセット２００は、物理的境界を含まないが、しかしながら、端部２０２と２０４との間で連続的な粒状構造を示す。 点線は、端部２０２および２０４の代表的領域を示す。 しかしながら、端部２０２および２０４は、モノリシックカセット２００の上面および底面と同じほどに薄くてもよく、または例えば０．０１ｍｍよりも大きい有限厚さを有してもよい。

抵抗性粉末は、高抵抗率材料（例えば、セラミック材料）および低抵抗率材料（例えば、金属および金属合金）の混合物であってもよい。 抵抗性粉末の抵抗率は、混合物中の高抵抗率材料および低抵抗率材料の割合を制御することによって制御できる。 それ故に、異なる抵抗率を示す多層は、同じ高抵抗率材料および同じ低抵抗率材料のいろいろな割合の混合物を使用して得ることができる。 同じ群の混合物をそのように使用することは典型的には、多層の各々の実質的に同じ収縮および実質的に同じ焼結温度をもたらすことができ、それは次に、多層化グリーンカセットの焼結中の不均一な収縮、ひび割れ、空隙、およびボイドの形成を低減できるまたは実質的に排除できる。

高抵抗率材料は、例えば酸化亜鉛、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、二酸化シリコン、インジウムスズ酸化物、およびそれらの組合せを含むセラミック組成物であってもよい。 セラミック組成物は、高熱安定性、高温度耐性、表面硬度、機械的強度、およびその他などの特性をモノリシックカセットに与えることができる。 低抵抗率材料は、銀、銅、金、アルミニウム、インジウム、スズ、ガリウム、ニッケル、チタン、亜鉛、鉛、炭素、鉄、タングステン、モリブデン、それらの合金、および金属の混合物を制限なく含む導電性組成物であってもよい。 低抵抗率材料は、所望の電気的特性をモノリシックカセットに与えることができる。

一実装形態では、高抵抗率材料は、例えば酸化亜鉛および酸化アルミニウムを含むセラミック組成物粉末であってもよく、低抵抗率材料は、銀などの導電性金属粉末であってもよい。 酸化亜鉛は、高温点または高温割れに悩まされにくい。 高温点形成は、圧縮中に不可逆的変形部またはひび割れが形成される現象である。 酸化亜鉛は、およそ１０ｅ７オームメートル程度の抵抗率を有する。 酸化亜鉛を約０．３から０．５パーセント（酸化亜鉛の重量で）の酸化アルミニウムと混合することで、およそ１０ｅ３オームメートルから１０ｅ４オームメートル程度の抵抗率を持つセラミック組成物が得られる。 そのセラミック組成物に銀を追加すると、抵抗率はさらに、およそ１０ｅ−４オームメートル程度に低減する。 銀は、１５．８７×１０ ^-9オームメートルの極めて低い抵抗率を示す。 銀に対するセラミック組成物の割合を制御することによって、抵抗性粉末の抵抗率は、１０ｅ−４オームメートルから１０ｅ４オームメートルまで変えることができる。

セラミック組成物粉末は、例えば４ミクロンの粒径を有する酸化亜鉛粉末、および５．６ミクロンの粒径を有する０．４パーセント（酸化亜鉛粉末の重量で）の酸化アルミニウムを、イソプロピルアルコール中で約３０分間湿式混合することによって準備されてもよい。 湿式混合物は次いで、セ氏１００度で乾燥されてもよい。 乾燥後、セラミック組成物粉末は再び、乾式混合されてもよくまたはイソプロピルアルコール中で湿式混合されてもよい。

様々な抵抗性粉末は次いで、セラミック組成物粉末を銀粉末と混合することによって準備されてもよい。 銀粉末は、２から３．５ミクロンの間の粒径を有してもよい。 セラミック組成物粉末および銀粉末は、イソプロピルアルコール中で３０分間混合され、次いで乾燥されてもよい。 乾燥は、周囲温度でまたは高温のオーブン中で実行されてもよい。 銀粉末に対するセラミック組成物粉末の割合は、抵抗性粉末の抵抗率を制御する。 例えば、抵抗性粉末は、重量で４２から４５パーセントの銀を含んでもよい。 言い換えれば、抵抗性粉末は、重量で４５から５８パーセントのセラミック組成物を含んでもよい。 一実施形態では、抵抗性粉末は、１マイクロオーム−センチメートルから１メガオーム−センチメートルの間の電気抵抗率を有してもよい。 図３は、一実施形態による、例となるグリーンカセットの４つの異なる層について抵抗性粉末中のセラミック組成物および銀の例となる割合を示す表である。 モノリシックカセットの要件の通りに、セラミック組成物および銀の他の割合が、使用されてもよく、追加のまたはより少ない層が、使用されてもよいことを理解すべきである。

いったん異なる抵抗性粉末が、得られると、抵抗性粉末は、層スタックを形成するためにダイに導入される。 抵抗性粉末は、最も高い抵抗率を示す抵抗性粉末から始め、その後連続して減少する抵抗率を持つ他の抵抗性粉末を上へ層にしながら導入されてもよい。 別法として、ダイは、最も低い抵抗率を示す抵抗性粉末から始め、その後連続して増加する抵抗率の他の抵抗性粉末を上へ層にしながら充填されてもよい。 各層の均一な厚さを確保するために、各抵抗性粉末を導入後、抵抗性粉末は、例えばダイを振動させることによって、または均一な厚さの層を得るためのプランジャーを使用することによってダイに定着されてもよい。 導入および定着プロセスは、その後の各層について繰り返されてもよい。

抵抗性粉末の層スタックは次いで、グリーンカセットを形成するために適切な圧力の下で圧縮される。 圧力は、機械的強度、空隙率、およびその他などの、モノリシックカセットの所望の構造的特性に基づいて、１０メガパスカルから１ギガパスカルに及んでもよい。 一実施形態では、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、および銀を含む抵抗性粉末は、１０メガパスカルから６０メガパスカルの間の圧力で圧縮されてもよい。 抵抗性粉末は、一軸加圧成形、低温静水圧加圧成形、高温静水圧加圧成形、およびその他などだが限定されない、周知の圧縮技術を使用して圧縮されてもよい。 押圧操作中は、温度は、セ氏１５度（例えば、低温静水圧加圧成形では）からセ氏１６００度（例えば、高温静水圧加圧成形では）の間の値に設定されてもよい。 別法として、積み重ねた層は、熱間押出し、冷間押出し、静水圧押出し、およびその他などの押出しプロセスを使用して圧縮されてもよい。 圧縮プロセスは、粉末粒子をグリーンカセット中で一緒にするけれども、グリーンカセットは、多孔性を示すこともあり、それ故に限られた構造強度を示すこともある。 さらに、グリーンカセットはまた、様々な抵抗性粉末中のセラミック組成物および銀の異なる割合のために連続する層間に物理的界面（すなわち、物理的境界）を有することもある。

グリーンカセットはその後、モノリシックカセットを形成するために焼結されてもよい。 焼結するための温度は、抵抗性粉末の成分に基づいて選択されてもよい。 典型的には、グリーンカセットは、セ氏８００度からセ氏２０００度の間の温度で、２時間から１００時間の間焼結されてもよい。

抵抗性粉末が、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、および銀を含む実施形態では、グリーンカセットは、セ氏８５０度からセ氏９５０度の間の温度で焼結されてもよい。 焼結中の温度の変化率は、セ氏約１．５から２．５度毎分であってもよい。 言い換えれば、グリーンカセットは、昇温速度をセ氏１．５から２．５度毎分の間に制御しながら室温からセ氏約８５０〜９５０度まで加熱される。 グリーンカセットは、空気雰囲気中で焼結されてもよい。 焼結プロセスは、２２から２６時間の間実行されてもよい。 １つの例となるモノリシックカセットについては、グリーンカセットの焼結は、セ氏９００度の温度で、空気雰囲気中で２４時間の間、温度の変化率をセ氏２度毎分に設定して行われる。

グリーンカセットは、焼結する前には、異なる抵抗性粉末の別個の層を含み、各層は、別個の抵抗率を示し、抵抗率は、層境界を横断する間に離散的階段状に変化することもある。 焼結は、グリーンカセットを通って銀の原子拡散を引き起こす。 銀原子は、グリーンカセット中に存在する細孔に沿って移動する。 焼結温度では、新しい微結晶が、層間の物理的界面で形を成し、その結果元の層間境界は、消失し、それ故にモノリシックカセット中に連続的な粒状構造を形成する。 モノリシックカセットは今では、長手表面に沿って抵抗率の滑らかな推移を示すことができる。 長手位置に対するモノリシックカセットの抵抗率のグラフは、滑らかな推移を例示することになる。 例となる実験準備についての１つのそのような抵抗率グラフは、図４で例示される。 長方形４０２によって印を付けられた領域の拡大図は、図５で示される。 測定できる最小測定抵抗率値は、実験的測定準備によって、例えば実験的測定準備で使用される接点の接触抵抗によって制限されることになることが理解されよう。

制御された温度、加熱速度、および雰囲気の下では、グリーンカセットの空隙率は、減少することもあり、グリーンカセットよりも密度の高いモノリシックカセットをもたらす。

焼結後、モノリシックカセットは次いで、所望の硬度および構造強度をモノリシックカセットに与えるために、制御された温度低下の下で冷却されてもよい。 冷却速度は、セ氏１．５から２．５度毎分の間であってもよい。 １つの例となるモノリシックカセットについては、冷却速度は、セ氏２度毎分である。 冷却する間の温度の変化率を制御することで、固化時にモノリシックカセット中にひび割れまたは他の変形部が形成されるのを実質的に低減するまたは完全に排除することができる。

結果として生じるモノリスカセットはそれ故に、連続的な粒状構造および長手表面に沿って１０ｅ−６オームメートルから１０ｅ６オームメートルまで漸変する抵抗率を有する。 図６は、一実施形態による、モノリシックカセットの垂直軸に沿った例となるモノリシックカセットについての微細構造のスナップ写真である。 モノリシックカセットは、境界のない一様な結晶構造を示すことがわかる。 またひび割れおよびボイドも、拡大像で観察できない。 モノリシックカセットは、１００ミクロン未満の二乗平均平方根（ＲＭＳ）表面粗さ値を有することもある。 モノリシックカセットの硬度は、モース硬度計で３よりも大きいこともある。 モノリシックカセットは、セ氏３００度を超える温度で熱的に安定であることもある。 制御された冷却速度により、モノリシックカセットは、１５０メガパスカルを超える機械的強度を示すこともある。

本明細書で提示する一実施形態は、抵抗性粉末の４層を使って例証されるモノリシックカセットを例示する。 しかしながら、モノリシックカセットは、設計および適用パラメーターに応じて、抵抗性粉末の任意の数の層を含んでもよいと理解すべきである。 本明細書で提示する方法および組成物によれば、モノリシックカセットの２つの端部の間で漸変する抵抗率を示すモノリシックカセットが、形成できる。 いくつかの実施形態では、抵抗率は、モノリシックカセットの２つの端部の間で１２桁に至るまで漸変することもある。 いくつかの他の実施形態では、抵抗率は、モノリシックカセットの２つの端部の間で少なくとも１２桁だけ漸変することもある。 抵抗率の桁数は、モノリシックカセットが配置されることになるスイッチギヤの動作パラメーターに基づいて選択されてもよい。 そのような動作パラメーターは、例えば動作電圧および電流、動作電力、ならびにその他を含む。 例えば、高電力産業用途では、モノリシックカセットは、８桁だけ漸変する抵抗率を有するように設計されてもよい。 しかし一方、低電力家庭内用途については、モノリシックカセットは、例えば６桁だけ漸変する抵抗率を有するように設計されてもよい。 重大な火災安全スイッチギヤを必要とするより高い電力の産業用途については、モノリシックカセットは、例えば１２または１３桁だけ漸変する抵抗率を有するように設計されてもよい。

さらに、層での抵抗率の進行は、数学関数に基づいて調整されてもよい。 任意の周知の数学関数が、長手表面に沿った抵抗率プロファイルを設計するために使用されてもよく、例えば放物線関数、双曲線関数、指数関数、それらの組合せ、およびその他である。 数学関数は、２つ以上の数学関数の組合せであってもよい。 抵抗性粉末の組成、層の厚さ、およびそれ故にモノリスブロックの抵抗率の傾斜は、固定接点と摺動接点との間の電位差が、常にアーク放電のための条件が存在しないようなものであるように設計されてもよい。 例えば、モノリシックカセットの抵抗率の変化率は、低抵抗率端部では小さく、高抵抗率端部で抵抗率の変化率が高くなるように、モノリシックカセットの長さにわたって徐々に増加してもよい。

１００ グリーンカセット １０２ 抵抗性粉末の層 １０４ 抵抗性粉末の層 １０６ 抵抗性粉末の層 １０８ 抵抗性粉末の層 ２００ モノリシックカセット ２０２ 端部 ２０４ 端部 ４０２ 長方形