JPS5858718A - 高電圧モノリシツクセラミツク多重電極形のコンデンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はモノリシック多層コンデンサ構成Ｋｌｌし、特
には高圧用に利用される構成に関する。更にまた、本発
明は、誘電体として圧電材料を使用シテいる振動コンデ
ンサにおける擬似信号の発生を最少にすることに関する
。

高圧セラオックコンデンサは広範な用途に利用できる。

これら高圧セラミックコンデンサは一般にセラミック材
料で形成された誘電体によってはさみ込んだ電極板で構
成されている。誘電体の寸法および特性はキヤ・ヤシタ
ンス値を決定することを助け、定格１０　ｋＶをこえる
高圧コンデンサは非常に大形、高価であり、その寸法の
ために用途が限られている。この種の高圧セラミックコ
ンデンサの１例が米国特許第３，９４６，２９０号に示
されている。　　　　　　　　　　　　　　、１、モノ
リシック・セラミック多重電極コンデンサ組立ては、電
子工学工業において広く利用されている。これらコンデ
ンサは、並列アセンブリあるいは直列アセンブリのいず
れかで構成されている。

並列多重電極コンデンサアセ／プリの場合は、モノリシ
ック媒体中に埋め込まれた電極は、両対向縁部から内方
に向って嬌在し、相対向する電極間に誘電材料がはさま
れている。側縁部にこのような電極と共通結合電極とを
交互に形成して多重電極並列コンデンサが形成されてい
る。

直列コンデンサアセンブリにおいては、離間整列された
電極は、両対向縁部から内部に相互の方向に向って延出
し、各対向電極の各内端部には間隙が形成されている。

誘電体中で離間電極から間隙を置いて分離している浮遊
電極によって電極が接続され直列構造が形成されている
。

このような多重電極コンデンサアセンブリの電極の縁部
および電極層の間に応力点をもつ、このようなコンデン
サーの電圧定格はこの負荷によって限定され、誘電体耐
電圧はこの負荷によって限定される。大概の誘電材料の
場合、その誘電体耐電圧定格は一般に、誘電体厚さの増
大とともに単位厚さ当シの値が低下するが、全体として
の誘電体耐電圧は増大する。従って、高圧用としては比
較的厚い誘電体が要求される。

先行技術によるモノリシック多重電極並列コンデンサ′
＃′ｉまた、電極間で絶縁破壊が発生した場合に重大な
破局的絶縁破壊を生ずる欠点がある。これらのコンデン
サは並列接続されているので、このような絶縁破壊によ
ってコンデンサ特性が効果的に破壊もしくは激しく麦作
される。このような便化けこのようなコンデンサの信頼
度を低下させる傾向をもつ。

多重電極コンデンサ組立てはまた、予定のキヤ・ヤシタ
ンスを有するコンデンサを作成する能力に影響する実際
上の設計制限事項の問題を有している。すなわち、誘電
体厚さ、電極面積およびモノリスを作る丸めの焼結加工
に影響される諸誘電特性を正確に規制するのが困難であ
る。

しばしば、コンデンサ構造は個々のコンデンサを電気的
に結合して形成される。このような構造にはその組立技
術に付随した本質的な欠点による問題がある。すなわち
多くの結合点かあシ、そのためにこのような組立ての信
頼度が低くなる。

を九多畷式コンデンサの誘電セラミックとして圧電材料
が利用されておシ該コンデンサに振動が加えられ九場合
に、腋コンデンサ中に擬似信号が発生することが分って
いる。これらの擬似信号は圧電材料の性質のために発生
するのである。これらのコンデンサが航空宇宙用途に利
用されるものであろうことから、このような擬似信号を
最少にすることが重要であることが理解できる。

雑誌「フェロエレクトリックス（Ｆｅｒｒｏ＠１＠ｅｔ
ｒｌｅｓ）Ｊ１９８０年、第２７巻、５９−６２頁に掲
載された論文「内部電極ＰＺＴ多畳コンデンサの圧電特
性」（Ｐ１＠ｉｏ＠１＠ｃｔｒｉｃ　Ｐｒｏｐｅｒｔｌ
＊ｓ　ｏｆ　Ｉｎｔ＠ｒｎａｌｌｙＥ１＊ｅｔｒｏｄｅ
ｄ　ＰＺＴ　Ｍｗｌｔｉｌａｙ＠ｒ　Ｃａｐａｅｉｔｏ
ｒｓ）においては、誘電体として圧電材料を使用してい
る並列多重電極構造にはピンニング効果があると断定し
ている。ピンニング効果は並列電極コンデンサ構造にお
ける電極の縁部に発生するのかもしれない。

本発明の目的は、比較的小形の高圧モノリシック・コン
デンサを提供することである。

本発明の他の目的は、高圧定格モノリシック多重電極コ
ンデンサ組立てを提供することである。

本発明の更に他の目的は、よシ効釆的かつ正確に定格キ
ャ／ｌシタンスが設定されたコンデンサ構造を提供する
ことである。

本発明の更に他の目的は、信頼度が向上されたコンデン
サ構造を提供することである。

本発明の更に他の目的紘、圧電誘電体の振動量が、振動
作用によって生起する不要の擬似信号の発射を減少させ
るために限定されている、圧電誘電材料を使用した多重
電極コンデンサ組立てを提供することである。

本発明の他の目的、利点および特徴は以下の説明によっ
て更に明らかになるものである。

本発明の原理によれば、浮動電極と外側電極ピンとの間
の間けき寸法が、圧電誘電体の振動を、有害な擬似信号
が発生する水準以下に固定する寸法であるモノリシック
直列コンデンサ組立てによりて上記本発明の目的が達成
される。

本発鳴の他の特徴は、琳−の誘電媒体を横切って複数間
げきを設けた直列構造を利用して、小形高圧コンデンサ
構造を得ることである。このような構造の相当回路は直
列コンデンサの１つであるから、誘電媒体を横切る各間
げきは電圧定格を増大させる。該コンデンサのキャノダ
シタンス値は、付加的交互になった層を付加することお
よび電極を第３次元Ｋ（コンデンサの深さに沿って）拡
張することＫよって増大される。コンデンサ素子を直列
接続することによって電圧定格を着しるしく増大させら
れる。

本発明の多重電極コンデンサは多数の個のコンデンサ細
区分で形成されているから、コンデンサの信頼度が高め
られている。更にまた、多数の細区分が結合されている
から、いずれの巣−細区分の変動の重大さも最少であシ
その結果、設計キャパシタンス値によル近いキヤ／母シ
タンスのコンデンサが実現される。更にまた、電極が巣
−構造状態に形成されているから、個々のコンデンサ細
区分を接続する別の接合部は不要である。

本発明の特徴の１つとして、直列多重電極モノリシック
・コンデ２ンサ構造によって、先行技術に付随する破局
的絶縁破壌の問題を最小限度に押えられる。かくして、
仮に直列回路の１つの細区分が故障したとすると、全直
列コンデンサ回路の値祉蜜化するであろうが、他のコン
デンサ回路の短絡は発生しないであろう。

本発明の他の特徴として、直列構造を採用しているため
に鱒電箸の応力を低下させられる。

本発明の別の特徴は、本発明は比較的小形の誘電媒体を
有する高い電圧定格のコンデンサを提供できることであ
る。これは薄手の誘電媒体の単位厚さ当シの誘電体強度
（がルト／ミル）の方が厚手の誘電媒体のそれよシ高い
ためであり、誘電体の設計に当って単位厚さ当）のよシ
高い強度を適用できるので、よシ高効率のコンデンサ構
造を設計し得るためである。

第１図は、従来形の多重電極モノシリツクセラミック並
列コンデンサアセンブリの横断面図である番誘電媒体１
６に壌め込まれた電極１０．１２は相互に平行配置され
間げき１４によって隔離されている。これらの電極の外
側縁は電気回路に接続されており、電極１０，１２と誘
電媒体１６とでコンデンサを構成している。電極１０に
関して平行から並列状に配置された別の電極１８は電極
１２の上方に、誘電媒体１４中の間げき２ｏだけ電極１
２から離して配設されている。従って、各電極間に設け
た間げき１４．２０によって、第２図に示したような２
つの並列接続コンデンサ２２゜２４が構成される。電極
１０と１８とは各々の外側共通縁で相互に電気的に接続
されている。

第３図は従来形の直列モノシリツク多重電極コンデンサ
アセンブリの横断面図である。コンデンサ構造の各側縁
３０，３２はそれぞれ、内側向き相互に離間配置された
電極３４．３６に電気的に接続されている。電極間には
間げき域３８が形成されている。これら対をなす離間電
極の上方に浮動電極４０が設けてあり、これら３つの電
極は誘電媒体４１内に埋込まれている。

第４図は第３図に示した直列多重電極コンデンサアセン
ツリの等価回路であるｅ％に、該構成を横切って２つの
コンデンサ４２．４４が直列に構成されている。各コン
デンサは浮動電極と隔離電極との重り合い部分およびそ
れらの間にある誘電媒体とで構成されている。最大誘電
応力は浮動電極の各縁部の先端に生ずる。この応力がコ
ンデンく すの電圧定格を制限する。全コンデンサ値は第３図に示
した響の数で定まシ、浮動電極４０と対をなす隔離電極
３４．３６との組合せの繰返し智が形成される。隔離電
極の各々の外側縁を同様に配設された他の平行隔離電極
の外側縁とを接続してコンデンサ構造を構成しである。

上述のように、並列および直列多重電極コンデンサアセ
ンブリの電圧定格は浮動電極の先端における誘電応力お
よび誘電体１の厚さによって限定される。第５図は、高
い電圧定格を有する多重電極コンデンサの本発明による
１実施例の横断面図である。巣−の誘電材料内に条間げ
き直列モノシリツク・コンデンサ構造を埋込んでこの高
い電圧定格を達成している０％には、複数の隔離電極５
０．５２．５４（少くとも３個）を各電極対間に間げき
を設けて誘電媒５６の巾方向に一直線に配列しである。

隣り合りて対をなす電極５０．５２および５２．５４そ
れぞれの間の各間げき域は、各隔離電極対からある間げ
きだけ離して配置されている各浮動電極５８および６０
によって橋絡されている。浮動電極と隔離電極の各組の
キャパシタンス値は、各電極の寸法、電極間の重シ面積
、使用材料、誘電媒体の厚さおよび間げき寸法によって
定まる。電極を単−誘電材料内に埋込んだ条間げき直列
構造を設けることによって、間げき数を増加することに
よってコンデンサの定格を高められるであろう。勿論、
付加的間げきの各個が使用されるごとに全体のキャパシ
タンス値は減少するが、付加的響とともにキヤ・母シタ
ンス値が増大する可能性がある。

第６図はコンデンサの電圧定格を増大させると同時にキ
ヤ・ｆシタ値を増大させる１方法を示す。

この場合、誘電体板６４Ｋ（スクリーン捺染もしくは同
様の方法によって）隔離電極板６２が取シつけられてい
る。誘電体板６４に積み重ねられる次の誘電体板６８上
に電極６６がスクリーン捺染されている。電極６２．６
６を選択的に配置することによって、誘電媒体を横切っ
て、電極６６が浮動電極として作用する積数の条間げき
直列コンデンサ構造が構成される。結果として得られる
層状体を従来の方法で加工して目的のコンデンサ構造が
構成される。

第６図に示した構造は３×２マトリツクス構造で、この
場合は６つの′コンデンサ細区分が構成されている０代
りの配列としては、板６２は２方向に隔離されている必
要はなく、隣シ合う板間の間げきを埋めて板寸法を大き
くし重り合い面積を増大させられる（第７図）。実際Ｋ
Ｆｉ、誘電体板６４の２方向のほとんど縁から縁まで板
６２を拡張させて電極寸法およびキャパシタンス値を増
大させるように構成してよい、第６図には２×３マトリ
ツクス構造が示されているが、本発明はこの構造に限定
されるものではない。全コンデンサ値は積み重ねられた
誘電体響の数に支配されるものと理１ 解される。

本発明によるコンデンサは適切ないかなるセラミックー
誘電体形式を使用してもよい。多重直列構造を利用すれ
ば、コンデンサを構成する細区分の数が増加するので、
信頼度が高くなる。さらに１並列多重電極構造の場合の
ようＫ、１つの細区分の故障がコンデンサの破局的機能
低下に結びつくことがない。

本発明による直列接続構造によればまた、コンデンサを
構成する隣シ合う電極間の誘電体厚さを減少させられる
。誘電体厚さが減少されるから、コンデンサの設計に当
ってより大きい巣位厚さ轟シ強度値を採用してもよい。

本発明によって構成された直列多重電極アセンブリを作
製した。使用した誘電材料は、誘電率が約１７００、温
度特性がＸ７Ｒの圧電セラミックである。隔離電極間の
間隙は０．７６２■（０，０３０インチ）、隔離電極と
浮動電極間の間げきは０．３８１■（０，０１５インチ
）である。電極厚さは０．００２５４閣ないし０．００
５０８ｍ（０，１ないし０．２ミル）である。電圧定格
は２００ｐｆｅコンデンサの破壊定格は１５００Ｖ以上
である。この構造は能動電極を４つ、印刷層を５１１，
６１１０全一を含むものである。該コンデンサの形状は
長方形で、寸法は約１２．７５ｗ１Ｘ１０．１６ｍＸ２
．５４ｍｍ（０，５Ｘ　Ｏ，４Ｘ　Ｏ，１インチ）であ
る。３×３マトリツクスを利用した。

本発明に従って構成されたコンデンサについていくつか
の測定をした。第１表はそれぞれ同様に構成されたコン
デンサの５個のサンプルの３組におけるキヤ・ｆシタン
スと誘電体耐電圧（ＤＷＶ　）との関係を示す。

第１！！ １１０．９　　　　　　　　７５２０ ８０．６　　　　　　　１３，２６０ ４７．６　　　　　　　１５，９００ 本発明の別の特徴として、多層セラミックコンデンサ組
立てにおける誘電媒体として圧電材料を：′ 使用し、該組立てに振動を加えると、不要の擬似信号が
発生されることが分った。これらの擬似信号の振巾は、
これらの組立てを−込んだ回路の適切な作動を妨害でき
るものである０本発明によれば、多層セラミックジンデ
ンサの直列接続構成は、このような擬似信号の振巾を発
生され九妨害水準以下に抑制できる。直列配置した間げ
きの数が増加するにつれて、それに応じたキャパシタン
ス値の減少と共に圧電振動作用のよシいっそうの固定化
（ピンニング）が達成される。所要のコンデンサ値を得
るために付加的積重ねを追加してコンｒ／す値を増大さ
せてもよい。

本発１４によるコンデンサの圧電応答性を測定し、先行
技術による市販の並列多重電極コンデンサと比較した。

種々の周波数におけるキャパシタンスと誘電体損失（ｔ
ａｎ　ａ　）とを、ヒエレット・ノぐツカード４２７４
ＡＭ多周波数ＬＣＲ計のヒエ−レット・Δツカード４２
７０人型自動キャパシタンス・ブリッジを使用して測定
した。多層コンデンサの端末極性を、高圧電源において
クイスリ針器２４０人製および／を九はＨＰ４２７ム型
自動キャノダシタンス・ブリッジを利用して定め喪、空
気中、室温において各種ＤＣ電界を各種時間だけ印加し
てコンデンサの端子極性を定めた。パーリンコー）　４
３３　Ｉｔを使用して圧電特性を測定した。

第２！ＩＫ／−ＩＪｙ／電圧り、Ｃ，１００Ｖ　Ｋ　！
る直列接続構造における固定化効果を示した。第２表は
畢−間げき直列構造における圧電効果低減達成状態を示
している。

第２表 ５６００　　　並列接続＝２１１．　　３Ｘ１０　　ク
ーロン鰐電体厚さ：１．２ミル　　　　　　−一トン（
０，０３０４８１１１）　。

寸法０．２５Ｘ０．２１インチ （６，３５■Ｘ５．３３４諺） ４７００　　　直列接続””ｅ　　　４．５Ｘ１０”−
１２誘電体厚さ＝１．２ミル。

（０，０３０４８■） 寸法：　０．１８Ｘ０．０８インチ （４，５７２■Ｘ２．０３２閣） これらの調定値線、直列多重電極コンデンサ構造により
て誘電活動が着しるしく低減されることを立証している
。

第６図において、並列電極６２間の縦方向間げきを制限
することによって、直列接続構成において圧電活動の他
の抑制が達成される。縦方向間げき内の材料、間げきの
大きさ、間げき周囲の輪郭寸法、間げきの形状勢全てが
、誘電体の圧電効果を支配する規制対象である。

本発明の図解は特定の寸法を説明したものであるが、多
くの寸法・譬うメータは変更できるものである０例えば
、隣合う隔離電極間の間げきは、浮動電極とそれに対応
する２つの隔離電極との間の両距離の合計値と等しくて
もよい、相対寸法を変更することもできる。更に１全て
の電極が均斉な列であるように図示されているが、この
ような寸法上の制約は全くなく、隔離電極および浮動電
極をどのように配列してもよい、更Ｋｔた、隔離電極お
よび浮動電極を、焼結前に別々のＩＩＫ被覆形成した状
態で本発明が図示されているが、他の工程を利用して巣
−のセラミック誘電媒体内に上記電極を形成してもよい
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来形の多重電極直列形コンデンサアセンブ
リを示す断面図、 第２図は、第１図のコンデンサアセンブリの等価回路を
示す回路図、 第３図は、先行技術による多重電極直列形コンデンサア
センブリを示す断面図、 第４図は、第３図のコンデンサアセンブリの等価回路を
示す回路図、 第５図は、本発明による高電圧条間げきコンデンサの１
具体化例を示す断面図、 第６図は、本発明による高電圧条間げきコンデンサの他
の具体化列を示す分解斜視図、そして＃！７図は、第６
図に示したコンデンサ構造の他の具体化例を示す分解斜
視図である。 １０．１２．１８・・・電極、１４．２０・・・間げき
、１６・・・誘電媒体、２２．２４・・・コンデンサ、
３０゜３２・・・側縁、３４．３６・・・離間電極、４
０・・・浮動電極、４１・・・誘電媒体、３８・・・間
げき域、４２゜４４・・・コンデンサ、５０，５２，５
４・・・離間電極、５８．６０・・・浮動電゛極、６２
．６２’・・・離間電極板、６６　、６６’・・・浮動
電極板、６４．６４’、６８．６８’・・・誘電ａ根。 特許出願人 センター　エンジニアリング、インコーＩレイティド特
許出願代理人 弁理士　青　木　　　朗 弁理士西舘和之 弁理士　松　下　　　操 弁理士　山　口　昭　之 第１図　　　　第２図 ０ 第３図　　　　第４図 第５図 第６図 第７図 手続補正書（方式） ％式％（０ 、事件の表示 昭和５７年　特許願　　第１１６３２３号、発明の名称 高電圧モノリシックセラミック多重電極形のコンデンサ
、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 名　称　センター　エンジニアリング、インコーホレイ
ティド４、代理人 （外　３　名） ６、補正の対象 明細書 ７、補正の内容 明細書の浄書（内容に変更なし） ８、添附書類の目録 浄書明細書　　　　　　１通

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　内部に電極が埋設されてコンデンサ細区分を構成
   している誘電体材料で形成され、前記電極が選択的に電
   気的に接続されている高圧モノシリツクセラミック多重
   電極コンデンサ構成体であって、前記コンデ／す構成体
   には少くとも２つの間げき域が形成されており、前記間
   げき域は骸誘電体構成体を横切つて配置され九少くと本
   ３つの離間電極で形成されておシ、各離間電極対を構成
   する離間電極をそれらの間に間げきを置いて離間配置し
   、各前記間げきの中には浮動電極を配置して、各前記浮
   動電極とそれに関連する離間電極との間の重シ合う部分
   の中に構成されたコンデンサ細区分によって、誼誘電体
   構成体を横切って直列キャノタシタンス構成体が構成さ
   れている高電圧モノリシック・セラミック多重電極形の
   コンデンサ。 ２、前記コンデンサが、前記離間電極と前記浮動電極と
   をその中に埋込んだ状態で含んでいる前記誘電体材料に
   関して垂直に積み重ねられた〈シ返し響状に構成されて
   いる、特許請求の範囲第１項記載のコンデンサ。 ３、離間電極が１つの誘電鳴止に形成され、前記浮動電
   極が別の誘電体層上に形成され、前記１が積重ね合され
   加工されてモノリシック構造体として構成されている、
   特許請求の範囲第１項記載のコンデンサ。 ４、その上に前記離間電極がそれを横切って一列に間に
   前記間げき域をはさんで形成されている第１の誘一体板
   と、その上に前記浮動電極板が形成されている第２の誘
   電体板とで構成され、前記第１の誘電体板上に形成され
   た前記隣シ金う電極それぞれの間の間げき域を、前記第
   ２の誘電体板上く形成された浮動電極が橋絡する状態で
   、前記第１．第２の誘電体板を相互に積重ねて、前記コ
   ンデンサの前記条間げき直列構造を構成した、特許請求
   の範囲第１項記載のコンデンサ。 ５、前記離間電極および浮動電極が並列状態に形成され
   ている、特許請求の範囲第１項また祉第４項記載のコン
   デンサ。 ６、該第１Ｃ）誘電体板上に形成され九前記電極が２方
   向に該第１の誘電体板のほぼ全深さＫわ九って延在して
   いる、特許請求の範囲第４項記載のコンデンサ。 ７、前記マンデンサが更に１前記第１および第２の９電
   体板を相互に積重ね丸紐合せを複数組含み、各対応する
   電極板の両側縁が電気的に接合されて前記多重電極コン
   デンサ組立てを構成し、鋏組立てが、モノリシック構造
   を形成するために加工されている、％杵請求の範囲第４
   項記載のコンデンサ。 ＆　前記離間電極が、前記第１の誘電体板を横切る方向
   の複数の平行な列状に整列させてあシ、前記浮動電極が
   、前記第２の誘電体板を横切る方向の複数の列状に整列
   させてあシ、前記離間および浮動電極が相互に平行な列
   状に形成しである、特許請求の範囲第４項記載のコンデ
   ンサ。 ９、−直線状に配置されその間に少くとも１つの間げき
   を有する少くとも２つの離間電極と前記少くとも１つの
   間げき奢橋絡する浮動電極とで構成され九直列多重電極
   モノリシック・コンデンサであって、前記離間および浮
   動電極が圧電材料で構成され九誘電体の中に形成されて
   おシ、該浮動電極と離間電極との間に形成された間げき
   域の寸法が、発生する擬似信号の振巾を、コンデンサが
   振動性作用を受は九場合に１所定の妨害水準以下に制限
   するために、前記圧電材料中に発生する圧電性活動の量
   を制限する寸法である、高電圧モノリシックセラミック
   多重電極形のコンデンサ。 １０、　　前記多重電極構造が、−直線状に一列に形成
   された複数の離間電極と一列に形成された複数の浮動電
   極とを含み、前記複数の離間電極の１ｉｌＩシ合うもの
   の間に検数の間げきが形成されておシ、前記複数の離間
   電極が対応する離間電極対の間の間げきを橋絡するよう
   に間隔を置いて配置されておシ、前記離間および浮動電
   極が圧電誘電材とともにモノリシック・コンデンサとし
   て構成されており、前記浮動電極とそれに対応する離間
   電極対との間に形成された藺げき域が、擬似信号の振巾
   を制限するために前記圧電材料の圧電性活動を制限して
   いる、特許請求の範囲第９項記載のコンデンサ。 １１、前記；ンデンサが前記モノリシック構造の中に形
   成された複数の離間電極の前記列とそれに対応する複数
   の浮動電極の前記列とで構成されておシ、前記列の各々
   は隣シ合う列からある距離だけ離されておシ、前記隣シ
   合う列間の前記距離が、前記圧電性活動を制限するため
   に規制されている、特許請求の範囲＠１０項記載のコン
   デンサ。 １２、全ての前記列間の距離が等しい、特許請求の範囲
   第１１項記載のコンデンサ。 １３、圧電材料とその上に形成され九離関電極の縁部間
   に境界域が形成され、前記境界域の寸法が前記圧電性活
   動を制限するために規制されている、４！詐請求の範囲
   第１１項記載のコンデンサ。