特許 6096579 セラミックデバイス及びその検査方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6096579

(24)【登録日】2017年2月24日

(45)【発行日】2017年3月15日

(54)【発明の名称】セラミックデバイス及びその検査方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 41/253 20130101AFI20170306BHJP

   H01L 41/09 20060101ALI20170306BHJP

   H01L 41/04 20060101ALI20170306BHJP

   G01K 7/34 20060101ALI20170306BHJP

   H04R 17/00 20060101ALI20170306BHJP

   G10K 9/122 20060101ALI20170306BHJP

   H01L 41/113 20060101ALI20170306BHJP

【ＦＩ】

   H01L41/253

   H01L41/09

   H01L41/04

   G01K7/34

   H04R17/00

   G10K9/122 170

   H01L41/113

【請求項の数】12

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2013-88048(P2013-88048)

(22)【出願日】2013年4月19日

(65)【公開番号】特開2014-212227(P2014-212227A)

(43)【公開日】2014年11月13日

【審査請求日】2016年1月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003403

【氏名又は名称】ホーチキ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100079359

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 進

(72)【発明者】

【氏名】長島 哲也

【審査官】 小山 満

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−００７９７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２１１６８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１２１７９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２９６７７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０７２７９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１８０４９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０９７４５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０１５７５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２３０８５４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ４１／００−４１／４７

Ｇ０１Ｋ ７／３４

Ｇ１０Ｋ ９／１２２

Ｈ０４Ｒ １７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

誘電体セラミックの両側に電極を配置したセラミック素子を備え、前記セラミック素子に所定の動作電圧を印加することにより動作するセラミックデバイスに於いて、
所定の検査周期毎に、前記動作電圧を印加していない所定のタイミングで、所定の検査電流を供給可能な検査電流供給源を前記セラミック素子に所定時間だけ接続して所定の検査電圧を印加し、絶縁状態が維持されていた場合は、前記検査電流が流れず、前記誘電体セラミックの割れ目を通ってマイグレーションにより成長したデンドライトが電極間を接続していた場合は、前記デンドライトに前記検査電流が流れて、当該デンドライトを自己発熱により溶断させる検査手段を設けたことを特徴とするセラミックデバイス。

【請求項2】

請求項１記載のセラミックデバイスに於いて、前記検査手段は、前記検査電流供給源として、前記セラミック素子に定電流源又は定電圧源を接続して所定の検査電流を前記デンドライトに流して溶断可能とすることを特徴とするセラミックデバイス。

【請求項3】

請求項１記載のセラミックデバイスに於いて、
前記セラミック素子をセンサとして動作する場合、前記セラミック素子に、所定のセンサ周期毎に、所定のセンサ動作電圧を印加することにより所定のセンサ情報を検知するセンサ動作手段を設け、
前記検査手段は、前記センサ周期より長い前記検査周期毎に、前記センサ動作電圧を印加していない所定のタイミングで、前記検査電流供給源を前記セラミック素子に所定時間だけ接続することを特徴とするセラミックデバイス。

【請求項4】

請求項１記載のセラミックデバイスに於いて、
前記セラミック素子を音響源として動作する場合、前記セラミック素子に音響駆動電圧を印加する音響駆動手段を設け、
前記検査手段は、所定の検査周期毎に、前記音響駆動電圧を印加していない所定のタイミングで、前記検査電流供給源を前記セラミック素子に所定時間だけ接続することを特徴とするセラミックデバイス。

【請求項5】

請求項１記載のセラミックデバイスに於いて、前記検査手段は、所定の検査周期毎に、前記セラミック素子の抵抗を測定し、当該測定抵抗がマイグレーションにより成長したデンドライトによる電極間短絡が想定される所定値以下となった場合に、前記検査電流供給源を前記セラミック素子に所定時間だけ接続することを特徴とするセラミックデバイス。

【請求項6】

請求項１乃至５の何れかに記載のセラミックデバイスに於いて、前記デンドライトを溶断するために流す前記検査電流を１００マイクロアンペア以上としたことを特徴とするセラミックデバイス。

【請求項7】

誘電体セラミックの両側に電極を配置したセラミック素子を備え、前記セラミック素子に所定の動作電圧を印加することにより動作するセラミックデバイスの検査方法に於いて、
所定の検査周期毎に、前記動作電圧を印加していない所定のタイミングで、所定の検査電流を供給可能な検査電流供給源を前記セラミック素子に所定時間だけ接続して所定の検査電圧を印加し、絶縁状態が維持されていた場合は、前記検査電流が流れず、前記誘電体セラミックの割れ目を通ってマイグレーションにより成長したデンドライトが電極間を接続していた場合は、前記検査電流供給源から前記デンドライトに前記検査電流が流れて、当該デンドライトを自己発熱により溶断させることを特徴とするセラミックデバイスの検査方法。

【請求項8】

請求項７記載のセラミックデバイスの検査方法に於いて、前記検査電流供給源として、前記セラミック素子に定電流源又は定電圧源を接続して所定の検査電流を前記デンドライトに流して溶断可能とすることを特徴とするセラミックデバイスの検査方法。

【請求項9】

請求項７記載のセラミックデバイスの検査方法に於いて、
前記セラミック素子をセンサとして動作する場合、前記セラミック素子に、所定のセンサ周期毎に、所定のセンサ動作電圧を印加することにより所定のセンサ情報を検知し、
前記センサ周期より長い前記検査周期毎に、前記センサ動作電圧を印加していない所定のタイミングで、前記検査電流供給源を前記セラミック素子に所定時間だけ接続することを特徴とするセラミックデバイスの検査方法。

【請求項10】

請求項７記載のセラミックデバイスの検査方法に於いて、
前記セラミック素子を音響源として動作する場合、前記セラミック素子に音響駆動電圧を印加し、
所定の検査周期毎に、前記音響駆動電圧を印加していない所定のタイミングで、前記検査電流供給源を前記セラミック素子に所定時間だけ接続することを特徴とするセラミックデバイスの検査方法。

【請求項11】

請求項７記載のセラミックデバイスの検査方法に於いて、所定の検査周期毎に、前記セラミック素子の抵抗を測定し、当該測定抵抗がマイグレーションにより成長したデンドライトによる電極間短絡が想定される所定値以下となった場合に、前記検査電流供給源を前記セラミック素子に所定時間だけ接続することを特徴とするセラミックデバイスの検査方法。

【請求項12】

請求項７乃至１１の何れかに記載のセラミックデバイスの検査方法に於いて、前記デンドライトを溶断するために流す前記検査電流を１００マイクロアンペア以上としたことを特徴とするセラミックデバイスの検査方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、センサや音響源等として動作するセラミック素子を備えたセラミックデバイス及びその検査方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、セラミック素子は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等を含む薄板の誘電体セラミックを２枚の電極で挟んだ構造であり、電極間に電圧を印加することにより変形する圧電性を利用してブザー等に応用されている。例えばセラミック素子に音の周波数に応じ変調した電圧を印加することにより、任意の振動をセラミック素子に与えて音を発することができる。

【0003】

またセラミック素子は、温度により誘電体セラミックの誘電率が変化することが知られており、これを利用した温度センサとしてセラミック素子を用いる場合もある。この場合、温度により定まる誘電率に応じたセラミック素子の容量を、セラミック素子に矩形波電圧を印加する時の充電時間により測定して温度を求める。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００８-２７９６１号公報

【特許文献2】特開２００８−１５７７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、薄板の誘電体セラミックの両側に電極を配置した構造のセラミック素子は、強度が小さくなることから、場合によっては誘電体セラミックに小さなクラックを生じる事がある。このクラックが内在した状態でセラミック素子を使用すると、印加電圧と大気中の湿度の相乗作用によって銀等の電極金属からマイグレーション（イオンマイグレーション）が発生し、電流リーク(電流が漏洩する現象)による動作不良に至る場合がある。

【0006】

マイグレーションは、湿度雰囲気下での直流電圧の印加による電界の作用により、プラス側の電極金属となる例えば銀がイオン化し、マイナス電極側に移動していくことにより、マイナス電極で金属分子として堆積していき、次第に樹状にマイナス電極からプラス電極に向かって架橋が進む現象である。この樹状の架橋をデンドライトと呼ぶ。最終的にはプラス電極とマイナス電極はデンドライトにより接続され、絶縁抵抗が減少し、セラミック素子は機能不全に至る。

【0007】

本発明は、セラミック素子にマイグレーションによる電流リークが発生するまでの期間を延ばすことを可能とするセラミックデバイス及びその検査方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

（装置）
本発明は、誘電体セラミックの両側に電極を配置したセラミック素子を備え、セラミック素子に所定の動作電圧を印加することにより動作するセラミックデバイスに於いて、
所定の検査周期毎に、動作電圧を印加していない所定のタイミングで、所定の検査電流を供給可能な検査電流供給源をセラミック素子に所定時間だけ接続して所定の検査電圧を印加し、絶縁状態が維持されていた場合は、検査電流が流れず、誘電体セラミックの割れ目（クラック）を通ってマイグレーションにより成長したデンドライトが電極間を接続していた場合は、デンドライトに検査電流が流れて、当該デンドライトを自己発熱により溶断させる検査手段を設けたことを特徴とする。

【0009】

（定電流源又は定電圧源）
検査手段は、検査電流供給源として、セラミック素子に定電流源又は定電圧源を接続して所定の検査電流をデンドライトに流して溶断可能とする。

【0010】

（センサとしての動作）
セラミック素子をセンサとして動作する場合、セラミック素子に、所定のセンサ周期毎に、所定のセンサ動作電圧を印加することにより所定のセンサ情報を検知するセンサ動作手段を設け、
検査手段は、センサ周期より長い前記検査周期毎に、センサ動作電圧を印加していない所定のタイミングで、検査電流供給源を前記セラミック素子に所定時間だけ接続する。

【0011】

（音響源としての動作）
セラミック素子を音響源として動作する場合、セラミック素子に音響駆動電圧を印加する音響駆動手段を設け、
検査手段は、所定の検査周期毎に、音響駆動電圧を印加していない所定のタイミングで、検査電流供給源をセラミック素子に所定時間だけ接続する。

【0012】

（抵抗測定）
検査手段は、所定の検査周期毎に、セラミック素子の抵抗を測定し、当該測定抵抗がマイグレーションにより成長したデンドライトによる電極間短絡が想定される所定値以下となった場合に、検査電流供給源をセラミック素子に所定時間だけ接続する。

【0013】

（検査電流の値）
セラミックデバイスに於いて、デンドライトを溶断するために流す検査電流を１００マイクロアンペア以上とする。

【0014】

（方法）
本発明は、誘電体セラミックの両側に電極を配置したセラミック素子を備え、セラミック素子に所定の動作電圧を印加することにより動作するセラミックデバイスの検査方法に於いて、
所定の検査周期毎に、動作電圧を印加していない所定のタイミングで、所定の検査電流を供給可能な検査電流供給源をセラミック素子に所定時間だけ接続して所定の検査電圧を印加し、絶縁状態が維持されていた場合は、検査電流が流れず、記誘電体セラミックの割れ目を通ってマイグレーションにより成長したデンドライトが電極間を接続していた場合は、検査電流供給源からデンドライトに検査電流が流れて、当該デンドライトを自己発熱により溶断させることを特徴とする。

【0015】

なお、セラミックデバイスの検査方法における他の特徴は、前述したセラミックデバイスの場合と基本的に同じになる。

【発明の効果】

【0016】

本発明は、誘電体セラミックの両側に電極を配置したセラミック素子を備え、セラミック素子に所定の動作電圧を印加することによりセンサ又は音響源等として動作するセラミックデバイスに於いて、動作電圧を印加していない所定のタイミングで、所定の検査電流を供給可能な検査電流供給源をセラミック素子に所定時間だけ接続し、誘電体セラミックの割れ目を通ってマイグレーションにより成長したデンドライトが電極間を接続していた場合、デンドライトに検査電流を流して自己発熱により溶断させる検査手段を設けるようにしたため、マイグレーションにより電極間のショートを引き起こすまでデンドライトが成長した場合、検査電流によりデンドライトを自己加熱で溶断して電流リークを抑止し、セラミックデバイスの正常動作を保つことができる。

【0017】

また、検査電流によりデンドライトを溶断した後も、デンドライトは再び発生して成長し、検査電流による溶断と成長を繰り返すうちにデンドライトは検査電流により溶断不能となる程に太くなることがあり得るが、それまでの時間は検査電流を流さない場合よりも遙かに長く、電流リークにより機能不全となるまでの時間を実質的にセラミックデバイスの寿命に影響しない程に長くすることが可能となる。

【0018】

また、検査電圧の印加は、センサ又は音響源として動作するセラミック素子の動作タイミングとは別のタイミングで印加しており、センサとしての測定動作や音響源としての動作に影響を及ぼすことがない。

【0019】

また、マイグレーションによるデンドライトが電極間を短絡するに至るほど成長しておらず、セラミックデバイスの動作に影響をおよぼさない段階では、セラミック素子は絶縁状態を維持し、検査周期毎に検査電流を流すために検査電圧を間欠的に印加しても、検査電圧の印加による電流は発生せず、無駄な電力消費は起こらない。例えばセラミック素子は正常状態での抵抗値は１００MΩ以上を示し、例えば検査電圧１０Ｖの場合、セラミック素子での漏れ電流は０．１μA以下となり、検査電流を流すために間欠的に検査電圧を印加していても無駄な電力消費は起こらない。

【0020】

また、所定の検査周期毎に、セラミック素子の抵抗を測定し、当該測定抵抗がマイグレーションにより成長したデンドライトによる電極間短絡が想定される所定値以下となった場合に、検査電流供給手段をセラミック素子に所定時間だけ接続するようにしたため、電極間のショートを引き起こすまでデンドライトが成長を検知したタイミングで検査電流を流して確実にデンドライトを溶断し、電流リークを抑止してセラミックデバイスの正常動作を保つことができる。この場合、デンドライトによる電極間短絡が想定される抵抗値は例えば１００MΩ以下を目安とすることで、電極間のショートを引き起こすまで成長したデンドライトを検知可能とする。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】センサ装置として動作するセラミックデバイスの機能構成の概略を示したブロック図。

【図2】セラミック素子の実施形態を示した説明図

【図3】マイグレーションによるデンドライトの成長と検査電流によるデンドライドの溶断をセラミック素子の断面で示した説明図

【図4】センサ装置として動作するセラミックデバイスの実施形態を示した回路図

【図5】音響装置として動作するセラミックデバイスの機能構成の概略を示したブロック図

【図6】音響装置として動作するセラミックデバイスの実施形態を示した回路図

【発明を実施するための形態】

【0022】

［センサ装置］
（センサ装置の概要）
図１はセンサ装置として動作するセラミックデバイスの機能構成の概略を示したブロック図である。

【0023】

図１に示すように、センサ装置１０は、セラミック素子１２、センサ動作手段として機能するセンサ動作部１４、検査電流供給源１６を備えた検査手段として機能する検査部１５及び制御部１８を備える。

【0024】

セラミック素子１２は、誘電体セラミックの両側に電極を配置した構造であり、本実施形態にあっては、温度センサとして動作する。

【0025】

センサ動作部１４は、セラミック素子１２の誘電率が周囲温度に応じて変化する特性を利用し、所定のセンサ周期毎に、セラミック素子１２にセンサ動作電圧を印加し、誘電体セラミック２０の温度変化に応じた誘電率変化を電気信号として制御部１８へ出力する。

【0026】

検査部１５は、センサ周期より長い所定の検査周期毎に、センサ動作部１４からセンサ動作電圧を印加していない所定のタイミングで、所定の検査電流を供給可能な検査電流供給源１６をセラミック素子１２に所定時間だけ接続し、誘電体セラミックのクラック（割れ目）を通ってマイグレーションにより成長したデンドライトが電極間を接続していた場合、デンドライトに検査電流供給源１６から検査電流を流して自己発熱により溶断させる。

【0027】

検査部１５に設けた検査電流供給源１６は、定電流源又は定電圧源であり、検査周期毎に、センサ動作部１４からセンサ動作電圧を印加していない所定のタイミングで定電流源又は定電圧源をセラミック素子１２に一定時間だけ接続して所定の検査電流をデンドライトに流して溶断可能とする。

【0028】

制御部１８は、センサ動作部１４から出力された誘電体セラミック２０の温度変化に応じた誘電率変化を示す電気信号に基づき、例えば温度を検知して温度検知信号を外部に出力する。また、制御部１８は、センサ周期より長い所定の検査周期毎に、センサ動作電圧を印加していない所定のタイミングで検査部１５を制御して検査動作を行わせる。

【0029】

（セラミック素子の構造）
図２はセラミック素子の実施形態を示した説明図であり、図２（Ａ）は側面を示し、図２（Ｂ）は平面を示す。

【0030】

図２に示すように、セラミック素子１２は、誘電体セラミック２０、プラス電極２２、マイナス電極２４、保護板２６、リード線２８，３０を備えている。

【0031】

誘電体セラミック２０は、外部から電圧が加わると、電気分極する物体であり、略円板状体として形成されており、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(ＰＺＴ)、又は亜鉛ニオブ酸鉛(ＰＺＮ)とチタンジルコン酸鉛とを組み合わせたものを含むセラミック等の比較的高い誘電率、例えば比誘電率が２０００程度を有する材料にて形成されている。また、誘電体セラミック２０は、例えば、熱応答性を高めるために、薄板状に形成されている。例えば、誘電体セラミック２０の直径＝３０ｍｍとした場合に、厚さ＝５０μm程度に設定される。

【0032】

プラス電極２２及びマイナス電極２４を、図１に示したセンサ動作部１４の回路とリード線２８，３０で電気的に接続することにより、誘電体セラミック２０の温度変化に応じた誘電率変化を電気信号として外部へ取り出す。

【0033】

また、プラス電極２２及びマイナス電極２４は、例えば銀、白金、銅等の導電性材料にて形成された略円板状体であり、誘電体セラミック２０における図示で上下となる面の一方と他方に設けられている。ここで、プラス電極２２及びマイナス電極２４の形成方法は任意であるが、例えば誘電体セラミック２０の上下となる面に対してペースト状とした金属をスクリーン印刷することによって形成される方法が該当する。また、プラス電極２２の平面形状は、誘電体セラミック２０の平面形状よりも小さくし、またマイナス電極２４の平面形状は、誘電体セラミック２０の平面形状と略同一としている。

【0034】

マイナス電極２４の外側の面には誘電体セラミック２０を補強する保護板２６を接着固定している。保護板２６は、例えば、ニッケルと鉄とを組み合わせた合金や真鍮等の金属材料にて形成された略円板状体であり、マイナス電極２４の全体を覆うように接着され、この場合、マイナス電極２４の外側の面には、製造時の誤差等によって、多数の突起部分が存在するため、保護板２６は間に接着層があっても、マイナス電極２４の外側の面の突起部分が保護板２６に多点接触することで、電気的に接続されている。

【0035】

マイナス電極２４と保護板２６とを固着する接着材としては、例えば、ウレタン系接着剤等の比較的低い誘電率、例えば、誘電体セラミック２０の比誘電率が２０００程度の場合に、比誘電率が５程度の非導電性接着剤を使用している。

【0036】

また、保護板２６の厚さについては、その熱膨張係数がセラミックに近いものから材料選択し、強度確保の観点と熱応答の観点からバランスを考慮して決定する。

【0037】

プラス電極２２にはリード線２８がハンダ２８ａにより接続され、また、保護板２６にはリード線３０がハンダ３０ａにより接続され、リード線３０は保護板２６を介してマイナス電極２４と電気的に接続されている。

【0038】

（検査部の機能）
図３は、マイグレーションによるデンドライトの成長と検査電流によるデンドライドの溶断をセラミック素子の断面で示した説明図であり、図３（Ａ）はデンドライトの成長過程を示し、図３（Ｂ）は電極間ショートを起こしたデンドライトの溶断を示し、図３（Ｃ）は溶断した後のデンドライトの成長過程を示している。

【0039】

図２に示した構造のセラミック素子１２に、図１に示したセンサ動作部１４からセンサ周期毎に、センサ動作電圧を印加し、誘電体セラミック２０の温度変化に応じた誘電率変化を電気信号として制御部１８へ出力するセンサ動作を行っている場合、図３（Ａ）に示すように、誘電体セラミック２０に微小なクラック３２が存在すると、プラス電極２２とマイナス電極２４の間に対するセンサ動作電圧Ｖａの印加に伴うマイグレーションにより、プラス電極２２の電極金属となる例えば銀がイオン化して金属イオン３４となり、金属イオン３４がクラック３２を通ってマイナス電極２４側に移動していくことにより、マイナス電極２４で金属分子として堆積してデンドライト３６として成長を始め、次第に樹状にマイナス電極２４からプラス電極２２に向かって架橋が進み、最終的にはプラス電極２２とマイナス電極２４はデンドライト３６により接続され、絶縁抵抗が減少して電流リークを起こし、セラミック素子１２は機能不全に陥る。

【0040】

これに対し図２に示した検査部１５は、センサ周期より長い所定の検査周期毎に、センサ動作電圧を印加していない所定のタイミングで、検査電流供給源１６として例えば定電圧源を例えば1μｓｅｃといった短い所定時間だけセラミック素子１２に接続し、センサ動作電圧より大きい所定の検査電圧Ｖｂをセラミック素子１２に所定時間だけ印加している。

【0041】

このとき図３（Ｂ）に示すように、デンドライト３６が成長して電極間をショートしていたとすると、検査電圧Ｖｂの印加でデンドライト３６に検査電流が流れ、デンドライト３６はその抵抗による電力損失を受けて自己発熱し、このためデンドライト３６が溶断３８し、デンドライト３６による電極間ショートが解消され、セラミック素子１２が機能不全に陥ることを防止する。

【0042】

図３（Ｃ）のように、プラス電極２２とマイナス電極２４の間に対するセンサ動作電圧Ｖａの印加に伴うマイグレーションにより、デンドライト３６は再び成長を始め、成長したデンドライト３６による電極間ショートが発生すると、図３（Ｂ）のように、検査電流を流して溶断する動作を繰り返し、デンドライト３６が太くなることで抵抗が低下し、所定の検査電流では溶断できなくなるまで、検査部１５による電流リークの抑止が有効に機能する。

【0043】

ここで、デンドライト３６が電極間ショートを起こすまでに成長する間、検査部１５により間欠的にセラミック素子１２に検査電圧Ｖｂを印加していても、セラミック素子１２は絶縁状態を維持しており、間欠的な検査電圧Ｖｂにより発生する電流はごく僅かであり、無駄な電力損失は起きない。例えばセラミック素子１２の正常状態での抵抗値は１００ＭΩ以上を示し、検査電圧Ｖｂを例えば１０Ｖとした場合にセラミック素子１２に流れる漏れ電流は０．１μＡ以下であり、電力損失は問題にならない。

【0044】

［検査電流によるデンドライトの溶断］
次に、マイクレーションにより電極間ショートを起こしたデンドライトの溶断に必要な検査電流について説明する。

【0045】

いまセラミック素子１２の電極間ショートを起こしたデンドライトの形状を円柱と仮定すると、太さＤ、長さＬ、断面積Ｓ、体積Ｖ、質量ＶＳとして次のようなモデル１を想定する。
太さ Ｄ＝１（ｎｍ）＝１．０００Ｅ−０９［ｍ］
長さ Ｌ＝１（μｍ）−１．０００Ｅ−０６［ｍ］
断面積Ｓ＝７．８５４Ｅ−０１［ｎｍ２］＝７．８５４Ｅ−１９［ｍ²］
体積 Ｖ＝７．８５４Ｅ−２５［ｍ³］
質量 ＶＳ＝８．２３９Ｅ−２１［ｋｇ］

【0046】

また、電極を形成する銀の抵抗率ρ、沸点Ｔ、比熱Ｃｐ、比重γは次のようになる。
抵抗率ρ＝２．０８０Ｅ−０８ ［(Ω・ｍ)
沸点 Ｔ＝２１６２［℃］
比熱Ｃｐ＝２３５［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］
比重 γ＝１０．４９［ｇ／ｃｍ³］＝１０．４９Ｅ３［ｋｇ／ｍ³］
これに基づきデンドライトの抵抗Ｒは、
Ｒ＝ρL／ｓ＝２６４８３．４［Ω］
となる。

【0047】

ここで、デンドライトに流れた検査電流は全て熱に変換され、且つ、デンドライトは熱絶縁されていると仮定し、
検査電流Ｉ＝０．1［ｍＡ］＝０．０００１［Ａ］
検査電流パルスｔ＝１［μＳｅｃ］−０．００００００１［Ｓｅｃ］
とすると、
デンドライト両端電圧Ｖａ＝２．６［Ｖ］
デンドライトの消費電力Ｗ＝２．６５Ｅ−０４［ｗ］
デンドライト発生エネルギーＱ＝２．６４８Ｅ−１０［Ｊ］
が求まる。

【0048】

このためＱ＝２．６４８Ｅ−１０［Ｊ］のエネルギーによるデンドライトの温度上昇ΔＴは
ΔＴ＝Ｑ／（Ｗ・Cp）
＝（１６ｔ・ρ・Ｉ²）／（π²・Ｃｐ・γ・Ｄ⁴）＝１．３６８Ｅ＋０８［Ｋ］
となる。

【0049】

このデンドライトの温度上昇ΔＴは銀の融点Ｔ＝２１６２℃に比べ十分に高く、デンドライトは溶断する。

【0050】

また、デンドライトのサイズを大きくしたその他の条件についてもモデル２〜６として検査電流に対する温度上昇を求めてみると次表のようになる。

【0051】

【表1】

【0052】

この表について、モデル1及びモデル２は、定電流０．１ｍＡ（＝１００μＡ）で１μｓｅｃのパルス駆動によりデンドライトの温度上昇ΔＴが沸点Ｔ＝２１６２℃以上になり、モデル３〜５は、定電流１ｍＡで１μｓｅｃのパルス駆動によりデンドライトの温度上昇ΔＴが沸点Ｔ＝２１６２℃以上になり、更に、モデル６では、定電流１ｍＡで１０μｓｅｃのパルス駆動によりデンドライトの温度上昇ΔＴが沸点Ｔ＝２１６２℃以上になることを示している。

【0053】

セラミック素子のマイグレーションによる絶縁抵抗の低下は、モデル１のように、デンドライトの太さ１ｎｍという極小の金属架橋の発生による電極間ショートの時点から始まるが、検査電流供給源から例えば一定の検査電流を流してデンドライトを瞬時に溶断し、セラミックを正常状態に保つ事ができる。また検査電流による溶断とマイグレーションによる成長を繰り返し次第に太くなるデンドライトであるが、モデル５のデンドライトは太さＤ＝５０ｎｍであっても、定電流１ｍＡで１μｓｅｃのパルス駆動により、溶断は可能であり、これを越えて成長するまで、正常動作を保つ事ができる。

【0054】

また図２に示したセラミック素子１２の誘電体セラミック２０の厚さは５０μｍ程度であり、これに相当する長さのデンドライトを検査電流を流して溶断する必要があり、これは前記表のモデル４に相当し、定電流１ｍＡで１μｓｅｃのパルス駆動により流れる検査電流でデンドライトの温度上昇ΔＴが沸点Ｔ＝２１６２℃以上になり、瞬時に溶断することができる。

【0055】

ここで、デンドライトに検査電流供給源として定電流源を接続し、定電流駆動により一定の検査電流を流して溶断する場合を説明しているが、検査電流供給源として定電圧源を接続し、定電圧駆動により検査電流を流してデンドライトを溶断指定も良い。

【0056】

例えば、定電圧源から例えば１０Ｖでの検査電圧を印加した場合、前記表のモデル１〜３，５の検査電圧Ｖｂは１０Ｖ以下であり、検査電圧１０Ｖをセラミック素子１２に印加した場合、デンドライトの抵抗Ｒにより流れる検査電流による発熱温度は十分に銀の沸点に達し、溶断することができる。

【0057】

またモデル４，６は、検査電圧１０Ｖを印加した場合の検査電流Ｖｂが０．７５７ｍＡ（＝７５７μＡ）となり、この場合のデンドライトの温度上昇ΔＴは、モデル４は７．８４Ｅ＋０５、モデル６は７．８４Ｅ＋０６となり、温度上昇ΔＴが沸点Ｔ＝２１６２℃以上になり、瞬時に溶断することができる。

【0058】

（センサ装置の実施形態）
図４は、センサ装置として動作するセラミックデバイスの実施形態を示した回路図である。

【0059】

図４に示すように、センサ装置１０は、図１の概略構成に示したように、セラミック素子１２、センサ動作部１４、検査部１５及び制御部１８を備える。

【0060】

センサ動作部１４は、トランジスタ４０と抵抗４２をセラミック素子１２に直列接続して充電回路を構成し、またセラミック素子１２と並列に抵抗４６とトランジスタ４４の直列回路を接続して放電回路を構成する。

【0061】

また、セラミック素子１２の両端電圧Ｖｓはコンパレータ５０のマイナス入力端子に入力され、コンパレータ５０のプラス端子には抵抗５２，５４の分圧電圧が基準電圧Ｖｔｈとして入力され、コンパレータ５０はセラミック両端電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｔｈ未満の場合はＬレベル出力を生じ、セラミック両端電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｔｈに達するとＨレベル出力を生ずる。

【0062】

検査部１５は、検査電流供給源として定電圧源を備え、この定電圧源は、抵抗５６とツェナーダイオード５８を直列接続すると共にツェナーダイオード５８にコンデンサ６２を並列接続した定電圧回路を構成し、ツェナーダイオード５８で決まる一定の検査電圧Ｖｂを、例えばＶｂ＝１０Ｖとしてコンデンサ６２に充電し、トランジスタ６０を介してセラミック素子１２に検査電圧Ｖｂを印加して検査電流を流すことを可能にしている。

【0063】

制御部１８は、ＣＰＵ、メモリ、各種入出力ポートを備えたコンピュータ回路等であり、所定のセンサ周期毎に、トランジスタ４０のオンとトランジスタ４４のオフによるセラミック素子１２の充電と、トランジスタ４４のオンとトランジスタ４０のオフによるセラミック素子１２の放電を繰り返す制御を行う。

【0064】

また、制御部１８は、トランジスタ４０，４４の制御でセラミック素子１２の充電と放電を行った場合、トランジスタ４０，４４の両方をオフするセンサ動作の休止期間を設け、これを繰り返す。

【0065】

また制御部１８は、センサ周期より長い所定の検査周期毎に、センサ動作の休止期間のタイミングで、トランジスタ６０をパルス的にオンして検査電圧をセラミック素子１２に印加させる制御を検査部１５に行わせる。

【0066】

次に図４の実施形態の動作を説明する。制御部１８はセンサ動作部１４のトランジスタ４０のベース端子に矩形パルスによる充電トリガ信号を与えてオンし、抵抗４２を介してセラミック素子１２に電流が流れ、セラミック素子１２が充電される。このときトランジスタ４４はオフしている。続いて、制御部１８は、センサ動作部１４のトランジスタ４０をオフすると共にトランジスタ４４のベース端子に矩形パルスの放電トリガ信号を与えてオンし、セラミック素子１２の電荷を抵抗４６及びトランジスタ４４を介して放電する。

【0067】

トランジスタ４０のオンによるセラミック素子１２の充電により、コンパレータ５０に入力するセラミック両端電圧Ｖｓが上昇し、基準電圧Ｖｔｈに達した場合に、コンパレータ５０の出力がＨレベルになる。

【0068】

制御部１８は、セラミック素子１２の充電開始からコンパレータ５０の出力がＨレベルになった時点までの経過時間を、セラミック素子１２の充電時間として測定する。このセラミック素子１２の充電時間は、セラミック素子１２の誘電率にほぼ一意に対応しており、さらにこの誘電率はセラミック素子１２の温度にほぼ一意に対応しているため、セラミック素子１２の充電時間に基づいて温度を測定できる。

【0069】

検査部１５は、制御部１８からセンサ動作部１４のトランジスタ４０，４４の両方をオフしたセンサ動作の休止期間のタイミングで、トランジスタ６０のベース端子に検査トリガ信号を与えてパルス的にオンし、ツェナーダイオード５８の両端に発生してコンデンサ６２に充電している一定の検査電圧Ｖｂをセラミック素子１２に印加する。このとき図３（Ｂ）に示したように、セラミック素子１２でマイグレーションにより成長したデンドライトが電極間ショートを起こしていたとすると、検査電圧Ｖｂの印加によりデンドライトに電流が流れ、自己発熱による溶断して電流リークを阻止する。

【0070】

なお、図４の検査部１５は、検査電流供給源として定電圧源を設けているが、定電流源としても良い。定電流源の場合には、セラミック素子１２に印加する検査電圧を可変制御可能とし、セラミック素子１２に流れる検査電流を一定電流に保つように検査電圧を可変させる定電流駆動制御を行う。このような定電流源は回路構成が複雑になることから、検査部１５の検査電流旧急減としては、簡単な回路構成で済む定電圧源を使用することが望ましい。

【0071】

［音響装置］
（音響装置の概要）
図５は音響装置として動作するセラミックデバイスの機能構成の概略を示したブロック図である。

【0072】

図５に示すように、音響装置１００は、セラミック素子１０２、音響駆動作手段として機能する音響駆動部１０４、検査電流供給源１０６を備えた検査手段として機能する検査部１０５及び制御部１０８を備える。

【0073】

セラミック素子１０２は、誘電体セラミックの両側に電極を配置した構造であり、図２に示したと同じ構造となるが、保護板２６については、その熱膨張係数がセラミックに近いものから材料選択し、強度確保の観点と音響特性の観点からバランスを考慮して決定する。

【0074】

音響駆動部１０４は、セラミック素子１０２を例えばスピーカとして使用する場合は、外部から入力した音響信号を増幅して駆動電圧を印加する。なお、セラミック素子１０２をブザーとして使用する場合は発振回路を設けて発振電圧を印加すれば良い。

【0075】

検査部１０５は、所定の検査周期毎に、音響駆動部１０４から音響駆動電圧を印加していないタイミングで、所定の検査電流を供給可能な検査電流供給源１０６をセラミック素子１０２に所定時間だけ接続し、誘電体セラミックのクラック（割れ目）を通ってマイグレーションにより成長したデンドライトが電極間を接続していた場合、デンドライトに検査電流供給源１０６から検査電流を流して自己発熱により溶断させる。

【0076】

検査部１０５に設けた検査電流供給源１０６は、定電流源又は定電圧源であり、検査周期毎に、音響駆動部１０４から音響駆動電圧を印加していないタイミングで定電流源又は定電圧源をセラミック素子１０２に一定時間だけ接続して所定の検査電流をデンドライトに流して溶断可能とする。

【0077】

制御部１０８は、所定の検査周期毎に、音響駆動部１０４に外部から音響信号が供給されていないタイミングで検査部１０５を制御して検査動作を行わせる。

【0078】

（音響装置の実施形態）
図６は、音響装置として動作するセラミックデバイスの実施形態を示した回路図である。

【0079】

図６に示すように、音響装置１００は、図５の概略構成に示したように、セラミック素子１０２、音響駆動部１０４、検査部１０５及び制御部１０８を備える。

【0080】

音響駆動部１０４は、音響増幅器１１０を備え、外部から入力した音響信号を増幅して音響駆動電圧をセラミック素子１０２に印加して音響出力を行わせる。

【0081】

検査部１０５は、検査電流供給源として定電圧源を備え、この定電圧源は、抵抗１１２とツェナーダイオード１１４を直列接続すると共にツェナーダイオード１１４にコンデンサ１１６を並列接続した定電圧回路を構成し、ツェナーダイオード１１４で決まる一定の検査電圧Ｖｂを、例えばＶｂ＝１０Ｖとしてコンデンサ１１４に充電し、トランジスタ１１８を介してセラミック素子１０２に検査電圧Ｖｂを印加して検査電流を流すことを可能にしている。

【0082】

制御部１０８は、ＣＰＵ、メモリ、各種入出力ポートを備えたコンピュータ回路等であり、所定の検査周期毎に、音響駆動部１０４に外部からの音響信号の入力が停止しているタイミングで、トランジスタ１１８をパルス的にオンして検査電圧をセラミック素子１０２に印加させる制御を検査部１０５に行わせる。このときセラミック素子１０２でマイグレーションにより成長したデンドライトが電極間ショートを起こしていたとすると、検査電圧Ｖｂの印加によりデンドライトに電流が流れ、自己発熱により溶断して電流リークを阻止し、セラミック素子１０２が機能不全に陥ることを防止する。

【0083】

［抵抗検出による検査動作の実施形態］
本発明によるセラミックデバイスの他の実施形態として、例えば図１に示したセンサ装置１０を例にとると、検査部１５は、所定の検査周期毎に、セラミック素子１２の抵抗Ｒを測定し、測定した抵抗Ｒがマイグレーションにより成長したデンドライトによる電極間短絡が想定される所定値以下、例えば１００ＭΩ以下の所定値以下となった場合に、検査電圧Ｖｂをセラミック素子１２に所定時間だけ印加し、このときセラミック素子１２でマイグレーションにより成長したデンドライトが電極間ショートを起こしていたとすると、検査電圧Ｖｂの印加によりデンドライトに電流が流れ、自己発熱による溶断して電流リークを阻止し、セラミック素子１２が機能不全に陥ることを防止する。

【0084】

この点は図５に示した音響装置１００の場合も同様であり、検査部１０５は、所定の検査周期毎に、セラミック素子１０２の抵抗Ｒを測定し、測定した抵抗Ｒがマイグレーションにより成長したデンドライトによる電極間短絡が想定される所定値以下、例えば１００ＭΩ以下の所定値以下となった場合に、検査電圧Ｖｂをセラミック素子１０２に所定時間だけ印加し、このときセラミック素子１０２でマイグレーションにより成長したデンドライトが電極間ショートを起こしていたとすると、検査電圧Ｖｂの印加によりデンドライトに電流が流れ、自己発熱による溶断して電流リークを阻止し、セラミック素子１０２が機能不全に陥ることを防止する。

【0085】

〔本発明の変形例〕
上記の実施形態は、センサ装置及び音響装置として動作するセラミックデバイスを例にとるものであったが、セラミック素子に構造が似ている電子デバイスにあっては、同様にマイグレーションによる絶縁不良がおきることがあり、本発明はそれらへの適用も可能である。

【0086】

例えば積層の誘電体セラミックを用いたセラミックコンデンサや圧電アクチュエータの駆動回路、セラミック素子を応用した焦電素子、セラミック素子の圧電性を応用した振動センサ、加速度センサ、圧力センサ等のセンサ素子及びＭＥＭＳセンサについて、同様に、検査部を設けて検査電流供給源を間欠的らセラミック素子に接続し、電極間をショートしたデンドライトに検査電流を流して溶断することで、マイグレーションによる絶縁不良を解消することができる。

【0087】

また、本発明は上記の実施形態に限定されず、その目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に上記の実施形態に示した数値による限定は受けない。

【符号の説明】

【0088】

１０：センサ装置
１２，１０２：セラミック素子
１４：センサ動作部
１５，１０５：検査部
１６，１０６：検査電流供給源
１８，１０８：制御部
２０：誘電体セラミック
２２：プラス電極
２４：マイナス電極
２６：保護板
２８，３０：リード線
３２：クラック
３４：金属イオン
３６：デンドライト
４０，４４，６０，１１８：トランジスタ
５０：コンパレータ
５８，１１４：ツェナーダイオード
１００：音響装置
１０４：音響駆動部
１１０：音響増幅器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】