(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】
(24)【登録日】2023-02-13
(45)【発行日】2023-02-21
(54)【発明の名称】セラミック多層部品及びセラミック多層部品の製造方法
(51)【国際特許分類】
H01C 7/18 20060101AFI20230214BHJP
H01C 7/10 20060101ALI20230214BHJP
H01C 17/065 20060101ALI20230214BHJP
【ＦＩ】
H01C7/18
H01C7/10
H01C17/065 500
【請求項の数】
15
(21)【出願番号】P 2020560387
(86)(22)【出願日】2019-06-21
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2021-08-05
(86)【国際出願番号】 EP2019066476
(87)【国際公開番号】W WO2019243578
(87)【国際公開日】2019-12-26
【審査請求日】2020-10-27
(31)【優先権主張番号】102018115085.7
(32)【優先日】2018-06-22
(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE
(73)【特許権者】
【識別番号】300002160
【氏名又は名称】ティーディーケイ・エレクトロニクス・アクチェンゲゼルシャフト
【氏名又は名称原語表記】ＴＤＫ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＡＧ
【住所又は居所原語表記】Ｒｏｓｅｎｈｅｉｍｅｒ Ｓｔｒａｓｓｅ １４１ｅ， ８１６７１ Ｍｕｅｎｃｈｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ
(74)【代理人】
【識別番号】110002664
【氏名又は名称】弁理士法人相原国際知財事務所
(72)【発明者】
【氏名】ホーフシュテッター， ミヒャエル
(72)【発明者】
【氏名】ホーフリヒター， アルフレッド
(72)【発明者】
【氏名】ファイヒティンガー， トーマス
【審査官】菊地 陽一
(56)【参考文献】
【文献】特開２００２－３５３０６８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－１８６００１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－２９６７０９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６４－０６５８２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１０－２０８９７１（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２００９／００１８４２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１３－２５８２２９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－０７２４８４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０６－２６７７８９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１０－０６４７０３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０２－２５１１２０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０５－００３１３５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０５－０２１２１１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６３－１４６４０９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－０２１６７９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－３３２６０１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０９－０６９４６３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｃ ７／１８
Ｈ０１Ｃ ７／１０
Ｈ０１Ｃ １７／０６５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
セラミック層（２）と、それらの間に配置され、少なくとも１つの第１の電極層（３）を含む電極層（３，４）と、を有する積層体（１）を備えるセラミック多層部品（１００）であって、前記セラミック層及び前記電極層は、積層方向（Ｓ）に沿って互いに重なり合って配置されており、
少なくとも１つの第１の電極層（３）が、主延在方向（Ｈ）に沿って、第１の端部領域（３１）から第２の端部領域（３２）まで延びており、
前記積層体は、当該積層体を前記積層方向に対して垂直な方向において境界付ける外面（５、６、９、１０）を備え、
前記少なくとも１つの第１の電極層は前記第１の端部領域で第１の外面（５）に隣接し、前記第２の端部領域は前記積層体の内部を延び、
前記少なくとも１つの第１の電極層は、前記主延在方向に沿って減少する通電容量を有し、
前記少なくとも１つの第１の電極層は、主延在方向に減少する比導電率を有する、多層部品。
【請求項2】
前記少なくとも１つの第１の電極層は、少なくとも、第１の比導電率を有する第１の材料と、前記第１の比導電率よりも小さな第２の比導電率を有する第２の材料と、から成る混合物を含み、前記第１の材料の前記第２の材料に対する比率（Ｒ）は、主延在方向に減少する、請求項１に記載の多層部品。
【請求項3】
前記比率は、少なくとも１つの部分領域において連続的に減少する、請求項２に記載の多層部品。
【請求項4】
前記比率は、少なくとも１つの部分領域において段階的に減少する、請求項２又は３に記載の多層部品。
【請求項5】
前記第１の材料は金属を含む、請求項２～４のいずれか１項に記載の多層部品。
【請求項6】
前記第２の材料は導電性であり、金属を含む、請求項２～５のいずれか１項に記載の多層部品。
【請求項7】
前記第１及び／又は第２の材料は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｄから選択される、請求項２～６のいずれか１項に記載の多層部品。
【請求項8】
前記第２の材料は電気絶縁性であり、セラミックを含む、請求項２～５のいずれか１項に記載の多層部品。
【請求項9】
前記少なくとも１つの第１の電極層は、前記第２の端部領域よりも前記第１の端部領域の近くに位置する重心（Ｃ）を有する、請求項１～８のいずれか１項に記載の多層部品。
【請求項10】
前記少なくとも１つの第１の電極層は、前記第１の端部領域において、前記第２の端部領域よりも、大きな厚さ及び／又は大きな幅を有し、前記少なくとも１つの第１の電極層の前記厚さ及び／又は前記幅は、少なくとも１つの部分領域において段階的に減少する、請求項９に記載の多層部品。
【請求項11】
前記少なくとも１つの第１の電極層は、前記第１の端部領域において、前記第２の端部領域よりも、大きな厚さ及び／又は大きな幅を有し、前記少なくとも１つの第１の電極層の前記厚さ及び／又は前記幅は、少なくとも１つの部分領域において連続的に減少する、請求項１０に記載の多層部品。
【請求項12】
前記少なくとも１つの第１の電極層は、積層方向において前記電極層の内部まで達する開口（１１）を備え、前記開口は、前記主延在方向に沿って増加する占有密度を有する、請求項１～１１のいずれか１項に記載の多層部品。
【請求項13】
前記第１の外面上には、前記少なくとも１つの第１の電極層を電気的に接触させる第１の外部電極（７）が配置されている、請求項１～１２のいずれか１項に記載の多層部品。
【請求項14】
少なくとも１つの第２の電極層（４）が、主延在方向（Ｈ’）に沿って、前記第２の電極層の第１の端部領域（４１）から第２の端部領域（４２）まで延びており、前記第１の外面とは異なる第２の外面（６）上には、前記少なくとも１つの第２の電極層を電気的に接触させる第２の外部電極（８）が配置されており、
前記少なくとも１つの第２の電極層は、前記第１の端部領域で前記第２の外面に隣接しており、
前記少なくとも１つの第２の電極層及び前記少なくとも１つの第１の電極層は、同様に設計されている、請求項１３に記載の多層部品。
【請求項15】
請求項１～１４のいずれか１項に記載のセラミック多層部品の製造方法であって、前記少なくとも１つの第１の電極層は、多層スクリーン印刷によって、不均質スクリーン印刷によって、又は、インクジェット印刷によって、製造される方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
セラミック多層部品及びセラミック多層部品の製造方法が提示される。
【背景技術】
【0002】
セラミック多層部品は、通常、部材のアクティブなボリューム内へ電流を導くために、金属製の内部電極を利用する。この場合、内部電極は、作動中に電極の損傷をもたらす可能性のある電流密度が存在しないよう設計されていなければならない。例えば、ＭＬＶ（多層バリスタ）のような過電圧保護素子の場合、電流密度は１０ＧＡ／ｍ２以上に達する可能性がある。電流密度を臨界レベル未満に保持し、外部電極への十分な電気接続を保証することを可能とするために、内部電極の特定の最小断面積が必要である。
【0003】
ＮＴＣ材料（ＮＴＣ：負の温度係数）及びＰＴＣ材料（ＰＴＣ：正の温度係数）をベースとする多層構造のセラミック熱センサに対しても、内部電極の特定の最小断面積が必要である。なぜなら、そのようなセンサの測定信号を歪ませないために、内部電極の抵抗は、全抵抗に対して無視し得る程度の比率しか有してはならないからである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特定の実施形態の少なくとも１つの課題は、セラミック多層部品を提示することである。更なる実施形態の少なくとも１つの課題は、セラミック多層部品の製造方法を提示することである。
【課題を解決するための手段】
【0005】
これらの課題は、独立請求項に記載の物及び方法によって解決される。当該物及び方法の有利な実施形態及び発展形態は、従属請求項で明らかにされ、更に以下の記載及び図面から明らかになる。
【0006】
一実施形態によれば、セラミック多層部品は、セラミック層と、それらの間に配置された電極層とを有する積層体を備える。
【0007】
少なくとも１つの更なる実施形態によれば、セラミック多層部品の製造方法において、セラミック層と、それらの間に配置された電極層とを有する積層体が製造される。
【0008】
以下に記載される特徴及び実施形態は、セラミック多層部品及びセラミック多層部品の製造方法に、同じように関係する。
【0009】
セラミック多層部品は、特に積層方向を有することができ、当該積層方向に沿って、積層体の層、すなわちセラミック層及び電極層が配置されている。セラミック層は、所望の機能性を有する１つ又は複数のセラミック材料を含むか又はそれから成ることができる。特に、積層体は、積層方向において２つの電極層の間に、導電性の又は半導体のセラミック材料を含むか又はそれから成るセラミック層を備えることができる。例えば、１つ又は複数のセラミック層は、バリスタ材料、サーミスタ材料、特にＰＴＣ又はＮＴＣサーミスタ材料、及び／又は、誘電体材料を含むことができ又はそれから成ることができる。それに応じて、セラミック多層部品は、例えば過電圧保護素子として又はセラミック熱センサとして設計され得る。更に、積層体は、積層方向において、例えば誘電体セラミック層で終端することができる。積層体のセラミック層及び／又は電極層は、特に好ましくは、バインダー及び／又は他の有機及び／又は無機材料を有するペーストから、いわゆるグリーンシートとして製造され、互いに積み重ねられ、続いて焼結されることができる。
【0010】
更に、積層体は、積層方向に対して垂直な方向において当該積層体を境界付ける外面を備える。積層方向において、積層体は、下面及び上面で終端することができる。例えば、多層部品は、積層方向に沿ったビューにおいて、長方形の断面を有することができ、その結果、積層体は、相応して４つの外面を有することができ、直方体として設計することができる。少なくとも１つ又は複数の外面上に外部電極を塗布することができ、それらによって、積層体内に配置された電極層を接触させることができる。
【0011】
少なくとも１つの更なる実施形態によれば、積層体は、主延在方向を有する少なくとも１つの第１の電極層を備える。少なくとも１つの第１の電極層は、主延在方向に沿って、第１の端部領域から第２の端部領域まで延びることができる。主延在方向は、特に、積層方向に対して垂直であることができる。更に、主延在方向は、１つの外面に対して垂直な方向であることができる。主延在方向に沿って、少なくとも１つの第１の電極層は、主延在方向に対して垂直な他の全ての方向よりも大きな広がりを有する。
【0012】
特に好ましくは、少なくとも１つの第１の電極層は、第１の端部領域で、特に主延在方向に対して垂直な外面である積層体の第１の外面に隣接することができる。更に、少なくとも第１の外面上に、少なくとも１つの第１の電極層と電気的に接触し、それにより少なくとも１つの第１の電極層を電気的に接触させる、１つの第１の外部電極を配置することができる。少なくとも１つの第１の電極層は、特に、第１の外部電極に隣接することができ、第１の端部領域で、第１の外部電極と直接的に接触することができる。
【0013】
少なくとも１つの第１の電極層の第１の端部領域は、特に、給電ゾーンを形成することができ、当該給電ゾーンを介して、セラミック多層部品の作動中に、少なくとも１つの第１の電極層へ又は少なくとも１つの電極層から、電流を導くことができる。これは、特に好ましくは、第１の端部領域と電気的に接触している上述した第１の外部電極を介して行うことができる。
【0014】
更なる実施形態によれば、少なくとも１つの第１の電極層は、主延在方向に沿って減少する通電容量を有する。これは、特に、少なくとも１つの第１の電極層が、第１の端部領域において、第２の端部領域におけるよりも高い最大電流に耐えることができることを意味し得る。最大電流は、電極層の局所的な損傷が全く生じない局所的な電流強度を示す。
【0015】
更なる実施形態によれば、少なくとも１つの第１の電極層は、主延在方向に減少する比導電率を有する。少なくとも１つの第１の電極層は、主延在方向に減少する比導電率によって、小さくなる通電容量を有することができる。特に、少なくとも１つの第１の電極層は、第１の端部領域において、第２の端部領域におけるよりも高い比導電率を有することができる。これは、例えば、少なくとも１つの第１の電極層が、少なくとも、第１の比導電率を有する第１の材料及び第２の比導電率を有する第２の材料を含むか又はこれらから成る混合物を含み、第２の比導電率が第１の比導電率よりも小さいこと、並びに、第１の材料の第２の材料に対する比率が主延在方向に小さくなること、によって達成することができる。換言すれば、少なくとも１つの第１の電極層は、第１の端部領域において、第２の端部領域におけるよりも、第２の材料と比較して高い比率の第１の材料を含む。その際、少なくとも１つの第１の電極層は、第１の端部領域において第２の材料を含まなくてもよく、及び／又は、第２の端部領域において第１の材料を含まなくてもよい。これに代えて、第１の端部領域及び／又は第２の端部領域において、第１及び第２の材料が、少なくとも１つの第１の電極層に共に含まれていてもよい。
【0016】
第１及び第２の材料を含むか又はこれらから成る様々な混合物は、例えば、少なくとも１つの第１電極層を製造するために塗布されたグリーンシート中における、第１の材料を含むか又はそれから成る焼結粒子の局所的に変化する比率、及び、第２の材料を含むか又はそれから成る焼結粒子の局所的に変化する比率を通じて、製造することができる。
【0017】
更なる実施形態によれば、第１の材料の第２の材料に対する比率は、少なくとも１つの第１の電極層の少なくとも一部の領域において、主延在方向に沿って減少する。少なくとも１つの部分領域は、ここおよび以下において、第１の端部領域、第２の端部領域、第１の端部領域と第２の端部領域との間の領域、又は、上述した領域から成る組み合わせを含むか又はそれらによって形成することができる。第１の材料の第２の材料に対する比率の減少は、例えば連続的であることができる。換言すれば、第１の材料の比率は連続的に減少することができ、第２の材料の比率は連続的に増加することができる。代替的に又は付加的に、比率の減少は、少なくとも１つの部分領域において、段階的に、すなわち少なくとも１つ又は複数の段階において、行うこともできる。第１の材料の第２の材料に対する比率の段階は、第１及び／又は第２の材料の比率の急激な変化によって引き起こされ得る。
【0018】
更なる実施形態によれば、第１の材料は金属を含む。例えば、第１の材料は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ及びＰｄから選択される１つ又は複数の金属を含むことができ又はそれらから成ることができる。第２の材料は、第１の材料と同様に、導電性であることができる。例えば、第２の材料は、同様に金属、例えば前述の金属のうちの１つ又は複数を含むことができるが、その組成は、第２の材料が、前述したように、第１の材料よりも低い比導電率を有するようなものである。より低い比導電率は、第２の材料が電気絶縁性であることをも意味し得る。例えば、第２の材料は、電気絶縁性のセラミック材料、例えば二酸化ケイ素及び／又は酸化アルミニウムを含むことができ又はそれらから成ることができる。
【0019】
更なる実施形態によれば、少なくとも１つの第１の電極層は、第２の端部領域よりも第１の端部領域の近くに位置する重心を有する。これは、少なくとも１つの第１の電極層が、主延在方向に沿って、少なくとも１つの第１の電極層を、主延在方向に沿って測定された同一の長さの２つの半体に分割する、幾何学的中心を有することを意味し得る。幾何学的中心に関して、少なくとも１つの第１の電極層は、相応して、第２の端部領域に面する半体よりも、第１の端部領域に面する半体に、より多くの材料、特により多くの導電性の材料を有している。第１の端部領域により近い、より多くの材料、特により多くの導電性の材料によって、この領域における通電容量は、第２の端部領域により近い領域よりも大きくなり得る。
【0020】
例えば、少なくとも１つの第１の電極層は、第１の端部領域において、第２の端部領域よりも大きな厚さを有することができる。したがって、少なくとも１つの第１の電極層の厚さは、主延在方向に沿って減少することができる。セラミック多層部品の積層体の層の厚さは、ここおよび以下において、特に積層方向に測定することができる。例えば、少なくとも１つの第１の電極層の厚さは、少なくとも１つの部分領域において段階的に減少することができる。これは、特に、少なくとも１つの第１の電極層の厚さが、少なくとも１つの部分領域において１つ又は複数の段階で減少すること、すなわち１つ又は複数の急激な減少を有することを意味し得る。これに代えて、少なくとも１つの第１の電極層の厚さは、少なくとも１つの部分領域において連続的に減少することもできる。
【0021】
主延在方向に小さくなる厚さに代えて又はそれに加えて、少なくとも１つの第１の電極層は、第１の端部領域において、第２の端部領域よりも大きな幅を有することができる。それに応じて、幅は、主延在方向に沿って減少することができる。ここおよび以下において、セラミック多層部品の積層体の層の幅は、積層方向に対して垂直かつ少なくとも１つの第１の電極層の主延在方向に対して垂直な方向に測定することができる。例えば、少なくとも１つの第１の電極層の幅は、少なくとも１つの部分領域において段階的に減少することができる。これは、特に、少なくとも１つの第１の電極層の幅が、少なくとも１つの部分領域において１つ又は複数の段階で減少すること、すなわち１つ又は複数の急激な減少を有することを意味し得る。これに代えて、少なくとも１つの第１の電極層の幅は、少なくとも１つの部分領域において連続的に減少することもできる。
【0022】
代替的に又は付加的に、少なくとも１つの第１の電極層は、積層方向において少なくとも１つの第１の電極層の内部に達する開口を備えることができる。特に、開口は、少なくとも１つの第１の電極層を貫通することができ、隣接するセラミック層の材料で、又は、それとは異なるセラミック材料、例えば誘電体セラミック材料で充填することができる。特に、開口は、主延在方向に沿って増加する占有密度を有することができる。換言すれば、少なくとも１つの第１の電極層は、第１の端部領域の近くよりも第２の端部領域の近くにより多くの開口を備える。
【0023】
少なくとも１つの第１の電極層を製造するために、特に好ましくは、電極層の幾何学的形状及び／又は電極層の組成に関して上述したバリエーションを製造することができる方法、例えば、多層スクリーン印刷、不均質スクリーン印刷又はインクジェット印刷を利用することができる。例えば、少なくとも１つの第１の電極層の様々に変化する厚さは、多層スクリーン印刷によって作り出すことができる。この場合、局所的に変化する複数回の印刷によって、対応する平面領域に厚さを適合させることができる。更なる加工オプションとして、同様に少なくとも１つの第１の電極層の異なる厚さの領域を作り出すために適している可能性のある不均質スクリーン印刷のために、スクリーンに狙いを定めてキャビティを作り込む又は設けることができる。スクリーンのキャビティの局所的に異なる密度及び／又はサイズを通じて、局所的な材料スループットを適合させることができ、その結果、同様に、少なくとも１つの第１の電極層の異なる厚さの領域を作り出すことができる。インクジェット印刷によって、特に３Ｄインクジェット印刷によって、異なる厚さの領域も、異なる材料組成を有する領域も、作り出すことができる。異なる幅の領域は、上述した措置によって及び／又は少なくとも１つの電極層の材料を塗布する際に適切なマスクを使用することによって、達成され得る。
【0024】
更なる実施形態によれば、セラミック多層部品の積層体は、複数の第１の電極層を備える。第１の電極層は、積層方向に重なり合って、かつ、セラミック層によって互いに分離されて、配置されることができる。全てが第１の外部電極を介して電気的に接触され得る第１の電極層の各々は、上述した特徴のうちの１つまたは複数を有し得る。好ましくは、２つ以上又は特に好ましくは全ての第１の電極層は、同様に設計されることができ、すなわち、特に同一の幾何学的特徴及び／又は同一の組成特徴を有することができる。
【0025】
更なる実施形態によれば、セラミック多層部品の積層体は、主延在方向に沿って第１の端部領域から第２の端部領域まで延びる少なくとも１つの第２の電極層を備える。第１の外面とは異なる第２の外面上に、少なくとも１つの第２の電極層を電気的に接触させる第２の外部電極を配置することができ、当該少なくとも１つの第２の電極層は、第１の端部領域で第２の外面に隣接する。したがって、少なくとも１つの第１の電極層の主延在方向と、少なくとも１つの第２の電極層の主延在方向とは、異なっていてもよい。特に好ましくは、２つの主延在方向は、互いに平行かつ逆方向に向けられている。
【0026】
少なくとも１つの第２の電極層は、少なくとも１つの第１の電極層について上述した特徴のうちの１つ又は複数を有することができ、第１及び第２の電極層は、特に好ましくは、積層体内の異なる平面に配置することができる。少なくとも１つの第２の電極層及び少なくとも１つの第１の電極層は、特に好ましくは、同様に設計されることができる。更に、複数の第２の電極層が存在していてもよい。好ましくは、２つ以上又は特に好ましくは全ての第２の電極層は、同様に設計されることができ、すなわち、特に同一の幾何学的特徴及び／又は同一の組成を有することができる。複数の第１及び／又は第２の電極層が存在する場合、これらは、特に好ましくは、積層方向において交互に重なり合って配置することができる。
【0027】
外面までの距離が大きくなるにつれて小さくなる通電容量を有する少なくとも１つの電極層を有する、ここに記載されるセラミック多層部品と比較して、公知の多層部品においては、通常、内部電極は、一定の厚さ及び長方形の面、並びに、均質な材料組成を有するものとして製造され、内部電極の最小の可能な厚さ及び幅は、給電ゾーン、すなわち外部電極との接点において想定される電流密度を考慮して必要とされる通電容量によって、使用される電極材料組成に応じて設定されている。しかしながら、内部電極に印加される電流は、内部電極に沿って隣接するセラミック材料内に連続的に分散され得るので、電流密度は、内部電極の給電ゾーンまでの距離が増加するにつれて減少し、内部電極の給電ゾーンと反対側の端部においては、通常、臨界レベルよりはるかに低い。通常の内部電極設計では、この点は考慮されておらず、その寸法が給電ゾーンで必要とされる寸法によって決定される内部電極は、給電ゾーンとは反対側で過大なサイズとされている。これとは対照的に、ここに記載されたセラミック多層部品における少なくとも１つの第１の電極層の幾何学的形状及び／又は材料組成分布の、ここに記載された狙いを定めた適合を通じて、電極層の製造における材料消費を最適化し、ひいては材料使用量及び／又はコストを低減することが可能であり得る。材料消費の低減及びこれと関連するコスト節約に加えて、同一の部材容積でのパルス・ロバスト性及び通電容量の可能な改善に、更なる利点が存在し得る。特に好ましくは、少なくとも１つの第１の電極層の通電容量は、隣接するセラミック層内への電流分配を考慮して、少なくとも１つの第１の電極層内の電流密度が主延在方向に沿って実質的に一定であるように、上述した措置によって適合させることができる。
【0028】
更なる利点，有利な実施形態及び発展形態が、以下において図面と関連して説明される実施例から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【0029】
【図1】一実施例によるセラミック多層部品の概略図である。
【図2A】更なる実施例による多層部品の概略図である。
【図2B】更なる実施例による多層部品の概略図である。
【図2C】更なる実施例による多層部品の概略図である。
【図2D】更なる実施例による多層部品の概略図である。
【図3A】更なる実施例による多層部品の概略図である。
【図3B】更なる実施例による多層部品の概略図である。
【図4A】更なる実施例による多層部品の概略図である。
【図4B】更なる実施例による多層部品の概略図である。
【図5A】更なる実施例による多層部品の電極層の組成に関する概略図である。
【図5B】更なる実施例による多層部品の電極層の組成に関する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0030】
実施例及び図面において、同一の、同様の、又は、同等に機能する要素には、それぞれ同一の参照符号が付されている可能性がある。図示された要素及びそれらの互いの大きさの比率は縮尺どおりではなく、むしろ、例えば層、部品、部材及び領域のような個々の要素は、より良好な図示の可能性及び／又はより良好な理解のために、誇張して大きく示されている可能性がある。
【0031】
以下の図面は、それぞれ、純然たる例示として、過電圧保護素子、特にいわゆる多層過電圧保護素子として設計されたセラミック多層部品１００の実施例を示している。これに代えて、セラミック多層部品を例えば熱センサとして具現することも、セラミック材料の適切な選択を通じて可能である。
【0032】
図１には、セラミック多層部品１００の実施例が概略的な断面図で示されており、当該セラミック多層部品１００は、積層方向Ｓに沿って重なり合って配置されたセラミック層２及び電極層３、４を有する積層体１によって形成された基体を備えている。積層体１は、積層方向Ｓに対して垂直な方向において積層体１を境界付ける外面を備えている。図１では、対向する外面５、６を認識することができる。後に続く図２Ａ～２Ｄ及び４Ａでは、更に外面９、１０も認識することができる。例えば、多層部品１００は、積層方向Ｓに沿ったビューにおいて長方形の断面を有することができ、その結果、積層体１は相応して４つの外面を有することができ、直方体として設計され得る。積層方向において、積層体１は、下面及び上面で終端している。
【0033】
多層部品１００は、上述したように、純然たる例示として、過電圧保護素子として、特に多層過電圧保護素子として設計されており、当該多層過電圧保護素子においては、少なくとも積層方向Ｓにおいて電極層３、４の間に配置されたセラミック層２が、バリスタ材料を含むか又はそれから成っている。積層方向Ｓにおいて、積層体１は、セラミック層２で終端することができ、当該セラミック層２は、同様に、バリスタ材料又は代替的に誘電体材料を含むことができる。電極層３、４は、好ましくは、例えばＮｉ、Ｃｕ、Ａｇ及びＰｄから選択される１つ又は複数の金属を含むことができ又はそれらから成ることができる。
【0034】
セラミック多層部品１００を製造するために、セラミック層２及び電極層３、４は、例えばグリーンシートの形態の適切なペーストから製造され、重なり合って塗布され、共に焼結されることができる。このために、例えば、必要に応じてマスクの使用下でスクリーン印刷又はインクジェット印刷のような印刷プロセスを利用することができ、それによって、バインダーと混合された焼結粒子の形態の所望の材料を有するペーストを塗布することができる。図１では、破線によってセラミック層２の間の層境界が示されており、これらの層境界は、それぞれ塗布された層を示すことが意図され、焼結プロセスのため、完成した多層部品１００にはもはや存在しない。特に、電極層３、４に関しては、多層スクリーン印刷、不均質スクリーン印刷及び／又は３Ｄインクジェット印刷のような方法を利用することもできる。例えば、セラミック層２は、１μｍ～２００μｍの厚さ、すなわち積層方向Ｓに沿った広がりを有することができる。電極層３、４は、例えば、０.１μｍ～１０μｍの厚さを有することができる。
【0035】
少なくとも１つ以上の外面上に外部電極を塗布することができ、それらによって、積層体内に配置された電極層３、４を接触させることができる。図示された実施例では、以下において第１の外面５及び第２の外面６とも称される、図１において認識可能な外面５，６の上に、単層又は多層で設計することができる第１の外部電極７及び第２の外部電極８が塗布されている。例えば、外部電極７、８は、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｇ及びＡｕから選択される１つ又は複数の金属を含むことができる。外部電極７、８は、例えば、蒸着又はスパッタリングすることができる。好ましくは、外部電極７、８は、Ｃｒ／Ｃｕ／Ａｕ層又はＣｒ／Ｃｕ／Ａｇ層又はＣｒ／Ｎｉ／Ａｇ層又はＣｒ／Ｎｉ／Ａｇ層を含む層の連続を備えることができる。外部電極７、８は、好ましくは、以下において第１の電極層３とも称され得る電極層３、又は、以下において第２の電極層４とも称され得る電極層４と、直接的に接触しており、その結果、電極層３、４は、外部電極７、８を介して電気的に接触される。
【0036】
純然たる例示として、多層部品１００は、図１において、１つの第１の電極層３及び２つの第２の電極層４と共に示されている。これに代えて、２つ以上の第１の電極層３及びただ１つの又は２つより多くの第２の電極層４が存在していてもよく、これらは、好ましくは、積層方向Ｓにおいてセラミック層２によって互いに分離された状態で交互に重ね合わされて塗布することができる。したがって、セラミック多層部品１００は、少なくとも１つの第１の電極層３及び少なくとも１つの第２の電極層４を備えることができる。
【0037】
少なくとも１つの第１の電極層３は、第１の外面５及び第１の外部電極７に隣接する第１の端部領域３１から、主延在方向Ｈに沿って第２の端部領域３２まで延びており、一方、第２の電極層４は、相応して、第２の外面６及び第２の外部電極８に隣接する第１の端部領域４１から、主延在方向Ｈに平行で逆向きの主延在方向Ｈ’に沿って第２の端部領域４２まで延びている。第１の端部領域３１、４１は、特に給電ゾーンを形成することができ、当該給電ゾーンを介して、セラミック多層部品１００の作動中、電流の方向に応じて、電流を電極層の内部へ又は電極層から外部へ導くことができる。相応する純然たる例示としての電流が、図１において、第１の電極層３と第２の電極層４との間の矢印によって示されている。第１の電極層３に印加される電流は、主延在方向Ｈに沿って連続的にセラミック内に分散され得るので、電流強度は、第１の電極層３の第１の端部領域３１によって形成された給電ゾーンへの距離が増加するにつれて、減少する。それに応じて、少なくとも１つの第１の電極層３は、主延在方向Ｈに沿って通電容量が減少するように設計されている。したがって、少なくとも１つの第１の電極層３は、第１の端部領域３１において、第２の端部領域３２におけるよりも高い最大電流に耐えることができる。以下の図面では、少なくとも１つの第１の電極層３の相応する具現のための実施例が示されている。第２の電極層４は、好ましくは、第１の電極層３と同様に設計することができる。同様に、複数の第１の電極層においても、これらは、好ましくは同様に設計することができる。
【0038】
図２Ａ～２Ｄは、積層方向に対して垂直に少なくとも１つの第１の電極層３を通って延びる断面に沿った、図１のものと同様の多層部品１００の断面図を示している。図示された実施例において、少なくとも１つの第１の電極層３は、第２の端部領域３２よりも第１の端部領域３１の近くに位置する重心Ｃを有するが、重心Ｃの位置は、図では概略的にのみ示されている。少なくとも１つの第１の電極層３は、更に、破線によって示されているように、主延在方向Ｈに沿って幾何学的中心を有し、当該幾何学的中心は、少なくとも１つの第１の電極層３を主延在方向Ｈに沿って等しい長さの２つの半体に分割している。したがって、幾何学的中心から見ると、重心Ｃは、第１の端部領域３１に隣接する半体に位置している。それに応じて、少なくとも１つの第１の電極層３は、第２の端部領域３２に面する半体よりも、第１の端部領域３１に面する半体に、より多くの材料、特により多くの導電性の材料を有している。それにより、第１の端部領域３１における通電容量が、第２の端部領域３２における通電容量よりも大きいことが達成され得る。
【0039】
図２Ａ～２Ｄの実施例において、上述した重心Ｃの位置は、少なくとも１つの第１の電極層３が、第１の端部領域３１において、第２の端部領域３２におけるよりも大きな幅を有することによってもたらされる。これは、積層方向Ｓに対して垂直かつ少なくとも１つの第１の電極層３の主延在方向Ｈに対して垂直な方向において測定される幅が、主延在方向Ｈに沿って減少することを意味する。例えば、幅は、少なくとも１つの部分領域において連続的に減少することができる。図２Ａには、第１の電極層３が示されており、その幅は、主延在方向Ｈの全長にわたって直線的かつ連続的に小さくなっている。第１の電極層３は、このために、図示されているように台形状に設計することができる。更に、少なくとも１つの第１の電極層３の幅は、少なくとも１つの部分領域において、段階的に減少することができる。図２Ｂに示された実施例において、第１の電極層３の幅は、例えば１段階で、図２Ｃに示された実施例においては複数の段階で、減少している。図２Ｄに示されているように、幅の減少は、多角形状に形成された電極層のみに限定されることはなく、直線ではない辺を有する平面も含むことができる。図示された電極層形態を作り出すために、例えば、マスクベースの印刷プロセス又はインクジェット印刷プロセスを利用することができる。
【0040】
図３Ａ及び３Ｂの実施例において、少なくとも１つの第１の電極層３は、第１の端部領域３１において、第２の端部領域３２におけるよりも大きな厚さを有している。先の実施例と同様に、重心Ｃが、第２の端部領域３２よりも第１の端部領域３１の近くに位置することにより達成することができる。例えば、少なくとも１つの第１の電極層３の厚さは、図３Ａ及び３Ｂに示されているように、少なくとも１つの部分領域において段階的に減少することができる。例えば、第１の電極層３の厚さは、図３Ａに示されているように１段階で、又は図３Ｂに示されているように複数の段階で、減少することができる。段階的に減少する厚さを作り出すために、例えば、多層スクリーン印刷プロセスを利用することができる。この場合、対応する平面領域を複数回印刷することによって、様々に変化する厚さを作り出すことができる。更に、不均質スクリーン印刷プロセスを利用することもでき、当該プロセスにおいては、スクリーンのキャビティの密度及び／又は大きさを通じて、材料スループットを適合させることができる。更に、３Ｄインクジェット印刷プロセスも利用することができる。特に、後者によれば、連続的に減少する厚さも作り出すことが可能であり得る。図３Ａ及び３Ｂに示された電極層は、積層方向Ｓに沿った上面図において、例えば、長方形の断面、又は、前の図に関連して説明された減少する幅を伴う断面を有することができる。
【0041】
図４Ａ及び４Ｂには、開口１１を備えた少なくとも１つの第１の電極層３を有するセラミック多層部品１００の実施例が示されており、当該開口１１は、積層方向Ｓにおいて少なくとも１つの第１の電極層３の内部まで達し、特に好ましくは少なくとも１つの第１の電極層３を貫通している。開口１１は、隣接するセラミック層２の材料、又は、それとは異なるセラミック材料、例えば誘電体セラミック材料で充填することができる。図４Ａに示されているように、開口１１は、主延在方向Ｈに沿って増加する占有密度を有し、その結果、少なくとも１つの第１の電極層３は、第２の端部領域３２の近くで第１の端部領域３１の近くよりも多くの開口を有し、それにより、ここでも第１の端部領域３１の方向への重心Ｃのシフトが達成される。図４Ａに示された開口１１の数及び配置は、純然たる例示として理解されるべきである。開口直径が、第１の端部領域３１からの距離が増加するにつれて大きくなることも可能である。
【0042】
図４Ｂに示されているように、開口１１は、図３Ａ及び３Ｂの実施例に関連して説明したように、様々に変化する厚さと組み合わせることもできる。更に、図２Ａ～２Ｄの実施例に関連して説明したように、様々に変化する幅との代替的な又は付加的な組み合わせも可能である。上述し、図４Ｂに示されているように、特に第１及び第２の電極層３、４は、同様に設計することができる。
【0043】
先の実施例で説明したように、多層部品の電極層は、幅及び／又は厚さに関して主延在方向に次第に小さくなる形状を有することができ、代替的に又は付加的に、主延在方向に大きくなる占有密度又は大きくなる開口直径を有する開口を、電極層材料を低減するために備えることができ、それにより、効率的な材料消費を達成することができる。電極層の幾何学的な設計は、特に、主延在方向に小さくなる通電容量にもかかわらず、想定される通常の作動条件に応じて、電極層内の局所的な電流密度が、好ましくは一定に又は常に臨界レベル未満に維持されるように行うことができる。
【0044】
上述した幾何学的なバリエーションに代えて又はそれに加えて、少なくとも１つの第１の電極層は、主延在方向に減少する比導電率を有することができ、それにより、主延在方向に小さくなる通電容量も達成することができる。特に、少なくとも１つの第１の電極層は、第１の端部領域において、第２の端部領域におけるよりも高い比導電率を有することができる。これは、少なくとも１つの第１の電極層が、少なくとも、第１の比導電率を有する第１の材料及び第２の比導電率を有する第２の材料を含むか又はこれらから成る混合物を含み、第２の比導電率が第１の比導電率よりも小さいこと、並びに、第１の材料の第２の材料に対する比率が主延在方向に小さくなること、によって達成することができる。それに応じて、少なくとも１つの第１の電極層は、第１の端部領域において、第２の端部領域におけるよりも、第２の材料と比較して高い比率の第１の材料を含む。その際、少なくとも１つの第１の電極層は、第１の端部領域において第２の材料を含まなくてもよく、及び／又は、第２の端部領域において第１の材料を含まなくてもよい。これに代えて、第１の端部領域及び／又は第２の端部領域において、第１及び第２の材料が、少なくとも１つの第１の電極層に共に含まれていてもよい。第１及び第２の材料を含むか又はこれらから成る様々な混合物は、例えば、少なくとも１つの第１の電極層を製造するために塗布されたグリーンシート中における、第１の材料を含むか又はそれから成る焼結粒子の局所的に変化する比率、及び、第２の材料を含むか又はそれから成る焼結粒子の局所的に変化する比率を通じて、達成することができる。第１及び第２の材料の様々に変化する比率を作り出すために、好ましくは３Ｄインクジェット印刷プロセスを利用することができる。
【0045】
図５Ａ及び５Ｂに示されているように、第１の材料の第２の材料に対する比率Ｒは、それに応じて、少なくとも１つの第１の電極層の少なくとも一部の領域において、主延在方向Ｈに沿って減少する。第１の材料の第２の材料に対する比率Ｒの減少は、図５Ａに示されているように、段階的、すなわち図示されるように１つの段階で又は代替的に複数の段階で、であってもよい。更に、比率Ｒの減少は、例えば、図５Ｂに示されているように、連続的であってもよい。
【0046】
第１の材料は、特に好ましくは、金属、特にＮｉ、Ｃｕ、Ａｇ及びＰｄから選択される１つ又は複数の金属であることができる。第２の材料は、第１の材料と同様に、導電性であることができ、例えば金属、例えば前述の金属のうちの１つ又は複数を含むことができるが、その組成は、第２の材料が第１の材料よりも低い比導電率を有するようなものである。更に、第２の材料は、電気絶縁性であってもよく、例えば、二酸化ケイ素及び／又は酸化アルミニウムのような電気絶縁性セラミック材料を含むか又はそれら成っていてもよい。
【0047】
図面に関連して記載された特徴及び実施例は、全ての組み合わせが明示的に記載されていなくても、更なる実施例に従って互いに組み合わせることができる。更に、図面に関連して記載された実施例は、代替的に又は付加的に、一般的な部分の記載による更なる特徴を備えていてもよい。
【0048】
本発明は、実施例を参照した記載によって、これらに限定されない。むしろ、本発明は、全ての新しい特徴、及び、特に特許請求の範囲における全ての特徴の組み合わせを含む全ての特徴の組み合わせを、たとえ当該特徴又は組み合わせ自体が特許請求の範囲又は実施例において明示的に提示されていない場合であっても、含む。
【符号の説明】
【0049】
１ 積層体
２ セラミック層
３ 第１の電極層
４ 第２の電極層
５ 第１の外面
６ 第２の外面
７ 第１の外部電極
８ 第２の外部電極
９，１０ 外面
１１ 開口
３１，４１ 第１の端部領域
３２，４２ 第２の端部領域
１００ セラミック多層部品
Ｃ 重心
Ｈ，Ｈ’ 主延在方向
Ｒ 比率
Ｓ 積層方向
２ セラミック層
３ 第１の電極層
４ 第２の電極層
５ 第１の外面
６ 第２の外面
７ 第１の外部電極
８ 第２の外部電極
９，１０ 外面
１１ 開口
３１，４１ 第１の端部領域
３２，４２ 第２の端部領域
１００ セラミック多層部品
Ｃ 重心
Ｈ，Ｈ’ 主延在方向
Ｒ 比率
Ｓ 積層方向
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】