JP2011516821A - 温度計測のための複合素材、複合素材を備える温度センサー、複合素材の製造方法、及び、温度センサーの製造方法 - Google Patents

Abstract

温度計測のための複合素材１、及び、複合素材から１から成形される温度センサー１０を提供する。更に、複合素材１の製造方法、及び、温度センサー１０の製造方法を提供する。複合素材１はセラミック充填材とセラミック充填材を埋め込む成型可能なマトリクスとを備え、セラミック充填剤は電気抵抗の正あるいは負の温度係数をもつ。
【選択図】図２

Description

本発明は、温度計測のための複合素材とその複合素材の製造方法に関する。本発明はさらに、この複合素材から構成される温度センサー、及びその温度センサーの製造方法に関する。

部品の表面温度を計測する際に用いられる従来の温度センサーは複雑な構造を持ち、その製造には多くの労力を必要とし、また高コストである。

本発明の目的は、温度計測のための複合素材及びその複合素材から成形された温度センサーを提供することである。この目的は、請求項１に記載の複合素材によって達成され、また請求項１２に記載の温度センサーによっても達成される。この複合素材及びこの温度センサーを簡単かつ安価に製造する工程を提供することは、本発明のさらなる目的である。これらの目的は、請求項７、請求項２０によって達成される。その他の請求項は、これらの素子及びこれらの工程のさらなる実施形態に係る。

実施形態の一つにおいて、セラミック充填剤と、セラミック充填剤を埋め込むための成形可能なマトリクスとを備える、温度計測のための複合素材について明確に述べる。このセラミック充填剤は、電気抵抗の正あるいは負の温度係数を持つ。この複合素材は、さらにセラミック充填剤によって決まる抵抗温度特性を持つ。すなわち、負の温度係数（ＮＴＣ）あるいは正の温度係数（ＰＴＣ）の抵抗温度特性を持ち、同時に成形可能な素材である複合素材を提供する。この複合素材はどのような形状にも成形することが可能であるから、例えばフィルムのような、表面実装が可能な構成要素にも加工される。この複合素材は温度に依存する抵抗特性を持つために、温度センサーとして成形することができる。この複合素材はまた、良好な熱伝導率を有する可能性もある。

この複合素材はさらに、ガラス様素材、熱可塑性物質、熱硬化性物質、エラストマー、あるいはそれらの混合物から選ばれたマトリクス物質を有してよい。使用されるポリマー素材は、例えばポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）あるいはポリアミド（ＰＡ）であってよい。これらの素材は容易に成形可能であり、複合素材の加工が容易になるという効能がある。

複合素材中の充填剤は、マトリクス中の多数の粒子であってよい。ＮＴＣ特性あるいはＰＴＣ特性を持つ粉末セラミック充填剤を、マトリクスに混合させることも可能である。

さらに、マトリクス中のセラミック充填剤粒子の充填率は、５０％〜９５％であってよい。これらの粒子は、マトリクス中で連続的な電流路を形成することが可能である。

マトリクス中における粒子の充填率を５０％〜９５％とすることによって、セラミック粒子で形成された電流を流すための連続的な電流路が存在することが保証される。電流路の中断、すなわちマトリクス素材を通過する電流の中断がこのようにして回避される。このように、複合素材の電気的な動作は実質上セラミック充填剤によって決定する。複合素材の電気抵抗は温度の関数として変化する。すなわち、ＮＴＣあるいはＰＴＣ特性を持つ。そのため、温度センサーとして利用できる。さらに、マトリクス中のセラミック粒子の充填率は、複合素材を変形させるのに十分な程度に低い。

複合素材中の充填剤は、Ａ^ＩＩＢ^ＩＩＩ _２Ｏ_４の組成式を持つ導電性スピネル、あるいはＡＢＯ_３の組成式を持つペロブスカイトを備えるような素材を備えてよい。ここでＡはいずれの場合も二価の金属、Ｂはいずれの場合も三価の金属である。Ａは、例えばニッケルから構成され、Ｂは、例えばマンガンから構成される。この場合、素材は負の温度係数を持つセラミック素材である。正の温度係数を持つセラミックス、あるいは異なる組成や負の温度係数を持つセラミックスも同様に用いてよい。セラミック素材はさらに、例えば金属酸化物から選ばれる不純物を備えてもよい。

上述の特性を持った複合素材の製造方法についてさらに明確に述べる。製造方法は次の工程段階を備える。
Ａ）セラミック充填剤を製造する工程
Ｂ）マトリクスを製造する工程
Ｃ）充填剤とマトリクスとを混合する工程
このようにして簡単な方法が提供され、これによって前述の特性を持った複合素材を製造することが可能である。

さらに、工程Ａ）において、セラミック顆粒を焼結し、加圧して粉末に挽くことが可能である。この工程によって、マトリクス素材と簡単な方法で混合することができる粉末状のセラミック素材が製造される。

工程Ｂ）において、マトリクスは、ガラス様素材、熱可塑性物質、熱硬化性物質、エラストマー、あるいはそれらの混合物から構成される一群の素材の中から選ぶことが可能である。

さらに、工程Ｃ）において、充填剤とマトリクスとを連続的に混合することが可能である。この目的のために、混合工程は、例えば、二つの共回転並行運搬スクリューを備えた二軸押出機によって施すことが可能である。マトリクス素材と充填剤は連続的に加え合わせられ、混合される。工程Ｃ）では、充填剤とマトリクスとはバッチ式で混合することも可能である。この目的のためには、最初に充填剤あるいはマトリクス素材が試料管に投入され、その後マトリクス素材あるいは充填剤が加えられ、試料管の中でそれらの試料が混合される。

さらに、上述の特性を持つ複合素材から成形される、接触子を持つ温度センサーについて明確に述べる。この温度センサーは、カバーやキャリアなしに製造でき、その外側の面もまた複合素材から成形されてよい、という点で特筆に値する。この温度センサーは、接した物体の温度、及び／又は熱輻射の温度を計測できる。さらに、この複合素材から成形される温度センサーは、表面に実装できるように成形されてよい。表面実装可能な温度センサーは、計測対象物の表面部分への熱的及び機械的な適合性が良い。

この温度センサーは、温度センサー表面に取り付けられた、及び／あるいは、温度センサーに組み込まれた接触子を有してよい。接触子が温度センサーに組み込まれているとき、接触子の一部は複合素材の中に有り、残りの部分は複合素材から突き出ていて、外部からの接触が可能である。接触子と複合素材との接触部分は、温度センサーの抵抗、そしてＮＴＣあるいはＰＴＣ特性に影響を与えることが可能である。接触子と複合素材との接触部分が大きいほど、複合素材の絶対抵抗が低くなる。この方法で、温度センサーの電気的動作を要求に応じて調製できる。温度センサーの電気的動作は、複合素材の幾何形状及び接触子の形状、位置によっても調整できる。素材全体の体積を通して、バルク効果によって温度センサーの抵抗が決定するためである。

温度センサーは、三次元幾何構造をとってよい。これは例えばフィルムとして成形されてもよく、フィルムは柔軟であってもよい。さらに、温度センサーは立方形、及び／あるいは、角が丸みを帯びた形状であってよい。他の幾何形状、例えば円筒形あるいは個別の周囲環境に合わせた不規則な形状、となるように製造することも同様に可能である。複合素材が成形可能であるために、簡単かつ安価な方法で、必要に応じた形状の温度センサーを製造することが可能であり、カバー（ｅｎｖｅｌｏｐｅ）やキャリアのような付加構成要素なしに使用することが可能である。

温度センサーの表面を電気的に絶縁する必要があるときには、例えばさらなる射出成形処理によって、熱によって結合するカプセル化を選択的に施すことが可能である。

さらに、温度センサーの製造方法について明確に述べる。製造方法は以下の工程を備える。
Ｄ） 上述の複合素材の製造方法によって複合素材を製造する工程
Ｅ） 複合素材を成形する工程
Ｆ） 接触子を取り付ける工程

製造工程Ｄ）において、上述の方法で複合素材が製造される。さらに、製造工程Ｅ）において、複合素材は三次元的で対称的な形状に成形されることが可能である。複合素材はリボン状、フィルム状、あるいは任意の他の三次元形状に成形されてよい。この目的のためには、例えば、射出成形を備える工程を用いることが可能である。複合素材の成形は、二軸押出機で複合素材を製造した直後に行うことが可能である。この目的のために、例えばスロットダイを機器として用いることができる。押し出されたリボンは、スムージングカレンダーを通して引き出されることが可能で、例えば、薄いリボン状あるいはフィルム状に成形されることが可能である。さらに、ダイプレートを押出機の部品として用いてもよい。押出機から押し出された素材はその後、適切な切断器具によりペレットに加工され、射出成形機のような任意の適切な加工機械によって望みの形状に加工されることが可能である。

さらに、工程Ｆ）において、成形された複合素材の表面に接触子を取り付けることができる。この目的のために、スクリーン印刷、スパッタリング、電気めっき、の中から選ばれた方法を採用することができる。さらに、工程Ｅ）とＦ）は同時に行うことが可能で、接触子は複合素材に組み込むことができる。例えば、複合素材に組み込まれた接触子は、一度の射出成形で、複合素材から突きだした末端と、複合素材に埋没した末端とがあるように製造することができる。

温度センサーは、計測対象物の本体に取り付けてよい。結果的に、温度センサーは、隣接する計測対象物との接触部分の上で温度の計測を行うことができる。さらなる機能あるいは他の機能として、温度センサーは熱輻射の計測も行える。この目的のために、輻射の吸収のよいマトリクス素材で、例えばフィルム状に本体を成形してよい。この目的のため、マトリクス素材は、例えば黒い粒子を備えてよい。これによって、入射太陽輻射あるいは熱輻射を検出できる。

本発明は次の図を参照することによって詳細に説明される。

温度センサーの実施形態の一つの概略図である。 温度センサーの実施形態の一つのさらなる概略図である。

図１は、複合素材１に接触子２が取り付けられた温度センサー１０を示す。この実施形態において、温度センサー１０はフィルム状であり、接触子２は複合素材１の表面に実装されている。フィルムは柔軟性があってよく、計測対象物のどのような表面にも取り付けてよい。この複合素材は、ガラス様素材、熱可塑性物質、熱硬化性樹脂、エラストマー、あるいはそれらの混合物の中から選ばれたマトリクス物質を備えてよい。例えば、ＰＰＳあるいはＰＡを用いてよい。マトリクスは、電気抵抗の正あるいは負の温度係数を持ったセラミック充填剤を含有する。充填剤はマトリクスの中の粒子状物質であり、マトリクス中での充填率は、マトリクス中で連続的な電流路が粒子によって形成されるのに十分な程度に高い。例えば、セラミック充填剤は、ＭｎＮｉＯのような金属酸化物を備える物質を備えてよい。そして、そのマトリクス中での充填率は５０％〜９５％である。接触子２は他にも、フィルムに組み込まれた状態であってもよく、異なるサイズであってもよい。

図２は温度センサー１０の異なる実施形態を示す。ここで、複合素材１は立方形であり、接触子２は立方形の複合素材に組み込まれている。接触子２の末端は、その立方形の複合素材から突きだし、外側からの接触が可能である。そして、立方形の複合素材に埋没している接触子の末端もある（破線によって示される）。このような温度センサー１０は、例えば射出成形によって製造できる。この場合、接触子２は、射出成形過程中に複合素材１に組み込まれる。他の方法として、接触子２は複合素材１の表面に取り付けることもできる（不図示）。また、サイズが異なってもよい。温度センサーの電気的動作は、複合素材１の幾何構造、サイズ、形状、及び接触子２の位置によって決定されうる。このようにして、温度センサーの形状やその電気的動作に関しては、個々の用途に合わせて設定することができる。

図１及び図２に図示した実施形態は、要望に応じて変更することができる。本発明は、実施例に限定されず、ここに詳述しないさらなる形状を持つ可能性があることを強調しておく必要がある。

１ 複合素材
２ 接触子
１０ 温度センサー

Claims (15)

1. セラミック充填剤と、
   前記セラミック充填剤を埋め込む成形可能なマトリクスと、を備え、
   前記セラミック充填剤が電気抵抗の正あるいは負の温度係数を持ち、前記セラミック充填剤によって決定される抵抗温度特性を持つ、
   ことを特徴とする温度計測のための複合素材（１）。
2. 前記マトリクスが、ガラス様素材、熱可塑性物質、熱硬化性物質、エラストマー、あるいはそれらの混合物から選択される素材を備えることを特徴とする、請求項１に記載の複合素材（１）。
3. 前記セラミック充填剤が、前記マトリクス中に、複数の粒子として存在することを特徴とする、請求項１又は２に記載の複合素材（１）。
4. 前記マトリクスにおける前記粒子の充填率が５０％〜９５％であることを特徴とする、請求項３に記載の複合素材（１）。
5. 前記粒子が前記マトリクス中で連続的な電流路を形成していることを特徴とする請求項３又は４に記載の複合素材（１）。
6. 前記セラミック充填剤が、Ａ^ＩＩＢ^ＩＩＩ _２Ｏ_４の組成式を持つ導電性スピネルと、ＡＢＯ_３の組成式を持つペロブスカイトとを備える一群の物質の中から選ばれた素材を備え、ここでＡ及びＢは共に金属でありＰＴＣ物質であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の複合素材（１）。
7. Ａ）前記セラミック充填剤を製造する工程と、
   Ｂ）前記マトリクスを供給する工程と、
   Ｃ）前記セラミック充填剤と前記マトリクスとを混合する工程と、
   を備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の複合素材（１）の製造方法。
8. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の複合素材（１）から成形され、接触子（２）を有する温度センサー（１０）。
9. 前記接触子（２）が前記温度センサー（１０）の表面上に取り付けられ、及び／あるいは前記温度センサー（１０）に組み込まれていることを特徴とする請求項８に記載の温度センサー（１０）。
10. 三次元的な幾何構造を持つことを特徴とする請求項８または９に記載の温度センサー（１０）。
11. フィルム状であることを特徴とする請求項１０に記載の温度センサー（１０）。
12. 前記フィルムが柔軟性を有することを特徴とする請求項１１に記載の温度センサー（１０）。
13. 前記幾何構造が立方形であることを特徴とする、請求項１０に記載の温度センサー（１０）。
14. 前記幾何構造において、角が丸みをおびていることを特徴とする、請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載の温度センサー（１０）。
15. Ｄ）請求項７乃至１１のいずれか一項に記載の複合素材（１）を製造する工程と、
    Ｅ）前記複合素材（１）を成形する工程と、
    Ｆ）接触子（２）を取り付ける工程と、
    を備えることを特徴とする請求項８乃至１４のいずれか一項に記載の温度センサー（１０）の製造方法。

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