JP2012112808A - 温度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】熱応答性のばらつきを防止することができ、接続の信頼性を向上させることができる温度センサを提供する。
【解決手段】先端を閉じたパイプ内にサーミスタエレメントを備えた温度センサであって、その先端部に凹部を備えると共に、その両面に所定形状の電極パターンを備えた基板をパイプ内に有しており、基板の凹部にサーミスタエレメントが備えられ、基板の電極パターンに、サーミスタエレメントの電極が、それぞれ個別に接続されると共に、基板の電極パターンに、リード線が、それぞれ個別に接続され、パイプ内に充填した封止材によって、基板が前記パイプ内に固定される構成となっている。
【選択図】図１

Description

この発明は、サーミスタエレメントを備えた温度センサおよびその製造方法に関する。

図１０は、従来の温度センサの構成を示す斜視図である。

図１０において、１は温度センサを示し、この温度センサ１は、先端が閉じられており銅などの金属で構成された円筒形のパイプ２（二点鎖線で示す）と、両面に電極３ａ、３ｂを備えたサーミスタエレメント３と、サーミスタエレメント３の両電極３ａ、３ｂへはんだ４ａ、４ｂによってそれぞれ接続されたリード線５ａ、５ｂと、リード線５ａ、５ｂとサーミスタエレメント３との接続部をコーティングした樹脂コーティング部６とを有しており、上記リード線５ａ、５ｂの接続されたサーミスタエレメント３が、パイプ２内に挿入された構造となっている。この従来例の場合、サーミスタエレメント３は、バルクタイプのサーミスタからなる。

次に、図１０に示した従来の温度センサ１の製造方法について説明する。

まず、サーミスタエレメント３の両電極３ａ、３ｂと、リード線５ａ、５ｂそれぞれの芯線５ａ_１、５ｂ_１とがそれぞれ接触するように、リード線５ａ、５ｂそれぞれの芯線５ａ_１、５ｂ_１の間に、サーミスタエレメント３を挟持させる。そして、その状態で、サーミスタエレメント３の両電極３ａ、３ｂと、リード線５ａ、５ｂの芯線５ａ_１、５ｂ_１とを、それぞれ、はんだ付けする。

そして、エポキシ等の樹脂材料に、上述のようにはんだ付けされたサーミスタエレメント３を浸漬させ、はんだ付け部分を樹脂材料で被膜し、高温で硬化させ、樹脂コーティング部６を形成する。

そして、先端が閉じられた円筒形のパイプ２の開口部から、樹脂コーティングされたサーミスタエレメント３を、リード線５ａ、５ｂを把持しながら、パイプ２の先端付近まで挿入し、その後、パイプ２内の空間部にエポキシ等の封止材７を注入し、高温で封止材を硬化させて温度センサ１が完成される。

なお、記載すべき先行技術文献情報はありませんでした。

しかしながら、上記図１０に示したような従来の温度センサ１では、まず、リード線５ａ、５ｂの芯線５ａ_１、５ｂ_１の間に、サーミスタエレメント３を挟持させ、その状態で、サーミスタエレメント３の両電極３ａ、３ｂと、リード線５ａ、５ｂの芯線５ａ_１、５ｂ_１とを、それぞれ、はんだ付けするようにしていたので、その一連の製造工程は、自動化が難しく、手作業で行うしかなく、非常に手間のかかる問題点があった。

特に、芯線５ａ_１、５ｂ_１の間に、サーミスタエレメント３を挟持させた状態は不安定であり、その不安定な状態ではんだゴテによってはんだ付けを行うことは困難な作業であった。

また、リード線５ａ、５ｂを把持して、サーミスタエレメント３をパイプ２の先端付近まで挿入する際に、リード線５ａ、５ｂが自由に動いてしまい、サーミスタエレメント３の位置が固定されないので、サーミスタエレメント３をパイプ２の中心位置に精度良く設置することが困難であった。サーミスタエレメント３をパイプ２の中心位置に精度良く設置できないと、温度センサ１の熱応答性にばらつきが生じてしまう問題があった。

また、封止材７により、サーミスタエレメント３をパイプ２内に封止するためには、その前に、サーミスタエレメント３を樹脂コーティングして樹脂コーティング部６を形成する必要があった。これは、サーミスタエレメント３がパイプ２の内壁に接触した状態で封止されてしまうことを防止するためである。このように、従来の製造方法では、封止前に、樹脂コーティングの行程が余計にかかってしまうものであった。

この発明は、上記したような不都合を解消するためになされたもので、その課題は、熱応答性のばらつきを防止することができ、接続の信頼性を向上させることができる温度センサを提供することにある。

この発明の他の課題は、製造を自動化できることにより短時間での量産を可能にした温度センサの製造方法を提供することにある。

本発明の特徴は、先端を閉じたパイプ内にサーミスタエレメントを備えた温度センサであって、前記パイプ内に備えた基板の先端部に凹部を備えると共に、前記基板の両面に所定形状の電極パターンを備え、前記基板の凹部に前記サーミスタエレメントが備えられ、前記基板の各電極パターンに、前記サーミスタエレメントの各電極が、それぞれ個別に接続されると共に、前記基板の各電極パターンに、リード線が、それぞれ個別に接続され、前記パイプ内に充填した封止材によって、前記基板が前記パイプ内に固定されることである。

本発明の他の特徴は、先端を閉じたパイプ内にサーミスタエレメントを備えた温度センサの製造方法であって、凹部を有する電極パターンが連続して複数個形成された基板を備える工程と、前記各凹部に、サーミスタエレメントを挿入する工程と、前記基板を、はんだ漕に浸漬し、前記基板に挿入された前記各サーミスタエレメントの両電極と、前記基板の電極パターンとを、それぞれはんだ付けする工程と、前記基板を、オイルバスに浸漬させた状態で、抵抗値を測定し、所望する抵抗許容差内に入っているかどうかの確認を行う工程と、前記基板を切断して前記各サーミスタエレメント毎に分割し、複数の基板とし、分割された基板の電極パターンに、リード線を接続する工程と、前記各基板をそれぞれ前記パイプに挿入し、前記基板が、前記パイプ内に挿入された状態で、前記パイプ内の空間部に封止材を注入・充填する工程と、を備えることである。

以上のように、本発明による温度センサによれば、パイプ内に備えた基板の先端部に凹部を備えると共に、基板の両面に所定形状の電極パターンを備え、基板の凹部にサーミスタエレメントが備えられ、基板の各電極パターンに、サーミスタエレメントの各電極が、それぞれ個別に接続されると共に、基板の各電極パターンに、リード線が、それぞれ個別に接続され、パイプ内に充填した封止材によって、基板が前記パイプ内に固定される構成となっているので、熱応答性のばらつきを防止することができ、接続の信頼性を向上させることができる。

また、本発明による温度センサの製造方法によれば、凹部を有する電極パターンが連続して複数個形成された基板を備える工程と、各凹部に、サーミスタエレメントを挿入する工程と、基板を、はんだ漕に浸漬し、基板に挿入された各サーミスタエレメントの両電極と、基板の電極パターンとを、それぞれはんだ付けする工程と、基板を、オイルバスに浸漬させた状態で、抵抗値を測定し、所望する抵抗許容差内に入っているかどうかの確認を行う工程と、基板を切断して各サーミスタエレメント毎に分割し、複数の基板とし、分割された基板の電極パターンに、リード線を接続する工程と、各基板をそれぞれパイプに挿入し、基板が、パイプ内に挿入された状態で、パイプ内の空間部に封止材を注入・充填する工程と、を備える構成となっているので、製造を自動化できることにより短時間での量産が可能となる。

この発明の一実施形態である温度センサの斜視図である。 図１に示した温度センサの両側面図である。 図１および図２に示した基板の両側面図である。 図１および図２に示した温度センサの製造工程を示す説明図である。 図１および図２に示した温度センサの製造工程を示す説明図である。 この発明の他の実施形態である温度センサの斜視図である。 図６に示した温度センサの両側面図である。 図６および図７に示した基板の両側面図である。 図６および図７に示した基板周辺の斜視図である。 従来の温度センサの構成を示す斜視図である。

この発明の実施形態に係わる温度センサについて、図面を参照して説明する。

図１は、この発明の一実施形態である温度センサの斜視図である。

図２は、図１に示した温度センサの両側面図であり、（ａ）は、右側面図であり、（ｂ）は、左側面図である。なお、図１および２においては、パイプを二点鎖線で示すと共に、図８に示したものと同じ部材には同じ番号を付している。また、図２においては、封止材を点線で示している。

図１および図２において、本発明の第１の実施形態に係わる温度センサ１１は、先端が閉じられており銅などの金属で構成された円筒形のパイプ２と、両面に四角形状の電極３ａ、３ｂを備えた四角形状のサーミスタエレメント３と、先端側に開口して先端部に設けられたスリット（凹部）１２ｃによってサーミスタエレメント３を厚さ方向から挟持すると共に、はんだ１３ａ、１３ｂによってサーミスタエレメント３の両電極３ａ、３ｂへそれぞれ接続された電極パターン１２ａ、１２ｂを両面に備えた基板１２と、基板１２の電極パターン１２ａ、１２ｂに、はんだ１４ａ、１４ｂによってそれぞれ接続されたリード線５ａ、５ｂとを有しており、上記リード線５ａ、５ｂおよびサーミスタエレメント３の接続された基板１２が、パイプ２内に挿入された構造となっている。

そして、上記リード線５ａ、５ｂおよびサーミスタエレメント３の接続された基板１２が、パイプ２内に挿入された状態で、封止材７が注入され、高温で封止材７が硬化されて温度センサ１１が完成される。

図３は、図１および図２に示した基板の両側面図であり、（ａ）は、右側面図であり、（ｂ）は、右側面図である。

ここで、図３（ａ）に示すように、基板１２の右側面には、上側が開口したコの字形状の電極パターン１２ａが形成されており、電極パターン１２ａの先端部分１２ａ_１は、奥の側の間隔が次第に狭くなる形状のスリット１２ｃによって分断されており、その分断された分離部分が、ダミー電極１２ａ_２を形成している。そして、その電極パターン１２ａの先端部分１２ａ_１に、サーミスタエレメント３の下面電極３ａが接続され、電極パターン１２ａの末端部分１２ａ_３に、リード線５ａの芯線５ａ_１が接続されるようになっている。

また、図３（ｂ）に示すように、基板１２の左側面には、下側が開口したコの字形状の電極パターン１２ｂが形成されており、電極パターン１２ｂの先端部分１２ｂ_１は、スリット１２ｃによって分断されており、その分断された分離部分が、ダミー電極１２ｂ_２を形成している。そして、その電極パターン１２ｂの先端部分１２ｂ_１に、サーミスタエレメント３の上面電極３ｂが接続され、電極パターン１２ｂの末端部分１２ｂ_３に、リード線５ｂの芯線５ｂ_１が接続されるようになっている。

そして、両電極パターン１２ａ、１２ｂの先端部分１２ａ_１、１２ｂ_１は、サーミスタエレメント３の大きさに対応して幅広に形成されている。

また、図３（ａ）に示すように、スリット１２ｃは、基板１２の高さ方向のほぼ中央に形成され、その入り口１２ｃ_１は、八の字形状に形成してあり、この入り口１２ｃ_１から次第に狭くなるテーパー状になっており、サーミスタエレメント３が円滑に挿入できる構造となっている。すなわち、スリット１２ｃの先端側に、先端側の間隔が次第に大きくなる傾斜面を備える構造となっている。そして、スリット１２ｃの奥部分は、はんだ１３ａ、１３ｂをもう一方側のダミー電極へ導くための幅広部１２ｃ_２となっている。

ここで、図２（ａ）に示すように、基板１２の高さＨは、パイプ２の内径Ｒより少し小さな値となっている。

これにより、後述するように、基板１２のスリット１２ｃにサーミスタエレメント３を挟持した状態で、基板１２をパイプ２に挿入すると、基板１２の位置がパイプ２の半径位置にほぼ固定されるので、サーミスタエレメント３がパイプ２の中央へ自動的に位置決めされることとなる。同様に、基板１２の電極パターン１２ａ、１２ｂと、リード線５ａ、５ｂとの接続位置もパイプ２の中央へ自動的に位置決めされることとなる。それにより、パイプ２からリード線５ａ、５ｂが出る位置もパイプ２の開口部のほぼ中央となる。

従って、パイプ２内におけるサーミスタエレメント３の位置、リード線５ａ、５ｂとの接続点位置のバラつきが少なくなり、熱応答性のバラつきを画期的に少なくすることができる。

また、上述のように、サーミスタエレメント３が基板１２に挟持される構造となっているので、基板１２がサーミスタエレメント３を保護するような形となり、機械的な強度が格段に向上する。

なお、サーミスタエレメント３は、バルクタイプのサーミスタからなり、基板１２は、アルミナやガラスエポキシ等の基板に銅パターン（電極パターン１２ａ、１２ｂ）が形成されたものであり、パイプ２は、銅やステンレスなどの金属製でも良いし、ＡＢＳやＰＰＳなどの樹脂製でも良い。また、はんだ１３ａ、１３ｂは、銅フリーはんだが用いられ、リード線５ａ、５ｂは、架橋ポリエチレン被覆電線や塩ビ被覆電線などが用いられ、封止材７はエポキシ等が用いられる。

次に、温度センサ１１の製造方法について、図４（ａ）〜（ｅ）を参照して説明する。

図４（ａ）〜（ｅ）は、図１および図２に示した温度センサ１１の製造工程を示す説明図である。

なお、説明の都合上、製造途中のものと、最終構成部分とは、同一符号を用いて説明する。

まず、図４（ａ）に示すように、アルミナやガラスエポキシ等の基板１２Ａの両面に、銅パターンにより電極パターン１２ａ、１２ｂが連続して複数個（この場合、６個）形成され、その後、スリット１２ｃが連続して複数個形成され、その各スリット１２ｃに、サーミスタエレメント３が挿入される。

なお、ここで、サーミスタエレメント３は、その後端が各スリット１２ｃの終端より所定距離手前位置となるまで挿入され、この位置で位置決め固定された状態で、サーミスタエレメント３の先端が、基板１２の先端より、少し後退するようになっている。すなわち、基板１２Ａの先端が、サーミスタエレメント３の前面より少し突出するようになっている。

これにより、後工程において、基板１２をパイプ２に挿入する際に、パイプ２に当接するまで挿入しても、サーミスタエレメント３がパイプ２に当接することは無いので、基板１２をパイプ２に当接するまで挿入することができるようになり、サーミスタエレメント３のパイプ２内での位置精度が向上する。

また、サーミスタエレメント３の後端が、上記手前位置となっているので、スリット１２ｃには空間が形成され、それにより、後工程において、サーミスタエレメント３の両電極３ａ、３ｂ間でのはんだブリッジの形成が防止される。

次に、図４（ｂ）に示すように、図４（ａ）に示した基板１２Ａが、クランプ２１により把持され、はんだ漕２０に浸漬され、基板に挿入されたサーミスタエレメント３の両電極３ａ、３ｂと、基板の電極パターン１２ａ、１２ｂとが、それぞれはんだ付けされる。

ここでは、基板１２Ａは、はんだ漕２０に、図４（ａ）のＰで示す位置（各スリット１２ｃの終端位置）まで浸漬される。これにより、図２（ａ）に示すように、サーミスタエレメント３の下面電極３ａと基板の電極パターン１２ａの先端部分１２ａ_１とがはんだ付けされると共に、図２（ｂ）に示すように、電極パターン１２ｂのダミー電極１２ｂ_２とサーミスタエレメント３の下面電極３ａとがはんだ付けされ、その両はんだが、スリット１２ｃの幅広部１２ｃ_２を介して一体化され、はんだ１３ａを形成するようになっている。

同様に、図２（ｂ）に示すように、サーミスタエレメント３の上面電極３ｂと基板の電極パターン１２ｂの先端部分１２ｂ_１とがはんだ付けされると共に、図２（ａ）に示すように、電極パターン１２ａのダミー電極１２ａ_２とサーミスタエレメント３の上面電極３ｂとがはんだ付けされ、その両はんだが、スリット１２ｃの幅広部１２ｃ_２を介して一体化され、はんだ１３ｂを形成するようになっている。

また、サーミスタエレメント３の後端が上記手前位置となっているので、スリット１２ｃには空間が形成され、それにより、サーミスタエレメント３の両電極３ａ、３ｂ間でのはんだブリッジの形成が防止される。

以上のように、はんだ付けが行われ、はんだ１３ａ、１３ｂが形成されるようになっているので、はんだ付けの接続面積が大きくなり、より確実な電気接続を行うことができるようになる。

上記はんだ付けの後、図５（ｃ）に示すように、連結した基板を、オイルバス２２に浸漬させた状態で、デジタルマルチメータやスキャナ等の測定装置２３で抵抗値を測定し、所望する抵抗許容差内に入っているかどうかの確認を行う。

このように、複数の基板を連結した状態で、抵抗値の測定を行うことができるので、抵抗値の測定の効率が格段に向上する。

次に、連結した基板を各サーミスタエレメント３毎に切断して分割し、複数の基板１２とし、分割された基板１２の電極パターン１２ａ、１２bの末端部分１２ａ_３、１２b_３に、リード線５ａ、５bの芯線５ａ_１、５b_１が、はんだや溶接等により接続され、その基板１２がパイプ２に挿入される。

その後、基板１２が、パイプ２内に挿入された状態で、パイプ２内の空間部に封止材７が注入・充填され、高温で封止材７が硬化されて温度センサ１１が完成される。

このように、本実施形態によれば、熱応答性のばらつきを防止することができ、接続の信頼性を向上させることができると共に、製造を自動化できることにより短時間での量産を可能にできるものである。

なお、上記サーミスタエレメント３は、バルクタイプと呼ばれるものであり、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅなどの金属酸化物にバインダーを混ぜてシート状に成形し、そのシート状の原料を高温で焼結させ、サーミスタウエハを得、そのサーミスタウエハ表面に銀粉とガラスフリットを含有したペーストをスクリーン印刷等の技術で印刷し、高温で焼成して電極を形成し、規定寸法に切断して形成したものである。

次に、図６および図７を参照して、本発明の他の実施形態に係わる温度センサについて説明する。

図６は、他の実施形態に係わる温度センサの斜視図である。

図７は、図６に示した温度センサの両側面図であり、（ａ）は、右側面図であり、（ｂ）は、左側面図である。なお、図６および７においては、パイプを二点鎖線で示すと共に、図１に示したものと同じ部材には同じ番号を付している。

この他の実施形態に係わる温度センサは、サーミスタエレメントとして、一つの面の両側に電極を持つ薄膜サーミスタを用いたものであり、それに伴い、基板の電極の形状等が異なっている。

図６および図７において、他の実施形態に係わる温度センサ３０は、先端が閉じられており銅などの金属で構成された円筒形のパイプ２と、片面の両側に電極３１ａ、３１ｂを備えたサーミスタエレメント３１と、その先端部に設けられたスリット３２ｃによってサーミスタエレメント３１を挟持すると共に、はんだ３３ａ、３３ｂによってサーミスタエレメント３１の両電極３１ａ、３１ｂへそれぞれ接続された電極パターン３２ａ、３２ｂを両面に備えた基板３２と、基板３２の電極パターン３２ａ、３２ｂに、はんだ等によってそれぞれ接続されたリード線５ａ、５ｂとを有しており、上記リード線５ａ、５ｂおよびサーミスタエレメント３１の接続された基板３２が、パイプ２内に挿入された構造となっている。

そして、上記リード線５ａ、５ｂおよびサーミスタエレメント３１の接続された基板３２が、パイプ２内に挿入された状態で、封止材７が注入され、高温で封止材７が硬化されて温度センサ３０が完成される。

図８は、図６および図７に示した基板の両側面図であり、（ａ）は、右側面図であり、（ｂ）は、右側面図であり、図９は、図６および図７に示した基板周辺の斜視図である。

ここで、図８（ａ）、図９に示すように、基板３２の右側面には、略Ｔの字形状の電極パターン３２ａが形成されており、電極パターン３２ａの先端部分３２ａ_１に、サーミスタエレメント３１の右側電極３１ａが接続されており、電極パターン３２ａの末端部分３２ａ_３に、リード線５ａの芯線５ａ_１が接続されるようになっている。

また、図８（ｂ）、図９に示すように、基板３２の左側面にも、略Ｔの字形状の電極パターン３２ｂが形成されており、電極パターン３２ｂの先端部分３２ｂ_１に、サーミスタエレメント３１の左側電極３１ｂが接続されており、電極パターン３２ｂの末端部分３２ｂ_３に、リード線５ｂの芯線５ｂ_１が接続されるようになっている。

なお、ここで、サーミスタエレメント３１は、各スリット３２ｃの終端まで挿入され、この終端まで挿入された状態で、サーミスタエレメント３１の前面が、基板３２の先端より、少し後退するようになっている。すなわち、基板３２の先端が、サーミスタエレメント３１の前面より少し突出するようになっている。

これにより、後工程において、基板３２をパイプ２に挿入する際に、パイプ２の先端に当接するまで挿入しても、サーミスタエレメント３１がパイプ２に当接することは無いので、基板３２をパイプ２に当接するまで挿入することができるようになり、サーミスタエレメント３１のパイプ２内での位置精度が向上する。

なお、この他の実施形態の製造方法については、図１〜図５に示した実施形態と同様であるので説明を省略する。

この実施形態によれば、一つの面の両側に電極を持つ薄膜サーミスタを適用することが出来、図１〜図５に示した実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、この薄膜サーミスタは、特開平６−６１０１２号公報等に記載された製造方法によって製造されるものである。

この発明は前述の発明の実施の形態に限定されることなく、適宜な変更を行うことにより、その他の態様で実施し得るものである。例えば、パイプ２を円筒形ではなく、多角形と構成とすることも可能である。

１、 １１、３０…温度センサ、２…パイプ、３、３１…サーミスタエレメント、
５ａ、５ｂ…リード線、５ａ１、５ｂ１…芯線、６…樹脂コーティング部、
７…封止材、１２…基板、１２ａ、１２ｂ…電極パターン、１２ａ２、１２ｂ２…ダミー電極、１２ｃ、３２ｃ…スリット、

Claims (8)

1. 先端を閉じたパイプ内にサーミスタエレメントを備えた温度センサであって、
   前記パイプ内に備えた基板の先端部に凹部を備えると共に、前記基板の両面に所定形状の電極パターンを備え、
   前記基板の凹部に前記サーミスタエレメントが備えられ、前記基板の各電極パターンに、前記サーミスタエレメントの各電極が、それぞれ個別に接続されると共に、前記基板の各電極パターンに、リード線が、それぞれ個別に接続され、
   前記パイプ内に充填した封止材によって、前記基板が前記パイプ内に固定されることを特徴とする温度センサ。
2. 前記両電極パターンの先端部側に対応して、各基板の反対面に、それぞれダミー電極を備えることを特徴とする請求項１記載の温度センサ。
3. 前記凹部の先端側に、先端面側の間隔が次第に大きくなる傾斜面を備えることを特徴とする請求項１、２のいずれかに記載の温度センサ。
4. 前記凹部の奥部分に、前記凹部の幅よりも幅寸法の大きな幅広部を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の温度センサ。
5. 前記両電極パターンの先端部は、前記サーミスタエレメントに対応して幅広に形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の温度センサ。
6. 前記基板の先端が、前記サーミスタエレメントの前面より突出するようになっていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の温度センサ。
7. 前記基板の高さが、前記パイプの内径より少し小さな値となっていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の温度センサ。
8. 先端を閉じたパイプ内にサーミスタエレメントを備えた温度センサの製造方法であって、
   凹部を有する電極パターンが連続して複数個形成された基板を備える工程と、
   前記各凹部に、サーミスタエレメントを挿入する工程と、
   前記基板を、はんだ漕に浸漬し、前記基板に挿入された前記各サーミスタエレメントの両電極と、前記基板の電極パターンとを、それぞれはんだ付けする工程と、
   前記基板を、オイルバスに浸漬させた状態で、抵抗値を測定し、所望する抵抗許容差内に入っているかどうかの確認を行う工程と、
   前記基板を切断して前記各サーミスタエレメント毎に分割し、複数の基板とし、分割された基板の電極パターンに、リード線を接続する工程と、
   前記各基板をそれぞれ前記パイプに挿入し、前記基板が、前記パイプ内に挿入された状態で、前記パイプ内の空間部に封止材を注入・充填する工程と、を備えることを特徴とする温度センサの製造方法。

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