JP2017116394A - 測温体 - Google Patents

Abstract

【課題】 使用時に継続的に熱等を受けても、絶縁基体上の電極とリードとの接続固定が、長期にわたり安定して維持される、信頼性が高く寿命の長い測温体を提供すること。【解決手段】 測温体１０は、絶縁基体１と、絶縁基体１の内部に設けられた内部抵抗配線５と、絶縁基体１の主面に設けられた電極２と、内部抵抗配線５と電極２とを接続するビア導体６と、電極２に接続されたリード３と、電極２とリード３の電極側端部とを覆うガラス製の第１の被覆部材４とを備えており、第１の被覆部材４は、その熱膨張係数が、リード３の熱膨張係数よりも大きい。【選択図】 図１

Description

本発明は、セラミック焼結体からなる絶縁基体の内部に、内部抵抗配線が設けられてなる測温体に関するものである。

排気ガス等の高温（例えば数百〜一千℃程度）の流体等における温度検知用のセンサとして、絶縁基体の内部に抵抗配線を設け、抵抗配線の電気抵抗の温度による変化を利用した多層配線基板が知られている。抵抗配線を構成する金属材料としては、高温における耐酸化性等の観点から、白金（Ｐｔ）または白金を主成分とするものが用いられている。

前記金属材料を含む温度検知用のセンサ素子（以下、「測温体」という）を構成する部品としては、例えば、セラミック焼結体等からなり、互いに積層された複数の絶縁層の層間に白金等のメタライズ層または薄膜層からなる線状の導体が設けられた配線基板を、複数枚積層したもの等が知られている。

また、測温体と、温度監視および記録システム等の制御手段との間の電気的な接続は、絶縁基体の主面に配置された電極に接続されたリードを介して行われる。なお、これら電極とリードとの接続部位は、その接続を補強して熱等による剥離（断線）等を予防するために、ガラス材料等からなる被覆部材により覆われている。

特開平８−２０１１３１号公報 特開平１１−１２１２１４号公報

ところで、前記測温体を製造する工程では、前述のような補強用被覆部材のガラス材料を、電極とリードの端部全体を覆うように供給し、これを焼き付け（焼結）等により固化させることが行われる。その際、測温体製品を冷却する過程で、前記ガラス製の被覆部材にひびが入ったり、前記リードが前記電極から浮き上がってしまう（離間する）等の不具合が発生する場合があった。

また、これらの不具合は、目視で発見可能な範囲のものであれば、検査等によって簡単に取り除くことができるが、微細なものは発見が難しいため、使用に供されると、センサ使用中の加熱および冷却の繰り返しによって前記ひびや亀裂等が拡大し、検知精度の低下やセンサの断線等を招いてしまうおそれがある。

上記課題について検討した結果、本発明者は、前記のようなガラス製の被覆部材におけるひび等の発生は、測温体の加熱および冷却時に生じる、被覆部材と他の部材との間の熱伸縮率の違いに起因していることを突き止め、本発明を完成させた。

すなわち、本発明の一つの態様の測温体は、複数の絶縁層が積層された絶縁基体と、該絶縁基体の内部に設けられた内部抵抗配線と、前記絶縁基体の主面に設けられた電極と、前記絶縁基体を厚み方向に貫通して前記内部抵抗配線と前記電極とを導通させるビア導体と、前記電極に接続されたリードと、前記電極と前記リードの電極側端部とを覆う、ガラ
ス材料からなる第１の被覆部材とを備えており、該第１の被覆部材は、その熱膨張係数が、前記リードの熱膨張係数よりも大きい。

なお、本発明における「熱膨張係数」とは、ＪＩＳ Ｒ １６１８「ファインセラミックスの熱機械分析による熱膨張の測定方法」を準用して求めた、固体の「線膨張率」（線膨張係数ともいう）のことをいい、その大小は、原材料ではなく、その部材の最終形態における「線膨張率」の値〔単位：１／Ｋ（Ｋ^−１）〕で比較した。

本発明の一つの態様による測温体は、上記構成を有していることから、製造時に、電極およびリードの電極側端部を覆う、ガラス材料からなる第１の被覆部材を作製して冷却する際も、この第１の被覆部材に割れやびび等の発生がなく、上記リードが電極にしっかりと固定された状態を、維持することができる。このため、製品個々の性能が安定するとともに、その製品歩留まりを向上させることができる。

また、使用時に継続的に熱等を受けても、前記電極とリードとの接続固定が、長期にわたり安定して確実に維持される。したがって、信頼性が高く、寿命の長い測温体を提供することができる。

（ａ）は本発明の第１の実施形態の測温体を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の分解斜視図である。 （ａ）は本発明の第２の実施形態の測温体を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の分解斜視図である。

本発明の実施形態の測温体を、添付の図面を参照して説明する。以下の説明における上下の区別は便宜的なものであり、実際に配線基板等が使用される際の上下を限定するものではない。

図１は本発明の第１の実施形態の測温体１０を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の分解斜視図である。

図１（ｂ）に示すように、最上層の絶縁層１ａと、複数の絶縁層１ｂ（図１の例では５層）とが積層されて、絶縁基体１が形成されている。また、絶縁基体１の主面（図１の例では上面）に配置された電極２には、図示しない制御手段等に繋がるリード３が接続されている。そして、電極２と、接続されたリード３（図１の例では２本）の端部との上側には、これら電極２−リード３間の接続を保護して補強するための被覆部材（第１の被覆部材４）が設けられて、測温体１０が形成されている。

絶縁基体１は、例えば四角板状等の平板状（層状）の絶縁層１ａ，１ｂを積層して形成されており、各絶縁層１ａ，１ｂは、例えば酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、ガラスセラミック焼結体等のセラミック焼結体によって形成されている。

絶縁基体１の内部で、かつ、下側の各絶縁層１ｂの上面には、例えばミアンダ状パターンの内部抵抗配線５が設けられている。これら各絶縁層１ｂの内部抵抗配線５は、絶縁基体１の厚み方向に形成されたビア導体６（いわゆる、貫通導体）により、接続されている。

ビア導体６は、例えば内部抵抗配線５と同様の金属材料（白金等）を主成分とする導体材料（金属材料）によって形成されており、絶縁基体１内を上下方向に貫通して、その上側の一端が、絶縁基体１の最上層の絶縁層１ａの上面（主面）に露出している。

電極２は、前記絶縁基体１の上面に露出する、ビア導体６の上側端面（頂部６ａ）の上に設けられており、内部抵抗配線５と同様の金属材料（白金等）を主成分とする金属材料を用いて、方形状、円形状等に形成される。

電極２に接続されるリード３は、例えば内部抵抗配線５等と同様に、白金を含む金属材料からなり、純白金からなる場合もある。リード３の電極２に対する接続（接合）は、例えば抵抗溶接や、金を含むろう材を用いたろう付け法等の接合手段によって行なわれる。なお、リード３が白金を含む合金である場合、その代表的な熱膨張係数（線膨張率）は、８．８×１０^−６／Ｋである。

また、本発明の第１の実施形態の測温体１０は、絶縁基体１の主面上に、前記電極２と前記リード３との接続（接合）部位を覆う、接続部保護用の第１の被覆部材４が設けられている。

この第１の被覆部材４は、例えばバリウム珪酸系ガラスやホウ珪酸ガラス等、ガラス材料でもって形成されており、以下の方法で製作することができる。

まず、バリウム珪酸系ガラスやホウ珪酸ガラス等の原料粉末に、適当な有機バインダーおよび溶剤等を添加混合して作製したスラリーを、ディスペンサ等を用いて、電極２とリード３との接続部の上に、これらを完全に覆う山状に過剰に供給する。ついで、このスラリー含む絶縁基体１を、高温（約８００〜１２００℃）で焼成し、常温まで冷却（放冷）することによって、上記接続部を完全に覆う第１の被覆部材４が作製される。

ここで、前記第１の被覆部材４は、焼結後の熱膨張係数（線膨張率）が、前記リード３の熱膨張係数より大きくなっている。具体的には、リード３が白金を含む合金である場合の熱膨張係数（８．８×１０^−６／Ｋ）より大きな、通常９〜１６×１０^−６／Ｋ、好ましくは９〜１４×１０^−６／Ｋ、より好ましくは ９〜１１×１０^−６／Ｋになっている。

そのため、例えば前述のように上記ガラスの焼成のために高温を加え、その後常温まで冷却した場合でも、前記第１の被覆部材４に割れやびび等が発生することがなく、前記リード３が電極２にしっかりと固定された状態を、維持することができる。

また、このような構成の測温体１０によれば、製品として出荷され、使用時に繰り返し加熱および冷却を受けた場合でも、前記第１の被覆部材４に、ひびの発生や亀裂の拡大等がなく、前記電極２とリード３との接続固定（溶接やろう付け等による接合）が、長期にわたり安定して維持される。したがって、本実施形態の測温体１０は、温度検知精度の低下やセンサの断線等の不具合の発生が少なく、信頼性の高い、長寿命な測温体とすることができる。

なお、リード３等に用いられる、白金を主成分とする金属材料における白金以外の成分については、温度抵抗係数（ＴＣＲ）の調整や、耐熱性の向上等を目的に、適宜、その成分（種類）や添加量が選択される。白金以外の成分としては、例えばパラジウム、ロジウム、イリジウム等の白金族元素の金属材料および金等が挙げられる。

白金を主成分とする金属材料は、白金を約８０質量％以上の割合で含有している。白金
を主成分とする金属材料において、白金と他の成分とは合金を形成していていもよく、互いに独立した結晶粒子として存在していてもよい。内部抵抗配線５の場合は、金属成分以外の添加材を含有していてもよく、添加材としては、例えば酸化アルミニウム等の、絶縁層１ａ，１ｂに含まれているのと同様の無機物の粒子等が挙げられる。添加材は、内部抵抗配線５と絶縁層１ａ，１ｂとの焼成収縮率の整合等のために添加される。

前記絶縁基体１の絶縁層１ａ，１ｂは、先にも述べたように、例えば酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、ガラスセラミック焼結体等のセラミック焼結体によって形成されており、酸化アルミニウム質焼結体からなる場合であれば、以下の方法で製作することができる。まず、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウムおよび酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダーおよび溶剤等を添加混合して作製したスラリーを、ドクターブレード法等によってシート状に成形してセラミックグリーンシートを作製する。次に、これらのセラミックグリーンシートを適当な寸法に切断加工した後、これらを複数枚積層して積層体を作製する。その後、この積層体を高温（約１６００℃）で焼成することによって、絶縁層１ａ，１ｂが製作される。複数のセラミックグリーンシートがそれぞれ、絶縁層１ａ，１ｂになる。

上記のようにして作製された各絶縁層１ａ，１ｂが酸化アルミニウム質焼結体からなる場合は、焼結後の熱膨張係数（線膨張率）が、前記リード３の熱膨張係数より小さくなっている。具体的には、リード３が白金を含む合金である場合の熱膨張係数（８．８×１０^−６／Ｋ）より小さな、６〜８×１０^−６／Ｋに設定されている。

また、前記第１の被覆部材４の熱膨張係数を考慮すると、これらの間には、（第１の被覆部材の熱膨張係数＞リードの熱膨張係数＞絶縁基体の熱膨張係数）の関係が成り立つようになっている。これにより、前記測温体１０の主面において、電極２よりはみ出すようにして絶縁層１ａ上に塗布された第１の被覆部材４〔（図１（ａ）参照〕の部分も、電極２上の部位と同様、焼成−冷却後に被覆部材にひびや浮き等の発生がなく、該第１の被覆部材４が測温体１０の主面に密着した状態が維持される。したがって、前記リード３が電極２にしっかりと接合固定された状態を、補強することができる。

なお、前記第１の被覆部材４の測温体１０の主面に対する密着を、より確実なものとするために、先に述べた第１の被覆部材４の作製時における材料（スラリー）の塗布の際には、この材料を、図１（ｂ）に示す絶縁基体１（絶縁層１ａ）のリード３側の両角部１ｃ，１ｃを覆うように、絶縁層１ａの縁部まで塗布することが望ましい。これにより、両角部１ｃ，１ｃを起点とする、冷却後の被覆部材の浮きや剥がれ等を、防止することができる。

また、測温体１０の主面（絶縁層１ａの上面）に、第１の被覆部材４または電極２や金属製配線等との密着性を向上させる、プラズマ処理、ブラスト加工等の処理を予め行っておいてもよい。

前記絶縁層１ａの上面に配置される電極２は、高温時の安定性を考慮して、白金等を主成分とする金属材料から形成されている。なお、下側の絶縁層１ａ（ビア導体６）および上側のリード３への密着性を考慮すると、電極２は、ガラス成分を含有していないことが好ましい。ガラス成分を含有していないと、焼成時に、電極２の金属材料と電極２に接続されるビア導体６の金属材料とが、良好に接続されるものとなり、好ましい。また、ガラス成分を含有していないと、リード３を抵抗溶接やろう付け法等により接続する際、これを良好に接合でき、好ましい。

図２は本発明の第２の実施形態の測温体２０を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）
は（ａ）の分解斜視図である。図２において、図１に記載の第１の実施形態と同様の機能を有する構成部材には、同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。

図２の例では、絶縁基体１の主面（上面）における電極２が設けられた領域以外の領域（図示左方の表面領域１ｄ）に、測温体２０の抵抗調整手段となる配線（抵抗調整用配線１ｅ）が設けられており、図２（ｂ）のように、この抵抗調整用配線１ｅの上側に、前記電極２と重ならないようにして、抵抗調整用配線１ｅを保護する被覆部材（第２の被覆部材７）が設けられている。

抵抗調整用配線１ｅは、内部抵抗配線５と同様の金属材料（白金等）を主成分とする金属材料によって形成されており、トリミング用の補助配線を含むその全てが、絶縁基体１の主面（絶縁層１ａ上）に形成されている場合と、抵抗調整用配線の主幹部分が、内部抵抗配線５と同様に絶縁基体１の内部に形成され、絶縁基体１の主面には、トリミング用の補助配線部位だけが配置されて、この補助配線と内部の主幹配線とが、絶縁基体１内を上下方向に貫通する抵抗調整配線用ビア導体で接続される場合と、がある。

上記抵抗調整用配線１ｅの上側に形成される第２の被覆部材７は、先に述べた第１の被覆部材４と近似または同様の材料が使用されるが異なっていてもよい、例えばバリウム珪酸系ガラスやホウ珪酸ガラス等、ガラス材料でもって形成されており、前記第１の被覆部材４と同様の方法で製作することができる。

また、第２の被覆部材７は、前記電極２に重ならない範囲で該電極２に近い主面領域〔図２（ｂ）において、絶縁基体１の主面における電極２が設けられた領域以外の領域〕に配置されており、前記第１の被覆部材４の作製後には、図２（ａ）に示すように、その電極２側の端部７ａが、該第１の被覆部材４の下に潜り込むようになっている。すなわち、前記第１の被覆部材４は、第２の被覆部材７の電極２側の端部７ａを覆うように形成されている。

なお、上記第２の被覆部材７は、その熱膨張係数（線膨張率）が、前記第１の被覆部材４の熱膨張係数と同等、または小さく、かつ、前記絶縁層１ａの熱膨張係数と同等、または大きい。具体的には、第２の被覆部材７の熱膨張係数は、通常２〜１６×１０^−６／Ｋ、好ましくは４〜１４×１０^−６／Ｋ、より好ましくは ６〜１１×１０^−６／Ｋになっている。

そのため、前記第１の被覆部材４と同様の効果を奏することができる。すなわち、例えばガラスの焼成のために高温を加え、その後常温まで冷却した場合でも、この第２の被覆部材７に割れやびび等の発生がなく、前記リード３と前記電極２との接続を固定する第１の被覆部材４のリード側とは反対側の端部を、ガラス同士の接合により、しっかりと接合することができる。また、前記絶縁層１ａ側も、同様に確実に接合される。

したがって、上記測温体２０も、製品として出荷され、使用時に繰り返し加熱および冷却を受けた場合でも、第１の被覆部材４および第２の被覆部材７に、ひびの発生や亀裂の拡大等がなく、これら第１の被覆部材４および第２の被覆部材７による、前記電極２とリード３との接続固定の補強が、長期にわたり安定して維持される。これにより、本実施形態の測温体２０は、温度検知精度の低下やセンサの断線等の不具合の発生が少なく、信頼性の高い、長寿命な測温体とすることができる。

なお、前記リード３の熱膨張係数を考慮すると、これらの部材の間には、（第１の被覆部材の熱膨張係数＞リードの熱膨張係数＞第２の被覆部材の熱膨張係数＞絶縁基体の熱膨張係数）の関係が成り立つようになっている。このように構成することにより、前記電極
２と前記リード３との接続固定の補強を、最適な状態で、長期にわたり安定して維持することができる。

また、本発明は以上の実施形態の例に限定されるものではく、本発明の要旨の範囲内であれば種々の変更は可能である。例えば、セラミックスを材料とする被覆部材がある。

１・・・絶縁基体
１ａ・・絶縁層
１ｂ・・絶縁層
１ｃ・・角部
１ｄ・・表面領域
１ｅ・・抵抗調整用配線
２・・・電極
３・・・リード
４・・・第１の被覆部材
５・・・内部抵抗配線
６・・・ビア導体
６ａ・・頂部
７・・・第２の被覆部材
７ａ・・端部
１０・・測温体
２０・・測温装置

Claims (4)

1. 複数の絶縁層が積層された絶縁基体と、該絶縁基体の内部に設けられた内部抵抗配線と、前記絶縁基体の主面に設けられた電極と、前記絶縁基体を厚み方向に貫通して前記内部抵抗配線と前記電極とを導通させるビア導体と、前記電極に接続されたリードと、前記電極と前記リードの電極側端部とを覆う、ガラス材料からなる第１の被覆部材とを備えており、
   該第１の被覆部材は、その熱膨張係数が、前記リードの熱膨張係数よりも大きいことを特徴とする測温体。
2. 前記絶縁基体の主面における電極が設けられた領域以外の領域に配置された抵抗調整手段と、該抵抗調整手段を覆う、ガラス材料からなる第２の被覆部材とを備えており、
   前記第１の被覆部材が、該第２の被覆部材の端部と、前記電極と、前記リードの電極側端部とを覆うように配設されていることを特徴とする請求項１記載の測温体。
3. 前記第２の被覆部材の熱膨張係数が、前記第１の被覆部材の熱膨張係数より小さく、かつ、前記絶縁基体の熱膨張係数より大きいことを特徴とする請求項１または請求項２記載の測温体。
4. 前記リードが、白金または白金を主成分とする金属材料からなることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の測温体。