JP2018096759A - 温度センサー - Google Patents

Abstract

【課題】熱電対から成る温度センサーにおいて、従来よりも、測温対象の温度変化に、応答性良く追従できる温度センサーを提供する。【解決手段】測定対象の温度を検出するための温度センサーにおいて、２種の異なる金属線３１，３２同士を相互に接合し、接合箇所が温度検出部３３として形成された温度センサー３０であって、前記温度検出部３３に、金属線３１，３２の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する熱伝導体３４が取り付けられている。それによって、測温対象の温度変化に、応答性良く追従することができる。【選択図】図５

Description

本発明は、測定対象の温度を検出するための温度センサーに関するもので、より詳しくは、熱電対から成る温度センサーに関するものである。

従来より、固体や流体等の測定対象の温度を測定するセンサーとして、熱電対から成る温度センサーは公知である。この種の温度センサーは、異なる２種の金属線同士を相互に接合し、該接合箇所が感温部（温度検出部）として形成されていて、例えば、特許文献１のように前記温度検出部が外部に露出した露出型のものと、特許文献２のように温度検出部が保護管で絶縁されたシース型のものとがあり、使用環境等によって適宜使い分けられている。

前記温度センサーを用いて測定対象の温度を測定する場合には、前記温度検出部を測定対象箇所に配することで、各金属線における熱電能の違いから熱起電力が発生し、該起電力に基づいて測定対象の温度が算出されるように成っている。この温度センサーを用いて、測定対象の経時的な温度変化に追従させ、該測定対象の温度を検出する場合には、前記温度検出部に対して効率的に熱が伝導されることが必要である。ところが、この種の温度センサーは、前記金属線自体の熱伝導性が低いため、温度検出部の感温性が良好なものであるとはいえず、測定対象の温度測定精度が不安定になる場合がある。

特開２０１５−１７８９７３号公報 実開昭５６−１７４０３２号公報

そこで、本発明の課題は、熱電対から成る温度センサーにおいて、測温対象の温度変化に応答性良く追従できる温度センサーを提供することにある。

前記課題を解決するため、本発明によれば、２種の異なる金属線同士を相互に接合し、接合箇所が温度検出部として形成された温度センサーであって、前記温度検出部に、前記金属線の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する熱伝導体が取り付けられていることを特徴とする温度センサーが提供される。

本発明において、前記熱伝導体は、ダイヤモンド粉末から成る伝熱層でコーティングされていることが好ましい。また、前記熱伝導体は、中空体を側面方向に押し潰して扁平化したような形をしていて、該熱伝導体の中に、前記温度検出部が該熱伝導体と直接接触するように挟持されていることでもよい。

或いは、本発明において、前記熱伝導体は、リング状の外形をなしていて、この熱伝導体が前記温度検出部に直接接触した状態で嵌め付けられていることでもよい。このとき、前記熱伝導体及び温度検出部の先端が平坦な面に形成されていて、これらの先端面が面一に揃っていると、より好ましい。

また、前記熱伝導体は、銀、銅、金、アルミニウムの何れかの素材により形成されていることでもよい。

また、本発明によれば、電気絶縁性のボビンと、該ボビンの外周に巻かれたヒーター線と、鏝先の温度を検出するための温度センサーとを有するはんだ鏝用ヒーターにおいて、前記温度センサーが、本発明に係る温度センサーであることを特徴とするはんだ鏝用ヒーターが提供される。

本発明の温度センサーによれば、温度検出部の外面に、前記金属線の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する熱伝導体が取り付けられているため、該熱伝導体によって、温度検出部への熱伝導を効果的に促進することができ、測定対象の温度変化に応答性良く追従できるため、温度測定精度が向上する。

本発明の第１実施形態の温度センサーを備えたはんだ鏝用ヒーターをはんだ鏝に取り付けた状態を示す要部断面図である。 図１のはんだ鏝用ヒーターを示す正面図である。 ボビンの右側面図である。 前記ボビンの左側面図である。 （ａ）は前記温度センサーの要部断面図、（ｂ）熱伝導体を取り付ける前の分解斜視図である。 ヒーターの変形例を示す正面図である。 本発明の第２実施形態の温度センサーを示す概略斜視図である。 図７の温度センサーをボビンに装着した状態を示す概略斜視図である。

以下に、本発明に係る温度センサーの実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。
図１は、第１実施形態の温度センサー３０をはんだ鏝用ヒーター１０Ａに取り付け、このヒーター１０Ａをはんだ鏝１Ａに内蔵した例を示している。
前記ヒーター１０Ａは、はんだ鏝１Ａの先端部分に内蔵し、該ヒーター１０Ａを発熱させることで、はんだ鏝１Ａの先端にある鏝先部２が加熱されてはんだ付けを行うように構成されている。なお、本実施形態で示すはんだ鏝用ヒーター１０Ａは、自動はんだ付け装置に用いられるはんだ鏝に内蔵してもよく、或いは、手動操作式の手持ちのはんだ鏝に内蔵してもよい。

前記はんだ鏝１Ａは、ステンレス等の金属からなる筒状の鏝胴部３と、この鏝胴部３に連結された前記鏝先部２と、鏝先部２を加熱する前記ヒーター１０Ａとを有している。前記鏝先部２は、はんだ付け作業を行うための先端部２ａを有し、この先端部２ａは、次第に先が細くなる先端形状を成している。
また、鏝先部２の内部には、前記ヒーター１０Ａを収容する為の収容部４が設けられている。前記収容部４は、鏝胴部３側に設けられた円形の断面形状を有する第１収容部４ａと、該第１収容部４ａよりも前方（先端部２ａ側）に位置して、内径が第１収容部４ａの内径よりも小さい第２収容部４ｂとを有している。前記第２収容部４ｂの先端は、深さ方向（図１において左側）に向けて先窄まり状を成す円錐面状に形成されている。なお、鏝胴部３には、前記はんだ鏝１Ａが手動のものであれば柄が取り付けられ、自動式であればロボットハンド等が取り付けられる。

図１及び２に示すように、前記ヒーター１０Ａは、柱状を成して軸Ｌ方向に延びるボビン１１と、通電により発熱する前記ヒーター線２０と、鏝先部２の先端部２ａの温度を検出する温度センサ３０とを有している。

前記ボビン１１は、セラミック等の電気絶縁性を有する単一の素材によって一体に形成されたもので、丸棒状の主体部１２と、この主体部１２の軸Ｌ方向の一端側（先端側）だけに形成されたフランジ部１３とを有している。前記主体部１２は、その外周に前記ヒーター線２０が巻かれた部分であって、該主体部１２の先端側から基端側にかけて同一径に形成されている。また、前記フランジ部１３は、主体部１２と同心円状に配された薄板円環状に形成されている。

前記ボビン１１の構成をさらに説明すると、該ボビン１１は、前記フランジ部１３からさらに前方（図１及び図２の左側）に突出する突出部１４を有している。前記突出部１４は、前記主体部１２よりも小径の略丸棒状に形成されていて、前記主体部１２及びフランジ部１３と同心円状に配されている。また、図２又は図３に示すように、この突出部１４の先端面には断面略コ字状の凹溝１５が、該突出部１４を直径方向に横切るように形成されている。この凹溝１５の溝幅は略均一幅に形成され、その溝深さは、前記突出部１４の軸線Ｌ方向長さ（フランジ部１３からの突出長さ）の略半分程度と成っている。

また、図１−図４に示すように、ボビン１１の内部には、該ボビン１１を軸Ｌ方向に貫通する一対のセンサ取付孔１６ａ，１６ｂが形成されている。このセンサ取付孔１６ａ，１６ｂは、前記温度センサー３０を形成する２つの金属線３１，３２を挿通するためのもので、該センサ取付孔１６ａ，１６ｂの一端は、前記主体部１２の基端側の端面に開口し、他端は、突出部１４における前記凹溝１５の溝底１５ａに開口している。

前記温度センサー３０は、図５に示すように、異なる２種の金属線３１，３２の先端側を接合して成る熱電対であり、この接合部分が温度検出部３３として形成されている。この温度センサー３０の端子（金属線３１，３２の基端側）は、不図示の制御装置に接続されていて、該制御装置で前記鏝先部２（先端部２ａ）の温度が計測され、計測された温度情報に基づいてヒーター線２０を流れる電流が制御され、鏝先部２の先端部２ａの温度が調整される。

前記温度検出部３３の外面には、図１、図２、図５に示すように、前記２種の金属線３１，３２の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する熱伝導体３４が取り付けられている。この熱伝導体３４には、例えば、銀や銅、金、アルミニウム等のような熱伝導率に優れた金属が使用される。本実施形態では、熱伝導体３４の内部に前記温度検出部３３を収容し、該熱伝導体３４を側面方向に押圧することによりかしめて温度検出部３３に圧着している。そうすることで、図２に概略的に示したように、該熱伝導体３４は潰れて扁平化し、温度検出部３３に対して直接密着した状態で取り付けられるため、温度検出部３３の全体が該熱伝導体３４によって覆われることになる。

また、前記熱伝導体３４は、ダイヤモンド粉末から成る無機粒子を成分とする伝熱層でコーティングすることが望ましい。このように、前記熱伝導体３４の表面に優れた熱伝導率を有するダイヤモンド粉末を配設することで、該熱伝導体３４の伝熱性がより高めることができる。熱伝導体３４に伝熱層をコーティングする場合、例えば、アルコール系溶剤中にダイヤモンド粉末を練り込み、ダイヤモンド粉末が混合された混合溶液を熱伝導体３４に付着させる。それから、上記熱伝導体３４を常温にて自然乾燥させることで、該熱伝導体３４の表面に上記伝熱層がコーティングされる。なお、一般的にダイヤモンドは、約６００℃付近から黒鉛化が始まり、それよりも高温になると次第に炭化していく物性を有しているが、通常はんだ鏝は、ダイヤモンドの炭化温度よりも低い約５００℃以下程度で使用されるので、ダイヤモンド粉末が炭化することなく、前記伝熱層による高い熱伝導性が維持される。なお、アルコール系溶剤としては、例えば、セラミック材料の粉末を混ぜた高耐熱セラミック接着剤が用いられる。また、前記ダイヤモンド粉末の粒度やアルコール系溶剤に対する配分量、混合溶液の乾燥時間等は、温度センサー３０を使用する環境等により適宜決定される。

前記温度センサー３０をボビン１１に取り付ける場合、図１及び図２に示すように、一方の金属線３１を、前記凹溝１５の溝底１５ａに開口する一方の前記センサ取付孔１６ａ内に挿通し、主体部１２の基端側の端面から延出させる。これと同様に、他方の金属線３２も、前記溝底１５ａに開口する他方のセンサ取付孔１６ｂ内に挿通して、主体部１２の基端側の端面から延出させる。そして、前記熱伝導体３４で被覆された温度検出部３３を、前記突出部１４の凹溝１５内に配設することで、前記ボビン１１に温度センサー３０が取り付けられる。このとき、前記熱伝導体３４は、前記凹溝１５から非突出状態で該凹溝１５内に収容されている（図１及び図２参照）。

次いで、前記ヒーター線２０について説明する。
図２のように、前記ヒーター線２０は、互いに並行する２本の線条２０Ａ，２０Ｂからなっている。そして、これら２本の線条２０Ａ，２０Ｂが、前記ボビン１１の外周に、互いの位相をずらして螺旋状に巻かれると共に、その螺旋の巻始め端２０ａで相互に連なっている。前記ヒーター線２０は、分断された２本の線条２０Ａと２０Ｂとを接続しても良いが、本実施形態では、図２に示すように、単一の線条を二つに折り曲げ、その折曲部を、前記螺旋の巻始め端２０ａとして前記ボビン１１の主体部１２の先端側に配し、その状態で、該主体部１２の基端側に向けて二重螺旋状に巻付けられている。

また、図１又は図２に示すように、前記２本の線条２０Ａ，２０Ｂの巻き終わり端２０ｂは、前記主体部１２の外周面上で、周方向に略１８０°異なる位置からそれぞれ後方側（鏝胴部３側）に延びており、該巻終わり端２０ｂには、前記ボビン１１の外部を延びる通電用のリード線２１，２１が、該ボビン１１の外部でそれぞれ接続され、このリード線２１，２１によって不図示の電源に接続されるようになっている。前記ヒーター線２０に対するリード線２１の接続手段としては、例えば、レーザー溶接等のスポット溶接が採用され、図１及び図２の符号２２は、ヒーター線２０とリード線２１とを点接合して成る接続部を示している。なお、前記ヒーター線２０を構成する線材としては、例えば、電気抵抗で発熱するニクロム線等を用いることができる。また、前記リード線２１，２１には、例えば、銅線を芯線としたものにニッケルめっきを施したニッケルめっき銅線等を用いることができる。

前記ヒーター線２０はこのようにしてボビン１１に取り付けられているので、従来のように、前記ボビン１１に、ヒーター線２０を挿通するための孔を穿設したり、該ヒーター線２０をそのような孔に折り曲げながら挿通する作業を必要とせず、該ヒーター線２０のボビン１１への取付けが非常に簡単になる。

前記ヒーター線２０は、ボビン１１に巻き付けることによって該ボビン１１に取り付けても良いが、本実施形態では、前記ヒーター線２０に予め螺旋状の巻き癖を付けておき、螺旋形状が維持されたこのヒーター線２０の螺旋の中空部に、前記ボビン１１の主体部１２をその基端側から挿入し、折曲部２０ａを、前記フランジ部１３に当たるか近接する位置まで相対的に移動させることにより、ボビン１１にヒーター線２０を取り付けている。この場合、ボビン１１における前記ヒーター線２０が巻かれる部分から基端部までの外径（即ち、主体部１２の外径）は、ヒーター線２０の螺旋の内径よりも小さく形成される。これにより、前記ヒーター線２０をボビン１１に巻く手間が省かれ、その取り付けが一層容易になる。

前記の如く、ボビン１１にヒーター線２０と温度センサー３０とが取り付けられたヒーター１０Ａは、図１に示すように、前記収容部４の第１収容部４ａに、該ボビン１１の主体部１２及びフランジ部１３が収容されると共に、第２収容部４ｂに、該ボビン１１の突出部１４の収容され、前記突出部１４は、先端面が前記第２収容部４ｂの傾斜する底壁（図１の左側）に突き当たっている。このように、第１収容部４ａよりもさらに前方に形成された第２収容部４ｂに、前記温度センサー３０を有する突出部１４が収容され、該温度センサー３０が、はんだ付け作業を行う前記鏝先部２の先端部２ａにより近い位置に配されていることにより、実際の先端部２ａの温度がより正確に、応答性良く検出される。

また、前記収容部４には、前記ボビン１１の回りの隙間を埋めるように、例えば、セラミック、マグネシア、アルミナ等からなる粉末状をした電気絶縁性の充填材１７が充填されている。それにより、主体部１２の外周に螺旋巻きされたヒーター線２０が、前記第１収容部４ａの内周面に対して非接触の状態に保持される。前記充填材１７は、突出部１４の凹溝１５内にも流入し、前記温度センサー３０の温度検出部３３及び熱伝導体３４の周りを埋めている。

また、収容部４内において、前記主体部１２の基端側には、該収容部４の開口を封止するための電気絶縁性の蓋材１８が取り付けられている。蓋材１８は、円形の薄板状を成しており、中心部に穿設された中心孔１８ａと、この中心孔１８ａの周りに穿設された２つの通孔１８ｂ，１８ｂと有している。そして、前記中心孔１８ａを通って、主体部１２の基端側が鏝胴部３の内部空間まで延びていると共に、一対の通孔１８ｂ，１８ｂを通って、ヒーター線２０の巻き終端２０ｂ側の２本の線条が、該鏝胴部３の内部空間に延びている。このようにして、はんだ鏝１Ａの先端部分に、前記はんだ鏝用ヒーター１０Ａが内蔵されている。

また、前記温度センサー３０は、その温度検出部３３に、高い熱伝導率を有する熱伝導体３４が取り付けられていることで、該温度検出部３３に対する熱の伝導が高められているため、測定対象箇所である鏝先部２（先端部２ａ）の温度の変化に応答性良く追従でき、前記温度センサー３０による温度測定精度の向上が図られる。

なお、本実施形態では、前記ボビン１１の突出部１４に凹溝１５を設け、当該凹溝１５内部に、温度センサー３０の温度検出部３３（熱伝導体３４）を収容しているが、図６のように、凹溝１５を設けることなく、前記突出部１４の先端面を、平坦な面として形成し、この平坦面上に温度検出部３３を配することも可能である。この場合には、温度検出部３３（熱伝導体３４）が鏝先部２に接触することによって測定温度に誤差を生じることもあるが、前記制御装置の制御回路で誤差を補償することができる。

次いで、図７及び図８を用いて、本発明に係る温度センサーの第２実施形態について説明する。第２実施形態の温度センサー５０は、前記熱伝導体３４が、リング状に形成されていると共に、前記温度検出部３３に対して直接に接触した状態で嵌め付けられている。

具体的に、前記熱伝導体３４は、円筒状の外形を有しており、その軸Ｌ方向の両端面が平坦な面に形成されている。一方、前記温度検出部３３は、円柱形状の外形を有していて、その直径が前記熱伝導体３４の内周と略同径に形成されている。また、この温度検出部３３の先端側の端面は平坦に形成されている。そして、前記熱伝導体３４の先端面と温度検出部３３の先端面とが略面一に揃った状態で、該熱伝導体３４が温度検出部３３に一体的に取り付けられている。なお、これら熱伝導体３４と温度検出部３３との嵌合部分は、例えば、レーザー溶接等、適宜の溶接方法で接合されていることが望ましい。熱伝導体３４は、例えば、その軸方向長さ（厚み）が約１．５ｍｍ、直径が約５．５ｍｍのものを使用することができるが、温度センサーの用途等によってその好適な大きさは異なる。

本実施形態では、図６で示したボビン１１の変形例と同様に、該ボビン１１の先端面が凹凸のない平らな面に形成され、この先端面に、該ボビン１１の軸方向に延びる不図示の前記センサ挿通孔が開口している。温度センサー５０は、二つの金属線３１，３２が、ボビン１１の先端面に開口する前記センサ挿通孔に挿通されると共に、温度検出部３３及び熱伝導体３４が、当該ボビン１１の先端面に接触するように配されている。

以上、本発明に係る温度センサーについて説明してきたが、本発明は前記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲の趣旨を逸脱しない範囲で様々な設計変更が可能であることは言うまでもない。
例えば、第１実施形態において、前記温度センサー３０が取り付けられた前記熱伝導体３４は、中空筒状をしたものを前記温度検出部３３に対してかしめ付けているが、これに限らず、例えば、金属素材を溶接やろう付け等により取り付けてもよい。
さらに、本発明の温度センサー３０は、はんだ鏝１Ａの鏝先温度検出に用いるだけでなく、半導体装置における各部の温度測定や、研究関連部内、工業生産部内、食品関連部内における各種の温度測定等の用途で使用することも勿論可能である。

１０Ａ はんだ鏝用ヒーター
１１ ボビン
２０ ヒーター線
３０，５０ 温度センサー
３１，３２ 金属線
３３ 温度検出部
３４ 熱伝導体

Claims (7)

1. ２種の異なる金属線同士を相互に接合し、接合箇所が温度検出部として形成された温度センサーであって、
   前記温度検出部に、前記金属線の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する熱伝導体が取り付けられていることを特徴とする温度センサー。
2. 前記熱伝導体は、ダイヤモンド粉末から成る伝熱層でコーティングされていることを特徴とする請求項１に記載の温度センサー。
3. 前記熱伝導体は、中空体を側面方向に押し潰して扁平化したような形をしていて、該熱伝導体の中に、前記温度検出部が該熱伝導体と直接接触するように挟持されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の温度センサー。
4. 前記熱伝導体は、リング状の外形をなしていて、この熱伝導体が前記温度検出部に直接接触した状態で嵌め付けられていることを特徴とする請求項１又は２の何れかに記載の温度センサー。
5. 前記熱伝導体及び温度検出部の先端が平坦な面に形成されていて、これらの先端面が面一に揃っていることを特徴とする請求項４に記載の温度センサー。
6. 前記熱伝導体は、銀、銅、金、アルミニウムの何れかの素材により形成されていることを特徴とする請求項１−５の何れかに記載の温度センサー。
7. 電気絶縁性のボビンと、該ボビンの外周に巻かれたヒーター線と、鏝先の温度を検出するための温度センサーとを有するはんだ鏝用ヒーターにおいて、
   前記温度センサーが、前記請求項１−６の何れかに記載の温度センサーであることを特徴とするはんだ鏝用ヒーター。

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