JP2018146404A - 温度センサ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】直方体形状の絶縁基板上に抵抗パターンを形成した平板型のセンサ素子でありながら、設置方向に起因する検出誤差を小さくすることが可能な温度センサ素子を提供する。【解決手段】本発明の温度センサ素子１は、直方体形状の絶縁基板２の主面２ａ上に白金を主成分とする抵抗パターン３が形成された平板型のセンサ素子であって、抵抗パターン３を覆う保護膜６上に接着層７が形成されていると共に、この接着層７を介して絶縁カバー８が主面２ａと対向するように固定されている。絶縁カバー８は絶縁基板２と略同一の平面形状を有するものであり、絶縁基板２と絶縁カバー８は熱伝導率を同じくする材料で形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば吸気管を通過する吸入空気量を計測するエアフローセンサに用いる温度センサ素子に係り、特に、直方体形状の絶縁基板上に白金を主成分とする抵抗パターンが形成された平板型の温度センサ素子に関する。

ガソリンエンジン等の内燃機関では、吸気管内に設けられたエアフローセンサによって吸入空気量（吸気量）を測定し、これをエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）に電気信号として送ることにより、エンジンに吸入される空気量に応じて燃料を噴射する制御を行うようにしている。

エアフローセンサの検出方式には数種類あるが、その中でも吸気管内に白金素子（白金熱線）を配置した構造を持つホットワイヤー式（熱線式）と呼ばれるものが広く用いられている。かかるホットワイヤー式のエアフローセンサは、白金熱線に電流を流して自己発熱で温度を上昇させ、その発熱部に空気が当たって熱が奪われると、白金熱線の抵抗が変化することを利用したものであり、白金熱線を通る電流量を検出して通過する空気の量を測定するようになっている。

また、エアフローセンサの構造に着目して大別すると、巻線型素子と平板型素子の２つのタイプがある。巻線型素子としては、特許文献１に記載されているように、円柱状のセラミックパイプの両端部にリード線を固定すると共に、セラミックパイプの外周面に抵抗体としての白金ワイヤを巻き、この白金ワイヤの端部をリード線に接続するようにしたものが提案されている。

一方、平板型素子としては、特許文献２に記載されているように、直方体形状のアルミナ基板上に白金膜からなる抵抗パターンを形成すると共に、抵抗パターンの両端に接続する一対の端子取付電極を形成し、これら端子取付電極にそれぞれリード線を接合して外部に導出させ、抵抗パターンを保護膜で覆うようにしたものが提案されている。

特開平３−２６８３０２号公報 特開平１１−１２１２０７号公報

上述した巻線型のセンサ素子は、円柱状の絶縁基体（セラミックパイプ）の外周面に白金ワイヤ（抵抗体）を巻き付けた構造であるため、空気流に晒されたときの設置角度にかかわらず、白金ワイヤが空気流を受ける状態は変化せず、設置方向に起因する検出結果のばらつきを抑制することができる。ただし、巻線型のセンサ素子は、白金ワイヤの巻線ピッチが安定しにくく、巻線の乱れが抵抗値のばらつきに直結するため、品質を安定させることが難しいという製造上の大きな問題がある。

一方、上述した平板型のセンサ素子は、抵抗パターンをフォトリソグラフィにより高精度に形成することができるため、抵抗値にばらつきのない製品を容易に製造することができる。しかしながら、平板型のセンサ素子は、アルミナ等からなる絶縁基板上に形成された抵抗パターンを樹脂やガラス等からなる保護膜で覆う必要があり、熱伝導率が大きく相違する材料によって抵抗パターンを挟み込むという構造であるため、空気流に晒されたときの設置角度によって抵抗パターンから空気流に奪われる熱量が変化してしまい、空気流量の検知結果に誤差が発生してしまうという問題がある。

本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、直方体形状の絶縁基板上に抵抗パターンを形成した平板型のセンサ素子でありながら、設置方向に起因する検出誤差を小さくすることが可能な温度センサ素子を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の温度センサ素子は、直方体形状の絶縁基板と、前記絶縁基板の主面上に形成された白金を主成分とする抵抗パターンと、前記抵抗パターンの両端部に接続する一対の内部電極と、一対の前記内部電極にそれぞれ接合されて前記絶縁基板の長手方向端部から外部へ突出するリード線と、前記抵抗パターンを覆う保護膜と、前記保護膜上に形成された接着層と、前記接着層によって前記主面と対向するように固定された絶縁カバーとを備え、前記絶縁カバーは前記絶縁基板と略同一の平面形状を有しており、前記絶縁基板と前記絶縁カバーは同一材料で形成されていることを特徴としている。

このように構成された温度センサ素子では、抵抗パターンが略同一の平面形状からなる絶縁基板と絶縁カバーとでサンドウィッチされており、これら絶縁基板と絶縁カバーが熱伝導率を同じくする材料で形成されているため、空気流に晒されたときの設置角度が変化したとしても、設置方向の違いに起因する検出誤差を小さくすることができる。

上記構成の温度センサ素子において、絶縁カバーと接着層を総和した厚さ寸法が絶縁基板の厚さ寸法と略同じに設定されていると、抵抗パターンから絶縁基板の外表面（下面）に至る距離と抵抗パターンから絶縁カバーの外表面（上面）に至る距離がほぼ同じになるため、設置方向の違いに起因する検出誤差をさらに小さくすることができる。

この場合において、絶縁基板の短手方向に沿う幅寸法が絶縁基板の厚さ寸法の略２倍に設定されていると、温度センサ素子の短手方向に沿う断面形状（横断面形状）がほぼ正方形になるため、設置角度の変化に起因する検出結果のばらつきが抑制され、検出誤差をさらに小さくすることができる。

また、上記構成の温度センサ素子において、接着層が絶縁基板と同一材料を含有していると、例えば、絶縁基板としてアルミナ基板を用いた場合に接着層がアルミナを含有していると、絶縁カバーと接着層の熱伝導率が両方共に絶縁基板と同じようになるため、検出誤差をさらに小さくすることができる。

また、上記構成の温度センサ素子において、絶縁カバーの内面に、白金を主成分とする第２抵抗パターンと、第２抵抗パターンの両端部に接続する一対の第２内部電極とが形成されており、リード線が内部電極と第２内部電極との間に挟持されていると、絶縁基板と絶縁カバーが両方共に内面に抵抗パターンや第２抵抗パターンを有する構造となるため、設置方向の違いに起因する検出誤差をさらに小さくすることができると共に、抵抗値変化が少なくなって長期安定した温度センサ素子を実現できる。

この場合において、絶縁基板と絶縁カバーの厚さ寸法が略同じに設定されていると共に、抵抗パターンと第２抵抗パターンが同じ抵抗値に設定されていると、抵抗パターン等を有する絶縁基板と第２抵抗パターン等を有する絶縁カバーとが同一構成となるため、部品の共通化を図ることが可能となり、しかも、絶縁基板の外表面（下面）から抵抗パターンに至る距離と絶縁カバーの外表面（上面）から第２抵抗パターンに至る距離が同じになるため、設置方向の違いに起因する検出誤差をさらに小さくすることができる。

本発明の温度センサ素子によれば、直方体形状の絶縁基板上に抵抗パターンを形成した平板型のセンサ素子でありながら、設置方向に起因する検出誤差を小さくすることができる。

本発明の第１実施形態例に係る温度センサ素子の縦断面図である。 該温度センサ素子の横断面図である。 図１のIII−III線に沿う断面図である。 本発明の第２実施形態例に係る温度センサ素子の縦断面図である。 図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。

発明の実施の形態について図面を参照して説明すると、図１〜図３に示すように、本発明の第１実施形態例に係る温度センサ素子１は、直方体形状の絶縁基板２と、絶縁基板２の主面（表面）２ａにおける長手方向中央部に形成された抵抗パターン３と、この抵抗パターン３の両端部に接続するように絶縁基板２の主面２ａの長手方向両端部に形成された一対の内部電極４と、これら内部電極４上に接合されて絶縁基板２の外部へ突出する一対のリード線５と、抵抗パターン３を覆う保護膜６と、保護膜６上に形成された接着層７と、接着層７を介して絶縁基板２の主面２ａと対向するように固定された絶縁カバー８とによって構成されている。

絶縁基板２はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）やムライト（Ａｌ_６Ｏ_１３Ｓｉ_２）等からなるセラミックス基板であり、本実施形態例の場合は純度９９．６％のアルミナ基板が用いられている。絶縁基板２の長手方向に沿う長さ寸法をＬ、短手方向に沿う幅寸法をＷ、厚さ寸法をＴとすると、幅寸法Ｗは厚さ寸法Ｔの略２倍（Ｗ≒２×Ｔ）に設定されており、絶縁基板２の短手方向に沿った断面形状は長方形となっている。

抵抗パターン３は白金を主成分（純度９９．９９％）とする薄膜抵抗膜であり、図２に示すように、この抵抗パターン３は絶縁基板２の主面２ａの中央部にミアンダ形状に形成されている。

一対の内部電極４は白金を含有（含有率は約８０％）する電極ペーストをスクリーン印刷して乾燥・焼成させたものであり、これら内部電極４は主面２ａの長手方向両端部に矩形状に形成されている。

一対のリード線５はニッケル芯線の白金被覆線であり、これらリード線５は対応する内部電極４上に溶接により接合されている。

保護膜６は結晶化ガラス等のガラスペーストをスクリーン印刷して乾燥・焼成させたものであり、図２において保護膜６は図示省略されているが、この保護膜６は抵抗パターン３の全体を覆うように絶縁基板２の主面２ａ上に形成されている。

接着層７は結晶化ガラス等のガラスペーストをスクリーン印刷して乾燥・焼成させたものや、結晶化ガラス等からなる接着シートを焼成させたものであり、この接着層７は、保護膜６だけでなく一対の内部電極４やリード線５を含めて絶縁基板２の主面２ａ全体を覆っている。

絶縁カバー８は絶縁基板２と同じ材料からなるセラミックス基板であり、本実施形態例の場合は純度９９．６％のアルミナ基板が用いられている。この絶縁カバー８は絶縁基板２と絶縁基板２と同じ平面形状を有しているが、その厚みは絶縁基板２よりも薄いものとなっている。具体的には、絶縁カバー８の厚さ寸法をＴａ、接着層７の厚さ寸法をＴｂとすると、絶縁カバー８の厚さ寸法Ｔａと接着層７の厚さ寸法Ｔｂを総和した寸法が絶縁基板２の厚さ寸法Ｔと略同じ（Ｔａ＋Ｔｂ≒Ｔ）になるように設定されている。すなわち、絶縁基板２の主面２ａ上に形成された抵抗パターン３と保護膜６を基準位置とした場合、その下側に位置する絶縁基板２の厚さ寸法Ｔと、上側に位置する接着層７および絶縁カバー８を総和した寸法（Ｔａ＋Ｔｂ）とがほぼ同じになるように設定されている。

このように構成された温度センサ素子１の製造方法について簡単に説明すると、まず、絶縁基板２が多数個取りされるアルミナからなる大判基板を準備する。この大判基板には予め１次分割溝と２次分割溝が格子状に設けられており、両分割溝によって区切られたマス目の１つ１つが１個分の主面２ａとなる。

そして、この大判基板の表面に白金（Ｐｔ）を電子ビーム蒸着し、これをフォトリソグラフィによりミアンダ形状にパターニングして抵抗パターン３を形成した後、大判基板の表面に白金を含有する電極ペーストをスクリーン印刷して乾燥・焼成することにより、抵抗パターン３の両端部に接続する内部電極４を形成する。次に、結晶化ガラス等のガラスペーストをスクリーン印刷して乾燥・焼成することにより、抵抗パターン３を覆う保護膜６を形成した後、大判基板を１次分割溝に沿ってカット（１次ダイシング）して短冊状基板を得る。

次に、この短冊状基板の表面両端部に露出する複数の内部電極４にそれぞれリード線５を溶接により接合した後、これら保護膜６やリード線５を覆うように結晶化ガラス等からなるガラスペーストや接着シートの接着層７を形成する。そして、この接着層７に絶縁カバーを貼り付けた後、接着層７を焼成して短冊状基板の上面に絶縁カバーを一体化する。この絶縁カバーは大判基板と同じ材料（アルミナ）からなり、短冊状基板と同一形状に形成されている。最後に、一体化された短冊状基板と絶縁カバーを２次分割溝に沿ってカット（２次ダイシング）して個片化することにより、図１〜図３に示すような温度センサ素子１が得られる。

以上説明したように、第１実施形態例に係る温度センサ素子１は、直方体形状の絶縁基板２の主面２ａ上に白金を主成分とする抵抗パターン３が形成された平板型のセンサ素子であり、この抵抗パターン３が接着層７を介して略同一の平面形状からなる絶縁基板２と絶縁カバー８間にサンドウィッチされていると共に、これら絶縁基板２と絶縁カバー８が熱伝導率を同じくする材料で形成されているため、空気流に晒されたときの設置角度が変化したとしても、設置方向の違いに起因する検出誤差を小さくすることができる。

また、第１実施形態例に係る温度センサ素子１では、絶縁カバー８の厚さ寸法Ｔａと接着層７の厚さ寸法Ｔｂを総和した寸法が絶縁基板２の厚さ寸法Ｔと略同じ（Ｔａ＋Ｔｂ≒Ｔ）になるように設定され、抵抗パターン３から絶縁基板２の下面に至る距離と抵抗パターン３から絶縁カバー８の上面に至る距離がほぼ同じになるため、設置方向の違いに起因する検出誤差をさらに小さくすることができる。しかも、絶縁基板２の短手方向に沿う幅寸法Ｗが厚さ寸法Ｔの略２倍（Ｗ≒２×Ｔ）に設定されており、温度センサ素子１の短手方向に沿う断面形状（横断面形状）がほぼ正方形になるため、設置角度の変化に起因する検出結果のばらつきも抑制され、検出誤差をさらに小さくすることができる。

また、第１実施形態例に係る温度センサ素子１では、接着層７が絶縁基板（アルミナ基板）２と同一材料のアルミナを含有しており、絶縁カバー８だけでなく接着層７の熱伝導率も絶縁基板２と同じようになるため、検出誤差をさらに小さくすることができる。なお、アルミナ以外の絶縁基板２を用いた場合、例えば、ムライトやジルコニア等からなる絶縁基板２を用いた場合は、これらの材料を接着層７に含有すれば同様の効果が得られる。

次に、本発明の第２実施形態例に係る温度センサ素子１０について、図４と図５を参照して説明する。なお、図４と図５において、図１〜図３と対応する部分には同一符号を付すことで重複説明を適宜省略する。

第２実施形態例に係る温度センサ素子１０が第１実施形態例に係る温度センサ素子１と相違する点は、絶縁基板２の主面（表面）２ａ上に形成された抵抗パターン３や内部電極４と同様の構成が絶縁カバー８の内面（下面）にも形成されていることにあり、それ以外の構成は基本的に同じである。すなわち、絶縁カバー８の内面には、白金を主成分とする第２抵抗パターン３ａと、第２抵抗パターン３ａを覆う第２保護膜６ａと、第２抵抗パターン３ａの両端部に接続する一対の第２内部電極４ａが形成されており、このような絶縁カバー８を接着層７によって絶縁基板２に固定することにより、一対のリード線５が絶縁基板２側の内部電極４と絶縁カバー８側の第２内部電極４ａとの間に挟持されるようになっている。ここで、絶縁基板２と絶縁カバー８の厚さ寸法は同じに設定されており、抵抗パターン３と第２抵抗パターン３ａの抵抗値は同じ設定されている。

このように構成された第２実施形態例に係る温度センサ素子１０では、絶縁カバー８の内面に第２抵抗パターン３ａと一対の第２内部電極４ａおよび第２保護膜６ａが形成され、一対のリード線５が内部電極４と第２内部電極４ａとの間に挟持されているため、絶縁基板２と絶縁カバー８が両方共に内面に抵抗パターン３や第２抵抗パターン３ａを有する構造となり、設置方向の違いに起因する検出誤差をさらに小さくすることができると共に、抵抗値変化が少なくなって長期安定した温度センサ素子を実現できる。

また、第２実施形態例に係る温度センサ素子１０では、絶縁基板２と絶縁カバー８の厚さ寸法が同じに設定されていると共に、抵抗パターン３と第２抵抗パターン３ａの抵抗値も同じ設定されているため、抵抗パターン３等を有する下側の絶縁基板２と第２抵抗パターン３ａ等を有する上側の絶縁カバー８とが同一構成となり、部品の共通化を図ることができる。しかも、絶縁基板２の外表面（下面）から抵抗パターン３に至る距離と絶縁カバー８の外表面（上面）から第２抵抗パターン３ａに至る距離が同じになるため、設置方向の違いに起因する検出誤差をさらに小さくすることができる。

１，１０ 温度センサ素子
２ 絶縁基板
２ａ 主面
３ 抵抗パターン
３ａ 第２抵抗パターン
４ 内部電極
４ａ 第２内部電極
５ リード線
６ 保護膜
６ａ 第２保護膜
７ 接着層
８ 絶縁カバー

Claims (6)

1. 直方体形状の絶縁基板と、前記絶縁基板の主面上に形成された白金を主成分とする抵抗パターンと、前記抵抗パターンの両端部に接続する一対の内部電極と、一対の前記内部電極にそれぞれ接合されて前記絶縁基板の長手方向端部から外部へ突出するリード線と、前記抵抗パターンを覆う保護膜と、前記保護膜上に形成された接着層と、前記接着層によって前記主面と対向するように固定された絶縁カバーとを備え、
   前記絶縁カバーは前記絶縁基板と略同一の平面形状を有しており、前記絶縁基板と前記絶縁カバーは同一材料で形成されていることを特徴とする温度センサ素子。
2. 請求項１の記載において、前記絶縁カバーと前記接着層を総和した厚さ寸法が前記絶縁基板の厚さ寸法と略同じに設定されていることを特徴とする温度センサ素子。
3. 請求項２の記載において、前記絶縁基板の短手方向に沿う幅寸法が前記絶縁基板の厚さ寸法の略２倍に設定されていることを特徴とする温度センサ素子。
4. 請求項１の記載において、前記接着層は前記絶縁基板と同一材料を含有していることを特徴とする温度センサ素子。
5. 請求項１の記載において、前記絶縁カバーの内面に、白金を主成分とする第２抵抗パターンと、前記第２抵抗パターンの両端部に接続する一対の第２内部電極とが形成されており、前記リード線は前記内部電極と前記第２内部電極との間に挟持されていることを特徴とする温度センサ素子。
6. 請求項５の記載において、前記絶縁基板と前記絶縁カバーの厚さ寸法が略同じに設定されていると共に、前記抵抗パターンと前記第２抵抗パターンが同じ抵抗値に設定されていることを特徴とする温度センサ素子。