JP2021106178A - Temperature sensor element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、感熱体としてサーミスタ焼結体を備える温度センサ素子に関し、特に高い温度の還元性雰囲気において電気抵抗値の変化率が小さい温度センサ素子に関する。 The present invention relates to a temperature sensor element including a thermistor sintered body as a heat sensitive body, and particularly to a temperature sensor element having a small rate of change in electrical resistance value in a reducing atmosphere at a high temperature.
従来から、温度によって電気抵抗値(以下、単に抵抗値)が変化するサーミスタ(thermistor)を感熱体として用いた温度センサが広く用いられている。サーミスタの特性は、一般に抵抗値と抵抗温度係数(抵抗値の温度依存性)によって示される。
この温度センサは、感熱体としてのサーミスタと、サーミスタの表面に形成された電極と、電極に接合されるリード線と、を備える温度センサ素子を最小の単位として備える。通常、この温度センサ素子はサーミスタが外気に露出した状態で使用されることはなく、何らかの保護層が被覆されている。一例として、ガラスからなる保護層を設けることにより、温度センサが使用される環境からサーミスタを保護することが行われていた。例えば、還元性雰囲気で温度を測定する場合、酸化物焼結体であるサーミスタが還元されると、サーミスタの電気的特性が変化する。そうすると、同じ温度であっても、還元されたのちにはそれ以前と異なる温度の測定結果を出力してしまう。
Conventionally, a temperature sensor using a thermistor whose electric resistance value (hereinafter, simply resistance value) changes with temperature as a heat sensitive body has been widely used. The characteristics of the thermistor are generally indicated by the resistance value and the temperature coefficient of resistance (temperature dependence of the resistance value).
This temperature sensor includes a temperature sensor element as a minimum unit, which includes a thermistor as a heat sensitive body, an electrode formed on the surface of the thermistor, and a lead wire bonded to the electrode. Normally, this temperature sensor element is not used when the thermistor is exposed to the outside air, and is covered with some protective layer. As an example, the thermistor has been protected from the environment in which the temperature sensor is used by providing a protective layer made of glass. For example, when measuring the temperature in a reducing atmosphere, when the thermistor, which is an oxide sintered body, is reduced, the electrical characteristics of the thermistor change. Then, even if the temperature is the same, after the reduction, the measurement result of the temperature different from that before that is output.
特許文献1および特許文献2は、このガラスからなる保護層の課題を解消する提案を行っている。つまり、サーミスタとリード線との間に線膨張係数の違いがあるため、保護層をなすガラスの線膨張係数をサーミスタとリード線との双方の線膨張係数に合わせることはできない。そのため、ガラスとサーミスタとの間に線膨張係数差が存在すると、サーミスタに熱応力が発生し、サーミスタ素子の電気的特性、典型的に抵抗値が変化してしまい、正確な温度測定が困難となるおそれがある。
Patent Document 1 and
そこで、特許文献1および特許文献2は、サーミスタをリード線の一部と共に封止する内側保護層および外側保護層とを有する温度センサを提案する。この内側保護層は、結晶化ガラスに酸化物粉末、好ましくはサーミスタ粉末が添加されているものが例示されている。また、外側保護層としては、結晶化ガラスに酸化イットリウム(Y2O3)が添加されているものが例示されている。
Therefore, Patent Document 1 and
特許文献1および特許文献2の提案によれば、例えば1000℃以上という高い温度の還元性雰囲気においても、熱応答性およびリード線シール性に優れた温度センサが提供される。
According to the proposals of Patent Document 1 and
ところが、そのような過酷な環境下で長時間にわたって高い精度で温度測定できることが求められる。そこで本発明は、高い温度の還元性雰囲気において継続して使用されても、電気抵抗値が安定な温度センサ素子を提供することを目的とする。 However, it is required to be able to measure the temperature with high accuracy for a long time in such a harsh environment. Therefore, an object of the present invention is to provide a temperature sensor element having a stable electric resistance value even when continuously used in a high temperature reducing atmosphere.
本発明の温度センサ素子は、温度によって電気特性が変化するサーミスタ焼結体からなる感熱体と、感熱体に電極を介して接続される一対のリード線と、感熱体を保護する保護層と、を備える。
本発明における保護層は、感熱体およびリード線の一部を覆う内層被覆と、内層被覆の外側を覆う外層被覆とを有する。
The temperature sensor element of the present invention includes a heat sensitive body made of a thermistor sintered body whose electrical characteristics change depending on temperature, a pair of lead wires connected to the heat sensitive body via electrodes, and a protective layer for protecting the heat sensitive body. To be equipped.
The protective layer in the present invention has an inner layer coating that covers a part of the heat sensitive body and the lead wire, and an outer layer coating that covers the outside of the inner layer coating.
本発明は外層被覆に特徴を有することで、過酷な高温環境下で使用されても安定した電気抵抗値が得られる。つまり本発明における外層被覆は、2層以上の積層体から構成される。
本発明における外層被覆は、好ましくは、ガラス、または、ガラスと酸化物粉末からなる。
本発明における酸化物粉末は、好ましくは、酸化イットリウム(Y2O3)粉末、酸化アルミニウム(Al2O3)および感熱体と同等の組成を持つサーミスタ粉末の1種または2種以上である。
Since the present invention has a feature of the outer layer coating, a stable electric resistance value can be obtained even when used in a harsh high temperature environment. That is, the outer layer coating in the present invention is composed of two or more laminated bodies.
The outer layer coating in the present invention preferably consists of glass or glass and oxide powder.
The oxide powder in the present invention is preferably one or more of yttrium oxide (Y 2 O 3 ) powder, aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and thermista powder having a composition equivalent to that of a heat sensitive substance.
本発明の温度センサ素子によれば、過酷な高温環境下で使用されても安定した電気抵抗値が得られる。 According to the temperature sensor element of the present invention, a stable electric resistance value can be obtained even when used in a harsh high temperature environment.
本発明の一実施形態に係る温度センサ素子1について、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る温度センサ素子1は、図1に示すように、素子本体2と保護層としての被覆3とを備えている。素子本体2は、温度によって電気的特性、例えば電気抵抗値が変化する感熱体11と、感熱体11の対向する側面に形成される一対の電極13,13と、電極13,13のそれぞれに接続される一対のリード線15,15と、電極13,13とリード線15,15を接続する接続電極17,17と、を備える。また、被覆3は、感熱体11をリード線15,15の一部とともに覆う内層被覆20と、内層被覆20の外側を覆う外層被覆30と、を備える。
The temperature sensor element 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the temperature sensor element 1 according to the present embodiment includes an
温度センサ素子1は、外層被覆30に特徴的な構成を備えることにより、水素を含む雰囲気下において、電気抵抗値の変化率を小さく抑えることができる。
なお、ここでは具体的な記載を省略するが、温度センサ素子1は、ステンレス鋼、Ni超合金などの耐熱性および耐酸化性に優れた金属製の保護管の内部に収容されて使用されることがある。
以下、温度センサ素子1の各要素について説明したのちに、温度センサ素子1の作用および効果について説明する。
By providing the
Although specific description is omitted here, the temperature sensor element 1 is housed and used inside a metal protective tube having excellent heat resistance and oxidation resistance such as stainless steel and Ni superalloy. Sometimes.
Hereinafter, each element of the temperature sensor element 1 will be described, and then the operation and effect of the temperature sensor element 1 will be described.
[感熱体11]
感熱体11には、サーミスタ焼結体が用いられる。サーミスタはthermally sensitive resistorの略称であり、温度によって電気抵抗値が変化することを利用して温度を測定する金属酸化物である。
サーミスタは、NTC(negative temperature coefficient)サーミスタとPTC(positive temperature coefficient)に区分されるが、本発明はいずれのサーミスタをも使用できる。
[Thermal body 11]
A thermistor sintered body is used as the heat
Thermistors are classified into NTC (negative temperature coefficient) thermistors and PTC (positive temperature coefficient), and the present invention can use any of the thermistors.
NTCサーミスタとして典型的なスピネル構造を有する酸化マンガン(Mn3O4)を基本組成とする酸化物焼結体を感熱体11に用いることができる。この基本組成にM元素(Ni、Co、Fe、Cu、Al及びCrの1種又は2種以上)を加えたMxMn3−xO4の組成を有する酸化物焼結体を感熱体11に用いることができる。さらに、V、B、Ba、Bi、Ca、La、Sb、Sr、Ti及びZrの1種又は2種以上を加えることができる。
また、NTCサーミスタとして典型的なペロブスカイト構造を有する複合酸化物、例えばYCrO3を基本構成とする酸化物焼結体を感熱体11に用いることができる。このNTCサーミスタとしては、Y2O3相と、Y(Cr,Mn)O3相、YCrO3相およびYMnO3相の中の少なくとも1種とを備えている、焼結体が最も典型的である。
An oxide sintered body having a basic composition of manganese oxide (Mn 3 O 4 ) having a typical spinel structure as an NTC thermistor can be used for the heat
Further, a composite oxide having a perovskite structure typical of an NTC thermistor, for example, an oxide sintered body having a basic structure of YCrO 3 can be used for the heat sensitive body 11. As the NTC thermistor, Y 2 and O 3 phase, Y (Cr, Mn) O 3 phase, and at least one among the YCrO 3 phase and YMnO 3-phase, the sintered body is most typical be.
[サーミスタ焼結体の製造方法]
サーミスタ焼結体からなる感熱体11は、原料粉末の秤量、原料粉末の混合、原料粉末の乾燥、仮焼き、仮焼き後の混合・粉砕、乾燥・造粒、成形および焼結の工程を経ることにより製造される。以下、Y2O3相とY(Cr,Mn)O3相を備えるサーミスタ焼結体を例にして各工程を説明する。
[Manufacturing method of thermistor sintered body]
The heat-
[原料粉末の秤量]
酸化イットリウム(Y2O3)粉末、酸化クロム(Cr2O3)粉末、酸化マンガン(MnO,Mn2O3,Mn3O4等)粉末および炭酸カルシウム(CaCO3)粉末を含む原料粉末を、上述した化学組成となるように秤量する。
なお、本実施形態において、粉末とは複数の粒子から構成されるものである。
[Weighing of raw material powder]
Raw material powder containing yttrium oxide (Y 2 O 3 ) powder, chromium oxide (Cr 2 O 3 ) powder, manganese oxide (Mn O , Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4, etc.) powder and calcium carbonate (CaCO 3) powder. , Weigh so as to have the above-mentioned chemical composition.
In this embodiment, the powder is composed of a plurality of particles.
Y2O3粉末はY2O3相の生成に寄与し、Y2O3粉末、Cr2O3粉末および酸化マンガン粉末(Mn3O4粉末)はY(Cr,Mn)O3相の生成に寄与する。CaCO3粉末は、焼結助剤として機能するのに加えて、Y(Cr,Mn)O3相にCaとなって固溶し、B定数を低くするのに寄与する。
原料粉末は、高い特性のサーミスタ焼結体を得るために、98%以上、好ましくは99%以上、より好ましくは99.9%以上の純度の粉末を用いる。
また、原料粉末の粒径は、仮焼が進行する限り限定されるものでないが、粒径(d50)で0.1〜6.0μmの範囲で選択することができる。
Y 2 O 3 powder contributes to the formation of Y 2 O 3 phase, and Y 2 O 3 powder, Cr 2 O 3 powder and manganese oxide powder (Mn 3 O 4 powder) are of Y (Cr , Mn) O 3 phase. Contribute to generation. In addition to functioning as a sintering aid, the CaCO 3 powder becomes Ca in the Y (Cr, Mn) O 3 phase and dissolves solidly, contributing to lowering the B constant.
As the raw material powder, a powder having a purity of 98% or more, preferably 99% or more, more preferably 99.9% or more is used in order to obtain a thermistor sintered body having high characteristics.
The particle size of the raw material powder is not limited as long as the calcining proceeds, but the particle size (d50) can be selected in the range of 0.1 to 6.0 μm.
[原料粉末の混合・ボールミル]
所定量だけ秤量されたY2O3粉末、Cr2O3粉末、Mn3O4粉末およびCaCO3粉末を混合する。混合は、例えば、混合粉末に水を加えたスラリー状としてボールミルによって行うことができる。混合には、ボールミル以外の混合機を用いることもできる。
[Mixing of raw material powder / ball mill]
The Y 2 O 3 powder, Cr 2 O 3 powder, Mn 3 O 4 powder and CaCO 3 powder weighed by a predetermined amount are mixed. Mixing can be performed by a ball mill, for example, in the form of a slurry in which water is added to the mixed powder. A mixer other than a ball mill can also be used for mixing.
[原料粉末の乾燥]
混合後のスラリーをスプレードライヤ、その他の機器によって乾燥・造粒して、仮焼用の混合粉末とすることが好ましい。
[Drying raw material powder]
It is preferable that the mixed slurry is dried and granulated by a spray dryer or other equipment to obtain a mixed powder for calcining.
[仮焼き]
乾燥後の仮焼用の混合粉末を仮焼きする。仮焼きすることにより、Y2O3粉末、Cr2O3粉末、Mn3O4粉末およびCaCO3粉末から、Y2O3相とY(Cr,Mn)O3相の複合組織を有する仮焼結体を得る。
仮焼きは、仮焼用の混合粉末を例えば坩堝に投入し、大気中で800〜1300℃の温度範囲で保持することで行われる。仮焼きの温度が800℃未満では複合組織の生成が不十分であり、また、1300℃を超えると焼結密度の低下や抵抗値の安定性の低下を招く恐れがある。そこで仮焼の保持温度は、800〜1300℃の範囲とする。
仮焼きにおける保持時間は、保持温度に応じて適宜設定されるべきであるが、上記温度範囲であれば、0.5〜100時間程度の保持時間で仮焼の目的を達成できる。
[Temporary baking]
The mixed powder for calcining after drying is calcined. By calcining,
The calcining is performed by putting the mixed powder for calcining into a crucible, for example, and holding it in the air in a temperature range of 800 to 1300 ° C. If the calcining temperature is less than 800 ° C., the formation of a composite structure is insufficient, and if it exceeds 1300 ° C., the sintering density may be lowered and the stability of the resistance value may be lowered. Therefore, the holding temperature of calcining is set in the range of 800 to 1300 ° C.
The holding time in the calcining should be appropriately set according to the holding temperature, but within the above temperature range, the purpose of the calcining can be achieved with a holding time of about 0.5 to 100 hours.
[混合・粉砕・ボールミル]
仮焼後の粉末を混合および粉砕する。混合・粉砕は仮焼き前と同様に、水を加えてスラリー状とし、ボールミルを用いて行うことができる。
[乾燥・造粒]
粉砕後の粉末は、スプレードライヤ、その他の機器によって乾燥・造粒することが好ましい。
[Mixing / crushing / ball mill]
The powder after calcining is mixed and crushed. Mixing and crushing can be carried out by adding water to form a slurry and using a ball mill, as in the case of pre-baking.
[Drying / Granulation]
The powder after pulverization is preferably dried and granulated by a spray dryer or other equipment.
[成形]
仮焼後の造粒粉を所定の形状に成形する。
成形は、金型を用いたプレス成形のほかに、冷間静水圧プレス(CIP:Cold Isostatic Press)を用いることができる。
成形体の密度が高いほど、高い密度の焼結体を得るのが容易であるから、可能な限り成形体の密度を高くしたい。そのためには高い密度を得ることができるCIPを用いることが好ましい。
[Molding]
The granulated powder after calcining is formed into a predetermined shape.
For molding, in addition to press molding using a mold, a cold hydrostatic press (CIP: Cold Isostatic Press) can be used.
The higher the density of the molded product, the easier it is to obtain a sintered body with a higher density. Therefore, it is desired to increase the density of the molded product as much as possible. For that purpose, it is preferable to use CIP which can obtain a high density.
[焼結]
次に、得られた成形体を焼結する。
焼結は、大気中で1400〜1650℃の温度範囲で保持することで行われる。焼結の温度が1400℃未満では複合組織の生成が不十分であり、また、1650℃を超えると焼結体が融解したり焼結用の坩堝等との反応が生じたりする。焼結における保持時間は、保持温度に応じて適宜設定されるべきであるが、上記温度範囲であれば、0.5〜200時間程度の保持時間で緻密な焼結体を得ることができる。
[Sintering]
Next, the obtained molded product is sintered.
Sintering is performed by holding in the air in a temperature range of 1400 to 1650 ° C. If the sintering temperature is less than 1400 ° C., the formation of a composite structure is insufficient, and if it exceeds 1650 ° C., the sintered body melts or reacts with a crucible for sintering. The holding time in sintering should be appropriately set according to the holding temperature, but within the above temperature range, a dense sintered body can be obtained with a holding time of about 0.5 to 200 hours.
得られたサーミスタ焼結体は、そのサーミスタ特性を安定化させるために、アニール(annealing:焼き鈍し)を施すことが好ましい。アニールは、例えば大気中、1000℃で保持することにより行われる。 The obtained thermistor sintered body is preferably annealed in order to stabilize its thermistor properties. Annealing is performed, for example, by holding at 1000 ° C. in the air.
[電極13,13および接続電極17,17]
電極13,13は、図1に示すように、板状をなす感熱体11の表裏両面の全域に、それぞれ膜状に形成されている。電極13,13は、白金(Pt)、その他の貴金属から構成される。
電極13,13は、厚膜又は薄膜として形成される。厚膜の電極13,13は、白金粉末に有機バインダを混合して作製したペーストをサーミスタ焼結体の表裏両面に塗布し、乾燥した後に焼結して形成する。また、薄膜電極は、真空蒸着またはスパッタリングによって形成することができる。
電極13,13が形成された感熱体11は、所定の寸法に加工される。
接続電極17,17は、それぞれ電極13,13の表面に形成される金属膜から構成される。接続電極17,17も、白金(Pt)、その他の貴金属から構成される。
[
As shown in FIG. 1, the
The
The heat
The
[リード線15,15]
リード線15,15は、図1に示すように、一端側が接続電極17,17を介して電極13,13に電気的および機械的に接続される。リード線15,15は、他端側が外部の図示を省略する検出回路と接続される。リード線15,15は、耐熱性を有する、例えば白金または白金とイリジウム(Ir)の合金からなる線材から構成される。
[Lead
As shown in FIG. 1, the
リード線15,15は、以下のようにして電極13,13に接続される。
リード線15,15のそれぞれの一端側に予め接続電極17,17をなす白金粉末を含むペーストを塗布しておく。リード線15,15のそれぞれの白金ペーストが塗布された側を電極13,13に接触させた状態で白金ペーストを乾燥させ、その後、白金粉末を焼結する。
The
A paste containing platinum powder forming the
[内層被覆20]
次に、内層被覆20について説明する。
内層被覆20は、外層被覆30の熱膨張に伴って生じる応力が感熱体11に直に加わるのを緩和する緩衝材となることが主たる機能である。換言すれば、内層被覆20は、外層被覆30による熱応力を受け止める。
また、内層被覆20は、感熱体11とリード線15,15の接続部を固定することにより、安定した電気的および機械的な接続を実現する。
[Inner layer coating 20]
Next, the
The main function of the
Further, the
本実施形態に係る内層被覆20は、ガラスと酸化物粉末との混合体からなる。
内層被覆20において、ガラスは酸化物粉末同士、金属粉末同士を結合して内層被覆20に形状を維持させる結合剤として機能する。
ガラスと酸化物粉末の比率は、所望する線膨脹係数が得られかつ結合剤として機能する限り限定されない。
内層被覆20を構成するガラスは、結晶質ガラスおよび非晶質ガラスの一方または双方を用いることができるが、高温で安定な結晶化ガラスを用いることが好ましい。結晶化ガラスとしては、例えば、SiO2:30〜60重量%、CaO:10〜30重量%、MgO:5〜25重量%、Al2O3:0〜15重量%からなる組成を適用できる。
The
In the
The ratio of glass to oxide powder is not limited as long as the desired coefficient of linear expansion is obtained and it functions as a binder.
As the glass constituting the
内層被覆20を構成する酸化物粉末としては、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化カルシウム(CaO)、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化ジルコニウム(ZrO2)などが挙げられる。
Examples of the oxide powder constituting the
サーミスタ粉末としては、感熱体11を構成するサーミスタ焼結体と同等の組成を有する粉末を用いることができる。同等の組成とは、感熱体11および第1内層形態に含まれるサーミスタ粉末の両方が、例えば上述した酸素を除くCr,Mn,CaおよびYの化学組成が、Cr:3〜15モル%,Mn:5〜15モル%,Ca:0.5〜8モル%の組成範囲に含まれることをいう。サーミスタ粉末と感熱体11を構成するサーミスタ焼結体が同じ組成である場合を含む。
As the thermistor powder, a powder having the same composition as the thermistor sintered body constituting the heat
[外層被覆30]
次に、外層被覆30について説明する。
外層被覆30は、周囲の雰囲気から感熱体11を気密に封止する気密性をもたらすことを主たる機能とする。また、外層被覆30は、感熱体11を外力から保護する機械的な強度を付与する。
外層被覆30は、内層被覆20と同様のガラスから構成できる。また、外層被覆30は、内層被覆20と同様のガラスと酸化物粉末との混合物から構成することもできる。酸化物粉末としては、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化カルシウム(CaO)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化ストロンチウム(SrO)、酸化チタン(TiO)および酸化ランタン(La2O3)の1種または2種以上を用いることができる。
[Outer layer coating 30]
Next, the
The main function of the
The
本実施形態に係る外層被覆30は、内層被覆20と同様のガラスと酸化物粉末との混合体からなる。ただし、内層被覆20に比べて、外層被覆30はガラスを多く含む。これは後述する線膨脹率の関係を充足するためである。
The
外層被覆30は、少なくとも2層の外層被覆層を形成することにより得られる。1回の形成による1層の外層被覆30により必要な厚さおよび状態を得ることができるが、外層被覆30を複数層とすることにより、より健全な外層被覆30を得ることができる。外層被覆30を複数層とする場合、各層は厚さが均等であってもよいし、不均等であってもよい。
The
1層だけで形成される外層被覆30において欠陥を皆無にすることは、工業的な生産規模において容易ではない。この欠陥として、例えば外層被覆30の厚さ方向の表裏を貫通する亀裂が掲げられる。この亀裂は使用中における温度センサ素子1の気密性を損なう。複数層を構成するそれぞれの層に亀裂が存在したとしても、各層の亀裂が同じ位置に存在する確率はゼロに等しい。したがって、それぞれの層に亀裂が存在していたとしても、複数の層全体、つまり積層体としてみたときには、表裏を貫通する亀裂は存在しないとみなせる。
本実施形態において、外層被覆30の層数は任意であるが、後述する実施例に示されるように層数が多くなると抵抗値の変化率を小さく抑えることができるので、抵抗値の変化率の観点からかすると層数を多くすることが好ましい。一方で、層数が多くなるとそれだけ外層被覆30を形成する工数が増えるので、コストを増大させる。したがって、抵抗値の変化率を小さくするのを重視するときには外層被覆30の層数を多く例えば10層とし、コストを重視するときには7層以下、5層以下とすればよい。
Eliminating defects in the
In the present embodiment, the number of layers of the
[線膨脹率の関係]
本実施形態における温度センサ素子1は、例えば室温から1000℃の温度範囲において使用されることがある。
そうすると、この温度範囲において、感熱体11と感熱体11を直に覆う内層被覆20との間に発生する熱応力を低くすることが要求される。これは感熱体11の電気的特性、特に抵抗値の変化を抑えるためである。
また、この温度範囲において、内層被覆20を覆うとともにリード線15,15を封止する外層被覆30とリード線15,15との間に隙間が発生するのを抑えることが要求される。これは、還元ガスが感熱体11にまで侵入するのを防ぎ、感熱体11の電気的特性、特に抵抗値の変化を防ぐためである。
[Relationship of line expansion rate]
The temperature sensor element 1 in this embodiment may be used, for example, in a temperature range of room temperature to 1000 ° C.
Then, in this temperature range, it is required to reduce the thermal stress generated between the heat
Further, in this temperature range, it is required to suppress the formation of a gap between the
以上の要求を満たすためには、温度センサ素子1を構成する要素である感熱体11、リード線15,15、内層被覆20および外層被覆30の線膨脹係数を調整する。つまり、内層被覆20の線膨張係数(α20)を感熱体11の線膨張係数(α11)に近付け、外層被覆30の線膨張係数(α30)をリード線15の線膨張係数(α15)に近付けることが望まれる。具体的には、線膨張係数α20と線膨張係数α11の差、および、線膨張係数α30と線膨張係数α15の差を、好ましくは5×10−7/K以下、より好ましくは3×10−7/K以下にする。
In order to satisfy the above requirements, the coefficient of linear expansion of the heat
感熱体11を構成するサーミスタ焼結体、リード線15を構成する例えば白金および酸化物の線膨脹係数は以下の通りである。これらの値を踏まえ、内層被覆20が感熱体11の線膨脹係数α11に近づくように、ガラスと酸化物粉末との比率を設定することが望まれる。また、外層被覆30がリード線15の線膨脹係数α15に近づくように、ガラスと酸化物粉末の比率を設定することが望まれる。
感熱体11(サーミスタ焼結体):8.0×10−6/K
リード線15(白金):8.8×10−6/K
ガラス:9.1×10−6/K
Y2O3,Al2O3:7.2×10−6/K
La2O3:8.6×10−6/K
TiO2:9.2×10−6/K
MgO,ZrO2:10.5×10−6/K
CaO:13.6×10−6/K
SrO:13.8×10−6/K
The coefficient of linear expansion of the thermistor sintered body constituting the heat
Thermal body 11 (Thermistor sintered body): 8.0 × 10-6 / K
Lead wire 15 (platinum): 8.8 x 10-6 / K
Glass: 9.1 x 10-6 / K
Y 2 O 3 , Al 2 O 3 : 7.2 × 10-6 / K
La 2 O 3 : 8.6 × 10-6 / K
TiO 2 : 9.2 × 10-6 / K
MgO, ZrO 2 : 10.5 × 10-6 / K
CaO: 13.6 × 10-6 / K
SrO: 13.8 × 10-6 / K
[温度センサ素子1の製造方法]
次に、温度センサ素子1の製造方法を説明する。
温度センサ素子1は、図2および図3に示すように、感熱体11とリード線15,15を接合して素子本体10を製造するステップ(図2 S100,図3(a))と、製造された素子本体10に内層被覆20を形成するステップ(図2 S200,図3(b))と、内層被覆20の上に外層被覆30を形成するステップ(図2 S300,図3(c))と、を経て製造される。
[Manufacturing method of temperature sensor element 1]
Next, a method of manufacturing the temperature sensor element 1 will be described.
As shown in FIGS. 2 and 3, the temperature sensor element 1 is manufactured by the step of joining the heat
内層被覆20について、例えば、前記した酸化物粉末、結晶化ガラス粉末を溶剤と混合してペースト化したものを用いて、リード線15を接合した感熱体11の上に、所定量の内層被覆20を形成させる。
Regarding the
さらに、外層被覆30についても、上記と同様に酸化物粉末、ガラス粉末と溶剤を混合して用意された外層用ガラスペーストを用いて、内層被覆20の上に複数層の外層被覆を形成させ、図4(a)〜(c)に示すごとく、外層被覆30を例えば3層の被覆層31,33,35から形成する。
Further, with respect to the
外層被覆は2層以上の積層体から構成される。また、この積層体において、隣接する外層被覆層の境界は目視により視認できるが、外層被覆30としての機能を担保できる程度の力で隣接する外層被覆層は接合されている。
The outer layer coating is composed of two or more laminated bodies. Further, in this laminated body, the boundary between the adjacent outer layer coating layers is visually visible, but the adjacent outer layer coating layers are joined with a force sufficient to ensure the function as the
[実施例]
次に、具体的な実施例に基づいて本発明の一例を説明する。
以下で説明する内層被覆20および外層被覆30を備える温度センサ素子1を作製して、抵抗値の変化率を測定した。結果を表1に合わせて示す。
以下の粒径(d50)を有する原料粉末を以下に示す混合比率として原料粉末を用意し、上述した工程にしたがって感熱体11を製造した。仮焼きは1300℃×24時間、焼結は1500℃×24時間の条件とし、いずれも大気中で行った。
Y2O3:79.5mol% 粒径:0.1μm
Cr2O3:8.5mol% 粒径:2.0μm
CaCO3:3.5mol% 粒径:2.0μm
Mn3O4:8.5mol% 粒径:5.0μm
[Example]
Next, an example of the present invention will be described based on specific examples.
A temperature sensor element 1 including the
The raw material powder having the following particle size (d50) was prepared as the mixing ratio shown below, and the heat
Y 2 O 3 : 79.5 mol% Particle size: 0.1 μm
Cr 2 O 3 : 8.5 mol% Particle size: 2.0 μm
CaCO 3 : 3.5 mol% Particle size: 2.0 μm
Mn 3 O 4 : 8.5 mol% Particle size: 5.0 μm
電極13,リード線15,接続電極17はいずれも白金(Pt)からなり、実施形態で説明した手順で素子本体10を作製した。
The
以上の素子本体10に、内層被覆20および外層被覆30を形成した。
内層被覆20は、ガラスとして結晶質ガラスおよび感熱体11と同じ組成のサーミスタ粉末を用いた。サーミスタ粉末と結晶質ガラスとの重量比率は80:20である。また、バインダとして有機バインダを用いた。内層被覆20は、1層の内層前駆層を起源として形成されている。
An
For the
また、外層被覆30についても、結晶質ガラスと酸化物粉末としてのY2O3を用いた。結晶質ガラスと酸化物粉末のY2O3の重量比率は80:20である。
As for the
以上の素子本体10、内層液状組成物および外層液状組成物を用いて、表1に示す4種類の温度センサ素子(試料No.1〜6)を得た。得られた温度センサ素子(試料No.1〜6)を用いて、以下の条件による抵抗値の変化率を測定した。
結果を表1に示すが、外層被覆30が2層以上の複数層から構成され、特に被覆層の増加に伴って、抵抗値の変化率を格段に小さくできることが判る。積層数が10層(試料No.6)にすると10時間経過後の変化率を1層(試料No.1)の5%以下に抑えることができる。
Using the above element body 10, inner layer liquid composition and outer layer liquid composition, four types of temperature sensor elements (Sample Nos. 1 to 6) shown in Table 1 were obtained. Using the obtained temperature sensor elements (Sample Nos. 1 to 6), the rate of change of the resistance value under the following conditions was measured.
The results are shown in Table 1, and it can be seen that the
なお、表1において、例えば層数が2の試料No.2はディッピングにより2層の前駆層を順に形成した後に焼成し、層数が4の試料No.4はディッピングにより4層の前駆層を順に形成した後に焼成した。また、試料No.1〜6の外層被覆30は、ディッピングの回数に係わらず、全体としての厚さが80〜1000μm程度で同じになるように形成されている。したがって、試料No.4における1層あたりの厚さをtとすると、試料No.1における1層からなる外層被覆30の厚さは4×tであり、両者の外層被覆30の厚さは等しい。
In Table 1, for example, sample No. 2 having 2 layers is fired after forming two precursor layers in order by dipping, and sample No. 4 having 4 layers has four precursor layers by dipping. After forming in order, it was fired. Further, the
焼成後、試料No.2〜6に係る温度センサ素子の縦断面を観察したところ、隣接する層と層の境界を目視で確認できた。
また、表1に示される結果より、試料No.2〜6に係る温度センサ素子は、外層被覆30の全体としての厚さを厚くすることなく、過酷な高温環境下で使用されても安定した電気抵抗値が得られることがわかる。
When the vertical cross section of the temperature sensor element according to Sample Nos. 2 to 6 was observed after firing, the boundary between adjacent layers could be visually confirmed.
Further, from the results shown in Table 1, the temperature sensor elements according to Sample Nos. 2 to 6 were stable even when used in a harsh high temperature environment without increasing the thickness of the
保持温度:900℃
雰囲気:水素5vol.%+窒素95vol.%
保持時間:5時間、10時間
抵抗値測定:25℃
Holding temperature: 900 ° C
Atmosphere: Hydrogen 5 vol.% + Nitrogen 95 vol.%
Holding time: 5 hours, 10 hours Resistance value measurement: 25 ° C
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に置き換えたりすることができる。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the configurations listed in the above embodiments can be selected or replaced with other configurations as long as the gist of the present invention is not deviated.
1 温度センサ素子
2 素子本体
3 被覆
11 感熱体
13 電極
15 リード線
17 接続電極
20 内層被覆
30 外層被覆
1
Claims (3)
前記感熱体に電極を介して接続される一対のリード線と、
前記感熱体を保護する保護層と、を備え、
前記保護層は、
前記感熱体および前記リード線の一部を覆う内層被覆と、前記内層被覆の外側を覆う外層被覆と、を有し、
前記外層被覆は、
2層以上の積層体から構成される、
ことを特徴とする温度センサ素子。
A heat-sensitive body made of a thermistor sintered body whose electrical characteristics change depending on the temperature,
A pair of lead wires connected to the thermal body via electrodes,
A protective layer that protects the heat sensitive body is provided.
The protective layer is
It has an inner layer coating that covers a part of the heat sensitive body and the lead wire, and an outer layer coating that covers the outside of the inner layer coating.
The outer layer coating is
Composed of two or more layers,
A temperature sensor element characterized by this.
ガラス、または、前記ガラスと酸化物粉末からなる、
請求項1に記載の温度センサ素子。
The outer layer coating is
Glass or the glass and oxide powder
The temperature sensor element according to claim 1.
酸化イットリウム(Y2O3)粉末、酸化アルミニウム(Al2O3)および前記感熱体と同等の組成を持つサーミスタ粉末の1種または2種以上である、
請求項2に記載の温度センサ素子。 The oxide powder is
One or more of yttrium oxide (Y 2 O 3 ) powder, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and thermistor powder having the same composition as the heat sensitive substance.
The temperature sensor element according to claim 2.
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