JP2548351B2 - 薄膜サーミスタ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、電気オーブン・ガスオーブンなどの調理器
具、石油ファンヒータなどの燃焼器具等の温度センサと
して用いられる耐熱性薄膜サーミスタに関するものであ
る。

従来の技術 薄膜サーミスタは、アルミナ基板上に一対の厚膜電極
膜と、感温抵抗体を形成したサーミスタ素子を使用環境
から保護するために、種々の実装構造が考えられてい
る。

例えば、長井、他、エレクトロニクス・セラミッ
ク、'85、５月号、薄膜電子材料特集、第16頁による
と、薄膜サーミスタは、サーミスタ素子をガラス管内部
に気密封入し、サーミスタ素子からのPt内部リード線を
コバール線（外部リード線）に溶接してガラス管外に取
り出している。そして、保持ベース、保護カバーを取り
付けて完成としている。

発明が解決しようとする課題 上記、従来の薄膜サーミスタは、その使用可能温度
は、350℃までであり、それ以上の高温になると下記の
課題のため特性が外部環境により大きな影響を受け、使
用できない。

第１の課題は、調理器庫内や燃焼器等で多量に発生し
ている水蒸気が、外部環境下にむきだしになっている外
部リード線やサーミスタ素子・保持ベース等に付着し易
く、この水蒸気付着のため電気導通が生じ、電気的絶縁
性が低下しやすくなることである。この対策のため、例
えば四フッ化エチレン系樹脂を被覆し、はっ水性を利用
して結露防止を従来の薄膜サーミスタは実施している
が、この樹脂の耐熱性は350℃であり、それ以上の高温
になると樹脂が劣化してはっ水効果が低下し、それに伴
い電気的絶縁性が低下して温度が正しく測定できなくな
る。

第２の課題は、薄膜サーミスタ素子を外部環境から保
護しているガラス管が、コバール製外部リード線と界面
の化学的結合層を通して封着されているため、350℃以
上になると両者の材料の熱膨張特性の違いから、大きな
温度差が発生すると大きなひずみが発生してガラス管が
損壊劣化することである。このことは、従来の薄膜サー
ミスタが、コバール製外部リード線と近接したガラス熱
膨張係数を有するガラス材料として、種々の化学組成の
材料を検討した結果、ほうけい酸系、ガラスを選定し、
350℃までの使用温度までなら実用上支障ないことを確
認していることに起因する。したがって大きな温度差の
生じやすい350℃以上では使用できない課題があった。

課題を解決するための手段 この課題を解決するために本発明は、基板に一対の厚
膜電極膜と感温抵抗体を形成した薄膜サーミスタ素子
を、一対の金属製外部リード線を固定した素子支持体の
上に固定し、前記一対の厚膜電極膜と前記一対の外部リ
ード線とを金属製内部リード線で電気的に各々接続する
とともに、金属製保護容器に前記素子支持体を収納し、
前記金属製保護容器と嵌合するセラミック製の蓋で前記
一対の外部リード線を固定し少なくとも一方を前記金属
製容器から分離するとともに、前記金属製容器はパイプ
の片端を閉じた構造体としてある。

作用 本発明の薄膜サーミスタは、薄膜サーミスタ素子が耐
熱金属製保護容器内に収納されているので、外部環境か
ら遮断され、有機物や水分・腐食性ガスなどの有害環境
因子による素子の化学的劣化を防止できる。そのために
高い信頼性を長期間維持できる。また、薄膜サーミスタ
素子のみならず内部リード線・外部リード線も耐熱金属
製保護容器に収納されているので、外部環境から遮断さ
れ、これらの部品に水蒸気が付着することによる電気的
絶縁性の低下が起こらない。そのため、水蒸気が多く結
露しやすい雰囲気下でも温度を精度よく測定できる。

一方、薄膜サーミスタ素子を外部環境から遮断する保
護容器は、熱膨張係数の異なる材料の封着が無く、耐熱
金属のみで構成されているので、熱衝撃にともなう歪発
生が無い。そのため、高温から室温まで急激に温度降下
させても保護容器の損壊劣化が無く、薄膜サーミスタ素
子を長期間外部環境から遮断し、長期間精度良く高温下
での温度測定を行う。

一方、薄膜サーミスタ素子は、セラミック製素子支持
体の上に固定され、しかもこのセラミック製素子支持体
は一対の耐熱金属製外部リード線で固定され、さらにこ
の一対の耐熱金属製外部リード線は、耐熱金属製保護容
器と嵌合したセラミック製蓋の部分で固定され、かつ少
なくとも一方を耐熱金属製保護容器と分離した構成なの
で、サーミスタ素子は耐熱金属製保護容器内にしっかり
固定される。そのため、薄膜サーミスタ素子が機械的振
動等によって耐熱金属製保護容器と接触することを防止
でき、機械的破損や電気的ショートの発生が無い。

また金属製容器はパイプの片端を閉じた構造体として
あるから、大幅なコストダウンが図れる。

実施例 以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

第１図は、本発明の薄膜サーミスタ素子の外観図であ
る。セラミック基板１に一対の厚膜電極膜２と感温抵抗
体３が形成されている。セラミック基板１は、実用性を
考慮してアルミナ基板を用い、その表面粗さを２〜３μ
ｍとした。

一方、感温抵抗体３は、金属酸化物や炭化ケイ素（以
下SiCと記す）等があるが、感度が大きい・広い温度範
囲まで測定できる等の理由よりSiCを用い、スパッタ方
法にて櫛型の厚膜電極膜の上にその薄膜（厚み約６μ
ｍ）を形成した。

厚膜電極膜２は、Au−Pt膜、Pt膜、Au膜等であるが、
信頼性の高いAu−Pt膜を用い、アルミナ基板１上にペー
ストを印刷・乾燥・焼成することにより得た。

第２図は、本発明の一実施例である薄膜サーミスタの
断面図である。

薄膜サーミスタ素子４を、一対の耐熱金属製外部リー
ド線５を固定したセラミック製素子支持体６の上に固定
し、前記一対の厚膜電極膜２と前記一対の外部リード線
５とを耐熱金属製内部リード線７で電気的に各々接続す
るとともに、耐熱金属製保護容器８内に前記素子支持体
６を収納し、前記保護容器８と嵌合するセラミック製蓋
９の部分で前記一対の外部リード線５を固定し、少なく
とも一方を前記保護容器９から分離している。

耐熱金属製外部リード線５および、耐熱金属製保護容
器８の材質は、SUS304、SUS430等のステンレス、銅であ
る。

セラミック製素子支持体６および、セラミック製蓋10
の材質は、アルミナ、酸化カルシウム、酸化ケイ素、酸
化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン等の群
より選択した１種以上である。

耐熱金属製内部リード線８は、白金線、ニッケル線、
コバール線等である。

第３図は、第２図のAA′線断面図である。薄膜サーミ
スタ素子４は、硝子被膜層10で被われ、外部環境からの
保護を一層強固に実施している。また、ガラス被膜層10
は、薄膜サーミスタ素子４を覆う際に、厚膜電極膜２に
電気的に接続した耐熱金属製内部リード線７の接続部分
の被覆、セラミック製素子支持体６の薄膜サーミスタ素
子４との固定も同時に行っている。

また、耐熱金属製保護容器８は、パイプの片端を閉じ
た構造体とし、低コスト化をはかっている。

本発明の効果を第１図〜第３図の実施例にもとづいて
判定した。

〈実施例１〉 Au:Pt＝3:7の厚膜電極膜（膜厚約12μｍ）を、アルミ
ナ基板（1.8mm×6.5mm×0.5mm）上に、くし形状に形成
し、ついで高周波スパッタリング蒸着法により、SiC抵
抗体膜を約６μｍの厚みで形成して薄膜サーミスタ素子
とした。

この薄膜サーミスタ素子は、一対の厚膜電極膜に白金
製の内部リード線を溶接法を用いて電気的に接続した
後、アルミナ製素子支持体の上にガラスを用いて固定さ
れている。

つぎに、SUS430製外部リード線（1.2Wmm×100Cmm×1.
3°mm）をアルミナ製素子支持体にカシメ等を用いて固
定した後、前記内部リードを外部リード線に溶接法を用
いて固定した。

この素子支持体を、内径6.5mm−外径7mmのSUS304製保
護容器（片端を閉じたパイプ構造体）の内に収納し、こ
の保護容器とカシメ等で嵌合したアルミナ製蓋の部分
で、外部リード線をひねりと無機接着剤を用いて固定し
た。

なお、外部リード線は、保護容器と少なくとも一方を
分離している。

この薄膜サーミスタは、DC1000Vを負荷してその絶縁
性を確認したところ1000MΩ以上の抵抗を示し、実用上
問題ない電気絶縁性を示した。

また、この薄膜サーミスタを200℃に保持した炉に放
置し、室温雰囲気下に取り出した際に、両者の温度差の
63％の温度に相当する抵抗値に到達するまでの時間（以
下、この時間を熱時定数と称す）を測定したところ、80
秒であった。なお、参考のため、他構造品での熱時定数
を測定したところ、保護容器の無い場合は50秒、内径6m
m−外径7mmのSUS304保護容器（片端を閉じたパイプ構造
体）の場合は120秒、従来例の構造品は75秒であり、本
発明は従来品とほぼ同等の熱時定数を有し、応答性は実
用上問題なかった。

この薄膜サーミスタを、400℃の高温雰囲中に500時間
放置して抵抗値変化率を測定したところ、±５％以下で
あり、優れた熱的安定性を示した。

また、（室温空気中15分間放置→400℃空気中15分放
置→室温空気中15分間放置）を１サイクルとして、この
熱衝撃を2000サイクル繰り返しても抵抗値変化率は±５
％以下であった。一方、上記試験後のサンプルに、次の
様な結露試験を実施した。ビーカに水を満たし、これを
沸騰させて水蒸気を多量に発生させ、一方で室温に保持
した薄膜サーミスタを準備し、この薄膜サーミスタを素
早く前記水蒸気中に暴露させ、表面に結露水を生成させ
た。この状態で外部リード線とアース端子間に直流15V
を印加して電気絶縁性を測定したところ100MΩ以上の絶
縁抵抗を示した。この試験は、電気絶縁性を評価する試
験であり、絶縁性が無いと導通を示すことより、本発明
が高い抵抗値であることは、電気絶縁性は実用上問題な
いと言える。

薄膜サーミスタは正弦波に近い振動（振動数300〜360
0Hz、振幅0.2〜3.2mm、加速度１〜3G）をＸ、Ｙ、Ｚ方
向に各２時間印加する振動試験を実施したが、温度一抵
抗特性の変化はみられず、機械的振動に強いことも確認
できた。

〈実施例２〉 次に、薄膜サーミスタ素子を、転移点675℃、屈伏点7
42℃、軟化点861℃のガラスで被覆した構造の薄膜サー
ミスタを同様に試作し、その信頼性を評価した。

薄膜サーミスタを高温雰囲気（500℃）に1000時間放
置したとき、あるいは（室温空気中15分間放置→500℃
空気中15分間放置→室温空気中15分間放置）を１サイク
ルとして、この熱衝撃を2000回繰り返した時、抵抗力変
化率は、いずれも±３％以下であった。

さらに、高湿度雰囲気（温度70℃、相対湿度95％以
上）に1000時間放置したとき、また沸騰水中に８時間放
置したときも、抵抗力変化率はいずれも±３％以内であ
った。

このガラス被覆品は、実施例１のガラス被覆のない構
造品と比較して耐熱性や耐熱衝撃性・耐湿性にすぐれた
特性を示し、例えば、耐熱性においては500℃でも1000
時間±３％の抵抗値変化率を維持するのに対し、ガラス
被覆が無いと500℃で200時間しか±３％の抵抗値変化率
を維持できなかった。これは、ガラス被覆により薄膜サ
ーミスタ素子の外部環境からの遮断が一層強固にされた
ためと思われる。

一方、厚膜電極膜の組成を、Au:Pt＝1:9、Au:Pt＝2:
8、Au:Pt＝4:6、Au:Pt＝5:5、Au:Pt＝6:4、Au:Pt＝7:3
と変化させても実施例１、実施例２とほぼ同等の特性が
得られた。

発明の効果 以上の様に、本発明の薄膜サーミスタは、薄膜サーミ
スタ素子および内部リード線・外部リード線を耐熱金属
製保護容器内に収納し、かつ、薄膜サーミスタ素子を素
子支持体・外部リード線・蓋・保護容器を用いて固定
し、かつ上記金属製容器はパイプの片端を閉じた構造体
としてあるので、 （１）薄膜サーミスタ素子が外部環境から遮断されるの
で、有機物や水分・腐食性ガスなどの有害環境因子によ
る素子の化学的劣化を防止でき、高い信頼性を長期間維
持できる。

（２）薄膜サーミスタ素子のみならず内部リード線・外
部リード線も外部環境から遮断されるので、水蒸気付着
による電気的絶縁性の低下がない。そのため、水蒸気の
多く結露しやすい雰囲気下でも温度を精度よく測定でき
る。

（３）薄膜サーミスタ素子を外部環境から遮断する保護
容器は、熱膨張係数の異なる材料の封着がないので、熱
衝撃に伴う歪発生が無い。そのため、高温から室温まで
急激に温度降下させても保護容器の損壊劣化がなく、薄
膜サーミスタ素子を長期間外部環境から遮断し、高温下
で精度良く長期間温度測定できる。

（４）薄膜サーミスタ素子が保護容器内に強固に固定さ
れているので、機械的振動に強い。

（５）金属製容器はパイプの片端を閉じた構造体として
あるから、大幅なコストダウンが図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である薄膜サーミスタ素子の
外観斜視図、第２図は同薄膜サーミスタの断面図、第３
図は第２図のAA′線断面図である。 １……セラミック基板、２……厚膜電極膜、３……感温
抵抗体、４……薄膜サーミスタ素子、５……耐熱金属性
外部リード線、６……セラミック製素子支持体、７……
耐熱金属性内部リード線、８……耐熱金属性保護容器、
９……セラミック性蓋。

フロントページの続き (72)発明者 海老沢 満男 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−27001（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−11392（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板に一対の厚膜電極膜と感温抵抗体を形
   成した薄膜サーミスタ素子を、一対の金属製外部リード
   線を固定した素子支持体の上に固定し、前記一対の厚膜
   電極膜と前記一対の外部リード線とを金属製内部リード
   線で電気的に各々接続するとともに、金属製保護容器に
   前記素子支持体を収納し、前記金属製保護容器と嵌合す
   るセラミック製の蓋で前記一対の外部リード線を固定し
   少なくとも一方を前記金属製容器から分離するととも
   に、前記金属製容器はパイプの片端を閉じた構造体とし
   た薄膜サーミスタ。