JP4183666B2 - 高温耐熱型サーミスタ - Google Patents
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Description
被覆処理としては、ビード型の場合はガラスによる被覆が用いられ、成形型の場合は粉末被覆材による被覆が用いられている。また、ディスク型の場合は、低温用としては樹脂被覆が用いられ、高温用としてはガラスによる被覆が行われている。
高温用被覆材としては、温度が800℃までであればガラスによる被覆を用いることが可能であるが、それ以上の高温ではガラスも使用することはできない。
このように、この発明の高温耐熱型サーミスタによれば、被覆材が導電性増強作用を有しないので、サーミスタ特性に悪影響を与えることなしに、−50℃から1000℃程度までの広い温度範囲にわたって、機械的・熱的・化学的に安定した性能を実現することができる。
図1は、本発明の一実施例である高温耐熱型サーミスタの外観構成と内部構成とを示す図、図2は、本実施例の高温耐熱型サーミスタの製作工程を示す図である。
サーミスタ素体1は、複数種類の金属酸化物の混合物からなる焼結体で構成されており、使用温度範囲内において、温度上昇に伴ってその電気抵抗が低下する特性を有している。サーミスタ電極2は、サーミスタ素体1の上下両表面に施された金属電極であって、サーミスタ素体1を外部に対して電気的に接続して、環境温度を測定可能にする機能を有している。サーミスタ素体1とサーミスタ電極2とは、サーミスタチップを形成する。リード線3は、両面のサーミスタ電極2と図示されない温度測定用外部回路とを電気的に接続するための2本の導体線からなっている。リード線接合電極4は、サーミスタ電極2とリード線3とを接合するための電極であって、両サーミスタ電極2上に設けられる。被覆層5は、サーミスタ素体1とサーミスタ電極2とからなるサーミスタチップと、リード線3の電極接合部と、リード線接合電極4とを一体に覆って、これらを外部からの電気的,機械的,化学的侵襲に対して保護する作用を行うものである。
最初、市販のイットリウム酸化物(Y2O3),クロム酸化物(Cr2O3)及びマンガン酸化物(MnO,Mn2O3,Mn3O4等)からなる基材と、焼結促進材及び導電性増強材としての炭酸カルシウム(CaCO3)とを出発原料として、Y:Cr:Mn:Caのモル比が79.5:8.5:8.5:3.5となるように各材料を秤量し、これらの材料を十分混合して1000℃で仮焼成を行ったのち、エチルセルローズ系バインダ10wt%を混合して厚さ1mmのシート状に成形する。
次に、成形されたシートから60mm×60mmの大きさに打ち抜いて、1500℃で24時間焼成する。そして、焼成して得られたウエハを研磨して、厚さが0.45mmの研磨済みウエハ11とする。その後、研磨済みウエハ11の上下両面に白金ペーストを印刷によって塗布し、1300℃で焼成して、厚さ5μmの電極膜12を形成することによって、図2(a)に示すような、電極付きウエハ13を得る。
このサーミスタチップ14の両サーミスタ電極2上に、白金ペーストによってリード線接合電極4を形成してφ0.3mmの白金リード線3を接続し、1300℃で焼き付け処理を行って図2(c)に示すようなサーミスタ素子15を形成する。
この材料を十分混合して1000℃で仮焼成を行ったのち、導電性増強作用を有しない焼結促進材としてシリカ(SiO2)粉末を濃度5wt%となるように添加して、追加の粉砕を行って得られた粉末材料に対して、エチルセルローズ樹脂10wt%を溶解したターピネオール溶剤を重量比50:50で混合して、被覆材ペーストを作成する。
(試験1−機械的強度試験)
図3は、この例の高温耐熱型サーミスタに対する機械的強度の試験結果を示したものであって、図中、(a)は試験方法を示し、(b)は試験結果を示している。
強度試験は、図3(a)に示すように、高温耐熱型サーミスタ16本体と一方のリード線3aとを固定し、他方のリード線3bに矢印方向に荷重をかけてリード線と垂直方向に引っ張ったとき、サーミスタ素子又は被覆層にに機械的損傷が生じるときの荷重の大きさを比較することによって行った。
図3(b)に示すように、この例のサーミスタ(被覆層あり)の場合の破壊荷重は、いずれの場合も、対照例(同種のサーミスタであって被覆層を有しないもの)の破壊荷重より大きかった。
この試験結果から、この例の高温耐熱型サーミスタは、被覆を施すことによって、機械的強度が格段に向上していることが確認された。
図4は、この例の高温耐熱型サーミスタに対する熱応力耐性の試験結果を示したものである。
熱応力耐性の試験は、100℃温水槽と、0℃冷水槽とを往復させる冷熱サイクル試験によって行い、100℃温水槽と0℃冷水槽に保持する時間をそれぞれ1分間として、これを合計2000サイクル実施して、繰り返し熱衝撃に基づくΔR25℃で示す抵抗値変化量の大きさによって評価した。ここで、ΔR25℃で示す抵抗値変化量は、各種試験終了後、試料を25℃の状態に保持したときの、サーミスタの抵抗値変化量を示すものである。
図4に示すように、この例の高温耐熱型サーミスタの場合(実施例)、熱衝撃試験における各サイクル数経過後のΔR25℃で示す抵抗値変化量は、対照例(被覆層として結晶質ガラスを有するもの)と比較して、いずれの場合も対照例より小さいことが示されている。なお、高温においては非晶質ガラスは安定性が悪いため、被覆層としては結晶質ガラスでないと使用不可能であることは周知のとおりであり、この場合の対照例にも結晶質ガラス被覆のものを用いた。
この試験結果から、この例の高温耐熱型サーミスタは被覆材によって熱応力耐性が向上し、長期にわたって、熱衝撃に対して安定した性能を保持し得ることが確認された。
図5は、この例の高温耐熱型サーミスタに対する熱的耐久性の試験結果を示したものである。
熱的耐久性は、1000℃における1000時間の連続保管試験後におけるΔR25℃で示す抵抗値変化量の大きさによって評価した。
図5に示すように、この例の高温耐熱型サーミスタの場合(実施例)は、1000℃連続保管試験における各時間経過後のΔR25℃で示す抵抗値変化量は、いずれの場合も対照例(結晶質ガラス被覆)より小さいことが示されている。
この試験結果から、この例の高温耐熱型サーミスタは被覆材によって熱的耐久性が向上し、長期にわたって、熱的に優れた性能を保持し得ることが確認された。
図6は、この例の高温耐熱型サーミスタにおける、外部からの異物侵入に基づく化学的影響に対する遮断性能の試験結果を示したものである。
異物侵入に対する遮断性能は、サーミスタ表面にアルミナ(Al2O3)と炭酸カルシウムを主成分とする無機塗料を塗布して1000℃で10時間放置したときの、試験後のΔR25℃で示す抵抗値変化量の大きさによって評価した。
また、これと同時に、被覆を行わないサーミスタとの比較を行った。
図示のように、1000℃,10時間放置後のΔR25℃で示す抵抗値変化量は、この例の高温耐熱型サーミスタの場合(実施例)は十分小さいが、対照例(被覆なし)の場合は無機塗料から遊離したCaの影響によって、著しく大きくなったことが示されている。
この試験結果から、この例の高温耐熱型サーミスタでは、被覆処理によって外部からの化学的な影響を遮断する性能が向上していることが確認された。
図7は、この例の高温耐熱型サーミスタにおける、焼結促進材としてのSiO2の効果を確認するための試験結果を示したものである。
この試験においては、焼結促進材としてのSiO2の効果を確認するため、対照例として、SiO2を含まない被覆材ペーストを用いて被覆を行ったサーミスタを作成して比較試験を行った。
ペースト化する被覆材としては、実施例の場合と同様に、Y:Cr:Mnのモル比が82.0:9.0:9.0となるように秤量したものを使用した。これらの材料を十分混合して1000℃で仮焼成を行ったのち、得られた被覆材粉末に対して、エチルセルローズ樹脂を10wt%溶解したターピネオール溶剤を重量比で50:50に混合して作成した被覆材ペーストを、図2に示された工程と同様に、白金リード線を接合したサーミスタチップ周辺にディップ処理によって塗布し、150℃で乾燥して試料となるサーミスタを作成した。
そして、焼結促進の効果を確認するため、この試料に対して3種類の焼成温度で焼成を行ったのち、試験1の場合と同様のリード線の引っ張り試験を行った。
この試験結果から、この例の高温耐熱型サーミスタでは、SiO2の添加によって被覆層の焼成条件の低温化が達成されたことが確認された。
2 サーミスタ電極
3 リード線
4 リード線接合電極
5 被覆層
11 研磨済みウエハ
12 電極膜
13 電極付きウエハ
14 サーミスタチップ
15 サーミスタ素子
16 高温耐熱型サーミスタ
Claims (3)
- 複数の金属酸化物の組み合わせと導電性増強作用を有する焼結促進材とから組成された平面状焼結体の上下両面に電極を形成したサーミスタチップの、前記両電極にそれぞれリード線を接合してなるサーミスタ素子における、前記サーミスタチップの部分を、前記組み合わせとほぼ等しい材料比率を有する前記複数の金属酸化物の組み合わせとシリカ(SiO 2 ) を含む導電性増強作用を有しない焼結促進材とから組成された被覆材によって被覆して焼成することによって、焼成温度を低下させたことを特徴とする高温耐熱型サーミスタ。
- イットリウム(Y),クロム(Cr),マンガン(Mn),カルシウム(Ca)の代表的モル比が79.5:8.5:8.5:3.5である平面状金属酸化物焼結体の上下両面に電極を形成したサーミスタチップの、前記両電極にそれぞれリード線を接合してなるサーミスタ素子における、前記サーミスタチップの部分を、Y,Cr,Mnの代表的モル比が82.0:9.0:9.0である金属酸化物の組み合わせとシリカを含む導電性増強作用を有しない焼結促進材とから組成された被覆材によって被覆して焼成することによって、焼成温度を低下させたことを特徴とする高温耐熱型サーミスタ。
- 前記被覆材におけるシリカの濃度が、前記被覆材の5重量%程度であることを特徴とする請求項1又は2記載の高温耐熱型サーミスタ。
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