JP4751101B2 - 温度センサ - Google Patents

Description

本発明は薄膜サーミスタチップの引出リード線の引っ張り強度を改善するとともに、股裂き方向の強度の強い形状を有する金属板で形成されたリードフレームからなるリード部を用いた温度センサの改良に関するものである。

従来の温度センサに使用される薄膜サーミスタの電極と引出リード線の接続構造は、例えば、実開昭６２−１８８１０３号公報等に開示されている。これらの接続構造は図に示すように、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）基板等の絶縁基板上に白金（Ｐｔ）等の貴金属からなる対向する櫛歯状の電極層と該電極層に連接するリード線接続部を形成し、前記電極層上に温度依存性を有するＳｉＣ薄膜、または金属酸化物のようなサーミスタ材料等からなる感熱抵抗膜を形成する。

さらに、必要に応じて前記電極層の一部を残して前記感熱抵抗膜上にガラス等の保護膜が形成される。前記感熱抵抗膜は、一般にスパッタリング等の既知の半導体技術によって形成される。
実開昭６２−１８８１０３号公報

このようにして形成された薄膜サーミスタチップは、例えば長さ１．０×幅０．５ｍｍのように形状が小さくリード線接続部の面積も小さいため、一般に前記電極層のリード線接続部にリード線を半田付けしたり、導電性接着剤等を用いたり、あるいは溶接等の手段によって電気的に接続しようとするときに、極細のリード線を薄膜サーミスタチップのリード線接続部に正確に位置決めして接続するのが非常に難しく、また作業をしやすくするためにリード線先端部を平面に加工する手間もかかる。実際に生産する場合には、薄膜サーミスタチップを整列するための治具や、極細のリード線を一本一本薄膜サーミスタチップのリード線接続部の電極間間隔に正確に位置決めするための治具を用意し、これらの治具を使用して製造するために効率が悪く、これらの治具を使用しても歩留まりよく生産することが難しかった。

また、薄膜サーミスタチップのリード線接続部の電極層は膜厚が薄いために、前記電極層に固着したリード線が強く引っ張られたり、股裂き方向に強い力が働くとこの電極層は絶縁基板から簡単に剥離して断線してしまう欠点があった。従って、このような薄膜サーミスタチップのリード線接続部の電極層にリード線を接続する場合、接続するリード線の太さ（線径）を適切に選択しなければならず、このような制約上から手作業で行える程度の太さを持ったリード線を接続することは事実上不可能であった。

さらに、上記のように極細のリード線が接続された薄膜サーミスタチップを絶縁被覆電線のような多数の素線から構成された撚り線に接続して温度センサを製造しようとする場合、リード線が接続された薄膜サーミスタチップのリード線間距離に比べて絶縁被覆電線の芯線間の距離が非常に大きいために、薄膜サーミスタチップに接続されたリード線間を広げて前記絶縁被覆電線の芯線に接続しなければならず、この作業中にリード線が断線したり、薄膜サーミスタチップとリード線の接続部分に応力が加わり接続不良や剥離断線等の不良が発生することがあり、このような加工作業には最善の注意を払わなければならなかった。このために、完成品の歩留まりや作業効率が低下するなどの問題があった。

本発明は、上記課題を達成するためになされたものであり、本発明の特徴は、一対の幅広の端末部分の先端側に、当該端末部分よりも幅狭な細幅部分をそれぞれ備え、前記一対の細幅部分の先端側に薄膜サーミスタチップを接続して備えると共に、当該薄膜サーミスタチップおよび前記一対の細幅部分と前記薄膜サーミスタチップとの接続部を絶縁被覆部によって被覆してなる温度センサであって、前記一対の細幅部分における、前記薄膜サーミスタチップから前記端末部分側へ離れた位置に、互いに接近するように内側方向へ突出して対向した湾曲部を備え、前記絶縁被覆部は、前記薄膜サーミスタチップと前記細幅部分との接続部および前記対向した湾曲部の一部を被覆していることである。

本発明の温度センサは、リードフレームからなるリード部の先端部を細く幅狭にし、他端の端末部分を前記先端部に比べて幅広に形成することによって、他の材料との組み合わせ、例えば絶縁被覆電線を取り付けてセンサとして利便性を向上させる場合、リードフレームの前記端末部分の形状・寸法を自由に設計製作できるのでセンサの信頼性が向上する。さらに薄膜サーミスタチップの電極層とリードフレームのリード部の幅狭に形成された先端部分とを電気的に接続した後に、薄膜サーミスタチップの電極層が形成された表面とリードフレーム先端部をガラス被膜や樹脂材料等で被覆固定した構造とすることによって、熱抵抗を大きくして先端部分に位置する薄膜サーミスタチップによる被検知体から受熱した熱を放散しにくくすることで熱応答性を高めることができる。また薄膜サーミスタチップの電極層とリード線接続部の電極剥離強度を強くするとともに耐湿性、耐水性等の耐環境性に優れた信頼性の高い温度センサを提供するものである。

また本発明の温度センサは、薄膜サーミスタチップに接続するリード線をリードフレーム化し、寸法精度の高いリードフレームを使用してリード線間のピッチの精度を高めることで製造工程の自動化をし易くするとともに、形状のバラツキを小さくできることによって、熱応答性等の電気的特性のバラツキも小さくできる。特に薄膜サーミスタチップの形状がより小さくなっても、本発明のリードフレームを使用することによって製造工程の組み立て方法を大きく変更することなく自動化に対応することが可能である。

さらに、本発明の温度センサに外部引出リード線として絶縁被覆電線の一端の露出させた芯線とを電気的に接続し全体を絶縁樹脂等で被覆した構造のセンサを組み立てようとする場合に、前記リード部の幅広に形成した端末部分の形状を絶縁被覆電線の芯線径よりも幅広に形成することによって、絶縁被覆電線の露出した芯線部分と薄膜サーミスタチップから引き出されたリード部の端末部分を特別に加工することなくスポット溶接等の手段によって容易にかつ確実に接合できるので信頼性の高いセンサを作製することができる。

また、リードフレーム化することによって薄膜サーミスタチップの電極層間、即ちリード線接続部分の寸法・形状に合わせてリードフレームのリード部のピッチを自由に設計でき、かつ幅広部を形成することで、薄膜サーミスタチップとリード線から構成された非常に小さな温度センサと絶縁被覆電線のような形状の大きなものとを接続する場合にも、両者を確実に接合できると共に接続加工が容易にできる利点がある。

また、前記リード部の先端に接続された薄膜サーミスタチップの各リード部の根元に湾曲部を形成し、前記リード部の先端に接続された薄膜サーミスタの接続部分を補強する絶縁被覆層で前記湾曲部の少なくとも一部を覆い、この湾曲部分を絶縁被覆材で固定することによって、リード部に股裂き方向の強い力が働いたときに、電極層とリード部との接続部分に股裂き力が働かないような構成にできるので、薄膜サーミスタチップの電極層とリード線接続部の電極剥離強度を向上でき、この後のセンサ加工時の取扱が容易になると共に、耐湿性、耐水性等の耐環境性に優れた信頼性の高い温度センサを提供できる。

以下に本発明に係る温度センサの実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明温度センサに使用するリードフレームの形状・構造を示す。１はコバール、ニッケル、鉄、銅あるいはこれらの合金からなる金属板を、例えばプレス等によって一連のフレーム状に打ち抜くか、写真製版技術を用いたエッチング法によって形成したリードフレームであって、スプロケット用の孔２を形成した帯状部３と、該帯状部３から直角方向に延びる少なくとも一対の幅広の端末部分４ａと、前記端末部分４ａから延伸する先端部に形成された５０〜１５０μｍ程度の幅狭な細幅部分４ｂとからなるリード部４ｃで構成されている。細幅部分４ｂ間のピッチは後述する薄膜サーミスタチップのリード線接続部となる電極層間の距離に合わせて設計される。

次に薄膜サーミスタチップの電極部分にリード部を接合した本発明温度センサの製造方法について説明する。

リードフレーム１のリード部４ｃ先端部分にディッピング方法または定量吐出器を用いて導電性接着剤を塗布する。次に導電性接着剤が塗布された前記リード部４ｃ先端の細幅部分４ｂを薄膜サーミスタチップ５の電極層５ｃ上に位置決めし、導電性接着剤または導電性ペーストを用いて細幅部分４ｂと電極層４ｃとを仮止めする。前記細幅部分４ｂ間のピッチは、薄膜サーミスタチップ５の電極層５ｃ間距離に合わせて形成されている。使用する導電性接着剤としては、例えば、合成樹脂を主体としたバインダと導電性フィラーを結合させたものを用いるか、あるいは導電性ペーストとしてはバインダとしてガラス粉末を用い、これに有機ビヒクル、及びＡｕ、Ａｇ等の貴金属粉末を分散させた金ペーストや銀ペースト等が用いられる。前者は比較的低温の用途で使用する場合に用いられ、樹脂を加熱硬化して接着固定し、後者は塗布乾燥後に４００〜９００℃前後の高温度で焼き付けることで接着固定でき、比較的高温の用途に用いる場合に有効である。前記仮止め後に、それぞれの用途に従って用いられる接着剤に応じた処理方法によって細幅部分４ｂと電極層５ｃとを接着固定する。なお高温用途に用いるための接合方法としては、この他にパラレルギャップを用いる方法も可能である。

この後、リード部４ｃの細幅部分を接着固定した薄膜サーミスタチップ５の表面に、ホウ珪酸系ガラスのようなガラス材料からなる保護膜をカバーコートし焼き付けして絶縁被覆層６を形成する。これによって、リード部４ｃと薄膜サーミスタチップ５との接合を確実なものとする。このような構造とすることによって、薄膜サーミスタチップ５の電極層５ｃと、この電極層５ｃから引き出される細幅部分４ｂ及び前記細幅部分４ｃに延設する幅広な端末部部分４ａとで構成されたリード部４ｃとの剥離強度を高めることができる。なお、前記絶縁被覆層６は、温度センサを比較的低い温度で使用することを考慮して、前記薄膜サーミスタチップの電極層と前記細幅部分との接着固定に使用する導電接着剤に樹脂系材料を使用した場合には、前記実施例に示したガラス材料に代えて合成樹脂材料を用いてもよいことはもちろんである。

上記した組み立て方法はひとつの温度センサの組み立て方法について説明したが、前記リード部４ｃの細幅部分４ｂが薄膜サーミスタチップ５の電極層５ｃに一致するように図示しない治具上に形成された凹部内に一定間隔で並べた治具を用いて、予めリード部４ｃ先端の細幅部分４ｂに導電性接着剤を塗布したリードフレームを前記治具上に並べられた薄膜サーミスタチップ５に位置決めして、前記薄膜サーミスタチップ５の前記電極層５ｃと前記細幅部分４ｂを正確に接着固定することでリードフレームによる量産化が可能である。

最後に、図２に示すリードフレーム１の帯状部３から延設された少なくとも一対の幅広部４ａの端部に近いＢ−Ｂ線で示した部分で切断することによって個々のサーミスタ素子に分割できる。

図３は、図２のＡ−Ａ線で切断した本発明で使用する薄膜サーミスタチップ５の構造を示す。薄膜サーミスタチップ５は絶縁基板５ａと基板の一面に形成された感熱膜５ｂと電極層５ｃからなる。絶縁基板５ａは厚さが５０〜３００μｍ程度であり、長さ及び幅が０．６×０．３〜１．６×０．８ｍｍ程度の寸法を有するアルミナ、ステアタイト、ジルコニアまたはサファイア等のセラミックス基板で構成されている。絶縁基板５ａの一面上には白金等の電極層５ｃが対向するようにパターン形成されている。

電極層５ｃの対向部分は抵抗調整をしやすくするために、一般的にはくし歯状にパターン形成されるが、くし歯形状に限定されるものではない。そして、前記電極層５ｃ上に感熱膜５ｂとしてＳｉＣ又はマンガン、コバルト、ニッケル等の金属酸化物等の材料をスパッタリング等の公知の薄膜形成技術によってパターン形成する。感熱膜５ｂを形成した後、必要に応じて前記感熱膜５ｂを保護するためのパッシベーション膜として、例えば、酸化珪素、窒化シリコン膜、またはオキシナイトライドシリコン膜等の図示しない保護絶縁膜を感熱膜５ｂ上に形成する。なお、薄膜サーミスタチップ５の感熱膜５ｂの構造は、図３に示した構造に限定されるもではなく、絶縁基板５ａ上にまず感熱膜、さらにその上に電極層を形成した構造、あるいは絶縁基板５ａ上に感熱膜−電極層−感熱膜のように電極層が感熱膜によって挟まれた積層構造であってもよいことはもちろんである。

図４は、本発明温度センサに使用する他のリードフレームの形状・構造を示す。リードフレーム１は、図１に示したものと同様な方法によって形成された金属板からなるリードフレーム１であって機械プレスによる打ち抜きか、写真製版技術を用いたエッチング法によって形成される。リードフレーム１は、スプロケット用の孔２を形成した帯状部３と、該帯状部３から直角方向に延びる少なくとも一対の幅広の端末部分４ａと、前記端末部分４ａから延伸する先端方向に形成された５０〜１５０μｍの幅狭な細幅部分４ｂとからなり、細幅部分４ｂ間のピッチは前述する薄膜サーミスタチップのリード線接続部となる電極層間の距離に合わせて設計される。そして、薄膜サーミスタチップ５がリードフレーム１に接続されたとき、リードフレーム１を構成する一対の細幅部分４ｂの薄膜サーミスタ５との根元に相当する部分に湾曲部４ｄを形成し、前記湾曲部４ｄは互いに内側方向に対向するように形成されている。即ち、リード部４ｃは端末部分４ａ、細幅部分４ｂと湾曲部４ｄとで構成されている。

図５は、このような湾曲部４ｄを有するリードフレームを用いて組み立てられた本発明の温度センサの例を示す。図２における説明と同様に、初めにリード部４ｃ先端の細幅部分の一部にディッピング方法または定量吐出器を用いて導電性接着剤または導電性ペーストを塗布する。次に導電性接着剤が塗布された前記リード部４ｃ先端の細幅部分４ｂを薄膜サーミスタチップ５の電極層５ｃ上に位置決めし、導電性接着剤によって細幅部分４ｂと電極層４ｃとを仮止め固定する。前記細幅部分４ｂ間のピッチは、薄膜サーミスタチップ５の電極層５ｃ間距離に合わせてリードフレームが形成されている。使用する導電性接着剤は、例えば、合成樹脂を主体としたバインダと導電性フィラーを結合させたものを用いるか、あるいはバインダとしてガラス粉末を用い、これに有機ビヒクル、及びＡｕ、Ａｇ等の貴金属粉末を分散させた金ペーストや銀ペースト等の導電性ペーストが用いられる。前記仮止め固定後に、それぞれ使用される導電性接着剤あるいは導電性ペーストに応じた処理条件によって細幅部分４ｂと電極層５ｃとを接着固定する。

この後、図５に示すように、細幅部分４ｂと薄膜サーミスタチップ５の電極層５ｃとの接続部分を含む薄膜サーミスタチップ５の表面全体と、薄膜サーミスタチップ５の根元の細幅部分４ｂに形成された湾曲部４ｄの一部を、ホウ珪酸系ガラスのようなガラス材料からなる保護膜材料でカバーコートし焼き付けして絶縁被覆層６を形成する。これによって、リード部４ｃと薄膜サーミスタチップ５との接合を確実なものとする。このような構造とすることによって、薄膜サーミスタチップ５の電極層５ｃと、この電極層５ｃから引き出される細幅部分４ｂ及び前記細幅部分４ｃに延設する幅広な端末部部分４ａとで構成されたリード部４ｃとの剥離強度を高めることができるとともに、リード部に股裂き方向の強い力が働いたときに、湾曲部４ｄによって電極層とリード部との接続部分に股裂き力が働かないような構成にできるので、薄膜サーミスタチップの電極層とリード線接続部の電極剥離強度を向上でき、この後のセンサ加工時の取扱が容易になると共に、耐湿性、耐水性等の耐環境性に優れた信頼性の高い温度センサを提供できる。

なお、前記絶縁被覆層６は、温度センサを比較的低い温度で使用することを考慮して、前記薄膜サーミスタチップの電極層と前記細幅部分との接着固定に使用する導電接着剤に樹脂系材料を使用した場合には、前記実施例に示したガラス材料に代えて合成樹脂材料を用いてもよいことはもちろんである。また、上記実施例では湾曲部４ｄがひとつ形成された例を示したが、湾曲部４ｄを複数個形成しておき、薄膜サーミスタチップ５の根元に一番近い湾曲部４ｄの一部を、ガラス材料等からなる保護膜材料でオーバーコートし焼付・硬化させて絶縁被覆層６を形成してもよい。このように形成すれば、股裂き方向の力を上記実施例に比べてより大きく分散できるので、電極剥離強度を一層向上でき、この後のセンサ加工時の取扱が容易になると共に、耐湿性、耐水性等の耐環境性に優れた信頼性の高い温度センサを提供できる。

最後に、図５に示すリードフレーム１の帯状部３から延設された少なくとも一対の幅広部４ａの端部に近いＢ−Ｂ線で示した部分で切断することによって個々のサーミスタ素子に分割できる。

上記実施例では本発明の温度センサについて述べたが、これら温度センサの応用例として本発明温度センサの端末部分に絶縁被覆電線の芯線を接続して、前記温度センサと前記絶縁被覆電線の一部を樹脂材料等によって被覆したセンサを作製する場合、前記端末部分を前記絶縁被覆電線の芯線径よりも幅広に形成することによって、形状の非常に小さな前記温度センサと形状の大きな絶縁被覆電線との組み立てが容易になると共に、リードフレームのリード部を使用する材料に合わせて設計・作製することで、電気的、機械的性能に優れた温度センサを作製することができる。

本発明に使用する第１のリードフレームの平面図。 本発明の第１の温度センサの斜視図。 図２のＡ−Ａ線断面図。 本発明に使用する第２のリードフレームの平面図。 本発明の第２の温度センサの斜視図。

符号の説明

１ リードフレーム
２ スプロケット
３ 帯状部
４ａ 端末部分
４ｂ 細幅部分
４ｃ リード部
４ｄ 湾曲部
５ 薄膜サーミスタチップ
５ａ 絶縁基板
５ｂ 感熱膜
５ｃ 電極層
６ 絶縁被覆層

Claims (6)

1. 一対の幅広の端末部分の先端側に、当該端末部分よりも幅狭な細幅部分をそれぞれ備え、前記一対の細幅部分の先端側に薄膜サーミスタチップを接続して備えると共に、当該薄膜サーミスタチップおよび前記一対の細幅部分と前記薄膜サーミスタチップとの接続部を絶縁被覆部によって被覆してなる温度センサであって、
   前記一対の細幅部分における、前記薄膜サーミスタチップから前記端末部分側へ離れた位置に、互いに接近するように内側方向へ突出して対向した湾曲部を備え、
   前記絶縁被覆部は、前記薄膜サーミスタチップと前記細幅部分との接続部および前記対向した湾曲部の一部を被覆していることを特徴とする温度センサ。
2. 前記湾曲部の前記絶縁被覆部から突出した部分は、互いに離間する外方向に湾曲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。
3. 前記一対の幅広の端末部分が、互いに離れる方向に曲げられる場合、前記湾曲部の前記絶縁被覆部から突出した部分を支点として曲げられることを特徴とする請求項１、２のいずれかに記載の温度センサ。
4. 前記一対の幅広の端末部分が、互いに離れる方向に曲げられる場合、前記対向した湾曲部の互いに最接近した位置および前記一対の細幅部分と前記湾曲部との境界部分を支点として曲げられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の温度センサ。
5. 前記一対の細幅部分における、前記湾曲部から前記端末部分側へ離れた位置に、さらに他の湾曲部を備えることを特徴とする請求項１、２のいずれかに記載の温度センサ。
6. 前記リード部の前記端末部分が、該端末部分に接続される外部引出リード線の芯線径よりも幅広に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の温度センサ。

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