JP5719303B2 - センサ素子及びセンサ素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は高温用センサ素子及び当該高温用センサ素子の製造方法に関する。

高温用センサ素子は、ＴminからＴmaxまでの温度範囲の高温環境下で用いられるものであって、Ｔminは−５５℃〜約＋２５℃の範囲とすることができ、Ｔmaxは約＋３００℃〜＋１０００℃の範囲とすることができる。高温用センサ素子は、高精度で、できる限り速やかに周囲の温度を検出する能力を有していなければならない。温度を検出するには、抵抗値の計測といった単純な温度検出方法をセンサ素子に用いる必要がある。

高温用センサ素子は、重大な劣化を生じることなく、長期にわたり高温環境中に存続しなければならない。高温環境は、周囲の空気中に含まれる酸素によって酸化雰囲気となる可能性が高い。従って、センサ素子は、製造コストを低く抑えつつ、頑丈で耐久性を有するように構成されなければならない。

本発明の高温用センサ素子は、ＮＴＣ素子またはＰＴＣ素子とすることが可能な少なくとも１つのサーミスタ素子を備えており、当該サーミスタ素子は、少なくとも２つの接続領域を有している。略称であるＮＴＣサーミスタは、負温度係数サーミスタ（Negative Temperature Coefficient Thermistor）を表すものである。従って、このようなセンサ素子は、少なくとも特定の温度範囲内において、電気抵抗に負の温度係数を有したセンサ素子ということになる。また、略称であるＰＴＣサーミスタは、正温度係数サーミスタ（Positive Temperature Coefficient Thermistor）を表すものである。このようなセンサ素子は、少なくとも特定の温度範囲内において、電気抵抗に正の温度係数を有したセンサ素子ということになる。ＮＴＣ素子として形成されたサーミスタ素子について以下に述べる態様だけではなく、更なる態様として、ＮＴＣ素子をＰＴＣ素子に置き換えることも可能である。

高温用センサ素子は、高絶縁性を有するのが好ましいセラミックス基体と、少なくとも２つの導電線路とを備えた少なくとも１つの接続部材を備える。そして、ＮＴＣ素子の接続領域は、導電性ブリッジにより接続部材の導電線路に接続されている。絶縁性セラミックス基体は上面と下面とを有し、少なくとも２つの導電線路は、１つが下面に配設され、他の１つが上面に配設されている。導電性ブリッジは、サーミスタ素子の接続領域を接続部材の導電線路に電気的に接続する電線部材からなり、電線部材は、導電性焼結材により接続領域及び導電線路に固定され、サーミスタ素子は、耐熱性接続体を介し、接続部材に接続される。

別の態様として、接続部材は、パネル状または薄板状に形成されたセラミックス基体を備える。セラミックス基体を構成するセラミックスは、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分とするのが好ましい。接続部材は、スクリーン印刷によってセラミックス基体に形成された金属製の導電線路を更に備える。

一態様として、ＮＴＣ素子と、接続部材のＮＴＣ素子側の一部とは、周囲を取り囲む封止体によって密封されている。

一態様として、封止体はセラミックス及び／またはガラスからなる。
封止体の材料は、ＮＴＣ素子の電気的特性に影響を及ぼすものではないのが好ましい。

上述したセンサ素子の製造方法として、ＮＴＣ素子を耐熱性接続体によって接続部材に接続し、電線部材を、導電性焼結材により接続領域及び導電線路に固定して、サーミスタ素子の接続領域を導電線路に電気的に接続することにより、導電性ブリッジを形成し、ＮＴＣ素子と接続部材のＮＴＣ素子側の一部とを、周囲を取り囲む封止体によって密封する。

製造方法の一態様として、ＮＴＣ素子は、絶縁性の高耐熱型接着剤により、一時的に接続部材に固定される。
一時的に固定されたＮＴＣ素子は、次に、接続領域において、導電性ブリッジにより接続部材の導電線路に恒久的に接続される。

製造方法の別の態様として、ＮＴＣ素子と接続部材のＮＴＣ素子側の一部とは、ガラス管内に配設される。その後、ガラス管は、ガラス管がつぶれて封止体となるまで加熱される。
別の態様として、ＮＴＣ素子と接続部材のＮＴＣ素子側の一部とは、セラミックス材またはガラス材によって密封される。

高温用センサ素子のＮＴＣ素子は、当該ＮＴＣ素子の対向する２つの面に接続領域を備えた矩形の薄板状に形成されてもよい。ＮＴＣ素子への接続を行うため、高絶縁性のセラミックス基体を備えた接続部材が用いられる。接続部材は、セラミックス基体の対向する２つの面に導電線路を備えている。ＮＴＣ素子の接続領域、及びセラミックス基体における接続部材の導電線路は、銀、銀白金、金、及び白金のいずれかの化合物を用いて形成される。導電線路の材料は、ＮＴＣ素子の接続領域の材料と異なっていてもよい。金属化合物がスクリーン印刷によってセラミックス基体に塗布され、焼結されてセラミックス材となる。

接続部材のセラミックス基体は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分とするセラミックスで形成してもよい。ＮＴＣ素子と接続部材との接続は、接続部材の金属面と、ＮＴＣ素子の金属面とで行うのが好ましい。

一態様として、ＮＴＣ素子と接続部材との接続は、ＮＴＣ素子の上面及び下面において当該ＮＴＣ素子を接続部材と電気的且つ機械的に連結する、高温で安定的な金属製短絡電線部材を用いて行ってもよい。この金属製短絡電線部材とセラミックス材の金属面との接続は、導電性化合物を用いて行うようにしてもよい。この導電性化合物により、接続部材の金属面及びＮＴＣ素子の金属面と、これらの間にある金属電線とを接続するのが好ましい。導電性化合物は、焼結されることによって、金属製短絡電線部材と接続部材の金属面との電気的接続、及び金属製短絡電線部材とＮＴＣ素子の金属面との電気的接続を行うのが好ましい。

接続部材とＮＴＣ素子との間の接続における機械的安定性を向上させるため、ＮＴＣ素子と接続部材との間に、高温にて安定的な接着剤を塗布するようにしてもよい。このような接着剤は、例えば、酸化ジルコニウムまたは酸化アルミニウムを主成分とするものであってもよい。

接続部材とＮＴＣ素子との間の接続を支持するため、ＮＴＣ素子と接続部材のＮＴＣ素子側の一部とを、封止体で取り囲むようにしてもよい。このような封止体は、ガラスまたはセラミックスを主成分とする接着剤などの封止材を用いるのが好ましい。

一態様として、高温用センサ素子はガラスにより密封される。高温用センサ素子の頭部は、ガラス管内に配設することができる。ガラス管は潰れるまで加熱され、ＮＴＣ素子と接続部材のＮＴＣ素子側の一部とを包囲するガラス球が生成される。ガラス管は、溶融ガラスまたはガラス粉から製造することが可能である。

別の態様として、ガラススラリーを用いることも可能である。ＮＴＣ素子と接続部材のＮＴＣ素子側の一部とがガラススラリーに浸され、或いはガラススラリー中に封入成形される。そして、続く加熱工程により、固体のガラス製封止体が得られる。

別の態様として、ＮＴＣ素子と接続部材のＮＴＣ素子側の一部とは、セラミックス封止材中に浸され、或いはセラミックス系接着剤によって覆われる。そして、続く加熱処理により、硬い被覆を有した固体の封止体が得られる。

封止されたＮＴＣ素子は、外部環境温度におけるＮＴＣ素子の抵抗率やいわゆるＢ値などといった電気的特性が時間の経過に伴い大きく変動しないような極めて安定した温度特性を備えていなければならない。ＮＴＣ素子の導電面は、セラミックス基体に対する導電極めて安定した接着力を備えつつ、ＮＴＣ素子のセラミックス基体との電気的接続抵抗がさほど大きくないのが好ましい。ＮＴＣ素子の導電面は、封止体によって覆われている場合に、高温に対して安定的となる。

接続部材は、外部環境温度の上限領域において、十分に高い抵抗値を有するのが好ましい。

ＮＴＣ素子と接続部材とは、互いに並列に接続されているのが好ましい。感温ＮＴＣ素子の信号が不正確にならないようにするため、高温用センサ素子の構成部品の抵抗値は、最低温度と最高温度との間の温度範囲に適応したものとする必要がある。接続部材の抵抗値は、最低温度と最高温度との間の温度範囲において、ＮＴＣ素子の抵抗値より大きいのが好ましい。

接続部材の導電面は、空気中の酸素などによる酸化雰囲気において安定的であるのが好ましい。導電性ブリッジを形成するための導電性化合物の焼結の際、或いは高温用センサ素子の頭部を密封する際には、高温用センサ素子の頭部における最高温度より高い温度に達する可能性がある。

接続部材の導電面は、上述した処理によって生じうる悪影響に耐えるべく、高温において安定的であるのが好ましい。更に、接続部材の導電面は、接続部材のセラミックス基体に対して高い機械的安定性を有した接着力を備えているのが好ましい。

接続部材の導電面の抵抗は、対象温度領域の全域において、ＮＴＣ素子の抵抗値と同様に低い値を有するようにしてもよい。接続部材の熱膨張係数は、温度変化によるクラックの発生を防止するため、高温用センサ素子の封止体に応じて調整するのが好ましい。導電性ブリッジは、高温に対して安定的な被覆状態にあるのが好ましい。

封止体の材料がガラスの場合、高温に対して安定的であるのが好ましい。ガラスの変態温度は、高温用センサ素子の最大温度より高いのが好ましい。
また、封止体の熱膨張係数は、機械的な損傷を防止するため、ＮＴＣ素子の熱膨張係数及び高温用センサ素子の接続部材の熱膨張係数に応じて調整するのが好ましい。
感温ＮＴＣ素子の信号に対する影響をなくすため、封止体は、少なくともＴｍｉｎからＴｍａｘの温度範囲において、ＮＴＣ素子の抵抗値より大きい抵抗値を有するのが好ましい。

従来のセンサ素子とは異なり、上述した高温用センサ素子は、周囲温度の検出に高い感度を有するだけではなく、簡素で頑丈な構造を有している。その簡素な構成により、上述の高温用センサ素子は、他のセンサ素子と同様に、極めて安価に製造することが可能である。

ＮＴＣ素子及び接続部材の配置を示すべく、ＮＴＣ素子及び接続部材の基本的構成を示す斜視図である。 図１に示すＮＴＣ素子及び接続部材に電線部材が取り付けられた状態を示す斜視図である。 別の実施形態として電線部材が導電性化合物によって固定されたセンサ素子の斜視図である。 ＮＴＣ素子と接続部材のＮＴＣ素子側の一部とがガラス管内に配設されたセンサ素子を図３と同様に示す斜視図である。 図４のセンサ素子において、ガラス管が加熱されてガラス球を形成した状態を示す斜視図である。 別の実施形態として、ＮＴＣ素子と接続部材とが、導電性焼結材により互いに接続されたセンサ素子を示す斜視図である。

以下、添付図面に基づき、センサ素子の特徴について、更に詳細に説明する。

図１〜図６において、ＮＴＣ素子１はサーミスタ素子として示されている。以下に述べる実施形態の代替として、図１〜図６に示すＮＴＣ素子１に代えてＰＴＣ素子を用いることも可能である。

図１は、ＮＴＣ素子１と接続部材４との相対的な配置を示す斜視図である。図１に示すＮＴＣ素子１は直方体の形状を有する。別の実施形態として、ＮＴＣ素子１は薄板状などの様々な外形形状とすることが可能である。接続部材４は、棒状の直方体形状で示されている。接続部材４の形状も様々に変更可能である。ＮＴＣ素子１及び接続部材４の厚み及び幅は、互いに一致していなくてもよい。ＮＴＣ素子１と接続部材４との間には隙間を設けることが可能である。一実施形態として、ＮＴＣ素子１と接続部材４との間に隙間を設けなくてもよい。

別の実施形態として、ＮＴＣ素子１と接続部材４との間の隙間に高温で安定的な接着剤を充填し、ＮＴＣ素子１を接続部材４に結合するようにしてもよい。このような場合、接着剤がＮＴＣ素子１と接続部材４との間の隙間に位置することになる。ＮＴＣ素子１は、その上面及び下面に接続領域２及び３を有している。接続部材４は、セラミックス基体５と、当該セラミックス基体５の上面及び下面に形成された金属製の導電線路６及び７とを備える。

図２には、短絡電線部材１２及び１３が示されている。短絡電線部材１２及び１３は、ＮＴＣ素子１と接続部材４との間に導電性ブリッジを形成する。短絡電線部材１２及び１３は、ＮＴＣ素子１の接続領域２及び３、並びに接続部材４の金属製導電面となる導電線路６及び７に配設される。

図３には、ＮＴＣ素子１及び接続部材４への短絡電線部材１２及び１３の接続状態が示されている。図３に示す実施形態では、短絡電線部材１２及び１３と導電性化合物とを用いて接続が行われ、この導電性化合物は、ＮＴＣ素子１の金属面及び接続部材４の金属面において乾燥され焼結される。短絡電線部材１２及び１３並びに導電材料は、ＮＴＣ素子１と接続部材４との間に導電性ブリッジ８及び９を形成する。一実施形態として、短絡電線部材１２及び１３は、溶接またはボンディングによってＮＴＣ素子１及び接続部材４に固定するようにしてもよい。

図４は、ＮＴＣ素子１と接続部材４のＮＴＣ素子１側の部分１０とがガラス管１４内に配設されたセンサ素子の一実施形態を示す。ガラス管１４は、ＮＴＣ素子１と接続部材４のＮＴＣ素子１側の部分１０とを覆うように配設される。その後、ガラス管１４が加熱されて潰れることにより、図５に示すように、ＮＴＣ素子１と接続部材４のＮＴＣ素子１側の部分１０との周囲に封止体１１が形成される。

これに代わる実施形態として、ＮＴＣ素子１と接続部材４のＮＴＣ素子１側の部分１０とが、ガラススラリーに浸されるようにしてもよいし、ガラス中に封入成形されるようにしてもよい。その後の加熱処理により、ガラススラリーがＮＴＣ素子１と接続部材４のＮＴＣ素子１側の部分１０との周囲に固体の封止体１１を形成する。

これに代わる実施形態として、セラミックスを主成分とする封止材、またはセラミックス系接着剤を用いることも可能である。この場合、硬化処理の後に、セラミックスがセンサ素子の頭部の周囲に固体の封止体１１を形成する。

図６は、センサ素子の別の実施形態として、ＮＴＣ素子１の金属面と接続部材４の金属面との間の導電性ブリッジ８が導電性化合物によって設けられたセンサ素子を示すものであり、この場合、導電性化合物がＮＴＣ素子１の金属面と接続部材４の金属面とにおいて焼結される。

図１〜図６に示す実施形態は、高い温度の計測に好適に用いることができる。

Claims (10)

1. 少なくとも２つの接続領域を有し、ＮＴＣ素子またはＰＴＣ素子である少なくとも１つのサーミスタ素子と、
   絶縁性セラミックス基体、及び少なくとも２つの導電線路を有した接続部材とを備え、
   前記サーミスタ素子の前記少なくとも２つの接続領域は、導電性ブリッジにより前記接続部材の前記少なくとも２つの導電線路と接続されており、
   前記絶縁性セラミックス基体は上面と下面とを有し、
   前記少なくとも２つの導電線路は、１つが前記下面に配設され、他の１つが前記上面に配設されており、
   前記導電性ブリッジは、前記サーミスタ素子の前記接続領域を前記接続部材の前記導電線路に電気的に接続する電線部材からなり、
   前記電線部材は、導電性焼結材により前記接続領域及び前記導電線路に固定され、
   前記サーミスタ素子は、耐熱性接続体を介し、前記接続部材に接続される
   ことを特徴とする高温用センサ素子。
2. 前記サーミスタ素子と、前記接続部材の前記サーミスタ素子側の一部とは、封止体によって密封されていることを特徴とする請求項１に記載の高温用センサ素子。
3. 前記接続部材は、
   Ａｌ２Ｏ３を主成分としてパネル状または薄板状に形成されたセラミックス基体と、
   スクリーン印刷によって前記セラミックス基体に形成された導電線路と
   を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の高温用センサ素子。
4. 前記封止体は、セラミックス及び／またはガラスからなることを特徴とする請求項２に記載の高温用センサ素子。
5. 前記封止体は、前記サーミスタ素子の電気的特性に影響を及ぼすものではないことを特徴とする請求項２に記載の高温用センサ素子。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の高温用センサ素子の製造方法であって、
   前記耐熱性接続体を介し、前記サーミスタ素子を前記接続部材に接続する工程と、
   前記電線部材を、前記導電性焼結材により前記接続領域及び前記導電線路に固定して、前記サーミスタ素子の前記接続領域を前記導電線路に電気的に接続することにより、前記導電性ブリッジを形成する工程と、
   前記サーミスタ素子と、前記接続部材の前記サーミスタ素子側の一部とを封止体によって密封する工程と
   を備えることを特徴とする高温用センサ素子の製造方法。
7. 前記サーミスタ素子は、絶縁性の高温耐熱型接着剤により、一時的に前記接続部材に固定されることを特徴とする請求項６に記載の高温用センサ素子の製造方法。
8. 一時的に固定された前記サーミスタ素子は、前記接続領域において、導電性ブリッジにより前記接続部材に恒久的に接続されることを特徴とする請求項７に記載の高温用センサ素子の製造方法。
9. 前記サーミスタ素子と、前記接続部材の前記サーミスタ素子側の一部とは、ガラス管内に配設され、前記ガラス管を溶融して封止体を形成することを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の高温用センサ素子の製造方法。
10. 前記サーミスタ素子と、前記接続部材の前記サーミスタ素子側の一部とは、セラミックス材により密封されることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の高温用センサ素子の製造方法。

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