JP6405074B2 - 温度センサ及び温度センサを備えた装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートサイクルに対する耐久性が良好な温度センサ及びこの温度センサを備えた装置に関する。

例えば、エアコン、冷蔵庫、給湯器等の家電機器、自動車等の車載機器の温度を検知するために感温焼結体を感温素子としたサーミスタの温度センサが用いられている。このような温度センサは、使用環境の温度変化が常に生じ、厳しい温度環境下で用いられるため、ヒートサイクルに対する耐久性が要求されている。

そこで、従来、温度センサにおいて、耐ヒートサイクル性をはじめ、耐水性や熱応答性を向上するものが提案されている。具体的には、有底パイプ状の保護ケース内に、感温焼結体の表面に配置された電極を介して接続されたリード線を配置し、保護ケース内における感温焼結体の周囲に充填樹脂を充填した構成である。この構成において、ヒートサイクルに対して充填樹脂が保護ケースから剥離して、感温焼結体とともに保護ケースから抜け出してしまうという不具合を防止するものである。

実開平５−７５６２９号公報 実開平６−３７７２９号公報 特許第５５３０３１３号公報 実用新案登録第２５６６６１３号公報 特開２００３−２４０６４２号公報

しかしながら、上記従来の温度センサにおいては、充填樹脂とともに感温焼結体が保護ケースから抜け出してしまうという不具合を防止する着目は存在するものの、ヒートサイクルに対する感温焼結体の特性、つまり、抵抗値の変化については着目されていない。

本発明は、感温焼結体が充填樹脂とともに保護ケースから抜け出してしまうという不具合を防止するばかりではなく、感温焼結体の特性の変化を抑制して信頼性を確保できる温度センサ及びこの温度センサを備えた装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の温度センサは、線膨張係数が７．５〜１９．５×１０^−６／℃の保護ケースと、前記保護ケース内に配置された感温焼結体と、前記感温焼結体に接続され、断面積が０．０９７ｍｍ^２以下のリード線と、前記保護ケース内における前記感温焼結体の周囲に充填された線膨張係数が７．５〜１９．５×１０^−６／℃の充填樹脂と、を具備し、
前記保護ケースの材質は樹脂であることを特徴とする。

請求項２に記載の温度センサは、請求項１に記載の温度センサにおいて、前記保護ケースの材質は、樹脂であり、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、液晶ポリマー、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）又はＰＥＩ（ポリエーテルイミド）であることを特徴とする。

請求項３に記載の温度センサは、請求項１又は請求項２に記載の温度センサに記載の温度センサにおいて、前記保護ケースの材質は、樹脂であり、熱伝導を良くするフィラーを含有していることを特徴とする。

通常の樹脂ケースでは、温度センサの熱時定数が遅くなる欠点があるが熱伝導を良くするフィラーを入れた樹脂を用いることにより、時定数を速くすることができる。

請求項４に記載の温度センサは、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の温度センサにおいて、前記保護ケースに金属のめっきが施されていることを特徴とする。
金属めっきを施すことで耐水及び耐油性が向上する。

請求項５に記載の温度センサは、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の温度センサにおいて、前記リード線は、銅(Ｃｕ)、鉄（Ｆｅ）、クロム(Ｃｒ)、ニッケル（Ｎｉ）、アルミ（Ａｌ）、亜鉛(Ｚｎ)、チタン（Ｔｉ）又はこれらの少なくとも１種を含む合金であることを特徴とする。
リード線の形態は、単線、角線、撚り線等の任意のものが適用可能である。

請求項６に記載の温度センサは、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の温度センサにおいて、前記充填樹脂は、フィラーを含む酸無水物系のエポキシ樹脂であることを特徴とする。
フィラーとしては、例えば、熱伝導性が良好なセラミック、金属及びカーボン等を用いることができる。

請求項７に記載の温度センサは、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の温度センサにおいて、前記リード線が撚り線であり、絶縁被覆された電線の芯線として構成されることを特徴とする。
請求項８に記載の温度センサは、請求項７に記載の温度センサにおいて、前記絶縁被覆が２重被覆の電線として構成されることを特徴とする。
２重被覆線にすることで電線の芯線が細くても実用上十分な絶縁性及び引っ張り強度を得ることができる。
請求項９に記載の温度センサを備えた装置は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載された温度センサが備えられていることを特徴とする。

温度センサを備えた装置は、エアコン、冷蔵庫、給湯器等の家電機器、自動車等の車載機器など各種温度検出のために温度センサが備えられた各種装置が該当する。格別温度センサが適用される装置が限定されるものではない。

本発明の実施形態によれば、感温焼結体が保護ケースから充填樹脂とともに抜け出してしまうという不具合を防止することができるとともに、感温焼結体の特性の変化を抑制して信頼性を確保できる温度センサ及びこの温度センサを備えた装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る実施例１の温度センサを示す断面図である。 同実施例２の温度センサを示す断面図である。 同実施例３の温度センサを示す断面図である。 同実施例４の温度センサを示す断面図である。 同温度センサについて、ヒートサイクル試験を行った評価結果を示す表である。

以下、本発明の実施形態に係る温度センサについて図１乃至図５を参照して説明する。図１、図２、図３及び図４は、実施例１乃至実施例４の温度センサを示す断面図であり、図５は、ヒートサイクル試験を行った評価結果を示す表である。なお、各図において、同一又は相当部分には、同一符号を付し重複する説明を省略する。
（実施例１）

図１に示すように、温度センサ１は、感温性能をもつサーミスタであり、保護ケース２と、サーミスタ焼結体の感温焼結体３と、リード線４と、封止材５と、充填樹脂６とを備えている。リード線４が接続され、封止材５によって封止された感温焼結体３が、保護ケース２内に配置され、その周囲に充填樹脂６が充填されて構成されている。

保護ケース２は、樹脂又は金属材料で形成されており、一端側が開口した有底パイプ状であり、円筒状や四角筒状に形成されている。一般的には円筒形で外径が６〜８ｍｍで長さ寸法が２０〜３０ｍｍのものが選定される。

保護ケース２の材質が樹脂の場合には、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、液晶ポリマー、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）及びＰＥＩ（ポリエーテルイミド）等の高耐熱樹脂を用いるのが好ましい。これにより１５０℃の耐熱性を確保できる。また、保護ケース２の材質が金属の場合には、銅(Ｃｕ)、鉄（Ｆｅ）、クロム(Ｃｒ)、ニッケル（Ｎｉ）、アルミ（Ａｌ）、亜鉛(Ｚｎ)、チタン（Ｔｉ）又はこれらの少なくとも１種を含む合金を用いることができる。

さらに、保護ケース２の材質が樹脂の場合には、この樹脂の保護ケース２に前記のような金属、すなわち、銅(Ｃｕ)、鉄（Ｆｅ）、クロム(Ｃｒ)、ニッケル（Ｎｉ）、アルミ（Ａｌ）、亜鉛(Ｚｎ)、チタン（Ｔｉ）又はこれらの少なくとも１種を含む合金のめっきを施すのが望ましい。また、樹脂の保護ケース２に熱伝導性が良好なセラミック、金属及びカーボン等のフィラーを混合分散させるようにしてもよい。このようにフィラーを混合分散させていない場合の熱時定数15.1秒が、混合分散した樹脂を用いることで11.5秒となり、約３０%の応答性の改善効果が得られる。
また、樹脂ケースに対して金属めっきを施すことにより、温度センサ１の、耐水性及び耐油性を向上することができる。

感温焼結体３は、略直方体形状に形成されていて、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、イットリウム(Ｙ)、クロム(Ｃｒ)、銅(Ｃｕ)、亜鉛(Ｚｎ)等の遷移金属元素の中から選ばれる２種あるいはそれ以上の元素から構成され、結晶構造を有する複合金属酸化物を主成分として含む酸化物のサーミスタ材料で構成される。また、特性向上等のために副成分が含有されていてもよい。主成分、副成分の組成及び含有量は、所望の特性に応じて適宜決定することができる。

また、感温焼結体３は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等の珪素（Ｓｉ）系セラミクスから構成されていてもよい。さらに、感温焼結体３の形状は、略直方体形状に限らず、円盤状や多角形の形状等、適宜選択することができる。

リード線４は、導電性を有し、感温焼結体３の表面に形成された金、銀、銅及び白金等の電極に溶着又ははんだ付け等によって電気的に接続され、保護ケース２の一端側の開口から導出されるようになっている。このリード線４は、電線８の各芯線８１に半田付け等で電気的に接続され絶縁被覆８２することによって絶縁されている。

このリード線４の材料には、ジュメットや４２アロイが好適に用いられる。リード線４の材料としては、銅(Ｃｕ)、鉄（Ｆｅ）、クロム(Ｃｒ)、ニッケル（Ｎｉ）、アルミ（Ａｌ）、亜鉛(Ｚｎ)、チタン（Ｔｉ）又はこれらの少なくとも１種を含む合金を用いることができる。リード線４の長さ寸法は、通常は５〜１５ｍｍである。保護ケース２の大きさを勘案して選定される。

封止材５は、感温焼結体３を被覆して保護するものであり、耐熱温度の高いエポキシ樹脂等の絶縁樹脂が用いられる。これにより感温焼結体３等は、高温の環境下で使用される場合にも効果的に保護することができる。

充填樹脂６は、保護ケース２内であって、感温焼結体３の周囲に充填されている。具体的には、充填樹脂６は、酸無水物系のエポキシ樹脂であり、感温焼結体３を被覆している封止材５やリード線４の感温焼結体３への接続部側を含めて、その周囲に充填されている。
なお、充填樹脂６には、熱伝導性が良好なセラミック、金属及びカーボン等のフィラーを含ませるようにしてもよい。
（実施例２）

図２に示すように、本実施例の温度センサ１は、実施例１の構成と基本的な構成は同じである。感温焼結体３を被覆して保護する封止材５は、結晶化ガラス等が用いられている。これにより、高温の環境下で温度センサ１が使用される場合にも感温焼結体３等を効果的に保護することができる。
（実施例３）

図３に示すように、本実施例の温度センサ１は、実施例１の構成と基本的な構成は同じであるが、感温焼結体３の周囲にディップ樹脂７を設けてリード線４及び電気的に接続された各芯線８１間の絶縁を確保した構造である。このディップ樹脂７は、リード線４が接続された感温焼結体３を、絶縁性の樹脂中にディッピングすることにより設けられる。
（実施例４）

図４に示すように、本実施例の温度センサ１は、実施例１の構成と基本的な構成は同じであるが、感温焼結体３の周囲にディップ樹脂７を設けてリード線４及び電気的に接続された各芯線８１間の絶縁を確保した構造である。このディップ樹脂７は、リード線４が接続された感温焼結体３を、絶縁性の樹脂中にディッピングすることにより設けられる。さらに電線８を２重絶縁被覆８３して２重被覆電線として芯線が細くても実用上の絶縁及び引っ張り強度を得る構成である。

次に、基本的に上記のように構成された温度センサ１において、図５を参照してヒートサイクル試験を行った評価結果について説明する。ヒートサイクル試験は、−３０℃と１５０℃を３０分ごとに繰り返し変化させて行ったものである。

図５に示すように試料は、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９までの９種類を用意した。各試料においては、構成要素の材質や線膨張率を示している。構成要素としては、感温焼結体、リード線、封止材、充填樹脂及び保護ケースが挙げられる。

例えば、試料Ｎｏ．１は、「感温焼結体」が金属酸化物のセラミクスであり、線膨張係数が１０×１０^−６／℃、「リード線」がジュメットの丸線であり、直径が０．２ｍｍ、線膨張係数が９×１０^−６／℃、「封止部材」がガラスであり、線膨張係数が８．８×１０^−６／℃、「充填樹脂」がエポキシ樹脂で硬質性であり、線膨張係数が１３×１０^−６／℃、「保護ケース」が銅製であり、線膨張係数が１６．８×１０^−６／℃である。

また、試料Ｎｏ．３は、「感温焼結体」が金属酸化物のセラミクスであり、線膨張係数が１０×１０^−６／℃、「リード線」がジュメットの丸線であり、直径が０．２ｍｍ、線膨張係数が９×１０^−６／℃、「封止部材」がガラスであり、線膨張係数が８．８×１０^−６／℃、「充填樹脂」がエポキシ樹脂で硬質性であり、線膨張係数が１３×１０^−６／℃、「保護ケース」がガラスフィラー入りのＰＰＳであり、線膨張係数が１１．０×１０^−６／℃である。一般的なＰＰＳの線膨張率が４０×１０^−６／℃に対して極めて小さいものを選定している。

さらに、試料Ｎｏ．６は、「感温焼結体」が金属酸化物のセラミクスであり、線膨張係数が１０×１０^−６／℃、「リード線」が４２アロイの四角線であり、寸法が０．２５×０．３５ｍｍ、線膨張係数が５×１０^−６／℃、「封止部材」がエポキシ樹脂であり、線膨張係数が４０×１０^−６／℃、「充填樹脂」がエポキシ樹脂で硬質性であり、線膨張係数が１３×１０^−６／℃、「保護ケース」が銅製であり、線膨張係数が１６．８×１０^−６／℃である。他の試料についても上記と同様に、構成要素の材質や線膨張率を示している。

このような試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９についてヒートサイクル試験を行った結果を図５中の右側の欄に示している。具体的には、サイクル数が１００サイクル、１０００サイクル、５０００サイクル、１００００サイクル、２００００サイクルにおけるサーミスタの基準抵抗値からの抵抗値変化ΔＲ（％）の測定及び外観観察を行った。

まず、外観観察において、試料Ｎｏ．２では５０００サイクルで保護ケースの割れが生じている。試料Ｎｏ．８では１００サイクルで保護ケースからサーミスタが充填樹脂とともに抜け出してしまう現象が生じている。また、同様に、試料Ｎｏ．９では１０００サイクルで保護ケースからサーミスタが充填樹脂とともに抜け出してしまう現象が生じている。
これらの不具合は、主として充填樹脂と保護ケースとの線膨張係数の差が大きいことに起因していると考えられる。
したがって、試料Ｎｏ．２、試料Ｎｏ．８及び試料Ｎｏ．９の構成では、ヒートサイクルに対する耐久性が悪いという結果となっている。

次に、抵抗値変化ΔＲ（％）をみてみると、１００サイクルでは、各試料ともに±０.０１（％）であり変化はみられない。１０００サイクルでは、試料Ｎｏ．６-1（図５には示していない別試料）が＋４．２（％）であり他の試料に比較し、桁違いの変化率を示している。また、試料Ｎｏ．８は１００００サイクルにおいて＋２．３（％）で大きな変化率を示している。このような大きな変化率を示すのは、感温焼結体に損傷が生じているものと推測される。

したがって、外観観察及び抵抗値変化ΔＲ（％）を充足し、ヒートサイクルに対する耐久性が良好なのは、試料Ｎｏ．１、試料Ｎｏ．３及び試料Ｎｏ．６であることが分る。

これら試料の構成要素の条件に基づいて、現実的に適切な条件を整理すると、感温焼結体の線膨張係数は４．５〜１２×１０^−６／℃、リード線の断面積は０．０９７ｍｍ^２以下、充填樹脂の線膨張係数は７．５〜１９．５×１０^−６／℃、保護ケースの線膨張係数は７．５〜１９．５×１０^−６／℃となる。なお、これらの線膨張係数の範囲は、感温焼結体の線膨張係数をベースとして考慮している。

また、抵抗値変化ΔＲ（％）については、リード線の断面積が大きく関係していると考えられる。試料にみられるように、リード線において、直径０．２ｍｍの丸線の場合（試料Ｎｏ．１乃至Ｎｏ．５）は、断面積は約０．０３１４ｍｍ^２、直径０．７ｍｍの丸線の場合（試料Ｎｏ．６-1）は、断面積は約０．３８４７ｍｍ^２である。

形状が０．２５×０．３５ｍｍの四角線の場合（試料Ｎｏ．６）は、断面積は約０．０８７５ｍｍ^２、一辺０．５ｍｍの四角線の場合（試料Ｎｏ．７乃至Ｎｏ．９）は、断面積は約０．２５ｍｍ^２である。

リード線の断面積が大きくなると、抵抗値変化ΔＲ（％）が大きくなる傾向がみられ、試料Ｎｏ．６-1では抵抗値変化ΔＲ（％）が１０００サイクルで大きく変化している。試料Ｎｏ．６では抵抗値変化ΔＲ（％）が５０００サイクル、１００００サイクルで大きく変化している。

したがって、リード線の断面積が小さく０．０９７ｍｍ^２以下であれば、抵抗値変化ΔＲ（％）を小さく抑えることが可能であることが分る。これは、リード線が太く断面積が大きいと、感温焼結体にかかる力が大きくなることに起因すると推察される。加えて、リード線が細く断面積が小さくなることで、リード線からの放熱が少なくなり、正確な温度検知が可能となる。なお、リード線の断面積は、リード線を複数本用いる場合には、その複数本の合計の断面積で把握することができる。
また、上記適切な条件に基づいて、保護ケースの材質と充填樹脂の線膨張率との関係について、好ましい範囲を考察してみた。

試料Ｎｏ．４及び試料Ｎｏ．５のように保護ケースがアルミニウムの場合には、その線膨張係数は２３×１０^−６／℃、である。この場合では抵抗値変化ΔＲ（％）が１００００サイクルで大きく変化している。この結果から、保護ケースの線膨張係数は２０×１０^−６／℃以下が望ましい。アルミ二ウムのような熱膨張が大きな保護ケースを用いると、感温焼結体に圧縮応力が印可され感温焼結体の破壊が進行すると推察される。

一方、充填樹脂に着目すると、もっとも抵抗値変化ΔＲ（％）の変化が小さい試料Ｎｏ．１、試料Ｎｏ．３及び試料Ｎｏ．６に使用している充填樹脂の線膨張係数は１３×１０^−６／℃であった。

以上の結果と感温焼結体の線膨張係数４．５〜１２×１０^−６／℃の範囲を勘案して、保護ケースと充填樹脂の線膨張係数を１３×１０^−６／℃の±５０％の７．５〜１９．５×１０^−６／℃の範囲とした。

また、従来、充填樹脂の線膨張率を３０×１０^−６／℃以下にすれば、耐ヒートサイクル性に優れた温度センサを提供することができるとされている（特許文献１参照）。しかしながら、−３０℃〜１５０℃の温度範囲のサイクル試験では、線膨張率が２７×１０^−６／℃の試料Ｎｏ．４では抵抗値の変化が大きく、抵抗値異常が生じてしまう。
さらに、試料Ｎｏ．５にみられるように、アルミケースの線膨張率が２３×１０^−６／℃でも抵抗値異常が生じている。

以上説明してきたように本実施形態によれば、感温焼結体３が保護ケース２から充填樹脂６とともに抜け出してしまうという不具合を防止することができるとともに、感温焼結体３の特性の変化を抑制して信頼性を確保できる温度センサ１を提供することができる。

また、上記温度センサ１は、エアコン、冷蔵庫、給湯器等の家電機器、自動車等の車載機器の温度を検知するために各種装置に備えられ適用することができる。格別適用される装置が限定されるものではない。

なお、本発明は、上記実施形態の構成に限定されることなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。また、上記実施形態は、一例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１・・・温度センサ
２・・・保護ケース
３・・・感温焼結体
４・・・リード線
５・・・封止材
６・・・充填樹脂
７・・・ディップ樹脂
８・・・電線
８１・・・芯線
８２・・・絶縁被覆
８３・・・２重絶縁被覆

Claims (9)

1. 線膨張係数が７．５〜１９．５×１０^−６／℃の保護ケースと、
   前記保護ケース内に配置された感温焼結体と、
   前記感温焼結体に接続され、断面積が０．０９７ｍｍ^２以下のリード線と、
   前記保護ケース内における前記感温焼結体の周囲に充填された線膨張係数が７．５〜１９．５×１０^−６／℃の充填樹脂と、を具備し、
   前記保護ケースの材質は樹脂であることを特徴とする温度センサ。
2. 前記保護ケースの材質は、樹脂であり、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、液晶ポリマー、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）又はＰＥＩ（ポリエーテルイミド）であることを特徴とする請求項１に記載の温度センサ。
3. 前記保護ケースの材質は、樹脂であり、熱伝導を良くするフィラーを含有していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の温度センサ。
4. 前記保護ケースに金属のめっきが施されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の温度センサ。
5. 前記リード線は、銅(Ｃｕ)、鉄（Ｆｅ）、クロム(Ｃｒ)、ニッケル（Ｎｉ）、アルミ（Ａｌ）、亜鉛(Ｚｎ)、チタン（Ｔｉ）又はこれらの少なくとも１種を含む合金であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の温度センサ。
6. 前記充填樹脂は、フィラーを含む酸無水物系のエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の温度センサ。
7. 前記リード線が撚り線であり、絶縁被覆された電線の芯線として構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の温度センサ。
8. 前記絶縁被覆が２重被覆の電線として構成されることを特徴とする請求項７に記載の温度センサ。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載された温度センサが備えられていることを特徴とする温度センサを備えた装置。

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