JP6497133B2

JP6497133B2 - 温度センサ

Info

Publication number: JP6497133B2
Application number: JP2015041162A
Authority: JP
Inventors: 敬治白田; 中村　賢蔵; 賢蔵中村; 長友　憲昭; 憲昭長友
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2015-03-03
Filing date: 2015-03-03
Publication date: 2019-04-10
Anticipated expiration: 2035-03-03
Also published as: JP6497133B6; JP2016161434A

Description

本発明は、測定対象物への取り付けが容易で、応答時間や取り付けた後の熱放散定数のばらつきが少ない温度センサに関する。

従来、温度センサとして、チップ状やフレーク状のサーミスタ素子にリード線を取り付けて、リード線の接続部と共にサーミスタ素子を樹脂モールドし、この部分を圧着や接着等で圧着端子に取り付けたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
この温度センサでは、いわゆるＲ端子である圧着端子にネジ止め取り付けが可能な円環部が設けられているので、この部分にネジを挿通させた状態で測定対象物の雌ネジ部等に螺着させることで、温度センサを測定対象物に容易にネジ止めすることができる。また、この温度センサは、集熱面が金属のため、熱応答が速くなる特徴を有している。

特開２０１２−１４１１６４号公報（図１０）

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
樹脂モールドしたサーミスタ素子を圧着端子に取り付けた上記従来の温度センサは、測定対象物に強固に取り付けることができるメリットがあり、実用上十分な応答性等のサーミスタ特性が得られているが、近年、より高精度の温度センサが要望されてきている。例えば、上記従来の温度センサでは、樹脂モールドしたサーミスタ素子を圧着端子に取り付けた際にサーミスタ素子の位置にずれが生じる場合がある。この場合、応答時間や取り付けた後の熱放散定数に多少のばらつきが生じるため、高い精度で位置決めができ、よりばらつきの少ない特性を有したものが要求されている。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、測定対象物への取り付けが容易で、応答時間や取り付けた後の熱放散定数のばらつきが少ない温度センサを提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係る温度センサは、感熱素子部と、前記感熱素子部に一端が接続された一対のリード線と、基端側に一対の前記リード線の一端側を固定するかしめ部を有すると共に先端側に測定対象物にネジで固定可能なネジ取り付け部を有した圧着端子とを備え、前記感熱素子部が、絶縁性フィルムと、前記絶縁性フィルムの表面に設けられサーミスタ材料で形成されたサーミスタ部と、前記サーミスタ部に形成された一対の電極と、一端が前記一対の電極に接続されていると共に前記絶縁性フィルムの表面にパターン形成された一対のパターン電極とを備え、前記一対のリード線が、前記一対のパターン電極の他端に接続され、前記感熱素子部が、前記圧着端子上の前記かしめ部より先端側に設置され、前記サーミスタ部が、前記ネジ取り付け部を避けて配されていると共に、前記絶縁性フィルムが、前記ネジ取り付け部まで延在し、前記絶縁性フィルムの少なくとも前記ネジ取り付け部上の部分に金属膜が形成されていることを特徴とする。

この温度センサでは、感熱素子部が、圧着端子上のかしめ部より先端側に設置され、サーミスタ部が、ネジ取り付け部を避けて配されていると共に、絶縁性フィルムが、ネジ取り付け部まで延在しているので、測定対象物にネジ取り付け部をネジ止めして取り付けた際に、絶縁性フィルムも同時に共締めされることで、測定対象物からの熱をネジ取り付け部と絶縁性フィルムとの両方でサーミスタ部へ伝えることができる。したがって、高い応答性が得られると共に、ネジ止めによって感熱素子部も位置決めされるため、位置ずれが生じ難く、応答時間や取り付け後の熱放散定数のばらつきを低減することができる。

また、この温度センサでは、絶縁性フィルムの少なくともネジ取り付け部上の部分に金属膜が形成されているので、熱伝導性の高い金属膜により測定対象物及びネジ取り付け部からの熱をより効果的に絶縁性フィルムへ伝えることが可能になる。
また、第２の発明に係る温度センサは、第１の発明において、前記サーミスタ部が、前記絶縁性フィルムの表面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部であり、前記一対の電極が、前記薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極であることを特徴とする。

第３の発明に係る温度センサは、第１又は第２の発明において、前記ネジ取り付け部が、ネジ取付孔を有し、前記絶縁性フィルムが、前記ネジ取付孔上に前記ネジ取付孔と略同じ径の貫通孔を有していることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、ネジ取り付け部が、ネジ取付孔を有し（いわゆる丸形のＲ端子形状）、絶縁性フィルムが、ネジ取付孔上にネジ取付孔と略同じ径の貫通孔を有しているので、互いに重なって連通したネジ取付孔と貫通孔とにネジを挿通させて測定対象物にネジ止めすることで、感熱素子部と圧着端子との両方を容易に固定することができる。

第４の発明に係る温度センサは、第１又は第２の発明において、前記ネジ取り付け部が、二股形状を有し、前記絶縁性フィルムが、前記ネジ取り付け部と同じ二股形状とされていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、ネジ取り付け部が、二股形状を有し（いわゆる先開形のＹ端子形状）、絶縁性フィルムが、ネジ取り付け部と同じ二股形状とされているので、互いに同じ二股形状とされたネジ取り付け部と絶縁性フィルムとを重ねた状態で、二股形状の間にネジを挿通させて測定対象物にネジ止めすることで、感熱素子部と圧着端子との両方を容易に固定することができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る温度センサによれば、感熱素子部が、圧着端子上のかしめ部より先端側に設置され、サーミスタ部が、ネジ取り付け部を避けて配されていると共に、絶縁性フィルムが、ネジ取り付け部まで延在しているので、測定対象物にネジ取り付け部をネジ止めして取り付けることで、高い応答性が得られると共に、位置ずれが生じ難く、応答時間や取り付け後の熱放散定数のばらつきを低減することができる。
したがって、本発明の温度センサは、測定対象物に強固に取り付ける必要がある装置等において、正確な応答時間が必要とされる制御系に用いる温度センサとして好適である。例えば、コイル温度をモニタし、過電流制御を行っているモータや、インバータリアクトルに使用する温度センサとして適している。

本発明に係る温度センサの第１実施形態を示す下面図である。第１実施形態において、絶縁性フィルム側を測定対象物に向けて温度センサを取り付ける際の正面から見た説明図である。第１実施形態において、ネジ取り付け部側を測定対象物に向けて温度センサを取り付ける際の正面から見た説明図である。本発明に係る温度センサの第２実施形態を示す下面図である。本発明に係る温度センサの第３実施形態において、ネジ取り付け部側を測定対象物に向けて温度センサを取り付ける際の正面から見た説明図である。本発明に係る温度センサの第４実施形態において、感熱素子部を示す平面図である。第４実施形態において、温度センサを示す下面図である。第４実施形態において、絶縁性フィルム側を測定対象物に向けて温度センサを取り付ける際の正面から見た説明図である。

以下、本発明に係る温度センサの第１実施形態を、図１から図３を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している。

本実施形態の温度センサ１は、図１から図３に示すように、感熱素子部２と、感熱素子部２に一端が接続された一対のリード線３と、基端側に一対のリード線３の一端側を固定するかしめ部４ａを有すると共に先端側に測定対象物９にネジＳで固定可能なネジ取り付け部４ｂを有した圧着端子４とを備えている。

上記感熱素子部２は、絶縁性フィルム５と、絶縁性フィルム５の表面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部（サーミスタ部）６と、薄膜サーミスタ部６の上に複数の櫛部７ａを有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極７（電極）と、一端が一対の櫛型電極７に接続されていると共に絶縁性フィルム５の表面にパターン形成された一対のパターン電極８とを備えている。

上記一対のリード線３は、一対のパターン電極８の他端に接続されている。すなわち、一対のリード線３は、芯線３ａを有する絶縁被覆電線であり、先端の芯線３ａが一対のパターン電極８の他端に半田材、溶接又は導電性接着剤で接合され接続されている。
上記感熱素子部２は、圧着端子４上のかしめ部４ａより先端側に設置され、薄膜サーミスタ部６は、ネジ取り付け部４ｂを避けて配されていると共に、絶縁性フィルム５が、ネジ取り付け部４ｂまで延在している。

上記ネジ取り付け部４ｂは、ネジ取付孔４ｃを有し、絶縁性フィルム５は、ネジ取付孔４ｃ上にネジ取付孔４ｃと略同じ径の貫通孔５ａを有している。すなわち、圧着端子４は、いわゆる丸形端子（Ｒ端子、リングターミナル）であり、絶縁性フィルム５は、ネジ取り付け部４ｂと同じ形状とされている。
また、絶縁性フィルム５の少なくともネジ取り付け部４ｂ上の部分には、Ａｕ膜等の金属膜５ｂが形成されている。この金属膜５ｂは、薄膜サーミスタ部６やパターン電極８の部分を避けて少なくとも貫通孔５ａの周囲にパターン形成されている。

上記絶縁性フィルム５は、例えば厚さ７．５〜１２５μｍのポリイミド樹脂シートで形成されている。
また、一対のパターン電極８の他端は、薄膜サーミスタ部６の両側にそれぞれ配されている。さらに、薄膜サーミスタ部６は、絶縁性フィルム５の基端側に配されている。
上記一対のパターン電極８及び櫛型電極７は、例えばＮｉＣｒ膜とＰｔ膜との積層金属膜でパターン形成されている。

上記薄膜サーミスタ部６は、例えば膜厚１００〜１０００ｎｍのＴｉＡｌＮ等の窒化物からなる薄膜サーミスタ材料で、矩形状にパターン形成されている。
特に、本実施形態の薄膜サーミスタ部６は、一般式：Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相である。

また、本実施形態の温度センサ１は、絶縁性フィルム５の上面に薄膜サーミスタ部６を覆う保護膜１０を備えている。この保護膜１０は、絶縁性樹脂膜等であり、例えば厚さ２０μｍのポリイミド膜が採用される。この保護膜１０は、薄膜サーミスタ部６と共に櫛部７ａを覆って矩形状にパターン形成されている。

なお、絶縁性フィルム５の表面に絶縁性の保護シート（図示略）を接着しても構わない。この保護シートは、ポリイミドフィルムやテフロン（登録商標）フィルム等であり、リード線３の接続部分を除いて絶縁性フィルム５表面に接着剤で接着される。
さらに、絶縁性フィルム５上には、封止樹脂部１１が、薄膜サーミスタ部６、櫛型電極７、パターン電極８、保護膜１０及び芯線３ａを覆って部分的に形成され、この封止樹脂部１１が、圧着端子４まで回り込んで圧着端子４と絶縁性フィルム５とを固定している。

本実施形態の温度センサ１を作製する場合、まず感熱素子部２を圧着端子４の所定位置（かしめ部４ａより先端側）に仮置きした後、一対のリード線３の絶縁被覆部分をかしめ部４ａでかしめて固定する。なお、上記仮置きの方法として、スポット溶接、接着剤及び両面テープ等による接着、粘着等を用いても構わない。次に、仮置きした感熱素子部２の薄膜サーミスタ部６、櫛型電極７及びパターン電極８を覆うように適切な樹脂（エポキシ、シリコーンゴム等）をポッティングすることで封止樹脂部１１を形成し、感熱素子部２と圧着端子４とを密着状態に固定する。

なお、上記保護シートを貼り付けることで、上記封止樹脂部１１を省いても構わない。また、仮置きでは無く、絶縁性フィルム５と圧着端子４とを接着剤や両面テープ等で接着することで、感熱素子部２と圧着端子４とを固定しても構わない。

この温度センサ１は、絶縁性フィルム５側を測定対象物９に向けて取り付ける場合、図２に示すように、ネジ取付孔４ｃ及び貫通孔５ａにネジＳを挿通させると共に測定対象物９に形成された雌ネジ部９ａに螺着させることで、圧着端子４と感熱素子部２とを共締めして温度センサ１を測定対象物９に取り付けることができる。この取り付け方法では、測定対象物９に直接、感熱素子部２の絶縁性フィルム５が接触するため、より応答性に優れている。

また、温度センサ１は、ネジ取り付け部４ｂ側を測定対象物９に向けて取り付ける場合、図３に示すように、絶縁性フィルム５とネジＳとの間に滑りの良いワッシャＷを配することで、ネジ締結時に絶縁性フィルム５に直接トルクが加わらず、絶縁性フィルム５の破損を防止することができる。

なお、封止樹脂部１１がない温度センサ１のネジ取り付け部４ｂ側を測定対象物９に向けて温度センサ１を取り付ける場合、絶縁体の測定対象物９であれば、そのまま取り付けることができるが、導体の測定対象物９である場合、芯線３ａと測定対象物９との間に絶縁シートを挟んで取り付ける必要がある。

このように本実施形態の温度センサ１では、感熱素子部２が、圧着端子４上のかしめ部４ａより先端側に設置され、薄膜サーミスタ部６が、ネジ取り付け部４ｂを避けて配されていると共に、絶縁性フィルム５が、ネジ取り付け部４ｂまで延在しているので、測定対象物９にネジ取り付け部４ｂをネジ止めして取り付けた際に、絶縁性フィルム５も同時に共締めされることで、測定対象物９からの熱をネジ取り付け部４ｂと絶縁性フィルム５との両方で薄膜サーミスタ部６へ伝えることができる。したがって、高い応答性が得られると共に、ネジ止めによって感熱素子部２も位置決めされるため、位置ずれが生じ難く、応答時間や取り付け後の熱放散定数のばらつきを低減することができる。

また、絶縁性フィルム５の少なくともネジ取り付け部４ｂ上の部分に金属膜５ｂが形成されているので、熱伝導性の高い金属膜５ｂにより測定対象物９及びネジ取り付け部４ｂからの熱をより効果的に絶縁性フィルム５へ伝えることが可能になる。
さらに、ネジ取り付け部４ｂが、ネジ取付孔４ｃを有し、絶縁性フィルム５が、ネジ取付孔４ｃ上にネジ取付孔４ｃと略同じ径の貫通孔５ａを有しているので、互いに重なって連通したネジ取付孔４ｃと貫通孔５ａとにネジＳを挿通させて測定対象物９にネジ止めすることで、感熱素子部２と圧着端子４との両方を容易に固定することができる。

次に、本発明に係る温度センサの第２から第４実施形態について、図４から図８を参照して以下に説明する。なお、以下の各実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、ネジ取付孔４ｃを有した丸形のＲ端子である圧着端子４であり、絶縁性フィルム５に貫通孔５ａが形成されているのに対し、第２実施形態の温度センサ２１では、図４に示すように、ネジ取り付け部２４ｂが、二股形状を有し、絶縁性フィルム２５が、ネジ取り付け部２４ｂと同じ二股形状とされている点である。

すなわち、第２実施形態では、圧着端子２４が、いわゆる先開形のＹ端子形状であり、ネジ取り付け部２４ｂがかしめ部４ａから先端側に向けて２つに分岐して延在した形状を有していると共に、絶縁性フィルム２５も同様に２つに延在した形状とされている。
第２実施形態では、二股のネジ取り付け部２４ｂとネジ取り付け部２４ｂ上に重なって配されている絶縁性フィルム２５の部分とを挟んでネジによって測定対象物に共締めすることで、温度センサ２１を測定対象物に固定することができる。

このように第２実施形態の温度センサ２１では、ネジ取り付け部２４ｂが、二股形状を有し、絶縁性フィルム２５が、ネジ取り付け部２４ｂと同じ二股形状とされているので、互いに同じ二股形状とされたネジ取り付け部２４ｂと絶縁性フィルム２５とを重ねた状態で、二股形状の間にネジを挿通させて測定対象物にネジ止めすることで、感熱素子部２２と圧着端子２４との両方を容易に固定することができる。

次に、第３実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、封止樹脂部１１で感熱素子部２が覆われ、リード線３の芯線３ａが側面から回り込んで接続されているのに対し、第３実施形態の温度センサ３１では、図５に示すように、封止樹脂部１１を用いないと共に、かしめ部４ａを感熱素子部２側（絶縁性フィルム５側）に設けてリード線３の芯線３ａを側面からの回り込み無しで接続している点である。

したがって、第３実施形態では、測定対象物９側にかしめ部４ａや封止樹脂部１１が無いため、測定対象物９に圧着端子４の下面全体を密着させて固定させることが可能になる。したがって、第３実施形態の温度センサ３１では、測定対象物９との接触面積が大きくなり、さらに高精度な測定が可能になる。

次に、第４実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、リード線３の芯線３ａが側面から回り込んで接続されているのに対し、第４実施形態の温度センサ４１では、図６から図８に示すように、絶縁性フィルム４５の基端部に両側に突出した一対の矩形状突部４５ｂが設けられ、これら矩形状突部４５ｂが圧電端子４の上面側に折り返されることで、パターン電極４８と芯線３ａとが圧電端子４の上面側で接続されている点である。

すなわち、第４実施形態の感熱素子部４２は、耳状に両側部に形成された一対の矩形状突部４５ｂを有する絶縁性フィルム４５と、これら矩形状突部４５ｂまで延在した一対のパターン電極４８とを備えている。一対のパターン電極４８は、一対の矩形状突部４５ｂ上に形成された一対の電極パッド部４８ａを有しており、一対の矩形状突部４５ｂが折り返された状態で、これら電極パッド部４８ａに芯線３ａが接続されている。

したがって、第４実施形態の温度センサ４１では、測定対象物９の反対側（圧電端子４の上面側）で芯線３ａをパターン電極４８に接続しているので、測定対象物９上に設置する際に芯線３ａが邪魔にならず、薄膜サーミスタ部６をより測定対象物９に近づけることができる。なお、本実施形態では、樹脂封止部１１を設けているが、薄膜サーミスタ部６を測定対象物９にさらに近接させるために、樹脂封止部１１を削除しても構わない。

上記第１実施形態に基づいて作製した本発明の実施例（絶縁性フィルム側を測定対象物に向けて固定した場合）について、応答性を測定した結果、樹脂封止されたサーミスタ素子に単に圧着端子を取り付けた従来品が２２〜３２秒であったのに対し、本発明の実施例では、２６〜２８秒とばらつきが１／５に減少した。また、取り付けた後の熱放散定数は、比較的熱容量の大きな測定対象物に取り付けた場合、ばらつきは従来品と本発明の実施例とで同程度であったが、熱容量の小さな測定対象物に取り付けた場合は、従来品が１ｍＷ／℃のばらつきであったのに対し、本発明の実施例では０．３ｍＷ／℃のばらつきとなり、ばらつきが低減された。

なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記各実施形態では、Ｒ端子又はＹ端子の圧着端子及びこれらに対応した形状の絶縁性フィルムとしたが、ネジ止め可能なネジ取り付け部であれば他の形状のネジ取り付け部及び絶縁性フィルムの形状としても構わない。

１，２１，３１，４１…温度センサ、２，２２，４２…感熱素子部、３…リード線、４，２４…圧着端子、４ａ…かしめ部、４ｂ，２４ｂ…ネジ取り付け部、４ｃ…ネジ取付孔、５，２５，４５…絶縁性フィルム、５ａ…貫通孔、５ｂ…金属膜、６…薄膜サーミスタ部（サーミスタ部）、７…櫛型電極（電極）、７ａ…櫛部、８，４８…パターン電極

Claims

感熱素子部と、
前記感熱素子部に一端が接続された一対のリード線と、
基端側に一対の前記リード線の一端側を固定するかしめ部を有すると共に先端側に測定対象物にネジで固定可能なネジ取り付け部を有した圧着端子とを備え、
前記感熱素子部が、絶縁性フィルムと、前記絶縁性フィルムの表面に設けられサーミスタ材料で形成されたサーミスタ部と、前記サーミスタ部に形成された一対の電極と、一端が前記一対の電極に接続されていると共に前記絶縁性フィルムの表面にパターン形成された一対のパターン電極とを備え、
前記一対のリード線が、前記一対のパターン電極の他端に接続され、
前記感熱素子部が、前記圧着端子上の前記かしめ部より先端側に設置され、
前記サーミスタ部が、前記ネジ取り付け部を避けて配されていると共に、前記絶縁性フィルムが、前記ネジ取り付け部まで延在し、
前記絶縁性フィルムの少なくとも前記ネジ取り付け部上の部分に金属膜が形成されていることを特徴とする温度センサ。
請求項１に記載の温度センサにおいて、
前記サーミスタ部が、前記絶縁性フィルムの表面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部であり、
前記一対の電極が、前記薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極であることを特徴とする温度センサ。
請求項１又は２に記載の温度センサにおいて、
前記ネジ取り付け部が、ネジ取付孔を有し、
前記絶縁性フィルムが、前記ネジ取付孔上に前記ネジ取付孔と略同じ径の貫通孔を有していることを特徴とする温度センサ。
請求項１又は２に記載の温度センサにおいて、
前記ネジ取り付け部が、二股形状を有し、
前記絶縁性フィルムが、前記ネジ取り付け部と同じ二股形状とされていることを特徴とする温度センサ。