JP6821384B2 - 白金温度センサ素子 - Google Patents
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Description
本発明は、例えば吸気管を通過する吸入空気量を計測するエアフローセンサに用いる白金温度センサ素子に関する。
従来より、ガソリンエンジン等の内燃機関では、吸入した空気量に応じて燃料を噴射するため、吸気管内にエアフローセンサを設けて吸気量を測定している。また、最近では、ビル、工場等の空調設備における風量制御、環境設備における風速・風量制御等においてもエアフローセンサが使用されている。
エアフローセンサには、白金素子（白金熱線）に電流を流して自己発熱で温度上昇させ、その発熱部に空気が当たって熱が奪われ、熱線の抵抗が変化することを利用したホットタイプ（ホットワイヤー式ともいう。）と、空気の温度をそのまま測定するコールドタイプの２種類がある。いずれのタイプのセンサも気流中に配置され、その温度を正確に測定する必要があるため、素子抵抗値のばらつき、ＴＣＲ（抵抗温度係数）のばらつき、熱の逃げ方のばらつき、素子周囲の気流の乱れによるばらつき等を抑制する必要がある。
白金は、特性が安定しており抵抗温度特性に優れることから、耐熱性が要求される薄膜温度センサに使用されている。このような薄膜温度センサでは、電極部にリード線を溶接し、その溶接部に接続補強用の貴金属材を含む導電材やガラス等の絶縁材を塗布して接続強化を図っている。例えば特許文献１は、基板上のＡｕ−Ｐｔ電極膜とリード線との溶接部にＡｕ−Ｐｔ層を盛り、さらに硝子層で被覆することで、導電性と耐熱性を向上させた薄膜サーミスタを開示している。
特許文献２は、ガスセンサにおいて基板上にＡｕ−Ｐｔ合金からなる電極パッドを設け、温度変化に対するガスセンサの耐久性の向上と、電極パッドへのリードの接続強度を保持し、リードの接続強度をさらに高めるためにリードをパッドに接続した後、保護膜で被覆する技術を開示している。
上述した従来のサーミスタ等において、基板上の電極パッドとリード線との接続補強材としてガラスペースト材、あるいはガラスを含むペースト材を使用すると、ガラスの熱膨張差による圧縮・引張応力により溶接部にストレスがかかり、クラックが発生するという問題がある。ガラスはクラックが生じやすいことから、ガラスのみによる補強では溶接部の電気的な信頼性に欠け、逆に、そのような補強が損傷源となることも考えられる。
また、リード線と電極パッドとの接続部を補強ペーストで補強する際、リード線全体を補強ペースト材で覆うと、補強ペースト材の供給方法、使用するペースト材の粘度等に起因して、補強ペースト材とリード線との間、補強ペースト材と電極パッドとの間に隙間ができ、リード線と電極パッドとの十分な接合を確保できないという問題が生じる。すなわち、リード線全体を補強ペースト材で覆って、補強ペーストをリード線に完全に密着させると、ペースト材とリード線の収縮率の相違等からクラックが発生するおそれがある。
さらに、特許文献２では、保護膜の好ましい材質として、低温焼成が可能でパッド、リードと容易に結合できる金（Ａｕ）を例示しているが、Ａｕは材料として高価であり、センサ等のコストアップになるという問題がある。
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、白金温度センサ素子においてリード線と内部電極との接続強度を確保することである。
上記の目的を達成し、上述した課題を解決する一手段として以下の構成を備える。すなわち、本発明の白金温度センサ素子は、所定厚の絶縁材料からなる平面視矩形状の絶縁基板と、前記絶縁基板上に形成された白金抵抗膜からなるパターンと、前記絶縁基板の長手方向両端部に形成された一対の電極と、前記一対の電極それぞれに接合され外部に導出されたリード線と、前記絶縁基板の上面側において前記パターンと、前記一対の電極と、前記リード線のうち前記一対の電極との接合部位の上部とを覆う保護膜とを備え、前記リード線の周方向の頂上部またはその近傍より前記接合部位に至る該リード線の一方側面と、その一方側面と同一側の前記一対の電極の上面とを補強ペーストで被覆したことを特徴とする。
例えば、前記一対の電極それぞれに前記リード線を収容する凹部を形成したことを特徴とする。また、例えば、前記リード線の一方側面の複数箇所、あるいは前記リード線の一方側面と他方側面双方の複数箇所が前記補強ペーストにより被覆されていることを特徴とする。さらには、例えば、前記一対の電極、前記リード線の表面被覆材、および前記補強ペーストは共通する貴金属材料からなることを特徴とする。また、例えば、前記貴金属材料には少なくとも白金が含まれることを特徴とする。
本発明によれば、リード線と内部電極との接続部において熱応力負荷を軽減し、クラックの発生がない白金温度センサ素子を提供することができる。
以下、本発明に係る実施の形態例について添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態例に係る温度センサ素子の外観構造を示している。また、図２（ａ）は、図１の温度センサ素子をＸ方向（水平方向）から見たときの構造を示す断面図であり、図２（ｂ）はＹ方向（垂直方向）から見たときの構造を示す断面図である。
図１に示すように本実施の形態例に係る温度センサ素子１０は、素子本体部１２と、その素子本体部１２の長手方向の両端部から導出されるリード線１５ａ，１５ｂを備える。温度センサ素子１０は、その全体形状が四角柱状（角柱棒状）であって外部表面に凹凸がなく、素子の長手方向と直交する切断面の形状（垂直断面形状、あるいは横断面形状ともいう。）は、素子の長手方向のどの位置においてもほぼ正方形である。
図２（ａ），（ｂ）に示すように温度センサ素子１０において、所定の厚さを有し平面視矩形の基板２１の上面両端部に内部電極（電極パッド）２５ａ，２５ｂが形成され、これらの内部電極２５ａと内部電極２５ｂとの間に、所定パターンからなる抵抗被膜２３が形成されている。また、内部電極２５ａ，２５ｂにはリード線１５ａ，１５ｂの端部が溶接等により接続されている。
基板２１の上面側において、内部電極２５ａ，２５ｂ、抵抗被膜２３、およびリード線１５ａ，１５ｂのうち内部電極２５ａ，２５ｂに接続された部位の上部を覆うように保護膜２７が形成され、さらに、その保護膜２７全体を覆う表層保護膜２９が形成されている。
温度センサ素子１０の寸法は、長さＬ（基板２１の長手方向の長さ）が例えば２ｍｍ、高さＨ（長手方向の中央部における高さ）が例えば０．６ｍｍ、幅Ｗ（基板２１の幅でもある。）が例えば０．４ｍｍである。基板２１は、例えば厚さが０．３ｍｍ程度の電気絶縁性のセラミック基板、アルミナ基板（Ａｌ2Ｏ3）等からなる。
基板２１上に形成される抵抗被膜２３は、白金（Ｐｔ）からなる薄膜抵抗膜（白金抵抗膜パターン）である。リード線１５ａ，１５ｂは、例えば径が０．１５ｍｍで、ニッケル芯線の白金被覆線である。内部電極２５ａ，２５ｂは、例えば白金等を含有する電極ペーストを用いて印刷される。また、保護膜２７と表層保護膜２９（以降において、これらを保護膜２７，２９とも表記する。）は、線膨張係数が小さい、例えば耐熱ガラスからなる。
保護膜２７，２９の縦断面形状は、図２（ａ）に示すように素子の長手方向の中央部で最も厚く、両端部に向かうにつれてわずかに減少する形状となっている。具体的には、中央部における保護膜２７，２９の厚さａが例えば０．３５ｍｍ、リード線１５ａ，１５ｂに接続された部位の上部における厚さが、例えば１３０〜１８０μｍである。
このように温度センサ素子１０は、リード線１５ａ，１５ｂのうち内部電極２５ａ，２５ｂに接続された部位の上部も保護膜によって一定の厚さを持たせたことで、センサ素子全体が四角柱形状（角柱棒状）となり、上述したように素子の長手方向に垂直な断面の形状が長手方向のどの部位においてもほぼ正方形となる。また、リード線１５ａ，１５ｂの上部に保護膜２７，２９を設けることで、リード線の基板への固定効果を得ることができる。
本実施の形態例に係る温度センサ素子１０は、白金熱線を使用した自己発熱タイプの素子であり、図２（ｂ）に示すように抵抗被膜２３の中央部は、通電した際に自己発熱するミアンダ形状のパターンからなる発熱部２３ａとなっている。この発熱部２３ａは、平面視したとき基板２１の長手方向と幅方向（短手方向）のほぼ中央部に位置しており、基板２１と保護膜２７，２９との間にあることから、温度センサ素子１０の厚さ方向においてもほぼ中央部に位置する。
このように温度センサ素子１０の発熱部２３ａが、抵抗膜パターンのほぼ中央部であって、センサ素子の高さ方向および幅方向のほぼ中央部に位置するので、温度センサ素子の中央付近が発熱ポイントとなる。すなわち、センサ素子の中央部に発熱構造を設けることで発熱の片寄りがなくなり、リード線１５ａ，１５ｂへの熱逃げが一定となって安定化するので、熱逃げに対する調整を最小に抑えることができる（調整幅が小さくて済む）という利点がある。
なお、自己発熱タイプの温度センサ素子において発熱ポイントが素子の中央付近から外れた位置にあると、リード線への熱逃げに変化が生じて一定とならないため、発熱部の加熱に必要な電流も変化する。そして、このような発生熱の乱れ、熱逃げ等によるエアフロー測定値の変動対策（例えば、測定回路の調整等）が必要となる。
次に、本実施の形態例に係る温度センサ素子におけるリード線と電極パッドとの接続構造について説明する。図３（ａ）は、図２（ａ），（ｂ）において点線の丸印Ａで示す部分の斜視図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すセンサ素子を矢視Ｂ−Ｂ´線に沿って切断した断面図である。なお、図３（ａ），（ｂ）においてリード線の上部に形成された保護膜の図示を省略する。
本実施の形態例に係る温度センサ素子では、内部電極２５ａに溶接接続されたリード線１５ａの全体を補強ペーストによって被覆せず、図２および図３に示すようにリード線１５ａの一方側面（片側面部）３３と、内部電極２５ａの上面のうち、そのリード線の一方側面と同一側にある上面とを補強ペースト３１ａで覆う。補強ペースト３１ａは、例えばガラスを含有する白金ペーストからなる。
すなわち、リード線１５ａと内部電極２５ａとの接続部分を平面視した場合、図２（ｂ）に示すように補強ペースト３１ａにより、リード線１５ａの一方側面側と、そのリード線１５ａを中心とする内部電極２５ａの上面片側とを覆い、リード線１５ａの他方の側面側および内部電極２５ａの他方側の上面を補強ペーストで覆わない構成とする。
このように、リード線１５ａの一方側面側３３と内部電極２５ａの上面片側のみを補強ペースト３１ａで被覆するのは、当該被覆工程の後にリード線の上部に形成する保護膜（ガラス補強膜）の固着強度を得て、その保護膜と内部電極とで全体的な強度をとるためである。したがって、補強ペーストにより内部電極を大きく覆うことは、内部電極のうち補強ペーストで覆われていない部分の面積を大きく確保する観点からは望ましくない。
上記のようにリード線１５ａの一方側面側を補強ペーストで被覆する際、例えば、図３（ｂ）の矢印Ｃで示すように斜め上方より、ディスペンサ等を使用して補強ペースト３１ａを充填する。このとき補強ペースト３１ａを、リード線１５ａが内部電極２５ａに溶接接続された箇所である溶接ポイントに位置を合わせて充填する。そして、充填した補強ペーストを、例えば温度８００〜８５０℃で焼成する。
こうすることで、内部電極２５ａとリード線１５ａ間に気泡、空隙のない状態で補強ペースト３１ａを充填、密着させることができ、内部電極２５ａとリード線１５ａとの十分な接合強度および導電性を確保できる。
なお、内部電極２５ａには、例えば電極の印刷工程において凹状の溝（窪み）３５が形成されている。内部電極２５ｂも同様である。これにより、リード線１５ａを基板２１の幅方向の中心に保持することができるとともに、リード線１５ａを内部電極２５ａに溶接する際の位置ズレを防止できる。凹状の溝３５の深さは、溶接されたリード線１５ａの下部における内部電極２５ａの厚さを十分確保できる深さとする。
以上説明したように本実施の形態例に係る温度センサ素子は、内部電極上に溶接接続されたリード線をペーストによって補強する際、内部電極上のリード線全体を補強ペーストによって被覆せず、リード線の一方側面（片側面部）と、その一方側面と同一側にある内部電極の上面とを補強ペーストで被覆し、リード線の他方側面および内部電極の他方側の上面を補強ペーストで覆わない構造にする。
このように、補強ペーストによってリード線の全面周囲を被覆しない構成としたことで、温度センサ素子において発熱部の加熱、冷却等による熱応力負荷（ストレス）を低減し、溶接部分等におけるクラックの発生原因を除去できる。その結果、内部電極とリード線との十分な接合強度を確保するとともに、内部電極とリード線間の導電性を補強できる。
本発明は上記の実施の形態例に限定されず、種々の変形が可能である。
＜変形例１＞
上記の実施の形態例に係る温度センサ素子では、図２および図３に示すように、リード線１５ａの一方側面側３３における補強ペースト３１ａによる被覆領域が、そのリード線１５ａの頂上部近傍に達しているが、被覆する領域はこれに限定されない。例えば、図４に示すようにリード線１５ａの一方側面側における補強ペースト４１で覆われる領域を、そのリード線の頂上部（図中、符号Ｓで示す）に至らないように縮小して、その補強ペースト４１により内部電極２５ａとリード線１５ａとを接合してもよい。こうすることで、補強ペーストの充填量を抑制し、最少量の補強ペーストで内部電極とリード線との接合強度を確保できる。
＜変形例１＞
上記の実施の形態例に係る温度センサ素子では、図２および図３に示すように、リード線１５ａの一方側面側３３における補強ペースト３１ａによる被覆領域が、そのリード線１５ａの頂上部近傍に達しているが、被覆する領域はこれに限定されない。例えば、図４に示すようにリード線１５ａの一方側面側における補強ペースト４１で覆われる領域を、そのリード線の頂上部（図中、符号Ｓで示す）に至らないように縮小して、その補強ペースト４１により内部電極２５ａとリード線１５ａとを接合してもよい。こうすることで、補強ペーストの充填量を抑制し、最少量の補強ペーストで内部電極とリード線との接合強度を確保できる。
＜変形例２＞
リード線に対する補強ペーストによる補強箇所について、図２および図３に示す例では各リード線に対して１箇所としたが、これに限定されない。個々の補強ペーストがリード線の一方側面側と内部電極の片側上面とを覆う構成をとる限り、リード線の一方側面側の２箇所に補強箇所を設けてもよい。例えば、図５（ａ）に示すように２箇所に形成した補強ペースト４３，４５で、リード線１５ａの一方側面側と内部電極２５ａの片側上面とを覆う構成としてもよい。
リード線に対する補強ペーストによる補強箇所について、図２および図３に示す例では各リード線に対して１箇所としたが、これに限定されない。個々の補強ペーストがリード線の一方側面側と内部電極の片側上面とを覆う構成をとる限り、リード線の一方側面側の２箇所に補強箇所を設けてもよい。例えば、図５（ａ）に示すように２箇所に形成した補強ペースト４３，４５で、リード線１５ａの一方側面側と内部電極２５ａの片側上面とを覆う構成としてもよい。
あるいは、図５（ｂ）に示すように、リード線１５ａの一方側面側において、その一方側面側と内部電極２５ａの一方の片側上面とを覆う補強ペースト４７による補強箇所を１つ設け、リード線１５ａの他方側面側において、その他方側面側と内部電極２５ａの他方の片側上面とを覆う補強ペースト４９による補強箇所を１つ設け、計２箇所で補強する構成としてもよい。
図５（ａ），（ｂ）のいずれの場合も、例えば、リード線１５ａが内部電極２５ａに溶接接続された溶接ポイント（図中、符号Ｐで示す）を外した位置に補強ペーストを充填して補強箇所とする。これにより、リード線１５ａと内部電極２５ａとが複数個所で接合、補強されることになる。
１０ 温度センサ素子
１２ 素子本体部
１５ａ，１５ｂ リード線
２１ 基板
２３ 抵抗被膜
２３ａ 発熱部
２５ａ，２５ｂ 内部電極
２７ 保護膜
２９ 表層保護膜
３１ａ，４３，４５ 補強ペースト
３３ リード線の一方側面（片側面部）
３５ 凹状の溝
１２ 素子本体部
１５ａ，１５ｂ リード線
２１ 基板
２３ 抵抗被膜
２３ａ 発熱部
２５ａ，２５ｂ 内部電極
２７ 保護膜
２９ 表層保護膜
３１ａ，４３，４５ 補強ペースト
３３ リード線の一方側面（片側面部）
３５ 凹状の溝
Claims (5)
- 所定厚の絶縁材料からなる平面視矩形状の絶縁基板と、
前記絶縁基板上に形成された白金抵抗膜からなるパターンと、
前記絶縁基板の長手方向両端部に形成された一対の電極と、
前記一対の電極それぞれに接合され外部に導出されたリード線と、
前記絶縁基板の上面側において前記パターンと、前記一対の電極と、前記リード線のうち前記一対の電極との接合部位の上部とを覆う保護膜と、
を備え、
前記リード線の周方向の頂上部またはその近傍より前記接合部位に至る該リード線の一方側面と、その一方側面と同一側の前記一対の電極の上面とを補強ペーストで被覆したことを特徴とする白金温度センサ素子。 - 前記一対の電極それぞれに前記リード線を収容する凹部を形成したことを特徴とする請求項１に記載の白金温度センサ素子。
- 前記リード線の一方側面の複数箇所、あるいは前記リード線の一方側面と他方側面双方の複数箇所が前記補強ペーストにより被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の白金温度センサ素子。
- 前記一対の電極、前記リード線の表面被覆材、および前記補強ペーストは共通する貴金属材料からなることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の白金温度センサ素子。
- 前記貴金属材料には少なくとも白金が含まれることを特徴とする請求項４に記載の白金温度センサ素子。
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