JP7083114B2 - 温度センサモジュール及びその製造方法 - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 （１）組込み総合技術展＆ＩｏＴ総合技術展 ＥＴ＆ＩｏＴ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２０１９での公開，令和１年１１月２０日～２２日

本発明は、測定対象物の温度を測定して出力する温度センサモジュールと、その製造方法とに関する。

温度センサは、サーミスタや測温抵抗体や熱電対を用いるものが一般的であったが、近年は、ＩＣ温度センサ（例えば、特許文献１を参照。）が用いられることも多くなってきている。ＩＣ温度センサは、小型で熱質量が小さく、応答時間が短いという利点を有している。

ＩＣ温度センサは、測定対象物の熱を検知する熱検知体と、熱検知体が検知した熱を測定対象物の温度に比例した電気信号に変換する温度センサ素子を実装した基板とを備えている。この種のＩＣ温度センサにおいて、基板は、カバーによって覆われて保護されていることが多い（例えば、特許文献２を参照。）。

特開２００５－１８０９７６号公報 特開２０１８－０１９４４６号公報

ところが、従来のＩＣ温度センサは、ＩＣ回路を用いるものであったため、基板がカバーで覆われたものであっても、堅牢性や防水性や耐腐食性に問題があるものが多かった。このため、従来のＩＣ温度センサは、過酷な環境では使用しにくいという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するために為されたものであり、堅牢性、防水性及び耐腐食性に優れ、過酷な環境での使用にも適した温度センサモジュールを提供するものである。また、この温度センサモジュールの製造方法を提供することも本発明の目的である。

上記課題は、
測定対象物に接触させることによって測定対象物の熱を検知する熱検知体と、
熱検知体が検知した熱を測定対象物の温度に対応した電気信号に変換する温度センサ素子と、
温度センサ素子が実装された基板と、
一端部を基板に接続され、温度センサ素子が生成した電気信号を他端部から出力する出力ケーブルと、
熱検知体、温度センサ素子及び基板の外側を覆うカバーと
を備えた温度センサモジュールであって、
カバーが、熱検知体、温度センサ素子及び基板に対して密着状態で一体化された硬化性材料からなる
ことを特徴とする温度センサモジュール
を提供することによって解決される。

ここで、「硬化性材料」とは、流動状態（軟化状態）から硬化状態へと変化する材料のことをいう。硬化性材料としては、加熱すると軟化して冷却すると硬化するもの（熱可塑性樹脂や熱可塑性エラストマー等）や、逆に加熱すると硬化するもの（熱硬化性樹脂や熱硬化性エラストマー等）や、空気中の水分と反応して硬化するもの（縮合反応型のシリコーン樹脂等）や、水分が蒸発することで硬化するもの（エポキシ樹脂系エマルション等）や、化学反応により硬化するもの（エポキシ樹脂系エマルションや紫外線硬化樹脂等）等が例示される。

本発明の温度センサモジュールのように、カバーを、熱検知体、温度センサ素子及び基板に対して密着状態で一体化された硬化性材料からなるものとすることによって、熱検知体や、温度センサ素子や、基板がカバーの内部でぐらつかないように固定するだけでなく、温度センサモジュールの剛性を高めることもできる。このため、温度センサモジュールの堅牢性を高めることができる。また、温度センサ素子等の部品をしっかりと封止した状態とすることもできる。したがって、温度センサモジュールの防水性や耐腐食性を高めることもできる。

本発明の温度センサモジュールは、その製造方法を特に限定されるものではないが、
出力ケーブルの一端部を基板に接続した状態で、熱検知体、温度センサ素子及び基板を金型内に配置する部品配置工程と、
熱検知体、温度センサ素子及び基板が配置された金型内に、流動状態の硬化性材料を注入して硬化させる硬化性材料成形工程と
を経ることによって、
硬化後の前記硬化性材料が、熱検知体、温度センサ素子及び基板に対して密着状態で一体化されたカバーとなるようにすることが好ましい。

これにより、本発明の温度センサモジュールを容易且つ低コストで製造することが可能になる。加えて、出力ケーブルと基板との接続部分を、硬化した硬化性材料で保護及び補強された状態とすることができる。したがって、温度センサモジュールの堅牢性や、防水性や、耐腐食性をさらに高めるだけでなく、出力ケーブルと基板との接触不良が生じにくくすることも可能になる。

本発明の温度センサモジュールを上記のように製造する場合には、
部品配置工程において、熱検知体を、基板に対してはんだ付けされた状態で金型内に配置し、
硬化性材料成形工程において、前記硬化性材料を、前記はんだによる部品間の接合に損傷を与えない温度で金型内に注入する
ことが好ましい。これにより、熱検知体と基板とを熱的に良好に接触させながら、基板に対して熱検知体を強固に固定することが可能になる。加えて、はんだによる部品間の接合が損傷を受けないようにすることも可能になる。

また、硬化性材料成形工程においては、前記硬化性材料を１００ＭＰａ以下の圧力で金型内に流し込むことが好ましい。というのも、前記硬化性材料を、既存の射出成形機で金型内に注入すると、前記硬化性材料から受ける圧力（射出圧）によって、温度センサ素子等が破損したり、出力ケーブルが断線したり金型から飛び抜けたりする等、金型内の部品が損傷するおそれがあるところ、前記硬化性材料を低圧で金型に流し込んで成形することで、金型内の部品が高い圧力を受けないようにすることが可能になるからである。

既に述べたように、前記硬化性材料としては、各種の材料を用いることができるが、これらの硬化性材料の多く（例えば熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂等）は、高温の状態で金型内に注入される。このように、高温状態の硬化性材料を金型内に注入すると、硬化性材料の熱によって金型内の部品（温度センサ素子や基板等）が損傷するおそれがある。このため、硬化性材料成形工程は、温度センサ素子の表面、及び／又は、基板と出力ケーブルとを接続した部分の表面に、断熱シールを施した状態で行うことが好ましい。これにより、金型内の部品が熱による損傷を受けにくくすることが可能になるからである。

さらにまた、硬化性材料成形工程においては、熱検知体が配置された側とは逆側から、前記硬化性材料を金型内に注入することが好ましい。というのも、熱検知体が配置された側から硬化性材料を注入すると、その硬化性樹脂からの圧力によって、基板が、熱検知体が配置されていない側に押されて金型の中心側に移動し、基板に固定された熱検知体も、金型の中心側に移動して、熱検知体の先端部（熱検知体における、カバーの外面から露出した状態に設けられる端部）が、カバーの内側に入り込んでしまうおそれがあるところ、熱検知体が配置された側とは逆側からから硬化性樹脂を注入することで、その不具合が生じないようにすることが可能になるからである。

硬化性材料成形工程を行う際の金型の内面と基板の表面との隙間は、特に限定されないが、この隙間を狭くしすぎると、金型内に注入した硬化性材料がその隙間に入り込みにくくなり、金型内の全体に硬化性材料が行きわたらなくなるおそれがある。このため、硬化性材料成形工程を行う際の金型の内面と基板の表面との隙間（当該隙間が一様でない場合には、その最小値。以下同じ。）は、０．５ｍｍ以上とすることが好ましい。

以上のように、本発明によって、堅牢性、防水性及び耐腐食性に優れ、過酷な環境での使用にも適した温度センサモジュールを提供することが可能になる。また、この温度センサモジュールの製造方法を提供することも可能になる。

本発明の温度センサモジュールで測定対象物の温度を測定している様子を示した図であって、温度センサモジュール等を左右方向に垂直な平面で切断した状態を示した断面図である。 本発明の温度センサモジュールを上方から見た状態を示した平面図である。 本発明の温度センサモジュールを前後方向に垂直な平面で切断した状態を示した断面図である。 本発明の温度センサモジュールにおけるカバーを形成している様子を示した図であって、部品配置工程を終えたときの温度センサモジュール及び金型を左右方向に垂直な平面で切断した状態を示した断面図である。 本発明の温度センサモジュールにおけるカバーを形成している様子を示した図であって、硬化性材料成形工程を終えたときの温度センサモジュール及び金型を左右方向に垂直な平面で切断した状態を示した断面図である。

１．温度センサモジュールの概要
本発明の温度センサモジュールについて、図面を用いてより具体的に説明する。ただし、以下で述べる構成は、飽くまで好適な実施態様について説明したものである。本発明の温度センサモジュールの技術的範囲は、以下で述べる構成に限定されない。本発明の趣旨を損なわない限り、本発明の温度センサモジュールには、適宜変更を施すことができる。

図１は、本発明の温度センサモジュール１で測定対象物２の温度を測定している様子を示した図である。この図１では、温度センサモジュール１等を左右方向に垂直な平面（後掲する図２のＹ_１－Ｙ_１平面に相当する平面）で切断した断面図の状態で示している。図２は、本発明の温度センサモジュール１を上方から見た状態を示した平面図である。この図２では、温度センサモジュール１の内部を透視した状態で示しており、温度センサモジュール１のカバー５０は、二点鎖線で表わしている。加えて、図２では、基板３０上に施される各パターンのうち、熱伝導を目的としたパターン（後述する熱伝導パターン３４）のみを表わしており、電気信号の遣り取りを目的としたパターン（後述する信号出力用導電パターン）の図示を省略している。図３は、本発明の温度センサモジュール１を前後方向に垂直な平面（図２のＸ_１－Ｘ_１平面に相当する平面）で切断した状態を示した断面図である。

図１～３や、他の図面（後掲する図４及び図５）には、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸からなる座標系を示している。各図に示した座標系の向きは、異なる図面であっても共通としている。以下においては、ｘ軸方向を「左右」方向と呼び、ｘ軸方向正側を「左」側と呼び、ｘ軸方向負側を「右」側と呼ぶことがある。また、ｙ軸方向を「前後」方向と呼び、ｙ軸方向正側を「後」側と呼び、ｙ軸方向負側を「前」側と呼ぶことがある。さらに、ｚ軸方向を「上下」方向と呼び、ｚ軸方向正側を「上」側と呼び、ｚ軸方向負側を「下」側と呼ぶことがある。しかし、これら方向を表わす語は、説明の便宜のために用いたものであり、本発明の温度センサモジュール１を使用する向き等を限定するものではない。

本発明の温度センサモジュール１は、図１に示すように、測定対象物２に接触させることによって、測定対象物２の温度を測定するものとなっている。本発明の温度センサモジュール１は、熱検知体１０と、温度センサ素子２０と、基板３０と、出力ケーブル４０と、カバー５０とを備えている。この温度センサモジュール１は、その測定ヘッド部（カバー５０で覆われた部分）を測定対象物２に宛がい、熱検知体１０の基端面（図１の下端面）を測定対象物２に接触させることによって、測定対象物２の温度を測定するものとなっている。

熱検知体１０が測定対象物２に接触すると、測定対象物２の熱が熱検知体１０を通じて温度センサ素子２０の感熱部２１に伝わる。温度センサ素子２０は、感熱部２１で感知した熱を測定対象物２の温度に対応した電気信号に変換し、出力ケーブル４０へと出力する。この出力ケーブル４０には、通常、図示省略の外部機器３（温度測定ユニット等）が接続される。測定対象物２の温度は、外部機器３に設けられた温度出力部（液晶表示部や７セグ表示部等。図示省略。）を確認することによって把握することができる。測定対象物２の温度は、外部機器３等に設けた通信手段（無線通信装置等。図示省略。）によって、遠隔地にあるコンピュータ等に送信することもできる。外部機器３やそこから先の構成は、温度測定のアプリケーション等に応じて適宜決定される。

従来の温度センサモジュールでは、本発明の温度センサモジュール１におけるカバー５０に相当する部分（以下、従来の温度センサモジュールにおいても「カバー」と称する。）が、略一定の厚さを有する板状部分によって形成されており、カバーの内面と、カバーの内側に収容される内部部品（温度センサ素子や基板等）との間に、空間（隙間）が存在するようになっていた。換言すると、従来の温度センサモジュールにおけるカバーは、中空な構造を有していた。

このため、従来の温度センサモジュールでは、カバーに衝撃が加わると、カバーの内側の部品（内部部品）が互いにぐらつきやすく、内部部品が破損等するおそれがあった。また、従来の温度センサモジュールでは、カバーが薄く、カバー自体の強度が低いため、カバーが割れるおそれもあった。さらに、カバーの外面に水や薬品が掛かったときには、その水や薬品がカバーの内側に進入し、内部部品の故障や腐食を招くおそれもあった。このように、従来の温度センサモジュールは、堅牢性や防水性や耐腐食性に難があり、過酷な環境では使用しにくいものとなっていた。

これに対し、本発明の温度センサモジュール１では、図１及び図３に示すように、カバー５０が、内部部品（熱検知体１０や、温度センサ素子２０や、基板３０等）に対して密着状態で一体化された硬化性材料５１によって形成されている。カバー５０の内面と内部部品１０，２０，３０の外面との間には、空間（隙間）が存在していない。すなわち、従来の温度センサモジュールでは存在していたカバー内の空間（隙間）が、カバー５０を形成する硬化性材料５１によって埋まった状態となっている。

このため、本発明の温度センサモジュール１では、内部部品１０，２０，３０が、互いにしっかりと位置決めされて、互いにぐらつかないように固定されている。加えて、カバー５０が厚く、カバー５０自体の剛性が高くなっている。したがって、カバー５０が容易に割れないようになっている。よって、内部部品１０，２０，３０を破損等から保護することができるようになっている。また、カバー５０の外面に掛かった水や薬品等が、カバー５０の内側における内部部品１０，２０，３０のある場所まで到達しにくくなっている。以上の理由により、本発明の温度センサモジュール１は、堅牢性や防水性や耐腐食性に優れ、過酷な環境で使用することも可能なものとなっている。

２．本発明の温度センサモジュールの製造方法
続いて、本発明の温度センサモジュール１の製造方法について説明する。本発明の温度センサモジュール１の製造方法は、特に限定されない。しかし、本発明の温度センサモジュール１を構成する各部材のうち、カバー５０は、上述したように、内部部品１０，２０，３０に対して密着状態で一体化された硬化性材料５１からなるものとなっており、従来の温度センサモジュールにはない構造を有している。このため、本発明の温度センサモジュール１におけるカバー５０の作り方について説明しておく。

本発明の温度センサモジュール１において、カバー５０は、例えば、
［１］ 内部部品１０，２０，３０を互いに固定する。
［２］ 上記［１］で互いに固定された内部部品１０，２０，３０の外側からペースト状の硬化性材料５１を押し当てて、内部部品１０，２０，３０の隙間をその硬化性材料５１で埋める。
［３］ 硬化性材料５１の外面形状を整えてからその硬化性材料５１を硬化させる、又は、硬化性材料５１を硬化させてからその硬化性材料５１の外面形状を調整する。
ことによって得ることができる。

しかし、上記［１］～［３］による方法は、量産化には向いていないし、上記［２］の際に硬化性材料５１が押し当たった内部部品１０，２０，３０が破損等するおそれもある。このため、本実施態様の製造方法では、以下で述べるように、部品配置工程と硬化性材料成形工程とを経ることによって、カバー５０を形成している。図４及び図５は、温度センサモジュール１におけるカバー５０を形成している様子を示した図であって、温度センサモジュール１及び金型４を左右方向に垂直な平面で切断した状態を示した断面図である。図４は、後述する部品配置工程を終えたときの状態を、図５は、後述する硬化性材料成形工程を終えたときの状態をそれぞれ示している。

部品配置工程は、図４に示すように、熱検知体１０、温度センサ素子２０及び基板３０等の内部部品を金型４内（キャビティ）に配置する工程である。

これらの内部部品１０，２０，３０は、部品配置工程を行うよりも前に、予め互いに固定した状態とされる。すなわち、熱検知体１０は、基板３０に対して固定され、温度センサ素子２０は、基板３０に対して実装された状態とされている。本実施態様の製造方法では、図３に示すように、基板３０に設けた熱検知体取付孔３１に対して熱検知体１０の基端部（上端部）を挿通状態で取り付け、熱検知体１０の基端面（上端面）と基板３０との境界部分にはんだ６１を施すことによって、熱検知体１０を基板３０に固定している。また、温度センサ素子２０は、基板３０の上面に施したはんだ６２を介して基板３０に固定している。これにより、熱検知体１０及び温度センサ素子２０を基板３０に対して熱的に良好に接触させながら強固に固定することができる。

加えて、本実施態様の製造方法では、部品配置工程を行うよりも前に、出力ケーブル４０の一端部も、基板３０に接続している。具体的には、出力ケーブル４０の一端側は、図２に示すように、通常、複数本の信号線４１に分岐されているが、これら複数本の信号線４１を、基板３０の複数個所に設けられたケーブル接続部３２にそれぞれ接続している。本実施態様の製造方法において、信号線４１は、はんだ付けによってケーブル接続部３２に接続している。これにより、出力ケーブル４０を基板３０に対して熱的に良好に接触させながら強固に固定することができる。

内部部品１０，２０，３０を配置する金型４は、通常、複数の金型に分離可能な構造を有している。図４に示す例では、金型４を、下型４ａと上型４ｂとに分離可能な構造としている。内部部品１０，２０，３０を配置する空間（キャビティ）は、下型４ａに形成されている。この下型４ａには、出力ケーブル４０を通すための出力ケーブル挿通孔４ｃが設けられている。一方、上型４ｂは、下型４ａに蓋をするためのものとなっている。部品配置工程は、下型４ａから上型４ｂを分離した状態で行う。

部品配置工程を行う際には、内部部品１０，２０，３０を金型４内で位置決めしておくことが好ましい。というのも、金型４内には、後述する硬化性材料成形工程において、硬化性材料５１（図５）が注入されるところ、金型４に対して内部部品１０，２０，３０を位置決めしておかないと、金型４内に注入された硬化性材料５１が、内部部品１０，２０，３０を押して動かしてしまい、熱検知体１０や基板３０が正規の位置からずれた状態で硬化性材料５１が硬化してしまうからである。

この点、本実施態様の製造方法では、図２に示すように、基板３０の四隅部に位置決め孔３３を設けており、金型４に固定した位置決め用軸体（図示省略）を位置決め孔３３に通すことで、内部部品１０，２０，３０の位置決めを行っている。ただし、後述する硬化性材料成形工程を終えて、型抜きを行う際（金型４内から温度センサモジュール１の測定ヘッド部を取り外す際）に、上記の位置決め用軸体が金型４側に残るようにすると、カバー５０における、上記の位置決め用軸体が存在していた箇所には、孔（以下、「残存孔」と呼ぶことがある。）が形成されてしまう。

上記の残存孔は、温度センサモジュール１の測定ヘッド部の型抜きを行った後に、カバー５０を形成するのに用いたものと同じ硬化性材料５１や、他の硬化性材料を充填することによって、埋めることができる。また、型抜きの際に、上記の位置決め用軸体が、カバー５０側についていくようにし、その位置決め用軸体をカバー５０の内部に埋め殺すようにすると、残存孔が形成されないようにすることができる。

ところで、部品配置工程において、図４に示す金型４の内面（キャビティ側の面）と基板３０の表面との隙間を狭くしすぎると、後述する硬化性材料成形工程で金型４内に硬化性材料５１を注入する際に、当該隙間に硬化性材料５１が入り込みにくくなるおそれがある。このため、金型４の内面と基板３０の表面との隙間（当該隙間が一様でない場合には、その最小値。以下同じ。）は、０．５ｍｍ以上とすることが好ましい。金型４の内面と基板３０の表面との隙間は、１ｍｍ以上とすることがより好ましく、１．５ｍｍ以上とすることがさらに好ましく、２ｍｍ以上とすることが特に好ましい。

ただし、金型４の内面と基板３０の表面との隙間を広くしすぎると、必然的に、温度センサモジュール１の寸法（カバー５０の外形寸法）が大きくなり、温度センサモジュール１を取り扱いにくくなるおそれがある。また、温度センサモジュール１の製造コストが増大するおそれもある。さらに、カバー５０の外面と温度センサ素子２０とを熱的に接触させる熱検知体１０も長く形成する必要が生じ、熱検知体１０の熱容量が大きくなって、温度センサモジュール１の応答性能が悪くなるおそれもある。このため、金型４の内面と基板３０の表面との隙間は、２０ｍｍ以下とすることが好ましい。金型４の内面と基板３０の表面との隙間は、１５ｍｍ以下とすることがより好ましく、１０ｍｍ以下とすることがさらに好ましい。本実施態様の製造方法において、金型４の内面と基板３０の表面との隙間は、約２ｍｍに設定している。

部品配置工程を終えると、続いて、硬化性材料成形工程を行う。硬化性材料成形工程は、図５に示すように、金型４内（キャビティ）に、流動状態の硬化性材料５１を注入し、その硬化性材料５１を金型４内で硬化させる工程である。この硬化性材料成形工程は、金型４を締めた状態（下型４ａに対して上型４ｂを閉じた状態）で行う。

本実施態様の製造方法において、金型４内への硬化性材料５１の注入は、金型４に設けた硬化性材料注入孔４ｄを通じて行うようにしている。このときの硬化性材料５１は、完全溶融状態（液相のみとなった状態。硬化性材料５１に繊維等を添加する際には、その添加物を除いた部分が液相となっていればよい。）としている。金型４内に注入された硬化性材料５１は、金型４内に行き渡り、金型４の内面と内部部品１０，２０，３０の外面との間（隙間）を埋める。本実施態様の製造方法においては、出力ケーブル４０と基板３０との接続部分（ケーブル接続部３２）も、金型４内に配したため、当該接続部分の周囲も、硬化性材料５１で覆われるようになっている。

硬化性材料５１は、既存の射出成形機におけるスクリュー等で加圧（通常、１００ＭＰａ以上の射出圧となる。）しながら金型４内に注入してもよいが、この場合には、金型４内の内部部品１０，２０，３０が硬化性材料５１から受ける圧力が高くなり過ぎ、金型４内で内部部品１０，２０，３０が動いたり、損傷したりするおそれがある。このため、本実施態様の製造方法では、硬化性材料５１を、１００ＭＰａ以下の圧力で、硬化性材料注入孔４ｄから金型４内に流し込むようにしている。換言すると、硬化性材料注入孔４ｄから金型４内に向かって、硬化性材料５１を略重力のみで落下させるようにしている。したがって、硬化性材料注入孔４ｄは、下型４ａではなく、上型４ｂに下向きに設けている。これにより、金型４内の内部部品１０，２０，３０が硬化性材料５１から過剰な圧力を受けないようにすることが可能となっている。

金型４内に注入するときの硬化性材料５１の圧力は、５０ＭＰａ以下とすることが好ましく、１０ＭＰａ以下とすることがより好ましく、５ＭＰａ以下とすることがさらに好ましい。本実施態様の製造方法では、金型４内に注入するときの硬化性材料５１の圧力を３ＭＰａ程度としている。既に述べたように、本実施態様の製造方法では、硬化性材料５１を完全溶融状態で金型４内に注入するようにしたため、このような低圧で注入しても、硬化性材料５１を金型４内に行き渡らせることが可能となっている。硬化性材料５１を金型４内に注入した後は、通常、硬化性材料４１が硬化性材料注入孔４ｄへ逆流しないように、保圧されるが、このときの保圧の圧力も、低めに抑えることができる。本実施態様の製造方法では、金型４内で硬化性材料５１が収縮等した分に相当する量の硬化性材料５１だけが金型４内に注入されるようにしている。

熱検知体１０が下側となる状態で金型４内に内部部品１０，２０，３０を配置した本実施態様の製造方法においては、上記のように、上型４ｂに設けた硬化性材料注入孔４ｄから硬化性材料５１を下向きに注入することによって、上記の効果（内部部品１０，２０，３０が硬化性材料５１から過剰な圧力を受けないようにするという効果）だけでなく、以下の効果も期待することができる。

すなわち、仮に、下型４ａ側から上向きに硬化性材料５１を注入すると、その硬化性材料５１からの圧力によって、金型４内の内部部品１０，２０，３０が上側に持ち上げられてしまい、熱検知体１０の先端面（下端面）が金型４の内底面から浮き上がるおそれがある。この場合には、熱検知体１０の下端面と金型４の内底面との間に硬化性材料５１が入り込んだ状態で硬化し、熱検知体１０の下端面がカバー５０の外部に露出しなくなるおそれもある。これに対し、上述したように、上型４ｂ側から下向きに硬化性材料５１を注入すると、注入された硬化性材料５１によって内部部品１０，２０，３０が下側に押し付けられるようになるため、熱検知体１０の先端面（下端面）が金型４の内底面から浮き上がらないようにし、上記の不具合の発生を防止することができる。

ところで、本実施態様の製造方法では、後述するように、硬化性材料５１として、熱可塑性樹脂であるポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）を用いるところ、熱可塑性樹脂からなる硬化性材料５１を、金型４内に注入可能な流動状態とするためには、硬化性材料５１を融点以上となるまで加熱する必要がある。このため、硬化性材料５１は、加熱された状態で金型４内に注入される。しかし、本実施態様の製造方法では、上述したように、基板３０に対する、熱検知体１０や、温度センサ素子２０や、出力ケーブル４０の固定に、はんだを用いた。このため、硬化性材料５１の温度が高いと、そのはんだ（以下においては「固定用はんだ」と呼ぶことがある。）が溶けるおそれがある。

この点、本実施態様の製造方法では、硬化性材料５１を、上記の固定用はんだを溶かさない温度で金型４内に注入するようにしている。しかし、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）の融点は、２３２～２６７℃であるのに対して、一般的なはんだの融点は、２００℃前後である。このため、上記の固定用はんだとして、一般的なはんだを用いたのでは、硬化性材料５１を注入すると、はんだが溶けるおそれがある。したがって、固定用はんだとしては、融点の高い「高融点はんだ」を使用してもよい。高融点はんだの中には、融点が２５０℃以上のものや、３００℃以上のものもある。ただし、硬化性材料５１は、金型４内に注入すると、金型４等に熱を奪われて温度が低下する。このため、金型４内に注入する直前の硬化性材料５１の温度を、固定用はんだの融点よりもある程度は高くしても、固定用はんだは溶けない。

また、以下の構成を採用すれば、上記の固定用はんだをさらに溶けにくくすることができる。すなわち、熱検知体１０の基端部の表面や、温度センサ素子２０の表面や、基板３０と出力ケーブル４０との接続部分（ケーブル説ｚ区部３２）の表面に、断熱シールを施す方法である。この断熱シールに使用するシーリング材（断熱用シーリング材）は、断熱性及び電気絶縁性を有するものであれば、特に限定されないが、シリコーン系シーリング材等を好適に用いることができる。断熱用シーリング材に、断熱性だけでなく、電気絶縁性も要求する理由は、断熱用シーリング材が電気絶縁性を有していないと、基板３０上の回路（後述する信号出力用導電パターン）が断熱用シーリング材によって短絡するおそれがあるからである。断熱用シーリング材を施工すると、それが施工された箇所を補強できる（例えば、出力ケーブル４０の引き抜きに対する強度を高めることができる等）という副次的な効果も奏される。

金型４内への硬化性材料５１の注入を終えると、金型４内で硬化性材料５１を硬化させる。硬化性材料５１を硬化させる方法は、使用する硬化性材料５１の種類等によって異なる。硬化性材料５１としては、［１］冷却すると硬化するもの（熱可塑性樹脂や熱可塑性エラストマー等）や、［２］加熱すると硬化するもの（熱硬化性樹脂や熱硬化性エラストマー等）や、［３］空気中の水分と反応して硬化するもの（縮合反応型のシリコーン樹脂等）や、［４］水分が蒸発することで硬化するもの（エポキシ樹脂系エマルション等）や、［５］化学反応により硬化するもの（エポキシ樹脂系エマルションや紫外線硬化樹脂等）等を用いることができる。

この点、硬化性材料５１として上記［１］のものを用いた場合には、硬化性材料５１を自然冷却することや、又は冷却手段等を用いて硬化性材料５１を積極的に冷却することで、硬化性材料５１を硬化させることができる。また、硬化性材料５１として上記［２］のものを用いた場合には、硬化性材料５１の温度を高めることで、硬化性材料５１を硬化させることができる。さらに、硬化性材料５１として上記［３］のものを用いた場合には、硬化性材料５１を空気にしばらく接触させることで、硬化性材料５１を硬化させることができる。さらにまた、硬化性材料５１として上記［４］のものを用いた場合には、硬化性材料５１内の水分が自然と蒸発するまで放置する、又は、硬化性材料５１を乾燥する等して硬化性材料５１内の水分を積極的に蒸発させることで、硬化性材料５１を硬化させることができる。そして、硬化性材料５１として上記［５］のものを用いた場合には、化学反応が開始される状態となってから当該化学反応が終わるまで硬化性材料５１をその状態に保つことで、硬化性材料５１を硬化させることができる。

ただし、硬化性材料５１として、熱伝導率の高いものを使用とすると、カバー５０が熱を伝えやすくなり、熱検知体１０以外の経路で温度センサ素子２０に熱が伝わるようになる。このため、温度センサモジュール１による温度の測定精度が低下するおそれがある。したがって、硬化性材料５１としては、熱伝導率の低い（断熱性の高い）材料を選択することが好ましい。断熱性の高い材料としては、樹脂やエラストマー（ゴムを含む。）等が挙げられる。

ここで、硬化性材料５１の成形性や、取り扱いやすさや、熱に対する変形のしにくさ等を考慮すると、硬化性材料５１として熱可塑性樹脂を用いることが好ましい。熱可塑性樹脂としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）や、ポリエチレン（ＰＥ）や、ポリプロピレン（ＰＰ）や、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）や、ポリスチレン（ＰＳ）等が例示される。ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）やポリカーボネート（ＰＣ）等のエンジニアリングプラスチックや、芳香族ポリアミド（ＰＰＡ）やポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）等のスーパーエンジニアリングプラスチックを採用することもできる。本実施態様の製造方法においては、これらの熱可塑性樹脂のうち、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）を硬化性材料５１として用いている。ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）は、耐熱性に優れるだけでなく、耐水性や耐薬品性にも優れるという利点を有している。

硬化性材料５１が硬化すると、硬化性材料成形工程が完了する。硬化性材料成形工程を終えた後は、金型４を開いて（下型４ａから上型４ｂを分離して）、金型４内の温度センサモジュール１を取り出す。これにより、内部部品１０，２０，３０に対して密着状態で一体化されたカバー５０（硬化後の硬化性材料５１）を有する温度センサモジュール１を得ることができる。このカバー５０は、［１］内部部品１０，２０，３０のぐらつきを防止する、［２］温度センサモジュール１の剛性を高める、［３］内部部品１０，２０，３０を封止する、という機能を発揮する。

３．熱検知体
図３に示した熱検知体１０は、それを接触させた測定対象物２の熱を温度センサ素子２０に伝えるものとなっている。熱検知体１０の先端面（下端面）は、カバー５０から外部に露出された状態とされる。一方、熱検知体１０の基端（上端）側は、温度センサ素子２０の感熱部２１に対して熱的に接続された状態とされる。本実施態様の温度センサモジュール１においては、熱検知体１０の基端側を基板３０に接続している。このため、熱検知体１０の基端側は、この基板３０を介して、温度センサ素子２０の感熱部２１に対して熱的に接続された状態となっている。

熱検知体１０は、１つの温度センサモジュール１につき、１箇所のみに設けてもよいが、複数個所に設けることが好ましい。これにより、測定対象物２の熱を温度センサ素子２０に伝える経路を増やして、温度センサモジュール１の測定精度を高めることが可能になる。また、温度センサモジュール１の冗長性を高めることもできる。すなわち、万が一、一の熱検知体１０に汚れ等が付着して、当該一の熱検知体１０が機能を発揮できなくなった場合であっても、他の熱検知体１０でその機能を補うことが可能になる。本実施態様の温度センサモジュール１においては、２個の熱検知体１０を、左右方向（ｘ軸方向）に所定間隔を隔てた状態に設けている。それぞれの熱検知体１０は、温度センサ素子２０から見て対称に配置している。

熱検知体１０の素材は、熱伝導性に優れたものが選択される。熱伝導性に優れた素材としては、金属が一般的である。熱検知体１０として採用し得る金属としては、錫（２０℃における熱伝導率が約６５Ｗ・ｍ^－１・Ｋ^－１）や、鉄（同熱伝導率が約７３Ｗ・ｍ^－１・Ｋ^－１）や、クロム（同熱伝導率が約９０Ｗ・ｍ^－１・Ｋ^－１）や、タングステン（同熱伝導率が約１９８Ｗ・ｍ^－１・Ｋ^－１）や、アルミニウム（同熱伝導率が約２０４Ｗ・ｍ^－１・Ｋ^－１）や、金（同熱伝導率が約２９５Ｗ・ｍ^－１・Ｋ^－１）や、銅（同熱伝導率が約３８０Ｗ・ｍ^－１・Ｋ^－１）や、銀（同熱伝導率が約４１８Ｗ・ｍ^－１・Ｋ^－１）や、これらの合金等が例示される。熱検知体１０の表面（特にカバー５０から外部に露出する熱検知体１０の基端面）には、ニッケルメッキ等、耐腐食用表面処理を施すこともできる。

熱検知体１０の寸法は、温度センサモジュール１の用途によっても異なり、特に限定されない。しかし、熱検知体１０の断面積（伝熱方向（図１における上下方向）に垂直な断面の面積。以下同じ。）が小さいと、測定対象物２から温度センサ素子２０に熱が伝わりにくくなり、測定対象物２の温度の測定精度が低下するおそれがある。このため、熱検知体１０は、ある程度断面積を広く確保できる形態とされる。温度センサモジュール１を小型のもの（手で取り扱うことができる程度の寸法のもの）とする場合でも、熱検知体１０の断面積は、１ｍｍ^２以上確保することが好ましい。熱検知体１０の断面積は、５ｍｍ^２以上とすることがより好ましく、１０ｍｍ^２以上とすることがさらに好ましい。

ただし、熱検知体１０の断面積を大きくしすぎると、熱検知体１０の熱容量が大きくなり、温度センサモジュール１の応答性能が悪くなるおそれがある。また、温度センサモジュール１の寸法を大きくする必要も生じる。さらに、熱検知体１０の単価が高くなって、温度センサモジュール１が高価になるおそれもある。このため、温度センサモジュール１を小型のもの（手で取り扱うことができる程度の寸法のもの）とする場合には、熱検知体１０の断面積は、１００ｍｍ^２以下に抑えることが好ましい。温度センサモジュール１の断面積は、７０ｍｍ^２以下とすることがより好ましく、５０ｍｍ^２以下とすることがさらに好ましい。

熱検知体１０の長さ（伝熱方向（図１における上下方向）に平行な方向の長さ。以下同じ。）も、特に限定されない。しかし、被検知体４を短くしすぎると、図５に示すように、金型４内に内部部品１０，２０，３０を配置した際に、金型４の内底面と基板３０の下面との隙間が狭くなってしまう。このため、カバー５０（図５）の外面から温度センサ素子２０の感熱部２１までの距離が短くなり、温度センサ素子２０がカバー５０の外部温度の影響（ノイズ）を受けやすくなるおそれがある。また、上記の硬化性材料成形工程において金型４内に硬化性材料５１を注入する際に、金型４の内底面と基板３０の下面との隙間に硬化性材料５１が入り込みにくくなるおそれもある。このため、温度センサモジュール１を小型のもの（手で取り扱うことができる程度の寸法のもの）とする場合でも、熱検知体１０の長さは、１ｍｍ以上とすることが好ましい。熱検知体１０の長さは、１．５ｍｍ以上とすることがより好ましく、２ｍｍ以上とすることがさらに好ましい。

ただし、熱検知体１０を長くしすぎると、熱検知体１０の熱容量が大きくなり、温度センサモジュール１の応答性能が悪くなるおそれがある。また、温度センサモジュール１の寸法を大きくする必要も生じる。このため、温度センサモジュール１を小型のもの（手で取り扱うことができる程度の寸法のもの）とする場合には、熱検知体１０の長さは、２０ｍｍ以下とすることが好ましい。熱検知体１０の長さは、１５ｍｍ以下とすることがより好ましく、１０ｍｍ以下とすることがさらに好ましい。本実施態様の温度センサモジュール１において、熱検知体１０は、長さが２ｍｍで半径も２ｍｍの円柱部材となっている。

４．温度センサ素子
温度センサ素子２０は、測定対象物２（図１）から熱検知体１０を介して伝わってきた熱を感知するための感熱部２１を裏面（下面）側に備えており、その感熱部２１が感知した熱を、測定対象物２の温度に対応した電気信号に変換するものとなっている。温度センサ素子２０は、基板３０に実装可能な基板取付型のものが使用される。

温度センサ素子２０は、測定対象物２の温度に対応した電気信号を、アナログ信号（４－２０ｍＡや、０－１２Ｖ等）として出力するものであってもよいが、デジタル信号として出力するものであることが好ましい。これにより、温度センサ素子２０からの出力される上記の電気信号が、ノイズによる影響を受けないようにすることができる。本実施態様の温度センサモジュール１においても、温度センサ素子２０は、上記の電気信号をデジタル信号として出力するものとなっている。

温度センサ素子２０の消費電力は、特に限定されない。しかし、温度センサ素子２０の消費電力が大きすぎると、温度センサ素子２０からの発熱が多くなり、その熱が測定対象物２の温度の測定精度に悪影響を及ぼすおそれがある。このため、温度センサ素子２０は、消費電力が０．１Ｗ以下のものを使用することが好ましい。温度センサ素子２０の消費電力は、０．０５Ｗ以下であることがより好ましく、０．０１Ｗ以下であることがさらに好ましい。

５．基板
基板３０は、図２に示すように、温度センサ素子２０を実装するためのものとなっている。本実施態様の温度センサモジュール１においては、熱検知体１０を取り付けるための熱検知体取付孔３１と、出力ケーブル４０を接続するためのケーブル接続部３２も、基板３０に設けている。この基板３０における熱検知体取付孔３１が設けられた箇所と、温度センサ素子２０が実装される箇所は、熱伝導パターン３４（図２において網掛けハッチングで示した部分）によって互いに連結されている。このため、熱検知体１０を介して測定対象物２（図１）から伝わってきた熱を、熱伝導パターン３４を通じて温度センサ素子２０の感熱部２１に伝えることができるようになっている。熱伝導パターン３４は、通常、熱伝導率の高い金属膜によって形成される。本実施態様の温度センサモジュール１では、熱伝導パターン３４を銅によって形成している。

本実施態様の温度センサモジュール１において、基板３０における熱検知体取付孔３１が設けられた箇所と温度センサ素子２０が実装される箇所とを連結する熱伝導パターン３４は、図３に示すように、基板３０のウラ面（温度センサ素子２０が実装される面とは逆側の面）にも設けている。加えて、基板３０における、温度センサ素子２０と重なる箇所には、熱伝導孔３５を貫通して設けている。この熱伝導孔３５及び熱検知体取付孔３１は、その内周面にも熱伝導パターン３４が施されている。このため、測定対象物２（図１）の熱は、熱検知体１０及び熱伝導パターン３４を通じて、基板３０のオモテ面（温度センサ素子２０が実装される面）側からだけでなくウラ面側からも、温度センサ素子２０に伝わるようになっている。これにより、測定対象物２から温度センサ素子２０に熱が伝わりやすくして、温度センサモジュール１の応答性能や測定精度をさらに高めることが可能となっている。

また、基板３０における、温度センサ素子２０が実装される箇所と、ケーブル接続部３２（図２）も、図示省略の導電パターンによって互いに連結されている。このため、温度センサ素子２０が生成した電気信号（測定対象物２の温度に対応した電気信号）は、その導電パターンを通じて、ケーブル接続部３２に接続された出力ケーブル４０に出力することができるようになっている。基板３０における、温度センサ素子２０が実装される箇所と、ケーブル接続部３２とを連結する導電パターン（以下において「信号出力用導電パターン」と呼ぶことがある。）は、通常、電気伝導度の高い金属膜によって形成される。本実施態様の温度センサモジュール１では、信号出力用導電パターンを銅によって形成している。

上記の信号出力用導電パターンは、その幅を狭く形成することが好ましい。というのも、信号出力用導電パターンの幅を広くすると、測定対象物２から熱検知体１０を通じて温度センサ素子２０に伝わってきた熱が、信号出力用導電パターンを通じて出力ケーブル４０に逃げやすくなり、温度センサモジュール１の測定精度に悪影響を及ぼすおそれがあるからである。この点、本実施態様の温度センサモジュール１では、上記のように、信号出力用導電パターンを流れる電気信号（測定対象物２の温度に対応した電気信号）をデジタル信号としたため、信号出力用導電パターンの幅を狭くして、その電気信号が多少劣化したとしても、伝えられる情報には影響が出ない。信号出力用導電パターンの幅は、０．５ｍｍ以下とすることが好ましく、０．３ｍｍ以下とすることがより好ましく、０．２ｍｍ以下とすることがさらに好ましい。信号出力用導電パターンの幅は、その下限を特に限定されるものではないが、通常、０．０５ｍｍ以上とされる。

基板３０の素材は、電子基板等で一般的に用いられるものであれば、特に限定されないが、熱伝導率が低く、熱拡散が生じにくじものを選択することが好ましい。これにより、温度センサ素子２０の感熱部２１に伝わるべき熱が他に逃げたり、感熱部２１に伝わってはならない熱が感熱部２１に伝わったりしないようにして、温度センサモジュール１の測定精度を高めることが可能になる。本実施態様の温度センサモジュール１においては、ガラス繊維製の布にエポキシ樹脂を含侵させたガラスエポキシ基板を、基板３０として用いている。

１ 温度センサモジュール
２ 測定対象物
３ 外部機器
４ 金型
４ａ 下型
４ｂ 上型
４ｃ 出力ケーブル挿通孔
４ｄ 硬化性材料注入孔
１０ 熱検知体
２０ 温度センサ素子
２１ 感熱部
３０ 基板
３１ 熱検知体取付孔
３２ ケーブル接続部
３３ 位置決め孔
３４ 熱伝導パターン
３５ 熱伝導孔
４０ 出力ケーブル
４１ 信号線
５０ カバー
５１ 硬化性材料
６１ 熱検知体の基端面と基板との境界部分に施したはんだ
６２ 基板の上面における温度センサ素子を実装する部分に施したはんだ

Claims (7)

1. 測定対象物に接触させることによって測定対象物の熱を検知する熱検知体と、
   熱検知体が検知した熱を測定対象物の温度に対応した電気信号に変換する温度センサ素子と、
   温度センサ素子が実装された基板と、
   一端部を基板に接続され、温度センサ素子が生成した電気信号を他端部から出力する出力ケーブルと
   を備えた温度センサモジュールの製造方法であって、
   出力ケーブルの一端部を基板に接続した状態で、熱検知体、温度センサ素子及び基板を金型内に配置する部品配置工程と、
   熱検知体、温度センサ素子及び基板が配置された金型内に、流動状態の硬化性材料を注入して硬化させる硬化性材料成形工程と
   を経ることによって、
   硬化後の前記硬化性材料が、熱検知体、温度センサ素子及び基板に対して密着状態で一体化されたカバーとなるようにした
   ことを特徴とする温度センサモジュールの製造方法。
   
2. 部品配置工程において、熱検知体が、基板に対してはんだ付けされた状態で金型内に配置され、
   硬化性材料成形工程において、前記硬化性材料を、前記はんだによる部品間の接合に損傷を与えない温度で金型内に注入する
   請求項１記載の温度センサモジュールの製造方法。
   
3. 硬化性材料成形工程において、前記硬化性材料を１００ＭＰａ以下の圧力で金型内に流し込む請求項１又は２記載の温度センサモジュールの製造方法。
   
4. 温度センサ素子の表面、及び／又は、基板と出力ケーブルとを接続した部分の表面に、断熱シールを施した状態で硬化性材料成形工程を行う
   請求項１～３いずれか記載の温度センサモジュールの製造方法。
   
5. 硬化性材料成形工程において、熱検知体が配置された側とは逆側から、前記硬化性材料を金型内に注入する請求項１～４いずれか記載の温度センサモジュールの製造方法。
   
6. 硬化性材料成形工程を行う際の金型の内面と基板の表面との隙間が、０．５ｍｍ以上に設定された請求項１～５いずれか記載の温度センサモジュールの製造方法。
   
7. 測定対象物に接触させることによって測定対象物の熱を検知する熱検知体と、
   熱検知体が検知した熱を測定対象物の温度に対応した電気信号に変換する温度センサ素子と、
   温度センサ素子が実装された基板と、
   一端部を基板に接続され、温度センサ素子が生成した電気信号を他端部から出力する出力ケーブルと、
   熱検知体、温度センサ素子及び基板の外側を覆うカバーと
   を備えた温度センサモジュールであって、
   カバーが、熱検知体、温度センサ素子及び基板に対して密着状態で一体化された硬化性材料からなる
   ことを特徴とする温度センサモジュール。

Images