JPH0193180A - 温度差検知素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野〕 この発明は、ゼーベッ°り効果を利用した温度差検知素
子に関し、特に半導体セラミックスを用いた裏数個の熱
電素子を組合わせてなる温度差検知素子に関する。

［従来の技術］ 特開昭５４−１１４０９０号公報には、還元性酸化チタ
ンよりなる半導体熱電素子を利用した熱線検知器が開示
されている。この熱線検知器は、第２図に示すように、
板状の還元性酸化チタン半導体基板１の一方主面にオー
ミックな金属膜２ａ。

２ｂを形成し、オーミックな金属膜２ａ、２ｂと半導体
基板１との接合点の一方を温接点３、他方を冷接点４と
した熱雷素子を複数枚用いて構成されている。すなわち
、第２図では、平面的に３枚の熱電素子６ａ〜６ｃを配
置し、これらの熱電素子６ａ〜６ｃをリード線７．８を
用いて直列に接続し、しかる後積層して一体型の熱線検
知器とした構造が開示されている。

ここでは、複数枚の熱電素子６ａ〜６ｃを直列に接続す
ることにより、出力電圧が高められている。

補力、特公昭５８−８７３２号には、異種金属を用いた
熱雷対を多数直列に接続し、各熱雷対の接点を交互に冷
接点および温接点とした構造の温度差検知素子が熱流セ
ンサとして開示されている。

［発明が解決しようとする問題点］ 第２図に示した従来の熱線検知器では、感度を高めるた
めに多段直列接続を行なう場合、多数の熱電素子を第２
図に示したように交互に逆向きに配置し、リード線７，
８を用いて接続しなければならない。したがって、製造
工程が煩雑であり、特にユニットを小型化した場合には
１、このような接続作業は極めて困難となる。゛ また、金属熱電対を用いた従来の構成では、１段の熱電
対あたりの熱起電力が小さく、多段に接続したとしても
感度の点で十分ではなかった。

よって、この発明の目的は、より簡単な工程で製造する
ことができ、かつ小型化の容易な高感度の温度差検知素
子を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ この発明の温度差検知素子は、セラミック半導体材と絶
縁材とを交互に一体に積層して形成された基板を備える
。前記基板の各セラミックス半導体祠の少なくとも一方
の露出面上には、温接点および冷接点を構成するために
１対ずつの電極が形成される。さらに、互いに隣接する
温接点側電極と冷接点側電極とは、基板上で導電路によ
り接続されている。

なお、より好ましくは、絶縁層が絶縁性セラミックスよ
りなり、セラミック半導体材と絶縁材とが同時に焼成さ
れて基板が形成される。

［作用］ この発明の温度差検知素子では、基板を形成するセラミ
ック半導体材と、その露出面上に形成された温接点およ
び冷接点を構成するための１対の電極とによって１つの
熱雷素子が構成される。また、互いに隣接する温接点側
電極と冷接点側電極とが導電路によって接続されること
から、各熱雷素子は直列に接続されていることになる。

その場合に、この発明ではセラミック半導体材を利用し
た熱雷素子を用いるため、金属熱雷対を用いたものに比
べて大きな出力電圧を得ることができる。また、複数個
の熱電素子を直列接続するものであるため、より大きな
出力電圧を得ることができ、したがって感度が飛躍的に
高められる。

しかも、各セラミック半導体材間は絶縁材によって絶縁
状態となっていることから、隣り合うセラミック半導体
材間で電流が流れることにより生じる出力ロスを防ぐこ
とができ、結果として素子の感度はさらに向上する。ま
た、互いに隣接する温接点側電極と冷接点側電極とが基
板上の導電路によって接続されていることから、リード
線などを接続のために用いなくてもよくなり、したがっ
て煩雑な接続作業をする必要がなくなる。

［実施例の説明］ セラミック半導体基板上に、冷接点および温接点を構成
するために１対の電極を形成した場合、このセラミック
半導体材よりなる熱電対は、１℃の温度差あたり３００
〜８００μＶの熱起電力を示す。たとえば、正特性サー
ミスタ用のチタン酸バリウム系半導体セラミックスを用
いた場合には、７００〜８００μＶ／にであり、コンデ
ンサ用のチタン酸ストロンチウム系半導体セラミックス
を用いた場合には６００〜７００μＶ／に程度の熱起電
力を得ることができる。したがって、従来の金属熱電対
を用いたものに比べて、はるかに大きな熱起電力の得ら
れることがわかる。この発明は、このような半導体セラ
ミックスを用いた熱電素子を複数個備えるものである。

また、特開昭５４−１１４０９０号に開示されているよ
うに、複数個のセラミック半導体を用いた熱雷対を多段
直列接続すれば、全体の熱起電力をより大きくすること
ができる。よって、特開昭５４−１１４０９０号におけ
る問題点、すなわち製造上の煩雑さを解消することがで
きれば、高感度かつ小型の温度差検知素子を得ることが
できる。

この１うな構成として、たとえば第３図に示す温度差検
知素子１１を考えることができる。この温度差検知素子
１１では、１枚の半導体セラミックスよりなる基板１２
の一方面に対をなす電極１３ａ、１３ｂｓ　１４ａ、１
４ｂｓ　・・４６ａ、１６ｂが形成されており、したが
って４個の熱雷素子が一体に構成されている。そして、
電極１３ｂ−電極１４ａ１電極１４ｂ−電極１５ａ、電
極１５ｂ−電極１６ａ間を、それぞれ、導電路１７によ
り電気的に接続することにより、多段直列型の温度差検
知素子が構成されている。

しかしながら、第３図に示した温度差検知素子１１では
、隣り合う熱電素子間に存在するセラミックス基板部分
にわずかに電流が流れ、各熱雷素子の出力ロスが生じる
。すなわち、隣り合う熱雷素子間に存在するセラミック
ス基板部分の抵抗が、各熱雷素子の負荷抵抗として作用
し、１段あたりの出力電圧が低下するという問題が生じ
る。

これを、第４図の等価回路を参照して説明する。

第４図において、Ｒｒは１個の熱雷素子は１個の熱雷素
子における対をなす電極間の基板抵抗を示し、Ｒｐは隣
り合う熱電素子間すなわち隣り合う冷接点側および温接
点側の電極間の基板部分の抵抗を示す。なお、添字の数
字は各熱電素子を示すものである。

電極１３ａと、電極１３ｂ−１４ａとの間の電位差ｅ１
，２はｅｌ　１２−ｅｌ　・Ｒｒ　＋　／　（ＲＦ＋　
＋Ｒｒ　＋　）となる。よって、ｎ個の半導体熱電素子
が構成されている場合には、全体の出力ｅ　１．ｈ＝：
ｅ）　　−Ｒｒ　Ｊ　／　（Ｒｒ　Ｊ　＋Ｒｒ　Ｊ　）
となる。

＋＋−− すなわち、隣接する熱電索子間の基板部分の抵抗が、各
熱電索子の負荷抵抗として作用し、その結果、出力電圧
を下げることになる。

よって、この発明では、」二連のような問題を回避する
ために、複数個のセラミック半導体よりなる熱雷素子を
絶縁層を介して積層構造とすることにより、各セラミッ
ク半導体材間に生じる出力ロスを防Ｉトできるようにし
た。以下、この発明の具体的な実施例につき説明する。

第１図は、この発明の実施例を示す。この実施例の温度
差検知素子は、半導体セラミックスを用いて構成された
複数個の熱雷素子２１〜２４が積層され一体化された基
板２０を有する。

各熱雷素子２１〜２４は、それぞれ、ＢａＴｉＯ３系セ
ラミックスのようなセラミック半導体材２１ａ〜２４ａ
上に、所定距離を隔てて１対の電極２１ｂ、２１ｃ、・
　２４ｂ、２４ｃを形成することにより構成されている
。この実施例では、対をなす電極２１ｂ、２１ｃ　〜２
４ｂ、２４ｃは、セラミック半導体材２１ａ〜２４ａの
同一側面上に形成されており、かつ各セラミックス半導
体材２１ａ〜２４ａの端部近傍に形成されている。これ
は、対をなす電極２１ｂ、２１ｃ・・・を、それぞれ冷
接点および温接点とするためである。なお、この実施例
では、第１図上において後方を温接点側、前方を冷接点
側としている。また、電極２１ｂ、２１ｃ・・・は概ね
円形であり、その直径はセラミックス半導体材２１ａ〜
２４ａの幅方向の長さよりも小さく設定されている。

各熱雷素子２１〜２４間には、絶縁層２５〜２７が介在
している。この絶縁層２５〜２７は、隣り合う熱雷素子
２１〜２４を一体化するために設けられている。絶縁層
２５〜２７を構成する絶縁材としては、絶縁性セラミッ
クス、ガラス、樹脂などが採用される。

一方、互いに隣接する温接点側電極２１ｃ〜２３ｃと冷
接点側電極２２ｂ〜２４ｂとは、基板２０上に形成され
た３条の導電路２８ａ〜２８ｃによって電気的に接続さ
れている。すなわち、この導電路２８ａ〜２８ｃにより
、複数個の熱電素子２１〜２４が直列に接続されている
ことになる。

なお、電極２１ｂ、２１ｃ・・・は、オーミックな接触
を与える金属材料、たとえばニッケル、アルミニウム、
金、インジウムなどの金属またはこれらの合金により形
成されている。導電路２８ａ〜２８ｃについては、電極
２１ｂ、２１ｃ・・・と同一材料で構成してもよく、ま
た異なる導電性材料で構成してもよい。

第１図の実施例では、上述したようにセラミック半導体
材２１ａ〜２４ａを用いて、それぞれ、熱雷素子２１〜
２４が構成されているので、従来の金属熱電対を用いた
温度差検知素子に比べて、より大きな出力電圧を得るこ
とができる。のみならず、導電路２８ａ〜２８ｃにより
各熱雷素子２１〜２４が直列接続されているため、全体
の出力電圧も飛躍的に高められている。さらに、この実
施例では、隣り合う熱雷素子間の基板部分の抵抗に基づ
く出力電圧の低下は見られない。なぜならば、隣り合う
熱電素子２１〜２４間に、絶縁層２５〜２７が介在する
ため、その等価回路は第５図のようになるからである。

よって、この実施例によれば高感度のサーモパイルを得
ることができる。

次に、この実施例の製造方法の一例を説明する。

熱ｍ索子２１〜２４を構成するための半導体材２１ａ〜
２４ａとして、半導体セラミックスよりなるグリーンシ
ートを用意する。一方、絶縁層２５〜２７を構成するた
めに、絶縁性セラミックスよりなるグリーンシートを用
意する。そして、この絶縁性セラミックスよりなるグリ
ーンシートと、前述した熱電素子２１〜２４を構成する
ためのグリーンシートとを、交互に積層し圧着する。し
かる後、得られた圧着体を焼成する。さらに、焼成体に
、電極２１ｂ、２１Ｃ・・・および導電路２８ａ〜２８
ｃを形成する。形成方法は、蒸着あるいはスパッタなど
の一種の薄膜形成方法を用いることができる。また、導
電路２８ａ〜２８ｃを電極２１ｂ、２１ｃ・・・と同一
材料で構成する場合には、両者を同時に形成することが
できる。これらの工程を経て、第１図に示したような温
度差検知素子を１）ることができる。

［別の実施例］ （ａ）絶縁層２５〜２７については、セラミックスを用
いずともよく、たとえばガラスや合成樹脂により構成す
ることも可能である。ガラスや合成樹脂を用いる場合に
は、各熱雷素子２１〜２４については、予め焼成された
半導体セラミックスを用いる。その半導体セラミックス
をガラスまたは合成樹脂からなる絶縁層を介して第１図
に示したように配置し、その状態で熱処理する。熱処理
を行なえば、ガラスまたは樹脂層により絶縁層２５〜２
７が構成され、各熱電素子２１〜２４が一体化される。

電極および導電路の形成方法は前記実施例と同様である
。

（ｂ）第６図に示すような構成を採用することもできる
。第６図は、電極の大きさよりもセラミックス半導体材
の厚みが小さい場合の実施例を示している。

第６図において、基板３０を構成するセラミック半導体
材３１および絶縁体３２は、第１図の実施例に比べて格
段に幅が小さく設定されている。

すなわち、第１図の実施例に比べて格段にコンパクトな
構成となっている。電極３３　ａ、　　３３　ｂｓ・・
・３６ａ、３６ｂの直径は、セラミックス半導体材３１
の幅方向の長さよりも大きく設定されており、これによ
って隣接する１対のセラミックス半導体材３１．３１の
両方にまたがって電極が形成されている。３条の導電路
３７は基板３０上において互いに隣接する温接点側電極
３３ｂ〜３５ｂと冷接点側電極３４ａ〜３６ａとを電気
的に接続している。

互いに隣接するセラミックス半導体材３１間には絶縁体
３２が介在することから、電極３３ａ〜３６ｂがセラミ
ック半導体材３１から少々はみ出ても、セラミック半導
体材３１間が容易に短絡してしまう不具合は生じない。

換言すれば、電極３３ａ〜３６ｂを比較的大きく確保し
つつ、セラミック半導体材３１の幅方向の長さを小さく
設定することができるので、よりコンパクトな設計とす
ることができる。また、セラミック半導体材３１を薄く
することができることから、積層数をより多くすること
ができるようになり、出力電圧をより一層高めることが
できるようになる。

なお、この実施例においても、各々のセラミック半導体
材部１に各１対の電極を形成して、それらを直列に接続
する構成としてもよいことは言うまでもない。

［発明の効果］ この発明では、セラミック半導体材により熱雷素子が構
成されているので、金属熱電対を用いた従来の温度差検
知素子に比べて、１段あたりの熱電素子の出力電圧が高
められている。のみならず、複数の熱雷素子が導電路に
より直列に接続されているため全体としても大きな出力
電圧を得ることができる。さらに、第３図に示した比較
例の場合のように各熱電索子間の基板部分において出力
口スが生じないため、一体型であっても隣り合う熱雷素
子間の部材により出力電圧が低下することもない。

さらに、隣り合う熱電素子は、基板上に形成された導電
路によって接続されるものであるため、リード線などの
他の部材を外付けして接続する必要がない。よって、煩
雑な接続作業を実施せずとも比較的簡単な工程で温度差
検知素子を量産することができ、また小型化も容易であ
る。

したがって、この発明によれば、高感度で、かつ製造容
易な温度差検知素子を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す斜視図、第２図は従
来の温度差検知器の一例を説明するための略図的平面図
、第３図は比較例としての温度差検知素子を示す平面図
、第４図は第３図比較例の等価回路を示す図、第５図は
第１図実施例の等価回路を示す図、第６図はこの発明の
別の実施例を示す斜視図である。 図において、２０．３０は基板、２１〜２４は熱電素子
、２１ａ〜２４ａ、３１はセラミック半導体材、２１ｂ
〜２４ｃ１３３ａ〜３６ｂは電極、２０．２７．３２は
絶縁層、２５ａ〜２７ａ、　　３７は導電路である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミック半導体材と絶縁材とを交互に一体に積
   層して形成された基板と、 前記基板の各セラミックス半導体材の少なくとも一方の
   露出面上に、温接点および冷接点を構成するために形成
   された１対ずつの電極と、 互いに隣接する温接点側電極と冷接点側電極とを、基板
   上で接続する導電路とを備えたことを特徴とする温度差
   検知素子。
2. （２）前記絶縁材が絶縁性セラミックスよりなり、かつ
   前記セラミック半導体材と絶縁材とを同時に焼成するこ
   とにより前記基板が形成されている、特許請求の範囲第
   １項記載の温度差検知素子。