JPS6360502A - 温度センサ - 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】 〔発明の目的〕 産業上の利用分野 本発明は温度によって電気抵抗が変化する感温エレメン
トを備えた、環境温度を検出するためのセンサに関する
。

従来の技術 導電体が環境温度によって電気抵抗を変化する性質を利
用した温度センサに、金属抵抗線を絶縁体ボビンに捲い
たものがある。しかし、これはどうしても複雑且大型と
なり、熱容量が大であるため応答が遅いという問題があ
る。これに対して金属酸化物焼結体を感温エレメントと
する感温抵抗素子、いわゆるサーミスタは、小型にでき
て熱容量を小としやすく応答が早いという利点があり、
構造が簡単で量産に適するという有利さがあるが、一方
成形や加工が難しく、高精度で管理された品質の製品を
生産することが容易でないという問題がある。

かかるサーミスタとしては、ニッケルおよび／またはコ
バルトとマンガンとを主成分とし、更に鉄、銅、ランタ
ンなどの任意成分を含むスピネル構造の酸化物焼結体を
、感温エレメントとして用いたものが知られている。さ
らにこのような感温エレメントとして、３族または５族
元素を添加することによって半導体化した酸化ジルコニ
ウムや、炭化ケイ素セラミックスなどの電気抵抗の温度
係数が大きいものが使用できることが知られている。

このような従来のサーミスタは、その電気抵抗が温度の
上昇に伴って指数的に減少する特性を有しており、温度
Ｔ。Ｋにおける抵抗値がＲ８であるとき、温度ＴＫにお
ける抵抗値Ｒは、次の式で表わされる。

ここでＢはサーミスタ定数であり、Ｂが大きいほど電気
抵抗値も大きく、また感度も大きいことが知られている
。また一方、温度が高くなるにつれて電気抵抗が小さく
なり、感度が低下することも知られている。

かかるサーミスタ定数Ｂは感温エレメントとして用いる
前記のような半導体セラミックスの成分や組成等によっ
て決定されるが、また同時に比抵抗値も決まってしまい
、サーミスタ定数Ｂと比抵抗値とは独立に設定すること
ができない。そしてまた、感温エレメントの形状として
、通電断面積が小さくて電極間距離が長いものや、ある
いは通電断面積が大きくて電極間距離の短いものは、現
実的に製造することが困難であることもあって、サーミ
スタ定数Ｂが大きくて極間抵抗値が小さし′サーミスタ
や、あるいはサーミスタ定数Ｂが小さくて極間抵抗値が
大きいサーミスタを製造することは不可能であるとされ
ていた。

発明が解決しようとする問題点 本発明は、従来のサーミスタにおける、極間抵抗値とサ
ーミスタ定数Ｂとが夫々独立に設定することができない
という欠点を克服し、半導体セラミックスの成分や組成
に制約されずに、任意の特性を有するサーミスタを実現
しようとするものである。すなわち、本発明の目的は、
構造が簡単で小型かつ高感度という従来のサーミスタの
長所をそのまま備え、サーミスタ定数Ｂと極間抵抗値と
を自由に選択し設計できる温度センサを提供しようとす
るものである。

〔発明の構成〕

問題点を解決するための手段 前述の目的を達成することができる本発明の温度センサ
は、ニッケル及び／またはコバルトとマンガンとを少く
とも含有するスピネル構造の酸化物焼結体と、半導体化
ジルコニアと、炭化ケイ素とからなる群から選択された
少くとも１種の半導体材料を含む導電性粉末を、有機高
分子材料によって結合してなる成形体を感温エレメント
とし、これに１組の電極を設けて構成したものである。

本発明において感温エレメントを形成するに用いられる
半導体材料は、ニッケル及び／またはコバルトとマンガ
ンとを少くとも含有するスピネル構造の酸化物焼結体と
、半導体化ジルコニアと、炭化ケイ素とからなる群から
選択されたものである。かかる材料は、それぞれ感温エ
レメントを形成するに適した電気伝導性とその温度依存
性とを有するものであり、従来知られたものの中から適
宜選択してよい。

これらの半導体材料のうち、ニッケル及び／またはコバ
ルトとマンガンとを少くとも含有するスピネル構造の酸
化物焼結体としては、これらの金属元素の他に鉄、銅、
クロム、あるいはランタンなどの希土類元素などを含ん
でいてもよく、これらの金属を含む酸化物がスピネル構
造の半導体を形成するものであればよい。かかる金属成
分の組合せの例としては、マンガン−鉄−ニッケル系、
マンガン−鉄−ニッケルー銅系、マンガン−ニッケル系
、マンガン−ニッケルーコバルト系、マンガン−ニッケ
ルーコバルト−銅系、マンガン−ニッケルーコバルト−
ランタン系などがあるが、これらに限られるものではな
い。

これらの金属は、それぞれたとえば金属酸化物の形態で
、それぞれ希望する特性に応じて選択された割合で配合
されるが、通常、各成分は微粉末の形状で混合され、成
形されたのち焼成炉中で、必要とされる温度に達するま
で焼成される。こうして各金属酸化物が反応を完了した
のち、径１００μｍ以下、好ましくは１０μｍ程度まで
粉砕して粉末材料とする。

また、半導体材料のうち、半導体化ジルコニアは、周期
律表の第３族または第５族に属する元素などを含有させ
ることにより半導体化されたジルコニウムの酸化物であ
り、たとえばアンチモンなどを含む酸化物焼結体などが
あげられる。このような焼結体は、前述同様に粉砕して
、粉末材料とすることができる。

さらにまた、半導体材料のうち炭化ケイ素は、たとえば
、金属シリコン粉末と炭素粉末とをモル比１：１に配合
して加圧焼結するなどの方法により炭化ケイ素焼結体を
得、これを前述と同様に粉砕して粉末材料とすることが
できる。また、ケイ素化合物とガス状有機化合物とを高
温で接触させるか、あるいはガス状のケイ素化合物とガ
ス状の有機化合物とを高温で接触させて、粉末状あるい
は繊維状の炭化ケイ素を得ることもでき、このようにし
て得られた炭化ケイ素の粉末または繊維は、更に粉砕す
ることなくそのまま粉末材料として用いることができる
。

このような粉末材料は、目的とする温度センサの特性に
応じて適宜選択して用いられるが、１種のみでなく、２
種以上の粉末材料を配合して導電性粉末とすることがで
きる。このように複数種類の粉末材料を用いるときは、
電気伝導性やその温度依存性を適宜に調整することがで
きるから、特にサーミスタ定数Ｂを任意に設計するのに
好都合である。

さらに、かかる導電性粉末には、前記のような半導体材
料の粉末のみならず、その導電性を調整するための粉末
導電材料、すなわち、たとえば金、銀、ハラジウム、ニ
ッケノベニッケル・クロム、マンガン・銅などの金属や
合金の粉末、たとえばスズ、インジウム、バナジウムな
どの金属の酸化物粉末、たとえばホウ素、チタン、ジル
コニウム、バナジウム、ニオブ、タングステンなどの金
属の炭化物粉末、たとえばホウ素、ハフニウム、ジルコ
ニウム、チタン、タンタルなどの金属の窒化物粉末、た
とえばチタン、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、
モリブデン、ニオブなどの金属のホウ化物粉末、さらに
はグラファイトや導電性カーボンブラックなどを配合す
ることができ、その種類や配合量は、必要とする導電性
に応じて決定することが好ましい。

このような導電性粉末を結合するための有機高分子材料
は、熱硬化性材料であってもよくまた熱可塑性材料であ
ってもよい。かかる材料の特性としては樹脂状であって
もよくまたゴム状であっても構わない。かかる有機高分
子材料の例としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、
ウレタン樹脂、シリコーン上指、ポリアミド樹脂、ポリ
エステル虜詣、ポリフェニレンオキシド樹脂、ポリフェ
ニレンスルフィド樹脂、ポリオレフィンｆｉｔ　脂、Ｅ
　ＶＡ　！！を脂、ＥＰＭ、ＡＢＳなどが挙げられるが
、センサの使用温度において充分な耐熱性があれば、こ
れらに限らず用いることができる。また更に、これらの
結合材料中には充填材、軟化剤、酸化防止剤等、必要に
応じて添加剤を配合することができる。

これらの有機高分子結合材のうち熱硬化性のものを使用
する場合には、未硬化の状態のものを前記の導電性粉末
と配合し加熱成形することによって硬化させることは勿
論であり、それぞれ使用する材料によって圧縮成形ある
いは射出成形など適宜の成形方法を選択して用いること
ができる。

このようにして半導体材料を含む導電性粉末を有機高分
子材料によって結合して得られた成形体は、そのままの
形状か、あるいは適宜の板状または棒状等に切断するな
どにより整形して感温エレメントを形成し、これに１組
の電極を取り付けることにより温度センサを作成する。

電極を取り付けるに当っては、必要に応じて所定個所に
導電塗料や導電性接着剤などを施して端子をカシメで取
り付けるなどのほか、所定個所にメッキなどによって金
属被膜を施して端子をハンダ付けするなどの方法を用い
ることができる。しかし電極を設けるに当ってはこれら
の方法に限られるものではなく、また電極の形状も特に
限定されるものではない。

作用 本発明の温度センサは、種々の特性を有する半導体材料
から選択した粉末に必要に応じて導電材料の粉末を配合
して導電性粉末とし、これを有機高分子材料で結合して
感温エレメントを形成したものであり、そのサーミスタ
特性と電気抵抗とがそれぞれ独立に設定できるから、従
来の焼結体の感温エレメントに依っては実現不可能であ
った新規な特性を有する温度センサを容易に設計し、製
造することができるようになったものである。

実施例１ マンガン、コバルト、ニッケルおよび銅の酸化物をモル
比で２．７７　：１．６２　：０．６９　：０．９０と
なるように配合し、成形後１４００℃に焼成して焼結成
形体Ａを得た。このものはＸ線構造分析によりスピネル
構造を有していることが確かめられた。

この焼結体Ａをジェットミルによって粉砕し、粒径が５
０μｍ程度の粉末を得た。

この粉末を導電性粉末とし、有機高分子結合材料として
フェノール樹脂を組成物の５％および１５％となるよう
に配合し、加熱して板状成形体を得た。さらに、この成
形体から２　ｍｍ　ｘ　２　ｍｍ　Ｘ　０．２ｍｍの板
状チップを切り出し、その表および裏の各面に銅、更に
ニッケル金属層を析出させて電極とした。

このようにして得た温度センサｌａ、ｌｂについて、２
５℃および８５℃での電極間抵抗値を測定し、サーミス
タ定数Ｂ（２５／８５）および２５℃における比抵抗Ｒ
（２５）を算出した結果を表１に示す。

また、比較のために、前記の焼結体Ａから２叩×２証Ｘ
　Ｑ、　２ｍｍの板状チップを切り出したが、焼結体が
もろいため正確な形状のチップの収率は約１０％と低か
った。こうして得たチップに前記と同様にして電極を設
けて得た感温センサＩＣについて同様な測定を行なった
結果を、合せて表１に示す。

表１ 試料　粉末材料　結合材　Ｂ（２５／８５）　　　Ｒ（
２５）Ｋ　　　Ω・ａｍ ｌａ　　　　　Ａ：９５　　　　１エノール：５　　　
３２００　　　　　　　１３０Ｋｌｂ　　　Ａ：８５　
　　〃：１５　３３００　　　５００Ｋｌｃ”　　Ａ：
１００−−３２００　　　　９０＊：対照例 実施例２ 実施例１で用いたＡの粉末を導電性粉末とし、有機高分
子結合材としてエポキシ樹脂を組成物の５％となるよう
に配合したほか、実施例１と同様にして温度センサ２ａ
を作成した。

また実施例１で用いたＡの粉末２０部と粉末グラフアイ
）０２０部とを配合した導電性粉末に対して、前記同様
に有機高分子結合材としてエポキシ樹脂６０部を配合し
、同様にして温度センサ２ｂを得た。

これらの温度センサについて、実施例１と同様にして電
極間抵抗値を測定して得た特性値を表２に示す。

表２ 試料　粉末材料　結合材　Ｂ（２５／８５）　　Ｒ（２
５）０１ｃｍ ２ａ　　　　　　Ａ：９５　　　　　ｘボキシ：　　５
　　　　３２００　　　　　　　１５０に２ｂ［’ａ湛
”　：６０　１１７０　　１５０に実施例３ マンガン、コバルトおよびニッケルの酸化物をモル比で
３．６６　：０．４５　：１．８９となるように配合し
、成形後１４００℃に焼成して焼結成形体Ｂを得た。こ
のものはＸ線構造分析によりスピネル構造を有している
ことが確かめられた。

この焼結体Ｂをジェットミルによって粉砕し、粒径が２
〜５μｍ程度のＢの粉末を得た。

こうして得られたＢの粉末単独、およびこのＢの粉末と
実施例１で得られたＡの粉末とのｌ：Ｉの配合物をそれ
ぞれ導電性粉末とし、有機高分子結合材としてフェノー
ル樹脂を組成物の５％となるように配合したほかは、実
施例１と同様にして、温度センサ３ａ、３ｂを作成した
。

また、比較のために、前記の焼結体Ｂから実施例１にお
いて行ったと同様にしてチップを切出して、温度センサ
３Ｃを作成した。

これらの温度センサ３ａ、３ｂ、３ｃの特性値を実施例
１と同様にして測定した結果を表３に示す。

表３ 試料　粉末材料　結合材　　Ｂ（２５／８５）　　Ｒ（
２５）Ｋ　　　Ω・Ｃｍ ３ａ　　　　　　Ｂ：９５７ｚノール　：　　５　　　
　４１００　　　　　４３００に３ｂ　　　Ｂ：４７．
５　　〃：５　　３５００　　　３００Ｋ［Ａ：４７．
５ １ａ　　　Ａ：９５　　　”　　：５　　３２００　　
　１５０に３ｃ”　　　Ｂ：１００　　−　−　　４１
００　　　５．４に＊：対照例 実施例４ シニウ酸ジルコニウム１００部と酸化アンチモン２．５
部とをボールミル中で１夜粉砕混合し、これをプレス成
形したのち１３００℃に焼成して半導体化ジルコニア焼
結体Ｃを得た。さらに、これをジェットミルによって粉
砕し、粒径が１０μｍ程度のＣの粉末を得た。

この粉末を導電性粉末とし、有機高分子結合材としてフ
ェノール樹脂を組成物の５％となるように配合したほか
実施例１と同様にして、温度センサ４ａを作成した。

また、前記のＣの粉末７０部と銀−パラジウム合金（重
量比７０：３０）粉末Ａｇ−Ｐｄ２０部とを配合した導
電性粉末に対して、有機高分子結合材としてフェノール
樹脂１０部を配合し、実施例１と同様にして温度センサ
４ｂを作成した。

なお、比較のために、前記の焼結体Ｃから、実施例１に
おいて行ったと同様にしてチップを切出して、温度セン
サ４Ｃを作成した。

これらの温度センサの特性値を実施例１と同様にして測
定した結果を表４に示す。

表４ 試料　粉末材料　結合材　　Ｂ（２５／８５）　　Ｒ（
２５）Ｋ　　　Ω’ｃｍ ４ａ　　　　　Ｃ：９５　　　１ｘノール　：５　　　
　　２０００　　　　　　８０に４ｂ［Ｃニア０〃：１
０１４１０１４００１５０Ａ：２０ ４ｃ”　　Ｃ：１００−−　　　２０００　　１０００
＊：対照例 実施例５ 金属シリコンの粉末とグラファイト粉末とをモル比で１
＝１となるよう混合してプレス成形したのち、加圧下１
４００℃に焼結して炭化ケイ素焼結体りを得た。さらに
、これをジェットミルによって粉砕し、粒径が３〜５μ
ｍ程度のｂの粉末を得た。

この粉末を導電性粉末とし、有機高分子結合材としてフ
ェノール樹脂を組成物の５％となるように配合したほか
実施例１と同様にして、温度センサ５ａを作成した。

また、前記のＤの粉末６５部と白金の粉末Ｐｔ２５部と
を配合した導電性粉末に対して、有機高分子結合剤とし
てフェノール樹脂１０部を配合し、実施例１と同様にし
て温度センサ５ｂを作成した。

なお、比較のために、前記の焼結体りから、実施例１に
おいて行ったと同様にしてチップを切出して、温度セン
サ５Ｃを作成した。

これらの温度センサの特性値を実施例１と同様にして測
定した結果を表５に示す。

表５ ５ａ　　　　　Ｄ：９５　　　　フェノール　：５　　
　　　　　ＴＯＯＬＯＫ５ｂ［Ｄ：６５〃：１０８００
８ Ｐｔ：２５ ５０′″Ｄ：１００−−　７００　１２０＊：対照例 〔発明の効果〕 本発明の温度センサは、電気抵抗が温度によって変化す
る半導体材料を少くとも１種以上含み、さらに必要に応
じて導電材料を配合してなる導電性粉末を、有機高分子
材料によって結合して感温エレメントを形成したもので
あり、その感温特性と電極間抵抗とをそれぞれ自由に設
定することができる特長がある。

そしてまた、従来の焼結体セラミックスを感温エレメン
トとするセンサに較べて、エレメントの成形が容易であ
って形状の修正も自由であり、形状の揃ったエレメント
を収率よく量産することが容易である。また、焼結体よ
りも強靭であって電極の取付は時や取扱い時に欠けたり
破損したりすることがない。従って、特性が揃った高信
頼性の温度センサを経済的に量産することができる利点
を有する。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　ニッケル及び／またはコバルトとマンガンとを少くと
   も含有するスピネル構造の酸化物焼結体と、半導体化ジ
   ルコニアと、炭化ケイ素とから選択された少くとも１種
   の半導体材料を含む導電性粉末を、有機高分子材料によ
   って結合してなる成形体を感温エレメントとし、これに
   １組の電極を設けて構成したことを特徴とする温度セン
   サ。