KR101626047B1 - 열시정수 감소를 위한 온도센서 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열시정수 감소를 위한 온도센서 구조체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인쇄장치 내부 드럼의 온도를 감지하는 온도감지소자의 열시정수를 감소시키기 위하여, 온도감지소자를 칩형태로 제작하고 리드프레임 일단부에 온도감지소자를 형성하여 저항 용접 및 리본본딩으로 접합하여 제작한 온도센서에 관한 것이다.
상기의 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명에 따른 열시정수 감소를 위한 온도센서 구조체의 구성은, 홀더로부터 인출되어 동일 평면상으로 연장되는 한 쌍의 리드프레임 및 상기 한 쌍의 리드프레임 일단부에 연결되는 온도감지소자를 포함하되, 상기 온도감지소자는 양면이 납작한 칩 형태로 양면에 전극이 형성되고, 상기 한 쌍의 리드프레임 중 하나의 리드프레임 일단부 상부에 상기 온도감지소자가 형성되고, 또 다른 하나의 리드프레임과 상기 온도감지소자를 리본본딩하는 것을 특징으로 한다.

Description

열시정수 감소를 위한 온도센서 및 그 제조방법{Temperature sensor structure for reducing thermal time constant and method thereof}

본 발명은 열시정수 감소를 위한 온도센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인쇄장치 내부 드럼(drum)의 온도를 감지하는 온도감지소자의 열시정수를 감소시키기 위하여, 온도감지소자를 칩형태로 제작하고 리드프레임 일단부에 온도감지소자를 형성하여 저항 용접 및 리본본딩으로 접합하여 제작한 온도센서에 관한 것이다.

일반적으로 대전상을 이용한 전자 사진 시스템(electrophotographic system)을 응용한 복사기, 프린터 및 팩시밀리장치 등의 인쇄는 열정착기를 이용하여 용지상에 토너를 용융하여 정착시킨다. 이 때, 열정착기의 정착 조건을 안정화하기 위하여 드럼의 히트 롤러 표면 온도를 측정하고 제어하기 위하여 서미스터(thermistor) 등을 이용한 온도센서를 사용한다.

서미스터는 온도에 따라 저항값이 변하는 소자로 온도의 측정 또는 검출에 이용되며 측정 범위는 -50~300℃ 정도로 감도가 민감해야 한다. 서미스터의 민감도를 결정하는 인자는 열시정수(thermal time constant)로 최초온도(Ti)와 최종온도(Te) 차이가 Ti의 63.2%에 해당하는 온도로 변화될 때까지의 시간(τ)을 의미한다.

서미스터의 주위의 온도나 서미스터에 흐르는 전류가 변할 때 저항값의 변화가 빨라야 하는데 열시정수가 작을수록 민감도는 높아져 짧은 시간에 정확한 온도를 측정할 수 있다. 열시정수가 작으려면 열용량이 작은 물질이나 구조를 사용해야 한다.

특허문헌 1에 제시된 종래기술은 열 응답특성과 기계적 강도가 우수한 온도 센서에 관한 것으로서, 한 쌍의 얇은 금속판에 감열소자를 연결하고 절연시트로 코팅하는 기술이 제시되어 있다. 그러나 감열소자가 알루미나 기판위에 후막형태로 형성되어 있어 열시정수를 줄이는 데는 한계가 있고, 접촉식으로 롤러의 표면에 닿아 있어서 토너나 이물질이 쌓이거나 끼어 롤러의 표면을 손상시키는 문제점이 있다.

1. 일본 특허공개번호 제2000-074752호(2000.03.14)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 열시정수를 줄이기 위하여 세라믹 조성물을 사용하여 칩(chip) 형태로 온도감지소자를 제작하여 온도센서를 제공하고자 한다.

또한, 온도센서 구조체 제작에 간편하고 용이한 저항 용접방법과 리본본딩방법을 제공하고자 한다.

상기의 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명에 따른 열시정수 감소를 위한 온도센서의 제조방법은, 홀더로부터 인출되어 동일 평면상으로 연장되는 한 쌍의 리드프레임 및 상기 한 쌍의 리드프레임 일단부에 연결되는 온도감지소자를 포함하는 온도센서로 구성되어, 납작한 칩 형태의 온도감지소자 양면에 전극을 형성하고, 상기 한 쌍의 리드프레임 중 하나의 리드프레임 일단부 상부에 상기 온도감지소자를 저항용접 또는 도전성 에폭시로 접착하고, 상기 온도감지소자의 상부와 타측의 리드프레임과는 리본본딩 또는 와이어 본딩으로 연결하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로서, 상기 온도감지소자와 리드프레임을 연결하는 연결부는 리드프레임의 본체 폭보다 가늘게 형성되어 열시정수를 감소시키는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로서, 상기 온도감지소자는 이트륨 산화물(Y₂O₃), 크롬 산화물(Cr₂O₃), 망간 산화물(Mn₃O₄) 및 마그네슘 산화물(MgO)분말을 소정비율로 혼합하여 소결한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 열시정수 감소를 위한 온도센서는 세라믹 조성물을 사용하여 납작한 칩(chip) 형태의 온도감지소자를 사용하여 리본본딩으로 온도센서를 제작하여 열시정수를 줄일 수 있다.

또한, 칩 형태의 온도감지소자에 적합한 리드프레임 구조체를 제공하여 열시정수를 줄이고 조립 제작이 용이하다.

또한, 저항 용접방법과 리본본딩방법을 채택함으로써, 온도센서 구조체 제작이 간편하고 용이하여 비용 및 인건비를 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 온도센서 구조체와 드럼의 전체 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 온도센서 구조체의 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 리드프레임과 온도감지소자의 부분확대도.
도 4는 본 발명에 따른 세라믹 조성물의 저항 값을 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 저항용접공정을 나타내는 부분확대도.
도 6은 본 발명에 따른 온도센서 구조체의 제조순서를 나타낸 순서도.
도 7은 본 발명에 따른 리드프레임의 또 다른 실시예.

이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 도면을 참고하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 하나의 발명을 설명하기 위한 것으로서 권리범위는 예시된 실시예에 한정되지 아니하고, 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 확대 도시하고 부수적인 것을 생략하였으므로 도면에 한정하여 해석하여서는 아니 된다.

도 1은 본 발명에 따른 인쇄장치 내부의 온도센서 구조체 및 드럼의 전체사시도로서, 인쇄장치 내부 드럼(drum)(1)과 드럼(1)표면의 온도를 감지 및 측정하는 온도센서 구조체(2) 및 온도센서 구조체(2)를 고정하는 고정용 플레이트(3)로 형성된다.

도 2는 온도센서의 전체 사시도이며, 도 3은 온도센서가 분해된 부분사시도이다.

온도센서 구조체(2)는 고정용 플레이트(3)와 끼움고정되는 홀더(24)와, 홀더(24)로부터 인출된 한 쌍의 리드프레임(20a,20b), 한 쌍의 리드프레임(20a, 20b) 일단부 상부에 형성되어 온도를 감지하는 칩 형태의 온도감지소자(21), 온도감지소자(21)와 리드프레임(20b)을 접합하는 리본본딩(26), 온도감지소자(21)를 보호하기 위한 보호수지(22), 보호수지(22) 및 리드프레임(20a,20b)을 보호하기 위한 보호필름(23)을 포함한다.

한 쌍의 리드프레임(20a,20b)은 홀더로부터 동일 평면상으로 연장되고, 한 쌍의 리드프레임 중 하나의 리드프레임(20a) 일단부 상부에 온도감지소자(21)가 접합되고, 또 다른 하나의 리드프레임(20b)과 온도감지소자(21)를 리본본딩(26)으로 접합할 수 있도록 형성된다.

온도감지소자(21)는 열시정수를 줄이기 위해 두께가 얇은 육면체 형상의 칩 형태로 제작된다. 바람직한 제작 형태로는 0.35mm x 0.35mm x 0.15 mm로서 전면과 후면은 용접이 용이하도록 은도금(Ag)을 한다.

온도감지소자는 온도에 따라 저항값이 변하는 소자로 온도의 측정 또는 검출에 이용되며 측정 범위는 -50~300℃ 정도로 감도가 민감해야한다. 이때 민감도를 결정하는 인자는 열시정수로서 최초온도(Ti)와 최종온도(Te) 차이가 Ti의 63.2%에 해당하는 온도로 변화될 때까지의 시간(τ)을 의미한다.

온도감지소자의 주위의 온도나 온도감지소자에 흐르는 전류가 변할 때 저항값의 변화가 빨라야 하는데 열시정수가 작을수록 민감도는 높아져 짧은 시간에 정확한 온도를 측정할 수 있다.

열시정수가 작으려면 열용량이 작은 물질이나 구조를 사용해야하는데, 본 발명에 따른 온도감지소자는 온도 상승에 따라 저항값이 감소하는 NTC-서미스터로 이트륨 산화물이 주 성분이다.

온도감지소자의 제조는 이트륨 산화물(Y₂O₃), 크롬 산화물(Cr₂O₃), 망간 산화물(Mn₃O₄) 분말을 소정비율로 혼합하여 1400℃에서 2시간 하소 후, MgO를 소정량 첨가하여 칩 형태로 성형하여 1550℃에서 4시간 정도 소결한다. 바람직한 조성물 비율은 최종 제품에서 Y₂O₃ 80~90wt%, Cr₂O₃ 5~10wt%, Mn₃O₄ 5~10wt%, MgO 0.1~1.0wt% 이다.

소결 후에는 전극을 형성한다. 전극 재료로는 Ag가 주성분인 페이스트를 도포하고 열처리하거나, 은도금으로 형성할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 온도감지소자의 온도 변화에 따른 저항값의 측정예를 보여준다.

도 5는 리드프레임(20a,20b)의 단부와 온도감지소자(21)의 접합방법을 나타낸 확대단면도로서, 하나의 리드프레임(20a) 일단부 상부에 온도감지소자(21)를 위치하고 저항용접을 통하여 접합한다. 본 발명에 따른 저항용접 방법은 일면의 리드프레임상에 소정간격 이격된 용접 전극을 대고 전류를 흘려 가열시켜 칩의 전극과 리드프레임을 용접한다. 저항용접 과정은 칩상에 형성된 전극과 리드프레임이 아주 짧은 시간동안 대전류에 의해서 녹아 합금화된다.

저항용접은 압력을 가한 상태에서 큰 전류를 흘려주어 금속끼리의 접촉면에서 생기는 접촉저항과 금속의 고유저항에 의하여 열을 얻고 이로 인하여 금속이 가열 또는 용융하면 가해진 압력에 의하여 접합이 이루어지도록 하는 공법으로, 넓은 면적을 단시간 내에 신속하게 용접이 가능하여 용이하게 제작이 가능하다.

또한 넓은 면적이 용접되어 드럼의 진동에 의해 온도감지소자(21)가 이탈되거나 파손되어 단절되는 것을 방지하고, 좌우로 용접되는 종래기술에 비하여 본 발명은 온도감지소자(21) 상하면 전체와 접촉하여 용접되기 때문에 저항 값의 감지속도, 민감도 및 정확성이 높아진다.

상기에서 저항용접으로 리드프레임과 전극의 용접을 예시하였으나, 이에 제한되지 않고, 일반적인 용접이나 레이저에 의한 용접도 사용할 수 있고, 도전성 에폭시를 사용한 접착도 가능하다.

도 6은 리드프레임(20a,20b)과 온도감지소자(21)의 확대단면도로서, 리드프레임(20a) 상부와 접합된 온도감지소자(21)와 또 하나의 리드프레임(20b)을 리본본딩(26)으로 접합하고, 접합된 리드프레임(20a,20b), 리본본딩(26) 및 온도감지소자(21)를 보호하기 위한 보호수지(22)가 도포되며, 도포된 보호수지(22) 및 리드프레임(20a,20b) 전체에 폴리이미드 또는 테프론 소재의 보호필름(23)으로 봉지(encapsulation)하여 온도감지소자를 보호하고 접촉되는 롤러의 손상을 방지한다.

상기에서 리본본딩 접착을 예시하였으나, 이에 제한되지 않고, 와이어 본딩방법 등 일반적인 본딩방법도 사용할 수 있다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예로서, 리드프레임(20a,20b) 단부는 가늘고 길게 연결한 연결부(25)를 형성함으로써 열시정수를 작게 하여 응답특성을 개선할 수 있다.

본 발명의 기술적 사상은 위에 열거한 실시예에 한정되지 않으며 다양하게 변형 실시할 수 있다.

1 : 드럼
2 : 온도센서 구조체
20 : 리드프레임 21 : 온도감지소자 22 : 보호수지
23 : 보호필름 24 : 홀더 25: 연결부 26 : 리본본딩
3 : 고정용 플레이트

Claims (4)

1. 홀더로부터 인출되어 동일 평면상으로 연장되는 한 쌍의 리드프레임 및 상기 한 쌍의 리드프레임 일단부에 연결되는 온도감지소자를 포함하는 온도센서의 제조방법에 있어서,
   납작한 칩 형태의 상기 온도감지소자 양면에 전극을 형성하고,
   상기 한 쌍의 리드프레임 중 하나의 리드프레임 일단부 상부에 상기 온도감지소자의 일면을 저항용접 또는 도전성 에폭시로 접착하고,
   상기 온도감지소자의 타면 상부와 타측의 리드프레임과는 리본본딩 또는 와이어 본딩으로 연결하고,
   상기 온도감지소자와 리드프레임을 연결하는 연결부는 리드프레임의 본체 폭보다 가늘게 형성하여 열시정수를 감소시키는 것을 특징으로 하는 온도센서 제조방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 온도감지소자는 이트륨 산화물(Y₂O₃), 크롬 산화물(Cr₂O₃), 망간 산화물(Mn₃O₄) 및 마그네슘 산화물(MgO)분말을 소정비율로 혼합하여 소결한 것을 특징으로 하는 온도센서 제조방법.
4. 제1항 또는 제3항의 제조방법으로 제조된 온도센서에 있어서,
   온도감지소자의 타면 상부와 타측의 리드프레임과는 리본본딩 또는 와이어 본딩으로 연결되고,
   상기 온도감지소자와 리드프레임을 연결하는 연결부는 리드프레임의 본체 폭보다 가늘게 형성된 것을 특징으로 하는 온도센서.

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