KR19990071366A - 액면 검지 센서 - Google Patents

Abstract

액면 검지센서의 서미스터에 후막(厚膜) 서미스터(1)를 사용한다. 후막 서미스터(1)는 기판(2)에 제1전극(4)과 글라스코트 모양의 서미스터입(粒)으로 만든 서미스터층(3)과 제2전극(5)을 가지고, 제1전극(4) 및 제2전극(5)에 리드선(7, 8)을 접속한 것으로, 제1 및 제2전극(4, 5)재료에 Au를 사용하여 각 전극(4, 5)과 리드선(7, 8)을 접속하는 도전성 접착제(12)에는 Ni-레진계 또는 Ni-글라스계 접착제를 사용한다.

이에 따라 액면 검지센서의 점등·소등 특성, 작동 내구성을 향상시킨다.

Description

액면 검지 센서

본 발명은 자동차 기타 기기류에 장비한 연료탱크내에 설치하고, 탱크내에 충전된 가솔린, 경유 등의 액체연료 액면을 검지하는 액면 검지 센서에 관한 것이다.

탱크내에 충전된 가솔린, 경유 등의 오일 잔량 액면을 검지하는 센서로서 종래 서미스터를 사용한 액면 검지 센서가 알려져 있다. 이 액면 검지센서는 도 6과 같이 직류전원(20)에 경고등(21)과 서미스터(22)를 직렬로 결선하고, 서미스터(22)에 직류 전류를 통전하여 이것을 자기발열시켜 서미스터(22)가 액중에 담겨 있을 때와 공기중에 노출될 때의 열방산 정수의 차이로부터 회로의 전류치 크기를 제어하여 경고등(21)의 소등, 점등을 제어하는 것이다.

종래, 액면 검지센서에는 형상 여하를 불문하고 이른바 솔리드 타입(금속산화물 소결체인 반도체 소자형)의 서미스터 소자가 사용되어 왔다.

액면 검지 센서에는 여러 특성이 요구되나, 그 중에도 점등·소등 특성, 작동내구 특성이 특히 중요하다. 자동차 연료탱크의 경우, 점등·소등 특성은 탱크내 연료 떨어짐, 가령 가솔린 떨어질 때의 경고등이 점등하고, 가솔린이 보급될 때에 확실하게 경고등이 소등하는 일이고, 작동내구 특성은 경고등 점등·소등의 반복에 대하여 수명 특성이 우수한 일이고, 또, 저온하에 있어서도 전원전압인 배터리 전압이 저하되더라도 가솔린 떨어짐에 대해서는 확실하게 경고등을 점등하는 일이다.

그러나, 액면검지에 솔리드 타입의 서미스터 소자를 사용한 종래의 액면 검지 센서에 있어서는 실장후에 전극 박리나 소자균열 등이 생기기 쉽고, 또, 외장하지 않았기 때문에 내유성이 나쁘고, 본질적으로 작동 내구성이 떨어지는 결점이 있고, 그 결과, 감온특성이 고장나고, 가솔린이 떨어져, 서미스터 소자가 공기에 접촉하고 있음에도 불구하고 경고등이 반드시 완전점등하지 않는 사고가 발생해 있음을 알았다.

본 발명의 목적은 상기 과제를 해결하고, 점등, 소등 특성, 작동 내구성이 우수한 액면 검지 센서를 제공함에 있다.

도 1a는 본 발명을 적용한 샌드위치 전극형 서미스터 표시도,

도 1b는 본 발명을 적용한 대향 전극형 서미스터 표시도,

도 2는 본 발명의 일실시형태를 나타내는 액면 검지 센서 단면도,

도 3은 실시예 및 비교예의 작동 내구특성 그래프도,

도 4는 작동내구 특성시험에 사용한 회로구성 표시도,

도 5는 후막 서미스터 제조공정 표시도,

도 6은 액면 검지 센서의 전기회로 표시도.

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

1: 후막 서미스터 2: 기판 3: 서미스터층

4: 제1전극 5: 제2전극 6: 오버코트

도 1a에 있어서, 본 발명에 따른 액면 검지 센서에 있어서는 센서소자에 후막 서미스터를 사용하는 것으로, 후막 서미스터(1)는 기판(2)상에 서미스터층(3)과 서미스터층(3)의 전극인 제1전극(4; 하층전극) 및 제2전극(5; 상층전극)이 형성되고, 필요에 따라 오버코트(6)가 실시된다.

서미스터층(3)은 제1 및 제2전극(4, 5) 사이에 형성되고, 제1 및 제2전극(4, 5)은 기판(2)상에 개구된 작은 구멍(11)내에 삽입된 리드선(7, 8)과 각각 도전성 접착제(12)를 가지고 접속되고, 오버코트(6)는 리드선(7, 8)을 포함하고 제1전극(4)과, 서미스터층(3)과 제2전극(5)상에 걸쳐서 기판(2) 상방을 덮고 있는 것이다.

도 1a는 샌드위치 전극형 서미스터이고, 제1 및 제2전극(4, 5)은 서미스터층(3)을 끼고 그 상하에 형성된다. 또, 도 1b는 대향 전극형 서미스터이고, 제1 및 제2전극(4, 5)은 서미스터층(3)을 끼고 양측에 형성된다.

후막 서미스터(1)는 도 2와 같이 후막 서미스터(1)가 금속케이스(9)내에 수용되고, 후막 서미스터(1)의 리드선(7, 8)이 금속케이스(9) 바닥과 금속케이스(9)를 덮는 절연덮개에 부착된 금속단자(10)에 결선되어 액면 검지 센서(14)로 조립된다.

본 발명에 있어서, 기판(2)에는 열방산성이 우수한 알루미나 기판을 사용하여 방열효과를 향상시키고 있다. 서미스터층(3)에는 기판(2)상에 제1전극재료를 도포한 후, 서미스터 재료를 도포하고 이어서 제2전극 재료를 도포하여 고화한다.

본 발명에 있어서, 후막 서미스터에는 서미스터 재료의 원료분말을 1100℃∼1300℃로 본 소성한 후 재차 미세하게 분쇄하여 1㎛ 정도 입경의 서미스터 입자로 가공하여 그 입자를 유리로 싸서 만든 페이스트를 사용한다. 이 페이스트를 기판(2)상에 인쇄 인화함으로써 후막 서미스터를 형성하고 있다. 서미스터 입경계 사이에 유리를 용융개재하고, 게다가 입자간 레벨로 글라스코트되기 때문에 입계가 파괴되지 않고 크랙 발생이 방지된다.

또, 작은 구멍(11)은 기판(2) 양단에 뚫린 관통공으로, 그 공내에는 적어도 80% 이상 범위에 걸쳐 Ni-글라스를 사용한 스루홀 전극을 인쇄에 의해 형성하고 있다. 제1 및 제2전극(4, 5)은 각 작은 구멍(11) 주위에 도달하고 스루홀 전극에 연통하여 형성된 것이다.

리드선(7, 8)은 도 5b와 같이 세갈래 형상의 단자를 가지고, 양측 단자와 중앙 단자 사이에 기판을 끼우고, 중앙단자를 작은 구멍(11)에 삽입하고, 작은 구멍(11)내에 유입한 도전성 접착제(12)를 가지고 각 전극(4, 5)에 개별적으로 안정되게 접속된다. 본 발명에 있어서, 제1 및 제2전극(4, 5)에는 그 재료로 금을 사용하고, 또 제1 및 제2전극(4, 5)과 리드선(7, 8)의 접속에 사용하는 도전성 접착제에는 Ni-레진계 또는 Ni-유리계 접착제를 사용한 것을 기본 구조로 하고 있다.

전극재료나 도전성 접착제 선정은 액면 검출 센서와 그 센서를 담그는 액체와의 관계가 문제가 된다. 종래 사용되던 은(Ag-G) 전극이나 Ag-레진계의 도전성 접착제는 알콜(에탄올, 메탄올)이나 특히 유황(S)의 혼합율이 많은 가솔린 중에서는 내구작동 시험에 있어서, 액면 검지 센서 저항치가 이상하게 변화를 가져오고, 액면 검출기로서의 신뢰성이 극단으로 줄어든다.

이것은 가솔린중의 유황과 전극재료의 은이 반응하고, 유화은 (Ag₂S)으로 변화하기 때문이고, 또, 알콜 혼합 가솔린 액중에서는 액체의 비저항, 전기 특성이 저하하고, 특히 플러스측 리드선 단자부가 노출되어 있는 구조의 것(가령, 실개소 61-12583호 참조)은 그 특성이 심하게 줄어드나, 이를 개량하여 리드캡의 접합 부분을 포함하여 글라스코트되어 있는 구조의 것(가령, 특개소 61-102002호 참조)에도 유화작용과 전해작용에 의해 그 접합부분에서의 부식이 생기기 쉽고, 소자 근방의 전류밀도가 커지고, 이것이 접촉 불량, 단선의 원인이 된다.

그러나, 전극재료에 금을 사용하고, 전극과 리드선의 접속에 사용하는 도전성 접착제로서 Ni-글라스계, Ni-레진계 접착제를 선정했을 때, 이들은 알콜, 유황을 함유하는 가솔린에 대하여 반응성이 없고 또 글라스에 의한 오버코트를 실시함으로써 접촉 불량이나 단선 발생이 없는 액면 검지 센서가 된다.

도 3에 후막 서미스터의 전극재료와, 도전성 접착제와 오버코트 유무의 조합에 대하여, 각 실시예의 △R₂₅(%)의 측정결과를 나타낸다. 측정에 있어서는 도 4와 같이 직류전원(DC21V; 13)에 액면 검지 센서(14)와, 전구(12V, 3.4W; 15)를 직열로 접속한 회로를 사용하여 액면 검지 센서(14)를 공기중에 3분간 두고, 이어서 연료(가솔린 ＋ 유황 ＋ 에탄올)중에 1분간 담그는 사이클을 반복하여 저항치(R₂₅) 변화율을 측정한 것이다. 실시예 1은 전극재료에 Ag-레진, 실시예 2는 Au-글라스, 실시예 3은 ＋전극에 Au-글라스, －전극에 Au-글라스를 사용한 예이다.

도 3에는 비교예로서 서미스터 재료에 솔리드형 서미스터를 사용한 예를 아울러 표시한다. 비교예에 사용한 전극재료는 모두 Ag-글라스이다.

또, 각 실시예, 비교예에 대한 서미스터 재료, 전극재료, 도전성 접착제 종류, 오버코트 유무 및 (에탄올 ＋ 유황 ＋ 가솔린) 중에서의 작동내구 시험결과를 표 1에 정리하여 표시한다.

	비교예 1	비교예 2	비교예 3	실시예 1	실시예 2	실시예 3
서미스터재료	솔리드형	솔리드형	솔리드형	후막	후막	후막
전극재료	Ag-글라스	Ag-글라스	Au-글라스	Ag-레진	Au-글라스	＋Au-Ag
도전성재료	Ag-레진	Ni-레진	Ni-레진	Ni-레진	Ni-레진	Ni-레진
오버코트	없음	글라스코트	글라스	없음	없음	글라스
(에탄올＋유황＋가솔린)중의 작동내구변화율	100사이클미만＋20% 이상	100사이클미만＋20% 이상	1000사이클＋20%이상	5000사이클＋20%이상	10000사이클＋10%이상	10000사이클＋5%이상

도 3에 있어서, 비교예 1은 4개의 시료에 대하여 실시를 행하였으나 모두 실험 당초부터 △R₂₅는 20%를 넘었다. 비교예 2는 50사이클 까지는 △R₂₅는 20% 이하로 억제되었으나 50사이클을 넘으면 R₂₅의 값은 급격히 상승하여 1000사이클에서의 값은 400∼700%에 달하였다.

비교예 3은 비교예 2에 비해 안정성은 상당히 향상하였으나 1000사이클을 넘어서는 △R₂₅(%) 값은 20%를 넘었다. 한편, 실시예 1에 있어서도 5000사이클에 달하여 △R₂₅(%)의 값이 급격히 증대하여 20%를 훨씬 넘었으나 5000사이클 이하는 비교적 안정되어 있었다. 시장에 있어서는 2500사이클 까지의 안정성이 요구되고 있기 때문에, 실시예 1은 최종적으로 △R₂₅(%)의 값이 20%를 넘어서 시장의 요구에는 만족되고 있다. 실시예 2, 3은 10,000사이클에 있어서도 △R₂₅의 값은 5% 전후, 또는 그 이하의 안정성을 유지하고 있었다.

이상, 실시예로 분명한 바와 같이, 제1 및 제2전극에 금을 사용할 때는 코트가 없어도 △R₂₅(%)를 ＋10% 이하로 멈출 수 있고, 또, 전극의 적어도 한쪽에 금전극(金電極)을 사용하고, 아울러 유리에 의한 오버코트를 실시하면 △R₂₅(%)를 5% 이하로 멈출 수 있었다. 또, 도전성 접착제에는 Ni-레진계를 사용하였으나 Ni-글라스계의 접착제를 사용하여도 같은 효과가 얻어졌다. 본 발명은 전극재료에 Au를 선택하는 것이 가장 중요하고, 적어도 전극 한쪽(＋측)의 전극재료에 Au가 선정되고 있으면 글라스코트 및 도전성 접착제 종류를 선정하여 작동내구 특성을 개선할 수 있다.

또, 전극재료에 Au와 Au 이외의 금속(가령 Ag)과의 조합을 사용할 때는 ＋측의 전극에 Au를 사용한다. ＋측 전극은 －측 전극에 비해 침식이 심하기 때문이다.

도 5에 본 발명에 따른 액면 검지 센서(12)가 사용하는 후막 서미스터 제조공정 일예를 표시한다. 도 5a에 기판(2) 구조를 표시한다. 기판(2)은 기판시트(16)를 슬릿(17)으로 종횡으로 구획한 칩이고, 칩 길이방향 양단에는 기판(2)을 관통하여 작은 구멍(11)이 개구된다. 도 5b에 있어서, 각 기판상에는 제1전극(4), 서미스터층(3), 제2전극(5)이 순서대로 인쇄되고, 각 슬릿(17)에 따라 기판마다 절리(切離)되고, 도 5c와 같이 쌍의 리드프레임을 리드선(7, 8)의 세갈래 형상단자의 양측단자와 중앙단자 사이에 기판(2)을 끼우고, 리드선 일부인 중앙단자를 기판(2)의 각 작은 구멍(11)내에 꽂고, 이것을 다른 부분인 양측단자와 함께 도전성 접착제로 전극(4, 5)에 접합하고, 필요에 따라 오버코트(6)를 실시함으로써 도 1 표시의 액면 검지 센서용 후막 서미스터가 얻어진다.

또, 도 5에서는 샌드위치 전극형 후막 서미스터에 적용한 예를 표시하고 있으나, 대향 전극형 후막 서미스터라도 리드선 접속 요령은 샌드위치 전극형 후막 서미스터와 꼭같다.

이하에, 솔리드 타입 서미스터 소자를 액면 검지 센서에 사용할 경우와 비교하여 후막 서미스터를 액면 검지 센서에 사용할 경우에 센서로서 우수한 점을 설명한다.

(1) 후막 서미스터는 두께가 얇고, 면적을 작게할 수 있기 때문에 온도변화에 대한 저항치의 추수성(追隨性)이 우수하고, 저온환경 하에서도 감응속도가 양호하여 점등·소등 특성이 우수한다. 이점, 솔리드타입 서미스터 소자는 후막 서미스터에 비해 전체 체적이 크다. 이 때문에, 일단 솔리드 타입 서미스터가 공기중에서 자기 발열한 후, 가솔린 보급으로 재차 서미스터가 가솔린 중에 담겨지더라도 열방산에 시간이 걸리고, 저항치가 올라가기 어렵고, 따라서, 경고등이 좀처럼 소등되지 않는 상태가 계속된다. 또, 저온환경하에서는 솔리드 타입 서미스터는 전류부하를 걸어도 저온상태가 계속되고, 저항이 내리지 않아 점등하기 어렵게 된다.

(2) 후막 서미스터는 알루미나 기판상에 전극, 서미스터 페이스트, 그리고 필요에 따라 제2전극을 커버하여 글라스코트를 인쇄에 의해 형성가능하고, 거기에 접속되는 리드선 일부를 제외하여 가솔린 및 알콜, 유황 등의 혼합연료에 대해서도 침투를 허용하지 않기 때문에 감온부분 보호가 충분히 확보된다.

(3) 액면 검지 센서로 사용되는 서미스터의 자기 발열온도는 액중에서 50∼100℃, 공기중에서는 200∼300℃라 일컫고 있다. 본 발명에 있어서는 서미스터 소자 입계간에 유리가 용융 개재되어 있기 때문에, 후막 서미스터가 가솔린 중에 담겨지더라도 서미스터 자체가 입자간 레벨로 글라스코트된 상태에 있고, 입계가 파괴되지 않고, 크랙 발생을 방지할 수 있다. 이에 비해, 솔리드형 서미스터는 분체를 고화하여 소성되었을 뿐이기 때문에, 고온 자기발열에 의해 크랙이 발생하기 쉽다.

(4) 후막 서미스터에 사용되는 서미스터 재료와, 알루미나 기판과는 열팽창 계수가 거의 같기 때문에 열 스트레스에 대해서도 극히 유연하게 대응 가능하다. 이 점, 전촉(電觸) 대책이 실시된 선행예, 가령 특개소 61-099302호, 특개소 61-181105호, 실개소 58-125893호와 같이 로드형 글라스코트 제품으로 조립했을 때에 소자와 금속캡 글라스코트의 각 열팽창계수의 매칭이 나쁘다는 구조적 결함이 있다.

(5) 본 발명은 제1에 서미스터 재료를 페이스트화한 시점에서 그 표면이 글라스코트된 상태로 한 점, 제2에 Au 전극을 채용하는 것을 기본 대책으로 하고, 또 ＋측 전극에 Au를 사용하고, －측 전극에 Ag를 사용할 때, 혹은 ＋측 전극에 Ag 전극을 사용하여도 도전성 접착재에 Ni-글라스 또는 Ni-레진을 사용하고, 또한 코트에 글라스코트를 선정함으로써 알콜(에탄올, 메탄올)이나 유황함유량이 많은 가솔린 중의 작동내구시험에 있어서 △R(%)에 이상변화를 가져오는 액면 검지 센서로서 신뢰성을 확보할 수 있다.

Claims (7)

1. 후막 서미스터를 사용한 액면 검지 센서에 있어서, 후막 서미스터는 기판상에 서미스터층과 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 액면 검지 센서.
2. 제 1 항에 있어서, 서미스터층은 서미스터 입자를 유리에 싸넣는 듯이 하여 만들어진 페이스트를 기판 및 전극상에 도포하여 형성된 것을 특징으로 하는 액면 검지 센서.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 후막 서미스터는 서미스터층과 전극을 피복하는 글라스코트를 오버코트로서 갖는 것을 특징으로 하는 액면 검지 센서.
4. 제 1 항에 있어서, 전극은 제1전극과 제2전극이고, 제1 및 제2전극의 전극재료는 모두 금인 것을 특징으로 하는 액면 검지 센서.
5. 제 1 항에 있어서, 전극은 제1전극과 제2전극이고, 서미스터층을 끼고 상하 또는 마주보게 형성되고, 제1전극과 제2전극의 적어도 ＋극이 되는 한쪽 전극재료는 금이고, 제1 및 제2전극과 서미스터층을 피복하는 톱(top) 코트로서 글라스코트를 갖는 것을 특징으로 하는 액면 검지 센서.
6. 제 1, 2, 4 또는 5항에 있어서, 전극에는 도전성 접착제를 사용하여 리드선이 접속되고, 도전성 접착제는 Ni-레진계 또는 Ni-글라스계 접착제인 것을 특징으로 하는 액면 검지 센서.
7. 제 6 항에 있어서, 기판은 기판을 관통하는 작은 구멍을 가지고 리드선은 그 일부가 작은 구멍내에 삽입되고, 타부분과 함께 도전성 접착제를 가지고 전극에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 액면 검지 센서.