JP6515569B2

JP6515569B2 - 温度センサ

Info

Publication number: JP6515569B2
Application number: JP2015028277A
Authority: JP
Inventors: 敬治白田; 中村　賢蔵; 賢蔵中村; 長友　憲昭; 憲昭長友
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2015-02-17
Filing date: 2015-02-17
Publication date: 2019-05-22
Anticipated expiration: 2035-02-17
Also published as: JP2016151450A

Description

本発明は、ケース内に感熱素子部が樹脂で封止されて形成され、応答性に優れていると共に熱放散定数のばらつきが少ない温度センサに関する。

一般に、エアコンディショナー、冷蔵庫、洗濯機等の家電製品や排気ガス再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）等の自動車の制御機構には、サーミスタ素子を用いた温度センサが使用されている。これらの温度センサでは、外部の液体や気体からサーミスタ素子を隔離する必要があるため、金属や樹脂のケース内にサーミスタ素子を収納し、樹脂により注型を行うことで、封止している。例えば、特許文献１には、有底ケース内に感熱素子を収納し、周囲を樹脂で充填した温度センサが記載されている。

このような温度センサでは、図５に示すように、一対の電極１０２ａにリード線３の一端が接続されたチップ状又はフレーク状のサーミスタ素子１０２が有底のケース５内に収納されていると共に、ケース５内に樹脂４が充填されている。

特開２００３−２４０６４２号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
従来の温度センサでは、ケース５内にチップ状又はフレーク状のサーミスタ素子１０２を配して樹脂４で封止する際に、ケース５内の底面に対してサーミスタ素子１０２の位置を一定にすることが難しく、樹脂封止後のサーミスタ素子１０２とケース５内の底面との距離がばらついてしまう問題があった。このようにサーミスタ素子１０２とケース５内の底面との距離がばらつくと、応答時間や熱放散定数にばらつきが生じてしまう不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、応答性や熱放散定数のばらつきを抑制することができる温度センサを提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係る温度センサは、感熱素子部と、前記感熱素子部に一端が接続された一対のリード線と、前記リード線の他端側を外部に配した状態で前記感熱素子部を樹脂で内部に封止して収納する有底のケースとを備え、前記感熱素子部が、絶縁性フィルムと、前記絶縁性フィルムの表面に設けられサーミスタ材料で形成されたサーミスタ部と、前記サーミスタ部に形成された一対の電極と、一端が前記一対の電極に接続されていると共に他端が前記一対のリード線に接続され前記絶縁性フィルムの表面にパターン形成された一対のパターン電極とを備え、前記絶縁性フィルムの前記サーミスタ部が形成された部分の表面側又は裏面側が、前記ケース内の面に面接触した状態で、前記感熱素子部が前記樹脂で封止されていることを特徴とする。

この温度センサでは、絶縁性フィルムのサーミスタ部が形成された部分の表面側又は裏面側が、ケース内の面に面接触した状態で、感熱素子部が樹脂で封止されているので、感熱素子部の位置がケース内の面に固定され、応答時間や熱放散定数のばらつきが抑制される。また、サーミスタ部の表面側又は裏面側でケース内の面に面接触されることで、ケースからサーミスタ部に直接的に熱が伝わり、高い応答性が得られる。

第２の発明に係る温度センサは、第１の発明において、前記絶縁性フィルムが、帯状に形成され、一対の前記パターン電極の他端が、前記絶縁性フィルムの互いに異なる端部に配され、前記サーミスタ部が、前記絶縁性フィルムの中央部に配されていると共に、前記絶縁性フィルムが、その両端部が折り曲げられて断面コ字状とされていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、絶縁性フィルムが、その両端部が折り曲げられて断面コ字状とされているので、絶縁性フィルムの中央部をケース内の面に向けて感熱素子部をケース内に挿入することで、サーミスタ部が設けられている中央部をケース内の面に絶縁性フィルムのバネ性によって押し付けた状態で樹脂封止することができ、高い密着性を得ることができる。また、リード線の接続位置をケース内の面のサーミスタ部から離すことができるため、リード線を介して外部に放熱してしまうことを抑制することができる。

第３の発明に係る温度センサは、第２の発明において、前記絶縁性フィルムの前記折り曲げられた両端部間の距離が、前記ケースの内径とほぼ同じに設定されていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、絶縁性フィルムの折り曲げられた両端部間の距離が、ケースの内径とほぼ同じに設定されているので、折り曲げられた絶縁性フィルムの両端部がケース内周面にガイドされてケース内に挿入されることで、径方向の位置決めができ、サーミスタ部をケース内の底面における中央に容易に配置することが可能になる。

第４の発明に係る温度センサは、第１から第３の発明のいずれかにおいて、前記ケース内の底面が凹曲面とされ、前記絶縁性フィルムが、前記底面に沿って密着した状態で前記感熱素子部が前記樹脂に封止されていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、柔軟な絶縁性フィルムが、ケース内の底面に沿って撓み、密着した状態で感熱素子部が樹脂に封止されているので、凹曲面の底面であっても感熱素子部を密着させて配置することができる。
第５の発明に係る温度センサは、第１から第４の発明のいずれかにおいて、前記サーミスタ部が、前記絶縁性フィルムの表面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部であり、前記一対の電極が、前記薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極であることを特徴とする。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る温度センサによれば、絶縁性フィルムのサーミスタ部が形成された部分の表面側又は裏面側が、ケース内の面に面接触した状態で感熱素子部が樹脂で封止されているので、応答時間や熱放散定数のばらつきが抑制されると共に、高い応答性が得られる。したがって、本発明は、応答時間等にばらつきが少ないと共に優れた応答性も有しており、特に、エアコンディショナー、冷蔵庫、洗濯機等の家電製品や排気ガス再循環等の自動車の制御機構に用いる温度センサとして好適である。

本発明に係る温度センサの第１実施形態を示す断面図である。第１実施形態において、感熱素子部を示す平面図及びＡ−Ａ線断面図である。本発明に係る温度センサの第２実施形態を示す断面図である。本発明に係る温度センサの第３実施形態を示す断面図である。本発明に係る温度センサの従来例を示す断面図である。

以下、本発明に係る温度センサの第１実施形態を、図１及び図２を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している。

本実施形態の温度センサ１は、図１及び図２に示すように、感熱素子部２と、感熱素子部２に一端が接続された一対のリード線３と、リード線３の他端側を外部に配した状態で感熱素子部２を樹脂４で内部に封止して収納する有底のケース５とを備えている。
上記感熱素子部２は、絶縁性フィルム６と、絶縁性フィルム６の表面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部７（サーミスタ部）と、薄膜サーミスタ部７の上に複数の櫛部８ａを有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極８（電極）と、一端が一対の櫛型電極８に接続されていると共に他端が一対のリード線３に接続され絶縁性フィルム６の表面にパターン形成された一対のパターン電極９とを備えている。

なお、図１では、感熱素子部２の構造を簡略的に図示している。
上記絶縁性フィルム６は、図２に示すように、帯状に形成されている。この絶縁性フィルム６は、例えば厚さ７．５〜１２５μｍのポリイミド樹脂シートで形成されている。
また、一対のパターン電極９の他端は、絶縁性フィルム６の互いに異なる端部に配されている。さらに、薄膜サーミスタ部７は、絶縁性フィルム６の中央部に配されている。

上記絶縁性フィルム６の薄膜サーミスタ部７が形成された部分の裏面側がケース５内の底面に面接触した状態で、感熱素子部２が樹脂４で封止されている。
すなわち、感熱素子部２の裏面をケース５内の底面に密着させた状態で、注型樹脂４をケース５内に注入し、充?することで、感熱素子部２をケース５内の底面に精度良く固定している。
なお、感熱素子部２をケース５内の底面にスポット溶接、両面テープ等による接着、粘着等を行って、仮置きした後に樹脂４を注入して注型を行っても良い。

上記一対のパターン電極９は、例えばＮｉＣｒ膜とＰｔ膜との積層金属膜でパターン形成され、互いに対向状態に配した櫛形パターンの櫛形電極部分（櫛部８ａ）を有している。これらパターン電極９の櫛形電極部分は、帯状の絶縁性フィルム６の延在方向に沿って延在するように配置されている。また、一対のパターン電極９の端部には、リード線３の一端が半田材、溶接又は導電性接着剤で接合されている。

上記薄膜サーミスタ部７は、例えば膜厚１００〜１０００ｎｍのＴｉＡｌＮ等の窒化物からなる薄膜サーミスタ材料で、矩形状に絶縁性フィルム６の表面中央にパターン形成されている。
特に、本実施形態の薄膜サーミスタ部７は、一般式：Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相である。

上記ケース５は、ステンレスやアルミニウム等の金属又はＰＰ（ポリプロピレン）等の樹脂で形成されている。
上記樹脂４は、例えばエポキシ樹脂等である。
上記リード線３は、例えば芯線を有する絶縁被覆電線であるが、リードフレーム等を採用しても構わない。

また、本実施形態の温度センサ１は、絶縁性フィルム６の表面に薄膜サーミスタ部７を覆ってパターン形成された保護膜１０を備えている。なお、さらに絶縁性フィルム６の表面の保護膜１０を覆う絶縁性の保護シートを接着しても構わない。
上記保護膜１０は、絶縁性樹脂膜等であり、例えば厚さ２０μｍのポリイミド膜が採用される。この保護膜１０は、薄膜サーミスタ部７と共に櫛部８ａを覆って矩形状にパターン形成されている。

このように本実施形態の温度センサ１では、絶縁性フィルム６の薄膜サーミスタ部７が形成された部分の裏面側が、ケース５内の底面に面接触した状態で、感熱素子部２が樹脂４で封止されているので、感熱素子部２の位置がケース５内の底面に固定され、応答時間や熱放散定数のばらつきが抑制される。また、薄膜サーミスタ部７の裏面側でケース５内の底面に面接触されることで、ケース５から薄膜サーミスタ部７の面全体に直接的に熱が伝わり、高い応答性が得られる。

次に、本発明に係る温度センサの第２及び第３実施形態について、図３から図４を参照して以下に説明する。なお、以下の各実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、絶縁性フィルム６が直線状に延在した帯状に形成されているのに対し、第２実施形態の温度センサ２１は、図３に示すように、絶縁性フィルム２６が、その両端部が折り曲げられて断面コ字状とされている点である。すなわち、絶縁性フィルム２６が、第１実施形態の絶縁性フィルム６よりも長く形成されており、リード線３が接続されるパターン電極の端部が、両端部の折り曲げた部分に配されている。

また、第２実施形態では、絶縁性フィルム２６の折り曲げられた両端部間の距離が、ケース５の内径とほぼ同じに設定されている。
すなわち、第２実施形態では、感熱素子部２が断面コ字状とされており、中央部をケース５内の底面に向けた状態でケース５内に挿入可能な幅（ケース５の内径より僅かに小さい幅）に設定されている。

このように第２実施形態の温度センサ２１では、絶縁性フィルム２６が、その両端部が折り曲げられて断面コ字状とされているので、絶縁性フィルム２６の中央部をケース５内の底面に向けて感熱素子部２をケース５内に挿入することで、薄膜サーミスタ部７が形成されている中央部をケース５内の底面に絶縁性フィルム２６のバネ性によって押し付けた状態で樹脂封止することができ、高い密着性を得ることができる。

また、リード線３の接続位置をケース５内の底面の薄膜サーミスタ部７から離すことができるため、リード線３を介して外部に放熱してしまうことを抑制することができる。
さらに、絶縁性フィルム２６の折り曲げられた両端部間の距離が、ケース５の内径とほぼ同じに設定されているので、折り曲げられた絶縁性フィルム２６の両端部がケース５内周面にガイドされてケース５内に挿入されることで、径方向の位置決めができ、薄膜サーミスタ部７をケース５内の底面における中央に容易に配置することが可能になる。

次に、第３実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、ケース５の底部が平坦な形状であるのに対し、第３実施形態の温度センサ３１では、図４に示すように、ケース３５の底部が凸形状とされている点である。すなわち、第３実施形態では、ケース３５内の底面が凹曲面とされ、絶縁性フィルム６が、ケース３５内の底面に沿って密着した状態で感熱素子部２が樹脂４に封止されている。

このように第３実施形態の温度センサ３１では、感熱素子部２がフレキシブルサーミスタ素子であり、柔軟な絶縁性フィルム６が、ケース３５内の底面に沿って撓み、密着した状態で感熱素子部２が樹脂４に封止されているので、凹曲面の底面であっても感熱素子部２を密着させて配置することができる。

上記第１実施形態に基づいて作製した本発明の実施例について、その熱時定数及び熱放散定数について測定した。なお、比較例としてチップ状のサーミスタ素子を用いた従来の温度センサについても同様に測定した。
この結果、比較例では、熱時定数が５〜７秒であったものが、本発明の実施例では、３〜３．５秒と１／２程度になり、そのばらつきも１／４に減少した。
また、取り付け後の熱放散定数は、比較的熱容量の大きな対象物に取り付けた場合は、比較例と本発明の実施例とで、ばらつきが同程度であったが、比較的熱容量の小さい対象物に取り付けた場合は、比較例が０．２ｍＷ／℃のばらつきがあったのに対し、本発明の実施例では、０．０５ｍＷ／℃のばらつきとなった。

なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記各実施形態では、絶縁性フィルムの薄膜サーミスタ部が形成された部分の裏面側が、ケース内の底面に面接触した状態で感熱素子部が樹脂で封止されているが、ケースが樹脂等の絶縁性材料で形成されている場合、逆に絶縁性フィルムの薄膜サーミスタ部が形成された部分の表面側が、ケース内の底面に面接触した状態で感熱素子部が樹脂で封止されていても構わない。

１，２１，３１…温度センサ、２…感熱素子部、３…リード線、４…樹脂、５，３５…ケース、６，２６…絶縁性フィルム、７…薄膜サーミスタ部（サーミスタ部）、８…櫛型電極（電極）、８ａ…櫛部、９…パターン電極

Claims

感熱素子部と、
前記感熱素子部に一端が接続された一対のリード線と、
前記リード線の他端側を外部に配した状態で前記感熱素子部を樹脂で内部に封止して収納する有底のケースとを備え、
前記感熱素子部が、絶縁性フィルムと、前記絶縁性フィルムの表面に設けられサーミスタ材料で形成されたサーミスタ部と、前記サーミスタ部に形成された一対の電極と、一端が前記一対の電極に接続されていると共に他端が前記一対のリード線に接続され前記絶縁性フィルムの表面にパターン形成された一対のパターン電極とを備え、
前記絶縁性フィルムの前記サーミスタ部が形成された部分の表面側又は裏面側が、前記ケース内の面に面接触した状態で、前記感熱素子部が前記樹脂で封止され、
前記絶縁性フィルムが、帯状に形成され、
一対の前記パターン電極の他端が、前記絶縁性フィルムの互いに異なる端部に配され、
前記サーミスタ部が、前記絶縁性フィルムの中央部に配されていると共に、前記絶縁性フィルムが、その両端部が折り曲げられて断面コ字状とされていることを特徴とする温度センサ。
請求項１に記載の温度センサにおいて、
前記絶縁性フィルムの前記折り曲げられた両端部間の距離が、前記ケースの内径とほぼ同じに設定されていることを特徴とする温度センサ。
請求項１又は２に記載の温度センサにおいて、
前記ケース内の底面が凹曲面とされ、
前記絶縁性フィルムが、前記底面に沿って密着した状態で前記感熱素子部が前記樹脂に封止されていることを特徴とする温度センサ。
請求項１から３のいずれか一項に記載の温度センサにおいて、
前記サーミスタ部が、前記絶縁性フィルムの表面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部であり、
前記一対の電極が、前記薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極であることを特徴とする温度センサ。