JPH0567167B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、温度変化を検出してその温度変化に
対応する周波数信号を出力する温度センサに関す
るものである。

〔従来の技術〕

冷蔵庫、エアコン、電気釜等の家電製品には温
度センサが備えられ、この温度センサの検出温度
に基づいて温度制御が行われている。

この種の温度センサとしては、熱電対のよう
に、基準温度と検出温度との温度差に対応する起
電力を発生するもの、あるいは、白金抵抗体やサ
ーミスタの如く、温度変化を抵抗の変化として検
出するものが使用されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記熱電対は温度差に対応する
起電力が小さいため、増幅器を用意しなければな
らず、装置構成が大がかりとなり装置コストも高
くなるという欠点がある。

また、白金抵抗体は非常に高精度の温度検出が
できる反面、その価格が高くなるという欠点があ
る。通常の家電製品の温度センサとしては白金抵
抗体ほどの精度は必要なく、むしろ検出精度は少
く低くしても価格の安いものが望まれる。

この点、サーミスタは温度検出精度も比較的よ
く、価格もそれほど高くないので、広く使用され
ているのであるが、その検出出力をマイクロコン
ピユータを使用して信号処理する場合に難点があ
る。

すなわち、近年、マイクロコンピユータの発達
に伴い、温度センサから得られる温度情報を演算
データとしてこのマイクロコンピユータに取り込
み、同コンピユータによつて信号処理する機会が
ますます増加している。

かかる場合、サーミスタの温度検出値は一般に
電圧のアナログ信号として出力されるため、マイ
クロコンピユータで処理する前段階で、Ａ／Ｄ変
換器によりデジタル信号に変換しなければなら
ず、信号処理が複雑化するという難点がある。

また、サーミスタからＡ／Ｄ変換器に至るアナ
ログ信号系にノイズが混入する機会が多く、信号
のＳ／Ｎ比の上でも問題がある。

本発明は上記従来の問題点を解決するためにな
されたものであり、その目的は、家電製品等の温
度制御を行う上で必要な温度の検出精度を備え、
しかも、マイクロコンピユータでの信号処理がし
易く、かつ安価な温度センサを提供することにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕 本発明は上記目的を達成するために次のように
構成されている。すなわち、本発明は、温度変化
によつて誘電率が変化する誘電体を電極間に介設
したコンデンサを有し、このコンデンサを用いて
CR発振回路が構成されている温度センサにおい
て、前記誘電体は、常誘電相に使用温度域を持
ち、かつ、誘電率の温度系数が−1000ppmから−
10000ppmの範囲にあるセラミツク誘電体によつ
て構成され、該セラミツク誘電体は前記CR発振
回路が形成される基板を兼用していることを特徴
として構成されている。

〔作 用〕

上記のように構成されている本発明において、
検出領域の温度が変化するとセラミツク誘電体の
誘電率が変化し、これに伴いコンデンサの静電容
量が変化する。したがつて、温度変化によつて
CR発振回路内の該コンデンサの電荷の充放電の
時間間隔が変化し、これがセンサ出力信号の周波
数変化となつて表れる。つまり、CR発振回路の
発振周波数を検知することにより、目的とする検
出温度を求めることが可能となるものである。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明
する。

第１図には本発明の一実施例を示す温度センサ
の断面構成が示されており、また、第２図にはそ
の温度センサを製造する工程例が示されている。

図において、セラミツク誘電体１は、ラツプ研
磨等によつて0.5mm厚に研磨され、第２図ａに示
すように、５mm×８mmの板状寸法に切断されてい
る。このセラミツク誘電体１は第３図に示すCR
発振回路のコンデンサ用誘電体としての他に回路
基板としての役割を担つており、該セラミツク誘
電体１の一方側の面１ａにはCR発振回路を構成
する第１の抵抗体３と、コンデンサ２の一方側の
電極（第２図には図示せず）４と、これら第１の
抵抗体３とコンデンサ２とを接続する第１の導電
パターン５とが印刷・焼成によつて形成されてい
る（第２図ｂ）。本実施例では、CR発振回路を構
成するR₁、R₂、R₃、R_fのうちの一部、例えば
R₁、R₂、R₃を抵抗ペーストの印刷・焼成により、
前記セラミツク誘電体１の表面に直接形成してお
り、また、電極４は銀とパラジウムを素材とする
電極パターンを同誘電体１の表面にスクリーン印
刷し、これを約850℃の温度で焼成することによ
つて形成している。

そして、このセラミツク誘電体１に形成された
第１の抵抗体３、電極４および第１の導電パター
ン５は、絶縁層６によつて覆われている（第２図
ｃ）。この絶縁層６は絶縁材料を前記第１の抵抗
体３等の上から印刷し、これを乾燥した後に焼成
することによつて得られるが、本実施例では、絶
縁不良を確実に防止するために、この絶縁層６の
形成作業を複数回（例えは２〜３回）繰り返して
該絶縁層６を厚めに積層形成している。

そして、この絶縁層６の表面側には、前記CR
発振回路の他の抵抗体（例えば抵抗R_fの抵抗
体）、すなわち、第２の抵抗体７と、この第２の
抵抗体７に接続する第２の導電パターン８とが同
様に印刷・焼成によつて形成され、この第２の導
電パターン８上には能動素子としてのICのミニ
フラツトパツケージ１０がハンダ付けされている
（第２図ｅ）。なお、このミニフラツトパツケージ
中にはCR発振回路中の演増幅器１１が集積形成
されている。

一方、セラミツク誘電体１の他方側の面１ｂに
はリード線１２を取り付けるための導電パターン
部１３と、コンデンサ２の他方側の電極１４とが
前述したと同様に印刷・焼成によつて形成されて
いる。本実施例では、前記電極１４は面１ｂのほ
ぼ全領域におよぶ広い面積に渡つて形成されると
ともに、該電極１４はアースに接続されて接地電
極（GND電極）となつている。また、前記絶縁
層６には、例えば、第４図に示すように、導通孔
１５が穿設されており、この導通孔１５に導電体
のコンタクト部１６がビアホール電極（Via
Hole電極（経由孔電極ともいう））により形成さ
れ、前記第１の導電パターン５と第２の導電パタ
ーン８とが導通接続されている。そして、前記第
１の導電パターン５と導電パターン部１３とはス
ルーホール電極（図示せず）を介して導通接続さ
れており、その結果、CR発振回路はセラミツク
誘電体１上に一体的に積層形成されることにな
る。そして、この回路形成の全表面部に絶縁性の
プラスチツク樹脂からなる浸漬塗装層（dipパツ
ケージング）１７によつて覆われ（第２図ｆ）、
外部に対して回路保護が図られている。

ところで、セラミツク誘電体１の電極４と同１
４で挟まれた部分はコンデンサ２の誘電体として
の役割を担う。この誘電体としての働きを効果的
に行わせるため、本実施例のセラミツク誘電体１
は常誘電相に温度検知の使用温度域をもち、か
つ、誘電率の温度係数が−1000ppmから−
10000ppmの範囲にあるものを用いている。

一般に、セラミツク誘電体の比誘電率ε_rと温度
Ｔとの特性は第７図のように表される。誘電体を
温度検出用のコンデンサに適用する場合は、この
特性図のほぼ直線部分の領域を使用範囲とする必
要がある。この直線に近い部分はキユリー温度
T_cよりも低温度領域に当たるＡの領域（温度Ｔ
にほぼ比例する領域）と、キユリー温度T_cより
も高温度領域に当たるＢの領域（１／Ｔにほぼ比
例する領域）とに現れる。しかし、前記Ａの領域
は特性上の安定性が悪く、温度センサ用の誘電体
としては好ましくない。その点、Ｂの領域は温度
に対する比誘電率の特性上の安定性が良く、温度
センサ用の誘電体として好適である。

また、温度検出の感度の観点から見れば、特性
図の直線部分の傾斜（温度係数）が大きい方がよ
い。他方、誘電体材料には強誘電相に使用温度領
域を持つものもあるが、かかる強誘電体は温度と
比誘電率ε_rとの関係について安定性が悪く好まし
くない。かかる点を踏まえ、本実施例では温度係
数が−1000ppm〜−10000ppmの範囲にあり、か
つ、常誘電相に使用温度領域をもつセラミツク誘
電体１をコンデンサ２の誘電体として選定してい
る。

なお、この場合、常誘電相に使用温度領域を持
つ誘電体として、セラミツク以外に、プラスチツ
ク等の有機材料を用いることもできるが、プラス
チツクは高温で溶融してしまうため導電パターン
を印刷・焼成によつて形成することができず、し
たがつて、本実施例のように、CR発振回路を印
刷・焼成によつて立体的に積層形成することが困
難であるという不便がある。もちろん同回路を印
刷・焼成以外の方法で基板上に平面的に形成する
ことも考えられるが、そうすると、基板が大きく
なり、これに伴い温度センサも大型化してしまう
という問題がある。この点、本実施例の温度セン
サは、印刷・焼成によつて回路形成ができるか
ら、その作業が非常に容易であり、また、回路を
立体的にかつ一体的に積層形成できるから、温度
センサの小型化を図ることができるという大きな
利点がある。

なお、本実施例において、CR発振回路の発振
周波数の調整は、コンデンサ２の静電容量を変え
ることによつて行われる。具体的には、接地側の
電極１４をトリミングすることで、コンデンサ２
の電極面積を調整し、これにより静電容量を変
え、前記発振周波数の調整を行うことになる。こ
の他、発振周波数のトリミング方法としては、第
３図中の抵抗R_fの値を調整する方法や、R₁，R₂，
R₃等の抵抗値を調整する方法も可能である。

また、本実施例では、CRを形成する基板とし
てセラミツク誘電体バルクを用いた。これに代わ
つて、セラミツク誘電体のグリーンシートを形成
し、このシート上に電極ペーストおよび抵抗ペー
ストを印刷し、これを複数枚積層した後に焼成、
一体化したものをもつてCRを内蔵したセラミツ
ク誘電体基板とすることも可能である。この場
合、グリーンシートは、仮焼後粉砕したセラミツ
ク誘電体原料に有機物バインダーを加え、水また
は有機溶媒を加えてポツト粉砕されスラリー状と
なつたものをドクターブレード法にてシート化す
ることで作成される。電極および抵抗は、それぞ
れのペーストをスクリーン印刷にて所定位置に印
刷する。各シート層間を電気的に接続する方法と
して、スルーホール法によるビアホールが形成さ
れる。誘電体グリーンシートによるCR部の積層
一体化の場合の発振周波数のトリミングは、一体
焼成品表面に抵抗R_fを形成し、これを調整する
方法が容易である。

本発明の一実施例は上述の如く構成されてお
り、以下に、その作用を第３図のCR発振回路と
第５図のタイムチヤートに基づいて説明する。

まずCR発振回路の入力端子１８に基準電圧が
印加され、この電圧信号は抵抗R₃を経て演算増
幅回路１１のプラス側端子に供給される。このと
き、プラス側端子に加えられる電圧V_Aは第５図
ａに示すように最大電圧V₂と最小電圧V₁との間
を振幅する矩形波として表される。この基準電圧
の印加によつて、コンデンサ２の電極４側には、
抵抗R_fを通つて電流が流れ、同コンデンサ２が
チヤージ（充電）される。このとき、第５図ｂに
示すようにこのチヤージの進行に伴つて、電極４
の電圧、つまり演算増幅回路１１のマイナス側端
子の電圧V_BはT₁からT₂の時間区間でＸからＹに
向かつて徐々に増加する。このとき、演算増幅回
路１１は比較器として動作し、V_AとV_Bとの比較
を行い、V_A＞V_Bのときは第５図ｃに示すように、
出力端子１９から電圧V₂₀の信号を出力する。次
に、時刻T₂において、V_A＝V_B＝V₂となつたとき
に演算増幅回路１１は出力信号を反転して電圧
V₁₀の信号をT₂からT₃の時間区間において出力す
る。従つて、時刻T₂の位置でコンデンサ２はＹ
からＺに向かつて放電を開始する。同様に、時刻
T₃でV_A＝V_B＝V₁となつたときに演算増幅回路１
１は再度出力信号を反転して電圧V₂₀の信号を出
力する。そして、コンデンサ２は再びT₃からT₄
の時間区間にかけて充電を行う。このように、コ
ンデンサ２の充放電作用と、演算増幅回路１１の
信号反転作用とを繰り返すことにより、CR発振
回路からV₀の矩形波信号が出力される。

この場合セラミツク誘電体１は温度変化によつ
て比誘電率ε_rを変化させるから、これに伴つてコ
ンデンサ２の静電容量が変化する。すなわち、温
度が高くなれば、静電容量小さくなり、これに伴
つて充放電の時間間隔が短くなり、CR発振回路
の出力端から出力される信号の周波数は大きくな
る。これに対し温度が低くなれば、静電容量が大
きくなつて、CR発振回路の出力端から出力され
る信号の周波数は小さくなる。

したがつて、このCR発振回路から出力される
信号の周波数を分析することによつて目的とする
検出温度が求められることになる。

第６図には、本実施例の温度センサを用いて求
めた出力特性図が示されている。この出力特性図
は、温度係数が−4700ppmのセラミツク誘電体を
用いた温度センサについての測定例である。

この特性図によれば、−20℃から120℃の温度範
囲にわたつて、温度Ｔと出力周波数とがほぼ比
例関係を示し、家電製品等の温度制御用センサに
要求される検出精度を十分に満足していることが
証明されている。

上記の如く、本実施例によれば、CR発振回路
をセラミツク誘電体１とその表面に被覆される絶
縁層６上に積層形成したものであるから回路基板
を小さくでき、これにより温度センサの小型化を
図ることができる。

また、CR発振回路はセラミツク誘電体１を回
路基板として、同誘電体１上に抵抗や導電パター
ンを印刷・焼成の手段を用いて一体的に形成した
ものであり、各回路の部品間を長い引き出し線を
使用して接続する必要がないから、ノイズの混入
も少なく、信頼性の高い温度検出を行い得る。ま
た、コンデンサ２の一方の電極１４はセラミツク
誘電体１の広い面にわたつて形成されており、し
かもその電極面は接地されているから、回路内部
から放出されるノイズおよび外部から回路内に混
入してくるノイズは共にこの接地電極によつて促
えられてアースに落とされるから、発振回路の
Ｓ／Ｎ比が非常に良くなり、前記温度検出の信頼
性を更に高めることができる。

なお、上記実施例では基準側の電圧V_Aと電極
４側の電圧V_Bとの比較を演算増幅回路１１で行
つているが、本発明では必ずしもこれに限定され
ることがなく、例えば、コンパレータ（比較器）
を用いて前記電圧V_A、V_Bの比較を行つてもよい。

また、上記実施例では、コンデンサ２を構成す
る電極２と同１４をセラミツク誘電体１の両側に
設けたが、一方の電極をセラミツク誘電体１内に
埋設した状態で両電極４，１４を対向配置させて
もよい。さらに、誘電体基板を積層多層とし、こ
の多層構造中に電極及び抵抗体を埋設形成する構
造とすることも可能である。また、上記実施例で
は、回路保護用に浸漬塗装による樹脂層が形成さ
れているが、この樹脂に代わつて、窒化アルミニ
ウムや酸化ケイ素等のパツシベーシヨン膜を
CVD等の手段により形成することも可能である。
樹脂層の代わりにこれらの薄膜を保護層として用
いた場合、熱容量の低減により温度変化に対する
応答性が向上するという利点が予想される。

〔発明の効果〕

本発明は以上説明したように、コンデンサの電
極間に介設されるセラミツク誘電体がCR発振回
路の基板を兼用するから、部品点数を少なくで
き、回路構造の簡素化が図れる。しかも、セラミ
ツク誘電体は耐熱性に優れているから、CR発振
回路の抵抗体や導電パターン等を印刷・焼成によ
つて一体的に形成することが可能となり、その回
路形成作業の効率化と温度センサの小型化を達成
することができる。

また、本発明の温度センサは温度変化に対応さ
せて出力信号の周波数を変化させるように構成さ
れているから、その温度センサからの出力信号を
直接マイクロコンピユータに入力すれば、同コン
ピユータ内のカウンタ回路を用いて直ちにその出
力周波数がカウントされ、そのカウント値から検
出温度が瞬時のうちに求められることとなり、マ
イクロコンピユータを使用しての信号処理が極め
て容易になる。しかも、従来装置においては不可
欠であつたＡ／Ｄ変換器も不要となり、装置構成
の簡易化と製品コストの低減化を共に図ることが
できる。

さらに、本発明の温度センサに用いられるセラ
ミツク誘電体は常誘電相に使用温度域を持つてい
るから、温度変化に対する比誘電率の変化状態が
非常に安定している。そのうえ、同セラミツク誘
電体は誘電率の温度係数が−1000ppmから−
10000ppmの範囲にあるから、温度の検出感度に
も優れており、これにより、信頼性の高い温度検
出を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る温度センサの一実施例を
示す断面図、第２図は同実施例の温度センサの製
造工程を示す説明図、第３図はCR発振回路の回
路図、第４図は第１の導電パターンと第２の導電
パターンとを接続するコンタクト部の断面説明
図、第５図は本実施例における温度センサの動作
を示すタイムチヤート、第６図は同実施例におけ
る温度センサの出力特性図、第７図はセラミツク
誘電体の温度と比誘電率との関係を示す特性説明
図である。 １……セラミツク誘電体、２……コンデンサ、
３……抵抗体、４，１４……電極、５……第１の
導電パターン、６……絶縁層、７……抵抗体、８
……第２の導電パターン、１０……ミニフラツト
パツケージ、１１……演算増幅回路、１２……リ
ード線、１３……導電パターン部、１５……導通
孔、１６……コンタクト部、１７……浸漬塗装
層、１８……入力端子、１９……出力端子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 温度変化によつて誘電率が変化する誘電体を
   電極間に介設したコンデンサを有し、このコンデ
   ンサを用いてCR発振回路が構成されている温度
   センサにおいて、前記誘電体は、常誘電相に使用
   温度域を持ち、かつ、誘電率の温度係数が−
   1000ppmから−10000ppmの範囲にあるセラミツ
   ク誘電体によつて構成され、該セラミツク誘電体
   は前記CR発振回路が形成される基板を兼用して
   いることを特徴とする温度センサ。 ２ CR発振回路は、セラミツク誘電体の表面と、
   該セラミツク誘電体の表面を覆う絶縁層の表面に
   導電パターンと抵抗体とが適宜印刷・焼成される
   ことによつて積層形成されていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の温度センサ。 ３ セラミツク誘電体の一方側の表面にはCR発
   振回路の第１の導電パターンと第１の抵抗体が印
   刷・焼成により形成されるとともに、このセラミ
   ツク誘電体の印刷・焼成面は絶縁層によつて覆わ
   れ、この絶縁層の表面には前記CR発振回路の第
   ２の導電パターンと第２の抵抗体が印刷・焼成に
   より形成され、前記第１の導電パターンと第２の
   導電パターンはコンタクト部によつて接続されて
   おり、前記第２の導電パターン上にはCR発振回
   路の能動部品が接続固定されていることを特徴と
   する特許請求の範囲第２項記載の温度センサ。 ４ CR発振回路は、電極ペーストと抵抗ペース
   トが印刷されたセラミツク誘電体グリーンシート
   を積層一体化した後に焼成することで形成された
   コンデンサと抵抗を内部または表面に有するセラ
   ミツク誘電体基板と、該基板上に搭載された能動
   部品で構成されたことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の温度センサ。 ５ セラミツク誘電体の他方側の表面には引き出
   し用端子の取り付け部が設けられるとともに、こ
   の引き出し用端子の取り付け部を除いた略全面の
   領域にコンデンサの接地側電極が形成され、この
   接地側電極はスルーホール電極を介して第１の導
   電パターンと第２の導電パターンとに接続されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第３項記載
   の温度センサ。