JPH0640031B2 - 熱流計センサ−及びその製法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 或る物体の表面から放散する熱量や、或る物質中を貫流
する熱流量を単位時間、単位面積当たりで計測する必要
が近年断熱材の研究、熱機器の研究に生じて来た。本発
明はこのための計測器即ち熱流計の要素である熱流計セ
ンサーに係る。熱流計センサーは一般に熱電対である冷
温接点を用いるがこれを多数直列に接続して群として用
いる。

従来の技術 熱流計センサーに対する条件として、センサー自体が測
定系を乱さないような低熱抵抗体であることと、僅かな
温度差を検出することのできる高感度性があること及び
センサーが被測定面全体にわたり多数の均質の冷温接点
が分布して成ることを挙げることができる。

しかし、従来の熱流計センサーの中、低温用センサーは
従来から高感度のものが得られているが高温にまで使用
できるタイプのものにあっては、その製作法およびセン
サー用材料の性質から、センサー自体の熱抵抗が一般に
大きくなり勝ちであり熱抵抗を小さくすると十分な感度
が得られず、他に精度の良い増幅器を必要としていた。

又低温用・高温用センサー共接点の配列が従来型にあっ
ては線状に並んでおり、被測定面に接点が一様に分布す
るものがなかった。この線状分布を面分布に改善する方
策としてパターン印刷による多接点配列も考えられて来
たが、従来の厚膜印刷技術は専ら層の上に層を積ねる技
術であり、この技術を直ちに熱流計用の接点の製法に適
用すると接点が面と面との重なり合いで形成され、この
間に熱抵抗並びに電気容量を生じ熱流計としての回路、
設計が複雑となるおそれがある。

熱電対接点を電気絶縁性で熱抵抗性の基板の両面に行列
状に形成し、これら接点を、基板に形成した複数の貫通
孔を通して互いに直列に接続するようにした熱流計セン
サーが、特開昭54-95282号公報、特開昭56-72321号公
報、特開昭57-48625号公報、特開昭58-118924 号公報等
に開示されている。これら公報に記載された構造は、セ
ンサーエレメントを面状に配列することができる点で優
れた特徴を備えるものである。

しかし、これら公知のセンサーは、いずれもメッキ技術
により製造されるものであり、基板には、接続のための
貫通孔を形成する必要がある。したがって、製造に面倒
な工程が要求されるほか、得られるセンサーにも制約が
ある。すなわち、メッキ法で形成されるセンサーは、使
用温度がメッキ層の性質が変わらない範囲に制限され
る、という不便がある。具体的には、メッキ層が変質し
ない温度は約100 ℃までであるため、使用範囲が制限さ
れる。

本発明が解決しようとする問題点 本発明によるセンサーは多数の均質な熱電対接点が小面
積内に一様に分布され、これら接点の直列接続も簡単に
出来、全体として熱抵抗が小さく、且つ高温下でも高感
度である上記した従来の欠点を一挙に解消した熱流計セ
ンサーを提起することにある。

問題点を解決するための手段 本発明に於ては熱流計センサーを構成するに厚膜印刷法
の原理を利用する。すなわち、本発明による熱流計セン
サーの製法は、電気絶縁性の印刷基板上に、熱電対を形
成する２種類の金属ペーストが互いの一端部で熱電対接
点を構成するように互いに接続されてなる金属ペースト
線を複数組、互いに間隔をもって印刷形成する第１工程
と、各金属ペースト線の２種類の金属ペーストの他端部
の領域を残して印刷基板上に電気絶縁性と熱抵抗性とを
有するペーストを金属ペースト線の上に重ねて印刷して
電気絶縁性と熱抵抗性を有する印刷層を形成する第２工
程と、第１工程で形成された各金属ペースト線の２種類
の金属ペーストのそれぞれの他端部に対応する位置に同
種の金属ペーストが印刷されて、第１工程で印刷された
金属ペースト線に接続されるように、第１工程における
２種類の金属ペーストと同種の金属ペーストを印刷する
第３工程と、からなる。この第３工程における金属ペー
ストの印刷では、第１工程で印刷された金属ペースト線
のうち、隣接する金属ペースト線に接続される異なる種
類の金属ペーストが互いに接続されて熱電対接点を形成
するとともに、隣接する熱電対が互いに直列接続される
ように印刷を行う。

この各印刷工程における印刷にはグリーンシートのペー
ストを用い、その後に焼成を行うことが好ましい。

作 用 以上の様な構成及び形成法を採用することにより、均質
の熱電対接点が小面積内に多数形成され、これら接点が
容易に直列接続され、高感度な熱流計センサーが提供出
来る。又この印刷による接点形成法は多層階にして接点
数を所要数まで容易に増加出来感度の増大が容易であ
る。

まして接点は共通面上に印刷により形成された層と層と
の突き合った境界端縁で形成され、面と面との重なり合
いでないから電気容量は実質上存在せず理想的な熱電対
接点として働く。

実施例 次に図面について本発明実施例を説明する。第１図は本
発明センサーの要部の斜視図であり、電気絶縁性で、且
つ熱抵抗性のシート１の多数のスルーホール２の中隣接
するスルーホール例えば２_１と２_２との間を２つの異種
の金属薄層ＡとＢの印刷薄層で結び、この異種金属薄層
相互の突き合った境界接続点５を熱電対接点とし、これ
ら接点を上記シート１の表裏両面に５及び５′として配
置し、これら接点５、５′を上記スルーホール２_１、２
_２を通じて直列接続し、この直列接続体の両端に引出し
端子パッドＰを設けたものである。

第１図センサー要部を製作する方法について以下説明す
る。

製法1)第２図Ａ、Ｂ、Ｃは本発明方法による手順を示し
たものであり各図共表面を示す図である。

印刷基板１１としてアルミナ、ベリリア、ＳｉＣ，ガラ
スなどの他に金属ホウロウ、アルマイト処理Alの基板を
用いることも可能である。但し、本方法ではセンサー要
部の印刷基板として作用するものである。

第２図(A)において、基板１１の表面の斜線で示すパタ
ーン部分３を金属ペーストＡでスクリーン印刷する。次
に、金属ペーストＢを第２図(A)の黒塗りに示すパター
ン部分４にスクリーン印刷する。この場合、先に印刷し
たパターン部分３の金属Ａと境界がぴったりと接するよ
うに突き合わせ印刷して接点５を作る。

次に第２図(A)の各パターン部分３、４両端における２
−１、３−１で示す直径１００〜１５０μｍの円と、引
出端子パッドＰ、Ｐを残し、前面に厚さ約１００〜２０
０μｍで電気絶縁性で且つ熱抵抗体である絶縁体ペース
ト１を印刷する。この結果を第２図(B)に示す。

この絶縁体ペーストとして実施例においては、積層用結
晶化ガラスを用いたが、その他のガラス系またはセラミ
ックス系ペーストの使用も可能である。また、この絶縁
体ペーストによる電気絶縁兼熱抵抗層１の厚さ、材質を
選択することにより、熱流計センサーとしての感度、応
答速度を変えることができる。

さらに、層１の上に、夫々異種の金属ペーストＡ、Ｂで
第２図(C)に示すパターンを順番に印刷する。この順番
は金属ペーストＡ、Ｂのどちらを先にする事も可能であ
るが、金属ペーストＡ、Ｂの相互の境界はぴったりと一
致して接合５を形成する様に印刷する。このときの印刷
では層１上に設けられている金属ペーストＡ、Ｂの円２
−１、３−１も夫々同種の金属ペーストで塗りつぶされ
る。このため、層１の両面の金属パターンは、層に残さ
れた円孔即ち層１を貫通する様に残されたスルーホール
２を通して導通が得られ、全体で一本の直列回路が形成
される。本方法においては、層１の両面金属ペースト
Ａ、Ｂによるパターンの導通をとるための孔は機械加工
によるスルーホールでなく、印刷で形成されるため、孔
の直径を小さくすることができ、パターンの微細化が可
能で集積度を上げる事ができる。

次に第３図に示すように、この上にパターン保護のため
のオーバーコート６を施すことにセンサーが完成される
が、本方法を用いれば、このオーバーコートの上にさら
に本製法工程を繰返し何段にも構成することができ、よ
り大きな感度の熱流計センサーを得ることもできる。第
４図は二段積みにした場合のセンサー要部の断面であ
る。この場合は端子パッドＰ部分を残し最外層の保護膜
６″を印刷し終わったら、全体を製法1)と同様に約９０
０〜９５０℃で焼成して、各層が強固に接合された熱流
計センサーとなる。

以下に説明する製法2)及び製法3)の第４図に示す様にセ
ンサー要部を多層階にした所謂積層型のセンサーを製作
するに適した方法である。

製法2)本方法は製法1)による長所即ちスルーホールの機
械加工が不要で全工程が印刷技術のみで施行出来ると言
う長所を活かしつつより積層性のよい寸法形状も自由に
出来る多層センサーを製作しようとする方法であって、
厚膜印刷技術に於けるグリーンシートを用いた印刷積層
法を改良した方法である。

まず、電気絶縁性兼抵抗体層１として厚さ０．２〜０．
７mmの未焼成前のシート状アルミナ（以下、グリーンシ
ート）に、二種類の高融点金属ペーストＡ、Ｂを１０〜
３０μｍ位の厚さで印刷乾燥する。グリーンシートの両
面へ印刷及び接合のつなぎかたは製法2)と全く同様であ
るので省略する。この上に保護層６として絶縁体のアル
ミナペーストを１００〜２００μｍ位の厚さで印刷乾燥
する。この工程を必要な階層の数だけ繰り返す。

最上保護層６″は端子パッド部を残し、アルミナ絶縁体
を印刷し、約１６００℃で還元雰囲気炉で焼成して形成
する。この方法により、作られた熱流計センサーは製法
1)と比べると使用できる金属ペーストが限定されるが、
耐熱性においては１０００℃付近での安定した使用が可
能である。

製法3)本方法は製法2)と同じくグリーンシートを用いる
が電気絶縁兼熱抵抗体として用いるグリーンシートに対
してのみ機械的穿孔工程が入り、できあがりのセンサー
の構成は製法2)によるものと同様になる。積層性はこれ
らのなかで最もよい。

まず、電気絶縁性で且つ熱抵抗性の層１として比較的薄
い（約０．２mm）グリーシートに、金型や炭酸ガスレー
ザーで定められたパターン通りのスルーホールを形成す
る。この場合の孔径は製法2)、3)とほぼ同じで１００〜
２５０μｍφ程にする事ができる。この上に、二種類の
高融点金属ペースＡ、Ｂを交互に印刷乾燥する。パター
ンとしては製法1)と同様なので省略する。このようにし
て、サーモパイルパターンを印刷したグリーンシートを
複数枚を間に保護層としてのグリーンシートを挟み、上
下層導通用のスルーホール７のみを残し重ね合わせる。

この様にグリーンシートを全部重ね合わせ５０〜１５０
kg／cm²の圧力で加圧し８０〜１５０℃で予備加熱後、
製法2)と同様に約１６００℃の還元雰囲気炉で焼成す
る。

本発明の方法に使用される金属ペーストとしては、厚膜
熱電対として使用されるものを用い、金属ペーストＡと
して40％Pd・２０％Pt・１０％Au、金属ペーストＢとし
て５０％Au２０％Pdを用いた。製法3)、4)のペーストに
は、高融点のものを用いＡとしてPtペースト、Ｂとして
タングステンペーストを使用するのが良い。

ここにおいて重要なことは、これらの金属ペーストは合
金の粉末を使用しなくとも、各成分比に純金属粉末を混
合することによって合金粉末と同等の性状をもたせるこ
とができることである。このことは、容易に必要な性質
のペーストが自由に得られることを意味する。また、端
子パッド部分には後でリード線とのろう付けが可能なよ
うにMo・Mn系がPt系のペーストを使用する。

効 果 以上のようによる本発明に熱流計センサーは、主とし
て、メッキや金属シートで作られてきたサーモパイル型
等の熱流計センサーと比べ、約800〜１６００℃の範囲
で強固に焼成され、金属成分は高融点電気絶縁膜で覆わ
れているため酸化の影響が少なく、低温域から高温域に
わたる使用が可能で、また、耐久性も有り経年変化も少
ない。

さらに、ここにおいて重要なことは、異種金属を細かい
ピッチで、且つ小面域に均等に接点が分布すように多数
つなぐことが、本発明において可能になった事である。
このことは、従来のサーモパイルパターンの製法と比べ
て高感度のものが容易に作れるようになったことを意味
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理を示す熱流計センサーの要部の斜
視図、第２図は本発明の熱流計センサーの要部の製法の
実施例の工程を示す図、第３図は第２図に示す工程に依
り形成された熱流計センサー完成体の断面図、第４図は
第３図に示す熱流計センサー要部を多階層に積層した場
合を示す熱流計センサーの断面図である。 １……電気絶縁兼熱抵抗の板或いは層、 ２……スルーホール、 Ａ、Ｂ……金属ペースト、 ５……熱電対接点、６……保護層或いは膜、 １１……電気絶縁性支持板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭54−95282（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−72321（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−48625（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−118924（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電気絶縁性の印刷基板上に、熱電対を形成
   する２種類の金属ペーストが互いの一端部で熱電対接点
   を構成するように互いに接続されてなる金属ペースト線
   を複数組、互いに間隔をもって印刷形成する第１工程
   と、 各金属ペースト線の前記２種類の金属ペーストの他端部
   の領域を残して前記印刷基板上に電気絶縁性と熱抵抗性
   とを有するペーストを前記金属ペースト線の上に重ねて
   印刷して電気絶縁性と熱抵抗性を有する印刷層を形成す
   る第２工程と、 前記第１工程で形成された各金属ペースト線の前記２種
   類の金属ペーストのそれぞれの前記他端部に対応する位
   置に同種の金属ペーストが印刷されて、前記第１工程で
   印刷された前記金属ペースト線に接続されるように、前
   記第１工程における２種類の金属ペーストと同種の金属
   ペーストを印刷する第３工程と、 からなり、 前記第３工程における金属ペーストの印刷では、前記第
   １工程で印刷された金属ペースト線のうち、隣接する金
   属ペースト線に接続される異なる種類の金属ペーストが
   互いに接続されて熱電対接点を形成するとともに、隣接
   する熱電対が互いに直列接続されるようにしたことを特
   徴とする、熱流計センサーの製法。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項に記載した熱流計セ
   ンサーの製法において、前記第１工程、第２工程及び第
   ３工程における印刷はグリーンシートのペーストを用い
   て行い、その後に焼成を行うことを特徴とする熱流計セ
   ンサーの製法。