WO2024117119A1

WO2024117119A1 - 温度センサ

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Publication number: WO2024117119A1
Application number: PCT/JP2023/042525
Authority: WO
Inventors: 哲海老沢; 照幸飯田; 大輔 ▲高▼野
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2022-11-29
Filing date: 2023-11-28
Publication date: 2024-06-06
Anticipated expiration: 2025-05-29
Also published as: JP2024077876A; CN120265959A; EP4628862A1

Abstract

より高い熱応答性を有して高精度な温度測定が可能な温度センサを提供する。本発明に係る温度センサは、上面及び下面に電極面を有した感熱素子２と、感熱素子に電気的に接続された一対のリード端子３と、感熱素子及び一対のリード端子の先端部を樹脂で封止した樹脂封止部４と、少なくとも一面を露出させて樹脂封止部に埋め込まれ一対のリード端子から離間した導電性のフローティング端子５とを備え、感熱素子が、下面の電極面をフローティング端子に導電性接合材で接着させた状態でフローティング端子上に実装され、フローティング端子と一対のリード端子の一方との電気的接続、及び前記上面の電極面と一対のリード端子の他方との電気的接続が、ボンディングワイヤで行われている。

Description

温度センサ

　本発明は、モータステータのコイル導線等の温度測定に用いられる温度センサに関する。

　例えば、モータステータ等は高温になるため、温度センサによる制御が必須である。そのため、モータステータのコイル導線等の測定対象物には、温度センサが取り付けられている。
　このような測定対象物に接触状態に設置する温度センサとしては、絶縁性基板にフレーク型サーミスタを実装したものが知られている。

　従来、例えば特許文献１には、感温部に、フレーク型サーミスタ実装凹部及びスルーホールを有する絶縁性の基板と、フレーク型サーミスタ実装凹部の下部領域に形成された下面電極部と、スルーホールの上部領域に形成される上面電極部と、スルーホールの下部領域に形成された上面電極用集熱部と、フレーク型サーミスタ実装凹部内に埋め込まれ、下部電極が下面電極部に電気的に接続されるフレーク型サーミスタと、上面電極用集熱部と上面電極部、及び、上面電極部とフレーク型サーミスタの上部電極を電気的に接続する導電部と、を有する薄型温度センサが記載されている。

　また、測定対象物との接触面に、金属膜等の集熱膜を設けた温度センサが知られている。例えば、特許文献２には、絶縁性フィルムと、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と、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と、一対の櫛型電極に接続され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、絶縁性フィルムの裏面であって薄膜サーミスタ部の直下に絶縁性フィルムよりも熱伝導率の高い材料でパターン形成された集熱膜とを備えている温度センサが記載されている。
　さらに、特許文献３にも、絶縁性基板の一面に感熱膜と電極とを形成すると共に絶縁性基板の他面に金属等の集熱膜を形成した感熱素子を備えた温度センサが記載されている。

特開２００６－６４４９７号公報特開２０１６－１３８７７３号公報実公平４－３３２５号公報

　上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
　すなわち、モータステータのコイル導線等の高温になる測定対象物の温度を検出するための温度センサでは、モータの熱に素早く反応して制御するために、さらに高い熱応答性や熱追従性が求められている。しかしながら、従来の技術では、測定対象物に接触する面に金属等の集熱膜を形成することで、効率的に熱を伝えて熱応答性を向上させているが、集熱膜と感熱素子との間に絶縁性基板等が介在するため、さらに高い熱応答性や熱追従性を得ることが困難であった。

　本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、より高い熱応答性を有して高精度な温度測定が可能な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、上面及び下面に電極面を有した感熱素子と、前記感熱素子に電気的に接続された一対のリード端子と、前記感熱素子及び前記一対のリード端子の先端部を樹脂で封止した樹脂封止部と、少なくとも一面を露出させて前記樹脂封止部に埋め込まれ前記一対のリード端子から離間した導電性のフローティング端子とを備え、前記感熱素子が、前記下面の電極面を前記フローティング端子に導電性接合材で接着させた状態で前記フローティング端子上に実装され、前記フローティング端子と前記一対のリード端子の一方との電気的接続、及び前記上面の電極面と前記一対のリード端子の他方との電気的接続が、ボンディングワイヤで行われていることを特徴とする。

　この温度センサでは、感熱素子が、下面の電極面をフローティング端子に導電性接合材で接着させた状態でフローティング端子上に実装されているので、感熱素子がヒートスプレッダとして機能するフローティング端子に直接接触することで、高い熱応答性を得ることができる。
　また、フローティング端子と一対のリード端子の一方との電気的接続、及び上面の電極面と一対のリード端子の他方との電気的接続が、ボンディングワイヤで行われているので、フローティング端子が一対のリード端子から熱的に浮いた状態となり、測定対象物からフローティング端子が受けた熱が、リード端子から放熱され難くなる。
　したがって、この温度センサでは、ヒートスプレッダとして機能し熱的に浮いたフローティング端子の露出面を測定対象物に接触させた状態で設置することで、フローティング端子上に実装された感熱素子に効率的に伝熱させることができ、高い熱応答性を有して温度を計測することが可能になる。

　第２の発明に係る温度センサは、第１の発明において、前記フローティング端子が、前記樹脂封止部の下面と側面とに露出していることを特徴とする。
　すなわち、この温度センサでは、フローティング端子が、樹脂封止部の下面と側面とに露出しているので、測定対象物に埋め込んで設置される場合に、下面だけでなく側面からも測定対象物の熱を受けて感熱素子に伝えることができ、より熱応答性を高めることができる。

　第３の発明に係る温度センサは、第１又は第２の発明において、前記フローティング端子が、前記一対のリード端子の先端から離間して配置されていると共に、前記一対のリード端子の延在方向に対して直交する方向に延在した長板状又は角柱状であることを特徴とする。
　すなわち、この温度センサでは、フローティング端子が、一対のリード端子の先端から離間して配置されていると共に、一対のリード端子の延在方向に対して直交する方向に延在した長板状又は角柱状であるので、下面の露出面積が延在方向に増大し、フローティング端子の延在方向に沿って延在する測定対象物に設置する場合等に適している。また、フローティング端子全体をよりリード端子から離間させることが可能になって、さらに熱応答性が向上する。

　第４の発明に係る温度センサは、第１又は第２の発明において、前記樹脂封止部が、一対の外部配線を差し込むことで前記一対のリード端子の基端と前記一対の外部配線とが接続可能なコネクタ部を有していることを特徴とする。
　すなわち、この温度センサでは、樹脂封止部が、一対の外部配線を差し込むことで一対のリード端子の基端と一対の外部配線とが接続可能なコネクタ部を有しているので、コネクタ部によって外部配線を容易に接続することができる。

　第５の発明に係る温度センサは、第１の発明において、前記一対のリード端子が、前記樹脂封止部内で互いに平行に延在しており、前記フローティング端子が、前記一対のリード端子の間に延在していることを特徴とする。
　すなわち、この温度センサでは、フローティング端子が、一対のリード端子の間に延在しているので、下面の露出面積が延在方向に増大し、リード端子の延在方向（フローティング端子の延在方向）に沿って延在する測定対象物に設置する場合等に適している。

　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、感熱素子が、下面の電極面をフローティング端子に導電性接合材で接着させた状態でフローティング端子上に実装され、フローティング端子と一対のリード端子の一方との電気的接続、及び上面の電極面と一対のリード端子の他方との電気的接続が、ボンディングワイヤで行われているので、ヒートスプレッダとして機能し熱的に浮いたフローティング端子上に実装された感熱素子に効率的に伝熱させることができ、高い熱応答性を有して温度を計測することが可能になる。
　このように本発明の温度センサでは、熱応答性が高速化するため、モータステータのコイル導線等の高精度な温度測定に好適である。

本発明に係る温度センサの第１実施形態において、内部を透視して示す温度センサの上方から視た斜視図である。第１実施形態において、温度センサを示す下方から視た斜視図である。第１実施形態において、フローティング端子上に実装された感熱素子を示す要部の拡大斜視図である。第１実施形態において、温度センサを測定対象物に埋め込んだ状態を示すフローティング端子に沿った断面図である。本発明に係る温度センサの第２実施形態において、温度センサを基端側から視た斜視図である。本発明に係る温度センサの第３実施形態において、内部を透視して示す温度センサの上方から視た斜視図である。本発明に係る温度センサの第４実施形態において、内部を透視して示す温度センサの上方から視た斜視図である。本発明に係る温度センサの第５実施形態において、内部を透視して示す温度センサの上方から視た斜視図である。本発明に係る温度センサの実施例において、時間に対する温度変化を示す熱時定数シミュレーションのグラフである。

　以下、本発明に係る温度センサにおける第１実施形態を、図１から図４を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面の一部では、各部を認識可能又は認識容易な大きさとするために必要に応じて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から図４に示すように、上面及び下面に電極面２ａを有した感熱素子２と、感熱素子２に電気的に接続された一対のリード端子３と、感熱素子２及び一対のリード端子３の先端部を樹脂で封止した樹脂封止部４と、少なくとも一面を露出させて樹脂封止部４に埋め込まれ一対のリード端子３から離間した導電性のフローティング端子５とを備えている。

　なお、本実施形態の温度センサ１は、例えばモータステータのコイル導線に、少なくともフローティング端子５の露出した下面を接触状態に設置して、コイル導線の温度を検出するものである。
　また、感熱素子２は、下面の電極面２ａをフローティング端子５に導電性接合材６で接着させた状態でフローティング端子５上に実装されている。
　上記導電性接合材６は、例えばハンダである。

　さらに、上面の電極面２ａと一対のリード端子３の他方との電気的接続、及びフローティング端子５と一対のリード端子３の一方との電気的接続は、ボンディングワイヤＹで行われている。
　上記フローティング端子５は、樹脂封止部４の下面と側面とに露出している。
　また、フローティング端子５は、一対のリード端子３の先端から離間して配置されていると共に、一対のリード端子３の延在方向に対して直交する方向に延在した長板状又は角柱状である。

　上記感熱素子２は、板状のサーミスタ材料部２ｂの上下面に金属等の導電性材料層の電極面２ａが形成されたフレーク型サーミスタである。
　上記一対のリード端子３は、樹脂封止部４内で互いに平行に延在したリードフレームである。
　上記樹脂封止部４は、例えばエポキシ樹脂等の絶縁性樹脂で形成され、平面視長方形の板状又は低背の箱状に成形されている。
　なお、樹脂封止部４は、フローティング端子５，感熱素子２，ボンディングワイヤＹ及び一対のリード端子３の先端部側を覆って封止している。

　上記ボンディングワイヤＹは、フローティング端子５と一対のリード端子３の一方との間、及び上面の電極面２ａと一対のリード端子３の他方との間に、それぞれ２本ずつ架け渡されている。
　上記フローティング端子５は、例えば銅等の高熱伝導率の導電性材料で形成されている。

　このフローティング端子５は、断面矩形の棒状（長板状又は角柱状）に形成され、下面だけでなく両端面が樹脂封止部４から露出している。
　また、フローティング端子５の下面は、樹脂封止部４の下面と、面一に設定されている。なお、測定対象物との接触面であるフローティング端子５の下面及び樹脂封止部４の下面に、ＴＩＭ（Thermal Interface Material）材や放熱シートを付けて凹凸を吸収するようにしても構わない。

　このように本実施形態の温度センサ１では、感熱素子２が、下面の電極面２ａをフローティング端子５に導電性接合材６で接着させた状態でフローティング端子５上に実装されているので、感熱素子２がヒートスプレッダとして機能するフローティング端子５に直接接触することで、高い熱応答性を得ることができる。
　また、フローティング端子５と一対のリード端子３の一方との電気的接続、及び上面の電極面２ａと一対のリード端子３の他方との電気的接続が、ボンディングワイヤＹで行われているので、フローティング端子５が一対のリード端子３から熱的に浮いた状態となり、測定対象物からフローティング端子５が受けた熱が、リード端子３から放熱され難くなる。

　したがって、この温度センサ１では、ヒートスプレッダとして機能し熱的に浮いたフローティング端子５の露出面を測定対象物に接触させた状態で設置することで、フローティング端子５上に実装された感熱素子２に効率的に伝熱させることができ、高い熱応答性を有して温度を計測することが可能になる。
　また、フローティング端子５が、樹脂封止部４の下面と側面とに露出しているので、図４に示すように、測定対象物Ｓに埋め込んで設置される場合に、下面だけでなく側面からも測定対象物Ｓの熱を受けて感熱素子２に伝えることができ、より熱応答性を高めることができる。

　さらに、フローティング端子５が、一対のリード端子３の先端から離間して配置されていると共に、一対のリード端子３の延在方向に対して直交する方向に延在した長板状又は角柱状であるので、下面の露出面積が延在方向に増大し、フローティング端子５の延在方向に沿って延在する測定対象物に設置する場合等に適している。また、フローティング端子５全体をよりリード端子から離間させることが可能になって、さらに熱応答性が向上する。

　次に、本発明に係る温度センサの第２～第５実施形態について、図５～図８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、樹脂封止部４が単に板状であり、基端面から一対のリード端子３の基端部が突出しているだけであるのに対し、第２実施形態の温度センサ２１では、図５に示すように、樹脂封止部２４が、一対の外部配線を差し込むことで一対のリード端子３の基端と一対の外部配線とが接続可能なコネクタ部２４ａを有している点である。

　すなわち、第２実施形態の樹脂封止部２４は、感熱素子２，フローティング端子５及び一対のリード端子３の先端側を封止している先端側封止部２４ｂと、先端側封止部２４ｂの基端に接続された上記コネクタ部２４ａとを備えている。
　上記コネクタ部２４ａは、基端側に向けて矩形状に開口しており、一対の外部配線の端子が挿入可能になっている。このコネクタ部２４ａの内部には、一対のリード端子３の基端部が突出している。

　このように第２実施形態の温度センサ２１では、樹脂封止部２４が、一対の外部配線を差し込むことで一対のリード端子３の基端と一対の外部配線とが接続可能なコネクタ部２４ａを有しているので、コネクタ部２４ａによって外部配線を容易に接続することができる。

　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、フローティング端子５が、一対のリード端子３の先端から離間して配置されていると共に、一対のリード端子３の延在方向に対して直交する方向に延在した長板状又は角柱状であるのに対し、第３実施形態の温度センサ３１では、図６に示すように、フローティング端子３５が、一対のリード端子３の間に延在している点である。

　すなわち、第３実施形態のフローティング端子３５は、長板状又は角柱状であるが、樹脂封止部４内で一対のリード端子３の間にリード端子３と平行に延在している。
　また、一対のリード端子３は、樹脂封止部４の先端近傍まで延在している。
　このように第３実施形態の温度センサ３１では、フローティング端子３５が、一対のリード端子３の間に延在しているので、下面の露出面積が延在方向に増大し、リード端子３の延在方向（フローティング端子３５の延在方向）に沿って延在する測定対象物に設置する場合等に適している。

　次に、第４実施形態と第３実施形態との異なる点は、第３実施形態では、フローティング端子３５が、一対のリード端子３の間に延在している長板状又は角柱状であるのに対し、第４実施形態の温度センサ４１では、図７に示すように、フローティング端子４５が、一対のリード端子３の間に延在している縦長部分４５ａと、縦長部分４５ａの先端に接続されリード端子３の延在方向に直交した方向に長い平面視長方形の横長部分４５ｂとを備えた略Ｔ字状になっている点である。

　上記横長部分４５ｂは、第１実施形態のフローティング端子５よりも幅広に形成されている。
　このように第４実施形態の温度センサ４１では、フローティング端子４５が、縦長部分４５ａと横長部分４５ｂとを備えた略Ｔ字状になっているので、下面の露出面積がより増大して、より高い熱応答性を得ることができる。

　次に、第５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、フローティング端子５がリード端子３の延在方向に直交する方向に延在する長板状又は角柱状になっているのに対し、第５実施形態の温度センサ５１では、図７に示すように、フローティング端子５５がリード端子３の延在方向に長い平面視長方形の板状になっている点である。

　すなわち、第５実施形態では、一対のリード端子５３が第１実施形態よりも短く、その分、フローティング端子５５がリード端子３の延在方向に拡がった平板状になっている。
　このように第５実施形態の温度センサ５１では、フローティング端子５５がリード端子３の延在方向に拡がった平板状になっているので、下面及び側面の露出面積が増大して、より熱応答性を得ることができる。

　受熱面であるフローティング端子の下面及び樹脂封止部の下面を、巻き線に放熱シートを介して接触させた状態で、上記第１実施形態の温度センサを巻き線に設置した設定で、巻き線を瞬時に１５０℃に昇温した際の熱時定数シミュレーションを行った。このシミュレーション結果を、図９に示す。

　なお、環境温度は２５℃であり、放熱シートの熱伝導率を２Ｗ／ｍＫとしてシミュレーションした。
　また、熱時定数は、巻き線の温度１５０℃のとき、感熱素子が１０４℃に達するまでの時間である。
　この結果からわかるように、本発明の温度センサでは、熱時定数が０．７ｓｅｃと熱応答性が高く、素早く巻き線の温度を計測可能である。

　なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態及び実施例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、サーミスタを採用しているが、サーミスタとしては、チップサーミスタ，フレーク型サーミスタ又は薄膜サーミスタ等が採用可能であり、また焦電素子などを採用しても構わない。特に、２００℃耐熱の能力がある感熱素子であることが好ましい。

　１，２１，３１，４１，５１…温度センサ、２…感熱素子、２ａ…電極面、３…リード端子、４，２４…樹脂封止部、５，３５，４５，５５…フローティング端子、６…導電性接合材、２４ａ…コネクタ部、Ｙ…ボンディングワイヤ

Claims

　上面及び下面に電極面を有した感熱素子と、
　前記感熱素子に電気的に接続された一対のリード端子と、
　前記感熱素子及び前記一対のリード端子の先端部を樹脂で封止した樹脂封止部と、
　少なくとも一面を露出させて前記樹脂封止部に埋め込まれ前記一対のリード端子から離間した導電性のフローティング端子とを備え、
　前記感熱素子が、前記下面の電極面を前記フローティング端子に導電性接合材で接着させた状態で前記フローティング端子上に実装され、
　前記フローティング端子と前記一対のリード端子の一方との電気的接続、及び前記上面の電極面と前記一対のリード端子の他方との電気的接続が、ボンディングワイヤで行わ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、
　前記フローティング端子が、前記樹脂封止部の下面と側面とに露出し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、
　前記フローティング端子が、前記一対のリード端子の先端から離間して配置されていると共に、前記一対のリード端子の延在方向に対して直交する方向に延在した長板状又は角柱状であ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、
　前記樹脂封止部が、一対の外部配線を差し込むことで前記一対のリード端子の基端と前記一対の外部配線とが接続可能なコネクタ部を有し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、
　前記一対のリード端子が、前記樹脂封止部内で互いに平行に延在しており、
　前記フローティング端子が、前記一対のリード端子の間に延在していることを特徴とする温度センサ。