JP2002048655A - 温度センサ及びその製造管理方法 - Google Patents
温度センサ及びその製造管理方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 本発明は、応答性に優れた温度センサ及びそ
の製造管理方法を提供する。特には、燃焼器具や内燃機
関の排気温度測定用途の、高温下での使用に適した高温
用温度センサ及びその製造管理方法を提供する。 【解決手段】 感熱体と、この感熱体を気密に囲む中空
部を形成するセラミック体と、を備える温度センサであ
り、感熱体は、中空部を形成するセラミック部の感熱面
側に形成する。中空部は、温度センサの中心から感熱面
側に偏った位置に形成する。セラミック体は、感熱体を
備える感熱面側セラミック層(1)と、開口部を有する
スペーサーセラミック層(3)と、基材となる基材セラ
ミック層(2)とから構成される。
の製造管理方法を提供する。特には、燃焼器具や内燃機
関の排気温度測定用途の、高温下での使用に適した高温
用温度センサ及びその製造管理方法を提供する。 【解決手段】 感熱体と、この感熱体を気密に囲む中空
部を形成するセラミック体と、を備える温度センサであ
り、感熱体は、中空部を形成するセラミック部の感熱面
側に形成する。中空部は、温度センサの中心から感熱面
側に偏った位置に形成する。セラミック体は、感熱体を
備える感熱面側セラミック層(1)と、開口部を有する
スペーサーセラミック層(3)と、基材となる基材セラ
ミック層(2)とから構成される。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、応答性に優れた温
度センサ及びその製造管理方法に関する。特には、燃焼
器具や内燃機関の排気温度測定用途の、高温下での使用
に適した高温用温度センサ及びその製造管理方法に関す
る。
度センサ及びその製造管理方法に関する。特には、燃焼
器具や内燃機関の排気温度測定用途の、高温下での使用
に適した高温用温度センサ及びその製造管理方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】温度センサには、酸化物焼結体を用いた
バルク型サーミスタ素子やPt抵抗体等が用いられてい
る。しかし、排ガス中に含まれる炭素やリンによる被毒
や酸素分圧の変動による電気特性の劣化を受けやすい問
題がある。このため、バルク型サーミスタ素子では素子
をステンレス鋼等の保護管やガラス材で外気と遮断して
電気特性の劣化を防いでいる。Pt抵抗体では絶縁性基
板上に設けたPt抵抗体のパターンをガラス材でシール
し電気特性の劣化を防いでいる。
バルク型サーミスタ素子やPt抵抗体等が用いられてい
る。しかし、排ガス中に含まれる炭素やリンによる被毒
や酸素分圧の変動による電気特性の劣化を受けやすい問
題がある。このため、バルク型サーミスタ素子では素子
をステンレス鋼等の保護管やガラス材で外気と遮断して
電気特性の劣化を防いでいる。Pt抵抗体では絶縁性基
板上に設けたPt抵抗体のパターンをガラス材でシール
し電気特性の劣化を防いでいる。
【0003】また、振動の激しい自動車用途の場合、バ
ルク型サーミスタ素子はセメント等の充填剤やかしめに
よって保護管の略中心部に固定されている。激しい振動
によってこのサーミスタ素子が保護管に接触して破損す
るのを回避するためである。
ルク型サーミスタ素子はセメント等の充填剤やかしめに
よって保護管の略中心部に固定されている。激しい振動
によってこのサーミスタ素子が保護管に接触して破損す
るのを回避するためである。
【0004】燃焼器具や内燃機関の燃焼制御を速やかに
行うためには、感熱体の応答性の向上が必要である。感
熱体の応答性を向上させる方法としては、上記保護管の
肉厚を薄肉化して不要な熱容量を極力小さくする方法
(特開平9−189618号公報)や、外気からの熱伝
導性を高めるために素子形状を偏平化する方法(特開平
9−218110号公報)が知られている。
行うためには、感熱体の応答性の向上が必要である。感
熱体の応答性を向上させる方法としては、上記保護管の
肉厚を薄肉化して不要な熱容量を極力小さくする方法
(特開平9−189618号公報)や、外気からの熱伝
導性を高めるために素子形状を偏平化する方法(特開平
9−218110号公報)が知られている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来方法においては、
サーミスタ素子が熱伝導率の比較的低いステンレス鋼
層、ガラス層、セメント層等により保護されているた
め、排気ガス等の熱がサーミスタ素子に到達するまでに
ロスタイムが生ずる問題がある。また、これらの層と素
子との間には空気層が存在するため、更に熱伝導性が悪
くなる。このため、従来構造のままサーミスタの応答性
を更に向上させるのは容易ではない。一方、絶縁性基板
上に設けられたPt抵抗体は応答性に優れているもの
の、ガラスシールの耐熱性が600℃程度までしかな
く、1000℃に達することもある内燃機関の排気温度
測定に用いるには適用温度範囲が狭い。
サーミスタ素子が熱伝導率の比較的低いステンレス鋼
層、ガラス層、セメント層等により保護されているた
め、排気ガス等の熱がサーミスタ素子に到達するまでに
ロスタイムが生ずる問題がある。また、これらの層と素
子との間には空気層が存在するため、更に熱伝導性が悪
くなる。このため、従来構造のままサーミスタの応答性
を更に向上させるのは容易ではない。一方、絶縁性基板
上に設けられたPt抵抗体は応答性に優れているもの
の、ガラスシールの耐熱性が600℃程度までしかな
く、1000℃に達することもある内燃機関の排気温度
測定に用いるには適用温度範囲が狭い。
【0006】サーミスタ素子等の感熱体の形状を小型化
することで感熱体自体の熱容量を低減して応答性を向上
する方法も考えられる。しかし、所望の特性を得るには
感熱体に電極を精度よく組み付ける必要があるため、量
産性の低下やコスト高の問題が発生する。そのため、感
熱体自体の小型化には自ずと限界がある。
することで感熱体自体の熱容量を低減して応答性を向上
する方法も考えられる。しかし、所望の特性を得るには
感熱体に電極を精度よく組み付ける必要があるため、量
産性の低下やコスト高の問題が発生する。そのため、感
熱体自体の小型化には自ずと限界がある。
【0007】本発明は、応答性に優れた温度センサ及び
その製造管理方法を提供すること、特には、燃焼器具や
内燃機関の排気温度測定用途の、高温下での使用に適し
た高温用温度センサ及びその製造管理方法を提供するこ
とを目的とする。
その製造管理方法を提供すること、特には、燃焼器具や
内燃機関の排気温度測定用途の、高温下での使用に適し
た高温用温度センサ及びその製造管理方法を提供するこ
とを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の温度センサは、
感熱体が緻密なセラミック体により形成された中空部内
に気密に囲まれた密閉構造になっている。このため、排
気ガス等に含まれる炭素やリン等による被毒を抑制する
ことができる。また、セラミックは耐食性が高く、排気
ガス等により侵食を殆ど受けないため、長期間に渡って
気密性を保つことができる。更に、耐熱性に優れたセラ
ミックを用いることで、1000℃程度の高温に耐え得
る温度センサとすることができる。
感熱体が緻密なセラミック体により形成された中空部内
に気密に囲まれた密閉構造になっている。このため、排
気ガス等に含まれる炭素やリン等による被毒を抑制する
ことができる。また、セラミックは耐食性が高く、排気
ガス等により侵食を殆ど受けないため、長期間に渡って
気密性を保つことができる。更に、耐熱性に優れたセラ
ミックを用いることで、1000℃程度の高温に耐え得
る温度センサとすることができる。
【0009】セラミック体は、気密性を確保できる緻密
質のものであれば特に制限はないが、センサの用途に応
じて、耐酸化性、耐高温性、高熱伝導性等の特性を有す
るものが選択される。このセラミック体の形成に用いる
セラミックとしては、アルミナ、ムライト、スピネル、
窒化アルミニウム及び窒化ケイ素等を用いることができ
る。酸化物系セラミックは酸化物系サーミスタやPt抵
抗体との同時焼成が可能であり、窒化物系セラミックは
炭化物系サーミスタとの同時焼成が可能である。いずれ
にせよセラミック体と感熱体を同時焼成により形成でき
るため製造コストを低減できる。
質のものであれば特に制限はないが、センサの用途に応
じて、耐酸化性、耐高温性、高熱伝導性等の特性を有す
るものが選択される。このセラミック体の形成に用いる
セラミックとしては、アルミナ、ムライト、スピネル、
窒化アルミニウム及び窒化ケイ素等を用いることができ
る。酸化物系セラミックは酸化物系サーミスタやPt抵
抗体との同時焼成が可能であり、窒化物系セラミックは
炭化物系サーミスタとの同時焼成が可能である。いずれ
にせよセラミック体と感熱体を同時焼成により形成でき
るため製造コストを低減できる。
【0010】感熱体が緻密なセラミック体により形成さ
れた中空部内に気密に囲まれた密閉構造を形成する方法
としては、公知のセラミック多層積層化技術を用いるの
がよい。セラミックグリーンシートを用いた同時焼成法
や、厚膜印刷多層法が好適に用いられる。信頼性や熱伝
導性に影響がなければ、複数のセラミック部材をガラス
接合して中空部を形成する方法も用いることができる。
れた中空部内に気密に囲まれた密閉構造を形成する方法
としては、公知のセラミック多層積層化技術を用いるの
がよい。セラミックグリーンシートを用いた同時焼成法
や、厚膜印刷多層法が好適に用いられる。信頼性や熱伝
導性に影響がなければ、複数のセラミック部材をガラス
接合して中空部を形成する方法も用いることができる。
【0011】感熱体の材料には、NTCサーミスタ、P
TCサーミスタ及び金属抵抗体等が挙げられる。NTC
サーミスタとしては、酸化物系のYCrO3系ぺロブス
カイト、MgO−Al2O3系スピネル、Cr2O3−Al
2O3系コランダム、Y2O3−ZrO2系フローライト
等、この他に炭化物系としてSiCといった導電材を用
いることができる。PTCサーミスタとしては、酸化物
系のBaTiO3、V2O 5−Cr2O3等の材料を用いる
ことができる。金属抵抗体としては、Pt、Au、A
g、Pd、Ir及びRhから選ばれる少なくとも1種を
用いることができ、使用条件を考慮し抵抗体のパターン
を変化させることで抵抗値を制御できる。高温下での使
用を考慮すれば、Pt主体のものを用いるとよい。これ
らのうち、PTCサーミスタは特定の温度領域で急峻な
抵抗値変化を有することから、それ以外の温度領域での
精度が低くなる。一方、金属抵抗体は温度検出精度は高
いが、抵抗出力値が小さいため検出回路側に掛かる負担
が大きくなる。このような理由で300℃程度から10
00℃近傍の広い温度範囲に渡って簡便に温度検出を行
うにはNTCサーミスタが最も好ましい。
TCサーミスタ及び金属抵抗体等が挙げられる。NTC
サーミスタとしては、酸化物系のYCrO3系ぺロブス
カイト、MgO−Al2O3系スピネル、Cr2O3−Al
2O3系コランダム、Y2O3−ZrO2系フローライト
等、この他に炭化物系としてSiCといった導電材を用
いることができる。PTCサーミスタとしては、酸化物
系のBaTiO3、V2O 5−Cr2O3等の材料を用いる
ことができる。金属抵抗体としては、Pt、Au、A
g、Pd、Ir及びRhから選ばれる少なくとも1種を
用いることができ、使用条件を考慮し抵抗体のパターン
を変化させることで抵抗値を制御できる。高温下での使
用を考慮すれば、Pt主体のものを用いるとよい。これ
らのうち、PTCサーミスタは特定の温度領域で急峻な
抵抗値変化を有することから、それ以外の温度領域での
精度が低くなる。一方、金属抵抗体は温度検出精度は高
いが、抵抗出力値が小さいため検出回路側に掛かる負担
が大きくなる。このような理由で300℃程度から10
00℃近傍の広い温度範囲に渡って簡便に温度検出を行
うにはNTCサーミスタが最も好ましい。
【0012】センサの小型化による省スペースをはかる
ために、感熱体は厚膜型や薄膜型にするとよい。厚膜型
は公知のスクリーン印刷法により容易に印刷でき、セラ
ミックと同時焼成して形成するか、焼成済みの基板に焼
き付けて形成できる。薄膜はスパッタ法やCVD法等の
気相法や、ディップコート法等の液相法により焼成済み
基板上に形成できる。
ために、感熱体は厚膜型や薄膜型にするとよい。厚膜型
は公知のスクリーン印刷法により容易に印刷でき、セラ
ミックと同時焼成して形成するか、焼成済みの基板に焼
き付けて形成できる。薄膜はスパッタ法やCVD法等の
気相法や、ディップコート法等の液相法により焼成済み
基板上に形成できる。
【0013】組み合せる電極やリード線の材質として
は、貴金属を用いるのがよい。貴金属は、酸化物、炭化
物等との反応性が乏しいため、導電特性を低下させるこ
とがないからである。また、感熱体が金属抵抗体の場合
でも、感熱体よりも低抵抗になるように電極面積やリー
ド線幅を選定することで、金属抵抗体にも使用可能であ
る。例えば、Pt、Au、Ag、Pd、Ir及びRhか
ら選ばれる少なくとも一種を電極やリード線に用いるこ
とができる。高温下での使用を考慮すれば、Pt主体の
ものを用いるとよい。
は、貴金属を用いるのがよい。貴金属は、酸化物、炭化
物等との反応性が乏しいため、導電特性を低下させるこ
とがないからである。また、感熱体が金属抵抗体の場合
でも、感熱体よりも低抵抗になるように電極面積やリー
ド線幅を選定することで、金属抵抗体にも使用可能であ
る。例えば、Pt、Au、Ag、Pd、Ir及びRhか
ら選ばれる少なくとも一種を電極やリード線に用いるこ
とができる。高温下での使用を考慮すれば、Pt主体の
ものを用いるとよい。
【0014】本発明の温度センサは、中空部を形成する
セラミック体のうち、感熱面側に感熱体が配置されてい
るとよい。ここにいう「感熱面側」とは、セラミック体
が燃焼器具や内燃機関等からの排気ガス等に曝される側
をいう。排気ガス等と感熱体との間には緻密質で比較的
高熱伝導率の感熱面側セラミック層が介在するのみであ
る。従来のバルク型サーミスタのように、ステンレス
鋼、セメント、空気等の低熱伝導率の物質を排気ガス等
と感熱体との間に介在させないため、排気ガス等からの
熱を効率よく感熱体に伝えることができる。
セラミック体のうち、感熱面側に感熱体が配置されてい
るとよい。ここにいう「感熱面側」とは、セラミック体
が燃焼器具や内燃機関等からの排気ガス等に曝される側
をいう。排気ガス等と感熱体との間には緻密質で比較的
高熱伝導率の感熱面側セラミック層が介在するのみであ
る。従来のバルク型サーミスタのように、ステンレス
鋼、セメント、空気等の低熱伝導率の物質を排気ガス等
と感熱体との間に介在させないため、排気ガス等からの
熱を効率よく感熱体に伝えることができる。
【0015】また、感熱面の反対側においては、感熱体
近傍は密閉された空気によって断熱されているため、感
熱体へ伝達された熱が逃げて応答性を低下させる熱引き
現象が発生しにくい。このため、温度センサとしての応
答性を良好にすることができる。
近傍は密閉された空気によって断熱されているため、感
熱体へ伝達された熱が逃げて応答性を低下させる熱引き
現象が発生しにくい。このため、温度センサとしての応
答性を良好にすることができる。
【0016】本発明の温度センサは、中空部が温度セン
サの中心から感熱面側に偏った位置に形成されていると
よい。ここにいう「温度センサの中心」とは、感熱体の
形成面を水平方向とした場合において、垂直方向すなわ
ち厚み方向に対する中心をいう。中空部を感熱面側セラ
ミック層の方に偏った位置に形成することで、感熱面側
セラミック層を相対的に薄くして排ガス等からの熱を速
やかに感熱体へ伝達することができるとともに、基材セ
ラミック層を相対的に厚くして機械的強度を持たせるこ
とができる。このため、温度センサ自体の機械的強度を
確保しつつ、感熱面側セラミック層の厚みを変化させて
応答性を制御することができる。
サの中心から感熱面側に偏った位置に形成されていると
よい。ここにいう「温度センサの中心」とは、感熱体の
形成面を水平方向とした場合において、垂直方向すなわ
ち厚み方向に対する中心をいう。中空部を感熱面側セラ
ミック層の方に偏った位置に形成することで、感熱面側
セラミック層を相対的に薄くして排ガス等からの熱を速
やかに感熱体へ伝達することができるとともに、基材セ
ラミック層を相対的に厚くして機械的強度を持たせるこ
とができる。このため、温度センサ自体の機械的強度を
確保しつつ、感熱面側セラミック層の厚みを変化させて
応答性を制御することができる。
【0017】本発明の温度センサは、感熱面側のセラミ
ック層の厚みを増減させて熱容量を調整することで、温
度センサを所望の応答性に合せ込むことができる。例え
ば、感熱体の応答特性がその製造ロットによって変動す
るような場合には、予め応答性についての先行試験を行
い、その結果に基づいて感熱面側のセラミック層の厚み
を増減させて、応答性を合せ込むことができる。このよ
うな製造管理方法を用いれば、感熱体が製造ロットによ
り応答特性の変動がある場合においても、温度センサの
製造歩留まりを低下させることがない。
ック層の厚みを増減させて熱容量を調整することで、温
度センサを所望の応答性に合せ込むことができる。例え
ば、感熱体の応答特性がその製造ロットによって変動す
るような場合には、予め応答性についての先行試験を行
い、その結果に基づいて感熱面側のセラミック層の厚み
を増減させて、応答性を合せ込むことができる。このよ
うな製造管理方法を用いれば、感熱体が製造ロットによ
り応答特性の変動がある場合においても、温度センサの
製造歩留まりを低下させることがない。
【0018】本発明の温度センサは、公知のセラミック
の多層積層化技術を用いて形成するとよい。セラミック
グリーンシートの多層積層化や絶縁ぺーストの印刷多層
化を用いればよい。例えば、図1に示す分解斜視図のよ
うな構成にすると製造が容易である。感熱体(4)を気
密に囲む中空部を形成するセラミック体を、感熱体
(4)を備える感熱面側セラミック層(1)と、開口部
(31)を有するスペーサーセラミック層(3)と、基
材となる基材セラミック層(2)とをセラミックグリー
ンシートや絶緑ぺーストを用いて容易に形成できるから
である。
の多層積層化技術を用いて形成するとよい。セラミック
グリーンシートの多層積層化や絶縁ぺーストの印刷多層
化を用いればよい。例えば、図1に示す分解斜視図のよ
うな構成にすると製造が容易である。感熱体(4)を気
密に囲む中空部を形成するセラミック体を、感熱体
(4)を備える感熱面側セラミック層(1)と、開口部
(31)を有するスペーサーセラミック層(3)と、基
材となる基材セラミック層(2)とをセラミックグリー
ンシートや絶緑ぺーストを用いて容易に形成できるから
である。
【0019】感熱体(4)には、電気的信号を取り出す
ための電極(5a、5b)が形成される。感熱体と電極
の構成は、図7のようなサンドイッチ構造にするのがよ
い。焼成時に発生する感熱面側セラミック層用グリーン
シートから感熱体へのアルカリ金属やアルカリ土類金属
の拡散量を低減できるため、導電特性の低下を効果的に
防止できるからである。なお、感熱体からの電気的信号
は、電極の端部(51a、51b)に接続されたリード
線(6a、6b)から取り出す。
ための電極(5a、5b)が形成される。感熱体と電極
の構成は、図7のようなサンドイッチ構造にするのがよ
い。焼成時に発生する感熱面側セラミック層用グリーン
シートから感熱体へのアルカリ金属やアルカリ土類金属
の拡散量を低減できるため、導電特性の低下を効果的に
防止できるからである。なお、感熱体からの電気的信号
は、電極の端部(51a、51b)に接続されたリード
線(6a、6b)から取り出す。
【0020】また、感熱体がアルカリ金属やアルカリ土
類金属に対する耐性がある場合には、図8に示すように
感熱体が平行電極を跨ぐような構成も可能である。この
方が電極(5a、5b)の形成が一回のスクリーン印刷
で完了するため、工数低減できる利点がある。
類金属に対する耐性がある場合には、図8に示すように
感熱体が平行電極を跨ぐような構成も可能である。この
方が電極(5a、5b)の形成が一回のスクリーン印刷
で完了するため、工数低減できる利点がある。
【0021】図9は、感熱面側セラミック層の厚みt1
とスペーサーセラミック層の厚みt3と基材セラミック
層の厚みt2の関係をサーミスタの断面図を用いて図示
したものである。
とスペーサーセラミック層の厚みt3と基材セラミック
層の厚みt2の関係をサーミスタの断面図を用いて図示
したものである。
【0022】感熱面側セラミック層の厚みt1は0.1
〜1.0mmの範囲がよい。0.1mm未満では、熱衝
撃による亀裂や、製造過程での変形が発生しやすくな
り、また、1.0mmを超えると、応答性が低下するか
らである。応答性と機械的強度と変形の間題とを勘案す
れば、好ましくは0.1〜0.9mm、より好ましくは
0.1〜0.6mmの範囲がよい。
〜1.0mmの範囲がよい。0.1mm未満では、熱衝
撃による亀裂や、製造過程での変形が発生しやすくな
り、また、1.0mmを超えると、応答性が低下するか
らである。応答性と機械的強度と変形の間題とを勘案す
れば、好ましくは0.1〜0.9mm、より好ましくは
0.1〜0.6mmの範囲がよい。
【0023】さらに、スペーサーセラミック層の厚みt
3と基材セラミック層の厚みt2の合計(t2+t3)が
0.3〜3.0mmの範囲であるとよい。0.3mm未
満では、温度センサとして必要な強度が確保できず、振
動等の衝撃により破損しやすく、また、3.0mmを超
えると、積層時に層間に空気が残って気泡が残留した
り、開口部(31)を打ち抜く際に枠周辺に亀裂が発生
しやすくなるからである。信頼性向上のためには、好ま
しくは0.3〜1.5mm、より好ましくは0.5〜
1.2mmの範囲がよい。
3と基材セラミック層の厚みt2の合計(t2+t3)が
0.3〜3.0mmの範囲であるとよい。0.3mm未
満では、温度センサとして必要な強度が確保できず、振
動等の衝撃により破損しやすく、また、3.0mmを超
えると、積層時に層間に空気が残って気泡が残留した
り、開口部(31)を打ち抜く際に枠周辺に亀裂が発生
しやすくなるからである。信頼性向上のためには、好ま
しくは0.3〜1.5mm、より好ましくは0.5〜
1.2mmの範囲がよい。
【0024】さらにスペーサーセラミック層の厚みt3
と基材セラミック層の厚みt2の合計に対する感熱面側
セラミック層の厚みt1の比であるt1/(t2+t3)が
1未満であるとよい。感熱面側セラミック層の厚みt1
の厚みを相対的に薄く設定することで感熱面側の熱容量
を低減して、温度センサの応答性を良好にすることがで
きるからである。好ましくは、0.1〜0.9の範囲が
よい。
と基材セラミック層の厚みt2の合計に対する感熱面側
セラミック層の厚みt1の比であるt1/(t2+t3)が
1未満であるとよい。感熱面側セラミック層の厚みt1
の厚みを相対的に薄く設定することで感熱面側の熱容量
を低減して、温度センサの応答性を良好にすることがで
きるからである。好ましくは、0.1〜0.9の範囲が
よい。
【0025】
【発明の実施の形態】本発明の実施例を図面を用いて説
明する。 実施例1 感熱体としてYCrO3系サーミスタ材料を、セラミッ
ク体としてAl2O3を用いた。図1は厚膜型サーミスタ
の分解斜視図である。図2はサーミスタを真上から見た
図である。図3〜図6は工程の説明図であり、図2の一
点鎖線(a)における断面にて表示している。サーミス
タの外形寸法(リード線を除く。)は、長さ60mm、
幅5mmとする。厚みは、実施例の表2の組合わせによ
り決定される。
明する。 実施例1 感熱体としてYCrO3系サーミスタ材料を、セラミッ
ク体としてAl2O3を用いた。図1は厚膜型サーミスタ
の分解斜視図である。図2はサーミスタを真上から見た
図である。図3〜図6は工程の説明図であり、図2の一
点鎖線(a)における断面にて表示している。サーミス
タの外形寸法(リード線を除く。)は、長さ60mm、
幅5mmとする。厚みは、実施例の表2の組合わせによ
り決定される。
【0026】.サーミスタ素子用ぺーストの作製 原料粉末として、Y2O3、SrCO3、Cr2O3、Al2
O3、Fe2O3及びZrO2(各々の純度は99.9%以
上)を用意する。これらを表1に示す酸化物換算での質
量%の割合になるように秤量し、窒化珪素製玉石と溶媒
(エタノール)とともに樹脂製ポットに入れ、湿式混合
する。(但し、SiO2は後工程で配合する。)溶媒を
乾燥除去した後、大気雰囲気中にて、1300℃×5時
間の条件で仮焼、粉砕して、平均粒径1〜2μmの仮焼
粉末とする。
O3、Fe2O3及びZrO2(各々の純度は99.9%以
上)を用意する。これらを表1に示す酸化物換算での質
量%の割合になるように秤量し、窒化珪素製玉石と溶媒
(エタノール)とともに樹脂製ポットに入れ、湿式混合
する。(但し、SiO2は後工程で配合する。)溶媒を
乾燥除去した後、大気雰囲気中にて、1300℃×5時
間の条件で仮焼、粉砕して、平均粒径1〜2μmの仮焼
粉末とする。
【0027】得られた仮焼粉末に、平均粒径0.2μm
のSiO2粉末を添加して、各成分の割合が表1に示す
組成比になるように配合する。この配合粉末を、窒化珪
素製玉石と溶媒(エタノール)とともに樹脂製ポットに
入れ、湿式混合する。得られたスラリーを80℃×3時
間の条件下で乾燥し、更に250メッシュのふるいを通
して造粒粉末を得る。
のSiO2粉末を添加して、各成分の割合が表1に示す
組成比になるように配合する。この配合粉末を、窒化珪
素製玉石と溶媒(エタノール)とともに樹脂製ポットに
入れ、湿式混合する。得られたスラリーを80℃×3時
間の条件下で乾燥し、更に250メッシュのふるいを通
して造粒粉末を得る。
【0028】造粒粉末にバインダ(エチルセルロース)
及び溶媒(ブチルカルビトール)を加え、石川式混練機
を用いてサーミスタ素子用ぺーストを得る。
及び溶媒(ブチルカルビトール)を加え、石川式混練機
を用いてサーミスタ素子用ぺーストを得る。
【0029】
【表1】
【0030】.サーミスタの作製 まず、感熱面側セラミック層(1)、スペーサーセラミ
ック層(3)及び基材セラミック層(2)となるセラミ
ックグリーンシートを作製する。比表面積が9.4m2
/g、平均粒径が0.4μmのアルミナ粉末にSiO2
−CaO−MgO系ガラスを0.5質量%添加する。こ
れらをアクリル系バインダを用いて混練し、ドクターブ
レード法によりシート化する。セラミックゲリーンシー
トの厚みは、焼成後に0.05mm、0.1mm、0.
3mm、0.37mm、0.6mm、0.8mm、0.
9mm、1.2mm、1.6mmになるように9種類作
製する。
ック層(3)及び基材セラミック層(2)となるセラミ
ックグリーンシートを作製する。比表面積が9.4m2
/g、平均粒径が0.4μmのアルミナ粉末にSiO2
−CaO−MgO系ガラスを0.5質量%添加する。こ
れらをアクリル系バインダを用いて混練し、ドクターブ
レード法によりシート化する。セラミックゲリーンシー
トの厚みは、焼成後に0.05mm、0.1mm、0.
3mm、0.37mm、0.6mm、0.8mm、0.
9mm、1.2mm、1.6mmになるように9種類作
製する。
【0031】次いで、図3に示すように、基材セラミッ
ク層(2)となるセラミックグリーンシート上に、開口
部(31)とリード線用切り欠き(32a、32b)を
金型を用いて打ち抜き形成したスペーサーセラミック層
(3)となるセラミックグリーンシートを圧着して、基
材セラミック層とスペーサーセラミック層となるグリー
ン体(101)を形成する。この際、各セラミックグリ
ーンシートの厚みの組合わせが表2に示す組み合わせに
なるように積層を行う。
ク層(2)となるセラミックグリーンシート上に、開口
部(31)とリード線用切り欠き(32a、32b)を
金型を用いて打ち抜き形成したスペーサーセラミック層
(3)となるセラミックグリーンシートを圧着して、基
材セラミック層とスペーサーセラミック層となるグリー
ン体(101)を形成する。この際、各セラミックグリ
ーンシートの厚みの組合わせが表2に示す組み合わせに
なるように積層を行う。
【0032】次に、感熱面側セラミック層(1)となる
セラミックグリーンシート上に電極(5a)となるPt
ぺーストを所定のパターンで印刷形成する。Ptぺース
トは、平均粒径0.6μmのPt粉末にサーミスタ素子
と同じ組成のY2O3−Cr2O3系の導電材料を3質量%
添加し、セルロース系バインダにて混練したものを用い
る。
セラミックグリーンシート上に電極(5a)となるPt
ぺーストを所定のパターンで印刷形成する。Ptぺース
トは、平均粒径0.6μmのPt粉末にサーミスタ素子
と同じ組成のY2O3−Cr2O3系の導電材料を3質量%
添加し、セルロース系バインダにて混練したものを用い
る。
【0033】電極(5a)上にで作製したサーミスタ
素子用ぺーストを印刷により塗布、乾燥した後、さらに
その上から電極(5b)となるPtぺーストを所定のパ
ターンで印刷形成する。そして、電極の端部(51a、
51b)に直径0.3mmの白金製のリード線を接着し
て、感熱面側セラミック層とサーミスタ素子となるグリ
ーン体(102)を形成する(図4を参照。)。
素子用ぺーストを印刷により塗布、乾燥した後、さらに
その上から電極(5b)となるPtぺーストを所定のパ
ターンで印刷形成する。そして、電極の端部(51a、
51b)に直径0.3mmの白金製のリード線を接着し
て、感熱面側セラミック層とサーミスタ素子となるグリ
ーン体(102)を形成する(図4を参照。)。
【0034】そして、図5及び図6に示すように、基材
セラミック層とスペーサーセラミック層となるグリーン
体(101)と感熱面側セラミック層とサーミスタ素子
となるグリーン体(102)とを圧着して、サーミスタ
となるグリーン体(100)を形成する。この際、各セ
ラミックグリーンシートの厚みの組合わせが表2に示す
組み合わせになるように積層を行う。
セラミック層とスペーサーセラミック層となるグリーン
体(101)と感熱面側セラミック層とサーミスタ素子
となるグリーン体(102)とを圧着して、サーミスタ
となるグリーン体(100)を形成する。この際、各セ
ラミックグリーンシートの厚みの組合わせが表2に示す
組み合わせになるように積層を行う。
【0035】サーミスタとなるグリーン体を焼成後に長
さ60mm、幅5mmとなるように切断した後、大気中
で250℃×6時間の条件下でバインダー抜きを行い、
脱脂体を得る。脱脂体を大気中で1480℃×2時間の
条件下で焼成して、目的とするサーミスタを得る。
さ60mm、幅5mmとなるように切断した後、大気中
で250℃×6時間の条件下でバインダー抜きを行い、
脱脂体を得る。脱脂体を大気中で1480℃×2時間の
条件下で焼成して、目的とするサーミスタを得る。
【0036】サーミスタの応答性の評価 得られた各サーミスタの応答性の評価は以下のように行
った。直径30mmの金属パイプに開口部を設けて、そ
こにサーミスタを垂直に差し込むように挿入する。金属
パイプ中に600℃の熱風を毎秒6mの流速で流して、
63%応答性を測定する。ここにいう「63%応答性」
とは、サーミスタによる検出温度が、室温から378℃
に昇温するのに要する時間をいう。各セラミック体の厚
みの組合わせに対する「63%応答性」の結果を表2に
示す。
った。直径30mmの金属パイプに開口部を設けて、そ
こにサーミスタを垂直に差し込むように挿入する。金属
パイプ中に600℃の熱風を毎秒6mの流速で流して、
63%応答性を測定する。ここにいう「63%応答性」
とは、サーミスタによる検出温度が、室温から378℃
に昇温するのに要する時間をいう。各セラミック体の厚
みの組合わせに対する「63%応答性」の結果を表2に
示す。
【0037】比較例として従来技術のバルクサーミスタ
を用いたものを併せて評価する。これは、直径2mm、
高さ1.5mmのバルクサーミスタを直径4mmのステ
ンレス鋼製の金属管に入れ、セメントで固定した構造に
なっている。「63%応答性」の結果を表2に併せて示
す。
を用いたものを併せて評価する。これは、直径2mm、
高さ1.5mmのバルクサーミスタを直径4mmのステ
ンレス鋼製の金属管に入れ、セメントで固定した構造に
なっている。「63%応答性」の結果を表2に併せて示
す。
【0038】なお、図10は、感熱面側セラミック層の
厚みt1と、スペーサーセラミック層の厚みt3と基材セ
ラミック層の厚みt2の合計(t2+t3)との関係をプ
ロットして示した図である。網掛け部分は、(a)
t1;0.1〜1.0mmと、(b)t2+t3;0.3
〜3.0mmと、(c)t1/(t2+t3)<1の関係
を全て満足する場合の範囲を示す。(c)t1/(t2+
t3)<1の場合については、図10の網掛け部分のう
ち点線で表示した線上は含まないことになる。
厚みt1と、スペーサーセラミック層の厚みt3と基材セ
ラミック層の厚みt2の合計(t2+t3)との関係をプ
ロットして示した図である。網掛け部分は、(a)
t1;0.1〜1.0mmと、(b)t2+t3;0.3
〜3.0mmと、(c)t1/(t2+t3)<1の関係
を全て満足する場合の範囲を示す。(c)t1/(t2+
t3)<1の場合については、図10の網掛け部分のう
ち点線で表示した線上は含まないことになる。
【0039】
【表2】
【0040】表2によれば、本発明の好ましい厚みの組
合わせの範囲においては、63%応答性は10秒以下と
良好な応答性を示すことがわかる。試料番号2〜試料番
号4の結果からもわかるように、感熱面側セラミックの
厚みが応答性に大きく影響することがわかる。このよう
な先行試験を行い、得られた結果に基づいて感熱面側セ
ラミックの厚みを調整すれば、製造ロット間の応答性の
ばらつきを少なくすることができる。
合わせの範囲においては、63%応答性は10秒以下と
良好な応答性を示すことがわかる。試料番号2〜試料番
号4の結果からもわかるように、感熱面側セラミックの
厚みが応答性に大きく影響することがわかる。このよう
な先行試験を行い、得られた結果に基づいて感熱面側セ
ラミックの厚みを調整すれば、製造ロット間の応答性の
ばらつきを少なくすることができる。
【0041】本発明の一態様であるサーミスタは、比較
に用いた従来のバルクサーミスタのように熱伝導経路に
ステンレス鋼やセメント等の低熱伝導性の物質を介在さ
せないため応答性が良好である。また、サーミスタ素子
自体を密閉して空気で断熱しているので、熱引きや被毒
の影響が極めて小さい利点がある。
に用いた従来のバルクサーミスタのように熱伝導経路に
ステンレス鋼やセメント等の低熱伝導性の物質を介在さ
せないため応答性が良好である。また、サーミスタ素子
自体を密閉して空気で断熱しているので、熱引きや被毒
の影響が極めて小さい利点がある。
【0042】
【発明の効果】本発明によれば、応答性に優れ、且つ、
安価に量産可能な温度センサを提供することができる。
また、本発明の温度センサは、感熱体が緻密なセラミッ
ク体により形成された中空部内に気密に囲まれた密閉構
造になっているため、排気ガス等に含まれる炭素やリン
等による被毒を抑制することができる。更に、セラミッ
クは耐食性が高く、排気ガス等により侵食を殆ど受けな
いため、長期間に渡って気密性を保つことができ、耐熱
性に優れるため、1000℃程度の高温に耐え得る温度
センサとすることができる。
安価に量産可能な温度センサを提供することができる。
また、本発明の温度センサは、感熱体が緻密なセラミッ
ク体により形成された中空部内に気密に囲まれた密閉構
造になっているため、排気ガス等に含まれる炭素やリン
等による被毒を抑制することができる。更に、セラミッ
クは耐食性が高く、排気ガス等により侵食を殆ど受けな
いため、長期間に渡って気密性を保つことができ、耐熱
性に優れるため、1000℃程度の高温に耐え得る温度
センサとすることができる。
【図1】本発明の一態様である厚膜型サーミスタの分解
斜視図である。
斜視図である。
【図2】本発明の一態様である厚膜型サーミスタを真上
から見た説明図である。
から見た説明図である。
【図3】本発明の一態様である厚膜型サーミスタの製造
方法の一例を示す説明図である。
方法の一例を示す説明図である。
【図4】本発明の一態様である厚膜型サーミスタの製造
方法の一例を示す説明図である。
方法の一例を示す説明図である。
【図5】本発明の一態様である厚膜型サーミスタの製造
方法の一例を示す説明図である。
方法の一例を示す説明図である。
【図6】本発明の一態様である厚膜型サーミスタの製造
方法の一例を示す説明図である。
方法の一例を示す説明図である。
【図7】サーミスタ素子と電極の構成をサンドイッチ構
造にした場合の説明図である。
造にした場合の説明図である。
【図8】平行電極をサーミスタ素子が跨ぐ構造にした場
合の説明図である。
合の説明図である。
【図9】感熱面側セラミック層の厚みt1とスペーサー
セラミック層の厚みt2と基材セラミック層の厚みt3の
関係を示すサーミスタの断面図である。
セラミック層の厚みt2と基材セラミック層の厚みt3の
関係を示すサーミスタの断面図である。
【図10】本発明の実施例における感熱面側セラミック
層の厚みt1とスペーサーセラミック層の厚みt2と基材
セラミック層の厚みt3の合計(t2+t3)との関係を
プロットして示した説明図である。
層の厚みt1とスペーサーセラミック層の厚みt2と基材
セラミック層の厚みt3の合計(t2+t3)との関係を
プロットして示した説明図である。
1;感熱面側セラミック層、2;基材セラミック層、
3;スペーサーセラミック層、31;開口部、32a、
32b;リード線の切り欠き、4;サーミスタ素子、5
a、5b;電極、51a、51b;電極の端部、6a、
6b;リード線。
3;スペーサーセラミック層、31;開口部、32a、
32b;リード線の切り欠き、4;サーミスタ素子、5
a、5b;電極、51a、51b;電極の端部、6a、
6b;リード線。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 飯尾 聡 名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日本特殊 陶業株式会社内 Fターム(参考) 2F056 QF01 QF05 QF07 QF10 5E034 AA04 AB01 AC02 AC12 BA04 BB01 BC01 BC13
Claims (6)
- 【請求項1】 感熱体と、該感熱体を気密に囲む中空部
を有するセラミック体と、を備えることを特徴とする温
度センサ。 - 【請求項2】 上記感熱体が、上記セラミック体の感熱
面側に配置されている請求項1記載の温度センサ。 - 【請求項3】 上記中空部が、上記セラミック体の厚さ
方向において感熱面側に偏って形成されている請求項1
又は2に記載の温度センサ。 - 【請求項4】 上記セラミック体が、感熱体を備える感
熱面側セラミック層、開口部を有するスぺーサーセラミ
ック層、及び基材セラミック層により構成される請求項
1乃至3のいずれか1項に記載の温度センサ。 - 【請求項5】 上記感熱面側セラミック層の厚さが0.
1〜1.0mmである請求項4記載の温度センサ。 - 【請求項6】 感熱体と、該感熱体を気密に囲む中空部
を有するセラミック体と、を備える温度センサの製造管
理方法であって、感熱体の製造ロットによる応答性の変
動を予め先行試験を行って確認し、その結果に基づいて
上記セラミック体の感熱面側の厚さを調整することを特
徴とする温度センサの製造管理方法。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000370395A JP2002048655A (ja) | 2000-05-24 | 2000-12-05 | 温度センサ及びその製造管理方法 |
DE10124373A DE10124373A1 (de) | 2000-05-24 | 2001-05-18 | Temperaturfühler und Verfahren zur Steuerung von dessen Herstellung |
US09/862,613 US6766574B2 (en) | 2000-05-24 | 2001-05-23 | Production control method for temperature sensor by adjusting thickness of a heat-sensing surface side ceramic layer |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000152537 | 2000-05-24 | ||
JP2000-152537 | 2000-05-24 | ||
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2002048655A true JP2002048655A (ja) | 2002-02-15 |
Family
ID=26592454
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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US (1) | US6766574B2 (ja) |
JP (1) | JP2002048655A (ja) |
DE (1) | DE10124373A1 (ja) |
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JP7201767B1 (ja) | 2021-10-08 | 2023-01-10 | 株式会社芝浦電子 | 温度センサおよび温度センサの製造方法 |
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