(57)【要約】【課題】パイプ内に封止された感熱素子からなる温度センサは、引き出し用の絶縁被覆電線が長いために、絶縁樹脂封止するときに絶縁電線をパイプの中心部分に保持することが難しく、パイプの縁に接触した状態で樹脂硬化させることになり、樹脂材料がパイプからこぼれて硬化してしまい、形状不良品が発生したりパイプ先端部に絶縁被覆電線に接続したサーミスタ素子の感熱部を正確に位置させることが難しく形状不良や絶縁耐圧不良により多数の不良品を発生させることがあった。【解決手段】パイプの形状に合わせた形状を有する絶縁基板上にパターン形成した導体箔からなるランドに予め感熱素子を搭載して電気的に接続したセンサ基板を作製し、前記センサ基板の端子部に絶縁被覆電線の芯線を接合した後、前記センサ基板をパイプ内に挿入し周囲に絶縁材料を充填・硬化させて温度センサを形成する。【選択図】  図２
2006090704.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
細長い絶縁基板上に感熱素子を載置したセンサ基板をパイプ内に絶縁材料で封止した温度センサにおいて、前記絶縁基板が一端に形成された一対のランドと、該ランド間に接続された感熱素子と、前記センサ基板の他端に形成された一対の端子部と、前記ランドと前記端子部とを接続するリード部とから構成されたセンサ基板であって、該センサ基板の前記端子部に絶縁被覆電線の露出させた芯線部が電気的に接続されていることを特徴とする温度センサ。
【請求項２】
前記絶縁基板の形状を、前記パイプの壁面に沿った形状としたことを特徴とする請求項１に記載の温度センサ。
【請求項３】
前記感熱素子が、セラミックス基板の片面に形成されたサーミスタ薄膜と、一対の電極部と、該一対の電極部上に金バンプが形成された薄膜サーミスタ素子であることを特徴とする請求項１、２に記載の温度センサ。
【請求項４】
前記センサ基板において、前記ランドが形成された前記絶縁基板の端部に切り込み部を設け、該切り込み部に前記感熱素子を挿入固定して、前記ランドと前記感熱素子とを電気的に接続してなることを特徴とする請求項１、２、３に記載の温度センサ。
【請求項５】
無酸素銅材料からなるフランジを有する有底パイプと、該有底パイプの壁面に沿った形状を有するセンサ基板と、該センサ基板上の２本のリード部先端に形成された金被覆されたランドと、該ランドと前記薄膜サーミスタ素子の電極部上に形成された金バンプを超音波接合した後、前記センサ基板の端子部に絶縁被覆電線の露出させた芯線部を接合して、前記有底パイプ内に前記センサ基板を挿入して周囲を絶縁樹脂で封止したことを特徴とする請求項１乃至４に記載の温度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、給湯器、エアコン、冷蔵庫等の家庭電気製品や各種電子機器の温度制御装置等に用いられるパイプ管内の先端部分にサーミスタ等の感熱素子を絶縁樹脂で封止し、前記パイプの他端開口から絶縁被覆電線等を引き出した温度センサに関するものである。  
【背景技術】
【０００２】
従来、このような家庭電気製品や各種電子機器に用いられているサーミスタ素子がパイプ内に封入された温度センサとしては、図７（ａ）に示すように、両面に電極を有するサーミスタチップ２５を２芯平行絶縁被覆電線９の端部の絶縁被覆を剥がして露出させた芯線１６間に掲置させた後、半田付けして絶縁被覆電線９の芯線１６に接続固定した後、先端部を金属や樹脂でできた有底パイプ２６内に挿入し周囲にエポキシ樹脂等の絶縁材料２７を注入して熱硬化させた温度センサや、図７（ｂ）に示すように、絶縁被覆電線の端部の絶縁被覆を剥がして露出させた芯線間に先端部がガラス被覆されたガラス封止サーミスタ素子２８のリード線２９を半田付けや溶接によって接続した後、先端部を金属や樹脂でできた有底パイプ２６内に挿入し周囲にエポキシ樹脂等の絶縁材料２７を注入して熱硬化させた温度センサが知られている。場合によっては、絶縁強度を確保するため、ガラス封止サーミスタ素子２８のリード線２９に図示しない絶縁チューブを被覆することもある。
【０００３】
しかしながら、上記したような両面に電極を形成したサーミスタチップ２５を、絶縁被覆電線９の芯線１６間に載置し半田付けして、有底パイプ２６内に挿入し周囲にエポキシ樹脂等の絶縁材料２７を注入して熱硬化させた温度センサにおいては、一般に、有底パイプ２６の長さに比べて前記パイプから引き出される絶縁被覆電線９の長さの方が非常に長いために、エポキシ樹脂を有底パイプ２６内に充填し硬化させるときに、長い絶縁被覆電線９が邪魔となって有底パイプ２６の先端部分に正確にサーミスタチップ（感熱部）が位置するようにセッティングすることが難しかった。また、このような欠点を解消するために、治工具等を使用して有底パイプ先端部分にサーミスタチップが位置するように樹脂封止したとき、もし有底パイプ２６が金属製の場合には、サーミスタチップ２５の表面と有底パイプ２６が接近したり、場合によっては接触することがあり、サーミスタチップ２５の表面と有底パイプ２６間の絶縁耐圧が十分とれなくなり、最終製品としての歩留まりが低下する欠点があった。さらに、サーミスタチップ２５の電極面に絶縁被覆電線９の芯線１６を直接半田付けするために、銀を主成分とする電極面が半田によって溶解する銀喰われ現象によりサーミスタチップ２５の抵抗値が変化し完成した温度センサの製品歩留まりが低下する欠点もあった。また、パイプの直径に比べて絶縁被覆電線の直径が小さく、引き出される絶縁被覆電線が長いために、絶縁樹脂封止するときに絶縁電線を有底パイプの中心部分に保持することが難しく、有底パイプ２６の縁に絶縁電線が接触した形で樹脂を加熱硬化させることになり、絶縁樹脂がパイプからこぼれた状態で硬化してしまい、形状不良や上記したようなパイプ先端部にサーミスタ素子の感熱部を正確に位置させることができなく多数の不良品を発生させることとなることがあった。
【０００４】
また、このような温度センサは温度変化のある雰囲気で使用するのが一般的であり、長期間使用した場合にこの温度変化によって、絶縁被覆電線の使用部材の膨張・収縮で半田付けされたサーミスタチップの電極部分の剥離が進み、抵抗値が変化することがあり信頼性の面で問題があった。さらに、絶縁被覆電線の芯線部からの水分や湿気の侵入があり、長期使用により芯線の先端部に接続されたサーミスタチップがこれら水分や湿気の影響を受けて特性劣化することがあった。
【０００５】
また、このようにサーミスタチップを直接に絶縁被覆電線の芯線部分に半田付けした温度センサは、サーミスタチップで受熱した熱が、半田付け部分から絶縁被覆電線の芯線に逃げてしまい、被検知体の温度を正確に検知することは難しい。また、上記したように、有底パイプ内において感熱部となるサーミスタチップの位置が変動することによって、温度センサとしての応答特性にバラツキを生じ、電気的性能の面でも十分なものではなかった。図７（ｂ）に示すようなガラス封止サーミスタ素子２８を用いた場合には、上記における絶縁耐圧の問題は解決できるが、それ以外の部分では図７（ａ）におけると同じ問題が生じる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、ガラエポキシ銅張積層板やポリイミド樹脂フィルム等からなる耐熱性の絶縁基板上にパターン形成された２本のリード部の一端に形成されたランドと、前記リード部の他端側に端子部が形成され、前記ランドに感熱素子を電気的に接続して構成したセンサ基板の端子部に２芯平行絶縁被覆電線の一端部の絶縁被覆を剥がして露出した芯線部を半田付け等の接合手段によって電気的に接続し、前記センサ基板をパイプ内に樹脂封止することによって、小型で温度応答性に優れ、電気的性能バラツキが小さく、経時変化の小さい信頼性の高い温度センサを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を達成するためになされたものであり、請求項１の発明は、細長い絶縁基板上に感熱素子を載置したセンサ基板をパイプ内に絶縁材料で封止した温度センサにおいて、前記絶縁基板が一端に形成された一対のランドと、該ランド間に接続された感熱素子と、前記センサ基板の他端に形成された一対の端子部と、前記ランドと前記端子部とを接続するリード部とから構成されたセンサ基板であって、該センサ基板の前記端子部に絶縁被覆電線の露出させた芯線部が電気的に接続されていることを特徴とする温度センサである。
【０００８】
本発明の請求項２に係わる発明は、前記絶縁基板の形状を、前記パイプの壁面に沿った形状としたことを特徴とする請求項１に記載の温度センサである。
【０００９】
本発明の請求項３に係わる発明は、前記感熱素子が、セラミックス基板の片面に形成されたサーミスタ薄膜と、一対の電極部と、該一対の電極部上に金バンプが形成された薄膜サーミスタ素子であることを特徴とする請求項１、２に記載の温度センサである。
【００１０】
本発明の請求項４に係わる発明は、前記センサ基板において、前記ランドが形成された前記絶縁基板の端部に切り込み部を設け、該切り込み部に前記感熱素子を挿入固定して、前記ランドと前記感熱素子とを電気的に接続してなることを特徴とする請求項１、２、３に記載の温度センサである。
【００１１】
本発明の請求項５に係わる発明は、無酸素銅材料からなるフランジを有する有底パイプと、該有底パイプの壁面に沿った形状を有するセンサ基板と、該センサ基板上の２本のリード部先端に形成された金被覆されたランドと、該ランドと前記薄膜サーミスタ素子の電極部上に形成された金バンプを超音波接合した後、前記センサ基板の端子部に絶縁被覆電線の露出させた芯線部を接合して、前記有底パイプ内に前記センサ基板を挿入して周囲を絶縁樹脂で封止したことを特徴とする請求項１乃至４に記載の温度センサである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の温度センサは、パイプ内に挿入できるような細長い絶縁基板上に導体箔からなる２本のリード部が形成されていて、一端にランドが他端に端子部が設けられており、前記ランドにサーミスタ素子等の感熱素子が電気的に接続されたセンサ基板を予め作製しておき、前記センサ基板の端子部と２芯平行絶縁被覆電線の一端部の絶縁被覆を剥がして露出させた芯線部とを超音波溶接や半田付け等の接合手段によって電気的に接続することで、サーミスタ素子等が搭載されたセンサ基板の状態で電気的特性の検査ができ、良品のみのセンサ基板を使用できるために、歩留まりの向上と効率的な温度センサの製造が可能になる。
【００１３】
絶縁基板の端子部のパターン間隔が異なる絶縁基板を用意することによって、使用用途に応じて用いられる太さの異なる各種絶縁被覆電線に対応した温度センサを製造することが可能になる。
【００１４】
前記センサ基板上にパターン形成されたランドと端子部を接続する導体箔からなる２本のリード部の線幅（パターン幅）をできる限り細くパターン形成することで熱抵抗を高められ、ランド上に載置固定された薄膜サーミスタ素子等の感熱素子が受熱した熱が端子部から絶縁被覆電線の芯線部に放散されにくくすることで、熱応答性に優れた温度センサを製造することができる。
【００１５】
センサ基板の形状を有底パイプの壁面に沿った形状にすることによって、絶縁樹脂を充填・硬化させて封止するときにセンサ基板上の感熱素子が載置された先端部分がパイプの底部に正確に固定でき、完成した温度センサとしての熱応答性をはじめとする電気的特性のバラツキを小さくすることができるために製品歩留まりが向上する。また、金属製のパイプを使用したときにセンサ基板の先端部がパイプの底部に正確に固定できることから、感熱素子とパイプとの位置関係バラツキが無くなり十分な絶縁耐圧が得られるとともに、絶縁耐圧による不良品の発生を防止でき歩留まりの向上が期待できる。また、絶縁基板上に感熱素子を載置したセンサ基板を用いることにより、長い有底パイプの温度センサを製造する場合でも、パイプ底部にセンサ基板の感熱素子が載置された先端部を確実容易に設置固定できるため、不良品の発生防止と生産性の向上に効果がある。
【００１６】
有底パイプの壁面に沿った形状のセンサ基板を用いることで、パイプ内にセンサ基板を挿入したときにセンサ基板がパイプの中心軸に固定できるので、製作工程で従来必要であった引き出し用の絶縁被覆電線がパイプの中心に位置するように固定するための特別な治工具を用いる必要がなく工数削減と作業時間の短縮が達成できる。
【００１７】
本発明の温度センサに使用するセンサ基板を用いることによって、従来のような周囲温度の急激な変化や周期的変化などの熱衝撃によって発生する絶縁被覆電線の膨張・収縮でサーミスタ素子等の感熱素子電極部の剥がれや、絶縁被覆電線の芯線部から侵入する水分・湿気によるサーミスタチップの特性劣化を防止することができ信頼性の高い温度センサを低コストで提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態に関して添付図面に基づき説明する。図１（ａ）は本発明温度センサに使用する絶縁基板の平面図を示す。１はガラスエポキシ銅張積層板またはポリイミド樹脂フィルム等のフレキシブル基板の表面に銅箔を張った耐熱性の絶縁基板で、パイプ内に挿入できるように細長い形状を有している。絶縁基板１の表面の銅箔をエッチングすることで、端子部２、リード部３及び感熱素子を電気的に接続するためのランド４が形成される。ランド４と端子部２を結ぶリード部３は、被検知体から感熱素子が受熱した熱が端子部を通って、絶縁被覆電線の芯線部分に逃げないように、できる限り熱抵抗が大きくなるように線幅の細いパターンで形成することが好ましい。また、熱抵抗を大きくするために、ランド４と端子部２間のリード部３の距離を長く取るようにパターン設計すると良い。本実施例の絶縁基板１は厚みが０．１ｍｍのポリイミド樹脂フィルムを使用した。またリード部３の最小線幅は１００〜２００ミクロンで形成された。絶縁基板１としては、さらに耐熱性を要求される用途であれば、上記の他にアルミナ等のセラミックス基板を使用することもできる。図１（ｂ）は絶縁基板１のランド４間に感熱素子５が載置され、感熱素子５の図示しない電極部とランド４とが電気的に接合されたセンサ基板６の平面図を示す。
【００１９】
図２（ａ）は、本発明温度センサの一実施例として、給湯器の水温を検知する温度センサで、有底パイプ７内にセンサ基板６が配置された内部透視斜視図を示す。図２（ｂ）は図２（ａ）の有底パイプの軸に平行な面のＡ−Ａ線断面図を示す。本実施例の温度センサは、フランジ８を有する無酸素銅材料からなる有底パイプ７内に、絶縁基板１のランド４間に感熱素子５として薄膜サーミスタ素子１１が載置、接続されたセンサ基板６が挿入され、端子部２に接続された絶縁被覆電線９が有底パイプ７から外部に引き出されている。そして、有底パイプ７内の空隙は絶縁樹脂１０によって封止されている。図２（ｃ）は本発明温度センサ先端部のＡ−Ａ線断面図を示す。
【００２０】
上記実施例で用いられるセンサ基板６の作製手順は次の通りである。絶縁基板１は図２（ｂ）に示すように、有底パイプ７の内側断面形状とほぼ同一な形状を有し、絶縁基板１上のランド４には金（Ａｕ）が部分メッキされメッキ膜１４が形成されている。一方感熱素子５として使用する薄膜サーミスタ素子１１の電極部１２上には金バンプ１３が形成されている。前記薄膜サーミスタ１１を位置決めしてランド４に重ね合わせ、薄膜サーミスタ素子１１に圧力を加えてバンプ１３をランド部分に圧接しながら超音波振動を加えて接合する。なお接合部を１００〜２００℃程度に加熱しながら超音波振動を加えることで接合時間を短縮することができる。図２（ｄ）薄膜サーミスタ素子の外観を示す斜視図である。薄膜サーミスタ素子１１は、セラミックス基板１８上にサーミスタ薄膜１５と両端に形成された電極部１２と前記電極部１２上に形成された金バンプ１３から構成されている。絶縁基板１上に薄膜サーミスタ素子１１を搭載して完成したセンサ基板６は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、端子部２と絶縁被覆電線９の一端部を露出させた芯線部１６とを超音波溶接等の手段によって接合し、有底パイプ７内に挿入し隙間に絶縁樹脂１０を充填し加熱硬化させることで給湯器用の温度センサ１７が完成する。図２（ｃ）は前記実施例における図２（ａ）の先端部のＢ−Ｂ線断面図を示し、同図において温度センサを構成する有底パイプ７の先端部分の断面が扁平形状としてあるのは、センサ基板６を有底パイプ７内に挿入したときにセンサ基板６の先端部に載置した薄膜サーミスタ素子１１のセラミックス基板１８と有底パイプ７の壁面との距離を接近させて壁面から薄膜サーミスタ素子１１への熱伝達を改善し応答特性を向上させている。
【００２１】
なお、本発明温度センサの他の製造方法としては、例えば、図３に示すような連続して形成された一枚の絶縁基板上の銅箔をエッチングして端子部２、ランド４、リード部３を一度に多数個形成させ、その後、ランド４に金メッキを施したメッキ膜１４を形成した後、薄膜サーミスタ素子１１の電極部１２に形成された金バンプ１３とランド４とを圧接しながら超音波振動を加えて接合する。このようにして、多数の薄膜サーミスタ素子１１が搭載された一枚の連接したセンサ基板が完成する。この後、絶縁被覆電線９の芯線部１６と端子部２とを超音波溶接等の手段によって接合し、点線部分Ｃで切断することで個々に分割切断することで絶縁被覆電線が取り付けられたひとつのセンサ基板６が完成する。このような短冊状に形成された基板を使用することによって、薄膜サーミスタ素子のマウントと接合工程および絶縁被覆電線の接続工程の自動化が可能となり効率よい製造ができる。
【００２２】
上記実施例で開示した本発明温度センサは、薄膜サーミスタ素子の電極部に金バンプを設けて、センサ基板のランドとを超音波によって接合する方法について述べたが、これに限定されるものではなく温度センサとして使用する雰囲気や温度によって、一般に用いられている半田付け方法を用いてもよく使用目的に応じて適宜選択すればよいことはもちろんである。センサ基板の端子部と絶縁被覆電線の接続手段についても同様である。
【００２３】
本実施例では、絶縁基板上のランドに薄膜サーミスタ素子を載置固定した構造について示したが、図６に示すように、絶縁基板１の先端部に切り込み部１９を設けて、この切り込み部１９に薄膜サーミスタ素子１１を載置固定し、薄膜サーミスタ素子１１の電極部１２と絶縁基板１のランド４間をワイヤ２０でボンディング等の手段によって接続したセンサ基板の端子部に、絶縁被覆電線の芯線部を半田付けもしくは溶接等の手段によって接合した後、前記センサ基板と前記絶縁被覆電線の一部をパイプ内に挿入し周囲の空隙部分を絶縁樹脂で封止固定すれば、センサ基板の先端部がパイプ底部の感熱部に一層接近して固定できるために、被検知体の正確な温度検知ができるだけではなく、パイプ壁面からの熱の伝達が早められるために熱応答特性の改善が期待できる。
【００２４】
図４、図５は用いられる絶縁基板の他の形状を示す。図４（ａ）は絶縁基板１の端子部２に孔部２１が設けられた例を示す。使用用途によっては、絶縁基板１の端子部２と絶縁被覆電線９の芯線部１６との接続法として、上記実施例で示したような半田付けや溶接等の接合手段では、接合部の接合強度が十分に得られない場合がある。このときには、図４（ｂ）に示すように、孔部２１へ絶縁被覆電線９の芯線部１６を嵌挿して絡めて固定したり、図５（ａ）に示すように、絶縁基板１の端子部２の部分に凹部２２を設けた絶縁基板１を用い、同図（ｂ）のように絶縁基板１の端子部２の部分に設けた凹部２２に絶縁被覆電線９の芯線部１６をはめ込んで固定し、必要に応じて半田付け等を行えば、センサ基板と絶縁被覆電線とをより一層強固に接続することができる。なお、上記した絶縁基板の形状は、上記実施例に示したパイプの壁面に沿った形状に限定されるものではなく、挿入するパイプの断面形状に合わせ、特に感熱素子が載置されたセンサ基板の先端部がパイプの底部に確実に設置固定できるような形状に設計することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１（ａ）、（ｂ）は、本発明温度センサに用いる絶縁基板及びセンサ基板の平面図である。
【図２】図２（ａ）は本発明温度センサの一実施例として、給湯器の水温を検知する温度センサの内部透視斜視図を示す。図２（ｂ）はＡ−Ａ線で切断した断面図、図２（ｃ）はＢ−Ｂ線で切断した断面図、図２（ｄ）は使用する薄膜サーミスタ素子の概略構成を示す斜視図である。
【図３】図３は、絶縁基板上に感熱素子が載置されたセンサ基板が多数個連結して形成され、各センサ基板に絶縁被覆電線が接続された状態を示す連続形成されたセンサ基板の平面図を示す。
【図４】図４（ａ）は、絶縁基板の他の形状を示す平面図、図４（ｂ）は、その絶縁基板を用いて絶縁被覆電線を接続したときの側面図を示す。
【図５】図５（ａ）は、絶縁基板の他の形状を示す平面図、図５（ｂ）は、その絶縁基板を用いて絶縁被覆電線を接続したときの側面図を示す。
【図６】図６は、絶縁基板の先端部に切り込み部を設けて、この切り込み部に感熱素子を挿入して固定した状態を示す部分斜視図を示す。
【図７】図７は、従来例の温度センサであり、図７（ａ）は絶縁被覆電線に直接サーミスタチップを接続してパイプに樹脂封止したものの断面図、図７（ｂ）は絶縁被覆電線にガラス封止サーミスタ素子を接続したものをパイプに樹脂封止したものの断面図を示す。
【符号の説明】
【００２６】
１    絶縁基板
２    端子部
３    リード部
４    ランド
５    感熱素子
６    センサ基板
７    有底パイプ
９    絶縁被覆電線
１０  絶縁材料
１１  薄膜サーミスタ素子
１３  金バンプ
１５  サーミスタ薄膜
１７  給湯器用温度センサ
【図１】
2006090704.tif 000003
【図２】
2006090704.tif 000004
【図３】
2006090704.tif 000005
【図４】
2006090704.tif 000006
【図５】
2006090704.tif 000007
【図６】
2006090704.tif 000008
【図７】
2006090704.tif 000009