(57)【要約】【課題】線状導体の膨張および変形を抑制し、温度変化を高精度に検知し得る測温体を提供する。【解決手段】測温体１は、複数の絶縁層２ａが積層されてなる絶縁基板２と、絶縁層２ａ間に配設される線状導体３であって、絶縁基板２の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する金属材料からなる線状導体３と、線状導体３の幅方向の両端部に設けられる、線状導体３の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する絶縁材料からなる第１絶縁体４と、絶縁基板２の一方面２ｂ上に配設され、線状導体３の一方端部３ａおよび他方端部３ｂにそれぞれ電気的に接続される一対の端子６とを含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の絶縁層が積層されてなる絶縁基板と、
前記絶縁層間のそれぞれに配設される線状導体であって、白金を主成分とする、前記絶縁基板の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する金属材料からなる線状導体と、
前記線状導体の幅方向の両端部に設けられる、前記線状導体の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する絶縁材料からなる第１絶縁体と、
前記絶縁基板の一方面に配設され、前記線状導体の一方端部および他方端部にそれぞれ電気的に接続される一対の端子と、
を含むことを特徴とする測温体。
【請求項２】
前記第１絶縁体は、前記線状導体に接触しており、前記第１絶縁体の前記線状導体に接触している部分が凹形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の測温体。
【請求項３】
前記第１絶縁体は、前記線状導体から遠い側の厚みが、前記線状導体に近い側の厚みよりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の測温体。
【請求項４】
前記線状導体の厚み方向の両側に設けられる、前記第１絶縁体と同一の絶縁材料からなる複数の粒状の第２絶縁体をさらに含み、該複数の粒状の第２絶縁体は、前記線状導体に入り込んでいることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の測温体。
【請求項５】
前記複数の粒状の第２絶縁体は、散在していることを特徴とする請求項４に記載の測温体。
【請求項６】
前記複数の粒状の第２絶縁体は、前記絶縁基板に入り込んでいることを特徴とする請求項４または５に記載の測温体。
【請求項７】
前記絶縁層は、酸化アルミニウム焼結体からなり、前記絶縁材料は、酸化ジルコニウムであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の測温体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに積層された複数の絶縁層の層間に白金を主成分とする線状導体が配設されてなる測温体に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気ガス等の高温（例えば数百〜一千℃程度）の流体等における温度検知用のセンサとして、金属材料の電気抵抗の温度による変化を利用したものが知られている。金属材料としては、高温における耐酸化性および電気抵抗値の温度依存性等の観点から、白金を含む金属材料が用いられる場合が多い。
【０００３】
測温用の金属材料を含むセンサとしては、例えば、セラミック焼結体等からなる互いに積層された複数の絶縁層の層間に、白金等のメタライズ層または薄膜層からなる線状導体が設けられた配線基板を含むセンサが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−８９４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来技術のセンサにおいては、線状導体を構成する金属材料の抵抗値の温度依然性以外の要因（線状導体の熱膨張、変形等）による電気抵抗値の変化が生じるという問題があった。そのような電気抵抗値の変化が生じると、基準温度（例えば２５℃程度のいわゆる室温）における基準の抵抗値（初期値）が変動してしまうので、温度の検知精度が低下する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一つの態様の測温体は、
複数の絶縁層が積層されてなる絶縁基板と、
前記絶縁層間のそれぞれに配設される線状導体であって、白金を主成分とする、前記絶縁基板の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する金属材料からなる線状導体と、
前記線状導体の幅方向の両端部に設けられる、前記線状導体の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する絶縁材料からなる第１絶縁体と、
前記絶縁基板の一方面に配設され、前記線状導体の一方端部および他方端部にそれぞれ電気的に接続される一対の端子と、
を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の一つの態様の測温体によれば、線状導体の膨張および変形を抑制することが可能になり、これにより、温度変化を高精度に検知し得る測温体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態の測温体を示す分解斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態の測温体における線状導体部分を拡大して示す断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態の測温体における線状導体部分を拡大して示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の実施形態の測温体を、添付の図面を参照して説明する。以下の説明における上下の区別は便宜的なものであり、実際に測温体が使用される際の上下を限定するものではない。
【００１０】
図１は、本発明の第１実施形態の測温体１を示す分解斜視図であり、図２は、測温体１における線状導体３部分を拡大して示す断面図である。
【００１１】
図１，図２に示すように、測温体１は、複数の絶縁層２ａ（図１の例では２層）が積層されてなる絶縁基板２と、絶縁層２ａ間のそれぞれに配設される線状導体３と、線状導体３の幅方向（図２における横方向）の両端部に設けられる第１絶縁体４と、絶縁基板２の一方面２ｂに配設され、線状導体３の一方端部３ａおよび他方端部３ｂにそれぞれ電気的に接続される一対の端子６と、を含む。
【００１２】
絶縁基板２は、例えば四角板状等の平板状であり、線状導体３を設けるための基体部分である。絶縁基板２は、例えば酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、ガラスセラミック焼結体等のセラミック焼結体によって形成されている。絶縁基板２は、このようなセラミック焼結体からなる複数の絶縁層２ａが積層されて形成されている。
【００１３】
絶縁基板２は、例えば、各絶縁層２ａが酸化アルミニウム質焼結体からなる場合であれば、以下の方法で製作することができる。まず、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウムおよび酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダおよび溶剤等を添加混合して作製したスラリーを、ドクターブレード法等によってシート状に成形してセラミックグリーンシートを作製する。次に、これらのセラミックグリーンシートを適当な寸法に切断加工した後、これらを複数枚積層して積層体を作製する。その後、この積層体を高温（約１３００〜１６００℃）で焼成することによって絶縁基板２を製作することができる。複数のセラミックグリーンシートがそれぞれ絶縁層２ａになる。なお、絶縁基板２は、ガラスを含んでもよい。また、ガラスを主成分とする絶縁層等を含んでもよい。
【００１４】
線状導体３は、その電気抵抗が温度に応じて変化する金属材料である、白金または白金を主成分とする金属材料によって形成されている。温度変化に応じた金属材料の電気抵抗の変化を検知する上では、初期（例えば２５℃程度のいわゆる室温にある状態）における線状導体の電気抵抗の絶対値が大きいことが好ましい。
【００１５】
これは、次のような理由による。すなわち、線状導体３の温度変化に応じた電気抵抗値の変化は、初期の電気抵抗値の大きさ（絶対値）に関係なく一定の比率で生じる。つまり、初期の電気抵抗値が大きい程、温度変化に伴う電気抵抗の変化の絶対値が大きくなる。この電気抵抗の変化の絶対値がより大きい程、ノイズ（温度変化以外の要因による電気抵抗の変動）の影響を受けにくくなる。また、測定もより容易になる。したがって、線状導体３は、その初期の電気抵抗値が大きい方が好ましい。そのため、白金等の金属材料は、線状（すなわち、電気抵抗値を測定する区間の長さが長く、電気抵抗の絶対値を大きくする上で有効な形態）とされている。
【００１６】
白金を主成分とする金属材料における白金以外の成分については、線状導体３の温度抵抗係数（ＴＣＲ）の調整を、あるいは耐熱性の向上等を目的に、適宜、その成分（種類）や添加量が選択される。白金以外の成分としては、例えばパラジウム、ロジウム、イリジウム等の白金族元素の金属材料および金等が挙げられる。なお、例えば線状導体３の温度変化に対する電気抵抗値の変化の線形性が重視される場合には、白金の含有量が多い方が好ましい。
【００１７】
白金を主成分とする金属材料は、白金を約８０質量％以上の割合で含有している。白金と他の成分とは合金を形成していてもよく、互いに独立した結晶粒子として存在していてもよい。なお、線状導体３は、白金または白金を主成分とする金属材料といった金属成分以外の添加材を含有していてもよい。添加材としては、例えば酸化アルミニウム等の、絶縁基板２に含まれているのと同様の無機物の粒子等が挙げられる。添加材は、例えば線状導体３と絶縁層２ａとの焼成収縮率の整合等のために添加される。
【００１８】
線状導体３は、例えば白金の粉末を有機溶剤およびバインダとともに混練して作製した金属ペーストを、絶縁層２ａとなるセラミックグリーンシートの主面等に所定パターンに塗布し、同時焼成することによって形成することができる。
【００１９】
この線状導体３の一方端部３ａと他方端部３ｂとの間の電気抵抗値が、例えば外部電気回路（図示せず）で測定される。この電気抵抗値は線状導体３の温度に応じて変化し、線状導体３の温度は測温体１が位置している環境の温度（外部の温度）に応じて変化する。すなわち、線状導体３の一方端部３ａおよび他方端部３ｂ間の電気抵抗値を検知することによって、外部の温度が検知される。
【００２０】
外部の温度は、例えば各種の燃焼排ガスの温度であり、数百〜千℃程度の高温を検知することが必要な場合もある。このような高温における安定性、および温度に応じた電気抵抗値の変化の直線性が良好であるため、線状導体３は白金または白金を主成分とする金属材料によって形成されている。例えば、測温体１は、上記のような電気抵抗検知用の電気回路（外部電気回路）を含む外部基板（図示せず）に実装され、このような外部基板等とともに被測温物が存在する部分（ガスの流路等）に実装される。
【００２１】
また、線状導体３は、仮に外気に露出した状態であると、異物の付着、または外部基板（図示せず）もしくは外部基板に実装される他の部品等と誤って接触することによる破壊等のために、不要に電気抵抗値が変化してしまう可能性がある。これを防ぐために、線状導体３は複数の絶縁層２ａの層間に設けられている。言い換えれば、線状導体３は絶縁基板２の内部に設けられ、外部には露出していない。
【００２２】
線状導体３は、絶縁層２ａの層間における２点を接続する線状の導体であればよく、線状導体３の平面視での形状は特に限定されないが、電気抵抗値を測定する区間の長さが長く、電気抵抗の絶対値を大きくする上で有効な形態とするために、線状導体３は、例えば、図１に示すようなミアンダ状のパターン（蛇行パターン）の導体であってもよい。
【００２３】
線状導体３の一方端部３ａおよび他方端部３ｂは、絶縁層２ａを厚み方向に貫通する貫通導体７を介して、絶縁基板２の一方面２ｂに配設される一対の端子６にそれぞれ電気的に接続されている。
【００２４】
端子６は、線状導体３を外部電気回路に接続するための部分である。端子６は、例えば線状導体３と同様の金属材料を用いて、線状導体３と同様の方法で形成することができる。第１実施形態の測温体１が備える端子６は、白金を主成分とする金属材料からなる矩形状のパターンであるが、端子６の形状は、例えば、円形状、正方形状、多角形状等であってもよく、その他の形状であってもよい。また、端子６は、金等からなるリード端子（図示せず）によって形成されたものであってもよい。
【００２５】
端子６は、高温（例えば数百〜千℃）の環境下におかれる場合があるため、白金を含む白金族の金属または金等の、高温における耐酸化性の高い金属材料からなるものであることが好ましい。
【００２６】
端子６には、端子６と電気抵抗値を測定する外部電気回路（図示せず）とを電気的に接続するためのリード８が接続されている。リード８は、例えば線状導体３と同様に、白金を主成分とする金属材料からなり、純白金からなる場合もある。リード８の端子６に対する接続は、例えば金を含むろう材を用いたろう付け法や、抵抗溶接等の接合手段を用いて行われてもよい。また、貫通導体７は、例えば、平面視で円形状等の形状を有する、柱状の導体であるが、図１では、貫通導体７を破線によって模式的に示している。
【００２７】
第１実施形態の測温体１では、図２に示すように、線状導体３の幅方向の両端部に第１絶縁体４が設けられている。
【００２８】
第１絶縁体４は、線状導体３の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有していればよく、第１絶縁体４を構成する絶縁材料は特に限定されないが、線状導体３が白金を主成分とする金属材料からなる場合、第１絶縁体４を構成する絶縁材料としては、例えば、酸化ジルコニウムを使用することができる。
【００２９】
第１絶縁体４を形成するためには、例えば白金を主成分とする金属材料と絶縁材料の原料粉末を適当な量比で混合し、有機溶剤およびバインダとともに混練して作製したペーストを、絶縁層２ａとなるセラミックグリーンシートの主面等に塗布し、同時焼成することによって形成することができる。
【００３０】
線状導体３を構成する金属材料の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する絶縁材料からなる第１絶縁体４は、線状導体３に高温環境からの熱衝撃が加えられた際、熱膨張しようとする線状導体３を押し返すように作用する。これにより、線状導体３の熱膨張を第１絶縁体４によって抑制することができ、線状導体３の熱膨張に伴う電気抵抗値の変化を抑制することができる。
【００３１】
図２に示すように、第１絶縁体４は、線状導体３に接触しており、第１絶縁体４の線状導体３に接触している接触部分４ａが、凹形状を有していることが好ましい。換言すると、線状導体３は、該線状導体３の幅方向における両端部が凸形状を有しており、第１絶縁体４は、線状導体３の両端部のそれぞれを受容するように設けられることが好ましい。このように第１絶縁体４を設けることにより、熱膨張しようとする線状導体３を押し返す作用が向上するので、線状導体３の熱膨張を一層効果的に抑制することができる。これにより、線状導体３の熱膨張に伴う電気抵抗値の変化を一層効果的に抑制することができる。
【００３２】
第１絶縁体４は、線状導体３の長さ方向に連続して設けられることが望ましいが、部分的に途切れた構成であっても、線状導体３の熱膨張を抑制する効果を十分に発揮することができる。
【００３３】
第１絶縁体４は、厚みが一定であってもよく、線状導体３から遠い側の厚みが、線状導体３に近い側の厚みよりも大きくなっていてもよいが、線状導体３から遠い側の厚みが、線状導体３に近い側の厚みよりも小さくなっていることが好ましい。このような構成によれば、第１絶縁体４の熱膨張により絶縁基板２に加えられる応力を緩和することができる。これにより、絶縁層２ａの積層方向に作用する応力を低減することができるので、絶縁基板２における平面方向（図２における横方向）のクラックの発生を抑制することが可能になる。
【００３４】
図３は、本発明の第２実施形態の測温体１Ａにおける、線状導体の断面の構成を示す断面図であり、図２に示した断面図に対応するものである。測温体１Ａは、第１実施形態の測温体１と比較して、複数の粒状の第２絶縁体５を含んでいる点で異なっており、その他については、同様の構成であるので、同様の構成には測温体１と同じ参照符号を付して詳細な説明は省略する。
【００３５】
図３に示すように、測温体１Ａは、線状導体３の厚み方向（図３の上下方向）の両側（図３における線状導体３の上側および下側）に設けられる複数の粒状の第２絶縁体５を含む。第２実施形態の測温体１Ａでは、第２絶縁体５は、第１絶縁体４を構成する絶縁材料と同一の絶縁材料から構成されるが、第２絶縁体５は、第１絶縁体４を構成する絶縁材料とは異なる絶縁材料から構成されてもよい。
【００３６】
図３に示した構成の、第１絶縁体４および第２絶縁体５を形成するためには、例えば白金を主成分とする金属材料と絶縁材料の原料粉末を適当な量比で混合し、有機溶剤およびバインダとともに混練して作製したペーストを、絶縁層２ａとなるセラミックグリーンシートの主面等に塗布し、同時焼成することによって形成することができる。
【００３７】
第２絶縁体５は、断面形状が、例えば図３に示す例のように不定形状であってもよく、あるいは円形状、楕円形状等であってもよく、その他の形状であってもよいが、一定の体積あたりの線状導体３に対する接触面積をより大きくして、第２絶縁体５によるピン留め効果を発揮させるためには、表面に凹凸を有する形状であることが好ましい。
【００３８】
第２実施形態の測温体１Ａは、図３に示すように、線状導体３は、少なくとも一部に第２絶縁体５が厚み方向（図３の上下方向）に入り込んでいる。換言すると、線状導体３の厚み方向にある程度の長さを有する第２絶縁体５が、線状導体３内に含有されている。このような第２絶縁体５を設けることによって、線状導体３が外側に熱膨張することを抑制することができる。これにより、線状導体３の熱膨張および変形を抑制することが可能になり、線状導体３の熱膨張および変形に伴う抵抗値の変化を低減することができる。
【００３９】
また、複数の粒状の第２絶縁体５は、線状導体３の厚み方向における両側に散在していることが好ましい。前述したように、第２絶縁体５は、第１絶縁体４を構成する絶縁材料と同一の、線状導体３を構成する金属材料の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する絶縁材料から構成されている。それゆえ、線状導体３の周囲に第２絶縁体５が一体に形成された場合、第２絶縁体５は、熱膨張する際に線状導体３を外方に向かって引っ張り、線状導体３を膨張または変形させてしまう虞がある。複数の粒状の第２絶縁体５を散在させることによって、第２絶縁体５が線状導体３を外方に向かって引っ張ることを防止することができ、これにより、線状導体３の熱膨張および変形を効果的に抑制することが可能になり、線状導体３の熱膨張および変形に伴う抵抗値の変化を低減することができる。
【００４０】
図３に示すように、第２絶縁体５は、線状導体３に入り込んでいるだけでなく、絶縁基板２に入り込むように設けられることが好ましい。このように第２絶縁体５を設けることにより、第２絶縁体５の、絶縁基板２に入り込んでいる部分は、熱膨張した際に絶縁基板２に食い込む力が増し、優れたアンカー効果を発揮するので、線状導体３の絶縁層２ａからの剥離を防止することができる。これにより、線状導体３の膨張および変形を一層効果的に抑制することが可能になり、線状導体３の膨張および変形に伴う抵抗値の変化を低減することができる。
【実施例】
【００４１】
実施例として、図２に示した構成の線状導体３を備える測温体を製作した。実施例の測温体では、各絶縁層２ａを酸化アルミニウム焼結体（熱膨張係数：約７×１０−６／Ｋ）を用いて製作し、線状導体３を白金（熱膨張係数：約９×１０−６／Ｋ）を用いて製作し、第１絶縁体４を酸化ジルコニウム（熱膨張係数：約１０．５×１０−６／Ｋ）を用いて製作した。
【００４２】
第１絶縁体４を有しないこと以外は実施例と同様にして、比較例の測温体を製作した。
【００４３】
実施例および比較例の測温体を用いて、室温から９００℃まで温度を上昇させる熱衝撃試験を２０００サイクル実施して、電気抵抗値の変化を測定した。比較例の測温体では電気抵抗値が１０％増加したのに対し、実施例の測温体では電気抵抗値の増加が１％以下に低減された。
【００４４】
上記のように、実施例の測温体は、第１絶縁体４を有することにより、線状導体３を構成する金属材料の抵抗値の温度依然性以外の要因（線状導体３の熱膨張および変形）による電気抵抗値の変化を抑制し、温度変化を高精度に検知可能であることがわかった。
【００４５】
本発明の測温体は、上記実施の形態の例に限られるものではなく、本発明の要旨の範囲内であれば種々の変更は可能である。例えば、絶縁基板２が３層以上の絶縁層２ａを含み、２つ以上の層間に線状導体３が配設されてもよい。線状導体３は、図１に示したようなミアンダ状のパターンの導体に限られず、他のパターンであってもよい。また、線状導体３は、線状導体３の長さ方向において、絶縁層２ａの積層方向に視たときの線幅が変化するように構成されてもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１，１Ａ      測温体
２      絶縁基板
２ａ    絶縁層
２ｂ    一方面
３      線状導体
３ａ    一方端部
３ｂ    他方端部
４      第１絶縁体
４ａ    接触部分
５      第２絶縁体
６      端子
７      貫通導体
８      リード
【図１】
2018031708.tif 000003
【図２】
2018031708.tif 000004
【図３】
2018031708.tif 000005