(57)【要約】【課題】外部電気回路との接続信頼性が向上した測温体を提供する。【解決手段】測温体１は、絶縁基板２と、絶縁基板２に配設される線状導体３と、絶縁基板の第１面に配設される電極パッド４と、電極パッド４に接合されるリード５と、電極パッド４とリード５との接合領域を覆う保護部材７と、リード５の軸方向に垂直な断面で視たときに、保護部材７とリード５との間に配設される緩衝部材８であって、内部に気孔を含むとともに、保護部材７の軟化温度よりも低い軟化温度を有する緩衝部材８と、を備える。【選択図】図１
2018072043.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板と、
該絶縁基板に配設される線状導体であって、白金を主成分とする金属材料からなる線状導体と、
前記絶縁基板の第１面に配設され、前記線状導体に電気的に接続される電極パッドと、
該電極パッドに一端部が接合される、白金を主成分とする金属材料からなるリードと、
前記電極パッドと前記リードとの接合領域を覆うように前記絶縁基板の前記第１面に配設される保護部材と、
前記リードの軸方向に垂直な断面で視たときに、前記保護部材と前記リードとの間に配設される緩衝部材であって、内部に気孔を含むとともに、前記保護部材の軟化温度よりも低い軟化温度を有する緩衝部材と、
を備えることを特徴とする測温体。
【請求項２】
前記リードの前記一端部の表面のうち、前記電極パッドに近接する部位は、前記緩衝部材が配設されておらず、前記保護部材に直接接触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】
前記リードの前記軸方向に垂直な断面で視たときに、前記リードの断面形状が、円形状であり、
前記緩衝部材は、前記絶縁基板の前記第１面からの距離が大きくなるにつれて、前記リードの表面に垂直な方向の厚みが大きくなる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】
前記保護部材は、前記リードの熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有す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】
前記保護部材は、結晶化ガラスからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の測温体。
【請求項６】
前記緩衝部材は、非晶質ガラスからなることを特徴とする請求項１〜５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、絶縁基板に、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、基板上に絶縁層を介して白金等から成る薄膜抵抗体を配設し、薄膜抵抗体と接続リード端子とを接続するリード線、および接続リード端子を、補強材で覆った構成の温度センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２０１１３１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は、高温の環境下におかれた場合に、リード線、接続リード端子等の熱膨張で発生する応力によって補強材の内部にクラックが発生し、補強材の強度が低下するという問題があった。
【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、
絶縁基板と、
該絶縁基板に配設される線状導体であって、白金を主成分とする金属材料からなる線状導体と、
前記絶縁基板の第１面に配設され、前記線状導体に電気的に接続される電極パッドと、
該電極パッドに一端部が接合される、白金を主成分とする金属材料からなるリードと、
前記電極パッドと前記リードとの接合領域を覆うように前記絶縁基板の前記第１面に配設される保護部材と、
前記リードの軸方向に垂直な断面で視たときに、前記保護部材と前記リードとの間に配設される緩衝部材であって、内部に気孔を含むとともに、前記保護部材の軟化温度よりも低い軟化温度を有する緩衝部材と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の一つの態様の測温体によれば、測温体が高温の環境下におかれた場合に、リードが熱膨張することにより発生する応力を、緩衝部材によって緩和することができる。これにより、保護部材の内部におけるクラックの発生を抑制することができ、外部電気回路との間の接続信頼性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係る測温体を示す分解斜視図である。
【図２】図１に示した測温体の上面図である。
【図３】図２の切断面線Ａ−Ａ線で切断した測温体の断面の一部を示す断面図である。
【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、本発明の実施形態に係る測温体を示す分解斜視図であり、図２は、本発明の実施形態に係る測温体の上面図であり、図３は、本発明の実施形態に係る測温体における、電極パッドとリードとの接合領域を拡大して示す断面図であって、図２の切断面線Ａ−Ａ線で切断した断面の一部を示す。
【００１１】
図１に示すように、測温体１は、絶縁基板２と、絶縁基板２に配設される線状導体３と、絶縁基板２の第１面（上面）２ａに配設され、線状導体３と電気的に接続される電極パッド４と、電極パッド４に一端部が接合されるリード５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２ｂ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２ｂ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２ｂ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２ｂ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２ｂ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の両端部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の両端部の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、数百〜一千℃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２ｂの層間に設けられていてもよい。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２ｂ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の一端部は、線状導体３が複数の絶縁層２ｂの層間に設けられている場合、絶縁層２ｂを厚み方向に貫通する貫通導体６を介して、絶縁基板２の第１面２ａに配設される電極パッド４に電気的に接続されている。貫通導体６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６を破線によって模式的に示している。
【００２４】
電極パッド４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。電極パッド４は、例えば平板状の部材であり、一方面が絶縁基板２の第１面２ａに接合されている。電極パッド４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。本実施形態の測温体１が備える電極パッド４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、電極パッド４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、電極パッド４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】
電極パッド４は、高温（例えば数百〜一千℃程度）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】
電極パッド４の、絶縁基板２の第１面２ａに接合される一方面とは反対側の他方面に、電極パッド４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５が接続されている。
【００２７】
リード５は、棒状の部材であり、リード５の軸方向（図３における紙面に垂直な方向）に垂直な断面で視たときに、断面形状が、円形状、楕円形状、長円形状、矩形状等であってもよく、その他の形状であってもよい。本実施形態では、リード５の断面形状は、円形状である。図１に示すように、リード５の一端部における側周面の一部分が、電極パッド４の、絶縁基板２の第１面２ａに接合された面とは反対側の面に接合されている。また、リード５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５の電極パッド４に対する接合は、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。
【００２８】
本実施形態の測温体１は、電極パッド４とリード５との接合部を補強するための保護部材７と、保護部材７とリード５との間に配設される緩衝部材８とをさらに含む。
【００２９】
保護部材７は、図１〜図３に示すように、電極パッド４とリード５との接合領域を覆うように、絶縁基板２の第１面２ａに配設されている。保護部材７は、リード５の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する。
【００３０】
本実施形態では、保護部材７は、結晶化ガラスからなり、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、アノーサイト（ＣａＡｌ２Ｓｉ２Ｏ８）、ディオプサイト（ＣａＭｇＳｉ２Ｏ６）、フォルステライト（Ｍｇ２ＳｉＯ４）等を含む。本実施形態では、結晶化ガラスからなる保護部材７の熱膨張係数を、例えば５ｐｐｍ／Ｋ〜１０ｐｐｍ／Ｋに設定し、白金を主成分とするリード５の熱膨張係数よりも小さくしている。
【００３１】
緩衝部材８は、リードの軸方向に垂直な断面で視たときに、保護部材７の、電極パッド４に対向する内側面と、リード５の表面との間に配設される。緩衝部材８は、内部に多数の気孔９を含んでいるとともに、保護部材７の軟化温度よりも低い軟化温度を有する。
【００３２】
本実施形態では、緩衝部材８は、非晶質ガラスからなり、例えば、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｚｎ等を含んでいる。緩衝部材８は、保護部材７のＣａ含有量よりも大きいＣａ含有量を有してもよく、保護部材７のＡｌ含有量、およびＭｇ含有量よりも大きいＡｌ含有量、およびＭｇ含有量を有してもよい。
【００３３】
非晶質ガラスからなる緩衝部材８は、結晶化ガラスからなる保護部材７の軟化温度よりも低い軟化温度を有する。本実施形態では、保護部材７の軟化温度は、例えば１２００℃〜１９００℃であり、緩衝部材８の軟化温度は、例えば５００℃〜１２００℃である。
【００３４】
本実施形態の測温体１によれば、測温体１が高温（例えば数百〜一千℃程度）の環境下におかれ、リード５が熱膨張した場合に、リード５の熱膨張により発生し、保護部材７に加わる応力を、上記構成の緩衝部材８によって緩和することができる。これにより、保護部材７の内部におけるクラックの発生を抑制することができ、外部電気回路との間の接続信頼性を向上できる。
【００３５】
保護部材７は、電極パッド４とリード５との接合領域を覆うように、絶縁基板２の第１面２ａに配設されていればよい。平面視したときの保護部材７の形状は、図２に示したような、角部が面取りされて丸められた矩形形状に限定されるものではなく、例えば、円形状、楕円形状、長円形状、長方形状等であってもよく、その他の形状であってもよい。
【００３６】
保護部材７の、電極パッド４の表面からの高さは、リード５の直径の１．１倍〜５倍の高さであってもよい。また、リード５の軸方向に垂直な断面で視たときに、保護部材７の、絶縁基板２の第１面２ａに当接する部分の幅は、リード５の直径の１．１倍〜２０倍の幅であってもよい。このような構成によれば、保護部材７の十分な機械的強度を確保することができる。
【００３７】
電極パッド４に対するリード５の高さをＨとするとき、例えば、電極パッド４からの高さがＨ／２未満である、リード５の一端部の部位、または電極パッド４からの高さがＨ／３未満、もしくはＨ／４未満である、リード５の一端部の部位には、緩衝部材８を設けず、保護部材７を直接接触させてもよい。すなわち、電極パッド４に接合されたリード５の一端部の表面のうち、電極パッド４に近接する部位は、緩衝部材８が配設されておらず、保護部材７に直接接触していてもよい。このような構成によれば、測温体１が高温（例えば数百〜一千℃程度）の環境下におかれた場合に、緩衝部材８の軟化温度以上である、比較的高い軟化温度を有する保護部材７が、電極パッド４とリード５との間の過度の相対変形を抑制するので、リード５が電極パッド４から剥離することを抑制できる。本実施形態の測温体１のように、保護部材７の熱膨張係数がリード５の熱膨張係数よりも小さい場合には、保護部材７が比較的変形しにくいので、リード５の電極パッド４からの剥離を抑制する効果をさらに向上できる。
【００３８】
緩衝部材８は、リード５の軸方向に垂直な断面で視たときに、絶縁基板２の第１面２ａからの距離が大きくなるにつれて、リード５の表面に垂直な方向の厚みが大きくなっていてもよい。すなわち、図３に示すように、緩衝部材８の、リード５の表面に垂直な方向の厚みは、リード５の上端部の表面で最も大きくなっていてもよい。リード５の上端部とは、図３に示すように、絶縁基板２の第１面２ａに垂直な方向における、電極パッド４に接合された下端部とは反対側の端部である。
【００３９】
リード５の上端部は、絶縁基板２の第１面２ａに垂直な方向における、リード５の厚みが最も大きい部分である。さらに、リード５の下端部は電極パッドに接合されているので、測温体１が高温（例えば数百〜一千℃程度）の環境下におかれた場合、リード５の上端部は、絶縁基板２の第１面２ａに垂直な方向における、熱膨張による変位が最も大きくなる部分である。緩衝部材８の上記構成によれば、リード５の熱膨張による応力を効果的に緩和することができる。緩衝部材８の、リード５の上端部の表面に垂直な方向の厚みは、例えば、０．０１μｍ以上２μｍ以下であってもよい。
【００４０】
本実施形態の測温体１が備える保護部材７および緩衝部材８の作製方法について説明する。
【００４１】
先ず、前述した方法によって、線状導体３を内部に有し、貫通導体６を介して線状導体３と電気的に接続された電極パッド４を第１面２ａに有する絶縁基板２を作製し、電極パッド４にリード５を接合する。
【００４２】
次に、保護部材７および緩衝部材８の原材料として、ガラス粉末を含むガラスペーストを準備する。ガラス粉末の具体的な組成例としては、必須成分として、ＳｉＯ２が１０〜６０質量％、Ａｌ２Ｏ３が５〜２０質量％であり、任意成分として、ＣａＯを０〜５０質量％、ＭｇＯを０〜５０質量％、ＺｎＯを０〜３０質量％、ＢａＯを０〜６０質量％、ＳｒＯを０〜１０質量％、ＺｒＯ２を０〜２０質量％、ＳｎＯ２を０〜１０質量％、Ｌａ２Ｏ３を０〜１０質量％、Ｂ２Ｏ３を０〜１０質量％含む組成が挙げられる。
【００４３】
次に、上記組成のガラス粉末を含むガラスペーストを、絶縁基板２の第１面２ａに、電極パッド４とリード５との接合領域を覆うように塗布した後、８００〜１２００℃程度のピーク温度で焼成し、その後、自然冷却する。この冷却工程において、先ず、白金を主成分とするリードが熱膨張した状態で、ガラスペーストに含まれるガラス成分を結晶化ガラスに転移させ、続いて、リードを収縮させることによって、結晶化ガラスとリードとの間に隙間を生じさせ、さらに、結晶化しなかったガラス成分（非晶質ガラス）を、結晶化ガラスとリードとの間の隙間の一部分に入り込ませる。
【００４４】
上述の方法により、本実施形態の測温体１が備える、電極パッド４とリード５との接合領域を覆うように絶縁基板２の第１面２ａに配設される保護部材（結晶化ガラス）７、および保護部材７とリード５との間に配設される、内部に気孔９を含み、保護部材７の軟化温度よりも低い軟化温度を有する緩衝部材（非晶質ガラス）８を作製することができる。結晶化ガラスとリードとの間の隙間のうち、結晶化しなかったガラス成分が入り込まなかった部分は、緩衝部材８の内部に含まれる気孔９となる。
【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が可能である。例えば、絶縁基板２を構成する絶縁層２ｂを、保護部材７と同一のガラス成分を含むガラスセラミック焼結体により構成すれば、絶縁基板２と保護部材７との密着性を向上させることができる。絶縁基板２は、３層以上の絶縁層２ｂ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定されず、他のパターンであってもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１      測温体
２      絶縁基板
２ａ    第１面
２ｂ    絶縁層
３      線状導体
４      電極パッド
５      リード
６      貫通導体
７      保護部材
８      緩衝部材
９      気孔
【図１】
2018072043.tif 000003
【図２】
2018072043.tif 000004
【図３】
2018072043.tif 000005