(57)【要約】【課題】  さらなる高抵抗化が可能で、より幅広い抵抗値制御を行うことができるサーミスタ素子及びその製造方法を提供すること。【解決手段】  少なくとも一対の挿入孔２ａが形成されたサーミスタ用金属酸化物焼結体２と、挿入孔２ａに挿入されてサーミスタ用金属酸化物焼結体２に接合された少なくとも一対のリード線３と、を備え、サーミスタ用金属酸化物焼結体２に中空状孔部２ｂが形成されている。特に、中空状孔部２ｂが、対となる挿入孔２ａの間に形成されていることが好ましい。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一対の挿入孔が形成されたサーミスタ用金属酸化物焼結体と、
前記挿入孔に挿入されて前記サーミスタ用金属酸化物焼結体に接合された少なくとも一対のリード線と、を備え、
前記サーミスタ用金属酸化物焼結体に中空状孔部が形成されていることを特徴とするサーミスタ素子。
【請求項２】
請求項１に記載のサーミスタ素子において、
前記中空状孔部が、対となる前記挿入孔の間に形成されていることを特徴とするサーミスタ素子。
【請求項３】
請求項２に記載のサーミスタ素子において、
前記中空状孔部が、対となる前記挿入孔同士を結ぶ方向に対して交差する方向に長い断面形状を有する長孔状に形成されていることを特徴とするサーミスタ素子。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載のサーミスタ素子の製造方法であって、
金属酸化物からなるサーミスタ原料粉末と有機バインダー粉と溶剤とを混合して混練することで坏土とする工程と、
成型体用金型によって前記坏土を押出成型して前記挿入孔及び前記中空状孔部となる複数の貫通孔を有したロッド状グリーン成型体を形成する工程と、
前記ロッド状グリーン成型体を乾燥させてロッド状乾燥成型体とする工程と、
前記ロッド状乾燥成型体を所定長さに切断して前記挿入孔及び前記中空状孔部を有する切断成型体とする工程と、
前記切断成型体の前記挿入孔に前記リード線を挿入してこの状態で焼成を行うことで、前記切断成型体を前記サーミスタ用金属酸化物焼結体とする工程と、を有していることを特徴とするサーミスタ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば自動車関係等の温度計測に用いられるサーミスタ素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、自動車エンジン周りの触媒温度や排気系温度等を計測する温度センサとして、サーミスタ温度センサが採用されている。このサーミスタ温度センサに用いられるサーミスタ素子は、例えば、上記自動車関連技術、情報機器、通信機器、医療用機器、住宅設備機器等の温度センサとして利用され、大きな負の温度係数を有する酸化物半導体の焼結体の素子を用いている。
【０００３】
近年、室温から高温まで１素子で測定可能なサーミスタ素子の要求が増えている。特に、自動車エンジン周りの触媒温度等を測定するには、１０００℃付近の高温まで測定可能なサーミスタ素子が求められている。このような用途に要求される特性としては、Ｂ定数が３０００Ｋ程度以下と小さいことが要求される。しかしながら、Ｂ定数が小さくなると抵抗値も小さくなる傾向にあることから、一般的には小型センサとして用いる場合には、抵抗値が低くそのままでは使用が困難である。
【０００４】
そこで、従来は抵抗値を高くするために絶縁体をサーミスタ材料に加え、混合焼結体にする方法が一般に用いられている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。この方法では、抵抗値を１００倍程度まで上昇させることが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３３６２６５１号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】倉野、「ＮＯｘ触媒制御用触媒温センサの開発」、デンソーテクニカルレビュー、Ｖｏｌ．５、Ｎｏ．２、２０００
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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、上記絶縁体を加えた混合焼結体を用いる方法では、小型化するにつれ、所望の特性を得るためには、かなりの量の絶縁体を加える必要がある。しかしながら、１００倍を超えた抵抗値まで大幅に上げるために絶縁体をさらに加えていくと、わずかの絶縁体組成の違いで大きく抵抗が変わるため、組成制御が困難で特性がばらつく不都合があった。また、形状的にサーミスタ素子の抵抗値を上げる方法として、構造的には素子を薄くするあるいは、リード線間の間隔を大きくする等の方法が考えられるが、素子本体を薄くし過ぎると素子本体が割れやすくなる問題が発生し、リード線間も広げることにもサイズ的に限度がある。
【０００８】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、さらなる高抵抗化が可能で、より幅広い抵抗値制御を行うことができるサーミスタ素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、本発明のサーミスタ素子は、少なくとも一対の挿入孔が形成されたサーミスタ用金属酸化物焼結体と、前記挿入孔に挿入されて前記サーミスタ用金属酸化物焼結体に接合された少なくとも一対のリード線と、を備え、前記サーミスタ用金属酸化物焼結体に中空状孔部が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
このサーミスタ素子では、サーミスタ用金属酸化物焼結体に中空状孔部が形成されているので、サーミスタ用金属酸化物焼結体が中空状孔部による中空構造を有することで、サーミスタ用金属酸化物焼結体全体を薄型化する場合よりも強度低下を抑制して必要な強度を維持可能であると共に、サーミスタ用金属酸化物焼結体内の導電経路が中空状孔部によって制限されて高抵抗化を図ることができる。
【００１１】
また、本発明のサーミスタ素子は、前記中空状孔部が、対となる前記挿入孔の間に形成されていることを特徴とする。
すなわち、このサーミスタ素子では、中空状孔部が、対となる挿入孔の間に形成されているので、挿入孔に挿入されたリード線の間に中空状孔部が配されて、電気特性に特に寄与するリード線間の導電経路が中空状孔部によって迂回して長くかつ狭くなって、より高抵抗化を図ることができる。
【００１２】
さらに、本発明のサーミスタ素子は、前記中空状孔部が、対となる前記挿入孔同士を結ぶ方向に対して交差する方向に長い断面形状を有する長孔状に形成されていることを特徴とする。
すなわち、このサーミスタ素子では、中空状孔部が、対となる挿入孔同士を結ぶ方向に対して交差する方向に長い断面形状を有する長孔状に形成されているので、挿入孔に挿入されたリード線間の導電経路を遮るように長孔状の中空状孔部が配されることで、導電経路が大きく中空状孔部を迂回することになり、さらに高抵抗化を図ることができる。
【００１３】
本発明のサーミスタ素子の製造方法は、上記本発明のサーミスタ素子の製造方法であって、金属酸化物からなるサーミスタ原料粉末と有機バインダー粉と溶剤とを混合して混練することで坏土とする工程と、成型体用金型によって前記坏土を押出成型して前記挿入孔及び前記中空状孔部となる複数の貫通孔を有したロッド状グリーン成型体を形成する工程と、前記ロッド状グリーン成型体を乾燥させてロッド状乾燥成型体とする工程と、前記ロッド状乾燥成型体を所定長さに切断して前記挿入孔及び前記中空状孔部を有する切断成型体とする工程と、前記切断成型体の前記挿入孔に前記リード線を挿入してこの状態で焼成を行うことで、前記切断成型体を前記サーミスタ用金属酸化物焼結体とする工程と、を有していることを特徴とする。
すなわち、このサーミスタ素子の製造方法では、成型体用金型によって坏土を押出成型して挿入孔及び中空状孔部となる複数の貫通孔を有したロッド状グリーン成型体を形成し、これを乾燥させたロッド状乾燥成型体を所定長さに切断して挿入孔及び中空状孔部を有する切断成型体とするので、押出成型によって挿入孔と中空状孔部とを同時に形成できると共に、異なる貫通孔形状の成型体用金型に変更することで、様々な孔形状の中空状孔部を容易に形成することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るサーミスタ素子によれば、サーミスタ用金属酸化物焼結体に中空状孔部が形成されているので、必要な強度を維持可能であると共に、高抵抗化を図ることができる。また、本発明に係るサーミスタ素子の製造方法によれば、押出成型によって様々な孔形状の中空状孔部を容易に形成することができ、様々なタイプの製造に容易に対応することができる。
したがって、本発明のサーミスタ素子は、実使用上十分な強度を維持可能で、より高い抵抗を実現でき、特に自動車エンジン周りの触媒温度や排気系温度を検出する高温測定用センサとして好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るサーミスタ素子の第１実施形態を示す下面図及びＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図２】第１実施形態において、サーミスタ温度センサを示す断面図である。
【図３】第１実施形態において、成型体用金型を用いた押出成型機を示す簡易的な断面図である。
【図４】第１実施形態において、ロッド状グリーン成型体を示す側面図及び正面図である。
【図５】第１実施形態において、リード線を挿入した切断成型体を示す側面図及び正面図である。
【図６】本発明に係るサーミスタ素子の第２実施形態を示す下面図である。
【図７】本発明に係るサーミスタ素子の第３実施形態を示す下面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係るサーミスタ素子の第１実施形態を、図１から図５を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している。
【００１７】
本実施形態のサーミスタ素子１は、図１及び図２に示すように、一対の挿入孔２ａが形成されたサーミスタ用金属酸化物焼結体２と、挿入孔２ａに挿入されてサーミスタ用金属酸化物焼結体２に接合された一対のリード線３と、を備えている。
上記サーミスタ用金属酸化物焼結体２は、例えば円筒状に形成され、軸線に沿った貫通孔である挿入孔２ａが一対形成されている。
また、このサーミスタ用金属酸化物焼結体２には、断面円形状の貫通孔である中空状孔部２ｂが中央に形成されている。すなわち、この中空状孔部２ｂは、対となる挿入孔２ａの間に形成されている。
【００１８】
上記サーミスタ用金属酸化物焼結体２は、例えば、一般式：１−ｗ（Ｌａ１−ｚＹｚ）１−ｙＡｙ（Ｃｒ１−ｘＭｎｘ）Ｏ３＋ｗＹ２Ｏ３（ただし、Ａ＝Ｃａ，Ｓｒ  ０．０≦ｘ≦１．０、０．０≦ｙ≦１．０、０．０≦ｚ≦１．０、０≦ｗ≦０．９）で示される複合酸化物を含む焼結体で構成されていることが好ましい。
【００１９】
なお、サーミスタ素子１の電気特性を示すパラメータであるＢ定数は、（Ｙ１−ｚＬａｚ）１−ｙＡｙ（Ｃｒ１−ｘＭｎｘ）Ｏ３のｘ，ｙ，ｚ量を変えることによって調整する。ただし、例えば、Ｂ定数が小さくなると、抵抗値も小さくなるので、形状を変えて抵抗調節できない場合は、絶縁体材料を混合焼結し、抵抗値を上げる必要がある。本実施形態では、絶縁体材料をＹ２Ｏ３とするが、これを他の絶縁体材料、例えば、ＺｒＯ２，ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＣｅＯ２に変更しても構わない。
【００２０】
上記挿入孔２ａに挿通されるリード線３は、電極線であって、１４００℃以上の高融点を有する金属線が好ましく、Ｐｔ線又はＰｔにＲｈが含有されている線、ＰｔにＩｒが含有されている線等が採用される。
【００２１】
次に、本実施形態のサーミスタ素子１の製造方法について、図３から図５を参照して説明する。
【００２２】
サーミスタ素子１の製造方法は、金属酸化物からなるサーミスタ原料粉末と有機バインダー粉と溶剤とを混合して混練することで坏土とする工程と、図３及び図４に示すように、成型体用金型１３によって坏土を押出成型して挿入孔２ａ及び中空状孔部２ｂとなる複数の貫通孔１４を有したロッド状グリーン成型体１５を形成する工程と、ロッド状グリーン成型体１５を乾燥させてロッド状乾燥成型体とする工程と、図５に示すように、ロッド状乾燥成型体を所定長さに切断して挿入孔２ａ及び中空状孔部２ｂを有する切断成型体１６とする工程と、切断成型体１６の挿入孔２ａにリード線３を挿入してこの状態で焼成を行うことで、切断成型体１６をサーミスタ用金属酸化物焼結体２とする工程と、を有している。
【００２３】
より詳細に説明すると、例えば、まずサーミスタ原料粉末であるＬａ２Ｏ３、Ｃａ、Ｃｒ２Ｏ３、ＭｎＯ２粉末を秤量後ボールミルに入れ、Ｚｒボールと純水を適量いれて約２４時間混合を行う。次に、これら粉末を取り出して乾燥させた後、１１００℃  ５ｈｒにて焼成し（Ｌａ０．8Ｃａ０．2）（Ｃｒ０．５Ｍｎ０．５）Ｏ３の仮焼粉を得る。その後、この仮焼粉をＺｒボールと純水を用いて粉砕した後、乾燥させる。
【００２４】
さらに、この仮焼粉にＣｒ２Ｏ３、ＭｎＯ２、Ｙ２Ｏ３を加えて同様にボールミルで混合し、１４００℃で仮焼して(Ｌａ、Ｃａ、Ｙ)（Ｃｒ０．５Ｍｎ０．５）Ｏ３の仮焼粉を得る。次に、この混合仮焼粉にＹ２Ｏ３粉末を加えて、さらにボールミルで混合を行い、十分に乾燥させる。その後、バインダー、水と共にミキサーで混合し、十分になじませて湿粉をつくる。
【００２５】
さらに、スクリュー式の混練機を数回通過させた後、坏土にする。その後、押出成型機１２の先端に成型体用金型１３を装着する。
上記押出成型機１２は、真空引きしながら混合混練したものを、そのまま押出成型できる構造をしている。また、上記成型体用金型１３は、３孔式成型体用金型であって、円柱空洞状の型内１３ａに坏土を押し出す複数の押出孔１３ｂと、３つの貫通孔１４を形成するために型内１３ａに軸線に沿って延在された３つの豚鼻用丸棒部１３ｃと、を備えている。
【００２６】
この後、真空脱気をしながら押出し成型を行い、円筒状の押出成型体であるロッド状グリーン成型体１５を作製する。このロッド状グリーン成型体１５は、３つの上記貫通孔１４が形成されており、例えば直径が約２ｍｍとされ、中央部に中空状孔部２ｂとなる約０．８ｍｍの孔が開いているほか、中央の孔の両側にリード線３を挿入する挿入孔２ａとなる約０．３ｍｍの孔が開いている。
【００２７】
その後、押出成型体を十分乾燥させてロッド状乾燥成型体としたのち、図５に示すように、長さ方向に１ｍｍに切断して切断成型体１６とする。その後、リード線３を挿入孔２ａに挿入し、脱バインダー処理、約１６００℃で焼成し、セラミックス部を焼結させてサーミスタ用金属酸化物焼結体２とすると同時に、リード線３とサーミスタ用金属酸化物焼結体２との接触を確保して互いに接合、固定する。このとき、サーミスタ用金属酸化物焼結体２の表面には、焼成時に絶縁膜であるＹ２Ｏ３層が析出される。このようにしてサーミスタ素子１が作製される。
【００２８】
このサーミスタ素子１をサーミスタ温度センサ１０とするには、図２に示すように、まず、サーミスタ用金属酸化物焼結体２の周囲を包み込むように絶縁セラミックス製のチューブ７を嵌め込む。さらに、アルミナ製の２孔式絶縁管８の各孔８ａに２本のリード線３をそれぞれ挿通し、リード線３を根本まで２孔式絶縁管８で保護する。その後、この状態のサーミスタ素子１を先端部が閉塞された円筒状ステンレス製のケース９に入れ、密閉性を確保することにより、サーミスタ温度センサ１０が得られる。
【００２９】
このように本実施形態のサーミスタ素子１では、サーミスタ用金属酸化物焼結体２に中空状孔部２ｂが形成されているので、サーミスタ用金属酸化物焼結体２が中空状孔部２ｂによる中空構造を有することで、サーミスタ用金属酸化物焼結体２全体を薄型化する場合よりも強度低下を抑制して必要な強度を維持可能であると共に、サーミスタ用金属酸化物焼結体２内の導電経路が中空状孔部２ｂによって制限されて高抵抗化を図ることができる。
【００３０】
また、中空状孔部２ｂが、対となる挿入孔２ａの間に形成されているので、挿入孔２ａに挿入されたリード線３の間に中空状孔部２ｂが配されて、電気特性に特に寄与するリード線３間の導電経路が中空状孔部２ｂによって迂回して長くかつ狭くなって、より高抵抗化を図ることができる。
【００３１】
さらに、このサーミスタ素子１の製造方法では、成型体用金型１２によって坏土を押出成型して挿入孔２ａ及び中空状孔部２ｂとなる複数の貫通孔１４を有したロッド状グリーン成型体１５を形成し、これを乾燥させたロッド状乾燥成型体を所定長さに切断して挿入孔２ａ及び中空状孔部２ｂを有する切断成型体１６とするので、押出成型によって挿入孔２ａと中空状孔部２ｂとを同時に形成できると共に、異なる貫通孔形状の成型体用金型１２に変更することで、様々な孔形状の中空状孔部２ｂを容易に形成することができる。
【００３２】
次に、本発明に係るサーミスタ素子の第２及び第３実施形態について、図６及び図７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。
【００３３】
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、中空状孔部２ｂが断面円形状に形成されているのに対し、第２実施形態のサーミスタ素子２１では、中空状孔部２２ｂが断面楕円状に形成されている点である。
すなわち、第２実施形態では、中空状孔部２２ｂが、対となる挿入孔２ａ同士を結ぶ方向に対して交差する方向に長い断面形状を有する断面楕円の長孔状に形成されている。
【００３４】
また、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、中空状孔部２ｂが断面円形状に形成されているのに対し、第３実施形態のサーミスタ素子３１では、中空状孔部３２ｂが断面長方形状に形成されている点である。
すなわち、第３実施形態では、中空状孔部３２ｂが、対となる挿入孔２ａ同士を結ぶ方向に対して交差する方向に長い断面形状を有する断面長方形の長孔状に形成されている。
【００３５】
このように第２及び第３実施形態のサーミスタ素子２１，３１では、中空状孔部２２ｂ，３２ｂが、対となる挿入孔２ａ同士を結ぶ方向に対して交差する方向に長い断面形状を有する長孔状に形成されているので、挿入孔２ａに挿入されたリード線３間の導電経路を遮るように長孔状の中空状孔部２２ｂ，３２ｂが配されることで、導電経路が大きく中空状孔部２２ｂ，３２ｂを迂回することになり、さらに高抵抗化を図ることができる。
【実施例１】
【００３６】
上記第１実施形態のサーミスタ素子１を、中空状孔部２ｂの内径を変えて実際に製造した実施例１及び２について、温度を変えた際の抵抗値を測定した結果を、表１に示す。
ここで、中空状孔部２ｂの直径を０．４ｍｍとしたものを実施例１とし、中空状孔部２ｂの直径を０．８ｍｍとしたものを実施例２とした。また、比較のため、中空状孔部２ｂが無いものを従来例として同様に抵抗値を測定した結果も表１に示す。なお、測定温度は、−４０℃、２５℃、９００℃の３つの温度で測定した。
【００３７】
【表１】
2011165723.tif 000003
【００３８】
この結果からわかるように、従来例では、９００℃の抵抗値が２０Ωと低すぎて、十分な感度が得られないのに対し、本発明の実施例１及び実施例２では、９００℃でも抵抗値が３０Ω以上であり、使用可能な値が得られている。特に、実施例１よりも大きな中空状孔部２ｂを形成した実施例２では、実施例１よりもさらに高い抵抗値が得られている。なお、径０．８ｍｍの中空状孔部２ｂとした実施例２でも、焼結時及び熱衝撃試験時にサーミスタ素子が破損することなく、実使用上十分な強度が得られている。
【００３９】
なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態及び上記各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、中空状孔部を一つ形成しているが、複数の中空状孔部を形成しても構わない。
【符号の説明】
【００４０】
１，２１，３１…サーミスタ素子、２…サーミスタ用金属酸化物焼結体、２ａ…挿入孔、２ｂ，２２ｂ，３２ｂ…中空状孔部、３…リード線、１２…成型体用金型、１４…貫通孔、１５…ロッド状グリーン成型体、１６…切断成型体
【図１】
2011165723.tif 000004
【図２】
2011165723.tif 000005
【図３】
2011165723.tif 000006
【図４】
2011165723.tif 000007
【図５】
2011165723.tif 000008
【図６】
2011165723.tif 000009
【図７】
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