(57)【要約】【課題】  多数の強磁性粒子を媒体中に配し、前記強磁性粒子のキュリー点近傍の雰囲気で当該粒子の磁界中における分散状態の変化により電気的導通のオン・オフを行う温度センサーにおいて、さらに耐久性、信頼性にすぐれ簡単な構成でかつ安価な温度センサーの提供。【解決手段】  Fe,Ni,Coのうち少なくとも1種からなる合金、またはFe,Ni,Coのうち少なくとも1種とCi,Cu,Mo,Nb,Al;Si,Mnのうち少なくとも1種からなる合金を用い、表面に酸化被膜の有しない球状の強磁性粒子を作製してこれを用いることにより、強磁性粒子を導電性物質で被覆する必要がなく、耐久性、信頼性にすぐれた温度センサーが得られる。【選択図】        図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の強磁性粒子を媒体中に配し、前記強磁性粒子のキュリー点近傍の温度で当該粒子の磁界中における分散状態の変化により電気的導通のオン・オフを行う温度センサーであり、前記強磁性粒子が、Fe,Ni,Coのうち少なくとも1種を含む合金か、Fe,Ni,Coのうち少なくとも1種とCr,Cu,Mo,Nb,Al,Si,Mnのうち少なくとも1種を含む合金からなる表面に酸化被膜の有しない球状である温度センサー。
【請求項２】
強磁性粒子が焼鈍処理を施され、透磁率の温度特性が急峻である請求項1に記載の温度センサー。
【請求項３】
強磁性粒子が還元性雰囲気中の焼鈍処理を施され、表面に酸化被膜の有しない球状である請求項1に記載の温度センサー。
【請求項４】
強磁性粒子が焼鈍処理後に酸洗され、表面に酸化被膜の有しない球状である請求項1に記載の温度センサー。
【請求項５】
多数の強磁性粒子は、平均粒径が異なる強磁性粒子の混合物である請求項1に記載の温度センサー。
【請求項６】
多数の強磁性粒子は、大きな粒子の平均粒径を1としたとき、平均粒径が0.15以下の小さな粒子と前記大きな粒子との混合物である請求項1に記載の温度センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、所要のキュリー点を有する強磁性粒子を気体又は液体の媒体中に所要量配し、前記キュリー点前後の温度雰囲気で前記強磁性体粒子の磁界中における分散状態の変化によって電気的な導通のオン・オフを行う温度センサーの改良に係り、Fe,Ni,Coのうち少なくとも1種を含む合金より表面に酸化被膜の有しない球状の強磁性粒子を作製して用いたことにより、耐久性と信頼性が向上した温度センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、温度センサーあるいは温度スイッチとしては、抵抗の変化を利用したサーミスタ、感温フェライトのキュリー温度を利用した感温リードスイッチあるいは材料の熱膨張を利用したバイメタルなどが知られている。
【０００３】
また、最近新たな方式の温度スイッチとして、キュリー点を有する強磁性粒子を媒体中に配した磁性体を備え、前記キュリー点の前後で前記強磁性体粒子が分散状態に変化し、この状態変化に対応して、前記キュリー点温度より高温側では電気抵抗が大きくなり低温側では電気抵抗が小さくなる温度変化特性を持つことを特徴とする温度スイッチ素子が提案されている。
【０００４】
上記温度スイッチは、従来の温度センサーあるいは温度スイッチに比べ、高温環境下でも劣化せず、信頼性にすぐれ、かつ小型で大電流容量を有するという利点がある。
【特許文献１】特開平11‐3641
【特許文献２】特開2000-173426
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記温度スイッチ素子の強磁性粒子には、マンガン亜鉛フェライトが用いられている。しかし、マンガン亜鉛フェライトは導電体ではないため、Au等の導電性物質で被覆することが必要であり、その被覆に工数を要するとともにコストアップが避けらない。
【０００６】
また、前記温度スイッチ素子は、オン・オフの繰り返しにより導電性物質が磨耗、破損したり、スパークにより導電性物質が剥がれる可能性もあり、耐久性、信頼性に欠けるという問題がある。
【０００７】
この発明は、上述した問題を解決し、強磁性粒子を導電性物質で被覆する必要がなく、耐久性、信頼性にすぐれ、簡単な構成でかつ安価な温度センサーの提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明者らは、簡単な構成でかつ安価な温度センサーを目的に、前記温度スイッチ素子における強磁性粒子について種々検討した結果、Fe,Ni,Coのうち少なくとも1種からなる合金、またはFe,Ni,Coのうち少なくとも1種とCi,Cu,Mo,Nb,Al;Si,Mnのうち少なくとも1種からなる合金を用い、表面に酸化被膜の有しない球状の強磁性粒子を作製してこれを用いることにより、強磁性粒子を導電性物質で被覆する必要がなく、耐久性、信頼性にすぐれた温度センサーが得られることを知見し、この発明を完成した。
【０００９】
すなわち、この発明は、多数の強磁性粒子を媒体中に配し、前記強磁性粒子のキュリー点近傍の雰囲気で当該粒子の磁界中における分散状態の変化により電気的導通のオン・オフを行う温度センサーであり、前記強磁性粒子が、Fe,Ni,Coのうち少なくとも1種を含む合金か、Fe,Ni,Coのうち少なくとも1種とCr,Cu,Mo,Nb,Al,Si,Mnのうち少なくとも1種を含む合金からなる表面に酸化被膜の有しない球状であることを特徴とする温度センサーである。
【００１０】
また、発明者らは、上記構成の温度センサーにおいて、
1)強磁性粒子が焼鈍処理を施され、透磁率の温度特性が急峻であるか、さらには保磁力が減少した強磁性粒子である構成、
2)強磁性粒子が還元性雰囲気中の焼鈍処理を施され、表面に酸化被膜の有しない球状である構成、
3)強磁性粒子が焼鈍処理後に酸洗され、表面に酸化被膜の有しない球状である構成、
4)多数の強磁性粒子は、平均粒径が異なる強磁性粒子の混合物である構成、
5)多数の強磁性粒子は、大きな粒子の平均粒径を1としたとき、平均粒径が0.15以下の小さな粒子と前記大きな粒子との混合物である構成、を併せて提案する。
【発明の効果】
【００１１】
この発明による温度センサーは、特定組成の合金より作製した表面に酸化被膜の有しない球状である強磁性粒子を用いるため、導電性物質で被覆する必要がなく、オン・オフの繰り返しにより導電性物質が磨耗、破損することもなく、耐久性、信頼性にすぐれ、安価に提供することができる。
【００１２】
この発明によると、強磁性粒子の形状が球状であるため、オン・オフの繰り返しによるスパークの発生を抑制することができ、スパークが発生しても導電性物質が剥がれるなどの問題もなく、耐久性、信頼性がなお一層向上する。
【００１３】
この発明によると、強磁性粒子が焼鈍処理されていることによって、キュリー点付近における透磁率の変化が急峻になり、温度センサーの信頼性が向上する。
【００１４】
この発明によると、強磁性粒子への焼鈍処理が還元性雰囲気で行われるか、焼鈍処理後に酸洗が行われるため、強磁性粒子表面の酸化膜を形成防止あるいは除去することができるので、安定した電気的導通が確保でき、温度センサーの信頼性が向上する。
【００１５】
この発明によると、大きな粒径の強磁性粒子と小さな粒径の強磁性粒子とが混合されることにより、強磁性粒子同士の導通接点が増えるため、比較的大きな電流にも対応することができ、信頼性が向上する。また、粒径の大きな粒子を1とした時、粒径の小さな粒子が0.15以下とすることにより、さらに強磁性粒子同士の導通接点が増え、より大きな電流にも対応することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
この発明において、温度センサー全体の構成としては、キュリー点を有する強磁性粒子を気体又は液体の媒体中に配し、所定の磁場を形成でき、前記キュリー点前後における前記強磁性体粒子の分散状態の変化によって電気的な導通のオン・オフを行う構成であれば、前述した文献などの公知の構成のほか、永久磁石や電磁石を用いた磁場形成回路の公知のいずれの構成も適宜採用することができる。
【００１７】
温度センサー全体の構成例を説明すると図1は、温度センサー1を示し、強磁性粒子を媒体中に分散させた混合体2と、これら混合体2を囲うように電極突起3を有した内部電極4を備えている。また、内部電極4を覆うようにアルミナ板5とケース6、さらに、外部電極7及び混合体2を絶縁するために所定の間隔を介して保持されたスペーサ8とを備える。
【００１８】
外部磁場を印加した状態では、素子本体及びその近傍の温度が、この強磁性体のキュリー点温度以下において、外部磁界により磁化された強磁性体粒子が集合して内部電極4,4間を接続する結果、強磁性粒子同士の接触により電気的にオン状態になり、キュリー点を超えると外部磁界の影響を受けず分散状態となり電気的にオフ状態になる。
【００１９】
上記構成により、強磁性粒子のキュリー点温度近傍での抵抗の急激な変化を利用でき、スイッチ機能を持たせた温度センサーを実現できる。
【００２０】
この発明において、強磁性粒子を配する媒体としては、強磁性粒子を分散させることができれば、その種類は間わないが、例えば、シリコンオイルなどの各種耐熱オイル、アルコール類などの液状媒体、あるいは大気や不活性ガスなども採用することができる。
【００２１】
特に、自発磁化により互いに強磁性体粒子が集合して、強磁性粒子間の距離が狭くなったとき、電子がトンネル効果により通ることができるようなバンド構造を有する媒体、例えばトンネル磁気抵抗効果(TMR)で知られる物質が好ましい。これによって、より一層温度センサーの信頼性を向上させることができる。
【００２２】
この発明による強磁性粒子は、Fe,Ni,Coのうち少なくとも1種からなる合金、またはFe,Ni,Coのうち少なくとも1種とCr,Cu,Mo,Nb,Al,Si,Mnのうち少なくとも1種からなる合金であることが必要である。
【００２３】
具体的な合金としては、Fe‐Ni、Fe-Ni-Co、Fe‐Ni‐Cr、Fe-Ni-Cu、Fe‐Ni‐Mo、Fe‐Ni-Nb、Fe‐Si、Ni-Cu、Ni-Cr、Ni‐Al、Ni-Mn、の各合金などが好ましい。なお、上記各合金には、製造上不可避の不純物の含有を許容できる。
【００２４】
上記の合金は、合金を形成するいずれかの元素の含有量を増減することによって、容易にキュリー点温度を任意に変化させることができる。表1にその一例を温度順に挙げる。但し、成分はmass%で示す。
【００２５】
100℃前後の比較的低温でのスイッチングが必要な場合は、Fe‐Ni-Cr合金が適しており、Ni量、Cr量の増減により、キュリー温度を変化させることができる。また、200℃以上の比較的高温でのスイッチングが必要な場合は、Fe‐Ni合金、Fe‐Ni‐Co合金が適しており、Ni量、Co量の増減により、キュリー温度を変化させることができる。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
この発明において、強磁性粒子は、形状が針状や薄片状などでなく球状であることが好ましく、必ずしも真球状である必要はないが、略球状であることにより、オン・オフの繰り返しによるスパークの発生を抑制することができる。また、強磁性粒子の粒径は0.1μm〜1000μm程度が好ましいが、使用する装置の構成、媒体の種類などにより最適な粒径を選定することが望ましい。
【００２８】
強磁性粒子の作製には、前記組成の合金溶湯より、水アトマイズ、ガスアトマイズ法を採用して合金粒子を球状化することが可能である。また、前記合金細線を切断した線片に高熱と振動を加えて球状化する加熱振動法にて製造することも可能であり、比較的粒径の大きな粒子を作製できる。さらに機械加工を採用して合金細片より球状粒子を作製することができる。
【００２９】
強磁性粒子は、焼鈍処理することによって、実施例に示すごとくキュリー点付近における透磁率の変化が急峻になり、温度センサーの信頼性が向上する。焼鈍温度は、強磁性粒子の合金組成、粒子径によって変化するが、強磁性粒子同士が結合しないように400℃〜1300℃で行うことが好ましい。
【００３０】
焼鈍雰囲気も特に限定しないが、強磁性粒子表面の酸化膜の形成を防止するために、還元性雰囲気で行うことが好ましい。また、比較的高温で焼鈍処理を行う際に粒子の溶着を防止するためアルミナ粉末を一緒に熱処理し、処理後に磁性粉末だけを回収する方法も採用できる。
【００３１】
また、焼鈍処理により形成された強磁性粒子表面の酸化膜を除去するために、焼鈍処理後に強磁性粒子を酸洗処理することが好ましい。酸洗処理によって、強磁性粒子表面の酸化が防止され、安定した電気的導通が確保でき、温度センサーの信頼性が向上する。酸洗液は、強磁性粒子の組成に応じて公知の酸液を適宜選定できる。
【００３２】
強磁性粒子は、焼鈍処理により透磁率の温度特性が急峻になるほか、適切な処理温度により保磁力を低下させることができ、キュリー点付近における静電帯磁がなく、分散が円滑に行われる効果が期待できる。
【００３３】
強磁性粒子の粒径は0.1μm〜1000μm程度が好ましいが、単一の平均粒径を有する粒子の他、異なる粒径を有する粒子を混合することにより、強磁性粒子どうしの導通接点が増えるため、比較的大きな電流にも対応することができる。
【００３４】
特に、大きな粒子の平均粒径を1とした時、小さな粒子の平均粒径を0.15以下とすることによって、さらに強磁性粒子どうしの導通接点が増え、より大電流に対応することができ、温度センサーの信頼性が向上する。粒径の大きな粒子を1とした時、粒径の小さな粒子が0.15を超えると導通接点の増強効果が少なくなるので好ましくない。
【００３５】
粒子の大小混合比率は、特に限定しないが、小さな粒子の量が多すぎると導通の向上効果が少なくなる場合があり、大小の粒子径の違いとその差等を考慮して選定すると良い。
【００３６】
上述の粒子径の異なる混合粒子の効果は、粒子が強磁性粒子のみの場合だけでなく、大小のいずれかの粒子に、表面に導電性膜を有する非磁性粒子を用いても得られる。例えば、小さい粒子に、加工後にめっきして表面にNiめっきを有するCu粒子やAl粒子を用いることができる。
【実施例】
【００３７】
実施例1
強磁性粒子として、4.6Mo-3.5Cu-77.5Ni-14.4Fe合金(mass%)よりガスアトマイズ法により作製した平均粒径が20μmの球状粒子を準備した。次いで、該強磁性粒子を水素雰囲気中で800℃×10分の焼鈍処理を施した。得られた強磁性粒子(1)表面には酸化膜は生成されていなかった。
【００３８】
得られた強磁性粒子(1)の温度と透磁率の関係を図2に示す。実線が焼鈍処理を施したもの、破線が焼鈍処理を施さないものである。図2から明らかなように、強磁性粒子に還元性雰囲気中(水素中)で焼鈍処理を施すことにより、透磁率の変化が急峻していることが分かる。
【００３９】
また、ガスアトマイズ法による平均粒径が20μmの球状粒子を準備した後、800℃×10分の焼鈍処理を施し、さらに、硫酸と過酸化水素水を用いて酸洗処理した。得られた強磁性粒子(2)表面には酸化膜は生成されていなかった。
【００４０】
上記2種の強磁性粒子(1〜2)と耐熱性オイルとを混合し、図1に示す構成の温度センサーに用いてその動作確認を行った。いずれも強磁性粒子と該オイルとの混合体に外部磁場を印加した状態で通電オン状態を確認した後、温度センサー全体の温度を上昇させたところ、350℃で通電オフ状態となった。
【００４１】
実施例2
強磁性粒子として、4.6Mo-3.5Cu-77.5Ni-14.4Fe合金(mass%)よりガスアトマイズ法により作製した平均粒径が100μmと10μmの粉末、並びにガスアトマイズ後に機械加工して作製した0.7μm、0.4μmの4種の球状の強磁性粒子を準備した。次いで、該強磁性粒子を水素雰囲気中で800℃×10分の焼鈍処理を施した。得られた4種の強磁性粒子表面にはいずれも酸化膜は生成されていなかった。
【００４２】
平均粒径が100μmと10μmの強磁性粒子を160:1(vol%)に混合した混合粒子(3)を準備した。同様に、平均粒径が100μmと0.7μmの強磁性粒子を1000:1(vol%)に混合した混合粒子(4)、平均粒径が100μmと0.4μmの強磁性粒子を1500:1(vol%)に混合した混合粒子(5)、平均粒径が100μmと10μm、0.4μmの強磁性粒子を1000:100:1(vol%)に混合した混合粒子(6)を準備した。
【００４３】
上記の各混合粒子(3〜6)と耐熱性オイルとを混合し、図1に示す構成の温度センサーに用いてその動作確認を行った。いずれも強磁性粒子と該オイルとの混合体に外部磁場を印加した状態で通電オン状態を確認した後、温度センサー全体の温度を上昇させたところ、350℃で通電オフ状態となった。
【００４４】
また、この時、単一の強磁強粒子(1〜2)を用いた実施例1に比べ、電流値を増加しても動作することを確認した。これは、粒径の大きな粒子(100μm)と粒径の小さな粒子(10μm、0.7μm、0.4μm)を混合することにより、強磁性粒子同士の接触面積が増加したものと推測している。
【００４５】
実施例3
強磁性粒子として、39Ni-9Cr-52Fe合金(mass%)より、ガスアトマイズ法により平均粒径が25μmの球状の強磁性粒子を、また加熱振動法により平均粒径が700μmの球状の強磁性粒子をそれぞれ作製した。その後、900℃×10分の焼鈍処理を施し、さらに、硫酸と過酸化水素水を用いて酸洗処理した。
【００４６】
平均粒径が700μmと25μmの強磁性粒子を200:1(vol%)に混合した混合粒子(7)を準備し、これと耐熱性オイルとを混合し、図1に示す構成の温度センサーに用いてその動作確認を行った。いずれも強磁性粒子と該オイルとの混合体に外部磁場を印加した状態で通電オン状態を確認した後、温度センサー全体の温度を上昇させたところ、140℃で通電オフ状態となった。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
この発明による温度センサーは、高温環境下でも劣化せず、信頼性にすぐれ、かつ小型で大電流容量を有する利点があり、温度センサーあるいは温度スイッチとして多くの環境で使用され得る能力を有する。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】この発明による温度スイッチ素子を長手方向に沿って切断した断面図である。
【図２】強磁性粒子の温度と透磁率の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４９】
1 温度センサー
2 混合体
3 電極突起
4 内部電極
5 アルミナ板
6 ケース
7 外部電極
8 スペーサ
【図１】
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【図２】
2005071896.tif 000005