(57)【要約】【課題】  内部応力を効果的に緩和してガラスの割れを防ぐ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】  表面に一対の電極部が形成されたサーミスタ素体２と、一対の電極部２ａに一端が接続された一対のリード線３と、サーミスタ素体２をリード線３の一端と共に封止する柱状のガラスモールド部４と、ガラスモールド部４の外周面全体に密着しガラスモールド部４よりも熱膨張係数が大きい筒状の金属製ケース５とを備えている。【選択図】図１
2013211437.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に一対の電極部が形成されたサーミスタ素体と、
一対の前記電極部に一端が接続された一対のリード線と、
前記サーミスタ素体を前記リード線の一端と共に封止する柱状のガラスモールド部と、
該ガラスモールド部の外周面全体に密着し前記ガラスモールド部よりも熱膨張係数が大きい筒状のケースとを備え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、
前記ケースの材質が金属からなることを特徴とするサーミスタ素子。
【請求項３】
請求項１に記載のサーミスタ素子において、
前記ケースの材質が絶縁性のセラミックスであることを特徴とするサーミスタ素子。
【請求項４】
請求項２に記載のサーミスタ素子において、
前記ケースの外周面および内周面に絶縁性酸化膜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５】
請求項１から４のいずれか一項に記載のサーミスタ素子において、
前記ケースの前記リード線と反対側の開口部に、前記ガラスモールド部が露出していることを特徴とするサーミスタ素子。
【請求項６】
請求項４に記載のサーミスタ素子を製造する方法であって、
前記サーミスタ素体を、前記リード線の一端と共にガラス材で封止してガラスモールド部を形成するガラス封止工程を有し、
該ガラス封止工程において、前記ケース内に前記サーミスタ素体を配した状態で、前記ケース内に入れたガラス材を酸素含有雰囲気中で加熱して軟化又は溶融させ、前記ケースと前記サーミスタ素体との間に充填した後に固化させ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、高温になる自動車エンジン周り等の温度測定に好適なサーミスタ素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば自動車エンジン周りの触媒温度、排気系温度測定、ガス燃焼制御などの高温測定を行うために、高温用サーミスタ素子の要求が増えている。このようなサーミスタ素子の一般的なものとしては、サーミスタチップに端子電極を形成してサーミスタフレーク素子とし、該フレーク素子の両端に導電性ペーストを主とする接続電極で一対のリード線を接合させたものが使われている。さらに、このサーミスタ素子にガラスモールドを施したものがサーミスタセンサ素子として用いられている。このガラスモールドの形態としては、高温用としては硬質ガラスまたは結晶化ガラスを使用するものや中高温用として軟質ガラスを使用するもの等がある。
【０００３】
上記のようにモールド用としては好適なガラスであるが、製造時、高温においてガラスモールドした後、冷却後には半径方向に引張応力を生じやすく、特にサーミスタ素体あるいはリード線材がガラスの熱膨張係数よりも大きな場合は、その傾向が強くなる。そのため、使用部材や使用環境によっては長期間使用によって割れの発生する可能性がある。さらに近年、より低温から高温まで１素子で温度測定したいというニーズが高まることが予想され、ますますガラスに対する耐久性を必要とされると思われる。このため、従来、例えば特許文献１には、割れを解決するためにガラス封止部の先端部形状を略半球状にした温度センサが提案されている。また、一般的には、ガラスの保護を目的として、ガラスで封止されたサーミスタ素子を金属ケースでカバーした温度センサが使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２３２０６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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、上記特許文献１に記載の技術のようにガラス封止部の先端部形状を略半球状にする場合、部分的にガラスを厚くすることで耐久性を上げているが、ガラス内部の応力そのものを緩和させることには一定の効果が認められるが、応力自体が無くなるわけでない。また、サーミスタ素子を封止したガラスの保護層を金属ケースでカバーしても、封止ガラスの形状が略球状や滴状などであり、金属ケースとの接触が局所的であるため、根本的にガラス内部の応力そのものを全体的に緩和させることができず、十分でない。あくまで、外的応力や衝撃による傷の発生を予防するための保護である。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、内部応力を効果的に緩和してガラスの割れを防ぐ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】
【０００７】
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、第１の発明に係るサーミスタ素子は、表面に一対の電極部が形成されたサーミスタ素体と、一対の前記電極部に一端が接続された一対のリード線と、前記サーミスタ素体を前記リード線の一端と共に封止する柱状のガラスモールド部と、該ガラスモールド部の外周面全体に密着し前記ガラスモールド部よりも熱膨張係数が大きい筒状のケースとを備えていることを特徴とする。
【０００８】
このサーミスタ素子では、柱状のガラスモールド部の外周面全体に密着しガラスモールド部よりも熱膨張係数が大きい筒状のケースを備えているので、ガラスモールド部内部の半径方向にかかる引っ張り応力を外部ケースの圧縮応力によって緩和し、ガラスモールド部の破壊を防ぐことが可能になる。また、当該ケースが、ガラスモールド部の外周面全体に密着しているので、ガラスクラックの起点となる傷から保護することができる。さらに、応力を抑制することができるので、サーミスタ素体やガラスモールド部の材料の選択自由度も広がる。
【０００９】
第２の発明に係るサーミスタ素子は、第１の発明において、前記ケースの材質が金属からなることを特徴とする。
すなわち、このサーミスタ素子では、ケースが金属製であるので、熱膨張係数が大きく、比較的熱膨張係数の大きい軟質ガラスから熱膨張係数の小さいホウケイ酸ガラス、結晶化ガラス等の硬質ガラスに至るまで、ガラスモールド部の材質に幅広く対応可能である。
【００１０】
第３の発明に係るサーミスタ素子は、第１の発明において、前記ケースの材質が絶縁性のセラミックスであることを特徴とする。
すなわち、このサーミスタ素子では、ケースが例えばアルミナやジルコニアを主成分としたセラミックス製であるので、ガラスよりも破壊靭性に優れており、外部要因による傷などから保護することができる。一方で、このセラミックスが絶縁性を有し、ガラスとの濡れ性も良いことから、当該ケースに適している。なお、セラミックスの熱膨張係数は、金属よりは小さいものの、主に高温用途で使用されるＳｉＯ２主成分の硬質ガラスあるいは結晶化ガラスの熱膨張係数よりは大きいため、これらとの組み合わせに適している。
【００１１】
第４の発明に係るサーミスタ素子は、第２の発明において、前記ケースの外周面および内周面に絶縁性酸化膜が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、金属製のケースの外周面と内周面に絶縁性酸化膜が形成されているので、ガラスモールド部との接着性が向上すると共に、絶縁性を確保することができる。
【００１２】
第５の発明に係るサーミスタ素子は、第１から４のいずれかの発明において、前記ケースの前記リード線と反対側の開口部に、前記ガラスモールド部が露出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では、ケースのリード線と反対側の開口部に、ガラスモールド部が露出しているので、開口部に露出したガラスモールド部から熱が内部のサーミスタ素体に伝わり易く、応答性等が向上する。
【００１３】
第６の発明に係るサーミスタ素子は、第１から第５の発明のいずれかのサーミスタ素子を製造する方法であって、前記サーミスタ素体を、前記リード線の一端と共にガラス材で封止してガラスモールド部を形成するガラス封止工程を有し、該ガラス封止工程において、前記ケース内に前記サーミスタ素体を配した状態で、前記ケース内に入れたガラス材を酸素含有雰囲気中で加熱して軟化又は溶融させ、前記ケースと前記サーミスタ素体との間に充填した後に固化させ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、ケースが金属製であり、サーミスタ素体を配した状態で、金属製ケース内に入れたガラス材を酸素含有雰囲気中で加熱して軟化又は溶融させ、金属製ケースとサーミスタ素体との間に充填した後に固化させるので、酸素含有雰囲気中で加熱された金属製ケースの内周面が酸化されて薄い絶縁性絶縁膜が形成されることで、ガラス材との濡れ性が確保されると共に、絶縁性も確保された上記サーミスタ素子を作製することができる。
【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及びその製造方法によれば、柱状のガラスモールド部の外周面全体に密着しガラスモールド部よりも熱膨張係数が大きい筒状のケースを備えるので、ガラスモールド部の破壊を防ぐことが可能になると共に、ガラスクラックの起点となる傷から保護することができる。
したがって、信頼性が高く、特に自動車エンジン周りの触媒温度、排気系温度測定、ガス燃焼制御などの高温測定に最適なサーミスタ素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るサーミスタ素子及びその製造方法の第１実施形態において、サーミスタ素子を示す斜視図である。
【図２】本発明に係るサーミスタ素子及びその製造方法の第２実施形態において、サーミスタ素子を示す斜視図である。
【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及びその製造方法における第１実施形態を、図１を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面の一部では、各部を認識可能又は認識容易な大きさとするために必要に応じて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に示すように、表面に一対の電極部２ａが形成されたサーミスタ素体２と、一対の電極部２ａに一端が接続された一対のリード線３と、サーミスタ素体２をリード線３の一端と共に封止する略円柱状のガラスモールド部４と、該ガラスモールド部４の外周面全体に密着しガラスモールド部４よりも熱膨張係数が大きい円筒状の金属製ケース５とを備えている。
【００１８】
上記サーミスタ素体２は、フレーク状又はチップ状に形成されたＮＴＣ型、ＰＴＣ型、ＣＴＲ型等のサーミスタがある。本実施形態では、例えばＮＴＣ型サーミスタであって、Ｍｎ−Ｃｏ−Ｃｕ系材料、Ｍｎ−Ｃｏ−Ｆｅ系材料等のサーミスタ材料で形成されている。
上記電極部２ａは、サーミスタ素体２の対向する表裏面にそれぞれスパッタ法にて形成されたＡｕ電極等である。
上記リード線３は、例えばジュメット線が採用される。
【００１９】
上記ガラスモールド部４は、金属製ケース内に挿入したガラス管を軟化又は溶融させて形成したものである。このガラスモールド部４は、結晶性ガラスや軟質ガラス等で形成されている。
なお、金属製ケース５のリード線３と反対側の開口部には、ガラスモールド部４が露出している。
上記金属製ケース５の内周面には、絶縁性酸化膜５ａが形成されている。すなわち、この金属製ケース５は、円筒状のステンレス（ＳＵＳ）パイプであって、内周面にステンレスに含有される金属成分（Ｎｉ，Ｃｒ等）の酸化物による薄い絶縁性酸化膜５ａが形成されている。
【００２０】
上記リード線３の熱膨張係数（α＝９０×１０−６／℃）は、ガラスモールド部４の熱膨張係数（α＝８０×１０−６／℃）よりも大きく、金属製ケース５の熱膨張係数（α＝１０〜１７×１０−６／℃）は、ガラスモールド部４よりも大きい。なお、サーミスタ素体２の熱膨張係数αは、例えば１２０×１０−６／℃である。
【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説明する。
このサーミスタ素子１の製造方法は、サーミスタ素体２を、リード線３の一端と共にガラス材で封止してガラスモールド部４を形成するガラス封止工程を有している。このガラス封止工程は、金属製ケース５内にサーミスタ素体２を配した状態で、金属製ケース５内に入れたガラス材を酸素含有雰囲気中で加熱して軟化又は溶融させ、金属製ケース５とサーミスタ素体２との間に充填した後に固化させる。
【００２２】
より具体的に説明すると、まず、例えばＭｎＣＯ３、ＣｏＣＯ３、Ｆｅ２Ｏ３の出発原料を所定量秤量および混合し、乾燥した後１０００℃、５時間で仮焼を行う。仮焼したものを粉砕後、プレス成形し、これを１１００℃で焼成して、焼結体ブロックを作製する。次に、この焼結体ブロックを厚み０．５ｍｍ程度にスライスし、サーミスタウエハとする。その後、該サーミスタウエハの両面に電極部２ａとなるＡｕ電極をスパッタにて成膜して電極つきのサーミスタウエハとする。
【００２３】
さらに、上記サーミスタウエハをダイシングマシンにて０．５ｍｍ角に切り出し、電極部２ａが形成されたサーミスタ素体２とする。そのサーミスタ素体２の各電極部２ａにジュメット線であるリード線３の先端部を、接続電極であるＡｕペースト（図示略）を使用して接合して、焼きつけて固定する。
【００２４】
その後、外形φ２．０ｍｍ、肉厚０．３ｍｍ、長さ３．０ｍｍのＳＵＳパイプである金属製ケース５を立て置きにし、さらに、この金属製ケース５内にガラス管を挿入し、またこのガラス管（α＝８０×１０−６／℃）のなかにリード線３（α＝９０×１０−６／℃）付きサーミスタ素体２（α＝１２０×１０−６／℃）を挿入する。
【００２５】
この状態で、ベルト炉にて大気中（酸素含有雰囲気中）で加熱して金属製ケース５でガラス管を軟化、溶融させ、金属製ケース５とガラス材とリード線付きサーミスタ素体２とを十分なじませる。その後、ガラス材を冷却、固化させることによりガラスモールド部４を形成し、金属製ケース５とガラスモールド部４とリード線付きサーミスタ素体２とを一体化させてサーミスタ素子１とする。なお、ガラス溶融時までに、金属製ケース５の内周面が適度に酸化され、ガラス材との濡れ性が確保される。さらに、高温に加熱することで、薄い絶縁性酸化膜５ａが得られ、絶縁性を確保することができる。
【００２６】
上記ガラス管が軟化した状態では、金属製ケース５、ガラス材、サーミスタ素体２、リード線３に対して応力が生じていない状態と仮定される。そこで、冷却時にガラス材が固化するにつれて各部材に拘束されて応力を生じるようになる。特に、サーミスタ素体２およびリード線３の熱膨張係数がガラス材よりも大きい場合には、ガラス材の収縮以上にサーミスタ素体２およびリード線３が収縮し、半径方向には引っ張り応力が生じやすくなる。しかしながら、本実施形態では、ガラス材よりも熱膨張係数が大きいＳＵＳパイプの金属製ケース５が、さらに大きく収縮するので、冷却時にはガラスモールド部４を外側から押し込む力が生じ、内部で生じる引っ張り応力を緩和することができる。
【００２７】
このように本実施形態のサーミスタ素子１では、柱状のガラスモールド部４の外周面全体に密着しガラスモールド部４よりも熱膨張係数が大きい筒状の金属製ケース５を備えているので、ガラスモールド部４内部の半径方向にかかる引っ張り応力を金属製ケース５の圧縮応力によって緩和し、ガラスモールド部４の破壊を防ぐことが可能になる。また、金属製ケース５が、ガラスモールド部４の外周面全体に密着しているので、ガラスクラックの起点となる傷から保護することができる。さらに、応力を抑制することができるので、サーミスタ素体２やガラスモールド部４の材料の選択自由度も広がる。
【００２８】
また、金属製ケース５の内周面に絶縁性酸化膜５ａが形成されているので、ガラスモールド部４との接着性が向上すると共に、絶縁性を確保することができる。
さらに、金属製ケース５のリード線３と反対側の開口部に、ガラスモールド部４が露出しているので、開口部に露出したガラスモールド部４から熱が内部のサーミスタ素体２に伝わり易く、応答性等が向上する。
【００２９】
このサーミスタ素子１の製造方法では、金属製ケース５内にサーミスタ素体２を配した状態で、金属製ケース５内に入れたガラス材を酸素含有雰囲気中で加熱して軟化又は溶融させ、金属製ケース５とサーミスタ素体２との間に充填した後に固化させるので、酸素含有雰囲気中で加熱された金属製ケース５の内周面が酸化されて薄い絶縁性酸化膜５ａが形成されることで、ガラス材との濡れ性が確保されると共に、絶縁性も確保された上記サーミスタ素子１を作製することができる。
【００３０】
次に、本発明に係るサーミスタ素子の第２実施形態について、図２を参照して説明する。なお、以下の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。
【００３１】
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、金属製ケース５を用いているのに対し、第２実施形態のサーミスタ素子２１では、図２に示すように、アルミナやジルコニアを主成分としたセラミックス製ケース２５を採用している点である。
また、第２実施形態のリード線２３は、コバール線（２９％Ｎｉ−１７％Ｃｏ−０．３％Ｍｎ−Ｆｅ）が採用されている。
【００３２】
さらに、サーミスタ素体２２は、高温用ＮＴＣ型サーミスタであって、Ｌａ−Ｃｒ−Ｍｎ系材料等のサーミスタ材料で形成されている。
また、ガラスモールド部２４が、ホウケイ酸ガラスで形成されている。
上記リード線２３の熱膨張係数（α＝５０×１０−６／℃）は、ガラスモールド部２４の熱膨張係数（α＝３０〜５０×１０−６／℃）と同等か少し大きく、セラミックス製ケース２５の熱膨張係数（α＝８０〜１１０×１０−６／℃）は、ガラスモールド部２４よりも大きい。なお、このとき、サーミスタ素体２２の熱膨張係数αはガラスモールド部２４より大きく、例えば８０×１０−６／℃である。
【００３３】
この第２実施形態のサーミスタ素子２１の製造方法では、例えば、まずＬａ２Ｏ３、ＣａＣＣＯ３、Ｃｒ２Ｏ３、ＭｎＯ２の出発原料を所定量秤量および混合し、乾燥した後１３００℃、５時間で仮焼を行う。仮焼したものを粉砕後、プレス成形し、これを１５００℃で焼成して、焼結体ブロックを作製する。次に、この焼結体ブロックを厚み０．５ｍｍ程度にスライスし、サーミスタウエハとする。その後、該サーミスタウエハの両面に電極部２ａとなるＡｕ電極をスパッタにて成膜して電極つきのサーミスタウエハとする。
【００３４】
さらに、上記サーミスタウエハをダイシングマシンにて０．５ｍｍ角に切り出し、電極部２ａが形成されたサーミスタ素体２２とする。そのサーミスタ素体２２の各電極部２ａにコバール線であるリード線２３の先端部を、接続電極であるＡｕペースト（図示略）を使用して接合して、焼きつけて固定する。
【００３５】
その後、外形φ２．０ｍｍ、肉厚０．３ｍｍ、長さ３．０ｍｍの円筒状でセラミックス製ケース２５（ジルコニア製  α＝１００×１０−６／℃）を立て置きにし、さらに、このセラミックス製ケース２５内にガラス管（ホウケイ酸ガラスα＝４０×１０−６／℃）を挿入すると共に、このガラス管の中にリード線２３（α＝５０×１０−６／℃）付きサーミスタ素体２２（α＝８０×１０−６／℃）を挿入する。
【００３６】
この状態で、ベルト炉にて大気中（酸素含有雰囲気中）で加熱してセラミックス製ケース２５内でガラス管を軟化、溶融させ、セラミックス製ケース２５とガラス材とリード線付きサーミスタ素体２２とを十分なじませる。その後、ガラス材を冷却、固化させることによりガラスモールド部２４を形成し、セラミックス製ケース２５とガラスモールド部２４とリード線付きサーミスタ素体２２とを一体化させてサーミスタ素子２１とする。
【００３７】
したがって、第２実施形態のサーミスタ素子２１では、ケース２５が例えばアルミナやジルコニアを主成分としたセラミックス製であるので、ガラスよりも破壊靭性に優れており、外部要因による傷などから保護することができる。一方で、このセラミックスが絶縁性を有し、ガラスとの濡れ性も良いことから、第１実施形態の金属製ケース５のように内面に絶縁性酸化膜を形成しなくても、良好な接着性及び絶縁性が得られる。
【００３８】
なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態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。
【符号の説明】
【００３９】
１，２１…サーミスタ素子、２，２２…サーミスタ素体、２ａ…電極部、３，２３…リード線、４，２４…ガラスモールド部、５…金属製ケース、５ａ…絶縁性酸化膜、２５…セラミックス製ケース
【図１】
2013211437.tif 000003
【図２】
2013211437.tif 000004