特許 6158595 サーミスタ素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6158595

(24)【登録日】2017年6月16日

(45)【発行日】2017年7月5日

(54)【発明の名称】サーミスタ素子

(51)【国際特許分類】

   H01C 7/04 20060101AFI20170626BHJP

   H01C 7/02 20060101ALI20170626BHJP

   H01C 1/142 20060101ALI20170626BHJP

【ＦＩ】

   H01C7/04

   H01C7/02

   H01C1/142

【請求項の数】1

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2013-113056(P2013-113056)

(22)【出願日】2013年5月29日

(65)【公開番号】特開2014-232800(P2014-232800A)

(43)【公開日】2014年12月11日

【審査請求日】2016年2月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004547

【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100104178

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 尚

(74)【代理人】

【識別番号】100143960

【弁理士】

【氏名又は名称】藤田 早百合

(72)【発明者】

【氏名】大矢 俊哉

【審査官】 堀 拓也

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０３−２７４７０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−０８８３９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特公昭４９−０００３４８（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 特開平０７−０７１４６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５９−０９３０９４（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００７−１５８２２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−２８２８０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−１８７８６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１２４２５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１８６３１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−２８５０７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−０８８３９４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｃ １／００−１／１６

Ｈ０１Ｃ ７／０２−７／２２

Ｈ０１Ｃ １７／００−１７／３０

Ｈ０１Ｇ ４／００−４／０１５

Ｈ０１Ｇ ４／０２−４／２２４

Ｈ０１Ｇ ４／２３２

Ｈ０１Ｇ ４／２５５−４／４０

Ｈ０１Ｇ １３／００−１７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

温度に応じて抵抗値が変化する板状の金属酸化物焼結体であるサーミスタ部と、
板状の前記サーミスタ部の第一面及び前記第一面とは反対側の第二面の各々に形成された一対の電極部と、
前記一対の電極部の各々に接続された一対のリード線と
を備えたサーミスタ素子であって、
前記サーミスタ部の前記第一面及び前記第二面は各々研磨されており、
前記サーミスタ部の前記第一面及び前記第二面は各々、前記サーミスタ部の厚み方向に凹んだ凹部であって、前記厚み方向と垂直な面に対して前記凹部全体を投影した場合の第一投影図形が、前記垂直な面に対して前記凹部の開口を投影した場合の第二投影図形の外側となる部分を有する凹部を複数備え、
前記一対の電極部の各々は、前記凹部の少なくとも一部を満たす凸部であって、前記垂直な面に対して自身を投影した場合の第三投影図形が前記第二投影図形の外側となる部分を有する凸部を複数有することを特徴とするサーミスタ素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、温度に応じて抵抗値が変化する板状の金属酸化物焼結体であるサーミスタ部と、板状のサーミスタ部の第一面及び第一面とは反対側の第二面の各々に形成された一対の電極部とを備えたサーミスタ素子に関する。

【背景技術】

【0002】

自動車の排気管内を流れる排気ガス等の温度を検知するためのサーミスタ素子が知られている。この種のサーミスタ素子には、例えば、サーミスタ部、電極部、及びリード線を備えたものがある。サーミスタ部は、温度に応じて抵抗値が変化する板状の金属酸化物焼結体である。電極部は、板状のサーミスタ部の第一面及び第一面とは反対側の第二面に形成された導電性金属を含む層である。リード線は、電極部に接合されている。サーミスタ素子は、サーミスタ部の抵抗値の変化をリード線を介して取り出すことによって、周囲の温度を検知可能である。

【0003】

サーミスタ素子が高熱衝撃又は高熱振動の環境下で使用される場合、サーミスタ部から電極部が剥離するという問題があった。そこでサーミスタ部と、電極部との接合強度を高める技術が種々検討されている。例えば、特許文献１に記載のサーミスタ素子では、サーミスタ部と電極部とに共材となる同一の絶縁性の金属酸化物を含ませている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１２−７４６０４号公報

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載のサーミスタ素子では、サーミスタ部と電極部との間の化学的結合力は向上しているが、サーミスタ部と電極部との接合強度を向上させるための物理的な条件についての検討はされていなかった。

【0006】

本発明は、サーミスタ部と電極部との接合部分に剥離が生じにくいサーミスタ素子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】

本発明の一態様に係るサーミスタ素子は、温度に応じて抵抗値が変化する板状の金属酸化物焼結体であるサーミスタ部と、板状の前記サーミスタ部の第一面及び前記第一面とは反対側の第二面の各々に形成された一対の電極部と、前記一対の電極部の各々に接続された一対のリード線とを備えたサーミスタ素子であって、前記サーミスタ部の前記第一面及び前記第二面は各々研磨されており、前記サーミスタ部の前記第一面及び前記第二面は各々、前記サーミスタ部の厚み方向に凹んだ凹部であって、前記厚み方向と垂直な面に対して前記凹部全体を投影した場合の第一投影図形が、前記垂直な面に対して前記凹部の開口を投影した場合の第二投影図形の外側となる部分を有する凹部を複数備え、前記一対の電極部の各々は、前記凹部の少なくとも一部を満たす凸部であって、前記垂直な面に対して自身を投影した場合の第三投影図形が前記第二投影図形の外側となる部分を有する凸部を複数有する。

【0008】

本態様のサーミスタ素子によれば、サーミスタ部の第一面及び第二面の各々が備える凹部に、電極部の凸部が形成されている。凹部の形状は、第一投影図形が、第二投影図形の外側となる部分を有する形状である。凸部の形状は、第三投影図形が、第二投影図形の外側となる部分を有する形状である。サーミスタ素子に、サーミスタ部と電極部とを引き剥がす力が加わった場合、凸部は、厚み方向と垂直な面において凹部の開口よりも外側になる部位を有しているため、凹部に引っかかる。このため、凹部又は凸部が変形されることなく凸部が凹部から引き抜かれない。したがって本態様のサーミスタ素子は、凹凸のみが形成されたサーミスタ部の第一面及び第二面に電極部が形成される従来のサーミスタ素子よりも、サーミスタ部と電極部との接合強度が大きく、電極部がサーミスタ部から剥がれにくい。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】サーミスタ素子１の概略斜視図である。

【図2】サーミスタ部１０の第一面１１を模式的に示した拡大斜視図である。

【図3】図２の３−３線の矢視方向断面に対応する図と、サーミスタ部１０の厚み方向Ｄと垂直な面５０に凹部１５全体、開口１４，及び凸部２３全体を投影した場合の投影図５１から５３との対応を示す図である。

【図4】変形例１から３の凹部１５及び開口１４の概略斜視図と、サーミスタ部１０の厚み方向Ｄと垂直な面５０に凹部１５全体及び開口１４を各々投影した場合の投影図５１及び５２との対応を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、参照する図面は、本発明が採用しうる技術的特徴を説明するために用いられるものであり、記載されている装置の構成等は、単なる説明例である。図１の上側、下側、左側、右側、左斜め下側、及び右斜め上側を各々、サーミスタ素子１の上側、下側、左側、右側、前側、及び後ろ側と定義する。

【0011】

サーミスタ素子１は、例えば、温度センサに組み込まれ、自動車の排気ガス等の被測定流体の温度を検知する等の用途に用いられる素子である。サーミスタ素子１は、サーミスタ部１０，一対の電極部２０，一対のリード線４０及び接合部３０を主に備える。サーミスタ部１０は、温度に応じて抵抗値が変化する板状（直方体状）の金属酸化物焼結体である。サーミスタ部１０には、（Ｙ_０．９Ｓｒ_０．１）（Ａｌ_０．６０Ｍｎ_０．３８Ｃｒ_０．０２）Ｏ_３の組成を有するペロブスカイト型の結晶構造の金属酸化物である導電体と、サーミスタ素子１の抵抗値を調整するための絶縁性の金属酸化物とが含まれている。サーミスタ部１０の第一面１１及び第二面１２は各々研磨され、凹凸の度合いが調整されている。第一面１１及び第二面１２は各々、最大高さ粗さＲｚが、０．８（μｍ）以下であることが好ましい。

【0012】

図２に模式的に示すように、板状をなすサーミスタ部１０の第一面１１及び第二面１２（図１参照）は各々、サーミスタ部１０の厚み方向Ｄに凹んだ第一特定形状の凹部１５を複数備える。第二面１２は、第一面１１とは反対側の面である。第一特定形状とは、図３に示すように、サーミスタ部１０の厚み方向Ｄと垂直な面５０に対して凹部１５全体を投影した場合の第一投影図形５１が、面５０に対して凹部１５の開口１４を投影した場合の第二投影図形５２の外側となる部分を有する形状である。即ち、第一投影図形５１は、厚み方向Ｄと垂直な一部又は全部の方向において、第二投影図形５２の外側となる部位を有する。本実施形態の第一投影図形５１は、厚み方向Ｄと垂直な全ての方向において、第二投影図形５２の外側になる。本実施形態の凹部１５の第一投影図形５１は、凹部１５の厚み方向Ｄに垂直な切断面のうち、面積が最大となる切断面と等しい。

【0013】

本実施形態の凹部１５は、後述するように、サーミスタ部１０を構成する金属酸化物焼結体を焼結する過程で形成された円状又は楕円状の気泡（ポア）が、研磨によって金属酸化物焼結体の表面に露出されて形成される。したがって、第一面１１及び第二面１２の各々には、第一特定形状を有しない凹部１８も形成される場合がある。図示しないが、第一特定形状を有しない凹部１８では、第一投影図は、第二投影図と等しい。即ち、凹部１８には、厚み方向Ｄと垂直ないずれの方向にも、開口１７の外側になる部位がない。

【0014】

一対の電極部２０は、板状をなすサーミスタ部１０の第一面１１及び第二面１２に形成されている。図３に模式的に示すように、一対の電極部２０は、サーミスタ部１０と対向する側の面２１及び面２２（図１参照）に、凹部１５の少なくとも一部を満たす第二特定形状の凸部２３を備える。第二特定形状とは、サーミスタ部１０の厚み方向Ｄと垂直な面５０に対して自身を投影した場合の第三投影図形５３が第二投影図形５２の外側となる部分を有する形状である。即ち、第三投影図形５３は、厚み方向Ｄと垂直な一部又は全部の方向において、第二投影図形５２の外側となる部位をもつ。本実施形態の第三投影図形５３は、厚み方向Ｄと垂直な全ての方向において、第二投影図形５２の外側になる。本実施形態の凸部２３は、凹部１５の形状に沿うように形成されている。即ち、凸部２３は凹部１５を満たしている。本実施形態の第三投影図形５３は、凸部２３の厚み方向Ｄに垂直な切断面のうち、面積が最大となる切断面と等しい。サーミスタ部１０と、一対の電極部２０との間の接合強度の観点からは、凸部２３が凹部１５を満たす割合が大きい方が、凸部２３が凹部１５を満たす割合が小さい場合に比べ好ましい。凸部２３と凹部１５との間に隙間が存在すると、サーミスタ部１０と一対の電極部２０との間の接触面積が減少するためである。凹部１５及び凸部２３は、第一面１１及び第二面１２の各々に略均一に分布していることが好ましい。この場合、第一面１１及び第二面１２の全体に亘って接合強度が略均一になり、接合強度のムラに起因して電極部２０がサーミスタ部１０から剥離することを回避できるからである。

【0015】

一対のリード線４０の右端は各々、接合部３０によって一対の電極部２０の中央付近に接合されている。リード線４０としては、例えば、ジュメット線、又はＰｔ若しくはＰｔ合金製の線材を用いることができる。一対のリード線４０は互いに略平行であり、左右方向に伸びる。

【0016】

サーミスタ素子１の製造方法について説明する。サーミスタ素子１の製造方法は、金属酸化物焼結体形成工程、研磨工程、塗布工程、熱処理工程、切断工程、及び接合工程を備え、各工程はこの順で実施される。以下、サーミスタ素子１の製造方法が備える各工程について詳述する。

【0017】

（１）金属酸化物焼結体形成工程
Ｙ，Ｓｒ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ａｌの酸化物、又は該元素の炭酸塩を、サーミスタ部１０に含まれる、化学式（Ｙ_０．９Ｓｒ_０．１）（Ａｌ_０．６０Ｍｎ_０．３８Ｃｒ_０．０２）Ｏ_３のペロブスカイト型の結晶構造を有する導電体の組成となるよう秤量し、混合、仮焼により導電体仮焼粉を得る。導電体仮焼粉を粉砕し、得られた粉末に絶縁性の金属酸化物を所定量加えると共に適宜バインダー等を添加した後、金型に充填し、一軸プレス機を用いて直径４０（ｍｍ）、厚さ１．５（ｍｍ）の円板状に成形する。円板状に成形された粉末（換言すれば、成形体）を、大気雰囲気下にて所定の温度で焼成し、導電性の金属酸化物焼結体を得る。所定の温度は、従来の金属酸化物焼結体形成工程の焼成温度よりも高い。従来の焼成温度で焼成した場合、焼成後のサーミスタウエハには気泡（ポア）がほとんど発生しない。円板状に成形された粉末（成形体）を所定の温度で焼成した場合、材料の一部が溶融し、凝固時に複数のポアが不規則に形成される。ポアは、例えば、球状及び楕円状である。焼成温度及び焼成時間は、ポアの最大径が５から２０（μｍ）程度の大きさとなるように設定されることが好ましい。例えば、円板状に成形された粉末（成形体）は、１５７０（℃）、４時間の条件で焼成される。

【0018】

（２）研磨工程
円板状の金属酸化物焼結体の第一面１１及び第二面１２を研磨し、厚さ０．５（ｍｍ）のサーミスタウエハを得る。本実施形態の円板状の金属酸化物焼結体の第一面１１及び第二面１２は、円板状の金属酸化物焼結体が備える面のうち、最も面積が大きい円状の面である。研磨工程によって、上記した焼成によって金属酸化物焼結体内に形成された、不規則に存在する複数のポアの一部が研磨されて、金属酸化物焼結体の外部に露出した凹部状のポアであるオープンポアとなる。それにより第一面１１及び第二面１２の各々に凹部１５が形成される。第一面１１及び第二面１２は各々、最大高さ粗さＲｚが、０．８（μｍ）以下となるように研磨されていることが好ましい。最大高さ粗さＲｚが第一面１１及び第二面１２の各々が研磨された場合、サーミスタ部１０の第一面１１及び第二面１２の各々に電極部２０を形成する際に、電極部２０の材料である金属ペーストが凹部１５に行き渡りやすい。即ち、凸部２３が凹部１５を満たす形状となりやすい。

【0019】

（３）塗布工程
研磨工程を経た板状の金属酸化物焼結体の第一面１１及び第二面１２の各々に、導電性金属を含む金属ペーストを塗布する。具体的にはまず、導電性金属の粉末をバインダーと共に混練して金属ペーストを得る。導電性金属の粉末は、例えば平均粒径２（μｍ）のＰｔの粉末である。バインダーは、例えば、エトセル及びターピネオールである。金属ペーストの粘度は、研磨工程を経た導電性酸化物の表面粗さを考慮して定められる。その後、研磨工程を経たサーミスタウエハの第一面１１及び第二面１２の各々に、金属ペーストをスクリーン印刷する。金属ペーストは、第一面１１及び第二面１２の各々に形成された凹部１５に行き渡る。

【0020】

（５）熱処理工程
塗布工程を経たサーミスタウエハを熱処理し、電極部２０を焼き付ける。１２５０℃で４８時間という条件下で行われる。熱処理工程によって、金属ペーストからなる電極部２０が金属酸化物焼結体の第一面１１及び第二面１２に形成される。

【0021】

（６）切断工程
熱処理工程を経た金属酸化物焼結体及び金属層を切断して、金属酸化物焼結体をサーミスタ部１０とし、金属層を一対の電極部２０とする複数のサーミスタチップにする。サーミスタチップは、例えば、０．５０（ｍｍ）×０．５０（ｍｍ）×０．３５（ｍｍ）の直方体状である。
（７）接合工程
切断工程で切り出されたサーミスタチップが備える一対の電極部２０に、一対のリード線４０を金属ペーストを用いて接合する。金属ペーストは、導電性金属の粉末とバインダーとを混練して得られる。導電性金属は、例えば、Ａｕであり、バインダーは、例えば、エトセル及びターピネオールである。以上の工程によって、サーミスタ素子１が得られる。

【0022】

上記サーミスタ素子１によれば、サーミスタ素子１に、サーミスタ部１０と電極部２０とを引き剥がす、厚み方向Ｄの力が加わった場合、凸部２３は、厚み方向Ｄと垂直な面５０において凹部１５の開口１４よりも外側になる部位を有しているため、凹部１５に引っかかる。このため、凹部１５又は凸部２３が変形されることなく凸部２３が凹部１５から引き抜かれない。したがってサーミスタ素子１は、凹凸のみが形成されたサーミスタ部の第一面及び第二面に電極部が形成される従来のサーミスタ素子よりも、サーミスタ部１０と電極部２０との接合強度が大きく、電極部２０がサーミスタ部１０から剥がれにくい。サーミスタ素子１は、サーミスタ部１０と一対の電極部２０との間の化学的結合力のみでは十分な接合強度が得られない場合にも、凹部１５と凸部２３による物理的結合力によって一対の電極部２０とサーミスタ部１０との間の接合強度を高めることができる。

【0023】

本発明のサーミスタ素子１の製造方法は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更が加えられてもよい。例えば、以下の（Ａ）から（Ｅ）までの変形が適宜加えられてもよい。

【0024】

（Ａ）本実施形態のサーミスタ素子１のサーミスタ部１０には、（Ｙ_０．９Ｓｒ_０．１）（Ａｌ_０．６０Ｍｎ_０．３８Ｃｒ_０．０２）Ｏ_３の組成を有するペロブスカイト型の結晶構造の金属酸化物である導電体が含まれているが、これに限定されることはない。具体的には、ペロブスカイト型結晶構造を示す化学式ＡＢＯ_３のＡサイトとして、Ｙ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｇｄ，Ｙｂ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇ等を含んでもよい。また、Ｂサイトとして、Ａｌ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ等をサーミスタ部１０に含ませて、サーミスタ素子１を構成してもよい。このような場合であっても、同様の効果を得ることができる。

【0025】

（Ｂ）サーミスタ素子１は、特開２０１２−７４６０４号公報の図３に示すように、サーミスタ部１０，電極部２０，接合部３０，及びリード線４０の一部が、ガラス層で被覆されてもよい。ガラス層の材料としては、結晶化ガラスであってもよいし、非晶質ガラスであってもよい。このようにした場合、サーミスタ素子１の実使用時に、サーミスタ部１０が外部の雰囲気の影響を受けて特性が変化するのを効果的に抑制することができる。また、接合部３０がガラス層で被覆されるため、リード線４０及び電極部２０の接続状態を安定して維持することができる。この場合上記サーミスタ素子１の製造工程において、Ｓ７の接合工程の後に、公知のガラス層を形成する工程が実行されればよい。

【0026】

（Ｃ）凹部１５の形状は、上述の第一特定形状であればどのような形状でもよい。したがって、例えば、図４の変形例１の凹部１５のように、厚み方向Ｄに対して傾いた楕円形状であってもよい。他の例では、図４の変形例２及び３の凹部１５のように円状及び楕円形状以外の形状であってもよい。変形例１及び２のように、第一特定形状を有する凹部１５の第一投影図形５１は、サーミスタ部１０の厚み方向Ｄと垂直な方向のうちの一部の方向において、第二投影図形５２の外側になる部位をもってもよい。第一投影図形５１の形状は、厚み方向Ｄに垂直な方向毎の開口１４に対して最も外側になる部位の位置を示している。

【0027】

変形例１のように、第一特定形状を有する凹部１５の第二投影図形５２は、凹部１５の厚み方向Ｄに垂直な切断面のうち、面積が最大となる切断面であってもよい。つまり、第一特定形状を有する凹部１５の第一投影図形５１は、凹部１５の厚み方向Ｄに垂直な切断面のうち、面積が最大となる切断面にならなくてもよい。変形例１において複数の凹部１５の形状が全て同様な形状である場合、複数の凹部１５の少なくとも一部は、厚み方向Ｄに対して互いに異なる方向に傾いている方が好ましい。

【0028】

（Ｄ）凸部２３の形状は、上述の第二特定形状を有する形状であればどのような形状でもよい。凸部２３は、凹部１５の一部を満たす形状であってもよい。全ての凹部１５に、第二特定形状を有する凸部２３が形成される必要はない。サーミスタ部１０と一対の電極部２０との間の接合強度を高める観点から、凹部１５の数に対する凸部２３の数である凸部形成割合が大きいほど、凸部形成割合が小さい場合に比べ好ましい。

【0029】

（Ｅ）サーミスタ素子１の製造方法は適宜変更されてよい。例えば、本実施形態のサーミスタ部１０の前駆体である金属酸化物焼結体は、上記した（１）金属酸化物焼結体工程では、一軸プレス機を用いて得られた成形体を得て、その成形体を焼成するようにしているが、これに限定されることはない。例えば、導電体仮焼粉に絶縁性の金属酸化物、適宜のバインダー等を添加してシート成形を行い、得られたシート成形体（例えば、厚み１．０ｍｍ）を所定の温度で焼成して、金属酸化物焼結体内に複数のポアを形成するようにしてもよい。他の例では、凹部１５の形成方法は適宜変更されてよい。

【符号の説明】

【0030】

１ サーミスタ素子
１０ サーミスタ部
１１ 第一面
１２ 第二面
１４ 開口
１５ 凹部
２０ 電極部
２３ 凸部
３０ 接合部
４０ リード線
５０ 面
５１ 第一投影図形
５２ 第二投影図形
５３ 第三投影図形

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】