特許 7445487 温度センサ素子

(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】

(24)【登録日】2024-02-28

(45)【発行日】2024-03-07

(54)【発明の名称】温度センサ素子

(51)【国際特許分類】

   G01K 7/18 20060101AFI20240229BHJP

【ＦＩ】

G01K7/18 B

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020055483

(22)【出願日】2020-03-26

(65)【公開番号】P2021156669

(43)【公開日】2021-10-07

【審査請求日】2023-02-09

(73)【特許権者】

【識別番号】000105350

【氏名又は名称】ＫＯＡ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000442

【氏名又は名称】弁理士法人武和国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】鐘ヶ江 敏志

(72)【発明者】

【氏名】三浦 克哉

【審査官】松山 紗希

(56)【参考文献】

【文献】実開平０５－０７７７３７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】中国特許出願公開第１１０８４０４１７（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０６５７８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－００８１６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－０４４００１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｋ １／００－１９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

セラミック基板と、前記セラミック基板の主面上に形成された蛇行形状の抵抗パターンと、前記抵抗パターンを覆う保護層とを備えた温度センサ素子において、
前記抵抗パターンは、蛇行形状の一端側に等間隔を存して並列配置された複数の円弧状の第１ターン部と、蛇行形状の他端側に等間隔を存して並列配置された複数の円弧状の第２ターン部と、対向する前記第１ターン部と前記第２ターン部との間を接続する直線状に延びる複数の主パターン部とを有しており、
前記第１ターン部と前記第２ターン部とが位相差をもった配列になっていると共に、隣り合う前記主パターン部の対向間距離が前記第１ターン部および前記第２ターン部の内径寸法を最大幅として徐々に狭くなっていることを特徴とする温度センサ素子。

【請求項2】

請求項１に記載の温度センサ素子において、前記抵抗パターンは、前記第１ターン部および前記第２ターン部のスペース幅を部分的に広くした幅広領域を有していることを特徴とする温度センサ素子。

【請求項3】

請求項２に記載の温度センサ素子において、前記幅広領域に前記第１ターン部と前記第２ターン部を接続する複数の副パターン部が形成されており、隣り合う前記副パターン部は対向間距離を一定にした平行配置になっていることを特徴とする温度センサ素子。

【請求項4】

請求項３に記載の温度センサ素子において、複数の前記主パターン部と複数の前記副パターン部が交互に配置されていることを特徴とする温度センサ素子。

【請求項5】

請求項１に記載の温度センサ素子において、隣り合う前記第１ターン部または前記第２ターン部間を並列に接続するトリミング用ターン部が形成されていることを特徴とする温度センサ素子。

【請求項6】

請求項５に記載の温度センサ素子において、前記トリミング用ターン部は隣り合う前記第１ターン部または前記第２ターン部間の全てに形成されていることを特徴とする温度センサ素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、自動車の排気温度測定やボイラの燃料制御等などに使用可能な温度センサ素子に係り、特に、１０００℃を超えるような超高温環境に対応可能な温度センサ素子に関する。

【背景技術】

【0002】

この種の温度センサ素子として、特許文献１に記載されているように、直方体形状のセラミック基板上に白金膜からなる抵抗パターンを形成すると共に、抵抗パターンの両端に接続する一対の電極を形成し、これら電極にそれぞれリード線を接合して外部に導出させ、抵抗パターンを絶縁性の保護層で覆うようにセラミック基板が知られている。

【0003】

特許文献１に記載の温度センサ素子では、抵抗パターンが蛇行形状（ミアンダ形状）に形成されており、セラミック基板上の限られた有効エリアに全長の長い抵抗パターンを形成することができるため、抵抗パターンの高抵抗化が図られるようになっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１３－６５７８４号公報

【文献】特開平２－２８１７０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載の温度センサ素子では、抵抗パターンを構成する感温膜として化学的に極めて安定している白金が用いられているため、高温用途に適したセンサとなっているが、例えば１０００℃を超えるような超高温環境に対応可能なセンサとして、抵抗パターンをさらに高抵抗化した感度の高い温度センサ素子が要望されている。

【0006】

抵抗パターンを高抵抗化する一手段として、抵抗パターンのターン部（折り返し部）を増やして全長を長くすることが考えられるが、その場合、セラミック基板上に抵抗パターンの形成エリアを広く確保する必要があるため、温度センサ素子全体が大型化して熱応答性の遅いセンサになってしまう。すなわち、抵抗パターンの高抵抗化を促進していくと、それに伴ってセラミック基板を大きくする必要があるため、温度センサ素子の高感度化と小型化を両立させることが難しいという課題がある。

【0007】

なお、特許文献２に記載されているように、セラミック基板の表裏両面に蛇行形状の抵抗パターンを形成し、これら抵抗パターンどうしをセラミック基板に設けたスルーホールにて導通させると共に、各々の抵抗パターンの端部に電極を設けた温度センサ素子も提案されている。

【0008】

しかし、特許文献２に記載の温度センサ素子では、セラミック基板の両面に抵抗パターンと電極をそれぞれ設けているため、放熱性の悪いセンサとなってしまい、ＴＣＲ変化に起因する測定誤差が発生しやすくなるという問題がある。

【0009】

本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、高感度化と小型化を両立させることができる温度センサ素子を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を達成するために、本発明の温度センサ素子は、セラミック基板と、前記セラミック基板の主面上に形成された蛇行形状の抵抗パターンと、前記抵抗パターンを覆う保護層とを備えた温度センサ素子において、前記抵抗パターンは、蛇行形状の一端側に等間隔を存して並列配置された複数の円弧状の第１ターン部と、蛇行形状の他端側に等間隔を存して並列配置された複数の円弧状の第２ターン部と、対向する前記第１ターン部と前記第２ターン部との間を接続する直線状に延びる複数の主パターン部とを有しており、前記第１ターン部と前記第２ターン部とが位相差をもった配列になっていると共に、隣り合う前記主パターン部の対向間距離が前記第１ターン部および前記第２ターン部の内径寸法を最大幅として徐々に狭くなっていることを特徴としている。

【0011】

このように構成された温度センサ素子では、蛇行形状の抵抗パターンの両端側に交互に折り返し形成された第１ターン部と第２ターン部とが位相差をもった配列になっていると共に、第１ターン部と第２ターン部間を直線状に接続する主パターン部の対向する隣接間距離が、第１ターン部および第２ターン部の内径寸法を最大幅として徐々に狭くなるように設定されているため、第１ターン部と第２ターン部をそれぞれ自身の内径寸法よりも狭いスペース幅で並列配置することができる。したがって、主パターン部の対向間距離を一定にした従来の温度センサ素子に比べると、セラミック基板上の抵抗形成エリア内に配列可能な抵抗パターンのターン部（折り返し部）を増やすことができ、換言すると、セラミック基板を大きくしなくても抵抗パターンの全長を長くすることが可能となるため、温度センサ素子の高感度化と小型化を両立させることができる。

【0012】

上記構成の温度センサ素子において、抵抗パターンは、第１ターン部および第２ターン部のそれぞれのスペース幅を全ての領域で幅狭に設定しても良いが、第１ターン部および第２ターン部のスペース幅を部分的に広くした幅広領域を有していると、幅広領域によって抵抗パターン全体の放熱性を高めることができる。

【0013】

この場合において、幅広領域に第１ターン部と第２ターン部を接続する複数の副パターン部が形成されており、隣り合う副パターン部が対向間距離を一定にした平行配置になっていると、幅広領域に形成された副パターン部とそれ以外の領域に形成された主パターン部とが、延出方向の角度を異にするだけでほぼ同様の配列形態となるため、セラミック基板上の限られた有効エリア内に数多くの主パターン部と副パターン部を形成することができる。

【0014】

その際、複数の主パターン部と複数の副パターン部が交互に配置されていると、主パターン部からの発熱が副パターン部の幅広領域を介して分散されるため、抵抗パターン全体の放熱性を効果的に高めることができる。

【0015】

また、上記構成の温度センサ素子において、隣り合う第１ターン部または第２ターン部間を並列に接続するトリミング用ターン部が形成されていると、抵抗パターンの抵抗値を調整することができて好ましい。

【0016】

この場合において、トリミング用ターン部は隣り合う第１ターン部または第２ターン部間の一部に形成されていても良いが、隣り合う第１ターン部または第２ターン部間の全てにトリミング用ターン部が形成されていると、抵抗値調整の範囲を広げることができる。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、高感度化と小型化を両立させることが可能な温度センサ素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】実施形態に係る温度センサ素子の外観斜視図である。

【図2】図１のII－II線に沿う断面図である。

【図3】該温度センサ素子に備えられる抵抗パターンの配列状態を示す平面図である。

【図4】該抵抗パターンの要部を示す説明図である。

【図5】該抵抗パターンの要部を示す説明図である。

【図6】図３のＡ部の拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１～図３に示すように、本発明の実施形態に係る温度センサ素子１は、直方体形状のセラミック基板２と、セラミック基板２の主面（表面）に形成された抵抗パターン３と、抵抗パターン３の両端部に接続するようにセラミック基板２の主面に形成された一対の電極４と、抵抗パターン３を覆う絶縁性の保護層５と、一対の電極上に接合されてセラミック基板２の外部へ突出するリード線６とを備えて構成されている。

【0020】

セラミック基板２はアルミナ純度９６％以上のアルミナ基板であり、このセラミック基板（アルミナ基板）２には、主成分であるアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）にＳｉＯ２やＭｇＯ等の焼結助剤が添加されている。

【0021】

抵抗パターン３は白金（Ｐｔ）を主成分とする薄膜抵抗膜であり、この抵抗パターン３はＰｔをスパッタしてパターニングすることにより、セラミック基板２の主面上に蛇行形状（ミアンダ形状）に形成されている。また、抵抗パターン３は、蛇行形状に形成された本体部３ａの他に、梯子形状にパターニングされた微調整用のトリミング部３ｂを有している。詳細については後述するが、本体部３ａには粗調整用のトリミング用ターン部３ｃが形成されており、これらトリミング部３ｂとトリミング用ターン部３ｃを用いて、抵抗パターン３の抵抗値を高精度に調整できるようになっている。

【0022】

一対の電極４は白金を主成分とする電極ペーストをスクリーン印刷して乾燥・焼成させたものであり、一方の電極４は本体部３ａの端部に接続され、他方の電極４はトリミング部３ｂの端部に接続されている。また、一対のリード線６は例えば白金を主とするリード線等であり、これらリード線６は対応する電極４上に溶接により接合されている。

【0023】

保護層５は、抵抗パターン３を覆うようにセラミック基板２上に順次形成されたアンダーコート層５ａと中間層５ｂおよびオーバーコート層５ｃの３層構造からなる。アンダーコート層５ａと中間層５ｂは、白金を含有するアルミナペーストをスクリーン印刷して乾燥・焼成させたものであり、中間層５ｂよりアンダーコート層５ａの方が白金の含有率は高めに設定されている。オーバーコート層５ｃはアルミナペーストをスクリーン印刷して乾燥・焼成させたものであり、オーバーコート層５ｃに白金は含有されていない。

【0024】

このようにアルミナを材料とする３層構造の保護層５は高温用途に適した保護層となっているが、これに限定されず、例えばアルミナ材料からなる２層構造の保護層としたり、ガラス材料とアルミナ材料を用いた保護層であっても良い。

【0025】

次に、図３～図６に基づいて、抵抗パターン３の構成について詳細に説明する。図４は抵抗パターン３に形成された本体部３ａの要部を示す説明図であり、図４に示すように、抵抗パターン３の本体部３ａは、蛇行形状の一端側（Ｘ２側）に配置された複数の円弧状の第１ターン部１０ａと、蛇行形状の他端側（Ｘ１側）に配置された複数の円弧状の第２ターン部１０ｂと、対向する第１ターン部１０ａと第２ターン部１０ｂ間を接続する複数の主パターン部１０ｃとを有している。なお、理解を容易にするために、図４において、主パターン部１０ｃの長さはＸ１－Ｘ２方向に短縮した状態で示してある。

【0026】

複数の第１ターン部１０ａは、Ｙ１－Ｙ２方向に沿って一定のスペース幅Ｓ１を存して並列配置されており、複数の第２ターン部１０ｂも、Ｙ１－Ｙ２方向に沿って一定のスペース幅Ｓ１を存して並列配置されている。これら第１ターン部１０ａと第２ターン部１０ｂの内径は全て寸法Ｌ１に設定されているが、第１ターン部１０ａと第２ターン部１０ｂは、Ｙ１－Ｙ２方向に位相差をもった配列となっている。

【0027】

このような第１ターン部１０ａと第２ターン部１０ｂの位相差をもった配列により、第１ターン部１０ａと第２ターン部１０ｂ間を接続する複数の主パターン部１０ｃは平行配列とならず、延出方向を交互に逆向きにした傾斜配列となっている。具体的に説明すると、図４の上から５番目と６番目で隣り合う２本の主パターン部１０ｃの対向間距離は、Ｘ２方向の端部において第１ターン部１０ａと第２ターン部１０ｂの内径寸法Ｌ１である最大幅となり、そこからＸ１方向に向かって徐々に狭くなり、Ｘ１方向の端部において第１ターン部１０ａと第２ターン部１０ｂのスペース幅Ｓ１である最小幅となる。また、図４の上から６番目と７番目で隣り合う２本の主パターン部１０ｃの対向間距離は、Ｘ１方向の端部において第１ターン部１０ａと第２ターン部１０ｂの内径寸法Ｌ１である最大幅となり、そこからＸ２方向に向かって徐々に狭くなり、Ｘ２方向の端部において第１ターン部１０ａと第２ターン部１０ｂのスペース幅Ｓ１である最小幅となる。

【0028】

したがって、主パターン部１０ｃの対向間距離を一定にした平行配列に比べると、セラミック基板２上の抵抗形成エリア内に配列可能な抵抗パターン３の折り返し部（第１ターン部１０ａと第２ターン部１０ｂ）の数を増やすことができ、換言すると、セラミック基板２を大きくしなくても抵抗パターン３の全長を長くすることが可能になる。

【0029】

図５に示すように、本実施形態に係る温度センサ素子１では、抵抗パターン３の本体部３ａが第１ターン部１０ａと第２ターン部１０ｂのスペース幅Ｓ１を部分的に広くした幅広領域Ｗ１を有している。この幅広領域Ｗ１内には、第１ターン部１０ａと第２ターン部１０ｂを接続する複数の副パターン部１０ｄが形成されており、Ｙ１－Ｙ２方向に沿って隣り合う２本の副パターン部１０ｄは対向間距離を一定にした平行配置になっている。すなわち、副パターン部１０ｄはＸ１－Ｘ２方向に沿って平行に延びるパターンであり、隣り合う副パターン部１０ｄの対向間距離は第１ターン部１０ａや第２ターン部１０ｂの内径寸法Ｌ１と同じになっている。

【0030】

図３に示すように、本実施形態に係る抵抗パターン３の本体部３ａでは、幅広領域Ｗ１に形成された副パターン部１０ｄとそれ以外の領域に形成された主パターン部１０ｃとをＹ１－Ｙ２方向に沿って交互に配列した構成になっている。これにより、集約的に配置された主パターン部１０ｃからの発熱が副パターン部１０ｄの幅広領域Ｗ１によって放熱されるため、抵抗パターン全体の放熱性を効果的に高めることができる。ただし、必ずしも主パターン部１０ｃと副パターン部１０ｄを交互に配列しなくても良く、蛇行形状に形成された抵抗パターン３の一部に、第１ターン部１０ａと第２ターン部１０ｂのスペース幅Ｓ１を部分的に広くした幅広領域Ｗ１が形成されていれば、抵抗パターン３全体の放熱性を高めることができる。また、幅広領域Ｗ１に形成される副パターン部１０ｄは、Ｘ１－Ｘ２方向に沿って平行に延びる複数本の平行パターンに限らず、斜め方向に延びる１本の副パターン部１０ｄであっても良い。

【0031】

図６は図３のＡ部の拡大図であり、図６に示すように、抵抗パターン３の本体部３ａには、Ｙ１－Ｙ２方向に沿って隣り合う第１ターン部１０ａ間を並列に接続するトリミング用ターン部３ｃが形成されている。本実施形態において抵抗パターン３の抵抗値を調整する場合、図３に示すトリミング用ターン部３ｃにレーザ光を照射して切断することにより、目標抵抗値よりも低い抵抗値に粗調整した後、梯子形状のトリミング部３ｂにレーザ光を照射して切断することにより、抵抗値を切り上げて目標抵抗値に一致するように微調整するようになっている。

【0032】

すなわち、図６の矢印αで示すように、トリミング用ターン部３ｃの切断前において、電流は所定の第１ターン部１０ａからトリミング用ターン部３ｃを通って隣の第１ターン部１０ａまで短経路で流れるが、図６の矢印βで示すように、トリミング用ターン部３ｃが切断されると、電流は所定の第１ターン部１０ａから副パターン部１０ｄに流れた後、第２ターン部１０ｂで折り返してから隣の第１ターン部１０ａに至るため、その分だけ電気長が長くなって抵抗パターン３の抵抗値を上昇させることができる。なお、図３に示すように、本実施形態では、トリミング用ターン部３ｃが隣り合う副パターン部１０ｄ間に形成されているが、このようなトリミング用ターン部３ｃを隣り合う主パターン部１０ｃ間に形成しても良く、あるいは、隣り合う主パターン部１０ｃ間と副パターン部１０ｄ間の全てに形成しても良い。

【0033】

以上説明したように、本実施形態に係る温度センサ素子１では、蛇行形状の抵抗パターン３の両端側に交互に折り返し形成された円弧状の第１ターン部１０ａと第２ターン部１０ｂとが位相差をもった配列になっていると共に、これら第１ターン部１０ａと第２ターン部１０ｂ間を接続する主パターン部１０ｃの対向する隣接間距離が、第１ターン部１０ａや第２ターン部１０ｂの内径寸法Ｌ１を最大幅として徐々に狭くなるように設定されているため、第１ターン部１０ａと第２ターン部１０ｂをそれぞれ自身の内径寸法Ｌ１よりも狭いスペース幅Ｓ１で並列配置することができる。

【0034】

したがって、主パターン部１０ｃの対向間距離を一定にした温度センサ素子に比べると、セラミック基板２上の抵抗形成エリア内に配列可能な抵抗パターン３のターン部（折り返し部）を増やすことができ、換言すると、セラミック基板２を大きくしなくても抵抗パターン３の全長を長くすることが可能となり、温度センサ素子１の高感度化と小型化を両立させることができる。しかも、第１ターン部１０ａと第２ターン部１０ｂの内径寸法Ｌ１を大きく維持したまま抵抗パターン３の高抵抗化を実現でき、第１ターン部１０ａと第２ターン部１０ｂの小径化に伴う電流密度の上昇もないため、エレクトロマイグレーションの発生を抑制することができる。

【0035】

また、本実施形態に係る温度センサ素子１では、抵抗パターン３が第１ターン部１０ａと第２ターン部１０ｂのスペース幅Ｓ１を部分的に広くした幅広領域Ｗ１を有しているため、幅広領域Ｗ１によって抵抗パターン３全体の放熱性を高めることができる。しかも、この幅広領域Ｗ１に第１ターン部１０ａと第２ターン部１０ｂを接続する複数の副パターン部１０ｄが形成されており、隣り合う２本の副パターン部１０ｄが対向間距離を一定にした平行配置になっているため、幅広領域Ｗ１に形成された副パターン部１０ｄとそれ以外の領域に形成された主パターン部１０ｃとが、延出方向の角度を異にするだけでほぼ同様の配列形態となり、セラミック基板２上の限られた有効エリア内に数多くの主パターン部１０ｃと副パターン部１０ｄを集約的に形成することができる。

【0036】

また、本実施形態に係る温度センサ素子１では、隣り合う第１ターン部１０ａ間を並列に接続するトリミング用ターン部３ｃが形成されているため、このトリミング用ターン部３ｃを切断することによって、抵抗パターン３の抵抗値を調整することができる。しかも、抵抗パターン３は、トリミング用ターン部３ｃだけでなく粗調整用のトリミング部３ｂを有しているため、これらトリミング部３ｂとトリミング用ターン部３ｃを用いて抵抗パターン３の抵抗値を高精度に調整することができる。

【0037】

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、幅広領域Ｓ１を省略し、第１ターン部１０ａと第２ターン部１０ｂのスペース幅Ｓ１を全ての領域で幅狭に設定しても良く、また、トリミング用ターン部３ｃを第１ターン部１０ａ側の代わりに第２ターン部１０ｂ側に形成しても良い。

【符号の説明】

【0038】

１ 温度センサ素子
２ セラミック基板
３ 抵抗パターン
３ａ 本体部
３ｂ トリミング
３ｃ トリミング用ターン部
４ 電極
５ 保護層
６ リード線
１０ａ 第１ターン部
１０ｂ 第２ターン部
１０ｃ 主パターン部
１０ｄ 副パターン部
Ｓ１ スペース幅
Ｗ１ 幅広領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】