JP2018146403A - 温度センサ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】取付け角度等に起因する温度検知のばらつきを抑制できる温度センサ素子を提供する。【解決手段】直方体形状の絶縁基板２の主面２ａ上に白金を主成分とする抵抗パターン３と、抵抗パターン３の両端部に接続する一対の内部電極４が形成されており、これら内部電極４に接合されて外部に突出する一対のリード線５や抵抗パターン３上に形成された保護膜６を含めて、絶縁基板２の主面２ａ全体を覆うように表層ガラス膜７が形成されていると共に、この表層ガラス膜７が主面２ａに隣接する絶縁基板２の上側各面を覆う部位まで延びている。また、絶縁基板２の厚み寸法Ｔとリード線５の線径Ｄを足した寸法（Ｔ＋Ｄ）が絶縁基板２の短手方向に沿う幅寸法Ｗとほぼ同じに設定されており、センサ素子全体の厚み方向と幅方向の比が略１：１となるようになっている。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば吸気管を通過する吸入空気量を計測するエアフローセンサに用いる温度センサ素子に係り、特に、直方体形状の絶縁基板上に白金を主成分とする抵抗パターンが形成された平板型の温度センサ素子に関する。

ガソリンエンジン等の内燃機関では、吸気管内に設けられたエアフローセンサによって吸入空気量（吸気量）を測定し、これをエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）に電気信号として送ることにより、エンジンに吸入される空気量に応じて燃料を噴射する制御を行うようにしている。

エアフローセンサの検出方式には数種類あるが、その中でも吸気管内に白金素子（白金熱線）を配置した構造を持つホットワイヤー式（熱線式）と呼ばれるものが広く用いられている。かかるホットワイヤー式のエアフローセンサは、白金熱線に電流を流して自己発熱で温度を上昇させ、その発熱部に空気が当たって熱が奪われると、白金熱線の抵抗が変化することを利用したものであり、白金熱線を通る電流量を検出して通過する空気の量を測定するようになっている。

また、エアフローセンサの構造に着目して大別すると、巻線型素子と平板型素子の２つのタイプが知られている。巻線型素子としては、特許文献１に記載されているように、円柱状のセラミックパイプの両端部にリード線を固着すると共に、セラミックパイプの外周面に抵抗体としての白金ワイヤを巻き付け、この白金ワイヤの端部をリード線に接続するようにしたものが提案されている。

一方、平板型素子としては、特許文献２に記載されているように、直方体形状のアルミナ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端子取付電極を形成し、これら端子取付電極にそれぞれリード線を接合して外部に導出させ、抵抗パターンを保護膜で覆うようにしたものが提案されている。

特開平３−２６８３０２号公報 特開平１１−１２１２０７号公報

上述した巻線型のセンサ素子は、円柱状の外観形状を呈しているため、空気流に晒されたときの設置角度によってセンサ素子の投影面積は変化せず、空気流の乱れに起因する検出結果のばらつきを抑制できるが、白金ワイヤの巻線ピッチが安定しにくく、巻線の乱れが抵抗値のばらつきに直結するため、品質を安定させることが難しいという製造上の問題がある。

一方、上述した平板型のセンサ素子は、抵抗パターンをフォトリソグラフィにより高精度に形成することができるため、抵抗値にばらつきのない製品を容易に製造することができる。しかしながら、平板型のセンサ素子は角柱状の外観形状を呈しており、その断面形状が長方形であるため、空気流に晒されたときの設置角度によってセンサ素子の投影面積が大きく変化してしまい、設置状態によっては素子の周囲において空気流が大きく乱れ、温度の検知結果にばらつきが生じやすいという問題がある。

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、取付け角度等に起因する温度検知のばらつきを抑制できる温度センサ素子を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の温度センサ素子は、直方体形状の絶縁基板と、前記絶縁基板の主面上に形成された白金を主成分とする抵抗パターンと、前記抵抗パターンの両端部に接続する一対の内部電極と、一対の前記内部電極にそれぞれ接合されて前記絶縁基板の長手方向端部から外部へ突出するリード線と、前記抵抗パターンを覆う保護膜と、前記リード線を含めて前記絶縁基板の前記主面全体を覆う表層ガラス膜とを備え、前記表層ガラス膜は少なくとも前記主面に隣接する前記絶縁基板の上側各面を覆うように形成されており、前記絶縁基板の短手方向に沿う幅寸法をＷ、前記絶縁基板の厚み寸法をＴ、前記リード線の線径をＤとしたとき、これらの関係が（Ｔ＋Ｄ）≒Ｗに設定されていることを特徴としている。

このように構成された温度センサ素子では、絶縁基板の主面上に形成された抵抗パターンが保護膜によって覆われており、この保護膜やリード線を含めて絶縁基板の主面全体を覆う表層ガラス膜が少なくとも主面に隣接する絶縁基板の上側各面を覆っているため、直方体形状の絶縁基板の主面上に抵抗パターンを形成した平板型のセンサ素子でありながら、絶縁基板の主面を覆う表層ガラス膜がエッジ部のない丸みを帯びた断面形状となる。しかも、絶縁基板の厚み寸法Ｔとリード線の線径Ｄを足した寸法（Ｔ＋Ｄ）が絶縁基板の短手方向に沿う幅寸法Ｗとほぼ同じに設定されており、センサ素子全体の厚み方向と幅方向の比が略１：１になるため、空気流に晒されたときの設置角度が変化したとしても、センサ素子に当たる空気流に乱れが生じにくくなり、空気流の乱れに起因する検出結果のばらつきを抑制することができる。

上記構成の温度センサ素子において、絶縁基板の長手方向に沿う長さ寸法をＬとしたとき、リード線が寸法Ｌの１／６以上を内部電極に接合させていると、絶縁基板の長手方向の全長Ｌに占める一対のリード線の接合領域の割合が１／３以上となり、表層ガラス膜が絶縁基板の長手方向全体に亘って丸みを帯びた断面形状になり易くなる。

また、上記構成の温度センサ素子において、表層ガラス膜が主面に相対する裏面を含めて絶縁基板の全面を覆っていると、外表面の全てにエッジ部のない丸みを帯びた断面形状とすることができる。

本発明の温度センサ素子によれば、直方体形状の絶縁基板上に抵抗パターンを形成した平板型のセンサ素子でありながら、取付け角度等に起因する温度検知のばらつきを抑制することができる。

本発明の第１実施形態例に係る温度センサ素子の縦断面図である。 該温度センサ素子の横断面図である。 図１のIII−III線に沿う断面図である。 本発明の第２実施形態例に係る温度センサ素子の縦断面図である。 図１のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。

発明の実施の形態について図面を参照して説明すると、図１〜図３に示すように、本発明の第１実施形態例に係る温度センサ素子１は、直方体形状の絶縁基板２と、絶縁基板２の主面（表面）２ａにおける長手方向中央部に形成された抵抗パターン３と、この抵抗パターン３の両端部に接続するように絶縁基板２の主面２ａの長手方向両端部に形成された一対の内部電極４と、これら内部電極４上に接合されて絶縁基板２の外部へ突出する一対のリード線５と、抵抗パターン３を覆う保護膜６と、リード線５や保護膜６を含めて絶縁基板２の主面２ａ全体を覆う表層ガラス膜７とを備えて構成されている。

絶縁基板２はアルミナやジルコニア等からなるセラミックス基板であり、その長手方向に沿う長さ寸法をＬ、短手方向に沿う幅寸法をＷ、厚み寸法をＴとすると、図３に示すように、絶縁基板２の短手方向に沿った断面形状は幅寸法Ｗよりも厚み寸法Ｔが短い長方形となっている。

抵抗パターン３は白金を主成分（純度９９．９９％）とする薄膜抵抗膜であり、図２に示すように、この抵抗パターン３は絶縁基板２の主面２ａの中央部にミアンダ形状に形成されている。

一対の内部電極４は白金を含有（含有率は約８０％）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、その厚みが例えば１２μｍ〜２２μｍの薄膜電極となっている。

一対のリード線５は例えばニッケル芯線の白金被覆線であり、これらリード線５は対応する内部電極４上に溶接により接合されている。ここで、リード線５の線径をＤとすると、絶縁基板２の厚み寸法Ｔとリード線５の線径Ｄを足した寸法（Ｔ＋Ｄ）が絶縁基板２の短手方向に沿う幅寸法Ｗとほぼ同じ、すなわち（Ｔ＋Ｄ）≒Ｗの関係に設定されている。また、リード線５と内部電極４の接合部分の長さをＬ１とすると、Ｌ１は絶縁基板２の長さ寸法Ｌの１／６以上となっており、絶縁基板２の長手方向両端部で一対のリード線５がそれぞれ内部電極４に接合されているため、絶縁基板２の全長Ｌの１／３以上を一対のリード線５の接合領域が占有するようになっている。

保護膜６は結晶化ガラス等のガラス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、図２において保護膜６は図示省略されているが、この保護膜６は抵抗パターン３の全体を覆うように絶縁基板２の主面２ａ上に形成されている。

表層ガラス膜７は結晶化ガラス等のガラスペーストをディスペンサで塗布して乾燥・焼成させたものであり、この表層ガラス膜７は、一対のリード線５や保護膜６を含めて絶縁基板２の主面２ａ全体を覆っているだけでなく、主面２ａに隣接する絶縁基板２の上側各面（両端面と両側面）を覆う部位まで形成されている。これにより、主面２ａを包囲する絶縁基板２の上側４辺（２つの長辺と２つの短辺）のエッジ部が表層ガラス膜７によって覆われるため、図２に示すように、絶縁基板２の長手方向に沿った表層ガラス膜７の断面形状は両端部に丸みを帯びた扁平状となり、図３に示すように、絶縁基板２の短手方向に沿った表層ガラス膜７の断面形状は各頂部に丸みを帯びた三角形状となる。

ここで、絶縁基板２の主面２ａとリード線５の間に介在する内部電極４は厚みをほとんど無視できる薄膜電極であり、前述したように、絶縁基板２の厚み寸法Ｔとリード線５の線径Ｄを足した寸法（Ｔ＋Ｄ）が絶縁基板２の短手方向に沿う幅寸法Ｗとほぼ同じに設定されているため、表層ガラス膜７を含めたセンサ素子全体の厚み方向と幅方向の比は略１：１となる。

以上説明したように、第１実施形態例に係る温度センサ素子１は、絶縁基板２の主面２ａ上に白金を主成分とする抵抗パターン３と、抵抗パターン３の両端部に接続する一対の内部電極４が形成されており、これら内部電極４に接合されて外部に突出する一対のリード線５や抵抗パターン３上に形成された保護膜６を含めて、絶縁基板２の主面２ａ全体を覆うように表層ガラス膜７が形成されていると共に、この表層ガラス膜７が主面２ａに隣接する絶縁基板２の上側各面を覆う部位まで延びているため、直方体形状の絶縁基板２の主面２ａ上に抵抗パターン３を形成した平板型のセンサ素子でありながら、表層ガラス膜７の外表面をエッジ部のない丸みを帯びた断面形状にすることができる。しかも、絶縁基板２の厚み寸法Ｔとリード線５の線径Ｄを足した寸法（Ｔ＋Ｄ）が絶縁基板２の短手方向に沿う幅寸法Ｗとほぼ同じに設定されており、センサ素子全体の厚み方向と幅方向の比が略１：１になるため、空気流に晒されたときの設置角度が変化したとしても、センサ素子に当たる空気流に乱れが生じにくくなり、空気流の乱れに起因する検出結果のばらつきを抑制することができる。

また、第１実施形態例に係る温度センサ素子１では、リード線５が絶縁基板２の長さ寸法Ｌの１／６以上を対応する内部電極４に接合されており、絶縁基板２の全長Ｌの１／３以上を一対のリード線５の接合領域が占有するようになっているため、ディスペンサによって表層ガラス膜７の材料であるガラスペーストを塗布する際に、ガラスペーストが一対のリード線５間に形成された保護膜６上で凹状に窪んでしまうことを防止でき、絶縁基板２の長手方向全体に亘って丸みを帯びた断面形状の表層ガラス膜７を容易に形成することができる。

次に、本発明の第２実施形態例に係る温度センサ素子１０について、図４と図５を参照して説明する。なお、これら図４，５において、図１〜図３と対応する部分には同一符号を付すことで重複説明を適宜省略する。

第２実施形態例に係る温度センサ素子１０が第１実施形態例に係る温度センサ素子１と相違する点は、表層ガラス膜８が主面２ａに隣接する絶縁基板２の上側各面だけでなく、主面２ａに相対する裏面を含めて絶縁基板２の全面を覆うように形成されていることにあり、それ以外の構成は基本的に同じである。すなわち、絶縁基板２の主面２ａ全体を覆う表層ガラス膜８は、主面２ａだけでなく絶縁基板２の残り５面（２つの端面と２つの側面および底面）を全て覆うように形成されており、このような表層ガラス膜８によって、外表面の全てにエッジ部のない丸みを帯びた断面形状を有する温度センサ素子１０が実現されている。なお、このような形状の表層ガラス膜８は、例えば、ガラスペーストを複数回重ねて塗布することによって形成することができる。

このように構成された第２実施形態例に係る温度センサ素子１０においても、直方体形状の絶縁基板２の主面２ａ上に抵抗パターン３を形成した平板型のセンサ素子でありながら、表層ガラス膜８の外表面全体をエッジ部のない丸みを帯びた断面形状にすることができると共に、センサ素子全体の厚み方向と幅方向の比が略１：１になるため、空気流に晒されたときの設置角度が変化したとしても、センサ素子に当たる空気流に乱れが生じにくくなり、空気流の乱れに起因する検出結果のばらつきを抑制することができる。

１，１０ 温度センサ素子
２ 絶縁基板
２ａ 主面
３ 抵抗パターン
４ 内部電極
５ リード線
６ 保護膜
７，８ 表層ガラス膜

Claims (3)

1. 直方体形状の絶縁基板と、前記絶縁基板の主面上に形成された白金を主成分とする抵抗パターンと、前記抵抗パターンの両端部に接続する一対の内部電極と、一対の前記内部電極にそれぞれ接合されて前記絶縁基板の長手方向端部から外部へ突出するリード線と、前記抵抗パターンを覆う保護膜と、前記リード線を含めて前記絶縁基板の前記主面全体を覆う表層ガラス膜とを備え、
   前記表層ガラス膜は少なくとも前記主面に隣接する前記絶縁基板の上側各面を覆うように形成されており、前記絶縁基板の短手方向に沿う幅寸法をＷ、前記絶縁基板の厚み寸法をＴ、前記リード線の線径をＤとしたとき、これらの関係が、
   （Ｔ＋Ｄ）≒Ｗ
   に設定されていることを特徴とする温度センサ素子。
2. 請求項１の記載において、前記絶縁基板の長手方向に沿う長さ寸法をＬとしたとき、前記リード線は寸法Ｌの１／６以上を前記内部電極に接合させていることを特徴とする温度センサ素子。
3. 請求項１の記載において、前記表層ガラス膜は前記主面に相対する裏面を含めて前記絶縁基板の全面を覆っていることを特徴とする温度センサ素子。