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JP2025110049A - 温度センサ及び回転電機 - Google Patents

温度センサ及び回転電機

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JP2025110049A
JP2025110049A JP2024003750A JP2024003750A JP2025110049A JP 2025110049 A JP2025110049 A JP 2025110049A JP 2024003750 A JP2024003750 A JP 2024003750A JP 2024003750 A JP2024003750 A JP 2024003750A JP 2025110049 A JP2025110049 A JP 2025110049A
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JP
Japan
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pair
temperature sensor
lead frames
inner layer
lead frame
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Application number
JP2024003750A
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English (en)
Inventor
守富 濱田
Moritomi Hamada
宏基 宮▲崎▼
Hiroki Miyazaki
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Shibaura Electronics Co Ltd
Original Assignee
Shibaura Electronics Co Ltd
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Abstract

【課題】感熱部分の厚さを例えば1mm以下にできるのに加えて、検出温度の精度を担保できる温度センサを提供すること。
【解決手段】感熱体(11)と、感熱体(11)に電気的に接続される一対の第1電線(13)と、を備えるセンサ素子(10)と、
一対の第1電線(13)のそれぞれと電気的に接続される一対のリードフレーム(30)と、
一対のリードフレーム(30)のそれぞれに電気的に接続される第2電線(20)と、
センサ素子およびリードフレーム(30)の全体、ならびに、第2電線(20)の一部を封止する、樹脂材料からなる被覆体(40)と、を備える。
少なくとも一方のリードフレーム(30)は、感熱体(11)よりも前方(F)に延出されるとともに、延出される部位において、他方のリードフレーム(30)に向かう突出部(33)を備える、温度センサ(1)。
【選択図】図2

Description

本発明は、温度センサ及び車両等に用いられる回転電機に関する。
温度センサは種々の用途に用いられ、その中で厚さ方向の寸法の小さい薄型の温度センサの要求がある。薄型の温度センサは、例えば、狭隘な空間に挿入して用いられる。
特許文献1は、厚さ寸法を薄くし、被測温物との接触面積を広くすることが可能で、温度検出精度を向上できる薄型の温度センサを開示する。特許文献1の温度センサは、一対のシート状で樹脂材料の内層材を硬化または凝固させた内層と、一対のシート状で樹脂材料の両面が平坦である外層材によって形成された状態の外層と、を備える。特許文献1の温度センサは、サーミスタ素子、引出し線および引出し線とリード線との接続部位は、内層に被覆されるとともに、一対の外層の間に挟まれて被覆されており、かつ一対の外層の表面は感熱体としてのサーミスタ素子、引出し線および引出し線とリード線との接続部位に対応する部位を含めて平坦状である。特許文献1における内層および外層の厚さは、一例として内層が1mm~1.25mm、外層が0.25mm×2(枚)=0.5mmとされる。そして、特許文献1によれば、可撓性を有していて湾曲が可能な、厚さが1.5mm程度の温度センサが提供される。
特許第6606308号公報
例えば特許文献1に開示される1.5mmよりも薄型の温度センサの要求があるが、単に薄くしただけでは温度センサとして必要とされる検出温度の精度を担保する必要がある。そこで、本発明は、感熱部分の厚さを例えば1mm以下にできるのに加えて、検出温度の精度を担保できる温度センサを提供することを目的とする。
本発明の温度センサは、
互いに間隔を隔てて配置される一対のリードフレームと、
感熱体と、感熱体に電気的に接続される一対の第1電線と、を備えるセンサ素子と、
一対のリードフレームのそれぞれに電気的に接続される第2電線と、
前記センサ素子および前記リードフレームの全体、ならびに、前記第2電線の一部を封止する、樹脂材料からなる被覆体と、を備える。
少なくとも一方のリードフレームには、他方のリードフレームに向かう突出部を備える。
本発明の温度センサにおいて、好ましくは、
一対の第1電線のそれぞれは、一端側において一対の前記リードフレームのそれぞれと接続部位において電気的に接続され、
突出部は、接続部位よりもリードフレームの他端側に形成されている。
本発明の温度センサにおいて、好ましい突出部は、
リードフレームの他端にも形成される。
本発明の温度センサにおいて、好ましい突出部は、一対のリードフレームの双方に形成される。
本発明の温度センサにおいて、一対のリードフレームは、第1の方向に沿って配置され、かつ、第1の方向と直交する第2の方向に間隔を隔てて配置され、
好ましい一対のリードフレームのそれぞれは、
第2の方向の外側に向けて後退する幅狭部と、
幅狭部よりも第2の方向の寸法が大きく、幅狭部よりも後方に連なる第1幅広部と、
幅狭部よりも第2の方向の寸法が大きく、幅狭部よりも前方に連なる突出部をなす第2幅広部と、を備え、
感熱体は、第2の方向における一対の幅狭部の間に配置される。
本発明の温度センサにおいて、好ましい一対の第1電線は、
一対の第1幅広部のそれぞれに電気的に接続される。
本発明の温度センサにおいて、好ましい被覆体は、
センサ素子およびリードフレームが設けられる第1部分と、
一対の第2電線が設けられる第2部分と、を備え、
第1部分および第2部分がともに平坦状をなし、かつ、第1部分の厚さ方向の寸法が第2部分よりも小さく、
第1部分と第2部分は、
厚さ方向の一方の側が平面をなし、
厚さ方向の他方の側が、段差を有する。
本発明の温度センサにおける好ましい被覆体は、
第1部分の肉厚が1.0mm未満である。
本発明の温度センサにおける好ましい被覆体は、
センサ素子、リードフレームおよび一部の第2電線を直に封止する内層材からなる内層と、
内層を覆い、内層材よりも融点の高い外層材からなる外層と、を備え、
内層は、溶着された内層材からなり、
外層は、前方において外層材のままで連なり、かつ、内層に貼り付けられている。
本発明の温度センサにおける好ましい内層材は、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PFA(パーフルオロアルコキシアルカン)およびFEP(パーフルオロエチレン-プロペンコポリマ)の少なくとも一種からなり、
外層材は、ポリイミド(PI)からなる。
本発明は、以上のいずれかからなる温度センサを備える、回転電機を提供する。
本発明によれば、感熱部分の厚さを1mm以下にできるのに加えて、検出温度の精度を担保できる温度センサを提供できる。
実施形態に係る温度センサを示す斜視図である。 実施形態に係る温度センサを示す平面図(FV)および底面図(BV)である。 実施形態に係るセンサ素子10を示す平面図(FV)および側面図(SV)である。 図1のIV-IV線における温度センサの一部断面の側面図である。 実施形態に係るリードフレーム(30)をおよび第2電線(20)を示す図である。 実施形態に係るセンサ接続体を示す平面図であり、リードフレームの間隔と第1電線の寸法の関係を説明する図である。 実施形態において、センサ素子および第2電線をリードフレームに接続する手順を示す図である。 実施形態において、センサ接続体に被覆体を設ける手順を示す図である。 被覆体を得る樹脂フィルムを示す、図8のX-X線に相当する部分の断面図である。 実施形態に係るセンサ接続体を示す平面図であり、印加される応力とリードフレームの関係を説明する図である。 実施形態に係る被覆体の変形例を示す図である。 実施形態に係るセンサ接続体の変形例を示す図である。 実施形態に係る温度センサの変形例を示す図である。 実施例に用いたリードフレームを示す平面図である。 実施例による引張応力の測定結果を示す表である。
[温度センサ1の全体構成:図1~図3]
以下、添付図面を参照しながら、実施形態に係る温度センサ1について説明する。
図1に示すように、温度センサ1は、後述するセンサ素子10(図1中不図示)と、このセンサ素子10が配置される第1部分3と、第2電線20が配置される第2部分5と、第1部分3と第2部分5とに連なる傾斜4とを備える偏平な被覆体40からなる。第1部分3と第2部分5とはともに平坦状をなすが厚さ方向Tの寸法が異なる。このため、傾斜4は、第1部分3と第2部分5との間に段差を形成する。温度センサ1は、温度検出に直接的にかかわる第1部分3の厚さを1mm以下にできるので、狭隘なスペースに臨む検出対象物の温度を検出できる。また、温度センサ1は、第1部分3に剛性および弾性を持たせることにより、温度センサ1として必要な剛性を有するとともに、第1部分3を検出対象物に押し付けることができる。
以下、温度センサ1において、長さ方向(第1の方向)L、幅方向W(第2の方向)および厚さ方向Tが図1および後述する図2に示される通りに定義される。長さ方向(第1の方向)Lと幅方向W(第2の方向)とは直交する。また、温度センサ1において、長さ方向Lのうち感熱体11が設けられる側が前または前方(F)と定義され、第2電線20が引き出される側が後または後方(R)と定義されるものとし、傾斜4が形成される側をおもて面、おもて面に対向する面がうら面と定義される。
以下、温度センサ1の構成を説明し、その後に温度センサ1の作用および効果に言及する。
図2に示すように、温度センサ1は、センサ素子10と、センサ素子10の一対の第1電線13,13のそれぞれとリードフレーム30,30を介して電気的に接続される一対の第2電線20,20と、一対の第1電線13,13のそれぞれと電気的に接続され、かつ、一対の第2電線20,20のそれぞれと電気的に接続される一対のリードフレーム30,30と、を備える。また、温度センサ1は、センサ素子10、一対のリードフレーム30,30の全体および第2電線20の一部の周囲を覆う偏平な被覆体40と、を備える。ここで、周囲を覆うとは、表裏の両面に加えて平面視したときの周縁も覆われることをいう。
[センサ素子10:図3参照]
センサ素子10は、直方体状に形成され、対象物の温度を検出する感熱体11と、感熱体11の対向する二面のそれぞれに形成される電極12,12と、電極12,12を介して感熱体11に電気的に接続される一対の第1電線13,13と、感熱体11、電極12,12、一対の第1電線13,13の電極12,12との接続部分側の一部とを覆う封止体16と、を備える。センサ素子10は、温度センサ1の第1部分3に配置され、かつ、被覆体40の内部に封止される。
感熱体11は、温度変化によって電気抵抗値が変化する特性を有する金属酸化物または金属が用いられる。感熱体11に一対の第1電線13,13を介して電流を流しながら感熱体11の電極12,12の間の電圧を測定し、オームの法則(E=IR)から抵抗値を求め、温度を検出する。
金属酸化物としてはサーミスタ(Thermistor:Thermally Sensitive Resistor)が好適に用いられ、典型的には負の温度係数を有するNTCサーミスタ(Negative Temperature Coefficient Thermistor)が用いられる。金属としては白金(例えば、Pt100;JIS-C1604)が好適に用いられる。
電極12は、感熱体11と第1電線13,13を電気的に接続するものであり、好ましくは金、白金などの貴金属で構成される。
第1電線13,13は、感熱体11に一定の電流を流すための導電線であり、その一端13aが感熱体11の電極12に接続され、他端13bが後述する一対のリードフレーム30,30に接続される。この第1電線13,13には、電気伝導度の高い金属材料、典型的には銅が用いられる。第1電線13にはジュメット線(Dumet Wire)が好適に用いられる。ジュメット線とは、鉄-ニッケル合金からなる内層と銅からなる外層とをクラッドした複合線をいう。
一対の第1電線13,13は、長さ方向Lの後方(R)へ向けて延出されている。そして、この一対の第1電線13,13は、他端13b,13bの幅方向Wの間隔が後方(R)へ向けて広がっている。なお、本実施の形態においては、一対の第1電線13,13同士の間隔が後(R)側に向かうにつれて広がる場合を例示しているが、後述する一対の第1電線13,13とリードフレーム30,30とが溶接等により接続することができればこの形状に限定されない。例えば、第1電線13,13同士が一端13a側においては平行に延出されていて、他端13b,13bとその近傍のみが幅方向へ直角に折り曲げられてリードフレーム30,30に接続されるようにしても良い。
封止体16は、感熱体11を取り囲んで気密状態に封止することによって、感熱体11に化学的な変化および物理的な変化が生ずるのを抑えるために設けられる。封止体16の材料にはガラスが用いられるのが好ましいが、温度センサ1を使用する環境によっては樹脂材料を用いることもできるし、封止体16を省くこともできる。特に、第1電線13,13にジュメット線が用いられる場合には、鉄-ニッケル合金の線膨張係数はガラスに近似するので、封止体16にガラスを用いれば、第1電線13,13の熱膨張による封止体16の破損を防止することができる。
なお、封止体16の形状は、好ましい形態として紡錘形状を例示しているが、球状などの他の形状でもよい。
薄型の温度センサ1を得るために、センサ素子10には寸法の小さい素子が用いられる。
厚さが1mm以下の温度センサ1を得るには、第1電線13の線径D13、感熱体11を含む封止体16の短軸SAおよび長軸LAは、一例として以下の範囲から選択される。封止体16において第1部分3の厚さに関与する短軸SAの寸法が
第1電線13:
線径D13;0.07~0.15mm,好ましくは0.10~0.12mm
封止体16:
短軸SA;0.4~0.8mm,好ましくは0.45~0.65mm
長軸;0.8~1.4mm,好ましくは0.9~1.3mm
[第2電線20:図2参照]
一対の第2電線20,20は、第1電線13,13に電流を流すとともに外部と電気的に接続するための電線である。
第2電線20は、芯線21と、芯線21の周囲を覆う電気的な絶縁性を有する被覆層23と、を備えている。
芯線21には、単線および複数の細い導体を撚った撚線のいずれも採用できるが、可撓性が高く、折り曲げやすい撚線を用いるのが好ましい。芯線21の材質には、その目的を達成できる限り問われないが、好ましくは導電性の優れた銅、銅合金が用いられる。
被覆層23は、電気的な絶縁性を有する樹脂材料から構成される。詳しくは後述するが、被覆体40が加熱による溶着で形成される場合は、フッ素樹脂を用いることが好ましい。フッ素樹脂は、撥水・撥油性、耐薬品性、電気絶縁性に優れる。フッ素樹脂としては、例えば、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PFA(パーフルオロアルコキシアルカン)およびFEP(パーフルオロエチレン-プロペンコポリマ)等がある。PTFE、PFAおよびFEPの融点は、それぞれ327℃、310℃および260℃であり、被覆体40を構成する樹脂材料を溶着する際の加熱温度に応じて適宜選択される。例えば、被覆体40の溶着が300℃を超える温度で行われる場合には、被覆層23をPTFE、PFAで構成することが好ましい。
第2電線20は、温度センサ1の第2部分5に位置している。そのため、第2電線20の線径は、感熱部分である第1部分3の厚さには関与しないため、その線径は任意である。しかしながら、第1電線13に電流を流すのに加えて折り曲げなどに対する強度も必要であることから、芯線21の線径は、第1電線13よりも相当程度に大きくする必要がある。そこで、芯線21の線径は、一例として、0.5~1.5mmの範囲から選択される。なお、この範囲の線径の芯線21と第1電線13とを直に電気的に接続することは容易ではない。そこで、第1電線13は、リードフレーム30を介して第2電線20と電気的に接続されている。
[リードフレーム30:図5,図6参照]
リードフレーム30は、第1電線13と第2電線20とを電気的に接続する電気的機能に加えて,第1部分3に剛性、弾性などの機械的機能を付与する。つまり、温度センサ1において、リードフレーム30は二つの機能を発揮する。リードフレーム30は、第1部分3にも配置されるため、その厚さが0.05~0.15mm、特に温度センサ1の厚さが0.1mm以下の薄型に対応する場合には、0.05~0.1mmの範囲から選択される。
リードフレーム30は、導電性を有する板状の金属材料から構成される。導電性が重視される場合には銅、銅合金が好適に採用され、機械的特性が重視される場合には鋼、とりわけステンレス鋼が好適に採用される。なお、概略の値であるがヤング率を比較すると、銅が130GPa、鋼が200GPaおよびPTFEが400MPaであり、金属材料の機械的特性の優位性が容易にわかる。
本実施形態における一対のリードフレーム30,30は互いに平行に配置される例が示されているが、両者の間隔が確保されている限り、互いに傾いていてもよい。
リードフレーム30は、所望の板厚を有する金属板を打ち抜き加工することで作製される。
このリードフレーム30は、第2電線20と接続される側の第1幅広部31と、第1幅広部31に連なる幅狭部32と、幅狭部32に連なる第2幅広部33と、を備えている。
第1幅広部31と第2幅広部33は同じ幅方向Wの寸法W31,33を有している。幅狭部32は、幅方向Wの寸法W32が第1幅広部31および第2幅広部33よりも小さく、かつ、幅方向Wの一方の縁34が直線をなしている。これにより、他方の縁35が幅方向Wに凹凸を有し、凹み39を構成する。後述するように、センサ素子10の感熱体11は、この一対のリードフレーム30,30の凹み39,39の間に配置される。第1幅広部31と第2幅広部33を比べると、第2幅広部33の長さ方向Lの寸法は、第1幅広部31よりも長さ方向Lの寸法よりも小さい。なお、第1幅広部31、幅狭部32および第2幅広部33の厚さ方向Tの寸法は同じである。
リードフレーム30は、無垢の金属材料で構成されてもよく、めっきなどの表面処理が施されてもよい。
[被覆体40:図4,図2参照]
被覆体40は、センサ素子10、一対のリードフレーム30,30、および、第2接続部位SC2を含む第2電線20の一部を覆い、かつ、内部を封止する。被覆体40を設けることにより、センサ素子10に対する耐液性能および電気的な絶縁性能を確保する。被覆体40は、検出温度に対して物性が安定している耐熱性を有していることが要求される。第1部分3における被覆体40は、樹脂材料からなるフィルムを用いて形成されることにより、厚さが1mm以下、好ましくは0.7mm以下という薄型を実現できる。被覆体40は、同じ材質からなる一つの層から構成することができるが、より高い耐液性能および電気的な絶縁性能を確保するために、複数、例えば内層および内層を覆う外層の二層から構成することができる。以下、被覆体40が内層41および外層43の二層からなる例について図4を参照して説明する。
なお、耐液性能とは、水、油などの液体が温度センサ1の内部へ浸入するのを防ぐ尺度をいう。また、以下において、センサ素子10、一対のリードフレーム30,30、および、第2接続部位SC2を含む第2電線20をセンサ素子10等と略称する。
<内層41について>
内層41は、センサ素子10等を直に覆い、かつ、センサ素子10等を封止することで、専ら耐液性能を確保する。内層41は、好ましくは、フィルム状の樹脂材料を溶着して封止構造を形成しており、センサ素子10等がない部分、例えば一対のリードフレーム30,30の間は当該樹脂材料で占められている。
JIS K 6900によれば、樹脂材料について、フィルムとは厚さが0.25mm未満の膜状のものと定義され、シートとは厚さが0.25mm以上の板状のものと定義されているが、本実施形態におけるフィルムはシートを含むものとして扱う。ただし、本実施形態の薄型という目的に反する厚さ、例えば1.0mmを越える厚さのシートを含む意味ではない。
内層41は、好ましくは、前述したフッ素樹脂材料の少なくとも一種から構成される。溶着により内層41が形成される場合には、溶融粘度が他のフッ素樹脂よりも低いFEPを用いることが好ましい。そうすることにより、内層41はセンサ素子10などを緻密に封止することができる。なお、内層41を形成するのにFEPを用いる場合には、第2電線20の被覆層23にはFEPよりも融点の高いPTFEを用いることが好ましい。
薄型の温度センサ1を得ることができる限り、内層41の厚さは任意であるが、一例として0.2~0.5mmの範囲の厚さが選択される。
内層41は、幅方向Wの両側においては、溶着される内層41だけにより外部に対して封止がなされる。一方、第2電線20が引き出される後Rの側においては、溶着される内層41だけにより外部に対して封止される部分と、内層41が第2電線20の被覆層23の周囲を封止する部分とがある。この内層41が第2電線20の被覆層23の周囲を封止する部分における被覆層23と内層41の境界部分は、内層41だけで封止される部分よりも耐液性能について懸念がある。しかし、被覆層23と内層41がともに樹脂材料で構成されると、金属材料を樹脂材料で封止するのに比べて溶着による高い接合強度が得られるので、耐液性能が確保されやすい。すなわち、樹脂材料の線膨張係数と金属材料の線膨張係数とを比較すると、樹脂材料の線膨張係数の方が金属材料の線膨張係数よりも数倍程度大きいので、例えば、この温度センサ1が頻繁な温度変化が繰り返されるような環境下で使用されると、樹脂材料と金属材料の境界部分には微小な隙間が生じやすい。これに対して樹脂材料同士の接合部分においては、線膨張係数が比較的に近いため、樹脂材料と金属材料の境界部分のように隙間は生じにくく、耐液性能を確保することができる。特に、被覆層23と内層41がともに同種類のフッ素樹脂で構成されると、高い耐液性能性を得ることができる。
<外層43について>
外層43は、内層41に積層されることで、内層41を介してセンサ素子10などを被覆する。内層41は、専ら温度センサ1の第1部分3における厚さ方向Tの耐電圧性能を担保する。外層43には、PI(ポリイミド)、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)およびPPS(ポリフェニレンサルファイド)が好適に用いられる。耐電圧に言及すると、フッ素樹脂であるPTFEが20kV/mmであるのに対して、PPSは200~300kV/mmとされ、PIは380~400kV/mmとされる。PIは熱分解する温度が500℃以上であり、内層41を構成する例えばFEPを溶融させることで、外層43と内層41との確実な接合が実現される。
薄型の温度センサ1を得ることができる限り、外層43の厚さは任意であるが、一例として5~50μmの厚さから選択でき、好ましくは15~35μmの厚さから選択される。一例として、5μmの厚さのPI製のフィルムが市場において提供されている。
<内層41と外層43の関係>
内層41および外層43の形成方法は任意であるが、好ましくは、内層41は加熱によるセンサ素子10等との溶着により形成され、外層43は内層41の溶着に伴って内層41に貼り付けられる。内層41および外層43の好ましい形成方法の一例は後述されるが、少なくとも内層41を構成する樹脂材料の方が外層43を構成する樹脂材料よりも溶融温度が低い。
外層43は、例えば、一枚のフィルムを折り曲げて構成される。具体的には、矩形状のフィルムの長さ方向Lの前(F)側を折り曲げる。この折り曲げた部分が温度センサ1の長さ方向Lの前(F)の端部である第1部分3の端部3aを形成する。一方、折り曲げられたフィルムの長さ方向Lの後(R)側の端部同士は、互いに揃えられて接着され、第2部分5の端部5aを形成する。その結果、温度センサ1の長さ方向Lの両端である端部3aおよび端部5aは、前(F)側の端部となる端部3a側が外層43のみで形成され、後(R)側となる端部5a側は、一対の第2電線20,20を折り曲げたフィルム間に挟持するように形成される。よって、端部5a側からは、第2電線20,20が第2部分5の外側へ突出する。これを温度センサ1の後(R)側から見ると、端部5aは、厚さ方向Tの両端に外層43が位置し、その間に内層41と第2電線20,20が位置することになる。また、幅方向Wの両端は、厚さ方向Tの両端に外層43が位置し、その間に内層41が位置する。これは第1部分3および第2部分5も同様である。
<被覆体40の厚さ方向Tの寸法:図4参照>
被覆体40における第1部分3の厚さ方向Tの寸法T1は、第2部分5の厚さ方向の寸法T2よりも小さい。そして、温度センサ1のおもて面側が平面をなし、うら側には、傾斜4が形成されている。
[センサ素子10とリードフレーム30,30の関係:図6,図2および図4参照]
センサ素子10は、平面視でリードフレーム30,30間に配設される。センサ素子10は、第1電線13,13の他端13b,13bがそれぞれリードフレーム30,30に、例えば溶接により電気的に接続される。具体的には、第1電線13,13は、感熱体11の位置を基準として長さ方向Lの後方(R)に向けて延び、かつ、双方の間隔が後方(R)に向けて連続的に広くなる。第1電線13,13は、幅狭部32から長さ方向Lの後方(R)側に離れた第1幅広部31において第1接続部位SC1によりリードフレーム30,30に接続されている。第1電線13,13およびリードフレーム30,30は、中心軸Cに対して線対称に配置されている。
図2に示すように、平面視において、感熱体11を含む封止体16は、リードフレーム30とリードフレーム30の幅狭部32と幅狭部32の間に配置される。具体的には、感熱体11を含む封止体16は、第2幅広部33よりも長さ方向Lの後(R)側であって、一対のリードフレーム30,30の凹み39,39の間に配置される。この配置を採用することにより、一対のリードフレーム30,30と封止体16の間隔を保ちながら、一対のリードフレーム30,30が占める幅方向Wの寸法を小さくできるので、温度センサ1の幅方向Wの小型化に寄与できる。
感熱体11等と幅狭部32,32の間は、前述したように内層41を構成する樹脂材料で封止されており、感熱体11等および第1電線13,13はリードフレーム30とリードフレーム30の間の中心軸Cにおいて当該樹脂材料により位置決めされている。図4に示される側面視断面図に示すように、感熱体11等は、リードフレーム30,30と重なるように配置されており、リードフレーム30とリードフレーム30の間に配置される。
ここで、第1電線13の長さをL13とし、一対のリードフレーム30,30の間隔をG1とすると、第1電線13の長さと一対のリードフレーム30,30間の長さとは、L13>G1の関係、特にL13>>G1の関係にある。つまり、第1電線は、一対のリードフレーム30,30の間隔G1よりも余剰の長さを有している。長さL13が間隔G1に対して余剰の長さを有することによる効果について詳しくは後述される。なお、第1電線と中心軸Cのなす角度をθ13とすると、L13×sinθ13≒1/2G1の関係を有する。
[リードフレーム30,30と第2電線20,20:図2]
一対の第2電線20,20は、例えば溶接等によりリードフレーム30,30に電気的に接続されている。具体的には、一対の第2電線20,20の一端20a,20aは、リードフレーム30,30の第1幅広部31の後(R)側で、抵抗溶接等で形成された第2接続部位SC2を介して接続されている。このように、リードフレーム30,30と一対の第2電線とが第2接続部位SC2を介して接続されることにより、センサ素子10と一対の第2電線20,20とが電気的に接続されている。
[温度センサ1の製造手順:図7,図8,図9参照]
次に、温度センサ1を製造する手順を説明する。この製造手順は、センサ素子10および第2電線20,20をリードフレーム30,30に電気的に接続する第1ステップと、被覆体40を形成する第2ステップと、を含んでいる。以下、第1ステップおよび第2ステップの順に説明するが、センサ素子10はすでに得られているものとする。
[第1ステップ:図7,図8参照]
第1ステップは、センサ素子10をリードフレーム30,30に接続する第1Aステップ(STEP1A)と、センサ素子10が接続されたリードフレーム30,30に第2電線20,20に接続する第1Bステップ(STEP1B)と、を含む。
<第1Aステップ(STEP1A)>
センサ素子10とリードフレーム30,30とを用意し、第1電線13,13をリードフレーム30,30の所定の位置に位置決めした後に、第1電線13,13とリードフレーム30,30とが接続される。この接続の手段は任意であり、抵抗溶接などの溶接、はんだ付けなどが採用される。抵抗溶接は、溶接したい金属を電極で挟み込んで加圧し、かつ、電極間に電流を流した時の抵抗発熱によって母材を溶融、冷却凝固させるものであり、圧接の部類に属する。本実施形態の場合には、第1電線13とリードフレーム30との発熱部分が溶融、凝固されることで、第1電線13とリードフレーム30とが電気的に接合される。溶融および冷却凝固した部分はナゲットと称されており、第1電線13とリードフレーム30の第1接続部位SC1はナゲットから構成される。第1電線13,13がリードフレーム30,30に接続される際には、図8に示されるように、リードフレーム30,30はいわゆるキャリアにより接続されていてもよいし、分離されていてもよい。リードフレーム30,30の相互の位置関係を維持するためには、図8に示されるように、キャリアCによりリードフレーム30,30が接続されていることが好ましい。図8には、一対のリードフレーム30,30だけがキャリアCに接続されているが、複数対のリードフレーム30,30が共通するキャリアCで接続された状態で第1Aステップを実行することかできる。
<第1Bステップ(STEP1B)>
次に、第1Bステップにおいて、リードフレーム30,30に第2電線20,20が接続される。この接続において、第2電線20,20をリードフレーム30,30の所定の位置に位置決めした後に、第2電線20,20の芯線21,21とリードフレーム30,30とが接続される。この接続には第1Aステップと同様の接続手段が採用されるとともに、リードフレーム30,30がキャリアCに接続されていることが好ましい。
以下、第1電線13,13と第2電線20,20がリードフレーム30,30に接続されたものをセンサ接続体7と称する。
本実施形態においては、第1電線13,13をリードフレーム30,30に接続した後に第2電線20,20をリードフレーム30,30に接続する例を説明したが、第2電線20,20をリードフレーム30,30に接続した後に第1電線13,13をリードフレーム30,30に接続してもよい。また、第1電線13,13および第2電線20,20を同時にリードフレーム30,30に接続しても良い。
[第2ステップ:図9,図10参照]
第2ステップは、センサ接続体7の表裏を覆う樹脂フィルム45の一部を溶融させてセンサ接続体7を被覆体40に溶着させる第2Aステップ(STEP2A)と、被覆体40の余剰部分を削除する第2Bステップ(STEP2B)と、含む。
<第2Aステップ(STEP2A):図9,図10参照>
被覆体40を構成する樹脂フィルム45を用意し、樹脂フィルム45の所定位置にセンサ接続体7を配置する。樹脂フィルム45を折返線RCLのところで長さ方向Lに折り返すことで、センサ接続体7は樹脂フィルム45で表裏が覆われる。
被覆体40は内層41と外層43の二つの層を有していることに対応して、図10(a)に示されるように、樹脂フィルム45は第1フィルム46と第2フィルム47の二枚のフィルムを備える。第1フィルム(内層材)46が内層41に対応し、第2フィルム(外層材)47が外層43に第1フィルム46と第2フィルム47は、図10(b)で示されるように積層された状態でセンサ接続体7の表裏を覆う。図10(a)はその存在を明らかにするために第1フィルム46と第2フィルム47とを分離して示している。図10(b)も同様である。なお、第1フィルム46および第2フィルム47は、幅方向Wの寸法が被覆体40に比べて大きく作製されている。
一例として、内層41がFEP(パーフルオロエチレン-プロペンコポリマ)で構成され、外層43がPI(ポリイミド)で構成されるものとする。この場合、好ましくは、第1フィルム46がFEPから構成され、第2フィルム47はPIからなる第1層47Aと、第1層47Aの一方の面形成されるFEPからなる第2層47Bとを備えている。第2フィルム47は、第1フィルム46と同じ樹脂材料からなる第2層47Bを第1フィルム46に接するように第1フィルム46と積層される。溶着により第1フィルム46と第2フィルム47を接合する際に、第2層47Bは第1フィルム46とともに溶融、凝固されることにより、内層41と外層43の接合強度の向上に寄与できる。積層される第1フィルム46と第2フィルム47は、互いに位置ずれが生じないように、部分的に仮溶着しておいてもよい。
<第2Bステップ(STEP2B):図9,図10参照>
樹脂フィルム45の所定位置にセンサ接続体7を配置した後に、樹脂フィルム45を長さ方向Lに折り返して、センサ接続体7の表裏が樹脂フィルム45で覆われた状態で、熱溶着が行われる。熱溶着は、第1フィルム46と第2フィルム47の第2層47Bとの融点を超える温度に加熱して行われる。ただし、この加熱温度は、第2フィルム47の第1層47Aの融点未満であることが好ましい。
この熱溶着は、溶着による接合強度を向上する目的で、プレスによる加圧を伴うことが好ましい。プレスに用いる金型は、加圧を加える二つの面の両方が平面を有していてもよいし、少なくとも一方の面に溝が形成されていてもよい。二つの面の両方が平面である場合には、熱溶着の際に幅方向Wに機械的に拘束することができないために、リードフレーム30,30の相互の間隔および第2電線20,20の相互の間隔が広くなるおそれがある。これに対して、少なくとも一方の面に溝が形成されている金型を用いて熱溶着を行えば、リードフレーム30,30などを幅方向Wに機械的に拘束できるので、これらの相互の間隔が広がるのを抑制できる。
図1に例示される温度センサ1は、一方に溝が形成され、他方が平面を有する一対の金型を用いて熱溶着が行われたものである。つまり、温度センサ1において、被覆体40の平面とされる側は平坦面を有する金型により加圧されるのに対して、段差のある側は溝が形成された金型により加圧される。第2電線20が配置される第2部分5に対応して、金型に溝が形成される。
樹脂フィルム45は被覆体40に比べて幅広に作製されているため、幅方向Wの両側を切断線CLのところで切断して幅方向Wの両側を除去する。これで所望の寸法を有する温度センサ1が得られる。
[効果]
温度センサ1が奏する効果を説明する。
<第1の効果:リードフレーム30による熱応力緩和>
温度センサ1において、感熱体11を含む封止体16は、幅方向Wの両側にリードフレーム30,30が設けられ、かつ、前方(F)には幅方向Wの中心に向けて突出形成される第2幅広部(突出部)33,33が設けられている。したがって、厚さ方向Tの寸法が小さく、温度検出の最中に昇温または降温して被覆体40に熱膨張または熱収縮が生じたとしても、内層41を介して感熱体11に加わる熱応力をリードフレーム30,30が緩和し、検出温度の精度を担保できる。
<第2の効果:第1電線13の余剰の長さ:図11参照>
温度センサ1によれば、第1電線13,13がリードフレーム30,30の間隔G1に対して余剰の長さL13を有している。したがって、温度センサ1の製造過程および温度検出中に、図10の二点鎖線で示されるようにリードフレーム30,30の間隔G1が広くなったとしても、第1電線13が断線するのを防ぐことができる。また、第1電線13とリードフレーム30との第1接続部位SC1が破断するのを防ぐことができる。これにより、温度センサ1は、薄型でありながらも、安定した温度検出を継続できる。特に、薄型の温度センサ1は外力に対する機械強度が不足するため、外力を受けてリードフレーム30,30に位置ずれが生じやすいので、第1電線13に余剰の長さを設ける意義が大きい。
ここで示される例は長さL13が間隔G1に対して相当の余剰の長さを有しているが、余剰の長さは想定される間隔G1の最大の広がりに対応できれば足りる。封止体16の寸法なども考慮する必要があるが、2×L13>G1の関係を有していれば、想定されるリードフレーム30,30の広がりに対応できる。
<第3の効果:内層41および外層43による封止>
本実施形態の温度センサ1によれば、センサ素子10およびリードフレーム30の全体に加えリードフレーム30と第2電線20の第2接続部位SC2も内層41により封止されている。特に、内層41がフッ素樹脂を溶着されたものであるために、温度センサ1は耐熱性を有しながら耐液性能を確保できる。加えて、内層41に外層43が貼り付けられているために、より高い封止能力を実現できる。特に、PIを外層43として用いると、被覆体40を薄くしても電気的な絶縁性能を確保しやすい。
被覆体40は、感熱体11などが設けられる前方(F)で樹脂フィルム45を折り返して形成される。したがって、折り返した部分は溶着による接合部分が存在しておらず第2フィルム47がそのままで連なっており、被覆体40の前端部分には溶着による継ぎ目が存在しないため、当該部分からの水、油などの浸入が阻止される。
<第4の効果:リードフレーム30を介した接続>
リードフレーム30を介して線径の小さな第1電線13と線径の大きな芯線21とを接続することにより、確実な接続を実現できる。つまり、撚線からなる芯線21には表面に凹凸があり、第1電線13の芯線21と接触する面積が小さいために、健全な接続状態を得るのが難しい。これに対して表面が平坦なリードフレーム30であれば、線径の小さな第1電線13および線径の大きな芯線21のいずれであっても、健全な接続状態が得られやすい。
<第5の効果:リードフレーム30による弾性付与>
温度検出に直に関わる第1部分3にリードフレーム30が設けられるので、被覆体40だけでは得ることのできない機械的特性が第1部分3に与えられる。したがって、狭隘なスペースに第1部分3を無理なく差し入れることができるのに加えて、第1部分3が必要な姿勢を維持しながら温度検出を行うことができる。加えて、検出対象物に第1部分3を、弾性力をもって押し付けることができるので、例えば振動が生じる環境下においても第1部分3の検出対象物への接触状態を維持しやすい。
<第6の効果:第1電線13のリードフレーム30に対する接続位置>
温度センサ1において、リードフレーム30の第1幅広部31に第1電線13が接続される。第1幅広部31は幅狭部32よりも幅方向Wの寸法が大きく撓みにくい。したがって、第1部分3を検出対象物に押し付けて湾曲させたとしても、第1電線13が接続されている第1幅広部31は撓みにくく、第1電線13のリードフレーム30への第1接続部位SC1による接続状態を確保しやすい。
<第7の効果:第1部分3と第2部分5の組み合わせ>
温度センサ1は、温度検出に直に関わる第1部分3の厚さ方向Tの寸法を第2部分5よりも小さくしているので、狭隘なスペースであっても第1部分3を差し入れることができる。一方で、第2部分5は厚さ方向Tの寸法を大きくできるので、第1部分3の厚さよりも大きな線径を有する第2電線20を使用することができる。
[変形例]
上記以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。以下、その一例を説明する。
<被覆体40の形態:図12参照>
以上で説明した被覆体40は、幅方向Wの寸法が一定の例を示したが、本発明はこれに限定されない。
例えば、図12(a)に示されるように、第1部分3の幅方向Wの寸法を第2部分5よりも小さくできる。これにより、幅方向Wに狭隘なスペースに対しても温度検出を行うことができる。また、図12(b)に示されるように、第2部分5の一部の幅方向Wの寸法を大きくした突出片48を設けることができる。突出片48を係止するなどして、温度センサ1を検出対象物に対して位置決め、固定することができる。また、図示を省略するが、図12(b)の例とは逆に被覆体40の一部に凹みを形成することもできる。
ここでは、幅方向Wについて言及したが、特に第2部分5の厚さ方向Tについても、図12(b)の例と同様の目的に合う形状にすることもできる。
<リードフレーム30の形状など:図13(a)~(c)>
以上では、幅方向Wの寸法が異なるリードフレーム30を説明したが、図13(a)に示されるように、本発明は幅方向Wの寸法が一定のリードフレーム30を用いることもできる。このリードフレーム30においても、少なくとも前述した第3の効果、第4の効果を奏することができる。なお、図13(a)に示されるように、感熱体11などを含む封止体16の位置は、リードフレーム30,30よりも前方(F)に設けることができるし、リードフレーム30,30との間における後方(R)に設けることもできる。なお、幅方向Wの寸法が一定のリードフレーム30は、製造コストが低くて済む。
次に、図13(b)に示されるように、感熱体11などを含む封止体16より前方(F)であって幅方向Wの全域に亘ってリードフレーム30を配置する。つまり、一方のリードフレーム30については上述した第2幅広部33を省く一方、他方のリードフレーム30については第2幅広部33の突き出す寸法を大きくできる。これにより、感熱体11に加わる長さ方向Lの熱応力をより低減できる。
また、図13(c)に示すように、第2幅広部33,33の一部を前方(F)に突き出させた係止片37を設けることができる。係止片37は、内層41においてリードフレーム30の幅方向Wへの変位に対する抵抗となる。なお、リードフレーム30,30をキャリアCから切り離す際に、係止片37が形成されるように、切り離す位置を調整することができる。加えて、図13(c)に示されるリードフレーム30は、幅狭部32の長さ方向Lの寸法を小さくできる。
図13(d)に示される例は、これまでのリードフレーム30に比べて長さ方向Lの寸法が小さい。このように、本発明において、リードフレーム30は長尺に限るものではなく、短尺であってもよい。また、この例は、一対の第1電線,13の一方をリードフレーム30のおもて面に接続し、他方をリードフレーム30のうら面に接続している。
図13(e)に示される例は、これまでの例と第1電線13とリードフレーム30の第1接続部位SC1の位置が異なる。つまり、この例は、第1接続部位SC1が第1幅広部31と幅狭部32の境界の近傍に設けられている。
図13(f)に示される例は、これまでの例とセンサ素子10の向きが反対である。つまり、第1電線13とリードフレーム30の第1接続部位SC1が前方(F)とされる一方、感熱体11などを含む封止体16が後方(R)を向いている。
また、本発明において、温度センサ1の第1部分3および第2部分5は平坦状を有するものに限らず、例えば円弧面などの湾曲面にすることもできる。
また、本発明における温度センサの用途は任意であるが、例えば自動車に搭載される回転電機に設けられて、回転電機の温度を測定できる。
最後に、本発明に係る温度センサを実際に作成してその効果を確認した結果を説明する。
図14に示される形態のリードフレームにセンサ素子10を接続して引張荷重を加えた。なお、図14において、突出部のないリードフレームNF、リードフレームの先端側に突出部が形成されたリードフレーム1st、リードフレーム1stよりも突出量が大きい突出部を備えるリードフレーム2nd、突出部が先端側から離れた位置に形成されるリードフレーム3rdおよび一方のリードフレームにだけ突出部が形成されるリードフレーム4thである。これら5つのリードフレームは突出部を除く部分の寸法、形状は一致している。
5つのリードフレームのそれぞれに実施形態で説明したようにセンサ素子を接続して得られる基準センサ、第1センサ、第2センサ、第3センサおよび第4センサについて、270℃から40℃まで冷却したときの第1電線13,13に生じる引張応力をCAE(Computer Aided Engineering)解析により求めた。その結果を図15に示す。なお、図15におけるX軸およびZ軸はそれぞれ長さ方向Lおよび厚さ方向Tに対応する。
図15より、第1センサ、第2センサ、第3センサおよび第4センサのいずれも基準センサよりも引張応力が低くなることが確認された。
1 温度センサ
3 第1部分
5 第2部分
7 センサ接続体
10 センサ素子
11 感熱体
12 電極
13 第1電線
16 封止体
20 第2電線
21 芯線
23 被覆層
30 リードフレーム
31 第1幅広部
32 幅狭部
33 第2幅広部
34,35 縁
37 係止片
40 被覆体
41 内層
43 外層
45 樹脂フィルム
46 第1フィルム
47 第2フィルム
47A 第1層
47B 第2層
48 突出片
C キャリア
SC1 第1接続部位
SC2 第2接続部位
L 長さ方向
T 厚さ方向
W 幅方向

Claims (11)

  1. 互いに間隔を隔てて配置される一対のリードフレームと、
    感熱体と、前記感熱体に電気的に接続される一対の第1電線と、を備えるセンサ素子と、
    一対の前記リードフレームのそれぞれに電気的に接続される第2電線と、
    前記センサ素子および前記リードフレームの全体、ならびに、前記第2電線の一部を封止する、樹脂材料からなる被覆体と、を備え、
    少なくとも一方の前記リードフレームには、他方の前記リードフレームに向かう突出部を備える、温度センサ。
  2. 一対の前記第1電線のそれぞれは、一端側において一対の前記リードフレームのそれぞれと接続部位において電気的に接続され、
    前記突出部は、前記接続部位よりも前記リードフレームの他端側に形成される、
    請求項1に記載の温度センサ。
  3. 前記突出部は、前記リードフレームの他端に形成される、
    請求項2に記載の温度センサ。
  4. 前記突出部は、一対の前記リードフレームの双方に形成される、
    請求項1に記載の温度センサ。
  5. 前記感熱体が配置される側を前方とし、前記第1電線が引き出される側を後方とし、
    一対の前記リードフレームは、第1の方向に沿って配置され、かつ、前記第1の方向と直交する第2の方向に間隔を隔てて配置され、
    一対の前記リードフレームのそれぞれは、
    前記第2の方向の外側に向けて後退する幅狭部と、
    前記幅狭部よりも前記第2の方向の寸法が大きく、前記幅狭部よりも前記後方に連なる第1幅広部と、
    前記幅狭部よりも前記第2の方向の寸法が大きく、前記幅狭部よりも前記前方に連なる前記突出部をなす第2幅広部と、を備え、
    前記感熱体は、前記第2の方向における一対の前記幅狭部の間に配置される、
    請求項1に記載の温度センサ。
  6. 一対の前記第1電線は、
    一対の前記第1幅広部のそれぞれに電気的に接続される、
    請求項5に記載の温度センサ。
  7. 前記被覆体は、
    前記センサ素子および前記リードフレームが設けられる第1部分と、
    一対の前記第2電線が設けられる第2部分と、を備え、
    前記第1部分および前記第2部分がともに平坦状をなし、かつ、前記第1部分の厚さ方向の寸法が前記第2部分よりも小さく、
    前記第1部分と前記第2部分は、
    前記厚さ方向の一方の側が平面をなし、
    前記厚さ方向の他方の側が、段差を有する、
    請求項1に記載の温度センサ。
  8. 前記被覆体において、
    前記第1部分の肉厚が1.0mm未満である、
    請求項7に記載の温度センサ。
  9. 前記感熱体が配置される側を前方とし、前記第1電線が引き出される側を後方とし、
    前記被覆体は、
    前記センサ素子、前記リードフレームおよび一部の前記第2電線を直に封止する内層材からなる内層と、
    前記内層を覆い、前記内層材よりも融点の高い外層材からなる外層と、を備え、
    前記内層は、溶着された前記内層材からなり、
    前記外層は、前記前方において前記外層材のままで連なり、かつ、前記内層に貼り付けられる、
    請求項1に記載の温度センサ。
  10. 前記内層材は、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PFA(パーフルオロアルコキシアルカン)およびFEP(パーフルオロエチレン-プロペンコポリマ)の少なくとも一種からなり、
    前記外層材は、ポリイミドからなる、
    請求項9に記載の温度センサ。
  11. 請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の温度センサを備える、回転電機。
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