JP2023522668A - 液状シリコーンゴム製の射出成形ハウジングを備えたセンサー - Google Patents
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Abstract
本発明は、センサー素子（２）と、電気的に接続するための接続素子と、前記センサー素子に設けられるハウジング（８）とを含むセンサー（１）に関する。ここで、前記ハウジング（８）は、主成分として硬化液状シリコーンゴム（ＬＳＲ）を含有するハウジング材料を含む。【選択図】図５
Description
本発明は、センサー素子、電気的に接続するための接続素子及びセンサー素子用ハウジングを含むセンサーに関する。
最先端のセンサーは、熱可塑性物質、セラミック又はエポキシ樹脂などの硬化材料からなる内部充填材と組み合わせた、金属、セラミック又は熱可塑性材料からなるハウジングを使用している。
ハウジングの形状をセンサー素子の形状に適合させ、センサー素子とハウジングとの間の密接な機械的及び熱的接触を可能にするために、追加の内部充填材が必要である。セラミック製及び金属製のハウジングは、肉厚が比較的厚く、追加のフィラー材料が必要となるため、小型化が困難である。
更に、硬質ポッティング処理されたハウジングは、通常、良好な機械的保護を提供するが、センサー素子と測定対象の媒体との間の機械的及び熱的接触を制限する。
ドイツ特許公報ＤＥ６９３２３１２６ Ｔ２には、収縮チューブをセンサー素子のハウジングとして使用する別の技術が開示されている。この素子はシリコーンエラストマーコーティング層を有し、熱収縮可能な外側の細いチューブで覆われている。
しかしながら、このようなハウジングには、収縮チューブの寸法及び形状を制御しにくく、収縮チューブと接続された電線との間の接着力が弱いなどのいくつかの欠点がある。
別の先行技術文献には、例えばセンサー素子がポリイミド箔上に設けられたフレキシブルセンサーの使用が開示されている。一方、これらのようなセンサーは、機械的衝撃からほとんど保護されない。
最先端の技術の欠点に鑑みて、本発明の目的は、容易に設けることのできるセンサー素子用の改良されたハウジングを開示することである。
この目的は、請求項１に記載されたセンサーによって達成される。
このセンサーは、センサー素子と、電気的に接続するための接続素子と、センサー素子に設けられるハウジングとを含む。ここで、ハウジングは、主成分として硬化液状シリコーンゴム（ＬＳＲ）を含有するハウジング材料を含む。
一実施形態では、センサー素子は、円筒形状を有する。センサー素子の直径は、≦２．４ｍｍである。
センサーは、温度測定用のセンサーであってよい。センサー素子は、任意の幾何学的形状を有し得る。接続素子は、センサー素子に機械的及び電気的に接続される。
ハウジングは、センサー素子全体を密に覆う。ハウジングは、弾性のあるハウジング材料からなる。ハウジング材料には、主成分である液状シリコーンゴム（ＬＳＲ）に加えて、いくつかのフィラー材料又は添加剤も含まれてもよい。
ＬＳＲは、ハウジング材料として有利な特性を持っている。ＬＳＲは流動性が高く粘度が低いため、センサー素子の外側にハウジング材料を設ける際に、容易に成形することができる。これにより、ハウジングの小型化及び自由な設計変更が可能になる。更に、肉厚を最小限にすることができる。肉厚が薄いと、センサーの応答時間が短くなる。
センサー素子にＬＳＲを利用する場合、射出圧力が低く、プロセス中の収縮挙動がないため、最先端のセンサーで使用される熱可塑性材料の利用よりも円滑である。したがって、ＬＳＲは、高精度の機械構造にも使用できる。
ＬＳＲハウジングは、圧縮永久歪みが通常５～２５％と低く、また破断前の伸びが１００％以上と高いことから、柔軟かつ円滑な設置が可能になる。したがって、ＬＳＲハウジングの外面は測定対象の表面に容易に適合し、良好な熱的接触を実現することができる。
ＬＳＲが高い耐熱性を有するため、センサーは、過酷な動作条件下での用途に適しており、－４０℃～２５０℃の広い測定範囲での温度測定のために設計されている。
フィラー材料として、酸化物セラミックスを使用してもよい。酸化物セラミックスは、シリカ、モンモリロナイト又はＡｌ2Ｏ3のようなケイ素又はアルミニウムの酸化物を含んでよい。更に、フィラー材料はＡｌＮ及びＢＮなどの窒化物を含んでよい。その他、ＳｉＣなどの炭化物を用いてよい。フィラー材料によって、ハウジングの特性を改善又は変更することができる。フィラー材料によって変更できる特性の例としては、ハウジング材料の引張強度、硬度、絶縁耐力、熱伝導率及び熱膨張が挙げられる。
ＬＳＲが主成分であるため、ハウジング材料中のフィラー材料の割合は５０ｗｔ％以下である。フィラー材料の粒子の直径は１０ｎｍ～２０μｍの間であることが好ましい。
一実施形態では、センサー素子は感温部材を含む。
感温部材は温度を検出するためのサーミスタ材料を含んでよい。
サーミスタ材料の電気伝導率は温度に依存するため、このような材料は温度センサーに使用することができる。サーミスタ材料は負の温度係数（ＮＴＣ）を有し得る。別の実施形態では、サーミスタ材料は正の温度係数（ＰＴＣ）を有し得る。
一実施形態では、センサー素子は、感温部材に接続されたリード線を含む。リード線により、センサー素子の電気的接続が可能になる。
一実施形態では、１対のリード線が感温部材に接続される。
一実施形態では、接続素子は電線を含む。
一実施形態では、電線は単線である。別の実施形態では、電線は複数の撚り線である。好ましい実施形態では、２本の電線がセンサー素子に接続される。
一実施形態では、電線は絶縁材料すなわちシリコーンで絶縁される。シリコーン電線は単線であってよく、複数の撚り線であってもよい。
好ましい実施形態では、２本の電線は、センサー素子のリード線に接続される。電線とセンサー素子のリード線との間の接続は、電線の圧着によって、又ははんだ付けによって行ってよい。
センサー素子は、断面が異なる２つの部分を含んでよい。一方の断面は、他方より大きい。一実施形態では、電線は断面の大きい側に固定される。
ハウジングは、接続素子の一部に密着してよい。覆われた部分は、センサー素子に隣接して配置されてよい。別の実施形態では、センサー素子に隣接しない接続素子の部分が覆われる。
センサー素子及び接続素子を含むセンサーを、測定対象の媒体の化学的影響から保護するために、密閉された不浸透性のハウジングが必要である。不浸透性のハウジングが必要な例としては、オートマティック・トランスミッション液（ＡＴＦ）、不凍液化学物質などの化学物質の温度測定用センサーが挙げられる。
センサー素子を電気回路に接続するために、電線の他の端部に電気プラグが設置されてよい。
別の実施形態では、接続素子はリードフレームを含む。
ハウジングはリードフレームの少なくとも一部に設けられてよい。覆われた部分は、センサー素子に隣接してよい。
一実施形態では、ハウジング材料は１００℃で０．２～０．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有する。
用途に応じて、フィラー材料の添加によって熱伝導率を適応させることができる。Ａｌ2Ｏ3及びｈ－ＢＮなどの熱伝導率の高いフィラー材料によって、ハウジングの高い熱伝導率を実現することができる。これにより、センサーの応答時間を確実に短くすることができる。
一実施形態では、ハウジング材料は、２×１０-4～４×１０-4・Ｋ-1の熱膨張係数を有する。
熱膨張係数が低いため、広い温度範囲でセンサーが円滑に機能することが保証される。熱膨張係数は、フィラー材料によって用途の要件に適合させることができる。
一実施形態では、ハウジング材料は、１０～９０ショアＡの硬度を有する。
硬度は、フィラー材料によって用途の要件に適合させることができる。したがって、ハウジングは、環境の機械的衝撃に対して良好な保護を提供する。
一実施形態では、ハウジング材料は、２０ｋＶ／ｍｍ以上の絶縁耐力を有する。
したがって、ハウジングは、環境の電気的衝撃に対して保護を提供し、電気絶縁ハウジングとしてセンサー素子を覆う。
一実施形態では、センサー素子を保護するハウジングは、０．２ｍｍ以上の肉厚を有する。好ましい実施形態では、ハウジングは、０．３ｍｍ～０．２ｍｍの肉厚を有する。より好ましい実施形態では、ハウジングは、０．２１ｍｍ～０．２０ｍｍの肉厚を有する。
ＬＳＲは、高い流動性と低い粘度などの有利な特性により、センサー素子の外面に密着可能であり、センサー素子を緊密に囲む肉厚の薄いハウジングを形成することができる。ハウジングの密着及び肉厚の薄さにより、センサーの応答時間が短縮される。
一実施形態では、接続素子はハウジングによって覆われている。
この実施形態では、ハウジングはセンサー素子と接続素子の両方に設けられる。センサー素子と接続素子の間には、ハウジング内に隙間がない。センサーが化学的に攻撃的な媒体の温度を測定するために使用される場合、このような緊密で不浸透性の密封が少なくとも必要である。ハウジングは、少なくとも液体、並びに化学的に攻撃的な蒸気及びガスに対して不浸透性でなければならない。
一実施形態では、ハウジングは射出成形によって設けられる。
射出成形によって設けられる場合、ハウジングを１つのステップでセンサー素子に設けることができる。ハウジング材料の内面は、射出中にセンサー素子の形状に円滑に適合する。ハウジングの外形は、金型で成形される。
一実施形態では、ハウジングは液状射出成形によって設けられる。
ＬＳＲの液状射出成形プロセスでは、鎖長が異なるポリマーを含む２つの粘性液体抽出成分Ａ及びＢが提供される。
成分Ｂは、第１の抽出ポリマー及び架橋剤を含んでよい。ここで、架橋剤は、提供された抽出物間の架橋反応を刺激する。抽出ポリマーを架橋することにより、三次元グリッドが形成される。
成分Ａは、第２の抽出ポリマー及び触媒を含んでよい。触媒は、貴金属を含んでよい。例えば、触媒は、白金触媒である。
第１及び第２の抽出ポリマーは、同じタイプの分子又は異なるタイプの分子を含み得る。抽出ポリマーは、ポリシロキサンを含む。
一実施形態では、成分Ａ及びＢは、有機置換基を有する同じタイプのポリシロキサンを含み得る。有機置換基は、メチル、ビニル、フェニル又は同様の有機置換基の群から１つ以上を含み得る。
ここで、架橋剤は、原料ゴムを硬化シリコーンゴムに変換するために、提供された抽出ポリマー間の架橋反応を刺激する必要がある。ポリマーを架橋することにより、三次元グリッドが形成される。
触媒は、架橋反応を促進する。貴金属触媒、特に白金触媒は、架橋反応の促進に高い性能を発揮する。
射出前に、両成分を混合して反応混合物とし、冷却して架橋反応を遅らせる。
混合成分を硬化させるために、射出中又は射出後の加熱により架橋反応をトリガーする。または、紫外線の照射によって架橋反応を開始する。どちらを選択するかは、使用される抽出材料の特性による。硬化後、ハウジング材料は不融性になる。
液体抽出物を使用するため、記載の液状射出成形プロセスが好ましい。液体抽出物を射出するために必要な射出圧力は比較的低い。したがって、この方法によれば、射出成形中にセンサーを損傷するリスクなしに、精度の高い構造を外面に有する高感度のセンサー素子を覆うことができる。
好ましい実施形態では、粘度の低い抽出成分を選択する。粘度が低いほど、射出に必要な圧力が低くなる。
反応混合物の粘度は、使用されるＬＳＲのタイプに応じて、５００００～５０００００［ｍＰａ・ｓ］である。反応混合物は、チキソトロピー性を有し得る。したがって、射出成形プロセス中に粘度が低下する場合がある。
以下、図面を参照しながら、本発明の更なる例示的な実施形態について詳細に説明する。しかしながら、本発明はこれらの実施形態に限定されない。図面において同様の要素、同じ種類の要素及び同一に作用する要素には、同じ参照符号が付けられている場合がある。
図１～３のセンサー１は、感温部材２１及び１対のリード線２２を含むセンサー素子２を含む。電気的に接続するための１対のリード線２２は、感温部材２１と接続素子との間に配置される。
センサー素子２全体は、センサー素子２を完全に封入する、一体型で緊密かつ不浸透性のハウジング８によって覆われる。本実施形態では、ハウジング８は直方体形状を有する。ハウジング８の形状及び構造は、センサーの用途に応じて変更することができる。
感温部材２１は、ハウジング８内のセンサーヘッド３として指定されたセンサー素子２の第１の端部に配置される。
感温部材２１はサーミスタ材料で構成される。第１の実施形態では、サーミスタ材料は負の熱係数を有する。別の実施形態では、サーミスタ材料は正の熱係数を有してよい。
リード線２２は、ニッケル、銅、銀などの導電性材料、類似の導電性金属又はそれらの合金で構成される。リード線２２は、センサーヘッド３とは反対側で感温部材２１に固定されている。リード線２２は、センサーヘッド３から離れる方向に向けられている。
第１の実施形態のセンサー素子は、円筒形状及び≦２．４ｍｍの直径を有する。
第１の実施形態のセンサー１は、温度測定のために使用される。考えられる用途は、例えば、化学流体又は固体表面の温度測定である。センサー１は、－４０℃～２５０℃の広い測定範囲での温度測定用に設計されている。
したがって、センサーハウジング８の第１の端部にあるセンサーヘッド３は、測定対象の表面と接触している。
媒体４の熱は、センサーヘッド３の薄いハウジング８を介して感温部材に速やかに伝導される。
センサーハウジング８の第２の端部５において、２本の絶縁電線６は、電気接続素子としてセンサー素子２のリード線に固定される。電線６は、はんだ６２によってリード線に固定される。電線６のリード線２２と接触する部分は絶縁されていない。残りの電線の絶縁部分はシリコーン材料からなる。
本実施形態では、第２の端部５はハウジング８の、センサーヘッド３との距離が最も大きい側である。
絶縁電線６は一部のみが図示されている。絶縁電線６の他の部分は図示されていない。図示されていない絶縁電線６の端部には、絶縁電線６を電気回路に接続するためのプラグが固定されてよい。
図示されている実施形態では、センサー素子２に隣接する絶縁電線６の部分７、はんだ接続部６２及びセンサー素子２は、ハウジング８によって覆われている。
ハウジング８は、主成分として硬化液状シリコーンゴム（ＬＳＲ）を含む。ハウジングは、射出成形によってセンサーに設けられる。成形されたハウジング８は、内面がセンサー素子２の形状に滑らかにかつ緊密に適合する１つの層のみで構成される。したがって、ハウジング８は、センサー素子２と密着する。ハウジングの外面は金型で成形される。
ハウジング材料は、更なる成分を含んでよい。ＬＳＲが主成分である場合、ハウジング材料中のＬＳＲの割合は、５０ｗｔ％以上である。更に、ハウジング材料は添加剤及びフィラー材料を含む。フィラー材料としては、ケイ素及び／又はアルミニウムの酸化物を含む酸化物セラミックスが考えられる。また、ＡｌＮ、ＢＮなどの窒化物及びＳｉＣなどの炭化物をフィラー材料として使用することができる。
このようなフィラー材料は、ハウジング材料の引張強度、硬度、絶縁耐力、熱伸び、熱伝導率などのいくつかの特性に影響を与え得る。
更に、着色剤を添加して透明ＬＳＲ材料を着色してよい。
しかしながら、ハウジング材料は、添加剤がＬＳＲ相中に均一に分散された単一の均質層で構成される。
第１の実施形態のハウジング材料は、液状射出成形によってセンサー１に設けられる。液体抽出物の粘度が低いため、センサーヘッド３でのハウジングの小さい肉厚を０．２ｍｍ以上にすることができる。ハウジングの肉厚が薄いほど、センサーの応答時間が短くなる。
更に、ハウジング材料は強力な疎水性を有するため、電気部品を水及び湿気から十分に保護する。
選択されたハウジング材料の破断前の伸びは１００％以上と考えられる。伸びは、元の長さに対する成分の可能な弾性変形として定義される。ハウジングは、その密閉性及び弾力性により、特に衝撃吸収において強力な機械的保護を提供する。
更に、ＬＳＲは、高い耐薬品性を示す。したがって、攻撃的な化学媒体での温度測定中におけるセンサーの保護に適する。
未硬化のＬＳＲの粘度は、それぞれの用途によって決定され、５００００～５０００００［ｍＰａ・ｓ］の範囲である。ＬＳＲ材料のせん断減粘作用により、成形プロセス中に粘度が低下する。
未硬化のＬＳＲは、成分及び成分Ｂを含む液体成分の混合物である。成分Ａは、有機置換基を有するポリシロキサン及び白金触媒を含む。成分Ｂはまた、有機置換基を有するポリシロキサン及び架橋剤を含む。
成分Ａ及びＢは、同じ有機基を有する同じタイプのポリシロキサン又は異なる有機基を有する異なるタイプのポリシロキサンを含んでよい。有機置換基は、メチル、ビニル、フェニル又は同様の置換基であり得る。
紫外線の照射又は加熱により、ポリシロキサンの架橋反応がトリガーされる。架橋反応は、液体混合物を固体ハウジング材料に変換する。
硬化したＬＳＲには、以下の特性を有する。添加剤を含まないＬＳＲの１００℃での熱伝導率は一般的に０．２～０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。熱膨張係数は、約２×１０-4～４×１０-4Ｋである。圧縮永久歪みは一般的に５～２５％である。硬度は一般的に１０～９０ショアＡである。ＤＩＮ ＩＥＣ２４３－２による絶縁耐力は２０ｋＶ／ｍｍ以上である。
図３は、異なる視点から見た場合のセンサー１の第１の実施形態を示す。上記で説明した素子については、再度説明しない。
第１の実施形態では、絶縁電線６は、それぞれ単線で構成される。別の実施形態では、電線６は撚り線である。
更なる実施形態では、センサー素子は２本以上の絶縁電線と接触し得る。
また更なる実施形態では、センサーは、同じ又はいくつかのハウジングによって覆われた２つ以上のセンサー素子を含む。
図４及び５は、センサー１の第２の実施形態を示す。基本的に、第２の実施形態はセンサー１の第１の実施形態と同様である。
第１の実施形態とは異なり、ここではセンサーハウジング８は２つの部分からなる円筒として形成される。円筒の第２の端部側５の部分９は、第１の端部側３の部分１０よりも大きな直径を有する。
したがって、第２の端部側５の部分９は、電線６とリード線２２との間の圧着接続部６２を収容することができる。リード線と接触する電線６の一部は、絶縁されていない。リード線は、感温部材２１の第２の端部側５に配置され、センサーヘッド３から離れる方向に向けられている。
センサー素子２、圧着接続部６２及び電線６の部分７は、ハウジング８によって覆われている。
測定対象の流体媒体４は、センサーヘッド３を含む、センサーハウジング８のより薄い部分１０と少なくとも接触している。ハウジング８のより薄い部分１０の肉厚が薄いため、温度測定の応答時間を短くすることができる。別の実施形態では、ハウジング８全体及び絶縁電線６は、測定対象の媒体４と接触している。
図示されていない第４の実施形態では、電気的に接続するための接続素子は、電線ではなくリードフレームである。
１ センサー
２ センサー素子
２１ 感温部材
２２ リード線
３ センサー素子２の第１の端部
４ 測定対象の媒体
５ センサー素子２の第２の端部
６ 電線
６２ リード線と電線との間の接続部
７ 絶縁電線６の覆われた部分
８ ハウジング
９ センサーハウジング８の大きな部分
１０ センサーハウジング８の小さな部分
２ センサー素子
２１ 感温部材
２２ リード線
３ センサー素子２の第１の端部
４ 測定対象の媒体
５ センサー素子２の第２の端部
６ 電線
６２ リード線と電線との間の接続部
７ 絶縁電線６の覆われた部分
８ ハウジング
９ センサーハウジング８の大きな部分
１０ センサーハウジング８の小さな部分
Claims (12)
- センサー素子（２）、電気的に接続するための接続素子及び前記センサー素子に設けられるハウジング（８）を含み、前記ハウジング（８）は、主成分として硬化液状シリコーンゴム（ＬＳＲ）を含有するハウジング材料を含む、センサー（１）。
- 前記センサー素子（２）は感温部材を含む請求項１に記載のセンサー（１）。
- 前記感温部材はサーミスタ材料を含む請求項２に記載のセンサー（１）。
- 前記接続素子は電線（６）を含む請求項１又は３に記載のセンサー（１）。
- 前記接続素子はリードフレームを含む請求項１又は３に記載のセンサー（１）。
- 前記ハウジング材料は、１００℃で０．２～０．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有する請求項１～５のいずれか一項に記載のセンサー（１）。
- 前記ハウジング材料は、２×１０-4～４×１０-4Ｋの熱膨張係数を有する請求項１～６のいずれか一項に記載のセンサー（１）。
- 前記ハウジング材料は、１０～９０ショアＡの硬度を有する請求項１～７のいずれか一項に記載のセンサー（１）。
- 前記ハウジング材料は、２０ｋＶ／ｍｍ以上の絶縁耐力を有する請求項１～８のいずれか一項に記載のセンサー（１）。
- 前記ハウジング（８）は前記接続素子の一部に設けられる請求項１～９のいずれか一項に記載のセンサー（１）。
- 前記ハウジング（８）は射出成形によって設けられる請求項１～１０のいずれか一項に記載のセンサー（１）。
- 前記ハウジング（８）は液状射出成形によって設けられる請求項１１に記載のセンサー（１）。
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