JP2009270989A - 温度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】感温素子の素子電極線とシース芯線との接合部にかかる応力を緩和した温度センサを提供する。
【解決手段】感温部１０３と該感温部から延びる一対の素子電極線１０４とを有する感温素子１０２と、素子電極線に接合部１１０を介して接続されるシース芯線１０８と該シース芯線を絶縁材の間に内包するシース外管１０７とを有するシース部材１０６と、有底筒状をなし、先端となる底部側に少なくとも感温素子及び接合部を収容し、素子電極線及びシース芯線の延びる方向に延びる金属製の内筒１１２と、ガス導入孔１２２ａ〜１２２ｃを有する有底筒状をなして該内筒を覆い、内筒の軸方向Ｌに垂直な方向から見たとき、接合部より先端側で内筒と離間している外筒１２０とを備えた温度センサ１００ｘである。
【選択図】図２

Description

本発明は、サーミスタ素子やＰｔ抵抗体素子等の感温素子を備えた温度センサに関する。

自動車等の排気ガス等の温度を検出する温度センサとして、サーミスタやＰｔ抵抗体等の抵抗の温度変化を利用したものが知られている（特許文献１、２参照）。
このような温度センサの一般的な構造を図７に示す。図７（ａ）に示すように、温度センサ５００は、サーミスタ素子５０２とシース部材５０６とを溶接して金属チューブ５１２に収容し、さらに金属チューブ５１２内の隙間にアルミナ等のセメント５１４が充填されることにより構成されている。
サーミスタ素子５０２はサーミスタ焼結体５０３と素子電極線５０４とからなるが、素子電極線５０４が高価なＰｔ−Ｒｈ線等であるため、安価なシース部材５０６と接続することでコストダウンを図っている。ここで、シース部材５０６はシース管５０７内にＳＵＳ等からなるシース芯線５０８を絶縁保持してなり、素子電極線５０４とシース芯線５０８とをレーザスポット溶接することで、両者が接合部５１０を介して接合される。

特開平５−２６４３６８号公報（図１、段落００１０） 特開２０００−９７７８１号公報

ところで、排気ガスの温度は０℃前後の低温域から１０００℃前後の高温域まで急激に変化し、それに伴って温度センサも上記温度範囲内で上昇−冷却する冷熱サイクルを受けることになる。
そして、温度センサが高温域から低温域へ急冷された際、外周側の金属チューブ５１２から冷却が始まるが、ステンレス等の金属チューブ５１２の方が内部のセメント（アルミナ等）５１４より熱膨張係数が高い。このため、図７（ｂ）に示すように、金属チューブ５１２が冷却により収縮し始めると、セメント５１４の収縮がそれに追随できず、金属チューブ５１２の先端部（サーミスタ素子５０２側）が近傍のセメント５１４とサーミスタ素子５０２とを後側（矢印Ａ側）に押圧する。このようにしてサーミスタ素子５０２が後側（シース部材側）へ押されると、素子電極線５０４とシース芯線５０８との接合部５１０に、矢印Ｂに示す剪断応力が加わる。そして、冷熱サイクルを繰返す度にこの剪断応力が接合部５１０に負荷されるので、接合部５１０の強度が低下し、断線するおそれがある。

又、特許文献１記載のセンサは、サーミスタを内筒パイプ４と金属チューブ５の二重筒に収容した構成を有するが、内筒パイプ４と金属チューブ５が先端でＴＩＧ溶接部１５によって固定されているため、やはり筒全体が収縮してサーミスタが後側へ押されてしまう。
従って、本発明は、感温素子の素子電極線とシース芯線との接合部にかかる応力を緩和することができる温度センサの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の温度センサは、感温部と該感温部から延びる一対の素子電極線とを有する感温素子と、前記素子電極線に接合部を介して接続されるシース芯線と該シース芯線を絶縁材の間に内包するシース外管とを有するシース部材と、有底筒状をなし、先端となる底部側に少なくとも前記感温素子及び前記接合部を収容し、前記素子電極線及び前記シース芯線の延びる方向に延びる金属製の内筒と、ガス導入孔を有する有底筒状をなして該内筒を覆い、前記内筒の軸方向に垂直な方向から見たとき、前記接合部より先端側で前記内筒と離間している外筒とを備えている。
このような構成とすると、内筒が外筒で遮蔽されるため、温度センサが高温域から低温域へ急冷された際、外周側の外筒から冷却が始まり外筒は収縮するものの、外筒で遮蔽されている内筒には急激な温度変化が伝わり難く、さらに、外筒が接合部より先端側で内筒と離間しているため、急激な温度変化による外筒の収縮に内筒が追随することがなく、内筒の収縮量が少なくなる。特に、接合部を外筒が遮蔽しているので、温度変化による内筒の収縮に起因して接合部に生ずる剪断応力等の応力を緩和する事ができる。
さらに、外筒には所定位置にガス導入孔が開口しているため内筒が被測定ガスに曝され、先端に内蔵された感温部の応答性を損なわず、被測定ガスの温度を精度よく測定することができる。
さらに、接合部を外筒が遮蔽していることで、接合部近傍にかかる温度変化を緩和させることができるので、接合部に生ずる熱応力をも小さくでき、温度センサの信頼性が一層高まる。

前記内筒の軸方向に垂直な方向から見たとき、前記接合部より後端側に、前記内筒又は前記シース外管と前記外筒とを固定する固定部を備えてもよい。
このような構成とすると、接合部より後端側で外筒を固定できるため、急激な温度変化による外筒の収縮に内筒が追随することを有効に防止できる。

前記内筒の軸方向に垂直な方向から見たとき、前記ガス導入孔の全てが前記接合部より先端側に位置してもよい。
このような構成とすると、接合部を完全に外筒が遮蔽するので、接合部の温度変化や応力をさらに緩和することができる。

前記内筒の軸方向に垂直な方向から見たとき、前記ガス導入孔の少なくとも一部が前記感温部と重なるように位置してもよい。
このような構成とすると、感温部と少なくとも部分的に重なるガス導入孔が存在するため、この部分から被測定ガスが感温部近傍の内筒に直接接触し、感温部の応答性がさらに向上する。

前記感温素子と前記内筒の内面との間に絶縁材が充填されていてもよい。
このような構成とすると、内筒からの温度が感温素子に迅速に伝わるので、感温素子の応答性がさらに向上する。

この発明によれば、感温素子の素子電極線とシース芯線との接合部にかかる応力を緩和し、接合部の断線等を防止することができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る温度センサ１００ｘの一部を破断した断面構造を示す。温度センサ１００ｘは、排気管の側壁２００の開口部に挿通して取付けられ、自動車の排気ガスの温度を検出する。そして、排気ガスの温度が０℃前後の低温域から１０００℃前後の高温域まで急激に変化するのに伴って、温度センサ１００ｘも上記温度範囲内で上昇−冷却する冷熱サイクルを受ける。

温度センサ１００ｘは、サーミスタ素子（感温素子）１０２と、サーミスタ素子１０２に接続されるシース部材１０６と、サーミスタ素子１０２及びシース部材１０６を収容する有底筒状の金属製（本実施形態では、ＳＵＳ３１０Ｓを使用）の内筒１１２と、内筒１１２と同軸に配置され内筒１１２を覆う有底筒状金属製（本実施形態では、ＳＵＳ３１０Ｓを使用）の外筒１２０と、内筒１１２の外周に嵌合されるフランジ部材１４０と、フランジ部材１４０の外周に遊嵌される取付け部材１５０と、フランジ部材１４０の後端側に取付けられる筒状金属製の継手１６０と、継手１６０の後端に取付けられてリード線１７３を外部に引き出す弾性シール部材１７４とを備えている。
なお、本発明の温度センサ１００ｘにおいて、内筒１１２の底部側を「先端」とし、内筒１１２の開放端側を「後端」とする。

サーミスタ素子（感温素子）１０２は、温度を測定するためのサーミスタ焼結体（感温部）１０３と、サーミスタ焼結体１０３の一端（後端側）から延びる一対の素子電極線１０４とを有する。
サーミスタ焼結体１０３は六角柱状をなし、柱軸方向を内筒１１２の軸方向と垂直にして内筒１１２内に配置される。サーミスタ焼結体１０３としては、（Ｓｒ，Ｙ）（Ａｌ，Ｍｎ，Ｆｅ）Ｏ_３をベース組成としたペロブスカイト型酸化物を用いることができるが、これに限定されない。又、感温部としては上記サーミスタの他、Ｐｔ等の抵抗体を用いることもできる。
シース部材１０６は、サーミスタ素子１０２の一対の素子電極線１０４にそれぞれ接続されるシース芯線１０８と、シース芯線１０８を収容するシース外管１０７とを有し、シース芯線１０８とシース外管１０７内面との間にＳｉＯ_２からなる絶縁材が充填されている。
通常、素子電極線５０４は高価なＰｔ−Ｒｈ線等であるため、ＳＵＳ等からなる安価なシース芯線５０８と接続することでコストダウンが図られている。

フランジ部材１４０は、内筒１１２を挿通するための中心孔が軸方向に開口する略円筒状をなし、温度センサ１００ｘの先端側から、大径の鍔部１４２、鍔部１４２よりも小径の筒状の鞘部１４３、鞘部１４３のうち先端側を構成する第１段部１４４、及び鞘部１４３のうち後端側を構成し第１段部１４４より小径の第２段部１４６がこの順に形成されている。鍔部１４２の先端面はテーパ状の座面１４５を有し、後述する取付け部材１５０を排気管に螺合する際、座面１４５が排気管の側壁２００に押し付けられてシールを行うようになっている。
フランジ部材１４０は、内筒１１２の後端部に圧入され、第２段部１４６と内筒１１２とを全周レーザ溶接して両者が固定されている。
又、第１段部１４４の外周に継手１６０が圧入され、全周レーザ溶接によって両者が固定されている。継手１６０は、フランジ部材１４０より後端側で内筒１１２を覆うとともに、内筒１１２のシース部材１０６から引き出されたシース芯線１０８とリード線１７３との接続部分を収容して保持する。

取付け部材１５０は、継手１６０の外周よりやや大径の中心孔を軸方向に有し、先端側から、ネジ部１５２、ネジ部１５２より大径の六角ナット部１５１が形成されている。そして、フランジ部材１４０の鍔部１４２の後面にネジ部１５２の前面を当接させた状態で、取付け部材１５０がフランジ部材１４０（継手１６０）の外周に遊嵌し、軸方向に回動自在になっている。
そして、ネジ部１５２が排気管の所定のネジ穴と螺合することにより、温度センサ１００ｘが排気管の側壁２００に取付けられる。

外筒１２０は有底筒状をなし、底部を内筒１１２の先端側に向けて内筒１１２を覆うと共に、内筒１１２のうちフランジ部材１４０より先端側に位置する部分のほぼ中央位置で加締られて加締部（固定部）１２０ｂを形成し、内筒１１２に固定される。外筒１２０の底面及び側面には後述するガス導入孔１２２（１２２ａ〜１２２ｃ）が複数個開口し、外筒１２０の後端は鍔部１４２の座面１４５にほぼ接する位置まで延びている。
又、排気管の側壁２００の開口径は外筒１２０の外径よりわずかに大きく、側壁２００の開口内に外筒１２０を収容できるようになっている。

シース部材１０６のシース外管１０７の後端からは２本のシース芯線１０８が引き出され、各シース芯線１０８の終端が加締め端子１７２に接続され、加締め端子１７２はリード線１７３に接続されている。なお、各シース芯線１０８及び加締め端子１７２はそれぞれ絶縁チューブ１７１で絶縁されている。
そして、各リード線１７３は、継手１６０の後端内側に嵌合された弾性シール部材１７４のリード線挿通孔を通って外部に引き出され、図示しないコネクタを介して外部回路と接続されている。

次に、図１の部分拡大図である図２を参照し、本発明の特徴部分である外筒１２０について説明する。なお、図２は、２本の素子電極線のうち一方を含むようにして、温度センサの軸方向に平行に切断した断面を示す。
図２において、内筒１１２の底部（先端側）の内部空間にサーミスタ素子１０２が配置され、サーミスタ焼結体１０３の後端１０３ｒから内筒１１２の軸方向Ｌに沿って素子電極線１０４が延びている。又、シース部材１０６のシース外管１０７は内筒１１２と同心にして内筒１１２に収容され、シース部材１０６のシース外管１０７の先端から引き出されたシース芯線１０８と素子電極線１０４の先端同士が重ね合わされている。
そして、素子電極線１０４とシース芯線１０８との重ね合わせ部とをレーザスポット溶接することで接合部１１０が形成され、両者が接合部１１０を介して接合される。このようにしてサーミスタ素子１０２とシース部材１０６とが接続されて内筒１１２に収容され、空隙に絶縁材１１４が充填されることで、サーミスタ素子１０２とシース部材１０６とが内筒１１２に保持されるようになっている。絶縁材１１４は、例えばアルミナを主体としシリカを骨材とする未固化状態のセメントを上記空隙に充填し固化して形成することができる。

ここで、内筒１１２の軸方向Ｌに垂直な方向から見たときの、接合部１１０の先端をＪとし、サーミスタ焼結体１０３の後端１０３ｒの位置をＲとし、サーミスタ焼結体１０３の先端１０３ｆの位置をＦとする。
このとき、外筒１２０は位置Ｊより先端側で内筒１１２と離間している。

外筒１２０をこのように構成すると、内筒１１２（接合部１１０を含む）が外筒１２０で遮蔽される。そのため、温度センサ１００ｘが高温域から低温域へ急冷された際、外周側の外筒１２０から冷却が始まり、図２（ｂ）に示すように外筒１２０は収縮するものの、外筒１２０で遮蔽されている内筒１１２には急激な温度変化が伝わり難く、さらに外筒１２０が接合部１１０より先端側で内筒１１２と離間しているため、急激な温度変化による外筒１２０の収縮に内筒１１２が追随することがなく、内筒１１２の収縮量も少なくなる。特に、接合部１１０（位置J）を外筒１２０が遮蔽しているので、温度変化による内筒１１２の収縮に起因して接合部１１０に生ずる剪断応力等の応力を緩和する事ができる。
さらに、外筒１２０には所定位置にガス導入孔１２２が開口しているため、内筒１１２が排気ガスに曝され、内筒１１２に内蔵されたサーミスタ焼結体（感温部）１０３の応答性を損なわず、排気ガスの温度を精度よく測定することができる。
さらに、接合部１１０を外筒１２０が遮蔽していることで、接合部１１０近傍にかかる温度変化を緩和させることができるので、接合部１１０に生ずる熱応力をも小さくでき、温度センサの信頼性が一層高まる。

なお、この実施形態では、位置Ｊより後端側で加締部１２０ｂによって外筒１２０が内筒１１２に固定されている。内筒１１２と外筒１２０の固定位置を位置Ｊより後端側とすると、急激な温度変化による外筒１２０の収縮に内筒１１２が追随することを有効に防止できる。特に、内筒１１２と外筒１２０の固定位置を位置Ｓより後端側とするとより好ましい。
又、外筒１２０の後端は、少なくとも接合部１１０から延びるシース芯線１０８（シース外管１０７の先端から剥き出されたシース芯線１０８）の後端（位置Ｓ）まで延びている必要がある。

さらに、この実施形態では、内筒１１２の軸方向Ｌに垂直な方向から見たとき、すべてのガス導入孔１２２（１２２ａ〜１２２ｃ）が接合部１１０（位置Ｊ）より先端側に位置する。このような構成とすると、接合部１１０を完全に外筒１２０が遮蔽するので、温度変化による内筒１１２の収縮に起因して接合部１１０に生ずる剪断応力等の応力をより一層緩和する事ができる。
又、この実施形態では、内筒１１２の軸方向Ｌに垂直な方向から見たとき、ガス導入孔１２２ｂが位置Ｆ〜位置Ｒの間にある。このような構成とすると、サーミスタ焼結体（感温部）１０３と少なくとも部分的に重なるガス導入孔が存在するため、この部分から被測定ガス（排気ガス）が感温部１０３近傍の内筒１１２に直接接触し、感温部１０３の応答性がさらに向上する。

なお、この実施形態では、サーミスタ焼結体（感温部）１０３と内筒１１２との間の空隙に絶縁材１１４が充填され、サーミスタ焼結体１０３が内筒１１２と強固に一体化している。そのため、内筒１１２が温度変化によって収縮した際にサーミスタ焼結体１０３が後側（シース部材側）へ押される度合が大きくなるので、本発明の効果がより顕著になる。又、サーミスタ焼結体１０３と内筒１１２との間の空隙に絶縁材を充填すると、内筒１１２からの温度がサーミスタ焼結体１０３に迅速に伝わるので、サーミスタ焼結体１０３の応答性がさらに向上する。
内筒１１２へサーミスタ焼結体１０３を保持する構造としては、上記した絶縁材の充填の他、サーミスタ焼結体１０３周りにホルダを配置し、このホルダ内に絶縁材を充填してサーミスタ焼結体１０３を保持する保持構造、サーミスタ焼結体１０３を内筒１１２の先端内壁や側壁へ当接（接着等）させた保持構造等が挙げられ、本発明においてはこれらの保持構造を採用してもよい。

次に、図３を参照し、本発明の第２の実施形態に係る温度センサ１００ｙについて説明する。図３は、温度センサ１００ｙの一部を破断した断面構造を示す。なお、温度センサ１００ｙは、フランジ部材１４０ｙ及び外筒１２０ｙの構成が異なること以外は第１の実施形態と同一であるので、第１の実施形態と同一な部分に同一符号を付して説明を省略する。

温度センサ１００ｙにおいては、内筒１１２への外筒１２０ｙの固定に加締めを用いず、フランジ部材１４０ｙを用いた点が第１の実施形態と異なる。すなわち、フランジ部材１４０ｙの鍔部１４２の先端面に形成された座面１４５から先端側へ、筒状のガイド部１４５ａが延設されている。ガイド部１４５ａはフランジ部材１４０ｙと同心の中心孔を有し、ガイド部１４５ａの外径は外筒１２０ｙの内径よりわずかに大きい。
そして、図４に示すように、ガイド部１４５ａに外筒１２０ｙを嵌挿して両者を溶接すると、溶接部ｗで外筒１２０ｙがガイド部１４５ａに固定される（図４（ａ））。このようにした温度センサ１００ｙを（排気管の）側壁２００に取付ければよい。
又、溶接を用いずに外筒を固定する方法として、図４（ｂ）に示すように、外筒１２０ｙの後端を座面１４５に沿うように拡径して鍔部１２０ｚを設ける方法が挙げられる。この場合、ガイド部１４５ａに外筒１２０ｙを嵌挿した後、温度センサ１００ｙを（排気管の）側壁２００に挿入すると、鍔部１２０ｚが座面１４５と側壁２００に挟まれて保持される。

なお、図４（ａ）に示す第２の実施形態においては、ガイド部１４５ａが外筒の固定部となる。又、図４（ｂ）に示す第２の実施形態においては、座面１４５が外筒の固定部となり、温度センサ１００ｙを対象物に取り付けた際に、座面１４５が固定部として機能することになる。

次に、図５を参照し、本発明の第３の実施形態に係る温度センサ１００ｚについて説明する。図５は、図２に対応した部分拡大図であり、２本の素子電極線１０４のうち一方を含むようにして、温度センサ１００ｚの軸方向に平行に切断した断面を示す。なお、温度センサ１００ｚは、内筒１１２０の構成が異なること以外は第１の実施形態と同一であるので、第１の実施形態と同一な部分に同一符号を付して説明を省略する。又、図５で図示を省略した部分の構成は図１と同一である。
温度センサ１００ｚにおいては、内筒１１２０がサーミスタ素子１０２から位置Ｓまでの領域を覆った後、位置Ｓ近傍でシース外管１０７の先端に全周レーザ溶接され、この溶接位置より後端側には内筒１１２０が存在せずにシース外管１０７が露出している。そして、外筒１２０は加締られて（加締部１２０ｂ）、シース外管１０７に固定されている。なお、シース部材１０６の後端側は、フランジ部材１４０の中心孔に挿入されて当該フランジ部材１４０に保持される。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、外筒の材質は特に限定されず、金属の他、セラミックス等の各種耐熱材料を用いることもできる。

図１に示す温度センサを常法に従って製造し、実施例とした。ここで、外筒１２０の外径を４．４５ｍｍ、外筒１２０の先端と内筒１１２の先端との距離を３ｍｍとし、外筒１２０の後端をフランジ部材１４０の先端側まで伸ばした構造とした。又、外筒１２０の表面のうち、図２のガス導入孔１２２ａに対応する位置に１個のガス導入孔（直径１．５ｍｍ）を設け、図２のガス導入孔１２２ｂに対応する位置に（それぞれ径方向に９０度の角度をなすように）４個のガス導入孔（直径１．５ｍｍ）を設け、同様に図２のガス導入孔１２２ｃに対応する位置に４個のガス導入孔（直径１．５ｍｍ）を設けた。
比較例１として、外筒１２０を設けずに内筒を露出させたこと以外は実施例とまったく同様にして温度センサを製造した。
比較例２として、外筒１２０を設けたが、外筒１２０にガス導入孔を開口しなかったこと以外は実施例とまったく同様にして温度センサを製造した。

各実施例及び比較例で得られた温度センサを、温度６００℃の電気炉（大気雰囲気）の下流の配管に設置し、配管内の流速を２０ｍ／秒として温度を測定した。
得られた結果を図６に示す。図６から明らかなように、外筒にガス導入孔を開口することにより、外筒を設けない場合に近い温度応答性が得られ、ガス導入孔によって内筒が充分に被測定ガスに曝されることが判明した。

本発明の第１の実施形態に係る温度センサの一部を破断した断面構造図である。 図１の部分拡大図である。 本発明の第２の実施形態に係る温度センサの一部を破断した断面構造図である。 本発明の第２の実施形態に係る温度センサにおける外筒の固定状態を示す部分断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る温度センサの断面の部分拡大図である。 各実施例及び比較例で得られた温度センサの温度応答性を示す図である。 従来の温度センサの断面の部分拡大図である。

符号の説明

１００ｘ、１００ｙ、１００ｚ 温度センサ
１０２ 感温素子
１０３ 感温部
１０４ 素子電極線
１０６ シース部材
１０７ シース外管
１０８ シース芯線
１１０ 接合部
１１２、１１２０ 内筒
１１４ 絶縁材
１２０、１２０ｙ 外筒
１２０ｂ、１４５、１４５ａ 固定部
１２２ａ〜１２２ｃ ガス導入孔
Ｊ 内筒の軸方向に垂直な方向から見たときの接合部の位置
Ｆ 内筒の軸方向に垂直な方向から見たときの感温部の先端の位置
Ｒ 内筒の軸方向に垂直な方向から見たときの感温部の後端の位置
Ｌ 内筒の軸方向

Claims (5)

1. 感温部と該感温部から延びる一対の素子電極線とを有する感温素子と、
   前記素子電極線に接合部を介して接続されるシース芯線と該シース芯線を絶縁材の間に内包するシース外管とを有するシース部材と、
   有底筒状をなし、先端となる底部側に少なくとも前記感温素子及び前記接合部を収容し、前記素子電極線及び前記シース芯線の延びる方向に延びる金属製の内筒と、
   ガス導入孔を有する有底筒状をなして該内筒を覆い、前記内筒の軸方向に垂直な方向から見たとき、前記接合部より先端側で前記内筒と離間している外筒と
   を備えた温度センサ。
2. 前記内筒の軸方向に垂直な方向から見たとき、前記接合部より後端側に、前記内筒又は前記シース外管と前記外筒とを固定する固定部を備えた請求項１に記載の温度センサ。
3. 前記内筒の軸方向に垂直な方向から見たとき、前記ガス導入孔の全てが前記接合部より先端側に位置する請求項１又は２に記載の温度センサ。
4. 前記内筒の軸方向に垂直な方向から見たとき、前記ガス導入孔の少なくとも一部が前記感温部と重なるように位置する請求項１〜３のいずれかに記載の温度センサ。
5. 前記感温素子と前記内筒の内面との間に絶縁材が充填されている請求項１〜４のいずれかに記載の温度センサ。

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