DE102013203729B4

DE102013203729B4 - Temperatursensor

Info

Publication number: DE102013203729B4
Application number: DE102013203729.5A
Authority: DE
Inventors: Yuusuke TOUDOU; Tsunenobu Hori; Sotoo Takahashi
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2018-08-16
Anticipated expiration: 2033-03-06
Also published as: CN103308207A; DE102013203729A1; JP5561292B2; CN103308207B; JP2013185878A; US20130235904A1; US9417135B2

Abstract

Der Temperatursensor enthält ein wärmeempfindliches Element, erste und zweite Elektrodendrähte, die mit dem wärmeempfindlichen Element elektrisch verbunden sind, erste und zweite Signaldrähte, die mit dem ersten und zweiten Elektrodendraht teilweise überlappen bzw. damit verbunden sind. Die ersten und zweiten Elektrodendrähte werden aus einem ersten Metallmaterial hergestellt, das hauptsächlich aus Pt besteht. Die ersten und zweiten Signaldrähte werden aus einem zweiten Metallmaterial hergestellt, das Al enthält und einen linearen thermischen Expansionskoeffizienten aufweist, der größer als der des ersten Metallmaterials ist. Jeder eines Überlappungsteilbereichs des ersten Elektrodendrahts und des ersten Signaldrahts und eines Überlappungsteilbereichs des zweiten Elektrodendrahts und der zweiten Signaldrahts enthält ein Verbindungsteil, das durch Schmelzen und danach Koagulieren des ersten oder zweiten Elektrodendrahts und des ersten oder zweiten Signaldrahts gebildet wird. Das Verbindungsteil enthält eine auf einer Oberfläche davon gebildete Al-haltige Oxidationsschicht.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2012-49682 , eingereicht am 6. März 2012, wobei der gesamte Inhalt davon hierin durch Bezugnahme eingefügt wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Temperatursensor.
Beschreibung des Stands der Technik
Es ist bekannt, die Temperatur von Abgasen eines Automobils unter Verwendung eines Temperatursensors zu messen, der ein wärmeempfindliches Element, wie etwa ein Thermistorelement, aufweist, dessen Widerstand in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur variiert. Derartige Temperatursensoren schließen diejenigen ein, die ein wärmeempfindliches Element, mit dem wärmeempfindlichen Element verbundene Elektrodendrähte bzw. -kabel, mit den Elektrodendrähten verbundene Signaldrähte bzw. -kabel, und einen Mantelstift („sheath pin“) aufweisen, welcher die Signaldrähte in einen Zustand aufnimmt, in dem die Signaldrähte von dem Mantelstift an ihren Vorderenden exponiert bzw. freiliegend sind. Im Allgemeinen wird Pt als ein Material für die Elektrodendrähte verwendet und SUS310S wird als ein Material für den Signaldraht verwendet.
Mittlerweile wird vorgeschlagen, eine Zwischenschicht zwischen dem Elektrodendraht und dem Signaldraht anzuordnen. Zum Beispiel offenbart die japanische Patentanmeldung Offenlegung Nr. 2009-294107 einen Temperatursensor, der eine Struktur aufweist, in welchem ein Zwischenelement, das einen thermischen Expansionskoeffizienten zwischen dem thermischen Expansionskoeffizienten eines Elektrodendrahts und dem thermischen Expansionskoeffizienten eines Signaldrahts aufweist, in einem überlappenden Teilbereich zwischen dem Elektrodendraht und dem Signaldraht angeordnet ist, und das Zwischenelement und seine Umgebung werden lasergeschweißt, um eine Zwischenschicht auszubilden.
Jedoch ist der vorhergehende Temperatursensor wegen des folgenden Grunds nicht für die Verwendung in der Messung eines weiten Temperaturbereichs, z.B. einem Temperaturbereich von etwa -40°C bis +1000°C geeignet. In dem Temperatursensor unter Verwendung von Pt als ein Material für die Elektrodendraht und SUS310S als ein Material für den Signaldraht, ist der Unterschied zwischen dem thermischen Expansionskoeffizienten des Elektrodendrahts und dem thermischen Expansionskoeffizienten des Signaldrahts groß. Demgemäß steigt die thermische Belastung in einem Verbindungsteil zwischen dem Elektrodendraht und dem Signaldraht mit dem Anstieg des Temperaturunterschieds zwischen dem warmen Zustand und dem kalten Zustand bei der Verwendung an. Folglich ist es wahrscheinlich, dass der Elektrodendraht, welcher schwächer in der Materialstärke als der Signaldraht ist, bricht. Dieses Problem wird insbesondere in einer Umgebung deutlich, in welcher der Temperatursensor wiederholt einem warmen und kalten Zyklus unterworfen wird.
Nebenbei bemerkt wird in dem Temperatursensor, der in dem vorhergehenden Patentdokument beschrieben wird, die Zwischenschicht durch Anordnung des Zwischenelements mit einem thermischen Expansionskoeffizienten zwischen dem thermischen Expansionskoeffizienten des Elektrodendrahts und dem thermischen Expansionskoeffizienten des Signaldrahts gebildet. Jedoch ist es schwierig, den Bruch der Elektrodendraht unter Verwendung einer derartigen Struktur vollständig zu vermeiden, weil die Zwischenschicht und die Signaldraht wahrscheinlich oxidiert werden.
EP 2 075 557 A2 beschreibt einen Temperatursensor, bei dem die Signaldrähte aus einer rostfreien Legierung hergestellt werden. Außerdem wird dort beschrieben, dass herkömmliche Signaldrähte ebenfalls aus einer rostfreien Legierung oder Inconel hergestellt werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird ein Temperatursensor bereitgestellt, der enthält:

ein wärmeempfindliches Element, dessen elektrische Eigenschaften in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur variieren;
erste und zweite Elektrodendrähte, die mit dem wärmeempfindlichen Element elektrisch verbunden sind;
erste und zweite Signaldrähte, die wenigstens teilweise mit den ersten und zweiten Elektrodendrähten überlappen und damit verbunden sind; und
einen Mantelstift, der die ersten und zweiten Signaldrähte in einen Zustand aufnimmt, in dem die Vorderteilbereiche der ersten und zweiten Signaldrähte von dem Mantelstift exponiert sind;
wobei
die ersten und zweiten Elektrodendrähte aus einem ersten Metallmaterial hergestellt sind, das hauptsächlich aus Pt besteht,
die ersten und zweiten Signaldrähte aus einem zweiten Metallmaterial hergestellt sind, das Al enthält und einen linearen thermischen Expansionskoeffizienten aufweist, der größer als ein linearer thermischer Expansionskoeffizient des ersten Metallmaterials ist,
wobei jeder eines Überlappungsteilbereichs des ersten Elektrodendrahts und des ersten Signaldrahts und eines Überlappungsteilbereichs des zweiten Elektrodendrahts und des zweiten Signaldrahts ein Verbindungsteil enthält, das durch Schmelzen und danach Koagulieren des ersten oder zweiten Elektrodendrahts und des ersten oder zweiten Signaldrahts gebildet wird, und
das Verbindungsteil eine auf einer Oberfläche davon gebildete erste Al-haltige Oxidationsschicht enthält.

Gemäß der beispielhaften Ausführungsform wird ein Temperatursensor bereitgestellt, der mit einem wärmeempfindlichen Element verbundene Elektrodendrähte und mit den Elektrodendrähte verbundene Signaldrähte enthält, welcher eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen den Bruch der Elektrodendrähte aufweist, selbst wenn er einer Wiederholung eines warmen und kalten Zyklus` unterworfen wird.
Andere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung einschließlich der Zeichnungen und der Ansprüche ersichtlich.
Figurenliste
In den beigefügten Zeichnungen:

1 ist eine Draufsicht auf ein Vorderteil eines Temperatursensors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 ist eine Seitenansicht des Vorderteils des Temperatursensors gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
3 ist eine Querschnittsansicht der 2 entlang der Linie III-III;
4 ist eine Längsquerschnittsansicht des Temperatursensors gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
5 ist eine Seitenansicht eines Vorderteils eines Temperatursensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
6 ist eine Seitenansicht eines Vorderteils eines Temperatursensors gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
7 ist ein Diagramm, das erklärt, wie eine Belastung auf ein Verbindungsteil des Temperatursensors gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung durch den Temperaturunterschied zwischen einem warmen Zustand und einem kalten Zustand beeinflusst wird, wenn der Temperatursensor dem warmen und kalten Zyklus unterzogen wird;
8 ist eine vergrößerte Ansicht, die das Verbindungsteil und seine Umgebung des Temperatursensors gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
9 ist eine Querschnittsansicht der 8 entlang der Linie IX-IX;
10 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse eines Belastungstests erläutert, der als Experimentalbeispiel 1 an einer Probe eines herkömmlichen Temperatursensors ausgeführt wurde;
11 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse eines Belastungstests erläutert, der als Experimentalbeispiel 1 an einer Probe des erfindungsgemäßen Temperatursensors ausgeführt wurde;
12 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse eines Belastungstests erläutert, der als Experimentalbeispiel 2 an einem Mantelstift einer Probe des herkömmlichen Temperatursensors ausgeführt wurde;
13 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse eines Belastungstests erläutert, der als Experimentalbeispiel 3 an einer Probe eines herkömmlichen Temperatursensors ausgeführt wurde; und
14 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse eines Belastungstests erläutert, der als Experimentalbeispiel 3 an einer Probe eines erfindungsgemäßen Temperatursensors ausgeführt wurde.

BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Vor der Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung werden die Gemeinsamkeiten der verschiedenen Ausführungsformen erläutert.
Jeder der Temperatursensoren gemäß den erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann in ein Auspuffrohr eingefügt und fixiert werden, um die Temperatur eines aus einer Brennkraftmaschine ausgestoßenen Auspuffgases zu messen. In diesen Ausführungsformen wird eine Seite des Temperatursensors, von welcher er in ein Auspuffrohr oder ähnliches eingefügt wird, d.h. die Seite, an welcher ein wärmeempfindliches Element angeordnet ist, wird als die Vorderseite bezeichnet, und die gegenüberliegende Seite wird als die Rückseite bezeichnet. Das wärmeempfindliche Element jedes Temperatursensors kann ein Thermistorelement sein, dessen elektrischer Widerstand in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur variiert.
Die Elektrodendrähte jedes Temperatursensors werden aus einem Metallmaterial hergestellt, das hauptsächlich aus Pt steht. Hierbei bedeutet „hauptsächlich aus Pt besteht“ „enthält 50 Masse-% oder mehr an Pt“. Dieses Metallmaterial kann eine Pt-Legierung sein, die Pt und andere Arten der Legierungsbestandteilen enthält, oder mit Au plattiertes Pt. Die anderen Arten der Legierungsbestandteile können die Platingruppenmetalle, wie etwa Rh, Ir, Pd, Ru, Os sein, oder können Ni oder W sein. Dieses Metallmaterial kann einen oder mehrere dieser Legierungsbestandteile enthalten. Pt oder die Pt-Legierung, die als ein Material für den Elektrodendraht verwendet wird, kann Verunreinigungen enthalten, die während eines Herstellungsverfahrens nicht entfernbar sind. Der Gehalt dieser anderen Arten von Legierungsbestandteilen kann unter Berücksichtigung der notwendigen Festigkeit, Bearbeitbarkeit und der Arten der zusätzlichen Elemente bestimmt werden.
Der lineare thermische Expansionskoeffizient des Metallmaterials des Elektrodendrahts ist bevorzugt in einem Bereich von 7 bis 11 × 10^-6 (1/°C) und bevorzugter in einem Bereich von 8 bis 10 × 10^-6 (1/°C). Hierbei ist der Begriff „linearer thermischer Expansionskoeffizient“ (linear thermal expansion coefficient) gemäß JIS Z2285 (Messverfahren für den Koeffizienten der linearen thermischen Expansion von metallischen Materialien). Der lineare thermische Expansionskoeffizient wird durch ein Messverfahren mit konstanter Temperatur unter Verwendung eines auf die Temperatur von 1000°C eingestellten thermomechanischen Analysators gemessen. Die Querschnittsform des Elektrodendrahts ist nicht auf eine bestimmte Form beschränkt. Sie kann eine ungefähr kreisförmige Form sein. Der Durchmesser der Elektrode kann in einem Bereich von 0,1 bis 0,4 mm sein.
Der Signaldraht wird aus einem Metallmaterial hergestellt, das Al enthält,. Das in dem Signaldraht enthaltene Al ist ein wichtiges Element, das für die Bildung der später beschriebenen ersten und zweiten Oxidschichten notwendig ist. Als das Al-enthaltende Metallmaterial kann eine Legierung auf Ni-Grundlage, die Al enthält, oder eine Legierung auf Fe-Cr-Grundlage, die Al enthält, verwendet werden. Der Grund dafür ist wie folgt.
In herkömmlichen Temperatursensoren wird der Signaldraht aus SUS310 oder ähnlichem hergestellt. In diesem Fall, wenn der Temperatursensor einem Warm- und Kaltzyklus wiederholt unterzogen wird, entwickelt sich eine Oxidation in dem Signaldraht oder dem Verbindungsteil, als deren Ergebnis auf der Oberfläche der Signaldraht und des Verbindungsteils eine Oxidschicht gebildet wird, die hauptsächlich aus Chromoxid besteht. Diese Oxidschicht auf Cr-Grundlage hat einen geringen linearen thermischen Expansionskoeffizienten und ist außerdem schwach. Demgemäß wird die Oxidschicht wahrscheinlich von dem Signaldraht abblättern, was verursacht, dass die Querschnittsfläche oder der Durchmesser der Signaldraht verringert wird, wenn der Temperatursensor wiederholt einem warmen und kalten Zyklus unterworfen wird. Die Verringerung des Durchmessers des Signaldrahts verringert die Stärke des Signaldrahts, als ein Ergebnis davon wird der Signaldraht leicht plastisch verformt, was verursacht, dass die thermische Belastung, die auf das Verbindungsteil ausgeübt wird, ansteigt. Folglich wird es wahrscheinlich, dass der Elektrodendraht bricht.
Im Gegensatz dazu steigt der Widerstand gegen Oxidation des Signaldrahts an, wenn der Signaldraht aus dem Al enthaltenen Metallmaterial hergestellt wird. Demgemäß wird in diesem Fall es möglich die plastische Verformung aufgrund der Reduktion des Durchmessers der Signaldraht zu unterdrücken, selbst wenn der Temperatursensor wiederholt einem warmen und kalten Zyklus unterzogen wird, da die Oberfläche der Signaldraht wahrscheinlich nicht oxidiert wird, und die Reduktion der Querschnittsfläche der Signaldraht aufgrund von Abblättern der Oxidschicht wahrscheinlich nicht auftritt. Folglich ist es möglich, einen Anstieg der thermischen Belastung an dem Verbindungsteil zu unterdrücken und verlässlicher den Bruch des Elektrodendrahts zu vermeiden. Dieser Vorteil ist insbesondere groß, wenn der Signaldraht aus einer Legierung auf Ni-Grundlage hergestellt wird, die Al enthält. Zusätzlich kann in diesem Fall, da die Bearbeitbarkeit des Mantelstifts für die Aufnahme der Signaldrähte gut ist, die Herstellbarkeit verglichen zu dem Fall verbessert werden, in dem der Signaldraht aus der Al enthaltenden Legierung auf Fe-Cr-Grundlage hergestellt wird.
Als die Legierung auf Ni-Grundlage, die Al enthält, kann INCONEL (eingetragene Marke von Special Metals Corporation) 601 oder 617 verwendet werden. Die Legierung auf Fe-Cr-Grundlage, welche eine Legierung ist, die hauptsächlich aus Fe und Cr und zugesetztem Al besteht, kann zu Fe, Cr und Al unterschiedliche Legierungselemente enthalten. Die Legierung auf Fe-Cr-Grundlage, die Al enthält, kann ein Al-haltiger rostfreier Stahl auf Ferrit-Grundlage sein. Mit Blick auf die Oxidationsbeständigkeit ist der Gehalt an Al des Al-haltigen Metallmaterials bevorzugt 0,2 Masse-% oder mehr, bevorzugter 1,0 Masse-% oder mehr. Mit Blick auf die Bearbeitbarkeit ist der Gehalt an Al bevorzugt 5,0 Masse-% oder weniger, bevorzugter 3,0 Masse-% oder weniger.
Das Metallmaterial des Signaldrahts hat einen linearen thermischen Expansionskoeffizienten, der größer ist, als der des Materials des Elektrodendrahts. Die Form des Querschnitts der Signaldraht ist nicht auf eine spezifische Form beschränkt. Sie kann in etwa kreisförmig sein. In diesem Fall kann der Durchmesser des Signaldrahts in einem Bereich von 0,2 bis 0,5 nm sein.
Der Überlappungsteilbereich zwischen dem Elektrodendraht und dem Signaldraht kann durch Überlappen einer bestimmten Fläche des Elektrodendrahts auf der Rückseite und einer bestimmten Fläche des Signaldrahts auf der Vorderseite erzeugt werden, sodass der Elektrodendraht und der Signaldraht axial parallel zueinander sind. Die axiale Länge des überlappenden Bereichs ist nicht auf eine spezifische Länge beschränkt. Sie kann in einem Bereich von 0,3 bis 0,8 mm sein.
Eine gerade Linie, die das axiale Zentrum eines der Elektrodendrähte und das axiale Zentrum eines entsprechenden der Signaldrähte, welche in einem der zwei überlappenden Teilbereiche in einem Querschnitt überlappen, senkrecht zu der axialen Richtung verbindet, kann oder kann nicht parallel zu einer geraden Linie sein, die das axiale Zentrum des anderen Elektrodendrahts und das axiale Zentrum des anderen Signaldrahts verbindet, welche in dem anderen überlappenden Bereich in einem Querschnitt senkrecht zu der axialen Richtung überlappen. Im ersten Fall, steigt der Grad der Flexibilität in einem Laserschweißverfahren an, da ein Laserstrahl auf den überlappenden Bereich in einer schrägen Richtung auftreffen kann, wobei als ein Ergebnis davon die Verbindungsfestigkeit des Verbindungsteils einfacher erhöht werden kann.
Das Verbindungsteil wird durch teilweises Schmelzen des Elektrodendrahts und des Signaldrahts, die in dem Überlappungsbereich überlappen, und sodann Koagulieren des geschmolzenen Bereichs gebildet. Demgemäß ist das Verbindungsteil eine Mischung des Metallmaterials des Elektrodendrahts und des Metallmaterials des Signaldrahts. Das Verbindungsteil kann singulär oder in eine Mehrzahl von Verbindungsteilbereichen aufgeteilt sein. Im letzteren Fall kann die Mehrzahl der Verbindungsteilbereiche miteinander gekoppelt oder voneinander getrennt sein. Mit Blick auf die Verbesserung der Herstellbarkeit kann eine gebildete Fläche des Verbindungsteils, die außerhalb einer geraden Linie liegt, die die axialen Zentren des Elektrodendrahts und des Signaldrahts in einem Querschnitt senkrecht zu der axialen Richtung verbindet, größer sein als die innerhalb der geraden Linie liegende. Eine gebildete Fläche des Verbindungsteils, die auf der Seite des Elektrodendrahts liegt, kann die gleiche oder unterschiedlich zu der an der Seite des Signaldrahts liegenden sein. Mit Blick auf die Steuerung des linearen thermischen Expansionskoeffizienten des Verbindungsteils in einem erwünschten Bereich und der Verringerung des Unterschieds zwischen dem linearen thermischen Expansionskoeffizienten des Verbindungsteils und des Elektrodendrahts, ist es bevorzugt, dass die gebildete Fläche des Verbindungsteils, die an der Seite des Elektrodendrahts liegt, größer ist, als die an der Seite des Signaldrahts liegende.
Es ist bevorzugt, dass die erste Oxidschicht im Wesentlichen die Gesamtheit der Oberfläche des Verbindungsteils bedeckt. Die erste Oxidschicht kann durch Laserschweißen des Überlappungsteilbereichs zwischen dem Elektrodendraht und dem Signaldraht z.B. in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre hergestellt werden. Eine derartige Atmosphäre kann Luft oder Luft mit zugesetztem Stickstoffgas als ein Hilfsgas sein.
Die Dicke der ersten Oxidschicht ist auf keinen spezifischen Wert beschränkt. Jedoch ist mit Blick auf die Verringerung der thermischen Belastung, die auf das Verbindungsteil ausgeübt wird, und zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit des Verbindungsteils, die Dicke der ersten Oxidschicht in ihrem Anfangszustand bevor sie einem wiederholten warmen und kalten Zyklus unterzogen wird bevorzugt in einem Bereich von 1 µm bis 50 µm.
Der Teil des Signaldrahts, der von dem Mantelstift exponiert wird, kann eine zweite an ihrer äußeren Peripherie gebildete Oxidschicht enthalten, die Al enthält, um die Oxidationsbeständigkeit des Signaldrahts zu erhöhen. Dies ermöglicht es, die Verringerung des Durchmessers des Signaldrahts zu unterdrücken und demgemäß die plastische Verformung der Signaldraht zu unterdrücken. Im Ergebnis kann, da die thermische Belastung, die auf den Verbindungsteil ausgeübt wird, verringert werden kann, der Elektrodendraht verlässlicher am Brechen gehindert werden. Nebenbei ist es bevorzugt, dass die zweite Oxidschicht im Wesentlichen die gesamte äußere Peripherie des Teils des Signaldrahts bedeckt, der von dem Mantelstift exponiert ist.
Die Dicke der zweiten Oxidschicht ist nicht auf einen spezifischen Wert beschränkt. Jedoch ist mit Blick auf die Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit des Signaldrahts die Dicke der zweiten Oxidschicht in ihrem Anfangszustand bevor sie dem wiederholtem warmen und kalten Zyklus unterzogen wird bevorzugt in einem Bereich von 1 µm bis 50 µm.
Die ersten und zweiten Oxidationsschichten können hauptsächlich aus Al₂O₃ bestehen. Hierbei bedeutet „hauptsächlich aus Al₂O₃ bestehen“ „enthält 50 Masse-% oder mehr Al₂O₃“.
Da die Schichtfestigkeit ansteigt wird es in diesem Fall weiter unwahrscheinlich, dass die ersten und zweiten Oxidschichten abblättern, selbst wenn sie einem wiederholten warmen und kalten Zyklus unterzogen werden. Das Bereitstellen der zweiten Oxidschicht unterdrückt die plastische Verformung des Signaldrahts aufgrund der Verringerung ihres Durchmessers. Demgemäß ermöglicht die Bereitstellung der zweiten Oxidschicht die Unterdrückung der auf den Verbindungsteil ausgeübten thermischen Belastung und verhindert außerdem verlässlich den Bruch des Elektrodendrahts.
Der Gehalt an Al₂O₃ jeder der ersten und zweiten Oxidschicht ist bevorzugt 50 Masse-% oder mehr, bevorzugter 70 Masse-% oder mehr, und weiter bevorzugt 90 Masse-% oder mehr. Nebenbei kann jede der ersten und zweiten Oxidschichten ein anderes Oxid als Al₂O₃ enthalten, wenn die vorherigen Vorteile sichergestellt werden. Ein derartiges Oxid kann ein Oxid eines Metallelements sein, das in dem Metallmaterial des Signaldrahts enthalten ist. Zum Beispiel kann es ein Oxid von Chrom sein.
Der Temperatursensor kann eine Abdeckung enthalten, die an der Vorderendseite des Mantelstifts angeordnet ist, um das wärmeempfindliche Element, die Elektrodendrähte und die Signaldrähte abzudecken, und enthält einen in die Abdeckung eingefüllten Füllstoff. In diesem Fall kann, da der Füllstoff den Raum zwischen der inneren Wand der Abdeckung und dem wärmeempfindlichen Element, den Elektrodendrähten und den Signaldrähten ausfüllt, die Vibrationsbeständigkeit erhöht werden.
Die Abdeckung kann aus einem Metallmaterial hergestellt sein, welches eine Legierung auf Ni-Grundlage oder eine Legierung auf Fe-Cr-Grundlage ist. Spezifischer kann das Metallmaterial INCONEL600, INCONEL601 oder SUH21 (JIS G4312) sein.
In diesem Fall können die Elektrodendrähte und die Signaldrähte an der Abdeckung durch den Füllstoff fixiert sein. Diese Befestigung kann durch Adhäsion zwischen den Elektrodendrähten und den Signaldrähten und Adhäsion zwischen dem Füllstoff der Abdeckung erreicht werden. Außerdem kann diese Befestigung durch Reibungskontakt zwischen den Elektrodendrähten und den Signaldrähten und Reibungskontakt zwischen dem Füllstoff und der Abdeckung erreicht werden.
In diesem Fall wird die Abdeckung, die an der äußersten Peripherie liegt, zunächst erwärmt und dann zunächst gekühlt. Andererseits werden im Vergleich mit der Abdeckung die Elektrodendrähte und die Signaldrähte, die in der Abdeckung liegen, schwerlich erwärmt und schwerlich gekühlt nachdem sie erwärmt wurden, und, nebenbei, durch den Füllstoff zurückgehalten. Demgemäß wird die thermische Belastung, die auf das Verbindungsteil ausgeübt wird, im Vergleich zu dem Fall, in dem der Füllstoff nicht vorhanden ist, wahrscheinlich erhöht. Dieser Temperatursensor ist widerstandsfähig gegen Bruch der Elektrodendrähte unter den vorher beschriebenen strengen thermischen Belastungsbedingungen.
Der Füllstoff kann hauptsächlich aus Al₂O₃ bestehen. Hierbei bedeutet „hauptsächlich aus Al₂O₃ bestehen“ „enthält 50 Masse-% oder mehr an Al₂O₃“.
Dies ist vorteilhaft bei der Unterdrückung der thermischen Belastung, die auf das Verbindungsteil ausgeübt wird, um den Bruch der Elektrodendrähte zu vermeiden, weil der Grundstoff der ersten Oxidschicht und der Grundstoff der zweiten Oxidschicht gleich erzeugt werden können.
Der Füllstoff kann Al₂O₃ mit als ein Bindemittel zugesetztem Glas sein. Der Gehalt an dem Bindemittel kann unter Berücksichtigung einer notwendigen Festigkeit und einer notwendigen Stärke für das Festhalten der Elektrodendrähte sein. Der Gehalt an dem Bindemittel kann in einem Bereich von 2 bis 10 Masse-% sein.
Der vorherige Temperatursensor kann durch die folgenden Schritte hergestellt werden. Ein Paar der Elektrodendrähte, die aus Metallmaterial hergestellt sind, das hauptsächlich aus Pt besteht, werden elektrisch mit dem wärmeempfindlichen Element verbunden. Eine bestimmte Fläche an dem Rückende von jedem der mit dem wärmeempfindlichen Element verbundenen zwei Elektrodendrähte wird kontaktiert und überlappt auf einem entsprechenden der Signaldrähte, um den überlappenden Teil zu bilden. Ein Laserstrahl wird auf den überlappenden Teil einer Sauerstoffhaltigen Atmosphäre abgegeben, um die Elektrodendrähte die Signaldrähte miteinander zu verbinden. Der Elektrodendraht und der Signaldraht werden teilweise geschmolzen und danach koaguliert, wobei als ein Ergebnis davon das Verbindungsteil gebildet wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die erste Oxidschicht auf den Oberflächen des Verbindungsteils gebildet, weil in dem Signaldraht Al enthalten ist.
Die zweite Oxidschicht kann auf der äußeren Peripherie des Signaldrahts durch das folgende Verfahren gebildet werden. Nachdem das Verbindungsteil ausgebildet ist, wird die Signaldraht bei einer Temperatur von etwa 900°C bis 1000°C in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, z.B. in der Luft, wärmebehandelt. Zu diesem Zeitpunkt wird die zweite Oxidschicht auf der äußeren Peripherie des Signaldrahts aufgrund des in dem Signaldraht enthaltenen Al ausgebildet. Die Elektrodendrähte, die Signaldrähte und die Abdeckungen können aneinander durch den Füllstoff durch das folgende Verfahren fixiert werden. Eine wärmehärtende Aufschlämmung des Füllstoffmaterials wird in die Abdeckung gegeben. Als nächstes wird der mit dem Verbindungsteil ausgebildete überlappende Teil in das Füllstoffmaterial von der Seite des wärmeempfindlichen Elements eingeführt. Danach wird das Füllstoffmaterial bei einer für die Aushärtung des Füllstoffmaterials geeigneten Temperatur in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, z.B. in der Luft, wärmebehandelt. Gemäß diesem Verfahren kann das Herstellungsverfahren vereinfacht werden, weil die Befestigung unter Verwendung des Füllstoffs und die Ausbildung der zweiten Oxidschicht gleichzeitig erfolgen kann.
Als nächstes werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. In den im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen werden die gleichen oder äquivalenten Bestandteile durch die gleichen Bezugszeichen oder Buchstaben angezeigt.
Erste Ausführungsform
Ein Temperatursensor 1A gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird mit Bezugnahme auf die 1 bis 4 beschrieben. Wie in den 1 bis 4 gezeigt, enthält der Temperatursensor 1A ein wärmeempfindliches Element 2, dessen elektrische Eigenschaft in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur variiert, ein Paar Elektrodendrähte 3, die mit dem wärmeempfindlichen Element 2 verbunden sind, ein Paar Signaldrähte 4, die mit den Elektrodendrähte 3 überlappen und damit verbunden sind, und einen Mantelstift 5, der die Signaldrähte 4 in einem Zustand aufnimmt, in dem die Signaldrähte 4 an ihren Vorderenden exponiert sind.
Die Elektrodendraht 3 wird aus einem Metallmaterial hergestellt, das hauptsächlich aus Pt besteht. Die Signaldraht 4 wird aus einem Metallmaterial hergestellt, das Al enthält und einen linearen thermischen Expansionskoeffizienten aufweist, der größer als der des Metallmaterials des Elektrodendrahts 3 ist. Spezifischer wird in dieser Ausführungsform der Elektrodendraht 3 aus einer Pt-Legierung hergestellt, die 10 Masse-% Iridium enthält und einen linearen thermischen Expansionskoeffizienten von 9,88 × 10^-6 (1/°C) bei 1000°C aufweist. Der Elektrodendraht 4 wird aus INCONEL601 (Legierung auf Ni-Grundlage, die 1,4 Masse-% Al enthält) hergestellt und weist einen linearen thermischen Expansionskoeffizienten von 17,7 × 10^-6 (1/°C) bei 1000°C auf. Sowohl der Elektrodendraht 3 als auch der Signaldraht 4 haben einen in etwa kreisförmigen Querschnitt. Der Durchmesser des Elektrodendrahts 3 ist 0,25 mm. Der Durchmesser des Signaldrahts 4 ist 0,35 mm.
Ein Verbindungsteil 6 ist in einem Überlappungsteilbereich zwischen dem Elektrodendraht 3 und dem Signaldraht 4 vorhanden. Das Verbindungsteil 6 wird durch teilweises Schmelzen und danach Koagulieren des Elektrodendrahts 3 und des Signaldrahts 4 bildet. Das Verbindungsteil 6 wird mit einer ersten Oxidschicht 61 ausgebildet, die Al an ihrer Oberfläche enthält.
Als nächstes wird der Temperatursensor 1A gemäß dieser Ausführungsform in mehr Details beschrieben. Temperatursensor 1A wird für den Nachweis der Temperatur des Abgases eines Automobils verwendet. Der Verwendungsbereich des Temperatursensors 1A reicht von einer niedrigen Temperatur von etwa -40°C bis zu einer hohen Temperatur von etwa 1000°C.
Das wärmeempfindliche Element 2 wird aus einem Thermistorelement hergestellt, dessen Elektrischer Widerstand in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur variiert. Das wärmeempfindliche Element 2 hat eine etwa rechteckige Form. Das Vorderende eines der Elektrodendrähte 3 ist mit einer der Oberflächen des wärmeempfindlichen Elements verbunden, und das Vorderende des anderen Elektrodendrahts 3 ist mit der anderen Oberfläche des wärmeempfindlichen Elements 2 verbunden. Das heißt, das wärmeempfindliche Element 2 wird zwischen den zwei Elektrodendrähten 3 angeordnet. Der Abstand zwischen den axialen Zentren der zwei Elektrodendrähte 3 ist kleiner als jener der zwei Signaldrähte 4. Eine bestimmte Fläche an dem Rückende jeder der zwei Elektrodendrähte 2, die sich von dem wärmeempfindlichen Element 2 als eine Überlappungsfläche 33 erstrecken, überlappt mit einem entsprechenden der Signaldrähte 4, um das Verbindungsteil 6 auszubilden. Das wärmeempfindliche Element wird durch Glas 11 zusammen mit den Vorderenden der zwei Elektrodendrähte 3 versiegelt.
Die zwei Signaldrähte 4 erstrecken sich aus dem Inneren des Mantelstifts 5. Jeder Signaldraht 4 enthält eine Haltefläche 42, die durch den Mantelstift 5 gehalten wird, eine Überlappungsfläche 43, welche mit einem entsprechenden der Elektrodendrähte 3 überlappt, um einen Teil des Verbindungsteils 6 auszubilden, und einen abgeknickten Teilbereich 44, der die Haltefläche 42 und die Überlappungsfläche 43 verbindet. Die Ebene einschließlich der Zentrumsachsen der zwei Signaldrähte 4 außerhalb der Überlappungsflächen 43 ist näher zu der Ebene einschließlich der Zentrumsachsen der zwei Elektrodendrähte 3 als die Ebene einschließlich die Zentrumsachsen der Signaldrähte 4 innerhalb der Überlappungsflächen 43.
Ein Überlappungsteilbereich 34 des Elektrodendrahts 3 und des Signaldraht 4 wird durch Überlappen der Überlappungsfläche 33 des Elektrodendrahts 3 mit der Überlappungsfläche 43 des Signaldrahts 4 derartig ausgebildet, dass die Elektrodendraht 3 axial parallel zu und in Kontakt mit dem Signaldraht 4 ist. Wie in der 3 gezeigt, ist eine gerade Line M1, die die axialen Zentren von einem der zwei Elektrodendrähte 3 und einem entsprechenden der zwei Elektrodendrähte 4 verbindet, die miteinander überlappen, nicht parallel zu einer geraden Linie M2, die die axialen Zentren des anderen Elektrodendrahts 3 und des anderen Signaldrahts 4 verbindet, die miteinander überlappen. In dieser Ausführungsform ist der Winkel θ zwischen den geraden Linien M1 und M2 45 Grad.
Das Verbindungsteil 6 wird durch teilweises Schmelzen durch Laserschweißen und danach Koagulieren des Elektrodendrahts 3 und des Signaldrahts 4 gebildet. Das Verbindungsteil 6, welches so angeordnet ist, dass es sich zwischen dem Elektrodendraht 3 und dem Signaldraht 4 erstreckt, besteht aus einer Mischung der Pt-Legierung als das Material des Elektrodendrahts 3 und dem INCONEL601 (Legierung auf Ni-Grundlage, die 1,4 Masse-% Al enthält) als das Material des Signaldrahts 4. Demgemäß ist der lineare thermische Expansionskoeffizient des Verbindungsteils 6 zwischen denen des Elektrodendrahts 3 und des Signaldrahts 4. In dieser Ausführungsform wird das Verbindungsteil 6 aus 2 Verbindungsteilbereichen 60 hergestellt, welche in etwa kreisförmig sind, wenn sie von außen betrachtet werden, und miteinander an ihren Kanten verbunden werden.
Die erste Oxidschicht 61 wird als ein Ergebnis der Oxidation des in INCONEL601 enthaltenen Al-Bestandteils als das Material des Signaldrahts 4 zum Zeitpunkt der Ausbildung des Verbindungsteils 6 durch Laserschmelzen gebildet. In dieser Ausführungsform enthält die erste Oxidschicht 61 90 Masse-% oder mehr Al₂O₃. Die erste Oxidschicht 61 bedeckt die Oberfläche des Verbindungsteils 6 im Wesentlichen gleichmäßig.
In dieser Ausführungsform wird das Laserschmelzen in einer mit Stickstoffgas als ein Hilfsgas angereicherten Atmosphäre entlang der Richtung senkrecht zu der geraden Linie durchgeführt, die die axialen Zentren der zwei Signaldrähte 4 von der Seite der Signaldrähte 4 verbindet, sodass ein von einem Laserschweißgerät abgegebener Laserstrahl auf einen Kontaktteilbereich zwischen dem Signaldraht 4 und dem Elektrodendraht 3 in dem Überlappungsteilbereich 34 in einer Richtung parallel zu der geraden Linie auftrifft, die die axialen Zentren der zwei Signaldrähte 4 verbindet. Die fokale Position des Laserstrahls ist an dem Kontaktteilbereich. Der Leuchtfleckdurchmesser des Laserstrahls ist 0,4 mm. Die Leistung des Laserstrahls ist 0,5 kW.
Wie in der 4 gezeigt, enthält der Mantelstift 5 das Paar der Signaldrähte 4, einen isolierenden Teil 51, der aus einem isolierenden Pulver, wie etwa Magnesiumoxidpulver, hergestellt und um die Signaldrähte 4 angeordnet ist, und einen äußeren Röhrenteil 52. Die Überlappungsfläche 43, der geknickte Teilbereich 44 und die Haltefläche 42 jedes Signaldrahts 4 sind von dem äußeren Röhrenteil 52 des Mantelstifts 5 exponiert. Eine Rippe 12, die den Mantelstift 5 hält, ist an der äußeren Peripherie des äußeren Röhrenteils 52 befestigt. Eine Schutzröhre 13 für den Schutz des Mantelstifts 5 und des mit dem Rückende des Mantelstifts verbundenen Kabels (nicht gezeigt) ist an dem Rückenende der Rippe 12 durch Vollkreisschweißen befestigt. Das äußere Röhrenteil 52, die Rippe 12 und das Schutzrohr 13 sind aus SUS310S, SUS 304 bzw. SUS304 hergestellt.
Eine Abdeckung 7 ist an die äußere Peripherie des Vorderendteilbereichs des Mantelstifts 5 befestigt und geschweißt. Die Abdeckung 7 enthält einen Teilbereich mit großem Durchmesser 71, der an den Mantelstift 5 angepasst ist, und einen Teilbereich mit geringem Durchmesser 72, der um das wärmeempfindliche Element 2 und die exponierten Teile der Elektrodendrähte 3 der Signaldrähte 4 liegt. Das Vorderende des Teilbereichs mit kleinem Durchmesser 72 ist ungefähr mit einer Halbkugelform geschlossen. Die Abdeckung 7 wird aus INCONEL601 hergestellt.
Als nächstes werden die Vorteile des vorher beschriebenen Temperatursensors 1A erläutert. Der Temperatursensor 1A enthält die aus der Pt-Legierung hergestellten Elektrodendrähte 3, und die aus INCONEL601 hergestellten Signaldrähte 4, welche eine Legierung auf Ni-Grundlage ist, die Al enthält, und einen linearen thermischen Expansionskoeffizienten aufweist, der größer als jener der Pt-Legierung ist. Im dem Überlappungsteilbereich 34 zwischen dem Elektrodendraht 3 und dem Signaldraht 4, ist das Verbindungsteil 6 angeordnet, das durch teilweises Schmelzen und danach Koagulieren der Elektrodendraht 3 und der Signaldraht 4 gebildet wird. Da das Verbindungsteil 6 eine Mischung der Materialien des Elektrodendrahts 3 und des Signaldrahts 4 ist, hat das Verbindungsteil 6 einen linearen thermischen Expansionskoeffizienten zwischen dem des Elektrodendrahts 3 und des Signaldrahts 4. Weiterhin enthält der Temperatursensor 1A die auf der Oberfläche des Verbindungsteils 6 gebildete erste Oxidschicht 61, die hauptsächlich aus Al₂O₃ besteht. Dies ermöglicht es, die thermische Belastung zu reduzieren, welche aufgrund des Unterschieds zwischen den linearen thermischen Expansionskoeffizienten des Elektrodendrahts 3 und des Signaldrahts 4 auftritt. Demgemäß ist es möglich zu vermeiden, dass der Elektrodendraht 3, welcher schwächer in der Materialfestigkeit als der Signaldraht 4 ist, bricht, wenn der Temperatursensor 1A einem warmen und kalten Zyklus in einem Bereich von Raumtemperatur bis zu einer hohen Temperatur zwischen 950°C und 1000°C unterzogen wird. Daher kann der Temperatursensor 1A dieser Ausführungsform in vorteilhafter Weise für die Messung der Temperatur eines Abgases eines mit einem Turbolader versehenen Automobils verwendet werden.
In dieser Ausführungsform besteht die erste Oxidschicht 61 hauptsächlich aus Al₂O₃. Demgemäß ist die erste Oxidschicht 61 robust, weist Beständigkeit gegen das Abblättern auf, wenn sie einem wiederholten Warm- und Kaltzyklus unterzogen wird. Dies ermöglicht es die thermische Belastung, die auf den Verbindungsteil 6 ausgeübt zu verringern, um dadurch verlässlicher den Bruch des Elektrodendrahts 3 zu vermeiden.
In dieser Ausführungsform wird die Signaldraht 4 aus der Legierung auf Ni-Grundlage, die Al enthält, hergestellt, und weist demgemäß eine hohe Beständigkeit gegen Oxidation auf. Da demgemäß die Oberfläche des Signaldrahts 4 wahrscheinlich nicht oxidiert und die Querschnittsfläche der Signaldraht aufgrund des Abblätterns der Oxidschicht wahrscheinlich nicht reduziert wird, selbst wenn der Temperatursensor 1A einem wiederholten warmen und kalten Zyklus unterzogen wird, ist es möglich, das Auftreten der plastischen Verformung des Signaldrahts 4 aufgrund der Verringerung seines Durchmessers zu unterdrücken. Dies ermöglicht es die auf das Verbindungsteil 6 ausgeübte thermische Belastung zu verringern, um dadurch den Bruch der Elektrodendraht 3 weiter verlässlich zu vermeiden. Außerdem ist der Temperatursensor 1A dieser Ausführungsform in hohem Maße herstellbar, weil die Arbeitsfähigkeit des Mantelstifts 5 nicht beeinträchtigt wird.
Zweite Ausführungsform
Als nächstes wird ein Temperatursensor 1B gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit Bezugnahme auf die 5 beschrieben. Wie in der 5 gezeigt, wird in der zweiten Ausführungsform der vom Mantelstift 5 exponierte Signaldraht 4 mit einer zweiten Oxidschicht 41, die Al enthält, an seiner äußeren Peripherie ausgebildet. Spezifischer ist im Wesentlichen der gesamte exponierte Teil des Signaldrahts 4 mit der zweiten Oxidschicht 41 bedeckt. In dieser Ausführungsform besteht die zweite Oxidschicht 41 hauptsächlich aus Al₂O₃. Spezifischer enthält die zweite Oxidschicht 41 90 Masse-% oder mehr an Al₂O₃. Mit Ausnahme des Vorhergehenden ist der Temperatursensor 1B gemäß der zweiten Ausführungsform der gleiche wie der Temperatursensor 1A gemäß der ersten Ausführungsform. Die zweite Oxidschicht 41 wird durch Wärmebehandlung des von dem Mantelstift 5 exponierten Teils des Signaldrahts 4 bei einer Temperatur von 900°C gebildet, nachdem das Verbindungsteil 6 gebildet ist.
Da demgemäß der Signaldraht 4 anfänglich mit der zweiten Oxidschicht 41 an seiner äußeren Peripherie versehen wird, weist der Signaldraht 4 eine weit höhere Oxidationsbeständigkeit auf. Daher ist es möglich, das Auftreten einer plastischen Verformung des Signaldrahts aufgrund der Verringerung seines Durchmessers selbst dann zu vermeiden, wenn der Temperatursensor 1B einem wiederholten warmen und kalten Zyklus unterworfen wird. Dies ermöglicht es, die auf das Verbindungsteil 6 ausgeübte thermische Belastung zu verringern, um dadurch den Bruch der Elektrodendraht 3 noch verlässlicher zu vermeiden. Die hauptsächlich aus Al₂O₃ bestehende Oxidschicht 41 ist robust, und demgemäß können die vorher beschriebenen Vorteile verlässlich erhalten werden.
Dritte Ausführungsform
Als nächstes wird ein Temperatursensor 1C gemäß einer dritten Ausführungsform mit Bezugnahme auf die 6 bis 9 beschrieben. In der dritten Ausführungsform ist ein Füllstoff 8 in die Abdeckung 7 wie in der 6 gezeigt eingefüllt. Spezifischer füllt der Füllstoff 8 das Innere des Teilbereichs mit geringem Durchmesser 72 der Abdeckung 7 im Wesentlichen vollständig aus. Die Elektrodendrähte 3, die Signaldrähte 4 und die Abdeckung 7 werden durch den Füllstoff 8 fixiert. In dieser Ausführungsform besteht der Füllstoff 8 hauptsächlich aus Al₂O₃ und hat einen linearen thermischen Expansionskoeffizienten von etwa 8 × 10^-6 (1/°C) bei 1000 °C. Die Elektrodendrähte 3, die Signaldrähte 4 und der Füllstoff 8 werden aneinander befestigt. Der Füllstoff 8 und die Abdeckung 7 werden ebenfalls aneinander befestigt. Mit Ausnahme des Vorhergehenden hat der Temperatursensor 1C gemäß der dritten Ausführungsform die gleiche Struktur wie der Temperatursensor 1B der zweiten Ausführungsform.
Der in die Abdeckung 7 einzufüllende Füllstoff 8 wird auf folgende Art und Weise hergestellt. Zunächst wird eine Aufschlämmung des Füllstoffmaterials in die Abdeckung 7 gegeben. Das Füllstoffmaterial enthält Al₂O₃-Pulver, Glaspulver und ein Dispersionsmittel und wird so zubereitet, dass der Feuchtigkeitsgehalt der gesamten Aufschlämmung 19 Masse-% ist. Das Dispersionsmittel wird in einer Menge von 1 Masse-% diesen Pulvern zugegeben. Der mit dem Verbindungsteil 6 gebildete Überlappungsteilbereich 34 wird in das Füllstoffmaterial in der Abdeckung 7 von der Seite des wärmeempfindlichen Elements 2 eingeführt. Danach wird das Füllstoffmaterial atmosphärisch bei 900°C wärmebehandelt, um als der Füllstoff 8 vollendet zu werden. Die zweite Oxidschicht 41 wird in der äußeren Peripherie des Signaldrahts 4 zum Zeitpunkt der Bildung des Füllstoffs 8 gebildet.
Bei der Bildung der zweiten Oxidschicht 41 wird die Abdeckung 7, die an der äußersten Peripherie liegt, als erstes erwärmt und dann als erstes gekühlt. Andererseits sind die Elektrödendrähte 3 und die Signaldrähte 4, die innerhalb der Abdeckung 7 liegen, im Vergleich zu der Abdeckung 7 schwerlich zu erwärmen und nach dem Erwärmen schwerlich zu kühlen, und sie sind ebenfalls durch den Füllstoff 8 eingezwängt. Demgemäß wird die auf das Verbindungsteil 6 ausgeübte thermische Belastung im Vergleich dazu, wenn der Füllstoff 8 nicht vorhanden ist, wahrscheinlich erhöht. Der Temperatursensor 1C dieser Ausführungsform ist beständig gegen Bruch des Elektrodendrahts unter den vorherigen strengen thermischen Belastungsbedingungen. Als nächstes wird dieser Mechanismus ausführlicher mit Bezugnahme auf ein in den 7 bis 9 gezeigtes Beispiel erläutert.
Es wird angenommen, dass die Temperatur, wenn der Füllstoff 8 aushärtet, T₀ ist(900°C in diesem Beispiel), und die Belastung σ, die auf das Verbindungsteil 6 bei der Temperatur T₀ ausgeübt wird, ist 0. Der Temperatursensor 1C wird einem wiederholten warmen und kalten Zyklus ausgesetzt, der von der Raumtemperatur RT bis zu einer hohen Temperatur T₁ (950°C in diesem Beispiel), höher als T₀, reicht. In diesem Beispiel wird die Bedingung der lineare thermische Expansionskoeffizient des Füllstoffs 8 < der lineare thermische Expansionskoeffizient des Elektrodendrahts 3 < der lineare thermische Expansionskoeffizient des Verbindungsteils 6 < der lineare thermische Expansionskoeffizient des Signaldrahts 4 und der Abdeckung 8 erfüllt.
Das Verhalten des Temperatursensors 1C während der Temperaturänderung von T₀ zu T₁ ist wie folgt. Die an der äußersten Peripherie liegende Abdeckung 7 wird zuerst erwärmt und expandiert. Als ein Ergebnis werden das wärmeempfindliche Element 2 und die mit dem wärmeempfindlichen Element 2 verbundenen Elektrodendrähte 3 gezogen. Demgemäß wird, wie in den 8 und 9 gezeigt, an einen Ausschnittsteilbereich 62 des Verbindungsteils 6, an welchem die Elektrodendraht 3 und die Signaldraht 4 miteinander überlappen, eine Zugbelastung in der Richtung gezeigt durch den Pfeil A1 angelegt. Obwohl das Innere der Abdeckung 7 schwerer zu erwärmen ist als die Abdeckung 7 selbst, wird es zu einem gewissen Ausmaß erwärmt. Demgemäß expandiert die Signaldraht 4 ebenfalls, obwohl weniger als die Abdeckung 7. Demgemäß wird an den Ausschnittsteilbereich 62 eine Zugbelastung in der Richtung gezeigt durch den Pfeil A2 angelegt. Als ein Ergebnis wird der Ausschnittsteilbereich 62 der Zugbelastung gleich dem Unterschied zwischen den Zugbelastungen gezeigt durch die Pfeile A1 und A2 unterzogen. An den Ausschnittsteilbereich 62 wird ebenfalls eine Belastung in der Richtung gezeigt durch den Pfeil A3 angelegt, um den Ausschnittsteilbereich 62 entlang dem Verbindungsteil 6 zu öffnen. Dies ist so, weil der Elektrodendraht 3 durch die Abdeckung 7 gedehnt wird, die einem großen linearen thermischen Expansionskoeffizienten aufgrund des Unterschieds zwischen dem linearen thermischen Expansionskoeffizienten des Elektrodendrahts 3 und des Signaldraht 4 und, zusätzlich, der Anwesenheit des Füllstoffs 8 aufweist.
Das Verhalten des Temperatursensors 1C während der Temperaturänderung von T₀ zu RT ist wie folgt. Die Abdeckung 7, die an der äußersten Peripherie liegt, wird zuerst gekühlt und zieht sich stark zusammen. Als ein Ergebnis wird das wärmeempfindliche Element 2 und der mit dem wärmeempfindlichen Element 2 verbundene Elektrodendraht 3 komprimiert. Demgemäß wird an den Ausschnittsteilbereich 62 eine Kompressionsbelastung in der Richtung gezeigt durch den Pfeil B1 angelegt. Obwohl das Innere der Abdeckung 7 schwerer zu kühlen ist als die Abdeckung selbst, behält es darin Wärme in einem gewissen Ausmaß. Demgemäß kontrahiert der Signaldraht 4 in einem gewissen Ausmaß, obwohl nicht unmittelbar. Demgemäß wird an den Ausschnittsteilbereich 62 eine Kompressionsbelastung in der Richtung gezeigt durch den Pfeil B2 angelegt. Als ein Ergebnis wird an den Ausschnittsteilbereich 62 die Kompressionsbelastung (Scherbeanspruchung) gleich dem Unterschied zwischen den Kompressionsbelastungen gezeigt durch die Pfeile B1 und B2 angelegt.
Daher wird, wenn der warme und kalte Zyklus in den Bereichen zwischen der Raumtemperatur RT und der hohen Temperatur T₁ wiederholt wird, der Ausschnittsteilbereich 62 einer strengen thermischen Bedingung unterzogen, weil die Zugbelastungen und die Kompressionsbelastung abwechselnd angelegt werden.
Selbst in einem derartigen Zustand kann vermieden werden, dass an das Verbindungsteil 6 des Temperatursensors 1C dieser Ausführungsform eine übermäßig große thermische Belastung angelegt wird, weil die erste Oxidschicht 61, die hauptsächlich aus Al₂O₃ besteht, auf der Oberfläche des Verbindungsteils 6 gebildet ist. Da weiterhin die von dem Mantelstift 5 exponierte äußere Peripherie des Signaldrahts 4 mit der zweiten Oxidschicht 41 beschichtet ist, die hauptsächlich aus Al₂O₃ besteht, und die zweite Oxidschicht 41 beständig gegen Abblättern ist, selbst wenn der warme und kalte Zyklus wiederholt wird, ist es möglich, die plastische Verformung des Signaldrahts 4 aufgrund der Verringerung des Durchmessers 4 zu unterdrücken und demgemäß die thermische Belastung ausgeübt auf das Verbindungsteil 6 zu unterdrücken. Daher kann der Temperatursensor 1C dieser Ausführungsform seine Elektrodendrähte 3 selbst unter den vorher beschriebenen strengen thermischen Bedingungen am Brechen hindern.
Nebenbei ist in der dritten Ausführungsform das Material des Signaldrahts 4 das gleiche wie das der Abdeckung 7 und demgemäß ist der thermische Expansionskoeffizient der Elektrode des Signaldrahts 4 der gleiche wie jener der Abdeckung 7. Jedoch können die vorher beschriebenen Vorteile ebenfalls in einem Fall erhalten werden, in dem der lineare thermische Expansionskoeffizient des Signaldrahts 4 kleiner als jener der Abdeckung 7 ist, oder der lineare thermische Expansionskoeffizient der Abdeckung 7 kleiner als jener des Signaldrahts 4 ist.
Experimentalbeispiel 1
Das Experimentalbeispiel 1 zeigt den Vergleich in dem anfänglichen Zustand und dem Zustand nach einem Belastungstest zwischen einer Probe eines herkömmlichen Temperatursensors 91 und einer Probe des Temperatursensors 1 der Erfindung. Der Belastungstest wurde in einem Zustand durchgeführt (hiernach als „Belastungszustand 1“ bezeichnet), das ein Zyklus, in welchem die Umgebungstemperatur dieser Temperatursensoren von Raumtemperatur auf eine höchste Temperatur von 950°C erhöht wird und dann auf Raumtemperatur gesenkt wird, 5000-fach wiederholt wird.
Die Probe des Temperatursensors 1 der Erfindung hat grundsätzlich die gleiche Struktur wie der vorhergehende Temperatursensor 1C gemäß der dritten Ausführungsform. Jedoch sind in dieser Probe des Temperatursensors 1 der Erfindung die Elektrodendrähte 3 und die Signaldrähte 4 nicht vollständig an den Füllstoff 8 fixiert. Ungleich den Signaldrähten 4 der Probe des Temperatursensors 1 der Erfindung sind die Signaldrähte 94 der Probe des konventionellen Temperatursensors 91 aus SUS310S hergestellt. Demgemäß ist das Verbindungsteil 96 der Probe des herkömmlichen Temperatursensors 91 eine Mischung einer Pt-Legierung und SUS310S und wird nicht mit der ersten Oxidschicht 61, die hauptsächlich aus Al₂O₃ besteht, an seiner Oberfläche ausgebildet. Außerdem wird die Signaldraht 94 nicht mit der zweiten Oxidschicht 41, die hauptsächlich aus Al₂O₃ besteht, an ihrer Oberfläche ausgebildet.
Die 10 zeigt Ergebnisse des Belastungstests der Probe des herkömmlichen Temperatursensors 91. In Abschnitt (a) der 10 werden Röntgenfotographien des Anfangszustands und des Zustands nach dem Belastungstest gezeigt. Aus diesen Röntgenfotographien kann beobachtet werden, dass Risse C in jedem Elektrodendraht 3 in der Nähe des Verbindungsteils 96 nach dem Belastungstest auftraten. Es kann ebenfalls beobachtet werden, dass die Kanten der Signaldrähte 94 abgerundet wurden. In Abschnitt (b) der 10 wird eine Fotographie des Erscheinungsbilds eines Teils der auseinander gebauten Probe nach dem Belastungstests gezeigt. Durch das Auseinanderbauen der Probe wurde beobachtet, dass die Oberflächen des Verbindungsteils 96 und der Signaldrähte 4 erheblich oxidiert waren. Aus den vorhergehenden Ergebnissen kann geschlossen werden, dass das Abrunden der Kanten der Signaldrähte 94 durch Verringerung des Durchmessers der Signaldrähte 94 aufgrund des Abblätterns der auf den Oberflächen der Signaldrähte 94 gebildeten Oxidschicht verursacht wurde. In Abschnitt (c) der 10 wird eine Fotographie des Querschnitts eines Teils der Probe einschließlich des Verbindungsteils 96 nach dem Belastungstest gezeigt. In dieser Fotographie kann beobachtet werden, dass viele Risse C in dem Elektrodendraht 3 auftreten, welche schwächer in der Materialstärke als die Signaldraht 94 ist.
Die 11 zeigt Ergebnisse des Belastungstests der Probe des Temperatursensors 1 der Erfindung. In Abschnitt (a) der 11 werden Röntgenfotographien des Anfangszustands und des Zustands nach dem Belastungstest gezeigt. Aus diesen Fotographien ist ersichtlich, dass kein Riss in dem Elektrodendraht 3 in der Nähe des Verbindungsteils 6 nach dem Belastungstest auftraten, und es gibt keine signifikante Änderung in dem Signaldraht 4 nach dem Belastungstest. In Abschnitt (b) der 11 wird eine Fotographie des Erscheinungsbildes eines Teils der nach dem Belastungstest auseinander gebauten Probe gezeigt. Durch das Auseinanderbauen der Probe wurde beobachtet, dass ungleich der Probe des herkömmlichen Temperatursensors 91 keine erhebliche Oxidation der Oberfläche des Verbindungsteils oder der Signaldraht beobachtet wurde und jede Verringerung des Durchmessers des Signaldrahts aufgrund von Abblättern der Oxidschicht wurde in dieser Probe überhaupt nicht erkannt. Dies ist so aufgrund der robusten ersten und zweiten Oxidschicht 61 und 41, die auf der Oberfläche des Verbindungsteils 6 bzw. der Oberfläche des Signaldrahts 4 gebildet sind. In Abschnitt (c) der 11 wird eine Fotographie des Querschnitts eines Teils der Probe einschließlich des Verbindungsteils 6 gezeigt. Aus dieser Fotographie ist ersichtlich, dass obwohl der Elektrodendraht 3 schwächer in der Materialfestigkeit als der Signaldraht 4 ist, kein Riss in dem Elektrodendraht nach Durchführung des wiederholten warmen und kalten Zyklus auftrat. Dies ist so, weil die auf das Verbindungsteil 61 ausgeübte thermische Belastung durch das Vorsehen der ersten Oxidschicht 61, und durch das Bereitstellen der zweiten Oxidschicht 41, die resistent gegen das Abblättern ist, weiter verringert werden kann, um die plastische Verformung aufgrund der Verringerung des Durchmessers des Signaldrahts zu unterdrücken.
Experimentalbeispiel 2
Das Experimentalbeispiel 2 zeigt einen Vergleich in dem Anfangszustand und den Zuständen nach jeweils zwei unterschiedlichen Belastungstests zwischen den Mantelstiften 95 einer Probe des herkömmlichen Temperatursensors 91 und den Mantelstiften 5 einer Probe des Temperatursensors 1 der Erfindung. Die Belastungstests wurden bei der vorhergehenden Belastungsbedingung 1 und einer Bedingung durchgeführt, welche die gleiche wie die Belastungsbedingung 1 ist, mit der Ausnahme, dass die höchste Temperatur 1000°C ist. Diese Bedingung wird hiernach als „Belastungsbedingung 2“ bezeichnet. Die Mantelstifte 5 und 95 der Proben in Experimentalbeispiel 2 sind die gleichen wie die der in Experimentalbeispiel 1 verwendeten Proben.
Die 12 zeigt Ergebnisse des Belastungstests 2 des Mantelstifts 95 der Probe des herkömmlichen Temperatursensors 91. Der Abschnitt (a) der 12 zeigt Fotographien des Mantelstifts 95 im Anfangszustand und in dem Zustand nach dem Belastungstest durchgeführt bei Belastungsbedingung 1. Aus diesen Fotographien ist ersichtlich, dass die Querschnittsfläche des Signaldrahts 94 nach dem Belastungstest durchgeführt bei Belastungsbedingung 1 um etwa 15% verringert war. Abschnitt (b) der 12 zeigt Fotographien des Mantelstifts 95 im Anfangszustand und im Zustand nach dem Belastungstest durchgeführt bei Belastungsbedingung 2. Aus diesen Fotographien ist ersichtlich, dass die Querschnittsfläche der Signaldraht 94 um etwa 35% nach dem Belastungstest durchgeführt bei Belastungsbedingung 2 verringert war. Dies war so, weil der Signaldraht 4 eine geringe Oxidationsbeständigkeit hat und demgemäß die Oberfläche der Signaldraht 94 erheblich oxidiert wurde und die schwache Oxidschicht aufgrund der Wiederholung des warmen und kalten Zyklus abblätterte. Aus den vorhergehenden Ergebnissen kann geschlossen werden, dass der herkömmliche Temperatursensor einschließlich des Mantelstifts 95 nachteilig bei der Vermeidung des Bruchs der Elektrodendraht ist, weil der Signaldraht 4 wahrscheinlich aufgrund der durch die Verringerung des Durchmessers der Signaldraht verursachten Festigkeitsverringerung sich plastisch verformt, was einen Anstieg der auf das Verbindungsteil 96 ausgeübten thermischen Belastung verursacht. Auf der anderen Seite, obwohl in den Zeichnungen nicht gezeigt, wurde keine Verringerung des Durchmessers in der Signaldraht 4 der Probe des Temperatursensors der Erfindung einschließlich des Mantelstifts 5 beobachtet. Wie aus den vorher beschriebenen Ergebnissen offensichtlich, wird der aus einer Legierung auf Ni-Grundlage, die Al enthält, wie etwa INCONEL601 hergestellte Signaldraht 4, weniger plastisch verformt, was die auf das Verbindungsteil 6 ausgeübte thermische Belastung unterdrückt. Demgemäß kann geschlossen werden, dass die Verwendung eines derartigen Materials vorteilhaft ist, um das Brechen des Elektrodendrahts 3 zu vermeiden.
Experimentalbeispiel 3
Das Experimentalbeispiel 3 zeigt einen Vergleich in dem Anfangszustand und den Zuständen nach drei unterschiedlichen Belastungstests zwischen einer Probe des herkömmlichen Temperatursensors 91 und einer Probe des Temperatursensors 1 der Erfindung. Außerdem wurden die Belastungstests bei der vorhergehenden Belastungsbedingungen 1, der vorhergehenden Belastungsbedingung 2, einer Bedingung, welche die gleiche wie die Belastungsbindung 1 ist, außer dass die Anzahl der durchgeführten Zyklen 14.000 ist (diese Bedingung wird hiernach als „Belastungsbedingung 3“ bezeichnet), und einer Bedingung durchgeführt, welche die gleiche wie die Belastungsbedingung 1 ist, mit der Ausnahme, dass die Temperatur 1000°C und die Anzahl der durchgeführten Zyklen 6.000 ist (diese Bedingung wird hiernach als „Belastungsbedingung 4“ bezeichnet). Die Probe des Temperatursensors 1 der Erfindung und die Probe des herkömmlichen Temperatursensors 91 verwendet in Experimentalbeispiel 3 sind die gleichen wie die in Experimentalbeispiel 1 Verwendeten.
Die 13 zeigt Röntgenfotographien, die die Ergebnisse des Belastungstests bei Belastungsbedingung 2 der Probe des herkömmlichen Temperatursensors 91 zeigen. Aus diesen Fotographien ist ersichtlich, dass der Durchmesser des Signaldrahts 94 der Probe des herkömmlichen Belastungssensors 91 verringert wurde, was eine plastische Verformung verursacht. Es wurde ebenfalls befunden, dass der Elektrodendraht 3 geknickt wurde. Dies bedeutet, dass an das Verbindungsteil 6 eine große Kompressionsbelastung angelegt wurde. Die 14 zeigt Röntgenfotographien, die die Ergebnisse der Belastungstests bei Belastungsbedingung 3 und Belastungsbedingung 4 der Probe des Temperatursensors 1 der Erfindung zeigen. Aus diesen Fotographien ist ersichtlich, dass plastische Verformung und Knicken des Elektrodendrahts 3 aufgrund der Verringerung des Durchmessers des Signaldrahts 4 sehr gering waren und kein Riss in dem Verbindungsteil 6 auftrat. Folglich kann geschlossen werden, dass die Elektrodendrähte 3 der Probe des Temperatursensors 1 der Erfindung stark gegen Bruch beständig sind.
Es ist selbstverständlich, dass verschiedene Modifikationen der vorhergehenden Ausführungsformen der Erfindung erfolgen können ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen, welche durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.
Die vorher erwähnten bevorzugten Ausführungsformen sind exemplarisch für die Erfindung der vorliegenden Anmeldung, welche ausschließlich durch die folgenden beigefügten Ansprüche beschrieben wird. Es ist zu verstehen, dass Modifikationen der bevorzugten Ausführungsformen gemacht werden können, wie sie für den Fachmann ersichtlich sind.
Der Temperatursensor enthält ein wärmeempfindliches Element, erste und zweite Elektrodendrähte, die mit dem wärmeempfindlichen Element elektrisch verbunden sind, erste und zweite Signaldrähte, die mit dem ersten und zweiten Elektrodendraht teilweise überlappen und damit verbunden sind. Die ersten und zweiten Elektrodendrähte werden aus einem ersten Metallmaterial hergestellt, das hauptsächlich aus Pt besteht. Die ersten und zweiten Signaldrähte werden aus einem zweiten Metallmaterial hergestellt, das Al enthält und einen linearen thermischen Expansionskoeffizienten aufweist, der größer als der des ersten Metallmaterials ist. Jeder eines Überlappungsteilbereichs des ersten Elektrodendrahts und des ersten Signaldrahts und eines Überlappungsteilbereichs des zweiten Elektrodendrahts und des zweiten Signaldrahts enthält ein Verbindungsteil, das durch Schmelzen und danach Koagulieren des ersten oder zweiten Elektrodendrahts und des ersten oder zweiten Signaldrahts gebildet wird. Das Verbindungsteil enthält eine auf einer Oberfläche davon gebildete Al-haltige Oxidationsschicht.

Claims

Temperatursensor umfassend: ein wärmeempfindliches Element, dessen elektrische Eigenschaften in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur variieren; erste und zweite Elektrodendrähte, die mit dem wärmeempfindlichen Element elektrisch verbunden sind; erste und zweite Signaldrähte, die wenigstens teilweise mit den ersten und zweiten Elektrodendrähten überlappen und damit verbunden sind; und ein Mantelstift, der die ersten und zweiten Signaldrähte in einem Zustand aufnimmt, in dem Vorderteilbereiche der ersten und zweiten Signaldrähte vom Mantelstift exponiert sind; wobei die ersten und zweiten Elektrodendrähte aus einem ersten Metallmaterial hergestellt sind, das hauptsächlich aus Pt besteht, die ersten und zweiten Signaldrähte aus einem zweiten Metallmaterial hergestellt sind, das Al enthält und einen linearen thermischen Expansionskoeffizienten aufweist, der größer als ein linearer thermischer Expansionskoeffizient des ersten Metallmaterials ist, jeder eines Überlappungsteilbereichs des ersten Elektrodendrahts und des ersten Signaldrahts und eines Überlappungsteilbereichs des zweiten Elektrodendrahts und des zweiten Signaldrahts ein Verbindungsteil enthält, das durch Schmelzen und danach Koagulieren des ersten oder zweiten Elektrodendrahts und des ersten oder zweiten Signaldrahts gebildet wird, und das Verbindungsteil eine auf einer Oberfläche davon gebildete erste Al-haltige Oxidationsschicht enthält.
Temperatursensor nach Anspruch 1, wobei jeder der ersten und zweiten Signaldrähte eine zweite Al-haltige Oxidationsschicht enthält, die an einer äußeren Peripherie davon gebildet ist.
Temperatursensor nach Anspruch 1, der außerdem eine Abdeckung umfasst, die das wärmeempfindliche Element, die ersten und zweiten Elektrodendrähte und die ersten und zweiten Signaldrähte und einen in die Abdeckung eingefüllten Füllstoff beherbergt, wobei die ersten und zweiten Elektrodendrähte und die ersten und zweiten Signaldrähte durch den Füllstoff fixiert sind.
Temperatursensor nach Anspruch 1, wobei die erste Oxidationsschicht hauptsächlich aus Al₂O₃ besteht.
Temperatursensor nach Anspruch 2, wobei die zweite Oxidationsschicht hauptsächlich aus Al₂O₃ besteht.
Temperatursensor nach Anspruch 1, wobei das zweite Metallmaterial eine Al-haltige Legierung auf Ni-Grundlage oder eine Al-haltige Legierung auf Fe-Cr-Grundlage ist.
Temperatursensor nach Anspruch 3, wobei der Füllstoff hauptsächlich aus Al₂O₃ besteht.