JP2000088673A

JP2000088673A - 温度センサ

Info

Publication number: JP2000088673A
Application number: JP10263565A
Authority: JP
Inventors: Matsuo Fukaya; 松雄深谷; Sotoo Takahashi; 外雄高橋
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-09-17
Filing date: 1998-09-17
Publication date: 2000-03-31
Also published as: DE19939493A1; FR2783602B1; FR2783602A1

Abstract

(57)【要約】【課題】金属キャップ内に収納されたサーミスタを備
える温度センサにおいて、金属キャップの酸化によるサ
ーミスタの特性変動を抑制する組付性の容易な遮熱構造
を実現する。【解決手段】サーミスタ１０はサーミスタ信号を外部
に取出す為のシースピン２０に接続されて金属キャップ
３０内に収納されている。金属キャップ３０とサーミス
タ１０との間には、サーミスタ１０を被覆することによ
り、金属キャップ３０とサーミスタ１０とを遮熱し且つ
電気的に絶縁するアルミナ等からなる円筒状のセラミッ
ク成形体４０が介在している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、温度検出を行うた
めに用いられるサーミスタ素子を有する温度センサおよ
びその製造方法に関し、特に、１０００℃程度の耐熱性
が要求される温度センサ、例えば、自動車排気系の触媒
コンバータ等に取付けられ、異常温検出とか触媒劣化検
出等を行なう排気温センサ等に用いて好適である。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の温度センサとしては、特
開平９−１８９６１８号公報に記載のものが提案されて
いる。これは、サーミスタ素子（温度検出素子）を、サ
ーミスタ信号を外部に取出す為の配線部材（二芯管）の
先端に設け、この先端部分を有底筒状の耐熱金属性の金
属ケース（金属キャップ）で被覆し、金属ケース及び配
線部材先端部分にて形成される空間内にサーミスタ素子
を収納した構成としている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来の
温度センサにおいては、金属ケース内にサーミスタ素子
を収納しているのであるが、金属ケースは、高温（例え
ば７００℃以上）になると耐熱金属の酸化が進行する。
従って、使用初期（製品完成時の高温特性検査とか実使
用初期の金属ケースが完全に酸化されないまでの期間）
での金属ケース内面または外面における酸化の進行度合
により輻射率が変わり、その影響が収納されているサー
ミスタ素子への伝熱に顕著に現われる。

【０００４】また、高温で連続使用した場合において
も、金属ケースから酸化膜がはがれ落ちることにより、
上記と同様に、サーミスタ素子への伝熱に微妙に影響が
現れ特性変動を示す。一方、特開昭５４−１５０１８１
号公報には、サーミスタ素子と金属ケース（ステンレス
ケース）の間に、ＭｇＯ等の無機粉末を充填した温度セ
ンサが提案されており、素子とケースとの間に介在する
無機粉末によって遮熱がなされ、金属ケース内面酸化に
よる輻射率変化の素子特性への影響を、軽減できると考
えられる。

【０００５】しかしながら、本発明者等の検討によれ
ば、予め金属ケース内に無機粉末を入れてからではサー
ミスタ素子を挿入しにくく、また、金属ケースを被せて
からでは粉末注入に手間がかかる等、サーミスタ素子と
金属ケースとの間に、無機粉末を隙間なく充填すること
は容易ではなく、温度センサにおいて遮熱構造を形成す
る際の組付性において問題が生じることがわかった。

【０００６】そこで、本発明は上記問題点に鑑みて、金
属ケース内に収納されたサーミスタ素子を備える温度セ
ンサにおいて、金属ケースの酸化によるサーミスタ素子
の特性変動を抑制する組付性の容易な遮熱構造を実現す
ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明では、金属製のケース（３０）
とサーミスタ素子（１０）との間に、サーミスタ素子
（１０）を被覆することにより、ケース（３０）とサー
ミスタ素子（１０）とを遮熱し且つ電気的に絶縁するセ
ラミック成形体（４０）を介在させたことを特徴として
いる。

【０００８】本発明では、セラミック成形体（４０）は
遮熱性を有するため、サーミスタ素子（１０）に対して
ケース（３０）からの輻射を抑制し、また、ケース（３
０）の酸化の有無に関わらず、ケース（３０）とサーミ
スタ素子（１０）との間に介在するセラミック成形体
（４０）の表面状態が変わりないため、ケース（３０）
の酸化によりケース（３０）の輻射率が変化しても、サ
ーミスタ素子（１０）の特性が変動するのを抑制するこ
とができる。

【０００９】また、セラミック成形体（４０）はケース
（３０）とサーミスタ素子（１０）との間に介在するの
であるが、電気的に絶縁性を有するため、サーミスタ素
子（１０）の短絡防止となる。また、本発明では、粉末
に比べて取り扱いが簡単なセラミック成形体（４０）を
用いているので、セラミック成形体（４０）をサーミス
タ素子（１０）に被せるだけで組付可能であり、組付性
が容易とできる。

【００１０】また、組付性の容易なセラミック成形体
（４０）としては、請求項２記載の発明のように、筒状
のものを用いることができる。また、本発明者等の検討
によれば、遮熱機能を持たせるには、セラミック成形体
（４０）の肉厚は、０．１ｍｍ以上であることが好まし
い（請求項３の発明）。そして、遮熱し且つ電気的に絶
縁するセラミック成形体（４０）の材質としては、アル
ミナ、ムライトまたはジルコニア等を用いることができ
る（請求項４の発明）。

【００１１】また、ケース（３０）とサーミスタ素子
（１０）との間にセラミック成形体（４０）を介在させ
た場合、使用時の振動（車両振動等）によりセラミック
成形体（４０）が動き、サーミスタ素子（１０）に当た
って破損させる可能性があるが、請求項５記載の発明に
よれば、ケース（３０）とセラミック成形体（４０）と
の隙間を、セラミック成形体（４０）とサーミスタ素子
（１０）との隙間よりも狭くしているから、セラミック
成形体（４０）を、先にケース（３０）に当ててサーミ
スタ素子（１０）には当てないようにでき、サーミスタ
素子（１０）の破損防止ができる。

【００１２】なお、上記した括弧内の符号は、後述する
実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す一例であ
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。本実施形態では、本発明の温度セン
サを、例えば触媒コンバータ等の自動車排気ガス浄化装
置に装着され異常温検出とか触媒劣化検出を行なう排気
温センサ（サーミスタ式排気温センサ）に適用したもの
として説明する。図１は本実施形態に係る温度センサ１
００の一部切欠断面図である。

【００１４】１０は排気ガス温度（例えば１０００℃以
上）での使用に耐えうる高温用のサーミスタ（サーミス
タ素子）であり、Ｃｒ（クロム）−Ｍｎ（マンガン）−
Ｙ（イットリウム）系セラミック半導体からなる円柱体
形状の素子部１１、及び素子部１１の抵抗（Ｒ）−温度
（Ｔ）特性に基づき、素子部１１から出力（抵抗値）を
取り出すための一対の電極線１２とからなる。

【００１５】一対の電極線１２は、一対の白金（Ｐｔ）
線（例えばφ０．３ｍｍ）を、素子部１１の円柱軸方向
と平行に所定の間隔（極間）を有した形で埋設成形及び
焼成し、焼成収縮することにより、焼ばめ固定したもの
である。各電極線１２は、素子部１１から同一方向に引
き出され、各々、シースピン（配線部材）２０の一端側
にて一対の芯線２１に溶接等により電気的に接続されて
いる（図１中、Ｍ１部）。

【００１６】シースピン２０は、耐熱金属（ステンレス
等）製の一対の芯線２１とＭｇＯ等の絶縁粉末２２と金
属（ステンレス等）製の外筒２３とから構成される。シ
ースピン２０は、焼鈍しながら外筒２３の外径の減径加
工を繰返すことにより形成されているため、芯線２１
は、絶縁粉末２２の中で固く固定、絶縁保持されてい
る。また、芯線２１は、図示しないシースピン２０の他
端側からリードワイヤ等につながれ、例えば車両のＥＣ
Ｕ等の制御回路（図示せず）に導かれ、サーミスタ１０
の出力は、上記制御回路に導かれる。

【００１７】そして、サーミスタ１０には耐熱金属（ス
テンレス等）製の金属キャップ（ケース）３０が被せら
れている。金属キャップ３０は、一端側が開口し他端側
が閉塞された有底円筒管形状をなし、外筒２３の外周面
と重なり合ったラップ部にて、レーザ溶接等で円周溶接
（図１中、Ｍ２部）されている。温度センサ１００にお
いては、金属キャップ３０及びサーミスタ１０により感
温部が構成され、この感温部が排気ガス通路内に配置さ
れる。

【００１８】従って、上記円周溶接によって、排気ガス
が金属キャップ３０内部に侵入するのを防止できるた
め、収納されたサーミスタ１０は、排気ガスに直にさら
されることなく、排気ガス中の有害物質（イオウ等）に
よる異常な腐食及び断線を防止できる。ここで、本実施
形態では、サーミスタ１０と金属キャップ３０との間に
は、サーミスタ１０を被覆することにより、金属キャッ
プ３０とサーミスタ１０とを遮熱し且つ絶縁するセラミ
ック成形体４０が介在している。

【００１９】本実施形態においては、セラミック成形体
４０は筒状（本例ではリング状）をなし、遮熱性且つ絶
縁性（高温絶縁性）のあることが条件となるためアルミ
ナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ムライト、ジルコニア等（本例では
アルミナ）から構成されている。そして、セラミック成
形体４０の遮熱効果により、金属キャップ３０の酸化に
より金属キャップ３０の輻射率が変化しても、サーミス
タ１０の特性（Ｒ−Ｔ特性）が変動するのを抑制するよ
うになっている。

【００２０】つまり、図１においてセラミック成形体４
０の無いセンサ（従来の温度センサに相当）において
は、高温（例えば７００℃以上）になると、金属キャッ
プにおいて耐熱金属の酸化が進行する。従って、使用初
期（製品完成時の高温特性検査とか実使用初期の金属ケ
ースが完全に酸化されないまでの期間）での金属キャッ
プ内面または外面における酸化の進行度合により輻射率
が変わり、その影響が収納されているサーミスタへの伝
熱に顕著に現われる。

【００２１】また、高温で連続使用した場合において
も、金属キャップから酸化膜がはがれ落ちることによ
り、上記と同様に、サーミスタへの伝熱に微妙に影響が
現れ特性変動を示す。それに対し、セラミック成形体４
０を介在させた本実施形態では、金属キャップ３０内外
面の酸化の有無にかかわらずサーミスタ１０に近接した
セラミック成形体４０の表面状態が変わり無いので、金
属キャップ３０からの熱伝達の影響が少なくてすむ。よ
って、サーミスタ１０の特性変動の抑制が成される。

【００２２】本実施形態におけるセラミック成形体４０
の遮熱効果の一例を図２に示す。図２は、完成直後（新
品）の温度センサ１００、及び比較例として図１におい
てセラミック成形体４０の無いセンサを用いて、９００
℃の高温放置テストを行い、サーミスタ特性値の変動を
調べたものである。図２において、横軸に放置時間（単
位：Ｈｒ）、縦軸に温度偏り（℃）を示した。温度偏り
は、放置１００Ｈｒ時におけるサーミスタ１０の抵抗値
を基準にして、そこからの抵抗値の偏りを温度換算した
ものである。

【００２３】図２から分かるように、本実施形態の温度
センサ１００は、セラミック成形体４０の遮熱効果によ
り、比較例に比べて特性指示値が安定しており、サーミ
スタ特性の変動が抑制されていることがわかる。尚、本
実施形態では、排気ガス流れ方向に対して金属キャップ
３０の軸が略直交するように排気ガス通路内に配置され
ており、金属キャップ３０底面に比べて、金属キャップ
３０の筒の側面からの輻射の影響が大きいため、セラミ
ック成形体４０は、金属キャップ３０底面に対向するサ
ーミスタ１０の部分では被覆していない。

【００２４】しかし、本実施形態では、金属キャップ３
０底面からの輻射の影響も考慮して、金属キャップ３０
底面と素子部１１とを、その輻射の影響が無いように離
している。例えば、金属キャップ３０底面と素子部１１
との距離Ｌを、セラミック成形体４０の内径をＢとした
とき、Ｌ≧Ｂ×１／２としている。また、セラミック成
形体４０は、固定せずに介在させているため、車両搭載
時の車両振動等により金属キャップ３０とサーミスタ１
０との間で動く。そのため、素子部１１がセラミック成
形体４０に当たって破損したり、セラミック成形体４０
の内面がサーミスタ１０を動かして、電極線１２と芯線
２１との接合が弱い場合、断線を引き起こすといった、
サーミスタ１０の破損の可能性がある。

【００２５】本実施形態では、このような可能性も考慮
して、セラミック成形体４０と素子部１１との隙間を、
金属キャップ３０とセラミック成形体４０との隙間より
も広くした構成としている。それにより、セラミック成
形体４０が動いても、常に先に金属キャップ３０に当た
り、サーミスタ１０には当たらないので、サーミスタ１
０の破損防止ができる。

【００２６】ここで、これら両隙間は、図３に示す様
に、セラミック成形体４０の内面と素子部１１の外面と
が最近接したときの隙間ｘに基づいて、決めることが出
来る。この隙間ｘは、図３の右図に示す様に、セラミッ
ク成形体４０が偏って金属キャップ３０の内面に当接し
たときの最小隙間に相当する。隙間ｘがゼロであると当
たってしまうので、組付け時の偏心等を考慮し少なくと
も０．０５ｍｍ以上とすることが好ましい。

【００２７】この隙間ｘを出来るだけ大きく確保するた
めには、金属キャップ３０とセラミック成形体４０との
クリアランスを小さく、セラミック成形体４０の肉厚を
小さくした方がよい。隙間ｘを規定する一設計例を、隙
間ｘの規定方法を示す図４を参照して述べる。図４にお
いて、Ａは素子部１１の外径、Ｂ、Ｃは各々セラミック
成形体４０の内径、外径、Ｄは金属キャップ３０の内径
である。

【００２８】ここにおいて、隙間ｘ（ｘ_min）は図４中
に示す式にて求められる。例えば、Ａをφ１．５ｍｍ±
０．０２ｍｍ、Ｂをφ１．８ｍｍ（公差：＋０．０５ｍ
ｍ〜０ｍｍ）、Ｃをφ２．２５ｍｍ（公差：０ｍｍ〜−
０．０５ｍｍ）、Ｄをφ２．２５ｍｍ（公差：＋０．０
５ｍｍ〜０ｍｍ）としたとき、ｘ_minは０．０９ｍｍに
設定される。この設計例にて、耐振性調査（加速度３０
Ｇ、振動周波数２４０Ｈｚ、振動回数１０⁷回）を行な
ったところ、サーミスタ１０の破損は発生しなかった。

【００２９】また、この設計例の場合、セラミック成形
体４０の肉厚ｔは０．１７５〜０．２２５ｍｍであり、
金属キャップ３０の輻射率変化の影響を抑える遮熱効果
を発揮するには適当な厚さである。本発明者等の検討に
よれば、具体的に、輻射の影響を抑えるに適当なセラミ
ック成形体４０の肉厚ｔとしては、０．１０ｍｍ以上程
度であれば十分な効果が得られる。

【００３０】また、あまり肉厚ｔが厚いと感温部が太く
なり、細径化（例えば、金属キャップ３０の外径φ３ｍ
ｍ以下）によるセンサの高応答化を実現するためには好
ましくない。逆に、肉厚ｔが薄すぎると、製造、強度等
の点からも好ましくない。部品調達、コスト面も考慮す
ると、肉厚ｔは、０．１５ｍｍ〜０．４ｍｍのものが好
ましく、上記検討例では、肉厚ｔを０．１７５ｍｍ〜
０．２２５ｍｍ程度とできる。

【００３１】次に、上記構成に基づき、本実施形態に係
る温度センサ１００の製造方法について述べる。まず、
Ｃｒ−Ｍｎ−Ｙ系セラミック半導体からなる円柱体に一
対の電極線１２を埋設成形した後、焼成及び焼成収縮す
ることにより、電極線１２が素子部１１に焼ばめ固定さ
れたサーミスタ１０を形成する。次に、サーミスタ１０
の一対の電極線１２とシースピン２０の一対の芯線２１
とを、各々、レーザ溶接、抵抗溶接等により溶接して、
両者を電気的に接続する。

【００３２】そして、アルミナ等の粉末を焼結成形する
ことによりリング状に形成されたセラミック成形体４０
にサーミスタ１０を素子部１１側から挿入し、セラミッ
ク成形体４０内部にサーミスタ１０を配置する。その
後、セラミック成形体４０周囲を被覆するように、シー
スピン２０に金属キャップ３０を被せ、外筒２３の外周
面と重なり合ったラップ部にて、レーザ溶接等で円周溶
接する。

【００３３】なお、ここで、金属キャップ３０内に予め
セラミック成形体４０を挿入配置しておき、ここに、シ
ースピン２０をサーミスタ１０側から金属キャップ３０
内に挿入するようにしてもよい。こうして、図１に示す
温度センサ１００が完成する。この後、温度センサ１０
０は、上述のように、シースピン２０の他端側からリー
ドワイヤ等につながれ、例えば車両のＥＣＵ等の制御回
路（図示せず）に導かれる。

【００３４】ところで、本実施形態によれば、セラミッ
ク成形体４０は遮熱性を有するため、サーミスタ１０に
対して金属キャップ３０からの輻射を抑制し、また、金
属キャップ３０の酸化の有無に関わらず、セラミック成
形体４０の表面状態が変わりないため、金属キャップ３
０の酸化によりその輻射率が変化しても、サーミスタ１
０の特性が変動するのを抑制することができ、精度のよ
い温度検出が可能となる。

【００３５】また、セラミック成形体４０は電気的に絶
縁性を有するため、サーミスタ１０の短絡防止となる。
また、本実施形態によれば、粉末に比べて取り扱いが簡
単な成形体であるセラミック成形体４０を用いているの
で、上記製造方法に述べたように、セラミック成形体４
０をサーミスタ１０に被せるだけで組付可能であり、組
付性が容易とできる。

【００３６】また、本実施形態によれば、金属キャップ
３０とセラミック成形体４０との隙間を、セラミック成
形体４０とサーミスタ１０との隙間よりも狭くしている
から、セラミック成形体４０が車両振動等により動いた
としても、常に金属キャップ３０に先に当たり、サーミ
スタ１０には当たらず、サーミスタ１０の破損防止がで
きる。

【００３７】（他の実施形態）なお、セラミック成形体
４０の形状は、図５に示す様に、有底筒状とし、サーミ
スタ１０と金属キャップ３０の底部内面との間にも介在
するようにしてもよい。更に、セラミック成形体４０の
形状は、サーミスタ１０に被せることが可能な形状であ
るならば、筒状に限定されるものではない。

【００３８】また、輻射率の影響抑制として金属キャッ
プ３０表面にメッキ層とか貴金属層を設けてもよい。ま
た、上記実施形態では、サーミスタ１０は、素子部１１
から一対の電極線１２が同一方向に引き出された、いわ
ゆるラジアル型サーミスタであるが、一対の電極線が互
いに反対方向に引き出され、一方が配線部材と、他方が
金属キャップに接続された、いわゆるアキシャル型サー
ミスタにも、本発明は適用可能である。つまり、電極線
の数は何本でもよく、配線部材の芯線は電極線の数に対
応した数となる。

【００３９】また、本発明は、排気温センサ以外に適用
してもよい。特に、金属キャップが酸化されやすい１０
００℃程度までの温度域に使用される温度センサに好適
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る温度センサの一部切欠
断面図である。

【図２】サーミスタ特性変動の抑制効果の一例を示すグ
ラフである。

【図３】セラミック成形体とサーミスタ素子とが最近接
したときの隙間ｘを示す説明図である。

【図４】温度センサ各部の寸法を示す説明図である。

【図５】本発明の他の実施形態を示す図である。

【符号の説明】

１０…サーミスタ、３０…金属キャップ、４０…セラミ
ック成形体。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属製のケース（３０）内に収納された
サーミスタ素子（１０）を備える温度センサにおいて、前記ケース（３０）と前記サーミスタ素子（１０）との
間には、前記サーミスタ素子（１０）を被覆することに
より、前記ケース（３０）と前記サーミスタ素子（１
０）とを遮熱し且つ電気的に絶縁するセラミック成形体
（４０）が介在していることを特徴とする温度センサ。
【請求項２】前記セラミック成形体（４０）は、筒状
であることを特徴とする請求項１に記載の温度センサ。
【請求項３】前記セラミック成形体（４０）の肉厚
は、０．１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１ま
たは２に記載の温度センサ。
【請求項４】前記セラミック成形体（４０）は、アル
ミナ、ムライトまたはジルコニアから構成されているこ
とを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載
の温度センサ。
【請求項５】前記ケース（３０）と前記セラミック成
形体（４０）との隙間は、前記セラミック成形体（４
０）と前記サーミスタ素子（１０）との隙間よりも狭い
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記
載の温度センサ。