JP2008256471A - 温度センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】量産により製造した温度センサの中には、外部から受ける振動によって、感温部カバーに収納されるサーミスタ素子が、感温部カバーの内周面と接触して破損することがある。
【解決手段】収容部１０８の容量よりも少量の絶縁部材１０７を、感温部カバー１０４の内部に供給する。そして、感温部カバー１０４に、シースピン１０５を嵌合固定した後に、必ず収容部１０８に空隙を発生させる。次いで、収容部１０８を構成する感温部カバー１０４の外周面を加締めることによって、収容部１０８の容積を空隙分以上減少させる。これにより、絶縁部材１０７の供給量のバラつきに拘わらず、収容部１０８が絶縁部材１０７で充満した排気温センサ１００を量産できる。その結果、排気温センサ１００の振動で、サーミスタ素子１０１が物理的に損傷することを防止できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、感温素子を備える温度センサの製造方法に関するものである。

従来より、自動車の排気ガス浄化装置の触媒コンバータ内部や、排気管内等といった流路を流れる排気ガスの温度を、感温素子であるサーミスタ素子によって検出する、いわゆる排気温センサが知られている。

温度によって電気的特性が変化するサーミスタ素子は、有底筒状の金属カバー内に収納される。そして、金属カバーに覆われたサーミスタ素子の感熱応答性を高めるために、金属カバー内周面とシースピンの端面とで形成される収容部に熱伝導性の良好な、多数の粒子状物質からなる絶縁部材が供給され、排気ガスの熱を金属カバーで受熱した後、供給された絶縁部材を介してサーミスタ素子へと熱が伝達される。温度によって電気的特性が変化する該サーミスタ素子が発する電気信号は、電極線を経て制御装置に伝えられ、温度が検出される。

また、このような温度センサは、例えば、特開２００４−３１７４９９号公報に開示されている。特に、この公報に記載のものは、縮径した金属カバー先端にサーミスタ素子を収納する。これにより、金属カバー内周とサーミスタ素子との距離を縮めて応答性を高めるものである。
特開２００４−３１７４９９号公報

ところで、上記公報に記載の温度センサは、絶縁部材とシースピン端面との間に空隙が設けられている。この空隙が存在することで、温度センサが振動した時、絶縁部材が収容部内で移動してしまい、サーミスタ素子が金属カバーの内周面と接触し、サーミスタ素子の破損につながる恐れがあることが分かった。

上述した事態を回避し、温度センサの耐振動性を十分に確保するため、具体的には、サーミスタ素子が収容される収容部を絶縁部材で充満させることが効果的である。

しかし、温度センサの製造工程において、絶縁部材の供給量のバラつきにより、金属カバー内に空隙が発生することがあり、量産時に、耐振動性の不十分な温度センサが製造されることがある。

本発明は、かかる事情に鑑み、製造工程における絶縁部材の供給量のバラつきに拘わらず、一様に、十分な耐振動性を有する温度センサを量産するための製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、有底筒状のカバーと、前記カバーの内部に収納され、温度によって電気的特性が変化する感温素子と、前記感温素子に接続され、前記感温素子の電気信号を取り出す導線部材と、前記導線部材を内部に絶縁保持するとともに、前記カバーの開口端から内挿して、前記カバーに嵌合固定される筒状のシース部材と、前記カバーの内周面と前記シース部材の端面とで形成される収容部に充満する絶縁部材とを備える温度センサの製造方法であって、前記カバーの内部に所定量の絶縁部材を供給する第１工程と、前記絶縁部材が内部に供給された前記カバーに、前記シース部材を、嵌合固定する第２工程と、前記絶縁部材が前記収容部内に充満するように、前記カバーを内径方向に変形させ、前記収容部の容積を減少させる第３工程とを備えることを特徴とする温度センサの製造方法である。

つまり、第１工程にて、カバー内に絶縁部材を供給した状態で、続く第２工程で、感温素子を具備するシース部材をカバーに嵌合固定する。そして、第３工程で、収容部を構成するカバーの外周面を内径方向へ、すなわち、外側から内側に向かって変形させる。

この第３工程における収容部の容積減少によって、収容部内で確実に絶縁部材が充満する。これにより、温度センサに加わる振動によって、感温素子がカバーと接触することはなく、感温素子が物理的な要因で破損することが防止される。

請求項２に記載の発明は、前記第３工程において、前記カバーの変形による前記収容部の容積の減少率を、１０％〜４０％としたものである。

ところで、収容部の容積の減少率が１０％未満であると、絶縁部材の充填密度が十分に上がらず、耐振動性が確保されず、また、収容部の容積の減少率が４０％よりも大きい場合には、収容部内の変形が、導線部材の絶縁破壊を引き起こしたり、収容部内の変形に伴って発生する応力によって、感温素子が破損する恐れがあることが発明者らの実験等によって判明した。

よって、第３工程において、収容部の容積の減少率が１０％〜４０％となるように、カバーを変形させることが肝要であり、これにより、導線部材の絶縁破壊や感温素子の破損を確実に防止するとともに、絶縁部材を、変形後の収容部内に十分に充満させることができる。

請求項３に記載の発明は、前記第２工程において、前記カバー内に供給された前記絶縁部材が、前記シース部材の端面に接触しないよう、前記シース部材を、前記カバーに嵌合固定することを特徴とするものである。

つまり、絶縁部材の供給量のバラつきを考慮し、第１工程で、収容部の容積よりも少量の絶縁部材を供給するようにする。

これにより、第２工程にて、シース部材をカバーに嵌合固定したときに、シース部材の外周面とカバーの内周面との接触部分に絶縁部材が介在することがない。よって、シース部材とカバーとを完全に固定するために、上記接触部分に溶接を施す際、溶接不良が発生することがない。

以下、本発明を具体化した排気温センサ１００（温度センサ）の実施形態について、図面を参照して説明する。この排気温センサ１００は、車両用エンジンから排出される排気ガスの温度を検出するセンサとして適用したものであり、例えば、自動車の排気管に取り付けられるものである。

図１に示すように、排気温センサ１００は、感温部１０及びケース部２０で構成されるものである。なお、図１において下方を先端側、上方を基端側として、以下、本実施形態の排気温センサ１００の構造を説明する。

上述の感温部１０は、排気ガスに曝されて排気温度を感知する。

図１のＡ部の拡大図である図２に示すように、感温部１０は、主として、排気温度を感知する感温素子であるサーミスタ素子１０１、サーミスタ素子１０１が発する電気信号を基端側に伝達する、導線部材に相当した一対の電極線１０２、並びに一対のシースピン芯線１０３、及びサーミスタ素子１０１を保護する感温部カバー１０４から成る。電極線１０２の基端側は、シースピン芯線１０３とレーザー溶接、または抵抗溶接によって接合される。

本実施形態においては、電極線１０２は白金よりなる材料を用い、シースピン芯線１０３にはステンレス鋼を用いた。

カバーに相当する感温部カバー１０４は、ステンレス鋼板に深絞り加工を施すことによって、有底筒状に成形されている。さらに、感温部カバー１０４の先端側が、基端側よりも小径となるような段付き筒状をなしている。この感温部カバー１０４の閉塞する先端側で、相対的に小径となる部分の内側に、Ｃｒ−Ｍｎを主成分とする半導体材料等よりなる焼結成形体であるサーミスタ素子１０１が収納されている。感温部カバー１０４の小径部に、サーミスタ素子１０１を収納することで、排気ガスの温度を直接受熱する感温部カバー１０４とサーミスタ素子１０１とが近接する。これによって、感温部カバー１０４からサーミスタ素子１０１までの熱伝導による熱損失が抑制される。

また、感温部カバー１０４の基端側の開口部には、シース部材に相当する円筒状のシースピン１０５の一端が圧入により嵌合固定される。シースピン１０５は、内側にシースピン芯線１０３を収容し、絶縁、保護する。なお、シースピン１０５の内側には、電気絶縁性を有するマグネシア等の粉末を充填した後に、シースピン１０５にスウェージングによる絞り加工を施すことにより、上記粉末が加圧成形された圧粉体１０８が内在している。

つまり、図２のＢ−Ｂ断面図である図３に示すように、円筒状のシースピン１０５の内部は、圧粉体１０８によって、閉塞されている。

感温部カバー１０４の内周面とシースピン１０５の先端側の端面とで構成される収容部１０６は、アルミナ等よりなる絶縁部材１０７で充満している。シースピン１０５の先端側端面は、圧粉体１０８によって完全に閉口しており、絶縁部材１０７がシースピン１０５の内側へ侵入することはない。

また、上述した感温部１０は、シースピン１０５を介してケース部２０を構成するリブ２０１に接続され、リブ２０１はプロテクションチューブ２０２に固定される。また、感温部１０は、シースピン芯線１０３を通じてケース部２０を構成するリード線２０３と、電気的に接続される。

以上、説明した排気温センサ１００は、サーミスタ素子１０１が発する排気温信号を、リード線２０３を介して、図示しない外部回路（例えば、ＥＣＵ）へ送出し、排気ガスの温度が検出される。

本実施形態は、以下の工程で排気温センサ１００を製造する。

第１工程は、図４（ａ）に示すように、有底筒状の感温部カバー１０４の開口部からスラリー状の絶縁部材１０７をディスペンサーニードル３００で注入する工程である。

まず、スラリーとは、粉末流体の意であり、本実施形態におけるスラリー状の絶縁部材１０７とは、アルミナに純水、および粘度を調整する分散剤を加えて略泥状としたものである。なお、絶縁部材１０７の主成分はアルミナに限らず、シリカや、マグネシア等でも良い。

ついで、図４（ｂ）における絶縁部材１０７の供給量について以下、詳述する。

ディスペンサーニードル３００によって供給する絶縁部材１０７の量の指令値Ｖは、以下の等式（１）により表される。

（数１）
Ｖ＝ｖ−（ΔＶ＋Δｖ）・・・（１）
ここで、ΔＶは、指令値Ｖに対して、設けられる公差±ΔＶの上の公差である。同様にして、Δｖは、収容部１０６の設計上の容積ｖに設けられる公差±Δｖの上の公差を意味する。したがって、設計段階で、ｖが決まればΔｖが決まり、これに対応して、製造段階におけるＶとΔＶが決まる。

なお、収容部１０６の設計上の公差Δｖは、生産設備能力由来の公差ΔＶに比べて常に小さくなることから、以下の不等式（２）が成り立つ。

（数２）
Δｖ＜ΔＶ・・・（２）
また、収容部１０６の設計上の容積ｖは、嵌合圧入時に感温部カバー１０４の内周面とシースピン１０５の端面とで形成される空間から、前記空間内に収納されたサーミスタ素子１０１、電極線１０２、及びシースピン芯線１０３の体積（設計上）を減じたものである。

等式（１）から求まる設定値Ｖで絶縁部材１０７をディスペンサーニードル３００から吐出させたとき、実際に感温部カバー１０４内側に供給される絶縁部材１０７の供給量をＸとする。このとき、Ｘは、以下の不等式（３）を満たす。

（数３）
Ｖ−ΔＶ≦Ｘ≦Ｖ＋ΔＶ・・・（３）
また、不等式（２）が成り立つことから、以下の不等式（４）が成り立つ。

（数４）
Ｘ≦ｖ−Δｖ・・・（４）
続いて、第２工程では、図５（ａ）に示すように、サーミスタ素子１０１を、供給量Ｘで供給された絶縁部材１０７内に押し込みながら、感温部カバー１０４とシースピン１０５とを嵌合固定する。このとき、図５（ｂ）に示す、感温部カバー１０４の内周面とシースピン１０５の端面とで形成される空間から、サーミスタ素子１０１等の体積を除いた空間の容積、つまり、製造過程における実質的な収容部１０６の容積をＹとする。

量産時には、感温部カバー１０４及びシースピン１０５といった部品にもバラつきがあるため、両者の嵌合時には、嵌めあい具合のバラつき、または、サーミスタ素子１０１等の大きさのバラつきによって、収容部１０６の容積Ｙにバラつきが発生している。なお、Ｙは、以下の不等式（５）を満たす。

（数５）
ｖ−Δｖ≦Ｙ≦ｖ＋Δｖ・・・（５）
また、不等式（４）が常に成り立つことから、シースピン１０５の端面とスラリー状の絶縁部材１０７の液面との間に所定距離（０も含む）が確保できる。従って、感温部カバー１０４とシースピン１０５の嵌合圧入時に、両者の重合部分に形成される間隙１０９を、スラリー状の絶縁部材１０７が這い上がることはなく、後述する溶接部１１０に絶縁部材１０７が介在することによる、溶接不良が発生しない。

第３工程では、図６（ａ）に示す状態にて、スラリー状の絶縁部材１０７を乾燥させて、粉末状の絶縁部材１０７とし、その後、感温部カバー１０４とシースピン１０５とが重合する部分で且つ、感温部カバー１０４の基端側を全周溶接し、溶接部１１０を設ける。

本実施形態では、レーザー溶接を施したが、プラズマ溶接、または加締め等によって、感温部カバー１０４とシースピン１０５とを強固に固定してもよい。

そして、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、感温部カバー１０４を外周から内径方向に、加締め工具４００を用いて局部的に押圧する。そして、感温部カバー１０４の外周面に凹部１１１を設ける。押圧によって設けられた凹部１１１によって減少する収容部１０６の容積をａとしたとき、以下の等式（６）が常に成り立つ。

（数６）
ａ＝（ΔＶ＋Δｖ）×２・・・（６）
等式（６）において、ΔＶおよびΔｖは定数であるから、変形による収容部１０６の容積の減少量ａも常に一定となる。

これにより、絶縁部材の供給量Ｘが公差±ΔＶの範囲内で、また、収容部の容積Ｙが公差±Δｖの範囲内で、パラメータＸ及びＹが、互いに独立して公差範囲内の値をとっても、収容部１０６には、必ず絶縁部材１０７が充満する。

なお、収容部１０６が絶縁部材１０７で充満するとは、換言すると、図７（ｂ）にて、粉末状の絶縁部材１０７の基端側の界面とシースピン１０５の端面とが、少なくとも一様に接触した状態のことである。

さらに、本実施形態では、設計段階で、収容部１０６の設計上の容積ｖと上記減少量ａとの比率が１：０．２となるよう、つまり、ｖが下記の式（７）を満たすように設計している。

（数７）
ｖ＝５ａ・・・（７）
なお、十分な耐振動性を得るためには、変形による収容部１０６の容積ｖの減少率が１０％〜４０％となるよう、つまり、ｖが以下の範囲（８）に収まるように設計することが好ましい。

（数８）
２．５ａ≦ｖ≦１０ａ・・・（８）
以上の工程を経て、排気温センサ１００の製造が完了する。

上記実施形態において、変形による収容部１０６の容積Ｙの減少量ａが等式（６）を満たし、且つサーミスタ素子１０１、電極線１０２、及びシースピン芯線１０３に過剰な応力が加わらない程度であれば、設ける凹部１１１の数に制限はない。

なお、変形後の収容部１０６の容積Ｙ´が、絶縁部材１０７の実際の供給量Ｘよりも小さくなる場合も発生するが、この場合には、粉末状の絶縁部材１０７が圧縮されるだけで、サーミスタ素子１０１、電極線１０２、及びシースピン芯線１０３に及ぼす影響は少ない。むしろ、絶縁部材１０７が圧縮されることによって、絶縁部材１０７の充填密度が増加するため、絶縁部材１０７のサーミスタ素子１０１に対する保護機能が向上する。

このような排気温センサ１００の製造方法によれば、収容部１０６には、絶縁部材１０７が充満するため、排気温センサ１００が振動しても、サーミスタ素子１０１、電極線１０２、およびシースピン芯線１０３の各々が、異なる共振振動数で共振することはなく、常に感温部１０全体の振動にシンクロする。これにより、サーミスタ素子１０１が感温部カバー１０４の内周面と接触して破損するという問題が解消される。また、共振した場合に応力集中発生サイトとなる、電極線１０２とシースピン芯線１０３との溶接部分での応力集中も緩和される。

また、先述したように、本実施形態では、サーミスタ素子１０１の感熱応答性を確保するために、感温部カバー１０４内周面とサーミスタ素子１０１とが、絶縁部材１０７を介して近接するように、感温部カバー１０４が段付き形状となっている。よって、第３工程において、相対的に感温部カバー１０４内周面との間隔が大きい、電極線１０２及びシースピン芯線１０３の径外方向に位置する感温部カバー１０４の外周面を、内径方向に加締めることが好ましい。

そこで、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、感温部カバー１０４の外周面を、内径方向に均一に縮径することで、感温部カバー１０４を変形させてもよい。このときもまた、収容部１０６の容積Ｙの減少量ａは、等式（６）を満たすものとする。

排気温センサの全体図である。 図１中のＡ部拡大図である。 図２中のＢ−Ｂ断面図である。 第１工程を表す模式図である。 第２工程を表す模式図である。 第３工程を表す模式図である。 第３工程の変形例を表す模式図である。

符号の説明

１０…感温部
２０…ケース部
１００…排気温センサ（温度センサ）
１０１…サーミスタ素子（感温素子）
１０２…電極線（導線部材）
１０３…シースピン芯線（導線部材）
１０４…感温部カバー（カバー）
１０５…シースピン（シース部材）
１０６…収容部
１０７…絶縁部材
１０８…圧粉体
１０９…間隙
１１０…溶接部
１１１…凹部
２０１…リブ
２０２…プロテクションチューブ
２０３…リード線
３００…ディスペンサーニードル
４００…加締め工具

Claims (3)

1. 有底筒状のカバーと、
   前記カバーの内部に収納され、温度によって電気的特性が変化する感温素子と、
   前記感温素子に接続され、前記感温素子の電気信号を取り出す導線部材と、
   前記導線部材を内部に絶縁保持するとともに、前記カバーの開口端から内挿して、前記カバーに嵌合固定される筒状のシース部材と、
   前記カバーの内周面と前記シース部材の端面とで形成される収容部に充満する絶縁部材と
   を備える温度センサの製造方法であって、
   前記カバーの内部に所定量の絶縁部材を供給する第１工程と、
   前記絶縁部材が内部に供給された前記カバーに、前記シース部材を、嵌合固定する第２工程と、
   前記絶縁部材が前記収容部内に充満するように、前記カバーを内径方向に変形させ、前記収容部の容積を減少させる第３工程と
   を備えることを特徴とする温度センサの製造方法。
2. 前記第３工程にて、前記カバーの内径方向の変形による前記収容部の容積の減少率が、１０％〜４０％であることを特徴とする請求項１記載の温度センサの製造方法。
3. 前記第２工程では、前記カバー内に供給された前記絶縁部材が、前記シース部材の端面に接触しないよう、前記シース部材を、前記カバーに嵌合固定す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の製造方法。

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