JP2010145321A - 温度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】温度センサに関して、構成部品数の低減を図りつつも共振によるセンサ内部での電気経路の断線を防止できる温度センサを提供することを目的とする。
【解決手段】温度センサ１００において、シース部材１１６を包囲する筒状部材１６０は取り付け部材１４２の内側を通り、筒状部材１６０の先端部１６１が金属キャップ１０８と取り付け部材１４２の間の位置で、シース部材１１６と接合され接合部１１８を形成していることを特徴とする。これにより、構成部品を増やすことなく、取り付け部材１４２の取り付け座１４４よりも先端側の位置でシース部材１１６を固定することができる。
【選択図】図１

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る温度センサに関する。

従来、自動車の排気ガス等の温度を検出するための温度センサに関して、センサ設置環境にて発生する振動との共振により生じるセンサ内部での電気経路の断線を防止する技術が提案されている。特許文献１には、金属キャップと取り付け部材との間に振動補強部を設け、センサの耐振性を向上させる技術が開示されている。

特開２００６−０４７２７３号公報

しかしながら、従来、金属キャップと取り付け部材との間に振動補強部を設けることに関して十分な考慮がなされていなかった。例えば、振動補強部を設けることで新たな構成部品が生じてしまう。また、特許文献１の図１や図３に開示のごとく、金属製の筒状の継手部材が取り付け部材より上に位置している場合には、構成部品どうしを固定するために、取り付け部材とシース部材を溶接し（特許文献１の符号６３，２６３）、また継手部材と取り付け部材を溶接し（特許文献１の符号６１）、さらに振動補強部とシース部材を溶接する（特許文献１の符号６２，２６２）必要が生じる。このように構成部品間の溶接等による接合部が多い場合には、振動補強部を設けていたとしてもセンサ設置環境にて発生する振動により接合部（特に溶接部）に亀裂が生じ、温度センサが破損するおそれがある。

そこで、本発明は、上記した課題を踏まえ、内燃機関の排気管や吸気管、燃料電池車の水素流通管等の振動の激しい環境下での測定対象物の温度を検出する温度センサに関して、構成部品数の低減を図りつつも共振によるセンサ内部での電気経路の断線を防止できる温度センサを提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例にて実現することができる。

[適用例１] 適用例１の温度センサは、先端側に感温素子が接続され、後端側に外部回路接続用のリード線が接続される金属芯線を絶縁保持したシース部材と、前記シース部材に固着されると共に、内部に前記感温素子を収納する筒状の金属キャップと、前記シース部材の軸線方向において、前記シース部材の後端側を上方向、先端側を下方向としたとき、前記シース部材を包囲すると共に、前記金属キャップよりも上に位置し、センサ取り付け位置に面する取り付け座を有する取り付け部材と、前記シース部材の軸線方向に延び、前記シース部材のうち、少なくとも前記取り付け部材よりも上に位置する部分を包囲する筒状部材と、を備える温度センサであって、前記筒状部材は前記取り付け部材の内側を通り、前記筒状部材の先端部は、前記金属キャップと前記取り付け部材の間の位置で、前記シース部材と接合され接合部を形成していること、を特徴とする。

適用例１の温度センサによれば、シース部材を包囲する筒状部材を取り付け部材の内側を通る形態で設け、この筒状部材のうち、金属キャップと取り付け部材の間に位置する先端部をシース部材に接合することにより、シース部材を固定することができる。これにより、振動補強部を構成部品として設けることなく、取り付け部材の取り付け座よりも先端側の位置でシース部材を固定することができ、取り付け座よりも先端側の位置におけるシース部材の振れを抑制して、センサ内部での電気経路の断線（特に、感温素子とシース部材の金属芯線との接続部位の断線）を防止することができる。

また、シース部材を包囲する筒状部材が取り付け部材の内側を通り、筒状部材の先端部が前記金属キャップと前記取り付け部材の間に位置することで、取り付け部材とシース部材を接合する必要がなく、接合部（特に溶接部）の低減を図ることができる。これにより、センサ設置環境にて発生する振動により接合部（特に溶接部）に亀裂が生じる可能性を低減でき、温度センサの信頼性を高めることができる。

[適用例２] 適用例１の温度センサであって、前記接合部は、前記筒状部材の先端部の全周にわたって形成されていることを特徴とする温度センサ。
適用例２の温度センサによれば、筒状部材の先端部とシース部材とが確実に接合し、筒状部材の先端部にてシース部材をより安定して固定することができる。また、温度センサの温度検出の対象となる測定対象物（例えば、排気ガス）が筒状部材の先端部とシース部材との間から、筒状部材の内部に侵入するのを防げ、筒状部材の内部に位置する構成部品に不具合が生ずるのを防止することができる。

次に、本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．変形例：

Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての温度センサ１００の構造を示す部分破断断面図である。温度センサ１００は、一対の金属芯線１１０を絶縁保持したシース部材１１６と、先端側１０６が閉塞した軸線方向に延びる筒状の金属キャップ１０８と、シース部材１１６の少なくとも一部を包囲する軸線方向に延びる筒状部材１６０と、筒状部材１６０と接合された取り付け部材１４２と、取り付け部材１４２とは別体に設けられた六角ナット部１５２およびネジ部１５４を有するナット部材１５０とを備える。なお、軸線方向とは、シース部材１１６の長手方向であり、図１においては上下方向に相当する。また、シース部材１１６における先端側は図１における下側であり、シース部材１１６における後端側は図１における上側である。

温度センサ１００は、金属キャップ１０８の内部にサーミスタ焼結体１０３と素子電極線１０４とから構成されているサーミスタ素子１０２を備えている。この温度センサ１００は、例えば内燃機関の排気管に装着されて、サーミスタ素子１０２を排気ガスが流れる排気管内に配置させて、排気ガスの温度検出に使用することができる。

金属芯線１１０は、先端側が抵抗溶接又はレーザ溶接によりサーミスタ素子１０２の素子電極線１０４と接続されており、後端側が抵抗溶接又はレーザ溶接により加締め端子１７２と接続されている。これにより、金属芯線１１０は、自身の後端側が加締め端子１７２を介して外部回路（例えば、車両の電子制御装置（ＥＣＵ）等）接続用のリード線１７３と接続されている。なお、一対の金属芯線１１０および一対の加締め端子１７２は、絶縁チューブ１７１により互いに絶縁される。リード線１７３は、導線を絶縁性の被覆材にて被覆したものである。リード線１７３は、耐熱ゴム製の補助リング１７４の内部を貫通する状態で配置される。

シース部材１１６は、詳細は図示しないが、金属製の外筒と、導電性金属からなる一対の金属芯線１１０と、外筒と２本の金属芯線１１０との間を電気的に絶縁して金属芯線１１０を保持する絶縁粉末とを備えている。

金属キャップ１０８は、先端側１０６が閉塞した軸線方向に延びる筒状をなし、筒状の後端側１３２が開放した形態で構成されている。先端側１０６は、内部にサーミスタ素子１０２およびセメント１１４を収納している。後端側１３２の内周面は、シース部材１１６の外周面に重なりあった状態で、径方向内向きに加締められると共に周方向にわたりレーザ溶接又は電子ビーム溶接されることで、シース部材１１６に固定される。なお、溶接作業により、金属キャップ１０８の後端側１３２とシース部材１１６（詳細には、シース部材１１６の外筒）とに跨るキャップ溶接部１１２が形成される。

筒状部材１６０は、軸線方向に延びる金属製の部材である。筒状部材１６０の後端側は、加締め端子１７２、絶縁チューブ１７１、補助リング１７４を内部に収容した状態で、補助リング１７４を介して径方向内向きに丸加締め或いは多角加締めされることにより、補助リング１７４との間の気密性を保ちつつ補助リング１７４と加締め接合される。また、筒状部材１６０は、取り付け部材１４２の上面と接した部位で径方向内側へ屈曲し、取り付け部材１４２の径方向内側を通り温度センサ１００の先端側方向へと延びている。

筒状部材１６０の先端部１６１は、金属キャップ１０８と取り付け部材１４２の間に位置する。先端部１６１の内周面は、シース部材１１６の外周面に重なりあった状態で径方向内向きに加締められると共に、周方向にわたりレーザ溶接又は電子ビーム溶接されることで第２接合部１１８を形成し、シース部材１１６の先端側に固定される。なお、この場合におけるシース部材１１６の第２接合部１１８は詳細にはシース部材１１６の外筒が該当する。シース部材１１６の後端側の固定方法については後述する。

軸線方向に垂直な断面において、筒状部材１６０の内径寸法は、シース部材１１６の外径寸法よりも大きい構成となっている。また、取り付け部材１４２よりも上に位置する筒状部材１６０の外径寸法は、取り付け部材１４２の内径寸法よりも大きく、取り付け部材１４２が取り付けられている位置以下では、筒状部材１６０の外径寸法は、取り付け部材１４２の内径以下の構成となっている。

取り付け部材１４２よりも下に位置する筒状部材１６０の軸線方向における長さをＬ１、取り付け座１４４から温度センサ１００の先端までの長さをＬ２とした場合に、比（Ｌ１／Ｌ２）は０．１以上が好適である。比（Ｌ１／Ｌ２）が０．１より小さいと振動に対する強度が十分に保てない可能性があるからである。

シース部材１１６の後端側においては、シース部材１１６と筒状部材１６０の間に金属リング１６４を介在させている。この金属リング１６４は、環状に形成されると共に先端側に位置する先端側リング１６８と先端側リング１６８よりも小さい外径を有する後端側リング１６６とを備える二段形状を構成している。金属リング１６４に対して、金属リング１６４が位置する筒状部材１６０の外側から径方向内向きに加締め作業を行うことで、先端側リング１６８は筒状部材１６０の後端側を固定する。なお、後端側リング１６６は、シース部材１１６を筒状部材１６０の内側に配置する前に、予めシース部材１１６（詳細にはシース部材１１６の外筒）に加締め固定されている。

取り付け部材１４２は、径方向外側に突出する環状の突出部１４３と、先端側方向に行くにつれ径が次第に小さくなるテーパ形状の取り付け座１４４と、取り付け座１４４よりも先端側に位置する第１接合部１４６と、を有している。取り付け座１４４は、例えば排気管（図示せず）のセンサ取り付け位置に設けられたテーパ形状部に取り付けられる座面であり、排気管のテーパ形状部に直接密着することで、排気ガスが排気管外部へ漏出するのを防止するよう構成されている。換言すれば、取り付け座１４４は、センサ取り付け位置に面するシール面を構成している。

次に、取り付け部材１４２の温度センサ１００への取り付け手順を説明する。まず、筒状部材１６０の先端部１６１とシース部材１１６の接合および筒状部材１６０の後端側と補助リング７４の接合の後に、取り付け部材１４２を温度センサ１００の先端側からシース部材１１６に沿って上方向に挿入する。次いで、取り付け部材１４２の上面が筒状部材１６０の屈曲部と接した位置に達すると、取り付け部材１４２の先端側と筒状部材１６０をレーザ溶接又は電子ビーム溶接により接合する。これにより、第１接合部１４６を形成し、取り付け部材１４２はシース部材１１６に固定される。また、取り付け部材１４２の温度センサ１００への取り付けは、金属キャップ１０８をシース部材１１６に取り付ける前でもよく、取り付けた後でも良い。

なお、取り付け部材１４２の温度センサ１００への取り付け手順は、上記の手順に特に限定されるものではない。例えば、筒状部材１６０に取り付け部材１４２をレーザ溶接又は電子ビーム溶接により接合した後に、筒状部材１６０の先端部１６１とシース部材１１６の接合（第２接合部１１８の形成）および筒状部材１６０の後端側と補助リング７４の接合を行っても良い。

ナット部材１５０は筒状部材１６０の周囲に回動自在に嵌挿されている。また、取り付け部材１４２は、取り付け座１４４がセンサ取り付け位置のテーパ面に接するように配置された後、ナット部材１５０のネジ部１５４がセンサ取り付け位置の周囲に形成されたネジ溝に螺合されることで、センサ取り付け位置に固定される。

温度の検出は、リード線１７３を介して温度センサ１００に接続された外部回路が、排気ガスの温度に応じて変化するサーミスタ素子１０２の電気的特性を取り出し、取り出した電気的特性に基づいて排気ガスの温度を検出する。

以上説明したように、金属キャップ１０８と取り付け部材１４２の間に筒状部材１６０が位置し、取り付け部材１４２の取り付け座１４４よりも先端側の位置でシース部材１１６と接合されることで、取り付け座１４４よりも先端側の位置におけるシース部材１１６の振れを抑制することができ、振動補強部を設けなくても、温度センサ１００の耐震性を向上させることができる。これにより、温度センサ１００内部での電気経路の断線（特に、サーミスタ素子１０２の素子電極線１０４とシース部材１１６の金属芯線１１０との接合部位の断線）を防止することができる。

また、シース部材１１６を包囲する筒状部材１６０が取り付け部材１４２の内側を通り、筒状部材１６０の先端部１６１が金属キャップ１０８と取り付け部材１４２の間に位置することで、取り付け部材１４２とシース部材１１６を溶接する必要がなく接合部（特に溶接部）の低減を図ることができる。これにより、センサ設置環境にて発生する振動により接合部（特に溶接部）に亀裂が生じる可能性を低減でき、温度センサの信頼性を高めることができる。

さらに、取り付け部材１４２よりも下に位置する筒状部材１６０の軸線方向における長さＬ１や、取り付け部材１４２よりも下に位置するシース部材１１６の外径寸法と筒状部材１６０の内径寸法との径差を変更することで、温度センサ１００の共振周波数を適宜変更することができる。これにより、温度センサ１００の共振周波数をセンサ設置環境にて発生する振動の周波数帯域とは異なる周波数帯域に設定することができ、共振による温度センサ１００内部の電気経路の断線を防止することができる。

Ｂ．第２実施例：
図２は、本発明の第２実施例としての温度センサ２００の構造を示す部分破断断面図である。温度センサ２００は、一対の金属芯線１１０を絶縁保持したシース部材１１６と、先端側１０６が閉塞した軸線方向に延びる筒状の金属キャップ１０８と、シース部材１１６の少なくとも一部を包囲する軸線方向に延びる筒状部材１６０と、筒状部材１６０と接合された第２取り付け部材２４２とを備える。なお、軸線方向とは、シース部材１１６の長手方向であり、図２においては上下方向に相当する。また、シース部材１１６における先端側は図２における下側であり、シース部材１１６における後端側は図２における上側である。

図１に示した第１実施例との違いは、六角ナット部２５２およびネジ部２５４が取り付け部材２４２と一体となっている点であり、金属芯線１１０、シース部材１１６、金属キャップ１０８などは第１実施例と同様の構成であることから、第１実施例と同様の構成部材については、同一符号で示すと共に説明を省略する。

第２実施例の温度センサ２００は、例えば内燃機関の吸気管あるいは燃料電池車の水素流通管などの流通管に装着されて、サーミスタ素子１０２を測定対象ガスが流れる流通管内に配置させて、測定対象ガスの温度検出に使用することができる。

なお、温度センサ２００は、金属キャップ１０８の内部に第１実施例のようにセメント１１４を用いるのではなく、エポキシ製の防震材２１４を収納している。

金属製の取り付け部材２４２は、径方向外側に突出する六角ナット部２５２と、ネジ溝が形成されたネジ部２５４と、ネジ部２５４の先端から軸線方向の先端側に延びる先端部２４８と、先端部２４８と筒状部材１６０を電子ビーム溶接し形成した第１接合部２４６と、を備えている。また、取り付け部材２４２は、六角ナット部２５２の先端面として形成される取り付け座２４４を備えており、取り付け座２４４の先端側には弾性材料（例えば、耐熱性ゴムなど）からなる環状のシールリング２０２が配置されている。

内燃機関の吸気管などへのセンサ取り付けは、取り付け座２４４が、シールリング２０２を介して間接的にセンサ取り付け位置（センサ取り付け面）に接することにより、温度センサ２００と吸気管などの間に隙間が生じるのを防止して、測定対象ガスが外部に漏洩するのを防止する。つまり、取り付け座２４４は、センサ取り付け位置に面するシール面を構成している。

先端部２４８の外径寸法は、筒状部材１６０と電子ビーム溶接を施すためにネジ部２５４の外径寸法よりも小さい構成となり、厚さ寸法（環状の内径寸法と外径寸法との径差寸法）も小さく設定されている。また、先端部２４８の内径寸法は、ネジ部２５４の内径寸法よりも小さく先端部２４８とネジ部２５４の境界には段部２０４が形成されている。

次に、取り付け部材２４２の温度センサ２００への取り付け手順を説明する。筒状部材１６０の先端部１６１とシース部材１１６との接合および筒状部材１６０の後端側と補助リング１７４との接合の後に、取り付け部材２４２を温度センサ２００の先端側からシース部材１１６に沿って上方向に挿入する。次いで、取り付け部材２４２の段部が筒状部材１６０の屈曲部と接した位置に達すると、取り付け部材２４２の先端部２４８と筒状部材１６０を電子ビーム溶接する。これにより、第１接合部２４６を形成し、取り付け部材２４２はシース部材１１６に固定される。また、取り付け部材２４２の温度センサ２００への取り付けは、金属キャップ１０８をシース部材１１６に取り付ける前でもよく、取り付けた後でも良い。

なお、取り付け部材２４２の温度センサ２００への取り付け手順は、上記の手順に特に限定されるものではない。例えば、筒状部材１６０に取り付け部材２４２を電子ビーム溶接した後に、筒状部材１６０の先端部１６１とシース部材１１６との接合および筒状部材１６０の後端側と補助リング７４との接合を行っても良い。

比（Ｌ１／Ｌ２）は、第１実施例と同様であるため説明を省略する。また、第２実施例においても第１実施例と同様、温度センサ２００内部の電気経路の断線を防止しつつ、温度センサ２００の信頼性を高めることができる。さらに、第１実施例と同様に長さＬ１や、取り付け部材２４２よりも下に位置するシース部材１１６の外径寸法と筒状部材１６０の内径寸法との径差を変更することで、温度センサ２００の共振周波数を適宜変更することができる。

Ｃ．第３実施例：
図３は、本発明の第３実施例としての温度センサ３００の構造を示す部分破断断面図である。第３実施例は第１実施例、第２実施例と異なり、金属リング１６４を有しておらず、筒状部材１６０の後端側には加締め作業により第３接合部３６４が形成されている。具体的には、シース部材１１６の後端側に位置する筒状部材１６０の外側から径方向内向きに加締め作業を行うことで、シース部材１１６（詳細にはシース部材１１６の外筒）の後端側と筒状部材１６０を直接接合する。他の点においては、第１実施例または第２実施例と同様である。

Ｄ．変形例：
なお、本発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

第１接合部１４６，２４６および第２接合部１１８は、レーザ溶接或いは電子ビーム溶接により形成したが、これに限らず温度センサの使用環境に合わせて例えば、プラズマ溶接、アルゴン溶接、ロー付け接合等の接合手段を採ることができる。また、感温素子としてサーミスタ焼結体１０３を有するサーミスタ素子１０２を用いたが、セラミック基板上に所定のパターン形状をなすＰｔ抵抗体を形成し、このＰｔ抵抗体に素子電極線を接合したＰｔ抵抗体素子を、上記サーミスタ素子１０２に代えて用いても良い。

さらに、上記の実施例では、取り付け部材１４２，２４２よりも上（後端側）の位置において、シース部材１１６と筒状部材１６０との間に金属リング１６４を介在させたり、シース部材１１６と筒状部材１６０とを直接接合したりする構成を採用したが、本構成を省略しても良い。ただし、温度センサの共振により、第２接合部１１８よりも後方側においてシース部材１１６の振れを抑える観点から、取り付け部材１４２，２４２よりも上（後端側）の位置において、シース部材１１６と筒状部材１６０とを直接または他部材を介して間接的に固定することが好ましい。これにより、温度センサの耐震性をより高めることができる。

本発明の第１実施例としての温度センサ１００の構造を示す部分破断断面図である。 本発明の第２実施例としての温度センサ２００の構造を示す部分破断断面図である。 本発明の第３実施例としての温度センサ３００の構造を示す部分破断断面図である。

符号の説明

１００…温度センサ
１０２…サーミスタ素子
１０３…サーミスタ焼結体
１０４…素子電極線
１０６…先端側
１０８…金属キャップ
１１０…金属芯線
１１２…キャップ溶接部
１１６…シース部材
１１８…第２接合部
１３２…後端側
１４２…取り付け部材
１４３…突出部
１４４…取り付け座
１４６…第１接合部
１５０…ナット部材
１５２…六角ナット部
１５４…ネジ部
１６０…筒状部材
１６１…先端部
１６４…金属リング
１６６…後端側リング
１６８…先端側リング
１７１…絶縁チューブ
１７２…加締め端子
１７３…リード線
１７４…補助リング
２００…温度センサ
２０２…シールリング
２０４…段部
２１４…防震材
２４２…取り付け部材
２４４…取り付け座
２４６…第１接合部
２４８…先端部
２５２…六角ナット部
２５４…ネジ部
３００…温度センサ
３６４…第３接合部

Claims (2)

1. 先端側に感温素子が接続され、後端側に外部回路接続用のリード線が接続される金属芯線を絶縁保持したシース部材と、
   前記シース部材に固着されると共に、内部に前記感温素子を収納する筒状の金属キャップと、
   前記シース部材の軸線方向において、前記シース部材の後端側を上方向、先端側を下方向としたとき、
   前記シース部材を包囲すると共に、前記金属キャップよりも上に位置し、センサ取り付け位置に面する取り付け座を有する取り付け部材と、
   前記シース部材の軸線方向に延び、前記シース部材のうち、少なくとも前記取り付け部材よりも上に位置する部分を包囲する筒状部材と、
   を備える温度センサであって、
   前記筒状部材は前記取り付け部材の内側を通り、
   前記筒状部材の先端部は、前記金属キャップと前記取り付け部材の間の位置で、前記シース部材と接合され接合部を形成していること、
   を特徴とする温度センサ。
2. 請求項１に記載の温度センサであって、
   前記接合部は、前記筒状部材の先端部の全周にわたって形成されていることを特徴とする温度センサ。

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