JP2011232066A - 温度センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】サーミスタ素子を覆うガラス封止部として耐久性に優れ、小型化の要求に十分応えることができるガラス封止部を備えた温度センサ及びその製造法を提供すること。
【解決手段】サーミスタ素子１０と一対のリード線２とタブレット３とタブレット３の先端面３１から突出したリード線２及びその先端に接合されたサーミスタ素子１０を覆うガラス封止部４とを有する。ガラス封止部４は、タブレット３の先端面３１から立設してリード線２の周囲を覆う胴部４１と、胴部４１から延設されサーミスタ素子１０及びサーミスタ素子１０と一対のリード線２との接合部２５を覆う略半球状の頭部４２とを有する。ガラス封止部４における軸方向に直交する断面で見た外径寸法は、頭部４２におけるサーミスタ素子１０を横切る断面の位置において最大であり、胴部４１には、外径寸法が軸方向に沿って徐々に小さくなった後に大きくなるくびれ部Ｂが形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、サーミスタ素子をガラス封止してなる温度センサ及びその製造方法に関する。

自動車エンジンの排ガスの浄化のために、ＮＯｘの発生を抑制する排ガス再循環システム（ＥＧＲシステム）や、触媒等を用いた排ガス処理システムが広く利用されている。これらのシステムでは、ＥＧＲガス流路又は排ガス流路内に温度センサを設けてＥＧＲガス又は排ガス温度に基づく最適な制御を実施することで、排気エミッションの低減を図っている。このような用途に用いられる温度センサには、高応答で検出温度範囲の広い温度センサが求められている。現在では、温度により抵抗が変化するサーミスタ素子を用いた温度センサが用いられる。

温度により抵抗が変化するサーミスタ素子を用いた温度センサは、一般的に、一対の電極を有するサーミスタ素子と、サーミスタ素子の電極に接合された一対のリード線と、上記サーミスタ素子を覆うガラス封止部とを有している（特許文献１参照）。
このガラス封止部は、サーミスタ素子の還元劣化や電極接合部の劣化を防止するために重要な役割を果たしている。

特開２００５−２９４６５３号公報

ところで、ガラス封止部は、サーミスタ素子の周囲に配置したガラス材料を軟化させ、サーミスタ素子を覆うように収縮凝固させることにより形成する。この収縮凝固過程を経ることによって、封止されたサーミスタ素子には圧縮残留応力が生じ、ガラス封止部には逆に引張残留応力が生じた状態となる。このような残留応力は、ガラス封止部形成後の熱処理（アニール・エージング）などにより低減することが可能であるが、完全に除去することは難しい。一方、残存した残留応力は、経年的なガラス割れの原因となる場合がある。特に、サーミスタ素子の強度が高い（ヤング率が高い）ほど、この残留応力の影響が大きく現れる傾向にある。

ガラス封止部の割れ対策としては、ガラス封止部の厚みを大きくして耐久性を高くすることが考えられる。しかしながら、ガラス封止部の厚みを際限なく大きくすることは、温度の検出感度の低下や小型化要求を満たさなくなるため難しい。特に小型化の観点から見れば、例えば、内径が約２．６ｍｍφ程度の金属製の筒状のカバー内にガラス封止部を挿入するタイプの温度センサにおいては、ガラス封止部の最大外径を２．５ｍｍφ以下に抑える必要がある。そのため、単純にガラス封止部の厚みを厚くする対策は難しい。

このような背景のもと、サーミスタ素子を覆うガラス封止部として耐久性に優れ、かつ、小型化の要求に十分応えることができるガラス封止部を備えた温度センサ及びその製造法を提供しようとするものである。

第１の発明は、サーミスタ素子と、該サーミスタ素子に接合された一対のリード線と、貫通穴に該リード線を貫通させて支持するタブレットと、該タブレットの先端面から突出した上記リード線及びその先端に接合された上記サーミスタ素子を覆うガラス封止部とを有する温度センサにおいて、
上記ガラス封止部は、上記タブレットの先端面から立設して上記リード線の周囲を覆う胴部と、該胴部から延設され上記サーミスタ素子及び該サーミスタ素子と上記一対のリード線との接合部を覆う略半球状の頭部とを有し、
上記ガラス封止部における軸方向に直交する断面で見た外径寸法は、上記頭部における上記サーミスタ素子を横切る断面の位置において最大であり、上記胴部には、上記外径寸法が軸方向に沿って徐々に小さくなった後に大きくなるくびれ部が形成されていることを特徴とする温度センサにある（請求項１）。

第２の発明は、サーミスタ素子に一対のリード線を接合するリード線接合工程と、
タブレットの貫通穴に上記リード線を通すタブレット挿入工程と、
円筒状のガラス管を準備し、上記タブレットの先端面から突出した上記リード線及びその先端に接合された上記サーミスタ素子を上記ガラス管内に配置するガラス管組み付け工程と、
上記ガラス管が軟化する温度に加熱して上記ガラス管を変形させ、上記タブレットの先端面から突出した上記リード線及び該リード線に接合された上記サーミスタ素子を覆うガラス封止部を形成する封止工程とを有し、
該封止工程は、上記サーミスタ素子を上方に向けて上記タブレットの上記先端面上に上記ガラス管を立てた状態で、当該ガラス管を構成するガラスの粘度が４．４±０．２ｄＰａ・ｓの範囲となる温度まで加熱することにより行うことを特徴とする温度センサの製造方法にある（請求項４）。

第１の発明の温度センサにおける上記ガラス封止部は、上記胴部と頭部とを連ねてなり、上記頭部に上記外径寸法が最大である最大外径部が存在している。そして、この最大外径部を有する頭部と上記タブレットとの間に、上記胴部のくびれ部が存在している。このような形状を積極的に採用することによって、耐久性と小型化を両立可能な温度センサが得られる。

たとえば、上記最大外形部が頭部ではなく、胴部に存在する場合には、頭部を覆うガラス封止部の厚みがその先端側において他の部分よりも薄くなりやすい。そのため、先端側のガラス厚みが薄い部分には、サーミスタ素子に残存している圧縮残留応力による応力が集中しやすくなる。特に、サーミスタ素子の外形状が四角形であって、その角部がガラス厚みの薄い部分に位置した場合などには、割れをより誘発しやすくなる。

これに対し、本発明では、ガラス封止部の上記頭部に最大外形部が存在する形状を採用し、かつ上記くびれ部を形成することによって、サーミスタ素子の周囲に存在するガラスの外形状を球状に近い形状にすることができる。これにより、サーミスタ素子の周囲のガラス厚みをどの方向においても容易に確保することができる。そのため、上記最大外形部を備えた頭部とくびれ部を組み合わせた形状は、形状的にサーミスタ素子の周囲のガラス厚み確保に有利であり、割れ発生抑制効果を容易に得ることができる。

また、第２の発明の製造方法では、上記封止工程において、上記サーミスタ素子を上方に向けて上記タブレットの上記先端面上に上記ガラス管を立てた状態で、ガラスの粘度が４．４±０．２ｄＰａ・ｓの範囲となる温度まで加熱する。ガラス溶融時のガラスの粘度を上記の特定の範囲に制限することによって、溶融したガラスが、自重によって降下しすぎることを防止することができ、上記頭部に最大外径部が存在し、胴部にくびれ部が存在する形状のガラス封止部を有する上記第１の発明の温度センサを容易に得ることができる。

そして、得られた温度センサは、上述したごとく、サーミスタ素子を覆うガラス封止部として耐久性に優れ、かつ、小型化の要求に十分応えることができるガラス封止部を備えたものとなる。

実施例１における、温度センサの構造を示す説明図。 実施例１における、温度センサを製造する際のリード線接合工程についての説明図。 実施例１における、温度センサを製造する際のタブレット挿入工程についての説明図。 実施例１における、温度センサを製造する際のガラス管組み付け工程についての説明図。 実施例２における、最短距離Ｃについての説明図。 実施例２における、サーミスタ素子の角部からの距離とガラス内部の残留応力値との相関関係を示す説明図。 比較例１における、温度センサの構造を示す説明図。

本発明の温度センサにおいては、上記サーミスタ素子から上記ガラス封止部の外表面までの最短距離が０．３０ｍｍ以上であることが好ましい（請求項２）。ガラス厚みをこの厚み以上確保することにより、サーミスタ素子に残存する圧縮残留応力の影響をガラス封止部の外表面においてほとんど影響のない程度に緩和することができ、割れ抑制効果を高めることができる。このような効果をより高めるためには、上記最短距離が０．３５ｍｍ以上、さらには、０．４ｍｍ以上とするのがより好ましい。
そして、このようなガラス厚みは、ガラス封止部が上記特殊な形状を呈しているため、許容された外形寸法の中においても比較的容易に確保することができる。
なお、上記サーミスタ素子からガラス封止部の外表面までの最短距離の上限値は、０．７５ｍｍ程度にすることが好ましい。これにより、温度の検知感度を十分に確保することができる。

また、上記ガラス封止部は、比重が３．５ｇ／ｃｍ³以下の鉛フリーガラスより構成されていることが好ましい（請求項３、５）。従来のガラス封止部用のガラスとして主流であった鉛入りガラスの場合には、比重が３．５ｇ／ｃｍ³を超えるが、これを鉛フリーガラスに変更することによって、比重を小さくすることができる。これにより、温度センサの製造工程における上記封止工程において、溶融したガラスが自重により下降して胴部に集中することをより確実に防止することができ、上述した上記頭部に最大外形部が存在し、かつ胴部に上記くびれ部を有する形状をさらに容易に形成することができる。

（実施例１）
本例の実施例にかかる温度センサ及びその製造方法につき、図１〜図４を用いて説明する。
本例の温度センサ１は、図１に示すごとく、サーミスタ素子１０と、サーミスタ素子１０に接合された一対のリード線２と貫通穴３２にリード線２を貫通させて支持するタブレット３と、タブレット３の先端面３１から突出したリード線２及びその先端に接合されたサーミスタ素子１０を覆うガラス封止部４とを有する。

ガラス封止部４は、タブレット３の先端面３１から立設してリード線２の周囲を覆う胴部４１と、胴部４１から延設されサーミスタ素子１０及びサーミスタ素子１０と一対のリード線２との接合部２５を覆う略半球状の頭部４２とを有する。そして、ガラス封止部４における軸方向に直交する断面で見た外径寸法は、頭部４２におけるサーミスタ素子１０を横切る断面の位置において最大であり、胴部４１には、外径寸法が軸方向に沿って徐々に小さくなった後に大きくなるくびれ部４１５が形成されている。

上記温度センサ１を製造するに当たっては、まず、図２に示すごとく、サーミスタ素子１０に一対のリード線２を接合するリード線接合工程を実施する。
サーミスタ素子１０としては、四角い平板状の金属酸化物よりなり、両面にそれぞれＰｔ膜よりなる電極１２が設けられた素子を用いた。サーミスタ素子１０のサイズは、厚み０．４５ｍｍ×縦０．６５ｍｍ×横０．６５ｍｍである。
リード線２としては、直径０．３ｍｍのジュメット線を用いた。
そして、Ａｕを含有するペーストを電極１２及びリード線２に塗布した後に、焼き付けることによって接合部２５を形成した。

次に、図３に示すごとく、タブレット３の貫通穴３２にリード線２を通すタブレット挿入工程を実施する。
タブレット３としては、外径が２．２ｍｍφ×長さ１．５ｍｍの材質フォルステライト（Ｍｇ₂ＳｉＯ₄）よりなる円柱形状を呈し、リード線２を貫通させるための２つの貫通穴３２を設けたものを用いた。
リード線２とタブレット３との仮固定は、タブレット３の貫通穴３２にリード線２を挿入した状態で、リード線２と貫通穴３２との内周面との間にガラスペースト３５を配置することにより行う。このガラスペースト３５は、後述する封止工程を経ることによって硬化する。

次に、図４に示すごとく、円筒状のガラス管４０を準備し、タブレット３の先端面３１から突出したリード線２及びその先端に接合されたサーミスタ素子１０をガラス管４０内に配置するガラス管組み付け工程を行う。ガラス管４０としては、鉛フリーの材質（ＳｉＯ₂−Ｒ₂Ｏ−Ｂ₂Ｏ₃系（Ｒはアルカリ土類金属））であって比重が３．０７ｇ／ｃｍ³であるものを用いた。ガラス管４０のサイズは、サーミスタ素子１０、リード線２およびこれらの接合部２５を収容可能なように内径１．３ｍｍφ、外径２．１ｍｍφとした。軸方向長さは、サーミスタ素子１０がタブレット３から突出した長さよりも若干長い長さとした。なお、ガラス管４０のサイズは、得られるガラス封止部４の頭部４２の大きさなどに影響するが、複数種類のガラス管４０を準備して試作してガラス封止部４の寸法を測定することにより、最適なガラス管４０のサイズを比較的容易に選択することができる。

次に、ガラス管４０が軟化する温度に加熱してガラス管４０を変形させ、タブレット３の先端面から突出したリード線２及び該リード線２に接合されたサーミスタ素子１０を覆うガラス封止部４を形成する封止工程を実施する。
この封止工程は、図４に示すごとく、サーミスタ素子１０を上方に向けてタブレット３の先端面３１上にガラス管４０を立てた状態で実施する。ガラス管４０の加熱温度は、ガラス管４０を構成するガラスの粘度が４．４±０．２ｄＰａ・ｓの範囲となる温度とする。具体的な加熱温度は、使用するガラスの粘度と温度の相関関係から容易に定めることができる。本例では、加熱の最高保持温度を８８５℃に設定した。

得られた温度センサ１は、図１に示すごとく、そのガラス封止部４が、胴部４１と頭部４２とを連ねたものとなる。頭部４２には、外径寸法が最大である最大外径部Ａが存在する。また、最大外径部Ａを有する頭部４２とタブレット３との間には、胴部４１のくびれ部Ｂが存在している。このような形状を積極的に採用した本例の温度センサ１は、耐久性と小型化を両立可能である。

すなわち、ガラス封止部４の頭部４２に最大外形部Ａが存在する形状を採用し、かつくびれ部Ｂを形成することによって、サーミスタ素子１０の周囲に存在するガラスの外形状を球状に近い形状にすることができる。これにより、サーミスタ素子１０の周囲のガラス厚みをどの方向においても容易に確保することができる。そのため、最大外形部Ａを備えた頭部４２とくびれ部Ｂを備えた胴部４１を組み合わせた形状は、形状的にサーミスタ素子１０の周囲のガラス厚み確保に有利であり、割れ発生抑制効果を容易に得ることができるのである。

（実施例２）
実施例１の温度センサ１について、サーミスタ素子１０からガラス封止部４の外表面までの最短距離Ｃの最適範囲を求める実験を行った。
まず、実施例１の製造に用いたガラス管４０のサイズの変更、及び封止工程におけるガラスの粘度の変更（加熱温度変更）の一方又は両方を行って、サーミスタ素子１０からガラス封止部４の外表面までの最短距離Ｃが異なる３種類の試料を作製した。最短距離Ｃは、図５に示すごとく、サーミスタ素子１０の角部１７からガラス封止部４の外表面までの距離を立体的に見た場合の最短距離である。準備した試料は最短距離Ｃが０．２ｍｍの試料１と、最短距離Ｃが０．３ｍｍの試料２と、最短距離Ｃが０．６ｍｍの試料３である。

試料１〜３につき、上記最短距離Ｃの方向に沿って、サーミスタ素子１０の周囲のガラスの内部応力を測定すると共に、ガラス封止部４の外表面の残留応力をシミュレーションにより求めた。その結果を図６に示す。同図は、横軸にサーミスタ素子１０の角部からガラス封止部４の外表面までの距離（ｍｍ）を取り、縦軸にガラス内の内部応力（ＭＰａ）を取った。

同図から知られるごとく、いずれの試料についても、サーミスタ素子１０の角部からの距離が大きくなるに従って、内部応力が低下していく傾向にあった。なお、最短距離Ｃが０．２ｍｍの試料１は、他の試料に比べて、いずれの距離において若干内部応力が高い傾向にあった。そして、試料１のように最短距離Ｃが０．２ｍｍの場合には、ガラス封止部４の外表面においても５ＭＰａ程度の引張残留応力が残るため、経時的に割れが発生する可能性が他の試料よりも高いことが分かる。また、試料２においては、最短距離Ｃが０．３ｍｍにおいてガラス封止部４の外表面の残留応力がほぼゼロとなっていることが分かる。また、試料３においては、試料２とほぼ同様に、最短距離Ｃが０．３ｍｍ程度においてガラス封止部４の外表面の残留応力がほぼゼロとなり、それ以上の距離においても同様な状態が保たれることが分かる。なお、試料３の結果をより厳密に見れば、最短距離Ｃが０．３５ｍｍを超えて安定的に残留応力がゼロとなっているように観察される。この結果から、最短距離Ｃは、０．３０ｍｍ以上とするすることが好ましく、さらに、０．３５ｍｍ以上とすることがより好ましく、０．４０ｍｍ以上とすることが最も安定することが確認できる。

（比較例１）
実施例１の温度センサ１と比較するため、本発明とは形状が異なる温度センサ９について説明する。
図７に示すごとく、温度センサ９は、ガラス封止部９４において、上記最大外形部Ａが頭部９４２ではなく、胴部９４１に存在し、かつ、胴部９４１にくびれ部が存在しない形状を有している。

このような形状のガラス封止部９４は、封止工程においてガラス管を加熱した際のガラスの粘度を実施例１の場合よりも低くすること、あるいは、使用するガラスの密度を実施例１の場合よりも高めることの少なくとも一方を実施することによって実現できる。図１と図７との比較から知られるように、本比較例の温度センサ９は、明らかに、サーミスタ素子１０の周り（特に先端側）のガラス厚みが実施例１の温度センサ１よりも薄いことが分かる。

また、温度センサ９のガラス封止部９４の形状において、サーミスタ素子１０の周囲の頭部９４１を大きくしようとした場合には、用いるガラス管の高さを高くしたりしてガラス量を多くすることが第１に考えられるが、この場合には、胴部９４２に流動してくるガラスも増加して最大外径部Ａの寸法も大ききなってしまう。そのため、温度センサ９に許容されている外径に限界があればこの対策は困難となる。
また、サーミスタ素子１０のタブレット３からの突出寸法を小さくすることも考えられる。しかし、この場合には、ガラスにより完全に周辺雰囲気から遮断することによって酸化物であるサーミスタの酸化劣化を防止する効果が少なくなるという別の問題が生じるおそれがある。

したがって、実施例１の温度センサ１のように、ガラス封止部４の頭部４２に最大外形部Ａが存在する形状を採用し、かつくびれ部Ｂを形成することが、温度センサのガラス封止部の形状としてサーミスタ素子１０の周囲のガラス厚み確保に有利であり、割れ発生抑制効果を容易に得ることができることがわかる。

１ 温度センサ
１０ サーミスタ素子
２ リード線
２５ 接合部
３ タブレット
４ ガラス封止部
４１ 胴部
４２ 頭部
Ａ 最大外径部
Ｂ くびれ部

Claims (5)

1. サーミスタ素子と、該サーミスタ素子に接合された一対のリード線と、貫通穴に該リード線を貫通させて支持するタブレットと、該タブレットの先端面から突出した上記リード線及びその先端に接合された上記サーミスタ素子を覆うガラス封止部とを有する温度センサにおいて、
   上記ガラス封止部は、上記タブレットの先端面から立設して上記リード線の周囲を覆う胴部と、該胴部から延設され上記サーミスタ素子及び該サーミスタ素子と上記一対のリード線との接合部を覆う略半球状の頭部とを有し、
   上記ガラス封止部における軸方向に直交する断面で見た外径寸法は、上記頭部における上記サーミスタ素子を横切る断面の位置において最大であり、上記胴部には、上記外径寸法が軸方向に沿って徐々に小さくなった後に大きくなるくびれ部が形成されていることを特徴とする温度センサ。
2. 請求項１の記載において、上記サーミスタ素子から上記ガラス封止部の外表面までの最短距離が０．３０ｍｍ以上であることを特徴とする温度センサ。
3. 請求項１又は２の記載において、上記ガラス封止部は、比重が３．５ｇ／ｃｍ³以下の鉛フリーガラスより構成されていることを特徴とする温度センサ。
4. サーミスタ素子に一対のリード線を接合するリード線接合工程と、
   タブレットの貫通穴に上記リード線を通すタブレット挿入工程と、
   円筒状のガラス管を準備し、上記タブレットの先端面から突出した上記リード線及びその先端に接合された上記サーミスタ素子を上記ガラス管内に配置するガラス管組み付け工程と、
   上記ガラス管が軟化する温度に加熱して上記ガラス管を変形させ、上記タブレットの先端面から突出した上記リード線及び該リード線に接合された上記サーミスタ素子を覆うガラス封止部を形成する封止工程とを有し、
   該封止工程は、上記サーミスタ素子を上方に向けて上記タブレットの上記先端面上に上記ガラス管を立てた状態で、当該ガラス管を構成するガラスの粘度が４．４±０．２ｄＰａ・ｓの範囲となる温度まで加熱することにより行うことを特徴とする温度センサの製造方法。
5. 請求項４の記載において、上記ガラス管は、比重が３．５ｇ／ｃｍ³以下の鉛フリーガラスより構成されていることを特徴とする温度センサの製造方法。

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