JP2014089176A - 温度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】感温素子の素子電極線と、感温素子から電気信号を取り出す電極線との溶接部の強度を向上させた温度センサを提供する。
【解決手段】感温部２０３と該感温部から後端側へ延びる一対の素子電極線２０４とを有する感温素子２０２と、素子電極線とは熱膨張係数が異なる金属からなり、素子電極線と軸方向を合わせて重ね合わされてそれぞれ溶接され、感温素子から電気信号を取り出す一対の電極線２０８と、を備えた温度センサ２００であって、溶接により、素子電極線と電極線との重ね合わせ部１００の軸方向に沿って複数の溶接部Ｊ１が形成され、溶接部は、少なくとも重ね合わせ部の軸方向の先端、及び後端に形成されている。
【選択図】図２

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た温度センサに関する。

自動車等の排気ガス等の温度を検出する温度センサとして、サーミスタやＰｔ抵抗体等の抵抗の温度変化を利用したものが知られている（特許文献１参照）。
このような温度センサにおいては、温度を検知するサーミスタ素子は、サーミスタ焼結体とＰｔ線等の一対の素子電極線とからなっている。そして、各素子電極線と、シース芯線（電極線）とをそれぞれ軸方向を合わせて重ね合わせ、軸方向に沿って離間して２箇所で溶接し、サーミスタ素子から電気信号を取り出すようになっている。
又、この溶接構造体を金属製有底筒状の保護筒（図示せず）の内部に収容し、保護筒内の隙間にアルミナ等のセメントを充填すると共に、保護筒の後端からシース芯線に接続されたリード線を外部に引き出すようにして温度センサが完成する。

特開２００９−２９４１０７号公報（図３）

ところで、素子電極線とシース芯線とを軸方向に沿って２箇所で溶接する場合、両端の溶接部が重なり部分の端部から離間するほど、重なり部分の拘束力が弱くなるため、振動によって溶接部にかかる応力が大きくなって溶接部が破断するおそれがある。特に、温度センサを車両等に取り付けたり、内燃機関の排気管等に取り付けたりする場合には、温度センサが振動や冷熱サイクルを受けるため、軸方向に直交する方向の振動や熱膨張・熱収縮の繰り返しによって素子電極線とシース芯線の溶接部が剥離するおそれがある。
従って、本発明は、感温素子の素子電極線と、感温素子から電気信号を取り出す電極線との溶接部にかかる応力を緩和した温度センサの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の温度センサは、感温部と該感温部から後端側へ延びる一対の素子電極線とを有する感温素子と、前記素子電極線とは熱膨張係数が異なる金属からなり、前記素子電極線と軸方向を合わせて重ね合わされてそれぞれ溶接され、前記感温素子から電気信号を取り出す一対の電極線と、を備えた温度センサであって、前記溶接により、前記素子電極線と前記電極線との重ね合わせ部の前記軸方向に沿って複数の溶接部が形成され、前記溶接部は、少なくとも前記重ね合わせ部の軸方向の先端、及び後端に形成されている。
この温度センサによれば、複数の溶接部が、少なくとも重ね合わせ部の軸方向の先端、及び後端に形成されているため、重なり部分の拘束力が強く、溶接部にかかる応力を緩和することができる。

前記重ね合わせ部の軸方向の先端に形成された溶接部は、前記電極線の先端面から前記素子電極線に向かう方向であり、且つ、前記重ね合わせ部における前記素子電極線に到達するように形成され、前記重ね合わせ部の軸方向の後端に形成された溶接部は、前記素子電極線の後端面から前記電極線に向かう方向であり、且つ、前記重ね合わせ部における前記電極線に到達するように形成されていてもよい。
この発明によれば、素子電極線の先端面、及び電極線の後端面から重ね合わせ部に向かってそれぞれ溶接部が形成されるため、軸方向に直交する方向である側面に溶接部を形成する場合に比べて両端の溶接部の溶け込み深さが深くなり、溶接強度を向上させることができる。

前記溶接部が３箇所形成されていてもよい。
素子電極線と電極線とは熱膨張係数が異なる金属から構成されている（例えば、素子電極線はＰｔ（熱膨張係数が約9×10^-6/℃）から構成されている一方で、シース芯線は一般にステンレス丸線（熱膨張係数が約15×10^-6/℃）から構成されている）。このため、素子電極線とシース芯線とを軸方向に沿って２箇所で溶接すると、両溶接部で拘束された重なり部分で素子電極線とシース芯線の熱膨張係数の差に起因して熱応力が生じ、溶接部が破損するおそれがある。特に、溶接部の軸方向の間隔（スパン）が長くなるほど、熱応力による歪が大きくなる。
そこで、この温度センサによれば、３箇所以上の溶接部が形成されているため、軸方向に沿って２個の溶接部を形成する場合に比べ、隣接する溶接部の間隔（スパン）が短くなって熱応力をより一層緩和することができる。

前記重ね合わせ部の軸方向の先端に形成された溶接部及び前記重ね合わせ部の軸方向の後端に形成された溶接部の間の中央位置に、中間溶接部が形成されていてもよい。
この温度センサによれば、隣接する溶接部の間隔（スパン）が中間溶接部を挟んで均等となって最小値となるので、上記熱応力を最も緩和させることができる。

前記溶接部が前記重ね合わせ部の軸方向に沿って等間隔で形成されていてもよい。
この温度センサによれば、隣接する溶接部の間隔（スパン）が中間溶接部を挟んで均等となって最小値となるので、上記熱応力を最も緩和させることができる。

この発明によれば、感温素子の素子電極線と、感温素子から電気信号を取り出す電極線との溶接部の強度を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態に係る温度センサの軸線方向に沿う断面図である。 素子電極線と電極線との溶接部を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る素子電極線と電極線との溶接部を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る素子電極線と電極線との溶接部を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る温度センサ２００の軸線方向に沿う断面図を示す。温度センサ２００は、例えば排気管（図示せず）の側壁の開口部に挿通して取付けられ、自動車の排気ガス等の温度を検出する。

図１は、本発明の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、先端側が閉塞し、後端側が開放されてなる軸線方向に延びる有底筒状の金属チューブ２１２と、金属チューブ２１２の後端側と接合された取り付け部材２４０と、取り付け部材２４０とは別体に設けられた六角ナット部２５２およびネジ部２５４を有するナット部材２５０と、後述するシース部材２０６の少なくとも一部を包囲し、先端側が取り付け部材２４０と接合された軸線方向に延びる筒状部材２６０とを備える。なお、軸線方向とは、温度センサ２００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、先端側とは図１における下側であり、後端側とは図１における上側である。

温度センサ２００は、金属チューブ２１２の内部にサーミスタ焼結体２０３と素子電極線２０４とから構成されているサーミスタ素子２０２を備えている。この温度センサ２００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２０２を排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。

金属チューブ２１２、取り付け部材２４０及び筒状部材２６０の内側には、２本のシース芯線２０８をシース管２０７の内部に絶縁保持させたシース部材２０６が配置されている。シース管２０７の先端から延びるシース芯線２０８と、サーミスタ素子２０２の素子電極線２０４とは、後述するレーザー溶接により溶接部（図示せず）を形成することで接合されている。一方、シース管２０７の後端から延びるシース芯線２０８は、加締め端子２７２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２７３と接続されている。なお、シース管２０７の後端から延びるシース芯線２０８及び加締め端子２７２はそれぞれ絶縁チューブ２７１により互いに絶縁されている。リード線２７３は、導線を絶縁性の被覆材にて被覆したものであり、耐熱ゴム製のシール部材２７４の内部を貫通する状態で配置される。

取り付け部材２４０は、軸線方向に延びる筒状の鞘部２４３と、鞘部２４３の先端側に位置し、鞘部２４３よりも大きい外径を有して径方向外側に突出する突出部２４２とを備えている。鞘部２４３は、先端側に位置する第１段部２４４と、後端側に第１段部よりも小さい外径を有する第２段部２４６とからなる二段形状をなしている。筒状部材２６０と第１段部２４４、金属チューブ２１２の外周面と第２段部２４６はそれぞれ径方向全周に亘ってレーザー溶接されて接合されている。また、突出部２４２の先端側には、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２４５を有する。取り付け座２４５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部材であり、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。

ナット部材２５０は筒状部材２６０の周囲に回動自在に嵌挿されている。また、取り付け部材２４０は、取り付け座２４５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２５０のネジ部２５４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。

次に、図２を参照し、本発明の特徴部分である、素子電極線２０４とシース芯線２０８との溶接部Ｊ１の構造について説明する。
図２において、溶接により、素子電極線２０４とシース芯線２０８との重ね合わせ部１００の軸方向に沿って、３箇所の溶接部Ｊ１が形成されている。具体的には、重ね合わせ部１００を視認できる方向から、軸方向(図２の長さＬに沿う方向)に直交する方向（図２の紙面手前から奥へ向かう方向）に向かってレーザー溶接を施すことで溶接部Ｊ１が形成されている。溶接部Ｊ１は、軸方向に沿って両側にそれぞれ位置する重ね合わせ部１００の軸方向の先端に形成される第２溶接部Ｊ１２及び重ね合わせ部１００の軸方向の後端に形成される第３溶接部Ｊ１３と、第２溶接部Ｊ１２及び第３溶接部Ｊ１３の間に位置する第１溶接部Ｊ１１とからなる。
ここで、本発明において、「溶接部」とは、溶接によって母材が溶融凝固した領域（図２の丸囲みの領域）をいい、溶接を行う際の溶接点（溶接スポット）Ｓを含む拡がった領域である。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る素子電極線とシース芯線との溶接部を示す断面図を示す。なお、ここでは第１の実施形態から変更された点のみを説明し、第１の実施形態と同一であるものはその説明を省略する。
図３において、溶接により、素子電極線２０４とシース芯線２０８との重ね合わせ部１００の軸方向に沿って、３箇所の溶接部Ｊ２が形成されている。具体的には、溶接部Ｊ２は、軸方向に沿って両側にそれぞれ位置する重ね合わせ部１００の軸方向の先端に形成される第２溶接部Ｊ２２及び重ね合わせ部１００の軸方向の後端に形成される第３溶接部Ｊ２３と、第２溶接部Ｊ２２及び第３溶接部Ｊ３３の間に位置する第１溶接部Ｊ２２とからなる。
溶接部Ｊ２１は、重ね合わせ部１００を視認できる方向から、軸方向(図３の長さＬに沿う方向)に直交する方向（図３の紙面手前から奥へ向かう方向）に向かってレーザー溶接を施すことで溶接部Ｊ２が形成されている。
溶接部Ｊ２１の溶け込み方向は、重ね合わせ部１００を視認できる方向から軸方向に直交する方向に向かう方向に延びている。つまり、溶接部Ｊ２１は、溶接部Ｊ１１と同一である。
一方、溶接部Ｊ２２は、シース芯線２０８の先端面から素子電極線２０４に向かう方向Ｗ２２（図３の紙面左下から右上に向かう斜め方向）から溶接レーザーを射出して形成されたものであり、且つ、重ね合わせ部１００における素子電極線２０４に到達するようにレーザー溶接を施すことで形成されている。ゆえに、溶接部Ｊ２２の溶け込み方向は、シース芯線２０８の先端面から重ね合わせ部１００における素子電極線２０４に向かう方向に延びている。
他方、溶接部Ｊ２３は、素子電極線２０４の後端面からシース芯線２０８に向かう方向Ｗ２３（図３の紙面右上から左下に向かう斜め方向）から溶接レーザーを射出して形成されたものであり、且つ、重ね合わせ部１００におけるシース芯線２０８に到達するようにレーザー溶接を施すことで形成されている。ゆえに、溶接部Ｊ２３の溶け込み方向は、素子電極線２０４の後端面から重ね合わせ部１００におけるシース芯線２０８に向かう方向に延びている。

ここで、第１及び第２の実施形態において、素子電極線２０４とシース芯線２０８は異種金属から構成されている。例えば、本実施形態では、素子電極線２０４はＰｔ（熱膨張係数が約9×10^-6/℃）から構成され、シース芯線２０８はステンレス（ＳＵＳ-３１０Ｓ、熱膨張係数が約15×10^-6/℃）から構成されている。このため、素子電極線２０４とシース芯線２０８とを軸方向に沿って２箇所で溶接すると、２箇所の溶接部の軸方向の間隔（スパン）が長くなるため、熱応力による歪が大きくなる。
そこで、重ね合わせ部１００の軸方向に沿って３箇所以上の溶接部を形成することで、隣接する溶接部の間隔（スパン）が短くなって熱応力を緩和することができる。

さらに、少なくとも重ね合わせ部１００の軸方向の先端、及び後端に溶接部が形成されているため、重なり部分の拘束力が強く、溶接部にかかる応力を緩和することができる。つまり、剥がれの起点となる重ね合わせ部の両端を溶接することで、拘束力が強まり、上下振動等によって溶接部にかかる応力を緩和することができる。

又、第２の実施形態において、重ね合わせ部１００の軸方向の先端に形成された溶接部は、電極線２０８の先端面から素子電極線２０４に向かう方向であり、且つ、重ね合わせ部１００における素子電極線２０４に到達するように形成され、重ね合わせ部１００の軸方向の後端に形成された溶接部は、素子電極線２０４の後端面から電極線２０８に向かう方向であり、且つ、重ね合わせ部１００における電極線２０８に到達するように形成されていてもよい。
このような溶接構造とすると、素子電極線２０４の先端面、及び電極線２０８の後端面から重ね合わせ部１００に向かってそれぞれ方向Ｗ２２，Ｗ２３から溶接レーザーを射出して溶接部が形成されるため、軸方向に直交する方向（図２の紙面手前から奥へ向かう方向）に溶接レーザーを射出して溶接部を形成する場合に比べて両端の溶接部Ｊ２２，Ｊ２３の溶け込み深さが深くなり、溶接強度を向上させることができる。なお、溶け込み部は、図２、図３の各溶接部の実線及び破線で示され、Ｊ２２，Ｊ２３の溶け込み部が楕円状になっていて、Ｊ１２，Ｊ１３の溶け込み部よりも深いことがわかる。

上記溶接部が３箇所形成され、そのうち、前記重ね合わせ部の軸方向の先端に形成された溶接部及び前記重ね合わせ部の軸方向の後端に形成された溶接部の間の中央位置に、中間溶接部が形成されていてもよい。

特に、溶接部が３箇所形成され、そのうち、軸方向に沿って重ね合わせ部１００の軸方向の先端に形成された溶接部である第２溶接部Ｊ１２（Ｊ２２）及び重ね合わせ部１００の軸方向の後端に形成された溶接部である第３溶接部Ｊ１３（Ｊ２３）の間の中央位置Ｃｅに、中間溶接部である第１溶接部Ｊ１１（Ｊ２１）を形成すると、隣接する溶接部の間隔（スパン）が第１溶接部Ｊ１１（Ｊ２１）を挟んで均等となって最小値となるので、上記熱応力を最も緩和させることができる。なお、中央位置Ｃｅとは、第２溶接部Ｊ１２（Ｊ２２）及び第３溶接部Ｊ１３（Ｊ２３）の間の溶融凝固領域を除いた軸方向の長さＬの中点（Ｌ/２）である。又、「中央位置Ｃｅに第１溶接部Ｊ１１（Ｊ２１）を形成する」、とは、必ずしも第１溶接部Ｊ１１の溶接点Ｓが中央位置Ｃｅに一致しなくてもよく、第１溶接部Ｊ１１（Ｊ２１）の溶融凝固領域（図２の丸囲みの領域）の一部が中央位置Ｃｅに存在すればよい。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
例えば、電極線はリードフレーム等を用いてもよい。又、素子電極線と電極線は異種金属であれば、上記した組成に限られない。又、溶接部は３箇所に限られず、４箇所以上であってもよい。

図４は、５箇所の溶接部を設けた本発明の第３の実施形態に係る素子電極線とシース芯線との溶接部の断面図を示す。なお、ここでは第１の実施形態から変更された点のみを説明し、第１の実施形態と同一であるものはその説明を省略する。
図４において、溶接により、素子電極線２０４とシース芯線２０８との重ね合わせ部１００の軸方向に沿って、５箇所の溶接部Ｊ３が形成されている。具体的には、溶接部Ｊ３は、軸方向に沿って両側にそれぞれ位置する重ね合わせ部１００の軸方向の先端に形成される第５溶接部Ｊ３５及び重ね合わせ部１００の軸方向の後端に形成される第３溶接部Ｊ３３と、第５溶接部Ｊ３５及び第３溶接部Ｊ３３の間の中央位置Ｃｅに位置する第１溶接部Ｊ３１と、第４溶接部Ｊ３４及び第２溶接部Ｊ３２とからなる。第４溶接部Ｊ３４は、第５溶接部Ｊ３５及び第１溶接部Ｊ３１の間に位置する。第２溶接部Ｊ３２は、第３溶接部Ｊ３３及び第１溶接部Ｊ３１の間に位置する。

ここで、本実施形態においては、各溶接部Ｊ３１〜Ｊ３５が重ね合わせ部１００の軸方向に沿って等間隔で形成されている。「等間隔」とは、隣接する溶接部（例えば溶接部Ｊ３１とＪ３２）の溶融凝固領域を除いた軸方向の間隔（スパン）Ｇが、すべての隣接する溶接部について等しいことをいう。なお、溶融凝固領域の大きさは溶接毎に軸方向長さの１/１０程度ばらつく。そこで、各溶接部Ｊ３１〜Ｊ３５の溶融凝固領域の軸方向長さのうち、最大値Ｍの１/１０を溶融凝固領域の誤差範囲（バラツキ）とする。従って、上記した溶融凝固領域のバラツキを考慮し、すべての隣接する溶接部の間隔（スパン）Ｇの長さの誤差範囲（バラツキ）が、最大値Ｍの１/５の範囲に収まれば「等間隔」とみなすことができる。

１００ 重ね合わせ部
２００ 温度センサ
２０２ 感温素子（サーミスタ素子）
２０３ 感温部（サーミスタ焼結体）
２０４ 素子電極線
２０４ａ 素子電極線の後端
２０８ 電極線（シース芯線）
２０８ａ 電極線（シース芯線）の先端
Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３ 溶接部
Ｊ１１、Ｊ２１、Ｊ３１ 中間溶接部（第１溶接部）
Ｊ１２、Ｊ２２、Ｊ３２ 第２溶接部
Ｊ１３、Ｊ２３、Ｊ３３ 第３溶接部
Ｊ３４ 第４溶接部
Ｊ３５ 第５溶接部
Ｃｅ 中央位置
Ｗ２２ 電極線の先端面から素子電極線に向かう方向
Ｗ２３ 素子電極線の後端面から電極線に向かう方向
Ｇ 隣接する溶接部の溶融凝固領域を除いた軸方向の間隔（スパン）

Claims (5)

1. 感温部と該感温部から後端側へ延びる一対の素子電極線とを有する感温素子と、
   前記素子電極線とは熱膨張係数が異なる金属からなり、前記素子電極線と軸方向を合わせて重ね合わされてそれぞれ溶接され、前記感温素子から電気信号を取り出す一対の電極線と、を備えた温度センサであって、
   前記溶接により、前記素子電極線と前記電極線との重ね合わせ部の前記軸方向に沿って複数の溶接部が形成され、
   前記溶接部は、少なくとも前記重ね合わせ部の軸方向の先端、及び後端に形成されている温度センサ。
2. 前記重ね合わせ部の軸方向の先端に形成された溶接部は、前記電極線の先端面から前記素子電極線に向かう方向であり、且つ、前記重ね合わせ部における前記素子電極線に到達するように形成され、前記重ね合わせ部の軸方向の後端に形成された溶接部は、前記素子電極線の後端面から前記電極線に向かう方向であり、且つ、前記重ね合わせ部における前記電極線に到達するように形成されている請求項１に記載の温度センサ。
3. 前記溶接部が３箇所形成されている請求項１又は２に記載の温度センサ。
4. 前記重ね合わせ部の軸方向の先端に形成された溶接部及び前記重ね合わせ部の軸方向の後端に形成された溶接部の間の中央位置に、中間溶接部が形成されている請求項１〜３のいずれかに記載の温度センサ。
5. 前記溶接部が前記重ね合わせ部の軸方向に沿って等間隔で形成されている請求項４に記載の温度センサ。

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