JP2016090563A - 温度センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】熱に対する耐久性を向上させることができ、絶縁管を外管に長期に亘って安定して保持することができる温度センサを提供すること。【解決手段】温度センサ1は、温度によって電気特性が変化する感温素子2、感温素子2から後端側に伸びる一対の信号線21と外管4とを絶縁する絶縁管3、絶縁管3及び感温素子2を覆う外管4を備えている。また、温度センサ1は、絶縁管3の先端部31の外周に設けられ、絶縁管3の先端部31を外管4に保持する先端側保持材5Aと、絶縁管3の後端部32の外周に設けられ、絶縁管3の後端部32を外管4に保持する後端側保持材5Bとを備えている。先端側保持材5A及び後端側保持材5Bは、金属繊維を除く無機繊維から構成されている。【選択図】図1

Description

本発明は、感温素子によって被測定部位の温度を測定する温度センサに関する。
車両の排気管を流れる排気ガス等の温度を測定する温度センサにおいては、温度によって電気特性が変化する感温素子を用いている。温度センサにおいては、感温素子から後端側に伸びる一対の信号線を絶縁しつつ保持する絶縁管(碍子管又はシースピン)と、絶縁管の外周を覆う外管とが設けられている。そして、絶縁管は、先端部の外周が直接又はフィラー等を介して外管に保持され、後端部の外周が弾性体、金属メッシュ、ゴム製のブッシュ等を介して外管に保持されている。
例えば、特許文献1の温度センサにおいては、感温素子の一対の信号線が挿通された絶縁管が、保持部材によって筒状部材に取り付けられた構造が開示されている。保持部材は、バネ等の弾性体、又は金属製の細線を絡み合わせた金属メッシュによって構成されている。
特開2012−93340号公報
排ガス規制や高燃費への需要から温度センサによるターボ過給機の制御の改良が求められている。そのため、温度センサには、ターボ過給機を制御するための高応答性と、ターボ過給機を使用する高温、高振動の環境にも耐えられる高温耐振性とが要求される。
しかしながら、特許文献1等の背景技術において、絶縁管を筒状部材(外管)に保持する保持部材を、バネ等の弾性体、金属メッシュ等によって構成する場合には、次の問題がある。すなわち、温度センサによって温度を測定する環境が高温であるときには、熱によって保持部材が熱劣化し、絶縁管を筒状部材に安定して保持することが困難になる。さらに、温度センサに車両の走行による振動が伝わるときには、繰り返し発生する応力の影響を受けて保持部材がさらに熱劣化しやすくなる。なお、ここで言う熱劣化とは、熱へたり(hot relaxation)のことであり、弾性限度内の低い応力下において塑性ひずみが発生し、保持材が保持力を失うことを言う。この熱へたりが生じた場合には、温度センサに車両の走行による振動が伝わるときに、絶縁管が振動を受けて、割れる又は曲がるおそれがある。
また、感温素子を筒状部材に固定するフィラーによって、絶縁管も筒状部材に固定する方法が知られている。しかし、フィラーによって絶縁管を筒状部材に固定した場合には、フィラーを介した素子から絶縁管への熱引きが大きいため、温度センサの応答性が低下してしまう。
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、熱に対する耐久性を向上させることができ、絶縁管を外管に長期に亘って安定して保持することができる温度センサを提供しようとして得られたものである。
本発明の一態様は、温度によって電気特性が変化する感温素子と、
該感温素子から後端側に伸びる一対の信号線を内部に挿通させ、該一対の信号線と絶縁された絶縁管と、
該絶縁管及び上記感温素子を覆う外管と、
上記絶縁管の先端部の外周に設けられ、該絶縁管の先端部を上記外管に保持するための先端側保持材と、
上記絶縁管の後端部の外周に設けられ、該絶縁管の後端部を上記外管に保持するための後端側保持材と、
上記先端側保持材は、金属繊維を除く無機繊維から構成されていることを特徴とする温度センサにある。
上記温度センサにおいては、絶縁管の先端部を外管に保持するための先端側保持材を、金属繊維を除く無機繊維から構成している。
この無機繊維は、温度センサによって測定する環境が高温であっても、熱劣化しにくく、絶縁管を外管に保持する性能がほとんど低下しない。特に、絶縁管の先端部の外周に設けられる先端側保持材は高温に加熱されやすい。そのため、先端側保持材を無機繊維から構成することにより、絶縁管を外管に長期に亘って安定して保持することができる。
また、絶縁管を先端側保持材と後端側保持材とによって外管に保持することにより、振動等による絶縁管の割れや曲がりの発生を防止することができる。
それ故、上記温度センサによれば、熱に対する耐久性を向上させることができ、絶縁管を外管に長期に亘って安定して保持することができる。
また、無機繊維の各保持材によって絶縁管を外管に保持することができるため、フィラーによって絶縁管を外管に固定する必要がない。つまり、フィラーの使用量は、感温素子を外管に固定するための少量とすることができ、フィラーと絶縁管との間に空洞を設けることができる。これにより、フィラーを介する感温素子から絶縁管への熱引きを抑制することができ、温度センサの応答性及び高温耐振性を向上させることができる。
実施例にかかる、温度センサを示す断面説明図。 実施例にかかる、温度センサの先端側部分を示す断面説明図。 実施例にかかる、温度センサの後端側部分を示す断面説明図。 実施例にかかる、排気管に取り付けられた温度センサを示す断面説明図。 実施例にかかる、各保持材が組み付けられた絶縁管を外管内に挿入する状態の温度センサを示す断面説明図。 実施例にかかる、他の温度センサを示す断面説明図。 実施例にかかる、他の温度センサを示す断面説明図。 実施例にかかる、他の温度センサを示す断面説明図。 実施例にかかる、他の温度センサを示す断面説明図。 実施例にかかる、他の温度センサの先端側部分を示す断面説明図。 実施例にかかる、他の温度センサの先端側部分を示す断面説明図。 実施例にかかる、他の温度センサの先端側部分を示す断面説明図。
上述した温度センサにおける好ましい実施の形態について説明する。
(実施例)
本例の温度センサ1は、図1に示すように、感温素子2、絶縁管3、外管4、先端側保持材5A及び後端側保持材5Bを備えている。感温素子2は、温度によって電気特性(電気抵抗)が変化するものである。絶縁管3は、感温素子2から後端側に伸びる一対の信号線21を内部に挿通させており、一対の信号線21と絶縁されている。また、絶縁管3は、一対の信号線21と外管4との絶縁を行うものである。外管4は、金属製であり、絶縁管3及び感温素子2を覆う形状に形成されている。先端側保持材5Aは、絶縁管3の先端部31の外周に設けられており、絶縁管3の先端部31を外管4に保持している。後端側保持材5Bは、絶縁管3の後端部32の外周に設けられており、絶縁管3の後端部32を外管4に保持している。先端側保持材5A及び後端側保持材5Bは、金属繊維を除く無機繊維から構成されている。
以下に、本例の温度センサ1について、図1〜図12を参照して詳説する。
図4に示すように、本例の温度センサ1は、車両の排気管7に配置されて、排気管7を流れる排気ガスGの温度を測定するものである。
排気管7には、温度センサ1を挿入するための挿入穴71が形成されている。挿入穴71の手前側には、めねじ部711が形成されており、挿入穴71の奥側には、めねじ部711よりも縮径した掛止部712が形成されている。排気管7に温度センサ1を挿入する際には、挿入穴71の掛止部712に、外管4に設けられたリブ43を掛止させ、めねじ部711に、外管4の外周に装着するニップル44を締め付ける。そして、リブ43を掛止部712に密着させて、温度センサ1と挿入穴712との隙間を閉塞している。
感温素子2は、サーミスタによって構成されている。なお、感温素子2は、サーミスタ以外にも、熱電対、白金(Pt)等からなる測温抵抗体によって構成することもできる。図2に示すように、感温素子2は、酸素還元劣化を抑制するためのガラス層22によって覆われている。感温素子2は、外管4における先端部411であって、絶縁管3の先端面311よりも先端側に形成された空間S内に配置されている。空間S内の先端側部分には、空間Sの一部を後端側部分に残す状態で、感温素子2を先端部411に固定するための充填材61が配置されている。充填材61は、セラミックス粉末等の骨材粒子、ガラス成分等を含んでいる。
図2に示すように、一対の信号線21は、絶縁管3の先端面311から先端側に向けて突出して感温素子2に繋がる先端側部分213と、絶縁管3内に配置された後端側部分214とを有している。一対の信号線21の先端側部分213の間隔は、後端側部分214から屈曲されることにより、一対の信号線21の後端側部分214の間隔よりも狭くなっている。一対の信号線21の先端側部分213及び一対の信号線21の後端側部分214は、それぞれ互いに平行な状態で形成されている。一対の信号線21の先端側部分213と後端側部分214との間には、両者を繋ぐテーパ状部分215が形成されている。
充填材61は、感温素子2の全体及び一対の信号線21の先端側部分213の全体を覆っている。そして、外管4における先端部411の内側先端面から絶縁管3の先端面311までの長さをLとしたとき、充填材61を充填する長さL1の範囲は、外管4における先端部411の内側先端面から後端側へ0.6L以上範囲とすることができる。ただし、感温素子2から絶縁管3等の後端側への熱引けを小さくするために、充填材61の後端位置と絶縁管3の先端面311との間に空間Sの一部が残されるようにする。なお、感温素子2から絶縁管3等の後端側への熱引けが生じると、温度センサ1の応答性が低下することになる。
充填材61によって感温素子2の全体を覆うことにより、感温素子2を振動等から保護することができる。また、充填材61によって一対の信号線21の先端側部分213の全体を覆うことにより、充填材61が一対の信号線21の先端側部分213同士の間に配置され、一対の信号線21の先端側部分213同士の接触を確実に防止することができる。
また、本例の温度センサ1においては、各保持材5A,5Bによって絶縁管3及び一対の信号線21を外管4に保持することにより、充填材61の使用量を減らすことができる。
図2、図3に示すように、絶縁管3は、一対の信号線21を挿通させる一対の挿通穴33を有する円柱形状のセラミックスの焼結体によって形成されている。絶縁管3は、例えばAl23(アルミナ)、ZrO2(ジルコニア)、MgO(マグネシア)等の耐熱性の高いセラミックスからなる。これらのセラミックスの中では、強度が高いことや、加工性が良好なことから、Al23が好ましい。また、各信号線21は、感温素子2に接続されているとともに、各挿通穴33に挿通されている。各信号線21は、例えばINCONEL601や、INCONEL600、Pt、Fe−Cr−Al合金、Pt−Ir合金等の耐熱材料からなる。
また、各挿通穴33の両端開口部の隙間には、接着剤(アロンセラミックス等のセラミック接着剤等)34が設けられている。そして、各信号線21は、接着剤34によって絶縁管3に固定されている。
外管4は、絶縁管3の先端側部分及び感温素子2を覆う先端側管部41と、先端側管部41の後端側に繋がり、絶縁管3の後端側部分を覆う後端側管部42とを有している。先端側管部41の先端部411は、絶縁管3の先端面311よりも先端側の位置において、感温素子2の大きさに合わせて縮径している。
図1に示すように、先端側保持材5Aは、絶縁管3の先端部31の外周と先端側管部41の内周との間に挟まれており、絶縁管3の先端部31を先端側管部41に保持している。後端側保持材5Bは、絶縁管3の後端部32の外周と後端側管部42の内周との間に挟まれており、絶縁管3の後端部32を後端側管部42に保持している。
図3に示すように、後端側管部42内には、絶縁管3の後端部32の外周に設けられた後端側保持材5Bと、絶縁管3の後端面から後端側に向けて突出する一対の信号線21の部分と接続される一対のリード線62と、一対のリード線62を後端側管部42に保持するためのゴム製のブッシュ63とが配置されている。
絶縁管3の先端部31は、先端側保持材5Aの外周側に位置する先端側管部41の部分412の外周を縮径させることにより、先端側保持材5Aを介して先端側管部41にかしめられている。絶縁管3の後端部32は、後端側保持材5Bの外周側に位置する後端側管部42の部分421の外周を縮径させることにより、後端側保持材5Bを介して後端側管部42にかしめられている。一対のリード線62は、ブッシュ63の外周側に位置する後端側管部42の部分422の外周を縮径させることにより、ブッシュ63を介して後端側管部42にかしめられている。
絶縁管3が、各保持材5A,5Bを介して外管4にかしめられていることにより、各保持材5A,5Bによって絶縁管3に働く最大静止摩擦力が、振動によって絶縁管3に働く荷重よりも大きくなる。なお、最大静止摩擦力は、各保持材5A,5Bに働く反発力(面圧)と、絶縁管3と保持材5A,5Bとの間、及び保持材5A,5Bと外管4との間の各静止摩擦係数とに基づいて求められる。これにより、絶縁管3を外管4内に安定して保持することができる。
各保持材5A,5Bを構成する無機繊維は、円筒状、マット状又はシート状に成形されたセラミックス繊維の成形体である。セラミックス繊維の成形体は耐熱性に優れている。セラミックス繊維は、アルミナ繊維、シリカ繊維等によって構成されている。セラミックス繊維の成形体は、無機繊維と、バインダー等の任意の他の成分とを混合して所定の形状に成形することができる。また、セラミックス繊維の成形体は、無機繊維を集綿して成形することもできる。
各保持材5A,5Bを構成する無機繊維は、セラミックス繊維とする以外にも、例えば、ガラス繊維やロックウールとすることができる。
セラミックス繊維の成形体によって構成されたマット状又はシート状の各保持材5A,5Bは、絶縁管3に巻き付けることができる。また、円筒状の各保持材5A、5Bを用いる場合には、この各保持材5A、5Bに絶縁管3を圧入することができる。そして、温度センサ1を組み付ける際には、図5に示すように、各保持材5A,5Bが組み付けられた絶縁管3を外管4内に挿入することができる。
また、同図に示すように、絶縁管3を外管4内に挿入する際には、各保持材5A,5Bが外管4の内周を摺動することにより、絶縁管3と外管4との同軸度を向上させることができる。これにより、温度センサ1の組付性を向上させることができる。
また、絶縁管3と外管4との同軸度を容易に確保できることにより、絶縁管3を外管4内に挿入する際に、感温素子2が、縮径された、先端側管部41の先端部411に干渉しないようにすることができ、組付時における感温素子2の割れを防ぐことができる。
また、各保持材5A,5Bは、接着剤(例えば、セラミック接着剤、又は有機バインダーを含んだ不織布等)を介して絶縁管3に組み付けることができる。この場合には、接着剤によって、各保持材5A,5Bが、絶縁管3の軸方向に位置ずれしにくくすることができる。また、接着剤は、組付後の温度センサ1における充填材61を焼結する際の熱によって、揮発させることができる。
また、各保持材5A,5Bを構成するセラミックス繊維には、バーミキュライト等の膨張材を含有させることができる。膨張材は、セラミックス繊維同士の隙間に入り込んで含有される。この場合には、組付後の温度センサ1における充填材61を焼結する際の熱によって膨張材が膨張する。そして、膨張材によって各保持材5A,5Bを構成するセラミックス繊維の成形体が膨張し、各保持材5A,5Bから絶縁管3と外管4とに圧力を生じさせることができる。これにより、図6に示すように、外管4の外周を縮径させて各保持材5A,5Bを押圧する(かしめる)ことなく、絶縁管3を、各保持材5A,5Bを介して外管4に固定することができる。
本例の温度センサ1においては、先端側保持材5A及び後端側保持材5Bを、セラミックス繊維の成形体から構成している。
セラミックス繊維は、温度センサ1によって測定する環境が高温であっても、熱劣化しにくく、絶縁管3を外管4に保持する性能がほとんど低下しない。そのため、各保持材5A,5Bをセラミックス繊維から構成することにより、絶縁管3を外管4に長期に亘って安定して保持することができる。
車両の排気管においては、エンジンの燃焼サイクルに応じて加熱と冷却が繰り返され、温度センサ1における外管4は、熱の影響を受けて膨張・収縮を繰り返す。金属製の外管4が膨張・収縮する度合いは、絶縁管3及び各保持材5A,5Bが膨張・収縮する度合いに比べて大きい。そして、外管4が膨張するときには、各保持材5A,5Bと外管4との間に隙間ができやすい状況が発生する。
この状況においても、各保持材5A,5Bを構成するセラミックス繊維の成形体を、絶縁管3と外管4との間に充填する密度を高くしておくことにより、外管4の膨張に伴って各保持材5A,5Bに復元力を働かせることができる。ここでいう密度とは、充填密度、つまり温度センサ1の組付け後の保持材5A,5Bの密度のことをいう。これにより、各保持材5A,5Bによって絶縁管3を保持する状態を、外管4の膨張に追従させることができる。つまり、高温時においても、各保持材5A,5Bと外管4との間に隙間ができないようにすることができる。これにより、温度変動の大きな環境下においても、絶縁管3を長期に亘って安定して外管4に保持することができる。
また、サーミスタによって構成された感温素子2には、感温素子2の高温における還元劣化を防止するために、温度センサ1の後端側から感温素子2に向けて酸素を供給する必要がある。この際、各保持材5A,5Bがセラミックス繊維の成形体によって構成されていることにより、酸素を、各保持材5A,5Bを通過させて、感温素子2に供給しやすくすることができる。
また、絶縁管3を先端側保持材5Aと後端側保持材5Bとによって外管4に保持することにより、絶縁管3が振動等によって割れることを防止することができる。また、図7に示すように、各保持材5A、5Bの軸方向長さを長くし、絶縁管3に組み付ける各保持材5A,5Bの面積を増やすことによって絶縁管3に働く振動ストレスを小さくすることができる。
それ故、本例の温度センサ1によれば、熱に対する耐久性を向上させることができ、絶縁管3を長期に亘って安定して外管4に保持することができる。
また、各保持材5A,5Bによって絶縁管3を外管4に保持する工夫により、温度センサ1の組付時における絶縁管3の割れを防止し、また、充填材61の使用量を減らして温度センサ1の応答性の低下を防止することができる。
また、保持材5A,5Bの厚みt1と、絶縁管3と外管4(先端側管部41、後端側管部42)とのクリアランスt2との関係は、t1>t2とすることが好ましい。これにより、絶縁管3と外管4の同軸度を向上させることができ、絶縁管3を安定して外管4に保持することができる。ただし、保持材5A,5Bの厚みt1が大き過ぎると、温度センサ1の組付けに支障を来たし、また、保持材5A,5Bに働く保持力(面圧)が高くなり過ぎて、保持材5A,5Bに高温へたりを生じるおそれがある。そのため、厚みt1とクリアランスt2との関係は、2×t2>t1>t2とすることがより好ましい。
なお、保持材5A,5Bの厚みt1がクリアランスt2よりも小さいと、絶縁管3を十分に保持することができず、絶縁管3に振動ストレスが加わったときに、絶縁管3が割れるおそれがある。
例えば、絶縁管3と外観4とのクリアランスが約1mmのときには、厚みが約1.5mmのシート状の保持材5A,5Bを用いることができる。そして、この保持材5A,5Bが巻き付けられた絶縁管3を外管4に圧入することにより、絶縁管3と外管4との同軸度が向上し、温度センサ1の組付性を向上させることができる。
また、図8に示すように、絶縁管3は、その長手方向の3箇所に設けられた保持材5A,5B,5Cによって外管4に保持することができる。この場合、中間位置に設けられた保持材5Cについても、先端側管部41の部分413の外周を縮径させて圧縮することができる。絶縁管3を保持材5A,5B,5Cによって保持する箇所を増やすことにより、振動によって絶縁管3に生じる変位を小さくすることができ、絶縁管3に働く振動ストレスを小さくすることができる。
また、図9に示すように、先端側保持材5Aと基端側保持材5Bとは、これらを一体化した保持材5によって構成することもできる。この場合には、保持材5によって絶縁管3の全長を外管4に保持することができる。また、この場合、絶縁管3の全体を保持材5によって支えることができるため、絶縁管3を長期に亘って安定して外管4に保持することができる。
本例の図1〜図9においては、感温素子2の信号線21が、感温素子2から引き出されたリード線によって構成された場合について示した。
これ以外にも、信号線21は、図10に示すように、感温素子3から引き出されたリード部211と、絶縁管3の挿通穴33内から突出するリード線部材212とを突き合わせてレーザー溶接する構成とすることもできる。また、信号線21は、図11に示すように、感温素子3から引き出されたリード部211と、絶縁管3の挿通穴33内から突出するリード線部材212とを重ね合わせてレーザー溶接する構成とすることもできる。この場合には、リード部211における、リード線部材212と重ね合わされていない部分の全体が充填材61によって覆われるようにする。
また、図12に示すように、絶縁管3は、シースピンとすることもできる。この場合、シースピンは、金属製の中空管35と、一対の信号線21(リード線部材212)が挿通された中空管35内に充填された絶縁性の充填粉末36とによって形成される。この場合には、絶縁性の充填粉末36によって、一対の信号線21(リード線部材212)と外管4との絶縁を行うことができる。この場合にも、絶縁管3をセラミックスの焼結体によって形成した場合と同様の作用効果を得ることができる。
また、この場合において、一対の信号線21を構成するリード部211は、例えば、Pt、Pt−Ir合金、Pt−Rh合金等によって構成することができ、一対の信号線21を構成するリード線部材212は、例えば、INCONEL601、INCONEL600、Fe−Cr−Al合金等によって構成することができる。また、充填粉末36は、例えば、MgO(マグネシア粉末)やSiO2(シリカ粉末)によって構成することができる。また、図12の場合においても、感温素子3から引き出されたリード部211と、一対のリード線部材212とを重ね合わせて、レーザー溶接することができる。この場合には、リード部211とリード線部材212との溶接部の全体が充填材61によって覆われるようにする。
1 温度センサ
2 感温素子
21 信号線
3 絶縁管
31 先端部
32 後端部
4 外管
5A 先端側保持材
5B 後端側保持材

Claims (7)

  1. 温度によって電気特性が変化する感温素子(2)と、
    該感温素子(2)から後端側に伸びる一対の信号線(21)を内部に挿通させ、該一対の信号線(21)と絶縁された絶縁管(3)と、
    該絶縁管(3)及び上記感温素子(2)を覆う外管(4)と、
    上記絶縁管(3)の先端部(31)の外周に設けられ、該絶縁管(3)の先端部(31)を上記外管(4)に保持するための先端側保持材(5A)と、
    上記絶縁管(3)の後端部(32)の外周に設けられ、該絶縁管(3)の後端部(32)を上記外管(4)に保持するための後端側保持材(5B)と、
    上記先端側保持材(5A)は、金属繊維を除く無機繊維から構成されていることを特徴とする温度センサ(1)。
  2. 上記後端側保持材(5B)は、金属繊維を除く無機繊維から構成されていることを特徴とする請求項1に記載の温度センサ(1)。
  3. 上記無機繊維は、マット状又はシート状に成形されたセラミックス繊維の成形体であることを特徴とする請求項1又は2に記載の温度センサ(1)。
  4. 上記絶縁管(3)は、上記一対の信号線(21)を挿通させる一対の挿通穴(33)を有するセラミックスの焼結体によって形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の温度センサ(1)。
  5. 上記絶縁管(3)は、金属製の中空管(35)と、上記一対の信号線(21)が挿通された上記中空管(35)内に充填された絶縁性の充填粉末(36)とによって形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の温度センサ(1)。
  6. 上記感温素子(2)は、上記外管(4)における先端部(411)であって、上記絶縁管(3)の先端面(311)よりも先端側に形成された空間(S)内に配置されており、
    該空間(S)内の先端側部分には、該空間(S)の一部を後端側部分に残す状態で、上記感温素子(2)を上記先端部(411)に固定するための充填材(61)が配置されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の温度センサ(1)。
  7. 上記感温素子(2)に繋がる上記一対の信号線(21)の先端側部分(213)の間隔は、上記絶縁管(3)内に配置された上記一対の信号線(21)の後端側部分(214)の間隔よりも狭くなっており、
    上記充填材(61)は、上記感温素子(2)の全体及び上記一対の信号線(21)の先端側部分(213)の全体を覆っていることを特徴とする請求項6に記載の温度センサ(1)。
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