JP2017116360A - 温度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】耐振動性及び応答性を犠牲にすることなく、耐熱衝撃性を確保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、一対の熱電対素線３、一対の熱電対素線３の先端に設けられた測温接点３１、一対の熱電対素線３及び測温接点３１を覆う金属製の外管２、及び一対の熱電対素線３及び測温接点３１の全体を埋設する絶縁性の充填材４Ａ，４Ｂを備える。外管２は、筒状部２１と、筒状部２１の先端を閉塞する先端閉塞部２２とを有する。外管２内における、先端閉塞部２２に隣接する部分には、充填材４Ａ，４Ｂが配置されていないことによる空洞Ｓが形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、測温接点が設けられた一対の熱電対素線を有する温度センサに関する。

内燃機関の排ガス等の温度測定に用いられる温度センサにおいては、測温接点を外管によって覆い、外管内に充填する充填材によって測温接点を外管に固定している。これにより、測温接点が、排ガス等の測定環境下の雰囲気ガスに直接晒されることを防止するとともに、測温接点を振動等による衝撃から保護している。
例えば、特許文献１の温度センサにおいては、金属チューブ内に配置された感温体の周囲に空隙が形成されている。この空隙の形成により、感温体における素子電極線とシース芯線との接合部に作用する熱応力を緩和している。

特許第５２５２６３１号公報

しかしながら、特許文献１の温度センサにおける空隙は、感温体が、金属チューブの軸線方向に交差する方向に変位することを許容するためのものである。そして、感温体は、周囲の振動による影響を受けて、空隙内において振動しやすい状態にある。そのため、感温体を振動から保護するためには不十分である。
また、特許文献１の温度センサにおいては、温度の測定を行う際に、金属チューブから感温体には空隙を介して熱が伝達される。そのため、空隙は、温度センサの応答性を向上させるための弊害となる。

一方、温度センサにおいては、内燃機関による排ガスの温度の上昇・下降としての冷熱サイクルを受けて、温度センサ自体も加熱と冷却が繰り返される。そして、外管を構成する金属の線膨張係数と、充填材を構成するセラミックス等の線膨張係数との差により、外管から充填材を介して測温接点に熱応力が作用する。特に、温度センサが、内燃機関の過給機に送られる空気の温度を測定するために用いられる場合等においては、内燃機関の冷熱サイクルを受けた温度センサの温度変化が激しくなる。そのため、測温接点に作用する熱応力を軽減するためには更なる工夫が必要とされる。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、耐振動性及び応答性を犠牲にすることなく、耐熱衝撃性を確保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、一対の熱電対素線（３）と、
該一対の熱電対素線の先端同士が合わさる位置に設けられた測温接点（３１）と、
上記一対の熱電対素線及び上記測温接点を覆う、筒状部（２１）及び該筒状部の先端を閉塞する先端閉塞部（２２）を有する金属製の外管（２）と、
該外管内に配置され、上記一対の熱電対素線及び上記測温接点の全体を埋設する絶縁性の充填材（４Ａ，４Ｂ）と、を備え、
上記外管内における、上記先端閉塞部に隣接する部分には、上記充填材が配置されていないことによる空洞（Ｓ）が形成されている、温度センサにある。

上記温度センサにおいては、外管内に空隙が形成されており、この空隙は、外管の先端閉塞部に隣接する部分に形成されている。
温度センサによって温度の測定を行う際には、温度センサにおいては、測定環境下による影響を受けて加熱と冷却が繰り返される。そして、高温に加熱された外管が冷却されるときには、外管を構成する金属の線膨張係数と、充填材を構成するセラミックス等の線膨張係数との差により、外管から充填材に熱応力としての圧縮応力が作用する。このとき、外管内の測温接点の近くに位置する部分である、外管の先端閉塞部に隣接する部分に空洞が形成されていることにより、外管から充填材を介して測温接点に作用する圧縮応力を軽減させることができる。これにより、温度センサの耐熱衝撃性を確保することができる。

また、測温接点の全体は、充填材の内部に埋設されており、温度センサが振動を受ける場合においても、測温接点が振動しにくくすることができる。これにより、温度センサの耐振動性を確保することができる。
さらに、温度センサによって温度の測定を行う際には、外管から測温接点には、空隙を介することなく充填材のみを介して熱が伝達される。これにより、温度センサによって温度の測定を行う際の応答性を確保することができる。
それ故、上記温度センサによれば、耐振動性及び応答性を犠牲にすることなく、耐熱衝撃性を確保することができる。

実施形態１にかかる、温度センサを示す断面説明図。 実施形態１にかかる、温度センサの製造方法を示す図で、シースピンを形成した状態を示す説明図。 実施形態１にかかる、温度センサの製造方法を示す図で、第１充填材及び一対の熱電対素線を除去した状態を示す説明図。 実施形態１にかかる、温度センサの製造方法を示す図で、第１充填材を掻き出した状態を示す説明図。 実施形態１にかかる、温度センサの製造方法を示す図で、一対の熱電対素線の先端側部分を互いに合わせた状態を示す説明図。 実施形態１にかかる、温度センサの製造方法を示す図で、一対の熱電対素線の先端に測温接点を形成した状態を示す説明図。 実施形態１にかかる、温度センサの製造方法を示す図で、外管の凹部内に、第２充填材を配置した状態を示す説明図。 実施形態１にかかる、温度センサの製造方法を示す図で、外管の筒状部の先端に、先端閉塞部を形成するための金属材料を配置した状態を示す説明図。 実施形態２にかかる、温度センサを示す断面説明図。 実施形態２にかかる、他の温度センサを示す断面説明図。

上述した温度センサにかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
本形態の温度センサ１は、図１に示すように、一対の熱電対素線３、測温接点３１、金属製の外管２及び絶縁性の充填材４Ａ，４Ｂを備える。
測温接点３１は、一対の熱電対素線３の先端同士が合わさる位置に設けられている。外管２は、筒状部２１と、筒状部２１の先端を閉塞する先端閉塞部２２とを有しており、筒状部２１及び先端閉塞部２２によって、一対の熱電対素線３及び測温接点３１を覆っている。充填材４Ａ，４Ｂは、一対の熱電対素線３及び測温接点３１の全体を埋設する状態で、外管２内に配置されている。外管２内における、先端閉塞部２２に隣接する部分には、充填材４Ａ，４Ｂが配置されていないことによる空洞Ｓが形成されている。

以下に、本形態の温度センサ１について詳説する。
本形態の温度センサ１は、内燃機関の過給機に送られる空気の温度を測定するために用いられ、内燃機関に近い位置に配置される。そして、この温度センサ１は、内燃機関の排気管における三元触媒の配置位置の上流側と下流側に配置される場合に比べて高温に加熱され、過酷な温度環境下において使用される。そして、この温度センサ１においては、内燃機関の冷熱サイクルを受けた温度変化が激しくなる。

図１に示すように、温度センサ１は、測温接点３１によって、測定環境における温度を測定するものである。一対の熱電対素線３は、いわゆるゼーベック効果を生じさせるために、互いに異なる金属材料によって構成されている。一対の熱電対素線３の先端側部分３２は、測温接点３１を形成するために、先端側に向かうに連れて互いに接近するよう、外管２の軸線方向に対して傾斜している。一対の熱電対素線３の残りの一般部分３３は、外管２の軸線方向と平行になるように、外管２内に配置されている。

測温接点３１は、一対の熱電対素線３の先端同士を合わせて接合した部分によって形成されている。外管２の筒状部２１は、円筒形状のステンレス鋼等を用いて形成されている。外管２の先端閉塞部２２は、筒状部２１の先端に蓋をする状態で形成されている。先端閉塞部２２は、筒状部２１の先端を溶接によって閉塞する際に用いる溶接の補材によって形成することができる。図１においては、先端閉塞部２２における、空洞Ｓに隣接する内側面は、平坦状に表している。この先端閉塞部２２の内側面は、平坦状である必要はなく、曲面状等の形状であってもよい。

温度センサ１は、図２に示すように、一対の熱電対素線３が充填材４Ａを介して外管２内に保持されたシースピン２０を加工して形成されたものである。
図１に示すように、温度センサ１における充填材４Ａ，４Ｂは、一対の熱電対素線３の一般部分３３を外管２に固定するための第１充填材４Ａと、一対の熱電対素線３の先端側部分３２及び測温接点３１を外管２に固定するための第２充填材４Ｂとによって構成されている。第１充填材４Ａは、シースピン２０に用いられている充填材からなり、セラミックスの骨材粒子と、その他の添加剤とを含有するものである。第２充填材４Ｂは、セラミックスの骨材粒子と、骨材粒子間の隙間を埋めるガラス成分と、その他の添加剤とを含有するものである。第２充填材４Ｂは、測温接点３１を埋設する部分として形成されており、外管２内における測温接点３１の周囲には、第２充填材４Ｂが充填されている。

骨材粒子は、アルミナ、ジルコニア、酸化バリウム、酸化マグネシウム（マグネシア）、酸化ケイ素、酸化亜鉛、及び酸化ホウ素から選ばれる少なくとも１種から構成されている。ガラス成分は、シリカを主成分とする非晶質ガラス粉末が結晶化して形成されたものである。
第２充填材４Ｂの骨材粒子は、ガラス成分としての結晶化ガラスによって結合されている。これにより、第２充填材４Ｂの密度を高め、その強度を効果的に向上させることができる。そして、外管２内に空洞Ｓが形成されていても、振動に対する測温接点３１の強度を高めることができる。

外管２内における第２充填材４Ｂの充填量は、測温接点３１の全体を埋設するための最小限の充填量に設定されている。そして、第２充填材４Ｂの中央部分の表面４０１Ａは、測温接点３１の表面の近傍に位置する。
外管２内における空洞Ｓは、第１充填材４Ａが配置された外管２内に第２充填材４Ｂを充填する際に、外管２内への第２充填材４Ｂの充填量を、外管２内を充満する量よりも少なくすることによって形成することができる。

次に、本形態の温度センサ１を製造する方法について説明する。
まず、図２に示すように、長尺状のシースピン素材を必要な長さのシースピン２０に切断し、図３に示すように、シースピン２０の先端部における第１充填材４Ａと一対の熱電対素線３とを除去する。このとき、外管２内には凹部２３が形成される。次いで、図４に示すように、シースピン２０の先端部における第１充填材４Ａを掻き出し、一対の熱電対素線３の先端側部分３２を第１充填材４Ａから突出させる。このとき、外管２内には凹部２４が形成される。次いで、図５に示すように、一対の熱電対素線３の先端側部分３２を折り曲げるとともに、この先端側部分３２の先端部同士を互いに合わせる。そして、図６に示すように、レーザー溶接によって一対の熱電対素線３の先端を接合し、この先端に測温接点３１を形成する。

次いで、図７に示すように、シースピン２０の先端部を上側に位置させ、シースピン２０における外管２の凹部２４内に、第２充填材４Ｂを形成するための原料スラリー４１を注入する。この原料スラリー４１は、骨材粒子、ガラス成分、非晶質ガラス粉末、溶媒としての水、及び添加剤としての分散剤が混合されたものである。このとき、凹部２４内に注入する原料スラリー４１の量は、外管２内に空洞Ｓを形成する大きさに応じて調整することができる。

次いで、原料スラリー４１に含まれる溶媒を揮発させ、外管２内において、第１充填材４Ａに結合された第２充填材４Ｂを形成する。このとき、第２充填材４Ｂを焼成することができる。次いで、図８に示すように、外管２の筒状部２１の先端に、先端閉塞部２２を形成するための金属材料２２１を配置する。そして、この金属材料２２１を溶融させ、この金属材料２２１によって筒状部２１の先端を閉塞して、図１に示すように、先端閉塞部２２と筒状部２１とが一体化した外管２を形成する。この先端閉塞部２２の形成は、ＴＩＧ溶接（タングステン−不活性ガス溶接）によって行うことができる。こうして、外管２内における、先端閉塞部２２に隣接する部分に、空洞Ｓが形成された温度センサ１を製造することができる。

温度センサ１によって温度の測定を行う際には、温度センサ１においては、測定環境下による影響を受けて加熱と冷却が繰り返される。そして、高温に加熱された外管２が冷却されるときには、外管２を構成する金属の線膨張係数と、第１充填材４Ａ及び第２充填材４Ｂを構成するセラミックス等の線膨張係数との差により、外管２から第１充填材４Ａ及び第２充填材４Ｂに熱応力としての圧縮応力が作用する。このとき、外管２内の測温接点３１の近くに位置する部分である、外管２の先端閉塞部２２に隣接する部分に空洞Ｓが形成されていることにより、外管２から第２充填材４Ｂを介して測温接点３１に作用する圧縮応力を軽減させることができる。これにより、温度センサ１の耐熱衝撃性を確保することができる。

また、測温接点３１の全体は、第２充填材４Ｂの内部に埋設されている。これにより、温度センサ１が内燃機関による振動を受ける場合、及び車両の走行に伴う振動を受ける場合においても、測温接点３１が振動しにくくすることができる。そのため、温度センサ１の耐振動性を確保することができる。
さらに、温度センサ１によって温度の測定を行う際には、外管２から測温接点３１には、空洞Ｓを介することなく第２充填材４Ｂを介して熱が伝達される。これにより、温度センサ１によって温度の測定を行う際の応答性を確保することができる。
それ故、本形態の温度センサ１によれば、耐振動性及び応答性を犠牲にすることなく、耐熱衝撃性を確保することができる。

（実施形態２）
本形態においては、空洞Ｓ及び第２充填材４Ｂの構成を、実施形態１の場合と異ならせた種々の態様について示す。
空洞Ｓを形成する第２充填材４Ｂの表面４０１は、図１に示したように平坦状に形成する必要はなく、図９に示すように、中心部分の表面４０１Ａに比べて、中心部分の外周に位置する外周部分の表面４０１Ｂが先端側に位置する凹形状に形成することができる。本形態の凹形状の表面４０１は、先端側に向けて凹となる曲面状の表面に形成されている。また、凹形状の表面４０１は、外管２の凹部２４内に注入された、第２充填材４Ｂを形成するための原料スラリー４１を乾燥させる際に、原料スラリー４１に生じる表面張力によって原料スラリー４１が外管２の筒状部２１に引き寄せられる力を利用して形成することができる（図６、図７参照）。

温度センサ１の応答性を高くするためには、外管２内の空間の全体が第２充填材４Ｂによって充填されて、外管２内に空洞Ｓが形成されていないことが好ましい。一方、測温接点３１に作用する圧縮応力を緩和して、温度センサ１の耐熱衝撃性を高めるためには、空洞Ｓを可能な限り大きくすることが好ましい。そのため、応答性と耐熱衝撃性とは相反する関係にある。
本形態においては、第２充填材４Ｂの表面４０１を先端側に向けて凹となる凹形状にすることにより、外管２と第２充填材４Ｂとの接触面積をできるだけ大きくすることができる。これにより、外管２における熱を第２充填材４Ｂに伝達しやすくすることができ、温度センサ１の応答性の低下を極力抑えることができる。また、第２充填材４Ｂの表面４０１を上記凹形状にすることにより、測温接点３１に作用する圧縮応力を適切に緩和することができる。そのため、本形態においては、温度センサ１の応答性と耐熱衝撃性とを、より効果的に両立させることができる。

また、原料スラリー４１によって第２充填材４Ｂを形成するときには、第２充填材４Ｂの表面４０１の凹形状の深さができる限り深くなるようにすることができる。そして、第２充填材４Ｂの外周部分の表面４０１Ｂは、図１０に示すように、先端閉塞部２２に接触させることができる。この場合には、空洞Ｓの容積を確保しつつ、外管２と第２充填材４Ｂとの接触面積をさらに大きくすることができる。
また、同図に示すように、外管２の中心軸線の方向における空洞Ｓの長さＬ１は、中心軸線の方向における先端閉塞部２２の厚みＬ２よりも大きくすることができる。空洞Ｓの長さＬ１及び先端閉塞部２２の厚みＬ２は、外管２の中心軸線の位置において測定する。また、先端閉塞部２２の内側面が曲面状に形成されている場合についても同様である。この場合には、空洞Ｓの容積の確保と、外管２と第２充填材４Ｂとの接触面積の確保とを、より効果的に行うことができる。

本形態においても、その他の構成及び図中の符号が示す構成要素は実施形態１と同様であり、実施形態１と同様の作用効果を得ることができる。
また、本発明は、各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。

１ 温度センサ
２ 外管
２１ 筒状部
２２ 先端閉塞部
３ 熱電対素線
３１ 測温接点
４Ａ，４Ｂ 充填材
Ｓ 空洞

Claims (5)

1. 一対の熱電対素線（３）と、
   該一対の熱電対素線の先端同士が合わさる位置に設けられた測温接点（３１）と、
   上記一対の熱電対素線及び上記測温接点を覆う、筒状部（２１）及び該筒状部の先端を閉塞する先端閉塞部（２２）を有する金属製の外管（２）と、
   該外管内に配置され、上記一対の熱電対素線及び上記測温接点の全体を埋設する絶縁性の充填材（４Ａ，４Ｂ）と、を備え、
   上記外管内における、上記先端閉塞部に隣接する部分には、上記充填材が配置されていないことによる空洞（Ｓ）が形成されている、温度センサ。
2. 少なくとも上記測温接点が埋設された部位に存在する上記充填材の部分は、セラミックスの骨材粒子と、該骨材粒子間の隙間を埋めるガラス成分とを含有している、請求項１に記載の温度センサ。
3. 上記空洞を形成する上記充填材の表面は、中心部分の表面（４０１Ａ）に比べて、該中心部分の外周に位置する外周部分の表面（４０１Ｂ）が先端側に位置する凹形状に形成されている、請求項１又は２に記載の温度センサ。
4. 上記充填材の上記外周部分の表面は、上記先端閉塞部に接触している、請求項３に記載の温度センサ。
5. 上記外管の中心軸線の方向における上記空洞の長さ（Ｌ１）は、上記中心軸線の方向における上記先端閉塞部の厚み（Ｌ２）よりも大きい、請求項１〜４のいずれか一項に記載の温度センサ。

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