JP2019027992A - 温度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】温度センサの特性変動を抑制する。【解決手段】温度センサ１は、熱電対素線２と熱電対素線３とシース４と測温接点１０とを備える。熱電対素線２は、少なくともＣｒを含む材料で形成され、熱電対素線３は、熱電対素線２とは異なるとともにＣｒを含まない材料で形成されている。シース４は、筒状に形成され、熱電対素線２と熱電対素線３とが互いに絶縁された状態で熱電対素線２，３を自身の内部に充填された絶縁材を介して保持する。測温接点１０は、熱電対素線２においてシース４から突出している部分の先端側ＦＥの端部と、熱電対素線３においてシース４から突出している部分の先端側ＦＥの端部とが接合されることにより形成されている。温度センサ１では、熱電対素線２においてシース４から突出している部分の表面に、Ｃｒを含有するＣｒ含有酸化膜層が形成されている。【選択図】図１

Description

本開示は、一対の熱電対素線の端部が接合されて形成された測温接点を備える温度センサに関する。

特許文献１には、一対の熱電対素線と、一対の熱電対素線の各々の先端を互いに接合して形成された測温接点とを備える温度センサが記載されている。

特開２０１５−５９８６５号公報

しかし、特許文献１に記載されている温度センサを高温環境下で使用し続けると、温度センサの検出温度と一対の熱電対素線の起電力との対応関係を示す温度特性が変動してしまうことがあった。

本開示は、温度センサの特性変動を抑制することを目的とする。

本開示の一態様は、第１熱電対素線と、第２熱電対素線と、シースと、測温接点とを備える温度センサである。
第１熱電対素線は、少なくともＣｒを含む材料で形成されている。第２熱電対素線は、第１熱電対素線とは異なるとともにＣｒを含まない材料で形成されている。シースは、筒状に形成され、第１熱電対素線と第２熱電対素線とが互いに絶縁された状態で第１熱電対素線と第２熱電対素線とを自身の内部に充填された絶縁材を介して保持する。測温接点は、第１熱電対素線においてシースから突出している部分の一端部と、第２熱電対素線においてシースから突出している部分の一端部とが接合されることにより形成されている。

そして、本開示の温度センサでは、第１熱電対素線においてシースから突出している部分の表面に、Ｃｒを含有するＣｒ含有酸化膜層が形成されている。
このように構成された本開示の温度センサでは、第１熱電対素線においてシースから突出している部分の表面に、当該温度センサを使用する前に予めＣｒ含有酸化膜層が形成されている。このため、温度センサを高温環境下で使用し続けることに起因して、第１熱電対素線においてシースから突出している部分の表面にＣｒ含有酸化膜層が形成される量を低減することができる。すなわち、本開示の温度センサは、温度センサを高温環境下で使用し続けることに起因して、第１熱電対素線においてシースから突出している部分の表面にＣｒ含有酸化膜層が形成されることにより第１熱電対素線の線材組成比が変化するのを抑制することができる。これにより、温度センサの特性変動を抑制することができる。

さらに、本開示の温度センサでは、Ｃｒ含有酸化膜層に含まれるＣｒは、第１熱電対素線に含有されるＣｒに由来するものである。つまり、Ｃｒ含有酸化膜層は、第１熱電対素線をアニール処理することにより形成されたものである。そのため、第１熱電対素線の表面に第１熱電対素線とは別のＣｒを含有する金属層を新たに形成する等の必要がなく、容易に第１熱電対素線においてシースから突出している部分の表面にＣｒ含有酸化膜層を形成することができる。

温度センサ１の構造を示す部分破断断面図である。 温度センサ１の製造工程を示すフローチャートである。 熱電対素線２のＳＥＭ写真および各元素のＥＤＸマッピング図である。

以下に本開示の実施形態を図面とともに説明する。
本実施形態の温度センサ１は、流通管（本実施形態では、車両の内燃機関の排気管）に取り付けられて、流通管内に流れる測定対象ガス（本実施形態では、排気ガス）の温度を検出する。

温度センサ１は、図１に示すように、熱電対素線２，３と、シース４と、金属チューブ５と、取付部材６と、外筒７と、ナット部材８とを備えている。以下、温度センサ１の軸線ＡＸに沿った方向を軸線方向ＤＡといい、図１における温度センサ１の下端側を先端側ＦＥ、温度センサ１の上端側を後端側ＢＥという。

熱電対素線２，３は、互いに異なる金属で形成されている。熱電対素線２はＮｉＣｒＳｉで形成され、熱電対素線３はＮｉＳｉで形成されている。つまり、熱電対素線３にはＣｒが含有されていない。熱電対素線２における先端側ＦＥの端部と、熱電対素線３における先端側ＦＥの端部とが接合され、測温接点１０が形成されている。そして、熱電対素線２および測温接点１０の表面には、Ｎｉ、ＣｒおよびＳｉを含有する酸化膜層が形成されている。また、熱電対素線３の表面には、ＮｉおよびＳｉを含有する酸化膜層が形成されている。

シース４は、筒状に形成された金属製（例えば、ＳＵＳ３１０Ｓなどのステンレス合金）の部材である。シース４は、その内部に熱電対素線２，３が挿入され、熱電対素線２，３における両端部以外の部分で熱電対素線２，３の周囲を覆う。シース４と熱電対素線２，３との間には、図示しない絶縁粉末が充填される。これにより、シース４は、熱電対素線２，３と電気的に絶縁された状態で、内部に熱電対素線２，３を保持する。

金属チューブ５は、耐腐食性金属（例えば、ＳＵＳ３１０Ｓなどのステンレス合金）を材料として、先端側ＦＥの端部に底部を有するとともに後端側ＢＥの端部に開口部を有して軸線方向ＤＡに延びる有底筒状に形成された部材である。

金属チューブ５は、縮径部２１と、小径部２２と、大径部２３と、段差部２４とを備える。縮径部２１は、後端側ＢＥから先端側ＦＥに向かうにつれて縮径する形状に形成され、先端側ＦＥの端部で閉塞されている。小径部２２は、縮径部２１よりも後端側ＢＥで軸線方向ＤＡに延びて一定の外径を有する筒状に形成された部位である。大径部２３は、小径部２２よりも後端側ＢＥで軸線方向ＤＡに延びる筒状に形成された部位である。大径部２３は、その外径が小径部２２の外径よりも大きくなるように形成されている。段差部２４は、小径部２２と大径部２３との間に配置され、小径部２２と大径部２３とを接続するようにして軸線方向ＤＡに延びる筒状に形成された部位である。段差部２４は、その外径が先端側ＦＥの端部および後端側ＢＥの端部でそれぞれ小径部２２および大径部２３の外径とほぼ同じになるように形成されている。そして段差部２４は、後端側ＢＥから先端側ＦＥへ向うにつれて外径が徐々に小さくなるように形成されている。

金属チューブ５は、小径部２２の内部に測温接点１０を収容するとともに、大径部２３の内部にシース４の一部分を収容する。
取付部材６は、金属チューブ５の後端側ＢＥの外周面を取り囲んで金属チューブ５を支持する部材であり、突出部３１と、後端側鞘部３２を備える。

突出部３１は、金属チューブ５の後端側ＢＥの外周面から金属チューブ５の径方向外側に向かって突出するように形成された部位である。後端側鞘部３２は、突出部３１の後端側ＢＥの端部から軸線方向ＤＡに延びる筒状に形成された部位である。突出部３１および後端側鞘部３２の内部に金属チューブ５の後端側ＢＥの端部が挿入された後に、後端側鞘部３２と金属チューブ５とがレーザ溶接されることにより、取付部材６と金属チューブ５とが互いに結合される。

外筒７は、その外径が金属チューブ５の外径よりも大きくなるように筒状に形成された金属製の部材である。外筒７は、その先端側ＦＥの端部において後端側鞘部３２を内部に挿入した状態でレーザ溶接されることにより、取付部材６に結合される。

ナット部材８は、外筒７の先端側ＦＥの端部を内部に挿入した状態で軸線方向ＤＡに平行な軸を中心に回転可能に設置されている。ナット部材８は、六角ナット部４１とネジ部４２を備える。

六角ナット部４１は、外筒７の外周から径方向に沿って外側へ延びて外周が六角形の板状に形成された部位である。六角ナット部４１は、温度センサ１を排気管に取り付けるときにレンチ等の取付工具を嵌合させるための部位である。ネジ部４２は、六角ナット部４１の先端側ＦＥの端部から温度センサ１の先端側ＦＥへ向けて軸線方向ＤＡに延びる円筒状に形成された部位であり、その外周に雄ネジが形成されている。

排気管の外周から突出するように設けられた図示しないボスのネジ穴に金属チューブ５を挿入して、ネジ部４２の雄ネジをボスのネジ穴の内周壁に形成された雌ネジに螺合することで、温度センサ１が排気管に取り付けられる。

熱電対素線２，３はそれぞれ、溶接により補償導線６１，６２に接続されている。補償導線６１，６２は、外部回路を介して、車両の電子制御装置に接続される。外筒７の後端側ＢＥの開口部は、耐熱ゴム製のグロメット６５により閉塞されており、補償導線６１，６２は、このグロメット６５を貫いて配置されている。

次に、温度センサ１の製造方法を説明する。
図２に示すように、まずＳ１０にて、シース４の内部に熱電対素線２，３と絶縁粉末とを配置した状態でシース４を径方向内側に向かって圧縮する。これにより、シース４は、熱電対素線２，３と電気的に絶縁された状態で、内部に熱電対素線２，３を保持する。

そしてＳ２０にて、シース４における先端側ＦＥおよび後端側ＢＥの端部を切り、その部分の絶縁粉末を除去する。これにより、熱電対素線２，３は、シース４における先端側ＦＥおよび後端側ＢＥから突出した状態となる。

さらにＳ３０にて、熱電対素線２における先端側ＦＥの端部と、熱電対素線３における先端側ＦＥの端部とを接触させた状態で配置し、この接触部分を例えばレーザ溶接により接合する。これにより、測温接点１０が形成される。

次にＳ４０にて、熱電対素線２，３を保持している状態のシース４に対してアニール処理を行う。具体的には、大気中において１１２５℃で２時間加熱する。これにより、熱電対素線２の表面に、Ｎｉ、ＣｒおよびＳｉを含有する酸化膜層が形成される。また、熱電対素線３の表面に、ＮｉおよびＳｉを含有する酸化膜層が形成される。また、測温接点１０の表面に、Ｎｉ、ＣｒおよびＳｉを含有する酸化膜層が形成される。ここで、図３に加熱を行っていない熱電対素線２のＳＥＭ写真および各元素のＥＤＸマッピング図ならびに上記アニール処理を行った熱電対素線２のＳＥＭ写真および各元素のＥＤＸマッピング図を示す。なお、上記アニール処理は、９００℃〜１２００℃で行ってもよい。

またＳ５０にて、取付部材６の内部に金属チューブ５を圧入して取付部材６を金属チューブ５の後端側ＢＥに配置した後に、金属チューブ５と取付部材６との接触部分を例えばレーザ溶接により接合する。これにより、金属チューブ５と取付部材６とが一体化される。

そしてＳ６０にて、取付部材６が溶接された金属チューブ５における先端側ＦＥの端部の中にノズルを挿入し、スラリー状のセメントを注入する。
次にＳ７０にて、熱電対素線２，３を保持している状態のシース４を、セメントが注入された金属チューブ５の内部に挿入する。

そしてＳ８０にて、シース４を金属チューブ５の内部に挿入した状態で、金属チューブ５に対して径方向外側から金型を押し当てる長穴加締を行う。この長穴加締により、金属チューブ５とシース４とが位置決め固定される。

さらにＳ９０にて、内部にシース４が固定されている状態の金属チューブ５に対して遠心脱泡処理を行う。具体的には、金属チューブ５に対して、後端側ＢＥから先端側ＦＥに向かって遠心力が作用するように金属チューブ５を回転させる。これにより、スラリー状のセメント中の固体成分が金属チューブ５の先端側ＦＥへ移動し、金属チューブ５の先端側ＦＥにセメントの固体成分が十分に充填される。一方、セメント中の水分および気泡は、金属チューブ５の後端側ＢＥへ移動し、セメントから排出される。

その後Ｓ１００にて、内部にシース４が固定されている状態の金属チューブ５に対して熱処理を行うことにより、金属チューブ５の内部に充填されているセメントを乾燥し、セメントを硬化させる。

次にＳ１１０にて、絶縁チューブ５５，５６内にそれぞれ補償導線６１，６２を挿入する。さらにＳ１２０にて、グロメット６５の貫通孔内に補償導線６１，６２を挿入する。次にＳ１３０にて、熱電対素線２，３における後端側ＢＥの端部をそれぞれ、溶接により補償導線６１，６２に接続する。

そしてＳ１４０にて、絶縁チューブ５５，５６とグロメット６５とが外筒７の内部に収容された状態で、外筒７の先端側ＦＥの開口部内に後端側鞘部３２が挿入されるように外筒７を圧入する。その後Ｓ１５０にて、外筒７と後端側鞘部３２との接触部分を例えばレーザ溶接により接合する。これにより、金属チューブ５と外筒７とが一体化される。

そしてＳ１６０にて、外筒７においてグロメット６５が配置されている箇所を外筒７の外側から内側向きに加締めることより、グロメット６５が外筒７内に固定される。さらにＳ１７０にて、ナット部材８を外筒７に取り付ける。これにより、温度センサ１が得られる。

このように構成された温度センサ１は、熱電対素線２と、熱電対素線３と、シース４と、測温接点１０とを備える。
熱電対素線２は、少なくともＣｒを含む材料で形成されている。熱電対素線３は、熱電対素線２とは異なるとともにＣｒを含まない材料で形成されている。シース４は、筒状に形成され、熱電対素線２と熱電対素線３とが互いに絶縁された状態で熱電対素線２，３を自身の内部に充填された絶縁粉末を介して保持する。測温接点１０は、熱電対素線２においてシース４から突出している部分の先端側ＦＥの端部と、熱電対素線３においてシース４から突出している部分の先端側ＦＥの端部とが接合されることにより形成されている。

そして温度センサ１では、熱電対素線２においてシース４から突出している部分の表面に、Ｃｒを含有するＣｒ含有酸化膜層が形成されている。
このように温度センサ１では、熱電対素線２においてシース４から突出している部分の表面に、温度センサ１を使用する前に予めＣｒ含有酸化膜層が形成されている。このため、温度センサ１を高温環境下で使用し続けることに起因して、熱電対素線２においてシース４から突出している部分の表面にＣｒ含有酸化膜層が形成される量を低減することができる。また、Ｃｒを含有することで、緻密な酸化膜層が形成される。すなわち、温度センサ１は、温度センサ１を高温環境下で使用し続けることに起因して、第１熱電対素線においてシースから突出している部分の表面にＣｒ含有酸化膜層が形成されることにより熱電対素線２の線材組成比が変化するのを抑制することができる。これにより、温度センサ１の特性変動を抑制することができる。

さらに温度センサ１では、Ｃｒ含有酸化膜層に含まれるＣｒは、熱電対素線２に含有されるＣｒに由来するものである。つまり、Ｃｒ含有酸化膜層は、熱電対素線２をアニール処理することにより形成されたものである。そのため、熱電対素線２の表面に熱電対素線２とは別のＣｒを含有する金属層を新たに形成する等の必要がなく、容易に熱電対素線２においてシース４から突出している部分の表面にＣｒ含有酸化膜層を形成することができる。

以上説明した実施形態において、熱電対素線２は第１熱電対素線に相当し、熱電対素線３は第２熱電対素線に相当する。
以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、種々変形して実施することができる。

例えば、Ｃｒ含有酸化膜層は、熱電対素線２においてシース４から突出している部分の表面の一部に形成されてもよいが、熱電対素線２においてシース４から突出している部分の表面全体に連続して形成されるとなおよい。また、上記実施形態では、アニール処理を行うことにより熱電対素線２に含有されるＣｒ由来のＣｒ含有酸化膜層が形成されたが、これに限られず、熱電対素線２の表面に熱電対素線２とは別のＣｒ含有金属層を形成した後これを酸化することにより、Ｃｒ含有酸化膜層を形成しても良い。

また、上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分担させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に発揮させたりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１…温度センサ、２，３…熱電対素線、４…シース、１０…測温接点

Claims (2)

1. 少なくともＣｒを含む材料で形成された第１熱電対素線と、
   前記第１熱電対素線とは異なるとともにＣｒを含まない材料で形成された第２熱電対素線と、
   筒状に形成され、前記第１熱電対素線と前記第２熱電対素線とが互いに絶縁された状態で前記第１熱電対素線と前記第２熱電対素線とを自身の内部に充填された絶縁材を介して保持するシースと、
   前記第１熱電対素線において前記シースから突出している部分の一端部と、前記第２熱電対素線において前記シースから突出している部分の一端部とが接合されることにより形成された測温接点とを備え、
   前記第１熱電対素線において前記シースから突出している部分の表面に、Ｃｒを含有するＣｒ含有酸化膜層が形成されている温度センサ。
2. 前記Ｃｒ含有酸化膜層に含まれるＣｒは、前記第１熱電対素線に含有されるＣｒに由来するものである、請求項１に記載の温度センサ。

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