JP2019124530A - Temperature sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、温度を測定するための感温素子を用いた温度センサに関する。 The present invention relates to a temperature sensor using a temperature sensitive element for measuring temperature.
温度センサは、例えば、自動車の排気管内に配置され、排気管を流れる排ガスの温度を測定するために用いられる。例えば、特許文献１の温度センサにおいては、金属シース（金属管）内に挿通された金属芯線に感温素子が接続されており、感温素子は、金属シースの先端に取り付けられた金属カバー内に配置されている。また、感温素子は、金属シース内に充填された充填材（絶縁材）によって金属シースに固定されている。
A temperature sensor, for example, is arranged in the exhaust pipe of a motor vehicle and is used to measure the temperature of the exhaust gas flowing through the exhaust pipe. For example, in the temperature sensor of
温度センサには、排ガス等の測定対象ガスの温度の変化を迅速に検出する応答性が要求される。この応答性を向上させるためには、測定環境下の測定対象ガスとサーミスタ等の感温素子との伝熱性を良くすることが考えられる。しかし、従来の温度センサにおいては、感温素子は、充填材を介して金属カバーに覆われている。そのため、金属カバーが断熱材として機能し、測定環境下の測定対象ガスと感温素子との間で伝熱が生じにくい。そのため、感温素子の温度が変化しにくく、感温素子の温度が測定対象ガスの温度になるまでに時間を要し、温度センサの応答性を阻害する。 The temperature sensor is required to be responsive to rapidly detect a change in temperature of a gas to be measured such as exhaust gas. In order to improve this responsiveness, it is conceivable to improve the heat transfer between the gas to be measured under the measurement environment and a temperature sensitive element such as a thermistor. However, in the conventional temperature sensor, the temperature sensitive element is covered by the metal cover via the filler. Therefore, the metal cover functions as a heat insulating material, and heat transfer hardly occurs between the gas to be measured under the measurement environment and the temperature sensitive element. Therefore, the temperature of the temperature sensitive element hardly changes, and it takes time until the temperature of the temperature sensitive element reaches the temperature of the gas to be measured, and the responsiveness of the temperature sensor is impaired.
また、温度センサの応答性を改善するためには、特許文献１等において用いられる金属カバーを廃止することも考えられる。しかし、この場合には、充填材が測定対象ガスに晒されることになり、温度センサの耐久性（信頼性）を悪化させることになる。そのため、金属カバーを廃止するためには、温度センサに特別な工夫をしなければ、温度センサの熱及び測定対象ガスに対する耐久性を確保することができない。
Moreover, in order to improve the responsiveness of a temperature sensor, it is also considered to abolish the metal cover used in
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、応答性を向上させることができるとともに、耐久性を高く維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。 The present invention has been made in view of such problems, and has been obtained in an attempt to provide a temperature sensor capable of improving responsiveness and maintaining high durability.
本発明の一態様は、先端が開口先端部（２０）として開口された金属管（２）と、
前記開口先端部に配置され、測定環境下の測定対象ガス（Ｇ）の温度を測定するための感温素子（３）と、
前記金属管内に配置され、前記感温素子の表面に接触する一対のリード線（３１）と、
前記金属管内に配置され、前記金属管と一対の前記リード線とを絶縁するとともに、一対の前記リード線を前記金属管に支持するためのセラミック材料からなる絶縁支持材（４）と、
前記開口先端部に、前記感温素子、一対の前記リード線の先端部（３１０）及び前記絶縁支持材の先端面（４０１）を覆う状態で最外周部として配置され、前記感温素子の線膨張率及び一対の前記リード線の線膨張率に比べて線膨張率が小さく、かつ前記測定対象ガスを透過しないセラミック材料からなるコート材（５）と、を備える温度センサ（１）にある。
One embodiment of the present invention is a metal tube (2) whose tip is open as an open tip (20);
A temperature sensitive element (3) disposed at the open end and for measuring the temperature of the gas to be measured (G) under the measurement environment;
A pair of lead wires (31) disposed in the metal tube and in contact with the surface of the temperature sensing element;
An insulating support (4), disposed in the metal tube, for insulating the metal tube from the pair of lead wires and for supporting the pair of lead wires on the metal tube;
It is arranged as the outermost periphery in a state of covering the temperature sensing element, the tip portions (310) of the pair of the lead wires, and the tip surface (401) of the insulating support material at the opening tip portion. And a coating material (5) made of a ceramic material which has a smaller coefficient of linear expansion than the coefficient of expansion and the coefficient of linear expansion of the pair of lead wires and does not transmit the gas to be measured.
前記一態様の温度センサにおいては、金属管の先端が開口先端部として開口しており、開口先端部に配置された感温素子は、最外周部を形成するコート材によって覆われている。そして、金属管の開口先端部には、感温素子を覆うための金属カバー（曲面状の先端部）が設けられていない。この構成により、温度センサの先端部と測定環境下の測定対象ガスとの間における、熱放射、熱伝達（熱対流）等の伝熱が生じやすくすることができる。そのため、感温素子の温度が、測定対象ガスの温度になるまでの時間を短縮することができ、温度センサの応答性を向上させることができる。 In the temperature sensor according to the one aspect, the tip of the metal tube is opened as an opening tip, and the temperature sensitive element disposed at the opening tip is covered by a coating material that forms the outermost periphery. And the metal cover (curved-shaped tip part) for covering a thermo sensor is not provided in the opening front-end | tip part of a metal tube. With this configuration, heat transfer such as heat radiation or heat transfer (heat convection) can be easily generated between the tip of the temperature sensor and the gas to be measured in the measurement environment. Therefore, the time until the temperature of the temperature sensing element reaches the temperature of the gas to be measured can be shortened, and the responsiveness of the temperature sensor can be improved.
また、金属管の開口先端部には、感温素子、一対のリード線の先端部及び絶縁支持材の先端面を覆う状態で、最外周部としてのコート材が配置されている。このコート材は、感温素子の線膨張率及び一対のリード線の線膨張率に比べて線膨張率が小さいセラミック材料からなる。 Further, at the open end of the metal tube, a coating material as the outermost periphery is disposed so as to cover the temperature sensing element, the ends of the pair of lead wires, and the end surface of the insulating support material. The coating material is made of a ceramic material having a smaller coefficient of linear expansion than the coefficient of linear expansion of the temperature sensing element and the coefficient of linear expansion of the pair of lead wires.
この構成により、温度センサの先端部が測定対象ガスによって加熱されるときには、コート材に比べて感温素子及び一対のリード線が大きく膨張しようとする。そのため、コート材が、感温素子及び一対のリード線の膨張を拘束し、コート材から一対のリード線に、一対のリード線が感温素子に密着する方向への圧力を与えることができる。そして、感温素子と一対のリード線との導通性を高く維持することができる。 With this configuration, when the tip of the temperature sensor is heated by the gas to be measured, the temperature sensing element and the pair of lead wires tend to expand more than the coating material. Therefore, the coating material restrains the expansion of the temperature sensing element and the pair of lead wires, and can apply pressure from the coating material to the pair of lead wires in the direction in which the pair of lead wires adheres to the temperature sensing element. Then, the conductivity between the temperature sensitive element and the pair of lead wires can be maintained high.
また、コート材は、測定対象ガスを透過しないセラミック材料からなる。この構成により、測定対象ガスが感温素子に接触することを防止することができ、測定対象ガスから感温素子を保護することができる。また、コート材がセラミック材料からなることにより、その耐熱性を確保することができる。そのため、温度センサの熱及び測定対象ガスに対する耐久性（信頼性）を高く維持することができる。 Moreover, a coating material consists of a ceramic material which does not permeate | transmit gas to be measured. With this configuration, it is possible to prevent the gas to be measured from contacting the temperature sensitive element, and to protect the temperature sensitive device from the gas to be measured. In addition, when the coating material is made of a ceramic material, its heat resistance can be secured. Therefore, the durability (reliability) of the temperature sensor against the heat and the gas to be measured can be maintained high.
それ故、前記一態様の温度センサによれば、その応答性を向上させることができるとともに、その耐久性（信頼性）を高く維持することができる。 So, according to the temperature sensor of the said one aspect, while being able to improve the response, the durability (reliability) can be maintained highly.
前記感温素子の一部は、金属管の開口先端部の先端側に配置され、前記感温素子の残部は、開口先端部の基端側に配置されていてもよい。また、前記感温素子の全体が、開口先端部の先端側に配置されていてもよい。 A part of the temperature sensing element may be disposed on the tip side of the open end of the metal tube, and the remaining portion of the temperature sensing element may be disposed on the proximal side of the opening tip. In addition, the whole of the temperature sensing element may be disposed on the tip side of the opening tip.
前記リード線は、絶縁支持材に支持された第１線部と、絶縁支持材から突出する第２線部とが異なる材料によって構成されていてもよい。この場合には、第１線部と第２線部とが、溶接等によって互いに接合されている。また、前記リード線は、金属管内から感温素子に接触する位置まで同一材料によって構成されていてもよい。 The said lead wire may be comprised with the material from which the 1st wire part supported by the insulation support material and the 2nd wire part which protrudes from an insulation support material differ. In this case, the first wire portion and the second wire portion are joined to each other by welding or the like. Moreover, the said lead wire may be comprised with the same material to the position which contacts a temperature sensing element from a metal pipe.
なお、本発明の一態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。 Note that the reference numerals in parentheses in each component shown in one aspect of the present invention indicate the correspondence with the reference symbols in the drawings in the embodiment, but the components are not limited to the contents of the embodiment.
前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。
＜実施形態＞
本形態の温度センサ１は、図１に示すように、金属管２、感温素子３、一対のリード線３１、絶縁支持材４及びコート材５を備える。金属管２は、その先端が開口先端部２０として開口されたものである。感温素子３は、開口先端部２０に配置されており、測定環境下の測定対象ガスＧの温度を測定するためのものである。一対のリード線３１は、金属管２内に配置されており、その先端部３１０が感温素子３の表面に接触している。
A preferred embodiment of the above-described temperature sensor will be described with reference to the drawings.
Embodiment
As shown in FIG. 1, the
絶縁支持材４は、金属管２内に配置されており、金属管２と一対のリード線３１とを絶縁するとともに、一対のリード線３１を金属管２に支持するためのセラミック材料からなる。コート材５は、金属管２の開口先端部２０に、感温素子３、一対のリード線３１の先端部３１０及び絶縁支持材４の先端面４０１を覆う状態で、最外周部として配置されている。コート材５は、感温素子３の線膨張率及び一対のリード線３１の線膨張率に比べて線膨張率が小さく、かつ測定対象ガスＧを透過しないセラミック材料からなる。
The
本形態の温度センサ１においては、金属管２の中心軸線に沿った方向を軸方向Ｌという。また、軸方向Ｌにおいて、金属管２に感温素子３が配置された側を先端側Ｌ１といい、先端側Ｌ１と反対側を基端側Ｌ２という。
In the
以下に、本形態の温度センサ１について詳説する。
（温度センサ１）
温度センサ１は、車載用のものであり、自動車における内燃機関（エンジン）の吸気管内又は排気管内を流れる流体の温度を測定するために使用される。本形態の温度センサ１は、排気管に配置され、排気管内を流れる排ガスの温度を測定するために用いられる。排ガスの温度は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）によって内燃機関の燃焼制御を行う際に利用される。排ガスの温度は、例えば、排気管に配置された排気浄化触媒の温度を検知するために利用することができる。
Hereinafter, the
(Temperature sensor 1)
The
（感温素子３）
本形態の感温素子３は、サーミスタ材料としての酸化物半導体の焼結体を用いて構成されたサーミスタ素子である。サーミスタ素子は、温度の上昇に対して電気抵抗値が減少するＮＴＣ（negative temperature coefficient）サーミスタとすることができる。これ以外にも、サーミスタ素子は、所定温度を超えると温度の上昇に対して急激に電気抵抗値が増大するＰＴＣ（positive temperature coefficient）サーミスタ、又は所定温度を超えると急激に電気抵抗値が減少するＣＴＲ（critical temperature resistor）サーミスタとすることもできる。
(Thermal sensor 3)
The temperature
また、感温素子３は、白金、銅、ニッケル等を用いて構成された、温度が上昇するに伴って電気抵抗値が増加する測温抵抗素子としてもよい。
Further, the
（リード線３１）
図１に示すように、一対のリード線３１は、導電性を有する種々の金属材料から構成されている。一対のリード線３１は、絶縁支持材４に支持された一対の第１線部３１１と、絶縁支持材４から突出する一対の第２線部３１２とが、溶接等によって互いに接合されたものである。第１線部３１１と第２線部３１２とは、互いに異なる材料によって構成されている。第１線部３１１は、白金又は白金−ロジウム合金によって構成されている。
(Lead wire 31)
As shown in FIG. 1, the pair of
第２線部３１２は、金属管２及び絶縁支持材４とともにシースピンとして形成されたものである。第２線部３１２はステンレス又はインコネル（登録商標、ニッケル基を含む超合金）によって構成されている。第１線部３１１と第２線部３１２とは、互いに突き合わされた状態で接合されている。第１線部３１１と第２線部３１２とは、互いに重ね合わされた状態で接合されていてもよい。
The
第１線部３１１、第２線部３１２及びリード線３１は、白金線、白金と他の金属との合金からなる白金合金線、ニッケルと他の金属との合金であるインコネル（登録商標）の線等によって構成することができる。これ以外にも、第１線部３１１、第２線部３１２及びリード線３１は、ＳＵＳ３１０Ｓの線、鉄とニッケルとの合金からなるインバー線、スーパーインバー線、ニッケル線、ニッケルクロム線、鉄クロム線等によって構成することもできる。
The
一対のリード線３１の先端部３１０とは、一対のリード線３１における、絶縁支持材４から先端側Ｌ１に突出した部分のことをいう。本形態の一対のリード線３１の先端部３１０は、主に第１線部３１１によって形成されている。
The tip portions 310 of the pair of
（金属管２）
図２に示すように、金属管２は、シース管とも呼ばれ、金属材料から構成されている。金属管２は、円筒形状に形成されている。金属管２は、感温素子３が配置された先端側管部２１の外径及び内径が最も小さく、先端側管部２１よりも基端側Ｌ２に位置する基端側管部２２の外径及び内径が、先端側管部２１の外径及び内径よりも大きく形成されている。金属管２は、インコネル（登録商標）の管によって構成することができる。これ以外にも、金属管２は、ＳＵＳ３１０Ｓの管、オーステナイト系ステンレス鋼の管、フェライト系クロム鋼の管、耐熱性コバルト合金、ニッケル合金の管、鉄クロム合金の管によって構成することもできる。金属管２は、温度センサ１の製造を容易にするために、複数の管材を、適宜、溶接等によって繋ぎ合わせて形成することができる。
(Metal pipe 2)
As shown in FIG. 2, the
（ハウジング１１）
図２に示すように、金属管２は、排気管に取り付けられるハウジング１１に装着されている。ハウジング１１は、一対のリード線３１及びコネクタ１２のターミナル１３を配置するための配置穴１１１と、温度センサ１を排気管に取り付けるための外周ネジ１１２と、ハウジング１１にコネクタ１２を連結するための連結部１１３とを有する。配置穴１１１には、コネクタ１２のターミナル１３の先端部１３１が挿入される。
(Housing 11)
As shown in FIG. 2, the
（コネクタ１２）
図２に示すように、絶縁性の樹脂等からなるコネクタ１２には、リード線３１が溶接によって接続されたターミナル（接続端子）１３が設けられている。ターミナル１３の先端部１３１は、リード線３１が接続されるよう、コネクタ１２から突出している。ターミナル１３の基端部１３２は、温度センサ１の動作を制御する制御装置１０に接続される。制御装置１０は、エンジン制御ユニットとすることができ、エンジン制御ユニットとは別のセンサ制御ユニット（ＳＣＵ）とすることもできる。ターミナル１３は、導電性の金属材料によって構成されている。
(Connector 12)
As shown in FIG. 2, the
（絶縁支持材４）
図１及び図２に示すように、絶縁支持材４は、酸化マグネシウム等の絶縁性の金属酸化物によって構成されている。絶縁支持材４は、酸化アルミニウム等によって構成することもできる。絶縁支持材４は、金属管２の先端側管部２１に配置されたセラミック粒子が焼結された焼結体として形成されている。絶縁支持材４は、金属管２の先端側管部２１に充填されており、金属管２の基端側管部２２には充填されていない。言い換えれば、絶縁支持材４は、金属管２の先端側管部２１に、軸方向Ｌに連続して一体的に配置されている。
(Insulating support 4)
As shown in FIGS. 1 and 2, the insulating
絶縁支持材４が金属管２の先端側管部２１に充填されていることにより、金属管２の先端側管部２１において、一対のリード線３１が金属管２に強固に支持される。絶縁支持材４は、一対のリード線３１の外周と金属管２の先端側管部２１の内周とに接触している。絶縁支持材４は、金属管２の先端側管部２１の内周における先端位置まで配置されている。
By filling the insulating
（コート材５）
図１に示すように、本形態の温度センサ１の金属管２の先端部には金属カバーが設けられていない。コート材５は、感温素子３に一対のリード線３１が接触する状態を維持するための機能と、金属カバーの代わりとして、温度センサ１の先端部１０１の最外周部として測定対象ガスＧの透過を防止する機能とを有する。
(Coating material 5)
As shown in FIG. 1, the metal cover is not provided at the tip of the
コート材５は、セラミック粒子と無機バインダー（結合剤）とが焼結された焼結体として形成されている。コート材５においては、その線膨張率を調整するために、複数種類のセラミック粒子が混合されている。セラミック粒子の線膨張率は、その種類によって異なる。そのため、複数種類のセラミック粒子を適切に配合することによって、所望とする線膨張率のコート材５を得ることができる。
The
セラミック粒子は、アルミナ、シリカ、ジルコニア、炭化ケイ素等とすることができる。無機バインダーは、セラミック粒子よりも小さなナノレベルのセラミック粒子とすることができる。無機バインダーは、例えば、コロイダルシリカとすることができる。 The ceramic particles can be alumina, silica, zirconia, silicon carbide or the like. The inorganic binder can be nano level ceramic particles smaller than the ceramic particles. The inorganic binder can be, for example, colloidal silica.
コート材５は、セラミック粒子、無機バインダー、及び水等の溶媒を含有するスラリーを用いて形成される。そして、スラリーが、焼結のために加熱されるときに、溶媒が揮発され、セラミック粒子と無機バインダーとが焼結体を形成する。
The
コート材５の焼結体においては、セラミック粒子同士の隙間を埋めるように無機バインダーが配置されている。これにより、コート材５には気孔がほとんど形成されていない。そして、コート材５は、セラミック粒子及び無機バインダーによって構成されることにより、測定対象ガスＧを透過させない性質を得ることができる。
In the sintered body of the
コート材５は、常温で固着処理可能なものである。すなわち、コート材５は、加熱処理することなく溶媒を揮発させることができるものである。コート材５は、常温において、感温素子３、一対のリード線３１の先端部３１０、絶縁支持材４の先端面４０１等に固着された後には、高温に加熱して焼結することができる。常温とは、例えば、２０℃±１５℃とすることができる。本形態の温度センサ１は排ガスの温度を測定するものであり、主に２００℃以上の温度を測定する。そして、温度センサ１の先端部１０１は排ガスによって加熱された状態にある。
The
コート材５の線膨張率は、感温素子３の線膨張率及びリード線３１の線膨張率よりも小さい。温度センサ１の先端部１０１に位置するコート材５、感温素子３及びリード線３１が加熱されると、コート材５の線膨張率と、感温素子３の線膨張率及びリード線３１の線膨張率との差に応じて、温度が高くなるほど、膨張量（伸び）に大きな差が生じる。つまり、温度が高くなるほど、感温素子３及びリード線３１がコート材５に比べて大きく膨張しようとする。これにより、加熱状態にある温度センサ１の先端部１０１においては、コート材５から感温素子３及び一対のリード線３１に、拘束力としての圧縮応力が作用する。
The linear expansion coefficient of the
図１及び図３に示すように、本形態の感温素子３と一対のリード線３１とは、他の材料を介さずに対面接触している。つまり、感温素子３と一対のリード線３１とは、互いに対面する状態で配置されているだけであり、白金等のペースト材料等によって接合されていない。感温素子３と一対のリード線３１とは、感温素子３における先端面３０１及び側面３０２と、一対のリード線３１における先端面３１５及び側面３１６とに接触するコート材５の存在によって、互いに接触する状態が維持されている。この構成により、感温素子３に一対のリード線３１を接合する手間を省略することができ、温度センサ１の製造を容易にすることができる。
As shown in FIGS. 1 and 3, the temperature
そして、特に、温度センサ１の先端部１０１が加熱された状態にあるときには、コート材５から感温素子３及び一対のリード線３１に作用する圧縮応力によって、感温素子３に対する一対のリード線３１の接触状態をより強固に維持することができる。
And, particularly, when the
コート材５は、セラミック材料から構成されていることにより、耐熱性に優れており、１０００℃に加熱されたときでも性状に変化が生じない耐熱性を有する。また、金属管２、感温素子３及び一対のリード線３１は、合金材料又は酸化物半導体によって構成されていることにより、１０００℃に加熱されたときでも性状に変化が生じない耐熱性を有する。さらに、本形態のコート材５、金属管２、感温素子３及び一対のリード線３１は、１０５０℃においても性状が変化しない耐熱性を有する。
The
そして、本形態の温度センサ１の使用可能温度は−４０〜１０５０℃に設定されている。金属カバーを用いた従来の温度センサにおいては、感温素子３と一対のリード線３１とが、白金等のペースト材料によって接合されていることにより、その使用可能温度が９００℃までとなっている。この従来の温度センサにおいては、焼成後のペースト材料に剥離が生じるおそれがあることを理由に、使用可能温度が９００℃までと制限されている。
And the usable temperature of the
一方、本形態の温度センサ１においては、コート材５の工夫によって白金等のペースト材料を廃止し、感温素子３と一対のリード線３１とが対面接触する構造が採用されている。これにより、ペースト材料の剥離を考慮する必要がなくなり、温度センサ１の使用可能温度の上限値を高くすることができる。
On the other hand, in the
参考として、各部材３，３１，５の線膨張率（線膨張係数）は次のように設定することができる。感温素子３の線膨張率は、酸化物半導体として８×１０-6（１／Ｋ）に設定される。一対のリード線３１の第１線部３１１の線膨張率は、白金又は白金−ロジウム１３％合金として９×１０-6（１／Ｋ）に設定される。コート材５の線膨張率は、セラミック材料として７×１０-6（１／Ｋ）に設定される。なお、これらの線膨張率の値は一例である。これらの線膨張率は、コート材５の線膨張率が、感温素子３の線膨張率及び一対のリード線３１の線膨張率よりも小さくなる範囲において、適宜設定することができる。なお、この線膨張率は、−４０〜１０５０℃における平均値として示す。
As a reference, the linear expansion coefficient (linear expansion coefficient) of each
（コート材５による圧縮応力のシミュレーション）
図４には、温度センサ１の先端部１０１の温度（℃）と、温度センサ１の先端部１０１に位置する、感温素子３、一対のリード線３１の先端部３１０及びコート材５に生じる伸びλ（−）との関係のシミュレーション結果を示す。温度センサ１の先端部１０１の温度は−４０℃〜１０５０℃に変化させた場合を示す。伸びλ（−）は、初期長さをＤ０、加熱・冷却後の長さをＤ１としたとき、λ＝（Ｄ１−Ｄ０）／Ｄ０×１００（％）によって表される値である。
(Simulation of compressive stress by coating material 5)
In FIG. 4, the temperature (° C.) of the
このシミュレーションは、図３に示すように、温度センサ１の先端部１０１において、板形状の感温素子３の主面３０２Ａに、半円状の断面形状の一対のリード線３１の平面３１６Ａが接触する場合について行った。また、コート材５は、常温（２５℃）において、感温素子３、一対のリード線３１の先端部３１０、絶縁支持材４の先端面４０１等に固着させることとした。
In this simulation, as shown in FIG. 3, at the
図４においては、感温素子３及び一対のリード線３１の線膨張率を８〜１０×１０-6（１／Ｋ）とし、この感温素子３及び一対のリード線３１が単独で存在する場合に生じる伸びλをラインＡ１によって示す。また、コート材５の線膨張率を２〜３×１０-6（１／Ｋ）とし、このコート材５に生じる伸びλをラインＡ２によって示す。コート材５は、他の部材によって外側から拘束されていないため、コート材５に生じる伸びλは、コート材５が単独で存在する場合と変わらないものとする。
In FIG. 4, the linear expansion coefficient of the
また、温度センサ１において、コート材５によって覆われた状態の感温素子３及び一対のリード線３１の見かけ上の線膨張率を４〜６×１０-6（１／Ｋ）とし、この状態の感温素子３及び一対のリード線３１に生じる見かけ上の伸びλをラインＡ３によって示す。この見かけ上の線膨張率及び伸びλは、温度センサ１の先端部１０１が加熱される際に、感温素子３及び一対のリード線３１がコート材５によって拘束されることにより、感温素子３及び一対のリード線３１が単独で存在する場合に比べて小さくなる。
Further, in the
そして、温度センサ１の先端部１０１の温度が常温（２５℃）〜１０５０℃の温度の範囲内の各温度にあるときに、見かけ上の伸びλからコート材５に生じる伸びλを差し引いた分が、コート材５から感温素子３及び一対のリード線３１に圧縮応力として作用すると考える。この圧縮応力の作用を、図４において網掛け部として示す。
And when the temperature of the
図４においては、コート材５が常温（２５℃）において、感温素子３、一対のリード線３１の先端部３１０、絶縁支持材４の先端面４０１等に固着したものであるため、常温よりも高い温度においては、常に、コート材５から感温素子３及び一対のリード線３１に圧縮応力が作用する状態を形成することができる。このシミュレーション結果からも分かるように、本形態の温度センサ１は、その先端部１０１が高温に加熱される際に、感温素子３に一対のリード線３１が強く当接され、感温素子３と一対のリード線３１との導通性をより効果的に確保することができる。
In FIG. 4, the
（感温素子３、リード線３１、コート材５等の配置関係）
図１に示すように、本形態の絶縁支持材４の先端面４０１は、金属管２の先端面２０１よりも基端側Ｌ２に位置している。なお、図５に示すように、金属管２の先端面２０１と絶縁支持材４の先端面４０１とは、軸方向Ｌにおけるほぼ同じ位置にあってもよい。また、同図に示すように、各リード線３１は、同一材料からなる連続した１本の金属線とすることもできる。
(Relationship of
As shown in FIG. 1, the
また、図６に示すように、感温素子３の一部は、金属管２の先端面２０１よりも基端側Ｌ２に位置していてもよい。この場合には、感温素子３の一部が金属管２の開口先端部２０の先端側Ｌ１に配置され、感温素子３の残部が開口先端部２０の基端側Ｌ２に配置される。
Further, as shown in FIG. 6, a part of the
また、図１及び図３に示すように、感温素子３は、絶縁支持材４の先端面４０１に接触して配置されている。感温素子３は、互いに平行な一対の主面３０２Ａを有する板形状、言い換えればチップ型に形成されている。主面３０２Ａとは、複数の面のうちの表面積が最も大きな面のことをいう。
Further, as shown in FIG. 1 and FIG. 3, the
本形態のリード線３１の先端部３１０としての第１線部３１１は、平面３１６Ａと曲面３１６Ｂとを有する形状、言い換えれば、略半円状の断面形状に形成されている。そして、リード線３１の平面３１６Ａが感温素子３の主面３０２Ａと対面している。なお、金属管２内の絶縁支持材４に支持された、リード線３１の第２線部３１２は、通常通り、丸線、言い換えれば、円状の断面形状に形成されている。
The
リード線３１の第１線部３１１は、図７に示すように、四角状の断面形状に形成されていてもよい。この場合には、感温素子３の主面３０２Ａには、第１線部３１１の側面３１７が接触する。また、一対のリード線３１同士の断面積及び断面形状は、必ずしも同じにする必要はない。また、一対のリード線３１の幅は、感温素子３の幅よりも小さくすることができ、感温素子３の幅と同じにすることもでき、感温素子３の幅よりも大きくすることもできる。「幅」とは、温度センサ１の軸方向Ｌと、感温素子３と一対のリード線３１とが対向する方向とに直交する方向の幅のことをいう。また、リード線３１の断面積は、感温素子３の断面積よりも小さくすることができ、感温素子３の断面積と同じにすることもでき、感温素子３の断面積よりも大きくすることもできる。
The
図１に示すように、一対のリード線３１は、金属管２内から金属管２の外部まで形成されている。リード線３１の第１線部３１１は、金属管２の先端面２０１から先端側Ｌ１に突出した位置に配置されている。この構成により、一対のリード線３１の第１線部３１１の間に、感温素子３を配置することが容易であり、温度センサ１の製造を容易にすることができる。
As shown in FIG. 1, the pair of
コート材５は、絶縁支持材４の先端面４０１と金属管２の先端面２０１とを連続して覆っている。これにより、コート材５は、絶縁支持材４の先端面４０１だけでなく、金属管２の先端面２０１にも固着させることができる。そのため、温度センサ１の先端部１０１におけるコート材５の固着状態をより強固にすることができる。
The
感温素子３の先端面３０１は、測定対象ガスＧの温度を測定する際に、測定対象ガスＧの温度の変化を最も早く検知する部分となる。そのため、感温素子３の先端面３０１におけるコート材５の厚みはできるだけ薄くすることが好ましい。感温素子３の先端面３０１におけるコート材５の厚みは、例えば、１０〜２００μｍに設定することができる。この場合には、感温素子３の温度を測定対象ガスＧの温度に迅速に追従させることができる。
When measuring the temperature of the gas G to be measured, the
図３に示すように、本形態の感温素子３と一対のリード線３１とは、接合されずに対面接触しているだけであるため、両者の接触状態を良好に維持する工夫が必要になる。感温素子３と一対のリード線３１とにおける、互いに対面する表面としての主面３０２Ａと平面３１６Ａとは、平坦面として形成されている。そして、主面３０２Ａと平面３１６Ａとは、全体がほぼ均一に接触している。
As shown in FIG. 3, since the temperature-
また、感温素子３と一対のリード線３１とにおける、互いに対面する表面である主面３０２Ａ及び平面３１６Ａの表面粗さ（面粗度）は、ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９７０（ＩＳＯ４６８−１９８２）に準拠するＲｍａｘとして、３μｍ以下である。本形態の主面３０２Ａ及び平面３１６Ａの表面粗さは１〜２μｍに設定されている。表面粗さを３μｍ以下とすることにより、感温素子３と一対のリード線３１との接触状態及び導通性を効果的に維持することができる。
In addition, the surface roughness (surface roughness) of the
（製造方法）
次に、本形態の温度センサ１の主要部を製造する方法について、図８のフローチャートを参照して説明する。
図９に示すように、金属管２、一対のリード線３１の第２線部３１２及び絶縁支持材４が設けられたシース成形体７１を準備する（図８のステップＳ１）。本製造方法におけるシース成形体７１の金属管２とは、金属管２の先端側管部２１のことを示す。シース成形体７１は、金属管２内に、一対のリード線３１の第２線部３１２が挿通されるとともに、金属管２内における隙間が絶縁支持材４によって充填されたものである。
(Production method)
Next, a method of manufacturing the main part of the
As shown in FIG. 9, a sheath molded
次いで、図１０に示すように、一対のリード線３１の第１線部３１１の間に感温素子３を挟み込む状態で、この第１線部３１１を、シース成形体７１における一対のリード線３１の第２線部３１２に、レーザ溶接によって接合する（ステップＳ２）。こうして、金属管２の開口先端部２０において、一対のリード線３１の第１線部３１１の間に感温素子３が配置された状態の、温度センサ１の中間体が形成される。
Next, as shown in FIG. 10, in a state where the
なお、一対のリード線３１の第１線部３１１を、シース成形体７１における一対のリード線３１の第２線部３１２に接合した後、この第１線部３１１の間に感温素子３を差し込んで配置してもよい。
In addition, after the
次いで、図１１に示すように、温度センサ１の中間体の先端部１０１を、コート材５を構成するセラミック材料のスラリー５０中に浸漬させる（ステップＳ３）。このとき、金属管２の先端面２０１がスラリー５０に接触するように、感温素子３及び一対のリード線３１の先端部３１０をスラリー５０中に浸漬させる。
Next, as shown in FIG. 11, the
次いで、温度センサ１の中間体の先端部１０１をスラリー５０中から取り出したときには、感温素子３、一対のリード線３１の先端部３１０、絶縁支持材４の先端面４０１及び金属管２の先端面２０１にスラリー５０が付着する。そして、これらがスラリー５０によって覆われる。
Next, when the
次いで、常温（２５℃）において、温度センサ１の中間体の先端部１０１に付着したスラリー５０を乾燥させ、スラリー５０中の溶媒を揮発させる（ステップＳ４）。そして、スラリー５０中のセラミック粒子及び無機バインダーが、コート材５として、感温素子３、一対のリード線３１の先端部３１０、絶縁支持材４の先端面４０１及び金属管２の先端面２０１に固着される。
Next, the
こうして、感温素子３及び一対のリード線３１がコート材５によって覆われた温度センサ１の組付体が形成される。その後、温度センサ１の組付体を加熱し、絶縁支持材４を構成するセラミックス材料、コート材５を構成するセラミックス材料を焼結させて、温度センサ１の主要部を製造することができる。
Thus, the assembly of the
なお、コート材５が設けられる前の温度センサ１の中間体を加熱して、絶縁支持材４を焼結した後に、この中間体にコート材５を設けることもできる。
In addition, after heating the intermediate body of the
（作用効果）
本形態の温度センサ１においては、金属管２の先端が開口先端部２０として開口しており、開口先端部２０に配置された感温素子３は、最外周部を形成するコート材５によって覆われている。そして、金属管２の開口先端部２０には、感温素子３を覆うための金属カバー（曲面状の先端部）が設けられていない。この構成により、温度センサ１の先端部１０１と測定環境下の測定対象ガスＧとの間における、熱放射、熱伝達（熱対流）等の伝熱が生じやすくすることができる。そのため、感温素子３の温度が、測定対象ガスＧの温度になるまでの時間を短縮することができ、温度センサ１の応答性を向上させることができる。
(Action effect)
In the
また、金属管２の開口先端部２０には、感温素子３、一対のリード線３１の先端部３１０、絶縁支持材４の先端面４０１及び金属管２の先端面２０１を覆う状態で、最外周部としてのコート材５が配置されている。このコート材５は、感温素子３の線膨張率及び一対のリード線３１の線膨張率に比べて線膨張率が小さいセラミック材料からなる。
Further, the
この構成により、温度センサ１の先端部１０１が測定対象ガスＧによって加熱されるときには、コート材５に比べて感温素子３及び一対のリード線３１が大きく膨張しようとする。そのため、コート材５が、感温素子３及び一対のリード線３１の膨張を拘束し、コート材５から一対のリード線３１に、一対のリード線３１が感温素子３に密着する方向への圧縮応力を与えることができる。そして、感温素子３と一対のリード線３１との導通性を高く維持することができる。
With this configuration, when the
また、コート材５は、測定対象ガスＧを透過しないセラミック材料からなる。この構成により、測定対象ガスＧが感温素子３に接触することを防止することができ、測定対象ガスＧから感温素子３を保護することができる。
Moreover, the
また、コート材５から感温素子３及び一対のリード線３１に圧縮応力が作用することにより、感温素子３及び一対のリード線３１とコート材５との境界には、微小な隙間が形成されにくくなる。そのため、測定対象ガスＧが感温素子３に接触することをより効果的に防止することができる。特に、感温素子３が、酸素を含有する酸化物半導体から構成されている場合には、測定対象ガスＧに含まれる水素が還元ガスとなって、感温素子３の酸化物半導体中の酸素を奪い、感温素子３を劣化させることを防止することができる。
Further, compressive stress acts on the
また、コート材５がセラミック材料からなることにより、その耐熱性を確保することができる。そのため、温度センサ１の熱及び測定対象ガスＧに対する耐久性（信頼性）を高く維持することができる。
In addition, when the
それ故、本形態の温度センサ１によれば、その応答性を向上させることができるとともに、その耐久性（信頼性）を高く維持することができる。
So, according to the
＜確認試験＞
本確認試験においては、金属管２の開口先端部２０に金属カバーを有しない実施形態の温度センサ１（試験品）の応答性と、金属管２の開口先端部２０に金属カバーを有する従来の温度センサ（比較品）の応答性とを確認し、比較した。この確認試験においては、試験品及び比較品について、測定対象ガスＧの温度を常温（２５℃）から１０５０℃に変化させたときに、この測定対象ガスＧの温度の変化を測定するために要する時間としての６３％応答時間を測定した。６３％応答時間は、センサ出力が、初期出力である２５℃から最終出力である１０５０℃までの温度変化量のうちの６３％変化するまでの時間とした。
<Confirmation test>
In the present confirmation test, the responsiveness of the temperature sensor 1 (test article) of the embodiment having no metal cover at the
本確認試験を行った結果を図１２に示す。試験品の６３％応答時間は約１秒となり、比較品の６３％応答時間は約１０秒となった。この結果より、金属カバーを有しない実施形態の温度センサ１の応答性は、金属カバーを有する従来の温度センサの応答性に比べて優れることが分かった。
The results of the main confirmation test are shown in FIG. The 63% response time of the test product was about 1 second, and the 63% response time of the comparison product was about 10 seconds. From these results, it was found that the responsiveness of the
本発明は、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。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。 The present invention is not limited to the embodiments, and it is possible to configure further different embodiments without departing from the scope of the invention. Further, the present invention includes various modifications, modifications within the equivalent range, and the like.
１ 温度センサ
２ 金属管
２０ 開口先端部
３ 感温素子
３１ リード線
４ 絶縁支持材
５ コート材
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記開口先端部に配置され、測定環境下の測定対象ガス（Ｇ）の温度を測定するための感温素子（３）と、
前記金属管内に配置され、前記感温素子の表面に接触する一対のリード線（３１）と、
前記金属管内に配置され、前記金属管と一対の前記リード線とを絶縁するとともに、一対の前記リード線を前記金属管に支持するためのセラミック材料からなる絶縁支持材（４）と、
前記開口先端部に、前記感温素子、一対の前記リード線の先端部（３１０）及び前記絶縁支持材の先端面（４０１）を覆う状態で最外周部として配置され、前記感温素子の線膨張率及び一対の前記リード線の線膨張率に比べて線膨張率が小さく、かつ前記測定対象ガスを透過しないセラミック材料からなるコート材（５）と、を備える温度センサ（１）。 A metal tube (2) whose tip is open as an open tip (20);
A temperature sensitive element (3) disposed at the open end and for measuring the temperature of the gas to be measured (G) under the measurement environment;
A pair of lead wires (31) disposed in the metal tube and in contact with the surface of the temperature sensing element;
An insulating support (4), disposed in the metal tube, for insulating the metal tube from the pair of lead wires and for supporting the pair of lead wires on the metal tube;
It is arranged as the outermost periphery in a state of covering the temperature sensing element, the tip portions (310) of the pair of the lead wires, and the tip surface (401) of the insulating support material at the opening tip portion. And a coating material (5) made of a ceramic material which has a smaller coefficient of linear expansion than the coefficient of expansion and the coefficient of linear expansion of the pair of lead wires and does not transmit the gas to be measured.
前記コート材によって、前記感温素子に一対の前記リード線が接触する状態が維持されている、請求項１に記載の温度センサ。 The temperature sensitive element and the pair of lead wires are in face-to-face contact without any other material,
The temperature sensor according to claim 1, wherein a state in which a pair of the lead wires is in contact with the temperature sensitive element is maintained by the coating material.
前記温度センサの先端部が前記測定対象ガスによって加熱された状態においては、前記コート材から前記感温素子及び一対の前記リード線に圧縮応力が作用するよう構成されている、請求項１又は２に記載の温度センサ。 The coating material can be fixedly treated at normal temperature,
In the state where the tip portion of the temperature sensor is heated by the gas to be measured, a compressive stress is applied to the temperature sensing element and the pair of lead wires from the coating material. The temperature sensor described in.
前記コート材は、セラミック粒子と無機バインダーとが焼結されたものである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の温度センサ。 The insulating support is obtained by sintering ceramic particles,
The temperature sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the coating material is obtained by sintering ceramic particles and an inorganic binder.
前記コート材は、前記金属管の先端面も覆っている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の温度センサ。 The pair of lead wires are formed from the metal tube to the outside of the metal tube,
The temperature sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein the coating material also covers an end surface of the metal pipe.
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