JP2019132724A - 温度センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】ガラス封止材による外管内の封止状態がクラックによって阻害されることを抑制することができる温度センサを提供する。【解決手段】温度センサ1は、一対の熱電対素線2、一対の熱電対素線2の先端同士が接合された測温接点3、測温接点3を先端部401内に収容する外管4、一対の熱電対素線2と外管4とを絶縁する絶縁材5、及び外管4の基端部402内に充填されたガラス封止材6を備える。ガラス封止材6の内部には、複数の独立した気泡61が含まれている。【選択図】図1
Description
本発明は、測定環境下の測定対象ガスの温度を測定する温度センサに関する。
一対の熱電対素線を有する温度センサは、例えば、車両の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。一対の熱電対素線は、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム等の絶縁材によって、絶縁された状態で外管内に固定されている。また、外管の先端部は金属材料によって閉塞されており、外管の基端部はガラス、樹脂等の封止材によって閉塞されている。そして、外管内を外部から遮断することにより、一対の熱電対素線の酸化を抑制するとともに、絶縁材の吸湿を抑制している。
例えば、特許文献1の温度センサにおいては、ガラス封止材の代わりに、絶縁材としての絶縁粉末の空隙に樹脂接着剤が含侵された封孔シール含侵層を用いて、外管(金属シース)内を封止することが行われている。
ガラス封止材を用いて外管内を封止する場合には、外管内と一対の熱電対素線との隙間の全体がガラス封止材によって埋められる。このとき、ガラス封止材は、加熱されて溶融した後、冷却されて固化する。また、温度センサの使用時において、温度センサの測温先端部は、測定対象ガスによって加熱された後に冷却され、温度センサの測温先端部の加熱及び冷却が繰り返される。
温度センサの測温先端部が加熱又は冷却されるときには、金属材料から構成される外管及び一対の熱電対素線と、ガラス材料から構成されるガラス封止材との線膨張係数が異なることにより、ガラス封止材には熱ストレス(熱応力)が生じる。具体的には、温度センサの測温先端部が加熱されるときには、外管及び一対の熱電対素線がガラス封止材よりも大きく膨張する。一方、温度センサの測温先端部が冷却されるときには、外管及び一対の熱電対素線がガラス封止材よりも大きく収縮する。
これにより、特に、熱電対素線からガラス封止材に作用する熱ストレスによって、ガラス封止材に微細なクラック(亀裂)が生じるおそれがある。また、温度センサの製造時において、ガラス封止後の工程において、熱電対素線の基端部を加工する際のストレス(応力)によって、ガラス封止材にクラックが生じるおそれもある。これらのクラックは、微細な状態に留まっているときには、特に問題は生じない。しかし、微細なクラックが、ガラス封止材を貫通するように伸展すると、ガラス封止材による外管内の封止状態を保てなくなるおそれがある。
特許文献1の温度センサにおいては、外管及び一対の熱電対素線と、封孔シール含侵層との線膨張係数が異なることにより、封孔シール含侵層にクラックが生じるおそれがある。そのため、封孔シール含侵層に生じたクラックが封孔シール含侵層を貫通するように伸展したときには、封孔シール含侵層によって外管内の封止状態が保てなくなるおそれがある。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、ガラス封止材による外管内の封止状態がクラックによって阻害されることを抑制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、互いに異なる金属材料から構成された一対の熱電対素線(2)と、
一対の前記熱電対素線の先端同士が合わさった測温接点(3)と、
金属材料から構成され、前記測温接点を先端部(401)内又は前記先端部に装着された先端カバー(42)内に収容するとともに、一対の前記熱電対素線を基端部(402)から突出させる外管(4)と、
絶縁材料から構成され、前記外管内に配置されるとともに、一対の前記熱電対素線と前記外管とを絶縁して、一対の前記熱電対素線を前記外管に固定する絶縁材(5)と、
ガラス材料から構成され、前記外管の前記基端部内及び前記外管の前記基端部に装着されたホルダ(43)内の少なくとも一方に充填されるとともに、前記外管内を封止するガラス封止材(6)と、を備え、
前記ガラス封止材の内部には、複数の独立した気泡(61)が含まれる、温度センサ(1)にある。
一対の前記熱電対素線の先端同士が合わさった測温接点(3)と、
金属材料から構成され、前記測温接点を先端部(401)内又は前記先端部に装着された先端カバー(42)内に収容するとともに、一対の前記熱電対素線を基端部(402)から突出させる外管(4)と、
絶縁材料から構成され、前記外管内に配置されるとともに、一対の前記熱電対素線と前記外管とを絶縁して、一対の前記熱電対素線を前記外管に固定する絶縁材(5)と、
ガラス材料から構成され、前記外管の前記基端部内及び前記外管の前記基端部に装着されたホルダ(43)内の少なくとも一方に充填されるとともに、前記外管内を封止するガラス封止材(6)と、を備え、
前記ガラス封止材の内部には、複数の独立した気泡(61)が含まれる、温度センサ(1)にある。
前記一態様の温度センサのガラス封止材の内部には、複数の独立した気泡が含まれている。この複数の独立した気泡により、ガラス封止材をクラックから保護することができる。より具体的には、温度センサが使用時において加熱又は冷却される際に、ガラス封止材に、熱ストレスによってクラックが生じたときでも、このクラックがガラス封止材を貫通するように伸展することを抑制することができる。
つまり、ガラス封止材にクラックが生じ、このクラックがガラス封止材中を伸展しようとした場合に、このクラックが複数の気泡のいずれかに到達することがある。このとき、複数の気泡がガラス封止材中に独立して存在していることにより、クラックの伸展が気泡によって妨げられることになる。これにより、ガラス封止材にクラックが生じたとしても、このクラックが、ガラス封止材を貫通するまで伸展することを抑制することができる。
それ故、前記一態様の温度センサによれば、ガラス封止材による外管内の封止状態がクラックによって阻害されることを抑制することができる。
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。
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及び図2に示すように、一対の熱電対素線2、測温接点3、外管4、先端カバー42、絶縁材5及びガラス封止材6を備える。一対の熱電対素線2のそれぞれは、互いに異なる金属材料から構成されている。測温接点3は、一対の熱電対素線2の先端同士が接合されたものである。外管4は、金属材料から構成されており、測温接点3を先端部401に装着された先端カバー42内に収容するとともに、一対の熱電対素線2を基端部402から突出させている。先端カバー42は、外管4の先端外周部に装着されており、外管4の先端側X1を閉塞している。
<実施形態>
本形態の温度センサ1は、図1及び図2に示すように、一対の熱電対素線2、測温接点3、外管4、先端カバー42、絶縁材5及びガラス封止材6を備える。一対の熱電対素線2のそれぞれは、互いに異なる金属材料から構成されている。測温接点3は、一対の熱電対素線2の先端同士が接合されたものである。外管4は、金属材料から構成されており、測温接点3を先端部401に装着された先端カバー42内に収容するとともに、一対の熱電対素線2を基端部402から突出させている。先端カバー42は、外管4の先端外周部に装着されており、外管4の先端側X1を閉塞している。
絶縁材5は、絶縁材料から構成されており、外管4内に配置されるとともに、一対の熱電対素線2と外管4とを絶縁して、一対の熱電対素線2を外管4に固定している。ガラス封止材6は、ガラス材料から構成されており、外管4の基端部402内に充填されるとともに、外管4内を封止している。図3に示すように、ガラス封止材6の内部には、複数の独立した気泡61が含まれている。なお、図3における気泡61は、分かりやすくするために模式的に示すものであり、実際の気泡61の大きさを示すものではない。
図1及び図2に示すように、本形態の温度センサ1において、先端側X1とは、外管4の中心軸線に沿った軸方向Xにおいて、外管4に対して測温接点3が設けられた側のことをいう。基端側X2とは、軸方向Xにおける先端側X1とは反対側のことをいう。
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)
図2に示すように、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15に配置され、排気管15内を流れる、測定環境下の測定対象ガスGとしての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、制御装置(電子制御ユニット)8によって内燃機関の燃焼制御を行う際に利用される。また、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。また、温度センサ1は、例えば、排気管内の排ガスを吸気管へ再循環させる排気再循環経路の吸気管に配置することもできる。
(温度センサ1)
図2に示すように、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15に配置され、排気管15内を流れる、測定環境下の測定対象ガスGとしての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、制御装置(電子制御ユニット)8によって内燃機関の燃焼制御を行う際に利用される。また、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。また、温度センサ1は、例えば、排気管内の排ガスを吸気管へ再循環させる排気再循環経路の吸気管に配置することもできる。
図12に示すように、本形態の一対の熱電対素線2、外管4及び絶縁材5は、シースピン12として一体的に成形されたものを利用したものである。図1に示すように、温度センサ1の主要部は、一対の熱電対素線2、測温接点3、外管4、絶縁材5及びガラス封止材6によってシース熱電対11として形成される。
図2に示すように、温度センサ1は、シース熱電対11を内周側に保持する第1ハウジング71及び第2ハウジング72と、第2ハウジング72に取り付けられた基端側カバー73と、基端側カバー73内に保持されたブッシュ74とを更に備える。第1ハウジング71は、外管4の外周に装着されており、第2ハウジング72は、第1ハウジング71の外周に装着されている。第2ハウジング72は、排気管15に設けられた取付孔に取り付けられる。また、ブッシュ74は、一対の熱電対素線2に接続された端子金具75を保持する。
(外管4)
外管4は、シース管又は金属シースとも呼ばれ、ステンレス(SUS、NCA)、超耐熱合金(NCF)等の金属材料によって構成されている。図12に示すように、外管4は、円筒形状を有するシースピン12の外管を利用したものである。外管4の先端部401は、金属材料によって閉塞されている。本形態の外管4の先端部401は、図1に示すように、円筒部41の先端部401の外周に装着された先端カバー42によって閉塞されている。外管4の先端部401は、図5に示すように、円筒部41の先端部401から連続して設けられた蓋部42Aによって閉塞されていてもよい。蓋部42Aは、外管4の円筒部41の先端に溶接された金属片によって構成することができる。
外管4は、シース管又は金属シースとも呼ばれ、ステンレス(SUS、NCA)、超耐熱合金(NCF)等の金属材料によって構成されている。図12に示すように、外管4は、円筒形状を有するシースピン12の外管を利用したものである。外管4の先端部401は、金属材料によって閉塞されている。本形態の外管4の先端部401は、図1に示すように、円筒部41の先端部401の外周に装着された先端カバー42によって閉塞されている。外管4の先端部401は、図5に示すように、円筒部41の先端部401から連続して設けられた蓋部42Aによって閉塞されていてもよい。蓋部42Aは、外管4の円筒部41の先端に溶接された金属片によって構成することができる。
本形態の外管4の内径は、φ1.0〜10.0mmの範囲内にある。この場合には、外管4の内径が適切であり、ガラス封止材6の内部に、複数の独立した気泡61を形成することが容易になる。外管4の内径がφ1.0mmよりも小さくなると、外管4の基端部402からガラス封止材6へのコンプレッション効果が得られにくくなるおそれがある。コンプレッション効果とは、加熱された外管4及びガラス封止材6が冷却されるときに、ガラス転移点を応力がゼロである点として、外管4の線膨張係数がガラス封止材6の線膨張係数よりも大きいことによって、ガラス転移点以下の温度環境において外管4からガラス封止材6へ圧縮応力を作用させ、ガラス封止材6による封止性能(シール性能)が高まる効果のことをいう。外管4の内径がφ10.0mmよりも大きい場合には、シース熱電対11が大型化し、温度センサ1の応答性、搭載性等に悪影響を及ぼすおそれがある。
また、外管4の内径がφ1.0mmよりも小さくなると、外管4の強度が低くなって、例えば温度センサ1が搭載された車両による振動によって温度センサ1に変形が生じたり、また、熱電対素線2間の絶縁距離が小さくなって、絶縁低下するおそれがある。ただし、これらの問題を改善できれば、外管4の内径は、φ0.8mm程度に細くすることも可能であると考える。
図6に示すように、外管4の基端部402には、ガラス封止材6用のタブレット60を配置するためのホルダ43を装着することができる。ホルダ43は、漏斗形状を有し、外管4の外径よりも大きな内径の上方開口部431を有している。ホルダ43は、タブレット60が溶融したガラス材料を、外管4の基端部402内へ充填するために用いられる。ホルダ43は、外管4の基端部402の外周に圧入させることができ、外管4の基端部402の外周にかしめ固定又は溶接することもできる。
ホルダ43内に配置するタブレット60のサイズは、外管4の基端部402内に配置する場合よりも大きくすることができる。そして、ホルダ43内に配置されたタブレット60がガラス材料として溶融したときには、このガラス材料は、ホルダ43内から外管4の基端部402内へ流れ込むことができる。これにより、多くのガラス材料を溶融させることができ、外管4の基端部402内へ十分なガラス材料を供給することができる。そのため、ガラス封止材6によって外管4内を、より効果的に封止することができる。
また、図7に示すように、ホルダ43を用いる場合には、ガラス封止材6はホルダ43内に充填して、外管4の基端部402を封止することもできる。この場合、ホルダ43の内径は外管4の内径より大きく設定することができる。そして、ホルダ43内にガラス封止材6を充填することによって、より高いコンプレッション効果を得ることが可能となり、外管4内の高気密性を確保することができる。また、この場合には、シースピン12の基端部(シース管4の基端部402)から絶縁材5を掻き出す手間を省くことも可能である。ガラス封止材6はホルダ43の最大径部まで充填することがより好ましい。この場合、さらに高いコンプレッション効果を得ることが可能となり、外管4の高気密性をより効果的に確保することができる。
(一対の熱電対素線2)
一対の測温接点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。本形態の一対の熱電対素線2は、Nタイプの熱電対(シース熱電対11)を構成するものである。本形態の温度センサ1は、1000℃以上の高温の測定対象ガスGの温度を測定可能である。熱電対素線2の+脚は、Ni(ニッケル)、Cr(クロム)、Si(シリコン)を主成分とする合金であるナイクロシルからなる。熱電対素線2の−脚は、Ni(ニッケル)、Si(シリコン)を主成分とする合金であるナイシルからなる。
一対の測温接点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。本形態の一対の熱電対素線2は、Nタイプの熱電対(シース熱電対11)を構成するものである。本形態の温度センサ1は、1000℃以上の高温の測定対象ガスGの温度を測定可能である。熱電対素線2の+脚は、Ni(ニッケル)、Cr(クロム)、Si(シリコン)を主成分とする合金であるナイクロシルからなる。熱電対素線2の−脚は、Ni(ニッケル)、Si(シリコン)を主成分とする合金であるナイシルからなる。
なお、一対の熱電対素線2は、Nタイプ以外にも、種々のタイプの熱電対を構成するものとしてもよい。例えば、一対の熱電対素線2は、+脚がNi及びCrを主成分とするクロメルからなり、−脚がNi、Al、Siを主成分とするアルメルからなるKタイプの熱電対を構成するものとしてもよい。
図2に示すように、一対の熱電対素線2は、外管4内において互いに平行な状態で挿通されている。一対の熱電対素線2は、外管4から基端側X2に引き出されており、温度センサ1に設けられた端子金具75及びリード線76を介して、外部の制御装置8に接続される。制御装置8は、エンジン制御ユニット(ECU)に接続されたセンサ制御ユニット(SCU)とすることができる。また、制御装置8は、エンジン制御ユニットに構築することもできる。
(測温接点3)
図2に示すように、測温接点3は、熱接点とも呼ばれ、一対の熱電対素線2の+脚を構成する金属材料と、−脚を構成する金属材料とが融合して玉状に形成されたものである。測温接点3及び測温接点3の周辺に位置する先端カバー42等によって、温度センサ1の測温先端部10が形成される。温度センサ1の一対の熱電対素線2が端子金具75、リード線76等を介して制御装置8内のアンプに接続されることにより、温度を測定するための回路が形成される。一対の熱電対素線2における、測温接点3とは反対側に位置する基準接点は、制御装置8内に形成されている。測温接点3と基準接点との温度差が、一対の熱電対素線2に起電力を生じさせる。
図2に示すように、測温接点3は、熱接点とも呼ばれ、一対の熱電対素線2の+脚を構成する金属材料と、−脚を構成する金属材料とが融合して玉状に形成されたものである。測温接点3及び測温接点3の周辺に位置する先端カバー42等によって、温度センサ1の測温先端部10が形成される。温度センサ1の一対の熱電対素線2が端子金具75、リード線76等を介して制御装置8内のアンプに接続されることにより、温度を測定するための回路が形成される。一対の熱電対素線2における、測温接点3とは反対側に位置する基準接点は、制御装置8内に形成されている。測温接点3と基準接点との温度差が、一対の熱電対素線2に起電力を生じさせる。
図1に示すように、本形態の測温接点3は、外管4の先端部401に装着された先端カバー42内の気相K中に配置されている。図8に示すように、測温接点3は、先端カバー42内に配置されたフィラー51によって先端カバー42に固定されていてもよい。フィラー51は、絶縁性の金属酸化物によって構成される。一対の熱電対素線2の先端部201及び測温接点3は、外管4の円筒部41の先端開口部411から先端側X1に突出した位置に配置されている。
(絶縁材5)
図1に示すように、絶縁材5は、酸化マグネシウム(MgO)、酸化アルミニウム(Al2O3)等の金属酸化物の粉末によって構成されている。外管4の内周と一対の熱電対素線2の外周との隙間には、絶縁材5の粉末が充填されている。絶縁材5の粉末同士の間には、空隙が形成されている。絶縁材5の粉末は、シースピン12の直径を小さくする成形が行われる際に圧縮されている。そして、絶縁材5の粉末によって、一対の熱電対素線2が外管4内に保持されている。
図1に示すように、絶縁材5は、酸化マグネシウム(MgO)、酸化アルミニウム(Al2O3)等の金属酸化物の粉末によって構成されている。外管4の内周と一対の熱電対素線2の外周との隙間には、絶縁材5の粉末が充填されている。絶縁材5の粉末同士の間には、空隙が形成されている。絶縁材5の粉末は、シースピン12の直径を小さくする成形が行われる際に圧縮されている。そして、絶縁材5の粉末によって、一対の熱電対素線2が外管4内に保持されている。
外管4内の絶縁材5の充填率は、60体積%以上である。絶縁材5の充填率とは、外管4内に絶縁材5が充填された領域全体において、一対の熱電対素線2を除く外管4内の隙間を100体積%としたとき、この隙間において絶縁材5の粉末が占める体積の割合のことをいう。
絶縁材5の充填率が60体積%未満である場合には、温度センサ1の製造時において、絶縁材5の粉末同士の空隙に、溶融したガラス封止材6が浸透するおそれがある。この場合には、ガラス封止材6による封止性能が悪化するおそれがある。また、この場合には、後述するように、温度センサ1の製造工程を変更し、外管4にガラス封止材6を充填した後に、外管4内に絶縁材5を充填する等の工夫が必要になる。一方、絶縁材5の充填率は、高くするほど、一対の熱電対素線2と外管4との絶縁性能、及び外管4への一対の熱電対素線2の保持性能を高めることが可能になる。ただし、絶縁材5の充填率は、製造上の制約によって、所定値以上に高くすることは難しい。絶縁材5の充填率は、90体積%以下とすることができる。
(ガラス封止材6)
ガラス封止材6は、Bi(ビスマス)を含有するBi系ガラス、又はPb(鉛)を含有するPb系ガラスによって構成されている。Bi系ガラスは、Bi2O3(酸化ビスマス)を主成分とし、他の酸化物等を含有するものである。他の酸化物には、B2O3、SrO、ZnO、BaO等がある。Pb系ガラスは、PbO(酸化鉛)を主成分とし、他の酸化物等を含有するものである。他の酸化物には、B2O3、SrO、ZnO、SiO2等がある。
ガラス封止材6は、Bi(ビスマス)を含有するBi系ガラス、又はPb(鉛)を含有するPb系ガラスによって構成されている。Bi系ガラスは、Bi2O3(酸化ビスマス)を主成分とし、他の酸化物等を含有するものである。他の酸化物には、B2O3、SrO、ZnO、BaO等がある。Pb系ガラスは、PbO(酸化鉛)を主成分とし、他の酸化物等を含有するものである。他の酸化物には、B2O3、SrO、ZnO、SiO2等がある。
Bi系ガラスにおけるBiの含有量は、40〜80質量%とすることができる。Biの含有量が40質量%未満になると、後述するタブレット60等のガラス材料を溶融させるときの溶融温度が高くなり、熱電対素線2を酸化劣化させるおそれがある。一方、Biの含有量が80質量%超過になると、ガラス材料の溶融温度が低くなり、温度センサ1の使用温度において、ガラス封止材6が溶融するおそれがある。
Pb系ガラスにおけるPbの含有量は、50〜80質量%とすることができる。Pbの含有量が50質量%未満になると、後述するタブレット60等のガラス材料を溶融させるときの溶融温度が高くなり、熱電対素線2を酸化劣化させるおそれがある。一方、Pbの含有量が80質量%超過になると、ガラス材料の溶融温度が低くなり、温度センサ1の使用温度において、ガラス封止材6が溶融するおそれがある。
図9には、ガラス封止材6用のタブレット60におけるBi2O3又はPbOの含有比率(質量%)と、タブレット60を構成するガラス材料の軟化点(℃)との関係を示す。Bi2O3又はPbOの含有比率が高くなるほど、ガラス材料の軟化点が低くなることが分かる。また、Bi系ガラス又はPb系ガラスを用いる際には、タブレット60を例えば、400〜700℃に加熱することにより、このタブレット60を溶融させることができる。
ガラス封止材6は、固形状に形成されたガラスのタブレット60を用い、このタブレット60を溶融させた後に固化させて形成されたものである。図10に示すように、タブレット60は、外管4の基端部402の内周又はホルダ43の内周に挿入できる大きさを有する。また、タブレット60は、一対の熱電対素線2を挿通させることができる2つの挿通穴601を有する。
タブレット60は、複数(多数)の気孔62を有するものを用いる。本形態のタブレット60は、複数(多数)のガラス粒子が圧縮(プレス)成形されたものである。複数のガラス粒子が圧縮成形されたときには、ガラス粒子同士の間の空隙の存在によって、ガラス粒子が圧縮成形されたタブレット60中には、複数の気孔62が形成される。この気孔62は、種々の形状を有しており、大きさも様々である。図16には、タブレット60に形成された気孔62を模式的に示す。
図3に示すように、ガラス封止材6は、複数の気孔62を有するタブレット60を溶融させた後、溶融したタブレット60中に複数(多数)の気泡61を意図的に残留させて形成されたものである。また、図4には、シース熱電対11におけるガラス封止材6の周辺を、軸方向Xに直交する断面で示す。ガラス封止材6における複数の独立した気泡61は、略球形状、扁平した球形状、潰れた球形状、長球形状、楕円体等の種々の形状を有していてもよい。ただし、表面張力によって、気泡61のほとんどは球形状になる。独立した気泡61とは、ガラス封止材6の内部に、単独で存在する気泡61のことをいう。この気泡61は閉気孔とも呼ばれる。
ガラス封止材6の端部には、気泡61の一部による窪みが形成されていてもよい。また、ガラス封止材6における複数の独立した気泡61の一部は、複数の気泡61が繋がって形成されたものであってもよい。ただし、ガラス封止材6における気泡61は、ガラス封止材6の端部から端部へは貫通していない。
ガラス封止材6における複数の気泡61の少なくとも一部は、1〜100μmの大きさを有する。ガラス封止材6における複数の気泡61の大きさ、形状等は、様々である。「気泡61の大きさ」とは、気泡61の最大径とすることができる。気泡61の最大径は、気泡61内を通る最長の直線の長さとすることができる。本形態の複数の気泡61のほとんどは、1〜100μmの大きさの範囲内にある。ガラス封止材6に含まれる気泡61の全体の数において、1〜100μmの大きさを有する気泡61の数が最も多いことが好ましい。
ガラス封止材6に含まれる気泡61の中には、1μmよりも小さな気泡61、及び100μmよりも大きな気泡61が含まれていてもよい。ただし、1μmよりも小さな気泡61は、ガラス封止材6に生じたクラックの伸展を妨げることが難しくなる。100μmよりも大きな気泡61は、ガラス封止材6の強度を低下させるおそれがあり、また、ガラス封止材6による封止性能を悪化させるおそれがある。この封止性能の観点より、気泡61の大きさの上限は50μm以下であることがより好ましい。
複数の気泡61は、ガラス封止材6の全体に分散している。複数の気泡61の分散状態は、気泡61がガラス封止材6のおおよそ全体に存在していればよく、必ずしもガラス封止材6の全体に均一に分散していなくてもよい。複数の気泡61は、ガラス封止材6用のタブレット60が溶融されたときに、溶融されたタブレット60の上方へ脱泡(脱気)されずに、溶融したタブレット60中に残留した気泡61によって形成されている。複数の気泡61は、タブレット60に含まれていた気孔62、又は絶縁材5の粉末の間に含まれていた空隙が、ガラス封止材6中に残留したものである。
ガラス封止材6における複数の気泡61が占める割合である気泡率は、5〜30体積%である。「気泡率」とは、ガラス封止材6の外形全体の体積における、複数の気泡61の合計体積が占める割合のことをいう。気泡率が5体積%未満である場合には、ガラス封止材6における気泡61の数が少なく、複数の気泡61によって、ガラス封止材6に生じたクラックの伸展を妨げる効果が薄れるおそれがある。気泡率が30体積%超過である場合には、ガラス封止材6における気泡61の数が多く、ガラス封止材6の強度を低下させるおそれがあり、また、ガラス封止材6による封止性能を悪化させるおそれがある。
ガラス封止材6における気泡61の大きさ及び気泡率は、ガラス封止材6の適宜箇所を切断し、この切断面をSEM(走査電子顕微鏡)に観察することによって知ることができる。気泡61の大きさは、その特定を容易にするために、ガラス封止材6の切断面に現れた気泡61の断面における最大径(気泡61の断面を通る最長の直線の長さ)によって近似することもできる。SEMによるガラス封止材6の切断面の観察は、複数の切断面について行い、気泡61の大きさは、複数の切断面において観察された気泡61の大きさに基づいて判断することができる。
気泡率は、ガラス封止材6の切断面の全面積において、複数の気泡61の合計面積が占める割合として求めることができる。また、この面積の割合は、複数の切断面について求めた値の平均とすることができる。
ガラス封止材6に含まれる気泡61の大きさは、ガラス封止材6用のタブレット60の気孔率を調整することによって調整することができる。タブレット60の気孔率は、タブレット60の全体積における、複数の気孔62の合計体積の割合として表される。タブレット60の気孔率を大きくするほど、ガラス封止材6中に形成される複数の気泡61における最大気泡の大きさを大きくすることができる。
図11には、タブレット60の気孔率(体積%)と、ガラス封止材6中の最大気泡の大きさ(μm)との関係を示す。タブレット60の気孔率を低くすれば、ガラス封止材6中に形成される複数の気泡61のサイズを小さくすることができる。ただし、タブレット60の気孔率を10体積%未満にすると、目標とする1〜100μmの大きさの気泡61を得ることが難しくなる。一方、タブレット60の気孔率を50体積%超過にすると、ガラス封止材6中に100μmを超える大きさの気泡61が形成されやすくなる。従って、タブレット60の気孔率は、10〜50体積%の範囲内に設定することができる。
(線膨張係数)
外管4を構成する金属材料の線膨張係数及び一対の熱電対素線2を構成する金属材料の線膨張係数は、常温(25℃)から300℃程度において10〜15×10-6(1/K)程度である。ガラス封止材6を構成するガラス材料の線膨張係数は、常温(25℃)から300℃程度において6〜9×10-6(1/K)程度である。そして、温度センサ1が加熱及び冷却されるときには、外管4及び一対の熱電対素線2は、ガラス封止材6に比べて大きく膨張及び収縮をする。
外管4を構成する金属材料の線膨張係数及び一対の熱電対素線2を構成する金属材料の線膨張係数は、常温(25℃)から300℃程度において10〜15×10-6(1/K)程度である。ガラス封止材6を構成するガラス材料の線膨張係数は、常温(25℃)から300℃程度において6〜9×10-6(1/K)程度である。そして、温度センサ1が加熱及び冷却されるときには、外管4及び一対の熱電対素線2は、ガラス封止材6に比べて大きく膨張及び収縮をする。
(製造方法)
次に、本形態の温度センサ1の主要部としてのシース熱電対11を製造する方法について、図12のフローチャートを参照して説明する。
まず、外管4内に一対の熱電対素線2が絶縁材5によって保持されたシースピン12を準備する(図12のステップS1)。図13に示すように、シースピン12においては、一対の熱電対素線2が先端側X1及び基端側X2の両端から突出している。次いで、図14に示すように、一対の熱電対素線2及び外管4が維持された状態で、シースピン12の基端部における絶縁材5を掻き出す(ステップS2)。このとき、絶縁材5は、ショットブラスト加工等を行って掻き出すことができる。また、外管4の基端部402には、絶縁材5が掻き出された後の空間403が形成される。
次に、本形態の温度センサ1の主要部としてのシース熱電対11を製造する方法について、図12のフローチャートを参照して説明する。
まず、外管4内に一対の熱電対素線2が絶縁材5によって保持されたシースピン12を準備する(図12のステップS1)。図13に示すように、シースピン12においては、一対の熱電対素線2が先端側X1及び基端側X2の両端から突出している。次いで、図14に示すように、一対の熱電対素線2及び外管4が維持された状態で、シースピン12の基端部における絶縁材5を掻き出す(ステップS2)。このとき、絶縁材5は、ショットブラスト加工等を行って掻き出すことができる。また、外管4の基端部402には、絶縁材5が掻き出された後の空間403が形成される。
次いで、図15に示すように、シースピン12の先端部から突出する、一対の熱電対素線2の先端部201同士を対面させるとともにレーザー等を用いて溶融させ、先端部201同士を接合して測温接点3を形成する(ステップS3)。次いで、図16に示すように、シースピン12の外管4の先端部401に、先端カバー42を装着し、先端カバー42を、かしめ、溶接等を行って外管4の先端部401に固定する(ステップS4)。このとき、先端カバー42内には、測温接点3を先端カバー42に固定するための、金属酸化物の粉末からなるフィラー51を配置することができる。なお、ステップS2を行う前に、ステップS3及びS4を行ってもよい。
次いで、同図に示すように、外管4の基端部402の空間403内に、ガラス封止材6を形成するためのタブレット60を配置する(ステップS5)。このとき、外管4の基端部402から突出する一対の熱電対素線2の基端部202を、タブレット60の挿通穴601に挿通させる。次いで、外管4の基端部402及びタブレット60を、タブレット60が溶融する温度に加熱する(ステップS6)。
タブレット60が溶融するときには、タブレット60に含まれる気孔62が気泡61となって、タブレット60の上方へ脱泡される。また、絶縁材5に含まれる空隙が気泡61となってタブレット60の上方へ脱泡されることもある。ガラス封止材6には、脱泡が行われることを抑制することによって、気泡61を残留させることができる。
脱泡の抑制は、例えば、溶融後のタブレット60を加熱する温度を調整することによって行うことができる。タブレット60の加熱温度が高くなるほど、溶融したタブレット60のガラス材料の粘度が低くなり、気泡61が上方へ脱泡されやすくなる。一方、タブレット60の加熱温度が低くなるほど、溶融したタブレット60のガラス材料の粘度が高くなり、気泡61が上方へ脱泡されにくくなる。気泡61が、溶融したガラス材料中に残るか、ガラス材料の外部に脱泡されるかは、ガラス材料の粘度と気泡61に生じる浮力との関係によって決まる。また、タブレット60の気孔率が高いほど、溶融したタブレット60中に気泡61が残留しやすくなる。
また、脱泡の抑制は、タブレット60を加熱する環境下の圧力を調整することによっても行うことができると考える。つまり、加熱環境下の圧力を高くすれば脱泡されにくくなり、加熱環境下の圧力を、例えば真空状態等に低くすれば脱泡されやすくなると考える。
そして、外管4の基端部402の加熱を終了し、溶融したタブレット60が冷やされて固化したときには、複数の気泡61を含むガラス封止材6となる。そして、外管4の基端部402がガラス封止材6によって封止され、外管4内がガラス封止材6によって外部と遮断される。こうして、温度センサ1の主要部としてのシース熱電対11が製造される。
(他の製造方法)
また、熱電対11は、次のようにシースピン12を用いずに製造することもできる。まず、図17に示すように、外管4の内周に一対の熱電対素線2を挿通する。次いで、図18に示すように、外管4の基端部402内にタブレット60を用いてガラス封止材6を充填する。このとき、ガラス封止材6においては、タブレット60に含まれる複数の気孔62から複数の気泡61が形成される。次いで、図19に示すように、ガラス封止材6が下側に位置するように外管4の向きを変え、外管4内のガラス封止材6の上方に、絶縁材5を充填する。この場合、絶縁材5の充填率は20体積%程度となる。次いで、図20に示すように、一対の熱電対素線2の先端部201同士を融合させて、測温接点3を形成する。その後は、外管4の先端部401に先端カバー42を装着して、熱電対11を製造することができる。
また、熱電対11は、次のようにシースピン12を用いずに製造することもできる。まず、図17に示すように、外管4の内周に一対の熱電対素線2を挿通する。次いで、図18に示すように、外管4の基端部402内にタブレット60を用いてガラス封止材6を充填する。このとき、ガラス封止材6においては、タブレット60に含まれる複数の気孔62から複数の気泡61が形成される。次いで、図19に示すように、ガラス封止材6が下側に位置するように外管4の向きを変え、外管4内のガラス封止材6の上方に、絶縁材5を充填する。この場合、絶縁材5の充填率は20体積%程度となる。次いで、図20に示すように、一対の熱電対素線2の先端部201同士を融合させて、測温接点3を形成する。その後は、外管4の先端部401に先端カバー42を装着して、熱電対11を製造することができる。
(作用効果)
本形態の温度センサ1のガラス封止材6の内部には、複数の独立した気泡61が含まれている。この複数の独立した気泡61により、ガラス封止材6をクラックから保護することができる。
本形態の温度センサ1のガラス封止材6の内部には、複数の独立した気泡61が含まれている。この複数の独立した気泡61により、ガラス封止材6をクラックから保護することができる。
具体的には、測定環境下の測定対象ガスGの温度が、温度センサ1の測温先端部10、外管4等の温度よりも高い場合には、測温先端部10、外管4等は、測定対象ガスGによって加熱される。このとき、一対の熱電対素線2はガラス封止材6よりも大きく膨張する。そのため、一対の熱電対素線2がガラス封止材6を押し広げようとする。これにより、ガラス封止材6に熱ストレス(引張応力)が生じ、熱電対素線2の周辺のガラス封止材6に微細なクラックが生じることがある。
また、測定対象ガスGの温度が、測温先端部10、外管4等の温度よりも低い場合には、測温先端部10、外管4等は、測定対象ガスGによって冷却される。このとき、外管4及び一対の熱電対素線2がガラス封止材6よりも大きく収縮する。そのため、一対の熱電対素線2がガラス封止材6から離れようとする。これによっても、ガラス封止材6に熱ストレスが生じ、熱電対素線2の周辺のガラス封止材6に微細なクラックが生じることがある。
図18に示すように、微細なクラックCは、ガラス封止材6の基端側X2の表面における、一対の熱電対素線2の周辺に位置する部位から発生することが多い。このクラックCは、ガラス封止材6に気泡61を存在させる工夫をしていない場合には、ガラス封止材6の基端側X2の表面から先端側X1へ伸展し、ガラス封止材6の軸方向Xの全長に伸展するおそれがある。
なお、微細なクラックCは、シース熱電対11の製造時に、溶融したタブレット60のガラス材料が固化する際に生じることもある。また、微細なクラックCは、シース熱電対11の製造時のガラス封止後の工程において、熱電対素線2の基端部202を加工する際のストレス(応力)によって生じることもある。
なお、微細なクラックCは、シース熱電対11の製造時に、溶融したタブレット60のガラス材料が固化する際に生じることもある。また、微細なクラックCは、シース熱電対11の製造時のガラス封止後の工程において、熱電対素線2の基端部202を加工する際のストレス(応力)によって生じることもある。
本形態の温度センサ1においては、ガラス封止材6に複数の気泡61が含まれることにより、ガラス封止材6にクラックCが生じたときでも、このクラックCがガラス封止材6の軸方向Xに貫通するように伸展することを抑制することができる。つまり、ガラス封止材6にクラックCが生じ、このクラックCがガラス封止材6中を伸展しようとした場合に、このクラックCが複数の気泡61のいずれかに到達することがある。このとき、複数の気泡61がガラス封止材6中に独立して存在していることにより、クラックCの伸展が気泡61によって妨げられることになる。これにより、ガラス封止材6にクラックCが生じたとしても、このクラックCが、ガラス封止材6を貫通するまで伸展することを抑制することができる。
それ故、本形態の温度センサ1によれば、ガラス封止材6による外管4内の封止状態がクラックCによって阻害されることを抑制することができる。
(実施例1)
本例においては、実施形態に示した温度センサ1のシース熱電対11の一例を示し、このシース熱電対11の気密性を確認する試験を行った。
本例の一対の熱電対素線2は、Nタイプのシース熱電対11によって構成されている。本例の外管4は、内径:φ1.8mm、厚み:0.3mm、材質:NCF601(スーパーステンレス)によって構成されている。本例の絶縁材5は、MgOの粉末によって構成されている。本例のガラス封止材6は、外径:φ1.5mm、長さ:1.5mm、気孔率:20体積%、材質:Pb系ガラス(PbOの含有比率:70質量%)によって構成されている。
本例においては、実施形態に示した温度センサ1のシース熱電対11の一例を示し、このシース熱電対11の気密性を確認する試験を行った。
本例の一対の熱電対素線2は、Nタイプのシース熱電対11によって構成されている。本例の外管4は、内径:φ1.8mm、厚み:0.3mm、材質:NCF601(スーパーステンレス)によって構成されている。本例の絶縁材5は、MgOの粉末によって構成されている。本例のガラス封止材6は、外径:φ1.5mm、長さ:1.5mm、気孔率:20体積%、材質:Pb系ガラス(PbOの含有比率:70質量%)によって構成されている。
また、本例のシース熱電対11を製造する際には、シースピン12の基端部にショットブラスト加工を行い、外管4の基端から約5mmの深さの範囲内に存在する絶縁材5を除去した。次いで、外管4の基端部402における、絶縁材5が除去された空間403に、ガラス封止材6用のタブレット60を配置する。次いで、外管4の基端部402及びタブレット60を加熱してタブレット60を溶融させ、内部に複数の気泡61が含まれるガラス封止材6を形成し、このガラス封止材6を外管4の基端部402に封着させた。
このとき、タブレット60は、最高温度が630℃になる状態で、30分間継続して加熱して溶融させた。その後、加熱を終了してタブレット60を冷却し、タブレット60が固化して、複数の気泡61を含むガラス封止材6が形成された。なお、タブレット60を加熱する際の昇温速度及びタブレット60を冷却する際の降温速度は、20℃/minとすることが推奨される。こうして、ガラス封止材6には、1〜20μmの大きさの複数の気泡61が形成された。そして、温度センサ1における、一対の熱電対素線2、外管4及び絶縁材5を有するシース熱電対11を製造した。製造したシース熱電対11のガラス封止材6を確認したところ、製造時に発生した微小なクラックCの存在が確認された。
次いで、シース熱電対11の気密性を確認する試験を行った。この試験においては、製造初期における気密性、シース熱電対11を400℃の温度に連続して加熱した後の気密性、シース熱電対11の加熱及び冷却を繰り返した後の気密性を確認した。また、気密性を確認しやすくするため、外管4内の気体をヘリウム(He)によって置換した。
気密性を確認した結果、ガラス封止材6によって外管4内の気密性が確保されていることが確認された。この気密性が確保できた理由は、ガラス封止材6に複数の気泡61が含まれることにより、クラックCの伸長を抑制することができたためであると考える。
本例において、実施形態に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態1の構成要素と同様である。
(実施例2)
本例においても、実施形態に示した温度センサ1のシース熱電対11の一例を示し、このシース熱電対11の気密性を確認する試験を行った。
本例のシース熱電対11においては、外管4の基端部402の外周にホルダ43が装着されている。本例の一対の熱電対素線2は、Nタイプのシース熱電対11によって構成されている。本例の外管4は、内径:φ1.8mm、厚み:0.3mm、材質:NCF601(Ni基耐熱合金)によって構成されている。本例の絶縁材5は、MgOの粉末によって構成されている。本例のホルダ43の開口部の内径は、φ4.0mmに形成されている。本例のガラス封止材6は、外径:φ3.8mm、長さ:1.5mm、気孔率:20体積%、材質:Pb系ガラス(PbOの含有比率:70質量%)によって構成されている。
本例においても、実施形態に示した温度センサ1のシース熱電対11の一例を示し、このシース熱電対11の気密性を確認する試験を行った。
本例のシース熱電対11においては、外管4の基端部402の外周にホルダ43が装着されている。本例の一対の熱電対素線2は、Nタイプのシース熱電対11によって構成されている。本例の外管4は、内径:φ1.8mm、厚み:0.3mm、材質:NCF601(Ni基耐熱合金)によって構成されている。本例の絶縁材5は、MgOの粉末によって構成されている。本例のホルダ43の開口部の内径は、φ4.0mmに形成されている。本例のガラス封止材6は、外径:φ3.8mm、長さ:1.5mm、気孔率:20体積%、材質:Pb系ガラス(PbOの含有比率:70質量%)によって構成されている。
本例のシース熱電対11を製造する際には、外管4の基端部402の外周に、ホルダ43を溶接によって接合した。次いで、ホルダ43内にガラス封止材6用のタブレット60を配置し、ホルダ43、外管4の基端部402及びタブレット60を加熱してタブレット60を溶融させる。このとき、ホルダ43内において溶融したタブレット60のガラス材料が、外管4の基端部402へ流れ込むとともにホルダ43内に広がり、ホルダ43内に、内部に複数の気泡61が含まれるガラス封止材6が形成された。
また、タブレット60は、最高温度が630℃になる状態で、30分間継続して加熱して溶融させた。その後、加熱を終了してタブレット60を冷却し、タブレット60が固化して、複数の気泡61を含むガラス封止材6が形成された。こうして、ガラス封止材6には、1〜20μmの大きさの複数の気泡61が形成され、シース熱電対11が製造された。
本例においても、実施例1と同様に、ガラス封止材6に微小なクラックCの存在が確認された。また、本例のシース熱電対11についても、実施例1と同様に気密性を確認する試験を行った。そして、実施例1と同様に、ガラス封止材6によって外管4内の気密性が確保されていることが確認された。本例においても、その他は実施例1と同様である。また、実施形態に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態1の構成要素と同様である。
(確認試験)
本確認試験においては、タブレット60の気孔率を適宜変更して、複数の気泡61の大きさの範囲が異なる4種類のガラス封止材6を有するシース熱電対11(サンプルNo.1〜4)を準備した。そして、サンプルNo.1〜4のシース熱電対11について気密性を確認する試験を行った。気密性の確認は、実施例1と同様に行った。
本確認試験においては、タブレット60の気孔率を適宜変更して、複数の気泡61の大きさの範囲が異なる4種類のガラス封止材6を有するシース熱電対11(サンプルNo.1〜4)を準備した。そして、サンプルNo.1〜4のシース熱電対11について気密性を確認する試験を行った。気密性の確認は、実施例1と同様に行った。
同表に示すように、サンプルNo.1は、ガラス封止材6に気泡61が形成されなかった場合、又は大きさが1μm以下の気泡しかなかった場合を示す。サンプルNo.2は、ガラス封止材6に1〜10μmの複数の気泡61が形成された場合を示す。サンプルNo.3は、ガラス封止材6に1〜100μmの複数の気泡61が形成された場合を示す。サンプルNo.4は、ガラス封止材6に1〜1000μmの複数の気泡61が形成された場合を示す。
サンプルNo.1〜3については、外管4内の気密性を十分に確保できることが確認された。一方、サンプルNo.4については、外管4内の気密性を確実に確保することが難しいことが確認された。サンプルNo.4については、気泡61の大きさが大きく、ガラス封止材6の強度を十分に確保できず、気密性を確保できなかったと考える。
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。
1 温度センサ
2 熱電対素線
3 測温接点
4 外管
5 絶縁材
6 ガラス封止材
61 気泡
2 熱電対素線
3 測温接点
4 外管
5 絶縁材
6 ガラス封止材
61 気泡
Claims (8)
- 互いに異なる金属材料から構成された一対の熱電対素線(2)と、
一対の前記熱電対素線の先端同士が合わさった測温接点(3)と、
金属材料から構成され、前記測温接点を先端部(401)内又は前記先端部に装着された先端カバー(42)内に収容するとともに、一対の前記熱電対素線を基端部(402)から突出させる外管(4)と、
絶縁材料から構成され、前記外管内に配置されるとともに、一対の前記熱電対素線と前記外管とを絶縁して、一対の前記熱電対素線を前記外管に固定する絶縁材(5)と、
ガラス材料から構成され、前記外管の前記基端部内及び前記外管の前記基端部に装着されたホルダ(43)内の少なくとも一方に充填されるとともに、前記外管内を封止するガラス封止材(6)と、を備え、
前記ガラス封止材の内部には、複数の独立した気泡(61)が含まれる、温度センサ(1)。 - 複数の前記気泡の少なくとも一部は、1〜100μmの大きさを有する、請求項1に記載の温度センサ。
- 複数の前記気泡は、前記ガラス封止材の全体に分散している、請求項1又は2に記載の温度センサ。
- 前記ガラス封止材における複数の前記気泡が占める割合である気泡率は、5〜30体積%である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の温度センサ。
- 前記ガラス封止材は、Biを含有するBi系ガラス、又はPbを含有するPb系ガラスから構成されている、請求項1〜4のいずれか1項に記載の温度センサ。
- 前記Bi系ガラスにおけるBiの含有量は、40〜80質量%であり、
前記Pb系ガラスにおけるPbの含有量は、50〜80質量%である、請求項5に記載の温度センサ。 - 前記外管の内径は、φ1.5〜10.0mmの範囲内にある、請求項1〜6のいずれか1項に記載の温度センサ。
- 前記外管内の前記絶縁材の充填率は、60体積%以上である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の温度センサ。
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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