JP4591533B2 - 温度センサ - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用の排気系等に配設される温度センサに関する。

従来、自動車の排気ガス浄化装置の触媒コンバータ−内部や、排気管内等といった流路を流れる排気ガスの温度を、感温素子によって検出する、いわゆる排気温センサが知られている。

温度によって電気的特性が変化する感温素子は、カバー内に収納される。温度によって電気的特性が変化する該感温素子が発する電気信号は、電極線を経て制御装置に伝えられ、温度が検出される。

このような温度センサは、特許文献１に示すように、触媒コンバーター、或いは排気管の中心部に近い位置に感温部設置することで、触媒体への入りガス温度（最高温度）を正確に測定できる旨が記載されている。

また、特許文献２には、温度センサの触媒コンバーターへの突出し長さと排気ガスの温度を検出する白金抵抗体の長さの関係を規定することにより、簡易且つ正確に、温度測定を行い得る温度センサが開示されている。
特開２００２−３５０２３９号公報 特開平５−７９９２２号公報

しかしながら、特許文献１には、触媒コンバーター、或いは排気管の中心部を測温すれば良いことは示されているものの、流路の径や温度センサの流路への突出し長さなどを考慮した具体的な方法は示されていない。

例えば、径の大きい触媒体を備える排気管である触媒コンバーターに温度センサを取付ける場合、触媒コンバーターの中心部を測温するためには、温度センサの触媒コンバーターへの突出し長さを十分に長くする必要がある。しかし、従来、外部からの振動によって温度センサに発生する共振を回避するために、前記突出し長さを短くするなどして、共振周波数を上げる構成としていた。よって、触媒コンバーターの径が大きい場合には、温度センサの共振周波数は低下し、温度センサに共振が発生することが不可避となり、温度センサが損傷するおそれが非常に高くなる、という課題について全く考慮されていない。

同様に、特許文献２には、触媒コンバーターの中心部を測温するために、温度センサの触媒コンバーターへの突出し長さを長くした場合、振動レベルが高い排気系、または内径の大きい触媒コンバーターにおいては耐振性を満足することが困難である。特に、白金抵抗体方式の温度センサでは、その高い剛性により、温度センサに発生する共振周波数が高くなるため、温度センサに加わる加速度が非常に大きくなり、過大な応力により温度センサが破損してしまう。

また、上述の共振を回避するという技術的思想に基づいて、共振周波数の高い（突出し長さの短い）温度センサで、触媒コンバーターの中心部を測温する際には、図２に示すように、触媒ケースのテーパ部に温度センサを配設する必要があった。しかし、この方法では、温度センサの触媒コンバーター、或いは排気管への突出し長さが短いために、熱引きが大きく、そのため触媒体への入りガス温度（最高温度）を正確に測定することができない。

さらに、近年、エミッション低減技術として複数の触媒体を使用した排気系が主流となっているが、先述したように耐振性を確保するために突出し量を極力小さくし、且つ触媒コンバーターの中心部の温度を測定することを目的としている。よって、図１２に示すような構造であっては、上記突出し長さが短いために熱引きが大きく、下流側の触媒体までの距離が遠いため、触媒体への入りガス温度を正確に測定することができないだけでなく、排気系構成が複雑となるためコストも大幅に上がってしまうのである。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、触媒体への入りガス温度（最高温度）を正確に測定し、且つ振動レベルが高い排気系においても十分な耐振性を確保できる温度センサを提供しようとするものである。

本発明は、上記目的を達成するために、本願発明は、流体が流れる流路内に配置され、前記流路内の流体の温度によって電気的特性が変化する感温素子と、先端側が電極線を介して前記感温素子に接続され、基端側は外部回路接続用のリード線に接続される信号線と、前記信号線を内部に保持するシース部材と、前記シース部材の外周面を直接的または他部材を介して間接的に保持する保持部材と、を備えた温度センサであって、該温度センサの軸における前記流路の内周面から前記感温素子の中心までの距離である突出し長さＬ１を５０ｍｍ以上とし、前記感温素子の中心を通りかつ前記流路の軸に対して垂直な断面における前記流路の内周面から前記感温素子の中心までの距離である突出し位置をＬ１’、’、前記断面において前記温度センサを投影視した際の前記温度センサの軸と前記流路の内周面との交点間の距離である流路幅をＤ１としたとき、以下の式を満たすことを特徴とするものである。

１００ｍｍ≦Ｄ１＜２００ｍｍの場合、Ｌ１’／Ｄ１≧｛０．６−（１／１０００）×Ｄ１｝、
２００ｍｍ≦Ｄ１＜３００ｍｍの場合、Ｌ１’／Ｄ１≧｛０．７４−（１／６００）×Ｄ１｝、
３００ｍｍ≦Ｄ１の場合、Ｌ１’／Ｄ１≧０．２４
この場合、円形、楕円形など種々の流路の形状に応じて、温度センサの最適な突出し位置Ｌ１’を規定することで、流路中心部の温度（最高温度）を正確に測定することができる。同時に、突出し長さＬ１を５０ｍｍ以上の長尺にすることで、温度センサ自体の熱引きが抑制され、流体の温度を精度良く測定することができる。

また、本願発明は、温度センサの軸における前記流路の内周面から前記感温素子の中心までの距離である突出し長さＬ１を５０ｍｍ以上とし、前記感温素子の中心を通りかつ前記流路の軸に対して垂直な断面における流路内径をＤ１’、前記流路内径Ｄ１’を有する流路の中心から前記感温素子の中心までの長さを半径とする円の直径をＤ２としたとき、以下の式を満たすことを特徴とするものである。

１００ｍｍ≦Ｄ１’＜２００ｍｍの場合、Ｄ２／Ｄ１’≦｛（１／５００）×Ｄ１’−０．２｝、
２００ｍｍ≦Ｄ１’＜３００ｍｍの場合、Ｄ２／Ｄ１’≦｛（１／３００）×Ｄ１’−０．４７｝、
３００ｍｍ≦Ｄ１’の場合、Ｄ２／Ｄ１’≦０．５３
本願発明は、流路の形状が特に円形の場合に有効に適用することができ、円形流路の内径に応じて、最適な仮想の円の直径Ｄ２を規定することで、流路中心部の温度（最高温度）を正確に測定するとともに、突出し長さＬ１を５０ｍｍ以上の長尺にすることで、温度センサ自体の熱引きを抑制し、流体の温度を精度良く測定できる。

また、本願発明は、前記シース部材が保持部材により直接的または間接的に保持される保持部の先端から前記感温素子の中心までの長さである保持長さをＬ２としたとき、前記突出し長さＬ１との関係は、Ｌ２＞Ｌ１であることを特徴とする。

これにより、シース部材の保持部分を保持部材の基端側に設ける構造とすることで、保持長さＬ２の範囲を従来よりも長尺側に大きくするものである。突出し長さＬ１が短い場合であっても、保持長さＬ２を長くすることにより、シース部材の共振周波数（１次）を低下させることが可能となる。よって、温度センサの先端側に位置する電極線、および感温素子が共振により、損傷することが防止される。

また、本願発明は、前記突出し長さＬ１のうち前記感温素子を保持する部材の直径をセンサ外径Ｄ３としたとき、Ｄ３は３．５ｍｍ以下であることを特徴とするものである。

これにより、突出し長さＬ１を長くすることと同様に、熱引きを抑制することができる。

また、本願発明は、前記突出し長さＬ１が６０ｍｍ以上であり、前記センサ外径Ｄ３が３．２ｍｍ以下であることを特徴とするものである。

これにより、前記突出し長さＬ１、センサ外径Ｄ３を同時に満たすとき、熱引きが十分に小さくなり、感温素子の測温精度がより高まる。

さらに、本願発明は、前記センサ外径Ｄ３が１．７ｍｍ以上であることを特徴とするものである。

これにより、排気管等の流路から加わる振動に対して、温度センサの突出し部の耐振強度を確保することが可能となり、突出し部の折損を防止することができる。

さらに、本願発明は、少なくとも２つの触媒体が配置された流路に配置され、前記隣接する２つの触媒体の間に配設されることを特徴とするものである。これにより、流路の下流側の触媒体への入りガス温度を正確に測定することができる。

さらに、本願発明は、前記隣接する２つの触媒体の間隔をＬ３、前記感温素子の中心から前記２つの触媒体のうち前記流路の下流側に位置する触媒体の流路上流側の端面までの距離をＬ４としたとき、Ｌ４＜（Ｌ３）／２であることを特徴とするものである。

これによって、温度センサが下流側触媒体に近接した位置で、入りガス温度を測定することが可能となり、下流側触媒の床温制御をより精度良く実行できる。

本願発明の温度センサにおいては、感温素子が以下の各構成を有することが好ましい。前記感温素子は、金属カバーの内部に配設されていることを特徴とするものであり、上記感温素子を排ガス雰囲気から遮断することができるため、感温素子の還元劣化を防ぐことができる。

また、前記感温素子は、サーミスタ素子からなることを特徴とするものであり、測定精度の高い温度センサを容易に得ることができる。

さらに、前記感温素子は、前記金属カバーの先端側内部に供給された固定部材中に埋設されることを特徴とするものであり、温度センサが振動したときに、感温素子が振れて金属カバーに衝突することを防ぐことができる。これにより、感温素子が損傷することを防ぐと共に感温素子の電極の断線を防ぎ、耐久性に優れた温度センサを得ることができる。

またさらに、前記感温素子は、ガラス材によって封止されていることを特徴とするものであり、上記感温素子の劣化を抑制することができ、耐久性に優れた温度センサを得ることができる。

以下、本発明の排気温センサ１００（温度センサ）の実施形態について、図面に基づいて説明する。本発明の排気温センサ１００は、車両用エンジンから排出される排気ガスの温度を検出するセンサとして適用したものであり、例えば、自動車の排気管に取付けられるものである。

図１に示すように、排気温センサ１００は、主として、感温部１０及びケース部２０、感温部１０およびケース部２０の間に配置されたシースピン１０５にて構成される。

なお、本明細書においては、図１における下方を先端側、上方を基端側として、排気温センサ１００の構造を説明する。

次いで、前記感温部１０について説明する。前記感温部１０は、Ｃｒ−Ｍｎを主成分とする半導体材料等よりなる焼結体からなり、排気温度を感知する感温素子であるサーミスタ素子１０１と、該サーミスタ素子１０１が発する電気信号を基端側に伝達するための一対の電極線１０２と、先端を前記電極線１０２の基端側でレーザ溶接、抵抗溶接等によって接合され、他端をリード線２０４に接続された信号線に相当する一対の信号線１０３と、前記サーミスタ素子１０１を保護する金属カバーに相当する感温部カバー１０４と、を有する。信号線前記電極線１０２は白金よりなる材料を用い、前記信号線１０３にはステンレス鋼を用いた。また、前記感温部カバー１０４は、インコネル材に深絞り加工を施すことによって、有底筒状を成す。

ここで、感温素子としてサーミスタ素子１０１を用いることが好ましく、測定精度の高い排気温センサを容易に得ることができる。

また、前記サーミスタ素子１０１は感温部カバー１０４内部に配置されることが好ましく、サーミスタ素子１０１を排ガス雰囲気から遮断することができるため、サーミスタ素子１０１の劣化を防ぐことができる。

前記サーミスタ素子１０１と前記感温部カバー１０４との間には、固定部材が充填されていることが好ましく、排気温センサが振動したときに、サーミスタ素子１０１が振れて感温部カバー１０４に衝突することを防ぐことができる。これにより、サーミスタ素子１０１が損傷することを防ぐと共にサーミスタ素子１０１の電極線１０２の断線を防ぐことができる。

また、充填される固定部材としては、熱伝導性に優れた材料を用いることにより、感温部カバー１０４の外の熱を素早くサーミスタ素子１０１に伝えることができ、応答性に優れた排気温センサを得ることができる。

さらに、感温部カバー１０４は、インコネル材等の耐酸化性に優れた合金を用いることが好ましい。これにより感温部カバー１０４は、酸化を防ぐことができ、感温部カバー１０４の内部の酸素濃度を低下させることによるサーミスタ素子１０１の特性変化を防ぐことができる。感温部カバー１０４が酸化すると、カバー内部の酸素濃度が低下する。すると、これを補うべくサーミスタ素子１０１から酸素が離脱し還元されるおそれがある。これにより、サーミスタ素子１０１の特性が変化してしまうおそれがある。そこで、感温部カバー１０４を耐酸化性金属によって構成することにより、サーミスタ素子１０１の特性変化を防ぐことができる。

なお、前記耐酸化性金属としては、例えば、ステンレス鋼、インコネル（インコネル社登録商標）等がある。

このような構造の感温部１０には、シース部材に相当するシースピン１０５の一端が挿入固定されている。

シースピン１０５は、インコネル材よりなる円筒状を成し、加締め及びレーザ溶接等によって感温部カバー１０４に固定される。シースピン１０５は、感温部カバー１０４に圧入により固定しても良く、加えて抵抗溶接等を施してもよい。

前記サーミスタ素子１０１は、ガラス封止材によって封止されていることが好ましい。この場合には、感温素子の劣化を抑制することができ、耐久性に優れたものとすることができる。

シースピン１０５は、内側に信号線１０３を収容し、絶縁、保護する。なお、シースピン１０５の内側には、電気絶縁性を有するマグネシア等の粉末を充填した後に、シースピン１０５にスウェージングによる絞り加工を施すことにより、前記粉末が加圧成形された圧粉体が内在している。

シースピン１０５は、ステンレス鋼からなる２本の信号線１０３と、該信号線１０３の周りに配置したマグネシア等の絶縁粉末からなる絶縁部と、該絶縁部の外周を覆うステンレス鋼からなる外管部とからなる。シースピン１０５は円柱形状を有し、外管部は円筒形状を有する。また、信号線１０３は、絶縁部及び外管部から先端側及び基端側に露出している。そして、信号線１０３の先端はサーミスタ素子１０１の電極線１０２と溶接され、信号線１０３の基端はリード線２０４に接続されている。

次いで、前記ケース部２０について説明する。ケース部２０は、排気温センサ１００を排気管に取付けるための作用を成し、前記感温部１０とシース部材に相当するシースピン１０５を介して接続されている。

ケース部２０は、前記シースピン１０５の外周に接続されたリブ２０１と、該リブ２０１の外周に溶接等により固定されたプロテクションチューブ２０２と、前記シースピン１０５の基端に電気的に接続されたリード線２０４と、を有する。

なお、図１においては、リブ２０１とプロテクションチューブ２０２とがレーザ溶接等によって固定されて略一体となった部材が保持部材に相当する。

次いで、図１に示す排気温センサ１００の流路への取付け構造について図２（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図２（ａ）、（ｂ）は、排気温センサ１００を排気管４００の軸に対して垂直に取付けた場合、斜めに取付けた場合のそれぞれの形態を示す。図２（ａ）は排気管４００の軸方向断面図であり、（ｂ）は排気管４００の軸方向に垂直な断面図であり、同図（ａ）のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線断面図である。

図１に示すように、流路に相当する排気管４００にはボス３０１が固定されており、このボス３０１の内周面には、雌ネジ部が設けられており、ニップル２０３を介してリブ２０１の基端側端面に係止させた状態で先端側へ押圧すると同時に、ニップル２０３の外周面に設けられた雄ネジ部とボス３０１の雌ネジ部とを螺合する。これにより、排気温センサ１００が排気管４００に取付けられる。

このとき、リブ２０１の先端側端面が、ボス３０１の内周面に着座し、密接することにより、排気管４００内を流れる排気ガスを封止する。

このような構造を成す排気温センサ１００は、サーミスタ素子１０１が発する排気温信号を、リード線２０４を介して、図示しない外部回路（例えば、ＥＣＵ）へ送出し、排気ガスの温度を検出する。

リブ２０１の外周面の一部は、プロテクションチューブ２０２の内周面と当接し、プロテクションチューブ２０２の外周面から溶接されることにより、両部材は固定される。

シースピン１０５はリブ２０１の中央の孔に嵌合しており、リブ２０１の内周面とシースピン１０５の外周面とが当接する部分にて、溶接等により固定される。

ここで、本明細書における保持部材は、前記リブ２０１と前記プロテクションチューブ２０２とがレーザ溶接等によって固定されて略一体となった部材に相当し、シース部材の保持部分とは、前記シースピン１０５の外周に配置された前記リブ２０１との接点を指す。

以下、本発明の実施形態に係る排気温センサ１００の特徴部分について言及する。

図１および図２に示すように、本発明では排気管４００と排気温センサ１００の各位置関係、寸法を定義する。

突出し長さＬ１は、排気温センサ１００の軸における排気管４００の内周面（排気温センサ１００の取付けられた排気管４００の両端を繋ぐ仮想線（図１における点線）と排気温センサ４００の軸とが交わる点）から前記サーミスタ素子１０１の中心（サーミスタ素子１０１の軸方向長さの中点）までの距離であり、この突出し長さＬ１を５０ｍｍ以上に特定する。

突出し位置Ｌ１’は、前記サーミスタ素子１０１の中心を通りかつ前記排気管４００の軸に対して垂直な断面における前記排気管４００の内周面から前記サーミスタ素子１０１の中心までの距離である。

また、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、排気温センサ１００を排気管４００の軸に対して垂直に取付けている場合には、突出し長さＬ１と突出し位置Ｌ１’は同一寸法となる。また、排気管４００の軸に対して斜めに取付けられている場合には、突出し位置Ｌ１’は、必ずしも突出し長さＬ１と同一寸法とはならない。

保持長さＬ２は、図１に示すように、シースピン１０５が保持部材であるリブ２０１により直接的または間接的に保持される保持部の先端から前記サーミスタ素子１０１の中心までの長さである。

流路幅Ｄ１は、前記断面において前記排気温センサ１００を投影した時の排気温センサ１００の軸と前記排気管４００の内周面との交点間の距離であり、排気温センサ１００の取付けられる排気管４００の形状が円形、楕円形など種々の形状に対応できる値である。

流路内径Ｄ１’は、前記サーミスタ素子１０１の中心を通りかつ前記排気管４００の軸に対して垂直な断面における前記排気管４００の内径であり、排気管が円形の場合に特に有効に用いることができる値である。

仮想の円の直径Ｄ２は、前記流路内径Ｄ１’である排気管４００の中心から前記サーミスタ素子１０１の中心までの長さを半径とする円の直径である。

センサ外径Ｄ３は、前記突出し長さＬ１のうち前記サーミスタ素子１０１を保持する部材の直径であり、図１の場合にはシースピン１０５の外径である。

なお、前記サーミスタ素子１０１の中心とは、排気温センサ１００の軸方向をサーミスタ素子１０１の長さとし、その長さの中点をサーミスタ素子１０１の中心とする。

ここで、図３および図４について言及する。

図３は、排気温センサ１００の温度校正試験方法を表す模式図であり、触媒体が配置された排気管４００の中心部の温度を測定するために、直径１．６ｍｍの熱電対５００を配置し、エンジン負荷を上げて一定保持した時の排気温センサ１００の測温結果と、熱電対５００の測温結果とを比較したものが図４である。

なお、直径１．６ｍｍの熱電対５００は熱引きが極めて小さく、触媒体への入りガス温度（この場合は、中心に配設されているため最高温度となる）を正確に測定できるため、熱電対５００の出力を基準値として用いた。

そして、熱電対５００の出力（Ｔ℃）に対する誤差（ΔＴ℃）、すなわち（ΔＴ／Ｔ）×１００（％）を、排気温センサ１００の測定精度（測温誤差）の指標とした。

次いで、排気管４００が楕円状の場合について図５（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図５（ｂ）は排気管４００が楕円状の場合に横軸に排気管４００の流路幅Ｄ１、縦軸に流路幅Ｄ１に対する突出し位置Ｌ１’であるＬ１’／Ｄ１をプロットした際の測温誤差の評価を示すグラフである。なお、図５は突出し部の径Ｄ３を３．５ｍｍとしたときの一例を示すものであり、突出し長さＬ１と突出し位置Ｌ１’は同一寸法である。

図５（ｂ）のグラフにおいて、測温誤差（（ΔＴ／Ｔ）×１００（％））がそれぞれ◎は１０％以下、○は１０％を超え１５％以下、×は１５％以上である。

図５（ｂ）のＡ部（点線で囲んだ部分）は、Ｌ１’／Ｄ１＝０．５の場合、すなわち、サーミスタ素子１０１が排気管４００の中心に位置する場合には、熱電対５００と排気温センサ１００とが同じ位置に配設されているにもかかわらず、流路幅Ｄ１が８０ｍｍ、排気温センサ１００の排気管４００の内周面からの突出し長さＬ１が４０ｍｍでは、測温誤差が１０％を超え１５％以下であり、十分正確な温度を測定できないことが分かる。これは、排気管４００の中心部を測温したとしても、突出し長さＬ１が短いために熱引けが大きくなり、測温誤差が大きくなってしまうからである。

一方、突出し長さＬ１が５０ｍｍ以上であれば、誤差を１０％以下に抑えることができ、排気管４００中心部における触媒体４０２への入りガス温度（最高温度）をほぼ正確に測定できている。よって、突出し長さＬ１が５０ｍｍ以上とすれば測温誤差を１０％以下にできる。

排気温センサ１００の温度誤差の許容範囲を１０％以下とした理由は、この測温誤差１０％という数値が排気温センサ１００の測温誤差を外部回路で補正し、精度良くフィードバックできる上限値であるからである。

このように図５（ｂ）に示す実験結果より、排気温センサ１００の温度誤差を１０％以下とするためには、以下の式（１）〜（３）を満たす必要がある。

上記の式（１）〜（３）から精度良く温度を検出するための、流路幅Ｄ１および突出し位置Ｌ１’を求めることができる。また、式（１）〜（３）は、センサ外径Ｄ３を３．５ｍｍとした時の結果から導いたが、センサ外径Ｄ３が３．５ｍｍよりも小さければ、熱引けが小さくなるため、上記式（１）〜（３）を満たしていれば、測温誤差を１０％以下にできることは言うまでもない。

次いで、図２に示すように円形の排気管４００の場合について説明する。

図６は、横軸に排気管４００の流路内径Ｄ１’、縦軸に流路内径Ｄ１’に対する直径Ｄ２であるＤ２／Ｄ１’をプロットした際の側温誤差（（ΔＴ／Ｔ）×１００％）の評価を示すグラフである。

なお、図６は突出し部の径Ｄ３を３．５ｍｍとしたときの一例を示すものであり、突出し長さＬ１と突出し位置Ｌ１’は同一寸法となる。図６のグラフにおいて、測温誤差（（ΔＴ／Ｔ）×１００（％））がそれぞれ◎は１０％以下、○は１０％を超え１５％以下、×は１５％以上である。

まず、図６のＡ部（点線で囲んだ部分）は、Ｄ２／Ｄ１’＝０の場合、すなわち、サーミスタ素子１０１が排気管４００の中心に位置する場合には、熱電対５００と排気温センサ１００とが同じ位置に配設されているにもかかわらず、流路内径Ｄ１’が８０ｍｍ、排気温センサ１００の排気管４００の内周面からの突出し長さＬ１が４０ｍｍでは、測温誤差が１０％を超え１５％以下であり、十分に正確な温度を測定できないことが分かる。これは、排気管４００の中心部を測温したとしても、突出し長さＬ１が短いために熱引きが大きくなり、測温誤差が大きくなってしまうからである。

一方、突出し長さＬ１が５０ｍｍ以上であれば、誤差を１０％以下に抑えることができ、排気管４００中心部における触媒体４０２への入りガス温度（最高温度）をほぼ正確に測定できている。よって、突出し長さＬ１が５０ｍｍ以上とすれば測温誤差を１０％以下にできることから好ましい。

また、図６より、測温誤差を１０％以下とするためには、以下の式（４）〜（６）を満たす必要がある。

上記の式（４）〜（６）から、精度良く温度を検出するための、流路内径Ｄ１’および直径Ｄ２を求めることができる。また、式（４）〜（６）は、センサ外径Ｄ３を３．５ｍｍとした時の結果から導いたが、センサ外径Ｄ３が３．５ｍｍよりも小さいければ、熱引きが小さくなるため、上記式（４）〜（６）を満たしていれば、測温誤差を１０％以下にできることは言うまでもない。

本実施形態では、流路内径Ｄ１’が１５０ｍｍの排気管４００を用いた。よって、精度良く触媒体への入りガス温度を検出するためには、上記の式（１）から、直径Ｄ２≦１５ｍｍを満たすＤ２となる排気温センサ１００を用いる。ここでは、Ｄ２が１０ｍｍとなるように排気温センサ１００を排気管４００に取付けた。つまり、突出し長さＬ１が７０ｍｍとなる排気温センサ１００を用いた。また、リブ２０１に直接保持されるシースピン１０５のセンサ外径Ｄ３は３．５ｍｍとした。このとき、排気管４００内に取付けられた２つの触媒体４０２の間隔Ｌ３は５０ｍｍ、サーミスタ素子１０１の中心から下流側触媒体４０２ｂの上流側端面までの距離Ｌ４は２０ｍｍとした。

なお、上記評価実験に伴って実施した実験結果によると、突出し長さＬ１が６０ｍｍ以上であり、センサ外径Ｄ３が３．２ｍｍ以下であるときに、更に熱引きが抑制され、精度良く触媒体４０２への入りガス温度を検出できることが判明した。

また、外部から排気温センサ１００に加わる振動によって、シースピン１０５が折損しないためには、図１におけるシースピン１０５の外径であるセンサ外径Ｄ３を１．７ｍｍ以上とすることが好ましく、シースピン１０５の強度を十分に確保することができる。

リブ２０１の外周面の一部は、プロテクションチューブ２０２の内周面と当接し、プロテクションチューブ２０２の外周面から溶接されることにより、両部材は固定される。

シースピン１０５はリブ２０１の中央の孔に嵌合しており、リブ２０１の内周面とシースピン１０５の外周面との接触部分にて、溶接等により固定される。なお、請求項に記載の保持部分は、本実施形態における、リブ２０１の内周面とシースピン１０５の外周面とが当接および溶接される部分に相当する。

また、本願発明の排気温センサ１００においては、外部から伝わる振動により発生する共振を抑制することが望ましい。外部からの振動は、リブ２０１から、上記リブ２０１の内周面とシースピン１０５の外周面とが当接および固定された部分を伝って、シースピン１０５での共振を発生させる。ここで、共振とは、エネルギーを有する系が外部から与えられた刺激（振動）により固有振動を起こすことである。

排気温センサ１００の排気管４００の内周面からの突出し長さＬ１に対して、上記当接及び固定された部分の先端から、保持長さＬ２を従来よりも長くすることが可能となった。

突出し長さＬ１にかかわらず、保持長さＬ２が長ければ長いほど、シースピン１０５の共振周波数は小さくなる。これは、以下の加熱共振耐久試験によって実証されている。

加熱共振耐久試験とは、図７に示すように、排気温センサ１００先端部を電気炉３０３にて加熱した状態で、排気温センサ１００の径方向に加速度を与えるものである。試験条件は、排気温センサ１００先端部の温度が８５０℃となるように電気炉３０３をセットし、排気温センサ１００がニップル２０３により取付けられた取付け治具３０２に、加速度２０Ｇを与えながら、各サンプル（シースピン１０５先端）の共振周波数（１次）付近の周波数帯をスイープさせて、電極線１０２の断線の有無を確認する。これらの実験結果をまとめたものが表１である。

表１は、シースピン１０５（または、感温部カバー１０４）の外径であるセンサ外径Ｄ３、シースピン１０５の保持部分からサーミスタ素子１０１の中心までの長さである保持長さＬ２を変化させた時の、排気温センサ１００先端の共振周波数（１次）および加熱共振耐久試験の結果である。

表１から、センサ外径Ｄ３が小さく、保持長さＬ２が長くなるにつれ、シースピン１０５先端の共振周波数（１次）が低下していることが分かる。

なお、表１では、外部からの振動によるシースピン１０５先端の共振の影響度を、電極線１０２の断線の有無を基準として耐振動性を評価している。

また、センサ外径Ｄ３が３．２ｍｍ以下、保持長さＬ２が７０ｍｍ以上のとき、シースピン１０５先端の共振周波数（１次）が４８０Ｈｚ以下となり、電極線１０２の断線が防止されることが表１から明らかである。

一方、前記Ｄ３、Ｌ２にかかわらず、共振周波数（１次）が高いものは、目標時間（３０万ｋｍ相当のストレス）以内で電極線１０２が断線していることが分かる。一方、共振周波数（１次）が４８０Ｈｚ以下であれば、目標時間を満足することが分かる。

さらに、保持長さＬ２が８０ｍｍ以上、Ｌ１＜Ｌ２とすれば、シースピン１０５先端の共振周波数（１次）を３８０Ｈｚ以下とすることができ、更に耐振性が向上することが分かる。つまり、シースピン１０５先端の共振周波数（１次）が３８０Ｈｚ以下であれば、目標寿命の２倍以上を満足することができるため、保持長さＬ２が８０ｍｍ以上のとき、Ｌ１＜Ｌ２とすることがより好ましい。

ここで、図８（ａ）に示すように排気管４００は、１つの触媒ケース４０１内に１つの触媒体４０２が配置され、その上流側に排気温センサ１００が配置される場合、また図８（ｂ）に示すように２つの触媒体４０２ａ、４０２ｂが挿入されており、排気温センサ１００が２つの触媒体４０２の間に配設される場合などがある。

本実施形態では、突出し長さＬ１を大きくできるため、２つの触媒体４０２を備えたサーミスタ素子１０１を排気管４００の中心部に配置することが可能となり、下流側の触媒体４０２ｂへの入りガス温度を正確に測定できるだけでなく、単純な排気系構成を実現できることから、従来よりもコストを下げることができる。

上記の実施形態では、触媒体４０２への入りガス温度（最高温度）を正確に測定できるため、触媒体４０２の温度制御が精密化され、燃費向上、エミッション低減、触媒劣化防止等の効果が得られるだけでなく、シースピン１０５先端の振動が抑制されるため、耐久性に優れた排気温センサ１００となる。

なお、排気管４００の径方向に突き出すように配設される排気温センサ１００であれば、触媒体４０２の下流側に排気温センサ１００を取付けてもよい。

また、上記実施形態では、リブ２０１とシースピン１０５とを当接させて、その当接部分に溶接を施して固定する構造であったが、下記のように、リブ２０１とシースピン１０５とを他部材を介して固定する構造としてもよい。

また、本発明の排気温センサ１００の他の実施形態を図９〜１１を用いて説明する。

例えば、図１では感温部カバー１０４は、シースピン１０５先端側の外周面の一部を覆うようにして固定されていた。この感温部カバー１０４を、図９に示すように、シースピン１０５を内包する長尺のものを使用してもよい。つまり、感温部カバー１０４の基端側とリブ２０１の基端側とを溶接により固定することにより、上記実施形態と同様の効果を奏する構成とすればよい。このとき、感温部カバー１０４の内周面とシースピン１０５の外周面との間に固定部材１０６が充填されていてもよい。

なお、図９においては、感温部カバー１０４のうち相対的に小径な端部を除いた部分（シースピン１０５を覆う部分）の外径がセンサ外径Ｄ３となる。

また、図１０に示すように、保持チューブ２０５をリブ２０１の内周面とシースピン１０５の外周面との間に介在させて、シースピン１０５を保持する構成としてもよい。加えて、保持チューブ２０５の先端に相対的に縮径した先端干渉部２０５ａを設けてもよい。このとき、保持チューブ２０５の内周面と、シースピン１０５の外周面との間には、クリアランスが設けられている。このクリアランスの効果により、外部からシースピン１０５への振動伝達を抑制できるとともに、シースピン１０５が振動、および共振したときに、先端干渉部２０５ａがシースピン１０５の振動に対して干渉することによって、シースピン１０５の共振を抑制することができる。なお、図１０では、感温部カバー１０４が、シースピン１０４の先端側の外周面の一部を覆うようにして固定されているが、図９のように、感温部カバー１０４をシースピン１０５の全体を覆うようにして固定する構造としてもよい。

なお、図１０においては、シースピン１０５の外径がセンサ外径Ｄ３となる。

さらに、図１１に示すように、リブ２０１の先端側を延設することによって、シースピン１０５をより先端側まで覆う構造としてもよい。このとき、延設されたリブ２０１の内周面と、シースピン１０５の外周面との間には、クリアランスが設けられており、図１０と同様に前記クリアランスによって、外部からシースピン１０５への振動伝達を抑制できる。また、図１０の先端干渉部２０５ａと同様、リブ２０１の先端に先端干渉部２０１ａを設けることにより、シースピン１０５が振動および共振した場合においても、先端干渉部２０１ａが干渉し、共振を抑制することができる。

なお、図１１においては、図１０と同様シースピン１０５の外径がセンサ外径Ｄ３となる。

なお、先端干渉部２０１ａおよび２０５ａは、レーザ溶接等により完全に拘束されていなければ、例えば、０．１ｍｍ程度のクリアランスを設けて配置されてもよく、実質的に隙間をなくして接触させた状態で配置してもよい。

その他、本発明の主旨を逸脱しない範囲内であれば、排気温センサ１００および排気管４００等の構造は適宜変更可能である。

本発明の排気温センサ１００の一実施形態を示す断面図である。 本発明の排気温センサ１００の排気管４００への取付け状態を説明するための図面であり、（ａ）は排気管の軸方向断面図であり、（ｂ）は同図（ａ）における排気管の軸に対して垂直方向断面図である。 本発明の排気温センサ１００を用いた熱電対５００による温度校正試験方法を説明する模式図である。 本発明の排気温センサの温度校正試験結果を表す図である。 （ａ）は本発明の排気温センサ１００を楕円状の排気管に取付けた場合の排気管軸方向に対する垂直方向断面図であり、（ｂ）は同図（ａ）における排気温センサの側温誤差の評価を示すグラフである。 排気温センサの側温誤差の評価を示すグラフである。 本発明の排気温センサ加熱共振耐久試験を表す模式図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の排気温センサにおける取付け位置を説明する断面図である。 本発明の排気センサにおける他の実施形態を示断面図である。 本発明の排気センサにおける他の実施形態を示断面図である。 本発明の排気センサにおける他の実施形態を示断面図である。 従来の排気温センサ６００の排気管９０３への取付け断面図である。

符号の説明

１０…感温部
２０…ケース部
１００…排気温センサ（温度センサ）
１０１…サーミスタ素子（感温素子）
１０２…電極線
１０３…シースピン芯線（金属芯線）
１０４…感温部カバー（カバー）
１０５…シースピン（シース部材）
１０６…固定部材
１０７…ガラス材
２０１…リブ（保持部材）
２０１ａ…先端干渉部
２０２…プロテクションチューブ（保持部材）
２０３…ニップル
２０４…リード線
２０５…保持チューブ
２０５ａ…先端干渉部
３０１…ボス
４００…触媒コンバーター
４０１…触媒ケース
４０２…触媒体
４０２ａ…上流側触媒体
４０２ｂ…下流側触媒体
４０３…排気管
５００…熱電対

Claims (12)

1. 流体が流れる流路内に配置され、前記流路内の流体の温度によって電気的特性が変化する感温素子と、先端側が電極線を介して前記感温素子に接続され、基端側は外部回路接続用のリード線に接続される信号線と、前記信号線を内部に保持するシース部材と、前記シース部材の外周面を直接的または他部材を介して間接的に保持する保持部材と、を備えた温度センサであって、
   該温度センサの軸における前記流路の内周から前記感温素子の中心までの距離である突出し長さＬ１を５０ｍｍ以上とし、前記感温素子の中心を通りかつ前記流路の軸に対して垂直な断面における前記流路の内周面から前記感温素子の中心までの距離である突出し位置をＬ１’、前記断面において前記温度センサを投影視した際の前記温度センサの軸と前記流路の内周面との交点間の距離である流路幅をＤ１としたとき、
   １００ｍｍ≦Ｄ１＜２００ｍｍの場合、Ｌ１’／Ｄ１≧｛０．６−（１／１０００）×Ｄ１｝
   ２００ｍｍ≦Ｄ１＜３００ｍｍの場合、Ｌ１’／Ｄ１≧｛０．７４−（１／６００）×Ｄ１｝
   ３００ｍｍ≦Ｄ１の場合、Ｌ１’／Ｄ１≧０．２４
   であることを特徴とする温度センサ。
2. 流体が流れる流路内に配置され、前記流路内の流体の温度によって電気的特性が変化する感温素子と、先端側が電極線を介して前記感温素子に接続され、基端側は外部回路接続用のリード線に接続される信号線と、前記信号線を内部に保持するシース部材と、前記シース部材の外周面を直接的または他部材を介して間接的に保持する保持部材と、を備えた温度センサであって、
   該温度センサの軸における前記流路の内周面から前記感温素子の中心までの距離である突出し長さＬ１を５０ｍｍ以上とし、前記感温素子の中心を通りかつ前記流路の軸に対して垂直な断面における流路内径をＤ１’、前記流路内径Ｄ１’を有する流路の中心から前記感温素子の中心までの長さを半径とする円の直径をＤ２としたとき、
   １００ｍｍ≦Ｄ１’＜２００ｍｍの場合、Ｄ２／Ｄ１’≦｛（１／５００）×Ｄ１’−０．２｝、
   ２００ｍｍ≦Ｄ１’＜３００ｍｍの場合、Ｄ２／Ｄ１’≦｛（１／３００）×Ｄ１’−０．４７｝、
   ３００ｍｍ≦Ｄ１’の場合、Ｄ２／Ｄ１’≦０．５３
   であることを特徴とする温度センサ。
3. 前記シース部材が保持部材により直接的または間接的に保持される保持部の先端から前記感温素子の中心までの長さである保持長さをＬ２としたとき、前記突出し長さＬ１との関係は、Ｌ２＞Ｌ１であることを特徴とする請求項１または２に記載の温度センサ。
4. 前記突出し長さＬ１のうち前記感温素子を保持する部材の直径をセンサ外径Ｄ３としたとき、Ｄ３は３．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の温度センサ。
5. 前記突出し長さＬ１が６０ｍｍ以上であり、前記センサ外径Ｄ３が３．２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の温度センサ。
6. 前記センサ外径Ｄ３が１．７ｍｍ以上であることを特徴とする請求項３に記載の温度センサ。
7. 少なくとも２つの触媒体が配置された流路に配置され、前記隣接する２つの触媒体の間に配設されることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の温度センサ。
8. 前記隣接する２つの触媒体の間隔をＬ３、前記感温素子の中心から前記２つの触媒体のうち前記流路の下流側に位置する触媒体の流路上流側の端面までの距離をＬ４としたとき、Ｌ４＜（Ｌ３）／２であることを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の温度センサ。
9. 前記感温素子は、金属カバーの内部に配設されていることを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の温度センサ。
10. 前記感温素子は、サーミスタ素子からなることを特徴とする請求項１乃至９の何れかに記載の温度センサ。
11. 前記感温素子は、前記金属カバーの先端側内部に供給された固定部材中に埋設されることを特徴とする請求項１乃至１０の何れかに記載の温度センサ。
12. 前記感温素子は、ガラス材によって封止されていることを特徴とする請求項１乃至１１の何れかに記載の温度センサ。

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