JP4892030B2

JP4892030B2 - 温度センサ

Info

Publication number: JP4892030B2
Application number: JP2009099607A
Authority: JP
Inventors: 和人越水
Original assignee: Shibaura Electronics Co Ltd
Current assignee: Shibaura Electronics Co Ltd
Priority date: 2009-04-16
Filing date: 2009-04-16
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2029-04-16
Also published as: JP2010249667A

Description

本発明は、温度によって電気抵抗が変化する感温体を備えた温度センサに関する。

自動車の排気ガス、給湯器、ボイラー、オーブンレンジ、ストーブ等の温度を測定するために、温度によって抵抗値が変化する感温体を用いた温度センサが広く利用されている。かかる温度センサに用いられる温度センサ素子（以下、単にセンサ素子）は、図４に示すように、一対の電極３を設けた感温体２と、一対の電極３に接続されたリード線４と、感温体２を封止する耐熱性の結晶質ガラス、非晶質ガラス等からなる被覆材５と、から構成されている。センサ素子を電気オーブン（電気度センサ）、ラジアントヒータ、燃焼器具、排気ガス浄化装置などに設置する場合には、振動・外力・燃焼ガス等からセンサ素子を保護するために、センサ素子は密閉性の高い金属保護管に収納された状態で用いられている。

特許文献１には、使用環境温度が７５０℃以上になると温度センサを構成する金属保護管の酸化により、感温体２の周囲の酸素分圧が変動することがあり、これに伴い感温体２の組成が変動して温度−抵抗値特性が不安定になるので、金属保護管内に気孔率が３０〜７０％の耐震フィラーを充填することが開示されている。

しかるに、本発明者等の検討によると、６００℃〜１０００℃という高温下で使用されると、センサ素子を保護する金属保護管が酸化されることに加えて、被覆材５から引出された一対のリード線４のうち陽極側が次第に細くなり、被覆材５と細くなったリード線４との密着部分に隙間が生じることを知見した。被覆材５とリード線４との間に隙間が生じると、感温体２の周囲の雰囲気からの封止状態を維持することできなくなり、センサ素子の特性への影響が懸念される。ところが、特許文献１には、被覆材５とリード線４との間に生じる隙間について何ら開示、示唆されていない。

特開２００８−２１５９１９号公報特許第３８０６４３４公報

本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、センサ素子のリード線が細くなるのを防止して、検知温度の精度を安定して保つことができる温度センサを提供することを目的とする。

金属保護管は、高温耐熱性に優れたステンレス合金、Ｎｉ基超合金が主に用いられる。これら耐熱合金は、ニッケル、クロムを主成分として含むが、高温環境下において、ニッケル、クロム、鉄などの構成原子が蒸発、放出される。また、リード線４を構成する白金や白金合金、ニッケル及びこれらの酸化物も５００℃を越えた温度では蒸発し始める。本発明者等は、これらがリード線を細くする要因となっているのではないかと推測し、６００〜１０００℃という高温下で使用されたセンサ素子、特に被覆材５の表面に付着した組成物の構成元素を分析した。その結果、図５に示すように、この組成物にはクロム（Ｃｒ）と酸素（Ｏ）が多く含まれており、この組成物は導電性を有する酸化クロムであることが判明した。クロムは、センサ素子を保護する金属保護管に含まれるものであり、金属保護管が高温に曝されて酸化し、酸化物となって金属保護管の内部に放出されたものと考えられる。放出された酸化クロムを含む酸化物は、被覆材５の表面に付着するが、その一部は一対のリード線４間を埋める。

リード線４間には、高い絶縁性能を有する結晶質ガラス、非晶質ガラス等からなる被覆材５が介在しているので、センサ素子に通電したとしても図６（ａ）に示すように、リード線４間にリーク電流は生じない。なお、図６において矢印が電流を示す。ところが、上述のとおり、導電性を有する物質、例えば上述した酸化クロムがリード線４間を埋めるように付着すると、リード線４間の絶縁性能が損なわれ、図６（ｂ）に示すように、通電によりリード線４間にリーク電流が生じる。そのために、陽極側のリード線４に電解腐食（高温マイグレーション）が生じ、リード線４を構成する金属電子を放出する。その結果、金属電子が放出された陽極側のリード線４は次第に細くなり、図６（ｃ）に示すように被覆材５と陽極側のリード線４との間に隙間が生じることを本発明者等は知見した。
なお、以上では酸化クロムの付着を具体的に示したが、金属保護管の組成によっては他の金属元素が高温マイグレーションの原因になることがあろうし、リード線４を構成する元素が高温マイグレーションの原因になることもあろう。

以上の通りであり、金属保護管あるいはリード線４に起因する導電性を有する組成物がリード線４間に付着するのを防止することが、高温マイグレーションの発生を防止するために必要である。そこでなされた本発明の温度センサは、センサ素子と、リード線の一部を除いて感温体を収容する金属製の保護管とを備えることを前提とする。そして、センサ素子は、温度によって電気抵抗が変化する感温体と、感温体に電気的に接続される一対のリード線と、感温体と、感温体に接続された部分から所定範囲内のリード線とを封止する被覆材とを有している。また、このセンサ素子は、リード線が被覆材の封止端から引出される。以上の構成を有する本発明の温度センサは、センサ素子と保護管の間にあって、封止端を取り囲むセラミック製の遮蔽体を設けることを特徴としており、この遮蔽体は感温体側に配置されるすり鉢状の凹部を備える遮蔽部と、遮蔽部に連なり、リード線が貫通して収容されるリード線保護部とを備え、遮蔽部が少なくとも封止端を取り囲むように配置される。このように遮蔽部が少なくとも封止端を取り囲むように配置されることによって、主に金属保護管を要因とする導電性を有する組成物がリード線間へ付着するのを防ぐことができ、高温マイグレーションを防止することが可能となる。

本発明の温度センサにおいて、被覆材と遮蔽体との変位を規制する充填材を遮蔽部の凹部内に介在させてもよい。これにより、導電性を有する組成物の付着をより確実に防ぐとともに、センサ素子に対する遮蔽体の位置決めを適切に行うことができ、温度センサの形状と性能の安定性が確保できる。

また本発明の温度センサにおいて、遮蔽体の外径がセンサ素子の外径以下であることが好ましい。遮蔽体とセンサ素子を収容する金属保護管の外径を、センサ素子のみを収容する場合の外径と同等に保つことができるので、温度センサを応答性の良い小サイズに維持しながらも高温マイグレーションの発生を防止できる。なお、遮蔽体の外径とは遮蔽体の最大外径で特定され、センサ素子の外径とはセンサ素子の最大外径で特定される。

本発明の温度センサによれば、リード線間への導電性物質の付着による高温マイグレーションを防止し、被覆材による感温体の封止状態を保つことが可能となる。したがって、温度センサの温度検知精度を安定して確保することができる。

（ａ）は本実施形態の温度センサの縦断面図、（ｂ）は遮蔽体の平面図、（ｃ）は遮蔽体の底面図である。（ａ）は本実施形態の変形例を示す縦断面図、（ｂ）は本実施形態の他の変形例を示す縦断面図、（ｃ）は比較例の温度センサの縦断面図である。図１に示した本実施形態の温度センサ、図２（ｃ）に示した比較例の温度センサを用いて行なった高温通電試験の結果を示すグラフである。従来のセンサ素子を示す図である。リード線間の付着物の元素分析結果を示すグラフである。（ａ）従来のセンサ素子における検知電流印加の様子を示し、（ｂ）はリーク電流発生の様子を示し、（ｃ）はリード線の細りを示す。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１（ａ）は本実施形態の温度センサ１を示す。
温度センサ１は、センサ素子ユニット１０と、リード線４の後方側の一部を除いてセンサ素子ユニット１０を収容する金属保護管２０とから構成される。
センサ素子ユニット１０は、温度によって電気抵抗が変化する感温体２と、感温体２に電極３を介して電気的に接続される一対のリード線４と、感温体２と電極３から所定範囲内のリード線４とを封止する被覆材５とを備える。リード線４は、被覆材５の封止端６から引出される。

感温体２としては、サーミスタを用いることが好ましいが、温度によって電気抵抗が変化するものを広く適用できる。５００〜１０００℃の高温域で使用される場合、サーミスタとしては、例えば本発明者が先に特許文献２で開示したＹ、Ｃｒ、Ｍｎ、ＣａおよびＯを含み、Ｙ：Ｃｒ：Ｍｎ：Ｃａのモル比が７５〜８５：７〜１０：７〜１０：１〜５である金属酸化物を用いることが好ましい。この金属酸化物から構成される感温体２は、１０００℃以上の高温まで温度測定が可能である。ただし、これはあくまで例示であり、他のサーミスタを用いることもできることは言うまでもない。

リード線４としては、白金又は白金合金を用いることができる。白金合金としては、イリジウムを１〜２０ｗｔ％含有するものが高温耐久性の観点から好ましい。

被覆材５は、非晶質ガラス又は結晶質ガラスから構成される。それぞれが単独で用いることもできるが、所望の熱膨張係数を有するように非晶質ガラスと結晶質ガラスとを混合して用いることもできる。結晶質ガラスとしては、例えば、酸化ケイ素、酸化カルシウム、酸化マンガン、酸化アルミニウムから構成されるものが好ましく、より具体的にはＳｉＯ_２：３０〜６０ｗｔ％、ＣａＯ：１０〜３０ｗｔ％、ＭｇＯ：５〜２５ｗｔ％、Ａｌ_２Ｏ_３：０〜１５ｗｔ％の組成を有するものを本発明に用いることができる。また、ガラスに無機材料粉末を添加したもの等を用いて構成してもよい。ガラスに添加する無機材料粉末としては、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）等、感温体２を構成する金属酸化物等が挙げられる。

このセンサ素子ユニット１０は、セラミックからなる遮蔽体７を備える。
センサ素子ユニット１０と金属保護管２０の間に設けられる遮蔽体７は、外形が円錐台形をなし、被覆材５の後端側を取り囲んで封止端６を密閉する。したがって、リード線４間に導電性の組成物が付着することがない。遮蔽体７は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等のセラミックからなる。

温度センサ１は、リード線４の後方側の一部を除いてセンサ素子ユニット１０を収容する金属保護管２０を備える。金属保護管２０は、ステンレス合金、Ｎｉ基超合金、その他の耐熱合金から構成される。これら合金は、耐熱性を確保するために、Ｎｉ、Ｃｒを多く含んでいる。例えば、Ｎｉ基超合金の１例であるＪＩＳＮＣＦ６００は、Ｎｉを７５ｗｔ％、Ｃｒを１６ｗｔ％程度含んでいる。

円筒状の遮蔽体７は、前方側にすり鉢状の凹部７ｃが形成される。凹部７ｃは凹部７ｃの外周に沿って設けられる遮蔽壁７ｗに取り囲まれる。凹部７ｃと遮蔽壁７ｗにより遮蔽部７１が構成される。遮蔽体７には、凹部７ｃの底から後方に向けて貫通し、リード線４が挿通される２つの保持孔７ｈが形成されるリード線保護部７２が遮蔽部７１に連なって一体に形成される。
遮蔽体７は、被覆材５の後方側が凹部７ｃ内に収容されるように配置される。したがって、遮蔽壁７ｗが封止端６を取り囲み、リード線４間に導電性の組成物が付着するのを防止できる。なお、被覆材５と遮蔽壁７ｗとの間に隙間があるが、後述の高温通電試験の結果より、このような隙間があっても、リード線４間への導電性の組成物が付着するのを防止できることが確認された。
温度センサ１において、遮蔽体７の外径は、被覆材５の最大外径と同等（以下でももちろんかまわない）に設定されているので、遮蔽体７を設けない場合と温度センサ６０の外形寸法を同等にできる。

さらに、被覆材５、リード線４に対して遮蔽体７を定位置に位置決めし、固定するために、図２（ａ）に示すように、遮蔽体７の凹部７ｃ内に耐熱性のセラミック接着材８を充填した温度センサ３０とすることもできる。これにより、導電性の組成物が付着するのをより効果的に防止できるとともに、被覆材５と遮蔽体７との変位を規制することができる。この機能は、セラミック接着材８に限らず、スラリとして供給されたセラミック粉末を焼結した充填材でも同様に得ることができる。
また、図２（ｂ）に示すように、遮蔽体７のリード線保護部７２を長く延長し、かつ金属保護管２０にかしめ部２０ｃを設けて、遮蔽体７を保護管２０に固定する温度センサ４０とすることもできる。

実施形態にかかる温度センサ１を用い、８００℃、大気中で１０ｍＡの電流を通電しながら連続１０００時間保持し、その間の電気抵抗を測定した。比較として、図２（ｃ）に示す比較温度センサ５０を用いて同様の測定を行なった。結果を図３に示す。図３は、２５℃における電気抵抗を基準とする電気抵抗の変化率を示している。
比較温度センサ（比較例）は、１００時間目で電気抵抗が大きく上昇しているのに対して、本実施形態に係る温度センサ１（実施形態）は、１０００時間経過後においても電気抵抗の変動は生じなかった。
このように、遮蔽壁７ｗが封止端６を取り囲むだけで、リード線４間に導電性の組成物が付着するのを防止できることが実証された。図２（ａ）のように、遮蔽体７の凹部７ｃ内に耐熱性のセラミック接着材８を充填した場合でも、もちろん温度センサ１と同様の結果が得られた。

本発明による温度センサは、種々の用途に用いることができる。その例として、電気式ヒータの温度制御に用いることができるし、火炎バーナの温度制御に用いることができる。いずれにおいても、温度センサＳからの検知温度と設定温度とを通電回路を含む制御回路内において比較し、その比較結果に基づいて、電気式ヒータの場合には投入電力を制御し、火炎バーナの場合には投入する燃料・空気を制御する。なお、電気ヒータの具体例としては、オーブン、ラジアントヒータ、排気ガス浄化装置（ＤＰＦ：Diesel particulate filter）のフィルタ再生ヒータ等が掲げられる。また、火炎バーナとしては、ガスバーナ、石油バーナが掲げられる。ただし、これはあくまで例示であり、本発明を限定するものではない。

なお、この発明の実施例を図面により詳述してきたが、これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択し、あるいは他の構成に適宜変更することが可能である。

１，３０，４０，５０…温度センサ
１０…センサ素子ユニット
２…感温体、３…電極、４…リード線、５…被覆材、６…封止端
７…遮蔽体
７ｃ…凹部、７ｈ…保持孔、７ｗ…遮蔽壁、７１…遮蔽部、７２…リード線保護部
８…セラミック接着材
２０…金属保護管

Claims

温度によって電気抵抗が変化する感温体と、前記感温体に電気的に接続される一対のリード線と、前記感温体と、前記感温体に接続された部分から所定範囲内の前記リード線とを封止する被覆材とを備え、前記リード線が前記被覆材の封止端から引出されるセンサ素子と、
前記リード線の一部を除いて前記センサ素子を収容する金属製の保護管と、
前記センサ素子と前記保護管の間にあって、前記封止端を取り囲むセラミック製の遮蔽体と、
を備え、
前記遮蔽体は、
前記感温体側に配置されるすり鉢状の凹部を備える遮蔽部と、
前記遮蔽部に連なり、前記リード線が貫通して収容されるリード線保護部とを備え、
前記遮蔽部が少なくとも前記封止端を取り囲むように配置されることで、前記リード線間への導電性物質の付着が防止される、
高温域で使用可能であることを特徴とする温度センサ。
前記被覆材と前記遮蔽体との変位を規制する充填材を前記遮蔽部の凹部内に介在させる請求項１に記載の温度センサ。
前記遮蔽体の外径が前記センサ素子の外径以下である請求項１又は２に記載の温度センサ。