JP5211971B2

JP5211971B2 - 温度センサ

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Publication number: JP5211971B2
Application number: JP2008237778A
Authority: JP
Inventors: 祐介藤堂
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-09-17
Filing date: 2008-09-17
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2028-09-17
Also published as: JP2010071735A

Description

本発明は、自動車排気ガス等の温度を検知する温度センサに関する。

自動車の排気ガス等の温度を測定する温度センサとして、温度によって抵抗値が変化するサーミスタ素子を用いた温度センサがある。このような温度センサとしては、従来より、一対の電極線を設けたサーミスタ素子を覆うように先端側にカバーを配設する構成を有するものが広く用いられている。その中には、素子とカバーとの間にフィラーを充填した温度センサがある。

上記フィラーは、温度センサが振動したときに、上記素子が振れて上記カバーに衝突することを防ぎ、上記素子が損傷することを防ぐと共に、上記電極線の断線を防ぎ、耐久性を向上させるものである。また、上記フィラーとしては、金属カバーの外の熱を素早く感温素子に伝え、優れた応答性を有することができるように、熱伝導性に優れた材料が用いられる。
また、上記カバーは、一般的に、例えばＳＵＳ３１０Ｓ等の高クロム・高ニッケル系の耐熱ステンレス鋼よりなる（特許文献１）。

特開２００４−２８６４９１号公報

しかしながら、高温環境下においては、上述の耐熱ステンレス鋼よりなるカバーはカバー内面において酸化が進行し、酸化層が形成される。そのため、カバーの肉厚が薄くなったり、破れが発生するという問題や、カバーとフィラーとの間に隙間が発生し、そこに振動が加わった場合に、フィラーが崩壊するという問題がある。

また、カバー内における酸化膜の形成に伴って、上記カバーと上記フィラーとの固着も発生する。また、高温域においては、上記耐熱ステンレス鋼よりなるカバーが熱膨張により変形する。そして、上記カバーと上記フィラーとは熱膨張係数の差が大きいため、カバーの変形に伴って固着したフィラーが引張られ、その結果、感温体の割れや、電極線の断線が発生するという問題がある。また、上記カバーと上記フィラーとが固着していない場合であっても、カバーの熱膨張によって、カバーとフィラーとの間に空洞ができ、振動でフィラーが崩壊するという問題がある。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたものであって、耐熱性、耐振性を向上させ、高寿命化が可能な温度センサを提供しようとするものである。

本発明は、感温体と該感温体を覆うように先端側に配設されたカバーとの間にアルミナを主成分とするフィラーを充填してなる温度センサであって、
上記カバーはＡｌを含有するＮｉ合金からなり、
上記カバーの内面にはアルミナの膜が形成されていることを特徴とする温度センサにある（請求項１）。

上記温度センサにおける上記カバーは、Ａｌを含有するＮｉ合金という特定の組成を有する材料により構成されることより、上記耐熱性と上記耐酸化性の二つの特性を併せ持つことができる。そのため、高温環境下（９５０℃以上の温度域）において、温度センサの耐熱性、耐振性を向上することができ、高寿命化が可能となる。

上記カバーはＮｉ合金よりなり、耐熱性を有するため、高温環境下におけるカバーの変形を抑制することができる。そのため、上述したような、カバーの変形に伴う、フィラーの崩壊、サーミスタ素子の崩壊、電極線の断線の発生を抑制することができる。

また、上記Ｎｉ合金はＡｌを含有している。このＡｌは、高温環境下において酸化し、カバーの内面にアルミナの膜を形成する。そして、形成されたアルミナの膜によって、カバーがそれ以上酸化することを抑制する耐酸化性を確保することができる。そのため、カバーとフィラーとの固着や、カバーとフィラーとの間に隙間が形成されることを抑制することができ、振動によるフィラーの崩壊を抑制することができ、耐振性を確保することができる。

つまり、上記耐熱性及び上記耐酸化性を併せ持つことにより、高温環境下において、上記フィラー、上記感温体（電極線、素子等）への熱応力を低減することができ、かつ耐振性を得ることができ、フィラーの崩壊、素子の崩壊、電極線の断線を低減することができる。そのため、温度センサの寿命を大幅に向上させることができる。

なお、上記Ａｌを含有するＮｉ合金は、高温において耐酸化性を有するだけでなく、その他の、加工性、溶接性、コスト等の特性も、従来よりカバーとして用いられている高クロム・高ニッケル系の耐熱ステンレス鋼と同等のレベルを確保することができる。

このように、本発明によれば、耐熱性、耐振性を向上させ、高寿命化が可能な温度センサを提供することができる。

本発明の温度センサは、上述したように、感温体と該感温体を覆うように先端側に配設されたカバーとの間にアルミナを主成分とするフィラーを充填してなり、かつ、上記カバーはＡｌを含有するＮｉ合金からなる。
そして、上記Ａｌを含有するＮｉ合金は、Ｎｉ：５８〜６３質量％、Ｃｒ：２１〜２５質量％、Ａｌ：１〜２質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなることが好ましい（請求項２）。
この場合には、上述の耐熱性及び耐酸化性の効果を特に良好に発揮することができる。
また、上記Ｎｉ合金は、ニッケルと十分なクロムを含有しているため、多くの腐食性媒体と高温環境に対して優れた耐食性を示す。また、アルミニウム添加により耐酸化性を更に向上することができる。
また、上記成分の含有量が上述の範囲を外れる場合には、上記特性を得難くなるおそれがある。

また、上記感温体としては、一対の電極線を設けたサーミスタ素子のみからなるものであってもよいし、一対の電極線を設けたサーミスタ素子をガラスを用いて封止したガラス封止素子を用いてもよい。
上記ガラス封止素子は、上記サーミスタ素子を上記電極線の一部と共にガラスによって封止することにより、振動によってサーミスタ素子と電極線との接合部が断線することや、サーミスタ素子の抵抗値特性の変化を抑制できるものである。

そして、上記感温体は、先端部が曲面形状を呈するガラス封止素子であることが好ましい（請求項３）。
この場合には、特に、フィラーの崩壊を抑制することができ、耐振性を向上させることができる。

上記温度センサは、一般的に、カバーにフィラーを充填した後、感温体を侵入させて作製される。
感温体として円柱型素子や、直方体型素子等、先端部が平面形状の素子を用いる場合には、端面で押して侵入させるため、気泡が上部に抜け難く気泡が残留するという問題や、面で押すことにより先端側においてフィラー密度が高くなるという問題がある。このように、フィラーが不均一となると、硬度バラツキが生じ、フィラーの崩壊に繋がり、信頼性が悪化することが考えられる。

そこで、上述したように、感温体を先端部が曲面形状を呈するガラス封止素子とすると、気泡が上部に抜け易くなり、また、先端側のフィラー密度が高くなることを抑制することができ、フィラーの均一化を図ることができる。そのため、硬度バラツキを低減することができ、フィラーの崩壊を抑制することができる。

上記感温体は、先端部が曲面形状を呈することが好ましいが、感温体の形状が、球、楕円体であることがより好ましい。

また、上記フィラーは、例えば、主成分としてのアルミナに助材や分散剤を混合したものを、水によってスラリー化し、充填した後、熱処理を施すことによって形成することができる。上記助材は、アルミナ粒子の結合を助ける働きをするものであり、例えば、ＣａＣＯ₃、カオリン、タルク、ホウ酸等がある。また、上記分散剤は、アルミナ粒子をスラリー中において均一分散させるものであり、例えば、セラモ（第一工業製薬社製）がある。

また、上記温度センサは、９５０℃以上の使用環境において使用されることが好ましい（請求項４）。
本発明の温度センサは、高温域においても、耐熱性、耐振性を有することができる。そのため、９５０℃以上の使用環境においても、長期に亘り好適に用いることができる。

（実施例１）
本例は、本発明の実施例にかかる温度センサについて、図１を用いて説明する。
本例における温度センサ１は、感温体２と該感温体２を覆うように先端側に配設されたカバー３との間にアルミナを主成分とするフィラー４を充填してなる。上記カバー３はＡｌを含有するＮｉ合金からなる。
以下、これを詳説する。

上記温度センサ１を作製するに当たっては、まず、感温体２として、略直方体形状を有するサーミスタ素子２１に一対の電極線２２を配置した感温体２を用意した。また、上記電極線２２として、１０質量％含有するＰｔ合金よりなり、線径がφ０．２５ｍｍのものを用意した。
また、Ｎｉ：６０．５質量％、Ｃｒ：２３．０質量％、Ａｌ：１．４質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなるＮｉ合金からなるカバー３を用意した。
また、フィラー４として、アルミナを主成分とするフィラー４を用意した。
なお、上述した各部の材料は一例であって、本発明はこれに限られるものではない。

そして、上記感温体２を用いて、上記感温体２と、該感温体２の一対の電極線２２にそれぞれ接続された一対の信号線５１を先端側に露出させた状態で内蔵するシースピン５と、上記感温体２を覆うように先端部に配設されたカバー３とを有する温度センサ１を得た。なお、上記感温体２は、カバー３にフィラー４を充填した後、カバー内に侵入させた。
上記カバー３は、シースピン５の先端部の外周に対して、全周溶接されている。
また、シースピン５、信号線５１は、ステンレス鋼またはＮｉ基耐熱合金からなる。

また、上記シースピン５は、２本の信号線５１と、該信号線５１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５２と、該絶縁部５２の外周を覆うステンレス鋼からなる外管部５３とからなる。シースピン５は円柱形状を有し、外管部５３は円筒形状を有する。また、信号線５１は、絶縁部５２及び外管部５３から先端側及び後端側に露出している。そして、信号線５１の先端は電極線２２と溶接されている。

本発明の温度センサ１のカバー３はＮｉ合金よりなり、耐熱性を有するため、高温環境下におけるカバー３の変形を抑制することができる。そのため、上述したような、カバー３の変形による、サーミスタ素子２１の割れや電極線２２の断線の発生を抑制することができる。

また、上記Ｎｉ合金はＡｌを含有している。このＡｌは、高温環境下において酸化し、カバー３の内面にアルミナの膜を形成する。そして、形成されたアルミナの膜によって、カバー３がそれ以上酸化することを抑制する耐酸化性を確保することができる。そのため、カバー３とフィラー４との固着や、カバー３とフィラー４との間に隙間が形成されることを抑制することができ、振動によるフィラーの崩壊を抑制することができ、耐振性を確保することができる。

つまり、上記耐熱性及び上記耐酸化性を併せ持つことにより、高温環境下において、上記フィラー４、上記感温体２（電極線２２、素子２１等）への熱応力を低減することができ、かつ耐振性を得ることができ、フィラー４の崩壊、素子２１の崩壊、電極線２２の断線を低減することができる。そのため、温度センサ１の寿命を大幅に向上させることができる。

このように、本例によれば、耐熱性、耐振性を向上させ、高寿命化が可能な温度センサを提供できることがわかる。

（実施例２）
本例は、図２に示すように、上記実施例１の温度センサ１の感温体２を、先端部が曲面形状を呈するガラス封止素子２０２に変更した温度センサ２０２を作製した例である。その他は、上記実施例１と同様にして行った。
上記感温体２０２は、上記サーミスタ素子２１を上記電極線２２の一部と共に第１ガラス層２３及び第２ガラス層２４によって封止した楕円体の感温体である。

上記感温体２０２を作製するに当たっては、上記第１ガラス層２３を形成するための第１ガラスペースト、及び上記第２ガラス層２４を形成するための第２ガラスペーストを用意した。そして、上記第１ガラスペースト及び第２ガラスペーストは、ＳｉＯ₂：３０〜６０質量％、ＣａＯ：１０〜３０質量％、ＭｇＯ：５〜２５質量％、Ａｌ₂Ｏ₃：０〜１５質量％よりなるガラス粉末を含有する。
なお、上述した各部の材料は一例であって、本発明はこれに限られるものではない。

そして、電極線２２をサーミスタ素子２１に接合した接合体を、上記第１ガラスペースト中にディップして上記サーミスタ素子２１と上記電極線２２の一部を覆うようにガラスを含有する第１ガラスペーストを配置した。乾燥後、上記ガラスペーストを加熱して上記ガラスが結晶化する温度以上に保持する熱処理を行うことにより第１ガラス層２３を形成した。なお、上記熱処理における保持温度は、１２００℃とした。
更に、第２ガラスペーストに、第１ガラス層２３によって覆われた接合体をディップして、第１ガラス層２３の上に所定量の第２ガラスペーストを付着させる。これを、乾燥後１２００℃にて熱処理することで焼付けを行い、第２ガラス層２４を形成し、感温体２０２を得た。

本例の温度センサ２０２は、上記実施例１において作製した温度センサ１と同様の効果を得ることができる。また、上記感温体２０２は、先端部が曲面形状を呈するガラス封止素子である。そのため、感温体２０２の配設時に、フィラー４中の気泡が上部に抜け易くなり、また、先端側のフィラー密度が高くなることを抑制することができ、フィラー４の均一化を図ることができる。フィラー４の硬度バラツキを低減することにより崩壊を抑制することができ、温度センサ１の耐振性を向上させることができる。

（比較例１）
本例では、本発明の比較例として、上記実施例２のカバー３を、ＳＵＳ３１０Ｓよりなるカバーに変更した温度センサを作製した。その他は実施例２と同様にして行った。

（実験例１）
本例は、上記実施例２において作製した温度センサ１０２と、上記比較例１において作製した温度センサについて、耐久調査、及びＦＥＭ解析による電極線への熱応力計算を行った。

＜耐久調査＞
耐久調査は、温度センサを加熱し、１０００℃において２分間保持した後、温度センサを冷却し、室温で２分保持するという工程を１サイクルとして、この冷熱サイクルを３０００サイクル行う試験を実施し、その後のカバーの変形、及びカバーの酸化を観察することにより行った。

図３に、温度センサ１０２の断面図を示す。図３における平行な２本の直線Ｍは、カバー３の変形を確認し易くするための基準線である。
図３より、温度センサ１０２のカバー３は、上記試験を行っても変形が起きていないことが分かる。そのため、上記フィラー４、上記電極線２２、上記感温素子２１、ガラス層２３、２４への熱応力を低減することができる。

また、図４には、温度センサ１０２のカバー３とフィラー４との界面部分の断面を金属顕微鏡で観察した結果（写真）を示す。図５には、温度センサ１０２のカバー３とフィラー４との界面部分の断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察した結果（写真）を示す。また、図６には、温度センサ１０２のカバー３とフィラー４との界面部分の断面のＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）を用いた成分分析の結果を示す。図６（ａ）はＡｌ、図６（ｂ）はＦｅ、図６（ｃ）はＣｒ、図６（ｄ）はＮｉのＥＤＸ分析結果である。
ＳＥＭ、ＥＤＸ分析は、日本電子株式会社製分析走査電子顕微鏡を用いて行った。

図４〜図６より、カバー３とフィラー４との間に酸化層や隙間が形成されていないことを確認できる。そのため、振動によるフィラーの崩壊を抑制することができ、耐振性を確保することができる。

図７に、比較例１において作製した温度センサ９の断面図を示す。図７における平行な２本の直線Ｎは、カバー９１の変形を確認し易くするための基準線である。
図７より、ＳＵＳ３１０Ｓよりなるカバー９１は、熱膨張により変形し、カバー９１の変形に伴って電極線９４が断線していることが確認できる。

また、図８には、温度センサ９のカバー９１とフィラー４との界面部分の断面を金属顕微鏡で観察した結果（写真）を示す。図９には、温度センサ９のカバー９１とフィラー４との界面部分の断面をＳＥＭで観察した結果（写真）を示す。また、図１０には、温度センサ９のカバー９１とフィラー４との界面部分の断面のＥＤＸを用いた成分分析の結果を示す。図１０（ａ）はＡｌ、図１０（ｂ）はＦｅのＥＤＸ分析結果である。

図８〜図１０より、ＳＵＳ３１０Ｓよりなるカバー９１は、内面において酸化が進行して酸化層９２が形成され、カバー９１の肉厚が薄くなっていることが確認できる。また、図９より、カバー９１とフィラー４との間に隙間９３が発生していることが確認できる。

＜熱応力計算＞
ＦＥＭ解析によって、温度を２５℃から１０００℃に加熱した場合、温度を１０００℃から２５℃に冷却した場合を想定して、電極線への熱応力を計算した。図１１に、ＦＥＭ解析の結果を示す。図１１は、横軸に温度（℃）、縦軸に主応力（ＭＰａ）をとった。図１１（ａ）は、温度を２５℃から１０００℃に加熱した場合、図１１（ｂ）は、温度を１０００℃から２５℃に冷却した場合の結果を示す。図１１において、曲線Ｘは温度センサ１０２の結果を示し、曲線Ｙは温度センサ９の結果を示す。

図１１より、いずれの場合においても、温度センサ１０２は、温度センサ９と比較して電極線への熱応力が小さいことがわかる。

これらの結果より、本発明の温度センサは、高温環境下において、カバ−の変形を抑制でき、かつ酸化膜の形成を抑制することができることがわかる。そして、上記フィラー、上記電極線、上記サーミスタ素子、ガラス層への熱応力を低減でき、上記フィラーと上記カバーとの間に隙間が形成されないことにより、フィラーの崩壊、サーミスタ素子の崩壊、電極線の断線を低減できることがわかる。つまり、耐熱性、耐振性を向上させた耐久性を有し、高温の使用環境においても十分に使用可能であり、高寿命化が可能であることが分かる。
なお、本例では、実施例１において作製した温度センサ１についての耐久調査は行っていないが、上記温度センサ２と同様の結果を示す。

（実験例２）
本例では、実施例１及び実施例２においてカバーとして用いたＮｉ合金（合金１）、比較例１においてカバーとして用いたＳＵＳ３１０Ｓ（合金２）、また、Ｎｉ：５４．０％（質量％、以下同様）、Ｃｒ：２２．０％、Ｍｏ：９．０％、Ｃｏ：１２．５％、Ａｌ：１．０％を含有し、残部が不可避的不純物よりなる合金（合金３）、Ｎｉ：３２．５％、Ｃｒ：２１．０％、Ｆｅ：４６．０％、Ｃ：０．０４％を含有し、残部が不可避的不純物よりなる合金（合金４）、及びＮｉ：７６．０％、Ｃｒ：１５．５％、Ｆｅ：８．０％を含有し、残部が不可避的不純物よりなる合金（合金５）について、耐酸化性の評価を行った。

酸化が起きると重量は変化するため、耐酸化性の評価は、試料を加熱して１０００℃において２分間保持した後、試料を冷却して室温で２分保持するという工程を１サイクルとして、この冷熱サイクルを４０００サイクル行う試験を実施し、試料の重量変化を測定することにより行った。
結果を図１２に示す。図１２は、横軸にサイクル数、縦軸に重量変化（ｍｇ／ｃｍ²）をとった。図１２において、曲線Ｏは合金１、曲線Ｐは合金２、曲線Ｑは合金３、曲線Ｒは合金４、曲線Ｓは合金５の結果を示す。

図１２より、Ａｌを含有するＮｉ合金（合金１、合金３）は、ほとんど重量変化が見られない。Ａｌを含有しない他の合金（合金２、合金４、合金５）は、サイクル数の増加に伴って重量が変化している。すなわち、Ａｌを含有するＮｉ合金は、Ａｌを含有しない他の合金と比較して、耐酸化性に優れることがわかる。

（実験例３）
本例では、上記実施例１及び上記実施例２においてカバーとして用いたＮｉ合金、及び比較例１においてカバーとして用いたＳＵＳ３１０Ｓについて、エリクセン試験値を測定し、押出し成形性の評価を行った。

図１３（ａ）に示すように、しわ押さえ７１とダイス７２を用いて挟み込んだ試験片６に鋼球ポンチ７３を押し込み、図１３（ｂ）に示すように、試験片６の少なくとも１ヵ所に裏面に達する割れ６１が生じさせる。エリクセン試験値は、割れ６１が生じた時点でのポンチ７３の先端７３１のしわ押さえ面７１１からの移動距離Ｌである。エリクセン試験値が大きい程、張出加工に対しては有利といえる。そして、温度センサのカバーのような深絞り品は、エリクセン試験値が大きい方が好ましい。

結果を図１４に示す。図１４は、縦軸にエリクセン試験値（ｍｍ）をとった。
図１４より、上記Ｎｉ合金と上記ＳＵＳ３１０Ｓとは、同程度のエリクセン試験値であり、生産において悪影響を与えないことが分かる。

（実験例４）
上記実施例１及び上記実施例２において作製した温度センサについて、フィラーを観察、及びフィラーのビッカース硬度の測定を行った。
図１５（ａ）は、上記実施例１において作製した温度センサ１の断面を示す図面代用写真であり、図１５（ｂ）は、上記実施例２において作製した温度センサ１０２の断面を示す図面代用写真である。

図１５（ａ）より、温度センサ１のフィラー４には、感温体２の下部において気泡４１が確認された。図１５（ｂ）より、温度センサ２のフィラー４には、気泡は確認されなかった。

＜ビッカース硬度＞
ビッカース硬度は、ＡＫＡＳＨＩ製ビッカース硬度計にて荷重２００ｇにより測定した。結果を図１６に示す。図１６は、縦軸にビッカース硬度（Ｈｖ）をとった。図１６において、点Ａ〜点Ｈは、図１及び図２におけるＡ点〜Ｈ点におけるビッカース硬さを示す。
図１６より、温度センサ２は、温度センサ１と比較して、フィラーの硬度バラツキが小さいことが分かる。

本例より、感温体を先端部が曲面形状を呈するガラス封止素子とすることにより、気泡が上部に抜け易くなり、また、先端側のフィラー密度が高くなることを抑制することができ、フィラーの均一化を図ることができることがわかる。そして、硬度バラツキを低減し、フィラーの崩壊を抑制することができ、特に、耐振性の向上が可能であることがわかる。

実施例１における、温度センサを示す説明図。実施例２における、温度センサを示す説明図。実験例１における、実施例２において作製した温度センサの断面を示す図面代用写真。実験例１における、実施例２の温度センサのカバーとフィラーの界面を金属顕微鏡で観察した結果を示す図面代用写真。実験例１における、実施例２の温度センサのカバーとフィラーの界面をＳＥＭで観察した結果を示す図面代用写真。実験例１における、実施例２の温度センサのカバーとフィラーの界面をＥＤＸを用いて成分分析した結果を示す図。実験例１における、比較例１の温度センサの断面を示す図面代用写真。実験例１における、比較例１の温度センサのカバーとフィラーの界面を金属顕微鏡で観察した結果を示す図面代用写真。実験例１における、比較例１の温度センサのカバーとフィラーの界面をＳＥＭで観察した結果を示す図面代用写真。実験例１における、比較例１の温度センサのカバーとフィラーの界面をＥＤＸを用いて成分分析した結果を示す図。実験例１における、ＦＥＭ解析による熱応力計算の結果を示す説明図。実験例２における、冷熱サイクルと重量変化の関係を示す説明図。実験例３における、エリクセン試験値の測定方法を示す説明図。実験例３における、エリクセン試験値の測定結果を示す説明図。実験例４における、温度センサの断面を示す図面代用写真。実験例４における、ビッカース硬度の測定結果を示す説明図。

符号の説明

１温度センサ
２感温体
３カバー
４フィラー

Claims

感温体と該感温体を覆うように先端側に配設されたカバーとの間にアルミナを主成分とするフィラーを充填してなる温度センサであって、
上記カバーはＡｌを含有するＮｉ合金からなり、
上記カバーの内面にはアルミナの膜が形成されていることを特徴とする温度センサ。
請求項１において、上記Ａｌを含有するＮｉ合金は、Ｎｉ：５８〜６３質量％、Ｃｒ：２１〜２５質量％、Ａｌ：１〜２質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなることを特徴とする温度センサ。
請求項１又は２において、上記感温体は、先端部が曲面形状を呈するガラス封止素子であることを特徴とする温度センサ
請求項１〜３のいずれか１項において、上記温度センサは、９５０℃以上の使用環境において使用されることを特徴とする温度センサ。