JP5221595B2 - 温度センサ - Google Patents

Description

本発明は、排気ガスに代表される気体、液体などの測定対象流体の温度を検出するための温度センサに関する。

従来、自動車から排出される排気ガス等の測定対象流体の温度を検出する温度センサとして、先端が閉じられた金属製のチューブと、その内部に配置された絶縁管と、その絶縁管の先端に配置されたサーミスタなどの感温素子とを備えた構成が知られている。この温度センサの具体例としては、感温素子から延び、絶縁管（碍子管）内を挿通された電極線（サーミスタリード）と、その絶縁管内においてこの電極線の後端と接合により接続された中継用の電極連結線（出力リード線）と、さらにその絶縁管の後方で電極連結線の後端と接続されて、チューブの内側から外部に向かって引き出されたリード線とからなるものがある（例えば、特許文献１（００１２段落、図１）参照）。

このような温度センサでは、感温素子が、ガラス等で封止されて上記したように絶縁管の先端に配置された状態でチューブ（保護管）内に配置されている。一方、感温素子から延びる電極線に接続された電極連結線の後端部は、チューブ内でその絶縁管の後端より後方で、リード線の先端部分と接続されている。また、このリード線は、チューブの後端開口部を閉塞するシール部材（ブッシュ）を通されて外部に引き出されている。このシール部材は、チューブの後端開口部内に配置され、チューブの外周面を径方向内側に加締めることでそのシール部材を径方向に圧縮し、リード線を固定している。なお、チューブの先端寄り部位の内面と絶縁管等の間（隙間）には耐熱セメントなどの充填材が充填され、絶縁管等はチューブ内に保持されている。

ところで、上記のような構成の温度センサは、チューブの外周に固着されたネジ込み用ハウジングを介して、測定対象部位（例えば排気管）にねじ込まれてその使用に供されるが、その際には、感温素子及び外部に引き出されているリード線に、エンジンの振動等の外力がかかることになる。また、温度センサと他の装置（例えば、エンジン制御装置）との接続時やメンテナンスの際などに、作業者がリード線を外方（後方）に向けて引っ張り、リード線に強い引張り力が作用することがある。

特開平７−１４００１２号公報

ところで、温度センサのリード線に振動や外方への引張り力が作用する場合、その力が小さい場合には、リード線がチューブ内の後端寄り部位に固定されているシール部材内を圧縮状態で通されているために大きな問題はない。しかしながら、リード線に作用する振動や外方への引張り力が大きくなると、リード線はシール部材内を後方にずれるように移動することになる。このリード線は、通常、絶縁被覆された複数の導体（電線）からなる撚り線であり、比較的強度が高い。一方、感温素子から延びる電極線は単線で、通常、その直径（外径）も細く、強度も低い。このため、大きな引張り力が作用すると、電極線や、電極線と中継用の電極連結線との溶接部に負荷が掛かり、電極線や溶接部において断線（破断）が生ずるおそれがあった。

そこで、電極線及び電極連結線が通されている絶縁管内、すなわち、絶縁管内を通されている電極線及び電極連結線の周囲に無機接着剤等の充填材を充填して、それらを絶縁管の内部にて保持することも考えられるが、リード線に振動や大きな引張り力が作用することを勘案すると、単に充填材を充填するだけでは十分とは言えず、断線等の対策としては不十分と考えられる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、リード線に過度の引張り力やセンサ使用時の振動が作用したとしても、感温素子から延びる電極線や、電極線と中継用の電極連結線との溶接部に断線（破断）が生ずるのを防止できる温度センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の温度センサは、温度に応じて抵抗値が変化する感温部と、先端側が前記感温部と接続され、後端側が前記感温部から引き出された電極線と、前記電極線の後端部が挿入される挿通孔が形成された絶縁管と、前記電極線よりも外径が大きい電極連結線であって、先端部が前記絶縁管の前記挿通孔に挿入されると共に、該挿通孔内で前記電極線の後端部と接合部により接合されており、後端部が前記絶縁管の後端から引き出されてリード線に直接または他部材を介して接続された電極連結線と、を備えた温度センサであって、前記電極連結線のうち、前記接合部よりも後端側に位置すると共に、前記挿通孔内に位置する部位には、前記電極連結線の外面に対して高低差を有する溝部が形成されており、前記絶縁管の前記挿通孔の孔壁と、前記溝部の内部を含めた前記電極連結線の外面との間には、充填材が充填されていることを特徴とする。

本発明の温度センサでは、電極連結線のうち、電極線との接合部よりも後端側に位置する部位に、電極連結線の外面に対して高低差を有する溝部を設けている。そして、電極連結線のうち、この溝部の内部及び溝部の先後に位置する外面と、絶縁管の挿通孔の孔壁との間に、充填材が充填されている。このようにして絶縁管の挿通孔内に充填材が充填されることで、電極連結線に溝部を形成しない場合と比較して、充填材による電極連結線の保持力（固定力）を、溝部の内部に充填材が入り込むことよるアンカー効果によって向上させることができる。そして、電極連結線のうちで接合部よりも後端側の部位において、充填材による電極連結線と絶縁管との保持力が高まることから、リード線に過度の引張り力やセンサ時の振動が作用したとしても、接合部や細い電極線に負荷が掛かり難くなり、接合部や電極線に断線（破断）が生ずるのを効果的に防止することができる。

さらに、本発明の温度センサでは、前記充填材は、さらに、前記電極線の外面及び前記接合部の外面と、前記挿通孔の孔壁との間に充填されていると良い。

この温度センサでは、電極連結線のうち、この溝部の内部及び溝部の先後に位置する外面と、絶縁管の挿通孔の孔壁との間に加えて、電極線の外面及び接合部の外面と、絶縁管の挿通孔の孔壁との間にも充填材が充填されている。これにより、リード線に過度の引張り力等が作用した際に、負荷が掛りやすい電極線及び接合部が、絶縁管に対して充填材の存在により補完的に保持されることになる。その結果、リード線に過度の引張り力等が作用したとしても、接合部や電極線に断線（破断）が生ずるのを、より一層、防止することができる。

さらに、本発明の温度センサでは、前記溝部は、前記電極連結線の延び方向に沿って複数形成され、いずれの溝部の内部にも前記充填材が充填されていると
良い。

複数の溝部を電極連結線の延び方向に形成しつつ、いずれの溝部の内部にも充填材を充填させることによって、上述したアンカー効果が良好に発揮され、充填材による電極連結線と絶縁管との間の保持力（固定力）を確実に高められる。これにより、リード線に振動や過度の引張り力が作用したとしても、接合部や電極線に断線（破断）が生ずるのを、より一層、防止することができる。

本発明の温度センサ１００の縦断面図である。 サーミスタ素子２１周辺の縦断面図である。 図１の温度センサ１００において、電極線２３と電極連結線３５との接合部８５を含むようにして軸線Ｌに平行な向きの断面を採り、図１の紙面の右方向から接合部８５の周囲を平面視した要部縦断側面図（模式図）である。 充填材９５を絶縁管４１の挿通孔８１，８２の内側に入り込ませた素子ユニットを形成するための工程図である。

以下、本発明を具体化した温度センサの実施形態について、図面を参照して説明する。参照する図面は、本発明が採用し得る技術的特徴を説明するために用いるものであり、記載している部材（部品）の構成等は、それのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例である。なお、図１〜図３では上方を、温度センサ１００の後端側とし、図１〜図３の下方を、温度センサ１００の先端側として説明する。また、図１において、温度センサ１００の軸線をＬの記号にて図示する。

まず、図１を参照して、温度センサ１００の概略的な構成について説明する。温度センサ１００は、例えば、自動車（図示外）から排出される排気ガスを車外に放出するための排気管に取り付けられる。図１のように、温度センサ１００は、金属製のチューブ１１と、サーミスタ素子２１と、素子支持体３１と、絶縁管４１と、中継用の電極連結線３５，３６と、リード線５１，５２と、ねじ込み部材６１と、ゴム製のシール材７１とを備える。

チューブ１１は、金属（例えば、ステンレス合金）によって形成された、有底の筒状部材である。チューブ１１は、先端１０側が閉じており、筒の径は先端側から後端側に向かって、小径部１２，１３と、中径部１４，１５と、大径部１６との順に段状に大きくなっている。チューブ１１の内部には、先端１０側から順に、サーミスタ素子２１と、素子支持体３１と、絶縁管４１とがそれぞれ配置されている。サーミスタ素子２１は、ガラス封止型のサーミスタ素子である。サーミスタ素子２１の詳細は図２を参照して後述する。素子支持体３１は、絶縁体（例えば、フォルステライト２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２の結晶を主成分とするセラミック）によって形成された２穴の筒状部材であり、サーミスタ素子２１の２本の電極線２３，２４を各穴の内部に保持する。

絶縁管４１は、セラミック（例えば、アルミナ）製の絶縁体によって形成された２穴の筒状部材であり、電極連結線３５，３６の先端部を各挿通孔８１，８２の内部に保持する。各挿通孔８１，８２には、サーミスタ素子２１の電極線２３，２４の後端部も挿入されており、電極連結線３５，３６の先端部は、電極線２３，２４の後端部に対して接合部８５，８６により接合されている。なお、接合部８５，８６は、いずれも、本実施形態では電気抵抗溶接により形成されるが、接合の形態はこれに限定されず、レーザ溶接，電子ビーム溶接，ロウ付け等であっても良い。

また、電極連結線３５，３６の後端部は、それぞれ、絶縁管４１の後端から引き出されており、金属製の接続端子３７，３８を介して、リード線５１，５２と接続されている。リード線５１，５２は、複数のＳＵＳ線及びＣｕ線を撚り合わせた導体を絶縁被覆した構成をなし、導体が接続端子３７，３８に接続され、後端側が外部回路に電気的に接続される構成をなしている。このリード線５１，５２は、チューブ１１の大径部１６の後端において、温度センサ１００の外部に引き出されている。なお、本実施形態では、電極連結線３５，３６として、外径（後述するフラット形状の最先端部９１及び溝部９３を除いた部位の外径）が０．５０ｍｍのＳＵＳ３０４からなる線材を用いている。また、電極連結線３５，３６は、ジュメット線からなる電極線２３，２４よりも硬質とされると共に、その外径（線径）は、電極線２３，２４の外径よりも大きくなっている。

ねじ込み部材６１は、チューブ１１の上下方向中央付近の外周に外嵌されて固定されている。ねじ込み部材６１は、ねじ込み部材６１の内周面と、チューブ１１の上下方向中央付近の外周面との間を、ロウ付けすることによって、チューブ１１に固定されている。ねじ込み部材６１は、ねじ筒部６３と、多角形部６６とを備える。ねじ筒部６３の外周面には、温度センサ１００を排気管（図示略）のマニホールド部位の取り付け穴（ネジ穴）にねじ込み方式で固定するためのネジ６０がある。多角形部６６は、ねじ筒部６３の後端側において軸線Ｌからねじ込み部材６１の外周に向かう方向に突出した鍔状の形状を有する。多角形部６６の後端面６８は、チューブ１１の大径部１６の先端側段部１８によって係止されている。

多角形部６６の先端面７０には、環状ワッシャ６９が配置されている。環状ワッシャ６９は、温度センサ１００を排気管（図示略）のマニホールド部位の取り付け穴（ネジ穴）にねじ込む時に、取り付け穴と、温度センサ１００との間の隙間をシールする。ねじ筒部６３の先端は、中径部１５の先端寄り部位に配置されている。ねじ筒部６３の外周面の先端寄り部位（ネジ６０の先端部）は先細り状（テーパ）に形成されている。

チューブ１１の後端に位置する大径部１６には、２穴の筒状をなしたフッ素ゴムからなるシール材７１が配置されている。リード線５１，５２は、このシール材７１の各穴に通されている。大径部１６の後端側には、加締めによって、大径部１６に比べ径が小さくなっている加締め部１７が形成されている。この加締め部１７は、大径部１６の後端側に位置するシール材７１を径方向に圧縮して保持すると共に、リード線５１，５２を固定している。

図２を参照して、サーミスタ素子２１の詳細を説明する。図２のように、サーミスタ素子２１は、感温部としてのサーミスタ焼結体２２と、一対の電極層２５，２６と、一対の電極線２３，２４と、一対の接合電極２７，２８と、ガラス封止部２９とを備える。サーミスタ焼結体２２は、ペロブスカイト構造又はスピネル構造を有する金属酸化物を主体とする材料によって板状に形成されている。感温部としてのサーミスタ焼結体２２は、周囲の温度に応じて抵抗値が変化する特性を有する。電極層２５，２６は、白金（Ｐｔ）系又は金（Ａｕ）系の貴金属からなる電極である。電極層２５，２６は、サーミスタ焼結体２２を挟むように、サーミスタ焼結体２２の左右の表面のそれぞれに形成されている。

電極線２３，２４は、サーミスタ焼結体２２の抵抗値の変化を外部に取り出すための電線であり、ジュメット線よりなる。各電極線２３，２４の外径（線径）は０．２０ｍｍである。電極線２３，２４は、接合電極２７，２８によって一対の電極層２５，２６のそれぞれに接合されている。接合電極２７，２８は、引出線２３，２４を電極層２５，２６に接合させるための電極である。接合電極２７，２８は、電極層２５，２６と同様の白金（Ｐｔ）系又は金（Ａｕ）系の貴金属によって形成される。ガラス封止部２９は、一対の電極線２３，２４の先端側と、サーミスタ焼結体２２と、一対の電極層２５，２６とのそれぞれを被覆する。ガラス封止部２９は、被覆する部材（サーミスタ焼結体２２等）を内部に保持するとともに、被覆する部材を外部環境から保護する。

次いで、本実施形態の温度センサ１００の要部である、絶縁管４１の挿通孔８１，８２内における電極線２３，２４と電極連結線３５，３６との接合部８５，８６の周辺構造について、図３を参照して説明する。図３は、図１に示す温度センサ１００の断面図において、電極線２３と電極連結線３５との接合部８５を含むようにして軸線Ｌに平行な向きの断面を採り、図１の紙面の右方向から接合部８５の周囲を平面視した要部縦断側面図に相当する。なお、電極線２４と電極連結線３６との接合部８６周辺の構造に関しては、図３における電極線２３と電極連結線３６との接合部８５周辺の構造と同様の構成をしているため、以下では、電極線２３と電極連結線３５との接合部８５周辺の構造を代表にして説明する。

図３に示すように、絶縁管４１の挿通孔８１内の先端寄りには、電極線２３の後端部と、素子電極線３５の先端部とが重なり合うように配置され、両線２３，３５が重なり合う部位で電気抵抗溶接がなされ、接合部８５を形成している。ここで、電極連結線３５の最先端部９１は、電極線２３との電気抵抗溶接を安定して行うためにフラット形状をなしている。また、電極連結線３５のうち、接合部８５（最先端部９１）の後方側に位置する部位には、電極連結線３５の延び方向に沿って、電極連結線３５の外面に対して高低差を有する溝部９３が４つ形成されている。つまり、電極連結線３５（もう１つの電極連結線３６も同様）の溝部９３が形成された部位は、その表面が凹凸形状をなしている。なお、本実施形態では、接合部８５の形成前に、最先端部９１をフラットに形成する目的で電極連結線３５に対して型押しを施しているが、その型に改良を加え、型押し時に、最先端部９１をフラットに形成すると同時に、４つの溝部９３をも形成するようにしている。各溝部９３は、断面形状が半円状をなすように形成されている（図３参照）。

そして、本実施形態の温度センサ１００では、電極連結線３５の溝部９３を含む先端側の外面と絶縁管４１の挿通孔８１の孔壁との間、接合部８５の外面と絶縁管４１の挿通孔８１の孔壁との間、さらには電極線２３の外面と絶縁管４１の挿通孔８１の孔壁との間に、充填材９５が充填されている。そして、図３に示すように、充填材９５は、電極連結線３５に形成された４つの溝部９３の内部にまで入り込み、充填材９５が溝部９３に入り込んで硬化することによるアンカー硬化によって、電極連結線３５と絶縁管４１の挿通孔８１との間の保持力（固定力）が高められている。なお、本実施形態では、充填材９５として、金属アルコキシドをバインダーにした耐熱性の無機接着剤（具体的には、スリーボンド社製の接着剤 品番「３７３２」）を用いている。

電極連結線３５，３６に形成される溝部９３の表面からの高低差（深さ）としては、電極連結線３５，３６の材質や外径によって適宜調整すれば良い。ただし、溝部９３を設けたことで電極連結線３５，３６の強度が過度に低下すると、リード線５１，５２に過度の引張り力が作用した場合に、電極連結線３５，３６にて断線（破断）するおそれがあるため、電極連結線３５，３６の外面に対する溝部９３の最大の高低差としては、電極連結線３５，３６の外径の１／３未満とすることが好ましい。

こうして、本実施形態の温度センサ１００では、電極連結線３５，３６の外面に溝部９３を全く形成しない場合と比較して、充填材９５による電極連結線３５，３６と絶縁管４１との間の保持力を、充填材９５が溝部９３に入り込むことによるアンカー効果によって向上させている。そして、この温度センサ１００では、電極連結線３５，３６のうち、接合部８５，８６よりも後端側の部位において、充填材９５による保持力を高めたことで、リード線５１，５２に過度の引張り力やセンサ使用時の振動が作用した場合にも、接合部８５，８６や電極線２３，２４に負荷が掛かり難くなっている。その結果、本実施形態の温度センサ１００では、接合部８５，８６や電極線２３，２４に断線（破断）が生ずるのが効果的に防止される。

なお、本実施形態の温度センサ１００は、例えば、次のようにして組み立てられる（図４参照）。まず、所定長さに切断したＳＵＳ３０４製の電極連結線３５，３６を準備し、予め準備した型を用いてこの電極連結線３５，３６に対して型押しを実施し、フラット形状の最先端部９１及び４つの溝部９３をそれぞれ形成する。そして、この電極連結線３５，３６の最先端部９１に、サーミスタ素子２１の電極線２３，２４を各々重ね合わせて電気抵抗溶接を行い、接合部８５，８６をそれぞれ形成する。

次いで、電極連結線３５，３６の後端側から先端側に向かって絶縁管４１を挿通し、接合部８５，８６が挿通孔８１，８２の内側に配置される手前で絶縁管４１の挿通を止める。その状態で、絶縁管４１の先端に所定量の軟化した状態にある（換言すれば、流動性のある）充填材９５（無機接着剤）を塗布し、その後、絶縁管４１の挿通を再開させる。このとき、軟化した状態の充填材９５（無機接着剤）は、挿通孔８１，８２の内側に入り込むと共に、電極連結線３５，３６の溝部９３の内部に入り込んでいく。次いで、充填材９５（無機接着剤）を硬化させるために乾燥を行う。このようにして、電極連結線３５，３６の溝部９３を含む先端側の外面と絶縁管４１の挿通孔８１，８２の孔壁との間、接合部８５，８６の外面と絶縁管４１の挿通孔８１,８２の孔壁との間、さらには電極線２３，４の外面と絶縁管４１の挿通孔８１，８２の孔壁との間に、硬化された充填材９５が充填された素子ユニット９９が得られる。

次いで、絶縁管４１の後端から引き出された電極連結線３５，３６に、リード線５１，５２が接続された接続端子３７，３８をそれぞれ接続して、リード線が接続された接続ユニットを形成する。次いで、ねじ込み部材６１がロウ付けされたチューブ１１の内部空間に対して、サーミスタ素子２１が先端側に位置するように上記の接続ユニットを収容させる。最後に、チューブ１１の後端側にシール部材７１を嵌め込み、加締め部１７を形成してシール材７１を径方向に圧縮する。このようにして、本実施形態の温度センサ１００が得られる。

本発明は、以上詳述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更が加えられてもよい。例えば、以下の（１）から（４）の変形が加えられてもよい。

（１）上記実施形態のサーミスタ素子２１は、ガラス封止型のサーミスタ素子であったが、本発明はガラス封止型サーミスタ素子以外のサーミスタ素子に適用されても良い。また、感温部としては、サーミスタ焼結体２２に限られず、温度によって抵抗値が変化するＰｔ抵抗体を絶縁性セラミック基体上に形成した構成を用いても良い。

（２）上記実施形態において、電極連結線３５,３６の外面に形成した溝部９３の個数は４個に限定されず、３個以下であっても良いし、５個以上であっても良い。また、溝部９３の断面形状は、半円状に限定されず、箱形状であっても良いし、三角形状であっても良い。また、溝部９３は、型押しにて形成するものに限定されず、刃物による削り等で形成しても良い。

（３）上記実施形態において、充填材９５として金属アルコキシドをバインダーにした耐熱性の無機接着剤を用いたが、ケイ酸塩系やリン酸塩系をバインダーにした無機接着剤を使用しても良い。

（４）上記実施形態において、電極連結線３５，３６の後端部とリード線５１，５２とは接続端子３７，３８を介して接続される構成であったが、電極連結線３５，３６をリード線５１，５２の導体と直接接続させる構成を図っても良い。

１００ 温度センサ
１１ チューブ
２１ サーミスタ素子
２２ サーミスタ焼結体（感温部）
２３，２４ 電極線
３５，３６ 電極連結線
３７，３８ 接続端子
４１ 絶縁管
５１，５２ リード線
８１，８２ 挿通孔
８５，８６ 接合部
９３ 溝部
９５ 充填材（無機接着剤）

Claims (3)

1. 温度に応じて抵抗値が変化する感温部と、
   先端側が前記感温部と接続され、後端側が前記感温部の後端から延びる電極線と、
   前記電極線の後端部が挿入される挿通孔が形成された絶縁管と、
   前記電極線よりも外径が大きい電極連結線であって、先端部が前記絶縁管の前記挿通孔に挿入されると共に、該挿通孔内で前記電極線の後端部と接合部により接合されており、後端部が前記絶縁管の後端から引き出されてリード線に直接又は他部材を介して接続された電極連結線と、
   を備えた温度センサであって、
   前記電極連結線のうち、前記接合部よりも後端側に位置すると共に、前記挿通孔内に位置する部位には、前記電極連結線の外面に対して高低差を有する溝部が形成されており、
   前記絶縁管の前記挿通孔の孔壁と、前記溝部の内部を含めた前記電極連結線の外面との間には、充填材が充填されている
   温度センサ。
2. 請求項１に記載の温度センサであって、
   前記充填材は、さらに、前記電極線の外面及び前記接合部の外面と、前記挿通孔の孔壁との間に充填されている
   温度センサ。
3. 請求項１または請求項２に記載の温度センサであって、
   前記溝部は、前記電極連結線の延び方向に沿って複数形成され、いずれの溝部の内部にも前記充填材が充填されている
   温度センサ。