JP5222688B2 - Temperature measuring sensor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
ガスの温度を計測するセンサーに関する。特には内燃機関の排気系ガスの温度を計測するセンサーに関する。 The present invention relates to a sensor for measuring a gas temperature. More particularly, the present invention relates to a sensor that measures the temperature of exhaust gas of an internal combustion engine.
本発明の背景として下記のものがある。 The background of the present invention is as follows.
特許文献1の発明は、発熱体を埋設したセラミックヒータと、熱電対が固定されたセラミック製の絶縁板より構成され、熱電対の先端固定部がセラミックヒータに形成された溝の内部に固定される構造で、熱電対をセラミックヒータに固定する方法として、無機接着剤を用いる構造である。 The invention of Patent Document 1 is composed of a ceramic heater in which a heating element is embedded and a ceramic insulating plate to which a thermocouple is fixed, and the tip fixing portion of the thermocouple is fixed inside a groove formed in the ceramic heater. In this structure, an inorganic adhesive is used as a method for fixing the thermocouple to the ceramic heater.
特許文献2の発明は、基板上に形成した薄膜熱電対,薄膜抵抗体の表面に、アルミナ,ガラス,プラスチックで絶縁層を形成し、更に主要部分に、シールド層として、金属,導電性セラミックの層を設けた構造である。
In the invention of
地球環境の温暖防止策として、自動車用いる化石燃料の使用量を低減することで、二酸化炭素排出低減を図ることは自動車産業の命題となっており、ディーゼル機関や、低燃費のガソリン機関の開発が急がれている。その対応としてディーゼル機関,ガソリン機関においては、燃焼制御の高精度化を図ることで対処する傾向である。この燃焼制御の高精度化に不可欠な情報として、内燃機関各部を通過する燃焼ガスの温度が重要となる。しかしながら、燃焼ガス自体の温度が400℃〜800℃と高い温度領域であること、燃焼ガス自体がSOx,NOx,COx等の腐食性ガス流体であるため、高温酸化,腐食対策として、温度センサーを耐食ステンレスで完全に覆う構造のために、熱応答が悪い欠点があった。 As a measure to prevent global warming, reducing the amount of fossil fuel used in automobiles to reduce carbon dioxide emissions is a proposition of the automobile industry, and the development of diesel engines and fuel-efficient gasoline engines I'm in a hurry. As a countermeasure, diesel engines and gasoline engines tend to cope by improving the accuracy of combustion control. As information indispensable for improving the accuracy of the combustion control, the temperature of the combustion gas passing through each part of the internal combustion engine is important. However, since the temperature of the combustion gas itself is a high temperature range of 400 ° C. to 800 ° C. and the combustion gas itself is a corrosive gas fluid such as SOx, NOx, COx, a temperature sensor is used as a countermeasure against high temperature oxidation and corrosion. Due to the structure completely covered with corrosion-resistant stainless steel, there was a drawback of poor thermal response.
内燃機関の燃焼制御の高精度化には、各部を流通するガスの温度をリアルタイムで検出し、燃焼状態をフィードバックすることで燃焼制御をきめ細かく実施することが重要となるが、温度センサーで計測する信号の熱応答が遅いと制御誤差が増大し、意図した制御が行えないことになる。 To increase the accuracy of combustion control in internal combustion engines, it is important to detect the temperature of the gas flowing through each part in real time and to provide detailed combustion control by feeding back the combustion state. If the thermal response of the signal is slow, the control error increases and the intended control cannot be performed.
現実的に、現在上場されている温度センサーでは、高精度燃焼制御には熱応答が遅く、使用できうる製品はない。 In reality, with the temperature sensors currently listed, there is no product that can be used due to the slow thermal response of high-precision combustion control.
本発明は、自動車用の排気ガス,EGRガス,燃焼ガス,DPF前後の排気ガス等、内燃機関のガス温度センサーとして、高温酸化,耐腐食性を保証しつつ、熱応答性の速い温度センサーを発明しうるものである。 The present invention is a gas temperature sensor for internal combustion engines, such as automobile exhaust gas, EGR gas, combustion gas, exhaust gas before and after DPF, etc., and a temperature sensor with high thermal responsiveness while guaranteeing high temperature oxidation and corrosion resistance. It can be invented.
上記目的は、請求項に記載の発明により達成される。 The above object can be achieved by the invention described in the claims.
例えば上記目的は、熱電対により温度を検出する温度センサーにおいて、前記熱電対と、低温焼成基板(LTCC)と、前記熱電対と前記低温焼成基板とを間に挟んだ2枚の無機部材基板と、を備え、前記低温焼成基板と前記2枚の無機部材基板との界面が、前記低温焼成基板により接着され、
前記熱電対を前記無機部材基板に固定する部材として、前記低温焼成基板,ガラス,無機系接着剤であることを特徴とする温度センサーで、それぞれに、無機基板との接着反応性を与える、金属酸化物を配合したことを特徴とする温度センサーにより達成される。
For example above object, Oite temperature Sensor for detecting the temperature by the thermocouple, said thermocouple, the low-temperature co-fired substrate (LTCC), 2 sheets of inorganic sandwiched therebetween and the low-temperature co-fired substrate and the thermocouple comprising a member substrate, the interface between the said low-temperature firing substrate the two inorganic member substrate, is more adhered to the low temperature sintering substrate,
Metals that provide adhesion reactivity with the inorganic substrate to each of the temperature sensors that are the low-temperature fired substrate, glass, and inorganic adhesive as members for fixing the thermocouple to the inorganic member substrate more is achieved temperature sensor, characterized in that blended with oxides.
本発明によると、自動車用の排気ガス,EGRガス,燃焼ガス,DPF前後の排気ガス等、内燃機関のガス温度センサーとして、高温酸化,耐腐食性を保証しつつ、熱応答性の速い温度センサーを提供できうる。 According to the present invention, as a temperature sensor for an internal combustion engine, such as automobile exhaust gas, EGR gas, combustion gas, exhaust gas before and after DPF, etc., a temperature sensor with high thermal responsiveness while guaranteeing high temperature oxidation and corrosion resistance Can be provided.
以下に詳細に説明する。 This will be described in detail below.
本発明の特徴を説明する前に自動車用の内燃機関を説明する。ここでは特にディーゼル機関を簡単に説明する。図1は一般的なディーゼル機関1である。システムとしては、吸入空気2をインテイクマニドルド上流に設置されたスロットルバルブ3により流量調整された空気がシリンダ4に送り込まれ、シリンダ4で圧縮されることで燃焼するシステムである。燃焼ガス5は排気管6を通じて分岐する。一方はターボチャージャー7に送り込まれ過給器による出力付加となる。ターボチャージャー7より排出された燃焼ガス5は排気ガスとして、触媒を設置した浄化装置(DPF)8を通過し、清浄な空気となって外部に排出される。また一方は、燃焼ガス5のおける未燃焼ガスを再度シリンダ4に再還流することで、未燃焼成分に多く含まれるNOx,SOX成分の低減を図る還流システムである。排気管6の一部に設けられた、燃焼ガス5を流すバイパス管があり、燃焼ガス5はバイパス管9を通じて、EGRバルブにより流量制御される。排気ガスである燃焼ガス5は温度が400℃以上と高いため、EGRクーラーを通じて200℃以下にガス温度が低下される。そして、EGR還流管を通じて、スロットルバルブ3下流に送り込まれ、再度シリンダ4で燃焼されるシステムであり、排気ガスの清浄化の大きく貢献している。
Before describing the features of the present invention, an internal combustion engine for an automobile will be described. Here, a diesel engine will be described briefly. FIG. 1 shows a general diesel engine 1. The system is a system in which
このディーゼルシステムに用いられるキーコンポーメントは空気流量計12,インタークーラー13,スロットルバルブ3,EGRバルブ10,EGRクーラー11,ターボチャージャー7,DPF8等であるが、ディーゼルのシステムにおいては、EGRがガソリン機関より流量が大きく、意図的にEGRでの還流を行うために、各部の信頼性が重要となる。
The key components used in this diesel system are an
特に、ディーゼル機関1では燃料に軽油をもちいるために燃料の着火点が高く、その燃焼ガスは完全燃焼されたガスのみではなく、未燃焼ガスが発生しやすい。未燃焼ガスにはNOx,SOx,COx分が入り乱れた状態で、運転状態,環境状態の変化に応じて成分は刻々変化する。更に、この未燃焼ガスや排気ガスは、NOx,SOx,COx分が混在するために腐食性ガスとなり、一般部材が用いられないために特種な金属や無機部材が用いられる傾向にある。 In particular, the diesel engine 1 uses light oil as the fuel, so the ignition point of the fuel is high, and the combustion gas tends to generate not only completely burned gas but also unburned gas. In the state where NOx, SOx, and COx are mixed in the unburned gas, the components change every moment according to changes in the operating state and the environmental state. Further, the unburned gas and the exhaust gas are corrosive gas because NOx, SOx, and COx are mixed, and special metals and inorganic members tend to be used because general members are not used.
また、燃焼ガスである排気ガスや未燃焼ガスの温度は運転状況や環境状態において変動するが、排気ガスで400℃〜900℃,未燃焼ガスで600℃以上と言われ、一般部材では高温酸化してしまうために特種金属や無機部材を用いられる。 In addition, the temperature of exhaust gas and unburned gas, which are combustion gases, varies depending on the operating conditions and environmental conditions, but is said to be 400 ° C to 900 ° C for exhaust gas and 600 ° C or higher for unburned gas. Therefore, special metals and inorganic members are used.
近年、排気ガスの規制が強化されたために、各カーメーカーは排気ガスからのNOx,SOxを除去した清浄な排気ガスを外部に排出するための改良を検討中であるが、排気ガス対策として、最も実現しやすい方法としては、現行のディーゼル機関1のシステムのコンセプトは、そのままに、より高精度な燃焼制御が行えるシステムを実現することにある。その高精度燃焼制御システムの例が図2に示すシステム構成である。 In recent years, regulations on exhaust gas have been strengthened, so each car manufacturer is considering improvements to exhaust clean exhaust gas from which NOx and SOx have been removed from the exhaust gas. As a method that can be most easily realized, the concept of the system of the current diesel engine 1 is to realize a system that can perform combustion control with higher accuracy as it is. An example of the high-precision combustion control system is the system configuration shown in FIG.
図2において、ディーゼル機関の燃焼システムそのものに変化はない。但し、システム各部にガス温度センサー17を設けた点に変化点がある。ガス温度センサー17は、従来より存在する製品で、主に排気ガス温度測定専用に排気管に取り付けられ、排気ガスの温度を測定する排気ガス温度センサー17であり、エンジン制御用としてではなく、排気温度のモニターとしての機能が主であった。
In FIG. 2, there is no change in the combustion system itself of the diesel engine. However, there is a change point in that the
高精度制御システムにおいては、前述したようにシステム各部にガス温度センサー17を設けたことにより、各部の燃焼状態を監視できることになる。
In the high precision control system, as described above, the
但し、現行の排気温度センサーは扱いにくい製品となっている。この理由は後述する。 However, current exhaust temperature sensors are difficult to handle. The reason for this will be described later.
ディーゼルシステムにおけるガス温度センサー17装着場所は、排気管の他に、DPF8前後位置14にもガス温度センサー17が設けられる。このDPF8前後のガス温度センサー17を用いることで、DPF8の触媒活性状態を伺うことが可能となり、DPF8触媒のコントロールセンサーと成り得る。
In addition to the exhaust pipe, the
また、同様にEGRクーラー11前後位置15にもガス温度センサー17を設けてEGRクーラーの活性状態をコントロールするセンサーと成り得る。EGRガス温度そのものガス温度を計測するガス温度センサー17をEGRバルブ10位置16に装着しても良い。
Similarly, a
つまり、ディーゼル機関1のガス流体が流入する各部位にガス温度センサー17を設けることで、排気ガス浄システムや冷却装置の状態を、更には燃焼状態を確認できる副次的な信号と成りえることで、この各部のガス温度をモニターすることで、より高精度な燃焼制御を行うことができるシステムと成りえる。
That is, by providing the
しかしながら、現在上場されている内燃機関用ガス温度センサー17は前述したような環境条件,NOx,SOxのような腐食性ガス,400℃を超える高温環境であることにより、制約条件が多くあり、カーメーカーにとっては扱いにくいセンサーとなっている。
However, the
図3は現在上場されている一般的な排気温度を計測するガス温度センサー17の構造である。
FIG. 3 shows the structure of a
ガス温度センサー17は一般的にはサーミスタ18を用いられていることが多くようである。このサーミスタ18より出ている信号線19は400℃以上となるために、白金や白金の合金、あるいはステンレス等の耐熱,耐腐食性材料からなる信号線19となるリードである。この信号線19はそのまま延長され、接触防止,耐振動性対応のために、無機物から成る、シース管20内部に設けられた孔を介して信号線19が延長される。そして、更に信号線19は耐熱ゴムから成るグロメット21を介して信号線19が外部へと延長される。信号線19は、グロメット21付近で、通常の銅線と溶接,加締めが成され信号をECUに伝達する。
In general, the thermistor 18 is often used as the
前記、グロメット21や、シース管20は、その外周を覆う、耐熱,耐食部材からなる、取り付け位置決めとなるフランジ22及び、固定ネジを切ってある、フランジ管23内に設置されることにより固定される。ガス温度センサー17のサーミスタ18は排気ガス中の暴露できないために、サーミスタ18を覆う円筒形の袋管24でサーミスタ18を覆い、フランジ管23との接触部を溶接する構造である。
The
構造が単純で耐熱構造も優れているが、問題点が2つある。 The structure is simple and the heat resistant structure is excellent, but there are two problems.
一つは、温度計測範囲の狭さである。図4は現在上場されているサーミスターセンサーの特性を示したものである。サーミスタの利点は、安価かつ、温度分解能が高く精度良い計測ができることにあるが、内燃機関に用いられるサーミスタ18に要求される仕様は、900℃対応である。現在の技術において、サーミスタで上限900℃を計測できるサーミスタチップの特性は800℃付近において、0.5〜1(Ω)と上限900℃以上は抵抗値の発現分解能が無くなり温度計測は不可能となる。また逆に、常温ではおおよそ、10(kΩ)以上となり、これ温度以下はほとんど抵抗値がメグオーム、つまり抵抗オープン状態となり、温度計測は不可能となる。従って、サーミスタ18を用いた温度センサーの温度計測範囲は精度を考慮すると、200〜800℃が限界のようであり、1200℃までの温度を計測したいカーメーカーには仕様に準拠しないことになる。 One is the narrow temperature measurement range. FIG. 4 shows the characteristics of the thermistor sensor currently listed. The advantage of the thermistor is that it can be measured with low cost, high temperature resolution and high accuracy, but the specification required for the thermistor 18 used in the internal combustion engine is 900 ° C. compatible. In the current technology, the thermistor chip that can measure the upper limit of 900 ° C with a thermistor has a resistance value expression resolution of 0.5-1 (Ω) and an upper limit of 900 ° C or higher near 800 ° C, making temperature measurement impossible. Become. Conversely, at room temperature, it is approximately 10 (kΩ) or more. Below this temperature, the resistance value is almost megohm, that is, the resistance is open, and temperature measurement is impossible. Therefore, the temperature measurement range of the temperature sensor using the thermistor 18 seems to be the limit of 200 to 800 ° C. in consideration of accuracy, and the car manufacturer who wants to measure the temperature up to 1200 ° C. does not comply with the specification.
二つ目は、サーミスタのような温度計測素子がガス流体と直接、接触せずに、袋管24を通じ、更に袋管24とサーミスタ18との間にある、空気層25を介しての温度伝播となるために、ガス温度が変化した際の熱応答が遅いという欠点がある。 Second, a temperature measuring element such as a thermistor is not in direct contact with the gas fluid, but is propagated through the bag tube 24 and through the air layer 25 between the bag tube 24 and the thermistor 18. Therefore, there is a drawback that the thermal response when the gas temperature changes is slow.
また、同一に袋管24に温度計測センサーとしてサーミスタ18の変わりに熱電対を入れた事例も過去よりあるが、これも上記と同様、熱応答が悪く、扱いにくい温度サンセーのようである。 In addition, there has been a case where a thermocouple is inserted in the bag tube 24 as a temperature measurement sensor instead of the thermistor 18 from the past.
本発明では、上記した一般的なガス温度センサー17の性能上の問題点を解決できる温度センサーを提供できうる構造について発明した。
In the present invention, a structure capable of providing a temperature sensor capable of solving the above-described performance problems of the general
本発明の詳細をについて図5,図6を用いて説明する。 Details of the present invention will be described with reference to FIGS.
本発明においては、温度計測素子は熱電対26をモデルとしているが、これは、サーミスタでも薄膜抵抗体でも、温度計測センサー全てについて適用出来得ることを述べておく。本発明では温度センサーとして熱電対26を用いるが、これは、図7に示す理由によるものである。熱電対26は多種多様あるが、内燃機関において使用する温度範囲を考慮するに、クロメルーアルメル(K)熱電対、或いは、白金―白金/ロジウム(R)熱電対が用いられることは自明である。熱電対26の利点は低い温度から、高温度までの計測できる測定温度レンジの広さにある。例えばK熱電対はクラス3で1000℃までの温度計測が可能とされているが、実用的には900℃が限界である。対して図7に示すR熱電対は白金と白金/ロジウムの合金なので、その常用耐熱は1400℃にも達する。近年、カーメーカーの要求事項として、より高い温度の計測要求があり、1200℃対応を考慮するのであれば、R熱電対が好適である。白金と白金/ロジウムの合金は共に貴金属なので、高温による酸化劣化の影響は、他にいかなる金属より少なく、自動車の内燃機関のガス温度センサーとして好適である。図7はR熱電対の温度と温度発生起電力の関係を示している。熱電対は2つの異なる金属を溶融した部位の温度差が発生すると、起電力が発生し、この起電力特性は、0℃で0(V)であり、温度が高くなるにつれ、起電力は正方向出力にリニアに変化する。対して、低温側の温度となると、発生起電力はマイナス信号となって発生する。温度分解能が小さいのが難点ではあるが、熱電対自体のトレーサビリティーが確保されているので、計測精度において問題となることはない。一般にR熱電対は、0℃より1600℃までの温度に対する校正が成され、マイナス側の温度においては、校正表がないのが実情である。これは、マイナスの温度を計測するのに、高価なR熱電対を用いる工業的なニーズがないためであり、校正機関に依頼することで、R熱電対のマイナス側の校正も何等問題なく実施できる。
In the present invention, the temperature measuring element is modeled on the
ここより、本発明のガス温度センサー17の構造を紹介する。
From here, the structure of the
上記、熱電対26は同一部材より形成された無機部材より成る、特に窒化珪素,窒化アルミ,アルミナ,サイアロン等で形成された2枚の基板27の間に、LTCC(低温焼成基板)のグリーンシート,ガラスで挟み込み、その後焼成する。或いは無機接着部材28で接着固定される。
The
そして、焼成が終了した基板27について、熱電対26をサンドイッチした基板27より出ている、熱電対リード29を、無機接着部材28より成る熱電対リード29の接触防止及び、断熱を目的とした、シース管20を貫通させる。更に、シリコーン,フッ素系の耐熱ゴムより成るグロメット21に貫通させた後に、位置決め用フランジ22と計測位置の固定するネジが切ってある、フランジ管内23に装着する。フランジ22及び、フランジ管23は耐熱,耐食を兼ね合わせステンレス,ニッケル基合金等からなるフランジ管内23に、位置決めしながら、フランジ管23と、基板27の空隙を埋め、かつ基板をフランジ管に固定する無機充填剤30を充填する構造である。
For the
熱電対リード29はグロメット21付近で保証銅線31と接続され、保証銅線31により温度信号を伝達する。
The
本発明では熱応答を改善するために、熱電対26をサンドチッチした基板27を、温度計測対象となるガス流に暴露できうるセンシング部を有する温度センサーであることを特徴とする。そのためにこの基板を窒化珪素,窒化アルミ,サイアロン等の高熱伝導を有しかつ、無機部材であるために、耐熱性,耐腐食性も合わせ持つ基板材料を採用することを特徴とする。
In order to improve the thermal response, the present invention is characterized in that it is a temperature sensor having a sensing unit that can expose a
曲げ強度が強く、熱伝導率が高くバランスの良い材料として窒化珪素が好適である。内燃機関の各部ガス温度を計測するガス温度センサー17は、熱応答を改良することが目的であるため、基板の熱伝導率が高いことと、熱容量を小さくすることが重要となる。窒化珪素の強度はアルミナの約2倍もあることで、基板を薄くすることが可能となることで、熱容量を小さくすることが可能となる。更にアルミナの約3倍以上の熱伝導率を持つ窒化珪素基板により、温度変化の発生を瞬時に熱電対に伝達し、熱追従性の高いセンシング部分を有する温度センサーとなる。
Silicon nitride is suitable as a material having high bending strength, high thermal conductivity and good balance. Since the
更に、窒化珪素,窒化アルミを含む無機部材は、耐酸性,耐薬品性等の腐食性ガス雰囲気においても、何等腐食することはなく、化学的,物理的に安定した材料であるために、基板27が燃焼ガス5,EGRガスと接触したところで、何等変化はしない。この優れた安定性のために、燃焼ガス5,EGRガスに暴露しても基板自体の破損,腐食の恐れがないために長期信頼性も確保できうる。熱電対26は白金―白金ロジム合金から成るために、一般の金属に比較して酸化,硫化等の腐食に抗力はあるものの、800℃を超える、SOxガス環境に白金を晒すと、白金は硫化が始まり、PtSが形成される。従って、熱電対26を腐食性ガスに晒すことは、長期信頼性を損ない、熱電対の起電力誤差発生要因と成り得る。本発明では、2枚の窒化珪素基板27、及び、LTCCより完全に密閉された空間にあるためおに、計測するガスとは接触しないものの、測定流体が窒化珪素基板と接触した時点で、熱電対を含む基板全体を瞬時に温度を伝達させるために熱応答と腐食信頼性を含む長期信頼性を兼ね揃えた温度サンサーのセンシング部となる。
Furthermore, since inorganic members containing silicon nitride and aluminum nitride do not corrode at all in corrosive gas atmospheres such as acid resistance and chemical resistance, they are chemically and physically stable materials. No change occurs when 27 comes in contact with the
前記、熱電対26をサンドイッチした温度センサーのセンシング部分の構造について図8を用いて説明する。前記、熱電対26は、先端で溶接され、この溶接部以外の熱電対リード29が接触しないようにフォーミングする。そして、無機基板27の表面に熱電対26を設置する。熱電対26の設置部は基板27の中心部近傍が熱応答の観点より有利である。熱電対26を表面に設置することでは位置決めが不安定と思われるが、現実は異なる。熱電対をフォーミングした後では、形状が固定されているために、基板表面27に形成された溝に埋没さる方法や孔を通過させる工法より、位置決めは安定する。熱電対26の測温部である、先端溶接部が基板27の所定の位置近傍にあれば良いのみである。次に、基板27と基板27を接着剤となる、LTCCグリーンシート32を載せる。LTCCグリーンシート32は焼成前のアルミナとガラスの混在物を有機バインダで混練したシート状の焼成前基板であるが、本発明ではLTCCグリーンシート32を基板27と基板27の間に挟み込み焼成することで、LTCCグリーンシート32界面と基板27は界面でガラス化することで接着する接着剤として活用する。本発明では、熱電対26のリード29を通過する部分の形状に沿い、LTCCグリーンシート32を加工し、接触防止用のシートも熱電対リード29の間に設置しているが、一枚のLTCCグリーンシート32でそのまま覆っても良い。そして、下側基板27と同一の基板27で覆い、この状態でLTCCグリーンシート32を焼成する温度で焼成することにより、熱電対26を固定しかつ、2枚の基板27を接着する接着剤として機能することになる。基板27を接着する部材として、LTCC以外にも、ガラスシートがあるが、ソーダライムガラスのような耐熱性のないガラスが多く、結晶化ガラスのような強化ガラスをシートで供給しているメーカーを発明者は認知しない。一般的な接合部材として、他に無機系の接着剤がある。これは、多くの種類とグレードがあり、組み合わせ性を確認した後に使用する方が良い。
The structure of the sensing part of the temperature sensor sandwiching the
上記により完成した熱電対26を基板27にサンドイッチした構造による、温度センサーを試作して熱応答を計測した結果を以下に述べる。熱電対はRタイプで線形φ0.15を用いた。基板は日立金属製の窒化珪素基板を用いた。厚さ:0.2mm、幅が6mm、長さ25mmの寸法とした。接着剤として、焼成後の厚さが、0.14となるLTCCグリーンシートを用いた。この仕様の温度センサーを用いて、常温より、600℃の温度に急変させた際の熱応答時間(63%)は6secであった。同様な試験において、サーミスタを袋管に入れてタイプの温度センサーは14secであることより、本発明のより構造は高速応答を可能とする、内燃機関用ガス温度センサーとして好適な製品と成り得る。
The result of measuring the thermal response by making a temperature sensor with a structure in which the completed
本発明の実施例においては、熱電対26を腐食より保護する基板27には窒化珪素,窒化アルミ,サイアロン等の高伝導率を有する無機部材が好適との事例を示したが、窒化珪素にしろ、窒化アルミにしろ、問題点がある。これは、熱電対26を挟み込み接着固定するLTCCグリーンシート32やガラス,無機系接着剤との相性が悪いことである。一般的にガラスであれ、無機系接着剤は被接着体の酸化物との反応により接着する仕組みであるが、窒化物表面には接着体と反応する官能基がないためにガラスであれ、無機系接着剤は濡れ広がることができずに、窒化膜表面に滴状となっている状態で、温度を加えても滴状のまま硬化する。
In the embodiment of the present invention, an example in which an inorganic member having high conductivity such as silicon nitride, aluminum nitride, and sialon is suitable for the
本発明では、図9に示すように窒化珪素、窒化アルミ表面に酸化膜33を施すことで、LTCCグリーンシート32,ガラス,無機系接着剤との接着性改善を施すことにした。具体的には、基板27表面にアルミナ(Al2O3),シリカ(SiO2)等の酸化膜33を表面に形成することで、達成できる。着膜は、スパッタ,プラズマ放射が安定した酸化皮膜33が形成できる。その厚さは1μmもあれば十分である。
In the present invention, as shown in FIG. 9, an
別方法として、LTCCグリーンシート32に、金属酸化物を配合し、焼成の際に窒化膜表面と化学反応させることで接着させる方法もある。酸化銅(CuO),亜酸化銅(Cu2O),酸化ホウ素(B2O3),酸化亜鉛(ZnO),酸化ニッケル(NiO)等は代表的な金属酸化物であり、これらは、焼成される際に、基板に含まれる不純物や、一部の金属成分と化学反応し、基板と接着体界面で、ガラス化したり、結晶を形成したりすることにより、接着(密着)するメカニズムにより接着しにくい窒化膜でも、接着性を改善できうる。
As another method, there is a method in which a metal oxide is blended in the LTCC
また、一旦、接着する前に、基板単品を1000℃以上に加熱することで、表面の酸化膜を発現させる方法も有効である。 It is also effective to develop a surface oxide film by heating a single substrate to 1000 ° C. or higher before bonding.
事例として、日立金属(株)の窒化珪素基板を一旦、1200℃に焼成した基板と熱処理なしの基板を準備し、基板表面にLTCCグリーンシートを載せたままで、そのまま焼成した結果、接着されたと確認できる面積が約2倍となったことより、明らかである。特に窒化珪素の場合は、結晶に珪素(Si)があるため、この窒化物との結晶を部分的に熱分解することで、SiO2が析出するシリケート化する現象によるものであることは、各方面の研究報告よりも明らかである。 As an example, Hitachi Metals Co., Ltd.'s silicon nitride substrate was temporarily fired at 1200 ° C and a substrate without heat treatment, and it was confirmed that it was bonded as a result of firing with the LTCC green sheet still on the substrate surface. It is clear from the fact that the area that can be obtained has doubled. In particular, in the case of silicon nitride, since there is silicon (Si) in the crystal, by partially thermally decomposing the crystal with this nitride, it is due to a silicate phenomenon in which SiO 2 precipitates. It is clearer than the research report.
図10は、本発明において、温度センシング部となる熱電対26をサンドイッチした基板27をガス中に暴露させるために、基板27が剥き出しとなるが、センシングの露出が好まれない場合がある。ガス温度センサー17の取り付け作業中に、硬い管部にぶつけて折ってしまったりすることが懸念されるためである。このような場合は、図10に示すプロテクター34を形成し、センシングを覆うと良い。プロテクター34は少なくとも、耐熱,耐食材料,ステンレスやニッケル基合金板を絞りにより、つばの付いた深孔とする。そして、円筒部の一部に貫通孔35があり、この貫通孔35とガス温度センサー17の熱電対26部分が一致するような位置関係を保ち、前記、つば部をフランジ管23に溶接すれば、ハンドリングでもセンシングを破壊しない保護管となりかつ、直接ガス流体をセンシングに接触させる構造となるため、熱応答の遅れを軽減しつつ、ハンドリングミスにも対応できうる構造となる。
FIG. 10 shows that in the present invention, the
図11は信号処理である。熱電対26の起電力特性は0℃で0(V)であるために、マイナス側の温度での熱電対起電力はマイナス信号となる。従って、自動車の制御では信号が扱いにくくなる。そこで、熱電対の起電力36を演算機37に入れ、ナイナス信号を反転させ、全体でリニアな特性を出力とするようにする。例えば、−50℃で0(V)と設定し、1400℃で5(V)の出力となるように演算機により調整することで、内燃機関のマイクロプロセッサが処理しやすい信号形態となることで、システムとして使い易さが発現する。この演算機は高温度や腐食性ガスが充満する温度センサー設置部近傍より、マイクロプロセッサ内部に設置する方が好適である。
FIG. 11 shows signal processing. Since the electromotive force characteristic of the
本発明によると、内燃機関の各部ガス流体の温度を、熱応答が速くかつ、耐腐食性を兼ね揃えた長期信頼性を保証出来得る温度センサーを供給できる効果が期待できる。 According to the present invention, it can be expected that the temperature of each part gas fluid of the internal combustion engine can be supplied with a temperature sensor that has a quick thermal response and can guarantee long-term reliability that also serves as corrosion resistance.
1 ディーゼル機関
2 吸入空気
3 スロットルバルブ
4 シリンダ
5 燃焼ガス(EGRガス)
6 排気管
7 ターボチャージャー
8 DPF
9 バイパス管
10 EGRバルブ
11 EGRクーラー
12 空気流量計
13 インタークーラー
14 DPF前後位置
15 EGRクーラー前後位置
16 EGRバルブ位置
17 ガス温度センサー
18 サーミスタ
19 信号線
20 シース管
21 グロメット
22 フランジ
23 フランジ管
24 袋管
25 空気層
26 熱電対
27 基板
28 無機接着部材
29 熱電対リード
30 無機充填剤
31 保証銅線
32 LTCCグリーンシート
33 酸化膜
34 プロテクター
35 貫通孔
36 熱電対起電力
37 演算機
38 出力信号
1
6
9
Claims (9)
前記熱電対と、
低温焼成基板(LTCC)と、
前記熱電対と前記低温焼成基板とを間に挟んだ2枚の無機部材基板と、
を備え、
前記低温焼成基板と前記2枚の無機部材基板との界面が、前記低温焼成基板のガラス化により接着され、
前記熱電対を前記無機部材基板に固定する部材として、前記低温焼成基板,ガラス,無機系接着剤であることを特徴とする温度センサーで、それぞれに、無機基板との接着反応性を与える、金属酸化物を配合したことを特徴とする温度センサー。 In a temperature sensor that detects the temperature with a thermocouple,
The thermocouple;
A low-temperature fired substrate (LTCC);
Two inorganic member substrates sandwiching the thermocouple and the low-temperature fired substrate;
With
The interface between the low-temperature fired substrate and the two inorganic member substrates is bonded by vitrification of the low-temperature fired substrate ,
Metals that provide adhesion reactivity with the inorganic substrate to each of the temperature sensors that are the low-temperature fired substrate, glass, and inorganic adhesive as members for fixing the thermocouple to the inorganic member substrate A temperature sensor characterized by containing an oxide .
前記低温焼成基板は、アルミナとガラスとを含んでなることを特徴とする温度センサー。 In claim 1 ,
The low-temperature co-fired substrate, the temperature sensor, characterized in that it comprises alumina and glass.
前記基板は、表面に酸化膜を形成、或いは、表面酸化処理を全面或いは一部に施したことを特徴とする温度センサー。 In claim 1 ,
A temperature sensor characterized in that the substrate is formed with an oxide film on the surface or subjected to a surface oxidation treatment on the entire surface or a part thereof.
前記基板は、窒化珪素,窒化アルミ,サイアロンの少なくとも、アルミナより熱伝導率が高い無機部材とすることを特徴とした温度センサー。 In claim 1 ,
The temperature sensor according to claim 1, wherein the substrate is an inorganic member having a thermal conductivity higher than that of alumina, at least of silicon nitride, aluminum nitride, and sialon.
前記熱電対は白金と白金ロジウム合金から成る熱電対、或いは、クロメル,アルメルから成る熱電対であることを特徴とする温度センサー。 In claim 1 ,
The temperature sensor according to claim 1, wherein the thermocouple is a thermocouple made of platinum and a platinum rhodium alloy, or a thermocouple made of chromel or alumel.
前記基板は、その断面を半円形として、半円の平面部に熱電対を挟み込み、半円形の平面部を持って、接着固定部とすることを特徴とする温度センサー。 In claim 1 ,
The temperature sensor characterized in that the substrate has a semicircular cross section, a thermocouple is sandwiched between the semicircular flat portions, and the semicircular flat portion is used as an adhesive fixing portion.
センサー全体を覆いかつ、その一部に貫通穴が空いた筒状成形物をセンサーの保護プロテクターとして備えることを特徴とする温度センサー。 In claim 1 ,
A temperature sensor comprising a cylindrical molded article covering the entire sensor and having a through hole in a part of the sensor as a protective protector of the sensor.
前記温度計測センサーの計測値にもとづいて、前記内燃機関を制御する制御手段と、
を備えた内燃機関制御システム。 The temperature measurement sensor according to any one of claims 1 to 8, which measures an exhaust temperature, an exhaust catalyst temperature, an EGR gas temperature, a gas temperature before DPF, a DPF exhaust gas temperature, or a DPF internal atmosphere temperature of an automobile internal combustion engine. When,
Control means for controlling the internal combustion engine based on the measurement value of the temperature measurement sensor;
An internal combustion engine control system.
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