JP5830636B1 - 温度センサ、及び、温度センサの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
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、樹脂からなる被覆層を備え、温度検知精度の高い温度センサを提供することを目的とする。
本発明の樹脂被覆層は、サーミスタ素子と接続部位を封止し、内層樹脂材からなる内層と、内層の周囲に配置され、内層樹脂材よりも融点が高く、かつ、熱収縮性を有する外層樹脂材からなる外層と、を備える。そして、本発明の温度センサは、外層が平坦な外側面を有しており、平坦な外側面は、引き出し線が延設される長手方向に互いに傾く第1当接面と第2当接面を備え、長手方向に山折り形状をなしていることを特徴としている。
本発明の温度センサは、樹脂被覆層の外層が平坦な外側面を有しているので、検知対象が平坦な面を有していれば、この検知対象の平坦な面に外側面を面接触させて温度検知を行うことができるので、検知温度の精度の向上に寄与する。
詳しくは後述するが、本発明の温度センサは、内層樹脂材が外層樹脂材よりも融点が低いことに基づいて、平坦な外側面を容易に形成することができる。
この温度センサは、四つの平坦な外側面を有しているので、温度センサの向きに関わらず検知対象と面接触が得られるので、温度センサの設置の自由度が高い。
検知対象の温度検知面が一様に連なる平坦な面を備え、かつ温度センサに対して平行な場合には、本発明の温度センサの外側面も一様に連なる平坦な面を備えていれば足りる。しかし、温度検知面が、傾いていたり、捩じれていたりすることがあり、この場合には、温度センサの外側面が一様に連なる平坦な面であれば、温度検知面と外側面との接触面積が十分に得ることができなくなる。そこで、本発明において、当接面を上述した山折り形状にし、これを温度検知面に押し当てて、当接面を平坦に近づくように変形させることにより、温度検知面に対して当接面が倣いやすくする。
なお、本発明において、引き出し線が延設される方向を長手方向と定義する。
検知対象からの熱は、サーミスタに直接的に伝えられるのに加えて、一対の引き出し線を介してサーミスタに伝えられる。したがって、他の部分よりも検知対象に優先して押し付けられて密に接触する稜線を、引き出し線が設けられる領域内に配置することにより、引き出し線を介するサーミスタへの熱伝導を促進できる。特に、稜線をサーミスタに近接して設けることが好ましい。
温度センサを検知対象に押し付ける場合に、対向面の側が谷折り形状をなしていると、樹脂被覆層が変形しやすいので、第1当接面と第2当接面が検知対象の表面性状に倣いやすい。
PFA及びPTFEは、ともに耐性の高いフッ素樹脂であり、融点は、PFAが302〜310℃、PTFEが327℃である。
この製造方法は、内層樹脂材からなる内層用チューブを、サーミスタ素子と接続部位に亘って被せるとともに、外層樹脂材からなる外層用チューブを、内層用チューブの周囲に被せてセンサアセンブリを得るチューブ被覆工程と、センサアセンブリの内層用チューブ及び外層用チューブの部分を、内層材樹脂の融点を超え、外層材樹脂の融点未満の温度に加熱して、溶融した内層材樹脂によりサーミスタ素子と接続部位を封止する封止工程と、溶融している内層樹脂材が凝固するまでの間に、外層用チューブの外周面に平坦面を成形する成形工程と、を備えることを特徴とする。
山折り形状の当接面を備える本発明の温度センサは、検知対象に押し付けられて当接面の全体が平坦になって使用される。したがって、この使用時の形態において、温度センサの構成要素に生ずる応力が低いことが、温度センサの継続的な使用にとって有利であり、そのために、一旦は真直に成形してから、山折り形状に成形することが好ましい。
[参考形態]
図1及び図2に示すように、参考形態に係る温度センサ1は、サーミスタ素子10と、樹脂からなる被覆層20とを備えている。温度センサ1は、サーミスタ素子10を樹脂被覆層20により封止するので、耐性が要求される環境下での使用に適している。また、温度センサ1は、樹脂被覆層20の外観が直方体状をなしており、平坦な側面を有しているので、平坦な面を有する検知対象に面同士を接触させて配置できるので、温度検知の精度が高い。以下、温度センサ1の構成要素について説明したのちに、製造工程に言及する。
[サーミスタ素子10]
サーミスタ素子10は、サーミスタからなる素子本体11と、素子本体11から引き出される一対の引き出し線12a,12bと、を備えている。
素子本体11は、電気抵抗に温度特性を有するサーミスタ素材から構成される。
素子本体11から引き出される、例えばジュメット線からなる引き出し線12a,12bは、それぞれ、リード線13a,13bに接続される。引き出し線12a,12bは、図示を省略する電極を介して素子本体11に接続される。リード線13a,13bは、必要に応じて他の電線を介して、図示を省略する温度計測回路に接続される。引き出し線12a,12bは単一の導線から構成される。リード線13a,13bは、細い導線を撚り合わせた撚線14a,14bと、撚線14a,14bを覆う被覆15a,15bから構成される。被覆15a,15bは、フッ素樹脂、例えばPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)からなり、後述する外層23と同等の融点を有している。後述する加熱処理の際に、被覆15a,15bが溶融するのを避けるためである。
引き出し線12a,12bとリード線13a,13bの接続部位16a,16bは、例えば、レーザ溶接、抵抗溶接などの溶接、あるいは、はんだ付けにより接続される。圧着端子を用いて引き出し線12a,12bとリード線13a,13bを接続することもできる。
サーミスタ素子10は、一方のリード線13を介して素子本体11に所定の電流を流し、さらに他方のリード線13に通ずる計測経路の抵抗値の変化に基づいて対象物の温度を検知することができる。
被覆層20は、素子本体11の先端から引き出し線12a,12bとリード線13a,13bの接続部位16a,16bまでを覆い、周囲の環境から素子本体11らを保護している。
外層23は、内層21とともに温度センサ1に耐性を付与するものであるのに加えて、製造過程において溶融する内層21を保持する役割を担う。そのために、外層23は、内層21を形成するPFAよりも融点の高いPTFEで形成されている。つまり、PFAの融点は302〜310℃であるのに対して、PTFEの融点は327℃であるから、例えば315℃まで加熱すると、内層21の前駆体チューブは溶融するが、外層23の前駆体チューブは溶融することなく、形状を維持することができる。ただし、外層23の前駆体チューブは、この温度まで加熱されると収縮する。PTFEの線膨張係数は10×10−5/℃程度と金属材料に比べると大きく、溶融状態にある内層21を強く圧縮するので、内層21の緻密化に寄与するのに加え、内層21と外層23の間に生ずる圧力によって両者の間の防水性が担保される。
次に、図3〜図4を参照して、温度センサ1の製造手順を説明する。
温度センサ1を製造するに当たり、図3(a)に示すように、サーミスタ素子10と、内層21に対応する前駆体チューブ22と、外層23に対応する前駆体チューブ24とが用意される。前駆体チューブ22はPFAから形成され、前駆体チューブ24はPTFEから形成される。前駆体チューブ22は、内部にサーミスタ素子10を収容できる内径を有し、前駆体チューブ24は、内部に前駆体チューブ22を収容できる内径を有している。前駆体チューブ22は、溶融、凝固後にサーミスタ素子10を気密に封止できるようにその内径が設定される。前駆体チューブ22は、熱収縮による圧縮力が溶融状態の前駆体チューブ22に及ぶように、その内径が設定され、また、溶融状態の前駆体チューブ22が両端の開口から漏れ出ないように、その長さが設定される。
加熱は、前駆体チューブ22を構成するPFAの融点MP1以上であって、かつ、前駆体チューブ24を構成するPTFEの融点MP2未満である。なお、MP1は302〜310℃であり、MP2は327℃である。この加熱処理により、前駆体チューブ22は溶融し、前駆体チューブ24は熱収縮する。この段階では、前駆体チューブ24は、図3(b)に示すように先端部分が細くなるものの、外観が円形の形状を維持している。
プレス加工としては、図4(a)に示すように、矩形のキャビティ102を有し扁平な押圧面を有する下型101と、キャビティ102の開口面積に合う扁平な押圧面を有する上型105と、からなる金型100を用いて行うことができる。つまり、図4(b)に示すように、所定の温度に加熱された被覆層20に対応する部分をキャビティ102に配置した後に、図4(c)に示すように、上型105をキャビティ102に挿入、押圧して、直方体状の被覆層20に成形する。
温度センサ1は、被覆層20が直方体状をなしているので、四つの平坦な外側面を備えている。したがって、温度センサ1は、図5(a)に示すように、平坦な面を有する温度検知対象200に、面同士で接触できるので、温度検知対象200の温度変化に対する感受性が高くなり、検知温度の精度向上に寄与する。
なお、測定の条件は、室温にて、180℃に加熱された金属製ブロックに、温度センサ1及び比較センサをそれぞれ所定荷重にて押し付けながら継時的に温度を測定する、というものである。
[形状の変更例]
例えば、温度センサ1の被覆層20は直方体状をなし、四つの平坦な外側面を備えているが、面同士の接触による検知温度の精度向上は、平坦な外側面を少なくとも一つ備えていれば実現できる。したがって、本発明は、図5(b)に示すように、平坦な外側面が一つだけの被覆層20、あるいは、図5(c)に示すように、対向する二つの外側面が平坦な被覆層20を包含する。
また、平坦な外側面を形成する加工は任意であり、例えば、図6(a)に示すように、平坦な面を有する下型107aと上型107bを用いて、二つの平坦な外側面を有する被覆層20を得ることができる。また、図6(b)に示すように一対のロール108a,108bの間を通過させることによっても、二つの平坦な外側面を有する被覆層20を得ることもできる。ただし、図4に示したように、四つの側面から押圧できるプレス加工を用いる方が、引き出し線12aと引き出し線12bの間、及び、リード線13aとリード線13bの間に、内層21を構成する樹脂を隙間なく入り込ませる上で好ましい。換言すれば、矩形状に成形することが、結果として、樹脂を隙間なく入り込ませるのに有効であると言える。
次に、本発明の実施形態に係る温度センサ3を説明する。
実施形態は、例えば、温度センサ3に対して温度検知対象200が傾いている場合であっても、または、温度検知対象200の温度検知面が平坦でない場合でも、温度検知対象200の温度変化に対する感受性を確保できる温度センサ3を提案する。
はじめに、図9を参照して温度検知対象200の相違による、参考形態の温度センサ1の温度検知対象200への接触状態を説明する。
図9(a)は、温度検知対象200の温度検知面201が一様に連なる平坦な面をなし、かつ、温度センサ1の外側面(当接面)25と平行な場合を示し(図9(a)の左側)、この場合には、参考形態にて説明したように、外側面25は温度検知面201と面接触させることができる(図9(a)の右側)。なお、図9及び図10において、温度センサ1,3は、白抜き矢印で示す荷重Fで、温度検知対象200に押し付けられるものとする。
以上の通りであり、温度センサ1のように、外側面25が一様に連なる一つの平坦面からなる場合には、温度検知面201の性状によっては、温度検知対象200の温度変化に対する素子本体11の感受性が劣ることがある。温度センサ3は、以上の問題点を解消するべく、外側面25を、山形形状をなす第1当接面25Aと第2当接面25Bから構成する。以下、図10を参照して、その作用及び効果を説明する。なお、図10(a),(b),(c)のそれぞれにおける温度検知対象200の性状は、図9(a),(b),(c)のそれと一致している。
したがって、図9(a)に示す面接触と同等以上の温度変化に対する感受性を得ることができる。
次に、図10(c)に示すように、温度検知面201が窪んでいる場合であっても(図10(c)の左側)、山折り形状の外側面25を、温度検知面201に倣って一様に連なる平坦面に変形させることにより、温度検知面201と面接触させることができる(図10(c)の右側)。
ここでは、外側面25(第1当接面25A,第2当接面25B)の全域が温度検知面201と面接触する例を示したが、温度検知面201の性状によっては部分的な面接触しか得られない場合もある。しかし、図10を参照した以上の説明から、一様に連なる平坦な面だけで外側面25を形成するのに比べて、当接面を山折り形状になすことで、当接面が温度検知面201の形状に倣って、面接触が得やすくなることは明らかである。
温度センサ3は、図8(b)に示すように、稜線27が素子本体11と引き出し線12a,12bの接続部位よりも後端側にわずかに変位した位置に設けられている。つまり、稜線27が温度検知面201に接触すると(図10(a)の左側)、当該接触位置から素子本体11までの距離が短いので、温度検知対象200の温度変化に対する感受性は高いといえる。ここで、温度変化に対する感受性は、素子本体11が直接受ける熱だけに影響されるのではなく、引き出し線12a,12bを介して、いわば間接的に受ける熱にも影響される。特に、引き出し線12a,12bは、ジュメット線のような金属材料で構成されているので、熱伝導性が高く、温度検知面201からの熱を主に稜線27を介して受けた熱を素子本体11に迅速に伝えることができる。しかも、稜線27は、温度検知面201と最も密に接触するので、他の部位に比べて温度検知面201からの熱伝達が確実に行われるので、引き出し線12a,12bを介した素子本体11への熱の伝達が促進される。
温度センサ3は、温度検知面201と接する外側面25を山折り形状にすることにより、温度検知面201との間で面接触が得やすくなる。したがって、温度検知対象200の温度変化に対する高い感受性を確保することができる。
山折り形状は、長手方向Xにおける任意の位置に設けることができる。このことは、複数の温度センサ3について稜線27を同じ位置に設けることにより、複数の温度センサ3の間で得られる測定温度結果のばらつきを抑えることができる。
次に、温度センサ3の製造方法について、図11を参照して説明する。なお、以下では、被覆層20が真直な温度センサ1をプレス加工により温度センサ3に成形(フォーミング)する例を説明する。
図11(a)は、温度センサ3を得るために行うフォーミングに用いられる金型110の概略構成を示している。
金型110は、概ね矩形のキャビティ112を有する下型111と、キャビティ112の開口面積に合う押圧面116を有する上型115と、からなり、温度センサ1を成形するのに用いた金型100と以下の点を除いて同じ構成を備える。
下型111は、キャビティ112に臨む下部成形面113が、温度センサ3の第1当接面25Aと第2当接面25Bにそれぞれ対応する第1成形面113Aと第2成形面113Bを備えている。
また、上型115の押圧面116は、温度センサ3の外側面26における第1対向面26Aと第2対向面26Bにそれぞれ対応する第1成形面116Aと第2成形面116Bを備えている。
フォーミングは、被覆層20を変形できれば足りるので、温度センサ1を得るのに比べて低い温度で加熱すればよい。具体的には、前駆体チューブ22を構成するPFAが変形可能な程度に軟化する融点MP1未満の加熱温度を採用すればよい。
ただし、一旦は真直な被覆層20を有する温度センサ1を得て、これにフォーミングする手順を適用して山折り形状を得ることが好ましい。これは、図10を用いて説明したように、温度センサ3は使用状態においては、被覆層20が真直に変形されることになり、この真直な状態が継続する。この継続的な使用に亘って、温度センサ3の構成要素に生ずる応力が低いことが、各構成要素の健全性を維持するために好ましい。したがって、一旦は真直に成形してから、山折り形状に成形する手順を踏めば、使用状態と山折り形状に成形する前の真直な状態と一致又は近似するので、使用状態に生ずる応力を低くできる。これに対して、最初から山折り形状に成形すると、真直になる使用状態は応力が高くなる。このことを引き出し線12a,12bを例にして説明する。
本発明者らは、この効果を確認するために、20個の温度センサ1(フォーミング前),温度センサ3(フォーミング後)について、100℃の熱源を用いて温度測定した。その結果、到達温度のばらつき及び熱時定数のばらつきが以下のように相当に狭くなる。
82.7〜89.1℃(フォーミング前)→87.7〜90.0℃(フォーミング後)
熱時定数:
19.6〜74.3s(フォーミング前)→18.3〜25.4s(フォーミング後)
はじめに、温度センサ3は、稜線27を素子本体11と引き出し線12a,12bの接続部位の近傍に設けたが、本発明はこれに限定されず、図12(a)に示すように、稜線27を当該接続部位から離して設けることができる。ただし、この場合にも、稜線27は、長手方向Xにおいて、引き出し線12a,12bが設けられる領域内に配置されることが、前述した引き出し線12a,12bを介した熱の伝達の効果を得る上で好ましい。
また、温度センサ3は、外側面26が谷折り形状をなしているが、本発明はこれに限定されず、図12(b)に示すように、外側面26を平坦にすることもできる。ただし、この形態だと前端及び後端の2カ所に荷重を印加しただけでは、被覆層20を真直に変形させることは困難であるから、外側面26を平坦にする場合には、被覆層20を保持する部材の、外側面26に対応する部分を山折り形状にするといった工夫が必要である。また、外側面26を平坦にすると、外側面26を谷折り形状にするのに比べて、高さ方向Yの肉厚が厚くなり、その分だけ断面係数が大きくなるので、真直に変形させるのに必要な荷重が大きくなる。
さらに、温度センサ3は、外側面25に一つの稜線27を設けているが、図12(d)に示すように、外側面25に2つの稜線27を設け、外側面25を第1当接面25A、第2当接面25B及び第3当接面25Cを区分することができる。
2 センサアセンブリ
10 サーミスタ素子
11 素子本体
12a,12b 引き出し線
13a,13b リード線
14a,14b 撚線
15a,15b 被覆
16a,16b 接続部位
20 樹脂被覆層(被覆層)
20A 第1部
20B 第2部
21 内層
22 前駆体チューブ
23 外層
24 前駆体チューブ
25 外側面
25A 第1当接面
25B 第2当接面
25C 第3当接面
26 外側面
26A 第1対向面
26B 第2対向面
27 稜線
28 谷線
100 金型
101 下型
102 キャビティ
105 上型
107a 下型
107b 上型
108a,108b ロール
110 金型
111 下型
112 キャビティ
113 下部成形面
113A 第1成形面
113B 第2成形面
115 上型
116 押圧面
116A 第1成形面
116B 第2成形面
200 温度検知対象
201 温度検知面
Claims (10)
- サーミスタに一対の引き出し線が接続されたサーミスタ素子と、
一対の前記引き出し線の各々と接続されるリード線と、
前記サーミスタ素子と、前記引き出し線と前記リード線の接続部位と、を覆う樹脂被覆層と、を備え、
前記樹脂被覆層は、
前記サーミスタ素子と前記接続部位を封止し、内層樹脂材からなる内層と、
前記内層の周囲に配置され、前記内層樹脂材よりも融点が高く、かつ、熱収縮性を有する外層樹脂材からなる外層と、を備え、
前記外層は、
平坦な外側面を有しており、
前記平坦な前記外側面は、
前記引き出し線が延設される長手方向に互いに傾く第1当接面と第2当接面を備え、前記長手方向に山折り形状をなしている、
ことを特徴とする温度センサ。 - 前記樹脂被覆層は、
直方体状の外観を有している、
請求項1に記載の温度センサ。 - 前記内層の内部において、
前記接続部位を含め、一対の前記引き出し線の間と、一対の前記リード線の間とに、前記内層樹脂材が満たされることで、絶縁が図られている、
請求項1又は請求項2に記載の温度センサ。 - 前記第1当接面と前記第2当接面は、
前記第1当接面と前記第2当接面の境界をなす稜線が、前記長手方向において、前記引き出し線が設けられる領域内に配置するように形成される、
請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の温度センサ。 - 前記稜線は、前記長手方向において、前記サーミスタに近接して設けられる、
請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の温度センサ。 - 前記第1当接面と前記第2当接面に対向する前記外側面である対抗面は、
前記長手方向に谷折り形状をなしている、
請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の温度センサ。 - 前記内層樹脂材は、PFAからなり、
前記外層樹脂材は、PTFEからなり、
前記リード線の被覆材は、PTFEからなる、
請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載の温度センサ。 - 請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載の温度センサの製造方法であって、
前記内層樹脂材からなる内層用チューブを、前記サーミスタ素子と前記接続部位に亘って被せるとともに、前記外層樹脂材からなる外層用チューブを、前記内層用チューブの周囲に被せてセンサアセンブリを得るチューブ被覆工程と、
前記センサアセンブリを、前記内層材樹脂の融点を超え、前記外層材樹脂の融点未満の温度に加熱して、溶融した前記内層樹脂により前記サーミスタ素子と前記接続部位を封止する封止工程と、
溶融している前記内層樹脂材が凝固するまでに、前記平坦面を成形する成形工程と、
を備えることを特徴とする温度センサの製造方法。 - 前記成形工程は、
平坦な押圧面を有する金型を用いて行われるプレス加工である、
請求項8に記載の温度センサの製造方法。 - 前記成形工程において真直に成形された前記樹脂被覆層を、
請求項1に記載の山折り形状に成形するフォーミング工程を備える、
請求項8又は請求項9に記載の温度センサの製造方法。
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