JP6028770B2

JP6028770B2 - 温度センサ

Info

Publication number: JP6028770B2
Application number: JP2014152724A
Authority: JP
Inventors: 元樹佐藤; 堀　恒円; 恒円堀
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-07-28
Filing date: 2014-07-28
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2034-07-28
Also published as: US20160025574A1; US9945732B2; JP2016031258A

Description

本発明は、温度センサに関する。

自動車をはじめ種々の装置には、特許文献１に示されたような温度センサが用いられている。特許文献１の温度センサは、温度を検出するサーミスタ素子と、セラミック材料からなるタブレットと、ガラス材料からなるガラス封止部とを有している。ガラス封止部は、サーミスタ素子の周囲を覆うと共に、タブレットの端面に接合されている。

特開２０１３−７２７６９号公報

しかしながら、特許文献１の温度センサには以下の課題がある。
特許文献１の温度センサにおいては、セラミック材料からなるタブレットと、ガラス材料からなるガラス封止体という線膨張係数の異なる２つの部品を接合している。そのため、温度センサにおいて、温度変化が生じるとタブレットとガラス封止体との間に熱応力が生じるおそれがある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、熱応力の発生を抑制することができる温度センサを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、温度を検出するための感温素子と、
該感温素子と電気的に接続された一対の素子電極線と、
上記感温素子と上記一対の素子電極線の一部とを覆うガラス封止体と、
上記一対の素子電極線をそれぞれ挿通する一対の挿通孔を備えたタブレットとを備えており、
上記ガラス封止体は、上記感温素子を覆う封止部と、上記封止部を形成する材料のヤング率よりも小さいヤング率を有する材料からなり上記タブレットにおける上記ガラス封止体と接合される接合面と上記封止部との間の少なくとも一部を繋ぐ低ヤング率層とを有していることを特徴とする温度センサにある。

上記温度センサにおいては、上記ガラス封止体が上記低ヤング率層を形成することにより、上記ガラス封止体と上記タブレットとの間における熱応力を抑制することができる。すなわち、上記低ヤング率層は、上記ガラス封止体に比べて、ヤング率の小さい材料、つまり弾性の大きい材料によって形成されている。したがって、上記ガラス封止体と上記タブレットとの間に線膨張差が生じても、上記低ヤング率層が変形することにより、両者の間に生じる熱応力を緩和することができる。

以上のごとく、上記温度センサによれば、熱衝撃に対する強度を向上することができる。

実施例１における、温度センサを示す説明図。図１における、II−II矢視断面図。図１における、III−III矢視断面図。実施例２における、温度センサの一例を示す説明図（図１における、III−III矢視断面図相当）。実施例２における、温度センサの他の例を示す説明図（図１における、III−III矢視断面図相当）。実施例３における、温度センサを示す説明図。

上記温度センサにおいて、上記低ヤング率層は、上記タブレットの上記接合面の全面に形成されていることが好ましい。この場合には、上記低ヤング率層の形成範囲を拡大することにより、上記温度センサに生じる熱応力をより低減することができる。

また、上記低ヤング率層を形成する材料のヤング率は、５０ＧＰａ以上であることが好ましい。この場合には、上記低ヤング率層における、熱応力低減効果と強度とを確保することができる。また、上記低ヤング率層を形成する材料のヤング率は、１００ＧＰａ以下であることがより好ましい。この場合には、上記低ヤング率層における弾性の低下を抑制することができる。

また、上記低ヤング率層は、鉛を含有する鉛ガラスによって形成されていることが好ましい。この場合には、上記ガラス封止体に上記低ヤング率層を容易に形成することができる。

また、上記ガラス封止体は、ガラスに酸化ホウ素を添加したホウケイ酸ガラスによって形成されていることが好ましい。この場合には、上記ガラス封止体の耐熱衝撃性能を向上し、上記ガラス封止体の損傷を抑制することができる。

また、上記ガラス封止体は、鉛を含有しない無鉛ガラスによって形成されていることが好ましい。この場合には、上記ガラス封止体の強度を容易に向上することができる。

（実施例１）
上記温度センサにかかる実施例について、図１〜図３を参照して説明する。
図１〜図３に示すごとく、温度センサ１は、温度を検出するための感温素子２と、感温素子２と電気的に接続された一対の素子電極線２１と、感温素子２と一対の素子電極線２１の一部とを覆うガラス封止体３と、一対の素子電極線２１をそれぞれ挿通する一対の挿通孔４１を備えたタブレット４とを備えている。ガラス封止体３は、感温素子２を覆う封止部３１と、封止部３１を形成する材料のヤング率よりも小さいヤング率を有する材料からなりタブレット４におけるガラス封止体３と接合される接合面４２の全面に接合される低ヤング率層３２とを有している。

以下、さらに詳細に説明する。
図１及び図２に示すごとく、本例において、一対の素子電極線２１の軸方向Ｘにおける感温素子２が配置された側を先端側とし、感温素子２から一対の素子電極線２１が延びる方向を基端側とする。
また、図１〜図３に示す温度センサ１において、低ヤング率層３２及び一対の挿通孔４１の形状は誇張して描いたものである（図４〜図６も同様である）。

本例の温度センサ１は、燃料電池自動車の水素タンクに用いられるものである。水素タンクへ水素を充填する際に、タンク内の温度を検出することにより、水素の充填速度を制御し、充填時間の短縮を図っている。

感温素子２は、測温抵抗体からなり、互いに平行に配設された一対の素子電極線２１によって挟まれた状態で固定されている。

一対の素子電極線２１は、白金合金からなり、軸方向Ｘに延びる円柱状に形成されている。白金合金は、Ｐｔ（白金）を基材として、Ｉｒ（イリジウム）を含有しており、Ｉｒの含有量Ａは、Ａ＝２０ｗｔ％とした。したがって、Ｉｒの含有量Ａは、０ｗｔ％＜Ａ≦２０ｗｔ％の関係を満たしている。また、一対の素子電極線２１における線膨張係数αｒは、αｒ＝８．４×１０^−６／℃であり、ヤング率Ｅ４は２０１ＧＰａである。尚、本例においては、一対の素子電極線２１を白金合金としたが、純白金によって形成してもよい。

タブレット４は、フォルステライトを基材とするセラミックス材料を略円柱状に形成したものであり、軸方向Ｘにおいて貫通形成された一対の挿通孔４１を備えている。一対の挿通孔４１は、素子電極線２１の直径よりも一回り大きく形成されており、各挿通孔４１にそれぞれ素子電極線２１を挿通可能に構成されている。タブレット４におけるヤング率Ｅ３は、１５０ＧＰａである。尚、タブレットの材料としては、フォルステライトが最も好ましいが、アルミナ、ムライト、ジルコニア、イットリア、サーメット、サファイア、ステアタイト等のセラミック材料を用いてもよい。

図１及び図２に示すごとく、ガラス封止体３は、感温素子２を覆う封止部３１と、封止部３１とタブレット４とを繋ぐ低ヤング率層３２とを有している。
封止部３１は、鉛を含有せず、かつ酸化ホウ素を添加した無鉛ホウケイ酸ガラスによって形成されている。また、封止部３１における線膨張係数αｇは、αｇ＝８．５×１０^−６／℃であり、ヤング率Ｅ１は、８１ＧＰａに設定してある。封止部３１は、感温素子２と、一対の素子電極線２１の先端側とを覆うように形成されている。尚、封止部３１の外周表面３１１と感温素子２との間の封止部厚さｔは、０．４ｍｍ≦ｔ≦３ｍｍの関係を満たしている。

低ヤング率層３２は、鉛を含有する鉛ガラスからなり、タブレット４におけるガラス封止体３との接合面４２の全面に略円板状に形成されている。軸方向における低ヤング率層３２の厚さは、０．２ｍｍとなるように形成してある。本例においては、一対の挿通孔４１の内周縁４１１から一対の素子電極線２１の外周までの範囲においても低ヤング率層３２が形成されている。また、低ヤング率層３２のヤング率Ｅ２は、５２ＧＰａに設定してある。したがって、封止部３１のヤング率Ｅ１と低ヤング率層３２のヤング率Ｅ２とは、Ｅ１＞Ｅ２の関係を有している。

次に、本例の作用効果について説明する。
本例の温度センサ１においては、ガラス封止体３が低ヤング率層３２を形成することにより、ガラス封止体３とタブレット４との間における熱応力を抑制することができる。すなわち、低ヤング率層３２は、ガラス封止体３に比べて、ヤング率の小さい材料、つまり弾性の大きい材料によって形成されている。したがって、ガラス封止体３とタブレット４との間に線膨張差が生じても、低ヤング率層３２が変形することにより、両者の間に生じる熱応力を緩和することができる。

温度センサ１において、低ヤング率層３２は、ガラス封止体３の封止部３１とタブレット４の接合面４２の全面に形成されている。そのため、低ヤング率層３２において、封止部３１とタブレット４との間に生じる線膨張差を効率良く緩和し、温度センサ１に生じる熱応力をより低減することができる。

また、低ヤング率層３２を形成する材料のヤング率は５０ＧＰａ以上である。そのため、低ヤング率層３２における、熱応力低減効果と強度とを確保することができる。

また、低ヤング率層３２は、鉛を含有する鉛ガラスによって形成されている。そのため、ガラス封止体３に低ヤング率層３２を容易に形成することができる。

また、ガラス封止体３は、ガラスに酸化ホウ素を添加したホウケイ酸ガラスによって形成されている。そのため、ガラス封止体３の耐熱衝撃性能を向上し、ガラス封止体３の損傷を抑制することができる。

また、ガラス封止体３は、鉛を含有しない無鉛ガラスによって形成されている。そのため、ガラス封止体３の強度を容易に向上することができる。

また、一対の素子電極線２１は、イリジウムを含有した白金合金によって形成されており、イリジウムの含有量Ａは、０ｗｔ％＜Ａ≦２０ｗｔ％である。そのため、ガラス封止体３の線膨張係数と、一対の素子電極線２１における線膨張係数とを近づけ、線膨張差によるガラス封止体３の損傷を抑制することができる。また、一対の素子電極線２１の強度を容易に向上することができる。

以上のごとく、本例の温度センサ１によれば、熱衝撃に対する強度を向上することができる。

（実施例２）
本例は、図４及び図５に示すごとく、実施例１における温度センサの構造を一部変更したものである。
図４に示した温度センサ１においては、低ヤング率層３２がタブレット４の外周縁４２１に沿うように円環状に形成されている。
また、図５に示した温度センサ１においては、低ヤング率層３２がタブレット４の一対の挿通孔４１の周囲から、一対の素子電極線２１の周囲を覆うように形成されている。
その他の構成は実施例１と同様である。尚、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例においては、ガラス封止体３とタブレット４との間において、特に熱応力が生じやすいタブレット４の外周縁４２１及び挿通孔４１の内周縁４１１にそれぞれ低ヤング率層３２を形成してある。これにより、低ヤング率層３２の形成範囲を小さくしながら、熱応力を効果的に抑制することができる。尚、必要に応じて、図４及び図５に示すごとく、タブレット４の外周縁４２１及び挿通孔４１の内周縁４１１にそれぞれ低ヤング率層３２を形成してもよいし、これらを組み合わせてもよい。
また、本例においても実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

（実施例３）
本例は、図６に示すごとく、実施例１における温度センサの構造を一部変更したものである。
本例の温度センサ１において、低ヤング率層３２における軸方向の厚さは、約１ｍｍとなるように形成されている。また、低ヤング率層３２の内部には、複数の気泡３２１が形成されている。
その他の構成は実施例１と同様である。尚、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例の温度センサ１においては、低ヤング率層３２の内部に複数の気泡を形成することにより、低ヤング率層３２におけるヤング率をより低下させることができる。これにより、低ヤング率層３２によって、より効果的に熱応力を低減することができる。
また、本例においても実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

１温度センサ
２感温素子
２１素子電極線
３ガラス封止体
３１封止部
３２低ヤング率層
４タブレット
４１挿通孔
４２接合面

Claims

温度を検出するための感温素子（２）と、
該感温素子（２）と電気的に接続された一対の素子電極線（２１）と、
上記感温素子（２）と上記一対の素子電極線（２１）の一部とを覆うガラス封止体（３）と、
上記一対の素子電極線（２１）をそれぞれ挿通する一対の挿通孔（４１）を備えたタブレット（４）とを備えており、
上記ガラス封止体（３）は、上記感温素子（２）を覆う封止部（３１）と、上記封止部（３１）を形成する材料のヤング率よりも小さいヤング率を有する材料からなり上記タブレット（４）における上記ガラス封止体（３）と接合される接合面（４２）と上記封止部（３１）と間の少なくとも一部を繋ぐ低ヤング率層（３２）とを有していることを特徴とする温度センサ（１）。
上記低ヤング率層（３２）は、上記タブレット（４）の上記接合面（４２）の全面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の温度センサ（１）。
上記低ヤング率層（３２）を形成する材料のヤング率が５０ＧＰａ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の温度センサ（１）。
上記低ヤング率層（３２）は、鉛を含有する鉛ガラスによって形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の温度センサ（１）。
上記ガラス封止体（３）は、ガラスに酸化ホウ素を添加したホウケイ酸ガラスによって形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の温度センサ（１）。
上記ガラス封止体（３）は、鉛を含有しない無鉛ガラスによって形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の温度センサ（１）。
上記一対の素子電極線（２１）は、白金又はイリジウムを含有した白金合金によって形成されており、白金合金におけるイリジウムの含有量Ａは、０ｗｔ％＜Ａ≦２０ｗｔ％であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の温度センサ（１）。