JP6292148B2

JP6292148B2 - 温度センサ

Info

Publication number: JP6292148B2
Application number: JP2015038314A
Authority: JP
Inventors: 元樹佐藤; 堀　恒円; 恒円堀
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-07-31
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2018-03-14
Anticipated expiration: 2035-02-27
Also published as: JP2016035446A; US20160033337A1; US10072987B2

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、サーミスタ素子と、タブレットと、サーミスタ素子を覆うガラス封止部とを有している。ガラス封止部は、タブレットの先端面と隣接した胴部と、サーミスタ素子を覆う頭部とを有している。ガラス封止部における外形は、頭部におけるサーミスタ素子を横切る断面の位置において最大であり、胴部には、外径寸法が軸方向に沿って徐々に小さくなった後に大きくなるくびれ部が形成されている。これにより、ガラス封止部におけるサーミスタ素子の周囲を覆う部位の肉厚を増大させている。

特開２０１１−２３２０６６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の温度センサは、例えば、燃料電池自動車の水素タンクに用いられる。温度センサは、水素タンク内の温度を検出し、温度センサによって検出された温度を基に水素タンクへの水素の充填速度を制御している。水素タンク内には、水素の充填によって、衝撃及び圧力が生じるため、温度センサには、これらに耐える強度が必要である。ガラス封止部における頭部及びくびれ部を含めた胴部における肉厚を増大させる必要がある。しかし、ガラス封止部の肉厚を増大させるために、ガラス封止部の材料を過大に増加させるとガラス封止部における成形不良が生じやすい。これにより、ガラス封止部における歩留りが悪化し、生産性が低下しやすい。
尚、水素タンク内の温度検出以外の用途において、耐圧強度、耐熱衝撃強度、耐振強度が求められる場合にも同様の問題が生じる。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、ガラス封止体におけるガラス材料の使用量の増大を抑制しながら、強度を向上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有するタブレットと、を備えており、
上記ガラス封止体の内側において、上記感温素子の、上記タブレットが配置された側と反対の先端側の位置にのみ、下記直径Ｒの関係を満たす気泡が形成されており、上記一対の素子電極線の軸方向から見たとき、上記気泡の外形が上記感温素子の輪郭線の内側に納まっていることを特徴とする温度センサ。
直径Ｒの関係：上記気泡の直径Ｒは、上記感温素子の輪郭線に内接する内接円の直径Ｒ０に対して、０．１Ｒ０≦Ｒ≦Ｒ０の関係を満たしている。

上記温度センサにおいて、通常の上記気泡が形成されていないガラス封止体は、上記軸方向における厚さを確保しやすい反面、上記軸方向と直交する径方向における厚さを確保しにくい。そのため、上記ガラス封止体の内側における上記先端側の部位に上記気泡を形成することにより、上記気泡によって置き換えられたガラス材料を上記径方向における厚さを確保するために利用することができる。また、上記軸方向から見たとき、上記気泡の中心は、上記感温素子の上記輪郭線の内側に配置される。そのため、上記気泡を形成することにより、上記ガラス封止体の厚さが、局部的に薄くなることを防止できる。

また、上記ガラス封止体の一部を、該ガラス封止体を形成するガラス材料と比べて極めて軽い空気からなる上記気泡に置き換えることで、上記ガラス封止体におけるガラス材料の使用量を低減することができる。

以上のごとく、上記温度センサによれば、ガラス封止体におけるガラス材料の使用量を抑制しながら、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１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１における、温度センサの製造過程を示す説明図。

本明細書において、上記ガラス封止体の厚さとは、ガラス材料によって形成された部位における実質的な厚さを示すものである。具体的には、上記感温素子、上記一対の素子電極線、及び上記気泡と、上記ガラス封止体の外周表面との距離を示すものである。

上記温度センサにおいて、上記軸方向から見たとき、上記気泡の外形は上記感温素子の上記輪郭線の内側に納まっている。これにより、上記感温素子の周囲を覆う上記ガラス封止体の厚さを均一とし、該ガラス封止体の強度をより向上することができる。また、上記軸方向から見たとき、上記気泡は、該気泡の中心と上記感温素子の中心とが互いに重なり合うように形成されていることがより好ましい。この場合には、上記ガラス封止体の厚さをより均一化し、該ガラス封止体の強度をさらに向上することができる。

また、上記気泡の直径Ｒは、上記軸方向から見たとき、上記感温素子の輪郭線に内接する内接円の直径Ｒ０に対して、０．１Ｒ０≦Ｒ≦Ｒ０の関係を満たしている。これにより、上記気泡を形成した際に、上記ガラス封止体の強度の確保及び、ガラス材料の使用量の抑制を効果的に行うことができる。また、上記ガラス封止体の厚さを確保しながら強度を保つことができる。

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及び図２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の内側において、感温素子２のタブレット４が配置された側と反対の先端側の位置には、気泡３１が形成されており、一対の素子電極線２１の軸方向Ｘから見たとき、気泡３１の中心が感温素子２の輪郭線２０１の内側に配置されている。

以下、さらに詳細を説明する。
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。
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。感温素子２は、略直方体に形成されており、感温素子２と一対の素子電極線２１とは、予め接合してある。軸方向Ｘから見たとき、感温素子２の輪郭線２０１は、高さ０．６ｍｍ×幅０．５ｍｍの四角形状をなしている。また、感温素子２の輪郭線２０１と内接する内接円２０２の直径Ｒ０は、φ０．５ｍｍである。

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／℃である。尚、本例においては、一対の素子電極線２１を白金合金によって形成したが、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。尚、タブレットの材料としては、フォルステライトを用いることが最も好ましいが、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、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おり、略楕円球体をなしている。また、ガラス封止体３における線膨張係数αｇは、αｇ＝８．５×１０^−６／℃である。ガラス封止体３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、ガラス封止体３における厚さは、０．４ｍｍ≦ｔ≦３．０ｍｍを満たすように形成してある。尚、温度センサ１において、ガラス封止体３表面における、微小キズの深さは、１０μｍ以下となるように管理されている。

図１〜図３に示すごとく、ガラス封止体３の内側には、気泡３１が形成されている。気泡３１は、略球形状をなしており、感温素子２における先端面２２と対向する位置に形成されている。気泡３１の直径Ｒは、０．２ｍｍであり、感温素子２の輪郭線２０１に内接する内接円２０２の直径Ｒ０に対して、Ｒ＝０．４Ｒ０となる。また、気泡３１は、軸方向Ｘから見たとき、感温素子２の輪郭線２０１の内側に納まっており気泡３１の中心Ｐ１と感温素子２の中心Ｐ２とは互いに重なり合っている。

次に、本例の温度センサ１の製造方法について説明する。
感温素子２と一対の素子電極線２１は、予め接合されており、一対の素子電極線２１をタブレット４の挿通孔４１にそれぞれ挿通する。このとき、一対の素子電極線２１とタブレット４とは、感温素子４の先端面２２とタブレット４の上面との距離がａとなるように、ガラスペーストによって仮固定される。また、一対の素子電極線における、その並び方向での最大幅をＰとし、タブレット４の外径をＩとする。

次に、ガラス封止体３を形成するガラス管３０を配設する。ガラス管３０は、円筒状をなしており、感温素子２及び一対の素子電極線２１の一端を、ガラス管３０の内側に挿通すると共に、タブレット４の中心軸とガラス管３０の中心軸とが同軸となるように、タブレット４の上面に載置する。本例において、ガラス管３０の軸方向における全長をＬ、内径をｄ１、外径ｄ２とする。このとき、全長Ｌは、１．５ａ≦Ｌ≦３ａ、内径ｄ１は、１．１Ｐ≦ｄ１≦２Ｐ、外径ｄ２は、１．５ｄ１≦ｄ２≦２．５ｄ１をそれぞれ満たしている。なお、ｄ１＜ｄ２である。これらの寸法関係を満たすことにより、ガラス管３０を溶融させてガラス封止体３を形成した際に、気泡３１を確実に形成すると共に、気泡３１の中心を、感温素子２の輪郭線２０１の内側に納めることができる。

次に、ガラス管３０を溶融させて、ガラス封止体を形成する。タブレット４上に載置されたガラス管３０は、加熱炉内に載置され、約３００℃／ｓで昇温し約９００℃に到達後、約２０秒間保持して溶融される。ガラス管３０を加熱する際、ガラス管３０におけるタブレット４側の基端部を約８５０℃とし、反対側の先端部を約９００℃とするように、ガラス管３０において温度勾配を生じさせる。これにより、ガラス管３０を、その先端部側から溶融させ、ガラス管３０内の不要な空気を基端部側のタブレット４の挿通孔４１から排出することができる。それゆえ、適当な量の気泡３１をガラス封止体３内に形成することができる。

次に、本例の作用効果について説明する。
温度センサ１において、通常の気泡３１が形成されていないガラス封止体は、軸方向Ｘにおける厚さを確保しやすい反面、軸方向Ｘと直交する径方向における厚さを確保しにくい。そのため、ガラス封止体３の内側における先端側の部位に気泡３１を形成することにより、気泡３１によって置き換えられたガラス材料を径方向における厚さを確保するために利用することができる。これにより、ガラス封止体３の形状をバランスよく形成し、効率良く強度を向上することができる。また、軸方向Ｘから見たとき、気泡３１の中心Ｐ１は、感温素子２の輪郭線２０１の内側に配置される。そのため、気泡３１を形成することにより、ガラス封止体３の厚さが、局部的に薄くなることを防止できる。

また、ガラス封止体３の一部を、ガラス封止体３を形成するガラス材料と比べて極めて軽い空気からなる気泡３１に置き換えることにより、ガラス封止体３におけるガラス材料の使用量を低減することができる。

また、軸方向Ｘから見たとき、気泡３１の外形が感温素子２の輪郭線２０１の内側に納まっている。そのため、感温素子２の周囲を覆うガラス封止体３の厚さを均一とし、ガラス封止体３の強度をより向上することができる。

また、気泡３１の直径Ｒは、輪郭線２０１に内接する内接円２０２の直径Ｒ０に対して、０＜Ｒ≦２Ｒ０の関係を満たしている。そのため、気泡３１を形成した際に、ガラス封止体３の強度の確保及び、ガラス材料の使用量の抑制を効果的に行うことができる。さらに、直径Ｒは、０．１Ｒ０≦Ｒ≦Ｒ０の関係を満たしており、ガラス封止体３の厚さを確保しながら強度を保つことができる。

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。

また、ガラス封止体３の線膨張係数αｇと、一対の素子電極線２１の線膨張係数αｒとは、αｇ−１（１０^−６／℃）≦αｒ≦αｇ＋１（１０^−６／℃）の関係を満たしている。そのため、ガラス封止体３の線膨張係数と素子電極線２１の線膨張係数とを近づけることにより、両者の間における熱応力の発生を抑制することができる。

以上のごとく、本例の温度センサ１によれば、ガラス封止体３におけるガラス材料の使用量を抑制しながら、強度を向上することができる。

上記実施例１の温度センサにおいては、軸方向Ｘから見たとき、気泡３１の中心Ｐ１と感温素子２の中心Ｐ２とが互いに重なり合うように配置されている。これ以外にも、例えば、図４に示すごとく、気泡３１の中心Ｐ１と感温素子２の中心Ｐ２とが互いにずれた位置にあってもよい。このとき、気泡３１の中心Ｐ１が感温素子２の輪郭線２０１よりも内側に位置することが好ましい。

また、気泡３１を形成し、ガラス封止体３の肉厚を増大させる効果を得るためには、感温素子２と気泡３１との位置関係が重要であり、両者の位置関係には、感温素子２の先端面２２における水平に対する傾斜角度が大きく影響する。そのため、先端面２２は、水平に対する傾斜角度が３０度以内であることが好ましい。傾斜角度が３０度を超える場合、気泡３１の位置ずれや、気泡３１の大きさが十分に確保できなくなるといった不具合が生じるおそれがある。

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気泡
４タブレット
４１挿通孔

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）を有するタブレット（４）と、を備えており、
上記ガラス封止体（３）の内側において、上記感温素子（２）の、上記タブレット（４）が配置された側と反対の先端側の位置にのみ、下記直径Ｒの関係を満たす気泡（３１）が形成されており、上記一対の素子電極線（２１）の軸方向から見たとき、上記気泡（３１）の外形が上記感温素子（２）の輪郭線（２０１）の内側に納まっていることを特徴とする温度センサ（１）。
直径Ｒの関係：上記気泡（３１）の直径Ｒは、上記感温素子（２）の輪郭線（２０１）に内接する内接円（２０２）の直径Ｒ０に対して、０．１Ｒ０≦Ｒ≦Ｒ０の関係を満たしている。
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又は２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１〜３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）の線膨張係数αｇ（１０ ^−６／℃）と、上記一対の素子電極線（２１）の線膨張係数αｒ（１０ ^−６／℃）とは、αｇ−１（１０^−６／℃）≦αｒ（１０ ^−６／℃）≦αｇ＋１（１０^−６／℃）の関係を満たし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）。