JP6297914B2 - 感温素子および温度センサ - Google Patents
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Description
本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、出力線とパッド部との間の剥離を低減できる感温素子および温度センサを提供することを目的とする。
なお、上記の「ガラスの軟化点または溶融点」は、非晶質ガラスの場合には軟化点であり、結晶化ガラスの場合には溶融点を意味している。軟化点と溶融点の両方を有するガラスの場合には、ガラスの軟化点または溶融点のうちいずれか低い方を採用する。すなわち、被覆部材におけるガラスの軟化点または溶融点のうちいずれか低い方が900℃以上であることを意味しており、換言すると、ガラスの軟化点及び溶融点がいずれも900℃以上であることを意味している。
もし、被覆部材のガラスがアルカリ金属元素を多量に含む場合には、被覆部材の導電性が高まり、被覆部材を通じて漏洩電流が発生してしまい、感温素子としての温度検出精度が低下する可能性が高まる。
本局面の感温素子においては、被覆部材の熱膨張係数が出力線の熱膨張係数と同等以下であるため、温度変化に対する膨張量は、出力線と被覆部材とが同程度、あるいは、出力線よりも被覆部材の方が小さくなる。
本発明の温度センサによれば、被覆部材の軟化を抑制でき、感温素子における出力線とパッド部との間の剥離を抑制できるので、高温耐久性が高く、好適に高温下で使用することができる。
なお、以下に示す実施形態では、内燃機関の排気管などの流通管に装着することにより、測定対象ガスが流れる流通管内に配置されて、測定対象ガス(排気ガス)の温度検出に用いられる温度センサを例に挙げて説明する。
[1−1.全体構成]
本実施形態の温度センサ1の全体の構成について、図1に基づいて説明する。
感温素子3は、測定対象ガスが流れる流通管内に配置される測温素子であり、金属チューブ9の内部に配置されるものである。
金属芯線15は、先端部が溶接点(接合部:図示せず)により、感温素子3の出力線5と電気的に接続されるものであり、後端部が抵抗溶接により加締め端子43と接続されるものである。つまり金属芯線15は、自身の後端が加締め端子43を介して外部回路、例えば車両の電子制御装置(ECU)等の接続用のリード線45と接続されるものである。
次に、感温素子3の構成について説明する。
図2(a)は、図2(b)に示す感温素子のA−A断面を示す断面図であり、図2(b)は、感温素子の構成を示す平面図である。なお、図2(b)では、被覆部材は除き、セラミックス被覆層は透過した状態の感温素子を示している。
図2及び図3に示すように、感温素子3は、セラミックス基板51(セラミックス基体51)と、金属抵抗体層53と、揮発抑制層55と、一対のパッド部59a、59b(59と総称する)と、一対の出力線5a、5b(5と総称する)と、セラミックス被覆層63と、被覆部材65と、を備えている。
以下、各構成について説明する。
セラミックス基板51は、例えば純度99.9%のアルミナからなる(平面視で)長方形の板材である。
一方、各端子部73は、細線部71の後端側の一対の端部にそれぞれ接続されて後端側に伸びるように形成された(細線部71より幅の広い)端子である。
被覆部材65は、アルミノケイ酸塩ガラスとアルミナとの混合材料(混合体)で形成された被覆層であり、出力線5の先端側、パッド部59の全体、セラミックス被覆層63の後端側を覆うように形成されている。特に、被覆部材65は、出力線5のうち少なくともパッド部59上に位置する部位を被覆するようにパッド部59上に設けられる。
また、被覆部材65の熱膨張係数は、7.5×10-6/℃(20−300℃)であり、出力線5の熱膨張係数と同等以下である。被覆部材65は、出力線5より熱膨張係数が小さく、出力線5と被覆部材65との熱膨張係数差は、2.0×10-6/℃である。なお、被覆部材65に混合するセラミックスの比率や材質を調整することによって出力線5との熱膨張係数差を所定の範囲内となるように制御することが可能である。
[1−3.感温素子の製造方法]
次に、感温素子3の製造方法について説明する。
図4及び図5に示すように、まず、第1工程では、セラミックス基板51の母材(図示せず)を、超音波洗浄によって洗浄する。なお、この母材とは、複数の感温素子3を1枚の大判の基板から作製するための板材であり、複数のセラミックス基板51を含んだ板材である。図5では、1個の感温素子3に相当する部分を示している。
次に、第10工程では、図5(c)に示すように、パッド部59上に出力線5を配置し、パラレル溶接(抵抗溶接)によって、出力線5をパッド部59に接合する。
次に、第13工程では、ダイシングによって、ワークサイズの基板をカットして、各感温素子3を分離する。
なお、温度センサ1は、上述したように製造された感温素子3を、従来と同様な手順で組み付けることによって製造することができる。
まず、感温素子の被覆部材における出力線の保持強度(初期強度および耐久後強度)についての測定試験に関する試験結果について説明する。
試験結果が優良(◎)と判定されるのは、10個の感温素子の全てが「出力線5が被覆部材65から抜け落ちることなく、かつ、出力線5のうち被覆部材65で覆われていない部分が断線(破断)した感温素子」となる場合である。
試験結果によれば、セラミックス成分(アルミナ、コージェライト)が50vol%以下であれば、初期強度の試験結果が「優良」または「良」となり、被覆部材が出力線を保持できることが分かる。また、セラミックス成分(アルミナ、コージェライト)が3vol%以上であれば、耐久後強度の試験結果が「優良」または「良」となり、出力線の脱落を抑制できることが分かる。
このため、被覆部材におけるセラミックス成分とガラス成分との体積比率(セラミックス成分/ガラス成分)を30vol%/70vol%に設定することで、「初期強度」および「耐久後強度」が優良となり、被覆部材から出力線が脱落するのを抑制できることが分かる。
本測定試験では、被覆部材のガラスがアルカリ金属元素を含まない感温素子での検出温度(試料41)を基準として、被覆部材のガラスがアルカリ金属元素を含む感温素子(試料42〜44)での検出温度における精度誤差を測定した。
図8に、本測定試験の試験結果を示す。試験結果によれば、アルカリ金属元素が0.1wt%である試料42は、精度誤差が0.5[℃]であり、判定結果が優良(◎)である。アルカリ金属元素が0.2wt%である試料43は、精度誤差が1.0[℃]であり、判定結果が良(○)である。アルカリ金属元素が0.3wt%である試料44は、精度誤差が2.0[℃]であり、判定結果が不可(×)である。
以上説明したように、本実施形態の温度センサ1における感温素子3は、アルミナおよびアルミノケイ酸塩ガラスの混合材料で形成された被覆部材65を備えており、被覆部材65におけるアルミナとアルミノケイ酸塩ガラスとの体積比率(アルミナ/アルミノケイ酸塩ガラス)は、30vol%/70vol%である。また、被覆部材65に含まれるアルミノケイ酸塩ガラスは、軟化点900℃以上の高耐熱ガラスである。
次に、感温素子3では、被覆部材65におけるアルミノケイ酸塩ガラスは、アルカリ金属元素の含有量が0.2wt%以下であり、アルカリ金属元素を実質的に含まない構成である。
この感温素子3においては、温度変化に対する膨張量は、出力線5よりも被覆部材65の方が小さくなる。
ここで、特許請求の範囲と本実施形態とにおける文言の対応関係について説明する。
感温素子3が感温素子の一例に相当し、セラミックス基体51がセラミックス基体の一例に相当し、金属抵抗体層53が金属抵抗体層の一例に相当し、パッド部59(パッド部59a,59b)がパッド部の一例に相当し、出力線5(素子電極線5,出力線5a,5b)が出力線の一例に相当し、被覆部材65が被覆部材の一例に相当する。
[2.他の実施形態]
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記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において、様々な態様にて実施することが可能である。
Claims (4)
- セラミックス基体と、
前記セラミックス基体上に形成された金属抵抗体層と、
前記セラミックス基体上に形成されるとともに、前記金属抵抗体層と電気的に接続された導電性を有するパッド部と、
前記パッド部の表面に接合された金属からなる出力線と、
を備える感温素子であって、
前記出力線のうち少なくとも前記パッド部上に位置する部位を被覆するように前記パッド部上に設けられる被覆部材をさらに備え、
前記被覆部材は、ガラスおよびセラミックスの混合体で形成されており、
前記被覆部材における前記セラミックスと前記ガラスとの体積比率(セラミックス/ガラス)は、3vol%/97vol%〜50vol%/50vol%の範囲内であり、
前記ガラスの軟化点または溶融点は900℃以上であり、
前記被覆部材の熱膨張係数は、前記出力線の熱膨張係数よりも小さいこと、
を特徴とする感温素子。 - 前記ガラスは、アルカリ金属元素の含有量が0.2wt%以下(0wt%を含む)であること、
を特徴とする請求項1に記載の感温素子。 - 前記被覆部材における前記セラミックスと前記ガラスとの体積比率(セラミックス/ガラス)は、10vol%/90vol%〜40vol%/60vol%の範囲内であること、
を特徴とする請求項1または請求項2に記載の感温素子。 - 感温素子と、
前記感温素子を保持する保持部と、
前記感温素子および前記保持部を被取付部に取り付けるための取付部と、
を備える温度センサであって、
前記感温素子は、請求項1から請求項3のうちいずれか1項に記載の感温素子であること、
を特徴とする温度センサ。
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