JP6360273B1 - 温度センサ、センサ素子及び温度センサの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
これらの温度センサは、周囲の温度を感熱体に迅速に伝えるために、充填体よりも熱伝導性の優れた金属材料によりケースを構成する。また、ケースの内部の充填体は、センサ素子を取り囲むことで周囲の雰囲気から保護する。ケースもまた周囲の雰囲気からセンサ素子を保護する役割を担う。
また、特許文献5は、ケース内で、配線とリード線との接続部を、絶縁性材料からなるホルダーで保持することで、配線とリード線との接続部と保護管との絶縁を確実に図ることを提案している。
本発明におけるセンサ素子は、感熱体から一対の導線の所定位置までを覆う、第一電気絶縁体からなる第一被覆層と、第一被覆層を覆う、第二電気絶縁体からなる第二被覆層と、を備え、第一被覆層は第二被覆層よりも弾性率が小さい、ことを特徴とする。
本発明における第一被覆層は、一対の導線を束にして覆う領域と、束にして覆う領域に一体的に接続され、一対の導線のそれぞれを独立に覆う領域と、を備える。
本発明におけるセンサ素子において、第一被覆層は、好ましくは、シリコーンゴムからなり、第二被覆層は、エポキシ樹脂からなる。
また、本発明における充填体は、好ましくは、エポキシ樹脂からなる。
この充填体は、好ましくは、第二被覆層よりも熱伝導性の高いエポキシ樹脂からなる。
本発明における第一被覆層は、一対の導線を束にして覆う領域と、束にして覆う領域に一体的に接続され、一対の導線のそれぞれを独立に覆う領域と、を備える。
また、本発明のセンサ素子において、感熱体と第一被覆層の間に、ガラス製の保護層が介在する、ことが好ましい。
本発明における温度センサの製造方法は、感熱体から一対の導線の所定位置までを覆う、第一電気絶縁体からなる第一被覆層をディッピングにより形成するステップ(a)と、第一被覆層を覆う、第二電気絶縁体からなる第二被覆層をディッピングにより形成するステップ(b)と、未固化の状態の充填体が収容されている保護管の内部に、第二被覆層が形成されている側からセンサ素子を挿入するステップ(c)と、を備える。
本発明のステップ(a)において、一対の導線を束にして覆う領域と、束にして覆う領域に一体的に接続され、一対の導線のそれぞれを独立に覆う領域と、を備える第一被覆層がディッピングにより形成される。
こうして得られる温度センサは、第一被覆層が第二被覆層よりも弾性率が小さい。
また、温度センサは、第一被覆層を第一被覆層よりも弾性率の大きい第二被覆層で覆う。これにより、センサ素子の電気的な絶縁をより確実に得ることができる。
温度センサ1は、図1に示すように、温度検出の主体を担うセンサ素子10と、センサ素子10の主要部を覆う保護管30と、センサ素子10と保護管30の間を埋める充填体40と、を備える。
温度センサ1は、周囲の温度が昇降を繰り返しても、センサ素子10の引出線15,15の周りに隙間が生じるのを抑える構成を備える。これにより、温度センサ1を湿潤環境下で使用しても、センサ素子10の引出線15,15の間に短絡が生じるのを抑制できる。
以下、温度センサ1の各構成要素について説明したのちに、温度センサ1の製造手順を説明する。
センサ素子10は、図1及び図3に示すように、感熱体11と、感熱体11の周囲を覆うガラス製の保護層13と、感熱体11に電気的に接続される一対の引出線15,15と、引出線15,15のそれぞれに接続されるリード線17,17と、を備えている。電気的に接続される引出線15,15とリード線17,17により本発明における一対の導線が構成される。
なお、温度センサ1において、図1に示すように、感熱体11が設けられる側を前Fと定義し、リード線17が引き出される側を後Bと定義する。ただし、この定義は相対的なものとする。
感熱体11は、例えば、サーミスタを用いることが好ましい。サーミスタはthermally sensitive resistorの略称であり、温度によって電気抵抗が変化することを利用して温度を測定する金属酸化物である。
サーミスタは、NTC(negative temperature coefficient)サーミスタとPTC(positive temperature coefficient)に区分されるが、本発明はいずれのサーミスタをも使用できる。
また、PTCサーミスタとして典型的なペロブスカイト構造を有する複合酸化物、例えばYCrO3を基本構成とする酸化物焼結体を感熱体11に用いることができる。
ガラス製の保護層13は、図1及び図2に示すように、感熱体11を封止して気密状態に保持することによって、環境条件に基づく感熱体11の化学的、物理的変化の発生を防止するとともに、感熱体11を機械的に保護する。ガラス製の保護層13は、感熱体11の全体に加えて引出線15,15の前端を覆い、引出線15,15を封着する。
なお、ガラス製の保護層13を設けることは、本発明において好ましい形態にすぎず、保護層13を設けることは任意である。
引出線15,15は、図示を省略する感熱体11の電極に電気的に接続される。
引出線15,15は、保護層13により封着されるため、線膨張係数がガラスと近似するジュメット線を用いる。なお、ジュメット線は、鉄とニッケルを主成分とする合金を導体(芯線)として用い、そのまわりを銅で被覆した導線である。引出線15,15は、導体が剥き出しとされているため、水分が進入すると短絡のおそれがある。以下に、温度センサ1の構成要素の線膨張率を示しておく。
シリコーンゴム:2.0〜4.0×10−4(/℃)
エポキシ樹脂:5.0〜8.0×10−5(/℃)
銅:16.5〜16.8×10−6(/℃)
ジュメット線:4.5〜6.0×10−7(/℃)
ガラス:91×10−7(/℃)
第一領域15Aと第三領域15Cの間隔を整合させるために、引出線15,15は、第一領域15Aと第三領域15Cの間に、間隔が連続的に拡がる第二領域15Bを備える。
リード線17,17は、導体からなる芯線17A,17Aと、芯線17A,17Aを覆う絶縁被覆17B,17Bと、を備える。リード線17,17は、芯線17A,17Aの部分で引出線15,15と溶接、導電性接着剤などにより電気的に接続される。
リード線17は、引出線15のように線膨張係数の制約がなく、所定の耐熱性、耐久性を備えている限り、任意の材質を選択できる。
センサ素子10は、図1及び図3に示すように、シリコーンゴムからなる第一被覆層21を備える。第一被覆層21は、保護層13及び引出線15に対する絶縁体として機能するものであり、理想的には空孔が存在しない緻密な膜からなる。シリコーンゴムは、本発明における第一電気絶縁体を構成する。
ここで、後述するエポキシ樹脂からなる第二被覆層23は、第一被覆層21と同様に絶縁体として機能する。しかるに、シリコーンゴムからなる第一被覆層21を設けるのは、シリコーンゴムが高い弾性を有するからである。つまり、シリコーンゴムとエポキシ樹脂の引張弾性率を対比して示すと以下の通りであり、シリコーンゴムはエポキシ樹脂に比べて格段に弾性率が低く、小さい力でも容易に変形する。
シリコーンゴム:0.01〜20(N/mm2)
エポキシ樹脂:2000〜5000(N/mm2)
このように、シリコーンゴムからなる第一被覆層21は、絶縁被覆層として機能するのに加えて、温度昇降に伴う熱応力による引出線15,15と第一被覆層21の剥離を防止する緩衝機能を担う。
次に、センサ素子10は、図1及び図4に示すように、エポキシ樹脂からなる第二被覆層23を備える。第二被覆層23も、第一被覆層21と同様に保護層13、引出線15及びリード線17に対する絶縁体として機能する。加えて、第二被覆層23はエポキシ樹脂からなる充填体40との接着を担う接合層としての機能を担う。第二被覆層23を構成するエポキシ樹脂が本発明の第二電気絶縁体を構成する。
次に、保護管30は、図1に示すように、センサ素子10をその前端からリード線17,17に亘って覆う金属製、典型的には熱伝導性の高い銅、銅合金から構成される。保護管30は、内部に収容されるセンサ素子10を周囲の雰囲気から保護することに加えて、周囲の雰囲気の温度を迅速に内部に伝えるために、高熱伝導性の金属材料から構成される。
充填体40は、センサ素子10と保護管30の間を埋めることで、センサ素子10を保護管30の内部に支持する。
充填体40は、エポキシ樹脂からなり、センサ素子10の第二被覆層23との間が接着力を有して接合されるとともに、保護管30の内壁との間が接着力を有して接合される。これにより、保護管30の内部には水の進入経路ができにくい。
次に、図5を参照して、温度センサ1を製造する手順を説明する。
[第一中間体]
はじめに、図5(a)に示すように、第一被覆層21、第二被覆層23を備えていない、第一中間体10Aを用意する。第一中間体10Aは、感熱体11の表裏のそれぞれの面に設けられる一対の電極(図示省略)に引出線15,15が接続されている。なお、引出線15,15には既にリード線17,17も接続されている。保護層13は、引出線15などが接続された感熱体11をガラス管の内部を貫通するように配置した状態でガラス管を加熱溶解することにより形成できる。
次に、図5(b)に示すように、第一中間体10Aに第一被覆層21を形成して第二中間体10Bを得る。
第一被覆層21は、液状のシリコーンゴムに感熱体11(保護層13)の側をディッピング(dipping)することにより形成できる。このとき、引出線15,15を覆う部分は、引出線15,15のそれぞれを独立して覆うように配慮することが好ましい。例えば、センサ素子10を液状のシリコーンゴムに浸してから引き上げる際に所定の制御をすることにより、引出線15,15のそれぞれを独立して覆う第一被覆層21を形成できる。
次に、図5(c)に示すように、第二中間体に第二被覆層23を形成して第三中間体としてのセンサ素子10を得る。
第二被覆層23は、第一被覆層21と同様に、液状のエポキシ樹脂に第一被覆層21が形成された感熱体11(保護層13)の側をディッピングすることにより形成できる。
次に、第二被覆層23まで形成されたセンサ素子10を保護管30へ封入する。封入は以下の手順による。
開口端33が上向きの保護管30の内部に固化後に充填体40を構成する液状のエポキシ樹脂を所定量だけ投入する。エポキシ樹脂が投入された保護管30の内部に、センサ素子10を前端から挿入する。エポキシ樹脂が固化すれば、温度センサ1が完成する。
以上説明した温度センサ1が奏する効果を説明する。
温度センサ1は、保護層13を介して感熱体11を覆う第一被覆層21が弾性率の小さい、つまり外力が加わると変形しやすいシリコーンゴムから構成される。したがって、温度センサ1が温度の昇降を繰り返し受けてその要素が膨張・収縮しても、第一被覆層21が容易に弾性変形することにより膨張・収縮に対する緩衝体として機能する。これにより、引出線15,15の電気的な絶縁を確保しつつ、温度センサ1を構成する部材の熱膨張差に伴う隙間の発生を抑制できる。
2×L1とL2を比較すれば、引出線15,15のそれぞれを独立して被覆することにより、沿面距離を相当に長くできることが容易にわかる。これにより、温度センサ1によれば、仮に当該領域に水が進入したとしても、引出線15,15の間に短絡が生ずるのを抑制できる。
例えば、本実施形態は好ましい第一被覆層21としてシリコーンゴムを用いたが、本発明はこれに限定されず、例えば、ブジエンゴムを用いることができる。これらの樹脂材料は、電気的絶縁性、耐水性を有するとともに、弾性率が小さいという機械的特性の点で、シリコーンゴムと共通している。
10 センサ素子
11 感熱体
13 保護層
15 引出線
15A 第一領域
15B 第二領域
15C 第三領域
17 リード線
17A 芯線
17B 絶縁被覆
21 第一被覆層
23 第二被覆層
30 保護管
31 閉塞端
33 開口端
40 充填体
Claims (12)
- 感熱体と感熱体に電気的に接続される一対の導線を備えるセンサ素子と、
前記センサ素子を収容する保護管と、
前記保護管の内部において前記保護管と前記センサ素子の間を埋める充填体と、を備え、
前記センサ素子は、
前記感熱体から一対の前記導線の所定位置までを覆う、第一電気絶縁体からなる第一被覆層と、
前記第一被覆層を覆う、第二電気絶縁体からなる第二被覆層と、を備え、
前記第一被覆層は前記第二被覆層よりも弾性率が小さく、
前記第一被覆層は、
一対の前記導線を束にして覆う領域と、
前記束にして覆う領域に一体的に接続され、一対の前記導線のそれぞれを独立に覆う領域と、を備えることを特徴とする温度センサ。
- 一対の前記導線は、
前記感熱体に接続される、互いの間隔が狭い第一領域と、
前記第一領域に接続され、互いの間隔が連続的に拡がる第二領域と、
前記第二領域に接続され、互いの間隔が前記第一領域よりも広い、第三領域と、を有し、
前記第一領域と、前記第二領域と、前記第三領域のいずれも導体が剥き出しとされ、
前記第一被覆層は、
前記第二領域において、一対の前記導線のそれぞれを独立に覆う、
請求項1に記載の温度センサ。
- 前記第二被覆層は、
前記感熱体を覆う前記第一被覆層から、一対の前記導線の絶縁被覆が設けられる所定位置までを覆う、
請求項1又は請求項2に記載の温度センサ。
- 前記充填体は、
前記第二被覆層及び一対の前記導線と前記保護管の両者と、接着により接合される、
請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の温度センサ。
- 前記感熱体の周囲に、ガラス製の保護層が設けられる、
請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の温度センサ。
- 前記第一被覆層は、シリコーンゴムからなり、
前記第二被覆層は、エポキシ樹脂からなる、
請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の温度センサ。
- 前記充填体は、エポキシ樹脂からなる、
請求項6に記載の温度センサ。
- 前記充填体は、
前記第二被覆層よりも熱伝導性の高いエポキシ樹脂から構成される、
請求項7に記載の温度センサ。
- 感熱体と、
前記感熱体に電気的に接続される一対の導線と、
前記感熱体を覆う、第一電気絶縁体からなる第一被覆層と、
前記第一被覆層を覆う、電気絶縁体からなる第二被覆層と、を備え、
前記第一被覆層は前記第二被覆層よりも弾性率が小さく、
前記第一被覆層は、
一対の前記導線を束にして覆う領域と、
前記束にして覆う領域に一体的に接続され、一対の前記導線のそれぞれを独立に覆う領域と、を備えることを特徴とするセンサ素子。
- 一対の前記導線は、
前記感熱体に接続される、互いの間隔が狭い第一領域と、
前記第一領域に繋がり、互いの間隔が連続的に拡がる第二領域と、
前記第二領域に繋がり、互いの間隔が前記第一領域よりも広い、第三領域と、を有し、
前記第一領域と、前記第二領域と、前記第三領域のいずれも導体が剥き出しとされ、
前記第一被覆層は、
前記第二領域において、一対の前記導線のそれぞれを独立して覆う、
請求項9に記載のセンサ素子。
- 前記感熱体と前記第一被覆層の間に、ガラス製の保護層が介在する、
請求項9又は請求項10に記載のセンサ素子。
- 感熱体と前記感熱体と電気的に接続される一対の導線を備えるセンサ素子と、前記センサ素子の前記感熱体の部分を収容する保護管と、前記保護管の内部において前記保護管と前記センサ素子の間を埋める充填体と、を備える温度センサの製造方法であって、
前記感熱体から一対の前記導線の所定位置までを覆う、第一電気絶縁体からなる第一被覆層をディッピングにより形成するステップ(a)と、
前記第一被覆層を覆う、第二電気絶縁体からなる第二被覆層をディッピングにより形成するステップ(b)と、
未固化の状態の前記充填体が収容されている前記保護管の内部に、前記第二被覆層が形成されている側から前記センサ素子を挿入するステップ(c)と、
を備え、
前記ステップ(a)において、
一対の前記導線を束にして覆う領域と、前記束にして覆う領域に一体的に接続され、一対の前記導線のそれぞれを独立に覆う領域と、を備える前記第一被覆層をディッピングにより形成し、
前記第一被覆層は前記第二被覆層よりも弾性率が小さい、
ことを特徴とする温度センサの製造方法。
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