JP6561931B2 - 温度センサのエレメント線と延長用のリード線との接続方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱電対又は測温抵抗体よりなる温度センサのエレメント線と延長用のリード線との接続方法、接続構造に関する。

この種の接続方法としては、例えば双方の線の端部同士を溶接や金属スリーブを介したカシメ止めなどが知られている（例えば、特許文献１〜５参照。）。特許文献１〜３に記載の方法は、溶接、具体的にはろう付けや、半田付けにより双方の線の端部同士を接続し、周囲を絶縁性の樹脂でモールドするものである。このようなろう付けや半田付けによる接続は、エレメント線とリード線が複数本あるとこれらを同軸状に接続する作業は隣の線が邪魔になって難しく、フラックスの削り落とし作業も必要であり、コスト上昇、品質のばらつきの原因となる。

またこのようなろう付けや半田付けの接続部分は、接続強度や電気的な接続状態などの品質を維持するために、線径に比べてかなり大きな径を有する構造となる。これら接続部分は、エレメント線とリード線が複数本あればその数だけ形成されるとともに、互いにショートしないように絶縁テープを巻き付けたり互いに間隔をあけて配置する必要があるため、樹脂モールドされた接続部の全体は、センサケーブルや延長ケーブルに比べて外径方向に突出した大きなものとなり、絶縁不良も起きやすくなる。また、ろう付けや半田付けはリード線の皮膜に熱が伝達されて溶けてしまいやすいため、リード線を露出させる長さも長くなり、その分、樹脂モールドも長くなる。

このように接続部が大きくなるとケーブルの引きまわしの際に周囲の設備等に引っ掛かり、作業性を低下させたり、設置できるスペースが当該接続部により制限されたり、管理コストが嵩む原因ともなる。

一方、特許文献４、５に記載の方法は、接続用の金属スリーブを用意し、双方の線を両端の凹部に挿入したうえ、カシメ止め、或いは溶接して連結し、同じく樹脂モールド等するものである。しかし、このようなカシメ止めも接続強度にばらつきが生じる原因になる。また、溶接、具体的にはろう付けであるが、作業性が悪く、接続強度や電気的接続状態などの品質のばらつきの原因になるし、上記と同様、当該溶接個所が大きくなってしまい、接続部が大きくなるとった同様の問題が生じる。また、金属スリーブを介して接続するため部品点数が増え、コスト増大の原因ともなる。

実公平３−２１４６２号公報 特公平７−４８０５６号公報 特開平７−３５６２６号公報 実開昭５８−８１３５号公報 実用新案登録第３１５７５９５号公報

そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、金属スリーブを用いることなく、効率よく容易に接続作業を行うことができ、接続強度や電気的な接続状態などの品質を安定化できるとともに、すぐれた品質を維持しつつ接続部をコンパクトにすることができ、ケーブルの引きまわしや設置の作業性も良好で、狭いスペースにも設置可能となり、管理もしやすい製品とすることができる、熱電対又は測温抵抗体よりなる温度センサのエレメント線と延長用のリード線との接続方法、接続構造を提供する点にある。

本発明者は、上記課題を解決するべく、よりエネルギー密度の高い融接加工に着目した。融接加工は、溶接の中でもろう付けなどに比べてかなり高エネルギーであるため、特に、比較的細い線となる熱電対や測温抵抗体側のエレメント線がすぐに溶け落ちてしまい、補償導線側のリード線とうまく接合できないということが知られていた。

このような融接加工の問題について、本発明者はさらに鋭意検討し、一旦、片方の線の端部をＬ字状に屈曲し、これに軸方向にエネルギーを与えることで、他方の線が溶け落ちることなく、一方の線についても、エネルギーが軸方向に移動するため、同じく一ヵ所にエネルギーが集中して溶け落ちてしまうといったことを防止することができることを着想するとともに、さらに他方の線の端部を一方の線の屈曲した端部の根元となる屈曲位置に当接させておくことで、一方の線端部を通じた間接的な伝熱により、当該他方の線の端部もしだいに溶融し、その結果、双方の線を略同軸状に溶接接合できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち本発明は、以下の発明を包含する。

（１） 熱電対又は測温抵抗体よりなる温度センサのエレメント線と延長用のリード線との接続方法であって、互いに接続する前記エレメント線と前記リード線のうち、一方の線の接続側の端部を、あらかじめ略Ｌ字状に屈曲させて所定長さの溶融用端部を形成する工程と、該溶融用端部の根元部分となる屈曲部又はその近傍に、他方の線の端部を当接させる工程と、前記他方の線の端部が当接した状態で、前記溶融用端部の先端から根元部分に向けて融接加工を行い、前記溶融用端部及びこれに当接している他方の線の端部を溶融させ、前記根元部分の位置で双方の線を略同軸状に溶接接合する工程と、よりなる温度センサのエレメント線とリード線との接続方法。

（２） 前記エレメント線と前記リード線のうち、比較的熱容量が大きい方の線を前記一方の線とし、該一方の線に前記溶融用端部を形成する、（１）記載の温度センサのエレメント線とリード線との接続方法。

（３） 前記融接加工が、レーザ溶接加工である（１）又は（２）記載の温度センサのエレメント線とリード線との接続方法。

（４） 前記他の線の端部を前記溶融用端部の屈曲部又はその近傍に当接させる工程よりも前に、前記一方の線又は前記他方の線に筒状の絶縁チューブを通す工程を備えるとともに、前記溶接接合の工程の後に、前記絶縁チューブを溶接接合箇所に移動させて周囲に被せる工程を備える（１）〜（３）のいずれかに記載の温度センサのエレメント線とリード線との接続方法。

（５） 熱電対又は測温抵抗体よりなる温度センサのエレメント線と延長用のリード線との接続構造であって、互いに接続する前記エレメント線と前記リード線のうち、一方の線の接続側の端部を、あらかじめ略Ｌ字状に屈曲させて所定長さの溶融用端部を形成し、該溶融用端部の根元部分となる屈曲部又はその近傍に、他方の線の端部を当接させた状態で、前記溶融用端部の先端から根元部分に向けて融接加工を行い、前記溶融用端部及びこれに当接している他方の線の端部を溶融させ、前記根元部分の位置で双方の線を略同軸状に溶接接合してなることを特徴とする温度センサのエレメント線とリード線との接続構造。

以上にしてなる本願発明に係る熱電対又は測温抵抗体よりなる温度センサのエレメント線と延長用のリード線との接続方法、接続構造によれば、エレメント線とリード線がそれぞれ複数あっても、隣の線が邪魔になることなく、Ｌ字状に突出した溶融用端部を側方から融接加工でき、作業性が良好で安定した品質のものを提供できる。

また、ろう付け等に比べて高いエネルギーの融接加工により双方の線を溶け落ちることなく略同軸状に溶接接合できるため、短時間で強度の高い接続を作業性よく安定して高効率に実現することができる。したがって、溶融用端部の長さで決まる接合箇所の大きさも、ろう付けや半田付けのように線径に比べてかなり大きなものにすることなく接続強度や電気的接続状態等の良項な品質を維持できるとともに、リード線の被覆を剥く長さも最小限にすることができるため、従来のろう付け等に比べて接続部をコンパクト化することができ、ケーブルの引きまわしや設置の作業性も良好で、狭いスペースにも設置可能で、管理もしやすい製品とすることができる。また、線同士を接続するための金属スリーブなどの部品も不要であり、コスト増大も回避できる。

また、前記エレメント線と前記リード線のうち、比較的熱容量が大きい方の線を前記一方の線とし、該一方の線に前記溶融用端部を形成することで、溶融用端部に入力する融接加工のエネルギーをより高いものとすることができ、効率よく加工することができる。比較的容量が小さい方の線を一方の線として溶融用端部を形成し、これにエネルギーを入力することも勿論できるが、比較的デリケートな調整が必要となる。

また、前記融接加工がレーザ溶接加工であることで、より効率よく、安定して加工を行うことができる。

また、前記他の線の端部を前記溶融用端部の屈曲部又はその近傍に当接させる工程よりも前に、前記一方の線又は前記他方の線に筒状の絶縁チューブを通す工程を備えるとともに、前記溶接接合の工程の後に、前記絶縁チューブを溶接接合箇所に移動させて周囲に被せる工程を備えることで、互いの接合部を効率よく絶縁配置させることができ、周囲に樹脂モールドする場合も樹脂が充填しやすくなる。従来のろう付け等では接合部が大きくなるため、このような絶縁チューブを被せることができず、絶縁のためには絶縁テープを巻き付けるといった作業が必要となるが、本発明では、溶接接合部分がコンパクトにできるため、このような絶縁チューブによることも可能となるのである。

（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係る温度センサのエレメント線と延長用のリード線との接続方法の手順を示す説明図。 （ａ）〜（ｃ）は、同じく接続方法の手順を示す説明図。 実施例と比較例の接合状態を比較した写真。

次に、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。

本発明は、図１及び図２に示すように、熱電対又は測温抵抗体よりなる温度センサのエレメント線１１、…と延長用のリード線２１、…との接続方法に係るものである。以下の実施形態では、エレメント線１１はシース熱電対１の内部素線であり、リード線２１は接続用の補償導線２のリード線としたが、これに何ら限定されない。また、本例ではエレメント線１１とリード線２１をそれぞれ２本ずつとしたが、３本、４本、それ以上の数であっても勿論よい。

具体的な接続手順は、まず、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、互いに接続する前記エレメント線１１と前記リード線２１のうち、一方の線、本例ではリード線２１の接続側端部２１ａをあらかじめ略Ｌ字状に屈曲させ、所定長さの溶融用端部３を形成する。

溶融用端部３は、エレメント線１１とリード線２１のうち、比較的熱容量が大きい方の線に形成することが好ましい。これにより融接加工の出力調整等が容易となり、他方の線の熱伝導による溶融も為されやすく、途中で溶け落ちてしてしまうことなく良好な溶接接合が得られやすい。熱電対の場合、通常接続用の補償導線側となるリード線がエレメント線に比べて太く、熱容量も大きいため、その場合、本例のようにリード線２１側に溶融用端部３を形成することが好ましいことになる。

ただし、本発明は、このようにリード線側に溶融用端部を設けるものに限定されるものではなく、エレメント側に形成することも勿論含まれる。銅や銀などレーザの吸収率の悪い（反射してしまう）素材の線とそうでない線との接合では、そうでない線の側に溶融用端部を設け、吸収率の悪い素材は伝熱で溶融させるようにすることが好ましい例である。

いずれであってもこのような屈曲した溶融用端部３を軸方向に融接加工することで、エレメント線とリード線とを同軸状にきれいに効率よく安定して溶接接合することが可能となるのである。また、溶融用端部３の「所定長さ」は、双方の線の寸法や材質、後述する融接加工の種類などに応じて適宜設定すればよい。屈曲角度も略９０°としたが、その他の角度でもよい。

次に、図１（ｃ）に示すように、リード線２１の溶融用端部３の根元部分となる屈曲部３ｂ又はその近傍に、他方の線、すなわちエレメント線１１の端部１１ａを当接させる。端部１１ａは、ストレート状のエレメント線１１の端部を軸に直角に切断した円形端部であってもよいし、溶融用端部３の根元部分との接触面積を稼いで熱伝導によるエレメント線１１の溶融効率を高めるために、凹曲面形状又は斜めに切断したものでもよいし、或いは、溶融用端部３の融接加工に悪影響を与えない程度の短いＬ字状端部としてもよく、端部１１ａの形状は特に限定されない。

次に、図２（ａ）に示すように、エレメント線１１の端部１１ａが当接した状態で、図中矢印のようにリード線２１の溶融用端部３の先端３ａから根元部分（屈曲部３ｂ）に向けて融接加工を行い、溶融用端部３及びこれに当接しているエレメント線１１の端部１１ａを溶融させる。融接加工は、具体的にはレーザ溶接が好ましいが、その他、非溶極式アーク溶接であるＴＩＧ溶接やプラズマ溶接も好ましい。また、レーザ溶接の場合、ＹＡＧレーザやＣＯ２レーザ、半導体レーザなど、公知のものを適用でき、パルスでも連続でもよい。パルスにすればエネルギーの調整がしやすいが、歩留まりは連続がよい。

この融接加工により、図２（ｂ）に示すように根元部分（屈曲部３ｂ）の位置で双方の線（エレメント線１１とリード線２１）を略同軸状に溶接接合する。これにより本発明に係る温度センサのエレメント線１１と延長用のリード線２１との接続構造Ｓが構成される。

更に、本例では、あらかじめリード線２１側に通しておいたポリアミド製の筒状の絶縁チューブ４を、溶接接合箇所（溶接接合部５）に移動させ、その周囲に被せる。ただし、本例では絶縁チューブ４をリード線２１側に通しておいたが、エレメント線１１側に通しておいても勿論よい。また、このような絶縁チューブ４を省略することも勿論可能である。

そして更に、従来（例えば、上述した特許文献１〜５など）と同様、接続構造Ｓの外側の熱電対１のシースと補償導線２の外皮との間にスリーブを被せ、内部に無機絶縁粉末や絶縁性の樹脂を充填した構造とすることもできるし、他の形態とすることもできる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施例に何ら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種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

次に、シース熱電対の４本のエレメントを補償導線の４本のリード線にそれぞれ接続してサンプルを作成するにあたり、本発明に係るレーザ溶接加工により接続した実施例１のサンプルの接合部と、従来のろう付け加工により接続した比較例１のサンプルの接合部について説明する。

実施例１、比較例１の各サンプルは、いずれも、ＳＵＳ３１６、外径φ４．８ｍｍ、内径３．７ｍｍのステンレスシース管の内部に、外径φ０．７４ｍｍの４本のType Ｋエレメント線を内装し、ＭｇＯの無機絶縁材を充填したシース熱電対（通称Type Ｋシース熱電対）と、パーフルオロエチレンプロペンコポリマー（ＦＥＰ）製の外皮４本に外径約０．６ｍｍのTyep Ｋ用リード線を内装した補償導線を接続するものであり、共通の（同じ）ものとした。

実施例１は、各リード線の端部から１．０ｍｍの部分を略Ｌ字状に折り曲げて溶融用端部を形成し、その根元部（屈曲部分）に、エレメント線の端部を当接させた状態で、溶融用端部の先端面に対し、該溶融用端部の軸方向にＹＡＧレーザを照射した。照射条件は、４００Ｖ、パルス２０ｍｓ、スポット径６００μｍ、照射回数５発照射で溶接接合を完了した。

比較例１は、ＪＩＳ Ｚ ３２６１に規定の銀ロウ（ＢＡｇ７）を用い、ウォーターウェルダー（電圧６０〜８０Ｖ）で、リード線とエレメント線の端部同士を銀ロウ付けにより接続した。

図３（ａ）は実施例１の接合部分の写真、図３（ｂ）は比較例１の接合部分の写真である。実施例１、比較例１の接合部分に対し引張試験を行った結果、いずれもプッシュプルゲージ５８Ｎ程度で、接合部分が破断する前にリード線途中部で破断するにいたった。実施例１は、リード線の線径とほぼ同じスリムな接合部分としつつ、比較例１と同様の十分な接合強度を維持していることがわかる。

Ｓ 接続構造
１ シース熱電対
２ 補償導線
３ 溶融用端部
３ａ 先端
３ｂ 屈曲部
４ 絶縁チューブ
５ 溶接接合部
１１ エレメント線
１１ａ 端部
２１ リード線
２１ａ 端部

Claims (4)

1. 熱電対又は測温抵抗体よりなる温度センサのエレメント線と延長用のリード線との接続方法であって、
   互いに接続する前記エレメント線と前記リード線のうち、一方の線の接続側の端部をあらかじめ略Ｌ字状に屈曲させて所定長さの溶融用端部を形成する工程と、
   該溶融用端部の根元部分となる屈曲部の他方の線を向いた対向面に、他方の線の端部を当接させ、双方の線を略同軸状になるように突き合せる工程と、
   前記他方の線の端部が当接した状態で、前記溶融用端部の先端から根元部分に向けて該溶融用端部の軸方向にエネルギーを与える融接加工を行い、前記溶融用端部及びこれに当接している他方の線の端部を溶融させ、前記根元部分の位置で双方の線を略同軸状に溶接接合する工程と、
   よりなる温度センサのエレメント線とリード線との接続方法。
2. 前記エレメント線と前記リード線のうち、比較的熱容量が大きい方の線を前記一方の線とし、該一方の線に前記溶融用端部を形成する、請求項１記載の温度センサのエレメント線とリード線との接続方法。
3. 前記融接加工がレーザ溶接加工である、請求項１又は２記載の温度センサのエレメント線とリード線との接続方法。
4. 前記他の線の端部を前記溶融用端部の屈曲部の前記対向面に当接させる工程よりも前に、前記一方の線又は前記他方の線に筒状の絶縁チューブを通す工程を備えるとともに、前記溶接接合の工程の後に、前記絶縁チューブを溶接接合箇所に移動させて周囲に被せる工程を備える請求項１〜３の何れか１項に記載の温度センサのエレメント線とリード線との接続方法。