JP7010027B2 - 温度センサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、測定環境下の測定対象ガスの温度を測定する温度センサ及びその製造方法に関する。

一対の熱電対素線を有する熱電対式の温度センサは、例えば、車両の排気管内を流れる排ガスの温度を測定するために用いられる。一対の熱電対素線は、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム等の絶縁材によって、絶縁された状態でシース管内に固定されている。また、シース管の先端部は金属材料によって閉塞されており、シース管の基端部はガラス、樹脂等の封止材によって閉塞されている。そして、シース管内を外部から遮断することにより、一対の熱電対素線を酸化による特性劣化から保護するとともに、絶縁材を吸湿による絶縁不良から保護している。

熱電対式の温度センサには、測温接点がシース管の先端部に接地された接地型のもの、測温接点がシース管の先端部に接地されていない非接地型のもの等がある。主に応答性が求められる場合には、接地型のものが用いられ、主に耐ノイズ性が求められる場合には、非接地型のものが用いられる。

また、熱電対式の温度センサに関するものではないが、例えば、特許文献１の白金測温抵抗素子においては、アルミナ保護管内に白金センサが配置された非接地型の温度センサについて記載されている。この白金測温抵抗素子においては、アルミナ保護管内の空気を乾燥状態にすることが記載されている。

特開平８－１５２３６４号公報

測温接点の周りがフィラー等によって充填されていない非接地型の温度センサは、フィラーとシース管との線膨張係数の差に起因する熱ストレスの影響を受けない点で有利である。しかし、非接地型の温度センサは、測温接点がシース管に接地されていないために、測温接点の温度が測定対象ガスの温度になるまでに時間が掛かり、温度センサの応答性に優れない点で不利である。

一般的に、温度センサの応答性を重視する場合には、測温接点がシース管に接地された接地型の温度センサが用いられる。一方、特に車載用の温度センサにおいては、熱ストレスに起因する耐久性、耐ノイズ性を重視するため、非接地型の温度センサを用いたいという要望がある。この場合、非接地型の温度センサの応答性を如何にして改善するかが課題となる。

なお、特許文献１の白金測温抵抗素子においては、白金センサがアルミナ保護管内に、封止材及び高温用セメントによって封入された後に、さらにアルミナ保護管内の空気を乾燥させている。つまり、アルミナ保護管内が完全には封止されていないことにより、アルミナ保護管内の空気を乾燥させることが可能となる。特許文献１の白金測温抵抗素子においても、非接地型の温度センサの応答性を改善する工夫はなされていない。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、測温接点の周りがフィラー等によって充填されていない非接地型の温度センサの応答性を改善することができる温度センサ及びその製造方法を提供しようとして得られたものである。

本発明の一態様は、互いに異なる金属材料から構成された一対の熱電対素線（２）と、
一対の前記熱電対素線の先端同士が合わさった測温接点（３）と、
金属材料から構成され、前記測温接点を先端部（４０１）内又は前記先端部に装着された先端カバー（４２）内に収容するとともに、一対の前記熱電対素線を基端部（４０２）から突出させるシース管（４）と、
絶縁材料から構成され、前記シース管内に配置されるとともに、一対の前記熱電対素線と前記シース管とを絶縁して、一対の前記熱電対素線を前記シース管に固定する絶縁材（５）と、
前記シース管の前記基端部内及び前記シース管の前記基端部に装着されたホルダ（４３）内の少なくとも一方に充填されるとともに、前記シース管内を封止する封止材（６）と、を備え、
前記シース管の前記先端部内及び前記先端カバー内の少なくとも一方であって前記絶縁材の先端側に隣接する位置には、前記測温接点が収容されるとともに、密度が０．２６～０．９ｋｇ／ｍ³ の範囲内にある気相（Ｋ）が形成されている、温度センサ（１）にある。

本発明の他の態様は、互いに異なる金属材料から構成された一対の熱電対素線（２）と、
一対の前記熱電対素線の先端同士が合わさった測温接点（３）と、
金属材料から構成され、前記測温接点を先端部（４０１）内又は前記先端部に装着された先端カバー（４２）内に収容するとともに、一対の前記熱電対素線を基端部（４０２）から突出させるシース管（４）と、
絶縁材料から構成され、前記シース管内に配置されるとともに、一対の前記熱電対素線と前記シース管とを絶縁して、一対の前記熱電対素線を前記シース管に固定する絶縁材（５）と、
前記シース管の前記基端部内及び前記シース管の前記基端部に装着されたホルダ（４３）内の少なくとも一方に充填されるとともに、前記シース管内を封止する封止材（６）と、を備え、
前記シース管の前記先端部内及び前記先端カバー内の少なくとも一方であって前記絶縁材の先端側に隣接する位置に、前記測温接点が収容された気相（Ｋ）が形成された温度センサ（１）の製造方法において、
前記気相（Ｋ）が形成されたセンサ中間体（１３）を加熱した状態において、前記封止材を、前記シース管の前記基端部内及び前記ホルダ内の少なくとも一方に充填して、前記シース管内を封止するとともに、前記気相の密度を０．２６～０．９ｋｇ／ｍ³ の範囲内にする、温度センサの製造方法にある。

前記一態様の温度センサにおいては、非接地型である熱電対式の温度センサの応答性を改善する工夫をしている。そして、本願の発明者は、シース管の先端部内及び先端カバー内の少なくとも一方に形成された気相の密度の違いが、温度センサの応答性に影響していることを見出した。

一般的に、接地型の温度センサの応答性が非接地型の温度センサの応答性よりも優れる性質は、接地型の温度センサにおける測温接点とシース管との間の熱伝導率が、非接地型の温度センサにおける測温接点とシース管との間の熱伝導率よりも高いことによって説明することができる。一方、非接地型の温度センサの応答性の良し悪しは、熱拡散率として、測定対象ガスと測温接点との間での温度の伝わりやすさによって説明することができる。

この熱拡散率α［ｍ²／ｓ］は、熱伝導率をｋ［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］、比熱をｃ［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］、密度をρ［ｋｇ／ｍ³］としたとき、α＝ｋ／（ｃ・ρ）によって表される。つまり、温度センサの応答性は、熱伝導率が高いほど高くなる一方、比熱又は密度が高いほど低くなる性質を有する。そして、前記一態様の温度センサにおいては、密度を低くすることによって熱拡散率を高くし、非接地型の温度センサの応答性を改善している。

より具体的には、前記一態様の温度センサにおいては、シース管の先端部内及び先端カバー内の少なくとも一方であって絶縁材の先端側に隣接する位置に形成された気相の密度を、０．９ｋｇ／ｍ³以下としている。これにより、温度センサの熱拡散率を高くすることができ、非接地型の温度センサの応答性を改善することができる。なお、従来の非接地型の温度センサの気相の密度は、常温における空気の密度として、１．２ｋｇ／ｍ³程度であると考える。

それ故、前記一態様の温度センサによれば、測温接点の周りがフィラー等によって充填されていない非接地型の温度センサの応答性を改善することができる。

前記他の態様の温度センサの製造方法は、応答性が改善された非接地型の温度センサの製造に適したものである。具体的には、センサ中間体を加熱した状態において、封止材を、センサ中間体におけるシース管の基端部内に充填して、シース管内を封止する。これにより、シース管内の気相の密度を０．９ｋｇ／ｍ³以下にすることができる。

それ故、前記他の態様の温度センサの製造方法によれば、応答性が改善された非接地型の温度センサを容易に製造することができる。

なお、本発明の一態様及び他の態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。

実施形態にかかる、温度センサの主要部を示す断面図。 実施形態にかかる、温度センサを示す断面図。 実施形態にかかる、図１のIII－III断面図。 実施形態にかかる、他の温度センサの主要部を示す断面図。 実施形態にかかる、他のシース管の基端部の周辺を示す断面図。 実施形態にかかる、他のシース管の基端部の周辺を示す断面図。 実施形態にかかる、他のシース管の基端部の周辺を示す断面図。 実施形態にかかる、空気の温度と空気の密度との関係を示すグラフ。 実施形態にかかる、シース管内の空気の密度を測定する方法の一例を示す説明図。 実施形態にかかる、ガラス封止材用のタブレットを示す斜視図。 実施形態にかかる、加熱装置を示す説明図。 実施形態にかかる、他の加熱装置を示す説明図。 実施形態にかかる、温度センサを構成するシース熱電対の製造方法を示すフローチャート。 実施形態にかかる、シース熱電対の製造過程であって、準備したシースピンを示す説明図。 実施形態にかかる、シース熱電対の製造過程であって、シースピンの基端部における絶縁材を掻き出した状態を示す説明図。 実施形態にかかる、シース熱電対の製造過程であって、一対の熱電対素線の先端部に測温接点を形成した状態を示す説明図。 実施形態にかかる、シース熱電対の製造過程であって、シース管の先端部に先端カバーを装着し、シース管の基端部にタブレットを配置した状態を示す説明図。 確認試験にかかる、シース管内の空気の密度の変化に対する６３％応答時間の測定結果を示すグラフ。

前述した温度センサ及びその製造方法にかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
＜実施形態＞
本形態の温度センサ１は、図１及び図２に示すように、一対の熱電対素線２、測温接点３、シース管４、先端カバー４２、絶縁材５及びガラス封止材６を備える。一対の熱電対素線２のそれぞれは、互いに異なる金属材料から構成されている。測温接点３は、一対の熱電対素線２の先端同士が接合されたものである。シース管４は、金属材料から構成されており、測温接点３を先端部４０１に装着された先端カバー４２内に収容するとともに、一対の熱電対素線２を基端部４０２から突出させている。先端カバー４２は、シース管４の先端外周部に装着されており、シース管４の先端側Ｘ１を閉塞している。

絶縁材５は、絶縁材料から構成されており、シース管４内に配置されるとともに、一対の熱電対素線２とシース管４とを絶縁して、一対の熱電対素線２をシース管４に固定している。ガラス封止材６は、ガラス材料から構成されており、シース管４の基端部４０２内に充填されるとともに、シース管４内を封止している。先端カバー４２内であって絶縁材５の先端側Ｘ１に隣接する位置には、測温接点３が収容されるとともに、密度が０．９ｋｇ／ｍ³以下の空気による気相Ｋが形成されている。

図１及び図２に示すように、本形態の温度センサ１において、先端側Ｘ１とは、シース管４の中心軸線に沿った軸方向Ｘにおいて、シース管４に対して測温接点３が設けられた側のことをいう。基端側Ｘ２とは、軸方向Ｘにおける先端側Ｘ１とは反対側のことをいう。

以下に、本形態の温度センサ１及びその製造方法について詳説する。
（温度センサ１）
図２に示すように、温度センサ１は、車載用のものであり、自動車における内燃機関（エンジン）の吸気管内又は排気管内を流れる流体の温度を測定するために使用される。本形態の温度センサ１は、排気管１５に配置され、排気管１５内を流れる、測定環境下の測定対象ガスＧとしての排ガスの温度を測定するために用いられる。排ガスの温度は、制御装置（電子制御ユニット）１００によって内燃機関の燃焼制御を行う際に利用される。また、排ガスの温度は、例えば、排気管に配置された排気浄化触媒の温度を検知するために利用することができる。また、温度センサ１は、例えば、排気管内の排ガスを吸気管へ再循環させる排気再循環経路の吸気管に配置することもできる。

図１３に示すように、本形態の一対の熱電対素線２、シース管４及び絶縁材５は、シースピン１２として一体的に成形されたものを利用したものである。温度センサ１の主要部は、一対の熱電対素線２、測温接点３、シース管４、絶縁材５及びガラス封止材６によってシース熱電対１１として形成される。図３には、シース熱電対１１及びシースピン１２の軸方向Ｘに直交する断面を示す。

図２に示すように、温度センサ１は、シース熱電対１１を内周側に保持する第１ハウジング７１と、第１ハウジング７１に接合された第２ハウジング７２と、第１ハウジング７１及び第２ハウジング７２に取り付けられた基端側カバー７３と、基端側カバー７３内に保持された保持材７４及びブッシュ７５とを更に備える。保持材７４は、一対の熱電対素線２に接続された端子金具７６を保持し、ブッシュ７５は、端子金具７６に接続されたリード線７７を保持する。なお、ブッシュ７５によって一対の熱電対素線２に接続された端子金具７６を保持することによって、保持材７４を廃止することもできる。熱電対素線２とリード線７７との接続構造は、適宜変更することができる。

（シース管４）
シース管４は、金属シースとも呼ばれ、ステンレス（ＳＵＳ、ＮＣＡ）、Ｎｉ基耐熱合金（ＮＣＦ）等の金属材料によって構成されている。図１３に示すように、シース管４は、円筒形状を有するシースピン１２の外管を利用したものである。シース管４の先端部４０１は、金属材料によって閉塞されている。本形態のシース管４の先端部４０１は、図１に示すように、円筒部４１の先端部４０１の外周に装着された先端カバー４２によって閉塞されている。シース管４の先端部４０１は、図４に示すように、円筒部４１の先端部４０１から連続して設けられた蓋部４２Ａによって閉塞されていてもよい。蓋部４２Ａは、シース管４の円筒部４１の先端に溶接された金属片によって構成することができる。

図１に示すように、本形態のシース管４は、円筒形状を有する円筒部４１と、円筒部４１の先端外周部に装着された先端カバー４２とを有する。先端カバー４２は、円筒部４１の先端外周部に溶接によって接合されている。先端カバー４２は、円筒部４１の先端外周部に装着されたカバー基端部４２１の内径に対して、カバー基端部４２１よりも先端側Ｘ１に位置するカバー先端部４２２の内径が小さくなっている。カバー先端部４２２の先端位置には、曲面状の底部が形成されている。先端カバー４２のカバー先端部４２２の軸方向Ｘの長さ、絞り段数、底部形状等は、適宜変更することができる。

図５に示すように、シース管４の基端部４０２には、ガラス封止材６用のタブレット６０を配置するためのホルダ４３を装着することができる。ホルダ４３は、漏斗形状を有し、シース管４の外径よりも大きな内径の上方開口部４３１を有している。ホルダ４３は、タブレット６０が溶融したガラス材料を、シース管４の基端部４０２内へ充填するために用いられる。ホルダ４３は、シース管４の基端部４０２の外周に圧入させることができ、シース管４の基端部４０２の外周にかしめ固定又は溶接することもできる。

ホルダ４３内に配置するタブレット６０のサイズは、シース管４の基端部４０２内に配置する場合よりも大きくすることができる。そして、ホルダ４３内に配置されたタブレット６０がガラス材料として溶融したときには、このガラス材料は、ホルダ４３内からシース管４の基端部４０２内へ流れ込むことができる。これにより、多くのガラス材料を溶融させることができ、シース管４の基端部４０２内へ十分なガラス材料を供給することができる。そのため、ガラス封止材６によってシース管４内を、より効果的に封止することができる。

また、図６に示すように、ホルダ４３を用いる場合には、ガラス封止材６はホルダ４３内に充填して、シース管４の基端部４０２を封止することもできる。この場合には、シースピン１２の基端部（シース管４の基端部４０２）から絶縁材５を掻き出す手間を省くことができる。また、図７に示すように、ホルダ４３の形状は、漏斗形状とする以外にも、円筒形状等としてもよい。

（一対の熱電対素線２）
一対の測温接点３は、いわゆるゼーベック効果を生じさせるために、互いに異なる金属材料によって構成されている。本形態の一対の熱電対素線２は、Ｎタイプの熱電対（シース熱電対１１）を構成するものである。この構成により、温度センサ１による測温範囲を高くすることが容易である。本形態の温度センサ１は、１０００℃以上の高温の測定対象ガスＧの温度を測定可能である。熱電対素線２の＋脚は、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｒ（クロム）、Ｓｉ（シリコン）を主成分とする合金であるナイクロシルからなる。熱電対素線２の－脚は、Ｎｉ（ニッケル）、Ｓｉ（シリコン）を主成分とする合金であるナイシルからなる。

なお、一対の熱電対素線２は、Ｎタイプ以外にも、種々のタイプの熱電対を構成するものとしてもよい。例えば、一対の熱電対素線２は、＋脚がＮｉ及びＣｒを主成分とするクロメルからなり、－脚がＮｉを主成分とするアルメルからなるＫタイプの熱電対を構成するものとしてもよい。

図２に示すように、一対の熱電対素線２は、シース管４内において互いに平行な状態で挿通されている。一対の熱電対素線２は、シース管４から基端側Ｘ２に引き出されており、温度センサ１に設けられた端子金具７６及びリード線７７を介して、外部の制御装置１００に接続される。制御装置１００は、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）に接続されたセンサ制御ユニット（ＳＣＵ）とすることができる。また、制御装置１００は、エンジン制御ユニットに構築することもできる。

（測温接点３）
図２に示すように、測温接点３は、熱接点とも呼ばれ、一対の熱電対素線２の＋脚を構成する金属材料と、－脚を構成する金属材料とが融合して玉状に形成されたものである。測温接点３及び測温接点３の周辺に位置する先端カバー４２等によって、温度センサ１の測温先端部１０が形成される。温度センサ１の一対の熱電対素線２が端子金具７６、リード線７７等を介して制御装置１００内のアンプに接続されることにより、温度を測定するための回路が形成される。一対の熱電対素線２における、測温接点３とは反対側に位置する基準接点は、制御装置１００内に形成されている。測温接点３と基準接点との温度差が、一対の熱電対素線２に起電力を生じさせる。

図１に示すように、本形態の測温接点３は、シース管４の先端部４０１に装着された先端カバー４２内の気相Ｋ中に配置されている。一対の熱電対素線２の先端部２０１及び測温接点３は、シース管４の円筒部４１の先端開口部４１１から先端側Ｘ１に突出した位置に配置されている。

測温接点３は、できるだけ球形状に近い形状に形成することが好ましい。ただし、測温接点３を真球形状に形成することは難しい。測温接点３は、略球形状の他、扁平した球形状、潰れた球形状、長球形状、楕円体等の種々の形状を有していてもよい。

（気相Ｋ）
本形態の気相Ｋの密度、及びシース管４内に存在する気体の密度は、０．２６～０．９ｋｇ／ｍ³の範囲内にある。本形態の気相Ｋ及びシース管４内の気体は、空気によって構成されている。なお、気相Ｋを構成する気体及びシース管４内の気体は、空気以外の気体、例えば、窒素等とすることもできる。

図８には、温度が変化したときの空気の密度を示す。この空気の密度は、標準気圧（１ａｔｍ）における密度として示す。温度が高くなるにつれて、空気の密度は温度に反比例するように低下する。空気の密度は、その温度が約１２０℃にあるときに０．９ｋｇ／ｍ³となる。本形態のシース管４の先端部４０１における気相Ｋは、温度センサ１の製造時において、シース管４内の空気の温度が１２０℃以上であるときに、ガラス封止材６によってシース管４内を封止することによって形成されたものである。

空気の温度が１０５０～１１００℃であるときには、その密度が０．２６ｋｇ／ｍ³となる。シース管４内の空気を加熱することができる温度は、シース管４及び先端カバー４２を構成する金属材料の融点以下となる。シース管４及び先端カバー４２を構成する金属材料の一つであるスーパーステンレス（ＮＣＦ６０１）の融点は、１３６０～１４１１℃程度である。よって、気相Ｋの密度を、０．２６ｋｇ／ｍ³未満にすることは困難である。

また、シース管４内の空気を加熱する温度は、例えば５００～８００℃に設定することができる。そして、気相Ｋの密度は、例えば、０．３３～０．４６ｋｇ／ｍ³の範囲内に設定することができる。

シース管４内に存在する空気は、気相Ｋを形成する空気の他に、絶縁材５を構成する金属酸化物の粉末間の空隙として存在する空気もある。そして、気相Ｋと絶縁材５内の空隙とは連通しており、気相Ｋの密度は、シース管４内の空気の密度と同じである。

（気相Ｋ及びシース管４内の密度の測定方法）
気相Ｋを構成する空気の密度及びシース管４内の空気の密度は、例えば、次のように測定することができる。すなわち、気体の密度をρ（ｋｇ／ｍ³）、気体の圧力をＰ（ｈＰａ）、気体の温度をＴ（℃）、気体定数をＲとしたとき、Ｐ＝ρ・Ｒ・Ｔの関係が成り立つ。従って、温度Ｔを一定にして、大気圧Ｐ０とシース管４内の空気の圧力Ｐ１との差を図り、大気圧Ｐ０に比べてシース管４内の空気の圧力Ｐ１がどれだけ低いかに基づいて、大気の密度ρ０よりもシース管４内の空気の密度ρ１がどれだけ低いかを知ることができる。

シース管４内の空気の密度は、より具体的には、次のように測定することができる。例えば、図９に示すように、液体Ｗの表面に加わる圧力を大気圧Ｐ０とし、温度センサ１のシース熱電対１１の測温先端部１０を液体中に配置する。この状態で先端カバー４２に工具Ｔ等によって貫通孔Ｈを明ける。このとき、シース管４内の空気の圧力Ｐ１が大気圧Ｐ０よりも低い場合には、シース管４内へ液体Ｗが入る。次いで、貫通孔Ｈに蓋をした状態で液体Ｗ中からシース熱電対１１の測温先端部１０を取り出す。

次いで、シース管４内へ入った液体Ｗの量を、気圧差液体量として測定する。一方、シース管４内の液体Ｗを排出した後、貫通孔Ｈからシース管４内へ、液体Ｗを、シース管４内の隙間が満水になるまで注入する。その後、シース管４内の液体Ｗを排出し、排出される液体Ｗの量を、全体液体量として測定する。そして、全体液体量に対する気圧差液体量の割合に基づいて、大気の密度ρ０よりもシース管４内の空気の密度ρ１がどれだけ低いかを推定することができる。

なお、一連の作業は、大気及び液体Ｗの温度Ｔがほぼ一定の状態で行う。また、全体液体量に対する気圧差液体量の割合と、シース管４内の空気の密度ρ１との関係を、関係マップとして作成しておくことにより、シース管４内の空気の密度ρ１の推定を容易にすることができる。

（絶縁材５）
図１に示すように、絶縁材５は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）等の金属酸化物の粉末によって構成されている。シース管４の内周と一対の熱電対素線２の外周との隙間には、絶縁材５の粉末が充填されている。絶縁材５の粉末同士の間には、空隙が形成されている。絶縁材５の粉末は、シースピン１２の直径を小さくする成形が行われる際に圧縮されている。そして、絶縁材５の粉末によって、一対の熱電対素線２がシース管４内に保持されている。

（ガラス封止材６）
シース管４の基端部４０２内には、シース管４内を封止して外部と遮断するためのガラス封止材６が充填されている。そして、シース管４内の測温接点３、一対の熱電対素線２及び絶縁材５には、外部の測定対象ガスＧ等が接触しないようになっており、シース管４内へ酸素、水分等が入らないようにしている。

ガラス封止材６は、Ｂｉ（ビスマス）を含有するＢｉ系ガラス、又はＰｂ（鉛）を含有するＰｂ系ガラスによって構成されている。Ｂｉ系ガラスは、Ｂｉ₂Ｏ₃（酸化ビスマス）を主成分とし、他の酸化物等を含有するものである。他の酸化物には、Ｂ₂Ｏ₃、ＳｒＯ、ＺｎＯ、ＢａＯ等がある。Ｐｂ系ガラスは、ＰｂＯ（酸化鉛）を主成分とし、他の酸化物等を含有するものである。他の酸化物には、Ｂ₂Ｏ₃、ＳｒＯ、ＺｎＯ、ＳｉＯ₂等がある。

ガラス封止材６は、固形状に形成されたガラスのタブレット６０を用い、このタブレット６０を溶融させた後に固化させて形成されたものである。図１０に示すように、タブレット６０は、シース管４の基端部４０２の内周又はホルダ４３の内周に挿入できる大きさを有する。また、タブレット６０は、一対の熱電対素線２を挿通させることができる２つの挿通穴６０１を有する。なお、ガラス封止材６は、固形状に形成されたタブレットではなく、粉末ガラスを用いて形成することもできる。

なお、ガラス材料によるガラス封止材の代わりに、樹脂材料による樹脂封止材を用いることもできる。ただし、この場合には、樹脂材料の耐熱性を十分に考慮する必要がある。

（加熱装置８）
図１１及び図１２に示すように、本形態の温度センサ１のシース熱電対１１を製造する際には、シース管４の先端部４０１及び基端部４０２を加熱するための加熱装置８を用いる。加熱装置８は、シース管４の先端部４０１を加熱する温度と、シース管４の基端部４０２を加熱する温度とを別々に制御することができる構造を有する。加熱装置８は、電気式、燃焼式等の種々の加熱方式によって加熱するものとすることができる。

加熱装置８は、例えば、一対の熱電対素線２、測温接点３、シース管４、先端カバー４２及び絶縁材５が組み付けられたシース熱電対１１の中間体であるセンサ中間体１３を配置するための加熱炉８１と、通電によって加熱炉８１内を加熱する電気式のヒータ８２Ａ，８２Ｂとを備えるものとすることができる。なお、図１１及び図１２においては、シース管４の基端部４０２内にガラス封止材６が形成された状態を示す。

ヒータ８２Ａ，８２Ｂは、通電することによって発熱する発熱体を用いたものとすることができる。ヒータ８２Ａ，８２Ｂは、シース管４の先端部４０１の周辺を加熱する第１ヒータ８２Ａと、シース管４の基端部４０２の周辺を加熱する第２ヒータ８２Ｂとから構成することができる。第１ヒータ８２Ａ及び第２ヒータ８２Ｂは、ヒータ制御装置８３によって別々に通電可能である。

ヒータ制御装置８３は、第１ヒータ８２Ａへの印加電力、通電時間等、及び第２ヒータ８２Ｂへの印加電力、通電時間等を別々に設定可能である。そして、ヒータ制御装置８３は、第１ヒータ８２Ａへの通電によって加熱炉８１内の雰囲気ガスを加熱する温度と、第２ヒータ８２Ｂへの通電によって加熱炉８１内の雰囲気ガスを加熱する温度とを別々に制御することができる。

また、加熱炉８１は、図１１に示すように、センサ中間体１３の全体を配置可能な１つの加熱炉８１とすることができる。この場合には、加熱炉８１の構成を簡単にすることができる。また、加熱炉８１は、図１２に示すように、センサ中間体１３におけるシース管４の先端部４０１を配置可能な第１加熱炉８１Ａと、センサ中間体１３におけるシース管４の基端部４０２を配置可能な第２加熱炉８１Ｂとから構成することもできる。この場合には、第１ヒータ８２Ａによって加熱する雰囲気ガスの温度と、第２ヒータ８２Ｂによって加熱する雰囲気ガスの温度とを、より適切に制御することができる。

なお、センサ中間体１３を加熱する際には、加熱炉８１を用いないこともできる。この場合にも、シース管４の先端部４０１の温度及び基端部４０２の温度が目標とする温度になるよう、各ヒータ８２Ａ，８２Ｂを適切に制御する。

また、ヒータ８２Ａ，８２Ｂは、通電することによって被加熱物としてのセンサ中間体１３を貫通する誘導磁界を発生させ、この誘導磁界による渦電流によってセンサ中間体１３を加熱する誘導加熱コイルとすることもできる。この場合にも、各ヒータ８２Ａ，８２Ｂへの印加電圧、通電時間等を適宜異ならせ、シース管４の先端部４０１を加熱する温度と、シース管４の基端部４０２を加熱する温度とを適宜異ならせることができる。

（製造方法）
次に、本形態の温度センサ１の主要部としてのシース熱電対１１を製造する方法について、図１３のフローチャートを参照して説明する。
まず、シース管４内に一対の熱電対素線２が絶縁材５によって保持されたシースピン１２を準備する（図１３のステップＳ１）。図１４に示すように、シースピン１２においては、一対の熱電対素線２が先端側Ｘ１及び基端側Ｘ２の両端から突出している。

次いで、図１５に示すように、一対の熱電対素線２及びシース管４が維持された状態で、シースピン１２の基端部における絶縁材５を掻き出す（ステップＳ２）。このとき、絶縁材５は、ショットブラスト加工等を行って掻き出すことができる。また、シース管４の基端部４０２には、絶縁材５が掻き出された後の空間４０３が形成される。次いで、図１６に示すように、シースピン１２の先端部から突出する、一対の熱電対素線２の先端部２０１同士を対面させるとともにレーザー等を用いて溶融させ、先端部同士を接合して測温接点３を形成する（ステップＳ３）。

次いで、図１７に示すように、シースピン１２のシース管４の先端部４０１に、先端カバー４２を装着し、先端カバー４２を、かしめ、溶接等を行ってシース管４の先端部４０１に固定する（ステップＳ４）。なお、ステップＳ２を行う前に、ステップＳ３及びＳ４を行ってもよい。

次いで、同図に示すように、シース管４の基端部４０２の空間４０３内に、ガラス封止材６を形成するためのタブレット６０を配置する（ステップＳ５）。このとき、シース管４の基端部４０２から突出する一対の熱電対素線２の基端部２０２を、タブレット６０の挿通穴６０１に挿通させる。次いで、シース管４の基端部４０２及びタブレット６０を加熱し、タブレット６０を溶融させる（ステップＳ６）。

本形態においては、図１１及び図１２に示すように、第１ヒータ８２Ａ及び第２ヒータ８２Ｂを備える加熱装置８を用いて、タブレット６０を溶融させる。タブレット６０を配置するセンサ中間体１３（シース熱電対１１の中間体）は、一対の熱電対素線２、測温接点３、シース管４、先端カバー４２及び絶縁材５を備え、先端カバー４２内であって絶縁材５の先端側Ｘ１に隣接する位置に気相Ｋが形成されたものである。そして、センサ中間体１３を加熱炉８１内に配置する。

次いで、ヒータ制御装置８３によって第１ヒータ８２Ａ及び第２ヒータ８２Ｂに通電を行い、加熱炉８１内の温度が１２０℃以上になるように制御する。本形態においては、第１ヒータ８２Ａ及び第２ヒータ８２Ｂによって加熱炉８１内の雰囲気ガス、及びシース管４の先端部４０１及び基端部４０２を、５００～８００℃に加熱する。そして、シース管４の基端部４０２内に配置されたタブレット６０が溶融した後には、ヒータ制御装置８３によって第１ヒータ８２Ａ及び第２ヒータ８２Ｂへの通電状態を制御し、シース管４の先端部４０１の温度がシース管４の基端部４０２の温度よりも高くなる状態を形成する。

この状態の形成により、シース管４内の先端側Ｘ１に存在する空気の密度が、シース管４内の基端側Ｘ２に存在する空気の密度よりも高くなる。また、タブレット６０が溶融した状態においては、シース管４内の絶縁材５に含まれる空気が、適宜気泡となってタブレット６０を通過し、シース管４の外部に抜き出される。

次いで、タブレット６０等の加熱を終了した後には、溶融したタブレット６０が冷やされて固化していく。そして、シース管４の先端部４０１の温度がシース管４の基端部４０２の温度よりも高くなる状態において、シース管４の基端部４０２が、タブレット６０が固化したガラス封止材６によって封止される。また、ガラス封止材６がシース管４の基端部４０２内に充填される。これにより、気相Ｋを含むシース管４内に存在する空気の密度が０．２６～０．９ｋｇ／ｍ³の範囲内にある状態が形成される。

そして、シース管４内がガラス封止材６によって外部と遮断される。こうして、温度センサ１の主要部としてのシース熱電対１１が製造される。

（作用効果）
本形態の温度センサ１においては、非接地型である熱電対式の温度センサ１の応答性を改善する工夫をしている。そして、本願の発明者は、シース管４の先端部４０１の外周に装着された先端カバー４２内に形成された気相Ｋの密度の違いが、温度センサ１の応答性に影響していることを見出した。

一般的に、接地型の温度センサの応答性が非接地型の温度センサの応答性よりも優れる性質は、接地型の温度センサにおける測温接点３とシース管４との間の熱伝導率が、非接地型の温度センサにおける測温接点３とシース管４との間の熱伝導率よりも高いことによって説明することができる。一方、温度センサの応答性の良し悪しは、熱拡散率として、測定対象ガスＧと測温接点３との間での温度の伝わりやすさによって説明することができる。

この熱拡散率α［ｍ²／ｓ］は、熱伝導率をｋ［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］、比熱をｃ［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］、密度をρ［ｋｇ／ｍ³］としたとき、α＝ｋ／（ｃ・ρ）によって表される。つまり、温度センサの応答性は、熱伝導率が高いほど高くなる一方、比熱又は密度が高いほど低くなる性質を有する。そして、本形態の温度センサ１においては、密度を低くすることによって熱拡散率を高くし、非接地型の温度センサの応答性を改善している。

より具体的には、本形態の温度センサ１においては、シース管４内の空気の密度、言い換えれば、先端カバー４２内であって絶縁材５の先端側Ｘ１に隣接する位置に形成された気相Ｋの密度を、０．９ｋｇ／ｍ³以下としている。これにより、温度センサ１の熱拡散率を高くすることができ、非接地型の温度センサの応答性を改善することができる。なお、従来の非接地型の温度センサの気相Ｋの密度は、常温における空気の密度として、１．２ｋｇ／ｍ³程度であると考える。

それ故、本形態の温度センサ１によれば、測温接点の周りがフィラー等によって充填されていない非接地型の温度センサの応答性を改善することができる。

また、本形態の温度センサ１の製造方法は、応答性が改善された非接地型の温度センサ１の製造に適したものである。特に、加熱装置８によって、シース管４の先端部４０１の温度がシース管４の基端部４０２の温度よりも高くした状態で、シース管４の基端部４０２をガラス封止材６によって封止することにより、シース管４内の空気の密度が０．２６～０．９ｋｇ／ｍ³の範囲内に低くなった状態で、シース管４内を外部から封止することが容易になる。

それ故、本形態の温度センサ１の製造方法によれば、応答性が改善された非接地型の温度センサ１を容易に製造することができる。

なお、気相Ｋを含むシース管４内の気体の密度が０．９ｋｇ／ｍ³以下となる状態は、シース管４内が大気圧よりも減圧された状態において、シース管４を封止することによっても形成することができる。この場合、大気圧よりも低い負圧状態に雰囲気ガスが減圧された真空炉内にセンサ中間体１３を配置し、この真空炉内のセンサ中間体１３におけるシース管４をガラス封止材６によって封止することによって、シース管４内の気体が０．９ｋｇ／ｍ³以下である温度センサ１のシース熱電対１１を形成することができる。

シース熱電対１１を製造する際には、タブレット６０を溶融させるためにシース管４の基端部４０２の周辺を加熱する。そのため、センサ中間体１３を加熱炉８１内において加熱することにより、タブレット６０を溶融させることと、シース管４内の気体の密度を０．９ｋｇ／ｍ³以下にすることとを同時に行うことができる。よって、加熱によってシース管４内の気体の密度を低くすることの方が、減圧状態によってシース管４内の気体の密度を低くすることよりも容易である。
また、気相Ｋを含むシース管４内の気体の密度が０．９ｋｇ／ｍ³以下であることにより、シース管４内の気体の圧力は、大気圧よりも低い状態にある。

（確認試験）
本確認試験においては、温度センサ１におけるシース管４内の空気の密度（気相Ｋの密度）［ｋｇ／ｍ³］と、温度センサ１によって温度を測定するときの応答時間［秒］との関係を測定した。具体的には、温度センサ１によって温度を測定する測定対象ガスＧの温度を、常温（２５℃）から６００℃に変化させ、温度センサ１の出力温度が、初期出力である２５℃から最終出力である６００℃になるまでの温度変化量のうちの６３％分変化するまでに要する時間である６３％応答時間を測定した。

また、シース管４内の空気の密度が０．３～１．２ｋｇ／ｍ³の範囲内で異なる複数の温度センサ１のサンプルを準備し、この複数のサンプルについて、６３％応答時間を測定した。

図１８には、６３％応答時間を測定した結果を示す。同図において、６３％応答時間は、密度が低くなるほど短くなっていることが分かる。そして、シース管４内の空気の密度が１．２ｋｇ／ｍ³の場合には、６３％応答時間が９秒程度であったことに対し、シース管４内の空気の密度が０．３ｋｇ／ｍ³の場合には、６３％応答時間が８．１秒程度であった。また、６３％応答時間は、シース管４内の空気の密度が０．９ｋｇ／ｍ³以下に低くなる場合に、顕著に短くなることが確認された。

この結果より、シース管４内の空気の密度、言い換えれば、温度センサ１内の気相Ｋの密度が０．９ｋｇ／ｍ³以下であることにより、非接地型の温度センサ１の応答性が顕著に改善されることが分かった。

本発明は、実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。

１ 温度センサ
２ 熱電対素線
３ 測温接点
４ シース管
５ 絶縁材
６ ガラス封止材（封止材）
Ｋ 気相

Claims (5)

1. 互いに異なる金属材料から構成された一対の熱電対素線（２）と、
   一対の前記熱電対素線の先端同士が合わさった測温接点（３）と、
   金属材料から構成され、前記測温接点を先端部（４０１）内又は前記先端部に装着された先端カバー（４２）内に収容するとともに、一対の前記熱電対素線を基端部（４０２）から突出させるシース管（４）と、
   絶縁材料から構成され、前記シース管内に配置されるとともに、一対の前記熱電対素線と前記シース管とを絶縁して、一対の前記熱電対素線を前記シース管に固定する絶縁材（５）と、
   前記シース管の前記基端部内及び前記シース管の前記基端部に装着されたホルダ（４３）内の少なくとも一方に充填されるとともに、前記シース管内を封止する封止材（６）と、を備え、
   前記シース管の前記先端部内及び前記先端カバー内の少なくとも一方であって前記絶縁材の先端側に隣接する位置には、前記測温接点が収容されるとともに、密度が０．２６～０．９ｋｇ／ｍ³ の範囲内にある気相（Ｋ）が形成されている、温度センサ（１）。
2. 前記封止材は、ガラスによって構成されている、請求項１に記載の温度センサ。
3. 前記気相は、空気によって構成されている、請求項１又は２に記載の温度センサ。
4. 互いに異なる金属材料から構成された一対の熱電対素線（２）と、
   一対の前記熱電対素線の先端同士が合わさった測温接点（３）と、
   金属材料から構成され、前記測温接点を先端部（４０１）内又は前記先端部に装着された先端カバー（４２）内に収容するとともに、一対の前記熱電対素線を基端部（４０２）から突出させるシース管（４）と、
   絶縁材料から構成され、前記シース管内に配置されるとともに、一対の前記熱電対素線と前記シース管とを絶縁して、一対の前記熱電対素線を前記シース管に固定する絶縁材（５）と、
   前記シース管の前記基端部内及び前記シース管の前記基端部に装着されたホルダ（４３）内の少なくとも一方に充填されるとともに、前記シース管内を封止する封止材（６）と、を備え、
   前記シース管の前記先端部内及び前記先端カバー内の少なくとも一方であって前記絶縁材の先端側に隣接する位置に、前記測温接点が収容された気相（Ｋ）が形成された温度センサ（１）の製造方法において、
   前記気相（Ｋ）が形成されたセンサ中間体（１３）を加熱した状態において、前記封止材を、前記シース管の前記基端部内及び前記ホルダ内の少なくとも一方に充填して、前記シース管内を封止するとともに、前記気相の密度を０．２６～０．９ｋｇ／ｍ³ の範囲内にする、温度センサの製造方法。
5. 前記シース管の先端部の温度が、前記シース管の基端部の温度よりも高い状態において、前記封止材を前記シース管の基端部内及び前記ホルダ内の少なくとも一方に充填する、請求項４に記載の温度センサの製造方法。

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