JP7042087B2 - 温度センサ - Google Patents
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Description
前記開口先端部に配置され、測定環境下の測定対象ガス(G)の温度を測定するための感温素子(3)と、
前記金属管内に配置され、前記感温素子の表面に接触する一対のリード線(31)と、
前記金属管内に配置され、前記金属管と一対の前記リード線とを絶縁するとともに、一対の前記リード線を前記金属管に支持するためのセラミック材料からなる絶縁支持材(4)と、
前記開口先端部に、前記感温素子、一対の前記リード線の先端部(310)及び前記絶縁支持材の先端面(401)を覆う状態で最外周部として配置され、前記感温素子の線膨張率及び一対の前記リード線の線膨張率に比べて線膨張率が小さく、かつ前記測定対象ガスを透過しないセラミック材料からなるとともに常温で固着処理可能なコート材(5)と、を備え、
前記感温素子と一対の前記リード線とは、他の材料を介さずに対面接触しており、
前記コート材によって、前記感温素子に一対の前記リード線が接触する状態が維持されており、
前記温度センサの先端部が前記測定対象ガスによって加熱された状態においては、前記コート材から前記感温素子及び一対の前記リード線に圧縮応力が作用しており、
使用可能温度が-40~1050℃に設定されている、温度センサ(1)にある。
<実施形態>
本形態の温度センサ1は、図1に示すように、金属管2、感温素子3、一対のリード線31、絶縁支持材4及びコート材5を備える。金属管2は、その先端が開口先端部20として開口されたものである。感温素子3は、開口先端部20に配置されており、測定環境下の測定対象ガスGの温度を測定するためのものである。一対のリード線31は、金属管2内に配置されており、その先端部310が感温素子3の表面に接触している。
(温度センサ1)
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、排気管に配置され、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。排ガスの温度は、電子制御ユニット(ECU)によって内燃機関の燃焼制御を行う際に利用される。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。
本形態の感温素子3は、サーミスタ材料としての酸化物半導体の焼結体を用いて構成されたサーミスタ素子である。サーミスタ素子は、温度の上昇に対して電気抵抗値が減少するNTC(negative temperature coefficient)サーミスタとすることができる。これ以外にも、サーミスタ素子は、所定温度を超えると温度の上昇に対して急激に電気抵抗値が増大するPTC(positive temperature coefficient)サーミスタ、又は所定温度を超えると急激に電気抵抗値が減少するCTR(critical temperature resistor)サーミスタとすることもできる。
図1に示すように、一対のリード線31は、導電性を有する種々の金属材料から構成されている。一対のリード線31は、絶縁支持材4に支持された一対の第1線部311と、絶縁支持材4から突出する一対の第2線部312とが、溶接等によって互いに接合されたものである。第1線部311と第2線部312とは、互いに異なる材料によって構成されている。第1線部311は、白金又は白金-ロジウム合金によって構成されている。
図2に示すように、金属管2は、シース管とも呼ばれ、金属材料から構成されている。金属管2は、円筒形状に形成されている。金属管2は、感温素子3が配置された先端側管部21の外径及び内径が最も小さく、先端側管部21よりも基端側L2に位置する基端側管部22の外径及び内径が、先端側管部21の外径及び内径よりも大きく形成されている。金属管2は、インコネル(登録商標)の管によって構成することができる。これ以外にも、金属管2は、SUS310Sの管、オーステナイト系ステンレス鋼の管、フェライト系クロム鋼の管、耐熱性コバルト合金、ニッケル合金の管、鉄クロム合金の管によって構成することもできる。金属管2は、温度センサ1の製造を容易にするために、複数の管材を、適宜、溶接等によって繋ぎ合わせて形成することができる。
図2に示すように、金属管2は、排気管に取り付けられるハウジング11に装着されている。ハウジング11は、一対のリード線31及びコネクタ12のターミナル13を配置するための配置穴111と、温度センサ1を排気管に取り付けるための外周ネジ112と、ハウジング11にコネクタ12を連結するための連結部113とを有する。配置穴111には、コネクタ12のターミナル13の先端部131が挿入される。
図2に示すように、絶縁性の樹脂等からなるコネクタ12には、リード線31が溶接によって接続されたターミナル(接続端子)13が設けられている。ターミナル13の先端部131は、リード線31が接続されるよう、コネクタ12から突出している。ターミナル13の基端部132は、温度センサ1の動作を制御する制御装置10に接続される。制御装置10は、エンジン制御ユニットとすることができ、エンジン制御ユニットとは別のセンサ制御ユニット(SCU)とすることもできる。ターミナル13は、導電性の金属材料によって構成されている。
図1及び図2に示すように、絶縁支持材4は、酸化マグネシウム等の絶縁性の金属酸化物によって構成されている。絶縁支持材4は、酸化アルミニウム等によって構成することもできる。絶縁支持材4は、金属管2の先端側管部21に配置されたセラミック粒子が焼結された焼結体として形成されている。絶縁支持材4は、金属管2の先端側管部21に充填されており、金属管2の基端側管部22には充填されていない。言い換えれば、絶縁支持材4は、金属管2の先端側管部21に、軸方向Lに連続して一体的に配置されている。
図1に示すように、本形態の温度センサ1の金属管2の先端部には金属カバーが設けられていない。コート材5は、感温素子3に一対のリード線31が接触する状態を維持するための機能と、金属カバーの代わりとして、温度センサ1の先端部101の最外周部として測定対象ガスGの透過を防止する機能とを有する。
図4には、温度センサ1の先端部101の温度(℃)と、温度センサ1の先端部101に位置する、感温素子3、一対のリード線31の先端部310及びコート材5に生じる伸びλ(-)との関係のシミュレーション結果を示す。温度センサ1の先端部101の温度は-40℃~1050℃に変化させた場合を示す。伸びλ(-)は、初期長さをD0、加熱・冷却後の長さをD1としたとき、λ=(D1-D0)/D0×100(%)によって表される値である。
図1に示すように、本形態の絶縁支持材4の先端面401は、金属管2の先端面201よりも基端側L2に位置している。なお、図5に示すように、金属管2の先端面201と絶縁支持材4の先端面401とは、軸方向Lにおけるほぼ同じ位置にあってもよい。また、同図に示すように、各リード線31は、同一材料からなる連続した1本の金属線とすることもできる。
次に、本形態の温度センサ1の主要部を製造する方法について、図8のフローチャートを参照して説明する。
図9に示すように、金属管2、一対のリード線31の第2線部312及び絶縁支持材4が設けられたシース成形体71を準備する(図8のステップS1)。本製造方法におけるシース成形体71の金属管2とは、金属管2の先端側管部21のことを示す。シース成形体71は、金属管2内に、一対のリード線31の第2線部312が挿通されるとともに、金属管2内における隙間が絶縁支持材4によって充填されたものである。
本形態の温度センサ1においては、金属管2の先端が開口先端部20として開口しており、開口先端部20に配置された感温素子3は、最外周部を形成するコート材5によって覆われている。そして、金属管2の開口先端部20には、感温素子3を覆うための金属カバー(曲面状の先端部)が設けられていない。この構成により、温度センサ1の先端部101と測定環境下の測定対象ガスGとの間における、熱放射、熱伝達(熱対流)等の伝熱が生じやすくすることができる。そのため、感温素子3の温度が、測定対象ガスGの温度になるまでの時間を短縮することができ、温度センサ1の応答性を向上させることができる。
本確認試験においては、金属管2の開口先端部20に金属カバーを有しない実施形態の温度センサ1(試験品)の応答性と、金属管2の開口先端部20に金属カバーを有する従来の温度センサ(比較品)の応答性とを確認し、比較した。この確認試験においては、試験品及び比較品について、測定対象ガスGの温度を常温(25℃)から1050℃に変化させたときに、この測定対象ガスGの温度の変化を測定するために要する時間としての63%応答時間を測定した。63%応答時間は、センサ出力が、初期出力である25℃から最終出力である1050℃までの温度変化量のうちの63%変化するまでの時間とした。
2 金属管
20 開口先端部
3 感温素子
31 リード線
4 絶縁支持材
5 コート材
Claims (7)
- 先端が開口先端部(20)として開口された金属管(2)と、
前記開口先端部に配置され、測定環境下の測定対象ガス(G)の温度を測定するための感温素子(3)と、
前記金属管内に配置され、前記感温素子の表面に接触する一対のリード線(31)と、
前記金属管内に配置され、前記金属管と一対の前記リード線とを絶縁するとともに、一対の前記リード線を前記金属管に支持するためのセラミック材料からなる絶縁支持材(4)と、
前記開口先端部に、前記感温素子、一対の前記リード線の先端部(310)及び前記絶縁支持材の先端面(401)を覆う状態で最外周部として配置され、前記感温素子の線膨張率及び一対の前記リード線の線膨張率に比べて線膨張率が小さく、かつ前記測定対象ガスを透過しないセラミック材料からなるとともに常温で固着処理可能なコート材(5)と、を備え、
前記感温素子と一対の前記リード線とは、他の材料を介さずに対面接触しており、
前記コート材によって、前記感温素子に一対の前記リード線が接触する状態が維持されており、
前記温度センサの先端部が前記測定対象ガスによって加熱された状態においては、前記コート材から前記感温素子及び一対の前記リード線に圧縮応力が作用しており、
使用可能温度が-40~1050℃に設定されている、温度センサ(1)。 - 前記絶縁支持材は、セラミック粒子が焼結されたものであり、
前記コート材は、セラミック粒子と無機バインダーとが焼結されたものである、請求項1に記載の温度センサ。 - 前記コート材は、線膨張率が異なる複数種類のセラミック粒子を含有している、請求項1又は2に記載の温度センサ。
- 一対の前記リード線は、前記金属管内から前記金属管の外部まで形成されており、
前記コート材は、前記金属管の先端面も覆っている、請求項1~3のいずれか1項に記載の温度センサ。 - 前記感温素子と一対の前記リード線とにおける、互いに対面する表面は、平坦面に形成されている、請求項1~4のいずれか1項に記載の温度センサ。
- 前記表面の粗さは、3μm以下である、請求項5に記載の温度センサ。
- 前記金属管、一対の前記リード線及び前記コート材は、1000℃においても性状に変化が生じない材料によって構成されている、請求項1~6のいずれか1項に記載の温度センサ。
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