JP7203691B2 - 温度センサ - Google Patents

Description

本開示は、温度センサに関する。

従来、自動車の排気ガス等の温度測定に用いられる温度センサとして、例えば特開２０１５－１８４０４４号公報（下記特許文献１）に記載の温度センサが知られている。この温度センサは、感温素子が腐食性の排気ガスや粒子状物質に接触することを避けて、振動による衝撃から感温素子を保護するため、感温素子を金属製の先端カバー内に配置し、先端カバー内の空間を絶縁性の充填材によって充填したものである。

感温素子の後方には、シースピンが配置されており、シースピンの先端からは一対の信号線が先端側に引き出されている。一方、感温素子の後端からは一対の電極線が後端側に引き出されている。一対の信号線は溶接等によって一対の電極線に接合されている。充填材は、先端カバー内におけるシースピンの先端部よりも先端側の位置に充填されている。

特開２０１５－１８４０４４号公報

しかしながら、充填材の後端部はシースピンによって支持されていないため、外部からの衝撃によって崩れるおそれがある。充填材の後端部が崩れると、それに伴って信号線と電極線の接合部周辺の充填材が崩れ、接合部にかかる応力が大きくなり、接合部が剥離する等のおそれがある。

本開示によれば、接合部にかかる応力を緩和して温度センサ素子を保護できる。

図１は、実施形態の温度センサの内部構造を示す断面図である。 図２は、図１における素子収容部を拡大して示した一部拡大断面図である。 図３は、改良品の固形分面積率を示した図である。 図４は、現行品の固形分面積率を示した図である。

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。

（１）本開示の温度センサは、電極線を有する温度センサ素子と、シース芯線と、前記温度センサ素子が内部に収容された素子収容部と、を備えた温度センサであって、前記素子収容部は、先端が閉塞したケース体と、前記ケース体内に充填された充填材と、を備え、前記充填材の内部には、前記電極線に前記シース芯線が溶接された溶接部が埋設されており、前記充填材は、前記温度センサ素子の先端より先端側の先端側充填部と、前記温度センサ素子の先端より後端側であり前記電極線の後端より先端側の溶接側充填部と、前記電極線の後端より後端側の後端側充填部と、がこの順に並んで配置された構成とされ、前記充填材を構成する複数の粒子の間に隙間が形成されており、前記後端側充填部は前記先端側充填部および前記溶接側充填部よりも前記隙間が少ない構造である、温度センサである。

後端側充填部が先端側充填部および溶接側充填部よりも隙間が少ない構造であるから、後端側充填部が先端側充填部および溶接側充填部よりも硬くて変形しにくくなる。このため、振動による衝撃を受けた際に後端側充填部が崩れることを抑制できる。また、熱による衝撃を受けた際に溶接側充填部が崩れることを抑制できる。したがって、溶接部にかかる応力を緩和して温度センサ素子を保護できる。

（２）前記シース芯線は、シース部材の先端より先端側に延出されており、前記シース部材の先端と前記充填材の後端との間には空気層が形成されていることが好ましい。
空気層は充填材と比べて熱を通しにくく、空気層によって充填材からシース部材に熱が伝わりにくくなるため、温度センサ素子の温度上昇速度が速くなり、応答性がよくなる。

（３）前記先端側充填部は前記溶接側充填部よりも前記隙間が多い構造であることが好ましい。
先端側充填部が溶接側充填部よりも隙間が多い構造であるから、先端側充填部は溶接側充填部よりも柔らかくて変形しやすくなる。したがって、熱や振動によってケース体の先端が後端側に変位した際は先端側充填部が変形しやすく、溶接側充填部が変形しにくくなるため、溶接部にかかる応力を緩和できる。

［本開示の実施形態の詳細］
本開示の温度センサ１０の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

＜温度センサ＞
温度センサ１０は、自動車などの内燃機関の排気ガスの温度検出に用いられる。温度センサ１０は、例えば、内燃機関の排気管などの流通管に装着される。流通管には排気ガスなどの測定対象ガスが流れており、温度センサ１０の先端側に設けられた素子収容部１１が流通管内に配置されることにより、測定対象ガスの温度が検出される。

温度センサ１０は、図１に示すように、配線材２０と、金属チューブ３０と、取付部材４０と、ナット部材５０と、外筒６０と、温度センサ素子７０と、を備えている。なお、図１においては、温度センサ１０の長手方向（軸線Ｐで示す軸線方向）が上下方向である。また、温度センサ１０における先端側は図１の図示下側であり、温度センサ１０における後端側は図１の図示上側である。

＜配線材＞
図２に示すように、配線材２０は、シース芯線２１と、シース芯線２１を覆うシース部材２２と、シース部材２２を覆う金属製の外皮部材２３と、を備える。図示はしないものの、シース芯線２１は一対設けられている。

シース芯線２１は、温度センサ素子７０との導通を得るための線材である。このようなシース芯線２１は耐腐食性金属によって形成され、例えば耐熱性金属であるＳＵＳ３１０Ｓなどのステンレス合金やＡｌを含有するＮｉ基合金で形成されている。

シース部材２２は、外皮部材２３と一対のシース芯線２１との間を電気的に絶縁してシース芯線２１を保持するものである。このようなシース部材２２は絶縁材料によって形成され、例えばシリカ、マグネシア、アルミナで形成されている。

外皮部材２３は、シース部材２２の周囲を覆う筒状に形成されている。このような外皮部材２３は耐腐食性金属によって形成され、例えば耐熱性金属であるＳＵＳ３１０Ｓなどのステンレス合金やＡｌを含有するＮｉ基合金で形成されている。

図１に示すように、シース芯線２１の先端部は、抵抗溶接やレーザー溶接等の溶接手段により、温度センサ素子７０から延びる電極線７１と接続されている。以下においては、シース芯線２１と電極線７１との接続部を溶接部８０という。一方、シース芯線２１の後端部は、抵抗溶接等の溶接手段により、加締め端子２４と接続されている。これにより、シース芯線２１は、加締め端子２４を介して外部回路に接続するための外部リード線２５と接続されている。このような外部回路としては、例えば車両の電子制御装置（ＥＣＵ）等が挙げられる。

図示はしないものの、加締め端子２４および外部リード線２５は一対設けられている。一対のシース芯線２１と一対の加締め端子２４はそれぞれ接続されている。一対のシース芯線２１および一対の加締め端子２４は、一対の絶縁チューブ２６により互いに絶縁される。外部リード線２５は、導線が絶縁性の被覆材によって被覆されたものである。一対の外部リード線２５は、耐熱ゴム製のグロメット２７の内部を貫通する形態で配置される。

＜金属チューブ＞
金属チューブ３０は耐腐食性金属によって形成され、例えば耐熱性金属であるＳＵＳ３１０Ｓなどのステンレス合金やＡｌを含有するＮｉ基合金で形成されている。金属チューブ３０は、素子収容部１１の外殻を構成するケース体３１と、ケース体３１よりも径が大きい大径部３２と、ケース体３１の後端と大径部３２の前端とを連結する段差部３３と、を備えている。

ケース体３１は鋼板の深絞り加工により軸線Ｐに沿って延びる筒状をなし、先端が閉塞している。一方、大径部３２はケース体３１と同軸でかつ筒状をなし、後端が後方に開口している。また、段差部３３は、ケース体３１の後端から大径部３２の前端に向けて斜め方向に延びるテーパ状をなしている。

＜取付部材＞
取付部材４０は、径方向外側に突出する突出部４１と、突出部４１の後端側に位置するとともに軸線Ｐに沿って延びる後端側鞘部４２と、を有している。取付部材４０は、金属チューブ３０の後端側の外周面を取り囲んで金属チューブ３０を支持する。

＜ナット部材＞
ナット部材５０は、六角ナット部５１およびネジ部５２を有する。
＜外筒＞
外筒６０は、取付部材４０の後端側に嵌め合わされている。

＜温度センサ素子＞
図２に示すように、温度センサ素子７０は、温度センサ１０の素子収容部１１の内部に収容され、温度センサ素子７０の後端側からは電極線７１が後方に延びている。図示はしないものの、電極線７１は一対設けられており、一対の電極線７１の後端側に一対のシース芯線２１が接続されている。

電極線７１はＰｔ（白金）からなる白金線であり、この電極線７１は、例えばレーザー溶接により温度センサ素子７０に接続されている。電極線７１は、Ｐｔ（白金）を主成分とする白金合金線であってもよい。

温度センサ素子７０の周囲には、隙間が生じないように、充填材（即ちセメント）７２が充填されており、この充填材７２は、非晶質のシリカ（ＳｉＯ_２）にアルミナ骨材（Ａｌ_２Ｏ_３）を含有した絶縁材で形成されている。シリカの量は１０．９質量％である。また、アルミナ骨材は２種類の異なる径（１μｍ、５μｍ）をもつ粒子で構成されている。

充填材７２は金属チューブ３０のケース体３１の内部に収容されている。ケース体３１と、ケース体３１内に充填された充填材７２と、によって素子収容部１１が構成されている。一方、配線材２０は金属チューブ３０の大径部３２の内部に収容されている。

シース部材２２の先端と充填材７２の後端との間には空気層７６が形成されている。空気層７６は、金属チューブ３０の段差部３３の位置に形成されている。空気層７６は充填材７２と比べて熱を通しにくく、空気層７６によって充填材７２からシース部材２２に熱が伝わりにくくなるため、温度センサ素子７０の温度上昇速度が速くなり、応答性がよくなる。

金属チューブ３０のケース体３１の内部に充填材７２と配線材２０を挿入した後、金属チューブ３０を遠心脱泡することで、先端に粗大粒が過剰な組織を形成し、後方に微小粒子が過剰な組織を形成する。これにより、充填材７２は、充填材７２の先端を含む先端側充填部７３と、溶接部８０の周囲に配された溶接側充填部７４と、充填材７２の後端を含む後端側充填部７５と、がこの順に並んで配置された構成とされる。

詳細に説明すると、充填材７２は、温度センサ素子７０の先端より先端側の先端側充填部７３と、温度センサ素子７０の先端より後端側であり電極線７１の後端より先端側の溶接側充填部７４と、電極線７１の後端より後端側の後端側充填部７５と、がこの順に並んで配置された構成とされ、充填材７２を構成する複数の粒子の間に隙間７７が形成されている。先端側充填部７３は溶接側充填部７４よりも隙間７７が多い構造であり、溶接側充填部７４は後端側充填部７５よりも隙間７７が多い構造である。Ｌ１は先端側充填部７３と溶接側充填部７４を区画する区画線であり、Ｌ２は溶接側充填部７４と後端側充填部７５を区画する区画線である。

＜固形分面積率＞
次に、各充填部７３、７４、７５の固形分面積率について説明する。固形分面積率とは、充填材７２の充填率の指標となるものであり、固形分面積率が大きいほど充填率が高く（隙間７７が少なく）、固形分面積率が小さいほど充填率が低い（隙間７７が多い）ことを意味している。

固形分面積率は画像解析によって測定されており、画像解析用サンプルは、以下の手順で作製される。
１．温度センサ１０の先端側に位置する素子収容部１１を軸線Ｐと直交する切断面で切断し、サンプルを得る。
２．樹脂カップにサンプルを設置し、樹脂カップの中に樹脂を流し込む。
３．樹脂が硬化した後、硬化した樹脂およびサンプルを研磨盤によって研磨し、測定面を出す。
４．軸線Ｐの付近の断面を測定面とし、先端から１．０ｍｍ、４．５ｍｍ、６．５ｍｍの位置でＳＥＭ観察する。

具体的には、各充填部７３、７４、７５の断面をＳＥＭで撮像し、その断面を撮像した画像をコントラスト値２２％で画像処理（二値化）を行い、全体面積を１００％とした場合における黒色部分の面積を固形分面積率としている。固形分面積率が高いほど充填材が緻密であることを意味している。

図３および図４に示すように、先端から１．０ｍｍの位置は先端側充填部７３の先端と後端との中間部であり、先端から４．５ｍｍの位置は溶接側充填部７４の溶接部８０の周辺部であり、先端から６．５ｍｍの位置は後端側充填部７５の先端と後端との中間部である。各位置において３つの黒丸で示すように、軸線Ｐと直交する方向に均等な間隔で３箇所測定し、その平均値を用いるものとする。

表１に充填材７２の固形分面積率を示す。現行品とは、アルミナ骨材の径が１種類のみで構成されたものであり、その径は２μｍである。一方、改良品とは、アルミナ骨材の径が２種類で構成されたものであり、その径は１μｍと５μｍである。図３および図４に示したように、図示左側の点が１．０ｍｍ、図示中央の点が４．５ｍｍ、図示右側の点が６．５ｍｍである。これらの平均値をプロットしたものが図３および図４のグラフである。
表１．充填材の固形分面積率

ここで、図４に示す現行品の充填材１７２について簡単に説明する。充填材１７２は、充填材１７２の先端を含む先端側充填部１７３と、溶接部８０の周囲に配された溶接側充填部１７４と、充填材１７２の後端を含む後端側充填部１７５と、がこの順に並んで配置された構成とされる。先端側充填部１７３と溶接側術縁部１７４と後端側充填部１７５とは同程度の隙間を有する構造である。図４の１．０ｍｍは先端側充填部１７３であり、４．５ｍｍは溶接側充填部１７４であり、６．５ｍｍは後端側充填部１７５である。

現行品の測定条件は改良品の測定条件と同じである。図３に示す改良品では、固形分面積率が先端側充填部７３よりも溶接側充填部７４のほうが高いことがわかる。これは、先端側充填部７３が溶接側充填部７４よりも隙間７７が多い構造であることを意味している。このため、先端側充填部７３は溶接側充填部７４よりも柔らかくて変形しやすくなる。したがって、熱や振動によってケース体３１の先端が後端側に変位した際は先端側充填部７３が変形することで溶接側充填部７４が変形しにくくなるため、溶接部８０にかかる応力を緩和できる。

一方、図４に示す現行品では、固形分面積率が先端側充填部１７３と溶接側充填部１７４と後端側充填部１７５とでほぼ同じであることがわかる。このため、熱や振動によってケース体３１の先端が後端側に変位した際は先端側充填部１７３のみが優先的に変形することはなく、先端側充填部１７３と溶接側充填部１７４が同じように変形するため溶接部８０に応力がかかりやすくなる。

改良品の後端側充填部７５は、現行品の後端側充填部１７５よりも固形分面積率が高くなっており、緻密な構造となっている。このため、振動による衝撃を受けた際に後端側充填部７５が崩れることを抑制できる。さらに、シース芯線２１が後端側充填部１７５によってリジッドに固定されているため、熱による衝撃を受けた際に溶接側充填部７４が崩れることを抑制できる。したがって、溶接部８０にかかる応力を緩和して温度センサ素子７０を保護できる。

＜破断評価結果＞
まず、熱風冷熱振動試験による破断有無評価を説明する。
表２に、熱風冷熱振動試験後に電極線７１の破断有無を目視で観察した結果を示す。×は１５０時間経過後に破断があることを示し、○は１５０時間経過後に破断がないことを示している。試験条件は以下のとおりである。
温度条件：RT ca. 60℃(60s)～900℃(60s)
加速度：25Grms
周波数：100-3,000Hz
表２．熱風冷熱振動試験による破断有無評価

サンプル数を５つとして試験を行ったところ、１５０時間経過後に改良品は全て破断しなかったのに対して、現行品は全て破断していた。

次に熱風冷熱振動試験による破断寿命評価を説明する。表３のＭＴＴＦは平均故障寿命を示し、Ｆ（２０）は２０％の確率で発生する破断寿命を示したものである。Ｆ（２０）＝１２．４とは、全体の２０％が１２．４Ｈｒで破断することを意味している。ＭＴＴＦとＦ（２０）のいずれの結果においても、改良品のほうが現行品よりも優れていることが確認できた。
表３．熱風冷熱振動試験による破断寿命評価

＜他の実施形態＞
（１）上記実施形態では先端側充填部７３は溶接側充填部７４よりも隙間７７が多い構造とされているものの、先端側充填部７３と溶接型充填部７４は同程度の隙間７７を有する構造としてもよい。また、溶接側充填部７４の後端から先端側充填部７３の先端に向かうにつれて徐々に隙間７７が多くなる構造としてもよい。

（２）上記実施形態では金属チューブ３０が素子収容部１１の先端からナット部材５０の先端部に至るチューブタイプの筐体を例示したが、素子収容部を主体として構成されるキャップタイプの筐体を用いてもよい。キャップタイプの筐体は、素子収容部を構成するケース体と、外皮部材２３の先端部に装着される装着部と、によって構成されるものとしてもよい。

１０…温度センサ
１１…素子収容部
２０…配線材
２１…シース芯線
２２…シース部材
２３…外皮部材
２４…加締め端子
２５…外部リード線
２６…絶縁チューブ
２７…グロメット
３０…金属チューブ
３１…ケース体
３２…大径部
３３…段差部
４０…取付部材
４１…突出部
４２…後端側鞘部
５０…ナット部材
５１…六角ナット部
５２…ネジ部
６０…外筒
７０…温度センサ素子
７１…電極線
７２…充填材
７３…先端側充填部
７４…溶接側充填部
７５…後端側充填部
７６…空気層
７７…隙間
８０…溶接部
１７２…充填材
１７３…先端側充填部
１７４…溶接側充填部
１７５…後端側充填部
Ｌ１…区画線
Ｌ２…区画線
Ｐ…軸線

Claims (3)

1. 電極線を有する温度センサ素子と、シース芯線と、前記温度センサ素子が内部に収容された素子収容部と、を備えた温度センサであって、
   前記素子収容部は、先端が閉塞したケース体と、前記ケース体内に充填された充填材と、を備え、
   前記充填材の内部には、前記電極線に前記シース芯線が溶接された溶接部が埋設されており、
   前記充填材は、前記温度センサ素子の先端より先端側の先端側充填部と、前記温度センサ素子の先端より後端側であり前記電極線の後端より先端側の溶接側充填部と、前記電極線の後端より後端側の後端側充填部と、がこの順に並んで配置された構成とされ、前記充填材を構成する複数の粒子の間に隙間が形成されており、前記後端側充填部は前記先端側充填部および前記溶接側充填部よりも前記隙間が少ない構造である、温度センサ。
2. 前記シース芯線は、シース部材の先端より先端側に延出されており、
   前記シース部材の先端と前記充填材の後端との間には空気層が形成されている、請求項１に記載の温度センサ。
3. 前記先端側充填部は前記溶接側充填部よりも前記隙間が多い構造である、請求項１または請求項２に記載の温度センサ。

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