JPWO2021095244A1 - 温度センサ、温度センサ素子および温度センサの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
この温度センサは、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保護管を構成する。また、保護管の内部の充填体は、センサ素子を取り囲むことで周囲の雰囲気からセンサ素子を保護する。保護管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。
特許文献1の温度センサは、一対の引出線を束にして覆う領域と、一対の引出線のそれぞれを個別に覆う領域と、を設ける。この特許文献1の温度センサによれば、一対の引出線の間の沿面距離(creepage distance)が長くなり、一対の引出線の間の短絡を抑制できる。
一対の電線は、感熱体に接続される一対の第1電線と、一対の第1電線にそれぞれが接続される一対の第2電線と、を備える。
一対の第2電線は、一対の第1電線と接続される前側において、絶縁被覆が互いに離れている。
第1被覆層は、第1電気絶縁体からなり、感熱体から一対の第1電線の所定位置までを覆う。第2被覆層は、第2電気絶縁体からなり、第1被覆層を覆う。第3被覆層は、第3電気絶縁体からなり、第2被覆層および一対の第2電線を覆う。第2被覆層は、互いに離れている一対の第2電線の間に、充填体として介在する。
ステップ(a):感熱体から一対の第1電線の所定位置までを覆う、第1電気絶縁体からなる第1被覆層を形成する。
ステップ(b):第1被覆層を覆う、第2電気絶縁体からなる第2被覆層を形成する。
ステップ(c):未硬化の樹脂材料が収容されている保護管の内部に、第2被覆層が形成されている側からセンサ素子を挿入して、第3電気絶縁体からなる第3被覆層を形成する。
ステップ(a)において、絶縁被覆が互いに離れている一対の第2電線の間に拘束部材を介在させたままで第1被覆層を形成する。
ステップ(b)において、一対の第2電線の間に介在させた拘束部材を避けて、第2被覆層を形成する。
ステップ(c)において、拘束部材が取り除かれるか、または、拘束部材が一対の第2電線の間に介在させたままで、保護管の内部にセンサ素子を挿入して、第3被覆層を形成する。
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の間に介在される充填体40と、を備える。
温度センサ1は、一対の第2電線17,17の芯線17A,17Aの間の沿面距離を長くすることで、湿潤環境下で使用しても、芯線17A,17Aの間の短絡を抑制する。
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および図2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に電気的に直に接続される一対の第1電線15,15と、第1電線15,15のそれぞれに電気的に接続される第2電線17,17と、を備えている。電気的に接続される第1電線15,15と第2電線17,17により本発明における一対の電線が構成される。
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、第2電線17が引き出される側を後Bと定義する。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性質を利用して温度を検出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および図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、温度センサ1が用いられる周囲の環境条件に由来する感熱体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の全体に加えて第1電線15,15の前端を覆い、第1電線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。
第1電線15,15は、図2に示すように、図示を省略する感熱体11の電極に電気的に接続される。
第1電線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いジュメット線(Dumet wires)が好適に用いられる。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電体である芯線として用い、そのまわりを銅で覆った電線である。第1電線15,15は、電気的な絶縁被覆がなく、導電体芯線が剥き出しにされているため、水分が浸入すると短絡のおそれがある。そこで、本実施形態において、後述するように、第1電線15,15の間の沿面距離を長くしている。
以下に、温度センサ1の構成要素の線膨張係数の一例を示しておく。
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:9.1×10−6(/℃)
第1領域15Aと第3領域15Cの間隔を整合させるために、第1電線15,15は、第1領域15Aと第3領域15Cの間に、第2領域15Bを備えている。第2領域15Bにおいて、第1電線15,15は、相当の間隔を隔てて離れている。
第2電線17,17は、図2に示すように、導電体からなる芯線17A,17Aと、芯線17A,17Aを覆う絶縁被覆17B,17Bと、を備える。第2電線17,17は、2芯平行線、または単に平行線と称されている。第2電線17,17は、芯線17A,17Aの部分で第1電線15,15とそれぞれが溶接、導電性接着剤などにより電気的に接続される。
第2電線17は、第1電線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。
このように、絶縁被覆17B,17Bが、前側から後側へ離れるのにつれて、その間隔が狭くなる形態を有するので、V字の末端部分における負荷が小さい。これに対して、前側における間隔を後側の末端部分まで同じにするには、末端部分をL字状に屈曲させる必要があり、この屈曲部における負荷が大きい。これにより、本実施形態によれば、第2電線17,17に残留する応力を抑えることができる。
次に、保護管30は、図1に示すように、センサ素子10を内部に収容し、その前端から第2電線17,17に亘って覆う金属製、好ましくは、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。
図1などでは保護管30の肉厚を薄く描いているが、本発明における保護管30の肉厚は使用環境などに応じて設定される。
次に、充填体40は、図1および図5(d)に示すように、第1被覆層41、第2被覆層43および第3被覆層45を備える。
本発明の好ましい形態として、感熱体11を直に覆う第1被覆層41は、第2被覆層43および第3被覆層45よりも変形のしやすい材料で構成される。
以下、第1被覆層41、第2被覆層43および第3被覆層45のより具体的な内容を順に説明する。
充填体40は、図1および図3に示すように、好ましい例として、シリコーンゴムからなる第1被覆層41を備える。第1被覆層41は、保護層13および第1電線15に対する電気的な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1電気絶縁体を構成する。なお、電気的な絶縁体を、以下では単に絶縁体ということがある。
ここで、後述するエポキシ樹脂からなる第2被覆層43は、第1被覆層41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1被覆層41を設けるのは、シリコーンゴムは引張弾性率が小さく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るが、シリコーンゴムはエポキシ樹脂に比べて格段に低い弾性率を有し、小さい負荷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1被覆層41は、絶縁体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第1電線15,15と第1被覆層41の剥離を防止する緩衝機能を担う。
ただし、この緩衝機能は温度昇降の程度が小さければ必ずしも要求されるものではなく、本発明においてシリコーンゴムからなる被覆層は好ましい形態にすぎない。
2×L1とL2を比較すれば、第1電線15,15のそれぞれを個別に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理解できる。これにより、温度センサ1によれば、仮に当該領域に水が浸入したとしても、第1電線15,15の間に短絡が生ずるのを抑制できる。
次に、充填体40は、図1および図4に示すように、好ましい例として、エポキシ樹脂からなる第2被覆層43を備える。第2被覆層43も、第1被覆層41と同様に保護層13、第1電線15および第2電線17に対する絶縁体として機能する。加えて、第2被覆層43はエポキシ樹脂からなる第3被覆層45との接着を担う接合層としての機能を担う。第2被覆層43を構成するエポキシ樹脂が本発明の第2電気絶縁体を構成する。
第2被覆層43は、後述するようにディッピングおよび硬化処理を経て形成される。このディッピングの際に液状のエポキシ樹脂は第1電線15,15の間に浸入するとともに、第2電線17,17の間にも浸入する。これにより、硬化処理後の第2被覆層43は、図1および図4(a)に示すように、互いに離れている第1電線15,15の間および第2電線17,17の絶縁被覆17B,17Bの間に介在する。これにより、第2被覆層43は、離れている第1電線15,15の間隔および離れている絶縁被覆17B,17Bの間隔を維持する効果を奏する。
図1において、第2被覆層43は、保護管30の内部において第2電線17,17の絶縁被覆17B,17Bの間に介在するが、保護管30の外部に引き出された部分においても絶縁被覆17B,17Bの間に介在することもできる。
第3被覆層45は、図1に示すように、センサ素子10、第1被覆層41および第2被覆層43を覆うとともに、これらと保護管30の内周面との間を埋める。
第3被覆層45は、好ましい例として、第2被覆層43と同様にエポキシ樹脂からなり、第2被覆層43との間の接着力を確保するとともに、保護管30の内壁との間の接着力を確保する。これにより、保護管30の内部には水の浸入経路ができにくい。第3被覆層45を構成するエポキシ樹脂が本発明における第3電気絶縁体を構成する。
次に、図2〜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1中間体]
はじめに、図2および図5(a)に示すように、第1被覆層41、第2被覆層43を備えていない、第1中間体10Aを用意する。第1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)に第1電線15,15が接続されている。図2および図5(a)においては、第1電線15,15には既に一対の第2電線17,17そのそれぞれが接続されているが、一対の第2電線17,17の前側は絶縁被覆17B,17Bが離れている。保護層13は、第1電線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、凝固することにより形成できる。
次に、図3(a)および図5(b)に示すように、第1中間体10Aに第1被覆層41を形成して第2中間体10Bを得る。
第1被覆層41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される。このとき、第1電線15,15を覆う部分は、第1電線15,15のそれぞれを個別に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、第1電線15,15のそれぞれを個別に覆う第1被覆層41を形成できる。
ディッピングとは、液状の被覆材、ここでは液状のシリコーンゴムの中に被覆の対象物である感熱体11および保護層13を漬けるコーティング手法の一つである。
次に、図4および図5(c)に示すように、第2中間体に第2被覆層43を形成して第3中間体としてのセンサ素子10を得る。
第2被覆層43は、液状のエポキシ樹脂に第1被覆層41が形成された感熱体11(保護層13)の側を第1被覆層41と同様にディッピングすることにより形成できる。
硬化処理は、第2中間体10Bを作製するステップにおいても同様に適用される。
次に、第2被覆層43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の内部に硬化処理後に第3被覆層45を構成する液状、つまり未硬化状態のエポキシ樹脂を所定量だけ投入しておく。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。
センサ素子10を挿入した後にエポキシ樹脂の硬化処理を施せば、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。
本実施形態に係る温度センサ1は、図6(b)に示すように、第2電線17,17の絶縁被覆17B,17Bが前側において離れている。これにより、本実施形態における芯線17A,17Aの間の沿面距離L3は、絶縁被覆17B,17Bが前側においても接している図6(a)の場合の沿面距離L4よりも大きい。したがって、温度センサ1は、一対の芯線17A,17Aの間の短絡を抑えることができる。
温度センサ1は、好ましい形態として、第2領域15B,15Bにおいて第1電線15,15の間に第1被覆層41を介在させない例を示した。しかし、本発明においては、図7(a)に示すように、第2領域15B,15Bにおいて第1電線15,15の間に第1被覆層41を介在させてもよい。
10 センサ素子
11 感熱体
13 保護層
15 第1電線
15A 第1領域
15B 第2領域
15C 第3領域
17 第2電線
17A 芯線
17B 絶縁被覆
30 保護管
31 閉塞端
33 開口端
40 充填体
41 第1被覆層
43 第2被覆層
45 第3被覆層
Claims (9)
- 感熱体と前記感熱体に電気的に接続される一対の電線と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に介在される充填体と、を備え、
一対の前記電線は、前記感熱体に接続される一対の第1電線と、一対の前記第1電線にそれぞれが接続される一対の第2電線と、を備え、
一対の前記第2電線は、一対の前記第1電線と接続される前側において、絶縁被覆が互いに離れている、
ことを特徴とする温度センサ。
- 一対の前記第2電線は、前記前側から離れるのにつれて、その間隔が狭くなり、所定位置で接する、
請求項1に記載の温度センサ。
- 一対の前記第2電線は、前記保護管の外部に引き出され、引き出された先の所定位置で接する、
請求項1または請求項2に記載の温度センサ。
- 前記保護管の内部において、互いに離れている一対の前記第2電線の間に、前記充填体が介在する、
請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の温度センサ。
- 前記充填体は、
前記感熱体から一対の前記第1電線の所定位置までを覆う、第1電気絶縁体からなる第1被覆層と、
前記第1被覆層を覆う、第2電気絶縁体からなる第2被覆層と、
前記第2被覆層および一対の前記第2電線を覆う、第3電気絶縁体からなる第3被覆層と、を備え、
前記第2被覆層は、互いに離れている一対の前記第2電線の間に、前記充填体として介在する、
請求項4に記載の温度センサ。
- 前記第1被覆層は、
一対の前記第1電線を束にして覆う第1領域と、
前記第1領域に一体的に接続され、一対の前記第1電線のそれぞれを個別に覆う第2領域と、を備え、
前記第2被覆層は、互いに離れている一対の前記第1電線の間および互いに離れている一対の前記第2電線の間に前記充填体として介在する、
請求項5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電線とを備え、
一対の前記電線は、前記感熱体に接続される一対の第1電線と、一対の前記第1電線にそれぞれが接続される一対の第2電線と、を備え、
一対の前記第2電線は、一対の前記第1電線と接続される前側において、絶縁被覆が互いに離れている、
ことを特徴とするセンサ素子。
- 感熱体と前記感熱体に電気的に接続される一対の電線と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に介在される充填体と、を備え、
一対の前記電線が、前記感熱体に接続される一対の第1電線と、一対の前記第1電線にそれぞれが接続される一対の第2電線と、を備える温度センサの製造方法であって、
一対の前記第2電線は、一対の前記第1電線と接続される前側において、絶縁被覆が互いに離れている状態で、前記感熱体と接続されている一対の前記第1電線と接続されるステップ(A)と、
一対の前記第2電線の絶縁被覆が互いに離れている状態を維持したままで、前記保護管と前記センサ素子の間に前記充填体を介在させるステップ(B)と、
を備えることを特徴とする温度センサの製造方法。
- 前記ステップ(B)は、
前記感熱体から一対の前記第1電線の所定位置までを覆う、第1電気絶縁体からなる第1被覆層を形成するステップ(a)と、
前記第1被覆層を覆う、第2電気絶縁体からなる第2被覆層を形成するステップ(b)と、
未硬化の樹脂材料が収容されている前記保護管の内部に、前記第2被覆層が形成されている側から前記センサ素子を挿入して、第3電気絶縁体からなる第3被覆層を形成するステップ(c)と、を備え、
前記ステップ(a)において、
絶縁被覆が互いに離れている一対の前記第2電線の間に拘束部材を介在させたままで前記第1被覆層を形成し、
前記ステップ(b)において、
一対の前記第2電線の間に介在させた前記拘束部材を避けて前記第2被覆層を形成し、
前記ステップ(c)において、
前記拘束部材が取り除かれるか、または、前記拘束部材が一対の前記第2電線の間に介在させたままで、前記保護管の内部に前記センサ素子を挿入して、前記第3被覆層を形成する、
請求項8に記載の温度センサの製造方法。
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