KR101630452B1

KR101630452B1 - 온도센서

Info

Publication number: KR101630452B1
Application number: KR1020090040235A
Authority: KR
Inventors: 다츠야 스즈키; 미츠노리 오이; 다카시 마에다; 노리미치 사이토; 도시노리 니시; 고 한자와; 다케시 모리타
Original assignee: 니혼도꾸슈도교 가부시키가이샤
Priority date: 2008-05-09
Filing date: 2009-05-08
Publication date: 2016-06-14
Also published as: US20090279585A1; CN101576420A; US8192081B2; JP5155246B2; JP2009294203A; KR20090117658A; EP2116831A1; CN101576420B; EP2116831B1

Abstract

(과제) 감온소자의 소자 전극선과 시스 심선과의 접합부에 걸리는 응력을 완화한 온도센서를 제공한다.

(해결수단) 감온부(103)와 이 감온부(103)에서 연장되는 1쌍의 소자 전극선(104)을 가지는 감온소자(102)와; 소자 전극선(104)에 접합부(110)를 통해서 접속되는 시스 심선(108)과 이 시스 심선(108)을 절연재(114)의 사이에 내포하는 시스 외관(107)을 가지는 시스부재(106)와; 바닥부를 가지는 통형상을 이루며, 선단(112a)이 되는 바닥부측에 적어도 감온소자(102) 및 접합부(110)를 수용하고, 소자 전극선(104) 및 시스 심선(108)이 연장되는 방향으로 연장되는 금속제의 내통(112)과; 개구단(120a)을 가지는 통형상을 이루며, 내통(112)의 축방향(L)에 수직인 방향에서 보았을 때, 개구단(120a)(위치 X)이 접합부(110)(위치 J)보다 선단측에서 또한 내통(112)의 바닥부(위치 B)까지의 영역에 위치하도록 내통(112)을 덮으며, 접합부(110)(위치 J)보다 선단측에서 내통(112)과 이간되어 있는 금속제의 외통(120);을 구비한 온도센서(100x)이다.

Description

온도센서{TEMPERATURE SENSOR}

본 발명은 서미스터 소자나 Pt 저항체 소자 등의 감온소자를 구비한 온도센서에 관한 것이다.

자동차 등의 배기가스 등의 온도를 검출하는 온도센서로서 서미스터나 Pt 저항체 등의 저항의 온도변화를 이용한 것이 알려져 있다(특허문헌 1, 2 참조).

이와 같은 온도센서의 일반적인 구조를 도 6에 나타낸다. 도 6(a)에 나타낸 바와 같이, 온도센서(500)는 서미스터 소자(502)와 시스부재(sheath member)(506)를 용접하여 금속 튜브(512)에 수용하고, 또한 금속 튜브(512) 내의 간극에 알루미나 등의 시멘트(514)가 충전됨에 의해서 구성되어 있다.

서미스터 소자(502)는 서미스터 소결체(503)와 소자 전극선(504)으로 이루어지는데, 소자 전극선(504)이 고가의 Pt-Rh선 등으로 이루어지기 때문에 저렴한 시스부재(506)와 접속함에 의해서 비용절감을 도모하고 있다. 여기서, 시스부재(506)는 시스 외관(507) 내에 SUS 등으로 이루어지는 시스 심선(508)을 절연 유지하여 이루어지며, 소자 전극선(504)과 시스 심선(508)을 레이저 스폿 용접함으로써 양자가 접합부(510)를 통해서 접합된다.

특허문헌 1 : 일본국 특개평 5-264368호 공보

특허문헌 2 : 일본국 특개 2000-97781호 공보

그런데, 배기가스의 온도는 0℃ 전후의 저온영역에서부터 1000℃ 전후의 고온영역까지 급격하게 변화하기 때문에, 이것에 따라서 온도센서도 상기 온도범위 내에서 상승-냉각하는 냉열(冷熱)사이클을 받게 된다.

그리고, 온도센서가 고온영역에서 저온영역으로 급냉되었을 때, 외주측의 금속 튜브(512)부터 냉각이 시작되게 되는데, 스테인리스 등의 금속 튜브(512)측이 내부의 시멘트(알루미나 등)(514)보다 열팽창 계수가 높다. 따라서, 도 6(b)에 나타낸 바와 같상기 금속 튜브(512)가 냉각에 의해서 수축하기 시작하면, 시멘트(514)의 수축이 상기 금속 튜브(512)의 수축을 추종할 수 없기 때문에, 금속 튜브(512)의 선단부{서미스터 소자(502)측}가 근방의 시멘트(514)와 서미스터 소자(502)를 후측(화살표 A측)으로 압압하게 된다. 이와 같이 서미스터 소자(502)가 후측(시스부재측)으로 밀리게 되면, 소자 전극선(504)과 시스 심선(508)과의 접합부(510)에 화살표 B로 나타내는 전단응력이 가해진다. 그리고, 냉열사이클을 반복할 때마다 상기 전단응력이 접합부(510)에 부하되기 때문에, 접합부(510)의 강도가 저하되어 단선될 우려가 있다.

또, 특허문헌 1에 기재된 센서는 서미스터를 내통 파이프(4)와 금속 튜브(5)의 2중 파이프에 수용한 구성을 가지지만, 내통 파이프(4)와 금속 튜브(5)가 그 선단에서 TIG 용접부(15)에 의해서 고정되어 있기 때문에, 이것 역시 파이트 전체가 수축됨으로써 서미스터가 후측으로 밀리게 된다.

따라서, 본 발명은 감온소자의 소자 전극선과 시스 심선과의 접합부에 걸리는 응력을 완화할 수 있는 온도센서의 제공을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 온도센서는, 감온부와 상기 감온부에서 연장되는 1쌍의 소자 전극선을 가지는 감온소자와; 상기 소자 전극선에 접합부를 통해서 접속되는 시스 심선과 상기 시스 심선을 절연재의 사이에 내포하는 시스 외관을 가지는 시스부재와; 바닥부를 가지는 통형상을 이루며, 선단이 되는 바닥부측에 적어도 상기 감온소자 및 상기 접합부를 수용하고, 상기 소자 전극선 및 시스 심선이 연장되는 방향으로 연장되는 금속제의 내통과; 개구단을 가지는 통형상을 이루며, 상기 내통의 축방향에 수직인 방향에서 보았을 때, 상기 개구단이 상기 접합부보다 선단측에서 또한 상기 내통의 바닥부까지의 영역에 위치하도록 상기 내통을 덮으며, 상기 접합부보다 선단측에서 상기 내통과 이간(離間)되어 있는 외통;을 구비하고 있다.

이와 같은 구성으로 하면, 내통의 선단이 항상 외통의 개구단에서 표출되는 한편, 접합부가 항상 외통에 의해서 차폐된다. 따라서, 온도센서가 고온영역에서 저온영역으로 급냉되었을 때, 외주측의 외통은 냉각에 의해서 수축되지만, 외통에 의해서 차폐되어 있는 내통에는 급격한 온도변화가 전달되기 어렵고, 또한 외통이 접합부보다 선단측에서 내통과 이간되어 있기 때문에, 급격한 온도변화에 의한 외통의 수축에 내통이 추종하는 일이 없어 내통의 수축량이 적어지게 된다. 특히, 접 합부를 외통이 차폐하고 있기 때문에, 온도변화에 의한 내통의 수축에 기인하여 접합부에 발생하는 전단응력 등의 응력을 완화할 수 있다.

또한, 내통의 선단이 외통에서 표출되어 있기 때문에, 이 선단이 피측정가스에 쐬이게 되며, 따라서 이 선단에 내장된 감온부의 응답성을 손상시키지 않으므로, 피측정가스의 온도를 정밀도 좋게 측정할 수 있다.

또한, 접합부를 외통이 차폐하고 있음에 의해서 접합부 근방에 가해지는 온도변화를 완화시킬 수 있기 때문에, 접합부에 발생하는 열응력도 작게 할 수 있어 온도센서의 신뢰성이 일층 높아지게 된다.

상기 내통의 축방향에 수직인 방향에서 보았을 때, 상기 접합부보다 후단측에 상기 내통 또는 상기 시스 외관과 상기 외통을 고정하는 고정부를 구비하여도 된다.

이와 같은 구성으로 하면, 접합부보다 후단측에서 외통을 고정할 수 있기 때문에, 급격한 온도변화에 의한 외통의 수축에 내통이 추종하는 것을 유효하게 방지할 수 있다.

상기 내통의 축방향에 수직인 방향에서 보았을 때, 상기 개구단이 상기 감온부의 후단보다 선단측에 위치하여도 된다.

이와 같은 구성으로 하면, 온도변화에 의한 수축에 의해서 전단응력 등의 응력이 걸리는 접합부에 가까운 소자 전극선을 외통이 덮고 있기 때문에, 접합부의 응력을 더 완화할 수 있다.

상기 내통의 축방향에 수직인 방향에서 보았을 때, 상기 개구단이 상기 감온 부의 선단보다 후단측에 위치하여도 된다.

이와 같은 구성으로 하면, 감온부 근방의 내통이 항상 피측정가스에 쐬이기 때문에, 내장된 감온부의 응답성이 더 향상되며, 피측정가스의 온도의 측정 정밀도가 일층 더 향상된다.

상기 감온소자와 상기 내통의 내면과의 사이에 절연재가 충전되어 있어도 된다.

이와 같은 구성으로 하면, 내통으로부터의 온도가 감온소자에 신속하게 전달되기 때문에, 감온소자의 응답성이 더 향상한다.

상기 접합부보다 선단측에서 상기 내통과 상기 외통이 이간되어 있는 부분에 있어서, 상기 내통의 최대 외경을 ø1으로 하고, 상기 외통의 최소 내경을 ø2로 하였을 때, ø1〈ø2≤2×ø1의 관계를 만족하여도 된다.

이와 같은 구성으로 하면, 접합부보다 선단측에서 내통과 외통을 확실하게 이간시킬 수 있고, 외통에 의한 접합부의 차폐효과를 유효하게 발휘시킬 수 있다. 한편으로는 외통이 내통보다 너무 크게 되지 않기 때문에(최대라 하더라도 외통의 내경이 내통의 외경의 2배 이하), 차폐효과가 떨어지는 가능성을 저감하면서, 코킹 등에 의해서 외통을 부착할 때에 코킹불량 등이 발생하기 어렵고, 생산성이나 조립 정밀도가 향상된다.

본 발명에 의하면, 감온소자의 소자 전극선과 시스 심선과의 접합부에 걸리 는 응력을 완화함으로써 접합부의 단선 등을 방지할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명한다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 온도센서(100x)의 일부를 파단한 단면구조를 나타낸다. 온도센서(100x)는 배기관의 측벽(200)의 개구부에 삽입하여 부착되며, 자동차의 배기가스의 온도를 검출한다. 그리고, 배기가스의 온도가 0℃ 전후의 저온영역에서부터 1000℃ 전후의 고온영역까지 급격하게 변화함에 따라서 온도센서(100x)도 상기 온도범위 내에서 상승-냉각하는 냉열사이클을 받게 된다.

온도센서(100x)는 서미스터 소자(감온소자)(102)와; 서미스터 소자(102)에 접속되는 시스부재(106)와; 서미스터 소자(102) 및 시스부재(106)를 수용하며, 바닥부를 가지는 통형상의 금속제(본 실시형태에서는 SUS310S를 사용)의 내통(112)과; 내통(112)과 같은 축에 배치되며, 내통(112)을 덮는 통형상의 금속제(본 실시형태에서는 SUS310S를 사용)의 외통(120)과; 내통(112)의 외주에 끼워맞춰지는 플랜지부재(140)와; 플랜지부재(140)의 외주에 유동 가능하게 끼워지는 부착부재(150)와; 플랜지부재(140)의 후단측에 부착되는 통형상의 금속제의 커플링(160)과; 커플링(160)의 후단에 부착되며, 리드선(173)을 외부로 인출하는 탄성밀봉부재(174);를 구비하고 있다.

또한, 본 발명의 온도센서(100x)에 있어서, 내통(112)의 '바닥부'측을 '선단'이라 하고, 내통(112)의 '개방단'측을 '후단'이라 한다.

서미스터 소자(감온소자)(102)는 온도를 측정하기 위한 서미스터 소결체(감온부)(103)와, 서미스터 소결체(103)의 일단(후단)측에서 연장되는 1쌍의 소자 전극선(104)을 가진다.

서미스터 소결체(103)는 육각 기둥형상을 이루며, 기둥의 축방향을 내통(112)의 축방향과 수직으로 하여 내통(112) 내에 배치된다. 서미스터 소결체(103)로서는 (Sr,Y)(Al,Mn,Fe)O₃를 베이스 조성으로 한 페로브스카이트형 산화물을 이용할 수 있는데, 이것에 한정되는 것은 아니다. 또, 감온부로서는 상기 서미스터 외에 Pt 등의 저항체를 이용할 수도 있다.

시스부재(106)는 서미스터 소자(102)의 1쌍의 소자 전극선(104)에 각각 접속되는 시스 심선(108)과 이 시스 심선(108)을 수용하는 시스 외관(107)을 가지며, 시스 심선(108)과 시스 외관(107)의 내면과의 사이에 SiO₂로 이루어지는 절연재가 충전되어 있다.

통상, 소자 전극선(104)은 고가의 Pt-Rh선 등으로 이루어지기 때문에, SUS 등으로 이루어지는 저렴한 시스 심선(108)과 접속함으로써 비용절감을 도모하고 있다.

플랜지부재(140)는 내통(112)을 끼워 통과시키기 위한 중심구멍이 축방향으로 개구되는 대략 원통형상을 이루며, 온도센서(100x)의 선단측에서부터 큰 지름의 턱부(142), 턱부(142)보다 작은 지름으로 된 통형상의 삽입부(143), 삽입부(143)에 있어서의 선단측을 구성하는 제 1 단차부(144), 및 삽입부(143)에 있어서의 후단측 을 구성하며 제 1 단차부(144)보다 작은 지름으로 된 제 2 단차부(146)가 순차적으로 형성되어 있다. 턱부(142)의 선단면은 테이퍼형상의 시트면(145)을 가지며, 후술하는 부착부재(150)를 배기관에 나사결합할 때에 시트면(145)이 배기관의 측벽(200)에 눌려 붙여짐으로써 밀봉되도록 되어 있다.

플랜지부재(140)는 내통(112)의 후단부에 압입되며, 제 2 단차부(146)와 내통(112)을 전 둘레에 걸쳐서 레이저 용접함으로써 양자가 고정되어 있다.

또, 제 1 단차부(144)의 외주에 커플링(160)이 압입되며, 제 1 단차부(144)와 커플링(160)을 전 둘레에 걸쳐서 레이저 용접함으로써 양자가 고정되어 있다. 커플링(160)은 시스부재(106)에서 인출된 시스 심선(108)과 리드선(173)의 접속부분을 수용하여 유지한다.

부착부재(150)는 커플링(160)의 외주보다 약간 큰 지름으로 된 중심구멍을 축방향으로 가지며, 온도센서(100x)의 선단측에서부터 나사부(152), 나사부(152)보다 큰 지름으로 된 육각 너트부(151)가 순차적으로 형성되어 있다. 그리고, 플랜지부재(140)의 턱부(142)의 후면에 나사부(152)의 전면을 맞닿게 한 상태에서, 부착부재(150)가 플랜지부재(140){커플링(160)}의 외주에 유동 가능하게 끼워지며, 축방향으로 회동 가능하게 되어 있다.

그리고, 나사부(152)가 배기관의 소정의 나사구멍에 나사결합됨으로써, 온도센서(100x)가 배기관의 측벽(200)에 부착된다.

외통(120)은 양단이 개구되는 통형상을 이루며, 내통(112)을 덮도록 하되, 내통(112)에 있어서의 플랜지부재(140)보다 선단측에 위치하는 부분의 거의 중앙위 치에서 코킹하여 코킹부(고정부)(120b)를 형성함으로써 내통(112)에 고정된다. 외통(120)의 선단(120a)은 내통(112)의 선단(112a)보다 약간 후퇴하여 있고, 외통(120)의 후단은 턱부(142)의 시트면(145)에 거의 접하는 위치까지 연장되어 있다.

또, 배기관의 측벽(200)의 개구부의 지름은 외통(120)의 외경보다 약간 크게 되어 있으며, 배기관의 측벽(200)의 개구부 내에 외통(120)을 수용할 수 있도록 되어 있다.

시스부재(106)의 시스 외관(107)의 후단에서는 2개의 시스 심선(108)이 인출되어 있으며, 각 시스 심선(108)의 종단이 코킹 단자(172)에 접속되고, 코킹 단자(172)는 리드선(173)에 접속되어 있다. 또한, 각 시스심선(108) 및 코킹 단자(172)는 각각 절연 튜브(171)에 의해서 절연되어 있다.

그리고, 각 리드선(173)은 커플링(160)의 후단 내측에 끼워맞춰진 탄성밀봉부재(174)의 리드선 관통구멍을 통해서 외부로 인출되고, 도시하지 않은 커넥터를 통해서 외부회로와 접속되어 있다.

이어서, 도 1의 부분 확대도인 도 2를 참조하여 본 발명의 특징부분인 외통(120)에 대해서 설명한다. 또한, 도 2는 2개의 소자 전극선 중 어느 일측의 소자 전극선이 도시되도록, 온도센서의 축방향으로 평행하게 절단한 단면을 나타낸다.

도 2에 있어서, 내통(112)의 바닥부(선단)측의 내부 공간에 서미스터 소자(102)가 배치되어 있으며, 서미스터 소결체(103)의 후단(103r)에서 내통(112)의 축방향(L)을 따라서 소자 전극선(104)이 연장되어 있다. 또, 시스부재(106)의 시스 외관(107)은 내통(112)과 같은 축을 중심으로 하여 내통(112)에 수용되어 있으며, 시스부재(106)의 시스 외관(107)의 선단에서 인출된 시스 심선(108)과 상기 소자 전극선(104)의 선단끼리가 서로 겹쳐져 있다.

그리고, 소자 전극선(104)과 시스 심선(108)의 겹쳐진 부분을 레이저 스폿 용접하여 접합부(110)를 형성함으로써, 양자가 접합부(110)를 통해서 접합된다. 이와 같이 내통(112)에 수용된 서미스터 소자(102)와 시스부재(106)가 접속되고, 공극에 절연재(114)가 충전됨으로써, 서미스터 소자(102)와 시스부재(106)가 내통(112)에 유지되도록 되어 있다. 절연재(114)는, 예를 들면 알루미나를 주체로 하고 실리카를 골재로 하는 미(未)고화상태의 시멘트를 상기 공극에 충전하고 고화함으로써 형성할 수 있다.

여기서, 내통(112)의 축방향(L)에 수직인 방향에서 보았을 때, 접합부(110)의 선단을 'J'라 하고, 서미스터 소결체(103)의 후단(103r)의 위치를 'R'이라 하고, 서미스터 소결체(103)의 선단(103f)의 위치를 'F'라 하고, 내통(112)의 선단(112a)의 위치를 'B'라 한다. 또한, "내통(112)의 선단(112a)(위치 B)"은 청구항 1에 있어서의 "내통의 바닥부"에 대응한다. 또, "내통의 바닥부까지의 영역"이란, 축방향(L)에 수직인 방향에서 보았을 때, "위치 B보다 후단측(위치 B와 같은 위치도 포함한다)"을 의미한다.

이 때, 외통(120)의 선단(개구단)(120a)의 위치 X는 위치 J보다 선단측에서 또한 위치 B보다 후단측(내통의 바닥부까지의 영역)에 있다. 또한, 외통(120)은 위치 J보다 선단측에서 내통(112)과 이간되어 있다.

외통(120)을 이와 같이 구성하면, 내통(112)의 선단(112a)이 외통(120)의 개구단(120a)에서 표출되는 한편, 접합부(110)가 외통(120)에 의해서 차폐된다. 따라서, 온도센서(100x)가 고온영역에서 저온영역으로 급냉되었을 때, 외주측의 외통(120)은 냉각에 의해서 도 2(b)에 나타낸 바와 같이 수축되지만, 외통(120)에 의해서 차폐되어 있는 내통(112)에는 급격한 온도변화가 전달되기 어렵다. 또한, 외통(120)이 접합부(110)보다 선단측에서 내통(112)과 이간되어 있기 때문에, 급격한 온도변화에 의한 외통(120)의 수축에 내통(112)이 추종하는 일이 없어, 내통(112)의 수축량도 적어지게 된다. 특히, 접합부(110)(위치 J)를 외통(120)이 차폐하고 있기 때문에, 온도변화에 의한 내통(112)의 수축에 기인하여 접합부(110)에 발생하는 전단응력 등의 응력을 완화할 수 있다.

또한, 내통(112)의 선단(112a)이 외통(120)에서 표출되어 있기 때문에, 선단(112a)이 배기가스에 쐬이게 되며, 따라서 선단(112a)에 수용된 서미스터 소결체(감온부)(103)의 응답성을 손상시키지 않으므로 배기가스의 온도를 정밀도 좋게 측정할 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서, "위치 X가 위치 B보다 후단측에 있다"라는 것은 위치 X와 위치 B가 일치하는 경우도 포함하는 것으로 한다. 양자가 일치하면, 배기가스의 기류에 의해서 선단(112a)이 배기가스에 쐬이기 때문이다.

또한, 접합부(110)를 외통(120)이 차폐하고 있음에 의해서 접합부(110) 근방에 가해지는 온도변화를 완화시킬 수 있기 때문에, 접합부(110)에 발생하는 열응력도 작게 할 수 있어, 온도센서의 신뢰성이 일층 높아지게 된다.

또한, 본 실시형태에서는 외통(120)의 외경이 4.45㎜ 두께가 0.3㎜이고, 내 통(112)의 외경이 2.65㎜인 것이 예시되어 있으며, 이 경우, 외통(120)과 내통(112)의 이간(離間)거리는 0.6㎜이다.

또, 본 실시형태에서는 접합부(110)보다 선단측에서 내통(112)과 외통(120)이 이간되어 있는 부분에 있어서, 내통의 최대 외경을 ø1으로 하고, 외통의 최소 내경을 ø2로 하였을 때, ø1〈ø2≤2×ø1의 관계를 만족하고 있다.

이와 같은 구성으로 하면, 접합부(110)보다 선단측에서 내통(112)과 외통(120)을 확실하게 이간시킬 수 있고, 상기한 바와 같이 외통(120)에 의한 접합부(110)의 차폐효과를 유효하게 발휘시킬 수 있다. 한편으로는 외통(120)이 내통(112)보다 너무 크게 되지 않기 때문에{최대라 하더라도 외통(120)의 내경이 내통(112)의 외경의 2배 이하}, 차폐효과가 떨어지는 가능성을 저감하면서, 코킹 등에 의해서 외통을 부착할 때에 코킹불량 등이 발생하기 어렵고, 생산성이나 조립 정밀도가 향상된다.

또한, 도 2(a)의 단면에 있어서, 내통(112)의 상면과 외통(120)과의 사이에 간극(G1)이 형성되고, 내통(112)의 하면과 외통(120)과의 사이에 간극(G2)이 형성되어 있다. 이 경우, ø2-ø1=G1+G2의 관계를 만족한다.

또한, 외통의 단면이 원형이 아닌 경우(예를 들면, 타원형인 경우), 외통의 중심에서 지름방향 외측으로 향해서 외통의 내면에 이르는 거리 중 가장 짧은 거리의 2배의 값을 ø2로 한다. 마찬가지로 내통의 단면이 원형이 아닌 경우(예를 들면, 타원형인 경우), 내통의 중심에서 지름방향 외측으로 향해서 내통의 외면에 이르는 거리 중 가장 긴 거리의 2배의 값을 ø1으로 한다.

또, ø1, ø2는 접합부(110)보다 선단측에서 외통(120)의 선단까지의 부분을 대칭으로 한다. 예를 들면, 외통(120)이 선단으로 향하여 갈수록 그 내경이 점차 작아지게 되는 테이퍼 형상인 경우는, 외통(120)의 선단에서의 내경을 ø2로 하여 채용한다.

또한, 본 실시형태에서는 위치 J보다 후단측에서 코킹부(120b)에 의해서 외통(120)이 내통(112)에 고정되어 있다. 내통(112)과 외통(120)의 고정위치를 위치 J보다 후단측에서 하면, 급격한 온도변화에 의한 외통(120)의 수축에 내통(112)이 추종하는 것을 유효하게 방지할 수 있다. 특히, 내통(112)과 외통(120)의 고정위치를 위치 S보다 후단측에서 하는 것이 더 바람직하다.

또, 외통(120)의 후단은 적어도 접합부(110)에서 연장되는 시스 심선(108){시스 외관(107)의 선단에서 노출된 시스 심선(108)}의 후단(위치 S)까지 연장되어 있을 필요가 있다.

또한, 위치 X가 위치 R보다 선단측에 있으면, 온도변화에 의한 수축에 의해서 전단응력이 걸리는 접합부(110)에 가까운 소자 전극선(104)을 외통(120)이 덮고 있기 때문에, 접합부(110)의 응력을 더 완화할 수 있다.

또, 위치 X가 위치 F보다 후단측에 있으면, 서미스터 소결체(감온부)(103) 근방의 내통(112)이 항상 배기가스에 쐬이기 때문에, 서미스터 소결체(감온부)(103)의 응답성이 더욱 더 향상되며, 배기가스의 온도의 측정 정밀도가 일층 더 향상된다.

또한, 본 실시형태에서는 서미스터 소결체(감온부)(103)와 내통(112)과의 사 이의 공극에 절연재(114)가 충전되어, 서미스터 소결체(103)가 내통(112)과 강고하게 일체화되어 있다. 따라서, 내통(112)이 온도변화에 의해서 수축되었을 때에 서미스터 소결체(103)가 후측{시스부재(106)측}으로 밀리는 정도가 크게 되기 때문에, 본 발명의 효과가 더 현저하게 된다. 또, 서미스터 소결체(103)와 내통(112)과의 사이의 공극에 절연재(114)를 충전하면, 내통(112)으로부터의 온도가 서미스터 소결체(103)에 신속하게 전달되기 때문에, 서미스터 소결체(103)의 응답성이 더욱 더 향상된다.

내통(112)에 서미스터 소결체(103)를 유지하는 구조로서는 상기한 바와 같이 절연재를 충전하는 구조 외에, 서미스터 소결체(103) 주위에 홀더를 배치하고 이 홀더 내에 절연재를 충전하여 서미스터 소결체(103)를 유지하는 유지구조, 서미스터 소결체(103)를 내통(112)의 선단 내벽이나 측벽에 맞닿게 한(접착 등) 유지구조 등을 들 수 있으며, 본 발명에 있어서는 이러한 유지구조를 채용하여도 된다.

다음은 도 3을 참조하여 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 온도센서(100y)에 대해서 설명한다. 도 3은 온도센서(100y)의 일부를 파단한 단면 구조를 나타낸다. 또한, 온도센서(100y)는 플랜지부재(140y) 및 외통(120y)의 구성이 다른 것 이외에는 제 1 실시형태와 동일하므로, 제 1 실시형태와 동일한 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 그 설명을 생략한다.

온도센서(100y)에 있어서는 내통(112)에 대한 외통(120y)의 고정에 코킹을 이용하지 않고 플랜지부재(140y)를 이용한 점이 제 1 실시형태와 다르다. 즉, 플랜지부재(140y)의 턱부(142)의 선단면에 형성된 시트면(145)에서 선단측으로 통형상 의 가이드부(145a)가 연이어 형성되어 있다. 가이드부(145a)는 플랜지부재(140y)와 동심의 중심구멍을 가지며, 가이드부(145a)의 외경은 외통(120y)의 내경보다 약간 크다.

그리고, 도 4(a)에 나타낸 바와 같이 가이드부(145a)에 외통(120y)을 끼우고 양자를 용접하면, 용접부(w)에 의해서 외통(120y)이 가이드부(145a)에 고정된다. 이와 같이 한 온도센서(100y)를 배기관의 측벽(200)에 부착하여도 된다.

또, 용접을 이용하지 않고 외통(120y)을 고정하는 방법으로서, 도 4(b)에 나타낸 바와 같이 외통(120y)의 후단을 시트면(145)을 따라서 확장하여 턱부(120z)를 형성하는 방법을 들 수 있다. 이 경우, 가이드부(145a)에 외통(120y)을 끼운 후, 온도센서(100y)를 배기관의 측벽(200)에 삽입하면, 턱부(120z)가 시트면(145)과 측벽(200)과의 사이에 끼워져서 유지된다.

또한, 도 4(a)에 나타내는 제 2 실시형태에 있어서는 가이드부(145a)가 외통(120y)의 고정부가 된다. 또, 도 4(b)에 나타내는 제 2 실시형태에 있어서는 시트면(145)이 외통(120y)의 고정부가 되며, 온도센서(100y)를 대상물에 부착하였을 때에 시트면(145)이 고정부로서 기능하게 된다.

다음은 도 5를 참조하여 본 발명의 제 3 실시형태에 관한 온도센서(100z)에 대해서 설명한다. 도 5는 도 2에 대응한 부분 확대도로서, 2개의 소자 전극선(104) 중 어느 일측의 소자 전극선이 도시되도록, 온도센서(100z)의 축방향으로 평행하게 절단한 단면을 나타낸다. 또한, 온도센서(100z)는 내통(1120)의 구성이 다른 것 이외에는 제 1 실시형태와 동일하므로, 제 1 실시형태와 동일한 부분에 대해서는 동 일한 부호를 붙이고 그 설명을 생략한다. 또, 도 5에 도시를 생략한 부분의 구성은 도 1과 동일하다.

온도센서(100z)에 있어서는 내통(1120)이 서미스터 소자(102)에서부터 위치 S까지의 영역을 덮은 후, 위치 S 근방에서 시스 외관(107)의 선단에 전 둘레에 걸쳐서 레이저 용접되고, 이 용접위치보다 후단측에는 내통(1120)이 존재하지 않고 시스 외관(107)이 노출되어 있다. 그리고, 외통(120)은 코킹{코킹부(120b)}되어 시스 외관(107)에 고정되어 있다. 또한, 시스부재(106)의 후단측은 플랜지부재(140)의 중심구멍에 삽입되어 당해 플랜지부재(140)에 유지된다.

본 발명은 상기한 실시형태에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상과 범위에 포함되는 여러 가지 변형 및 균등물에 미치는 것은 말할 필요도 없다. 예를 들면, 외통의 재질은 특히 한정되는 것이 아니며, 금속 이외에 세라믹스 등의 각종 내열재료를 이용할 수도 있다.

《실시예》

도 1에 나타낸 구조를 가지며, 내통(112)의 외경이 2.65㎜이고, 또한 외통(120)과 내통(112)의 간극{도 2의 (G1+G2)/2의 값}이 표 1에 나타내는 값이 되도록 각각의 지름이 다른 외통(120)을 부착한 온도센서를 제조하였다.

이 온도센서를 소정의 챔버 내에 부착하고, 외부의 버너에 의해서 챔버 내에 800℃의 가열공기를 5분간 불어 넣었다. 그 후, 버너를 멈추고, 챔버 내에 상온의 공기를 1분간 불어 넣어서 냉각하였다. 이 가열 및 냉각을 1사이클로 하여 표 1에 나타내는 사이클수의 열이력(熱履歷)을 챔버 내의 온도센서에 가하였다. 또한, 열 이력을 가하고 있는 동안, 챔버를 150∼3000㎐의 사이에서 주파수를 스위프하면서 진동시켰다. 실험종료후, 온도센서를 분해하여 접합부(110)의 용접부분에서 단선이 발생하였는지 아닌지를 육안으로 판정하였다. 얻어진 결과를 표 1에 나타낸다.

외통	외통과 내통의 간극 (㎜)	내통의 최대 외경 ø1(㎜)	외통의 최소 외경 ø2(㎜)	ø2/ø1	열이력의 사이클수	접합부의 상태
없음	-	2.65	-	-	1300	×
	-	2.65	-	-	2000	×
	-	2.65	-	-	1600	×
있음	0.6	2.65	3.85	1.45	4000	○
	0.6	2.65	3.85	1.45	3500	○
	1.3	2.65	5.25	1.45	3500	○

표 1에서 분명한 바와 같이, 외통을 설치한 경우에는 진동 하에서 열이력을 가하더라도 접합부의 용접부분이 단선되지 않아, 접합부에 대한 응력을 완화하는 것을 알 수 있었다.

한편, 외통을 설치하지 않은 경우에는 진동 하에서 열이력을 가하면 접합부의 용접부분이 단선되어, 접합부에 대한 응력을 완화할 수 없는 것을 알 수 있었다.

그리고, 표 1에 나타내는 각 온도센서(외통이 없는 것, ø2/ø1=1.45, 1.98인 것)를 각각 600℃의 전기로(대기 분위기)의 하류의 배관에 부착하고, 배관 내의 유속을 20m/s로 하여 온도센서에 의한 온도측정을 하였다. 다만, 각 온도센서는 상기한 열이력을 가하기 전의 것으로 하였다.

전기로에서의 온풍을 배관 내로 흘려 보내기 시작한 후의 시간에 대해서 온도센서에 의한 온도 측정값을 도 7에 나타낸다. 도 7의 곡선은 온도센서의 선단에 내장된 감온부의 응답성을 나타내는 것인데, 응답성의 평가로서 측정 개시후 25초의 측정값이 500℃ 이상에 도달하면 응답성이 양호한 것으로 한다. 그리고, ø2/ø1=1.45∼1.98의 범위는 외통이 없는 경우(즉, 가장 응답성이 높은 경우)와 마찬가지로 응답성이 양호하다는 것을 확인할 수 있었다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 온도센서의 일부를 파단한 단면 구조도

도 2는 도 1의 부분 확대도

도 3은 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 온도센서의 일부를 파단한 단면 구조도

도 4는 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 온도센서에 있어서의 외통의 고정상태를 나타내는 부분 단면도

도 5는 본 발명의 제 3 실시형태에 관한 온도센서의 단면의 부분 확대도

도 6은 종래의 온도센서의 단면의 부분 확대도

도 7은 온도센서의 감온부의 응답성을 나타내는 도면

* 도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100x,100y,100z - 온도센서 102 - 서미스터 소자(감온소자)

103 - 서미스터 소결체(감온부) 104 - 소자 전극선

106 - 시스부재(sheath member) 107 - 시스 외관

108 - 시스 심선 110 - 접합부

112,1120 - 내통 114 - 절연재

120,120y - 외통 120a - 외통의 개구단

120b,145,145a - 고정부

X - 내통의 축방향에 수직인 방향에서 보았을 때의 개구단의 위치

J - 내통의 축방향에 수직인 방향에서 보았을 때의 접합부의 위치

B - 내통의 축방향에 수직인 방향에서 보았을 때의 내통의 바닥부의 위치

F - 내통의 축방향에 수직인 방향에서 보았을 때의 감온부의 선단의 위치

R - 내통의 축방향에 수직인 방향에서 보았을 때의 감온부의 후단의 위치

L - 내통의 축방향

Claims

감온부와 상기 감온부에서 연장되는 1쌍의 소자 전극선을 가지는 감온소자와,

상기 소자 전극선에 접합부를 통해서 접속되는 시스 심선과 상기 시스 심선을 절연재의 사이에 내포하는 시스 외관을 가지는 시스부재와,

바닥부를 가지는 통형상을 이루며, 선단이 되는 바닥부측에 적어도 감온소자 및 접합부를 수용하고, 상기 소자 전극선 및 시스 심선이 연장되는 방향으로 연장되는 금속제의 내통과,

개구단을 가지는 통형상을 이루며, 내통의 축방향에 수직인 방향에서 보았을 때, 상기 개구단이 접합부보다 선단측에서 또한 내통의 바닥부까지의 영역에 위치하도록 내통을 덮으며, 상기 접합부보다 선단측에서 내통과 이간되어 있는 외통을 구비한 것을 특징으로 하는 온도센서.
청구항 1에 있어서, 상기 내통의 축방향에 수직인 방향에서 보았을 때, 상기 접합부보다 후단측에 상기 내통 또는 상기 시스 외관과 상기 외통을 고정하는 고정부를 구비한 것을 특징으로 하는 온도센서.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 내통의 축방향에 수직인 방향에서 보았을 때, 상기 개구단이 상기 감온부의 후단보다 선단측에 위치하는 것을 특징으로 하는 온도센서.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 내통의 축방향에 수직인 방향에서 보았을 때, 상기 개구단이 상기 감온부의 선단보다 후단측에 위치하는 것을 특징으로 하는 온도센서.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 감온소자와 상기 내통의 내면과의 사이에 절연재가 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 온도센서.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 접합부보다 선단측에서 상기 내통과 상기 외통이 이간되어 있는 부분에 있어서, 상기 내통의 최대 외경을 ø1으로 하고, 상기 외통의 최소 내경을 ø2로 하였을 때, ø1〈ø2≤2×ø1의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 온도센서.