JP2018036188A - 温度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】応答性及び耐熱性を良好に維持することができる温度センサを提供すること。【解決手段】温度センサ１は、熱電対を形成するための異種金属材料からなる第１素線２１及び第２素線２２と、第１素線２１及び第２素線２２が合わさった測温接点２３と、測温接点２３を覆う素管３と、素管３内に配置され、第１素線２１、第２素線２２及び測温接点２３と素管３とを絶縁する絶縁粉末４とを備える。第１素線２１は、第２素線２２よりも太い。【選択図】図１

Description

本発明は、異種金属材料からなる一対の素線を備える温度センサに関する。

内燃機関の排ガスの温度等を測定する温度センサにおいては、温度変化を受けて電気抵抗値が変化することを利用したサーミスタタイプの他にも、温度変化を受けて一対の素線に生じる起電力が変化することを利用した熱電対タイプが用いられる。
熱電対タイプの温度センサにおいては、一対の素線及び一対の素線が合わさった測温接点が、金属製の素管によって覆われており、一対の素線及び測温接点が絶縁粉末によって素管内に固定される。例えば、特許文献１の金属シース・ケーブルにおいては、鉱物質絶縁材料によってシース合金内に一対の熱電対導線を固定することが記載されている。また、例えば、特許文献２の試料温度検出装置においては、太さの異なる２種の熱電対素線のうち、太い方の素線を補強パイプ内に挿通させ、細い方の素線を補強パイプの外部に配置することが記載されている。

特開昭６３−２９３１３３号公報 特開平４−６２４６０号公報

特許文献１の金属シース・ケーブル等を用いた温度センサにおいては、温度を測定する応答性を高めるために、一対の素線を細くするとともに素管を細くし、温度センサの熱容量を小さくすることが考えられる。しかし、排ガス等による高温環境下の温度を測定する温度センサにおいては、一対の素線が絶縁粉末によって素管の内部に固定されており、一対の素線、絶縁粉末及び素管のそれぞれの線膨張係数の違いにより熱応力が生じる。

そして、特に、一対の素線が細くなる場合には、一対の素線の強度が低下し、一対の素線が熱応力によって破断するおそれがある。従って、温度センサの応答性及び耐熱性を維持するためには、更なる工夫が必要とされる。
なお、特許文献２における熱電対素線は、素管の内部に絶縁粉末によって固定されていない。そのため、特許文献２には、熱電対素線の耐熱性を維持するための工夫は何ら開示されていない。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、応答性及び耐熱性を良好に維持することができる温度センサ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、熱電対を形成するための異種金属材料からなる第１素線（２１）及び第２素線（２２）と、前記第１素線及び前記第２素線が合わさった測温接点（２３）と、前記測温接点を覆う素管（３）と、前記素管内に配置され、前記第１素線、前記第２素線及び前記測温接点と、前記素管とを絶縁するとともに固定する絶縁粉末（４）とを備え、
前記第２素線は、前記第１素線よりも細い、温度センサにある。

前記温度センサにおいては、素管内に配置された第１素線、第２素線及び測温接点が、絶縁粉末によって、素管と絶縁されるとともに素管に固定されている。そして、第２素線は、第１素線よりも細い。第２素線が細くなることに伴って、素管も細くすることができる。これにより、温度センサの熱容量が小さくなり、温度センサによって温度を測定する際の応答性を良好に維持することができる。また、一対の素線のうち、熱応力に弱い材質を有する方の素線を第１素線とし、熱応力に強い材質を有する方の素線を第２素線とすることにより、温度センサの耐熱性（耐熱ストレス性）も良好に維持することができる。

それ故、前記温度センサによれば、応答性及び耐熱性を良好に維持することができる。

また、温度センサの組付を行うときには、第１素線と第２素線との太さの違いを確認することによって、第１素線と第２素線とを識別することができる。これにより、第１素線と第２素線との極性の識別を、特別なマーク、印等を用いずに行うことができる。そのため、熱電対を利用する温度センサの組付性を向上させることができる。

なお、本発明の一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１にかかる、温度センサの要部を示す説明図。 実施形態１にかかる、温度センサの要部を示す、図１のII−II線断面図。 実施形態１にかかる、温度センサの全体を示す説明図。 実施形態１にかかる、他の温度センサの要部を示す説明図。 実施形態１にかかる、ＭＩケーブルの先端部における外管及び絶縁物を除去した状態を示す説明図。 実施形態１にかかる、ＭＩケーブルにおける一対の素線の先端を接合した状態を示す説明図。 実施形態１にかかる、素管に配置された絶縁粉末ペースト内に、測温接点及び一対の素線を配置する状態を示す説明図。 実施形態２にかかる、温度センサの要部を示す説明図。 実施形態２にかかる、温度センサの要部を示す、図８のIX−IX線断面図。 実施形態２にかかる、他の温度センサの要部を示す、図８のIX−IX線断面相当図。 実施形態２にかかる、ＭＩケーブルにおける一対の素線に碍子管を配置し、一対の素線の先端を接合した状態を示す説明図。 実施形態２にかかる、素管に配置された絶縁粉末ペースト内に、測温接点、一対の素線及び碍子管を配置する状態を示す説明図。

前述した温度センサ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１）
本形態の温度センサ１は、図１、図２に示すように、熱電対を形成するための異種金属材料からなる第１素線２１及び第２素線２２と、第１素線２１及び第２素線２２が合わさった測温接点２３と、測温接点２３を覆う素管３と、素管３内に配置され、第１素線２１、第２素線２２及び測温接点２３と素管３とを絶縁する絶縁粉末４とを備える。第１素線２１は、第２素線２２よりも太い。

以下に、本形態の温度センサ１について詳説する。
図１に示すように、素管３は、金属製であって有底円筒形状を有しており、金属製の外管５の先端部に装着されている。第１素線２１及び第２素線２２は、互いに平行な状態で外管５の内部に挿通されており、外管５内には、各素線２１，２２を絶縁した状態で固定する絶縁物５１が充填されている。絶縁物５１は、セラミックスの絶縁粉末であってもよく、セラミックスの固形絶縁管であってもよい。また、絶縁物５１は、セラミックスの絶縁粉末及び固形絶縁管を併用したものであってもよい。絶縁物５１を構成するセラミックスは、ＭｇＯ（マグネシア）からなる。
本形態の温度センサ１においては、排気管７内に挿入される側を先端側といい、その反対側を後端側という。

図３に示すように、本形態の温度センサ１は、車両の排気管７に配置されて、排気管７を流れる排ガスＧの温度を測定するものである。外管５の後端部には、排気管７に設けられた挿入穴７１に掛止される掛止部材５２が設けられている。温度センサ１は、掛止部材５２が挿入穴７１に掛止された状態で、外管５の外周に配置されたニップル５３を挿入穴７１に締め付けることによって、排気管７に取り付けられる。

掛止部材５２には、掛止部材５２から後端側に伸びる取付外管５４が設けられている。取付外管５４内には、絶縁物５１から後端側に引き出された一対の素線２１，２２がそれぞれ接続されるリード線５５が配置されている。各リード線５５は、制御装置に接続される。また、各リード線５５は、ゴム製のブッシュ５６によって取付外管５４内に保持されている。

図１に示すように、第１素線２１と第２素線２２とは、互いに異なる種類の金属によって構成されている。第１素線２１と第２素線２２との一端は、測温接点（温接点）２３として素管３内において結ばれている。また、第１素線２１と第２素線２２との他端は、各リード線５５等を介して、冷接点として結ばれている。そして、温度センサ１は、測温接点２３と冷接点との間の温度差によって起電力が生じるゼーベック効果を利用して、温度を測定するものである。

素管３内の絶縁粉末４は、セラミックスの粒子によって構成されている。第１素線２１の線膨張係数及び第２素線２２の線膨張係数は、絶縁粉末４の線膨張係数よりも大きい。また、第１素線２１に比べて細い第２素線２２の線膨張係数は、第１素線２１の線膨張係数よりも小さい。言い換えれば、一対の素線２１，２２のうちの線膨張係数が大きい方の素線を第１素線２１とするとともに、一対の素線２１，２２のうちの線膨張係数が小さい方の素線を第２素線２２とする。絶縁粉末４を構成するセラミックスは、Ａｌ₂Ｏ₃（アルミナ）からなる。

そして、第２素線２２の線膨張係数と絶縁粉末４の線膨張係数との差は、第１素線２１の線膨張係数と絶縁粉末４の線膨張係数との差よりも小さい。排ガスＧに晒されて温度センサ１が高温になるときには、第１素線２１に比べて細い第２素線２２と絶縁粉末４との間に生じる熱応力は、第１素線２１と絶縁粉末４との間に生じる熱応力よりも小さくなる。

図１に示すように、本形態の温度センサ１においては、測温接点２３と第１素線２１及び第２素線２２の全体とは絶縁粉末４中に埋設されている。絶縁粉末４は、セラミックス粉末等の骨材粒子、ガラス成分等を含むものである。測温接点２３は、第１素線２１の先端と第２素線２２の先端とが溶融して一体化し、略球状に形成されている。第１素線２１は、０．３〜１．２ｍｍの線径（外径）とし、第２素線２２は、０．１〜１．０ｍｍの線径（外径）とすることができる。

第１素線２１と第２素線２２との間隔は、外管５内においては一定であり、測温接点２３において最も接近している。素管３は、外管５側となる基端側から測温接点２３側となる先端側に向けて段階的に縮径して形成されている。素管３は、外管５の外周に装着される基端側管部３１と、基端側管部３１の先端側に繋がって基端側管部３１よりも縮径した中間管部３２と、中間管部３２の先端側に繋がって中間管部３２よりも縮径した先端側管部３３とを有している。先端側管部３３の先端は、半球面状の先端底部３３１によって閉じられている。基端側管部３１は、外管５の外周に、かしめ３１１及び接合を行って固定されている。

なお、図４に示すように、素管３内における、外管５の先端に隣接する部位には、絶縁粉末４が充填されていない空洞Ｋが形成されていてもよい。この場合にも、測温接点２３及び測温接点２３に繋がる各素線２１，２２の先端側部分は絶縁粉末４内に埋設されている。空洞Ｋが形成されている場合には、測温接点２３が設けられた温度センサ１の先端部から、温度センサ１の基端側への熱引けが生じにくくし、温度センサ１の応答性の低下を抑制することができる。

本形態の第１素線２１及び第２素線２２は、丸線であり、円形状の断面を有している。第１素線２１及び第２素線２２は、必ずしも円形状の断面を有している必要はなく、楕円形状、扁平形状等の断面を有していてもよい。いずれの場合においても、第１素線２１と第２素線２２との太さを比較する際には、断面積が大きい方の素線を第１素線２１とし、断面積が小さい方の素線を第２素線２２とすることができる。

本形態の温度センサ１は、次のようにして製造することができる。
温度センサ１は、外管（シース）５内に、絶縁物５１を介して一対の素線２１，２２が挿通されたＭＩケーブル（無機絶縁ケーブル）を利用して製造する。ＭＩケーブルにおける一対の素線２１，２２の線径は、線膨張係数が大きい方の素線が太くなるように互いに異ならせておく。

まず、図５に示すように、ＭＩケーブルの先端部における外管５及び絶縁物５１を除去し、一対の素線２１，２２を露出させる。次いで、図６に示すように、ＭＩケーブルの先端部において露出する一対の素線２１，２２の先端を接近させ、一対の素線２１，２２の先端をレーザ溶接によって接合し、測温接点２３を形成する。

次いで、図７に示すように、有底円筒形状の素管３の内部に、セラミックス粉末、ガラス成分及び溶媒を含む絶縁粉末ペースト４０を配置する。そして、素管３内にＭＩケーブルの外管５を挿入するとともに、素管３に配置された絶縁粉末ペースト４０内に、測温接点２３及び一対の素線２１，２２を配置し、温度センサ１の中間体を形成する。次いで、中間体を加熱し、絶縁粉末ペースト４０中の溶媒を揮発させた後、図１に示すように、素管３にかしめ３１１及び溶接を行って、素管３をＭＩケーブルの外管５に固定する。
こうして、絶縁粉末ペースト４０が絶縁粉末４となり、絶縁粉末４によって素管３内に測温接点２３及び一対の素線２１，２２が絶縁・固定された温度センサ１が形成される。

本形態の温度センサ１においては、第１素線２１に比べて線膨張係数が小さい第２素線２２を、第１素線２１よりも細くしている。そして、第１素線２１に比べて第２素線２２を細くすることに伴って、素管３も細くすることができ、素管３内の絶縁粉末４の量を減らすことができる。これにより、温度センサ１の測温先端部の熱容量が小さくなり、温度センサ１によって温度を測定する際の応答性を良好に維持することができる。

また、排ガスＧの温度変化を受けて温度センサ１の先端部が加熱・冷却されるときには、各素線２１，２２の線膨張係数が絶縁粉末４の線膨張係数よりも大きいことにより、各素線２１，２２には、各素線２１，２２が伸びる方向に熱応力としての引張応力が作用し、場合によっては素線が破断するおそれがある。そこで、本形態の温度センサ１においては、一対の素線２１，２２のうち、絶縁粉末４の線膨張係数から線膨張係数がより離れた方の素線を第１素線２１として太くし、一対の素線２１，２２のうち、絶縁粉末４の線膨張係数に線膨張係数が近い方の素線を第２素線２２として細くする。

第１素線２１に比べて細く破断しやすい第２素線２２の線膨張係数を絶縁粉末４の線膨張係数に近くすることにより、絶縁粉末４から第２素線２２に作用する引張応力を、絶縁粉末４から第１素線２１に作用する引張応力よりも小さくすることができる。これにより、線径が小さい第２素線２２を、温度センサ１の使用時に生じる熱応力から効果的に保護することができる。そのため、温度センサ１の耐熱性も良好に維持することができる。

それ故、本形態の温度センサ１によれば、応答性及び耐熱性を良好に維持することができる。

また、温度センサ１の組付を行うときには、第１素線２１と第２素線２２との太さの違いを確認することによって、第１素線２１と第２素線２２とを識別することができる。これにより、第１素線２１と第２素線２２との極性の識別を、特別なマーク、印等を用いずに行うことができる。そのため、熱電対を利用する温度センサ１の組付性を向上させることができる。

（実施形態２）
本形態の温度センサ１は、図８、図９に示すように、素管３内における一対の素線２１，２２を碍子管６内に挿通させたものである。
碍子管６には、第１素線２１を挿通させる第１挿通穴６１と、第２素線２２を挿通させる第２挿通穴６２とが形成されている。碍子管６は、外管５の外径に比べて外径が小さいセラミックスの管部材によって形成されている。碍子管６は、素管３の中間管部３２内及び先端側管部３３内に配置されている。碍子管６における第１挿通穴６１と第２挿通穴６２とは、外管５内に互いに平行に配置された第１素線２１及び第２素線２２が、互いに平行な状態を維持して挿通される位置に形成されている。

図９に示すように、本形態の碍子管６における第２挿通穴６２は、第１挿通穴６１の大きさに合わせて形成されている。そして、第１挿通穴６１の内径と第２挿通穴６２の内径とは同じであり、第１挿通穴６１と第１素線２１との隙間Ｓ１に比べて、第２挿通穴６２と第２素線２２との隙間Ｓ２は大きい。素管３内に配置される絶縁粉末４は、第１挿通穴６１と第１素線２１との隙間Ｓ１及び第２挿通穴６２と第２素線２２との隙間Ｓ２にも充填されている。また、絶縁粉末４は、素管３と碍子管６との隙間Ｓ３にも充填されている。
なお、図１０に示すように、第２挿通穴６２は、第１挿通穴６１よりも小さく形成し、第１挿通穴６１と第１素線２１との隙間Ｓ１の大きさは、第２挿通穴６２と第２素線２２との隙間Ｓ２の大きさと同じにすることもできる。

本形態の温度センサ１は、基本的には、実施形態１に示した温度センサ１と同様に製造することができる。
本形態の製造方法においては、図１１に示すように、ＭＩケーブルの先端部において露出する一対の素線２１，２２に碍子管６を配置する。このとき、第１素線２１を碍子管６の第１挿通穴６１に挿通し、第２素線２２を碍子管６の第２挿通穴６２に挿通する。そして、一対の素線２１，２２の先端に測温接点２３を形成する。また、図１２に示すように、素管３内にＭＩケーブルの外管５を挿入するときには、素管３に配置された絶縁粉末ペースト４０内に、測温接点２３、一対の素線２１，２２及び碍子管６を配置する。その後、実施形態１に示した製造方法と同様にして、絶縁粉末４及び碍子管６によって素管３内に測温接点２３及び一対の素線２１，２２が絶縁・固定された温度センサ１を形成する。

本形態においては、碍子管６を用いることにより、一対の素線２１，２２と素管３との間をより確実に絶縁することができる。また、隙間Ｓ１，Ｓ２にも絶縁粉末４が充填されていることにより、各素線２１，２２と碍子管６とを固定することができる。
本形態の温度センサ１においても、その他の構成は、実施形態１の場合と同様である。また、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素等は、実施形態１の場合と同様である。本形態においても、実施形態１と同様の作用効果を得ることができる。

（実施形態３）
本形態は、温度センサ１における第１素線２１及び第２素線２２の、実施形態１，２とは異なる態様について示す。
一つの態様として、第１素線２１に比べて細い第２素線２２の引張強度は、第１素線２１の引張強度に比べて大きくすることができる。この場合、一対の素線２１，２２のうちの引張強度が小さい方の素線を第１素線２１とするとともに、一対の素線２１，２２のうちの引張強度が大きい方の素線を第２素線２２とする。

第１素線２１に比べて細く破断しやすい第２素線２２の引張強度を、第１素線２１の引張強度よりも大きくすることにより、絶縁粉末４から第１素線２１及び第２素線２２が熱応力を受ける際に、第２素線２２が破断しにくくすることができる。これにより、線径が小さくなった第２素線２２を、温度センサ１の使用時に生じる熱応力から効果的に保護することができる。

また、他の態様として、以下に定める強度応力比によって、第１素線２１及び第２素線２２を決定することもできる。
具体的には、第１素線２１について、縦弾性係数をＥ１、線膨張係数をα１、引張強度をσ１とし、かつ第２素線２２について、縦弾性係数をＥ２、線膨張係数をα２、引張強度をσ２としたとき、第１素線２１に比べて細い第２素線２２の強度応力比Ｅ２・α２／σ２は、第１素線２１の強度応力比Ｅ１・α１／σ１よりも小さくする。

第１素線２１に生じる熱応力Ｋ１は、一定値として規定する温度変化量をΔＴとしたとき、Ｋ１＝Ｅ１・α１・ΔＴによって表される。また、第２素線２２に生じる熱応力Ｋ２は、Ｋ２＝Ｅ２・α２・ΔＴによって表される。温度変化量ΔＴは、温度センサ１によって温度を測定する排ガスＧの温度変化において、上昇後温度から上昇前温度を差し引いた値とすることができる。第１素線２１に生じる熱応力Ｋ１を算出する際の温度変化量ΔＴと、第２素線２２に生じる熱応力係数Ｋ２を算出する際の温度変化量ΔＴとは同じになる。そのため、Ｋ１／σ１とＫ２／σ２とを比較する代わりに、Ｅ１・α１／σ１とＥ２・α２／σ２とを比較して、Ｅ１・α１／σ１＞Ｅ２・α２／σ２が満たされるようにすることができる。

強度応力比は、各素線２１，２２に固有の引張強度の大きさに対する、各素線２１，２２に生じ得る熱応力の大きさを示す値である。この強度応力比の値が大きくなるほど、素線が弱くなって破断しやすくなることを示す。第１素線２１に比べて細い第２素線２２の強度応力比Ｅ２・α２／σ２を、第１素線２１の強度応力比Ｅ１・α１／σ１に比べて小さくすることにより、絶縁粉末４から第１素線２１及び第２素線２２が熱応力を受ける際に、第２素線２２が破断しにくくすることができる。これにより、線径が小さくなった第２素線２２を、温度センサ１の使用時に生じる熱応力から効果的に保護することができる。

本例においては、第１素線２１及び第２素線２２に使用する材料が異なる複数種類の熱電対を形成する例について示す。
表１に、第１素線２１及び第２素線２２に用いる金属の組合せによって、Ｋタイプの熱電対による実施例１、Ｎタイプの熱電対による実施例２、Ｒタイプの熱電対による実施例３について、第１素線２１及び第２素線２２の線膨張係数α（／℃）の値を示す。ここで、絶縁粉末４はアルミナから構成されており、アルミナの線膨張係数は、８．６×１０^-6（／℃）である。

（実施例１）
Ｋタイプの熱電対は、第２素線２２に比べて太い第１素線２１をクロメルによって形成し、第２素線２２をアルメルによって形成することができる。この場合、第２素線２２の線膨張係数α２は、第１素線２１の線膨張係数α１よりも若干小さい。

（実施例２）
Ｎタイプの熱電対は、第２素線２２に比べて太い第１素線２１をＮｉ−Ｃｒ−Ｓｉ合金（ニッケル−クロム−シリコン合金）によって形成し、第２素線２２をＮｉ−Ｓｉ合金（ニッケル−シリコン合金）によって形成することができる。この場合、第２素線２２の線膨張係数α２は、第１素線２１の線膨張係数α１よりも若干小さい。

（実施例３）
Ｒタイプの熱電対は、Ｐｔ（白金）とＰｔ−Ｒｈ合金（白金−ロジウム合金）とを用いて構成される。ＰｔとＰｔ−Ｒｈ合金との線膨張係数は同じであり、第１素線２１及び第２素線２２は、いずれをＰｔによって形成してもよい。本例においては、第１素線２１をＰｔによって形成し、第２素線２２をＰｔ−Ｒｈ合金によって形成した場合を示す。

なお、第１素線２１及び第２素線２２は、本例に示した各素材以外の素材によって形成することもできる。
本発明は、各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に適用することが可能である。

１ 温度センサ
２１ 第１素線
２２ 第２素線
２３ 測温接点
３ 素管
４ 絶縁粉末
６ 碍子管

Claims (4)

1. 熱電対を形成するための異種金属材料からなる第１素線（２１）及び第２素線（２２）と、前記第１素線及び前記第２素線が合わさった測温接点（２３）と、前記測温接点を覆う素管（３）と、前記素管内に配置され、前記第１素線、前記第２素線及び前記測温接点と、前記素管とを絶縁するとともに固定する絶縁粉末（４）とを備え、
   前記第２素線は、前記第１素線よりも細い、温度センサ。
2. 前記第１素線の線膨張係数及び前記第２素線の線膨張係数は、前記絶縁粉末の線膨張係数よりも大きく、
   前記第２素線の線膨張係数は、前記第１素線の線膨張係数よりも小さい、請求項１に記載の温度センサ。
3. 前記第２素線の引張強度は、前記第１素線の引張強度よりも大きい、請求項１に記載の温度センサ。
4. 前記素管内には、前記第１素線を挿通させる第１挿通穴（６１）と、前記第２素線を挿通させる第２挿通穴（６２）とが形成された碍子管（６）が配置されており、
   前記絶縁粉末は、前記第１挿通穴と前記第１素線との隙間（Ｓ１）及び前記第２挿通穴と前記第２素線との隙間（Ｓ２）にも充填されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の温度センサ。

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