JP2904066B2 - 温度センサ及びその製造方法 - Google Patents
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01C—RESISTORS
- H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、負の温度係数を有する
サーミスタを用いた温度センサ及びその製造方法に関す
るものである。
サーミスタを用いた温度センサ及びその製造方法に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】温度センサは、高温下でのサーミスタ素
子の抵抗値変化を抑えるために、サーミスタ素子周辺の
雰囲気を一定に保つ必要がある。そこで従来、特開平６
−３０７９４３号公報に示されるように、サーミスタ素
子を収納する耐熱キャップに通気孔を設ける等の工夫が
なされていた。
子の抵抗値変化を抑えるために、サーミスタ素子周辺の
雰囲気を一定に保つ必要がある。そこで従来、特開平６
−３０７９４３号公報に示されるように、サーミスタ素
子を収納する耐熱キャップに通気孔を設ける等の工夫が
なされていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】この構成によると、使
用中に何らかの原因により通気孔が詰まった場合サーミ
スタ素子周辺の雰囲気を一定に保つことができなくな
り、サーミスタ素子の抵抗値が変化してしまう。
用中に何らかの原因により通気孔が詰まった場合サーミ
スタ素子周辺の雰囲気を一定に保つことができなくな
り、サーミスタ素子の抵抗値が変化してしまう。
【０００４】そこで本発明は、高温下においてもサーミ
スタ素子の抵抗値変化に小さい安定な温度センサを提供
することを目的とするものである。
スタ素子の抵抗値変化に小さい安定な温度センサを提供
することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の温度センサは、金属製の耐熱キャップと、こ
の耐熱キャップ内に収納したサーミスタ素子と、このサ
ーミスタ素子に電気的に接続するとともに、前記耐熱キ
ャップ外に引き出した少なくとも１本以上のリード線と
を備え、前記耐熱キャップはＮｉ−Ｃｒを主成分とする
合金で形成したものである。
に本発明の温度センサは、金属製の耐熱キャップと、こ
の耐熱キャップ内に収納したサーミスタ素子と、このサ
ーミスタ素子に電気的に接続するとともに、前記耐熱キ
ャップ外に引き出した少なくとも１本以上のリード線と
を備え、前記耐熱キャップはＮｉ−Ｃｒを主成分とする
合金で形成したものである。
【０００６】
【作用】この構成によると、従来の温度センサの様に、
高温下でのサーミスタ素子の抵抗値変化を抑えるために
通気孔等を設けなくとも高温下（１０００℃以上）にお
いても安定な温度センサが得られる。
高温下でのサーミスタ素子の抵抗値変化を抑えるために
通気孔等を設けなくとも高温下（１０００℃以上）にお
いても安定な温度センサが得られる。
【０００７】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。
【０００８】（実施例１）第１の実施例を図１を用いて
説明する。サーミスタ材料として、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｆ
ｅ)2Ｏ3系材料を用いて二穴を有する固体形状に成形
し、その穴の中に電極として白金線２を挿入し、一体焼
結しサーミスタ素子１を得た。次に白金線２と二芯管３
のリード線４とを各々溶接し、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｒを主成
分とする耐熱金属インコネル６００（大阪黄銅（株）
製）の耐熱キャップ５をサーミスタ素子１に被せて、カ
シメて溶接し図１に示す温度センサを得た。
説明する。サーミスタ材料として、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｆ
ｅ)2Ｏ3系材料を用いて二穴を有する固体形状に成形
し、その穴の中に電極として白金線２を挿入し、一体焼
結しサーミスタ素子１を得た。次に白金線２と二芯管３
のリード線４とを各々溶接し、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｒを主成
分とする耐熱金属インコネル６００（大阪黄銅（株）
製）の耐熱キャップ５をサーミスタ素子１に被せて、カ
シメて溶接し図１に示す温度センサを得た。
【０００９】高温耐久試験として、この温度センサの感
温部を１１００℃の高温槽に１０時間放置し、その前後
の９００℃における抵抗値を測定し（式１）により抵抗
値変化率（％）を求めた。
温部を１１００℃の高温槽に１０時間放置し、その前後
の９００℃における抵抗値を測定し（式１）により抵抗
値変化率（％）を求めた。
【００１０】 抵抗値変化率（％）＝１００×（試験前抵抗値(Ω)−試験後抵抗値(Ω)） ÷試験前抵抗値(Ω) ……（式１） その結果を（表１）に示す。
【００１１】
【表１】
【００１２】（表１）より明らかなように、本実施例の
温度センサは１１００℃においても、抵抗値の変化が小
さく安定しており、１０００℃を超える高温下での使用
に耐えるものであることが分かる。
温度センサは１１００℃においても、抵抗値の変化が小
さく安定しており、１０００℃を超える高温下での使用
に耐えるものであることが分かる。
【００１３】高温下での耐久劣化の最も大きな要因とし
て、サーミスタ素子１の高温下での還元があることを見
い出した。そのメカニズムについて以下に説明する。耐
熱キャップ５が高温に曝されると、金属表面に酸化膜が
形成されるため、耐熱キャップ５内部のサーミスタ素子
１周辺の雰囲気の酸素分圧が低下する。また耐熱キャッ
プ５を構成する金属中に吸蔵されている炭素、水素等が
放出され、酸素と反応するためさらに酸素分圧が低下し
還元雰囲気になる。
て、サーミスタ素子１の高温下での還元があることを見
い出した。そのメカニズムについて以下に説明する。耐
熱キャップ５が高温に曝されると、金属表面に酸化膜が
形成されるため、耐熱キャップ５内部のサーミスタ素子
１周辺の雰囲気の酸素分圧が低下する。また耐熱キャッ
プ５を構成する金属中に吸蔵されている炭素、水素等が
放出され、酸素と反応するためさらに酸素分圧が低下し
還元雰囲気になる。
【００１４】通常サーミスタ素子１は酸化物により形成
されているので、還元雰囲気中では酸素を奪われて還元
されてしまい抵抗値が変化してしまう。
されているので、還元雰囲気中では酸素を奪われて還元
されてしまい抵抗値が変化してしまう。
【００１５】この還元による耐久劣化を防止し、１１０
０℃においても安定な温度センサを得るためには、Ｎｉ
−Ｃｒ−Ｆｅを主成分とする金属合金を耐熱キャップ材
質として使用し、サーミスタ素子１の材料として、Ｍｇ
（Ａｌ，Ｃｒ，Ｆｅ)2Ｏ4系材料、Ｍｇ（Ａｌ，Ｃｒ)2
Ｏ4系材料、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｆｅ)2Ｏ3系材料のいずれか
の材料を用いればよい。これらの材料は還元雰囲気で抵
抗値が安定であるため、サーミスタ素子１が還元されに
くい。また、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅを主成分とする金属合金
は酸化雰囲気中で高温に曝されると、その表面にＮｉを
含む酸化膜つまりＮｉ酸化物、Ｎｉ−Ｆｅ酸化物、Ｎｉ
−Ｃｒ酸化物、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ酸化物などの膜が形成
される。これらＮｉを含む酸化物は１１００℃付近で耐
熱キャップ５内部が還元雰囲気になると酸素を放出し耐
熱キャップ５内部の雰囲気をサーミスタ素子１が抵抗値
の安定性を保つことができる範囲に保つ。このため、温
度センサの抵抗値変化を小さくすることができたものと
推測される。本発明による構成の温度センサは、密閉構
造であるために外部環境の影響を受けないので、サーミ
スタ素子１周辺の雰囲気を一定に保つために通気孔を設
けた従来の構成の温度センサに比して非常に信頼性の高
い温度センサであるといえる。
０℃においても安定な温度センサを得るためには、Ｎｉ
−Ｃｒ−Ｆｅを主成分とする金属合金を耐熱キャップ材
質として使用し、サーミスタ素子１の材料として、Ｍｇ
（Ａｌ，Ｃｒ，Ｆｅ)2Ｏ4系材料、Ｍｇ（Ａｌ，Ｃｒ)2
Ｏ4系材料、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｆｅ)2Ｏ3系材料のいずれか
の材料を用いればよい。これらの材料は還元雰囲気で抵
抗値が安定であるため、サーミスタ素子１が還元されに
くい。また、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅを主成分とする金属合金
は酸化雰囲気中で高温に曝されると、その表面にＮｉを
含む酸化膜つまりＮｉ酸化物、Ｎｉ−Ｆｅ酸化物、Ｎｉ
−Ｃｒ酸化物、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ酸化物などの膜が形成
される。これらＮｉを含む酸化物は１１００℃付近で耐
熱キャップ５内部が還元雰囲気になると酸素を放出し耐
熱キャップ５内部の雰囲気をサーミスタ素子１が抵抗値
の安定性を保つことができる範囲に保つ。このため、温
度センサの抵抗値変化を小さくすることができたものと
推測される。本発明による構成の温度センサは、密閉構
造であるために外部環境の影響を受けないので、サーミ
スタ素子１周辺の雰囲気を一定に保つために通気孔を設
けた従来の構成の温度センサに比して非常に信頼性の高
い温度センサであるといえる。
【００１６】実施例１で示したように、１１００℃で安
定な温度センサを得るためには、還元雰囲気で安定なサ
ーミスタ材料、例えば、Ｍｇ（Ａｌ，Ｃｒ，Ｆｅ)2Ｏ4
系、Ｍｇ（Ａｌ，Ｃｒ)2Ｏ4系、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｆｅ)2
Ｏ3系等を用いてサーミスタ素子１を形成し、耐熱キャ
ップ５として耐熱性に優れ、酸化された時にＮｉ酸化物
を含む酸化膜を生成するＮｉ−Ｃｒ，Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ
を主成分とする金属材料を用いてセンサを構成すればよ
い。
定な温度センサを得るためには、還元雰囲気で安定なサ
ーミスタ材料、例えば、Ｍｇ（Ａｌ，Ｃｒ，Ｆｅ)2Ｏ4
系、Ｍｇ（Ａｌ，Ｃｒ)2Ｏ4系、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｆｅ)2
Ｏ3系等を用いてサーミスタ素子１を形成し、耐熱キャ
ップ５として耐熱性に優れ、酸化された時にＮｉ酸化物
を含む酸化膜を生成するＮｉ−Ｃｒ，Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ
を主成分とする金属材料を用いてセンサを構成すればよ
い。
【００１７】また、望ましくは、Ｎｉ−Ｃｒ，Ｎｉ−Ｃ
ｒ−Ｆｅを主成分とする金属材料においてＣｒ量が２０
％以下であれば空気中で熱処理を施せば、所望の酸化膜
が容易に得られるので量産上都合がよい。
ｒ−Ｆｅを主成分とする金属材料においてＣｒ量が２０
％以下であれば空気中で熱処理を施せば、所望の酸化膜
が容易に得られるので量産上都合がよい。
【００１８】（実施例２）第２の実施例を図２を用いて
説明する。サーミスタ材料として、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｆ
ｅ)2Ｏ3系材料を用いて二穴を有する固体形状に成形
し、その穴の中に電極として白金パイプ７を挿入し一体
焼結したものをサーミスタ素子６として、二芯管のリー
ド線４をサーミスタ素子６の白金パイプ７に各々挿入、
溶接し、１１００℃、１０時間空気中にて熱処理したＮ
ｉ−Ｆｅ−Ｃｒを主成分とする耐熱金属インコネル６０
０（大阪黄銅（株）製）の耐熱キャップ８をサーミスタ
素子６に被せてカシメて溶接し、図２に示すような温度
センサを得た。
説明する。サーミスタ材料として、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｆ
ｅ)2Ｏ3系材料を用いて二穴を有する固体形状に成形
し、その穴の中に電極として白金パイプ７を挿入し一体
焼結したものをサーミスタ素子６として、二芯管のリー
ド線４をサーミスタ素子６の白金パイプ７に各々挿入、
溶接し、１１００℃、１０時間空気中にて熱処理したＮ
ｉ−Ｆｅ−Ｃｒを主成分とする耐熱金属インコネル６０
０（大阪黄銅（株）製）の耐熱キャップ８をサーミスタ
素子６に被せてカシメて溶接し、図２に示すような温度
センサを得た。
【００１９】高温耐久試験として、この温度センサの感
温部を１１００℃の高温槽に１０時間放置し、その前後
の９００℃における抵抗値を測定し（式１）により抵抗
値変化率（％）を求め、その結果を（表２）に示す。
温部を１１００℃の高温槽に１０時間放置し、その前後
の９００℃における抵抗値を測定し（式１）により抵抗
値変化率（％）を求め、その結果を（表２）に示す。
【００２０】
【表２】
【００２１】（表２）より明らかなように、本実施例に
おける温度センサは１１００℃においても、抵抗値の変
化が小さく安定しており、１０００℃を超える高温下で
の使用に耐えるものであることが分かる。また、サーミ
スタ素子６の電極として白金パイプ７を用いているの
で、焼成時のサーミスタ素子６の割れ等の不良が少なく
安定して量産できる。また、二芯管３との溶接部の信頼
性も高くすることができる。また、耐熱キャップ８を組
み込み前に熱処理を施すことにより、所望のＮｉ酸化物
を含む酸化膜を耐熱キャップ８の表面に形成した状態で
温度センサに組み込めるので、温度センサ完成後の酸化
膜形成に伴う耐熱キャップ８内部の酸素分圧の低下を防
ぐことができ、１１００℃耐久試験における抵抗値変化
率を耐熱キャップ８の熱処理を実施しなかった場合に比
較してさらに小さくすることができる。
おける温度センサは１１００℃においても、抵抗値の変
化が小さく安定しており、１０００℃を超える高温下で
の使用に耐えるものであることが分かる。また、サーミ
スタ素子６の電極として白金パイプ７を用いているの
で、焼成時のサーミスタ素子６の割れ等の不良が少なく
安定して量産できる。また、二芯管３との溶接部の信頼
性も高くすることができる。また、耐熱キャップ８を組
み込み前に熱処理を施すことにより、所望のＮｉ酸化物
を含む酸化膜を耐熱キャップ８の表面に形成した状態で
温度センサに組み込めるので、温度センサ完成後の酸化
膜形成に伴う耐熱キャップ８内部の酸素分圧の低下を防
ぐことができ、１１００℃耐久試験における抵抗値変化
率を耐熱キャップ８の熱処理を実施しなかった場合に比
較してさらに小さくすることができる。
【００２２】本実施例において、サーミスタ素子６の電
極として白金パイプ７を用いたが、サーミスタ素子６の
焼成温度よりも融点の高い金属例えば、白金−ロジウム
合金を用いてもよい。
極として白金パイプ７を用いたが、サーミスタ素子６の
焼成温度よりも融点の高い金属例えば、白金−ロジウム
合金を用いてもよい。
【００２３】また、本実施例においては耐熱キャップ８
の熱処理を空気中にて実施したが、Ｎｉ酸化物を含む酸
化膜が形成される各種酸化雰囲気中で熱処理してもよ
い。
の熱処理を空気中にて実施したが、Ｎｉ酸化物を含む酸
化膜が形成される各種酸化雰囲気中で熱処理してもよ
い。
【００２４】（実施例３）実施例１の温度センサの感温
部を高温槽にて１１００℃で５時間熱処理を施した後、
１１００℃で１０時間の耐久試験を実施した。その結果
を（表３）に示す。
部を高温槽にて１１００℃で５時間熱処理を施した後、
１１００℃で１０時間の耐久試験を実施した。その結果
を（表３）に示す。
【００２５】
【表３】
【００２６】（表３）より明らかなように温度センサ完
成後に熱処理を施すことにより、１１００℃耐久試験に
おける抵抗値変化率を小さくすることができる。
成後に熱処理を施すことにより、１１００℃耐久試験に
おける抵抗値変化率を小さくすることができる。
【００２７】（実施例４）図３を用いて第４の実施例を
示す。第１の実施例と同様にして温度センサを得る。二
芯管３のリード線４にケーブル９のリード線１０を各々
溶接し、ゴムブッシュ１１を挿入し、カラー１２を挿入
しカシメて固定する。さらにケーブル９の他端にコネク
タ１３を接続し温度センサとした。この構成の温度セン
サには、ケーブル９とコネクタ１３が追加されているの
で計測装置等への接続が容易となる。また、ゴムブッシ
ュ１１が異物の侵入を防止する。本実施例においては一
種類のコネクタ１３のみを示したが、任意のコネクタ、
ケーブルを使用することができる。
示す。第１の実施例と同様にして温度センサを得る。二
芯管３のリード線４にケーブル９のリード線１０を各々
溶接し、ゴムブッシュ１１を挿入し、カラー１２を挿入
しカシメて固定する。さらにケーブル９の他端にコネク
タ１３を接続し温度センサとした。この構成の温度セン
サには、ケーブル９とコネクタ１３が追加されているの
で計測装置等への接続が容易となる。また、ゴムブッシ
ュ１１が異物の侵入を防止する。本実施例においては一
種類のコネクタ１３のみを示したが、任意のコネクタ、
ケーブルを使用することができる。
【００２８】なお上記実施例においては、耐熱キャップ
５，８の熱処理温度は１１００℃の場合についてのみ説
明したが、熱処理温度は１０００〜１２００℃の範囲で
行えばよい。というのは、本発明の温度センサの最高使
用温度がこの範囲にあるからであり、この温度範囲で熱
処理することにより、耐熱キャップ５，８内部に存在す
る還元性物質を使用前に除去することができるからであ
る。
５，８の熱処理温度は１１００℃の場合についてのみ説
明したが、熱処理温度は１０００〜１２００℃の範囲で
行えばよい。というのは、本発明の温度センサの最高使
用温度がこの範囲にあるからであり、この温度範囲で熱
処理することにより、耐熱キャップ５，８内部に存在す
る還元性物質を使用前に除去することができるからであ
る。
【００２９】
【発明の効果】以上本発明によると、１０００℃以上の
高温においても抵抗値変化が少なく、高温下で使用する
のに好適な信頼性の高い温度センサが得られる。
高温においても抵抗値変化が少なく、高温下で使用する
のに好適な信頼性の高い温度センサが得られる。
【図１】本発明の一実施例を示す温度センサの断面図
【図２】本発明の他の実施例を示す温度センサの断面図
【図３】本発明のさらに他の実施例を示す温度センサの
断面図
断面図
１ サーミスタ素子 ２ 白金線 ３ 二芯管 ４ リード線 ５ 耐熱キャップ ６ サーミスタ素子 ７ 白金パイプ ８ 耐熱キャップ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松原 克憲 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 玉井 孝 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭55−12780（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−119267（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01C 7/02 - 7/22
Claims (12)
- 【請求項１】 金属製の耐熱キャップと、この耐熱キャ
ップ内に収納したサーミスタ素子と、このサーミスタ素
子に電気的に接続するとともに、前記耐熱キャップ外に
引き出した少なくとも１本以上のリード線とを備え、前
記耐熱キャップはＮｉ−Ｃｒを主成分とする合金で形成
した温度センサ。 - 【請求項２】 耐熱キャップの少なくとも内側にはＮｉ
酸化物を含む酸化物層を有する請求項１記載の温度セン
サ。 - 【請求項３】 サーミスタ素子は、Ｍｇ（Ａｌ，Ｃｒ，
Ｆｅ)2Ｏ4系材料、Ｍｇ（Ａｌ，Ｃｒ)2Ｏ4系材料、（Ａ
ｌ，Ｃｒ，Ｆｅ)2Ｏ3系材料のうちいずれか１種類を用
いて形成された請求項１記載の温度センサ。 - 【請求項４】 Ｃｒの含有量は２０％以下（ただし０％
は除く）である請求項１記載の温度センサ。 - 【請求項５】 金属製の耐熱キャップ材質としてＮｉ−
Ｃｒを主成分とする合金に代えて、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅを
主成分とする合金を用いた請求項１記載の温度センサ。 - 【請求項６】 Ｃｒの含有量は２０％以下（ただし０％
は除く）である請求項５記載の温度センサ。 - 【請求項７】 サーミスタ材料よりなる成形体に、焼成
温度よりも高い融点を有する金属を挿入し、焼結してサ
ーミスタ素子を得、次にこのサーミスタ素子と１本以上
のリード線を有する多芯管とを前記リード線を介して接
続し、次いで前記サーミスタ素子にＮｉ−Ｃｒを主成分
とする合金で形成された耐熱キャップをかぶせてこの耐
熱キャップと前記多芯管とを接続する温度センサの製造
方法。 - 【請求項８】 Ｎｉ−Ｃｒを主成分とする合金で形成さ
れた耐熱キャップに代えて、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅを主成分
とする合金で形成された耐熱キャップを用いる請求項７
記載の温度センサの製造方法。 - 【請求項９】 熱処理を施した耐熱キャップを用いる請
求項７記載の温度センサの製造方法。 - 【請求項１０】 熱処理は酸化雰囲気で行う請求項９記
載の温度センサの製造方法。 - 【請求項１１】 熱処理温度は１０００〜１２００℃で
ある請求項９または１０記載の温度センサの製造方法。 - 【請求項１２】 耐熱キャップと多芯管とを接続した
後、熱処理を行う請求項９記載の温度センサの製造方
法。
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