JP5049879B2 - 温度センサ - Google Patents

Description

本発明は、温度によって電気特性が変化する感温素子を備えた温度センサに関する。

自動車の排気ガス等の温度を測定する温度センサとして、温度によって抵抗値が変化するサーミスタ素子を用いた温度センサがある。
該温度センサは、一対の電極を設けたサーミスタ素子と、上記一対の電極にそれぞれ接合した一対の電極線にそれぞれ接続された一対の信号線を内蔵するシースピンと、上記サーミスタ素子を覆うように先端部に配設されたカバーとを有する。

そして、電極線をサーミスタ素子に接合するに当たっては、例えば、サーミスタ素子の表面にＰｔペースト（白金ペースト）を塗布して電極線を貼り付けた後、焼き付ける。ところが、エンジン付近に温度センサを設置する場合などにおいては、大きな振動が温度センサに伝わり、サーミスタ素子が振動して、サーミスタ素子と電極線との接合部が断線してしまうおそれがある。また、カバー内の還元ガスによってサーミスタ素子が変質し、抵抗特性が変化してしまうおそれがある。
そこで、サーミスタ素子を、電極線との接合部を含めて、ガラスによって封止した温度センサがある（特許文献１〜４参照）。

特開平３−９２７３５号公報 特開２００２−３５０２４１号公報 特開２００６−５４２５８号公報 特開２００６−１０８２２１号公報

しかしながら、ガラスで封止することによって、外部からサーミスタ素子への熱伝導性が低下するという問題がある。そして、熱応答性を得るために被覆するガラスを小さくすると、特に、ガラスと電極線との間を十分に封止することができず、隙間が生じ、この隙間からカバー内の還元ガスが侵入してサーミスタ素子に達するおそれがある。
特に、例えば１０００℃以上という高温環境下におかれる温度センサにおいて、カバー内に封入された空気は、カバーの内壁面を酸化することにより、酸素濃度が低い還元ガスとなることがある。また、サーミスタ素子は酸化物半導体で構成されており、格子内の酸素欠陥ができると抵抗値が変化する。従って、還元ガスがサーミスタ素子に達すると、サーミスタ素子が還元されて酸素の格子欠陥が発生し、その電気的特性が変化するおそれがある。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、１０００℃以上という高温環境下に用いられる、熱応答性及び電極線シール性に優れた温度センサを提供しようとするものである。

本発明は、温度によって電気特性が変化する感温素子を有する感温体と、該感温体の一対の電極線にそれぞれ接続された一対の信号線を先端側に露出させた状態で内蔵するシースピンと、上記感温体を覆うように先端部に配設されたカバーとを有する温度センサであって、
上記感温体は、上記感温素子と、該感温素子を上記電極線の一部と共に封止する内側保護層と、該内側保護層の外側を上記電極線の一部と共に覆う外側保護層とを有し、
上記感温素子の後端位置は、上記温度センサの長手方向における上記感温体の全体の長さの中点よりも先端側にあると共に、上記感温体の最大径部よりも先端側にあり、
上記内側保護層は結晶化ガラスに上記感温素子を構成するサーミスタ材を添加してなり、一方上記外側保護層は結晶化ガラスにイットリア（Ｙ₂Ｏ₃）を添加してなり、
かつ、上記感温素子の熱膨張係数をｋ１、上記電極線の熱膨張係数をｋ２、上記内側保護層の熱膨張係数をｋ３、上記外側保護層の熱膨張係数をｋ４としたとき、
｜ｋ１−ｋ３｜＜｜ｋ１−ｋ２｜、｜ｋ２−ｋ４｜＜｜ｋ２−ｋ３｜
が成り立つことを特徴とする温度センサにある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記温度センサは、上記感温体における感温素子の位置を適当な位置に定めること及び上記内側保護層と外側保護層の材質を特定のものとすることにより、１０００℃以上の高温環境下において、優れた熱応答性及び電極線シール性を得ることができる。

上記感温素子の後端位置は、上記温度センサの長手方向における上記感温体の全体の長さの中点よりも先端側にある。
つまり、上記感温素子を感温体の中心部でなく、電極線のない先端側に配置することにより、感温体の先端から感温素子までの距離が短くなり、外部から感温素子への熱伝導性が向上する。そして、感温素子の受熱性が向上することにより、感温素子の温度上昇が促進され、温度センサの熱応答性を向上させることができる。

ここで、電極線シール性とは、カバー内の還元ガスが上記電極線と上記外側保護層との境界から感温素子へ向かって侵入することを防止する性能をいう。
上記温度センサにおいて、上記感温素子を上記感温体の先端側に配置させているため、電極線と外側保護層との接触距離は長くなる。そのため、電極線と外側保護層との境界へのガスの侵入を抑制することができ、ガスが感温素子にまで侵入することによる感温素子の電気的特性の変化を防ぐことができ、感温素子の耐久性を確保することができる。また、電極線と外側保護層との接触距離を長くすることにより、外側保護層による引張強度が向上し、電極線を引っ張った場合の割れ強度が向上する。
また、本発明においては、上記のように
｜ｋ１−ｋ３｜＜｜ｋ１−ｋ２｜、｜ｋ２−ｋ４｜＜｜ｋ２−ｋ３｜
の関係を有している。
これにより、内側保護層の熱膨張係数ｋ３を感温素子の熱膨張係数ｋ１に近付け、外側保護層の熱膨張係数ｋ４を電極線の熱膨張係数ｋ２に近付けている。そのため、感温素子を直接覆う内側保護層と感温素子との間に発生する熱応力を抑制することが可能となる。
また、内側保護層を覆うと共に電極線の外周に密着させる外側保護層と電極線との間に隙間が発生することを抑制することができる。
つまり、大きな温度変化を伴う感温素子における熱応力の作用を抑制し、感温素子の電気的特性の変化を防ぐことができる。また、電極線と外側保護層との間における隙間の発生を抑制することにより、より一層電極線シール性を向上させることができる。

以上のごとく、本発明によれば、応答性及びシール性に優れた温度センサを提供することができる。

本発明の温度センサの上記感温体は、上述したように、上記感温素子と、該感温素子を上記電極線の一部と共に封止する内側保護層及び外側保護層とを有する。
上記感温素子は、例えば、サーミスタ材よりなるものとすることができる。また、内側保護層は、結晶化ガラスに感温素子を構成するサーミスタ材を添加してなるものである。また、外側保護層は、結晶化ガラスにイットリア（Ｙ₂Ｏ₃）を添加してなるものである。これにより、１０００℃以上の高温環境において、優れた熱応答性、電極線シール性を一層発揮する。

上記温度センサにおける上記感温素子の後端位置は、上記感温体の最大径部よりも先端側にある。
ここで、上記最大径部とは、上記温度センサの長手方向に垂直な平面で切った感温体の断面の直径が最も大きい値となる部位であり、最も外力がかかり易い部位である。また、上記断面が円とならない場合には、その断面における最も長い対角長さが最も長くなる部位が最大径部である。
そのため、感温素子を上記最大径部に存在させないことにより、感温素子に応力がかかることを防ぎ、最大径部の強度を高めることができ、感温体の圧壊強度を向上させることができる。ここで、圧壊強度とは、上記感温体の上下方向を板等で挟み圧力を負荷して破壊させた強度をさす。

次に、上記内側保護層は結晶化ガラスに上記感温素子を構成するサーミスタ材を４０重量％以上添加してなり、一方上記外側保護層は上記内側保護層の結晶化ガラスと同様の結晶化ガラスにイットリア（Ｙ₂Ｏ₃）を３０重量％以下添加してなることが好ましい（請求項２）。
また、上記電極線が上記外側保護層により被覆されている長さである電極線シール長さが０．７ｍｍ以上であることが好ましい（請求項３）。
カバー内における還元ガスが感温素子まで侵入すると抵抗値が変化するが、上記電極線シール長さを０．７ｍｍ以上とした場合には、外気を確実に遮断でき、抵抗値の変化を抑制することができる。

また、上記感温素子の先端の位置が、上記感温体の先端から上記温度センサの長手方向における上記感温体の全体の長さの３０％の位置よりも先端側にあることが好ましい（請求項４）。
この場合には、特に、上述の熱伝導性、及び電極線シール性を向上させることができる。

また、本発明においては、上記感温素子の熱膨張係数をｋ１、上記電極線の熱膨張係数をｋ２、上記内側保護層の熱膨張係数をｋ３、上記外側保護層の熱膨張係数をｋ４としたとき、
｜ｋ１−ｋ３｜＜｜ｋ１−ｋ２｜、｜ｋ２−ｋ４｜＜｜ｋ２−ｋ３｜
が成り立つ。
この場合には、内側保護層の熱膨張係数ｋ３を感温素子の熱膨張係数ｋ１に近付け、外側保護層の熱膨張係数ｋ４を電極線の熱膨張係数ｋ２に近付けている。そのため、感温素子を直接覆う内側保護層と感温素子との間に発生する熱応力を抑制することが可能となる。また、内側保護層を覆うと共に電極線の外周に密着させる外側保護層と電極線との間に隙間が発生することを抑制することができる。
つまり、大きな温度変化を伴う感温素子における熱応力の作用を抑制し、感温素子の電気的特性の変化を防ぐことができる。また、電極線と外側保護層との間における隙間の発生を抑制することにより、より一層電極線シール性を向上させることができる。

そして、上記熱膨張係数ｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４は、｜ｋ１−ｋ３｜≦５×１０⁻⁷／℃、｜ｋ２−ｋ４｜≦４×１０⁻⁷／℃を満たすことが好ましい（請求項５）。
この場合には、内側保護層の熱膨張係数ｋ３を感温素子の熱膨張係数ｋ１に充分に近付け、外側保護層の熱膨張係数ｋ４を電極線の熱膨張係数ｋ２に充分に近付けることができる。そのため、感温素子を直接覆う内側保護層と感温素子との間に発生する熱応力を効果的に抑制することができる。また、電極線の外周に密着させる外側保護層と電極線との間に隙間が発生することを効果的に抑制することができる。その結果、感温素子の電気的特性の変化を一層抑制して、耐久性に優れた温度センサを得ることができる。

また、上記外側保護層は、室温から８５０℃の温度範囲において上記カバーの内側面に常に接触していることが好ましい（請求項６）。
この場合には、少なくとも室温から８５０℃の温度範囲における温度変化に伴ってカバーの熱膨張が生じても、外側保護層がカバーに対して接触した状態を保つことができ、カバーと感温体との間の優れた熱伝達性を確保することができる。その結果、測定精度に優れた温度センサを得ることができる。また、この場合、カバーに対して外側保護層が相対的に振動することを防ぐことができ、感温体に衝撃が加わることを防いで、その電気的特性の変化を抑制することができる。

また、上記外側保護層は、室温から１０００℃の温度範囲において上記カバーの内側面に常に接触していることが好ましい（請求項７）。
この場合には、少なくとも室温から１０００℃の温度範囲における温度変化に伴ってカバーの熱膨張が生じても、外側保護層がカバーに対して接触した状態を保つことができ、カバーと感温体との間の優れた熱伝達性を確保することができる。その結果、測定精度及び耐久性に一層優れた温度センサを得ることができる。

また、上記外側保護層は、室温から８５０℃の温度範囲において上記カバーと化学反応を生じないことが好ましい（請求項８）。
この場合には、上記外側保護層をカバーに密着させておいても、少なくとも室温から８５０℃の温度範囲において外側保護層が変質することを防ぐことができる。そのため、耐久性に優れた温度センサを得ることができる。

また、上記外側保護層は、室温から１０００℃の温度範囲において上記カバーと化学反応を生じないことが好ましい（請求項９）。
この場合には、上記外側保護層をカバーに密着させておいても、少なくとも室温から１０００℃の温度範囲において外側保護層が変質することを防ぐことができる。そのため、耐久性に優れた温度センサを得ることができる。

また、上記電極線は、上記感温素子の外表面に接合されていることが好ましい（請求項１０）。
この場合には、感温素子への電極線の接合を容易に行うことができ、製造容易な温度センサを得ることができる。そして、この場合においては、一般に感温素子と電極線との間の固定力が低下しやすいが、本発明の温度センサは内側保護層及び外側保護層を有するため、接合部を補強することができる。そして、この内側保護層と外側保護層との熱膨張係数を上記のごとく調整することにより、耐久性に優れた温度センサを得ることができる。

また、上記カバーと上記外側保護層との間には、充填材が介在していてもよい（請求項１１）。
この場合には、外側保護層とカバーとを、充填材を介して接触させることとなり、温度センサの外部と感温体との間の優れた熱伝達性を確保することができる。また、カバー内における感温体の相対的な振動を防ぎ、感温体に損傷を与えることを防ぐことができる。

また、室温から８５０℃の温度範囲において、上記外側保護層は上記充填材に常に接触していると共に、上記充填材は上記カバーに常に接触していることが好ましい（請求項１２）。
この場合には、少なくとも室温から８５０℃の温度範囲における温度変化に伴ってカバーや充填材の熱膨張が生じても、外側保護層が充填材を介してカバーに対して接触した状態を保つことができ、カバーと感温体との間の優れた熱伝達性を確保することができる。その結果、測定精度に優れた温度センサを得ることができる。また、この場合、カバーに対して感温体が相対的に振動することを防ぐことができ、感温体に衝撃が加わることを防いで、感温素子の電気的特性の変化を抑制することができる。

また、室温から１０００℃の温度範囲において、上記外側保護層は上記充填材に常に接触していると共に、上記充填材は上記カバーに常に接触していることが好ましい（請求項１３）。
この場合には、少なくとも室温から１０００℃の温度範囲における温度変化に伴ってカバーや充填材の熱膨張が生じても、外側保護層が充填材を介してカバーに対して接触した状態を保つことができ、カバーと感温素子との間の優れた熱伝達性を確保することができる。その結果、測定精度に優れた温度センサを得ることができる。また、この場合、カバーに対して外側保護層が相対的に振動することを防ぐことができ、感温素子に衝撃が加わることを防いで、その電気的特性の変化を抑制することができる。

また、上記外側保護層は、室温から８５０℃の温度範囲において上記充填材と化学反応を生じないことが好ましい（請求項１４）。
この場合には、上記外側保護層を充填材に密着させておいても、室温から８５０℃の温度範囲において外側保護層が変質することを防ぐことができる。そのため、耐久性に優れた温度センサを得ることができる。

また、上記外側保護層は、室温から１０００℃の温度範囲において上記充填材と化学反応を生じないことが好ましい（請求項１５）。
この場合には、上記外側保護層を充填材に密着させておいても、室温から１０００℃の温度範囲において外側保護層が変質することを防ぐことができる。そのため、耐久性に優れた温度センサを得ることができる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる温度センサについて、図１及び図２を用いて説明する。
本例の温度センサ１は、図１、２に示すように、温度によって電気特性が変化する感温素子２１を有する感温体２と、該感温体２の一対の電極線２４にそれぞれ接続された一対の信号線３１を先端側に露出させた状態で内蔵するシースピン３と、上記感温体２を覆うように先端部に配設されたカバー４とを有する。
上記感温体２は、上記感温素子２１と、該感温素子２１を上記電極線２４の一部と共に封止する内側保護層２２及び外側保護層２３とを有する。
上記電極線２４は、感温素子２１の外表面に接合されている。感温素子２１は、略直方体形状を有し、互いに平行な一対の面に、一対の電極が形成されており、それらの電極にそれぞれ電極線２４が接合されている。図１（ａ）は、感温体の最大径部における断面図を示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＡＡ矢視断面図を示す。

上記温度センサ１の長手方向における上記感温体２の全体の長さａは３．３ｍｍである。そして、上記温度センサ１の長手方向における上記感温素子２１の長さｂは０．５ｍｍであり、また、上記感温素子２１の後端位置２１１と、感温体２の先端２０１との距離ｃは１．４ｍｍである。つまり、上記感温素子２１の後端位置２１２は、上記温度センサ１の長手方向における上記感温体２の全体の長さの中点Ｏよりも先端側にある。なお、温度センサ１の長手方向における内側保護層２２の長さは１．８ｍｍであり、内側保護層２２は感温体２の先端２０１から０．５ｍｍの位置から存在している。

また、上記感温素子２１の後端位置２１２は、上記感温体２の最大径部よりも先端側にある。なお、上記感温体２の最大径部における径ｅはφ１．８ｍｍである。
また、上記電極線２４が上記外側保護層２３により被覆されている長さである電極線シール長さｄが１．０ｍｍである。
また、電極線２４のサイズは、φ０．２５×４．５ｍｍである。
なお、上述した各部の寸法は一例であって、本発明はこれに限られるものではない。

本例において、上記感温素子２１は、サーミスタ材からなり、電極線２４は白金又は白金合金からなる。また、内側保護層２２は、結晶化ガラスにサーミスタ材を４０重量％以上添加してなる。また、外側保護層２３は、上記内側保護層２２の結晶化ガラスと同様の結晶化ガラスにイットリア（Ｙ₂Ｏ₃）を３０重量％以下添加してなる。
ここで、上記結晶化ガラスの組成は、例えば、ＳｉＯ₂：５４重量％、ＣａＯ：２４重量％、ＭｇＯ：１７重量％、Ａｌ₂Ｏ₃：５重量％とすることができる。また、内側保護層５１に添加するサーミスタ材の組成は、Ｃｒ₂Ｏ₃：８．８ｍｏｌ％、Ｍｎ₂Ｏ₃：８．８ｍｏｌ％、Ｙ₂Ｏ₃：８２．４ｍｏｌ％とすることができる。

そして、感温素子２１の熱膨張係数をｋ１、電極線２４の熱膨張係数をｋ２、内側保護層２２の熱膨張係数をｋ３、外側保護層２３の熱膨張係数をｋ４とすると、
｜ｋ１−ｋ３｜＜｜ｋ１−ｋ２｜、｜ｋ２−ｋ４｜＜｜ｋ２−ｋ３｜
が成り立つ。
また、熱膨張係数ｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４は、｜ｋ１−ｋ３｜≦５×１０⁻⁷／℃、｜ｋ２−ｋ４｜≦４×１０⁻⁷／℃を満たす。

本例の温度センサ１においては、図２に示すごとく、カバー４よりも後端側において、ガードチューブ５が、シースピン３の外周を覆うように設けられている。そしてガードチューブ５は、その後端部５０２においてシースピン３の後端部３０２と固定されている。ガードチューブ５の後端部５０２とシースピン３の後端部３０２とは、全周溶接されている。また、ガードチューブ５の先端部５０１は、シースピン３に固定されてはいないが、シースピン３の側面との間にほとんどクリアランスを設けずに、シースピン３の側面と干渉するように形成されている。

また、ガードチューブ５は、先端部５０１と後端部５０２とを、これらの間の部分よりも縮径したものであり、先端部５０１及び後端部５０２以外の部分においては、ガードチューブ５とシースピン３との間にクリアランスが形成されている。
また、ガードチューブ５の外周にはリブ６が配されている。そして、リブ６は、ガードチューブ５を介してシースピン３を保持している。

リブ６は、内燃機関への取付け用ボスの内壁の先端面に当接させる当接部６１と、その後方に延びると共に当接部６１よりも外径の小さい第１延設部６２と、該第１延設部６２よりも更に後方に延び、更に外径の小さい第２延設部６３とからなる。これらの当接部６１と第１延設部６２と第２延設部６３との内側に、ガードチューブ５が挿嵌されている。
また、第１延設部６２の外周には、シースピン３、ガードチューブ５及び外部リード７１の一部を保護する保護チューブ７２の一端が溶接固定されている。
また、第２延設部６３において、リブ６がガードチューブ５に対して全周溶接されている。

また、カバー４は、シースピン３の先端部の外周に対して、全周溶接されている。
ガードチューブ５、シースピン３、及びカバー４は、ステンレス鋼またはＮｉ基耐熱合金からなる。更に、リブ６、保護チューブ７２も、ステンレス鋼または基耐熱合金からなる。
また、ガードチューブ５の厚みは、シースピン３の外管部の厚みよりも大きくしてあり、ガードチューブ５は、シースピン３の外管部よりも剛性が高い。

また、図２に示すごとく、上記シースピン３は、ステンレス鋼またはＮｉ基耐熱合金からなる２本の信号線３１と、該信号線の周りに配置したマグネシア等の絶縁粉末からなる絶縁部３２と、該絶縁部３２の外周を覆うステンレス鋼からなる外管部３３とからなる。シースピン３は円柱形状を有し、外管部３３は円筒形状を有する。また、信号線３１は、絶縁部３２及び外管部３３から先端側及び後端側に露出している。そして、信号線３１の先端は感温体２の電極２４と溶接され、信号線３１の後端は外部リード線７１に接続されている。

また、上記温度センサ１において、外側保護層２３は、室温から８５０℃（好ましくは１０００℃）の温度範囲においてカバー４の内側面に常に接触している。
また、外側保護層２３は、室温から８５０℃（好ましくは１０００℃）の温度範囲においてカバー４と化学反応を生じない。

本例の温度センサ１は、上記感温体２における感温素子２１の位置を適当な位置に定めることにより、熱応答性及び電極線シール性を得ることができる。
上記感温素子２１の後端位置２１２は、上記温度センサ１の長手方向における上記感温体２の全体の長さの中点Ｏよりも先端側にある。
つまり、上記感温素子２１を感温体２の中心部でなく、電極線２４のない先端側に配置することにより、感温体２の先端２０１から感温素子２１までの距離が短くなり、外部から感温素子２１への熱伝導性が向上する。そして、感温素子２１の受熱性が向上することにより、感温素子２１の温度上昇が促進され、温度センサ１の熱応答性を向上させることができる。なお、図３に示すように、温度センサは排気管内に突き出して取り付けられる。この場合、一般的に先端２０１側がより高温に晒されるため、先端２０１からの熱伝導をいかに早く感温素子２１に伝えるかが応答性を向上させることになる。

上記温度センサ１において、上記感温素子２１を上記感温体２の先端側に配置させているため、電極線２４と外側保護層２３との接触距離は長くなる。そのため、電極線２４と外側保護層２３との境界へのガスの侵入を抑制することができ、ガスが感温素子２１にまで侵入することによる感温素子２１の電気的特性の変化を防ぐことができ、感温素子２１の耐久性を確保することができる。また、電極線２４と外側保護層２３との接触距離を長くすることにより、外側保護層２３による引張強度が向上し、電極線２４を軸方向基端側のみならず、２本の電極線２４を互いに反対方向に広げるように引張る場合など、軸方向に対して角度を持った方向も含めて種々の方向に引張ったときの割れ強度が向上する。

また、上記温度センサ１における上記感温素子２１の後端位置２１２は、上記感温体２の最大径部よりも先端側にある。そのため、感温素子２１を上記最大径部に存在させないことにより、感温素子２１に応力がかかることを防ぎ、最大径部の強度を高めることができ、感温体２の圧壊強度を向上させることができる。

また、上記電極線２４が上記外側保護層２３により被覆されている長さである電極線シール長さが０．７ｍｍ以上である。そのため、外気を確実に遮断でき、抵抗値の変化を抑制することができる。

また、上記感温素子３２の熱膨張係数をｋ１、上記電極線２４の熱膨張係数をｋ２、上記内側保護層２２の熱膨張係数をｋ３、上記外側保護層２３の熱膨張係数をｋ４としたとき、
｜ｋ１−ｋ３｜＜｜ｋ１−ｋ２｜、｜ｋ２−ｋ４｜＜｜ｋ２−ｋ３｜
が成り立つ。そのため、感温素子２１を直接覆う内側保護層２２と感温素子２１との間に発生する熱応力を抑制することが可能となる。また、内側保護層２２を覆うと共に電極線２４の外周に密着させる外側保護層２３と電極線２４との間に隙間が発生することを抑制することができる。
つまり、大きな温度変化を伴う感温素子２１における熱応力の作用を抑制し、感温素子２１の電気的特性の変化を防ぐことができる。また、電極線２４と外側保護層２３との間における隙間の発生を抑制することにより、より一層電極線シール性を向上させることができる。
以上のごとく、本例によれば、応答性及びシール性に優れた温度センサを提供することができる。

（実験例１）
本例では、上記実施例１の温度センサの作用効果の確認を行った。
まず、上記実施例１の温度センサについて、６３％応答時間を測定して熱応答性の評価を行った。また、比較のために、図９に示すような、感温素子９１の後端位置９１２が、温度センサの長手方向における感温体９の全体の長さの中点Ｏ´よりも後端側にある感温体９に変更した温度センサを用意し、この温度センサについても、熱応答性の評価を行った。感温体９の感温素子９１、電極線９４、内側保護層９２の材料、及び外側保護層９３の材料は、感温体２に用いたものと同一のものを用いた。

上記感温体９の全体の長さａ´は３．３ｍｍである。そして、上記温度センサの長手方向における上記感温素子の長さｂ´は０．５ｍｍであり、また、上記感温素子９１の後端位置９１２と、感温体９の先端９０１との距離ｃ´は１．９ｍｍである。つまり、上記感温素子９１の後端位置９１２は、上記温度センサの長手方向における上記感温体９の全体の長さの中点Ｏ´よりも後端側にある。なお、温度センサの長手方向における内側保護層９２の長さは１．８ｍｍであり、感温体９の先端９０１から０．５ｍｍの位置から存在している。
また、上記電極線９４が上記外側保護層９３により被覆されている長さである電極線シール長さｄ´が１．０ｍｍである。
なお、比較品としての温度センサ９は、感温素子９１が感温体９の最大径部に掛かった状態となっている。なお、上記感温体２の最大径部における径ｅ´はφ１．８ｍｍである。

６３％応答時間は、２２００ｃｃ、４気筒のディーゼルエンジンを使用して行った。温度センサを、エンジン実機のエキゾーストマニホールド集合部から２０ｃｍ下流において、図３に示すように排気管８（排気管径：φ１５０ｍｍ）に装着し、排気管８への温度センサ１の突き出し長さＬを変更（８０ｍｍ、４０ｍｍ、２７ｍｍ）して行った。そして、排気管内での感温素子位置による応答性差を評価した。

まず、上記エンジンを、スロットル全閉の状態で回転速度２０００ｒ／ｍｉｎ（７０℃）で運転した状態において、スロットルを開け、２２０Ｎ・ｍの負荷をかけ、２０００ｒ／ｍｉｎ（５７０℃）で運転した。このときの、温度センサの６３％応答時間を測定した。このように運転を切り替えると、７０℃で安定していた排気管内の温度は上昇して５７０℃で安定になる。そして、温度センサ１による検出温度は、図４の曲線Ｍに示すように、７０℃から５７０℃に変化するが、この変化が完了するまでにはある程度の時間がかかる。そこで、温度センサ１の検出温度の変化の開始から、変化しきった状態における変化量（１００％）の６３％の変化量に達する時点Ｐ１までの時間Δｔを「温度上昇時の６３％応答時間」とする。測定結果を図５に示す。

その後、上述の変化が完了した後、スロットルを開け、２２０Ｎ・ｍの負荷をかけ、回転速度２０００ｒ／ｍｉｎ（５７０℃）で運転している状態において、スロットルを全閉し、回転速度２０００ｒ／ｍｉｎ（７０℃）で運転した。このときの温度センサの６３％応答時間の測定も行った。このように運転を切り替えると、５７０℃で安定していた排気管内の温度は下降して７０℃で安定になる。そして、温度センサ１による検出温度は、図４の曲線Ｎに示すように、５７０℃から７０℃に変化をするが、この変化が完了するまでにはある程度の時間がかかる。そこで、温度センサ１の検出温度の変化の開始から、変化しきった状態における変化量（１００％）の６３％の変化量に達する時点Ｐ２までの時間Δｔ´を「温度下降時の６３％応答時間」とする。測定結果を図６に示す。

そして、図５よりわかるように、温度上昇時の６３％応答時間は、温度センサ１の突き出し長さＬが８０ｍｍの場合には、実施例１の温度センサと比較品との応答時間差は３．８秒であり、突き出し長さＬが４０ｍｍの場合には、上記応答時間差は２．６秒であり、突き出し長さＬが２７ｍｍの場合には、上記応答時間差は９．４秒であった。すなわち、いずれの突き出し長さＬの条件でも、本発明品については、応答時間が大きく短縮されていることが分かる。

また、図６より分かるように、温度下降時の６３％応答時間は、温度センサ１の突き出し長さＬが８０ｍｍの場合には、実施例１の温度センサと比較品との応答時間差は１３．０秒であり、突き出し長さＬが４０ｍｍの場合には、上記応答時間差は８．４秒であり、突き出し長さＬが２７ｍｍの場合には、上記応答時間差は１０．０秒であった。すなわち、いずれの突き出し長さＬの条件でも、本発明品については、応答時間が大きく短縮されていることが分かる。
これらの結果から、本発明にかかる温度センサ１は、応答性に優れていることが分かる。

次に、電極線シール性の評価を行った。
電極線シール性の評価は、感温素子の抵抗値変化率を測定することにより行う。抵抗値変化率は、１０００℃の還元雰囲気（水素５％、窒素９５％）に実施例１の温度センサ１を構成する感温体２を１０時間放置した後に、感温素子２１の抵抗値が、初期値に対してどの程度変化したかにより測定した。なお、上記還元雰囲気は、実際の温度センサの使用時におけるカバー内の雰囲気よりも厳しい条件に作り出した雰囲気である。

また、上記実施例１の温度センサ１を構成する感温体２の電極線シール長さｄは、１．０ｍｍであるが、これ以外にも電極線シール長さｄを０．４ｍｍ、０．７ｍｍ、１．５ｍｍと変化させた３種類の感温体についても、同様の方法で感温素子の抵抗値変化率の測定を行った。各水準ごとに２０個のサンプルを作製してそれぞれの抵抗値変化率を測定した。結果を、図７に示す。
図７は、横軸に電極線シール長さ（ｍｍ）をとり、縦軸に抵抗値変化率（％）をとった。そして、図７における○は実測値の最大値と最小値を示し、●は平均値を示す。

そして、図７よりわかるように、電極線シール長さが０．４ｍｍの場合のみ、実測値にバラつきが見られたが、電極線シール長さが０．７ｍｍ以上の場合には、実測値にバラツキが見られず、抵抗値変化率は０％である。つまり、電極線が外側保護層により被覆されている長さである電極線シール長さが０．７ｍｍ以上である場合には、外気を確実に遮断でき、抵抗値の変化を抑制することができることがわかる。

次に、感温体の圧壊強度の評価を行った。
実施例１の温度センサ１を構成する感温体２を板に挟んで押圧し、その押圧力を徐々に増やしてゆき、感温体２が割れる時点の押圧力を圧壊強度として測定した。また、上記比較品として用意した温度センサを構成する感温体９についても、同様の方法で、素子圧壊強度の測定を行った。結果を図８に示す。なお、上記感温体２、及び感温体９の最大径部における外側保護層の厚みは０．３ｍｍである。
図８は、縦軸に圧壊強度（Ｎ）をとった。図８において、○は本発明品の結果を示し、●は比較品の結果を示す。

そして、図８より、感温素子の後端位置が上記感温体の最大径部よりも先端側にある場合には、感温素子が上記感温体の最大径部に掛かる場合と比較して、圧壊強度が向上し、破損しがたいことが分かる。

以上のごとく、本例によれば、熱応答性及び電極線シール性に優れた温度センサを提供することができることがわかる。

実施例１における、温度センサの感温体の（ａ）最大径部における断面図、（ｂ）図１（ａ）におけるＡＡ矢視断面図。 実施例１における、温度センサの断面図。 実験例１における、６３％応答時間測定時の温度センサの装着部を示す排気管の断面図。 実験例１における、６３％応答時間測定時の運転条件を示す説明図。 実験例１における、温度上昇時の６３％応答時間の測定結果を示す説明図。 実験例１における、温度下降時の６３％応答時間の測定結果を示す図。 実験例１における、抵抗値変化率を示す図。 実験例１における、圧壊強度の測定結果を示す図。 実験例１における、比較品の感温体の最大径部における断面図。

符号の説明

１ 温度センサ
２ 感温体
２１ 感温素子
２２ 内側保護層
２３ 外側保護層
２４ 電極線
２１２ 感温素子の後端位置

Claims (15)

1. 温度によって電気特性が変化する感温素子を有する感温体と、該感温体の一対の電極線にそれぞれ接続された一対の信号線を先端側に露出させた状態で内蔵するシースピンと、上記感温体を覆うように先端部に配設されたカバーとを有する温度センサであって、
   上記感温体は、上記感温素子と、該感温素子を上記電極線の一部と共に封止する内側保護層と、該内側保護層の外側を上記電極線の一部と共に覆う外側保護層とを有し、
   上記感温素子の後端位置は、上記温度センサの長手方向における上記感温体の全体の長さの中点よりも先端側にあると共に、上記感温体の最大径部よりも先端側にあり、
   上記内側保護層は結晶化ガラスに上記感温素子を構成するサーミスタ材を添加してなり、一方上記外側保護層は結晶化ガラスにイットリア（Ｙ₂Ｏ₃）を添加してなり、
   かつ、上記感温素子の熱膨張係数をｋ１、上記電極線の熱膨張係数をｋ２、上記内側保護層の熱膨張係数をｋ３、上記外側保護層の熱膨張係数をｋ４としたとき、
   ｜ｋ１−ｋ３｜＜｜ｋ１−ｋ２｜、｜ｋ２−ｋ４｜＜｜ｋ２−ｋ３｜
   が成り立つことを特徴とする温度センサ。
2. 請求項１において、上記内側保護層は結晶化ガラスに上記感温素子を構成するサーミスタ材を４０重量％以上添加してなり、一方上記外側保護層は上記内側保護層の結晶化ガラスと同様の結晶化ガラスにイットリア（Ｙ₂Ｏ₃）を３０重量％以下添加してなることを特徴とする温度センサ。
3. 請求項１又は２において、上記電極線が上記外側保護層により被覆されている長さである電極線シール長さが０．７ｍｍ以上であることを特徴とする温度センサ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項において、上記感温素子の先端の位置が、上記感温体の先端から上記温度センサの長手方向における上記感温体の全体の長さの３０％の位置よりも先端側にあることを特徴とする温度センサ。
5. 請求項１において、上記熱膨張係数ｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４は、｜ｋ１−ｋ３｜≦５×１０⁻⁷／℃、｜ｋ２−ｋ４｜≦４×１０⁻⁷／℃を満たすことを特徴とする温度センサ。
6. 請求項１〜５のいずれか一項において、上記外側保護層は、室温から８５０℃の温度範囲において上記カバーの内側面に常に接触していることを特徴とする温度センサ。
7. 請求項１〜５のいずれか一項において、上記外側保護層は、室温から１０００℃の温度範囲において上記カバーの内側面に常に接触していることを特徴とする温度センサ。
8. 請求項１〜７のいずれか一項において、上記外側保護層は、室温から８５０℃の温度範囲において上記カバーと化学反応を生じないことを特徴とする温度センサ。
9. 請求項１〜７のいずれか一項において、上記外側保護層は、室温から１０００℃の温度範囲において上記カバーと化学反応を生じないことを特徴とする温度センサ。
10. 請求項１〜９のいずれか一項において、上記電極線は、上記感温素子の外表面に接合されていることを特徴とする温度センサ。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項において、上記カバーと上記外側保護層との間には、充填材が介在していることを特徴とする温度センサ。
12. 請求項１１において、室温から８５０℃の温度範囲において、上記外側保護層は上記充填材に常に接触していると共に、上記充填材は上記カバーに常に接触していることを特徴とする温度センサ。
13. 請求項１１において、室温から１０００℃の温度範囲において、上記外側保護層は上記充填材に常に接触していると共に、上記充填材は上記カバーに常に接触していることを特徴とする温度センサ。
14. 請求項１１〜１３のいずれか一項において、上記外側保護層は、室温から８５０℃の温度範囲において上記充填材と化学反応を生じないことを特徴とする温度センサ。
15. 請求項１１〜１３のいずれか一項において、上記外側保護層は、室温から１０００℃の温度範囲において上記充填材と化学反応を生じないことを特徴とする温度センサ。

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