JP5304822B2 - 温度センサ - Google Patents

Description

本発明は、温度によって電気的特性が変化する低線膨張係数を有する低熱膨張セラミックスからな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感温素子（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、表面にＰｔ等からなる電極膜が設けられたＹ₂Ｏ₃・Ｙｃｒ／ＭｎＯ₃等の酸化物からなる感温素子と、上記電極膜に接続されたＰｔ等からなる電極線と、該電極線に電気的に接続される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ガラスモールドからなる２層構造の保護層とから構成される（特許文献１参照）。

かかる構成の温度センサは、上記のごとく酸化物からなる感温素子を有している。そのため、例えば自動車の排ガス温度の測定のように還元条件下で使用される温度センサにおいては、感温素子の還元劣化の防止及び内部応力の低減という観点から、上記のごとく２層構造の保護層が形成されていた。
ところが、保護層を２層構造で形成すると、温度センサの構成が複雑になると共に製造コストが増大してしまうという問題がある。

また、上記従来構成の温度センサにおいては、感温素子上にＰｔからなる電極膜を形成していたため、シースピン内部の信号線と電極膜との間をＰｔからなる仲介用の電極線で接続させていた。しかし、Ｐｔを使用するため、製造コストが高くなるという問題があった。

また、排ガスの温度測定などの用途においては、内燃機関付近に温度センサを設置する場合がある。この場合には、内燃機関の大きな振動が温度センサに伝わり易い。その結果、温度センサの感温素子が振動して、感温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。特に、Ｐｔからなる電極線において断線が起りやすいという問題があった。

かかる背景の中、近年、非酸化物からなる絶縁性のマトリックス粒子よりなる第１相と、該第１相に三次元網目状に不連続に分散した半導体又は導電性の第２相粒子より構成されたワイドレンジ用サーミスタ材料からなる感温素子が注目されている（特許文献２参照）。このようなワイドレンジ用サーミスタ材料は、非酸化物からなるため、還元雰囲気においても還元されにくく、上記のような２重構造の保護層を必要とせず、温度センサの低コスト化を図ることが可能になる。

特開２００９−１１５７８９号公報 特開平８−２７３９０４号公報

しかしながら、ワイドレンジ用サーミスタ材料を用いたとしても、Ｐｔからなる電極線における断線という問題を解消することはできない。また、Ｐｔ等の高価な貴金属を用いると製造コストが高くなるという問題がある。そのため、Ｐｔからなる電極線を用いない温度センサの開発が望まれている。

ワイドレンジ用サーミスタ材料からなる感温素子は、一般に線膨張係数が低い。このような線膨張係数の低い感温素子と電極膜、及び電極膜とリード線との接合構造は、未だ開発されていない。不適切な組合せでは、振動による断線及びワイドレンジ環境下における熱応力による感温素子の破損が起るおそれがある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、低熱膨張の感温素子を備える温度センサにおいて、断線を防止できると共にワイドレンジ環境下での信頼性に優れ、低コストで作製できる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線膨張係数３×１０^-6〜５×１０^-6／℃の低熱膨張セラミックスからなる感温素子と、該感温素子の表面に設けられた線膨張係数が１１×１０ ^-6 ／℃以下の一対の電極膜と、該電極膜に接合された線膨張係数が１５×１０^-6／℃以下の一対のリード線とを有する温度センサであって、
上記感温素子、上記電極膜、及び上記リード線の線膨張係数をそれぞれＴ_a（／℃）、Ｔ_b（／℃）、及びＴ_d（／℃）としたとき、Ｔ_a≦Ｔ_b≦Ｔ_dの関係を満足し、
上記低膨張セラミックスは、窒化珪素のマトリックス粒子よりなるマトリックス相を有し、
上記リード線は、Ｎｉ基合金又はフェライト系ステンレス鋼よりなり、
上記電極膜は、Ｃｒを主成分とするＣｒ−Ｆｅ合金からなることを特徴とする温度センサにある（請求項１）。

本発明の温度センサは、上記低熱膨張セラミックスからなる感温素子を備える。そして、上記感温素子、上記電極膜、及び上記リード線の線膨張係数をそれぞれＴ_a，Ｔ_b、及びＴ_dとしたとき、Ｔ_a≦Ｔ_b≦Ｔ_dの関係を満足している。即ち、Ｔ_a≦Ｔ_b≦Ｔ_dという関係を満足するように、上記感温素子、上記電極膜、及び上記リード線を選択的に採用している。
そのため、上記感温素子、上記電極膜、及び上記リード線の線膨張係数を段階的に変化させつつ相互に近づけることができる。

即ち、上記低熱膨張セラミックスからなる感温素子と、上記リード線との間で、上記電極膜を介して線膨張係数のなだらかな勾配が形成される。そのため、上記温度センサは、ワイドレンジ環境下においても熱応力を緩和でき、断線などが起こりにくく、優れた信頼性を発揮することができる。

また、本発明の温度センサにおいては、上記電極膜に接合されたリード線として、線膨張係数が１５×１０^-6／℃以下のリード線を採用している。
そのため、上記温度センサにおいては、上記感温素子、上記電極膜、上記リード線との線膨張係数差をより一層小さくすることができる。それ故、より一層断線などが起こりにくい。

また、上記温度センサにおいては、Ｔ_a≦Ｔ_b≦Ｔ_dという関係を満足するように、上記感温素子、上記電極膜、及び上記リード線を選択的に採用すればよく、電極膜及びリード線としては、Ｐｔなどの高価な貴金属以外の金属電極を用いることが可能になる。
そのため、脱貴金属化を図ることが可能になり、上記温度センサの低コストでの製造が可能になる。

このように本発明によれば、低熱膨張の感温素子を備える温度センサにおいて、断線を防止できると共にワイドレンジ環境下での信頼性に優れ、低コストで作製できる温度センサを提供することができる。

実施例１における、温度センサの感温素子付近の断面図。 実施例１における、温度センサの断面図。 実施例１における、温度センサの先端部の断面図。 実施例１における、電極膜を形成した感温素子に、リード線を当接させた状態の断面形状を示す説明図。 実施例１における、感温素子の電極膜とリード線との接合部にペースト状の接合材を塗工した状態の断面形状を示す説明図。 図５におけるＡ−Ａ線矢視断面図。 実施例３における、温度センサの感温素子付近の断面を示す説明図。 実施例４における、リード線と電極膜とを接合材により接合した感温素子の表面を、接合体を形成した側から上面視した様子を示す説明図。 実施例５における、温度センサの先端部の断面を示す説明図。

次に、本発明の好ましい実施形態について説明する。
本発明の温度センサは、上述のごとく、上記感温素子と上記電極膜と上記リード線とを備える。そして、上記感温素子、上記電極膜、及び上記リード線の線膨張係数をそれぞれＴ_a（／℃），Ｔ_b（／℃）、及びＴ_d（／℃）としたとき、Ｔ_a≦Ｔ_b≦Ｔ_dの関係を満足する。
Ｔ_a≦Ｔ_b≦Ｔ_dという関係を満足しない場合には、例えば−５０℃〜１０５０℃というワイドレンジ環境下において熱応力を十分に緩和することが困難になるおそれがある。

上記電極膜と上記リード線とは金属からなる接合材を介して接合されており、かつ上記接合材の線膨張係数をＴ_c（／℃）としたとき、Ｔ_a≦Ｔ_b≦Ｔ_c≦Ｔ_dの関係を満足することが好ましい。
この場合には、上記電極膜と上記リード線との間に上記接合材を有することにより、線膨張係数がよりなだらかな勾配を形成することができる。そのため、上記温度センサにおいては、ワイドレンジ環境下においてより一層熱応力が緩和され、上記温度センサの信頼性をより向上させることができる。

上記温度センサは、上記リード線を内蔵するシースピンを有し、該シースピンの先端側において露出する上記リード線が上記電極膜に接続される構造とすることができる。
この場合には、断線を防止できるという本発明の作用効果がより顕著になる。即ち、上記シースピンから伸びるリード線が直接上記電極膜に接続された構成の温度センサにおいては、Ｐｔからなる電極線を使用すると断線が起りやすくなる。本発明の構成を採用することにより、Ｐｔからなる電極線の使用を回避することが可能になり、上記シースピンから伸びるリード線を直接上記電極膜に接続させる構成を採用しても断線を十分に防止することが可能になる。

また、上記温度センサは、信号線を内蔵するシースピンを有し、該シースピンの先端側において露出する上記信号線が上記電極膜に接続されたリード線と接合する構造とすることもできる。

上記感温素子は、線膨張係数３×１０^-6〜５×１０^-6／℃の低熱膨張セラミックスからなる。好ましくは、線膨張係数４×１０^-6〜５×１０^-6／℃の低熱膨張セラミックスがよい。
具体的には、上記感温素子は、例えば、非酸化物からなる絶縁性のマトリックス粒子よりなるマトリックス相を有する低熱膨張セラミックスにより構成することができる。

好ましくは、上記感温素子は、窒化珪素のマトリックス粒子よりなるマトリックス相を有することがよい。
この場合には、感度の良い温度センサを実現することができる。

また、より好ましくは、窒化珪素のマトリックス粒子よりなるマトリックス相（第１相）と、該第１相に三次元網目状に不連続に分散した半導体又は導電性の第２相粒子より構成された低熱膨張セラミックスを採用することがよい。
この場合には、感度の良い温度センサが実現できる共に、還元劣化を防止できる耐熱性に優れた温度センサを実現することができる。

上記第１相と上記第２相粒子とから構成された低熱膨張セラミックスとしては、具体的には、特開２０００−３４８９０７号公報、特開平８−２７３９０４号公報、特開平７−３３１３５８号公報、特開平６−２２７８７０号公報等に記載のワイドレンジ用サーミスタ材料又は複合材料を採用することができる。
より具体的には、上記マトリックス粒子としては、例えば窒化珪素又は酸窒化物系セラミックス等からなる粒子を採用することができる。好ましくは窒化珪素系セラミックスからなる粒子がよい。
また、上記第２相粒子としては、炭化ケイ素等からなる粒子を採用することができる。

具体的には、上記低熱膨張セラミックスは例えば次のようにして作製したものを採用することができる。即ち、炭化ケイ素（ＳｉＣ）粉末（平均粒径０．２μｍ以下）３０〜５０ｖｏｌ％と、焼結助剤としての酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）粉末（平均粒径０．５μｍ以下）４〜７ｖｏｌ％と、添加剤としてのホウ化チタン粉末（ＴｉＢ_２）（平均粒径０．４μｍ以下）０．６〜４ｖｏｌ％と、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）粉末（平均粒径０．７μｍ以下）残部（ｖｏｌ％）とを混合し、水又はアルコール等の分散媒中で混合する。次いで、混合原料を成形し加熱することにより得ることができる。

次に、上記電極膜と上記リード線と上記接合材は、少なくともＣｒ及びＦｅを含有する合金からなることが好ましい。
Ｃｒ及びＦｅを含有する合金においては、Ｃｒの含有量が多いほど低線膨張係数材料となり、上記感温素子の線膨張係数に近づけることが可能になる。また、Ｐｔ等の貴金属と比較して、Ｃｒを含有する合金は、強度が高く断線し難い。さらに、Ｆｅを入れることで材料の延性を改善でき、線膨張係数の調整が可能になる。

上記電極膜はＣｒ−Ｆｅ合金にて構成することができる。具体的には、上記電極膜は、Ｃｒ又はＦｅを主成分とする合金にて構成することが好ましく、より好ましくはＣｒを主成分とするＣｒ−Ｆｅ合金が好ましい。
上記電極膜の線膨張係数Ｔ_b（／℃）は、Ｔ_b≦１１×１０^-6であることが好ましい。
この場合には、上記感温素子、及び上記リード線と上記電極膜との線膨張差をより小さくすることができる。また、上記接合材を備える場合には、上記感温素子、上記接合材、及び上記リード線と上記電極膜との線膨張差をより小さくすることができる。そのためこの場合には、ワイドレンジでの使用環境化においても熱応力をより一層緩和でき、信頼性をより向上することができる。

また、上記電極膜の温度０〜１００℃における線膨張係数は例えば４×１０^-6〜９×１０^-6／℃にすることができる。
この場合には、上記感温素子、及び上記リード線と上記電極膜との熱膨張差、又は上記感温素子、上記接合材、及び上記リード線と上記電極膜との熱膨張差をより一層小さくすることができる。そのため、上記温度センサの高温環境下での耐久性をより向上させることができる。また、ワイドレンジでの使用環境化においても熱応力をさらにより一層緩和でき、信頼性をより向上することができる。

上記リード線の線膨張係数Ｔ_d（／℃）は、１５×１０^-6／℃以下、即ちＴ_d≦１５×１０^-6であることが好ましく、より好ましくはＴ_d≦１４×１０^-6がよい。
上記リード線の線膨張係数は例えば４×１０^-6〜１４×１０^-6／℃にすることができる。
この場合には、上記感温素子及び上記電極膜と上記リード線との熱膨張差又は上記感温素子、上記電極膜、及び上記接合材と上記リード線との熱膨張差をより一層小さくすることができる。そのため、上記温度センサの高温環境下での耐久性をより向上させることができる。また、ワイドレンジでの使用環境化においても熱応力をより緩和でき、信頼性をより向上できる。

また、上記リード線はＮｉ基合金又はフェライト系ステンレス鋼により構成することができる。これらは、上述のごとく、Ｃｒ及びＦｅを含有することが好ましい。
Ｎｉ基合金としては、例えばＮＣＦ６０１（ＪＩＳ Ｇ４９０１）等を採用することができる。ＮＣＦ６０１（ＪＩＳ Ｇ４９０１）は、具体的には、Ｃ：０．１０ｗｔ％以下、Ｓｉ：０．５０ｗｔ％以下、Ｍｎ：１．０ｗｔ％以下、Ｐ：０．０３０ｗｔ％以下、Ｓ：０．０１５ｗｔ％以下、Ｎｉ：５８．００〜６３．００ｗｔ％、Ｃｒ：２１．００〜２５．００ｗｔ％、Ｃｕ：１．００ｗｔ％、Ａｌ：１．００〜１．７０ｗｔ％、Ｆｅ：残部という組成有する。
また、フェライト系ステンレス鋼としては、例えばＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金からなるＳＵＨ２１（ＪＩＳ Ｇ４３１２）等を採用することができる。ＳＵＨ２１（ＪＩＳ Ｇ４３１２）は、具体的には、Ｃｒ：１７〜２１ｗｔ％、Ａｌ：２．０〜４．０ｗｔ％、Ｃ：０．１０ｗｔ％以下、Ｓｉ：１．５０ｗｔ％以下、Ｍｎ：１．０ｗｔ％以下、Ｐ：０．０４０ｗｔ％以下、Ｓ：０．０３０ｗｔ％以下、Ｆｅ：残部という組成を有する。

また、上記接合材は、上述のごとく、Ｃｒ及びＦｅを含有する合金からなることが好ましい。上記接合材は、ペースト状の金属粉末を焼き付けてなる。
上記接合材Ｔ_c（／℃）は、Ｔ_c≦１２×１０^-6であることが好ましい。
この場合には、上記感温素子、上記電極膜、及び上記接合材と上記リード線との線膨張
差をより一層小さくすることができる。そのため上記温度センサは、ワイドレンジ環境下においても熱応力を緩和でき、信頼性を向上できる。

具体的には、上記接合材は、ペースト状のＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金又はＣｒ−Ｆｅ合金を焼付けてなることが好ましい。
上記接合材の線膨張係数は、Ｎｉ基合金からなるリード線を採用した場合には、９×１０^-6〜１２×１０^-6／℃であることがより好ましく、上記接合材はペースト状のＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金を焼付けてなることが好ましい。
この場合には、Ａｌの不動態膜が形成されるため、高温での耐酸化性に優れる。

Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金としては、例えばＣｒを１７〜２１重量％、Ａｌを２〜６重量％含む合金を採用することができる。具体的には、例えばＳＵＨ２１（ＪＩＳ Ｇ４３１２）等を採用することができる。かかる合金は、Ｆｅ以外の成分として、Ｃｒ：１７〜２１ｗｔ％、Ａｌ：２．０〜４．０ｗｔ％、Ｃ：０．１０ｗｔ％以下、Ｓｉ：１．５０ｗｔ％以下、Ｍｎ：１．０ｗｔ％以下、Ｐ：０．０４０ｗｔ％以下、Ｓ：０．０３０ｗｔ％以下という組成を有する。

また、フェライト系ステンレス鋼からなるリード線を採用した場合には、上記接合材の線膨張係数は９×１０^-6〜１１×１０^-6／℃であることよりが好ましく、上記接合材はペースト状のＣｒ−Ｆｅ合金を焼付けてなることが好ましい。
Ｃｒ−Ｆｅ合金においては、Ｃｒの比率が大きい程、線膨張係数が低くなるため、より熱応力を緩和できる。

Ｃｒ−Ｆｅ合金としては、Ｃｒを６０〜９０ｗｔ％、Ｆｅを４０〜１０ｗｔ％含む合金が好ましい。具体的には、Ｃｒ−Ｆｅ合金として、例えばＣｒ４０Ｆｅ合金等を採用することができる。

上記接合材の焼付け温度は、１０００〜１４９０℃であることが好ましく、１０００〜１２００℃であることがより好ましい。
焼付け温度が１０００℃未満の場合には、接合強度が不足したり、金属粉末の焼結が不十分になったりするおそれがある。一方、１４９０℃を超える場合には、合金が溶融し、リード線と電極膜との接合が困難になるおそれがある。焼付け温度は１２００℃以下であることがより好ましい。

次に、上記電極膜は、上記感温素子における対向する一対の表面にそれぞれ全面にわたって形成されており、上記感温素子と上記接合材との接合面においては、上記感温素子の端部と上記接合材との最短距離が少なくとも０．１ｍｍ以上であることが好ましい。
この場合には、製造時に感温素子にクラックが発生することを防止することができる。
この理由を説明する。即ち、上記電極膜は、上記感温素子の一対の表面においてその全面に形成されており、上記電極膜は熱処理を行って形成されるため、上記感温素子端部には引張応力が加わっている。上記接合材が、上記電極膜が形成された上記感温素子の端部まで存在すると、上記接合材も熱処理を行って形成されるため、上記感温素子にさらに引張応力が加わる。その結果、感温素子にクラックが発生するおそれがある。
上述のように、上記感温素子と上記接合材との接合面においては、上記感温素子の端部と上記接合材との最短距離が少なくとも０．１ｍｍ以上離れていれば、上記接合材から上記感温素子への熱応力は上記感温素子端部へ影響しなくなり、クラックの発生を防止することができる。

また、上記感温素子と上記電極膜とを上記リード線の一部と共に封止する保護層を有することが好ましい。
この場合には、上記感温素子と上記電極膜と上記リード線との接合部における熱応力を緩和させることができると共に、接合部の保持力を向上させて振動に対する耐久性をより向上させることができる。
また、上記温度センサにおいて、上記電極膜と上記リード線とが上記接合材を介して接合されている場合には、上記保護層により、上記感温素子と上記電極膜と上記リード線と上記接合材との接合部における熱応力を緩和させることができると共に、接合部の保持力を向上させて振動に対する耐久性をより向上させることができる。
上記保護層は、例えばガラスにより形成することができる。

（実施例１）
次に、本発明の実施例にかかる温度センサについて説明する。
図１〜図３に示すごとく、本例の温度センサ１は、温度によって電気特性が変化する低熱膨張セラミックスからなる感温素子２と、その表面に設けられた一対の電極膜２０と、これに接合された外部回路接続用の一対のリード線２１とを有する。リード線２１は電極膜２０に接合材２２によって接合されている。

本例において、感温素子２の低熱膨張セラミックスは、非酸化物からなる絶縁性のマトリックス粒子よりなる第１相と、該第１相に三次元網目状に不連続に分散した半導体又は導電性の第２相粒子より構成されている。本例においては、マトリックス粒子はＳｉ₃Ｎ₄からなり、第２相粒子はＳｉＣ粒子からなる。また、マトリックス粒子間には、Ｙ₂Ｏ₃からなるガラス相が存在し、このガラス相に第２相粒子が分散される。本例の低膨張セラミックスからなる感温素子２の線膨張係数は４．５×１０^-6／℃である。

また、電極膜２０はＣｒ−Ｆｅ合金であるＣｒ−４０Ｆｅ合金からなる。電極膜２０の線膨張係数は、９×１０^-6／℃（温度０〜１００℃）である。
リード線２１はＮｉ基合金（ＮＣＦ６０１）である大同スペシャルメタル株式会社製の「インコネル（ＩＮＣＯＮＥＬ）６０１」からなる。リード線２１の線膨張係数は、１４×１０^-6／℃である。

また、接合材は、ペースト状のＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金を焼付けてなる。本例においては、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金としては、ＮＡＳ４４２５Ａ５系の鋼（日本冶金工業株式会社製）を採用してある。そのＦｅ以外の成分組成は、Ｃｒ：１９〜２１ｗｔ％、Ａｌ：５．０〜６．０ｗｔ％、Ｌａ：０．０６〜０．１２ｗｔ％、Ｃ：０．０１５ｗｔ％以下、Ｓｉ：１．０ｗｔ％以下、Ｍｎ：１．０ｗｔ％以下である。接合材の線膨張係数は、１１×１０^-6／℃である。

また、温度センサ１は、感温素子２と電極膜２０と接合材２２とをリード線２１の一部と共に封止する保護層５２を有する。
保護層５２は、１０００℃以上の高温にて感温素子２を保護する効果を有する材料で構成される。その材料としては、無機材料、非晶質ガラス、結晶化ガラス等が挙げられる。それぞれが単独で所望の範囲の線熱膨張係数を有すれば単独で用いてもよいが、所望の線膨張係数を有するように非晶質ガラスと結晶化ガラスとを混合したもの、ガラスに無機材料粉末を添加したもの等を用いて構成してもよい。ガラスに添加する無機材料粉末としては、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）、酸化クロム（Ｃｒ₂Ｏ₃）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、感温素子２を構成する低熱膨張セラミックス等が挙げられる。保護層５２を構成する材料としては、高温で安定な結晶化ガラスに感温素子２を構成する低熱膨張セラミックスを４０重量％以上添加して線膨張係数を調整したものがより好ましい。

結晶化ガラスの組成は、例えば、酸化ケイ素、酸化カルシウム、酸化マンガン、酸化アルミニウムから構成されるものが好ましい。そして、結晶化ガラスは、ＳｉＯ₂：３０〜６０重量％、ＣａＯ：１０〜３０重量％、ＭｇＯ：５〜２５重量％、Ａｌ₂Ｏ₃：０〜１５重量％の組成を有することがより好ましい。

本例の温度センサ１は、自動車の排気ガス温度測定用のセンサである。
図２に示すごとく、温度センサ１においては、カバー４よりも後端側において、ガードチューブ１１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１１は、その後端部１１２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１１の後端部１１２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１１の先端部１１１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１１は、先端部１１１と後端部１１２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１１１及び後端部１１２以外の部分においては、ガードチューブ１１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１１の外周にはリブ１２が配されている。そして、リブ１２は、ガードチューブ１１を介してシースピン３を保持している。

リブ１２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１２１と、その後方に延びると共に当接部１２１よりも外径の小さい第１延設部１２２と、該第１延設部１２２よりも更に後方に延び、更に外径の小さい第２延設部１２３とからなる。これらの当接部１２１と第１延設部１２２と第２延設部１２３との内側に、ガードチューブ１１が挿嵌されている。
また、第１延設部１２２の外周には、シースピン３、ガードチューブ１１及び外部リード１７の一部を保護する保護チューブ１３の一端が溶接固定されている。
また、第２延設部１２３においては、リブ１２がガードチューブ１１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３０１の外周に対して、全周溶接されている。
ガードチューブ１１、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１２、保護チューブ１３も、ステンレス鋼またはＮｉ基耐熱合金からなる。
また、ガードチューブ１１の厚みは、シースピン３の外管部３４の厚みよりも大きくしてあり、ガードチューブ１１は、シースピン３の外管部３４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、Ｎｉ基耐熱合金からなる２本のリード線２１と、該リード線２１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３３と、該絶縁部３３の外周を覆うステンレス鋼からなる外管部３４とからなる。シースピン３は円柱形状を有し、外管部３４は円筒形状を有する。また、リード線２１は、絶縁部３３及び外管部３４から先端側及び後端側に露出している。そして、リード線２１の先端は感温素子２の電極膜２０に接合材２２によって接合され（図１参照）、リード線２１の後端は外部リード線１７に接続されている（図２参照）。

また、図２及び図３に示すごとく、保護層５２は、室温から８５０℃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。好ましくは室温から１０００℃の温度範囲において保護層５２がカバー４の内側面に常に接触していることがよい。
また、保護層５２は、室温から８５０℃の温度範囲においてカバー４と化学反応を生じない。好ましくは、室温から１０００℃の温度範囲において外側保護層５２がカバー４と化学反応を生じないことがよい。

また、図１に示すごとく、リード線２１は、感温素子２の外表面に接合されている。すなわち、感温素子２は、略直方体形状を有し、互いに平行な一対の面に、一対の電極膜２０が形成されており、それらの電極にそれぞれシースピン３内から伸びるリード線２１が直接接合されている。

次に、本例の温度センサ１の製造方法の一例を説明する。
まず、以下のように感温素子２を製造する。
すなわち、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）粉末（平均粒径０．７μｍ）５２．２ｖｏｌ％と炭化ケイ素（ＳｉＣ）粉末（平均粒径０．２μｍ）４０ｖｏｌ％と、焼結助剤としての酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）粉末（平均粒径０．５μｍ）５．５ｖｏｌ％と、添加剤としてのホウ化チタン（ＴｉＢ₂）粉末（平均粒径０．４μｍ）２．３ｖｏｌ％とを混合し、エタノールを用いて２４時間ボールミルで混合した。
次いで、混合原料を金型中に入れ、圧力２０ＭＰａで一軸プレス成形を行い、Ｎ₂雰囲気、温度１８５０℃、プレス圧２０ＭＰａという条件でホットプレスを１時間行なった。これにより、縦１ｍｍ×横１ｍｍ×高さ０．５ｍｍの直方体形状（板状）の焼結体（低熱膨張セラミックス）からなる感温素子２を得た。

次に、感温素子２の高さ方向の対向する一対の面に、Ｃｒ−Ｆｅ合金ペーストを１０μｍ程度の厚さに厚膜印刷し、温度１３００℃にて焼き付けることにより電極膜２０を形成した。Ｃｒ−Ｆｅ合金ペーストは、粒度約３０μｍ以下のものである。

次に、以下のようにして、シースピン３内から伸びるＮｉ基合金からなるリード線２１を感温素子２の電極膜２０に接合する（図１参照）。
即ち、まず、ＮＡＳ４４２５Ａ５系の鋼粒子（平均粒径１０μｍ）８０〜８５ｗｔ％と、アクリル共重合体４〜６ｗｔ％と、フタル酸ビス（メチルヘキシル）０．１〜１ｗｔ％と、ソルベントナフサ１〜２ｗｔ％と、乳酸ブチル５〜１０ｗｔ％と、シリコン樹脂１ｗｔ％以下とを混合して、ペースト状の接合材を作製した。

次いで、図４に示すごとく、感温素子２の一対の電極面２０に、シースピンから伸びるＮｉ基合金からなるリード線２１を当接させた。
そして、図５及び図６に示すごとく、電極面２０とリード線との当接部にペースト状の接合材２２０をペーストポッティング方式で塗布した。その後、温度１２００℃で１時間加熱することにより、焼き付けを行なった。これにより、図１に示すごとく、感温素子２の電極面２０とリード線２１とを接合材２２により接合した。

次に、例えば、ＳｉＯ₂：３０〜６０重量％、ＣａＯ：１０〜３０重量％、ＭｇＯ：５〜２５重量％、Ａｌ₂Ｏ₃：０〜１５重量％からなる結晶化ガラス粉末を溶剤と混合してペースト化したものに、リード線２１を接合した感温素子２をディップして、所定量のガラスペーストを付着させた。乾燥後１２００℃にて熱処理することでガラスの結晶化と焼付けとを同時に行い、図１に示すごとく、保護層５２を形成した。ガラスペーストは線膨張係数を電極膜２０に合わせる。

次いで、図２及び図３に示すごとく、シースピンから伸びるリード線２１に接合され、保護層５２に覆われた感温素子２を、温度３００℃以上に加熱したカバー４内に挿入した。次いで、カバー４を室温まで冷却し、カバー４をシースピン３の側面に溶接した。
以上により、温度センサ１を得た。

次に、本例の作用効果につき説明する。
図１に示すごとく、本例の温度センサ１は、低熱膨張セラミックスからなる感温素子２を備える。そして、温度センサ１においては、Ｃｒ−Ｆｅ合金からなる電極膜２０と、Ｎｉ基合金からなるリード線２１とを、ペースト状のＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金を焼付けてなる接合材２２によって接合している。
このように、リード線２１と電極膜２０との接合部周辺の材質を特定することにより、感温素子２、電極膜２０、接合材２２、及びリード線２１の線膨張係数を相互に近づけることができる。さらに、感温素子２を構成する低熱膨張セラミックスの線膨張係数をＴ_a（／℃）、電極膜２０の線膨張係数をＴ_b（／℃）、接合材２２の線膨張係数をＴ_c（／℃）、及びリード線２１の線膨張係数をＴ_d（／℃）とすると、Ｔ_a≦Ｔ_b≦Ｔ_c≦Ｔ_dとすることが可能になり、これらの線膨張係数を段階的に近づけることができる。

即ち、低熱膨張セラミックスからなる感温素子２とリード線２１との間で、電極膜２０及び接合部材２２を介して線膨張係数のなだらかな勾配が形成される。そのため、温度センサ１は、高温環境下においても断線し難く、信頼性が高い。また、温度センサ１は、ワイドレンジでの使用環境化においても熱応力を緩和でき、信頼性を向上できる。

また、本例の温度センサにおいては、Ｎｉ基合金からなるリード線２１を採用しており、Ｐｔからなる従来のリード線と比べて強度が高い。そのため、振動に対する耐久性に優れ、断線し難い。なお、Ｎｉ基合金の代わりにフェライト系ステンレス鋼であるＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金（例えば日新製鋼（株）製の「ＮＣＡ１」）を用いても本例と同様の効果が得られることを確認している。

また、本例の温度センサ１においては、Ｎｉ基合金からなるリード線を採用しており、脱貴金属化を図ることができる。そのため、本例の温度センサ１は低コストで製造することが可能になる。

また、本例においては、感温素子２を構成する低熱膨張セラミックスは、非酸化物からなる絶縁性のマトリックス粒子よりなる第１相と、該第１相に三次元網目状に不連続に分散した半導体又は導電性の第２相粒子とから構成されている。
そのため、感度の良い温度センサが実現できると共に、還元劣化を防止できる耐熱性に優れた温度センサを実現することができる。

また、本例の温度センサ１は、感温素子２と電極膜２０と接合材２２とをリード線２１の一部と共に封止する保護層５２を有する。
そのため、感温素子２と電極膜２０とリード線２１と接合材２２との接合部における熱応力を緩和させることができると共に、接合部の保持力を向上させて振動に対する耐久性をより向上させることができる。

このように本例によれば、低熱膨張の感温素子を備える温度センサにおいて、断線を防止できると共に低コストで作製できる温度センサを提供することができる。

（実施例２）
本例は、実施例１とは感温素子に対する電極膜の形成方法等を変更して温度センサを作製する例である。本例の温度センサは、後述する電極膜の形成方法等を変更した点を除いては、実施例１と同様の構成を有する。

本例の温度センサの作製にあたっては、具体的には、まず、実施例１と同様にして、感温素子を得た。
次に、感温素子の高さ方向の対向する一対の面に、Ｃｒ−Ｆｅ合金ペーストを１０〜２０μｍ程度の厚さに厚膜印刷し、温度１２００℃にて焼き付けることにより電極膜を形成した。Ｃｒ−Ｆｅ合金ペーストは、粒度約１０μｍ以下のものである。

次に、以下のようにして、実施例１と同様にシースピン内から伸びるＮｉ基合金からなるリード線を感温素子の電極膜に接合する。
即ち、まず、ＳＵＨ２１相当のＮＡＳ４４２５Ａ５系の鋼粒子（日本冶金工業株式会社製、粒径１０μｍ以下）８０〜８５ｗｔ％と、アクリル共重合体４〜６ｗｔ％と、フタル酸ビス（メチルヘキシル）０．１〜１ｗｔ％と、ソルベントナフサ１〜２ｗｔ％と、乳酸ブチル５〜１０ｗｔ％と、シリコン樹脂１ｗｔ％以下とを混合して、ペースト状の接合材を作製した。

次いで、感温素子の一対の電極膜に、シースピンから伸びるＮｉ基合金からなるリード線を当接させた。そして、電極膜とリード線との当接部にペースト状の接合材をペーストポッティング方式で塗布した後、温度１１００℃で１時間加熱することにより、焼き付けを行なった。これにより、感温素子の電極膜とリード線とを接合材により接合した。

次に、実施例１と同様にして、リード線を接合した感温素子をディップして、乾燥後に熱処理することにより、保護層を形成した。
次いで、実施例１と同様にして、シースピンから伸びるリード線に接合され、保護層に覆われた感温素子を、加熱したカバー内に挿入し、冷却し、カバーをシースピンの側面に溶接した。
このようにして、本例の温度センサを得た。

本例において作製した温度センサにおいても、実施例１と同様に、感温素子を構成する低熱膨張セラミックスの線膨張係数をＴ_a（／℃）、電極膜の線膨張係数をＴ_b（／℃）、接合材の線膨張係数をＴ_c（／℃）、及びリード線の線膨張係数をＴ_d（／℃）とすると、Ｔ_a≦Ｔ_b≦Ｔ_c≦Ｔ_dとすることが可能になり、これらの線膨張係数を段階的に近づけることができる。即ち、低熱膨張セラミックスからなる感温素子とリード線との間で、電極膜及び接合部材を介して線膨張係数のなだらかな勾配が形成される。そのため、本例の温度センサは、高温環境下においても断線し難く、信頼性が高い。また、温度センサは、ワイドレンジでの使用環境化においても熱応力を緩和でき、信頼性を向上できる。
本例の温度センサは、その他、実施例１と同様の作用効果を示すことができる。

（実施例３）
本例は、感温素子の電極膜に接合したリード線を、シースピンから伸びる信号線に接合した構成の温度センサの例である。
具体的には、図７に示すごとく、本例の温度センサ６においては、実施例１と同様に、直方体状の感温素子２と、その表面に設けられた一対の電極膜２０と、これに接合されたリード線２１とを有し、リード線２１は、電極膜２０に接合材２２によって接合されている。

本例においては、電極膜２０に接合された一対のリード線２１は、シースピン３の先端から伸びる信号線２１５に接合されている。リード線２１と信号線２１５との接合は、レーザー溶接により行うことができる。信号線２１５の後端は、実施例１と同様の外部リード線に接続されている（図示略）。

本例において、リード線２１は、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金からなるＳＵＨ２１（ＪＩＳ Ｇ４３１２）からなる。その線膨張係数は、１１×１０^-6／℃である。
また、信号線２１５は、Ｎｉ基合金（ＮＣＦ６０１）である大同スペシャルメタル株式会社製の「インコネル（ＩＮＣＯＮＥＬ）６０１」からなる。その線膨張係数は、１４×１０^-6／℃である。
その他の構成は、実施例１と同様である。

本例の温度センサ６においても、実施例１及び２と同様に、感温素子２を構成する低熱膨張セラミックスの線膨張係数をＴ_a（／℃）、電極膜２０の線膨張係数をＴ_b（／℃）、接合材２２の線膨張係数をＴ_c（／℃）、及びリード線２１の線膨張係数をＴ_d（／℃）とすると、Ｔ_a≦Ｔ_b≦Ｔ_c≦Ｔ_dとすることが可能になり、これらの線膨張係数を段階的に近づけることができる（図７参照）。即ち、低熱膨張セラミックスからなる感温素子２とリード線２１との間で、電極膜２０及び接合部材２２を介して線膨張係数のなだらかな勾配が形成される。そのため、本例の温度センサ６は、ワイドレンジでの使用環境化においても熱応力を緩和でき、信頼性を向上できる。
本例の温度センサは、その他、実施例１と同様の作用効果を示すことができる。

（実施例４）
本例は、感温素子と接合材との接合面において、感温素子の端部と接合材の外縁との最短距離と、クラックの発生との関係を調べる例である。即ち、電極面とリード線との当接部に形成する接合材の大きさの異なる複数の温度センサ（試料Ｘ１〜試料Ｘ５）を作製し、接合材形成後の感温素子に発生するクラックの有無を調べる。

具体的には、まず、実施例１と同様にして、感温素子を作製し、感温素子の高さ方向の対向する一対の面に、Ｃｒ−Ｆｅ合金ペーストを１０〜２０μｍ程度の厚さに厚膜印刷し、温度１２００℃にて焼き付けることにより電極膜を形成した。Ｃｒ−Ｆｅ合金ペーストは、粒度約１０μｍ以下のものである。

次いで、ＳＵＨ２１相当のＮＡＳ４４２５Ａ５系の鋼粒子（日本冶金工業株式会社製、平均粒径１０μｍ）８０〜８５ｗｔ％と、アクリル共重合体４〜６ｗｔ％と、フタル酸ビス（メチルヘキシル）０．１〜１ｗｔ％と、ソルベントナフサ１〜２ｗｔ％と、乳酸ブチル５〜１０ｗｔ％と、シリコン樹脂１ｗｔ％以下とを混合して、ペースト状の接合材を作製した。

次いで、実施例１と同様に、感温素子に形成された一対の電極膜に、Ｎｉ基合金からなるリード線を当接させた。そして、電極膜とリード線との当接部にペースト状の接合材をペーストポッティング方式で塗布した。その後、温度１１００℃で１時間加熱することにより、焼き付けを行なった。これにより、感温素子２の電極膜２０とリード線２１とを接合材２２により接合した（図８参照）。
本例においては、ペースト状の接合材の塗布量を変更することにより、電極膜上における接合面積を代えて大きさの異なる接合材を形成した。
その他は、実施例１と同様にして、温度センサを作製することができる。

本例においては、感温素子２と接合材２２との接合面において、感温素子２の端部２８と接合材２２の外縁２２９との最短距離（ａ、ｂ、ｃ、又はｄ）を測定した。図８に示すごとく、本例においては、接合材２２を形成した直方体状の感温素子２の表面を、接合体を形成した側から上面視したときに、接合材２２は、その外縁２２９が略円形状になるように形成されている。したがって、上述の最短距離は、図８における距離ａ又は距離ｂ又は距離ｃ又は距離ｄになる。

本例において作製した試料Ｘ１〜試料Ｘ５の温度センサにおいて、距離ａ又は距離ｂ又は距離ｃ又は距離ｄを測定し、その最短距離を調べた。その結果を表１に示す。
また、各試料について、接合材を形成した後に、感温素子に発生しうるクラックの有無を顕微鏡により調べた。クラックの有無は、各試料Ｘ１〜Ｘ５と同様の条件で作製した温度センサ５つについてそれぞれ行った（Ｎ＝５）。その結果を表１に示す。なお、表１においては、クラックが観察された場合を「×」として表し、クラックが観察されなかった場合を「○」として表す。

表１より知られるごとく、感温素子２と接合材２２との接合面において、感温素子２の端部２８と接合材２２との最短距離が少なくとも０．１ｍｍ以上である場合（試料Ｘ３〜５）には、５回の測定においてもクラックの発生は無かった。これに対し、感温素子２の端部２８と接合材２２との最短距離が０．１ｍｍ未満である場合（試料Ｘ１及びＸ２）には、５回の測定の少なくともいずれかにおいて、接合材の形成後の感温素子にクラックの発生が観察された。
このように、本例によれば、感温素子２と接合材２２との接合面における感温素子２の端部２８と接合材２２との最短距離は、少なくとも０．１ｍｍ以上であることが好ましいことがわかる。

（実施例５）
本例は、接合材を用いずに電極膜とリード線とを接合して温度センサを作製する例である。具体的には、図９に示すごとく、電極膜２０とリード線２１とをレーザー溶接により接合する。また、本例においては、保護層を形成せずに、温度センサ７を作製する。本例の温度センサ７は、接合材を用いずにレーザー溶接により電極膜２０とリード線２１とを接合し、保護層を形成していない点を除いては、実施例１と同様の構成を有する。

図９に示すごとく、本例の温度センサ７の作製にあたっては、具体的には、まず、実施例１と同様にして、感温素子２を作製した。次に、感温素子２の高さ方向の対向する一対の面に、Ｃｒ−Ｆｅ合金ペーストを１０〜２０μｍ程度の厚さに厚膜印刷し、温度１２００℃にて焼き付けることにより電極膜２０を形成した。Ｃｒ−Ｆｅ合金ペーストは、粒度約１０μｍ以下のものである。

次に、シースピン３内から伸びるＮｉ基合金からなるリード線２１を感温素子２の電極膜２０に当接させ、当接部においてレーザー溶接により電極膜２０とリード線２１とを接合した。本例においては、レーザー溶接により接合したが、例えば抵抗溶接により接合することもできる。

次に、実施例１と同様にして、シースピン３から伸びるリード線２１に接合された感温素子２を、加熱したカバー４内に挿入し、冷却し、カバーをシースピンの側面に溶接した。
このようにして、本例の温度センサ７を得た。

本例において作製した温度センサ７においては、感温素子２を構成する低熱膨張セラミックスの線膨張係数をＴ_a（／℃）、電極膜２０の線膨張係数をＴ_b（／℃）、及びリード線の線膨張係数をＴ_d（／℃）とすると、Ｔ_a≦Ｔ_b≦Ｔ_dとすることが可能になり、これらの線膨張係数を段階的に近づけることができる。即ち、低熱膨張セラミックスからなる感温素子２とリード線２１との間で、電極膜２０を介して線膨張係数のなだらかな勾配が形成される。そのため、本例の温度センサ７は、ワイドレンジでの使用環境化においても熱応力を緩和でき、信頼性を向上できる。

また、図９に示すごとく、本例の温度センサ７においては、接合材を用いずに、レーザー溶接によりリード線２１と電極膜２０とが接合されており、リード線２１と電極膜２０との接合部には、溶接部２１０が形成される。溶接部２１０は、レーザー溶接により、リード線２１及び電極膜２０が部分的に溶融後硬化してなる。
そのため、接合材を用いた所謂拡散接合よりも接合部の強度を高くすることができる。
また、接合材を用いた接合の場合には真空炉等による熱処理が必要になるが、本例のように溶接による接合を行った場合には、接合時に熱処理を行う必要がない。そのため、生産性が高くなる。また、残留熱ひずみの発生を防止することができるため、耐熱応力を向上させることができる。

本例の温度センサは、その他、実施例１と同様の作用効果を示すことができる。
なお、本例においては、保護層を形成せずに温度センサを作製したが、実施例１と同様に、リード線を接合した感温素子をディップして、乾燥後に熱処理することにより、保護層を形成することもできる。

１ 温度センサ
２ 感温素子
２０ 電極膜
２１ リード線
２２ 接合材

Claims (12)

1. 温度によって電気特性が変化する線膨張係数３×１０^-6〜５×１０^-6／℃の低熱膨張セラミックスからなる感温素子と、該感温素子の表面に設けられた線膨張係数が１１×１０ ^-6 ／℃以下の一対の電極膜と、該電極膜に接合された線膨張係数が１５×１０^-6／℃以下の一対のリード線とを有する温度センサであって、
   上記感温素子、上記電極膜、及び上記リード線の線膨張係数をそれぞれＴ_a（／℃）、Ｔ_b（／℃）、及びＴ_d（／℃）としたとき、Ｔ_a≦Ｔ_b≦Ｔ_dの関係を満足し、
   上記電極膜は、Ｃｒを主成分とするＣｒ−Ｆｅ合金からなることを特徴とする温度センサ。
2. 請求項１に記載の温度センサにおいて、上記電極膜と上記リード線とは、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金又はＣｒ−Ｆｅ合金からなる接合材を介して接合されており、かつ上記接合材の線膨張係数をＴ_c（／℃）としたとき、Ｔ_a≦Ｔ_b≦Ｔ_c≦Ｔ_dの関係を満足することを特徴とする温度センサ。
3. 請求項２に記載の温度センサにおいて、上記接合材の線膨張係数Ｔ _c （／℃）は、９×１０ ^-6 ≦Ｔ _c ≦１２×１０ ^-6 ／℃であることを特徴とする温度センサ。
4. 請求項２又は３に記載の温度センサにおいて、上記接合材は、Ｃｒを６０〜９０ｗｔ％、Ｆｅを４０〜１０ｗｔ％含む合金からなることを特徴とする温度センサ。
5. 請求項２〜４のいずれか一項に記載の温度センサにおいて、上記接合材は、ペースト状のＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金又はＣｒ−Ｆｅ合金を温度１０００〜１４９０℃で焼き付けてなることを特徴とする温度センサ。
6. 請求項５に記載の温度センサにおいて、上記ペースト状のＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金又はＣｒ−Ｆｅ合金は、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金又はＣｒ−Ｆｅ合金よりなる鋼粒子８０〜８５ｗｔ％と、アクリル共重合体４〜６ｗｔ％と、ソルベントナフサ１〜２ｗｔ％と、乳酸ブチル５〜１０ｗｔ％とを含有することを特徴とする温度センサ。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の温度センサにおいて、上記電極膜は、上記感温素子の表面に粒度３０μｍ以下のＣｒ−Ｆｅ合金ペーストを印刷して焼き付けてなることを特徴とする温度センサ。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の温度センサにおいて、上記電極膜は、上記感温素子の表面にＣｒ−Ｆｅ合金ペーストを１０〜２０μｍの厚さで印刷して焼き付けてなることを特徴とする温度センサ。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の温度センサにおいて、上記電極膜は、上記感温素子における対向する一対の表面にそれぞれ全面にわたって形成されており、上記感温素子と上記接合材との接合面においては、上記感温素子の端部と上記接合材との最短距離が少なくとも０．１ｍｍ以上であることを特徴とする温度センサ。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の温度センサにおいて、上記感温素子は、窒化珪素のマトリックス粒子よりなるマトリックス相を有することを特徴とする温度センサ。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の温度センサにおいて、上記リード線は、Ｎｉ基合金又はフェライト系ステンレス鋼よりなることを特徴とする温度センサ。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の温度センサにおいて、上記感温素子と上記電極膜とを上記リード線の一部と共に封止する保護層を有することを特徴とする温度センサ。

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