JPH11295156A

JPH11295156A - 温度センサ素子

Info

Publication number: JPH11295156A
Application number: JP9595998A
Authority: JP
Inventors: Matsuo Fukaya; 松雄深谷; Sotoo Takahashi; 外雄高橋
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-04-08
Filing date: 1998-04-08
Publication date: 1999-10-29
Anticipated expiration: 2018-04-08
Also published as: JP3800798B2

Abstract

(57)【要約】【課題】サーミスタを金属キャップ内部に収納してな
る温度センサ素子において、サーミスタの耐振保護と組
付性向上とを両立させることを目的とする。【解決手段】サーミスタ１０と金属キャップ３０との
間には、Ａｌ₂Ｏ₃及びＳｉＯ₂を含むセラミック系繊
維で構成された成形体である保護材４０が配置されてお
り、サーミスタ１０の耐振保護を図るとともに、従来の
粉末あるいは泥状の絶縁充填材を充填するのに比べて組
付性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各所の温度検出を
行うために用いられる温度センサ素子に関し、特に、自
動車排気系の触媒コンバータ等に取付け、異常温検出と
か触媒劣化検出を行なう排気温センサに用いて好適であ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の温度センサ素子として
は、一般に、有底円筒状の金属キャップ（保護ケース）
の先端側（底部側）内部に、電極線を有するサーミスタ
素子を配置するとともに、信号取出し用の配線部材を金
属キャップの開口部側から挿入してサーミスタ素子の電
極線と接続した構成のものがある。この構成において、
サーミスタ素子は、電極線が開口部側の同一方向に引出
された構成（ラジアル型サーミスタ）としている。

【０００３】このような温度センサ素子は、サーミスタ
素子が金属キャップで保護されているため、自動車の排
気ガス温度検出に用いられる排気温センサに用いて好適
であり、例えば、特開平９−１２６９１０号公報、特開
昭６２−２７８４２１号公報、特開昭５７−４８６２４
号公報に記載のものが提案されている。上記各公報に掲
げる温度センサ素子においては、金属キャップとサーミ
スタ素子との絶縁を確保しつつ、自動車の振動等の外部
振動からサーミスタ素子を保護するために、サーミスタ
素子周辺に高温で絶縁性のある充填材が詰められてい
る。その充填材としては、ＭｇＯ（マグネシア）とかＡ
ｌ₂Ｏ₃（アルミナ）等の粉末を詰めたものや、前記粉
末や無機接着剤（耐熱セメント）を泥状で注入し乾燥固
着させたものが用いられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者等が上記従来構成に基づいて試作検討した結果、充填
材の充填方法において下記のような問題が生じた。例え
ば、Ａｌ₂Ｏ₃とかＭｇＯの粉末を充填する場合には、
予め金属キャップ内に粉末をいれておくとサーミスタ素
子を挿入しにくく、また、キャップを被せてからでは粉
末注入が難しい。

【０００５】また、例えば、前記粉末に水分を加え泥状
にしたもの、或いは無機接着剤（泥状）を予め、キャッ
プ内に入れておき、サーミスタ素子を挿入組付する場合
には、組付後に高温若しくは加熱処理等を行い乾燥させ
る必要があるが、キャップ開口部が配線部材（シースピ
ン等）で蓋をされた形になるので乾燥に手間取る。ま
た、キャップ内面に泥状充填物が付着するので、そこが
配線部材との溶接部になると溶接性が悪くなる。

【０００６】これらの充填方法の煩雑さによって、温度
センサ素子におけるサーミスタ素子の組付に手間がかか
る。サーミスタ素子の組付性を向上させるために、本発
明者等はサーミスタ素子周囲に充填材として碍子管（成
形体）を被せる構成も考えたが、碍子管は焼結品ゆえ、
サーミスタの振動を吸収できず、適切な耐振保護にはな
らない。

【０００７】すなわち、充填材の充填密度も適度な範囲
にする必要がある。つまり、密度が過小であると耐振保
護の役目を成さず、過大である（硬く詰まり過ぎる）と
サーミスタ素子部分との熱膨張差を吸収できず、いずれ
にしろサーミスタ素子の破壊を招きやすい。なお、上記
問題点は、ラジアル型サーミスタに限定されるものでは
なく、要するに、サーミスタ素子を、金属キャップすな
わち保護ケース内部に収納してなる温度センサ素子に共
通の問題といえる。

【０００８】そこで、本発明は上記点に鑑みて、サーミ
スタ素子を保護ケース内部に収納してなる温度センサ素
子において、サーミスタ素子の耐振保護と組付性向上と
を両立させることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、以下の技術的手段を採用する。すなわち、請
求項１記載の発明においては、保護ケース（３０）内に
おいてサーミスタ素子（１０）の周囲に、セラミック系
繊維で構成された成形体（４０）を配置したことを特徴
としている。

【００１０】ここで、成形体（４０）は、セラミック系
繊維で構成されており、充填材として必要な高温絶縁
性、柔軟性を確保できるように、適宜セラミック系繊維
を選択することで、保護ケース（３０）とサーミスタ素
子（１０）との絶縁を確保しつつ外部振動からサーミス
タ素子（１０）を保護することができる。また、成形体
（４０）は粉末や泥状のものに比べて取扱いが簡単であ
り、保護ケース（３０）とサーミスタ素子（１０）と間
に配置するために、予め両者（１０、３０）の隙間形状
に対応した形状になっているから、保護ケース（３０）
とサーミスタ素子（１０）と成形体（４０）との三者の
組付性を良好なものとできる。従って、耐振保護及び組
付性向上の両立を図ることができる。

【００１１】また、請求項２記載の発明においては、サ
ーミスタ素子（１０）と保護ケース（３０）との隙間形
状に対応した形状を有し、セラミック系繊維で構成され
た成形体（４０）を用意し、この成形体（４０）をサー
ミスタ素子（１０）に被せた後、サーミスタ素子（１
０）とともに保護ケース（３０）内に配置してなること
を特徴としており、請求項１記載の発明と同様の作用効
果を得ることができる。

【００１２】ここで成形体（４０）は、請求項３記載の
発明のように、シリカ（ＳｉＯ₂）及びアルミナ（Ａｌ
₂Ｏ₃）を構成材料に含む耐熱繊維で構成されたものを
用いることができる。さらに言えば、成形体（４０）は
密度６０〜４００ｋｇ／ｍ³の繊維集合体（バルクファ
イバー）であることが好ましい。また、請求項４記載の
発明では、成形体（４０）を１０００℃において絶縁性
かつ柔軟性を有するものとしており、特に高温域にて使
用される温度センサ素子（例えば自動車の排気ガス温度
検出用センサ素子等）に対して、耐振保護及び組付性向
上の両立が可能な温度センサ素子を提供することができ
る。

【００１３】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すもの
である。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。本実施形態では、本発明の温度セン
サ素子を、例えば触媒コンバータ等の自動車排気ガス浄
化装置に装着され異常温検出とか触媒劣化検出を行なう
排気温センサ（サーミスタ式排気温センサ）に適用した
ものとして説明する。図１は本実施形態に係る温度セン
サ素子１００の一部切欠断面図である。

【００１５】１０は排気ガス温度（例えば１０００℃以
上）での使用に耐えうる高温用のサーミスタ（サーミス
タ素子）であり、Ｃｒ（クロム）−Ｍｎ（マンガン）−
Ｙ（イットリウム）系セラミック半導体からなる円柱体
形状の素子部１１、及び素子部１１から出力（抵抗
（Ｒ）−温度（Ｔ）特性）を取り出すための電極線１２
とからなる。

【００１６】電極線１２は、一対の白金（Ｐｔ）線（例
えばφ０．３ｍｍ）１２ａ、１２ｂが、素子部１１の円
柱軸方向と平行に所定の極間を有した形で埋設成形及び
焼成され、焼成収縮することにより、焼ばめ固定された
ものである。そして、サーミスタ１０の出力は、同じ方
向に引き出された一対の白金線１２ａ、１２ｂに対して
溶接等により、それぞれ電気的に接続されたシースピン
（配線部材）２０の芯線２１ａ、２１ｂをもってなされ
る。これら芯線２１ａ、２１ｂは、図示しないシースピ
ン２０の他端側からリードワイヤ等につながれ、例えば
車両のＥＣＵ等の制御回路（図示せず）に導かれる。

【００１７】シースピン２０は、２本のステンレス製の
芯線２１ａ、２１ｂとＭｇＯ等の絶縁粉末２２とステン
レス製のシース外筒２３とから構成されている。シース
ピン２０は、焼鈍しながらシース外筒２３の外径の減径
加工を繰返すことにより形成されているため、芯線２１
ａ、２１ｂは、絶縁粉末２２の中で固く固定されてい
る。

【００１８】そして、サーミスタ１０には例えばステン
レス性の金属キャップ（保護ケース）３０が被せられて
いる。金属キャップ３０は、一端側が開口し他端側が閉
塞された有底円筒管形状をなし、シース外筒２３の外周
面と重なり合ったラップ部にて、レーザ溶接等で円周溶
接されている。従って、排ガスが金属キャップ３０内部
に侵入するのを防止できるため、収納されたサーミスタ
１０は、排ガスに直にさらされることなく、排ガス中の
有害物質（イオウ等）による異常な腐食及び断線を防止
できる。

【００１９】ところで、本実施形態では、素子部１１及
び電極線１２と金属キャップ３０との間、さらに白金線
１２ａと白金線１２ｂとの間に、セラミック系繊維で成
形された成形体としての保護材４０が配置されており、
この保護材４０は高温（例えば約１０００℃以上）で絶
縁性かつ柔軟性を有する。そして、このサーミスタ１０
の周囲に配された保護材４０によって、金属キャップ３
０内でサーミスタ１０が車両振動等の外部振動によって
踊るのを抑制し、サーミスタ１０の破壊を防止するよう
になっている。

【００２０】特に、最近では、自動車排気ガスの規制強
化により、各種制御システムに用いられる温度センサに
は、高応答化、高精度化が要求され、温度センサ素子
（センサ感温部）の細径化が必要となっており、サーミ
スタ素子の小型化に伴う白金電極線の細径化が要求され
るようになっている。従って、従来では、白金電極線が
金属キャップとサーミスタとの間が空間でも耐振上の問
題がない程度の太さ（例えばφ０．５ｍｍ以上）であっ
たが、本実施形態の電極線１２のように細い白金線（例
えばφ０．３ｍｍ位）を用いるタイプでは、特に電極線
１２の断線が問題となるが、上記保護材４０によって防
止できる。

【００２１】ここで、保護材４０を、高温で絶縁性かつ
柔軟性を有するセラミック系繊維で構成された成形体と
した根拠について述べる。サーミスタ１０の収納部構造
は、排気温センサに用いられる温度センサ素子１００の
過酷な使用環境を考慮して、高温（例えば約１０００℃
以上）且つ大きな振動（例えば２９４ｍ／ｓ²位）にも
耐えるように工夫することが望ましい。また上述のよう
に、粉末、泥状で充填する充填材及び碍子管には、組付
性または耐振性の問題がある。本発明者等は、これら問
題及び上記使用環境をクリアすべく、サーミスタを振動
から保護する保護材について検討を行った結果、次の必
要条件を満足するものが適すると考えた。

【００２２】硬さ：例えば石綿状にセラミックファイ
バーを厚地に編んだもので、弾力性があること、即ち、
厚さ方向に一時的に圧縮しても復元するものであるこ
と。耐熱性及び絶縁性：１０００℃まで硬化せず、高温で
の絶縁性も低下しないこと。例えば、９００℃で１００
ｋΩ以上の高温絶縁性を有すること。成形性：出来るだけサーミスタの周囲空間の形状に合
わせた形に成形できること。

【００２３】これら３点を併せ持つものとして、例え
ば、高温（例えば１０００℃以上）で絶縁性があるＡｌ
₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂のセラミックファィバーを密度６０〜
４００ｋｇ／ｍ³に集合させた成形体（バルクファイバ
ー）としたものが好ましい。より具体的には、ニチアス
株式会社製の超高温用無機繊維断熱材であるセラミック
ファイバー「ファインフレックス」、アルミナファィバ
ーである「ルビール」、アルミナ質長繊維である「ルビ
ロン」（以上、「」内は商品名）がある。

【００２４】これらは、シート状だけでなく、成形体と
しての加工も可能な為、後述の製造方法にて述べるよう
に、金属キャップ３０内のサーミスタ１０周囲の空間形
状に合わせた形状とすることができる。そのため、組付
性も良く、サーミスタ１０の振動をサポートする効果も
十分発揮できる。次に、上記構成に基づき、本実施形態
に係る温度センサ素子の製造方法について、図２を参照
して述べる。図２は本実施形態に係る温度センサ素子の
製造方法の一例を示す図である。

【００２５】まず、Ｃｒ−Ｍｎ−Ｙ系セラミック半導体
からなる円柱体に一対の白金線１２ａ、１２ｂを埋設成
形した後、焼成及び焼成収縮することにより、電極線１
２が素子部１１に焼ばめ固定されたサーミスタ１０を形
成する。次に、サーミスタ１０の電極線１２とシースピ
ン２０の芯線２１ａ、２１ｂとを溶接して、両者を電気
的に接続する（図２（ａ）の状態）。

【００２６】ここで、上記保護材４０としてのセラミッ
ク系繊維からなる有底円筒状に成形された素材体４０
１、及び一対の白金線１２ａ、１２ｂの間に挟むことが
可能な形状に成形された素材体４０２を用意しておく
（図２（ｂ）参照）。そして、シースピン２０と接続さ
れたサーミスタ１０に、素子部１１側から素材体４０１
を被せるとともに、一対の白金線１２ａ、１２ｂの間に
素材体４０２を挟む。続いて、サーミスタ１０側から金
属キャップ３０を被せ、シースピン２０のシース外筒２
３の外周面と重なり合ったラップ部にて、レーザ溶接等
で円周溶接する（図２（ｃ）参照）。なお、図２（ｃ）
では、各素材体４０１、４０２とサーミスタ１０との間
に隙間があるように記されているが、実際は、各素材体
の弾力性によって図１に示す様にほぼ隙間無く充填され
る。

【００２７】こうして、温度センサ素子１００が完成す
る。この後、温度センサ素子１００は、上述のように、
シースピン２０の他端側からリードワイヤ等につなが
れ、例えば車両のＥＣＵ等の制御回路（図示せず）に導
かれる。ところで、本実施形態によれば、保護材４０
は、高温（例えば約１０００℃以上）で絶縁性かつ柔軟
性を持つため、金属キャップ３０とサーミスタ１０との
絶縁を確保しつつ外部振動（車両振動等）からサーミス
タ１０の破壊、特に電極線１２の断線を防止することが
できる。さらに、一対の白金線１２ａ、１２ｂ間に保護
材４０の一部である素材体４０２が配置されているか
ら、より高いレベルで電極線１２の断線を防止すること
ができる。

【００２８】また、本実施形態では、保護材４０は成形
体であり、粉末や泥状のものに比べて取扱いが簡単であ
る上、サーミスタ１０と金属キャップ３０との隙間形状
に対応した形状（上記素材体４０１）を有し、サーミス
タ１０に被せた後、サーミスタ１０とともに金属キャッ
プ３０内に挿入配置できるので、サーミスタ１０の組付
性が向上する。従って、耐振保護及び組付性向上の両立
を図ることができる。

【００２９】ここで、本実施形態による効果の一例を示
す。本実施形態の温度センサ素子１００（保護材４０と
して上記「ファインフレックス」を用いたもの）、比較
例として温度センサ素子１００において保護材４０のな
いもの（比較例１）、温度センサ素子１００において保
護材４０の代わりにサーミスタ１０に碍子管を被せたも
の（比較例２）、以上３種類のサンプルについて加熱振
動テストを実施した。

【００３０】ここで、テスト条件は次の通りである。加
熱温度は８５０℃、振動の大きさは４９ｍ／ｓ²毎に段
階的に大きく（ステップアップ）し、各振動のステップ
毎に保持時間は各２０Ｈｒ、各ｎ＝４とした。また、温
度センサ素子１００の保護材４０に用いた上記「ファイ
ンフレックス」は、シリカアルミナ系の耐熱繊維を集合
させ綿状を成したもので、柔軟性と耐熱衝撃性に優れて
いる。その特性は、充填密度：６０〜２５０ｋｇ／
ｍ³、真比重：２．６〜２．８、最高使用温度：１３０
０℃以上である。

【００３１】この加熱振動テストの結果、サーミスタ１
０と金属キャップ３０との間が空間である比較例１は、
１９６ｍ／ｓ²で断線、サーミスタ１０外周に碍子管を
被せた比較例２は、２９４ｍ／ｓ²で断線、本実施形態
の温度センサ素子１００は、２９４ｍ／ｓ²で異常なし
であった。このように、本実施形態では十分な耐振保護
が図れる。

【００３２】また、上記「ルビロン」のように繊維自体
をスリーブ状に加工されたものを硬い碍子管の代わりに
用いても、サーミスタの振動を吸収し軟らげる効果があ
る。ここで上記「ルビロン」の主な品質特性を記してお
く。最高使用温度：１４００℃、加熱吸収率：１％（最
大値）（１４００℃×１２Ｈｒ加熱後）、化学成分：Ａ
ｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃、密度：３．０ｇ／ｃｍ
³。

【００３３】なお、保護材４０の形状は上記形状に限定
されるものではなく、例えば上記バルクファイバーに少
量有機バインダを加えシート状（紙状）等に加工した成
形体を保護材４０として用いてもよい。この場合、サー
ミスタ１０周りにシート状の成形体を巻き付けて装着す
ればよい。また、その他のサーミスタ１０及び金属キャ
ップ３０等の形状等についても適宜変更してよいことは
勿論である。

【００３４】以上、本実施形態（ラジアル型）について
述べてきたが、本発明はサーミスタ素子のタイプに限定
されるものではなく、例えば、アキシャル型サーミスタ
素子であってもよい。つまり、本発明は、高温で絶縁性
かつ柔軟性を有するセラミック系繊維で構成されサーミ
スタ素子と保護ケースとの隙間形状に対応した形状の成
形体を用いて、両者間にこれを配置することにより、耐
振保護及び組付性向上の両立を図るものであり、サーミ
スタ素子を保護ケース内部に収納してなる温度センサ素
子に共通して適用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る温度センサ素子の一部
切欠断面図である。

【図２】上記実施形態に係る温度センサ素子の製造方法
の一例を示す図である。

【符号の説明】

１０…サーミスタ、３０…金属キャップ、４０…保護
材。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】サーミスタ材料から構成されるサーミス
タ素子（１０）を、保護ケース（３０）内部に収納して
なる温度センサ素子であって、前記保護ケース（３０）内において前記サーミスタ素子
（１０）の周囲に、セラミック系繊維で構成された成形
体（４０）が配置されていることを特徴とする温度セン
サ素子。
【請求項２】サーミスタ材料から構成されるサーミス
タ素子（１０）を、保護ケース（３０）内部に収納して
なる温度センサ素子において、前記サーミスタ素子（１０）と保護ケース（３０）との
隙間形状に対応した形状を有し、セラミック系繊維で構
成された成形体（４０）を用意し、前記成形体（４０）を前記サーミスタ素子（１０）に被
せた後、前記サーミスタ素子（１０）とともに前記保護
ケース（３０）内に配置してなることを特徴とする温度
センサ素子。
【請求項３】前記成形体（４０）は、シリカ（ＳｉＯ
₂）及びアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を構成材料に含む耐熱
繊維で構成されていることを特徴とする請求項１または
２に記載の温度センサ素子。
【請求項４】前記成形体（４０）は、１０００℃にお
いて絶縁性かつ柔軟性を有するものであることを特徴と
する請求項１ないし３のいずれか１つに記載の温度セン
サ素子。