特許 7042087 温度センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-03-16

(45)【発行日】2022-03-25

(54)【発明の名称】温度センサ

(51)【国際特許分類】

   G01K 1/16 20060101AFI20220317BHJP

   G01K 7/22 20060101ALI20220317BHJP

   G01K 13/02 20210101ALN20220317BHJP

【ＦＩ】

G01K1/16

G01K7/22 Z

G01K13/02

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2018004369

(22)【出願日】2018-01-15

(65)【公開番号】P2019124530

(43)【公開日】2019-07-25

【審査請求日】2020-12-14

(73)【特許権者】

【識別番号】000004695

【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】110000648

【氏名又は名称】特許業務法人あいち国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】緒方 逸平

(72)【発明者】

【氏名】今野 光浩

(72)【発明者】

【氏名】小川 千明

(72)【発明者】

【氏名】大矢 康裕

【審査官】菅藤 政明

(56)【参考文献】

【文献】特開平０８－２６１８４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭４９－０４６０１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１３９１４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１６３３３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１１５７８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－１３８７０２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｋ １／１６

Ｇ０１Ｋ ７／２２

Ｇ０１Ｋ １３／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

先端が開口先端部（２０）として開口された金属管（２）と、
前記開口先端部に配置され、測定環境下の測定対象ガス（Ｇ）の温度を測定するための感温素子（３）と、
前記金属管内に配置され、前記感温素子の表面に接触する一対のリード線（３１）と、
前記金属管内に配置され、前記金属管と一対の前記リード線とを絶縁するとともに、一対の前記リード線を前記金属管に支持するためのセラミック材料からなる絶縁支持材（４）と、
前記開口先端部に、前記感温素子、一対の前記リード線の先端部（３１０）及び前記絶縁支持材の先端面（４０１）を覆う状態で最外周部として配置され、前記感温素子の線膨張率及び一対の前記リード線の線膨張率に比べて線膨張率が小さく、かつ前記測定対象ガスを透過しないセラミック材料からなるとともに常温で固着処理可能なコート材（５）と、を備え、
前記感温素子と一対の前記リード線とは、他の材料を介さずに対面接触しており、
前記コート材によって、前記感温素子に一対の前記リード線が接触する状態が維持されており、
前記温度センサの先端部が前記測定対象ガスによって加熱された状態においては、前記コート材から前記感温素子及び一対の前記リード線に圧縮応力が作用しており、
使用可能温度が－４０～１０５０℃に設定されている、温度センサ（１）。

【請求項2】

前記絶縁支持材は、セラミック粒子が焼結されたものであり、
前記コート材は、セラミック粒子と無機バインダーとが焼結されたものである、請求項１に記載の温度センサ。

【請求項3】

前記コート材は、線膨張率が異なる複数種類のセラミック粒子を含有している、請求項１又は２に記載の温度センサ。

【請求項4】

一対の前記リード線は、前記金属管内から前記金属管の外部まで形成されており、
前記コート材は、前記金属管の先端面も覆っている、請求項１～３のいずれか１項に記載の温度センサ。

【請求項5】

前記感温素子と一対の前記リード線とにおける、互いに対面する表面は、平坦面に形成されている、請求項１～４のいずれか１項に記載の温度センサ。

【請求項6】

前記表面の粗さは、３μｍ以下である、請求項５に記載の温度センサ。

【請求項7】

前記金属管、一対の前記リード線及び前記コート材は、１０００℃においても性状に変化が生じない材料によって構成されている、請求項１～６のいずれか１項に記載の温度センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、温度を測定するための感温素子を用いた温度センサに関する。

【背景技術】

【0002】

温度センサは、例えば、自動車の排気管内に配置され、排気管を流れる排ガスの温度を測定するために用いられる。例えば、特許文献１の温度センサにおいては、金属シース（金属管）内に挿通された金属芯線に感温素子が接続されており、感温素子は、金属シースの先端に取り付けられた金属カバー内に配置されている。また、感温素子は、金属シース内に充填された充填材（絶縁材）によって金属シースに固定されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１２－５２９５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

温度センサには、排ガス等の測定対象ガスの温度の変化を迅速に検出する応答性が要求される。この応答性を向上させるためには、測定環境下の測定対象ガスとサーミスタ等の感温素子との伝熱性を良くすることが考えられる。しかし、従来の温度センサにおいては、感温素子は、充填材を介して金属カバーに覆われている。そのため、金属カバーが断熱材として機能し、測定環境下の測定対象ガスと感温素子との間で伝熱が生じにくい。そのため、感温素子の温度が変化しにくく、感温素子の温度が測定対象ガスの温度になるまでに時間を要し、温度センサの応答性を阻害する。

【0005】

また、温度センサの応答性を改善するためには、特許文献１等において用いられる金属カバーを廃止することも考えられる。しかし、この場合には、充填材が測定対象ガスに晒されることになり、温度センサの耐久性（信頼性）を悪化させることになる。そのため、金属カバーを廃止するためには、温度センサに特別な工夫をしなければ、温度センサの熱及び測定対象ガスに対する耐久性を確保することができない。

【0006】

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、応答性を向上させることができるとともに、耐久性を高く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。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様は、先端が開口先端部（２０）として開口された金属管（２）と、
前記開口先端部に配置され、測定環境下の測定対象ガス（Ｇ）の温度を測定するための感温素子（３）と、
前記金属管内に配置され、前記感温素子の表面に接触する一対のリード線（３１）と、
前記金属管内に配置され、前記金属管と一対の前記リード線とを絶縁するとともに、一対の前記リード線を前記金属管に支持するためのセラミック材料からなる絶縁支持材（４）と、
前記開口先端部に、前記感温素子、一対の前記リード線の先端部（３１０）及び前記絶縁支持材の先端面（４０１）を覆う状態で最外周部として配置され、前記感温素子の線膨張率及び一対の前記リード線の線膨張率に比べて線膨張率が小さく、かつ前記測定対象ガスを透過しないセラミック材料からなるとともに常温で固着処理可能なコート材（５）と、を備え、
前記感温素子と一対の前記リード線とは、他の材料を介さずに対面接触しており、
前記コート材によって、前記感温素子に一対の前記リード線が接触する状態が維持されており、
前記温度センサの先端部が前記測定対象ガスによって加熱された状態においては、前記コート材から前記感温素子及び一対の前記リード線に圧縮応力が作用しており、
使用可能温度が－４０～１０５０℃に設定されている、温度センサ（１）にある。

【発明の効果】

【0008】

前記一態様の温度センサにおいては、金属管の先端が開口先端部として開口しており、開口先端部に配置された感温素子は、最外周部を形成するコート材によって覆われている。そして、金属管の開口先端部には、感温素子を覆うための金属カバー（曲面状の先端部）が設けられていない。この構成により、温度センサの先端部と測定環境下の測定対象ガスとの間における、熱放射、熱伝達（熱対流）等の伝熱が生じやすくすることができる。そのため、感温素子の温度が、測定対象ガスの温度になるまでの時間を短縮することができ、温度センサの応答性を向上させることができる。

【0009】

また、金属管の開口先端部には、感温素子、一対のリード線の先端部及び絶縁支持材の先端面を覆う状態で、最外周部としてのコート材が配置されている。このコート材は、感温素子の線膨張率及び一対のリード線の線膨張率に比べて線膨張率が小さいセラミック材料からなる。

【0010】

この構成により、温度センサの先端部が測定対象ガスによって加熱されるときには、コート材に比べて感温素子及び一対のリード線が大きく膨張しようとする。そのため、コート材が、感温素子及び一対のリード線の膨張を拘束し、コート材から一対のリード線に、一対のリード線が感温素子に密着する方向への圧力を与えることができる。そして、感温素子と一対のリード線との導通性を高く維持することができる。

【0011】

また、コート材は、測定対象ガスを透過しないセラミック材料からなる。この構成により、測定対象ガスが感温素子に接触することを防止することができ、測定対象ガスから感温素子を保護することができる。また、コート材がセラミック材料からなることにより、その耐熱性を確保することができる。そのため、温度センサの熱及び測定対象ガスに対する耐久性（信頼性）を高く維持することができる。

【0012】

それ故、前記一態様の温度センサによれば、その応答性を向上させることができるとともに、その耐久性（信頼性）を高く維持することができる。

【0013】

前記感温素子の一部は、金属管の開口先端部の先端側に配置され、前記感温素子の残部は、開口先端部の基端側に配置されていてもよい。また、前記感温素子の全体が、開口先端部の先端側に配置されていてもよい。

【0014】

前記リード線は、絶縁支持材に支持された第１線部と、絶縁支持材から突出する第２線部とが異なる材料によって構成されていてもよい。この場合には、第１線部と第２線部とが、溶接等によって互いに接合されている。また、前記リード線は、金属管内から感温素子に接触する位置まで同一材料によって構成されていてもよい。

【0015】

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。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】実施形態にかかる、温度センサの主要部を示す断面図。

【図2】実施形態にかかる、温度センサの全体を示す断面図。

【図3】実施形態にかかる、温度センサの主要部を示す、図１のIII－III矢視断面図。

【図4】実施形態にかかる、温度センサの先端部の温度の変化によって、感温素子、一対のリード線の先端部及びコート材に生じる伸びを示すグラフ。

【図5】実施形態にかかる、他の温度センサの主要部を示す断面図。

【図6】実施形態にかかる、他の温度センサの主要部を示す断面図。

【図7】実施形態にかかる、他の温度センサの主要部を示す、図１のIII－III矢視断面相当図。

【図8】実施形態にかかる、温度センサの主要部の製造方法を示すフローチャート。

【図9】実施形態にかかる、温度センサの製造過程であって、シース成形体を準備した状態を示す断面図。

【図10】実施形態にかかる、温度センサの製造過程であって、一対のリード線を形成し、一対のリード線の間に感温素子を配置した状態を示す断面図。

【図11】実施形態にかかる、温度センサの製造過程であって、感温素子及び一対のリード線の先端部をコート材用のスラリーに浸漬させた状態を示す断面図。

【図12】確認試験にかかる、試験品及び比較品の温度センサの応答性を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0017】

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＞
本形態の温度センサ１は、図１に示すように、金属管２、感温素子３、一対のリード線３１、絶縁支持材４及びコート材５を備える。金属管２は、その先端が開口先端部２０として開口されたものである。感温素子３は、開口先端部２０に配置されており、測定環境下の測定対象ガスＧの温度を測定するためのものである。一対のリード線３１は、金属管２内に配置されており、その先端部３１０が感温素子３の表面に接触している。

【0018】

絶縁支持材４は、金属管２内に配置されており、金属管２と一対のリード線３１とを絶縁するとともに、一対のリード線３１を金属管２に支持するためのセラミック材料からなる。コート材５は、金属管２の開口先端部２０に、感温素子３、一対のリード線３１の先端部３１０及び絶縁支持材４の先端面４０１を覆う状態で、最外周部として配置されている。コート材５は、感温素子３の線膨張率及び一対のリード線３１の線膨張率に比べて線膨張率が小さく、かつ測定対象ガスＧを透過しないセラミック材料からなる。

【0019】

本形態の温度センサ１においては、金属管２の中心軸線に沿った方向を軸方向Ｌという。また、軸方向Ｌにおいて、金属管２に感温素子３が配置された側を先端側Ｌ１といい、先端側Ｌ１と反対側を基端側Ｌ２という。

【0020】

以下に、本形態の温度センサ１について詳説する。
（温度センサ１）
温度センサ１は、車載用のものであり、自動車における内燃機関（エンジン）の吸気管内又は排気管内を流れる流体の温度を測定するために使用される。本形態の温度センサ１は、排気管に配置され、排気管内を流れる排ガスの温度を測定するために用いられる。排ガスの温度は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）によって内燃機関の燃焼制御を行う際に利用される。排ガスの温度は、例えば、排気管に配置された排気浄化触媒の温度を検知するために利用することができる。

【0021】

（感温素子３）
本形態の感温素子３は、サーミスタ材料としての酸化物半導体の焼結体を用いて構成されたサーミスタ素子である。サーミスタ素子は、温度の上昇に対して電気抵抗値が減少するＮＴＣ（negative temperature coefficient）サーミスタとすることができる。これ以外にも、サーミスタ素子は、所定温度を超えると温度の上昇に対して急激に電気抵抗値が増大するＰＴＣ（positive temperature coefficient）サーミスタ、又は所定温度を超えると急激に電気抵抗値が減少するＣＴＲ（critical temperature resistor）サーミスタとすることもできる。

【0022】

また、感温素子３は、白金、銅、ニッケル等を用いて構成された、温度が上昇するに伴って電気抵抗値が増加する測温抵抗素子としてもよい。

【0023】

（リード線３１）
図１に示すように、一対のリード線３１は、導電性を有する種々の金属材料から構成されている。一対のリード線３１は、絶縁支持材４に支持された一対の第１線部３１１と、絶縁支持材４から突出する一対の第２線部３１２とが、溶接等によって互いに接合されたものである。第１線部３１１と第２線部３１２とは、互いに異なる材料によって構成されている。第１線部３１１は、白金又は白金－ロジウム合金によって構成されている。

【0024】

第２線部３１２は、金属管２及び絶縁支持材４とともにシースピンとして形成されたものである。第２線部３１２はステンレス又はインコネル（登録商標、ニッケル基を含む超合金）によって構成されている。第１線部３１１と第２線部３１２とは、互いに突き合わされた状態で接合されている。第１線部３１１と第２線部３１２とは、互いに重ね合わされた状態で接合されていてもよい。

【0025】

第１線部３１１、第２線部３１２及びリード線３１は、白金線、白金と他の金属との合金からなる白金合金線、ニッケルと他の金属との合金であるインコネル（登録商標）の線等によって構成することができる。これ以外にも、第１線部３１１、第２線部３１２及びリード線３１は、ＳＵＳ３１０Ｓの線、鉄とニッケルとの合金からなるインバー線、スーパーインバー線、ニッケル線、ニッケルクロム線、鉄クロム線等によって構成することもできる。

【0026】

一対のリード線３１の先端部３１０とは、一対のリード線３１における、絶縁支持材４から先端側Ｌ１に突出した部分のことをいう。本形態の一対のリード線３１の先端部３１０は、主に第１線部３１１によって形成されている。

【0027】

（金属管２）
図２に示すように、金属管２は、シース管とも呼ばれ、金属材料から構成されている。金属管２は、円筒形状に形成されている。金属管２は、感温素子３が配置された先端側管部２１の外径及び内径が最も小さく、先端側管部２１よりも基端側Ｌ２に位置する基端側管部２２の外径及び内径が、先端側管部２１の外径及び内径よりも大きく形成されている。金属管２は、インコネル（登録商標）の管によって構成することができる。これ以外にも、金属管２は、ＳＵＳ３１０Ｓの管、オーステナイト系ステンレス鋼の管、フェライト系クロム鋼の管、耐熱性コバルト合金、ニッケル合金の管、鉄クロム合金の管によって構成することもできる。金属管２は、温度センサ１の製造を容易にするために、複数の管材を、適宜、溶接等によって繋ぎ合わせて形成することができる。

【0028】

（ハウジング１１）
図２に示すように、金属管２は、排気管に取り付けられるハウジング１１に装着されている。ハウジング１１は、一対のリード線３１及びコネクタ１２のターミナル１３を配置するための配置穴１１１と、温度センサ１を排気管に取り付けるための外周ネジ１１２と、ハウジング１１にコネクタ１２を連結するための連結部１１３とを有する。配置穴１１１には、コネクタ１２のターミナル１３の先端部１３１が挿入される。

【0029】

（コネクタ１２）
図２に示すように、絶縁性の樹脂等からなるコネクタ１２には、リード線３１が溶接によって接続されたターミナル（接続端子）１３が設けられている。ターミナル１３の先端部１３１は、リード線３１が接続されるよう、コネクタ１２から突出している。ターミナル１３の基端部１３２は、温度センサ１の動作を制御する制御装置１０に接続される。制御装置１０は、エンジン制御ユニットとすることができ、エンジン制御ユニットとは別のセンサ制御ユニット（ＳＣＵ）とすることもできる。ターミナル１３は、導電性の金属材料によって構成されている。

【0030】

（絶縁支持材４）
図１及び図２に示すように、絶縁支持材４は、酸化マグネシウム等の絶縁性の金属酸化物によって構成されている。絶縁支持材４は、酸化アルミニウム等によって構成することもできる。絶縁支持材４は、金属管２の先端側管部２１に配置されたセラミック粒子が焼結された焼結体として形成されている。絶縁支持材４は、金属管２の先端側管部２１に充填されており、金属管２の基端側管部２２には充填されていない。言い換えれば、絶縁支持材４は、金属管２の先端側管部２１に、軸方向Ｌに連続して一体的に配置されている。

【0031】

絶縁支持材４が金属管２の先端側管部２１に充填されていることにより、金属管２の先端側管部２１において、一対のリード線３１が金属管２に強固に支持される。絶縁支持材４は、一対のリード線３１の外周と金属管２の先端側管部２１の内周とに接触している。絶縁支持材４は、金属管２の先端側管部２１の内周における先端位置まで配置されている。

【0032】

（コート材５）
図１に示すように、本形態の温度センサ１の金属管２の先端部には金属カバーが設けられていない。コート材５は、感温素子３に一対のリード線３１が接触する状態を維持するための機能と、金属カバーの代わりとして、温度センサ１の先端部１０１の最外周部として測定対象ガスＧの透過を防止する機能とを有する。

【0033】

コート材５は、セラミック粒子と無機バインダー（結合剤）とが焼結された焼結体として形成されている。コート材５においては、その線膨張率を調整するために、複数種類のセラミック粒子が混合されている。セラミック粒子の線膨張率は、その種類によって異なる。そのため、複数種類のセラミック粒子を適切に配合することによって、所望とする線膨張率のコート材５を得ることができる。

【0034】

セラミック粒子は、アルミナ、シリカ、ジルコニア、炭化ケイ素等とすることができる。無機バインダーは、セラミック粒子よりも小さなナノレベルのセラミック粒子とすることができる。無機バインダーは、例えば、コロイダルシリカとすることができる。

【0035】

コート材５は、セラミック粒子、無機バインダー、及び水等の溶媒を含有するスラリーを用いて形成される。そして、スラリーが、焼結のために加熱されるときに、溶媒が揮発され、セラミック粒子と無機バインダーとが焼結体を形成する。

【0036】

コート材５の焼結体においては、セラミック粒子同士の隙間を埋めるように無機バインダーが配置されている。これにより、コート材５には気孔がほとんど形成されていない。そして、コート材５は、セラミック粒子及び無機バインダーによって構成されることにより、測定対象ガスＧを透過させない性質を得ることができる。

【0037】

コート材５は、常温で固着処理可能なものである。すなわち、コート材５は、加熱処理することなく溶媒を揮発させることができるものである。コート材５は、常温において、感温素子３、一対のリード線３１の先端部３１０、絶縁支持材４の先端面４０１等に固着された後には、高温に加熱して焼結することができる。常温とは、例えば、２０℃±１５℃とすることができる。本形態の温度センサ１は排ガスの温度を測定するものであり、主に２００℃以上の温度を測定する。そして、温度センサ１の先端部１０１は排ガスによって加熱された状態にある。

【0038】

コート材５の線膨張率は、感温素子３の線膨張率及びリード線３１の線膨張率よりも小さい。温度センサ１の先端部１０１に位置するコート材５、感温素子３及びリード線３１が加熱されると、コート材５の線膨張率と、感温素子３の線膨張率及びリード線３１の線膨張率との差に応じて、温度が高くなるほど、膨張量（伸び）に大きな差が生じる。つまり、温度が高くなるほど、感温素子３及びリード線３１がコート材５に比べて大きく膨張しようとする。これにより、加熱状態にある温度センサ１の先端部１０１においては、コート材５から感温素子３及び一対のリード線３１に、拘束力としての圧縮応力が作用する。

【0039】

図１及び図３に示すように、本形態の感温素子３と一対のリード線３１とは、他の材料を介さずに対面接触している。つまり、感温素子３と一対のリード線３１とは、互いに対面する状態で配置されているだけであり、白金等のペースト材料等によって接合されていない。感温素子３と一対のリード線３１とは、感温素子３における先端面３０１及び側面３０２と、一対のリード線３１における先端面３１５及び側面３１６とに接触するコート材５の存在によって、互いに接触する状態が維持されている。この構成により、感温素子３に一対のリード線３１を接合する手間を省略することができ、温度センサ１の製造を容易にすることができる。

【0040】

そして、特に、温度センサ１の先端部１０１が加熱された状態にあるときには、コート材５から感温素子３及び一対のリード線３１に作用する圧縮応力によって、感温素子３に対する一対のリード線３１の接触状態をより強固に維持することができる。

【0041】

コート材５は、セラミック材料から構成されていることにより、耐熱性に優れており、１０００℃に加熱されたときでも性状に変化が生じない耐熱性を有する。また、金属管２、感温素子３及び一対のリード線３１は、合金材料又は酸化物半導体によって構成されていることにより、１０００℃に加熱されたときでも性状に変化が生じない耐熱性を有する。さらに、本形態のコート材５、金属管２、感温素子３及び一対のリード線３１は、１０５０℃においても性状が変化しない耐熱性を有する。

【0042】

そして、本形態の温度センサ１の使用可能温度は－４０～１０５０℃に設定されている。金属カバーを用いた従来の温度センサにおいては、感温素子３と一対のリード線３１とが、白金等のペースト材料によって接合されていることにより、その使用可能温度が９００℃までとなっている。この従来の温度センサにおいては、焼成後のペースト材料に剥離が生じるおそれがあることを理由に、使用可能温度が９００℃までと制限されている。

【0043】

一方、本形態の温度センサ１においては、コート材５の工夫によって白金等のペースト材料を廃止し、感温素子３と一対のリード線３１とが対面接触する構造が採用されている。これにより、ペースト材料の剥離を考慮する必要がなくなり、温度センサ１の使用可能温度の上限値を高くすることができる。

【0044】

参考として、各部材３，３１，５の線膨張率（線膨張係数）は次のように設定することができる。感温素子３の線膨張率は、酸化物半導体として８×１０^-6（１／Ｋ）に設定される。一対のリード線３１の第１線部３１１の線膨張率は、白金又は白金－ロジウム１３％合金として９×１０^-6（１／Ｋ）に設定される。コート材５の線膨張率は、セラミック材料として７×１０^-6（１／Ｋ）に設定される。なお、これらの線膨張率の値は一例である。これらの線膨張率は、コート材５の線膨張率が、感温素子３の線膨張率及び一対のリード線３１の線膨張率よりも小さくなる範囲において、適宜設定することができる。なお、この線膨張率は、－４０～１０５０℃における平均値として示す。

【0045】

（コート材５による圧縮応力のシミュレーション）
図４には、温度センサ１の先端部１０１の温度（℃）と、温度センサ１の先端部１０１に位置する、感温素子３、一対のリード線３１の先端部３１０及びコート材５に生じる伸びλ（－）との関係のシミュレーション結果を示す。温度センサ１の先端部１０１の温度は－４０℃～１０５０℃に変化させた場合を示す。伸びλ（－）は、初期長さをＤ０、加熱・冷却後の長さをＤ１としたとき、λ＝（Ｄ１－Ｄ０）／Ｄ０×１００（％）によって表される値である。

【0046】

このシミュレーションは、図３に示すように、温度センサ１の先端部１０１において、板形状の感温素子３の主面３０２Ａに、半円状の断面形状の一対のリード線３１の平面３１６Ａが接触する場合について行った。また、コート材５は、常温（２５℃）において、感温素子３、一対のリード線３１の先端部３１０、絶縁支持材４の先端面４０１等に固着させることとした。

【0047】

図４においては、感温素子３及び一対のリード線３１の線膨張率を８～１０×１０^-6（１／Ｋ）とし、この感温素子３及び一対のリード線３１が単独で存在する場合に生じる伸びλをラインＡ１によって示す。また、コート材５の線膨張率を２～３×１０^-6（１／Ｋ）とし、このコート材５に生じる伸びλをラインＡ２によって示す。コート材５は、他の部材によって外側から拘束されていないため、コート材５に生じる伸びλは、コート材５が単独で存在する場合と変わらないものとする。

【0048】

また、温度センサ１において、コート材５によって覆われた状態の感温素子３及び一対のリード線３１の見かけ上の線膨張率を４～６×１０^-6（１／Ｋ）とし、この状態の感温素子３及び一対のリード線３１に生じる見かけ上の伸びλをラインＡ３によって示す。この見かけ上の線膨張率及び伸びλは、温度センサ１の先端部１０１が加熱される際に、感温素子３及び一対のリード線３１がコート材５によって拘束されることにより、感温素子３及び一対のリード線３１が単独で存在する場合に比べて小さくなる。

【0049】

そして、温度センサ１の先端部１０１の温度が常温（２５℃）～１０５０℃の温度の範囲内の各温度にあるときに、見かけ上の伸びλからコート材５に生じる伸びλを差し引いた分が、コート材５から感温素子３及び一対のリード線３１に圧縮応力として作用すると考える。この圧縮応力の作用を、図４において網掛け部として示す。

【0050】

図４においては、コート材５が常温（２５℃）において、感温素子３、一対のリード線３１の先端部３１０、絶縁支持材４の先端面４０１等に固着したものであるため、常温よりも高い温度においては、常に、コート材５から感温素子３及び一対のリード線３１に圧縮応力が作用する状態を形成することができる。このシミュレーション結果からも分かるように、本形態の温度センサ１は、その先端部１０１が高温に加熱される際に、感温素子３に一対のリード線３１が強く当接され、感温素子３と一対のリード線３１との導通性をより効果的に確保することができる。

【0051】

（感温素子３、リード線３１、コート材５等の配置関係）
図１に示すように、本形態の絶縁支持材４の先端面４０１は、金属管２の先端面２０１よりも基端側Ｌ２に位置している。なお、図５に示すように、金属管２の先端面２０１と絶縁支持材４の先端面４０１とは、軸方向Ｌにおけるほぼ同じ位置にあってもよい。また、同図に示すように、各リード線３１は、同一材料からなる連続した１本の金属線とすることもできる。

【0052】

また、図６に示すように、感温素子３の一部は、金属管２の先端面２０１よりも基端側Ｌ２に位置していてもよい。この場合には、感温素子３の一部が金属管２の開口先端部２０の先端側Ｌ１に配置され、感温素子３の残部が開口先端部２０の基端側Ｌ２に配置される。

【0053】

また、図１及び図３に示すように、感温素子３は、絶縁支持材４の先端面４０１に接触して配置されている。感温素子３は、互いに平行な一対の主面３０２Ａを有する板形状、言い換えればチップ型に形成されている。主面３０２Ａとは、複数の面のうちの表面積が最も大きな面のことをいう。

【0054】

本形態のリード線３１の先端部３１０としての第１線部３１１は、平面３１６Ａと曲面３１６Ｂとを有する形状、言い換えれば、略半円状の断面形状に形成されている。そして、リード線３１の平面３１６Ａが感温素子３の主面３０２Ａと対面している。なお、金属管２内の絶縁支持材４に支持された、リード線３１の第２線部３１２は、通常通り、丸線、言い換えれば、円状の断面形状に形成されている。

【0055】

リード線３１の第１線部３１１は、図７に示すように、四角状の断面形状に形成されていてもよい。この場合には、感温素子３の主面３０２Ａには、第１線部３１１の側面３１７が接触する。また、一対のリード線３１同士の断面積及び断面形状は、必ずしも同じにする必要はない。また、一対のリード線３１の幅は、感温素子３の幅よりも小さくすることができ、感温素子３の幅と同じにすることもでき、感温素子３の幅よりも大きくすることもできる。「幅」とは、温度センサ１の軸方向Ｌと、感温素子３と一対のリード線３１とが対向する方向とに直交する方向の幅のことをいう。また、リード線３１の断面積は、感温素子３の断面積よりも小さくすることができ、感温素子３の断面積と同じにすることもでき、感温素子３の断面積よりも大きくすることもできる。

【0056】

図１に示すように、一対のリード線３１は、金属管２内から金属管２の外部まで形成されている。リード線３１の第１線部３１１は、金属管２の先端面２０１から先端側Ｌ１に突出した位置に配置されている。この構成により、一対のリード線３１の第１線部３１１の間に、感温素子３を配置することが容易であり、温度センサ１の製造を容易にすることができる。

【0057】

コート材５は、絶縁支持材４の先端面４０１と金属管２の先端面２０１とを連続して覆っている。これにより、コート材５は、絶縁支持材４の先端面４０１だけでなく、金属管２の先端面２０１にも固着させることができる。そのため、温度センサ１の先端部１０１におけるコート材５の固着状態をより強固にすることができる。

【0058】

感温素子３の先端面３０１は、測定対象ガスＧの温度を測定する際に、測定対象ガスＧの温度の変化を最も早く検知する部分となる。そのため、感温素子３の先端面３０１におけるコート材５の厚みはできるだけ薄くすることが好ましい。感温素子３の先端面３０１におけるコート材５の厚みは、例えば、１０～２００μｍに設定することができる。この場合には、感温素子３の温度を測定対象ガスＧの温度に迅速に追従させることができる。

【0059】

図３に示すように、本形態の感温素子３と一対のリード線３１とは、接合されずに対面接触しているだけであるため、両者の接触状態を良好に維持する工夫が必要になる。感温素子３と一対のリード線３１とにおける、互いに対面する表面としての主面３０２Ａと平面３１６Ａとは、平坦面として形成されている。そして、主面３０２Ａと平面３１６Ａとは、全体がほぼ均一に接触している。

【0060】

また、感温素子３と一対のリード線３１とにおける、互いに対面する表面である主面３０２Ａ及び平面３１６Ａの表面粗さ（面粗度）は、ＪＩＳ Ｂ０６０１－１９７０（ＩＳＯ４６８－１９８２）に準拠するＲｍａｘとして、３μｍ以下である。本形態の主面３０２Ａ及び平面３１６Ａの表面粗さは１～２μｍに設定されている。表面粗さを３μｍ以下とすることにより、感温素子３と一対のリード線３１との接触状態及び導通性を効果的に維持することができる。

【0061】

（製造方法）
次に、本形態の温度センサ１の主要部を製造する方法について、図８のフローチャートを参照して説明する。
図９に示すように、金属管２、一対のリード線３１の第２線部３１２及び絶縁支持材４が設けられたシース成形体７１を準備する（図８のステップＳ１）。本製造方法におけるシース成形体７１の金属管２とは、金属管２の先端側管部２１のことを示す。シース成形体７１は、金属管２内に、一対のリード線３１の第２線部３１２が挿通されるとともに、金属管２内における隙間が絶縁支持材４によって充填されたものである。

【0062】

次いで、図１０に示すように、一対のリード線３１の第１線部３１１の間に感温素子３を挟み込む状態で、この第１線部３１１を、シース成形体７１における一対のリード線３１の第２線部３１２に、レーザ溶接によって接合する（ステップＳ２）。こうして、金属管２の開口先端部２０において、一対のリード線３１の第１線部３１１の間に感温素子３が配置された状態の、温度センサ１の中間体が形成される。

【0063】

なお、一対のリード線３１の第１線部３１１を、シース成形体７１における一対のリード線３１の第２線部３１２に接合した後、この第１線部３１１の間に感温素子３を差し込んで配置してもよい。

【0064】

次いで、図１１に示すように、温度センサ１の中間体の先端部１０１を、コート材５を構成するセラミック材料のスラリー５０中に浸漬させる（ステップＳ３）。このとき、金属管２の先端面２０１がスラリー５０に接触するように、感温素子３及び一対のリード線３１の先端部３１０をスラリー５０中に浸漬させる。

【0065】

次いで、温度センサ１の中間体の先端部１０１をスラリー５０中から取り出したときには、感温素子３、一対のリード線３１の先端部３１０、絶縁支持材４の先端面４０１及び金属管２の先端面２０１にスラリー５０が付着する。そして、これらがスラリー５０によって覆われる。

【0066】

次いで、常温（２５℃）において、温度センサ１の中間体の先端部１０１に付着したスラリー５０を乾燥させ、スラリー５０中の溶媒を揮発させる（ステップＳ４）。そして、スラリー５０中のセラミック粒子及び無機バインダーが、コート材５として、感温素子３、一対のリード線３１の先端部３１０、絶縁支持材４の先端面４０１及び金属管２の先端面２０１に固着される。

【0067】

こうして、感温素子３及び一対のリード線３１がコート材５によって覆われた温度センサ１の組付体が形成される。その後、温度センサ１の組付体を加熱し、絶縁支持材４を構成するセラミックス材料、コート材５を構成するセラミックス材料を焼結させて、温度センサ１の主要部を製造することができる。

【0068】

なお、コート材５が設けられる前の温度センサ１の中間体を加熱して、絶縁支持材４を焼結した後に、この中間体にコート材５を設けることもできる。

【0069】

（作用効果）
本形態の温度センサ１においては、金属管２の先端が開口先端部２０として開口しており、開口先端部２０に配置された感温素子３は、最外周部を形成するコート材５によって覆われている。そして、金属管２の開口先端部２０には、感温素子３を覆うための金属カバー（曲面状の先端部）が設けられていない。この構成により、温度センサ１の先端部１０１と測定環境下の測定対象ガスＧとの間における、熱放射、熱伝達（熱対流）等の伝熱が生じやすくすることができる。そのため、感温素子３の温度が、測定対象ガスＧの温度になるまでの時間を短縮することができ、温度センサ１の応答性を向上させることができる。

【0070】

また、金属管２の開口先端部２０には、感温素子３、一対のリード線３１の先端部３１０、絶縁支持材４の先端面４０１及び金属管２の先端面２０１を覆う状態で、最外周部としてのコート材５が配置されている。このコート材５は、感温素子３の線膨張率及び一対のリード線３１の線膨張率に比べて線膨張率が小さいセラミック材料からなる。

【0071】

この構成により、温度センサ１の先端部１０１が測定対象ガスＧによって加熱されるときには、コート材５に比べて感温素子３及び一対のリード線３１が大きく膨張しようとする。そのため、コート材５が、感温素子３及び一対のリード線３１の膨張を拘束し、コート材５から一対のリード線３１に、一対のリード線３１が感温素子３に密着する方向への圧縮応力を与えることができる。そして、感温素子３と一対のリード線３１との導通性を高く維持することができる。

【0072】

また、コート材５は、測定対象ガスＧを透過しないセラミック材料からなる。この構成により、測定対象ガスＧが感温素子３に接触することを防止することができ、測定対象ガスＧから感温素子３を保護することができる。

【0073】

また、コート材５から感温素子３及び一対のリード線３１に圧縮応力が作用することにより、感温素子３及び一対のリード線３１とコート材５との境界には、微小な隙間が形成されにくくなる。そのため、測定対象ガスＧが感温素子３に接触することをより効果的に防止することができる。特に、感温素子３が、酸素を含有する酸化物半導体から構成されている場合には、測定対象ガスＧに含まれる水素が還元ガスとなって、感温素子３の酸化物半導体中の酸素を奪い、感温素子３を劣化させることを防止することができる。

【0074】

また、コート材５がセラミック材料からなることにより、その耐熱性を確保することができる。そのため、温度センサ１の熱及び測定対象ガスＧに対する耐久性（信頼性）を高く維持することができる。

【0075】

それ故、本形態の温度センサ１によれば、その応答性を向上させることができるとともに、その耐久性（信頼性）を高く維持することができる。

【0076】

＜確認試験＞
本確認試験においては、金属管２の開口先端部２０に金属カバーを有しない実施形態の温度センサ１（試験品）の応答性と、金属管２の開口先端部２０に金属カバーを有する従来の温度センサ（比較品）の応答性とを確認し、比較した。この確認試験においては、試験品及び比較品について、測定対象ガスＧの温度を常温（２５℃）から１０５０℃に変化させたときに、この測定対象ガスＧの温度の変化を測定するために要する時間としての６３％応答時間を測定した。６３％応答時間は、センサ出力が、初期出力である２５℃から最終出力である１０５０℃までの温度変化量のうちの６３％変化するまでの時間とした。

【0077】

本確認試験を行った結果を図１２に示す。試験品の６３％応答時間は約１秒となり、比較品の６３％応答時間は約１０秒となった。この結果より、金属カバーを有しない実施形態の温度センサ１の応答性は、金属カバーを有する従来の温度センサの応答性に比べて優れることが分かった。

【0078】

本発明は、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を構成することが可能である。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。

【符号の説明】

【0079】

１ 温度センサ
２ 金属管
２０ 開口先端部
３ 感温素子
３１ リード線
４ 絶縁支持材
５ コート材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】