(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サーミスタ材料からなるサーミスタ部（１１）と前記サーミスタ部（１１）から引き出されたサーミスタ信号取出し用の電極線（１２、１３）とを備えるサーミスタ素子（１０）と、
内部に前記サーミスタ素子（１０）を絶縁保持するケース（４０）とを備え、
前記電極線（１２、１３）は白金又は白金合金を主成分とする分散強化材からなることを特徴とするサーミスタ式温度センサ。
【請求項２】
前記電極線（１２、１３）は、前記サーミスタ部（１１）に焼きばめにより固定されていることを特徴とする請求項１に記載のサーミスタ式温度センサ。
【請求項３】
前記分散強化材は、線径方向における結晶の粒径が線径よりも小さいものであることを特徴とする請求項１または２に記載のサーミスタ式温度センサ。
【請求項４】
前記分散強化材の結晶粒径が線径の１／２以下であることを特徴とする請求項３に記載のサーミスタ式温度センサ。
【請求項５】
サーミスタ材料からなるサーミスタ部（１１）と前記サーミスタ部（１１）から同一方向に引き出されたサーミスタ信号取出し用の一対の電極線（１２、１３）とを備えるサーミスタ素子（１０）と、
前記電極線（１２、１３）と接続された一対の導電性の芯線（２１ａ、２１ｂ）、及び該芯線（２１ａ、２１ｂ）を絶縁粉末（２２）を介して被覆する外筒（２３）より構成され、前記サーミスタ素子（１０）の信号を外部に取出すための配線部材（２０）と、
前記サーミスタ素子（１０）を収納し前記配線部材（２０）の外筒（２３）と溶接固定されたカバー（８０）とを備えており、
前記電極線（１２、１３）は白金又は白金合金を主成分とする分散強化材からなることを特徴とするサーミスタ式温度センサ。
【請求項６】
前記分散強化材は、白金又は白金合金を１００としてジルコニアが０．０２重量％以上添加されたものであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のサーミスタ式温度センサ。
【請求項７】
前記ジルコニアは、白金又は白金合金を１００として２重量％以下添加されていることを特徴とする請求項６に記載のサーミスタ式温度センサ。
【請求項８】
前記白金合金は、白金に対して、ロジウム、金、タングステン、パラジウムから選択された少なくとも一種が含有されたものであることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載のサーミスタ式温度センサ。
【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、サーミスタ素子を組み込んだ温度センサに関するものであり、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンの触媒温度や排気系温度を検出する高温サーミスタ式温度センサに用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンの触媒温度や排気系温度を検出する高温サーミスタ式温度センサにおいては、サーミスタ部とサーミスタ信号取出し用の電極線（通常は白金線）を備えたサーミスタ素子が筒状ケース内に収納されており、エンジン振動による機械的応力や−４０℃近くから１０００℃近くまで変動する熱的応力を吸収して電極線の断線を防ぐため、筒状ケースの一端側の開口部から、サーミスタ素子の周囲に、例えばアルミナ粉末等の絶縁緩衝材を充填したユニット構造としている。
【０００３】
そして更に、筒状ケースの上記開口部より排気ガスが侵入したり、絶縁緩衝材が外部にこぼれるのを防ぐために、有底筒状の金属管内に上記開口部側から筒状ケースを挿入することにより、上記ユニットを収納した二重管構造とし、金属管の底部で上記開口部を塞いだ形としている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、エンジンの高性能化による高回転化に伴い、センサの取付け部位（触媒や排気管等）へのセンサ保持構造が高強度化されてきたこと等のため、より高周波域（例えば１ｋＨｚ以上）での強振動がセンサに加わるようになってきている。そのため、このような高周波域での強振動によって、以下に示す様に、電極線の断線に係る問題が顕著になってきている。
【０００５】
１つは、絶縁緩衝材に起因するものである。上記従来構造においては、筒状ケースの開口部を金属管で塞いで絶縁緩衝材が外部にこぼれるの防止していたが、ケースを金属管に挿入するために両者間には微小な隙間（例えば、０．数ｍｍ）が存在する。
ここで、高周波域での強振動がセンサに加わると、ケース内に収納した絶縁緩衝材が、高周波による粒子レベルの振動を起こし、次第に砕けて上記隙間に入り込む程度の微小な破片になる。そのため、この微小な破片が上記開口部から上記隙間にくずれ出し、サーミスタ素子の保持機能がなくなり、振動によって電極線を断線に至らしめる恐れがある。
【０００６】
もう１つは、電極線自身の構造に起因するものである。すなわち、通常電極線には白金線が用いられるが、本発明者等の検討によれば、サーミスタ素子の製造工程の内、白金線をサーミスタ材料（通常は半導体材料）に埋設成形し１３００℃〜１６００℃で焼成（焼きばめ）する焼成工程において、白金材の結晶粒が粗大化し、高周波域の強振動がその粗大化した結晶の粒界でズレを誘発し、粒界断線に至らしめる恐れがあることがわかった。
【０００７】
このように、エンジンの高回転化に伴う高周波域での振動によって、今後益々、サーミスタ素子の電極線が断線する可能性が高くなってくる。
そこで、本発明は上記点に鑑み、サーミスタ部及びサーミスタ信号取出し用の電極線を有するサーミスタ素子を備えるサーミスタ式温度センサにおいて、高周波域での振動による電極線の断線を防止することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電極線として用いる白金材を、高温に晒しても結晶粒が粗大化しないような構造とすることに着目してなされたものである。
【００１３】
上記着目点に基づき、本発明者等は、絶縁緩衝材が砕けてケース内から抜け出しサーミスタ素子に高周波振動がかかっても、断線しない電極線材料について鋭意検討を行った。請求項１ないし請求項５記載の発明は、この検討結果により得られた知見に基づきなされたものである。まず、請求項１記載の発明では、サーミスタ部（１１）及びサーミスタ信号取出し用の電極線（１２、１３）とを備えるサーミスタ素子（１０）と、内部にサーミスタ素子（１０）を絶縁保持するケース（４０）とを備えるサーミスタ式温度センサにおいて、電極線（１２、１３）として白金又は白金合金を主成分とする分散強化材を用いたことを特徴としている。
【００１４】
それによって、上述のように、サーミスタ素子の焼成工程において、白金材の結晶粒が粗大化が抑制され、高周波域の振動による結晶の粒界でズレが誘発されても断線にまでは至らないため、電極線（１２、１３）の断線を防止することができる。
【００１５】
そして、上記分散強化材による断線防止効果は、請求項２記載の発明のように、サーミスタ部（１１）に焼きばめにより固定された電極線（１２、１３）においても、十分発揮される。さらに、上記分散強化材は、請求項３記載の発明のように、線径方向における結晶粒径が線径よりも小さいものであることが好ましく、より望ましくは請求項４記載の発明のように、粒径が線径の１／２以下であることが好ましい。
【００１７】
また、請求項５記載の発明は、サーミスタ部（１１）から一対の電極線（１２、１３）が同一方向に引き出された構成であるサーミスタ素子（１０）、いわゆるラジアル型サーミスタを有するサーミスタ式温度センサについてなされたものである。すなわち、請求項５記載の発明では、電極線（１２、１３）を白金又は白金合金を主成分とする分散強化材としており、この電極線（１２、１３）は請求項１記載の発明と同様の作用効果を奏する。
【００１８】
また、請求項１ないし５記載の分散強化材は、白金又は白金合金を１００として金属酸化物が０．０２重量％以上添加されたものであることが好ましい（請求項６の発明）。これは、金属酸化物が白金や白金合金の粒子の粗大化を抑制する機能を有するのであるが、該金属酸化物が０．０２重量％より小であると、白金や白金合金の粒子の粗大化を十分抑制することができないためである。
【００１９】
さらに、該金属酸化物は、白金又は白金合金を１００として２重量％以下添加されたものであること（即ち０．０２〜２重量％）が好ましい（請求項７の発明）。これは、金属酸化物が２重量％より大であると、電極線の線引き加工性が著しく悪化及び電極線自体の抵抗が大きくなってしまい、サーミスタ素子の抵抗変化を十分検出することが困難となるためである。
【００２０】
ここで、上記金属酸化物として、請求項６、７に記載の発明では、ジルコニアを用いている。また、上記白金合金としては、電極線自体の強度を向上させるために、請求項８記載の発明のように、白金に対して、ロジウム、金、タングステン、パラジウムから選択された少なくとも一種が含有されたものを用いることができる。
【００２１】
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一例である。
【００２２】
【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。本実施形態は、本発明のサーミスタ式温度センサを、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンの触媒温度や排気系温度を検出する高温サーミスタ式温度センサに適用したものである。図１に本実施形態に係るサーミスタ式温度センサ１００の断面構成を示す。
【００２３】
１０は、高温（例えば１０００℃以上）での使用に耐えうる高温用のサーミスタ素子であり、例えばＣｒ−Ｍｎを主成分とする半導体材料（サーミスタ材料）からなる円柱形状のサーミスタ部１１と、サーミスタ部１１から出力信号（抵抗（Ｒ）−温度（Ｔ）特性）を取り出すための一対の電極線（白金電極）１２、１３とからなる。
【００２４】
電極線１２と電極線１３は高温に晒されても結晶安定性のある白金又は白金合金を主成分とする分散強化材（例えばφ０．３ｍｍ〜φ１．０ｍｍ程度）からなる別体の丸棒状の線材（図４（ａ）参照）であり、それぞれの一端部がサーミスタ部１１に埋設され焼きばめされるとともに、互いにサーミスタ部１１の円柱軸方向において対向して引き出されており、アキシャル型となっている。なお、電極線１２、１３の埋設された各一端部はサーミスタ部１１の内部では離れている。そして、サーミスタ素子１０は、サーミスタ部１１の軸方向両端に電極線１２、１３を埋設成形し、１３００℃〜１６００℃の高温にて焼成することで、形成される。
【００２５】
電極線１２のうち埋設側端部とは反対側の端部は、後述のシースピン２０の芯線２１と溶接により接続され、図示しないシースピン２０の他端より図示しないリードワイヤを介して外部の制御回路へ導かれる。一方、電極線１３のうち埋設側端部とは反対側の端部は、アースリード線３０と溶接固定され、このアースリード線３０を介して後述の金属ケース４０の内面に溶接されている。ここで、各電極線１２、１３と各線材２１、３０との接続は、ステンレス製のパイプの両方向から、接続すべき各線材を各々挿入して溶接することで接続してもよい。
【００２６】
上記シースピン（配線部材）２０は、例えばＳＵＳ３１０Ｓ等からなる金属製の芯線２１と、ＭｇＯ等の絶縁粉末２２と、例えばＳＵＳ３１０Ｓ等からなる金属製の外筒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は、高密度に充填された絶縁粉末２２の中で固く固定されている。
【００２７】
上記金属ケース（第１ケース）４０はサーミスタ素子１０を収納するものであり、例えばＳＵＳ３１０Ｓ等の耐熱性かつ導電性の金属により、両端部が開口した薄肉の円筒管状に形成されている。金属ケース４０の一端側の開口部４１からは、シースピン２０の外筒２３が挿入され、金属ケース４０との重なり部分にて溶接固定されている。従って、金属ケース４０の開口部４１はシースピン２０により閉塞された形となっている。
【００２８】
金属ケース４０内のサーミスタ素子１０の収納部空間には、Ａｌ２  Ｏ３  等の絶縁粉末（絶縁緩衝材）５０が充填され、金属ケース４０内にサーミスタ素子１０が絶縁保持された形となっている。該絶縁粉末５０は、水分を含ませ泥状にした状態で、シースピン２０が挿入されている開口部４１とは反対側の金属ケース４０の開口部（請求項でいう開口部）４２から、金属ケース４０内に充填され、その後乾燥させることで素焼き状態となり、サーミスタ素子１０を絶縁保持している。
【００２９】
なお、金属ケース４０周面のうち絶縁粉末５０が収納される部分には、開口部４２から絶縁粉末５０を充填する際に、充填しやすくするために空気抜きとして作用する図示しない穴が設けられている。
こうして、サーミスタ信号（Ｒ−Ｔ特性）は、一対の電極線１２、１３のうちサーミスタ部１１から開口部４１側に引き出された電極線１２からは芯線２１を介し、サーミスタ部１１から開口部４２側に引き出された電極線１３からはアースリード線３０及び金属ケース４０を介して、外部の制御回路へ取出し可能となっている。
【００３０】
また、これらサーミスタ素子１０、シースピン２０、アースリード線３０、金属ケース４０及び絶縁粉末５０で構成されたユニットは、例えばＳＵＳ３１０Ｓ等の金属からなる有底筒形状の保護管（第２ケース）６０により被覆されている。保護管６０は、その底部６１の内面が金属ケース４０の開口部４２を覆っている。
【００３１】
そして、金属ケース４０の外面と保護管６０の内面との隙間（例えば０．数ｍｍ）の略全域には、例えば、アルミナ系硬化接着剤を加熱硬化させたものからなる耐熱性の接着材７０が充填されている。ここで、接着材７０は排気温センサとしての使用温度を考慮して、例えば１０００℃以上の耐熱性を有することが好ましく、そのようなものとしては、例えば、朝日化学製のスミセラム（商品名）等が挙げられる。
【００３２】
接着材７０は、金属ケース４０と保護管６０との隙間（以下、単に隙間という）のうち、保護管６０の底部６１と対向する金属ケース４０の開口部４２を封止しつつ、金属ケース４０内の絶縁粉末５０が充填されている部分に対応した部分に介在され、上記空気抜き用の穴（図示せず）も封止している。本例では、金属ケース４０内のシースピン２０が収納されている部分に対応した隙間部分にも一部介在されている。
【００３３】
これらサーミスタ素子１０、シースピン２０、アースリード線３０、金属ケース４０及び絶縁粉末５０で構成されたユニットと保護管６０及び接着材７０との組付は次のようである。アルミナ系硬化接着剤等の接着剤を充填した保護管６０に、開口部４２側からユニットを挿入した後、前記接着剤を加熱硬化する。こうして、隙間に接着材７０が介在するアッセンブリとなる。
【００３４】
次に本実施形態の作動について説明する。
図１に示す高温センサの感温部には、搭載環境より約−４０℃から１０００℃の温度が加わり、その冷熱による構成部材の熱膨張・収縮により熱応力が発生する。この時、もし、絶縁粉末５０が緻密な固い状態でサーミスタ素子１０を固定保持すると、熱応力を吸収しきれず、電極線１２または１３又はアースリード線３０等の部位で断線が生ずる。このため、本実施形態ではサーミスタ１０を保持固定する絶縁粉末５０は、上述のように、素焼き状態として絶縁粉末５０の粒子間に微小な隙間を形成し熱応力による動きを吸収している。
【００３５】
ところが、エンジンの高回転等により発生する、特に１ｋＨｚ以上の高周波振動が上記部材１０〜５０にて構成されたユニット（センサ感温部）に伝わると、素焼き状態で固まっている絶縁粉末５０は粒子レベルで振動し、次第に微小な破片となってくずれ出す。この時、保護管６０と金属ケース４０との隙間に充填した接着材７０が、開口部４２を封止しているため、金属ケース４０からの絶縁粉末５０の流出を防ぎ、サーミスタ素子１０の保持機能を保つことが出来、高周波振動による電極線１２、１３の断線を防止することができる。
【００３６】
また、電極線１２、１３は、高温に晒されても結晶安定性のある上記分散強化材を用いているため、高周波振動が加わっても粒界破断に至ることがなく、断線を防止することができる。ここで、図２に上記分散強化材の高温下（９００℃×１００時間）での結晶構造を示す。図２は、顕微鏡像を模式化した図であり、（ａ）に従来用いられていた一般白金（比較例）からなる電極線、（ｂ）に本実施形態の上記分散強化材からなる電極線（分散強化白金と図示）を表してある。
【００３７】
一般白金では、高温雰囲気下において白金結晶粒が粗大化し、線径方向における白金結晶粒の粒径は、最大、線径と同等レベルになる。そして、高周波域の強振動が線径と同等レベルの結晶粒の粒界でズレを誘発すると、断線に至ってしまう。しかし、上記分散強化材では線径方向における白金結晶粒の粒径が線径よりも小さく、上記粒界ズレが誘発されても断線にまでは至らない。なお、粒径が線径の１／２以下であることが好ましい。
【００３８】
ここで、白金や白金合金の粒子の粗大化を十分抑制するためには、上記分散強化材は、白金又は白金合金を１００として金属酸化物が０．０２重量％以上添加されたものであることが好ましい
さらに、電極線１２、１３自体の抵抗の過大化を防止し、サーミスタ素子１０の抵抗変化を十分検出するためには、該金属酸化物は、白金又は白金合金を１００として２重量％以下添加されたものであることが好ましい。
【００３９】
ここで、該金属酸化物としては、例えば、ジルコニア、イットリア、アルミナ、チタニア等から選択された少なくとも一種を用いることができる。
また、上記白金合金としては、例えば、白金に対して、ロジウム、金、タングステン、パラジウム等から選択された少なくとも一種が含有されたものを用いることができる。このような白金合金とすることにより、電極線１１、１２自体の強度を向上させることができる。
【００４０】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、（１）サーミスタ素子１０等で構成されるユニットと該ユニットを収納する保護管６０との隙間に接着材７０を充填したこと。（２）サーミスタの電極線に上記分散強化材を用いたこと、の２つの手段を併用しているが、（１）及び（２）いづれかを単独で実施しても高周波域での振動による電極線の断線を防止することが出来る。
【００４１】
また、上記実施形態では電極線１２、１３を上記分散強化材としたが、白金とイリジウムとの合金線材からなるものとしてもよい。それによって、線材自体を振動に対して強固なものでき、高周波振動による断線防止を実現できる。ここで、該白金とイリジウムとの合金線材は、その合金組成として、線引き、減径、切断等の線材加工性を考慮すれば、イリジウムが１〜６０重量％添加され、残部白金である白金合金を用いることが好ましい。
【００４２】
また、上記実施形態においては、アキシャルタイプのサーミスタ素子であるが、図３に示すようなサーミスタ信号取出し用の電極線１２、１３が同一方向に引き出され、一対の電極線１２、１３として構成されているラジアルタイプを用いた構造においても、電極線１２、１３に上記分散強化材もしくは上記合金線材を用いたものとすれば、同様の効果が得られる。
【００４３】
また、上記実施形態では、電極線１２、１３は、図４（ａ）に示すような丸棒状の線材として用いたが、図４（ｂ）に示すようなパイプ形状としてもよい。この場合、シースピンの芯線やアースリード線はパイプ内腔に挿入固定される。
また、上記実施形態では、白金または白金合金を主成分とする分散強化材からなる電極線を、サーミスタ材料に埋設して焼きばめすることにより固定しているが、電極材とサーミスタ材料の高温での拡散反応による接合、または、電極材とサーミスタ材料との間に白金等の導電ペーストを介在させた接着方式で固定してもよい。
【００４４】
ここで、本発明のサーミスタ式温度センサの他の例を図５に示す。この温度センサ２００は、上記図３に示したラジアル型のサーミスタ素子１０を用いたものである。温度センサ２００においては、シースピン２０は２芯型の構成であり、例えばＳＵＳ３１０Ｓ等の金属からなる導電性の一対の芯線２１ａ、２１ｂと、これら芯線２１ａ、２１ｂを絶縁粉末２２を介して被覆する外筒２３とから構成されている。
【００４５】
そして、サーミスタ素子１０の一対の電極線１２、１３は、一対の芯線２１ａ、２１ｂと接続され、シースピン２０を介して、外部の制御回路へ取出し可能となっている。また、図５に示す様に、サーミスタ素子１０は有底筒状の耐熱金属からなる金属キャップ（カバー）８０に収納され保護されている。この金属キャップ８０は、シースピン２０の外筒２３の外周面に溶接され固定されている。なお、図５の実施例では、サーミスタ素子１０と金属キャップ８０との間は絶縁粉末は無く、空間となっているが、耐振強度向上のため、絶縁粉末を充填しても良い。
【００４６】
この温度センサ２００においても、電極線１２、１３を、上記分散強化材もしくは白金とイリジウムとの合金線材からなるものとすれば、高周波域の強振動による断線を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るサーミスタ式温度センサの断面構成図である。
【図２】高温下での白金線の結晶構造を示す模式図である。
【図３】ラジアル型サーミスタ素子の構造を示す図である。
【図４】電極線の形状を示す図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係るサーミスタ式温度センサの断面構成図である。
【符号の説明】
１０…サーミスタ素子、１１…サーミスタ部、１２、１３…電極線、
２０…シースピン、２１、２１ａ、２１ｂ…芯線、２３…外筒、
４０…金属ケース、４２…金属ケースの開口部、５０…絶縁粉末、
６０…保護管、６１…保護管の底部、７０…接着材、８０…金属キャップ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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