(57)【要約】【課題】製造の歩留まりが改善された温度センサの製造方法と、使用時に故障の少ない温度センサの提供。【解決手段】筒状の保護カバーと、その内側面に内接する筒状材料と、前記筒状材料の内側に配置された感温素子と、前記感温部と前記筒状材料との間隙に形成されたマトリックス相とを具備してなる温度センサと、前記筒状材料と、その内側に配置された感温部との間隙に充填材を充填し、加熱することによってマトリックス相を形成させることを含む温度センサの製造方法。【選択図】図１
2014190928.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端が閉塞された筒状の保護カバーと、
セラミックスで形成された、前記保護カバーの内側面に内接する筒状材料と、
前記筒状材料の内側に配置された、温度変化に応じて電気的特性が変化する感温部と、前記感温部に接続され、感温部からの電気信号を取り出すための一対の電極線とを具備してなる感温素子と、
前記感温部と前記筒状材料との間隙に形成されたマトリックス相と、
を具備してなる温度センサの製造方法であって、
前記筒状材料の内側に前記感温部を配置し、
前記感温部と前記筒状材料との間隙に充填材を充填し、加熱することによってマトリックス相を形成させること
を含んでなることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記筒状材料を前記保護カバーの内側に配置し、その後に前記感温部と前記筒状材料との間隙に充填材を充填し、加熱をしてマトリックス相を形成させる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記筒状材料の内側に前記感温部を配置し、前記感温部と前記筒状材料との間隙に充填材を充填した後、前記筒状材料を前記保護カバーの内側に配置し、加熱をしてマトリックス相を形成させる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記筒状材料がアルミナで形成されたものである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の温度センサの製造方法。
【請求項５】
前記筒状材料の外径が１．５〜５．０ｍｍである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の温度センサの製造方法。
【請求項６】
前記筒状材料の肉厚が０．０５〜０．５ｍｍである、請求項１〜５のいずれか１項に記載の温度センサの製造方法。
【請求項７】
前記保護カバーが、金属で形成されたものである、請求項１〜６のいずれか１項に記載の温度センサの製造方法。
【請求項８】
前記充填材が、セラミックス粒子と、結晶化ガラスとを含んでなる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の温度センサの製造方法。
【請求項９】
一端が閉塞された筒状の保護カバーと、
セラミックスで形成された、前記保護カバーの内側面に内接する筒状材料と、
前記筒状材料の内側に配置された、温度変化に応じて電気的特性が変化する感温部と、前記感温部に接続され、感温部からの電気信号を取り出すための一対の電極線とを具備してなる感温素子と、
前記感温部と前記筒状材料との間隙に形成された充填材のマトリックス相と、
を具備してなることを特徴とする、温度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、感温素子を保護カバー内に具備してなる温度センサ、およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
昨今の機械産業の分野ではメカトロニクス化が進み、機械要素だけでは実現できないような各種機能が実現されるようになってきている。そのような機能は、各種センサによって状況や状態などを検出し、それに応じて、機械の動作等を制御することによって達成されるのが通常である。
【０００３】
このようなセンサのひとつとして温度センサがある。例えば、自動車の排気浄化システムにおいては、排気ガスそのものや、浄化装置の温度に応じて浄化条件を調整し、有害な放出物などを低減することが求められているので、排気ガスなどの温度を測定できる温度センサが必要である。このような温度センサとしては一般に、サーミスタ素子などの感温素子が保護カバー内に封入されたものが用いられている。
【０００４】
より具体的には、一般的な温度センサは、金属などからなる保護カバー内に感温素子が配置され、その感温素子に接続された一対の電極線が温度センサの外側まで伸びた構造となっている。そして、感温素子と保護カバーとの間には、一般的に無機材料からなる充填材が充填されており、それによって感温素子が保持されている。すなわち電極線はその充填材からなる相を貫通して温度センサの外側まで延伸している。
【０００５】
このような温度センサは、一般的には保護カバーの中に電極線が接続された感温素子を配置し、感温素子と保護カバーとの間に充填材を充填し、全体を加熱して充填材を結着させることによって製造される（例えば、特許文献１、および２参照）。ここで、充填材の主成分としては、アルミナ、ジルコニウムなどの無機材料が用いられる。しかし、これらの無機材料は融点が高いため、より低い温度での製造を可能とするために、補助的に結合材が用いられる。このような結合材としては、ガラスなどが用いられる。このような結合材を無機材料に組み合わせることで、加熱の際に結合材が無機材料の粒子表面を被覆し、粒子を相互に結合させることで感温センサを固定する作用を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−２３２３３２号公報
【特許文献２】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】
【０００７】
しかしながら、前記した方法で温度センサを製造した場合には、電極線の断線が起こることが多く、製造の歩留まりについて改善の余地があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による温度センサの製造方法は、
一端が閉塞された筒状の保護カバーと、
セラミックスで形成された、前記保護カバーの内側面に内接する筒状材料と、
前記筒状材料の内側に配置された、温度変化に応じて電気的特性が変化する感温部と、前記感温部に接続され、感温部からの電気信号を取り出すための一対の電極線とを具備してなる感温素子と、
前記感温部と前記筒状材料との間隙に形成されたマトリックス相と、
を具備してなる温度センサの製造方法であって、
前記筒状材料の内側に前記感温部を配置し、
前記感温部と前記筒状材料との間隙に充填材を充填し、加熱することによってマトリックス相を形成させること        
を含んでなることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明による温度センサは、
一端が閉塞された筒状の保護カバーと、
セラミックスで形成された、前記保護カバーの内側面に内接する筒状材料と、
前記筒状材料の内側に配置された、温度変化に応じて電気的特性が変化する感温部と、前記感温部に接続され、感温部からの電気信号を取り出すための一対の電極線とを具備してなる感温素子と、
前記感温部と前記筒状材料との間隙に形成された充填材のマトリックス相と、
を具備してなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、温度センサの製造過程における電極線の断線が低減され、製品歩留まりが改善される。また、筒状材料を配置したことにより、マトリックス相と保護カバーとの接触を最低限に抑制して不要な化学反応を防ぐことが出来るので、材料の劣化を防ぐことが出来るなど優れた特性を有する温度センサが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施態様による温度センサの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００１３】
本発明は、温度センサの製造方法に関するものであり、保護カバーと充填材の相との間に筒状材料を介在させることを一つの特徴としている。以下に、この筒状材料を用いた温度センサの製造方法について説明する。
本願発明による温度センサの製造方法においては、温度センサを構成するものとして、
（ｉ）保護カバー、
（ｉｉ）感温素子、
（ｉｉｉ）充填材、および
（ｉｖ）筒状材料
が挙げられる。このような温度センサの一実施態様の断面図を示すと図１に示す通りである。すなわち、本発明による温度センサ１００は、保護カバー１０１の内側に内接して、筒状材料１０２が配置されている。そして、筒状材料１０２その内側に配置された感温素子の感温部１０３が配置され、筒状材料１０２と感温部１０３の間隙に充填材のマトリックス相１０５が形成されている。感温部に接続された一対の電極線１０４はそのマトリックス相を貫通して外部に引き出され、外部の回路に接続される。
【００１４】
保護カバーは、一端が閉塞された筒状の材料である。断面形状は特に限定されず、断面の外側および内側のいずれについても、円であっても多角形であってもよい。しかしながら、製造の容易性の観点からは、保護カバーの外側および内側の断面がいずれもが円であること、すなわち保護カバーの形状は一端が閉塞された円筒状であることが好ましい。  保護カバーの大きさは、目的とする温度センサの大きさなどに応じて任意に選択することができる。
【００１５】
保護カバーの材質としては、一般に金属が用いられる。これは、温度センサとしての信頼性を確保するために、防食性、熱伝導性、耐熱性、硬度などに優れるものが望ましいためである。このような特性を満たす金属は、各種のものが知られている。例えば、防食性に優れる合金としてステンレス鋼は入手が容易で価格も安いので一般的に用いられるものである。ステンレス鋼のうち、オーステナイト系ステンレス鋼が好ましく、例えばＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３２１など各種のものが市販されている。またインコネル、インコロイ、ニモニック（いずれも商標名、大同スペシャルメタル株式会社製）などの耐熱合金を用いることも好ましい。これらのうち、インコネルはニッケルをベースとして、鉄九、クロム、ニオブなどを配合した合金であり、インコネル６００、インコネル６２５、インコネル７１８、インコネルＸ７５０など各種のものが販売されており、所望の耐熱性や硬度などに応じて任意に選択することができる。
【００１６】
感温素子は、温度センサの主要部であり、温度変化を電気信号に変換して外部に出力する素子である。感温素子は、温度変化に応じて電気的特性が変化する感温部と、前記感温部に接続され、感温部からの電気信号を取り出すための一対の電極線とを具備する。感温部としてはサーミスタと呼ばれるものが一般に用いられる。サーミスタは、温度変化に応じて電気抵抗が変化する抵抗体であり、ＮＴＣサーミスタ、ＰＴＣサーミスタ、ＣＴＲサーミスタなどが知られている。本発明による温度センサにおいては、感温部は任意に選択することができる。この感温部は、後述するように、温度センサ内において、充填材によって固定される。このとき、感温部と充填材との親和性が高いと感温部が安定に固定される。このため、感温部の外周面には、充填材と親和性の高い材料で被覆されていることが好ましい。具体的には、充填材は後述するようにガラスなどの結合材を含むことが多いので、感温部の外周面が結合材によって被覆されていることが好ましい。
【００１７】
電極線は感温部から発信される電気信号を外部回路に伝達するためのものである。このため、電気抵抗が低いこと、温度センサが用いられる温度範囲で安定である材料によって形成されていることが好ましい。このため、電極線は白金などの金属製であることが好ましい。
【００１８】
このような感温素子は、一般的に用いられているものの中から、任意に選択することができる。
【００１９】
前記の感温素子のうち、感温部は温度センサの内部の所定の位置に固定される必要がある。温度センサが精度よく機能するためには、感温部が温度センサの表面から一定の位置にある必要があるためである。このように感温部を固定するためには充填材が用いられる。
【００２０】
従来の温度センサの場合、保護カバーの内側の特定の位置に感温部が配置され、その感温部と保護カバーとの間隙に充填材が充填される。充填された充填材の相を任意の方法で固化させることで感温部の位置を固定することができる。ここで、充填材の相を固化させるには、熱的処理によって充填材のマトリックス相を形成させる方法を用いるのが一般的である。
【００２１】
充填材としては、一般的に骨材としてセラミックス粒子を含むものが用いられる。セラミックスとしては、アルミナ、ジルコニア、シリカなどの無機酸化物が好ましく用いられる。これらのうち、入手の容易性やコストの観点からアルミナが最も好ましく用いられる。これらのセラミックス粒子は、耐熱性が高く充填材としては好適に用いることができる。一方で、これらの充填材を加熱によって溶融させ、マトリックス相を形成させるためには非常に高い温度が要求される。しかしながら、要求される温度が高くなると、エネルギーコストが嵩み、製造コストも上昇する。また、保護カバー内部に配置される感温素子が熱によってダメージを受ける可能性もある。
骨材としてセラミックス粒子を用いる場合、その粒子の平均粒径は、一般に１〜１０μｍのものが用いられる。過度に小さいと、後述するように分散媒を配合してスラリーを形成させたときに凝集してしまうことがあり、また過度に大きいとスラリー充填の際に配管詰まりなどを起こすことがあるためである。
【００２２】
このような問題点を改善するために、充填材として主となる骨材と結合材とを含むものとすることができる。すなわち、セラミックス粒子などの骨材そのものを溶融させて充填材のマトリックス相を形成させるのではなく、骨材の間に存在する結合材を溶融させて骨材同士を結合させることによって、加熱温度をより低くしながら充填材のマトリックス相を形成させることができる。
【００２３】
結合材としては、軟化点が比較的低いガラスなどが用いられる。ガラスは、非晶質ガラス、結晶質ガラスに分類されるが、そのいずれを用いてもよい。また、ガラスは二酸化ケイ素、酸化カリウム、酸化ナトリウム、酸化鉛、酸化カルシウムなどの材料から製造されるが、組成はどのようなものであってもよい。具体的には、ホウケイ酸ガラス（軟化点７８５℃程度）、ソーダ石灰ガラス（軟化点７３０℃程度）、鉛ガラス（軟化点６００℃程度）などが用いられる。
【００２４】
なお、温度センサの使用温度範囲に軟化点があるようなガラスを結合材として用いると、温度センサの使用時に温度センサ内部で感温部が移動してしまい、断線などの故障の原因となるので、結合材として用いるガラスの軟化点は温度センサの使用温度範囲の上限以上であることが好ましい。
【００２５】
また、結合材としてタルク、カオリンなどを用いることもできる。
【００２６】
これらの結合材は単独、または２種類以上を組み合わせて用いることもできる。
結合材は、骨材とは独立に配合しておくことも、骨材の表面に予め付着させておくこともできる。骨材と結合材とが独立に配合された充填材は、温度センサの製造過程において加熱された際に結合材が骨材の間で溶融し、骨材同士を結合させる。骨材の表面をあらかじめ結合材で被覆しておくと、マトリックス相全体で骨材同士の結合がより均一になるので好ましい。
【００２７】
なお、充填材はこれらの骨材や結合材などに水などの分散媒が加えられたスラリーとして用いられるのが一般的である。分散媒としては水が用いられるのが一般的である。分散媒の配合量は、必要に応じて任意に調整することができるが、スラリーの流動性を十分に確保するために、スラリー全体の重量を基準として１０質量％以上とすることが好ましい。また分散媒は加熱時に系外に放出されるので、迅速に分散媒を放出させるとともに、放出の際に形成されるガスの流路と形成される空孔の形成を抑制するために２０質量％以下とすることが好ましい。
【００２８】
充填材スラリーには、必要に応じてさらなる添加剤を添加することもできる。例えば、補助的な結合材として有機ポリマーを用いることもできる。
【００２９】
従来の製造方法においては、まず、前記した保護カバーの内側に感温素子の感温部を配置し、保護カバーと感温部との間隙に充填材を充填し、その後に加熱することで充填材のマトリックス相を形成させるのが一般的であった。これに対して、本願発明による温度センサの製造法においては、保護カバーと充填材のマトリックス相との間に筒状材料を組み込むことを一つの特徴としている。
【００３０】
筒状材料は、充填材との親和性が高いものが用いられる。具体的には、充填材の骨材または結合材と物性が近似した無機材料であることが好ましい。したがって、骨材として用いられるセラミックス、好ましくはアルミナまたはジルコニア、特にアルミナからなることが好ましい。結合材として用いられるガラスを筒状材料として用いることもできるが、軟化点が相対的に低いため、後述するように金属からなる保護カバーに対して融着することがあるので、より高い軟化点を有する材料を用いることが好ましい。
【００３１】
筒状材料の形状は、保護カバーの内側形状に適合するものが選択される。ここで、本発明において筒状材料は、外径または内径が均一な筒状材料だけでなく、外径または内径が不均一なものも包含される。具体的には、保護カバーの内側が均一な直径を有する円柱状の空隙となっている場合には、保護カバーの内側に密接に接触する直径を有する円筒状の形状であるものが選択できる。この場合、筒状材料の一端が閉塞されていてもよい。このとき、閉塞されている部分の外側の形状が、保護カバーの閉塞された端部の内側形状に一致するようにすることができる。また、保護カバーの内側が円錐状の空隙となっている場合には、筒状材料も円錐形状や、円錐台形状とすることもできる。
【００３２】
筒状材料の形状は、前記の通り、保護カバーの形状に応じて決定することができるが、両端に開口を有する、外径および内径が均一である円筒状であることが好ましい。筒状材料がこのような形状であれば、汎用性が高く、コスト面で有利であり、また製造工程においても取扱い性がよいので好ましい。また大きさも用いられる保護カバーに応じて調整されるが、外径は１．５〜５．０ｍｍであることが好ましく、肉厚は０．０５〜０．５ｍｍであることが好ましい。また、長さは感温部と感温部に接続された一対の電極線の少なくとも一部を保護できる程度の長さであればよいが、２．０〜１０．０ｍｍであることが好ましい。
【００３３】
このような筒状材料は、押し出し成型や切削成型など、任意の方法で製造することができる。
【００３４】
本発明による方法では、このような筒状材料を保護カバーと充填材のマトリックス相との間に組み込むが、具体的には以下の３つの方法がある。
（１）筒状材料を保護カバーの内側に配置し、その後に感温素子の感温部を筒状材料の内側に配置し、その感温部と筒状材料との間隙に充填材を充填し、加熱をすることによりマトリックス相を形成させる方法。
（２）筒状材料の内側に感温素子の感温部を配置し、前記感温部と前記筒状材料との間隙に充填材を充填した後、筒状材料を保護カバーの内側に配置し、加熱をすることによりマトリックス相を形成させる方法。
（３）筒状材料の内側に感温素子の感温部を配置し、前記感温部と前記筒状材料との間隙に充填材を充填した後、加熱をすることによりマトリックス相を形成させ、その後に筒状材料を保護カバーの内側に配置する方法。
【００３５】
前記方法において、マトリックス相を形成する際に、充填材を充填した後、感温素子の感温部を筒状材料の内側に配置し、加熱をすることによりマトリックス相を形成しても良い。
【００３６】
これらの方法によれば、加熱の際に充填材と保護カバーとが直接接触しない。この結果、製造時に断線などの故障が低減し、製造の歩留まりが改善される。
【００３７】
本発明の方法により、このような効果が表れる理由は詳細には解明されていないが、以下のようなメカニズムが推定されている。まず、加熱によって、保護カバーの内側の充填材が融解する。融解した充填材は、保護カバーの内側にも溶着し、その後の冷却において充填材の相と保護カバーとが融着する。さらに冷却がすすむと、金属からなる保護カバーと、内部に充填されている充填材の相とで熱膨張係数が異なるために応力が発生する。この応力は感温部および電極線にもかかる。この結果、特に細線からなる電極線が物理的応力に耐え切れずに断線が起こるものと推定される。
【００３８】
前記した（１）〜（３）の方法は、目的とする温度センサの構造などに応じて、任意に選択されるが、製造工程の容易性の観点からは、（１）が最も好ましい。また、（２）および（３）では、充填材がスラリーの形状で用いられ、筒状材料が両端が開いた形状である場合、筒状材料内に充填材を保持することが難しいが、筒状材料として一端が閉塞された形状のものを用いることで、そのような問題は解決できる。また、（３）は筒状材料を保護カバー内に配置した後、さらに封止などのために加熱する工程が必要となることがあるので、（２）の方法が好ましい。
【００３９】
本発明による温度センサの製造方法による効果は、物性値を考慮しながら検討することでより明らかになる。
【００４０】
保護カバーの材質として用いられる材料の線膨張係数は、１０×１０−６／Ｋを超える。具体的には、インコネル（商品名）は、種類によって異なるが、１２．６〜１３．３×１０−６／Ｋの線膨張係数を示す。またステンレス鋼も一般に１０×１０−６／Ｋを超える線膨張係数を示す。例えば、ＳＵＳ３０４の線膨張係数は１７．３×１０−６／Ｋである。
【００４１】
一方、充填材に用いられる結合材、すなわち軟化点が低いガラスの線膨張係数は９×１０−６／Ｋ以下である。例えば、ホウケイ酸ガラスおよびソーダ石灰ガラスの線膨張係数はそれぞれ５．２×１０−６／Ｋおよび８．８×１０−６／Ｋである。特に、軟化点が低いことからホウケイ酸ガラスが好ましく用いられるので、結合材として用いられるガラスの線膨張係数は５〜６×１０−６／Ｋの範囲にあるのが一般的である。
また、感温素子に含まれる電極線として用いられることが多い白金線の線膨張係数は８．８×１０−６／Ｋである。
【００４２】
このように、保護カバーと、結合材または電極線とで線膨張係数が大きく異なっている。このために、従来の温度センサの製造方法においては、製造時の加熱によって保護カバーと結合材が融着し、その後冷却されると、製造される温度センサの内部に応力が発生し、断線などの故障が発生するものと考えられる。
【００４３】
一方、本発明の方法によれば、加熱の際には結合材と保護カバーとが直接接触しておらず、結合材は、筒状材料の内側面に融着する。
【００４４】
筒状材料の材料として用いられるセラミックスの線膨張係数は９×１０−６／Ｋ以下である。例えば、アルミナおよびジルコニアの線膨張係数は５．４×１０−６／Ｋおよび８．８×１０−６／Ｋである。すなわち、筒状材料を形成するセラミックスは、結合材や電極線と近い線膨張係数を有しているので、その後冷却されても内部に発生する応力が小さくなり、断線などの故障が低減され、製造の歩留まりが改善される。
【符号の説明】
【００４５】
１００  温度センサ
１０１  保護カバー
１０２  筒状材料
１０３  感温部
１０４  電極線
１０５  充填材のマトリックス相
【図１】
2014190928.tif 000003