(57)【要約】【課題】温度変化に対する温度追従性を維持しつつ、機械的強度の劣化を抑制する温度センサ素子及び温度センサを提供することを目的とする。【解決手段】所定の厚みを有する厚肉部１０２ｘと厚肉部より厚みが薄い薄肉部１０２ｙとを含む基板１０２ｄと、基板１０２ｄ上に形成された電気絶縁膜１０２ａと、厚肉部１０２ｘ上の電気絶縁膜１０２ａの上に形成された第１の熱電対膜１０２ｂと、薄肉部１０２ｙ上の電気絶縁膜１０２ａの上を横切って形成された第２の熱電対膜１０２ｃと、を有することを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の厚みを有する厚肉部と前記厚肉部より厚みが薄い薄肉部とを含む基板と、
前記基板上に形成された電気絶縁膜と、
前記厚肉部上の前記電気絶縁膜の上に形成された第１の熱電対膜と、
前記薄肉部上の前記電気絶縁膜の上に一部が形成された第２の熱電対膜と、
を有することを特徴とする温度センサ素子。
【請求項２】
前記第１の熱電対膜と前記第２の熱電対膜との厚みが相違することを特徴とする請求項１に記載の温度センサ素子。
【請求項３】
所定の厚みを有する厚肉部と前記厚肉部より厚みが薄い薄肉部とを含む基板と、
前記基板上に形成された電気絶縁膜と、
前記薄肉部上の前記電気絶縁膜の上に一部が形成された第１の熱電対膜と、
前記薄肉部上の前記電気絶縁膜の上に一部が形成され、かつ、前記第１の熱電対膜と厚みが相違する第２の熱電対膜と、
を有することを特徴とする温度センサ素子。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の温度センサ素子を含む感温部と、
前記温度センサ素子に一端が接続されるシースピン芯線を含むセンサ取付部と、
前記シースピン芯線の他端にリード線が取り付けられるリード線取付部と、
を有す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、温度センサに関し、特に、エンジン内や排気ガス等の温度を検出する温度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車エンジンの分野では、内燃機関の筒内温度や排気ガス温度を測定する温度センサや、吸入空気流量を測定する流量センサ等、種々のセンサが知られている。例えば、特許文献１では、温度センサに複数のＳｉＣ（炭化珪素）繊維を用いることで、筒内温度を正確に検出しつつ、温度センサの寿命を延ばすことが開示されている。
【０００３】
また、特許文献２では、金属製支持体（基板）の上に構成される電気絶縁膜に感熱膜を挟み込むことで、耐熱性や熱応答性等に優れた温度センサが開示されている。さらに、特許文献３では、シリコン基板上に構成される電気絶縁膜の上に温度センサを形成し、二酸化シリコン等の保護層で覆うことで精度の高い流量センサを提供することが開示されている。
【０００４】
ここで、上述した温度センサにおける温度測定の手法の一例として、二線式熱電対による温度測定手法について説明する。二線式熱電対による温度測定手法では、熱容量の異なる２つの熱電対が利用される。例えば非特許文献１では、連立方程式（３）から２つの熱電対の時定数がそれぞれ算出され、算出された時定数の相違が演算によりキャンセルされることにより、急激に変化する温度が精度良く測定される旨開示されている。
【特許文献１】実開平５−１９９３０号公報
【特許文献２】ＷＯ９６／３５９３２号公報
【特許文献３】特開２００４−２５７８７０号公報
【非特許文献１】田川  正人、外２名、「二線式熱電対による乱流燃焼場の温度測定」、日本機械学会論文集（Ｂ編）６２巻５９８号（１９９６−６）、ｐ．４１４−４２０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述した２つの熱電対を利用して温度を測定する手法においては、熱電対の線径を小さくすることで温度センサの温度追従性が高くなることが知られているが、温度センサの機械的強度の観点から熱電対の線径を小さくすることには限界があった。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、温度変化に対する温度追従性を維持しつつ、機械的強度の劣化を抑制する温度センサ素子及び温度センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題を解決するための本発明の温度センサ素子は、所定の厚みを有する厚肉部と厚肉部より厚みが薄い薄肉部とを含む基板と、基板上に形成された電気絶縁膜と、厚肉部上の電気絶縁膜の上に形成された第１の熱電対膜と、薄肉部上の電気絶縁膜の上に一部が形成された第２の熱電対膜と、を有することを特徴としている。
この構成によれば、第１の熱電対が形成される部分の基板の厚みと、第２の熱電対が形成される部分の基板の厚みとが相違するため、第１の熱電対と第２の熱電対の熱容量が異なり、二線式熱電対による温度測定手法を使用した温度センサ素子の提供が可能となる。
【０００８】
また、本発明の温度センサ素子は、第１の熱電対膜と第２の熱電対膜との厚みが相違することを特徴としている。
この構成によれば、第１の熱電対の厚みと第２の熱電対の厚みを異ならせることで、熱容量を異ならせるようにすることもできる。
【０００９】
また、本発明の温度センサ素子は、所定の厚みを有する厚肉部と厚肉部より厚みが薄い薄肉部とを含む基板と、基板上に形成された電気絶縁膜と、薄肉部上の電気絶縁膜の上に一部が形成された第１の熱電対膜と、薄肉部上の電気絶縁膜の上に一部が形成され、かつ、第１の熱電対膜と厚みが相違する第２の熱電対膜と、を有することを特徴としている。
この構成によれば、第１の熱電対が形成される部分の基板の厚みと、第２の熱電対が形成される部分の基板の厚みとが同じであっても、第１の熱電対の厚みと第２の熱電対の厚みを異ならせることで、熱容量を異ならせるようにすることもできる。
【００１０】
また、本発明の温度センサは、上述した温度センサ素子を含む感温部と、温度センサ素子に一端が接続されるシースピン芯線を含むセンサ取付部と、シースピン芯線の他端にリード線が取り付けられるリード線取付部と有することを特徴としている。
この構成によれば、二線式熱電対による温度測定手法を使用した温度センサ素子を備える温度センサの提供が可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、高速な温度変化に対する温度追従性を維持しつつ、機械的強度の劣化を抑制した温度センサ素子及び温度センサとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（第１実施形態）
以下、本発明を実施するための最良の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態に係る温度センサ１００の全体構成を示す概略断面図である。
【００１３】
温度センサ１００は、図１に示すように、２本の熱電対を有する温度センサ素子１０２を用いたものであり、例えば自動車の排気管に取り付けられ、排気ガスの温度検出に使用される。
【００１４】
まず、温度センサ素子１０２を内蔵し、排気ガス等の温度を検出する感温部Ａについて説明する。感温部Ａは、金属チューブ１０１、温度センサ素子１０２、セメント１０３等から構成される。金属チューブ１０１の先端側１０１ａはカーリングされた後、溶接されることにより閉止され、この先端側１０１ａの内部に温度センサ素子１０２が収納されている。温度センサ素子１０２の周囲にはセメント１０３が充填されており、これにより使用時の振動等による温度センサ素子１０２の揺動が防止される。
【００１５】
次に、温度センサ素子１０２を取り付けるセンサ取付部Ｂについて説明する。センサ取付部Ｂは、保護チューブ１０４、ナット１０５、シースピン１０８等から構成される。金属チューブ１０１の後端側１０１ｂは開放されており、この後端側１０１ｂは保護チューブ１０４に差し込まれ、後端面が保護チューブ１０４の内周面に設けられた受口に当接され、アルゴン溶接されて固定されている。
【００１６】
保護チューブ１０４の外周面には、六角ナット部１０５ａ及びネジ部１０５ｂを有するナット１０５が回動可能に嵌装されている。温度センサ１００は、排気管の所定位置に設けられた取り付け部に保護チューブ１０４の先端面が当接され、ナット１０５により固定される。これにより、温度検出部分から外部への排気ガス等の漏れを防ぐこととなる。
【００１７】
また、保護チューブ１０４の後端側１０４ｂの端部の外周面には径小部が形成されており、この径小部に継手１０６の一端側が嵌め込まれ、アルゴン溶接されている。継手１０６と保護チューブ１０４の後端側１０４ｂの外径は略同一であり、接続部における段差はほとんどない。
【００１８】
金属チューブ１０１、保護チューブ１０４及び継手１０６の内部には、一対のシースピン芯線１０７を内包するシースピン１０８が配設されており、金属チューブ１０１の内部においてシースピン１０８の先端側１０８ａから引き出されるシースピン芯線１０７には、温度センサ素子１０２がＰｔ／Ｒｈ合金線１０９を介して接続されている。このＰｔ／Ｒｈ合金線１０９は、温度センサ素子１０２と同時焼成することにより形成されたものであり、このＰｔ／Ｒｈ合金線１０９はシースピン芯線１０７に抵抗溶接されている。
【００１９】
さらに、シースピン芯線１０７にリード線１１１を取り付けるリード線取付部Ｃについて説明する。リード線取付部Ｃは、継手１０６、端子電極１１０、リード線１１１、ブッシュ１１２等から構成される。継手１０６の内部においてシースピン１０８の後端側１０８ｂから引き出されるシースピン芯線１０７には、端子電極１１０により一対のリード線１１１の一端部が接続されている。このリード線１１１は耐熱ゴムからなるブッシュ１１２に内包され、その他端部は外部へと引き出されている。ブッシュ１１２と継手１０６とは、継手１０６が外周面側から丸かしめ、又は六角かしめされることにより互いに固定され、十分に密着して気密性が保持される。これにより、金属チューブ１０１、保護チューブ１０４及び継手１０６の内部に密閉空間が形成され、この密閉空間に温度センサ素子１０２が収納される。
【００２０】
この温度センサ１００は１０００℃にも達する高温の環境下に使用されるため、各々の構成部材は十分な耐熱性を有している必要がある。そのため、金属チューブ１０１、シースピン芯線１０７及びシースピン１０８は、Ｆｅを主成分とし、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｎｉ及びＣｒを含有する耐熱合金であるＳＵＳ３１０Ｓにより形成されている。また、保護チューブ１０４は、ＳＵＳ３１０ＳよりＣｒの量比が少し低い他は同様の組成を有する耐熱合金であるＳＵＳ３０９Ｓにより形成されている。更に、継手１０６は、Ｃｒの量比が更に低い他は同様の組成を有する耐熱合金であるＳＵＳ３０４により形成されている。
【００２１】
続いて、上述した温度センサ素子１０２について図２及び図３を参照してさらに詳しく説明する。
図２は温度センサ素子１０２の部分拡大図、図３は温度センサ素子１０２のＡ−Ａ断面図である。
【００２２】
温度センサ素子１０２は、図２に示すように、ＳｉＯ２等で構成される電気絶縁性の薄膜プレート１０２ａ上に、それぞれ所望の形状に形成された第１の熱電対１０２ｂ及び第２の熱電対１０２ｃを有する。尚、薄膜プレート１０２ａは、単結晶シリコンウェハ等の基板１０２ｄの上面及び／又は下面に、厚みが０．０１ｍｍ程度となるように塗布されている。
【００２３】
また、当該基板１０２ｄは、図３に示すように、その一部がシリコンエッチング等により除去され、所望の大きさの空洞部１０２ｅを有する。これにより、基板１０２ａは、所定の厚さを有する厚肉部１０２ｘと厚肉部１０２ｘの厚さより薄い薄肉部１０２ｙを備えることとなる。尚、空洞部１０２ｅの断面形状は図３に示すものに限定されることはなく、例えば、図４に示すように、概ね台形になるように形成されていてもよい。この際、同図に示すように、薄肉部１０２ｙの厚みがなくなるようにしてもよい。このような形態でも、熱容量が異なることとなる。
【００２４】
第１の熱電対１０２ｂは、図２及び図４に示すように、薄肉部１０２ｙ上の薄膜プレート１０２ａの上にその一部が横切って形成される。このように形成されることで、第１の熱電対１０２ａの一部が横切った部分は、薄膜プレート１０２ａの下に基板１０２ｄが存在しないため、熱的に絶縁された薄膜プレート１０２ａとなる。
【００２５】
また、第１の熱電対１０２ｂは、図２に示すように、薄肉部１０２ｙ上の薄膜プレート１０２ａの上において、ジグザグの形状を有しているが、当該形状はその一部が薄肉部１０２ｙ上の薄膜プレート１０２ａの上横切っていればこのような形状に限定されるものではなく、例えば、直線や曲線、Ｓ字形状や逆Ｓ字形状等であってもよい。第１の熱電対１０２ｂが薄肉部１０２ｙ上の薄膜プレート１０２ａの上でジグザグの形状となると、熱電対の長さが長くなるため、温度センサとしての精度が向上することとなる。さらに、厚肉部１０２ｘ上の薄膜プレート１０２ａの上において、第１の熱電対１０２ｂの太さを太くするようにしてもよい。尚、図２において、破線の矩形内の領域（以下、薄肉部領域という。）ＡＲは、薄膜プレート１０２ａの下が薄肉部１０２ｙであることを示している。後述する図６、図８及び図９についても同様とする。
【００２６】
一方で、第２の熱電対１０２ｃは、図２に示すように、薄肉部１０２ｙ上の薄膜プレート１０２ａの上を横切らずに形成される。尚、第２の熱電対１０２ｃの形状についても特に限定されることなく、第１の熱電対１０２ｂと同様、直線や曲線、Ｓ字形状や逆Ｓ字形状等であってもよい。また、図５に示すように、第２の熱電対１０２ｃの厚みを第１の熱電対１０２ｂの厚みと異なるようにしてもよく、これにより２つの熱電対の熱容量が異なることとなる。
【００２７】
したがって、これらの熱電対が形成された部分の基板１０２ｄの厚みがそれぞれ異なることで、熱容量が異なる２つの熱電対を形成でき、二線式熱電対による温度測定手法を利用することができる。そのため、高速に変化する温度を追従性よく計測することが可能となる。
【００２８】
尚、第１の熱電対１０２ａ及び第２の熱電対１０２ｂは、例えば金属スパッタリングや金属ペースト印刷、蒸着法、めっき技術、ＣＶＤ（気相成長）法等により薄膜プレート１０２ａ上に膜状に形成される。
また、第１の熱電対１０２ｂ、第２の熱電対１０２ｃは、熱処理によって熱電対となるものであればその材料は特に限定されるものではない。これらの熱電対としては、例えば、クロメル（Ｎｉ−Ｃｒ合金）−アルメル（Ｎｉ−Ａｌ合金）、鉄−コンスタン（Ｎｉ−Ｃｕ合金）、白金・ロジウム−白金、クロメル−コンスタン等が挙げられる。
【００２９】
（第２実施形態）
続いて、本発明の第２実施形態に係る温度センサ素子について図６から図９を参照して説明する。尚、図２及び図３に示される温度センサ素子の各部と同様の構成には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００３０】
第２実施形態に係る温度センサ素子１０２は、図６及び図７に示すように、第２の熱電対１０２ｃが図示しない薄肉部１０２ｙ上の薄膜プレート１０２ａに横切って形成されるとともに、同図に示すように、その厚みを第１の熱電対１０２ｂの厚みと異ならせて形成されている。
【００３１】
このように、第１の熱電対１０２ｂ及び第２の熱電対１０２ｃが薄肉部１０２ｙ上の薄膜プレート１０２ａの上に横切って形成されていても、お互いの厚みを異ならせることにより、熱容量が異なり、二線式熱電対による温度測定手法を利用することができる。そのため、高速に変化する温度を追従性よく計測することが可能となる。
【００３２】
また、第１の熱電対１０２ｂ及び第２の熱電対１０２ｃが薄肉部１０２ｙ上の薄膜プレート１０２ａの上に横切って形成されており、かつ、お互いに厚みが異なっていれば、第１の熱電対１０２ｂ及び第２の熱電対１０２ｃの、薄肉部１０２ｙ上の薄膜プレート１０２ａの上での形状は特に限定されない。例えば、図８に示すように、ジグザグ形状の長手方向の角度を異ならせたり、図９に示すように、第１の熱電対の形状を重ならないようにスライド移動させた形状を第２の熱電対の形状としたり、ジグザク形状の部分を対向させたりしてもよい。
【００３３】
尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することが可能である。例えば、温度センサ素子に熱電対を使用せずに、サーミスタを使用するようにしてもよい。また、熱容量が異なるように２つの熱電対を形成するものであれば、本実施形態に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
以上説明したように、本発明によれば、線径を小さくせずに、一の熱電対が形成される部分の基板と他の熱電対が形成される部分の基板との厚みを異ならせることで、熱容量が異なるようになる。したがって、高速な温度変化に対する温度追従性を維持しつつ、機械的強度の劣化を抑制することができ、産業上の利用可能性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】温度センサの全体構成を示す概略断面図である。
【図２】第１実施形態に係る温度センサ素子の部分拡大図である。
【図３】温度センサ素子のＡ−Ａ断面図である。
【図４】温度センサ素子の他のＡ−Ａ断面図である。
【図５】温度センサ素子の他のＡ−Ａ断面図である。
【図６】第２実施形態に係る温度センサ素子の部分拡大図である。
【図７】温度センサ素子のＢ−Ｂ断面図である。
【図８】第２実施形態に係る温度センサ素子の他の部分拡大図である。
【図９】第２実施形態に係る温度センサ素子の他の部分拡大図である。
【符号の説明】
【００３６】
１００  温度センサ
１０１  金属チューブ
１０１ａ  金属チューブの先端側
１０１ｂ  金属チューブの後端側
１０２  温度センサ素子
１０２ａ  薄膜プレート
１０２ｂ  第１の熱電対
１０２ｃ  第２の熱電対
１０２ｄ  基板
１０２ｅ  空洞部
１０２ｘ  厚肉部
１０２ｙ  薄肉部
１０３  セメント
１０４  保護チューブ
１０４ｂ  保護チューブの後端側
１０５  ナット
１０５ａ  六角ナット部
１０５ｂ  ネジ部
１０６  継手
１０７  シースピン芯線
１０８  シースピン
１０８ｂ  シースピンの後端側
１０９  Ｐｔ／Ｒｈ合金線
１１０  端子電極
１１１  リード線
１１２  ブッシュ
Ａ  感温部
Ｂ  センサ取付部
Ｃ  リード線取付部
ＡＲ  薄肉部領域
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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