(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度に応じて電気的特性が変化する感熱部と前記感熱部の周囲を被覆する封止部とを有する感熱素子体と、
前記感熱素子体の後端側に接触して前記感熱素子体を支持する絶縁支持体と、
前記絶縁支持体の後端側に接触し、前記感熱部に電気的に接続する配線を内部に通す絶縁碍管と、
先端側が閉じられた有底筒状に形成され、前記感熱素子体、前記絶縁支持体、および前記絶縁碍管を収容する外筒とを備え、
前記外筒は、
前記絶縁碍管を収容する碍管収容部と、
前記碍管収容部よりも先端側に位置し、前記碍管収容部よりも外径が小さく、少なくとも前記絶縁支持体の軸方向先端から半分以上を収容する先端側収容部とを備え、
前記絶縁支持体の体積が、前記感熱素子体の体積よりも大きいことを特徴とする温度センサ。
【請求項２】
前記先端側収容部のうち前記絶縁支持体を収容する部分の最小内径をＣ、前記最小内径の部分における前記絶縁支持体の外径をＥ、前記最小内径の部分における前記先端側収容部の厚みをｄとしたときに、
０≦Ｃ−Ｅ≦２ｄ
を満たすことを特徴とする請求項１に記載の温度センサ。
【請求項３】
前記感熱素子体の先端が、前記外筒の先端の底部に接触す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。
【請求項４】
前記絶縁支持体の材質は、アルミナ、ムライト、コージェライト、ステアタイト、フォルステライト、チタニア、およびジルコニアのうち１種以上を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか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、排気ガス、吸気ガス等の測定対象流体の温度を検出するために用いられる温度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、温度に応じて電気的特性が変化する感熱部を備えた温度センサが知られている。温度センサは、例えば、自動車のエンジンの排気管に取り付けられて、排気管を流通する排気ガスの温度を測定する。温度センサの感熱部には、例えば、温度に応じて抵抗値が変化するサーミスタ焼結体が用いられる。感熱部の抵抗値を検出するための一対の電極が、感熱部を挟むように配置される。ガラス等からなる封止部によって、感熱部および一対の電極が封止されることで、感熱素子体が形成される。感熱素子体の後端側には、感熱素子体を支持する絶縁支持体が設けられる。絶縁支持体の後端側には、一対の電極に電気的に接続する配線を内部に通す絶縁碍管が設けられる。一対の電極によって感熱部の抵抗値が検出されることで、温度が測定される。
【０００３】
温度センサの応答性を向上させるために、種々の検討が行われている。例えば、特許文献１が開示している温度センサは、感熱部（サーミスタ素子）と、感熱部を収容する外筒との距離を０．３ｍｍ以下とすることで、感熱部の受熱速度を向上させている。特許文献２が開示している温度センサでは、外筒のうち、感熱部を収容する先端部が、他の部分に比較して薄肉に形成される。外筒の先端部を薄肉に形成することで、外筒の外部の熱が素早く感熱部に伝わる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３５０２４１号公報
【特許文献２】特開２０１０−３２２３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
温度センサでは、感熱素子体、絶縁支持体、および絶縁碍管が、直接または他の部材を介して、先端側から順に接触して配置される場合がある。つまり、感熱素子体、絶縁支持体、および絶縁碍管が、熱的に結合して配置される場合がある。この場合、感熱素子体の熱が、絶縁支持体および絶縁碍管を通じて後端側に伝達される現象（所謂「熱引き」）が生じやすい。熱引きが生じると、感熱部が測定対象の温度に到達するまでの時間が長くなる。特許文献１および２に記載の技術では、熱引きによる温度センサの応答性の低下を改善することは困難であった。
【０００６】
本発明は、絶縁支持体および絶縁碍管を通じて生じる感熱素子体からの熱引きの影響を抑制し、高い応答性を発揮することができる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】
本発明の温度センサは、温度に応じて電気的特性が変化する感熱部と前記感熱部の周囲を被覆する封止部とを有する感熱素子体と、前記感熱素子体の後端側に接触して前記感熱素子体を支持する絶縁支持体と、前記絶縁支持体の後端側に接触し、前記感熱部に電気的に接続する配線を内部に通す絶縁碍管と、先端側が閉じられた有底筒状に形成され、前記感熱素子体、前記絶縁支持体、および前記絶縁碍管を収容する外筒とを備え、前記外筒は、前記絶縁碍管を収容する碍管収容部と、前記碍管収容部よりも先端側に位置し、前記碍管収容部よりも外径が小さく、少なくとも前記絶縁支持体の軸方向先端から半分以上を収容する先端側収容部とを備え、前記絶縁支持体の体積が、前記感熱素子体の体積よりも大きい。
【０００８】
本発明に係る温度センサでは、感熱素子体に接触（当接）する絶縁支持体の軸方向先端から半分以上が、外径の小さい先端側収容部に収容される。従って、絶縁支持体は、外筒外部の熱を、先端側収容部を介して受熱することができる。その結果、感熱素子体と絶縁支持体との間の温度差が低下するので、感熱素子体から絶縁支持体への熱の伝達（熱引き）を抑制することができる。さらに、本発明に係る温度センサでは、絶縁支持体の体積が、感熱素子体の体積（感熱部および封止部を含む体積）よりも大きい。従って、絶縁支持体が保持する熱量が大きくなり、絶縁支持体から絶縁碍管への熱引きが生じても、絶縁支持体の温度変化を抑制できる。これにより、絶縁支持体と感熱素子体との温度差の拡大を抑制できるので、感熱素子体からの熱引きが抑制される。よって、本発明に係る温度センサは、熱引きの影響を抑制して高い応答性を発揮することができる。
【０００９】
本発明に係る温度センサにおいて、前記先端側収容部のうち前記絶縁支持体を収容する部分の最小内径をＣ、前記最小内径の部分における前記絶縁支持体の外径をＥ、前記最小内径の部分における前記先端側収容部の厚みをｄとしたときに、０≦Ｃ−Ｅ≦２ｄを満たすことが望ましい。これにより、絶縁支持体は、外筒外部の熱をより容易に受熱することができる。よって、感熱素子体からの熱引きの影響をさらに抑制することができる。なお、外筒の先端側収容部の内周面と絶縁支持体の外周面との間に、距離ｄ以下の隙間（クリアランス）を設けてもよい。隙間を設けた場合には、温度センサを製造する際に、感熱素子体を支持した絶縁支持体を容易に外筒の先端まで押し込むことができる。
【００１０】
前記感熱素子体の先端は、前記外筒の先端の底部に接触してもよい。この場合、感熱素子体は、外筒外部の熱を、外筒に接触している先端部から素早く受熱することができる。従って、本発明の温度センサは高い応答性を発揮することができる。
【００１１】
前記絶縁支持体の材質は、アルミナ、ムライト、コージェライト、ステアタイト、フォルステライト、チタニア、およびジルコニアのうち１種以上を含んでもよい。上記の材質を絶縁支持体に用いることで、絶縁支持体は、感熱素子体からの熱引きを効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】温度センサ１００の縦断面図である。
【図２】温度センサ１００の先端部の拡大縦断面図である。
【図３】評価試験における、感熱素子体２１の体積と、絶縁支持体３１の体積と、絶縁支持体３１と外筒１１との関係と、ラップ量と、応答速度との対応を表す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を具現化した一実施の形態である温度センサ１００について、図面を参照して説明する。参照する図面は、本発明が採用し得る技術的特徴を説明するために用いられるものである。記載されているセンサの構成等は、それのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例である。以下の説明において、図１および図２の上下方向を温度センサ１００の上下方向とし、図１および図２の左右方向を温度センサ１００の左右方向として説明する。図１および図２の紙面手前側および紙面奥行き側をそれぞれ、温度センサ１００の前側および後ろ側として説明する。図１および図２の上方を温度センサ１００の後端側とし、図１および図２の下方を温度センサ１００の先端側として説明する。図１および図２において、温度センサ１００の軸線を軸線Ｌで図示する。
【００１４】
図１を参照して、温度センサ１００の概略的な構成について説明する。温度センサ１００は、例えば、自動車（図示外）のエンジンから排出される排気ガスを車外に放出するための排気管に取り付けられる。温度センサ１００は、外筒１１と、感熱素子体２１と、絶縁支持体３１と、絶縁碍管４１と、中継線３５，３６と、リード線５１，５２と、ねじ込み部材６１と、シール材７１とを備える。
【００１５】
外筒１１は、金属（例えば、ステンレス合金）によって形成された有底筒状のチューブである。外筒１１は、先端１０側が閉じている。外筒１１の径は、先端側から後端側に向かって、先端側収容部１３、碍管収容部１４，１５、大径部１６の順に段状に大きくなっている。
【００１６】
外筒１１の内部には、先端１０側から順に、感熱素子体２１と、絶縁支持体３１と、絶縁碍管４１とが配置されている。感熱素子体２１は、ガラス封止型のサーミスタ素子である。感熱素子体２１の詳細は、図２を参照して後述する。絶縁支持体３１は、絶縁性を有する２穴の筒状部材であり、感熱素子体２１から延びる２本の引出線２３，２４を各穴の内部に通して保持する。さらに、絶縁支持体３１は、感熱素子体２１の後端部に接触（当接）して感熱素子体２１を支持する。本実施の形態では、絶縁支持体３１の材質としてアルミナを用いた。しかし、絶縁支持体３１の材質は変更できる。具体的には、アルミナの他、ムライト、コージェライト、ステアタイト、フォルステライト、チタニア、およびジルコニアのうち１種以上を絶縁支持体３１の材質として用いてもよい。
【００１７】
絶縁碍管４１は、絶縁支持体３１の後端部に接触する。絶縁碍管４１は、セラミック製の絶縁体によって形成された２穴の筒状部材であり、図１に示すように、中継線３５，３６を各穴の内部に通して保持する。中継線３５，３６の先端１０側端部は、感熱素子体２１から延びる引出線２３，２４にそれぞれ接続されている。中継線３５，３６の各々は、後端側の端部に端子３７，３８を備える。端子３７，３８には、リード線５１，５２がカシメによってそれぞれ接続されている。リード線５１，５２は、電気信号取り出し用の電線である。リード線５１，５２は、外筒１１の大径部１６の後端から、温度センサ１００の外部に引き出されている。
【００１８】
ねじ込み部材６１は、外筒１１の上下方向中央付近の外周に嵌められて固定されている。ねじ込み部材６１は、ねじ込み部材６１の内周面と、外筒１１の上下方向中央付近の外周面との間を、例えばロウ付けすることによって、外筒１１に固定されている。ねじ込み部材６１は、ねじ筒部６３と、多角形部６６とを備える。ねじ筒部６３の外周面には、温度センサ１００を排気管（図示略）のマニホールド部位の取り付け穴（ねじ穴）にねじ込み方式で固定するためのねじ６０がある。多角形部６６は、ねじ筒部６３の後端側において、軸線Ｌからねじ込み部材６１の外周に向かう方向に突出した鍔状の形状を有する。多角形部６６の後端面６８は、外筒１１の大径部１６の先端側段部１８によって係止されている。多角形部６６の先端面７０には、環状ワッシャ６９が配置されている。環状ワッシャ６９は、温度センサ１００を排気管（図示略）のマニホールド部位の取り付け穴（ねじ穴）にねじ込む時に、取り付け穴と温度センサ１００との間の隙間をシールする。ねじ筒部６３の先端は、碍管収容部１５の先端寄り部位に配置される。ねじ筒部６３の外周面の先端寄り部位（ねじ６０の先端部）は、先細り状（テーパ）に形成されている。
【００１９】
外筒１１の後端に位置する大径部１６には、２穴の筒状のシール材７１が配置されている。リード線５１，５２は、弾性を有するシール材７１の各穴に通されている。大径部１６の後端側には、カシメが行われることで大径部１６よりも径が小さくなっている部分であるカシメ部１７がある。カシメ部１７は、大径部１６の後端側内周とシール材７１の外周との間を密着させてシール性を確保すると共に、シール材７１内に配置されたリード線５１，５２を固定する。
【００２０】
図２を参照して、温度センサ１００の先端部について詳細に説明する。感熱素子体２１は、サーミスタ焼結体２２と、一対の電極２５，２６と、一対の接合電極２７，２８と、封止部２９とを備える。感熱部であるサーミスタ焼結体２２は、ペロブスカイト構造またはスピネル構造を有する金属酸化物を主体とする材料によって板状に形成されている。サーミスタ焼結体２２は、周囲の温度に応じて抵抗値が変化する特性を有する。電極２５，２６は、サーミスタ焼結体２２の左右の表面のそれぞれに積層されており、サーミスタ焼結体２２との間で導通する。電極２５，２６は、白金（Ｐｔ）系または金（Ａｕ）系の貴金属によって形成される。
【００２１】
前述した引出線２３，２４は、電極２５，２６から後端側へ延び、絶縁支持体３１の２つの穴の各々に挿入されている。引出線２３，２４は、サーミスタ焼結体２２の抵抗値の変化を外部に取り出すための電線である。引出線２３，２４の材料はジュメット線であり、引出線２３，２４の太さは０．２ｍｍである。接合電極２７，２８は、電極２５，２６と同様の白金（Ｐｔ）系または金（Ａｕ）系の貴金属によって形成されており、引出線２３，２４を電極２５，２６にそれぞれ接合させる。封止部２９は、一対の引出線２３，２４の先端側と、サーミスタ焼結体２２と、一対の電極２５，２６と、接合電極２７，２８とを被覆する。言い換えると、一対の引出線２３，２４の先端側と、サーミスタ焼結体２２と、一対の電極２５，２６と、接合電極２７，２８とは、封止部２９に埋没される。一対の引出線２３，２４の後端側は、封止部２９から後端側に引き出されている。封止部２９は、先端１０側に丸みを帯びた円柱状に形成されており、上下方向に延びる。封止部２９の材質は、結晶化ガラス等のガラスである。封止部２９は、被覆する部材を内部に保持すると共に、被覆する部材を外部環境から保護する。
【００２２】
感熱素子体２１、絶縁支持体３１、および絶縁碍管４１は、互いの軸線が一致するように先端１０側から順に接触（連結）している。つまり、感熱素子体２１、絶縁支持体３１、および絶縁碍管４１は、軸方向に連なり互いに熱的に結合した状態で配置されている。従って、外形の細い引出線２３，２４は、感熱素子体２１と絶縁支持体３１との間、および絶縁支持体３１と絶縁碍管４１との間から露出することがない。さらに、感熱素子体２１、絶縁支持体３１、および絶縁碍管４１が接触（連結）しているので、軸ずれが生じ難い。よって、引出線２３，２４が切断する可能性を低下させることができる。また、温度センサ１００は、感熱素子体２１、絶縁支持体３１、および絶縁碍管４１が接触（連結）されていない場合に比べて、振動が生じても破損し難いという特性を有する。なお、外形が円柱状である絶縁支持体３１の径は、感熱素子体２１の径よりも大きい。さらに、絶縁碍管４１の径は、絶縁支持体３１の径よりも大きい。
【００２３】
感熱素子体２１および絶縁支持体３１の体積について説明する。絶縁支持体３１の体積は、感熱素子体２１の体積よりも大きい。具体的には、絶縁支持体３１の径および上下方向の長さは、感熱素子体２１の径および上下方向の長さよりも長い。従って、絶縁支持体３１が保持する熱量が大きくなり、感熱素子体２１から温度センサ１００の後端側への熱の伝達が抑制される。よって、温度センサ１００は、熱引きの影響を抑制して高い応答性を発揮することができる。
【００２４】
なお、感熱素子体２１の体積とは、封止部２９の体積と、封止部２９によって被覆される引出線２３，２４、電極２５，２６、接合電極２７，２８、およびサーミスタ焼結体２２の体積との合計の体積を示す。また、感熱素子体２１の上下方向の長さを長くし、この感熱素子体２１の先端部にサーミスタ焼結体２２を配置することで、熱引きの影響を抑制することも考えられる。しかし、封止部２９はガラスを軟化させることによって作製されるため、感熱素子体２１の上下方向の長さを細かく調整することは困難である。本実施の形態の温度センサ１００は、感熱素子体２１と絶縁支持体３１との体積差を設けることによって、感熱素子体２１の熱引きの影響を低減した。それ故、感熱素子体２１の上下方向の長さを細かく調整する必要がないので、温度センサ１００を容易に製造することができる。
【００２５】
絶縁支持体３１と外筒１１との関係について説明する。前述したように、外筒１１は、碍管収容部１４と、碍管収容部１４よりも径が小さい先端側収容部１３とを有する。先端側収容部１３は、感熱素子体２１と、絶縁支持体３１の先端１０側から半分以上とを収容する。本実施の形態では、絶縁支持体３１のうち、先端１０側から約７０％が先端側収容部１３に収容される。つまり、絶縁支持体３１の表面の約７０％が、表面間距離の近い先端側収容部１３の内周面に向き合っている。従って、絶縁支持体３１は、外筒１１のうち先端側収容部１３よりも内径が大きい部位に収容される場合に比べて、外筒１１の外部の熱を、外筒１１を介して容易に受熱することができる。絶縁支持体３１が外部の熱を容易に受熱することで、絶縁支持体３１と感熱素子体２１との温度差は低下する。その結果、感熱素子体２１から温度センサ１００の後端側への熱の伝達（熱引き）を抑制することができる。
【００２６】
先端側収容部１３のうち絶縁支持体３１を収容する部分の最小内径をＣとする。最小内径の部分における絶縁支持体３１の外径をＥとする。最小内径の部分における先端側収容部１３の厚みをｄとする。この場合、Ｃ，Ｅ，ｄは以下の式（１）を満たす。
０≦Ｃ−Ｅ≦２ｄ・・・（１）
つまり、軸線Ｌを通り、且つ軸線Ｌに垂直な直線Ｘ上において、先端側収容部１３の内周面と絶縁支持体３１の外周面とは、先端側収容部１３の厚みｄ以下の距離（片側径差）で近接または接触している。よって、絶縁支持体３１は、外部の熱を先端側収容部１３から容易に受熱することができる。なお、受熱効率を向上させることのみを考慮すると、先端側収容部１３の内周面と絶縁支持体３１の外周面とは接触していてもよい。しかし、製造容易性を考慮すると、先端側収容部１３の内周面と絶縁支持体３１の外周面との間には、距離ｄ以下の隙間が存在することが望ましい。この場合、温度センサ１００を製造する作業者は、感熱素子体２１を支持した絶縁支持体３１を容易に外筒１１の先端部まで押し込むことができる。その結果、絶縁支持体３１が破損する可能性が低下する。
【００２７】
感熱素子体２１の先端は、外筒１１の先端１０の底部に接触している。従って、感熱素子体２１は、外筒１１の外部の熱を、外筒１１に接触している先端部から素早く受熱することができる。従って、温度センサ１００は高い応答性を発揮することができる。
【００２８】
なお、本実施の形態に係る温度センサ１００において、感熱素子体２１（丸みを帯びた部分を除く）の径の最小値は１．００ｍｍであり、絶縁支持体３１の径は１．４０〜１．５５ｍｍである。外筒１１の先端側収容部１３の厚みは０．１７５〜０．２５０ｍｍである。先端側収容部１３の内径の最大値は１．５５〜１．６０ｍｍである。先端側収容部１３の内周面と絶縁支持体３１の外周面との間の隙間は０〜０．２０ｍｍである。
【００２９】
［評価試験］
温度センサの先端部の形状を変更することによって応答性が向上することを確認するための評価試験を行った。具体的には、先端側の形状が互いに異なる３つの温度センサ（Ｎｏ．１〜３）を用意した。室温（２５℃）となっている各温度センサの先端部を、温度３００℃、流速２０ｍ／ｓｅｃの気相中に投入した。温度センサが検知した温度を監視し、室温（２５℃）から飽和温度（３００℃）までの全温度変化量のうち６３％が変化するまでに要した時間（１９８．２５℃となるまでの時間）を応答速度として計測した。評価試験の結果を図３に示す。
【００３０】
Ｎｏ．１の温度センサは、従来の温度センサである。Ｎｏ．１の温度センサの感熱素子体２１の体積は１１．６ｍｍ３、絶縁支持体３１の体積は５．７ｍｍ３であり、絶縁支持体３１の体積は感熱素子体２１の体積よりも小さい。Ｎｏ．１の温度センサでは、前述した式（１）は満たされておらず、絶縁支持体３１と外筒１１とは近接していない。従って、Ｎｏ．１の温度センサでは、絶縁支持体３１のうち先端側収容部１３によって覆われている部分の割合（以下、「ラップ量」）という）は０％である。評価試験の結果、Ｎｏ．１の温度センサの応答速度は１０．６秒となった。
【００３１】
Ｎｏ．２の温度センサの感熱素子体２１の体積は２．４ｍｍ３、絶縁支持体３１の体積は５．３ｍｍ３であり、絶縁支持体３１の体積は感熱素子体２１の体積よりも大きい。Ｎｏ．２の温度センサでは、前述した式（１）が満たされており、絶縁支持体３１のラップ量は６０％である。評価試験の結果、Ｎｏ．２の温度センサの応答速度は５．３秒となった。以上より、Ｎｏ．２の温度センサの応答性が、従来のＮｏ．１の温度センサに比べて大幅に改善されたことが確認された。
【００３２】
Ｎｏ．３の温度センサは、図１および図２に示す温度センサ１００である。Ｎｏ．３の温度センサの感熱素子体２１の体積は２．４ｍｍ３、絶縁支持体３１の体積は８．８ｍｍ３であり、絶縁支持体３１の体積は感熱素子体２１の体積よりも大きい。Ｎｏ．３の温度センサでは式（１）が満たされており、絶縁支持体３１のラップ量は７０％である。評価試験の結果、Ｎｏ．３の温度センサの応答速度は４．７秒となった。Ｎｏ．２およびＮｏ．３の温度センサの評価試験の結果を比較すると、絶縁支持体３１の体積を感熱素子体２１の体積の２倍以上とすることがより望ましいことがわかる。
【００３３】
本発明は、以上詳述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が加えられてもよい。例えば、以下の（Ａ）から（Ｄ）の変形が加えられてもよい。
【００３４】
（Ａ）上記実施の形態の感熱素子体２１は、ガラス封止型のサーミスタ素子であった。しかし、本発明はガラス封止型サーミスタ素子以外の感熱素子体に適用されてもよい。例えば、Ｐｔ抵抗体を絶縁基板に形成し、それらをガラス封止した感熱素子体に適用されてもよい。
【００３５】
（Ｂ）上記実施の形態の温度センサ１００では、感熱素子体２１と絶縁支持体３１とが直接接触するように配置され、且つ絶縁支持体３１と絶縁碍管４１とが直接接触するように配置される。しかし、感熱素子体２１、絶縁支持体３１、および絶縁碍管４１は、接着部材等の他部材を介して間接的に接触してもよい。
【００３６】
（Ｃ）上記実施の形態の先端側収容部１３の径は、先端の丸みを帯びた部分を除いて一定である。しかし、先端側収容部１３の径は、碍管収容部１４，１５の径よりも小さければよく、径が一定である必要はない。例えば、先端側収容部１３のうち、感熱素子体２１を収容する部分の径は、絶縁支持体３１を収容する部分の径よりもさらに小さくてもよい。つまり、先端側収容部１３は、径が異なる複数の部位によって構成されていてもよい。また、先端側収容部１３を、先端に近くなる程径が小さくなるように形成してもよい。
【００３７】
（Ｄ）温度センサ１００の感熱素子体２１以外の構成は適宜変更されてもよい。例えば、温度センサ１００が備える感熱素子体２１以外の部材の形状、材料及び配置は、必要に応じて変更されてもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１０    先端
１１    外筒
１３    先端側収容部
１４，１５    碍管収容部
２１    感熱素子体
２９    封止部
３１    絶縁支持体
３５，３６    中継線
４１    絶縁碍管
１００    温度センサ
【図１】
0005324536.tif 000002
【図２】
0005324536.tif 000003
【図３】
0005324536.tif 000004