(57)【要約】【課題】耐酸化性に優れ熱膨張係数が小さい材料を使用することで、高温での高寿命化が可能な温度センサを提供すること。【解決手段】本発明は、上記問題点を解決するために、素子カバー、シースピン、信号線のうち少なくとも1つ以上の部位が、Ａｌを含有するFe基合金からなることを特徴とする温度センサであり、Ａｌを含有するＦｅ基合金が、質量％でＣ：０．０３％以下，Ｓｉ：３％以下（好ましくは０．８％以下），Ｍn：１．０％以下，Ｐ：０.０４％以下，Ｓ：０.０１％以下，Ｎi：０．５％以下，Ｃr：１１〜２１％（好ましくは１５〜２０％），Ａl：６％以下（好ましくは１．５〜３．５％未満），Ｃｕ：０．０１〜０．５％，Ｍｏ：０．０１〜０．５％，Ｎ：０.０３％以下，Ｎｂ：０.１％以下，Ｔｉ：０.００５〜０.５０％，Ｓｎ：０．００１〜０．１％，Ｈ：０．００００５％以下，Ｏ：０．００２％以下，Ｐｂ：０．０１％以下，必要に応じＶ：０．０１〜０．５０％，Ｙ：０.００１〜０.１質量％，ＲＥＭ（希土類元素）：０.００１〜０.１質量％，Ｃａ：０.００１〜０.０１質量％を1種または2種以上含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度を検出するサーミスタ素子と概素子を覆うように先端部に配設された素子カバーとの間にＡｌ２Ｏ３を主成分とするフィラーを充填し、更にサーミスタ素子にＰｔ線を通じて接続された信号線と素子カバーを嵌合することによりカバーを固定するシースピンを有する温度センサであって、素子カバー、シースピン、信号線のうち少なくとも1つ以上の部位が、Ａｌを含有するＦｅ基合金からなることを特徴とする温度センサ。
【請求項２】
Ａｌを含有するＦｅ基合金が、質量％でＣ：０．０３％以下，Ｓｉ：３％以下，Ｍｎ：１．０％以下，Ｐ：０.０４％以下，Ｓ：０.０１％以下，Ｎｉ：０．５％以下，Ｃｒ：１１〜２１％，Ａｌ：６％以下，Ｃｕ：０．０１〜０．５％，Ｍｏ：０．０１〜０．５％，Ｎ：０.０３％以下，Ｎｂ：０.１％以下，Ｔｉ：０.００５〜０.５０％，Ｓｎ：０．００１〜０．１％，Ｈ：０．００００５％以下，Ｏ：０．００２％以下，Ｐｂ：０．０１％以下，残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１記載の温度センサ。
【請求項３】
Ａｌを含有するＦｅ基合金が、質量％でＣｒ：１５〜２０％，Ｓｉ：０．８％以下，Ａｌ：１．５〜３．５％未満であ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】
Ａｌを含有するＦｅ基合金が、Ｖ：０．０１〜０．５０％，Ｙ：０.００１〜０.１質量％，ＲＥＭ（希土類元素）：０.００１〜０.１質量％， Ｃａ：０.００１〜０.０１質量％を1種または２種以上を含むことを特徴とする、請求項１から３に記載の温度センサ。
【請求項５】
ガソリンまたはディーゼルエンジンから排出される５００℃以上の高温の排ガス雰囲気で用いられるセンサであることを特徴とする請求項１〜４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、自動車のガソリンまたはディーゼルエンジンから排出される５００℃以上の高温の排ガス雰囲気で用いられる温度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のガソリンまたはディーゼルエンジンから排出される排ガスの温度測定用センサとして、サーミスタ素子を用いた温度センサがある。従来より、このような温度センサとしては、一対のＰｔ線を設けたサーミスタ素子を覆うように先端側に素子カバーを設けているものが一般的である。
図１にその例を示すが、このセンサは温度を検出するためのサーミスタ素子１と概素子を覆うように先端部に配設された素子カバー２との間にＡｌ２Ｏ３を主成分とするフィラー３を充填し、更にサーミスタ素子にＰｔ線６を通じて接続された信号線４と素子カバーを嵌合することによりカバーを固定するシースピン５を有する温度センサである。
【０００３】
このような構造の温度センサでは、素子カバー，シースピン、信号線の材料として、一般的に、例えばＳＵＳ３１０Ｓ等の高クロム・高ニッケル系の耐熱ステンレス鋼（特許文献１）、またはＮｉ基超合金からなる（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２８６４９１号公報
【特許文献２】特開２０１０−７１７３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、高温環境下においては、特許文献１に示すようなＳＵＳ３１０Ｓ系素子カバーはカバー内面において酸化が進行し、厚い酸化皮膜が形成される。そのため、カバーの肉厚が薄くなったり、破れが発生するという問題や、カバーが変形して損傷するという問題がある。また、特許文献２に示すＮｉ基合金の場合、上記の問題は若干改善するものの依然として残っており、加えて材料費が高価であるという問題が残っていた。
【０００６】
また、変形の原因としては酸化のみが原因ではなく、素子カバー内に充填・固着されているアルミナとの熱膨張差も原因のひとつであり、そのために素子が損傷したりＰｔ線が断線したりすることがある。
【０００７】
本発明は、これらの問題点に対し、従来材よりも耐熱性に優れ熱膨張係数がよりアルミナと近く、かつ安価な材料を用いることで高寿命化とコスト低減を可能にする温度センサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するために、温度センサに用いる金属材料を以下のようにするものである。
請求項１に記載の発明は、温度を検出するサーミスタ素子と概素子を覆うように先端部に配設された素子カバーとの間にＡｌ２Ｏ３を主成分とするフィラーを充填し、更にサーミスタ素子にＰｔ線６を通じて接続された信号線と素子カバーを嵌合することによりカバーを固定するシースピンを有する温度センサであって、素子カバー、シースピン、信号線のうち少なくとも1つ以上の部位が、Ａｌを含有するＦｅ基合金からなることを特徴とする温度センサである。
請求項２に記載に発明は、Ａｌを含有するＦｅ基合金が、質量％でＣ：０．０３％以下，Ｓｉ：３％以下，Ｍｎ：１．０％以下，Ｐ：０.０４％以下，Ｓ：０.０１％以下，Ｎｉ：０．５％以下，Ｃｒ：１１〜２１％，Ａｌ：６％以下，Ｃｕ：０．０１〜０．５％，Ｍｏ：０．０１〜０．５％，Ｎ：０.０３％以下，Ｎｂ：０.１％以下，Ｔｉ：０.００５〜０.５０％，Ｓｎ：０．００１〜０．１％，Ｈ：０．００００５％以下，Ｏ：０．００２％以下，Ｐｂ：０．０１％以下，残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１記載の温度センサである。
請求項３に記載の発明は、Ａｌを含有するＦｅ基合金が、質量％でＣｒ：１５〜２０％，Ｓｉ：０．８％以下，Ａｌ：１．５〜３．５％未満であ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である。
請求項４に記載の発明は、Ａｌを含有するＦｅ基合金が、Ｖ：０．０１〜０．５０％，Ｙ：０.００１〜０.１質量％，ＲＥＭ（希土類元素）：０.００１〜０.１質量％， Ｃａ：０.００１〜０.０１質量％を1種または２種以上を含むことを特徴とする、請求項１から３に記載の温度センサである。
請求項５に記載の発明は、ガソリンまたはディーゼルエンジンから排出される５００℃以上の高温の排ガス雰囲気で用いられるセンサであることを特徴とする請求項１〜４記載の温度センサである。
【０００９】
上記温度センサにおける素子カバー、シースピン、および／または信号線は、Ａｌを含有するＦｅ基合金という特定の組成を有する材料により構成されることで、耐酸化性と良好な熱膨張特性の二つを併せ持つ。そのため、高温環境下（５００℃以上の温度域）において、温度センサの耐熱性を向上することができ、高寿命化が可能となる。
【００１０】
上記素子カバー、シースピン、および／または信号線は、センサ内部に充填・固着されているアルミナと、使用されているＦｅ基項合金との線膨張差が小さいため、高温環境下におけるカバーの変形、フィラー、素子の損傷、および電極線の断線を抑制することができる。
【００１１】
また、上記Ｆｅ基合金はＡｌを含有している。このＡｌは、高温環境下で合金表面にアルミナの膜を形成し、合金の酸化を著しく抑制する。そのため、材料の寿命が著しく向上するのみでなく、カバーとフィラーとの固着および隙間形成を抑制するため、温度センサの耐久性も著しく向上する。
【００１２】
つまり、上記耐酸化性および低熱膨張性を併せ持つことにより、高温環境下で上記フィラー、素子等への熱負荷を大幅に低減し、温度センサの寿命を大幅に向上させることができる。
【００１３】
なお、上記Ａｌを含有するＦｅ基合金は、高温において耐酸化性，低熱膨張性を有するだけでなく、その他の特性も従来の高クロム・高ニッケル系の耐熱ステンレス鋼，Ｎｉ基合金と同等のレベルを確保することができ、コスト面についてはむしろこれらの材料よりも安価である。従い、温度センサの製造コスト低減にもつながる。
【発明の効果】
【００１４】
このように、本発明により高寿命でかつ安価な温度センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るセンサの構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の温度センサは、上述したように、温度を検知する素子と、それを覆うように配置された素子カバーとの間にアルミナを主成分とするフィラーを充填してなり、かつ、素子カバー、シースピン、および／または信号線はＡｌを含有するＦｅ基合金からなる。
そして、上記Ａｌを含有するＦｅ基合金は、Ｃｒ：１１〜２１％（好ましくは１５〜２０％），Ａｌ：６％以下（好ましくは１．５〜３．５％未満）を含む。この場合には、上述の耐酸化性および熱膨張特性の効果を特に良好に発揮することができる。また、上記成分の含有量が上述の範囲を外れる場合には、下記のとおり上記特性を得難くなるおそれがある。
【００１７】
以下に各元素の限定理由を述べる。
Ｈ：０．００００５質量％以下，かつＯ：０．００２質量％以下
ＨおよびＯは鋼の二次加工性を低下させるため、上記の値を超える量を含有する場合、素子カバー、シースピン、および／または信号線への加工が困難になる。そのため、各々０．００００５質量％以下、０．００２質量％以下に制限する。
【００１８】
Ｃ：０．０３質量％以下
Ｃ含有量が高いと、異常酸化が発生しやすくなる。また、Ｃ含有量が高くなると、スラブやホットコイルの靱性が劣化し、製造性が劣化する。したがって、Ｃ含有量の上限を０．０３％質量以下に限定する。
【００１９】
Ｓｉ：３質量％以下
Ｓｉは鋼の靱性および二次加工性を劣化させる元素であるため、Ｓｉの含有量を３質量％以下とする。好ましくは０．８質量％未満，更に好ましくは０．５質量％以下である。
【００２０】
Ｍｎ：０．５質量％以下
Ｍｎは、Ｍｎ系酸化物を生成して緻密なＡｌ酸化物層の形成を阻害し、耐高温酸化特性に悪影響を及ぼす。したがって、耐高温酸化特性を維持するために、Ｍｎの含有量を０．５％以下に限定する。
【００２１】
Ｐ：０．０４質量％以下
Ｐは、耐高温酸化性および熱延板の靱性に悪影響を及ぼすので、その含有量を０．０４質量％以下に限定する。
【００２２】
Ｓ：０．００５質量％以下
Ｓは、鋼中に不可避的に含まれる成分であり、Ａｌ２Ｏ３皮膜の形成を著しく阻害する。したがって、Ｓ含有量は０．００５％以下に限定する。
【００２３】
Ｎｉ：０．５質量％以下
Ｎｉは、鋼中に不可避的含まれる成分である。微量のＮｉの添加は、靭性改善に有効であるが、耐酸化性に悪影響を及ぼすことから０．５質量％以下とする。好ましくは０．３質量％以下，さらに好ましくは０．２５質量％以下とする。
【００２４】
Ｃｒ：１１〜２５質量％
Ｃｒは、耐高温酸化性を向上させる元素として基本的かつ有効な元素であり、良好な耐高温酸化性を得るためには１１％以上の添加が必要である。しかし、過剰の添加はスラブやホットコイルの靱性を劣化させる。したがって、Ｃｒ含有量は１１〜２１質量％に限定する。好ましくは１５〜２０％，更に好ましくは１７〜１９．５質量％である。
【００２５】
Ｎ：０．０３質量％以下
Ｎは、鋼中のＡｌと結合してＡｌＮを形成して、異常酸化の起点となる。したがって、耐高温酸化性の向上のため、Ｎ含有量は０．０３質量％以下に限定する。
【００２６】
Ａｌ：１．５〜６質量％
Ａｌは、Ｃｒと同様、耐高温酸化性を得るために最も重要な元素である。しかし、Ａｌを過剰に含有させるとスラブやホットコイルの靱性が劣化するので、添加する場合は上限を６質量％以下に限定する。なお、優れた耐高温酸化性は鋼の表面に形成される緻密なＡｌ酸化物によって得られ、この層を形成させるのに必要なＡｌ含有量は１．５質量％以上である。また、Ａｌが３．５質量％未満でもほぼ十分な耐高温酸化性が得られるため、１．５〜３．５質量％に規定するのが好ましい。さらに、薄肉化または耐酸化性が要求される場合、好ましくは２．５〜３．５質量％未満、さらに好ましくは３．０超〜３．５質量％未満である。
【００２７】
Ｃｕ：０．０１〜０．５質量％，Ｍｏ：０．０１〜０．５質量％：
これらはいずれも鋼の靭性を向上させる。その効果を十分に発揮させるためには０．０１質量％以上の添加を必要とする。一方、過剰な添加は逆に鋼の靭性を低下させるとともに、鋼の硬質化および製造コストの増大につながる。従い、上限を０．５％とする。好ましくは０．０１〜０．２質量％である。
【００２８】
Ｎｂ：０．１質量％以下
Ｎｂは鋼の靭性および二次加工性を損なうため極力低減させることが望ましく、少なくとも０．１％以下に低減する必要がある。好ましくは０．０２質量％以下，さらに好ましくは０．０１質量％未満である。
【００２９】
Ｔｉ：０.００５〜０.５０質量％，Ｖ：０．０１〜０．５質量％
Ｔｉ，Ｖは析出強化により鋼の高温強度を改善させるとともに、溶接性および靱性を向上させる効果がある。本特許ではそれぞれの請求範囲をＴｉ：０．００５〜０．５０質量％，Ｖ：０．０１〜０．５質量％とした。なお、Ｖは必要に応じて添加する。
【００３０】
Ｓｎ：０．００１〜０．１質量％
鋼の耐酸性および酸露点腐食性を改善する元素である。水蒸気と酸素を含む燃焼環境では燃焼時に燃料などに含まれるＳおよび燃焼時に発生する水分により、運転停止時もしくは局所的に温度が低下する箇所において酸性の凝縮水が結露することがある。Ｓｎを０．００１質量％以上含有することで、酸露点腐食性を向上させる。また、Ｓｎには快削性および加工性を向上させる効果もある。ただし、０．１質量％以上の添加は鋼の二次加工性および熱間加工性を著しく低下させるため、上限を０．１質量％とした。好ましくは０．００１〜０．０５質量％である。
【００３１】
Ｐｂ：０．０１質量％以下
ステンレス鋼の靭性を低下させる元素であり、０．０１％を超えて含有するとその影響が顕著に現れるため０．０１％以下に制限する。好ましくは０．００５％以下である。
【００３２】
Ｙ：０.００１〜０.１質量％，
ＲＥＭ（希土類元素）：０.００１〜０.１質量％，
Ｃａ：０.００１〜０.０１質量％
何れも必要に応じて添加される合金成分であり、酸化皮膜中に固溶し、酸化皮膜を強化する作用を呈する。このような効果は、Ｙ：０.００１質量％以上，ＲＥＭ：０.００１質量％以上，Ｃａ：０.００１質量％以上，Ｚｒ：０.０３質量％で顕著になる。しかし、０.１質量％を超える過剰量のＹ，０.１質量％を超える過剰量のＲＥＭ，０.０１質量％を超える過剰量のＣａを添加すると、鋼材が過度に硬質化するばかりでなく、製造時に表面疵が生じやすくなり製造コストの上昇を招く。
【００３３】
また、上記温度センサは、５００℃以上の使用環境において使用されることが好ましく、９５０℃以上の使用環境においても、長期に亘り好適に用いることができる。
【実施例】
【００３４】
（実施例１）
本例は、温度センサに必要な基礎特性を確認したものである。表１に供試材の化学成分値を示す。表１に示す鋼を真空溶解し、熱間圧延を施した後、焼鈍および冷間圧延を繰り返して、板厚１ｍｍまたは０．３ｍｍの板材を作製した。最終焼鈍は大気中で９５０℃，３分保持し、その後、３００℃まで３０℃／ｓ以上の速度で冷却させた。断続酸化試験は、０．３ｍｍ×１５×３５ｍｍの大きさの試験片を作製しエメリー紙で最終番手＃４００で乾式研磨を施した後、炉内加熱１０５０℃で５分加熱，室温５分冷却の断続酸化試験を大気中で３０００サイクル実施した後、試験片の重量を測定した。評価は、測定結果を試験前の重量と比較し、重量変化が−２ｍｇ/ｃｍ2以上で２ｍｇ/ｃｍ2以下のものを○、２ｍｇ/ｃｍ2  を超える重量増または重量減少があったものを×として評価した。線膨張係数の測定は、切削加工により１ｍｍ×４ｍｍ×２０ｍｍの短冊状試験片を作製した後、ＪＩＳＺ２２８５に従い０℃起点で０〜１０００℃間の平均線膨張係数を求めた。平均線膨張係数の値が１．５×１０−５／℃以下となったものを○，その値を超えたものを×として評価した。結果を表２に示す。
【００３５】
【表１】
2012013629.tif 000002
【００３６】
【表２】
2012013629.tif 000003
【００３７】
表２に示すとおり、本発明範囲に含まれる鋼(Ｎｏ.１〜１０)は耐酸化性に優れ，線膨張係数も小さかった。一方で、ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１０Ｓ(Ｎｏ.１２)，ＮＣＦ６０１(Ｎｏ.１３)はいずれも耐酸化性が不十分であり、かつ線膨張係数についても良好な値を示さなかった（なお、フィラー材で使用されるアルミナの０〜１０００℃間の平均線膨張係数は０．８〜０．９×１０−５／℃程度である）。
【００３８】
（実施例２）
図１に示すような形状の温度センサを作製した。素子カバー（板厚０．５ｍｍ），シースピン（直径２．３ｍｍ，管厚０．３ｍｍ），信号線（平均直径０．３５ｍｍ）はいずれも表１のＮｏ．３の鋼を素材として作製した。その際、素子と素子カバーとの間にはアルミナを主成分とするフィラーを、またシースピンと信号線との間にはマグネシアを主成分とするフィラーをそれぞれ充填させ、素子カバーとシースピンは先端部の外周を全周溶接させた。
なお、上述した各部の材料は一例であって、本発明はこれに限られるものではない。
【００３９】
このように作製した温度センサを用い、実施例１の条件で３０００サイクルの断続酸化試験を行った。試験終了後にこのセンサを用い、１０５０℃均熱設定した電気炉均熱帯内の温度を測定したところ、１０４９〜１０５２℃の範囲の値を示し、性能劣化は認められなかった。また、試験後の素子カバーおよびシースピンの直径を試験前と比較したが、試験前後での値の差異は２％以内と良好であった。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明に係る温度センサは耐熱性および耐久性に優れており、自動車のガソリンまたはディーゼルエンジンの排ガス温度の測定用として特に適している。
【符号の説明】
【００４１】
１  サーミスタ素子
２  素子カバー
３  フィラー
４  信号線
５  シースピン
６  Ｐｔ線  
【図１】
2012013629.tif 000004