(57)【要約】      （修正有）【課題】内燃機関用として高温、振動に耐えうる温度センサを提供する。【解決手段】温度センサ（１００）が開示される。センサは、鉱物絶縁供給ライン１０８と、有底金属チューブ１０２と、支持構造１０６に固定される温度検出要素と、を備える。有底金属チューブの開端部１０２Ｂは、鉱物絶縁供給ラインに機械的に接続される。結線は、温度検出要素を鉱物絶縁供給ラインに機械的および電気的に結合する。支持構造は、有底金属チューブの底端部１０２Ａで有底金属チューブの軸方向に永久的に移動可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度センサ（１００）であって、
‐鉱物絶縁供給ライン（１０８）と、
‐底端部（１０２Ａ）と開端部（１０２Ｂ）とを含む有底金属チューブ（１０２）であって、前記開端部が前記鉱物絶縁供給ラインに機械的に接続されている、有底金属チューブ（１０２）と、
‐前記有底金属チューブに含まれる温度検出要素（１０４）であって、結線が、前記温度検出要素を前記鉱物絶縁供給ラインに機械的および電気的に結合する、温度検出要素（１０４）と、
を備え、
前記温度検出要素は、支持構造（１０６）に固定され、前記支持構造は、前記有底金属チューブの軸方向に前記底端部（１０２Ａ）で永久的に移動可能であることを特徴とする、温度センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の温度センサ（１００）であって、前記支持構造の断面は、前記有底金属チューブの底端部の断面の内周と同様の形状の外周を有し、前記支持構造の前記外周は、前記底端部の前記内周よりも小さい、温度センサ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の温度センサであって、前記底端部（１０２Ａ）の軸方向に、下部間隙（１１２Ａ）が前記有底金属チューブ（１０２）の下部と前記支持構造（１０６）の間に設けられる、温度センサ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の温度センサであって、前記支持構造は、ポッティング材（１０６Ｂ）で充填された金属カップ（１０６Ａ）を備え、前記温度検出要素は、前記ポッティング材に配置される、温度センサ。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の温度センサであって、前記支持構造は、セラミックまたはセメント化合物から作られた本体（１０６’）である、温度センサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の温度センサであって、前記支持構造の遠位端（１２２Ａ）は、前記有底金属チューブの下部から第１距離で前記有底金属チューブの側壁に接触し、前記支持構造の近位端（１２２Ｂ）は、前記有底金属チューブの下部から第２距離で前記有底金属チューブの対向側壁に接触する、温度センサ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の温度センサであって、前記有底金属チューブの開端部は、鉱物絶縁供給ライン（１０８）に取り付けられ、結線（１１０）は、前記供給ラインのストランド（１０８Ａ）に接続され、前記支持構造は、摩擦力と共に前記有底金属チューブの軸方向に移動可能であり、前記結線は、摩擦力が前記結線に働くときに前記結線が変形しないような剛性を有する、温度センサ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の温度センサであって、前記センサは、摺動間隙を、前記支持構造と前記有底金属チューブの下部との間に備える、温度センサ。
【請求項９】
請求項８に記載の温度センサであって、前記摺動間隙は、高温コーティングでまたは気体で充填される、温度センサ。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の温度センサであって、前記温度センサは、高温センサである、温度センサ。
【請求項１１】
温度センサを製造する方法であって、前記方法は、
‐温度検出要素を支持構造に組み込むステップと、
‐前記温度検出要素を鉱物絶縁供給ラインのストランドに機械的に結合するステップと、
‐前記支持構造を有底金属チューブの底端部に配置するステップと、
‐前記鉱物絶縁供給ラインを前記有底金属チューブの開端部に機械的に接続するステップと、
を含む方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法であって、前記温度検出要素は、結線によって前記鉱物絶縁供給ラインに接続され、前記支持構造は、前記鉱物絶縁供給ラインの近位端の体軸と一致しない体軸を有し、
‐組み立て部品を前記有底金属チューブに結合し、前記供給ラインの前記近位端の前記体軸は、前記有底金属チューブの体軸と一致する、方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって、前記支持構造の前記体軸は、前記供給ラインの前記近位端の前記体軸に対して傾斜している、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度センサに関する。より具体的には、本発明は、高温センサ、例えば排ガス温度センサ、に関する。本発明は、温度センサを製造する方法にさらに関する。
【背景技術】
【０００２】
大体の場合、高温センサは、測定される媒体にさらされる外側シートで構成される。さらに具体的には、これは、外側シートが排ガスと接触し、内側温度検出要素が、外側から内側に熱流束を伝導および伝達する内部媒体と接触する、排ガス温度センサに関する場合である。内側温度検出要素は、ＰＴＣサーミスタまたはＮＴＣサーミスタであり得る。
【０００３】
高温センサは、非常に高い加熱および冷却勾配の影響を受ける。勾配は、接続リードと内部部品のいくつかの材料の間に過度の圧縮および引張応力をもたらす。応力は、内部温度検出要素によって検知された温度を表す出力信号を伝える導体および内部部品の損傷をもたらすことがある。
【０００４】
特許文献１は、サーミスタ素子と金属エンクロージャとの間の距離が、０より小さくないが、０．３ｍｍより大きくなく、サーミスタ素子と金属エンクロージャとは、絶縁部材を介して互いに接触する、温度センサを開示している。絶縁部材は、結晶化ガラスまたはセラミックであってよい。絶縁部材は、サーミスタ素子と金属エンクロージャの間の望ましくない間隙をなくす。
【０００５】
特許文献２は、温度センサの製造方法を開示する。サーミスタ素子は、有底金属チューブに插入され、金属チューブの内側を充填材（好ましくはシリコーンオイル）で満たし、ハウジングに取り付けられる一体温度検出構造としてサーミスタ素子と金属チューブとの間の滑動抵抗を減らす。金属チューブは、シリコーンオイルの油成分を揮発させるように、サーミスタ素子がそこに插入された後に加熱される。その方法は、サーミスタを金属チューブに配置する際のサーミスタの電極線の曲げによる欠陥を減らす。
【０００６】
上記の温度センサでは、計測抵抗と供給ラインケーブルの間の振動および温度の変化によって引き起こされる導体の応力は、導体の損耗をもたらす。特許文献３では、この問題に対する解決策が開示されている。熱減結合線が、計測抵抗と供給ラインケーブルのストランドの間に配置される。熱減結合線は、鉱物絶縁供給ラインのストランドに渦巻ばねとして付けられ、計測抵抗を供給ラインケーブルに弾性的に接続する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６６３９５０５号
【特許文献２】米国特許第６８２９８２号
【特許文献３】米国特許第８３２８４１９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、以下の少なくとも１つである改良された温度センサを提供することである：信頼性がある、製造するのが安価である、半または全自動生産プロセスによって大量で生産できる、長持ちする、内燃機関に特有である高温および振動に持ちこたえる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様によると、この目的は、請求項１の特徴を有する温度センサによって達成される。有利な実施形態および本発明を実施するさらなる方法は、従属請求項で言及されている措置によって実現できる。
【００１０】
本発明による温度センサは、温度センサが、鉱物絶縁供給ラインと、有底金属チューブと、前記有底金属チューブに含まれる温度検出要素と、を備えることを特徴とする。有底金属チューブは、底端部と開端部とを備える。開端部は、鉱物絶縁供給ラインに機械的に接続される。温度検出要素は、支持構造に固定される。支持構造は、有底金属チューブの軸方向に底端部で永久的に移動可能である。結線は、温度検出要素を鉱物絶縁供給ラインに機械的および電気的に結合する。
【００１１】
基本的な考え方は、鉱物絶縁供給ラインと温度検出要素の間の接続リードと内部部品のいくつかの材料の間に過度の圧縮および引張応力をもたらす非常に高い加熱および冷却勾配による結線の応力を減少させることである。応力は、有底金属チューブの底端部と検出要素の機械的減結合によって減少する。接続リードと有底金属チューブの材料の異なる熱膨張係数（ＣＴＥ）、および被測定媒体の急激な温度変化の際の接続リードと有底金属チューブの間の温度差により、温度検出要素は、有底金属チューブで有底金属チューブの軸方向に動く。接続リードに働く力は、今度は温度検出要素と有底金属チューブの間の摩擦力に限られる。温度検出要素が有底金属チューブの中に固定して入れられるならば、接続リードは、２００℃から８５０℃にそしてまた２００℃に戻る各温度サイクルのより大きな力で伸長および／または屈曲され得る。時間と共に、このより大きな力は、接続リードの破損をもたらし、製品寿命を縮める。
【００１２】
実施形態では、支持構造の断面は、有底金属チューブの底端部の断面の内周と同様の形状の外周を有し、支持構造の外周は、底端部の内周よりも小さい。この特徴は、支持構造が限られた摩擦力で軸方向に動くことができる、および、支持構造と有底金属チューブの間の所定の最大間隙によって外側から内側に熱流束を伝えるように支持構造と有底金属チューブの間の十分な熱接触を提供する、構造を提供する。
【００１３】
実施形態では、底端部の軸方向に、下部間隙が有底金属チューブの下部と支持構造の間に設けられる。間隙は、支持構造があらゆる状況で軸方向に動くことができるようにする。支持構造がチューブの下部に付勢されるならば、接続リードは、曲がり、支持構造と有底金属チューブの間の摩擦力よりも大きなリードに働く圧縮力を生じさせる。大きな圧縮力の結果として、リードは、各温度サイクルで曲がり、それは接続リードを弱める。
【００１４】
実施形態では、支持構造は、ポッティング材で充填された金属カップを備え、温度検出要素は、ポッティング材に配置される。ほとんど同じＣＴＥの金属カップと有底金属チューブとを有することによって、金属カップと有底金属チューブとの間の摩擦力が、温度範囲にわたってあまり変化しないことが確実になる。
【００１５】
実施形態では、支持構造は、ポッティング材で充填された金属カップを備え、温度検出要素は、ポッティング材に配置される。これらの特徴は、温度検出要素を支持構造に組み込む簡単な方法を提供し、有底金属チューブに収まる支持構造の外形寸法が、非常に正確に定められることができる。
【００１６】
代替的実施形態では、支持構造は、セラミックまたはセメント化合物から作られた本体である。この解決策は、組み込まれた温度検出要素を含む支持構造を製造するために必要な部品が少なくて済む。
【００１７】
実施形態では、支持構造の遠位端は、有底金属チューブの下部から第１距離で有底金属チューブの側壁に接触し、支持構造の近位端は、有底金属チューブの下部から第２距離で有底金属チューブの対向側壁に接触する。底端部の端部に角度を付けて支持構造を配置することによって、軸方向に支持構造を動かす際の摩擦力は、接続リードの剛性によって制限される。さらに、支持構造は、有底金属チューブとの良好な熱接触を有し、支持構造は、自由に横方向に動くことができない。
【００１８】
実施形態では、有底金属チューブの開端部は、鉱物絶縁供給ラインに取り付けられ、温度検出要素は、供給ラインのストランドへの結線に接続され、支持構造は、摩擦力と共に有底金属の軸方向に移動可能であり、結線は、摩擦力が結線に有底金属チューブの軸方向に働くときに結線が変形しないような剛性を有する。これらの特徴により、軸方向に支持構造を動かす際の摩擦力によって引き起こされる結線の応力による結線の損傷が、著しく減少する。
【００１９】
実施形態では、センサは、摺動間隙を、支持構造と有底金属チューブの下部との間に備える。摺動間隙は、支持構造が、底端部と支持構造の異なる熱膨張によって底端部に入り込んで動きが取れなくならないようにする。
【００２０】
さらなる実施形態では、摺動間隙は、非硬化性粘質物で充填される。このようにして、支持構造と金属有底チューブとの間の摩擦による摩耗が、減少する。
【００２１】
第２の態様では、温度センサの製造方法が提供される。その方法は、
‐温度検出要素を支持構造に組み込むステップと、
‐前記温度検出要素を鉱物絶縁供給ラインのストランドに機械的に結合するステップと、
‐前記支持構造を有底金属チューブの底端部に配置するステップと、
‐前記鉱物絶縁供給ラインを前記有底金属チューブの開端部に接続するステップと、
を含む。
【００２２】
他の特徴および利点は、添付図面と併せて、以下の詳細な説明から明らかになり、添付図面は、例として、実施形態の様々な特徴を示す。
【００２３】
これらのおよび他の態様、特性および利点は、添付図面を参照して以下の記載に基づいてこの後に記載され、同様の符号は、同様または同等な部品を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】高温センサの第１実施形態の断面図を概略的に示す。
【図２】高温センサの第２実施形態の断面図を概略的に示す。
【図３】組み立ての状態における温度センサの断面図を概略的に示す。
【図４】組み立て後の図３の温度センサの断面図を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、温度センサ１００の第１実施形態の先端の断面図を概略的に示す。温度センサ１００は、９００℃までの高温を測定するのに特に適している。温度センサは、排ガス温度センサであり得る。本出願は、熱サイクルで閉ハウジングセンサの寿命を延ばすための解決策を開示する。排出管の温度は、２００℃‐９００℃の間で急速に変化し得る。
【００２６】
温度センサ１００は、有底金属チューブ１０２を備え、有底金属チューブ１０２は、底端部１０２Ａと開端部１０２Ｂとを有する。有底金属チューブ１０２は、測定される媒体にさらされる外側シート形状を形成する。有底金属チューブ１０２では、温度検出要素１０４が設けられる。温度検出要素は、ＰＴＣまたはＮＴＣデバイスであり得る。温度検出要素１０４は、金属カップ１０６Ａに配置される。金属カップ１０６Ａと温度検出要素１０４との間の空間は、ポッティング材１０６Ｂで充填される。外側から内側に熱流束を伝える良好な伝熱特性を有するあらゆる材料が、使用され得る。さらに、材料は、金属カップ１０６Ａの中の検出要素１０４を安定させるべきである。適したポッティング材の例は、アルミナ、ジルコニア、マグネシアまたは他の金属酸化物セラミックまたはセメント化合物である。
【００２７】
温度検出要素１０４の導体１０４Ａは、結線によって、鉱物絶縁供給ライン１０８のストランド１０８Ａに電気的および機械的に結合される。導体１０４Ａとストランド１０８Ａとは、はんだ付けによって結合され得る。温度検出要素１０４の導体１０４Ａは、０．２‐０．３ｍｍの範囲の直径を有するめっき線である。図１では、温度検出要素１０４の導体１０４Ａを供給ライン１０８のストランド１０８Ａに結合するのに、伝導チューブ形構造１１０が使用されている。伝導チューブ形構造の一端で、温度検出要素１０４の導体１０４Ａは、伝導チューブ形構造１１０に取り付けられる。導体１０４Ａは、構造１１０の開口に摺動し、続いて例えば圧接または溶接によって取り付けられる。同様に、鉱物絶縁供給ライン１０８のストランド１０８Ａは、伝導チューブ形構造１１０に取り付けられる。符号１１０Ａは、導体１０４Ａとストランド１０８Ａとの間のチューブ形構造の何もない空間を示した。
【００２８】
鉱物絶縁供給ラインは、当業者に一般に知られている。鉱物絶縁供給ライン１０８は、例えば合金６０１（６０％重量％ニッケル、２１重量％クロム、１５重量％鉄、および１．２重量％アルミニウム）または他のニッケル合金から成るストランド１０８Ａを備える。ストランドは、高度に圧密化された鉱物粉末１０８Ｂに埋め込まれ、それは、合金６０１（６０％重量％ニッケル、２１重量％クロム、１５重量％鉄、および１．２重量％アルミニウム）または３１０Ｈのような他のステンレス鋼合金から成る保護用金属スリーブ１０８Ｃによって囲まれる。
【００２９】
有底金属チューブ１０２の開端部１０２Ｂは、鉱物絶縁供給ライン１０８の金属スリーブ１０８Ｃに接続される。これは、圧接または溶接によってなされ得る。
【００３０】
金属カップ１０４およびポッティング材１０６Ｂは、支持構造１０６を形成し、その中に温度検出要素１０４が固定される。金属カップは、有底金属チューブ１０２の底端部１０２Ａの断面の内周と同様の形状の外周の断面を有する。支持構造の外周は、底端部の内周よりも小さい。このようにして、支持構造は、有底金属チューブの軸方向に底端部１０２ａで永久的に移動可能である。符号１２０は、有底金属チューブの体軸を示す。支持構造と有底金属チューブとの間の摺動間隙は、伸縮間隙であり、それは、加熱または冷却段階の際の非等温加熱およびＣＴＥ（熱膨張係数）ミスマッチを吸収する。摺動間隙によって、有底金属チューブの体軸に沿って底端部１０２ａで支持構造が動くことができる。例えば、有底金属チューブが結線よりも急速に熱くなるとき、支持構造は、底端部で上に動き、有底金属チューブの底は、支持構造の先端から遠ざかる。
【００３１】
下部間隙１１２Ａが、有底金属チューブの下部と、支持構造の先端と、の間に設けられる。下部間隙は、媒体の温度が急速に冷め、結線の温度が、有底金属チューブの温度よりも高いときに、結線が圧縮応力を受けないことを確実にする。
【００３２】
摺動間隙および下部間隙によって、支持構造は、有底金属チューブで浮体である。外側シートが支持構造から切り離されるこの構成は、温度検出要素が有底金属チューブに取り付けられる実施形態と比べて、被測定媒体（この具体的な事例では排ガス）の変動温度衝撃への一次露出での結線の圧縮および引張応力を減少させる。
【００３３】
摺動間隙および下部間隙は、空隙であり得る。しかしながら、また、間隙は、ジルコニア、アルミナ、マグネシアのような高温不活性材料コーティングでまたは気体で充填され得る。
【００３４】
図２は、温度センサの先端の第２実施形態の断面図を開示する。この実施形態は、温度検出要素１０４が、セラミックまたはセメント構造１０６’に組み込まれているという点において、図１の第１実施形態と異なる。セラミックまたはセメント構造１０６’は、この実施形態では支持構造を形成する。あらゆる高温耐性耐熱材料が、セメントとして使用され得る。構造１０６’に適した材料の例は、アルミナ、ジルコニア、マグネシアまたは他の金属酸化物セラミックまたはセメント化合物である。有底金属チューブ１０２の内側は、コーティング１１４で覆われ、それは、支持構造と有底金属チューブの間の摩擦を減らす。コーティングの材料の例は、ステアリン酸マグネシウムである。さらに、コーティングと支持構造１０６’の間に小さい摺動間隙があり得る。
【００３５】
摺動間隙により、支持構造の体軸が、有底金属チューブの底端部の体軸と一致するならば、支持構造は、有底金属チューブで横方向に動くことができる。支持構造の横方向の動きは、支持構造および／または有底金属チューブおよび結線の損耗をもたらし得る。有底金属チューブでの支持構造の横方向の動きを減らすために、有底金属チューブへの支持構造の配置で、結線はわずかに曲げられる。この結果として、支持構造は、有底金属チューブの内側にわずかに押し付けられる。図３および４は、これがどのように実現可能であるかの実施形態を示す。
【００３６】
図３は、有底金属チューブ１０２の下部１０２Ａに支持構造を插入する前の、鉱物絶縁供給ライン１０８と、伝導チューブ形構造１１０と、温度検出要素１０４と、支持構造１０６と、の組み立てを示す。底端部１０２Ａへの支持構造１０２の配置で、鉱物絶縁供給ライン１０８の端部は、体軸１１６を有し、それは、有底金属チューブ１０２の体軸１２０と一致する。插入して有底金属チューブを鉱物絶縁供給ラインに接続した後で、鉱物絶縁供給ラインと有底金属チューブの体軸は一致すると考えられる。さらに、支持構造は、体軸１１８を有し、それは、鉱物絶縁供給ラインの体軸１１６とも有底金属チューブの体軸１２０とも一致しない。この例では、支持構造の体軸は、結線が曲がっていることによって鉱物絶縁供給ラインの体軸に対して角度が付けられている。温度検出要素１０４は、支持構造に真っすぐに配置される。真っすぐな結線を有すること、および温度検出要素を支持構造に角度を付けて配置することも、可能かもしれない。角度は、１‐５度の範囲にあるべきである。
【００３７】
支持構造１０６を底端部１０２Ａに插入するときに、支持構造は、その体軸１１８が有底金属チューブ１０２の体軸１２０により一致するようにされる。これは、結線を曲げることによって可能である。図４は、支持構造を有底金属チューブ１０２に配置した後の温度センサを示す。支持構造の遠位端１２２Ａが、有底金属チューブの下部からの第１距離ｄ１で有底金属チューブの側壁に接触し、支持構造の近位端１２２Ｂが、有底金属チューブの下部からの第２距離ｄ２で有底金属チューブの対向側壁に接触することが、見られる。支持構造の体軸は、今度は鉱物絶縁供給ラインおよび有底金属チューブの体軸とほとんど一致する。このようにして、支持構造は、横方向にそれ以上動くことができないが、依然として有底金属チューブで軸方向に動くことができる。結線の剛性は、支持構造と有底金属チューブの間の摩擦を定め、従って有底金属チューブで軸方向に支持構造を動かすための結線に働く力を定める。
【００３８】
支持構造の体軸が鉱物絶縁供給ラインの体軸と一致しない限り、支持構造は、いくらかの限られた摩擦力と共に有底金属チューブに配置されることが、当業者には明らかであるはずである。支持構造は、摩擦力と共に有底金属チューブの軸方向に移動可能である。結線は、結線に摩擦力が働くときに結線が変形しないような剛性を有する。
【００３９】
上記の温度センサの製造方法は、以下の動作を含む：温度検出要素を支持構造に組み込む；前記温度検出要素を鉱物絶縁供給ラインのストランドに機械的に結合して組み立て部品を得る；前記支持構造を有底金属チューブの底端部に配置する；および、前記鉱物絶縁供給ラインを前記有底金属チューブの開端部に接続する。有底金属チューブを鉱物絶縁供給ラインに接続する前に、支持構造は、鉱物絶縁供給ラインの近位端の体軸と一致しない体軸を有する。組み立て部品を有底金属チューブに結合した後で、供給ラインの近位端の体軸は、有底金属チューブの体軸と一致する。插入の前に、支持構造の体軸は、供給ラインの近位端の体軸に対して傾斜している。
【００４０】
開示された実施形態は、以下の効果を呈する。有底金属チューブでいくつかの材料および形状の方法で構成可能である浮き先端／浮体は、温度センサの外側シートを形成する有底金属チューブから切り離されることによって、圧縮および引張応力を減少させる。応力は、被測定媒体の変動温度衝撃への一次露出で減少する。この減少は、特に排ガス温度センサ（ＥＧＴＳ）の寿命を延ばす。
【００４１】
開示された実施形態は、全て円筒形を有する。被測定媒体と接触する外側シートで支持構造の軸運動を許容するあらゆる他の形状が使用される得ることが、明らかであるはずである。
【００４２】
本発明はいくつかの実施形態に関して説明されたが、その代替、変更、置換および同等が、明細書を読んで図面を検討すると当業者には明らかになると考えられる。本発明は、示された実施形態に限定されず、添付の「特許請求の範囲」によって定められる本発明の趣旨および範囲内での変更を含むよう意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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