(57)【要約】【課題】  温度センサ及びその製造方法において、サーミスタ素子の還元を安定的に抑制することができ、安定したサーミスタ特性を安価に得ること。【解決手段】  温度検出対象のガスが流通する領域に先端が挿入されて前記ガスの温度を検出する温度センサＳであって、酸化物半導体で形成されたサーミスタ素子３と、該サーミスタ素子３に接続された一対のリード線４を有したシース電線５と、閉じた先端部内にサーミスタ素子３を配すると共にシース電線５を内部に通した筒状のキャップ部材７と、キャップ部材７の基端部に固定されたベース部材８と、を備え、キャップ部材７の少なくとも内面に酸化膜７ａが形成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度検出対象のガスが流通する領域に先端が挿入されて前記ガスの温度を検出する温度センサであって、
酸化物半導体で形成されたサーミスタ素子と、
該サーミスタ素子に接続された一対のリード線を有したシース電線と、
閉じた先端部内に前記サーミスタ素子を配すると共に前記シース電線を内部に通した金属材料で形成された筒状のキャップ部材と、
前記キャップ部材の基端部に固定されたベース部材と、を備え、
前記キャップ部材の少なくとも内面に、酸化膜が形成されてい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において、
前記酸化膜が、熱処理で形成された熱酸化膜であることを特徴とする温度センサ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の温度センサにおいて、
前記キャップ部材が、オーステナイト系ステンレス鋼又はＮｉ基合金で形成されていることを特徴とする温度センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の温度センサにおいて、
前記キャップ部材が、ＳＵＳ３１０Ｓで形成されていることを特徴とする温度センサ。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の温度センサにおいて、
前記ガスが、内燃機関の排気ガスであることを特徴とする温度センサ。
【請求項６】
温度検出対象のガスが流通する領域に先端が挿入されて前記ガスの温度を検出する温度センサの製造方法であって、
酸化物半導体で形成されたサーミスタ素子にシース電線の一対のリード線を接続する接続工程と、
金属材料で形成された筒状のキャップ部材の閉じた先端部内に前記サーミスタ素子を配すると共に前記シース電線を前記キャップ部材の内部に通す挿入工程と、
前記キャップ部材の基端部にベース部材を固定する固定工程と、を有し、
前記挿入工程の前に、前記キャップ部材の少なくとも内面に予め酸化膜を形成する酸化処理工程を有していることを特徴とする温度センサの製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の温度センサの製造方法において、
前記酸化膜形成工程が、前記キャップ部材を熱処理して前記酸化膜を形成する工程であることを特徴とする温度センサの製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の温度センサの製造方法において、
前記固定工程で、前記ベース部材に形成された貫通孔に、前記シース電線を挿通すると共に前記キャップ部材の基端部を挿入して溶接により固定し、
前記固定工程前に、前記キャップ部材の外周面であって前記ベース部材と溶接される部分に形成された酸化膜を除去する工程を有していることを特徴とする温度センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温環境下で自動車の排気ガス等の温度測定に好適な温度センサ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、サーミスタ素子を感温素子として利用した温度センサは、種々の機器や環境で用いられている。特に、近年、自動車関連技術の電子化が進んでおり、各種センサの重要性が増す中、温度センサにおいても、自動車の排気ガス温度等を測定するために、排気ガス等に対する耐腐食性の向上が要求されている。
【０００３】
例えば、特許文献１から５には、温度検出対象の排気ガスからサーミスタ素子（感温素子）を防護するために、キャップ部材（金属チューブ）等で封じた温度センサが提案されている。このような従来の温度センサでは、高温での安定性と適度な抵抗値が得られる酸化物半導体のサーミスタ素子を使用し、排気ガスとサーミスタ素子とが直接接触してサーミスタ素子が腐食しないように、キャップ部材でサーミスタ素子を封止している。
【０００４】
通常、酸化物半導体のサーミスタ素子は、その抵抗値やＢ定数が組成と焼結条件（酸化状態）とによって変化し、使用温度帯域に応じて組成や焼結条件が決定されている。また、上記キャップ部材の構成材料には、高温での耐久性と振動等に対する耐久性との観点から、ステンレス鋼（ＳＵＳ）やインコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標））が使用されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３５０２４２号公報
【特許文献２】特開２０００−１７１３０８号公報
【特許文献３】特開２００５−１６９８２号公報
【特許文献４】特開２００５−５５２５４号公報
【特許文献５】特開２００７−３０９６７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、上記特許文献１に記載の技術では、キャップ部材に使用される材料であるステンレス鋼等が高温で酸化され易く、キャップ部材の内面が酸化されて気密に封止した内部の酸素濃度を低下させてしまうと共に、サーミスタ素子から酸素を奪って還元を引き起こし、サーミスタ特性に影響を与えてしまう不都合があった。特に、低温時における抵抗値の経時変化に与える影響が大きく、安定した温度検出ができないという不都合がある。なお、この点についは、上記特許文献１にも記載されている（段落番号０００８参照）。
この対策のため、上記特許文献２及び３では、シース電線の絶縁体部から酸素を供給可能な構造を採用していると共に、上記特許文献４及び５では、サーミスタ素子をセメント等の充填材で被覆し、サーミスタ素子の還元を防止する技術が提案されている。しかしながら、これらの技術では、シース電線の絶縁体部や被覆用のセメント等の均質性の点から特性的に不安定であり、更に製造コスト上昇の一因となる不都合があった。
【０００７】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、サーミスタ素子の還元を安定的に抑制することができ、安定したサーミスタ特性を安価に得ることができる温度センサ及びその製造方法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】
【０００８】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の温度センサは、温度検出対象のガスが流通する領域に先端が挿入されて前記ガスの温度を検出する温度センサであって、酸化物半導体で形成されたサーミスタ素子と、該サーミスタ素子に接続された一対のリード線を有したシース電線と、閉じた先端部内に前記サーミスタ素子を配すると共に前記シース電線を内部に通した金属材料で形成された筒状のキャップ部材と、前記キャップ部材の基端部に固定されたベース部材と、を備え、前記キャップ部材の少なくとも内面に、酸化膜が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
この温度センサでは、キャップ部材の少なくとも内面に酸化膜が形成されているので、すでにキャップ部材の内面が酸化膜によって保護され十分に酸化された状態であり、高温環境での使用中にキャップ部材の内面がさらに酸化されることを安定的に防いでサーミスタ素子の還元を防止することができる。
【００１０】
また、本発明の温度センサは、前記酸化膜が、熱処理で形成された熱酸化膜であることを特徴とする。すなわち、この温度センサでは、酸化膜が熱酸化膜であるので、全体として均質性の高い安定した膜質を有し、より安定した酸化防止効果を得ることができる。
【００１１】
また、本発明の温度センサは、前記キャップ部材が、オーステナイト系ステンレス鋼又はＮｉ基合金で形成されていることを特徴とする。この温度センサでは、キャップ部材が、オーステナイト系ステンレス鋼又はＮｉ基合金で形成されているので、Ｎｉ系酸化膜でより安定的に保護することができる。
【００１２】
また、本発明の温度センサは、前記キャップ部材が、ＪＩＳ規定（日本工業規格）におけるＳＵＳ３１０Ｓで形成されていることを特徴とする。すなわち、この温度センサでは、特に耐熱性、耐酸化性に優れているステンレス鋼であるＳＵＳ３１０Ｓでキャップ部材を形成しているので、高温環境下でのサーミスタ素子の還元をさらに防ぐことができる。
【００１３】
また、本発明の温度センサは、前記ガスが、内燃機関の排気ガスであることを特徴とする。すなわち、この温度センサでは、温度検出対象のガスが自動車等の内燃機関で生じる排気ガスであるので、例えば１０００℃程度の高温となる排気ガス環境下においても、サーミスタ素子の還元を抑制し、ＤＰＦ（粒子状物質除去フィルター）制御やＥＧＲ（排気ガス再循環）制御等に必要な安定したガス温度検出が可能である。
【００１４】
本発明の温度センサの製造方法は、温度検出対象のガスが流通する領域に先端が挿入されて前記ガスの温度を検出する温度センサの製造方法であって、酸化物半導体で形成されたサーミスタ素子にシース電線の一対のリード線を接続する接続工程と、金属材料で形成された筒状のキャップ部材の閉じた先端部内に前記サーミスタ素子を配すると共に前記シース電線を前記キャップ部材の内部に通す挿入工程と、前記キャップ部材の基端部にベース部材を固定する固定工程と、を有し、前記挿入工程の前に、前記キャップ部材の少なくとも内面に予め酸化膜を形成する酸化処理工程を有していることを特徴とする。
【００１５】
すなわち、この温度センサの製造方法では、キャップ部材とベース部材との固定前に、キャップ部材の表面に予め酸化膜を形成する酸化処理を行うので、サーミスタ素子の還元を安定的に防止可能なキャップ部材が得られると共に、組立前の単品状態でキャップ部材の内面に酸化膜を形成する工程で済み、生産性に優れ、低コストで作製可能である。
【００１６】
また、本発明の温度センサの製造方法は、前記酸化膜形成工程が、前記キャップ部材を熱処理して前記酸化膜を形成する工程であることを特徴とする。すなわち、この温度センサの製造方法では、組立前のキャップ部材に熱処理によって酸化膜を形成するので、組立後にセンサ全体を長時間アニール（熱処理）する場合に比べて、接続用ケーブルやグロメット等の他の部材に熱処理の影響を与えることがない。また、組立状態のキャップ部材先端のみをアニールする特殊な熱処理炉も不要であり、キャップ部材単品をそのまま通常の熱処理炉で多数同時にアニールすることができ、簡易で高い量産性を有している。
【００１７】
さらに、本発明の温度センサの製造方法は、前記固定工程で、前記ベース部材に形成された貫通孔に、前記シース電線を挿通すると共に前記キャップ部材の基端部を挿入して溶接により固定し、前記固定工程前に、前記キャップ部材の外周面であって前記ベース部材と溶接される部分に形成された酸化膜を除去する工程を有していることを特徴とする。すなわち、この温度センサの製造方法では、キャップ部材の外周面であってベース部材と溶接される部分に形成された酸化膜を除去するので、酸化膜が除去されて無垢の金属面が露出した部分でベース部材との良好な溶接が可能になる。また、キャップ部材の外側の酸化膜を除去するので、作業も簡便でかつ内面における酸化防止効果に与える影響がない利点がある。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る温度センサ及びその製造方法によれば、キャップ部材の少なくとも内面に酸化膜が形成されているので、キャップ部材の安定した内面状態が得られ、サーミスタ素子の還元を防止することができる。また、キャップ部材の内面に酸化膜を形成するだけですむため、低い製造コストで温度センサを得ることができる。
したがって、本発明の温度センサは、高温排気ガス等の環境下でも、抵抗値等の経時変化を抑制して、長期にわたって安定したサーミスタ特性を安価で得ることができ、例えば自動車のＤＰＦ制御やＥＧＲ制御等に用いる温度センサとして好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明に係る温度センサ及びその製造方法の一実施形態を、図１及び図２を参照しながら説明する。
【００２０】
本実施形態の温度センサＳは、内燃機関の排気ガスとして、例えば自動車の触媒コンバータ内や排気管内に流通する排気ガスの温度を検出するものであり、図１に示すように、隔壁１に開けられた取付孔１ａから温度検出対象の排気ガスが流通する排気ガス通路２に先端が挿入されて排気ガスの温度を検出するものである。
【００２１】
この温度センサＳは、酸化物半導体で形成されたサーミスタ素子３と、該サーミスタ素子３に接続された一対のリード線４を有したシース電線５と、閉じた先端部内にサーミスタ素子３を配すると共にシース電線５を内部に通した金属材料で形成された円筒状のキャップ部材７と、シース電線５が挿通されると共に挿入されたキャップ部材７の基端部を先端側で気密状態に固定した貫通孔８ａを有し、取付孔１ａに外周が気密状態に取付可能なベース部材８と、を備えている。
【００２２】
上記サーミスタ素子３は、例えば温度が上昇すると抵抗が低くなる負特性、いわゆるＮＴＣサーミスタ(Negative Temperature Coefficient Thermistor)のチップ型サーミスタ素子である。このサーミスタ素子３は、マンガン、ニッケル及びコバルト等の金属酸化物を混合焼結した酸化物半導体のサーミスタ素体３ａに、一対のリード線４に接続される一対の白金線３ｂが埋まっている又は貫通しているものである。
【００２３】
上記シース電線５は、ＳＵＳ３１０Ｓで形成された内部電線である上記一対のリード線４と、これらリード線４を覆うＭｇＯで形成された円柱状の絶縁体（図示略）と、該絶縁体の外周を覆うＳＵＳ３１０Ｓで形成された外装９と、で構成されている。
上記キャップ部材７は、オーステナイト系ステンレス鋼又はＮｉ基合金で形成され、耐熱性及び耐酸化性を考慮してオーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３１０Ｓで形成することが好ましい。なお、キャップ部材７を、Ｎｉ基合金であるインコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標））等で形成しても構わない。
【００２４】
さらに、キャップ部材７は、図２に示すように、少なくともその内面に酸化膜７ａが形成されている。この酸化膜７ａは、熱処理で形成された熱酸化膜である。このキャップ部材７では、ベース部材８との溶接部分以外の外周面及び内面に酸化膜７ａが形成されている。
なお、ベース部材８も、耐熱性及び耐酸化性を考慮してＳＵＳ３１０Ｓで形成されている。
【００２５】
上記ベース部材８は、上記貫通孔８ａが形成された略円筒状部材であり、先端側に設けられた先端円筒部１０と、先端円筒部１０の基端側に設けられ半径方向外方に張り出したフランジ部１１と、フランジ部１１の基端側に設けられた第１基端円筒部１２と、該第１基端円筒部１２の基端側に設けられ第１基端円筒部１２よりも外径が小さい第２基端円筒部１３と、を有している。
【００２６】
上記フランジ部１１の先端側は、先端側ほど外径が小さくされたテーパー面とされ、このテーパー面を取付孔１ａに当接させてナット等で固定することで、気密状態に温度センサＳが隔壁１に取り付けられる。
なお、第１基端円筒部１２には、円筒状の継ぎ手部材１４の先端が挿入されて固定されている。すなわち、この継ぎ手部材１４は、先端がフランジ部１１に突き当てられた状態で、レーザ溶接等で第１基端円筒部１２の外周面に接合されて固定されている。
【００２７】
上記キャップ部材７の基端部とベース部材８の貫通孔８ａの先端側、すなわち先端円筒部１０とは、全周にわたって気密にレーザ溶接され、その部分に第１全周溶接部８ｃが形成されている。
また、シース電線５の基端側とベース部材８の貫通孔８ａの基端側、すなわち第２基端円筒部１３とは、全周にわたってレーザ溶接され、その部分に第２全周溶接部８ｄが形成されている。
【００２８】
次に、本実施形態の温度センサの製造方法について説明する。
【００２９】
まず、酸化物半導体で形成されたサーミスタ素子３にシース電線５の一対のリード線４を接続する（接続工程）。
一方、オーステナイト系ステンレス鋼又はＮｉ基合金で形成したキャップ部材７を、大気中において所定の高温及び時間で熱処理（アニール）し、少なくともその内面に予め酸化膜７ａを形成する（酸化処理工程）。上記熱処理は、実使用温度に応じて設定され、例えば９００℃程度の温度環境で使用する場合には、９００℃以上の温度で熱処理を行う。また、熱処理温度は、必要以上に高いとキャップ部材７の材料に大きなダメージが生じるおそれがあるため、ＳＵＳ３１０Ｓの場合は１１００℃未満であることが好ましい。
【００３０】
さらに、キャップ部材７の外周面であってベース部材８と溶接される部分に形成された酸化膜７ａを除去する。
次に、キャップ部材７の先端部内にサーミスタ素子３を配すると共にシース電線５をキャップ部材７の内部に通す（挿入工程）。さらに、ベース部材８に形成された貫通孔８ａに、シース電線５を挿通すると共にキャップ部材７の基端部を挿入する。
【００３１】
この状態で、キャップ部材７の基端部とベース部材８の貫通孔８ａの先端円筒部１０とを全周にわたって気密にレーザ溶接すると共に、シース電線５の基端側とベース部材８の貫通孔８ａの第２基端円筒部１３とを全周にわたって気密にレーザ溶接により固定する（固定工程）。この後、第１基端円筒部１２に、継ぎ手部材１４の先端を挿入してレーザ溶接で固定することで、温度センサＳが作製される。
【００３２】
このように本実施形態の温度センサＳは、キャップ部材７の少なくとも内面に酸化膜７ａが形成されているので、すでにキャップ部材７の内面がＮｉ系の酸化膜７ａによって保護され十分に酸化された状態であり、高温環境での使用中にキャップ部材７の内面がさらに酸化されることを安定的に防いでサーミスタ素子３の還元を防止することができる。
【００３３】
特に、酸化膜７ａが熱酸化膜であるので、全体として均質性の高い安定した膜質を有し、より安定した酸化防止効果を得ることができる。
また、耐熱性、耐酸化性に優れているステンレス鋼であるＳＵＳ３１０Ｓでキャップ部材７を形成しているので、高温環境下でのサーミスタ素子３の還元をさらに防ぐことができる。
【００３４】
したがって、この温度センサＳを用いれば、例えば１０００℃程度の高温となる排気ガス環境下においても、サーミスタ素子３の還元を抑制し、ＤＰＦ（粒子状物質除去フィルター）制御やＥＧＲ（排気ガス再循環）制御等に必要な安定したガス温度検出が可能である。
【００３５】
また、キャップ部材７のベース部材８への挿入前に、キャップ部材７の表面に予め酸化膜７ａを形成する酸化処理を行うので、組立前の単品状態でキャップ部材７の内面に酸化膜７ａを形成する工程で済み、生産性に優れ、低コストで作製可能である。
特に、組立前のキャップ部材７を熱処理によって酸化膜７ａを形成するので、組立後にセンサ全体を長時間アニール（熱処理）する場合に比べて、接続用ケーブル（図示略）やグロメット（図示略）等の他の部材に熱処理の影響を与えることがない。また、組立状態のキャップ部材７先端のみをアニールする特殊な熱処理炉も不要であり、キャップ部材７の単品をそのまま通常の熱処理炉で多数同時にアニールすることができ、簡易で高い量産性を有している。
【００３６】
また、キャップ部材７の外周面であってベース部材８と溶接される部分に形成された酸化膜７ａを除去するので、酸化膜７ａが除去されて無垢の金属面が露出した部分でベース部材８との良好な溶接が可能になる。
また、従来の先端部のみのキャップ構造であって、キャップ部材の内側とシース電線とを溶接する構造の場合、シース電線と溶接するためにキャップ部材の内面の酸化膜を取り除く必要があるが、この場合、酸化膜の除去が困難で、かつキャップ部材の奥まで酸化膜を除去してしまうと酸化防止効果が低下してしまう不都合がある。しかしながら、本実施形態の温度センサＳでは、キャップ部材７の外側の酸化膜７ａを除去するので、作業も簡便でかつ内面における酸化防止効果に与える影響がない利点がある。
【実施例】
【００３７】
次に、本実施形態の温度センサＳを実際に作製し、９００℃でトータル１５時間の高温放置試験を行い、この間の２５℃での抵抗値（Ｒ２５）を測定した結果を、図３に示す。
この試験に用いた温度センサＳの実施例（アニール有）は、予め大気中で１０００℃１０時間のアニール処理（熱処理）を行ったＳＵＳ３１０Ｓのキャップ部材７を使用した。なお、比較のため、アニール処理を行っていないＳＵＳ３１０Ｓのキャップ部材を使用して作製した比較例（アニール無）について同様に試験を行った結果も併せて図３に示す。
【００３８】
この結果からわかるように、アニール処理を行っていないキャップ部材を使用した比較例では、２５℃での抵抗値に大幅な上昇が観測されたのに対し、アニール処理を行ったキャップ部材７を使用した本実施例では、抵抗値に大きな変化が生じず、安定した特性が得られた。
【００３９】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものでなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。
【００４０】
例えば、上記実施形態の温度センサは、自動車のＤＰＥ制御用やＥＧＲ制御用として排気ガスの温度検出に適用されているが、他の用途の温度検出に採用しても構わない。例えば、使用温度帯域によっては、焼却炉において燃焼制御に用いるために燃焼ガス等の温度を検出する温度センサとして用いても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係る一実施形態の温度センサ及びその製造方法において、温度センサを示す断面図である。
【図２】本実施形態の温度センサにおいて、キャップ部材の要部を示す拡大断面図である。
【図３】本発明に係る温度センサ及びその製造方法の実施例及び比較例について、９００℃の高温放置試験の保持時間に対する２５℃での抵抗値を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
１…隔壁、１ａ…取付孔、３…サーミスタ素子、４…リード線、５…シース電線、７…キャップ部材、７ａ…酸化膜、８ａ…貫通孔、８…ベース部材、Ｓ…温度センサ
【図１】
2009174969.tif 000003
【図２】
2009174969.tif 000004
【図３】
2009174969.tif 000005