(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サーミスタ材料から構成される素子部（１１）と、この素子部（１１）に固定され前記素子部（１１）から出力を取り出すための一対の電極線（１２ａ、１２ｂ）とからなるサーミスタ素子（１０）を、保護ケース（３０）内部に収納してなる温度センサ素子であって、
前記保護ケース（３０）内において、前記素子部（１１）および前記一対の電極線（１２ａ、１２ｂ）の周囲に、セラミック系繊維で構成された第１の成形体（４０１）が配置され、前記一対の電極線（１２ａ、１２ｂ）の間に、前記第１の成形体（４０１）とは別体のセラミック系繊維で構成された第２の成形体（４０２）が配置されていることを特徴とする温度センサ素子。
【請求項２】
前記第１の成形体（４０１）は、有底状に成形されており、前記第１の成形体（４０１）は、前記サーミスタ素子（１０）に前記素子部（１１）側から被せられており、前記第２の成形体（４０２）は、前記一対の電極線（１２ａ、１２ｂ）の間に挟まれてい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】
前記第１、第２の成形体（４０１、４０２）は、シリカ（ＳｉＯ2 ）及びアルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）を構成材料に含む耐熱繊維で構成されてい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素子。
【請求項４】
前記第１、第２の成形体（４０１、４０２）は、１０００℃において絶縁性かつ柔軟性を有するものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の温度センサ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各所の温度検出を行うために用いられる温度センサ素子に関し、特に、自動車排気系の触媒コンバータ等に取付け、異常温検出とか触媒劣化検出を行なう排気温センサに用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の温度センサ素子としては、一般に、有底円筒状の金属キャップ（保護ケース）の先端側（底部側）内部に、電極線を有するサーミスタ素子を配置するとともに、信号取出し用の配線部材を金属キャップの開口部側から挿入してサーミスタ素子の電極線と接続した構成のものがある。この構成において、サーミスタ素子は、電極線が開口部側の同一方向に引出された構成（ラジアル型サーミスタ）としている。
【０００３】
このような温度センサ素子は、サーミスタ素子が金属キャップで保護されているため、自動車の排気ガス温度検出に用いられる排気温センサに用いて好適であり、例えば、特開平９−１２６９１０号公報、特開昭６２−２７８４２１号公報、特開昭５７−４８６２４号公報に記載のものが提案されている。
上記各公報に掲げる温度センサ素子においては、金属キャップとサーミスタ素子との絶縁を確保しつつ、自動車の振動等の外部振動からサーミスタ素子を保護するために、サーミスタ素子周辺に高温で絶縁性のある充填材が詰められている。その充填材としては、ＭｇＯ（マグネシア）とかＡｌ2 Ｏ3 （アルミナ）等の粉末を詰めたものや、前記粉末や無機接着剤（耐熱セメント）を泥状で注入し乾燥固着させたものが用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者等が上記従来構成に基づいて試作検討した結果、充填材の充填方法において下記のような問題が生じた。
例えば、Ａｌ2 Ｏ3 とかＭｇＯの粉末を充填する場合には、予め金属キャップ内に粉末をいれておくとサーミスタ素子を挿入しにくく、また、キャップを被せてからでは粉末注入が難しい。
【０００５】
また、例えば、前記粉末に水分を加え泥状にしたもの、或いは無機接着剤（泥状）を予め、キャップ内に入れておき、サーミスタ素子を挿入組付する場合には、組付後に高温若しくは加熱処理等を行い乾燥させる必要があるが、キャップ開口部が配線部材（シースピン等）で蓋をされた形になるので乾燥に手間取る。また、キャップ内面に泥状充填物が付着するので、そこが配線部材との溶接部になると溶接性が悪くなる。
【０００６】
これらの充填方法の煩雑さによって、温度センサ素子におけるサーミスタ素子の組付に手間がかかる。サーミスタ素子の組付性を向上させるために、本発明者等はサーミスタ素子周囲に充填材として碍子管（成形体）を被せる構成も考えたが、碍子管は焼結品ゆえ、サーミスタの振動を吸収できず、適切な耐振保護にはならない。
【０００７】
すなわち、充填材の充填密度も適度な範囲にする必要がある。つまり、密度が過小であると耐振保護の役目を成さず、過大である（硬く詰まり過ぎる）とサーミスタ素子部分との熱膨張差を吸収できず、いずれにしろサーミスタ素子の破壊を招きやすい。
なお、上記問題点は、ラジアル型サーミスタに限定されるものではなく、要するに、サーミスタ素子を、金属キャップすなわち保護ケース内部に収納してなる温度センサ素子に共通の問題といえる。
【０００８】
そこで、本発明は上記点に鑑みて、サーミスタ素子を保護ケース内部に収納してなる温度センサ素子において、サーミスタ素子の耐振保護と組付性向上とを両立させることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、以下の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１記載の発明においては、保護ケース（３０）内においてサーミスタ素子（１０）の周囲に、セラミック系繊維で構成された成形体（４０）を配置したことを特徴としており、具体的には、セラミック系繊維で構成された成形体（４０）として、サーミスタ素子（１０）を構成する素子部（１１）および一対の電極線（１２ａ、１２ｂ）の周囲に配置された第１の成形体（４０１）と、一対の電極線（１２ａ、１２ｂ）の間に配置された第２の成形体（４０２）を用いた構成としている。
【００１０】
ここで、成形体（４０）は、セラミック系繊維で構成されており、充填材として必要な高温絶縁性、柔軟性を確保できるように、適宜セラミック系繊維を選択することで、保護ケース（３０）とサーミスタ素子（１０）との絶縁を確保しつつ外部振動からサーミスタ素子（１０）を保護することができる。
また、成形体（４０）は粉末や泥状のものに比べて取扱いが簡単であり、保護ケース（３０）とサーミスタ素子（１０）と間に配置するために、予め両者（１０、３０）の隙間形状に対応した形状になっているから、保護ケース（３０）とサーミスタ素子（１０）と成形体（４０）との三者の組付性を良好なものとできる。従って、耐振保護及び組付性向上の両立を図ることができる。
【００１１】
また、請求項２記載の発明では、請求項１に記載の温度センサ素子において、第１の成形体（４０１）は、有底状に成形されており、第１の成形体（４０１）は、サーミスタ素子（１０）に素子部（１１）側から被せられており、第２の成形体（４０２）は、一対の電極線（１２ａ、１２ｂ）の間に挟まれていることを特徴としている。
【００１２】
ここで成形体（４０）は、請求項３記載の発明のように、シリカ（ＳｉＯ2 ）及びアルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）を構成材料に含む耐熱繊維で構成されたものを用いることができる。さらに言えば、成形体（４０）は密度６０〜４００ｋｇ／ｍ3 の繊維集合体（バルクファイバー）であることが好ましい。
また、請求項４記載の発明では、成形体（４０）を１０００℃において絶縁性かつ柔軟性を有するものとしており、特に高温域にて使用される温度センサ素子（例えば自動車の排気ガス温度検出用センサ素子等）に対して、耐振保護及び組付性向上の両立が可能な温度センサ素子を提供することができる。
【００１３】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。本実施形態では、本発明の温度センサ素子を、例えば触媒コンバータ等の自動車排気ガス浄化装置に装着され異常温検出とか触媒劣化検出を行なう排気温センサ（サーミスタ式排気温センサ）に適用したものとして説明する。図１は本実施形態に係る温度センサ素子１００の一部切欠断面図である。
【００１５】
１０は排気ガス温度（例えば１０００℃以上）での使用に耐えうる高温用のサーミスタ（サーミスタ素子）であり、Ｃｒ（クロム）−Ｍｎ（マンガン）−Ｙ（イットリウム）系セラミック半導体からなる円柱体形状の素子部１１、及び素子部１１から出力（抵抗（Ｒ）−温度（Ｔ）特性）を取り出すための電極線１２とからなる。
【００１６】
電極線１２は、一対の白金（Ｐｔ）線（例えばφ０．３ｍｍ）１２ａ、１２ｂが、素子部１１の円柱軸方向と平行に所定の極間を有した形で埋設成形及び焼成され、焼成収縮することにより、焼ばめ固定されたものである。
そして、サーミスタ１０の出力は、同じ方向に引き出された一対の白金線１２ａ、１２ｂに対して溶接等により、それぞれ電気的に接続されたシースピン（配線部材）２０の芯線２１ａ、２１ｂをもってなされる。これら芯線２１ａ、２１ｂは、図示しないシースピン２０の他端側からリードワイヤ等につながれ、例えば車両のＥＣＵ等の制御回路（図示せず）に導かれる。
【００１７】
シースピン２０は、２本のステンレス製の芯線２１ａ、２１ｂとＭｇＯ等の絶縁粉末２２とステンレス製のシース外筒２３とから構成されている。シースピン２０は、焼鈍しながらシース外筒２３の外径の減径加工を繰返すことにより形成されているため、芯線２１ａ、２１ｂは、絶縁粉末２２の中で固く固定されている。
【００１８】
そして、サーミスタ１０には例えばステンレス性の金属キャップ（保護ケース）３０が被せられている。金属キャップ３０は、一端側が開口し他端側が閉塞された有底円筒管形状をなし、シース外筒２３の外周面と重なり合ったラップ部にて、レーザ溶接等で円周溶接されている。従って、排ガスが金属キャップ３０内部に侵入するのを防止できるため、収納されたサーミスタ１０は、排ガスに直にさらされることなく、排ガス中の有害物質（イオウ等）による異常な腐食及び断線を防止できる。
【００１９】
ところで、本実施形態では、素子部１１及び電極線１２と金属キャップ３０との間、さらに白金線１２ａと白金線１２ｂとの間に、セラミック系繊維で成形された成形体としての保護材４０が配置されており、この保護材４０は高温（例えば約１０００℃以上）で絶縁性かつ柔軟性を有する。そして、このサーミスタ１０の周囲に配された保護材４０によって、金属キャップ３０内でサーミスタ１０が車両振動等の外部振動によって踊るのを抑制し、サーミスタ１０の破壊を防止するようになっている。
【００２０】
特に、最近では、自動車排気ガスの規制強化により、各種制御システムに用いられる温度センサには、高応答化、高精度化が要求され、温度センサ素子（センサ感温部）の細径化が必要となっており、サーミスタ素子の小型化に伴う白金電極線の細径化が要求されるようになっている。
従って、従来では、白金電極線が金属キャップとサーミスタとの間が空間でも耐振上の問題がない程度の太さ（例えばφ０．５ｍｍ以上）であったが、本実施形態の電極線１２のように細い白金線（例えばφ０．３ｍｍ位）を用いるタイプでは、特に電極線１２の断線が問題となるが、上記保護材４０によって防止できる。
【００２１】
ここで、保護材４０を、高温で絶縁性かつ柔軟性を有するセラミック系繊維で構成された成形体とした根拠について述べる。
サーミスタ１０の収納部構造は、排気温センサに用いられる温度センサ素子１００の過酷な使用環境を考慮して、高温（例えば約１０００℃以上）且つ大きな振動（例えば２９４ｍ／ｓ2 位）にも耐えるように工夫することが望ましい。また上述のように、粉末、泥状で充填する充填材及び碍子管には、組付性または耐振性の問題がある。本発明者等は、これら問題及び上記使用環境をクリアすべく、サーミスタを振動から保護する保護材について検討を行った結果、次の必要条件を満足するものが適すると考えた。
【００２２】
▲１▼硬さ：例えば石綿状にセラミックファイバーを厚地に編んだもので、弾力性があること、即ち、厚さ方向に一時的に圧縮しても復元するものであること。
▲２▼耐熱性及び絶縁性：１０００℃まで硬化せず、高温での絶縁性も低下しないこと。例えば、９００℃で１００ｋΩ以上の高温絶縁性を有すること。
▲３▼成形性：出来るだけサーミスタの周囲空間の形状に合わせた形に成形できること。
【００２３】
これら３点を併せ持つものとして、例えば、高温（例えば１０００℃以上）で絶縁性があるＡｌ2 Ｏ3 −ＳｉＯ2 のセラミックファィバーを密度６０〜４００ｋｇ／ｍ3 に集合させた成形体（バルクファイバー）としたものが好ましい。
より具体的には、ニチアス株式会社製の超高温用無機繊維断熱材であるセラミックファイバー「ファインフレックス」、アルミナファィバーである「ルビール」、アルミナ質長繊維である「ルビロン」（以上、「」内は商品名）がある。
【００２４】
これらは、シート状だけでなく、成形体としての加工も可能な為、後述の製造方法にて述べるように、金属キャップ３０内のサーミスタ１０周囲の空間形状に合わせた形状とすることができる。そのため、組付性も良く、サーミスタ１０の振動をサポートする効果も十分発揮できる。
次に、上記構成に基づき、本実施形態に係る温度センサ素子の製造方法について、図２を参照して述べる。図２は本実施形態に係る温度センサ素子の製造方法の一例を示す図である。
【００２５】
まず、Ｃｒ−Ｍｎ−Ｙ系セラミック半導体からなる円柱体に一対の白金線１２ａ、１２ｂを埋設成形した後、焼成及び焼成収縮することにより、電極線１２が素子部１１に焼ばめ固定されたサーミスタ１０を形成する。次に、サーミスタ１０の電極線１２とシースピン２０の芯線２１ａ、２１ｂとを溶接して、両者を電気的に接続する（図２（ａ）の状態）。
【００２６】
ここで、上記保護材４０としてのセラミック系繊維からなる有底円筒状に成形された素材体４０１、及び一対の白金線１２ａ、１２ｂの間に挟むことが可能な形状に成形された素材体４０２を用意しておく（図２（ｂ）参照）。
そして、シースピン２０と接続されたサーミスタ１０に、素子部１１側から素材体４０１を被せるとともに、一対の白金線１２ａ、１２ｂの間に素材体４０２を挟む。続いて、サーミスタ１０側から金属キャップ３０を被せ、シースピン２０のシース外筒２３の外周面と重なり合ったラップ部にて、レーザ溶接等で円周溶接する（図２（ｃ）参照）。なお、図２（ｃ）では、各素材体４０１、４０２とサーミスタ１０との間に隙間があるように記されているが、実際は、各素材体の弾力性によって図１に示す様にほぼ隙間無く充填される。
【００２７】
こうして、温度センサ素子１００が完成する。この後、温度センサ素子１００は、上述のように、シースピン２０の他端側からリードワイヤ等につながれ、例えば車両のＥＣＵ等の制御回路（図示せず）に導かれる。
ところで、本実施形態によれば、保護材４０は、高温（例えば約１０００℃以上）で絶縁性かつ柔軟性を持つため、金属キャップ３０とサーミスタ１０との絶縁を確保しつつ外部振動（車両振動等）からサーミスタ１０の破壊、特に電極線１２の断線を防止することができる。さらに、一対の白金線１２ａ、１２ｂ間に保護材４０の一部である素材体４０２が配置されているから、より高いレベルで電極線１２の断線を防止することができる。
【００２８】
また、本実施形態では、保護材４０は成形体であり、粉末や泥状のものに比べて取扱いが簡単である上、サーミスタ１０と金属キャップ３０との隙間形状に対応した形状（上記素材体４０１）を有し、サーミスタ１０に被せた後、サーミスタ１０とともに金属キャップ３０内に挿入配置できるので、サーミスタ１０の組付性が向上する。従って、耐振保護及び組付性向上の両立を図ることができる。
【００２９】
ここで、本実施形態による効果の一例を示す。本実施形態の温度センサ素子１００（保護材４０として上記「ファインフレックス」を用いたもの）、比較例として温度センサ素子１００において保護材４０のないもの（比較例１）、温度センサ素子１００において保護材４０の代わりにサーミスタ１０に碍子管を被せたもの（比較例２）、以上３種類のサンプルについて加熱振動テストを実施した。
【００３０】
ここで、テスト条件は次の通りである。加熱温度は８５０℃、振動の大きさは４９ｍ／ｓ2 毎に段階的に大きく（ステップアップ）し、各振動のステップ毎に保持時間は各２０Ｈｒ、各ｎ＝４とした。
また、温度センサ素子１００の保護材４０に用いた上記「ファインフレックス」は、シリカアルミナ系の耐熱繊維を集合させ綿状を成したもので、柔軟性と耐熱衝撃性に優れている。その特性は、充填密度：６０〜２５０ｋｇ／ｍ3 、真比重：２．６〜２．８、最高使用温度：１３００℃以上である。
【００３１】
この加熱振動テストの結果、サーミスタ１０と金属キャップ３０との間が空間である比較例１は、１９６ｍ／ｓ2 で断線、サーミスタ１０外周に碍子管を被せた比較例２は、２９４ｍ／ｓ2 で断線、本実施形態の温度センサ素子１００は、２９４ｍ／ｓ2 で異常なしであった。このように、本実施形態では十分な耐振保護が図れる。
【００３２】
また、上記「ルビロン」のように繊維自体をスリーブ状に加工されたものを硬い碍子管の代わりに用いても、サーミスタの振動を吸収し軟らげる効果がある。ここで上記「ルビロン」の主な品質特性を記しておく。最高使用温度：１４００℃、加熱吸収率：１％（最大値）（１４００℃×１２Ｈｒ加熱後）、化学成分：Ａｌ2 Ｏ3 −ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 、密度：３．０ｇ／ｃｍ3 。
【００３３】
なお、保護材４０の形状は上記形状に限定されるものではなく、例えば上記バルクファイバーに少量有機バインダを加えシート状（紙状）等に加工した成形体を保護材４０として用いてもよい。この場合、サーミスタ１０周りにシート状の成形体を巻き付けて装着すればよい。また、その他のサーミスタ１０及び金属キャップ３０等の形状等についても適宜変更してよいことは勿論である。
【００３４】
以上、本実施形態（ラジアル型）について述べてきたが、本発明はサーミスタ素子のタイプに限定されるものではなく、例えば、アキシャル型サーミスタ素子であってもよい。
つまり、本発明は、高温で絶縁性かつ柔軟性を有するセラミック系繊維で構成されサーミスタ素子と保護ケースとの隙間形状に対応した形状の成形体を用いて、両者間にこれを配置することにより、耐振保護及び組付性向上の両立を図るものであり、サーミスタ素子を保護ケース内部に収納してなる温度センサ素子に共通して適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る温度センサ素子の一部切欠断面図である。
【図２】上記実施形態に係る温度センサ素子の製造方法の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０…サーミスタ、３０…金属キャップ、４０…保護材。
【図１】
0003800798.tif 000002
【図２】
0003800798.tif 000003