JP2009099662A

JP2009099662A - High-temperature sensor

Info

Publication number: JP2009099662A
Application number: JP2007267731A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Yamamura; 友宏山村
Original assignee: OIZUMI SEISAKUSHO KK; Ohizumi Mfg Co Ltd
Current assignee: OIZUMI SEISAKUSHO KK; Ohizumi Mfg Co Ltd
Priority date: 2007-10-15
Filing date: 2007-10-15
Publication date: 2009-05-07

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the cost of a high-temperature sensor. <P>SOLUTION: The high-temperature sensor has a combination of a thermistor element assembly 1, lead wires 3, an insulator 4, and a sheath 7. The thermistor element assembly is a chip type element having electrodes 2 formed on both surfaces, the lead wires 3 are welded to surfaces of the electrodes 2, and surfaces including weld zones of the lead wires 3 are coated with an inorganic coat material. The lead wires 3 are heat-resisting wires selected between iron/chromium-based and stainless-steel-based wires, and are inserted into the insulator 4. The insulator 4 is a two-hole tube made of alumina, and serves as a holder for the sensor to isolate the lead wires 3 and 3 from each other. The sheath 7 covers the thermistor element assembly 1 and is inserted into the insulator 4. The gap between the coating of thermistor element assembly 1 and the sheath 7, and the gap between the sheath 7 and insulator 4, are filled with solidified materials of an inorganic filler 6, respectively. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、本発明は、少なくとも１０００℃までの高温下においても安定した電気的特性を維持しうる温度センサ、特にＮＴＣサーミスタセンサに関する。 The present invention relates to a temperature sensor, particularly an NTC thermistor sensor, which can maintain stable electrical characteristics even at high temperatures up to at least 1000 ° C.

１０００℃の高温域までの温度範囲にわたって温度検知が可能な温度センサの利用分野が広いことから、従来よりサーミスタ素体材料や電極材料の開発が種々行われてきた。特許文献１には、高温用センサ素体材料として（Ｍｎ・Ｃｒ）Ｏ_４スピネルの粉末と、ＹＯ_３の粉末との混合原料粉末を加熱焼成して両者を反応させ、（ＭｎｘＣｒｙ）Ｏ_４スピネル（０＜ｘ、ｙ＜＝２、ｘ＋ｙ＝３）とＹ（Ｃｒ＋Ｍｎ）Ｏ_４ペロブスカイトとを用いたサーミスタが記載されている。 Since the field of application of temperature sensors capable of detecting temperature over a temperature range up to a high temperature range of 1000 ° C. is wide, various thermistor body materials and electrode materials have been developed conventionally. In Patent Document 1, as a high-temperature sensor element material, a mixed raw material powder of (Mn · Cr) O ₄ spinel powder and YO ₃ powder is heated and fired to react both, and (MnxCry) O ₄ spinel. A thermistor using (0 <x, y <= 2, x + y = 3) and Y (Cr + Mn) O ₄ perovskite is described.

電極材料に関しては、１０００℃の高温に耐えられるものであれば、必ずしも限定されるものではないが、従来の高温用センサでは、ほとんどのものについて、特許文献２にも視られるように高価なＰｔ（白金）が使用されていた。また、サーミスタ素体の電極から引き出すリード線にも耐熱性を必要とすることから、やはり高価なＰｔ合金線（Ｐｔ／Ｒｈ、Ｐｔ／Ｉｒ線）が使用されていた。 The electrode material is not necessarily limited as long as it can withstand a high temperature of 1000 ° C., but most conventional high-temperature sensors are expensive Pt as seen in Patent Document 2. (Platinum) was used. In addition, since lead wires drawn from the electrodes of the thermistor body also need heat resistance, expensive Pt alloy wires (Pt / Rh, Pt / Ir wires) have also been used.

ところで、高温用センサを実現するためには、素体チップ、電極、リード線の材料だけでなく、温度センサのホルダについても当然１０００℃の高温に耐える耐熱構造でなければならない。従来、温度センサのホルダには、特許文献３のようにＭＩケーブルが用いられ、素体チップを封入したキャップをＭＩケーブルに溶接することによってセンサのホルダを組立てていた。 By the way, in order to realize a high-temperature sensor, not only the material of the element chip, electrode, and lead wire, but also the holder of the temperature sensor must naturally have a heat resistant structure that can withstand a high temperature of 1000 ° C. Conventionally, as a temperature sensor holder, an MI cable is used as in Patent Document 3, and a sensor holder is assembled by welding a cap enclosing an element chip to the MI cable.

ＭＩケーブルは、周知のように主としてシース熱電対に用いられていたケーブルであり、金属保護管（２穴管）中に、金属心線と無機絶縁材（高純度のマグネシア、ベリリア、シリカ、アルミナ等）を充填し、一体化されたものである。 As is well known, the MI cable is a cable mainly used for a sheathed thermocouple. In a metal protective tube (2-hole tube), a metal core wire and an inorganic insulating material (high-purity magnesia, beryllia, silica, alumina) are used. Etc.) and are integrated.

市販のＭＩケーブルは直径約２ｍｍの太さのため、冷間で引落し減径加工を行ない、固溶化熱処理される。極細のシース熱電対では、外径０．１ｍｍのものが製造可能であるとされている。ＭＩケーブルの金属心線がニクロム線の場合には、シースヒータケーブルとなり、また、金属心線に耐熱線を用いることによって高温用センサのホルダに利用していたのである。 Since a commercially available MI cable has a thickness of about 2 mm in diameter, it is cold-drawn and subjected to a diameter reduction process, followed by a solution heat treatment. It is said that an ultra-thin sheath thermocouple having an outer diameter of 0.1 mm can be manufactured. When the metal core wire of the MI cable is a nichrome wire, it becomes a sheathed heater cable, and by using a heat-resistant wire as the metal core wire, it is used as a holder for a high temperature sensor.

ところが、ＭＩケーブルは高価であり、所望の太さのセンサホルダに組立てるには、金属心線を挿し込んだ２穴管を所望の太さに圧延するといった厄介な処理工程が必要であり、製造コストが高くつくという問題がある。
特開平１０−７００１１特開２００５−２９４６５３特開２００６−９０７４６ However, the MI cable is expensive, and in order to assemble the sensor holder with a desired thickness, a troublesome processing step such as rolling the 2-hole tube into which the metal core wire is inserted to the desired thickness is required. There is a problem that the cost is high.
JP 10-70011 A JP 2005-294653 A JP 2006-90746 A

解決しようとする問題点は、温度センサのホルダにＭＩケーブルを使用するときには、加工に多くの工数を要し、製品のコスト高になるという点である。 The problem to be solved is that when an MI cable is used for the holder of the temperature sensor, a lot of man-hours are required for processing, resulting in an increase in the cost of the product.

本発明は、高価なＭＩケーブルやＰｔ合金線を用いることなく、１０００℃までの高温環境下での使用が可能としたことを最も主要な特徴とする。 The main feature of the present invention is that it can be used in a high temperature environment up to 1000 ° C. without using expensive MI cables or Pt alloy wires.

本発明による温度センサは、リード線に鉄・クロム系及びステンレス系の何れかから選ばれた耐熱性を有する線を用い、ホルダには、アルミナ製の２穴管の絶縁碍子を用い、しかもリード線はサーミスタ素体は、電極に溶接するため、加工、組立は容易であり、高価なＭＩケーブルやＰｔ合金線を用いる従来の温度センサに比べて製造コストは大幅に低減できるという利点がある。 The temperature sensor according to the present invention uses a heat-resistant wire selected from iron, chromium, and stainless steel for the lead wire, and uses a 2-hole insulator made of alumina for the holder, and the lead Since the thermistor body of the wire is welded to the electrode, it is easy to process and assemble, and has the advantage that the manufacturing cost can be greatly reduced compared to the conventional temperature sensor using an expensive MI cable or Pt alloy wire.

１０００℃までの環境下で使用するという目的を高価なＭＩケーブルやＰｔ合金線を用いることなく、しかも簡単な構造によって実現した。 The purpose of using in an environment up to 1000 ° C. has been realized with a simple structure without using expensive MI cables or Pt alloy wires.

以下に本発明による高温用センサの実施例を図によって説明する。図１（ｂ）において、本発明による高温用センサは、サーミスタ素体１と、リード線３，３と、絶縁碍子４と、鞘７との組合せからなっている。サーミスタ素体１は、両面に電極２，２が形成されたチップ型の素子であり、各電極面２にはそれぞれリード線３がレーザ溶接され、リード線３の溶接部分を含んで表面が無機コート５にてコートされている。 Embodiments of the high-temperature sensor according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In FIG. 1B, the high-temperature sensor according to the present invention includes a combination of a thermistor body 1, lead wires 3 and 3, an insulator 4 and a sheath 7. The thermistor body 1 is a chip-type element in which electrodes 2 and 2 are formed on both surfaces. Lead wires 3 are laser-welded to the electrode surfaces 2 and the surface including the welded portion of the lead wires 3 is inorganic. Coated with coat 5.

リード線３は、耐熱性を有する線であり、この実施例においては、耐熱性を有する鉄・クロム系の線を用いたが、鉄・クロム系の線に限らず、耐熱性を有するステンレス系の線を用いることができる。リード線３は、サーミスタ素体の各電極から平行に伸びて絶縁碍子４に挿し込まれている。絶縁碍子４は、アルミナ製の２穴管であり、センサのホルダとして前記サーミスタ素体１から伸びる２本のリード線３，３を各穴内に受け入れて両リード線３，３互いに隔離するものである。 The lead wire 3 is a wire having heat resistance. In this embodiment, the iron / chromium wire having heat resistance is used. However, the lead wire 3 is not limited to the iron / chromium wire, and the heat resistant stainless steel wire. Can be used. The lead wire 3 extends in parallel from each electrode of the thermistor body and is inserted into the insulator 4. The insulator 4 is a two-hole tube made of alumina, and receives two lead wires 3, 3 extending from the thermistor element body 1 as a sensor holder in each hole and isolates the lead wires 3, 3 from each other. is there.

鞘７は、砲弾型のステンレスキャップであり、サーミスタ素体１を覆い、前記絶縁碍子４に挿し込まれる。なお、サーミスタ素体１の無機コート５と鞘７との間に形成される隙間及び鞘７と絶縁碍子４との間の隙間は絶縁無機材料６の固化物で埋められる。 The sheath 7 is a shell type stainless steel cap, covers the thermistor body 1 and is inserted into the insulator 4. The gap formed between the inorganic coat 5 and the sheath 7 of the thermistor body 1 and the gap between the sheath 7 and the insulator 4 are filled with a solidified material of the insulating inorganic material 6.

この実施例に用いたサーミスタ素体は、Ｙ／Ｃｒ／Ｍｎの３成分系のサーミスタ組成物であるが、Ｙ／Ｃｒ／Ｍｎの３成分系のサーミスタ組成物の粉末に、さらに添加物として定量のＣａとＡｌとを加えて焼成したものを用いることが望ましい。たとえば、ＣａとＡｌとの添加量をいずれも２モルに設定し、Ｙ／Ｃｒ／Ｍｎの３成分系組成物の構成比をＹ：８０モルに対し、Ｃｒ：８〜１０モル、Ｍｎ：１０〜１２モルの範囲でその配合割合を設定し、その配合物を仮焼きし、さらにその粉砕物を１６００℃で１時間焼成することによって得られたサーミスタ素体について、１０００℃で３０分間放置した後、△Ｒ２５０℃の状態に保持したときには、その抵抗変化率は０〜−３％の範囲に抑えられることが実験によって確かめられている。 The thermistor body used in this example is a ternary thermistor composition of Y / Cr / Mn, but is further quantified as an additive to the powder of the ternary thermistor composition of Y / Cr / Mn. It is desirable to use a product obtained by adding Ca and Al and baking. For example, the addition amount of Ca and Al is both set to 2 mol, and the composition ratio of the ternary composition of Y / Cr / Mn is 8:10 mol for Cr: 8-10 mol, Mn: 10 The thermistor body obtained by setting the blending ratio in a range of ˜12 mol, calcining the blend, and further firing the pulverized product at 1600 ° C. for 1 hour was left at 1000 ° C. for 30 minutes. Later, it was confirmed by experiments that the rate of change in resistance can be suppressed to a range of 0 to -3% when the temperature is kept at ΔR250 ° C.

また、電極材料には、バインダとしてサーミスタペーストにＰｄペーストを混合して作られた電極ペーストを用い、これをサーミスタ素体のウェハの面に塗布して焼成することによって１０００℃の高温にも耐えることができ、必ずしも高価な白金を使用する必要はない。 Further, as the electrode material, an electrode paste made by mixing a thermistor paste and a Pd paste as a binder is used, and this is applied to the surface of the thermistor body wafer and fired to withstand a high temperature of 1000 ° C. It is not necessary to use expensive platinum.

次に本発明による高温用センサの組立工程を順を追って説明する。この実施例に用いたサーミスタ素体１は、高温耐熱性に優れたＹ／Ｃｒ／Ｍｎ系サーミスタチップの両面に耐熱性に優れたＰｄ電極が施されたものである。図１（ａ）において、まず、サーミスタ素体１の電極２、２の面にＦｅ／Ｃｒ系の耐熱性リード線３，３をレーザー溶接する。次に、コート材にＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３系無機コート５を用い、リード線３の一部を含んでサーミスタ素体１の表面をコートし、９５０℃の温度下に１０分間曝して無機コート５をサーミスタ素体１に焼き付けた。 Next, the assembly process of the high temperature sensor according to the present invention will be described in order. The thermistor body 1 used in this example is a Y / Cr / Mn-based thermistor chip with excellent high-temperature heat resistance provided with Pd electrodes with excellent heat resistance on both sides. In FIG. 1A, first, Fe / Cr heat-resistant lead wires 3 and 3 are laser-welded to the surfaces of the electrodes 2 and 2 of the thermistor body 1. Next, a SiO ₂ / Al ₂ O ₃ inorganic coating 5 is used as a coating material, the surface of the thermistor body 1 is coated including a part of the lead wire 3, and exposed to a temperature of 950 ° C. for 10 minutes to be inorganic The coat 5 was baked on the thermistor body 1.

一方、絶縁碍子４としてステンレス系の耐熱性２穴管（ＳＵＳ３１０Ｓ）を用意し、その一端開口から各穴内にサーミスタ素体１の各電極２，２に溶接された２本のリード線３，３を個別に挿し込み、各先端を絶縁碍子４の他端開口から引き出し、絶縁碍子４内で両リード線３，３間を互いに隔離した。 On the other hand, a stainless steel heat-resistant two-hole tube (SUS310S) is prepared as the insulator 4, and two lead wires 3, 3 welded to the electrodes 2, 2 of the thermistor element body 1 into the holes from one end opening thereof. Were inserted individually, and each tip was pulled out from the other end opening of the insulator 4, and the lead wires 3 and 3 were separated from each other in the insulator 4.

鞘７として砲弾型のステンレスキャップ（ＳＵＳ３１０Ｓ）を用意し、その鞘７内に絶縁無機材料６（ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３）を充填してコートされたサーミスタ素体１をかぶせ、絶縁碍子４の一部を鞘７内に挿し込んだ。 A shell-shaped stainless steel cap (SUS310S) is prepared as the sheath 7, and the sheath 7 is covered with the thermistor body 1 coated with the insulating inorganic material 6 (SiO ₂ / Al ₂ O ₃ ) and coated, and the insulator 4 A part of was inserted into the sheath 7.

これによって、サーミスタ素体１の無機コート５と鞘７との間に形成される隙間及び鞘７と絶縁碍子４との間に形成される隙間は、絶縁無機材料６で埋められた。次いで、この組立体を９５０℃の高温下に約１０分間曝し、絶縁無機材料６を硬化させ、本発明による高温用センサを得た。 As a result, the gap formed between the inorganic coat 5 and the sheath 7 of the thermistor body 1 and the gap formed between the sheath 7 and the insulator 4 were filled with the insulating inorganic material 6. Next, this assembly was exposed to a high temperature of 950 ° C. for about 10 minutes to cure the insulating inorganic material 6 to obtain a high-temperature sensor according to the present invention.

次に上記一連の処理によって得られた高温用センサについて、以下の要領で耐熱試験を行った。耐熱試験として、１０００℃の温度下に放置したときの抵抗変化率を測定した。測定は、上記一連の処理を得て得られた同じ構造の高温用センサ３個について行った。実験結果を図２の実験１〜３に示す。いずれの実験においても、１０００℃の高温下に１０００時間放置した状態抵抗変化率の大きさは、最大−２％の範囲内に抑えられ、しかも実験結果では、１０００時間を経過後においては、誤差の大きさが改善される傾向が見られた。 Next, the high temperature sensor obtained by the above series of treatments was subjected to a heat resistance test in the following manner. As a heat resistance test, the rate of change in resistance when measured at a temperature of 1000 ° C. was measured. The measurement was performed on three high-temperature sensors having the same structure obtained by obtaining the above series of processes. Experimental results are shown in Experiments 1 to 3 in FIG. In any of the experiments, the state resistance change rate after being allowed to stand at a high temperature of 1000 ° C. for 1000 hours is suppressed to a maximum of −2%, and the experimental results show that an error occurs after 1000 hours. There was a tendency for the size of the to improve.

本発明によれば、１０００℃の高温下に１０００時間放置した状態での抵抗変化率の大きさが最大−２％の範囲内に収められることから、少なくとも、１０００℃までの高温条件の下で使用できることが立証された。 According to the present invention, since the magnitude of the resistance change rate when left at a high temperature of 1000 ° C. for 1000 hours is within the range of −2% at the maximum, at least under a high temperature condition up to 1000 ° C. It was proved that it can be used.

本発明は、特に高温使用時における抵抗変化率が小さく、安定性に優れるため、特に長時間高温に曝される条件、例えば自動車用排気ガス温度測定のほか、ガス給湯器、ボイラ、ストーブ等の火炎温度の測定、オープンレンジ内の温度センサなどとして広く活用できる。 The present invention has a particularly low resistance change rate at high temperature use and excellent stability, so that it is particularly exposed to high temperatures for a long time, such as measurement of exhaust gas temperature for automobiles, gas water heaters, boilers, stoves, etc. Can be widely used as a flame temperature measurement, temperature sensor in open range, etc.

（ａ）は、本発明による高温用センサの組立途中の状態を示す図、（ｂ）は組立てられたセンサの断面図である。(A) is a figure which shows the state in the middle of the assembly of the high temperature sensor by this invention, (b) is sectional drawing of the assembled sensor. 実施例に得られた高温用センサの抵抗変化率−温度特性図である。It is a resistance change rate-temperature characteristic figure of the sensor for high temperature obtained in the Example.

符号の説明Explanation of symbols

１サーミスタ素体
２電極
３リード線
４絶縁碍子
５無機コート
６絶縁無機材料
７鞘 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thermistor body 2 Electrode 3 Lead wire 4 Insulator 5 Inorganic coating 6 Insulating inorganic material 7 Sheath

Claims

サーミスタ素体と、リード線と、絶縁碍子と、鞘との組合せを有する高温用センサであって、
サーミスタ素体は、両面に電極が形成されたチップ型の素子であり、各電極面にはそれぞれリード線が溶接され、リード線の溶接部分を含んで表面が無機コート材にてコートされ、
リード線は、鉄・クロム系及びステンレス系の何れかから選ばれた耐熱性を有する線であり、サーミスタ素体の各電極から平行に伸びて絶縁碍子に挿し込まれ、
絶縁碍子は、アルミナ製の２穴管であり、センサのホルダとして前記サーミスタ素体から伸びる２本のリード線を各穴内に受け入れて互いに隔離するものであり、
鞘は、砲弾型のステンレスキャップであり、サーミスタ素体を覆い、前記絶縁碍子に挿し込まれたものであり、サーミスタ素体のコートと鞘間の隙間及び鞘と絶縁碍子との間の隙間は無機充填材の固化物で埋められているものであることを特徴とする高温用センサ。 A high-temperature sensor having a combination of a thermistor body, a lead wire, an insulator, and a sheath,
The thermistor body is a chip-type element in which electrodes are formed on both surfaces, and lead wires are welded to each electrode surface, and the surface including the welded portion of the lead wires is coated with an inorganic coating material,
The lead wire is a wire having heat resistance selected from any of iron, chromium and stainless steel, and extends in parallel from each electrode of the thermistor body and is inserted into an insulator.
The insulator is a two-hole tube made of alumina, and receives two lead wires extending from the thermistor element body as a sensor holder in each hole and separates them from each other.
The sheath is a shell type stainless steel cap, covers the thermistor body, and is inserted into the insulator, and the gap between the coat of the thermistor body and the sheath and between the sheath and the insulator is A high temperature sensor characterized by being filled with a solidified inorganic filler.