JP3826099B2 - 温度センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属酸化物などの半導体からなるサーミスタや金属抵抗体等を感温素子として備える温度センサに関する。更に詳しくは、自動車の排気ガス浄化装置の触媒コンバータ内部や排気管内等といった被測定流体（例えば排気ガス）が流通する流通路内に素子を配置し、被測定流体の温度検出を行う温度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、排気管（流通管）に装着され、排気ガス通路（流通路）内を流れる排気ガス（被測定流体）の温度を感温素子であるサーミスタ素子によって検出する温度センサ、いわゆる排気温センサが知られている。そして、この種の温度センサとして、サーミスタ素子を収納した金属チューブをフランジに固定した構造の温度センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２６６６０９号公報（第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような金属チューブを備える温度センサでは、通常、金属管の先端部をカーリングした後、中心部に残る孔を溶接により塞いで形成した底壁部を有する金属チューブが使用される。しかし、金属チューブの底壁部を上述のように溶接により塞いで形成したのでは、溶接部自身がその他の金属チューブ（管壁）の厚さよりも厚くなってしまう。一方、通常の温度センサでは、排気管内の排気ガス温度を精度良く検出すべく、サーミスタ素子を金属チューブの底壁部側に近付けて配置させる構造が採用される。そのために、上述した金属チューブを備える温度センサでは、サーミスタ素子近傍に位置する溶接部（底壁部）の肉厚が他の部分の肉厚よりも厚いことに起因して、サーミスタ素子近傍に位置する金属チューブ先端側の受熱に偏りを生じ易く、センサ自身の応答性が低下して温度測定精度の低下を招くことがあった。
【０００５】
また、金属チューブの底壁部に上記溶接部が存在する場合には、温度センサ自体を排気管に装着したときに、上記溶接部が排気ガス流通路内といった高温（２００〜１０００℃程度）環境下に直接晒されるため、長期間の使用に伴い酸化してしまうことがある。そして、この溶接部の外面はもとより内面までが酸化されると、金属チューブ内の酸素濃度が著しく低下し、感温素子の表面が還元される等の理由で同感温素子の特性変化を生ずることに繋がる。
【０００６】
本発明は、上述した従来の問題点を解決するものであり、センサ自身の応答性に優れ、感温素子が収納された金属チューブ内部の酸素濃度の低下による当該感温素子の特性変化を抑制可能な温度センサを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
その解決手段は、内孔を有するフランジと、フランジの内孔内に圧入固定されるとともに、先端側に底壁部を有する有底筒状の金属チューブと、金属チューブの先端側内部に収納され、温度によって電気的特性が変化する感温素子とを備える温度センサであって、底壁部を含む前記金属チューブ全体が金属板の深絞り加工により形成されていると共に、固溶化熱処理がなされており、金属チューブのうちで、底壁部を含む感温素子近傍の厚さが、フランジに圧入固定されている部分の厚さよりも薄く形成されている温度センサである。
【０００８】
本発明の温度センサにおいて注目すべきことは、感温素子を収納するための金属チューブ全体が、金属板の深絞り加工により形成されていることである。
【０００９】
このように深絞り加工により底壁部を含む金属チューブ全体を形成した本発明の温度センサにおいては、底壁部に溶接部が存在しない。そのため、底壁部を含む感温素子近傍の金属チューブの厚さは、従来のように歪まず、略一定に形成される。したがって、本発明の温度センサでは、感温素子近傍に位置する金属チューブ先端側の受熱に偏りが生じ難く、センサ自身の応答性を従来に比して高めることができる。
【００１０】
また、本発明の温度センサでは、金属チューブ先端側に当該金属チューブを閉塞するための溶接部が存在しないので、温度センサ自体を被測定流体が流れる流通管に装着したときに、従来のように酸化が生じて、溶接部にて生じて感温素子の特性変化を来たすといったおそれがない。そのため、本発明の温度センサは、自動車の触媒コンバータ内部、或いは排気管内等の高温雰囲気の温度検知を行う温度センサとして好適に用いることができる。
【００１１】
深絞り加工に用いられる金属板としては、十分な強度及び耐熱性等を有しておれば特に限定されず、プレス成形加工に一般に用いられる圧延鋼板及び帯鋼等を使用することができる。また、深絞り加工に用いる金属板の材質としては、耐熱性、耐腐食性等の観点から、ステンレス鋼板またはインコネル鋼板を用いることが好ましい。
【００１３】
さらに、本発明の温度センサでは、感温素子を収納する金属チューブとフランジとを圧入により固定している。ところで、金属チューブをフランジの内孔に圧入する場合、圧入時のフランジとの間の摩擦抵抗によってチューブ自体に変形が生じないように、金属チューブの厚さを厚くしておくことが好ましい。しかし、金属チューブ全体の厚さを厚くしたのでは、サーミスタ素子近傍に位置する金属チューブ先端側の厚みまでも厚くなるため、センサ自身の応答性の向上を図る観点からは好ましいものとは言い難い。
【００１４】
そこで、本発明の温度センサでは、金属チューブのうちで底壁部を含む感温素子近傍の厚さを、フランジに圧入固定されている部分の厚さよりも薄く形成しているのである。なお、本発明においても、金属板の深絞り加工により、金属チューブ全体の肉厚を上述したように形成することができる。通常、金属板の深絞り加工は、ポンチとダイス型からなる絞り型を複数準備し、各絞り型を用いて段階的に絞りを加えていくことで行われるものであるが、その絞りを加えていく過程で、ダイス型の形状（ポンチとの間で金属板を挟む部分の形状）或いはポンチの形状（ダイス型との間で金属板を挟む部分の形状）を適宜調整しておくことで、金属チューブの上述した厚みを有する形態に調整可能である。
【００１５】
このようにして、金属チューブのうちフランジに圧入固定される部分の厚みを厚く形成することで、圧入時における当該金属チューブの変形を抑制し、さらには先端側に位置する底壁部を含む感温素子近傍の厚みを上記フランジに圧入固定される部分よりも薄く形成することで、センサ自身の応答性の向上を図ることができる。なお、「金属チューブの底壁部を含む感温素子近傍」とは、金属チューブのうちで、少なくとも底壁部を含み且つ感温素子の径方向周囲を取り囲む部分を指すものとする。また、金属チューブのうちで底壁部を含む感温素子近傍の厚さが、フランジに圧入固定されている部分の厚さよりも薄く形成される形態には、圧入固定されている部分から底壁部に向けて連続的に厚さが変化する形態も含まれる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本発明の実施形態１である温度センサ１について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の温度センサ１の構造を示す部分破断断面図である。この温度センサ１は、サーミスタ素子２を感温素子として用いたものであり、同センサ１を自動車の排気管に装着することにより、サーミスタ素子２を排気ガスが流れる排気管内に配置させて、排気ガスの温度検出に使用するものである。
【００１７】
底壁部３５を含む金属チューブ３全体は、ステンレス鋼板（具体的にはＳＵＳ３１０Ｓ鋼板）の深絞り加工により軸線方向に延びる形態で形成されており、この先端側３１の内部にサーミスタ素子２が収納される。そして、金属チューブ３の内部であってサーミスタ素子２の周囲には、セメント１０が充填されており、これにより使用時の振動等によるサーミスタ素子２の揺動が防止される。金属チューブ３の後端側３２は開放されており、この後端側３２はフランジ４に圧入固定されている。なお、本実施形態１の金属チューブ３は、上述したようにその全体が深絞り加工により形成されているものであって、厚みが全体にわたって０．３ｍｍに形成され、軸線方向における全長が６０ｍｍに形成されている。また、金属チューブ３のフランジ４に圧入固定される部分の外径、及びサーミスタ素子２の径方向周囲を取り囲む部分の外径が３．３ｍｍに形成されている。
【００１８】
フランジ４は、ステンレス合金により形成されており、軸線方向に延びる鞘部４２と、この鞘部４２の先端側に位置し、径方向外側に向かって突出する突出部４１と、軸線方向に貫通した内孔４８とを有している。突出部４１は、先端側に図示しない排気管の装着部のテーパ部に対応したテーパ形状をなす座面４５が環状に形成されており、座面４５が上記装着部のテーパ部に当接することで、排気ガスが排気管外部へ漏出するのを防止するようになっている。また、鞘部４２は環状に形成される一方、先端側に位置する先端側段部４４と先端側段部４４よりも小さい外径を有する後端側段部４３とを備える二段形状をなしている。
【００１９】
金属チューブ３は、自身の後端側３２からフランジ４の内孔４８の先端側より挿入されて、該内孔４８内に圧入固定されている。そして、金属チューブ３の外周面と、鞘部４２の後端側段部４３の内周面との重なり合う部分が、周方向にわたってレーザー溶接されている。このレーザー溶接がなされることにより、図１に示すように、鞘部４２の後端側段部４３と金属チューブ３とに跨る溶接部Ｌ１が形成され、金属チューブ３がフランジ４に対して強固に固定される。
【００２０】
フランジ４の周囲には、六角ナット部５１及びネジ部５２を有するナット５が回動自在に嵌挿されている。温度センサ１は、排気管の装着部にフランジ４の突出部４１の座面４５を当接させ、ナット５により固定される。また、フランジ４の内で鞘部４２の先端側段部４４の径方向外側には、筒状の継手６が気密状態で接合されている。具体的には、鞘部４２の先端側段部４４の外周面に継手６の内周面が重なり合うように、同継手６を鞘部４２の先端側段部４４に圧入して、継手６と先端側段部４４を周方向にわたってレーザー溶接している。このレーザー溶接がなされることにより、図１に示すように、鞘部４２の先端側段部４４と継手６とに跨る溶接部Ｌ２が形成される。
【００２１】
金属チューブ３、フランジ４及び継手６の内部には、一対の金属芯線７を内包するシース部材８が配置される。金属チューブ３の内部においてシース部材８の先端側から突出する金属芯線７には、サーミスタ素子２がＰｔ／Ｒｈ合金線９を介して接続される。この合金線９は、サーミスタ素子２と同時に焼成されるものである。合金線９及び金属芯線７は互いに抵抗溶接される。尚、シース部材８は、詳細は図示しないが、ＳＵＳ３１０Ｓからなる金属製の外筒と、ＳＵＳ３１０Ｓ等からなる導電性の一対の金属芯線７と、外筒と各金属芯線７の間を絶縁し、金属芯線７を保持する絶縁粉末とから構成される。
【００２２】
継手６の内部にてシース部材８の後端側へ突き出す金属芯線７は、加締め端子１１を介して一対の外部回路（例えば車両のＥＣＵ等）接続用のリード線１２が接続される。一対の金属芯線７及び一対の加締め端子１１は、絶縁チューブ１５により互いに絶縁される。リード線１２は、ステンレス合金製の導線を絶縁性の被覆材にて被覆したものであり、継手６の後端側開口に備えられる耐熱ゴム製の補助リング１３に挿通される。そして、補助リング１３は、継手６の上から丸加締め或いは多角加締めされることにより、両者１３、６が気密性を保ちながら互いに固定される。これにより、サーミスタ素子２が、金属チューブ３、フランジ４及び継手６を金属包囲部材として形成される閉空間に収容されることになる。そして、サーミスタ素子２の出力は、シース部材８の金属芯線７からリード線１２により、図示しない外部回路に取り出され、排気ガスの温度が検出される。
【００２３】
ここで、本実施形態１の温度センサ１では、外部からリード線１２の内側の空隙を介して大気が継手６の内部に入り込むと、その大気は、継手６、金属チューブ３及びフランジ４の内部が閉空間に形成される関係上、金属チューブ３内にまで入り込むことになる。したがって、温度センサ１では、外部（リード線１２の内部）から金属チューブ３内までの通気が確保されることになり、サーミスタ素子２を収納する金属チューブ３が酸化した場合にも、同金属チューブ３内の酸素濃度の低下が抑えられ、サーミスタ素子２の特性変化を抑制することができる。
【００２４】
なお、この温度センサ１は１０００℃にも達する高温環境下で使用されるため、各々の構成部材は十分な耐熱性を有している必要がある。そのため、金属チューブ３、フランジ４及び金属芯線７は、Ｆｅを主成分とし、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｎｉ及びＣｒを含有する耐熱合金であるＳＵＳ３１０Ｓにより形成されている。また、継手６は、ＳＵＳ３０４に形成されている。
【００２５】
ついで、上述した本実施形態１の温度センサ１の製造方法について説明する。まず、ポンチとダイス型からなる絞り型を複数（例えば１５台）準備する。ついで、平らなＳＵＳ３１０Ｓ鋼板を準備し、この鋼板を第１のダイス型の所定位置にセットした上で、第１のポンチを用いて絞り加工を加える。そして、第１の絞り絞り型により絞られた鋼板を、第２の絞り型によりさらに絞り加工を加える。これを第３の絞り型以降においても順に繰り返していき、最終的に肉厚が略一定の有底筒状の金属チューブ３を形成する。なお、ＳＵＳ３１０Ｓ鋼板の深絞り加工を行うにあたって、各絞り型のポンチとダイスの形状を、絞り後の金属チューブ全体の肉厚が略一定となるように、予め調整しておく。そして、深絞り加工後の金属チューブ３に対して、固溶化熱処理を行い、その後急冷を行うことで内部応力を除去したものを得る。また、別途ＳＵＳ３１０Ｓの金属体に対して冷間鍛造又は／及び切削加工を施し、内孔４８と、先端側段部４４と後端側段部４３とを有する二段形状をなす鞘部４２と、この鞘部４２の先端側に位置し、径方向外側に向かって突出する突出部４１とを有するフランジ４を形成する。
【００２６】
そして、フランジ４の内孔４８の先端側より金属チューブ３の後端側を挿入して、内孔４８に対して金属チューブ３を圧入固定する。この両者の圧入後、フランジ４の鞘部４２の後端側段部４３と金属チューブ３を周方向にわたってレーザー溶接する。ついで、金属チューブ３内に所定量の未固化状態のセメント１０を充填し、シース部材８の金属芯線７の先端部とサーミスタ素子２の電極とを接続した組立体を、サーミスタ素子２側から該金属チューブ３の内部に挿入する。その後、セメント１０を固化させる。ついで、公知の手法により、加締め端子１１を用いてシース部材８の金属芯線７の後端部とリード線１２とを接続する。その後、筒状の継手６を、鞘部４２の先端側段部４４の径方向外側に圧入して、継手６と先端側段部４４を周方向にわたってレーザー溶接する。そして、補助リング１３やナット５等を適宜組み付ける。このようにして、温度センサ１が完成する。
【００２７】
以上に説明したように、本実施形態１の温度センサ１では、底壁部３５を含む金属チューブ３全体が、ＳＵＳ３１０Ｓ鋼板の深絞り加工により形成されている。このため、従来のように底壁部を形成するにあたって溶接部を形成する必要はなく、底壁部３５を含むサーミスタ素子２の径方向周囲を取り囲む部分はもとより、金属チューブ３の全長にわたって肉厚を略一定に形成することができる。したがって、本実施の形態の温度センサ１では、サーミスタ素子２近傍に位置する金属チューブ３の先端側３１の受熱に偏りが生じ難く、センサ自身の応答性を従来に比して高めることができる。また、金属チューブ３の底壁部３５に酸化しやすい溶接部を有しないため、耐久性、信頼性に優れた温度センサ１とすることができる。
【００２８】
（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２の温度センサ１００について、図面を参照しつつ説明する。尚、本実施形態２の温度センサ１００は、実施形態１の温度センサ１と比較して、金属チューブ３の形状が異なるものであり、その他の部分については略同様である。したがって、実施形態１と異なる部分を中心に説明し、同様な部分については、説明を省略または簡略化する。
【００２９】
まず、温度センサ１００の構造を示す部分破断断面図を図２に、図２に示す温度センサ１００の要部である金属チューブの先端側１３１を拡大した断面図を図３に示す。上述した実施形態１の温度センサ１では、深絞り加工により形成される金属チューブ３の肉厚を、全体にわたって略一定に形成していた。これに対し、本実施形態２の温度センサ１００では、底壁部１３５を含む金属チューブ１３０全体を、同様に金属板（具体的にはＳＵＳ３１０Ｓ鋼板）の深絞り加工により形成するが、底壁部１３５を含むサーミスタ素子２近傍の厚さがフランジ４に圧入固定される部分の厚さよりも薄くなるよう形成している。具体的には、フランジ４の内孔４８に圧入固定される部分の厚さが０．３ｍｍ、サーミスタ素子２の径方向周囲を取り囲む部分から底壁部１３５にかけての厚さが０．２ｍｍに形成されている。なお、金属チューブ１３０のうちで、圧入固定される部分とサーミスタ素子２の径方向周囲を取り囲む部分との間は、肉厚が連続的に薄くなるように形成されている。また、この金属チューブ１３０では、軸線方向における全長が６０ｍｍに形成されると共に、金属チューブ３のフランジ４に圧入固定される部分の外径が３．３ｍｍ、サーミスタ素子２の径方向周囲を取り囲む部分の外径が３．１ｍｍに形成されている。
【００３０】
本実施形態２の金属チューブ１３０においても、ポンチとダイス型からなる絞り型を複数（例えば１５台）準備し、ＳＵＳ３１０Ｓ鋼板に対して第１の絞り型、第２絞り型といった順に絞りを段階的に加えていくことで形成される。但し、本実施形態２では、この深絞り加工を行う際に、絞り後の金属チューブ１３０において底壁部１３５を含むサーミスタ素子２近傍の厚さがフランジ４に圧入固定される部分の厚さよりも薄くなるように、各絞り型のポンチとダイス型の形状を予め調整しておく。このようにして、深絞り加工により、上述した肉厚の分布を有する有底筒状の金属チューブ１３０を得ることができる。なお、本実施形態２においても、金属チューブ１３０の内部応力を除去するために、深絞り加工後の金属チューブ１３０に対し固溶化熱処理を行い、その後急冷を行っている。
【００３１】
この実施形態２の温度センサ１００では、金属チューブ１３０のフランジ４に圧入固定される部分の厚みを厚く形成することで、圧入時における金属チューブ１３０の変形を抑制することができる。その一方で、金属チューブ１３０の先端側１３１に位置するサーミスタ素子２近傍（底壁部１３５含む）の厚みについては、上記フランジ４に圧入固定される部分よりも薄く形成したので、センサ自身の応答性の向上を図ることができる。
【００３２】
以上において、本発明を実施の形態に即して説明したが、本発明は上述した具体的な実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。例えば、実施形態１及び２において深絞り加工後の金属チューブ３、１３０に対して、狙いとする肉厚が変化しない範囲で適宜表面加工を施しても良い。また、実施形態１及び２の温度センサ１、１００は、排気温センサのみならず、被測定流体として水や油等の液体が流れる流通路に取り付けられる温度センサにも適用可能である。
【００３３】
（実験例）
本発明の効果を調べるために、以下の実験を行った。まず、上述したＳＵＳ３１０Ｓ鋼板の深絞り加工により形成された金属チューブ３、１３０を備える実施形態１及び２の温度センサ１、１００を各５本ずつ準備すると共に、比較例として、底壁部を従来のようにカーリングした後に溶接により形成した金属チューブ（ＳＵＳ３１０Ｓ製）を、実施形態１の温度センサ１の金属チューブ３と取り替えた温度センサを５本準備した。なお、実施形態１及び２の温度センサ１、１００における金属チューブ３、１３０の肉厚は上述した通りである。また、比較例の温度センサにおける金属チューブの肉厚は、先端側に位置する溶接部の最大厚さを０．５ｍｍとし、その他の部分を０．３ｍｍとした。
【００３４】
そして、各温度センサの応答性を評価した。なお、応答性の評価にあたっては、温度６００℃で流速２０ｍ／ｓｅｃの気相中に、フランジよりも先端側に位置する金属チューブの部分（いわゆる感熱部）を室温から投入したときに、センサ検知温度（センサ出力電圧を温度換算した値）が室温（２５℃）から飽和温度（６００℃）の６３％変化温度に到達するまでの時間を計測することで評価した。その結果を表１に示す。
【００３５】
【表１】

【００３６】
表１の結果より、ＳＵＳ３１０Ｓ鋼板の深絞り加工により形成された金属チューブ３、１３０を備える実施形態１及び２の温度センサ１、１００では、応答時間の平均が比較例よりも短く、応答性に優れることが分かる。また、応答性のばらつきについても、実施形態１及び２の温度センサ１、１００では３σで０．４０以下であり、比較例の温度センサにおける０．９３に比較して小さいことが分かる。
【図面の簡単な説明】
【図１】底壁部を含む金属チューブ全体を金属板の深絞り加工により形成してなる温度センサの一実施例を示す部分破断断面図である。
【図２】底壁部を含む金属チューブ全体を金属板の深絞り加工により形成してなる温度センサの別実施例を示す部分破断断面図である。
【図３】図２に示す温度センサの要部である金属チューブの先端側を拡大した断面図である。
【符号の説明】
１、１００・・・温度センサ、２・・・サーミスタ素子（感温素子）、３、１３０・・・金属チューブ、３５、１３５・・・底壁部、４・・・フランジ、４８・・・内孔、５・・・ナット、６・・・継手、７・・・金属芯線、８・・・シース部材、１０・・・セメント、１２・・・リード線

Claims (1)

1. 内孔を有するフランジと、前記フランジの前記内孔内に圧入固定されるとともに、先端側に底壁部を有する有底筒状の金属チューブと、前記金属チューブの先端側内部に収納され、温度によって電気的特性が変化する感温素子とを備える温度センサであって、
   前記底壁部を含む前記金属チューブ全体が金属板の深絞り加工により形成されていると共に、固溶化熱処理がなされており、前記金属チューブのうちで、前記底壁部を含む前記感温素子近傍の厚さが、前記フランジに圧入固定されている部分の厚さよりも薄く形成されていることを特徴とする温度センサ。

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