JP4147740B2

JP4147740B2 - 温度センサ

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Publication number: JP4147740B2
Application number: JP2000365508A
Authority: JP
Inventors: 松雄深谷; 外雄高橋
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-11-30
Filing date: 2000-11-30
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2020-11-30
Also published as: DE10158529B4; DE10158529A1; JP2002168702A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一端側から測定媒体を導入可能な筒状のケース内に、測定媒体の温度検出用の感温素子及び感温素子からの信号取出用の配線層が形成されたセラミック基板を収納し、ケースの他端側からケースに挿入されたリード線と配線層とを電気的に接続することにより、リード線を介して感温素子からの信号を外部に取り出すようにした温度センサに関し、特に、リード線と配線層との接合強度向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の温度センサとして、例えば、エンジンの排気管内の排気ガス温度を検出する排気温センサがある。この排気温センサの従来の一般的な断面構成を図５に示す。このものは、一端側に測定媒体導入用の穴部１１を有する金属製筒状のケース１０と、このケース１０内に収納され、感温素子としての白金等よりなる抵抗体２１が搭載されたセラミック基板２０とを備えている。
【０００３】
ここで、図６（ａ）は、図５中のセラミック基板２０に係る部分の詳細構成を示すもので、（ｂ）は（ａ）の上視平面構成を示す。セラミック基板２０には、印刷等により抵抗体２１が形成され、この抵抗体２１からの信号を取り出すための配線層２２が白金ペーストを用いて形成されている。さらに、配線層２２には、ケース１０の他端側から挿入されたシース配線４０のリード線４１が、金属製の端子部３００を介して電気的に接続されている。
【０００４】
また、シース配線４０のリード線４１は、ケース１０の外部にて、外部回路と連絡するための配線部材２００と端子２１０を介して電気的に接続され、当該接続部は、モールド樹脂２２０にて被覆保護されている。
【０００５】
かかる温度センサは、ケース１０の外周に保持されたネジ部材（ニッブル）７０を介して、当該ネジ部材７０よりもケース１０の一端側が上記排気管内に位置するように、排気管にネジ結合される。
【０００６】
そして、排気管内の排気ガスは、ケース１０の穴部１１から導入されて、抵抗体２１にて排気ガスの温度に応じた信号が出力される。この信号は配線層２２から、シース配線４０を介して配線部材２００から上記外部回路へ出力されるようになっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記排気温センサにおいて、リード線４１と配線層２２との接合は、図６に示す様に、リード線４１にレーザ溶接された金属製の端子部３００を介して行われている。
【０００８】
この端子部３００は、セラミック基板２０との間に配線層２２を挟み込んだ形で配線層２２にレーザ溶接されており、このレーザ溶接部３１０よりもリード線４１側には、リード線４１に加わる引っ張り応力（図５の左右方向へ加わる応力）を吸収するための応力吸収部３２０が形成されたものである。
【０００９】
しかしながら、本発明者等の検討によれば、配線層２２は白金ペーストにて形成されているため、強度的に弱く、端子部３００に応力吸収部３２０が形成されていても、上記引っ張り応力によってレーザ溶接部３１０が破損する可能性があることがわかった。
【００１０】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、ケースの一端側に、温度検出用の感温素子及び感温素子と導通する配線層が形成されたセラミック基板を収納し、ケースの他端側にてリード線の端子部と配線層とをレーザ溶接し、リード線を介して感温素子からの信号を外部に取り出すようにした温度センサにおいて、リード線に接続された端子部と配線層との接合強度を向上させることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１〜請求項４に記載の各発明は、一端側から測定媒体を導入可能な筒状のケース（１０）と、このケース内に収納されたセラミック基板（２０）と、このセラミック基板に固定されケースに導入された測定媒体の温度を検出するための感温素子（２１）と、セラミック基板に形成され感温素子と導通する配線層（２２）と、ケースの他端側からケースに挿入されるとともに感温素子からの信号を外部に取り出すために配線層と電気的に接続されたリード線（４１）とを備える温度センサにおいて、それぞれ以下の特徴を有するものである。
【００１２】
まず、請求項１に記載の温度センサにおいては、配線層（２２）に電気的に接続するためにリード線（４１）に接続された端子部（３０）を、セラミック基板（２０）との間に配線層を挟み込んだ形で配線層にレーザ溶接されたレーザ溶接部（３１）と、このレーザ溶接部よりもリード線側に位置しセラミック基板を抱え込んだ形でセラミック基板に支持される抱え部（３２）と、レーザ溶接部と抱え部との間に位置しレーザ溶接部と抱え部との間に発生する応力を吸収する応力吸収部（３３）とを備えたものとしたことを特徴としている。
【００１３】
それによれば、端子部（３０）において、共に端子部をセラミック基板（２０）に固定する役割を有するレーザ溶接部（３１）及び抱え部（３２）が、応力吸収部（３３）を介して互いに離れて位置した構成となるため、リード線（４１）に加わる引っ張り応力は、まず、リード線側に位置する抱え部にて吸収され、更に応力吸収部にて吸収され、残りがレーザ溶接部に加わる。
【００１４】
ちなみに、従来の端子部（上記図６参照）では、レーザ溶接部とリード線との間には、応力吸収部が介在するのみであるため、リード線に加わる引っ張り応力が、応力吸収部にて十分に吸収されないと、レーザ溶接部に大きな引っ張り応力が加わり、レーザ溶接部が破損する可能性がある。
【００１５】
その点、本発明の温度センサによれば、応力吸収部とリード線との間に位置する抱え部にて、上記引っ張り応力を、更に吸収することができる。よって、レーザ溶接部に伝わる引っ張り応力を極力低減することが可能となるため、結果的に、リード線に接続された端子部と配線層との接合強度を向上させることができる。
【００１６】
また、請求項２に記載の温度センサにおいては、配線層（２２）に電気的に接続するためにリード線（４１）に接続された金属製の端子部（３０）を、セラミック基板（２０）との間に配線層を挟み込んだ形で配線層にレーザ溶接し、端子部におけるレーザ溶接部（３１）を、レーザ溶接部の外周に配された無機接着剤（３５）を介して電気絶縁性の絶縁部材（３６）にて被覆したことを特徴としている。
【００１７】
それによれば、端子部（３０）におけるレーザ溶接部（３１）の外周を、無機接着剤（３５）で被覆してレーザ溶接部を補強することができるとともに、この無機接着剤を更に絶縁部材（３６）にて被覆しているため、レーザ溶接部が無機接着剤を介してケース（１０）と短絡するのを防止することができる。
【００１８】
つまり、従来の温度センサにおけるリード線に接続された端子部と配線層との接合強度が、実質的にレーザ溶接の接合力に依存していたのに対し、本発明の温度センサによれば、更に無機接着剤の補強が加わるため、当該接合強度の更なる向上が可能となる。
【００１９】
ここで、請求項３に記載の温度センサのように、レーザ溶接部（３１）を、絶縁部材（３６）を介してケース（１０）の内壁に支持するようにすれば、より接合強度を向上させることができ、好ましい。
【００２０】
また、請求項４に記載の温度センサのように、絶縁部材（３６）を、絶縁碍子よりなるものとすれば、耐高温性に優れた絶縁部材となるため、高温に適した温度センサを実現することができる。
【００２１】
また、請求項５に記載の温度センサのように、配線層（２２）としては、白金ペーストを用いて形成されたものを採用し、端子部（３０）としては、Ｎｉ合金よりなるものを採用することができる。
【００２２】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００２３】
【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。限定するものではないが、本実施形態は、本発明の温度センサを、エンジンの排気管内の排気ガス温度を検出する排気温センサに具体化したものとして説明する。なお、以下の各実施形態において、互いに同一部分には、説明の簡略化のために、図中、同一符号を付してある。
【００２４】
（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態に係る温度センサの概略断面構成を示す。また、図２は、図１中のセラミック基板２０に係る部分の詳細構成を示すもので、（ｂ）は（ａ）の上視平面構成を示す。
【００２５】
図１において、１０は、温度センサの本体を区画する筒状のケースであり、Ｎｉ（ニッケル）基合金等の耐熱性の金属よりなる。ケース１０の一端側（図中、左側）には、ケース１０の内外を連通する複数個の穴部１１が形成されており、この穴部１１から、測定媒体としての排気ガスが導入可能となっている。
【００２６】
また、ケース１０内には、ケース１０の長手方向に沿って延びる長方形状のセラミック基板２０が収納されている。このセラミック基板２０はアルミナ等よりなり、セラミック基板２０の一面のうちケース１０の一端側に対応する部位には、温度検出用の感温素子としての白金系材料等のサーミスタ材料よりなる抵抗体２１が印刷等により形成されている。なお、抵抗体２１は、ガラス等よりなる保護膜（図示せず）により被覆されている。
【００２７】
また、図２（ｂ）に示す様に、セラミック基板２０の一面には、ケース１０の他端側（図中、右側）に向かうように、白金ペースト等よりなる配線層２２が形成されている。配線層２２の一端は抵抗体２１に電気的に導通しており、他端は、ケース１０の他端側から挿入されたシース配線４０の一端側から露出するリード線４１と電気的に接続されている。
【００２８】
ここで、リード線４１は、抵抗体（感温素子）２１からの信号を外部に取り出すためのもので、配線層２２との接続端部側に、配線層２２に電気的に接続するためのＮｉ合金やステンレス等の耐熱性金属よりなる端子部（素子部端子）３０が接続されている。この端子部３０の詳細構成を図３に斜視図として示す。
【００２９】
本実施形態の端子部３０は、セラミック基板２０との間に配線層２２を挟み込んだ形で配線層２２にレーザ溶接されたレーザ溶接部３１と、このレーザ溶接部３１よりもリード線４１側に位置しセラミック基板２０を抱え込んだ形でセラミック基板２０に支持される抱え部３２と、レーザ溶接部３１と抱え部３２との間に位置し、これら両３１、３２との間に発生する応力を吸収するための応力吸収部３３とを備えたものである。
【００３０】
ここで、応力吸収部３３は、リード線４１の引っ張り応力が加わる方向（図２中の左右方向）にバネ変形可能なように、折り曲げられた形状を有している。また、端子部３０においては、レーザ溶接部３１と抱え部３２との異なる離れた２箇所にて、端子部３０のセラミック基板２０への固定がなされている。
【００３１】
つまり、レーザ溶接部３１は、配線層２２との溶融部３１ａによりセラミック基板２０に固定され、一方、抱え部３２は、抱え部３２のバネ力によりセラミック基板２０を挟み付けたり、抱え部３２をセラミック基板２０にかしめたりすることによって、セラミック基板２０に固定されている。
【００３２】
また、リード線４１と端子部３０とは、端子部３０のうち抱え部３２よりもリード線４１側の部位にてレーザ溶接やかしめ固定等により接続されている。本例では、リード線４１と端子部３０とは、図２（ｂ）に示す様に、レーザ溶接により形成されたリード線４１と端子部３０との溶融部４１ａにより、接続されている。
【００３３】
これら配線層２２、端子部３０、リード線４１の接続は、例えば、次のようにして行うことができる。配線層２２の上に、端子部３０のレーザ溶接部３１を重ね合わせるとともに、抱え部３２にてセラミック基板２０を抱え込ませることにより、セラミック基板２０に端子部３０を固定する。
【００３４】
そして、レーザ溶接部３１を配線層２２にレーザ溶接し、一方、端子部３０とリード線４１とを重ね合わせてレーザ溶接やかしめ固定を行う。各固定や溶接の順序は限定しないが、このようにして、配線層２２、端子部３０、リード線４１の接続を行うことができる。
【００３５】
また、図１に示す様に、シース配線（シースピン）４０は、その本体を区画するチューブ（シースピン保護管）４２の内部にリード線（シースピンリード線）４１を配するとともに、リード線４１とチューブ４２との隙間にマグネシア等の絶縁粉末を充填することにより、チューブ４２にリード線４１を絶縁保持してなるものである。なお、リード線４１とチューブ４２は共に、例えばＮｉ（ニッケル）基合金等の耐熱性の金属より構成することができる。
【００３６】
また、図１では示さないが、シース配線４０の他端側では、上記図５と同様に、ケース１０の外部にて、外部回路と連絡するための配線部材と端子を介して電気的に接続されるようになっている。なお、当該接続部は、上記図５と同様、モールド樹脂にて被覆保護された形としてもよい。
【００３７】
そして、図１に示す様に、セラミック基板２０はケース１０内に挿入されており、セラミック基板２０は、ケース１０とセラミック基板２０との間に介在する保持部材５０によってケース１０の内壁に保持されている。この保持部材５０は、Ｎｉ合金等の耐熱性の金属よりなる金網により構成されている。
【００３８】
この保持部材５０は、セラミック基板２０を取り囲むとともに、ケース１０の内壁に接触するように配設されている。そして、保持部材５０自身が外側に広がるように（つまり、ケース１０の内壁を押すように）、金網の弾性力が作用することにより、セラミック基板２０はケース１０に弾性的に支持される。
【００３９】
一方、セラミック基板２０の配線層２２と接続されたシース配線４０は、ケース１０の他端側にて、Ｎｉ合金等の耐熱性の金属よりなる環状のスペーサ６０を介して、ケース１０に支持固定されている。なお、ケース１０の他端側は、シース配線４０及びスペーサ６０により、封止されている。ここで、スペーサ６０は、例えば、シース配線４０とは、かしめによって固定され、ケース１０とは溶接によって固定される。
【００４０】
また、ケース１０の外周面の途中部には、当該外周面から突出するリブ１２がケース１０と一体に形成されており、このリブ１２には、温度センサを上記排気管に取り付けるためのネジ部材（ニッブル）７０が保持されている。ネジ部材７０はステンレス等の金属よりなるもので、排気管に形成された取付用のネジ部（図示せず）とネジ結合可能なネジが形成されている。
【００４１】
かかる温度センサは、例えば、次のようにして組み付けることができる。シース配線４０にスペーサ６０をかしめ固定し、シース配線４０のリード線４１とセラミック基板２０の配線層２２とを端子部３０を介して、上述した方法により接続する。
【００４２】
また、保持部材５０は、保持部材５０を構成する金網をセラミック基板２０の外周に巻き付けたり、当該金網を予めセラミック基板２０の挿入可能な穴を有する筒形状に成形した後に、この成形体にセラミック基板２０を挿入したりする等により、セラミック基板２０に取り付ける。
【００４３】
こうして、セラミック基板２０、端子部３０、シース配線４０、保持部材５０及びスペーサ６０が一体化されたものを、ケース１０の他端側から挿入し、スペーサ６０とケース１０とを溶接することにより、図１に示す温度センサが完成する。
【００４４】
このように組み付けられた温度センサは、ネジ部材７０を介して排気管にネジ結合され、当該ネジ部材７０よりもケース１０の一端側が上記排気管内に位置するように取り付けられる。ここで、ケース１０の一端側が排気管の内壁から排気管内へ突出した形となり、排気ガスは、例えば図１中の上から下へ流れる。
【００４５】
そして、温度検出は次のようにして行われる。排気管内の排気ガス（測定媒体）は、ケース１０の穴部１１から導入されて、抵抗体２１にて排気ガスの温度に応じた信号が出力される。この信号は配線層２２から、シース配線４０を介して外部へ出力されるようになっている。
【００４６】
ところで、本実施形態によれば、端子部３０において、共に端子部３０をセラミック基板２０に固定する役割を有するレーザ溶接部３１及び抱え部３２が、応力吸収部３３を介して互いに離れて位置した構成となるため、リード線４１に加わる引っ張り応力は、まず、リード線４１側に位置する抱え部３２にて吸収され、更に応力吸収部３３にて吸収され、残りがレーザ溶接部３１に加わる。
【００４７】
ちなみに、従来の端子部３００（上記図６参照）では、レーザ溶接部３１０とリード線４１との間には、応力吸収部３２０が介在するのみであるため、リード線４１に加わる引っ張り応力が、応力吸収部３２０にて十分に吸収されないと、レーザ溶接部３１０に大きな引っ張り応力が加わり、レーザ溶接部３１０が破損する可能性がある。
【００４８】
その点、本実施形態によれば、応力吸収部３３とリード線４１との間に位置する抱え部３２にて、上記引っ張り応力を、更に吸収することができる。よって、レーザ溶接部３１に伝わる上記引っ張り応力を極力低減することが可能となるため、結果的に、端子部３０と配線層２２との接合強度を向上させることができる。
【００４９】
（第２実施形態）
本第２実施形態は、上記第１実施形態において、リード線４１の端子部３０と配線層２２との接合部（信号取出接合部）の構成を変形したものであり、以下、主として上記第１実施形態との相違点について、図４を参照して説明する。図４は、本実施形態の要部を示す概略断面図である。
【００５０】
図４に示す様に、本実施形態の信号取出接合部は、配線層２２に電気的に接続するためにリード線４１に接続された金属製の端子部３０を、セラミック基板２０との間に配線層２２を挟み込んだ形で配線層２２にレーザ溶接し、端子部３０におけるレーザ溶接部３１を、レーザ溶接部３１の外周に配された無機接着剤３５を介して電気絶縁性の絶縁部材３６にて被覆したものとしている。
【００５１】
ここで、本実施形態の端子部３０は、上記第１実施形態に示した抱え部３２、応力吸収部３３は形成されておらず、レーザ溶接部３１とリード線４１との接続部（図示せず）のみで構成されたものである。また、無機接着剤３５としては、耐熱性に優れたアルミナ等よりなる接着剤を用いることが出来る。また、絶縁部材３６としては、アルミナやシリカ等よりなる絶縁碍子を用いることが出来る。
【００５２】
図示例では、絶縁部材３６は管状をなし、その外周側面がケース１０の内壁に当接して支持されており、その内周側面は、無機接着剤３５を介してレーザ溶接部３１及びセラミック基板２０に接着されている。つまり、レーザ溶接部３１は、無機接着剤３５及び絶縁部材３６を介してケース１０の内壁に支持された形となっている。
【００５３】
本実施形態の信号取出接合部は、例えば、セラミック基板２０の配線層２２と端子部３０とをレーザ溶接し、リード線４１と端子部３０とをレーザ溶接やかしめ等によって接続した後、セラミック基板２０を絶縁部材３６に挿入し、無機接着剤３５を介して接着することにより、形成可能である。その後は、上記第１実施形態同様に、組付を行い、温度センサを完成させ、排気管に取り付けて、排気ガスの温度検出が可能となっている。
【００５４】
ところで、上記第１実施形態と同様に、温度検出時等において、温度センサには、リード線４１の引っ張り応力が図４中の左右方向に沿って端子部３０に加わる。しかし、本実施形態によれば、端子部３０におけるレーザ溶接部３１の外周を、無機接着剤３５で被覆してレーザ溶接部３１を補強することができるとともに、この無機接着剤３５を更に絶縁部材３６にて被覆しているため、レーザ溶接部３１が無機接着剤３５を介してケース１０と短絡するのを防止することができる。
【００５５】
つまり、従来の温度センサ（上記図５、図６参照）における端子部３００と配線層２２との接合強度が、実質的にレーザ溶接の接合力に依存していたのに対し、本実施形態の温度センサによれば、更に無機接着剤３５の補強が加わるため、当該接合強度の更なる向上が可能となる。
【００５６】
特に、図４に示す例では、レーザ溶接部３１を、絶縁部材３６を介してケース１０の内壁に支持しているため、より接合強度を向上させることができ、好ましい。また、本例のように、絶縁部材３６を絶縁碍子よりなるものとすれば、耐高温性に優れた絶縁部材となるため、高温に適した温度センサを実現することができる。なお、絶縁部材３６は、センサの用途によっては有機絶縁物でも良い。
【００５７】
（他の実施形態）
なお、上記第１実施形態において、端子部３０のレーザ溶接部３１の外周に、図４に示す様に、無機接着剤３５及び絶縁部材３６を配設しても良い。それによれば、第１実施形態と第２実施形態とを組み合わせた構成となり、より接合強度の向上が図れる。
【００５８】
以上、本発明は、一端側から測定媒体を導入可能な筒状のケース内に、測定媒体の温度検出用の感温素子及び感温素子からの信号取出用の配線層が形成されたセラミック基板を収納し、ケースの他端側からケースに挿入されたリード線と配線層とを電気的に接続することにより、リード線を介して感温素子からの信号を外部に取り出すようにした温度センサにおいて、リード線に接続された端子部と配線層との接合構造に特徴を持たせたものであり、他の部分は適宜設計変更可能である。
【００５９】
また、本発明は、排気温センサ以外にも、例えば、エンジンの吸気温度や、その他、室内、室外の空気温度等を測定する温度センサに用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る温度センサの概略断面図である。
【図２】図１中のセラミック基板に係る部分の詳細構成を示す図である。
【図３】図１中の端子部の詳細構成を示す斜視図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る温度センサの要部を示す概略断面図である。
【図５】従来の温度センサの一般的な断面構成を示す図である。
【図６】図５中のセラミック基板に係る部分の詳細構成を示す図である。
【符号の説明】
１０…ケース、２０…セラミック基板、２１…抵抗体（感温素子）、
２２…配線層、３０…端子部、３１…レーザ溶接部、３２…抱え部、
３３…応力吸収部、３５…無機接着剤、３６…絶縁部材、４１…リード線。

Claims

一端側から測定媒体を導入可能な筒状のケース（１０）と、
このケース内に収納されたセラミック基板（２０）と、
このセラミック基板に固定され前記ケースに導入された前記測定媒体の温度を検出するための感温素子（２１）と、
前記セラミック基板に形成され前記感温素子と導通する配線層（２２）と、
前記ケースの他端側から前記ケースに挿入されるとともに、前記感温素子からの信号を外部に取り出すために前記配線層と電気的に接続されたリード線（４１）とを備える温度センサにおいて、
前記リード線には、前記配線層に電気的に接続するための金属製の端子部（３０）が接続されており、
前記端子部は、前記セラミック基板との間に前記配線層を挟み込んだ形で前記配線層にレーザ溶接されたレーザ溶接部（３１）と、
このレーザ溶接部よりも前記リード線側に位置し前記セラミック基板を抱え込んだ形で前記セラミック基板に支持される抱え部（３２）と、
前記レーザ溶接部と前記抱え部との間に位置し前記レーザ溶接部と前記抱え部との間に発生する応力を吸収する応力吸収部（３３）とを備えたものであることを特徴とする温度センサ。
一端側から測定媒体を導入可能な筒状のケース（１０）と、
このケース内に収納されたセラミック基板（２０）と、
このセラミック基板に固定され前記ケースに導入された前記測定媒体の温度を検出するための感温素子（２１）と、
前記セラミック基板に形成され前記感温素子と導通する配線層（２２）と、
前記ケースの他端側から前記ケースに挿入されるとともに、前記感温素子からの信号を外部に取り出すために前記配線層と電気的に接続されたリード線（４１）とを備える温度センサにおいて、
前記リード線には、前記配線層に電気的に接続するための金属製の端子部（３０）が接続されており、
この端子部が、前記セラミック基板との間に前記配線層を挟み込んだ形で前記配線層にレーザ溶接されており、
前記端子部におけるレーザ溶接部（３１）の外周は、前記レーザ溶接部の外周に配された無機接着剤（３５）を介して電気絶縁性の絶縁部材（３６）にて被覆されていることを特徴とする温度センサ。
前記レーザ溶接部（３１）は、前記絶縁部材（３６）を介して前記ケース（１０）の内壁に支持されていることを特徴とする請求項２に記載の温度センサ。
前記絶縁部材（３６）は、絶縁碍子よりなることを特徴とする請求項２または３に記載の温度センサ。
前記配線層（２２）は白金ペーストを用いて形成されたものであり、前記端子部（３０）はＮｉ合金よりなるものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の温度センサ。