JPH0648219B2 - 温度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はサーミスタを検温素子として使用し、特に内燃
機関などから排出される燃焼排ガスの温度計測用として
好適した温度センサに関する。

［従来の技術］ 内燃機関や各種燃焼炉などの燃焼排ガス温度の計測方法
として、酸素イオン電導式あるいは電子電導式のサーミ
スタを検温素子として組み込んだ温度センサが使われて
いるが、この種のサーミスタは酸素イオンを電荷の伝導
媒体とする一種の酸素電池として働くので、サーミスタ
が接触する雰囲気中にある濃度以上（一般には５％以
上）の酸素が存在しないと、安定した信頼するに足る計
測結果を得ることができない。

温度センサの概略の構造は、サーミスタの保護用カバー
とセンサの取付け金具を兼ねて一端側が封止された耐熱
性金属チューブ内の封止端側にサーミスタを納め、その
電気出力の取り出し用リード線をチューブの解放端に嵌
着させた配線用コードに接続させるようになっている。

［発明が解決しようとする問題点］ 上述のような構造を備えた温度センサは、使用中に金属
製チューブの内壁面がチューブ内に存在する酸素と結合
して次第に酸化して行くために、サーミスタの周囲の雰
囲気中の酸素濃度が時の経過と共に低減し、それに伴っ
てサーミスタの電気出力特性にも変動を来たして温度セ
ンサとしての信頼性が経時的に低下して来る。

対応策として、チューブの封止端側にチューブ内空間を
大気と連通させるため多数の小孔を穿ったり、配線コー
ドに通気構造を与えたりすることが必要になる。

しかしこのようにチューブ内空間を外気と連通させない
と、例えば酸素濃度が極度に低い燃焼排ガスの温度を正
確に計測することができなくなってしまう。

本発明は酸素濃度が一定水準以上に保たれている雰囲気
中で使用することを要件とするサーミスタを検温素子と
して使用する温度センサについて、その保護用ケーシン
グ内を外気と導通させるための孔あけその他のわずらわ
しい加工を施す手間を要せず、また酸素の乏しいないし
は全く存在しない雰囲気中でも高い信頼性をもって使用
することのできる温度センサを提供することを目的とす
る。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、酸素を含む気体が存在し、酸素イオンを電荷
の伝導媒体とするサーミスタを焼成するためのサーミス
タ原料が一部に存在する空間と、前記サーミスタの電極
を形成させるための導電性ペーストのパターン印刷を有
する面とを含んで重なる複数枚の焼成用の磁器素材板を
一体的に焼成した構造体と、前記空間が前記磁器素材板
の一体的焼成により密閉された密閉空間に存在する酸素
を含む気体と、前記密閉空間に焼成されたサーミスタ
と、前記構造体に密閉されたサーミスタ電極とからなる
温度センサを技術的手段として採用する。

［作用および発明の効果］ 本発明の温度センサは、一度の焼成で製作できる。また
本発明の温度センサは、あるレベル以上の濃度をもって
酸素が存在する雰囲気中で使用することを要件とする検
温素子としてのサーミスタが、耐熱性磁性材料で形成さ
れ密閉空間内に納められており、且つこの空間内には酸
素を含む気体が存在するので、同種のサーミスタを使用
した従来の温度センサのようにセンサのケーシングに外
気導入のための多数の小孔を穿つなどのわずらわしい加
工作業が不要化する。

またサーミスタは、非金属材料からなり、酸素が存在す
る密閉空間内に納められているので、例えば燃焼排ガス
のようにほとんど酸素を含有しない高温気体に対して
も、計測精度に経時変化を来たすことなく信頼性の高い
温度測定と行うことができる。

［実施例］ 以下に付図に示す実施例に基づいて本発明の構成を具体
的に説明する。

第１図と第２図は本発明による温度センサに組み込まれ
ている検温素子としての負温度係数サーミスタを、耐熱
性絶縁材料で包囲された空間内に密閉するための、サー
ミスタ密閉構造の一例を示した側断面図と、この密閉構
造の形成方法の説明図である。

検温素子としてのサーミスタ１は、酸化亜鉛〜酸化イッ
トリウム20モル％のものを使用し、耐熱性絶縁材料とし
てのアルミナ磁器の未焼成シート状体３、４および５を
積層し一体化焼成を行って形成された密閉空間２内に納
められている。

この密閉空間２の形成方法を第２図を参照しながら説明
すると、先ず未焼成の極く薄いシート状の短冊状に成形
された３枚のアルミナ磁器素材板３、４及び５を用意す
る。これら３枚の磁器素材板の巾はそれぞれ等しく、長
さは最下層の一枚の磁器素材板３を幾分長くしてある。
これら３枚の磁器素材板を重ね合わせたうえ焼成を行う
ことによって焼結一体化されるが、焼成に先立って積層
構造の中間層となる磁器素材板４には、その長手方向の
一端部に四角形、円形その他の適宜の形状のくり抜き穴
4aを設け、また最下層となる幾分長い磁器素材板３の上
面には、サーミスタ１の出力取り出し用電極６と７を、
導電性ペースト状組成物のプリント法によって形成させ
ておく。プリント法によって形成される２条の電極６お
よび７の一端側は、上記のくり抜き穴4a内に対向するよ
うに位置させる。

しかる後、一対の電極がプリントされている最下層磁器
素材板３の上に中間層の磁器素材板４を重ねると、くり
抜き穴4a部分はくぼみとなるので、このくぼみ個所に半
導体磁器としてのサーミスタ１の未焼成素材を、くぼみ
内に完全に充満させるに足りない量だけ充填する。最後
に最上層磁器素材板５を重ね合わせたうえ焼成炉に納め
て常法により加熱することによって、三層の磁器素材板
３、４および５は焼結合体されて一体構造化し、くり抜
き孔4a部分は、サーミスタ密閉構造の側断面図としての
第１図にみられるように、外界から遮断された密閉空間
２を生じさせる。

磁器素材板の焼成過程においては、上述の如くして形成
される密閉空間２内に、この空間を完全に充満するには
足りない量をもって封入させた、サーミスタ１の未焼成
素材もまた同時に焼成されることになる。そして密閉空
間２の底面にはあらかじめサーミスタ１の出力取り出し
用の電極６および７がプリント印刷されているので焼成
工程においてはサーミスタ１へのリード線の接合も同時
に行われる。20はサーミスタ素材の容器を示している。

このようにして形作られたサーミスタ密閉構造の密閉空
隙２内の上層部には、焼成の過程でこの空隙内に閉じ込
められた空気が存在するので、検温素子としての酸素イ
オン電導式または電子電導式サーミスタの使用上の要件
である、一定濃度（一般には５％以上）の酸素が存在す
る雰囲気中に置かれなければならないという条件が満た
されることになる。

磁器素材板３〜５、およびサーミスタ素材としての１は
それぞれ純粋な酸化アルミニウムと酸化亜鉛〜酸化イッ
トリウムを使用しているので、これらの焼成過程におい
て反応生成物としての不純ガスが密閉空隙２内を占有す
る不都合を生ずることはない。

またサーミスタ１を完全に外気から遮断させた状態のも
とに封入させている密閉空隙２の構成素材は、純粋なア
ルミナ磁器であるので、温度センサが1000℃以上にも達
する環境下で長時間に亘って使用されても、このアルミ
ナ磁器が密閉空隙内に存在する酸素と反応して空隙内の
酸素含有量を低下させることは起らない。

第３図に上記実施例に示されたサーミスタ密閉構造体を
組み込んだ、内燃機関の燃焼排ガス温度計測用温度セン
サの構造の一例を、軸方向断面図として示した。

サーミスタ密閉構造体Ａは、一端が封止された耐熱耐蝕
性金属チューブ10内の軸芯部に、耐熱性接着剤12を用い
て支持固定されている。サーミスタ１はチューブ10の封
止端側に接して配置されている。サーミスタ保護用カバ
ー体としての金属製チューブ10には、中空ボルト状の温
度センサ取付け金具11が外嵌されており、またチューブ
10の開放端側には配線コード15の取り付け用の継手パイ
プ14が嵌着させてある。

下層磁器素材板３にプリント法によって形成させてある
サーミスタ１の出力取り出し用電極６および７には、そ
れぞれリード線８がはんだ付けされており、その一方の
電極は配線コード15の芯線９にはんだ付けされ、他方の
電極は、温度センサの取付金具11に導通される。ｂはは
んだ付け個所、14aは継手パイプ14のかしめ加工個所、1
7は配線用コネクタである。

第４図は第２実施例としての温度センサの測温側端部を
示している。第１実施例と異なる点はサーミスタ１の保
護用金属チューブ10の測温側端に外気との連通孔10a群
を設けた点にある。

冒頭に述べたように本発明による温度センサは、検温素
子としてのサーミスタの保護用チューブにサーミスタへ
の酸素供給連通孔を設けるための、わずらわしい孔あけ
加工を不要化した点が一特長をなしている。しかしサー
ミスタを金属チューブ内に密閉することによって、被測
温気体とサーミスタとの直接の接触が妨げられるため
に、正確な測温結果が表示されるに至るまでには幾分か
の時間を要することになる。従って、被計測気体の温度
変化に対する応答性や迅速な計測が特に求められる場合
には、サーミスタ保護用金属チューブ10に外気との連通
孔10aを設けることが望ましい。

被計測気体が例えば各種燃焼炉や内燃機関の燃焼排ガス
である場合には、従来の同種の温度センサであれば酸素
濃度が低すぎるためにセンサ機能が失なわれるが、この
実施例センサではサーミスタ１がアルミナ磁器製のカバ
ー体によって完全に包被されておりしかも必要濃度の酸
素が共存する状態のもとに置かれているので、何等支障
を来たすことなくその役割を果たしてくれる。また化学
的活性の強い排ガスによってサーミスタ１が悪影響を受
けることも防がれる。

第５図に、第４図に示された構造を備える本発明の温度
センサと、この温度センサのサーミスタ密閉構造体Ａに
代えて密閉構造を有しない従来のサーミスタを組み込ん
だ、従来タイプの温度センサとについて、それぞれの出
力特性を比較した実験のデータをグラフ化して示した。
実験は温度センサが置かれている領域内の酸素濃度が５
％以上であるいわゆる酸化雰囲気中と、５％以下である
還元雰囲気内とで、それぞれ酸素濃度を変化させて行っ
た。

両センサの電気抵抗値（log Ｒ）対雰囲気温度のグラ
フを求めた所、本発明センサは酸化雰囲気であると還元
雰囲気であるとを問わず、同一形状のグラフ（イ）を描
いたのに対して、従来センサは酸化雰囲気中ではグラフ
（イ）と同一の曲線を示したが還元雰囲気中では全く異
なったグラフ（ロ）を描いた。

すなわち実験の結果として、従来の温度センサは測温域
に存在する酸素の濃度の如何によって計測値が著しく変
動するのに対して、本発明のそれは全く酸素濃度依存性
を示さないことが確認されたのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明センサに組込まれたサーミスタ取付け構
造体の側断面図、第２図はこの取付け構造体の製造過程
の説明図、第３図は第１図のサーミスタの取付け構造体
を組込んだ温度センサの軸方向断面図、第４図は第２実
施例としての温度センサの部分断面図、第５図は本発明
センサと従来センサの出力特性の比較データグラフであ
る。 図中 Ａ……サーミスタ取付け構造体、１……サーミス
タ、２……酸素が存在する密閉空間、３、４、５……耐
熱性絶縁材料、６、７……サーミスタの電極、10……サ
ーミスタの取付け構造の保護チューブ、11……温度セン
サの取付け金具、15……配線コード

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】酸素を含む気体が存在し、酸素イオンを電
   荷の伝導媒体とするサーミスタを焼成するためのサーミ
   スタ原料が一部に存在する空間と、前記サーミスタの電
   極を形成させるための導電性ペーストのパターン印刷を
   有する面とを包んで重なる複数枚の焼成用の磁器素材板
   を一体的に焼成した構造体と、 前記空間が前記磁器素材板の一体的焼成により密閉され
   た密閉空間に存在する酸素を含む気体と、 前記密閉空間に焼成されたサーミスタと、 前記構造体に密閉されたサーミスタ電極とからなる温度
   センサ。