温度センサ
【目的】 金属チューブ内にサーミスタ素子を収納した温度センサにおいて、更なる応答性の向上を図る。
【構成】 先端側が閉塞した筒状の金属チューブ３の内部に、サーミスタ素子２が接続されたシース部材８を収納した温度センサ１であって、金属チューブ３は、先端側に位置し、全体がシース部材８の外径よりも小さい内径の小径部３３と、小径部３３の後端側に位置し、小径部３３の外径よりも大径の大径部３６と備え、サーミスタ焼結体２１は小径部３３に収納されると共に、サーミスタ焼結体２１の後端面よりも先端側であって、サーミスタ焼結体２１の先端と金属チューブ３の内壁先端との間には、セメント１０が充填されている。
【構成】 先端側が閉塞した筒状の金属チューブ３の内部に、サーミスタ素子２が接続されたシース部材８を収納した温度センサ１であって、金属チューブ３は、先端側に位置し、全体がシース部材８の外径よりも小さい内径の小径部３３と、小径部３３の後端側に位置し、小径部３３の外径よりも大径の大径部３６と備え、サーミスタ焼結体２１は小径部３３に収納されると共に、サーミスタ焼結体２１の後端面よりも先端側であって、サーミスタ焼結体２１の先端と金属チューブ３の内壁先端との間には、セメント１０が充填されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属酸化物などの半導体からなるサーミスタ焼結体や金属抵抗体等の感温部を有する感温素子を、有底筒状の金属チューブの内部に収納してな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感温素子を配置して、被測定流体の温度検出を行う温度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、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排気ガス流路を流れる排気ガスの温度を、感温素子であるサーミスタ素子によって検出する、いわゆる排気温センサが知られている。この種の温度センサとしては、サーミスタ素子の電極線と接続される金属芯線をシースパイプ内に絶縁保持してなるシース部材を、有底筒状の金属チューブ内に挿入しつつ、サーミスタ素子を金属チューブの先端側内部に配置させた構造の温度センサが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。このような温度センサでは、排気ガスの熱が金属チューブによって受熱され、その後、金属チューブからサーミスタ素子へと熱が伝達されることによって、温度の検出が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１６２０５１号公報（図１）
【特許文献２】特開２００２−３５０２４１号公報（図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような温度センサにおいては、応答性の更なる向上（高応答化）が要望されている。しかしながら、上記特許文献１に示された温度センサでは、金属チューブとサーミスタ素子との間に空隙が存在しているため、この空隙によって金属チューブからサーミスタ素子への熱の伝達が妨げられてしまう。このため、このような構造を有した温度センサでは、応答性の更なる向上を図ることが困難であった。
【０００５】
一方、上記特許文献２に示された温度センサでは、金属チューブの内壁側面とサーミスタ素子の側面とがガラス層を介して互いに接しているため、上記特許文献１に示された温度センサよりも高応答性は期待できる。しかしながら、上記特許文献２に示された温度センサでは、金属チューブの内壁先端とサーミスタ素子の先端との間に空隙が存在しているため、金属チューブの先端側からの受熱に対しては、上記特許文献１の場合と同様、空隙によって金属チューブからサーミスタ素子への熱の伝達が妨げられてしまう。このため、このような構造を有した温度センサにおいても、応答性の更なる向上を図ることが困難であった。
【０００６】
そこで、本発明は、上述した問題に鑑み、更なる高応答化を実現することができる温度センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
その解決手段は、先端側が閉塞した軸線方向に延びる筒状の金属チューブと、上記金属チューブの内部に収納され、温度によって電気的特性が変化する感温部とこれに設けられ上記金属チューブの後端側に延びる一対の電極線とを有した感温素子と、上記金属チューブの内部に収納され、上記感温素子の上記一対の電極線と接続される一対の金属芯線をシースパイプ内に絶縁保持してなるシース部材と、を備える温度センサであって、上記金属チューブは、先端側に位置し、全体が上記シース部材の外径よりも小さい内径の小径部と、上記小径部の後端側に位置し、上記小径部の外径よりも大径の大径部とを備え、上記感温部は上記小径部に収納されると共に、少なくとも上記感温部の先端と上記金属チューブの内壁先端との間には絶縁部材が充填されている温度センサである。
【０００８】
本発明の温度センサでは、感温部の先端と金属チューブの内壁先端との間に絶縁部材が充填されている。このように、感温部の先端と金属チューブの内壁先端との間に絶縁部材が充填され、感温部の先端と金属チューブの内壁先端とが絶縁部材を介して互いに接している構成とすることで、金属チューブの先端に伝わった排気ガス等の熱が金属チューブから感温部まで速やかに伝達される。従って、応答性の良い温度センサとすることができる。
【０００９】
また、本発明の温度センサでは、金属チューブが、先端側に位置し全体がシース部材の外径よりも小さい内径の小径部と、小径部の後端側に位置し小径部の外径よりも大径の大径部とを備え、感温部は小径部に収納される構成となっている。このように、金属チューブの小径部に感温部を収納することで、感温部と金属チューブとの間の距離が短くなり、金属チューブから感温部まで熱を速やかに伝達することができるようになる。更に、金属チューブに小径部を設けることで、この部分の熱容積が小さくなり、応答性を向上させることができる。
【００１０】
また、上記の温度センサであって、前記感温部の先端と前記金属チューブの内壁先端との最大距離Ｈは、２．０ｍｍ以下である温度センサとすると良い。
【００１１】
応答性を向上させるためには、金属チューブのできるだけ先端側に感温部を配置すると良い。そこで、本発明の温度センサでは、感温部の先端と金属チューブの内壁先端との最大距離Ｈを２．０ｍｍ以下としている。このように、最大距離Ｈを２．０ｍｍ以下とすることで、感温部の先端と金属チューブの内壁先端との間の距離が短くなり、金属チューブの先端に伝わった熱を金属チューブから感温部まで速やかに伝達することが可能となる。従って、更に応答性の良い温度センサとすることができる。
【００１２】
更に、上記何れかの温度センサであって、前記感温部と前記金属チューブとの最短距離Ｌが０≦Ｌ≦０．３ｍｍであり、且つ、前記小径部の外径が３．５ｍｍ以下である温度センサとすると良い。
【００１３】
応答性を向上させるためには、感温部と金属チューブとの距離を極力近づけると共に、小径部の容積を小さくすれば良い。そこで、本発明の温度センサでは、感温部と金属チューブとの最短距離Ｌを０≦Ｌ≦０．３ｍｍとし、且つ、小径部の外径を３．５ｍｍ以下としている。このように、感温部と金属チューブとの最短距離Ｌを０≦Ｌ≦０．３ｍｍとすることで、感温部と金属チューブとの間の距離が短くなり、金属チューブに伝わった熱を金属チューブから感温部まで速やかに伝達することが可能となる。また、小径部の外径を３．５ｍｍ以下とすることで、感温部が収納される小径部の熱容量を小さくすることができる。従って、更に応答性の良い温度センサとすることができる。
【００１４】
更に、上記何れかの温度センサであって、前記絶縁部材の平均充填率は、７５％以上である温度センサとすると良い。
【００１５】
本発明の温度センサでは、絶縁部材の平均充填率が７５％以上となっている。このため、絶縁部材の構造が密な構造となり絶縁部材の熱伝導性を高めることができ、金属チューブに伝わった熱を金属チューブから感温部まで速やかに伝達することが可能となる。従って、更に応答性の良い温度センサとすることができる。
【００１６】
更に、上記何れかの温度センサであって、前記絶縁部材の熱伝導率は、１．２Ｗ／ｍ・Ｋ以上である温度センサとすると良い。
【００１７】
本発明の温度センサでは、絶縁部材の熱伝導率が１．２Ｗ／ｍ・Ｋ以上となっている。このように、１．２Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有した絶縁部材を用いることで、絶縁部材の熱伝導性を高めることができ、金属チューブに伝わった熱を金属チューブから感温部まで速やかに伝達することが可能となる。従って、更に応答性の良い温度センサとすることができる。
【００１８】
更に、上記何れかの温度センサであって、前記絶縁部材は、アルミナを主成分とする材料である温度センサとすると良い。
【００１９】
感温部と金属チューブとの間に充填される絶縁部材としては、高温においても優れた絶縁性を有する共に、優れた熱伝導性を備えた材料であることが好ましい。そこで、本発明の温度センサでは、絶縁部材をアルミナを主成分とする材料としている。アルミナは、高温において化学的に安定しており、高温において優れた電気絶縁性を有すると共に、優れた熱伝導性を有した材料である。従って、このアルミナを絶縁部材に適用することで、耐久性及び応答性の良い温度センサとすることができる。
【００２０】
更に、上記何れかの温度センサであって、前記絶縁部材は、少なくとも前記金属チューブの先端から前記感温部の後端までの空間全体に充填されている温度センサとすると良い。
【００２１】
本発明の温度センサでは、金属チューブの先端から感温部の後端までの空間全体に絶縁部材が充填されている。このように、感温部と金属チューブとの間に、絶縁部材が隙間なく充填されるため、金属チューブの先端や小径部の側面に伝わった熱を金属チューブから感温部まで速やかに伝達することが可能となる。従って、更に応答性の良い温度センサとすることができる。
【００２２】
更に、上記何れかの温度センサであって、前記絶縁部材は、少なくとも前記小径部全体に充填されている温度センサとすると良い。
【００２３】
本発明の温度センサでは、金属チューブの小径部全体に絶縁部材が充填されている。このように、感温部と金属チューブとの間に、絶縁部材が隙間なく充填されるため、金属チューブの先端や小径部の側面に伝わった熱を金属チューブから感温部まで速やかに伝達することが可能となる。従って、更に応答性の良い温度センサとすることができる。
【００２４】
更に、上記何れかの温度センサであって、前記絶縁部材の後端は、前記シースパイプの先端よりも先端側に位置する温度センサとすると良い。
【００２５】
本発明の温度センサでは、絶縁部材の後端はシースパイプの先端よりも先端側に位置しており、絶縁部材とシースパイプとの間には空隙が形成されている。このため、絶縁部材とシースパイプとを熱的に絶縁にすることができ、排気ガス等の熱が、金属チューブから絶縁部材及びシースパイプを介して、温度センサの基端側へと伝達されること（熱引き）が低減される。従って、更に応答性の良い温度センサとすることができる。
【００２６】
更に、上記の何れかに記載の温度センサであって、前記絶縁部材の後端と前記シースパイプの先端と間には、断熱部材が設けられると良い。
【００２７】
本発明の温度センサでは、絶縁部材の後端とシースパイプの先端との間に断熱部材が設けられている。このため、絶縁部材とシースパイプとを熱的に絶縁にすることができ、排気ガス等の熱が、金属チューブから絶縁部材及びシースパイプを介して、温度センサの基端側へと伝達されること（熱引き）が低減される。従って、更に応答性の良い温度センサとすることができる。
【００２８】
断熱部材は、金属チューブと感温素子の電極線及びシース部材の金属芯線との間、更に、電極線間及び金属芯線間に配置することが好ましい。このようにすることで、金属チューブと電極線及び金属芯線との短絡、及び、電極線間、金属芯線間の短絡を防止することができる。
【００２９】
なお、上記断熱部材としては、シリカ及びアルミナを構成材料に含む耐熱繊維（セラミックファイバ）で構成されたもの等を挙げることができる。特に、密度が６０〜４００ｋｇ／ｍ3の繊維集合体（バルクファイバ）であり、１０００℃において絶縁性かつ柔軟性を有するものが好ましい。
【００３０】
更に、上記何れかの温度センサであって、前記一対の電極線のうち前記感温部の後端よりも後端側に位置する部位全体は、前記大径部に配置されている温度センサとすると良い。
【００３１】
金属チューブと感温素子の電極線、或いは、電極線同士が接触して短絡すると、温度の検出が不可能になる。このため、感温素子の電極線は、金属チューブと電極線、或いは、電極線同士が接触しないよう金属チューブの内部に収納する必要がある。ところで、温度センサの応答性を高めるために、感温部は金属チューブの小径部に収納する必要がある。そこで、本発明の温度センサでは、感温素子の一対の電極線のうち、感温部の後端よりも後端側に位置する部位全体が、金属チューブの大径部に配置するようにしている。このように、感温素子の一対の電極線のうち感温部の後端よりも後端側に位置する部位全体を金属チューブの大径部に配置することで、金属チューブと電極線との距離を確保することができ、これに伴って、各電極線間の距離や金属チューブと金属芯線との距離、更には、各金属芯線間の距離を確保することができるようになる。このため、感温部を金属チューブの小径部に収納して温度センサの応答性を確保しつつ、金属チューブと電極線及び金属芯線との絶縁性、電極線同士、或いは、金属芯線同士の絶縁性を確保した温度センサとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１の実施の形態における温度センサ１の全体構造を示す部分破断断面図である。
【図２】図１に示す温度センサにおいて、要部であるサーミスタ素子２近傍の拡大図である。
【図３】第２の実施の形態における温度センサ１００において、要部であるサーミスタ素子２近傍の拡大図である。
【図４】試験例１において距離Ｈと応答時間との関係を調査した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
（実施形態１）
本発明の第１の実施の形態である温度センサ１について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施の形態の温度センサ１の構造を示す部分破断断面図である。また、図２は、図１に示した温度センサ１の要部であるサーミスタ素子２近傍の拡大図である。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、同温度センサ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。
【００３４】
金属チューブ３は、先端側（図１における下側）が閉塞した有底筒状に形成されており、この先端側の内部にサーミスタ素子２を収納している。この金属チューブ３は、先端側が閉塞する一方で後端側が開口する有底筒状の第１筒状部３１と、両端が開口する筒状の第２筒状部３２とが、軸線方向に隣接配置される形態で構成されている。より具体的には、第２筒状部３２の先端部の外周面を取り囲むように第１筒状部３１が配置され、周方向にわたって形成される加締め部３９によって加締め固定されると共に、その加締め部３９に全周レーザー溶接されることによって一体化されている。なお、この第１筒状部３１、第２筒状部３２は、略同等の肉厚を有しており、後述するようにステンレス合金から形成されている。
【００３５】
第１筒状部３１は、サーミスタ素子２の感温部であるサーミスタ焼結体２１を内部に収納している。なお、第１筒状部３１のうちで第２筒状部３２の先端部の外側面との間で重なり部３７を生ずる部位（後端部３６）よりも先端側には、第２筒状部３２の外径よりも内径が小さく形成された中径部３４と、後述するシースパイプ９の外径よりも内径が小さく且つ中径部３４の外径よりも外径が小さく形成された小径部３３とが後端側から順に形成されている。ここで、第１の筒状部３１の後端部３６及び中径部３４と第２の筒状部３２とが特許請求の範囲における大径部にあたる。また、第１筒状部３１には、小径部３３と中径部３４及び中径部３４と後端部３６とを繋ぐ段部３５、３８が形成されている。このうち、この段部３８の内面に第２筒状部３２の先端を当接させることで、第２筒状部３２に対する第１筒状部３１の軸線方向における位置決めを行っている。
【００３６】
第１筒状部３１の小径部３３の内部には、感温部であるサーミスタ焼結体２１の全体が収納される。そして、この小径部３３の内部全体には、絶縁部材であるセメント１０が充填されている。より具体的には、サーミスタ焼結体２１の後端面よりも先端側であって、サーミスタ焼結体２１の外表面と第１筒状部３１（詳細には小径部３３）の内壁表面との間にセメント１０が介在するように、小径部３３の内部全体にセメント１０が充填されている。従って、サーミスタ焼結体２１の先端と小径部３３の内壁先端との間には、セメント１０が充填されている。そして、本実施の形態では、セメント１０が、自身の後端面とサーミスタ焼結体２１の後端面とが略面一となるように充填されている。このため、セメント１０の後端面と後述するシースパイプ９の先端面との間には、空隙（空気層）１０１が存在している。
【００３７】
ここで、本実施の形態の温度センサ１では、サーミスタ焼結体２１の先端と小径部３３の内壁先端との間の最大距離Ｈが２．０ｍｍ以下（本実施の形態では、距離Ｈが０．３ｍｍ）となるように構成されている。また、サーミスタ焼結体２１と小径部３３の内壁表面との最短距離Ｌが０≦Ｌ≦０．３ｍｍ以下であり、且つ小径部３３の外径が３．５ｍｍ以下（本実施の形態では、最短距離Ｌが０．０１ｍｍ、小径部の外径が２．３ｍｍ）となるように構成されている。
【００３８】
また、本実施の形態に使用されるセメント１０はアルミナを主成分とする材料で構成されており、より具体的には、アルミナ粉末を主成分とする骨材と、Ｓｉを含むガラス成分とからなる。ここで、本実施の形態の温度センサ１では、セメント１０の平均充填率が７５％以上（本実施の形態では、充填率が８５％）となるように構成されている。ここで、セメントの平均充填率とは、セメントが充填されている部分におけるセメントの平均充填率を意味する。また、セメント１０の熱伝導率が１．２Ｗ／ｍ・Ｋ以上（本実施の形態では、熱伝導率が１．８Ｗ／ｍ・Ｋ）となるように構成されている。
【００３９】
一方、第２筒状部３２は、図１に示すように、後端側がステンレス合金製のフランジ４の内側に挿通される形態で、同フランジ４に固定される。この第２筒状部３２は、内部に後述するシース部材８の先端側を配置している。なお、第２筒状部３２の軸線方向における離間した位置（部位）には、自身の外側からシース部材８（詳細には、後述するシース部材８のシースパイプ９の外周面）に向けて加締めることによって形成された先端側加締め部３０ａと、後端側加締め部３０ｂとが備えられている。この先端側加締め部３０ａと後端側加締め部３０ｂによって、第２筒状部３２とシース部材８とは固定（加締め固定）されている。なお、シース部材８は第２筒状部３２に対して両加締め部３０ａ、３０ｂにより固定されるものであるが、両加締め部３０ａ、３０ｂを除く第２筒状部３２の内周面とシース部材８のシースパイプ９の外周面との間には、金属チューブ３の後端側から先端側に向かって空気を導く通気経路を形成するための隙間が形成されている。
【００４０】
フランジ４は、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とを有している。突出部４１は、先端側に図示しない排気管の取付部のテーパ部に対応したテーパ形状を有する座面４５を有する環状に形成されており、座面４５が上記取付部のテーパ部に密着することで、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。
【００４１】
第２筒状部３２は、自身の先端側からフランジ４の後端側より挿入され、鞘部４２の内側に圧入固定されている。そして、第２筒状部３２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。
【００４２】
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、排気管の取付部にフランジ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が鞘部４２の先端側段部４４に圧入され、継手６と先端側段部４４とが周方向にわたってレーザー溶接されている。
【００４３】
金属チューブ３における第２筒状部３２、フランジ４及び継手６の内部には、一対の金属芯線７をシースパイプ９内に絶縁保持してなるシース部材８が配置される。シース部材８は、第２筒状部３２に対し、上記したように先端側加締め部３０ａ、後端側加締め部３０ｂにより加締め固定されている。このシース部材８の先端側から突出する金属芯線７は、サーミスタ素子２を構成する一対のＰｔ／Ｒｈ合金製の電極線２２に互いに抵抗溶接されることで接続されている。なお、一対の電極線２２は、自身の先端部が軸断面六角形状をなすサーミスタ焼結体２１の内部に埋設されており、サーミスタ焼結体２１と同時に焼成されて形成されている。また、電極線２２のうちサーミスタ焼結体２１の後端面よりも後端側に位置する部位は中径部３４内に配置されている。更に、シース部材８は、ＳＵＳ３１０Ｓからなるシースパイプ９と、ＳＵＳ３１０Ｓからなる導電性の一対の金属芯線７と、シースパイプ９と各金属芯線７の間に充填される絶縁粉末とから形成され、金属芯線７が絶縁状態でシースパイプ９に保持されている。
【００４４】
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に接続されている。ここで、リード線１２は、中央に配置されたステンレス線と、この周囲を取り囲むニッケルメッキ軟銅線とを、四フッ化エチレン樹脂からなる絶縁性の被覆部材にて被覆したものである。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、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。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。そして、排気ガスの温度変化に応じたサーミスタ焼結体２１からの電気的出力は、電極線２２、シース部材８の金属芯線７、リード線１２を介して図示しない外部回路に取り出され、排気ガスの温度検出に用いられる。
【００４５】
なお、この排気ガスの温度を検出する温度センサ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。このため、金属チューブ３を構成する第１筒状部３１及び第２筒状部３２、フランジ４、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により形成されている。
【００４６】
この温度センサ１は、以下のようにして製造される。まず、ＳＵＳ３１０Ｓ製の鋼板に深絞り加工を行って、肉厚０．３ｍｍ、内径２．７ｍｍ、外径３．３ｍｍ、全長（軸線方向における寸法）５４ｍｍをなし、両端が開口した第２筒状部３２と、肉厚０．３ｍｍ、全長（軸線方向における寸法）１３ｍｍをなす有底筒状の第１筒状部３１とを形成する。なお、第１筒状部３１については、内径１．７ｍｍ、外径２．３ｍｍの小径部３３と、内径２．４ｍｍ、外径３．０ｍｍの中径部３４と、内径３．４ｍｍ、外径４．０ｍｍの後端部３６と、小径部３３と中径部３４及び中径部３４と後端部３６とを繋ぐテーパ形状を有する段部３５、３８とが形成されるように加工を施した。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て、第２筒状部３２を圧入固定するための内孔と、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。
【００４７】
そして、第１工程として、サーミスタ素子２の電極線２２とシース部材８の金属芯線７とを所定寸法だけ重なるように重ね合わせ、互いを抵抗溶接することによって、シース部材８にサーミスタ素子２が接続された感温素子組立体を作製する。
【００４８】
なお、シース部材８を構成するシースパイプ９の先端側の所定領域には、後工程において、第１筒状部３１と第２筒状部３２とを加締め固定した際に形成される加締め部３９が自身の外周面に接触しないように、径方向内側に向かって窪む凹部８１を形成している。また、このシースパイプ９は、上記凹部８１を除く部分の肉厚が０．３ｍｍ、外径が２．５ｍｍとなるように形成されている。ついで、第２筒状部３２をフランジ４の内孔に圧入固定し、第２筒状部３２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を、周方向にわたってレーザー溶接する。
【００４９】
そして、第２工程として、フランジ４にレーザー溶接された第２筒状部３２内に感温素子組立体を挿入する。このとき、感温素子組立体のサーミスタ素子２が配置される側から、第２筒状部３２の後端側の開口への挿入を開始する。そして、第２筒状部３２の先端側からサーミスタ素子２のサーミスタ焼結体２１を所定寸法だけ突き出させ、サーミスタ焼結体２１が所定寸法突き出た時点で、感温素子組立体の第２筒状部３２への挿入を終了する。その後、第２筒状部３２の先端側から突き出した状態にある電極線２２と金属芯線７との接続部に異常がないかどうか、更には電極線２２同士、金属芯線７同士が接触していないかを確認する。この確認作業にて感温素子組立体に異常無しと判断されると、続いて第２筒状部３２と感温素子組立体とを固定する作業を行う。
【００５０】
第２筒状部３２と感温素子組立体との固定については、以下の手順により行う。まず、第２筒状部３２のうちで、フランジ４よりも先端側に突き出た部位であって、且つフランジ４の先端に近接した部位を、シース部材８のシースパイプ９の外周面に向けて加締める。この加締め工程は、加締め型を用いて、第２筒状部３２の外側から周方向において対向する２点を加締めるようにして行う。これにより、２点の後端側加締め部３０ｂを形成する。
【００５１】
ついで、後端側加締め部３０ｂよりも軸線方向先端側に離間した部位であって且つ凹部８１よりも後端側の部位を、シース部材８のシースパイプ９の外周面に向かって加締める。この加締め工程についても、上記と同様の加締め型を用い、第２筒状部３２の外側から周方向において対向する２点を加締めるようにした。これにより、２点の先端側加締め部３０ａを形成し、上記後端側加締め部３０ｂと共にシース部材８（感温素子組立体）と第２筒状部３２とを加締め固定する。このようにして、第２筒状部３２の先端側からサーミスタ焼結体２１を所定寸法だけ突き出させた形態で、感温素子組立体と第２筒状部３２とを一体的に組み付ける。
【００５２】
なお、本実施の形態では、先端側加締め部３０ａおよび後端側加締め部３０ｂが、軸線方向に沿った軸線長さが加締め幅よりも長い寸法を有するように形成されている。具体的に、両加締め部３０ａ、３０ｂのそれぞれは、軸線長さを４．０ｍｍ、加締め幅を０．４ｍｍとなるように形成した。
【００５３】
ついで、感温素子組立体を組み付けた第２筒状部３２に対して、第１筒状部３１を組み付けてサーミスタ素子２を有底筒状の金属チューブ３の内部に収納させる第３工程を行う。まず、第２筒状部３２の先端側から所定寸法だけ突き出たサーミスタ焼結体２１の周囲（但し、サーミスタ焼結体２１の後端面は除く）を覆うように、セメント１０となる絶縁性ペーストを塗布する。ついで、第２筒状部３２の先端側から第１筒状部３１を遊嵌状に且つ同軸状に挿入し、第１筒状部３１の後端部３６が第２筒状部３２の先端部の外側面を取り囲むように、第２筒状部３２に対して第１筒状部３１を隣接配置させる。このとき、第２筒状部３２の先端部に遊嵌状態で所定寸法の重なり部３７を生ずるように、且つサーミスタ素子２のサーミスタ焼結体２１が絶縁性ペーストと共に第１筒状部３１の小径部３３に収納されるように、第１筒状部３１を第２筒状部３２に対して配置させる。
【００５４】
ここで、本実施の形態では、第１筒状部３１を第２筒状部３２に挿入するにあたって、第１筒状部３１の中径部３４の後端側に連結する段部３８の内面に第２筒状部３２の先端が当接するまで挿入を行うことで、第２筒状部３２に対する第１筒状部３１の軸線方向における位置決めを行っている。つまり、本実施の形態では、第１筒状部３１を第２筒状部３２に遊嵌状且つ同軸状に挿入していき、第２筒状部３２の先端が第１筒状部３１の段部３８の内面に当接した時点で、所定寸法の重なり部３７が生ずるように、第１筒状部３１の各寸法を予め調整しているのである。これにより、本実施の形態では、第１筒状部３１の各寸法を適宜調整し、第２筒状部３２の先端が第１筒状部３１の段部３８の内面に当接するように挿入を行うことで、第２筒状部３２に対する第１筒状部３１の軸線方向における重なり寸法を一義的に決めることができる。その結果、サーミスタ焼結体２１を第１筒状部３１の狙い位置に確実に配置させることが可能となる。
【００５５】
ついで、第１筒状部３１の後端部３６と第２筒状部３２の先端部の重なり部３７であって、シース部材８のシースパイプ９に形成した凹部８１を取り囲む部位において、外側に位置する第１筒状部３１を内側に位置する第２筒状部３２に向けて周方向に加締め、加締め部３９を形成する。なお、この加締めは、八方丸加締めにて行った。このようにして形成される加締め部３９は、後述する全周レーザー溶接によるレーザー溶接部形成部位にあたるが、この加締め部３９を形成することで、第１筒状部３１と第２筒状部３２との間の隙間量を減少させることができ、溶接強度に優れる全周レーザー溶接を行うことができる。
【００５６】
そして、この重なり部３７に形成された加締め部３９に対して、レーザー光ＬＢを照射して全周レーザー溶接を行い、第１筒状部３１と第２筒状部３２とに跨るレーザー溶接部を形成して、両筒状部３１、３２を一体化する。その後、両筒状部３１、３２を一体化した組立体を加熱処理することで、絶縁性ペーストを固化させてセメント１０を得る。
【００５７】
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とを電気的に接続する。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。これにより、フランジ４に対して継手６を気密状態に固定する。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の製造を完了する。
【００５８】
このような本実施の形態の温度センサ１においては、サーミスタ焼結体２１の後端面よりも先端側であって、サーミスタ焼結体２１の外表面と金属チューブ３の第１筒状部３１（詳細には小径部３３）の内壁表面との間にセメント１０が介在するように、小径部３３の内部全体にセメント１０が充填されている。このように、セメント１０が充填されることで、金属チューブ３（第１筒状部３１）に伝わった熱を、セメント１０を介してサーミスタ素子２に効率良く伝熱することができる。特に、本実施の形態の温度センサ１においては、サーミスタ焼結体２１の先端と小径部３３の内壁先端との間にセメント１０が充填され、サーミスタ焼結体２１の先端と小径部３３の内壁先端とがセメント１０を介して互いに接している。これにより、金属チューブ３の先端に伝わった熱を、サーミスタ素子２に効率良く伝熱することができる。このため、本実施の形態の温度センサ１では、温度検出の高応答化を図ることができる。更には、セメント１０により振動等によるサーミスタ素子２の揺動が防止される。また、サーミスタ焼結体２１が金属チューブ３の小径部３３の内部に収納されているので、この部分の熱容積が小さくなり、応答性を向上させることができる。更には、サーミスタ焼結体２１と金属チューブ内壁表面（詳細には、小径部３３内壁表面）との距離を短くすることができ、更に応答性を向上させることができる。
【００５９】
更に、本実施の形態の温度センサ１では、セメント１０の後端面とシースパイプ９の先端面との間には、空隙１０１が存在している。従って、金属チューブ３に伝わった熱が金属チューブ３からセメント１０及びシースパイプ９を介して、温度センサ１の後端側へと伝達されること（熱引き）を低減することができる。また、サーミスタ素子２の電極線２２のうちサーミスタ焼結体２１の後端面よりも後端側に位置する部位は、サーミスタ焼結体２１が配置される第１筒状部３２の小径部３３よりも大径の中径部３４内に配置されている。このため、第１筒状部３２と電極線２２との距離を確保することができ、これに伴って、各電極線２２間の距離や第１筒状部３２と金属芯線７との距離、更には、各金属芯線７間の距離を確保することができる。従って、第１筒状部３２と電極線２２及び金属芯線７との絶縁性や、電極線２２同士、或いは、金属芯線７同士の絶縁性を確保することができる。
【００６０】
また、本実施の形態の温度センサ１では、サーミスタ焼結体２１の先端と小径部３３の内壁先端との間の最大距離Ｈが２．０ｍｍ以下となるように構成されている。このように、最大距離Ｈを設定することで、更に応答性の良い温度センサとすることができる。また、本実施の形態の温度センサ１では、サーミスタ焼結体２１と小径部３３の内壁表面との最短距離Ｌが０≦Ｌ≦０．３ｍｍとなり、且つ小径部３３の外径が３．５ｍｍ以下となるように構成している。このように、最短距離Ｌ及び小径部３３の外径を設定することで、更に応答性の良い温度センサとすることができる。
【００６１】
更に、本実施の形態の温度センサ１では、セメント１０の平均充填率が７５％以上なるように構成されている。このため、セメント１０の構造が密な構造となりセメント１０の熱伝導性を高めることができ、金属チューブ３に伝わった熱を金属チューブ３からサーミスタ焼結体２１まで速やかに伝達することが可能となる。従って、更に応答性の良い温度センサとすることができる。なお、セメント１０の平均充填率は、例えば、次のようにして求められる。まず、セメント１０の断面像が得られるように、温度センサのセメント１０が充填されている部位を切断し、得られた断面を研磨する。次に、走査型電子顕微鏡（日本電子社製 ＪＳＭ−５４１０）により、研磨した断面を１００倍に拡大した拡大像を取得する。そして、得られた拡大像上において特定の仮想線（例えば、３００μｍ角の正方形状の仮想線）を描き、この仮想線により囲まれた面積に対する仮想線内に存在するセメントの面積割合を求める。拡大像上の異なる複数箇所において面積割合を求め、得られた面積割合の平均値を平均充填率とする。
【００６２】
また、本実施の形態の温度センサ１では、セメント１０の熱伝導率が１．２Ｗ／ｍ・Ｋ以上となるように構成されている。このようにセメント１０を設定することにより、更に応答性の良い温度センサとすることができる。なお、セメント１０の熱伝導率は、温度センサから取り出したセメントを、例えば、熱定数測定装置（アルバック理工社製 ＴＣ−７０００）によって測定することで求められる。
【００６３】
また、本実施の形態の温度センサ１では、セメント１０の材料として、アルミナを主成分とする材料を用いている。このため、耐久性及び応答性の良い温度センサとすることができる。なお、セメント１０の材料成分は、例えば、Ｘ線回折装置（リガク社製 ロータフレックスス ＲＵ−２００）により確認することができる。
【００６４】
（実施形態２）
次に、本発明の第２の実施の形態である温度センサについて、図３を用いて説明する。上記の実施形態１の温度センサ１では、セメント１０の後端面とシースパイプ９の先端面との間に、空隙１０１が形成されていた。これに対し、本実施形態２の温度センサ１００では、セメントの後端面とシースパイプの先端面との間に、断熱部材を設けた点で異なり、他の点は同様である。従って、異なる部分のみを説明し、同様な部分の説明は省略する。
【００６５】
図３は、温度センサ１００の要部であるサーミスタ素子２近傍の拡大図である。この温度センサ１００では、セメント１０とシースパイプ９との間に、アルミナ系セラミックファイバからなる断熱部材１０２が設けられている。この断熱部材１０２は、金属チューブ３と電極線２２及び金属芯線７との間、更に、各電極線２２間及び各金属芯線７間に介在するように配置されている。
【００６６】
このような温度センサ１００の製造方法は、上記の実施形態１の温度センサ１の製造方法に断熱部材１０２を取り付ける工程が加わったのみである。この断熱部材１０２の取り付けは、サーミスタ焼結体２１の周囲にセメント１０となる絶縁性ペーストを塗布した後、電極線２２及び金属芯線７の表面を覆うように、電極線２２及び金属芯線７に断熱部材１０２を取り付けることより行われる。その他は上記の実施形態１の温度センサ１と同様な製造方法により製造される。
【００６７】
このような本実施の形態の温度センサ１００においては、断熱部材１０２が、金属チューブ３と電極線２２及び金属芯線７との間、更に、各電極線２２間及び各金属芯線７間に介在するように配置されている。このため、金属チューブ３からセメント１０及びシースパイプ９を介して、温度センサ１の後端側へと熱が伝達される熱引きを低減することができる。また、金属チューブ３と電極線２２及び金属芯線７との短絡、及び、各電極線２２間及び各金属芯線７間の短絡を確実に防止することができる。従って、絶縁性を確実に確保しつつ、応答性の良い温度センサとすることができる。
【００６８】
ここで、上記実施形態１及び実施形態２の温度センサの効果を確認する試験を行った。
【００６９】
（試験例１）
まず、サーミスタ焼結体２１の先端と金属チューブ３（第１筒状体３２）の小径部３３の内壁先端との距離Ｈと応答時間との関係を調査した。調査にあたり、実施形態１の同様の構成であって、サーミスタ焼結体２１の先端と金属チューブの小径部３３の内壁先端との距離Ｈが異なる数種類の温度センサを作製した。これら各温度センサを、６００℃、２０ｍ／ｓの排気ガスが存在する排気管内に、サーミスタ焼結体２１が位置するように投入した。そして、温度センサからの信号が室温から６００℃の６３％（つまり、３７８℃）になるまでの時間（応答時間）を測定した。ここで、従来の温度センサでは、この応答時間は７秒を超えていた。
【００７０】
図４は、距離Ｈと応答時間との関係を調査した結果を示す図である。距離Ｈが小さくなるにつれて応答時間は速くなり、距離Ｈが２．０ｍｍ以下である場合、応答時間が７秒以下となった。この結果より、距離Ｈが２．０ｍｍ以下とすれば、高応答化を実現できる温度センサとすることができる。
【００７１】
（試験例２）
次に、サーミスタ焼結体２と金属チューブ３の小径部３３内壁表面との最短距離Ｌ及び小径部３３の外径と応答時間との関係を調査した。実施形態１と同様の構成であって、サーミスタ焼結体２１と金属チューブ３の小径部３３の内壁表面との最短距離Ｌ及び小径部３３の外径が異なる５種類の温度センサ（試料Ｎｏ．１〜試料Ｎｏ．５）を作製した。これら各温度センサを、上記試験例１と同様に試験を行い、応答時間を測定した。その結果を表１に示す。
【００７２】
【表１】
【００７３】
最短距離Ｌ及び小径部３３の外径が小さくなるにつれて応答時間は速くなり、最短距離Ｌが０≦Ｌ≦０．３ｍｍであり、且つ、小径部３３の外径が３．５ｍｍ以下である場合（試料Ｎｏ．１〜試料Ｎｏ．３）、応答時間が６．５秒以下となった。特に、小径部３３の外径が３．０ｍｍ以下（試料Ｎｏ．１、試料Ｎｏ．２）であると、応答時間が６秒以下となった。この結果より、最短距離Ｌが０≦Ｌ≦０．３ｍｍであり、且つ、小径部の外径が３．５ｍｍ以下とすれば、更なる高応答化を実現できる温度センサとすることができる。
【００７４】
（試験例３）
次に、サーミスタ焼結体２１とシースパイプ９との間に、空隙（空気層）１０１或いはセラミックファイバからなる断熱部材１０２を設けたことの効果について調査を行った。実施形態１にかかる温度センサ（空隙（空気層）１０１を設けた温度センサ、試料Ｎｏ．６）と、実施形態２にかかる温度センサ（セラミックファイバからなる断熱部材１０２を設けた温度センサ、試料Ｎｏ．７）と、実施形態１と同様の構成であって、サーミスタ焼結体２１とシースパイプ９との間にセメント１０が充填され、サーミスタ焼結体２１とシースパイプ９とがセメント１０を介して互いに接している温度センサ（試料Ｎｏ．８）の３種類の温度センサを作製した。これら各温度センサを、上記試験例１と同様に試験を行い、応答時間を測定した。その結果、サーミスタ焼結体２１とシースパイプ９とがセメント１０により接続されている試料Ｎｏ．８の温度センサでは応答時間が６．２秒であった。これに対し、実施形態１及び実施形態２にかかる温度センサ（Ｎｏ．６、Ｎｏ．７）では、応答時間は共に５．４秒であり、応答時間が短くなった。この結果より、サーミスタ焼結体２１とシースパイプ９との間に、空隙（空気層）１０１或いは断熱部材１０２を設けることで、高応答化を実現できる温度センサとすることができる。
【００７５】
以上において、本発明を実施の形態に即して説明したが、本発明は上記した具体的な実施の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、感温部をなすサーミスタ焼結体２１の形状は、軸断面において六角形状に限定されず、円形状や楕円形状であっても良い。また、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。更に、上記特許文献１に開示された温度センサのように、シース部材の先端側外表面にサーミスタ素子を収納する有底筒状の金属キャップを溶接した構造の温度センサにも適用可能である。また、金属チューブは、一部材であっても良い。
【符号の説明】
【００７６】
１、１００・・・温度センサ
２・・・サーミスタ素子
２１・・・サーミスタ焼結体
２２・・・電極線
３・・・金属チューブ
３０ａ・・・先端側加締め部
３０ｂ・・・後端側加締め部
３１・・・第１筒状部
３２・・・第２筒状部
３３・・・小径部
３４・・・中径部
３５・・・段部
３６・・・後端部
３８・・・段部
３７・・・重なり部
３９・・・加締め部
４・・・フランジ
６・・・継手
７・・・金属芯線
８・・・シース部材
９・・・シースパイプ
１０・・・セメント
１２・・・リード線
１０１・・・空隙（空気層）
１０２・・・断熱部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属酸化物などの半導体からなるサーミスタ焼結体や金属抵抗体等の感温部を有する感温素子を、有底筒状の金属チューブの内部に収納してな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感温素子を配置して、被測定流体の温度検出を行う温度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、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排気ガス流路を流れる排気ガスの温度を、感温素子であるサーミスタ素子によって検出する、いわゆる排気温センサが知られている。この種の温度センサとしては、サーミスタ素子の電極線と接続される金属芯線をシースパイプ内に絶縁保持してなるシース部材を、有底筒状の金属チューブ内に挿入しつつ、サーミスタ素子を金属チューブの先端側内部に配置させた構造の温度センサが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。このような温度センサでは、排気ガスの熱が金属チューブによって受熱され、その後、金属チューブからサーミスタ素子へと熱が伝達されることによって、温度の検出が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１６２０５１号公報（図１）
【特許文献２】特開２００２−３５０２４１号公報（図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような温度センサにおいては、応答性の更なる向上（高応答化）が要望されている。しかしながら、上記特許文献１に示された温度センサでは、金属チューブとサーミスタ素子との間に空隙が存在しているため、この空隙によって金属チューブからサーミスタ素子への熱の伝達が妨げられてしまう。このため、このような構造を有した温度センサでは、応答性の更なる向上を図ることが困難であった。
【０００５】
一方、上記特許文献２に示された温度センサでは、金属チューブの内壁側面とサーミスタ素子の側面とがガラス層を介して互いに接しているため、上記特許文献１に示された温度センサよりも高応答性は期待できる。しかしながら、上記特許文献２に示された温度センサでは、金属チューブの内壁先端とサーミスタ素子の先端との間に空隙が存在しているため、金属チューブの先端側からの受熱に対しては、上記特許文献１の場合と同様、空隙によって金属チューブからサーミスタ素子への熱の伝達が妨げられてしまう。このため、このような構造を有した温度センサにおいても、応答性の更なる向上を図ることが困難であった。
【０００６】
そこで、本発明は、上述した問題に鑑み、更なる高応答化を実現することができる温度センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
その解決手段は、先端側が閉塞した軸線方向に延びる筒状の金属チューブと、上記金属チューブの内部に収納され、温度によって電気的特性が変化する感温部とこれに設けられ上記金属チューブの後端側に延びる一対の電極線とを有した感温素子と、上記金属チューブの内部に収納され、上記感温素子の上記一対の電極線と接続される一対の金属芯線をシースパイプ内に絶縁保持してなるシース部材と、を備える温度センサであって、上記金属チューブは、先端側に位置し、全体が上記シース部材の外径よりも小さい内径の小径部と、上記小径部の後端側に位置し、上記小径部の外径よりも大径の大径部とを備え、上記感温部は上記小径部に収納されると共に、少なくとも上記感温部の先端と上記金属チューブの内壁先端との間には絶縁部材が充填されている温度センサである。
【０００８】
本発明の温度センサでは、感温部の先端と金属チューブの内壁先端との間に絶縁部材が充填されている。このように、感温部の先端と金属チューブの内壁先端との間に絶縁部材が充填され、感温部の先端と金属チューブの内壁先端とが絶縁部材を介して互いに接している構成とすることで、金属チューブの先端に伝わった排気ガス等の熱が金属チューブから感温部まで速やかに伝達される。従って、応答性の良い温度センサとすることができる。
【０００９】
また、本発明の温度センサでは、金属チューブが、先端側に位置し全体がシース部材の外径よりも小さい内径の小径部と、小径部の後端側に位置し小径部の外径よりも大径の大径部とを備え、感温部は小径部に収納される構成となっている。このように、金属チューブの小径部に感温部を収納することで、感温部と金属チューブとの間の距離が短くなり、金属チューブから感温部まで熱を速やかに伝達することができるようになる。更に、金属チューブに小径部を設けることで、この部分の熱容積が小さくなり、応答性を向上させることができる。
【００１０】
また、上記の温度センサであって、前記感温部の先端と前記金属チューブの内壁先端との最大距離Ｈは、２．０ｍｍ以下である温度センサとすると良い。
【００１１】
応答性を向上させるためには、金属チューブのできるだけ先端側に感温部を配置すると良い。そこで、本発明の温度センサでは、感温部の先端と金属チューブの内壁先端との最大距離Ｈを２．０ｍｍ以下としている。このように、最大距離Ｈを２．０ｍｍ以下とすることで、感温部の先端と金属チューブの内壁先端との間の距離が短くなり、金属チューブの先端に伝わった熱を金属チューブから感温部まで速やかに伝達することが可能となる。従って、更に応答性の良い温度センサとすることができる。
【００１２】
更に、上記何れかの温度センサであって、前記感温部と前記金属チューブとの最短距離Ｌが０≦Ｌ≦０．３ｍｍであり、且つ、前記小径部の外径が３．５ｍｍ以下である温度センサとすると良い。
【００１３】
応答性を向上させるためには、感温部と金属チューブとの距離を極力近づけると共に、小径部の容積を小さくすれば良い。そこで、本発明の温度センサでは、感温部と金属チューブとの最短距離Ｌを０≦Ｌ≦０．３ｍｍとし、且つ、小径部の外径を３．５ｍｍ以下としている。このように、感温部と金属チューブとの最短距離Ｌを０≦Ｌ≦０．３ｍｍとすることで、感温部と金属チューブとの間の距離が短くなり、金属チューブに伝わった熱を金属チューブから感温部まで速やかに伝達することが可能となる。また、小径部の外径を３．５ｍｍ以下とすることで、感温部が収納される小径部の熱容量を小さくすることができる。従って、更に応答性の良い温度センサとすることができる。
【００１４】
更に、上記何れかの温度センサであって、前記絶縁部材の平均充填率は、７５％以上である温度センサとすると良い。
【００１５】
本発明の温度センサでは、絶縁部材の平均充填率が７５％以上となっている。このため、絶縁部材の構造が密な構造となり絶縁部材の熱伝導性を高めることができ、金属チューブに伝わった熱を金属チューブから感温部まで速やかに伝達することが可能となる。従って、更に応答性の良い温度センサとすることができる。
【００１６】
更に、上記何れかの温度センサであって、前記絶縁部材の熱伝導率は、１．２Ｗ／ｍ・Ｋ以上である温度センサとすると良い。
【００１７】
本発明の温度センサでは、絶縁部材の熱伝導率が１．２Ｗ／ｍ・Ｋ以上となっている。このように、１．２Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有した絶縁部材を用いることで、絶縁部材の熱伝導性を高めることができ、金属チューブに伝わった熱を金属チューブから感温部まで速やかに伝達することが可能となる。従って、更に応答性の良い温度センサとすることができる。
【００１８】
更に、上記何れかの温度センサであって、前記絶縁部材は、アルミナを主成分とする材料である温度センサとすると良い。
【００１９】
感温部と金属チューブとの間に充填される絶縁部材としては、高温においても優れた絶縁性を有する共に、優れた熱伝導性を備えた材料であることが好ましい。そこで、本発明の温度センサでは、絶縁部材をアルミナを主成分とする材料としている。アルミナは、高温において化学的に安定しており、高温において優れた電気絶縁性を有すると共に、優れた熱伝導性を有した材料である。従って、このアルミナを絶縁部材に適用することで、耐久性及び応答性の良い温度センサとすることができる。
【００２０】
更に、上記何れかの温度センサであって、前記絶縁部材は、少なくとも前記金属チューブの先端から前記感温部の後端までの空間全体に充填されている温度センサとすると良い。
【００２１】
本発明の温度センサでは、金属チューブの先端から感温部の後端までの空間全体に絶縁部材が充填されている。このように、感温部と金属チューブとの間に、絶縁部材が隙間なく充填されるため、金属チューブの先端や小径部の側面に伝わった熱を金属チューブから感温部まで速やかに伝達することが可能となる。従って、更に応答性の良い温度センサとすることができる。
【００２２】
更に、上記何れかの温度センサであって、前記絶縁部材は、少なくとも前記小径部全体に充填されている温度センサとすると良い。
【００２３】
本発明の温度センサでは、金属チューブの小径部全体に絶縁部材が充填されている。このように、感温部と金属チューブとの間に、絶縁部材が隙間なく充填されるため、金属チューブの先端や小径部の側面に伝わった熱を金属チューブから感温部まで速やかに伝達することが可能となる。従って、更に応答性の良い温度センサとすることができる。
【００２４】
更に、上記何れかの温度センサであって、前記絶縁部材の後端は、前記シースパイプの先端よりも先端側に位置する温度センサとすると良い。
【００２５】
本発明の温度センサでは、絶縁部材の後端はシースパイプの先端よりも先端側に位置しており、絶縁部材とシースパイプとの間には空隙が形成されている。このため、絶縁部材とシースパイプとを熱的に絶縁にすることができ、排気ガス等の熱が、金属チューブから絶縁部材及びシースパイプを介して、温度センサの基端側へと伝達されること（熱引き）が低減される。従って、更に応答性の良い温度センサとすることができる。
【００２６】
更に、上記の何れかに記載の温度センサであって、前記絶縁部材の後端と前記シースパイプの先端と間には、断熱部材が設けられると良い。
【００２７】
本発明の温度センサでは、絶縁部材の後端とシースパイプの先端との間に断熱部材が設けられている。このため、絶縁部材とシースパイプとを熱的に絶縁にすることができ、排気ガス等の熱が、金属チューブから絶縁部材及びシースパイプを介して、温度センサの基端側へと伝達されること（熱引き）が低減される。従って、更に応答性の良い温度センサとすることができる。
【００２８】
断熱部材は、金属チューブと感温素子の電極線及びシース部材の金属芯線との間、更に、電極線間及び金属芯線間に配置することが好ましい。このようにすることで、金属チューブと電極線及び金属芯線との短絡、及び、電極線間、金属芯線間の短絡を防止することができる。
【００２９】
なお、上記断熱部材としては、シリカ及びアルミナを構成材料に含む耐熱繊維（セラミックファイバ）で構成されたもの等を挙げることができる。特に、密度が６０〜４００ｋｇ／ｍ3の繊維集合体（バルクファイバ）であり、１０００℃において絶縁性かつ柔軟性を有するものが好ましい。
【００３０】
更に、上記何れかの温度センサであって、前記一対の電極線のうち前記感温部の後端よりも後端側に位置する部位全体は、前記大径部に配置されている温度センサとすると良い。
【００３１】
金属チューブと感温素子の電極線、或いは、電極線同士が接触して短絡すると、温度の検出が不可能になる。このため、感温素子の電極線は、金属チューブと電極線、或いは、電極線同士が接触しないよう金属チューブの内部に収納する必要がある。ところで、温度センサの応答性を高めるために、感温部は金属チューブの小径部に収納する必要がある。そこで、本発明の温度センサでは、感温素子の一対の電極線のうち、感温部の後端よりも後端側に位置する部位全体が、金属チューブの大径部に配置するようにしている。このように、感温素子の一対の電極線のうち感温部の後端よりも後端側に位置する部位全体を金属チューブの大径部に配置することで、金属チューブと電極線との距離を確保することができ、これに伴って、各電極線間の距離や金属チューブと金属芯線との距離、更には、各金属芯線間の距離を確保することができるようになる。このため、感温部を金属チューブの小径部に収納して温度センサの応答性を確保しつつ、金属チューブと電極線及び金属芯線との絶縁性、電極線同士、或いは、金属芯線同士の絶縁性を確保した温度センサとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１の実施の形態における温度センサ１の全体構造を示す部分破断断面図である。
【図２】図１に示す温度センサにおいて、要部であるサーミスタ素子２近傍の拡大図である。
【図３】第２の実施の形態における温度センサ１００において、要部であるサーミスタ素子２近傍の拡大図である。
【図４】試験例１において距離Ｈと応答時間との関係を調査した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
（実施形態１）
本発明の第１の実施の形態である温度センサ１について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施の形態の温度センサ１の構造を示す部分破断断面図である。また、図２は、図１に示した温度センサ１の要部であるサーミスタ素子２近傍の拡大図である。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、同温度センサ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。
【００３４】
金属チューブ３は、先端側（図１における下側）が閉塞した有底筒状に形成されており、この先端側の内部にサーミスタ素子２を収納している。この金属チューブ３は、先端側が閉塞する一方で後端側が開口する有底筒状の第１筒状部３１と、両端が開口する筒状の第２筒状部３２とが、軸線方向に隣接配置される形態で構成されている。より具体的には、第２筒状部３２の先端部の外周面を取り囲むように第１筒状部３１が配置され、周方向にわたって形成される加締め部３９によって加締め固定されると共に、その加締め部３９に全周レーザー溶接されることによって一体化されている。なお、この第１筒状部３１、第２筒状部３２は、略同等の肉厚を有しており、後述するようにステンレス合金から形成されている。
【００３５】
第１筒状部３１は、サーミスタ素子２の感温部であるサーミスタ焼結体２１を内部に収納している。なお、第１筒状部３１のうちで第２筒状部３２の先端部の外側面との間で重なり部３７を生ずる部位（後端部３６）よりも先端側には、第２筒状部３２の外径よりも内径が小さく形成された中径部３４と、後述するシースパイプ９の外径よりも内径が小さく且つ中径部３４の外径よりも外径が小さく形成された小径部３３とが後端側から順に形成されている。ここで、第１の筒状部３１の後端部３６及び中径部３４と第２の筒状部３２とが特許請求の範囲における大径部にあたる。また、第１筒状部３１には、小径部３３と中径部３４及び中径部３４と後端部３６とを繋ぐ段部３５、３８が形成されている。このうち、この段部３８の内面に第２筒状部３２の先端を当接させることで、第２筒状部３２に対する第１筒状部３１の軸線方向における位置決めを行っている。
【００３６】
第１筒状部３１の小径部３３の内部には、感温部であるサーミスタ焼結体２１の全体が収納される。そして、この小径部３３の内部全体には、絶縁部材であるセメント１０が充填されている。より具体的には、サーミスタ焼結体２１の後端面よりも先端側であって、サーミスタ焼結体２１の外表面と第１筒状部３１（詳細には小径部３３）の内壁表面との間にセメント１０が介在するように、小径部３３の内部全体にセメント１０が充填されている。従って、サーミスタ焼結体２１の先端と小径部３３の内壁先端との間には、セメント１０が充填されている。そして、本実施の形態では、セメント１０が、自身の後端面とサーミスタ焼結体２１の後端面とが略面一となるように充填されている。このため、セメント１０の後端面と後述するシースパイプ９の先端面との間には、空隙（空気層）１０１が存在している。
【００３７】
ここで、本実施の形態の温度センサ１では、サーミスタ焼結体２１の先端と小径部３３の内壁先端との間の最大距離Ｈが２．０ｍｍ以下（本実施の形態では、距離Ｈが０．３ｍｍ）となるように構成されている。また、サーミスタ焼結体２１と小径部３３の内壁表面との最短距離Ｌが０≦Ｌ≦０．３ｍｍ以下であり、且つ小径部３３の外径が３．５ｍｍ以下（本実施の形態では、最短距離Ｌが０．０１ｍｍ、小径部の外径が２．３ｍｍ）となるように構成されている。
【００３８】
また、本実施の形態に使用されるセメント１０はアルミナを主成分とする材料で構成されており、より具体的には、アルミナ粉末を主成分とする骨材と、Ｓｉを含むガラス成分とからなる。ここで、本実施の形態の温度センサ１では、セメント１０の平均充填率が７５％以上（本実施の形態では、充填率が８５％）となるように構成されている。ここで、セメントの平均充填率とは、セメントが充填されている部分におけるセメントの平均充填率を意味する。また、セメント１０の熱伝導率が１．２Ｗ／ｍ・Ｋ以上（本実施の形態では、熱伝導率が１．８Ｗ／ｍ・Ｋ）となるように構成されている。
【００３９】
一方、第２筒状部３２は、図１に示すように、後端側がステンレス合金製のフランジ４の内側に挿通される形態で、同フランジ４に固定される。この第２筒状部３２は、内部に後述するシース部材８の先端側を配置している。なお、第２筒状部３２の軸線方向における離間した位置（部位）には、自身の外側からシース部材８（詳細には、後述するシース部材８のシースパイプ９の外周面）に向けて加締めることによって形成された先端側加締め部３０ａと、後端側加締め部３０ｂとが備えられている。この先端側加締め部３０ａと後端側加締め部３０ｂによって、第２筒状部３２とシース部材８とは固定（加締め固定）されている。なお、シース部材８は第２筒状部３２に対して両加締め部３０ａ、３０ｂにより固定されるものであるが、両加締め部３０ａ、３０ｂを除く第２筒状部３２の内周面とシース部材８のシースパイプ９の外周面との間には、金属チューブ３の後端側から先端側に向かって空気を導く通気経路を形成するための隙間が形成されている。
【００４０】
フランジ４は、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とを有している。突出部４１は、先端側に図示しない排気管の取付部のテーパ部に対応したテーパ形状を有する座面４５を有する環状に形成されており、座面４５が上記取付部のテーパ部に密着することで、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。
【００４１】
第２筒状部３２は、自身の先端側からフランジ４の後端側より挿入され、鞘部４２の内側に圧入固定されている。そして、第２筒状部３２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。
【００４２】
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、排気管の取付部にフランジ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が鞘部４２の先端側段部４４に圧入され、継手６と先端側段部４４とが周方向にわたってレーザー溶接されている。
【００４３】
金属チューブ３における第２筒状部３２、フランジ４及び継手６の内部には、一対の金属芯線７をシースパイプ９内に絶縁保持してなるシース部材８が配置される。シース部材８は、第２筒状部３２に対し、上記したように先端側加締め部３０ａ、後端側加締め部３０ｂにより加締め固定されている。このシース部材８の先端側から突出する金属芯線７は、サーミスタ素子２を構成する一対のＰｔ／Ｒｈ合金製の電極線２２に互いに抵抗溶接されることで接続されている。なお、一対の電極線２２は、自身の先端部が軸断面六角形状をなすサーミスタ焼結体２１の内部に埋設されており、サーミスタ焼結体２１と同時に焼成されて形成されている。また、電極線２２のうちサーミスタ焼結体２１の後端面よりも後端側に位置する部位は中径部３４内に配置されている。更に、シース部材８は、ＳＵＳ３１０Ｓからなるシースパイプ９と、ＳＵＳ３１０Ｓからなる導電性の一対の金属芯線７と、シースパイプ９と各金属芯線７の間に充填される絶縁粉末とから形成され、金属芯線７が絶縁状態でシースパイプ９に保持されている。
【００４４】
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に接続されている。ここで、リード線１２は、中央に配置されたステンレス線と、この周囲を取り囲むニッケルメッキ軟銅線とを、四フッ化エチレン樹脂からなる絶縁性の被覆部材にて被覆したものである。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、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。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。そして、排気ガスの温度変化に応じたサーミスタ焼結体２１からの電気的出力は、電極線２２、シース部材８の金属芯線７、リード線１２を介して図示しない外部回路に取り出され、排気ガスの温度検出に用いられる。
【００４５】
なお、この排気ガスの温度を検出する温度センサ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。このため、金属チューブ３を構成する第１筒状部３１及び第２筒状部３２、フランジ４、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により形成されている。
【００４６】
この温度センサ１は、以下のようにして製造される。まず、ＳＵＳ３１０Ｓ製の鋼板に深絞り加工を行って、肉厚０．３ｍｍ、内径２．７ｍｍ、外径３．３ｍｍ、全長（軸線方向における寸法）５４ｍｍをなし、両端が開口した第２筒状部３２と、肉厚０．３ｍｍ、全長（軸線方向における寸法）１３ｍｍをなす有底筒状の第１筒状部３１とを形成する。なお、第１筒状部３１については、内径１．７ｍｍ、外径２．３ｍｍの小径部３３と、内径２．４ｍｍ、外径３．０ｍｍの中径部３４と、内径３．４ｍｍ、外径４．０ｍｍの後端部３６と、小径部３３と中径部３４及び中径部３４と後端部３６とを繋ぐテーパ形状を有する段部３５、３８とが形成されるように加工を施した。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て、第２筒状部３２を圧入固定するための内孔と、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。
【００４７】
そして、第１工程として、サーミスタ素子２の電極線２２とシース部材８の金属芯線７とを所定寸法だけ重なるように重ね合わせ、互いを抵抗溶接することによって、シース部材８にサーミスタ素子２が接続された感温素子組立体を作製する。
【００４８】
なお、シース部材８を構成するシースパイプ９の先端側の所定領域には、後工程において、第１筒状部３１と第２筒状部３２とを加締め固定した際に形成される加締め部３９が自身の外周面に接触しないように、径方向内側に向かって窪む凹部８１を形成している。また、このシースパイプ９は、上記凹部８１を除く部分の肉厚が０．３ｍｍ、外径が２．５ｍｍとなるように形成されている。ついで、第２筒状部３２をフランジ４の内孔に圧入固定し、第２筒状部３２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を、周方向にわたってレーザー溶接する。
【００４９】
そして、第２工程として、フランジ４にレーザー溶接された第２筒状部３２内に感温素子組立体を挿入する。このとき、感温素子組立体のサーミスタ素子２が配置される側から、第２筒状部３２の後端側の開口への挿入を開始する。そして、第２筒状部３２の先端側からサーミスタ素子２のサーミスタ焼結体２１を所定寸法だけ突き出させ、サーミスタ焼結体２１が所定寸法突き出た時点で、感温素子組立体の第２筒状部３２への挿入を終了する。その後、第２筒状部３２の先端側から突き出した状態にある電極線２２と金属芯線７との接続部に異常がないかどうか、更には電極線２２同士、金属芯線７同士が接触していないかを確認する。この確認作業にて感温素子組立体に異常無しと判断されると、続いて第２筒状部３２と感温素子組立体とを固定する作業を行う。
【００５０】
第２筒状部３２と感温素子組立体との固定については、以下の手順により行う。まず、第２筒状部３２のうちで、フランジ４よりも先端側に突き出た部位であって、且つフランジ４の先端に近接した部位を、シース部材８のシースパイプ９の外周面に向けて加締める。この加締め工程は、加締め型を用いて、第２筒状部３２の外側から周方向において対向する２点を加締めるようにして行う。これにより、２点の後端側加締め部３０ｂを形成する。
【００５１】
ついで、後端側加締め部３０ｂよりも軸線方向先端側に離間した部位であって且つ凹部８１よりも後端側の部位を、シース部材８のシースパイプ９の外周面に向かって加締める。この加締め工程についても、上記と同様の加締め型を用い、第２筒状部３２の外側から周方向において対向する２点を加締めるようにした。これにより、２点の先端側加締め部３０ａを形成し、上記後端側加締め部３０ｂと共にシース部材８（感温素子組立体）と第２筒状部３２とを加締め固定する。このようにして、第２筒状部３２の先端側からサーミスタ焼結体２１を所定寸法だけ突き出させた形態で、感温素子組立体と第２筒状部３２とを一体的に組み付ける。
【００５２】
なお、本実施の形態では、先端側加締め部３０ａおよび後端側加締め部３０ｂが、軸線方向に沿った軸線長さが加締め幅よりも長い寸法を有するように形成されている。具体的に、両加締め部３０ａ、３０ｂのそれぞれは、軸線長さを４．０ｍｍ、加締め幅を０．４ｍｍとなるように形成した。
【００５３】
ついで、感温素子組立体を組み付けた第２筒状部３２に対して、第１筒状部３１を組み付けてサーミスタ素子２を有底筒状の金属チューブ３の内部に収納させる第３工程を行う。まず、第２筒状部３２の先端側から所定寸法だけ突き出たサーミスタ焼結体２１の周囲（但し、サーミスタ焼結体２１の後端面は除く）を覆うように、セメント１０となる絶縁性ペーストを塗布する。ついで、第２筒状部３２の先端側から第１筒状部３１を遊嵌状に且つ同軸状に挿入し、第１筒状部３１の後端部３６が第２筒状部３２の先端部の外側面を取り囲むように、第２筒状部３２に対して第１筒状部３１を隣接配置させる。このとき、第２筒状部３２の先端部に遊嵌状態で所定寸法の重なり部３７を生ずるように、且つサーミスタ素子２のサーミスタ焼結体２１が絶縁性ペーストと共に第１筒状部３１の小径部３３に収納されるように、第１筒状部３１を第２筒状部３２に対して配置させる。
【００５４】
ここで、本実施の形態では、第１筒状部３１を第２筒状部３２に挿入するにあたって、第１筒状部３１の中径部３４の後端側に連結する段部３８の内面に第２筒状部３２の先端が当接するまで挿入を行うことで、第２筒状部３２に対する第１筒状部３１の軸線方向における位置決めを行っている。つまり、本実施の形態では、第１筒状部３１を第２筒状部３２に遊嵌状且つ同軸状に挿入していき、第２筒状部３２の先端が第１筒状部３１の段部３８の内面に当接した時点で、所定寸法の重なり部３７が生ずるように、第１筒状部３１の各寸法を予め調整しているのである。これにより、本実施の形態では、第１筒状部３１の各寸法を適宜調整し、第２筒状部３２の先端が第１筒状部３１の段部３８の内面に当接するように挿入を行うことで、第２筒状部３２に対する第１筒状部３１の軸線方向における重なり寸法を一義的に決めることができる。その結果、サーミスタ焼結体２１を第１筒状部３１の狙い位置に確実に配置させることが可能となる。
【００５５】
ついで、第１筒状部３１の後端部３６と第２筒状部３２の先端部の重なり部３７であって、シース部材８のシースパイプ９に形成した凹部８１を取り囲む部位において、外側に位置する第１筒状部３１を内側に位置する第２筒状部３２に向けて周方向に加締め、加締め部３９を形成する。なお、この加締めは、八方丸加締めにて行った。このようにして形成される加締め部３９は、後述する全周レーザー溶接によるレーザー溶接部形成部位にあたるが、この加締め部３９を形成することで、第１筒状部３１と第２筒状部３２との間の隙間量を減少させることができ、溶接強度に優れる全周レーザー溶接を行うことができる。
【００５６】
そして、この重なり部３７に形成された加締め部３９に対して、レーザー光ＬＢを照射して全周レーザー溶接を行い、第１筒状部３１と第２筒状部３２とに跨るレーザー溶接部を形成して、両筒状部３１、３２を一体化する。その後、両筒状部３１、３２を一体化した組立体を加熱処理することで、絶縁性ペーストを固化させてセメント１０を得る。
【００５７】
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とを電気的に接続する。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。これにより、フランジ４に対して継手６を気密状態に固定する。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の製造を完了する。
【００５８】
このような本実施の形態の温度センサ１においては、サーミスタ焼結体２１の後端面よりも先端側であって、サーミスタ焼結体２１の外表面と金属チューブ３の第１筒状部３１（詳細には小径部３３）の内壁表面との間にセメント１０が介在するように、小径部３３の内部全体にセメント１０が充填されている。このように、セメント１０が充填されることで、金属チューブ３（第１筒状部３１）に伝わった熱を、セメント１０を介してサーミスタ素子２に効率良く伝熱することができる。特に、本実施の形態の温度センサ１においては、サーミスタ焼結体２１の先端と小径部３３の内壁先端との間にセメント１０が充填され、サーミスタ焼結体２１の先端と小径部３３の内壁先端とがセメント１０を介して互いに接している。これにより、金属チューブ３の先端に伝わった熱を、サーミスタ素子２に効率良く伝熱することができる。このため、本実施の形態の温度センサ１では、温度検出の高応答化を図ることができる。更には、セメント１０により振動等によるサーミスタ素子２の揺動が防止される。また、サーミスタ焼結体２１が金属チューブ３の小径部３３の内部に収納されているので、この部分の熱容積が小さくなり、応答性を向上させることができる。更には、サーミスタ焼結体２１と金属チューブ内壁表面（詳細には、小径部３３内壁表面）との距離を短くすることができ、更に応答性を向上させることができる。
【００５９】
更に、本実施の形態の温度センサ１では、セメント１０の後端面とシースパイプ９の先端面との間には、空隙１０１が存在している。従って、金属チューブ３に伝わった熱が金属チューブ３からセメント１０及びシースパイプ９を介して、温度センサ１の後端側へと伝達されること（熱引き）を低減することができる。また、サーミスタ素子２の電極線２２のうちサーミスタ焼結体２１の後端面よりも後端側に位置する部位は、サーミスタ焼結体２１が配置される第１筒状部３２の小径部３３よりも大径の中径部３４内に配置されている。このため、第１筒状部３２と電極線２２との距離を確保することができ、これに伴って、各電極線２２間の距離や第１筒状部３２と金属芯線７との距離、更には、各金属芯線７間の距離を確保することができる。従って、第１筒状部３２と電極線２２及び金属芯線７との絶縁性や、電極線２２同士、或いは、金属芯線７同士の絶縁性を確保することができる。
【００６０】
また、本実施の形態の温度センサ１では、サーミスタ焼結体２１の先端と小径部３３の内壁先端との間の最大距離Ｈが２．０ｍｍ以下となるように構成されている。このように、最大距離Ｈを設定することで、更に応答性の良い温度センサとすることができる。また、本実施の形態の温度センサ１では、サーミスタ焼結体２１と小径部３３の内壁表面との最短距離Ｌが０≦Ｌ≦０．３ｍｍとなり、且つ小径部３３の外径が３．５ｍｍ以下となるように構成している。このように、最短距離Ｌ及び小径部３３の外径を設定することで、更に応答性の良い温度センサとすることができる。
【００６１】
更に、本実施の形態の温度センサ１では、セメント１０の平均充填率が７５％以上なるように構成されている。このため、セメント１０の構造が密な構造となりセメント１０の熱伝導性を高めることができ、金属チューブ３に伝わった熱を金属チューブ３からサーミスタ焼結体２１まで速やかに伝達することが可能となる。従って、更に応答性の良い温度センサとすることができる。なお、セメント１０の平均充填率は、例えば、次のようにして求められる。まず、セメント１０の断面像が得られるように、温度センサのセメント１０が充填されている部位を切断し、得られた断面を研磨する。次に、走査型電子顕微鏡（日本電子社製 ＪＳＭ−５４１０）により、研磨した断面を１００倍に拡大した拡大像を取得する。そして、得られた拡大像上において特定の仮想線（例えば、３００μｍ角の正方形状の仮想線）を描き、この仮想線により囲まれた面積に対する仮想線内に存在するセメントの面積割合を求める。拡大像上の異なる複数箇所において面積割合を求め、得られた面積割合の平均値を平均充填率とする。
【００６２】
また、本実施の形態の温度センサ１では、セメント１０の熱伝導率が１．２Ｗ／ｍ・Ｋ以上となるように構成されている。このようにセメント１０を設定することにより、更に応答性の良い温度センサとすることができる。なお、セメント１０の熱伝導率は、温度センサから取り出したセメントを、例えば、熱定数測定装置（アルバック理工社製 ＴＣ−７０００）によって測定することで求められる。
【００６３】
また、本実施の形態の温度センサ１では、セメント１０の材料として、アルミナを主成分とする材料を用いている。このため、耐久性及び応答性の良い温度センサとすることができる。なお、セメント１０の材料成分は、例えば、Ｘ線回折装置（リガク社製 ロータフレックスス ＲＵ−２００）により確認することができる。
【００６４】
（実施形態２）
次に、本発明の第２の実施の形態である温度センサについて、図３を用いて説明する。上記の実施形態１の温度センサ１では、セメント１０の後端面とシースパイプ９の先端面との間に、空隙１０１が形成されていた。これに対し、本実施形態２の温度センサ１００では、セメントの後端面とシースパイプの先端面との間に、断熱部材を設けた点で異なり、他の点は同様である。従って、異なる部分のみを説明し、同様な部分の説明は省略する。
【００６５】
図３は、温度センサ１００の要部であるサーミスタ素子２近傍の拡大図である。この温度センサ１００では、セメント１０とシースパイプ９との間に、アルミナ系セラミックファイバからなる断熱部材１０２が設けられている。この断熱部材１０２は、金属チューブ３と電極線２２及び金属芯線７との間、更に、各電極線２２間及び各金属芯線７間に介在するように配置されている。
【００６６】
このような温度センサ１００の製造方法は、上記の実施形態１の温度センサ１の製造方法に断熱部材１０２を取り付ける工程が加わったのみである。この断熱部材１０２の取り付けは、サーミスタ焼結体２１の周囲にセメント１０となる絶縁性ペーストを塗布した後、電極線２２及び金属芯線７の表面を覆うように、電極線２２及び金属芯線７に断熱部材１０２を取り付けることより行われる。その他は上記の実施形態１の温度センサ１と同様な製造方法により製造される。
【００６７】
このような本実施の形態の温度センサ１００においては、断熱部材１０２が、金属チューブ３と電極線２２及び金属芯線７との間、更に、各電極線２２間及び各金属芯線７間に介在するように配置されている。このため、金属チューブ３からセメント１０及びシースパイプ９を介して、温度センサ１の後端側へと熱が伝達される熱引きを低減することができる。また、金属チューブ３と電極線２２及び金属芯線７との短絡、及び、各電極線２２間及び各金属芯線７間の短絡を確実に防止することができる。従って、絶縁性を確実に確保しつつ、応答性の良い温度センサとすることができる。
【００６８】
ここで、上記実施形態１及び実施形態２の温度センサの効果を確認する試験を行った。
【００６９】
（試験例１）
まず、サーミスタ焼結体２１の先端と金属チューブ３（第１筒状体３２）の小径部３３の内壁先端との距離Ｈと応答時間との関係を調査した。調査にあたり、実施形態１の同様の構成であって、サーミスタ焼結体２１の先端と金属チューブの小径部３３の内壁先端との距離Ｈが異なる数種類の温度センサを作製した。これら各温度センサを、６００℃、２０ｍ／ｓの排気ガスが存在する排気管内に、サーミスタ焼結体２１が位置するように投入した。そして、温度センサからの信号が室温から６００℃の６３％（つまり、３７８℃）になるまでの時間（応答時間）を測定した。ここで、従来の温度センサでは、この応答時間は７秒を超えていた。
【００７０】
図４は、距離Ｈと応答時間との関係を調査した結果を示す図である。距離Ｈが小さくなるにつれて応答時間は速くなり、距離Ｈが２．０ｍｍ以下である場合、応答時間が７秒以下となった。この結果より、距離Ｈが２．０ｍｍ以下とすれば、高応答化を実現できる温度センサとすることができる。
【００７１】
（試験例２）
次に、サーミスタ焼結体２と金属チューブ３の小径部３３内壁表面との最短距離Ｌ及び小径部３３の外径と応答時間との関係を調査した。実施形態１と同様の構成であって、サーミスタ焼結体２１と金属チューブ３の小径部３３の内壁表面との最短距離Ｌ及び小径部３３の外径が異なる５種類の温度センサ（試料Ｎｏ．１〜試料Ｎｏ．５）を作製した。これら各温度センサを、上記試験例１と同様に試験を行い、応答時間を測定した。その結果を表１に示す。
【００７２】
【表１】
【００７３】
最短距離Ｌ及び小径部３３の外径が小さくなるにつれて応答時間は速くなり、最短距離Ｌが０≦Ｌ≦０．３ｍｍであり、且つ、小径部３３の外径が３．５ｍｍ以下である場合（試料Ｎｏ．１〜試料Ｎｏ．３）、応答時間が６．５秒以下となった。特に、小径部３３の外径が３．０ｍｍ以下（試料Ｎｏ．１、試料Ｎｏ．２）であると、応答時間が６秒以下となった。この結果より、最短距離Ｌが０≦Ｌ≦０．３ｍｍであり、且つ、小径部の外径が３．５ｍｍ以下とすれば、更なる高応答化を実現できる温度センサとすることができる。
【００７４】
（試験例３）
次に、サーミスタ焼結体２１とシースパイプ９との間に、空隙（空気層）１０１或いはセラミックファイバからなる断熱部材１０２を設けたことの効果について調査を行った。実施形態１にかかる温度センサ（空隙（空気層）１０１を設けた温度センサ、試料Ｎｏ．６）と、実施形態２にかかる温度センサ（セラミックファイバからなる断熱部材１０２を設けた温度センサ、試料Ｎｏ．７）と、実施形態１と同様の構成であって、サーミスタ焼結体２１とシースパイプ９との間にセメント１０が充填され、サーミスタ焼結体２１とシースパイプ９とがセメント１０を介して互いに接している温度センサ（試料Ｎｏ．８）の３種類の温度センサを作製した。これら各温度センサを、上記試験例１と同様に試験を行い、応答時間を測定した。その結果、サーミスタ焼結体２１とシースパイプ９とがセメント１０により接続されている試料Ｎｏ．８の温度センサでは応答時間が６．２秒であった。これに対し、実施形態１及び実施形態２にかかる温度センサ（Ｎｏ．６、Ｎｏ．７）では、応答時間は共に５．４秒であり、応答時間が短くなった。この結果より、サーミスタ焼結体２１とシースパイプ９との間に、空隙（空気層）１０１或いは断熱部材１０２を設けることで、高応答化を実現できる温度センサとすることができる。
【００７５】
以上において、本発明を実施の形態に即して説明したが、本発明は上記した具体的な実施の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、感温部をなすサーミスタ焼結体２１の形状は、軸断面において六角形状に限定されず、円形状や楕円形状であっても良い。また、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。更に、上記特許文献１に開示された温度センサのように、シース部材の先端側外表面にサーミスタ素子を収納する有底筒状の金属キャップを溶接した構造の温度センサにも適用可能である。また、金属チューブは、一部材であっても良い。
【符号の説明】
【００７６】
１、１００・・・温度センサ
２・・・サーミスタ素子
２１・・・サーミスタ焼結体
２２・・・電極線
３・・・金属チューブ
３０ａ・・・先端側加締め部
３０ｂ・・・後端側加締め部
３１・・・第１筒状部
３２・・・第２筒状部
３３・・・小径部
３４・・・中径部
３５・・・段部
３６・・・後端部
３８・・・段部
３７・・・重なり部
３９・・・加締め部
４・・・フランジ
６・・・継手
７・・・金属芯線
８・・・シース部材
９・・・シースパイプ
１０・・・セメント
１２・・・リード線
１０１・・・空隙（空気層）
１０２・・・断熱部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端側が閉塞した軸線方向に延びる筒状の金属チューブと、
上記金属チューブの内部に収納され、温度によって電気的特性が変化する感温部とこれに設けられ上記金属チューブの後端側に延びる一対の電極線とを有した感温素子と、
上記金属チューブの内部に収納され、上記感温素子の上記一対の電極線と接続される一対の金属芯線をシースパイプ内に絶縁保持してなるシース部材と、
を備える温度センサであって、
上記金属チューブは、先端側に位置し、全体が上記シース部材の外径よりも小さい内径の小径部と、上記小径部の後端側に位置し、上記小径部の外径よりも大径の大径部とを備え、
上記感温部は上記小径部に収納されると共に、少なくとも上記感温部の先端と上記金属チューブの内壁先端との間には絶縁部材が充填されている
温度センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の温度センサであって、
前記感温部の先端と前記金属チューブの内壁先端との最大距離Ｈは、２．０ｍｍ以下である
温度センサ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の温度センサであって、
前記感温部と前記金属チューブとの最短距離Ｌが０≦Ｌ≦０．３ｍｍであり、且つ、前記小径部の外径が３．５ｍｍ以下である
温度センサ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の温度センサであって、
前記絶縁部材の平均充填率は、７５％以上である
温度センサ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の温度センサであって、
前記絶縁部材の熱伝導率は、１．２Ｗ／ｍ・Ｋ以上である
温度センサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の温度センサであって、
前記絶縁部材は、アルミナを主成分とする材料である
温度センサ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の温度センサであって、
前記絶縁部材は、少なくとも前記金属チューブの先端から前記感温部の後端までの空間全体に充填されている
温度センサ。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の温度センサであって、
前記絶縁部材は、少なくとも前記小径部全体に充填されている
温度センサ。
【請求項９】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の温度センサであって、
前記絶縁部材の後端は、前記シースパイプの先端よりも先端側に位置する
温度センサ。
【請求項１０】
請求項７〜９のいずれか１項に記載の温度センサであって、
前記絶縁部材の後端と前記シースパイプの先端との間には、断熱部材が設けられている
温度センサ。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の温度センサであって、
前記一対の電極線のうち前記感温部の後端よりも後端側に位置する部位全体は、前記大径部に配置されている
温度センサ。
【請求項１】
先端側が閉塞した軸線方向に延びる筒状の金属チューブと、
上記金属チューブの内部に収納され、温度によって電気的特性が変化する感温部とこれに設けられ上記金属チューブの後端側に延びる一対の電極線とを有した感温素子と、
上記金属チューブの内部に収納され、上記感温素子の上記一対の電極線と接続される一対の金属芯線をシースパイプ内に絶縁保持してなるシース部材と、
を備える温度センサであって、
上記金属チューブは、先端側に位置し、全体が上記シース部材の外径よりも小さい内径の小径部と、上記小径部の後端側に位置し、上記小径部の外径よりも大径の大径部とを備え、
上記感温部は上記小径部に収納されると共に、少なくとも上記感温部の先端と上記金属チューブの内壁先端との間には絶縁部材が充填されている
温度センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の温度センサであって、
前記感温部の先端と前記金属チューブの内壁先端との最大距離Ｈは、２．０ｍｍ以下である
温度センサ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の温度センサであって、
前記感温部と前記金属チューブとの最短距離Ｌが０≦Ｌ≦０．３ｍｍであり、且つ、前記小径部の外径が３．５ｍｍ以下である
温度センサ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の温度センサであって、
前記絶縁部材の平均充填率は、７５％以上である
温度センサ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の温度センサであって、
前記絶縁部材の熱伝導率は、１．２Ｗ／ｍ・Ｋ以上である
温度センサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の温度センサであって、
前記絶縁部材は、アルミナを主成分とする材料である
温度センサ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の温度センサであって、
前記絶縁部材は、少なくとも前記金属チューブの先端から前記感温部の後端までの空間全体に充填されている
温度センサ。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の温度センサであって、
前記絶縁部材は、少なくとも前記小径部全体に充填されている
温度センサ。
【請求項９】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の温度センサであって、
前記絶縁部材の後端は、前記シースパイプの先端よりも先端側に位置する
温度センサ。
【請求項１０】
請求項７〜９のいずれか１項に記載の温度センサであって、
前記絶縁部材の後端と前記シースパイプの先端との間には、断熱部材が設けられている
温度センサ。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の温度センサであって、
前記一対の電極線のうち前記感温部の後端よりも後端側に位置する部位全体は、前記大径部に配置されている
温度センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−１６４５７８（Ｐ２０１０−１６４５７８Ａ）
【公開日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６５５７５（Ｐ２０１０−６５５７５）
【出願日】平成２２年３月２３日（２０１０．３．２３）
【分割の表示】特願２００４−７９６３０（Ｐ２００４−７９６３０）の分割
【原出願日】平成１６年３月１９日（２００４．３．１９）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２３日（２０１０．３．２３）
【分割の表示】特願２００４−７９６３０（Ｐ２００４−７９６３０）の分割
【原出願日】平成１６年３月１９日（２００４．３．１９）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
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