JP2009099662A - 高温用センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 高温用センサのコストダウンを図る。
【解決手段】 サーミスタ素体１とリード線３と絶縁碍子４と鞘７との組合せを有する。サーミスタ素体１は、両面に電極２が形成されたチップ型の素子であり、各電極２面にはそれぞれリード線３が溶接され、リード線３の溶接部分を含んで表面が無機コート材にてコートされている。リード線３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、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リード線３，３を互いに隔離する。鞘７は、サーミスタ素体１を覆い、前記絶縁碍子４に挿し込まれたものであり、サーミスタ素体１のコートと鞘７間の隙間及び鞘７と絶縁碍子４との間の隙間は無機充填材６の固化物で埋める。
【選択図】 図１

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。 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。

符号の説明

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

Claims (1)

1. 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。

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