JP5041999B2

JP5041999B2 - 温度センサ

Info

Publication number: JP5041999B2
Application number: JP2007325419A
Authority: JP
Inventors: デイヴィッド・ギアー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2007-12-18
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2027-12-18
Also published as: EP1936341A1; KR20080058245A; US7312690B1; CN101206145A; JP2008157936A; CN101206145B; KR101321169B1

Description

本発明は、サーミスタを含む温度センサに関する。

さまざまなタイプのデバイスが、さまざまな環境の温度を測定する温度センサとして利用される。高温領域ないし「ホットゾーン（ｈｏｔｚｏｎｅ）」では、このようなデバイスの動作が問題となる。温度を検出するためには、サーミスタなどの温度センサの一部分がホットゾーンに置かれなければならず、ホットゾーンといえども、大きく頻繁な温度変動が生じることがある。測定または制御回路およびリード線は、損傷を防ぐために、ホットゾーンの外側、すなわち低温ゾーンに置かれなければならない。それにもかかわらず、サーミスタとその関連回路との間の電気接続を維持するために、センサのある部分は、両方のゾーンにまたがらなければならない。

当業者は、高温およびかなり大きな動作温度範囲によって引き起こされる過度の応力およびひずみを除去することを試みた。知られている１つの技法では、温度センサの全ての部分の使用材料の温度係数をできるだけ一致させる。知られている他の技法では、大きな温度変動に起因する応力およびひずみを考慮して、余分な材料または導線を含む。しかし、このような努力の結果は、より高価な温度センサ、ならびに／または高温および頻繁な温度エクスカーション（ｅｘｃｕｒｓｉｏｎ）の影響によって比較的に短期間に劣化し、信頼性が低下する可能性がある温度センサである。単なる一例では、ディーゼルフィルタトラップ再生応用において使用される１０００℃にも達する動作領域またはホットゾーン内に、自動車排気温度センサが置かれる。１０００℃以上の温度から周囲環境温度程度までの大きな温度エクスカーションが日に何度か起こる。熱電対センサの使用など、この問題を解決する他の試みは、費用がかかり、全体として決して満足のゆくものではないことが分かった。
米国特許第６２０４７４８号米国特許第６１３６２３１号

本発明の実施形態は、通常なら損傷を生じさせ、性能を低下させ、または温度センサを無効にする高温および温度の大きな変動に耐えることができる、費用効果がよく、より頑丈で、より信頼性の高い温度センサを提供する。

本発明のさまざまな実施形態では、温度センサが、温度を測定するために高温領域ないし「ホットゾーン」に置かれたサーミスタなどのデバイスと、サーミスタと接触したピンと、サーミスタに対してピンをバイアスして、サーミスタと、ピンと、やはりホットゾーンの外側に位置する関連導線または回路との間の連続した接続を維持する、ホットゾーンの外側に配置されたばねとを含む。本出願の出願人の発明の実施形態はしたがって、高温および温度の大きな変動に、より耐えることができ、その結果、性能が向上した、温度センサを提供する。

しかし、本発明の実施形態は、これらの全ての目的および結果を達成する必要はなく、本明細書の特許請求の範囲は、これらの目的および結果を達成することができる構造または方法に限定されるべきではない。

本発明は、ホットゾーンに挿入するプローブセクションを含む温度センサを提供する。このプローブセクションは、サーミスタと、一端がサーミスタまで延びる第１の長いピンと、やはり一端がサーミスタまで延びる第２の長いピンとを含む。プローブセクションの一端の前記ホットゾーンの外側に、ハウジングセクションがある。このハウジングセクションは、第１のピンをバイアスしてサーミスタと接触させる第１のばねと、第２のピンをバイアスしてサーミスタと接触させる第２のばねと、第１のばねと係合した第１の電気接点と、第２のばねと係合した第２の電気接点とを含む。一構成では、第１のピンが、サーミスタのための内側へ垂れ下がる（ｉｎｗａｒｄｌｙｄｅｐｅｎｄｉｎｇ）遠位座を含み、金属から製作され、この金属は、ニッケルとクロムと鉄の合金とすることができる。第２のピンは、絶縁シェルの中に導電性トレース（ｔｒａｃｅ）を含むことができ、この導電性トレースは白金を含むことができる。絶縁シェルはセラミック材料から製作することができる。一変形では、ハウジングセクションが、座およびポストを備えたスピンドルを含み、第１のばねがこのポストのまわりに配置され、第１のピンが、ポストの上に配置され、第１のばねと当接した、内側へ垂れ下がる近位リングを含む。この内側へ垂れ下がるリングと第１のばねは、圧縮ばめによって接続することができる。第１の電気接点は、第１のばねの下のポストのまわりに配置されたリングと、座を貫いて延びる第１のタブとを含むことができる。一例では、第２の電気接点が、第２のばねの中にはまり、ポストおよび座を貫いて延び、第２のタブまで達し、第２のばねと第２の電気接点は圧縮によって係合される。ハウジングセクションはさらに、第１および第２の電気接点にそれぞれ固定された第１および第２の導体を含むことができる。第１および第２の導体は導線とすることができる。一実施形態では、このサーミスタがＮＴＣサーミスタである。ポストはアルミナを含むことができ、タブは、金めっきされたベースメタル（ｂａｓｅｍｅｔａｌ）を含むことができる。

本発明はさらに、プローブセクションを含み、このプローブセクションが、ＮＴＣ（ｎｅｇａｔｉｖｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）サーミスタと、一端がサーミスタまで延びる第１の長い導電性ピンと、絶縁シェルの中に導電性トレースを含む、やはり一端が前記サーミスタまで延びる第２の長いピンとを含む温度センサを提供する。プローブセクションの一端にハウジングセクションがある。このハウジングセクションは、第１のピンをバイアスしてサーミスタと接触させる第１のばねと、第２のピンをバイアスしてサーミスタと接触させる第２のばねと、第１のばねと係合した第１の電気接点と、第２のばねと係合した第２の電気接点と、第１の電気接点に固定された第１の導体と、第２の電気接点に固定された第２の導体とを含む。

本発明はさらに、プローブセクションを含み、このプローブセクションが、サーミスタと、内側へ垂れ下がる近位リングを含む、一端が前記サーミスタまで延びる第１の長いピンと、やはり一端が前記サーミスタまで延びる第２の長いピンとを含む温度センサを提供する。このプローブセクションの一端にあるハウジングセクションは、第１のピンをバイアスしてサーミスタと接触させる第１のばねと、第１のピンの内側へ垂れ下がるリングの下に配置され、第１のばねと当接したポストと、第２のピンをバイアスしてサーミスタと接触させる第２のばねとを含む。第１の電気接点は、第１のばねの下のポストのまわりに配置されるリングを含む。第２の電気接点は、第２のばねと係合し、ポストを貫いて延びる。

他の目的、特徴および利点は、好ましい実施形態の以下の説明および添付図面から、当業者には明白となろう。

以下に開示する好ましい１つまたは複数の実施形態の他に、本発明は、他の実施形態を有することが可能であり、さまざまな方法で実践または実施することができる。したがって、本発明は、その応用において、以下の説明に記載された諸構成要素または図面に示された諸構成要素の構造および配置の詳細に限定されないことを理解されたい。本明細書に実施形態が１つしか記載されない場合、本明細書の特許請求の範囲はその実施形態に限定されない。さらに、ある種の除外、限定または否認を明示する明白で納得のいく証拠がない限り、本明細書の特許請求の範囲は、限定的には読まれない。

背景技術の項で論じられたとおり、非常に高い温度にさらされ、極端な温度変動を頻繁に経験する温度センサは、時間の経過とともにしばしば劣化し、かつ／またはその結果として無効となる。本発明は、このような極端な条件に、より耐えることができる改良された温度センサを提供する。

本発明の一態様では、温度センサ１０（図１）が、ホットゾーン１４に挿入するプローブセクション１２を含む。本明細書で使用されるとき、ホットゾーンは、温度が測定される領域であって、一般に、後により詳細に論じられる温度センサの諸構成要素に不利な影響を与える十分に高い温度に達する領域である。例えば自動車の排気温度の測定、燃料電池などのいくつかの状況では、ホットゾーンの温度は１０００℃以上に達する場合がある。さらに、当業者には知られているとおり、温度エクスカーションは一般に大きい。例えば自動車の排気などのホットゾーンの温度は、１０００℃よりも高くなることがあるが、１５０℃よりもはるかに低いことがある周囲環境の温度まで低下することもある。本発明に基づく温度センサ１０の諸実施形態を利用することができるのは、このような環境およびこのような条件下においてである。ただし、このことは本発明を限定するものではない。図１に示されたホットゾーン１４を示す点線は単なる一例にすぎず、後により詳細に論じられる構成要素を除く、アウターケーシング１６や、温度センサ１０を所定の位置にねじ止めするための任意選択のねじ山１８などのいくつかの構成要素は、特定の応用の要求に応じて、ホットゾーン内またはホットゾーンの外側に置くことができることに留意されたい。

温度センサ１０は、プローブセクション１２の一端にハウジングセクション２０を含む。ハウジングセクション２０は、ホットゾーン１４の外側にあることが好ましく、このことは、温度センサ１０から延び、測定および／または制御回路などの回路２４に接続する導線または他の適当な電気導体２２、２２’も同様である。導線または導体、ならびに回路２４は一般に、これらの構成要素の損傷を防ぐために、ホットゾーンの外側に置かれる。プローブセクション１２（図２）は、ホットゾーンに挿入するサーミスタ２６などの温度感知デバイスと、一端がサーミスタ２６まで延びる長いピンまたはポスト（ｐｏｓｔ）２８とを含む。さらに、長いピンまたはポスト３０も、その一端がデバイスまたはサーミスタ２６まで延びる。一例では、温度感知デバイス２６が、ピン２８および３０と接触する側にそれぞれ電極２７および２７’を含むＮＴＣサーミスタまたはディスクタイプサーミスタである。一変形では、サーミスタが、それぞれ参照によって本明細書に組み込まれる米国特許第６２０４７４８号および米国特許第６１３６２３１号に開示されたイットリウムクロマイトクロミア（ｙｔｔｒｉｕｍｃｈｒｏｍｉｔｅｃｈｒｏｍｉａ）サーミスタである。しかし、これらは本発明を限定するものではなく、デバイスまたはサーミスタは、特定の応用の要求に応じた適当な任意のタイプとすることができる。長いピン２８および３０は、特定の応用の要求に応じて、ホットゾーン内に完全にまたは部分的に配置することができるが、ほとんどの場合、これらのピンは、完全にまたはほぼ完全にホットゾーン内に置かれ、後により詳細に論じられるばねに接続する部分だけがホットゾーンの外側に置かれる。ピン２８は一般に導電性であり、Ｉｎｃｏｎｅｌ（商標）３００シリーズのステンレス鋼などの金属、または温度に応じた他の適当な材料から製作することができる。ニッケルとクロムと鉄の合金であるＩｎｃｏｎｅｌ（商標）は、例えば１０００℃に近い、または１０００℃を超える非常に高い温度で使用することができるが、より低い高温に対しては、ステンレス鋼または他の材料を使用することもできる。一構成では、温度センサ１０がさらに、適当な任意の絶縁材料、例えば一変形ではセラミックから製作することができる外側絶縁体３２を含む。ピン２８および３０は金属からなり、または少なくとも部分的に金属を含むため、外側絶縁体３２は、ピン２８および３０の金属部分に対する高温の影響を低減し、または最小化する。

ハウジングセクション２０はばね３４および３６を含む。ばね３４（図３）は、ピン２８と接触し、ピン２８をバイアスしてサーミスタ２６と接触させ、ばね３６は、ピン３０と接触し、ピン３０をバイアスしてサーミスタ２６と接触させる。サーミスタと同じ温度および／または同じ変動にさらされた場合に変化する可能性があるばねの物理特性を維持するのに資するため、ばね３４および３６は、ホットゾーンの外側のハウジング部分２０にある。サーミスタ１４と接触するようにピン２８および３０をバイアスし、ピン２８および３０にかかる圧力を維持するばね３４および３６がない場合には、ホットゾーン内の高温および／または温度変動によるピン（ならびにプローブのアウターケーシング）の膨張および収縮のために、ピンがサーミスタから離れ、電気接続を断ち、信号が断続的になる危険が生じる恐れがある。ばねがホットゾーンにある場合にも、弾性およびばね特性を維持することができない高温および頻繁な大きな温度変動のために、同様の危険が生じる恐れがある。

さらに、大きな温度エクスカーションによって生み出された大部分の応力およびひずみは、ばね３４および３６によって収容される。ばね３４および３６は、先に背景技術の項で論じられた知られている機構の過剰な導線ひずみの除去よりも数桁大きく撓むように設計することができる。ばね３４および３６は、標準材料、例えばクロム鋼またはベリリウム銅から製作することができ、一構成では、良好な電気接続を保証するのに役立てるために、ばね３４および３６が金めっきされる。さらに、一変形では、センサの内部構造を外部環境条件から分離するのを助けるために、ハウジング部分２０が、追加の絶縁部分２１、ならびにゴムシール、グロメット（ｇｒｏｍｍｅｔ）などのシール２３を含むことができる。

一例では、ピン２８が、サーミスタ２６のための内側へ垂れ下がる遠位座４０（図４）と、座４０とアウターケーシング１６（図２）との間の分離を提供する分離構成要素６３とを含む。一例では、分離構成要素６３がアルミナから製作されるが、分離構成要素６３は、他の適当な絶縁材料から製作することもできる。

電気接点４２（図５）がばね３４と係合し、電気接点４４がばね３６と係合する。非限定的な一例では、図７により分かりやすく示されているように、電気接点４４とばね３６とを圧縮によって係合させることができる。電気接点４４（図５）は、はんだ、ろう付、溶接などの他の適当な接続手段によってばね３６に接続することもできる。ハウジングセクション２０はさらに、座６２およびポスト６４を備えたスピンドル６０を含む。ばね３４はポスト６４のまわりに配置される。ピン２８は、ポスト６４の上に配置され、ばね３４と当接した、内側へ垂れ下がる近位リング６６を含む。電気接点４２（図６）は、ばね３４の下のポスト６４のまわりに配置されたリング６８を含み、非限定的な一例では、リング６８とばね３４が圧縮ばめによって接続される。電気接点４２はさらに、座６２を貫いて延びるタブ７０を含む。電気接点４４はばね３６の中にはまり、ポスト６４および座６２を貫いて延び、タブ７２まで達する。ハウジングセクション２０はさらに、電気接点４２および４４のタブ７０および７２にそれぞれ固定された導体２２および２２’を含む。

一実施形態では、ピン２８（図７）が金属から製作され、ピン３０が、絶縁シェル（ｓｈｅｌｌ）５２の中に導電性トレース５０を含む。導電性トレース５０および絶縁シェル５２は、適当な任意の材料から製作することができるが、一例では、導電性トレース５０が白金、絶縁シェル５２がセラミックである。一構成では、ポスト６４がステアタイト（ｓｔｅａｔｉｔｅ）などの絶縁材料だが、アルミナ、ムライト（ｍｕｌｌｉｔｅ）などの他の材料も適当と考えられる。タブ７０および７２は例えば、金めっきされたベースメタルまたは導線、これらの組合せ、あるいは他の適当な材料を含むことができる。

したがって、高温および大きな温度エクスカーションにもかかわらず、図８の図に示されている、サーミスタ２６と、ピン２８と、ばね３４と、タブ７０を含む電気接点４２と、制御または測定回路２４に接続された導体２２との間の機械的接触および電気的接続は維持される。サーミスタ２６と、ピン３０と、ばね３６と、タブ７２を含む電気接点４４と、やはり制御または測定回路２４に接続された導体２２’との間の機械的および電気的接触も維持される。

本出願の出願人の発明の実施形態はしたがって、より頑丈で、より信頼性が高く、高温および温度の大きな変動により耐えることができ、限定はされないが自動車の排気系または燃料電池を含む多くの応用で使用することができる、性能が向上した温度センサを提供する。

本明細書は、いくつかの例を使用して、最良の形態を含む本発明を開示し、さらに、当業者が本発明を製作し使用することを可能にする。本発明の特許を受けることができる範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者には明白な他の例を含むことができる。このような他の例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの意味と違わない構造要素を有する場合、またはそれらが、特許請求の範囲の文字通りの意味とはわずかな差異しかない等価の構造要素を含む場合に、特許請求の範囲に含まれるように意図される。

本発明の特定の特徴はある図面には示され、他の図面には示されていないが、本発明に基づくそれぞれの特徴は、本発明に基づく他の特徴の全てと組み合わせることができるので、このことは単に便宜上のことにすぎない。本明細書で使用されるとき、語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」および「備える（ｗｉｔｈ）」は、広く、包括的に解釈され、物理的な相互接続に限定されない。さらに、本出願に開示された実施形態を、可能な唯一の実施形態と解釈してはならない。当業者には他の実施形態が明白であり、それらの実施形態は前述の特許請求の範囲に含まれる。

さらに、この特許の特許出願の手続き実行中に提示される補正は、提出された本出願中に提示された請求要素の放棄ではなく、当業者は、全ての可能な等価物を文字通りに包含するであろう特許請求項を書くことを合理的に予想することができず、多くの等価物は補正の時点で予見できず、（放棄されるものがある場合には）放棄されるものの公平な解釈を越え、補正の根底にある原理は、多くの等価物に対してわずかな関係しか持つことができず、かつ／または、補正された請求要素に対する実質のないある代用物を記述することを、本出願の出願人が予想することができない他の多くの理由がある。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。

本発明に基づく温度センサの一実施形態の３次元概略図である。図１に示された温度センサの部分断面図である。本発明に基づく温度センサのピンおよびばねの一実施形態を示すより詳細な概略切取図である。図３に示された実施形態の一部分の概略拡大図である。図３に示された実施形態の別の部分の概略拡大図である。本発明に基づく温度センサに結合された電気接続の一実施形態を示す概略拡大切取図である。図２に示された温度センサの一部分の概略拡大図である。本発明に基づく温度センサの一実施形態の電気回路図である。

符号の説明

１０温度センサ
１２プローブセクション
１４ホットゾーン
１６アウターケーシング
１８ねじ山
２０ハウジングセクション
２１絶縁部分
２２電気導体
２２’ 電気導体
２３シール
２４測定および／または制御回路
２６サーミスタ
２７電極
２７’ 電極
２８ピン
３０ピン
３２外側絶縁体
３４ばね
３６ばね
４０内側へ垂れ下がる遠位座
４２電気接点
４４電気接点
５０導電性トレース
５２絶縁シェル
６０スピンドル
６２座
６３分離構成要素
６４ポスト
６６内側へ垂れ下がる近位リング
６８リング
７０タブ
７２タブ

Claims

ホットゾーンに挿入するプローブセクションであって、
サーミスタと、
一端が前記サーミスタまで延びる第１の長いピンと、
やはり一端が前記サーミスタまで延びる第２の長いピンと
を含むプローブセクションと、
前記プローブセクションの一端にあり、かつ前記ホットゾーンの外側にあるハウジングセクションであって、
前記第１のピンをバイアスして前記サーミスタと接触させる第１のばねと、
前記第２のピンをバイアスして前記サーミスタと接触させる第２のばねと、
前記第１のばねと係合した第１の電気接点と、
前記第２のばねと係合した第２の電気接点と
を含むハウジングセクションと
を含む温度センサ。
前記第１のピンが、前記サーミスタのための内側へ垂れ下がる遠位座を含む、請求項１記載の温度センサ。
前記第１のピンが金属から製作された、請求項１記載の温度センサ。
前記第１のピンが、ニッケルとクロムと鉄の合金から製作された、請求項１記載の温度センサ。
前記第２のピンが、絶縁シェルの中に導電性トレースを含む、請求項１記載の温度センサ。
前記ハウジングセクションが、座およびポストを備えたスピンドルを含み、前記第１のばねが前記ポストのまわりに配置された、請求項１記載の温度センサ。
前記ハウジングセクションがさらに、前記第１および第２の電気接点にそれぞれ固定された第１および第２の導体を含む、請求項１記載の温度センサ。
前記サーミスタがＮＴＣ（ｎｅｇａｔｉｖｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）サーミスタである、請求項１記載の温度センサ。
プローブセクションであって、
ＮＴＣサーミスタと、
一端が前記サーミスタまで延びる第１の長い導電性ピンと、
絶縁シェルの中に導電性トレースを含む、やはり一端が前記サーミスタまで延びる第２の長いピンと
を含むプローブセクションと、
前記プローブセクションの一端にあるハウジングセクションであって、
前記第１のピンをバイアスして前記サーミスタと接触させる第１のばねと、
前記第２のピンをバイアスして前記サーミスタと接触させる第２のばねと、
前記第１のばねと係合した第１の電気接点と、
前記第２のばねと係合した第２の電気接点と、
前記第１の電気接点に固定された第１の導体と、
前記第２の電気接点に固定された第２の導体と
を含むハウジングセクションと
を含む温度センサ。
プローブセクションであって、
サーミスタと、
内側へ垂れ下がる近位リングを含む、一端が前記サーミスタまで延びる第１の長いピンと、
やはり一端が前記サーミスタまで延びる第２の長いピンと
を含むプローブセクションと、
前記プローブセクションの一端にあるハウジングセクションであって、
前記第１のピンをバイアスして前記サーミスタと接触させる第１のばねと、
前記第１のピンの前記内側へ垂れ下がるリングの下に配置され、前記第１のばねと当接したポストと、
前記第２のピンをバイアスして前記サーミスタと接触させる第２のばねと、
前記第１のばねの下の前記ポストのまわりに配置されたリングを含む第１の電気接点と、
前記第２のばねと係合し、前記ポストを貫いて延びる第２の電気接点と
を含むハウジングセクションと
を含む温度センサ。