JP3145225B2

JP3145225B2 - 熱式流量計用抵抗体素子

Info

Publication number: JP3145225B2
Application number: JP05423893A
Authority: JP
Inventors: 徹菊地
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1993-03-15
Filing date: 1993-03-15
Publication date: 2001-03-12
Anticipated expiration: 2016-03-12
Also published as: JPH06267711A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、リードを改良した熱式
流量計用抵抗体素子に関する。本発明の抵抗体素子は、
内燃機関における吸入空気等の流量を測定する熱式流量
計に好適に用いることができる。

【０００２】

【従来の技術】従来より、流体温度が変化する流体流量
を計測する流量計の一種として、温度に応じて抵抗値が
変化する抵抗体素子により流体流量を計測する熱式流量
計が知られている。この種類の熱式流量計は、例えば、
特開昭５５−４３４４７号公報、特開昭５６−７７７１
６号公報、特開昭６０−９１２１１号公報に記載されて
いる。

【０００３】熱式流量計に用いられる抵抗体素子として
は、筒型の基体を用いるものがあり、その一般的な構造
は、筒状電気絶縁体の外側面の回りに金属抵抗が形成さ
れ、当該金属抵抗の表面をガラス層が被覆し、当該筒状
電気絶縁体の両端にそれぞれリードが挿嵌されて固定さ
れ、当該金属抵抗は当該リードのそれぞれに電気的に接
続するものである。この金属抵抗は、温度に応じて抵抗
値が変化するものであるが、金属抵抗に白金等の金属薄
膜を用い、筒状体の外側面に薄膜を形成する薄膜型と、
金属抵抗に白金等の金属細線を用い、セラミックス筒状
体の外側面に巻き回す巻線型とが知られている。いずれ
の型であってもガラス等の保護膜で金属抵抗又は金属細
線を含む筒状体を覆っている。

【０００４】かかる熱式流量計では、抵抗体素子の一対
のリードを流体流路を形成する絶縁性部材の壁部から突
設した一対の支持棒により支持することで、このような
抵抗体素子を一対の支持棒にかけ渡し、抵抗体素子を流
体流路内に配設する。即ち、抵抗体素子は、引張り強度
等の機械強度が大きな金属、例えば、ステンレススチー
ル製等の支持棒に両端のリードをスポット電気溶接等し
た溶接部によって固着され、また、この支持棒は、樹脂
等の絶縁性部材に固着される。

【０００５】そして、流体流量を測定するときは、その
ような抵抗体素子の一つを、流体温度と同一の温度とな
るような温度補償用素子として用いる。また、もう一つ
の抵抗体素子を、温度補償用素子よりも常に約１００〜
２００℃程度の温度より高くなるように、通電して加熱
される発熱素子として用い、この発熱素子に対する通電
量を検出することにより、流体流量を計測する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような抵抗体素子
のリードとしては、従来、白金線が使われていた。しか
し、白金線では、引張り強度が限られているため、リー
ドを筒状セラミックスに挿入する工程のとき、抵抗体素
子のリードを上記支持棒にスポット溶接をするとき、又
は、抵抗体素子を感熱式流量計の部品として使用してい
るときなどで、リードに引っ張り応力が加わると、リー
ドが破断することがある。また、リードとしてステンレ
ス線を使用するときは、引張り強度は白金線より向上す
るが、抵抗体素子の製造工程で高温空気に晒されるた
め、酸化してしまうことがあった。

【０００７】この解決手段として、特開平３−２６８３
０２号公報で、本願発明者等は白金、白金合金等の貴金
属被膜で芯材を被覆した線材を使用する抵抗体素子を提
案した。しかし、このような貴金属被膜線をリードに用
いた抵抗体素子では、芯材の剛性が大きいため、リード
を曲げる方向に力が加わったとき、図５に示すように、
リードを筒状体に接着する接着部１６又はリードの貴金
属被膜１４ｚにクラックが発生することがあった。接着
部は、抵抗体素子のタイプによっては、リードと金属抵
抗とを電気的に接続する役割を果たすものであり、この
ようなクラックは、接着部における電気抵抗を変化さ
せ、抵抗体素子の抵抗値を変化させる。また、リードの
貴金属被膜のクラックも貴金属被膜の電気抵抗を変化さ
せ、抵抗体素子の抵抗値を変化させる。このような抵抗
体素子の抵抗値が変化することは、抵抗体素子の安定な
動作を妨げるものであり、実用上、好ましくない。

【０００８】また、このような貴金属被膜線をリードに
用いた抵抗体素子を、溶接により、リードを介して絶縁
性支持体に接合すると、図６に示すように、貴金属被膜
を構成する貴金属成分と、支持棒を構成する鉄等の成分
とが、リード１４と支持棒５との界面８で、互いによく
溶け合うことがなく、溶接条件を厳密に管理しないと、
リードと支持体との溶接強度のばらつきが大きくなる可
能性があった。

【０００９】そこで、本発明は、リードに曲げ応力がか
かったときでも、抵抗値の安定性が高い抵抗体素子を提
供することを目的とし、従来の抵抗体素子のリードを改
良したものである。また、抵抗体素子が、リードと支持
棒との溶接強度を向上させるリードを有することも目的
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明によれば、
円筒状の電気絶縁体の表面に金属抵抗が形成され、当該
金属抵抗の表面をガラス層が被覆し、当該電気絶縁体の
両端部にそれぞれリードが固定され、当該リードの一端
は当該金属抵抗に電気的に接続され、当該リードの他端
は支持棒に溶接されている熱式流量計用抵抗体素子にお
いて、上記リードは、貴金属部と、当該貴金属部に圧接
により接合されている低熱伝導部と、から構成され、当
該貴金属部は、低熱伝導部を構成する素材より塑性があ
る貴金属又は貴金属を主成分とする合金から構成され、
当該低熱伝導部は、貴金属部を構成する素材より熱伝導
率が低い金属から構成され、当該貴金属部が、上記電気
絶縁体に接着部を介して固定され、かつ上記低熱伝導部
方向に上記接着部を超えて延びていることを特徴とする
熱式流量計用抵抗体素子が提供される。

【００１１】本発明において、上記貴金属部は、白金又
は白金を主成分とする合金から構成されることが好まし
い。また、上記低熱伝導部は、ステンレス鋼又は鉄とニ
ッケルとを主成分とする合金から構成されることが好ま
しい。

【００１２】

【作用】本発明の抵抗体素子では、図１に示すように、
リード１４が、そのリード１４の一方の端部にある貴金
属部１４ａと、そのリード１４のもう一方の端部にある
低熱伝導部１４ｂと、から構成される。

【００１３】貴金属部１４ａは、貴金属又は貴金属を主
成分とする合金から構成される。貴金属部１４ａの素材
としては、白金、ロジウム、銀、パラジウム、又はこれ
らを主成分とする合金を用いることができる。白金又は
白金を主成分とする合金を用いることが好ましい。この
ような例としては、白金８０重量％、ロジウム２０重量
％からなる合金がある。また、このような貴金属部１４
ａの素材は、低熱伝導部１４ｂの素材より、塑性があ
る。

【００１４】低熱伝導部１４ｂは、貴金属部１４ａを構
成する素材より熱伝導率が低い金属から構成される。低
熱伝導部１４ｂの素材としては、ステンレス鋼、ニッケ
ル鉄合金、モリブデン、タングステン、錫青銅、モネル
メタル等が挙げられる。低熱伝導部１４ｂの素材として
は、引張り強度等の機械強度が大きく、かつ、酸化に強
い金属材料が好ましい。例えば、ステンレス鋼、鉄ニッ
ケル合金、特にステンレス鋼が好ましい。

【００１５】貴金属部１４ａと低熱伝導部１４ｂとは、
圧接により接合している。この接合強度を向上させるた
め、貴金属部１４ａと、低熱伝導部１４ｂとが、熱処理
を受けることが好ましい。この熱処理条件は、後に記載
する。

【００１６】本発明の抵抗体素子１０では、リード１４
の貴金属部１４ａが、電気絶縁体１２に挿嵌して固定さ
れている。このとき、貴金属部１４ａは、貴金属部１４
ａが電気絶縁体１２に固定されている部分より、低熱伝
導部１４ｂ側に、更に、延びていることが好ましい。即
ち、図１に示すように、貴金属部１４ａは、リード１４
の一方の端面から接着部１６にまで伸びるのみならず、
更に、接着部１６を越えて、低熱伝導部１４ｂ側に、延
びていることが好ましい。貴金属部１４ａは、接着部１
６のみならず、ガラス層１９までを越えて、更に低熱伝
導部１４ｂ側に、延びていることが好ましい。

【００１７】このように、本発明の抵抗体素子１０にお
けるリード１４と電気絶縁体１２との接合では、低熱伝
導部１４ｂより塑性がある貴金属部１４ａが、電気絶縁
体１２に挿嵌して固定されているので、リードに曲げ応
力が加わったとき、接着部１６にクラックを生じること
なく、貴金属部１４ａが曲がることができるので、抵抗
体素子の抵抗値自体は変化せず、抵抗体素子の安定性を
向上することができる。

【００１８】また、本発明の抵抗体素子１０を、リード
１４を介して支持棒に固定し、熱式流量計を製造すると
き、低熱伝導部１４ｂを支持棒に接触して固定する。従
って、低熱伝導部１４ｂの材質と、支持棒５の材質とを
互いによく溶け合うものとすることで、リード１４と支
持棒５との溶接強度を向上することができる。従って、
リード１４と支持棒５との溶接強度を向上させるため、
リード１４の低熱伝導部１４ｂと支持棒５とが互いによ
く溶け合う材質であることは好ましい。即ち、リード１
４の低熱伝導部１４ｂと支持棒５とが同じ材質又は比較
的に似通った材質であることが好ましい。例えば、低熱
伝導部１４ｂに含有する少なくとも一つの金属が、支持
棒５にも含有していることが好ましい。また、リード１
４の低熱伝導部１４ｂと支持棒５の材質が、互いにステ
ンレス鋼であることが好ましい。なお、支持棒５の素材
は、引張り強度等の機械強度が大きい金属が好ましい。
例えば、ステンレス鋼、鉄ニッケル合金が好ましい。

【００１９】本発明において、貴金属部１４ａと低熱伝
導部１４ｂとの接合部で、貴金属部１４ａがリード１４
表面に伸び、低熱伝導部１４ｂがリード１４内部に延び
ていることが好ましい。即ち、図１に示すように、貴金
属部１４ａと低熱伝導部１４ｂとの接合部で、貴金属部
１４ａが、低熱伝導部１４ｂの回りを被覆しているよう
な形状をしていることは好ましい。また、貴金属部１４
ａは、リード１４の長さの４０〜８０％であることが好
ましく、５０〜７５％であることが更に好ましい。

【００２０】また、このように貴金属部１４ａが、接合
部で、低熱伝導部１４ｂの回りを被覆しているような形
状をしているとき、この貴金属部１４ａは、リードの軸
方向と垂直な断面を一周するように被覆している必要は
ない。例えば、図２（ｄ）に示すような、断面が四角形
のリードの接合部では、そのすべての辺で貴金属部１４
ａが低熱伝導部１４ｂを被覆している必要はなく、２辺
のみを、貴金属部１４ａで被覆していてもよい。貴金属
部１４ａが被覆している低熱伝導部１４ｂの部分は、抵
抗体素子の製造工程における高温下での熱処理などで、
酸化が防げるからである。なお、この接合部で、貴金属
部１４ａがリードの軸方向と垂直な断面を一周するよう
に低熱伝導部１４ｂを被覆していることは、好ましい。
低熱伝導部１４ｂの酸化を防止できる表面が増加するか
らである。

【００２１】以下、本発明に用いるリード１４を作成す
る方法を説明する。図２（ａ）及び（ｂ）に示すよう
に、貴金属部１４ａになる平板２と、低熱伝導部１４ｂ
になる平板３ａとを横並びにし、平板２及び３ａの両側
から、白金等の適当な厚さの貴金属膜を、双方の平板の
接合部を越えるようにして、貴金属膜を圧接する。例え
ば、平板２として、厚さ２００μｍのSUS403のステンレ
ス鋼を用い、平板３ａとして、厚さ２００μｍの白金板
を用い、貴金属膜３ｂとして、厚さ１０μｍの白金膜を
用いることができる。このとき、図２（ｂ）に示すよう
に、平板の一辺に沿って、貴金属被膜が被覆しない長方
形部分が平板２の両側に生じるようにする。圧接後の平
板の厚さは、例えば、約１５０μｍである。

【００２２】別方法としては、図２（ａ）で平板３ａを
用いることなく、それ以外は変えることなく、平板２の
両側から、白金等の適当な厚さの貴金属膜を圧接し、貴
金属部１４ａ及び低熱伝導部１４ｂとなる前駆体板を形
成することができる。貴金属膜は塑性に富み、変形しや
すいので、このような手法でも形成できる。

【００２３】このような圧接後、熱処理をすることで貴
金属部３と低熱伝導部２との接着を強化する。熱処理に
より、低熱伝導部成分が貴金属部に、また、貴金属被膜
成分が低熱伝導部に、と相互に拡散することで、貴金属
部と低熱伝導部との接合が強化するからである。

【００２４】このような熱処理条件としては、例えば、
６００〜９００℃で、６０分以内であることが好まし
い。

【００２５】このように熱処理をした後に、図２（ｃ）
に示すように、貴金属被膜が被覆していない辺と交わる
ように、この板を切断し、図２（ｄ）に示すような、リ
ードとする。このリードの断面形状は、例えば、各辺が
１５０μｍの正方形である。

【００２６】このように切断した後では、リード断面は
四角形になるが、Ｃ面取り又はＲ面取りのように、縁取
りすることは好ましい。縁に係る応力を低減できるから
である。縁取りは、例えば、図３に示すように、縁を潰
すような方向にプレスすることによってすることができ
る。

【００２７】以下、抵抗体素子１０の製造方法を説明す
る。図１に示すように、電気絶縁体１２の材料として
は、アルミナ、石英等の電気絶縁性セラミックスが好適
に用いられる。電気絶縁体１２の形状が、筒形状のと
き、外径が０．３〜１ｍｍ程度のものが実用上、好まし
い。長さは、２〜３ｍｍ前後であることが好ましい。例
えば、外径０．５ｍｍ、内径０．３ｍｍ、長さ２〜３ｍ
ｍ程度のアルミナパイプが用いられる。また、電気絶縁
体及び抵抗体素子の形状は、特開昭６４−１８０２３号
公報及び特開平４−１２３４０１号公報に記載されてい
るような板状であってもよい。

【００２８】薄膜型抵抗体素子の製造方法は、セラミッ
クス等の電気絶縁体１２に、スパッタリング、物理蒸着
法（ＰＶＤ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）、メッキ等の公知
方法により金属薄膜１８を形成する。図１にあるよう
に、金属薄膜１８は必ずしも電気絶縁体１２の表面に付
着する必要はなく、電気絶縁体１２と金属薄膜１８との
間にガラス等からなる中間層を介在させることもでき
る。

【００２９】次いで、この金属薄膜をレーザートリミン
グ等により、スパイラル状や蛇行形状等の適当な形状に
作成し、特定の抵抗値を有する薄膜抵抗１８とする。金
属は、白金又は白金を含有する合金は好ましい。薄膜の
厚さは、０．５〜３μｍが好ましい。薄膜の厚さと例え
ばスパイラルピッチを調整することによって、薄膜抵抗
の抵抗値を数オームから１０００オームにまで調節する
ことができる。

【００３０】電気絶縁体１２にリード１４を挿嵌する工
程は、最終ガラス被覆工程前に行えばよく、薄膜形成工
程の前、薄膜形成工程とトリミング工程との間、トリミ
ング工程とガラス被覆工程の間の任意のときに行えばよ
い。

【００３１】リード１４は、直径０．１〜０．３ｍｍ程
度の金属線であり、上記に説明したようなものである。
貴金属部１４ａからリード１４を電気絶縁体に挿入し、
白金とガラスとの混合ペースト等の導電性の接着剤を用
いて、電気絶縁体１２のリード１４を接着し、固定す
る。こうして、導電性接着剤は、リード１４と白金薄膜
１８とを電気的に接続する接着部１６を形成する。

【００３２】なお、導電性接着剤を用いることは、必ず
しも必須ではなく、電気絶縁体１２とリード１４とを導
電性を有しない接着剤で固定し、リード１４と白金薄膜
１８とを導電性ペーストを塗布することで電気的に接続
してもよい。

【００３３】最後に、電気絶縁体１２の回りに形成され
た金属薄膜１８及び電気的接続部１６を覆うようにガラ
ス等からなるガラス層１９を形成する。例えば、ホウケ
イ酸鉛ガラスの粉末をスラリーとし、このスラリーを浸
漬、ブレード塗布、スプレー塗布等によって、電気絶縁
体１２の表面に付着させる。この表面に付着しているス
ラリーを乾燥させた後、焼成して、ガラス層１９を形成
する。

【００３４】巻線型抵抗体素子の製造方法は、基本的
に、薄膜型抵抗体素子の製造方法と同様である。ただ
し、金属薄膜を形成する代わりに、白金線等の導電性の
高い線を電気絶縁体１２の回りに巻き回し、線をリード
１４に溶接して接続することが異なる。巻線型抵抗体素
子では、接着部１６は導電性である必要はない。例え
ば、直径が０．５ｍｍで長さが２ｍｍの円筒形アルミナ
ボビンに直径２０μｍの白金線を３５μｍのピッチで巻
き付けると、約２０オームの抵抗となる。

【００３５】こうして得られた抵抗体素子１０の両端の
リード１４の低熱伝導部１４ａをステンレススチール製
等の支持棒５に、スポット電気溶接等により、固着す
る。リード１４が支持棒５に溶接されるリード部分に
は、貴金属被膜は形成されていない。

【００３６】熱式流量計の駆動回路の回路図を図４に示
す。熱式流量計は、通常は、二つの抵抗体素子１０を一
組とし、一方を流体温度補償用素子２１とし、他方を発
熱素子２２とし、被測定流体を通過させる流体流路２４
内に配設されている。また、温度補償用素子２１と発熱
素子２２とは、他の抵抗３０、３２と共にブリッジを構
成する。温度補償用素子２１は、被測定流体と同一温度
になるようにし、一方、発熱素子２２の温度は、温度補
償用素子２１より、約１００〜２００℃程度の所定の温
度だけ高くなるように、差動アンプ２６にてフィードバ
ック制御されるようになっている。このとき、温度補償
用素子２１には、発熱が無視できる程度の微小電流が流
れるようにし、発熱素子２２の発熱量を被測定流体の温
度で補償するために用いている。

【００３７】そして、このような通電制御のもとでは、
空気流量が変化すると発熱素子２２及びそれに直列に接
続する抵抗３０の電流量及びそれにかかる電圧が変化す
る。そこで、発熱素子２２に流れる電流量、図示するよ
うに抵抗３０に流れる電流量、又は出力端子２８、２８
間に出力される電圧によって、発熱素子２２を加熱する
のに要する電力が分かり、ひいては、流体通路２４内を
通過させられる流体量及び流体速度が算出されて、計測
され得るのである。なお、流体通路２４を、流体の主通
路から分流して設けることは好ましい。

【００３８】また、支持体５を固定する絶縁性部材とし
ては、絶縁性であり、ある程度の高温で機械強度を保持
するものであれば制限はないが、合成樹脂を好適に用い
ることができ、例えば、ポリエチレンテレフタレート又
はポリブチレンテレフタレートを挙げることができる。

【００３９】

【実施例】以下、本発明を実施例により詳細に説明す
る。ただし、本発明は下記実施例により制限されるもの
ではない。図２に示す方法で、リードを作成した。平板
２ａとして、厚さ２００μｍ、幅１０ｍｍの白金板と、
平板２ｂとして、厚さ２００μｍ、幅１０ｍｍのSUS403
のステンレス鋼板を用い、その両側に、厚さ１０μｍ、
幅１５ｍｍの白金膜を圧接した。次いで、８００℃で熱
処理をした。次いで、図２（ｃ）に示すように、この板
を切断し、図２（ｄ）に示すような、リードとし、図３
にあるように、プレスをし、縁取りした。

【００４０】外径０．５ｍｍ、内径０．２２ｍｍ、長さ
２ｍｍのアルミナパイプを電気絶縁体１２として用い、
その外側面に厚さ０．４μｍの白金薄膜を公知のスッパ
タリング法により形成した。次いで、この白金薄膜をレ
ーザーにより、スパイラル状にトリミングし、抵抗値が
２０オームとなるように、白金薄膜１８を形成した。

【００４１】そして、白金薄膜１８を形成した係るボビ
ンの両端に、前記したように製造した直径０．１５ｍｍ
のリードを挿入し、白金６０容量％とガラス４０容量％
からなる白金系接着剤で接着した。これを、空気中、６
００℃で１０分焼成し、リードとボビンとを固定した。
この素子前駆体のボビン部分に、融点約５８０℃のガラ
スを塗布して、空気中、５８０℃で５分焼成してガラス
層を形成し、抵抗体素子１０を得た。直径１．０ｍｍの
ステンレス製の一対の支持棒５に、この抵抗体素子１０
を、プロジェクション溶接で固定し、抵抗体素子を架け
渡した。この抵抗体素子の抵抗値の安定性及び溶接強度
は、満足すべきものであった。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、抵抗体素子では、
リードの貴金属部が電気絶縁体に固定されるので、リー
ドに曲げ応力が加わったとき、接着部等にクラックを生
じることなく、貴金属部が曲がることができるので、抵
抗体素子の抵抗値の安定性が向上する。また、本発明の
抵抗体素子を熱式流量計に用いるとき、リードの貴金属
部でなく、低熱伝導部が支持棒に接触して固定するの
で、リードと支持棒の溶接強度を向上することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の抵抗体素子の一具体例を示す断面図で
ある。

【図２】本発明に用いることができるリードの製造方法
の一具体例を説明する斜視図である。

【図３】本発明に用いることができるリードの縁取りの
一具体例を示す断面説明図である。

【図４】本発明が適用される熱式流量計の駆動回路の回
路図である。

【図５】従来の抵抗体素子のリードに曲げ効力が加わっ
たときを説明する断面説明図である。

【図６】従来の抵抗体素子を支持棒に固定するときを説
明する断面図である。

【符号の説明】

２低熱伝導板３ａ貴金属板３ｂ貴金属膜５支持棒１０抵抗体素子１２電気絶縁体１４リード１４ａ貴金属部１４ｂ低熱伝導部１６接着部１８金属薄膜１９ガラス層２０駆動回路２１温度補償用素子２２発熱素子２６差動アンプ２８出力端子３０抵抗３２抵抗

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01C 7/02 G01F 1/68 G01P 5/12

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】円筒状の電気絶縁体の表面に金属抵抗が
形成され、当該金属抵抗の表面をガラス層が被覆し、当
該電気絶縁体の両端部にそれぞれリードが固定され、当
該リードの一端は当該金属抵抗に電気的に接続され、当
該リードの他端は支持棒に溶接されている熱式流量計用
抵抗体素子において、上記リードは、貴金属部と、当該貴金属部に圧接により
接合されている低熱伝導部と、から構成され、当該貴金属部は、低熱伝導部を構成する素材より塑性が
ある貴金属又は貴金属を主成分とする合金から構成さ
れ、当該低熱伝導部は、貴金属部を構成する素材より熱伝導
率が低い金属から構成され、当該貴金属部が、上記電気絶縁体に接着部を介して固定
され、かつ上記低熱伝導部方向に上記接着部を超えて延
びていることを特徴とする熱式流量計用抵抗体素子。
【請求項２】上記貴金属部は、白金又は白金を主成分
とする合金から構成されることを特徴とする請求項１に
記載の熱式流量計用抵抗体素子。
【請求項３】上記低熱伝導部は、ステンレス鋼又は鉄
とニッケルとを主成分とする合金から構成されることを
特徴とする請求項１に記載の熱式流量計用抵抗体素子。