JPH0328719A

JPH0328719A - 検出素子

Info

Publication number: JPH0328719A
Application number: JP1162705A
Authority: JP
Inventors: Fujio Ishiguro; 石黒　不二男
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1989-06-27
Filing date: 1989-06-27
Publication date: 1991-02-06
Also published as: US5124682A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業−１−の利用分野）本発明は、主として流体の物理的特性を熱の変換、伝達
を利用して測定する検出素子に関するノ）のである。

（従来の技術）例えば内燃機関等において、吸入空気の流量、流速、温
度等の物理的特性を、抵抗体の電気抵抗値の温度依存性
を利用し７て測定するセンザ用検出１素子が知られている。

この−例として、例えば第５図に示すように、セラミソ
クスの中空バイブ３１の外表面上にｐｔワイヤ又はｐｔ
膜３４を形或し、中空パイプ３１の両端の開札部に金属
リート綿３２Ａ，　３２ＢをガラスペースＩ・、金属ペ
ーストあるいは有機接着剤等３３Ｌ　３３Ｂにより取り
｛＝Ｊけた構造のものが知られている。ｐｔ▼ノイヤ又
はｐｔ膜３４、中空バイブ３１の外表面には無機ガラス
製の保護層３５を設けている。

この保護層３５は、金属抵抗体が被測定流体によって汚
染され抵抗特性が変化するのを肪止し、かつ金属抵抗体
を中空パイプ表面に固定する役割を果たす。と同特に、
保護層の表面を滑らかな状態とし、被測定流体中のダス
トが検出素子表面に付着堆積することを防止すると共に
、素子全体に充分な強度を与えなければならない。従っ
て、中空バイブの表面粗さ、金属抵抗体（ワイヤ、スバ
イラル状の薄層なと）による■１凸が保護層表面状態に
影響するのを最少限に抑え、一定の滑らかさを保つため
には、保護層が」二記表面粗さ、門凸より２も厚くなければならない。

（発明が解決しようとする課題）しかし、上記のような検出素子は、電気抵抗体と被測定
流体との間の熱交換、熱伝達を利用するものであるため
、熱的絶縁性の大きい保Ｂ￥ｔＮの厚みを上記のように
大きくすると、抵抗体一流体間の熱伝達が遮げられ、著
しく検出素子の応答性を低下させる。

本発明は、素子表面へのダストの堆積、素子の強度低下
を防止しながら、抵抗体一流体間の熱伝達も良好に保持
できる、応答性の良い検出素子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）本発明は、基体と、この基体の表面に設けられた電気的
導体部と、この電気的導体部と外部回路とを電気的に接
続するためのリード線と、前記電気的導体部を被覆する
保護層とを有する検出素子において、前記保護層が、少
なくとも無機ガラスとこの無機ガラスの熱伝導率よりも
高い熱伝導率を有する材料とから形成されていることを
特徴とする検出素子に係わるものである。

「無機ガラス」としては、ケイ酸塩ガラス、ホウケイ酸
ガラス、鉛ガラス、石英ガラス等があり、検出素子の使
用目的に応して適宜選択することができる。

保護層材料として選んだ無機ガラスの熱伝導率よりも高
い熱伝導率を有する材料としては、セラ旦ツクス、金属
、黒鉛等が好ましい。

かかるセラミックスとして１は、アルξナ、へりリア、
マグネシア、スビネル、チタニア、カルシア、トリア、
ムライト、ジルコン、ジルコニアなどがあり、金属とし
ては、鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、クロム、タン
グステン、金、銀、白金、パラジウム等、室温で安定な
金属のほとんどが使用可能である。

（実施例）第１図（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ本例の検出素子をその
製造工程を通して説明するための斜視図である。

本実施例では、まず第１図（ａ）に示す円筒状のアルミ
ナパイプ１からなる基体の両端の空間部に、第１図（ｂ
）に示すようにＮｉＦｅ（又はＰ　ｔＲｈ）合金リード
２＾，　２Ｂを挿入し、アルミナパイプ１とリード２Ａ
および２Ｂの間にガラスペース１・を設け、所定の加熱
炉内で焼付けて焼付部３Ａ，　３Ｂを形戒する。次に第
１図（ｃ）に示すように、リード２Ａ，　２Ｂの直径よ
りも細い直径（例えば２０μｍφ）の白金ワイヤ４を、
リード２Ａからアルくナパイプ１上をスパイラル状に巻
き最終的にリード２Ｂに巻き付ける。最後に、第１図（
ｄ）に示すように、白金ワイヤ４の表面に保護層５を形
成して検知素子を得ている。

ここで、この保護層５を無機ガラスと、この無機ガラス
の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料とから形成
した点が極めて特徴的である。

即ち、保護層５の全体を汎機ガラスで形戒ずると抵抗体
又は電気的導体である白金ワイヤ４と流体との間の、熱
交換が遮へいされるために応答１生が低下したのである
が、本実施例では無機ガラスよりも熱伝導率の高い材料
、例えばセラくツクスや金属部分により保護層５の熱伝
導性が上がり、保護層５の層厚を小さくすることなく、
白金ワイヤ４と被測定流体との間の熱交換が円滑、迅速
に行われる。従って、白金ワイヤ４の抵抗値が迅速に変
化し、検出素子の応答性が上がる。しかも、保護層５を
薄くする必要はなく、白金ワイヤ４による凹凸等の影響
が保護層５の表面に表われない程度の所定膜厚を維持で
きるので、保護層表面にダストが堆積することはなく、
しかも素子の強度も保護層５により高く維持できる。

本実施例において保護層５を形成するには、例えば、無
機ガラス粉末、金属又はセラミックスの粉末、有機ハイ
ンダー、無機又は有機溶剤等を混合し、ロールよル、サ
ンド稟ル等の混練機で混練し、更に溶剤を加えて所望粘
度に調整して塗料とし、第１図（ｃ）の構造体にこの塗
料をディッピング法（浸漬塗布）法、プレート塗布法、
スプレー塗布法、スパイラル塗布法等゛によって塗布し
、次いで保護層５の表面が滑らがになるように熱処理す
ることができる。また、高周波スパッタリングにより所
定物質（無機ガラスと、金属及び／又は５６セラ健ンクス）の膜を形成してもよく、ゾルゲル法、Ｃ
　Ｖ　Ｉ）法等の公知の！ｌｌ！！縁膜形或方法を適用
してもよい。

保護層５中における無機ガラスと、この無機ガラスより
も高い熱伝導率をＩＪずる利料との割合は、容量比で無
機ガラス／金属では５０／５０〜９０／１０、無機ガラ
ス／セラミンクスでは３０／７０〜９０／１０とするの
が好ましい。

保護層５０層厚は１０〜５０μｍとすると好ましい。

第２図（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、他の例による検出素
子をその製造Ｔ−程を通して説明するための斜視図であ
る。

本実施例では、まず第２図（．ｌ）に示すように、円筒
上の゛アルミナバイプ１からなる基体上に、山金ｌ模１
４ヲスパッタリング、藤着て設ける。次に、第２図（ｌ
））に示すように、アルよナパイブ１の両端の内様｛！
’！Ｉ　（ｒこスデンレス（又ばＰｔ１【ｈ）等からな
るノード１２Ａ，　１２Ｂを挿入し、アルミナパイプ１
とリード１２Ａおよび１２１３の間にガラスペーストを
充填し、所定の加熱炉内で焼付３ノで焼付部１３Ｌ　］
．３Ｂを形或する。リード１２Ａ．　１２Ｂをアルミナ
パイブ１の両端の内径側に固定し、この後に白金膜１４
を設けてもよい。次いで、白金ペーストを白金膜１４と
リ一１１２Ａ，　１２Ｂとの間に設け、所定温度に加熱
して導電部１７を設け、り−１”］２Ａ、白金膜１４、
リード１２１１間の電気的導通をとる。また、導電部１
７を設ける代わりに、焼イ］部１．３Ａ，　１．３Ｂを
、ガラス白金混合ペーストをアル貴ナバイプ両端の内径
に充填し、焼きつけることで設けてもよい。最後に、第
２図（ｃ）に示すように、白金膜１４、焼付部１３Ａ、
１．３Ｂの全体に保護層５を形成して検出素子を得てい
る。

この保３１層５は第１図のものと同様の構或とする。

第３図（ａ）〜（ｃ．）はそれぞれ、更に他の例による
板状検出素子をその製作工程を通して説明するための斜
視図である。

本実施例では、まず第３図（ａ）に示すように板状のへ
りリア板２１からなる基体Ｌに、自金Ｌ」ジウム合金膜
２４をスパンタリングで形成後スバソタエノヂして所定
パターンを設ける。次に、第３図（ｂ）に示すよ・）に
、〔」金ロジウム台金膜２４の両端部近傍にニンケルリ
−１”２２Ａ，　２２Ｂをガラスで固定し゛（設け、合
金膜２４と二ンゲルリ−１”２２Ａ．　２２Ｂとの間に
自金ベースｌ・を設け、所定の力１１熱炉内で焼付けて
焼イ」膜２３Ａ，　２３Ｂを形戊する。最後に、第３図
（ｃ）に示すように、一・リリア板２４の表面全体に、
前述のものと同様の保護層１５を形成して検出素−ｒを
得ている。

第２図の例では、゛７ルξナバイブ１の外周全面に自金
朕１４を設けたが、この白金ｌ模１４をレーり′トリミ
ングし、第４図に示すようにスバイラル状の白金ｌｌｌ
Ｊ３４を形或し、しかる後に第２図（ｃ）に示すように
保護層５を形戒してもよい。

以下、更に具体的な実験例について述べる。

基体としてアルミＪ−バイブを使用し、第１図又は第２
図に示した検出素子を製造した。アルミナバイブのｌ一
法は、第１図（ａ）において、φ０．２　ｍｍ：　　φ
ｇ　−＝０．５　ｍｍ，　ｎ．　＝　２　ｍｍとした。

また、アルミナパイプの断面を走査型電子顕微鏡で観察
し７、アルミ・ノ゛バイブの平均表面粗さを求めた（木
例では１０〜３０μｍ）。

次いで、リートワイヤとして、外径０．１５ｍｍの白金
−ロジウム合金ワイヤを作業温度９００゜Ｃのガラスで
アルミナバイブ内側に固定した。

次いで、φ−２０／７ｍの自金ワイヤをアルミナパイプ
外表面に巻きつけ、抵抗値を２０Ωとした（第１図（Ｃ
））。また、アルミナパイプ外表面全体に、薄く自金膜
を蒸着し、白金ペーストでリー　ド▼ノイヤとの電気的
導通をとり、両リートワイヤ間の抵抗値を２０Ωとした
（第２図（ｈ））。

次いで、表１に記載の容量比率で無機ガラスと、セラミ
ソクス及び／又は金属粉体を含有する膜厚５０〜６０μ
ｍの保護層を形成した（第１図（ｄ），第２図（Ｃ））
。

保護層用塗料は無機ガラスとセラ泉ノクあるいは金属粉
の容量の１７１０のエチルセルロースヲ混合し、溶剤と
して同量のテルピネオールを加えた後、らいかい機さら
にトリロールミルで七分Ｇご練りこんだ後、さらにテル
ピネオールを加えてディンピングに都合の良い粘性を持
つよ・う調整して得た。

この塗料を第１図（Ｃ）、第２図（ｂ）のザンブル９１０にディッピング法により塗布し、保護層表面が充分に滑
らかになるように加熱処理した。

また、比較例Ｆ，Ｇにおいては、保護層中に金属又はセ
ラミックスの粉体を加えなかった（従来例）。

これらの各例について応答時間を測定し、結果を表１に
示した。

表１この表において、ガラスの作業温度とは、保護層の表面
を充分に滑らかにするため必要な温度をいう。また、セ
ラごツクス、金属の粒径としては、走査型電子顕微鏡で
調べた平均粒径を指し、５０個の粒子の一つの方向での
径（幅）の測定値の平均値とした。

また、応答時間は、被測定気体としての空気の流量を３
０ｋｇ／時間とし、空気の温度を２５゜Ｃから７０゜Ｃ
へと変化させた時の抵抗体の抵抗値変化時間を表示した
。具体的には、温度２５゜Ｃのときの抵抗値Ｒ２Ｓ　（
２０Ω）、温度７０゜Ｃのときの抵抗値Ｒ７ｏ（定常値
）とし、Ｒ７０とＲ２Ｓとの差をΔＲとすると、温度を
２５゜Ｃから７０゜Ｃへと変化させた時点から、抵抗値
がＲ２Ｓから０，８×ΔＲだけ変化した時点までの経過
時間を応答時間とした（各水準ｎ＝５とし、平均値をと
った。）。

上記の結果より、第１図、第２図のいずれの検出素子に
おいても、本発明により応答時間が顕著に短縮されるこ
とが解る。

上述の実施例は種々変更できる。

例えば、基体、リード線、抵抗体ワイヤ、抵抗膜の材質
は種々変更してもよい。

保護層中に２種以上のセラミック、２種以上の金属を含
有させてもよく、また、例えば２種以上の金属からなる
合金の粉末を含有させてもよい。

電気的導体は、Ｐｔ，　Ｎｉ，　Ｒｈ，　Ｐｄ及びこれ
らの合金でもよく、基体は円筒形の他、四角筒形、六角
筒形でもよく、基体材料もアルごナの他、ムライト、ジ
ルコニア、石英等から選択できる。

（発明の効果）本発明に係わる検出素子によれば、保護層が、少なくと
も、無機ガラスと、この無機ガラスの熱伝導率よりも高
い熱伝導率を有する材料とから形成されているので、こ
の材料により保護層の熱伝導性が向上し、保護層の層厚
を小さくすることなく、電気的導体部と被測定流体との
間の熱交換が円滑、迅速に行われる。従って、電気的導
体部の抵抗値が迅速に変化するので、検出素子の応答性
を著しく高めることができる。しかも、熱伝導性を高め
るために保護層を薄くする必要はないので、所要の層厚
を維持することで、基体の表面粗さや電気的導体部によ
る凹凸が保護層表面に表れて、被測定流体中のダストが
堆積するのを防止できか１３１４一つ素子強度も高くできる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ．）　，　（ｂ）　．　（ｃ）　，　（ｄ）
はそれぞれ実施例による検出素イをその製造工程を通し
て説明するための斜視図、第２図（ａ）　，　（ｂ）　，　（ｃ）はそれぞれ他の
実施例による検出素子をその製造工程を通して説明する
ための斜視図、第３図（ａ）　，　（ｂ）　．　（ｃ）はそれぞれ更に
他の実施例による検出素了をその製造工程を通して説明
するための斜視図、第４図は更に他の検出素子の保護層形成前の状態を示す
斜視図、第５図は従来の検出素子を示す断面図である。１・・・アル兆ナバイプ２Ａ　　２８　　１２Ａ　　１２Ｌ　２２Ａ，　２２Ｂ
・・・リーｉ，３八，　　３Ｂ，　　１．３Ａ，　　１
３Ｂ，　　２３Ａ，　　２３Ｂ　　・・焼イ４部４・・
・白金ワイヤ　　　　　５・・・イ呆護層】４・・・白
金膜３４・・・スバイラル状白金膜１５／２Ａ

Claims

【特許請求の範囲】

１、基体と、この基体の表面に設けられた電気的導体部
と、この電気的導体部と外部回路とを電気的に接続する
ためのリード線と、前記電気的導体部を被覆する保護層
とを有する検出素子において、前記保護層が、少なくと
も無機ガラスとこの無機ガラスの熱伝導率よりも高い熱
伝導率を有する材料とから形成されていることを特徴と
する検出素子。