JPH05312615A

JPH05312615A - 熱線式空気流量センサおよびその製造法

Info

Publication number: JPH05312615A
Application number: JP4121694A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Tsuruoka; 重雄鶴岡
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-05-14
Filing date: 1992-05-14
Publication date: 1993-11-22

Abstract

(57)【要約】【目的】自動車エンジンの燃料供給システムとして、イ
ンジェクションシステムが使用されているエアフローメ
ータには種々な方式があるが、ホットワイヤ式のエアフ
ローセンサの高性能，低価格化が必要であり、応答性が
高く、製造自動化率の高い新構造のエアフローセンサを
提供する。【構成】自動車エンジン用熱線式空気流量センサにおい
て、昇華性を有するＭｏ芯線に発熱抵抗体のＰｔ線２を
中央部を正常に両端部を密着して巻きまわし、密着巻き
した両端部にリード線３を溶接し、セラミックス５とＣ
ａを含むガラスの混合物を電着して焼成し、金属芯線を
昇華除去する過程でガラス成分のＣａとＭｏを反応させ
てセラミックスとガラスを拡散結合させて強度の高い多
孔質体とした後、ガラスを被覆して焼成し、ガラス／ア
ルミナ複合層４で被覆したセンサ１を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱線式空気流量センサ
に係り、特に、自動車内燃機関の吸入空気量の検出に用
いられる熱線式空気流量計におけるセンサとして好適な
熱線式空気流量センサ及びその製造法に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱線式空気流量計は流量を測定すべき空
気流通路中に発熱抵抗体の熱線を設置し、空気流により
熱線が冷却するのを打消すためにその熱線を流れる電流
を増加してこれを加熱させ、この電流の増加量により空
気流量を検知するようにしたもので、可動部分がなく、
しかも、質量流量を直接検出できるため、自動車用内燃
機関の空燃比制御用などに広く採用されている。

【０００３】この流量計に使用している発熱抵抗体は、
極めて細い、例えば、直径が数十ミクロンの白金などの
金属ワイヤが用いられており、そのため、例えば、実開
昭56−96326 号公報に記載の発熱抵抗体は、この発熱抵
抗線となる金属ワイヤをセラミックス等を芯線すなわち
ボビンに巻回して構成していた。

【０００４】また別の方式として、金属ワイヤをコイル
状に巻回し、発熱抵抗体の支持体に溶接する両端部を除
いてガラスコーティングしたボビンのないボビンレス方
式の発熱抵抗体が出願されている。

【０００５】また、特開平2−77619号公報には、金属ワ
イヤをＭｏ線にコイル状に巻回し、その外表面をガラス
で被覆するとともに、Ｍｏ線をエッチングによって除去
したボビンレス発熱抵抗体が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来技術のうち、金属
ワイヤをセラミックスのボビンに巻きまわした熱線式空
気流量センサでは、ボビン自体を加熱する熱及びボビン
に伝わって支持体に伝わる熱量が無視出来ず、特に、空
気流量の変化に対し過度応答が遅れるため、自動車の急
加速，減速時にサージングが発生する問題があった。

【０００７】これに対してボビンレス方式では応答性の
改善が行われ、巻線作業も複数個連続に行うことが出来
るので、製造の自動化が増すが、発熱抵抗体を巻きまわ
した金属芯線を、被覆したガラス部材の焼成後に酸によ
るエッチングで除去するための作業が煩雑であること、
さらに、芯線を除去する際の酸によるエッチングによっ
てガラス表面が荒れ、使用環境下で空気中の塵埃やイオ
ン性物質等が付着して特性を劣化させる。

【０００８】本発明の目的は、エッチング工程を不要に
して工程作業の容易化を図り、ガラス表面のエッチング
荒れを解決し、空気流量低下時の十分な応答性をもった
熱線式空気流量センサ及びその製造法を提供することに
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、本発明は、Ｃａを含む第１ガラスとセラミックス
が、ＣａとＭｏの化合物を介して拡散結合した多孔質体
の隙間に、表面に付着させた第２ガラスを溶融し浸透さ
せて充填させ、表層をガラスで被覆したガラスとセラミ
ックスの複合部材である筒状の部材と、この複合部材内
壁に中央部を正常に両端部を密着して螺設され、両端が
前記筒状部材外へ引き出された金属ワイヤで構成される
熱線式空気流量センサとしたものである。さらに本発明
は、昇華性を有するＭｏ芯線に発熱抵抗体の金属ワイヤ
を中央部を正常に両端部を密着して巻きまわす工程と、
その両端からの引出部しを除いて金属ワイヤの表面にセ
ラミックスとＣａを含む第１ガラスの混合物を付着して
覆う工程と、酸化性雰囲気中での焼成によりＭｏ芯線の
昇華除去と、第１ガラスに含まれるＣａとＭｏを反応さ
せて化合物を作ることによりガラスとアルミナを拡散結
合させて多孔質体とする工程と、さらに第２ガラスを付
着して焼成することにより、前記セラミックス多孔質体
の隙間にガラスを溶融し浸透・充填させて緻密なガラス
／アルミナ複合材で固着した熱線式空気流量センサを得
る工程を少なくとも備えるようにしたものである。

【００１０】

【作用】本発明では、発熱抵抗体の金属ワイヤ、例え
ば、Ｐｔワイヤを中央部を正常に両端部を密着して昇華
性を有するＭｏ芯線にコイル状に巻きまわし、そのＰｔ
ワイヤを密着巻きした両端部に電気引出部となるリード
線を溶接し、Ｃａを含む第１ガラスとセラミックスの混
合部材を付着して酸化雰囲気中で焼成し、Ｍｏ芯線を昇
華除去するとともにガラス成分のＣａとＭｏを反応させ
てガラスとセラミックスを拡散結合させた多孔質体と
し、さらに第２ガラスを付着した後焼成し、コイル状に
巻きまわした金属ワイヤとリード線をガラス／アルミナ
複合材で固着する作業を行う。

【００１１】この処理において、Ｍｏ芯線は導電性があ
りリード線間を短絡してしまうので、まず第１ガラスと
セラミックスの混合部材を付着した後に８００℃以上に
加熱してＭｏ芯線を昇華除去するが、このときＭｏの一
部を取り入れてガラス成分のＣａと反応させてガラスと
アルミナを拡散結合させた多孔質体とする一次焼成を行
う。続いて、この多孔質体に第２ガラスを付着して焼成
し、多孔質体の隙間に第２ガラスを溶融して浸透・充填
させるとともに表面をガラスで被覆したガラス／アルミ
ナ複合材とする二次焼成を行う。そのため、一次焼成に
おける第１ガラスとセラミックス混合部材の付着層は、
まず、Ｍｏ芯線の昇華揮散を妨げないために十分な多孔
性を維持する必要がある。さらに、第１ガラスは、Ｍｏ
が昇華する以前には溶融しないで元の粒状を保ち、Ｍｏ
芯線を昇華除去した後に、発熱抵抗体が劣化しない１２
００℃以下の温度で作業点に達して、セラミックスを固
着する粘結剤として働く必要がある。だが、一般のガラ
スは、昇華するＭｏの影響下で元の特性を失ってしま
い、１２００℃以下の温度では溶融しなくなってしまう
ので、アルミナ粒子をつなぐ粘結剤としての働きを失っ
てしまう。そこで、Ｃａを含むガラスは、昇華するＭｏ
とガラス成分のＣａが反応して化合物を作り、このＣａ
とＭｏの化合物が仲介して１２００℃以下の温度でもア
ルミナ粒子が拡散結合し、強固な多孔質体を作ることが
出来ることを実験的に見出した。例えば、Ｃａを含まな
い軟化点が７００℃のガラスとアルミナ混合部材を付着
した層のＭｏ芯線を昇華除去した一次焼成後の強度に比
べ、Ｃａを含み軟化点が８６０℃のガラスとアルミナの
混合部材を同条件で一次焼成した後の強度は、約５倍に
改善出来る。従って、第１ガラスは、昇華するＭｏの影
響下でも粘結剤として働くようにＣａを含む必要があ
る。また、第１ガラスは、Ｍｏ芯線が昇華する前は未だ
溶融しない状態を保つ必要があるので、軟化点がＭｏの
昇華温度より高い８００℃以上で、かつ、作業点が１２
００℃以下の特性を有することが必要である。

【００１２】金属ワイヤは、例えば、耐熱性，耐食性の
高いＰｔワイヤが、リード線にはＰｔ・Ｉｒ合金線が用
いられる。ＰｔワイヤをＭｏ芯線に巻き付けた後、その
Ｐｔワイヤを巻きまわした両端部にリード線を溶接する
が、Ｍｏ芯線を昇華除去した一次焼成後の多孔質体は、
リード線溶接部近傍に強度的に弱い部分があり、この強
度的に弱い部分から割れたりして以降の取扱性を損なっ
てしまう。そこで、Ｐｔワイヤを中央部を正常に両端部
を密着してをＭｏ芯線に巻き付けた後、そのＰｔワイヤ
を密着巻きした両端部にリード線を溶接することによ
り、Ｍｏ芯線を昇華除去した一次焼成後の多孔質体は、
リード線溶接部近傍の強度的に弱かった部分が補強され
るので、以降の取扱性を改善することが出来る。また、
芯線として用いるＭｏは高温で酸化し、約７９５℃で昇
華するが、Ｍｏ芯線を昇華除去する際には十分な酸素を
補強する必要がある。このＭｏ芯線を昇華除去する際、
第１ガラスとセラミックスの混合部材の付着層は、Ｍｏ
が昇華揮散するために十分な多孔性を維持することが必
要であり、第１ガラスは溶融しないで元の粒状を保つ必
要がある。さらに、第１ガラスは、Ｍｏ芯線の昇華除去
後に発熱抵抗体の金属ワイヤ例えばＰｔワイヤの劣化し
ない温度で作業点に達して、セラミックス粒子をつなぐ
粘結剤として働く必要がある。一般にガラスは昇華する
Ｍｏの影響下で、元の特性を失ってしまい、発熱抵抗体
のＰｔワイヤが劣化しない１２００℃以下の温度では作
業に適した粘度にならないので、セラミックスをつなぐ
粘結剤としての働きがなくなってしまい、極めて脆弱な
セラミックス多孔質体となるので強度が低く、発熱抵抗
体のＰｔワイヤとリード線を保持することが困難となっ
て、以降の処理が出来なくなってしまう。そこで、Ｐｔ
ワイヤを中央部を正常に両端部を密着してＭｏ芯線に巻
き付け、この密着巻きした両端部にリード線を溶接し
て、Ｃａを含む第１ガラスとアルミナ混合部材を付着
し、一次焼成して昇華揮散するＭｏの一部とガラス成分
のＣａが反応して化合物を作り、このＣａとＭｏの化合
物が媒介してガラスとセラミックスが拡散結合すること
により、セラミックス粒子をつないで補強したセラミッ
クス多孔質体が得られる。その後、第２ガラスを付着し
て焼成することにより、多孔質体の空隙に第２ガラスが
溶融して浸透・充填した緻密なガラス／アルミナ複合層
を得ることが出来る。そのため、従来の方法で問題であ
った芯線除去に際しての酸によるエッチング工程を不要
とし、作業の簡略化を図ることが出来る。

【００１３】こうして得られる熱線式空気流量センサで
は、金属ワイヤに通電することにより発生した熱が従来
のボビン式のようにボビンを伝わって支持体に逃げるこ
とがなく、ほとんどが空気に伝達される。従って、ボビ
ンレス方式特有の応答性が得られる。

【００１４】

【実施例】

〈実施例１〉図１は、本実施例の熱線式空気流量センサ
の構造図である。熱線式空気流量センサ１は、中央部を
正常に両端部を密着してコイル状に巻きまわしたＰｔワ
イヤ２と、そのＰｔワイヤ２を密着して巻きまわした両
端部に溶接したＰｔ・Ｉｒ合金のリード線３と、それら
の接続部３１及びＰｔワイヤ２を支持する第１ガラス部
材とアルミナ部材の混合部材４と、第２ガラス部材５か
ら成るアルミナとガラスの複合部材６の、内部に空洞を
有しかつ両端部を密封した構造である。

【００１５】この熱線式空気流量センサ１の製造方法を
図２に基づき説明する。図２（ａ）は、自動巻線機によ
り直径３０μｍのＰｔワイヤ２を直径０.５mm のＭｏ芯
線７に、センサ１個分の中央部を正常に両端部を密着し
て連続的に巻きまわした状態を示す。（ｂ）は（ａ）か
らセンサ１個分の長さ４mmに切断し、Ｐｔワイヤ２を密
着して巻きまわした両端部に直径０.１３mm のＰｔ・Ｉ
ｒ合金のリード線３を接続部３１で溶接した状態を示
す。（ｃ）はＰｔワイヤ２をＭｏ芯線８に巻きまわした
周囲に、電気泳動法によりアルミナ部材と１０％の第１
ガラス部材から成る混合部材４を付着し、酸化性雰囲気
炉で一次焼成した状態を示す。ここで用いた第１ガラス
部材は、成分としてＣａを含むＡｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−Ｃ
ａＯ−ＢaＯ系ガラスで、温度８６０℃での粘度が１０⁸
ポアズ，１１８０℃での粘度が１０⁴ポアズの特性を有
する。（ｃ）の一次焼成において、温度が上昇するにつ
れてＭｏ芯線７の酸化が進んでＭoＯ₃となり、温度が７
９５℃に達するとＭoＯ₃は昇華するが、アルミナと第１
ガラスの混合部材４は空隙を維持するため、この空隙か
らＭｏＯ₃が揮散する。このとき第１ガラスに含まれる
Ｃａが昇華するＭｏの一部と反応してＣａとＭｏの化合
物を作る。８５０℃で２ｈ保持してＭｏ芯線の昇華除去
を完了させた後、さらに温度を１２００℃に上昇させ２
ｈ保持して一次焼成を終了したが、ＣａとＭｏの化合物
は、アルミナ粒子の粘結剤になり、アルミナ及びガラス
成分のＡｌ，Ｓｉなどとも化合物を作ることにより、ア
ルミナ粒子が拡散結合して以後の取扱に必要な強度を有
する強固な多孔質体を形成する。また、リード線溶接部
のＰｔ線は密着して巻きまわしてあるので、強度的に弱
い部分はないので、一次焼成後の取扱性を損なうことは
ない。しかし、この段階の多孔質体はセンサ素子として
用いるには強度が未だ十分でなく、表面の平滑度も十分
でないので、これらを補うため、（ｄ）に示すように第
２ガラスを浸漬法で付着し、酸化性雰囲気炉で二次焼成
した。ここで用いた第２ガラス部材は、Ｂ₂Ｏ₃−Ｓｉ
Ｏ₂−ＰｂＯ系ガラスで、温度６９０℃での粘度が１０⁸
ポアズ、７８０℃での粘度が１０⁴ポアズの特性を有す
る。（ｄ）に示す８２０℃で２ｈ保持の二次焼成をする
ことにより、多孔質体５の空隙に第２ガラスが溶融し浸
透して緻密化するとともに第２ガラス部材７で覆って表
面平滑な熱線式空気流量センサ素子１を得た。

【００１６】本方法によれば、従来のボビンレス方式に
比べ、芯線を酸によりエッチング除去するための煩雑さ
がなくなり、昇華性を有する金属芯線７を昇華除去した
後、第１ガラス部材と反応してつないだアルミナ部材の
多孔質体４は取扱いに必要な強度も十分なので、以降の
取扱処理が容易に行え、この多孔質体４に第２ガラス５
を付着して焼成することにより、緻密で強固なアルミナ
とガラスの複合部材６で保持した熱線式空気流量センサ
素子１を得ることが出来るので、作業性が大幅に向上し
た。

【００１７】このセンサ素子１を用いた熱線式空気流量
計の一実施例を図３に示す。なお、この実施例では、熱
線式空気流量センサ１と同じものが測温抵抗体８として
空気温度測定に用いられている。熱線式空気流量センサ
１と測温抵抗体８は、図３に示すように吸入空気のメイ
ン通路１０及びバイパス通路１１を有してなるボデイ１
２のバイパス通路１１中の支持体９に固定される。

【００１８】図４は、熱線式空気流量計の駆動回路の実
施例で、熱線式空気流量センサ１，測温抵抗体８，オペ
アンプ１３，１４，パワートランジスタ１５，コンデン
サ１６，抵抗１７〜２０で構成されている。またパワー
トランジスタ１５のコレクタ端子２１にはバッテリ（図
示せず）の（＋）極が、抵抗１７のアース端子２２には
バッテリの（−）極が、そして抵抗１７と熱線式空気流
量センサ１の接続点４１には、本熱線式空気流量計の出
力信号を使ってエンジン制御を行うマイクロコンピュー
タ（図示せず）の入力端子がそれぞれ接続される。

【００１９】このような構成において、パワートランジ
スタ１５によって熱線式空気流量センサ１に電流を供給
して加熱し、測温抵抗体８より常に一定の温度だけ高く
なるように制御する。この測温抵抗体８には発熱が無視
できる程度の微小電流しか流さず、これにより吸入空気
温度を検出するようにして吸入空気の温度補正用として
使用している。ここで空気流が熱線式空気流量センサ１
に当たると、駆動回路の動作によって熱線式空気流量セ
ンサ１と測温抵抗体８の温度差が常に一定になるように
制御される。従って、空気流量が変化すると熱線式空気
流量センサ１を流れる電流が変化し、その電流に応じて
抵抗１７に現われる電圧降下で空気流量が測定されるこ
とになる。

【００２０】図５は、本実施例の熱線式空気流量計の応
答特性を示す。空気流量を低流量約２０kg／ｈから高流
量約２００kg／ｈに切り替えた時の熱線式空気流量計の
電圧を測定し、流量に換算して縦軸に示した。従来のボ
ビン式に比べて最終値到達時間が大幅に向上しており、
従来のボビンレス方式と同等であることが判る。

【００２１】このため、自動車の急加速や減速時にも、
真の空気流量に追従して熱線式空気流量計が信号を出せ
るため、適切なインジェクタの噴射量を決定でき、サー
ジングの問題は解消できる。

【００２２】このように応答性が向上したのは、熱線式
空気流量センサ１のＰｔワイヤ２に発生する熱が、従来
のボビン式のようにボビンを加熱したりボビンを伝わっ
て支持体に逃げることがなく、空気量の変化に敏感に反
応するためである。

【００２３】従来のボビンレス方式では酸によるエッチ
ングでガラス表面が荒れていたが、本実施例では表面が
平滑である。

【００２４】〈実施例２〉以下、図１に示すガラス部材
とセラミックス部材について、種々な組成のガラス部材
及び種々な種類のセラミックス部材を用いて実施した
が、セラミックスと混合して電着する第１ガラスはＣａ
を含み、軟化点が８００℃以上で、かつ、作業点が１２
００℃以下の特性をもつものであれば、Ｍｏ芯線を昇華
除去した後に第２ガラスを付着して焼成することによ
り、図１に示す熱線式空気流量センサ１を得ることが出
来た。

【００２５】本実施例では、セラミックス部材又はセラ
ミックスと第１ガラスの混合部材を電気泳動法、あるい
は第２ガラス部材を浸漬法で付着したが、電気泳動法や
浸漬法以外であっても、図１に示す熱線式空気流量セン
サ１を得ることが出来る。

【００２６】従って、本発明は実施例で述べた以外であ
っても、本発明で述べた特性を有するガラス部材を用
い、Ｍｏ芯線にＰｔワイヤを中央部を正常に両端部を密
着巻きした構造を特徴にするものであれば、電気泳動法
以外で被覆して熱線式発熱抵抗体を得る方法全般に適用
できる。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、空気中の塵埃，イオン
性物質等によって応答性を損なわれることはなく、高い
応答性をもつ熱線式空気流量計を得ることが出来る。

【００２８】また、本発明による熱線式空気流量センサ
の製造法によれば、高品質の熱線式空気流量センサを安
定して供給でき、かつ作業性を高めることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による一実施例を示す熱線式空気流量セ
ンサの説明図。

【図２】本発明による熱線式空気流量センサの製造方法
の一実施例を示す工程図。

【図３】熱線式空気流量センサが用いられた熱線式空気
流量計の一実施例を示す断面図。

【図４】熱線式空気流量計における駆動回路図。

【図５】本発明の効果を示す特性図。

【符号の説明】

１…熱線式空気流量センサ、２…Ｐｔワイヤ、３…リー
ド線、２１…接続部、４…ガラスとセラミックスの複合
部材、５…セラミックス部材、６…第１ガラス部材、７
…第２ガラス部材、８…Ｍｏ芯線。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＣａとＭｏを含むガラスとセラミックス複
合部材で保護されたことを特徴とする熱線式空気流量セ
ンサ。
【請求項２】請求項１において、中央部を正常に両端部
を密着して巻いた金属ワイヤ、及びその密着巻きした金
属細線両端部にリード線を固着した発熱抵抗体が、Ｃａ
とＭｏを含むガラスとセラミックス複合部材で保護され
た熱線式空気流量センサ。
【請求項３】請求項１または請求項２において、Ｍｏ芯
線に中央部を正常に両端部を密着して金属ワイヤを巻き
回し、密着巻きした金属ワイヤ両端部にリード線を固着
し、Ｃａを含む第１ガラスとアルミナ混合部材を付着し
て焼成し、Ｍｏを昇華除去する過程でガラス成分のＣａ
とＭｏを反応させて、ガラスとアルミナを拡散結合させ
た多孔質体とした後、第２ガラスを付着して焼成し、多
孔質体の隙間に被覆ガラスを浸透・充填させて、表層を
ガラスで被覆されたガラスとアルミナの複合部材から成
る密封された筒状部材と、この筒状部材内壁に螺設さ
れ、両端が前記筒状部材外へ電気的に引き出された金属
細線とで構成される熱線式空気流量センサの製造法。
【請求項４】請求項１または請求項２において、Ｃａを
含む第１ガラスの軟化点が、８００℃以上の特性をもつ
熱線式空気流量センサ。