JPH0566527B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は内燃機関の薄膜抵抗式空気流量検出装
置及び薄膜抵抗式計測素子に係り、特に高馬力、
低燃費、排ガス等の制御に高精度で、即応できる
燃料噴射装置を有する内燃機関の制御に好適な薄
膜抵抗式空気流量検出装置及び薄膜抵抗式計測素
子に関する。

〔発明の背景〕

薄膜抵抗式空気流量検出装置の薄膜形成した流
量センサエレメントに関する先行技術、例えば特
開昭56−7018号には抵抗体を薄膜化することによ
り表面積を大きくして、抵抗体による表面の段差
を小さくし空気中の特にエアエレメントを通つて
くる空気であるため、エアエレメントに含浸され
ているオイルの空気中の飛散による塵埃による抵
抗体表面の汚損度を低減することができることが
開示されている。

しかしながら、このような流量センサは通電し
て長期間使用した場合に抵抗の経時変化あるいは
空気の流れに対する熱伝達係数の変化については
何ら考慮されていない。即ち、自動車の使用状態
に応じて環境条件は様々な変化をするが、搭載さ
れた電気部品に対しては自動車の走行寿命10万
Km、耐用年数10年を保障できる精度が要求されて
いる。繰返し通電ON−OFF動作は５万回以上で
あり、AFM流量センサエレメントの繰返し通電
試験も上記の仕様に準ずる必要がある。流量セン
サエレメントは、ブリツジの一片に組込まれて常
時、例えば流れる空気（吸入空気）温度に対して
200℃高い温度で（例えば吸入空気が20℃であれ
ば220℃）で加熱されている。この吸入空気温度
はエンジンルームの加熱によつて上昇し、この吸
入空気温度が上昇すると、流量センサエレメント
は吸入空気の温度に伴つて高くなる。自動車のエ
ンジンの吸入空気温度は真夏、高速走行直後のア
イドル回転状態において最大100℃位まで上昇す
る。このような条件のもとで、流量センサが動作
する時、経時変化に対して２つの課題がある。第
１にエレメント内部の薄膜抵抗体と基材またはコ
ーテング材間の膨張係数の差が抵抗体の内部歪を
大きくして抵抗値変化を生ずることがある。第２
に、薄膜はスパツタによつて構成するため材質上
安定にすることはできず、通電に対して材質的に
安定でない場合には通電によるジユール熱の影響
で変質してしまい、経時変化が大きくなることで
ある。薄膜抵抗式空気流量検出装置に要求される
精度は、エンジンの中心部であるため、塵埃の影
響を含めた総合的な経時変化に対して許容される
誤差は流量変化率ΔQ／Ｑ（％）にして、例えば
６Kg／ｈ〜500Kg／ｈの範囲で全域±２％以下で
ある。これらの経時変化の大半はオイルや塵埃な
ど付着による変化量として予想された誤差であ
り、流量センサエレメント内部の変化として許容
される誤差は経時変化の許容誤差である±２％中
の±0.5％以下である。また、センサの抵抗値の
変化率ΔR／Ｒの許容値は±0.1％以下になる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は流量センサエレメントの薄膜抵
抗体を繰返し使用状態にたえることのできる薄膜
式空気流量装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

従来薄膜抵抗式空気流量検出装置の流量センサ
は白金素線を主通路に張りめぐらしたものや、超
小形円柱状アルミナボビンの外周に白金の細線を
巻いたものが用いられてきた。しかし前者は塵埃
やオイルの付着により経時変化が大きく焼却回路
が必要であり効果であつた。また後者は巻線が
φ20μと非常に細いために巻線作業を自動化する
ことが難かしく高価であつた。そこで、大量に円
柱状ボビンに白金を同時にスパツタにより薄膜形
成して安価に作る試み（特開昭50−7018）がなさ
れるようになつた。本発明では薄膜抵抗体製作上
の前述の課題を解決する手段として、まず、ボビ
ンにアルミナを、薄膜抵抗体材料としては白金
を、オーバコートに鉛ガラスをそれぞれ組合せる
構造として、熱膨脹係数差を小さくする配慮をし
た。一方薄膜抵抗体はスパツタによる着膜後、熱
処理として薄膜の結晶粒界の大きさを1μm〜5μm
にしてレーザによる抵抗値のトリミング後、オー
バコートすることによる、経時変化による流量誤
差±0.5％以下を満足させることが可能となつた。
即ち、アルミナパイプ上にスパツタにより形成し
た白金薄膜は熱処理することにより、従来の白金
の物性値が保持できなくなる。理由は白金薄膜が
アルミナ粒界付近に存在するCaO，MgO，SiO₂
などと低融合金化するためであるといわれてい
る。例えば、薄膜厚2μm程度のものは第３図Ａに
示される如く300℃〜750℃で低融合金化が進行
し、750℃〜850℃で第３図Ｂに示す如く結晶化し
て1μm〜5μmの結晶粒界が析出する。これ以上に
温度が上昇すると、やがて薄膜は第３図Ｃに示す
如く軟化、凝集し、約1000℃で第３図Ｄに示す如
く溶融流動し、重力の影響を受けて移動する。
尚、その例はアルミナの純度が95％前後のもので
あるが純度が99％程度になると結晶化開始温度や
軟化温度等が前述の温度に対して50℃〜100℃上
昇する傾向を示す。この理由はアルミナ中の不純
物の量が減少し、白金薄膜の低融合金化の進行が
鈍化するためである。以上のように熱処理による
薄膜の変化の状況を考慮すると流量センサエレメ
ントとして最適な状態は結晶化した薄膜である。
即ち、低融合金化の進行途上ではスパツタされた
白金粒子同志の結合力で低く物性値も安定しな
い。例えば抵抗の温度係数は、300〜3000ppm／℃
の低い範囲にあり、ばらつきも大きい。流量セン
サエレメントとして、ワーストケースの最高温度
300℃で動作して空気流中に置いた場合、エレメ
ントの温度分布のピーク値はエレメント中央部下
流側が約400℃で最も高温である。即ち、電源0N
−OFF試験で抵抗体が変質し、抵抗値が変化し
て流量変化率ΔQ／Ｑ（％）が経時的に大きくな
つた（第５図参照）。また、溶融軟化の初期状態
のものをレーザでトリミングすると熱処理時薄膜
が凝集し、薄膜厚が部分的に変化するため目標の
トリミング溝数が得られず、流量センサエレメン
トとして温度分布が片寄り熱伝達特性の悪影響を
及ぼす。トリミング後の導体帯には薄膜のないホ
ールが散在し、実効断面面が部分的に小さくな
る。通電時にはこの部分にジユール熱が集中し、
温度が異常に上昇して、薄膜抵抗体を変質させる
ため第５図に示すように経時変化が大きくなる。
尚1000℃以上で熱処理した場合には、薄膜は溶融
移動するため第３図Ｄに示す如く上面には全く薄
膜がない状態になりレーザによる抵抗値トリミン
グは不能になる。これに比し結晶化の状態では膜
厚が安定し膜質もほぼバルクの状態に近づき、後
工程の抵抗トリミングも溝数のばらつきを少なく
して可能である。第１図に示される電源ON−
OFFの試験の結果からも明らかなように抵抗値
や熱伝達係数の経時変化は少ない。

ここで、薄膜の厚さは2μmとしたが流量センサ
としては3μm〜5μm位が望ましい。その理由は溝
数を多くして円柱状ボビンの端から端まで温度分
布をできるだけ平滑化することにある。しかし、
スパツタは量産性を考慮してバレル方式をとると
着膜レートとの関係で１日単位の仕事で納めるた
めには2μm程度が限界であることによる。先に述
べた低融合金化の温度に対する進行は膜厚が厚く
なると20℃〜30℃／1μmの割合で熱処理温度が上
がる方向にシフトする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例について説明する。

第１図には、本発明の一実施例に係る薄膜抵抗
式空気流量検出装置のセンサの構造図が第２図に
は薄膜式空気流量装置の断面図が示されている。

図において、主通路１は冷間圧延鋼板の板金絞
り成形した上流側ダクト２と下流側ダクト３を中
央部でロー付により結合する。上流ダクト２の下
流側にはリング状のコ形突部４が形成され、下流
ダクト３と組合わされた時、主通路の外周にリン
グ状の通路を形成する。このリング状通路の外周
には流入口５があり内周部には流入口５に対して
210°離れた位置に主通路に最狭部６と合流する開
口部７を有する。主通路１の上流にはメツシユ８
が固定されている。バイパス通路１０と薄膜抵抗
式計測素子としての流量センサエレメント
（HF）１１、温度補償用センサ（CF）１２を駆
動する回路を収納するモジユール部１３を一体に
したバイパスモジユール１４を薄肉のアルミダイ
カストにより成形する。バイパス入口部１５は突
出し、HF１１の上流部の長さを長くして整流効
果を得ることができる。

HF１１とCF１２は樹脂部１６に埋設されたリ
ードピン１７，１７′，１８，１８′のバイパス側
突出部にそれぞれ点溶接して固定する。これらの
リードピンの他端はモジユールケースの中に入
り、HF駆動回路１９にリードフレーム（図示せ
ず）などを介して連結される。また、バイパスモ
ジユール１４のバイパスの下流側外周はパイプが
連結できる直管部２０を有する。

バイパスモジユール１４は主通路１の上流部で
流路に垂直な面に穿つた孔にバイパス上流部を差
し込みＯリング２１を介して第４図に示すように
上方から４本のネジ２２で固定する。バイパスの
下流側と前記主通路側リング状通路入口５間はＬ
形ゴムホース２３で連結する。尚、フランジ２４
はAFMをエアクリーナに直結するためのもので
ある。実施例のHFエレメントは第１図に示すよ
うな形状で外径中0.4、内径0.23、長さ2.0のアル
ミナパイプ４０にPtIr１０リードφ0.2，４１，４
２を白金ガラスペーストを焼付固定したボビン４
３にバレルスパツタにより2μmの白金薄膜４４を
形成し、850℃１時間で熱処理することにより白
金薄膜に1μm〜5μmの結晶粒を析出させて安定化
しレーザによるスパイラル抵抗トリミングを施し
て、鉛ガラス４５をオーバーコートした構造であ
る。樹脂係数は、アルミナパイル62〜70×10^-7／
℃、白金薄膜85〜90×10^-7／℃、鉛ガラス80〜85
×10^-7／℃の組合せである。HFエアフロメータ
の課題は従来HFエレメントの経時変化とされて
きたが本実施例によりHFの消費電力1.0W、流量
220Kg／ｈ、電源ON4秒、OFF4秒のサイクルで
耐久試験を継続した結果の経時変化のデータは第
５図に示す如く薄膜結晶化として示すようにな
り、５万サイクル後の変化率ΔQ／Ｑは0.1％以
下、抵抗値変化率ΔR／R0.025％以下の結晶を得
た。

さらに薄膜の結晶化状態においては、膜質膜厚
が安定であり完成後の温度係数は白金のバルクの
温度係数3900〜4000ppm／℃にほぼ近い3500ppm／℃
を±３％100ケのばらつきで得ることができる。

また抵抗値のばらつきも例えば目標抵抗値10Ω
に対して±2.5％／100ケの範囲に入れることも容
易である。従つてトリミングの溝数22〜25ターン
も一度設定するとその溝数のばらつきは0.5ター
ン以内であり、流量センサエレメントとして、加
熱時の温度分布の製品間ばらつきも小さく、熱伝
達係数のばらつきは±７％以上になる。このばら
つきは電子回路中のレベル調整回数により流量測
定誤差ΔQ／Ｑ±４％以内に調整される。他の実
施例としてはHFエレメントを主通路に配置して
もAFMとして用いることもできる。尚、流量セ
ンサエレメントに着膜した白金薄膜の結晶化は実
施例では円柱状ボビンに薄膜を形成した例として
述べたが板状のボビンに着膜された白金薄膜につ
いても結晶化は同様の効果を得ることができる。
また、薄膜材料が金、ニツケル、銅などに変わつ
た場合も、結晶化温度はそれぞれの材料で異なる
が結晶化して使用することにより白金同様継時変
化に対する効果は大である。

したがつて、本実施例によれば、HFの白金薄
膜を結晶化することにより熱的、電気的に安定化
して経時変化を小さくできる。また、本実施例に
よれば、HFの基材、抵抗体、オーバコート材の
各材料間の膨脹係数差を30×10^-7／℃以下にする
ことにより経時変化をおさえることができる。

さらに、本実施例によれば、HFの白金薄膜を
結晶化できる最適熱処理温度850℃を設定し白金
のバルクの温度係数にほぼ近い温度係数3500ppm／
℃を得ることができる。またそのばらつきは±３
％／100ケ以内にできる。さらに抵抗値のばらつ
きは、例えば目標抵抗値10Ωに対し、±２％／100
ケにおさえることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明では白金を結晶化
することによりその内部が純白金となりその外周
に不純物ができることから、すなわち結晶同士間
に不純物が入らないから白金薄膜抵抗体の抵抗値
が安定化するという効果がある。このような抵抗
体を内燃機関の空気流量検出装置に用いると、使
用状態においても抵抗体の経時変化が起こりにく
く、精度良く流量検出が可能になる。

また本発明ではガラスオーバーコート材のより
白金薄膜抵抗体がオーバーコートされるように構
成されているために白金薄膜に直接、付着物が付
かないため内燃機関の吸入空気量を測定する場合
にも測定誤差を生じないという効果がある。した
がつて、本発明によれば、流量センサエレメント
の薄膜抵抗体が繰返し使用状態にたえることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す流量センサの構
造図、第２図は薄膜式空気流量装置の断面構成
図、第３図は流量センサの白金スパツタ後の熱処
理工程の温度条件を変えた時の表面金属組織を示
す電子顕微鏡写真、第４図は第２図図示Ａ方向よ
り見た図、第５図は薄膜式流量センサを用いた空
気流量装置の電源オン・オフ試験の経時変化を示
す図である。 １……主通路、２……上流ダクト、３……下流
ダクト、４……リング状コ字突出部、５……流入
口、６……最狭部、７……開口部、８……メツシ
ユ、１０……バイパス通路、１１……HF、１２
……CF、１３……モジユール部、１４……バイ
パスモジュユール部、１５……バイパス流入口、
１６……樹脂部、１７，１７′……リードピン、
１８，１８′……リードピン、１９……HF駆動
回路、２０……導管部、２１……ロリング、２２
……ネジ、２３……Ｌ形ゴムホース、２４……フ
ランジ、４０……アルミナパイプ、４１，４２…
…リード、４３……ボビン、４４……白金薄膜、
４５……鉛ガラスコート。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 吸入空気流量を測定する流量センサエレメン
   トと、該流量センサエレメントを駆動する駆動回
   路とを有する薄膜抵抗式空気流量検出装置におい
   て、 前記流量センサエレメントは、結晶化された白
   金で形成された薄膜抵抗体と、該薄膜抵抗体をオ
   ーバーコートするガラスオーバーコート材とを有
   することを特徴とする薄膜抵抗式空気流量検出装
   置。 ２ アルミナパイプと、該アルミナパイプの外周
   面に結晶化された白金で形成された薄膜抵抗体
   と、該薄膜抵抗体をオーバーコートするガラスオ
   ーバーコート材とを有することを特徴とする薄膜
   抵抗式計測素子。