JP2000258202A - 測定素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】流量測定素子の構造に大きな変化をもたらさ
ず、長期間に渡って塵埃の堆積を抑えられ、常に高精度
の流量検出が得られるようにした流量測定素子。 【解決手段】円筒状部材８表面に形成される抵抗体部分
１１を覆うコーティング１２をペースト状の低融点ガラ
スや樹脂とし、これに高融点部材より成る球状ボール１
８を混入した後、前記抵抗体部分１１に塗布し焼成する
構造である。 【効果】耐塵埃特性の改善に寄与する効果がある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空気流量計用の測
定素子および内燃機関用の熱式空気流量測定装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】発熱抵抗体式の流量測定装置では、一般
に計測すべき流体の通路に流量検出素子となる発熱抵抗
体と、温度検出用となる感温抵抗体の２個の抵抗体を設
置する必要がある。

【０００３】そこで、従来の発熱抵抗体式空気流量測定
では図３に示すように、空気流量を計測すべき空気の流
通方向Ｆに対して発熱抵抗体１と感温抵抗体２は空気流
通方向上下に位置するようにして、空気通路３の中に設
置していた。

【０００４】このような発熱抵抗式空気流量測定装置に
用いる流量測定素子としては、例えば特開平8−105778
号に開示を挙げることができる。

【０００５】また特開平8−101052 号の開示も挙げるこ
とができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、発熱
抵抗体と感温抵抗体に生じる塵埃の堆積についての配慮
についての開示であるが、以下の問題がある。

【０００７】一般に、大気中から空気を取り込んだ場
合、その中には粉塵や埃の存在がほとんど不可避であ
り、特に路上を走行する自動車では、内燃機関の吸入空
気への塵埃の混入が著しいため、発熱抵抗体に対する塵
埃の堆積を回避する必要があるが、発熱抵抗体式の流量
測定装置では、その流量検出素子となる発熱抵抗体が計
測すべき空気流中に直接さらされる構造のため、それに
塵埃が付着し易く、図９に示すように、発熱抵抗体と感
温抵抗体の表面に、時間の経過と共に徐々に塵埃などの
堆積物が形成されてしまい、この結果、流量測定特性が
変化し計測精度が低下してしまうのである。

【０００８】特に、特開平8−105778 号に開示された従
来技術では、発熱抵抗体の前方に障害物を設けることに
より発熱抵抗体に対する塵埃の付着を防止する構造とな
っている。しかしながら、この従来技術の開示例では発
熱抵抗体のリード部分のみについてしか塵埃の付着を防
止する効果はない。また、この構造は発熱抵抗体前方に
設置する障害物を設ける構造により、発熱抵抗体に対し
障害物となるリード線との間隔、リード線をターミナル
ピンに固定する際の位置決めが困難である。発熱抵抗体
の前方に障害物を設置する方法は発熱抵抗体に付着する
塵埃を低減する方法としては有効であるものの、実際問
題として障害物の形状や寸法が微少な形で変化しても、
発熱抵抗体に付着する塵埃の付着量はばらつくことにな
る。ましてや発熱抵抗体は外径がφ０.５からφ１.０で
あるため、障害物は発熱抵抗体より小さくなければ塵埃
防止対策の意味を成さないことにより、障害物の外径は
φ０.１からφ０.３程度となる。この発熱抵抗体と障害
物の軸線のばらつきは、少なくとも５０μｍが限度であ
る。この寸法精度を実現することは現状ではかなり困難
と言わざるをえない。

【０００９】また、発熱抵抗体前方に障害物を配置する
構造は少なくとも流体が通過すべき通路内に、障害物，
発熱抵抗体，感温抵抗体の３つの部品を配置することが
必要となる。狭い通路内に３つもの部品を設置する流量
測定装置は自由度が大きく損なわれコンパクトな構造は
望めない。

【００１０】また、特開平8−101052 号に開示されてい
る従来技術は、抵抗体を保持するパイプに固定されてい
るリード線の断面形状を四角形や三角形や楕円にするこ
とによりリード線等に堆積する塵埃の堆積量を低減する
構造の発熱抵抗体を提示している。しかしながら、この
従来発明も現実性に欠ける。リード線の断面形状が四角
や三角の形状のリード線は製造可能なことは可能だが、
発熱抵抗体に使用されているリード線の、その外径はせ
いぜいφ０.２mm であり、この外径において、三角形や
四角形等のエッジ部を有する形状を成形することは至難
の業と言わざるをえない。これはシャープエッジのある
形状を成形する治具の寿命は短期間で交換する、あるい
はメンテナンス頻度の増加となり、特に空気流量測定素
子のリード形状としてふさわしいものではない。また、
三角や四角形断面のリードは前記、抵抗体を保持するパ
イプの両端に接着される訳だが、断面形状の位置決めを
行う方策がない。左右で異なる位置に頂点を有する三角
形や四角形断面形状のリードは、それをターミナルピン
に溶接等を行う際、リード曲がりの発生や溶接ばらつき
が発生することは明確である。

【００１１】本発明の目的は、発熱抵抗体と感温抵抗体
以外に余分な構造や機能を要せず、長期間に渡って塵埃
の堆積が抑えられ、常に高精度な流量検出が得られるよ
うにした発熱抵抗体と感温抵抗体となる流量測定素子を
提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的は、請求項１〜
４によって達成される。

【００１３】これは、流量測定素子である発熱抵抗体や
感温抵抗体の製造工程において、簡単に実現可能であ
る。

【００１４】一般に、発熱抵抗体や感温抵抗体は無機部
材より成形された円筒状パイプの両端に導電性部材より
形成されたリード線を挿入し固定されている。次いで前
記パイプ表面に抵抗体を形成する。従来技術となる流量
測定素子は、前記した抵抗体表面に抵抗体を保護すべき
コーティング材としてガラスペーストの塗布やガラスの
グリーンシートを巻き付けた後に焼成、あるいは樹脂を
コーティングし乾燥する工程である。本発明においては
前記したガラス塗布工程において、低融点ガラスとセラ
ミックボールを組み合わせることが特徴となる。

【００１５】前記抵抗体表面を保護するコーティング材
として、低融点ガラスをペースト状にして準備した後、
このペーストの中にセラミックにより成形された球体ボ
ール、すなわち結晶化ガラス，複合ガラスにより成形さ
れたボール，シリカガラスボール，シリカボール，アル
ミナボール等の高融点の無機部材により形成されたボー
ルを混入し均等に攪拌した後、前記抵抗体表面に塗布し
焼成することにより達成される。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明による流量測定素子
について、図示の実施形態により詳細に説明する。な
お、本発明による流量測定素子は主に内燃機関の空気流
量計測に用いられる場合が多いため、内燃機関用の流量
測定装置をモデルに以下説明する。

【００１７】図１と図２は本発明の流量測定素子であ
り、図３と図４は本発明の流量測定素子を内燃機関用の
空気流量測定装置に適用した場合の一実施例を模式的に
示した図である。また、図５と図６は従来の技術による
流量測定素子を示している。

【００１８】まず、図３及び図４より空気流量測定装置
について簡単に説明する。１は本発明となる流量を計測
すべき発熱抵抗体であり、２も本発明による空気温度測
定用の感温抵抗体である（詳細な構造は後述する）。前
記発熱抵抗体１と感温抵抗体２は空気の大部分が流入す
る主通路３と、その一部分が流入する副通路４を形成す
るボディ５の副通路４の中に納められかつ、副通路４に
設置するためターミナルピン６に溶接等で保持される。
またこのターミナルピン６を介しボディ５に配置される
駆動回路７に発熱抵抗体１と感温抵抗体２の出力信号を
伝達し演算処理した後に外部に空気流量出力信号として
出力する。

【００１９】次に、この発熱抵抗体１と感温抵抗体２を
用いた空気流量測定装置の動作原理を簡単に述べる。発
熱抵抗体１は空気温度を計測する感温抵抗体２と常に一
定の温度差に保たれるように、駆動回路７内にフィード
バック回路により常時加熱され、定温度制御されてい
る。この発熱抵抗体１は空気流の中に設置され、その空
気流に接している表面部分が放熱面、つまり熱伝達面と
なり、このときの熱伝達量は空気流の速度の関数とな
る。そこで、この熱伝達により空気流に奪われる熱量
を、発熱抵抗体１の加熱に必要な電力として捉え、電気
的信号に変換することにより空気流量を計測するもので
ある。

【００２０】このとき、感温抵抗体２は、空気の温度を
電気抵抗の変化として捉え、温度補償を行い、質量流量
による空気流量が正確にできるようにしている。

【００２１】図７は、空気流量測定装置の具体的な使用
形態の一例を摸式的に示した図で、自動車用内燃機関の
空気流量測定装置に適用した場合を示してあり、内燃機
関のエアクリーナ１３とエアクリーナダクト１４の間に
空気流量測定装置を配置したものである。エアクリーナ
１３の空気取り入れ口から流入した空気はエアクリーナ
エレメント１５により清浄化され空気流量測定装置の副
通路４に流入する。そして、流入した空気は発熱抵抗体
１及び感温抵抗体２を通過することにより空気流量が計
測され、流量を計測された空気がエアクリーナダクト１
４を介して内燃機関のシリンダに吸入されることにな
る。

【００２２】この結果、駆動回路７から内燃機関の制御
装置に空気流量を計測した信号が供給され、この流量計
測信号と、回転数センサ等の他のセンサからの信号に基
づき、制御装置のマイクロコンピュータが燃料供給量を
演算し内燃機関を制御する。そしてこの時、この発熱抵
抗体式の空気流量測定装置によれば、直接質量流量を計
測できるという特徴があり、この結果、多くの内燃機関
制御システムに採用されている。図５及び図６により従
来の技術による流量測定素子の構造を説明し、図１と図
２により、本発明の特徴を述べることにする。

【００２３】まず、外径がφ０.３からφ１.５mm程度
で、長さが２から４mm程度の、アルミナ等の安価な汎用
無機部材から成る小さな筒材である円筒状部材（以下パ
イプと称する）８を用い、このパイプ８両端の孔の中に
直径φ０.１からφ０.２程度の金属線を挿入し、接合剤
９により固定してリード線１０とする。このリード線１
０としては白金線，白金合金線、或いは非貴金属材料の
線材に貴金属材料をクラッドしたリード線が使用される
ことが多く、接合剤９としてはガラス系の無機物、ある
いは白金ペースト等、導電性接着剤が使用されることが
多い。

【００２４】次に白金等の極細線を用意し、その端部を
一方のリード線１０に溶接し、これを基点にしてパイプ
８の表面にヘリカル状に巻き回し、所定の抵抗値になっ
たところで他方のリード線１０に溶接し、所定の抵抗値
を有する抵抗体部分１１を形成する。最後に、この抵抗
体部分を保護するために、ガラス等のコーティング１２
を施して発熱抵抗体１または、感温抵抗体２とするもの
である。

【００２５】ここで、図１と図２の実施形態に戻り、本
発明が特徴とする構成について説明する。図５及び図６
に示す従来の実施形態と本発明において、その構造に大
きな違いはない。前述したようにパイプ８に抵抗体部分
１１を形成するまでは、従来技術の実施例と全く、構造
は同じである。

【００２６】本発明の特徴は抵抗体部分１１を保護する
コーティング１２表面に凹凸を付けたことが特徴であ
り、本発明において、コーティング１２表面に凹凸を設
けた理由を以下に説明する。

【００２７】発熱抵抗体式空気流量測定装置は図３及び
図７に示すように、その流量検出素子となる発熱抵抗体
１と感温抵抗体２は、直接空気流の中に設置される構造
である。特に、内燃機関は大気を直接吸入するため大気
中の塵埃がそのまま発熱抵抗体１と感温抵抗体２を通過
することになる。大気中に含まれるシリカ，酸化鉄，カ
ーボン等の塵埃は、本来ならエアクリーナダクト１４の
中に配置される吸入空気清浄用のエアクリーナエレメン
ト１５で除去できる訳だが、ある程度以下の微細な塵埃
の除去はエアクリーナエレメント１５では事実上不可能
で、微細な塵埃の混入は避けられない。このため、発熱
抵抗体１と感温抵抗体２の表面には経時時間と共に徐々
に塵埃が堆積されてしまう。

【００２８】ここで、この時塵埃が堆積する仕組みにつ
いて図９により説明する。

【００２９】発熱抵抗体１（以下、感温抵抗体２も同
じ）に空気流が接触した際、塵埃は発熱抵抗体の表面に
含まれた長さ方向の直線部分で流線Ｌｃに沿って最前部
にある直線部分から、すなわち図９で点Ｐを通過し流線
Ｌｃと垂直になった発熱抵抗体１の表面に含まれた直線
部分から堆積し始める。

【００３０】これは、塵埃を含んだ空気流が発熱抵抗体
１又は感温抵抗体２に接触した際、塵埃が十分に微細で
あること、これらの表面と塵埃との間に生ずる分子間力
が作用し、空気中の塵埃を引き寄せる作用が発生するた
めと考えられている。このように、塵埃が発熱抵抗体１
又は感温抵抗体２の表面に引き寄せられたとき、発熱抵
抗体１又は感温抵抗体２の上記直線上の部分は微視的に
は平面となり、この平面部から塵埃が堆積し始める。そ
して、経時時間の経過とともに塵埃の堆積量は増加し続
け、やがて発熱抵抗体１に塵埃が図９の如く堆積し、空
気流量測定装置の空気流量測定精度が図８の１６のよう
に大きく低下する現象が発生する。

【００３１】本発明では発熱抵抗体１と感温抵抗体２の
抵抗体部分１１を保護するコーティング１２表面に凹凸
を設けることを特徴としている。これはコーティング１
２に設けた凹凸により、塵埃が付着しにくい構造とする
ことを目的としている。

【００３２】前述したように、塵埃は微細であるため発
熱抵抗体１の流線Ｌｃと垂直になった発熱抵抗体１の表
面に含まれた直線部分から堆積し始める。しかし流線Ｌ
ｃと発熱抵抗体１の接触面が垂直でなく、ある角度を持
って流線Ｌｃと接触する場合、塵埃は堆積しにくくな
る。これは、流線に沿い流通し発熱抵抗体１に接触する
塵埃は、従来技術に公知してある発熱抵抗体の場合、前
述したように発熱抵抗体１表面に引き寄せられたとき、
発熱抵抗体１の流線に対する垂直部における直線上の部
分は微視的には平面となるため、塵埃と塵埃との間に作
用する分子間力は一定で最大の拘束力を持つことに起因
すると考えられる。しかし、本発明のコーティング１２
表面を凹凸にした発熱抵抗体１の場合、空気流の流通方
向に配置する発熱抵抗体１の垂直部において、微視的に
見ても直線部分が少なく、塵埃が、ある角度を持って発
熱抵抗体１に接触する際の塵埃と塵埃との間に作用する
分子間力は、分子間力をベクトル分解した拘束力となり
拘束力は弱まる。また平面部でないことにより塵埃の滑
り現象が発生するため、塵埃が堆積しにくいと考えられ
ている。

【００３３】これは流線Ｌｃに対し発熱抵抗体の接触面
に直線部を形成しなければ塵埃の堆積を抑えることがで
きることを意味している。つまり、本発明は抵抗体部分
１１の表面を覆うコーティング１２表面を凹凸にするこ
とにより、発熱抵抗体１に接触する流線Ｌｃに対し垂直
方向の直線部を低減し流線Ｌｃに含まれる塵埃が、ある
角度を持って発熱抵抗体表面に接触する効果を狙い、発
熱抵抗体に堆積する塵埃の堆積量を低減することを目的
としたものである。

【００３４】本発明の実施形態による効果を図８，図
９，図１０により説明する。

【００３５】図９は図５に示した従来技術による空気流
量測定装置の特性（塵埃特性）測定結果と、図１に示し
た本発明の実施形態による空気流量測定装置の特性測定
結果を、それぞれ特性１６と特性１７で示したもので、
各特性１６，１７は、流通された空気量に対する誤差の
大きさを示している。この図９からも明らかなように従
来技術では、所定量の塵埃を流通させた後の発熱抵抗体
１は図１０に示すように発熱抵抗体１の流線Ｌｃに対す
る垂直面に塵埃が堆積し、誤差が大きくなってしまう。
これに対し、本発明の実施形態では所定の塵埃を流通さ
せても発熱抵抗体１の表面凸部の頂上には若干塵埃の付
着はあるものの、それ以外の部分において塵埃が堆積す
ることはなく、空気流量測定装置の精度も従来技術の特
性１６に比較し格段の違いを持って改善されていること
が判る。

【００３６】次に本発明の特徴であるコーティング１２
表面を凹凸にする具体的な製造方法について説明する。

【００３７】図５に示す従来技術の発熱抵抗体の製造プ
ロセスは前述したように、パイプ８の両端にリード線１
０を挿入し接合剤９により固定される。更にこのパイプ
８表面に抵抗体部分１１を形成し、その表面をコーティ
ング１２で覆う構造である。コーティング１２はガラス
やポリイミド樹脂が使用されることが多いが、これらは
塗布後焼成する際に、一旦溶融し再硬化するため、表面
に凹凸を設けることは至難の業である。本発明において
は、コーティング表面に凹凸を形成する方法として低融
点ガラス，樹脂と高融点ガラス、あるいは無機物との組
み合わせによりコーティング１２表面に凹凸を形成する
方法も特徴としている。

【００３８】本発明によるコーティング１２表面を凹凸
にする方法としては、抵抗体部分１１を形成するまでは
前述した従来技術の発熱抵抗体の製造プロセスと同一で
あり、本発明においては、抵抗体部分１１を覆うコーテ
ィング１２を塗布する際に工夫を凝らすことになる。コ
ーティング１２として、特にペースト状にした低融点ガ
ラスを使用し、このペーストに高融点無機物（セラミッ
ク）により成形された球体ボール１８を混入し、攪拌し
た後、コーティング１２として抵抗体部分１１に塗布し
焼成することにより発熱抵抗体１のコーティング１２表
面を凹凸とすることが可能となる。これは、コーティン
グ１２である低融点ガラスを焼成する際、低融点ガラス
は一度溶融し、その際に発生する表面張力により全体に
均等な膜厚になるような作用が起きる。しかし、コーテ
ィング１２の中に含まれるボール１８は低融点ガラスを
焼成する温度においては、全く変態（軟化）せずボール
のままである。溶融した低融点ガラスは表面張力の影響
により発熱抵抗体１の中心方向、あるいは長手方向に向
かいコーティング１２膜の形状を形取るが、ボールの直
径が溶融した際のコーティング１２膜厚より大きい場
合、コーティング１２表面に凹凸が形成されることにな
る。

【００３９】尚、低融点ガラスペーストに混入させる高
融点無機物により成形されるボール１８は、セラミック
が好適で、特に、高融点ガラス，シリカガラス，結晶化
ガラス，複合ガラス，シリカボール，アルミナボール等
が安価かつ汎用材料として入手も簡単である。

【００４０】更にボール１８は、その直径を２０μｍ以
上とすることが望ましい。これは前述したように、流量
測定素子である発熱抵抗体１の外径はφ０.３からφ１.
５，長さ２から４mm程度の大きさから考えると、この発
熱抵抗体１の表面を覆うコーティング１２膜厚は、せい
ぜい１０から２０μｍが妥当である。従って、コーティ
ング１２表面を凹凸にするためには、少なくとも２０μ
ｍ以上の径を有する無機部材のボールによると、確実に
コーティング１２表面に凹凸を形成することが可能とな
る。

【００４１】従来技術による発熱抵抗体は、流通すべき
空気流の中に直接発熱抵抗体１と感温抵抗体２を設置す
る構造であるため、塵埃の堆積による空気流量測定装置
の精度を悪化させることが弱点であった。本発明の実施
形態は、この塵埃の堆積を低減することにより空気流量
測定の精度を改善できるものである。

【００４２】なお、本発明は、湿度温度センサ用素子と
しても用いることができる。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、流量検出素子に対する
塵埃の堆積を確実に抑えることができうるので、空気流
量測定精度の経時変化がなく、空気流量の検出精度を保
つことができる。また、信頼性に優れた高精度の空気流
量測定装置を容易に提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による流量測定素子の断面構造図。

【図２】図１に示した本発明による流量測定素子のＡ−
Ａ部断面図。

【図３】本発明による流量測定素子を用いた空気流量測
定装置の断面図。

【図４】図３に示した空気流量測定装置の正面図。

【図５】従来技術による流量測定素子の断面構造図。

【図６】図５に示した流量測定素子のＢ−Ｂ部断面図。

【図７】空気流量測定装置を内燃機関に実装した状態を
示す説明図。

【図８】本発明の実施形態と従来技術の特性を比較した
特性図。

【図９】従来技術における塵埃の堆積状態を示す説明
図。

【図１０】本発明における実施形態の塵埃の堆積状態を
示す説明図。

【符号の説明】

１…発熱抵抗体、２…感温抵抗体、３…主通路、４…副
通路、５…ボディ、６…ターミナルピン、７…駆動回
路、８…円筒状部材（パイプ）、９…接合剤、１０…リ
ード線、１１…抵抗体部分、１２…コーティング、１３
…エアクリーナ、１４…エアクリーナダクト、１５…エ
アクリーナエレメント、１６…従来技術による塵埃特
性、１７…本発明による塵埃特性、１８…高融点部材の
ボール、１９…塵埃の堆積部。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】無機部材により成る筒材の両端に導電性部
   材より成るリード線を固定し、前記筒材に抵抗体を形成
   した後、その表面に保護コーティングする構造を有する
   空気流量計用の測定素子において、 前記抵抗体とは別部材を前記抵抗体とともに保護コーテ
   ィングすることにより、表面に凹凸形状を形成したこと
   を特徴とする測定素子。
2. 【請求項２】請求項１において、 前記流量測定素子は熱式の空気流量計の発熱抵抗体また
   は感温抵抗体であり、 前記保護コーティングは、焼成された低融点ガラスある
   いは樹脂と、前記低融点ガラスまたは樹脂よりも高い融
   点を有する無機部材により成形された球状のボールとに
   より形成されることを特徴とした測定素子。
3. 【請求項３】請求項２において、 前記ボールをセラミック，シリカ系ガラス，結晶化ガラ
   ス，複合ガラス，シリカまたはアルミナにより成形する
   ことを特徴とした測定素子。
4. 【請求項４】請求項２または３において、 前記ボールの直径を２０μｍ以上とすることを特徴とし
   た測定素子。
5. 【請求項５】請求項１〜４のいずれか記載の測定素子
   と、 前記測定素子が設置される通路とを備え、 前記測定素子が、発熱抵抗体または感温抵抗体として用
   いられる内燃機関用の熱式空気流量測定装置。