JPH05223614A - 熱式流量計用検知素子 - Google Patents

熱式流量計用検知素子

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JPH05223614A
JPH05223614A JP4030899A JP3089992A JPH05223614A JP H05223614 A JPH05223614 A JP H05223614A JP 4030899 A JP4030899 A JP 4030899A JP 3089992 A JP3089992 A JP 3089992A JP H05223614 A JPH05223614 A JP H05223614A
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JP
Japan
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glass
resistance
temperature coefficient
protective layer
platinum
Prior art date
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Pending
Application number
JP4030899A
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English (en)
Inventor
Fujio Ishiguro
不二男 石黒
Yutaka Nakajima
裕 中嶋
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NGK Insulators Ltd
Original Assignee
NGK Insulators Ltd
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Publication date
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Priority to US07/998,672 priority patent/US5300916A/en
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/688—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
    • G01F1/69—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element of resistive type
    • G01F1/692—Thin-film arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C1/00—Details
    • H01C1/02—Housing; Enclosing; Embedding; Filling the housing or enclosure
    • H01C1/034—Housing; Enclosing; Embedding; Filling the housing or enclosure the housing or enclosure being formed as coating or mould without outer sheath

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Glass Compositions (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)
  • Non-Adjustable Resistors (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 抵抗値を高めに設定でき、抵抗温度係数が大
きくかつ安定であり、また製造しやすい検知素子を提供
する。 【構成】 セラミック基体の外表面に白金薄膜抵抗体が
形成されており、かつこの白金薄膜抵抗体がNa2 Oと
K2 Oの合計含有量が3mol%以下のガラスにより構
成される保護層により保護される。これにより、抵抗温
度係数を白金のバルクに近い高い値とし、かつ製造時の
バラツキを小さくできる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、流体、特に空気等の気
体の流量を測定する熱式流量計用に主として使用される
検知素子に関するもので、抵抗温度係数等の機能特性に
おいて優れた検知素子に関わるものである。
【0002】
【従来の技術】熱式流量計は、通電加熱された発熱抵抗
体から周囲の流体に奪われる熱量がその流体の流量によ
り変化することを利用して流量を測定するものである。
一般に、この種の熱式流量計に用いられる検知素子とし
ては、前記発熱抵抗体と流体温度を検知する測温抵抗体
の2種類が使用される。
【0003】これら検知素子に要求される性能として
は、発熱抵抗体および測温抵抗体の抵抗体温度係数が大
きくかつ安定であること、発熱抵抗体の抵抗値は5〜3
0Ω程度と低いこと、測温抵抗体の抵抗値は100〜1
000Ωと高いこと、かつ熱容量が小さく流体の流量お
よび温度に対してすばやく応答することがある。検知素
子の例としては、直径φ0.5mm、長さ2mmのアル
ミナパイプの外周に線径約20μmの白金線を巻いたも
のが知られている。しかしこの種のものでは、白金線を
使用するため、抵抗温度係数は白金のバルク値に近い高
い値で安定であるが、抵抗値は巻線の太さに限界がある
ため高い抵抗値とできない欠点があった。
【0004】一方上記欠点を解決する方法として、白金
薄膜をスパイラル状に加工し、抵抗体とする検知素子が
知られているが、白金薄膜はその製造方法や不純物等の
影響を受けやすく、結果として抵抗温度係数が低くかつ
バラツキが大きいという欠点を有していた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、抵抗値を高めに設定可能でかつ抵抗温度係
数が大きくかつ安定であり、また製造しやすい検知素子
を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の本発明による熱式流量計用検知素子は、セラミック基
体の外表面に白金薄膜抵抗体が形成されており、かつ該
抵抗体がガラスにより構成される保護層により保護され
ている熱式流量計用検知素子において、前記ガラスの含
有するNa2 OとK2 Oの合計量が3mol%以下であ
ることを特徴とする。
【0007】前記ガラス中に主要成分としてZnOおよ
びB2 O3 が含有されており、かつそのガラスの軟化点
が550℃以上750℃以下であることを特徴とする。
前記ガラスにより構成される保護層の厚さが5〜50μ
mであることを特徴とする。
【0008】
【作用】本発明による白金薄膜を利用する検知素子にお
いては、セラミック基体の外表面に白金薄膜を形成し、
この白金薄膜上に熱伝導性のよいガラスをコーティング
する。これは、検知素子が通電加熱された時の熱による
劣化がなくかつ流体との熱交換をスムーズにしすばやく
応答できるようにするためである。このガラスは、コー
ティング工程時の熱処理により一時溶解したとき、白金
薄膜中の細孔へ浸み込む。そしてセラミック基体と白金
薄膜を堅固に接着する。この溶解後固まったガラスは比
較的均一な厚さとなる。そして、このガラスに含有され
るNa2 OとK2 Oの合計含有量が3mol%以下のガ
ラスを使用することにより、抵抗温度係数を白金のバル
クに近い高い値とし、かつ製造時のバラツキを小さくで
きる。
【0009】前記ガラスにより構成される保護層の厚さ
を、5〜50μm、好ましくは5〜30μmにすること
により、応答性と耐久性を両立した検知素子とすること
ができる。前記ガラス中のNa2 O、 K2 Oは白金薄
膜中の結晶粒界において酸素を分離し、その酸素は白金
と結合し、白金の酸化物層を形成すると同時に、還元さ
れたNa、Kは白金との間で固溶体を形成する。この生
成により抵抗温度係数が低下すると推定され、Na2 O
+K2 Oを3mol%以下に規制することにより酸化物
量、固溶体量の生成が抵抗温度係数への影響がない程度
に少なくなるため、抵抗温度係数を高い値に保つことが
できるものと考える。またこのことから白金薄膜近傍の
Na2 O、K2 Oをできるだけ少なく規制し、保護層の
流体に晒される側には耐久性に適した例えばごみの付着
しにくい保護層またはNa2 O、K 2 Oの多いガラスを
使用することも適宜実施できる。
【0010】このようにアルカリ成分を規制したガラス
としては、ZnOとB2 O3 を多量に含有するあるいは
主要成分とするガラスが抵抗温度係数の低下防止効果を
一層高めることができるので好ましい。ZnO、B2 O
3 を主要成分とするガラスでは、その軟化点を550〜
750℃の間の任意の点とすることが極めて容易にでき
る。また550〜750℃が軟化点として好ましいのは
加熱時に約200〜400℃程度となる検知素子に対し
て転移点をその使用温度以上とすることができるため、
熱衝撃耐久性を向上できるからである。また本発明者が
実験したところでは、保護層形成の溶融温度をその軟化
点の最大+200℃より好ましくは+150℃以内の範
囲とする限りは白金薄膜の抵抗温度係数を劣化させるよ
うなことはなかった。このように溶融温度幅が広いこと
は製造がかなり容易となるという効果がある。
【0011】前記抵抗温度係数の低下防止効果が高めら
れるのは、Na2 OやK2 Oと比べZnOが酸化物とし
て安定(SiO2 、Al2 O3 とくらべれば不安定)で
あり、白金薄膜の結晶粒界において分解しにくいこと、
Na2 O、K2 O等が白金薄膜と接触するのを防止する
こと、またZnOが分解して生成したZnは白金と固溶
体をつくらないこと、ZnOの分解によって生じたO2
の存在によりNa2 O、K2 Oは分解しにくい雰囲気と
なること等の理由によると推定される。またB 2 O3 は
比較的低温の軟化点をもち、若干の温度を加えることに
より流動性のよいガラスとするための成分であり、この
ような効果によりZnOの性能劣化防止作用をより高め
る働きをする。
【0012】
【実施例】次に本発明の実施例を説明する。アルミナパ
イプ内径φ0.35mm外径φ0.5mmの外表面上に
スパッタリング法により白金薄膜を厚さ約0.5μmに
なるよう形成した。この白金薄膜を700℃以上の温度
で熱処理した後、レーザーにより所定抵抗となるよう白
金薄膜をスパイラル状にトリミングした。次に、ステン
レス線上に白金をメッキしたワイヤ直径φ0.22mm
を所定の長さに切断し、このワイヤをアルミナパイプの
端部に挿入し、白金とガラスの混合ペーストを使用して
このワイヤをアルミナパイプに固定し、混合ペースト中
のガラスに合わせた所定温度(保護層溶融温度と同じか
それ以上)で焼付けた。
【0013】図1にその模式図を示す。このときの抵抗
温度係数は3600ppm/℃ 以上であった。図1に
おいて、1はワイヤ、2は混合ペースト、3はアルミナ
パイプ、4はスパイラル状の白金薄膜である。次に保護
コーティング用のガラスペーストを作製する。まず原料
ガラス粉末を平均1μm程度に調整した後、ガラスに対
し有機バインダーと溶剤を加え、乳鉢中で混合する。混
合したガラスペーストの粘度を調整した後、前記白金薄
膜上に均一に塗布した後、乾燥し所定条件で焼成した。
ガラスの厚さの分布は20μmを中心に10〜30μm
内に70%、5〜50μm内に100%である。
【0014】図2はガラスコーティング後の模式図を示
す。図2において、6はガラス保護層である。なお、ガ
ラス保護層は厚さを均一にするには2回以上塗布焼付す
ることが好ましく、またこのとき、第1層目と第2層目
のガラス種を変更することも可能であり、例えば第2層
目にNa成分量の多いガラスを使用してもよい。表1は
各種ガラス組成について、抵抗温度係数α(ppm/
℃)の保護層形成前の値と保護層形成後の値との差(Δ
αと表示、マイナス表示はα値が低下したことを意味す
る。)を、その溶融温度別に表示したものである。
【0015】
【表1】
【0016】なお、αは次の式により定義される。 RT =RO (1+αT+βT2 ) ただし、RT :T℃の時の検知素子の抵抗値(Ω)、
T:雰囲気温度(℃)、RO :0℃の時の抵抗値
(Ω)、α:Tの1次項の係数、β:Tの2次項の係数
である。
【0017】また表1の右端には、検知素子を通電加熱
5分(室温+400℃)、通電停止冷風冷却5分を10
0時間耐久試験した時の抵抗温度係数αの変化量を表わ
す。さらに図3は、Na2 OとK2 Oの合計ガラス含有
量と抵抗温度係数の保護層形成前後の変化幅Δαの関係
を表示したグラフである。この時のガラスの基本組成と
しては表1の実施例Aを用いた。データ数nは各点につ
いてn=6である。
【0018】図4は表1の実施例A、B、Cおよび他の
本発明範囲内のガラスのZnO+B 2 O3 量と軟化点の
関係であり、枠で囲んだ範囲内が特にNa2 O、K2 O
の抵抗温度係数への影響が小さい領域である。この図4
のガラスの軟化点の調節は他のガラス成分例えばSiO
2 、CaO、Al2 O3 、MgO、BaO等の成分によ
り適宜調節することができる。次に少量の鉛の混入はZ
nOをメインとする本ガラスでは抵抗温度係数への影響
はなかった。しかし鉛(PbO)が例えば30mol%
も含まれている場合はガラスの溶融時の温度、雰囲気に
よってはPbOが還元されてしまい、ガラスの変色や抵
抗温度係数の低下があり、厳密な焼成条件のコントロー
ルが必要であり好ましくない。
【0019】これらの結果から、本発明の検知素子は、
高値安定な抵抗値および抵抗温度係数を有すると同時
に、耐久性にも優れまた製造条件による変動も少なく、
製造容易であることが明白である。
【0020】
【発明の効果】以上説明したように本発明の熱式流量計
用検知素子によれば、抵抗値を高めに設定可能で抵抗温
度係数が大きくかつ安定であり、製造しやすい検知素子
を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例によるガラス保護層形成前の検
知素子を示す一部切欠模式図である。
【図2】本発明の実施例によるガラス保護層形成後の検
知素子を示す模式的平面図である。
【図3】Na2 OとK2 Oの合計ガラス中含有量と抵抗
温度係数の保護層形成前後の変化幅Δαの関係を示す特
性図である。
【図4】ZnOとB2 O3 の合計のガラス中含有量と軟
化点の関係を示す特性図である。
【符号の説明】
6 ガラス保護層

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 セラミック基体の外表面に白金薄膜抵抗
    体が形成されており、かつ該抵抗体がガラスにより構成
    される保護層により保護されている熱式流量計用検知素
    子において、前記ガラスの含有するNa2 OとK2 Oの
    合計量が3mol%以下であることを特徴とする流量計
    用検知素子。
  2. 【請求項2】 前記ガラス中に主要成分としてZnOお
    よびB2 O3 が含有されており、かつそのガラスの軟化
    点が550℃以上750℃以下であることを特徴とする
    請求項1記載の熱式流量計用検知素子。
  3. 【請求項3】 前記ガラスにより構成される保護層の厚
    さが5〜50μmであることを特徴とする請求項1記載
    の熱式流量計用検知素子。
JP4030899A 1992-02-18 1992-02-18 熱式流量計用検知素子 Pending JPH05223614A (ja)

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JP4030899A JPH05223614A (ja) 1992-02-18 1992-02-18 熱式流量計用検知素子
US07/998,672 US5300916A (en) 1992-02-18 1992-12-30 Sensor element for a thermal type flowmeter

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JP4030899A JPH05223614A (ja) 1992-02-18 1992-02-18 熱式流量計用検知素子

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US5300916A (en) 1994-04-05

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