JPH0682057B2

JPH0682057B2 - 検出素子

Info

Publication number: JPH0682057B2
Application number: JP62174251A
Authority: JP
Inventors: 徹菊地
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1987-07-13
Filing date: 1987-07-13
Publication date: 1994-10-19
Anticipated expiration: 2009-10-19
Also published as: JPS6418023A; US4903001A

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明は検出素子に係り、特に抵抗体の電気抵抗値の温
度依存性を利用して、例えば内燃機関における流体の流
量或いは流速を検出する熱式流量計等に好適に用いられ
る検出素子に関するものである。

（従来技術）従来から、この種の熱式流量計等の検出素子として、抵
抗体の電気抵抗値の温度依存性を利用したものが考えら
れてきており、例えば実開昭56−96326号公報において
は、所定の発熱抵抗体を管状または棒状のボビン（担
体）上に形成する一方、その抵抗体に接続されるべきリ
ード部材を、かかるボビンの端部に白金ペーストを用い
て固定せしめ、リード接合部の強度を大きくして、その
耐久性を向上させた構造のものが明らかにされている。

（問題点）しかしながら、上記の如き構造の検出素子を有する流量
計にあっては、白金ペーストのように、比較的熱伝導率
の大きな物質を、抵抗体を支持する担体とリード部材と
の間に固着層として介在せしめるものであるところか
ら、本来、被測定流体に放散させられるべき抵抗体の熱
がリード部材に逃げてしまうという問題があり、これに
よって、抵抗体の温度が被測定流体の流量乃至は流速に
対応しなくなって、その検出精度が低下する欠点があっ
たのであり、また始動時間が長くなるという欠点も内在
していたのである。

（発明の目的）ここにおいて、本発明は、上記の問題に鑑みて為された
ものであって、その目的とするところは、上述した問題
点を解決して、検出精度に優れた検出素子を提供するこ
とにあり、また他の目的とするところは、検出精度、始
動特性の向上せしめられた、熱式流量計用として好適に
用いられ得る検出素子を提供しようとするものである。

（解決手段）すなわち、本発明は、上記の如き目的を達成するため
に、担体表面に所定の抵抗体が形成され、そして該抵抗
体に接続されるリード部材が前記担体に対して固着層を
介して取り付けられると共に、前記固着層中に、該固着
層よりも熱伝導率の小さな部分が存在せしめられている
ように、検出素子を構成したのである。

なお、かかる本発明に従う検出素子において、固着層
は、一般に、主としてガラス或いはガラスセラミックス
にて構成され、そしてそのような固着層中に、該固着層
よりも熱伝導率の小さな部分を存在せしめるために、気
泡が内在せしめられたり、またそのような気泡と共に、
或いはそのような気泡に代えて、粒子状の無機材料が固
着層中に分散、存在せしめられることとなるのである。
また、この固着層中の気泡は、一般に、10％〜80％程度
の気孔率となる割合において内在せしめられることとな
る。

（作用・効果）従って、このような本発明に従う構成によれば、固着層
中に独立的に存在する熱伝導率の小さな部分によって、
かかる固着層の全体としての熱伝導率を小さくすること
が可能となるのであり、それによって、かかる固着層を
通じてリード部材側に熱が逃げるのが効果的に抑制乃至
は防止され、以て検出精度や始動特性が効果的に向上さ
れ得るのである。

また、固着層中に存在せしめられる熱伝導率の小さな部
分が気泡によって形成される場合にあっては、かかる固
着層、ひいては検出素子全体の重量が軽減され、以て応
答性も向上するようになるのである。

さらに、本発明に従う検出素子において、その固着層内
に、上記した気泡と共に、更にジルコニア等の高強度、
低熱伝導率の物質（無機材料）を内在させることによ
り、検出素子の耐久性、始動特性、検出精度は、更に向
上するようになるのである。

（実施例）以下、本発明の理解をより一層容易とするために、本発
明の幾つかの実施例を、図面に基づいて、詳細に説明す
ることとする。

先ず、第１図は、熱式流量計に好適に用いられる検出素
子の断面図であって、そこにおいて、１は、円筒形状を
呈するアルミナ担体であり、このアルミナ担体１の両端
に、気泡を内在させたガラス２によって、白金製のリー
ド部材3,3が、所定長さ筒内に挿入された状態でそれぞ
れ取り付けられ、固定せしめられている。また、アルミ
ナ担体１の外表面には、所定幅の白金薄膜４が螺旋状に
設けられて支持され、発熱抵抗体を構成するようになっ
ている。また、アルミナ担体１の両端面には、気泡を内
在させた白金ペースト（導電性ペースト）が焼き付けら
れて形成された白金系の接続部５が設けられており、こ
れによって、白金リード部材３と白金薄膜４との電気的
な導通が図られているのである。

ところで、このような構造の検出素子を作製するには、
先ず、適当な大きさ、例えば外径が0.5mmφ、内径が0.2
mmφ、長さが2mmの円筒状のアルミナ担体１を用い、そ
の外側表面に、発熱抵抗体とすべく、所定の厚さの白金
薄膜４を通常のスパッタリング手法を用いて形成し、そ
してこの白薄膜４をレーザートリミング手法を用いてス
パイラル状にトリミングして、所定幅の白金薄膜４がア
ルミナ担体１の外表面上に形成された構造とする。次い
で、所定の発泡剤を含有させたガラスペースト（２）を
アルミナ担体１の両解放端付近に塗布し、リード部材と
して所定太さ（例えば、直径:1.15mmφ）の白金リード
線３をアルミナ担体１の筒内に所定の長さ挿入した後、
ガラスペースト（２）を乾燥せしめる。

また、アルミナ担体１の両端部における白金リード線3,
3との接合部分に、それぞれリード線３と白金薄膜４と
の電気的な導通を取るために、発泡剤と白金粉末とガラ
ス粉末を混合してなるる白金ペースト（５）を塗布す
る。この場合、ガラスペースト（２）がアルミナ担体１
の円筒内に存在しているところから、かかる白金ペース
ト（５）がアルミナ担体１の筒内に流れ込むことによ
る、該アルミナ担体１の筒内での短絡不良が良好に阻止
されることとなる。また、予め白金リード線3,3が固定
されているために、白金ペースト（５）の塗布の作業性
も有利に向上され得るのである。

次いで、このように、アルミナ担体１に白金リード線３
が組み合わせられた組立体は、例えば酸化性雰囲気下で
の600〜1100℃×10〜30分間等の適当な焼成条件下にお
いて焼成され、かかる組立体のガラスペースト（２）や
白金ペースト（５）が、それぞれ焼成せしめられるので
あり、この段階で検出素子の原形が出来上がることとな
る。なお、このように焼成されたガラス及び白金系の接
続部等の内部の気泡の量は、それらガラスペースト、白
金ペースト中の有機物成分の量の増減または焼成スケジ
ュールの選定などにより、適宜、所定範囲内に調整され
得るものである。

そして、この焼成して得られた検出素子（原形）には、
その抵抗値が、例えば電解メッキ手法を用いて調整され
ることとなる。即ち、本発明者らが先に出願した特願昭
61−103178号に開示されているように、白金薄膜４の上
に更に形成される白金メッキ層の厚さを増減させること
によって、その低抗値が調整されるのである。また、か
かる検出素子には、その耐久性の向上や検出精度の向上
を目的として、白金薄膜４やアルミナ担体１の上に、ガ
ラス等の保護層が形成される場合がある。

このようにして得られた検出素子にあっては、アルミナ
担体１に対して、リード部材３を固定する固着層である
ガラス２中に、気泡が内在しているところから、それら
アルミナ担体１とリード部材３との間に介在するガラス
２全体としての熱伝導率が低下することとなるのであ
り、これによって、アルミナ担体１からリード部材３側
への熱の逃げが抑制され、以て始動特性や検出精度が効
果的に向上せしめられることとなるのである。

しかも、本実施例にあっては、熱伝導率の小さな部分と
なる気泡が、リード部材３と白金薄膜４とを電気的に導
通せしめる端部接続部５内にも散在せしめられていると
ころから、かかる接続部５を介して、リード部材３側へ
の熱の逃げも有利に抑制されているのである。特に、本
実施例の如く、接続部５が大面積において設けられてい
る場合にあっては、この接続部５内にも、気泡等を散在
せしめて熱伝導率の小さな部分が形成されるようにする
ことが望ましいのである。

なお、本実施例では、抵抗体としての白金薄膜４を支持
する担体１がアルミナ製とされているが、これに代え
て、窒化アルミニウム等のセラミックスを用いて形成し
ても、何等差支えなく、特に窒化アルミニウム製の担体
を用いれば、更に始動特性や検出精度が有利に向上せし
められることとなる。

また、アルミナ担体１に対するリード部材３の固着層と
しても、上例の如きガラス２の他に、ガラスセラミック
ス等の固着材料も適宜に選択使用されるものであること
は、言うまでもないところであり、更にそのような固着
層２内に内在せしめられる、該固着層よりも熱伝導率の
小さな部分は、上例の如く、気泡によって形成されるば
かりでなく、そのような気泡と共に或いはそれに代え
て、固着層よりも熱伝導率の低いジルコニア（ZrO₂）粉
末等の微細な粒子状無機材料を、かかる固着層内に独立
的に散在せしめることによって形成することも可能であ
る。

第２図は、そのような構成の固着層を用いた第１図の応
用例を示す断面図である。そこにおいては、リード部材
３の固着層を形成するために、粒径が10μｍ以下のZrO₂
粉末及び10μｍ以下の気泡を内在させたガラスペースト
（６）を用いて、上例と同様に、焼成によって、リード
部材３を担体１に固定せしめる固着層が形成されている
のである。このような固着層においては、その中に散在
する気泡とZrO₂粉末によって、熱伝導率の小さな部分が
形成されているのであり、またZrO₂粉末をガラス中に混
入することにより、固着層（６）そのものの強度が向上
され、また熱伝導率を下げることが出来、検出精度や始
動特性が有利に向上せしめられるのである。

なお、本実施例では、白金薄膜４を白金リード線３の電
気的な導通を図るために、白金ペーストによって形成さ
れる接続部７が必要最小限度において設けられており、
そのような接続部７を通じて、担体１からの熱の逃散が
抑制されるように配慮されている。

また、第３図には、第２図の応用例の断面図が示されて
いるが、そこでは、アルミナ担体８は、筒状の一端を閉
じた有底円筒形状を呈し、その解放端のみで支持される
ようになっている。具体的には、かかるアルミナ担体８
の外表面に形成された白金薄膜４は、二筋の螺旋形態を
呈し、図において、左端において相互に接続されている
一方、その解放端である右端側においては、二筋の螺旋
の端部からそれぞれ独立して、接続部7,7を介して絶縁
体９上に独立して設けられた導電リード部10,10に電気
的に接続されているのである。また、この導電リード部
10,10が独立して設けられた絶縁体９は、アルミナ担体
８の解放端から所定長さ挿入せしめられて、第２図と同
様な構成の固着層、即ち気泡が内在し、且つ粒子状のZr
O₂粉末を散在させて、熱伝導率の小さな部分に形成した
ガラス６によって、アルミナ担体８に取り付けられ、か
かるアルミナ担体８を支持しているのである。

このような構造の検出素子にあっては、アルミナ担体８
に取り付けられて、それを支持する部分が一つ（9,10）
となるところから、かかるアルミナ担体８上に形成され
る抵抗体（白金薄膜４）からリード部材側への熱の逃げ
がより効果的に減少することとなり、これによって、検
出精度や応答性が有利に向上され得るのである。

また、第４図及び第５図に示される検出素子にあって
は、平板状のアルミナ基板11の片面に、ジグザグ状の抵
抗体（白金薄膜４）を形成したものを用い、この二枚の
アルミナ基板11,11の抵抗体（４）が形成されていない
面を対向させて、それらの間に、気泡及びZrO₂粉末を分
散、含有するガラスペースト（６）充填して、それら二
枚のアルミナ基板11,11を一体化すると同時に、両端部
に挿入されたリード部材3,3が両端部に固着せしめられ
ており、そしてそれらアルミナ基板11,11の外表面に位
置する抵抗体（４）が、それぞれ、両端部において、リ
ード部材3,3に白金接続部７を介して電気的に導通せし
められている。

このような構造の検出素子においては、抵抗体（４）が
平板基板11の上に形成されることとなるところから、か
かる抵抗体（４）の形成精度が高くなり、個体間のバラ
ツキの少ない検出素子が有利に製作され得るのであり、
また検出素子が平板形態であることから、作業性も有利
に向上され得ることとなるのである。

ところで、かくの如き検出素子において、抵抗体を支持
する担体に対してリード部材を固定して取り付けるため
の、固着層内に存在せしめられる熱伝導率の小さな部分
の量的な割合は、目標とされる熱伝導率の低下度合等に
応じて、適宜に設定されることとなるが、気孔に関して
は、以下の第１表の結果から明らかなように、一般に10
％〜80％の気孔率、好ましくは10％〜70％程度の気孔率
が実用上において採用されることとなる。この固着層中
の気孔率が大きくなり過ぎるると、リード部材の固着強
度が低下し、検出素子の耐久性や信頼性が低下するよう
になるからである。

なお、かかる第１表は、第１図に示される検出素子にお
いて、その固着層（２）の気孔率を種々変えた場合、そ
れぞれの検出素子を用いて組み立てられた熱式流量計の
始動時間を測定した結果を示すものである。要するに、
それぞれの気孔率を有する検出素子をブリッジ回路に組
み込み、無風状態でブリッジ回路に電源を投入し、出力
が安定するまでの時間を定した結果（ｎ＝５の平均値）
が、第１表に示されているのである。なお、この実験に
おいて、検出素子は100℃〜400℃の温度に自己加熱され
るようになる。

以上、本発明に従う幾つかの実施例を、図面に基づいて
詳細に説明してきたが、本発明が、かかる例示の具体例
のみに限定して解釈されるものでは決してなく、本発明
には、当業者の知識に基づいて種々なる変更、修正、改
良等が加えられ得るものであることが、理解されるべき
である。

また、前述した実施例では、熱式流量計に好適に用いら
れる検出素子として説明したが、本発明に従う検出素子
は、熱式流量計用ばかりでなく、担体表面に形成された
抵抗体の電気抵抗値の温度依存性を利用するセンサの何
れの素子としても用いられ得るものであって、例えば、
ガス温度を測定する装置の測温素子等としても用いられ
得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図及び第３図は、それぞれ、本発明に従う
検出素子の一例を示す縦断面説明図であり、第４図は、
本発明に従う検出素子の他の例を示す平面図であり、第
５図は、かかる第４図におけるＶ−Ｖ断面説明図であ
る。 1,8:アルミナ担体 2,6:ガラス（固着層） 3:リード部材、4:薄膜 5,7:接続部、9:絶縁体 10:導電リード部、11:アルミナ基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】担体表面に所定の抵抗体が形成され、そし
て該抵抗体に接続されるリード部材が前記担体に対して
固着層を介して取り付けられると共に、前記固着層中
に、該固着層よりも熱伝導率の小さな部分が存在せしめ
られていることを特徴とする検出素子。
【請求項２】前記固着層が、主としてガラス或いはガラ
スセラミックスにて構成されている特許請求の範囲第１
項記載の検出素子。
【請求項３】前記固着層が、気泡を内在させたガラスか
ら構成されている特許請求の範囲第１項記載の検出素
子。
【請求項４】前記固着層が、粒子状の無機材料を散在さ
せて、前記熱伝導率の小さな部分を形成したガラスから
構成されている特許請求の範囲第１項記載の検出素子。
【請求項５】前記固着層が、気泡を内在させ、且つ粒子
状の無機材料を散在させて、前記熱伝導率の小さな部分
を形成したガラスから構成されている特許請求の範囲第
１項記載の検出素子。
【請求項６】前記固着層が、10％〜80％の気孔率を有し
ている特許請求の範囲第３項または第５項記載の検出素
子。