JPH0687022B2 - 熱線式空気流量センサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、自動車内燃機関の吸入空気量の検出などに使
用される熱線式空気流量センサ及びその製造方法に関す
る。

〔従来の技術〕

熱線式空気流量計は、センサとして発熱抵抗体が用いら
れ、この発熱抵抗体を空気流中に置くことで、その空気
流量が測定される。即ち、空気流速によって発熱抵抗体
の放射熱量が変化するのを利用し、空気流量の変化に応
じて発熱抵抗体の温度を一定に保つようにその電流を変
化させ、この電流を検出することで間接的に空気流量を
測定するようにしたものである。このような空気流量計
は、可動部分がなく、しかも空気流量を直接測定できる
ため、自動車内燃機関の空燃比制御用などに広く採用さ
れている。

その熱線式空気流量センサにおける発熱抵抗体として
は、例えば実開昭56−96326号公報に記載のように、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
イヤを、セラミックスなどのボビンに巻回したボビン方
式のものがある。

また、特開昭62−83622号公報に記載のように、発熱抵
抗体となる金属ワイヤを金属芯線に巻回し、ガラスコー
ティングした後、酸により金属芯線だけをエッチング除
去したボビンレス方式のものも知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ボビン方式のものでは、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できず、特
に空気流量の変化に対し過渡応答が遅れるため、自動車
の急加速、減速時にサージングが発生するという問題が
あった。

これに対して、ボビンレス方式のものでは、ボビンがな
いため、応答性は優れている。しかしながら、金属ワイ
ヤを巻回した金属芯線を、コーティングしたガラスの焼
成後に酸によってエッチング除去する作業が煩雑であ
る。また、金属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
埃やイオン性物質などが付着して特性を変化させるの
で、信頼性が低下する問題があった。

本発明の目的は、これら従来の問題を解決し、応答性は
優れていながらも、エッチングを不要にして製造の簡単
化を図ると共に、信頼性も向上するようにし熱線式空気
流量センサ及びその製造方法を提供するにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため本発明は、外層が800℃以上の
軟化点のガラス、内層がセラミックスまたはガラスとセ
ラミックスの複合物で空洞部を覆うと共に、両端がそれ
ぞれ外部に電気的に引出されたコイル状の金属ワイヤ
を、前記空洞部の内壁面に埋込んだ状態で配設したもの
である。

上記構成部材の内セラミックスは、Al₂O₃,SiO₂,SiC,MgO
などの単体又はこれらの複合成分からなり、その代表例
としてAl₂O₃を挙げるが、Al₂O₃以外のいずれのセラミッ
クスを用いることも可能である。また、前記外層のガラ
ス部材が内層のアルミナ又はアルミナとガラスの混合部
材に浸透してなるガラスとアルミナの複合部材が十分な
強度を保持すると共に、高寸法精度の前熱線式空気流量
センサを得るために、前記複合部材中に含まれるアルミ
ナが30〜70％の体積率を有するようにしたものである。

更に、本発明は、昇華性を有する芯線、例えばモリブデ
ン（Mo）芯線に発熱抵抗体の金属ワイヤを巻回す工程
と、巻回した前記ワイヤの両端の引出し部を除して、前
記ワイヤの表面の内層部にアルミナ又はアルミナとガラ
スの混合部材を多孔性を有する状態に、外層部に軟化点
がモリブデンの昇華温度より高い800℃以上の特性を有
するガラス部材を多孔性を有する状態に付着して覆う工
程と、これらを加熱して、まず外層のガラス部材が多孔
性を失わない状態でモリブデン芯線を昇華除去し、その
後に外層のガラス部材が流動する温度以上に加熱し、外
層部のガラス部材が内層部の多孔性を有するアルミナ又
はアルミナとガラスの混合部材の空隙に浸透して、ガラ
スとアルミナを複合化する二段階の焼成を１回の熱処理
で行う工程とを少なくとも備えるようにしたものであ
る。なお、本明細書においてガラスとは晶質を物質とい
い、セラミックスとは結晶質物質をいうものとする。

〔作 用〕

本発明においては、発熱抵抗体の金属ワイヤを昇華性を
有するモリブデン芯線にコイル状状に巻回し、先端部に
電幾引出し部となる金属リード線を溶接し、内層にアル
ミナ又はアルミナとガラスの混合部材を、外層に軟化点
が800℃以上の特性を有するガラス部材を付着した後焼
成して一体化するが、モリブデン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800℃以上に加熱
してモリブデン芯線を昇華除去してしまい、その後に外
層のガラス部材が流動する以上の温度に高め、外層のガ
ラス部材を内層のアルミナ又はアルミナとガラス混合部
材に浸透させ、内層をガラスとアルミナの複合部材とす
る二段階の焼成を行う。そのため、外層に付着するガラ
ス部材はモリブデン芯線の昇華除去を妨げないために、
モリブデンの昇華揮散時に十分な多孔性を維持する必要
があり、軟化点がモリブデンの昇華温度より高い800℃
以上の特性を有することが必要である。

金属ワイヤとしては例えば耐熱性、耐食性の高い白金線
が、リード線には白金イリジウム合金が用いられる。ま
た、モリブデンは高温で酸化して約795℃で昇華する
が、モリブデン芯線を昇華する場合は十分な酸素を補給
し、その昇華揮散を妨げないために、内層のアルミナ部
材またはアルミナとガラスの混合部材、及び外層のガラ
ス部材は十分な空隙を有していることが必要である。こ
のモリブデン芯線を昇華除去する際に、外層のガラス部
材がモリブデンの昇華温度り低い温度で流動するもので
ある場合は、モリブデンの昇華以前に表面を覆ってしま
うので、芯線が内部に残ってしまう。また、外層のガラ
スがモリブデンの昇華温度より低い温度で流動しないも
のでも、軟化点がモリブデンの昇華温度より低い特性を
有するものは、昇華する酸化モリブデンの影響を受けて
流動性が低下し、アルミナまたはアルミナとガラスの混
合部材への浸透が不十分となり、緻密なガラスとアルミ
ナの複合層が設けられなくなってしまう。そこで、軟化
点が800℃以上の特性を有するガラスと外層として付着
すれば、昇華する酸化モリブデンの影響が少なく、モリ
ブデン芯線の昇華除去後にガラスがアルミナまたはアル
ミナとガラスの混合部材の空隙に浸透し、ガラスとアル
ミナの緻密な複合層を１回の熱処理で得ることができ
る。このため、芯線除去に際してのエッチング工程を不
要とし、作業の簡略化を図ることができる。また、エッ
チング荒れによる信頼性低下の問題も解消できる。

ここで、昇華性を有するモリブデン芯線に巻回された金
属ワイヤの両端に金属リード線を溶接し、表面にガラス
部材だけを付着した場合は、モリブデン芯線が昇華除去
された後の空洞部を溶融したガラス部材が埋めるばかり
なく、ガラスの表面強力でコイル状に巻いた金属ワイヤ
が収縮変形してしまう。しかし、内層にアルミナ部材ま
たはアルミナとガラスの混合部材、外層にガラス部材を
付着させておけば、アルミナが骨格となってガラスが浸
筒するので、緻密なガラスとアルミナの複合部材を得る
ことができる。

また、ガラスとアルミナ混合部材の一層だけを付着さ
せ、焼成して複合部材を得る場合には、軟化流動したガ
ラスで空隙部を埋めて緻密化するため、あらかじめ混合
したガラス部材の流動で複合化部材に収縮が生じて寸法
管理が困難となるばかりでなく、コイル状金属形状及び
寸法が変化してしまうなどしてセンサ特性のばらつきを
生じる原因となるので好ましくない。そのため、内層に
アルミナ又はアルミナとガラスの混合部材、外層にガラ
ス部材を付着して焼成するが、付着するアルミナ部材の
体積率が高いとガラス部材のアルミナ部材への浸透性が
悪く、得られる複合部材は低強度となる。また、アルミ
ナ部材の体積率が低いとガラス部材のアルミナ部材への
浸透性は良いものの、得られる複合部材に占めるガラス
部材の比率が高くなり、前述したように収縮によるコイ
ル状金属ワイヤの形状及び寸法変化を生じてしまう。実
験的に検討した結果、ガラスと複合化するアルミナの体
積率が70〜30％であれば、外層に付着したガラス部材の
内層に付着したアルミナ又はアルミナとガラス混合部材
への浸透性が良好で、かつ必要十分な強度のガラスとア
ルミナの複合部材を内層に、外層をガラスで被覆した精
度の良い熱線式空気流量センサが得られることを確認し
た。

ここで、ガラス、アルミナ又はアルミナとガラス混合部
材などを付着する方法の一つに電気泳動法による付着
（電着）があるが、電解質として硝酸アルミニウム、硝
酸マグネシウムを用い、有機溶媒としてエチルアルコー
ルを用いた懸濁液がある。もちろんこれ以外の電解質、
有機溶媒を用いても電着は可能なのでこれに限定するも
のでないが、本発明による熱線式空気流量センサの製造
には前記の硝酸アルミニウム、硝酸マグネシウム、エチ
ルアルコールの懸濁液が扱いやすい。このように硝酸ア
ルミニウム、硝酸マグネシウムの溶液にガラス粉末を懸
濁させるとガラス成分が溶出して電着液を不安定にし、
電着層不均一となる。そのため、電着液管理の点からア
ルミナと混合するガラスは安定性の高い種類を選定する
必要がある。

例えば、外層に軟化点がモリブデンの昇華温度より低い
ガラス部材、内層に軟化点がモリブデンの昇華温度より
低いガラスとアルミナの複合部材で構成した熱線式空気
流量センサを得ようとする場合には、前述したように軟
化点がモリブデンの昇華温度より低いガラス部材は昇華
するモリブデンと反応して本来の特性を失なって流動性
が著しく低下し、内層アルミナ空隙への浸透が不十分と
なってしまう。従って、内層となるアルミナ又はアルミ
ナとガラスの混合部材を電着して焼成し、モリブデン芯
線を除去した後に外層にガラスを付着して再度焼成し、
外層のガラスを内層のアルミナ空隙に十分浸透させてア
ルミナとガラス部材を複合化する２回の熱処理必要とな
る。この方法によれば、１回目熱処理の内層部分にガラ
スを付着する取扱い強度が必要である。内層部分をアル
ミナ単層とした場合、焼成温度がアルミナの焼結温度よ
り低いのでモリブデン芯線昇華除去後の強度が低い。そ
のため、内層部分にガラスとアルミナ混合部材を電着し
て１回焼成後強度を高めるが、前述したようにガラスと
アルミナ混合電着液は不安定である。

本発明によれば、モリブデン芯線の昇華除去と、外層の
ガラス部材が内層のアルミナ部材空隙に浸透しアルミナ
とガラス部材の複合化を１回の熱処理で行えるので、電
着する内層はアルミナ単相であってもなんら差しつかえ
ない。従って、アルミナのみの粉末を懸濁させた安定性
の高い電着液を使用でき、電着液の管理が容易なので作
業性が高い。もちろん、電着する内層はガラスとアルミ
ナの混合部材であっても、高強度、高精度の熱線式空気
流量センサを得ることができる。

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
ようにボビンに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
有の高い応答性が得られる。また、軟化点が800℃以上
の特性を持ち、耐食性、耐熱衝撃性に優れたガラスを用
いて被覆しているので、使用環境によってセンサ性能を
低下させることもないので、信頼性の高い熱線式空気流
量計が得られる。

そこで、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

〔実施例１〕 第１図は本発明の熱線式空気流量センサの一実施例を示
す一部切欠断面図である。

第１図において、熱線式空気流量センサ１はコイル状の
白金ワイヤ２に電流を流すことによって、発熱抵抗体と
したものである。白金ワイヤ２は、空洞部６の軸方向中
心線を略中心としてコイル状に巻回され、その両端には
それぞれ白金イリジウム合金のリード線３が接続部21で
接続されている。空洞部６は、外層としてガラス部材
５、内層としてガラスとアルミナの複合部材４によって
密封された構造であり、リード線３はそのガラス部材
５、複合部材４で支持されている。また、白金ワイヤ２
は内層のガラスとアルミナの複合部材４の内壁面に埋込
んだ状態で配置されており、従って白金ワイヤ２は複合
部材４で強固に支持された構造である。

次に、熱線式空気流量センサ１の製造方法について、第
２図を参照しながら説明する。

まず、第２図（ａ）に示すように、自動巻線機によって
白金ワイヤ２をモリブデン芯線７の外周に螺旋状に巻回
する。本実施例では、直径30μｍの白金ワイヤ２を直径
0.5mmのモリブデン芯線７に巻回した。次に、第２図
（ｂ）に示すように、モリブデン芯線７を所定の長さ
（本実施例では4mm）に切断し、白金ワイヤ２の両端部
にそれぞれ白金イリジウム合金のリード線３を接続部21
で溶接する。この場合、リード線３としては、直径0.13
mmのものを使用した。

この後、白金ワイヤ２を巻回したモリブデン芯線７の周
囲に、電気泳動法によりアルミナ部材を充填率が約50％
となるように付着し、更にその上面に浸漬法によりガラ
ス部材を付着した。そして、このようにして得られたも
のを酸化性雰囲気炉で焼成することによって、第２図
（ｃ）に示すように、モリブデン芯線７が昇華除去され
て空洞部６となった。また、その空洞部６の周囲にアル
ミナとガラスの複合部材４と、ガラス部材５の２層を形
成できた。

ここで用いたガラス部材５は、Al₂O₃−SiO₂系ガラス
で、温度860℃での粘度が10²⁶ポアズ、1180℃での粘度
が10⁴ポアズの特性を有する。そして、第２図（ｃ）の
焼成において、温度が上昇するにつれモリブデン芯線７
の酸化が進んでMoO₃となり、温度が795℃に達するとMoO
₃が昇華するが、温度860℃での粘度が10^7.6ポアズ即ち
軟化点が860℃の特性を有するガラス部材５は空隙を保
持するため、MoO₃の昇華物はアルミナ部材及びガラス部
材５の空隙から揮散する。850℃で５時間保持してモリ
ブデン芯線の昇華除去を完了させた後温度が1200℃に達
すると、ガラス部材５の粘度が10₄ポアズ以下となりア
ルミナ部材の空隙への浸透を始め、1200℃で２時間保持
して焼成を終了したが、アルミナ部材の空隙に完全にガ
ラス部材５が浸透し、緻密なガラスとアルミナの複合部
材４を形成すると共に、ガラス部材５で覆った熱線式空
気流量センサ１を得た。この熱線式空気流量センサ１
は、第２図（ｄ）に拡大して示すように、コイル状に巻
回した白金ワイヤ２の内側迄ガラス部材５が覆っている
ので、白金ワイヤ２をより強固に支持することができ
た。

本方法によれば、従来のボビンレス方式に比べ、芯線を
エッチング除去するための煩雑な作業がなくなると共
に、昇華性を有する金属芯線７の昇華除去と、ガラス部
材５とアルミナ部材の複合化が１回の焼成で行うことが
できるので、作業性が大幅に向上した。

この熱線式空気流量センサ１を用いた熱線式空気流量計
の具体例を第３図に示す。なお、この具体例では、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、第３図に示すように吸入空気のメイ
ン通路81及びバイパス通路82を有して成るボディ83のバ
イパス通路82中の支持体９に固定される。

第４図は、熱線式空気流量計の検出回路の具体例で、熱
線式空気流量センサ１、測温抵抗体８、オペアンプ10,1
1、パワートランジスタ12、コンデンサ13、抵抗器14〜1
8で構成されている。またパワートランジスタ12のコレ
クタ端子19にはバッテリー（図示せず）の（＋）極が、
抵抗器14のアース端子20にはバッテリーの（−）の極
が、そして抵抗器14と熱線式空気流量センサ１の接続点
31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。

このような構成において、パワートランジスタ12によっ
て熱線式空気流量センサ１に電流を供給し加熱し、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に当ると、検出回
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器14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。

第５図に、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
切換えた時の熱線式空気流量計の電圧を測定し、流量に
換算し縦軸に示した。同図から明らかなように、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わかる。

このため、自動車の急加速や減速時においても、真の空
気量変化に追従して熱線式空気流量計が信号を出させる
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。

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の白金ワイヤ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、空気量の変化に正確に反応するためで
ある。

また、本実施例の熱線式空気流量計は、従来のボビンレ
ス方式に比べて信頼性が高い。これは、本実施例の熱線
式空気流量センサは、耐腐食性、耐熱衝撃性の優れた特
性を有するガラスで被覆しているので使用中の空気など
の耐環境性が良いことと、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ためである。

〔実施例２〕 実施例１と同様にして、自動巻線機により直径30μｍの
白金線２を直径0.5mmのモリブデン芯線７に巻回し、セ
ンサ１個分の長さ4mmに切断した両端部に直径0.13mmの
白金イリジウム合金のリード線３を21で溶接し、電気泳
動法によりアルミナとガラスの混合部材を充填率が約50
％となるように付着し、更に浸漬法でガラス部材５を付
着した。ここで、混合部材はガラス20％とアルミナ80％
の混合比率としたが、このガラス部材はAl₂O₃−SiO₂系
ガラスで、温度860℃での粘度が10^7.6ポアズ、1180℃で
の粘度が10⁴ポアズの特性を有するもので、ガラス部材
５と同一部材とした。これらを酸化性雰囲気炉で焼成す
ると、モリブデン芯線７の酸化が進みMoO₃となり、温度
が795℃を越えるとMoO₃が昇華除去される。850℃で５時
間保持してモリブデン芯線の昇華除去を完了させた後12
00℃で２時間保持して焼成を終了したが、アルミナとガ
ラスの混合部材中のガラス部材が同一部材のガラス部材
５の浸透を容易にするため、実施例１で得たと同等以上
に緻密なアルミナとガラスの複合部材４を形成すると共
に、表面を平滑なガラス部材で覆った熱線式空気流量セ
ンサ１を得た。

この熱線式空気流量センサを用いた熱線式空気流量計の
特性を測定したところ、実施例１で述べたと同様の結果
を得た。

〔実施例３〕 以下、第１図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、それらのガラス部材が
軟化点が800℃以上の特性を有するものであり、セラミ
ックス部材又はセラミックスとガラスの混合部材にガラ
スが浸透して成る複合部材のセラミックスの体積率が30
〜70％であれば、第１図に示す熱線式空気流量センサ１
を得ることができた。

本実施例では、セラミックス部材又はセラミックスとガ
ラスの混合部材を電気泳動法、あるいはガラス部材５を
浸透法で付着したが、電気泳動法や浸透法以外であって
も、例えばペースト状にして付着する方法であっても、
第１図に示す熱線式空気流量センサ１を得ることができ
る。

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全般と、本発明で述
べた特徴を有するセラミックス部材又はセラミックスと
ガラスの複合部材全般に適用でき、電気泳動法以外の方
法で被覆して発熱抵抗体を得る方法全般に適用できる。

〔発明の効果〕

以上説明したことから明らかなように、本発明の熱線式
空気流量センサによれば、表面を耐腐食性、耐衝撃性に
優れたガラスで被覆したので、空気中の塵埃、イオン性
物質などによって特性が劣化することがなく、高い信頼
性を維持することができる。また、内部が空洞であるた
め、従来のボビンレス方式の応答性と同等の高い応答性
を得ることができる。

更に、本発明の製造方法によれば、酸による煩雑なエッ
チング作業を不要としたばかりでなく、昇華性を有する
金属芯線の昇華除去と、ガラスとセラミックスの複合化
を１回の焼成で行うことができるため、作業性を大幅に
向上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の熱線式空気流量センサの一実施例を示
す一部切欠断面図、第２図（ａ），（ｂ），（ｃ），
（ｄ）は本発明におけ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、第３図は熱線式空気流量セ
ンサを用いた熱線式空気流量計の具体例を示す構成図、
第４図はその空気流量計の検出回路の具体例を示す回路
図、第５図は応答特性を従来と本発明とで比較して示す
特性図である。 １……熱線式空気流量センサ、２……白金ワイヤ、３…
…リード線、４……複合部材、５……ガラス部材、６…
…空洞部、７……モリブデン芯線。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】外層が800℃以上の軟化点のガラス、内層
   がセラミックスまたはガラスとセラミックスの複合物で
   空洞部を覆うと共に、両端がそれぞれ外部に電気的に引
   出されたコイル状の金属ワイヤを、前記空洞部の内壁面
   に埋込んだ状態で配設したことを特徴とする熱線式空気
   流量センサ。
2. 【請求項２】前記内層に含まれるセラミックスは、30〜
   70％の体積率を有することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の熱線式空気流量センサ。
3. 【請求項３】昇華性を有する金属芯線に金属ワイヤを巻
   回する工程、この金属芯線に金属ワイヤを巻回したもの
   にセラミックスまたはセラミックスとガラスの混合部材
   を付着し、更にこの表面にガラス部材を付着して覆う工
   程、このようにして得られたものを焼成することによっ
   て、前記金属芯線を昇華除去すると共に、前記ガラス部
   材を前記セラミックスまたはセラミックスとガラスの混
   合部材の隙間に浸透させて複合化する工程を有すること
   を特徴とする熱線式空気流量センサの製造方法。