JPH1123337A - 空気流量計測装置の測定素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】測定素子の応答性を向上した空気流量計測装置
の測定素子を提供する。 【解決手段】副空気通路内に空気流量を検出する測定素
子１と温度補正用の測定素子１を配置してなる空気流量
計測装置であって、該測定素子１を構成している基体２
にアルミナよりも熱伝導率の大きい窒化アルミニウムあ
るいは炭化珪素，窒化硼素を主成分としその表面にムラ
イト，アルミナなどの酸化物系セラミックスで被覆して
構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばエンジンに
吸入される空気流量を検出する空気流量計測装置の測定
素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、流体の流速を測定する抵抗体
素子として、特開昭59−104513号公報記載にあるよう
に、円筒状のアルミナ基体上に白金細線で抵抗体を形成
し、抵抗体の保護のため保護コート用ガラスで被覆した
ものが知られており、一般に白金の電気抵抗の温度依存
性を利用し、測定素子を一定の温度に加熱制御する熱式
空気流量計に用いられている。

【０００３】このような構造の測定素子を加熱制御する
場合、その応答性を速くする方法が種々検討されてい
る。例えば構造的には円筒状のアルミナ基体の全長に対
する発熱部の長さによってその応答性が大きく異なり、
同じ長さのアルミナ基体においては、発熱部の長さが長
いものほど応答性の良い測定素子が得られることが知ら
れている。

【０００４】また、材料ではアルミナ基体の代わりにス
テアタイトやジルコニア，ムライトなどを用いることが
公知である。これは、アルミナの代わりに熱絶縁性の比
較的大きい材料を用いることでリード、あるいは支持体
への熱の逃げを防止して応答性を向上させるものであ
る。

【０００５】一方、リードや支持体が充分に絶縁性を有
する場合、逆に基体の熱伝導率を良くして基体内の温度
分布が均一になるようにすることで高速応答化を図るこ
とが可能である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】円筒状のセラミック基
体の材料として一般に用いられるものは、アルミナであ
る。これは大量に製造されているため安価であること、
構成材料の一つであるガラスとの相性が良くガラスと有
害な反応しないこと、適度な硬度を持っていることなど
があげられる。応答性を向上させるにはこのアルミナよ
りも熱伝導率の良い材料を用いる必要が有る。

【０００７】しかし基体の熱伝導率を良くしようとして
も、アルミナは比較的熱伝導率が高い材料であり、これ
より熱伝導率の良い無機材料は限定される。例えば、窒
化アルミニウムは熱伝度率は大きいが抵抗体素子を構成
するガラス被覆と相性が悪く、製造過程でガラス被覆の
ために熱処理を行うとガラスと窒化アルミニウムが反応
して窒素ガスが発生し正常なガラスの被覆が形成できな
い。また、炭化珪素も高熱伝導体であるが、電気の良導
体であることや熱膨張率がシリコンに近くて小さいため
単純にアルミナ基体の代替として使用することはできな
い。

【０００８】また窒化ホウ素は電気絶縁性を有する高熱
伝導体であるが熱膨張が小さいためそのまま抵抗体素子
に使用すると白金からなる抵抗体やリードとの熱膨張差
によりクラックを生じる。

【０００９】ベリリアは高熱伝導率であること以外はア
ルミナと物理的な性質がほとんど同じであるため上記の
問題は生じない。しかし製造過程の粉末ベリリアは人体
に入るとアレルギーを生じる場合があるため取扱が問題
であり、製造上の問題から実用化は困難である。

【００１０】本発明の目的は、構造を工夫することで従
来適応が困難であった高熱伝導性を有するセラミック製
基体からなる測定素子を製造し、応答性に優れた空気流
量計測装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、基体を熱伝導率の良い窒化アルミニウム、または
窒化硼素で円筒状の基体を構成し、その上にムライトの
層をバレルスパッタで形成した。バレルスパッタでムラ
イト層を形成することによりムライトが円筒の内側にも
周り込むため、リード線を挿入しガラスで加熱接着して
もガラスと窒化アルミニウム、または窒化硼素とが直接
接触することがないので安定した接着が可能となる。次
いでムライト層の上に抵抗体を形成し、ガラスで被覆し
た。

【００１２】窒化アルミニウムや窒化硼素は熱膨張係数
がアルミナに比べて小さいのでアルミナの中間の熱膨張
係数を有するムライトを抵抗体、及びガラス被覆の間に
形成することで熱応力を緩和し、クラックのない測定素
子を製造することが可能となる。

【００１３】また、ガラス被覆と窒化アルミニウムや窒
化硼素が直接接する状態でガラス被覆のために加熱処理
すると窒素ガスが生じてガラス被覆中に残留して外観
的，強度的に脆くなるが中間層としてムライトがあるた
めに反応しないため、正常なガラス被覆が可能となる。

【００１４】また、熱伝導率の良い炭化珪素で円筒状の
基体を構成し、その上にムライトの層をバレルスパッタ
で形成しても同様の効果が得られる。

【００１５】こうして製造した抵抗体素子は流速が変化
しても基体に温度分布が生じにくいため応答性を早くす
ることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の実施例を図面により説明
する。図１は本発明の一実施例である空気流量計測装置
の測定素子１の構造を示す図である。測定素子１は窒化
アルミニウムを外径０.５mm×内径０.３mm×長さ２mmの
パイプ状に成形したものを基体２とし、この基体２の表
面にムライト２ａをバレルスパッタ法により約５μｍを
着膜した。

【００１７】バレルスパッタ法は一般的に金属皮膜抵抗
器などの金属抵抗体を形成する際に用いられるもので、
被着体の表面に全周均一に金属抵抗体を形成することが
できる。本発明の場合は中空のパイプ状の基体２にバレ
ルスパッタを行うので、その内周にもムライトが付着す
る。

【００１８】次いでリード線４をパイプ内に挿入し、リ
ード線４とパイプをガラス粉末を溶剤でペースト状にし
たガラスペーストで接着し、焼成する。これにより、パ
イプとリード線４を接着ガラス５で接着する。

【００１９】抵抗体は外径０.０２mm の白金線を用い、
白金線を片側のリード線に点溶接後パイプの表面に巻付
け、反対側のリード線に点溶接して白金抵抗体６を形成
する。さらにその表面に、抵抗体の保護を目的にガラス
ペーストを塗布し、焼成してガラスの保護コーティング
３を形成する。

【００２０】本構造の特徴は、基体２であるパイプを熱
伝導率の大きい窒化アルミニウムで構成したこと、及び
その表面にムライトの層２ａを形成したことにある。す
なわち窒化アルミニウムは発熱抵抗体の抵抗部の温度分
布を均一化させ、空気流量が変化しても温度分布が変化
しにくいため、応答性が向上する。

【００２１】一方、窒化アルミニウムはアルミナやガラ
スのような酸化物とは異なり窒素化合物である。そのた
めガラスと接触した状態で焼成すると窒化アルミニウム
の一部が分解して窒素ガスが発生する。

【００２２】このため測定素子１の構成要素であるリー
ド線４とパイプを接続する接着ガラス５、及び白金抵抗
体６を保護するガラス製保護コーティング３が窒化アル
ミニウムと直接接触した状態で熱処理を行うと、反応に
よって発生した窒素ガスがガラス中に残留し、脆くて形
状の不安定な接着層や保護層にしかならない。

【００２３】また熱膨張係数が白金線は約９×１０^-6／
℃であるため、測定素子１の構成部材であるガラス材や
リード線４，基体２はいずれも熱膨張係数が白金線に近
いものを使用する必要がある。しかし窒化アルミニウム
は熱膨張係数が約４.５× １０^-6／℃であり、白金線
と大幅に異なっている。

【００２４】従って冷熱サイクルが繰り返されると白金
線やガラス材，リード線に異常な応力がかかり、ガラス
にクラックが発生して経時変化を生じる。

【００２５】ムライトを窒化アルミニウムの表面に形成
する理由は以上に述べた二つの課題を解決するための手
段である。ムライトはアルミナとシリカの酸化系化合物
である。従ってガラスとの相性もよく、焼成によって安
定なガラス接着層やガラス被覆を形成できる。熱膨張係
数も約５.３×１０^-6／℃ で白金に近くなるため熱応力
による経時変化を防止できる。

【００２６】図２に各種セラミックスの物性値と特徴を
示す。アルミナより熱伝導率の大きいセラミックスは限
られており前述の窒化アルミニウム以外には、べリリ
ア，窒化硼素，炭化珪素，ダイヤモンド，サファイア等
があるだけである。実際に実用化することを考えると、
ベリリアは粉体の状態では毒性が強く、吸入するとアレ
ルギー症状を引き起こす。そのため、製造設備はベリリ
アの微粉が飛散せぬよう特殊な設計をする必要があり、
設備上の問題から量産化は困難である。

【００２７】また、ダイヤモンドは熱伝導率がアルミナ
の１００倍程度あるが高価である。サファイアはアルミ
ナと成分的には同じであるが純度や熱処理条件の違いに
より緻密さと結晶構造が異なったものであり、熱伝導率
も僅かに良くなる程度である。さらにアルミナに比べて
価格的に高価であるため実用化は困難である。

【００２８】本発明では比較的製造が容易で価格的にも
安価な窒化アルミニウム，窒化硼素，炭化珪素に着目
し、それぞれの欠点を補う構造としたことに特徴があ
る。

【００２９】窒化硼素は窒化アルミニウムと同様にガラ
スと反応して窒素ガスを発生する。また、熱膨張係数も
約２×１０^-6／℃と小さいため、そのまま基体として使
用することはできない。ここでも窒化アルミニウムの場
合と同様に、表面にムライト層を形成してやることでガ
ラスとの反応の問題を解決し応答性の改善を図ることが
可能である。

【００３０】炭化珪素は熱伝導率がアルミナの約１４倍
と大きいので、採用できれば応答性の改善効果が大き
い。実用上の問題点は電気伝導性があること、熱膨張率
が小さいこと、及び炭化物であるためガラス接着工程
や、ガラス被覆工程での熱処理によって二酸化炭素が発
生し、炭化珪素の一部が分解して酸化することである。

【００３１】そこで、表面にムライト層を形成してやる
ことでこれらの問題点を解決でき、応答性の速い抵抗体
素子を製造することができる。

【００３２】以上の説明ではムライトを用いた例を示し
たがその他の材料として、アルミナ，サファイア，ジル
コニア，ジルコン，マグネシアスピネル，ステアタイト
等の酸化物系セラミックスを用いても同様の効果が得ら
れる。

【００３３】図３は本発明のその他の実施例を示したも
のである。すなわち、窒化アルミニウム，窒化硼素，炭
化珪素等のパイプ状の基体２の表面にそれぞれ５μｍ程
度の２層のバレルスパッタ膜を形成したものである。

【００３４】例えば、窒化アルミニウムのパイプの表面
に第一層目のセラミックスとしてムライト層２ａを形成
し、第二層目としてアルミナ層２ｂを形成したものであ
る。窒化アルミニウムの熱膨張係数は約４.５×１０^-6
／℃ 、ムライトの熱膨張係数は約５.３×１０^-6／℃
、アルミナの熱膨張係数は約７.８×１０^-6／℃ であ
る。このように徐々に熱膨張係数を白金に近付けてやる
ことにより熱応力が徐々に緩和された構造にすることが
できるため信頼性を高めることが可能である。特に窒化
硼素は熱膨張係数が約２×１０^-6／℃と小さいので、一
層だけでは信頼性に不安な要素がある。従って、窒化硼
素のパイプ状基体２の表面にまずジルコンの一層目２ａ
を形成し、その上にムライトの二層目２ｂを形成するな
どして熱応力を緩和してやると大幅な信頼性の向上が期
待できる。

【００３５】図４は本発明のその他の応用例である。こ
の図は白金抵抗体６の代わりに白金薄膜７を用いた構造
である。白金抵抗体６を用いた抵抗素子１との構造上の
違いは白金薄膜７であること以外には抵抗体とリード線
４との電気的な導通を取るために白金あるいは金などの
貴金属粒子含有したガラスペーストを用いて接着を行な
っている点などがあるが基本構造は同じである。従って
この場合も窒化アルミニウムなどのパイプの表面にムラ
イトなどの酸化物系セラミックスを形成し、その表面に
白金薄膜７を形成してやることで応答性の改善が可能で
ある。

【００３６】このようにして製作された測定素子１は熱
膨張係数の合わせ込みが可能なため、冷熱サイクルのよ
うな繰り返しの応力が加わってもクラックを生じないな
どの特徴を有する。

【００３７】さらに基体２に熱伝導率の大きい材料を用
いているので、応答性を向上した空気流量計測装置を提
供できる。

【００３８】その一実験データを図６に示す。従来品の
応答時間に比べて応答時間の短縮化が図られている。

【００３９】図５は本発明の板状素子への応用例を示し
た物である。基体２に窒化アルミニウムを用い、その表
面にムライトの膜２ａを形成し、白金薄膜７をその上に
形成し、ついでガラスで保護コーティング３を形成し
た。本構造でも前記と同様の理由により、応答時間の短
縮化を図ることが可能である。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば応答性の速い、信頼性に
優れた空気流量計測装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の測定素子の断面図。

【図２】各種セラミックスの物性値と特徴を示すデータ
表。

【図３】本発明の一実施例の応用例を示す測定素子の部
分断面図。

【図４】本発明の一実施例の応用例を示す測定素子の部
分断面図。

【図５】本発明の一実施例の応用例を示す測定素子の部
分断面図。

【図６】本発明の一実施例の実験データ図。

【符号の説明】

１…測定素子、２，２ａ，２ｂ…基体、３…保護コーテ
ィング、４…リード、５…接着ガラス、６…白金抵抗
体、７…白金薄膜。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円柱状のセラミック基体と、該基体上に設
   けられた白金抵抗体あるいは白金系抵抗体と、前記基体
   に対して接着剤により接着，固定されて該抵抗体に電気
   的に導通せしめられるリードとを含んで構成され、全体
   が保護コーティング層にて被覆されてなる流量計用検出
   素子であって、該セラミック基体がムライト膜で覆われ
   た窒化アルミニウムを用いた構造を特徴とする空気流量
   計測装置の測定素子。
2. 【請求項２】円柱状のセラミック基体と、該基体上に設
   けられた白金抵抗体あるいは白金系抵抗体と、前記基体
   に対して接着剤により接着，固定されて該抵抗体に電気
   的に導通せしめられるリードとを含んで構成され、全体
   が保護コーティング層にて被覆されてなる流量計用検出
   素子であって、該セラミック基体がムライト膜で覆われ
   た炭化珪素を用いた構造を特徴とする空気流量計測装置
   の測定素子。
3. 【請求項３】円柱状のセラミック基体と、該基体上に設
   けられた白金抵抗体あるいは白金系抵抗体と、前記基体
   に対して接着剤により接着，固定されて該抵抗体に電気
   的に導通せしめられるリードとを含んで構成され、全体
   が保護コーティング層にて被覆されてなる流量計用検出
   素子であって、該セラミック基体がジルコン、及びムラ
   イト膜で覆われた窒化硼素を用いた構造を特徴とする空
   気流量計測装置の測定素子。
4. 【請求項４】円筒状のセラミック基体と、該基体上に設
   けられた白金抵抗体あるいは白金系抵抗体と、前記基体
   に対して接着剤により接着，固定されて該抵抗体に電気
   的に導通せしめられるリードとを含んで構成され、全体
   が保護コーティング層にて被覆されてなる流量計用検出
   素子であって、該セラミック基体が種類の異なる２種類
   以上のセラミックが積層された構造から成り、少なくと
   もその構成材料の主成分はアルミナよりも熱伝導率の低
   いセラミックであり、かつセラミックの熱膨張係数が保
   護コーティング層に近づくほど大きくなるよう構成され
   ていることを特徴とする空気流量計測装置の測定素子。
5. 【請求項５】請求項４に記載のセラミックは、少なくと
   もその構成材料にアルミナよりも熱伝導率の低い窒化ア
   ルミニウム、あるいは炭化珪素，窒化ホウ素を主成分と
   して含んでいることを特徴とする空気流量計測装置の測
   定素子。
6. 【請求項６】請求項５記載の窒化アルミニウム、あるい
   は炭化珪素，窒化ホウ素は、保護コーティング層、およ
   び抵抗体と直接接触しないように配置されていることを
   特徴とする空気流量計測装置の測定素子。