JP2880009B2

JP2880009B2 - 流量計用検出素子

Info

Publication number: JP2880009B2
Application number: JP3233967A
Authority: JP
Inventors: 不二男石黒
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1991-08-21
Filing date: 1991-08-21
Publication date: 1999-04-05
Anticipated expiration: 2014-04-05
Also published as: JPH0552628A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は、検出素子、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、流量計用検出素子に関するものである。

【０００２】

【背景技術】従来から、この種の検出素子としては、筒
形構造のものや板状構造のものが知られており、例えば
前者の構造の素子にあっては、図１に示されるように、
アルミナ等からなる、外径が０．５mm程度のセラミック
パイプ２の外表面に、所定の抵抗値を有するように白金
薄膜８がパターン形成される一方、該セラミックパイプ
２の両端部には、０．２mmφ程度の白金線等からなるリ
ード４が挿入され、そしてそれが、白金とガラスの混合
ペースト等の導電性の接着剤を用いて接着せしめられる
ことによって、かかるセラミックパイプ２に対するリー
ド４の固定が実現されると共に、リード４と白金薄膜８
との電気的接続部６が形成され、該セラミックパイプ２
の両端部において、前記白金薄膜８とリード４とが導通
せしめられるようになっている。また、かかる検出素子
では、抵抗体の抵抗値変化を防止して、素子の耐久性を
向上させるために、白金薄膜８部分に、これを被覆する
ガラスコーティング層１０が形成されている。なお、こ
こでは、導電性の接着剤を用いて、リード４の固定と同
時にリード４と白金薄膜８との電気的接続が共に実現さ
れているが、これに変えて、セラミックパイプ２に対す
るリード４の固定を固着力の強い接着剤にて行なう一
方、リード４と白金薄膜８との電気的接続を、導電性に
優れたペーストを用いて別個に行なうこともある。

【０００３】しかしながら、このような検出素子につい
て、冷熱試験（０℃以下の雰囲気中で、通電による加熱
操作と、通電を遮断することによる冷却操作を繰り返
す）を行なうと、抵抗値が変化する現象が認められるの
である。本発明者らが、この現象について種々検討した
結果、リード４と白金薄膜８との導通手段となっている
導電性接着剤乃至は導電性ペーストによる電気的接続部
６の内部や、或いはかかる電気的接続部６とリード４と
の境界若しくは電気的接続部６と白金薄膜８との境界
に、空気中の水分が侵入することが原因であることが判
った。つまり、侵入した水分が、冷却時に凍結して、体
積膨張し、加熱時には融解するといったことを繰り返す
ことにより、電気的接続部６の内部或いは前記境界部分
に亀裂が生じて、抵抗値が上昇してしまうのである。

【０００４】特に、特開昭６４−１８０２３号公報に開
示されている検出素子の如く、検出素子の応答性を向上
させるために、導電性の接着剤からなる電気的接続部６
がポーラスな構造を有している場合においては、このよ
うな水分侵入による抵抗値変化が更に大きな問題となる
のである。

【０００５】しかも、リード４と電気的接続部６とのな
じみが悪い場合には、その間に隙間が生じ易いため、水
分が侵入し易くなり、その結果、検出素子の抵抗値変化
が惹起せしめられ易いのである。具体的には、リード４
が卑金属からなる場合には、空気等の酸化性雰囲気中で
焼成すると、リードに酸化膜ができて、電気的接続部６
とのなじみが悪くなり、更にそのような酸化膜の膨張に
よって、リード４と電気的接続部６との間に隙間ができ
易くなるのである。また、リード４が貴金属からなる場
合には、電気的接続部６を構成する接着剤／ペーストに
含まれるガラス成分とのなじみが悪いために、リードと
電気的接続部６との間に同じく隙間ができ易くなるので
ある。

【０００６】

【解決課題】本発明は、このような事情を背景として為
されたものであって、その解決課題とするところは、上
記の如き検出素子におけるリードと抵抗体との間の電気
的接続部の内部、或いはかかる電気的接続部とリードと
の境界若しくは電気的接続部と抵抗体との境界に、空気
中の水分が侵入することを防止して、かかる検出素子の
抵抗値変化を防止することにある。

【０００７】

【解決手段】そして、このような課題を解決するため
に、本発明にあっては、セラミック基体と、該基体上に
設けられた抵抗体と、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接続せしめられる
リードとを含んで構成される流量計用検出素子であっ
て、前記抵抗体とリードとの電気的接続部の外表面の全
面を覆い且つ該抵抗体及びリードのそれぞれの少なくと
も該接続部側の外表面を覆うように、耐熱気密質物質か
らなる被覆が施されていることを特徴とする流量計用検
出素子を、その要旨とするものである。

【０００８】

【作用・効果】すなわち、本発明に従う検出素子にあっ
ては、抵抗体とリードとの間の電気的接続部の外表面
と、該電気的接続部から抵抗体に跨がる部位及び該電気
的接続部からリードに跨がる部位とが、耐熱気密質物質
で気密に被覆せしめられているところから、それら電気
的接続部の内部への空気中の水分の侵入、及び電気的接
続部と抵抗体の境界部分や電気的接続部とリードの境界
部分への空気中の水分の侵入が阻止される。それ故、水
分の凍結・融解による導通部の亀裂が良好に防止され
て、そのような亀裂に起因する素子の抵抗値変化が良好
に防止されるようになるのである。従って、従来の検出
素子に比して、極めて安定に、設定された抵抗値を維持
することができ、検出素子の耐久性を効果的に向上させ
ることが可能となったのである。

【０００９】

【具体的構成・実施例】ところで、本発明に従う検出素
子は、耐熱気密質物質からなる気密の被覆部分を除き、
従来の素子と同様な構造を有するものであって、その一
例が、図２に示されている。そこにおいて、セラミック
基体としては、アルミナ等の公知のセラミック材料から
なるパイプ状のボビン１２が用いられており、その外周
面には、白金等からなる抵抗体薄膜１８が、従来と同様
にして、所定パターンにおいて設けられている。また、
ボビン１２の両端部には、例えば白金線等のリード１
４，１４が、それぞれ所定長さ挿入せしめられた状態に
おいて、導電性の接着剤にて接着せしめられて、ボビン
１２に対するリード１４，１４の固定が実現されると共
に、該接着剤にて抵抗体薄膜１８とリード１４とを接続
する電気的接続部１６が形成されている。

【００１０】なお、この電気的接続部１６を与える導電
性の接着剤としては、セラミックと金属を接合するため
の従来から公知のものを使用することができ、通常は、
接着強度を高めるためにガラスが配合された白金ペース
トが選択され、これにより高い接着強度が達成されると
共に、リード１４と抵抗体薄膜１８との間の電気的導通
が良好に達成されることとなる。特に、ガラスの中で
も、ＺｎＯ・Ｂ₂Ｏ₃・ＳｉＯ₂系等の結晶化ガラスを
配合することが望ましく、それによって強度を効果的に
向上させることができる。

【００１１】そして、このような検出素子に対して、ボ
ビン１２の全体を覆うように、ガラスにて気密の被覆層
２０が設けられているのである。即ち、この被覆層２０
は、抵抗体薄膜１８を覆い、更に、該抵抗体薄膜１８と
リード１４との電気的接続部１６の外表面を、該電気的
接続部１６から抵抗体薄膜１８に跨がる部位及び該電気
的接続部１６からリード１４に跨がる部位とを含んで、
一体に覆うように設けられている。それによって、電気
的接続部１６の外表面と、電気的接続部１６と抵抗体薄
膜１８との境界部分及び電気的接続部１６とリード１４
との境界部分が、何れも、ガラスにて密封されているの
であり、それら電気的接続部１６の内部や、前記境界部
分への空気中の水分の侵入が良好に防止されて、導通部
の亀裂による検出素子の抵抗値の上昇が回避されるよう
になっている。つまり、この検出素子では、ガラスが耐
熱気密質物質として用いられて、設定された抵抗値が安
定して維持され得るようになっており、耐久性が有利に
向上せしめられているのである。また、ここでは、抵抗
体薄膜１８も被覆層２０にて覆われているため、抵抗体
薄膜１８の酸化や損傷も良好に防止されるようになって
いる。

【００１２】なお、ここで耐熱気密質物質として用いら
れているガラスは、白金等の貴金属とのなじみが良くな
いため、白金線や白金でコーティングしたワイヤ等をリ
ード１４とする場合には、被覆層２０とリード１４との
接触長さ乃至は接着長さ（図２において、ｔで示す）を
長くして、密着性を高めることが望ましい。また、少な
くともガラスの被覆層２０とリード１４との境界部分に
金属膜を更に形成して、ガラスの被覆層２０とリード１
４との密着性を補うようにしても良い。

【００１３】そして、かかる被覆層２０は、ガラス以外
の種々の耐熱気密質物質にて形成することができ、例え
ば白金等の耐熱性の金属や、ポリイミド等の材質のもの
が好適に用いられ、また、それらを適宜に組み合わせて
使用することも可能である。例えば、図３に示される検
出素子では、白金等の耐熱性の金属からなる被覆層２４
がボビン１２の両端部にそれぞれ形成されて、電気的接
続部１６の外表面及び前記境界部分が気密に被覆されて
いる。かかる検出素子では、金属被覆層２４と、抵抗体
薄膜１８やリード１４との密着性が高いことから、優れ
た気密性が得られるのである。なお、このような素子で
は、抵抗体薄膜１８が白金の場合には、被覆層２４も同
種の白金にて形成することが好ましい。また、２２は、
抵抗体薄膜１８を保護するために設けられたガラスコー
ティング層である。

【００１４】一方、ガラスやポリイミドを耐熱気密質物
質として採用する場合には、熱衝撃による割れを防止す
るために、熱膨張係数が、基体の熱膨張係数と同程度
か、より小さいガラスやポリイミドを選択することが望
ましい。例えば、基体がアルミナの場合には、３０〜３
００℃の温度領域において、３〜８０×１０^-7／℃程度
の熱膨張係数を有するものが良い。特に、ポリイミド
は、一般に熱膨張係数が大きいことから、低熱膨張性の
ものを選択することが望ましく、３０〜３００℃の温度
領域において、１×１０^-5／℃以下のものが有利に選択
される。なお、そのような低熱膨張性のポリイミドとし
ては、パイラリンＰＩ−２６１１Ｄ（商品名、米国：デ
ュポン社製）等の名称にて市販されており、それらの何
れも利用することができる。

【００１５】さらに、リード１４とボビン１２の固定構
造は、何等、上記の実施例のものに限定されるものでは
なく、必要に応じて、適宜に変更することが可能であ
る。例えば、図４に示される検出素子の如く、前記導電
性接着剤と同様なガラス−Ｐｔ混合ペースト等の導電性
のペーストからなる電気的接続部２８において、抵抗体
薄膜１８とリード１４との導通を取る一方、ガラス−Ｎ
ｉ混合ペースト等の固定力（固着力）の高い接着剤から
なる固着部２６においてリード１４とボビン１２の固定
強度を高めるようにしても良い。更に、電気的接続部１
６，２８の熱伝導率を効果的に低減させ、素子の応答性
を高めるために、電気的接続部１６，２８をポーラスと
することも効果的であって、本発明に従う検出素子で
は、そのような場合に、空気中の水分の侵入を良好に防
止して、素子の耐久性を向上させることができるのであ
る。

【００１６】このような本発明に従う検出素子の優れた
特徴は、また、以下に示す冷熱試験の結果より容易に認
識され得るところである。なお、冷熱試験は、−５０℃
雰囲気中に検出素子を設置して、１０分間通電して、素
子温度を、周囲温度（−５０℃）＋２００℃〜２５０℃
にまで加熱した後、１０分間通電を遮断して、周囲温度
（−５０℃）にまで冷却するといった加熱・冷却操作
を、１２０時間、繰り返した。そして、試験前後の検出
素子の抵抗値の変化率を求めた。なお、試験例１〜４で
はｎ＝５の平均値、試験例５ではｎ＝３の平均値におい
て示した。

【００１７】（試験例１）先ず、図４に示される如き検
出素子を得るべく、内径：０．３mmφ、外径：０．５mm
φ、長さ２mmのアルミナボビン１２をセラミック基体と
して用い、その外周面に白金薄膜（厚さ：０．８μｍ）
をスパッタリングにより形成した後、レーザートリミン
グによってスパイラル状の切り溝を入れ、抵抗値が１０
０Ωとなるように抵抗体薄膜１８を形成した。一方、作
業温度が７５０℃のガラス：９０容量％にニッケル粉
末：１０容量％を配合し、更に有機バインダ及びテルピ
ネオールを加えてなる接着用のガラスペーストを用意
し、０．２mmφのステンレス線（ＳＵＳ３０４）からな
るリード１４を、上記アルミナボビン１２の両端部にそ
れぞれ挿入して、該ガラスペーストにて固定し、乾燥せ
しめた後、窒素雰囲気中において７５０℃の温度で１０
分間焼成することにより、該アルミナボビン１２の両端
部に、ガラスペーストからなる接着部２６によって、リ
ード１４をそれぞれ接着固定せしめた。

【００１８】次いで、かかるアルミナボビン１２の両端
部に、白金：５０容量％とガラス：５０容量％からなる
導電性ペーストを塗って、７００℃の温度で５分間焼成
することにより、リード１４と抵抗体薄膜１８とに接続
する電気的接続部２８を形成した。更に、その後、抵抗
体薄膜１８と、電気的接続部２８の外表面と、該電気的
接続部２８と抵抗体薄膜１８又はリード１４との境界部
分とを被覆するようにガラスをかけて、６００℃で１０
分間焼成することにより、全体にガラス被覆層２０を形
成せしめ、目的とする検出素子を完成した。なお、前記
導電性ペーストは気孔率が約２０ vol％であり、ポーラ
スであった。また、ガラス被覆層２０の熱膨張係数は、
４０×１０^-7／℃であり、アルミナの熱膨張係数の約１
／２であった。

【００１９】そして、得られた検出素子について、前記
の冷熱試験を実施したところ、抵抗値の変化率は０．３
％以下であり、極めて優れた耐久性を示した。

【００２０】（試験例２）図３に示される如き検出素子
を得るべく、先ず、セラミック基体として、内径：０．
２０mmφ、外径：０．４５mmφ、長さ：２．５mmのアル
ミナボビン１２を用い、その外表面に、試験例１と同様
にして、白金薄膜からなる、抵抗値が１００Ωの抵抗体
薄膜１８を形成した。次いで、かかるアルミナボビン１
２の両端部に、４０％Ｎｉ−Ｆｅワイヤの表面に３μｍ
の厚さでＰｔメッキを施してなる０．１３mmφのリード
１４を挿入し、Ｐｔ：６０容量％とガラス：４０容量％
からなる導電性ペーストを用いて、それぞれ取り付け、
空気中において７００℃×５分の焼成を行なって、電気
的接続部１６を形成した。そして、アルミナボビン１２
の外周面にガラスをかけ、空気中で６８０℃×５分の焼
き付けを行ない、抵抗体薄膜１８を覆うガラスコーティ
ング層２２を設けた。更にその後、かかるアルミナボビ
ン１２の両端部に、真空蒸着により約１mmの厚さの白金
膜を形成して、電気的接続部１６の外表面と、該電気的
接続部１６と抵抗体薄膜１８又はリード１４との境界部
分とを被覆する被覆層２４を設け、目的とする検出素子
を得た。

【００２１】そして、得られた検出素子について、前記
の冷熱試験を実施したところ、抵抗値の変化率は０．３
％以下であり、極めて優れた耐久性を示した。

【００２２】（試験例３）図２に示される如き検出素子
を得るべく、先ず、セラミック基体として、内径：０．
２０mmφ、外径：０．４５mmφ、長さ：２．５mmのアル
ミナボビン１２を用い、その外表面に、試験例１と同様
にして、白金薄膜からなる、抵抗値が１００Ωの抵抗体
薄膜１８を形成した。次いで、かかるアルミナボビン１
２の両端部に、４０％Ｎｉ−Ｆｅワイヤの表面に３μｍ
の厚さでＰｔメッキを施してなる０．１３mmφのリード
１４を挿入し、Ｐｔ：６０容量％とガラス：４０容量％
からなる導電性ペーストを用いて、それぞれ取り付け、
空気中において７００℃×５分焼成を行ない、電気的接
続部１６を形成した。その後、抵抗体薄膜１８と、電気
的接続部１６の外表面と、該電気的接続部１６と抵抗体
薄膜１８又はリード１４との境界部分とを被覆するよう
に、ガラスをかけ、空気中で６８０℃×５分の焼き付け
を行ない、ガラス被覆層２０を形成し、目的とする検出
素子を得た。

【００２３】そして、得られた検出素子について、前記
の冷熱試験を実施したところ、抵抗値の変化率は０．３
％以下であり、極めて優れた耐久性を示した。

【００２４】（試験例４）試験例３の検出素子におい
て、抵抗体薄膜１８と、電気的接続部１６の外表面と、
該電気的接続部１６と抵抗体薄膜１８又はリード１４と
の境界部分とを被覆する被覆層２０を、ガラスに代えて
ポリイミド（米国：デュポン社製、商品名：パイラリン
ＰＩ−２６１１Ｄ）にて形成し、目的とする検出素子を
得た。なお、ポリイミドからなる被覆層（２０）は、ポ
リイミド材料を適用した後、Ｎ₂雰囲気中で、４００℃
×３０分間焼き付けることにより、形成した。

【００２５】そして、得られた検出素子について、前記
の冷熱試験を実施したところ、抵抗値の変化率は０．３
％以下であり、極めて優れた耐久性を示した。

【００２６】（試験例５，比較例）試験例２の検出素子
において、ガラスコーティング層２２のみを設けて、電
気的接続部１６及び境界部分を覆う被覆層２４を設けず
に、前記の冷熱試験を実施したところ、抵抗値の変化率
が１〜３％の間でばらついて、耐久性が低く且つ不安定
であることが認められた。

【００２７】なお、以上の説明では、ボビン形状のセラ
ミック基体を用いた検出素子について詳述したが、本発
明が板状の基体を用いた検出素子等にも適用され得るこ
とは言うまでもないところである。また、本発明には、
本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識
に基づいて種々なる変更、修正、改良等を加え得るもの
であることが、理解されるべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の検出素子の一例を示す断面説明図であ
る。

【図２】本発明に従う検出素子の一例を示す断面説明図
である。

【図３】本発明に従う検出素子の別の例を示す断面説明
図である。

【図４】本発明に従う検出素子の更に別の例を示す断面
説明図である。

【符号の説明】

１２ボビン１４リード１６電気的接続部１８抵抗体薄膜２０被覆層２２ガラスコーテ
ィング層２４被覆層２６接着部２８電気的接続部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】円筒状のセラミック基体と、該基体の外
周面上に設けられた薄膜抵抗体と、前記基体の端部内孔
内に挿入されて、該基体に対して接着剤により接着、固
定されたリードと、該接着剤として導電性接着剤を用い
ることにより、或いは導電性ペーストを用いて形成され
た、前記薄膜抵抗体とリードとを電気的に接続する電気
的接続部とを含んで構成される流量計用検出素子であっ
て、前記薄膜抵抗体とリードとの電気的接続部の外表面の全
面を覆い且つ該薄膜抵抗体及びリードのそれぞれの少な
くとも該接続部側の外表面を覆うように、前記基体と同
一若しくはそれよりも小さな熱膨張係数を有する耐熱気
密質物質からなる被覆が施されていることを特徴とする
流量計用検出素子。
【請求項２】前記耐熱気密質物質がガラスであること
を特徴とする請求項１記載の流量計用検出素子。
【請求項３】前記耐熱気密質物質がポリイミドである
ことを特徴とする請求項１記載の流量計用検出素子。