JPH07312301A

JPH07312301A - 抵抗体素子

Info

Publication number: JPH07312301A
Application number: JP7003013A
Authority: JP
Inventors: Yasuhito Yajima; 泰人矢島
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1994-03-24
Filing date: 1995-01-12
Publication date: 1995-11-28
Also published as: US5610572A

Abstract

(57)【要約】【構成】金属抵抗体の表面に、それぞれ異種のガラス
より成る複数の保護層を設けた抵抗体素子。【効果】ガラス層内に残留する気泡が減ると共に気泡
のサイズが小さくなるため、抵抗体素子の感応答性の低
下を防ぐことができる。また、ガラス層の熱処理中に起
こる気泡の破裂により生じる、金属抵抗体の露出や極端
に層の薄い部分が生じにくくなり、抵抗体素子の耐久性
を高める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱式流量計に用いら
れる、金属抵抗体の抵抗値が温度依存性であることを利
用した流量検出用の抵抗体素子に関し、特に内燃機関の
吸入空気量測定用の熱式流量計に好適に用いられる、高
速応答性と高耐久性が要求される抵抗体素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】流体温度が変化するような流体の流量
を計測する熱式流量計には、白金等のように電気抵抗が
温度によって変化するような素材を金属抵抗体として用
いた抵抗体素子が広く用いられている。このような抵抗
体素子の構造としては、パイプ状又はボビン状、プレー
ト状等のセラミックス担体の表面に白金等から成る金属
抵抗体を形成し、この金属抵抗体に、外部回路との電気
的導通のための金属リード線を接続したものが一般的で
ある。金属抵抗体は、白金等の薄膜をセラミックス担体
上に設けたり、あるいは白金等の金属細線をセラミック
ス担体の外側面に巻き回すことによりセラミックス担体
に固定される。また、通常は金属抵抗体の外表面上に、
熱伝導性のよいガラスをコーティングする。ガラス層を
設けることにより、温度変化に対する金属抵抗体の感度
を損なわずに金属抵抗体を保護することが可能となるの
である。例えば、高温で抵抗体素子を用いるときであっ
ても、ガラス層により、金属抵抗体の酸化、劣化等を防
止することができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、抵抗
体素子の製造工程において、スラリー中のバインダーや
金属抵抗体表面に付着していた有機物等が熱処理中に気
化してガラス層内に気泡が生じたり、元来スラリー中に
存在していた気泡がガラス層内にそのまま残ることがあ
る。これらの気泡が凝集して大きくなり、ガラス層熱処
理工程後もそのまま残ると、ガラス層全体の熱伝導性が
損なわれ、抵抗体素子の感応答性が低下する。また、ガ
ラス層熱処理工程中に気泡が熱膨張により破裂すると、
金属抵抗体が部分的に露出したり、ガラス層の極端に薄
い部分が生じ、耐久性が低下するという問題があった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、セラ
ミックス担体の外表面に金属抵抗体が設けられ、該金属
抵抗体に金属リード線を接続してなる抵抗体素子であっ
て、該金属抵抗体の表面に、それぞれ異種のガラスより
成る複数の保護層を設けたことを特徴とする抵抗体素子
が提供される。本発明の抵抗体素子においては、金属抵
抗体から離れた位置に配置される保護層ほど、軟化点の
低いガラスを用いることが好ましい。また、金属抵抗体
は、セラミックス担体表面に巻き回された巻線型抵抗体
であってもよく、セラミックス担体表面に設けられた薄
膜または厚膜の膜型抵抗体であってもよい。さらに、金
属抵抗体は白金から成ることが好ましく、また、各保護
層の厚さが２０μｍ以下であることが好ましい。

【０００５】

【作用】まず、本発明の抵抗体素子の構造について説
明する。図１は本発明の抵抗体素子の一例の断面図であ
る。抵抗体素子１は、筒状のセラミックス担体２を有す
る。セラミックス担体２の外表面上に金属薄膜４がスパ
イラル状に被覆する。金属薄膜４は温度に依存して抵抗
が変化する金属抵抗体として作用する。金属薄膜４は、
セラミックス担体２の外表面のみならず、担体の軸方向
に垂直な方向の面及びセラミックス担体の内表面の端部
にも被覆する。接着部８と導通し易くするためである。
セラミックス担体２の両端にリード線３が挿入されてい
る。リード線３は、接着部８によりセラミックス担体に
固定されている。また、接着部８は導電性であり、リー
ド線３は接着部８を介して金属薄膜４と電気的に接続す
る。白金薄膜４及び接着部８は第一のガラス層５により
被覆され、第一のガラス層は更に第二のガラス層６に被
覆され、第二のガラス層６は更に第三のガラス層７に被
覆される。

【０００６】次に、抵抗体素子の製造方法について説
明する。セラミックス担体２の材料としては、アルミ
ナ、石英等の電気絶縁性セラミックスが好適に用いられ
る。特に筒形状のものが好適に用いられるが、板状であ
ってもよい。筒状のものを用いる場合には、外径が０．
３〜１ｍｍ程度のものが実用上好ましく、長さは、２〜
３ｍｍ前後であることが好ましいが、例えば、外径０．
５ｍｍ、内径０．３ｍｍ、長さ２〜３ｍｍ程度のアルミ
ナパイプが用いられる。

【０００７】まず、セラミックス担体２に、スパッタ
リング、物理蒸着法（ＰＶＤ）、化学蒸着法（ＣＶ
Ｄ）、メッキ等の公知方法により金属薄膜４を形成す
る。金属薄膜４は必ずしもセラミックス担体２の表面に
付着する必要はなく、セラミックス担体２と金属薄膜４
との間にガラス等からなる中間層を介在させることもで
きる。

【０００８】次いで、この金属薄膜４をレーザートリ
ミング等により、スパイラル状や蛇行形状等の適当な形
状に作成し、特定の抵抗値を有するように調整する。金
属は、白金又は白金を含有する合金が好ましく、薄膜の
厚さは、０．５〜３μｍが好ましい。薄膜の厚さと例え
ばスパイラルピッチを調整することによって、抵抗値を
数オームから１０００オームにまで調節することができ
る。

【０００９】セラミックス担体２にリード線３を固定
する工程は、最終ガラス被覆工程前に行えばよく、薄膜
形成工程の前、薄膜形成工程とトリミング工程との間、
トリミング工程とガラス被覆工程の間の任意のときに行
えばよい。

【００１０】リード線３は、直径０．１〜０．３ｍｍ
程度の金属線であり、具体的には、ステンレススチール
若しくはＦｅＮｉ合金線に、その一方の端部から、ある
所定の位置まで、白金被膜又は白金合金被膜等の貴金属
被膜を少なくともその一部の外周に施した線が用いられ
る。リード線３の貴金属被膜がされている端部をセラミ
ックス担体２に接触させ、白金ペースト等の導電性の接
着剤を用いて、セラミックス担体２に接着し固定する。
こうして、導電性接着剤は、リード線３と金属薄膜４と
を電気的に接続する接着部８を形成する。

【００１１】なお、導電性接着剤を用いることは必ず
しも必須ではなく、セラミックス担体とリード線とを導
電性を有しない接着剤で固定し、接着剤の表面に導電性
ペーストを塗布することにより、リード線と金属薄膜と
を電気的に接続してもよい。

【００１２】巻線型抵抗体素子を製造する場合には、
金属薄膜を形成する代わりに、白金線等の導電性の高い
線をセラミックス担体の回りに巻き回し、線をリード線
に溶接して接続する。巻線型抵抗体素子では、接着部は
導電性である必要はない。

【００１３】最後に、セラミックス担体２の回りに形
成された金属薄膜２及び電気的接続部８を覆うようにガ
ラス等からなるガラス層５を形成する。例えば、ホウケ
イ酸鉛ガラスの粉末をスラリーとし、このスラリーを浸
漬、ブレード塗布、スプレー塗布等によって、セラミッ
クス担体２の表面に付着させる。この表面に付着してい
るスラリーを乾燥させた後、熱処理を施して、ガラス層
５を形成する。さらにガラス層５と同様の方法により、
ガラス層６及びガラス層７を形成するが、この場合の熱
処理温度は、内側のガラス層に用いられるガラスの軟化
点より低いことが好ましい。具体的には、内側のガラス
層に用いられるガラスの軟化点より、３０℃以上、望ま
しくは４５℃以上低い温度であることが好ましい。内側
のガラス層が溶融するのを防ぐためである。

【００１４】本発明の抵抗体素子において、保護層の
数に特に制限は無いが、好ましくは２層又は３層であ
る。また、本発明の抵抗体素子において、各ガラス層の
厚さは２０μｍ以下であることが望ましいが、さらに好
ましくは２〜１５μｍ、さらに好ましくは２〜１０μｍ
であることが望ましい。また、本発明の抵抗体素子を内
燃機関の吸入空気量測定用の熱式流量計に用いる場合に
おいて、抵抗体素子に適度な感応答性と耐久性を持たせ
るためには、各層より成るガラス層の合計の厚さは５〜
８０μｍ、好ましくは１０〜６０μｍ、さらに好ましく
は１０〜３０μｍとすることが望ましい。

【００１５】また、第一のガラス層５には、Ｎａ
₂Ｏ、Ｋ₂Ｏの合計含有量が３ｍｏｌ％以下のガラスを使
用することが好ましい。Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏは白金薄膜中で
酸素を分離し、白金の酸化物層を形成するとともに、還
元されたＮａ、Ｋが白金と固溶体を形成し、抵抗温度係
数を低下させると考えられるためである。最外層に用い
るガラスは、抵抗体素子が使用される環境に応じて、耐
化学性ガラスや耐磨耗性ガラスを用いることが好まし
い。耐化学性ガラスとは、酸又はアルカリに侵され難い
ガラスをいい、例えば、Ｎａ₂Ｏ−ＲＯ−ＳｉＯ₂系ガラ
スが挙げられる。ここで、Ｎａ₂Ｏ−ＲＯ−ＳｉＯ₂系ガ
ラスは、１００モル部のＳｉＯ₂と、１７〜３０モル部
のＮａ₂Ｏと、１モル部のＲＯを含有する。ＲＯとはＺ
ｒＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｎＯ等のいずれか又はこれらの混
合物を意味する。この中では、ＺｒＯ₂が酸又はアルカ
リに対する抵抗力が最も高く、次にＡｌ₂Ｏ₃であり、次
にＺｎＯである。また、Ｎａ₂Ｏの代わりにＫ₂Ｏを用い
てもよく、Ｎａ₂ＯとＫ₂Ｏとの混合物を用いてもよい。
例えば、Ｎａ₂ＯとＫ₂Ｏとが等モルづつ混合したものを
用いることができる。

【００１６】耐磨耗性ガラスとは、磨耗し難いガラス
をいい、例えば、ホウケイ酸ガラスが挙げられる。ここ
で、ホウケイ酸ガラスは、５〜１５モル％のＢ₂Ｏ₃と、
１８〜３２モル％のＡｌ₂Ｏ₃又はＣａＯと、残部のＳｉ
Ｏ₂を含有する。Ａｌ₂Ｏ₃単独でもよければ、ＣａＯ単
独でもよく、Ａｌ₂Ｏ₃及びＣａＯが含有していてもよ
い。また、耐磨耗性ガラスは、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＣ、Ｓｉ
Ｎ等のセラミックスからなる粒子を、ガラスに対して５
〜５０重量％、好ましくは５〜３０重量％含有していて
もよい。これらの硬いセラミックス粒子がガラス層に分
散することにより、ガラス層が磨耗し難くなる。Ａｌ₂
Ｏ₃、ＳｉＣ、ＳｉＮ等は融点が高いので、ガラス層の
内部でも粒子形状を保持することができる。特にＳｉ
Ｃ、ＳｉＮは、硬度が高く耐磨耗性が優れているので好
ましい。粒子の粒径は、ガラス層の厚さの３５％以下で
あることが好ましく、２０％以下であることが更に好ま
しい。

【００１７】また、第一のガラス層に上記Ｎａ₂Ｏ及
びＫ₂Ｏの合計含有量が３ｍｏｌ％以下のガラスを用い
ることにより、金属抵抗体の抵抗温度係数の低下を防止
できる。また、最外層に上記耐化学性ガラス又は耐磨耗
性ガラスを用いることにより、耐化学性又は耐磨耗性も
兼ね備えた抵抗体素子が得られる。外側に位置する保護
層に用いるガラスには、その内側の保護層に用いるガラ
スよりも軟化点の低いものを用いることが好ましい。さ
もなければ、外側の保護層を形成する際に内側の保護層
が溶融するからである。

【００１８】ガラスの軟化点とは、ガラスの温度を上
昇していったとき、その粘性係数ηが１０^7.6になった
ときの温度をいう。具体的には、０．５５〜０．７５ｍ
ｍの均一の直径を持つ２３．５ｃｍの長さのファイバー
を形成して、そのファイバーの上部１０ｃｍを１分間に
約５℃の速度で温度上昇させた場合、自重で１分間１ｍ
ｍの速度で伸びるときの温度をいう。第２のガラス層の
軟化点は、第１のガラス層の軟化点より５０℃以上低い
ことが好ましく、７０℃以上低いことが更に好ましく、
１００℃以上低いことが更になお好ましい。同様に、第
３のガラス層の軟化点は、第２のガラス層の軟化点より
５０℃以上低いことが好ましく、７０℃以上低いことが
更に好ましく、１００℃以上低いことが更になお好まし
い。ガラスの組成及びその軟化点を表１に示す。

【００１９】

【表１】ガラスの組成とガラスの粘性の関係、即ち、ガラスの組
成とガラスの軟化点の関係は、森谷太郎、成瀬省、巧刀
雅長、田代仁編、「ガラス工学ハンドブック」、朝倉書
店、７３〜７５ページに記載されている。

【００２０】図２は、本発明の一実施態様の抵抗体素
子１０の断面図である。平板状のセラミックス担体１２
の一方の表面に金属薄膜１４が被覆する。金属薄膜１４
は連続したパターンを有する。金属薄膜１４は温度に伴
って抵抗が変化する金属抵抗体として作用する。一対の
リード線１３が金属薄膜１４に接触して、セラミックス
担体１２の端部に接着部１８により固定されている。接
着部１８は導電性であることが好ましい。白金薄膜１４
及び接着部１８は第一のガラス層１５により被覆され、
第一のガラス層は更に第二のガラス層１６に被覆され
る。

【００２１】図３は、熱処理後の抵抗体素子、即ち、
従来の抵抗体素子の表面の拡大断面図を示す。セラミッ
クス担体２２に金属薄膜２４が被覆し、金属薄膜２４を
ガラス層２５が被覆する。前記したように、ガラス層の
内部に気泡２８が生じることがある。例えば、気泡は、
スラリー中のバインダーや金属抵抗体表面に付着してい
た有機物等が熱処理中に気化することに起因する。ま
た、スラリー中に存在していた気泡がガラス層内にその
まま残ることもある。これらの気泡が凝集して大きくな
り、ガラス層熱処理工程後もそのまま残ったり、また、
ガラス層熱処理工程中に気泡が熱膨張により破裂する
と、抵抗体素子の表面に金属薄膜２４の露出表面２６や
ガラス層２５が極端に薄い箇所２６が生じる。ガラス層
２５の内部に気泡２８が存在すると、ガラス層２５の熱
伝導性が損なわれ、抵抗体素子の応答性が低下する。ま
た、金属抵抗体２４の露出表面２６やガラス層が極端に
薄い箇所２７は、抵抗体素子の耐久性に悪影響を与え
る。例えば、被測定流体中に含まれるゴミや砂が、金属
抵抗体の露出表面２６や、ガラス層が極端に薄い箇所２
７に衝突した場合、露出している金属抵抗体が、ゴミや
砂により削られることにより、抵抗値が変化したり、ガ
ラス層２７が削られることにより、金属抵抗体が露出す
る恐れがある。

【００２２】一方、図４は、本発明の抵抗体素子の表
面の拡大断面図を示す。セラミックス担体３２に金属薄
膜３４が被覆し、金属薄膜３４に第一のガラス層３５が
被覆する。そして、本発明では、第一のガラス層３５が
更に第二のガラス層３６で被覆される。第二のガラス層
３６が、第一のガラス層３５で被覆されていない金属抵
抗体３４の部分３４ａを被覆する。また、第一のガラス
層３５が薄い部分３５ａは、第二のガラス層３６により
厚さが補填される。また、各ガラス層の熱処理は別個に
行われ、また、外側のガラス層程、軟化点の低いガラス
が用いられる。従って、各ガラス層内に生じた泡が熱処
理中に凝集することがなく、結果として泡３８のサイズ
は小さくなる。泡のサイズが小さくなることにより、気
泡の破裂が起こりにくくなるという効果もある。第二の
ガラス層３６には、セラミックスからなる粒子３９が分
散している。これにより、第二のガラス層３６が磨耗し
難くなる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細
に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるも
のではない。（実施例１〜３）内径０．３５ｍｍ、外径０．５ｍｍ
のアルミナパイプの外表面上に、スパッタリング法によ
り白金薄膜を厚さ０．５μｍになるように形成した。こ
の白金薄膜を７００℃以上の温度で熱処理した後、所定
抵抗となるように、白金薄膜をレーザーによりスパイラ
ル状にトリミングした。次に、ステンレス線上に白金を
メッキした直径０．２２ｍｍのワイヤを所定の長さに切
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温以上）で焼き付け
た。次に保護層用のガラスペーストを作製した。原料ガ
ラス粉末を平均１μｍ程度の直径になるように調製した
後、有機バインダーと溶剤を加え、乳鉢中で混合した。
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、乾燥し、所定条件で熱処理を行
った。第二層目以降のガラス層もこれに準ずる方法にて
形成した。

【００２４】このようにして、２層又は３層のガラス
層を有する本発明の抵抗体素子を作製した後、実体顕微
鏡を用い、３０倍の倍率にて、ガラス層中の気泡、白金
薄膜が露出した部分、ガラス層の厚さが５μｍ以下の部
分の有無を観察した。表２に、使用したガラスの種類、
軟化点、熱処理温度、熱処理後の膜厚、抵抗体素子１０
０個当たりの気泡、白金薄膜が露出した部分、ガラス層
の厚さが５μｍ以下の部分が観察されたものの数を示
す。

【００２５】（比較例１、２）実施例１〜３と同様に
して単層のガラス層を有する抵抗体素子を作製し、実施
例１〜３と同様の観察を行った。表２に使用したガラス
の種類、軟化点、熱処理温度、熱処理後の膜厚、抵抗体
素子１００個当たりの気泡、白金薄膜が露出した部分、
ガラス層の厚さが５μｍ以下の部分が観察されたものの
数を示す。

【００２６】

【表２】

【００２７】本発明の抵抗体素子においては、白金薄
膜が露出した部分、ガラス層の厚さが５μｍ以下の部分
を有するものは無かった。また、気泡が観察されたもの
の数も比較例に比べ減少しており、気泡の直径も小さか
った。以上、本発明の具体的構成について詳述してきた
が、本発明は、上記の具体的説明によって何等限定的に
解釈されるものでは決してなく、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
あり、またそのような実施態様が本発明の主旨を逸脱し
ない限り、何れも、本発明の範囲内に含まれるものであ
ることが、理解されるべきである。例えば、本発明が適
用される抵抗体素子の具体的構造は、前記実施例のもの
に限定されるものではなく、金属抵抗体が、セラミック
ス担体表面に設けられた厚膜型抵抗体であるもの、さら
には、平板状のセラミックス担体の一方又は両方の面
に、膜型金属抵抗体を蛇行形態をもって形成せしめたも
の等、公知の各種の薄膜抵抗体素子に対して、何れも有
利に適用され得るものである。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、抵抗体素子表面の保
護層をそれぞれ異種のガラスより成る複数層構造とする
ことにより、ガラス層内に残留する気泡の数が減ると共
に気泡のサイズが小さくなり、抵抗体素子の感応答性の
低下を防ぐことができる。また、抵抗体素子表面に、ガ
ラス層の熱処理中に起こる気泡の開裂により生じる、金
属抵抗体の露出や極端に層の薄い部分が生じにくくな
り、抵抗体素子の耐久性を高めるという効果を有する。
また、最外層に用いるガラスとして、耐化学性ガラス又
は耐磨耗性ガラスを用いるときには、抵抗体素子の耐化
学性又は耐磨耗性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の抵抗体素子の一実施態様の断面図で
ある。

【図２】本発明の抵抗体素子の一実施態様の断面図で
ある。

【図３】従来の抵抗体素子の表面の拡大断面図であ
る。

【図４】本発明の抵抗体素子の表面の拡大断面図であ
る。

【符号の説明】

１・・・抵抗体素子、２・・・セラミックス担体、３・・・リー
ド線、４・・・金属薄膜、５・・・第一のガラス層、６・・・第
二のガラス層、７・・・第三のガラス層、８・・・接着部、１
０・・・抵抗体素子、１２・・・セラミックス担体、１３・・・
リード線、１４・・・金属薄膜、１５・・・第一のガラス層、
１６・・・第二のガラス層、１８・・・接着部、２２・・・セラ
ミックス担体、２４・・・金属薄膜、２６・・・露出表面、２
７・・・ガラス層が極端に薄い箇所、２８・・・気泡、３２・・
・セラミックス担体、３４・・・金属薄膜、３５・・・第一の
ガラス層、３６・・・第二のガラス層、３８・・・気泡、３９
・・・粒子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックス担体の外表面に金属抵抗体
が設けられ、該金属抵抗体に金属リード線を接続してな
る抵抗体素子であって、該金属抵抗体の表面に、それぞ
れ異種のガラスより成る複数の保護層を設けたことを特
徴とする抵抗体素子。
【請求項２】金属抵抗体から離れた位置に配置される
保護層ほど、軟化点の低いガラスを用いた請求項１記載
の抵抗体素子。
【請求項３】金属抵抗体が、セラミックス担体表面に
巻き回された巻線型抵抗体である請求項１又は２記載の
抵抗体素子。
【請求項４】金属抵抗体が、セラミックス担体表面に
設けられた膜型抵抗体である請求項１又は２記載の抵抗
体素子。
【請求項５】金属抵抗体が白金を含有する上記請求項
のいずれかに記載の抵抗体素子。
【請求項６】上記保護層の各々の厚さが２０μｍ以下
である上記請求項のいずれかに記載の抵抗体素子。
【請求項７】上記保護層の最外層が耐化学性ガラス又
は耐磨耗性ガラスである上記請求項のいずれかに記載の
抵抗体素子。
【請求項８】上記保護層の最内層がＮａ₂Ｏ及びＫ₂Ｏ
の合計が３ｍｏｌ％以下のガラスにより構成されている
上記請求項のいずれかに記載の抵抗体素子。
【請求項９】上記保護層の最外層に、セラミックスか
らなる粒子が分散している上記請求項のいずれかに記載
の抵抗体素子。