(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基体の表面に温度依存性を有する抵抗が設けられ、前記セラミック基体の両端にリード付きキャップが被着され、前記リードは、白金或いは白金を含む合金よりなり、前記リード付きキャップは、リード表面に結晶粒界を生成させない熱履歴により前記セラミック基体に被着され、前記抵抗の表面には、前記リードの再結晶温度以下の温度を以って保護膜が形成されていることを特徴とする熱式流量測定装置に用いる抵抗体素子。
【請求項２】
セラミック基体の表面に温度依存性を有する抵抗が設けられ、前記セラミック基体の両端にリード付きキャップが被着され、前記リードは、白金或いは白金を含む合金よりなり、前記リード付きキャップは、リード表面に結晶粒界を生成させない熱履歴により前記セラミック基体に被着され、かつ前記リードは、その熱履歴が４５０℃〜６００℃以下において製造されていることを特徴とする熱式流量測定装置に用いる抵抗体素子。
【請求項３】
前記セラミック基体の表面に形成される抵抗は、焼成の熱履歴を有する白金薄膜抵抗であり、この白金薄膜抵抗を形成した後に前記リード付きキャップが被着されている請求項２記載の熱式流量測定装置に用いる抵抗体素子。
【請求項４】
セラミック基体と、該セラミック基体上に設けられた抵抗と、貴金属あるいは貴金属を含む合金部材より成るリードと、前記リードが接合された導電性部材よりなる成るキャップとを有し、前記セラミック基体の両端に前記キャップが被着され、前記抵抗が形成されたセラミック基体全周に保護膜を被覆して成り、
前記リードは、引張り強度と弾性限度或いは０．２％耐力との比が０．９以上であることを特徴とする熱式流量測定装置に用いる抵抗体素子。
【請求項５】
内燃機関の吸入空気流量を感温抵抗体を用いて測定する熱式空気流量測定装置において、前記感温抵抗体のうち少なくとも一つが請求項１から４のいずれか１項に記載の抵抗体素子であることを特徴とする熱式流量測定装置。
【請求項６】
内燃機関の吸気通路に空気流量測定に用いる発熱抵抗体と温度補償抵抗体とを配置してなる熱式空気流量測定装置において、
前記発熱抵抗体は、結晶粒界が生成されているリードを有する感温抵抗体よりなり、前記温度補償抵抗体は、結晶粒界が生成されていないリードを有する感温抵抗体よりなることを特徴とする熱式空気流量測定装置。
【請求項７】
前記発熱抵抗体と前記温度補償抵抗体のリードは、同一の貴金属或いは貴金属を含む合金よりなり、各リードの熱履歴を異ならせることで、前記結晶粒界の生成の有無を設定してなる請求項６記載の熱式空気流量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱式流量測定装置及びこれに用いる抵抗体素子に関する。抵抗体素子は、電気抵抗値が温度依存性有する抵抗体素子（感温抵抗体）に係り、例えば、内燃機関等における空気流量あるいは流速を検知する熱式流量測定装置に好適な抵抗体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の抵抗体素子としては、筒状や板状の基体に金属薄膜の抵抗を形成したり、金属細線の抵抗を巻き回すものが知られている。
【０００３】
例えば、特開平１−４５００９号公報に記載の抵抗素子では、外径がφ０．５ｍｍ程度のセラミックパイプ（アルミナ等）の両端部に、外径がφ０．１５〜φ０．２ｍｍ程度の白金あるいは白金を含む合金から成るリードが挿入され、それが、ガラス接着剤を用いて接着固定された後に、該セラミックパイプ外表面に、所定の抵抗値を有するようにφ２０μｍ程度の白金線をスパイラル状に巻線している。更に抵抗体形成部分をガラスによる保護膜を形成している。
【０００４】
特開平５−５２６２６号公報に記載の抵抗素子では、外径がφ０．５ｍｍ程度のセラミックパイプの外表面に、所定の抵抗値を有するように白金薄膜がパターン形成されている。セラミックパイプの両端部には、φ０．２ｍｍ程度のリード（鉄とニッケルの合金線の外表面に白金をクラッドしたもの）が挿入され、それが、接着剤としての白金ペーストを用いて接着固定されている。また、セラミックパイプの両端部において、前記白金薄膜とリードとが電気的に接続されている。
【０００５】
上記したようにこの種の感温抵抗体は、種々のものが提案されているが、このうち、セラミックパイプの両端に挿入されるリードを、ガラス接着剤で接着固定する場合には、その接着に必要な８００℃以上の温度によりリードが焼成される。リードに白金、あるいは白金を含む合金を使用した場合には、上記焼成によりリード表面に結晶粒界が生成される。この結晶粒界は、リードの機械的強度（引っ張り強度）を低下させる要素となり、焼成後のリードは、焼きなまし状態の生材に比較して引張り強度が低下する。
【０００６】
このような機械的強度の低減策となる公知例には、例えば、特開平６−２３１９０３号公報に記載のように、リードの軸方向と垂直方向における結晶粒の粒径の平均値を１０μ以下にする技術が提案されている。この公知例は、鉄−ニッケイル合金のリード母材（芯線）に白金クラッドを被覆し、この線材に例えば６５０℃程度のアニール温度を与えて１時間程度の熱処理を施すなどで上記結晶粒の粒径を１０μ以下にしている。
【０００７】
鉄とニッケルの合金等の芯線に白金をクラッドした場合には、リードの機械的強度は、ほとんど鉄とニッケルの母材に依存するため高く維持できるが、リードを切断したり他部材に溶接する場合に、切断部付近や溶接部付近において、白金クラッドが飛散する度合いが高くなる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上の点に鑑みてなされ、その目的は、熱式流量測定装置用に用いられる抵抗体素子について、耐食性の優れた白金リード、あるいは白金を含む合金リードの機械的強度を向上させ、抵抗体素子ひいては熱式流量測定装置の信頼性を向上させることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る抵抗体素子は、基本的には、次のような特徴を有している。
【００１０】
セラミック基体の表面に温度依存性を有する抵抗が設けられ、前記セラミック基体の両端にリード付きキャップが被着され、前記リードは、貴金属或いは貴金属を含む合金よりなり、前記リード付きキャップは、リード表面に結晶粒界を生成させない熱履歴により前記セラミック基体に被着されている。
【００１１】
さらに、上記発明の応用装置として、内燃機関の吸気通路に空気流量測定用の発熱抵抗体と温度補償抵抗体とを配置してなる熱式空気流量測定装置において、前記発熱抵抗体は、結晶粒界が生成されているリードを有する感温抵抗体よりなり、前記温度補償抵抗体は、結晶粒界が生成されていないリードを有する感温抵抗体よりなる流量測定装置を提案する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１３】
図１（ａ）における抵抗体素子１は熱式流量測定装置に用いられ、セラミック基体２は、外径がφ０．５〜φ２ｍｍ程度、長さが２〜４ｍｍ程度の中実のアルミナボビンである。
【００１４】
セラミック基体２の外表面に感温抵抗となる白金薄膜３（厚さ：０．５μｍ〜１μｍ程度）がスッパタリングにより形成されている。この白金薄膜３には、レーザトリミングによってスパイラル状の切り溝４が入れられて、抵抗値が４００Ω程度になる薄膜抵抗体が形成される。
【００１５】
薄膜抵抗体を形成後のセラミック基体２の両端には、白金あるいは白金を含む合金より成るリード５がキャップ６を介して配設されている。
【００１６】
リード５は、外径がφ０．１５〜φ０．２ｍｍ程度であり、ステンレス板を絞り成形したキャップ６の外端部にスポット溶接により接合されている。
【００１７】
キャップ６は、抵抗体３を形成したセラミック基体２の両端に嵌合あるいは圧入により被着されている。更に、抵抗体素子１の全周に保護膜７が被覆される。保護膜７は、例えば、耐熱性に優れたポリイミドなどの部材である。
【００１８】
ここで、リード５は白金、あるいは白金を含む合金となっているが、白金９０ｗｔ％にイリジウム１０ｗｔ％を加えたリード５（以下ＰｔＩｒ１０％と記す）が一般的に使用される場合が多い。 他に白金をベースにイリジウム、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、オスミウムと言った白金族元素を５〜３０ｗｔ％添加した貴金属合金や、白金以外の白金族元素同士の貴金属合金、あるいは白金ベースにタングステン、ニッケル、チタン、鉄等の遷移金属群を５〜３０ｗｔ％添加した合金等がリードの材料として考えられる。このリード５は、次に述べる理由により、結晶粒界が生じないようにしてある。
【００１９】
熱式流量測定装置に用いる抵抗体素子１のリード５は、耐食性を高めるために白金あるいは白金を含む合金より形成している例が多いが、既述したように製造過程における熱履歴により結晶粒界が生成され、また、それを防げない構造になっていた。結晶粒界は、機械的強度が低下するための、信頼性の向上のためにもその改善が望まれる。
【００２０】
通常、リード５は抵抗体素子１の熱応答を向上させるために、できるだけ細くすることが理想であるが、現実的には機械的強度とのバランスを考慮してφ０．１５〜φ０．２ｍｍ程度の外径で使用されている例が多い。
【００２１】
しかしながら、ＰｔＩｒ１０％リードの場合、既述した従来方式のようにセラミック基体２の両端にリードを挿入してガラス接着剤（シリカ系ガラス、結晶化ガラス等）により固定すると、その接着工程に要する８００℃以上の温度によってリードが焼成され、リード５の表面には図２に示すように結晶粒界８が発生してしまう。結晶粒界８は、リードの機械的強度を低下させるが、そのメカニズムは、粒界すべりによるが、さらには、結晶粒界間に溝が生じているため、部分的にリード断面積が減少することも低下要因となる。
【００２２】
表１に示すデータは、ＰｔＩｒ１０％リードにおいて焼きなまし状態における生材と、１０００℃の加熱工程（焼成条件）を経たリードの引張り強度の測定結果である。
【００２３】
【表１】
0003701184.tif 000002
表１に示すように生材の状態に比較して、１０００℃の加熱工程を経たＰｔＩｒ１０％リードの強度は、その引っ張り強度が約５５％低下することが判明している。
【００２４】
本発明では、この種の抵抗素子１において、例えば上記したＰｔＩｒ１０％のように優れた耐食性を生かしつつ、機械的強度を損なわないリードを次のようにして提案する。
【００２５】
基本的な考えは、リード５に再結晶温度以上の熱履歴が加わらないようにすることである。例えば、ＰｔＩｒ１０％リードでは、再結晶温度は４５０℃以上であるので、熱履歴はそれ以下にする必要がある。すなわち、リードは、ほぼ生材の状態の機械的性能を維持したままの熱履歴により、抵抗体素子１のリード５とするものである。
【００２６】
例えば、ＰｔＩｒ１０％リード表面には、再結晶温度（４５０℃）以下の加熱工程を経たならば、結晶粒界８を確認することはできない〔図１（ｂ）に示すＳＥＭ写真の如く〕。
【００２７】
本実施例では、リード５に結晶粒界を生じさせないために、構造的にはガラス接着剤による接着を止め、金属薄膜抵抗体３の形成後に、リード５をキャップ６を介してセラミック基体２の両端に取り付けるようにした。リード５はセラミック基体２に取り付ける前に予めキャップ６にスポット溶接により取付けられており、このリード付きキャップ６は、リード表面に結晶粒界を生成させない熱履歴によりセラミック基体２に圧入により被着されている。
【００２８】
すなわち、セラミック基体２に白金薄膜抵抗体３を形成した後に、リード付きキャップ６をセラミック基体２の両端に圧入した。リード付きキャップ６の被着を白金薄膜抵抗体３の形成後にしたのは、白金薄膜抵抗体３の焼成工程（約６５０〜８００℃）の熱履歴をリード５に与えないためである。ちなみに、白金薄膜抵抗体３は、セラミック基体２の全外周にスパッタリングにより形成される。
【００２９】
なお、キャップを介してリードを取り付ける抵抗体素子は、熱式流量測定装置以外の一般の回路抵抗に使用されているが、本実施例は、これとは次の点が異なる。すなわち、熱式流量測定装置対応となるように、リード５を白金或いは白金を含む合金とすること、リード５に結晶粒界を焼成させない熱履歴を与える手段が存在している点であり、この相違点は、今までに例のないことである。
【００３０】
ところで、熱式流量測定装置の感温抵抗体に用いる抵抗体素子は、一般的には保護膜もガラスでコートしている例が多いが、保護膜に用いるガラス（例えばシリカガラス、ホウケイ酸鉛ガラス、結晶化ガラス等）は、５００℃以上の加熱温度により焼成している例が多い。したがって、このようなガラス保護膜を採用すると、例えば、ＰｔＩｒ１０％リードを使用した場合には、上記のようにリード付きキャップ６を金属薄膜抵抗体３の形成後に取り付けたとしても、再結晶温度以上の熱履歴により結晶の再整列が開始され結晶粒が発生することになる。
【００３１】
そこで、本実施例では、保護膜７も、リード５の再結晶温度以下で焼成できかつ化学的に安定なコート材料を用いることにした。例えば、２００℃以上の高温連続環境に耐えるコート材料として、ガラスの代わりにポリイミドを使用する。
【００３２】
このポリイミドの焼成温度は約３００〜４００℃であるため、ＰｔＩｒ１０％リードの再結晶温度以下となり、ほぼ生材と同等の機械的強度を得ることが可能となる。
【００３３】
表２はＰｔＩｒ１０％リードを、３５０℃で焼成した後の引張り強度測定結果であるが、引張り強度は表１に示した生材の引張り強度とほぼ同等の強度を保持していることが判る。
【００３４】
【表２】
0003701184.tif 000003
図１（ｂ）は、このようにして形成した抵抗体素子１のリード５（３５０℃の熱履歴を加えた後のＰｔＩｒ１０％リード）の表面状態を撮影したセム写真の模式図であり、その表面状態には、図２に確認できるような結晶粒界８は存在せず、ＰｔＩｒ１０％リードの生材の表面状態と同等の表面状態が得られた。
【００３５】
したがって、本実施例によれば、耐食性を有する白金などの貴金属をリードとして用いた熱式流量測定用の抵抗体素子の機械的強度を向上させ、信頼性の高い抵抗体素子を提供できる。さらに、キャップ式抵抗体素子１は、外観は、一般の市販抵抗器と同一であるので、製造上は、何等問題点はなく、逆に汎用設備を使用できるミリットがあるため歩留まりの良いコスト的にも安価な抵抗体素子１を製作できる。
【００３６】
上記実施例では、リード５表面に結晶粒界８が確認できない抵抗体素子１を提案したが、このようなリード５を機械的特性の観点より特徴をとらえると、リード５は、引張り強度と弾性限度（或いは０．２％耐力）との比が０．９以上の部材により構成することが可能であると定義できる。ここで、引っ張り強度と弾性限度について説明する。
【００３７】
図３（ａ）は、ＰｔＩｒ１０％リードを１０００℃で焼成したものについて、縦軸に荷重（引っ張り強度）、横軸に伸びを取った関係をプロットした線図である。同じように、図３（ｂ）には生材（ＰｔＩｒ１０％）における荷重−伸び特性の線図を、図３（ｃ）には３５０℃で焼成したリード５（ＰｔＩｒ１０％）における荷重−伸び特性の線図を示す。図３（ａ）〜（ｃ）において、符号の９は引っ張り強度特性線であり、図３（ａ）にみられる符号１０は、弾性限度である。
【００３８】
一般的に鉄以外の金属部材（合金部材を含む）の場合、熱履歴の加わらない生材の状態では、図３（ｂ）に示すように弾性限度１０が確認できない場合が多く、上記ＰｔＩｒ１０％リードの場合には、生材のほかに３５０℃の熱履歴を施したリード５においても、図３（ｃ）に示すように弾性限度１０が確認できず、降伏状態に達した後破断する。
【００３９】
しかしながら、その破断強度は約１ｋｇｆを超え、実用に耐えうる強度を有する。更に、弾性状態のまま延性し、そのまま破断する特徴を持っている。つまりリードの破断荷重と永久歪みを発生する降伏荷重が同等の荷重であることにより、熱履歴を受けたリードより耐久信頼性が高いことことが判る。
【００４０】
これに対し１０００℃の熱履歴を施したリードは一旦降伏点を迎え、更に延性したのち破断する傾向にある。伸びが大きいだけリード５破断に対する余裕はあるものの弾性限度１０が低いため、永久歪みは発生し易く、その信頼性には改善の余地がある。
【００４１】
リード５の引張り強度９（破断強度）と弾性限度１０との比を０．９以上とすることで、機械的強度が強く信頼性の高いリード５を提供することができる。なお、本実施例において、ＰｔＩｒ１０％リードにおいて生材と３５０℃の熱履歴が加わったリードについては、弾性限度が確認できないため、これに代わる０．２％耐力を以って引っ張り強度９との比とした。
【００４２】
図６は、上記実施例の応用例を示すものであり、本発明に係る抵抗体素子１を自動車の熱式空気流量測定装置１１に適用した例である。
【００４３】
熱式空気流量測定装置の吸気ボディ１５は、エンジンの吸入空気通路の一部を構成し、そのボディ１５には、吸気の一部が流れる副通路１６及びそれと一体のセンサハウジング１８が導入されている。
【００４４】
副通路１６には、空気流量を測定するための発熱抵抗体１２と温度補償抵抗体１３と吸気温度測定抵抗体（吸気温度センサ）１７とが配置されている。センサハウジング１８には、上記発熱抵抗体１２に流れる加熱電流を制御し、かつ上記各抵抗体１２，１３，１７に流れる電流を電気信号として検出し信号処理する制御回路１４が内装されている。
【００４５】
すでに周知のように、発熱抵抗体１２と温度補償抵抗体１３は、ゲージ回路（図示せず）を構成するブリッジに組み込まれ、発熱抵抗体１２に流れる加熱電流は、発熱抵抗体１２の温度と吸入空気温度（温度補償抵抗体）との温度差（抵抗値差）が常に一定に保たれるように、制御回路１４により制御される。
【００４６】
発熱抵抗体１２は、空気流の中に設置されるため、その表面部分が放熱面、つまり熱伝達面となる。この熱伝達で空気流に奪われた熱量を電気的信号に変換し（換言すれば発熱抵抗体に流れる加熱電流の電気信号）、空気流量を計測するものである。吸入空気温度測定センサ１７は、エンジン制御などの種々の用途に使用される。
【００４７】
これら抵抗体素子と制御回路１４は、ハウジング１８に埋設された導電性部材（ターミナル）を介し電気的に接続されている。
【００４８】
本実施例では、温度補償抵抗体（感温抵抗体）１３に既述した実施例の抵抗体素子１、すなわち結晶粒界のないリードを有する抵抗体素子を用いている。
【００４９】
一方、発熱抵抗体（感温抵抗体）１２には、そのリード表面に結晶粒界８（図２参照）が発生している抵抗体素子を用いている。このような発熱抵抗体１２と温度補償抵抗体１３とを組み合わせることにより、以下に述べる理由により、熱式空気流量測定装置１１の性能の改善、特に温度変化時の出力誤差の低減を図り、流量計の高精度化に貢献することができる。
【００５０】
これは、以下に説明する現象による。一般的に金属部材は、生材と熱履歴を施した部材とでは、熱履歴を施した部材の方が抵抗率が小さくなる傾向にある。この現象は熱履歴を施すことにより金属原子の再結晶を迎えた後、金属原子群は規則正しく再配列するために金属原子の最外殻の自由電子が活性となるためである。この現象は、熱的見地より捕らえると、熱履歴を施した部材の熱伝導率が生材に比較して高くなることを意味している。
【００５１】
本実施例では、発熱抵抗体１２のリードの表面には結晶粒界８が存在し、抵抗体１３のリード５の表面には結晶粒界８が存在しないといった組み合わせを行なうことにより、温度補償抵抗体１３のリード５は周囲の温度影響が受け難く、より正確に流体の温度計測を行なうことが可能となり得る。逆に発熱抵抗体１２においては熱伝導率が抵抗体１３より大きいリードを用いることになるので、そのリードは、ボディ１５やターミナル１９等周囲の温度影響を受けることにより発熱抵抗体１２の加熱電流が減少する傾向となる。つまり、発熱抵抗体１２と温度補償抵抗体１３についてそれぞれのリードの熱バランスを変化させることにより、温度変化時もにおいても、定常状態と何等変わりない出力を得ることが可能となる。従って、本発明の実施例による熱式空気流量測定装置１１によれば、吸気温度などの周囲の温度変化時においても誤差の少ないしかも省電力の熱式空気流量測定装置を実現することができる。
【００５２】
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明の基本的要旨は、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものではないことは言うまでもない。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、熱式流量測定装置用に用いられる抵抗体素子について、耐食性の優れた貴金属リードを使用した場合でも、その機械的強度を向上させ、さらには抵抗体素子ひいては熱式流量測定装置の信頼性を向上させることができる。さらに、精度の高い熱式流量測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の特徴を示す抵抗体素子の構造図、（ｂ）はそのリード部の表面部を撮影したＳＥＭ写真を模式的に描画した図。
【図２】１０００℃で焼成した白金合金リードの表面を撮影したＳＥＭ写真を模式的に描画した図。
【図３】（ａ）は１０００℃で焼成した白金合金リードの荷重と伸びの関係を示す線図、（ｂ）は白金合金リードの生材における荷重と伸びの関係を示す線図、（ｃ）は３５０℃で焼成した白金合金リードの荷重と伸びの関係図。
【図４】本発明の一実施例に係る熱式流量測定装置の断面図。
【符号の説明】
１…抵抗体素子、２…セラミック基体、３…白金薄膜抵抗、５…リード、６…キャップ、７…ポリイミドコート、８…結晶粒界、１１…熱式空気流量測定装置、１２…発熱抵抗体、１３…温度補償抵抗体、１６…副通路。
【図１】
0003701184.tif 000004
【図２】
0003701184.tif 000005
【図３】
0003701184.tif 000006
【図４】
0003701184.tif 000007