(57)【要約】【課題】歩留りの改善を図り、かつ、形状が安定した発熱抵抗体素子を提供すること。【解決手段】円筒状の絶縁体６と、絶縁体の両端に挿入されたリード線７と、絶縁体の内面に設けられた絶縁体とリード線とを固着するためのシリカ系のガラス接着層８と、絶縁体の外周面に巻きつけられリード線と溶着される発熱抵抗体９と、絶縁体と発熱抵抗体、および、リード線の一部を覆う絶縁保護膜１１とを有する発熱抵抗体素子において、ガラス接着層にフィラー１７を分散させる。【選択図】  図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の絶縁体と、前記絶縁体の両端に挿入されたリード線と、前記絶縁体の内面に設けられた前記絶縁体と前記リード線とを固着するためのシリカ系のガラス接着層と、前記絶縁体の外周面に巻きつけられ前記リード線と溶着される発熱抵抗体と、前記絶縁体と前記発熱抵抗体、および、前記リード線の一部を覆う絶縁保護膜と、を有する発熱抵抗体素子において、
前記ガラス接着層にフィラーを分散させたことを特徴とする発熱抵抗体素子。
【請求項２】
請求項１に記載の発熱抵抗体素子において、
前記絶縁体は、アルミナからなることを特徴とする発熱抵抗体素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の発熱抵抗体素子において、
前記フィラーの組成は、アルミナからなることを特徴とする発熱抵抗体素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の発熱抵抗体素子において、
前記フィラーは、球状であることを特徴とする発熱抵抗体素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の発熱抵抗体素子において、
前記フィラーの最大粒子径は、前記絶縁体内面と前記リード線との間の前記接着層の厚さと同一かあるいはそれ以下であることを特徴とする発熱抵抗体素子。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の発熱抵抗体素子において、
前記フィラーの表層にガラスとの反応により生成したアルミニウムとバリウムの酸化物層が存在していることを特徴とする発熱抵抗体素子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の発熱抵抗体素子において、
前記ガラス接着層は、前記ガラス接着層の全体積に対するガラスの占める割合が６０〜８０ｗｔ％、フィラーの占める割合が４０〜２０ｗｔ％であることを特徴とする発熱抵抗体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関の吸入空気流量の検出に好適な空気流量測定装置に係り、特に空気流量を検出する発熱抵抗体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車などの内燃機関の吸入空気量を検出する流量計として、質量流量を直接測定できる熱式の空気流量計が主流である。
【０００３】
熱式の空気流量計に用いられている発熱抵抗体素子は、アルミナからなる円筒形状の絶縁体表面に、発熱抵抗体がスパイラル状に巻き付けられている巻線式のものが古くから適用されている。一方、近年では、マイクロマシン技術を用いてシリコンなどの半導体基板上に熱式流量計の素子を製造するものが提案されている。発熱抵抗体の大きさは数百ミクロンと微細であり、薄膜状に形成されることから、熱容量が小さく高速応答であることや低消費電力化が可能である。発熱抵抗体素子で分類すると、これら２種類のものが適用されている状況であるが、巻線式とシリコン式はそれぞれ特長を有し、使用環境や仕向け（地域）によって使い分けがなされている。
【０００４】
巻線式発熱抵抗体素子の形状の安定化を図り、空気流量の検出精度を向上させる従来技術として特許文献１に記載のものがある。特許文献１には、発熱抵抗体を巻き付ける絶縁体の端部を錐状面とする技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−１１０２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
自動車などの内燃機関に搭載されている空気流量計は、流量検出精度や耐汚損性を向上するために、主通路を流れる空気流の一部を取り込む副通路内に発熱抵抗体素子を設置する構成となっている。また前記副通路は発熱抵抗体素子が配置される箇所は流路に絞りが設けられており、流量検出精度の確保や流量検出範囲を拡大するための工夫がなされている。
【０００７】
熱式流量計の計測の基本原理は、発熱した抵抗体が周囲を流れる空気によって奪われる熱量、すなわち放熱特性を利用によるものである。この基本原理から、上記で説明した発熱抵抗体素子を設置した部位の絞りのばらつきや流量検出の根幹となる発熱抵抗体素子そのものの形状ばらつきが空気流量計としての検出精度に影響を与える。
【０００８】
特開平８−１１０２５６号公報には、空気流量計としての流量検出精度や歩留り悪化の発生原因について、「ボビン端面は径方向に形成されており、この端面に例えばガラススラリーを塗布又はディップし、乾燥させ、焼成して保護膜を形成する場合、保護膜の端面を被覆する端面被覆部は、ボビンの端面の内周端で分厚くなり、ボビンの端面の外周端で薄くなる略円錐形状になるが、その厚さのばらつきが大きく、保護膜の端面被覆部が分厚くなることによりその内部に気泡が混入しやすくなること、保護膜の端面被覆部からボビンの孔とリードワイヤとの間の隙間に侵入する液状保護膜材料の量が増大しその量が変動することなど」と記載されている。ここでボビンとは円筒状の絶縁体を指している。さらに発熱抵抗体を巻き付ける絶縁体の端部を錐状面とすることで課題を改善する方法が開示されている。
【０００９】
このように巻線式発熱抵抗体素子の絶縁体端部に位置する保護膜内部への気泡の発生や素子端部の形状にばらつきが生じると空気流量計の出力特性に曲がりが生じるため、検出精度の悪化を招き、生産性が悪化する。
【００１０】
従来技術においては、問題の生じる根本原因を対策した考案ではなく、あくまで結果の改善に留まる。根本原因については後で説明するが、本発明は、問題の根本原因からアイデアを考案したものであり恒久対策について開示したものである。
【００１１】
したがって本発明の目的は、発熱抵抗体素子のガラス接着層を両端とも封止をすることで、歩留りの改善を図り、かつ、形状が安定した発熱抵抗体素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の発熱抵抗体素子は、円筒状の絶縁体の両端に導電性のリード線を挿入し、前記絶縁体と前記リード線がシリカ系のガラス接着層により固着され、前記絶縁体外周面にはスパイラル状に抵抗体が形成され、前記外周面に抵抗体が形成された絶縁体表面及び絶縁体両端部のリード線の一部を絶縁保護膜で覆った構造からなる発熱抵抗体素子において、前記ガラス接着層にフィラーが分散しており、チクソ性の高いガラスとすることで、リード線の挿入工程やガラス接着層の焼成工程におけるガラス接着層に生じる孔（絶縁体内の密閉空間と外気を連通する孔）を両端とも完全に封止することが可能になるため、絶縁体の両端部を絶縁保護する保護膜の膜厚を均一に形成することが可能になる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、発熱抵抗体素子のガラス接着層を両端とも封止することが実現できるため、歩留りの改善が図れ、かつ形状が安定した発熱抵抗体素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】熱式流量計の発熱抵抗体素子近傍の基本的な構成を示す図である。
【図２】発熱抵抗体素子の断面構造を示す図である。
【図３】発熱抵抗体素子の生産プロセス概要を示す図である。
【図４】従来の不良品である発熱抵抗体素子のガラス接着層及び絶縁保護膜の状態を示す図である。
【図５】図３のＡ−Ａ断面を示す図である。
【図６】従来の不良品である発熱抵抗体素子のガラス接着層及び絶縁保護膜の状態を示す図である。
【図７】図６の発熱抵抗体素子を適用した空気流量計の出力特性を示す図である。
【図８】従来の良品である発熱抵抗体素子のガラス接着層及び絶縁保護膜の状態を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態を示す図である。
【図１０】本発明におけるガラスとフィラーの最適な体積配合比を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図１乃至図１０に基づき本発明の実施形態について説明する。
【００１６】
図１に本発明に係る熱式流量計の発熱抵抗体素子近傍の基本的な構成を示す。発熱抵抗体素子１は、樹脂に金属ターミナル２がインサート成形された筐体３から突出した金属ターミナル２に溶接にて固定設置されている。副通路４内に設置された発熱抵抗体素子１の空気流れ上流に、測温抵抗体素子５が配置されており、この測温抵抗体素子５によって空気の温度を検出し発熱抵抗体素子１の周囲を流れる空気の質量流量を計量している。発熱抵抗体素子１と測温抵抗体素子５は、それぞれを支持する金属ターミナル２を介して制御回路へ接続されている。そして、制御回路では、空気流の発生による発熱抵抗体素子の温度変化に対して発熱抵抗体素子に流れる電流を調整して発熱抵抗体素子１の加熱温度が常に一定となるようにフィードバック制御を行っている。
【００１７】
次に発熱抵抗体素子１の構造について説明する。
【００１８】
図２に本発明の発熱抵抗体素子の断面構造を示す。本発明の対象となる発熱抵抗体素子の母材は、円筒状の絶縁体６、例えばアルミナのパイプの両端に、白金やイリジウムあるいはパラジウムなどの貴金属合金であるリード線７を挿入し、アルミナパイプ６とリード線７がシリカ系のガラス接着層８により固着される構成からなる。この母材のアルミナパイプ６外周面には白金などの素材からなる発熱抵抗体９がスパイラル状に巻き付けられた状態で形成されており、発熱抵抗体９の両端はリード線７にそれぞれ溶着１０されて固定されている。さらにその外周面には発熱抵抗体９が形成されたアルミナパイプ６表面及びアルミナパイプ６両端部のリード線７の一部を絶縁保護膜１１で覆った構造である。またアルミナパイプ６とリード線７，ガラス接着層８とで囲まれたアルミナパイプ６の内部は空間であり空気１２が密閉されている。
【００１９】
ここで、図３を用いて上記発熱抵抗体素子の生産プロセスについて簡単に説明する。
【００２０】
まず図３（ａ）の母材を生産する工程では、リード線７をガラスペースト１３にディップして引抜いた後、アルミナパイプ６に挿入し、両端とも挿入し終えたものを所定の温度にて焼成して完成する。ガラスペースト１３は、シリカを主体としたバリウムなどの組成からなる、いわゆるシリカ系のガラス粉末と溶媒を混ぜたものである。また焼成温度は、ガラスの特性温度から設定される。このようにして製作された母材に対して、図３（ｂ）の巻線の工程では、発熱抵抗体９の一端を片側のリード線７に溶着１０ａした後、一定のピッチでアルミナパイプ６に巻き付け、最後にもう片側のリード線７に溶着１０ｂして発熱抵抗体９が形成される。さらに巻線を終えたものは、図３（ｃ）に示したコーティングの工程にて、絶縁保護膜１１を形成して発熱抵抗体素子は完成する。絶縁保護膜１１はガラス接着層８と同様にガラスペーストにディップして焼成することで、ほぼ均一なガラス膜を形成する。
【００２１】
前述した問題点であるアルミナパイプ６端部に位置する絶縁保護膜１１内の気泡１４の混入（図４）や絶縁保護膜１１の膜厚（素子形状の）ばらつき（図６：端部の例）は、上記プロセスでいえば最終のコーティングの工程で生じる現象であり結果である。この問題となる現象を引き起こす根本原因は母材のばらつきである。
【００２２】
以下、図４，図５を用いて具体的に説明する。後述に詳細な説明をするが、図４に示されるように、ガラス接着層８には隙間（孔）が生じる。このように、ガラス接着層８に隙間（孔）１５が生成されてしまうと、保護膜用のガラスペーストをディッピングする際にガラス接着層８に生成された孔１５の中へガラスペーストの流れ込み１６が発生し、あるいは、絶縁保護用のガラスペーストがディップされてアルミナパイプ６内部に密閉された空気１２が焼成過程において膨張した際に、ガラス接着層８に生成された孔１５を通って外部へ抜け出ようとして抜けきらずに気泡１４となってアルミナパイプ６の端部に残ってしまう。ガラス接着層８に孔１５が生成されたものに絶縁保護膜１１を形成すると、図６に示したように、特にアルミナパイプ６両端部の絶縁保護膜１１の膜厚に不足が生じ易い。この絶縁保護膜１１の膜厚ばらつきは、孔１５の大きさに依存し、孔１５が大きいと極端に膜厚が薄くなる。
【００２３】
図６に示された極端にガラス膜厚が薄い素子を適用した空気流量計では、出力特性に曲がりが発生する。図７にその例を示す。適度に絶縁保護膜が形成された標準的な素子を適用した空気流量計の出力平均をゼロとした場合、図６のように端部の保護膜が薄い素子を適用した空気流量計の出力は、低流量域や高流量域において特性の曲がり（跳ね上がり）が生じる。これより、素子の絶縁保護膜、すなわち、発熱部の形状がばらつくと放熱特性が変化し出力特性に悪影響を及ぼすことがわかる。
【００２４】
図８に、良品である発熱抵抗体素子の例を示す。このように両端ともガラス接着層８が確実に封着できれば気泡も発生せず、また端部の絶縁保護膜１１の膜厚を安定して形成することが可能になる。したがって、このガラス接着層８に生じる孔１５の生成を抑えることが本質的な対策になる。
【００２５】
ガラス接着層８に生じる孔１５は母材を生産する過程で生成される。生成の要因は２つある。一つはリード線７にガラスペースト１３をディップしてアルミナパイプ６へ挿入する際に、挿入圧力によって起こり得る現象である。もう一つは、挿入後の焼成の過程における温度上昇に伴うアルミナパイプ６内の密閉空気の膨張によって起こり得る現象である。前者の現象に対しては、ガラスペーストの粘度が大きく影響し、また後者の現象に対しては、ガラスの特性が支配的な要因である。リード線の配置，挿入方法によって前者は軽減が可能であることから、問題の本質は後者の現象にあると言える。本発明は、前述した後者の問題を解決するための実施例を開示するものである。
【００２６】
従来のガラス接着層は、前述のとおりシリカ系のガラスである。焼成の過程においては、まず始めに低温度域で溶媒が揮発してガラス粉末のみの状態へ変化する。さらに温度が上昇してガラスの軟化点を越えると、ガラスが溶融し始め、最終的には膜になる。ガラス接着層８に孔が生成されてしまうのは、この状態の変化の過程において、ガラスが溶融し膜になりアルミナパイプ内の空気が密閉状態になりさらに保持温度までの温度上昇し続ける間である。ガラスは融けると水飴のように粘度が低い状態になるが、その際に、アルミナパイプ６内の空気１２が膨張してガラスの内面に圧力が加わると脱泡が行われる。このときに、ガラスが開いた孔を塞ぐ、すなわちガラスがレベリングしてくれれば最終的には脱泡痕は残らないが、ガラス膜の表面に加わる表面張力やガラス自体の流動は、結果として孔を広げる方向に作用する。つまり、脱泡によって生じる孔は一度生成されるとガラスのレベリングでは塞がることがない。そのため、従来のガラス接着層では前述した問題が起こってしまう。
【００２７】
そこで、本実施例ではガラス接着用ガラスペースト中にガラス粉末と少量のフィラー１７を添加した。図９は本発明の発熱抵抗素子の断面を示している。図９に示されるように、焼成後のガラス接着層８の中にはフィラー１７が分散した状態になっている。フィラーとは、一般的に骨材とも呼ばれ、フィラー１７を添加すると材料のチクソ性（形状維持性）が向上する。すなわち、ガラス接着層８の焼成過程におけるアルミナパイプ６内の空気１２の膨張によって起こるガラス内面に加わる圧力に対して、フィラー１７を混ぜることによって、溶融状態にあるガラス接着層８のチクソ性が勝れば、焼成の間、脱泡は行われずに空気１２をアルミナパイプ６内に閉じ込めることができる。
【００２８】
以上、説明したように本実施例では、ガラス接着層にフィラーが分散されており、チクソ性の高いガラスとすることで、リード線の挿入工程やガラス接着層の焼成工程におけるガラス接着層に生じる孔を両端とも完全に封止することが可能になる。これにより、絶縁体の両端部を絶縁保護する絶縁保護膜の膜厚を均一に形成することが可能になる。
【００２９】
次に、用途に適したフィラー１７の仕様について述べる。フィラー１７の組成はアルミナであり、また形状は球状であることが好ましい。従来の接着に用いられているシリカ系ガラス１８（以下、「ガラス１８」と称す。）の熱膨張の特性は、接着の対象であるアルミナパイプ６とリード線７の熱膨張から定められており、接着するアルミナパイプ６の組成がアルミナであることからもフィラー１７の組成として、アルミナが適している。これにより、焼成時の割れやクラックの発生を抑えることができ、また高温の焼成時にガラスとの過度の反応は起こらず、焼成時にフィラーが骨材としての役割を発揮させることができる。但し、熱膨張はフィラー１７のサイズやガラスとの配合の比率等によっても変化するため、それら感度のあるパラメータも配慮する必要がある。一方で、形状について球状が好ましい理由は、ガラスペーストをディップして塗布したリード線を挿入する際にガラスペーストの滑りを良くするためである。アルミナパイプ６とリード線７の隙間Ｄは、素子としての品質確保する上で必然と狭くなる。狭い隙間にガラスペーストを確実に配置するには、フィラー１７の形状を球状とすることが有効である。
【００３０】
さらに好適な他の実施例について説明する。図９に示したアルミナパイプ６とリード線７の隙間Ｄに対してフィラー１７の最大粒子径ｄｍａｘをＤ以下とするのが好ましい。このような、寸法サイズのフィラー１７を適用することで、仮にリード線７の挿入がアルミナパイプ６の中心軸からずれた場合にも、確実にフィラー１７を隙間Ｄへ入り込ませることができる。
【００３１】
次に、焼成後のガラス接着層８は、ガラス１８とフィラー１７の界面にそれらの材料に含まれる組成の化学反応による反応層１９を有する状態であるのが好ましい。シリカ系のガラス１８は、組成の特性から比較的焼成温度は高い。シリカ系であるガラス１８とフィラー１７の界面の結合状態は、基本的にはガラス１８を適切な温度で焼成すれば、フィラー１７はガラス１８と反応してそれらの界面に反応層１９が生成される。この反応層１９は、アルミナとバリウムの酸化物層であり、いわゆるアルミン酸バリウムである。このようにフィラー１７とガラス１８が化学反応により完全結合の状態で結び付いている場合は、界面での剥離や使用後の界面を起点としたクラックの発生は起こらない。また、仮にクラックが何らかの事情により発生した場合においても骨材であるフィラー１７の存在により伸展を防ぐことができる。これにより、素子としての品質の向上が図れる。
【００３２】
次に、ガラス１８とフィラー１７の配合比について説明する。ガラス１８とフィラー１７の無機分の最適な配合比は、問題の本質であるガラス接着層８の孔の発生率とガラス接着層８の本来の目的である接着強度を両立する条件から決定される。ここで、接着強度は、図３（ｂ）の巻線工程で、発熱抵抗体９をアルミナパイプ６の外周に図１０に本実施例におけるガラス１８とフィラー１７の最適な配合比を示す。単位は体積表記ｗｔ％で表している。図１０中の実線は無機分に対するガラスの体積配合比と接着強度との関係を表しており、一点鎖線は無機分に対するガラスの体積配合比と孔の発生率との関係を表している。
【００３３】
従来のフィラーが添加されていないガラスのみの場合は、接着強度は十分に確保できるがガラス接着層８に孔１５が生成される。その確率はほぼ１００％に等しい。ガラス１８の割合を減らし、フィラー１７を少量配合した状態（ガラスの割合を９０％〜８５％程度にし、残りをフィラーとする配合率）では、強度が著しく低下する傾向が見られる。これは、少量のフィラー１７を配合しただけであると、ガラス１８とフィラー１７との反応状態が不安定な状態が存在し、さらに、フィラー１７を配合することによりガラス成分自体も減少しているため全体として強度が低下するからである。しかし、さらにガラス１８の割合を減らしフィラー１７の配合を増やすと、ガラス１８とフィラー１７との反応状態が安定し始め、８０％〜６０％とすると、前述した所定の必要強度を満足する結果が得られる。一方で、ガラス接着層８の孔１５の発生率は、フィラー１７の割合を増加するほど小さくなることが分かる。
【００３４】
ガラス接着層８の孔１５の発生率は０％が好ましいがこれに限らず、５％程度であれば十分である。また、必要な強度に関しては、図３（ｂ）の巻線工程にて、リード線７に引張り力が働いた際に、リード線７がアルミナパイプ６から抜けない程度の強度があればよい。
【００３５】
これらに鑑み、最適なガラスとフィラーの体積配合比は、ガラス：フィラー＝８０％：２０％〜ガラス：フィラー＝６０％：４０％の範囲が好ましいと言える。
【００３６】
これにより、ガラスのチクソ性向上による絶縁体両端部の接着層の封止と、絶縁体とリード線の接着強度の双方をより確実に満足することができるため、絶縁体両端部の保護膜形成の安定性が得られ、空気流量計の検出精度が向上すると共に生産の歩留まりの改善を図ることができる。
【００３７】
なお、本実施例では、好適なフィラーの仕様を述べているが、前記フィラーの組成や最大粒子径、ガラスとフィラーの配合比等その他仕様に関する要件を満足していれば、形状については、不定形（破片状）のフィラーを用いても何ら問題はない。
【符号の説明】
【００３８】
１  発熱抵抗体素子
２  金属ターミナル
３  筐体
４  副通路
５  測温抵抗体素子
６  絶縁体（アルミナパイプ）
７  リード線
８  ガラス接着層
９  発熱抵抗体
１０，１０ａ，１０ｂ  溶着部
１１  絶縁保護膜
１２  空気
１３  ガラスペースト
１４  気泡
１５  孔
１６  ガラスペーストの流れ込み
１７  フィラー
１８  シリカ系ガラス
１９  反応層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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