JP2001074687A

JP2001074687A - 酸素センサ

Info

Publication number: JP2001074687A
Application number: JP25474299A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Matsuo; 康司松尾; Satoshi Ishikawa; 聡石川
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1999-09-08
Filing date: 1999-09-08
Publication date: 2001-03-23
Anticipated expiration: 2019-09-08
Also published as: JP4181281B2

Abstract

(57)【要約】【課題】エンジン始動時に酸素検出素子を加熱して活
性化させるとともに、昇温特性の向上を図り、熱衝撃に
よる酸素検出素子又はヒータの割れ（クラック）を防止
し、マイグレーションの発生を防止し得る酸素センサを
提供する。【解決手段】ヒータ３の中心軸線Ｏ1が中空部２ａの
中心軸線Ｏ2に対して偏心して配置されるとともに、寄
っている側の中空部２ａ内壁面に対応する発熱部４２の
周方向の一部区域に高温発熱域Ｈ1を設けたことによ
り、発熱部４２が酸素検出素子２の必要部位に対して効
率的に加熱を行い、酸素検出素子２の低温活性を向上さ
せる。したがって有害成分の発生が比較的多い始動時に
素早く測定出力（起電力）を立ち上げることが可能とな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば内燃機関
の排気ガスなど、被測定ガス中の酸素を検出するための
酸素センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】このような酸素センサの一形態として、
先端部が閉じた中空軸状をなし、内外面にそれぞれ電極
層を有する酸素検出素子を備えたものが知られている。
このようなタイプの酸素センサでは、基準ガスとしての
大気を酸素検出素子の内面（内部電極層）に導入する一
方、酸素検出素子の外面（外部電極層）には排気ガスが
接触し、その結果酸素検出素子には、その内外面の酸素
濃度差に応じて酸素濃淡電池起電力が生じる。そして、
この酸素濃淡電池起電力を、排気ガス中の酸素濃度の検
出信号として内外電極層からリード線等を介して取り出
すことにより、排気ガス中の酸素濃度を検出できる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】かかるタイプの酸素セ
ンサは、エンジン始動直後など排気ガス温度が低いとき
に、固体電解質部材で構成された酸素検出素子の活性が
充分でなく、測定可能な起電力を取り出せるまでにかな
りの時間を要する。そこで、発熱部を有する軸状のヒー
タを酸素検出素子の中空部に挿入し、エンジン始動時に
酸素検出素子を加熱して活性化させることにより、有害
成分の発生が比較的多い始動時に素早く測定出力（起電
力）を立ち上げるようにしている。その際場合によって
は互いに矛盾する以下の諸課題に総合的に配慮する必要
がある。昇温特性の向上：加熱ロスを抑え如何に効率的に加熱
し、酸素検出素子の低温活性を向上させるかが重要であ
る。熱衝撃による割れの防止：酸素検出素子の低温活性向
上のため、急激に局部的な加熱を行うと、熱衝撃により
酸素検出素子又はヒータに割れ（クラック）を生ずる恐
れがある。急激な温度変化（経時変化）及び極端な温度
勾配（温度分布）を発生しないような工夫が必要であ
る。マイグレーションの防止：円筒状あるいはその他の形
状に形成されたセラミック基体中に、Ｗ（タングステ
ン）等の高融点金属からなる抵抗発熱体を埋設した構造
のセラミックヒータにおいて、高温使用を長時間継続す
ると抵抗発熱体が劣化して電気抵抗値が増大することが
あり、ヒータの寿命の低下につながる問題がある。この
ような抵抗発熱体の劣化の原因としては、抵抗発熱体あ
るいはセラミック基体の構成成分が高温下の通電により
電気化学的な拡散現象、いわゆるエレクトロマイグレー
ション（以下、単にマイグレーションという）を起こす
ことが挙げられている（例えば特開平４−３２９２９１
号公報参照）。例えば、抵抗発熱体の構成成分がマイグ
レーションによりセラミック基体中に拡散流出すると、
その流出部分で抵抗発熱体が消耗し、過昇・断線に至る
こともある。また、焼結助剤成分として添加されるＭｇ
ＯあるいはＣａＯ等の金属酸化物成分は、セラミック基
体中ではガラス相の形で存在するが、これに含有される
金属イオンないし酸素イオンもマイグレーションを起こ
しやすい。例えば抵抗発熱体の主要構成成分がＷである
場合には、マイグレーションにより移動してくる酸素イ
オンにより酸化され、同様に抵抗値増大や断線等の問題
を引き起こすことがある。そこで高温使用を長時間継続
しても抵抗発熱体の劣化が生じにくく、長寿命のヒータ
が望まれる。

【０００４】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】上記課題
を解決するために、本発明の酸素センサは、先端部が閉
じた中空軸状をなし、その中空部の内外面にそれぞれ電
極層を有する酸素検出素子と、前記酸素検出素子の中空
部に挿入され、少なくともその先端部に発熱部を有する
軸状のヒータとを備え、前記ヒータの発熱部近傍におい
て、該ヒータの中心軸線が前記酸素検出素子の中空部の
中心軸線に対して片側に寄るように偏心して配置される
とともに、寄っている側の前記酸素検出素子の中空部内
壁面に対応する前記発熱部の周方向の一部区域におい
て、他の区域よりも高温となる高温発熱域を設けたこと
を特徴とする。

【０００５】上記本発明によれば、ヒータの中心軸線が
中空部の中心軸線に対して偏心して配置されるととも
に、寄っている側の中空部内壁面に対応する発熱部の周
方向の一部区域に高温発熱域を設けたことにより、発熱
部が酸素検出素子の必要部位に対して効率的に加熱を行
い、酸素検出素子の低温活性を向上させる。したがって
有害成分の発生が比較的多い始動時に素早く測定出力
（起電力）を立ち上げることが可能となる。なお、ここ
で「偏心」の文言には、ヒータの中心軸線と中空部の
中心軸線が交わる状態、及びヒータの中心軸線が片側
に寄るように中空部の中心軸線に対して概ね平行となっ
ている状態を含めて考えることができる。

【０００６】なお、上記酸素センサには、内側に酸素検
出素子を収容する筒状のケーシングと、酸素検出素子の
後方側でケーシングとほぼ同軸的に配置され、酸素検出
素子及び発熱体からの各リード線がそれぞれ挿通される
複数のリード線挿通孔が軸方向に貫通して形成されたセ
ラミックセパレータと、ケーシングとほぼ同軸的に配置
され、セラミックセパレータを外側から覆った状態でケ
ーシングに対し後方側から連結されるカバー部材とを設
けることができる。

【０００７】さらに本発明は、ヒータの発熱部表面が酸
素検出素子の中空部内壁面に接触する位置に、高温発熱
域を配設することを特徴とする。ヒータと酸素検出素子
の接触位置に高温発熱域を配したことで、酸素検出素子
の局部的な昇温がさらに効率よく短時間でなし得る。な
お、ここで「接触」の文言には、ヒータの発熱部表面を
酸素検出素子の中空部内壁面に側方から押し付けられ
る、いわゆる横当て接触方式において、発熱部表面の
前端部のみが中空部内壁面に接触する状態（いわゆる点
接触、又はそれに近い状態）、及び前者表面が後者壁
面に沿うように長い距離で接触する状態（いわゆる線接
触、又はそれに近い状態）を含めて考えることができ
る。

【０００８】また本発明は、ヒータの発熱部は、軸線方
向に沿って設ける複数の本体部と、それら本体部をその
両端部において互いに接続する接続部とを有する一本の
連続形態に形成されている抵抗発熱体を、セラミック基
体の周方向に沿って埋設配置するとともに、高温発熱域
においては、本体部の単位長さ当たりの電気抵抗値が他
の区域におけるそれよりも大であり、及び／又は本体部
の配置間隔が他の区域におけるそれよりも小であること
を特徴とする。ヒータの発熱部表面が酸素検出素子の中
空部内壁面に接触しない場合（近接状態）には、発熱部
近傍位置での発生熱が熱輻射により中空部内壁面を加熱
し、一方前者が後者に接触する場合（横当て接触状態）
には、この熱輻射に加えて接触位置を介した熱伝導によ
り中空部内壁面を加熱し、これらの熱伝達により発熱部
の接触位置や近傍位置からは熱が奪われやすい。しか
し、発熱部の接触位置又はその近傍位置を高温発熱域と
して充分な熱供給を可能とするとともに、抵抗発熱体の
シンプルな構成と合理的な配置によって極端な温度勾配
がなくヒータや酸素検出素子に割れを生じにくい酸素セ
ンサが提供できる。

【０００９】なお、抵抗発熱体の断面積の大・小関係
は、単位長さ当たりの電気抵抗値の小・大関係に比例す
るので、本体部の断面積が他の区域におけるそれよりも
小とするか、及び／又は本体部の配置間隔が他の区域に
おけるそれよりも小とすることで高温発熱域を容易に形
成できる。これによれば、抵抗発熱体の配置パターンの
工夫（断面積の大・小関係）のみで実施が容易である。
ただし、高温発熱域において抵抗発熱体を他の部分より
も高電気抵抗率の材質により構成する形としてもよい。

【００１０】本発明は、高温発熱域付近における本体部
の軸線方向長さが他の区域におけるそれよりも小である
ことを特徴とする。高温発熱域付近以外の区域で本体部
の軸線方向長さ（振幅）を大とすることでこの区域での
発熱量を増し、発熱部の温度勾配（温度分布）がその周
方向に広がりをもつようになり、前述の点接触タイプに
適した温度分布が得られる。

【００１１】本発明は、抵抗発熱体には、複数のヒータ
端子部にそれぞれ電気的に接続される複数の導線部が形
成されるとともに、高温発熱域が、発熱部の周方向にお
いて互いの導線部間の中央付近に配設されていることを
特徴とする。導線部を相対的に高温発熱域から遠ざける
ことにより、高温下での通電使用を長時間継続しても、
前記したマイグレーションによる抵抗発熱体の劣化が生
じにくく、長寿命のヒータが得られる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に示す実施例に基づき説明する。図１は本発明の酸素セ
ンサの内部構造を示し、図２は要部の拡大図である。酸
素センサ１は、先端が閉じた中空軸状の固体電解質部材
である酸素検出素子２と、酸素検出素子２の中空部２ａ
に挿入されたヒータ３とを備える。酸素検出素子２は、
ジルコニア等を主体とする酸素イオン伝導性固体電解質
により中空に形成されている。また、この酸素検出素子
２の中間部外側には、絶縁性セラミックから形成された
インシュレータ６、７及びタルクから形成されたセラミ
ック粉末８を介して金属製のケーシング１０が設けられ
ている。なお、以下の説明において、酸素検出素子２の
軸方向先端部に向かう側（閉じている側）を「前方
側」、これと反対方向に向かう側を「後方側」と称す
る。

【００１３】ケーシング１０は、酸素センサ１を排気管
等の取付部に取り付けるためのねじ部９ｂを有する主体
金具９、その主体金具９の後方側開口部に内側が連通す
るように結合された主筒１４、主体金具９の前方側開口
部を覆うように取り付けられたプロテクタ１１等を備え
る。本発明の酸素センサ１はねじ部９ｂより前方（図１
の下方）が排気管等のエンジン内に位置し、それより後
方（図１の上方）は外部の大気中に位置して使用され
る。図２に示すように、酸素検出素子２の外面及び中空
部２ａの内面には、そのほぼ全面を覆うように、例えば
ＰｔあるいはＰｔ合金により多孔質に形成された外部電
極層２ｂと内部電極層２ｃとが設けられている。

【００１４】主体金具９の後方側の開口部には、前述の
主筒１４が絶縁体６との間にリング１５を介して加締め
られ、この主筒１４に筒状のフィルタアセンブリ１６が
外側から嵌合・固定されている。このフィルタアセンブ
リ１６の後端側開口部はゴム等で構成されたグロメット
１７で封止され、またこれに続いてさらに内方にセラミ
ックセパレータ１８が設けられている。そして、それら
セラミックセパレータ１８及びグロメット１７を貫通す
るように、酸素検出素子２用のリード線２０，２１及び
ヒータ３用のリード線（図示せず）が配置されている。
他方、主体金具９の前方側開口部には酸素検出素子２の
先端側（検出部）を覆うプロテクタ１１が装着されてい
る。

【００１５】フィルタアセンブリ１６は、主筒１４（ケ
ーシング１０）に対し後方外側からほぼ同軸的に連結さ
れる筒状形態をなすとともに、壁部に複数の気体導入孔
５２が形成された第一フィルタ保持部５１を備える。そ
して、その第一フィルタ保持部５１の外側には、上記気
体導入孔５２を塞ぐ筒状のフィルタ５３（例えばポリ四
フッ化エチレンの多孔質対等で構成された撥水性樹脂フ
ィルタ）が配置され、さらに、そのフィルタ５３の外側
には、壁部に１ないし複数の気体導入孔５５が形成され
るとともに、フィルタ５３を第一フィルタ保持部５１と
の間で挟み付けて保持する第二フィルタ保持部５４が配
置される。グロメット１７は、第一フィルタ保持部５１
の後方側開口部に対しその内側に弾性的にはめ込まれ、
各リード線２０，２１等を挿通するためのシール側リー
ド線挿通孔９１を有するとともに、それらリード線２
０，２１等の外面と第一フィルタ保持部５１の内面との
間をシールする。

【００１６】次に、酸素検出素子２用の一方のリード線
２０は、互いに一体に形成されたコネクタ２３ａ、引出
し線部２３ｂ、金具本体部２３ｃ及びヒータ把持部２３
ｄからなる内部電極接続金具２３を経て前述の酸素検出
素子２の内部電極層２ｃ（図２）と電気的に接続されて
いる。一方、他方のリード線２１は、互いに一体に形成
されたコネクタ３３ａ、引出し線部３３ｂ及び金具本体
部３３ｃとを有する外部電極接続金具３３を経て、酸素
検出素子２の外部電極層２ｂ（図２）と電気的に接続さ
れている。酸素検出素子２は、その内側に配置されたヒ
ータ３で加熱することで活性化される。ヒータ３は棒状
のセラミックヒータであり、抵抗発熱体４１（図５，図
６参照）を有する発熱部４２が、＋極側及び−極側のヒ
ータ端子部４０，４０に接続されるリード線（図示せ
ず）を経て通電されることにより、酸素検出素子２の先
端部（検出部）を加熱する。

【００１７】図３に示すように、内部電極接続金具２３
は、先端側に形成されたヒータ把持部２３ｄの内面でヒ
ータ３の外面を把持するとともに、金具本体部２３ｃの
外面と酸素検出素子２の内面との接触により内部電極接
続金具２３及びヒータ３を軸方向に位置固定する役割を
果たす。また引出し線部２３ｂの一端が金具本体部２３
ｃの周方向の１ケ所に接続する形で一体化され、さらに
その他端にコネクタ２３ａが一体化されている。

【００１８】ヒータ把持部２３ｄは、ヒータ３の周囲を
包囲するＣ字状の横断面形状を有している。そして、ヒ
ータ３を未挿入の状態ではヒータ３の外径よりは少し小
さい内径を有し、ヒータ３の挿入にともない弾性的に拡
径してその摩擦力によりヒータ３を把持する。

【００１９】また、金具本体部２３ｃは、左右両側の縁
に鋸刃状の接触部２３ｅがそれぞれ複数形成された板状
部分を円筒状に曲げ加工することにより、ヒータ３を包
囲する形態で形成されている（すなわち、ヒータ３が挿
通される）。そして、金具本体部２３ｃの外周面及び接
触部２３ｅと酸素検出素子２の中空部２ａの内壁面（内
部電極層２ｃ内面）との間の摩擦力によって内部電極接
続金具２３及びヒータ３を中空部２ａに対し軸線方向に
位置決めする役割を果たすとともに、複数の接触部２３
ｅの各先端部において内部電極層２ｃ内面と接触・導通
するようになっている。

【００２０】一方、外部電極接続金具３３は、円筒状の
金具本体部３３ｃを有するとともに、引出し線部３３ｂ
の一端が金具本体部３３ｃの周方向の１ケ所に接続する
形で一体化され、さらにその他端にコネクタ３３ａが一
体化されている。他方、その中心軸線を挟んで引出し線
部３３ｂの接続点と反対側には、軸線方向のスリット３
３ｅが形成されている。このような金具本体部３３ｃの
内側に、酸素検出素子２の後端部がこれを弾性的に押し
広げる形で内側から挿入されている。具体的には、酸素
検出素子２の外周面後端部には外部側出力取出部として
の導電層２ｆが、周方向に沿って帯状に形成されてい
る。外部電極層２ｂは、例えば無電解メッキ等により、
酸素検出素子２の係合フランジ部２ｓよりも前端側の要
部全面を覆うものとされている。他方、導電層２ｆは、
例えば金属ペーストを用いたパターン形成・焼き付けに
より形成されるもので、同様に形成される軸線方向の接
続パターン層２ｄを介して外部電極層２ｂと電気的に接
続されている。

【００２１】なお、金具本体部３３ｃの酸素検出素子２
挿入側の開口部には、例えばその周方向に沿って外向き
に開く挿入ガイド部３３ｆを形成しておけば、挿入時の
引っ掛かり等が生じにくく、一層スムーズな組付けが可
能となる。また、同様の目的で、酸素検出素子２の開口
部外縁に面取部２ｇを形成することもできる。

【００２２】上記酸素センサ１において、基準ガスとし
ての大気は外部連通口６８→溝部６９→気体滞留空間６
５→気体導入孔５５→フィルタ５３→気体導入孔５２→
隙間９２→隙間９８→隙間Ｋ→中空部２ａを経て酸素検
出素子２の内面（内部電極層２ｃ）に導入される。一
方、酸素検出素子２の外面（外部電極層２ｂ）にはプロ
テクタ１１のガス透過口１２を介して導入された排気ガ
スが接触し、酸素検出素子２には、その内外面の酸素濃
度差に応じて酸素濃淡電池起電力が生じる。そして、こ
の酸素濃淡電池起電力を、排気ガス中の酸素濃度の検出
信号として内外電極層２ｃ，２ｂ（図２）から接続金具
２３，３３及びリード線２０，２１を介して取り出すこ
とにより、排気ガス中の酸素濃度を検出できる。

【００２３】次に、図４は酸素検出素子とヒータの位置
関係を説明する概念図、図５は発熱部の拡大図を示す。
ヒータ３の中心軸線Ｏ1と酸素検出素子２の中空部２ａ
の中心軸線Ｏ2との位置関係、及びヒータ３の発熱部４
２表面と酸素検出素子２の中空部２ａ内壁面との位置関
係について次のように表せる。ヒータ３の中心軸線Ｏ1と酸素検出素子２の中空部２
ａの中心軸線Ｏ2が交わる状態であり、これによりヒー
タ３の発熱部４２近傍において、ヒータ３の中心軸線Ｏ
1が酸素検出素子２の中空部２ａの中心軸線Ｏ2に対して
片側に寄るように偏心（オフセット）して配置されてい
る。また、ヒータ３の発熱部４２表面を酸素検出素子２
の中空部２ａ内壁面に側方から押し付けられる、いわゆ
る横当て接触方式において、発熱部４２表面の前端部の
みが中空部２ａ内壁面に接触する状態（点接触状態）と
なっている（図４（ａ）参照）。ヒータ３の中心軸線Ｏ1と酸素検出素子２の中空部２
ａの中心軸線Ｏ2が平行移動している状態であり、これ
によりヒータ３の発熱部４２近傍において、ヒータ３の
中心軸線Ｏ1が酸素検出素子２の中空部２ａの中心軸線
Ｏ2に対して片側に寄るように偏心（オフセット）して
配置されている。また、ヒータ３の発熱部４２表面を酸
素検出素子２の中空部２ａ内壁面に側方から押し付けら
れる、いわゆる横当て接触方式において、ヒータ３の発
熱部４２表面が酸素検出素子２の中空部２ａ内壁面に沿
うように長い距離で接触する状態（線接触状態）となっ
ている（図４（ｂ）参照）。ヒータ３の中心軸線Ｏ1と酸素検出素子２の中空部２
ａの中心軸線Ｏ2が平行移動している状態であり、これ
によりヒータ３の発熱部４２近傍において、ヒータ３の
中心軸線Ｏ1が酸素検出素子２の中空部２ａの中心軸線
Ｏ2に対して片側に寄るように偏心（オフセット）して
配置されている（図４（ｂ）と同じ）。また、ヒータ３
の発熱部４２表面と酸素検出素子２の中空部２ａ内壁面
とが離間している、いわゆる近接方式である（図４
（ｃ）参照）。

【００２４】なお、前述の点接触又は線接触について、
実際上は内部電極接続金具２３のヒータ把持部２３ｄの
押し付け力等によってヒータ３の発熱部４２表面は酸素
検出素子２の中空部２ａ内壁面に対していずれも面接触
状態である（図８参照）が、便宜上上記の呼称を用い
る。また、酸素検出素子２の中空部２ａ内壁面には、固
体電解質粉末の成形・焼成により製造する際に、成形時
の離型性を高める等の目的で、底部側が縮径する僅かな
テーパが付与されている（ただし、離型性等に問題を生
じない場合には、このテーパは必ずしも付与されていな
くてもよい）。

【００２５】図５は、点接触タイプの図４（ａ）の発熱
部４２の拡大図である。ヒータ３の発熱部４２近傍にお
いて、ヒータ３の中心軸線Ｏ1が酸素検出素子２の中空
部２ａの中心軸線Ｏ2に対して片側に寄るように偏心し
て配置されるとともに、ヒータ３の発熱部４２表面が酸
素検出素子２の中空部２ａ内壁面に接触する位置に配設
されている。ヒータ３の発熱部４２表面が酸素検出素子
２の中空部２ａ内壁面に接触する横当て接触方式である
ので、接触位置を介した熱伝導により、また発熱部４２
近傍位置での熱輻射により、発熱部４２の接触位置や近
傍位置からは大量の熱が中空部２ａ内壁面へ熱伝達され
る。

【００２６】図６は、ヒータの一実施例を示している。
セラミックヒータ（ヒータ）３は、円筒状のセラミック
基体４３と、その半径方向中間部において周方向面内に
埋設された抵抗発熱体４１とを有する。抵抗発熱体４１
（発熱部４２）はヒータ３の先端部にのみ設けられてい
る（ただし、筒状成形体４３２が露出する最先端には設
けていない）。

【００２７】抵抗発熱体４１は、図６（ａ）に示すよう
に、セラミック基体４３の軸線方向に沿って延びる複数
の本体部４１１が、それと交差する周方向に配置される
とともに、それらの互いに隣接するもの同士が、両端部
において接続部４１２により順次連結された、つづら折
れ状（図６は特に屈曲状）の連続形態に形成されてい
る。そして、その抵抗発熱体４１の後端側の両端には、
セラミック基体４３の軸線方向に延びる電源接続用の２
つの導線部４１３が一体化されて形成されている。

【００２８】抵抗発熱体４１は高融点金属を主体に構成
されており、使用可能な高融点金属としては、Ｗが代表
的であるがＭｏも使用可能であり、両者は単独で用いて
も複合させて用いてもいずれでもよい。また、セラミッ
ク基体４３は、熱伝導性と高温強度及び高温耐食性に優
れていることからＡｌ_２Ｏ_３を主体に構成できるが、こ
のほかにもムライト、コージェライト、スピネル等のＡ
ｌ_２Ｏ_３成分を含有したセラミックを使用することがで
きる。なお、セラミック基体中には、ＳｉＯ_２、Ｍｇ
Ｏ、ＣａＯ、Ｂ_２Ｏ_５等の１種又は２種以上からなる焼
結助剤成分が、合計で１５重量％以下の範囲で含有され
ていてもよい。抵抗発熱体４１がＷを主体に構成され、
セラミック基体４３がＡｌ_２Ｏ_３を主体に構成される場
合が最も一般的である。

【００２９】上記ヒータ３は、例えば次のようにして製
造することができる。すなわち、図７（ａ）に示すよう
に、セラミックス粉末をバインダとともに板状に成形し
た粉末成形体４３１の板面に、抵抗発熱体４１の原料粉
末を含有するペーストを用いて、抵抗発熱体４１のパタ
ーン（本体部４１１となるべき部分、接続部４１２とな
るべき部分、導線部４１３となるべき部分を含む）を印
刷し、導線部４１３の末端にヒータ端子部４０を配置す
る。次に、図７（ｂ）に示すように、別途形成された円
筒状の筒状成形体４３２の外周面に対し粉末成形体４３
１を、抵抗発熱体４１のパターンが形成された面が内側
となるように巻き付けて、同図（ｃ）に示すような筒状
の成形体を作製する。そして、これを焼成することによ
り、図６に示すヒータ３を得る。なお、４４は粉末成形
体４３１を筒状成形体４３２の外周面に巻き付けたとき
にできる継ぎ目で、本体部４１１が粗となる（発熱量
小）ので酸素検出素子２の中空部２ａ内壁面に接触する
位置からは遠ざけたほうがよく（図５（ｂ）参照）、溝
状の継ぎ目は無くすのがより好ましい。

【００３０】図８は、抵抗発熱体４１の印刷パターンを
展開して示す模式図である。酸素検出素子２の中空部２
ａ内壁面と接触する位置（素子接触部）Ｔが図８（ａ）
のほぼ中央にあり、抵抗発熱体４１は、粉末成形体４３
１（セラミック基体４３）の軸線方向に沿って延びる複
数の本体部４１１が、それと交差する周方向に配置され
るとともに、それらの互いに隣接するもの同士が、両端
部において接続部４１２により順次連結された、つづら
折れ状（図８は特に屈曲状）の一本の連続形態に形成さ
れている。

【００３１】そして、各本体部４１１は、図８（ｂ）に
示すように、素子接触部Ｔに近い中央のものほどその断
面積Ｓ（図では線幅Ｗ）が段階的に小さくなるものとさ
れ、周方向における配置間隔Ｐ（ピッチ）も素子接触部
Ｔに近い中央のものほど段階的に小さくされて、素子接
触部Ｔの周囲を取り囲むように高温発熱域Ｈ1（例えば
８００℃の等温線）が形成される。また、高温発熱域Ｈ
1付近における本体部４１１の軸線方向長さが他の区域
におけるそれよりも小に形成し、高温発熱域Ｈ1から遠
ざかるにつれて段階的に本体部４１１の軸線方向長さＬ
（振幅）を大としている。振幅Ｌは軸線方向の両側で拡
大しているので、抵抗発熱体４１の印刷パターンには中
央の素子接触部Ｔ近傍を頂点及び底とする山線及び谷線
Ｍが形成される。このことで高温発熱域Ｈ1から遠い区
域での発熱量を増し、発熱部４２の温度勾配（温度分
布）がその周方向に広がりをもつようになって、高温発
熱域Ｈ1を広く取り囲む高温維持域Ｈ2（例えば７００℃
の等温線）が形成される。前述の点接触タイプに適した
温度分布が得られる。

【００３２】このように、発熱部４２近傍位置での発生
熱が熱輻射により中空部２ａ内壁面を加熱し、一方接触
位置を介した熱伝導により中空部２ａ内壁面を加熱し、
これらの熱伝達により発熱部４２の接触位置や近傍位置
からは大量の熱が奪われる。しかし、発熱部４２の接触
位置又はその近傍位置を高温発熱域Ｈ1として充分な熱
供給を可能とするとともに、抵抗発熱体４１のシンプル
な構成と合理的な配置によって極端な温度勾配がなくヒ
ータや酸素検出素子に割れを生じにくい酸素センサが提
供できる。さらに、抵抗発熱体４１の印刷パターンの両
端には、周方向で約１８０°（半周）の間隔を保ちつつ
ヒータ３の軸線方向後端側に向かって延び、２つのヒー
タ端子部４０とそれぞれ電気的に接続される２つの導線
部４１３が一体的に形成され、両導線部４１３間の周方
向中央付近に高温発熱域Ｈ１を配置している。この結
果、導線部４１３は相対的に高温発熱域Ｈ１から遠ざけ
られ、高温発熱下で通電使用を長時間継続してもマイグ
レーションによる抵抗発熱体４１の劣化が生じにくく、
長寿命のヒータ３が得られる。

【００３３】なお、抵抗発熱体４１の断面積Ｓの大・小
関係は、単位長さ当たりの電気抵抗値の小・大関係に比
例する。したがって、抵抗発熱体４１の成分変更等を行
うこと無くその配置パターンの工夫（断面積Ｓの大・小
関係）で実施が可能である。また、接続部４１２につい
ても、素子接触部Ｔに近い中央のものほどその断面積
（図では線幅）が段階的に小さくなるものとされてい
る。

【００３４】図９は、図８の第一変更例で、本体部４１
１の軸線方向長さ（振幅）を周方向に対して略一定長さ
とした点のみ異なっている。このことで高温発熱域Ｈ1
から遠い区域での発熱量が減少し、高温発熱域Ｈ1は周
方向に少し狭くなり、それを取り囲む高温維持域Ｈ2は
やや軸線方向に偏平状となる。

【００３５】図１０は、図８の第二変更例で、抵抗発熱
体４１の印刷幅が、粉末成形体４３１の幅Ｗ0の１／２
（半周分）とされている。軸方向前端側は振幅を揃え、
後端側で高温発熱域Ｈ1から遠ざかるにつれて段階的に
本体部４１１の軸線方向長さＬ（振幅）を大としている
（谷線Ｍのみ）。高温発熱域Ｈ1、高温維持域Ｈ2ともに
軸線方向前端側にやや尖った形状になると考えられる。
全体的に高温発熱域Ｈ1と、高温維持域Ｈ2を狭い範囲に
納めることができ、マイグレーション防止に有効と考え
られる。なお、接続部４１２が曲線状に形成され、抵抗
発熱体４１のつづら折れ状パターンは図１０で湾曲状
（蛇行状）を呈している。

【００３６】図１１は、図８の第三及び第四変更例で、
ともに軸方向後端側は振幅を揃え、前端側で高温発熱域
Ｈ1から遠ざかるにつれて段階的に本体部４１１の軸線
方向長さＬ（振幅）を大としており（山線Ｍのみ）、本
体部４１１の本数を減らしている。全体の発熱量をやや
抑えることにより、熱衝撃による割れの防止を図ってい
る。

【００３７】なお、上述の各実施例においては、抵抗発
熱体４１はセラミック基体４３内に埋設されているが、
セラミック基体４３の外周面に抵抗発熱体４１を形成す
るようにしてもよい。また、抵抗発熱体４１を形成する
ために、抵抗発熱材料粉末のペーストを用いてセラミッ
ク粉末の成形体４３１上に所望のパターンを印刷した後
焼成する方法が使用されているが、予め焼成されたセラ
ミック基板４３の外周面上に、蒸着、スパッタリング等
により抵抗発熱材料の膜を各種パターンに形成する方法
を採用することも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の酸素センサの縦断面図。

【図２】図１の酸素センサの要部を示す縦断面図。

【図３】セラミックセパレータへの組み付け状態を示す
分解斜視図。

【図４】酸素検出素子とヒータの位置関係を説明する概
念図。

【図５】発熱部の拡大図。

【図６】ヒータの一実施例を示す部分切欠き斜視図及び
その断面図。

【図７】図８のヒータの製造方法の一例を示す説明図。

【図８】抵抗発熱体の印刷パターンを展開して示す模式
図。

【図９】抵抗発熱体の印刷パターンの第一変更例を展開
して示す模式図。

【図１０】抵抗発熱体の印刷パターンの第二変更例を展
開して示す模式図。

【図１１】抵抗発熱体の印刷パターンの第三及び第四変
更例を展開して示す模式図。

【符号の説明】

１酸素センサ２酸素検出素子２ａ中空部２ｂ外部電極層２ｃ内部電極層３ヒータ１０ケーシング１８セラミックセパレータ２０，２１リード線４０ヒータ端子部４１抵抗発熱体４１１本体部４１２接続部４１３導線部４２発熱部４３セラミック基体４３１粉末成形体４３２筒状成形体４４継ぎ目７２リード線挿通孔Ｈ1 高温発熱域Ｈ2 高温維持域Ｐ本体部の配置間隔（ピッチ）Ｓ本体部の断面積Ｗ本体部の線幅Ｌ本体部の軸線方向長さ（振幅）Ｏ1 ヒータの中心軸線Ｏ2 酸素検出素子の中空部の中心軸線Ｔ素子接触部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】先端部が閉じた中空軸状をなし、その中
空部の内外面にそれぞれ電極層を有する酸素検出素子
と、前記酸素検出素子の中空部に挿入され、少なくともその
先端部に発熱部を有する軸状のヒータとを備え、前記ヒータの発熱部近傍において、該ヒータの中心軸線
が前記酸素検出素子の中空部の中心軸線に対して片側に
寄るように偏心して配置されるとともに、寄っている側
の前記酸素検出素子の中空部内壁面に対応する前記発熱
部の周方向の一部区域において、他の区域よりも高温と
なる高温発熱域を設けたことを特徴とする、酸素セン
サ。
【請求項２】前記高温発熱域は、前記ヒータの発熱部
表面が前記酸素検出素子の中空部内壁面に接触する位置
に配設されていることを特徴とする、請求項１記載の酸
素センサ。
【請求項３】前記ヒータの発熱部は、軸線方向に沿っ
て設ける複数の本体部と、それら本体部をその両端部に
おいて互いに接続する接続部とを有する一本の連続形態
に形成されている抵抗発熱体を、セラミック基体の周方
向に沿って配置するとともに、前記高温発熱域においては、前記本体部の単位長さ当た
りの電気抵抗値が他の区域におけるそれよりも大であ
り、及び／又は前記本体部の配置間隔が他の区域におけ
るそれよりも小であることを特徴とする、請求項１記載
の酸素センサ。
【請求項４】前記高温発熱域においては、前記本体部
の断面積が他の区域におけるそれよりも小であり、及び
／又は前記本体部の配置間隔が他の区域におけるそれよ
りも小であることを特徴とする、請求項３記載の酸素セ
ンサ。
【請求項５】前記高温発熱域付近における前記本体部
の軸線方向長さが他の区域におけるそれよりも小である
ことを特徴とする、請求項３記載の酸素センサ。
【請求項６】前記抵抗発熱体には、複数のヒータ端子
部にそれぞれ電気的に接続される複数の導線部が形成さ
れるとともに、前記高温発熱域は、前記発熱部の周方向において互いの
導線部間の中央付近に配設されていることを特徴とす
る、請求項１記載の酸素センサ。