JP2008076289A - センサ用ヒータおよびセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】切換手段を備えることなく、状況に応じて発熱部材の抵抗値を変更できるセンサ用ヒータを提供し、また、そのようなセンサ用ヒータを備えるセンサを提供する。
【解決手段】ヒータ５００は、単一の抵抗素子で構成された発熱部材ではなく、抵抗温度係数の異なる２種類の第１発熱部４５５および第２発熱部４５６を有する発熱部４５４を備えて構成されている。これにより、ヒータ５００は、第１発熱部４５５の抵抗温度曲線と第２発熱部４５６の抵抗温度曲線との交点に対応する温度（交点温度）を境界として分割された２つの温度領域において、発熱部４５４としての抵抗値が異なる値となることで、各温度領域における発熱部４５４の特性を切り換えることができる。よって、ヒータ５００によれば、切換手段を備えることなく、状況に応じて発熱部４５４の抵抗値を変更することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、活性化温度になることで特定ガスを検出できるセンサ素子を加熱するためのセンサ用ヒータ、およびそのようなセンサ用ヒータを備えるセンサに関する。

従来より、活性化温度になることで特定ガスを検出できるセンサ素子を加熱するためのセンサ用ヒータとして、複数の発熱素子（抵抗素子など）を並列接続して構成される発熱部を備えるものが知られている（特許文献１）。

このセンサ用ヒータは、発熱素子が並列接続された構成の発熱部を備えることにより、発熱部への印加電圧を低く設定できるため、マイグレーションなどの発生を抑制できる。また、複数の発熱素子を備える場合には、各発熱素子の配置位置を適宜設定することで、より広い範囲を加熱することができ、単数の発熱素子を備える場合に比べて、広い範囲を効率よく加熱することが可能となる。

また、センサ素子を加熱するためのセンサ用ヒータとして、複数の発熱素子（抵抗素子など）を備えるとともに、各発熱素子への通電状態を切り換える切換手段（スイッチなど）を備えるものが提案されている（特許文献２）。

このように複数の発熱素子および切換手段を備えることで、いずれかの発熱素子が劣化状態となった場合であっても、切換手段により他の発熱素子を発熱させることが可能となり、長期間にわたり使用可能なセンサ用ヒータを実現することができる。

そして、このようなセンサ用ヒータは、例えば、センサ素子や主体金具とともに、センサに備えられる。
特開平３−１８３９４２号公報（図１） 特開平９−０３３４８０号公報（図３）

しかしながら、上記従来のヒータのうち、特許文献１に記載のヒータにおいては、複数の発熱素子が同一材料で形成されており、複数の発熱素子からなる発熱部としての抵抗値が一定であるため、状況に応じて発熱部としての抵抗値を変更できないという問題がある。

一般に、抵抗素子からなる発熱部の発熱量Ｗ（＝Ｖ² ／Ｒ）は、印加電圧値Ｖが一定である場合には抵抗値Ｒが大きいほど発熱量Ｗが小さくなることから、例えば、発熱部の抵抗値が比較的高く設定された場合には、印加電圧値Ｖが一定であるときの発熱部における単位時間あたりの発熱量Ｗが小さくなる。このため、発熱部の抵抗値が高く設定された場合には、単位時間あたりの発熱量Ｗが小さくなり、センサ素子の加熱に要する所要時間が長くなるという問題がある。

これに対して、発熱部の抵抗値が比較的低く設定された場合には、印加電圧値Ｖが一定であるときの発熱部における単位時間あたりの発熱量Ｗが大きくなり、センサ素子の加熱に要する所要時間が短縮でき、センサ素子の早期加熱が実現できるという利点がある。

しかし、発熱部の抵抗値が比較的低く設定された場合には、発熱部の最高温度が比較的高い温度となり、センサ用ヒータのうち発熱部への通電経路を形成するリード部での電力消費が大きくなることがある。つまり、発熱部の抵抗値が低く設定された場合には、発熱部の最高温度は比較的高い温度となり、リード部の温度上昇が生じやすくなるため、温度上昇に伴いリード部の抵抗値が大きくなると、リード部での無駄な電力消費が大きくなる虞がある。

つまり、センサ素子の早期加熱が必要な状況下と、無駄な電力消費の抑制が必要な状況下とでは、発熱部として最適な抵抗値が異なることになるが、特許文献１に記載のヒータにおいては、状況に応じて抵抗値を変更することが不可能である。

これに対して、上記従来技術のうち特許文献２に記載のヒータのように切換手段を備える場合には、切換手段により複数の発熱素子に対する通電状態を適宜切り換えることで、状況に応じて発熱部全体としての抵抗値を変更することが可能となる。

しかし、この場合には、ヒータへの通電状態を切り換えるための切換手段を備える必要があるために、ヒータおよびヒータ制御装置を含む全体構成が複雑になる、という問題がある。

そこで、本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、切換手段を備えることなく、状況に応じて発熱部の抵抗値を変更できるセンサ用ヒータを提供し、また、そのようなセンサ用ヒータを備えるセンサを提供することを目的とする。

かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、活性化温度になることで特定ガスを検出できるセンサ素子を加熱するためのセンサ用ヒータであって、外部からの電力供給を受けて発熱する発熱部と、外部から発熱部への通電経路を形成するリード部と、を備え、発熱部は、並列接続された複数の抵抗素子を備えており、複数の抵抗素子には、互いに抵抗温度係数が異なる１組の抵抗素子が少なくとも含まれており、抵抗素子における温度変化に対する抵抗値変化の相関関係を示す抵抗温度曲線について、１組の抵抗素子のうち、相対的に抵抗温度係数の大きい係数大抵抗素子の抵抗温度曲線と、１組の抵抗素子のうち相対的に抵抗温度係数の小さい係数小抵抗素子の抵抗温度曲線との交点は、当該センサ用ヒータの通電開始時温度から最高発熱温度までの使用温度領域内に含まれること、を特徴とするセンサ用ヒータである。

つまり、このセンサ用ヒータは、係数大抵抗素子の抵抗温度曲線と係数小抵抗素子の抵抗温度曲線との交点に対応する温度（以下、交点温度ともいう）を境界として分割された２つの温度領域のそれぞれにおいて発熱部としての抵抗値が異なる値となることから、２つの温度領域における発熱部の特性を切り換えることができる。

そして、交点温度がセンサ用ヒータの通電開始時温度から最高発熱温度までの使用温度領域内に含まれることから、センサ用ヒータの使用環境下において発熱部の温度が交点温度を横切ることになる。このため、センサ用ヒータは、使用環境下において確実に発熱部の抵抗値を切り換えることができる。

よって、本発明のセンサ用ヒータによれば、切換手段（スイッチング手段など）を備える必要が無いため、ヒータ制御装置を含めた全体の構成が複雑化することなく、状況に応じて発熱部の抵抗値を切り換えることが可能となる。

次に、上記のセンサ用ヒータにおいては、請求項２に記載のように、係数大抵抗素子の抵抗温度曲線と係数小抵抗素子の抵抗温度曲線との交点が、センサ素子の活性化温度を中心とする±５０℃の範囲内に含まれる構成を採ることができる。

まず、交点に対応する温度（交点温度）よりも低温側となる温度領域では、係数小抵抗素子の抵抗値に比べて係数大抵抗素子の抵抗値が小さい値となることから、係数小抵抗素子よりも係数大抵抗素子に電流が流れやすくなる。このため、交点温度よりも低温側となる温度領域では、発熱部のうち電流が流れやすい係数大抵抗素子での発熱量が大きくなる。

そして、通電開始直後のように最も温度が低い時期においては、係数大抵抗素子の抵抗値が最も小さい値となることから、印加電圧が一定である場合には、係数大抵抗素子での発熱量が通電開始直後において最大となり、センサ素子の早期加熱を実現できる。

次に、交点温度よりも高温側となる温度領域では、係数大抵抗素子の抵抗値に比べて係数小抵抗素子の抵抗値が小さい値となることから、係数大抵抗素子よりも係数小抵抗素子に電流が流れやすくなる。このため、交点温度よりも高温側となる温度領域では、発熱部のうち電流が流れやすい係数小抵抗素子での発熱が大きくなる。

そして、係数小抵抗素子は、温度変化に伴う抵抗値変化が小さいことから、温度上昇幅が同一であるときの抵抗値の増加量は係数大抵抗素子に比べて小さくなる。このため、発熱部は、温度上昇にあたり交点温度を超えた後には、温度上昇に伴う発熱部の抵抗値増加量が小さくなることで、発熱量が大幅に低下するのを防止でき、センサ素子の早期加熱を実現できる。

また、抵抗温度係数の異なる係数小抵抗素子および係数大抵抗素子を備える発熱部の抵抗値は、係数小抵抗素子のみを備える発熱部に比べて、高温領域での抵抗値が大きくなるため、最高温度が相対的に低くなる。このため、リード部の温度上昇が生じ難くなり、温度上昇に伴うリード部の抵抗値増加が生じがたくなるため、リード部での無駄な電力消費を抑制できる。

よって、本発明によれば、切換手段を備えることなく、状況に応じて発熱部の抵抗値を変更することで、センサ素子の早期活性化を図ることができる。また、このセンサ用ヒータは、発熱部の最高温度を低く抑えることができるため、リード部での無駄な電力消費を抑制できる。

なお、センサ素子が活性化状態となる温度は、ある１点の温度のみではなく一定幅を有する温度帯となるが、本発明における活性化温度は、センサ素子が活性化状態となる温度帯のうち最低温度を意味している。そして、本発明のように、交点温度がセンサ素子における活性化温度の近傍（活性化温度を中心とする±５０℃の範囲内）となる構成を採ることで、センサ素子の活性化前後において発熱部の抵抗値を変更することができる。

次に、上記のセンサ用ヒータにおいては、例えば、請求項３に記載のように、係数大抵抗素子の抵抗温度係数と係数小抵抗素子の抵抗温度係数との差が８００［ｐｐｍ／℃］以上である構成を採ることができる。

このようなセンサ用ヒータにおいては、係数大抵抗素子の抵抗温度係数と係数小抵抗素子の抵抗温度係数との差が大きいことから、交点温度を境界として分割された２つの温度領域における発熱部としての抵抗温度特性がそれぞれ異なるものとなる。

これにより、本発明のセンサ用ヒータによれば、交点温度を境界とする２つの温度領域のそれぞれにおいて、発熱部としての抵抗温度特性を切り換えることができ、各温度領域における発熱部の特性の差異をより明確にすることができる。

次に、上述のセンサ用ヒータにおいては、発熱部における係数大抵抗素子および係数小抵抗素子の配置形態として多様な形態が考えられるが、例えば、請求項４に記載のように、発熱部は、係数大抵抗素子および係数小抵抗素子が重ね合わされた構成を採ることができる。

発熱部をこのような重ね合わせ構造とすることで、係数大抵抗素子および係数小抵抗素子が並列接続された発熱部を実現することができる。
なお、係数大抵抗素子と係数小抵抗素子とを重ね合わせる際には、互いの全体が電気的に接続されるように構成してもよく、あるいは、係数大抵抗素子と係数小抵抗素子との間の一部に絶縁層を配置しつつ、互いの両端部どうしが電気的に接続されるように構成してもよい。

そして、このような重ね合わせ構造の発熱部を備える場合には、請求項５に記載のように、発熱部は、重ね合わせ方向におけるセンサ素子に近い位置に係数大抵抗素子が配置され、重ね合わせ方向におけるセンサ素子から遠い位置に係数小抵抗素子が配置された構成を採ることができる。

係数大抵抗素子および係数小抵抗素子をこのように配置することで、係数大抵抗素子からセンサ素子までの物理的な距離が短くなるため、係数大抵抗素子からセンサ素子までの熱伝導が良好となる。

これにより、通電開始直後などのより大きな発熱でセンサ素子を加熱したい低温時期において、係数大抵抗素子による発熱量をセンサ素子に対して好適に熱伝導させることができ、センサ素子の活性化に要する時間を短縮することができる。

また、上述のセンサ用ヒータにおいては、発熱部における係数大抵抗素子および係数小抵抗素子の配置形態としては、例えば、請求項６に記載のように、発熱部は、係数大抵抗素子および係数小抵抗素子が並んで配置されると共に、係数大抵抗素子および係数小抵抗素子のうち少なくとも両端部が互いに接触している構成を採ることができる。

このように、係数大抵抗素子および係数小抵抗素子が並んで配置される構造とすることでも、係数大抵抗素子および係数小抵抗素子が並列接続された発熱部を実現することができる。

なお、係数大抵抗素子と係数小抵抗素子とが並んで配置される構成とする際には、互いの全体が電気的に接続される構成を採ることができる。あるいは、一定の隙間を介して係数大抵抗素子と係数小抵抗素子とを配置しつつ、互いの両端部どうしが電気的に接続されるように構成することができる。

そして、このような構成の発熱部を備える場合には、請求項７に記載のように、発熱部は、自身の形成領域において、係数大抵抗素子が係数小抵抗素子よりも内側に配置された構成を採ることができる。

つまり、発熱部（係数大抵抗素子および係数小抵抗素子）の形成領域のうち内側部分は、外側部分に比べて、センサ用ヒータの内側に位置する。また、上述したように、交点温度よりも低温側となる温度領域では、係数大抵抗素子での発熱量は、係数小抵抗素子の発熱量よりも大きくなる。

このことから、このセンサ用ヒータは、交点温度よりも低温側となる温度領域においては、内側に配置された係数大抵抗素子の発熱量が大きくなるため、自身の周縁部分ではなく自身の内側から温度が上昇する。これにより、センサ用ヒータは、低温時期においても自身の温度を確実に上昇させることができるとともに、センサ素子に対して確実に熱量を供給することができる。

よって、本発明のセンサ用ヒータは、通電開始直後などのより大きな発熱でセンサ素子を加熱したい低温時期においても、センサ素子に対して好適に熱量を供給することができ、センサ素子の活性化に要する時間を短縮することができる。

なお、本発明においては、発熱部の形成領域における内側および外側の判定は、センサ用ヒータの外表面までの距離に基づいて判定されるものであり、その距離が大きいほど内側と判定され、その距離が小さいほど外側と判定される。そして、本発明のセンサ用ヒータにおいては、係数大抵抗素子は、係数小抵抗素子との相対的な位置関係において内側に配置されるものであり、係数大抵抗素子の形成位置は、発熱部の形成領域における特定領域に限定されるものではない。また、係数大抵抗素子および係数小抵抗素子の配置領域は、平面に限られることはなく、曲面であってもよい。

次に、上記目的を達成するためになされた請求項８に記載の発明は、軸線方向に延びる板状形状のセンサ素子と、該センサ素子と一体に積層されたセンサ用ヒータと、センサ素子およびセンサ用ヒータの周囲を取り囲む主体金具と、を備えたセンサにおいて、センサ用ヒータは、請求項１から７のいずれか一項に記載のセンサ用ヒータであること、を特徴とするセンサである。

このセンサは、センサ用ヒータが請求項１から７のいずれか一項に記載のセンサ用ヒータで構成されていることから、切換手段（スイッチング手段など）を備える必要が無いため、ヒータ制御装置を含めた全体の構成が複雑化することなく、状況に応じて発熱部の抵抗値を切り換えることが可能となる。

次に、上記目的を達成するためになされた請求項９に記載の発明は、軸線方向に延びる有底筒状のセンサ素子と、該センサ素子の内側に配置されたセンサ用ヒータと、センサ素子の周囲を取り囲む主体金具と、を備えたセンサにおいて、センサ用ヒータは、請求項１から７のいずれか一項に記載のセンサ用ヒータであること、を特徴とするセンサである。

このセンサは、センサ用ヒータが請求項１から７のいずれか一項に記載のセンサ用ヒータで構成されていることから、切換手段（スイッチング手段など）を備える必要が無いため、ヒータ制御装置を含めた全体の構成が複雑化することなく、状況に応じて発熱部の抵抗値を切り換えることが可能となる。

以下に、本発明を適用した実施形態を図面と共に説明する。
尚、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもない。

本実施形態では、酸素センサ２に備えられるセンサ素子４のセンサ部６００を加熱するためのヒータ５００について説明する。
なお、酸素センサ２は、ガスセンサの一種であって、自動車や各種内燃機関における各種制御（例えば、空燃比フィードバック制御など）に使用するために、内燃機関の排気管に装着されるものであり、測定対象ガス（排ガス）中の特定ガス（酸素）を検出する検出素子４（センサ素子４）が組み付けられている。

図１は、本発明を適用したヒータ５００を備えて構成される酸素センサ２の全体構成を示す断面図である。
酸素センサ２は、排気管に固定するためのネジ部１０３が外表面に形成された筒状の主体金具１０２と、軸線方向（図中上下方向）に延びる板状形状をなすセンサ素子４と、センサ素子４の径方向周囲を取り囲むように配置される筒状のセラミックスリーブ６と、軸線方向に貫通するコンタクト挿通孔８４の内壁面がセンサ素子４の後端部の周囲を取り囲む状態で配置される絶縁コンタクト部材８２と、センサ素子４と絶縁コンタクト部材８２との間に配置される４個のリードフレーム１０（図１では、２個のみを図示）と、を備えている。

センサ素子４は、軸線方向に延びる板状形状をなし、測定対象となるガスに向けられる先端側（図中下方）に検出部８が形成され、後端側（図中上方）の外表面のうち表裏の位置関係となる第１板面２１および第２板面２３に電極端子部３０，３２，３４，３６が形成されている。

なお、電極端子部３０は検知側センサ電極パッド３０として備えられ、電極端子部３２は基準側センサ電極パッド３２として備えられ、電極端子部３４，３６はヒータ電極パッド３４，３６として備えられている。

リードフレーム１０は、センサ素子４と絶縁コンタクト部材８２との間に配置されることで、センサ素子４の電極端子部３０，３２，３４，３６にそれぞれ電気的に接続される。また、リードフレーム１０は、外部からセンサの内部に配設されるリード線４６（図１では、２個のみを図示）にも電気的に接続されており、リード線４６が接続される外部機器と電極端子部３０，３２，３４，３６との間に流れる電流の電流経路を形成する。

主体金具１０２は、軸線方向に貫通すると共に、この軸線方向に垂直な断面における内周が円形の貫通孔１０９を有し、貫通孔１０９の径方向内側に突出する棚部１０７を有する略筒状形状に構成されている。また、主体金具１０２は、検出部８を貫通孔１０９の先端側外部に配置し、電極端子部３０，３２，３４，３６を貫通孔１０９の後端側外部に配置する状態で貫通孔１０９に挿通されたセンサ素子４を、他部材（第１粉末充填層１０８など）を介して保持するよう構成されている。さらに、棚部１０７は、軸線方向に垂直な平面に対して傾きを有する後端側向き拡径状のテーパ面を有している。

なお、主体金具１０２の貫通孔１０９の内部には、センサ素子４の径方向周囲を取り囲む状態で、環状形状のセラミックホルダ１０６、第１粉末充填層１０８（以下、滑石リング１０８ともいう）、第２粉末充填層１１０および上述のセラミックスリーブ６が、この順に先端側から後端側にかけて積層されている。また、セラミックスリーブ６と主体金具１０２の後端部１０４との間には、加締パッキン１１２が配置されており、主体金具１０２の後端部１０４は、加締パッキン１１２を介してセラミックスリーブ６を先端側に押し付けるように、加締められている。

さらに、セラミックホルダ１０６および滑石リング１０８における一部の周囲のうち、主体金具１０２との間には、金属カップ１２５が配置されている。なお、金属カップ１２５は、セラミックホルダ１０６および滑石リング１０８の側面を覆うと共に、セラミックホルダ１０６の先端側を覆う筒状形状に形成されている。

一方、主体金具１０２の先端側（図１における下方）外周には、センサ素子４の突出部分を覆うと共に、複数の孔部を有する金属製（例えば、ステンレスなど）の二重の外部プロテクタ４２および内部プロテクタ４３が、溶接等によって取り付けられている。

そして、主体金具１０２の後端側外周には、外筒４４が固定されている。また、外筒４４の後端側（図１における上方）の開口部には、センサ素子４の各電極端子部３０，３２，３４，３６とそれぞれ電気的に接続される４本のリード線４６が挿通されるリード線挿通孔が形成されたセラミックセパレータ４８とグロメット５０とが配置されている。

ここで、センサ素子４の概略構造を表す分解斜視図を、図２に示す。なお、図２では、先端側が図における左側となり、後端側が図における右側となるように、センサ素子４を図示している。図示するように、センサ素子４は、センサ部６００と、ヒータ５００と、を備えて構成されている。

このうち、センサ部６００は、酸素濃度検出セル４３０および保護層４０７を備えて構成されている。
センサ部６００の酸素濃度検出セル４３０は、部分安定化ジルコニア焼結体からなる固体電解質体４０５と、白金（Ｐｔ）からなる第１電極４０４および第２電極４０６と、を備えて構成されている。

固体電解質体４０５は、板型形状に形成されており、後端側に厚さ方向に貫通する第１スルーホール４６１を備えている。また、固体電解質体４０５は、ジルコニア（ＺｒＯ₂ ）に安定化剤としてイットリア（Ｙ₂Ｏ₃）又はカルシア（ＣａＯ）を添加してなる部分安定化ジルコニア焼結体で構成されている。

第１電極４０４は、固体電解質体４０５の一部を覆う第１電極部４５１と、第１電極部４５１から固体電解質体４０５の長手方向の後端側に延びる第１リード部４５３と、を備えて形成されている。

第２電極４０６は、固体電解質体４０５の一部を覆う第２電極部４４７と、第２電極部４４７から固体電解質体４０５の長手方向の後端側に延びる第２リード部４４９と、を備えて形成されている。

これら一対の電極（第１電極４０４、第２電極４０６）のうち、第１電極４０４は固体電解質体４０５の表面（図２における上面）に配置され、第２電極４０６は固体電解質体４０５の裏面（図２における下面）に配置される。

そして、第１リード部４５３における後端側の端末は、固体電解質体４０５に設けられる第１スルーホール４６１と、後述する保護層４０７に設けられるスルーホール４４５と、を介して基準側センサ電極パッド３２と電気的に接続される。また、第２リード部４４９における後端側の端末は、後述する保護層４０７に設けられるスルーホール４４３を介して検知側センサ電極パッド３０と電気的に接続される。

また、固体電解質体４０５の表面には、第２電極４０６を挟み込むようにして、保護層４０７が形成されている。この保護層４０７は、多孔質材料からなる電極保護部４４１と、絶縁性材料からなる補強部４０８と、を備えている。

電極保護部４４１は、固体電解質体４０５との間で第２電極部４４７を挟み込むように位置して第２電極部４４７を被毒から防御するために備えられる。
補強部４０８は、厚さ方向に貫通する貫通孔４４２を有する板型形状に形成されている。また、補強部４０８は、後端側に厚さ方向に貫通するスルーホール４４３、４４５を備えている。

補強部４０８は、固体電解質体４０５との間で第２リード部４４９を挟み込むように位置して、第２リード部４４９および固体電解質体４０５を保護するために備えられる。また、電極保護部４４１は補強部４０８における貫通孔４４２の内部に配置されている。

次に、ヒータ５００は、アルミナを主体とする第１基体４０１と、アルミナを主体とする第２基体４０３と、第１基体４０１と第２基体４０３とに挟まれた発熱体４０２と、を備えて構成されている。

このうち、第１基体４０１は、後端側に厚さ方向に貫通する２つのヒータ側スルーホール４５９を備えている。第２基体４０３は、第１基体４０１との間で発熱体４０２を挟み込むとともに、センサ部６００に当接して配置されている。

また、発熱体４０２は、先端側に位置する発熱部４５４と、発熱部４５４から第１基体４０１の長手方向に沿って延びる一対のヒータリード部４５７と、を備えて構成されている。

そして、一対のヒータリード部４５７における後端側端末は、第１基体４０１に設けられる２つのヒータ側スルーホール４５９を介して、白金族元素で形成されたヒータ電極パッド３４，３６に対して電気的に接続される。

発熱部４５４は、２つの抵抗素子（第１発熱部４５５および第２発熱部４５６）を備えて構成されている。
第１発熱部４５５は、白金（Ｐｔ）９０ｗｔ％とロジウム（Ｒｈ）１０ｗｔ％の合金で形成された抵抗素子であり、両端部が一対のヒータリード部４５７と電気的に接続されている。なお、白金（Ｐｔ）９０ｗｔ％とロジウム（Ｒｈ）１０ｗｔ％の合金は、抵抗温度係数が１４００［ｐｐｍ／℃］である。

第２発熱部４５６は、白金（Ｐｔ）で形成された抵抗素子であり、両端部が一対のヒータリード部４５７と電気的に接続可能な形状で構成されている。なお、白金（Ｐｔ）は、抵抗温度係数が２９００［ｐｐｍ／℃］である。

そして、第１発熱部４５５および第２発熱部４５６は、積層方向（重ね合わせ方向）に見たときの形状が同一形状に形成されており、積層状態（重ね合わせ状態）に配置されることで互いの全体が電気的に接続された状態で配置される。

つまり、発熱部４５４は、並列接続された第１発熱部４５５および第２発熱部４５６を備えて構成されており、外部の電源装置（バッテリなど）からヒータ電極パッド３４，３６およびヒータリード部４５７を介して電力供給を受けることにより発熱するよう構成されている。

ここで、第１発熱部４５５の抵抗温度曲線および第２発熱部４５６の抵抗温度曲線の一例を示した説明図を、図３に示す。なお、図３では、「抵抗温度係数：小」が第１発熱部４５５の抵抗温度曲線に相当し、「抵抗温度係数：大」が第２発熱部４５６の抵抗温度曲線に相当する。

第１発熱部４５５および第２発熱部４５６は、第１発熱部４５５の抵抗温度曲線と第２発熱部４５６の抵抗温度曲線との交点に対応する温度（以下、交点温度ともいう）が６００［℃］となるように構成されている。

なお、センサ部６００の活性化温度は約６００［℃］であることから、第１発熱部４５５の抵抗温度曲線と第２発熱部４５６の抵抗温度曲線との交点温度は、センサ部６００の活性化温度の近傍に設定されている。

このように構成された発熱部４５４は、交点温度を境界として分割された２つの温度領域のそれぞれにおいて、第１発熱部４５５および第２発熱部４５６の抵抗値が変化することにより、発熱部４５４としての抵抗値が異なる値となる。つまり、ヒータ５００は、発熱部４５４の発熱により温度変化する際に、２つの温度領域のそれぞれにおける発熱部４５４の特性を切り換え可能に構成されている。

図３に示すように、交点温度よりも低温側となる温度領域では、第１発熱部４５５（抵抗温度係数：小）の抵抗値に比べて第２発熱部４５６（抵抗温度係数：大）の抵抗値が小さい値となり、また、交点温度よりも高温側となる温度領域では、第２発熱部４５６の抵抗値に比べて第１発熱部４５５の抵抗値が小さい値となることが判る。

また、印加電圧Ｖが一定である場合には、抵抗値Ｒが小さくなるほど抵抗素子での発熱量（消費電力量Ｗ＝Ｖ² ／Ｒ）が大きくなることから、並列接続された第１発熱部４５５および第２発熱部４５６においては、印加電圧が同一値になるため、抵抗値が小さい方の発熱量が大きくなる。

これらのことから、交点温度よりも低温側となる温度領域では、第１発熱部４５５よりも第２発熱部４５６に電流が流れやすくなるため、発熱部４５４のうち電流が流れやすい第２発熱部４５６での発熱量が大きくなる。とりわけ、通電開始直後のように最も温度が低い時期においては、第２発熱部４５６の抵抗値が最も小さい値となることから、第２発熱部４５６での発熱量がより大きくなる。

つまり、交点温度よりも低温側となる温度領域では、第２発熱部４５６での発熱量が大きくなることで、発熱部４５４における発熱量を大きくできるため、発熱部４５４は、交点温度よりも低温側となる温度領域においても、センサ部６００の早期加熱を実現できる。

また、交点温度よりも高温側となる温度領域では、第２発熱部４５６よりも第１発熱部４５５に電流が流れやすくなるため、発熱部４５４のうち電流が流れやすい第１発熱部４５５での発熱が大きくなる。そして、第１発熱部４５５は、温度変化に伴う抵抗値変化が小さいことから、温度が上昇した場合であっても抵抗値が大幅に増加することが無いため、温度上昇に伴い発熱量が大幅に低下するのを防止できる。

つまり、交点温度よりも高温側となる温度領域では、第１発熱部４５５での発熱量が大きくなることで、発熱部４５４における発熱量を大きくできるため、発熱部４５４は、交点温度よりも高温側となる温度領域においても、センサ部６００の早期加熱を実現できる。

また、抵抗温度係数の異なる第１発熱部４５５および第２発熱部４５６を備える発熱部４５４の抵抗値は、例えば、第１発熱部４５５のみを備える発熱部に比べて、高温領域での抵抗値が大きくなるため、最高温度が相対的に低くなる。このため、ヒータリード部４５７の温度上昇が生じ難くなり、温度上昇に伴うヒータリード部４５７の抵抗値増加が生じがたくなるため、ヒータリード部４５７での無駄な電力消費を抑制できる。

なお、本実施形態においては、ヒータ５００が特許請求の範囲に記載のセンサ用ヒータに相当し、発熱部４５４が発熱部に相当し、ヒータリード部４５７がリード部に相当し、第１発熱部４５５および第２発熱部４５６が複数の抵抗素子に相当している。また、第１発熱部４５５が係数小抵抗素子に相当し、第２発熱部４５６が係数大抵抗素子に相当している。さらに、センサ部６００がセンサ素子に相当している。

以上説明したように、本実施形態のヒータ５００は、単一の抵抗素子で構成された発熱部ではなく、抵抗温度係数の異なる２種類の第１発熱部４５５および第２発熱部４５６を有する発熱部４５４を備えて構成されている。

これにより、ヒータ５００は、第１発熱部４５５の抵抗温度曲線と第２発熱部４５６の抵抗温度曲線との交点に対応する温度（交点温度）を境界として分割された２つの温度領域において、発熱部４５４としての抵抗値が異なる値となることで、各温度領域における発熱部４５４の特性を切り換えることができる。

そして、第１発熱部４５５の抵抗温度曲線と第２発熱部４５６の抵抗温度曲線との交点温度は、６００［℃］であり、ヒータ５００の通電開始時温度（寒冷地では、−４０［℃］程度）からヒータ５００の最高発熱温度（約１３００［℃］）までのヒータ使用温度範囲に含まれている。

また、ヒータ５００からセンサ部６００への熱伝導には一定の時間を要することから、センサ部６００が活性化温度まで加熱される時期には、ヒータ５００の温度は活性化温度よりも高い温度となることが多い。

このため、ヒータ５００は、センサ素子４においてセンサ部６００を加熱するにあたり、通電開始からセンサ部６００が活性化するまでの期間中に、発熱部４５４が交点温度を横切ることになる。つまり、ヒータ５００は、使用環境下において発熱部４５４の温度が交点温度を横切ることで、発熱部４５４の抵抗値を切り換えることができる。

そして、ヒータ５００は、交点温度よりも低温側となる温度領域では、第２発熱部４５６での発熱量が大きくなることで、発熱部４５４における発熱量を大きくでき、また、交点温度よりも高温側となる温度領域では、第１発熱部４５５での発熱量が大きくなることで、発熱部４５４における発熱量を大きくできる。

このことから、ヒータ５００は、交点温度よりも低温側となる温度領域においても、また、交点温度よりも高温側となる温度領域においても、センサ部６００に対する熱量供給状態が良好となり、センサ部６００の早期加熱を実現できるという利点がある。

よって、本実施形態のヒータ５００によれば、切換手段を備えることなく、状況に応じて発熱部４５４の抵抗値を変更することで、センサ部６００の早期活性化を図ることができる。

また、本実施形態では、第１発熱部４５５の抵抗温度係数が１４００［ｐｐｍ／℃］であり、第２発熱部４５６の抵抗温度係数が２９００［ｐｐｍ／℃］であることから、第１発熱部４５５の抵抗温度係数と第２発熱部４５６の抵抗温度係数との差（１５００［ｐｐｍ／℃］）が大きいという特徴がある。

このように第１発熱部４５５と第２発熱部４５６との抵抗温度係数の差が大きい場合には、交点温度を境界として分割された２つの温度領域における発熱部４５４としての抵抗温度特性が、それぞれの温度領域ごとに異なる特性となる。

このため、ヒータ５００においては、交点温度を境界とする２つの温度領域のそれぞれにおいて、発熱部４５４としての抵抗温度特性を切り換えることができ、各温度領域における発熱部４５４の特性の差異がより明確となる。

また、ヒータ５００のうち発熱部４５４は、積層方向（重ね合わせ方向）におけるセンサ部６００に近い位置に第２発熱部４５６が配置され、積層方向（重ね合わせ方向）におけるセンサ部６００から遠い位置に第１発熱部４５５が配置された構成である。このような構成の発熱部４５４は、第２発熱部４５６からセンサ部６００までの物理的な距離が短くなるため、第２発熱部４５６からセンサ部６００までの熱伝導が良好となる。

これにより、ヒータ５００は、通電開始直後などのより大きな発熱でセンサ素子を加熱したい低温時期には、第２発熱部４５６による発熱量をセンサ部６００に対して良好に熱伝導させることができ、センサ部６００の活性化に要する時間を短縮できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることはなく、種々の態様をとることができる。
例えば、上記実施形態（以下、第１実施形態ともいう）では、複数の抵抗素子が積層状態（重ね合わせ状態）で備えられる発熱部を備えるセンサ用ヒータ（ヒータ５００）について説明したが、発熱部は、複数の抵抗素子が積層状態（重ね合わせ状態）で備えられる形態に限られることはなく、複数の抵抗素子が並んで配置される形態であってもよい。

そこで、第２実施形態として、複数の抵抗素子が並んで配置されてなる発熱部を備えるセンサ用ヒータについて説明する。なお、第２実施形態のセンサ用ヒータは、第２検出素子５（第２センサ素子５）に備えられる第２ヒータ５０１である。

図４に、第２センサ素子５の概略構造を表す分解斜視図を示す。なお、図４では、先端側が図における左側となり、後端側が図における右側となるように、第２センサ素子５を図示している。

第２検出素子５は、第１実施形態の検出素子４と同様に軸線方向に延びる板状形状をなしており、第１実施形態の酸素センサ２において検出素子４に代わるセンサ素子として利用することができる。

そして、第２検出素子５は、センサ部６００と第２ヒータ５０１とを備えて構成されている。このうち、センサ部６００は、第１実施形態のセンサ部６００と同様の構成であることから、説明を省略する。

第２ヒータ５０１は、アルミナを主体とする第１基体４０１と、アルミナを主体とする第２基体４０３と、第１基体４０１と第２基体４０３とに挟まれた面配置発熱体４１２と、を備えて構成されている。

このうち、第１基体４０１は、後端側に厚さ方向に貫通する２つのヒータ側スルーホール４５９を備えている。第２基体４０３は、第１基体４０１との間で面配置発熱体４１２を挟み込むとともに、センサ部６００に当接して配置されている。

また、面配置発熱体４１２は、先端側に位置する面配置発熱部５５４と、面配置発熱部５５４から第１基体４０１の長手方向に沿って延びる一対のヒータリード部４５７と、を備えて構成されている。

そして、一対のヒータリード部４５７における後端側端末は、第１基体４０１に設けられる２つのヒータ側スルーホール４５９を介して、白金族元素で形成されたヒータ電極パッド３４，３６に対して電気的に接続される。

また、面配置発熱部５５４は、外側発熱部５５５および内側発熱部５５６を備えて構成されている。
外側発熱部５５５は、白金（Ｐｔ）９０ｗｔ％とロジウム（Ｒｈ）１０ｗｔ％の合金で形成された抵抗素子であり、両端部が一対のヒータリード部４５７と電気的に接続されている。なお、白金（Ｐｔ）９０ｗｔ％とロジウム（Ｒｈ）１０ｗｔ％の合金は、抵抗温度係数が１４００［ｐｐｍ／℃］である。

内側発熱部５５６は、白金（Ｐｔ）で形成された抵抗素子であり、両端部が一対のヒータリード部４５７と電気的に接続可能な形状で構成されている。なお、白金（Ｐｔ）は、抵抗温度係数が２９００［ｐｐｍ／℃］である。

そして、外側発熱部５５５および内側発熱部５５６は、重ね合わせ方向に見たときの形状が互いに異なる形状に形成されている。つまり、第１基体４０１と第２基体４０３との間に形成される面において、この面の外側領域（面の周縁に近い領域）に外側発熱部５５５が配置され、この面のうち外側発熱部５５５の配置領域よりも内側の領域に内側発熱部５５６が配置されている。

なお、外側発熱部５５５および内側発熱部５５６は、互いの両端部どうしが電気的に接続されており、また、互いの両端部は、一対のヒータリード部４５７に電気的に接続されている。

つまり、面配置発熱部５５４は、並列接続された外側発熱部５５５および内側発熱部５５６を備えて構成されており、外部の電源装置（バッテリなど）からヒータ電極パッド３４，３６およびヒータリード部４５７を介して電力供給を受けることにより発熱するよう構成されている。

なお、外側発熱部５５５の抵抗温度曲線および内側発熱部５５６の抵抗温度曲線は、第１実施形態における第１発熱部４５５の抵抗温度曲線および第２発熱部４５６の抵抗温度曲線と同様であり、図３に示すような関係となる。なお、図３では、「抵抗温度係数：小」が外側発熱部５５５の抵抗温度曲線に相当し、「抵抗温度係数：大」が内側発熱部５５６の抵抗温度曲線に相当する。

外側発熱部５５５および内側発熱部５５６は、外側発熱部５５５の抵抗温度曲線と内側発熱部５５６の抵抗温度曲線との交点温度が６５０［℃］となるように構成されている。
なお、センサ部６００の活性化温度は約６００［℃］であることから、外側発熱部５５５の抵抗温度曲線と内側発熱部５５６の抵抗温度曲線との交点に対応する温度（以下、交点温度ともいう）は、センサ部６００の活性化温度の近傍（活性化温度を中心とする±５０℃の範囲内）に設定されている。

このように構成された面配置発熱部５５４は、交点温度を境界として分割された２つの温度領域のそれぞれにおいて、外側発熱部５５５および内側発熱部５５６の抵抗値が変化することにより、面配置発熱部５５４の全体としての抵抗値が異なる値となる。つまり、面配置発熱体４１２は、面配置発熱部５５４の発熱により温度変化する際に、２つの温度領域のそれぞれにおける面配置発熱部５５４の特性を切り換え可能に構成されている。

図３に示すように、交点温度よりも低温側となる温度領域では、外側発熱部５５５（抵抗温度係数：小）の抵抗値に比べて内側発熱部５５６（抵抗温度係数：大）の抵抗値が小さい値となり、また、交点温度よりも高温側となる温度領域では、内側発熱部５５６の抵抗値に比べて外側発熱部５５５の抵抗値が小さい値となることが判る。

また、印加電圧が一定である場合には、抵抗値が小さくなるほど抵抗素子での発熱量（消費電力量）が大きくなることから、並列接続された外側発熱部５５５および内側発熱部５５６においては、印加電圧が同一値になるため、抵抗値が小さい方が発熱量が大きくなる。

これらのことから、交点温度よりも低温側となる温度領域では、外側発熱部５５５よりも内側発熱部５５６に電流が流れやすくなるため、面配置発熱部５５４のうち電流が流れやすい内側発熱部５５６での発熱量が大きくなる。とりわけ、通電開始直後のように最も温度が低い時期においては、内側発熱部５５６の抵抗値が最も小さい値となることから、内側発熱部５５６での発熱量がより大きくなる。

つまり、交点温度よりも低温側となる温度領域では、内側発熱部５５６での発熱量が大きくなることで、面配置発熱部５５４における発熱量を大きくできるため、面配置発熱部５５４は、交点温度よりも低温側となる温度領域においても、センサ部６００の早期加熱を実現できる。

また、交点温度よりも高温側となる温度領域では、内側発熱部５５６よりも外側発熱部５５５に電流が流れやすくなるため、面配置発熱部５５４のうち電流が流れやすい外側発熱部５５５での発熱が大きくなる。そして、外側発熱部５５５は、温度変化に伴う抵抗値変化が小さいことから、温度が上昇した場合であっても抵抗値が大幅に増加することが無いため、温度上昇に伴い発熱量が大幅に低下するのを防止できる。

つまり、交点温度よりも高温側となる温度領域では、外側発熱部５５５での発熱量が大きくなることで、面配置発熱部５５４における発熱量を大きくできるため、面配置発熱部５５４は、交点温度よりも高温側となる温度領域においても、センサ部６００の早期加熱を実現できる。

なお、第２実施形態においては、第２ヒータ５０１が特許請求の範囲に記載のセンサ用ヒータに相当し、面配置発熱部５５４が発熱部に相当し、ヒータリード部４５７がリード部に相当し、外側発熱部５５５および内側発熱部５５６が複数の抵抗素子に相当している。また、外側発熱部５５５が係数小抵抗素子に相当し、内側発熱部５５６が係数大抵抗素子に相当している。

以上説明したように、第２実施形態の第２ヒータ５０１は、単一の抵抗素子で構成された発熱部ではなく、抵抗温度係数の異なる２種類の外側発熱部５５５および内側発熱部５５６を有する面配置発熱部５５４を備えて構成されている。

これにより、第２ヒータ５０１は、外側発熱部５５５の抵抗温度曲線と内側発熱部５５６の抵抗温度曲線との交点に対応する温度（交点温度）を境界として分割された２つの温度領域において、面配置発熱部５５４の全体としての抵抗値が異なる値となることで、各温度領域における面配置発熱部５５４の特性を切り換えることができる。

そして、外側発熱部５５５の抵抗温度曲線と内側発熱部５５６の抵抗温度曲線との交点温度は、６５０［℃］であり、第２ヒータ５０１の通電開始時温度（寒冷地では、−４０［℃］程度）から第２ヒータ５０１の最高発熱温度（約１３００［℃］）までのヒータ使用温度範囲に含まれている。

また、第２ヒータ５０１からセンサ部６００への熱伝導には一定の時間を要することから、センサ部６００が活性化温度まで加熱される時期には、第２ヒータ５０１の温度は活性化温度よりも高い温度となることが多い。

このため、第２ヒータ５０１は、第２センサ素子５においてセンサ部６００を加熱するにあたり、通電開始からセンサ部６００が活性化するまでの期間中に、面配置発熱部５５４が交点温度を横切ることになる。つまり、第２ヒータ５０１は、使用環境下において面配置発熱部５５４の温度が交点温度を横切ることで、面配置発熱部５５４の抵抗値を切り換えることができる。

そして、第２ヒータ５０１は、交点温度よりも低温側となる温度領域では、内側発熱部５５６での発熱量が大きくなることで、面配置発熱部５５４における発熱量を大きくでき、また、交点温度よりも高温側となる温度領域では、外側発熱部５５５での発熱量が大きくなることで、面配置発熱部５５４における発熱量を大きくできる。

このことから、第２ヒータ５０１は、交点温度よりも低温側となる温度領域においても、また、交点温度よりも高温側となる温度領域においても、センサ部６００の早期加熱を実現できるという利点がある。

よって、第２実施形態の第２ヒータ５０１によれば、切換手段を備えることなく、状況に応じて面配置発熱部５５４の抵抗値を変更することで、センサ部６００の早期活性化を図ることができる。

また、第２実施形態の第２ヒータ５０１は、第１実施形態と同様に、外側発熱部５５５の抵抗温度係数と内側発熱部５５６の抵抗温度係数との差（１５００［ｐｐｍ／℃］）が大きいという特徴がある。このように抵抗温度係数の差が大きい場合には、交点温度を境界として分割された２つの温度領域における面配置発熱部５５４としての抵抗温度特性が、それぞれの温度領域において異なる特性となる。

このため、第２ヒータ５０１においては、交点温度を境界とする２つの温度領域のそれぞれにおいて、面配置発熱部５５４としての抵抗温度特性を切り換えることができ、各温度領域における面配置発熱部５５４の特性の差異がより明確となる。

また、第２ヒータ５０１のうち面配置発熱部５５４は、第１基体４０１と第２基体４０３との間に形成される面のうち、外側領域に外側発熱部５５５が配置され、内側領域に内側発熱部５５６が配置されて構成されている。

なお、面配置発熱部５５４の形成領域のうち内側領域（内側発熱部５５６の形成領域）は、外側領域（外側発熱部５５５の形成領域）に比べて、第２ヒータ５０１の外表面までの距離が大きく、第２ヒータ５０１の内側に位置する。また、上述したように、交点温度よりも低温側となる温度領域では、内側発熱部５５６での発熱量は、外側発熱部５５５の発熱量よりも大きくなる。

このことから、第２ヒータ５０１は、交点温度よりも低温側となる温度領域においては、内側に配置された内側発熱部５５６の発熱量が大きくなるため、自身の周縁部分ではなく自身の内側から温度が上昇する。これにより、第２ヒータ５０１は、低温時期においても自身の温度を確実に上昇させることができるとともに、センサ部６００（詳細には、固体電解質体４０５における第１電極部４５１と第２電極部４４７とに挟まれた部分（検出領域））に対して確実に熱量を供給することができる。

よって、第２ヒータ５０１は、通電開始直後などのより大きな発熱でセンサ部６００を加熱したい低温時期においても、センサ部６００（検出領域）に対して好適に熱量を供給することができ、センサ部６００（検出領域）の活性化に要する時間を短縮することができる。

次に、発熱部を構成する複数の抵抗素子は、上記実施形態のように、係数小抵抗素子の材料が白金（Ｐｔ）９０ｗｔ％とロジウム（Ｒｈ）１０ｗｔ％の合金に限られることはなく、また、係数大抵抗素子の材料が白金（Ｐｔ）に限られることはない。つまり、発熱部は、抵抗温度係数が異なる複数の抵抗素子を備えて構成されていればよい。

ここで、各種材料における抵抗温度係数を［表１］に示す。

なお、抵抗温度係数の算出方法としては、対象材料における室温（２５［℃］）での抵抗値Ｒａ［Ω］および１０００［℃］での抵抗値Ｒｂ［Ω］をそれぞれ検出し、検出した２つの抵抗値Ｒａ，Ｒｂを［数１］に代入することで、抵抗温度係数Ｋｒ［ｐｐｍ］を算出する方法を採用した。

本発明のセンサ用ヒータにおいては、係数小抵抗素子および係数大抵抗素子の材料として、それぞれの抵抗温度係数が異なる材料を選択すればよい。上記実施形態に記載された材料以外の例としては、係数小抵抗素子の材料を白金（Ｐｔ）８０ｗｔ％とパラジウム（Ｐｄ）２０ｗｔ％の合金（抵抗温度係数：１０００［ｐｐｍ／℃］）とし、係数大抵抗素子の材料を白金（Ｐｔ）（抵抗温度係数：２９００［ｐｐｍ／℃］）とする例を挙げることができる。

また、［表１］によれば、抵抗温度係数が２２００［ｐｐｍ／℃］以上の材料と、抵抗温度係数が１４００［ｐｐｍ／℃］以下の材料と、に大別することができる。このため、係数大抵抗素子の抵抗温度係数と係数小抵抗素子の抵抗温度係数との差が８００［ｐｐｍ／℃］以上となるように発熱部を構成することで、交点温度を境界とする２つの温度領域のそれぞれにおける発熱部の特性の差異をより明確にすることができる。

また、センサ用ヒータの形状は、板型形状に限られることはなく、例えば、棒型形状であってもよい。棒型形状のセンサ用ヒータの一例としては、図５に示すような棒型形状ヒータ２０３を挙げることができる。

なお、図５は、本発明を適用した棒型形状ヒータ２０３を備えて構成される第３酸素センサ２０１の全体構成を示す断面図である。
第３酸素センサ２０１は、ジルコニア（ＺｒＯ₂ ）を主成分とする固体電解質体により先端が閉じた有底筒状に形成された筒型検出素子２０２，筒型検出素子２０２の有底孔２４２に配置された軸状の棒型形状ヒータ２０３，これらを含む構成部材を収容すると共に排気管等の取付部に固定するケーシング２０４などを備えて構成されている。

なお、ケーシング２０４は、筒型検出素子２０２を保持すると共にその先端側にある検出部２２５を排気管等の内部に突出させる主体金具２０５と、主体金具２０５の後端部（図では上側の端部）に組み付けられ、筒型検出素子２０２との間で基準ガス空間を形成する外筒２０６とを備えて構成されている。

棒型形状ヒータ２０３は、固体電解質体を主体とする筒型検出素子２０２を加熱するために備えられている。つまり、第３酸素センサ２０１は、筒型検出素子２０２が棒型形状ヒータ２０３により加熱されて活性化状態になることで、酸素を検出することができる。

そして、棒型形状ヒータ２０３は、発熱部を備える平板形状のシート部材を円筒状部材に巻き付けることで製造することができる。
図６に、棒型形状ヒータ２０３の製造方法の概要を表した説明図を示す。

図６に示すように、まず、焼成後にセラミック基体となるセラミックグリーンシートであるセラミック基体シート２３５の上に、焼成後に発熱部２５４およびヒータリード部２５７となるヒータパターン２４３を形成したヒータシート２４６を作製する。

なお、発熱部２５４は、抵抗温度係数が異なる２つの抵抗素子（第１発熱部２５５および第２発熱部２５６）が重ね合わされて構成されており、第１実施形態における発熱部４５４と同様の重ね合わせ構成（第１発熱部４５５および第２発熱部４５６が重ね合わされた構成）である。

次に、円筒状の焼成済みセラミック製芯部材２４１の表面に、ヒータシート２４６を矢印Ａ方向に巻き付けて、その端部２４７、２４９どうしを重ね合わせる。これにより、巻付体２５１を形成する。

その後、この巻付体２５１およびセラミック製芯部材２４１を一体に焼成することで、棒型形状ヒータ２０３を製造することができる。
なお、第１発熱部２５５および第２発熱部２５６は、積層方向（重ね合わせ方向）に見たときの形状が同一形状に形成されており、積層状態（重ね合わせ状態）に配置されることで互いの全体が電気的に接続された状態で配置される。

第１発熱部２５５は、白金（Ｐｔ）９０ｗｔ％とロジウム（Ｒｈ）５ｗｔ％とパラジウム（Ｐｄ）５ｗｔ％の合金で形成された抵抗素子である。なお、白金（Ｐｔ）９０ｗｔ％とロジウム（Ｒｈ）５ｗｔ％とパラジウム（Ｐｄ）５ｗｔ％の合金は、抵抗温度係数が１３００［ｐｐｍ／℃］である。

第２発熱部２５６は、白金（Ｐｔ）で形成された抵抗素子であり、白金（Ｐｔ）は、抵抗温度係数が２９００［ｐｐｍ／℃］である。
第１発熱部２５５および第２発熱部２５６は、それぞれの両端部が一対のヒータリード部２５７と電気的に接続されて構成されている。また、第１発熱部２５５および第２発熱部２５６は、第１発熱部２５５の抵抗温度曲線と第２発熱部２５６の抵抗温度曲線との交点が５５０［℃］となるように構成されている。

なお、筒型検出素子２０２の活性化温度は約６００［℃］であることから、第１発熱部２５５の抵抗温度曲線と第２発熱部２５６の抵抗温度曲線との交点に対応する温度（以下、交点温度ともいう）は、筒型検出素子２０２の活性化温度の近傍に設定されている。より詳細には、第１発熱部２５５および第２発熱部２５６における交点温度は、筒型検出素子２０２の活性化温度の近傍領域（活性化温度±５０［℃］の温度領域）のうち活性化温度よりも低い温度領域に設定されている。

このように構成された発熱部２５４は、交点温度を境界として分割された２つの温度領域のそれぞれにおいて、第１発熱部２５５および第２発熱部２５６の抵抗値が変化することにより、発熱部２５４の全体としての抵抗値が異なる値となる。つまり、棒型形状ヒータ２０３は、発熱部２５４の発熱により温度変化する際に、２つの温度領域のそれぞれにおける発熱部２５４の特性を切り換え可能に構成されている。

以上説明したように、棒型形状ヒータ２０３は、第１実施形態のヒータ５００と同様に、抵抗温度係数が異なる複数の抵抗素子が並列接続されて構成された発熱部２５４を備えている。

これにより、棒型形状ヒータ２０３は、２つの抵抗素子の抵抗温度曲線どうしの交点に対応する温度（交点温度）を境界として分割された２つの温度領域において、発熱部２５４の全体としての抵抗値が異なる値となることで、各温度領域における発熱部２５４の特性を切り換えることができる。

そして、第１発熱部２５５の抵抗温度曲線と第２発熱部２５６の抵抗温度曲線との交点温度は、５５０［℃］であり、棒型形状ヒータ２０３の通電開始時温度（寒冷地では、−４０［℃］程度）から棒型形状ヒータ２０３の最高発熱温度（約１３００［℃］）までのヒータ使用温度範囲に含まれている。

このため、棒型形状ヒータ２０３は、筒型検出素子２０２を加熱するにあたり、通電開始から筒型検出素子２０２が活性化するまでの期間中に、発熱部２５４が交点温度を横切ることになる。つまり、棒型形状ヒータ２０３は、使用環境下において発熱部２５４の温度が交点温度を横切ることで、発熱部２５４の抵抗値を切り換えることができる。

そして、棒型形状ヒータ２０３は、交点温度よりも低温側となる温度領域では、第２発熱部２５６での発熱量が大きくなることで、発熱部２５４における発熱量を大きくでき、また、交点温度よりも高温側となる温度領域では、第１発熱部２５５での発熱量が大きくなることで、発熱部２５４における発熱量を大きくできる。

このことから、棒型形状ヒータ２０３は、交点温度よりも低温側となる温度領域においても、また、交点温度よりも高温側となる温度領域においても、筒型検出素子２０２の早期加熱を実現できるという利点がある。

よって、本実施形態の棒型形状ヒータ２０３によれば、切換手段を備えることなく、状況に応じて発熱部２５４の抵抗値を変更することで、筒型検出素子２０２の早期活性化を図ることができる。

なお、棒型形状ヒータ２０３が特許請求の範囲におけるセンサ用ヒータに相当し、発熱部２５４が発熱部に相当し、ヒータリード部２５７がリード部に相当し、第１発熱部２５５および第２発熱部２５６が複数の抵抗素子に相当している。また、第１発熱部２５５が係数小抵抗素子に相当し、第２発熱部２５６が係数大抵抗素子に相当している。さらに、筒型検出素子２０２がセンサ素子に相当している。

本実施形態の棒型形状ヒータ２０３は、加熱対象（筒型検出素子２０２）と別個に備えられることから、棒型形状ヒータ２０３と加熱対象（筒型検出素子２０２）との物理的距離が大きくなるため、棒型形状ヒータ２０３から筒型検出素子２０２に熱伝導しがたい状態となる。

しかし、棒型形状ヒータ２０３は、交点温度が筒型検出素子２０２の活性化温度よりも低い温度に設定される構成であることから、棒型形状ヒータ２０３と加熱対象物との物理的距離が大きくなる場合であっても、筒型検出素子２０２に対する熱量供給状態を良好にすることができる。

つまり、交点温度を筒型検出素子２０２の活性化温度よりも低い温度に設定することで、筒型検出素子２０２の温度上昇過程において、交点温度よりも高い温度領域であれば、活性化温度よりも低い温度領域であっても、第２発熱部２５６（係数大抵抗素子）よりも第１発熱部２５５（係数小抵抗素子）の抵抗値が小さくなる。これにより、筒型検出素子２０２の温度上昇過程のうち活性化温度よりも低い温度領域から、第１発熱部２５５への通電量が大きくなるとともに第１発熱部２５５の発熱量が大きくなる。

そして、第１発熱部２５５は、温度変化に伴う抵抗値変化が小さいことから、温度変化に対する発熱量の変動量が小さいため、交点温度よりも高い温度領域における第１発熱部２５５での発熱量は安定する。

これらのことから、温度上昇にあたり筒型検出素子２０２が活性化温度に達する前から第１発熱部２５５での発熱量が安定することになり、発熱部２５４としての発熱量も安定することになる。

よって、棒型形状ヒータ２０３は、加熱対象（筒型検出素子２０２）が活性化温度に達する前に、発熱部２５４としての発熱量を安定させることができることから、棒型形状ヒータ２０３と加熱対象（筒型検出素子２０２）との物理的距離が大きい場合であっても、筒型検出素子２０２に対する熱量供給状態を安定させることができる。

また、交点温度を活性化温度よりも低い温度に設定することで、棒型形状ヒータ２０３の最高温度をより低く抑えることができるため、ヒータリード部２５７の温度上昇が生じ難くなる。つまり、棒型形状ヒータ２０３は、温度上昇に伴うヒータリード部２５７の抵抗値増加が生じがたくなるため、ヒータリード部２５７での無駄な電力消費を抑制することができる。

なお、上記の各実施形態では、交点温度がセンサ素子の活性化温度と同じ温度に設定された構成、活性化温度よりも５０［℃］高い温度に設定された構成、活性化温度よりも５０［℃］低い温度に設定された構成について説明したが、交点温度は上記の数値に限定されるものではない。

つまり、交点温度は、センサ用ヒータの使用温度領域内（センサ用ヒータの通電開始時温度から最高発熱温度までの温度領域内）に含まれていればよく、このように交点温度を設定することで、センサ用ヒータの使用環境下において発熱部の抵抗値を確実に切り換えることができる。

そして、交点温度がセンサ素子の活性化温度の近傍領域（活性化温度±５０［℃］の温度領域）に設定される場合には、交点温度よりも低温側となる温度領域および交点温度よりも高温側となる温度領域のそれぞれの温度領域において、発熱量を大きくすることができるため、センサ素子の早期加熱を実現できる。

さらに、センサ用ヒータとセンサ素子との物理的な距離が遠い場合（例えば、距離が５００［μｍ］以上）である場合には、交点温度を『「センサ素子の活性化温度−５０［℃］」から「センサ素子の活性化温度」までの温度領域』に設定することが好ましい。

つまり、交点温度をこのように設定したセンサ用ヒータ（例えば、棒型形状ヒータ２０３）は、加熱対象のセンサ素子が活性化温度に達する前に、発熱部としての発熱量を安定させることができることから、センサ用ヒータとセンサ素子との物理的距離が大きい場合であっても、センサ素子に対する熱量供給状態を安定させることができる。

また、センサ用ヒータとセンサ素子との物理的な距離が近い場合（例えば、距離が５００［μｍ］未満）である場合には、交点温度を『「センサ素子の活性化温度」から「センサ素子の活性化温度＋５０［℃］」までの温度領域』に設定することが好ましい。

つまり、交点温度をこのように設定したセンサ用ヒータは、加熱対象のセンサ素子が活性化温度よりも低い温度領域では、発熱部のうち係数大抵抗素子での発熱量が大きくなる。とりわけ、通電開始直後のように最も温度が低い時期においては、係数大抵抗素子の抵抗値が最も小さい値となることから、印加電圧が一定である場合には、係数大抵抗素子での発熱量が最大となり、センサ素子の早期加熱を実現できる。

次に、上述の実施形態においては、２個の抵抗素子で構成される発熱部について説明したが、発熱部に備えられる抵抗素子は２個に限られることはなく、３個以上の抵抗素子を備える発熱部を用いてセンサ用ヒータを構成してもよい。

ヒータを備えて構成される酸素センサの全体構成を示す断面図である。 センサ素子の概略構造を表す分解斜視図である。 係数小抵抗素子の抵抗温度曲線および係数大抵抗素子の抵抗温度曲線の一例を示した説明図である。 第２センサ素子の概略構造を表す分解斜視図である。 棒型形状ヒータを備えて構成される第３酸素センサの全体構成を示す断面図である。 棒型形状ヒータの製造方法の概要を表した説明図である。

符号の説明

２…酸素センサ、４…センサ素子（検出素子）、５…第２センサ素子（第２検出素子）、２０１…第３酸素センサ、２０２…筒型検出素子、２０３…棒型形状ヒータ、２３５…セラミック基体シート、２４１…セラミック製芯部材、２５４…発熱部、２５５…第１発熱部、２５６…第２発熱部、２５７…ヒータリード部、４０１…第１基体、４０２…発熱体、４０３…第２基体、４０５…固体電解質体、４１２…面配置発熱体、４５４…発熱部、４５５…第１発熱部、４５６…第２発熱部、４５７…ヒータリード部、５００…ヒータ、５０１…第２ヒータ、５５４…面配置発熱部、５５５…外側発熱部、５５６…内側発熱部、６００…センサ部。

Claims (9)

1. 活性化温度になることで特定ガスを検出できるセンサ素子を加熱するためのセンサ用ヒータであって、
   外部からの電力供給を受けて発熱する発熱部と、
   外部から前記発熱部への通電経路を形成するリード部と、を備え、
   前記発熱部は、並列接続された複数の抵抗素子を備えており、
   前記複数の抵抗素子には、互いに抵抗温度係数が異なる１組の抵抗素子が少なくとも含まれており、
   前記抵抗素子における温度変化に対する抵抗値変化の相関関係を示す抵抗温度曲線について、前記１組の抵抗素子のうち、相対的に抵抗温度係数の大きい係数大抵抗素子の抵抗温度曲線と、前記１組の抵抗素子のうち相対的に抵抗温度係数の小さい係数小抵抗素子の抵抗温度曲線との交点は、当該センサ用ヒータの通電開始時温度から最高発熱温度までの使用温度領域内に含まれること、
   を特徴とするセンサ用ヒータ。
2. 前記係数大抵抗素子の抵抗温度曲線と前記係数小抵抗素子の抵抗温度曲線との交点は、前記センサ素子の活性化温度を中心とする±５０℃の範囲内に含まれること、
   を特徴とする請求項１に記載のセンサ用ヒータ。
3. 前記係数大抵抗素子の抵抗温度係数と前記係数小抵抗素子の抵抗温度係数との差は、８００［ｐｐｍ／℃］以上であること、
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載のセンサ用ヒータ。
4. 前記発熱部は、前記係数大抵抗素子および前記係数小抵抗素子が重ね合わされて構成されていること、
   を特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のセンサ用ヒータ。
5. 前記発熱部は、重ね合わせ方向における前記センサ素子に近い位置に前記係数大抵抗素子が配置され、重ね合わせ方向における前記センサ素子から遠い位置に前記係数小抵抗素子が配置されて構成されていること、
   を特徴とする請求項４に記載のセンサ用ヒータ。
6. 前記発熱部は、前記係数大抵抗素子および前記係数小抵抗素子が並んで配置されると共に、前記係数大抵抗素子および前記係数小抵抗素子のうち少なくとも両端部が互いに接触していること、
   を特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のセンサ用ヒータ。
7. 前記発熱部は、自身の形成領域において、前記係数大抵抗素子が前記係数小抵抗素子よりも内側に配置されて構成されていること、
   を特徴とする請求項６に記載のセンサ用ヒータ。
8. 軸線方向に延びる板状形状のセンサ素子と、
   該センサ素子と一体に積層されたセンサ用ヒータと、
   前記センサ素子および前記センサ用ヒータの周囲を取り囲む主体金具と、
   を備えたセンサにおいて、
   前記センサ用ヒータは、請求項１から７のいずれか一項に記載のセンサ用ヒータであること、
   を特徴とするセンサ。
9. 軸線方向に延びる有底筒状のセンサ素子と、
   該センサ素子の内側に配置されたセンサ用ヒータと、
   前記センサ素子の周囲を取り囲む主体金具と、
   を備えたセンサにおいて、
   前記センサ用ヒータは、請求項１から７のいずれか一項に記載のセンサ用ヒータであること、
   を特徴とするセンサ。

Images