JP2010112740A - セラミックヒータ、ガスセンサ素子及びガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、マイグレーションパターンにより抵抗発熱体の耐久性をより向上させることを目的とする。
【解決手段】長手方向に延び、第１主面および第１主面と対向する第２主面を備える長板状のセラミック基体と、第１主面上に配置され長手方向先端側に配置された発熱部及び長手方向に延びるように第１主面上に配置され、発熱部に電流を供給する一対の発熱リード部を有する抵抗発熱体と、第２主面上に配置され、長手方向先端側に配置された導体部及び導体部と発熱リード部の一方とを接続する導体リード部、を有するマイグレーションパターンと、を備えるセラミックヒータは、第１主面と第２主面との対向方向に見たときに導体部の面積は発熱部の面積より大きい。
【選択図】図５

Description

本発明は、セラミックヒータ、ガスセンサ素子及びガスセンサに関するものである。

従来から、内燃機関等における排ガスに含まれる特定ガス成分の検出や、濃度の測定を行うガスセンサ素子を加温するために、セラミックヒータを備えたガスセンサが知られている。このセラミックヒータは抵抗発熱体とセラミック基体を備えているため、抵抗発熱体の通電時に、例えば、セラミックの焼結助剤として用いられたＭｇＯ，ＣａＯ等がイオン化して直流電界および高熱により低電位方向へ移動するいわゆるマイグレーションが発生し、抵抗発熱体に断線を引き起こす虞があった。この問題を解決するために、抵抗発熱体の低電位側から分岐させたマイグレーションパターンを抵抗発熱体上にセラミック層を介して配置することにより、イオン化成分の抵抗発熱体における低電位方向への移動を抑制し、抵抗発熱体の耐久性を向上させる技術が知られている（特許文献１）。また、マイグレーションパターンの形状を工夫し、マイグレーションパターン内部に生じた水蒸気によるヒータの損傷を抑制する技術が知られている（特許文献２）。

特許第２９６８１１１号公報 特開２００５−１３５７９３号公報

しかし、マイグレーションパターンを備えたセラミックヒータであっても、セラミック基体内のイオン化成分と、抵抗発熱体およびマイグレーションパターンとの相対的な位置関係により、イオン化成分はマイグレーションパターン側へ移動せず、抵抗発熱体の低電位側へ移動することがあった。このことから、マイグレーションパターンにより抵抗発熱体の耐久性をより向上させることが必要であった。

本発明は、上記した従来の課題の少なくとも一部を解決するためになされた発明であり、マイグレーションパターンにより抵抗発熱体の耐久性をより向上させるセラミックヒータ、ガスセンサ素子及びガスセンサを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、長手方向に延び、第１主面および該第１主面と対向する第２主面を備える長板状のセラミック基体と、前記第１主面上に配置され、前記長手方向先端側に配置された発熱部、及び前記長手方向に延びるように前記第１主面上に配置され、前記発熱部に電流を供給する一対の発熱リード部、を有する抵抗発熱体と、前記第２主面上に配置され、前記長手方向先端側に配置された導体部、及び前記導体部と前記発熱リード部の一方とを接続する導体リード部、を有するマイグレーションパターンと、を備えるセラミックヒータにおいて、前記第１主面と前記第２主面との対向方向に見たときに、前記導体部の面積は前記発熱部の面積より大きい。

本発明の第１の態様に係るセラミックヒータによれば、導体部の面積を発熱部の面積より大きくすることでセラミック基体内のイオン化成分をより多く導体部方向へ移動させることができる。よって、イオン化成分が発熱部の低電位方向へ移動することを抑制でき、抵抗発熱体の耐久性を向上させることができる。

本発明の第１の態様に係るセラミックヒータにおいて、前記発熱部は、蛇行形状をなし、前記導体部は、蛇行形状をなすと共に、前記対向方向に見たときに前記発熱部を含むように対向し、少なくとも一部において前記発熱部より幅が広いことが好ましい。これにより、導体部の面積を発熱部の面積より大きくすることができる。その上、発熱部に対応する部位に導体部を配置するため、発熱近傍におけるセラミック基体内のイオン化成分をも発熱部の低電位方向へ移動することを抑制でき、抵抗発熱体の耐久性をより向上させることができる。

本発明の第１の態様に係るセラミックヒータにおいて、前記導体部は、前記導体リード部と接続された一方の端部の幅よりも、他方の端部の幅が広いことが好ましい。他方の端部の発熱部は、電位の高い正極側となる。発熱部の正極側の電位差は大きくなるため、セラミック基体内に存在するイオン化成分が発熱部の低電位方向へ移動しやすいが、導体部の幅を広くすることでイオン化成分が発熱部の低電位方向へ移動することをより抑制できるため、抵抗発熱体の耐久性を向上させることができる。

本発明の第１の態様に係るセラミックヒータにおいて、前記発熱部は、蛇行形状をなし、前記導体部は、自身の長さが前記発熱部より長い蛇行形状をなし、前記対向方向に見たときに、前記発熱部と前記導体部とが少なくとも５０％以上対向することが好ましい。これにより、導体部の面積を発熱部の面積より大きくすることができる。その上、導体部の５０％以上を発熱部と対応する位置に配置することで発熱部近傍におけるセラミック基体内のイオン化成分をも発熱部の低電位方向へ移動することを抑制でき、抵抗発熱体の耐久性をより向上させることができる。

本発明の第１の態様に係るセラミックヒータにおいて、前記導体部は、前記発熱部の正極側近傍に対応する前記第２主面上の領域において、その他の領域より第２主面上に占める面積が大きくなるように配置されることが好ましい。発熱部の正極側の電位差は大きくなるため、セラミック基体内に存在するイオン化成分が発熱部の低電位方向へ移動しやすいが、発熱部の正極側近傍に対応する領域の面積を大きくするように配置することで、イオン化成分が発熱部の低電位方向へ移動することをより抑制できるため、抵抗発熱体の耐久性を向上させることができる。

本発明の第１の態様に係るセラミックヒータは、固体電解質体、及び該固体電解質体上に設けられた一対の電極、を有する長板状の検出素子と、該検出素子に積層された長板状のセラミックヒータを備えるガスセンサ素子に適用される。また、本発明のガスセンサ素子は、ガスセンサ素子と該ガスセンサ素子を支持するためのハウジングとを有するガスセンサに適用される。

以下、本発明に係るヒータ、ヒータを用いたガスセンサ素子、および、ガスセンサ素子を用いたガスセンサについて、図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。

Ａ．第１の実施例
Ａ１．ガスセンサの構成：
図１は、本発明の一実施例としてのガスセンサの構成を示した説明図である。図２は、本発明の一実施例としてのガスセンサ素子の外観を示した説明図である。なお、図１の上下方向、図２の左右方向をガスセンサ１（ガスセンサ素子１０）の軸線Ｏ方向（１点鎖線で示す。）とする。また、図１の下側、図２の左側をガスセンサ１（ガスセンサ素子１０）の先端側とし、図１の上側、図２の右側をガスセンサ１（ガスセンサ素子１０）の基端側として説明する。

図１に示すガスセンサ１は、自動車の排気管（図示外）に取り付けられ、内部に保持するガスセンサ素子１０の先端側が排気管内を流通する排気ガス中に晒されて、その排気ガス中の酸素濃度を検出する、いわゆる全領域空燃比センサである。ガスセンサ素子１０からは、排気ガスの空燃比がリーンの場合には、理論空燃比に対し余剰となる酸素の量に応じた検出値（電流値）が得られ、リッチの場合には未燃焼ガスを完全燃焼させるのに必要な酸素の量に応じた検出値（電流値）が得られる。これら検出値をもとに、図示しないセンサ制御回路にて排気ガスの空燃比が求められてＥＣＵ（電子制御ユニット）に対し出力され、空燃比フィードバック制御などに利用される。

ガスセンサ１は、ガスセンサ素子１０と、セラミックホルダ３０と、主体金具４０と、外筒５０と、リード線６０と、保護外筒７０等とを備える。ガスセンサ１は、ガスセンサ素子１０をセラミックホルダ３０内に保持し、そのセラミックホルダ３０を自動車の排気管（図示外）に取り付けるための主体金具４０内にて支持した構造を有する。

ガスセンサ素子１０は、図２に示すように、軸線Ｏ方向に延び短冊状をなす検出素子１００と、同様に軸線Ｏ方向に延び短冊状をなすヒータ素子２００とが、先端（図中左側の端部）を揃えた状態で互いに貼り合わされ、略角柱状をなす積層体として一体化されている。なお、ガスセンサ素子１０の詳細な構造については後述する。

図１に示すように、ガスセンサ素子１０の軸線Ｏ方向基端側には、軸線Ｏと直交する断面が略コの字形状をなし軸線Ｏ方向に沿って延びる支持碍管１８が、その凹部内に検出素子１００を挟むようにして接着されている。この支持碍管１８はアルミナ等の絶縁性セラミックスから形成され、後述するセラミックホルダ３０内に充填されるガラス製のシール部材３２と、固体電解質（例えば、ジルコニア）を主体とする検出素子１００との熱膨張率差により、検出素子１００にクラックが発生することを抑制するために設けられている。また、ガスセンサ素子１０の軸線Ｏ方向略中央には、ガスセンサ素子１０の周囲を取り巻くようにアルミナ製の絶縁碍管２７が配置されており、接着部材２８によって接着されている。

セラミックホルダ３０は軸線Ｏ方向に延びる円筒形状を備え、アルミナにより形成されている。セラミックホルダ３０は先端側の円筒内部に段状の係止部３３を備え、その先端側の外周面には周面が拡径されることにより形成された段部３４を備える。セラミックホルダ３０の内部には、基端側よりガスセンサ素子１０が挿入され、係止部３３にガスセンサ素子１０の絶縁碍管２７が係止されている。セラミックホルダ３０内には、ガスセンサ素子１０との間に基端側から滑石３１の粉末と、ガラス製のシール部材３２とが充填されている。これにより、ガスセンサ素子１０は、先端側をセラミックホルダ３０の先端から突出させた状態でセラミックホルダ３０内に固定されている。

主体金具４０は、筒形状を有し、内部にセラミックホルダ３０の先端側部分を保持している。主体金具４０は、ガスセンサ１を自動車の排気管（図示外）に取り付け固定するためのものであり、ＳＵＳ４３０等の低炭素鋼により形成されている。主体金具４０は、先端側外周に排気管への取り付け用の雄ねじ部４１が形成されている。また、外周中央には取り付け用の工具が係合する工具係合部４２が形成されており、その工具係合部４２の先端面と雄ねじ部４１の基端との間には、排気管に取り付けた際のガス抜けを防止するためのガスケット４９が嵌挿されている。また、工具係合部４２の基端側には、加締め部４３が形成されている。

主体金具４０は、雄ねじ部４１付近の内周に段部４４を備えている。主体金具４０の基端側より主体金具４０内に挿入されるセラミックホルダ３０の段部３４は、この段部４４に係止されている。主体金具４０の内周とセラミックホルダ３０の外周との隙間には滑石リング２４が装填され、さらに滑石リング２４を基端側から押さえるように、リング状の留め具２３が嵌め込まれている。そして、後述する筒状の外筒５０の先端部分を留め具２３との間で挟むようにして、主体金具４０の加締め部４３が加締められている。これにより、留め具２３および滑石リング２４を介し、セラミックホルダ３０の段部３４が主体金具４０の段部４４に向けて押圧され、主体金具４０とセラミックホルダ３０とが一体となる。主体金具４０とセラミックホルダ３０との間の気密は段部３４，４４間に介在されるリング状の板パッキンによって保持され、燃焼ガスの流出が防止される。

主体金具４０の先端には、側面に複数の孔を有した有底円筒状で内外２重構造をなすプロテクタ１９が嵌められている。プロテクタ１９は、主体金具４０の先端側の開口から突出しているガスセンサ素子１０の先端部分を、排気ガス中のデポジット（燃料灰分やオイル成分など被毒性の付着物質）による汚損や、被水などによる折損等から保護している。

外筒５０は、筒形状を有し、ステンレス（例えばＳＵＳ３０４）により形成されている。外筒５０は、主体金具４０の基端側に取り付けられ、主体金具４０の基端から露出しているセラミックホルダ３０の基端側の部分を囲い保護している。外筒５０の基端側の周縁部５１は内側に折れ曲げられている。この周縁部５１は、外筒５０の基端側の開口を閉塞するように配置される後述するセパレータ１６が外筒５０内に落下しないよう、Ｏリング５２を介してセパレータ１６を支えている。

保護外筒７０は、筒形状を有し、ステンレス（例えばＳＵＳ３０４）により形成されている。保護外筒７０は、外筒５０の基端側に嵌着されて取り付けられ、嵌着部分は加締められている。保護外筒７０内には、セパレータ１６とゴムキャップ２０が配設されている。セパレータ１６は、後述するガスセンサ素子１０の５本の電極端子１０５，１０６，１０７（図１では電極端子１０５，１０７のみを図示している。）および電極端子２０５，２０６（図１では電極端子２０５のみを図示している。）にそれぞれ接続される５本のリード端子２５が互いに接触しないよう配置させると共に、自身の内部でガスセンサ１の外部へ引き出すための５本のリード線６０と、各リード端子２５とのそれぞれの接続部分を収容して保護している。ゴムキャップ２０はセパレータ１６の基端側で保護外筒７０の開口を閉塞して筒内の気密を保持している。ゴムキャップ２０には複数の挿通孔が設けられており、その挿通孔にはセパレータ１６から引き出されるリード線６０が気密に内挿されている。このゴムキャップ２０は、保護外筒７０の基端側の外側面から加締められて、セパレータ１６を先端側に押圧した状態のまま固定されている。

Ａ２．ガスセンサ素子の構成：
図３は、本発明の一実施例としてのガスセンサ素子の構成を示した説明図である。図４は、図３のＡ−Ａ断面を例示した説明図である。図３の左右方向をガスセンサ１（ガスセンサ素子１０）の軸線Ｏ方向（１点鎖線で示す。）とする。図３の左側をガスセンサ１（ガスセンサ素子１０）の先端側とし、右側をガスセンサ１（ガスセンサ素子１０）の基端側として説明する。また、以下の説明において、検出素子１００を構成する各部材はそれぞれ短冊状をなし積層されるものであり、その積層方向において、ガスセンサ素子１０として一体化された際に検出素子１００側から見てヒータ素子２００が配置された側となる各部材の面を、便宜上、「主面」と呼び、主面と反対側の面を「裏面」と呼ぶものとする。図３，図４では、各部材の紙面上側となる面が主面であり、紙面下側となる面が裏面である。また、ヒータ素子２００を構成する各部材についても同様に、図３，図４において紙面上側となる面を「主面」と呼び、紙面下側となる面を「裏面」と呼ぶ。

図３に示すように、ヒータ素子２００は、絶縁性を有するアルミナを主体とする絶縁基体２１０，２２０、２３０が順に重ねて積層された構造を有する。ヒータ素子２００は、絶縁基体２１０，２２０との間に、白金、パラジウム、タングステンやモリブデン等の高融点金属からなるマイグレーションパターン２４０を挟み、絶縁基体２２０、２３０との間にマイグレーションパターン２４０と同じ金属からなる発熱抵抗体２５０を挟んだ構造となっている。発熱抵抗体２５０は、ヒータ素子２００内でつながった１本の導電パターンからなる。発熱抵抗体２５０は、発熱がなされるように断面積が小さくされ、また、蛇行形状に形成されたパターンからなる発熱部２５１を有する。その発熱部２５１はヒータ素子２００の先端側（図３における左手側）に配設され、発熱部２５１の両端にそれぞれ接続される２本の発熱リード部２５２は、発熱部２５１より大きな断面積を有するように形成されると共に、絶縁基体２２０，２３０の短手方向に並列し長手方向に沿って基端側（図３における右手側）まで延設されている。なお、ヒータ素子２００は、特許請求の範囲における「セラミックヒータ」に相当し、絶縁基体２２０が、特許請求の範囲における「セラミック基体」に相当する。また、絶縁基体２２０の主面が、特許請求の範囲における「第２主面」に相当し、裏面が「第１主面」に相当する。

マイグレーションパターン２４０も発熱抵抗体２５０と同じく、ヒータ素子２００内でつながった１本の導電パターンからなる。マイグレーションパターン２４０は、絶縁基体２２０を介して発熱抵抗体２５０とおよそ対応する形状を備える。マイグレーションパターン２４０は、発熱抵抗体２５０の発熱部２５１と対向する位置に蛇行形状に形成されたパターンからなる導体部２４１を備える。また、発熱抵抗体２５０の２本の発熱リード部２５２と対向する位置に導電リード部２４２を備え、絶縁基体２２０，２３０の短手方向に並列し長手方向に沿って基端側方向（図３における右手側）に延設されている。２本の導電リード部２４２のうち一方は、絶縁基体２２０，２３０の基端側まで達さないように他方の導電リード部２４２より短く形成されている。絶縁基体２２０，２３０の基端側の発熱抵抗体２５０と対向する位置には、導電リード部２４２の一方と、導電リード部２４２と絶縁された絶縁リード部２４３が配置されている。

発熱抵抗体２５０の２本の発熱リード部２５２は、基端側（発熱抵抗体２５０の末端）において、絶縁基体２２０に形成されたビアホール２２１、２２２内に介在されるビア導体２６１、２６２を介し、一方は導電リード部２４２（絶縁基体２２０，２３０の基端側まで達している側）の基端と接続され、他方は絶縁リード部２４３と接続されている。これにより、マイグレーションパターン２４０は発熱抵抗体２５０の一方の発熱リード部２５２と同電位となっている。ヒータ素子２００の基端側には、電極取出用の２本の電極端子２０５，２０６が、この導電リード部２４２の基端と絶縁リード部２４３にそれぞれ接続された状態で絶縁基体２１０，２２０間に挟み込まれ、ヒータ素子２００の基端から外部に突出されている。

検出素子１００は、絶縁性を有するアルミナを主体とする絶縁基体１１０，１１６，１２４と、ジルコニアを主体とする固体電解質体１１４，１２０，１２２とが、ヒータ素子２００に対向配置される側から絶縁基体１１０、固体電解質体１１４、絶縁基体１１６、固体電解質体１２０，１２２、絶縁基体１２４の順に重ねて積層された構造を有する。そして、固体電解質体１１４および固体電解質体１２０の各両面には、それぞれ、白金を主体とする導電パターンからなる一対の電極１３０，１３５および一対の電極１４０，１４５が形成されている。図３に示すように、各絶縁基体１１０，１１６，１２４と各固体電解質体１１４，１２０，１２２は、いずれも細長い短冊状の板体として形成されている。

固体電解質体１１４の主面（上記したようにヒータ素子２００側となる面）上に形成される電極１３０は、固体電解質体１１４の先端側（図中左手側）から基端側（図中右手側）に延びるリード部１３２を有し、その先端部分には幅広の電極部１３１が形成されている。またリード部１３２基端側の基端部１３３は、固体電解質体１１４に形成されたビアホール１１５内に介在されるビア導体１３４を介し、固体電解質体１１４の主面と反対側の裏面上に形成される中継電極１３９に接続されている。固体電解質体１１４の裏面上には、電極１３０と対となる電極１３５が形成されており、電極１３０と同様に、固体電解質体１１４の先端側から基端側に延びるリード部１３７と、リード部の先端部分にて幅広に形成された電極部１３６とを有する。電極部１３６は、固体電解質体１１４を挟んで電極部１３１と対向する位置に配置されている。そして、リード部１３７基端側の基端部１３８は、固体電解質体１１４の基端にて、電極１３０に接続された中継電極１３９と並列に配置されている。中継電極１３９と電極１３５の基端部１３８とは、それぞれ、電極取出用の２本の電極端子１０５と電極端子１０６とに接続されており、その電極端子１０５，１０６は、固体電解質体１１４と固体電解質体１２０との間に、絶縁基体１１６と共に挟み込まれ、検出素子１００の基端から外部に突出されている。

絶縁基体１１０は固体電解質体１１４の主面側に配設され、上記電極１３０を固体電解質体１１４との間に挟み込んでいる。その絶縁基体１１０の先端側で、上記電極部１３１が配置される位置には、自身の厚み方向に貫通する開口部１１１が設けられている。そして、この開口部１１１内には、絶縁基体１１０と同様にアルミナを主体とし多孔質となるように形成されたポーラス層１１２が設けられている。固体電解質体１１４上に形成される電極１３０の電極部１３１は、このポーラス層１１２を介し、外気と連通されるように構成されている。

固体電解質体１１４の裏面側には、上記電極１３５を固体電解質体１１４との間に挟み込んだ状態で、絶縁基体１１６が配設される。この絶縁基体１１６の先端側で、上記電極部１３６が配置される位置にも、自身の厚み方向に貫通する開口部１１７が設けられている。絶縁基体１１６の厚み方向両側に積層配置される固体電解質体１１４と固体電解質体１２０とによって開口部１１７は閉じられ、内部がガス検出室１２６として構成される。電極１３５の電極部１３６は、このガス検出室１２６内に配置されている。また、開口部１１７の側壁のうち、絶縁基体１１６の短手方向両側の側壁には拡散律速部１１８が設けられている。拡散律速部１１８はアルミナからなる多孔質体として形成され、この拡散律速部１１８を介し、検出素子１００の周囲の排気ガスをガス検出室１２６内に導入できるように構成されている。拡散律速部１１８は、排気ガス導入の際に、ガス検出室１２６内への排気ガスの流入量を規制するために設けられている。

次に、固体電解質体１２０は、絶縁基体１１０の裏面側に配設される。固体電解質体１２０の主面上には、電極１３０，１３５と同様に、固体電解質体１２０の先端側から基端側に延びるリード部１４２と、リード部の先端部分にて幅広に形成された電極部１４１とを有する電極１４０が形成されている。電極部１４１は、ガス検出室１２６内に露出されている。一方、固体電解質体１２０上のリード部１４２基端側の基端部１４３は、固体電解質体１１４上の電極１３５の基端部１３８と対向する位置に配置されると共に、電極端子１０６と接続されている。つまり、電極１３５と電極１４０とは同電位となっている。また、固体電解質体１２０の主面とは反対側の裏面上にも電極１４０と対となる電極１４５が形成されており、同様に、固体電解質体１２０の先端側から基端側に延びるリード部１４７と、リード部の先端部分にて幅広に形成された電極部１４６とを有する。電極部１４６は、固体電解質体１２０を挟んで電極部１４１と対向する位置に配置されている。そして、リード部１４７基端側の基端部１４８は、固体電解質体１２０の基端に配置され、電極取出用の電極端子１０７と接続されている。電極端子１０７は、固体電解質体１２０と固体電解質体１２２との間に挟み込まれ、検出素子１００の基端側から外部に突出されている。

固体電解質体１２０の裏面側には、上記電極１４５を固体電解質体１２０との間に挟み込んだ状態で、固体電解質体１２２が配設されている。さらに、固体電解質体１２２の裏面側に、絶縁基体１２４が配設されている。このように検出素子１００は、間に電極を挟んだ状態で固体電解質体と絶縁基体とを積層した積層体であり、各部材の原形となる部材を上記のように積層した後に焼成することで一体となった検出素子１００として形成されている。なお、積層体の側面は、図示しない絶縁性の保護膜によって覆われ保護されると共に、固体電解質体１１４，１２０，１２２が外気に晒されないように構成されている。

検出素子１００とヒータ素子２００との間には、セメント部１０４が配設されている。このセメント部１０４の先端７５は、ポーラス層１１２よりも基端側に位置されている。このセメント部１０４を介し、検出素子１００とヒータ素子２００とが積層体として一体となったガスセンサ素子１０が作製される。

Ａ３．ガスセンサ素子の機能：
ガスセンサ素子１０によって、排気ガス中の特定ガス（第１の実施の形態では酸素）の濃度を検出するしくみについて、簡単に説明する。ジルコニアからなる固体電解質体は、室温では絶縁性を示すが高温環境下（例えば６００℃以上）では活性化され、酸素イオン導電性を示す。この性質を用い、固体電解質体を隔てた２室それぞれに白金電極を設けると、酸素分圧の高い側から低い側へ分圧平衡となるように酸素が移動し、このとき両電極間に電流が流れる。これは、白金電極を触媒として酸素分子が還元され、電極から電子を受け取って酸素イオン化し、固体電解質体内を移動して対となる電極に電子を運搬することによるものである。

図４に示すように、電極１４５から電極１４０に向けて電流を流し、両電極１４０，１４５間の電位が、酸素が運搬されるときとされないときとの境目の電圧を基準とし、その電圧が維持されるように、電極１３０と電極１３５との間に印加する電圧を制御する。ガス検出室１２６内に流入した排気ガスの空燃比がリッチであった場合、排気ガス中には酸素がほとんどなく、電極１３０，１３５間では検出素子１００の外部からガス検出室１２６内に酸素を汲み入れる向きに電子が移動されるように制御される。一方、ガス検出室１２６内に流入した排気ガスの空燃比がリーンであった場合、排気ガス中には多くの酸素が存在するため、電極１３０，１３５間ではガス検出室１２６から外部へ酸素を汲み出す向きに電子が移動されるように制御される。このとき得られる電流の向きと大きさから、上記境目の電圧を示すときの空燃比（理論空燃比）に対する排気ガスの空燃比を検出することができるのである。

ヒータ素子２００におけるマイグレーションパターン２４０の機能について説明する。ヒータ素子２００において、上述のように、固体電解質体を高温環境下（例えば６００℃以上）により活性化させるため、電極端子２０５を負極に、電極端子２０６を正極として発熱抵抗体２５０に電流を流して、発熱部２５１により固体電解質体を加温する。このとき、アルミナを主体とする絶縁基体２２０の焼結助剤として用いられたＭｇＯ，ＣａＯ等は発熱抵抗体２５０への通電によりＭｇ²⁺やＣａ²⁺等にイオン化し、電位の低い負極側方向に移動する。このとき、マイグレーションパターン２４０は発熱抵抗体２５０の負電極側と同電位であるため、これらのイオン化成分は発熱抵抗体２５０の低電位側に移動せず、マイグレーションパターン２４０に移動する。これにより、イオン化成分が発熱抵抗体２５０の低電位側に偏在することを抑制でき、イオン化成分の偏在による絶縁基体２３０等のクラックの発生、発熱抵抗体２５０への外気の浸入、それに伴う発熱抵抗体２５０の酸化、断線を抑制することができる。

Ａ４．導体部の形状：
図５は第１の実施例に係る導体部と発熱部との位置関係を示した説明図である。図５はガスセンサ素子１０の先端側を図３における上側（絶縁基体２１０側）から対向方向に見た図であり、説明のため、絶縁基体２１０、２２０は外縁のみを示し、また、導体部２４１と発熱部２５１は互いに透過するように示している。

図５に示すように、導体部２４１は、絶縁基体２２０の主面上に配置されている。導体部２４１は、絶縁基体２２０の裏面上に配置された発熱部２５１の形状と対応した蛇行形状を備えている。また、発熱部２５１の外形が導体部２４１の外形の内側に収まるように形成されている。つまり、導体部２４１が発熱部２５１を含むように対向している。そして、発熱部２５１における幅ｗ１より導体部２４１の幅ｗ２が広くなっている。その結果、導体部２４１の面積Ｓｍは、発熱部２５１の面積Ｓｈより大きくなっている。

以上の第１の実施例に係るヒータ素子２００によれば、導体部２４１の面積Ｓｍを発熱部２５１の面積Ｓｈより大きくすることで、絶縁基体２２０内の各部に存在するＭｇ²⁺やＣａ²⁺等のイオン化成分が、導体部２４１による直流電界の影響を受けやすくなり、導体部２４１方向へ容易に移動することができる。よって、イオン化成分が発熱部２５１の低電位方向へ移動することを抑制し、発熱抵抗体２５０の耐久性を向上させることができる。

第１の実施例に係るヒータ素子２００によれば、導体部２４１が発熱部２５１を含むように対向しており、導体部２４１の幅ｗ２が発熱部２５１の幅ｗ１より広くなるように形成されている。これにより、導体部２４１の面積Ｓｍを発熱部２５１の面積Ｓｈより大きくすることができる。その上、発熱部２５１近傍における絶縁基体２２０内の各部に存在するＭｇ²⁺やＣａ²⁺等のイオン化成分をも導体部２４１方向に移動することができる。よって、イオン化成分が発熱部２５１の低電位方向へ移動することを抑制し、発熱抵抗体２５０の耐久性を向上させることができる。

Ｂ．第２の実施例：
第２の実施例では導体部２４１の幅員が一定ではないヒータ素子２００について説明する。第２の実施例に係るガスセンサ素子１０の構成およびガスセンサ素子１０を用いたガスセンサ１の構成については第１の実施例と同様であり、導体部２４１の形状のみが異なる。よって、第２の実施例については、第１の実施例と異なる形態のみ説明し、その他の説明は省略又は簡略する。なお、第２の実施例において第１の実施例と同一の符号を付した構成要素は、第１の実施例の各構成要素と同一である。

図６は、第２の実施例に係る導体部３４１と発熱部２５１との位置関係を示した説明図である。図６は図５と同様に、ガスセンサ素子１０の先端側を図３における上側（絶縁基体２１０側）から対向方向に見た図であり、説明のため、絶縁基体２１０、２２０は外縁のみを示し、また、導体部３４１と発熱部２５１は互いに透過するように示している。

図６に示すように、導体部３４１は、第１の実施例の導体部２４１と同様に、絶縁基体２２０の主面上において、発熱部２５１と対応する蛇行形状を有しており、発熱部２５１の外形が導体部３４１の外形の内側に収まるように形成されている。そして、導体部３４１は２つの幅ｗ３、ｗ４を有しており、電極端子２０５と接続している端部側が幅ｗ３であり、反対側の端部にむかう途中で幅が広くなり、幅ｗ４となるように形成されている。つまり、導体部３４１は、発熱部２５１の正極側近傍と対応する部分において幅がｗ４となっている。このとき、幅ｗ３は発熱部２５１の幅ｗ１より若干広く、幅ｗ４は幅ｗ３より広くなるように形成されている。

第２の実施例によれば、ヒータ素子２００における導体部３４１は、導電リード部２４２と接続された一方の端部の幅よりも他方の端部の幅が広く形成されていればよい。具体的には、第２の実施例に係るヒータ素子２００は、電極端子２０５と接続している端部側の幅より、反対の端部側の幅が広くなっている。そのため、発熱部２５１の電位の高い正極側近傍では発熱部２５１の電位差が大きいため、絶縁基体２２０内に存在するイオン化成分が発熱部２５１の低電位方向へ移動しやすいが、導体部３４１の幅を大きくすることでイオン化成分が発熱部２５１の低電位方向へ移動するのを抑制でき、発熱抵抗体２５０の耐久性を向上させることができる。

Ｃ．第３の実施例：
第３の実施例では蛇行形状の導体部４４１の長さが発熱部２５１の長さより長いヒータ素子２００について説明する。第３の実施例に係るガスセンサ素子１０の構成およびガスセンサ素子１０を用いたガスセンサ１の構成については第１の実施例と同様であり、導体部４４１の長さおよび形状のみが異なる。よって、第３の実施例については、第１の実施例と異なる形態のみ説明し、その他の説明は省略又は簡略する。なお、第３の実施例において第１の実施例と同一の符号を付した構成要素は、第１の実施例の各構成要素と同一である。

図７は、第３の実施例に係る導体部４４１と発熱部２５１との位置関係を示した説明図である。図７は図５と同様に、ガスセンサ素子１０の先端側を図３における上側（絶縁基体２１０側）から対向方向に見た図であり、説明のため、絶縁基体２１０、２２０は外縁のみを示し、また、導体部４４１と発熱部２５１は互いに透過するように示している。

図７に示すように、導体部４４１は、蛇行形状を有している。また、導体部４４１の幅ｗ５は発熱部２５１の幅ｗ１よりも若干広くなるように形成されている。そして、導体部４４１は、発熱部２５１より長さが長いため、蛇行の折り返し数が発熱部２５１より多い。さらに、導体部４４１は、発熱部２５１の正極側近傍では蛇行間隔が狭く絶縁基体２２０の主面上において密となるように形成されている。

図８は、第３の実施例に係る導体部４４１と発熱部２５１との重なりを示した説明図である。図７において、発熱部２５１上に配置された導体部４４１の部分の面積を面積Ａ、発熱部２５１上ではない導体部４４１の部分の面積を面積Ｂとした場合、本実施例では、

Ａ／（Ａ＋Ｂ）≧０．５

となるように形成されている。すなわち、少なくとも導体部４４１の５０％以上が発熱部２５１と対向する位置に配置されている。

第３の実施例に係るヒータ素子２００によれば、導体部４４１が発熱部２５１よりも長い蛇行形状をなし、導体部４４１と発熱部２５１とが５０％以上対向するように形成されている。これにより、導体部２４１の面積Ｓｍを発熱部２５１の面積Ｓｈより大きくすることができる。その上、発熱部２５１近傍における絶縁基体２２０内のイオン化成分をも発熱部２５１の低電位方向へ移動することを抑制できる。

第３の実施例に係るヒータ素子２００によれば、導体部４４１は、発熱部２５１の正極側近傍では蛇行間隔が狭く絶縁基体２２０の主面上において密となるように形成されているため、電位の高い発熱部２５１の正極側の近傍において基体内のイオン化成分をより導体部方向へ移動させることができる。

Ｄ．変形例
本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施可能である。

Ｄ１．変形例１：
図９は変形例に係る導体部５４１と発熱部２５１との位置関係を示した説明図である。第２の実施例では、図６に示すように、導体部３４１は２つの幅ｗ３、ｗ４を有しているとしたが、図９に示すとおり、導体部５４１の幅ｗ４は反対側の端部にむかう方向に徐々に拡幅される形状としてもよい。

Ｄ２．変形例２：
第２の実施例では、導体部３４１は、電極端子２０５と接続している端部側から反対側の端部にむかう途中で幅員が広くなるように形成されているが、一部において発熱部２５１より幅員が狭くなるように形成されていてもよい。

Ｄ３．変形例３：
第２の実施例では、導体部３４１の幅員は発熱部２５１の幅員と同じか、広くなるように形成されているが、一部において発熱部２５１より幅員が狭く形成されていてもよい。

Ｄ４．変形例４：
第３の実施例では、導体部４４１は蛇行状に形成されているが、蛇行する方向は一定である必要はなく、また、蛇行しない形状であってもよい。

上記以外の種々の態様で、実現可能であり、図１に示す酸素センサに限らず、特定のガス成分の検知、あるいは、特定のガス成分の濃度の測定を行う種々のガスセンサを採用可能である。例えば、空燃比センサを採用してもよく、また、窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を測定するセンサを採用してもよい。

本発明の一実施例としてのガスセンサの構成を示した説明図である。 本発明の一実施例としてのガスセンサ素子の外観を示した説明図である。 本発明の一実施例としてのガスセンサ素子の構成を示した説明図である。 図３のＡ−Ａ断面を例示した説明図である。 第１の実施例に係る導体部と発熱部との位置関係を示した説明図である。 第２の実施例に係る導体部と発熱部との位置関係を示した説明図である。 第３の実施例に係る導体部と発熱部との位置関係を示した説明図である。 第３の実施例に係る導体部と発熱部との重なりを示した説明図である。 変形例に係る導体部と発熱部との位置関係を示した説明図である。

符号の説明

１…ガスセンサ
１０…ガスセンサ素子
２０…ゴムキャップ
３０…セラミックホルダ
４０…主体金具
５０…外筒
６０…リード線
７０…保護外筒
１００…検出素子
１１０，１１６，１２４…絶縁基体
１１４，１２０，１２２…固体電解質体
１３０，１３５，１４０，１４５…電極
２００…ヒータ素子
２１０，２２０，２３０…絶縁基体
２４０…マイグレーションパターン
２５０…発熱抵抗体

Claims (7)

1. 長手方向に延び、第１主面および該第１主面と対向する第２主面を備える長板状のセラミック基体と、
   前記第１主面上に配置され、前記長手方向先端側に配置された発熱部、及び前記長手方向に延びるように前記第１主面上に配置され、前記発熱部に電流を供給する一対の発熱リード部、を有する抵抗発熱体と、
   前記第２主面上に配置され、前記長手方向先端側に配置された導体部、及び前記導体部と前記発熱リード部の一方とを接続する導体リード部、を有するマイグレーションパターンと、を備えるセラミックヒータにおいて、
   前記第１主面と前記第２主面との対向方向に見たときに前記導体部の面積は前記発熱部の面積より大きいセラミックヒータ。
2. 請求項１に記載のセラミックヒータにおいて、
   前記発熱部は、蛇行形状をなし、
   前記導体部は、蛇行形状をなすと共に、前記対向方向に見たときに前記発熱部を含むように対向し、少なくとも一部において前記発熱部より幅が広いセラミックヒータ。
3. 請求項２に記載のセラミックヒータにおいて、
   前記導体部は、前記導体リード部と接続された一方の端部の幅よりも、他方の端部の幅が広いセラミックヒータ。
4. 請求項１に記載のセラミックヒータにおいて、
   前記発熱部は、蛇行形状をなし、
   前記導体部は、自身の長さが前記発熱部より長い蛇行形状をなし、前記対向方向に見たときに、前記発熱部と前記導体部とが少なくとも５０％以上対向するセラミックヒータ。
5. 請求項４に記載のセラミックヒータにおいて、
   前記導体部は、前記発熱部の正極側近傍に対応する前記第２主面上の領域において、その他の領域より第２主面上に占める面積が大きくなるように配置されているセラミックヒータ。
6. 固体電解質体、及び該固体電解質体上に設けられた一対の電極、を有する長板状の検出素子と、該検出素子に積層された長板状のセラミックヒータを備えるガスセンサ素子であって、
   前記セラミックヒータは請求項１から請求項５のいずれかに記載のセラミックヒータであるガスセンサ素子。
7. ガスセンサ素子と、該ガスセンサ素子を支持するためのハウジングを有するガスセンサであって、
   前記ガスセンサ素子は、請求項６に記載のガスセンサ素子であるガスセンサ。

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