JP2015052587A - ヒータ、ガスセンサ素子およびガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】屈曲部の厚みが直線部の厚みよりも薄い発熱部を有するヒータにおいて、消費電力の低減と耐久性の向上を両立可能な技術を提供する。【解決手段】ヒータは、一対のリード部と、自身の両端が一対のリード部に接続された発熱部と、を有し、先後方向に延びる。発熱部は、先後方向に延びる複数の直線部と、該複数の直線部のうちの隣り合う２つの直線部を繋ぐ屈曲部のうち、該直線部の先端側に位置する先端側屈曲部と、を有する。ヒータは、リード部および発熱部を有する発熱抵抗体と、発熱抵抗体を配設するセラミック基体と、を備える。ヒータは、発熱部を発熱させて該発熱部が最高温度に到達した際の、先端側屈曲部における温度が発熱部における前記最高温度の９０％以上１００％以下であり、先端側屈曲部の厚みが、直線部の厚みよりも５％以上薄く、先端側屈曲部の幅が、直線部の幅の１．４倍以上である。【選択図】図２

Description

本発明は、ヒータ、ガスセンサ素子およびガスセンサに関する。

セラミック基体と、セラミック基体に配設された発熱抵抗体とを備えるヒータにおいて、消費電力を低減することが求められている。ヒータは、一般的に、一対のリード部と、自身の両端がその一対のリード部に接続された発熱部とを有する。発熱部は、複数の直線部と、隣り合う２つの直線部を繋ぐ屈曲部とを有する（特許文献１参照）。こうしたヒータの消費電力を低減させるには、リード部で発熱が生じることを低減し、更に、必要な発熱量を確保できる程度に発熱部の大きさを小さくすることが好ましい。リード部で発熱が生じることを低減するには、例えば、発熱抵抗体の全体の抵抗値に対する発熱部の抵抗値の比率（以下、「発熱抵抗比」という）を大きくすることが考えられる。

特開２０００−５８２３７号公報

しかし、発熱抵抗比を大きくし、更に、発熱部の大きさを小さくすると、発熱部全体が均一に高温状態となり、短期間で、発熱体の屈曲部に断線が生じる場合がある。これは、発熱抵抗体を、スクリーン印刷、タンポ印刷、メッキ工法やインクジェット工法等の手法によって形成した場合には、直線部よりも屈曲部の転写性が悪くなり、屈曲部の厚みが直線部よりも薄くなる傾向があるからである。そのため、屈曲部の厚みが直線部の厚みよりも薄い発熱部を有するヒータにおいて、消費電力の低減と耐久性の向上を両立可能な技術が求められていた。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、一対のリード部と、自身の両端が該一対のリード部に接続された発熱部と、を有し、先後方向に延びるヒータが提供される。前記発熱部は、先後方向に延びる複数の直線部と、該複数の直線部のうちの隣り合う２つの直線部を繋ぐ屈曲部のうち該直線部の先端側に位置する先端側屈曲部と、を有する。このヒータは、前記リード部および前記発熱部を有する発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体を配設するセラミック基体と、を備える。そして、前記発熱部を発熱させて該発熱部が最高温度に到達した際の、前記先端側屈曲部における温度が前記発熱部における前記最高温度の９０％以上１００％以下であり、前記先端側屈曲部の厚みが、前記直線部の厚みよりも５％以上薄く、前記先端側屈曲部の幅が、前記直線部の幅の１．４倍以上である。
このような形態のヒータでは、ヒータの発熱部が最高温度に到達した際の、先端側屈曲部における温度が、発熱部における最高温度の９０％以上１００％以下である。つまり、発熱時には、発熱部全体が略均一な温度となる。そして、先端側屈曲部の厚みが、直線部の厚みよりも５％以上薄くなっている。そのため、直線部よりも、先端側屈曲部に対して、発熱による影響が強く及ぶことになる。しかし、上記形態のヒータでは、先端側屈曲部の幅が、直線部の幅の１．４倍以上であるため、先端側屈曲部の耐久性が高くなる。そのため、先端側屈曲部が転写性の低い状態で形成された場合であっても、先端側屈曲部において断線等の不具合が発生することが抑制される。よって、上記形態のヒータでは、先端側屈曲部の耐久性が向上するため、発熱抵抗比を高めて消費電力を低減させることが容易になる。よって、ヒータの消費電力の低減と耐久性の向上の両立を図ることができる。

（２）上記形態のヒータにおいて、前記発熱部を発熱させて該発熱部が最高温度に到達した際の、前記先端側屈曲部における温度が前記発熱部における前記最高温度の９７％以上１００％以下であってもよい。
このような形態では、先端側屈曲部の温度と発熱部の最高温度との差が小さいため、発熱部がコンパクトな構成となる。よって、ヒータの消費電力をより低減することが可能になる。

（３）上記形態のヒータにおいて、前記発熱部の抵抗値と前記一対のリード部の抵抗値の合計に対する、前記発熱部の抵抗値の割合が、７５％以上であってもよい。
このような形態のヒータであれば、リード部において発熱することを抑制することができるので、消費電力をより低減することができる。

（４）上記形態のヒータにおいて、前記先端側屈曲部の内径の曲率半径が０．２０ｍｍ以下であってもよい。
このような形態のヒータであれば、発熱部を小さくすることができるので、消費電力をより低減することができる。

（５）上記形態のヒータにおいて、前記屈曲部と前記直線部とに外接する矩形領域内に、前記屈曲部と前記直線部とが占める面積の割合が、４５％以上であってもよい。
このような形態のヒータであれば、発熱部を小さくすることができるので、消費電力をより低減することができる。

（６）本発明の他の形態によれば、ガスセンサ素子が提供される。このガスセンサ素子は、固体電解質層と；前記固体電解質層の表面に形成された一対の電極を備え、被測定ガス中の特定ガス成分を検知するセンサセルと；前記センサセルに直接または他部材を介して積層され、前記センサセルを加熱する上記いずれかの形態のヒータと、を備える。
このような形態のガスセンサ素子であれば、消費電力の低減と耐久性の向上の両立を図ることができる。

（７）本発明の他の形態によれば、上記構成のガスセンサ素子を具備してガスセンサを構成することができる。
このような形態のガスセンサであれば、消費電力の低減と耐久性の向上の両立を図ることができる。

本発明は、上述したヒータあるいはガスセンサ素子、ガスセンサとしての形態に限らず、ガスセンサ素子を備える内燃機関や車両など、種々の形態によって実現することが可能である。

ガスセンサの断面図である。 ガスセンサ素子の分解斜視図である。 発熱抵抗体の構成を示す説明図である。 ガスセンサ１００に対して性能評価試験を行った結果である。 サンプルＮｏ．９において、発熱部１６８のパターン占有率を種々変化させて、消費電力の評価を行った結果である。

Ａ．ガスセンサの構成：
図１は、ガスセンサ１００の断面図である。図１において、図中下方が軸線ＡＸ方向の先端側を、図中上方が軸線ＡＸ方向の基端側を示す。このガスセンサ１００は、内燃機関から排出される排気ガス中の酸素の濃度を検出する全領域空燃比センサとして構成されている。

図１に示すように、ガスセンサ１００は、主体金具１１０と、ガスセンサ素子１２０と、金属外筒１０３と、接続体１８０と、を備える。

主体金具１１０は、軸線ＡＸ方向に延びる筒状をなし、その内部には、径方向内側に突出する棚部１１１が形成されている。主体金具１１０内には、アルミナからなる筒状のセラミックホルダ１１３、滑石粉末からなる第１粉末充填層１１４、同じく滑石粉末からなる第２粉末充填層１１５、及び、アルミナからなる筒状のセラミックスリーブ１７０が、この順に先端側から基端側に向けて配設されている。主体金具１１０内には、セラミックホルダ１１３及び第１粉末充填層１１４と共にガスセンサ素子１２０と一体化された筒状の金属カップ１１６が配設されている。更に、セラミックスリーブ１７０と主体金具１１０の基端部１１０ｋとの間には、加締リング１１７が配置されている。

セラミックホルダ１１３は、金属カップ１１６内に配置され、その先端側で金属カップ１１６を介して主体金具１１０の棚部１１１に係合している。セラミックホルダ１１３は、ガスセンサ素子１２０を内挿している。また、第１粉末充填層１１４の全体と、第２粉末充填層１１５の先端側の一部が、金属カップ内１１６に配置されている。なお、主体金具１１０とガスセンサ素子１２０との間の気密性は、第２粉末充填層１１５の存在によって確保されるようになっている。

ガスセンサ素子１２０は、軸線ＡＸ方向に延びる板状の形状を呈しており、主体金具１１０の内部に配置されている。ガスセンサ素子１２０は、その先端部が主体金具１１０から先端側に突出し、基端部が主体金具１１０から基端側に突出している。ガスセンサ素子１２０は、排気ガス中の酸素濃度を検出可能に構成されたセンサセル１３０（図２参照）と、センサセル１３０を加熱可能に構成されたヒータ１６０（図２参照）とを備える。ガスセンサ素子１２０の詳細な構成については後述する。

セラミックスリーブ１７０は、軸線ＡＸに沿い、矩形状の開口をなす軸孔１７０ｃを有する筒状をなす。セラミックスリーブ１７０は、その矩形状の軸孔１７０ｃに板状のガスセンサ素子１２０を内挿して、ガスセンサ素子１２０を支持している。セラミックスリーブ１７０は、主体金具１１０の基端部１１０ｋを径方向内側に屈曲させ、加締リング１１７を介して、セラミックスリーブ１７０の基端面に向けて加締めることにより、主体金具１１０内に固定されている。

主体金具１１０の先端側には、主体金具１１０から突出するガスセンサ素子１２０の先端部を覆うように、二重の有底筒状のプロテクタ１０１がレーザ溶接により固設されている。プロテクタ１０１には、排ガスを内部に導入できるように、複数の導入孔１０１ｃが所定位置に形成されている。

主体金具１１０の基端側には、筒状の金属外筒１０３がレーザ溶接により固設されている。金属外筒１０３の内側には、接続体１８０が配設されている。接続体１８０は、セラミック製のセパレータ１８１と、３つのセンサ用接続端子１８２，１８３，１８４と、２つのヒータ用接続端子１８５，１８６とから構成されている。セパレータ１８１は、センサ用接続端子１８２，１８３，１８４及びヒータ用接続端子１８５，１８６が互いに接触しないように、これらを隔離した状態で収容している。

接続体１８０は、前述のセラミックスリーブ１７０と離間した状態で、ガスセンサ素子１２０の基端側に取り付けられている。セラミックスリーブ１７０の基端側から突出するガスセンサ素子１２０は、その基端部が、セパレータ１８１の開口１８１ｃ内に挿入されている。そして、センサ用接続端子１８２，１８３，１８４が、ガスセンサ素子１２０のセンサ用電極パッド１２５，１２６，１２７（図２参照）と弾性的に接触して電気的に接続している。また、ヒータ用接続端子１８５，１８６が、ガスセンサ素子１２０のヒータ用電極パッド１２８，１２９（図２参照）と弾性的に接触して電気的に接続している。接続体１８０は、その周囲に配置された概略筒状をなす付勢金具１９０によって、後述するグロメット１９１に付勢された状態で、金属外筒１０３内に保持されている。

金属外筒１０３の基端側内側には、３本のセンサ用リード線１９３，１９４，１９５と２本のヒータ用リード線１９６，１９７を内挿するフッ素ゴム製のグロメット１９１が配設されている。センサ用リード線１９３，１９４，１９５は、その先端側が接続体１８０内に挿入されて、センサ用接続端子１８２，１８３，１８４に加締められ、これらと電気的に接続している。また、ヒータ用リード線１９６，１９７も、その先端側が接続体１８０内に挿入され、ヒータ用接続端子１８５，１８６に加締められ、これらと電気的に接続している。センサ用リード線１９３は、センサ用接続端子１８２を介して、ガスセンサ素子１２０のＩｐ電極パッド１２５（図２参照）に接続され、センサ用リード線１９４は、センサ用接続端子１８３を介して、ガスセンサ素子１２０のＣＯＭ電極パッド１２６（図２参照）に接続される。また、センサ用リード線１９５は、センサ用接続端子１８４を介して、ガスセンサ素子１２０のＶｓ電極パッド１２７（図２参照）に接続される。

Ｂ．ガスセンサ素子の構成：
図２は、ガスセンサ素子１２０の分解斜視図である。ガスセンサ素子１２０は、軸線方向（図２では左右方向）に延びる板状のセンサセル１３０と、同じく軸線方向に延びる板状のヒータ１６０とが積層されることにより構成されている。センサセル１３０とヒータ１６０とは一体焼成されている。なお、図２においては、図中左側が図１における先端側、図中右側が基端側に対応する。

センサセル１３０は、それぞれ板状をなす保護層１３１、第１固体電解質層１３７、スペーサ１４５、第２固体電解質層１５０が、この順番で第１板面１２０ａ側から第２板面１２０ｂ側に向かって積層されることで構成されている。

保護層１３１は、アルミナを主体に形成されている。この保護層１３１の先端部には、多孔質体１３２が形成されている。ガスセンサ素子１２０の第１板面１２０ａをなす保護層１３１の第１面１３１ａには、その基端近傍に、３つのセンサ用電極として、Ｉｐ電極パッド１２５、ＣＯＭ電極パッド１２６、Ｖｓ電極パッド１２７が軸線方向と直交する方向に所定間隔に並んで形成されている。Ｉｐ電極パッド１２５、ＣＯＭ電極パッド１２６、Ｖｓ電極パッド１２７は、保護層１３１の基端近傍に貫通形成された３つのビア導体１３３，１３４，１３５と、それぞれ図中に破線で示すように電気的に接続している。

第１固体電解質層１３７は、ジルコニアを主体に形成されている。第１固体電解質層１３７の基端近傍には、２つのビア導体１４２，１４３が貫通形成されている。これらのビア導体１４２，１４３は、上記保護層１３１に貫通形成されたビア導体１３４，１３５と電気的に接続している。

第１固体電解質層１３７の第１面１３７ａ（図中上方）には、白金（Ｐｔ）を主体とし多孔質で長方形状をなす第１電極部１３８が形成されている。この第１電極部１３８は、上記保護層１３１に貫通形成されたビア導体１３３と電気的に接続している。そのため、第１電極部１３８は、ビア導体１３３を通じて、Ｉｐ電極パッド１２５と導通している。第１電極部１３８は、保護層１３１に設けられた多孔質体１３２を通じて、排気ガスに晒される。

第１固体電解質層１３７の第２面１３７ｂ（図中下方）にも、Ｐｔを主体とし多孔質で長方形状をなす第２電極部１４０が形成されている。この第２電極部１４０は、第１固体電解質層１３７に貫通形成されたビア導体１４２に電気的に接続されている。そのため、第２電極部１４０は、ビア導体１４２およびビア導体１３４を通じて、ＣＯＭ電極パッド１２６に導通している。
第１固体電解質層１３７、第１電極部１３８及び第２電極部１４０により、ポンプセル２００が構成されている。

スペーサ１４５は、アルミナを主体に形成され、先端部に長方形状の開口を有する。この開口は、スペーサ１４５が第１固体電解質層１３７と第２固体電解質層１５０との間に挟まれて積層されることによってガス検出室１４５ｃを構成する。ガス検出室１４５ｃの両側壁の一部は、ガス検出室１４５ｃ内と外部との間の通気を確保する多孔質体１４６によって構成されている。この多孔質体１４６は、多孔質のアルミナから形成されている。スペーサ１４５の基端近傍には、２つのビア導体１４７，１４８が貫通形成されている。ビア導体１４７は、上記第２電極部１４０と電気的に接続している。また、ビア導体１４８は、上記第１固体電解質層１３７に貫通形成されたビア導体１４３と電気的に接続している。

第２固体電解質層１５０は、ジルコニアを主体に形成されている。この第２固体電解質層１５０の基端近傍には、ビア導体１５５が貫通形成されている。このビア導体１５５は、上記スペーサ１４５に貫通形成されたビア導体１４８と電気的に接続している。

第２固体電解質層１５０の第１面１５０ａ（図中上方）には、Ｐｔを主体とし多孔質で長方形状をなす第３電極部１５１が形成されている。この第３電極部１５１は、上記スペーサ１４５に貫通形成されたビア導体１４７に電気的に接続している。そのため、第３電極部１５１は、ビア導体１４７、第２電極部１４０、ビア導体１４２、ビア導体１３４を通じて、ＣＯＭ電極パッド１２６に導通している。つまり、ＣＯＭ電極パッド１２６に共通して接続された第３電極部１５１と第２電極部１４０とは、電気的に同じ電位となる。

第２固体電解質層１５０の第２面１５０ｂ（図中下方）にも、Ｐｔを主体とし多孔質で長方形状をなす第４電極部１５３が形成されている。この第４電極部１５３は、上記第２固体電解質層１５０に貫通形成されたビア導体１５５に電気的に接続している。そのため、第４電極部１５３は、ビア導体１５５、ビア導体１４８、ビア導体１４３、ビア導体１３５を通じて、Ｖｓ電極パッド１２７に導通している。
第２固体電解質層１５０、第３電極部１５１及び第４電極部１５３により、起電力セル３００が構成されている。

ヒータ１６０は、それぞれ板状をなしアルミナを主成分とした第１セラミック基体１６１と第２セラミック基体１６２とを備える。第１セラミック基体１６１は第１板面１２０ａ側に配置され、第２セラミック基体１６２は第２板面１２０ｂ側に配置されている。第１セラミック基体１６１と第２セラミック基体１６２との間には、発熱抵抗体１６３が配設されている。

第２セラミック基体１６２の基端近傍には、２つのビア導体１６６，１６７が貫通形成されている。更に、ガスセンサ素子１２０の第２板面１２０ｂをなす第２面１６２ｂには、その基端近傍に、前述の２つのヒータ用電極パッド１２８，１２９が軸線方向と直交する方向に並んで形成されている。このうちヒータ用電極パッド１２８は、ビア導体１６６を介して、発熱抵抗体１６３のリード部１６４と電気的に接続している。また、ヒータ用電極パッド１２９は、ビア導体１６７を介して、発熱抵抗体１６３のリード部１６５と電気的に接続している。ヒータ用電極パッド１２８またはヒータ用電極パッド１２９からリード部１６４，１６５を通じて電圧が印加されると、発熱抵抗体１６３の発熱部１６８が発熱する。

図３は、発熱抵抗体の構成を示す説明図である。発熱抵抗体１６３は、主成分として貴金属を含み、更に、第１セラミック基体１６１および第２セラミック基体１６２を構成するセラミックと同種のセラミックを含んでいる。発熱抵抗体１６３に用いる貴金属としては、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）の群から選ばれる１種以上の金属又はその合金（例えば、Ｐｔ−Ｐｄ合金、Ｐｔ−Ｒｈ合金、Ｐｔ−Ｐｄ−Ｒｈ合金）を採用することができる。

発熱抵抗体１６３は、一対のリード部１６４，１６５と、自身の両端が一対のリード部１６４，１６５に接続された発熱部１６８と、を備える。発熱部１６８は、蛇行した一本の電路によって形成されており、軸線方向の先端側に配置されている。発熱部１６８が配置される位置は、第１固体電解質層１３７と第２固体電解質層１５０とを活性化させるための位置であり、ガス検出室１４５ｃが存在する位置に対応している。リード部１６４，１６５は、発熱部１６８の両端にそれぞれ電気的に繋がり、基端側に向けて直線状に延びる。発熱部１６８は、先後方向（軸線方向）に延びる複数の直線部１５８と、隣り合う２つの直線部を先端側で繋ぐ先端側屈曲部１５９ａと、隣り合う２つの直線部１５８を後端側で繋ぐ後端側屈曲部１５９ｂとを有する。以下では、先端側屈曲部１５９ａと後端側屈曲部１５９ｂとをまとめて、単に、屈曲部１５９ともいう。

本実施形態では、ヒータ１６０の発熱部１６８を発熱させたときに、発熱部１６８が最高温度（例えば、８００℃）に到達した際の、先端側屈曲部１５９ａにおける温度が、発熱部１６８における最高温度の９０％以上１００％以下、好ましくは、９７％以上１００％以下である。また、先端側屈曲部１５９ａの厚みＴ１は、直線部１５８の厚みＴ２よりも５％以上薄い。更に、先端側屈曲部１５９ａの幅Ｗ１は、その先端側屈曲部１５９ａに繋がる直線部Ｗ２の幅（例えば、０．２ｍｍ）の１．４倍以上である。ここで、先端側屈曲部１５９ａの幅Ｗ１とは、先端側屈曲部１５９ａが軸線方向の先端側に向けて最も突出した部分における幅である。なお、先端側屈曲部１５９ａが複数ある場合、幅Ｗ１は、最も広い幅を有する先端側屈曲部１５９ａにおける幅を指す。また、先端側屈曲部１５９ａの温度は、幅Ｗ１の中央の位置において測定した温度である。また、先端側屈曲部１５９ａの厚みＴ１は、幅Ｗ１の中で最も幅が広い部分の平均厚みであり、本実施例では６μｍである。また、直線部１５８の厚みＴ２は、幅Ｗ２の中で平均的な幅の部分の平均厚みであり、本実施例では７μｍである。

本実施形態において、発熱部１６８の抵抗値と一対のリード部１６４，１６５の抵抗値との合計に対する、発熱部１６８の抵抗値の割合（発熱抵抗比）は、７５％以上であることが好ましい。発熱抵抗比が７５％以上であれば、リード部１６４，１６５による発熱を抑制することができるため、ヒータ１６０の消費電力を低減することができる。

また、先端側屈曲部１５９ａの内径の曲率半径ρは、０．２０ｍｍ以下であることが好ましい。また、屈曲部１５９ａ，１５９ｂと直線部１５８とに外接する矩形領域Ｒ内において、屈曲部１５９ａ，１５９ｂと直線部１５８とが占める面積の割合（以下、「パターン占有率」という）が、４５％以上であることが好ましい。曲率半径やパターン占有率がこれらの条件を満たせば、発熱部１６８の大きさを小さくすることができるので、発熱部１６８の消費電力を低減することが容易となる。

本実施形態の発熱部１６８は、例えば、特開２０１３−９６８８８に記載された手法によって形成することができる。この手法では、まず、印刷用ペーストが用意される。印刷用ペーストは、貴金属と、セラミック粒子と、バインダーと、溶剤とを含む。バインダーとしては、例えば、エチルセルロース（例えば、日進化成工業社製のエトセル（登録商標））、ポリビニルブチラール（例えば、積水化学社製の商品名ＢＨ−Ｓ）、酢酸セルロース、アルキド、フェノール、アクリル、エポキシ、ポリウレタンなどの粘度が１５０Ｐａ・Ｓ以上の高重合度バインダーを使用することができる。また、溶剤としては、ブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセテート、テルピネオール、テルピネオールアセテート、ジヒドロテルピネオール、エチルカルビトールアセテートの単体または混合溶剤が使用される。これらのバインダーおよび溶剤を用いれば、貴金属およびセラミック粒子からなる固形分の比率を、３０〜７０重量％に調整することができる。このような印刷用ペーストが用意されると、続いて、図３に示した発熱部１６８の形状がくり抜かれたメタルマスクの上からそのペーストが対象物（第１セラミック基体１６１または第２セラミック基体１６２）に印刷される。上記のように、高重合度バインダーを用いれば、印刷用ペーストへの溶剤比率を高めることができるので、印刷用ペーストを対象物に対して薄く塗ることが可能になる。そして、印刷したペーストが乾燥させられ、所定温度で焼成されると、薄膜化された発熱部１６８が形成される。なお、発熱部１６８は、ここで示した形成方法以外にも、例えば、高メッシュのスクリーンマスク印刷や、タンポ印刷、メッキ工法、Ｉ．Ｊ．工法などによっても形成することが可能である。

以上のように構成されたガスセンサ１００の動作を参考までに説明する。ガスセンサ１００の使用時には、まず、ヒータ１６０を数百度（例えば、７００〜８００℃）に加熱してポンプセル２００と起電力セル３００とを活性化させ、更に、Ｖｓ電極パッド１２７を通じて起電力セル３００に微少電流Ｉｃｐ（概ね１５μＡ）を流して、第４電極部１５３を酸素基準室として機能させる。この状態において、ガス検出室１４５ｃ内の雰囲気が、理論空燃比に保たれるとき、酸素濃度がほぼ一定に保たれている酸素基準室と起電力セル３００との間には、４５０ｍＶの電圧が発生する。そこで、公知の電気回路を用いて、起電力セル３００の電圧Ｖｓが４５０ｍＶになるようにポンプセル２００に流す電流Ｉｐを適時調整して、ガス検出室１４５ｃ内の雰囲気を理論空燃比に保つ制御を行う。このように、ガスセンサ１００を動作させれば、ガス検出室１４５ｃ内を理論空燃比に保つための電流Ｉｐの値に基づいて、排気ガス中の酸素の濃度を測定することが可能になる。

以上で説明した本実施形態のガスセンサ１００では、ヒータ１６０の発熱部１６８が最高温度に到達した際の、先端側屈曲部１５９ａにおける温度が、発熱部１６８における最高温度の９０％以上１００％以下（好ましくは、９７％以上１００％以下）である。つまり、本実施形態のガスセンサ１００は、発熱時には、発熱部１６８全体が略均一な温度となる。そして、本実施形態では、先端側屈曲部１５９ａの厚みＴ１が、直線部１５８の厚みＴ２よりも５％以上薄くなっている。そのため、直線部１５８よりも、先端側屈曲部１５９ａに対して、発熱による影響が強く及ぶことになる。しかし、本実施形態では、先端側屈曲部１５９ａの幅Ｗ１が、直線部Ｗ２の幅Ｗ２の１．４倍以上に形成されているため、先端側屈曲部１５９ａの耐久性が高くなる。そのため、先端側屈曲部１５９ａが転写性の低い状態で形成された場合であっても、先端側屈曲部１５９ａにおいて断線等の不具合が発生することが抑制される。このように、本実施形態では、先端側屈曲部１５９ａの耐久性が向上するため、発熱抵抗比を７５％以上に高めて消費電力を低減させることが容易になる。よって、本実施形態によれば、ヒータ１６０の消費電力の低減と耐久性の向上の両立を図ることができる。

Ｃ．性能評価試験：
図４には、ガスセンサ１００に対して性能評価試験を行った結果を示した。この評価試験では、
（１）発熱部１６８を発熱させて発熱部１６８が最高温度Ｔ１に到達した際の、その最高温度Ｔ１に対する先端側屈曲部１５９ａの温度Ｔ２の比（屈曲部温度比＝Ｔ２／Ｔ１）と、
（２）直線部１５８の幅Ｗ２に対する先端側屈曲部１５９ａの幅Ｗ１の比（屈曲部幅比＝Ｗ１／Ｗ２）と、
を様々な条件に変化させたガスセンサ１００のサンプルを各条件について１０本ずつ用意し、それぞれの条件のサンプルについて耐久性と消費電力とを評価した。この評価試験では、第２セラミック基体１６２の温度を、放射温度計を用いて測定することで、発熱部１６８と先端側屈曲部１５９ａとの温度を間接的に測定した。なお、いずれのサンプルについても、発熱抵抗比は７５％であり、先端側屈曲部１５９ａの厚みは、直線部１５８の厚みよりも５％薄くなっている。

この評価試験では、耐久性については、ガスセンサ１００が、使用最高温度（例えば、８００℃）になるように、ヒータ１６０に電圧を印加し、５００時間以内に断線が生じるか否かを判定することにより評価を行った。「×」は、５００時間以内に１０本中、１本でも断線が生じたことを示している。「○」は、５００時間以内に１０本全てについて断線が生じなかったことを示している。

消費電力については、サンプルＮｏ．１のガスセンサ１００の温度が８００℃になるように通常の制御を行った場合の消費電力を基準として、各条件のサンプルの消費電力を測定することで評価を行った。「△」は、サンプルＮｏ．１のガスセンサ１００に対して、消費電力の改善率が１０本すべてについて３０％未満であったことを示し、「○」は、消費電力の改善率が１０本すべてについて３０％以上５０％未満であったことを示している。また、「◎」は、消費電力の改善率が１０本すべてについて５０％以上であったことを示している。

図４に示した評価結果によれば、屈曲部温度比が、９０％以上１００％以下で消費電力が改善しており、特に、９７％以上１００％以下では消費電力の改善率が高くなった。また、屈曲部幅比に着目すると、屈曲部幅比が大きくなるほど耐久性が向上しているが、屈曲部幅比が１．４倍以上であれば、耐久性についても消費電力についても良好な結果となった。つまり、この評価試験によれば、屈曲部温度比は、９０％以上１００以下で、かつ、屈曲部幅比が１．４倍以上であれば、消費電力の低減と耐久性の向上を両立させることが可能であることが確認できた。また、この評価試験によれば、屈曲部温度比が、９７％以上１００％以下であれば、消費電力がより改善されることが確認できた。これは、各サンプルの発熱抵抗比が７５％と高く、また、発熱部１６８の発熱の中心の位置と先端側屈曲部１５９ａの位置とが近くに存在していることになり、発熱部１６８全体がコンパクトに構成されていると考えられるため、その分、消費電力が少ないからだと考えられる。

図５には、サンプルＮｏ．９に示した条件（屈曲部温度比９７％、屈曲部幅比１．４倍）において、発熱部１６８のパターン占有率を種々変化させて、消費電力の評価を行った結果を示す。パターン占有率とは、前述のように、屈曲部１５９ａ，１５９ｂと直線部１５８とに外接する矩形領域Ｒ（図３参照）内において、屈曲部１５９ａ，１５９ｂと直線部１５８とが占める面積の割合のことである。

図５に示した評価結果によれば、発熱部１６８のパターン占有率が、４０％以上、好ましくは、４５％以上であれば、消費電力が改善することが確認できた。

Ｄ．他の実施形態：
上記実施形態のヒータ１６０は、全領域空燃比センサとして構成したガスセンサ１００に限らず、ジルコニア酸素センサや、ＮＯｘセンサなど、他の種々のセンサに適用することができる。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１００…ガスセンサ
１０１…プロテクタ
１０１ｃ…導入孔
１０３…金属外筒
１１０…主体金具
１１０ｋ…基端部
１１１…棚部
１１３…セラミックホルダ
１１４…第１粉末充填層
１１５…第２粉末充填層
１１６…金属カップ
１１７…加締リング
１２０…ガスセンサ素子
１２０ａ…第１板面
１２０ｂ…第２板面
１２１…ガス検出部
１２３…ヒータ部
１２５…Ｉｐ電極パッド
１２６…ＣＯＭ電極パッド
１２７…Ｖｓ電極パッド
１２８，１２９…ヒータ用電極パッド
１３０…センサセル
１３１…保護層
１３２…多孔質体
１３７…第１固体電解質層
１３８…第１電極部
１４０…第２電極部
１３３，１３４，１３５，１４２，１４３，１４７，１４８，１５５，１６６，１６７…ビア導体
１４５…スペーサ
１４５ｃ…ガス検出室
１４６…多孔質体
１５０…第２固体電解質層
１５１…第３電極部
１５３…第４電極部
１５８…直線部
１５９…屈曲部
１５９ａ…先端側屈曲部
１５９ｂ…後端側屈曲部
１６０…ヒータ
１６１…第１セラミック基体
１６２…第２セラミック基体
１６３…発熱抵抗体
１６４，１６５…リード部
１６８…発熱部
１７０…セラミックスリーブ
１７０ｃ…軸孔
１８０…接続体
１８１…セパレータ
１８１ｃ…開口
１８２，１８３，１８４…センサ用接続端子
１８５，１８６…ヒータ用接続端子
１９０…付勢金具
１９１…グロメット
１９３，１９４，１９５…センサ用リード線
１９６，１９７…ヒータ用リード線
２００…ポンプセル
３００…起電力セル
ＡＸ…軸線

Claims (7)

1. 一対のリード部と、自身の両端が該一対のリード部に接続された発熱部と、を有し、先後方向に延びるヒータであって、
   前記発熱部は、先後方向に延びる複数の直線部と、該複数の直線部のうちの隣り合う２つの直線部を繋ぐ屈曲部のうち該直線部の先端側に位置する先端側屈曲部と、を有し、
   前記リード部および前記発熱部を有する発熱抵抗体と、
   前記発熱抵抗体を配設するセラミック基体と、を備えるヒータにおいて、
   前記発熱部を発熱させて該発熱部が最高温度に到達した際の、前記先端側屈曲部における温度が前記発熱部における前記最高温度の９０％以上１００％以下であり、
   前記先端側屈曲部の厚みが、前記直線部の厚みよりも５％以上薄く、
   前記先端側屈曲部の幅が、前記直線部の幅の１．４倍以上であることを特徴とするヒータ。
2. 請求項１に記載のヒータであって、
   前記発熱部を発熱させて該発熱部が最高温度に到達した際の、前記先端側屈曲部における温度が前記発熱部における前記最高温度の９７％以上１００％以下であることを特徴とするヒータ。
3. 請求項１または請求項２に記載のヒータであって、
   前記発熱部の抵抗値と前記一対のリード部の抵抗値の合計に対する、前記発熱部の抵抗値の割合が、７５％以上であることを特徴とするヒータ。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のヒータであって、
   前記先端側屈曲部の内径の曲率半径が０．２０ｍｍ以下であることを特徴とするヒータ。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のヒータであって、
   前記屈曲部と前記直線部とに外接する矩形領域内に、前記屈曲部と前記直線部とが占める面積の割合が、４５％以上であることを特徴とするヒータ。
6. 固体電解質層と、
   前記固体電解質層の表面に形成された一対の電極を備え、被測定ガス中の特定ガス成分を検知するセンサセルと、
   前記センサセルに直接または他部材を介して積層され、前記センサセルを加熱する請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載のヒータと、
   を備えるガスセンサ素子。
7. 請求項６に記載のガスセンサ素子を具備したことを特徴とするガスセンサ。

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