JP2015153479A

JP2015153479A - セラミックヒータ及びこれを用いたガスセンサ素子

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Publication number: JP2015153479A
Application number: JP2014023932A
Authority: JP
Inventors: 千万人佐藤; Chimato Sato
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-02-11
Filing date: 2014-02-11
Publication date: 2015-08-24
Anticipated expiration: 2034-02-11
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Abstract

【課題】発熱部に生じる劣化を抑えて、寿命を延ばすことができるセラミックヒータ及びそれを用いたガスセンサ素子を提供すること。
【解決手段】セラミックヒータ１は、セラミックス製の板状基材１１と、通電によって発熱する導体層１２とを備えている。導体層１２は、板状基材１１の長手方向Ｌの一方側部分において、直交方向Ｗに互いに隣接して長手方向Ｌに沿って設けられた一対のリード部１２１と、板状基材１１の長手方向Ｌの他方側部分において、一対のリード部１２１に両端部が繋がって蛇行して設けられた発熱部２とを有している。発熱部２における、長手方向Ｌの中心側部分であって直交方向Ｗの中心側部分に位置する線状部位４１の単位長さ当たりの抵抗値は、発熱部２における、残りの部分に位置する線状部位３１，３２，４２の単位長さ当たりの抵抗値よりも低くなっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミックス製の板状基材に導体層を設けて構成されたセラミックヒータ及びこれを用いたガスセンサ素子に関する。

セラミックヒータは、必要とする被加熱部位を迅速に加熱する用途等に用いられる。例えば、排気管に配置されるガスセンサにおいては、固体電解質体及び固体電解質体に設けられた一対の電極を、それらの活性温度になるまでセラミックヒータによって迅速に加熱している。
例えば、特許文献１のセラミックヒータにおいては、耐熱性セラミック基体内に発熱抵抗パターンを設け、発熱抵抗パターンの中央部と両端部における線幅又は線厚みを、発熱抵抗パターンの発熱温度分布が実質的に均一となるように異ならせることが開示されている。そして、発熱抵抗パターンにおける、発熱温度が高くなる中央部の線幅を、発熱温度が低くなる両端部の線幅よりも大きくしている。

実開昭６２−１６７３９６号公報

ところで、自動車の排気ガス規制は年々厳しくなり、アイドリングストップを行うときには、ガスセンサ等の車載電子製品の電力をオフにすることが望まれている。
しかしながら、ガスセンサにおけるセラミックヒータのオン・オフが頻繁に行われると、セラミックヒータは、膨張・収縮を頻繁に繰り返すことになる。そのため、セラミックヒータにおける発熱部位が劣化し、セラミックヒータの寿命を短くするおそれがある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、発熱部に生じる劣化を抑えて、寿命を延ばすことができるセラミックヒータ及びこれを用いたガスセンサ素子を提供しようとして得られたものである。

本発明の一態様は、セラミックス製の板状基材と、通電によって発熱する導体層とを備えており、
該導体層は、上記板状基材の長手方向の一方側部分において、該長手方向に直交する方向に互いに隣接して該長手方向に沿って設けられた一対のリード部と、上記板状基材の長手方向の他方側部分において、上記一対のリード部に両端部が繋がって蛇行して設けられた発熱部とを有しており、
該発熱部における、上記長手方向の中心側部分であって上記直交する方向の中心側部分に位置する線状部位の単位長さ当たりの抵抗値が、上記発熱部における、残りの部分に位置する線状部位の単位長さ当たりの抵抗値よりも低いことを特徴とするセラミックヒータにある。

本発明の他の態様は、上記セラミックヒータと、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体とが積層されたガスセンサ素子において、
上記固体電解質体には、被測定ガス空間に流入する被測定ガス中の酸素濃度を測定するための一対の測定電極が設けられており、
上記発熱部における上記長手方向の中心側部分は、上記一対の測定電極に対向していることを特徴とするセラミックヒータを用いたガスセンサ素子にある。

上記セラミックヒータにおいては、導体層の発熱部を形成する各線状部位の単位長さ当たりの抵抗値を異ならせることにより、セラミックヒータにおいて最も温度が高くなる発熱中心部のピーク温度を下げる工夫をしている。
具体的には、セラミックヒータにおける発熱中心部に位置する発熱部の線状部位における単位長さ当たりの抵抗値を、その周囲における単位長さあたりの抵抗値よりも低くしている。すなわち、発熱部においては、板状基材の長手方向の中心側部分であって長手方向に直交する方向（直交方向という。）の中心側部分に位置する線状部位の単位長さ当たりの抵抗値が、長手方向の両側部分であって直交方向の両側部分に位置する線状部位の単位長さ当たりの抵抗値よりも低い。

これにより、発熱部の長手方向及び直交方向の中心側部分におけるピーク温度を下げることができる。そして、一対のリード部から発熱部への通電のオン・オフを繰り返し行う際に、セラミックヒータに生じる膨張・収縮のサイクルによって発熱部に生じる劣化を抑えることができる。
それ故、上記セラミックヒータによれば、発熱部に生じる劣化を抑えて、セラミックヒータの寿命を延ばすことができる。
また、上記ガスセンサ素子によれば、セラミックヒータの発熱部に生じる劣化を抑えて、ガスセンサ素子の寿命を延ばすことができる。

実施例にかかる、セラミックヒータにおける導体層の形成状態を示す説明図。実施例にかかる、セラミックヒータを用いたガスセンサ素子を直交方向に切断した断面で示す説明図。実施例にかかる、セラミックヒータを用いたガスセンサ素子を長手方向に切断した断面で示す説明図。実施例にかかる、横軸に板状基材における長手方向の位置をとり、縦軸に歪み量をとって、発熱部の直交方向の中心側部分に生じる歪み量の変化を概念的に示すグラフ。実施例にかかる、横軸に板状基材における直交方向の位置をとり、縦軸に歪み量をとって、発熱部の長手方向の中心側部分に生じる歪み量の変化を概念的に示すグラフ。実施例の比較品にかかる、従来のセラミックヒータにおける導体層の形成状態を示す説明図。

上述したセラミックヒータ及びこれを用いたガスセンサ素子における好ましい実施の形態について説明する。
上記セラミックヒータにおいて、上記線状部位とは、幅を持ったライン状に形成された部位のことをいう。また、上記中心側部分とは、両側に位置する部分を除く中間部分のことをいう。

また、上記発熱部は、上記長手方向に沿って設けられた一対の外側線状部位と、該外側線状部位が設けられた位置よりも上記直交する方向の内側の位置において、上記外側線状部位に平行に設けられた一対の内側線状部位とを有しており、該一対の内側線状部位の一方側端部同士が互いに繋がり、上記各外側線状部位の他方側端部は、上記各内側線状部位の他方側端部と繋がっており、上記内側線状部位における上記長手方向の中心側部分の単位長さ当たりの抵抗値が、上記内側線状部位における上記長手方向の両側部分の抵抗値、及び上記外側線状部位の単位長さ当たりの抵抗値よりも低くてもよい。
この場合には、外側線状部位と内側線状部位とを有する発熱部において、内側線状部位における長手方向の中心側部分の単位長さ当たりの抵抗値を低くして、セラミックヒータの発熱中心部のピーク温度を下げることができる。

また、上記外側線状部位における上記長手方向の中心側部分の単位長さ当たりの抵抗値は、上記外側線状部位における上記長手方向の両側部分の単位長さ当たりの抵抗値よりも高くてもよい。
この場合には、内側線状部位の長手方向の中心側部分に対向する、外側線状部位の長手方向の中心側部分の単位長さ当たりの抵抗値を高くする。そして、発熱部においては、一般部分に対して、内側線状部位における長手方向の中心側部分の単位長さ当たりの抵抗値が低く、かつ外側線状部位における長手方向の中心側部分の単位長さ当たりの抵抗値が高い状態が形成される。これにより、セラミックヒータの発熱中心部のピーク温度をより効果的に下げることができる。

また、上記発熱部の全体は、同一の導電性材料によって同一の厚みに形成されており、上記発熱部の各線状部位の幅を異ならせて、上記単位長さ当たりの抵抗値を異ならせていてもよい。
発熱部の各線状部位における単位長さあたりの抵抗値は、各線状部位の断面積、又は各線状部位の材質を変化させることによって異ならせることができる。そして、断面積を変化させる方法としては、発熱部の各線状部位の幅を異ならせる方法と、発熱部の各線状部位の厚みを異ならせる方法とがある。これらの方法において、発熱部の各線状部位の幅を異ならせる方法が最も簡単に実現することができる。

以下に、セラミックヒータ及びこれを用いたガスセンサ素子にかかる実施例について、図面を参照して説明する。
本例のセラミックヒータ１は、図１に示すように、セラミックス製の板状基材１１と、通電によって発熱する導体層１２とを備えている。導体層１２は、板状基材１１の長手方向Ｌの一方側部分において、長手方向Ｌに直交する方向（以下、直交方向Ｗという。）に互いに隣接して長手方向Ｌに沿って設けられた一対のリード部１２１と、板状基材１１の長手方向Ｌの他方側部分において、一対のリード部１２１に両端部が繋がって蛇行して設けられた発熱部２とを有している。
発熱部２における、長手方向Ｌの中心側部分であって直交方向Ｗの中心側部分に位置する線状部位４１の単位長さ当たりの抵抗値は、発熱部２における、残りの部分に位置する線状部位３１，３２，４２の単位長さ当たりの抵抗値よりも低くなっている。

以下に、本例のセラミックヒータ１及びこれを用いたガスセンサ素子６について、図１〜図６を参照して詳説する。
図２、図３に示すように、本例のセラミックヒータ１は、ガスセンサ素子６に用いられるものである。ガスセンサ素子６においては、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体６１に、セラミックヒータ１が積層されている。
ガスセンサ素子６においては、固体電解質体６１の一方側の表面６０１に、被測定ガス（排気ガス）Ｇが導入される被測定ガス空間６４が形成されており、固体電解質体６１の他方側の表面６０２に、基準ガス（大気）Ａが導入される基準ガス空間６５が形成されている。被測定ガス空間６４は、固体電解質体６１の一方側の表面６０１と、この表面６０１に絶縁性のスペーサ６２１を介して積層された絶縁体６２との間に形成されており、基準ガス空間６５は、固体電解質体６１の他方側の表面６０２と、この表面６０２に絶縁性のスペーサ６２２を介して積層されたセラミックヒータ１との間に形成されている。

固体電解質体６１の一方側の表面６０１における先端側部分には、被測定ガス空間６４に被測定ガスＧを所定の拡散速度で導くための多孔質の拡散抵抗体６３が設けられている。固体電解質体６１には、被測定ガス空間６４に流入する被測定ガスＧ中の酸素濃度を測定するための一対の測定電極６１１が設けられている。一対の測定電極６１１は、固体電解質体６１の一方側の表面６０１と他方側の表面６０２とに設けられている。

図２、図３に示すように、セラミックヒータ１は、一対の板状基材１１の間に導体層１２を挟持して形成されている。セラミックヒータ１及び固体電解質体６１を含むガスセンサ素子６は、一方向に長い直方形状に形成されている。ガスセンサ素子６においては、導体層１２への通電のオン・オフを受けて、セラミックヒータ１が積層された側の膨張・収縮が大きくなる。ガスセンサ素子６は、セラミックヒータ１による加熱時（導体層１２への通電時）に、セラミックヒータ１が積層された側が凸状になるように直交方向Ｗに湾曲し（図２において二点鎖線Ｘで示す。）、セラミックヒータ１による加熱の停止時（導体層１２への非通電時）に、元の形状に戻る。

図１に示すように、本例の発熱部２は、長手方向Ｌに沿って設けられた一対の外側線状部位３と、外側線状部位３が設けられた位置よりも直交方向Ｗの内側の位置において、外側線状部位３に平行に設けられた一対の内側線状部位４とを有している。内側線状部位４の一方側端部同士は、曲線状の繋ぎ部５１によって互いに繋がっている。各外側線状部位３の他方側端部は、曲線状の繋ぎ部５２によって内側線状部位４の他方側端部と繋がっている。ここで、一方側端部とは、板状基材１１において一対のリード部１２１が設けられた側に位置する端部のことをいい、他方側端部とは、一方側端部とは反対側の端部のことをいう。
一対のリード部１２１が設けられた、板状基材１１の長手方向Ｌの一方側部分には、固体電解質体６１における一対の測定電極６１１のリード部も引き出されている。

一対のリード部１２１及び発熱部２は、板状基材１１の表面に、導電性材料をパターン印刷することによって形成されている。一対のリード部１２１及び発熱部２は、一定の厚みに形成されている。発熱部２は、一方のリード部１２１から他方のリード部１２１までを、長尺方向に蛇行して１本に繋ぐ形状に形成されている。一対のリード部１２１及び発熱部２の全体は、同一の導体材料によって同一の厚みに形成されている。本例の外側線状部位３及び内側線状部位４における単位長さ当たりの抵抗値は、発熱部２の各線状部位３，４の幅を異ならせて変化させている。なお、各線状部位３，４の幅は、いずれも直交方向Ｗの幅を示す。

図１に示すように、発熱部２の各外側線状部位３及び各内側線状部位４における長手方向Ｌの両側部分３２，４２の幅は、基準となる一般部３２，４２の幅として、一定の幅になっている。各内側線状部位４における長手方向Ｌの中心側部分４１の幅は、各外側線状部位３及び各内側線状部位４における長手方向Ｌの両側部分３２，４２の幅よりも大きくなっている。また、各外側線状部位３における長手方向Ｌの中心側部分３１の幅は、各外側線状部位３及び各内側線状部位４における長手方向Ｌの両側部分３２，４２の幅よりも小さくなっている。

各内側線状部位４における長手方向Ｌの中心側部分４１の幅は、内側線状部位４における長手方向Ｌの中心側部分４１の外側端面４１１の位置を、内側線状部位４における長手方向Ｌの両側部分４２の外側端面４２１の位置よりも外側に膨らませることによって大きくなっている。また、各外側線状部位３における長手方向Ｌの中心側部分３１の幅は、外側線状部位３における長手方向Ｌの中心側部分３１の内側端面３１１の位置を、外側線状部位３における長手方向Ｌの両側部分３２の内側端面３２１の位置よりも外側に凹ませることによって小さくなっている。そして、各外側線状部位３と各内側線状部位４との間の間隔、内側線状部位４同士の間の間隔は、ほぼ一定になっている。

各外側線状部位３及び各内側線状部位４における長手方向Ｌの中心側部分３１，４１の幅を、一般部３２，４２の幅に対して異ならせる割合は、一般部３２，４２の幅を１とした場合、各内側線状部位４における長手方向Ｌの中心側部分４１の幅の割合は１．２〜１．７とし、各外側線状部位３における長手方向Ｌの中心側部分３１の幅の割合は０．５〜０．９とすることが好ましい。中心側部分３１，４１の幅を一般部３２，４２の幅に対して異ならせる割合が極端になると、セラミックヒータ１に生じる膨張・収縮の量が大きくなってしまい、歪みが生じやすくなってしまうおそれがある。
また、各外側線状部位３の中心側部分３１の幅を小さくしすぎると、発熱温度が高くなりすぎて、この中心側部分３１が断線するおそれがある。また、各内側線状部位４の中心側部分４１の幅を大きくしすぎると、ガスセンサ素子６の昇温速度（活性時間）が遅くなるおそれがある。そのため、上記割合は、上記範囲内にすることが好ましい。

本例のセラミックヒータ１の導体層１２の発熱部２においては、セラミックヒータ１における発熱中心部に位置する発熱部２の線状部位４１の幅を、発熱部２の全体において最も大きくしている。すなわち、発熱部２においては、一対の内側線状部位４における長手方向Ｌの中心側部分４１の幅が最も大きくなっており、この一対の内側線状部位４における長手方向Ｌの中心側部分４１における単位長さ当たりの抵抗値が最も低くなっている。また、発熱部２においては、一対の外側線状部位３における長手方向Ｌの中心側部分３１の幅が最も小さくなっており、この一対の外側線状部位３における長手方向Ｌの中心側部分３１における単位長さ当たりの抵抗値が最も高くなっている。

これにより、発熱部２の長手方向Ｌ及び直交方向Ｗの中心側部分におけるピーク温度を下げることができる。そして、一対のリード部１２１から発熱部２への通電のオン・オフを繰り返し行う際に、セラミックヒータ１に生じる膨張・収縮のサイクルによって発熱部２に生じる劣化を抑えることができる。
それ故、本例のセラミックヒータ１によれば、発熱部２に生じる劣化を抑えて、セラミックヒータ１の寿命を延ばすことができる。また、本例のガスセンサ素子６によれば、セラミックヒータ１の発熱部２に生じる劣化を抑えて、ガスセンサ素子６の寿命を延ばすことができる。

図４、図５には、発熱部２の各線状部位３，４の幅が異なる本例のセラミックヒータ１（試験品）と、発熱部９２の各線状部位９３，９４の幅が一定である従来のセラミックヒータ９（図６参照）（比較品）とについて、板状基材１１における長手方向Ｌの各位置又は直交方向Ｗの各位置に生じる歪み量の違いを示す。
図４は、横軸に板状基材１１における長手方向Ｌの位置をとり、縦軸に歪み量をとって、発熱部２，９２の直交方向Ｗの中心側部分に生じる歪み量の変化を概念的に示す。同図において、長手方向Ｌの位置Ｘ０が各セラミックヒータ１，９の長手方向Ｌの先端位置を示し、長手方向Ｌの位置Ｘ１が各セラミックヒータ１，９の発熱部２，９２の形成位置における長手方向Ｌの基端位置を示す（図１、図６参照）。

図４に示すように、各セラミックヒータ１，９において発生する歪み量は、発熱部２，９２の長手方向Ｌにおける中心側部分において最も大きくなる。また、この歪み量の大きさは、各セラミックヒータ１，９の各部位における温度と関連し、温度が高い部位ほど歪み量が大きくなっている。
そして、本例のセラミックヒータ１は、従来のセラミックヒータ９に比べて、発生する歪み量のピーク値が小さいことがわかる。これにより、本例のセラミックヒータ１によれば、セラミックヒータ１の長手方向Ｌにおける温度及び歪み量のばらつきに基づくセラミックヒータ１の膨張・収縮を抑えて、発熱部２の劣化を抑制できることがわかる。

図５は、横軸に板状基材１１における直交方向Ｗの位置をとり、縦軸に歪み量をとって、発熱部２，９２の長手方向Ｌの中心側部分に生じる歪み量の変化を概念的に示す。同図において、直交方向Ｗの位置Ｙ０が各セラミックヒータ１，９の直交方向Ｗの中心位置を示し、直交方向Ｗの位置Ｙ１が各セラミックヒータ１，９の直交方向Ｗの端面位置を示す（図１、図６参照）。図５に示すように、従来のセラミックヒータ９において発生する歪み量は、発熱部９２が設けられた直交方向Ｗの位置において大きくなっていることがわかる。一方、本例のセラミックヒータ１において発生する歪み量は、そのピーク値が小さく抑えられ、全体的にフラットに近い状態になっていることがわかる。これにより、本例のセラミックヒータ１によれば、セラミックヒータ１の直交方向Ｗにおける温度及び歪み量のばらつきに基づくセラミックヒータ１の膨張・収縮を抑えて、発熱部２の劣化を抑制できることがわかる。

１セラミックヒータ
１１板状基材
１２導体層
１２１リード部
２発熱部
３外側線状部位
４内側線状部位
６ガスセンサ素子

Claims

セラミックス製の板状基材（１１）と、通電によって発熱する導体層（１２）とを備えており、
該導体層（１２）は、上記板状基材（１１）の長手方向（Ｌ）の一方側部分において、該長手方向（Ｌ）に直交する方向（Ｗ）に互いに隣接して該長手方向（Ｌ）に沿って設けられた一対のリード部（１２１）と、上記板状基材（１１）の長手方向（Ｌ）の他方側部分において、上記一対のリード部（１２１）に両端部が繋がって蛇行して設けられた発熱部（２）とを有しており、
該発熱部（２）における、上記長手方向（Ｌ）の中心側部分であって上記直交する方向（Ｗ）の中心側部分に位置する線状部位（４１）の単位長さ当たりの抵抗値が、上記発熱部（２）における、残りの部分に位置する線状部位（３１，３２，４２）の単位長さ当たりの抵抗値よりも低いことを特徴とするセラミックヒータ（１）。
上記発熱部（２）は、上記長手方向（Ｌ）に沿って設けられた一対の外側線状部位（３）と、該外側線状部位（３）が設けられた位置よりも上記直交する方向（Ｗ）の内側の位置において、上記外側線状部位（３）に平行に設けられた一対の内側線状部位（４）とを有しており、
該一対の内側線状部位（４）の一方側端部同士が互いに繋がり、上記各外側線状部位（３）の他方側端部は、上記各内側線状部位（４）の他方側端部と繋がっており、
上記内側線状部位（４）における上記長手方向（Ｌ）の中心側部分（４１）の単位長さ当たりの抵抗値が、上記内側線状部位（４）における上記長手方向（Ｌ）の両側部分（４２）の抵抗値、及び上記外側線状部位（３）の単位長さ当たりの抵抗値よりも低いことを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ（１）。
上記外側線状部位（３）における上記長手方向（Ｌ）の中心側部分（３１）の単位長さ当たりの抵抗値が、上記外側線状部位（３）における上記長手方向（Ｌ）の両側部分（３２）の単位長さ当たりの抵抗値よりも高いことを特徴とする請求項２に記載のセラミックヒータ（１）。
上記発熱部（２）の全体は、同一の導電性材料によって同一の厚みに形成されており、
上記発熱部（２）の各線状部位（３，４）の幅を異ならせて、上記単位長さ当たりの抵抗値を異ならせていることを特徴とする請求項２に記載のセラミックヒータ（１）。
請求項１〜４のいずれか一項に記載のセラミックヒータ（１）と、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体（６１）とが積層されたガスセンサ素子（６）において、
上記固体電解質体（６１）には、被測定ガス空間（６４）に流入する被測定ガス（Ｇ）中の酸素濃度を測定するための一対の測定電極（６１１）が設けられており、
上記発熱部（２）における上記長手方向（Ｌ）の中心側部分は、上記一対の測定電極（６１１）に対向していることを特徴とするセラミックヒータ（１）を用いたガスセンサ素子（６）。