JP3523937B2 - センサ用セラミックヒータ及び酸素センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば自動車等の
内燃機関の酸素センサなどに使用されるセンサ用セラミ
ックヒータ、及びこのセンサ用セラミックヒータを備え
た酸素センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、セラミック基体内に、Ｐｔ又
はＷからなる導電性抵抗体を発熱パターンとして備えた
積層型板状ヒータ（以下単にセラミックヒータと記す）
は、酸素センサ用又は汎用加熱器用として広く使用され
ている。

【０００３】例えば図２０（ａ）に示す様に、チタニア
等の金属酸化物感応体を感ガス素子Ｐ１として使用する
板状の酸素センサ素子Ｐ０には、酸素センサ素子用シー
トＰ２と積層されて一体に形成されたセラミックヒータ
Ｐ３が使用されている。このセラミックヒータＰ３とし
ては、例えば図２０（ｂ），（ｃ）に示す様に、蛇行状
又はコの字状の発熱部Ｐ４と発熱部Ｐ４から伸びる一対
のリード部Ｐ５とからなる発熱パターンＰ６を、セラミ
ック基板Ｐ７上に形成したものが知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このセ
ラミックヒータＰ３には下記（１），（２）の様な問題
があり、その解決が望まれていた。 （１）酸素センサ素子Ｐ０を金属ケースに収納する場合
には、金属ケースによる熱引きによって、セラミックヒ
ータＰ３のセラミック基板Ｐ７の先端部と根元側（基端
部）とで温度差が生じる。つまり、セラミックヒータＰ
３の先端部は周囲への熱放射によって温度が低下し、一
方基端部は熱伝導によって温度が低下するが、熱伝導に
よる温度低下の方が大きいために、基端部の温度の方が
大きく低下する。特に、金属ケースの熱容量が大きい場
合は、その傾向がより大きい。そのため、感ガス素子Ｐ
１の素子温を一定範囲に保つために、その温度低下を見
越して予め大きめの電圧を印加するが、その結果とし
て、先端部では異常に高温となってしまい、発熱部Ｐ４
の先端部で断線が生じる恐れがあるという問題があっ
た。

【０００５】また、これとは別に、固体電解質のジルコ
ニアを使用した積層型センサの場合には、セラミック基
板Ｐ７の先端部が異常に発熱することによって、絶縁性
が低下し、ブラックニングが発生して性能が低下すると
いう問題があった。 （２）また近年では、特に米国における自動車の排気規
制におけるＯＢＤ−II（On board diagnosis）におい
て、酸素センサ、触媒装置、制御センサ等の劣化を検出
することが義務づけられており、それに伴う問題も生じ
ている。

【０００６】このＯＢＤ−IIは、米国カリフォルニア州
での１９９６年頃から施行されることが予測される環境
保護法による規制であって、機関の排気が規制値を満た
さなくなったとき、その規制値を満たさなくなったこと
を運転者に判る様に表示することが義務づけられてい
る。そして、この表示系統に故障が発生すれば、そのこ
とのみでリコールの対象とされるため、酸素センサ、触
媒装置、制御センサ等の劣化を検知すること、及びこの
検知する装置が長期間正確に機能することが非常に重要
になっている。そのため、触媒装置の下流側にも診断用
酸素センサを装着する必要があるが、その場合、下記の
様な不具合が発生することがある。

【０００７】つまり、機関始動時に触媒装置に溜った凝
縮水が粒状に飛散し、触媒装置の下流側のヒータにより
加熱された感ガス素子Ｐ１に付着することによって、感
ガス素子Ｐ１が破壊されてしまう場合がある。このた
め、機関始動時にはヒータには通電せずに、凝縮水の飛
散が激減する機関始動後３０秒後にヒータに通電して、
感ガス素子Ｐ１を活性化する温度まで昇温させる必要が
生ずる。その結果、感ガス素子Ｐ１が活性化する温度に
達するまでは、実質的に空燃比の制御が正確になされな
いために、排気の浄化率が悪くなったり燃費が悪くなっ
てしまう。

【０００８】従って、なるべく早く感ガス素子Ｐ１が活
性化する温度にまで昇温する必要があり、特に触媒装置
の上流に装着された通常の空燃比制御用センサは、機関
始動後５０秒ほどで活性化温度に達するので、診断用酸
素センサもこの時間内つまり通電開始後２０秒以内に活
性化することが望まれている。

【０００９】この対策として、酸素センサ素子Ｐ０に用
いられる（前記図２０の様な）セラミックヒータＰ３に
対して、従来の印加電圧より大きな印加電圧を加えて迅
速に昇温を行なうことが考えられるが、この場合には、
急な温度変化のために、上述したセラミック基板Ｐ７の
先端部と基端部との間に一層大きな温度差が生じてしま
う。つまり、迅速に昇温を行なう場合には、従来より一
層断線やブラックニングの問題が顕著になるという大き
な問題があった。

【００１０】また、触媒後方部に位置する酸素センサに
おいては、前輪からの飛水又は飛石等による熱衝撃又は
機械的衝撃を防ぐため、図１に示す様に、セラミックス
リーブを使用したり空間衝撃吸収帯を設ける等の構成を
採用することができるが、その場合には、収容金具の熱
容量が大きくなり、前記（１）の問題が助長される結果
となる。

【００１１】本発明は、前記課題を解決するためになさ
れたものであり、クラックや断線等の不具合を生じるこ
となく、迅速にセンサを加熱することができるセンサ用
セラミックヒータ及び酸素センサを提供することを目的
とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の請求項１の発明は、セラミック基体に、該セラミック
基体の長手方向に蛇行した発熱部と該発熱部から伸びる
リード部とからなる発熱パターンを形成したセンサ用セ
ラミックヒータにおいて、前記発熱パターンの中央部に
おける前記長手方向の長さを該発熱パターンの側辺部に
おける該長手方向の長さより短く設定するとともに、該
中央部を前記基端部側に寄せて配置し、且つ該中央部の
線幅を前記側辺部の線幅より太く設定し、 更に、前記
中央部における前記長手方向の長さを前記側辺部におけ
る長手方向の長さの８０％以下に設定したことを特徴と
するセンサ用セラミックヒータを要旨とする。

【００１３】

【００１４】

【００１５】

【００１６】請求項２の発明は、前記発熱パターンの中
央部の線間隔を、該発熱パターンの側辺部の線間隔より
広く設定したことを特徴とする前記請求項１記載のセン
サ用セラミックヒータを要旨とする。

【００１７】請求項３の発明は、前記先端部の線幅を、
前記基端部の線幅より太く設定したことを特徴とする前
記請求項１又は２記載のセンサ用セラミックヒータを要
旨とする。請求項４の発明は、前記発熱パターンの先端
部の線厚を、該発熱パターンの基端部の線厚より厚く設
定したことを特徴とする前記請求項１〜３のいずれか記
載のセンサ用セラミックヒータを要旨とする。

【００１８】請求項５の発明は、前記発熱パターンの先
端部を、該発熱パターンの基端部より比抵抗の小さい抵
抗材料によって形成したことを特徴とする前記請求項１
〜４のいずれか記載のセンサ用セラミックヒータを要旨
とする。

【００１９】請求項６の発明は、前記請求項１〜５のい
ずれか記載のセンサ用セラミックヒータを用いて、感ガ
ス素子を加熱する酸素センサにおいて、前記センサ用セ
ラミックヒータのセラミック基体の基端部側を固定して
金属ケースに収納する構成を備えるとともに、前記セラ
ミック基体の先端部の発熱量を、該セラミック基体の基
端部の発熱量より小さくしたことを特徴とする酸素セン
サを要旨とする。

【００２０】請求項７の発明は、前記感ガス素子が酸素
濃度に対して抵抗値が変化する金属酸化物であり、前記
ヒータが前記出力取出部と略同一面上に形成されている
ことを特徴とする前記請求項６記載の酸素センサを要旨
とする。

【００２１】請求項８の発明は、前記感ガス素子が酸素
濃度に対して起電力が変化する金属酸化物であり、前記
ヒータが前記出力取出部と異なる面上に形成されている
ことを特徴とする前記請求項６記載の酸素センサを要旨
とする。

【００２２】

【００２３】

【００２４】

【発明の実施の形態】 請求項１のセンサ用セラミックヒ
ータでは、蛇行する発熱パターンの中央部の長手方向の
長さが、その側辺部の長手方向の長さより短く設定され
るとともに、この中央部が基端部側に寄せて配置されて
いる。例えば、発熱パターンの基端部側にて蛇行する位
置が同じであるが、先端部側にて蛇行する位置が中央部
のみ基端部側に寄っている。そのため、先端部の発熱量
が少なくなるので、先端部と基端部との温度差が小さく
なる。更に、本発明では、発熱パターンの中央部の線幅
が側辺部の線幅より太く設定されているので、中央部の
発熱量が小さくなり、中央部と側辺部との温度差も小さ
くなって全体に均一化され、断線の発生が防止される。

【００２５】

【００２６】その上、本発明では、発熱パターンの中央
部における長手方向の長さが、その側辺部における長手
方向の長さの８０％以下に設定されている。そのため、
一層先端部の発熱量が少なくなるので、先端部と基端部
との温度差が更に小さくなる。よって、断線の防止に一
層好適である。

【００２７】請求項２のセンサ用セラミックヒータで
は、発熱パターンの中央部の線間隔が、その側辺部の線
間隔より広く設定されているので、前記請求項１と同様
に、中央部と側辺部との温度差が小さくなって、断線の
発生が防止される。請求項３のセンサ用セラミックヒー
タでは、先端部の線幅が基端部の線幅より太く設定され
ているので、前記請求項１と同様に、先端部と基端部と
の温度差が小さくなって、断線の発生が防止される。

【００２８】請求項４のセンサ用セラミックヒータで
は、先端部の線厚が基端部の線厚より厚く設定されてい
るので、先端部と基端部との温度差が小さくなって、断
線の発生が防止される。請求項５のセンサ用セラミック
ヒータでは、先端部が基端部より比抵抗の小さい抵抗材
料によって形成されているので、先端部と基端部との温
度差が小さくなって、断線の発生が防止される。

【００２９】請求項６の酸素センサでは、セラミック基
体の先端部の発熱量がその基端部より小さくされている
ので、セラミック基体の固定された基端部側にて熱引き
されても、先端部と基端部との温度差が大きくならな
い。その結果、先端部が異常発熱することがなくなるの
で、先端部における発熱体の断線が防止される。

【００３０】請求項７の酸素センサは、感ガス素子が酸
素濃度に対して抵抗値が変化する例えばチタニアの様な
金属酸化物であり、ヒータが出力取出部と略同一面上に
形成されているが、この様なセンサにおいても、前記請
求項６と同様に、先端部と基端部との温度差が小さくな
って、断線の発生が防止される。

【００３１】請求項８の酸素センサは、感ガス素子が酸
素濃度に対して起電力が変化する例えばジルコニアの様
な固体電解質であり、ヒータが出力取出部と異なる面上
に形成されているが、この様なセンサにおいても、前記
請求項６と同様に、先端部と基端部との温度差が小さく
なって、断線の発生が防止される。

【００３２】

【実施例】以下、本発明のセラミックヒータ及び酸素セ
ンサについて、その詳細な内容を例を挙げて説明する。
尚、以下では、実施例１、実施例２、実施例３（その一
部）、実施例４は、本発明のベースとなる技術や本発明
に関連する技術の例などを示し、そのうち、本発明の範
囲の例は、実施例３の蛇行形状の発熱パターンの中央部
の長さが側辺部の長さより短いもののうち、表５及び表
６に示される試料No.１８〜２５の添え字がｂとｄに該
当するものである。 （実施例１） 本実施例のセラミックヒータは、図１に示す様な酸素セ
ンサ１の酸素センサ素子２内に一体に形成されて用いら
れるものであり、この酸素センサ素子２は、ガラスシー
ル３及びセラミックスリーブ４を介して金属ケース５内
に固定されている。また、金属ケース５は、主体金具６
の先端側に金属キャップ７が取り付けられ、主体金具６
の基端側に内筒８及び外筒９が取り付けられたものであ
る。尚、内筒８と外筒９との間には（飛石等の）衝撃吸
収ゾーン５ａが設けられている。

【００３３】図２に示す様に、前記酸素センサ素子２
は、幅４mm×長さ４０mm×厚さ１.２mmの柱状の素子で
あり、厚さ０.７mmの板状の検出部１１と厚さ０.５mmの
板状のセラミックヒータ１２とが積層されたものであ
る。この検出部１１とは、厚さ０.５mmの（アルミナ純
度８５％の）第１のアルミナ基板（センサ基板）１５
上に、チタニア等の金属酸化物感応体からなる感ガス素
子１６と、感ガス素子１６と接するＰｔからなる一対の
検出用電極１７と、検出用電極１７の大部分を覆う厚さ
０.２mmのアルミナ質よりなる絶縁シート１８とが配置
されたものであり、この絶縁シート１８は、感ガス素子
１６と検出用電極１７とが接する電極面積を規定すると
ともに、感ガス素子１６と検出用電極１７とが接する部
分以外を雰囲気から密封する。一方、セラミックヒータ
１２とは、厚さ０.５mmの第２のアルミナ基板２１上に
Ｐｔからなる発熱パターン２２が設けられたものであ
る。

【００３４】従って、本実施例では、発熱パターン２２
は、第１のアルミナ基板１５と第２のアルミナ基板２１
とに挟まれるとともに、発熱パターン２２の発熱部２５
と感ガス素子１６とは、第１のアルミナ基板１５を挟ん
で表裏面のほぼ同じ位置に配置されることになる。

【００３５】また、図３に示す様に、第２のアルミナ基
板２１上に設けられた発熱パターン２２は、基板先端側
にて６列となる様に蛇行する発熱部２５と、発熱部２５
の左右端部から基板根元側（基端側）に伸びる一対のリ
ード部２６とから構成されている。

【００３６】特に本実施例においては、発熱部２５の先
端部２５ａの単位長さ当りの抵抗値が基端部２５ｂのそ
れよりも小さくなる様に、先端部２５ａの線幅と基端部
２５ｂの線幅とが設定されている。 ＜実験例１＞次に、本実施例のセラミックヒータの効果
を確認するために行った実験例１について説明する。

【００３７】本実験例では、前記実施例１の構造のセラ
ミックヒータ部分を使用した。つまり、実験に用いる試
料として、第１のアルミナ基板と第２のアルミナ基板と
の間に発熱パターンが挟まれたセラミックヒータ（幅
４.０mm×長さ４０.０mm×厚さ１.０mm）を作成した。

【００３８】具体的には、セラミックヒータとして、そ
の長手方向における、リード部の長さを２８mm、発熱部
の長さを１０mm、発熱部の蛇行部分の長さを９mm、発熱
部の線幅が太い先端部の長さを４mm、線幅が細い基端部
の長さを５mmとし、下記表１の様に、発熱部の先端部及
び基端部の線幅（即ちその抵抗値）を違えた試料（No.
１〜２）を各２５個づつ製造した。また、同様に線幅を
変更しない比較例（No.３）も２５個製造した。尚、表
１中の抵抗値は各２５個の平均値である。

【００３９】そして、それらの試料のセラミックヒータ
のヒータ抵抗値（全抵抗）を約４.６Ωとした。また、
試験条件として、常温大気中にて、ＤＣ１３.５Ｖで２
０秒間電圧を印加し、その後電源を４分間ＯＦＦして放
冷するという加熱・放冷を１００回繰り返し、ヒータに
クラックが発生したか否かを調べた。以後０.５Ｖづつ
印加電圧を増加させ、同様に各２０秒間電圧を印加し、
その後電源を４分間ＯＦＦして放冷するという加熱・放
冷を１００回繰り返し、ヒータのクラックの有無を調べ
た。尚、クラックの検査は、水溶性赤インク又は赤イン
クを入れたアルコールを用いて行った。その結果を図４
に示す。

【００４０】

【表１】

【００４１】図４から明らかな様に、本実施例のもの
は、高い印加電圧を加えた場合でもクラックの発生率が
少なく好適であり、特に先端部の抵抗値が小さい（試料
No.１）ほど一層好適である。それに対して、比較例の
ものは、低い印加電圧においてもクラックの発生率が大
きく好ましくない。 ＜実験例２＞次に、同様に、蛇行する発熱部の先端部の
発熱量が基端部の発熱量よりも小さい他のセラミックヒ
ータの実験例２について説明する。

【００４２】本実験例では、第１のアルミナ基板と第２
のアルミナ基板との間に、図５に示す発熱パターンが挟
まれたセラミックヒータの試料（幅４.０mm×長さ４０.
０mm×厚さ１.０mm）を作成した。具体的には、４重に
蛇行する発熱部を有する発熱パターンを形成し、この発
熱部の線幅の太い部分（先端部）の抵抗率をＳ［抵抗値
Ω／長さＬ］、細い部分（基端部）の抵抗率をＴ［Ω／
Ｌ］として、下記表２に示す様に、その比Ｔ／Ｓを違え
た試料（No.４〜７）を各２５個づつ製造した。また、
同様に、線幅を変更しない比較例（No.８）も２５個製
造した。

【００４３】尚、それらの試料（各２５個）のセラミッ
クヒータのヒータ抵抗値（全抵抗）を約４. ６Ωとなる
ように製作した。試験条件として、下記表２に示す様
に、常温大気中にて印加電圧及び通電時間を違え、ヒー
タのクラック又は断線の発生数を調べた。その結果を同
じく下記表２に示す。

【００４４】

【表２】

【００４５】この表２から明らかな様に、発熱部の先端
部の発熱量が基端部の発熱量よりも小さい試料（No.４
〜７）は、所定の印加電圧を長時間加えた場合でもクラ
ックや断線の発生数が少なく好適である。特にＴ／Ｓが
大きくなるほどその効果が顕著であり、Ｔ／Ｓが１.２
２より大きい場合（試料No.６，７）には、断線及びク
ラックの発生もなく良好であった。それに対して、比較
例の先端部と基端部が同じもの（Ｔ／Ｓ＝１；試料No.
８）は、全ての条件においてクラックや断線が多数発生
し好ましくない。 （実施例２）本実施例のセラミックヒータは、図６に示
す様に、幅４mm×長さ４０mm×厚さ１.２mmの柱状の酸
素センサ素子３１の加熱に用いられるものであり、前記
実施例１とは、発熱体パターン３２の形状及びその形成
されている位置が大きく異なっている。

【００４６】つまり、酸素センサ素子３１は、厚さ１mm
の（アルミナ純度８５％の）アルミナ基板３３上に、チ
タニア等の感ガス素子３４及び一対のＰｔからなる検出
用電極３５が設けられるとともに、（感ガス素子３４部
分を除いて）検出用電極３５を覆う様に厚さ０.２mmの
絶縁シート３６が配置されたものであり、しかも、検出
用電極３５が形成されたアルミナ基板３３の同一表面上
に、検出用電極３５を囲む用に発熱パターン３２が形成
されている。

【００４７】図７に示す様に、アルミナ基板３３上に設
けられた発熱パターン３２は、基板先端側にて感ガス素
子３４の周囲を囲う様にコの字状に旋回する発熱部３８
と、発熱部３８の左右端部から基板根元側（基端側）に
伸びる一対のリード部３９とから構成されている。

【００４８】特に本実施例においては、発熱部３８の先
端部３８ａの線幅が基端部３８ｂの線幅より大きくなる
様に設定されることによって、発熱部３８の先端部３８
ａの抵抗値が基端部３８ｂの抵抗値より小さく設定され
ている。これによって、発熱部３８の先端部３８ａの発
熱量が基端部３８ｂの発熱量よりも小さくなる。 ＜実験例３＞次に、本実施例のセラミックヒータの効果
を確認するために行った実験例３について説明する。

【００４９】本実験例では、前記実施例２の構造のセラ
ミックヒータ部分を使用した。つまり、実験に用いる試
料として、２枚のアルミナ基板の間に（検出用電極を除
いて）発熱パターンが挟まれたセラミックヒータ（幅
４.０mm×長さ４０.０mm×厚さ１.０mm）を作成した。

【００５０】具体的には、セラミックヒータとして、図
８（ａ）に示す様に、その長手方向における、リード部
の長さを２８mm、発熱部の長さを１０mm、発熱部の線幅
が太い先端部の長さを５mm、線幅が細い基端部の長さを
５mm、発熱部の短手方向の長さを３mmとし、下記表３の
様に、発熱部の先端部及び基端部の線幅（即ちその抵抗
値）を違えた試料（No.９〜１１）を各２５個づつ製造
した。また、同様に、線幅を変更しない比較例（No.１
２）も２５個製造した。

【００５１】そして、それらの試料（各２５個）のセラ
ミックヒータのヒータ抵抗値（全抵抗）を約４. ５Ωと
した。また、試験条件として、常温大気中にてＤＣ１
３.５Ｖで２０秒間電圧を印加しＯＦＦ放冷を１００回
繰り返す。以後０.５Ｖづつ印加電圧を増加させ同様に
各２０秒間電圧を印加して、ヒータにクラックが発生し
たか否かを調べた。その結果を図９に示す。

【００５２】

【表３】

【００５３】図９から明らかな様に、本実施例のもの
は、所定の印加電圧を加えた場合でもクラックの発生率
が少なく好適であり、特に先端部の抵抗値が小さいもの
ほどクラックの発生率が少なく一層好適である。それに
対して、比較例のものは、低い印加電圧においてもクラ
ックの発生率が大きく好ましくない。 ＜実験例４＞次に、同様に、コの字状の発熱部における
先端部の発熱量が基端部よりも小さい他のセラミックヒ
ータの実験例４について説明する。

【００５４】本実験例では、実験に用いる試料として、
２つのアルミナ基板の間に、図８（ｂ）に示す発熱パタ
ーンが挟まれたセラミックヒータ（幅４.０mm×長さ４
０.０mm×厚さ１.０mm）を作成した。具体的には、発熱
パターンの発熱部の線幅の太い部分（先端部）の抵抗率
をＳ［Ω／Ｌ］、細い部分（基端部）の抵抗率をＴ［Ω
／Ｌ］として、下記表４に示す様に、その比Ｔ／Ｓを違
えた試料（No.１３〜１６）を各２５個づつ製造した。
また、同様に、線幅を変更しない比較例（No.１７）も
２５個製造した。

【００５５】そして、それらの試料（各２５個）のセラ
ミックヒータのヒータ抵抗値（全抵抗）を約４. ５Ωと
し、試験条件として、下記表４に示す様に、常温大気中
にて印加電圧及び通電時間を違え、ヒータのクラック又
は断線の発生数を調べた。その結果を同じく下記表４に
示す。

【００５６】

【表４】

【００５７】この表４から明らかな様に、発熱部の先端
部の発熱量が基端部よりも小さくされた試料（No.１３
〜１６）は、所定の印加電圧を長時間加えた場合でもク
ラックや断線の発生数が少なく好適である。特にＴ／Ｓ
の大きなものほどその効果が顕著であり、Ｔ／Ｓ＝１.
２２のもの（試料No.１４）でもクラックは殆ど発生せ
ず、Ｔ／Ｓ＝１.２２より大きな場合（試料No.１５，１
６）は、クラック及び断線が全く発生せず、良好な結果
であった。それに対して、比較例の先端部と基端部が同
じもの（Ｔ／Ｓ＝１；試料No.１７）は、全ての条件に
おいてクラックや断線が多数発生し好ましくない。 （実施例３）本実施例のセラミックヒータは、前記実施
例１と同様な酸素センサ素子内に一体に形成されて用い
られるものである。

【００５８】つまり、この酸素センサ素子は、前記実施
例１と同様に、感ガス素子，検出用電極，絶縁シート及
び（アルミナ純度８５％の）第１のアルミナ基板を有す
る（同様な寸法の）検出部を備えるとともに、この検出
部の裏面に、発熱パターンが第２のアルミナ基板に形成
された（同様な寸法の）板状のセラミックヒータが積層
されたものである。尚、以下の説明では、前記実施例１
と同様な部分の説明は省略する。

【００５９】図１０に示す様に、前記第２のアルミナ基
板４１上に設けられた発熱パターン４２は、６列となる
様に蛇行する発熱部４３と、発熱部４３の左右端部から
基板根元側（基端側）に伸びる一対のリード部４４とか
ら構成されている。特に本実施例においては、発熱部４
３の蛇行部分の中央部４３ａの長手方向の長さＣが、蛇
行部分の側辺部４３ｂ₁，４３ｂ₂の長手方向の長さＡよ
り短くなる様に、且つ中央部４３ａが基端側に寄せられ
る様に配置されている。つまり、発熱部４３の中央部４
３ａの抵抗値がどちらの側辺部４３ｂ₁，４３ｂ₂の抵抗
値より小さく設定され、しかもその中央部４３ａは基端
側に寄せられて先端側には配置されていない。これによ
って、発熱部４３の先端側の発熱量が基端側よりも小さ
くなる。 ＜実験例５＞次に、本実施例のセラミックヒータの効果
を確認するために行った実験例５について説明する。

【００６０】本実験例では、前記実施例３の構造のセラ
ミックヒータ部分を使用した。つまり、実験に使用する
試料として、第１のアルミナ基板と第２のアルミナ基板
との間に発熱パターンが挟まれたセラミックヒータ（幅
４.０mm×長さ４０.０mm×厚さ１.０mm）を作成した。

【００６１】具体的には、セラミックヒータとして、そ
の長手方向における、リード部の長さを２８mm、発熱部
の長さを１０mm、発熱部の蛇行部分の長さ（即ち側辺部
の長さＡ）を９mmとし、下記表５及び表６の様に、発熱
部の中央部の長さＣだけでなく、発熱部の線幅や線間隔
を違えた２４通り試料（No.１８-a〜２５-d）を各２５
個づつ製造した。また、同様に、中央部の長さＣや線幅
や線間隔を変更しない比較例（No.２６）も２５個製造
した。

【００６２】尚、前記表５及び表６に示す実施例の２４
通りの試料は、Ｃ／Ａを違えた８種類の試料に対し各々
線幅や線間隔を違えた４種類の試料を作成したものであ
り、その合計が８×４＝３２となる。また、添字ａの試
料は中央部及び側辺部で線幅及び線間隔が同一であるこ
とを示し、添字ｂの試料は中央部の線幅が側辺部より広
く且つ中央部及び側辺部で線間隔が同一であることを示
し、添字ｃの試料は中央部及び側辺部の線幅が同一で且
つ中央部の線間隔が側辺部より広いことを示し、添字ｄ
の試料は中央部の線幅が側辺部より広く且つ中央部の線
間隔が側辺部より広いことを示している。

【００６３】そして、それらの試料のセラミックヒータ
のヒータ抵抗値（全抵抗）を約４.６Ωとし、下記〜
の調査を行った。 クラック調査 試験条件として、各試料に対して、常温大気中にて、Ｄ
Ｃ１０Ｖで６０秒間電圧を印加し、その後電源を４分間
ＯＦＦして放冷するという加熱・放冷を１００回繰り返
し、以後０.５Ｖづつ印加電圧を同様に増加して、ヒー
タ基板にクラックが発生したか否か（即ちクラックが入
る最低電圧）を調べた。その結果を図１１に示す。

【００６４】断線調査 試験条件として、各試料に対して、常温大気中にて、Ｄ
Ｃ１５Ｖで６０秒間印加し、その後、電源を５分間ＯＦ
Ｆして放冷するという通電のオンオフを繰り返し、ヒー
タの断線した数量が５０％に達した回数（サイクル数）
を調べた。その結果を図１２に示す。

【００６５】幅方向温度分布調査 実施例の試料No.２１-c，２１-dと比較例の試料No.２６
のセラミックヒータにおける幅方向の温度分布を調べ
た。その結果を図１３に示す。 長さ方向温度分布調査 実施例の試料No.２１-a，２１-dと比較例の試料No.２６
のセラミックヒータにおける長さ方向の温度分布を調べ
た。その結果を図１４に示す。

【００６６】尚、上述した温度分布調査は、日本電気三
栄（株）社製、赤外線放射温度計型番ＴＨ−１１００を
用いて実施した。

【００６７】

【表５】

【００６８】

【表６】

【００６９】クラック調査結果 図１１から明らかな様に、実施例（試料No.１８-a〜２
４-d）のセラミックヒータにおいては、中央部の長さＣ
が側辺部の長さＡより短いので、印加電圧が大きくなっ
てもクラックが生じにくいことが分かる。また、その長
さの比Ｃ／Ａが小さくなるほどクラックが生じ難く好適
である。特に、２０≦Ｃ／Ａ≦８０であると、一層クラ
ックが生じにくく好適であるが、３０≦Ｃ／Ａ≦７０で
あれば更に好ましい。尚、Ｃ／Ａの３０％以上が好まし
いのは、図２に示すチタニア素子１６が通電により効率
的に加熱され、該チタニア素子１６が活性化するまでの
時間が短くなるからである。

【００７０】また、添字ａ（図の○）の中央部及び側辺
部で線幅及び線間隔が同一である試料、添字ｃ（図の
△）の中央部及び側辺部の線幅が同一で且つ中央部の線
間隔が側辺部より広い試料、添字ｂ（図の□）の中央部
の線幅が側辺部より広く且つ中央部及び側辺部で線間隔
が同一の試料、添字ｄ（図の▼）の中央部の線幅が側辺
部より広く且つ中央部の線間隔が側辺部より広い試料の
順で、クラックが生じ難いことが分かる。更に、添字
ｂ，ｄの試料では、中央部の線幅が側辺部より広く設定
されているので、２０≦Ｃ／Ａ≦９０では一層クラック
が発生し難く、特に２０≦Ｃ／Ａ≦８０では、他試料
（添字ｃ，ｄ）のＣ／Ａ≦８０と同等の効果が認められ
る。

【００７１】それに対して、比較例（試料No.２６）で
は、Ｃ／Ａが１００％であるので、低い印加電圧でクラ
ックが生じ易く好ましくない。 断線調査結果 図１２から明らかな様に、実施例（試料No.１８-a〜２
４-d）のセラミックヒータにおいては、中央部の長さＣ
が側辺部の長さＡより短いので、平均寿命故障率５０％
のサイクル数が大きい、即ち断線が生じにくいことが分
かる。また、その長さの比Ｃ／Ａが小さいものほど断線
が生じ難く好適である。特に、２０≦Ｃ／Ａ≦８０であ
ると、一層断線が生じにくく好適であるが、３０≦Ｃ／
Ａ≦７０であれば更に好ましい。

【００７２】また、添字ａ（図の○）の試料、添字ｃ
（図の△）の試料、添字ｂ（図の□）の試料、添字ｄ
（図の▼）の試料の順で、断線が生じ難いことが分か
る。更に、添字ｂ，ｄの試料では、中央部の線幅が側辺
部より広く設定されているので、２０≦Ｃ／Ａ≦９０で
は一層断線が発生し難く、特に２０≦Ｃ／Ａ≦８０で
は、他試料（添字ａ，ｃ）のＣ／Ａ≦７０と同等の効果
が認められる。

【００７３】それに対して、比較例（試料No.２６）で
は、Ｃ／Ａが１００％であるので、平均寿命故障率５０
％のサイクル数が小さく、断線が生じ易く好ましくな
い。 幅方向温度分布調査結果 図１３から明らかな様に、実施例の試料No.２１-c，２
１-dのセラミックヒータは、中央部の長さＣが側辺部の
長さＡより短くされているので、比較例の試料No.２６
のＣ／Ａ＝１００％のセラミックヒータと比べて、基板
の幅方向の温度分布がより均一であることが分かる。ま
た、試料No.２１-dのセラミックヒータは、中央部の線
幅が側辺部より広く設定されているので、基板中央部の
温度が側辺部よりも低くなることにより、セラミック基
板の中央部での膨張が抑えられる。

【００７４】つまり、本実施例のものは、温度分布がよ
り均一であることと、基板中央部での温度が側辺部より
も下がることにより、基板中央部と側辺部との膨張差が
なくなるので、クラックや断線が生じ難く好適であるこ
とが分かる。 長さ方向温度分布調査結果 図１４から明らかな様に、実施例の試料No.２１-a，２
１-dのセラミックヒータは、中央部の長さＣが側辺部の
長さＡより短くされているので、比較例の試料No.２６
のＣ／Ａ＝１００％のセラミックヒータと比べて、基板
の長さ方向の温度分布がより均一であることが分かる。
つまり、本実施例のものは、温度分布がより均一である
ので、クラックや断線が生じ難く好適であることが分か
る。

【００７５】また、実施例１の如く、更に発熱先端部の
線幅を広くすることにより、効果が増大されることは勿
論であるが、他の手法として、先端部の印刷肉厚を大き
くすること（例えば２回塗り）により、その部分の単位
長さ当りの抵抗値を下げることが挙げられる。 （実施例４）本実施例のセラミックヒータは、前記実施
例１〜３とは異なり、感ガス素子としてジルコニアを使
用した酸素センサ素子内に一体に形成されて用いられる
ものである。

【００７６】図１５に示す様に、本実施例の酸素センサ
素子５１は、幅５mm×横４５mm×厚さ２.４mmの柱状の
素子であり、この酸素センサ素子５１内に発熱パターン
５２が形成されている。つまり、前記酸素センサ素子５
１は、厚さ０.８mmの板状のジルコニア・イットリア基
板５３と、厚さ０.２mmのコの字状の第１のアルミナ部
材５４と、厚さ０.２mmのコの字状の第２のアルミナ部
材５５と、厚さ０.４mmのコの字状のジルコニア部材５
６と、厚さ０.８mmの板状のジルコニア基板５７とが積
層されたものであり、更に、ジルコニア基板５７の基端
側には、補強のためにアルミナ補強板５８が積層されて
いる。尚、前記コの字状の各部材５４，５５，５６によ
って、基準ガスが導入される内部空間５９が形成されて
いる。

【００７７】また、この酸素センサ素子５１において、
起電力の検出に用いられる白金からなる一対の多孔質の
検出用電極６１ａ，６１ｂは、ジルコニア基板５７の表
裏面に形成され、前記発熱パターン５２は、第１のアル
ミナ部材５４と第２のアルミナ部材５５との間に挟まれ
ている。また、この発熱パターン５２は、前記コの字状
の各部材５４，５５，５６に沿うように、同様にコの字
状とされており、基板先端側にて旋回する発熱部６３
と、発熱部６３の左右端部から基板根元側（基端側）に
伸びる一対のリード部６４とから構成されている。

【００７８】特に本実施例においては、発熱部６３の先
端部６３ａの線幅が基端部６３ｂの線幅より大きくなる
様に設定されることによって、発熱部６３の先端部６３
ａの抵抗値が基端部６３ｂの抵抗値より小さく設定され
ている。これによって、発熱部６３の先端部６３ａの発
熱量が基端部６３ｂの発熱量よりも小さくなる。 ＜実験例６＞次に、本実施例のセラミックヒータの効果
を確認するために行った実験例６について説明する。

【００７９】本実験例では、前記実施例４の構造の発熱
パターンを備えた酸素センサ素子を使用した。具体的に
は、図１６（ａ）〜（ｄ）に示す様に、発熱パターンと
して、全抵抗約１０Ω（発熱部は５.６Ω）、リード部
の長さを３０mm、リード部の線幅を０.８mm、発熱部の
長さ方向の長さを１２mm、発熱部の幅方向の長さを４.
４mm、発熱部の基端部の線幅を０.２８とし、下記表７
の様に、発熱部の先端部の線幅を違えた試料（No.２７
〜３０）を各２５個づつ製造した。また、同様に、線幅
を変更しない比較例（No.３１）も２５個製造した。
尚、試料No.２７〜３０の線幅の太い先端部は発熱部の
幅方向に伸びる部分であるが、試料No.３０のみは、そ
の先端部が長さ方向にも一部（先端より２mm）延設され
ている。

【００８０】

【表７】

【００８１】そして、それらの試料の発熱パターンのヒ
ータ抵抗値（全抵抗）を約１０Ωとし、その発熱パター
ンを備えた酸素センサ素子を、周知の様にセラミックホ
ルダやガラスシール等を用いて酸素センサに組み付け
た。更に、この酸素センサを電気炉に取り付けて周囲雰
囲気（大気）の温度を８００℃に加熱し、ＤＣ１８Ｖの
電圧を印加し、断線に至る時間を測定した。その結果を
図１７に示す。

【００８２】図１７から明らかな様に、本実施例のもの
は、高温にて長時間にわたり高い印加電圧を加えた場合
でも、断線の発生率が少なく好適であるが、比較例のも
のは、断線の発生率が大きく好ましくない。上記に詳述
した実施例のほかに、要は、一定の電圧を印加した時、
発熱パターンの先端部の発熱量が発熱パターンの基端部
の発熱量より少なくなる手段であればよく、例えば、図
１８に示す様に、発熱パターンの先端部と同一のスクリ
ーンパターンを別途準備して、発熱パターンの基端部の
印刷厚みにより発熱パターンの先端部の印刷厚みが厚く
なるように発熱パターンの先端部に重ね塗り（重ね印
刷）することにより、発熱パターンの先端部の単位長さ
当りの抵抗値を小さくすることもできる。

【００８３】また、図１９に示す様に、予め発熱パター
ンの基端部を比抵抗の大きい抵抗材料からなるペースト
によりスクリーン印刷して、発熱パターンの基端部の抵
抗値を発熱パターンの先端部の抵抗値より大きくして、
発熱パターンの基端部の発熱量を発熱パターンの先端部
の発熱量より小さくすることもできる。

【００８４】ここで、比抵抗の大きい抵抗材料からなる
ペーストは、例えば、タングステンの含有量を少なくす
ることにより作製できる。尚、本発明は前記実施例にな
んら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しな
い範囲において種々の態様で実施しうることはいうまで
もない。

【００８５】

【００８６】

【００８７】

【発明の効果】 請求項１のセンサ用セラミックヒータで
は、蛇行する発熱パターンの中央部の長手方向の長さ
が、その側辺部の長手方向の長さより短く設定されると
ともに、この中央部が基端部側に寄せて配置されてい
る。そのため、先端部の発熱量が少なくなるので、先端
部と基端部との温度差を小さくすることができる。更
に、本発明では、発熱パターンの中央部の線幅が側辺部
の線幅より太く設定されている。よって、中央部の発熱
量が小さくなり、中央部と側辺部との温度差も小さくな
って全体に均一化でき、断線の発生を防止することがで
きる。

【００８８】

【００８９】その上、本発明では、発熱パターンの中央
部における長手方向の長さが、その側辺部における長手
方向の長さの８０％以下に設定されている。そのため、
一層先端部の発熱量が少なくなるので、先端部と基端部
との温度差を更に小さくすることができ、断線の防止に
一層寄与する。

【００９０】請求項２のセンサ用セラミックヒータで
は、発熱パターンの中央部の線間隔が側辺部の線間隔よ
り広く設定されているので、中央部と側辺部との温度差
を小さくでき、断線の発生を防止することができる。請
求項３のセンサ用セラミックヒータでは、先端部の線幅
が基端部の線幅より太く設定されているので、先端部と
基端部との温度差を小さくでき、断線の発生を防止する
ことができる。

【００９１】請求項４のセンサ用セラミックヒータで
は、先端部の線厚が基端部の線厚より厚く設定されてい
るので、先端部と基端部との温度差が小さくなって、断
線の発生を防止することができる。請求項５のセンサ用
セラミックヒータでは、先端部が基端部より比抵抗の小
さい抵抗材料によって形成されているので、先端部と基
端部との温度差が小さくなって、断線の発生を防止する
ことができる。

【００９２】請求項６の酸素センサでは、セラミック基
体の先端部の発熱量がその基端部より小さくされている
ので、セラミック基体の固定された基端部側にて熱引き
されても、先端部と基端部との温度差が大きくならな
い。そのため、先端部が異常発熱することがないので、
通常の使用状態だけではなく、急速加熱の際にも先端部
における発熱体の断線を防止することができる。

【００９３】請求項７の酸素センサは、感ガス素子が酸
素濃度に対して抵抗値が変化する金属酸化物で、ヒータ
が出力取出部と略同一面上に形成されており、この様な
センサにおいても、先端部と基端部との温度差が小さく
なるので、通常の使用状態だけではなく、急速加熱の際
にも断線を防止することができる。

【００９４】請求項８の酸素センサは、感ガス素子が酸
素濃度に対して起電力が変化する金属酸化物で、ヒータ
が出力取出部と異なる面上に形成されおり、この様なセ
ンサにおいても、先端部と基端部との温度差が小さくな
るので、通常の使用状態だけではなく、急速加熱の際に
も断線を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例１の酸素センサを一部破断して示す断
面図である。

【図２】 実施例１の酸素センサ素子を示す分解斜視図
である。

【図３】 実施例１のセラミックヒータを示す平面図で
ある。

【図４】 実験例１によるクラック発生率を示すグラフ
である。

【図５】 実験例２の発熱パターンを示す平面図であ
る。

【図６】 実施例２の酸素センサ素子を示す分解斜視図
である。

【図７】 実施例２のセラミックヒータを示す平面図で
ある。

【図８】 （ａ）は実験例３の発熱パターンを示す平面
図であり、（ｂ）は実験例４を示す発熱パターンの平面
図である。

【図９】 実験例３によるクラック発生率を示すグラフ
である。

【図１０】 実施例３のセラミックヒータを示す平面図
である。

【図１１】 実験例５のセラミックヒータのクラック調
査結果を示すグラフである。

【図１２】 実験例５のセラミックヒータの断線調査結
果を示すグラフである。

【図１３】 実験例５のセラミックヒータの幅方向温度
分布を示すグラフである。

【図１４】 実験例５のセラミックヒータの長さ方向温
度分布を示すグラフである。

【図１５】 実施例４の酸素センサ素子を示す分解斜視
図である。

【図１６】 実験例６の試料の発熱パターンを示す説明
図である。

【図１７】 実験例６の試料の断線率を示すグラフであ
る。

【図１８】 他の実施例のセラミックヒータを示し、
（ａ）はその分解斜視図、（ｂ）はその縦方向の断面図
である。

【図１９】 更に他の実施例のセラミックヒータを示
し、（ａ）はその分解斜視図、（ｂ）はその縦方向の断
面図である。

【図２０】 従来例を示し、（ａ）は従来の酸素センサ
素子の分解斜視図、（ｂ）、（ｃ）はセラミックヒータ
を一部破断して示す平面図である。

【符号の説明】

１…酸素センサ、 ２，５１… 酸素センサ素子、 ３，１６，３４…感ガス素子、 ２１…セラミックヒータ、 ２２，３２，４２，５２…発熱パターン、 ２５，３８，４３，６３…発熱部、 ２６，３５，４４，６４…リード部、 ２５ａ，３８ａ…先端部、 ２５ｂ，３８ｂ…基端部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−183942（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−329289（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−118046（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−256142（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−91034（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−78488（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−167396（ＪＰ，Ｕ) 実開 平５−43495（ＪＰ，Ｕ) 実開 平５−31191（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 27/12 G01N 27/409 H05B 3/20

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミック基体に、該セラミック基体の
   長手方向に蛇行した発熱部と該発熱部から伸びるリード
   部とからなる発熱パターンを形成したセンサ用セラミッ
   クヒータにおいて、 前記発熱パターンの中央部における前記長手方向の長さ
   を該発熱パターンの側辺部における該長手方向の長さよ
   り短く設定するとともに、該中央部を前記基端部側に寄
   せて配置し、且つ該中央部の線幅を前記側辺部の線幅よ
   り太く設定し、 更に、前記中央部における前記長手方向の長さを前記側
   辺部における長手方向の長さの８０％以下に設定 したこ
   とを特徴とするセンサ用セラミックヒータ。
2. 【請求項２】 前記発熱パターンの中央部の線間隔を、
   該発熱パターンの側辺部の線間隔より広く設定したこと
   を特徴とする前記請求項１記載のセンサ用セラミックヒ
   ータ。
3. 【請求項３】 前記先端部の線幅を、前記基端部の線幅
   より太く設定したことを特徴とする前記請求項１又は２
   記載のセンサ用セラミックヒータ。
4. 【請求項４】 前記発熱パターンの先端部の線厚を、該
   発熱パターンの基端部の線厚より厚く設定したことを特
   徴とする前記請求項１〜３のいずれか記載のセンサ用セ
   ラミックヒータ。
5. 【請求項５】 前記発熱パターンの先端部を、該発熱パ
   ターンの基端部より比抵抗の小さい抵抗材料によって形
   成したことを特徴とする前記請求項１〜４のいずれか記
   載のセンサ用セラミックヒータ。
6. 【請求項６】 前記請求項１〜５のいずれか記載のセン
   サ用セラミックヒータを用いて、感ガス素子を加熱する
   酸素センサにおいて、 前記センサ用セラミックヒータのセラミック基体の基端
   部側を固定して金属ケースに収納する構成を備えるとと
   もに、 前記セラミック基体の先端部の発熱量を、該セラ
   ミック基体の基端部の発熱量より小さくしたことを特徴
   とする酸素センサ。
7. 【請求項７】 前記感ガス素子が酸素濃度に対して抵抗
   値が変化する金属酸化物であり、前記ヒータが前記出力
   取出部と略同一面上に形成されていることを特徴とする
   前記請求項６記載の酸素センサ。
8. 【請求項８】 前記感ガス素子が酸素濃度に対して起電
   力が変化する金属酸化物であり、前記ヒータが前記出力
   取出部と異なる面上に形成されていることを特徴とする
   前記請求項６記載の酸素センサ。