JP4826461B2

JP4826461B2 - 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: JP4826461B2
Application number: JP2006337913A
Authority: JP
Inventors: 将内藤; 淳岩田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-12-15
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2026-12-15
Also published as: DE102007055800A1; US20080223849A1; JP2008151558A

Description

本発明は、セラミックシートにヒータパターンを形成してなる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。

例えば、内燃機関における空燃比、特定ガス成分の濃度等を検出するガスセンサ素子においては、内燃機関の始動時等にガスセンサ素子を加熱するために、セラミックヒータを用いている。このセラミックヒータは、絶縁性のセラミックシートの表面に、白金等を用いた導電ペーストを印刷してヒータパターンを形成し、当該セラミックシートを例えば１６００℃以下の高温環境下で焼成して製造している。

図４に示すごとく、従来のセラミックヒータ９において、上記ヒータパターン９３は、通電を行うための一対の通電用パターン９４０と、各通電用パターン９４０を連結するよう形成した発熱用パターン９３０とによって形成されている。そして、ヒータパターン９３における発熱用パターン９３０は、セラミックシート９２の長手方向Ｄに伸びる一対の直線導体部９３１同士の間に、長手方向Ｄに対して折り返した折返し導体部９３２と、直線導体部９３１に平行に形成され、折返し導体部９３２同士を連結する直線連結導体部９３３とを設けて構成されている。このようなセラミックヒータ９を用いたガスセンサ素子としては、例えば、特許文献１に開示されたものがある。また、特許文献２においては、ヒータパターンにおける発熱用パターンを、セラミックシートの長手方向に対して蛇行して形成することが開示されている。

近年、例えば、ガスセンサ素子においては早期活性能力が要求されており、その設計においては小型化による熱容量の低下がその有効な手段として用いられている。また、一方で、高い電力を投入可能なセラミックヒータが内蔵される。
ここで、セラミックヒータにおいては上記のようにガスセンサ素子の小型化、特にガスセンサ素子幅方向の小型化に伴いヒータパターンの縮小化が余儀なくされ、これに伴い、図４に示すごとく、ヒータパターン９３の発熱用パターン９３０における折返し導体部９３２の曲率直径Ｒ１’〜Ｒ３’（曲率半径を２倍したもの）が小さくなる傾向にある。

ところが、上記の曲率直径Ｒ１’〜Ｒ３’の縮小化によって、ヒータパターン９３の印刷時に、良好な印刷を行うことができず、折返し導体部９３２の印刷がかすれてしまうといった製造上の問題が顕著に発生した。そして、この印刷かすれ等の印刷不良が発生したときには、ヒータ抵抗のばらつきが生じてしまう。また、場合によっては、印刷不良部分での局部的な高抵抗化による異常発熱が発生し、最悪の場合には、ヒータパターン９３の断線又は熱応力によるヒータパターン９３の亀裂の原因となるおそれがある。

特開２０００−６５７８２号公報特開昭５９−１６３５５８号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、印刷状態を損なうことなく、パターン全幅を小さくすることができ、かつヒータ抵抗のばらつきが少なく、断線、亀裂等に対しても強いヒータパターンを形成する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するものである。

第１の発明は、絶縁性のセラミックシートと、該セラミックシートに導電ペーストを印刷してなるヒータパターンとを有し、該ヒータパターンにおける発熱用パターンを上記セラミックシートの長手方向に複数回折り返して形成したセラミックヒータにおいて、
上記発熱用パターンは、上記長手方向に沿って形成した一対の直線導体部と、該直線導体部同士の間において上記長手方向に対して傾斜して形成した２本の斜線導体部と、上記各直線導体部の一端側と上記各斜線導体部の一端側とを連結する２つの第１折返し導体部と、上記２本の斜線導体部の他端側同士を連結する１つの第２折返し導体部とを有しており、
上記２つの第１折返し導体部及び上記第２折返し導体部は、その全体が滑らかな曲線形状によって１８０°を超える角度に折り返してあり、
上記２つの第１折返し導体部及び上記第２折返し導体部の中心線の曲率直径の総和を、上記直線導体部の中心線同士の間のパターン全幅よりも大きくしたことを特徴とするセラミックヒータにある（請求項１）。

本発明のセラミックヒータにおいては、発熱用パターンを、セラミックシートの長手方向に複数回折り返して形成する仕方に工夫を行っている。
具体的には、本発明においては、発熱用パターンにおいて、上記斜線導体部及び折返し導体部を形成することにより、折返し導体部は、直線導体部と斜線導体部との連結部分、又は斜線導体部同士の連結部分を１８０°を超える角度に折り返している。そして、複数の折返し導体部の中心線の曲率直径の総和は、直線導体部の中心線同士の間のパターン全幅よりも大きくなっている。

これにより、折返し導体部の大きな曲率直径（曲率半径を２倍したもの）を確保することができる。そのため、セラミックシートに導電ペーストを印刷してヒータパターンを形成する際に、折返し導体部に良好な印刷を行うことができる。そして、この折返し導体部の印刷がかすれてしまうことを効果的に抑制することができ、印刷かすれに対する余裕度を向上させることができる。
また、上記工夫により、折返し導体部の曲率直径を縮小化させることなく、上記加熱用パターンのパターン全幅を小さくすることができる。

それ故、本発明のセラミックヒータによれば、印刷状態を損なうことなく、パターン全幅を小さくすることができ、かつヒータ抵抗のばらつきが少なく、断線、亀裂等に対しても強いヒータパターンを形成することができる。

第２の発明は、上記第１の発明に記載のセラミックヒータを用いて構成したガスセンサ素子であって、
該ガスセンサ素子は、少なくとも一対の電極を表裏の対向位置に設けてなる酸素イオン導電性の固体電解質体を有しており、
該固体電解質体に上記セラミックヒータを積層して構成してあることを特徴とするガスセンサ素子にある（請求項５）。

本発明のガスセンサ素子は、上記優れた作用効果を有するセラミックヒータを用いて構成される。
そのため、本発明によれば、ヒータ性能を損なうことなく小型化したセラミックヒータを用いて、ガスセンサ素子の小型化を図ることができる。これにより、ガスセンサ素子の熱容量を小さくして、その早期活性能力を向上させることができる。また、ガスセンサ素子を早期に活性化させるために、セラミックヒータにより急速に昇温を行う場合でも、セラミックヒータにおけるヒータパターンに、異常発熱による熱応力の増加に伴う亀裂が発生することを防止することができる。
それ故、早期活性能力と高い信頼性を兼ね備えるガスセンサを得ることができる。

上述した第１、第２の発明における好ましい実施の形態につき説明する。
第１の発明において、上記ヒータパターンは、上記長手方向に直交する横方向に並べて隣接形成した一対の通電用パターンを有すると共に、該通電用パターンから上記長手方向の一方側に向けて上記直線導体部をそれぞれ連結してなることが好ましい（請求項２）。
この場合には、シンプルな形状であって加熱性能に優れた適切な形状のヒータパターンを形成することができる。また、この場合には、セラミックシートの一端側からヒータパターンに通電を行うためのリード線を引き出すことができる。

また、上記斜線導体部及び上記折返し導体部を形成した部分の上記長手方向の長さは、上記パターン全幅よりも長くすることができる（請求項３）。
この場合には、セラミックシートの長手方向に向けて、適切な形状のヒータパターンを形成することができる。

また、上記パターン全幅は、１．５〜３．５ｍｍとすることが好ましい（請求項４）。
この場合には、印刷状態の良好なヒータパターンを形成したセラミックヒータを容易に得ることができる。
なお、パターン全幅が１．５ｍｍ未満の場合には、発熱用パターンの各導体部同士の間にショート等による異常発熱が発生するおそれがある。一方、パターン全幅が３．５ｍｍを超える未満の場合には、上記折返し導体部の曲率直径を大きくする工夫を行わなくても、印刷かすれのないヒータパターンを形成することができる。

また、上記発熱用パターンにおいて、上記直線導体部、上記折返し導体部及び上記斜線導体部の各導体部同士の間の間隔は、０．２〜１ｍｍとすることが好ましい。
この場合には、印刷状態の良好なヒータパターンを形成したセラミックヒータを容易に得ることができる。
なお、各導体部同士の間の間隔が０．２ｍｍ未満である場合には、各導体部同士の間にショート等による異常発熱が発生するおそれがある。一方、各導体部同士の間の間隔が１ｍｍを超える場合には、上記折返し導体部の曲率直径を大きくする工夫を行わなくても、印刷かすれのないヒータパターンを形成することができる。

以下に、本発明の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き、図面と共に説明する。
本例のセラミックヒータ１は、図１に示すごとく、絶縁性のセラミックシート２と、このセラミックシート２に導電ペースト（導電性を有する金属ペースト）を印刷してなるヒータパターン３とを有しており、ヒータパターン３における発熱用パターン３１をセラミックシート２の長手方向Ｄに複数回折り返して形成してなる。ここで、図１は、加熱用パターン３１の形成状態を示す図である。

発熱用パターン３１は、長手方向Ｄに沿って形成した一対の直線導体部３１１と、直線導体部３１１同士の間において長手方向Ｄに対して傾斜して形成した斜線導体部３１３と、斜線導体部３１３と直線導体部３１１とを連結する複数の折返し導体部３１２とを有している。そして、発熱用パターン３１においては、複数の折返し導体部３１２の中心線の曲率直径Ｒ１〜Ｒ３の総和が、直線導体部３１１の中心線同士の間のパターン全幅Ｗよりも大きくなっている（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＞Ｗ）。

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１０につき、図１〜図５と共に詳説する。
図２、図３に示すごとく、本例のセラミックヒータ１は、酸素濃度等の変化を測定して空燃比又は特定ガス成分の濃度等を検出するガスセンサ素子１０に用いる。ガスセンサ素子１０は、一対の電極４１を表裏の対向位置に設けてなる酸素イオン導電性の固体電解質体４を有しており、固体電解質体４にセラミックヒータ１を積層して構成してある。固体電解質体４における一対の電極４１は、排気ガス等の被測定ガスと接触する表面に形成した被測定ガス側電極４１Ａと、大気等の基準ガスと接触する表面に形成した基準ガス側電極４１Ｂとからなる。なお、図２は、セラミックヒータ１を適用したガスセンサ素子１０の長手方向の断面を示し、図３は、ガスセンサ素子１０の横方向の断面を示す。

本例の固体電解質体４は、ジルコニア等を用いたセラミックスからなり、各電極４１は、白金等を用いた導電ペーストを固体電解質体４の表裏面に印刷してなる。また、セラミックヒータ１を構成するセラミックシート２は、アルミナ等を用いたセラミックスのシートからなり、ヒータパターン３は、白金等を用いた導電ペーストを印刷してなる。
また、セラミックシート２の表面に導電ペーストを印刷してヒータパターン３を形成した後には、当該セラミックシート２を焼成してセラミックヒータ１を製造することができる。

図１に示すごとく、本例のヒータパターン３は、上記発熱用パターン３１と、セラミックシート２の長手方向Ｄに直交する横方向に並べて隣接形成した一対の通電用パターン３２とを有している。発熱用パターン３１における各直線導体部３１１は、各通電用パターン３２からそれぞれ長手方向Ｄの一端側Ｄ１に向けて連結して形成してある。なお、発熱用パターン３１及び通電用パターン３２は、ガスセンサ素子１０等に配設するセラミックヒータ１の長さに対応して、適宜長く形成することができる。
本例の発熱用パターン３１における斜線導体部３１３は、一対の直線導体部３１１同士の間において２本形成してある。そして、発熱用パターン３１における折返し導体部３１２は、各直線導体部３１１の一端側Ｄ１と各斜線導体部３１３の一端側Ｄ１とを連結する２つの第１折返し導体部３１２Ａと、斜線導体部３１３の他端側Ｄ２同士を連結する１つの第２折返し導体部３１２Ｂとからなる。

また、ヒータパターン３は、セラミックシート２の長手方向Ｄに長く形成してあり、斜線導体部３１３及び折返し導体部３１２を形成した部分の長手方向Ｄの長さは、発熱用パターン３１のパターン全幅Ｗよりも長くなっている。
また、発熱用パターン３１は、パターン全幅Ｗが１．５〜３．５ｍｍの幅になるよう形成してあり、発熱用パターン３１における各導体部３１１、３１２、３１３同士の間の間隔は、０．２〜１ｍｍとなっている。

図２、図３に示すごとく、セラミックヒータ１は、ヒータパターン３を形成したセラミックシート２に、絶縁性のセラミックス等からなる対向シート２０を積層することによって、ガスセンサ素子１０に配設してある。
なお、上記セラミックヒータ１は、種々のガスセンサ素子１０に適用することができる。例えば、セラミックヒータ１は、被測定ガスと基準ガスとの酸素濃度の差を検出するセルを備えた１セルタイプのガスセンサ素子１０に適用することができ、被測定ガス中の酸素濃度を調整するポンプセル及び被測定ガスと基準ガスとの酸素濃度の差を検出するセンサセル等を備えた２セルタイプのガスセンサ素子１０に適用することもできる。

本例のセラミックヒータ１においては、発熱用パターン３１を、セラミックシート２の長手方向Ｄに複数回折り返して形成する仕方に工夫を行っている。
具体的には、本例においては、発熱用パターン３１において、上記斜線導体部３１３及び折返し導体部３１２を形成することにより、折返し導体部３１２は、直線導体部３１１と斜線導体部３１３との連結部分及び斜線導体部３１３同士の連結部分を１８０°を超える角度に折り返している。そして、複数の折返し導体部３１２の中心線の曲率直径Ｒ１〜Ｒ３の総和は、直線導体部３１１の中心線同士の間のパターン全幅Ｗよりも大きくなっている。

これにより、折返し導体部３１２の大きな曲率直径Ｒ１〜Ｒ３（曲率半径を２倍したもの）を確保することができる。そのため、セラミックシート２に導電ペーストを印刷してヒータパターン３を形成する際に、折返し導体部３１２に良好な印刷を行うことができる。そして、この折返し導体部３１２の印刷がかすれてしまうことを効果的に抑制することができ、印刷かすれに対する余裕度を向上させることができる。
また、上記工夫により、折返し導体部３１２の曲率直径Ｒ１〜Ｒ３（曲率半径を２倍したもの）を縮小化させることなく、加熱用パターン３１のパターン全幅Ｗを小さくすることができる。

それ故、本例のセラミックヒータ１によれば、印刷状態を損なうことなく、パターン全幅Ｗを小さくすることができ、かつヒータ抵抗のばらつきが少なく、断線、亀裂等に対しても強いヒータパターン３を形成することができる。

また、本例によれば、ヒータ性能を損なうことなく小型化したセラミックヒータ１を用いて、ガスセンサ素子１０の小型化を図ることができる。これにより、ガスセンサ素子１０の熱容量を小さくして、その早期活性能力を向上させることができる。また、ガスセンサ素子１０を早期に活性化させるために、セラミックヒータ１により急速に昇温を行う場合でも、セラミックヒータ１におけるヒータパターン３に、異常発熱による熱応力の増加に伴う亀裂が発生することを防止することができる。それ故、早期活性能力と高い信頼性を兼ね備えるガスセンサを得ることができる。

なお、図４には、ヒータパターン９３における発熱用パターン９３０を、セラミックシート９２の長手方向Ｄに伸びる一対の直線導体部９３１同士の間に、長手方向Ｄに沿って折り返した折返し導体部９３２と、直線導体部９３１に平行に形成され、折返し導体部９３２同士を連結する直線連結導体部９３３とを設けて構成した従来のセラミックヒータ９を示す。この従来のセラミックヒータ９においては、ヒータパターン９３のパターン全幅Ｗ’を縮小しようとすると、この縮小量に対応して折返し導体部９３２の曲率直径Ｒ１’〜Ｒ３’を小さくする必要があり、この折返し導体部９３２に印刷かすれ等の印刷不良が発生するおそれがある。

また、図５は、ヒータパターンにおける加熱用パターンのパターン全幅Ｗを縮小したときに、セラミックヒータにおいて異常発熱が発生する頻度が増加することを示すイメージ図である。同図において、本例のセラミックヒータ１（発明品）は、上記加熱用パターン３１の形状に工夫を行ったことにより、従来のセラミックヒータ９（比較品）に比べて、パターン全幅Ｗを小さくしたときでも、異常発熱が発生し難いことがわかる。

実施例における、セラミックヒータにおける加熱用パターンの形成状態を示す平面説明図。実施例における、セラミックヒータを適用したガスセンサ素子の長手方向の断面を示す説明図。実施例における、セラミックヒータを適用したガスセンサ素子の横方向の断面を示す説明図。従来例における、セラミックヒータにおける加熱用パターンの形成状態を示す平面説明図。実施例における、横軸にパターン全幅をとり、縦軸にセラミックヒータの異常発熱発生頻度をとって、両者の関係をイメージ的に示すグラフ。

符号の説明

１セラミックヒータ
１０ガスセンサ素子
２セラミックシート
３ヒータパターン
３１発熱用パターン
３１１直線導体部
３１２折返し導体部
３１３斜線導体部
３２通電用パターン
４固体電解質体
４１電極
Ｒ１〜Ｒ３曲率直径
Ｗパターン全幅
Ｄ長手方向

Claims

絶縁性のセラミックシートと、該セラミックシートに導電ペーストを印刷してなるヒータパターンとを有し、該ヒータパターンにおける発熱用パターンを上記セラミックシートの長手方向に複数回折り返して形成したセラミックヒータにおいて、
上記発熱用パターンは、上記長手方向に沿って形成した一対の直線導体部と、該直線導体部同士の間において上記長手方向に対して傾斜して形成した２本の斜線導体部と、上記各直線導体部の一端側と上記各斜線導体部の一端側とを連結する２つの第１折返し導体部と、上記２本の斜線導体部の他端側同士を連結する１つの第２折返し導体部とを有しており、
上記２つの第１折返し導体部及び上記第２折返し導体部は、その全体が滑らかな曲線形状によって１８０°を超える角度に折り返してあり、
上記２つの第１折返し導体部及び上記第２折返し導体部の中心線の曲率直径の総和を、上記直線導体部の中心線同士の間のパターン全幅よりも大きくしたことを特徴とするセラミックヒータ。
請求項１において、上記ヒータパターンは、上記長手方向に直交する横方向に並べて隣接形成した一対の通電用パターンを有すると共に、該通電用パターンから上記長手方向の一方側に向けて上記直線導体部をそれぞれ連結してなることを特徴とするセラミックヒータ。
請求項１又は２において、上記斜線導体部及び上記折返し導体部を形成した部分の上記長手方向の長さは、上記パターン全幅よりも長いことを特徴とするセラミックヒータ。
請求項１〜３のいずれか一項において、上記パターン全幅は、１．５〜３．５ｍｍであることを特徴とするセラミックヒータ。
請求項１〜４のいずれか一項に記載のセラミックヒータを用いて構成したガスセンサ素子であって、
該ガスセンサ素子は、少なくとも一対の電極を表裏の対向位置に設けてなる酸素イオン導電性の固体電解質体を有しており、
該固体電解質体に上記セラミックヒータを積層して構成してあることを特徴とするガスセンサ素子。