JP6674211B2 - Ceramic heater, sensor element and gas sensor - Google Patents

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Description

本発明は、セラミックスヒータ,センサ素子及びガスセンサに関する。   The present invention relates to a ceramic heater, a sensor element, and a gas sensor.

従来、セラミックスヒータとしては、セラミックスシートと、セラミックスシートの長手方向に複数回折り返して形成したヒータパターンとを有するものが知られている(例えば、特許文献1)。特許文献1に記載のヒータパターンは、長手方向に沿って形成された直線導体部と、直線導体部同士を連結する折り返し導体部とを備えている。また、短手方向に沿った直線部と直線部同士を連結する折り返し部とを備えたパターンを有するものも知られている(例えば、特許文献2)。   BACKGROUND ART Conventionally, as a ceramic heater, a heater having a ceramic sheet and a heater pattern formed by bending a plurality of times in the longitudinal direction of the ceramic sheet is known (for example, Patent Document 1). The heater pattern described in Patent Literature 1 includes a straight conductor portion formed along the longitudinal direction, and a folded conductor portion connecting the straight conductor portions. Further, there is also known a pattern having a pattern including a straight portion extending in a short direction and a folded portion connecting the straight portions (for example, Patent Document 2).

特許第4826461号公報Japanese Patent No. 4826461 特許第3571494号公報Japanese Patent No. 3571494

ところで、このようなセラミックスヒータでは、発熱体を構成する導体が高温で酸化することなどにより、発熱体が劣化して断線する場合があった。   By the way, in such a ceramic heater, the conductor constituting the heating element may be oxidized at a high temperature, and the heating element may be deteriorated and disconnected.

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、発熱体の寿命を長くすることを主目的とする。   The present invention has been made to solve such a problem, and has as its main object to extend the life of a heating element.

本発明は、上述した主目的を達成するために以下の手段を採った。   The present invention employs the following means to achieve the above-mentioned main object.

本発明のセラミックスヒータは、
外側発熱部と、700℃以上900℃以下の温度範囲の少なくともいずれかの温度における単位長さあたりの抵抗値が前記外側発熱部と比べて高く該外側発熱部よりも内側で該外側発熱部に対して電気的に並列に配設された内側発熱部と、を有する発熱体と、
前記発熱体を囲むセラミックス体と、
を備えたものである。
The ceramic heater of the present invention
The outer heat generating portion, the resistance per unit length at least at any temperature in the temperature range of 700 ° C. or more and 900 ° C. or less is higher than the outer heat generating portion, and the inner side of the outer heat generating portion has the outer heat generating portion. A heating element having an inner heating portion electrically arranged in parallel with the heating element;
A ceramic body surrounding the heating element,
It is provided with.

このセラミックスヒータでは、発熱体の内側発熱部は、外側発熱部と電気的に並列に配設され、外側発熱部と比べて、700℃以上900℃以下の温度範囲の少なくともいずれかの温度における単位長さあたりの抵抗値が高くなっている。これにより、700℃〜900℃の少なくともいずれかの温度において、内側発熱部は外側発熱部と比べて発熱密度(単位長さあたりの発熱量)が小さくなる。ここで、内側発熱部は外側発熱部よりも内側に位置するため高温になりやすく、高温になるほど発熱体は劣化しやすい。本発明のセラミックスヒータでは、内側発熱部の発熱密度が外側発熱部と比べて小さいため、高温になりやすい内側発熱部の温度上昇を抑制でき、内側発熱部の劣化を抑制できる。したがって、発熱体全体としての寿命が長くなる。   In this ceramic heater, the inner heating portion of the heating element is disposed electrically in parallel with the outer heating portion, and has a unit in at least one of a temperature range of 700 ° C. or more and 900 ° C. or less as compared with the outer heating portion. The resistance value per length is high. Thus, at least at any one of the temperatures of 700 ° C. to 900 ° C., the heat generation density (heat generation amount per unit length) of the inside heat generation part is smaller than that of the outside heat generation part. Here, the inside heat-generating portion is located on the inner side of the outside heat-generating portion, so that the temperature is likely to be high. In the ceramic heater according to the present invention, since the heat generation density of the inner heat generating portion is smaller than that of the outer heat generating portion, it is possible to suppress the temperature rise of the inner heat generating portion, which is likely to become high in temperature, and to suppress the deterioration of the inner heat generating portion. Therefore, the life of the heating element as a whole is prolonged.

本発明のセラミックスヒータにおいて、前記内側発熱部の単位長さあたりの抵抗値を単位抵抗値R1[μΩ/mm]とし、前記外側発熱部の単位長さあたりの抵抗値を単位抵抗値R2[μΩ/mm]としたときに、前記温度範囲の少なくともいずれかの温度における単位抵抗値比R1/R2が値1.15以上としてもよい。こうすれば、内側発熱部の劣化を抑制する効果がより高まる。この場合において、前記温度範囲の少なくともいずれかの温度における前記単位抵抗値比R1/R2が値1.25以上であることが好ましい。   In the ceramic heater according to the present invention, the resistance value per unit length of the inner heating portion is defined as a unit resistance value R1 [μΩ / mm], and the resistance value per unit length of the outer heating portion is defined as a unit resistance value R2 [μΩ]. / Mm], the unit resistance ratio R1 / R2 at at least one of the temperatures in the above temperature range may be a value of 1.15 or more. In this case, the effect of suppressing the deterioration of the inner heat generating portion is further enhanced. In this case, it is preferable that the unit resistance value ratio R1 / R2 at at least one of the temperatures in the temperature range is 1.25 or more.

本発明のセラミックスヒータにおいて、前記内側発熱部は、前記外側発熱部と比べて長さ方向に垂直な断面積が小さくてもよい。こうすれば、内側発熱部の単位長さあたりの抵抗値が外側発熱部と比べて高くなりやすい。この場合において、前記内側発熱部の長さ方向に垂直な断面積S1[mm2]と前記外側発熱部の長さ方向に垂直な断面積S2[mm2]との断面積比S2/S1が値1.15以上であることが好ましい。こうすれば、上述した温度範囲の少なくともいずれかの温度における単位抵抗値比R1/R2が値1.15以上になりやすい。また、前記断面積比S2/S1が値1.25以上であることがより好ましい。 In the ceramic heater according to the aspect of the invention, the inner heating portion may have a smaller cross-sectional area perpendicular to the length direction than the outer heating portion. In this case, the resistance value per unit length of the inner heat generating portion tends to be higher than that of the outer heat generating portion. In this case, the cross-sectional area ratio S2 / S1 of the cross-sectional area S1 [mm 2 ] perpendicular to the length direction of the inner heat generating portion and the cross-sectional area S2 [mm 2 ] perpendicular to the length direction of the outer heat generating portion is obtained. Preferably the value is at least 1.15. In this case, the unit resistance ratio R1 / R2 at at least one of the temperatures in the above-described temperature range tends to be 1.15 or more. It is more preferable that the cross-sectional area ratio S2 / S1 is 1.25 or more.

本発明のセラミックスヒータにおいて、前記内側発熱部は、前記外側発熱部と比べて前記温度範囲の少なくともいずれかの温度における体積抵抗率が高くてもよい。こうすれば、内側発熱部の単位長さあたりの抵抗値が外側発熱部と比べて高くなりやすい。この場合において、前記温度範囲の少なくともいずれかの温度において、前記内側発熱部の体積抵抗率ρ1[μΩ・cm]と前記外側発熱部の体積抵抗率ρ2[μΩ・cm]との比である体積抵抗率比ρ1/ρ2が値1.15以上であることが好ましい。こうすれば、上述した温度範囲の少なくともいずれかの温度における単位抵抗値比R1/R2が値1.15以上になりやすい。また、前記温度範囲の少なくともいずれかの温度における前記体積抵抗率比ρ1/ρ2が値1.25以上であることがより好ましい。   In the ceramic heater according to the aspect of the invention, the inner heat generating portion may have a higher volume resistivity at at least one of the temperatures in the temperature range than the outer heat generating portion. In this case, the resistance value per unit length of the inner heat generating portion tends to be higher than that of the outer heat generating portion. In this case, at least at any one of the temperatures in the temperature range, the volume is the ratio of the volume resistivity ρ1 [μΩ · cm] of the inner heating portion to the volume resistivity ρ2 [μΩ · cm] of the outer heating portion. It is preferable that the resistivity ratio ρ1 / ρ2 is equal to or greater than 1.15. In this case, the unit resistance ratio R1 / R2 at at least one of the temperatures in the above-described temperature range tends to be 1.15 or more. Further, it is more preferable that the volume resistivity ratio ρ1 / ρ2 at at least one of the temperatures in the temperature range is 1.25 or more.

本発明のセラミックスヒータにおいて、前記外側発熱部及び前記内側発熱部は、それぞれ屈曲部を1つのみ備えていてもよい。こうすれば、内側発熱部と外側発熱部とが電気的に直列に接続された1本の発熱部であるような場合と比較して、例えば屈曲部の数を少なくしたり屈曲部の曲率半径を大きくしたりしやすい。ここで、屈曲部は、例えば直線部と比べて、熱膨張による応力の影響を受けやすいため劣化により断線等が生じやすく、寿命が短い傾向にある。そのため、屈曲部の数が少なくなることと屈曲部の曲率半径が大きくなることとの少なくとも一方により、発熱体全体としての寿命が長くなる。   In the ceramic heater according to the aspect of the invention, each of the outer heat generating portion and the inner heat generating portion may include only one bent portion. In this case, for example, the number of bent portions is reduced or the radius of curvature of the bent portion is reduced as compared with the case where the inner heating portion and the outer heating portion are one heating portion electrically connected in series. Easy to enlarge. Here, the bent portion is more susceptible to the stress due to thermal expansion than the straight portion, for example, so that the bent portion is liable to be disconnected due to deterioration, and the life tends to be short. Therefore, the life of the heating element as a whole is prolonged due to at least one of the reduction in the number of the bent portions and the increase in the radius of curvature of the bent portion.

本発明のセンサ素子は、
上述したいずれかの態様の本発明のセラミックスヒータを備え、
被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するものである。
The sensor element of the present invention comprises:
Equipped with the ceramic heater of the present invention according to any one of the above-described embodiments,
It detects a specific gas concentration in the gas to be measured.

このセンサ素子は、上述したいずれかの態様のセラミックスヒータを備えている。そのため、上述した本発明のセラミックスヒータと同様の効果、例えば発熱体の寿命が長くなる効果が得られる。   This sensor element includes the ceramic heater according to any one of the above-described embodiments. Therefore, an effect similar to that of the above-described ceramic heater of the present invention, for example, an effect of extending the life of the heating element can be obtained.

本発明のガスセンサは、
上述した本発明のセンサ素子を備えたものである。
The gas sensor of the present invention
This is provided with the sensor element of the present invention described above.

このセンサ素子は、上述したいずれかの態様のセラミックスヒータを備えたセンサ素子を備えている。そのため、上述した本発明のセラミックスヒータやセンサ素子と同様の効果、例えば発熱体の寿命が長くなる効果が得られる。   This sensor element includes a sensor element including the ceramic heater according to any one of the above-described embodiments. Therefore, an effect similar to that of the above-described ceramic heater or sensor element of the present invention, for example, an effect of extending the life of the heating element can be obtained.

ガスセンサ100の構成の一例を概略的に示した断面模式図。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view schematically illustrating an example of the configuration of the gas sensor 100. 図1のA−A断面図。AA sectional drawing of FIG. 変形例のヒータ72Aの説明図。Explanatory drawing of the heater 72A of a modification. 変形例のヒータ72Bの説明図。Explanatory drawing of the heater 72B of a modification. 変形例のヒータ72Cの説明図。Explanatory drawing of the heater 72C of a modification.

次に、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図1は、本発明の一実施形態であるガスセンサ100の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。図2は、図1のA−A断面図である。なお、ガスセンサ100は、例えば自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおけるNOxなどの特定ガスの濃度を、センサ素子101により検出するものである。また、センサ素子101は長尺な直方体形状をしており、このセンサ素子101の長手方向(図1の左右方向)を前後方向とし、センサ素子101の厚み方向(図1の上下方向)を上下方向とする。また、センサ素子101の幅方向(前後方向及び上下方向に垂直な方向)を左右方向とする。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically illustrating an example of the configuration of a gas sensor 100 according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a sectional view taken along line AA of FIG. The gas sensor 100 detects the concentration of a specific gas such as NOx in a gas to be measured such as exhaust gas of an automobile by using the sensor element 101. The sensor element 101 has a long rectangular parallelepiped shape. The longitudinal direction of the sensor element 101 (horizontal direction in FIG. 1) is the front-back direction, and the thickness direction of the sensor element 101 (vertical direction in FIG. 1) is vertical. Direction. The width direction of the sensor element 101 (the direction perpendicular to the front-rear direction and the vertical direction) is defined as the left-right direction.

センサ素子101は、それぞれがジルコニア(ZrO2)等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる第1基板層1と、第2基板層2と、第3基板層3と、第1固体電解質層4と、スペーサ層5と、第2固体電解質層6との6つの層が、図面視で下側からこの順に積層された構造を有する素子である。また、これら6つの層を形成する固体電解質は緻密な気密のものである。係るセンサ素子101は、例えば、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工および回路パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し、さらに、焼成して一体化させることによって製造される。 The sensor element 101 includes a first substrate layer 1, a second substrate layer 2, a third substrate layer 3, and a first solid electrolyte layer 4 each made of an oxygen ion conductive solid electrolyte layer such as zirconia (ZrO 2 ). , A spacer layer 5 and a second solid electrolyte layer 6 are elements having a structure in which the six layers are stacked in this order from below in the drawing. The solid electrolyte forming these six layers is dense and airtight. The sensor element 101 is manufactured, for example, by performing predetermined processing and printing a circuit pattern on a ceramic green sheet corresponding to each layer, and then laminating them, and further firing and integrating them.

センサ素子101の一先端部であって、第2固体電解質層6の下面と第1固体電解質層4の上面との間には、ガス導入口10と、第1拡散律速部11と、緩衝空間12と、第2拡散律速部13と、第1内部空所20と、第3拡散律速部30と、第2内部空所40とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。   At one end of the sensor element 101, between the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 and the upper surface of the first solid electrolyte layer 4, a gas inlet 10, a first diffusion-controlling portion 11, and a buffer space 12, the second diffusion control part 13, the first internal space 20, the third diffusion control part 30, and the second internal space 40 are formed adjacent to each other so as to communicate in this order.

ガス導入口10と、緩衝空間12と、第1内部空所20と、第2内部空所40とは、スペーサ層5をくり抜いた態様にて設けられた上部を第2固体電解質層6の下面で、下部を第1固体電解質層4の上面で、側部をスペーサ層5の側面で区画されたセンサ素子101内部の空間である。   The gas inlet 10, the buffer space 12, the first internal space 20, and the second internal space 40 are formed such that an upper portion provided in a mode in which the spacer layer 5 is hollowed out is a lower surface of the second solid electrolyte layer 6. The lower part is the space inside the sensor element 101 defined by the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 and the side part is defined by the side surface of the spacer layer 5.

第1拡散律速部11と、第2拡散律速部13と、第3拡散律速部30とはいずれも、2本の横長の(図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する)スリットとして設けられる。なお、ガス導入口10から第2内部空所40に至る部位をガス流通部とも称する。   Each of the first diffusion-controlling portion 11, the second diffusion-controlling portion 13, and the third diffusion-controlling portion 30 is provided as two horizontally long slits (the openings have a longitudinal direction in a direction perpendicular to the drawing). . In addition, the part from the gas inlet 10 to the second internal space 40 is also referred to as a gas circulation part.

また、ガス流通部よりも先端側から遠い位置には、第3基板層3の上面と、スペーサ層5の下面との間であって、側部を第1固体電解質層4の側面で区画される位置に基準ガス導入空間43が設けられている。基準ガス導入空間43には、NOx濃度の測定を行う際の基準ガスとして、例えば大気が導入される。   Further, at a position farther from the distal end side than the gas flow portion, between the upper surface of the third substrate layer 3 and the lower surface of the spacer layer 5, the side portion is partitioned by the side surface of the first solid electrolyte layer 4. The reference gas introduction space 43 is provided at a position where the reference gas is introduced. For example, the atmosphere is introduced into the reference gas introduction space 43 as a reference gas when measuring the NOx concentration.

大気導入層48は、多孔質セラミックスからなる層であって、大気導入層48には基準ガス導入空間43を通じて基準ガスが導入されるようになっている。また、大気導入層48は、基準電極42を被覆するように形成されている。   The air introduction layer 48 is a layer made of porous ceramics, and a reference gas is introduced into the air introduction layer 48 through the reference gas introduction space 43. The air introduction layer 48 is formed so as to cover the reference electrode 42.

基準電極42は、第3基板層3の上面と第1固体電解質層4とに挟まれる態様にて形成される電極であり、上述のように、その周囲には、基準ガス導入空間43につながる大気導入層48が設けられている。また、後述するように、基準電極42を用いて第1内部空所20内や第2内部空所40内の酸素濃度(酸素分圧)を測定することが可能となっている。   The reference electrode 42 is an electrode formed so as to be sandwiched between the upper surface of the third substrate layer 3 and the first solid electrolyte layer 4, and is connected to the reference gas introduction space 43 around the reference electrode 42 as described above. An air introduction layer 48 is provided. Further, as described later, it is possible to measure the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the first internal space 20 and the second internal space 40 using the reference electrode 42.

ガス流通部において、ガス導入口10は、外部空間に対して開口してなる部位であり、該ガス導入口10を通じて外部空間からセンサ素子101内に被測定ガスが取り込まれるようになっている。第1拡散律速部11は、ガス導入口10から取り込まれた被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。緩衝空間12は、第1拡散律速部11より導入された被測定ガスを第2拡散律速部13へと導くために設けられた空間である。第2拡散律速部13は、緩衝空間12から第1内部空所20に導入される被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。被測定ガスが、センサ素子101外部から第1内部空所20内まで導入されるにあたって、外部空間における被測定ガスの圧力変動(被測定ガスが自動車の排気ガスの場合であれば排気圧の脈動)によってガス導入口10からセンサ素子101内部に急激に取り込まれた被測定ガスは、直接第1内部空所20へ導入されるのではなく、第1拡散律速部11、緩衝空間12、第2拡散律速部13を通じて被測定ガスの濃度変動が打ち消された後、第1内部空所20へ導入されるようになっている。これによって、第1内部空所20へ導入される被測定ガスの濃度変動はほとんど無視できる程度のものとなる。第1内部空所20は、第2拡散律速部13を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧を調整するための空間として設けられている。係る酸素分圧は、主ポンプセル21が作動することによって調整される。   In the gas flow section, the gas inlet 10 is a portion opened to the external space, and the gas to be measured is taken into the sensor element 101 from the external space through the gas inlet 10. The first diffusion control part 11 is a part that gives a predetermined diffusion resistance to the gas to be measured taken in from the gas inlet 10. The buffer space 12 is a space provided for guiding the gas to be measured introduced from the first diffusion control part 11 to the second diffusion control part 13. The second diffusion control part 13 is a part that gives a predetermined diffusion resistance to the gas to be measured introduced from the buffer space 12 into the first internal space 20. When the gas to be measured is introduced from the outside of the sensor element 101 to the inside of the first internal space 20, the pressure fluctuation of the gas to be measured in the external space (pulsation of the exhaust pressure if the gas to be measured is an exhaust gas of an automobile) The gas to be measured rapidly taken into the inside of the sensor element 101 from the gas inlet 10 by the above) is not directly introduced into the first internal space 20, but the first diffusion control part 11, the buffer space 12, the second After the fluctuation of the concentration of the gas to be measured is canceled through the diffusion control section 13, the gas is introduced into the first internal space 20. Thereby, the concentration fluctuation of the gas to be measured introduced into the first internal space 20 becomes almost negligible. The first internal space 20 is provided as a space for adjusting the partial pressure of oxygen in the gas to be measured introduced through the second diffusion control part 13. The oxygen partial pressure is adjusted by operating the main pump cell 21.

主ポンプセル21は、第1内部空所20に面する第2固体電解質層6の下面のほぼ全面に設けられた天井電極部22aを有する内側ポンプ電極22と、第2固体電解質層6の上面の天井電極部22aと対応する領域に外部空間に露出する態様にて設けられた外側ポンプ電極23と、これらの電極に挟まれた第2固体電解質層6とによって構成されてなる電気化学的ポンプセルである。   The main pump cell 21 includes an inner pump electrode 22 having a ceiling electrode portion 22 a provided on substantially the entire lower surface of the second solid electrolyte layer 6 facing the first internal space 20, and an inner pump electrode 22 having an upper surface of the second solid electrolyte layer 6. An electrochemical pump cell comprising an outer pump electrode 23 provided in a region corresponding to the ceiling electrode portion 22a so as to be exposed to an external space, and a second solid electrolyte layer 6 interposed between these electrodes. is there.

内側ポンプ電極22は、第1内部空所20を区画する上下の固体電解質層(第2固体電解質層6および第1固体電解質層4)、および、側壁を与えるスペーサ層5にまたがって形成されている。具体的には、第1内部空所20の天井面を与える第2固体電解質層6の下面には天井電極部22aが形成され、また、底面を与える第1固体電解質層4の上面には底部電極部22bが形成され、そして、それら天井電極部22aと底部電極部22bとを接続するように、側部電極部(図示省略)が第1内部空所20の両側壁部を構成するスペーサ層5の側壁面(内面)に形成されて、該側部電極部の配設部位においてトンネル形態とされた構造において配設されている。   The inner pump electrode 22 is formed over the upper and lower solid electrolyte layers (the second solid electrolyte layer 6 and the first solid electrolyte layer 4) that define the first internal space 20 and the spacer layer 5 that provides a side wall. I have. Specifically, a ceiling electrode portion 22a is formed on the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 providing the ceiling surface of the first internal space 20, and a bottom portion is formed on the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 providing the bottom surface. An electrode portion 22b is formed, and a side electrode portion (not shown) forms a spacer layer forming both side walls of the first internal space 20 so as to connect the ceiling electrode portion 22a and the bottom electrode portion 22b. 5 is formed on the side wall surface (inner surface) and is disposed in a tunnel-shaped structure at a position where the side electrode portion is disposed.

内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23とは、多孔質サーメット電極(例えば、Auを1%含むPtとZrO2とのサーメット電極)として形成される。なお、被測定ガスに接触する内側ポンプ電極22は、被測定ガス中のNOx成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。 The inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23 are formed as porous cermet electrodes (for example, a cermet electrode of Pt containing 1% Au and ZrO 2 ). The inner pump electrode 22 that is in contact with the gas to be measured is formed using a material having a reduced ability to reduce NOx components in the gas to be measured.

主ポンプセル21においては、内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23との間に所望のポンプ電圧Vp0を印加して、内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23との間に正方向あるいは負方向にポンプ電流Ip0を流すことにより、第1内部空所20内の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間の酸素を第1内部空所20に汲み入れることが可能となっている。   In the main pump cell 21, a desired pump voltage Vp0 is applied between the inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23, and a pump current is applied between the inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23 in the positive or negative direction. By flowing Ip0, oxygen in the first internal space 20 can be pumped into the external space, or oxygen in the external space can be pumped into the first internal space 20.

また、第1内部空所20における雰囲気中の酸素濃度(酸素分圧)を検出するために、内側ポンプ電極22と、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4と、第3基板層3と、基準電極42によって、電気化学的なセンサセル、すなわち、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80が構成されている。   In order to detect the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the atmosphere in the first internal space 20, the inner pump electrode 22, the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, and the first solid electrolyte layer 4 , The third substrate layer 3 and the reference electrode 42 constitute an electrochemical sensor cell, that is, an oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for controlling the main pump.

主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80における起電力V0を測定することで第1内部空所20内の酸素濃度(酸素分圧)がわかるようになっている。さらに、起電力V0が一定となるように可変電源24のポンプ電圧Vp0をフィードバック制御することでポンプ電流Ip0が制御されている。これによって、第1内部空所内20内の酸素濃度は所定の一定値に保つことができる。   By measuring the electromotive force V0 in the main pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 80, the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the first internal space 20 can be determined. Further, the pump current Ip0 is controlled by feedback-controlling the pump voltage Vp0 of the variable power supply 24 so that the electromotive force V0 is constant. Thereby, the oxygen concentration in the first internal space 20 can be maintained at a predetermined constant value.

第3拡散律速部30は、第1内部空所20で主ポンプセル21の動作により酸素濃度(酸素分圧)が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第2内部空所40に導く部位である。   The third diffusion control unit 30 applies a predetermined diffusion resistance to the gas to be measured whose oxygen concentration (oxygen partial pressure) is controlled by the operation of the main pump cell 21 in the first internal space 20, and It is a part leading to the second internal space 40.

第2内部空所40は、第3拡散律速部30を通じて導入された被測定ガス中の窒素酸化物(NOx)濃度の測定に係る処理を行うための空間として設けられている。NOx濃度の測定は、主として、補助ポンプセル50により酸素濃度が調整された第2内部空所40において、さらに、測定用ポンプセル41の動作によりNOx濃度が測定される。   The second internal space 40 is provided as a space for performing a process related to measurement of the concentration of nitrogen oxide (NOx) in the gas to be measured introduced through the third diffusion-controlling section 30. In the measurement of the NOx concentration, the NOx concentration is measured mainly by the operation of the measurement pump cell 41 in the second internal space 40 in which the oxygen concentration is adjusted by the auxiliary pump cell 50.

第2内部空所40では、あらかじめ第1内部空所20において酸素濃度(酸素分圧)が調整された後、第3拡散律速部30を通じて導入された被測定ガスに対して、さらに補助ポンプセル50による酸素分圧の調整が行われるようになっている。これにより、第2内部空所40内の酸素濃度を高精度に一定に保つことができるため、係るガスセンサ100においては精度の高いNOx濃度測定が可能となる。   In the second internal space 40, after the oxygen concentration (oxygen partial pressure) is adjusted in the first internal space 20 in advance, the auxiliary pump cell 50 is further supplied to the gas to be measured introduced through the third diffusion-controlling section 30. The adjustment of the oxygen partial pressure is carried out. Thus, the oxygen concentration in the second internal space 40 can be kept constant with high accuracy, so that the gas sensor 100 can measure the NOx concentration with high accuracy.

補助ポンプセル50は、第2内部空所40に面する第2固体電解質層6の下面の略全体に設けられた天井電極部51aを有する補助ポンプ電極51と、外側ポンプ電極23(外側ポンプ電極23に限られるものではなく、センサ素子101と外側の適当な電極であれば足りる)と、第2固体電解質層6とによって構成される、補助的な電気化学的ポンプセルである。   The auxiliary pump cell 50 includes an auxiliary pump electrode 51 having a ceiling electrode portion 51a provided on substantially the entire lower surface of the second solid electrolyte layer 6 facing the second internal space 40, and an outer pump electrode 23 (the outer pump electrode 23). The auxiliary electrochemical pump cell is constituted by the sensor element 101 and an appropriate external electrode (sufficient), and the second solid electrolyte layer 6.

係る補助ポンプ電極51は、先の第1内部空所20内に設けられた内側ポンプ電極22と同様なトンネル形態とされた構造において、第2内部空所40内に配設されている。つまり、第2内部空所40の天井面を与える第2固体電解質層6に対して天井電極部51aが形成され、また、第2内部空所40の底面を与える第1固体電解質層4には、底部電極部51bが形成され、そして、それらの天井電極部51aと底部電極部51bとを連結する側部電極部(図示省略)が、第2内部空所40の側壁を与えるスペーサ層5の両壁面にそれぞれ形成されたトンネル形態の構造となっている。なお、補助ポンプ電極51についても、内側ポンプ電極22と同様に、被測定ガス中のNOx成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。   The auxiliary pump electrode 51 is disposed in the second internal space 40 in the same tunnel-shaped structure as the inner pump electrode 22 provided in the first internal space 20. That is, the ceiling electrode portion 51 a is formed for the second solid electrolyte layer 6 that provides the ceiling surface of the second internal space 40, and the first solid electrolyte layer 4 that provides the bottom surface of the second internal space 40 is provided for the first solid electrolyte layer 4. , A bottom electrode portion 51b is formed, and a side electrode portion (not shown) connecting the ceiling electrode portion 51a and the bottom electrode portion 51b is formed of a spacer layer 5 which provides a side wall of the second internal space 40. It has a tunnel-shaped structure formed on both wall surfaces. Note that, similarly to the inner pump electrode 22, the auxiliary pump electrode 51 is also formed using a material having a reduced ability to reduce NOx components in the gas to be measured.

補助ポンプセル50においては、補助ポンプ電極51と外側ポンプ電極23との間に所望の電圧Vp1を印加することにより、第2内部空所40内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間から第2内部空所40内に汲み入れることが可能となっている。   In the auxiliary pump cell 50, by applying a desired voltage Vp1 between the auxiliary pump electrode 51 and the outer pump electrode 23, oxygen in the atmosphere in the second internal space 40 is pumped to the external space, or The space can be pumped into the second internal space 40.

また、第2内部空所40内における雰囲気中の酸素分圧を制御するために、補助ポンプ電極51と、基準電極42と、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4と、第3基板層3とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル81が構成されている。   Further, in order to control the oxygen partial pressure in the atmosphere in the second internal space 40, the auxiliary pump electrode 51, the reference electrode 42, the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, and the first solid electrolyte The layer 4 and the third substrate layer 3 form an electrochemical sensor cell, that is, an auxiliary pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 81.

なお、この補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル81にて検出される起電力V1に基づいて電圧制御される可変電源52にて、補助ポンプセル50がポンピングを行う。これにより第2内部空所40内の雰囲気中の酸素分圧は、NOxの測定に実質的に影響がない低い分圧にまで制御されるようになっている。   The auxiliary pump cell 50 performs pumping with the variable power supply 52 whose voltage is controlled based on the electromotive force V1 detected by the auxiliary pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 81. Thereby, the oxygen partial pressure in the atmosphere in the second internal space 40 is controlled to a low partial pressure that does not substantially affect the measurement of NOx.

また、これとともに、そのポンプ電流Ip1が、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80の起電力の制御に用いられるようになっている。具体的には、ポンプ電流Ip1は、制御信号として主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80に入力され、その起電力V0が制御されることにより、第3拡散律速部30から第2内部空所40内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となるように制御されている。NOxセンサとして使用する際は、主ポンプセル21と補助ポンプセル50との働きによって、第2内部空所40内での酸素濃度は約0.001ppm程度の一定の値に保たれる。   At the same time, the pump current Ip1 is used for controlling the electromotive force of the main pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 80. Specifically, the pump current Ip1 is input as a control signal to the main pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 80, and the electromotive force V0 is controlled, so that the third diffusion rate controlling section 30 causes the second internal space to return. The gradient of the oxygen partial pressure in the gas to be measured introduced into 40 is controlled so as to be always constant. When used as a NOx sensor, the oxygen concentration in the second internal space 40 is maintained at a constant value of about 0.001 ppm by the operation of the main pump cell 21 and the auxiliary pump cell 50.

測定用ポンプセル41は、第2内部空所40内において、被測定ガス中のNOx濃度の測定を行う。測定用ポンプセル41は、第2内部空所40に面する第1固体電解質層4の上面であって第3拡散律速部30から離間した位置に設けられた測定電極44と、外側ポンプ電極23と、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4とによって構成された電気化学的ポンプセルである。   The measurement pump cell 41 measures the NOx concentration in the gas to be measured in the second internal space 40. The measurement pump cell 41 includes a measurement electrode 44 provided on the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 facing the second internal space 40 and separated from the third diffusion-controlling portion 30, and the outer pump electrode 23. , A second solid electrolyte layer 6, a spacer layer 5, and a first solid electrolyte layer 4.

測定電極44は、多孔質サーメット電極である。測定電極44は、第2内部空所40内の雰囲気中に存在するNOxを還元するNOx還元触媒としても機能する。さらに、測定電極44は、第4拡散律速部45によって被覆されてなる。   The measurement electrode 44 is a porous cermet electrode. The measurement electrode 44 also functions as a NOx reduction catalyst that reduces NOx existing in the atmosphere in the second internal space 40. Further, the measurement electrode 44 is covered with a fourth diffusion rate controlling part 45.

第4拡散律速部45は、セラミックス多孔体にて構成される膜である。第4拡散律速部45は、測定電極44に流入するNOxの量を制限する役割を担うとともに、測定電極44の保護膜としても機能する。測定用ポンプセル41においては、測定電極44の周囲の雰囲気中における窒素酸化物の分解によって生じた酸素を汲み出して、その発生量をポンプ電流Ip2として検出することができる。   The fourth diffusion control part 45 is a film composed of a ceramic porous body. The fourth diffusion control part 45 has a role of limiting the amount of NOx flowing into the measurement electrode 44, and also functions as a protective film of the measurement electrode 44. In the measurement pump cell 41, oxygen generated by the decomposition of nitrogen oxide in the atmosphere around the measurement electrode 44 is pumped out, and the generated amount can be detected as the pump current Ip2.

また、測定電極44の周囲の酸素分圧を検出するために、第1固体電解質層4と、第3基板層3と、測定電極44と、基準電極42とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82が構成されている。測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82にて検出された起電力V2に基づいて可変電源46が制御される。   In addition, in order to detect the oxygen partial pressure around the measurement electrode 44, the first solid electrolyte layer 4, the third substrate layer 3, the measurement electrode 44, and the reference electrode 42 make an electrochemical sensor cell, that is, An oxygen partial pressure detection sensor cell 82 for measuring pump control is configured. The variable power supply 46 is controlled based on the electromotive force V2 detected by the measurement pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 82.

第2内部空所40内に導かれた被測定ガスは、酸素分圧が制御された状況下で第4拡散律速部45を通じて測定電極44に到達することとなる。測定電極44の周囲の被測定ガス中の窒素酸化物は還元されて(2NO→N2+O2)酸素を発生する。そして、この発生した酸素は測定用ポンプセル41によってポンピングされることとなるが、その際、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82にて検出された起電力V2が一定となるように可変電源46の電圧Vp2が制御される。測定電極44の周囲において発生する酸素の量は、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に比例するものであるから、測定用ポンプセル41におけるポンプ電流Ip2を用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度が算出されることとなる。 The gas to be measured introduced into the second internal space 40 reaches the measurement electrode 44 through the fourth diffusion rate controlling part 45 under the condition where the oxygen partial pressure is controlled. Nitrogen oxides in the gas to be measured around the measurement electrode 44 are reduced (2NO → N 2 + O 2 ) to generate oxygen. The generated oxygen is pumped by the measurement pump cell 41. At this time, the variable power supply is controlled so that the electromotive force V2 detected by the measurement pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 82 becomes constant. The voltage Vp2 of 46 is controlled. Since the amount of oxygen generated around the measurement electrode 44 is proportional to the concentration of nitrogen oxides in the gas to be measured, the amount of nitrogen oxides in the gas to be measured is determined using the pump current Ip2 in the pump cell 41 for measurement. The concentration will be calculated.

また、測定電極44と、第1固体電解質層4と、第3基板層3と、基準電極42とを組み合わせて、電気化学的センサセルとして酸素分圧検出手段を構成するようにすれば、測定電極44の周りの雰囲気中のNOx成分の還元によって発生した酸素の量と基準大気に含まれる酸素の量との差に応じた起電力を検出することができ、これによって被測定ガス中のNOx成分の濃度を求めることも可能である。   If the measurement electrode 44, the first solid electrolyte layer 4, the third substrate layer 3, and the reference electrode 42 are combined to constitute oxygen partial pressure detection means as an electrochemical sensor cell, the measurement electrode The electromotive force corresponding to the difference between the amount of oxygen generated by the reduction of the NOx component in the atmosphere around 44 and the amount of oxygen contained in the reference atmosphere can be detected, whereby the NOx component in the gas to be measured can be detected. Can also be determined.

また、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4と、第3基板層3と、外側ポンプ電極23と、基準電極42とから電気化学的なセンサセル83が構成されており、このセンサセル83によって得られる起電力Vrefによりセンサ外部の被測定ガス中の酸素分圧を検出可能となっている。   Further, an electrochemical sensor cell 83 is configured by the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, the first solid electrolyte layer 4, the third substrate layer 3, the outer pump electrode 23, and the reference electrode 42. The partial pressure of oxygen in the gas to be measured outside the sensor can be detected by the electromotive force Vref obtained by the sensor cell 83.

このような構成を有するガスセンサ100においては、主ポンプセル21と補助ポンプセル50とを作動させることによって酸素分圧が常に一定の低い値(NOxの測定に実質的に影響がない値)に保たれた被測定ガスが測定用ポンプセル41に与えられる。したがって、被測定ガス中のNOxの濃度に略比例して、NOxの還元によって発生する酸素が測定用ポンプセル41より汲み出されることによって流れるポンプ電流Ip2に基づいて、被測定ガス中のNOx濃度を知ることができるようになっている。   In the gas sensor 100 having such a configuration, by operating the main pump cell 21 and the auxiliary pump cell 50, the oxygen partial pressure is always kept at a constant low value (a value that does not substantially affect the measurement of NOx). The gas to be measured is provided to the pump cell 41 for measurement. Therefore, the NOx concentration in the gas to be measured is changed substantially in proportion to the concentration of NOx in the gas to be measured, based on the pump current Ip2 flowing when the oxygen generated by the reduction of NOx is pumped from the pump cell 41 for measurement. You can now know.

さらに、センサ素子101は、固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、センサ素子101を加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ部70を備えている。ヒータ部70は、ヒータコネクタ電極71と、ヒータ72と、スルーホール73と、ヒータ絶縁層74、圧力放散孔75とを備えている。また、ヒータ部70は、セラミックスからなる第1基板層1,第2基板層2,及び第3基板層3を備えている。ヒータ部70は、ヒータ72と、ヒータ72を囲む第2基板層2及び第3基板層3を備えたセラミックスヒータとして構成されている。ヒータ72は、図2に示すように、発熱部76とリード部79とを備えている。   Further, the sensor element 101 is provided with a heater section 70 which plays a role of temperature adjustment for heating the sensor element 101 and keeping it warm in order to increase the oxygen ion conductivity of the solid electrolyte. The heater section 70 includes a heater connector electrode 71, a heater 72, a through hole 73, a heater insulating layer 74, and a pressure releasing hole 75. In addition, the heater unit 70 includes a first substrate layer 1, a second substrate layer 2, and a third substrate layer 3 made of ceramics. The heater section 70 is configured as a ceramic heater including a heater 72 and a second substrate layer 2 and a third substrate layer 3 surrounding the heater 72. The heater 72 includes a heating section 76 and a lead section 79, as shown in FIG.

ヒータコネクタ電極71は、第1基板層1の下面に接する態様にて形成されてなる電極である。ヒータコネクタ電極71を外部電源と接続することによって、外部からヒータ部70へ給電することができるようになっている。   The heater connector electrode 71 is an electrode formed so as to be in contact with the lower surface of the first substrate layer 1. By connecting the heater connector electrode 71 to an external power supply, power can be supplied to the heater unit 70 from outside.

ヒータ72の発熱部76は、第2基板層2と第3基板層3とに上下から挟まれた態様にて形成される電気抵抗体である。ヒータ72のリード部79は、スルーホール73を介してヒータコネクタ電極71と接続されており、該ヒータコネクタ電極71を通して外部より給電されることにより発熱部76が発熱し、センサ素子101を形成する固体電解質の加熱と保温を行う。   The heat generating portion 76 of the heater 72 is an electric resistor formed in a manner sandwiched between the second substrate layer 2 and the third substrate layer 3 from above and below. The lead portion 79 of the heater 72 is connected to the heater connector electrode 71 through the through-hole 73, and the power is supplied from the outside through the heater connector electrode 71 to generate heat, thereby forming the sensor element 101. The solid electrolyte is heated and kept warm.

また、ヒータ72の発熱部76は、第1内部空所20から第2内部空所40の全域に渡って埋設されており、センサ素子101全体を上記固体電解質が活性化する温度に調整することが可能となっている。   Further, the heat generating portion 76 of the heater 72 is buried from the first inner space 20 to the second inner space 40 so as to adjust the entire sensor element 101 to a temperature at which the solid electrolyte is activated. Is possible.

ヒータ絶縁層74は、ヒータ72の上下面に、アルミナ等の絶縁体によって形成されてなる絶縁層である。ヒータ絶縁層74は、第2基板層2とヒータ72との間の電気的絶縁性、および、第3基板層3とヒータ72との間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。   The heater insulating layer 74 is an insulating layer formed on the upper and lower surfaces of the heater 72 with an insulator such as alumina. The heater insulating layer 74 is formed for the purpose of obtaining electrical insulation between the second substrate layer 2 and the heater 72 and electrical insulation between the third substrate layer 3 and the heater 72.

圧力放散孔75は、第3基板層3を貫通し、基準ガス導入空間43に連通するように設けられてなる部位であり、ヒータ絶縁層74内の温度上昇に伴う内圧上昇を緩和する目的で形成されてなる。   The pressure release hole 75 is a portion provided to penetrate the third substrate layer 3 and communicate with the reference gas introduction space 43, and for the purpose of alleviating a rise in internal pressure due to a rise in temperature in the heater insulating layer 74. Be formed.

ヒータ72の発熱部76及びリード部79について詳細に説明する。発熱部76は、抵抗発熱体であり、図2に示すように、内側発熱部76aと、外側発熱部76bと、を備えている。内側発熱部76a,外側発熱部76bは、それぞれ、両端がリード部79に接続された帯状の一筆書き形状をしている。内側発熱部76a及び外側発熱部76bは、いずれも左右対称の形状をしている。   The heating section 76 and the lead section 79 of the heater 72 will be described in detail. The heating section 76 is a resistance heating element, and includes an inner heating section 76a and an outer heating section 76b as shown in FIG. Each of the inner heat generating portion 76a and the outer heat generating portion 76b has a band-shaped single-stroke shape having both ends connected to the lead portion 79. Each of the inner heat generating portion 76a and the outer heat generating portion 76b has a symmetrical shape.

内側発熱部76aは、外側発熱部76bよりもセンサ素子101の左右方向の内側に配設されている。内側発熱部76aは、外側発熱部76bに対して電気的に並列になるようにリード部79に接続されている。内側発熱部76aは、1個の屈曲部77aと2個の直線部78aとを有している。2個の直線部78aは、センサ素子101の短手方向(左右方向)に沿って並んでいる。2個の直線部78aは、いずれも、長さ方向がセンサ素子101の長手方向(前後方向)に沿っている。本実施形態では、2個の直線部78aはいずれも長さ方向が前後方向と平行になるように配設されている。2個の直線部78aのうち左側に位置する直線部78aの後端は、第1リード79aに接続されている。右側に位置する直線部78aの後端は、第2リード79bに接続されている。屈曲部77aは、2個の直線部78aの前端側を接続している。屈曲部77aは、曲線状に屈曲しており半円の円弧状をしている。なお、屈曲部77aは、折れ線状に屈曲した形状であってもよい。なお、内側発熱部76aと第1,第2リード79a,79bとの接続部分は、外側発熱部76bと第1,第2リード79a,79bとの接続部分よりもセンサ素子101の左右方向の内側に位置している。   The inner heat generating portion 76a is disposed inside the sensor element 101 in the left-right direction with respect to the outer heat generating portion 76b. The inner heat generating portion 76a is connected to the lead portion 79 so as to be electrically parallel to the outer heat generating portion 76b. The inner heat generating portion 76a has one bent portion 77a and two linear portions 78a. The two linear portions 78a are arranged along the short direction (left-right direction) of the sensor element 101. The length direction of each of the two straight portions 78a is along the longitudinal direction (front-back direction) of the sensor element 101. In the present embodiment, each of the two straight portions 78a is disposed so that the length direction is parallel to the front-rear direction. The rear end of the linear portion 78a located on the left side of the two linear portions 78a is connected to the first lead 79a. The rear end of the linear portion 78a located on the right side is connected to the second lead 79b. The bent portion 77a connects the front ends of the two straight portions 78a. The bent portion 77a is bent in a curved shape and has a semicircular arc shape. Note that the bent portion 77a may have a bent shape. The connecting portion between the inner heat generating portion 76a and the first and second leads 79a and 79b is closer to the inside of the sensor element 101 in the left and right direction than the connecting portion between the outer heat generating portion 76b and the first and second leads 79a and 79b. It is located in.

外側発熱部76bは、内側発熱部76aと同様の形状(パターン)をしており、1個の屈曲部77bと2個の直線部78bとを有している。2個の直線部78bは、センサ素子101の短手方向(左右方向)に沿って並んでおり、2個の直線部78aを左右から挟むように左右の両側に配設されている。2個の直線部78bは、いずれも、長さ方向がセンサ素子101の長手方向(前後方向)に沿っている。本実施形態では、2個の直線部78bはいずれも長さ方向が前後方向と平行になるように配設されている。2個の直線部78bのうち左側に位置する直線部78bの後端は、第1リード79aに接続されている。右側に位置する直線部78bの後端は、第2リード79bに接続されている。屈曲部77bは、屈曲部77aよりも前方に配設され、2個の直線部78bの前端側を接続している。屈曲部77bは、曲線状に屈曲しており半円の円弧状をしている。屈曲部77bは、屈曲部77aよりも曲率半径が大きい。なお、屈曲部77bは、折れ線状に屈曲した形状であってもよい。   The outer heat generating portion 76b has the same shape (pattern) as the inner heat generating portion 76a, and has one bent portion 77b and two linear portions 78b. The two linear portions 78b are arranged along the lateral direction (left and right direction) of the sensor element 101, and are disposed on both the left and right sides so as to sandwich the two linear portions 78a from the left and right. The length direction of each of the two straight portions 78b is along the longitudinal direction (front-back direction) of the sensor element 101. In the present embodiment, each of the two straight portions 78b is disposed so that the length direction is parallel to the front-rear direction. The rear end of the linear portion 78b located on the left side of the two linear portions 78b is connected to the first lead 79a. The rear end of the linear portion 78b located on the right side is connected to the second lead 79b. The bent portion 77b is disposed forward of the bent portion 77a, and connects the front ends of the two straight portions 78b. The bent portion 77b is bent in a curved shape and has a semicircular arc shape. The bent portion 77b has a larger radius of curvature than the bent portion 77a. Note that the bent portion 77b may have a bent shape.

発熱部76は、本実施形態では、貴金属とセラミックスとを含むサーメット(例えば、白金(Pt)とアルミナ(Al23)とのサーメット)とした。なお、発熱部76は、サーメットに限らず、例えば貴金属などの導電性物質を含むものであればよい。発熱部76に用いる貴金属としては、白金,ロジウム(Rh),金(Au),パラジウム(Pd)の少なくとも1以上の金属,又はその合金などが挙げられる。 In the present embodiment, the heat generating portion 76 is a cermet containing a noble metal and a ceramic (for example, a cermet of platinum (Pt) and alumina (Al 2 O 3 )). Note that the heat generating portion 76 is not limited to the cermet, and may be any material including a conductive material such as a noble metal. Examples of the noble metal used for the heat generating portion 76 include at least one metal of platinum, rhodium (Rh), gold (Au), and palladium (Pd), or an alloy thereof.

内側発熱部76aは、使用時に発熱部76が加熱される可能性のある温度範囲である700℃以上900℃以下の温度範囲の少なくともいずれかの温度において、単位長さあたりの抵抗値が外側発熱部76bと比べて高くなっている。換言すると、内側発熱部76aの単位長さあたりの抵抗値を単位抵抗値R1[μΩ/mm]とし、外側発熱部76bの単位長さあたりの抵抗値を単位抵抗値R2[μΩ/mm]としたときに、上記の温度範囲の少なくともいずれかの温度における単位抵抗値比R1/R2が値1超過となっている。こうすることで、700℃〜900℃の少なくともいずれかの温度において、内側発熱部76aは外側発熱部76bと比べて発熱密度(単位長さあたりの発熱量)が小さくなり、温度が上昇しにくくなる。これにより、内側発熱部76aの劣化を抑制できる。   The inner heat generating portion 76a has a resistance per unit length of at least one of a temperature range of 700 ° C. to 900 ° C. which is a temperature range in which the heat generating portion 76 may be heated during use. It is higher than the portion 76b. In other words, the resistance value per unit length of the inner heating portion 76a is defined as a unit resistance value R1 [μΩ / mm], and the resistance value per unit length of the outer heating portion 76b is defined as a unit resistance value R2 [μΩ / mm]. At this time, the unit resistance ratio R1 / R2 at least at any one of the above temperature ranges exceeds the value 1. By doing so, at at least one of the temperatures of 700 ° C. to 900 ° C., the heat generation density (heat generation per unit length) of the inner heat generating portion 76a is smaller than that of the outer heat generating portion 76b, and the temperature is hardly increased. Become. Thereby, the deterioration of the inner heat generating portion 76a can be suppressed.

なお、内側発熱部76a及び外側発熱部76bの長さ方向は、内側発熱部76a及び外側発熱部76bの軸方向,換言すると電流が流れる方向とする。また、単位抵抗値R1は、内側発熱部76aの単位長さあたりの抵抗値の平均値とする。同様に、単位抵抗値R2は、外側発熱部76bの単位長さあたりの抵抗値の平均値とする。そのため、内側発熱部76aの一部に外側発熱部76bよりも単位長さあたりの抵抗値が低い部分がある場合でも、全体として内側発熱部76aの方が単位長さあたりの抵抗値が高ければよい。ただし、内側発熱部76aのいずれの部分においても単位長さあたりの抵抗値が単位抵抗値R2超過であることがより好ましい。また、発熱部76は、上記の温度範囲のいずれの温度においても単位抵抗値比R1/R2が値1超過であることが好ましい。また、発熱部76は、上記の温度範囲の少なくともいずれかの温度における単位抵抗値比R1/R2が、値1.15以上であることが好ましく、値1.25以上であることがより好ましい。また、上記の温度範囲のいずれの温度においても、単位抵抗値比R1/R2は値2.0以下としてもよい。   The length direction of the inner heat generating portion 76a and the outer heat generating portion 76b is the axial direction of the inner heat generating portion 76a and the outer heat generating portion 76b, in other words, the direction in which current flows. Further, the unit resistance value R1 is an average value of the resistance value per unit length of the inside heat generating portion 76a. Similarly, the unit resistance value R2 is an average value of the resistance value per unit length of the outer heat generating portion 76b. Therefore, even when a part of the inner heating part 76a has a lower resistance value per unit length than the outer heating part 76b, if the inner heating part 76a has a higher resistance value per unit length as a whole, Good. However, it is more preferable that the resistance value per unit length exceeds the unit resistance value R2 in any part of the inner heat generating portion 76a. Further, it is preferable that the unit resistance ratio R1 / R2 of the heat generating portion 76 exceeds the value 1 at any temperature in the above temperature range. Further, in the heat generating section 76, the unit resistance value ratio R1 / R2 at at least one of the above temperature ranges is preferably a value of 1.15 or more, more preferably a value of 1.25 or more. Further, at any temperature within the above temperature range, the unit resistance value ratio R1 / R2 may be set to a value of 2.0 or less.

本実施形態では、内側発熱部76aと外側発熱部76bとは同じ材質(上述した白金を含むサーメット)とし、内側発熱部76aの長さ方向に垂直な断面積S1[mm2]が、外側発熱部76bの長さ方向に垂直な断面積S2[mm2]よりも小さくなるようにしている。すなわち、発熱部76は、断面積比S2/S1が値1超過である。こうすることで、700℃以上900℃以下の温度範囲のいずれにおいても、単位抵抗値比R1/R2が値1超過となる。断面積比S2/S1は、値1.15以上が好ましく、値1.25以上がより好ましい。なお、断面積比S2/S1の調整は、例えば、内側発熱部76aの幅W1を外側発熱部76bの幅W2より小さくするか、又は内側発熱部76aの厚さD1を外側発熱部76bの厚さD2より小さくするか、の少なくとも一方により行えばよい。例えば、幅W1<幅W2の場合、断面積比S2/S1が値1超過となるのであれば、厚さD1>厚さD2であってもよいし、厚さD1=厚さD2であってもよいし、厚さD1<厚さD2であってもよい。同様に、厚さD1<厚さD2の場合、断面積比S2/S1が値1超過となるのであれば、幅W1>幅W2であってもよいし、幅W1=幅W2であってもよいし、幅W1<幅W2であってもよい。なお、断面積S1,S2の値も、単位抵抗値R1,R2と同様に内側発熱部76a,外側発熱部76bの各々の平均値とする。本実施形態では、内側発熱部76aの断面積は、どの部分でも同じ値(=断面積S1)とした。外側発熱部76bについても同様とした。また、断面積比S2/S1は値2.0以下としてもよい。幅W1,W2は、0.05mm以上1.5mm以下としてもよい。厚さD1,D2は0.003mm以上0.1mm以下としてもよい。 In the present embodiment, the inner heat-generating portion 76a and the outer heat-generating portion 76b are made of the same material (cermet containing platinum as described above), and the cross-sectional area S1 [mm 2 ] perpendicular to the longitudinal direction of the inner heat-generating portion 76a is equal to the outer heat-generating temperature. The cross-sectional area perpendicular to the length direction of the portion 76b is smaller than S2 [mm 2 ]. That is, the heat generating portion 76 has a cross-sectional area ratio S2 / S1 exceeding the value 1. By doing so, the unit resistance ratio R1 / R2 exceeds the value 1 in any of the temperature ranges from 700 ° C. to 900 ° C. The value of the sectional area ratio S2 / S1 is preferably 1.15 or more, and more preferably 1.25 or more. The cross-sectional area ratio S2 / S1 is adjusted, for example, by making the width W1 of the inner heat generating portion 76a smaller than the width W2 of the outer heat generating portion 76b, or changing the thickness D1 of the inner heat generating portion 76a to the thickness of the outer heat generating portion 76b. It should be smaller than D2 or at least one of them. For example, when the width W1 <the width W2, if the cross-sectional area ratio S2 / S1 exceeds the value 1, the thickness D1> the thickness D2 may be satisfied, or the thickness D1 = the thickness D2. Or the thickness D1 <the thickness D2. Similarly, when the thickness D1 <the thickness D2, if the cross-sectional area ratio S2 / S1 exceeds the value 1, the width W1 may be greater than the width W2, or the width W1 may be greater than the width W2. Alternatively, the width W1 may be smaller than the width W2. Note that the values of the cross-sectional areas S1 and S2 are also average values of the inner heat generating portion 76a and the outer heat generating portion 76b, similarly to the unit resistance values R1 and R2. In the present embodiment, the cross-sectional area of the inner heat-generating portion 76a is the same value (= cross-sectional area S1) in any part. The same applies to the outer heat generating portion 76b. Further, the sectional area ratio S2 / S1 may be set to a value of 2.0 or less. The widths W1 and W2 may be 0.05 mm or more and 1.5 mm or less. The thicknesses D1 and D2 may be 0.003 mm or more and 0.1 mm or less.

リード部79は、発熱部76の左後方に配設された第1リード79aと、右後方に配設された第2リード79bとを有している。第1,第2リード79a,79bは発熱部76への通電用のリードであり、ヒータコネクタ電極71と接続されている。第1リード79aは正極リードであり、第2リード79bは負極リードである。この第1リード79a,第2リード79b間に電圧が印加されることで発熱部76に電流が流れ、発熱部76が発熱する。リード部79は、導電体であり、発熱部76と比べて単位長さあたりの抵抗値が低くなっている。そのため、リード部79は発熱部76とは異なり通電時にはほとんど発熱しないようになっている。例えば、リード部79は、発熱部76と比べて体積抵抗率の低い材質であったり、断面積が大きかったりすることで、単位長さあたりの抵抗値が低くなっている。本実施形態では、リード部79は、発熱部76と比べて貴金属の割合が高いことで体積抵抗率が低くなっており、且つ、内側発熱部76a及び外側発熱部76bと比べて幅が広いことで断面積が大きくなっている。   The lead portion 79 has a first lead 79a disposed on the left rear side of the heat generating portion 76, and a second lead 79b disposed on the right rear side. The first and second leads 79a and 79b are leads for supplying electricity to the heat generating portion 76, and are connected to the heater connector electrode 71. The first lead 79a is a positive lead, and the second lead 79b is a negative lead. When a voltage is applied between the first lead 79a and the second lead 79b, a current flows through the heating section 76, and the heating section 76 generates heat. The lead portion 79 is a conductor, and has a lower resistance value per unit length than the heat generating portion 76. Therefore, unlike the heat generating portion 76, the lead portion 79 hardly generates heat when energized. For example, the lead portion 79 is made of a material having a lower volume resistivity than the heat generating portion 76 or has a large sectional area, so that the resistance value per unit length is low. In the present embodiment, the lead portion 79 has a low volume resistivity due to a higher ratio of the noble metal than the heating portion 76, and has a wider width than the inner heating portion 76a and the outer heating portion 76b. The cross-sectional area is larger.

こうして構成されたガスセンサ100の製造方法を以下に説明する。まず、ジルコニアなどの酸素イオン伝導性固体電解質をセラミックス成分として含む6枚の未焼成のセラミックスグリーンシートを用意する。このグリーンシートには、印刷時や積層時の位置決めに用いるシート穴や必要なスルーホール等を予め複数形成しておく。また、スペーサ層5となるグリーンシートにはガス流通部となる空間を予め打ち抜き処理などによって設けておく。そして、第1基板層1と、第2基板層2と、第3基板層3と、第1固体電解質層4と、スペーサ層5と、第2固体電解質層6のそれぞれに対応して、各セラミックスグリーンシートに種々のパターンを形成するパターン印刷処理・乾燥処理を行う。形成するパターンは、具体的には、例えば上述した各電極や各電極に接続されるリード線、大気導入層48,ヒータ72,などのパターンである。パターン印刷は、それぞれの形成対象に要求される特性に応じて用意したパターン形成用ペーストを、公知のスクリーン印刷技術を利用してグリーンシート上に塗布することにより行う。ヒータ72となるパターン形成用のペーストは、上述したヒータ72の材質からなる原料(例えば貴金属とセラミック粒子)と、有機バインダー及び有機溶剤等を混合したものを用いる。   A method for manufacturing the gas sensor 100 thus configured will be described below. First, six unfired ceramic green sheets containing an oxygen ion conductive solid electrolyte such as zirconia as a ceramic component are prepared. In this green sheet, a plurality of sheet holes and necessary through holes used for positioning during printing and lamination are formed in advance. Further, a space serving as a gas flow section is provided in advance in the green sheet serving as the spacer layer 5 by a punching process or the like. Each of the first substrate layer 1, the second substrate layer 2, the third substrate layer 3, the first solid electrolyte layer 4, the spacer layer 5, and the second solid electrolyte layer 6 A pattern printing process and a drying process for forming various patterns on the ceramic green sheet are performed. Specifically, the pattern to be formed is, for example, a pattern of each electrode described above, a lead wire connected to each electrode, the air introduction layer 48, the heater 72, and the like. The pattern printing is performed by applying a pattern forming paste prepared according to the characteristics required for each forming object on a green sheet using a known screen printing technique. As a paste for forming a pattern to be the heater 72, a mixture of a raw material (for example, a noble metal and ceramic particles) made of the above-described material of the heater 72, an organic binder, an organic solvent, and the like is used.

このとき、ヒータ72となるパターンは、単位抵抗値比R1/R2が値1超過となるように、すなわち断面積比S2/S1が値1超過となるように形成する。例えば、幅W1<幅W2となるようにするには、そのようなパターンを形成できるような形状のマスクを用いる。また、厚さD1<厚さD2となるようにするには、例えば外側発熱部76bとなる部分のパターンと比べて、内側発熱部76aとなる部分のパターンを形成するペーストの粘度を高くしたり、内側発熱部76aとなる部分のパターンを形成する際の印刷回数を増やしたりする。   At this time, the pattern to be the heater 72 is formed such that the unit resistance value ratio R1 / R2 exceeds the value 1, that is, the cross-sectional area ratio S2 / S1 exceeds the value 1. For example, in order to satisfy width W1 <width W2, a mask having a shape capable of forming such a pattern is used. Further, in order to make the thickness D1 <the thickness D2, for example, the viscosity of the paste for forming the pattern of the portion to be the inner heating portion 76a is higher than that of the pattern of the portion to be the outer heating portion 76b. The number of times of printing when forming the pattern of the portion to be the inner heat generating portion 76a is increased.

このように各種のパターンを形成したあと、グリーンシートを乾燥する。乾燥処理についても、公知の乾燥手段を用いて行う。パターン印刷・乾燥が終わると、各層に対応するグリーンシート同士を積層・接着するための接着用ペーストの印刷・乾燥処理を行う。そして、接着用ペーストを形成したグリーンシートをシート穴により位置決めしつつ所定の順序に積層して、所定の温度・圧力条件を加えることで圧着させ、一つの積層体とする圧着処理を行う。こうして得られた積層体は、複数個のセンサ素子101を包含したものである。その積層体を切断してセンサ素子101の大きさに切り分ける。そして、切り分けた積層体を所定の焼成温度で焼成し、センサ素子101を得る。   After forming various patterns in this way, the green sheet is dried. The drying treatment is also performed using a known drying means. When the pattern printing and drying are completed, printing and drying processing of an adhesive paste for laminating and bonding the green sheets corresponding to each layer is performed. Then, the green sheets on which the bonding paste is formed are stacked in a predetermined order while being positioned by the sheet holes, and are bonded by applying predetermined temperature and pressure conditions, thereby performing a bonding process to form one laminated body. The laminate thus obtained includes a plurality of sensor elements 101. The laminate is cut and cut into the size of the sensor element 101. Then, the cut laminated body is fired at a predetermined firing temperature to obtain the sensor element 101.

このようにしてセンサ素子101を得ると、センサ素子101を組み込んだセンサ組立体を製造し、保護カバーなどを取り付けることで、ガスセンサ100が得られる。なお、ヒータ72の形状や単位抵抗値比R1/R2が値1超過となるようにする点を除いて、上記のようなガスセンサの製造方法は公知であり、例えば国際公開2013/005491号に記載されている。    When the sensor element 101 is obtained in this manner, a gas sensor 100 is obtained by manufacturing a sensor assembly incorporating the sensor element 101 and attaching a protective cover or the like. A method for manufacturing the above-described gas sensor is known, except that the shape of the heater 72 and the unit resistance value ratio R1 / R2 exceed a value of 1, and are described in, for example, International Publication 2013/005491. Have been.

こうして構成されたガスセンサ100では、使用時に、ヒータ72がヒータコネクタ電極71を介して電源(例えば自動車のオルタネータ)に接続され、第1リード79a,第2リード79b間に直流電圧(例えば12〜14V)が印加される。そして、印加された電圧により、発熱部76に電流が流れて発熱部76が発熱する。これにより、センサ素子101全体が上記固体電解質(各層1〜6)が活性化する温度(例えば、700℃〜900℃)に調整される。このとき、発熱部76は高温になるが、高温になるほど発熱部76は酸化(例えば貴金属成分である白金が酸化)して劣化しやすい。特に、内側発熱部76aは外側発熱部76bと比べると内側に位置するため高温になりやすく、発熱部76のうち内側発熱部76aが劣化しやすい。しかし、本実施形態のヒータ部70では、700℃〜900℃の少なくともいずれかの温度における単位抵抗値比R1/R2が値1超過となっている。これにより、700℃〜900℃の少なくともいずれかの温度において、互いに電気的に並列に接続された内側発熱部76aと外側発熱部76bとでは、印加電圧が同じで内側発熱部76aの方が流れる電流は小さくなるから、内側発熱部76aはその温度での発熱密度が小さくなる。そのため、単位抵抗値比R1/R2が値1以下である場合と比較して、内側発熱部76aは温度上昇が抑制される。すなわち、高温になりやすい内側発熱部76aの温度上昇が、内側発熱部76aの発熱密度を小さくすることで相殺される。これにより、内側発熱部76aの劣化を抑制できる。このため、内側発熱部76aに例えば断線などが生じにくくなり、内側発熱部76aの寿命が長くなる。そして、劣化しやすい内側発熱部76aの寿命が長くなることで、ヒータ72全体としての寿命が長くなる。なお、単位抵抗値比R1/R2が値1である場合と比べて内側発熱部76aの温度が小さくなっていれば、内側発熱部76aの劣化を抑制できる効果は得られる。そのため、内側発熱部76aの温度が外側発熱部76b未満となることは必須ではない。例えば内側発熱部76aが外側発熱部76bより温度が高くなるとしても、発熱部76全体としての均熱性が単位抵抗値比R1/R2が値1である場合と比べて向上していれば、ヒータ72の寿命を長くする効果は得られる。   In the gas sensor 100 thus configured, the heater 72 is connected to a power supply (for example, an alternator of an automobile) via the heater connector electrode 71 during use, and a DC voltage (for example, 12 to 14 V) is applied between the first lead 79a and the second lead 79b. ) Is applied. Then, due to the applied voltage, a current flows through the heating section 76 and the heating section 76 generates heat. Thus, the temperature of the entire sensor element 101 is adjusted to a temperature (for example, 700 ° C. to 900 ° C.) at which the solid electrolyte (each of the layers 1 to 6) is activated. At this time, the temperature of the heat generating portion 76 becomes high. However, the higher the temperature becomes, the more easily the heat generating portion 76 is oxidized (for example, platinum as a noble metal component is oxidized) and deteriorated. In particular, since the inner heat generating portion 76a is located on the inner side as compared with the outer heat generating portion 76b, it tends to become hot, and the inner heat generating portion 76a of the heat generating portion 76 tends to deteriorate. However, in the heater section 70 of the present embodiment, the unit resistance ratio R1 / R2 at at least one of the temperatures of 700 ° C. to 900 ° C. exceeds the value 1. Accordingly, at at least one of the temperatures of 700 ° C. to 900 ° C., the applied voltage is the same between the inner heating portion 76 a and the outer heating portion 76 b which are electrically connected in parallel, and the inner heating portion 76 a flows. Since the current is reduced, the heat generation density of the inner heat generating portion 76a at that temperature is reduced. Therefore, as compared with the case where the unit resistance value ratio R1 / R2 is equal to or less than 1, the temperature rise of the inner heat generating portion 76a is suppressed. That is, a rise in the temperature of the inner heat generating portion 76a, which tends to be high, is offset by reducing the heat generation density of the inner heat generating portion 76a. Thereby, the deterioration of the inner heat generating portion 76a can be suppressed. For this reason, for example, it is difficult for the inner heat generating portion 76a to be disconnected, and the life of the inner heat generating portion 76a is extended. The life of the inner heat generating portion 76a, which is easily deteriorated, becomes longer, so that the life of the entire heater 72 becomes longer. Note that if the temperature of the inner heat generating portion 76a is lower than when the unit resistance value ratio R1 / R2 is 1, the effect of suppressing the deterioration of the inner heat generating portion 76a can be obtained. Therefore, it is not essential that the temperature of the inner heat generating portion 76a be lower than the temperature of the outer heat generating portion 76b. For example, even if the temperature of the inner heating portion 76a is higher than that of the outer heating portion 76b, if the uniformity of the entire heating portion 76 is improved as compared with the case where the unit resistance ratio R1 / R2 is 1, the heater is used. The effect of extending the life of the 72 is obtained.

ここで、本実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係を明らかにする。本実施形態のヒータ部70が本発明のセラミックスヒータに相当し、ヒータ72が発熱体に相当し、内側発熱部76aが内側発熱部に相当し、外側発熱部76bが外側発熱部に相当し、第1基板層1,第2基板層2及び第3基板層3がセラミックス体に相当する。   Here, the correspondence between the components of the present embodiment and the components of the present invention will be clarified. The heater section 70 of the present embodiment corresponds to the ceramic heater of the present invention, the heater 72 corresponds to the heating element, the inner heating section 76a corresponds to the inner heating section, the outer heating section 76b corresponds to the outer heating section, The first substrate layer 1, the second substrate layer 2, and the third substrate layer 3 correspond to a ceramic body.

以上詳述した本実施形態のガスセンサ100によれば、ヒータ72の内側発熱部76aは、外側発熱部76bと電気的に並列に配設され、外側発熱部76bと比べて、700℃以上900℃以下の温度範囲の少なくともいずれかの温度における単位長さあたりの抵抗値が高くなっている。これにより、700℃〜900℃の少なくともいずれかの温度において、内側発熱部76aは外側発熱部76bと比べて発熱密度が小さくなり、内側発熱部76aの劣化を抑制できる。したがって、ヒータ72全体としての寿命が長くなる。また、並列に配設された内側発熱部76aと外側発熱部76bとで単位長さあたりの抵抗値を異ならせるため、例えば直列に接続された発熱部の一部の単位長さあたりの抵抗値を変化させる場合と比較して、ヒータ72を製造しやすい。   According to the gas sensor 100 of the present embodiment described in detail above, the inner heating portion 76a of the heater 72 is disposed electrically in parallel with the outer heating portion 76b, and is 700 ° C. or more and 900 ° C. as compared with the outer heating portion 76b. The resistance value per unit length at at least one of the following temperature ranges is high. Accordingly, at least at any one of the temperatures of 700 ° C. to 900 ° C., the heat generation density of the inner heat generating portion 76a is smaller than that of the outer heat generating portion 76b, and the deterioration of the inner heat generating portion 76a can be suppressed. Therefore, the life of the entire heater 72 is prolonged. In addition, in order to make the resistance value per unit length different between the inner heating portion 76a and the outer heating portion 76b arranged in parallel, for example, the resistance value per unit length of a part of the heating portions connected in series The heater 72 is easier to manufacture than in the case of changing.

また、上記の温度範囲の少なくともいずれかの温度にける単位抵抗値比R1/R2が値1.15以上であることで、内側発熱部76aの劣化を抑制する効果がより高まる。単位抵抗値比R1/R2が値1.25以上であることで、内側発熱部76aの劣化を抑制する効果がさらに高まる。内側発熱部76aは、外側発熱部76bと比べて長さ方向に垂直な断面積が小さいため、上述した温度範囲の少なくともいずれかの温度における内側発熱部76aの単位長さあたりの抵抗値(単位抵抗値R1)が外側発熱部76bの単位抵抗値R2と比べて高くなりやすい。断面積比S2/S1が値1.15以上であることで、上述した温度範囲の少なくともいずれかの温度における単位抵抗値比R1/R2が値1.15以上になりやすい。断面積比S2/S1が値1.25以上であることで、上述した温度範囲の少なくともいずれかの温度における単位抵抗値比R1/R2が値1.25以上になりやすい。   Further, when the unit resistance value ratio R1 / R2 is at least 1.15 at at least one of the temperatures in the above temperature range, the effect of suppressing the deterioration of the inner heat generating portion 76a is further enhanced. When the unit resistance ratio R1 / R2 is equal to or greater than 1.25, the effect of suppressing the deterioration of the inner heat generating portion 76a is further enhanced. Since the inner heat generating portion 76a has a smaller cross-sectional area perpendicular to the length direction than the outer heat generating portion 76b, the resistance value (unit) of the inner heat generating portion 76a per unit length at at least one of the above-mentioned temperature ranges. The resistance value R1) tends to be higher than the unit resistance value R2 of the outer heat generating portion 76b. When the cross-sectional area ratio S2 / S1 is equal to or greater than 1.15, the unit resistance ratio R1 / R2 at at least one of the temperatures in the above-described temperature range tends to be equal to or greater than 1.15. When the cross-sectional area ratio S2 / S1 is equal to or greater than 1.25, the unit resistance value ratio R1 / R2 at least at any temperature in the above-described temperature range tends to be equal to or greater than 1.25.

さらに、内側発熱部76a及び外側発熱部76bは、それぞれ屈曲部77a,77bを1つのみ備えている。そのため、内側発熱部76aと外側発熱部76bとが電気的に直列に接続された1本の発熱部であるような場合と比較して、屈曲部の数を少なくしたり屈曲部の曲率半径を大きくしたりしやすい。例えば、内側発熱部76aと外側発熱部76bとが直列に接続された一筆書きのパターンのヒータ72を形成しようとすると、内側発熱部76aと外側発熱部76bとを接続するための屈曲部が余分に必要になる。また、そのような屈曲部は曲率半径が小さくなりやすい。ここで、一般に、屈曲部は、例えば直線部と比べて、熱膨張による応力の影響を受けやすいため劣化による断線等が生じやすく、寿命が短い傾向にある。より具体的には、屈曲部は熱膨張による応力の影響で微少なクラックが発生しやすい。そして、クラックにより屈曲部の表面積が増加することで酸化が促進されたり、さらにクラックが伸展したりすることで、屈曲部は断線等が生じやすく寿命が短い傾向にある。そのため、屈曲部の数が少なくなることと屈曲部の曲率半径が大きくなることとの少なくとも一方により、ヒータ72全体としての寿命が長くなる。   Further, each of the inner heating portion 76a and the outer heating portion 76b has only one bent portion 77a, 77b. Therefore, as compared with a case where the inner heat generating portion 76a and the outer heat generating portion 76b are one heat generating portion electrically connected in series, the number of the bent portions is reduced and the radius of curvature of the bent portion is reduced. Easy to make larger. For example, if it is attempted to form a heater 72 in a one-stroke pattern in which the inner heat generating portion 76a and the outer heat generating portion 76b are connected in series, an extra bent portion for connecting the inner heat generating portion 76a and the outer heat generating portion 76b is required. Is needed. Further, such a bent portion tends to have a small radius of curvature. Here, in general, a bent portion is more susceptible to stress due to thermal expansion than a straight portion, for example. More specifically, minute cracks are likely to occur in the bent portion under the influence of stress due to thermal expansion. Then, the cracks increase the surface area of the bent portion to promote oxidation, and furthermore, the cracks are extended, so that the bent portion is liable to be disconnected and the life tends to be short. Therefore, the life of the entire heater 72 is prolonged due to at least one of the reduction in the number of bent portions and the increase in the radius of curvature of the bent portion.

さらにまた、センサ素子101は、ヒータ部70を備えており、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する。ガスセンサ100は、センサ素子101を備えている。   Furthermore, the sensor element 101 includes a heater unit 70, and detects a specific gas concentration in the gas to be measured. The gas sensor 100 includes a sensor element 101.

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。   It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment at all, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes as long as it belongs to the technical scope of the present invention.

例えば、上述した実施形態では、断面積比S2/S1を値1超過としたが、700℃〜900℃の温度範囲の少なくともいずれかの温度における単位抵抗値比R1/R2が値1超過であればよい。例えば、内側発熱部76aが、外側発熱部76bと比べて上記の温度範囲の少なくともいずれかの温度における体積抵抗率が高くてもよい。すなわち、上記の温度範囲の少なくともいずれかの温度において、内側発熱部76aの体積抵抗率ρ1[μΩ・cm]と外側発熱部76bの体積抵抗率ρ2[μΩ・cm]との比である体積抵抗率比ρ1/ρ2が値1超過であってもよい。こうしても、上記の温度範囲の少なくともいずれかの温度における単位抵抗値比R1/R2を値1超過とすることができ、内側発熱部76aの劣化を抑制してヒータ72の寿命を長くできる。上記の温度範囲の少なくともいずれかの温度において体積抵抗率比ρ1/ρ2は値1.15以上であることが好ましく、値1.25以上であることがより好ましい。例えば、外側発熱部76bに含まれる貴金属(導体)の割合を内側発熱部76aと比べて高くすることで、体積抵抗率ρ1を体積抵抗率ρ2より高くすることができる。あるいは、例えば内側発熱部76aは白金を主成分とし、外側発熱部76bは白金に加えて又は代えて白金よりも体積抵抗率の低い貴金属(ロジウム,金など)を添加することでも、体積抵抗率ρ1を体積抵抗率ρ2より高くすることができる。すなわち、外側発熱部76bが、内側発熱部76aには含まれず内側発熱部76aに含まれる貴金属よりも体積抵抗率の低い貴金属を含有していてもよい。あるいは、外側発熱部76bに、主成分の貴金属と比べて抵抗温度係数(単位:[%/℃])の小さい材質を内側発熱部76aよりも多く含有させることで、上記の温度範囲の少なくともいずれかの温度における体積抵抗率ρ1を体積抵抗率ρ2より高くすることもできる。このような抵抗温度係数の小さい材質としては、ニクロム(ニッケル(Ni)とクロム(Cr)とを含む合金),カンタル(登録商標:鉄,クロム,及びアルミニウムを含む合金),二珪化モリブデン(MoSi2)などが挙げられる。なお、体積抵抗率ρ1,ρ2の値も、単位抵抗値R1,R2と同様に内側発熱部76a,外側発熱部76bの各々の平均値とする。また、上記の温度範囲のいずれの温度においても、体積抵抗率比ρ1/ρ2は値2.0以下としてもよい。 For example, in the above-described embodiment, the cross-sectional area ratio S2 / S1 is set to exceed the value 1. However, the unit resistance ratio R1 / R2 at least at any temperature in the temperature range of 700 ° C. to 900 ° C. may exceed the value 1. I just need. For example, the inner heat generating portion 76a may have a higher volume resistivity at at least one of the above-mentioned temperature ranges than the outer heat generating portion 76b. That is, at least at any one of the above temperature ranges, the volume resistivity is the ratio of the volume resistivity ρ1 [μΩ · cm] of the inner heating portion 76a to the volume resistivity ρ2 [μΩ · cm] of the outer heating portion 76b. The rate ratio ρ1 / ρ2 may exceed the value 1. Also in this case, the unit resistance ratio R1 / R2 at at least any one of the above temperature ranges can be made to exceed the value 1, the deterioration of the inner heat generating portion 76a can be suppressed, and the life of the heater 72 can be extended. At least one of the above temperature ranges, the volume resistivity ratio ρ1 / ρ2 is preferably at least 1.15, more preferably at least 1.25. For example, the volume resistivity ρ1 can be made higher than the volume resistivity ρ2 by making the ratio of the noble metal (conductor) included in the outer heating portion 76b higher than that of the inner heating portion 76a. Alternatively, for example, the inner heating portion 76a contains platinum as a main component, and the outer heating portion 76b adds a noble metal (rhodium, gold, or the like) having a lower volume resistivity than platinum in addition to or instead of platinum. ρ1 can be higher than the volume resistivity ρ2. That is, the outer heat generating portion 76b may include a noble metal that is not included in the inner heat generating portion 76a but has a lower volume resistivity than the noble metal included in the inner heat generating portion 76a. Alternatively, the outer heat generating portion 76b contains a material having a smaller temperature coefficient of resistance (unit: [% / ° C.]) than the noble metal as the main component more than the inner heat generating portion 76a, so that at least one of the above temperature ranges is obtained. The volume resistivity ρ1 at that temperature can be higher than the volume resistivity ρ2. Materials having such a low temperature coefficient of resistance include nichrome (an alloy containing nickel (Ni) and chromium (Cr)), Kanthal (registered trademark: an alloy containing iron, chromium, and aluminum), molybdenum disilicide (MoSi 2 ) and the like. Note that the values of the volume resistivity ρ1 and ρ2 are also average values of the inner heating portion 76a and the outer heating portion 76b, similarly to the unit resistance values R1 and R2. At any temperature in the above temperature range, the volume resistivity ratio ρ1 / ρ2 may be set to a value of 2.0 or less.

なお、ヒータ部70において、断面積比S2/S1を値1超過とすることと、体積抵抗率比ρ1/ρ2を値1超過とすることと、を組み合わせてもよい。例えば、上記の温度範囲の少なくともいずれかの温度における断面積比S2/S1と体積抵抗率比ρ1/ρ2との積(=単位抵抗値比R1/R2)が、値1超過、値1.15以上、又は値1.25以上となるようにしてもよい。なお、断面積比S2/S1を値1超過とする場合でも、内側発熱部76aと外側発熱部76bとの材質は異なっていてもよい。   In the heater section 70, combining the cross-sectional area ratio S2 / S1 with a value exceeding 1 and the volume resistivity ratio ρ1 / ρ2 with a value exceeding 1 may be combined. For example, the product of the cross-sectional area ratio S2 / S1 and the volume resistivity ratio ρ1 / ρ2 (= unit resistance ratio R1 / R2) at at least one of the temperatures in the above temperature range exceeds the value 1, the value 1.15. Alternatively, the value may be 1.25 or more. Even when the cross-sectional area ratio S2 / S1 exceeds the value 1, the material of the inner heat generating portion 76a and the material of the outer heat generating portion 76b may be different.

上述した実施形態では、ヒータ72は内側発熱部76aと外側発熱部76bとを備えていたが、ヒータ72が内側発熱部76a,外側発熱部76bに電気的に並列に配設された発熱部をさらに1以上備えていてもよい。図3は、この場合の変形例のヒータ72Aの説明図である。ヒータ72Aの発熱部76は、内側発熱部76a及び外側発熱部76bに加えて、中間発熱部76cを備えている。中間発熱部76cは、内側発熱部76aの外側且つ外側発熱部76bの内側に配設され、内側発熱部76a及び外側発熱部76bに対して電気的に並列になるようにリード部79に接続されている。中間発熱部76cは、内側発熱部76a及び外側発熱部76bと同様に、1個の屈曲部77cと2個の直線部78cとを有している。このような変形例のヒータ72Aでも、上述した実施形態と同様の効果が得られる。例えば、700℃〜900℃の温度範囲の少なくともいずれかの温度における単位抵抗値比R1/R2を値1超過とすることで、内側発熱部76aの劣化を抑制してヒータ72Aの寿命を長くできる。また、中間発熱部76cの単位長さあたりの抵抗値を単位抵抗値R3とすると、単位抵抗値R3は単位抵抗値R1以下とすることが好ましく、単位抵抗値R1未満とすることがより好ましい。また、単位抵抗値R3は単位抵抗値R2以上とすることが好ましく、単位抵抗値R2超過であってもよい。中間発熱部76cは外側発熱部76bよりは高温になりやすく内側発熱部76aよりは高温になりにくい。そのため、R2<R3<R1とすることで、発熱部76全体としての均熱性が高くなりやすく、ヒータ72Aの寿命が長くなりやすいため好ましい。なお、ヒータ72Aのように発熱体が互いに並列に接続された発熱部を3以上有する場合、最も外側に位置する発熱部を外側発熱部とし、最も内側に位置する発熱部を内側発熱部とし、それ以外の発熱部を中間発熱部とする。   In the above-described embodiment, the heater 72 includes the inner heat generating portion 76a and the outer heat generating portion 76b. However, the heater 72 includes a heat generating portion electrically arranged in parallel with the inner heat generating portion 76a and the outer heat generating portion 76b. Furthermore, one or more may be provided. FIG. 3 is an explanatory diagram of a heater 72A of a modified example in this case. The heating section 76 of the heater 72A includes an intermediate heating section 76c in addition to the inner heating section 76a and the outer heating section 76b. The intermediate heating portion 76c is disposed outside the inner heating portion 76a and inside the outer heating portion 76b, and is connected to the lead portion 79 so as to be electrically parallel to the inner heating portion 76a and the outer heating portion 76b. ing. The intermediate heating portion 76c has one bent portion 77c and two straight portions 78c, like the inner heating portion 76a and the outer heating portion 76b. With the heater 72A of such a modification, the same effects as those of the above-described embodiment can be obtained. For example, when the unit resistance ratio R1 / R2 at least at any temperature in the temperature range of 700 ° C. to 900 ° C. exceeds 1, the deterioration of the inner heat generating portion 76a can be suppressed, and the life of the heater 72A can be extended. . Further, assuming that the resistance value per unit length of the intermediate heating portion 76c is the unit resistance value R3, the unit resistance value R3 is preferably equal to or less than the unit resistance value R1, and more preferably less than the unit resistance value R1. Further, the unit resistance value R3 is preferably equal to or more than the unit resistance value R2, and may be greater than the unit resistance value R2. The temperature of the intermediate heat generating portion 76c is likely to be higher than that of the outer heat generating portion 76b, and is less likely to be higher than that of the inner heat generating portion 76a. Therefore, it is preferable that R2 <R3 <R1 because the uniformity of the heat generating portion 76 as a whole is easily increased and the life of the heater 72A is easily elongated. When the heating elements have three or more heating elements connected in parallel with each other, such as the heater 72A, the outermost heating element is defined as an outer heating element, and the innermost heating element is defined as an inner heating element. The other heating parts are defined as intermediate heating parts.

上述した実施形態では、内側発熱部76a及び外側発熱部76bは、いずれも同じリード部79に接続されていたが、これに限られない。例えば、内側発熱部76aに接続されるリード部と外側発熱部76bに接続されるリード部とが別に存在していてもよい。なお、この場合、内側発熱部76aと外側発熱部76bとで印加する電圧が異なっていてもよい。ただし、外側発熱部76bと比べて内側発熱部76aに印加する電圧が高すぎると、外側発熱部76bと比べて内側発熱部76aの発熱密度が小さくならないため、この点を考慮して印加電圧を定める必要がある。逆に、外側発熱部76bと比べて内側発熱部76aに印加する電圧を低くすることで、外側発熱部76bと比べて内側発熱部76aの発熱密度をその分小さくすることができる。また、内側発熱部76a及び外側発熱部76bは、リード部79に直接接続されていなくともよい。例えば、リード部79に接続された発熱部から分岐するように内側発熱部76a及び外側発熱部76bが並列接続されていてもよい。   In the above-described embodiment, the inner heat generating portion 76a and the outer heat generating portion 76b are both connected to the same lead portion 79, but are not limited thereto. For example, a lead portion connected to the inside heat generating portion 76a and a lead portion connected to the outside heat generating portion 76b may exist separately. In this case, the voltages applied to the inner heating section 76a and the outer heating section 76b may be different. However, if the voltage applied to the inner heat generating portion 76a is too high compared to the outer heat generating portion 76b, the heat generation density of the inner heat generating portion 76a does not become lower than that of the outer heat generating portion 76b. Must be determined. Conversely, by lowering the voltage applied to the inner heat generating portion 76a as compared to the outer heat generating portion 76b, the heat generation density of the inner heat generating portion 76a can be reduced by that much compared to the outer heat generating portion 76b. Further, the inner heat generating portion 76a and the outer heat generating portion 76b may not be directly connected to the lead portion 79. For example, the inner heat generating portion 76a and the outer heat generating portion 76b may be connected in parallel so as to branch off from the heat generating portion connected to the lead portion 79.

上述した実施形態では、内側発熱部76a及び外側発熱部76bは、それぞれ1つの屈曲部及び2つの直線部のみを備えていたが、これに限らず内側発熱部76a及び外側発熱部76bはどのような形状でもよい。例えば、内側発熱部76a及び外側発熱部76bがより多くの屈曲部や直線部を備えていてもよい。図4は、この場合の変形例のヒータ72Bの説明図である。ヒータ72Bの内側発熱部76aは、3個の屈曲部77aと4個の直線部78aとを備えている。屈曲部77aは、2個が直線部78aの前端側に配設され、1個が直線部78aの後端側に配設されている。3個の屈曲部77aは、それぞれ、2個の直線部78aを接続している。外側発熱部76bも、内側発熱部76aと同様に、3個の屈曲部77bと4個の直線部78bとを備えている。このような変形例のヒータ72Bでも、上述した実施形態と同様の効果が得られる。例えば、700℃〜900℃の温度範囲の少なくともいずれかの温度における単位抵抗値比R1/R2を値1超過とすることで、内側発熱部76aの劣化を抑制してヒータ72Bの寿命を長くできる。   In the above-described embodiment, each of the inner heat generating portion 76a and the outer heat generating portion 76b has only one bent portion and two linear portions. However, the present invention is not limited to this. Shape may be used. For example, the inner heat generating portion 76a and the outer heat generating portion 76b may include more bent portions and linear portions. FIG. 4 is an explanatory diagram of a heater 72B of a modified example in this case. The inner heating portion 76a of the heater 72B includes three bent portions 77a and four straight portions 78a. Two bent portions 77a are provided on the front end side of the straight portion 78a, and one is provided on the rear end side of the straight portion 78a. Each of the three bent portions 77a connects two linear portions 78a. The outer heat generating portion 76b also has three bent portions 77b and four linear portions 78b, similarly to the inner heat generating portion 76a. With the heater 72B of such a modification, the same effects as those of the above-described embodiment can be obtained. For example, when the unit resistance ratio R1 / R2 at least at any temperature in the temperature range of 700 ° C. to 900 ° C. exceeds 1, the deterioration of the inner heat generating portion 76a can be suppressed and the life of the heater 72B can be extended. .

上述した実施形態では、直線部78a,78bは長さ方向がヒータ部70の長手方向(前後方向)と平行になっていたが、長さ方向が前後方向に沿っていれば、平行でなくてもよい。例えば直線部78a,78bの1以上が、長さ方向が前後方向に対して傾斜していてもよい。また、直線部78a,78bは、長さ方向がヒータ部70の短手方向(左右方向)に沿っていてもよい。図5は、この場合の変形例のヒータ72Cの説明図である。ヒータ72Cの内側発熱部76aは、長さ方向が左右方向に平行であり前後方向に複数(図5では15個)並べられた直線部78aを備えている。また、内側発熱部76aは、前後方向に隣り合う直線部78a同士を接続したり、最も後端に配置された直線部78aとリード部79との間を接続したりする複数(図5では16個)の屈曲部77aを備えている。外側発熱部76bも、内側発熱部76aと同様に、16個の屈曲部77bと15個の直線部78bとを備えている。このような変形例のヒータ72Cでも、上述した実施形態と同様の効果が得られる。例えば、700℃〜900℃の温度範囲の少なくともいずれかの温度における単位抵抗値比R1/R2を値1超過とすることで、内側発熱部76aの劣化を抑制してヒータ72Cの寿命を長くできる。   In the embodiment described above, the length direction of the straight portions 78a and 78b is parallel to the longitudinal direction (front-back direction) of the heater unit 70. However, if the length direction is along the front-back direction, they are not parallel. Is also good. For example, at least one of the linear portions 78a and 78b may have a length direction inclined with respect to the front-rear direction. Further, the length direction of the linear portions 78a and 78b may be along the short direction (left-right direction) of the heater unit 70. FIG. 5 is an explanatory diagram of a heater 72C of a modified example in this case. The inner heat generating portion 76a of the heater 72C includes a plurality of (15 in FIG. 5) linear portions 78a whose length directions are parallel to the left-right direction and are arranged in the front-rear direction. Further, the inner heat generating portion 76a connects a plurality of linear portions 78a adjacent to each other in the front-rear direction, and connects between the linear portion 78a arranged at the rearmost end and the lead portion 79 (16 in FIG. 5). ) Bent portions 77a. Similarly to the inner heat generating portion 76a, the outer heat generating portion 76b includes 16 bent portions 77b and 15 linear portions 78b. With the heater 72C of such a modification, the same effects as those of the above-described embodiment can be obtained. For example, by making the unit resistance ratio R1 / R2 at least one of the temperatures in the temperature range of 700 ° C. to 900 ° C. more than 1, the deterioration of the inner heat generating portion 76a can be suppressed and the life of the heater 72C can be extended. .

なお、上述した図2のヒータ72のように内側発熱部76a及び外側発熱部76bがそれぞれ屈曲部77a,77bを1つのみ備えている方が、図4,5に示したヒータ72B,72Cと比べて屈曲部の数を少なくし且つ屈曲部の曲率半径を大きくすることができるため、ヒータ72の寿命をより長くでき、好ましい。   It is to be noted that the inner heating portion 76a and the outer heating portion 76b each having only one bent portion 77a and 77b, respectively, like the heater 72 of FIG. 2 described above, are different from the heaters 72B and 72C shown in FIGS. Since the number of bends can be reduced and the radius of curvature of the bends can be increased, the life of the heater 72 can be prolonged, which is preferable.

上述した実施形態では、内側発熱部76a及び外側発熱部76bは、どの部分でも断面積が同じ値になるような形状としたが、これに限られない。例えば、内側発熱部76aの中に断面積が他と異なる部分が存在していてもよい。この場合、内側発熱部76aの中に段差が生じていてもよいし、内側発熱部76aの中に長さ方向に沿って断面積が徐々に変化する部分が存在していてもよい。ただし、内側発熱部76a内には段差がない方が好ましい。外側発熱部76bについても同様である。   In the above-described embodiment, the inner heat-generating portion 76a and the outer heat-generating portion 76b are shaped such that the cross-sectional area has the same value in any part, but the present invention is not limited to this. For example, a portion having a different cross-sectional area from the others may be present in the inner heat generating portion 76a. In this case, a step may be generated in the inside heat generating portion 76a, or a portion whose cross-sectional area gradually changes along the length direction may exist in the inside heat generating portion 76a. However, it is preferable that there is no step in the inside heat generating portion 76a. The same applies to the outer heat generating portion 76b.

上述した実施形態では、ヒータ72は帯状としたが、これに限らず線状(例えば断面が円又は楕円)としてもよい。   In the above-described embodiment, the heater 72 has a band shape, but is not limited thereto, and may have a linear shape (for example, a cross section is a circle or an ellipse).

上述した実施形態では、ヒータ部70を備えたガスセンサ100として説明したが、本発明はセンサ素子101単体としてもよいし、ヒータ部70単体すなわちセラミックスヒータ単体としてもよい。なお、ヒータ部70は第1基板層1,第2基板層2,第3基板層3を備えていたが、ヒータ72を囲むセラミックス体を有すればよい。例えば、ヒータ72の下側の層が第1基板層1及び第2基板層2の2層ではなく、1層だけであってもよい。また、ヒータ部70はヒータ絶縁層74を備えていたが、ヒータ72を囲むセラミックス体(例えば第1基板層1,第2基板層2)が絶縁性を有する材質(例えば、アルミナのセラミックス)であれば、ヒータ絶縁層74は省略してもよい。また、センサ素子101の大きさは、例えば前後方向の長さが25mm以上100mm以下、左右方向の幅が2mm以上10mm以下、上下方向の厚さが0.5mm以上5mm以下としてもよい。   In the above-described embodiment, the gas sensor 100 including the heater unit 70 has been described. However, the present invention may be a single sensor element 101 or a single heater unit 70, that is, a single ceramic heater. Although the heater unit 70 includes the first substrate layer 1, the second substrate layer 2, and the third substrate layer 3, the heater unit 70 may have a ceramic body surrounding the heater 72. For example, the lower layer of the heater 72 may be a single layer instead of the two layers of the first substrate layer 1 and the second substrate layer 2. Although the heater section 70 includes the heater insulating layer 74, the ceramic body (for example, the first substrate layer 1 and the second substrate layer 2) surrounding the heater 72 is made of an insulating material (for example, alumina ceramic). If so, the heater insulating layer 74 may be omitted. Further, the size of the sensor element 101 may be, for example, a length in the front-rear direction of 25 mm or more and 100 mm or less, a width in the left-right direction of 2 mm or more and 10 mm or less, and a thickness in the vertical direction of 0.5 mm or more and 5 mm or less.

以下には、センサ素子を具体的に作製した例を実施例として説明する。実験例2〜9,11〜18が本発明の実施例に相当し、実験例1,10が比較例に相当する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, an example in which a sensor element is specifically manufactured will be described as an example. Experimental Examples 2 to 9, 11 to 18 correspond to Examples of the present invention, and Experimental Examples 1 and 10 correspond to Comparative Examples. Note that the present invention is not limited to the following embodiments.

[実験例1〜9]
上述した実施形態のガスセンサ100の製造方法に従って、図1,2に示したセンサ素子101を作製して実験例1〜9とした。実験例1〜9は、内側発熱部76aの幅W1を変えることで断面積比S2/S1を以下の表1に示すように種々変更した点以外は、同じ構成とした。センサ素子101の大きさは、前後方向の長さが67.5mm、左右方向の幅が4.25mm、上下方向の厚さが1.45mmとした。実験例1の内側発熱部76aの幅W1及び外側発熱部76bの幅W2はいずれも0.25mmとした。また、実験例1の内側発熱部76aの厚さD1及び外側発熱部76bの厚さD2はいずれも0.01mmとした。なお、センサ素子101を作製するにあたり、セラミックスグリーンシートは、安定化剤のイットリアを4mol%添加したジルコニア粒子と有機バインダーと有機溶剤とを混合し、テープ成形により成形した。ヒータ部70の発熱部76用の導電性ペーストは、以下のように調整した。アルミナ粒子を4質量%,Ptを96質量%、及び溶媒としてのアセトンを所定量加えて予備混合を行い予備混合液を得た。ポリビニルブチラール20質量%を、ブチルカルビトール80質量%に溶解させて得た有機バインダー液を、予備混合液に添加して混合した後、適宜ブチルカルビトールを添加して粘度を調整することにより、導電性ペーストを得た。なお、実験例1は、内側発熱部76aと外側発熱部76bとで同じ導電性ペーストを用いており、700℃〜900℃のいずれの温度においても、体積抵抗率比ρ1/ρ2は値1である。実験例2〜9についても同様である。
[Experimental Examples 1 to 9]
According to the manufacturing method of the gas sensor 100 of the above-described embodiment, the sensor elements 101 shown in FIGS. Experimental examples 1 to 9 had the same configuration except that the cross-sectional area ratio S2 / S1 was variously changed as shown in Table 1 below by changing the width W1 of the inner heat generating portion 76a. The size of the sensor element 101 was such that the length in the front-rear direction was 67.5 mm, the width in the left-right direction was 4.25 mm, and the thickness in the up-down direction was 1.45 mm. In Example 1, the width W1 of the inner heat generating portion 76a and the width W2 of the outer heat generating portion 76b were both set to 0.25 mm. Further, both the thickness D1 of the inner heat generating portion 76a and the thickness D2 of the outer heat generating portion 76b in Experimental Example 1 were 0.01 mm. In manufacturing the sensor element 101, the ceramic green sheet was formed by mixing zirconia particles to which 4 mol% of yttria as a stabilizer was added, an organic binder, and an organic solvent, and then forming the tape by tape molding. The conductive paste for the heating section 76 of the heater section 70 was adjusted as follows. Preliminary mixing was performed by adding 4% by mass of alumina particles, 96% by mass of Pt, and a predetermined amount of acetone as a solvent to obtain a premixed liquid. An organic binder solution obtained by dissolving 20% by mass of polyvinyl butyral in 80% by mass of butyl carbitol was added to the premixed liquid, mixed, and then appropriately added with butyl carbitol to adjust the viscosity. A conductive paste was obtained. In Experimental Example 1, the same conductive paste was used for the inner heating portion 76a and the outer heating portion 76b, and the volume resistivity ratio ρ1 / ρ2 was 1 at any temperature from 700 ° C. to 900 ° C. is there. The same applies to Experimental Examples 2 to 9.

[実験例10〜18]
体積抵抗率比ρ1/ρ2を以下の表1に示すように種々変更した点以外は実験例1と同様にして、実験例10〜18のセンサ素子101を作製した。なお、体積抵抗率比ρ1/ρ2の変更は、内側発熱部76aのPtの含有割合を変えることにより行った。なお、実験例10〜18の幅W1,W2及び厚さD1,D2はいずれも実験例1と同じであり、実験例10〜18の断面積比S2/S1はいずれも値1.00である。また、実験例10及び実験例1は、断面積比S2/S1の値及び体積抵抗率比ρ1/ρ2の値が同じである。
[Experimental Examples 10 to 18]
Sensor elements 101 of Experimental Examples 10 to 18 were produced in the same manner as in Experimental Example 1 except that the volume resistivity ratio ρ1 / ρ2 was variously changed as shown in Table 1 below. The volume resistivity ratio ρ1 / ρ2 was changed by changing the content ratio of Pt in the inner heat generating portion 76a. The widths W1 and W2 and the thicknesses D1 and D2 of Experimental Examples 10 to 18 are the same as those of Experimental Example 1, and the cross-sectional area ratios S2 / S1 of Experimental Examples 10 to 18 are all 1.00. . Further, in Experimental Example 10 and Experimental Example 1, the value of the cross-sectional area ratio S2 / S1 and the value of the volume resistivity ratio ρ1 / ρ2 are the same.

なお、実験例10〜18の体積抵抗率ρ1の測定は、以下のように作製したテストピースを用いて行った。まず、焼成後に第2基板層2となるセラミックスグリーンシート上に、ヒータ絶縁層74となる絶縁性ペーストを印刷した。次に、実験例10〜18の各々と同じ条件で作製した内側発熱部76a用の導電性ペーストを、絶縁性ペースト上に直方体形状に印刷した。その後、実験例10〜18と同じ条件で焼成して、直方体形状の発熱部を形成し、実験例10〜18の各々のテストピースを得た。そして、直方体形状の発熱部に抵抗値測定用リードを取り付けて、テストピースを電気炉で700℃〜900℃に加熱し、この状態で発熱部の抵抗値を測定した。そして、直方体形状の発熱部の長さ及び断面積と測定した抵抗値とに基づいて、体積抵抗率ρ1を算出した。体積抵抗率ρ2についても、同様にテストピースを用いて測定した抵抗値から算出した。なお、実験例10〜18の体積抵抗率比ρ1/ρ2の値は、700℃〜900℃の範囲ではほとんど変化しなかった。   The measurement of the volume resistivity ρ1 in Experimental Examples 10 to 18 was performed using a test piece manufactured as follows. First, an insulating paste to be the heater insulating layer 74 was printed on a ceramic green sheet to be the second substrate layer 2 after firing. Next, a conductive paste for the inside heat generating portion 76a, which was manufactured under the same conditions as in each of Experimental Examples 10 to 18, was printed in a rectangular parallelepiped shape on the insulating paste. Then, it baked on the same conditions as Experimental Examples 10-18, and formed the heat generating part of a rectangular parallelepiped shape, and obtained each test piece of Experimental Examples 10-18. Then, a resistance measuring lead was attached to the heat generating portion having a rectangular parallelepiped shape, the test piece was heated to 700 ° C. to 900 ° C. in an electric furnace, and the resistance value of the heat generating portion was measured in this state. Then, the volume resistivity ρ1 was calculated based on the length and the cross-sectional area of the rectangular heating element and the measured resistance value. The volume resistivity ρ2 was similarly calculated from the resistance value measured using a test piece. The values of the volume resistivity ratios ρ1 / ρ2 of Experimental Examples 10 to 18 hardly changed in the range of 700 ° C to 900 ° C.

[評価試験]
実験例1〜18について、発熱部76の耐久性(寿命)を評価した。具体的には、発熱部76の温度の平均値が所定温度になるようにリード部79に電圧を印加してヒータ72に通電した。そして、その状態で2000時間以内に発熱部76に断線が生じるか否かを判定した。2000時間を超えて断線が生じなかった場合を「A(優,実用レベル以上)」とし、1000時間を超えて2000時間以内に断線が生じた場合を「B(良,実用レベル)」とし、1000時間以内に断線が生じた場合を「C(不可,実用レベル未満)」とした。発熱部76の平均温度を700℃,750℃,800℃,850℃,900℃とした場合について、それぞれ発熱部76の耐久性を評価した。発熱部76の温度の調整は、リード部79に印加する電圧を変えることで行った。また、発熱部76の温度は、センサ素子101の下面の温度を放射温度計により測定することで、間接的に測定した。評価試験の結果を表1に示す。表1には、各実験例の単位抵抗値比R1/R2,断面積比S2/S1,及び体積抵抗率比ρ1/ρ2の値も示した。単位抵抗値比R1/R2の値は、断面積比S2/S1と体積抵抗率比ρ1/ρ2との積として算出した。
[Evaluation test]
With respect to Experimental Examples 1 to 18, the durability (life) of the heat generating portion 76 was evaluated. Specifically, a voltage was applied to the lead portion 79 so that the average value of the temperature of the heating portion 76 became a predetermined temperature, and the heater 72 was energized. Then, it was determined whether or not the heat generating portion 76 was disconnected within 2000 hours in that state. A case where no disconnection occurred for more than 2000 hours is referred to as “A (excellent, practical level or more)”, and a case where disconnection occurs for more than 1000 hours and within 2000 hours is “B (good, practical level)” The case where disconnection occurred within 1000 hours was designated as "C (impossible, less than practical level)". When the average temperature of the heat generating portion 76 was 700 ° C., 750 ° C., 800 ° C., 850 ° C., and 900 ° C., the durability of the heat generating portion 76 was evaluated. The temperature of the heating section 76 was adjusted by changing the voltage applied to the lead section 79. The temperature of the heat generating portion 76 was measured indirectly by measuring the temperature of the lower surface of the sensor element 101 with a radiation thermometer. Table 1 shows the results of the evaluation test. Table 1 also shows values of the unit resistance ratio R1 / R2, the sectional area ratio S2 / S1, and the volume resistivity ratio ρ1 / ρ2 of each experimental example. The value of the unit resistance ratio R1 / R2 was calculated as the product of the cross-sectional area ratio S2 / S1 and the volume resistivity ratio ρ1 / ρ2.

Figure 0006674211
Figure 0006674211

表1に示すように、単位抵抗値比R1/R2の値が大きいほど、発熱部76の断線が生じにくくなる傾向が見られた。単位抵抗値比R1/R2の値が大きいほど、より高い温度でも発熱部76の断線が生じにくくなる傾向が見られた。また、単位抵抗値比R1/R2が値1.15以上である実験例4〜9,13〜18では、700℃〜900℃のいずれの温度においても評価がA(優)又はB(良)であった。単位抵抗値比R1/R2が値1.25以上である実験例6〜9,15〜18では、700℃〜900℃のいずれの温度においても評価がA(優)であった。なお、評価がB(良)又はC(不可)である実験例では、いずれも内側発熱部76aに断線が生じていた。また、実験例1〜9と実験例10〜18との比較から、単位抵抗値比R1/R2の値が同じであれば、断面積比S2/S1を変化させた場合と体積抵抗率比ρ1/ρ2を変化させた場合とで、同じ結果が得られることがわかった。なお、内側発熱部76aの厚さD1を変えることで断面積比S2/S1を変化させた場合も、実験例1〜9と同じ結果になった。   As shown in Table 1, there was a tendency that as the value of the unit resistance value ratio R1 / R2 was larger, disconnection of the heat generating portion 76 was less likely to occur. As the value of the unit resistance value ratio R1 / R2 was larger, there was a tendency that disconnection of the heat generating portion 76 was less likely to occur even at a higher temperature. Further, in Experimental Examples 4 to 9, 13 to 18 in which the unit resistance value ratio R1 / R2 was 1.15 or more, the evaluation was A (excellent) or B (good) at any temperature from 700 ° C. to 900 ° C. Met. In Experimental Examples 6 to 9, and 15 to 18 in which the unit resistance value ratio R1 / R2 was 1.25 or more, the evaluation was A (excellent) at any temperature from 700 ° C to 900 ° C. In each of the experimental examples in which the evaluation was B (good) or C (impossible), disconnection occurred in the inner heat generating portion 76a. From a comparison between Experimental Examples 1 to 9 and Experimental Examples 10 to 18, if the values of the unit resistance value ratios R1 / R2 are the same, the case where the cross-sectional area ratio S2 / S1 is changed and the case where the volume resistivity ratio ρ1 It was found that the same result was obtained when / ρ2 was changed. The same results as in Experimental Examples 1 to 9 were obtained when the cross-sectional area ratio S2 / S1 was changed by changing the thickness D1 of the inner heat generating portion 76a.

1 第1基板層、2 第2基板層、3 第3基板層、4 第1固体電解質層、5 スペーサ層、6 第2固体電解質層、10 ガス導入口、11 第1拡散律速部、12 緩衝空間、13 第2拡散律速部、20 第1内部空所、21 主ポンプセル、22 内側ポンプ電極、22a 天井電極部、22b 底部電極部、23 外側ポンプ電極、24 可変電源、30 第3拡散律速部、40 第2内部空所、41 測定用ポンプセル、42 基準電極、43 基準ガス導入空間、44 測定電極、45 第4拡散律速部、46 可変電源、48 大気導入層、50 補助ポンプセル、51 補助ポンプ電極、51a 天井電極部、51b 底部電極部、52 可変電源、70 ヒータ部、71 ヒータコネクタ電極、72,72A〜72C ヒータ、73 スルーホール、74 ヒータ絶縁層、75 圧力放散孔、76 発熱部、76a 内側発熱部、76b 外側発熱部、76c 中間発熱部、77a〜77c 屈曲部、78a〜78c 直線部、79 リード部、79a,79b 第1,第2リード、80 主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、81 補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、82 測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、83 センサセル、100 ガスセンサ、101 センサ素子。   REFERENCE SIGNS LIST 1 first substrate layer, 2 second substrate layer, 3 third substrate layer, 4 first solid electrolyte layer, 5 spacer layer, 6 second solid electrolyte layer, 10 gas inlet, 11 first diffusion-controlling part, 12 buffer Space, 13 second diffusion control part, 20 first internal space, 21 main pump cell, 22 inner pump electrode, 22a ceiling electrode part, 22b bottom electrode part, 23 outer pump electrode, 24 variable power source, 30 third diffusion control part , 40 second internal space, 41 measurement pump cell, 42 reference electrode, 43 reference gas introduction space, 44 measurement electrode, 45 fourth diffusion control part, 46 variable power supply, 48 atmosphere introduction layer, 50 auxiliary pump cell, 51 auxiliary pump Electrode, 51a ceiling electrode section, 51b bottom electrode section, 52 variable power supply, 70 heater section, 71 heater connector electrode, 72, 72A to 72C heater, 73 through electrode , 74 heater insulating layer, 75 pressure release hole, 76 heating section, 76a inside heating section, 76b outside heating section, 76c intermediate heating section, 77a to 77c bent section, 78a to 78c linear section, 79 lead section, 79a, 79b First and second leads, 80 oxygen partial pressure detection sensor cell for main pump control, 81 oxygen partial pressure detection sensor cell for auxiliary pump control, 82 oxygen partial pressure detection sensor cell for pump control for measurement, 83 sensor cells, 100 gas sensor, 101 sensor element.

Claims (13)

外側発熱部と、700℃以上900℃以下の温度範囲の少なくともいずれかの温度における単位長さあたりの抵抗値が前記外側発熱部と比べて高く該外側発熱部よりも内側で該外側発熱部に対して電気的に並列に配設された内側発熱部と、を有する発熱体と、
前記発熱体を囲むセラミックス体と、
を備え、
前記外側発熱部は、直線部を備えており、
前記内側発熱部は、前記外側発熱部の前記直線部と比べて前記温度範囲の少なくともいずれかの温度における単位長さあたりの抵抗値が高い直線部を備えており
前記内側発熱部の断面積は、どの部分でも同じ値であり、
前記外側発熱部の断面積は、どの部分でも同じ値である、
セラミックスヒータ。
The outer heat generating portion, the resistance per unit length at least at any temperature in the temperature range of 700 ° C. or more and 900 ° C. or less is higher than the outer heat generating portion, and the inner side of the outer heat generating portion has the outer heat generating portion. A heating element having an inner heating portion electrically arranged in parallel with the heating element;
A ceramic body surrounding the heating element,
With
The outer heat generating portion includes a straight portion,
The inner heating portion includes a linear portion is high resistance value per unit length in at least one of the temperature of the temperature range in comparison with the linear portion of the outer heat generating portion,
The cross-sectional area of the inner heating portion is the same value in any portion,
The cross-sectional area of the outer heating portion has the same value in any portion,
Ceramic heater.
外側発熱部と、700℃以上900℃以下の温度範囲の少なくともいずれかの温度における単位長さあたりの抵抗値が前記外側発熱部と比べて高く該外側発熱部よりも内側で該外側発熱部に対して電気的に並列に配設された内側発熱部と、を有する発熱体と、
前記発熱体を囲むセラミックス体と、
を備え、
前記外側発熱部及び前記内側発熱部は、それぞれ、直線部を備えており、
前記温度範囲の少なくともいずれかの温度において、前記内側発熱部は、いずれの部分においても、単位長さあたりの抵抗値が、前記外側発熱部の単位長さあたりの抵抗値の平均値よりも高い、
セラミックスヒータ。
The outer heat generating portion, the resistance per unit length at least at any temperature in the temperature range of 700 ° C. or more and 900 ° C. or less is higher than the outer heat generating portion, and the inner side of the outer heat generating portion has the outer heat generating portion. A heating element having an inner heating portion electrically arranged in parallel with the heating element;
A ceramic body surrounding the heating element,
With
The outer heat generating portion and the inner heat generating portion each include a linear portion,
At least at any one of the temperatures in the temperature range, the inner heating portion has a higher resistance value per unit length in any portion than the average value of the resistance value per unit length of the outer heating portion. ,
Ceramic heater.
前記内側発熱部の単位長さあたりの抵抗値を単位抵抗値R1[μΩ/mm]とし、前記外側発熱部の単位長さあたりの抵抗値を単位抵抗値R2[μΩ/mm]としたときに、前記温度範囲の少なくともいずれかの温度における単位抵抗値比R1/R2が値1.15以上である、
請求項1又は2に記載のセラミックスヒータ。
When the resistance value per unit length of the inner heating part is unit resistance R1 [μΩ / mm], and the resistance value per unit length of the outer heating part is unit resistance R2 [μΩ / mm]. The unit resistance ratio R1 / R2 at at least one of the temperatures in the temperature range is not less than 1.15;
The ceramic heater according to claim 1.
前記温度範囲の少なくともいずれかの温度における前記単位抵抗値比R1/R2が値1.25以上である、
請求項3に記載のセラミックスヒータ。
The unit resistance ratio R1 / R2 at least at any one of the temperature ranges is equal to or greater than 1.25;
The ceramic heater according to claim 3.
前記内側発熱部は、前記外側発熱部と比べて長さ方向に垂直な断面積が小さい、
請求項1〜4のいずれか1項に記載のセラミックスヒータ。
The inner heating portion has a smaller cross-sectional area perpendicular to the length direction than the outer heating portion,
The ceramic heater according to claim 1.
前記内側発熱部の長さ方向に垂直な断面積S1[mm2]と前記外側発熱部の長さ方向
に垂直な断面積S2[mm2]との断面積比S2/S1が値1.15以上である、
請求項5に記載のセラミックスヒータ。
The cross-sectional area ratio S2 / S1 of the cross-sectional area S1 [mm 2 ] perpendicular to the length direction of the inner heat generating portion and the cross-sectional area S2 [mm 2 ] perpendicular to the length direction of the outer heat generating portion is 1.15. That's it,
The ceramic heater according to claim 5.
前記断面積比S2/S1が値1.25以上である、
請求項6に記載のセラミックスヒータ。
The cross-sectional area ratio S2 / S1 is not less than 1.25,
The ceramic heater according to claim 6.
前記内側発熱部は、前記外側発熱部と比べて前記温度範囲の少なくともいずれかの温度における体積抵抗率が高い、
請求項1〜7のいずれか1項に記載のセラミックスヒータ。
The inner heating portion has a higher volume resistivity at at least one of the temperatures in the temperature range than the outer heating portion,
The ceramic heater according to any one of claims 1 to 7.
前記温度範囲の少なくともいずれかの温度において、前記内側発熱部の体積抵抗率ρ1[μΩ・cm]と前記外側発熱部の体積抵抗率ρ2[μΩ・cm]との比である体積抵抗率比ρ1/ρ2が値1.15以上である、
請求項8に記載のセラミックスヒータ。
A volume resistivity ratio ρ1 that is a ratio of a volume resistivity ρ1 [μΩ · cm] of the inner heating portion and a volume resistivity ρ2 [μΩ · cm] of the outer heating portion at at least one temperature in the temperature range. / Ρ2 is greater than or equal to 1.15,
A ceramic heater according to claim 8.
前記温度範囲の少なくともいずれかの温度における前記体積抵抗率比ρ1/ρ2が値1.25以上である、
請求項9に記載のセラミックスヒータ。
The volume resistivity ratio ρ1 / ρ2 at at least one of the temperatures in the temperature range is equal to or greater than 1.25;
The ceramic heater according to claim 9.
前記外側発熱部及び前記内側発熱部は、それぞれ屈曲部を1つのみ備えている、
請求項1〜10のいずれか1項に記載のセラミックスヒータ。
The outer heat generating portion and the inner heat generating portion each include only one bent portion,
The ceramic heater according to any one of claims 1 to 10.
請求項1〜11のいずれか1項に記載のセラミックスヒータを備え、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサ素子。   A sensor element comprising the ceramic heater according to claim 1, wherein the sensor element detects a specific gas concentration in a gas to be measured. 請求項12に記載のセンサ素子を備えたガスセンサ。   A gas sensor comprising the sensor element according to claim 12.
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