JP6796358B2 - セラミックスヒータ，センサ素子及びガスセンサ - Google Patents

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。

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、一対の通電用パターンと、を備えている。

特許第４８２６４６１号公報

ところで、セラミックスヒータはアルカリ金属やアルカリ土類金属を含有していることがあり、発熱体の加熱時にこれらが陽イオン化して低電位方向に引き寄せられる場合がある。また、アルカリ金属やアルカリ土類金属と結合していた酸素などが陰イオン化して高電位方向に引き寄せられる場合もある。これらのような現象はマイグレーションと呼ばれており、マイグレーションによって移動したイオンと発熱体とが反応することなどにより、発熱体が劣化して細線化や断線が生じる場合があった。

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、マイグレーションに起因する発熱体の劣化を抑制することを主目的とする。

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。

本発明の第１のセラミックスヒータは、
長手方向と短手方向とを有する板状のセラミックス体と、
前記セラミックス体の内部に配設され、リード部と、該リード部に接続された発熱部と、を有する発熱体と、
を備え、
前記発熱部は、長さ方向が前記長手方向に沿って配設された直線部と、該直線部のうち前記リード部に近い側の端部に接続された１以上のリード側屈曲部と、を有し、該１以上のリード側屈曲部のうち前記リード部に最も近い最接近リード側屈曲部は、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直線部と比べて低い、
ものである。

この第１のセラミックスヒータは、発熱部が直線部とリード側屈曲部とを有している。そして、１以上のリード側屈曲部のうちリード部に最も近い最接近リード側屈曲部は、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直線部と比べて低くなっている。これにより、７００℃〜９００℃の少なくともいずれかの温度において、最接近リード側屈曲部は直線部と比べて発熱密度（単位長さあたりの発熱量）が小さくなり、温度が上昇しにくくなる。ここで、最接近リード側屈曲部はリード部との距離が近いため、最接近リード側屈曲部とリード部との間は電位傾度が高くなりやすく、マイグレーションが生じやすい。また、上述したアルカリ金属やアルカリ土類金属などのイオン化は、高温になるほど生じやすい。本発明の第１のセラミックスヒータでは、マイグレーションが生じやすい最接近リード側屈曲部の温度を上昇しにくくすることで、イオン化を抑制することができる。そのため、マイグレーションに起因して最接近リード側屈曲部とリード部との少なくとも一方が劣化することを抑制できる。したがって、発熱体の劣化を抑制できる。

本発明の第２のセラミックスヒータは、
長手方向と短手方向とを有する板状のセラミックス体と、
前記セラミックス体の内部に配設され、正極リードを含むリード部と、該リード部に接続された発熱部と、を有する発熱体と、
を備え、
前記発熱部は、長さ方向が前記長手方向に沿って配設された直線部と、該直線部のうち前記リード部に近い側の端部に接続された１以上のリード側屈曲部と、を有し、該１以上のリード側屈曲部のうち前記正極リードに最も近い最接近リード側屈曲部は、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直線部と比べて低い、
ものである。

この第２のセラミックスヒータは、発熱部が直線部とリード側屈曲部とを有している。そして、１以上のリード側屈曲部のうち正極リードに最も近い最接近リード側屈曲部は、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直線部と比べて低くなっている。これにより、７００℃〜９００℃の少なくともいずれかの温度において、最接近リード側屈曲部は直線部と比べて発熱密度が小さくなり、温度が上昇しにくくなる。ここで、最接近リード側屈曲部は正極リードとの距離が近いため、最接近リード側屈曲部と正極リードとの間は電位傾度が高くなりやすく、マイグレーションが生じやすい。また、上述したアルカリ金属やアルカリ土類金属などのイオン化は、高温になるほど生じやすい。本発明の第２のセラミックスヒータでは、マイグレーションが生じやすい最接近リード側屈曲部の温度を上昇しにくくすることで、イオン化を抑制することができる。そのため、マイグレーションに起因して最接近リード側屈曲部とリード部との少なくとも一方が劣化することを抑制できる。したがって、発熱体の劣化を抑制できる。

本発明の第１及び第２のセラミックスヒータにおいて、前記最接近リード側屈曲部の単位長さあたりの抵抗値を単位抵抗値Ｒ１［μΩ／ｍｍ］とし、前記直線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０．８７以下としてもよい。こうすれば、マイグレーションに起因する発熱体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０．８０以下であることが好ましい。

本発明の第１及び第２のセラミックスヒータにおいて、前記最接近リード側屈曲部は、前記直線部と比べて長さ方向に垂直な断面積が大きくてもよい。こうすれば、最接近リード側屈曲部の単位長さあたりの抵抗値が直線部と比べて低くなりやすい。この場合において、前記最接近リード側屈曲部の長さ方向に垂直な断面積Ｓ１［ｍｍ²］と前記直線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０．８７以下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０．８７以下になりやすい。また、前記断面積比Ｓ２／Ｓ１が値０．８０以下であることがより好ましい。

本発明の第１及び第２のセラミックスヒータにおいて、前記最接近リード側屈曲部は、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体積抵抗率が低くてもよい。こうすれば、最接近リード側屈曲部の単位長さあたりの抵抗値が直線部と比べて低くなりやすい。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、前記最接近リード側屈曲部の体積抵抗率ρ１［μΩ・ｃｍ］と前記直線部の体積抵抗率ρ２［μΩ・ｃｍ］との比である体積抵抗率比ρ１／ρ２が値０．８７以下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０．８７以下になりやすい。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０．８０以下であることがより好ましい。

本発明の第１及び第２のセラミックスヒータにおいて、前記発熱部は、前記短手方向に沿って並んだ４以上の前記直線部を有し、前記１以上のリード側屈曲部は、前記短手方向に隣り合う直線部同士を前記リード部に近い側の端部で接続しており、前記発熱部は、前記短手方向に隣り合う直線部同士を前記リード部から遠い側の端部で接続する複数の非リード側屈曲部を有していてもよい。

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第１又は第２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。

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、上述した本発明の第１又は第２のセラミックスヒータと同様の効果、例えばマイグレーションに起因する発熱体の劣化を抑制する効果が得られる。

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。

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、例えばマイグレーションに起因する発熱体の劣化を抑制する効果が得られる。

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。 図１のＡ−Ａ断面図。 変形例のヒータ７２Ａの説明図。 変形例のヒータ７２Ｂの説明図。 変形例のヒータ７２Ｃの説明図。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、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。発熱部７６は、複数（本実施形態では３個）の屈曲部７７と、複数（本実施形態では４個）の直線部７８とを有している。複数の屈曲部７７及び複数の直線部７８は、電気的に直列に接続されている。発熱部７６は、左右対称の形状をしている。

複数の直線部７８は、センサ素子１０１の短手方向（左右方向）に沿って等間隔に並んでいる。複数の直線部７８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、複数の直線部７８は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。複数の直線部７８のうち最も左側に位置する直線部７８の後端は、正極リードである第１リード７９ａに接続されている。複数の直線部７８のうち最も右側に位置する直線部７８の後端は、負極リードである第２リード７９ｂに接続されている。

複数の屈曲部７７の各々は、左右方向に隣り合う直線部７８同士を接続している。屈曲部７７は、隣り合う直線部７８同士の前端側（リード部７９から遠い側）を接続する非リード側屈曲部７７ａと、隣り合う直線部７８同士の後端側（リード部７９に近い側）を接続するリード側屈曲部７７ｂとを有している。本実施形態では、屈曲部７７は２個の非リード側屈曲部７７ａと、１個のリード側屈曲部７７ｂとを有している。リード側屈曲部７７ｂが１個であるため、リード側屈曲部７７ｂは、リード部７９に最も近い最接近リード側屈曲部であり、且つ、第１リード７９ａ（正極リード）に最も近い最接近正極リード側屈曲部である。リード側屈曲部７７ｂと第１リード７９ａとは、図２に示す点Ｐ１，Ｐ２間で最も接近している。また、リード側屈曲部７７ｂと第２リード７９ｂとは、点Ｐ３，Ｐ４間で最も接近している。点Ｐ１，Ｐ２間の距離を距離Ｌ１と称し、点Ｐ３，Ｐ４間の距離を距離Ｌ２と称する。距離Ｌ１と距離Ｌ２とは等しいものとした。複数の屈曲部７７は、いずれも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７７は、折れ線状に屈曲した形状であってもよい。

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（Ａｌ₂Ｏ₃）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。

最接近リード側屈曲部であり且つ最接近正極リード側屈曲部であるリード側屈曲部７７ｂ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直線部７８と比べて低くなっている。換言すると、リード側屈曲部７７ｂの単位長さあたりの抵抗値を単位抵抗値Ｒ１［μΩ／ｍｍ］とし、直線部７８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未満となっている。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、リード側屈曲部７７ｂは直線部７８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。単位抵抗値比Ｒ１／Ｒ２を値１未満とすることで、リード側屈曲部７７ｂの温度上昇を抑制でき、単位抵抗値比Ｒ１／Ｒ２が値１以上である場合と比較して、マイグレーション（詳細は後述）に起因するヒータ７２の劣化を抑制することができる。

なお、リード側屈曲部７７ｂ及び直線部７８の長さ方向は、リード側屈曲部７７ｂ及び直線部７８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、リード側屈曲部７７ｂ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、複数の直線部７８の単位長さあたりの抵抗値の平均値とする。そのため、リード側屈曲部７７ｂの一部に直線部７８よりも単位長さあたりの抵抗値が高い部分がある場合でも、全体としてリード側屈曲部７７ｂの方が単位長さあたりの抵抗値が低ければよい。ただし、リード側屈曲部７７ｂのうち、少なくともリード部７９に最も近い部分（点Ｐ１，Ｐ３の部分）の単位長さあたりの抵抗値は単位抵抗値Ｒ２未満であることが好ましい。また、リード側屈曲部７７ｂ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未満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未満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０．８７以下であることが好ましく、値０．８０以下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０．５以上としてもよい。

本実施形態では、リード側屈曲部７７ｂと直線部７８とは同じ材質（上述した白金を含むサーメット）とし、リード側屈曲部７７ｂの長さ方向に垂直な断面積Ｓ１［ｍｍ²］が、直線部７８の長さ方向に垂直な断面積Ｓ２［ｍｍ²］よりも大き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未満である。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未満となる。断面積比Ｓ２／Ｓ１は、値０．８７以下が好ましく、値０．８０以下がより好ましい。なお、断面積比Ｓ２／Ｓ１の調整は、例えば、リード側屈曲部７７ｂの幅Ｗ１を直線部７８の幅Ｗ２より大きくするか、又はリード側屈曲部７７ｂの厚さＤ１を直線部７８の厚さＤ２より大きくするか、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未満となるのであれば、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未満となるのであれば、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と同様にリード側屈曲部７７ｂ，直線部７８の各々の平均値とする。また、リード側屈曲部７７ｂのうち、少なくともリード部７９に最も近い部分（点Ｐ１，Ｐ３の部分）を含む断面（長さ方向に垂直な断面）の断面積は断面積Ｓ２より大きいことが好ましい。本実施形態では、直線部７８の断面積は、どの部分でも同じ値（＝断面積Ｓ２）とした。また、２個の非リード側屈曲部７７ａの断面積も、直線部７８の断面積と同じ値とした。リード側屈曲部７７ｂは、直線部７８との接続部分では直線部７８と同じ断面積となり、直線部７８から離れた位置ほど断面積が大きくなるような形状とした。すなわち、リード側屈曲部７７ｂの各々は、左右の中央部分の断面（後方に最も突出した部分を通る断面）の断面積が最も大きくなるような形状とした。また、断面積比Ｓ２／Ｓ１は０．５以上としてもよい。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。

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，第２リード７９ａ，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、発熱部７６と比べて幅が広いことで断面積が大きくなっている。なお、リード部７９の左右方向の幅は、前方の直線部７８との接続部分では直線部７８と同じであるが、後方ほど幅が広くなっている。

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。

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未満となるように、すなわち断面積比Ｓ２／Ｓ１が値１未満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、例えば直線部７８となる部分のパターンと比べて、リード側屈曲部７７ｂ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、リード側屈曲部７７ｂ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。

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。

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、単位抵抗値比Ｒ１／Ｒ２が値１未満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。

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、ヒータ７２（発熱部７６及びリード部７９）の表面間の電位傾度（＝電位差／表面間の距離）が高い部分では、ヒータ７２やヒータ絶縁層７４に含まれる不純物（例えばアルカリ金属やアルカリ土類金属の酸化物など）の成分がイオン化する場合がある。生じるイオンの例としては、例えば、ナトリウムイオン（Ｎａ⁺），カルシウムイオン（Ｃａ²⁺），マグネシウムイオン（Ｍｇ²⁺）などの陽イオンや、酸化物イオン（Ｏ^2-）などの陰イオンが挙げられる。これらのイオンが生じると、陽イオンが低電位方向に引き寄せられ、陰イオンが高電位方向に引き寄せられて、ヒータ絶縁層７４中を移動する場合がある。このような現象はマイグレーションと呼ばれている。そして、マイグレーションによって移動したイオンと移動先に存在するヒータ７２とが反応（例えばヒータ７２中の貴金属成分と反応）することなどにより、ヒータ７２が劣化して細線化や断線が生じる場合がある。また、上記の不純物などのイオン化は、高温になるほど生じやすい。本実施形態では、リード側屈曲部７７ｂはリード部７９との距離が近く、発熱部７６の他の部分と比べてリード部７９との間の電位傾度が高い。より具体的には、点Ｐ１，Ｐ２間は、距離Ｌ１が小さく且つ第１，第２リード７９ａ，７９ｂ間の電位差（例えば１２〜１４Ｖ）の約半分の電位差があるため、電位傾度が比較的高い。同様に、点Ｐ３，Ｐ４間も電位傾度が比較的高い。そのため、リード側屈曲部７７ｂと第１リード７９ａとの間でマイグレーションが生じやすく、点Ｐ１に向かって陽イオンが移動することでリード側屈曲部７７ｂが劣化したり、点Ｐ２に向かって陰イオンが移動することで第１リード７９ａが劣化したりしやすい。また、リード側屈曲部７７ｂと第２リード７９ｂとの間でマイグレーションが生じやすく、点Ｐ４に向かって陽イオンが移動することで第２リード７９ｂが劣化したり、点Ｐ３に向かって陰イオンが移動することでリード側屈曲部７７ｂが劣化したりしやすい。しかし、本実施形態では、上述したように、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未満となっている。これにより、７００℃〜９００℃の少なくともいずれかの温度において、リード側屈曲部７７ｂは直線部７８と比べてその温度での発熱密度が小さくなり、温度が上昇しにくくなる。そのため、マイグレーションの生じやすいリード側屈曲部７７ｂやその周辺の温度が上昇しにくいことで、上記のイオン化が抑制され、マイグレーションを抑制できる。これにより、マイグレーションに起因してリード側屈曲部７７ｂ及び第１，第２リード７９ａ，７９ｂが劣化することを抑制できる。したがって、ヒータ７２の劣化を抑制でき、ヒータ７２の寿命が長くなる。

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、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し、ヒータ７２が発熱体に相当し、直線部７８が直線部に相当し、リード側屈曲部７７ｂがリード側屈曲部に相当する。また、最接近リード側屈曲部であるリード側屈曲部７７ｂが本発明の第１のセラミックスヒータの最接近リード側屈曲部に相当し、最接近正極リード側屈曲部であるリード側屈曲部７７ｂが本発明の第２のセラミックスヒータの最接近リード側屈曲部に相当する。

以上詳述した本実施形態のガスセンサ１００によれば、ヒータ部７０は、長手方向と短手方向とを有する板状のセラミックス体（第１基板層１，第２基板層２及び第３基板層３）と、セラミックス体の内部に配設され、リード部７９と、リード部７９に接続された発熱部７６と、を有するヒータ７２と、を備えている。発熱部７６は、長さ方向が長手方向に沿って配設された直線部７８と、直線部７８のうちリード部７９に近い側の端部に接続されたリード側屈曲部７７ｂと、を有している。そして、最接近リード側屈曲部且つ最接近正極リード側屈曲部であるリード側屈曲部７７ｂは、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直線部７８と比べて低くなっている。このため、７００℃〜９００℃の少なくともいずれかの温度において、リード側屈曲部７７ｂは直線部７８と比べて発熱密度が小さくなり、温度が上昇しにくくなる。これにより、マイグレーションに起因してリード側屈曲部７７ｂとリード部７９との少なくとも一方が劣化することを抑制でき、ヒータ７２の劣化を抑制できる。なお、マイグレーションによる劣化とは別に、ヒータ７２は高温になるほど酸化（例えば発熱部７６中の貴金属成分であるＰｔの酸化）などによる劣化も生じやすくなる。リード側屈曲部７７ｂは、温度が上昇しにくいことでマイグレーションに起因する劣化が抑制されるだけでなく、酸化による劣化も抑制される。

また、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０．８７以下であることで、マイグレーションに起因するヒータ７２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０．８０以下であることで、マイグレーションに起因するヒータ７２の劣化を抑制する効果がさらに高まる。リード側屈曲部７７ｂは、直線部７８と比べて長さ方向に垂直な断面積が大きいため、リード側屈曲部７７ｂの単位長さあたりの抵抗値（単位抵抗値Ｒ１）が直線部７８の単位抵抗値Ｒ２と比べて低くなりやすい。また、リード側屈曲部７７ｂの断面積が直線部７８よりも大きいことで、リード側屈曲部７７ｂは直線部７８と比べて単位長さあたりの貴金属材料の量が多くなっている。そのため、マイグレーションに起因するリード側屈曲部７７ｂの劣化が生じても、リード側屈曲部７７ｂ全体が劣化するまでの時間が長くなる。したがって、劣化による断線が生じにくいなど劣化の影響が発現しにくくなり、リード側屈曲部７７ｂの寿命がより長くなる。断面積比Ｓ２／Ｓ１が値０．８７以下であることで、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０．８７以下になりやすい。また、断面積比Ｓ２／Ｓ１が値０．８０以下であることで、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０．８０以下になりやすい。

さらに、発熱部７６は、短手方向（左右方向）に沿って並んだ４以上の直線部７８を有し、１以上のリード側屈曲部７７ｂは、短手方向に隣り合う直線部７８同士をリード部７９に近い側の端部で接続しており、発熱部７６は、短手方向に隣り合う直線部７８同士をリード部７９から遠い側の端部で接続する複数の非リード側屈曲部７７ａを有している。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。

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。

例えば、上述した実施形態では、断面積比Ｓ２／Ｓ１を値１未満としたが、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未満であればよい。例えば、リード側屈曲部７７ｂが、直線部７８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低くてもよい。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、リード側屈曲部７７ｂの体積抵抗率ρ１［μΩ・ｃｍ］と直線部７８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未満であってもよい。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未満とすることができ、マイグレーションに起因するヒータ７２の劣化を抑制できる。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０．８７以下であることが好ましく、値０．８０以下であることがより好ましい。例えば、リード側屈曲部７７ｂに含まれる貴金属（導体）の割合を直線部７８と比べて高くすることで、体積抵抗率ρ１を体積抵抗率ρ２より低くすることができる。なお、このようにリード側屈曲部７７ｂに含まれる貴金属の割合を直線部７８より高くすることで、リード側屈曲部７７ｂの断面積を大きくする場合と同様に、リード側屈曲部７７ｂの単位長さあたりの貴金属の量を直線部７８と比べて多くすることができる。そして、単位長さあたりの貴金属の量が多いことで、リード側屈曲部７７ｂは劣化の影響が発現しにくくなり、これによってもリード側屈曲部７７ｂの寿命がより長くなる。あるいは、例えば直線部７８は白金を主成分とし、リード側屈曲部７７ｂ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より低くすることができる。すなわち、リード側屈曲部７７ｂが、直線部７８には含まれず直線部７８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、リード側屈曲部７７ｂに、主成分の貴金属と比べて抵抗温度係数（単位：［％／℃］）の小さい材質を直線部７８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より低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と同様にリード側屈曲部７７ａ，直線部７８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０．５以上としてもよい。

なお、ヒータ部７０において、断面積比Ｓ２／Ｓ１を値１未満とすることと、体積抵抗率比ρ１／ρ２を値１未満とすることと、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未満、値０．８７以下、又は値０．８０以下となるようにしてもよい。なお、断面積比Ｓ２／Ｓ１を値１未満とする場合でも、リード側屈曲部７７ｂと直線部７８との材質は異なっていてもよい。

ヒータ部７０のヒータ７２の形状（パターン）は、上述した実施形態に限られない。ヒータ７２の発熱部７６は、リード側屈曲部７７ｂと直線部７８とを有していればよい。例えば、直線部７８は長さ方向がヒータ部７０の長手方向（前後方向）に沿っていれば、平行でなくてもよい。図３は、変形例のヒータ７２Ａの説明図である。ヒータ７２Ａでは、４個の直線部７８のうち、左右の中央の２個の長さ方向は、長手方向に沿っているが、長手方向に対して傾斜している。具体的には、左から２番目の直線部７８は後方ほど左側に位置するように傾斜し、右から２番目の直線部７８は後方ほど右側に位置するように傾斜している。こうすることで、上述した図２の形状のヒータ７２と比べて、屈曲部７７の半径（曲率半径）を大きくすることができる。換言すると、屈曲部７７の曲率半径を小さくすることなく、発熱部７６の左右方向の幅を小さくすることができる。また、リード部７９は、図２とは異なり、前方の直線部７８との接続部分も直線部７８より幅が広くなっている。なお、リード部７９の形状は図２と同じとしてもよいし、図２のヒータ７２においてリード部７９の形状を図３と同じとしてもよい。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未満とすることで、マイグレーションに起因するヒータ７２の劣化を抑制できる。

上述した実施形態では、発熱部７６は３個の屈曲部７７と４個の直線部７８とを備えていたが、１以上の直線部７８と直線部７８に接続された１以上のリード側屈曲部７７ｂとを有していれば、これに限られない。例えば屈曲部７７は３個以上としてもよいし、１個又は２個としてもよいし、直線部７８は４個以上としてもよいし、３個以下としてもよい。直線部７８は４個以上の偶数としてもよい。非リード側屈曲部７７ａ及びリード側屈曲部７７ｂの数についても、本実施形態では非リード側屈曲部７７ａが２個，リード側屈曲部７７ｂが１個としたが、接続される直線部７８の数に応じて変更することができる。例えば、非リード側屈曲部７７ａは１個としてもよいし、２個以上であってもよい。リード側屈曲部７７ｂは１以上であればよい。

図４は、発熱部７６がリード側屈曲部７７ｂを２個有する場合の変形例のヒータ７２Ｂの説明図である。ヒータ７２Ｂの発熱部７６は、短手方向に沿って並んだ６個の直線部７８と、３個の非リード側屈曲部７７ａと、２個のリード側屈曲部７７ｂ（リード側屈曲部７７ｂ１，７７ｂ２）と、を備えている。このヒータ７２Ｂでは、距離Ｌ１と距離Ｌ２とが等しい場合、リード側屈曲部７７ｂａ，７７ｂ２が共に最接近リード側屈曲部となる。距離Ｌ１＜距離Ｌ２の場合はリード側屈曲部７７ｂ１が最接近リード側屈曲部となり、距離Ｌ１＞距離Ｌ２の場合はリード側屈曲部７７ｂ２が最接近リード側屈曲部となる。また、距離Ｌ１，Ｌ２の大小に関わらず、リード側屈曲部７７ｂ１が最接近正極リード側屈曲部となる。このように、リード側屈曲部７７ｂが２個以上存在する場合は、最接近リード側屈曲部と最接近正極リード側屈曲部とが異なる場合もある。このような場合でも、最接近リード側屈曲部と最接近正極リード側屈曲部との少なくとも一方について、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長さあたりの抵抗値を単位抵抗値Ｒ１として、単位抵抗値比Ｒ１／Ｒ２が値１未満であればよい。こうすれば、上述した実施形態と同様に、マイグレーションに起因するヒータ７２の劣化を抑制できる。なお、より具体的には、最接近リード側屈曲部の単位抵抗値Ｒ１が単位抵抗値Ｒ２未満であれば、最接近リード側屈曲部とリード部７９との少なくとも一方について、劣化を抑制する効果が得られる。また、最接近正極リード側屈曲部の単位抵抗値Ｒ１が単位抵抗値Ｒ２未満であれば、最接近正極リード側屈曲部と第１リード７９ａ（正極リード）との少なくとも一方の劣化を抑制する効果が得られる。なお、リード部７９とリード側屈曲部７７ｂとでは、高温になりやすいリード側屈曲部７７ｂの方が劣化しやすい傾向にある。また、リード部７９の方がリード側屈曲部７７ｂよりも長さ方向に垂直な断面積が大きい場合には、リード部７９全体が劣化するまでの時間が長くなるため、この点でもリード側屈曲部７７ｂの方が劣化しやすい傾向にある。なお、リード側屈曲部７７ｂが２個以上存在する場合、上述した最接近正極リード側屈曲部と、複数のリード側屈曲部７７ｂのうち負極リードに最も近い最接近負極リード側屈曲部と、の少なくとも一方について、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長さあたりの抵抗値を単位抵抗値Ｒ１として、単位抵抗値比Ｒ１／Ｒ２が値１未満であってもよい。また、最接近正極リード側屈曲部と最接近負極リード側屈曲部と、のいずれについても、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長さあたりの抵抗値を単位抵抗値Ｒ１として、単位抵抗値比Ｒ１／Ｒ２が値１未満であってもよい。

上述した実施形態では、リード部７９は通電用の第１，第２リード７９ａ，７９ｂを備えていたが、電圧測定用のリードなど、他の用途のリードも備えていてもよい。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では、リード部７９は、通電用の第１，第２リード７９ａ，７９ｂに加えて、電圧測定用の第３，第４リード７９ｃ，７９ｄを備えている。第３リード７９ｃは、第１リード７９ａと直線部７８との接続部分に接続されており、第１リード７９ａと並列に接続されている。第４リード７９ｄは、第２リード７９ｂと直線部７８との接続部分に接続されており、第２リード７９ｂと並列に接続されている。このヒータ７２Ｃでは、第１，第２リード７９ａ，７９ｂ間に電圧を印加した状態で、第３，第４リード７９ｃ，７９ｄ間の電圧を測定することで、第１，第２リード７９ａ，７９ｂの抵抗値に起因する誤差が生じず、発熱部７６の両端の電圧を精度よく測定できる（いわゆる４端子法）。なお、ヒータ７２Ｃでは、第１，第３リード７９ａ，７９ｃが正極リードに相当し、第２，第４リード７９ｂ，７９ｄが負極リードに相当する。このヒータ７２Ｃでは、リード側屈曲部７７ｂと第３，第４リード７９ｃ，７９ｄとの距離が近いため、リード側屈曲部７７ｂと第３リード７９ｃとの間（例えば点Ｐ１，Ｐ２間）やリード側屈曲部７７ｂと第４リード７９ｄとの間（例えば点Ｐ３，Ｐ４間）の電位傾度が高くなりやすい。そのため、最接近リード側屈曲部且つ最接近正極リード側屈曲部であるリード側屈曲部７７ｂの単位抵抗値Ｒ１を単位抵抗値Ｒ２未満とすることで、上述した実施形態と同様にマイグレーションに起因するヒータ７２の劣化を抑制できる。なお、図５のヒータ７２Ｃにおいて、リード部７９が第４リード７９ｄを備えなくてもよい。この場合、第１，第３リード７９ａ，７９ｃ間の電圧（＝第１リード７９ａの電圧降下の値）と第２リード７９ｂの電圧降下の値とはほぼ等しいため、第３，第２リード７９ｃ，７９ｂ間の電圧から第１，第３リード７９ａ，７９ｃ間の電圧を引いた値を、発熱部７６の両端の電圧として精度よく測定できる。第４リード７９ｄを備えない場合でも、最接近リード側屈曲部且つ最接近正極リード側屈曲部であるリード側屈曲部７７ｂの単位抵抗値Ｒ１を単位抵抗値Ｒ２未満とすることで、上述した実施形態と同様にマイグレーションに起因するヒータ７２の劣化を抑制できる。

上述した実施形態では、リード側屈曲部７７ｂは直線部７８から離れた位置ほど断面積が大きくなるような形状としたが、これに限られない。例えば、リード側屈曲部７７ｂの断面積は、どの部分でも同じ値（＝断面積Ｓ１）としてもよい。この場合、直線部７８とリード側屈曲部７７ｂとの接続部分に段差が生じてもよい。ただし、発熱部７６中には段差がない方が好ましいため、リード側屈曲部７７ｂと直線部７８とで断面積を異ならせる場合、図２のようにリード側屈曲部７７ｂは断面積が徐々に変化する形状とすることが好ましい。また、直線部７８の断面積は、どの部分でも同じ値（＝断面積Ｓ２）としたが、これに限られない。例えば、直線部７８の中に断面積が徐々に変化する部分が存在していてもよい。また、発熱部７６が複数のリード側屈曲部７７ｂを有する場合、複数のリード側屈曲部７７ｂのうち少なくとも１つが、他のリード側屈曲部７７ｂとは断面積が異なっていてもよい。複数の直線部７８についても同様である。

上述した実施形態では、２個の非リード側屈曲部７７ａの断面積は、直線部７８の断面積と同じ値としたが、これに限られない。リード側屈曲部７７ｂ及び直線部７８について、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未満であればよい。例えば、非リード側屈曲部７７ａの断面積は直線部７８の断面積より小さくてもよいし、大きくてもよい。また、非リード側屈曲部７７ａの断面積は、リード側屈曲部７７ｂの断面積より小さくてもよいし、大きくてもよいし、同じであってもよい。

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。

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。

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。

［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、リード側屈曲部７７ｂ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のリード側屈曲部７７ｂの幅Ｗ１及び直線部７８の幅Ｗ２はいずれも０．２５ｍｍとした。また、実験例１のリード側屈曲部７７ｂの厚さＤ１及び直線部７８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、屈曲部７７と直線部７８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。また、リード部７９用の導電性ペーストは、アルミナ粒子を２質量％，Ｐｔを９８質量％とした点以外は、発熱部７６用の導電性ペーストと同様に調整して得た。

［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、リード側屈曲部７７ｂ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。

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リード側屈曲部７７ｂ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。

［評価試験］
実験例１〜１８について、ヒータ７２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時間以内にヒータ７２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、それぞれヒータ７２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。

表１に示すように、単位抵抗値比Ｒ１／Ｒ２の値が小さいほど、ヒータ７２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の値が小さいほど、より高い温度でもヒータ７２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０．８７以下である実験例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０．８０以下である実験例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、いずれもリード側屈曲部７７ｂ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、リード側屈曲部７７ｂ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とと同じ結果になった。

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、７７ 屈曲部、７７ａ 非リード側屈曲部、７７ｂ リード側屈曲部、７８ 直線部、７９ リード部、７９ａ〜７９ｄ 第１〜第４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。

Claims (11)

1. 長手方向と短手方向とを有する板状のセラミックス体と、
   前記セラミックス体の内部に配設され、リード部と、該リード部に接続された発熱部と、を有する発熱体と、
   を備え、
   前記発熱部は、長さ方向が前記長手方向に沿って配設された直線部と、該直線部のうち前記リード部に近い側の端部に接続された１以上のリード側屈曲部と、を有し、該１以上のリード側屈曲部のうち前記リード部に最も近い最接近リード側屈曲部は、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直線部と比べて低く、
   前記最接近リード側屈曲部の単位長さあたりの抵抗値を単位抵抗値Ｒ１［μΩ／ｍｍ］とし、前記直線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０．８７以下であり、
   前記発熱部は、前記短手方向に沿って並んだ４以上の前記直線部を有し、
   前記１以上のリード側屈曲部は、前記短手方向に隣り合う直線部同士を前記リード部に近い側の端部で接続しており、
   前記発熱部は、前記短手方向に隣り合う直線部同士を前記リード部から遠い側の端部で接続する複数の非リード側屈曲部を有しており、
   前記複数の非リード側屈曲部の断面積は、前記直線部の断面積と同じであり、
   前記複数の非リード側屈曲部は、単位長さあたりの抵抗値が前記直線部と同じである、
   セラミックスヒータ。
2. 長手方向と短手方向とを有する板状のセラミックス体と、
   前記セラミックス体の内部に配設され、正極リードを含むリード部と、該リード部に接続された発熱部と、を有する発熱体と、
   を備え、
   前記発熱部は、長さ方向が前記長手方向に沿って配設された直線部と、該直線部のうち前記リード部に近い側の端部に接続された１以上のリード側屈曲部と、を有し、該１以上のリード側屈曲部のうち前記正極リードに最も近い最接近リード側屈曲部は、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直線部と比べて低く、
   前記最接近リード側屈曲部の単位長さあたりの抵抗値を単位抵抗値Ｒ１［μΩ／ｍｍ］とし、前記直線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０．８７以下であり、
   前記発熱部は、前記短手方向に沿って並んだ４以上の前記直線部を有し、
   前記１以上のリード側屈曲部は、前記短手方向に隣り合う直線部同士を前記リード部に近い側の端部で接続しており、
   前記発熱部は、前記短手方向に隣り合う直線部同士を前記リード部から遠い側の端部で接続する複数の非リード側屈曲部を有しており、
   前記複数の非リード側屈曲部の断面積は、前記直線部の断面積と同じであり、
   前記複数の非リード側屈曲部は、単位長さあたりの抵抗値が前記直線部と同じである、
   セラミックスヒータ。
3. 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０．８０以下である、
   請求項１又は２に記載のセラミックスヒータ。
4. 前記最接近リード側屈曲部は、前記直線部と比べて長さ方向に垂直な断面積が大きい、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載のセラミックスヒータ。
5. 前記最接近リード側屈曲部の長さ方向に垂直な断面積Ｓ１［ｍｍ²］と前記直線部の長
   さ方向に垂直な断面積Ｓ２［ｍｍ²］との断面積比Ｓ２／Ｓ１が値０．８７以下である、
   請求項４に記載のセラミックスヒータ。
6. 前記断面積比Ｓ２／Ｓ１が値０．８０以下である、
   請求項５に記載のセラミックスヒータ。
7. 前記最接近リード側屈曲部は、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体積抵抗率が低い、
   請求項１〜６のいずれか１項に記載のセラミックスヒータ。
8. 前記温度範囲の少なくともいずれかの温度において、前記最接近リード側屈曲部の体積抵抗率ρ１［μΩ・ｃｍ］と前記直線部の体積抵抗率ρ２［μΩ・ｃｍ］との比である体積抵抗率比ρ１／ρ２が値０．８７以下である、
   請求項７に記載のセラミックスヒータ。
9. 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０．８０以下である、
   請求項８に記載のセラミックスヒータ。
10. 請求項１〜９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。
11. 請求項１０に記載のセンサ素子を備えたガスセンサ。

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