JPH05174947A - セラミックヒータ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 直流電源で作動するセラミックヒータ装置の
長寿命化を図る。 【構成】 セラミックヒータ装置２０は、一連の発熱抵
抗体パターン２４が埋設されたセラミック体２２と、発
熱抵抗体パターン２４の一端に陽極が連結された直流電
源２３とを備えている。発熱抵抗体パターン２４は、発
熱抵抗体パターンの陽極側端部近傍から一体に延びる疑
似抵抗体パターン２５を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミックヒータ装
置、特に、直流電源を備えたセラミックヒータ装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】直流電圧印加用のセラミックヒータ装置
は、一連の発熱抵抗体パターンを有するセラミック体
と、発熱抵抗体パターンの両端間に連結された直流電源
とを一般に備えている。この種のセラミックヒータ装置
では、発熱抵抗体パターンやセラミック体から生じるイ
オン（たとえばカルシウムイオン）が直流電界に沿って
陽極側から陰極側に移動し、その結果発熱抵抗体パター
ンの陽極側がポーラス状態となって断線したり抵抗値が
増大したりする。

【０００３】そこで、直流電圧印加用のセラミックヒー
タ装置に関するこのような特有の問題を解消するため、
特開昭６０−２１２９８６号には、発熱抵抗体パターン
の陰極近傍から一体に延びる疑似抵抗体パターンを設け
たセラミックヒータ装置が示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記従来のセラミック
ヒータ装置は、疑似抵抗体パターンを有するにもかかわ
らず、陽極側で断線等が生じやすく、長期間安定に作動
しにくい。本発明の目的は、直流電源を備えたセラミッ
クヒータ装置の長寿命化を図ることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明のセラミックヒー
タ装置は、一連の発熱抵抗体パターンを有するセラミッ
ク体と、発熱抵抗体パターンの一端に陽極が連結された
直流電源とを備えたものである。このセラミックヒータ
装置では、発熱抵抗体パターンは、直流電源の陽極が連
結された一端近傍から一体に設けられた疑似抵抗体パタ
ーンを有している。

【０００６】

【作用】本発明のセラミックヒータ装置では、疑似抵抗
体パターンにプラスの電位が印加され、それによる電界
がセラミック体に生じる。このような電界により、セラ
ミック体では、発熱抵抗体パターンの陽極側から陰極側
へのイオン成分の移動が起こりにくくなり、発熱抵抗体
パターンの陽極側で断線等が生じにくくなる。

【０００７】

【実施例】図１に本発明の一実施例が採用された車輌用
酸素センサを示す。図において、酸素センサ１は、車輌
の排気管２に固定されている。酸素センサ１は、排気管
２への固定部３と、固定部３により支持されたセンサ部
４とから主に構成されている。

【０００８】固定部３は、排気管２の壁面に気密に取り
付けられた金属ガスケット５を有している。この金属ガ
スケット５の中心には、排気管２の内部（図の左側）に
突出するセンサ部４が支持されている。センサ部４は、
金属ガスケット５に取り付けられた、通気孔６ａを有す
るルーバー６により保護されている。また、金属ガスケ
ット５は、排気管２の外側（図の右側）方向に延びる内
筒７及び外筒８とを有している。

【０００９】センサ部４は、ジルコニア酸素センサ９
と、本発明の一実施例に係るセラミックヒータ装置１０
と有している。ジルコニア酸素センサ９は、先端部が閉
じた中空円筒状の部材であり、排気ガス中に含まれる酸
素により起電力を発生し得る。ジルコニア酸素センサ９
の一端には、センサ９で生じた起電力を取り出すための
リード線１１の一端が連結されている。

【００１０】図２から図５を参照して、セラミックヒー
タ装置１０の詳細を説明する。図２において、セラミッ
クヒータ装置１０は、セラミック体１２と、直流電源１
３とを主に備えている。セラミック体１２は、円柱状部
材であり、ジルコニア酸素センサ９内に挿入されている
（図１）。

【００１１】セラミック体１２の内部には、図３から図
５に示すように、発熱抵抗体パターン１４と疑似抵抗体
パターン１５とを同心の円弧状に有している。発熱抵抗
体パターン１４は、図３に示すように、ヒータ部１６と
電流供給部１７とを備えている。ヒータ部１６は、セラ
ミック体１２の先端部内において、所定の折り返しパタ
ーンに形成されている。この折り返しパターンは、折り
返し部の幅Ｘよりも折り返し間隔Ｙが若干狭く設定され
ている。

【００１２】電流供給部１７は、ヒータ部１６の両端に
それぞれ一体に設けられており、図５に示すように対称
に配置されている。各電流供給部１７は、セラミック体
１２の長手方向に所定の間隔を隔てて配置されたターミ
ナル部１７ａ，１７ｂと、両ターミナル部１７ａ，１７
ｂを連結する、互いに平行に配置された複数本の連結パ
ターン１７ｃとから主に構成されている。ターミナル部
１７ｂには、ヒータ部１６の対応する端部が連結されて
いる。一方、ターミナル部１７ａは、スルーホール１８
ａを介してセラミック体１２の表面に設けられた電極１
８に接続されている（図５）。電流供給部１７ａ，１７
ｂの各電極１８には、それぞれリード線１９ａ，１９ｂ
がロウ材を介しロウ付けされている。

【００１３】疑似抵抗体パターン１５は、図３及び図４
に示すように、ヒータ部１６よりもセラミック体１２の
中心側に設けられている。この疑似抵抗体パターン１５
の一端には、一方の電流供給部１７と平行に延びるリー
ド部１５ａが設けられている。このリード部１５ａは、
図５に示すように、スルーホール１５ｂを介して電流供
給部１７のターミナル部１７ａに接続されている。

【００１４】なお、上述の発熱抵抗体パターン１４及び
疑似抵抗体パターン１５は、たとえばタングステンやモ
リブデン、タングステン−レニウム等の高融点金属によ
り形成されている。前記セラミック体１２は、たとえば
次のように製造できる。まず、図６に示すような、円柱
状のセラミック製ロッド２０を用意する。一方、図７及
び図８にそれぞれ示すような第１セラミックグリーンシ
ート２１と第２セラミックグリーンシート２２とを用意
する。第１セラミックグリーンシート２１は、長さ及び
幅がそれぞれセラミック製ロッド２０の長さ及び円周長
さとほぼ同一であり、表面に疑似抵抗体パターン１５が
スクリーン印刷されている。一方、第２セラミックグリ
ーンシート２２は、第１セラミックグリーンシート２１
と同寸法であり、一方の主面に発熱抵抗体パターン１４
がスクリーン印刷されている。また、他方の主面には、
スルーホールを介して発熱抵抗体パターン１４に連結さ
れた電極１８用パターンが印刷されている（図示せ
ず）。

【００１５】次に、セラミック製ロッド２０に第１セラ
ミックグリーンシート２１と第２セラミックグリーンシ
ート２２とをスクリーン印刷されたパターン表面が内側
になるようこの順に巻き付ける。そして、還元性雰囲気
下において焼成すると、セラミック体１２が得られる。
直流電源１３は、たとえば車輌のバッテリーであり、そ
の陽極にセラミック体１２から延びるリード線１９ａが
連結されている。なお、セラミック体１２から延びる他
方のリード線１９ｂは、接地されている。

【００１６】次に、前記セラミックヒータ装置１０の作
用効果に触れつつ前記酸素センサ１の動作について説明
する。酸素センサ１のジルコニア酸素センサ９は、排気
管２内を流れる排気ガス中に含まれる酸素濃度に応じて
起電力を発生する。そして、この起電力はリード線１１
を介して外部に伝達される。このような起電力の大小に
より、排気ガス中の酸素濃度が測定される。

【００１７】ところで、ジルコニア酸素センサ９は、内
側と外側とで温度差があると感度が低下する。そこで、
エンジンの始動直後には、セラミックヒータ装置１０を
作動してジルコニア酸素センサ９を内部から温める。こ
こでは、セラミック体１２の発熱抵抗体パターン１４に
リード線１９ａ及び電極１８を介して直流電源１３から
電流を流す。これにより、発熱抵抗体パターン１４のヒ
ータ部１６が発熱し、この結果セラミック体１２の先端
部が発熱する。ジルコニア酸素センサ９は、このような
セラミック体１２からの熱により温められる。

【００１８】セラミック体１２では、発熱抵抗体パター
ン１４に電流が流れるのと同時に、発熱抵抗体パターン
１４の陽極側に連結された疑似抵抗体パターン１５にプ
ラスの電位が加わる。これにより、セラミック体１２で
は、疑似抵抗体パターン１５からの電界が生じる。この
結果、発熱抵抗体パターン１４やセラミック体１２を構
成する陽イオン（たとえばカルシウムイオン）は、発熱
抵抗体パターン１４の陽極側から陰極側に向けて移動し
にくくなる。したがって、発熱抵抗体パターン１４の陽
極側はポーラスになりにくいので、セラミックヒータ装
置１０は長期間安定に作動し得る。

【００１９】〔実験例〕前記実施例に係るセラミックヒ
ータ装置１０と比較用のセラミックヒータ装置とについ
て、発熱抵抗体パターンの抵抗値の変化と断線率とを調
べた。前記実施例に係るセラミックヒータ装置１０のセ
ラミック体１２としては、次の仕様のものを採用した。

【００２０】全長：５０ｍｍ 直径：３．５ｍｍ 発熱抵抗体パターン１４及び疑似抵抗体パターン１５の
材質：タングステン セラミック体１２の材質：アルミナ ヒータ部１６の長さ（図３のｂ）：１１ｍｍ 疑似抵抗体パターン１５の長さ（図３のａ）：１２ｍｍ ヒータ部１６の折り返し幅（図３及び図４のＸ）：０．
２４ｍｍ ヒータ部１６の折り返し間隔（図３及び図４のＹ）：
０．２３ｍｍ 抵抗値（２０±１℃）：５．７Ω 抵抗温度係数（２３〜８００℃）：２９６０ＰＰＭ／℃ 消費電力（１２Ｖ）：９Ｗ 一方、比較用のセラミックヒータ装置として、疑似抵抗
体パターン１５を有しない点を除いて前記実施例のセラ
ミック体１２と同様のセラミック体を備えたセラミック
ヒータ装置を用いた。

【００２１】１０組のターミナルを備えた３台の通電装
置Ａ，Ｂ，Ｃを用意し、通電装置Ａ，Ｂにそれぞれ実施
例に係るセラミック体を１０本ずつ接続し、また通電装
置Ｃには比較例に係るセラミック体を１０本接続した。
なお、通電装置Ａでは、スルーホール１５ｂを介して疑
似抵抗体パターン１５に通じる電流供給部１７側を陽極
に設定した。一方、通電装置Ｂでは、疑似抵抗体パター
ン１５に通じる電流供給部１７側を陰極に設定した。

【００２２】各通電装置に２５Ｖの直流電源を接続して
各セラミック体に直流電圧を印加し、各セラミック体を
１２００℃に発熱させた。そして、表１に示す経過時間
ごとに各セラミック体を通電装置のターミナルから取り
外し、発熱抵抗体パターンの抵抗値を測定した。抵抗値
の測定は、セラミック体を２３℃±１℃の室内に３０分
以上放置し、セラミック体から延びるリード線の根元部
分に抵抗測定器のプローブを当接することにより実施し
た。抵抗測定器としては、ＡＤＶＡＮ ＴＥＳＴ社製の
デジタルマルチメータＴＲ６８４６を用いた。また、電
圧測定器として、ＳＡＮＷＡ社製のＬＤ−５１０を用い
た。

【００２３】また、抵抗値の測定時に、発熱抵抗体パタ
ーンの断線率を調べた。断線率は、各通電装置Ａ，Ｂ，
Ｃにそれぞれ取り付けられた１０本のセラミック体につ
いて、発熱抵抗体パターンが断線している割合を百分率
で示した。結果を表１に示す。

【００２４】

【表１】

【００２５】表１から、本発明の実施例に相当する通電
装置Ａに取り付けられたセラミック体については、抵抗
変化率が小さく、また断線が生じにくいことがわかる。 〔他の実施例〕 （ａ） 前記実施例では、セラミック体１２を円柱状に
構成したが、本発明はこれに限定されない。たとえば、
セラミック体は図９に示すような板状であってもよい。
図に示すセラミックヒータ装置２０では、板状のセラミ
ック体２２内に埋設された発熱抵抗体パターン２４が直
流電源２３の陽極側端部近傍から延びかつ発熱抵抗体パ
ターン２４とほぼ平行に配置された疑似抵抗体パターン
２５を有している。 （ｂ） 前記実施例では、疑似抵抗体パターン１５を発
熱体パターン１４の陽極側端部近傍から発熱体パターン
１４のほぼ全域に沿って設けたが、疑似抵抗体パターン
１５は発熱体パターン１４の全域に沿わせる必要はなく
部分的であってもよい。

【００２６】また、疑似抵抗体パターン１５を発熱体パ
ターン１４の陽極側端部近傍から延出させると同時に陰
極側端部からも延出させておくと、発熱体パターン１４
の陽極側から陰極側へのイオン成分の移動がより起こり
にくくなる。

【００２７】

【発明の効果】本発明のセラミックヒータ装置では、発
熱抵抗体パターンが上述の疑似抵抗体パターンを有して
いるため、直流電圧を印加するにもかかわらず、長寿命
化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例が採用された酸素センサの縦
断面図。

【図２】前記実施例の概念図。

【図３】前記実施例で採用されたセラミック体の斜視
図。

【図４】図３のIV−IV断面図。

【図５】図３のＶ−Ｖ断面図。

【図６】前記セラミック体を製造するために用いられる
部材の斜視図。

【図７】前記セラミック体を製造するために用いられる
他の部材の平面図。

【図８】前記セラミック体を製造するために用いられる
さらに他の部材の平面図。

【図９】他の実施例の横断面図。

【符号の説明】

１０，２０ セラミックヒータ装置 １２，２２ セラミック本体 １４，２４ 発熱抵抗体パターン １５，２５ 疑似抵抗体パターン

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一連の発熱抵抗体パターンを有するセラミ
   ック体と、前記発熱抵抗体パターンの一端に陽極が連結
   された直流電源とを備えたセラミックヒータ装置におい
   て、前記発熱抵抗体パターンは、前記一端近傍から一体
   に設けられた疑似抵抗体パターンを有することを特徴と
   するセラミックヒータ装置。