特許 6227300 ヒータおよびガスセンサ素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6227300

(24)【登録日】2017年10月20日

(45)【発行日】2017年11月8日

(54)【発明の名称】ヒータおよびガスセンサ素子

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/419 20060101AFI20171030BHJP

   G01N 27/409 20060101ALI20171030BHJP

   H05B 3/12 20060101ALI20171030BHJP

   H05B 3/02 20060101ALI20171030BHJP

【ＦＩ】

   G01N27/419 327Z

   G01N27/409 100

   H05B3/12 A

   H05B3/02 A

【請求項の数】4

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2013-134560(P2013-134560)

(22)【出願日】2013年6月27日

(65)【公開番号】特開2015-10861(P2015-10861A)

(43)【公開日】2015年1月19日

【審査請求日】2016年2月18日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000004547

【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100109298

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 昇

(72)【発明者】

【氏名】大矢 誠二

(72)【発明者】

【氏名】大石 雄太

【審査官】 黒田 浩一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００３−２７９５３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１７８９４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−０２１８１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−３１５３０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−０５８２３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１５１０１７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２７／４１９

Ｇ０１Ｎ ２７／４１

Ｇ０１Ｎ ２７／４０９

Ｈ０５Ｂ ３／０２−３／８６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アルミナを主成分とするセラミック基体と、
発熱部とリード部とを有し、前記セラミック基体に配設される発熱抵抗体であって、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）の群から選ばれる１種以上の金属又はその合金を主成分とし、前記セラミック基体を構成するセラミックを含んでなる発熱抵抗体と、
を備え、
前記発熱部の抵抗値と前記リード部の抵抗値の合計に対する、前記発熱部の抵抗値の割合が、７６〜９５％となるヒータであって、
前記発熱部の厚みが１〜４μｍであることを特徴とするヒータ。

【請求項2】

請求項１に記載のヒータであって、
前記発熱部のセラミック含有率が、１０〜３５体積％であることを特徴とするヒータ。

【請求項3】

請求項１又は２に記載のヒータであって、
前記発熱部の厚みが、前記リード部の厚みの５０％以下であることを特徴とするヒータ。

【請求項4】

固体電解質層と、
前記固体電解質層の表面に形成された一対の電極を備え、被測定ガス中の特定ガス成分を検知するセンサセルと、
前記センサセルに直接または他部材を介して積層され、前記センサセルを加熱する請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のヒータと、を備えるガスセンサ素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ヒータおよびガスセンサ素子に関する。

【背景技術】

【0002】

アルミナを主成分とするセラミック基体と、セラミック基体に配設された発熱抵抗体とを備えるヒータにおいて、消費電力を低減することが求められている。ヒータの消費電力を低減させるには、発熱抵抗体を構成する発熱部とリード部とのうち、リード部で発熱が生じることを極力低減することが好ましい。そのため、発熱部の抵抗値とリード部の抵抗値との合計に対する発熱部の抵抗値の割合（以下、「発熱抵抗比」という）を大きくすることが好ましい。例えば、特許文献１には、タングステンによって形成された発熱抵抗体において、発熱抵抗比を７５％以上とすることが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０００−５８２３７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

一般的に、発熱抵抗比を高くすると、発熱部の昇温速度が上がるため、発熱抵抗体が配設されたセラミック基体が急速に加熱される。しかし、タングステンとアルミナとでは、熱膨張率の差がそれほど大きくないことから、特許文献１に記載のヒータでは、急速加熱と冷却の繰り返しに伴って発熱抵抗体とセラミック基板とが剥離することに対する耐久性は特に問われなかった。これに対して、貴金属（例えば、白金やパラジウム、ロジウム）を主成分とする発熱抵抗体と、アルミナを主成分とするセラミック基体とを備えるヒータでは、貴金属とアルミナの熱膨張率の差が大きいため、発熱抵抗比を高くすると、熱衝撃によって発熱抵抗体とセラミック基板とが剥離してしまう可能性が高くなる。よって、アルミナを主成分とするセラミック基体と貴金属を主成分とする発熱抵抗体とを備えるヒータにおいて、消費電力の低減と熱衝撃に対する耐久性の向上とを両立可能な技術が求められていた。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
本発明の第１の形態は、
アルミナを主成分とするセラミック基体と、
発熱部とリード部とを有し、前記セラミック基体に配設される発熱抵抗体であって、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）の群から選ばれる１種以上の金属又はその合金を主成分とし、前記セラミック基体を構成するセラミックを含んでなる発熱抵抗体と、
を備え、
前記発熱部の抵抗値と前記リード部の抵抗値の合計に対する、前記発熱部の抵抗値の割合が、７６〜９５％となるヒータであって、
前記発熱部の厚みが１〜４μｍであることを特徴とするヒータである。
本発明の第２の形態は、
固体電解質層と、
前記固体電解質層の表面に形成された一対の電極を備え、被測定ガス中の特定ガス成分を検知するセンサセルと、
前記センサセルに直接または他部材を介して積層され、前記センサセルを加熱する請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のヒータと、を備えるガスセンサ素子である。
また、本発明は以下の形態としても実現できる。

【0006】

（１）本発明の一形態によれば、ヒータが提供される。このヒータは、アルミナを主成分とするセラミック基体と；発熱部とリード部とを有し、前記セラミック基体に配設される発熱抵抗体であって、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）の群から選ばれる１種以上の金属又はその合金を主成分とし、前記セラミック基体を構成するセラミックを含んでなる発熱抵抗体と；を備え、前記発熱部の抵抗値と前記リード部の抵抗値の合計に対する、前記発熱部の抵抗値の割合が、７６〜９５％となるヒータであって、前記発熱部の厚みが１〜６μｍであることを特徴とする。このような形態のヒータであれば、消費電力の低減のために発熱抵抗比を７６〜９５％と比較的高くしても、発熱部の厚みが１〜６μｍと比較的薄いため、セラミック基体と発熱抵抗体とに熱膨張率の差に起因して大きな応力が発生することを抑制することができる。よって、消費電力の低減と熱衝撃に対する耐久性の向上とを両立することが可能になる。

【0007】

（２）上記形態のヒータにおいて、前記発熱部の厚みが１〜４μｍであってもよい。このような形態のヒータであれば、発熱部の厚みをより薄くするため、セラミック基体と発熱抵抗体とに熱膨張率の差に起因して大きな応力が発生することを抑制することができる。よって、熱衝撃に対する耐久性をより向上させることができる。

【0008】

（３）上記形態のヒータにおいて、前記発熱部のセラミック含有率が、１０〜３５体積％であってもよい。このような形態のヒータであれば、発熱部とセラミック基体との密着性を向上させつつ、発熱部から白金等の主成分が昇華して断線等が発生してしまうことを抑制することができる。よって、ヒータの耐久性を向上させることが可能になる。

【0009】

（４）上記形態のヒータにおいて、前記発熱部の厚みが、前記リード部の厚みの５０％以下であってもよい。このような形態のヒータでも、発熱部１６８の厚みを薄くすることができるため、セラミック基体と発熱抵抗体とに熱膨張率の差に起因する応力が発生することを抑制することができる。よって、熱衝撃に対する耐久性を向上させることが可能になる。

【0010】

（５）本発明の他の形態によれば、ガスセンサ素子が提供される。このガスセンサ素子は、固体電解質層と；前記固体電解質層の表面に形成された一対の電極を備え、被測定ガス中の特定ガス成分を検知するセンサセルと；前記センサセルに直接または他部材を介して積層され、前記センサセルを加熱する上記いずれかの形態のヒータと、を備える。このような形態のガスセンサ素子によっても、消費電力の低減と熱衝撃に対する耐久性の向上を図ることができる。

【0011】

本発明は、上述したヒータあるいはガスセンサ素子としての形態に限らず、ガスセンサ素子を備える内燃機関や車両など、種々の形態によって実現することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】ガスセンサの断面図である。

【図2】ガスセンサ素子の分解斜視図である。

【図3】発熱抵抗体の構成を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

Ａ．ガスセンサの構成：
図１は、ガスセンサ１００の断面図である。図１において、図中下方が軸線ＡＸ方向の先端側を、図中上方が軸線ＡＸ方向の基端側を示す。このガスセンサ１００は、内燃機関から排出される排気ガス中の酸素の濃度を検出する全領域空燃比センサとして構成されている。

【0014】

図１に示すように、ガスセンサ１００は、主体金具１１０と、ガスセンサ素子１２０と、金属外筒１０３と、接続体１８０と、を備える。

【0015】

主体金具１１０は、軸線ＡＸ方向に延びる筒状をなし、その内部には、径方向内側に突出する棚部１１１が形成されている。主体金具１１０内には、アルミナからなる筒状のセラミックホルダ１１３、滑石粉末からなる第１粉末充填層１１４、同じく滑石粉末からなる第２粉末充填層１１５、及び、アルミナからなる筒状のセラミックスリーブ１７０が、この順に先端側から基端側に向けて配設されている。主体金具１１０内には、セラミックホルダ１１３及び第１粉末充填層１１４と共にガスセンサ素子１２０と一体化された筒状の金属カップ１１６が配設されている。更に、セラミックスリーブ１７０と主体金具１１０の基端部１１０ｋとの間には、加締リング１１７が配置されている。

【0016】

セラミックホルダ１１３は、金属カップ１１６内に配置され、その先端側で金属カップ１１６を介して主体金具１１０の棚部１１１に係合している。セラミックホルダ１１３は、ガスセンサ素子１２０を内挿している。また、第１粉末充填層１１４の全体と、第２粉末充填層１１５の先端側の一部が、金属カップ内１１６に配置されている。なお、主体金具１１０とガスセンサ素子１２０との間の気密性は、第２粉末充填層１１５の存在によって確保されるようになっている。

【0017】

ガスセンサ素子１２０は、軸線ＡＸ方向に延びる板状の形状を呈しており、主体金具１１０の内部に配置されている。ガスセンサ素子１２０は、その先端部が主体金具１１０から先端側に突出し、基端部が主体金具１１０から基端側に突出している。ガスセンサ素子１２０は、排気ガス中の酸素濃度を検出可能に構成されたセンサセル１３０（図２参照）と、センサセル１３０を加熱可能に構成されたヒータ１６０（図２参照）とを備える。ガスセンサ素子１２０の詳細な構成については後述する。

【0018】

セラミックスリーブ１７０は、軸線ＡＸに沿い、矩形状の開口をなす軸孔１７０ｃを有する筒状をなす。セラミックスリーブ１７０は、その矩形状の軸孔１７０ｃに板状のガスセンサ素子１２０を内挿して、ガスセンサ素子１２０を支持している。セラミックスリーブ１７０は、主体金具１１０の基端部１１０ｋを径方向内側に屈曲させ、加締リング１１７を介して、セラミックスリーブ１７０の基端面に向けて加締めることにより、主体金具１１０内に固定されている。

【0019】

主体金具１１０の先端側には、主体金具１１０から突出するガスセンサ素子１２０の先端部を覆うように、二重の有底筒状のプロテクタ１０１がレーザ溶接により固設されている。プロテクタ１０１には、排ガスを内部に導入できるように、複数の導入孔１０１ｃが所定位置に形成されている。

【0020】

主体金具１１０の基端側には、筒状の金属外筒１０３がレーザ溶接により固設されている。金属外筒１０３の内側には、接続体１８０が配設されている。接続体１８０は、セラミック製のセパレータ１８１と、３つのセンサ用接続端子１８２，１８３，１８４と、２つのヒータ用接続端子１８５，１８６とから構成されている。セパレータ１８１は、センサ用接続端子１８２，１８３，１８４及びヒータ用接続端子１８５，１８６が互いに接触しないように、これらを隔離した状態で収容している。

【0021】

接続体１８０は、前述のセラミックスリーブ１７０と離間した状態で、ガスセンサ素子１２０の基端側に取り付けられている。セラミックスリーブ１７０の基端側から突出するガスセンサ素子１２０は、その基端部が、セパレータ１８１の開口１８１ｃ内に挿入されている。そして、センサ用接続端子１８２，１８３，１８４が、ガスセンサ素子１２０のセンサ用電極パッド１２５，１２６，１２７（図２参照）と弾性的に接触して電気的に接続している。また、ヒータ用接続端子１８５，１８６が、ガスセンサ素子１２０のヒータ用電極パッド１２８，１２９（図２参照）と弾性的に接触して電気的に接続している。接続体１８０は、その周囲に配置された概略筒状をなす付勢金具１９０によって、後述するグロメット１９１に付勢された状態で、金属外筒１０３内に保持されている。

【0022】

金属外筒１０３の基端側内部には、３本のセンサ用リード線１９３，１９４，１９５と２本のヒータ用リード線１９６，１９７を内挿するフッ素ゴム製のグロメット１９１が配設されている。センサ用リード線１９３，１９４，１９５は、その先端側がセンサ用接続端子１８２，１８３，１８４に加締められた状態で接続体１８０内に内挿され、電気的に接続している。また、ヒータ用リード線１９６，１９７も、その先端側がヒータ用接続端子１８５，１８６に加締められた状態で接続体１８０内に内挿され、電気的に接続している。センサ用リード線１９３は、センサ用接続端子１８２を介して、ガスセンサ素子１２０のＩｐ電極パッド１２５（図２参照）に接続され、センサ用リード線１９４は、センサ用接続端子１８３を介して、ガスセンサ素子１２０のＣＯＭ電極パッド１２６（図２参照）に接続される。また、センサ用リード線１９５は、センサ用接続端子１８４を介して、ガスセンサ素子１２０のＶｓ電極パッド１２７（図２参照）に接続される。

【0023】

Ｂ．ガスセンサ素子の構成：
図２は、ガスセンサ素子１２０の分解斜視図である。ガスセンサ素子１２０は、軸線方向（図２では左右方向）に延びる板状のセンサセル１３０と、同じく軸線方向に延びる板状のヒータ１６０とが積層されることにより構成されている。センサセル１３０とヒータ１６０とは一体焼成されている。なお、図２においては、図中左側が図１における先端側、図中右側が基端側に対応する。

【0024】

センサセル１３０は、それぞれ板状をなす保護層１３１、ポンプセル１３９、スペーサ１４５、起電力セル１５４が、この順番で第１板面１２０ａ側から第２板面１２０ｂ側に向かって積層されることで構成されている。

【0025】

保護層１３１は、アルミナを主体に形成されている。この保護層１３１の先端部には、多孔質体１３２が埋設されている。ガスセンサ素子１２０の第１板面１２０ａをなす保護層１３１の第１面１３１ａには、その基端近傍に、３つのセンサ用電極パッドとして、Ｉｐ電極パッド１２５、ＣＯＭ電極パッド１２６、Ｖｓ電極パッド１２７が軸線方向と直交する方向に所定間隔に並んで形成されている。Ｉｐ電極パッド１２５、ＣＯＭ電極パッド１２６、Ｖｓ電極パッド１２７は、保護層１３１の基端近傍に貫通形成された３つのビア導体１３３，１３４，１３５と、それぞれ図中に破線で示すように電気的に接続している。

【0026】

ポンプセル１３９は、ジルコニアを主体に形成された固体電解質層１３７、後述する第１電極部１３８及び第２電極部１４０とから主に構成される。この固体電解質層１３７の基端近傍には、２つのビア導体１４２，１４３が貫通形成されている。これらのビア導体１４２，１４３は、上記保護層１３１に貫通形成されたビア導体１３４，１３５と電気的に接続している。

【0027】

固体電解質層１３７の第１面１３７ａ（図中上方）には、白金（Ｐｔ）を主体とし多孔質で長方形状をなす第１電極部１３８が形成されている。この第１電極部１３８は、上記保護層１３１に貫通形成されたビア導体１３３と電気的に接続している。そのため、第１電極部１３８は、ビア導体１３３を通じて、Ｉｐ電極パッド１２５と導通している。第１電極部１３８は、保護層１３１に埋設された多孔質体１３２を通じて、排気ガスに晒される。

【0028】

固体電解質層１３７の第２面１３７ｂ（図中下方）にも、Ｐｔを主体とし多孔質で長方形状をなす第２電極部１４０が形成されている。この第２電極部１４０は、固体電解質層１３７に貫通形成されたビア導体１４２に電気的に接続されている。そのため、第２電極部１４０は、ビア導体１４２およびビア導体１３４を通じて、ＣＯＭ電極パッド１２６に導通している。

【0029】

スペーサ１４５は、アルミナを主体に形成され、先端部に長方形状の開口を有する。この開口は、スペーサ１４５がポンプセル１３９と起電力セル１５４との間に挟まれて積層されることによってガス検出室１４５ｃを構成する。ガス検出室１４５ｃの両側壁の一部は、ガス検出室１４５ｃ内と外部との間の通気を確保する多孔質体１４６によって構成されている。この多孔質体１４６は、多孔質のアルミナから形成されている。スペーサ１４５の基端近傍には、２つのビア導体１４７，１４８が貫通形成されている。ビア導体１４７は、上記第２電極部１４０と電気的に接続している。また、ビア導体１４８は、上記固体電解質層１３７に貫通形成されたビア導体１４３と電気的に接続している。

【0030】

起電力セル１５４は、ジルコニアを主体に形成された固体電解質層１５０、後述する第３電極部１５１及び第４電極部１５３とから主に構成される。この固体電解質層１５０の基端近傍には、ビア導体１５５が貫通形成されている。このビア導体１５５は、上記スペーサ１４５に貫通形成されたビア導体１４８と電気的に接続している。

【0031】

固体電解質層１５０の第１面１５０ａ（図中上方）には、Ｐｔを主体とし多孔質で長方形状をなす第３電極部１５１が形成されている。この第３電極部１５１は、上記スペーサ１４５に貫通形成されたビア導体１４７に電気的に接続している。そのため、第３電極部１５１は、ビア導体１４７、第２電極部１４０、ビア導体１４２、ビア導体１３４を通じて、ＣＯＭ電極パッド１２６に導通している。つまり、ＣＯＭ電極パッド１２６に共通して接続された第３電極部１５１と第２電極部１４０とは、電気的に同じ電位となる。

【0032】

固体電解質層１５０の第２面１５０ｂ（図中下方）にも、Ｐｔを主体とし多孔質で長方形状をなす第４電極部１５３が形成されている。この第４電極部１５３は、上記固体電解質層１５０に貫通形成されたビア導体１５５に電気的に接続している。そのため、第４電極部１５３は、ビア導体１５５、ビア導体１４８、ビア導体１４３、ビア導体１３５を通じて、Ｖｓ電極パッド１２７に導通している。

【0033】

ヒータ１６０は、それぞれ板状をなしアルミナを主成分とした第１セラミック基体１６１と第２セラミック基体１６２とを備える。第１セラミック基体１６１は第１板面１２０ａ側に配置され、第２セラミック基体１６２は第２板面１２０ｂ側に配置されている。第１セラミック基体１６１と第２セラミック基体１６２との間には、発熱抵抗体１６３が配設されている。

【0034】

図３は、発熱抵抗体の構成を示す説明図である。発熱抵抗体１６３は、主成分として貴金属を含み、更に、第１セラミック基体１６１および第２セラミック基体１６２を構成するセラミックと同種のセラミック成分を含んでいる。発熱抵抗体１６３に用いる貴金属としては、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）の群から選ばれる１種以上の金属又はその合金（例えば、Ｐｔ−Ｐｄ合金、Ｐｔ−Ｒｈ合金、Ｐｔ−Ｐｄ−Ｒｈ合金）を採用することができる。発熱抵抗体１６３は、発熱部１６８とリード部１６４，１６５とを備える。発熱部１６８は、発熱抵抗体１６３の中で主として発熱する部分であり、蛇行した形状の電路によって形成されている。発熱部１６８は、軸線方向の先端側に配置されている。リード部１６４，１６５は、発熱部１６８の両端にそれぞれ電気的に繋がり、基端側に向けて直線状に延びる電路である。

【0035】

第２セラミック基体１６２（図２参照）の基端近傍には、２つのビア導体１６６，１６７が貫通形成されている。更に、ガスセンサ素子１２０の第２板面１２０ｂをなす第２面１６２ｂには、その基端近傍に、前述の２つのヒータ用電極パッド１２８，１２９が軸線方向と直交する方向に並んで形成されている。このうちヒータ用電極パッド１２８は、ビア導体１６６を介して、リード部１６４と電気的に接続している。また、ヒータ用電極１２９パッドは、ビア導体１６７を介して、リード部１６５と電気的に接続している。ヒータ用電極パッド１２８またはヒータ用電極パッド１２９からリード部１６４，１６５を通じて電圧が印加されると、発熱部１６８が発熱する。

【0036】

本実施形態では、発熱部１６８の抵抗値Ｒ１とリード部１６４，１６５の抵抗値Ｒ２の合計Ｒ３（＝Ｒ１＋Ｒ２）に対する、発熱部１６８の抵抗値Ｒ１の割合（発熱抵抗比）が、７６〜９５％である。発熱部１６８の厚みは１〜６μｍであり、好ましくは、１〜４μｍである。発熱部１６８のセラミック含有率は、好ましくは１０〜３５体積％である。発熱部１６８の厚みは、好ましくは、リード部１６４，１６５の厚みの５０％以下である。なお、発熱抵抗比、発熱部１６８の厚み、および、発熱部１６８のセラミック含有率をこれらの値に設定した根拠については、後述する性能評価試験の結果に基づいて説明する。

【0037】

発熱部１６８は、例えば、特開２０１３−９６８８８に記載された手法によって形成することができる。この手法では、まず、印刷用ペーストが用意される。印刷用ペーストは、貴金属と、セラミック粒子と、バインダーと、溶剤とを含む。バインダーとしては、例えば、エチルセルロース（例えば、日進化成工業社製のエトセル（登録商標））、ポリビニルブチラール（例えば、積水化学社製の商品名ＢＨ−Ｓ）、酢酸セルロース、アルキド、フェノール、アクリル、エポキシ、ポリウレタンなどの粘度が１５０Ｐａ・Ｓ以上の高重合度バインダーを使用することができる。また、溶剤としては、ブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセテート、テルピネオール、テルピネオールアセテート、ジヒドロテルピネオール、エチルカルビトールアセテートの単体または混合溶剤が使用される。これらのバインダーおよび溶剤を用いれば、貴金属およびセラミック粒子からなる固形分の比率を、３０〜７０重量％に調整することができる。このような印刷用ペーストが用意されると、続いて、発熱部１６８の蛇行した形状がくり抜かれたメタルマスクの上からそのペーストが対象物（第１セラミック基体１６１または第２セラミック基体１６２）に印刷される。上記のように、高重合度バインダーを用いれば、印刷用ペーストへの溶剤比率を高めることができるので、印刷用ペーストを対象物に対して薄く塗ることが可能になる。そして、印刷したペーストが乾燥させられ、所定温度で焼成されると、薄膜化された発熱部１６８が形成される。なお、発熱部１６８は、ここで示した形成方法以外にも、例えば、高メッシュのスクリーンマスク印刷や、タンポ印刷、メッキ工法、インクジェット工法などによっても形成することが可能である。

【0038】

以上のように構成されたガスセンサ１００の動作を参考までに説明する。ガスセンサ１００の使用時には、まず、ヒータ１６０を所定温度（例えば、７００〜８００℃）に加熱してセンサセル１３０を活性化させ、更に、Ｖｓ電極パッド１２７を通じて起電力セル１５４に微少電流Ｉｃｐ（概ね１５μＡ）を流して、第４電極部１５３を酸素基準室として機能させる。この状態において、ガス検出室１４５ｃ内の雰囲気が、理論空燃比に保たれるとき、酸素濃度がほぼ一定に保たれている酸素基準室と起電力セル１５４との間には、４５０ｍＶの電圧が発生する。そこで、公知の電気回路を用いて、起電力セル１５４の電圧Ｖｓが４５０ｍＶになるようにポンプセル１３７に流す電流Ｉｐを適時調整して、ガス検出室１４５ｃ内の雰囲気を理論空燃比に保つ制御を行う。このように、ガスセンサ１００を動作させれば、ガス検出室１４５ｃ内を理論空燃比に保つための電流Ｉｐの値に基づいて、排気ガス中の酸素の濃度を測定することが可能になる。

【0039】

以上で説明した本実施形態のガスセンサ１００によれば、消費電力の低減、すなわちリード部１６４，１６５での発熱の低減のために発熱抵抗比を７６〜９５％と比較的高くしても、発熱部の厚みが１〜６μｍ（好ましくは、１〜４μｍ）と比較的薄いために、セラミック基体と発熱抵抗体とに熱膨張率の差に起因する応力が発生することを抑制することができる。よって、ガスセンサ１００（ヒータ１６０）の消費電力を低減させることが可能になり、更に、ヒータ１６０の熱衝撃に対する耐久性（熱衝撃耐性）を向上させることができる。なお、本実施形態では、発熱部１６８の厚みを、リード部１６４，１６５の厚みの５０％以下としたため、発熱部１６８の厚みが薄くなる。よって、このことからも、セラミック基体と発熱抵抗体とに熱膨張率の差に起因する応力が発生することを抑制することができるので、ヒータ１６０の熱衝撃耐性を向上させることができる。

【0040】

また、本実施形態のガスセンサ１００によれば、発熱部１６８のセラミック含有率を１０〜３５体積％としたため、発熱部１６８とセラミック基体１６１，１６２との密着性を向上させつつ、発熱部１６８から貴金属が昇華して耐久性が低下してしまうことを抑制することができる。

【0041】

Ｃ．性能評価試験：
表１には、ガスセンサ１００に対して性能評価試験を行った結果を示した。この評価試験では、発熱抵抗比と、発熱部１６８のセラミック含有率と、発熱部１６８の厚みと、を様々な条件に変化させたガスセンサ１００のサンプルを各条件について１０本ずつ用意し、それぞれの条件のサンプルについて熱衝撃耐性と消費電力と耐久性とを評価した。表１に示した試験結果では、各サンプルのセラミック含有率を２０体積％に固定し、発熱抵抗比と発熱部１６８の厚みとを様々な値に変化させている。なお、発熱抵抗比は、ガスセンサ素子１２０の第２セラミック基体１６２にミニター等で穴をあけ、発熱部１６８とリード部１６４，１６５の抵抗値を測定して算出することができる。また、発熱部１６８の厚みは、発熱部１６８の断面を研磨し、その断面をＳＥＭによって観察することで測定することができる。また、セラミック含有量は、発熱部１６８の断面を研磨し、その断面をＳＥＭによって画像解析することで測定することができる。

【0042】

【表1】

【0043】

熱衝撃耐性については、ガスセンサ１００に、定格電圧の１．５倍の電圧（例えば、２１Ｖ）を印加して、ヒータ１６０を１０００℃まで加熱して、その後冷却するサイクルを１００００サイクルまで繰り返し、その間に、発熱部１６８とセラミック基体１６１，１６２とに剥離やクラックが生じたか否かを判定することによって評価した。表１において、「×」は、１００サイクル以内に１本以上、剥離やクラックが生じたことを示している。「△」は、１００サイクルでは全数ＯＫだが、１０００サイクル以内に１本以上、剥離やクラックが生じたことを示している。「○」は、１０００サイクルでは全数ＯＫだが、１００００サイクル以内に１本以上、剥離やクラックが生じたことを示している。「◎」は、１００００サイクルの間で、剥離やクラックが１０本全てについて生じなかったことを示している。

【0044】

消費電力については、サンプルＮｏ．１のガスセンサ１００の温度が８００℃になるように通常の制御を行った場合の消費電力を基準として、各条件のサンプルの消費電力を測定することで評価を行った。「△」は、サンプルＮｏ．１のガスセンサ１００に対して、消費電力の改善率が１０本すべてについて３０％未満であったことを示し、「○」は、消費電力の改善率が１０本すべてについて３０％以上であったことを示している。

【0045】

耐久性については、ガスセンサ１００が、その定格温度（例えば、８００℃）になるように、ヒータ１６０に電圧を印加し、５００時間以内に断線が生じるか否かを判定することにより評価を行った。「×」は、５００時間以内に１０本中、１本でも断線が生じたことを示している。「○」は、５００時間以内に１０本全てについて断線が生じなかったことを示している。

【0046】

表１に示したサンプルＮｏ．１〜３，８〜１０の評価結果によれば、発熱抵抗比は、７６％以上であれば消費電力が改善するが、発熱部１６８の厚みが厚いまま（８μｍ）だと、発熱抵抗比が高くなるにつれ、熱衝撃耐性が悪化していることがわかる。特に、サンプルＮｏ．１０のように、発熱抵抗比が９７％まで高くなると、熱衝撃耐性や耐久性の評価が最も低くなった。これは、発熱部１６８の先端に発熱が集中して剥離やクラックが発生しているからだと考えられる。

【0047】

また、発熱抵抗比が８０％の場合において、発熱部１６８の厚みを検討すると、サンプルＮｏ．４のように、発熱部１６８の厚みが０．７μｍの場合には、耐久性の評価が低くなった。これは、発熱部１６８が薄すぎるために、発熱部１６８中の貴金属が昇華し、断線が生じたためだと考えられる。更に、サンプルＮｏ．８のように、発熱部１６８の厚みが８μｍの場合には、熱衝撃耐性の評価が低くなった。これは、発熱部１６８の厚みが厚すぎるために、発熱部１６８の応力が大きくなり、発熱部１６８とセラミック基体１６１，１６２の間に剥離やクラックが生じたからだと考えられる。

【0048】

以上で説明したように、表１に示した熱衝撃耐性、消費電力、および、耐久性の評価結果によれば、発熱抵抗比は、７６〜９５％が好ましいことが確認された。また、発熱部１６８の厚みは、１〜６μｍが好ましく、１〜４μｍがより好ましいことが確認された。

【0049】

表２には、発熱抵抗比と発熱部１６８の厚みとを、表１において確認された好ましい値にそれぞれ固定した上で（発熱抵抗比８０％、厚み４μｍ）、発熱部１６８のセラミック含有率を様々に変化させたサンプルの評価結果を示している。

【0050】

【表2】

【0051】

表２に示した評価結果によれば、発熱部１６８のセラミックの含有量が少ないサンプルＮｏ．１１については、熱衝撃耐性が低かった。これは、発熱部１６８とセラミック基体１６１，１６２との密着性が不足するためだと考えられる。逆に、セラミックの含有量が多すぎる場合（３５体積％を超える場合）には、表２には示されていないが、発熱部１６８内において貴金属同士のつながりが悪化し、導電性が不足することで、発熱性能が低下することになる。

【0052】

以上で説明したように、表２に示した熱衝撃耐性、消費電力、および、耐久性の評価結果によれば、発熱部１６８のセラミック含有量は、１０〜３５体積％が好ましいことが確認された。

【0053】

Ｄ．他の実施形態：
上記実施形態のヒータ１６０は、全領域空燃比センサとして構成したガスセンサ１００に限らず、ジルコニア酸素センサや、ＮＯｘセンサなど、他の種々のセンサに適用することができる。

【0054】

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

【符号の説明】

【0055】

１００…ガスセンサ
１０１…プロテクタ
１０１ｃ…導入孔
１０３…金属外筒
１１０…主体金具
１１０ｋ…基端部
１１１…棚部
１１３…セラミックホルダ
１１４…第１粉末充填層
１１５…第２粉末充填層
１１６…金属カップ
１１７…加締リング
１２０…ガスセンサ素子
１２０ａ…第１板面
１２０ｂ…第２板面
１２１…ガス検出部
１２３…ヒータ部
１２５…Ｉｐ電極パッド
１２６…ＣＯＭ電極パッド
１２７…Ｖｓ電極パッド
１２８，１２９…ヒータ用電極
１３０…センサセル
１３１…保護層
１３２…多孔質体
１３３，１３４，１３５…ビア導体
１３７…固体電解質層
１３８…第１電極部
１３９…ポンプセル
１４０…第２電極部
１４２，１４３，１４７，１４８，１５５，１６６，１６７…ビア導体
１４５…スペーサ
１４５ｃ…ガス検出室
１４６…多孔質体
１５０…固体電解質層
１５１…第３電極部
１５３…第４電極部
１５４…起電力セル
１６０…ヒータ
１６１…第１セラミック基体
１６２…第２セラミック基体
１６３…発熱抵抗体
１６４，１６５…リード部
１６８…発熱部
１７０…セラミックスリーブ
１７０ｃ…軸孔
１８０…接続体
１８１…セパレータ
１８１ｃ…開口
１８２，１８３，１８４…センサ用接続端子
１８５，１８６…ヒータ用接続端子
１９０…付勢金具
１９１…グロメット
１９３，１９４，１９５…センサ用リード線
１９６，１９７…ヒータ用リード線
ＡＸ…軸線

【図1】

【図2】

【図3】