特許 6406786 ガスセンサ

(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】6406786

(24)【登録日】2018年9月28日

(45)【発行日】2018年10月17日

(54)【発明の名称】ガスセンサ

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/409 20060101AFI20181004BHJP

【ＦＩ】

   G01N27/409 100

【請求項の数】2

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2014-163823(P2014-163823)

(22)【出願日】2014年8月11日

(65)【公開番号】特開2015-111099(P2015-111099A)

(43)【公開日】2015年6月18日

【審査請求日】2016年9月7日

(31)【優先権主張番号】特願2013-229990(P2013-229990)

(32)【優先日】2013年11月6日

(33)【優先権主張国】JP

(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】100142686

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 浩貴

(72)【発明者】

【氏名】角 裕次郎

(72)【発明者】

【氏名】松村 みどり

(72)【発明者】

【氏名】川口 義則

【審査官】 大瀧 真理

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−３１２５７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１９４１１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２７３９７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２２６３７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１３５２３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／００４００３９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開昭６４−０４３７５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１９５９７９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２７／４０９

Ｈ０５Ｂ ３／００ − ３／８２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

先端が閉塞した、第二中空部を有する有底円筒状の固体電解質体と、前記固体電解質体の内表面及び外表面の各々に形成された一対の電極とを有する検出素子と、
前記検出素子の前記第二中空部に配置され、前記検出素子を加熱可能なヒータと、
を備えるガスセンサにおいて、
前記ヒータは、軸線方向に延びる第一中空部を有するセラミック基体と、
前記セラミック基体に埋設された発熱体と、
前記セラミック基体に埋設され、前記発熱体に接続されるリード部と、を備える棒状のヒータであり、前記軸線方向に直交する断面のうち、前記発熱体を含む全ての断面について、前記第一中空部の直径の最大値ｒと、前記セラミック基体の直径の最大値Ｒとは、０．３６≦ｒ／Ｒ≦０．５４の関係を満たし、
前記第一中空部を除いた、前記ヒータの前記軸線方向に垂直な断面の面積Ｓは、４．４０ｍｍ^２≦Ｓ≦５．３１ｍｍ^２を満たすことを特徴とするガスセンサ。

【請求項2】

先端が閉塞した、第二中空部を有する有底円筒状の固体電解質体と、前記固体電解質体の内表面及び外表面の各々に形成された一対の電極とを有する検出素子と、
前記検出素子の前記第二中空部に配置され、前記検出素子を加熱可能なヒータと、
を備えるガスセンサにおいて、
前記ヒータは、軸線方向に延びる第一中空部を有するセラミック基体と、
前記セラミック基体に埋設された発熱体と、
前記セラミック基体に埋設され、前記発熱体に接続されるリード部と、を備える棒状のヒータであり、前記軸線方向に直交する断面のうち、前記発熱体を含む全ての断面について、前記第一中空部の直径の最大値ｒと、前記セラミック基体の直径の最大値Ｒとは、０．３６≦ｒ／Ｒ≦０．５４の関係を満たし、
前記発熱体は、前記軸線方向に延びる複数の延伸部を備え、当該複数の延伸部のうち隣りあう延伸部同士が連結部を介して接続されてなり、
前記隣りあう延伸部間の最短距離が０．５６ｍｍ以上であることを特徴とするガスセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ヒータ及び被検出ガスに含まれる特定ガスの濃度を検出可能なガスセンサに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、被検出ガス中の特定ガスの濃度を検出可能なガスセンサが知られている。ガスセンサの検出素子は、固体電解質体と一対の電極とを備える。固体電解質体は、ジルコニア等のセラミックスからなり、先端が閉じられた有底筒状である。一対の電極は、白金及び白金合金等の金属からなり、固体電解質体の外表面及び内表面の各々に形成されている。一対の電極には各々、検出素子の出力を外部へ行う一対のリード線が電気的に接続されている。検出素子の先端側で且つ内側には、固体電解質体を加熱し活性化させるために、ヒータが配置される。ヒータは、通電により発熱する発熱体を自身の先端部に有する。

【0003】

ガスセンサが備えるヒータの生産性及び耐久性を向上させるための技術が種々検討されている。例えば、特許文献１に記載の酸素センサ用セラミックヒータは、リード線がロー付けされるロー付け部の寸法及び形成位置を規定することにより、リード線を適度な強度でロー付けできるようにし、ロー付け後のロー付け部の耐久性を向上させている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第３０７２０６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載の酸素センサ用セラミックヒータは、消費電力及び昇温速度の改善については考慮されていなかった。

【0006】

本発明は、消費電力及び昇温速度を改善したヒータ及びガスセンサを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の第一態様に係るヒータは、軸線方向に延びる第一中空部を有するセラミック基体と、前記セラミック基体に埋設された発熱体と、前記セラミック基体に埋設され、前記発熱体に接続されるリード部と、を備える棒状のヒータにおいて、前記軸線方向に直交する断面のうち、前記発熱体を含む全ての断面について、前記第一中空部の直径の最大値ｒと、前記セラミック基体の直径の最大値Ｒとは、０．３６≦ｒ／Ｒ≦０．５４の関係を満たす。

【0008】

第一態様のヒータは、０．３６≦ｒ／Ｒ≦０．５４の関係を満たすので、ｒ／Ｒが０．３６よりも小さいヒータに比べ、消費電力を低減でき、ｒ／Ｒが０．５４よりも大きいヒータに比べ、製造時における焼成前のセラミック基体の強度を維持することができる。さらに、第一態様のヒータは、ｒ／Ｒが０．３６よりも小さいヒータに比べ、昇温速度を速くすることができる。

【0009】

第一態様のヒータにおいて、前記第一中空部を除いた、前記ヒータの前記軸線方向に垂直な断面の面積Ｓは、４．４０ｍｍ^２≦Ｓ≦５．３１ｍｍ^２を満たしてもよい。この場合のヒータは、Ｓが４．４０ｍｍ^２よりも小さいヒータに比べ、製造時における焼成前のセラミック基体の強度が高く、Ｓが５．３１ｍｍ^２よりも大きいヒータに比べ、消費電力を低減することができる。さらに、この場合のヒータは、Ｓが５．３１よりも大きいヒータに比べ、昇温速度を速くすることができる。

【0010】

第一態様のヒータにおいて、前記発熱体は、前記軸線方向に延びる複数の延伸部を備え、当該複数の延伸部のうち隣りあう延伸部同士が連結部を介して接続されてなり、前記隣りあう延伸部間の最短距離が０．５６ｍｍ以上であることが好ましい。この場合、ヒータに熱衝撃によるクラックが発生することを抑制できる。

【0011】

本発明の第二態様に係るガスセンサは、先端が閉塞した、第二中空部を有する有底円筒状の固体電解質体と、前記固体電解質体の内表面及び外表面の各々に形成された一対の電極とを有する検出素子と、前記検出素子の前記第二中空部に配置され、前記検出素子を加熱可能な、第一態様のヒータと、を備える。第二態様のガスセンサは、第一態様のヒータを備えるので、従来のヒータに比べ、消費電力を低減しつつ、製造時における焼成前のセラミック基体の強度を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】酸素センサ１の縦断面図である。

【図2】ヒータ１００の斜視図である

【図3】ヒータ１００の製造前の発熱抵抗体１４１の平面図である。

【図4】図２のＡ−Ａ線における矢指方向断面を模式的に示した図である。

【図5】評価試験１における、ｒ／Ｒと消費電力（Ｗ）との関係を示すグラフである。

【図6】評価試験１における、断面積Ｓ（ｍｍ^２）と消費電力（Ｗ）との関係を示すグラフである。

【図7】評価試験２における、ｒ／Ｒ及び断面積Ｓ（ｍｍ^２）が異なる条件での、ヒータ１００の表面温度（℃）と、ヒータ１００の加熱を開始してからの経過時間（ｓ）との関係を示すグラフである。

【図8】評価試験３の実験条件を模式的に示す説明図である。

【図9】評価試験３における、ｒ／Ｒと抗折強度（Ｎ）との関係を示すグラフである。

【図10】評価試験３における、断面積Ｓ（ｍｍ^２）と抗折強度（Ｎ）との関係を示すグラフである。

【図11】評価試験４における、応力（ＭＰａ）と最短距離ｃ１との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明を具体化したヒータ及び酸素センサの一実施形態について、図面を参照して説明する。図１を参照して、一例としての酸素センサ１の全体の構成について説明する。参照する図面は、本発明が採用し得る技術的特徴を説明するために用いるものであり、記載している酸素センサ１の構成等は、それのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例である。図１の左側、右側、上側、及び下側を、各々酸素センサ１の左側、右側、上側（後端側）、下側（先端側）と定義して以下説明する。図１及び図２において、酸素センサ１の軸線を軸線Ｌで図示する。軸線Ｌ方向とは、酸素センサ１の長手方向であり、図１においては上下方向に相当する。軸線Ｌに対して垂直に交差する方向のうち、軸線Ｌを始点とする方向を、径方向という。軸線Ｌを中心として軸線Ｌの回りを回る方向を、周方向という。

【0014】

図１に示す酸素センサ１は、自動車等の内燃機関から排出される排気ガスの排気管（図示略）に取り付けられて使用されるものであり、排気管内を流通する排気ガス中の酸素の有無を検出するためのセンサである。酸素センサ１の先端側（下側）にある検出素子６の先端側は、酸素センサ１の取り付け時において、排気管内に挿入される。

【0015】

図１に示すように、酸素センサ１は、検出素子６、主体金具５、プロテクタ４、外筒３、外側端子７５、内側端子７０、セパレータ８、グロメット９、及びヒータ１００を構成の主体とする。酸素センサ１は、検出素子６を主体金具５で取り囲んで保持した構造を有する。酸素センサ１からは、検出素子６の出力する信号を取り出す２本のリード線１８が引き出されている。検出素子６内に挿入されるヒータ１００へ通電するための２本のリード線１９（図１ではそのうちの１本を示す。）も、酸素センサ１から引き出されている。各リード線１８、１９は、酸素センサ１とは離れた位置に設けられる図示略の外部回路（例えば自動車の電子制御装置（ＥＣＵ））に、電気的に接続されている。

【0016】

検出素子６は、酸素分圧に応じた検出値を出力する公知の酸素センサ素子である。検出素子６は、軸線Ｌ方向に延びる中空部６０を有し、先端部７８が閉じられた有底筒状である。検出素子６は、固体電解質体６１、基準電極部６２、及び検出電極部６３を主に備える。固体電解質体６１は、ジルコニアを主成分とし、酸素イオン伝導性を有する。固体電解質体６１の軸線Ｌ方向の略中間位置には、径方向に向かって突出する鍔状のフランジ部６５が設けられている。フランジ部６５の一部であって、先端側から後端側にかけて外径が広がる部位である拡径部６７の後端部から、検出素子６の先端部７８までは、検出部６４である。検出部６４は、酸素センサ１が排気管（図示略）に取り付けられた場合に、排気管内に晒される。

【0017】

基準電極部６２は、固体電解質体６１の内周面（内側表面）に設けられている。基準電極部６２は、リード部６８と基準電極６９とを備える。リード部６８は、白金又は白金合金からなり、固体電解質体６１の後端部６６における内周面に、多孔質状に形成されている。基準電極６９は、白金又は白金合金からなり、リード部６８よりも先端側にある固体電解質体６１の内周面の略全面を覆うように多孔質状に形成されている。基準電極部６２は後述する内側端子７０を介して、一対のリード線１８のうちの一方（図１では右側）のリード線１８に電気的に接続される。

【0018】

検出電極部６３は、固体電解質体６１の外周面（外側表面）に設けられている。検出電極部６３は、白金又は白金合金からなり、固体電解質体６１の外周面の一部に多孔質状に形成されている。検出電極部６３は、耐熱性セラミックスよりなる多孔質状の電極保護層（図示略）により被覆されている。検出電極部６３は、電極保護層により排気ガスによる被毒から保護されている。検出電極部６３は、後述する外側端子７５を介して、他方（図１では左側）のリード線１８に電気的に接続される。

【0019】

主体金具５は、ＳＵＳ４３０等のステンレス鋼からなり、軸線Ｌ方向に延びる筒孔５７を有する筒状の金属部材である。主体金具５は、外周に、先端側から順に、取付部５２、雄ねじ部５３、工具係合部５４、係合部５５、及び加締部５６を備える。取付部５２は、取付部５２の外周に、後述するプロテクタ４をはめ込み取り付ける。検出素子６の先端部７８は、取付部５２よりも先端側に突出している。雄ねじ部５３は、排気管の取付部（図示略）に螺合する。

【0020】

工具係合部５４は、雄ねじ部５３の後端側において、径方向に突出した部位である。工具係合部５４は、酸素センサ１を排気管の取付部に取り付ける際に使用される取り付け工具と係合する。工具係合部５４と雄ねじ部５３との間の部位には、排気管の取付部を介したガス抜けを防止するための環状のガスケット１１が嵌挿されている。係合部５５は、後述する外筒３の先端部３１と係合する。加締部５６は、軸線Ｌ側先端方向に加締められた部位である。検出素子６の後端部６６は、加締部５６よりも後端側に突出している。

【0021】

主体金具５は、筒孔５７内に、検出素子６を挿通させる。筒孔５７と、検出素子６との間には、先端側から順に、パッキン１２、支持部材１３、パッキン１４、充填部材１５、スリーブ１６、及びリング１７が配置されている。主体金具５は、パッキン１２、支持部材１３、パッキン１４、充填部材１５、スリーブ１６、及びリング１７を介して検出素子６を保持する。具体的には、主体金具５は、筒孔５７内に、段部５９を備える。段部５９は、筒孔５７の先端側に設けられ、主体金具５の内周を軸線Ｌ側に向けて突出させた部位である。段部５９には、金属製のパッキン１２を介し、支持部材１３が係止されている。支持部材１３は、アルミナからなる筒状の部材で有り、内周には軸線Ｌ側に向けて突出させた段状の部位がある。支持部材１３の段状の部位は、金属製のパッキン１４を介し、検出素子６のフランジ部６５における拡径部６７と当接する。これにより支持部材１３は検出素子６を支持する。充填部材１５は、支持部材１３の後端側に充填された、滑石粉末からなる部材である。スリーブ１６は、アルミナ製で筒状部材である。スリーブ１６は、充填部材１５を支持部材１３との間で挟むように、充填部材１５の後端側に配置されている。

【0022】

リング１７は、環状であり、スリーブ１６の後端側に配置されている。主体金具５の加締部５６を軸線Ｌ側先端方向に加締めることで、リング１７を介し、スリーブ１６が充填部材１５に対して押しつけられている。加締部５６が加締められることによって、主体金具５の段部５９に係止された支持部材１３に向けて検出素子６のフランジ部６５が押圧されるよう、充填部材１５が主体金具５の筒孔５７内に圧縮充填されている。筒孔５７の内周面と検出素子６の外周面との間の間隙は、充填部材１５によって、気密に埋められる。このように、検出素子６は、主体金具５の加締部５６と段部５９との間において挟持された各部材を介し、主体金具５の筒孔５７内で保持されている。

【0023】

プロテクタ４は、検出素子６の先端部７８を覆い、酸素センサ１が排気管（図示略）に取り付けられた際に排気管内に露出する検出素子６の検出部６４を、排気ガス中に含まれる水滴及び異物等の衝突から保護する。プロテクタ４は、外側プロテクタ４１と内側プロテクタ４５とからなる２重構造を有する。外側プロテクタ４１は有底筒状をなし、開放された側（後端側）の周縁部が取付部５２に溶接により接合される。内側プロテクタ４５も同様に有底筒状をなし、外側プロテクタ４１の内部に固定される。外側プロテクタ４１及び内側プロテクタ４５の外周面には、内部に排気ガスを導入し、検出素子６の検出部６４へと導く導入口４２、４７が、各々設けられている。外側プロテクタ４１及び内側プロテクタ４５の底面には、内部に入り込んだ水滴及び排気ガスを排出するための排出口４３、４８が、各々設けられている。

【0024】

外筒３は、ＳＵＳ３０４等のステンレス鋼からなる、軸線Ｌ方向に沿って延びる筒状部材である。外筒３は、主体金具５の後端側に組み付けられている。外筒３は、略中央より先端側を、後端側よりも大径に形成されている。外筒３の先端部３１は、主体金具５の係合部５５にはめ込まれ、外周側から係合部５５に加締められている。先端部３１の外周には、全周にわたってレーザ溶接が施されている。外筒３は、検出素子６の後端部６６、セパレータ８及びグロメット９（後述）の外周を取り囲んでいる。

【0025】

外側端子７５は、筒状に形成された先端部７６と、先端部７６から後端側へ向けて棒状に延びる後端部７７とを有する。先端部７６は、自身の内周面が検出素子６の後端部６６の外周面と当接するように嵌め込まれている。先端部７６は、切れ目を有して径方向に弾性的に撓むことができ、軸線Ｌ側に向かう付勢力によって検出素子６の後端部６６との当接を維持する。これにより、外側端子７５と検出電極部６３とは電気的な接続を確保される。内側端子７０も同様に、筒状に形成された先端部７１と、先端部７１から棒状に延びる後端部７２とを有する。先端部７１は、自身の外周面がリード部６８と当接するように中空部６０に嵌め込まれている。先端部７１は切れ目を有して軸線Ｌ側に弾性的に撓むことができ、径方向の付勢力によってリード部６８との当接を維持する。これにより、内側端子７０と基準電極部６２との電気的な接続が確保される。内側端子７０の後端部７２と、外側端子７５の後端部７７とには各々、リード線１８の芯線が加締め接合されている。

【0026】

セパレータ８は、絶縁性セラミックスからなり、筒状に形成されている。セパレータ８は、検出素子６の後端部６６よりも後端側に配置されている。セパレータ８は、複数の収容部８２、及びフランジ部８１を有する。

【0027】

複数の収容部８２は、内側端子７０の後端部７２と、外側端子７５の後端部７７と、後述する２つの電極端子１３０（図１では一方の電極端子１３０のみを示す）とを互いに分離して収容する。各収容部８２はセパレータ８を軸線Ｌ方向に貫通しており、セパレータ８を挟んで先端側と後端側との間で大気連通が可能である。内側端子７０の後端部７２、及び外側端子７５の後端部７７の各々に接続された２本のリード線１８は、後述するグロメット９の挿通孔９２を介して酸素センサ１の外部に引き出され、電子制御装置（図示略）に接続されている。電子制御装置は、基準電極部６２及び検出電極部６３を介して固体電解質体６１に対して通電可能である。

【0028】

フランジ部８１は、セパレータ８の外周面に設けられた、径方向に突出する部位である。フランジ部８１の配置位置の後端に相当する外筒３の外周面には、周方向の３カ所以上において内向きに突出する係合部３２が形成されている。セパレータ８は、フランジ部８１の後端側の面が係合部３２に当接し、上方向への移動が規制されている。

【0029】

フランジ部８１よりも先端側で、外筒３とセパレータ８との間の間隙には、保持金具８５が配置されている。保持金具８５は、筒状に形成された金属製の部材である。保持金具８５は、自身の後端を内側に折り曲げて構成した支持部８６を有する。保持金具８５は、自身の内部に挿通されるセパレータ８のフランジ部８１の先端向きの面を支持部８６に係止させて、セパレータ８を支持している。この状態で、保持金具８５が配置された部分の外筒３の外周面が加締められ、セパレータ８を支持した保持金具８５が外筒３に固定されている。

【0030】

グロメット９は、フッ素ゴムからなり、セパレータ８の後端側に配置されている。グロメット９は、外筒３の後端側の開口３３に嵌められて、開口３３付近の外周が加締められることにより、外筒３に保持されている。グロメット９には、外筒３内に大気を導入するための連通孔９１が、軸線Ｌ方向に貫通して形成されている。酸素センサ１では、連通孔９１及びセパレータ８の収容部８２を介し、外筒３内に大気を導入し、検出素子６内の基準電極６９が大気に晒されるように構成されている。連通孔９１内には、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂から形成された薄膜状のフィルタ部材８７及びその留め金具８８が挿入されており、水滴等の進入が防止されている。グロメット９には、リード線１８、１９を挿通するための５つの挿通孔９２も、各々独立に形成されている（図１では５つのうちの２つの挿通孔９２を示す）。

【0031】

ヒータ１００は、固体電解質体６１を加熱して活性化させる。ヒータ１００は、軸線Ｌ方向に延びる中空部１０２（図２参照）を有する筒状の形状をなし、検出素子６の中空部６０内に挿入されている。ヒータ１００の先端部１１０は中空部６０に当接している。ヒータ１００の後端部１２０は中空部６０から後端側に突出し、セパレータ８の収容部８２内に配置されている。中空部６０内の後端部の近傍においては、ヒータ１００の外周面は、内側端子７０の先端部７１の内周面と当接している。

【0032】

図２に示すように、ヒータ１００は、アルミナセラミック製で丸棒状の碍管１０１を芯棒とし、碍管１０１の外周に絶縁性の高いアルミナセラミック製のグリーンシート１４０を巻き付けた状態で焼成したものをセラミック基体１０５としている。グリーンシート１４０は、グリーンシート１４０の先端が碍管１０１の先端から１．０ｍｍだけ後端側に配置された状態で、碍管１０１に巻き付けられている。セラミック基体１０５内には、タングステン系の発熱抵抗体１４１が埋設されている。グリーンシート１４０は２枚のシートからなり、発熱抵抗体１４１は２枚のシート間に、ヒータパターンとして形成され、焼成によって埋設される。発熱抵抗体１４１は、発熱抵抗体１４１の先端がグリーンシート１４０の先端から０．８ｍｍだけ後端側に配置された状態で、グリーンシート１４０に埋没されている。発熱抵抗体１４１のヒータパターンは、ヒータ１００の先端部１１０に配置される発熱体１４２と、発熱体１４２の両端各々に接続され、後端部１２０へ向けて延びる一対のリード部１４３とからなる。図３に示すように、発熱体１４２は、軸線方向に延びる複数の延伸部１４２ａを備え、複数の延伸部１４２ａのうち隣りあう延伸部１４２ａ同士が連結部１４２ｂを介して接続されてなり、一対のリード部１４３の一端側の各々の端部１４５間を接続する細幅で蛇行形状（ミアンダ形状）に形成されている。一対のリード部１４３は、直線状に互いに平行に延びる。発熱体１４２のパターンはリード部１４３のパターンよりも通電抵抗を大きくするために断面積が小さく形成されている。一対のリード部１４３間に通電されると、主に発熱体１４２において発熱する。

【0033】

図２に示すように、ヒータ１００のセラミック基体１０５の後端部１２０には、外表面上に２つの電極パッド１５０が形成されている。また、発熱抵抗体１４１の一対のリード部１４３は、各々、グリーンシート１４０内で電極パッド１５０の形成位置まで延びている。グリーンシート１４０には、２つの電極パッド１５０の形成位置各々に、軸線Ｌ方向に並ぶ２つのスルーホール１４４が各々形成されている。各スルーホール１４４には、メタライズインクが充填されている。電極パッド１５０とリード部１４３とは、スルーホール１４４を介し、電気的に接続されている。

【0034】

２つの電極パッド１５０には各々、電極端子１３０（図１参照）がロー付けされている。図１に示すように、２本のリード線１９は電極端子１３０に接続される。２本のリード線１９は、グロメット９の挿通孔９２を介して酸素センサ１の外部に引き出され、電子制御装置（図示略）に接続されている。これにより、電子制御装置はヒータ１００の発熱体１４２に通電可能となっている。

【0035】

本実施形態のヒータ１００は、従来のヒータに比べ、消費電力を低減させ、且つ、昇温速度を速くするために、以下のような構成を有する。図４に示すように、軸線Ｌ方向に直交するヒータ１００の断面のうち、発熱体１４２を含む全ての断面について（図２の矢印Ｂで示す範囲の断面）、中空部１０２の直径の最大値ｒと、セラミック基体１０５の直径の最大値Ｒとは、０．３６≦ｒ／Ｒ≦０．５４の関係を満たす。中空部１０２を除いた、ヒータ１００の軸線Ｌ方向に垂直な断面の面積Ｓは、４．４０ｍｍ^２≦Ｓ≦５．３１ｍｍ^２を満たす。

【0036】

［評価試験１］
酸素センサ１のヒータ１００の消費電力が、従来のヒータに比べ低減しているか否かを確認する試験を、評価試験１として行った。中空部１０２の直径の最大値ｒと、セラミック基体１０５の直径の最大値Ｒとの組み合わせが互いに異なるサンプルを作製し、各サンプルに対して目標温度で加熱した場合の消費電力を測定した。作成したサンプルのｒ／Ｒの値（断面積Ｓの値）は各々、０．２５（５．７６ｍｍ^２）、０．３６（５．３１ｍｍ^２）、０．４２（５．０５ｍｍ^２）、０．４８（４．７２ｍｍ^２）、０．５１（４．５３ｍｍ^２）、及び０．５４（４．４０ｍｍ^２）である。目標温度として、７５０℃、９００℃、及び１０５０℃の３種類の温度を設定した。７５０℃は、自動車等の排気管（図示略）内を流通する排気ガス中の酸素を検出する場合の、固体電解質体６１の活性化温度を考慮した値である。試験結果を図５及び図６に示す。図５において、縦軸は消費電力（Ｗ）を示し、横軸はｒ／Ｒを示す。図５において、太線は０．３６≦ｒ／Ｒ≦０．５４の関係を満たす範囲を示す。図６において、縦軸は消費電力（Ｗ）を示し、横軸は断面積Ｓ（ｍｍ^２）を示す。図６において、太線は４．４０ｍｍ^２≦Ｓ≦５．３１ｍｍ^２の関係を満たす範囲を示す。サンプル数は各３０個、プロットした値は３０個のサンプルの測定値の平均値である。

【0037】

図５に示すように、７５０℃、９００℃、及び１０５０℃の何れの目標温度においても、ｒ／Ｒの値が大きいほど、ｒ／Ｒの値が小さい場合に比べ、消費電力が小さいことが確認された。従来のヒータのｒ／Ｒの値は、０．２３から０．２９の範囲である。ヒータ１００は、０．３６≦ｒ／Ｒの関係を満たすことにより、従来のヒータに比べ消費電力を低減できることが確認できた。

【0038】

図６に示すように、７５０℃、９００℃、及び１０５０℃の何れの温度においても、断面積Ｓの値が小さいほど、断面積Ｓの値が大きい場合に比べ、消費電力が小さいことが確認された。従来のヒータの断面積Ｓの値は、５．６０ｍｍ^２から５．８０ｍｍ^２の範囲である。ヒータ１００は、Ｓ≦５．３１ｍｍ^２を満たすことにより、従来のヒータに比べ消費電力を低減できることが確認できた。

【0039】

［評価試験２］
酸素センサ１のヒータ１００の昇温速度を確認する試験を、評価試験２として行った。評価試験１と同様の、中空部１０２の直径の最大値ｒと、セラミック基体１０５の直径の最大値Ｒとの組み合わせが互いに異なるサンプルを作製し、各サンプルに対して昇温速度を測定した。初期温度を常温、目標温度を９００℃とした場合の、ヒータ１００の加熱を開始してから８００℃に到達するまでの時間を昇温速度として測定した。温度は、物体から放射される熱エネルギーを温度分布として画像表示するサーモトレーサー（株式会社チノー：サーモビジョン ＣＰＡ−８０００）を用いて測定した。試験結果を図７に示す。図７において、縦軸は消費電力（Ｗ）を示し、横軸は加熱開始からの時間（ｓ）、縦軸はヒータ１００の表面温度（℃）を示す。サンプル数は各３個、プロットした値は３個のサンプルの測定値の平均値である。

【0040】

図７に示すように、何れの条件も、加熱開始後急峻に温度が上昇し、８００℃を超えて９００℃に近づくにつれ、温度変化が緩やかになった。ｒ／Ｒの値が大きいほど、ｒ／Ｒの値が小さい場合に比べ、昇温速度が速いことが確認された。同様に断面積Ｓの値が小さいほど、断面積Ｓの値が大きい場合に比べ、昇温速度が速いことが確認された。ヒータ１００は、０．３６≦ｒ／Ｒの関係を満たすことにより、従来のヒータに比べ、８００℃に達するのに要する昇温速度が４秒から５秒程度短くすることが可能であることが確認できた。同様に、断面積Ｓの値が小さいほど、断面積Ｓの値が大きい場合に比べ、昇温速度が速いことが確認された。ヒータ１００は、Ｓ≦５．３１ｍｍ^２を満たすことにより、従来のヒータに比べ、８００℃に達するのに要する昇温速度が４秒から５秒程度短くすることが可能であることが確認できた。

【0041】

［評価試験３］
酸素センサ１のヒータ１００の抗折強度を確認する試験を、評価試験３として行った。評価試験１と同様の、中空部１０２の直径の最大値ｒと、セラミック基体１０５の直径の最大値Ｒとの組み合わせが互いに異なるサンプルを複数個作製し、各サンプルに対してヒータ１００が酸素センサ１に組み付けられた場合を想定した抗折強度を測定した。作成したサンプルのｒ／Ｒの値（断面積Ｓの値）は各々、０．２５（５．７６ｍｍ^２）、０．４２（５．０５ｍｍ^２）、０．４８（４．７２ｍｍ^２）、０．５１（４．５３ｍｍ^２）、及び０．５４（４．４０ｍｍ^２）である。具体的には、図８に模式的に示すように、ヒータ１００を治具２００の孔に差し込み、ヒータ１００の先端側を治具２０１の側面に接触させた。これにより、ヒータ１００は、治具２００及び２０１の２カ所で支持された。治具２００及び２０１の間隔は、３５ｍｍとした。引張圧縮試験機にて、治具２００から先端側に２０ｍｍの部位２０２に、ヒータ１００が折れるまで力を加え、折れた時の力を、抗折強度（Ｎ）とした。試験結果を図９及び図１０に示す。図９において、縦軸は抗折強度（Ｎ）を示し、横軸はｒ／Ｒを示す。図１０において、縦軸は抗折強度（Ｎ）を示し、横軸は断面積Ｓ（ｍｍ^２）を示す。サンプル数は各３０個、プロットした値は３０個のサンプルの測定値の平均値である。

【0042】

過去の同様の試験により抗折強度が１．５Ｎ以下である場合には、製造過程で、焼成前の碍管１０１が折れやすいことが確認されている。このため、ヒータ１００の抗折強度は１．５Ｎより大きいことが好ましい。図９に示すように、ｒ／Ｒが大きくなるほど、ｒ／Ｒが小さい場合に比べ、抗折強度が小さくなることが確認された。ｒ／Ｒ≦０．５４であれば、抗折強度が１．５Ｎよりも大きくなることが確認された。

【0043】

図１０に示すように、断面積Ｓが小さくなるほど、断面積Ｓが大きい場合に比べ、抗折強度が小さくなることが確認された。４．４０ｍｍ^２≦Ｓであれば、抗折強度が１．５Ｎよりも大きくなることが確認された。

【0044】

［評価試験４］
酸素センサ１のヒータ１００の耐熱衝撃性を確認する試験を、評価試験４として行った。発熱体１４２のうち、延伸部１４２ａの幅ｗ１と、隣り合う延伸部１４２ａ間の最短距離ｃ１とが異なるサンプルを複数個作製し、各サンプルに対して過大な電圧を所定時間通電させた際に、ヒータ１００にかかる応力を測定することで耐熱衝撃性を評価した。なお、いずれのサンプルにおいてもｒ／Ｒの値（断面積Ｓの値）は０．４８（４．７２ｍｍ^２）とし、発熱体１４２の抵抗値が６Ωとなるように設計している。また、試験時の通電条件は１４Ｖ、９ｓｅｃである。なお、作成したサンプルの幅ｗ１と最短距離ｃ１は以下の通りである。また、ここでいう最短距離ｃ１とは、それぞれの延伸部１４２ａの対向する側面間における最短距離を意味する。
サンプル１：ｗ１＝０．３２ｍｍ、ｃ１＝０．４０ｍｍ
サンプル２：ｗ１＝０．３２ｍｍ、ｃ１＝０．４８ｍｍ
サンプル３：ｗ１＝０．３２ｍｍ、ｃ１＝０．５６ｍｍ
サンプル４：ｗ１＝０．３４ｍｍ、ｃ１＝０．６６ｍｍ

【0045】

試験結果を図１１に示す。図１１において、縦軸はヒータ１００にかかる応力（ＭＰａ）を示し、横軸は最短距離ｃ１を示す。なお、ヒータ１００にかかる応力が２３０ＭＰａを超過すると、ヒータ１００にクラックが生じる危険性が高まる為、ここでは２３０ＭＰａを上限値として耐熱衝撃性を評価している。換言すると、応力が２３０ＭＰａ以下であれば耐熱衝撃性が向上したと判断される。図１１に示すように、サンプル１〜３において、サンプル３のみが上限値を下回ることが確認された。また、サンプル３、４において、共に上限値を下回ることが確認された。これより、隣り合う延伸部１４２ａ間の最短距離ｃ１が０．５６ｍｍ以上であると、耐熱衝撃性が向上することが分かる。

【0046】

以上の評価試験１から４から、ヒータ１００は、０．３６≦ｒ／Ｒ≦０．５４の関係を満たすことにより、製造時における焼成前のセラミック基体の強度を維持しつつ、従来のヒータに比べ、消費電力及び昇温速度を改善していることが確認された。ヒータ１００は、４．４０ｍｍ^２≦Ｓ≦５．３１ｍｍ^２を満たすことにより、製造時における焼成前のセラミック基体の強度を維持しつつ、従来のヒータに比べ、消費電力及び昇温速度を改善していることが確認された。また、発熱体１４２のうち、隣り合う延伸部１４２ａ間の最短距離ｃ１が０．５６ｍｍ以上であると、耐熱衝撃性が向上することが確認された。

【0047】

上記酸素センサ１において、中空部１０２、セラミック基体１０５、発熱体１４２、リード部１４３、及びヒータ１００は、各々、本発明の第一中空部、セラミック基体、発熱体、リード部、及びヒータに相当する。中空部６０、固体電解質体６１、検出素子６、及び酸素センサ１は各々、本発明の第二中空部、固体電解質体、検出素子、及びガスセンサに相当する。基準電極部６２及び検出電極部６３は、本発明の一対の電極に相当する。

【0048】

本発明のヒータ及びガスセンサは、以上詳述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が加えられてもよい。例えば、以下の（１）又は（２）の変形が適宜加えられてもよい。

【0049】

（１）酸素センサの各部材の形状及び材料は適宜変更されてよい。本発明は酸素センサ以外のガスセンサに適用されてもよい。ヒータは、ガスセンサに組み付けられる必要はない。ヒータは、０．３６≦ｒ／Ｒ≦０．５４の関係を満たせば、４．４０ｍｍ^２≦Ｓ≦５．３１ｍｍ^２を満たさなくてもよい。

【0050】

（２）発熱体１４２及びリード部１４３の構成は適宜変更されてよい。例えば、発熱体１４２は、渦巻き状等他の形状であってもよい。また、延伸部は直線の他、蛇行していてもよい。連結部は延伸部の端部以外で接続されていてもよい。発熱体１４２及びリード部１４３は、セラミック基体に埋没されていればよい。このため、セラミック基体１０５は、丸棒状の碍管１０１を芯棒とし、碍管１０１の外周にグリーンシート１４０を巻き付けて形成される必要はない。碍管１０２の先端の位置に対するグリーンシート１４０の先端の位置は適宜変更可能である。例えば、グリーンシート１４０の先端は、碍管１０２の先端から０．５ｍｍだけ後端側に配置されてもよい。グリーンシート１４０の先端の位置に対する発熱抵抗体１４１の先端の位置は適宜変更可能である。例えば、発熱抵抗体１４１の先端は、グリーンシート１４０の先端から０．５ｍｍだけ後端側に配置されてもよい。

【符号の説明】

【0051】

１ 酸素センサ
６ 検出素子
６０、１０２ 中空部
１００ ヒータ
１０１ 碍管
１０５ セラミック基体
１４１ 発熱抵抗体
１４２ 発熱体
１４３ リード部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】