(57)【要約】【課題】セラミックヒータの省電力化【解決手段】  被測定ガス中の特定ガスを検出する検知部を有する検出素子と、検出素子の筒孔内に配置されたヒータ素子と、検出素子の周囲を取り囲むハウジングと、を備えるガスセンサにおいて、ヒータ素子は、軸線方向に延びる芯材と、該芯材の周囲に巻きつけられ、発熱パターンが設けられたヒータ層と、を有し、発熱パターンは、ヒータ層の幅方向の中央を含む領域内に配置されると共に、軸線方向に沿って延伸し、互いに離間して配置されている本体部と、隣接する本体部の端部間接続する接続部とを有する。本体部は、ヒータ層の幅方向の両端側に位置する２つの外側本体部と、該外側本体部に挟まれた複数の中央側本体部と、からなり、中央側本体部は、中央側本体部を通るとともに軸線方向に直交する断面において、ヒータ素子の中心を中心点として、中心角が１００°以上、かつ、１３０°以下の領域内に設けられている。【選択図】図４
2014163867.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線方向に延出して有底筒状に形成されている検出素子であり、前記軸線方向の先端側に設置され、被測定ガス中の特定ガスを検出する検知部を有する検出素子と、
前記検出素子の筒孔内に配置され、前記軸線方向の先端側に発熱パターンを有する軸状のヒータ素子と、
前記検出素子の周囲を取り囲むハウジングと、を備えるガスセンサであって、
前記ヒータ素子は、前記軸線方向に延びる芯材と、該芯材の周囲に巻きつけられ、前記発熱パターンが設けられたヒータ層と、を有しており、
前記発熱パターンは、前記ヒータ層を展開したときに、前記ヒータ層の幅方向の中央を含む領域内に配置されると共に、前記軸線方向に沿って延伸する４つ以上の本体部であって、互いに離間して配置されている本体部と、前記発熱パターンが一本の連続形状となるように、隣接する前記本体部の端部間を接続する接続部と、を有し、
前記本体部は、前記ヒータ層の前記幅方向の両端側に位置する２つの外側本体部と、該外側本体部に挟まれた複数の中央側本体部と、からなり、前記中央側本体部は、前記中央側本体部を通るとともに前記軸線方向に直交する断面において、前記ヒータ素子の中心を中心点として、中心角が１００°以上、かつ、１３０°以下の領域内に設けられていることを特徴とする、ガスセンサ。
【請求項２】
請求項１記載のガスセンサであって、
前記中央側本体部は、前記外側本体部よりも、幅が細いことを特徴とする、ガスセンサ。
【請求項３】
請求項２記載のガスセンサであって、
複数の前記中央側本体部は、前記ヒータ層の前記幅方向の中央に近づくほど、幅が細くなることを特徴とする、ガスセンサ。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のガスセンサであって、
隣接する２つの前記中央側本体部の間隔は、前記外側本体部と前記中央側本体部との間隔よりも狭いことを特徴とする、ガスセンサ。
【請求項５】
請求項４記載のガスセンサであって、
隣接する２つの前記中央側本体部の間隔は、前記ヒータ層の前記幅方向の中央に近づくほど、狭くなることを特徴とする、ガスセンサ。
【請求項６】
軸線方向に延出して筒状に形成されるとともに被測定ガス中の特定ガスを検出するガスセンサ素子の筒孔内に配置され、前記軸線方向の先端側に発熱パターンを有する軸状のヒータ素子であって、
前記ヒータ素子は、前記軸線方向に延びる芯材と、該芯材の周囲に巻きつけられ、前記発熱パターンが設けられたヒータ層と、を有しており、
前記発熱パターンは、前記ヒータ層を展開したときに、前記ヒータ層の幅方向の中央を含む領域内に配置されると共に、前記軸線方向に沿って延伸する４つ以上の本体部であって、互いに離間して配置されている本体部と、前記内側パターンが一本の連続形状となるように、隣接する前記本体部の端部間を接続する接続部と、を有し、
前記本体部は、前記ヒータ層の前記幅方向の両端側に位置する２つの外側本体部と、該外側本体部に挟まれた複数の中央側本体部と、からなり、 前記中央側本体部は、前記中央側本体部を通るとともに前記軸線方向に直交する断面において、前記ヒータ素子の中心を中心点として、中心角が１００°以上、かつ、１３０°以下の領域内に設けられていることを特徴とする、ヒータ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサおよびヒータ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、酸素センサ等の固体電解質体を用いるガスセンサにおいて、固体電解質体を加熱するためにセラミックヒータが配置されている。より詳細には、有底筒状の固体電解質体の筒孔内にセラミックヒータを挿入している。このセラミックヒータとしては、アルミナ等のセラミック基体中にタングステンやモリブデン等の金属からなる発熱抵抗体を埋設したものが広く用いられている。さらに、セラミック基体の外表面には、発熱抵抗体と電気的に接続された電極パッドが設けられている。一般的に、セラミックヒータは、発熱抵抗体がガスセンサ素子に接するように組み付けられると、固体電解質体を良好に加熱できるため好ましい。
【０００３】
セラミックヒータは、例えば、発熱抵抗体を一方の主面に形成してなるセラミックシートを、当該主面が内側になるようにセラミック芯材に巻き付け、焼成して一体化することにより形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２６６７１８号公報
【特許文献２】特開２００４−３１９４５９号公報
【特許文献３】特開２００６−１８４１４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、セラミックヒータとガスセンサ素子との組み付け時において、ガスセンサ素子に対するセラミックヒータの位置が、規定の位置からから周方向に回転した状態でセラミックヒータが組み付けられる組み付けズレが生じ、セラミックヒータの発熱エリア（発熱抵抗体が配置されている領域）がガスセンサ素子とセラミックヒータとの接点からはずれてしまうことがある。この結果、セラミックヒータからガスセンサ素子への伝熱効率が低下し、セラミックヒータの電力消費量が増加する、という問題があった。そのため、ガスセンサにおいて、セラミックヒータとガスセンサ素子との組み付けズレが生じても、セラミックヒータの省電力化を図る技術が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【０００７】
（１）本発明の一形態によれば、軸線方向に延出して有底筒状に形成されている検出素子であり、前記軸線方向の先端側に設置され、被測定ガス中の特定ガスを検出する検知部を有する検出素子と、；前記検出素子の筒孔内に配置され、前記軸線方向の先端側に発熱パターンを有する軸状のヒータ素子と、；前記検出素子の周囲を取り囲むハウジングと、を備えるガスセンサが提供される。この形態のガスセンサにおいて、前記ヒータ素子は、前記軸線方向に延びる芯材と、該芯材の周囲に巻きつけられ、前記発熱パターンが設けられたヒータ層と、を有しており、；前記発熱パターンは、前記ヒータ層を展開したときに、前記ヒータ層の幅方向の中央を含む領域内に配置されると共に、前記軸線方向に沿って延伸する４つ以上の本体部であって、互いに離間して配置されている本体部と、前記発熱パターンが一本の連続形状となるように、隣接する前記本体部の端部間を接続する接続部と、を有し、；前記本体部は、前記ヒータ層の前記幅方向の両端側に位置する２つの外側本体部と、該外側本体部に挟まれた複数の中央側本体部と、からなり、；前記中央側本体部は、前記中央側本体部を通るとともに前記軸線方向に直交する断面において、前記ヒータ素子の中心を中心点として、中心角が１００°以上、かつ、１３０°以下の領域内に設けられていることを特徴とする。この形態のガスセンサによれば、発熱パターンは、ヒータ層の幅方向の中央を含む領域内に配置されると共に、中央側本体部は、中央側本体部を通るとともに軸線方向に直交する断面において、ヒータ素子の中心を中心点として、中心角が１００°以上、かつ、１３０°以下の領域内に設けられてなる。従って、ヒータ素子と検出素子との組み付けズレが生じた場合にも、発熱パターン（特に、中央側本体部の領域）をヒータ素子と検出素子との接点に位置させることができる。よって、ヒータ素子の省電力化を図ることができる。
【０００８】
（２）上記形態のガスセンサであって、前記中央側本体部は、前記外側本体部よりも、幅が細くてもよい。この形態のガスセンサによれば、中央側本体部は、外側本体部よりも、幅が細く形成されている。従って、中央側本体部の方が外側本体部よりも発熱量が高くなるので、検出素子とヒータ素子との接点に、効率的に集熱できる。よって、ヒータ素子の省電力化を図ることができる。
【０００９】
（３）上記形態のガスセンサであって、複数の前記中央側本体部は、前記ヒータ層の前記幅方向の中央に近づくほど、幅が細くてもよい。この形態のガスセンサによれば、中央側本体部は、ヒータ層の中央に近いほど、細く形成されている。従って、ヒータ層の中央に近づくにつれて発熱量が高くなるので、検出素子とヒータ素子との接点に、効率的に集熱できる。よって、ヒータ素子の省電力化を図ることができる。
【００１０】
（４）上記形態のガスセンサにおいて、隣接する２つの前記中央側本体部の間隔は、前記外側本体部と前記中央側本体部との間隔よりも狭くてもよい。この形態のガスセンサによれば、発熱パターンの中央側の方が、両外側よりも、隣接する本体部間の間隔が狭くなるので、発熱パターンの中央側のほうが両外側に比して発熱密度が高くなる。従って、発熱パターンの中央側のほうが両外側よりも発熱量が高くなり、検出素子とヒータ素子との接点に、効率的に集熱できる。よって、ヒータ素子の省電力化を図ることができる。
【００１１】
（５）上記形態のガスセンサにおいて、隣接する２つの前記中央側本体部の間隔は、前記ヒータ層の前記幅方向の中央に近づくほど、狭くなってもよい。この形態のガスセンサによれば、発熱パターンの中央ほど発熱密度が高くなり、発熱パターンの中央に近いほど発熱量が高くなる。従って、検出素子とヒータ素子との接点に、効率的に集熱でき、ヒータ素子の省電力化を図ることができる。
【００１２】
（６）本発明の一形態によれば、軸線方向に延出して筒状に形成されるとともに被測定ガス中の特定ガスを検出するガスセンサ素子の筒孔内に配置され、前記軸線方向の先端側に発熱パターンを有する軸状のヒータ素子が提供される。このヒータ素子は、前記軸線方向に延びる芯材と、該芯材の周囲に巻きつけられ、前記発熱パターンが設けられたヒータ層を有しており、；前記発熱パターンは、前記ヒータ層を展開したときに、前記ヒータ層の幅方向の中央を含む領域内に配置されると共に、；前記軸線方向に沿って延伸する４つ以上の本体部であって、互いに離間して配置されている本体部と、前記内側パターンが一体の連続形状となるように、隣接する前記本体部の端部間を接続する接続部と、を有し、：前記本体部は、前記ヒータ層の幅方向の両端側に位置する２つの外側本体部と、該外側本体部に挟まれた複数の中央側本体部と、からなり、；前記中央側本体部は、前記中央側本体部を通るとともに前記軸線方向に直交する断面において、前記ヒータ素子の中心を中心点として、中心角が１００°以上、かつ、１３０°以下の領域内に設けられている。この形態のヒータ素子によれば、発熱パターンは、ヒータ層の幅方向の中央を含む領域内に配置されると共に、中央側本体部が、中央側本体部を通るとともに軸線方向に直交する断面において、ヒータ素子の中心を中心点として、中心角が１００°以上、かつ、１３０°以下の領域内に設けられてなる。従って、ヒータ素子とガスセンサの検出素子との組み付けズレが生じた場合にも、発熱パターン（特に中央側本体部の領域）をヒータ素子と検出素子との接点に位置させることができる。よって、ヒータ素子の省電力化を図ることができる。
【００１３】
本発明は、ガスセンサの製造方法やガスセンサの制御方法、その制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態としてのガスセンサの構成を示す断面図。
【図２】セラミックヒータを示す斜視図。
【図３】セラミックヒータの内部構成を示す分解斜視図。
【図４】第１実施形態における発熱抵抗体１４１の発熱部１４２を説明する説明図。
【図５】第１実施形態における比較例のセラミックヒータの断面図。
【図６】第１実施形態における接触角度のズレについて説明する説明図。
【図７】発熱部１４２の幅Ｗ（中心角α）の異なるセラミックヒータ１００に定電圧を印加した際のヒータの到達温度の温度変化を曲線で示したグラフ。
【図８】発熱部１４２の幅Ｗ（中心角α）の異なるセラミックヒータ１００の温度変化率を示す説明図。
【図９】第２実施形態における発熱部３４２を説明する説明図。
【図１０】第３実施形態における発熱部４４２を説明する説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
Ａ．第１の実施形態：
Ａ１．ガスセンサの構成：
図１は、本発明の一実施形態としてのガスセンサの構成を示す断面図である。ガスセンサ１０は、内燃機関の排気ガス中の酸素を検出する酸素センサである。ガスセンサ１０は、酸素検出素子２０と、主体金具１１と、内側端子部材３０と、外側端子部材４０と、セラミックヒータ１００と、を主に備える。
【００１６】
図１には、ガスセンサ１０の軸線ＡＸが示されている。以下、軸線ＡＸに沿って延びる部材の両端のうちの、固体電解質体２１が配置された端部（図１の下側）を先端と呼び、グロメット１７が配置された端部（図１の上側）を後端と呼ぶ。また、図中の長手方向ＦＤは、軸線ＡＸと平行な方向を示している（図１中の上下方向）。
【００１７】
酸素検出素子２０の形状は、軸線ＡＸ方向（図１中の上下方向）に延びる有底筒状である。酸素検出素子２０の断面形状は略Ｕ字状であり、先端２０ｓ（図１下側）は閉じ、後端２０ｋ（図１上側）は開口を形成している。酸素検出素子２０は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体２１と、固体電解質体２１の外周面の一部にメッキ等によって形成された外側電極（図示せず）と、固体電解質体２１の内周面の一部にメッキ等によって形成された内側電極（図示せず）とを備える。また、酸素検出素子２０の外周面において、軸線ＡＸ方向の中間部には、外側に突出する係合フランジ部２０ｆが設けられている。係合フランジ部２０ｆは、後述する主体金具１１と係合する。
【００１８】
主体金具１１は、酸素検出素子２０の外周の一部を包囲する筒状に形成されている。主体金具１１の内側には、金属製パッキン（図示せず）を介してインシュレータ１３が配置されている。このインシュレータ１３には、金属製パッキン（図示せず）を介して係合フランジ部２０ｆが係合している。さらに、インシュレータ１３の後端側にはタルク１４、インシュレータ１３ｂおよび金属製パッキン８３が配置され、主体金具１１の後端側にて加締められることで、酸素検出素子２０を主体金具１１の内側において、気密状態で保持している。
【００１９】
主体金具１１の先端側（図１の下側）には、プロテクタ１５が取り付けられている。プロテクタ１５は、主体金具１１の先端側開口部から突出する酸素検出素子２０の先端部を覆っている。プロテクタ１５は、外側プロテクタ１５ａと内側プロテクタ１５ｂの二重構造を備える。外側プロテクタ１５ａおよび内側プロテクタ１５ｂには、排気ガスを透過させる複数のガス透過口が形成されている（図示省略）。酸素検出素子２０の外側電極には、プロテクタ１５のガス透過口を通して、排気ガスが供給される。
【００２０】
主体金具１１は、外周面に形成された六角部１１ｃの後端側（図１の上側）に、接続部１１ｄを備える。接続部１１ｄには、筒状の金属外筒１６の先端が、外側から全周レーザ溶接により、固定されている。金属外筒１６の後端側の開口には、フッ素ゴムで構成されたグロメット１７が、挿入されている。このグロメット１７は、金属外筒１６の後端側の加締によって、固定されている。グロメット１７は、金属外筒１６のこの開口を、封止する。グロメット１７よりも先端側には、絶縁性のアルミナセラミックで形成されたセパレータ１８が配置されている。そして、グロメット１７およびセパレータ１８を貫通してセンサ出力リード線１９、１９ｂおよびヒータリード線１２ｂ、１２ｃが配置されている。なお、グロメット１７の中央には、軸線ＡＸに沿って貫通口が形成されており、この貫通口に金属パイプ８６が嵌め込まれている。金属パイプ８６には、撥水性および通気性を兼ね備えるシート状のフィルタ８５が被せられている。これにより、ガスセンサ１０の外部の大気は、フィルタ８５を介して金属外筒１６内に導入され、ひいては酸素検出素子２０の内部空間Ｇ内に導入される。金属外筒１６，主体金具１１，プロテクタ１５は、特許請求の範囲における「ハウジング」にあたる。
【００２１】
外側端子部材４０は、ステンレス鋼板からなる外嵌部４１とセパレータ挿入部４２とコネクタ部４３とを備える。セパレータ挿入部４２は、セパレータ１８内に挿入されている。このセパレータ挿入部４２からは、セパレータ当接部４２ｄが、分岐して突出する。セパレータ当接部４２ｄがセパレータ１８の内壁に弾性的に接触することによって、外側端子部材４０は、セパレータ１８内に保持される。
【００２２】
セパレータ挿入部４２の後端には、コネクタ部４３が設けられている。コネクタ部４３は、センサ出力リード線１９ｂの芯線を加締により把持し、外側端子部材４０とセンサ出力リード線１９ｂとを電気的に接続する。
【００２３】
セパレータ挿入部４２の先端には、外嵌部４１が設けられている。外嵌部４１は、酸素検出素子２０の後端付近の外周を把持して、外側端子部材４０と酸素検出素子２０の外側電極とを電気的に接続する。外側電極に発生した起電力は、外側端子部材４０およびセンサ出力リード線１９ｂを介して、ガスセンサ１０の外部に出力される。
【００２４】
内側端子部材３０は、ステンレス鋼板からなる挿入部３３とセパレータ挿入部３２とコネクタ部３１とを備える。セパレータ挿入部３２は、セパレータ１８内に挿入されている。このセパレータ挿入部３２からは、セパレータ当接部３２ｄが、分岐して突出する。セパレータ当接部３２ｄがセパレータ１８の内壁に弾性的に接触することによって、内側端子部材３０は、セパレータ１８内に保持される。
【００２５】
セパレータ挿入部３２の後端には、コネクタ部３１が設けられている。コネクタ部３１は、センサ出力リード線１９の芯線を加締により把持し、内側端子部材３０とセンサ出力リード線１９とを電気的に接続する。
【００２６】
セパレータ挿入部３２の先端には、挿入部３３が設けられている。挿入部３３は、酸素検出素子２０の内部に挿入される。挿入部３３は、自身の弾性力により、酸素検出素子２０の内周面に形成された内側電極に押圧力を伴って接触する。これにより、挿入部３３は、酸素検出素子２０の内側電極との電気的導通を保持している。内側電極に発生した起電力は、内側端子部材３０およびセンサ出力リード線１９を介して、ガスセンサ１０の外部に出力される。
【００２７】
挿入部３３の先端には、ヒータ押圧部３６が設けられている。ヒータ押圧部３６は、セラミックヒータ１００の側面を、酸素検出素子２０の内周面に押しつける。
【００２８】
セラミックヒータ１００は、内部空間Ｇ内に配置され、内側端子部材３０によって保持されることにより姿勢を維持している。セラミックヒータ１００は、後述する接続端子１３０がヒータリード線１２ｂ、１２ｃと接続され、ヒータリード線１２ｂ、１２ｃからの電力の供給により、固体電解質体２１の内周面を加熱する。
【００２９】
Ａ２．セラミックヒータの構成：
図２はセラミックヒータ１００を示す斜視図である。図３はセラミックヒータ１００の内部構成を示す分解斜視図である。図２に示すように、丸棒状（本実施形態では、φ３ｍｍ、全長５０ｍｍ）のセラミック基体１０２に、接続端子１３０を固定することによって、セラミックヒータ１００が形成されている。図１に示すように、セラミックヒータ１００は、酸素検出素子２０に内挿されて、酸素検出素子２０を加熱する。なお、セラミックヒータ１００の長手方向の両端側のうち、発熱部分を備える側（図２左側）を「先端側」とし、これと反対側を「後端側」として説明する。
【００３０】
セラミックヒータ１００は、セラミック基体１０２と、電極パッド１２１と、接続端子１３０とを主に備える。図３に示すように、セラミック基体１０２は、丸棒状（円柱形状）のアルミナセラミック製の碍管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１４０，１４６が巻き付けられ、これらを焼成することにより製造される。碍管１０１は、特許請求の範囲における「芯材」にあたる。
【００３１】
グリーンシート１４０上には、発熱抵抗体１４１（ヒータパターン）が形成されている。発熱抵抗体１４１は、発熱部１４２と、発熱部１４２の両端にそれぞれ接続される一対のリード部１４３（陽極と陰極）とを備える。発熱抵抗体１４１の材料としては、タングステンやモリブデン等の種々の導電材料を採用可能である。グリーンシート１４０の後端側には、各リード部１４３毎に２個のスルーホール１４４が設けられている。スルーホール１４４を介して、セラミックヒータ１００の外表面上に形成される電極パッド１２１は、リード部１４３と、電気的に接続される。発熱部１４２は、特許請求の範囲の「発熱パターン」にあたる。
【００３２】
グリーンシート１４６は、グリーンシート１４０の発熱抵抗体１４１が形成される面に圧着されている。グリーンシート１４６の、この圧着面と反対側の面には、アルミナペーストが塗布され、この塗布面を内側にしてグリーンシート１４０，１４６が碍管１０１に巻き付けられて外周から内向きに押圧されることにより、セラミックヒータ成形体が形成される。その後、セラミックヒータ成形体が焼成されることにより、セラミック基体１０２が形成される。以降、グリーンシート１４６とグリーンシート１４０とが圧着された部材をヒータ層１５０と呼ぶ。換言すれば、図３におけるヒータ層１５０の説明は、ヒータ層１５０を展開した状態を示している。
【００３３】
図２、図３に示すように、陽極側の電極パッド１２１と陰極側の電極パッド１２１との２つの電極パッド１２１が、セラミック基体１０２の表面に形成されている。これらの電極パッド１２１は、グリーンシート１４０の外面におけるスルーホール１４４の形成された位置５に、それぞれ設けられている。陽極側と陰極側とのそれぞれにおけるリード部１４３−電極パッド１２１間の導通は、スルーホール１４４の内部に充填されている導電性ペーストを介して行われる。
【００３４】
図４は、第１実施形態における発熱抵抗体１４１の発熱部１４２を説明する説明図である。図５は、大幅に組み付けずれが生じている比較例のガスセンサ１０の断面図である。図４（ｂ）および図５は、発熱部１４２を通るとともに軸線ＡＸに直交する断面（図１におけるＡ−Ａ断面、図２におけるＢ−Ｂ断面）を示している。図４（ｂ）は、セラミックヒータ１００と酸素検出素子２０とが規定の位置で組み付けられ、組み付けズレがほとんど生じていない状態を示している。
【００３５】
図４（ａ）に示されるように、発熱部１４２は、長手方向ＦＤに沿って延伸する複数の本体部２００と、発熱部１４２が一本の連続形状となるように、隣接する本体部２００の端部間を接続する接続部２１０と、を有する。複数の本体部２００は、互いに離間しつつ、ヒータ層１５０の幅方向（図４では幅方向Ｙ）に並んで配置されている。図４に示されるように、ヒータ層１５０の幅方向Ｙの中央を中央Ｃと示す。また、図４（ｂ）、図５に示されるように、発熱部１４２を通るとともに軸線ＡＸに直交する断面におけるセラミックヒータ１００の中心を中心点Ｏと呼ぶ。
【００３６】
図４に示されるように、発熱部１４２は、ヒータ層１５０において、ヒータ層１５０の中央Ｃを含む領域内配置されている。
【００３７】
さらに、発熱部１４２の複数の本体部２００は、セラミック層の幅方向Ｙの両端側に位置する２つの外側本体部２００ａと、外側本体部２００ａに挟まれた中央側本体部２００ｂとからなる。そして、中央側本体部２００ｂの領域Ｗは、図４（ｂ）に示す中心点Ｏを起点として、中心角αが１００°以上、かつ、１３０°以下の領域内に設けられてなる。図４（ｂ）に示すように、第１実施形態では、発熱部１４２は、中心点Ｏと、酸素検出素子２０とセラミックヒータ１００との接点Ｐを通る直線Ｌに対して若干周方向にずれている。なお、中心角αについて以下に説明する。
【００３８】
ヒータ層１５０の中央Ｃ（発熱部１４２の中心）において酸素検出素子２０と接している場合、セラミックヒータ１００と酸素検出素子２０とが規定の位置で組み付けられ、組み付けズレが生じておらず、中央側本体部２００ｂの領域Ｗが酸素検出素子２０と接する。また、第１実施形態のように、若干周方向にずれて組み付けられたとしても、中央側本体部２００ｂの領域Ｗが酸素検出素子２０と接する。この場合、発熱抵抗体１４１により発せられた熱は、直接、接点Ｐを介して酸素検出素子２０に伝わる。
【００３９】
しかしながら、セラミックヒータ１００と酸素検出素子２０との組み付けズレが大幅に生じると、図５の比較例に示されるように、中央側本体部２００ｂの領域Ｗとは異なる位置（接点Ｐ）においてセラミックヒータ１００と酸素検出素子２０とが接することになる。この場合、発熱抵抗体１４１により発せられた熱は、一度、ヒータ層１５０を周方向に伝熱してから、接点Ｐを介して酸素検出素子２０に伝わる。このため、セラミックヒータからガスセンサ素子への伝熱効率が低下し、セラミックヒータの電力消費量が増加してしまう。
【００４０】
なお、以降では、ズレの程度を、ヒータ層１５０の中心点Ｏを基準として、セラミックヒータ１００と酸素検出素子２０との接点Ｐと、ヒータ層１５０（発熱部１４２）の中央Ｃとの角度θにより表す、この角度を接触角度と呼ぶ。ヒータ層１５０の中央Ｃが酸素検出素子２０と接している場合、接触角度は０°である。中央Ｃが発熱部１４２の中心点Ｏと接点Ｐとを結ぶ直線Ｌから左側へずれている場合には、接触角度は負符号で表され、中央Ｃが直線Ｌから右側へずれている場合には、接触角度は正符号で表される。例えば、中央Ｃが直線Ｌから右側へ５°ずれている場合、接触角度は（＋）５°であり、中央Ｃが直線Ｌから左側へ５°ずれている場合、接触角度は−５°である。
【００４１】
そこで、第１実施形態では、組み付けズレ発生時における接触角度のばらつき、すなわち、組み付け時における、ズレの発生程度およびズレの角度の程度、に基づいて、中央側本体部２００ｂの幅Ｗすなわち中心角α（図４）を規定する。
【００４２】
図６は、第１実施形態における接触角度のズレについて説明する説明図である。図６（ａ）は、サンプル数（Ｎ数）１０５個のセラミックヒータ１００を、酸素検出素子２０に組み付けた際における接触角度と接触角度ごとの個数について示すリストであり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のリストに表される接触角度のズレの分布を表すヒストグラムである。１０５個のセラミックヒータ１００を酸素検出素子２０に組み付けた場合、図６（ａ）に示されるように、例えば、接触角度が０〜−１０°となるサンプルが２８個、接触角度が０〜＋１０°となるサンプルが４３個である。
【００４３】
図６（ｂ）に示されるヒストグラムにおいて、横軸は接触角度、縦軸は各接触角度におけるＮ数（サンプル数）を示す。当該ヒストグラムに示されるように、セラミックヒータ１００を酸素検出素子２０に組み付けた際における接触角度のズレは、正規分布に近似した分布となる。組み付けズレは、接触角度の平均値を０°とすると、接触角度の平均値±５σ以内にほぼ収まるので、第１実施形態では、接触角度が平均値±５σの場合に、中央側本体部２００ｂが酸素検出素子２０と接するように、中央側本体部２００ｂの幅Ｗ（中心角α）を規定する。
【００４４】
図６（ａ）および図６（ｂ）に基づき計算された＋５σは、５１．１３°である。従って、第１実施形態では、接触角度が−５０°〜＋５０°の範囲内のときに、中央側本体部２００ｂが酸素検出素子２０と接するように、中央側本体部２００ｂの中心角αを１００°以上（幅Ｗ＝２π（碍管１０１の半径＋グリーンシート１４０の厚み）＊（α／３６０°））としている。こうすることにより、組み付けズレが生じても、中央側本体部２００ｂが酸素検出素子２０に接する可能性を高くできる。なお、後述する実施例から規定されるように、中心角は、１００°以上、かつ、１３０°以下であることが好ましい。
【００４５】
Ｂ．試験結果：
Ｂ１．到達温度：
図７は、中央側本体部２００ｂの幅Ｗ（中心角）の異なるセラミックヒータ１００を用い、各セラミックヒータに定電圧を印加した際のヒータの到達温度を測定した結果を示す。図７のグラフは、測定結果の一覧であり、温度変化が曲線で示されている。図７において、横軸は接触角度（単位：°）を表し、縦軸は、セラミックヒータの到達温度（単位：℃）を表す。図７に示されるように、中心角α≦１３０°としたセラミックヒータは、従来例の中心角α＝１５０°としたセラミックヒータに比して、到達温度が高くなった。セラミックヒータに対する印加電圧は一定であるため、到達温度が高い方が、所望の温度に到達するために要される電力が少なくてよい。従って、中心角α≦１３０°とすることにより、セラミックヒータの省電力性能を従来よりも向上できる。
【００４６】
Ｂ２．温度変化率：
図８は、中央側本体部２００ｂの幅Ｗ（中心角α）の異なるセラミックヒータ１００について、接触角度＝０°のときと、接触角度＝５０°のときの到達温度に基づいて、接触角度の変化に伴う温度変化率を計算した結果を示す。なお、接触角度＝５０°とは、実際に、組み付けズレが生じる可能性のある最大角度に近い値である。
【００４７】
図８に示されるように、接触角度が０°のときと、５０°のときでは、中心角α≧１００°の場合、温度変化率は２％未満となる（実施例１〜３，従来例）。一方、中心角α＜１００の場合、接触角度が大きくなるにつれて、セラミックヒータの到達温度は低下し、温度変化率は２％以上となる。一般的に、温度変化率が２％未満であれば、温度は大きく変化していないと考えられるので、セラミックヒータの発熱部１４２の中心角α≧１００°とすることにより、セラミックヒータと酸素検出素子２０との組み付けズレが生じたとしても、セラミックヒータは、酸素検出素子２０を十分に加熱することができることがわかる。
【００４８】
以上述べた通り、図７および図８に示されるように、セラミックヒータの発熱部１４２の中心角αは１００°以上、かつ、１３０°以下であることが好ましい。
【００４９】
第１実施形態のガスセンサ１０によれば、発熱部１４２は、ヒータ層１５０の幅方向Ｙの中央Ｃを含む領域Ｗ内に配置されると共に、中央側本体部２００ｂの領域Ｗは、中心点Ｏを中心として、中心角が１００°以上、かつ、１３０°以下となるように形成されている。従って、セラミックヒータ１００と酸素検出素子２０との組み付けズレが生じた場合にも、発熱部１４２（特に中央側本体部２００ｂ）をセラミックヒータ１００と酸素検出素子２０との接点に位置させることができる。よって、セラミックヒータ１００の省電力化を図ることができる。
【００５０】
Ｃ．第２実施形態：
第２実施形態では、中心角αを１００°以上、かつ、１３０°以下としつつ、発熱部の幅を調整することにより、発熱部の中央Ｃ付近の発熱量を上昇させ、省電力効果を向上させる。
【００５１】
図９は、第２実施形態における発熱部３４２を説明する説明図である。発熱部３４２は、軸線ＡＸ方向に沿って延伸する複数の本体部３００と、発熱部３４２が一本の連続形状となるように、隣接する本体部３００の端部間を接続する接続部３１０と、を有する。複数の本体部３００は、互いに離間しつつ、セラミックヒータの幅方向（図９では幅方向Ｙ）に並んで配置されている。
【００５２】
図１０に示されるように、発熱部３４２は、第１実施形態と同様に、ヒータ層１５０において、中央Ｃを含む領域内に配置されている。
【００５３】
さらに、発熱部３４２の複数の本体部３００は、セラミック層の幅方向Ｙの両端側に位置する２つの外側本体部３００ａと、外側本体部３００ａに挟まれた中央側本体部３００ｂ、３００ｃとからなる。そして、中央側本体部３００ｂ、３００ｃの領域Ｗは、中心点Ｏを起点として、中心角αが１００°以上、かつ、１３０°以下の領域に設けられている。
【００５４】
さらに、中央側本体部３００ｂ、３００ｃは、外側本体部３００ａの幅Ｓ１よりも、幅方向Ｙに沿った幅Ｓ（Ｓ２，Ｓ３）が細く形成されている。より具体的には、複数の本体部３００は、中央Ｃに近い本体部３００ほど、周方向に沿った幅Ｓが細くなるように形成されている。換言すれば、中央側本体部３００ｂ、３００ｃは、外側から中央Ｃに近づくほど（中央側本体部３００ｂの幅Ｓ２、中央側本体部３００ｃの幅Ｓ３の順に）、その幅Ｓが細くなるように形成されている。なお、第２実施形態では、外側から中央Ｃに近づくにつれて徐々に本体部３００の幅が細くなるように形成されているが、中央側本体部３００ｂ、３００ｃが、外側本体部３００ａの幅Ｓ１よりも、幅方向Ｙに沿った幅Ｓが細く形成されていればよく、例えば、中央側本体部３００ｂ、３００ｃは同幅でもよい。
【００５５】
第２実施形態のセラミックヒータによれば、中央側本体部３００ｂ、３００ｃは、外側本体部３００ａよりも、周方向に沿った幅Ｓが細く形成されている。従って、中央側本体部３００ｂ、３００ｃの方が外側本体部３００ａよりも発熱量が高くなるので、発熱部１４２の外側に比して中央Ｃの近傍の発熱量を高くできる。よって、酸素検出素子２０とセラミックヒータ１００との接点に、効率的に集熱できる。よって、セラミックヒータの省電力化を図ることができる。
【００５６】
また、第２実施形態のセラミックヒータによれば、中央側本体部３００ｂ、３００ｃは中央に近いほど（つまりは、中央側本体部３００ｃほど）、細く形成されている。従って、中央側本体部３００ｃに近づくにつれて発熱量が高くなるので、発熱部１４２の外側に比して中央Ｃの近傍の発熱量を高くできる。よって、酸素検出素子２０とセラミックヒータとの接点に、効率的に集熱できる。よって、セラミックヒータの省電力化を図ることができる。
【００５７】
Ｄ．第３実施形態：
第３実施形態では、中心角αを１００°以上、かつ、１３０°以下としつつ、各発熱部の間の間隔を調整することにより、発熱部の中央Ｃ付近の発熱量を上昇させ、省電力効果を向上させる。
【００５８】
図１０は、第３実施形態における発熱部４４２を説明する説明図である。発熱部４４２は、軸線ＡＸ方向に沿って延伸する複数の本体部４００と、発熱部４４２が一本の連続形状となるように、隣接する本体部４００の端部間を接続する接続部４１０と、を有する。複数の本体部４００は、互いに離間しつつ、セラミックヒータ１００の幅方向（図１１では幅方向Ｙ）に並んで配置されている。
【００５９】
図１０に示されるように、発熱部４４２は、第１実施形態、第２実施形態と同様に、ヒータ層１５０において、中央Ｃを含む領域内に、配置されている。さらに、発熱部４４２の複数の本体部４００は、セラミック層の幅方向Ｙの両端側に位置する２つの外側本体部４００ａと、外側本体部４００ａに挟まれた中央側本体部４００ｂ、４００ｃとからなる。また、発熱部４４２の領域Ｗは、セラミックヒータ１００の中点を中心点Ｏとして、中心角αが１００°以上、かつ、１３０°以下となる円弧の長さに相当する。
【００６０】
発熱部４４２は、複数の本体部４００の間隔ｄが、セラミックヒータ１００の幅方向Ｙにおける隣接する外側本体部４００ａと中央側本体部４００ｂとの間隔ｄ１よりも、発熱部４４２の隣接する中央側本体部４００ｂ、４００ｃの間隔ｄ２、隣接する中央側本体部４００ｃの間隔ｄ３のほうが狭くなるように形成されている。さらに、隣接する中央側本体部４００ｂ、４００ｃの間隔は、発熱部４４２の中央Ｃに近いほど（間隔ｄ２，ｄ３の順に）狭くなるように形成されている。なお、第３実施形態では、端部から中央Ｃに近づくにつれて徐々に隣接する本体部３００の間隔が狭くなるように形成されているが、端部側の間隔ｄ１よりも中央側の間隔ｄ２，ｄ３のほうが狭くなっていればよく、例えば、最も端側の間隔ｄ１よりも中央側の間隔ｄ２，ｄ３のほうが狭く形成され、間隔ｄ２、ｄ３が同間隔でもよい。
【００６１】
第３実施形態のセラミックヒータによれば、発熱部４４２の中央側の方が、両外側よりも、隣接する本体部４００間の間隔が狭くなるので、発熱部４４２の中央側のほうが両外側に比して発熱密度が高くなる。従って、発熱部４４２の中央側のほうが両外側よりも発熱量が高くなり、酸素検出素子２０とセラミックヒータとの接点に、効率的に集熱できる。よって、セラミックヒータの省電力化を図ることができる。
【００６２】
また、第３実施形態のセラミックヒータによれば、発熱部４４２の中央ほど発熱密度が、すなわち、発熱量が高くなる。従って、酸素検出素子２０とセラミックヒータとの接点に、効率的に集熱でき、セラミックヒータの省電力化を図ることができる。
【００６３】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例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、実施例、変形例中の技術的特徴は、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】
【００６４】
１０…ガスセンサ
１１…主体金具
１１ｃ…六角部
１１ｄ…接続部
１２ｂ…ヒータリード線
１３…インシュレータ
１３ｂ…インシュレータ
１４…タルク
１５…プロテクタ
１５ａ…外側プロテクタ
１５ｂ…内側プロテクタ
１６…金属外筒
１７…グロメット
１８…セパレータ
１９…センサ出力リード線
１９ｂ…センサ出力リード線
２０…酸素検出素子
２０ｆ…係合フランジ部
２０ｋ…後端
２０ｓ…先端
２１…固体電解質体
３０…内側端子部材
３１…コネクタ部
３２…セパレータ挿入部
３２ｄ…セパレータ当接部
３３…挿入部
３６…ヒータ押圧部
４０…外側端子部材
４１…外嵌部
４２…セパレータ挿入部
４２ｄ…セパレータ当接部
４３…コネクタ部
８５…フィルタ
８６…金属パイプ
１００…セラミックヒータ
１０１…碍管
１０２…セラミック基体
１２１…電極パッド
１３０…接続端子
１４０…グリーンシート
１４１…発熱抵抗体
１４２…発熱部
１４３…リード部
１４４…スルーホール
１４６…グリーンシート
１５０…ヒータ層
１６０…発熱エリア
２００…本体部
２００ａ…外側本体部
２００ｂ…中央側本体部
２１０…接続部
３００…本体部
３００ａ…外側本体部
３００ｂ…中央側本体部
３００ｃ…中央側本体部
３１０…接続部
３４２…発熱部
４００…本体部
４００ａ…外側本体部
４００ｂ…中央側本体部
４００ｃ…中央側本体部
４１０…接続部
４４２…発熱部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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