(57)【要約】【課題】耐久性に優れたセラミックヒータ及びこれを用いたガスセンサを提供すること。【解決手段】メイン発熱部２１と、メイン発熱部２１に電力を供給するための一対のメイン電極部２２と、メイン発熱部２１とメイン電極部２２とを電気的に接続するリード部２３とからなるメインヒータパターン２を、ヒータ基板上に形成してなるセラミックヒータ１。セラミックヒータ１は、メイン電極部２２を加熱するためのサブ発熱部３１と、サブ発熱部３１に電力を供給するための一対のサブ電極部３２とを有するサブヒータパターン３を設けてなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メイン発熱部と、該メイン発熱部に電力を供給するための一対のメイン電極部と、上記メイン発熱部と上記メイン電極部とを電気的に接続するリード部とからなるメインヒータパターンを、ヒータ基板上に形成してなるセラミックヒータであって、
該セラミックヒータは、上記メイン電極部を加熱するためのサブ発熱部と、該サブ発熱部に電力を供給するための一対のサブ電極部とを有するサブヒータパターンを設けてなることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】
請求項１において、上記一対のサブ電極部は、上記メイン電極部とは別個に形成してあることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項３】
請求項２において、上記メイン電極部と上記サブ電極部とは、互いに、上記セラミックヒータの長手方向にずらして配置されていることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項４】
請求項１において、上記セラミックヒータは、上記一対のメイン電極部の一方と、上記一対のサブ電極部の一方とを共通化した共通電極を１個有することを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項５】
請求項１において、上記セラミックヒータは、上記一対のメイン電極部と、上記一対のサブ電極部とをそれぞれ共通化した、一対の共通電極を有することを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項において、上記サブ発熱部は、上記メインヒータパターンへの通電前に上記メイン電極部を加熱するよう構成してあることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項７】
請求項６において、上記サブヒータパターンへの通電は、上記メインヒータパターンへの通電開始と同時又はその前に終了するよう構成してあることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項８】
請求項６又は７において、上記サブ発熱部は、上記メイン発熱部の昇温に伴う上記メイン電極部の昇温速度が６℃／秒以下となるように、上記メインヒータパターンへの通電前に上記メイン電極部を昇温させておくよう構成してあることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項において、上記サブ発熱部は、ＰＴＣ発熱体からなることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項１０】
被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するためのガスセンサ素子と、該ガスセンサ素子を加熱するためのセラミックヒータとを有するガスセンサにおいて、
上記セラミックヒータは、上記ガスセンサ素子を加熱するメイン発熱部と、該メイン発熱部に電力を供給するための一対のメイン電極部と、上記メイン発熱部と上記メイン電極部とを電気的に接続するリード部とからなるメインヒータパターンを、ヒータ基板上に形成してなり、
かつ、上記セラミックヒータは、上記メイン電極部を加熱するためのサブ発熱部と、該サブ発熱部に電力を供給するための一対のサブ電極部とを有するサブヒータパターンを設けてなることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１１】
請求項１０において、上記一対のサブ電極部は、上記メイン電極部とは別個に形成してあることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１２】
請求項１１において、上記メイン電極部と上記サブ電極部とは、互いに、上記セラミックヒータの長手方向にずらして配置されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１３】
請求項１０において、上記セラミックヒータは、上記一対のメイン電極部の一方と、上記一対のサブ電極部の一方とを共通化した共通電極を１個有することを特徴とするガスセンサ。
【請求項１４】
請求項１３において、上記共通電極を構成しない方の上記サブ電極部は、上記セラミックヒータを上記ガスセンサ内に保持するためのヒータホルダと接続されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１５】
請求項１４において、上記ヒータホルダは、上記ガスセンサ素子のセンサ端子にも接続されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１６】
請求項１０において、上記セラミックヒータは、上記一対のメイン電極部と、上記一対のサブ電極部とをそれぞれ共通化した、一対の共通電極を有することを特徴とするガスセンサ。
【請求項１７】
請求項１０〜１６のいずれか一項において、上記サブ発熱部は、上記メインヒータパターンへの通電前に上記メイン電極部を加熱するよう構成してあることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１８】
請求項１７において、上記サブヒータパターンへの通電は、上記メインヒータパターンへの通電開始と同時又はその前に終了するよう構成してあることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１９】
請求項１７又は１８において、上記サブ発熱部は、上記メイン発熱部の昇温に伴う上記メイン電極部の昇温速度が６℃／秒以下となるように、上記メインヒータパターンへの通電前に上記メイン電極部を昇温させておくよう構成してあることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２０】
請求項１０〜１９のいずれか一項において、上記サブ発熱部は、ＰＴＣ発熱体からなることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２１】
請求項１０〜２０のいずれか一項において、上記サブヒータパターンは、上記特定ガス濃度の検出時には通電させないよう構成して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、ガスセンサ素子等を加熱するためのセラミックヒータ及びこれを用いたガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車の内燃機関には、燃焼制御を行うために、排ガス中の酸素濃度等を測定するガスセンサが用いられている。このガスセンサには、通常、測定値のばらつきを防止するために、ガスセンサ素子を加熱するセラミックヒータが内蔵されている。
該セラミックヒータは、ガスセンサ素子を加熱する発熱部と、該発熱部に電力を供給するための一対の電極部と、上記発熱部と上記電極部とを電気的に接続するリード部とからなるヒータパターンを、ヒータ基板上に形成してなる（特許文献１参照）。
【０００３】
かかるセラミックヒータとしては、例えば、図２４、図２５に示すような丸棒状のものがある。このセラミックヒータ９は、セラミックの心棒９９の表面にヒータ基板９１（図２６）を巻き付けるように配設してなる。該ヒータ基板９１は、図２６に示すごとく、一方の面９１１に発熱部９３及びリード部９４を設け、他方の面９１２に電極部９５を設けてなる。上記リード部９４と電極部９５とは、ヒータ基板９１を貫通するスルーホール９１３を介して接続されている。
そして、図２４、図２５に示すごとく、上記電極部９５が外側になるように、ヒータ基板９１を心棒９９の表面に巻き付けてあり、電極部９５にはリード線９６がろう材９６１により接合されている。
【０００４】
しかしながら、上記電極部９５には、外気や排ガス中に含まれる水分が付着することがある。この水分の付着は、電極部９５の腐食の原因となるおそれがある。また、水分が付着した状態において、排ガス中の腐食原因物質が吸着することにより、電極部９５やろう材９６１、リード線９６の腐食が進行するおそれがある。
その結果、電極部９５に接合したリード線９６が外れるおそれがあり、セラミックヒータ９の耐久性を確保することが困難となるおそれがある。
【０００５】
また、セラミックヒータ９の起動時において、発熱部９３は短時間で昇温するが、電極部９５は発熱部９３からの熱伝導により遅れて昇温するため昇温に時間がかかる。それ故、発熱部９３と電極部９５との間に温度勾配が生じ、ヒータ基板９１やヒータパターン９３０に冷熱ストレスが生じる。また、電極部９５と、電極部９５に接合されたろう材９６１及びリード線９６との間にも冷熱ストレスが発生する。その結果、接合部における破壊寿命が短くなるおそれがある。
【０００６】
【特許文献１】特開１１−２９２６６４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたものであり、耐久性に優れたセラミックヒータ及びこれを用いたガスセンサを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、メイン発熱部と、該メイン発熱部に電力を供給するための一対のメイン電極部と、上記メイン発熱部と上記メイン電極部とを電気的に接続するリード部とからなるメインヒータパターンを、ヒータ基板上に形成してなるセラミックヒータであって、
該セラミックヒータは、上記メイン電極部を加熱するためのサブ発熱部と、該サブ発熱部に電力を供給するための一対のサブ電極部とを有するサブヒータパターンを設けてなることを特徴とするセラミックヒータにある（請求項１）。
【０００９】
次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記セラミックヒータは、上記メイン電極部を加熱するためのサブ発熱部を有するサブヒータパターンを設けてなる。そのため、上記メイン電極部を加熱することができ、メイン電極部への水分の付着を防止することができる。また、メイン電極部に水分が付着したとしても、サブ発熱部によりメイン電極部を加熱して、水分を蒸発除去することができる。それ故、腐食要因となる水分を除去することでメイン電極部の腐食を防ぎ、セラミックヒータの耐久性を向上させることができる。
【００１０】
また、メイン電極部を予め加熱しておくことにより、セラミックヒータの起動時のメイン電極部における冷熱ストレスの発生を抑制することもできる。これにより、メイン電極部の耐久性を向上させることができる。
【００１１】
以上のごとく、本発明によれば、耐久性に優れたセラミックヒータを提供することができる。
【００１２】
第２の発明は、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するためのガスセンサ素子と、該ガスセンサ素子を加熱するためのセラミックヒータとを有するガスセンサにおいて、
上記セラミックヒータは、上記ガスセンサ素子を加熱するメイン発熱部と、該メイン発熱部に電力を供給するための一対のメイン電極部と、上記メイン発熱部と上記メイン電極部とを電気的に接続するリード部とからなるメインヒータパターンを、ヒータ基板上に形成してなり、
かつ、上記セラミックヒータは、上記メイン電極部を加熱するためのサブ発熱部と、該サブ発熱部に電力を供給するための一対のサブ電極部とを有するサブヒータパターンを設けてなることを特徴とするガスセンサにある（請求項１０）。
【００１３】
次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記ガスセンサに設けたセラミックヒータは、上記メイン電極部を加熱するためのサブ発熱部を有するサブヒータパターンを設けてなる。そのため、上述したごとく、セラミックヒータのメイン電極部の耐久性を向上させることができ、ひいては、ガスセンサの耐久性を向上させることができる。
以上のごとく、本発明によれば、耐久性に優れたガスセンサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
上記第１の発明（請求項１）又は上記第２の発明（請求項１０）において、上記メイン電極部には、リード線が接合されていてもよい。
また、上記一対のサブ電極部は、上記メイン電極部とは別個に形成してあってもよい（請求項２、請求項１１）。
この場合には、上記サブ発熱部を、上記メイン発熱部から独立して制御することが容易となる。
【００１５】
また、上記メイン電極部と上記サブ電極部とは、互いに、上記セラミックヒータの長手方向にずらして配置されていることが好ましい（請求項３、請求項１２）。
この場合には、メイン電極部とサブ電極部とを、互いの電気的絶縁を確保しつつ容易に形成することができる。また、メイン電極部とサブ電極部とを、充分な大きさに形成することができる。
【００１６】
また、上記セラミックヒータは、上記一対のメイン電極部の一方と、上記一対のサブ電極部の一方とを共通化した共通電極を１個有していてもよい（請求項４、請求項１３）。
この場合には、上記メイン電極部及び上記サブ電極部の形成が容易となる。
【００１７】
また、上記セラミックヒータは、上記一対のメイン電極部と、上記一対のサブ電極部とをそれぞれ共通化した、一対の共通電極を有していてもよい（請求項５、請求項１６）。
即ち、一方のメイン電極部と一方のサブ電極部とを共通化して一方の共通電極を構成し、他方のメイン電極部と他方のサブ電極部とを共通化して他方の共通電極を構成することができる。
この場合には、メイン電極部と異なる部分に特別に上記サブ電極部を形成する必要がなく、サブヒータパターンを容易に形成することができる。
【００１８】
また、上記サブ発熱部は、上記メインヒータパターンへの通電前に上記メイン電極部を加熱するよう構成してあることが好ましい（請求項６、請求項１７）。
この場合には、上記メインヒータパターンへの通電開始時において、上記メイン電極部の温度を高くして、水分がメイン電極部に存在しない状態にすることが容易となる。更にガスセンサの起動時に排ガス中の腐食原因物質が漏れて、メイン電極部に達するような場合に、水分がメイン電極部に存在しない状態にすることが容易となるので、腐食環境の除去を可能とし、より確実にメイン電極部の腐食を防止することができる。
また、メインヒータパターンへの通電前に、メイン電極部を予め加熱しておくことにより、セラミックヒータの起動時のメイン電極部における冷熱ストレスの発生を抑制することもできる。これにより、メイン電極部の耐久性を向上させることができる。
【００１９】
また、上記サブヒータパターンへの通電は、上記メインヒータパターンへの通電開始と同時又はその前に終了するよう構成してあることが好ましい（請求項７、請求項１８）。
この場合には、メイン電極部の過熱を防止すると共に、省電力化を図ることができる。
【００２０】
また、上記サブ発熱部は、上記メイン発熱部の昇温に伴う上記メイン電極部の昇温速度が６℃／秒以下となるように、上記メインヒータパターンへの通電前に上記メイン電極部を昇温させておくよう構成してあることが好ましい（請求項８、請求項１９）。
この場合には、上記メイン発熱部の昇温に伴うメイン電極部の昇温によりメイン電極部に接合したリード線等の接合部材とセラミックヒータ本体との間に発生する冷熱ストレスを充分に抑制することができる。
上記昇温速度が６℃／秒を超える場合には、上記冷熱ストレスを充分抑制することが困難となるおそれがある。
なお、上記メイン電極部の昇温速度が２℃／秒以下となるように、上記メイン電極部を予め昇温させておくことが、更に好ましい。
【００２１】
また、上記サブ発熱部は、ＰＴＣ（Positive
Temperature Coefficient）発熱体からなることが好ましい（請求項９、請求項２０）。
この場合には、ＰＴＣ（Positive
Temperature Coefficient）発熱体は発熱とともにＰＴＣ発熱体自身の抵抗が増加し自ら到達温度が抑制される特性を利用するため、サブ発熱部の過熱を防いでメイン電極部の過熱を防ぐことができる。同時に、サブヒータの温度制御系を簡略化できる。
【００２２】
次に、上記第２の発明（請求項１０）において、上記共通電極を構成しない方の上記サブ電極部は、上記セラミックヒータを上記ガスセンサ内に保持するためのヒータホルダと接続されていることが好ましい（請求項１４）。
この場合には、上記ヒータホルダを介してサブヒータパターンに電力を供給することができるため、ガスセンサの構造を簡略化することができる。
【００２３】
また、上記ヒータホルダは、上記ガスセンサ素子のセンサ端子にも接続されていることが好ましい（請求項１５）。
この場合には、上記サブ電極部と上記センサ端子とを共通化することができるため、ガスセンサの構造を簡略化することができる。
【００２４】
また、上記サブヒータパターンは、上記特定ガス濃度の検出時には通電させないよう構成してあることが好ましい（請求項２１）。
この場合には、サブヒータパターンからの漏れ電流が、センサ出力に影響を及ぼすことを防止することができる。特に、微弱電流を検出するガスセンサの場合に効果を発揮する。
【実施例】
【００２５】
（実施例１）
本発明の実施例にかかるセラミックヒータ及びこれを用いたガスセンサにつき、図１〜図６を用いて説明する。
本例のセラミックヒータ１は、図１、図３に示すごとく、メインヒータパターン２を、ヒータ基板１１上に形成してなる。上記メインヒータパターン２は、メイン発熱部２１と、該メイン発熱部２１に電力を供給するための一対のメイン電極部２２と、上記メイン発熱部２１と上記メイン電極部２２とを電気的に接続するリード部２３とからなる。
そして、セラミックヒータ１は、上記メイン電極部２２を加熱するためのサブ発熱部３１と、該サブ発熱部３１に電力を供給するための一対のサブ電極部３２とを有するサブヒータパターン３を設けてなる。
【００２６】
また、セラミックヒータ１は、メインヒータパターン２及びサブヒータパターン３を表面に形成したヒータ基板１１を、図２、図４に示すごとく、円柱状の心棒１９の外周に巻き付けることにより形成してなる。図３は、メインヒータパターン２等を形成したヒータ基板１１を展開した図であって、外側に配される外側面１１１の平面図、及び、内側に配される内側面１１２の平面図を表す。
【００２７】
図２、図３に示すごとく、上記一対のサブ電極部３２は、上記メイン電極部２２とは別個に形成してあり、一対のメイン電極部２２と一対のサブ電極部３２とは、ヒータ基板１１の一方の端部における外側面１１１に形成されている。そして、メイン電極部２２とサブ電極部３２とは、セラミックヒータ１の長手方向に関する同一位置において、交互に配置されている。
【００２８】
また、図３に示すごとく、ヒータ基板１１の内側面１１２には、メイン発熱部２１、リード部２３、及びサブ発熱部３１が形成されている。上記メイン発熱部２１は、ヒータ基板１１における上記メイン電極部２２の配設側とは反対側の端部に形成してある。また、メイン発熱部２１は、本例においてはジグザグ状に形成してある。なお、メイン発熱部２１の形成パターンはこれに限らず、種々のパターンに形成することができる。
【００２９】
また、上記サブ発熱部３１は、ヒータ基板１１における上記メイン電極部２２の配設側の端部に形成してある。
そして、上記サブ発熱部３１とサブ電極部３２とは、ヒータ基板１１を貫通するスルーホール１３１を介して互いに接続されている。また、メイン発熱部２１とメイン電極部２２とは、上記リード部２３及びスルーホール１３２を介して接続されている。
【００３０】
また、図２、図４に示すごとく、上記一対のメイン電極部２２には、リード線１２がそれぞれ、導電性のろう材１２１により接合されている。同様に、上記一対のサブ電極部３２にも、リード線１３がそれぞれ接合されている。
また、例えば、上記メインヒータパターン２及びサブヒータパターン３は、Ｗ（タングステン）を主成分とし、上記ろう材１２１は、Ａｕ（金）とＣｕ（銅）を主成分とし、上記リード線１２、１３は、Ｎｉ（ニッケル）を主成分とする。また、上記サブ発熱部３１は、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）発熱体により構成することができる。
【００３１】
上記セラミックヒータ１は、図５に示すごとく、ガスセンサ素子４５を加熱するために用いられる。即ち、セラミックヒータ１は、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するためのガスセンサ４に組み込まれている。
【００３２】
次に、本例のガスセンサ４について詳細に説明する。
図５に示すごとく、ガスセンサ４は、筒型のハウジング４０と該ハウジング４０に挿通したコップ型のガスセンサ素子４５と、上記ハウジング４０の先端側に設けた外側カバー４１１と内側カバー４１２とからなる被測定ガス側カバー４１と、上記ハウジング４０の基端側に設けた大気側カバー４２とを有する。
【００３３】
上記被測定ガス側カバー４１の内部は被測定ガス雰囲気４１０を構成し、ここに導入された排ガスに基づいて、上記ガスセンサ素子４５が酸素濃度測定を行う。
上記大気側カバー４２の基端側は撥水フィルタ４２２を介して外側カバー４２１がかしめ固定されている。大気側カバー４２の最も基端側の内部には弾性絶縁部材４４３がかしめ固定されている。
大気側カバー４２の内部は大気雰囲気４２０を構成し、後述するガスセンサ素子４５の大気室に対しては、ここから大気が導入される。
【００３４】
上記ハウジング４０の内部には上記ガスセンサ素子４５が挿通されるが、両者の間には粉末シール材４３１、絶縁部材４３２が配置され、気密性、液密性が確保されている。
上記絶縁部材４３２の基端側はリング状部材４３４を介して、上記ハウジング４０の基端側が内側に曲げられて、かしめられている。
上記大気側カバー４２の内部であって、上記弾性絶縁部材４４３の下方には、大気側絶縁碍子４４２が皿バネ４４１によって支承されている。
【００３５】
上記ガスセンサ素子４５は、有底筒型の固体電解質体４９の外側面と内側面にそれぞれ外側電極と内側電極とを設けてなる（図示略）。
固体電解質体４９の内部は大気室４９０として使用され、該大気室４９０の内部に別体として構成したセラミックヒータ１が配置される。
【００３６】
また、ガスセンサ素子４５には、外側電極、内側電極とそれぞれ電気的に導通する接触端子４７１、４７２が設けてあり、該接触端子４７１、４７２は大気側絶縁碍子４４２内部において、接続端子４７３、４７４を介して外部リード線４０３、４０４に接続される。上記接触端子４７２は、セラミックヒータ１を保持するヒータホルダ４６を設けてなる。
また、上記セラミックヒータ１のメイン電極部２２に接続されたリード線１２は、上記大気側絶縁碍子４４２の内部において接続端子４５１を介して外部リード線４０１に接続される。
【００３７】
ガスセンサ４においては、撥水フィルタ４２２を介して大気側カバー４２の内側に外気が導入される。
そして、エンジン起動に伴い、ガスセンサ４による被測定ガス中の特定ガス（酸素）濃度の測定が開始される。このとき、エンジンからの排ガスは、ガスセンサ４の被測定ガス側カバー４１内に入ると共に、その一部が粉末シール材４３１及び絶縁部材４３２をすり抜け、セラミックヒータ１のメイン電極部２２に達することがある。粉末シール材４３１及び絶縁部材４３２は、被測定ガス側と大気側との間の気密性、液密性を確保するものの、若干の漏れが生じることもあるからである。
【００３８】
それ故、メイン電極部２２の周辺には、図６の曲線Ａに示すごとく、エンジン起動時（ｔ＝０）よりも前から外気が存在し、曲線Ｂに示すごとく、エンジン起動に伴い排ガスが侵入する。また、排ガスが侵入した分、メイン電極部２２の周辺における外気の量は若干減少している（曲線Ａ）。
【００３９】
また、エンジン起動時に、セラミックヒータ１のメインヒータパターン２に電力が供給され、メイン発熱部２１によってガスセンサ素子４５を昇温する。また、メイン発熱部２１の熱は、メイン電極部２２にも伝導して、メイン電極部２２も徐々に昇温する。
一方、サブヒータパターン３にも通電することにより、サブ発熱部３１によってメイン電極部２２の昇温を促進し、より短時間で１００℃以上にする（曲線Ｃ１）。これにより、サブヒータパターン３がない場合には、図６の曲線Ｃ０に示すごとく、メイン電極部２２を１００℃まで昇温するのに例えば約２分かかるところを、サブヒータパターン３を用いることにより、図６の曲線Ｃ１に示すごとく、例えば約１０秒にてメイン電極部２２を１００℃まで昇温する。
【００４０】
また、上記サブ発熱部３１は、図６の曲線Ｃ２に示すごとく、上記メインヒータパターン２への通電前（例えば約２０秒前）にメイン電極部２２を加熱することもできる。即ち、エンジン起動前にサブヒータパターン３への通電を行い、メイン電極部２２を昇温しておくこともできる。
【００４１】
なお、図６において、曲線Ａはメイン電極部２２周辺への外気の導入量の時間変化を表し、曲線Ｂはメイン電極部２２周辺への排ガスの侵入量の時間変化を表す。また、曲線Ｃ０はサブ発熱部３１を用いない場合のメイン電極部２２の温度の時間変化を表し、曲線Ｃ１はサブ発熱部３１をエンジン起動と共に通電した場合のメイン電極部２２の温度の時間変化を表し、曲線Ｃ２はサブ発熱部３１をエンジン起動に先立って通電開始した場合のメイン電極部２２の温度の時間変化を表す。
【００４２】
次に、本例の作用効果につき説明する。
上記セラミックヒータ１は、図１、図３に示すごとく、上記メイン電極部２２を加熱するためのサブ発熱部３１を有するサブヒータパターン３を設けてなる。そのため、上記メイン電極部２２を加熱することができ、メイン電極部２２への水分の付着を防止することができる。また、メイン電極部２２に水分が付着したとしても、サブ発熱部３１によりメイン電極部２２を加熱して、水分を蒸発除去することができる。それ故、腐食要因となる水分を除去することで腐食環境を排除することが可能となりメイン電極部２２の腐食を防ぎ、セラミックヒータ１の耐久性を向上させることができる。
即ち、例えば、メイン電極部２２とろう材１２１との界面や、ろう材１２１とリード線１２との界面における腐食を防ぎ、リード線１２の離脱を防止することができる。
【００４３】
また、図６の曲線Ｃ１、Ｃ２に示すごとく、エンジン起動から短時間で、メイン電極部２２の温度を１００℃以上に昇温することができるため、水分が付着した状態でメイン電極部２２が排ガスに曝される時間を大幅に短縮し、或いは無くすことができる。これにより、メイン電極部２２における腐食環境を排除することができる。
【００４４】
即ち、仮にサブ発熱部３１がないとした場合には、図６の曲線Ｃ０に示すごとく、メイン電極部２２の温度が１００℃に達するまでには、エンジン起動から例えば約２分という時間がかかる。この間、メイン電極部２２には水分が残っている可能性がある。そして、図６に示すごとく、排ガスがガスセンサ４内に漏れメイン電極部２２付近に達することとなる。そうすると、水分が付着したメイン電極部２２に排ガス中の腐食原因物質が付着するなどして、腐食環境が形成されるおそれがある。
これに対し、本例によれば、上述のごとく、メイン電極部２２における腐食環境を排除することができる。
【００４５】
また、メイン電極部２２を予め加熱しておくことにより、セラミックヒータ１の起動時において、メイン発熱部２１の発熱により素早く高温に達する部分と、その発熱部からの熱伝導により温度が遅れて上昇、均衡するメイン電極部２２を含むその他の部分における冷熱ストレスの発生を緩和、抑制することができる。これにより、セラミックヒータ１の耐久性を向上させることができる。
また、一対のサブ電極部３２は、メイン電極部２２とは別個に形成してあるため、上記サブ発熱部３１を、メイン発熱部２１から独立して制御することが容易となる。
【００４６】
そして、上記サブ発熱部３１は、メインヒータパターン２への通電前にメイン電極部２２を加熱することもできる。これにより、上記メインヒータパターン２への通電開始時において、上記メイン電極部２２の温度を水分（水環境）が存在しない程度に高くしておくことができる。それ故、ガスセンサ３１の起動時に排ガス中の腐食原因物質がメイン電極部２２に達する際には、水分がメイン電極部２２に存在しない状態にすることが容易となる。その結果、腐食要因となる水分を除去することで腐食環境を排除することが可能となり、より確実にメイン電極部２２の腐食を防止することができる。
【００４７】
また、メインヒータパターン２への通電前に、メイン電極部２２を予め加熱しておくことにより、上述のごとくセラミックヒータ１の冷熱ストレスの発生を緩和、抑制することができ、耐久性を向上させることができる。
【００４８】
また、上記サブ発熱部３１としてＰＴＣ発熱体を用いる場合、サブ発熱部３１の過熱を防いでメイン電極部２２の過熱を防ぐことができる。即ち、上記サブ発熱部３１の温度が約２００℃よりも高くならないように制御することができる（図６の曲線Ｃ１、Ｃ２参照）。また、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）発熱体は発熱とともにＰＴＣ発熱体自身の抵抗が増加し自ら到達温度が抑制される特性を有するため、サブヒータの温度制御系を簡略化できる。
【００４９】
以上のごとく、本例によれば、耐久性に優れたセラミックヒータ及びこれを用いたガスセンサを提供することができる。
【００５０】
（実施例２）
本例は、図７に示すごとく、メインヒータパターン２が形成されたヒータ基板１１とは別個のサブヒータ基板１１０にサブ発熱部３１を形成したセラミックヒータ１の例である。
上記サブヒータ基板１１０は、上記ヒータ基板１１の内側面１１２に張り合わされる。そして、サブヒータ基板１１０とヒータ基板１１とを張り合わせた状態で、心棒１９に巻き付けられている（図２参照）。
【００５１】
上記サブ発熱部３１は、サブヒータ基板１１０の内側面、即ちヒータ基板１１との接触面とは反対側の面に形成されている。また、サブ発熱部３１は、メイン電極部２２の配設位置付近の裏側部分に配置されている。そして、サブ発熱部３１は、サブヒータ基板１１０及びヒータ基板１１を貫通するスルーホール１３１を介して、サブ電極部３２に電気的に接続されている。
その他は、実施例１と同様である。
【００５２】
本例の場合には、メインヒータパターン２の配線位置に関わらず、サブ発熱部３１を配線することができるため、メイン電極部２２の対応位置に容易かつ充分に配線することができる。これにより、メイン電極部２２の昇温を効率的に行うことができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００５３】
（実施例３）
本例は、図８、図９に示すごとく、メイン電極部２２とサブ電極部３２とを、互いに、セラミックヒータ１の長手方向にずらして配置した例である。
即ち、サブ電極部３２を、メイン電極部２２よりもセラミックヒータ１の先端側にずらした位置にオフセット配置する。
その他は、実施例１と同様である。
【００５４】
本例の場合には、メイン電極部２２とサブ電極部３２とを、互いの電気的絶縁を確保しつつ容易に形成することができる。また、メイン電極部２２とサブ電極部３２とを、充分な大きさに形成することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００５５】
（実施例４）
本例は、図１０に示すごとく、メイン電極部２２とサブ電極部３２とを、互いに、セラミックヒータ１の長手方向にずらして配置すると共に、メインヒータパターン２が形成されたヒータ基板１１とは別個のサブヒータ基板１１０にサブ発熱部３１を形成したセラミックヒータ１の例である。
即ち、上記実施例３と同様のメインヒータパターン２及びサブ電極部３２を形成したセラミックヒータ１において、上記実施例２と同様に、サブヒータ基板１１０を用いたものである。
本例の場合には、実施例２及び実施例３と同様の作用効果を有する。
【００５６】
（実施例５）
本例は、図１１、図１２に示すごとく、一対のメイン電極部２２の一方と、一対のサブ電極部３２の一方とを共通化した共通電極１４を１個有するセラミックヒータ１の例である。
上記共通電極１４を構成しない方のサブ電極部３２は、セラミックヒータ１の長手方向の略中央部分に配設されている。そして、このサブ電極部３２は、セラミックヒータ１をガスセンサ内に保持するためのヒータホルダ（図５の符号４６参照）と接続される。
該ヒータホルダは、ガスセンサ素子（図５の符号４５参照）のセンサ端子にも接続されている。
【００５７】
また、サブ発熱部３２は、図１２に示すごとく、メインヒータパターン２のリード部２３に接続されている。これにより、メイン電極部２２がサブ電極部３２としても機能し、上記共通電極１４となる。
その他は、実施例１と同様である。
【００５８】
本例の場合には、形成する電極の数を実質的に減らすことができるため、メイン電極部２２及びサブ電極部３２の形成が容易となる。また、上記ヒータホルダを介してサブヒータパターン３に電力を供給することができるため、ガスセンサの構造を簡略化することができる。
また、サブ電極部３２とセンサ端子とを共通化することができるため、ガスセンサの構造を更に簡略化することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００５９】
（実施例６）
本例は、図１３に示すごとく、一対のメイン電極部２２の一方と、一対のサブ電極部３２の一方とを共通化した共通電極１４を１個有すると共に、メインヒータパターン２が形成されたヒータ基板１１とは別個のサブヒータ基板１１０にサブ発熱部３１を形成したセラミックヒータ１の例である。
即ち、上記実施例５と同様のメインヒータパターン２及びサブ電極部３２を形成したセラミックヒータ１において、上記実施例２と同様に、サブヒータ基板１１０を用いたものである。
その他は、実施例１と同様である。
本例の場合には、実施例５及び実施例３と同様の作用効果を有する。
【００６０】
（実施例７）
本例は、図１４、図１５に示すごとく、一対のメイン電極部２２と一対のサブ電極部３２とをそれぞれ共通化した、一対の共通電極１４０を有するセラミックヒータ１の例である。
また、サブ発熱部３２は、図１５に示すごとく、メインヒータパターン２のリード部２３に接続されている。これにより、メイン電極部２２がサブ電極部３２としても機能し、上記共通電極１４０となる。
その他は、実施例１と同様である。
【００６１】
本例の場合には、メイン電極部２２と異なる部分に特別にサブ電極部３２を形成する必要がなく、サブヒータパターン３を容易に形成することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００６２】
（実施例８）
本例は、図１６に示すごとく、一対のメイン電極部２２と一対のサブ電極部３２とをそれぞれ共通化した一対の共通電極１４０を有すると共に、メインヒータパターン２が形成されたヒータ基板１１とは別個のサブヒータ基板１１０にサブ発熱部３１を形成したセラミックヒータ１の例である。
即ち、上記実施例７と同様のメインヒータパターン２及びサブ電極部３２を形成したセラミックヒータ１において、上記実施例２と同様に、サブヒータ基板１１０を用いたものである。
その他は、実施例１と同様である。
本例の場合には、実施例７及び実施例３と同様の作用効果を有する。
【００６３】
（実施例９）
本例は、図１７に示すごとく、積層型のガスセンサ素子５に、本発明のセラミックヒータ１０を適用した例である。なお、図１７はガスセンサ５を各構成要素にばらした状態を描いた展開斜視図である。後述する図１８、図１９も同様である。
本例におけるセラミックヒータ１０は、平板状のヒータ基板１１の一方の面１１４にメインヒータパターン２のメイン発熱部２１とリード部２３とを形成し、他方の面１１５にサブヒータパターン３のサブ発熱部３１を形成してなる。
【００６４】
また、ヒータ基板１１の一方の面１１４には、メインヒータパターン２を覆う第１被覆基板１５が積層されており、ヒータ基板１１の他方の面１１５には、サブヒータパターン２を覆う第２被覆基板１６が積層されている。そして、該第２被覆基板１６は、ヒータ基板１１とは反対側の面に、一対のメイン電極部２２及び一対のサブ電極部３２が形成してある。
【００６５】
上記メイン電極部２２には、メイン発熱部２１及びリード部２３が、ヒータ基板１１及び第２被覆基板１６を貫通するスルーホール１３２を介して電気的に接続されている。また、上記サブ電極部３２には、サブ発熱部３１が、第２被覆基板１６を貫通するスルーホール１３１を介して電気的に接続されている。
そして、上記サブ発熱部３１は、第２被覆基板１６におけるメイン電極部２２の配設位置付近の裏側に配設され、メイン電極部２２を加熱できるよう構成されている。
【００６６】
上記ガスセンサ素子５は、固体電解質板５１と該固体電解質板５１の表面に設けて被測定ガスに曝される被測定ガス側電極５５及び基準ガスに曝される基準ガス側電極５６とよりなるセンサセル５０を有する。そして、一体的にセラミックヒータ１０が積層されている。
【００６７】
図１７に示すごとく、固体電解質板５１は、基準ガス室形成用のスペーサ５２を介して、セラミックヒータ１０の第１被覆基板１５に積層されている。
また、固体電解質板５１に設けた被測定ガス側電極５５を覆うように、電極保護膜５７が積層される。
固体電解質板５１の他方の面には基準ガス側電極５６が設けてあり、該基準ガス側電極５６は基準ガス室に対面する。
【００６８】
上記被測定ガス側電極５５及び基準ガス側電極５６には出力取出し用のリード部５５１、５６１及び端子５５２、５６２がそれぞれ設けてある。
上記スペーサ５２はコ字状に構成されており、該スペーサ５２とセラミックヒータ１０における第１被覆基板１５とによって、基準ガス室が構成される。
その他は、実施例１と同様であり、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００６９】
（実施例１０）
本例は、図１８に示すごとく、一対のメイン電極部２２の一方と、一対のサブ電極部３２の一方とを共通化した共通電極１４を１個有するセラミックヒータ１０を用いた積層型のガスセンサ素子５の例である。
その他は、実施例９と同様である。
本例の場合には、形成する電極の数を実質的に減らすことができるため、メイン電極部２２及びサブ電極部３２の形成が容易となる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００７０】
（実施例１１）
本例は、図１９に示すごとく、メイン発熱部２１及びサブ発熱部３１を共に、ヒータ基板１１の一方の面１１４に形成したセラミックヒータ１０を用いた積層型のガスセンサ素子５の例である。
メイン発熱部２１とサブ発熱部３１とは、互いに短絡しないよう、電気的絶縁を確保できる状態に配線してある。
【００７１】
また、本例のセラミックヒータ１０は、実施例９、１０において示した第２被覆基板１６（図１７、図１８参照）を有しない。そして、ヒータ基板１１の他方の面１１５に、メイン電極部２２、サブ電極部３２、及び共通電極１４が形成されている。該共通電極１４は、メイン電極部２２及びサブ電極部３２として機能する。
その他は、実施例１と同様である。
【００７２】
本例の場合には、実施例９、１０に示した第２被覆基板１６（図１７、図１８参照）を設ける必要がないため、セラミックヒータ１０の材料コストの低減、生産性の向上を図ることができる。
また、実施例１０の場合と同様に、形成する電極の数を実質的に減らすことができるため、メイン電極部２２及びサブ電極部３２の形成が容易となる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００７３】
（実施例１２）
本例は、図２０に示すごとく、メインヒータパターンへの通電前に、サブ発熱部がメイン電極部を加熱し、上記メインヒータパターンへの通電開始前に、サブヒータパターンへの通電を終了するよう構成した例である。
即ち、サブヒータパターンに接続されたサブヒータ制御回路と、メインヒータパターンに接続されたメインヒータ制御回路が、例えば以下のごとく各パターンへの通電を制御する。
【００７４】
まず、図２０に示すごとく、運転手が乗込む際に自動車のドアを開けたとき（ｔ０）に、そのドアの開放を検知して、サブヒータパターンへの通電を開始する（曲線Ｄ）。これにより、メイン電極部を１００℃以上に上昇させ、水環境を除去する（曲線Ｆ）。
そして、あらかじめ設定した通電時間や投入電力量などを検知したとき（ｔ１）、サブヒータパターンへの通電を終了する（曲線Ｄ）。
次いで、エンジン起動（ｔ２）と同時にメインヒータパターンへの通電を開始する（曲線Ｅ）。また、このとき、ガスセンサによる特定ガス濃度の検知を開始する。
【００７５】
サブヒータパターンへの通電終了（ｔ１）後、メインヒータパターンへの通電開始（ｔ２）までの間、メイン電極部の温度は若干下がるが、１００℃以上の状態は維持している（曲線Ｆ）。
また、メインヒータパターンへの通電により、メイン発熱部の温度が上昇し、例えば６００〜９００℃に達した状態で飽和する（曲線Ｇ）。
一方、メイン電極部の温度も、メイン発熱部からの伝熱により、再び徐々に上昇し、例えば２００〜４００℃に達した状態で飽和する（曲線Ｆ）。
図２０において、Ｔ１、Ｔ２がそれぞれメイン発熱部及びメイン電極部の飽和温度である。後述する図２１〜図２３においても同様である。
その他は、実施例１と同様である。
【００７６】
本例の場合には、メイン電極部の過熱を防止することができ、メイン電極部とリード線とのろう付け接合部の劣化を防ぐことができる。また、不要な電力をサブヒータパターンへ供給しないため、省電力化を図ることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００７７】
（実施例１３）
本例は、図２１に示すごとく、メインヒータパターンへの通電開始と同時に、サブヒータパターンへの通電を終了するよう構成したセラミックヒータ。
即ち、エンジン起動（ｔ２）と同時にメインヒータパターンへの通電を開始すると共に、サブヒータパターンへの通電を終了する（曲線Ｅ、Ｄ）。
その他は、実施例１２と同様である。
【００７８】
本例の場合には、エンジン起動の信号を検知することにより、メインヒータパターンへの通電開始とサブヒータパターンへの通電の終了を行うことができるため、制御の簡素化を図ることができる。
また、実施例５（図１１、図１２）に示したような、ガスセンサ素子のセンサ端子とサブ電極部とを共通化したガスセンサにおいて、温度制御を容易に行うことができる。即ち、エンジン起動前においては、サブ電極部からサブヒータパターンへ電力を供給し、エンジン起動後は、上記サブ電極部がガスセンサ素子のセンサ端子として機能し、センサ出力を取り出すことができる。
その他、実施例１２と同様の作用効果を有する。
【００７９】
（実施例１４）
本例は、図２２に示すごとく、エンジン起動前にサブ発熱部がメイン電極部を１００℃以上の設定温度に維持し、エンジン起動と同時に、サブヒータパターンへの通電を終了するよう構成した例である。
即ち、エンジン起動前において、実施例１２と同様に、サブヒータパターンに通電し、曲線Ｆに示すごとくメイン電極部を１００℃以上の所定温度（例えば１５０℃）に到達させた後（ｔ３の後）、この所定温度を維持するよう、サブヒータパターンへの通電の入り切りを制御する（領域Ｄ１）。
そして、エンジン起動（ｔ２）と同時に、メインヒータパターンへの通電を開始すると共に、サブヒータパターンへの通電を終了する（曲線Ｅ、Ｄ）。
その他は、実施例１３と同様である。
【００８０】
本例の場合には、メイン電極部の過熱をより確実に防止すると共に水環境を確実に排除することができる。
その他、実施例１３と同様の作用効果を有する。
【００８１】
（実施例１５）
本例は、図２３に示すごとく、サブ発熱部によって、メイン発熱部の昇温に伴うメイン電極部の昇温速度が６℃／秒以下となるように、メインヒータパターンへの通電前にメイン電極部を昇温させておく例である。
【００８２】
まず、実施例１２と同様に、エンジン起動（ｔ２）前において、サブ発熱部により、メイン電極部を昇温させる（曲線Ｆ）。その後、メイン発熱部の昇温に伴うメイン電極部の昇温速度が６℃／秒以下となるような温度となる時点（ｔ４）まで、昇温を継続する（曲線Ｆ）。なお、エンジン起動の後も昇温を続けてもよく、メインヒータパターンへの通電開始（ｔ２）後も続けてもよい。
その他は、実施例１２と同様である。
【００８３】
本例の場合には、上記メイン発熱部の昇温に伴うメイン電極部の昇温によりメイン電極部に接合した接合部材（リード線１２、ろう材１２１等（図４参照））とセラミックヒータ本体との間に発生する冷熱ストレスを充分に抑制することができる。
即ち、メイン発熱部の発熱に伴って、メイン電極部が伝熱により昇温する。このとき、メイン電極部が配されたヒータ基板のセラミック材料と、ろう材及びリード線の金属材料との間の熱膨張差に起因して応力が発生する。発生する応力は昇温速度に比例するため、メイン電極部の昇温速度を変えることでこれを制御することができる。
そこで、上記のごとく、メインヒータパターンへの通電前に、予めサブ発熱部によってメイン電極部を昇温させておいて、メイン発熱部の昇温に伴うメイン電極部の昇温速度を低減させることにより、上記の発生応力を低減させることができる。
【００８４】
例えば、メイン発熱部の最高到達温度が９００℃の場合、メイン電極部の最高到達温度が３４５℃となる。この最高到達温度までの到達時間が４０秒の場合、メイン発熱部の発熱に伴う昇温速度は、仮にサブヒータによる予熱を行わない場合（ＲＴ２５℃からメイン発熱部の昇温に伴う昇温を行う場合）には、約８℃／秒である。
これに対し、サブヒータを用いて、メイン電極部の温度を事前に１５０℃まで上昇させておくと、メイン発熱部の発熱に伴う昇温速度は約４．９℃／秒と緩やかにすることができる。そして、こ場合、充分にメイン電極部に接合した接合部材とセラミックヒータ本体との間に発生する冷熱ストレスを抑制することができる。
その他、実施例１２と同様の作用効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】実施例１における、セラミックヒータの模式図。
【図２】実施例１における、セラミックヒータの正面図。
【図３】実施例１における、セラミックヒータの展開図。
【図４】実施例１における、メイン電極部とリード線との接合部分付近の断面図。
【図５】実施例１における、ガスセンサの縦断面図。
【図６】実施例１における、メイン電極部の温度、外気の導入量、及び排ガスの導入量の変化を表す線図。
【図７】実施例２における、セラミックヒータの展開図。
【図８】実施例３における、セラミックヒータの正面図。
【図９】実施例３における、セラミックヒータの展開図。
【図１０】実施例４における、セラミックヒータの展開図。
【図１１】実施例５における、セラミックヒータの正面図。
【図１２】実施例５における、セラミックヒータの展開図。
【図１３】実施例６における、セラミックヒータの展開図。
【図１４】実施例７における、セラミックヒータの正面図。
【図１５】実施例７における、セラミックヒータの展開図。
【図１６】実施例８における、セラミックヒータの展開図。
【図１７】実施例９における、ガスセンサ素子の展開斜視図。
【図１８】実施例１０における、ガスセンサ素子の展開斜視図。
【図１９】実施例１１における、ガスセンサ素子の展開斜視図。
【図２０】実施例１２における、サブヒータパターン及びメインヒータパターンへの通電の制御と、メイン発熱部及びメイン電極部の温度変化を表す線図。
【図２１】実施例１３における、サブヒータパターン及びメインヒータパターンへの通電の制御と、メイン発熱部及びメイン電極部の温度変化を表す線図。
【図２２】実施例１４における、サブヒータパターン及びメインヒータパターンへの通電の制御と、メイン発熱部及びメイン電極部の温度変化を表す線図。
【図２３】実施例１５における、サブヒータパターン及びメインヒータパターンへの通電の制御と、メイン発熱部及びメイン電極部の温度変化を表す線図。
【図２４】従来例における、セラミックヒータの正面図。
【図２５】従来例における、電極部とリード線との接合部分付近の断面図。
【図２６】従来例における、セラミックヒータの展開図。
【符号の説明】
【００８６】
１、１０  セラミックヒータ
１１  ヒータ基板
２  メインヒータパターン
２１  メイン発熱部
２２  メイン電極部
２３  リード部
３  サブヒータパターン
３１  サブ発熱部
３２  サブ電極部
４  ガスセンサ
４５、５  ガスセンサ素子
【図１】
2006032101.tif 000003
【図２】
2006032101.tif 000004
【図３】
2006032101.tif 000005
【図４】
2006032101.tif 000006
【図５】
2006032101.tif 000007
【図６】
2006032101.tif 000008
【図７】
2006032101.tif 000009
【図８】
2006032101.tif 000010
【図９】
2006032101.tif 000011
【図１０】
2006032101.tif 000012
【図１１】
2006032101.tif 000013
【図１２】
2006032101.tif 000014
【図１３】
2006032101.tif 000015
【図１４】
2006032101.tif 000016
【図１５】
2006032101.tif 000017
【図１６】
2006032101.tif 000018
【図１７】
2006032101.tif 000019
【図１８】
2006032101.tif 000020
【図１９】
2006032101.tif 000021
【図２０】
2006032101.tif 000022
【図２１】
2006032101.tif 000023
【図２２】
2006032101.tif 000024
【図２３】
2006032101.tif 000025
【図２４】
2006032101.tif 000026
【図２５】
2006032101.tif 000027
【図２６】
2006032101.tif 000028