(57)【要約】【課題】クラックや断線等の不具合を生じることなく、迅速にセンサを加熱することができるセンサ用セラミックヒータ及び酸素センサを提供すること。【解決手段】発熱パターン２２は、第１のアルミナ基板１５と第２のアルミナ基板２１とに挟まれている。この発熱パターン２２は、基板先端側にて６列となる様に蛇行する発熱部２５と、発熱部２５の左右端部から基板根元側（基端側）に伸びる一対のリード部２６とから構成されている。特に、発熱部２５の先端部２５ａの線幅が基端部２５ｂの線幅より大きくなる様に設定されることによって、発熱部２５の先端部２５ａの抵抗値が基端部２５ｂの抵抗値より小さく設定されている。これによって、発熱部２５の先端部２５ａの発熱量が基端部２５ｂの発熱量よりも小さくなる。【選択図】　図３
2004006345.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基体に、該セラミック基体の長手方向に旋回した発熱部と該発熱部から伸びるリード部とからなる発熱パターンを形成したセンサ用セラミックヒータにおいて、
前記発熱パターンの先端部の単位長さ当りの抵抗値を、前記発熱パターンの基端部の単位長さ当りの抵抗値より小さく設定したことを特徴とするセンサ用セラミックヒータ。
【請求項２】
前記先端部の線幅を、前記基端部の線幅より太く設定したことを特徴とする前記請求項１記載のセンサ用セラミックヒータ。
【請求項３】
セラミック基体に、該セラミック基体の長手方向に蛇行した発熱部と該発熱部から伸びるリード部とからなる発熱パターンを形成したセンサ用セラミックヒータにおいて、
前記発熱パターンの中央部における前記長手方向の長さを該発熱パターンの側辺部における該長手方向の長さより短く設定するとともに、該中央部を前記基端部側に寄せて配置し、且つ該中央部の線幅を前記側辺部の線幅より太く設定したことを特徴とするセンサ用セラミックヒータ。
【請求項４】
前記発熱パターンの中央部の長手方向における長さを、前記発熱パターンの側辺部の長手方向における長さの９０％以下に設定したことを特徴とする前記請求項３記載のセンサ用セラミックヒータ。
【請求項５】
前記発熱パターンの中央部における前記長手方向の長さを、該発熱パターンの側辺部における長手方向の長さの８０％以下に設定したことを特徴とする前記請求項３記載のセンサ用セラミックヒータ。
【請求項６】
前記発熱パターンの中央部の線間隔を、該発熱パターンの側辺部の線間隔より広く設定したことを特徴とする前記請求項３〜５のいずれか記載のセンサ用セラミックヒータ。
【請求項７】
前記先端部の線幅を、前記基端部の線幅より太く設定したことを特徴とする前記請求項３〜６のいずれか記載のセンサ用セラミックヒータ。
【請求項８】
前記発熱パターンの先端部の線厚を、該発熱パターンの基端部の線厚より厚く設定したことを特徴とする前記請求項３〜７のいずれか記載のセンサ用セラミックヒータ。
【請求項９】
前記発熱パターンの先端部を、該発熱パターンの基端部より比抵抗の小さい抵抗材料によって形成したことを特徴とする前記請求項３〜８のいずれか記載のセンサ用セラミックヒータ。
【請求項１０】
感ガス素子及び該感ガス素子に接続された出力取出部を有する検出部と、該感ガス素子を囲む様に配置されたヒータと、をセラミック基体に備え、該セラミック基体の基端部側を固定して金属ケースに収納した酸素センサにおいて、
前記セラミック基体の先端部の発熱量を、該セラミック基体の基端部の発熱量より小さくしたことを特徴とする酸素センサ。
【請求項１１】
前記感ガス素子が酸素濃度に対して抵抗値が変化する金属酸化物であり、前記ヒータが前記出力取出部と略同一面上に形成されていることを特徴とする前記請求項１０記載の酸素センサ。
【請求項１２】
前記感ガス素子が酸素濃度に対して起電力が変化する金属酸化物であり、前記ヒータが前記出力取出部と異なる面上に形成されていることを特徴とする前記請求項１０記載の酸素センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車等の内燃機関の酸素センサなどに使用されるセンサ用セラミックヒータ、及びこのセンサ用セラミックヒータを備えた酸素センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、セラミック基体内に、Ｐｔ又はＷからなる導電性抵抗体を発熱パターンとして備えた積層型板状ヒータ（以下単にセラミックヒータと記す）は、酸素センサ用又は汎用加熱器用として広く使用されている。
【０００３】
例えば図２０（ａ）に示す様に、チタニア等の金属酸化物感応体を感ガス素子Ｐ１として使用する板状の酸素センサ素子Ｐ０には、酸素センサ素子用シートＰ２と積層されて一体に形成されたセラミックヒータＰ３が使用されている。このセラミックヒータＰ３としては、例えば図２０（ｂ），（ｃ）に示す様に、蛇行状又はコの字状の発熱部Ｐ４と発熱部Ｐ４から伸びる一対のリード部Ｐ５とからなる発熱パターンＰ６を、セラミック基板Ｐ７上に形成したものが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このセラミックヒータＰ３には下記（１），（２）の様な問題があり、その解決が望まれていた。
（１）酸素センサ素子Ｐ０を金属ケースに収納する場合には、金属ケースによる熱引きによって、セラミックヒータＰ３のセラミック基板Ｐ７の先端部と根元側（基端部）とで温度差が生じる。つまり、セラミックヒータＰ３の先端部は周囲への熱放射によって温度が低下し、一方基端部は熱伝導によって温度が低下するが、熱伝導による温度低下の方が大きいために、基端部の温度の方が大きく低下する。特に、金属ケースの熱容量が大きい場合は、その傾向がより大きい。そのため、感ガス素子Ｐ１の素子温を一定範囲に保つために、その温度低下を見越して予め大きめの電圧を印加するが、その結果として、先端部では異常に高温となってしまい、発熱部Ｐ４の先端部で断線が生じる恐れがあるという問題があった。
【０００５】
また、これとは別に、固体電解質のジルコニアを使用した積層型センサの場合には、セラミック基板Ｐ７の先端部が異常に発熱することによって、絶縁性が低下し、ブラックニングが発生して性能が低下するという問題があった。
（２）また近年では、特に米国における自動車の排気規制におけるＯＢＤ−ＩＩ（Ｏｎ　ｂｏａｒｄ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ）において、酸素センサ、触媒装置、制御センサ等の劣化を検出することが義務づけられており、それに伴う問題も生じている。
【０００６】
このＯＢＤ−ＩＩは、米国カリフォルニア州での１９９６年頃から施行されることが予測される環境保護法による規制であって、機関の排気が規制値を満たさなくなったとき、その規制値を満たさなくなったことを運転者に判る様に表示することが義務づけられている。そして、この表示系統に故障が発生すれば、そのことのみでリコールの対象とされるため、酸素センサ、触媒装置、制御センサ等の劣化を検知すること、及びこの検知する装置が長期間正確に機能することが非常に重要になっている。そのため、触媒装置の下流側にも診断用酸素センサを装着する必要があるが、その場合、下記の様な不具合が発生することがある。
【０００７】
つまり、機関始動時に触媒装置に溜った凝縮水が粒状に飛散し、触媒装置の下流側のヒータにより加熱された感ガス素子Ｐ１に付着することによって、感ガス素子Ｐ１が破壊されてしまう場合がある。このため、機関始動時にはヒータには通電せずに、凝縮水の飛散が激減する機関始動後３０秒後にヒータに通電して、感ガス素子Ｐ１を活性化する温度まで昇温させる必要が生ずる。その結果、感ガス素子Ｐ１が活性化する温度に達するまでは、実質的に空燃比の制御が正確になされないために、排気の浄化率が悪くなったり燃費が悪くなってしまう。
【０００８】
従って、なるべく早く感ガス素子Ｐ１が活性化する温度にまで昇温する必要があり、特に触媒装置の上流に装着された通常の空燃比制御用センサは、機関始動後５０秒ほどで活性化温度に達するので、診断用酸素センサもこの時間内つまり通電開始後２０秒以内に活性化することが望まれている。
【０００９】
この対策として、酸素センサ素子Ｐ０に用いられる（前記図２０の様な）セラミックヒータＰ３に対して、従来の印加電圧より大きな印加電圧を加えて迅速に昇温を行なうことが考えられるが、この場合には、急な温度変化のために、上述したセラミック基板Ｐ７の先端部と基端部との間に一層大きな温度差が生じてしまう。つまり、迅速に昇温を行なう場合には、従来より一層断線やブラックニングの問題が顕著になるという大きな問題があった。
【００１０】
また、触媒後方部に位置する酸素センサにおいては、前輪からの飛水又は飛石等による熱衝撃又は機械的衝撃を防ぐため、図１に示す様に、セラミックスリーブを使用したり空間衝撃吸収帯を設ける等の構成を採用することができるが、その場合には、収容金具の熱容量が大きくなり、前記（１）の問題が助長される結果となる。
【００１１】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、クラックや断線等の不具合を生じることなく、迅速にセンサを加熱することができるセンサ用セラミックヒータ及び酸素センサを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための請求項１の発明は、
セラミック基体に、該セラミック基体の長手方向に旋回した発熱部と該発熱部から伸びるリード部とからなる発熱パターンを形成したセンサ用セラミックヒータにおいて、前記発熱パターンの先端部の単位長さ当りの抵抗値を、前記発熱パターンの基端部の単位長さ当りの抵抗値より小さく設定したことを特徴とするセンサ用セラミックヒータを要旨とする。
【００１３】
請求項２の発明は、
前記先端部の線幅を、前記基端部の線幅より太く設定したことを特徴とする前記請求項１記載のセンサ用セラミックヒータを要旨とする。
請求項３の発明は、
セラミック基体に、該セラミック基体の長手方向に蛇行した発熱部と該発熱部から伸びるリード部とからなる発熱パターンを形成したセンサ用セラミックヒータにおいて、前記発熱パターンの中央部における前記長手方向の長さを該発熱パターンの側辺部における該長手方向の長さより短く設定するとともに、該中央部を前記基端部側に寄せて配置し、且つ該中央部の線幅を前記側辺部の線幅より太く設定したことを特徴とするセンサ用セラミックヒータを要旨とする。
【００１４】
請求項４の発明は、
前記発熱パターンの中央部の長手方向における長さを、前記発熱パターンの側辺部の長手方向における長さの９０％以下に設定したことを特徴とする前記請求項３記載のセンサ用セラミックヒータを要旨とする。
【００１５】
請求項５の発明は、
前記発熱パターンの中央部における前記長手方向の長さを、該発熱パターンの側辺部における長手方向の長さの８０％以下に設定したことを特徴とする前記請求項３記載のセンサ用セラミックヒータを要旨とする。
【００１６】
請求項６の発明は、
前記発熱パターンの中央部の線間隔を、該発熱パターンの側辺部の線間隔より広く設定したことを特徴とする前記請求項３〜５のいずれか記載のセンサ用セラミックヒータを要旨とする。
【００１７】
請求項７の発明は、
前記先端部の線幅を、前記基端部の線幅より太く設定したことを特徴とする前記請求項３〜６のいずれか記載のセンサ用セラミックヒータを要旨とする。
請求項８の発明は、
前記発熱パターンの先端部の線厚を、該発熱パターンの基端部の線厚より厚く設定したことを特徴とする前記請求項３〜７のいずれか記載のセンサ用セラミックヒータを要旨とする。
【００１８】
請求項９の発明は、
前記発熱パターンの先端部を、該発熱パターンの基端部より比抵抗の小さい抵抗材料によって形成したことを特徴とする前記請求項３〜８のいずれか記載のセンサ用セラミックヒータを要旨とする。
【００１９】
請求項１０の発明は、
感ガス素子及び該感ガス素子に接続された出力取出部を有する検出部と、該感ガス素子を囲む様に配置されたヒータと、をセラミック基体に備え、該セラミック基体の基端部側を固定して金属ケースに収納した酸素センサにおいて、前記セラミック基体の先端部の発熱量を、該セラミック基体の基端部の発熱量より小さくしたことを特徴とする酸素センサを要旨とする。
【００２０】
請求項１１の発明は、
前記感ガス素子が酸素濃度に対して抵抗値が変化する金属酸化物であり、前記ヒータが前記出力取出部と略同一面上に形成されていることを特徴とする前記請求項１０記載の酸素センサを要旨とする。
【００２１】
請求項１２の発明は、
前記感ガス素子が酸素濃度に対して起電力が変化する金属酸化物であり、前記ヒータが前記出力取出部と異なる面上に形成されていることを特徴とする前記請求項１０記載の酸素センサを要旨とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
請求項１のセンサ用セラミックヒータでは、セラミック基体に形成された発熱パターンの先端部の単位長さ当りの抵抗値が、発熱パターンの基端部の単位長さ当りの抵抗値より小さく設定されている。従って、基端部からの熱伝導による熱引きが大きな場合でも、先端部と基端部との温度差が大きくならない。その結果、先端部が異常発熱することがなくなるので、先端部における発熱体の断線が防止される。
【００２３】
請求項２のセンサ用セラミックヒータでは、先端部の線幅がその基端部より太く設定されている。そのため、同じ電圧が印加された場合でも、先端部の発熱量が少なくなるので、前記請求項１と同様に、先端部と基端部との温度差が小さくなって、断線の発生が防止される。
【００２４】
請求項３のセンサ用セラミックヒータでは、蛇行する発熱パターンの中央部の長手方向の長さが、その側辺部の長手方向の長さより短く設定されるとともに、この中央部が基端部側に寄せて配置されている。例えば、発熱パターンの基端部側にて蛇行する位置が同じであるが、先端部側にて蛇行する位置が中央部のみ基端部側に寄っている。そのため、前記請求項１と同様に、先端部の発熱量が少なくなるので、先端部と基端部との温度差が小さくなる。更に、本発明では、発熱パターンの中央部の線幅が側辺部の線幅より太く設定されているので、中央部の発熱量が小さくなり、中央部と側辺部との温度差も小さくなって全体に均一化され、断線の発生が防止される。
【００２５】
請求項４のセンサ用セラミックヒータでは、発熱パターンの中央部の長手方向の長さが、その側辺部の長手方向の長さの９０％以下に設定されているので、即ち基端部の方がその発熱量が小さくなる様に設定されているので、前記請求項１と同様に、先端部と基端部との温度差が小さくなって、断線の発生が防止される。
【００２６】
尚、前記発熱パターンの中央部の長手方向の長さが、その側辺部の長手方向の長さの８０％以下に設定されている場合には、基端部の発熱量が更に小さくなるので、断線の防止に一層好適である。
請求項５のセンサ用セラミックヒータでは、発熱パターンの中央部における長手方向の長さが、その側辺部における長手方向の長さの８０％以下に設定されている。そのため、前記請求項３の場合よりも一層先端部の発熱量が少なくなるので、先端部と基端部との温度差が更に小さくなる。
【００２７】
請求項６のセンサ用セラミックヒータでは、発熱パターンの中央部の線間隔が、その側辺部の線間隔より広く設定されているので、前記請求項３と同様に、中央部と側辺部との温度差が小さくなって、断線の発生が防止される。
請求項７のセンサ用セラミックヒータでは、先端部の線幅が基端部の線幅より太く設定されているので、前記請求項３と同様に、先端部と基端部との温度差が小さくなって、断線の発生が防止される。
【００２８】
請求項８のセンサ用セラミックヒータでは、先端部の線厚が基端部の線厚より厚く設定されているので、先端部と基端部との温度差が小さくなって、断線の発生が防止される。
請求項９のセンサ用セラミックヒータでは、先端部が基端部より比抵抗の小さい抵抗材料によって形成されているので、先端部と基端部との温度差が小さくなって、断線の発生が防止される。
【００２９】
請求項１０の酸素センサでは、セラミック基体の先端部の発熱量がその基端部より小さくされているので、セラミック基体の固定された基端部側にて熱引きされても、先端部と基端部との温度差が大きくならない。その結果、先端部が異常発熱することがなくなるので、先端部における発熱体の断線が防止される。
【００３０】
請求項１１の酸素センサは、感ガス素子が酸素濃度に対して抵抗値が変化する例えばチタニアの様な金属酸化物であり、ヒータが出力取出部と略同一面上に形成されているが、この様なセンサにおいても、前記請求項１０と同様に、先端部と基端部との温度差が小さくなって、断線の発生が防止される。
【００３１】
請求項１２の酸素センサは、感ガス素子が酸素濃度に対して起電力が変化する例えばジルコニアの様な固体電解質であり、ヒータが出力取出部と異なる面上に形成されているが、この様なセンサにおいても、前記請求項１０と同様に、先端部と基端部との温度差が小さくなって、断線の発生が防止される。
【００３２】
【実施例】
以下、本発明の実施例のセラミックヒータ及び酸素センサについて説明する。
（実施例１）
本実施例のセラミックヒータは、図１に示す様な酸素センサ１の酸素センサ素子２内に一体に形成されて用いられるものであり、この酸素センサ素子２は、ガラスシール３及びセラミックスリーブ４を介して金属ケース５内に固定されている。また、金属ケース５は、主体金具６の先端側に金属キャップ７が取り付けられ、主体金具６の基端側に内筒８及び外筒９が取り付けられたものである。尚、内筒８と外筒９との間には（飛石等の）衝撃吸収ゾーン５ａが設けられている。
【００３３】
図２に示す様に、前記酸素センサ素子２は、幅４ｍｍ×長さ４０ｍｍ×厚さ１．２ｍｍの柱状の素子であり、厚さ０．７ｍｍの板状の検出部１１と厚さ０．５ｍｍの板状のセラミックヒータ１２とが積層されたものである。
この検出部１１とは、厚さ０．５ｍｍの（アルミナ純度８５％の）第１のアルミナ基板（センサ基板）１５上に、チタニア等の金属酸化物感応体からなる感ガス素子１６と、感ガス素子１６と接するＰｔからなる一対の検出用電極１７と、検出用電極１７の大部分を覆う厚さ０．２ｍｍのアルミナ質よりなる絶縁シート１８とが配置されたものであり
、この絶縁シート１８は、感ガス素子１６と検出用電極１７とが接する電極面積を規定するとともに、感ガス素子１６と検出用電極１７とが接する部分以外を雰囲気から密封する。一方、セラミックヒータ１２とは、厚さ０．５ｍｍの第２のアルミナ基板２１上にＰｔからなる発熱パターン２２が設けられたものである。
【００３４】
従って、本実施例では、発熱パターン２２は、第１のアルミナ基板１５と第２のアルミナ基板２１とに挟まれるとともに、発熱パターン２２の発熱部２５と感ガス素子１６とは、第１のアルミナ基板１５を挟んで表裏面のほぼ同じ位置に配置されることになる。
【００３５】
また、図３に示す様に、第２のアルミナ基板２１上に設けられた発熱パターン２２は、基板先端側にて６列となる様に蛇行する発熱部２５と、発熱部２５の左右端部から基板根元側（基端側）に伸びる一対のリード部２６とから構成されている。
【００３６】
特に本実施例においては、発熱部２５の先端部２５ａの単位長さ当りの抵抗値が基端部２５ｂのそれよりも小さくなる様に、先端部２５ａの線幅と基端部２５ｂの線幅とが設定されている。
＜実験例１＞
次に、本実施例のセラミックヒータの効果を確認するために行った実験例１について説明する。
【００３７】
本実験例では、前記実施例１の構造のセラミックヒータ部分を使用した。つまり、実験に用いる試料として、第１のアルミナ基板と第２のアルミナ基板との間に発熱パターンが挟まれたセラミックヒータ（幅４．０ｍｍ×長さ４０．０ｍｍ×厚さ１．０ｍｍ）を作成した。
【００３８】
具体的には、セラミックヒータとして、その長手方向における、リード部の長さを２８ｍｍ、発熱部の長さを１０ｍｍ、発熱部の蛇行部分の長さを９ｍｍ、発熱部の線幅が太い先端部の長さを４ｍｍ、線幅が細い基端部の長さを５ｍｍとし、下記表１の様に、発熱部の先端部及び基端部の線幅（即ちその抵抗値）を違えた試料（Ｎｏ．１〜２）を各２５個づつ製造した。また、同様に線幅を変更しない比較例（Ｎｏ．３）も２５個製造した。尚、表１中の抵抗値は各２５個の平均値である。
【００３９】
そして、それらの試料のセラミックヒータのヒータ抵抗値（全抵抗）を約４．６Ωとした。また、試験条件として、常温大気中にて、ＤＣ１３．５Ｖで２０秒間電圧を印加し、その後電源を４分間ＯＦＦして放冷するという加熱・放冷を１００回繰り返し、ヒータにクラックが発生したか否かを調べた。以後０．５Ｖづつ印加電圧を増加させ、同様に各２０秒間電圧を印加し、その後電源を４分間ＯＦＦして放冷するという加熱・放冷を１００回繰り返し、ヒータのクラックの有無を調べた。尚、クラックの検査は、水溶性赤インク又は赤インクを入れたアルコールを用いて行った。その結果を図４に示す。
【００４０】
【表１】
2004006345.tif 000003
【００４１】
図４から明らかな様に、本実施例のものは、高い印加電圧を加えた場合でもクラックの発生率が少なく好適であり、特に先端部の抵抗値が小さい（試料Ｎｏ．１）ほど一層好適である。それに対して、比較例のものは、低い印加電圧においてもクラックの発生率が大きく好ましくない。
＜実験例２＞
次に、同様に、蛇行する発熱部の先端部の発熱量が基端部の発熱量よりも小さい他のセラミックヒータの実験例２について説明する。
【００４２】
本実験例では、第１のアルミナ基板と第２のアルミナ基板との間に、図５に示す発熱パターンが挟まれたセラミックヒータの試料（幅４．０ｍｍ×長さ４０．０ｍｍ×厚さ１．０ｍｍ）を作成した。
具体的には、４重に蛇行する発熱部を有する発熱パターンを形成し、この発熱部の線幅の太い部分（先端部）の抵抗率をＳ［抵抗値Ω／長さＬ］、細い部分（基端部）の抵抗率をＴ［Ω／Ｌ］として、下記表２に示す様に、その比Ｔ／Ｓを違えた試料（Ｎｏ．４〜７）を各２５個づつ製造した。また、同様に、線幅を変更しない比較例（Ｎｏ．８）も２５個製造した。
【００４３】
尚、それらの試料（各２５個）のセラミックヒータのヒータ抵抗値（全抵抗）を約４．６Ωとなるように製作した。試験条件として、下記表２に示す様に、常温大気中にて印加電圧及び通電時間を違え、ヒータのクラック又は断線の発生数を調べた。その結果を同じく下記表２に示す。
【００４４】
【表２】
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【００４５】
この表２から明らかな様に、発熱部の先端部の発熱量が基端部の発熱量よりも小さい試料（Ｎｏ．４〜７）は、所定の印加電圧を長時間加えた場合でもクラックや断線の発生数が少なく好適である。特にＴ／Ｓが大きくなるほどその効果が顕著であり、Ｔ／Ｓが１．２２より大きい場合（試料Ｎｏ．６，７）には、断線及びクラックの発生もなく良好であった。それに対して、比較例の先端部と基端部が同じもの（Ｔ／Ｓ＝１；試料Ｎｏ．８）は、全ての条件においてクラックや断線が多数発生し好ましくない。
（実施例２）
本実施例のセラミックヒータは、図６に示す様に、幅４ｍｍ×長さ４０ｍｍ×厚さ１．２ｍｍの柱状の酸素センサ素子３１の加熱に用いられるものであり、前記実施例１とは、発熱体パターン３２の形状及びその形成されている位置が大きく異なっている。
【００４６】
つまり、酸素センサ素子３１は、厚さ１ｍｍの（アルミナ純度８５％の）アルミナ基板３３上に、チタニア等の感ガス素子３４及び一対のＰｔからなる検出用電極３５が設けられるとともに、（感ガス素子３４部分を除いて）検出用電極３５を覆う様に厚さ０．２ｍｍの絶縁シート３６が配置されたものであり、しかも、検出用電極３５が形成されたアルミナ基板３３の同一表面上に、検出用電極３５を囲む用に発熱パターン３２が形成されている。
【００４７】
図７に示す様に、アルミナ基板３３上に設けられた発熱パターン３２は、基板先端側にて感ガス素子３４の周囲を囲う様にコの字状に旋回する発熱部３８と、発熱部３８の左右端部から基板根元側（基端側）に伸びる一対のリード部３９とから構成されている。
【００４８】
特に本実施例においては、発熱部３８の先端部３８ａの線幅が基端部３８ｂの線幅より大きくなる様に設定されることによって、発熱部３８の先端部３８ａの抵抗値が基端部３８ｂの抵抗値より小さく設定されている。これによって、発熱部３８の先端部３８ａの発熱量が基端部３８ｂの発熱量よりも小さくなる。
＜実験例３＞
次に、本実施例のセラミックヒータの効果を確認するために行った実験例３について説明する。
【００４９】
本実験例では、前記実施例２の構造のセラミックヒータ部分を使用した。つまり、実験に用いる試料として、２枚のアルミナ基板の間に（検出用電極を除いて）発熱パターンが挟まれたセラミックヒータ（幅４．０ｍｍ×長さ４０．０ｍｍ×厚さ１．０ｍｍ）を作成した。
【００５０】
具体的には、セラミックヒータとして、図８（ａ）に示す様に、その長手方向における、リード部の長さを２８ｍｍ、発熱部の長さを１０ｍｍ、発熱部の線幅が太い先端部の長さを５ｍｍ、線幅が細い基端部の長さを５ｍｍ、発熱部の短手方向の長さを３ｍｍとし、下記表３の様に、発熱部の先端部及び基端部の線幅（即ちその抵抗値）を違えた試料（Ｎｏ．９〜１１）を各２５個づつ製造した。また、同様に、線幅を変更しない比較例（Ｎｏ．１２）も２５個製造した。
【００５１】
そして、それらの試料（各２５個）のセラミックヒータのヒータ抵抗値（全抵抗）を約４．５Ωとした。また、試験条件として、常温大気中にてＤＣ１３．５Ｖで２０秒間電圧を印加しＯＦＦ放冷を１００回繰り返す。以後０．５Ｖづつ印加電圧を増加させ同様に各２０秒間電圧を印加して、ヒータにクラックが発生したか否かを調べた。その結果を図９に示す。
【００５２】
【表３】
2004006345.tif 000005
【００５３】
図９から明らかな様に、本実施例のものは、所定の印加電圧を加えた場合でもクラックの発生率が少なく好適であり、特に先端部の抵抗値が小さいものほどクラックの発生率が少なく一層好適である。それに対して、比較例のものは、低い印加電圧においてもクラックの発生率が大きく好ましくない。
＜実験例４＞
次に、同様に、コの字状の発熱部における先端部の発熱量が基端部よりも小さい他のセラミックヒータの実験例４について説明する。
【００５４】
本実験例では、実験に用いる試料として、２つのアルミナ基板の間に、図８（ｂ）に示す発熱パターンが挟まれたセラミックヒータ（幅４．０ｍｍ×長さ４０．０ｍｍ×厚さ１．０ｍｍ）を作成した。
具体的には、発熱パターンの発熱部の線幅の太い部分（先端部）の抵抗率をＳ［Ω／Ｌ］、細い部分（基端部）の抵抗率をＴ［Ω／Ｌ］として、下記表４に示す様に、その比Ｔ／Ｓを違えた試料（Ｎｏ．１３〜１６）を各２５個づつ製造した。また、同様に、線幅を変更しない比較例（Ｎｏ．１７）も２５個製造した。
【００５５】
そして、それらの試料（各２５個）のセラミックヒータのヒータ抵抗値（全抵抗）を約４．５Ωとし、試験条件として、下記表４に示す様に、常温大気中にて印加電圧及び通電時間を違え、ヒータのクラック又は断線の発生数を調べた。その結果を同じく下記表４に示す。
【００５６】
【表４】
2004006345.tif 000006
【００５７】
この表４から明らかな様に、発熱部の先端部の発熱量が基端部よりも小さくされた試料（Ｎｏ．１３〜１６）は、所定の印加電圧を長時間加えた場合でもクラックや断線の発生数が少なく好適である。特にＴ／Ｓの大きなものほどその効果が顕著であり、Ｔ／Ｓ＝１．２２のもの（試料Ｎｏ．１４）でもクラックは殆ど発生せず、Ｔ／Ｓ＝１．２２より大きな場合（試料Ｎｏ．１５，１６）は、クラック及び断線が全く発生せず、良好な結果であった。それに対して、比較例の先端部と基端部が同じもの（Ｔ／Ｓ＝１；試料Ｎｏ．１７）は、全ての条件においてクラックや断線が多数発生し好ましくない。
（実施例３）
本実施例のセラミックヒータは、前記実施例１と同様な酸素センサ素子内に一体に形成されて用いられるものである。
【００５８】
つまり、この酸素センサ素子は、前記実施例１と同様に、感ガス素子，検出用電極，絶縁シート及び（アルミナ純度８５％の）第１のアルミナ基板を有する（同様な寸法の）検出部を備えるとともに、この検出部の裏面に、発熱パターンが第２のアルミナ基板に形成された（同様な寸法の）板状のセラミックヒータが積層されたものである。尚、以下の説明では、前記実施例１と同様な部分の説明は省略する。
【００５９】
図１０に示す様に、前記第２のアルミナ基板４１上に設けられた発熱パターン４２は、６列となる様に蛇行する発熱部４３と、発熱部４３の左右端部から基板根元側（基端側）に伸びる一対のリード部４４とから構成されている。
特に本実施例においては、発熱部４３の蛇行部分の中央部４３ａの長手方向の長さＣが、蛇行部分の側辺部４３ｂ１，４３ｂ２の長手方向の長さＡより短くなる様に、且つ中央部４３ａが基端側に寄せられる様に配置されている。つまり、発熱部４３の中央部４３ａの抵抗値がどちらの側辺部４３ｂ１，４３ｂ２の抵抗値より小さく設定され、しかもその中央部４３ａは基端側に寄せられて先端側には配置されていない。これによって、発熱部４３の先端側の発熱量が基端側よりも小さくなる。
＜実験例５＞
次に、本実施例のセラミックヒータの効果を確認するために行った実験例５について説明する。
【００６０】
本実験例では、前記実施例３の構造のセラミックヒータ部分を使用した。つまり、実験に使用する試料として、第１のアルミナ基板と第２のアルミナ基板との間に発熱パターンが挟まれたセラミックヒータ（幅４．０ｍｍ×長さ４０．０ｍｍ×厚さ１．０ｍｍ）を作成した。
【００６１】
具体的には、セラミックヒータとして、その長手方向における、リード部の長さを２８ｍｍ、発熱部の長さを１０ｍｍ、発熱部の蛇行部分の長さ（即ち側辺部の長さＡ）を９ｍｍとし、下記表５及び表６の様に、発熱部の中央部の長さＣだけでなく、発熱部の線幅や線間隔を違えた２４通り試料（Ｎｏ．１８−ａ〜２５−ｄ）を各２５個づつ製造した。また、同様に、中央部の長さＣや線幅や線間隔を変更しない比較例（Ｎｏ．２６）も２５個製造した。
【００６２】
尚、前記表５及び表６に示す実施例の２４通りの試料は、Ｃ／Ａを違えた８種類の試料に対し各々線幅や線間隔を違えた４種類の試料を作成したものであり、その合計が８×４＝３２となる。また、添字ａの試料は中央部及び側辺部で線幅及び線間隔が同一であることを示し、添字ｂの試料は中央部の線幅が側辺部より広く且つ中央部及び側辺部で線間隔が同一であることを示し、添字ｃの試料は中央部及び側辺部の線幅が同一で且つ中央部の線間隔が側辺部より広いことを示し、添字ｄの試料は中央部の線幅が側辺部より広く且つ中央部の線間隔が側辺部より広いことを示している。
【００６３】
そして、それらの試料のセラミックヒータのヒータ抵抗値（全抵抗）を約４．６Ωとし、下記▲１▼〜▲４▼の調査を行った。
▲１▼クラック調査
試験条件として、各試料に対して、常温大気中にて、ＤＣ１０Ｖで６０秒間電圧を印加し、その後電源を４分間ＯＦＦして放冷するという加熱・放冷を１００回繰り返し、以後０．５Ｖづつ印加電圧を同様に増加して、ヒータ基板にクラックが発生したか否か（即ちクラックが入る最低電圧）を調べた。その結果を図１１に示す。
【００６４】
▲２▼断線調査
試験条件として、各試料に対して、常温大気中にて、ＤＣ１５Ｖで６０秒間印加し、その後、電源を５分間ＯＦＦして放冷するという通電のオンオフを繰り返し、ヒータの断線した数量が５０％に達した回数（サイクル数）を調べた。その結果を図１２に示す。
【００６５】
▲３▼幅方向温度分布調査
実施例の試料Ｎｏ．２１−ｃ，２１−ｄと比較例の試料Ｎｏ．２６のセラミックヒータにおける幅方向の温度分布を調べた。その結果を図１３に示す。
▲４▼長さ方向温度分布調査
実施例の試料Ｎｏ．２１−ａ，２１−ｄと比較例の試料Ｎｏ．２６のセラミックヒータにおける長さ方向の温度分布を調べた。その結果を図１４に示す。
【００６６】
尚、上述した温度分布調査は、日本電気三栄（株）社製、赤外線放射温度計型番ＴＨ−１１００を用いて実施した。
【００６７】
【表５】
2004006345.tif 000007
【００６８】
【表６】
2004006345.tif 000008
【００６９】
▲１▼クラック調査結果
図１１から明らかな様に、実施例（試料Ｎｏ．１８−ａ〜２４−ｄ）のセラミックヒータにおいては、中央部の長さＣが側辺部の長さＡより短いので、印加電圧が大きくなってもクラックが生じにくいことが分かる。また、その長さの比Ｃ／Ａが小さくなるほどクラックが生じ難く好適である。特に、２０≦Ｃ／Ａ≦８０であると、一層クラックが生じにくく好適であるが、３０≦Ｃ／Ａ≦７０であれば更に好ましい。尚、Ｃ／Ａの３０％以上が好ましいのは、図２に示すチタニア素子１６が通電により効率的に加熱され、該チタニア素子１６が活性化するまでの時間が短くなるからである。
【００７０】
また、添字ａ（図の○）の中央部及び側辺部で線幅及び線間隔が同一である試料、添字ｃ（図の△）の中央部及び側辺部の線幅が同一で且つ中央部の線間隔が側辺部より広い試料、添字ｂ（図の□）の中央部の線幅が側辺部より広く且つ中央部及び側辺部で線間隔が同一の試料、添字ｄ（図の▼）の中央部の線幅が側辺部より広く且つ中央部の線間隔が側辺部より広い試料の順で、クラックが生じ難いことが分かる。更に、添字ｂ，ｄの試料では、中央部の線幅が側辺部より広く設定されているので、２０≦Ｃ／Ａ≦９０では一層クラックが発生し難く、特に２０≦Ｃ／Ａ≦８０では、他試料（添字ｃ，ｄ）のＣ／Ａ≦８０と同等の効果が認められる。
【００７１】
それに対して、比較例（試料Ｎｏ．２６）では、Ｃ／Ａが１００％であるので、低い印加電圧でクラックが生じ易く好ましくない。
▲２▼断線調査結果
図１２から明らかな様に、実施例（試料Ｎｏ．１８−ａ〜２４−ｄ）のセラミックヒータにおいては、中央部の長さＣが側辺部の長さＡより短いので、平均寿命故障率５０％のサイクル数が大きい、即ち断線が生じにくいことが分かる。また、その長さの比Ｃ／Ａが小さいものほど断線が生じ難く好適である。特に、２０≦Ｃ／Ａ≦８０であると、一層断線が生じにくく好適であるが、３０≦Ｃ／Ａ≦７０であれば更に好ましい。
【００７２】
また、添字ａ（図の○）の試料、添字ｃ（図の△）の試料、添字ｂ（図の□）の試料、添字ｄ（図の▼）の試料の順で、断線が生じ難いことが分かる。更に、添字ｂ，ｄの試料では、中央部の線幅が側辺部より広く設定されているので、２０≦Ｃ／Ａ≦９０では一層断線が発生し難く、特に２０≦Ｃ／Ａ≦８０では、他試料（添字ａ，ｃ）のＣ／Ａ≦７０と同等の効果が認められる。
【００７３】
それに対して、比較例（試料Ｎｏ．２６）では、Ｃ／Ａが１００％であるので、平均寿命故障率５０％のサイクル数が小さく、断線が生じ易く好ましくない。
▲３▼幅方向温度分布調査結果
図１３から明らかな様に、実施例の試料Ｎｏ．２１−ｃ，２１−ｄのセラミックヒータは、中央部の長さＣが側辺部の長さＡより短くされているので、比較例の試料Ｎｏ．２６のＣ／Ａ＝１００％のセラミックヒータと比べて、基板の幅方向の温度分布がより均一であることが分かる。また、試料Ｎｏ．２１−ｄのセラミックヒータは、中央部の線幅が側辺部より広く設定されているので、基板中央部の温度が側辺部よりも低くなることにより、セラミック基板の中央部での膨張が抑えられる。
【００７４】
つまり、本実施例のものは、温度分布がより均一であることと、基板中央部での温度が側辺部よりも下がることにより、基板中央部と側辺部との膨張差がなくなるので、クラックや断線が生じ難く好適であることが分かる。
▲４▼長さ方向温度分布調査結果
図１４から明らかな様に、実施例の試料Ｎｏ．２１−ａ，２１−ｄのセラミックヒータは、中央部の長さＣが側辺部の長さＡより短くされているので、比較例の試料Ｎｏ．２６のＣ／Ａ＝１００％のセラミックヒータと比べて、基板の長さ方向の温度分布がより均一であることが分かる。つまり、本実施例のものは、温度分布がより均一であるので、クラックや断線が生じ難く好適であることが分かる。
【００７５】
また、実施例１の如く、更に発熱先端部の線幅を広くすることにより、効果が増大されることは勿論であるが、他の手法として、先端部の印刷肉厚を大きくすること（例えば２回塗り）により、その部分の単位長さ当りの抵抗値を下げることが挙げられる。
（実施例４）
本実施例のセラミックヒータは、前記実施例１〜３とは異なり、感ガス素子としてジルコニアを使用した酸素センサ素子内に一体に形成されて用いられるものである。
【００７６】
図１５に示す様に、本実施例の酸素センサ素子５１は、幅５ｍｍ×横４５ｍｍ×厚さ２．４ｍｍの柱状の素子であり、この酸素センサ素子５１内に発熱パターン５２が形成されている。
つまり、前記酸素センサ素子５１は、厚さ０．８ｍｍの板状のジルコニア・イットリア基板５３と、厚さ０．２ｍｍのコの字状の第１のアルミナ部材５４と、厚さ０．２ｍｍのコの字状の第２のアルミナ部材５５と、厚さ０．４ｍｍのコの字状のジルコニア部材５６と、厚さ０．８ｍｍの板状のジルコニア基板５７とが積層されたものであり、更に、ジルコニア基板５７の基端側には、補強のためにアルミナ補強板５８が積層されている。尚、前記コの字状の各部材５４，５５，５６によって、基準ガスが導入される内部空間５９が形成されている。
【００７７】
また、この酸素センサ素子５１において、起電力の検出に用いられる白金からなる一対の多孔質の検出用電極６１ａ，６１ｂは、ジルコニア基板５７の表裏面に形成され、前記発熱パターン５２は、第１のアルミナ部材５４と第２のアルミナ部材５５との間に挟まれている。また、この発熱パターン５２は、前記コの字状の各部材５４，５５，５６に沿うように、同様にコの字状とされており、基板先端側にて旋回する発熱部６３と、発熱部６３の左右端部から基板根元側（基端側）に伸びる一対のリード部６４とから構成されている。
【００７８】
特に本実施例においては、発熱部６３の先端部６３ａの線幅が基端部６３ｂの線幅より大きくなる様に設定されることによって、発熱部６３の先端部６３ａの抵抗値が基端部６３ｂの抵抗値より小さく設定されている。これによって、発熱部６３の先端部６３ａの発熱量が基端部６３ｂの発熱量よりも小さくなる。
＜実験例６＞
次に、本実施例のセラミックヒータの効果を確認するために行った実験例６について説明する。
【００７９】
本実験例では、前記実施例４の構造の発熱パターンを備えた酸素センサ素子を使用した。
具体的には、図１６（ａ）〜（ｄ）に示す様に、発熱パターンとして、全抵抗約１０Ω（発熱部は５．６Ω）、リード部の長さを３０ｍｍ、リード部の線幅を０．８ｍｍ、発熱部の長さ方向の長さを１２ｍｍ、発熱部の幅方向の長さを４．４ｍｍ、発熱部の基端部の線幅を０．２８とし、下記表７の様に、発熱部の先端部の線幅を違えた試料（Ｎｏ．２７〜３０）を各２５個づつ製造した。また、同様に、線幅を変更しない比較例（Ｎｏ．３１）も２５個製造した。尚、試料Ｎｏ．２７〜３０の線幅の太い先端部は発熱部の幅方向に伸びる部分であるが、試料Ｎｏ．３０のみは、その先端部が長さ方向にも一部（先端より２ｍｍ）延設されている。
【００８０】
【表７】
2004006345.tif 000009
【００８１】
そして、それらの試料の発熱パターンのヒータ抵抗値（全抵抗）を約１０Ωとし、その発熱パターンを備えた酸素センサ素子を、周知の様にセラミックホルダやガラスシール等を用いて酸素センサに組み付けた。更に、この酸素センサを電気炉に取り付けて周囲雰囲気（大気）の温度を８００℃に加熱し、ＤＣ１８Ｖの電圧を印加し、断線に至る時間を測定した。その結果を図１７に示す。
【００８２】
図１７から明らかな様に、本実施例のものは、高温にて長時間にわたり高い印加電圧を加えた場合でも、断線の発生率が少なく好適であるが、比較例のものは、断線の発生率が大きく好ましくない。
上記に詳述した実施例のほかに、要は、一定の電圧を印加した時、発熱パターンの先端部の発熱量が発熱パターンの基端部の発熱量より少なくなる手段であればよく、例えば、図１８に示す様に、発熱パターンの先端部と同一のスクリーンパターンを別途準備して、発熱パターンの基端部の印刷厚みにより発熱パターンの先端部の印刷厚みが厚くなるように発熱パターンの先端部に重ね塗り（重ね印刷）することにより、発熱パターンの先端部の単位長さ当りの抵抗値を小さくすることもできる。
【００８３】
また、図１９に示す様に、予め発熱パターンの基端部を比抵抗の大きい抵抗材料からなるペーストによりスクリーン印刷して、発熱パターンの基端部の抵抗値を発熱パターンの先端部の抵抗値より大きくして、発熱パターンの基端部の発熱量を発熱パターンの先端部の発熱量より小さくすることもできる。
【００８４】
ここで、比抵抗の大きい抵抗材料からなるペーストは、例えば、タングステンの含有量を少なくすることにより作製できる。
尚、本発明は前記実施例になんら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において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
【００８５】
【発明の効果】
以上詳述した様に、請求項１のセンサ用セラミックヒータでは、発熱パターンの先端部の単位長さ当りの抵抗値が、基端部の単位長さ当りの抵抗値より小さく設定されている。従って、基端部からの熱伝導による熱引きが大きな場合でも、先端部と基端部との温度差が大きくならない。よって、先端部が異常発熱することがないので、通常の使用状態だけでなく、急速加熱の際にも先端部における発熱体の断線を防止することができる。
【００８６】
請求項２のセンサ用セラミックヒータでは、先端部の線幅がその基端部より太く設定されている。そのため、同じ電圧が印加された場合でも、先端部の発熱量が少なくなるので、先端部と基端部との温度差が小さくなって、通常の使用状態だけでなく、急速加熱の際にも断線を防止することができる。
【００８７】
請求項３のセンサ用セラミックヒータでは、蛇行する発熱パターンの中央部の長手方向の長さが、その側辺部の長手方向の長さより短く設定されるとともに、この中央部が基端部側に寄せて配置されている。そのため、先端部の発熱量が少なくなるので、先端部と基端部との温度差を小さくすることができる。更に、本発明では、発熱パターンの中央部の線幅が側辺部の線幅より太く設定されている。よって、中央部の発熱量が小さくなり、中央部と側辺部との温度差も小さくなって全体に均一化でき、断線の発生を防止することができる。
【００８８】
請求項４のセンサ用セラミックヒータでは、発熱パターンの中央部の長手方向の長さが、その側辺部の長手方向の長さの９０％以下に設定されている。即ち基端部の方がその発熱量が小さくなる様に設定されているので、先端部と基端部との温度差を小さくでき、断線の発生を防止することができる。
【００８９】
請求項５のセンサ用セラミックヒータでは、発熱パターンの中央部における長手方向の長さが、その側辺部における長手方向の長さの８０％以下に設定されている。そのため、前記請求項３の場合よりも一層先端部の発熱量が少なくなるので、先端部と基端部との温度差を更に小さくすることができ、断線の防止に一層寄与する。
【００９０】
請求項６のセンサ用セラミックヒータでは、発熱パターンの中央部の線間隔が側辺部の線間隔より広く設定されているので、中央部と側辺部との温度差を小さくでき、断線の発生を防止することができる。
請求項７のセンサ用セラミックヒータでは、先端部の線幅が基端部の線幅より太く設定されているので、先端部と基端部との温度差を小さくでき、断線の発生を防止することができる。
【００９１】
請求項８のセンサ用セラミックヒータでは、先端部の線厚が基端部の線厚より厚く設定されているので、先端部と基端部との温度差が小さくなって、断線の発生を防止することができる。
請求項９のセンサ用セラミックヒータでは、先端部が基端部より比抵抗の小さい抵抗材料によって形成されているので、先端部と基端部との温度差が小さくなって、断線の発生を防止することができる。
【００９２】
請求項１０の酸素センサでは、セラミック基体の先端部の発熱量がその基端部より小さくされているので、セラミック基体の固定された基端部側にて熱引きされても、先端部と基端部との温度差が大きくならない。そのため、先端部が異常発熱することがないので、通常の使用状態だけではなく、急速加熱の際にも先端部における発熱体の断線を防止することができる。
【００９３】
請求項１１の酸素センサは、感ガス素子が酸素濃度に対して抵抗値が変化する金属酸化物で、ヒータが出力取出部と略同一面上に形成されており、この様なセンサにおいても、先端部と基端部との温度差が小さくなるので、通常の使用状態だけではなく、急速加熱の際にも断線を防止することができる。
【００９４】
請求項１２の酸素センサは、感ガス素子が酸素濃度に対して起電力が変化する金属酸化物で、ヒータが出力取出部と異なる面上に形成されおり、この様なセンサにおいても、先端部と基端部との温度差が小さくなるので、通常の使用状態だけではなく、急速加熱の際にも断線を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の酸素センサを一部破断して示す断面図である。
【図２】実施例１の酸素センサ素子を示す分解斜視図である。
【図３】実施例１のセラミックヒータを示す平面図である。
【図４】実験例１によるクラック発生率を示すグラフである。
【図５】実験例２の発熱パターンを示す平面図である。
【図６】実施例２の酸素センサ素子を示す分解斜視図である。
【図７】実施例２のセラミックヒータを示す平面図である。
【図８】（ａ）は実験例３の発熱パターンを示す平面図であり、（ｂ）は実験例４を示す発熱パターンの平面図である。
【図９】実験例３によるクラック発生率を示すグラフである。
【図１０】実施例３のセラミックヒータを示す平面図である。
【図１１】実験例５のセラミックヒータのクラック調査結果を示すグラフである。
【図１２】実験例５のセラミックヒータの断線調査結果を示すグラフである。
【図１３】実験例５のセラミックヒータの幅方向温度分布を示すグラフである。
【図１４】実験例５のセラミックヒータの長さ方向温度分布を示すグラフである。
【図１５】実施例４の酸素センサ素子を示す分解斜視図である。
【図１６】実験例６の試料の発熱パターンを示す説明図である。
【図１７】実験例６の試料の断線率を示すグラフである。
【図１８】他の実施例のセラミックヒータを示し、（ａ）はその分解斜視図、（ｂ）はその縦方向の断面図である。
【図１９】更に他の実施例のセラミックヒータを示し、（ａ）はその分解斜視図、（ｂ）はその縦方向の断面図である。
【図２０】従来例を示し、（ａ）は従来の酸素センサ素子の分解斜視図、（ｂ）、（ｃ）はセラミックヒータを一部破断して示す平面図である。
【符号の説明】
１…酸素センサ、
２，５１…　酸素センサ素子、
３，１６，３４…感ガス素子、
２１…セラミックヒータ、
２２，３２，４２，５２…発熱パターン、
２５，３８，４３，６３…発熱部、
２６，３５，４４，６４…リード部、
２５ａ，３８ａ…先端部、
２５ｂ，３８ｂ…基端部
【図１】
2004006345.tif 000010
【図２】
2004006345.tif 000011
【図３】
2004006345.tif 000012
【図４】
2004006345.tif 000013
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2004006345.tif 000017
【図９】
2004006345.tif 000018
【図１０】
2004006345.tif 000019
【図１１】
2004006345.tif 000020
【図１２】
2004006345.tif 000021
【図１３】
2004006345.tif 000022
【図１４】
2004006345.tif 000023
【図１５】
2004006345.tif 000024
【図１６】
2004006345.tif 000025
【図１７】
2004006345.tif 000026
【図１８】
2004006345.tif 000027
【図１９】
2004006345.tif 000028
【図２０】
2004006345.tif 000029
【手続補正書】
【提出日】平成15年6月2日(2003.6.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基体に、該セラミック基体の長手方向に旋回した発熱部と該発熱部から伸びるリード部とからなる発熱パターンを形成したセンサ用セラミックヒータであって、
前記発熱パターンにおいて直列に接続された前記発熱部の先端部の単位長さ当りの抵抗値を、前記発熱部の基端部の単位長さ当りの抵抗値より小さく設定したことを特徴とするセンサ用セラミックヒータ。
【請求項２】
前記発熱部において、前記先端部の線幅を、前記基端部の線幅より太く設定したことを特徴とする前記請求項１記載のセンサ用セラミックヒータ。
【請求項３】
前記請求項１又は２記載のセンサ用セラミックヒータを用いて、感ガス素子を加熱する酸素センサにおいて、
前記センサ用セラミックヒータのセラミック基体の基端部側を固定して金属ケースに収納する構成を備えるとともに、前記セラミック基体の先端部の発熱量を、該セラミック基体の基端部の発熱量より小さくしたことを特徴とする酸素センサ。
【請求項４】
前記感ガス素子が酸素濃度に対して抵抗値が変化する金属酸化物であり、前記ヒータが前記出力取出部と略同一面上に形成されていることを特徴とする前記請求項３記載の酸素センサ。
【請求項５】
前記感ガス素子が酸素濃度に対して起電力が変化する金属酸化物であり、前記ヒータが前記出力取出部と異なる面上に形成されていることを特徴とする前記請求項３記載の酸素センサ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための請求項１の発明は、
セラミック基体に、該セラミック基体の長手方向に旋回した発熱部と該発熱部から伸びるリード部とからなる発熱パターンを形成したセンサ用セラミックヒータであって、前記発熱パターンにおいて直列に接続された前記発熱部の先端部の単位長さ当りの抵抗値を、前記発熱部の基端部の単位長さ当りの抵抗値より小さく設定したことを特徴とするセンサ用セラミックヒータを要旨とする。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
請求項２の発明は、
前記発熱部において、前記先端部の線幅を、前記基端部の線幅より太く設定したことを特徴とする前記請求項１記載のセンサ用セラミックヒータを要旨とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
請求項３の発明は、
前記請求項１又は２記載のセンサ用セラミックヒータを用いて、感ガス素子を加熱する酸素センサにおいて、前記センサ用セラミックヒータのセラミック基体の基端部側を固定して金属ケースに収納する構成を備えるとともに、前記セラミック基体の先端部の発熱量を、該セラミック基体の基端部の発熱量より小さくしたことを特徴とする酸素センサを要旨とする。


【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
請求項４の発明は、
前記感ガス素子が酸素濃度に対して抵抗値が変化する金属酸化物であり、前記ヒータが前記出力取出部と略同一面上に形成されていることを特徴とする前記請求項３記載の酸素センサを要旨とする。


【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
請求項５の発明は、
前記感ガス素子が酸素濃度に対して起電力が変化する金属酸化物であり、前記ヒータが前記出力取出部と異なる面上に形成されていることを特徴とする前記請求項３記載の酸素センサを要旨とする。


【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
【発明の実施の形態】
請求項１のセンサ用セラミックヒータでは、セラミック基体に形成された発熱パターンにおいて直列に接続された発熱部の先端部の単位長さ当りの抵抗値が、発熱部の基端部の単位長さ当りの抵抗値より小さく設定されている。従って、基端部からの熱伝導による熱引きが大きな場合でも、先端部と基端部との温度差が大きくならない。その結果、先端部が異常発熱することがなくなるので、先端部におけるヒータの断線が防止される。


【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
請求項２のセンサ用セラミックヒータでは、発熱部において、先端部の線幅がその基端部より太く設定されている。そのため、同じ電圧が印加された場合でも、先端部の発熱量が少なくなるので、前記請求項１と同様に、先端部と基端部との温度差が小さくなって、断線の発生が防止される。


【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
請求項３の酸素センサでは、セラミック基体の先端部の発熱量がその基端部より小さくされているので、セラミック基体の固定された基端部側にて熱引きされても、先端部と基端部との温度差が大きくならない。その結果、先端部が異常発熱することがなくなるので、先端部におけるヒータの断線が防止される。


【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
請求項４の酸素センサは、感ガス素子が酸素濃度に対して抵抗値が変化する例えばチタニアの様な金属酸化物であり、ヒータが出力取出部と略同一面上に形成されているが、この様なセンサにおいても、前記請求項３と同様に、先端部と基端部との温度差が小さくなって、断線の発生が防止される。


【手続補正２１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
請求項５の酸素センサは、感ガス素子が酸素濃度に対して起電力が変化する例えばジルコニアの様な固体電解質であり、ヒータが出力取出部と異なる面上に形成されているが、この様なセンサにおいても、前記請求項３と同様に、先端部と基端部との温度差が小さくなって、断線の発生が防止される。


【手続補正２２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４５】
この表２から明らかな様に、発熱部の先端部の発熱量が基端部の発熱量よりも小さい試料（Ｎｏ．４〜７）は、所定の印加電圧を長時間加えた場合でもクラックや断線の発生数が少なく好適である。特にＴ／Ｓが大きくなるほどその効果が顕著であり、Ｔ／Ｓが１．２２より大きい場合（試料Ｎｏ．６，７）には、断線及びクラックの発生もなく良好であった。それに対して、比較例の先端部と基端部が同じもの（Ｔ／Ｓ＝１；試料Ｎｏ．８）は、全ての条件においてクラックや断線が多数発生し好ましくない。
（実施例２）
本実施例のセラミックヒータは、図６に示す様に、幅４ｍｍ×長さ４０ｍｍ×厚さ１．２ｍｍの柱状の酸素センサ素子３１の加熱に用いられるものであり、前記実施例１とは、発熱パターン３２の形状及びその形成されている位置が大きく異なっている。


【手続補正２３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８５】
【発明の効果】
以上詳述した様に、請求項１のセンサ用セラミックヒータでは、発熱パターンにおいて直列に接続された発熱部の先端部の単位長さ当りの抵抗値が、発熱部の基端部の単位長さ当りの抵抗値より小さく設定されている。従って、基端部からの熱伝導による熱引きが大きな場合でも、先端部と基端部との温度差が大きくならない。よって、先端部が異常発熱することがないので、通常の使用状態だけでなく、急速加熱の際にも先端部におけるヒータの断線を防止することができる。


【手続補正２４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８６】
請求項２のセンサ用セラミックヒータでは、発熱部において、先端部の線幅がその基端部より太く設定されている。そのため、同じ電圧が印加された場合でも、先端部の発熱量が少なくなるので、先端部と基端部との温度差が小さくなって、通常の使用状態だけでなく、急速加熱の際にも断線を防止することができる。


【手続補正２５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８７
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正２６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正２７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正２８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９０
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正２９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正３０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９２】
請求項３の酸素センサでは、セラミック基体の先端部の発熱量がその基端部より小さくされているので、セラミック基体の固定された基端部側にて熱引きされても、先端部と基端部との温度差が大きくならない。そのため、先端部が異常発熱することがないので、通常の使用状態だけではなく、急速加熱の際にも先端部におけるヒータの断線を防止することができる。


【手続補正３１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９３】
請求項４の酸素センサは、感ガス素子が酸素濃度に対して抵抗値が変化する金属酸化物で、ヒータが出力取出部と略同一面上に形成されており、この様なセンサにおいても、先端部と基端部との温度差が小さくなるので、通常の使用状態だけではなく、急速加熱の際にも断線を防止することができる。


【手続補正３２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９４】
請求項５の酸素センサは、感ガス素子が酸素濃度に対して起電力が変化する金属酸化物で、ヒータが出力取出部と異なる面上に形成されおり、この様なセンサにおいても、先端部と基端部との温度差が小さくなるので、通常の使用状態だけではなく、急速加熱の際にも断線を防止することができる。