(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部が閉じた中空軸状をなし、その中空部の内外面にそれぞれ電極層を有する酸素検出素子と、
前記酸素検出素子の中空部に挿入され、少なくともその先端部に発熱部を有する軸状のヒータとを備え、
前記ヒータの発熱部近傍において、該ヒータの中心軸線が前記酸素検出素子の中空部の中心軸線に対して片側に寄るように偏心して配置されるとともに、寄っている側の前記酸素検出素子の中空部内壁面に対応する前記発熱部の周方向の一部区域において、他の区域よりも高温となる高温発熱域を設け、
前記ヒータの発熱部は、軸線方向に沿って設ける複数の本体部と、それら本体部をその両端部において互いに接続する接続部とを有する一本の連続形態に形成されている抵抗発熱体を、セラミック基体の周方向に沿って配置するとともに、
前記高温発熱域においては、前記本体部の単位長さ当たりの電気抵抗値が他の区域におけるそれよりも大であり、及び／又は前記本体部の配置間隔が他の区域におけるそれよりも小であることを特徴とする、酸素センサ。
【請求項２】
前記高温発熱域は、前記ヒータの発熱部表面が前記酸素検出素子の中空部内壁面に接触する位置に配設されていることを特徴とする、請求項１記載の酸素センサ。
【請求項３】
前記高温発熱域においては、前記本体部の断面積が他の区域におけるそれよりも小であり、及び／又は前記本体部の配置間隔が他の区域におけるそれよりも小であることを特徴とする、請求項１又は２記載の酸素センサ。
【請求項４】
前記高温発熱域付近における前記本体部の軸線方向長さが他の区域におけるそれよりも小であることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の酸素センサ。
【請求項５】
前記抵抗発熱体には、複数のヒータ端子部にそれぞれ電気的に接続される複数の導線部が形成されるとともに、
前記高温発熱域は、前記発熱部の周方向において互いの導線部間の中央付近に配設されていることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の酸素センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば内燃機関の排気ガスなど、被測定ガス中の酸素を検出するための酸素センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような酸素センサの一形態として、先端部が閉じた中空軸状をなし、内外面にそれぞれ電極層を有する酸素検出素子を備えたものが知られている。このようなタイプの酸素センサでは、基準ガスとしての大気を酸素検出素子の内面（内部電極層）に導入する一方、酸素検出素子の外面（外部電極層）には排気ガスが接触し、その結果酸素検出素子には、その内外面の酸素濃度差に応じて酸素濃淡電池起電力が生じる。そして、この酸素濃淡電池起電力を、排気ガス中の酸素濃度の検出信号として内外電極層からリード線等を介して取り出すことにより、排気ガス中の酸素濃度を検出できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
かかるタイプの酸素センサは、エンジン始動直後など排気ガス温度が低いときに、固体電解質部材で構成された酸素検出素子の活性が充分でなく、測定可能な起電力を取り出せるまでにかなりの時間を要する。そこで、発熱部を有する軸状のヒータを酸素検出素子の中空部に挿入し、エンジン始動時に酸素検出素子を加熱して活性化させることにより、有害成分の発生が比較的多い始動時に素早く測定出力（起電力）を立ち上げるようにしている。その際場合によっては互いに矛盾する以下の諸課題に総合的に配慮する必要がある。
▲１▼昇温特性の向上：加熱ロスを抑え如何に効率的に加熱し、酸素検出素子の低温活性を向上させるかが重要である。
▲２▼熱衝撃による割れの防止：酸素検出素子の低温活性向上のため、急激に局部的な加熱を行うと、熱衝撃により酸素検出素子又はヒータに割れ（クラック）を生ずる恐れがある。急激な温度変化（経時変化）及び極端な温度勾配（温度分布）を発生しないような工夫が必要である。
▲３▼マイグレーションの防止：円筒状あるいはその他の形状に形成されたセラミック基体中に、Ｗ（タングステン）等の高融点金属からなる抵抗発熱体を埋設した構造のセラミックヒータにおいて、高温使用を長時間継続すると抵抗発熱体が劣化して電気抵抗値が増大することがあり、ヒータの寿命の低下につながる問題がある。このような抵抗発熱体の劣化の原因としては、抵抗発熱体あるいはセラミック基体の構成成分が高温下の通電により電気化学的な拡散現象、いわゆるエレクトロマイグレーション（以下、単にマイグレーションという）を起こすことが挙げられている（例えば特開平４−３２９２９１号公報参照）。例えば、抵抗発熱体の構成成分がマイグレーションによりセラミック基体中に拡散流出すると、その流出部分で抵抗発熱体が消耗し、過昇・断線に至ることもある。また、焼結助剤成分として添加されるＭｇＯあるいはＣａＯ等の金属酸化物成分は、セラミック基体中ではガラス相の形で存在するが、これに含有される金属イオンないし酸素イオンもマイグレーションを起こしやすい。例えば抵抗発熱体の主要構成成分がＷである場合には、マイグレーションにより移動してくる酸素イオンにより酸化され、同様に抵抗値増大や断線等の問題を引き起こすことがある。そこで高温使用を長時間継続しても抵抗発熱体の劣化が生じにくく、長寿命のヒータが望まれる。
【０００４】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記課題を解決するために、本発明の酸素センサは、
先端部が閉じた中空軸状をなし、その中空部の内外面にそれぞれ電極層を有する酸素検出素子と、
前記酸素検出素子の中空部に挿入され、少なくともその先端部に発熱部を有する軸状のヒータとを備え、
前記ヒータの発熱部近傍において、該ヒータの中心軸線が前記酸素検出素子の中空部の中心軸線に対して片側に寄るように偏心して配置されるとともに、寄っている側の前記酸素検出素子の中空部内壁面に対応する前記発熱部の周方向の一部区域において、他の区域よりも高温となる高温発熱域を設け、
前記ヒータの発熱部は、軸線方向に沿って設ける複数の本体部と、それら本体部をその両端部において互いに接続する接続部とを有する一本の連続形態に形成されている抵抗発熱体を、セラミック基体の周方向に沿って配置するとともに、
前記高温発熱域においては、前記本体部の単位長さ当たりの電気抵抗値が他の区域におけるそれよりも大であり、及び／又は前記本体部の配置間隔が他の区域におけるそれよりも小であることを特徴とする。
【０００５】
上記本発明によれば、ヒータの中心軸線が中空部の中心軸線に対して偏心して配置されるとともに、寄っている側の中空部内壁面に対応する発熱部の周方向の一部区域に高温発熱域を設けたことにより、発熱部が酸素検出素子の必要部位に対して効率的に加熱を行い、酸素検出素子の低温活性を向上させる。したがって有害成分の発生が比較的多い始動時に素早く測定出力（起電力）を立ち上げることが可能となる。なお、ここで「偏心」の文言には、▲１▼ヒータの中心軸線と中空部の中心軸線が交わる状態、及び▲２▼ヒータの中心軸線が片側に寄るように中空部の中心軸線に対して概ね平行となっている状態を含めて考えることができる。
【０００６】
なお、上記酸素センサには、内側に酸素検出素子を収容する筒状のケーシングと、酸素検出素子の後方側でケーシングとほぼ同軸的に配置され、酸素検出素子及び発熱体からの各リード線がそれぞれ挿通される複数のリード線挿通孔が軸方向に貫通して形成されたセラミックセパレータと、ケーシングとほぼ同軸的に配置され、セラミックセパレータを外側から覆った状態でケーシングに対し後方側から連結されるカバー部材とを設けることができる。
【０００７】
さらに本発明は、ヒータの発熱部表面が酸素検出素子の中空部内壁面に接触する位置に、高温発熱域を配設することを特徴とする。ヒータと酸素検出素子の接触位置に高温発熱域を配したことで、酸素検出素子の局部的な昇温がさらに効率よく短時間でなし得る。なお、ここで「接触」の文言には、ヒータの発熱部表面を酸素検出素子の中空部内壁面に側方から押し付けられる、いわゆる横当て接触方式において、▲１▼発熱部表面の前端部のみが中空部内壁面に接触する状態（いわゆる点接触、又はそれに近い状態）、及び▲２▼前者表面が後者壁面に沿うように長い距離で接触する状態（いわゆる線接触、又はそれに近い状態）を含めて考えることができる。
【０００８】
また本発明は、ヒータの発熱部は、軸線方向に沿って設ける複数の本体部と、それら本体部をその両端部において互いに接続する接続部とを有する一本の連続形態に形成されている抵抗発熱体を、セラミック基体の周方向に沿って埋設配置するとともに、高温発熱域においては、本体部の単位長さ当たりの電気抵抗値が他の区域におけるそれよりも大であり、及び／又は本体部の配置間隔が他の区域におけるそれよりも小であることを特徴とする。ヒータの発熱部表面が酸素検出素子の中空部内壁面に接触しない場合（近接状態）には、発熱部近傍位置での発生熱が熱輻射により中空部内壁面を加熱し、一方前者が後者に接触する場合（横当て接触状態）には、この熱輻射に加えて接触位置を介した熱伝導により中空部内壁面を加熱し、これらの熱伝達により発熱部の接触位置や近傍位置からは熱が奪われやすい。しかし、発熱部の接触位置又はその近傍位置を高温発熱域として充分な熱供給を可能とするとともに、抵抗発熱体のシンプルな構成と合理的な配置によって極端な温度勾配がなくヒータや酸素検出素子に割れを生じにくい酸素センサが提供できる。
【０００９】
なお、抵抗発熱体の断面積の大・小関係は、単位長さ当たりの電気抵抗値の小・大関係に比例するので、本体部の断面積が他の区域におけるそれよりも小とするか、及び／又は本体部の配置間隔が他の区域におけるそれよりも小とすることで高温発熱域を容易に形成できる。これによれば、抵抗発熱体の配置パターンの工夫（断面積の大・小関係）のみで実施が容易である。ただし、高温発熱域において抵抗発熱体を他の部分よりも高電気抵抗率の材質により構成する形としてもよい。
【００１０】
本発明は、高温発熱域付近における本体部の軸線方向長さが他の区域におけるそれよりも小であることを特徴とする。高温発熱域付近以外の区域で本体部の軸線方向長さ（振幅）を大とすることでこの区域での発熱量を増し、発熱部の温度勾配（温度分布）がその周方向に広がりをもつようになり、前述の点接触タイプに適した温度分布が得られる。
【００１１】
本発明は、抵抗発熱体には、複数のヒータ端子部にそれぞれ電気的に接続される複数の導線部が形成されるとともに、高温発熱域が、発熱部の周方向において互いの導線部間の中央付近に配設されていることを特徴とする。導線部を相対的に高温発熱域から遠ざけることにより、高温下での通電使用を長時間継続しても、前記したマイグレーションによる抵抗発熱体の劣化が生じにくく、長寿命のヒータが得られる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に示す実施例に基づき説明する。
図１は本発明の酸素センサの内部構造を示し、図２は要部の拡大図である。酸素センサ１は、先端が閉じた中空軸状の固体電解質部材である酸素検出素子２と、酸素検出素子２の中空部２ａに挿入されたヒータ３とを備える。酸素検出素子２は、ジルコニア等を主体とする酸素イオン伝導性固体電解質により中空に形成されている。また、この酸素検出素子２の中間部外側には、絶縁性セラミックから形成されたインシュレータ６、７及びタルクから形成されたセラミック粉末８を介して金属製のケーシング１０が設けられている。なお、以下の説明において、酸素検出素子２の軸方向先端部に向かう側（閉じている側）を「前方側」、これと反対方向に向かう側を「後方側」と称する。
【００１３】
ケーシング１０は、酸素センサ１を排気管等の取付部に取り付けるためのねじ部９ｂを有する主体金具９、その主体金具９の後方側開口部に内側が連通するように結合された主筒１４、主体金具９の前方側開口部を覆うように取り付けられたプロテクタ１１等を備える。本発明の酸素センサ１はねじ部９ｂより前方（図１の下方）が排気管等のエンジン内に位置し、それより後方（図１の上方）は外部の大気中に位置して使用される。図２に示すように、酸素検出素子２の外面及び中空部２ａの内面には、そのほぼ全面を覆うように、例えばＰｔあるいはＰｔ合金により多孔質に形成された外部電極層２ｂと内部電極層２ｃとが設けられている。
【００１４】
主体金具９の後方側の開口部には、前述の主筒１４が絶縁体６との間にリング１５を介して加締められ、この主筒１４に筒状のフィルタアセンブリ１６が外側から嵌合・固定されている。このフィルタアセンブリ１６の後端側開口部はゴム等で構成されたグロメット１７で封止され、またこれに続いてさらに内方にセラミックセパレータ１８が設けられている。そして、それらセラミックセパレータ１８及びグロメット１７を貫通するように、酸素検出素子２用のリード線２０，２１及びヒータ３用のリード線（図示せず）が配置されている。他方、主体金具９の前方側開口部には酸素検出素子２の先端側（検出部）を覆うプロテクタ１１が装着されている。
【００１５】
フィルタアセンブリ１６は、主筒１４（ケーシング１０）に対し後方外側からほぼ同軸的に連結される筒状形態をなすとともに、壁部に複数の気体導入孔５２が形成された第一フィルタ保持部５１を備える。そして、その第一フィルタ保持部５１の外側には、上記気体導入孔５２を塞ぐ筒状のフィルタ５３（例えばポリ四フッ化エチレンの多孔質対等で構成された撥水性樹脂フィルタ）が配置され、さらに、そのフィルタ５３の外側には、壁部に１ないし複数の気体導入孔５５が形成されるとともに、フィルタ５３を第一フィルタ保持部５１との間で挟み付けて保持する第二フィルタ保持部５４が配置される。グロメット１７は、第一フィルタ保持部５１の後方側開口部に対しその内側に弾性的にはめ込まれ、各リード線２０，２１等を挿通するためのシール側リード線挿通孔９１を有するとともに、それらリード線２０，２１等の外面と第一フィルタ保持部５１の内面との間をシールする。
【００１６】
次に、酸素検出素子２用の一方のリード線２０は、互いに一体に形成されたコネクタ２３ａ、引出し線部２３ｂ、金具本体部２３ｃ及びヒータ把持部２３ｄからなる内部電極接続金具２３を経て前述の酸素検出素子２の内部電極層２ｃ（図２）と電気的に接続されている。一方、他方のリード線２１は、互いに一体に形成されたコネクタ３３ａ、引出し線部３３ｂ及び金具本体部３３ｃとを有する外部電極接続金具３３を経て、酸素検出素子２の外部電極層２ｂ（図２）と電気的に接続されている。酸素検出素子２は、その内側に配置されたヒータ３で加熱することで活性化される。ヒータ３は棒状のセラミックヒータであり、抵抗発熱体４１（図５，図６参照）を有する発熱部４２が、＋極側及び−極側のヒータ端子部４０，４０に接続されるリード線（図示せず）を経て通電されることにより、酸素検出素子２の先端部（検出部）を加熱する。
【００１７】
図３に示すように、内部電極接続金具２３は、先端側に形成されたヒータ把持部２３ｄの内面でヒータ３の外面を把持するとともに、金具本体部２３ｃの外面と酸素検出素子２の内面との接触により内部電極接続金具２３及びヒータ３を軸方向に位置固定する役割を果たす。また引出し線部２３ｂの一端が金具本体部２３ｃの周方向の１ケ所に接続する形で一体化され、さらにその他端にコネクタ２３ａが一体化されている。
【００１８】
ヒータ把持部２３ｄは、ヒータ３の周囲を包囲するＣ字状の横断面形状を有している。そして、ヒータ３を未挿入の状態ではヒータ３の外径よりは少し小さい内径を有し、ヒータ３の挿入にともない弾性的に拡径してその摩擦力によりヒータ３を把持する。
【００１９】
また、金具本体部２３ｃは、左右両側の縁に鋸刃状の接触部２３ｅがそれぞれ複数形成された板状部分を円筒状に曲げ加工することにより、ヒータ３を包囲する形態で形成されている（すなわち、ヒータ３が挿通される）。そして、金具本体部２３ｃの外周面及び接触部２３ｅと酸素検出素子２の中空部２ａの内壁面（内部電極層２ｃ内面）との間の摩擦力によって内部電極接続金具２３及びヒータ３を中空部２ａに対し軸線方向に位置決めする役割を果たすとともに、複数の接触部２３ｅの各先端部において内部電極層２ｃ内面と接触・導通するようになっている。
【００２０】
一方、外部電極接続金具３３は、円筒状の金具本体部３３ｃを有するとともに、引出し線部３３ｂの一端が金具本体部３３ｃの周方向の１ケ所に接続する形で一体化され、さらにその他端にコネクタ３３ａが一体化されている。他方、その中心軸線を挟んで引出し線部３３ｂの接続点と反対側には、軸線方向のスリット３３ｅが形成されている。このような金具本体部３３ｃの内側に、酸素検出素子２の後端部がこれを弾性的に押し広げる形で内側から挿入されている。具体的には、酸素検出素子２の外周面後端部には外部側出力取出部としての導電層２ｆが、周方向に沿って帯状に形成されている。外部電極層２ｂは、例えば無電解メッキ等により、酸素検出素子２の係合フランジ部２ｓよりも前端側の要部全面を覆うものとされている。他方、導電層２ｆは、例えば金属ペーストを用いたパターン形成・焼き付けにより形成されるもので、同様に形成される軸線方向の接続パターン層２ｄを介して外部電極層２ｂと電気的に接続されている。
【００２１】
なお、金具本体部３３ｃの酸素検出素子２挿入側の開口部には、例えばその周方向に沿って外向きに開く挿入ガイド部３３ｆを形成しておけば、挿入時の引っ掛かり等が生じにくく、一層スムーズな組付けが可能となる。また、同様の目的で、酸素検出素子２の開口部外縁に面取部２ｇを形成することもできる。
【００２２】
上記酸素センサ１において、基準ガスとしての大気は外部連通口６８→溝部６９→気体滞留空間６５→気体導入孔５５→フィルタ５３→気体導入孔５２→隙間９２→隙間９８→隙間Ｋ→中空部２ａを経て酸素検出素子２の内面（内部電極層２ｃ）に導入される。一方、酸素検出素子２の外面（外部電極層２ｂ）にはプロテクタ１１のガス透過口１２を介して導入された排気ガスが接触し、酸素検出素子２には、その内外面の酸素濃度差に応じて酸素濃淡電池起電力が生じる。そして、この酸素濃淡電池起電力を、排気ガス中の酸素濃度の検出信号として内外電極層２ｃ，２ｂ（図２）から接続金具２３，３３及びリード線２０，２１を介して取り出すことにより、排気ガス中の酸素濃度を検出できる。
【００２３】
次に、図４は酸素検出素子とヒータの位置関係を説明する概念図、図５は発熱部の拡大図を示す。ヒータ３の中心軸線Ｏ1と酸素検出素子２の中空部２ａの中心軸線Ｏ2との位置関係、及びヒータ３の発熱部４２表面と酸素検出素子２の中空部２ａ内壁面との位置関係について次のように表せる。
▲１▼ヒータ３の中心軸線Ｏ1と酸素検出素子２の中空部２ａの中心軸線Ｏ2が交わる状態であり、これによりヒータ３の発熱部４２近傍において、ヒータ３の中心軸線Ｏ1が酸素検出素子２の中空部２ａの中心軸線Ｏ2に対して片側に寄るように偏心（オフセット）して配置されている。また、ヒータ３の発熱部４２表面を酸素検出素子２の中空部２ａ内壁面に側方から押し付けられる、いわゆる横当て接触方式において、発熱部４２表面の前端部のみが中空部２ａ内壁面に接触する状態（点接触状態）となっている（図４（ａ）参照）。
▲２▼ヒータ３の中心軸線Ｏ1と酸素検出素子２の中空部２ａの中心軸線Ｏ2が平行移動している状態であり、これによりヒータ３の発熱部４２近傍において、ヒータ３の中心軸線Ｏ1が酸素検出素子２の中空部２ａの中心軸線Ｏ2に対して片側に寄るように偏心（オフセット）して配置されている。また、ヒータ３の発熱部４２表面を酸素検出素子２の中空部２ａ内壁面に側方から押し付けられる、いわゆる横当て接触方式において、ヒータ３の発熱部４２表面が酸素検出素子２の中空部２ａ内壁面に沿うように長い距離で接触する状態（線接触状態）となっている（図４（ｂ）参照）。
▲３▼ヒータ３の中心軸線Ｏ1と酸素検出素子２の中空部２ａの中心軸線Ｏ2が平行移動している状態であり、これによりヒータ３の発熱部４２近傍において、ヒータ３の中心軸線Ｏ1が酸素検出素子２の中空部２ａの中心軸線Ｏ2に対して片側に寄るように偏心（オフセット）して配置されている（図４（ｂ）と同じ）。また、ヒータ３の発熱部４２表面と酸素検出素子２の中空部２ａ内壁面とが離間している、いわゆる近接方式である（図４（ｃ）参照）。
【００２４】
なお、前述の点接触又は線接触について、実際上は内部電極接続金具２３のヒータ把持部２３ｄの押し付け力等によってヒータ３の発熱部４２表面は酸素検出素子２の中空部２ａ内壁面に対していずれも面接触状態である（図８参照）が、便宜上上記の呼称を用いる。また、酸素検出素子２の中空部２ａ内壁面には、固体電解質粉末の成形・焼成により製造する際に、成形時の離型性を高める等の目的で、底部側が縮径する僅かなテーパが付与されている（ただし、離型性等に問題を生じない場合には、このテーパは必ずしも付与されていなくてもよい）。
【００２５】
図５は、点接触タイプの図４（ａ）の発熱部４２の拡大図である。ヒータ３の発熱部４２近傍において、ヒータ３の中心軸線Ｏ1が酸素検出素子２の中空部２ａの中心軸線Ｏ2に対して片側に寄るように偏心して配置されるとともに、ヒータ３の発熱部４２表面が酸素検出素子２の中空部２ａ内壁面に接触する位置に配設されている。ヒータ３の発熱部４２表面が酸素検出素子２の中空部２ａ内壁面に接触する横当て接触方式であるので、接触位置を介した熱伝導により、また発熱部４２近傍位置での熱輻射により、発熱部４２の接触位置や近傍位置からは大量の熱が中空部２ａ内壁面へ熱伝達される。
【００２６】
図６は、ヒータの一実施例を示している。セラミックヒータ（ヒータ）３は、円筒状のセラミック基体４３と、その半径方向中間部において周方向面内に埋設された抵抗発熱体４１とを有する。抵抗発熱体４１（発熱部４２）はヒータ３の先端部にのみ設けられている（ただし、筒状成形体４３２が露出する最先端には設けていない）。
【００２７】
抵抗発熱体４１は、図６（ａ）に示すように、セラミック基体４３の軸線方向に沿って延びる複数の本体部４１１が、それと交差する周方向に配置されるとともに、それらの互いに隣接するもの同士が、両端部において接続部４１２により順次連結された、つづら折れ状（図６は特に屈曲状）の連続形態に形成されている。そして、その抵抗発熱体４１の後端側の両端には、セラミック基体４３の軸線方向に延びる電源接続用の２つの導線部４１３が一体化されて形成されている。
【００２８】
抵抗発熱体４１は高融点金属を主体に構成されており、使用可能な高融点金属としては、Ｗが代表的であるがＭｏも使用可能であり、両者は単独で用いても複合させて用いてもいずれでもよい。また、セラミック基体４３は、熱伝導性と高温強度及び高温耐食性に優れていることからＡｌ２Ｏ３を主体に構成できるが、このほかにもムライト、コージェライト、スピネル等のＡｌ２Ｏ３成分を含有したセラミックを使用することができる。なお、セラミック基体中には、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｂ２Ｏ５等の１種又は２種以上からなる焼結助剤成分が、合計で１５重量％以下の範囲で含有されていてもよい。抵抗発熱体４１がＷを主体に構成され、セラミック基体４３がＡｌ２Ｏ３を主体に構成される場合が最も一般的である。
【００２９】
上記ヒータ３は、例えば次のようにして製造することができる。すなわち、図７（ａ）に示すように、セラミックス粉末をバインダとともに板状に成形した粉末成形体４３１の板面に、抵抗発熱体４１の原料粉末を含有するペーストを用いて、抵抗発熱体４１のパターン（本体部４１１となるべき部分、接続部４１２となるべき部分、導線部４１３となるべき部分を含む）を印刷し、導線部４１３の末端にヒータ端子部４０を配置する。次に、図７（ｂ）に示すように、別途形成された円筒状の筒状成形体４３２の外周面に対し粉末成形体４３１を、抵抗発熱体４１のパターンが形成された面が内側となるように巻き付けて、同図（ｃ）に示すような筒状の成形体を作製する。そして、これを焼成することにより、図６に示すヒータ３を得る。なお、４４は粉末成形体４３１を筒状成形体４３２の外周面に巻き付けたときにできる継ぎ目で、本体部４１１が粗となる（発熱量小）ので酸素検出素子２の中空部２ａ内壁面に接触する位置からは遠ざけたほうがよく（図５（ｂ）参照）、溝状の継ぎ目は無くすのがより好ましい。
【００３０】
図８は、抵抗発熱体４１の印刷パターンを展開して示す模式図である。酸素検出素子２の中空部２ａ内壁面と接触する位置（素子接触部）Ｔが図８（ａ）のほぼ中央にあり、抵抗発熱体４１は、粉末成形体４３１（セラミック基体４３）の軸線方向に沿って延びる複数の本体部４１１が、それと交差する周方向に配置されるとともに、それらの互いに隣接するもの同士が、両端部において接続部４１２により順次連結された、つづら折れ状（図８は特に屈曲状）の一本の連続形態に形成されている。
【００３１】
そして、各本体部４１１は、図８（ｂ）に示すように、素子接触部Ｔに近い中央のものほどその断面積Ｓ（図では線幅Ｗ）が段階的に小さくなるものとされ、周方向における配置間隔Ｐ（ピッチ）も素子接触部Ｔに近い中央のものほど段階的に小さくされて、素子接触部Ｔの周囲を取り囲むように高温発熱域Ｈ1（例えば８００℃の等温線）が形成される。また、高温発熱域Ｈ1付近における本体部４１１の軸線方向長さが他の区域におけるそれよりも小に形成し、高温発熱域Ｈ1から遠ざかるにつれて段階的に本体部４１１の軸線方向長さＬ（振幅）を大としている。振幅Ｌは軸線方向の両側で拡大しているので、抵抗発熱体４１の印刷パターンには中央の素子接触部Ｔ近傍を頂点及び底とする山線及び谷線Ｍが形成される。このことで高温発熱域Ｈ1から遠い区域での発熱量を増し、発熱部４２の温度勾配（温度分布）がその周方向に広がりをもつようになって、高温発熱域Ｈ1を広く取り囲む高温維持域Ｈ2（例えば７００℃の等温線）が形成される。前述の点接触タイプに適した温度分布が得られる。
【００３２】
このように、発熱部４２近傍位置での発生熱が熱輻射により中空部２ａ内壁面を加熱し、一方接触位置を介した熱伝導により中空部２ａ内壁面を加熱し、これらの熱伝達により発熱部４２の接触位置や近傍位置からは大量の熱が奪われる。しかし、発熱部４２の接触位置又はその近傍位置を高温発熱域Ｈ1として充分な熱供給を可能とするとともに、抵抗発熱体４１のシンプルな構成と合理的な配置によって極端な温度勾配がなくヒータや酸素検出素子に割れを生じにくい酸素センサが提供できる。さらに、抵抗発熱体４１の印刷パターンの両端には、周方向で約１８０°（半周）の間隔を保ちつつヒータ３の軸線方向後端側に向かって延び、２つのヒータ端子部４０とそれぞれ電気的に接続される２つの導線部４１３が一体的に形成され、両導線部４１３間の周方向中央付近に高温発熱域Ｈ１を配置している。この結果、導線部４１３は相対的に高温発熱域Ｈ１から遠ざけられ、高温発熱下で通電使用を長時間継続してもマイグレーションによる抵抗発熱体４１の劣化が生じにくく、長寿命のヒータ３が得られる。
【００３３】
なお、抵抗発熱体４１の断面積Ｓの大・小関係は、単位長さ当たりの電気抵抗値の小・大関係に比例する。したがって、抵抗発熱体４１の成分変更等を行うこと無くその配置パターンの工夫（断面積Ｓの大・小関係）で実施が可能である。また、接続部４１２についても、素子接触部Ｔに近い中央のものほどその断面積（図では線幅）が段階的に小さくなるものとされている。
【００３４】
図９は、図８の第一変更例で、本体部４１１の軸線方向長さ（振幅）を周方向に対して略一定長さとした点のみ異なっている。このことで高温発熱域Ｈ1から遠い区域での発熱量が減少し、高温発熱域Ｈ1は周方向に少し狭くなり、それを取り囲む高温維持域Ｈ2はやや軸線方向に偏平状となる。
【００３５】
図１０は、図８の第二変更例で、抵抗発熱体４１の印刷幅が、粉末成形体４３１の幅Ｗ0の１／２（半周分）とされている。軸方向前端側は振幅を揃え、後端側で高温発熱域Ｈ1から遠ざかるにつれて段階的に本体部４１１の軸線方向長さＬ（振幅）を大としている（谷線Ｍのみ）。高温発熱域Ｈ1、高温維持域Ｈ2ともに軸線方向前端側にやや尖った形状になると考えられる。全体的に高温発熱域Ｈ1と、高温維持域Ｈ2を狭い範囲に納めることができ、マイグレーション防止に有効と考えられる。なお、接続部４１２が曲線状に形成され、抵抗発熱体４１のつづら折れ状パターンは図１０で湾曲状（蛇行状）を呈している。
【００３６】
図１１は、図８の第三及び第四変更例で、ともに軸方向後端側は振幅を揃え、前端側で高温発熱域Ｈ1から遠ざかるにつれて段階的に本体部４１１の軸線方向長さＬ（振幅）を大としており（山線Ｍのみ）、本体部４１１の本数を減らしている。全体の発熱量をやや抑えることにより、熱衝撃による割れの防止を図っている。
【００３７】
なお、上述の各実施例においては、抵抗発熱体４１はセラミック基体４３内に埋設されているが、セラミック基体４３の外周面に抵抗発熱体４１を形成するようにしてもよい。また、抵抗発熱体４１を形成するために、抵抗発熱材料粉末のペーストを用いてセラミック粉末の成形体４３１上に所望のパターンを印刷した後焼成する方法が使用されているが、予め焼成されたセラミック基板４３の外周面上に、蒸着、スパッタリング等により抵抗発熱材料の膜を各種パターンに形成する方法を採用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の酸素センサの縦断面図。
【図２】図１の酸素センサの要部を示す縦断面図。
【図３】セラミックセパレータへの組み付け状態を示す分解斜視図。
【図４】酸素検出素子とヒータの位置関係を説明する概念図。
【図５】発熱部の拡大図。
【図６】ヒータの一実施例を示す部分切欠き斜視図及びその断面図。
【図７】図８のヒータの製造方法の一例を示す説明図。
【図８】抵抗発熱体の印刷パターンを展開して示す模式図。
【図９】抵抗発熱体の印刷パターンの第一変更例を展開して示す模式図。
【図１０】抵抗発熱体の印刷パターンの第二変更例を展開して示す模式図。
【図１１】抵抗発熱体の印刷パターンの第三及び第四変更例を展開して示す模式図。
【符号の説明】
１      酸素センサ
２      酸素検出素子
２ａ    中空部
２ｂ    外部電極層
２ｃ    内部電極層
３      ヒータ
１０    ケーシング
１８    セラミックセパレータ
２０，２１    リード線
４０    ヒータ端子部
４１    抵抗発熱体
４１１  本体部
４１２  接続部
４１３  導線部
４２    発熱部
４３    セラミック基体
４３１  粉末成形体
４３２  筒状成形体
４４    継ぎ目
７２    リード線挿通孔
Ｈ1     高温発熱域
Ｈ2     高温維持域
Ｐ      本体部の配置間隔（ピッチ）
Ｓ      本体部の断面積
Ｗ      本体部の線幅
Ｌ      本体部の軸線方向長さ（振幅）
Ｏ1     ヒータの中心軸線
Ｏ2     酸素検出素子の中空部の中心軸線
Ｔ      素子接触部
【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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【図１１】
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