JP5403017B2

JP5403017B2 - セラミックヒータ及びそれを用いたガスセンサ素子

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Description

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それを用いたガスセンサ素子に関する。

従来、自動車等の内燃機関の排気系には、排ガス等の被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサが配設されている。ガスセンサには、ガスセンサ素子を加熱するためのセラミックヒータが内蔵されている。
セラミックヒータとしては、例えば、通電により発熱する発熱部とその発熱部に通電するためのリード部とを有するヒータパターンをセラミック基板上に形成したものがある。

近年、ガスセンサ素子の急速昇温化（早期活性化）、使用温度の高温化等の要求により、発熱部の比抵抗を小さくする傾向がある。
例えば、特許文献１では、発熱部及びリード部をそれぞれ異なる材料で構成し、発熱部の比抵抗をリード部の比抵抗よりも小さくしたセラミックヒータが開示されている。このセラミックヒータは、異なる材料によって発熱部及びリード部を形成することから、例えば、発熱部の端部とリード部の端部とを重ね合わせることにより、両者を接合している。

特開２００４−３４２６２２号公報

しかしながら、上記セラミックヒータでは、次のような問題があった。
すなわち、発熱部とリード部とは、それぞれ異なる材料によって構成する。そのため、セラミックヒータの通電時に、発熱部とリード部との線膨張の差によって両者の接合部に応力が発生し、その接合部を起点としてヒータパターンやセラミック基板にクラックが発生するおそれがあった。特に、ガスセンサ素子の急速昇温化（早期活性化）、使用温度の高温化等の要求が高まれば高まるほど、この問題がより顕著に表れることになる。

また、セラミックヒータを製造するに当たっては、例えば、セラミック基板上に発熱部用の導体ペースト及びリード部用の導体ペーストを印刷する。このとき、発熱部とリード部との接合部については、発熱部用の導体ペーストとリード部用の導体ペーストとを重ね合わせるように印刷する。そのため、一方の導体ペーストの上に重ねて印刷した他方の導体ペーストにダレが発生し、そのダレが周囲に伸展することにより、セラミックヒータに短絡が発生するおそれがあった。
また、上述したとおり、発熱部とリード部とは、それぞれ異なる材料によって構成する。そのため、導体ペーストの焼成時に、発熱部とリード部との焼成による収縮率の差によって両者の接合部に応力が発生し、その接合部を起点としてヒータパターンやセラミック基板にクラックが発生するおそれがあった。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、耐久性に優れ、短絡の発生を防止することができるセラミックヒータ及びそれを用いたガスセンサ素子を提供しようとするものである。

本発明の一の態様は、通電により発熱する発熱部と該発熱部に通電するための一対のリード部とを有するヒータパターンをセラミック基板上に形成してなるセラミックヒータであって、
上記発熱部は、上記一対のリード部にそれぞれ接合される一対の発熱接合端部を有し、
上記各リード部は、上記発熱部の上記発熱接合端部に接合されるリード接合端部を有し、
上記発熱部と上記リード部とは、上記発熱接合端部と上記リード接合端部とを重ね合わせてなる接合部において接合されており、
上記セラミック基板を上記ヒータパターンが形成されている面に対して鉛直方向から見た場合のヒータパターン形状において、上記接合部の幅方向の両側における上記発熱部の上記発熱接合端部の輪郭と上記リード部の上記リード接合端部の輪郭との交差部分に、上記ヒータパターンが内側に凹んだ凹部が形成されており、
上記ヒータパターン形状における上記発熱部の上記発熱接合端部及び上記リード部の上記リード接合端部の少なくとも一方は、その端縁に弧状の曲線を有することを特徴とするセラミックヒータにある（請求項１）。

本発明の他の態様は、上記セラミックヒータを備えていることを特徴とするガスセンサ素子にある（請求項９）。

上記セラミックヒータにおいて、発熱部とリード部とは、発熱接合端部とリード接合端部とを重ね合わせてなる接合部において接合されている。そして、セラミック基板をヒータパターンが形成されている面に対して鉛直方向から見た場合のヒータパターン形状において、接合部の幅方向の両側における発熱部の発熱接合端部の輪郭とリード部のリード接合端部の輪郭との交差部分に、ヒータパターンが内側に凹んだ凹部が形成されている。
これにより、セラミックヒータの耐久性を高めることができ、かつ、短絡の発生を防止することができる。

すなわち、発熱部とリード部との接合部分であって、セラミックヒータの通電時（以下、単に通電時という）に応力が発生しやすい接合部の両側に、ヒータパターンを内側に凹ませた凹部が形成されている。そのため、通電時において、接合部に発生する応力を凹部によって効果的に分散・緩和することができる。これにより、接合部を起点としてヒータパターンやセラミック基板にクラックが発生することを抑制することができ、セラミックヒータの耐久性を高めることができる。

また、セラミックヒータを製造するに当たって、例えば、セラミック基板上に発熱部用及びリード部用の導体ペーストを印刷してヒータパターンを形成する場合に、発熱部の発熱接合端部とリード部のリード接合端部とを重ね合わせて形成する接合部において、両者を精度よく重ねて印刷することができる。つまり、一方の導体ペーストの上に重ねて印刷した他方の導体ペーストにダレが発生しても、そのダレを接合部の両側に形成された凹部内に留まらせて押さえ込み、周囲に伸展することを抑制することができる。これにより、セラミックヒータにおける短絡の発生を防止することができる。

また、発熱部とリード部との接合部分であって、セラミック基板上に印刷した導体ペーストの焼成時（以下、単に焼成時という）に応力が発生しやすい接合部の両側に凹部が形成されている。そのため、接合部に発生する応力を凹部によって効果的に分散・緩和することができる。これにより、接合部を起点としてヒータパターンやセラミック基板にクラックが発生することを抑制することができ、セラミックヒータの耐久性を高めることができる。

上記ガスセンサ素子は、上述したとおり、耐久性に優れ、短絡の発生を防止することができるセラミックヒータを備えている。これにより、耐久性・信頼性に優れたガスセンサ素子を得ることができる。

このように、耐久性に優れ、短絡の発生を防止することができるセラミックヒータ及びそれを用いたガスセンサ素子を提供することができる。

実施例１における、セラミックヒータの構造を示す説明図。実施例１における、セラミック基板及びヒータパターンを示す平面図。実施例１における、発熱部とリード部との接合部分を拡大して示す説明図。実施例１における、セラミック基板の幅方向の断面を示す説明図。実施例１における、ガスセンサ素子の構造を示す断面説明図。実施例１における、ガスセンサ素子の構造を示す斜視展開図。実施例２における、発熱部とリード部との接合部を拡大して示す説明図。実施例２における、発熱部とリード部との接合部を拡大して示す説明図。実施例２における、発熱部とリード部との接合部を拡大して示す説明図。実施例２における、発熱部とリード部との接合部を拡大して示す説明図。実施例３における、発熱部とリード部との接合部を拡大して示す説明図。

上記セラミックヒータにおいて、上記接合部は、発熱部の発熱接合端部上にリード部のリード接合端部を重ね合わせて形成してもよいし、リード部のリード接合端部上に発熱部の発熱接合端部を重ね合わせて形成してもよい。

また、上記ヒータパターン形状における上記発熱部の上記発熱接合端部及び上記リード部の上記リード接合端部の少なくとも一方は、その端縁に弧状の曲線を有する。
これにより、通電時において、発熱部とリード部との接合部に発生する応力をより一層分散・緩和することができる。また、焼成時においても同様の効果が期待できる。これにより、接合部を起点とするクラックの発生をさらに抑制することができる。

また、上記ヒータパターンの長手方向における上記リード部の上記リード接合端部の先端から上記発熱部の上記発熱接合端部の先端までの接合領域の長さをＬとし、該接合領域の抵抗をＲ１、上記発熱部の上記発熱接合端部の先端から上記リード部側へ距離Ｌまでのリード領域の抵抗をＲ２とした場合、Ｒ１≦Ｒ２の関係である構成とすることができる（請求項２）。
この場合には、通電時において、良好な発熱特性が得られ、例えばガスセンサ素子の急速昇温化（早期活性化）を図ることができる。また、発熱部とリード部との接合部分である接合部における異常発熱や接合部を起点とするクラックを防止することができる。

また、上記接合領域の抵抗Ｒ１と上記リード領域の抵抗Ｒ２との関係がＲ１＞Ｒ２の場合には、通電時において、良好な発熱特性が得られないおそれがある。また、発熱部とリード部との接合部分である接合部において異常発熱が生じ、接合部を起点とするクラックが発生するおそれがある。

また、上記ヒータパターンにおける上記発熱部の上記発熱接合端部及び上記リード部の上記リード接合端部の少なくとも一方は、その端縁から上記ヒータパターンの長手方向に突出してなる凸部を有する構成とすることができる（請求項３）。
この場合には、セラミックヒータの製造時において、発熱部及びリード部の長手方向の形成位置にずれが生じても、両者の接合面積を十分に確保することができる。これにより、接合部における異常発熱や接合部を起点とするクラックの発生を抑制することができる。

また、上記凸部の上記長手方向の長さをＳ、上記接合部から上記凸部を除いた部分の上記長手方向の長さをＭとした場合、Ｓ＝ａ×Ｍ＋ｂの関係であり、かつ、ａ＝０．３〜５、ｂ＝０〜０．２ｍｍである構成とすることができる（請求項４）。
この場合には、セラミックヒータの製造時において、発熱部及びリード部の長手方向の形成位置にずれが生じても、両者の接合面積をより一層十分に確保することができる。

上記のＳ＝ａ×Ｍ＋ｂの関係式において、ａが０．３未満の場合には、セラミックヒータの製造時において、発熱部及びリード部の長手方向の形成位置にずれが生じた場合に、両者の接合面積を十分に確保することができないおそれがある。また、ａが０．５を超える場合には、接合面積が必要以上に大きくなり、コストの増大につながるおそれがある。また、ｂが０．２ｍｍを超える場合には、接合面積が必要以上に大きくなり、コストの増大につながるおそれがある。

また、上記接合部は、上記発熱部の上記発熱接合端部上に上記リード部の上記リード接合端部を重ね合わせてなり、該リード接合端部の幅は、上記発熱接合端部の幅よりも小さい構成とすることができる（請求項５）。
この場合には、例えば、セラミック基板上に導体ペーストを印刷してヒータパターンを形成する場合に、発熱部の発熱接合端部上にリード部のリード接合端部を精度よく重ねて印刷することが容易となる。また、上側に重ねて印刷したリード部のリード接合端部にダレやニジミが発生しても、そのダレやニジミが発熱部の発熱接合端部よりも外側に伸展することを抑制することができる。その結果、セラミックヒータにおける短絡の発生を防止することができる。

また、上記発熱部は、白金、金、パラジウム、レニウム又はこれらの混合材料を主成分とし、かつ、該主成分の含有量を１００重量部とした場合、アルミナ、ジルコニア、チタニア又はこれらの混合材料を１１〜１４重量部含有している構成とすることができる（請求項６）。
この場合には、通電時において、良好な発熱特性が得られ、例えばガスセンサ素子の急速昇温化（早期活性化）を図ることができる。また、焼成時において、良好な焼結性が得られる。

また、上記発熱部は、アルミナ、ジルコニア、チタニア又はこれらの混合材料の含有量が１１重量部未満の場合には、焼成時において、焼結性が低下し、剥離やクラックが発生するおそれがある。
また、上記発熱部は、アルミナ、ジルコニア、チタニア又はこれらの混合材料の含有量が１４重量部を超える場合には、通電時において、良好な発熱特性が得られないおそれがある。

また、上記リード部は、白金、金、パラジウム、レニウム又はこれらの混合材料を主成分とし、かつ、該主成分の含有量を１００重量部とした場合、アルミナ、ジルコニア、チタニア又はこれらの混合材料を７〜１０重量部含有している構成とすることができる（請求項７）。
この場合には、通電時において、良好な発熱特性が得られ、例えばガスセンサ素子の急速昇温化（早期活性化）を図ることができる。また、焼成時において、良好な焼結性が得られる。

また、上記リード部は、アルミナ、ジルコニア、チタニア又はこれらの混合材料の含有量が７重量部未満の場合には、焼成時において、焼結性が低下し、剥離やクラックが発生するおそれがある。
また、上記リード部は、アルミナ、ジルコニア、チタニア又はこれらの混合材料の含有量が１０重量部を超える場合には、通電時において、良好な発熱特性が得られないおそれがある。

また、上記ヒータパターンは、導体ペーストを印刷することによって形成されている構成とすることができる（請求項８）。
この場合には、発熱部とリード部との接合部分である接合部における印刷時の導体ペーストのダレを抑制し、セラミックヒータにおける短絡の発生を防止するという上述の効果を有効に発揮することができる。

上記ガスセンサ素子としては、例えば、自動車エンジン等の各種車両用内燃機関の排気管に設置して排ガスフィードバックシステムに使用されるＡ／Ｆセンサに内蔵するＡ／Ｆセンサ素子、排ガス中の酸素濃度を測定するＯ₂センサ素子、排気管に設置する三元触媒の劣化検知等に利用されるＮＯｘ等の大気汚染物質濃度を調べるＮＯｘセンサ素子等がある。

（実施例１）
セラミックヒータ及びそれを用いたガスセンサ素子にかかる実施例について、図を用いて説明する。
本例のセラミックヒータ１は、図１〜図４に示すごとく、通電により発熱する発熱部２１と発熱部２１に通電するための一対のリード部２２とを有するヒータパターン２をセラミック基板１１上に形成してなる。

発熱部２１は、一対のリード部２２にそれぞれ接合される一対の発熱接合端部２１１を有する。各リード部２２は、発熱部２１の発熱接合端部２１１に接合されるリード接合端部２２１を有する。発熱部２１とリード部２２とは、発熱接合端部２１１とリード接合端部２２１とを重ね合わせてなる接合部２３において接合されている。
セラミック基板１１をヒータパターン２が形成されている面に対して鉛直方向から見た場合のヒータパターン形状において、接合部２３の幅方向の両側における発熱部２１の発熱接合端部２１１の輪郭とリード部２２のリード接合端部２２１の輪郭との交差部分に、ヒータパターン２が内側に凹んだ凹部２４が形成されている。
以下、これを詳説する。

なお、本例では、セラミック基板１１の長手方向を長手方向Ｘ、セラミック基板１１の幅方向を幅方向Ｙ、セラミック基板１１の厚み方向を厚み方向Ｚとして説明する。
また、ヒータパターン２（発熱部２１、リード部２２）の長手方向、幅方向、厚み方向は、セラミック基板の長手方向Ｘ、幅方向Ｙ、厚み方向Ｚと同様の方向である。

本例のセラミックヒータ１は、図５、図６に示すごとく、ガスセンサ素子３に内蔵されている。
ガスセンサ素子３としては、例えば、自動車エンジン等の各種車両用内燃機関の排気管に設置して排ガスフィードバックシステムに使用されるＡ／Ｆセンサに内蔵するＡ／Ｆセンサ素子、排ガス中の酸素濃度を測定するＯ₂センサ素子、排気管に設置する三元触媒の劣化検知等に利用されるＮＯｘ等の大気汚染物質濃度を調べるＮＯｘセンサ素子等がある。

同図に示すごとく、ガスセンサ素子３は、酸素イオン伝導性の固体電解質体３１を有する。固体電解質体３１は、ジルコニアを主成分とする材料からなる。
固体電解質体３１の一方の面には、被測定ガス側電極３２が設けられている。また、固体電解質体３１の他方の面には、基準ガス側電極３３が設けられている。被測定ガス側電極３２及び基準ガス側電極３３は、白金を主成分とする材料からなる。

また、固体電解質体３１における被測定ガス側電極３２の側には、ガス透過性のアルミナ多孔体からなる多孔質の拡散抵抗層３５と電気的絶縁性を有すると共に緻密でガスを透過させないアルミナからなるスペーサ層３６とが積層されている。拡散抵抗層３５は、被測定ガス（排ガス）を導入して被測定ガス側電極３２に接触させることができるよう構成されている。
また、拡散抵抗層３５及びスペーサ層３６における固体電解質体３１とは反対の側には、電気的絶縁性を有すると共に緻密でガスを透過させないアルミナからなる遮蔽層３７が積層されている。

また、固体電解質体３１における基準ガス側電極３３の側には、電気的絶縁性を有すると共に緻密でガスを透過させないアルミナからなる基準ガス室形成層３４が積層されている。基準ガス室形成層３４には、切欠部３４１が設けられており、この切欠部３４１内に基準ガス室３４０が形成されている。基準ガス室３４０は、基準ガス（大気）を導入して基準ガス側電極３３に接触させることができるよう構成されている。
また、基準ガス室形成層３４における固体電解質体３１とは反対の側には、セラミックヒータ１が積層されている。

また、固体電解質体３１の一方の面に設けられた被測定ガス側電極３２は、導電性の接続リード３２１、さらにスペーサ層３６及び遮蔽層３７にそれぞれ形成されたスルーホール３６８、３７８を介して、電極パッド３２２に電気的に接続されている。なお、各スルーホール３６８、３７８内には、導体（図示略）が配設されている。
また、固体電解質体３１の他方の面に設けられた基準ガス側電極３３は、導電性のリード部３３１、さらに固体電解質体３１、スペーサ層３６及び遮蔽層３７にそれぞれ形成されたスルーホール３１９、３６９、３７９を介して、電極パッド３３２に電気的に接続されている。なお、各スルーホール３１９、３６９、３７９内には、導体（図示略）が配設されている。

次に、セラミックヒータ１について詳細に説明する。
図１に示すごとく、セラミックヒータ１は、セラミック基板１１と、そのセラミック基板１１と基準ガス質形成層３４（図５）との間に配置されたセラミック絶縁層１２とを積層してなる。セラミック基板１１及びセラミック絶縁層１２は、電気的絶縁性を有すると共に緻密でガスを透過させないアルミナからなる。

図１、図２に示すごとく、セラミック基板１１の一方の表面１１１には、ヒータパターン２が形成されている。ヒータパターン２は、導体ペーストを印刷することによって形成されている。また、ヒータパターン２は、セラミック絶縁層１２と対面するように形成されている。
また、ヒータパターン２は、通電により発熱し、ガスセンサ素子３を活性温度まで加熱するための発熱部２１と、発熱部２１に通電するための一対のリード部２２とを有する。

本例では、発熱部２１は、白金を主成分とする材料からなる。また、発熱部２１は、主成分である白金の他に、アルミナを含有している。アルミナの含有量は、白金の含有量を１００重量部とした場合、１１〜１４重量部である。
また、リード部２２は、白金を主成分とする材料からなる。また、リード部２２は、主成分である白金の他に、アルミナを含有している。アルミナの含有量は、白金の含有量を１００重量部とした場合、７〜１０重量部である。

また、発熱部２１は、セラミック基板１１の長手方向Ｘにおける一方の端部に形成されている。発熱部２１の両端部には、一対のリード部２２にそれぞれ接合される一対の発熱接合端部２１１が設けられている。
また、一対のリード部２２は、セラミック基板１１の長手方向Ｘに形成されている。また、一対のリード部２２は、セラミック基板１１の幅方向Ｙにおいて互いに平行に配置されている。各リード部２２の一方の端部には、発熱部２１の発熱接合端部２１１に接合されるリード接合端部２２１が設けられている。

そして、図３、図４に示すごとく、発熱部２１とリード部２２とは、一対の接合部２３において接合されている。接合部２３は、発熱部２１の発熱接合端部２１１とリード部２２のリード接合端部２２１とを重ね合わせることによって形成されている。本例では、発熱部２１の発熱接合端部２１１上にリード部２２のリード接合端部２２１を重ね合わせることによって形成されている。

また、図３に示すごとく、セラミック基板１１をヒータパターン２が形成されている表面１１１に対して鉛直方向（厚み方向Ｚ）から見た場合のヒータパターン形状（以下、単にヒータパターン形状という）において、発熱部２１の発熱接合端部２１１及びリード部２２のリード接合端部２２１は、その端縁２１２、２２２が円弧状の曲線となっている。
また、接合部２３の幅方向（幅方向Ｙ）の両側における発熱部２１の発熱接合端部２１１の輪郭とリード部２２のリード接合端部２２１の輪郭との交差部分に、ヒータパターン２が内側に凹んだ凹部２４が形成されている。

また、図４に示すごとく、ヒータパターン２の長手方向（長手方向Ｘ）において、リード部２２のリード接合端部２２１の先端から発熱部２１の発熱接合端部２１１の先端までの接合領域Ａの長さをＬとする。そして、この接合領域Ａの抵抗をＲ１、発熱部２１の発熱接合端部２１１の先端からリード部２２側へ距離Ｌまでのリード領域Ｂの抵抗をＲ２とした場合、Ｒ１≦Ｒ２の関係を満たしている。
また、セラミック基板１１の表面１１１に形成された発熱部２１は、一対のリード部２２、さらにはセラミック基板１１に形成された一対のスルーホール１１９を介して、セラミック基板１１の他方の表面１１２に配設された一対の電極パッド２９に電気的に接続されている。なお、各スルーホール１１９内には、導体２８が配設されている。

次に、セラミックヒータ１及びガスセンサ素子３の製造方法について説明する。
まず、セラミックヒータ１を構成するセラミック基板１１及びセラミック絶縁層１２となる各アルミナシートを成形する。また、セラミック基板１１となるアルミナシートには、スルーホール１１９となる貫通孔を形成しておく。
このアルミナシートは、例えば、アルミナ粉末にＳｉＯ₂、ＭｇＯ、ＣａＯ等の焼結助剤を混合し、さらに有機バインダ等を混合して調整されたスラリーをドクターブレード法等の成形方法によって５０〜５００μｍの厚さに成形する。

次いで、セラミック基板１１となるアルミナシートの一方の表面に、ヒータパターン２となる導体ペーストを印刷する。具体的には、発熱部２１となる導体ペーストを印刷した後、リード部２２となる導体ペーストを印刷する。そして、発熱部２１とリード部２２との接合部分である接合部２３については、発熱部２１となる導体ペースト上にリード部２２となる導体ペーストを重ねて印刷する。

ここで、発熱部２１となる導体ペーストは、例えば、主成分となる白金粉末１００重量部にアルミナ粉末を１１〜１４重量部混合し、さらにアクリル樹脂等の有機バインダ、ＤＢＰやＤＯＰ等の可塑剤、ターピネオール等の有機溶媒等を混合し、ペースト状に調整したものである。
また、リード部２２となる導体ペーストは、例えば、主成分となる白金粉末１００重量部にアルミナ粉末を１１〜１４重量部混合し、さらにアクリル樹脂等の有機バインダ、ＤＢＰやＤＯＰ等の可塑剤、ターピネオール等の有機溶媒等を混合し、ペースト状に調整したものである。

また、セラミック基板１１となるアルミナシートの他方の表面に、電極パッド２９となる導体ペーストを印刷する。また、予め形成しておいた貫通孔に導体２８となる導体ペーストを充填する。
そして、セラミック基板１１及びセラミック絶縁層１２となるアルミナシートを積層し、ヒータ積層体を作製する。

また、ガスセンサ素子３を構成する固体電解質体３１となるジルニコアシートを成形し、そこへ被測定ガス側電極３２、基準ガス側電極３３等となる導体ペーストを印刷する。また、ガスセンサ素子３を構成する基準ガス室形成層３４、拡散抵抗層３５、スペーサ層３６、遮蔽層３７となる各アルミナシートを成形する。そして、これらのシートを積層し、センサ積層体を作製する。

次いで、このセンサ積層体に上述のヒータ積層体を積層し、全体を熱圧着して素子積層体を作製する。そして、素子積層体を所定の条件で焼成する。
これにより、本例のセラミックヒータ１（図１〜図４）を内蔵してなるガスセンサ素子３（図５）が得られる。

次に、本例のセラミックヒータ１及びそれを用いたガスセンサ素子３における作用効果について説明する。
本例のセラミックヒータ１において、発熱部２１とリード部２２とは、発熱接合端部２１１とリード接合端部２２１とを重ね合わせてなる接合部２３において接合されている。そして、ヒータパターン形状において、接合部２３の幅方向の両側における発熱部２１の発熱接合端部２１１の輪郭とリード部２２のリード接合端部２２１の輪郭との交差部分に、ヒータパターン２が内側に凹んだ凹部２４が形成されている。
これにより、セラミックヒータ１の耐久性を高めることができ、かつ、短絡の発生を防止することができる。

すなわち、発熱部２１とリード部２２との接合部分であって、セラミックヒータ１の通電時に応力が発生しやすい接合部２３の両側に、ヒータパターン２の側面２００を内側に凹ませた凹部２４が形成されている。そのため、通電時において、接合部２３に発生する応力を凹部２４によって効果的に分散・緩和することができる。これにより、接合部２３を起点としてヒータパターン２やセラミック基板１１にクラックが発生することを抑制することができ、セラミックヒータ１の耐久性を高めることができる。

また、セラミックヒータ１を製造するに当たって、セラミック基板１１上に発熱部２１用及びリード部２２用の導体ペーストを印刷してヒータパターン２を形成する場合に、発熱部２１の発熱接合端部２１１とリード部２２のリード接合端部２２１とを重ね合わせて形成する接合部２３において、両者を精度良く重ねて印刷することができる。つまり、一方の導体ペーストの上に重ねて印刷した他方の導体ペーストにダレが発生しても、そのダレを接合部２３の両側に形成された凹部２４内に留まらせて押さえ込み、周囲に伸展することを抑制することができる。これにより、セラミックヒータ１における短絡の発生を防止することができる。

また、発熱部２１とリード部２２との接合部分であって、セラミック基板１１上に印刷した導体ペーストの焼成時に応力が発生しやすい接合部２３の両側に凹部２４が形成されている。そのため、接合部２３に発生する応力を凹部２４によって効果的に分散・緩和することができる。これにより、接合部２３を起点としてヒータパターン２やセラミック基板１１にクラックが発生することを抑制することができ、セラミックヒータ１の耐久性を高めることができる。

また、本例のセラミックヒータ１において、ヒータパターン形状における発熱部２１の発熱接合端部２１１及びリード部２２のリード接合端部２２１は、その端縁２１２、２２２に弧状（円弧状）の曲線を有する。そのため、通電時において、発熱部２１とリード部２２との接合部２３に発生する応力をより一層分散・緩和することができる。また、焼成時においても同様の効果が期待できる。これにより、接合部２３を起点とするクラックの発生をさらに抑制することができる。

また、ヒータパターン２における接合領域Ａの抵抗をＲ１、リード領域Ｂの抵抗をＲ２とした場合、Ｒ１≦Ｒ２の関係である。これにより、通電時において、良好な発熱特性が得られ、ガスセンサ素子３の急速昇温化（早期活性化）を図ることができる。また、発熱部２１とリード部２２との接合部分である接合部２３における異常発熱や接合部２３を起点とするクラックを防止することができる。

また、発熱部２１は、白金を主成分とし、かつ、その主成分である白金の含有量を１００重量部とした場合、アルミナを１１〜１４重量部含有している。また、リード部は、白金を主成分とし、かつ、その主成分である白金の含有量を１００重量部とした場合、アルミナを７〜１０重量部含有している。これにより、通電時において、良好な発熱特性が得られ、ガスセンサ素子３の急速昇温化（早期活性化）を図ることができる。また、焼成時において、良好な焼結性が得られる。

また、ヒータパターン２は、発熱部２１用及びリード部２２用の導体ペーストを印刷することによって形成されている。これにより、発熱部２１とリード部２２との接合部分である接合部２３における印刷時の導体ペーストのダレを抑制し、セラミックヒータ１における短絡の発生を防止するという上述の効果を有効に発揮することができる。

また、本例のガスセンサ素子３は、上述したとおり、耐久性に優れ、短絡の発生を防止することができるセラミックヒータ１を内蔵している。これにより、耐久性・信頼性に優れたガスセンサ素子３を得ることができる。

このように、本例によれば、耐久性に優れ、短絡の発生を防止することができるセラミックヒータ１及びそれを用いたガスセンサ素子３を提供することができる。

（実施例２）
本例は、図７〜図１０に示すごとく、ヒータパターン２における発熱部２１及びリード部２２の構成を変更したセラミックヒータ１の例である。

図７に示す例では、ヒータパターン形状において、発熱部２１の発熱接合端部２１１は、その端縁２１２が円弧状の曲線となっている。一方、リード部２２のリード接合端部２２１は、その端縁２２２が幅方向Ｙに平行な直線となっている。
図８に示す例では、ヒータパターン形状において、発熱部２１の発熱接合端部２１１は、その端縁２１２が幅方向Ｙに平行な直線となっている。一方、リード部２２のリード接合端部２２１は、その端縁２２２が円弧状の曲線となっている。

図９に示す例では、ヒータパターン形状において、発熱部２１の発熱接合端部２１１は、その端縁２１２が幅方向Ｙに平行な直線部分とその両側の円弧状の曲線部分とからなっている。リード部２２のリード接合端部２２１の端縁２２２も同様である。
図１０に示す例では、ヒータパターン形状において、発熱部２１の発熱接合端部２１１は、その端縁２１２が幅方向Ｙに平行な直線部分とその両側の傾斜した直線部分とからなっており、先端に近づくほど発熱接合端部２１１の幅が小さくなっている。リード部２２のリード接合端部２２１の端縁２２２も同様である。

そして、図７〜図１０に示すいずれの例においても、その他は、実施例１と同様の構成であり、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、図１１に示すごとく、ヒータパターン２における発熱部２１及びリード部２２の構成を変更したセラミックヒータ１の例である。
本例では、同図に示すごとく、ヒータパターン形状における発熱部２１の発熱接合端部２１１及びリード部２２のリード接合端部２２１は、その端縁２１２、２２２からヒータパターン２の長手方向（長手方向Ｘ）に突出してなる凸部２１３、２２３を有する。凸部２１３、２２３は、発熱接合端部２１１及びリード接合端部２２１の幅方向（幅方向Ｙ）の中央付近から長手方向Ｘに突出して形成されている。

また、凸部２１３、２２３の長手方向（長手方向Ｘ）の長さをＳ（Ｓ１、Ｓ２）、接合部２３から凸部２１３、２２３を除いた部分の長手方向（長手方向Ｘ）の長さをＭとした場合、Ｓ＝ａ×Ｍ＋ｂの関係を満たす。なお、この関係式において、ａ＝０．３〜５、ｂ＝０〜０．２ｍｍである。
その他は、実施例１と同様の構成である。

本例の場合には、セラミックヒータ１の製造時において、発熱部２１及びリード部２２の長手方向（長手方向Ｘ）の形成位置にずれが生じても、両者の接合面積を十分に確保することができる。これにより、接合部２３における異常発熱や接合部２３を起点とするクラックの発生を抑制することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

１セラミックヒータ
１１セラミック基板
２ヒータパターン
２１発熱部
２１１発熱接合端部
２２リード部
２２１リード接合端部
２３接合部
２４凹部
３ガスセンサ素子

Claims

通電により発熱する発熱部と該発熱部に通電するための一対のリード部とを有するヒータパターンをセラミック基板上に形成してなるセラミックヒータであって、
上記発熱部は、上記一対のリード部にそれぞれ接合される一対の発熱接合端部を有し、
上記各リード部は、上記発熱部の上記発熱接合端部に接合されるリード接合端部を有し、
上記発熱部と上記リード部とは、上記発熱接合端部と上記リード接合端部とを重ね合わせてなる接合部において接合されており、
上記セラミック基板を上記ヒータパターンが形成されている面に対して鉛直方向から見た場合のヒータパターン形状において、上記接合部の幅方向の両側における上記発熱部の上記発熱接合端部の輪郭と上記リード部の上記リード接合端部の輪郭との交差部分に、上記ヒータパターンが内側に凹んだ凹部が形成されており、
上記ヒータパターン形状における上記発熱部の上記発熱接合端部及び上記リード部の上記リード接合端部の少なくとも一方は、その端縁に弧状の曲線を有することを特徴とするセラミックヒータ。
請求項１に記載のセラミックヒータにおいて、上記ヒータパターンの長手方向における上記リード部の上記リード接合端部の先端から上記発熱部の上記発熱接合端部の先端までの接合領域の長さをＬとし、該接合領域の抵抗をＲ１、上記発熱部の上記発熱接合端部の先端から上記リード部側へ距離Ｌまでのリード領域の抵抗をＲ２とした場合、Ｒ１≦Ｒ２の関係であることを特徴とするセラミックヒータ。
請求項１又は２に記載のセラミックヒータにおいて、上記ヒータパターン形状における上記発熱部の上記発熱接合端部及び上記リード部の上記リード接合端部の少なくとも一方は、その端縁から上記ヒータパターンの長手方向に突出してなる凸部を有することを特徴とするセラミックヒータ。
請求項３に記載のセラミックヒータにおいて、上記凸部の上記長手方向の長さをＳ、上記接合部から上記凸部を除いた部分の上記長手方向の長さをＭとした場合、Ｓ＝ａ×Ｍ＋ｂの関係であり、かつ、ａ＝０．３〜５、ｂ＝０〜０．２ｍｍであることを特徴とするセラミックヒータ。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のセラミックヒータにおいて、上記接合部は、上記発熱部の上記発熱接合端部上に上記リード部の上記リード接合端部を重ね合わせてなり、該リード接合端部の幅は、上記発熱接合端部の幅よりも小さいことを特徴とするセラミックヒータ。
請求項１〜５のいずれか１項に記載のセラミックヒータにおいて、上記発熱部は、白金、金、パラジウム、レニウム又はこれらの混合材料を主成分とし、かつ、該主成分の含有量を１００重量部とした場合、アルミナ、ジルコニア、チタニア又はこれらの混合材料を１１〜１４重量部含有していることを特徴とするセラミックヒータ。
請求項１〜６のいずれか１項に記載のセラミックヒータにおいて、上記リード部は、白金、金、パラジウム、レニウム又はこれらの混合材料を主成分とし、かつ、該主成分の含有量を１００重量部とした場合、アルミナ、ジルコニア、チタニア又はこれらの混合材料を７〜１０重量部含有していることを特徴とするセラミックヒータ。
請求項１〜７のいずれか１項に記載のセラミックヒータにおいて、上記ヒータパターンは、導体ペーストを印刷することによって形成されていることを特徴とするセラミックヒータ。
請求項１〜８のいずれか１項に記載のセラミックヒータを備えていることを特徴とするガスセンサ素子。