JP3675640B2 - セラミック素子の接続装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック素子とリード線とを耐熱接合する接続装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、酸素濃度を検出する車両用の酸素センサ素子のように、排気管に取り付けられて高温状態に晒されるセラミック素子が知られている。このような、高温下に使用されるセラミック素子３０とリード線８とを電気的に接合する手段として、金属リング３１の嵌合によるセラミック素子３０とリード線８の接合は、締め代や金属リング３１の最低肉圧等を規定することで安定した接合体を得られることが、特願平９−２９３３２２号で提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、センサを小型化するとセンサの排気管への取付部と、セラミック素子３０とリード線との接続部との間の距離が短くなり排気管の熱が前記接続部へ伝わり易くなり、該接続部が高温になってしまうことが生じてきた。
本発明者等は、セラミック素子の接続について、鋭意検討した。セラミック素子３０は、圧縮応力には強いが引っ張り応力には弱いという特徴を持っている。締まり嵌め嵌合の電極接合時にはセラミック素子の接合部に働く応力は圧縮であるので問題を生じない。しかし、高温下の使用時には熱疲労を受けるため、各種部品の熱膨張差により図１０に示すように割れｘが発生し、最悪の場合にはセラミック素子の機能が得られなくなる。そして、この問題を回避するのに締め代を低下させる方法もあるが、電極（リード線）の保持力が低下してしまい、接合の信頼性が得られない。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、セラミック素子とリード線を有する結合体を強固に接合し、高温下で使用されてもセラミック素子の割れが生じ難いセラミック素子の接続装置の提供にある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミック素子の接続装置は、次の技術的手段を採用した。
〔請求項１の手段〕
本発明は、電気的接続部を備えたセラミック素子と、前記電気的接続部に接触し外部に導出するリード線を有する結合体と、前記結合体の外寸法である結合寸法より小さい内寸法である保持寸法を有し、前記結合体を外側から締まり嵌めで保持され、前記リード線を前記セラミック素子の前記電気的接続部に機械的に圧着された状態で接続するリング部材とを備えるセラミック素子の接続装置において、
前記セラミック素子の厚さｔと、前記リング部材の軸方向の有効保持部の長さＬが、０．２３≦Ｌ／ｔ≦１３の関係を満足することを特徴とする。
【０００６】
ここでリング部材の有効保持部の長さＬとは、リング部材の内側面の端面に形成された面取り部とセラミック素子の外側端に形成された面取り部を除いた、リング部材の内側面とセラミック素子の外側面が軸方向に接する実質的な長さである。
【０００７】
〔請求項２の手段〕
請求項１のセラミック素子の接続装置において、前記結合体は、前記リード線の少なくとも外側面に絶縁板を介在してなるものである。
【０００８】
〔請求項３の手段〕
請求項１のセラミック素子の接続装置において、前記リング部材は、前記リード線の少なくとも外側面と対向する内側面に絶縁層を一体に形成してなるものである。
【０００９】
〔請求項４の手段〕
請求項１のセラミック素子の接続装置において、前記リング部材は絶縁体からなるものである。
【００１０】
〔請求項５の手段〕
請求項１乃至請求項４の何れかに記載のセラミック素子の接続装置において、前記セラミック素子は、酸素センサ素子、ＮＯｘセンサ素子、ＣＯセンサ素子、ＣＯ2 センサ素子などのセラミック製のガスセンサ素子であることを特徴とする。
【００１１】
【発明の作用及び効果】
〔請求項１の作用及び効果〕
セラミック素子の厚さｔとリング部材の軸方向の有効保持部の長さＬの関係を、０．２３≦Ｌ／ｔ≦１３とすることにより、嵌合端に働く引っ張り応力自体は比較的大きいが、両嵌合端（軸方向の上端と下端）に距離があるため、両端の応力は干渉せず独立して作用している｛図４の（ロ）｝。
このため、セラミック素子の割れが有効に防止され、セラミック素子のセンサ機能を維持することができる。
【００１２】
なお、Ｌ／ｔ＜０．２３になると、嵌合端に働く応力自体は小さいが、両嵌合端が近く、両端の応力は重なり合い、結果として大きな合成応力が働く。このため、センサ素子に割れが発生し、センサ感知部と電極取り出し部を繋ぐリード部が断線し、センサ機能が停止する｛図４の（イ）｝。
また、１３＜Ｌ／ｔになると、両端の応力は干渉せず独立して作用しているが、嵌合端の働く応力自体が高い。このため、単独の応力のみでセラミック素子に破損が生じる｛図４の（ハ）｝。
【００１３】
更に、好ましくはセラミック素子の厚みｔとリング部材の有効接続部の長さＬの関係を、０．２６≦Ｌ／ｔ≦１２．７とすることにより、セラミック素子の破損を完全に防ぐことができ、センサ機能を維持することができる。
【００１４】
〔請求項２の作用及び効果〕
結合体は、リード線の少なくとも外側面に絶縁板を介在しているため、リード線とリング部材の間の絶縁が保持され、簡単に絶縁板を介在固定させることができる。
【００１５】
〔請求項３の作用及び効果〕
リング部材は、リード線の少なくとも外側面と対向する内側面に絶縁層を一体に形成されているため、リード線の絶縁が保持され、接続装置をコンパクト化することができ、接続装置の耐衝撃性を高めることができる。
【００１６】
〔請求項４の作用及び効果〕
リング部材自体を絶縁体から形成することにより、請求項３と同様にコンパクト化を達成することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を、実施例、第１〜第３実験例及び変形例を用いて説明する。
〔実施例〕
図１乃至図５は実施例を説明するもので、図１はセラミック素子の接続装置Ａの組立図、図２はセラミック素子の接続装置を示す要部拡大断面図、図３はその斜視図、図４は実験に使用したセラミック素子の接続装置の概略図、図５はセラミック素子の一例として酸素センサ素子を用いた酸素センサの要部断面図である。
【００１８】
（酸素センサ１の説明）
酸素センサ１の要部は、図５に示すように小型化されたセラミック素子２を備えている。このセラミック素子２は、車両の排気管内に酸素濃度を検出する酸素センサ素子である。
このセラミック素子２は、空燃比センサ部と電気ヒータ部とを積層して焼結した短形状を呈する周知の構造のものを小型化したもので、その先端側が排気管内を流れる高温の排気ガスに晒される。
【００１９】
セラミック素子２は、筒状の固定金具３内にガラスシール４（或いは耐熱セメント）、保持金具５等によって固定され、セラミック素子２の先端側が排気管に固定される固定金具３の先端より突出した状態で取付けねじ３ａで排気管に固定される。
固定金具３の先端外周には、セラミック素子２の突出部分を覆う金属製のカバー６が、抵抗溶接等によって固着されている。このカバー６は、キャップ状を呈するもので、その先端や周囲に、排気管内を流れる高温の排気ガスをカバー６内に導く開口６ａが形成されている。
【００２０】
なお、セラミック素子２の基部の一面には、空燃比センサ部の出力信号を取り出す２つの電気的接続部７がメタライズによって形成され、またセラミック素子２の基部の他面には、電気ヒータ部に通電するための２つの電気的接続部７がメタライズによって形成されている。
【００２１】
（セラミック素子２とリード線の接続装置Ａの説明）
酸素センサ１は、上述したように小型化されたものであるため、排気熱を受けて酸素センサ１の全体が高温となり、セラミック素子２の電気的接続部７付近の使用温度も高くなる。
セラミック素子２の各電気的接続部７には、リボン状の平板からなるリード線８が電気的かつ機械的に接合される。この高温に耐える接合構造を、次に説明する。
【００２２】
セラミック素子２は、図１乃至図３に示すように、短形柱状を呈する部分安定化ジルコニア製で、その基部の両端にメタライズによって２本ずつ形成されて各電気的接続部７のそれぞれに、リボン状を呈したインコネル製、ステンレス製等のリード線８を重ね、更に２枚のアルミナ製のセラミックの短形板状の絶縁板９で挟み、これら結合体１０を短形筒状を呈したインコロイ製、ステンレス製等の金属製のリング部材１１の保持部１１ａ内に圧入、焼嵌め、冷嵌め等の締まり嵌めで直接固定した構造を採用している。
【００２３】
リング部材１１は、図１に示すように、結合体１０の外寸法である結合寸法ａ（セラミック素子２の厚さ＋両側のリード線８の厚さ＋２枚の絶縁板９の厚さ）より内寸法の小さい保持寸法ｂの保持部１１ａを有し、この保持部１１ａ内で結合体１０を直接締まり嵌めで保持するものである。そして、図２に示すように、セラミック素子２の厚みｔと、リング部材１１の軸方向の有効保持部の長さＬの関係が、０．２３≦Ｌ／ｔ≦１３の範囲に形成されている。
【００２４】
更に、リード線８の接合強度としては、結合体１０とリング部材１１との締まり嵌めによる締め代（組付け完了後に分解し計測により求められた締め代を含む）は、０．０１ｍｍ（１０μｍ）以上の状態に維持する必要がある。この１０μｍ以上においても引っ張り応力を軽減させ、セラミック素子の割れない安定した接続装置が得られる。
【００２５】
（組付けの説明）
次に圧入によってリング部材１１を結合体１０に組付ける例を、図１を用いて説明する。
１）リング部材１１の保持部１１ａの圧入開始端に面取り部１１ｂを設けておくと共に、絶縁板９の圧入開始端にも面取り部９ａを設けておく。
２）セラミック素子２、４本のリード線８、２枚の絶縁板９よりなる結合体１０を、分割型の治具１２ａで係止めすると共に、セラミック素子２の電気的接続部７を治具１２ｂで保持する。
３）リング部材１１の圧入開始端及び圧入面に潤滑材（例えば、ステアリン酸のエマルジョン等）を塗って、リング部材１１を結合体１０の周囲に圧入する。なお、リング部材１１の先端が治具１２ａに至る前に治具１２ａは外方に開き、結合体１０の周囲にリング部材１１が圧入される。
４）圧入により結合されたものを３５０℃に加熱して潤滑材を分解し、リング部材１１による結合体１０の保持力を高める。
以上によって、結合体１０の周囲にリング部材１１が圧入によって組付けられる。
【００２６】
（実施例の効果）
車両用の酸素センサ１のセラミック素子２の接続装置として、セラミック素子２の厚みｔと、リング部材１１の軸方向の有効保持部の長さＬの関係を、０．２３≦Ｌ／ｔ≦１３の範囲内に形成することによって、高温使用下においても引っ張り応力を軽減し、セラミック素子２の保持部内での割れを防止することができ、センサ機能を維持することができる。
【００２７】
〔実験例１〕
次に、上記実施例で示したセラミック素子の接続装置（以下実施例品）と、比較例品とを用いて、室温×２０分と７５０℃×２０分を１サイクルとする熱サイクル疲労試験を１０００サイクル行い、セラミック素子の損傷の程度を判定した。
なお、インコロイ９０９（商品名）はＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒを加えた耐熱鋼、インコネル７５０（商品名）はＮｉを主体にしてＦｅ、Ｃｒを加えた耐熱鋼である。
【００２８】
この試験では、次の仕様のものを使用した。
（実施例品、比較例品）
リング部材１１は、インコロイ９０９製で、最低肉厚０．７ｍｍ、有効保持部の長さＬは表１に示すものを使用した。
セラミック素子２は、部分安定化ジルコニア製で幅４ｍｍ、厚さ１．３ｍｍのものを使用した。
リード線８は、インコネル７５０製で、幅１．５ｍｍ、厚さ０．２ｍｍほどのものを使用した。
絶縁板９は、短形板状のアルミナ製で、幅４ｍｍ、厚さは締め代が０．０１ｍｍに示す厚みに調整し、図１に示す圧入により接合した。なお、得られた接続装置は幾つか分解し有効締め代も０．０１ｍｍであることを確認した。試験結果を次の表１に示す。
【００２９】
【表１】

【００３０】
比較例１、２は、図４（イ）に示す状態のもので、Ｌ／ｔ＜０．２３のものである。
実施例１〜７は、図４（ロ）に示す状態のもので、０．２３≦Ｌ／ｔ≦１３のものである。
比較例３、４は、図４（ハ）に示す状態のもので、１３＜Ｌ／ｔのものである。 表１に示すように、熱疲労試験において、セラミック素子２の厚さｔとリング部材１１の有効保持部の長さＬの関係が０．２３≦Ｌ／ｔ≦１３の範囲内で、セラミック素子２の割れを防止することができる。なお、好ましい範囲としては、０．２６≦Ｌ／ｔ≦１２．７ではセラミック素子２のヒビも生じなく良好である。
【００３１】
〔実験例２〕
この実験例２では、セラミック素子２の厚さｔを１．７ｍｍとし、リング部材１１の有効保持部の長さＬを表２に示すものを使用したもので、その他は実験例１と同じ構造である。試験結果を次の表２に示す。
【００３２】
【表２】

【００３３】
セラミック素子２の厚さｔを１．７ｍｍと厚くしても、Ｌ／ｔは０．２３≦Ｌ／ｔ≦１３の範囲内で、セラミック素子２の割れが有効に防止される。
【００３４】
〔実験例３〕
この実験例３では、セラミック素子２の厚さｔを２．０ｍｍとし、リング部材１１の有効保持部の長さＬを表３に示すものを使用したもので、その他は実験例１と同じ構造である。試験結果を次の表３に示す。
【００３５】
【表３】

【００３６】
セラミック素子２の厚さｔを２．０ｍｍと厚くしても、Ｌ／ｔは０．２３≦Ｌ／ｔ≦１３の範囲内でセラミック素子２の割れが有効に防止される。
【００３７】
図６、図７は本発明の他の実施例を示したものである。
図６に示すセラミック素子２の接続装置Ｂは、金属製のリング部材１１の内側面に、特にリード線８の少なくとも外側面と対向する内側面に絶縁層１９を設けたものである。これによりリード線８を絶縁する絶縁板の厚さが薄くなり、接続装置Ｂをコンパクト化することができ、耐衝撃性に優れる。
【００３８】
図７に示すセラミック素子２の接続装置Ｃは、リング部材２１を絶縁体（樹脂製、セラミック製）から形成したものである。これにより同様にコンパクト化され、図６の接続装置Ｂと同じ効果が得られる。
【００３９】
〔実験例４〕
リング部材１１をニッケルを主体とした超耐熱合金であるワスパロイ（商品名）を用い、最低肉厚を０．７ｍｍとし、有効保持部の長さを表４に示すとおりとした試料を作成した。セラミック素子は部分安定化ジルコニア製で幅３ｍｍ、厚さ１．８ｍｍのものを使用し、リード線８はインコネル７５０製で、幅１ｍｍ、厚さ約０．２ｍｍのものを使用した。絶縁板９は矩形板状のアルミナ製であり、幅３ｍｍ、厚みは締め代が０．０１ｍｍになるように調製し、図１に示すように圧入により接合した。
この試料を実験例１と同一の条件で熱サイクル疲労試験を行った。その試験結果を表４に示す。
尚、試作した試料を分解して有効締め代を調査した結果、０．０１ｍｍであることが判った。
【００４０】
【表４】

【００４１】
〔変形例〕
上記実施例では、リング部材１１の形状を短形筒状に設けた例を示したが、図８に示すように外形形状を円形に設けたり、図９に示すように内外径が共に円形の円筒状にしたものなどの形状であっても良い。なお、内径が円形のリング部材１１の場合は、絶縁板９の外形を円弧状に設けることができる。
【００４２】
上記実施例では、セラミック素子２の一例として、酸素センサ１に用いられる酸素センサ素子を例に示したが、ＮＯｘセンサ素子、ＣＯセンサ素子、ＣＯ2 センサ素子など、他のセラミック製のガスセンサ素子に用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】セラミック素子の接続装置の組立図である。
【図２】セラミック素子の接続装置を示す要部拡大断面図である。
【図３】セラミック素子の接続装置を示す斜視図である。
【図４】実験に使用したセラミック素子の接続装置を示す概略図である。このうち、図４（イ）はＬ／ｔ＜０．２３、図４（ロ）は０．２３≦Ｌ／ｔ≦１３、図４（ハ）は１３＜Ｌ／ｔの状態を示す。
【図５】酸素センサの要部断面図である。
【図６】他の実施例のセラミック素子の接続装置を示す要部断面図である。
【図７】同じく他の実施例のセラミック素子の接続装置を示す要部断面図である。
【図８】リング部材の平面図である（変形例）。
【図９】リング部材の平面図である（変形例）。
【図１０】従来のセラミック素子の接続装置の割れの状態を示す要部断面図である。
【符号の説明】
２ セラミック素子
７ 電気的接続部（電極接続部）
８ リード線
９ 絶縁板
１０ 結合体（実施例ではセラミック素子＋リード線＋絶縁板）
１１ リング部材
１１ａ 保持部
１９ 絶縁層
２１ リング部材
Ｌ 有効保持部の長さ
ｔ セラミック素子の厚さ

Claims (5)

1. 電気的接続部を備えたセラミック素子、前記電気的接続部に接触し外部に導出するリード線を有する結合体と、
   前記結合体の外寸法である結合寸法より小さい内寸法である保持寸法を有し、前記結合体を外側から締まり嵌めで保持され、前記リード線を前記セラミック素子の前記電気的接続部に機械的に圧着された状態で接続するリング部材とを備えるセラミック素子の接続装置において、
   前記セラミック素子の厚さｔと、前記リング部材の軸方向の有効保持部の長さＬが、０．２３≦Ｌ／ｔ≦１３の関係を満足することを特徴とするセラミック素子の接続装置。
2. 前記結合体は、前記リード線の少なくとも外側面に絶縁板を介在してなる請求項１記載のセラミック素子の接続装置。
3. 前記リング部材は、前記リード線の少なくとも外側面と対向する内側面に絶縁層を一体に形成してなる請求項１記載のセラミック素子の接続装置。
4. 前記リング部材は絶縁体からなる請求項１記載のセラミック素子の接続装置。
5. 請求項１乃至請求項４の何れかに記載のセラミック素子の接続装置において、
   前記セラミック素子は酸素センサ素子、ＮＯｘセンサ素子、ＣＯセンサ素子、ＣＯ2 センサ素子などのセラミック製のガスセンサ素子であることを特徴とするセラミック素子の接続装置。

Images