JP4485010B2 - セラミック素子と電極の組立体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば酸素センサ等に用いるセラミックセンサ素子、セラミックヒータ素子、セラミックグロープラグ、その他セラミックを応用した電子機器において、セラミック素子と電極の組立体に関し、特にセラミック素子と電極の接合部の改良技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、車両排気ガスの酸素濃度を検出する酸素センサにおいて、酸素センサのセラミック素子と導線部材とを電気的に接続する手段が、特開平１０−２５３５６８号、特開平１０−２５３５７９号等に示されている。
【０００３】
酸素センサのセラミック素子（センサ素子）は、内部に通電路を有してその電極端子部が外面に露出して形成される。この電極端子部に短冊板状の導線（リード線）が重ねられ、かつ絶縁板を介して環状のリング金具が圧入されることにより、導線はリング金具とは電気的に絶縁された状態で、セラミック素子の電極端子部に圧着されて電気的に接続される。そして、このような組立体（アッセンブリ）に、ハウジング、リード線等が組み付けられて酸素センサとなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、リング金具は、セラミック素子及び導線を含む結合ユニットに対して、例えば圧入、焼嵌め、冷嵌め等の方法により締まりばめ嵌合される。一方、セラミック素子には、内部の通電路と外面に露出して形成される電極端子部とを電気的に接続するためのスルーホールが厚さ方向（即ち、導線の圧着方向）に設けられており、このスルーホールを含む積層形態の素子組立体を一体焼成してセラミック素子が作製される。
【０００５】
セラミック素子にはこのようなスルーホールが存在するために、セラミック素子の焼成時の熱収縮やセラミック素子本体層とスルーホール及び電極端子部のメタライズ層（Ｐｔ等の高融点金属膜を焼き付けて構成されることが多い）との熱膨張率の差異等によって、スルーホール近傍には高い残留応力が発生しており、場合によってはクラックや空隙を生じることがある。さらに、セラミック素子及び導線を含む結合ユニットに対してリング金具が圧入されると、セラミック素子には締め付けに伴う圧縮応力が付加される。導線の圧着方向とその軸心方向を同じくするスルーホールの周辺にも、前述の残留応力に新たな圧縮応力の影響が加わり、メタライズ層、セラミック素子本体層等に亀裂、割れ等が生じやすくなる。
【０００６】
また、スルーホール及び電極端子部のメタライズ層とセラミック素子本体層との間にはアルミナ等を主体とするセラミックペーストが注入され絶縁セラミック層を形成するが、このセラミックペーストがメタライズ層からはみ出してしまうことがある。そして、はみ出したセラミックペーストが、電極端子部の外面において、スルーホールの開口周縁部に、開口の周方向に沿う絶縁セラミックの盛り上がり部を形成する場合がある。この絶縁セラミックの盛り上がり部は、スルーホール開口周縁部への応力集中を助長し、セラミック素子の割れを生じやすくする。さらに、焼成によりこの絶縁セラミックの盛り上がり部が残存すると、ここに重ね合わせられる導線にも圧接部材の圧着力が作用して、導線の断線等を生じる恐れもある。しかし、一方で、この絶縁セラミックの盛り上がり部を削り取る工程を追加することは製造コストの面から好ましくない。
【０００７】
本発明の課題は、セラミック素子及び導線部材を含む結合ユニットに対して、絶縁板等の圧接部材の圧着位置を所定の位置関係に置くことにより、圧接部材の圧着力を確実に結合ユニットに作用させつつ、セラミック素子に亀裂、割れ等を生じにくいセラミック素子と電極の組立体構造を提供することにある。
【０００８】
【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、本発明のセラミック素子と電極の組立体は、
自身が有する電気的な回路と、外面に露出して形成される電極端子部とを、電気的に接続するためのスルーホールが厚さ方向に設けられるセラミック素子と、
前記電極端子部を電気的に外部と接続するために、端部が該電極端子部に重ねられ、所定の引き出し方向に引き出される帯状の導線部材と、
それらセラミック素子及び導線部材を含む結合ユニットを外側から挟み付けるように、前記導線部材の外面に対し前記引き出し方向の一部が接して、該導線部材を前記セラミック素子の電極端子部に機械的に圧着させた状態に維持する圧接部材とを備え、
前記圧接部材の前記導線部材に対する、前記引き出し方向側の接触端縁と、前記スルーホールの中心との前記引き出し方向における距離を近接距離Ｌとし、前記スルーホールの内径を２ｒとし、また前記近接距離Ｌについて、前記スルーホールの中心から見て前記引き出し方向側を負の向き、それとは反対方向側を正の向きとして、α＝Ｌ／２ｒで定義される指数αが、３３．３≧α≧０．３の関係を満足することを特徴とする。
【０００９】
上記本発明によれば、α＝Ｌ／２ｒで定義される指数αが、α≧−２の関係を満足する位置に圧接部材を置くことにより、圧接部材の結合ユニットに対する圧着位置をスルーホールから遠ざけすぎることなく設けられる。そこで、圧接部材の圧着力を確実に結合ユニットに作用させて、導線部材が抜けたりずれたりすることを防止できる。
【００１０】
さらに望ましくは、本発明の指数αが、３３．３≧α≧０．３の関係を満足する位置に圧接部材を置くことにより、圧接部材の結合ユニットに対する圧着位置をスルーホールに近づけすぎることなく設けられる。したがって、スルーホール周辺部での応力集中を避けてセラミック素子の亀裂、割れ等を生じにくくし、スルーホール及び電極端子部のメタライズ層の断線や圧接部材の圧着力の低下等も防止できる。
【００１１】
さらに本発明の電極端子部は、スルーホールの開口を包含する形態でセラミック素子の外面に層状に形成される一方、
その層状の電極端子部の外面において、スルーホールの開口周縁部には当該開口の周方向に沿う絶縁セラミックの盛り上がり部が形成される場合がある。この絶縁セラミックの盛り上がり部は、スルーホール開口周縁部への応力集中を助長し、セラミック素子の割れを生じる恐れがある。しかし、前述の通り指数αが既述の関係式を満足する位置に圧接部材を置くことにより、圧接部材の圧着力を確実に結合ユニットに作用させつつ、セラミック素子に亀裂、割れ等を生じにくくしている。
【００１２】
さらに本発明は、近接距離Ｌが、Ｌ≧ｒの関係を満足する位置に圧接部材を置くことができる。これにより、最も応力集中が発生しやすいスルーホールを避けて、圧接部材の結合ユニットに対する圧着位置を設定でき、セラミック素子の亀裂、割れ等が生じにくくなる。
【００１３】
さらに本発明は、近接距離Ｌが、Ｌ≧（ｒ＋ｉ）の関係を満足する位置に圧接部材を置くことができる。これにより、スルーホールと絶縁セラミックの盛り上がり部とを回避して、圧接部材の結合ユニットに対する圧着位置を設定できる。したがって、絶縁セラミックの盛り上がり部に重ね合わせられる導線部材には圧接部材の圧着力が直接的に作用せず、導線部材の断線等を防止できる。
【００１４】
さらに本発明の圧接部材は、結合ユニットを外側から挟み付けるように導線部材の外面に接して、導線部材をセラミック素子の電極端子部に機械的に圧着させた状態に維持するとともに、導線部材の外面と外部との直接の接触を防止する絶縁部材であってよい。圧着作用と絶縁作用を有する絶縁部材を利用してコンパクトな構成とすることができる。
【００１５】
さらに本発明の圧接部材である絶縁部材は、結合ユニットの一部を構成するとともに、
この絶縁部材を含む結合ユニットを外側から包囲するように、かつセラミック素子の電極端子部と導線部材との圧着方向において、この絶縁部材を含む結合ユニットに外側から締まりばめで嵌合され、その締まりばめ嵌合の緊束力を絶縁部材に及ぼすことによって導線部材をセラミック素子の電極端子部に機械的に圧着させた状態に維持するリング部材が設けられる。絶縁部材は、導線部材の外面とリング部材との接触を確実に防止でき、またリング部材の緊束力を受けて導線部材をセラミック素子の電極端子部に確実に圧着させた状態に維持できる。
【００１６】
さらに本発明の圧接部材である絶縁部材は、リング部材の内面又は導線部材の外面のうちの少なくとも一方に形成された絶縁層で構成したり、また、導線部材とリング部材との間に挟み込まれて、リング部材の内面と導線部材の外面との直接の接触を防止する絶縁板で構成したりできる。セラミック素子（セラミック応用電子機器）の構造や使用態様等により絶縁部材の形態を選択でき、本発明を広範囲に適用できる。
【００１７】
さらに本発明は、絶縁板の外面における引き出し方向側の平坦部端縁と、リング部材の内面における引き出し方向側の平坦部端縁が、引き出し方向において一致するか、又は前者よりも後者の方が引き出し方向側に寄っている。リング部材の緊束力を絶縁板に確実に作用させ、導線部材をセラミック素子の電極端子部に確実に圧着させた状態に維持できるので、導線部材が抜けたりずれたりすることを防止できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例を参照して説明する。
図１には、この発明の一実施例である車両排気ガスの酸素濃度を検出する酸素センサ１が示されている。この酸素センサ１はいわゆる濃淡電池式のもので、小型化されたセラミック素子２を備え、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、筒状の主体金具３内にガラスシール４（あるいはセメント）や、外筒金具５等によって固定されるもので、セラミック素子２の先端側が、排気管に固定される主体金具３の先端より突出した状態で固定されている。主体金具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プロテクトカバー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】
セラミック素子２は方形状断面を有する長手のもので、基準電極２６に連通して接する大気と、検出電極２５と接触する排気ガスとの間の酸素濃度差に基づいて発生する電圧を取り出すための２極の電極端子部７と、それらの電極２６，２５間を加熱して検出可能状態とするヒータ回路に通電するための２極の電極端子部（上記７の裏側にある）との、都合４極の電極端子部を備える。つまり、セラミック素子２の一端部の、互いに対向する一方の外面に２極の電極端子部７が、また他方（反対側）の外面に２極の電極端子部７が、それぞれよく知られた白金ペースト等によるパターン形成及び焼成等により平面的な形態で外面に露出して形成されている。
【００２１】
セラミック素子２の各電極端子部７（４極を総称する）には、導線部材としてそれぞれ裸の導線（長手状金属薄板）８が電気的に接続され、それらの導線８はさらにコネクタ部１３を介して、樹脂被覆されたリード線１４に電気的に接続されている。都合４本のリード線１４はグロメット１５を貫通して外部に延び、それらの先端にコネクタプラグ１６が連結され、各リード線１４の外部に延びる部分には、これらを収束して保護する保護チューブ１７が被せられている。主体金具３の端部からグロメット１５にかけては、外側から外筒金具１８で被われ、外筒金具１８は主体金具３及びプロテクトカバー６と共に酸素センサ１のハウジングを構成し、主体金具３とグロメット１５とに跨って固定されている。
【００２２】
このような酸素センサ１は主体金具３のネジ部３ａにおいて、図示しない車両の排気管にシール部材３ｂを介して気密に固定され、またコネクタプラグ１６が図示しないコントローラに接続されて使用に供される。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の全体が高温になり、セラミック素子２の電極端子部Ａ付近の使用最高温度も高くなる。電極端子部Ａはこの高温に耐え得るものであり、そのＡ部分を図２ないし図４に基づいて説明するが、これらの図はアッセンブリ状態のものである。
【００２３】
図２ないし図４に示すように、前述のセラミック素子２は、例えばジルコニア等のセラミックからなる矩形柱状を呈するもので、その端部の両面に平面形態の電極端子部７（図４参照）が２個ずつ外面に露出して形成されている。各電極端子部７には、例えばインコネル（インコ社の商品名）、ステンレス等の金属からなる帯状の導線８（リードフレームともいえる）が重ねられ、さらにその外側に絶縁部材として２枚のセラミック製の絶縁板９が配置されている。各絶縁板９はそれぞれ２本の導線８をセラミック素子２との間に挟む。そしてセラミック素子２とその両面に配置された各導線８及び絶縁板９の集合物が結合ユニット１０とされる（図２等参照）。
【００２４】
これら結合ユニット１０の外側に、金属製のリング部材として、矩形筒状のリング金具１１が、締まりばめにより嵌合されている（図３参照）。その締まりばめ嵌合の緊束力が両側の絶縁板９を介して各導線８に作用し、各導線８がセラミック素子２の電極端子部７に機械的にほぼ面接触状態で圧着され、これらの集合である前記結合ユニット１０はリング金具１１により強固に一体化されている。このリング金具１１は、鉄基超耐熱合金（例えばインコロイ９０９（インコ社の商品名））の時効硬化品、Ｎｉ基超耐熱合金（例えばワスパロイ（ユナイテッドテクノロジー社の商品名））の時効硬化品、あるいは非時効硬化型のＮｉ基耐熱合金（インコネル６２５（インコ社の商品名））の加工硬化品等、耐熱性に優れた一定以上の硬度をもつ金属からなるものが望ましい。
【００２５】
図４に示すように、リング金具１１の矩形内面の４つの角部は、緊束状態における応力集中を防止するために円弧状その他の曲面状の凹形態にえぐられている。さらに具体的には、リング金具１１の４つの角部の外面には、ほぼ９０度の角を４５度前後に切り落とした形態の斜面１１ｂ（面取り部）が形成されている。一方、４つの角部の内面には、アール部Ｒ（円弧状面）が形成されている。なお、リング金具１１は、挟圧面１１ａに平行な方向の外形幅をＷ、挟圧面１１ａと直交する方向（圧着方向）の外形奥行きをＤ、軸方向の外形高さをＨでそれぞれ表してある。
【００２６】
リング金具１１を上述の結合ユニット１０に締まりばめ嵌合するためには、例えば圧入、焼嵌め、冷嵌め等の手法がある。上記締まりばめ嵌合の前提として、図５に示すように、嵌合前のリング金具１１は、結合ユニット１０の結合寸法ａ（セラミック素子２の厚さ＋両側の導線８の厚さ＋２枚の絶縁板９の厚さ）より小さい保持寸法ｂ（相対向する挟圧面１１ａ間距離）を有し、この保持寸法ｂの内面間において、結合ユニット１０に締まりばめで嵌合され（例えば圧入等）、それにより絶縁板９を介して導線８がセラミック素子２の電極端子部７に機械的に強く押し付けられ、圧着されている。なお、結合寸法ａと保持寸法ｂの差が締め代（ａ−ｂ）となる。
【００２７】
次に、以上のような酸素センサ１の製造方法について、図５に基づき、セラミック素子２、導線８及び絶縁板９（以上が結合ユニット１０）とリング金具１１との組付工程を中心に説明する。以下の例では、前者の結合ユニット１０に後者のリング金具１１が圧入により組み付けられる。
【００２８】
なお、望ましくは、リング金具１１の圧入開始端側に、外側に向かって広がるテーパ状内面１１ｃ（テーパ角は例えば５度から３０度程度）が形成されるとともに、各絶縁板９の圧入開始端側にも上記テーパ状内面１１ｃに対応する傾斜外面９ａがそれぞれ形成される。
【００２９】
まず、セラミック素子２、４本の導線８、２枚の絶縁板９よりなる結合ユニット１０を、治具１２ａ、１２ｂで仮止めする。すなわち、セラミック素子２の両側の電極端子部７にそれぞれ帯状の導線８が重ね合わされ、さらにその外側に絶縁板９が配置されて、これらの結合ユニット１０が治具１２ａで両側からサンドイッチ状に挟まれて一時的に保持される。また、これらの結合ユニット１０が治具１２ａの下側に位置する治具１２ｂで支持される。
【００３０】
この状態で、リング金具１１が図示しないプッシャ等により圧入される。なお、リング金具１１が図示しない固定用治具で保持され、これに治具１２ａ、１２ｂが接近して圧入を実施してもよい。いずれにしても、圧入に先立ち、リング金具１１の圧入開始端部及び圧入面に滑剤（例えばステアリン酸のエマルジョン等）が塗られることが望ましい。そして、リング金具１１が自身の中心線方向において結合ユニット１０に相対的に接近し、その外側に圧入される。この圧入の開始時には、リング金具１１のテーパ状内面１１ｃが各絶縁板９の傾斜外面９ａに圧接しつつ滑りを生じて圧入が進行する。
【００３１】
圧入の後半では、図５の下段に示すように、上側の治具１２ａが開いて結合ユニット１０から離間する。その後、リング金具１１が治具１２ｂに当たるまで、またはその付近まで入り込み、圧入が完了する。
【００３２】
このような圧入後のアッセンブリ（結合ユニット１０＋リング金具１１）は、例えば３５０℃程度に加熱される工程により、滑剤が分解して除去され、滑機能がなくなる。これによりリング金具１１による高い緊束力で、両側の絶縁板９を介して各導線８がセラミック素子２の各電極端子部７に圧着した状態に維持される。
【００３３】
以上のようにして得られたアッセンブリの各導線８には、図１に示すようにコネクタ部１３を介して、リード線１４が接続され、各リード線１４はグロメット１５に保持される。また、セラミック素子２が主体金具３内に挿入され、ガラスシール４等によりその主体金具３の中心部に固定される。その後又はこれに先立ち、プロテクトカバー６や外筒金具５が主体金具３に溶接され、さらに外筒金具５が外側からグロメット１５等を締付けるようにカシメ加工される。概略的には、以上のようにして酸素センサ１が製造される。
【００３４】
図６の分解斜視図に示すように、セラミック素子２は方形状の軸断面を有する横長柱状（図１ないし図４においては縦長柱状で表される）を呈し、それぞれ横長板状に形成された酸素濃淡電池素子２０と、この酸素濃淡電池素子２０を所定の活性化温度に加熱するセラミックヒータ２２とにより構成されている。
【００３５】
酸素濃淡電池素子２０はジルコニア系固体電解質により構成された素子本体層２１を有する。酸素濃淡電池素子２０において多孔質電極２５，２６（２６は基準電極、２５は検出電極）には、素子本体層２１の長手方向に沿って酸素センサ１の取付基端側に向けて延びる電極リード部２５ａ，２６ａがそれぞれ一体化されている。このうち、ヒータ２２と対向しない側の電極２５からの電極リード部２５ａは、その末端が電極端子部７として使用される。一方、ヒータ２２に対向する側の電極２６の電極リード部２６ａは、図７（ｂ）に示すように、素子本体層２１を厚さ方向に横切るスルーホール２６ｂにより素子本体層２１の外表面に形成された電極端子部７と接続されている。各電極２５，２６は、Ｐｔ又はＰｔ合金等のペーストを用いてスクリーン印刷等によりパターン形成し、これを焼成することにより得られる多孔質電極である。
【００３６】
一方、セラミックヒータ（以下、単にヒータともいう）２２は、Ｐｔ等の高融点金属あるいは導電性セラミックで構成された抵抗発熱体パターン２３をセラミック基体中に埋設した構成を有する。具体的には、ヒータ２２は、絶縁性セラミックとしてのアルミナを主体とするアルミナ系多孔質セラミックにより、ヒータ２２の板厚方向中間位置に形成された第一絶縁層２４と、その第一絶縁層２４中に埋設される形でセラミックヒータ２２の板面方向に沿って形成される抵抗発熱体パターン２３と、第一絶縁層２４を厚さ方向両側から挟む形で形成されるとともに、それぞれジルコニアを主成分とする酸素イオン伝導性固体電解質で構成された第一ヒータ本体層２８及び第二ヒータ本体層２９とを備えている。また、ヒータ２２は、第一ヒータ本体層２８側において、アルミナ系多孔質セラミックにより構成される第二絶縁層２７を介して、酸素濃淡電池素子２０の多孔質電極２６側に接合されている。なお、多孔質セラミックからなる第一絶縁層２４及び第二絶縁層２７は、素子製造の焼成・冷却時に発生する絶縁層と各ジルコニア系固体電解質層との間の熱収縮差を吸収する緩衝層としても機能する。また、抵抗発熱体パターン２３に通電するためのリード部２３ａ，２３ａが、図７（ｂ）に示すように、第一絶縁層２４の長手方向に沿って酸素センサ１の取付基端側に向けて延びている。リード部２３ａ，２３ａは、その末端部において、第一絶縁層２４及び第二ヒータ本体層２９をそれぞれ厚さ方向に横切るスルーホール２３ｂ，２３ｂにより、第二ヒータ本体層２９の外表面に形成された電極端子部７，７と接続されている。
【００３７】
図５で製造されたアッセンブリの詳細構造を、特にセラミックヒータ２２を厚さ方向に横切るスルーホール２３ｂ周辺部を中心に、図７及び図８に示す。リング金具１１は、図６の如く積層された結合ユニット１０の結合寸法ａ（セラミック素子２の厚さ＋両側の導線８の厚さ＋２枚の絶縁板９の厚さ）より小さい保持寸法ｂ（相対向する挟圧面１１ａ間距離）を有する。そこで、リング金具１１は、この保持寸法ｂを形成する挟圧面１１ａ間において、結合ユニット１０に締まりばめで嵌合され（例えば圧入等）、その締まりばめ嵌合の緊束力は絶縁板９に及ぼされる。このとき、絶縁板９は、図７及び図８に示すように、導線８がスルーホール２３ｂを外側から覆って塞ぐ状態にて、セラミック素子２に導線８を外側から挟み付けるように、導線８の外面に対し引き出し方向の一部が接する。これにより、絶縁板９は、導線８をセラミック素子２の電極端子部７に機械的に強く押し付けて、圧着させた状態に維持している。したがって、導線８の外面とリング金具１１の内面との直接の接触を防止する絶縁板９は、結合ユニット１０の一部を構成するとともに、本発明で言う圧接部材でもある。
【００３８】
図８に表されたスルーホール２３ｂは、セラミックヒータ２２の第一絶縁層２４及び第二ヒータ本体層２９をそれぞれ厚さ方向に横切り、内径２ｒ、深さｄを有している。スルーホール２３ｂの内面及び電極端子部７は、Ｐｔ等の高融点金属膜を焼き付けたメタライズ層で構成され、第一絶縁層２４の内部で、抵抗発熱体パターン２３に通電するためのリード部２３ａに電気的に接続されている。このメタライズ層と、ジルコニアを主成分とする酸素イオン伝導性固体電解質で構成された第二ヒータ本体層２９との間に、絶縁セラミック層Ｓが形成される。具体的には、絶縁セラミック層Ｓは、第二ヒータ本体層２９と電極端子部７のメタライズ層との隙間ｔ1の間、及び第二ヒータ本体層２９とスルーホール２３ｂ内面のメタライズ層との隙間ｔ2の間に、それぞれ絶縁性セラミックとしてのアルミナ等を主体とするセラミックペーストが注入されて形成される。その結果、絶縁セラミック層Ｓは、同じくアルミナを主体とするアルミナ系多孔質セラミックにより形成された第一絶縁層２４から連続して延びる形態で設けられている。
【００３９】
図８において、絶縁板９（圧接部材）の導線引き出し方向側の先端部内面には傾斜内面９ｂが設けられる。したがって、絶縁板９の導線８に対する引き出し方向側の接触端縁は、絶縁板９の端面位置よりも傾斜内面９ｂの分だけ引き出し方向側とは反対方向側へ後退している。そして、絶縁板９の導線８に対する引き出し方向側の接触端縁と、スルーホール２３ｂの中心との距離を近接距離Ｌと呼ぶ。近接距離Ｌは、スルーホール２３ｂの中心から見て導線８の引き出し方向側を負の向き、それとは反対方向側を正の向きとし、指数α＝Ｌ／２ｒと定義する。ただし、２ｒはスルーホールの内径である。
【００４０】
指数αが、α≧−２の関係（すなわち、Ｌ≧−４ｒ）を満足する位置に絶縁板９（圧接部材）を置くと、絶縁板９の導線８に対する圧着位置はスルーホール２３ｂから遠ざかりすぎることなく設定される。よって、絶縁板９の圧着力が確実に導線８に作用し、導線８の抜けやずれが少なくなる。また、指数αが、α≧０．３の関係（すなわち、Ｌ≧０．６ｒ）を満足する位置に絶縁板９を置くと、絶縁板９の導線８に対する圧着位置はスルーホール２３ｂに近づきすぎることなく設定される。したがって、さらにスルーホール２３ｂ周辺部の応力集中が避けられセラミック素子の亀裂、割れ等が生じにくくなり、スルーホール２３ｂ及び電極端子部７のメタライズ層の断線や絶縁板９の圧着力の低下等も少なくなる。なお、指数αが極端に大きくなると酸素センサ１の全長が非常に大きくなるので、センサ１の許容される長さによって制限されることになる。
【００４１】
また、前述の絶縁セラミック層Ｓを形成するセラミックペーストがメタライズ層からはみ出し、電極端子部７の外面において、スルーホール２３ｂの開口周縁部に、開口の周方向に沿う絶縁セラミックの盛り上がり部Ｍを幅ｉにわたって形成する場合がある。この盛り上がり部Ｍは、スルーホール２３ｂ開口周縁部への応力集中を助長し、セラミック素子の割れを生じやすくする。さらに、焼成によりこの盛り上がり部Ｍが残存すると、ここに重ね合わせられる導線８にも絶縁板９の圧着力が作用して、導線８の断線等を生じる恐れもある。しかし、一方で、この絶縁セラミックの盛り上がり部Ｍを削り取る工程を追加することは製造コストの面から好ましくない。しかし、前述の通り指数αが既述の関係式を満足する位置に絶縁板９を置くと、絶縁板９の圧着力を確実に導線８に作用させつつ、セラミック素子２に亀裂、割れ等を生じにくくする。
【００４２】
ここで、再び近接距離Ｌに着目する。近接距離Ｌが、Ｌ≧ｒの関係（すなわち、α≧０．５）を満足するときは、絶縁板９の導線８に対する圧着位置が、最も応力集中が発生しやすいスルーホール２３ｂを避けて設定できる。よって、セラミック素子２の亀裂、割れ等が生じにくい。さらに、近接距離Ｌが、Ｌ≧（ｒ＋ｉ）の関係を満足するときは、絶縁板９の導線８に対する圧着位置が、スルーホール２３ｂと絶縁セラミックの盛り上がり部Ｍの両者を回避して設定できる。したがって、絶縁セラミックの盛り上がり部Ｍに重ね合わせられる導線８には絶縁板９の圧着力が直接的に作用せず、導線８の断線等が起こりにくい。
【００４３】
図８に示す通り、絶縁板９の導線引き出し方向側の先端部外面には傾斜外面９ａが設けられる。したがって、絶縁板９の外面における引き出し方向側の平坦部端縁は、絶縁板９の端面位置よりも傾斜外面９ａの分だけ引き出し方向側とは反対方向側へ後退している。そして、絶縁板９の外面における引き出し方向側の平坦部端縁よりも、リング部材１１の内面における引き出し方向側の平坦部端縁の方が、導線８の引き出し方向側に寄せてある。リング部材１１の緊束力が絶縁板９に確実に作用して、導線８がセラミック素子２の電極端子部７に確実に圧着させた状態に維持され、導線８の抜けやずれが起こりにくい。なお、リング部材１１の圧入方向が逆になると、絶縁板９の傾斜外面９ａに代えて、リング部材１１の導線引き出し方向側の先端部内面にテーパ状内面１１ｃが設けられる場合がある。
【００４４】
なお、図８では、図７に表されたセラミックヒータ２２側のスルーホール２３ｂ，２３ｂのうちの一方についてのみ説明したが、他方のスルーホールについても同様である。また、酸素濃淡電池素子２０側のスルーホール２６ｂについても同様に実施できる。セラミック素子２は、断面方形状の例を示したが、断面円形状等任意の形状が適用できる。絶縁部材として、絶縁板９を用いた例について説明したが、リング金具１１の内面又は導線８の外面のうちの少なくとも一方に形成された絶縁層等の変更が可能である。圧接部材について、セラミック素子２の両側に配置した導線８を、両側から絶縁板９で圧着させる例について説明したが、片側のみであっても差し支えない。圧着力を絶縁板９に及ぼす部材は、リング金具１１以外のものでも良い。
【００４５】
［実施例］
本発明の具体的な実施例について説明する。セラミック素子２は、部分安定化ジルコニア製で、幅３ｍｍ、長さ４０ｍｍ、厚さ約２ｍｍ（Ｐｔメタライズ電極端子部７の厚さを含む）のものを使用した。導線８は、Ｎｉ製で、幅１ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍのものを使用した。絶縁板９は、矩形板状のアルミナ製で、幅３ｍｍ、厚さによって締め代を調節した。リング金具１１は、インコロイ９０９製で、外形寸法が横Ｗ＝８ｍｍ、縦Ｄ＝６ｍｍ、高さＨ＝２．５ｍｍのものを使用した。なお、インコロイ９０９（インコ社商品名）は、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒを含む耐熱鋼である。
【００４６】
これらを図６に示す形態で、圧入によって結合ユニット１０にリング金具１１を組み付けた。スルーホール内径２ｒを一定とし、近接距離Ｌを変えて指数αを変化させ、電極抜け荷重と素子割れ有無について、評価試験を行った。電極抜け荷重は、セラミック素子２を固定した状態で、導線８に引張力を与え、導線８が抜ける荷重を測定した。電極抜け荷重が９．８Ｎ未満では、製造工程で導線８がずれたり、抜けたりする不具合が生じる可能性がある。そこで、電極抜け荷重が９．８Ｎ以上では〇、９．８Ｎ未満では×とした（表１各欄の左側）。素子割れ有無は、レッドチェック液に浸した後、拡大鏡にて目視観察した。素子割れは、Ｐｔメタライズ電極端子部７の断線や保持力の低下等、センサ機能に不具合をもたらす。そこで、素子割れが確認されなければ〇、確認されれば×とした（表１各欄の右側）。なお、分解後の結合ユニット１０の結合寸法ａ１と、分解後のリング金具１１の保持寸法ｂ１を測定し、分解後締め代δを求めた（δ＝ａ１−ｂ１）。以上の結果を表１に示す。
【００４７】
【表１】

【００４８】
表１の比較例で示すように、α＜−２の場合、分解後締め代δが０．０１〜０．３ｍｍの範囲で、素子割れが発生した。次に、実施例１で示すように、α≧−２の場合、分解後締め代δが０．０１〜０．２ｍｍの範囲で、電極抜け荷重９．８Ｎ以上を満足し、素子割れの無い良好な結果が得られた。さらに、実施例２で示すように、α≧０．３の場合、分解後締め代δが０．０１〜０．３ｍｍの範囲で、電極抜け荷重９．８Ｎ以上を満足し、素子割れの無い良好な結果が得られた。α≧０．３の場合、分解後締め代δの許容範囲を広げることができ、量産性に優れたものとなる。なお、分解後締め代δは０．０１〜０．３ｍｍの範囲が望ましい。
δが０．０１ｍｍ未満では、導線８がずれたり、抜けたりする場合がある。一方、
δが０．３ｍｍを超えると、素子割れの発生する場合がある。
【００４９】
なお、ここで比較例とは、一般的な例と特に望ましい例とを区別するための名称であり、従来例あるいは発明外であることを表明するものではない。言い換えれば、実施例なる表現は好適例といった意味である。
【００５０】
本発明に係るセラミック素子と電極の組立体が適用可能なセラミック応用電子機器としては、以上で説明したセラミックヒータ素子のほかに、酸素センサをはじめとする各種ガスセンサに使用されるセラミックセンサ素子、さらにはセラミックグロープラグ等種々のものがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である酸素センサの縦断面図。
【図２】図１における接合部Ａに用いられるアッセンブリ（セラミック素子、導線、絶縁板及びリング金具の一体品）の斜視断面図。
【図３】図２の斜視図。
【図４】図３の分解斜視図。
【図５】図１の酸素センサの製造方法において、特に図２、図３のアッセンブリの製造工程を示す工程図。
【図６】結合ユニットの構造を示す説明図。
【図７】アッセンブリの平面図及び軸断面図。
【図８】図７のアッセンブリのＣ−Ｃ矢視一部省略縦断面図。
【符号の説明】
２ セラミック素子
７ 電極端子部
８ 導線（導線部材）
９ 絶縁板（圧接部材）
１０ 結合ユニット
１１ リング金具（リング部材）
２０ 酸素濃淡電池素子
２１ 素子本体層
２２ セラミックヒータ
２３ 抵抗発熱体パターン
２３ｂ スルーホール
２４ 第一絶縁層
２５ 多孔質電極（検出電極）
２６ 多孔質電極（基準電極）
２６ｂ スルーホール
２７ 第二絶縁層
２８ 第一ヒータ本体層
２９ 第二ヒータ本体層
Ｌ 近接距離
Ｍ 絶縁セラミックの盛り上がり部
Ｓ 絶縁セラミック層
ｉ 絶縁セラミックの盛り上がり部の幅
２ｒ スルーホールの内径

Claims (10)

1. 自身が有する電気的な回路と、外面に露出して形成される電極端子部とを、電気的に接続するためのスルーホールが厚さ方向に設けられるセラミック素子と、
   前記電極端子部を電気的に外部と接続するために、端部が該電極端子部に重ねられ、所定の引き出し方向に引き出される帯状の導線部材と、
   それらセラミック素子及び導線部材を含む結合ユニットを外側から挟み付けるように、前記導線部材の外面に対し前記引き出し方向の一部が接して、該導線部材を前記セラミック素子の電極端子部に機械的に圧着させた状態に維持する圧接部材とを備え、
   前記圧接部材の前記導線部材に対する、前記引き出し方向側の接触端縁と、前記スルーホールの中心との前記引き出し方向における距離を近接距離Ｌとし、前記スルーホールの内径を２ｒとし、また前記近接距離Ｌについて、前記スルーホールの中心から見て前記引き出し方向側を負の向き、それとは反対方向側を正の向きとして、α＝Ｌ／２ｒで定義される指数αが、３３．３≧α≧０．３の関係を満足することを特徴とするセラミック素子と電極の組立体。
2. 前記導線部材は、前記スルーホールを外側から覆って塞ぐ状態にて、前記圧接部材により外側から挟み付けられて前記電極端子部に圧着される請求項１記載のセラミック素子と電極の組立体。
3. 前記電極端子部は、前記スルーホールの開口を包含する形態で前記セラミック素子の外面に層状に形成される一方、
   その層状の電極端子部の外面において、前記スルーホールの開口周縁部には当該開口の周方向に沿う絶縁セラミックの盛り上がり部が形成されている請求項１または２記載のセラミック素子と電極の組立体。
4. 前記近接距離Ｌが、Ｌ≧ｒの関係を満足する請求項１ないし３のいずれか１項に記載のセラミック素子と電極の組立体。
5. 前記絶縁セラミックの盛り上がり部の幅をｉとして、前記近接距離Ｌが、Ｌ≧（ｒ＋ｉ）の関係を満足する請求項１ないし４のいずれか１項に記載のセラミック素子と電極の組立体。
6. 前記圧接部材が、前記結合ユニットを外側から挟み付けるように導線部材の外面に接して、該導線部材を前記セラミック素子の電極端子部に機械的に圧着させた状態に維持するとともに、前記導線部材の外面と外部との直接の接触を防止する絶縁部材である請求項１ないし５のいずれか１項に記載のセラミック素子と電極の組立体。
7. 前記絶縁部材は、前記結合ユニットの一部を構成するとともに、
   当該絶縁部材を含む結合ユニットを外側から包囲するように、かつ前記セラミック素子の電極端子部と前記導線部材との圧着方向において、当該絶縁部材を含む結合ユニットに外側から締まりばめで嵌合され、その締まりばめ嵌合の緊束力を前記絶縁部材に及ぼすことによって前記導線部材を前記セラミック素子の電極端子部に機械的に圧着させた状態に維持するリング部材が設けられる請求項６記載のセラミック素子と電極の組立体。
8. 前記絶縁部材は、前記リング部材の内面又は前記導線部材の外面のうちの少なくとも一方に形成された絶縁層である請求項７記載のセラミック素子と電極の組立体。
9. 前記絶縁部材は、前記導線部材と前記リング部材との間に挟み込まれて、該リング部材の内面と該導線部材の外面との直接の接触を防止する絶縁板である請求項７記載のセラミック素子と電極の組立体。
10. 前記絶縁板の外面における前記引き出し方向側の平坦部端縁と、前記リング部材の内面における前記引き出し方向側の平坦部端縁が、前記引き出し方向において一致するか、又は前者よりも後者の方が前記引き出し方向側に寄っている請求項９記載のセラミック素子と電極の組立体。

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