(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温下で使用されるセラミック応用電子機器であって、  自身が有する電気的な回路との接続のための電極端子部が外面に露出して形成されたセラミック素子と、
前記電極端子部を電気的に外部とつなげるためにその電極端子部に重ねられ、そこに接触する導線部材と、
環状をなし、それらセラミック素子及び導線部材を含むユニット（以下、結合ユニットという）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ける前記結合ユニットの外寸法合計を結合寸法としたとき、前記圧着方向においてこの結合寸法より小さい内寸法である保持寸法を有して、前記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と、
を備えることを特徴とするセラミック応用電子機器。
【請求項２】
前記リング部材は金属製のリング金具であり、前記結合ユニットは前記セラミック素子と導線部材の他に、その導線部材と前記リング金具との間に挟み込まれてそのリング金具の内面と前記導線部材との直接の接触を防止する絶縁部材を含むことを特徴とする請求項１に記載のセラミック応用電子機器。
【請求項３】
前記リング部材は、鉄基超耐熱合金の時効硬化品、Ｎｉ基超耐熱合金の時効硬化品及び非時効硬化型のＮｉ基耐熱合金の加工硬化品のうちから選ばれたいずれかの金属で形成されている請求項２に記載のセラミック応用電子機器。
【請求項４】
前記リング部材は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒのうち少なくとも２つの元素を含む合金、すなわち
Ｆｅを  １〜４０重量％含有し、残部が実質的にＮｉからなる合金、
Ｃｏを  １〜３０重量％含有し、残部が実質的にＮｉからなる合金、
Ｃｒを１５〜４５重量％含有し、残部が実質的にＮｉからなる合金、
Ｆｅを  １〜２１重量％含有し、残部が実質的にＣｏからなる合金、
Ｎｉを１０〜２０重量％含有し、残部が実質的にＣｏからなる合金、
Ｃｒを２０〜３１重量％含有し、残部が実質的にＣｏからなる合金、
Ｎｉを  ２〜４３重量％含有し、残部が実質的にＦｅからなる合金、
Ｃｏを  ３〜２３重量％含有し、残部が実質的にＦｅからなる合金及び
Ｃｒを０．５〜３２重量％含有し、残部が実質的にＦｅからなる合金
のうちのいずれか１種の合金で構成されている請求項２又は３に記載のセラミック応用電子機器。
【請求項５】
前記リング部材は、少なくとも内面が方形状のもので、その対向する内面間に前記結合ユニットを挟圧する請求項１ないし４のいずれかに記載のセラミック応用電子機器。
【請求項６】
前記セラミック素子は円柱状をなし、前記リング部材の少なくとも内面は円筒状をなしてその内面で前記結合ユニットを挟圧する請求項１ないし４のいずれかに記載のセラミック応用電子機器。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載のセラミック応用電子機器において、
前記セラミック素子及び導線部材を含む結合ユニットから前記リング部材を取り外した後における、前記セラミック素子及び導線部材の前記圧着方向における前記結合ユニットの外寸法合計を分解後結合寸法ａ１、前記リング部材の前記圧着方向の内寸法を分解後保持寸法ｂ１（ａ１＞ｂ１）、それら分解後結合寸法ａ１と分解後保持寸法ｂ１との差（ａ１−ｂ１）を分解後締め代δとしたとき、その分解後締め代δは、前記分解後保持寸法ｂ１の０．２３％以上９．３％以下であることを特徴とするセラミック応用電子機器。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載のセラミック応用電子機器において、
前記セラミック素子及び導線部材を含む結合ユニットから前記リング部材を取り外した後における、前記セラミック素子及び導線部材の前記圧着方向における前記結合ユニットの外寸法合計を分解後結合寸法ａ１、前記リング部材の前記圧着方向の内寸法を分解後保持寸法ｂ１（ａ１＞ｂ１）、それら分解後結合寸法ａ１と分解後保持寸法ｂ１との差（ａ１−ｂ１）を分解後締め代δとしたとき、その分解後締め代δは、前記分解後保持寸法ｂ１の１．５％以上４．５％以下であるセラミック応用電子機器。
【請求項９】
前記リング部材の環状形態平面視における最低肉厚ｔは、同じくその環状形態平面視における最大外寸法ｄの２．３％以上３５％以下である請求項１ないし７のいずれかに記載のセラミック応用電子機器。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれかに記載のセラミック応用電子機器において、
これが使用に晒される最高の温度を最高温度Ｔｍ、この最高温度Ｔｍ時における、前記セラミック素子及び導線部材の前記圧着方向における前記結合ユニットの外寸法合計を最高温度時結合寸法ａｍ、および最高温度Ｔｍ時における前記リング部材の前記圧着方向の内寸法を最高温度時保持寸法ｂｍ（ａｍ＞ｂｍ）、前記最高温度時結合寸法ａｍと前記最高温度時保持寸法ｂｍとの差：ａｍ−ｂｍを最高温度時締め代δｍとしたとき、その最高温度時締め代δｍは前記最高温度時保持寸法ｂｍの０．１％以上であるセラミック応用電子機器。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載のセラミック応用電子機器は、
酸素センサ、ＮＯＸセンサ、ＣＯセンサ、ＣＯ２センサから選ばれるセラミックガスセンサ又はセラミックヒータ若しくはセラミックグロープラグのいずれかであるセラミック応用電子機器。
【請求項１２】
前記リング部材の締まりばめ嵌合の入口側の開口部内面に、外側に向かって広がるテーパ状内面が形成され、前記絶縁部材の前記嵌合を受ける側の端部外面に、そのテーパ状内面に対応する傾斜外面が形成されている請求項２ないし４のいずれかに記載のセラミック応用電子機器。
【請求項１３】
前記セラミック応用電子機器は、エンジンからの排気ガス中の特定成分の濃度を検出するセラミックガスセンサであって、
排気ガスの特性成分の濃度を検出する目的で自身に形成された検出機構部との電気的接続を図る電極端子部が外面に露出して形成されたセラミック素子と、
前記セラミック素子の電極端子部に重なるように配置され、その電極端子部を外部とつなげるための導線部材と、
その導線部材及び前記セラミック素子の電極端子部を外側から包囲する環状の形態をなしてそれらの外側に締まりばめで嵌合され、その締まりばめ嵌合の緊束力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と、
を含むことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載のセラミック応用電子機器。
【請求項１４】
前記セラミック応用電子機器は、エンジンからの排気ガス中の特性組成の濃度を検出するセラミックガスセンサであって、
排気ガスの特性成分の濃度を検出する目的で自身に形成された検出機構部との電気的接続を図る電極端子部が外面に露出して形成されたセラミック素子と、
前記セラミック素子の電極端子部に重なるように配置され、その電極端子部を外部とつなげるための導線部材と、
その導線部材の外側に配置された電気的な絶縁部材と、
少なくとも３００℃以上の耐熱性を有する金属で形成され、前記導線部材、絶縁部材及びセラミック素子の電極端子部を外側から包囲する環状の形態をなしてそれらの外側に締まりばめで嵌合され、その締まりばめ嵌合の緊束力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とともに、前記絶縁部材を自身と前記導線部材との間に挟圧した状態に維持するリング部材と、
そのリング部材、前記絶縁部材、導線部材及びセラミック素子を内部に収容するハウジングと、
を含むことを特徴とする請求項１ないし１３のいずれかに記載のセラミック応用電子機器。
【請求項１５】
前記セラミック素子は、方形状断面を有し、その相対向する１組の外面のうちの一方の外面に２以上の前記電極端子部があり、他方の外面にも別の２以上の前記電極端子部があり、
前記導線部材は、それら双方の外面の各電極端子部に重なるようにそれぞれ位置し、
前記絶縁部材はそれら双方の各外面の前記導線部材の各々に１対１又は複数対１で対応するように前記双方の外面に配置され、
前記リング部材は、前記セラミック素子の前記双方の外面の電極端子部、それら電極端子部のそれぞれに対応する導線部材及び前記絶縁部材をサンドイッチ状に挟圧する相対向する２内面を備えてそれらの外側に締まりばめで嵌合されたものである請求項１３又は１４に記載のセラミック応用電子機器。
【請求項１６】
前記セラミック素子の複数の電極端子部のうち一対のものは、前記排気ガスの特性成分の濃度を検出する上で有効な温度状態を生じさせるヒータ回路のために形成され、
その他の電極端子部は前記排気ガスの特性成分の検出に有効な電圧取出し及び／又は電圧印加のために形成されている請求項１５に記載のセラミック応用電子機器。
【請求項１７】
前記方形状断面のセラミック素子の相対向する一方の外面に前記ヒータ回路のための一対の電極端子部が形成され、他方の外面に前記検出に有効な電圧取出し及び／又は電圧印加のための一対の電圧端子部が形成され、
これらの電圧端子部、前記導線部材及び前記絶縁部材が、前記セラミック素子の一方の外面側と他方の外面側とに、そのセラミック素子の中心面に関して対称的に配置され、かつこれらを角型状のリング部材がサンドイッチ状に挟圧するように締まりばめで嵌合されている請求項１３ないし１６のいずれかに記載のセラミック応用電子機器。
【請求項１８】
前記セラミック応用電子機器は、車両用のセラミックヒータであって、
自身に形成されたヒータ回路との電気的接続を図る電極端子部が外面に露出して形成されたセラミック素子と、
前記セラミック素子の電極端子部に重なるように配置され、その電極端子部を外部とつなげるための導線部材と、
その導線部材及び前記セラミック素子の電極端子部を外側から包囲する環状の形態をなしてそれらの外側に締まりばめで嵌合され、その締まりばめ嵌合の緊束力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と、
を含むことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載のセラミック応用電子機器。
【請求項１９】
前記セラミック応用電子機器は、セラミックグロープラグであって、
自身の少なくとも先端部を車両の燃焼室の混合気に着火させ得る温度に加熱するヒータ回路が埋設され、そのヒータ回路との電気的接続を図る電極端子部が外面に露出して形成されたセラミック素子と、
前記セラミック素子の電極端子部に重なるように配置され、その電極端子部を外部とつなげるための導線部材と、
その導線部材及び前記セラミック素子の電極端子部を外側から包囲する環状の形態をなしてそれらの外側に締まりばめで嵌合され、その締まりばめの嵌合に基づく緊束力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と、
を含むことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載のセラミック応用電子機器。
【請求項２０】
高温下で使用されるセラミック応用電子機器の製造方法であって、
外面に露出して形成されたセラミック素子の電極端子部に導線部材を重ね、さらにその導線部材の外側に電気的な絶縁部材を配置して位置決め・固定する工程と、
それらセラミック素子の電極端子部、導線部材及び絶縁部材を内部に包含するように、それらの外側に金属製のリング部材を締まりばめ嵌合して前記導線部材を前記電極端子部に圧着するとともに、前記絶縁部材を自身と前記導線部材との間で挟圧した状態にする工程と、
を含むことを特徴とするセラミック応用電子機器の製造方法。
【請求項２１】
前記セラミック素子は方形状断面を有し、その相対向する外面に対称的に前記電極端子部を備え、それら双方の外面にそれぞれ前記導線部材、絶縁部材を前記セラミック素子を挟んで対称的に配置し、かつ位置決めする工程と、
そのような対称的な形態を維持しつつ、前記電極端子部、導線部材及び絶縁部材の外側に、角型の金属製のリング部材を締まりばめ嵌合して、前記導線部材を前記電極端子部に圧着するとともに、前記絶縁部材を自身と前記導線部材との間で挟圧した状態にする工程と、
を含むことを特徴とする請求項２０に記載のセラミック応用電子機器の製造方法。
【請求項２２】
前記リング部材の締まりばめ嵌合は圧入によって行うもので、その圧入の入口側の開口部内面に、外側に向かって広がるテーパ状内面が形成され、前記絶縁部材の前記圧入を受ける側の端部外面に、前記テーパ状内面に対応する傾斜外面がそれぞれ形成されており、前記リング部材の前記テーパ状内面が前記絶縁部材の前記傾斜外面に圧接しつつ相対的に滑りを生じて前記リング部材の圧入が進行する請求項２０又は２１に記載のセラミック応用電子機器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば排気ガスのセラミック酸素センサ、ＮＯｘセンサ、セラミックヒータ、グロープラグ、その他高温下で使用されるセラミック応用電子機器ならびにその製造方法に関し、特にセラミック素子の電極端子部と導線部材とを耐熱接合する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、車両用の酸素センサ素子のように、排気管に取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、高温に晒されるセラミック素子と導線部材とを電気的に接続する手段として、例えば図２１に示す電極接合構造が知られている。
【０００３】
この図２１の電気的接合構造では、センサ素子１５０の電極端子部１５１と、リード線１５２との導通をとるために、リード線１５２と接続する雌コンタクト１５３、２分割のセラミックハウジング１５４、同じく２分割の固定金具１５５、１対の押圧バネ１５６、１５６及び１個のカシメリング１５７よりなる差し込み部材をセンサ素子１５０の電極端子部１５１に挿入し、カシメリング１５７の外周をカシメることにより、各押圧バネ１５６に変位を与え、雌コンタクト１５３を所定の圧力で電極端子部１５１に押圧するように構成している。
【０００４】
すなわち、カシメリング１５７が外側から複数箇所でカシメられることで、その内側の押圧バネ１５６、１５６が弾性的に圧縮させられ、さらに内側の固定金具１５５がその押圧バネ１５６のバネ力に基づき、セラミックハウジング１５４を介して雌コンタクト１５３を前記セラミック素子１５０の電極端子部１５１に押し付けることとなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような電極接合では、センサ素子１５０の電極端子部１５１とリード線１５２とをろう付けに依らず、機械的に接続することができる。しかしながら、電極接合のための数多くの部品が必須になる。すなわち、２分割のセラミックハウジング１５４、雌コンタクト１５３、固定金具１５５、押圧バネ１５６、カシメリング１５７等、少なくとも５種以上、個数では１０個を超える専用の部品を必要とする。従って、部品点数が多く構造が相当複雑になる欠点がある。また、組付工程が面倒であるとともに、前記差込み部材をいったん差し込んだ後、さらにカシメリング１５７のカシメ工程が必要であって、工程数も多くなる不利がある。また、近年、例えば車両用の酸素センサ素子のように、セラミック素子の小型化が進んでいるが、上記接合構造ではそれに対応した電極接合部の小型化の要請に応えにくい問題もある。
【０００６】
さらに、上述のようにセラミック素子の小型化が進むと、セラミック素子と導線部材との接合部分の温度が上昇する。しかし上記の電極接合構造では、押圧バネ１５６のバネカを利用した結合であるため、接合部分の結合力が弱く、導線部材の保持力も弱い。このため、高温下での使用では、セラミック素子と導線部材との間に空気が進入して導線部材の表面に絶縁被膜が生じやすくなる。その場合、接触部分の抵抗値を増大させる等、良好な導通にとって好ましくない状況が生じ得る。
【０００７】
本発明は、上記の事情を背景としてなされたもので、その課題は、セラミック素子、導線部材を有するユニットを、構造・工程を複雑にすることなく強固に結合し、かつ、高温下で使用されてもセラミック素子と導線部材の間の抵抗増加を招きにくいセラミック応用電子機器及びその製造方法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発明の効果】
この発明は、高温下で使用されるセラミック応用電子機器であって、
基本的には、自身が有する電気的な回路との接続のための電極端子部が外面に露出して形成されたセラミック素子と、
電極端子部を電気的に外部とつなげるためにその電極端子部に重ねられ、そこに接触する導線部材と、
環状をなし、それらセラミック素子及び導線部材を含むユニット（以下、結合ユニットという）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ける結合ユニットの外寸法合計を結合寸法としたとき、前記圧着方向においてこの結合寸法より小さい内寸法である保持寸法を有して、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と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
上記リング部材は、セラミック素子及び導線部材を有する結合ユニットに対し、例えば圧入、焼嵌め、冷嵌め、その他公知の方法によって機械的に直接締まりばめで嵌合され、結合ユニットを締め付ける。その結果、導線部材が電極端子部に強固に圧着させられる。そのため専用の部品点数が少なく構造がきわめて簡単になり、またリング部材を嵌め込んでしまえばそれでよく、従来のようなカシメ工程が不要で工程も簡単になる。しかも、バネ材を介する場合と異なり、リング部材の締まりばめ嵌合により結合ユニットを直接強固に締め付けて保持するため、高温下で使用されてもセラミック素子と導線部材との間に空気が進入して酸化皮膜が生じるといった不都合が起こりにくい。
【００１０】
締まりばめ嵌合に際しては、金属製のリング部材（リング金具）を用いることがその強度及び強固な圧着力を得る上で好ましく、その場合、絶縁部材（例えば板状の）によりリング金具と導線部材との間で電気的な絶縁状態が保たれ、またその絶縁部材の厚さ寸法が、前記結合ユニットの外寸法の一部を構成することとなる。
【００１１】
前記リング部材は、方形リング状のもの等、少なくとも相対向する２内面（挟圧面）を有するものを採用することができる。その対向する内面間に前記結合ユニットを挟圧する。方形状のリング部材の場合、相対向する２方向のうちの１方向を導線部材の圧着方向とすることができるが、それらの２方向（一般には互いに直交する２方向）を共に圧着方向として、電極の端子数が多い場合に対応させることもできる。また、セラミック素子の圧着方向の両側の面にそれぞれ１又は２以上の電極端子部を形成して、各面にそれぞれ導線部材を配置し、かつ金属製のリング部材の場合は各導線部材の外側に絶縁部材を配置して、さらにその外側からリング部材を締まりばめ嵌合することもできる。その場合、複数のセラミック素子を積層形態で配置すれば、電極の端子数を増やす上で有効である。
【００１２】
前記セラミック素子が円柱状をなす態様では、前記リング部材は少なくとも内周面が円筒状をなしてその内面で前記結合ユニットを挟圧することができる。すなわち、セラミックヒータ素子等、円柱棒状のセラミック素子が用いられる場合、互いに円形断面のセラミック素子とリング部材との間の円環状の隙間に絶縁部材を介して、又は介さないで導線部材が挟み込まれ、導線部材がセラミック素子の外周面に形成された電極端子部に圧着される。この際、複数の導線部材はセラミック素子の外周に所定の間隔（好ましくは等角度間隔）で配置され、また絶縁部材が必要な場合は、セラミック素子とリング部材間の前記円環状の隙間にほぼ対応する円弧状断面を有するものが望ましい。また、絶縁部材を導電部材の外側面又はリング部材の内側面に被覆形成してもよい。
【００１３】
また、セラミック素子及び導線部材を含む結合ユニットからリング部材を取り外した後における、結合ユニットの分解後結合寸法ａ１と、リング部材の分解後保持寸法ｂ１（ａ１＞ｂ１）との差（ａ１−ｂ１）を分解後締め代δ１したとき、その分解後締め代δ１は、分解後保持寸法ｂ１の０．２３％以上９．３％以下、なかでも１．５％以上４．５％以下であることが望ましい。
【００１４】
分解後締め代δ１が小さすぎると、リング部材による結合ユニットの緊束力が弱く、製造工程時等において導線部材がずれたり、抜ける等の不具合が生じやすくなる。一方、分解後締め代δ１が大きすぎると、結合ユニットにリング部材を嵌合するのが困難となる。具体的には、圧入による組付けでは、圧入荷重が上昇して、セラミック素子等の使用部品に損傷が生じやすくなる。また、焼嵌めによる組付けでは、焼嵌め温度の上昇により使用部品に変形が生じやすい。よって、上記δ１／ｂ１は上記の範囲に設定することが望ましい。
【００１５】
リング部材の環状形態平面視における最低肉厚ｔは、同じく環状形態平面視における最大外寸法ｄの２．３％以上３５％以下であることが推奨される。
リング部材の上記最低肉厚ｔは、それの最大外寸法ｄの２．３％以上に設けられることにより、結合ユニットを緊束するリング部材の剛性が保たれ、結果的にリング部材は結合ユニットに対して強固な締付力を発揮する。なお、リング部材の最低肉厚ｔを、その最大外寸法ｄの２．３％より薄くした場合、リング部材の剛性の低下により結合ユニットに対するリング部材の締付強度が低下し、高温下で長時間晒されたとき、セラミック素子と導線部材の間の抵抗増加を招く不具合が生じやすい。
他方、リング部材の最低肉圧ｔが大きくなるとそのリング部材の剛性が向上するため、電極抜け強度は高くなる。しかし、ｔ／ｄが３５％を超えると、電極端子部に求められる圧着強度からして必要以上に剛性が高くなり、組付け・嵌合時のリング部材の残留応力が上昇し、アルミナ絶縁体などの構成部品を破損させる問題が生じやすくなる。よって上記ｔ／ｄは上記の範囲に設定するのが好ましい。
【００１６】
また、当該電極端子部が使用に晒される最高の温度を最高温度Ｔｍ、この最高温度Ｔｍ時における、結合ユニットの最高温度時結合寸法ａｍと、リング部材の最高温度時保持寸法ｂｍ（ａｍ＞ｂｍ）との差（ａｍ−ｂｍ）を最高温度時締め代δｍとしたとき、その最高温度時締め代δは最高温度時保持寸法ｂｍの０．１％以上であることが望ましい。
【００１７】
なお、上記最高温度時の結合寸法ａｍおよび保持寸法ｂｍは、組み付けた後に分解して最高温度Ｔｍに保持して測定してもよいが、組み付けた後に分解して常温時における分解後結合寸法ａ１および分解後保持寸法ｂ１を測定し、各部品の熱膨張係数を用いて計算して求めてもよい。
【００１８】
最高温度時締め代δｍを最高温度時保持寸法ｂｍの０．１％より小さくすると、使用最高温度におけるリング部材の緊束力が低下し、セラミック素子と導線部材の間の抵抗増加を招きやすい。そこで、最高温度時締め代δｍを保持寸法ｂｍの０．１％以上とすることで、その不具合を回避できる。一方、最高温度時締め代δｍの上限値は、リング部材の圧入等の組付け可能な範囲で定まってくる。最高温度時の締め代δｍを規定することは、実際に使用される高温状態においてリング部材が好ましい締まりばめ状態を維持し、ひいては高温状態における電極接合部の圧着強度の信頼性を確保する上で有効である。
【００１９】
本件のセラミック応用電子機器としては、具体的には車両排気ガス用の酸素センサ、ＮＯｘセンサ、ＣＯセンサ素子、ＣＯ２センサ素子などのセラミックガスセンサ、又はセラミックヒータ若しくはセラミックグロープラグ等、種々のものがある。そして、それぞれの機器のセラミック素子の電極端子部と導線部材とが、上述のようなリング部材の締まりばめ嵌合により機械的に強固に圧着される。
【００２０】
また、このようなセラミック応用電子機器の製造方法として、例えば、
外面に露出して形成されたセラミック素子の電極端子部に導線部材を重ね、さらにその導線部材の外側に電気的な絶縁部材を配置して位置決め・固定する工程と、それらセラミック素子の電極端子部、導線部材及び絶縁部材を内部に包含するように、それらの外側に金属製のリング部材を締まりばめ嵌合して導線部材を電極端子部に圧着するとともに、絶縁部材を自身と導線部材との間で挟圧した状態にさせる工程とを含むことができる。
【００２１】
なお、この嵌合を圧入によって行う場合、リング部材の圧入の入口側の開口部内面にテーパ状内面を、また絶縁部材の前記圧入を受ける側の端部外面に前記テーパ状内面に対応する傾斜外面をそれぞれ形成しておくことができる。この態様では、リング部材のテーパ状内面が絶縁部材の傾斜外面に圧接しつつ相対的に滑りを生じてリング部材の圧入が進行し、その圧入が容易に開始される利点が生じる。
【００２２】
【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。
【００２３】
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。
【００２４】
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２ａに連通して接する大気に接触する検出電極２ｂ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２ａ、２ｂ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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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前記電極端子部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前記導線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）。
【００２８】
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。
【００２９】
図５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、挟圧面１１ａに近接して、比較的大きい曲率（曲率半径は小）を有する大曲率凹部１１ｃと、これに続いて外側の斜面１１ｂにほぼ沿うような比較的小さい曲率（曲率半径は大）を有する小曲率凹部１１ｄとが滑らかな一体的な曲線で形成されている。
【００３０】
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６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。
【００３１】
図５に示すように、リング金具１１の最も薄い部分の肉厚（以下、最低肉厚）ｔは、リング金具１１の対角寸法など最大となる寸法（以下、最大外寸法）ｄの２．３％以上３５％以下に設定されている。つまり、ａ＞ｂと、０．０２３ｄ≦ｔ≦０．３５ｄとを満足する。
【００３２】
また、リング金具１１において、結合ユニット１０からリング金具１１を取り外した後における、分解後結合寸法ａ１と分解後保特寸法ｂ１の差（ａ１−ｂ１）で定義される分解後締め代δ１は、分解後保持寸法ｂ１の０．２３％以上で、かつ９．３％以下とすることができる。つまり、０．００２３ｂ≦δ１≦０．０９３ｂを満足する。また、さらに望ましくは０．０１５ｂ≦δ１≦０．０４５ｂの範囲に設定することができる。
【００３３】
さらに、リング金具１１は、使用最高温度Ｔｍにおける、結合寸法ａｍと保持寸法ｂｍの差（ａｍ−ｂｍ）で定義される最高温度時締め代δｍが、保持寸法ｂｍの０．１％以上とされるのが望ましい。つまり、δｍ≧０．００１ｂを満足する。
【００３４】
次に、以上のような酸素センサ１の製造方法について、図６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。
【００３５】
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１１ｅ（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１１ｅに対応する傾斜外面９ａがそれぞれ形成される。
【００３６】
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、冶具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が冶具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が冶具１２ａの下側に位置する冶具１２ｂで支持される。
【００３７】
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冶具で保持され、これに冶具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１１ｅ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。
【００３８】
圧入の後半では、図６の下段に示すように、上側の冶具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が冶具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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
このようにして得られる酸素センサ１においては、バネ部材を介さないリング金具１１の直接の締付けによって、絶縁板９、各導線８及びセラミック素子２がサンドイッチ状に強固に一体化され、その結果、各導線８がセラミック素子２の電極端子部７に機械的に強く圧着させられて電気的な接続が果たされる。これにより次のような効果が得られる。
【００４２】
第１に、従来に比較して電極接合部の部品点数が少なく、構造が簡単である。第２に、常温時にリング金具１１は結合ユニット１０を強固に保持するため、結合ユニット１０にリング金具１１を組み付けた後の製造工程（酸素センサ１を完成させるまでの工程）で、導線８が抜けたりずれたりする不具合が生じにくい。第３に、高温時においてもリング金具１１が結合ユニット１０を強固に保持するため、高温の使用状態においても、セラミック素子２と導線８の間の抵抗増加を招く不具合が生じにくく、長期に亘ってセラミック素子２と導線８の間の良好な導電性を確保できる。
【００４３】
また、リング金具１１の最低肉厚ｔが保持金具１１の最大外寸法ｄの２．３％以上３５％以下、リング金具１１の分解後締め代δ１が分解後保持寸法ｂ１の０．２３％以上９．３％以下、最高温度時締め代δｍが保持寸法ｂｍの０．１％以上とすることで、上述の導線８の接合強度等をいっそう高く維持することができる。
【００４４】
なお、分解後締め代δ１が分解後保持寸法ｂ１の９．３％以下とされることは、上記の効果を保ったまま、結合ユニット１０にリング金具１１を支障なく組み付ける上で望ましい設定である。具体的には、圧入時の圧入荷重のために、セラミック素子２や絶縁板９等の使用部品が破損する不具合が生じにくい。
【００４５】
〔第１実験例〕
次に、上記の実施例で示した酸素センサ１におけるセラミック素子２の電極接合構造（以下、実施例品）と、従来技術で示した電極接合構造（以下、従来品）とについて、高温下で耐久試験を実施した性能試験を示す。なお、インコロイ９０９（インコ社商品名）は、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒを含む耐熱鋼であり、インコネル７５０（インコ社商品名）は、Ｎｉを主体にしてＦｅ，Ｃｒを含む耐熱合金である。
【００４６】
この性能試験では、次のものを使用した。
（実施例品）
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。導線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、矩形板状のアルミナ製で、幅４ｍｍ、厚さは締め代δが表１に示す厚みに調節し、分解後締め代δ１が分解後保持寸法ｂ１の０．２３％以上で９．３％以下を満足するものとした。
リング金具１１は、インコロイ９０９製で、最低肉厚ｔが０．７ｍｍ、最大外寸法ｄが７．５ｍｍ、保持寸法ｂが表１に示すものを使用し（図２参照）、最低肉厚ｔが最大外寸法ｄの２．３％以上３５％以下を満足するものである。
【００４７】
【表１】
0003625627.tif 000002
【００４８】
（従来品）
結合ユニットは、基本的には図２１に示したような押圧バネ１５６、固定金具１５５、セラミックハウジング１５４等を含むものを用いた（バネ力により導線を圧着する構造）。押圧バネ１５６やカシメリング１５７はステンレス製で、それらの最低肉厚は０．２ｍｍ程度である。カシメリング１５７の最大外寸法ｄは約１３ｍｍ、最低肉厚ｔは最大外寸法ｄの約１．６％である。
【００４９】
なお、実施例品は、上記実施例に示したように、圧入によって結合ユニット１０にリング金具１１が組み付けられたものである。このような実施例品と従来品とを、それぞれ６つ用い、それを大気雰囲気中で、３００℃、４００℃、５００℃、６００℃、７００℃、８００℃に１０００時間晒し、その後にセラミック素子２と導線８の間の接触抵抗値の変化を測定した。この試験結果を図７に示す。
【００５０】
図７の試験結果に示されるように、実施例品は３００℃〜８００℃の範囲で抵抗値の上昇は僅かである。これは、実施例品は、８００℃の高温に到るまで、リング金具１１が結合ユニット１０を強固に保持しているため、セラミック素子２と導線８との密着性が保たれて、密着部分の空気が遮断されることが主因と考えられる。このことは、試験後に密着部分を詳細に調査した結果、密着部分に酸化被膜が認められなかったことでも確認できた。
【００５１】
これに対して、従来品（バネ力で導線をセラミック素子の電極端子部に押し付ける構造の試料）は、４００℃を境に抵抗値が急激に上昇し、７００℃以上で導通が無くなった。これは、導線とセラミック素子との接触面に酸化被膜が生じて抵抗値が上昇したものである。つまり、この第１実験例による試験結果から、上記実施例で示したセラミック素子２の電極接合構造は、少なくとも８００℃までの使用温度でも長期に亘って安定使用できることが確認できた。
【００５２】
〔第２実験例〕
次に、最低肉厚ｔが最大外寸法ｄの２．３％未満のリング金具１１（第２実験例中で示す第１、第２比較例品）と、最低肉厚ｔが最大外寸法ｄの２．３％以上３６％以下を満足するリング金具１１（第２実験例中で示す第１、第２実施例品）とを用いて、導線８の抜け強度を測定し、リング金具１１による結合ユニット１０の保持力を測定した。なお、ここで比較例品（第１、第２等）とは、一般的な試料と特に望ましい試料とを区別するための名称であり、従来品あるいは発明外品であることを表明するものではない。言い換えれば、実施例品なる表現は好適試料といった意味である。このことは、第３実験例以降でも同様である。
【００５３】
この性能試験では、次のものを使用した。
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。導線８は、インコロイ９０９製で、幅１．５ｍｍ、厚さ０．２ｍｍほどのものを使用した。
絶縁板９は、矩形板状のアルミナ製で、幅４ｍｍ、厚さは締め代δが表２に示す厚みに調節し、分解後締め代δ１が分解後保持寸法ｂ１の０．２３％以上で９．３％以下を満足するように設けた。
【００５４】
リング金具１１は、インコロイ９０９製で、最大外寸法ｄが７．５ｍｍ、保持寸法ｂが３．５ｍｍのもので、最低肉厚ｔを変化させて第１、第２比較例品と、第１、第２実施例品とを作製した。
第１比較例品の最低肉厚ｔは０．１５ｍｍ（ｔ／ｄ：０．０２０）で、第２比較例品の最低肉厚ｔは０．１６５ｍｍ（ｔ／ｄ：０．０２２）で、第１実施例品の最低肉厚ｔは０．１８ｍｍ（ｔ／ｄ：０．０２４）で、第２実施例品の最低肉厚ｔは０．７０ｍｍ（ｔ／ｄ：０．０９３）である。
【００５５】
上記に示した第１、第２比較例品と第１、第２実施例品は、それぞれ上記実施例に示したように、圧入によって結合ユニット１０にリング金具１１が組み付けられたもので、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、取扱い等で電極がずれたり、抜けたりする不具合が生じないかの評価を行った。評価基準は１ｋｇｆを下限とした。この試験結果を、表２に示す。
なお、締め代δは、結合ユニット１０にリング金具１１を取り付ける前の結合寸法ａから保持寸法ｂを差し引いた量を示す。
【００５６】
【表２】
0003625627.tif 000003
【００５７】
表２で示されるように、第１、第２実施例品の如く、０．０２３≦ｔ／ｄとすることにより、導線８が抜ける荷重が１ｋｇｆ以上となり、結合ユニット１０にリング金具１１を組み付けた後の製造工程（酸素センサ１を完成させるまでの工程）で、導線８が抜けたり、ずれたりする不具合が生じない。
これに対して、第１、第２比較例品の如く、ｔ／ｄが０．０２３未満の場合は、荷重が１ｋｇｆ未満で導線８が抜ける。結合ユニット１０にリング金具１１を組み付けた後の製造工程で、導線８が抜けたり、ずれたりする可能性を減少させるためには、ｔ／ｄを０．０２３以上に設定することが望ましい。
【００５８】
〔第３実験例〕
なお、上記ｔ／ｄの上限値を確認する実験も行った。リング金具の形状を除き、試験方法は第２実験例と同じである。
リング金具の内側寸法を一定とし、最大外寸法ｄだけを、７．５〜２４ｍｍまで変化させることで、リング金具の最低肉厚ｔを０．７〜８．９５ｍｍまで変化させた。これにより、ｔ／ｄ＝０．０９３〜０．３７３のリング金具を得た。これらに対し、第２実験例と同じ方法で実験を行った。その結果を表３に示す。
【００５９】
【表３】
0003625627.tif 000004
【００６０】
表３から明らかなように、リング金具１１の最低肉厚ｔが大きくなるとリング金具の剛性が向上するため、電極抜け強度は高くなる。しかし、ｔ／ｄが３５％を超えると、必要以上に剛性を向上させることとなる。この場合、リング金具の組付け時の残留応力が上昇し、アルミナ絶縁体などの構成部品を破損させやすくなる。このような不都合を生じにくくするには、ｔ／ｄを０．３５以下とすることが望ましい。
【００６１】
〔第４実験例〕
次に、分解後結合寸法ａ１から分解後保持寸法ｂ１を差し引いた分解後締め代δ１（δ１＝ａ１−ｂ１）の上限および下限を確認する実験を行った。
具体的には、分解後保持寸法ｂ１に対する分解後締め代δ１が０．２３％未満のもの（第４実験例中で示す第１、第２比較例品）と、分解後の保持寸法ｂ１に対する分解後締め代δ１が０．２３％以上で９．３％以下のもの（第３実験例中で示す第１〜第４実施例品）と、分解後の保持寸法ｂ１に対する分解後締め代δ１が９．３％より大きいもの（第４実験例中で示す第３比較例品）とを用いて、導線８の抜け強度を測定し、リング金具１１による結合ユニット１０の保持力を測定した。
【００６２】
この性能試験では、次のものを使用した。
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。導線８は、ＳＵＳ３０４製で、幅１．５ｍｍ、厚さ０．２ｍｍほどのものを使用した。リング金具１１は、ＳＵＳ３０４製で、最低肉厚ｔが０．７ｍｍ、最大外寸法ｄが７．５ｍｍ、保持寸法ｂが３．５ｍｍのものを使用し（図２参照）、最低肉厚ｔが最大外寸法ｄの２．３％以上３５％以下を満足するものとした。
【００６３】
絶縁板９は、矩形板状のアルミナ製で、幅４ｍｍ、厚さによって締め代δを調節した。つまり、絶縁板９の厚さを調節することによって、δ１／ｂ１＜０．２３％の第１、第２比較例品と、０．２３％≦δ１／ｂ１≦９．３％の第１〜第４実施例品と、δ１／ｂ１＜９．３％の第３比較例品となる試料を作製した。具体的には、第１比較例品のδ１／ｂ１は０．００１４（小数点第５位四捨五入、以下同じ）、第２比較例品のδ１／ｂ１は０．００２３、第１実施例品のδ１／ｂ１は０．００２９、第２実施例品のδ１／ｂ１は０．０２８８、第３実施例品のδ１／ｂ１は０．０５３８、第４実施例品のδ１／ｂ１は０．０９０２、第３比較例品のδ１／ｂ１は０．０９３７である。
【００６４】
上記に示した第１〜第３比較例品と第１〜第４実施例品は、それぞれ上記実施例に示したように、リング金具１１が圧入によって結合ユニット１０に組み付けられたもので、各２個ずつ設け、一方を分解して分解後締め代δ１を確認し、他方で導線８が抜ける荷重を測定した。なお、この実験方法は、第２実験例と同様のものである。評価基準は第２実験例と同様に１ｋｇｆを下限とし、試験結果を次の表４に示す。
【００６５】
【表４】
0003625627.tif 000005
【００６６】
表４で示されるように、第１〜第４実施例品の如く、０．２３％≦δ１／ｂ１≦９．３％とすることにより、導線８が抜ける荷重が１ｋｇｆ以上となり、結合ユニット１０にリング金具１１を組付けた後の製造工程（酸素センサ１を完成させるまでの工程）で、導線８が抜けたり、ずれたりする不具合が生じない。これに対して、第１、第２比較例品の如く、δ１／ｂ１＜０．２３％とすることにより、導線８が抜ける荷重が１ｋｇｆ未満となる。結合ユニット１０にリング金具１１を組み付けた後の製造工程で、導線８が抜けたり、ずれたりする可能性を減少させるには、δ１／ｂ１≧０．２３％とすることが望ましい。
また、第３比較例品の如く、δ１／ｂ１＞９．３％とすることにより、結合ユニット１０の構成部品（実験では絶縁板９）が破損して導線８が抜ける荷重が１ｋｇｆ未満となった。そのような破損の可能性を減少させるには、δ１／ｂ１≦９．３％とすることが望ましい。
【００６７】
〔第５実験例〕
酸素センサ１に用いられるセラミック素子２は、上記の実施例で示したように、排気ガスに晒されて高温になるため、使用最高温度Ｔｍにおいても適切な保持力を確保する必要がある。そのため、セラミック素子２の使用最高温度Ｔｍにおける、結合寸法ａｍと保持寸法ｂｍの差の最高温度時締め代δｍの下限を確認する実験を行った。
【００６８】
具体的には、δｍ／ｂｍが０．１％以上のもの（第５実験例中で示す第１、第２実施例品）と、δｍ／ｂｍが０．１％未満のもの（第５実験例中で示す第１、第２比較例品）とを用い、使用最高温度を６００℃と仮定して導線８の抜け強度を測定し、リング金具１１による結合ユニット１０の保持力を測定した。
【００６９】
この性能試験では、次のものを使用した。
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。導線８は、ＳＵＳ３０４製で、幅１．５ｍｍ、厚さ０．２ｍｍほどのものを使用した。
リング金具１１は、ＳＵＳ３０４製で、最低肉厚ｔが０．７ｍｍ、最大外寸法ｄが７．５ｍｍ、保持寸法ｂが３．５ｍｍのものを使用し（図２参照）、最低肉厚ｔが最大外寸法ｄの２．３％以上を満足するものとした。
【００７０】
絶縁板９は、矩形板状のアルミナ製で、幅４ｍｍ、厚さによって締め代δを調節した。つまり、絶縁板９の厚さを調節することによって、δｍ／ｂｍ≧０．１％の第１、第２実施例品と、δｍ／ｂｍ＜０．１％の第１、第２比較例品を作製した。
【００７１】
上記に示した第１、第２実施例品と第１、第２比較例品は、リング金具１１を焼嵌め（リング金具１１のみ６００℃に加熱して膨張させ、常温の結合ユニット１０に嵌め合わせて冷却）によって結合ユニット１０に組み付けたものである。これらを大気中、６００℃で１０００時間晒した耐久試験を行った後、セラミック素子２と導線８の抵抗値の変化を測定した、さらにその後、結合ユニット１０からリング金具１１を外して分解後締め代δ１を測定し、この測定結果と、各部品（セラミック素子２、導線８、絶縁板９、リング金具１１）の寸法と熱膨張係数から使用最高温度（６００℃）における最高温度時締め代δｍを算出した。
【００７２】
なお、第１実施例品のδｍ／ｂｍは０．００２６（小数点第５位四捨五入、以下同じ）、第２実施例品のδｍ／ｂｍは０．００１１、第１比較例品のδｍ／ｂｍは０．０００９、第２比較例品のδｍ／ｂｍは０．０００６である。この第５実験例は、第１実験例の表１に示した評価基準を基に試験結果を評価した。上記における第５実験例の試験結果を、次の表５に示す。
【００７３】
【表５】
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【００７４】
表５の試験結果に示されるように、第１、第２実施例品の如く、δｍ／ｂｍ≧０．１％とすることにより、抵抗値の増加が０．２Ω以下と小さく、接触部分の抵抗値の増加が抑えられる。これは、δｍ／ｂｍ≧０．１％とすることで、６００℃の高温下でもリング金具１１が結合ユニット１０を強固に保持しているため、セラミック素子２と導線８の密着性が保たれて、密着部分の空気が遮断されるためと推定される。
【００７５】
これに対して、第１、第２比較例品の如く、δｍ／ｂｍ＜０．１％とすることにより、６００℃の高温下ではリング金具１１が結合ユニット１０を保持する力が低下し、セラミック素子２と導線８との密着部分に空気が進入して導線８の表面に酸化被膜が生じて抵抗値が上昇したものと推定される。このような抵抗値の上昇を抑える上で、δｍ／ｂｍ≧０．１％とすることが望ましい。
【００７６】
〔第６実験例〕
車両用酸素センサに例をとると、その使用環境はエンジンの始動・停止の繰り返しにより熱疲労を受ける。そこで、下記試料（比較例品及び第１〜第３実施例品）に対し、室温及び熱間（２００〜８００℃）の熱サイクル試験を１０００サイクル実施した。具体的には、加熱炉で試料を一定時間加熱した後、炉外でその試料を一定時間自然又は強制冷却することを１サイクルとして、これを１０００回繰り返した。試験終了後には室温にて接触抵抗の変化を測定し、続いて試験時の最高温度に再び加熱し導線の引張り抜け荷重を測定した。
導線にはワスパロイ（商品名）、絶縁体にはアルミナ、リング金具には以下の材質を用いた。そして初期の締め代が０．１ｍｍとした部品を用いて、圧入により接合体を得た。
【００７７】
（リング金具材質）
比較例品    ：ＳＵＳ３０４（従来構造品…図１５）
第１実施例品：インコロイ９０９（低膨張金属／時効硬化品…時効温度７２０℃）
第２実施例品：ワスパロイ      （超耐熱合金／時効硬化品…時効温度８４３℃）
第３実施例品：インコネル６２５（超耐熱合金／加工硬化品…非時効硬化型金属）
なお、これらリング金具の材質の組成は、表６に示すとおりであり、インコロイ９０９（Ｉｎｃｏｌｏｙ  Ａｌｌｏｙ  ９０９：インコ社商品名）は鉄基低膨張金属、ワスパロイ（Ｗａｓｐａｌｏｙ  Ａｌｌｏｙ：ユナイテッド  テクノロジー社商品名）やインコネル６２５（Ｉｎｃｏｎｅｌ  Ａｌｌｏｙ  ６２５：インコ社商品名）は、Ｎｉ基超耐熱合金である。
【００７８】
【表６】
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【００７９】
（試験結果）
比較例品（従来品）は第１実験例（高温保持）において５００℃まで耐熱性が確認されているが（抵抗値増加量：約０．２５Ω）、この試験では図９に示すように耐熱温度は４００℃まで低下し、第１、第４実験例での高温保持試験より厳しいことが分かる。
【００８０】
第１実施例品に示すインコロイ９０９製リング金具を用いた場合、図９のように、第１実験例（高温保持）と同様に８００℃まで耐熱性が確認されているが、図１０に示すように、電極抜け強度は８００℃で大きく低下した。これはインコロイ９０９は圧入前に予め時効硬化処理（７２０℃×８時間保持＋６２０℃×８時間保持）を行い耐力を向上させており、試験温度が７２０℃（時効温度）を超えた場合は過時効が生じて耐力低下をきたすためである。
【００８１】
第２実施例品に示すワスパロイ製リング金具を用いた場合、本試験における耐熱温度は８００℃以上であった。導線抜け強度は４００〜７００℃ではインコロイ９０９に劣るが、これは低膨張金属であるインコロイ９０９と比べ熱膨張係数が大きいために締め代が温度の上昇に伴い低下するためである。しかし、ワスパロイは時効硬化温度が８４３℃と高いために過時効の発生が抑えられることから、８００℃でも急激に導線抜け強度が低下することはない。
【００８２】
第３実施例品に示すインコネル６２５製リング金具を用いた場合も、本試験における耐熱温度は８００℃以上であった。インコネル６２５は非時効硬化型金属であるために過時効による耐力低下は間題がないが、時効硬化処理による耐力の向上も不可能である。そこで、圧延による加工硬化処理を行い耐力の向上を行った。導線抜け強度はワスパロイ同様に４００〜７００℃ではインコロイ９０９に劣るが、８００℃では逆転した。
【００８３】
上記の実施例では、リング金具１１の形状を矩形筒状に設けた例を示したが、図８に示すように、外径形状を円形に形成し、その内側中心部に矩形など方形の貫通孔を設けたリング金具１１としてもよい。この場合、図１においてそのリング金具１１を円筒状の外筒金具５の内側に嵌合することができる。見方を換えれば、外筒金具５を、円形の外周面を有するリング金具１１の外側に被せることもできる。
【００８４】
以上の説明では、セラミック素子がセンサ素子として使用される例であったが、これ以外に、セラミックヒータにも本発明は適用できる。
図１１はその一例を示すもので、セラミックヒータ素子２０の内部には、発熱抵抗線２１がＵ字状に折り返すように埋設されている。その素子２０の先端側の部分が加熱部２２となり、その発熱抵抗線２１に対し直接又は中間の導線を介して、２本の導線２３により通電される。これらの導線２３は、円筒状のリング金具２５により、その素子２０に形成された電極端子部に圧着させられて、電気な導通が図られる。
【００８５】
図１２に示すように、セラミックヒータ素子２０の外周面には所定の距離をおいて（この例では中心に介して対称位置に）２箇所の電極端子部２４が形成され、これに薄板状の導線２３がそれぞれ接触する。２個の導線２３は圧着状態においてヒータ素子２０の外周に沿う曲率で円弧状に湾曲している。これらの外側に、ヒータ素子２０の外周面に対応する円弧状断面を有する２枚の絶縁板２６が重ねられ、その外側から円筒状のリング金具２５が締まりばめで嵌合されている。この例では、各絶縁板２６は円筒を軸方向に２分割したような形態をなし、かつ互いに向き合わせの形態でヒータ素子２０を包囲する。リング金具２５はこれらの絶縁板２６を介して、各導線（電極板）２３を電極端子部２４に圧着する。言い換えれば、各導線２３はヒータ素子２０の電極端子部２４と絶縁板２６との間で挟圧された状態に保たれる。
【００８６】
〔第７実験例〕
円柱棒状形態（φ４ｍｍ×Ｌ４０ｍｍ）の窒化珪素製セラミックヒータにおいて、本発明による実施例品（図１３）と、ろう付けによる比較例品（図１４）を示す。なお、本セラミックヒータにはφ０．４ｍｍのＷ線（タングステン線）コイルが埋め込まれており、プラス・マイナスの２本の電極端子部は外周に露出している。この電極端子部の表面にはタングステンの酸化を防ぐために厚さ２μｍのＮｉメッキが施してある。
【００８７】
（実施例品）
インコロイ９０９製のリング金具２５は外径ｄ＝１０ｍｍ、内径ｂ＝６ｍｍの円筒形状とした。絶縁板２６には半円筒形状のアルミナを用い、導線（電極）２３には厚さ０．２５ｍｍのインコネル７５０を用いた。締め代が５０μｍとなるように上記部品を組み合わせた後、リング金具２５の内面に滑剤を塗布後、圧入により接合を行った。なお、この円筒状のリング金具２５についても、図６にその形成位置を示すように、テーパ内面（１１ｅ）を圧入開始側の端部に円錐面状に形成し、他方、セラミックヒータ素子２０の圧入される側の端部には、そのテーパ内面に対応するテーパ外面（９ａ）を円錐面状に形成した。
【００８８】
これらの導線２３に、１１Ｖで２０Ａの電流を流してセラミックヒータ先端部を加熱させると、１分間の通電で電極接合部の温度は５００℃で安定した。次に、３分間通電を止めて、電極接合部温度が室温になるように空冷した。この０Ｎ−０ＦＦ耐久試験を１００〜１０００サイクル行った後に、接触抵抗の変化を測定し、良否の判定を行った。
【００８９】
（比較例品）
厚さ０．２５ｍｍのインコネル７５０からなる導線（電極）２３を、Ａｇ−Ｃｕ共晶ろう（Ａｇ＝７２％、Ｃｕ＝２８％、融点７８０℃）を用いて直接セラミックヒータ素子２０にろう付け接合した（図１４参照）。これに対し、上記実施例品と同様のＯＮ−ＯＦＦ耐久試験を行った。
【００９０】
（試験結果）
実施例品では１０００サイクル終了後においても異常は認められなかった。一方、比較例品は、２００サイクルでろう付け部分が剥がれた。
【００９１】
なお、以上はセラミックヒータ単独の具体例であるが、このようなセラミックヒータを酸素センサ中に組み込むこと（例えば、酸素センサ素子と平行又は同軸的に組み込むこと）もできる。
【００９２】
また、本発明は、セラミック製のグロープラグにも適用できる。図１５はグロープラグ３０の一例を示すもので、グロープラグ素子３１が金属スリーブ３２を介して金属ハウジング３３内に保持され、それの外周に形成されたネジ部３４において図示しないエンジンブロックに固定される。グロープラグ素子３１内の発熱部には、コイル状の導線３５及び金属軸３６を介して通電される。金属軸３６はその外周のネジ部３７に螺合されたナット３８が金属ハウジング３３に対し締め込まれることで、グロープラグ素子３１と同心的に固定され、かつ絶縁部材３９により金属ハウジング３３と電気的に絶縁される。
【００９３】
図１６に示すように、グロープラグ素子３１内には、Ｕ字状のセラミック発熱体４０、及びこの両端に接続された埋設導線４１、４２が埋設されている。埋設導線４１は金属スリーブ３２にアースされ、埋設導線４２はリング金具４３により前記導線３５に接合されている。埋設導線４２の端部はグロープラグ素子３１の外面に露出して、電極端子部となる。ここに導線３５が配置された状態で、リング金具４３がグロープラグ素子３１の端部に、圧入、焼嵌め等により締まりばめ嵌合されて、導線３５の一端部が上記電極端子部に圧着し、電気的な導通状態が維持される。
【００９４】
つまり、リング金具４３の内径は、結合ユニットとしての２部材、すなわちグロープラグ素子３１の外径と導線３５の厚み又は直径を加えた外寸法（結合寸法）より小さく設定される。また本例では絶縁板を含まず、リング金具４３が導線３５に直接圧着する。なお、導線３５の他端部は適宜の手法で金属軸３６に接続され、例えば上記と同様なリング金具４４（図１５）の締まりばめ嵌合で、導線３５の他端部が金属軸３６の外周に圧着されるようにしてもよい。いずれにしても、金属軸３６、導線３５を通じ、かつ埋設導線４１、４２を介してセラミック発熱体４０に通電され、ここが赤熱化する。このようなリング金具４３についても、前述の他の実施例で説明した分解後締め代、最低肉厚と最大外寸法の比率、最高温度時締め代等の数値は、好適な実施の態様として採用することができる。
【００９５】
また、図１７に示すように、複数（例えば２本）のセラミック素子２及び２’を積層して配置するとともに、これらを必要に応じて両側から絶縁板９で挟み、さらにその外側からリング金具１１’（図では内面のみ示す）を締まりばめ嵌合した多層状の電極接合構造としてもよい。その場合、例えばセラミック素子２の双方の面に２個ずつ計４個の電極端子部を形成し、それぞれに導線８を配置することによって、前述の酸素センサ及びヒータの４本の電極接合部を形成するとともに、セラミック素子２’の電極端子部に２本の電極接合部を形成して、これをＮＯｘセンサの電極接合部とすれば、この例では６本の複合的な電極接合構造が得られる。この場合、２枚のセラミック素子２、２’、２枚の絶縁板９、３本の導線８の各寸法合計が、結合ユニットの寸法合計（結合寸法）となり、リング金具１１’の前記セラミック素子２、２’等の圧着方向の内寸法が保持寸法となる。そして、前述の実施例のように、保持寸法は結合寸法より小さくなる締め代が設定される。その他は、これまでに説明した内容での実施が可能である。
【００９６】
以上の実施例では、金属製のリング部材、すなわちリング金具１１等を設けた例を示したが、リング部材は樹脂、セラミック、セラミックと金属材料の焼結体、あるいは樹脂とセラミック又は金属の複合材料などで形成することも、セラミック素子の使用環境によっては可能である。リング部材が非導電材料で形成される場合は、図３等の形態から絶縁体が不要となる。
【００９７】
また、以上ではセラミックセンサとして、酸素センサ、特に濃淡電池式のものを代表例にあげたが、酸素センサとしては、濃淡電池式のもの、ポンプ汲み出し式のもののいずれに適用可能である。それらの機構は公知のものであるが、以下、簡単に説明を加える。
【００９８】
図１８は、濃淡電池式の酸素センサであり、図１のものと等価である。要するに、ジルコニア（ＺｒＯ２）等の酸素イオン伝導性固体電解質で構成されたセラミック素子５０の内部に、大気導入室５２、多孔質の基準電極５３及び検出電極５４が形成されている。そして、基準電極５３に大気を、検出電極５４に排気ガスを接触させることにより、多孔質の壁部５５には排気ガス中の酸素濃度に応じた濃淡電池起電力が生ずる。これをセンサ出力として取り出し排気ガス中の酸素濃度を検出する。ヒータ５６はエンジン始動時等における上記壁部５５の温度を一定以上に上昇させ、酸素のイオン化を促進させる。この例では濃淡電池の２極、ヒータの２極で都合４極となる。これは前述したところである。
【００９９】
図１９はポンプ方式の全領域酸素センサの概念図である。セラミック素子６０は酸素イオン伝導性固体電解質で構成され、測定室６５を挟んで酸素ポンプ素子６１と酸素濃淡電池素子６２とが対向配置された構造を有し、排気ガスは多孔質セラミック等で構成された拡散孔６７を通って測定室６５に導入される。そして、酸素濃淡電池素子６２は、素子内に埋設された電極６３を酸素基準電極として、測定室６５側の電極６４との間に生ずる濃淡電池起電力により、測定室６５内の酸素濃度を測定する。一方、酸素ポンプ素子６１には電極６６及び６８を介して図示しない外部電源により電圧が印加され、その電圧の向きと大きさにより定まる速度で、測定室６５に対し酸素を汲み込む又は汲み出すようになっている。そして、該酸素ポンプ素子６１の作動は、酸素濃淡電池素子６２が検知する測定室６５内の酸素濃度に基づいて図示しない制御部により、該測定室６５内の酸素濃度が理論空燃比に対応する濃度に一定に保持されるように制御され、このときの酸素ポンプ素子６１のポンプ電流に基づいて排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）を検出する。
【０１００】
このタイプの酸素センサでは酸素濃淡電池素子６２の電圧取出しに２極、酸素ポンプ素子６１への電圧印加に２極、ヒータ６９への通電に２極の、都合６極（互いに独立のヒータが２重に設けられる場合はヒータで４極の全体で８極）となるのが普通である。この場合、例えば前述の図４において、セラミック素子２の両側の面に例えば３極、３極で電極端子部を振り分け、それぞれに導線８を配し、かつ絶縁板９を介して前記リング金具１１を締まりば嵌合することができる。あるいは、図１７に例示したような積層構造としてもよい。
【０１０１】
さらに本発明は、酸素センサ以外にＮＯｘセンサにも適用可能である。図２０は、２チャンバー方式のＮＯｘセンサの例を示している。セラミックセンサ素子７０はＺｒＯ２等の酸素イオン伝導性固体電解質で構成され、その内部には第一及び第二の測定室７１，７２が隔壁７１ａを挟んで形成されるとともに、上記隔壁７１ａには多孔質セラミック等で構成されてそれらを互いに連通させる第二拡散孔７３が形成されている。また、第一測定室７１は第一拡散孔７４により周囲雰囲気と連通している。そして、第一測定室７１に対しては電極７６及び７７を有する第一酸素ポンプ素子７５が、また、第二測定室７２に対しては電極７９及び８０を有する第二酸素ポンプ素子７８が、それぞれ隔壁７１ａに関して反対側に位置している。また、隔壁７１ａには、第一測定室７１内の酸素濃度を検出する酸素濃淡電池素子８３（隔壁７１ａ内の酸素基準電極８１と、第一測定室７１に面する対向電極８２を有する）が形成されている。
【０１０２】
その作動であるが、まず第一測定室７１内に周囲雰囲気のガスが第一拡散孔７４を通って導入される。そして、その導入されたガスから酸素が第一酸素ポンプ素子７５により汲み出される。なお、測定室内の酸素濃度は酸素濃淡電池素子８３により検出され、その検出値に基づいて図示しない制御部により第一の酸素ポンプ素子７５は、第一測定室７１内のガス中の酸素濃度が、ＮＯｘの分解を起こさない程度の一定値となるように、その酸素汲み出しのための作動が制御される。このようにして酸素が減じたガスは第二測定室７２へ第二拡散孔７３を通って移動し、そこでガス中のＮＯｘと酸素とが完全に分解するように、第二酸素ポンプ素子７８により酸素が汲み出される。このときの第二酸素ポンプ素子７８のポンプ電流に基づいてガス中のＮＯｘの濃度を検出する。
【０１０３】
この種のＮＯｘセンサの場合は、２つの酸素ポンプ素子７５、７８のために２極ずつで４極、酸素濃淡電池素子８３で２極、ヒータ８６で２極で、全体として８極（互いに独立のヒータが２重に設けられる場合はヒータで４極の全体で１０極）となるのが普通で、セラミック素子７０にはその数の電極端子部が形成され、前述のようなリング金具により各電極端子部に導線が圧着されることとなる。
【０１０４】
なお、本発明は酸素センサ、ＮＯｘセンサ以外にも、周知のＣＯセンサ、ＣＯ２センサ素子など他のセラミックガスセンサに適用でき、さらにセンサ以外に、セラミックヒータや、グロープラグにも適用できることは前述のとおりである。
【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断面図。
【図２】図１における電極端子部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からリング金具を除いた分解斜視図。
【図５】リング金具の平面図。
【図６】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７】試験温度と増加抵抗値との関係を示すグラフ（第１実験例）。
【図８】リング部材の変形例を示す平面図。
【図９】試験温度と増加抵抗値との関係を示すグラフ（第６実験例）。
【図１０】試験温度と電極抜け荷重との関係を示すグラフ（第６実験例）。
【図１１】本発明をセラミックヒータに適用したアッセンブリの一例を示す斜視図。
【図１２】図１１のＢ矢視図。
【図１３】図１２の構成部品の寸法関係を示す平面図。
【図１４】図１１のリング金具を除いた斜視図。
【図１５】本発明が適用されたグロープラグの一例を示す半断面図。
【図１６】図１５の要部を示す断面図。
【図１７】２個以上のセラミック素子を積層した実施例を概念的に示す平面図。
【図１８】濃淡電池式の酸素センサの概念図。
【図１９】ポンプ式（全領域型）の酸素センサの一例を概念図。
【図２０】ＮＯｘセンサの一例を示す概念図。
【図２１】従来例を示す分解斜視図。
【符号の説明】
２、２’、２０、３１、５０、６０、７０  セラミック素子
７、２４  電極端子部
８、２３、３５  導線（導線部材）
１０  結合ユニット（図３の実施例では、セラミック素子＋導線＋絶縁板）
１１、１１’、２５、４３  リング金具（リング部材）
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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