JP2001099806A - 酸素センサ素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷熱サイクルが繰り返された場合に、電極保
護層にクラックが発生したり、電極保護層と電極との密
着性が低下することに起因して発生する電極保護層の剥
離を有効に抑制ないし防止することができる酸素センサ
素子を製造する。 【解決手段】 酸素センサ素子Ｓは、固体電解質体６
と、その外側表面に設けられた多孔質の測定電極１４
と、少なくとも測定電極１４表面を被覆した多孔質の電
極保護層とを有している。電極保護層は、未熱処理状態
にある測定電極１４に、プラズマ電力を20〜35kWに保持
させながら、平均粒径が20〜50μmに調整された耐熱性
粉末供給装置２から耐熱性粉末をプラズマ溶射すること
で付着形成される。更にこのプラズマ溶射による電極保
護層の付着と同時に測定電極１４が熱処理される。それ
により、冷熱サイクルが繰り返されても電極保護層にク
ラックが生じたり、電極からの電極保護層の剥離が生じ
にくい酸素センサ素子を製造できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関やボイラ
ー等の各種燃焼機器において、排ガス中の酸素濃度を検
出するために用いられる酸素センサ素子を製造する方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、例えば自動車用内燃機関の排
気系には、排ガス中の酸素濃度を測定し、この値を元に
空燃比制御等を行うための酸素センサが設けられてい
る。そして、前記酸素センサにはジルコニア（Ｚｒ
Ｏ₂）等の酸素イオン伝導性を有する固体電解質体を用
いた酸素センサ素子が配設されている。

【０００３】この種の酸素センサ素子では、例えば先端
が閉塞し、後端が開口した有底筒状の固体電解質体の表
面において、その内面の基準大気に晒される側に基準電
極（内側電極）が設けられると共に、その対面の排気ガ
スに晒される側に測定電極（外側電極）が設けられ、更
に、少なくとも測定電極上に、鉛（Ｐｂ）やリン（Ｐ）
等の被毒物質から保護するための多孔質の電極保護層が
被覆されてなるものが広く知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような酸素センサ
素子にあっては、長時間高温下の排ガスに晒された場合
に電極（測定電極）が固体電解質体から剥離してしまう
ことが懸念されることから、固体電解質体からの電極の
剥離の抑制を目的として、そのような酸素センサ素子を
製造するための方法が、従来より種々提案されている
が、例えば、特公昭６３−４３７０６号公報にて開示さ
れているように、前焼結されたジルコニア質からなる有
底筒状の固体電解質体の内外側表面上に電極膜を噴霧ま
たは刷毛塗りにより施し、そして外側表面に施された電
極膜に、多孔性被覆層（電極保護層）の被覆を例えば噴
霧またはスリップ中への浸漬により行い、その後固体電
解質体を電極と多孔性被覆層とからなる層複合体と共に
焼結するようにした方法等が提案されている。

【０００５】ところで、上述した公報技術にあっては、
いずれも固体電解質体の表面に形成された電極は、長時
間高温下の排ガスに晒された場合にも、固体電解質体か
ら剥離されにくくなるといった効果を奏するものとな
る。しかしながら、本発明者等の検討によると、上述し
た公報技術を含む従来からの酸素センサ素子にあって
は、例えば内燃機関の運転の繰り返し等により加熱・冷
却サイクル（以下、「冷熱サイクル」という）が頻繁に
繰り返されると、電極を被覆している電極保護層にクラ
ックが発生したり、電極保護層と電極との密着性が低下
することに起因して、電極保護層が電極から剥離してし
まうといったおそれがあることが判明した。

【０００６】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
ものであり、冷熱サイクルが繰り返された場合に、電極
保護層にクラックが発生したり、電極保護層と電極との
密着性が低下することに起因して発生する電極保護層の
剥離を有効に抑制ないし防止することができる酸素セン
サ素子を製造するための方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段，発明の効果】かかる目的
を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、酸
素イオン伝導性を有する固体電解質体と、該固体電解質
体の表面に設けられた電極と、少なくとも該電極の表面
に被覆された多孔質の電極保護層とを有してなる酸素セ
ンサ素子を製造する方法であって、前記固体電解質体の
表面に電極を被着し、２０〜３５ｋＷの範囲内にプラズ
マ電力を保持させた状態でプラズマ溶射を行うことによ
って、前記電極の表面に前記電極保護層を被覆するのと
同時に、該電極を熱処理するようにしたことを特徴とす
る。

【０００８】従来からの酸素センサ素子を製造する方法
では、一般的に固体電解質体の表面に電極を被着した直
後に、未熱処理状態にある電極を熱処理して多孔質の電
極とする熱処理工程が独立して設けられ、その熱処理工
程後に電極の表面に電極保護層を被覆するものであっ
た。しかしながら、このようにして得られた酸素センサ
素子にあっては、冷熱サイクルが繰り返されると、電極
保護層が電極から剥離してしまうといったおそれがあっ
た。

【０００９】一方、本発明の製造方法では、固体電解質
体の表面に電極を被着した直後に、未熱処理状態にある
電極の表面にプラズマ溶射を行うことで電極保護層を被
覆するものである。尚、ここでいうプラズマ溶射とは、
例えばプラズマガンの内部に配設された電極間に所定の
プラズマ電力によりアークを発生させ、その後方からア
ルゴンガス等からなる作動ガスを供給し、高温、高速の
プラズマジェットを発生させる。そして、このプラズマ
ジェットのフレームの中に溶射させる耐熱性粉末を投入
して溶融させ、この溶融した耐熱性粉末をターゲットに
吹き付けることで被膜を形成させるものである。

【００１０】ここで、本発明では、電極保護層を形成す
るためのプラズマ溶射を行うに当たって、プラズマ電力
を２０〜３５ｋＷに保持させた状態にて行うことが重要
となる。つまり、上述した範囲内にプラズマ電力を保持
させた状態でプラズマ溶射を行うことにより、溶射させ
る耐熱性粉末を適度に溶融させることができると共に、
この溶融した粉末に適度な熱を蓄積させた形態でターゲ
ットである電極に連続的に衝突させて、付着させること
ができるのである。それにより、電極保護層を構成する
ための材料である耐熱性粉末は適度に溶融され、被着直
後の未熱処理状態にある電極に対して良好に付着される
ことになる。更には、溶融した粉末が電極に対して連続
的に付着したときに、この溶融した粉末に蓄積された熱
が未熱処理状態にある電極に対して連続的に伝導される
等の要因から、未熱処理状態にある電極に熱処理を施す
ことが可能となるのである。

【００１１】即ち、本発明では、プラズマ電力を上述し
た範囲内に保持させた状態でプラズマ溶射を行うことに
より、電極保護層の形成と未熱処理状態にある電極の熱
処理とを同時に行うことを可能とするのである。それよ
り、電極と電極保護層との互いを強固に密着させること
が可能となる。従って、冷熱サイクルが繰り返された場
合に、電極保護層にクラックが発生したり、電極保護層
と電極との密着性が低下することに起因して発生する電
極保護層の剥離を有効に抑制ないし防止することが可能
となることから、従来ならば電極の被着直後に必要であ
った熱処理工程を省略することができ、酸素センサ素子
の製造効率を向上させると共に、酸素センサ素子を安価
に提供することができる。

【００１２】また、請求項２に記載のように、平均粒径
が２０〜５０μｍの耐熱性粉末を用いて前記プラズマ溶
射を行うことにより、前記電極保護層を形成するように
するとよい。上述したようにプラズマ電力を２０〜３５
ｋＷの範囲内に保持させた状態で、かつ、溶射される耐
熱性粉末の平均粒径を２０〜５０μｍの範囲内に調整し
た上でプラズマ溶射を行うことにより、電極と電極保護
層とを互いに強固に密着させることが可能になると共
に、１５〜４０％の範囲内の気孔率を満たす電極保護層
を形成することが可能となる。

【００１３】耐熱性粉末の平均粒径が２０μｍ未満であ
る場合には、プラズマ溶射により形成される電極保護層
の気孔率が１５％未満になり易く、そのために排気ガス
が電極保護層を通過しにくくなるためにその排気ガスが
電極に達することが困難となり、酸素センサ素子の応答
速度や出力に悪影響を及ぼすおそれがある。一方、平均
粒径が５０μｍを越える場合には、電極保護層の気孔率
が４０％を越え易く、そのために電極保護層が過度に多
孔質化してしまって、排気ガスの流量を抑制することが
できなくなるおそれがあり、更には、ＰｂやＰ等の被毒
物質が電極保護層を素通りし、電極に付着してしまうお
それがある。

【００１４】更に、請求項３に記載のように、請求項１
または請求項２に記載の酸素センサの製造方法におい
て、前記固体電解質体の表面において、少なくとも前記
電極が被着される表面が凹凸形状に形成されているとよ
い。少なくとも電極が被着される固体電解質体の表面
が、凹凸形状に形成された上で電極が被着されると、こ
の電極は、固体電解質体の表面に形成された凹凸形状に
対応して凹凸形状に有する形態で被着されることにな
る。そして、その電極の表面に上述したプラズマ溶射を
行うと、電極の表面を被覆する電極保護層は、電極の凹
凸形状により付着面積が増大した形態で電極に付着され
る（即ち、電極を被覆する）ことになる。それにより、
電極保護層を電極に対してより一層強固に付着させるこ
とができ、その結果、冷熱サイクルが繰り返された場合
における電極保護層の剥離をより有効に抑制ないし防止
することができる。

【００１５】更に、請求項４に記載のように、請求項１
〜３のいずれか１項に記載の酸素センサ素子の製造方法
において、前記電極の表面を前記電極保護層により被覆
した後に、前記電極及び前記電極保護層を別途熱処理し
た場合にも、電極保護層が電極から剥離することを有効
に抑制ないし防止することに効果的であることが、後述
する試験結果から確認されている。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図
面と共に説明する。図１は、本発明を適用することによ
り形成される酸素センサ素子Ｓの概略構成を示す縦断面
図である。この酸素センサ素子Ｓは、先端が閉塞し、後
端が開口した有底筒状の固体電解質体６と、固体電解質
体６の内側表面に設けられた多孔質の基準電極（内側電
極）１２と、固体電解質体６の外側表面に設けられた多
孔質の測定電極（外側電極）１４と、少なくとも測定電
極１４の表面を被覆した多孔質の電極保護層１６と、か
ら構成されている。

【００１７】この酸素センサ素子Ｓは、図示しないケー
ス内に配設され、所定の電力取り出しのための各種の配
線（リード線）等が施された上で、基準電極１２が設け
られた固体電解質体６の内側を大気（即ち、空気）に晒
し、測定電極１４が形成された固体電解質体６の外側
（即ち、電極保護層１６側）を排ガス中（例えば、自動
車の排気ガス）に晒すようにして配置されるものであ
る。そして、酸素センサ素子Ｓをこのように配置させる
ことで、固体電解質体６の内側の大気中の酸素がイオン
化し、更に、大気の方が排ガスよりも酸素濃度が高いこ
とから、大気と排ガスとの間に生じる酸素濃度差に従っ
て酸素イオンが固体電解質体中を排ガス側に拡散し、こ
れに伴って起電力が発生する。この起電力を検出信号と
して外部に取り出せば、例えば、自動車エンジンの空燃
比の微調整に利用することが可能となる。

【００１８】次に、本実施形態の酸素センサ素子Ｓの製
造に当たっての工程を、以下に示す第１〜第３工程に分
けて説明する。尚、第１〜第３工程は順に実施されるも
のである。 ［第１工程］第１工程は、酸素イオン伝導性を有する固
体電解質体を形成する工程であり、順に実施する１−ａ
〜１−ｅの計５つの小工程に分かれている。

【００１９】（１−ａ）９０〜９６ｍｏｌ％のＺｒＯ₂
の原料に４〜１０ｍｏｌ％安定化剤を添加した上で、湿
式にて、例えば粒径１０μｍ以下の粒子となるように７
０時間、粉砕混合し、この粒子を乾燥して粉体を得る。
尚、前記安定剤としては、イットリア（Ｙ₂Ｏ₃）が代表
的なものであるが、Ｙ₂Ｏ₃の他に、酸化カルシウム（Ｃ
ａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化イッテルビ
ウム（Ｙｂ₂Ｏ₃）等の２〜３価の金属酸化物が挙げられ
る。また、ベースとなるＺｒＯ₂は酸化ハフニウム（Ｈ
ｆＯ₂）が含有されていてもよい。

【００２０】（１−ｂ）１−ａにて得られた粉体を、電
気炉にて、例えば１３００℃にて１時間仮焼成して、Ｚ
ｒＯ₂に対して安定化剤を固有させた仮焼成粉体を得
る。 （１−ｃ）１−ｂにて得られた仮焼成粉体を、湿式に
て、例えば粒子の８０％が２．５μｍ以下となるように
５０時間、ボールミル粉砕して、微粉砕粒子を得る。更
に、この微粉砕粒子に有機バインダを加えてスラリーと
し、このスラリーをスプレードライヤーにかけて平均粒
径７０μｍ程度の造粒粒子を得る。

【００２１】（１−ｄ）１−ｃにて得られた造粒粒子の
水分が１％になるように調製し、例えば、ラバープレス
法等の加圧成形法によって、一方が閉じた有底筒状の成
形体を得る。 （１−ｅ）１−ｄにて得られた成形体を、例えば１６０
０℃の酸化性雰囲気下にて１時間焼成することにより、
酸素イオン伝導性を有する有底筒状の固体電解質体を形
成する。

【００２２】［第２工程］第２工程は、固体電解質体上
に電極を被着する工程である。第１工程にて得られた固
体電解質体の内外側表面を洗浄した後、その内外側表面
にそれぞれ電極（大気電極及び測定電極）を構成する材
料としての貴金属成分を、例えば無電解メッキ法により
被着させる。尚、貴金属成分としては、白金（Ｐｔ）、
ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム
（Ｐｄ）、金（Ａｕ）及びこれらの合金が挙げられる。
また、貴金属成分を固体電解質体の表面に被着する手法
としては、前記無電解メッキ法の他に、電解メッキ法、
真空蒸着法、化学蒸着法、或いは、分解する金属の塩を
塗布した後、加熱して金属を分解付着させる方法が挙げ
られる。

【００２３】［第３工程］第３工程は、固体電解質体の
表面に被着された少なくとも測定電極（未熱処理状態の
測定電極）の表面を多孔質の電極保護層にて被覆するの
と同時に、未熱処理状態にある電極を熱処理する工程で
ある。尚、電極保護層にて測定電極を被覆する手段並び
に熱処理する手段として、本実施形態では、電極保護層
を構成する材料である耐熱性粉末をプラズマ溶射するこ
とにより行う。

【００２４】ここで、プラズマ溶射は、図２に示すよう
に、プラズマガン８を用いて行うことができる。プラズ
マガン８は、陰極である中心電極と陽極からなるノズル
との間に高電圧を印加し、この電極間に２０〜３５ｋＷ
のプラズマ電力を保持させた状態でアークを発生させ、
その後方からアルゴンガス等からなる作動ガスを供給
し、プラズマ状態とする。プラズマ状態となったガス
は、著しい温度上昇により体積膨張を起こし、ノズル出
口１８から高温・高速のプラズマジェットとなって噴出
する。

【００２５】そして、耐熱性粉末供給装置２から一定流
量のガスで供給される耐熱性粉末を、ノズル出口１８に
おけるプラズマジェットに対して投入し、この耐熱性粉
末を溶融・加速させ、ターゲットである固体電解質体６
に設けられた測定電極１４の表面等に連続的に衝突させ
る。このとき、固体電解質体６は回転可能な治具４に取
り付けられ、この治具４を回転させながら、プラズマガ
ン８を上下方向に移動させて、溶融した耐熱性粉末を測
定電極１４の表面を覆うように衝突させ、付着させる。

【００２６】そして、このようにして耐熱性粉末をプラ
ズマ溶射することによって、耐熱性粉末は適度に溶融さ
れ、電極に対して強固に付着することになる。更には、
溶融した耐熱性粉末が電極に対して連続的に付着したと
きに、この溶融した粉末に蓄積された熱が未熱処理状態
にある電極に連続的に伝導される等の要因から、被着直
後の未熱処理状態にある電極に熱処理を施すことが可能
となる。

【００２７】ここで、電極保護層を構成する材料である
耐熱性粉末としては、ＭｇＯ・Ａｌ ₂Ｏ₃スピネルが代表
的なものであるが、ＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃スピネルの他に、
アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ＺｒＯ₂、ＣａＯ、ムライト等
の群より選ばれる１種類以上からなる粉末が挙げられ
る。また、プラズマ電力を上述したような範囲内に保持
させると共に、溶射される耐熱性粉末の平均粒径を２０
〜５０μｍの範囲内に調整することによって、プラズマ
溶射により形成される電極保護層は、１５〜４０％の範
囲内の気孔率を満たす電極保護層として形成させること
が可能となる。尚、ここでいう気孔率とは電極保護層の
緻密さの度合いを示すものである。

【００２８】また、プラズマ溶射により形成される電極
保護層の厚み（測定電極の表面に対して直交する向きの
距離）は、５０〜５００μｍであることが望ましい。電
極保護層の厚みが５０μｍ未満である場合には、測定電
極を被毒物質から保護する電極保護層の効果が十分に得
られないおそれがある。一方、５００μｍより厚い場合
には、電極保護層が厚すぎるため、排気ガスが電極保護
層を通過するのに要する時間が長くなり、酸素センサ素
子の応答速度や出力に悪影響を及ぼすおそれがある。

【００２９】以上に説明したように、第１〜第３工程を
実施して、更に固体電解質体の内側表面に被着された大
気電極に適宜熱処理を施すことにより、固体電解質体６
と、大気電極１２及び測定電極１４と、電極保護層１６
とを備えた酸素センサ素子Ｓを形成することができる
（図１参照）。とりわけ、本発明では、２０〜３５ｋＷ
の範囲内にプラズマ電力を保持させた状態でプラズマ溶
射を行うことによって、電極保護層の形成と未熱処理状
態にある電極の熱処理とを同時に行う（上述した第３工
程に相当）ようにしたことが注目すべき点である。それ
により、電極保護層と電極（測定電極）とを互いに強固
に密着させることが可能となり、冷熱サイクルが繰り返
された場合に、電極保護層にクラックが発生したり、電
極保護層と電極との密着性が低下することに起因して発
生する電極保護層の剥離を有効に抑制ないし防止するこ
とができる酸素センサ素子を製造することが可能となる
のである。

【００３０】以上、本発明について一実施形態を説明し
たが、本発明は前記実施形態に限定されるものではな
く、種々の態様を採ることができる。例えば、上述した
第１〜第３工程を経た後に、以下に説明する第４工程を
実施して酸素センサ素子を形成してもよい。

【００３１】［第４工程］第４工程は、上述した第３工
程にて得られた電極保護層及び測定電極を別途熱処理す
る工程である。ここでは、電極保護層で被覆された状態
の固体電解質体を、例えば８００℃〜１２００℃の酸化
性雰囲気中に１時間晒すことにより、電極保護層及び測
定電極を熱処理する。

【００３２】また、上述した第１工程において、１−ｅ
の小工程を、以下に説明する１−ｅ′として実施するこ
とにより、固体電解質体の表面に凹凸形状を形成しても
よい。 ［第１工程］ （１−ｅ′）上述した１−ａ〜１−ｂの小工程にて得ら
れた仮焼結粉体を、湿式にて、例えば、粒子の８０％が
２．５μｍ以下となるように５０時間、ボールミル粉砕
して微粉砕粒子を得る。更に、この微粉砕粒子に有機バ
インダを加えてスラリーとし、このスラリーをスプレー
ドライヤーにかけて平均粒径６０〜７０μｍ程度の造粒
粒子を得る。そして、この造粒粒子に有機バインダを水
に解いて調製した有機バインダ液を加えることにより、
流動性混合物を調製する。次いで、この流動性混合物１
−ｄにて得られた有底筒状の成形体の外側表面（少なく
とも第２工程にて電極が被着される外側表面）に１００
μｍ程度の厚さに塗布した上で、この成形体を、例えば
１６００℃の酸化性雰囲気下にて１時間焼成することに
より、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体を得る。

【００３３】このようにして得られる固体電解質体で
は、その表面に凹凸形状が形成されることになり、上述
した第２工程にて電極を被着すると、その電極は、固体
電解質体の表面に形成された凹凸形状に対応して凹凸形
状を有する形態で被着される。そして第３工程に移行し
て、その電極の表面にプラズマ溶射を行うと、電極保護
層は電極の凹凸形状ににより付着面積が増大した形態で
電極に付着される（即ち、電極を被覆する）ことにな
る。それにより、電極保護層を電極に対してより一層強
固に付着させることが可能となる。

【００３４】

【実施例】本発明の効果を確認するために、以下の実験
を行った。まず、純度９９．０％以上のＺｒＯ₂の原料
９６ｍｏｌ％に対して、純度９９．９％のＹ₂Ｏ₃を４ｍ
ｏｌ％添加し、湿式にて粒径１０μｍ以下の粒子となる
ように粉砕混合し、この粒子を乾燥して粉体を得る。そ
して、得られた粉体を電気炉にて１３００℃、１時間仮
焼成し、得られた仮焼成粉末を湿式にて粒子の８０％が
２．５μｍ以下となるようにボールミル粉砕して微粉砕
粒子とする。次いで、得られた微粉砕粒子に有機バイン
ダを加えてスラリーとし、このスラリーをスプレードラ
イヤーにかけて平均粒径７０μｍ程度の造粒粒子を調製
し、得られた造粒粒子の水分が１％以下になるように調
製した上で、ラバープレス法により一方が閉じた有底筒
状の成形体を形成した。そして、この成形体を所望の形
状に切削加工した後、１６００℃の酸化性雰囲気下にて
１時間焼成して、酸素イオン伝導性を有する複数の固体
電解質体を得た。

【００３５】尚、複数得られる固体電解質体の内、いく
つかのものは、上記仮焼成粉体を別途スプレードライヤ
ーにかけて平均粒径６０〜７０μｍ程度の造粒粒子に調
製し、この造粒粒子に有機バインダを水に解いて調製し
た有機バインダ液を加えて、流動性混合物を調製し、こ
の流動性混合物を成形体の外側表面（少なくとも電極が
被着される外側表面）に１００μｍ程度の厚さに塗布し
た上で、この成形体を１６００℃の酸化性雰囲気下にて
１時間焼成することにより、表面に凹凸形状を有する固
体電解質体として形成したものとする。

【００３６】そして、得られた固体電解質体の外側表面
に、貴金属成分であるＰｔを無電解メッキ法により被着
する。次いで、表１に示すプラズマ電力を保持した状態
で、同じく表１に示す平均粒径を有するＭｇＯ・Ａｌ₂
Ｏ₃スピネルを用いてプラズマ溶射を行うことにより、
厚さ２００μｍの電極保護層にて少なくともＰｔ電極
（未熱処理状態にあるＰｔ電極）の表面を被覆すると共
に、このＰｔ電極を熱処理し、図１に示すような酸素セ
ンサ素子をそれぞれ製造した（本実施例における酸素セ
ンサ素子の製造を説明するに当たり、固体電解質体の内
側表面に形成される電極（大気電極）についての説明は
割愛した）。

【００３７】尚、得られた複数の酸素センサ素子の内、
いくつかのものには、電極保護層を形成した後に、この
電極保護層と電極とを８００℃または１２００℃の温度
域にて別途熱処理を行った。そして、このようにして得
られたそれぞれの酸素センサ素子について、以下に示す
方法により、酸素センサ素子の冷熱サイクル試験、並び
に電極保護層の気孔率の分析を行った。尚、その結果を
表１に示した。また、本試験を評価する上で、前記固体
電解質体の表面にＰｔ電極を無電解メッキ法にて被着し
た直後に、そのＰｔ電極を熱処理し、その熱処理工程後
にＰｔ電極の表面にＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃スピネルからなる
厚さ２００μｍの電極保護層を被覆するようにした従来
からの製造方法にて得られた酸素センサ素子について
も、比較例として評価を行った。

【００３８】冷熱サイクル試験：得られた酸素センサ
素子のそれぞれを、５０℃から１１００℃まで加熱し、
再度５０℃まで冷却するのを１サイクル（１サイクルに
要する時間は９０秒）として、このサイクルを繰り返し
行い、電極保護層が測定電極から何サイクルで剥離する
かを評価した。

【００３９】気孔率：電極保護層の一部分を研磨して
断面をとり、この断面を画像解析にて測定することによ
り算出した。

【００４０】

【表１】

【００４１】表１の結果より、２０〜３５ｋＷの範囲内
にプラズマ電力を保持させた状態でプラズマ溶射を行う
ことによって、電極保護層の形成と電極（Ｐｔ電極）の
熱処理とを同時に行った実施例２〜８の酸素センサ素子
については、いずれも比較例と比較して、著しく電極保
護層の剥離が生じにくいことが判明した。とりわけ、固
体電解質体の表面に凹凸形状を形成したもの、または／
及び、電極保護層を形成した後に、電極保護層と電極と
に熱処理を施したものについては、より電極保護層の剥
離が生じにくいことが判明した。

【００４２】一方、プラズマ電力を１５ｋＷに保持させ
た状態でプラズマ溶射を行った実施例１にあっては、冷
熱サイクル試験の結果が、比較例と変わらなかった。こ
の理由としては、プラズマ電力が低いことから、ＭｇＯ
・Ａｌ₂Ｏ₃スピネルが良好に溶融せず、それよりＰｔ電
極への付着力が低下したものと考えられる。他方、プラ
ズマ電力を４０ｋＷに保持させた状態でプラズマ溶射を
行った実施例９にあっては、プラズマ溶射後に電極が電
極保護層ごと固体電解質体から剥離してしまっていた。
そのため、酸素センサ素子としての機能をなさないこと
から、冷熱サイクル試験を実施しなかった。このような
剥離が生じる理由としては、ＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃スピネル
の溶融度合が大きいことから、電極への付着は良好にな
されるものの、逆に付着される電極保護層にひずみやダ
レ等の不具合が発生し易いために、そのひずみ等の応力
が電極にかかって、電極が固体電解質体から剥離するも
のと考えられる。

【００４３】また、２０〜３５ｋＷの範囲内にプラズマ
電力を保持させた状態で、かつ、溶射されるＭｇＯ・Ａ
ｌ₂Ｏ₃スピネルの平均粒径を２０〜５０μｍの範囲内に
調整した上でプラズマ溶射を行った実施例２〜８の酸素
センサ素子にあっては、電極保護層の気孔率が１５〜４
０％の範囲内を満たすことが本実施例により判明した。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本実施例の製造方法が適用されることにより
形成される酸素センサ素子の概略構成を示す縦断面図で
ある。

【図２】 プラズマ溶射による電極保護層の形成方法を
示す説明図である。

【符号の説明】

Ｓ…酸素センサ素子、２…耐熱性粉末供給装置、４…治
具、６…固体電解質体、８…プラズマガン、１２…大気
電極、１４…測定電極、１６…電極保護層、１８…ノズ
ル出口。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸素イオン伝導性を有する固体電解質体
   と、該固体電解質体の表面に設けられた電極と、少なく
   とも該電極の表面に被覆された多孔質の電極保護層とを
   有してなる酸素センサ素子を製造する方法であって、 前記固体電解質体の表面に電極を被着し、２０〜３５ｋ
   Ｗの範囲内にプラズマ電力を保持させた状態でプラズマ
   溶射を行うことによって、前記電極の表面に前記電極保
   護層を被覆するのと同時に、該電極を熱処理するように
   したことを特徴とする酸素センサ素子の製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の酸素センサ素子の製造
   方法において、 平均粒径が２０〜５０μｍの耐熱性粉末を用いて前記プ
   ラズマ溶射を行うことで、前記電極保護層を形成するこ
   とを特徴とする酸素センサ素子の製造方法。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の酸素セ
   ンサ素子の製造方法において、 前記固体電解質体の表面において、少なくとも前記電極
   が被着される表面が凹凸形状に形成されていることを特
   徴とする酸素センサ素子の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか１項に記載の酸
   素センサ素子の製造方法において、 前記電極を電極保護層にて被覆した後に、前記電極及び
   前記電極保護層を別途熱処理するようにしたことを特徴
   とする酸素センサ素子の製造方法。