JP2009097861A - 酸素センサの検査方法、酸素センサの製造方法及び酸素センサの検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】酸素センサの良否検査の精度の向上を図る。
【解決手段】酸素センサの検査方法は、酸素センサの検出部を第１の検査用ガスに曝した状態で、酸素センサの出力値である第１の出力値Ｄ１を取得し（ステップＳ１）、第１の検査用ガスに対して酸素濃度が異なる第２の検査用ガスに検出部を曝した状態で、酸素センサの出力値である第２の出力値Ｄ２を取得し（ステップＳ２）、第１及び第２の出力値Ｄ１，Ｄ２に基づいて酸素センサの良否を判定する（ステップＳ３〜Ｓ６）。
【選択図】図５

Description

本発明は、被測定ガスとして例えば自動車の内燃機関から排出される排気ガスの酸素濃度を測定する酸素センサの良否を判定する酸素センサの検査方法、酸素センサの製造方法及び酸素センサの検査装置に関する。

従来、被測定ガスの酸素濃度を検出する酸素センサとして、基体部と、酸素イオン導電性の固体電解質層及び固体電解質層を挟む一対の電極を有し基体部の表面上に設けられる検出部と、検出部を覆った状態で基体部に対して固定されるプロテクタと、を備える酸素センサがある（例えば特許文献１参照）。

この酸素センサの検出部は、基体部の表面上に一方の電極を印刷形成し、一方の電極上に固体電解質層を印刷形成し、固体電解質層上に他方の電極を印刷形成した後、それら印刷形成された一対の電極及び電解質層を焼成する焼成工程を経て形成される。
特開２００５−２０１８４０号公報

上記焼成工程では１４００〜１５００度にて焼成が行われるため、固体電解質と一対の電極との間に異物や気泡が存在すると、焼成の際の固体電解質層の収縮により、異物や気泡の周囲の部分に応力集中が生じ、検出部にクラックが生じ酸素センサの性能が低下することがある。このため、検出部を成形後、プロテクタを取り付ける前に、浸透探傷剤を使用した目視検査所謂レッドチェックを検出部に対して実施してクラックの有無を調べて、クラックが生じた不良品を排除して、良品の酸素センサだけを得るようにしている。しかしながら、レッドチェックは、目視での検査のため、小さなクラックを見落とすおそれがある。

そこで、本発明は、酸素センサの良否検査の精度の向上を図ることを目的とする。

本発明の第１の態様は、基準電極と検出電極とこれら基準電極及び検出電極に挟まれた酸素イオン導電性の固体電解質層とを有する検出部が設けられた酸素センサの前記検出部を第１の検査用ガスに曝した状態で、前記酸素センサの出力値である第１の出力値を取得する第１の取得工程と、前記第１の検査用ガスに対して酸素濃度が異なる第２の検査用ガスに前記検出部を曝した状態で、前記酸素センサの出力値である第２の出力値を取得する第２の取得工程と、前記第１及び第２の出力値に基づいて前記酸素センサの良否を判定する判定工程と、を含むことを特徴とする酸素センサの検査方法である。

本発明の第２の態様は、前記第１の態様の酸素センサの検査方法において、前記第１及び第２の出力値は、前記基準電極から前記検出電極へ酸素イオンが伝導するようにこれら基準電極と検出電極との間に電圧を増加させつつ印加しこれら基準電極と検出電極との間を流れる電流が一定となったときに得られる限界電流値であることを特徴とする。

本発明の第３の態様は、前記第２の態様の酸素センサの検査方法において、前記第２の検査用ガスは、前記第１の検査用ガスよりも酸素濃度が低く、前記判定工程は、前記第２の出力値が前記第１の出力値を下回った場合に前記酸素センサは不良であると判定することを特徴とする。

本発明の第４の態様は、前記第１ないし第３のいずれか一つの態様の酸素センサの検査方法において、前記第１の検査用ガスは、大気である一方、前記第２の検査用ガスは、酸素に対して不活性な不活性ガスであることを特徴とする。

本発明の第５の態様は、前記第４の態様の酸素センサの検査方法において、前記第２の検査用ガスは、窒素ガスであることを特徴とする。

本発明の第６の態様は、前記第４の態様の酸素センサの検査方法において、前記第２の検査用ガスは、アルゴンガスであることを特徴とする。

本発明の第７の態様は、前記第４の態様の酸素センサの検査方法において、前記第２の検査用ガスは、ヘリウムガスであることを特徴とする。

本発明の第８の態様は、基準電極と検出電極とこれら基準電極及び検出電極に挟まれた酸素イオン導電性の固体電解質層とを有する検出部と、この検出部が表面上に設けられる基体部と、前記検出部を覆うプロテクタと、を備える酸素センサを製造する酸素センサの製造方法において、前記基体部の表面上に前記基準電極を印刷形成し、前記基準電極上に前記固体電解質層を印刷形成し、前記固体電解質層上に前記検出電極を印刷形成する印刷工程と、印刷形成された前記基準電極、前記検出電極及び前記電解質層を焼成して前記検出部を形成する焼成工程と、前記焼成工程後に、前記検出部を覆う位置に前記プロテクタを設けるプロテクタ取付工程と、前記プロテクタ取付工程後に、第１の検査用ガスに前記検出部を曝した状態で前記酸素センサの出力値である第１の出力値を取得する第１の取得工程と、前記第１の取得工程後に、前記第１の検査用ガスに対して酸素濃度が異なる第２の検査用ガスに前記検出部を曝した状態で前記酸素センサの出力値である第２の出力値を取得する第２の取得工程と、前記第１及び第２の出力値に基づいて前記酸素センサの良否を判定する判定工程と、を含むことを特徴とする酸素センサの製造方法である。

本発明の第９の態様は、基準電極と検出電極とこれら基準電極及び検出電極に挟まれた酸素イオン導電性の固体電解質層とを有する検出部が設けられた酸素センサの前記検出部を第１の検査用ガスに曝す状態と、前記第１の検査用ガスに対して酸素濃度が異なる第２の検査用ガスに前記検出部を曝す状態と、を切り替えるガス供給部と、前記ガス供給部が前記第１の検査用ガスに前記検出部を曝した状態で、前記酸素センサの出力値である第１の出力値を取得する第１の取得手段と、前記ガス供給部が前記第２の検査用ガスに前記検出部を曝した状態で、前記酸素センサの出力値である第２の出力値を取得する第２の取得手段と、前記第１及び第２の出力値に基づいて前記酸素センサの良否を判定する判定手段と、を備えることを特徴とする酸素センサの検査装置である。

本発明によれば、酸素センサの出力値（第１及び第２の出力値）に基づいて酸素センサの良否を判定することにより、酸素センサの良否を目視で判定する場合に比べて、精度良く酸素センサの良否を判定することができるので、酸素センサの良否検査の精度の向上を図ることができる。

本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態にかかる酸素センサの検査装置１を示す構成図、図２は、本実施形態にかかる酸素センサ５０を示す断面図、図３は、本実施形態にかかる酸素センサ５０の酸素センサ素子５１の先端部を示す断面図、図４は、本実施形態にかかる検査用ガスに曝された状態の酸素センサ５０の出力を示すグラフ、図５は、本実施形態にかかる酸素センサの検査装置１の制御装置４が実行する良否判定処理の流れを示すフローチャートである。

［酸素センサの検査装置］
図１に示すように、酸素センサの検査装置１は、酸素センサ５０に被測定ガスとしての２種類の検査用ガスを選択的に供給するガス供給部２と、酸素センサ５０へ電圧を印加する電源部３と、各部の制御及び各種演算を実行する制御装置４と、を備えている。

ガス供給部２は、ガス室１０ａを有し酸素センサ５０を支持するセンサ支持部材１０と、ガス室１０ａに供給する検査用ガスが充填された第１及び第２のガスボンベ１１，１２と、これら第１及び第２のガスボンベ１１，１２とセンサ支持部材１０のガス室１０ａとの連通状態を切り替える切替弁１３と、を備えている。

センサ支持部材１０は、円筒形状に形成されおり、その内部がガス室１０ａとなっている。センサ支持部材１０の一端部には、第１の継手１４を介して第１のパイプ１５がガス室１０ａに連通して状態で接続されている。一方、センサ支持部材１０の他端部には、第２の継手１６を介して第２のパイプ１７がガス室１０ａに連通した状態で接続されている。

センサ支持部材１０の周壁部には、図１及び図２に示すように、酸素センサ５０が螺入されるネジ孔１０ｂが形成されている。酸素センサ５０とセンサ支持部材１０との間の気密は、図２に示すように、ガスケット６２によって確保される。ネジ孔１０ｂに螺入された酸素センサ５０は、後述する検出部１２０が設けられた一端部がガス室１０ａ内に位置する一方、他端部がセンサ支持部材１０の外部に位置し大気に曝される。

第１のガスボンベ１１には、第１の検査用ガスが圧縮状態で充填されている。本実施形態では、第１の検査用ガスは、大気である。ここで、大気は、地球の表面を取り巻くガスであり、酸素と窒素とを主成分とし他に二酸化炭素、水素などを少量含む混合ガスである。一方、第２のガスボンベ１２には、第１の検査用ガスと酸素濃度が異なる第２の検査用ガスが圧縮状態で充填されている。第２の検査用ガスは、第１の検査用ガスよりも酸素濃度が低いガスであって、酸素に対して不活性なガスである。具体的には、第２の検査用ガスは、例えば窒素ガス、アルゴンガス又はヘリウムガスなどの単一成分からなるガスであることが好適である。窒素ガス、アルゴンガス又はヘリウムガスなどの単一成分からなるガスは、酸素濃度が零であるため、酸素を含む大気よりも酸素濃度が低い。本実施形態では第２の検査用ガスとして窒素ガスを例に説明する。これら第１及び第２のガスボンベ１１，１２は、それらの弁１１ａ，１２ａが開いた状態で内部の検査用ガスを噴出する。

切替弁１３は、例えば電磁弁などである。切替弁１３は、その上流部が第３のパイプ１８を介して第１のガスボンベ１１及び第４のパイプ１９を介して第２のガスボンベ１２に接続され、その下流部が第１のパイプ１５を介してガス室１０ａに接続さている。

かかる構造のガス供給部２は、ガス室１０ａに第１の検査用ガスを供給して、酸素センサ５０における後述する検出部１２０を含む酸素センサ素子５１を第１の検査用ガスに曝す状態と、ガス室１０ａに第２の検査用ガスを供給して、酸素センサ５０における検出部１２０を含む酸素センサ素子５１を第２の検査用ガスに曝す状態と、を切替弁１３によって切り替える。

電源部３は、酸素センサ５０の後述する基準電極１０４と検出電極１０５との間に電圧を印加する電源回路（図示せず）と、酸素センサ５０の基準電極１０４と検出電極１０５との間に流れる電流を検出する電流検出回路（図示せず）と、を備えている。

制御装置４は、各種の制御及び演算を実行するＣＰＵ、記憶部としてのＲＯＭ、記憶部としてのＲＡＭ、通信部（いずれも図示せず）を備えるコンピュータである。通信部には、電源部３及び切替弁１３がハーネス２０，２１を介して接続されているとともに、ハーネス２０及び電源部３を介して酸素センサ５０が接続されている。これにより、制御装置４は、切替弁１３及び電源部３を制御可能であるとともに、酸素センサ５０との間で信号の送受信が可能となっている。

［酸素センサ］
次に、酸素センサ５０を説明する。酸素センサ５０は、例えば、車両の内燃機関の排気管（図示せず）に設置されて、排気ガスの酸素濃度を測定するものである。

酸素センサ５０は、図２に示すように、酸素濃度を検出するとともに検出した酸素濃度を電気信号に変換する酸素センサ素子５１と、この酸素センサ素子５１が挿入される素子挿入孔５２ａが形成されたホルダ５２と、このホルダ５２と酸素センサ素子５１との間をシールし、かつ、酸素センサ素子５１をホルダ５２内に位置決めする素子位置決め部５３と、ホルダ５２の基端側（図２では上側）に露出した酸素センサ素子５１の電極パッド１００に圧接されて酸素センサ素子５１からの出力を取り出す端子５４と、ホルダ５２の基端側に固定されて端子５４を保持する絶縁碍子５５と、ホルダ５２の基端側に固定されて絶縁碍子５５の外周を被うケーシング５６と、ホルダ５２の先端部に固定され、ホルダ５２の先端部から突出した酸素センサ素子５１の外周を被うプロテクタ５７と、酸素センサ素子５１に接続されてケーシング５６から突出したハーネス６４と、を備えて概略構成されている。

ホルダ５２には、ネジ部５２ｂが形成されており、このネジ部５２ｂがセンサ支持部材１０のネジ孔１０ｂに螺合する。

ハーネス６４は、ケーシング５６の基端側の開口部を塞ぐ閉止部材６３を貫通して、ケーシング５６の外部に延出している。

素子位置決め部５３は、素子挿入孔５２ａの全周に亘る粉充填スペース５８と、この粉充填スペース５８の開口縁に設けられたカシメ部５９とを有する。この粉充填スペース５８には、セラミック粉６０とバネ性を有するスペーサ６１とが収容され、カシメ変形したカシメ部５９によってスペーサ６１が圧縮され、その圧縮力によってセラミック粉６０が圧縮状態で充填されることによって酸素センサ素子５１とホルダ５２との間でシールが確保され、かつ、酸素センサ素子５１がホルダ５２に位置決め固定されるようになっている。なお、充填材であるセラミック粉６０としては、例えば未焼結のタルクが使用されている。また、スペーサ６１には、例えばリング状のワッシャが使用される。

酸素センサ素子５１は、図３に示すように、円柱状の基体部１０１と、基体部１０１の先端部（一端部）の表面上に形成された検出部１２０と、を備えている。

検出部１２０は、基体部１０１の表面である外周面上に形成された酸素イオン伝導性の固体電解質層１０２と、基体部１０１の外周面に設けられた多孔質層１０３と、固体電解質層１０２の内面に形成された基準電極１０４と、固体電解質層１０２の外面に形成された検出電極１０５と、この検出電極１０５及び固体電解質層１０２の外面の全域に形成され、検出電極１０５の外面に酸素導入窓部１０６ａを有する緻密層１０６と、この緻密層１０６の外面及び酸素導入窓部１０６ａより露出された検出電極１０５の外面に形成された保護層１０７とを備えて構成されている。この構造では、基準電極１０４と検出電極１０５とによって固体電解質層１０２が挟まれた状態となっている。また、基準電極１０４は、固体電解質層１０２に被覆されて外部の被測定ガスには直接曝されない状態となっている。そして、酸素センサ５０は、緻密層１０６及び保護層１０７の外側に被測定ガスが導かれる状態で配置される。

基体部１０１は、中実円柱の芯ロッド１１０と、この芯ロッド１１０の外周に形成されたヒータ部であるヒータパターン１１１と、このヒータパターン１１１を被覆するよう芯ロッド１１０の外周に形成された絶縁性材料のヒータ絶縁層１１２とから構成されている。つまり、ヒータパターン１１１の上面に、固体電解質層１０２、基準電極１０４及び検出電極１０５を有する検出部１２０が積層されている。

基準電極１０４及び検出電極１０５は、共に導電性で、且つ、酸素が通過できる材料により形成されている。また、基準電極１０４及び検出電極１０５にはそれぞれリード線部１１３（基準電極１０４用は図示せず）が一体的に延設されており、これらリード線部１１３を用いて基準電極１０４と検出電極１０５との間に現れる電圧、電流を検出できるようになっている。これらリード線部１１３は、電極パッド１００及び端子５４を介してハーネス６４に接続されている。緻密層１０６は、被測定ガス中の酸素が内面側に通過できない材料で形成されている。保護層１０７は、被測定ガス中の有害ガスは内面側に通過できないが、被測定ガス中の酸素は通過できる材料で形成されている。

プロテクタ５７は、図２に示すように、二重の有底筒状に形成されている。プロテクタ５７は、ホルダ５２に取り付けられて酸素センサ素子５１の検出部１２０を覆っている。プロテクタ５７のホルダ５２への取付手段は、それらの嵌合や螺合、接着、レーザ溶接などである。プロテクタ５７には、複数の通気孔５７ａが形成されており、これら通気孔５７ａによって、被測定ガスが検出部１２０に供給される。

次に、酸素センサ５０の酸素濃度の測定動作を説明する。ヒータパターン１１１に通電されると、ヒータパターン１１１が発した熱がヒータ絶縁層１１２を介して検出部１２０に伝達され、固体電解質層１０２が活性化される。そして、被測定ガス中の酸素は保護層１０７を透過し、検出電極１０５を通過して固体電解質層１０２の外面に導入され、基準となる基準ガスとしての大気（第１のガスボンベ１１内の大気ではなく、地球表面上の大気）は酸素センサ５０の他端部（基端部）から多孔質層１０３を介して基準電極１０４に達する。固体電解質層１０２の内外面で酸素濃度に差があると、酸素イオンが固体電解質層１０２内を輸送されることによって酸素濃度差に応じて基準電極１０４と検出電極１０５との間に起電力が発し、酸素濃度差に応じた電圧、電流が得られる。

［酸素センサの製造方法］
次に、酸素センサ５０の製造方法を説明する。

まず、アルミナ等のセラミック材料を射出成型して中実円柱の芯ロッド１１０を製造する。

次に、以下の印刷工程を実施する。芯ロッド１１０を回転させつつ、芯ロッド１１０の表面上に、例えば、白金又はタングステン等の発熱性材料を曲面スクリーン印刷してヒータパターン１１１を形成する。

次に、芯ロッド１１０の表面上に、ヒータパターン１１１を覆ってアルミナ等を曲面スクリーン印刷してヒータ絶縁層１１２を形成する。

次に、芯ロッド１１０の表面上に、ヒータ絶縁層１１２を覆って曲面スクリーン印刷によって多孔質層１０３を形成する。

次に、芯ロッド１１０の表面上に、多孔質層１０３を覆って白金等からなる導電性ペーストを曲面スクリーン印刷して基準電極１０４及びそのリード線部を一体に形成する。次に、基準電極１０４及び多孔質層１０３等の上面を含む領域に、例えば、ジルコニアとイットリアからなるペースト状物を曲面スクリーン印刷して酸素イオン伝導性の固体電解質層１０２を形成する。

次に、固体電解質層１０２の上面を含む領域に、白金等からなる導電性ペーストを曲面スクリーン印刷して検出電極１０５及びそのリード線部１１３を一体に形成する。

次に、検出電極１０５及び固体電解質層１０２の上面に、例えば、アルミナ等のセラミック材料を曲面スクリーン印刷して酸素導入窓部１０６ａを有する緻密層１０６を形成する。緻密層１０６の酸素導入窓部１０６ａからは検出電極１０５の中央部分が露出され、この露出された検出電極１０５の部分が電極としての有効部分となる。

次に、検出電極１０５及び固体電解質層１０２の外面のみならずヒータ絶縁層１１２の外面、つまり、芯ロッド１１０の外周面の円周方向の全領域に亘って、例えば、アルミナと酸化マグネシウムからなるペースト状物を曲面スクリーン印刷して保護層１０７を形成する。これで、印刷工程を終了する。

次に、焼成工程を行なう。この工程では、印刷形成された基準電極１０４、検出電極１０５及び固体電解質層１０２を含む円柱状作成物を高熱で焼成することにより各部を一体的に焼結させる。この焼成工程で酸素センサ素子５１が完成する。

焼成工程後に、組立工程を実行する。この工程では、酸素センサ素子５１のリード線部１１３に電極パッド１００及び端子５４を介してハーネス６４を接続し、酸素センサ素子５１にホルダ５２を取り付け、このホルダ５２にケーシング５６を取り付けた後、ホルダ５２にプロテクタ５７を取り付ける（プロテクタ取付工程）。これにより、酸素センサ５０の組立が完了する。

ここで、以上の焼成工程や組立工程などにおいては、酸素センサ素子５１に、図３に２点差線で示すようなクラック１２１が生じることがある。勿論クラック１２１が生じる場合と生じない場合とがあり、クラック１２１が生じる割合は少ない。

次に、組立完了状態の酸素センサ５０の良否を検査する検査工程を行ない、酸素センサ５０の製造が完了する。以下に、検査工程を詳しく説明する。

［酸素センサの検査工程］
検査工程は、酸素センサの検査装置１によって酸素センサ５０の検査方法を用いて行われる。検査工程は、酸素センサ５０がセンサ支持部材１０に嵌合して取り付けられるとともに電源部３に接続され、通電された酸素センサ５０のヒータパターン１１１の発熱によって固体電解質層１０２が活性化した状態で、かつ第１及び第２のガスボンベ１１，１２の弁１１ａ，１２ａが開かれた状態で行われる。

まず、酸素センサ５０の検査方法の原理を図３及び図４を参照して説明する。基準電極１０４から検出電極１０５に酸素イオンが伝導するように基準電極１０４と検出電極１０５との間に電圧を印加した場合、基準電極１０４から検出電極１０５に伝導する酸素イオンの量は、基準電極１０４の酸素濃度に依存する。具体的には、基準電極１０４の酸素濃度が小さいほど基準電極１０４から検出電極１０５に伝導する酸素イオンの量は少なくなる。したがって、酸素センサ素子５１にクラック１２１が無い場合には、検出部１２０を含む酸素センサ素子５１が被測定ガスとしての第１の検査用ガス（大気）に曝された状態と検出部１２０を含む酸素センサ素子５１が被測定ガスとしての第２の検査用ガス（窒素ガス）に曝された状態とで基準電極１０４の酸素濃度に変化は無く、それらの２つの状態での基準電極１０４から検出電極１０５に伝導する酸素イオンの量に変化は無いので、基準電極１０４と検出電極１０５との間に流れる電流値がその２つの状態で同じ値となる（図４中の線ａ，ｂ）。

一方、検出部１２０にクラック１２１（図３）が有る場合、そのクラック１２１から検出部１２０内に進入した被測定ガスが基準電極１０４に至り、その進入した被測定ガスの酸素濃度に応じて基準電極１０４の酸素濃度が変化する。つまり、被測定ガスとして酸素濃度が相互に異なる第１及び第２の検査用ガスを用いた場合、相対的に酸素濃度が低い第２の検査用ガス（窒素ガス）の方が酸素濃度の高い第１の検査用ガス（大気）よりも基準電極１０４の酸素濃度が下がり、基準電極１０４から検出電極１０５に伝導する酸素イオンの量が少なくなる。その結果、基準電極１０４と検出電極１０５との間に流れる電流値は、第１の検査ガスの場合（図４中の線ａ）に比べて、第２の検査用ガスの場合（図４中の線ｃ）の方が小さくなる。したがって、酸素センサ５０の検出部１２０を含む酸素センサ素子５１を第１の検査用ガスに曝した状態と第２の検査用ガスに曝した状態とにおいて、基準電極１０４から検出電極１０５に酸素イオンが伝導するように基準電極１０４と検出電極１０５との間に電圧を印加した場合の酸素センサ５０の出力値を取得してそれら出力値の大小を比較することで、酸素センサ５０の良否を検査することができる。本実施形態では、この原理に基づき酸素センサの検査装置１の制御装置４が検査処理を実行する。なお、本実施形態では、基準電極１０４に供給される基準ガスと、被測定ガスである第１の検査用ガスとが共に大気であるので、酸素センサ素子５１に発生したクラック１２１から第１の検査用ガス（大気）が基準電極１０４に達しても、基準電極１０４の酸素濃度は変わらない。よって、第１の検査用ガス中での酸素センサ５０の出力値は、酸素センサ素子５１にクラック１２１が有る場合と無い場合とで同じとなる（図４中の線ａ）。

次に、制御装置４が実行する検査処理を図５に示すフローチャートに沿って説明する。まず、ガス供給部２が第１の検査用ガス（大気）に検出部１２０を含む酸素センサ素子５１を曝した状態で、制御装置４は、酸素センサ５０の出力値である第１の出力値Ｄ１を取得する（ステップＳ１、第１の取得工程）。具体的には、制御装置４は、切替弁１３を制御して第１のガスボンベ１１とガス室１０ａとを連通させる。これにより、第１のガスボンベ１１から噴出した第１の検査用ガスが第３のパイプ１８及び第１のパイプ１５を介してガス室１０ａに供給され、これに伴いガス室１０ａ内に既に存在していたガスは第２のパイプ１７からガス室１０ａ外に排出される。そして、制御装置４が切替弁１３を制御してから規定時間後にはガス室１０ａ内は大気で満たされた状態となり、酸素センサ５０の検出部１２０を含む酸素センサ素子５１が第１の検査用ガスに曝された状態となる。この状態で、制御装置４は、電源部３を制御して、基準電極１０４から検出電極１０５へ酸素イオンが伝導するように酸素センサ５０の基準電極１０４と検出電極１０５との間に電圧を増加させつつ印加し、これら基準電極１０４と検出電極１０５との間を流れる電流が一定となったときに得られる電流値である限界電流値を第１の出力値Ｄ１として電源部３を介して取得する。ここで、基準電極１０４と検出電極１０５との間に印加する電圧を増加させていくと、両電極１０４，１０５間を流れる電流値が一定となる。これは、多孔質層１０３による基準電極１０４への基準ガスに含まれる酸素の供給量が上限に達するために起こる現象である。そして、取得した第１の出力値Ｄ１は、制御装置４のＲＡＭが記憶する。このステップＳ１において、第１の取得手段の機能が実行される。

次に、ガス供給部２が第２の検査用ガス（窒素ガス）に検出部１２０を含む酸素センサ素子５１を曝した状態で、制御装置４は、酸素センサ５０の出力値である第２の出力値Ｄ２を取得する（ステップＳ２、第２の取得工程）。具体的には、制御装置４は、切替弁１３を制御して第２のガスボンベ１２とガス室１０ａとを連通させる。これにより、第２のガスボンベ１２から噴出した第２の検査用ガスが第４のパイプ１９及び第１のパイプ１５を介してガス室１０ａに供給され、これに伴いガス室１０ａ内に既に存在していたガス（第１の検査用ガス）は第２のパイプ１７からガス室１０ａ外に排出される。そして、制御装置４が切替弁１３を制御してから規定時間後にはガス室１０ａ内は第２の検査用ガスで満たされた状態となり、酸素センサ５０の検出部１２０を含む酸素センサ素子５１が第２の検査用ガスに曝された状態となる。この状態で、制御装置４は、電源部３を制御して、基準電極１０４から検出電極１０５へ酸素イオンが伝導するように酸素センサ５０の基準電極１０４と検出電極１０５との間に電圧を増加させつつ印加し、これら基準電極１０４と検出電極１０５との間を流れる電流が一定となったときに得られる限界電流値を第２の出力値Ｄ２として電源部３を介して取得する。取得した第２の出力値Ｄ２は、制御装置４のＲＡＭが記憶する。このステップＳ２において、第２の取得手段の機能が実行される。

次に、制御装置４は、ＲＡＭが記憶している第１及び第２の出力値Ｄ１，Ｄ２に基づいて酸素センサ５０の良否を判定する（ステップＳ３〜Ｓ６、判定工程）。まず、制御装置４は、ステップＳ３で第１の出力値Ｄ１と第２の出力値Ｄ２とを比較し、第１の出力値Ｄ１と第２の出力値Ｄ２とが同じであれば（ステップＳ３のＹＥＳ）、酸素センサ５０は良（正常）であると判定する（ステップＳ４）。ここで、第１の出力値Ｄ１と第２の出力値Ｄ２とが略同じであれば、酸素センサ５０は良（正常）であると判定するようにして良い。この場合には、第１の出力値Ｄ１と第２の出力値Ｄ２との差が規定の範囲内である場合に第１の出力値Ｄ１と第２の出力値Ｄ２とは同じであるとみなす処理をすれば良い。そして、第１の出力値Ｄ１と第２の出力値Ｄ２とが同じ（又は略同じ）でなく（ステップＳ３のＮＯ）、第２の出力値Ｄ２が第１の出力値Ｄ１を下回った場合には（ステップＳ５のＹＥＳ）、酸素センサ５０は不良（異常）であると判定する（ステップＳ６）。これらステップＳ３〜Ｓ６において、判定手段の機能が実行される。

なお、第１の出力値Ｄ１と第２の出力値Ｄ２とが同じ（又は略同じ）でなく（ステップＳ３のＮＯ）、第２の出力値Ｄ２が第１の出力値Ｄ１を上回った場合には（ステップＳ５のＮＯ）、ステップＳ７に進み他の処理（エラー処理など）を実行する。

［効果］
以上説明したように、本実施形態では、酸素センサ５０の出力値（第１及び第２の出力値Ｄ１，Ｄ２）に基づいて酸素センサ５０の良否を判定することにより、酸素センサ５０の良否を目視で判定する場合に比べて、酸素センサ５０の良否を精度良く判定することができるので、酸素センサ５０の良否検査の精度の向上を図ることができる。

ここで、上述のレッドチェックの場合には、クラック１２１が無い良品も検出部１２０に浸透探傷剤が付着するため、良品に付着した浸透探傷剤を検査後に焼き飛ばすという後処理が必要であり、多大な工数がかかる。これに対して、本実施形態では、酸素センサ５０の出力値に基づいて酸素センサ５０の良否を判定することにより、上記の後処理が不要であるので、酸素センサ５０の良否判定検査に掛かる工数を削減することができる。

また、レッドチェックは、検出部１２０を覆うプロテクタ５７を基体部１０１に対して固定する前に行なうため、レッドチェック後に、プロテクタ５７の取付工程でプロテクタ５７と酸素センサ素子５１との接触によって酸素センサ素子５１に生じるクラック１２１は検出できない。これに対して、本実施形態では、検出部１２０を覆う位置にプロテクタ５７を設けるプロテクタ取付工程後に、酸素センサ５０の検査工程（第１の取得工程、第２の取得工程及び判定工程）を実行することにより、プロテクタ取付工程で酸素センサ素子５１に発生したクラック１２１も検出することができる。

また、本実施形態では、第１及び第２の出力値Ｄ１，Ｄ２は、基準電極１０４から検出電極１０５へ酸素イオンが伝導するようにこれら基準電極１０４と検出電極１０５との間に電圧を増加させつつ印加しこれら基準電極１０４と検出電極１０５との間を流れる電流が一定となったときに得られる限界電流値である。ここで、基準電極１０４及び検出電極１０５の酸素濃度と限界電流値とは比例関係にある。したがって、本実施形態では、酸素センサ５０の良否の検査を限界電流値に基づく電気的検査によってすることができるので、酸素センサ５０を分解することなく、酸素センサの良否を検査することができる。

また、本実施形態では、第２の検査用ガスは、第１の検査用ガスよりも酸素濃度が低く、判定工程は、第２の出力値が第１の出力値を下回った場合に酸素センサ５０は不良であると判定する。したがって、判定工程を比較的容易に実現することができる。

ここで、酸素センサ５０の検査においては、第１及び第２の検査用ガスを使用する際に、第２の検査用ガスによって第１の検査用ガス及び大気（第１のガスボンベ１１内の大気ではなく、地球表面上の大気）中の酸素量が変化しないようにすることが望ましい。もし、第２の検査用ガスと第１の検査用ガス中の酸素や大気中の酸素とが反応して第１の検査用ガス中の酸素や大気中の酸素量が減ると、それが原因で限界電流値が変化するため、酸素センサ５０の良否判定の精度が低下してしまう。そこで、本実施形態では、第２の検査用ガスは、酸素に対して不活性な不活性ガスとしてある。これにより、第２の検査用ガスによって第１の検査用ガスの酸素や大気中の酸素とが反応することが防止されるので、酸素センサ５０の良否を容易に精度良く判定することができる。

また、本実施形態では、第２の検査用ガスは、窒素ガスであることにより、窒素ガスはその取り扱いが比較的容易であるので、酸素センサ５０の良否検査を容易に行なうことができる。また、第２の検査用ガスとして、アルゴンガスやヘリウムガスを用いた場合も、それらの取り扱いも比較的容易であるので、酸素センサ５０の良否検査を容易に行なうことができる。

なお、本発明は、本実施形態に限ることなく本発明の要旨を逸脱しない範囲で他の実施形態を各種採用することができる。例えば、第２の検査用ガスは、希ガスであっても良い。希ガスの中では不活性度合いが強いＨｅ、Ｎｅ、Ａｒがより好適である。この場合にも、上記と同様に酸素センサ５０の良否を容易に精度良く判定することができる。

また、本発明にかかる酸素センサ素子としては、例えば限界電流式の他の形態（板状等）の素子を用いることができる。

本発明の一実施形態にかかる酸素センサの検査装置を示す構成図である。 本発明の一実施形態にかかる酸素センサを示す断面図である。 本発明の一実施形態にかかる酸素センサの酸素センサ素子の先端部を示す断面図である。 本発明の一実施形態にかかる検査用ガスに曝された状態の酸素センサの出力を示すグラフである。 本発明の一実施形態にかかる酸素センサの検査装置の制御装置が実行する良否判定処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 酸素センサの検査装置
２ ガス供給部
５０ 酸素センサ
１０２ 固体電解質層
１０４ 基準電極
１０５ 検出電極
１２０ 検出部

Claims (9)

1. 基準電極と検出電極とこれら基準電極及び検出電極に挟まれた酸素イオン導電性の固体電解質層とを有する検出部が設けられた酸素センサの前記検出部を第１の検査用ガスに曝した状態で、前記酸素センサの出力値である第１の出力値を取得する第１の取得工程と、
   前記第１の検査用ガスに対して酸素濃度が異なる第２の検査用ガスに前記検出部を曝した状態で、前記酸素センサの出力値である第２の出力値を取得する第２の取得工程と、
   前記第１及び第２の出力値に基づいて前記酸素センサの良否を判定する判定工程と、
   を含むことを特徴とする酸素センサの検査方法。
2. 前記第１及び第２の出力値は、前記基準電極から前記検出電極へ酸素イオンが伝導するようにこれら基準電極と検出電極との間に電圧を増加させつつ印加しこれら基準電極と検出電極との間を流れる電流が一定となったときに得られる限界電流値であることを特徴とする請求項１に記載の酸素センサの検査方法。
3. 前記第２の検査用ガスは、前記第１の検査用ガスよりも酸素濃度が低く、
   前記判定工程は、前記第２の出力値が前記第１の出力値を下回った場合に前記酸素センサは不良であると判定することを特徴とする請求項２に記載の酸素センサの検査方法。
4. 前記第１の検査用ガスは、大気である一方、前記第２の検査用ガスは、酸素に対して不活性な不活性ガスであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の酸素センサの検査方法。
5. 前記第２の検査用ガスは、窒素ガスであることを特徴とする請求項４に記載の酸素センサの検査方法。
6. 前記第２の検査用ガスは、アルゴンガスであることを特徴とする請求項４に記載の酸素センサの検査方法。
7. 前記第２の検査用ガスは、ヘリウムガスであることを特徴とする請求項４に記載の酸素センサの検査方法。
8. 基準電極と検出電極とこれら基準電極及び検出電極に挟まれた酸素イオン導電性の固体電解質層とを有する検出部と、この検出部が表面上に設けられる基体部と、前記検出部を覆うプロテクタと、を備える酸素センサを製造する酸素センサの製造方法において、
   前記基体部の表面上に前記基準電極を印刷形成し、前記基準電極上に前記固体電解質層を印刷形成し、前記固体電解質層上に前記検出電極を印刷形成する印刷工程と、
   印刷形成された前記基準電極、前記検出電極及び前記電解質層を焼成して前記検出部を形成する焼成工程と、
   前記焼成工程後に、前記検出部を覆う位置に前記プロテクタを設けるプロテクタ取付工程と、
   前記プロテクタ取付工程後に、第１の検査用ガスに前記検出部を曝した状態で前記酸素センサの出力値である第１の出力値を取得する第１の取得工程と、
   前記第１の取得工程後に、前記第１の検査用ガスに対して酸素濃度が異なる第２の検査用ガスに前記検出部を曝した状態で前記酸素センサの出力値である第２の出力値を取得する第２の取得工程と、
   前記第１及び第２の出力値に基づいて前記酸素センサの良否を判定する判定工程と、
   を含むことを特徴とする酸素センサの製造方法。
9. 基準電極と検出電極とこれら基準電極及び検出電極に挟まれた酸素イオン導電性の固体電解質層とを有する検出部が設けられた酸素センサの前記検出部を第１の検査用ガスに曝す状態と、前記第１の検査用ガスに対して酸素濃度が異なる第２の検査用ガスに前記検出部を曝す状態と、を切り替えるガス供給部と、
   前記ガス供給部が前記第１の検査用ガスに前記検出部を曝した状態で、前記酸素センサの出力値である第１の出力値を取得する第１の取得手段と、
   前記ガス供給部が前記第２の検査用ガスに前記検出部を曝した状態で、前記酸素センサの出力値である第２の出力値を取得する第２の取得手段と、
   前記第１及び第２の出力値に基づいて前記酸素センサの良否を判定する判定手段と、
   を備えることを特徴とする酸素センサの検査装置。

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