JPH0754314B2 - Oxygen concentration detector - Google Patents

Oxygen concentration detector

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JPH0754314B2
JPH0754314B2 JP63102605A JP10260588A JPH0754314B2 JP H0754314 B2 JPH0754314 B2 JP H0754314B2 JP 63102605 A JP63102605 A JP 63102605A JP 10260588 A JP10260588 A JP 10260588A JP H0754314 B2 JPH0754314 B2 JP H0754314B2
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oxygen concentration
thin film
plasma sprayed
concentration detector
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一佳 寺門
伸 小野瀬
正武 福島
三男 萩野谷
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は酸素濃度検出器に係わり、特に内燃機関の制御
等に用いられるもので低濃度空燃比(リーン)から高濃
度空燃比(リツチ)までの広範囲にわたつて測定可能な
ワイドレンジ化されたこの種検出器に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an oxygen concentration detector, and is particularly used for control of an internal combustion engine and the like, and is used from a low concentration air-fuel ratio (lean) to a high concentration air-fuel ratio (litch). The present invention relates to a wide range detector of this type that can be measured over a wide range up to.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来より、例えば、自動車用燃焼システムにおいては、
排気ガス中の酸素濃度より機関の空気過剰率λ(λ=実
空燃比/理論空燃比)を測定して、この検出値から空燃
比をフイードバツク制御する方式が実用化されている。
この種の空燃比センサとして使用される酸素濃度検出器
は、例えば酸化ジルコニウム(ZrO2)に少量の酸化イツ
トリウム(Y2O3)を混合して焼成してなる固体電解質素
子の内外面に白金電極を付着し、且つ安定した検出を可
能にするため、排気ガスに晒される電極(反応電極)側
に酸素等を律速させるガス拡散抵抗層を設けている。
Conventionally, for example, in an automobile combustion system,
A system has been put into practical use in which the excess air ratio λ (λ = actual air-fuel ratio / theoretical air-fuel ratio) of the engine is measured from the oxygen concentration in the exhaust gas and the air-fuel ratio is fed back controlled from this detected value.
An oxygen concentration detector used as this type of air-fuel ratio sensor is, for example, platinum on the inner and outer surfaces of a solid electrolyte element formed by mixing a small amount of yttrium oxide (Y 2 O 3 ) with zirconium oxide (ZrO 2 ) and firing the mixture. In order to attach an electrode and enable stable detection, a gas diffusion resistance layer that limits the rate of oxygen and the like is provided on the side of the electrode (reaction electrode) exposed to exhaust gas.

ところで、従来の酸素濃度検出器は、一般に空燃比のリ
ツチ領域の空気過剰率を測定するのが困難とされる(そ
の理由については後述する)。そのためストイツクセン
サ(理論空燃比λ=1を検出する)やリーンセンサ(低
濃度空燃比域のみを検出する)として使用されている
が、自動車の燃焼効率を高めるためには、理想的には、
空燃比濃度の高いリツチ側から希薄燃焼のリーン側まで
ワイドレンジに空燃比を制御する必要があり、従来よ
り、酸素濃度検出器のワイドレンジ化の開発が進められ
ているが、実現化のためには、次のような改善すべき点
があつた。
By the way, it is generally difficult for the conventional oxygen concentration detector to measure the excess air ratio in the latch region of the air-fuel ratio (the reason will be described later). Therefore, it is used as a stoichiometric sensor (which detects the theoretical air-fuel ratio λ = 1) and a lean sensor (which detects only the low-concentration air-fuel ratio region), but ideally it is ideal for increasing the combustion efficiency of automobiles. ,
It is necessary to control the air-fuel ratio in a wide range from the rich side with a high air-fuel ratio concentration to the lean side with lean combustion, and the development of a wider range of oxygen concentration detectors has been under development from the past. Has the following points to be improved.

ここで、酸素濃度検出器のリーン空燃比領域からリツチ
空燃比領域までの測定原理及び改善すべき点を第7,8,9
図に基づき説明する。
Here, the measurement principle from the lean air-fuel ratio region of the oxygen concentration detector to the rich air-fuel ratio region and points to be improved are 7, 8 and 9
A description will be given based on the figure.

第7図は、ワイドレンシ測定原理を説明するための原理
説明図で、検出部は、ZrO2-Y2O3固体電解質素子1の表
裏面に反応電極2と電極3が白金メツキにより形成さ
れ、反応電極2上にガス拡散抵抗層4が設けられてい
る。ガス拡散抵抗層4は、例えば、マグネシアスピネル
粉末を用いたプラズマ溶射により50〜450μmの厚さで
形成されており、その気孔率は約5〜10%、平均細孔径
では水銀ポロシメータによる測定では約200〜500Åの性
質を有するものである。固体電解質素子1は、ヒータ
(図示せず)により一定温度に保たれ、反応電極2側は
排気ガス雰囲気に、電極3側には大気に配置されてい
る。
FIG. 7 is a principle explanatory view for explaining the principle of wide-lensity measurement. In the detection part, the reaction electrodes 2 and 3 are formed by platinum plating on the front and back surfaces of the ZrO 2 —Y 2 O 3 solid electrolyte element 1. A gas diffusion resistance layer 4 is provided on the reaction electrode 2. The gas diffusion resistance layer 4 is formed to have a thickness of 50 to 450 μm by plasma spraying using magnesia spinel powder, for example, and has a porosity of about 5 to 10%, and an average pore diameter measured by a mercury porosimeter of about 5 to 10%. It has the property of 200-500Å. The solid electrolyte element 1 is kept at a constant temperature by a heater (not shown), the reaction electrode 2 side is arranged in an exhaust gas atmosphere, and the electrode 3 side is arranged in the atmosphere.

しかして、空燃比センサ(酸素濃度検出器)を用いた自
動車用燃焼システムは排気ガス中の酸素濃度を測定する
ことにより燃焼状態を把握し、ガソリンの供給量と空気
量を制御する回路に情報をフイードバツクし、ガソリン
と空気量の混合比率(空燃比A/F)を制御するものであ
るが、 (1)理論空燃比λ=1(A/F=14.7/1)より大きい領
域、即ちリーン側では排ガス中の成分はほとんどO2であ
り、未然ガスのCO,HC,H2は極めて微量である(第8
図)。この状態で両電極2,3間に電圧を印加すると、排
気ガス中のO2は拡散層4を通つて外側の反応電極2で触
媒反応によりイオン化する。固体電解質1はイオン伝導
性があるため、酸素イオンは固体電解質素子1中を通つ
て電極3に到達し、電子を放出する。この過程で酸素イ
オンがキヤリアとなり、電流IP(IP>0)は矢印方向
(正方向)に流れる。この場合、安定した酸素濃度検出
値(限界電流特性)を得るため、排気ガス中の通過する
酸素を拡散抵抗層4により律速させる必要があり、拡散
抵抗層4にはある適度の緻密さが要求される。反応電極
2に到達した酸素は上述のようにイオン化するが空燃比
により排ガス中の酸素濃度が異なるため出力としては第
9図のように限界電流特性を示す。
An automobile combustion system that uses an air-fuel ratio sensor (oxygen concentration detector) can detect the combustion state by measuring the oxygen concentration in the exhaust gas, and inform the circuit that controls the gasoline supply amount and air amount. To control the mixture ratio of gasoline and air amount (air-fuel ratio A / F). (1) A region larger than the theoretical air-fuel ratio λ = 1 (A / F = 14.7 / 1), that is, lean On the side, most of the components in the exhaust gas are O 2 , and the amount of CO, HC, and H 2 in the gas is extremely small (No. 8).
Figure). When a voltage is applied between the electrodes 2 and 3 in this state, O 2 in the exhaust gas passes through the diffusion layer 4 and is ionized by the catalytic reaction at the outer reaction electrode 2. Since the solid electrolyte 1 has ion conductivity, oxygen ions pass through the solid electrolyte element 1 to reach the electrode 3 and emit electrons. In this process, oxygen ions become carriers, and the current I P (I P > 0) flows in the arrow direction (forward direction). In this case, in order to obtain a stable oxygen concentration detection value (limit current characteristic), it is necessary to rate-control the oxygen passing through the exhaust gas by the diffusion resistance layer 4, and the diffusion resistance layer 4 is required to have a certain degree of fineness. To be done. The oxygen reaching the reaction electrode 2 is ionized as described above, but the oxygen concentration in the exhaust gas differs depending on the air-fuel ratio, so that the output shows the limiting current characteristic as shown in FIG.

ここで限界電流を示す次の理論式(1)を説明する。Here, the following theoretical formula (1) showing the limiting current will be described.

F:フアラデイ定数 R:気体定数 Do2:酸素分子の拡散定数 T:絶対温度 E:ガス(酸素)拡散抵抗層の拡散率 l:ガス(酸素)拡散抵抗層の有効拡散距離 S:電極面積 Po2:酸素分圧 この(1)式は公知であり各項の値により図9の限界電
流が定まる訳であるが、各定数をまとめて示すと(1)
式は次の(2)式になる。
F: Faraday constant R: Gas constant Do 2 : Diffusion constant of oxygen molecule T: Absolute temperature E: Diffusivity of gas (oxygen) diffusion resistance layer l: Effective diffusion distance of gas (oxygen) diffusion resistance layer S: Electrode area Po 2 : Oxygen partial pressure This equation (1) is publicly known and the limiting current in FIG. 9 is determined by the value of each term.
The formula becomes the following formula (2).

即ち、限界電流IPは、ガス拡散抵抗層の緻密さに相当す
るlと電極面積Sで定まるものである。電極面積Sが小
さいと限界電流も低くなるが、あまり小さいと反応速度
や精度に影響するため、ある面積を確保しなければなら
ない。ゆえに、限界電流IPはガス拡散抵抗層の有効拡散
距離lに左右されることとなる。
That is, the limiting current I P is determined by 1 corresponding to the denseness of the gas diffusion resistance layer and the electrode area S. If the electrode area S is small, the limiting current also becomes low, but if it is too small, the reaction rate and accuracy are affected, so a certain area must be secured. Therefore, the limiting current I P depends on the effective diffusion distance 1 of the gas diffusion resistance layer.

(2)次に完全燃焼点(λ=1)では、安全燃焼の結
果、O2の移動はなく、電流は流れず限界電流値は第9図
に示すように、IP=0となる。
(2) Next, at the complete combustion point (λ = 1), as a result of safe combustion, O 2 does not move, no current flows, and the limiting current value becomes I P = 0 as shown in FIG.

(3)また、リツチ側(λ<1)では排ガス中にはO2
少なく未燃ガスのCO,HC,H2が多いため、拡散層4にはこ
れら未然ガスが通過し、この未然ガスを酸化させるた
め、酸素イオンはリーンの場合とは逆に大気側から固体
電解質1を通り、外側電極2上で未燃ガスと酸化反応す
ることとなる。すなわち、この場合には、酸素濃度検出
器自体が大気側と排気側の酸素濃度に基づき濃淡電池同
様に働いて超電力を発生し、印加電圧をある値に制御す
ると、電流IPは(1)のリーン領域の場合とは逆向き
(IP<0)に流れる。そして、反応電極2に至る未燃成
分も拡散抵抗層4で適度に律速されるならば、第9図に
示すようにリーン領域同様の限界電流特性IP(但し、リ
ーン領域の限界電流特性IPをプラスとすれば、リツチ領
域の限界電流特性IPはマイナスで表わされる)が得ら
れ、これらの限界電流特性IPが空気過剰率λに比例する
ことからリニヤな空燃比制御が可能となる。しかしなが
ら、従来のこの種の検出素子は、特にリツチ領域の空気
過剰率測定が非常に困難で第9図の如く限界電流IPを得
ることが困難であつた。その理由は、未燃ガス成分の粒
子の大きさは、O2粒子よりはるかに小さいため、拡散層
を通過する量を従来のようにO2を対象とした拡散層では
律速不可能となり、リツチ側制御ができなくなる。即
ち、リツチ側制御を行なうためには、未燃ガス粒子の拡
散を律速し得るように緻密な拡散層が必要となる訳であ
る。
(3) Also, on the latch side (λ <1), the exhaust gas contains little O 2 and a large amount of unburned gases CO, HC, and H 2 , so these gases pass through the diffusion layer 4, and In contrast to the lean case, the oxygen ions pass through the solid electrolyte 1 from the atmosphere side, and undergo an oxidation reaction with the unburned gas on the outer electrode 2. That is, in this case, when the oxygen concentration detector itself acts like a concentration battery based on the oxygen concentrations on the atmosphere side and the exhaust side to generate super power and the applied voltage is controlled to a certain value, the current I P becomes (1 ) Flows in the opposite direction (I P <0) to the case of the lean region. If the unburned component reaching the reaction electrode 2 is also appropriately rate-controlled by the diffusion resistance layer 4, as shown in FIG. 9, the limiting current characteristic I P is similar to that in the lean region (however, the limiting current characteristic I P in the lean region is If P is a positive value, the limiting current characteristic I P in the latch region is represented by a negative value). Since these limiting current characteristics I P are proportional to the excess air ratio λ, it is possible to perform a linear air-fuel ratio control. Become. However, in the conventional detection element of this type, it is very difficult to measure the excess air ratio particularly in the latch region, and it is difficult to obtain the limiting current I P as shown in FIG. The reason is that the particle size of the unburned gas component is much smaller than that of the O 2 particle, so that the amount of the gas passing through the diffusion layer cannot be rate-controlled in the diffusion layer for O 2 as in the past, and the latch is Side control becomes impossible. That is, in order to perform the control on the latch side, a dense diffusion layer is required so as to control the diffusion of the unburned gas particles.

しかし、緻密化によつて拡散層が排ガス中の不純物によ
つて目詰りを生じて検出器の耐用寿命を低下させたり、
反応電極までの到達時間が長くなり検出器として応答速
度を悪化させる要因を含んではならない。これらの条件
を単一の層の気孔率や厚さだけを変えて満足させること
はできなかつた。
However, due to the densification, the diffusion layer is clogged with impurities in the exhaust gas, which shortens the useful life of the detector,
The detector must not include the factor that the arrival time to the reaction electrode becomes long and the response speed of the detector is deteriorated. It was not possible to satisfy these conditions by changing only the porosity and thickness of a single layer.

これが、現在までリツチからリーン領域までのいわゆる
ワイドレンジを検出制御する検出器が出現しない根本的
な原因である。
This is a fundamental cause that a detector for detecting and controlling a so-called wide range from the rich region to the lean region does not appear until now.

この点に鑑み、最近では拡散層を密度の異なる2層構造
とすることが、特開昭53-13980号公報及び特開昭53-116
896号公報等で提案されている。
In view of this point, it has recently been proposed that the diffusion layer has a two-layer structure with different densities, which is disclosed in Japanese Patent Laid-Open Nos. 53-13980 and 53-116.
It is proposed in Japanese Patent Publication No. 896.

前者では、電極に近い第1層がプラズマ溶射法のアルミ
ナ層で密に形成され、その厚さは30μm、その外側の第
2層は同じ方法で粗の層として厚さが80μm程度に形成
されている。後者では同じくプラズマ溶射法のマグネシ
アスピネルで第1層,第2層を形成し、第1層が粗の層
で、厚さが300μm、第2層が密な層で、厚さが2mm程度
に形成されている。
In the former case, the first layer close to the electrode is densely formed by the plasma spraying alumina layer and has a thickness of 30 μm, and the second layer outside thereof is formed as a rough layer with a thickness of about 80 μm by the same method. ing. In the latter case, the first layer and the second layer are similarly formed by magnesia spinel of the plasma spraying method. The first layer is a rough layer, the thickness is 300 μm, the second layer is a dense layer, and the thickness is about 2 mm. Has been formed.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be Solved by the Invention]

前述したように、拡散抵抗層の第1層,第2層のいずれ
か一方を比較的粗な層とし、他方を密な層とした場合に
は、O2の他に、これより粒子の小さいCO,HC,H2等の未燃
ガスも適度に律速でき、しかも、単一の密な層に較べて
排ガス中の不純物による目詰り等を少なくできるといつ
た改善が図り得る。
As described above, when either the first layer or the second layer of the diffusion resistance layer is made to be a relatively rough layer and the other is made to be a dense layer, in addition to O 2 , the particles are smaller than this. Unburned gases such as CO, HC, and H 2 can be rate-controlled appropriately, and further, clogging by impurities in the exhaust gas can be reduced as compared with a single dense layer, which can be improved.

しかしながら、このような従来技術においても、拡散層
の厚さや緻密さと、耐熱性,生産性あるいは応答性との
関係について充分な配慮がされておらず、例えば、前者
では、外側の粗で厚い層が冷熱サイクルによつて大きな
クラツクを生じ易く耐熱性の点で改善すべき点がある。
後者では、プラズマ溶射法によつて外側に密で厚い層を
形成するのが難しく、生産性の改善が望まれ、また密な
層が厚いため拡散抵抗が大きくなりすぎて応答性が低下
し易い傾向があつた。
However, even in such a conventional technique, sufficient consideration has not been given to the relationship between the thickness or denseness of the diffusion layer and the heat resistance, productivity, or responsiveness. For example, in the former case, a rough outer thick layer is used. However, there is a point to be improved in terms of heat resistance because a large crack is likely to occur due to the cold heat cycle.
In the latter case, it is difficult to form a dense and thick layer on the outside by the plasma spraying method, and it is desired to improve the productivity. Also, since the dense layer is thick, the diffusion resistance becomes too large and the responsiveness tends to decrease. There was a tendency.

本発明は以上の点に鑑みてなされたもので、その目的と
するところは、最適なガスの拡散機能(律速機能)を有
して、リーンからリツチ領域までの広範囲の空燃比状態
を検出でき、しかも耐熱,耐久性に優れた酸素濃度検出
器を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to have an optimum gas diffusion function (rate-controlling function) and to detect a wide range of air-fuel ratio states from the lean to the rich region. Moreover, it is to provide an oxygen concentration detector having excellent heat resistance and durability.

〔課題を解決するための手段〕[Means for Solving the Problems]

上記目的は、この種のガス拡散抵抗層を次のように構成
することが達成される。
The above object is achieved by configuring a gas diffusion resistance layer of this type as follows.

すなわち、第1の解決手段としては、ガス拡散抵抗層
を、少なくとも一層が適度な粒度の電気絶縁性金属酸化
物を用いたプラズマ溶射層で、他層がPVD法(Physical
Vapor Deposition)によつて前記プラズマ溶射層の表面
に形成される薄膜層で構成し、且つこのPVD法の薄膜層
を前記プラズマ溶射層よりも緻密な層とする。
That is, as a first solution, at least one of the gas diffusion resistance layers is a plasma sprayed layer using an electrically insulating metal oxide having an appropriate grain size, and the other layers are PVD (Physical) layers.
Vapor Deposition) is used to form a thin film layer formed on the surface of the plasma sprayed layer, and the thin film layer of this PVD method is a denser layer than the plasma sprayed layer.

ここで、PVD法としては、実施例でも述べるように、例
えば、イオンミキシング法,ダイナミツクイオンミキシ
ング法,イオンプレーテイング法,スパツタリング法等
がある。
Here, as the PVD method, as described in the embodiments, for example, there are an ion mixing method, a dynamic ion mixing method, an ion plating method, a spattering method, and the like.

第2の解決手段は、第1の解決手段で記載したプラズマ
溶射層とPVD法の薄膜層の配列を第1層とは逆にする。
すなわち前記ガス拡散抵抗層のうち、電極に近い方の第
1層がPVD法によつて形成される緻密な薄膜層で、この
第1層の表面に形成される第2層が、適度な粒度の電気
絶縁性金属酸化物のプラズマ溶射層とし、このプラズマ
溶射層を前記PVD法の薄膜層よりも粗な層とする。
A second solution is to reverse the arrangement of the plasma sprayed layer and the PVD thin film layer described in the first solution to that of the first layer.
That is, of the gas diffusion resistance layer, the first layer closer to the electrode is a dense thin film layer formed by the PVD method, and the second layer formed on the surface of the first layer has an appropriate grain size. And a plasma sprayed layer of the electrically insulating metal oxide, which is a rougher layer than the thin film layer of the PVD method.

第3の解決手段は、前記PVD法の薄膜層に代わり次のよ
うな表面改質層(薄膜層)をプラズマ溶射層の表面に形
成する。すなわち、この種のガス拡散抵抗層として、少
なくとも一層が適度な粒度の電気絶縁性金属酸化物を用
いたプラズマ溶射層で形成する他に、このプラズマ溶射
層の表面及び該溶射層に生じる微細クラツクの表面に及
んで適宜の元素イオンを打込んで、このプラズマ溶射層
表面及び微細クラツク表面にプラズマ溶射層とイオン元
素との化合物よりなる表面改質層を形成する。この元素
イオンとしては、例えばOイオン,Nイオン,Arイオン等
が好適である。
A third solution is to form the following surface modification layer (thin film layer) on the surface of the plasma spray layer instead of the PVD thin film layer. That is, as this type of gas diffusion resistance layer, at least one layer is formed by a plasma sprayed layer using an electrically insulating metal oxide having an appropriate particle size, and in addition, fine cracks generated on the surface of the plasma sprayed layer and the sprayed layer. By implanting appropriate elemental ions over the surface of the plasma sprayed layer and the surface of the fine cracks, a surface modification layer made of a compound of the plasma sprayed layer and an ionic element is formed. As the elemental ions, for example, O ions, N ions, Ar ions and the like are suitable.

〔作用〕[Action]

前記した第1,第2の解決手段においては、O2や未燃ガス
(CO,H2,HC等)を律速させるためのガス拡散抵抗層が、
プラズマ溶射層とPVD法による薄膜層とで構成される。
そして、薄膜層の方は、P.V.D法により形成するので、
極めて薄い層を形成でき、且つその層は薄いにもかかわ
らず気孔率が小さくて、O2の他にCO,H2,HC等の粒子の小
さなガスをも十分に拡散律速させる高緻密層を形成する
ことができる。そして、この層が薄いので拡散抵抗層全
体の厚さが薄くなり、固体電解質との熱膨張係数の差に
よる熱ひずみの発生が少なくなり、これに基づくクラツ
クが発生しにくくなる。
In the first and second solving means described above, the gas diffusion resistance layer for rate-controlling O 2 and unburned gas (CO, H 2 , HC, etc.) is
It is composed of a plasma sprayed layer and a thin film layer formed by the PVD method.
Since the thin film layer is formed by the PVD method,
A highly dense layer that can form an extremely thin layer and has a small porosity despite its thinness and that is capable of sufficiently controlling the diffusion rate of not only O 2 but also gas with small particles such as CO, H 2 , and HC. Can be formed. Since this layer is thin, the thickness of the diffusion resistance layer as a whole becomes thin, the occurrence of thermal strain due to the difference in thermal expansion coefficient from the solid electrolyte is reduced, and cracks based on this are less likely to occur.

そして、第1の解決手段では、プラズマ溶射層の表面に
PVD法による薄膜層が形成されるが、この薄膜は、プラ
ズマ溶射層に生じる微細クラツクの表面にも及ぶ。この
微細クラツクは、プラズマ溶射層形成工程時に生じる不
可避のもので、酸素濃度検出器使用時の冷熱サイクルに
よつて生じるクラツクとは異なつて極めて微細なので、
その存在自体に問題がなく、かえつて、微細クラツクが
無数に発生して、この微細クラツクがプラズマ溶射層中
の微細孔と共に通過ガスを律速させる重要な役割を果
す。そして、プラズマ溶射層中の微細孔表面及び微細ク
ラツク表面に、前記PVD法の薄膜層が形成されること
で、これらの微細孔及び微細クラツクの開口面積を適度
に減少させて、O2の他、これよりも粒子の小さい未燃ガ
スをも良好に律速させる。
And, in the first solution, the surface of the plasma sprayed layer is
A thin film layer is formed by the PVD method, and this thin film also extends to the surface of fine cracks generated in the plasma sprayed layer. This fine crack is an unavoidable one that occurs during the plasma sprayed layer formation process, and is extremely fine, unlike the crack that occurs due to the cooling / heating cycle when the oxygen concentration detector is used,
There is no problem in its existence itself, on the contrary, innumerable fine cracks are generated, and these fine cracks play an important role in controlling the passing gas together with the fine holes in the plasma sprayed layer. Then, by forming a thin film layer of the PVD method on the micropore surface and the microcrack surface in the plasma sprayed layer, the opening area of these micropores and microcracks is appropriately reduced, and other than O 2 , The rate of unburned gas having particles smaller than this is also well controlled.

従つて、酸素濃度検出器が、空燃比のリーン領域は勿
論、リツチ領域においても被測定ガスに対応して良好な
限界電流を出力し、リーンからリツチ領域に至る空燃比
検出を精度良く行い得る。ここで、プラズマ溶射層は粗
で、ガスの電極上での触媒反応を良好にする機能と検出
応答性を早める役割をもなす。なお、酸素濃度検出器の
測定メカニズムについては、〔従来の技術〕の項で述べ
たので、ここでは説明を省略する。
Therefore, the oxygen concentration detector outputs a good limiting current corresponding to the gas to be measured in the lean region as well as in the lean region of the air-fuel ratio, and can accurately detect the air-fuel ratio from the lean to the rich region. . Here, the plasma sprayed layer is rough and has a function of improving the catalytic reaction of the gas on the electrode and a role of accelerating the detection response. Since the measurement mechanism of the oxygen concentration detector has been described in the section of [Prior Art], the description thereof is omitted here.

また、第2の解決手段によれば、電極側にPVD法の薄膜
層を、外側にプラズマ溶射層を形成するが、この場合に
は、プラズマ溶射層が比較的粗の層なので、プラズマ溶
射層の表面からPVD法の薄膜層に至るまでは、通過ガス
(例えばO2、或いはCO,H2,HC等の未燃ガス)は、比較的
スムーズに入り、その後、緻密なPVD薄膜層で良好に律
速され、O2の他、これよりも粒子の小さい未燃ガスに対
する律速も良好に行われる。従つて、この場合にも、リ
ーンからリツチ領域に至る空燃比検出を精度良く行い得
る。
According to the second solving means, a thin film layer of PVD method is formed on the electrode side and a plasma sprayed layer is formed on the outer side. In this case, however, the plasma sprayed layer is a relatively rough layer, so the plasma sprayed layer is formed. From the surface of PVD to the thin film layer of PVD method, the passing gas (for example, O 2 or unburned gas such as CO, H 2 and HC) enters relatively smoothly, and then fine PVD thin film layer is good. In addition to O 2, the rate is controlled satisfactorily for unburned gas with smaller particles. Therefore, also in this case, it is possible to accurately detect the air-fuel ratio from the lean region to the latch region.

なお、ここでプラズマ溶射層は、ある程度の律速機能を
有する他に、電極,PVD薄膜層等の熱的,機械的な保護を
も兼ねる機能を有する。
The plasma sprayed layer has a function of rate-controlling to some extent, and also has a function of thermally and mechanically protecting the electrodes, the PVD thin film layer and the like.

また、プラズマ溶射層の厚さは、10〜500μmで、PVD薄
膜層の厚さは、20μm以内に設定するのが好ましい。
The thickness of the plasma sprayed layer is preferably 10 to 500 μm, and the thickness of the PVD thin film layer is preferably set to 20 μm or less.

次に、第3の解決手段の場合には、プラズマ溶射層の表
面及び該溶射層表面に生じる微細クラツクの表面に及ん
で適宜の元素イオンを打込んで、この溶射層表面及び微
細クラツク表面にプラズマ溶射層とイオン元素との化合
物よりなる表面改質層を形成する。この場合の表面改質
層は、プラズマ溶射層の微細孔及び微細クラツクの表面
に、イオン元素の一部が付着したり、打込みにより飛出
したプラズマ溶射層の元素が付着する構造を呈して、プ
ラズマ溶射層の微細孔及び微細クラツクの開口面積を減
少させる。従つて、第1の解決手段同様にO2の他に、こ
れより粒子の小さい未燃ガス等をも良好に律速させて、
リーンからリツチに至る空燃比検出を良好に行い得る。
Next, in the case of the third solution, appropriate elemental ions are implanted into the surface of the plasma sprayed layer and the surface of the fine cracks generated on the surface of the sprayed layer, and the surface of the sprayed layer and the surface of the fine cracks are implanted. A surface modification layer made of a compound of a plasma sprayed layer and an ionic element is formed. The surface modification layer in this case, the surface of the fine holes and the fine cracks of the plasma spray layer, a part of the ionic element is attached, or the structure of the element of the plasma spray layer ejected by implantation is attached, The opening area of fine holes and fine cracks in the plasma sprayed layer is reduced. Therefore, similarly to the first solution, not only O 2 but also unburned gas having smaller particles can be rate-controlled,
The air-fuel ratio detection from lean to rich can be performed well.

〔実施例〕〔Example〕

本発明の実施例を第1図ないし第6図及び第10図,第11
図に基づき説明する。
Embodiments of the present invention are shown in FIGS. 1 to 6, 10 and 11.
A description will be given based on the figure.

第1図は、本実施例の適用対象となる自動車の空燃比制
御用の限界電流式酸素濃度検出器の断面図である。
FIG. 1 is a sectional view of a limiting current type oxygen concentration detector for air-fuel ratio control of an automobile to which the present embodiment is applied.

1は、酸化イツトリウム(以後Y2O3と略す)によつて部
分安定化した酸化ジルコニア(以後ZrO2と略す)固体電
解質素子であり、これに反応電極2,3として白金(以後P
tと略す。)が素子内外面にメツキされている。外側電
極2は前記理論式(1)における特性に影響を及ぼす電
極面積に係わるため、Ptメツキの際、マスキングにより
精度良く形成されている。
Numeral 1 is a solid electrolyte element of zirconia oxide (hereinafter abbreviated as ZrO 2 ) partially stabilized by yttrium oxide (hereinafter abbreviated as Y 2 O 3 ), on which platinum (hereinafter P
Abbreviated as t. ) Is plated on the inner and outer surfaces of the element. Since the outer electrode 2 is related to the electrode area that affects the characteristics in the theoretical formula (1), it is accurately formed by masking during Pt plating.

4はガス拡散抵抗層で、第1層4a及び第2層4bより構成
される。これらの層4a,4bは本実施例の要部となるもの
で、詳細は後述する。
A gas diffusion resistance layer 4 is composed of a first layer 4a and a second layer 4b. These layers 4a and 4b are essential parts of this embodiment and will be described in detail later.

5は外側電極2につながるリード電極で、リード電極5
は同時にマスキングしたPtメツキにより形成するが、排
ガスとの反応を完全に遮断するため薄いガラス絶縁層で
覆われている。
Reference numeral 5 is a lead electrode connected to the outer electrode 2,
Is formed by Pt plating masked at the same time, but it is covered with a thin glass insulating layer to completely block the reaction with exhaust gas.

6は栓体、7は内部ヒータ、8a〜8cはリード線、9は保
護キヤツプである。
6 is a plug, 7 is an internal heater, 8a to 8c are lead wires, and 9 is a protective cap.

さて、本発明に重要なガス拡散抵抗層4a,4bであるが、
第4図に示す如く、まず第1層4aは、プラズマ溶射法に
よりマグネシアスピネルを溶射してなる、プラズマ溶射
層で形成される。この第1層4aは後述する第2層4bのP.
V.D法によつて形成される薄膜層より粗であることが重
要で、特に電極上での触媒反応と密接な関係があり、ま
た検出器としての応答性を良くするために適度な密度が
必要である。この目安としては最適な尺度ではないが、
気孔率として5〜10%程度、水銀ポロシメータによる平
均細孔径が300〜400Åである。又第1層の薄厚は10〜50
0μmであり不用意に厚くすることは固体電解質との熱
膨張係数の違いによりクラツクを発生し易いので望まし
くは20〜200μmが適切である。
Now, the gas diffusion resistance layer 4a, 4b important to the present invention,
As shown in FIG. 4, first layer 4a is formed of a plasma sprayed layer formed by spraying magnesia spinel by a plasma spraying method. The first layer 4a is a layer of the second layer 4b described later.
It is important to be rougher than the thin film layer formed by the VD method, especially because it is closely related to the catalytic reaction on the electrode, and an appropriate density is required to improve the responsivity as a detector. Is. Although it is not the most suitable measure for this,
The porosity is about 5 to 10%, and the average pore diameter measured by the mercury porosimeter is 300 to 400Å. The thin thickness of the first layer is 10-50.
The thickness is 0 μm, and if the thickness is carelessly thick, cracks are likely to occur due to the difference in thermal expansion coefficient from the solid electrolyte, so 20 to 200 μm is preferable.

第1層(プラズマ溶射層)4aの表面を表わす走査電子顕
微鏡写真(以下、SEM写真と称する)を第10図に示す。
この第10図では、半溶融状態の粉末が付着している様子
が分かる。ここで重要なのは、1つの粉末が堆積するす
き間(微細孔)だけからガスが拡散するのみではなく、
参考図にも表わされる表面の微細なクラツク(0.1〜0.2
μm以下)からも拡散するということである。この表面
の微細クラツクは、セラミツクス溶射の特徴である。そ
して、微細クラツクは多数存在するため、特にガス拡散
を行う上で重要な役割をなす。また、この微細クラツク
は、O2を律速させる拡散抵抗としては適しているが、そ
のままでは、それ以下の粒子HC,H2,COの律速を行う機能
としては不十分である。
A scanning electron micrograph (hereinafter referred to as SEM photograph) showing the surface of the first layer (plasma sprayed layer) 4a is shown in FIG.
In FIG. 10, it can be seen that the semi-molten powder is attached. What is important here is not only that the gas diffuses only from the gaps (fine pores) where one powder is deposited,
Fine surface cracks (0.1 to 0.2)
It is also diffused from (μm or less). The fine cracks on this surface are characteristic of ceramic spraying. Since many fine cracks are present, they play an important role especially in gas diffusion. Further, this fine crack is suitable as a diffusion resistance for controlling the rate of O 2 , but as it is, it is insufficient as a function for controlling the rate of particles HC, H 2 , and CO below it.

ここで、第1層4aの具体的形成工程を説明する。Here, a specific forming process of the first layer 4a will be described.

本実施例では、第1層4aの溶射粉末として平均粒径約15
μmのマグネシアスピネル(MgO・Al2O3)を用いて、1
分間に約30gの供給量で溶射した。ところで粉末は、微
粒なためとその性質上、吸湿性が非常に高く、室内の湿
度に左右され易く、安定な粉末供給が困難となる。供給
量が変動すると反応電極上に堆積する成膜速度も変化
し、被覆の緻密さへ大きく影響する。従つて限界電流特
性が変動することとなり、安定した酸素濃度測定用検出
器が提供できなくなる。このため溶射用粉末は常に一定
の乾燥状態で供給する必要がある。本実施例の生産設備
においてはこの問題を解決するために粉末供給装置には
粉末を80〜100℃に乾燥する予熱装置が付設している。
また、プラズマガスはアルゴン(Ar)とチツ素(N2)の
混合ガスを用い、溶射出力は800A,50Vの条件である。溶
射状態は固体電解素子を約600rpmで回転させ、前記条件
にて半溶融状態のマグネシアスピネル粉末が射出するプ
ラズマ溶射用ガンを、回転している素子に対して相対速
度1000m/minで溶射し、第1層の被膜として約80μm形
成した。この被膜の緻密さは気孔率を測定すると5〜10
%、水銀ポロシメータによると平均細孔径が300Å前後
である。
In this embodiment, the average particle diameter of the sprayed powder of the first layer 4a is about 15
Using magnesia spinel (MgO.Al 2 O 3 ) of μm, 1
It was sprayed at a feed rate of about 30 g per minute. By the way, the powder is very fine and because of its nature, it has a very high hygroscopicity, is easily influenced by the humidity in the room, and it is difficult to stably supply the powder. When the supply amount changes, the film formation rate of the film deposited on the reaction electrode also changes, which greatly affects the denseness of the coating. Therefore, the limiting current characteristics fluctuate, and it becomes impossible to provide a stable oxygen concentration measuring detector. Therefore, it is necessary to always supply the thermal spraying powder in a constant dry state. In the production equipment of this embodiment, in order to solve this problem, the powder feeding device is provided with a preheating device for drying the powder to 80 to 100 ° C.
The plasma gas is a mixed gas of argon (Ar) and titanium (N 2 ), and the spray output is 800A, 50V. The thermal spraying state rotates the solid electrolytic element at about 600 rpm, the plasma spraying gun that the semi-molten magnesia spinel powder injects under the above conditions, is sprayed at a relative speed of 1000 m / min with respect to the rotating element, The first layer was formed to a thickness of about 80 μm. The denseness of this coating is 5-10 when porosity is measured.
%, The average pore size is around 300Å according to the mercury porosimeter.

次に第2層4bについて説明する。Next, the second layer 4b will be described.

第2層4bはPVD法或いはイオン打込により形成される高
緻密層(薄膜層、或いは表面改質層)である。この層は
O2の他に、特にリツチ領域の検出をも可能にするため
に、未燃ガスであるCO,HC,H2の微細粒子の拡散を制限律
速させるためにある。膜厚は厚すぎるとガス拡散が行な
われにくくなるので、PVD法の場合は0.01〜20μm望ま
しくは0.01〜5μmである。イオン打込み法の場合は、
数Å〜1μm、望ましくは10〜1000Åである。
The second layer 4b is a highly dense layer (thin film layer or surface modification layer) formed by the PVD method or ion implantation. This layer
In addition to O 2 , in particular, in order to enable detection of the latch region as well, it is for limiting the rate of diffusion of fine particles of CO, HC, and H 2 which are unburned gases. If the film thickness is too thick, gas diffusion will be difficult to occur, so in the PVD method, it is 0.01 to 20 μm, preferably 0.01 to 5 μm. In the case of the ion implantation method,
It is several Å to 1 μm, preferably 10 to 1000 Å.

ここで、第2層4bを第1層(プラズマ溶射層)4aの表面
に形成する場合の具体例について説明する。
Here, a specific example of forming the second layer 4b on the surface of the first layer (plasma sprayed layer) 4a will be described.

先ず第2層4bをPVD法で形成する場合について説明す
る。
First, the case where the second layer 4b is formed by the PVD method will be described.

PVD法としては、ダイナミツクイオンミキシング法,イ
オンミキシング法,イオンプレーテイング法(HCD法に
代表される反応イオンプレーテイング法等),スパツタ
リング法(マグネトロンスパツタリング法等)等があ
る。
As the PVD method, there are a dynamic ion mixing method, an ion mixing method, an ion plating method (reactive ion plating method represented by HCD method, etc.), a spattering method (magnetron spattering method, etc.) and the like.

ダイナミツクイオンミキシング法は、薄膜層形成時の蒸
着とイオン注入を同時に行なう方法である。
The dynamic ion mixing method is a method in which vapor deposition and ion implantation are simultaneously performed when forming a thin film layer.

薄膜層4bとしては、TiN成膜,Al2O3成膜等が好適であ
る。例えばTiN成膜をダイナミツクイオンミキシング法
で形成する場合には、真空或いは減圧雰囲気にて、プラ
ズマ溶射層4a表面にTi蒸着を行うと同時に、Ti蒸着面に
Nイオンを打込んで行う。そして、薄膜層4bとプラズマ
溶射層4aとの境界には、イオン打込み効果によりミキシ
ングゾーン(成膜される化合物と基材原子との混合層)
が形成される。このイオンミキシングゾーンによつて、
第1,第2層4a,4b同士に高い密着力が得られ、また比較
的高速で化合物層(薄膜層)4bを形成できる特長があ
る。本実施例のダイナミツクイオンミキシング法は、既
にプラズマ溶射によりマグネシアスピネルを第1層4aと
して電極2に形成した後、TiN成膜を行なつた。すなわ
ち、固定電解質素子1をイオン注入と同様に試料ホルダ
ーにセツトし、チヤンバー内を5×10-6Torr以下に排気
後、窒素ガスを導入して1.5×10-4Torrとし加速電圧20k
V,出力電流0.2A,Ti蒸着速度7Å/Sec,イオン入射角度65
°,成膜時間7分の条件で行なつた。薄膜層処理後の断
面をSEM,EPMAにて分析したところTiN層は0.06μm形成
されており、又、前記イオン打込によるミキシングゾー
ンは、約500Å存在することがわかつた。今回のTiN成膜
の場合は、酸素濃度検出器としてO2の拡散を可能な状態
にする必要があり、前述したプラズマ溶射層表面の微細
なクラツク状開放孔を完全に閉じずに、狭くするための
成膜条件の選定が必要となる。第11図のSEMによる表面
観察では、TiN膜は完全な均一平滑膜ではなく、下地の
プラズマ溶射層の表面状態の影響を受け凹凸著しく、ま
た、微細クラツク状開放孔内に入り込んでいることが明
らかとなつた。
As the thin film layer 4b, TiN film formation, Al 2 O 3 film formation and the like are suitable. For example, when forming a TiN film by a dynamic ion mixing method, Ti vapor deposition is performed on the surface of the plasma sprayed layer 4a in the vacuum or reduced pressure atmosphere, and N ions are implanted on the Ti vapor deposition surface at the same time. Then, at the boundary between the thin film layer 4b and the plasma sprayed layer 4a, a mixing zone (a mixed layer of a compound to be deposited and a base atom) is formed by an ion implantation effect.
Is formed. With this ion mixing zone,
It is characterized in that high adhesion can be obtained between the first and second layers 4a and 4b and that the compound layer (thin film layer) 4b can be formed at a relatively high speed. In the dynamic ion mixing method of the present embodiment, TiN film was formed after the magnesia spinel was already formed on the electrode 2 as the first layer 4a by plasma spraying. That is, the fixed electrolyte element 1 was set in a sample holder as in the case of ion implantation, the chamber was evacuated to 5 × 10 -6 Torr or less, and then nitrogen gas was introduced to make 1.5 × 10 -4 Torr and an acceleration voltage of 20 k.
V, output current 0.2A, Ti deposition rate 7Å / Sec, ion incident angle 65
The film formation time was 7 minutes. When the cross section after the thin film layer treatment was analyzed by SEM and EPMA, it was found that the TiN layer was formed to be 0.06 μm and the mixing zone due to the ion implantation was present at about 500Å. In the case of the TiN film formation this time, it is necessary to enable the diffusion of O 2 as an oxygen concentration detector, and the fine crack-shaped open holes on the surface of the plasma sprayed layer described above are narrowed without being completely closed. Therefore, it is necessary to select the film forming conditions for this. In the surface observation by SEM in Fig. 11, the TiN film is not a perfectly uniform smooth film, and it is found that the TiN film is significantly uneven due to the influence of the surface condition of the plasma sprayed layer of the underlying layer, and it has entered the fine crack-shaped open holes. It became clear.

この様に、ダイナミツクイオンミキシング法によるTiN
成膜は、下地のマグネシアスピネル溶射表面の微細なク
ラツク状開放孔を狭めて、緻密化し、検出するガスの拡
散を制限(律速)する作用を行なうに、有効な手段とな
るものである。
In this way, TiN by the dynamic ion mixing method is
The film formation is an effective means for narrowing the fine crack-shaped open holes on the surface of the magnesia spinel sprayed surface of the underlying layer to make it dense and limit (rate-control) the diffusion of the gas to be detected.

イオンミキシング法は、蒸着の後でイオン打込みを行う
もので、ダイナミツクイオンミキシング法同様の薄膜層
4bが得られ、その他、イオンプレーテイング法,スパツ
タリング法でも良好な薄膜層4bが得られる。
The ion mixing method is one in which ion implantation is performed after vapor deposition, and a thin film layer similar to the dynamic ion mixing method is used.
4b can be obtained, and in addition, a good thin film layer 4b can be obtained by the ion plating method and the sputtering method.

第5図はPVD法の薄膜層4bをプラズマ溶射層4aの表面に
形成した模式図で、この薄膜層4bは、微細クラツク10の
表面に及んでいる。しかして、このような構造によれ
ば、既述したように、プラズマ溶射層4aの微細孔(図示
せず)の他に微細クラツク10にも薄膜層4bが形成される
ので、これらの微細孔,微細クラツクの開口面積が適度
に減少されて、良好なガス拡散律速機能を達成し得る。
FIG. 5 is a schematic view in which the thin film layer 4b of the PVD method is formed on the surface of the plasma sprayed layer 4a, and the thin film layer 4b extends to the surface of the fine crack 10. Therefore, according to such a structure, as described above, the thin film layer 4b is formed in the fine crack 10 in addition to the fine holes (not shown) of the plasma spray layer 4a. , The opening area of the fine crack is appropriately reduced, and a good gas diffusion rate controlling function can be achieved.

なお、このプラズマ溶射層4aとPVD法の薄膜層4bとは、
順序を逆にし、薄膜層4bの方を第1層(内層)とし、プ
ラズマ溶射層4aを第2層(外層)としてもよい。この場
合は、プラズマ溶射層4aを通過したガスが、薄膜層の層
の緻密さによつて拡散律速される。
The plasma spray layer 4a and the thin film layer 4b of the PVD method,
The order may be reversed, and the thin film layer 4b may be the first layer (inner layer) and the plasma sprayed layer 4a may be the second layer (outer layer). In this case, the gas that has passed through the plasma spray layer 4a is diffusion-controlled due to the denseness of the thin film layer.

次に、PVD法に代わつて、イオン注入法(イオン打込み
法)薄膜層(表面改質層)を形成する場合について説明
する。
Next, a case where an ion implantation (ion implantation) thin film layer (surface modification layer) is formed instead of the PVD method will be described.

イオン注入法は目的とする元素をイオン化して、これを
加速し基材表面に打込み表面層を改質または合金化する
方法である。打込まれた原子は、内部にピークを持つガ
ウス分布を呈し、加速電圧の高い程内部まで達する。ま
た、加速電圧が高いと最表面には打込み原子は残らない
がイオンが通り抜けた部分は結晶構造が乱れ、時にはア
モルフアス化する場合もある。今回は前記マグネシアス
ピネルのプラズマ溶射層表面にNイオンを打込み、溶射
したセラミツクス特有の微細孔及び微細なクラツクに対
して表面改質を行ない、表面部を緻密化して検出するガ
スの拡散を制限(律速)するものである。
The ion implantation method is a method of ionizing a target element and accelerating it to implant it on the surface of a substrate to modify or alloy the surface layer. The implanted atoms have a Gaussian distribution with a peak inside and reach the inside as the acceleration voltage increases. Further, when the accelerating voltage is high, the implanted atoms do not remain on the outermost surface, but the crystal structure is disturbed in the portion where the ions pass through, and sometimes amorphous. This time, N ions are implanted on the surface of the plasma sprayed layer of the magnesia spinel to perform surface modification on the sprayed fine pores and fine cracks peculiar to the ceramics, thereby densifying the surface portion and limiting the diffusion of gas to be detected ( Rate-determining).

すなわち、プラズマ溶射層へのイオン打込により、プラ
ズマ溶射層表面に溶射層元素とイオン元素との化合物
(表面改質層)が形成されるが、この場合、プラズマ溶
射層の微細孔及び微細クラツクの表面にイオン元素の一
部が付着したり、打込みにより飛出したプラズマ溶射層
の元素が付着して、プラズマ溶射層の微細孔及び微細ク
ラツクの開口面積が減少される。従つて、上記PVD法の
薄膜層同様にO2の他に、これより粒子の小さい未燃ガス
をも良好に律速させることができる。イオン注入方法と
しては、プラズマ溶射した検出器素子を試料ホルダにて
クランプし、60rpmで回転させながら酸素イオンの注入
を行なつた。注入条件は、加速電圧35kV,出力電流0.25
A,イオン入射角度65°注入時間は10minである。なお、
注入後の試料をR.B.S(ラザフオード後方散乱分析)で
表面からの0の濃度分布を分析した結果、約500ÅのO
イオン注による表面改質層が形成していることがわかつ
た。
That is, by implanting ions into the plasma sprayed layer, a compound of the sprayed layer element and an ionic element (surface modification layer) is formed on the surface of the plasma sprayed layer. In this case, fine holes and fine cracks in the plasma sprayed layer are formed. A part of the ionic element adheres to the surface of the plasma spraying element or the element of the plasma sprayed layer ejected by implantation adheres to reduce the opening area of the fine holes and the fine cracks of the plasma sprayed layer. Therefore, similar to the thin film layer of the PVD method, not only O 2 but also unburned gas having smaller particles can be rate-controlled. As an ion implantation method, a plasma sprayed detector element was clamped by a sample holder, and oxygen ions were implanted while rotating at 60 rpm. Injection conditions are acceleration voltage 35kV, output current 0.25
A, ion incidence angle 65 ° Implantation time is 10 min. In addition,
As a result of analyzing the concentration distribution of 0 from the surface of the injected sample by RBS (Razaford backscattering analysis), an O of about 500Å
It was found that the surface modification layer formed by ion implantation was formed.

第6図は、本実施例のイオン注入法及びダイナミツクミ
キシング法による薄膜形成(表面改質)に用いた装置を
示す。この装置を用いてイオン注入法の表面改質を行う
場合は、ダイナミツクミキシング法のような蒸着が行わ
ない。本装置は併社製であり、従来のイオン注入装置の
照射径が数φ〜10数φと狭く構造部材の表面改質用とし
ては実用化に不向きであつたが、前記装置は新らたに開
発した装置で、バケツト型イオン源を用い、ビームサイ
ズは、150mm×150mm,加速電圧:連続max40kV,出力電
流:連続max0.4Aの大容量イオンビームミキシング装置
を用いた。
FIG. 6 shows an apparatus used for thin film formation (surface modification) by the ion implantation method and the dynamic mixing method of this example. When the surface modification of the ion implantation method is performed by using this apparatus, the vapor deposition unlike the dynamic mixing method is not performed. This device was manufactured by the same company, and the irradiation diameter of the conventional ion implantation device was as narrow as several φ to several tens of φ, which was unsuitable for practical use for surface modification of structural members. In the developed device, the bucket type ion source was used, and the beam size was 150 mm × 150 mm, the acceleration voltage: continuous max 40 kV, the output current: continuous max 0.4 A, a large capacity ion beam mixing device was used.

以上の工程により、一層がガスの拡散を律速し得る高緻
密層で、他層がガス拡散可能でPt電極との反応速度を迅
速にさせる、有効なガス拡散抵抗層を有する検出素子が
完成する。第1図にこの検出素子1を用いて製作した酸
素濃度測定用検出器を示す。検出素子1は栓体5に固定
されている。栓体の先には、検出素子を保護するための
外筒7が備えてあり、また、素子の内部には、素子を60
0〜700℃に加熱し素子材質のジルコニアを電解質たらし
めるためにヒータ6が内蔵されている。さらに外側反応
電極2b,内側電極2a,ヒータ6のそれぞれに電気的信号の
取り出しや電圧を印加するためのリード線8a〜8cが設置
されている。この様にして製作された酸素濃度測定用検
出器を自動車の排気管に取付け、ヒータを通電して素子
本体の固体電解質を約700℃に加熱して素子に電圧を印
加して行くと酸素濃度測定用検出器の出力特性第2図の
実線で示される様に特にリツチ側でλ=0.6までリニア
な出力として空燃比を検出できることが確認された。従
来の拡散膜での特性は破線で示す様に、リツチ側ではλ
=0.8までの検出しか出来ず、より濃度の高いリツチ領
域では出力が飽和するという不具合であつたものが本発
明により大巾に改善された訳である。また、従来はλ=
0.8まで検出可能であつても、拡散抵抗層が緻密でない
ため、ばらつきが大きく、リツチ側の検出精度が悪かつ
た。これにより、本実施例の酸素濃度検出器の出力特性
を運転性に置き換えると、平地での通常走行(40〜60km
/h)ではリーン領域制御で経済運転となり、又、山間道
路等の登り坂走行ではリツチ領域制御で出力が向上し全
体として運転性が改善できることとなる。また、酸素セ
ンサ(ストイツクセンサ)で3元フイードバツク制御
(排ガス中のCO,NC,NOX制御)を行なつている現行エン
ジンでは、コールドスタート時や、急加速時等には、λ
が0.6程度までリツチになる場合があるため、本発明に
よる検出器は、リーンバーンエンジン(希薄燃焼制御用
エンジン)のみならず、現行のエンジンにおけるワイド
レンジ空燃比制御にも使用可能となり燃費の向上,運転
性の向上、さらには安全性の向上等に有効となる波及効
果がある。
Through the above steps, a detection element having an effective gas diffusion resistance layer is completed, in which one layer is a highly dense layer capable of controlling gas diffusion and the other layer is capable of gas diffusion to accelerate the reaction rate with the Pt electrode. . FIG. 1 shows an oxygen concentration measuring detector manufactured by using the detecting element 1. The detection element 1 is fixed to the plug body 5. An outer cylinder 7 for protecting the detection element is provided at the tip of the stopper, and the element is placed inside the element.
A heater 6 is built in to heat the element to zirconia as an electrolyte by heating to 0 to 700 ° C. Further, the outer reaction electrode 2b, the inner electrode 2a, and the heater 6 are provided with lead wires 8a to 8c for taking out electric signals and applying voltage. The oxygen concentration measuring detector manufactured in this way was attached to the exhaust pipe of an automobile, the heater was energized to heat the solid electrolyte of the element body to about 700 ° C, and a voltage was applied to the element to obtain the oxygen concentration. Output characteristics of the detector for measurement It was confirmed that the air-fuel ratio can be detected as a linear output up to λ = 0.6 especially on the latch side as shown by the solid line in FIG. The characteristic of the conventional diffusion film is λ on the latch side as shown by the broken line.
= 0.8, the output was saturated in the higher density latch region, and the problem was greatly improved by the present invention. Also, conventionally, λ =
Even if it was possible to detect up to 0.8, the diffusion resistance layer was not dense, so there were large variations, and the detection accuracy on the latch side was poor. As a result, if the output characteristics of the oxygen concentration detector of the present embodiment are replaced with drivability, normal running on flat ground (40-60 km
In / h), lean area control results in economical driving, and in uphill driving on mountain roads, etc., output in the Rich area control improves output, improving overall drivability. In addition, the current engine, which uses the oxygen sensor (stock sensor) to perform three-way feedback control (CO, NC, NO X control in exhaust gas), has a λ at cold start or during rapid acceleration.
May reach up to about 0.6, so the detector according to the present invention can be used not only for lean-burn engines (engines for lean burn control) but also for wide-range air-fuel ratio control in current engines, improving fuel efficiency. , There is a ripple effect that is effective in improving drivability and safety.

なお、プラズマ溶射層上へのOイオン注入した場合とダ
イナミツクイオンミキシング等のPVD法によるTiN被覆と
の初期の検出器特性の差はあまりなかつたが、耐久試験
後(3000時間)の特性の精度では若干、Oイオン注入し
た検出器の方が良い結果となつた。
It should be noted that although there was not much difference in the initial detector characteristics between the case where O ions were injected onto the plasma sprayed layer and the TiN coating by the PVD method such as dynamic ion mixing, there was little difference in the characteristics after the durability test (3000 hours). In terms of accuracy, the O ion-implanted detector gave a slightly better result.

また、プラズマ溶射層は、実施例ではマグネシアスピネ
ル粉末を用いた例を示したが、粉末の種類には特に制限
はなく、溶射後の被膜が例えば気孔率でいえば2〜20
%,水銀ポロシメータでの平均細孔径では200〜500Åで
あればよい。
Further, as the plasma sprayed layer, an example using magnesia spinel powder was shown in the example, but the kind of powder is not particularly limited, and the coating film after thermal spraying has a porosity of, for example, 2 to 20.
%, The average pore diameter measured by mercury porosimeter may be 200 to 500 Å.

即ち、プラズマ溶射層4aは、粉末が、アルミナやマグネ
シア,シリカ,チタニア,ジルコニア,カルシア等とい
つたセラミツクスの単体、あるいは複合粉末であつても
有効で、且つ粉末粒径も問わない。
That is, the plasma sprayed layer 4a is effective even if the powder is a single substance of ceramics such as alumina, magnesia, silica, titania, zirconia, and calcia, or a composite powder, and the particle size of the powder does not matter.

本実施例ではO2のイオン注入法と、ダイナミツクミキシ
ング法等のPVD法によるTiN被膜を示したが、イオン注入
法の場合はガスの種類に問らわれずO2の他にN2やAr,He,
Neなども有効であり、また金属を注入しても同様な効果
が得られる。ダイナミツクミキシング等のPVD法の場合
もTiNの他にAl2O3,TiC,BNなどの酸化物,窒化物,炭化
物等のセラミツクスでも同じ効果を出せることはいうま
でもない。
In this example, the TiN coating film by the PVD method such as the O 2 ion implantation method and the dynamic mixing method was shown, but in the case of the ion implantation method, N 2 and N 2 other than O 2 are not affected regardless of the type of gas. Ar, He,
Ne is also effective, and the same effect can be obtained by injecting metal. Needless to say, the same effect can be obtained in the PVD method such as dynamic mixing with oxides such as Al 2 O 3 , TiC, and BN, nitrides, and carbides in addition to TiN.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上のように本発明によれば、被測定通過ガスの拡散律
速機能を高めて酸素濃度検出の測定範囲を広げることが
でき、しかも、ガス拡散抵抗層の少なくとも一層をPVD
法或いはイオン注入法による薄膜層で形成するので、ガ
ス拡散抵抗層と固体電解質素子との熱膨張係数の差によ
る熱ひずみを少なくし、ひいてはこれに基づくクラツク
の発生を有効に防止するので、耐熱性,耐久性にすぐ
れ、且つ応答性のよい酸素濃度検出器が得られる。
As described above, according to the present invention, it is possible to enhance the diffusion-controlling function of the gas to be measured and widen the measurement range of oxygen concentration detection, and further, at least one of the gas diffusion resistance layers is PVD.
Since it is formed of a thin film layer by the ion diffusion method or the ion implantation method, thermal strain due to the difference in thermal expansion coefficient between the gas diffusion resistance layer and the solid electrolyte element is reduced, and in turn cracking based on this is effectively prevented. It is possible to obtain an oxygen concentration detector which is excellent in durability and durability and has good responsiveness.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の適用対象となる酸素濃度検出器の縦断
面図、第2図は本発明の一実施例たる酸素濃度検出器と
従来の酸素濃度検出器との出力特性を比較した図、第3
図は本発明の適用対象となる酸素濃度検出器の要部断面
図、第4図は本発明の一実施例を示す要部断面図、第5
図は本発明の一実施例を示す要部斜視図、第6図は本発
明の一実施例に用いるイオン注入及びダイナミツクイオ
ンミキシング装置のシステム図、第7図は酸素濃度検出
器の測定原理を示す説明図、第8図は排ガスにおける空
燃比とガス成分の関係を示す説明図、第9図は酸素濃度
検出器の出力特性図、第10図はマグネシアスピネル溶射
層の表面を表わすSEM写真、第11図はマグネシアスピネ
ル溶射層の表面にダイナミツクイオンミキシング法によ
るTiN成膜を施した高緻密層の表面を表わすSEM写真であ
る。 1……固体電解質素子、2,3……電極、4……ガス拡散
抵抗層、4a……プラズマ溶射層、4b……高緻密薄膜層
(表面改質層)、5……リード電極、7……内部ヒー
タ。
FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of an oxygen concentration detector to which the present invention is applied, and FIG. 2 is a diagram comparing output characteristics of an oxygen concentration detector as an embodiment of the present invention and a conventional oxygen concentration detector. , Third
FIG. 4 is a sectional view of an essential part of an oxygen concentration detector to which the present invention is applied. FIG. 4 is a sectional view of an essential part showing an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a perspective view of an essential part showing an embodiment of the present invention, FIG. 6 is a system diagram of an ion implantation and dynamic ion mixing apparatus used in an embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a measurement principle of an oxygen concentration detector. Fig. 8 is an explanatory diagram showing the relationship between the air-fuel ratio and the gas components in the exhaust gas, Fig. 9 is an output characteristic diagram of the oxygen concentration detector, and Fig. 10 is a SEM photograph showing the surface of the magnesia spinel sprayed layer. , Fig. 11 is an SEM photograph showing the surface of a high-density layer in which a TiN film is formed on the surface of the magnesia spinel sprayed layer by the dynamic ion mixing method. 1 ... Solid electrolyte element, 2, 3 ... Electrode, 4 ... Gas diffusion resistance layer, 4a ... Plasma sprayed layer, 4b ... Highly dense thin film layer (surface modified layer), 5 ... Lead electrode, 7 ...... Internal heater.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 萩野谷 三男 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭59−109854(JP,A) 特開 昭53−116896(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Mitsuo Haginotani 4026 Kuji Town, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Hitachi Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (56) References JP-A-59-109854 (JP, A) JP-A-53 -116896 (JP, A)

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】酸素イオン伝導性を有する固体電解質素子
の表裏面に多孔質で触媒性を有する電極を配置し、この
電極のうちで被測定ガス雰囲気側に配置される電極の表
面に通過ガスを律速させるためのガス拡散抵抗層を被覆
してなる酸素濃度検出器において、前記ガス拡散抵抗層
は、少なくとも一層が適度な粒度の電気絶縁性金属酸化
物を用いたプラズマ溶射層で、他層がPVD法によつて前
記プラズマ溶射層の表面に形成される薄膜層よりなり、
このPVD法の薄膜層を前記プラズマ溶射層よりも緻密な
層としてなることを特徴とする酸素濃度検出器。
1. Porous and catalytic electrodes are arranged on the front and back surfaces of a solid electrolyte element having oxygen ion conductivity, and a passing gas is formed on the surface of an electrode of the electrodes arranged on the side of the atmosphere to be measured gas. In the oxygen concentration detector formed by coating the gas diffusion resistance layer for rate limiting, the gas diffusion resistance layer is a plasma spray layer using at least one layer of an electrically insulating metal oxide having an appropriate particle size, and another layer. Consists of a thin film layer formed on the surface of the plasma sprayed layer by PVD method,
An oxygen concentration detector characterized in that the thin film layer of the PVD method is a denser layer than the plasma sprayed layer.
【請求項2】酸素イオン伝導性を有する固体電解質素子
の表裏面に多孔質で触媒性を有する電極を配置し、この
電極のうちで被測定ガス雰囲気側に配置される電極の表
面に通過ガスを律速させるためのガス拡散抵抗層を被覆
してなる酸素濃度検出器において、前記ガス拡散抵抗層
は、少なくとも一層が適度な粒度の電気絶縁性金属酸化
物を用いたプラズマ溶射層で、且つ、このプラズマ溶射
層の表面には、該プラズマ溶射層よりも緻密な薄膜層を
PVD法により形成し、このPVD法の薄膜層を前記プラズマ
溶射層に生じる微細クラツクの表面にも及ぶようにし
て、前記プラズマ溶射層の微細クラツクの開口面積を減
少させてなることを特徴とする酸素濃度検出器。
2. A porous and catalytic electrode is arranged on the front and back surfaces of a solid electrolyte element having oxygen ion conductivity, and a passing gas is formed on the surface of the electrode which is arranged on the measured gas atmosphere side of the electrodes. In an oxygen concentration detector formed by coating a gas diffusion resistance layer for rate limiting, the gas diffusion resistance layer is a plasma sprayed layer using at least one layer of an electrically insulating metal oxide having an appropriate particle size, and, On the surface of this plasma sprayed layer, a thin film layer denser than the plasma sprayed layer is formed.
It is formed by the PVD method, and the thin film layer of the PVD method is spread over the surface of the fine cracks generated in the plasma sprayed layer to reduce the opening area of the fine cracks of the plasma sprayed layer. Oxygen concentration detector.
【請求項3】第1請求項又は第2請求項において、被測
定ガス雰囲気側に配置される電極の表面には、先ず前記
プラズマ溶射層を形成し、次いで前記PVD法の薄膜層を
形成してなる酸素濃度検出器。
3. The plasma sprayed layer is first formed on the surface of the electrode arranged on the side of the measured gas atmosphere, and then the thin film layer of the PVD method is formed on the surface of the electrode to be measured gas atmosphere side. Oxygen concentration detector.
【請求項4】酸素イオン伝導性を有する固体電解質素子
の表裏面に多孔質で触媒性を有する電極を配置し、この
電極のうちで被測定ガス雰囲気側に配置される電極の表
面に通過ガスを律速させるためのガス拡散抵抗層を被覆
してなる酸素濃度検出器において、前記ガス拡散抵抗層
は、電極に近い方の第1層がPVD法によつて形成される
緻密な薄膜層で、この第1層の表面に形成される第2層
が、適度な粒度の電気絶縁性金属酸化物のプラズマ溶射
層で、このプラズマ溶射層を前記PVD法の薄膜層よりも
粗な層としてなることを特徴とする酸素濃度検出器。
4. A porous and catalytic electrode is arranged on the front and back surfaces of a solid electrolyte element having oxygen ion conductivity, and a passing gas is formed on the surface of the electrode, which is arranged on the measured gas atmosphere side, of the electrodes. In an oxygen concentration detector formed by coating a gas diffusion resistance layer for rate limiting, the gas diffusion resistance layer is a dense thin film layer in which the first layer closer to the electrode is formed by the PVD method, The second layer formed on the surface of the first layer is a plasma sprayed layer of an electrically insulating metal oxide having an appropriate grain size, and the plasma sprayed layer is a layer rougher than the thin film layer of the PVD method. An oxygen concentration detector characterized by.
【請求項5】第1請求項ないし第4請求項のいずれか1
項において、前記プラズマ溶射層の厚さは、10〜500μ
mで、前記PVD法の薄膜層の厚さは、20μm以内に設定
してなる酸素濃度検出器。
5. Any one of claims 1 to 4
In the paragraph, the thickness of the plasma sprayed layer is 10 ~ 500μ
The oxygen concentration detector is characterized in that the thickness of the thin film layer of the PVD method is 20 μm or less.
【請求項6】第1請求項ないし第5請求項のいずれか1
項において、前記PVD法の薄膜層は、ダイナミツクイオ
ンミキシング法を用いて形成してなる酸素濃度検出器。
6. Any one of claims 1 to 5
In the paragraph above, the thin film layer of the PVD method is an oxygen concentration detector formed by using a dynamic ion mixing method.
【請求項7】第1請求項ないし第5請求項のいずれか1
項において、前記PVD法の薄膜層は、イオンミキシング
法を用いて形成してなる酸素濃度検出器。
7. The invention according to any one of claims 1 to 5.
In the paragraph above, the thin film layer of the PVD method is an oxygen concentration detector formed by using an ion mixing method.
【請求項8】第1請求項ないし第5請求項のいずれか1
項において、前記PVD法の薄膜層は、イオンプレーテイ
ング法を用いて形成してなる酸素濃度検出器。
8. The invention according to any one of claims 1 to 5.
In the item above, the thin film layer of the PVD method is an oxygen concentration detector formed by using an ion plating method.
【請求項9】第1請求項ないし第5請求項のいずれか1
項において、前記PVD法の薄膜層は、スパツタリング法
を用いて形成してなる酸素濃度検出器。
9. Any one of claims 1 to 5
In the item above, the thin film layer of the PVD method is an oxygen concentration detector formed by using a sputtering method.
【請求項10】酸素イオン伝導性を有する固体電解質素
子の表裏面に多孔質で触媒性を有する電極を配置し、こ
の電極のうちで被測定ガス雰囲気側に配置される電極の
表面に通過ガスを律速させるためのガス拡散抵抗層を被
覆してなる酸素濃度検出器において、前記ガス拡散抵抗
層は、少なくとも一層が適度な粒度の電気絶縁性金属酸
化物を用いたプラズマ溶射層で、且つこのプラズマ溶射
層の表面及び該溶射層に生じる微細クラツクの表面に及
んで適宜の元素イオンを打込んで、このプラズマ溶射層
表面及び微細クラツク表面にプラズマ溶射層とイオン元
素との化合物よりなる表面改質層を形成してなることを
特徴とする酸素濃度検出器。
10. A porous and catalytic electrode is arranged on the front and back surfaces of a solid electrolyte element having oxygen ion conductivity, and a passing gas is formed on the surface of the electrode, which is arranged on the side of the atmosphere to be measured gas, of the electrodes. In an oxygen concentration detector formed by coating a gas diffusion resistance layer for rate limiting, the gas diffusion resistance layer is a plasma sprayed layer using at least one layer of an electrically insulating metal oxide having an appropriate grain size, and By implanting appropriate elemental ions on the surface of the plasma sprayed layer and the surface of the fine cracks generated in the sprayed layer, a surface modification consisting of a compound of the plasma sprayed layer and an ionic element is formed on the surface of the plasma sprayed layer and the fine cracks. An oxygen concentration detector characterized by forming a quality layer.
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