JPH09311118A - 酸素センサの保護層形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 クラックや剥がれ等の損傷の発生を低減する
とともに、溶射のみにより保護層の膜厚設定を行い易く
して所望のセンサ特性を得る。 【解決手段】 所定溶射条件による本溶射前にセンサ素
子１を空溶射等により所定温度まで上昇させてセンサ素
子１の抵抗値を検出する。次に、本溶射時にセンサ素子
１の限界電流値を検出して所定検出限界電流値になるま
で本溶射を行って保護層１２を形成する。次に、本溶射
後にセンサ素子１の抵抗値を検出し、その本溶射後所定
抵抗値と前記本溶射前所定抵抗値とを比較して、センサ
素子１の良否を判別する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば内燃機関
の空燃比制御を行うために排気ガス中の酸素濃度を検出
する各種酸素センサにおいて、そのセンサ素子に対し溶
射により保護層を形成する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の酸素センサとしては、試験管型の
もの（例えば特開昭５５ー５７１４５号公報及び特開平
５ー１８９３２号公報参照）や、積層型のもの（例えば
特開平２ー５５９４３号公報参照）が知られている。い
ずれの酸素センサにおいても、排気側電極の保護やセン
シングガスの保持等を目的として、センサ素子の表面に
溶射により保護層が形成されている。その場合、試験管
型酸素センサ素子ではその全周にスピネル（ＭｇＡｌ₂
Ｏ₄ ）を溶射するが、積層型酸素センサ素子では排気側
電極を有する固体電解質シートの表面にのみスピネルを
溶射する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記積層型酸素センサ
素子では、例えば、固体電解質シートと、基底材シート
と、それらの間で大気導入孔を形成する大気導入孔シー
トとが積層され、固体電解質シートの両面に大気導入孔
側の大気側電極と排気側電極とが設けられている。溶射
時、固体電解質シート側の溶射面と基底材シート側の非
溶射面とで溶射による昇温レベルに差異が生じ、それら
の間に温度差（例えば約２８０℃）が発生する。そのた
め、熱応力集中や熱衝撃により、厚さの薄い積層型酸素
センサ素子にクラックや剥がれが発生し易くなる。一
方、試験管型酸素センサ素子では、円筒形固体電解質に
対しその周囲全方向から溶射を行うとともに、熱応力に
強い円筒形構造であるため、クラックや剥がれがあまり
発生しない。

【０００４】また、内燃機関の空燃比制御を行う酸素セ
ンサ（積層型のもの及び試験管型のもの）において、排
気側電極の検出部に溶射される保護層（拡散律速層）の
空孔径、膜厚及び密着性等は、センサ特性に大きな影響
を及ぼすため、溶射条件の設定は極めて難しい。従っ
て、通常、厚めの保護層を形成し、後工程でこの保護層
の膜厚を研削等により薄くして所望のセンサ特性を得る
ようにしている。

【０００５】本発明は、クラックや剥がれ等の損傷の発
生を低減するとともに、溶射のみにより保護層の膜厚設
定を行い易くして所望のセンサ特性を得ることを目的に
している。

【０００６】

【課題を解決するための手段】第一発明にかかる酸素セ
ンサの保護層形成方法においては、センサ素子の抵抗値
を検出し、その検出抵抗値に基づき、所定溶射条件によ
り溶射装置を制御し、センサ素子に溶射を行って保護層
を形成する。

【０００７】第二発明にかかる酸素センサの保護層形成
方法においては、センサ素子の抵抗値及び限界電流値を
検出し、その検出抵抗値及び検出限界電流値に基づき、
所定溶射条件により溶射装置を制御し、センサ素子に溶
射を行って保護層を形成する。

【０００８】第三発明にかかる酸素センサの保護層形成
方法においては、所定溶射条件による本溶射前にセンサ
素子を空溶射等により所定温度まで上昇させてセンサ素
子の抵抗値を検出し、次に、本溶射時にセンサ素子の限
界電流値を検出して所定検出限界電流値になるまで本溶
射を行って保護層を形成し、次に、本溶射後にセンサ素
子の抵抗値を検出し、その本溶射後所定抵抗値と前記本
溶射前所定抵抗値とを比較して、センサ素子の良否を判
別する。

【０００９】

【発明の実施形態】以下、本発明の一実施形態にかかる
積層型酸素センサの保護層形成方法を図面を参照して説
明する。

【００１０】（図１に示す積層型酸素センサ素子１につ
いて）この積層型酸素センサ素子１は、酸素イオン導電
性ジルコニア（ＺｒＯ₂ ）とイットリア（Ｙ₂ ０₃ ）と
からなる固体電解質シート２、大気導入孔シート３及び
基底材シート４を互いに積層して接着したものである。
固体電解質シート２の大気側面（裏面）において、白金
（Ｐｔ）からなる大気側電極５（プラス側）が所定の電
極パターンで印刷により形成されている。この大気側電
極５は、一端部の検出部６と、これに接続して他端部ま
で延設したリード部７とからなる。また、固体電解質シ
ート２の排気側面（表面）において、白金（Ｐｔ）から
なる排気側電極８（マイナス側）が所定の電極パターン
で印刷により形成されている。この排気側電極８は、一
端部の検出部９と、これに接続して他端部まで延設した
リード部１０とからなる。基底材シート４と固体電解質
シート２との間で大気導入孔シート３の内側空間には、
排気ガス（燃焼ガス）と遮断する大気導入孔１１が形成
されている。

【００１１】前記積層型酸素センサ素子１においてその
固体電解質シート２の表面には排気側電極８の検出部９
を被覆する拡散律速層としての保護層１２（スピネル、
ＭｇＡｌ₂ Ｏ₄ ）が形成されている。この保護層１２
は、後記の方法により溶射を行って形成したものであ
る。

【００１２】（図２に示す溶射装置１３の概略につい
て）一枚の積層型酸素センサ素子１（保護層１２を形成
する前のもの）が、バイス１４にセットされ、固体電解
質シート２の表面にある溶射面１５が溶射ガン１６に対
向した状態で、バイス１４から上方へ突出している。固
体電解質シート２の表面のうちこの溶射面１５以外の部
分は、マスク板１７により溶射ガン１６の溶射範囲から
隠されている。基底材シート４の非溶射面１８はこの溶
射面１５の反対側になる。

【００１３】（図２に示す溶射装置１３を駆動制御する
ための概略的回路について）この駆動制御回路１９は、
切換え回路２０と素子特性計測回路２１と限界電流計測
回路２２と温度センサ２３と溶射装置コントローラ２４
とを備えている。

【００１４】前記切換え回路２０においては、互いに連
動する第一スイッチ２５と第二スイッチ２６とを有し、
第一スイッチ２５の端子２５ａ（プラス側）が前記固体
電解質シート２の大気側電極５のリード部７に接続され
ているとともに、第二スイッチ２６の端子２６ａ（マイ
ナス側）が前記排気側電極８のリード部１０に接続され
ている。

【００１５】前記素子特性計測回路２１においては、第
一スイッチ２５の端子２５ｂと第二スイッチ２６の端子
２６ｂとの間で電流計２７が直列接続され、この電流計
２７の検出値が複素インピーダンス判定回路２８へ出力
される。

【００１６】前記限界電流計測回路２２においては、第
一スイッチ２５の端子２５ｃと第二スイッチ２６の端子
２６ｃとの間で電源２９と抵抗３０とが直列接続されて
いるとともに、電圧計３１がこの抵抗３０に対し並列接
続され、この電圧計３１の検出値が限界電流形成判定回
路３２へ出力される。

【００１７】前記温度センサ２３は熱電対であって、前
記基底材シート４の非溶射面１８に生じる熱の温度を計
測する。前記溶射装置コントローラ２４は、前記複素イ
ンピーダンス判定回路２８と限界電流形成判定回路３２
と温度センサ２３とから入力された制御データに基づ
き、前記溶射装置１３に所定溶射条件を出力して溶射ガ
ン１６を駆動制御する。

【００１８】（前記駆動制御回路１９による保護層１２
の形成方法について）下記工程1)→7)を経て所定溶射条
件の良否の判別が行われる。 1) 所定溶射条件による本溶射前に、溶射装置コントロ
ーラ２４を空溶射モード（スピネル等を添加しない粉末
を溶射すること）に設定し、この空溶射によりセンサ素
子１を４００〜５００℃に昇温させる。センサ素子１の
非溶射面１８に生じる熱の温度は、温度センサ２３によ
り計測され、溶射装置コントローラ２４の画面２４ａに
表示される。

【００１９】2) この表示温度が所定値になったとき、
図２（ａ）に示すように、前記切換え回路２０において
互いに連動する第一スイッチ２５と第二スイッチ２６と
を端子２５ｂ，２６ｂ側に切り換え、前記素子特性計測
回路２１をセンサ素子１に接続する。この素子特性計測
回路２１においては、電流計２７の検出値に基づき複素
インピーダンス判定回路２８が抵抗値を演算し、その演
算抵抗値が本溶射前素子特性として溶射装置コントロー
ラ２４の画面２４ａに表示されて記憶される。この本溶
射前素子特性を図３（ａ）に例示する。ここに、複素イ
ンピーダンス解析法にあって、Ｚｘ軸を実軸、Ｚｙ軸を
虚軸とし、Ｒ∞はジルコニア素子のバルクの抵抗、（Ｒ
_r ーＲ∞）すなわち高周波数側半円の直径は添加剤など
による焼結体マトリックス部分の効果、（Ｒｄｃー
Ｒ_r ）は電極部の電気化学的反応による成分である。

【００２０】3) 図２（ｂ）に示すように、前記切換え
回路２０において互いに連動する第一スイッチ２５と第
二スイッチ２６とを端子２５ｃ，２６ｃ側に切り換え、
前記限界電流計測回路２２をセンサ素子１に接続する。

【００２１】4) 溶射装置コントローラ２４を本溶射モ
ード（スピネル等を添加した粉末を溶射すること）に設
定し、この本溶射によりセンサ素子１の溶射面１５に保
護層１２を形成する。この本溶射時に、限界電流計測回
路２２において、電圧計３１の検出値に基づき限界電流
形成判定回路３２が限界電流値を演算し、その演算限界
電流値が溶射装置コントローラ２４の画面２４ａに表示
されて記憶される。なお、この限界電流計測時には粉末
供給を停止した溶射を行い、計測誤差を少なくする。

【００２２】5) 前記表示限界電流値を図４に例示す
る。図４（ａ）は本溶射前のもの、図４（ｂ）（ｃ）
（ｄ）はそれぞれ本溶射開始後次第に所定時間経過した
ものである。図４（ｄ）に示すように、表示限界電流値
が規格範囲（所定検出限界電流値）になるまで、本溶射
を行って保護層１２を形成する。

【００２３】6) 所定検出限界電流値になったことを確
認できたとき、粉末供給を停止するとほぼ同時に、再び
前記素子特性計測回路２１をセンサ素子１に接続する。
そして、複素インピーダンス判定回路２８の演算抵抗値
が本溶射後素子特性として溶射装置コントローラ２４の
画面２４ａに表示されて記憶される。

【００２４】7) この本溶射後素子特性（抵抗値）を図
３（ｂ）及び図３（ｃ）に例示する。溶射装置コントロ
ーラ２４は、図３（ａ）に示す本溶射前素子特性（抵抗
値）をこの本溶射後素子特性（抵抗値）と比較し、セン
サ素子１の良否を判別する。その結果、図３（ｂ）に示
す本溶射後素子特性（抵抗値）のように、図３（ａ）に
示す本溶射前素子特性（抵抗値）に類似して許容範囲に
ある場合、溶射装置コントローラ２４はＯＫ信号を出力
し、引き続き本溶射を現在の所定溶射条件で継続する。
また、図３（ｃ）に示す本溶射後素子特性（抵抗値）の
ように、図３（ａ）に示す本溶射前素子特性（抵抗値）
に非類似で許容範囲にない場合、溶射装置コントローラ
２４はＮＧ信号を出力し、一旦本溶射を中止する。そし
て、現在の所定溶射条件を変更した後、前述した方法に
より変更後の所定溶射条件を維持しても良いか否かを判
別する。

【００２５】本実施形態は下記（イ）〜（ハ）の特徴を
有する。 （イ） センサ素子１の検出抵抗値に基づき所定溶射条
件により溶射装置１３を制御し、センサ素子１に溶射を
行って保護層１２を形成する。その溶射時、センサ素子
１にクラックや剥がれが発生すると、センサ素子１の検
出抵抗値に変化が生じるため、それらの発生のない溶射
条件を設定した上で溶射を行うことができる。従って、
センサ素子１の損傷の発生を低減することができる。

【００２６】（ロ） 上記（イ）に加え、センサ素子１
の検出限界電流値に基づき所定溶射条件により溶射装置
１３を制御し、センサ素子１に溶射を行って保護層１２
を形成する。従って、規格範囲の膜厚を有する保護層１
２を溶射のみにより形成し易くなり、従来技術と異な
り、保護層１２の膜厚を研削する後工程を必要とせず、
所望のセンサ特性を得ることができるとともに、作業能
率を向上させることができる。

【００２７】（ハ） 上記（イ）（ロ）の効果をより一
層確実に得るため、より具体的には、下記の方法を採用
している。所定溶射条件による本溶射前にセンサ素子１
を空溶射等により所定温度まで上昇させてセンサ素子１
の抵抗値を検出する。次に、本溶射時にセンサ素子１の
限界電流値を検出して所定検出限界電流値になるまで本
溶射を行って保護層１２を形成する。次に、本溶射後に
センサ素子１の抵抗値を検出し、その本溶射後所定抵抗
値と前記本溶射前所定抵抗値とを比較して、センサ素子
１の良否を判別する。

【００２８】〔他の実施形態〕前記実施形態以外にも下
記（イ）のように構成してもよい。 （イ） 前記実施形態のような積層型酸素センサ素子ば
かりではなく、試験管型のもの（例えば特開昭５５ー５
７１４５号公報及び特開平５ー１８９３２号公報参照）
に対し保護層を形成する場合にも、本発明にかかる方法
を応用する。

【００２９】

【発明の効果】本発明にかかる酸素センサの保護層形成
方法によれば、センサ素子の検出抵抗値を管理して所定
溶射条件により溶射装置を制御するので、クラックや剥
がれ等の損傷の発生を低減することができる。さらに、
センサ素子の検出限界電流値を管理して所定溶射条件に
より溶射装置を制御するので、溶射のみにより保護層の
膜厚設定を行い易くして所望のセンサ特性を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 （ａ）は本実施形態にかかる積層型酸素セン
サ素子を示す斜視図であり、（ｂ）は同じく断面図であ
る。

【図２】 本実施形態にかかる積層型酸素センサの保護
層形成方法を実施するために使用される装置を示す概略
的回路図である。

【図３】 溶射の前後における素子抵抗値の変化を示す
グラフである。

【図４】 溶射時における素子限界電流値の変化を示す
グラフである。

【符号の説明】

１…センサ素子、１２…保護層、１３…溶射装置、１９
…駆動制御回路、２０…切換え回路、２１…素子特性計
測回路、２２…限界電流計測回路、２３…温度センサ、
３２…コントローラ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 センサ素子の抵抗値を検出し、その検出
   抵抗値に基づき、所定溶射条件により溶射装置を制御
   し、センサ素子に溶射を行って保護層を形成することを
   特徴とする酸素センサの保護層形成方法。
2. 【請求項２】 センサ素子の抵抗値及び限界電流値を検
   出し、その検出抵抗値及び検出限界電流値に基づき、所
   定溶射条件により溶射装置を制御し、センサ素子に溶射
   を行って保護層を形成することを特徴とする酸素センサ
   の保護層形成方法。
3. 【請求項３】 所定溶射条件による本溶射前にセンサ素
   子を空溶射等により所定温度まで上昇させてセンサ素子
   の抵抗値を検出し、 次に、本溶射時にセンサ素子の限界電流値を検出して所
   定検出限界電流値になるまで本溶射を行って保護層を形
   成し、 次に、本溶射後にセンサ素子の抵抗値を検出し、その本
   溶射後所定抵抗値と前記本溶射前所定抵抗値とを比較し
   て、センサ素子の良否を判別することを特徴とする酸素
   センサの保護層形成方法。