DE102011085321B4

DE102011085321B4 - Partikelerfassungselement

Info

Publication number: DE102011085321B4
Application number: DE102011085321.9A
Authority: DE
Inventors: Eriko Maeda; Takehito Kimata; Yushi Fukuda
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2011-10-27
Publication date: 2023-02-02
Anticipated expiration: 2031-10-28
Also published as: JP2012093292A; DE102011085321A1; JP5223905B2; US8707761B2; US20120103058A1

Abstract

Partikelerfassungselement (10, 10a bis 10f), das dazu fähig ist, in einem Zielerfassungsgas enthaltene Partikel zu erfassen, mit:einem Isolationssubstrat (100);einem Erfassungsteil (11), das aus einem Paar von Erfassungselektroden (110, 120) besteht, welches um eine vorbestimmte Distanz abseits einer Oberfläche des Isolationssubstrats (100) ausgebildet ist; undeiner Abschirmschicht (130), die aus wärmeisolierendem Material besteht, die ein vorbestimmtes Gebiet auf dem Erfassungsteil bedeckt, sodass ein Gebiet mit einer gleichförmigen elektrischen Feldstärke, die erzeugt wird, wenn eine Spannung zwischen den Erfassungselektroden zugeführt wird, dem Zielerfassungsgas ausgesetzt ist, und ein sich von dem Gebiet mit der gleichförmigen elektrischen Feldstärke unterscheidendes Gebiet von dem Zielerfassungsgas abgeschirmt wird.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Partikelerfassungselemente, die an einem Abgasreinigungssystem für eine Brennkraftmaschine eines Motorfahrzeugs verwendet werden, und sind dazu fähig, die in einem Zielerfassungsgas, wie etwa von der Brennkraftmaschine ausgestoßenem Abgas, enthaltenen Partikel zu erfassen.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft Partikelerfassungssensoren, die an einem Abgasreinigungssystem für eine Brennkraftmaschine eines Motorfahrzeugs angebracht sind, und dazu fähig sind, in von der Brennkraftmaschine ausgestoßenem Abgas enthaltene Partikel zu erfassen.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Im Allgemeinen ist beispielweise ein an einem Motorfahrzeug angebrachter Dieselmotor mit einem Dieselpartikelfilter (nachstehend als „DPF“ bezeichnet) ausgestattet. Ein solcher DPF fängt Partikel (nachstehend verkürzt als „PM“ bezeichnet) als in von dem Dieselmotor ausgestoßenem Abgas enthaltene Umweltgifte auf. Die PM enthalten Ruß und lösliche organische Fraktionen (SOF). Der DPF besteht aus einer Vielzahl von Zellen, die von Trennwänden umgeben sind, die eine Vielzahl von Poren aufweisen. Wenn das Abgas die in den Trennwänden gebildeten Poren durchströmt, fangen die Poren in dem Abgas enthaltene PM auf. Das Abgas wird dabei gereinigt.
Wenn eine Menge von PM, die in den Trennwänden des DPF gebildeten Poren aufgefangen ist, erhöht wird, verstopfen sich die Poren, und ein Druckverlust des DPF wird dadurch erhöht. Um dies zu vermeiden, und um die Auffangfunktion des DPF zu regenerieren, ist es notwendig, periodisch einen Prozess des Regenerierens des DPF auszuführen.
Im Allgemeinen wird der Regenerationszyklus des DPF auf der Basis des Erfassens einer Menge von in dem DPF eingefangenen PM bestimmt. Es ist daher notwendig, einen Drucksensor, der dazu fähig ist, eine Differenz zwischen einem Druck an einer stromaufwärtigen Seite und einem Druck an einer stromabwärtigen Seite des DPF zu erfassen, zu platzieren. Der Regenerationsprozess wärmt das Abgas auf, oder führt einen Nach-Einspritzvorgang aus, um das Abgas aufzuwärmen, und bringt das aufgewärmte bzw. aufgeheizte Abgas in die Innenseite des DPF ein. Dies entfernt in den Trennwänden des DPF gebildeten Poren aufgefangene PM.
Andererseits wurden verschiedene Arten von Partikelerfassungssensoren (nachstehend als „PM- Erfassungssensor“ bezeichnet) vorgeschlagen, die dazu fähig sind, direkt das Vorhandensein von in dem Abgas enthaltene PM zu erfassen. Beispielsweise befindet sich ein solcher PM- Sensor an der stromabwärtigen Seite des DPF, und erfasst eine Menge von in dem Abgas enthaltene PM, welches durch den DPF strömt. Eine an dem Motorfahrzeug angebrachte fahrzeugeigene Diagnostik überwacht die Ausgabe des PM-Sensors, um die Arbeitsbedingungen des DPF sowie ein Auftreten von Defekten und einer Beschädigung des DPF zu erfassen.
Es wurde ebenso vorgeschlagen, einen solchen PM- Sensor anstatt des Verwendens eines Druckdifferenzsensors an der stromaufwärtigen Seite des DPF zu platzieren, und eine Menge von in den DPF eingebrachten Abgas zu erfassen. Dies kann die optimale Zeit des Regenerierens des DPF auf der Basis der erfassten Menge von PM bestimmen.
Ein bekanntes Patentdokument 1, die japanische Offenlegungsschrift JP S59- 197 847 A, offenbart einen Rauchsensor der elektrischen Widerstandsart als ein Beispiel des vorstehenden PM- Sensors. Der Rauchsensor besteht aus einem Isolationssubstrat, einem Paar von leitfähigen Elektroden als ein Erfassungsteil, und einer Heizeinheit. Das Paar von leitfähigen Elektroden ist auf einer Oberfläche des Isolationssubstrats ausgebildet, und die Heizeinheit ist in der Innenseite oder der unteren Oberfläche des Isolationssubstrats ausgebildet.
Der Rauchsensor erfasst das Vorhandensein von Rauch (Kohlenstoffpartikel) in dem Abgas auf der Basis des Verwendens einer elektrischen Leitfähigkeit des Rauchs. Der Rauchsensor erfasst die Änderung eines Widerstandswerts zwischen den leitfähigen Elektroden, der sich gemäß der Menge von auf der Fläche zwischen den leitfähigen Elektroden angesammelten Rauch.
Das Heizelement erzeugt Wärmeenergie, wenn elektrische Energie aufgenommen wird. Die Wärmeenergie erhöht eine Temperatur des PM-Erfassungsteils auf eine gewünschte Temperatur (beispielsweise eine Temperatur innerhalb eines Bereichs von 400°C bis 600°C), und verbrennt den auf der Fläche zwischen den leitfähigen Elektroden angesammelten Rauch. Dies ermöglicht, die Erfassungsleistungsfähigkeit des Rauchsensors wiederherzustellen.
Bei einer solchen Art des PM- Erfassungssensors ist die sich von dem Erfassungsteil unterscheidende Oberfläche des Substrats mit einem luftdichten Isolationssubstrat bedeckt, um zu verhindern, dass ein leitfähiger Pfad durch eine PM- Ansammlung auf der Oberfläche des sich von dem Erfassungsteil unterscheidenden Teils erzeugt wird, und um zu verhindern, dass dadurch eine inkorrekte Operation auftritt. (Beispielsweise in dem Patentdokument 1 gezeigte 1).
Weiterhin weist eine solche Art des PM- Erfassungssensors einen großen Widerstandswert zwischen den Erfassungselektroden auf, bis eine vorbestimmte Menge von PM auf der Fläche zwischen den Erfassungselektroden auf dem Erfassungsteil angesammelt ist.
Insbesondere gibt es eine bekannte Totzeitperiode (Masse), während der der PM- Erfassungssensor kein Erfassungssignal ausgibt.
In einem weiteren (japanischen) bekannten Patentdokument 2, Kohyo (nationale Offenlegung der übersetzten Version) Nr. JP 2008- 502 892 A , ist eine herkömmliche Technologie offenbart, die dazu fähig ist, eine zu den in einer Wabenstruktur ausgebildeten Erfassungselektrode zugeführte Spannung zu ändern, und die zugeführte Spannung zu einer Erfassungsinitialperiode zu erhöhen, um eine elektrische Feldstärke, die zwischen den Erfassungselektroden erzeugt ist, zu erhöhen. Dies fördert eine PM- Ansammelgeschwindigkeit einer Ansammlung auf der Fläche zwischen den Erfassungselektroden, und verringert die Totzeitperiode. Nach Ablauf der Totzeitperiode vermindert die herkömmliche Technologie die Zufuhrspannung, um die elektrische Feldstärke zwischen den Erfassungselektroden zu vermindern. Dies ermöglicht, die PM-Ansammelgeschwindigkeit zu vermindern, und die Periode zum Starten eines Prozesses des Regenerierens des PM- Erfassungssensors zu vergrößern.
Nebenbei gilt, dass wenn die PM- Ansammelgeschwindigkeit durch Zuführen einer hohen Spannung zwischen einem Paar der Erfassungselektroden, die beispielsweise in einer Kammstruktur gebildet sind, bei der die Elektroden einander entgegengesetzt angeordnet sind, begünstigt wird, wie in dem bekannten Patentdokument 2 offenbart ist, weist ein Vorderteil jeder Erfassungselektrode eine hohe elektrische Feldstärke auf, weil das elektrische Feld konzentriert wird. Andererseits weist der Unterteil jeder Erfassungselektrode, der mit einem entsprechenden Erfassungselektrodenaderteil verbunden ist, und in einer Richtung verbunden ist, die senkrecht zu dem entsprechenden Erfassungselektrodenaderteil verläuft, der entlang einer Längsrichtung des PM- Erfassungssensors gebildet ist, eine niedrige elektrische Feldstärke auf.
Wenn eine Fläche bzw. ein Gebiet vorliegt, das eine ungleichförmige Verteilung einer elektrischen Feldstärke (oder ungleichförmige Elektrizitätsintensität) auf dem Erfassungsteil des PM- Erfassungssensor aufweist, ist die PM- Ansammelgeschwindigkeit nicht konstant, die Menge von auf dem Erfassungsteil angesammelten PM schwankt. Insbesondere gilt, wie in dem Patentdokument 2 gezeigt ist, dass wenn die zugeführte Spannung erhöht wird, um die Menge von auf dem Erfassungsteil angesammelten PM zu erhöhen, die ungleichförmige Verteilung der elektrischen Feldstärke auftritt. Im Allgemeinen wird mehr PM auf der Fläche mit einer hohen elektrischen Feldstärke angesammelt, als im Vergleich mit der Fläche mit einer niedrigen elektrischen Feldstärke. Dies erhöht eine Differenz zwischen der hohen elektrischen Feldstärke und der niedrigen elektrischen Feldstärke, und bewirkt eine ungleichförmige Verteilung von auf den Erfassungselektroden angesammelten PM. Je mehr das Ausmaß der ungleichförmigen Verteilung erhöht wird, desto mehr wird die Wahrscheinlichkeit des Erzeugens einer inkorrekten Ausgabe von dem PM- Erfassungssensor erhöht. Dies reduziert die Zuverlässigkeit des PM-Erfassungssensors.
Ferner offenbart die DE 10 2007 046 096 A1 einen Sensor zur Detektion von Partikeln in einem Gasstrom, das ein auf der Oberfläche des Sensors angeordnetes Messelektrodensystem mit mindestens zwei ineinander greifenden interdigitalen Messelektroden und mindestens eine unter dem Messelektrodensystem angeordnete isolierende Schicht und mindestens eine unter der isolierenden Schicht angeordneten Prüfelektrode und eine unter den isolierenden Schichten angeordnete Heizvorrichtung und eine unter der isolierenden Schicht angeordnete Temperaturmessvorrichtung aufweist. Die nachveröffentlichte Druckschrift EP 2 423 666 A2 zeigt eine Partikelerfassungsvorrichtung, wobei mindestens ein Teil der Oberflächen eines Paares von Messelektroden mit einem Elektrodenschutzfilm aus einem dielektrischen Material mit einer geringeren Dicke als der Kammrückenabdeckungsabschnitt bedeckt ist. Außerdem bezieht sich die DE 10 2004 028 997 A1 auf ein Verfahren zur Steuerung der Partikelanlagerung auf einem Sensorelement, wobei der Empfindlichkeitsbereich der Sensoren auf einen optimalen Konzentrationsbereich eingestellt wird, die Auslösezeit des Sensors minimiert wird und die sich daran anschließende Messzeit zu maximiert wird.
Zusammenfassung
Es ist daher gewünscht, ein Partikelerfassungselement bereitzustellen, das eine stabile Totzeitperiode mit hoher Zuverlässigkeit aufweist, das dazu fähig ist, eine in einem Zielerfassungsgas enthaltene Menge von Partikeln auf der Basis einer Änderung von elektrischen Eigenschaften eines Paars von Erfassungselektroden mit einem einfachen Aufbau zu erfassen. Die elektrischen Eigenschaften der Elektrode mit einem einfachen Aufbau ändern sich auf der Grundlage der auf der Fläche zwischen dem Paar von den Erfassungselektroden angesammelten Menge von Partikeln.
Um die vorstehenden Zielsetzungen zu erreichen, stellt das vorliegende beispielhafte Ausführungsbeispiel ein Partikelerfassungselement bereit, das dazu fähig ist, in einem Zielerfassungsgas enthaltene Partikel zu erfassen. Das Partikelerfassungselement weist ein Isolationssubstrat, ein Erfassungsteil und eine Abschirmschicht auf. Das Erfassungsteil weist ein Paar von in einem vorbestimmten Intervall auf einer Oberfläche des Isolationssubstrats ausgebildeten Erfassungselektroden auf. Die Abschirmschicht besteht aus einem wärmeisolierenden Material. Die Abschirmschicht bedeckt eine vorbestimmte Fläche auf dem Erfassungsteil, sodass eine Fläche mit einer gleichförmigen elektrischen Feldstärke, die erzeugt wird, wenn eine Spannung zwischen den Erfassungselektroden zugeführt wird, zu dem Zielerfassungsgas freiliegt bzw. diesem ausgesetzt ist. Eine sich von der Fläche mit der gleichförmigen elektrischen Feldstärke unterscheidende Fläche wird von dem Zielerfassungsgas abgeschirmt. Das heißt, dass die sich von der Fläche mit der gleichförmigen elektrischen Feldstärke auf dem Erfassungsteil unterscheidende Fläche nicht zu dem Zielerfassungsgas freiliegt bzw. diesem ausgesetzt ist.
In dem Partikelerfassungselement gemäß dem vorliegenden beispielhaften Ausführungsbeispiel umfasst die sich von der Fläche bzw. dem Gebiet mit der auf dem Erfassungsteil gebildeten gleichförmigen elektrischen Feldstärke unterscheidende Fläche bzw. Gebiet eine Fläche bzw. ein Gebiet, in dem Äquipotentiallinien des elektrischen Feldes, das erzeugt wird, wenn die Spannung zwischen den Erfassungselektroden zugeführt wird, im Wesentlichen parallel zu einer Referenzlinie verlaufen, die entlang eines Längsteils jeder der Erfassungselektroden definiert ist.
Weiterhin gilt in dem Partikelerfassungselement gemäß dem gegenwärtigen beispielhaften Ausführungsbeispiel, dass ein Winkel der Äquipotentiallinie des elektrischen Feldes in der sich von der Fläche mit der gleichförmigen elektrischen Feldstärke unterscheidenden Fläche zu der Referenzlinie ± 3° übersteigt.
Der Aufbau des Partikelerfassungselements gemäß dem beispielhaften Ausführungsbeispiel ermöglicht zu verhindern, dass Partikel auf der Fläche mit ungleichförmiger elektrischer Feldstärke angesammelt werden, und das Ansammeln von Partikeln auf der Fläche mit dem gleichförmigen elektrischen Feld zu begünstigen. Dies ermöglicht zu unterdrücken, dass Partikel lokal auf dem Erfassungsteil angesammelt werden, um die Totzeitperiode konstant zu machen, um eine stabile Erfassungsausgabe zu erhalten.
Beispielsweise gilt, dass wenn die Erfassungselektrode eine Breite von 150 µm aufweist, eine Distanz zwischen den benachbarten Erfassungselektroden, die einander gegenüberliegen, 50 µm beträgt, und eine Distanz von dem vorderen Teil einer Erfassungselektrode zu dem Erfassungselektrodenaderteil entsprechend der anderen Erfassungselektrode mindestens 50 µm beträgt, die mit der Abschirmfläche bedeckte Fläche gemessen von dem vorderen Teil der Erfassungselektrode mindestens 50 µm beträgt, d.h., die Distanz von dem vorderen Teil einer Erfassungselektrode zu dem Erfassungselektrodenaderteil entsprechend der anderen Erfassungselektrode, oder nicht kleiner als die Zwischenelektrodendistanz ist.
Figurenliste
Ein bevorzugtes, nicht einschränkendes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird anhand eines Beispiels mit Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben, in denen gilt:

1A ist eine Entwicklungsansicht, die einen perspektivischen Aufbau eines Partikel-(PM)- Erfassungselements gemäß einem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
1B ist eine Draufsicht, die einen Hauptteil des PM- Erfassungselements gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
1C ist ein Querschnitt des Hauptteils des PM- Erfassungselements gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine schematische Ansicht, die Äquipotentiallinien und elektrische Feldlinien bzw. Kraftlinien in dem Erfassungsteil des PM-Erfassungselements gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ist eine schematische Ansicht, die eine Verteilung einer elektrischen Feldstärke, die zwischen den Erfassungselektroden in dem PM-Erfassungselement gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erzeugt ist, zeigt;
4 ist eine Ansicht, die Ergebnisse einer durch die Finite- Elemente-Lösung durchgeführte Analyse des elektrischen Feldes, das zwischen den Erfassungselektroden des in 1 gezeigten PM- Erfassungselements erzeugt ist, zeigt;
5A ist eine Ansicht, die eine Änderung über den Zeitverlauf der Eigenschaften einer Sensorausgabe des PM- Erfassungselements und Vergleichsmustern zeigt;
5B ist eine vergrößerte Ansicht entlang des in 5A gezeigten Kreises;
6A bis 6F zeigen Verteilungen einer elektrischen Feldstärke von verschiedenen Arten von PM- Erfassungselementen;
7A ist eine Entwicklungsansicht, die eine perspektivische Ansicht eines PM- Erfassungssensors gemäß einem zweiten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
7B ist eine Draufsicht, die einen Hauptteil des in 7A gezeigten Erfassungssensors gemäß dem zweiten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
8A ist eine schematische Ansicht, die Äquipotentiallinien und elektrische Stärkelinien in dem Erfassungsteil des in 7A und 7B gezeigten PM-Erfassungselement gemäß dem zweiten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt; und
8B ist eine Ansicht, die eine Verteilung einer elektrischen Feldstärke in den Erfassungselektroden des in 7A und 7B gezeigtem PM-Erfassungselement gemäß dem zweiten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Nachstehend werden verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben. In der nachfolgenden Beschreibung der verschiednen Ausführungsbeispiele bezeichnen gleiche Bezugszeichen oder Nummerierungen gleiche oder äquivalente Komponententeile in den verschiedenen Diagrammen.
Erstes beispielhaftes Ausführungsbeispiel
Es wird eine Beschreibung eines Partikelerfassungselements 10 (nachstehend als „PM- Erfassungselement 10“ bezeichnet) gemäß einem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf 1A bis 6F bereitgestellt.
1A ist eine Entwicklungsansicht, die einen perspektivischen Aufbau des PM- Erfassungselements 10 gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel zeigt. 1B ist eine Draufsicht, die einen Hauptteil des PM- Erfassungselements 10 gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel zeigt. 1C ist ein Querschnitt des Hauptteils des PM-Erfassungselements 10 gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel.
Das PM- Erfassungselement 10 gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel kann bei Abgasreinigungssystemen für Brennkraftmaschinen angewendet werden. Das PM- Erfassungselement 10 erfasst elektrische Eigenschaften, wie etwa einen elektrischen Widerstand und eine Kapazität eines Erfassungsteils 11, das in einem Zielerfassungsgas, wie etwa von einer Brennkraftmaschine ausgestoßenes Abgas, platziert ist. Die elektrischen Eigenschaften des Erfassungsteils 11 ändern sich gemäß einer Änderung einer in dem Abgas enthaltenen Menge von Partikeln (PM), die auf der Fläche zwischen Elektroden des Erfassungsteils 11 angesammelt sind. Das PM- Erfassungselement 10 erfasst eine Menge von PM, die in dem Zielerfassungsgas, wie etwa Abgas, enthalten ist, auf der Grundlage der elektrischen Eigenschaften des Erfassungsteils 11. Insbesondere ist der PM- Erfassungssensor 11 an einer stromabwärtigen Seite eines Dieselpartikelfilters (DPF) platziert, um einen abnormen Zustand des DPF zu erfassen. Es ist ebenso möglich, den PM-Erfassungssensor 11 an einer stromaufwärtigen Seite des DPF zu platzieren, um direkt die in den DPF eingebrachten PM zu erfassen.
In dem Aufbau des PM- Erfassungselements 10 gemäß der vorliegenden Erfindung, wird das Zielerfassungsgas, wie etwa Abgas, direkt der Fläche mit einer gleichförmigen elektrischen Feldstärke in dem Erfassungsteil 11 ausgesetzt. Dies ermöglicht zu verhindern, dass die nicht gleichförmige bzw. ungleichförmige Verteilung von angesammelten PM auf dem Erfassungsteil 11 erzeugt wird. Es ist daher möglich, dass das PM-Erfassungselement eine stabile Totzeitperiode (Masse) aufweist, und die in dem Zielerfassungsgas enthaltenen PM mit hoher Zuverlässigkeit zu erfassen.
Nun wird eine Beschreibung des PM- Erfassungselements 10 gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf 1A, 1B und 1C bereitgestellt.
1A zeigt das PM- Erfassungselement 10, in dem ein Erfassungsteil 11, eine Schutzschicht 13 und eine Heizeinheit 14 laminiert und zusammengefügt sind.
Der Erfassungsteil 11 besteht aus einem Isolationssubstrat 100, einer im Wesentlichen flachen Platte, und einem Paar von Erfassungselektroden 110 und 120, das auf dem Isolationssubstrat 100 ausgebildet ist.
Das Isolationssubstrat 100 einer im Wesentlichen flachen Form besteht aus wärmeisolierendem Material, wie etwa Oxid- Keramiken und Nicht- OxidKeramiken, durch Verwenden bekannter Verfahren, wie etwa das Spatelverfahren. Beispielsweise gibt es Aluminiumoxid, Titan, Zirkon und Spinell als Oxid- Keramiken, und es gibt Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid und Siliziumkarbid als Nicht- Oxid- Keramiken.
Die Erfassungselektroden 110 und 120 bestehen aus einem leitfähigen Material, wie etwa Platin Pt, und sind auf dem Isolationssubstrat 100 durch Verwenden bekannter Verfahren, wie etwa dem Dickfilmdruckverfahren, Beschichten und Aufdampfverfahren, ausgebildet.
In dem Aufbau des PM- Erfassungselements 10 gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel sind die Erfassungselektroden 110 und 120 mit Erfassungselektrodenaderteilen 111 bzw. 121 verbunden. Die Erfassungselektrodenaderteile 111 und 121 sind über entsprechende Erfassungselektrodenanschlüsse 112 bzw. 122 mit einer externen Erfassungsschaltung (nicht gezeigt) verbunden. Elektroden der Erfassungselektroden 110 und 120 sind abwechselnd in einer Kammstruktur angeordnet. Die Elektroden der Erfassungselektroden 110 und 120 sind in einer Richtung ausgebildet, die senkrecht zu der Längsrichtung der Erfassungselektrodenaderteile 111 und 121 verläuft.
Die benachbarten Elektroden der Erfassungselektroden 110 und 120 stehen einander abwechselnd gegenüber.
Die Schutzschicht 13 ist auf der Oberfläche des Erfassungsteils 11 aufgeschichtet. Die Schutzschicht 13 besteht aus einer Abschirmschicht einer ungleichförmigen elektrischen Feldstärke 130, einem Abschirmschichtöffnungsteil 131 und einer Isolationsschutzschicht 132. Die Isolationsschutzschicht 132 isoliert die Erfassungselektrodenaderteile 111 und 121 voneinander.
Die Abschirmschicht einer Fläche mit ungleichförmiger elektrischen Feldstärke 130 bedeckt einen Teil des Erfassungsteils 11 als eine Abschirmschichtbildungsfläche.
Die Abschirmschicht einer Fläche mit ungleichförmiger elektrischen Feldstärke 130 weist eine im Wesentlichen flache Form auf, und besteht aus wärmeisolierendem Material, wie etwa Oxid- Keramiken, Nicht- OxidKeramiken, und wärmeisolierendem Material durch Verwenden bekannter Verfahren, wie etwa dem Spatelverfahren, dem Dickfilmdruckverfahren, dem isostatischen Kaltpressen (CIP), dem heißen isostatischen Pressen (HIP), etc. Beispielsweise gibt es Aluminiumoxid, Titan, Zirkon und Spinell als Oxid- Keramiken, und es gibt Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid und Siliziumcarbid als Nicht- Oxid- Keramiken, und es gibt wärmebeständiges Glas als wärmeisolierendes Material. Die Abschirmschicht einer Fläche mit ungleichförmiger elektrischen Feldstärke 130 schirmt die Fläche mit ungleichförmiger elektrischer Feldstärke von dem Zielerfassungsgas, wie etwa Abgas, ab.
Die Erfassungselektroden 110 und 120 bestehen aus leitfähigem Material, wie etwa Platin Pt, und sind auf dem Isolationssubstrat 100 durch Verwenden eines bekannten Verfahrens, wie etwa dem Dickfilmdruckverfahren, Beschichten und Aufdampfverfahren, ausgebildet.
Insbesondere ist die Abschirmschichtbildungsfläche die Fläche, welche den vorderen Teil jeder der Erfassungselektroden 110 und 120, den Anschlussteil zwischen der Erfassungselektrode und der entsprechenden Erfassungselektrodenader und der Fläche mit elektrischen Feldlinien, die im Wesentlichen parallel zu dem längsseitigen Teil der Erfassungselektroden 110 und 120 verlaufen, enthält. Die in der Fläche zwischen den benachbarten Erfassungselektroden 110 und 120, wo die benachbarten Erfassungselektroden 110 und 120 einander gegenüberliegen, erzeugten elektrischen Feldlinien weisen eine gleichförmige elektrische Feldstärke auf.
Weiterhin enthält die Abschirmschichtbildungsfläche die Fläche, in der ein Winkel einer Äquipotentiallinie des zwischen den Erfassungselektroden 110 und 120 erzeugten elektrischen Feldes zu einer entlang der Längskante der Erfassungselektroden 110 und 120 gebildeten Referenzlinie ± 3° übersteigt.
Genauer gesagt gilt beispielweise, dass wenn die Breite von jeder Erfassungselektrode 110 und 120 150 µm beträgt, und die Breite jeder der Erfassungselektrodenaderteile 111 und 121 150 µm beträgt, und die Distanz D zwischen den benachbarten Erfassungselektroden 110 und 120 50 µm beträgt, und die Distanz zwischen der vorderen Kante einer Erfassungselektrode 110 oder 120 und die Seitenkante der anderen Erfassungselektrode 120 oder 110 50 µm beträgt, vorzugsweise gilt, dass die Fläche, die mit der Abschirmschicht einer Fläche mit ungleichförmiger elektrischen Feldstärke 130 bedeckt ist, von der vorderen Kante der Erfassungselektroden 110 und 120 um mindestens 50 µm separiert ist. Das heißt, dass die Fläche die gleiche Distanz D gemessen von der vorderen Kante von einer Erfassungselektrode 110 oder 120 zu der Seitenkante des Erfassungselektrodenaderteils entsprechend der anderen Erfassungselektrode 120 oder 110 aufweist, d.h., um mindestens 50 µm oder mehr als 200 µm, wenn der Erfassungselektrodenaderteil enthalten ist, separiert ist.
Noch weiterhin ist es möglich, einen Teil jeder der Erfassungselektroden 110 und 120 um ungefähr mit einer Dicke von 5 µm gemessen von der vorderen Kante von jeder der Erfassungselektroden 110 und 120 zu bedecken.
Das Abschirmschichtöffnungsteil 131 ist in der Abschirmschicht einer Fläche mit ungleichförmiger elektrischen Feldstärke 130 ausgebildet. Durch das Abschirmschichtöffnungsteil 131 liegt die Fläche mit der gleichförmigen elektrischen Feldstärke, die in dem Erfassungsteil 11 erzeugt ist, direkt zu dem Zielerfassungsgas, wie etwa Abgas, frei. Das heißt, dass die Abschirmschicht einer Fläche mit ungleichförmiger elektrischen Feldstärke 130 die Fläche in dem Erfassungsteil 11 mit der ungleichförmigen elektrischen Feldstärke von dem Zielerfassungsgas, wie etwa Abgas, abschirmt.
Demzufolge ist die Fläche, in der die geradlinigen Teile einer parallel angeordneten Vielzahl von Elektroden in den Erfassungselektroden 110 und 120 dem Zielerfassungsgas, wie etwa Abgas, über den Abschirmschichtöffnungsteil 131 freigesetzt sind, durch eine vorbestimmte Öffnungsbreite W und eine vorbestimmte Öffnungslänge L angegeben sind, wie in 1B gezeigt ist. Der Abschirmschichtöffnungsteil 131 ist durch die in 1B gezeigte durchgezogene Linie angegeben.
Weiterhin sind in der in 1C gezeigten Abschirmschichtbildungsfläche die Oberflächen der Erfassungselektroden 110 und 120 mit der Abschirmschicht einer Fläche mit ungleichförmiger elektrischen Feldstärke 130 bedeckt. Zusätzlich dazu ist die Fläche zwischen den Erfassungselektroden 110 und 120 mit der Abschirmschicht einer Fläche mit ungleichförmiger elektrischen Feldstärke 130 bedeckt. Dies ermöglicht, den vorderen Teil der Erfassungselektrode 100 von dem Erfassungselektrodenaderteil 121 zu isolieren, und um den vorderen Teil der Erfassungselektrode 120 von dem Erfassungselektrodenaderteil 111 zu isolieren.
Die Heizeinheit 14 ist an der hinteren Oberfläche des Isolationssubstrats 100, in dem der Erfassungsteil 11 gebildet ist, aufgeschichtet. Das Heizteil bzw. die Heizeinheit 14 besteht aus einem Heizkörper 140, einem Paar von Heizkörperaderteilen 141a und 141b, einem Paar von Durchgangslöchern 142a und 142b und einem Paar von Heizkörperanschlüssen 143a und 143b. Der Heizkörper 140 ist auf der Oberfläche von oder in der Heizeinheit 14 ausgebildet. Der Heizkörper 140 ist mit einer (nicht gezeigten) Steuervorrichtung einer elektrischen Energiezufuhr über das Paar der Heizkörperaderteile 141a und 141b verbunden.
Der Heizkörper 140 besteht aus leitfähigen Keramiken, wie etwa Pt, W, MoSi₂, WC, etc., die Wärmeenergie erzeugen, wenn elektrische Energie aufgenommen wird.
Der Heizkörper 140 ist durch Verwenden bekannter Verfahren, wie etwa dem Spatelverfahren, dem CIP- Verfahren, dem HIP- Verfahren, dem Dickfilmdruckverfahren, etc. ausgebildet.
Nun wird eine Beschreibung des Betriebsprinzips des PM-Erfassungselements 10 gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf 2 bis 4 bereitgestellt.
2 ist eine schematische Ansicht, die Äquipotentiallinien und elektrische Feldlinien in dem Erfassungsteil des PM- Erfassungselements 10 gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel zeigt.
In dem PM- Erfassungselement 10 ist die Erfassungselektrode 110 eine positive Elektrode, und die Erfassungselektrode 120 ist eine Masseelektrode. Wenn eine Spannung +V (z.B. 30 V) zwischen den Erfassungselektroden 110 und 120 angelegt wird, wird das elektrische Feld zwischen den Erfassungselektroden 110 und 120 gebildet.
Wie in 2 gezeigt ist, gilt auf der Fläche bzw. in dem Gebiet, in dem die Längsteile der Erfassungselektroden 110 und 120 parallel zueinander angeordnet sind und einander gegenüberliegen, dass das elektrische Potenzial derart geändert wird, dass Äquipotentiallinien im Wesentlichen parallel zu den Referenzlinien verlaufen, und sich die elektrischen Feldlinien in einer Richtung erstrecken, die im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung von der Erfassungselektrode 110 zu der Erfassungselektrode 120 verläuft.
Jedoch ist der vordere Teil einer Erfassungselektrode 110 oder 120 durch das Unterteil der anderen Erfassungselektrode 120 oder 110 und dem entsprechenden Erfassungselektrodenaderteil 121 oder 111 umgeben. Dies ermöglicht, die zwischen dem vorderen Teil einer Erfassungselektrode und der anderen Erfassungselektrode und dem entsprechenden Erfassungselektrodenaderteil erzeugten Äquipotentiallinien zu krümmen, und die elektrischen Feldlinien in einer Fächerform zu erstrecken, oder die elektrischen Feldlinien in eine Fächerform anzunähern.
3 ist eine schematische Ansicht, die eine Verteilung einer zwischen den Erfassungselektroden 110 und 120 erzeugten elektrischen Feldstärke in dem PM- Erfassungselement 10 gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel zeigt. Wie in 3 gezeigt ist, konzentriert sich ein elektrisches Feld an dem vorderen Teil der Erfassungselektroden 110 und 120, wobei die elektrische Feldstärke um den vorderen Teil davon erhöht wird. Andererseits wird die elektrische Feldstärke an dem unteren Teil jeder der Erfassungselektroden 110 und 120, die mit dem entsprechenden Erfassungselektrodenaderteil 111 und 121 verbunden ist, verringert.
Wie in 3 gezeigt ist, ist die Fläche mit der gleichförmigen elektrischen Feldstärke innerhalb eines konstanten Gebiets begrenzt, in dem die Längsteile der Erfassungselektroden 110 und 120 einander gegenüberstehen. Weiterhin wird ersichtlich, dass eine Fläche mit ungleichförmiger elektrischer Feldstärke um den vorderen Teil der Erfassungselektroden 110 und 120 gebildet ist.
In dem Aufbau des PM- Erfassungselements 10 gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Abschirmschichtbildungsfläche bzw. -gebiet auf der Fläche bzw. dem Gebiet mit der ungleichförmigen elektrischen Feldstärke gebildet. Das heißt, dass die Fläche mit der ungleichförmigen Feldstärke mit der Abschirmschicht einer Fläche mit ungleichförmiger elektrischen Feldstärke 130, die aus wärmeisolierendem Material besteht, bedeckt ist.
2 und 3 zeigen Simulationsergebnisse von Äquipotentiallinien und elektrischen Feldlinien um das Erfassungsteil 11 und die Erfassungselektrodenaderteile 111 und 121, wenn die zweidimensionale Laplace Gleichung (δ²U/ δx² + δ²U/ δy² = 0) über das Differenzierverfahren gelöst wurde.
4 ist eine Ansicht, die Ergebnisse einer Analyse eines elektrischen Feldes durch die Finite- Elemente- Lösung zeigt, die zwischen den Erfassungselektroden 110 und 120 des in 1 gezeigten PM-Erfassungselements 10 erzeugt wurde. Wie in 4 gezeigt ist, sind die Fläche, in der die Längsteile der Erfassungselektroden 110 und 120 einander gegenüberliegen, wie durch das Bezugszeichen A angegeben ist, wo das gleichförmige elektrische Feld erzeugt ist, und die elektrischen Feldvektoren in einer Richtung gebildet, die im Wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung der Erfassungselektroden 110 und 120 verläuft.
Andererseits, wie durch das in 4 gezeigte Bezugszeichen B angegeben ist, erstrecken sich die elektrischen Feldvektoren in einem Radialmuster in der Fläche bzw. dem Gebiet, das durch das Vorderteil der Erfassungselektrode 110 und der Erfassungselektrode 120 und dem Erfassungselektrodenaderteil 121 umgeben ist.
5A ist eine Ansicht, die eine Änderung über einen Zeitverlauf der Eigenschaften einer Sensorausgabe des PM- Erfassungselements 10 und Vergleichsmuster zeigt. 5B ist eine vergrößerte Ansicht entlang des in 5A gezeigten Kreises A.
Das Vergleichsmuster 1 weist nicht die Abschirmschicht einer Fläche mit ungleichförmiger elektrischen Feldstärke 130 auf.
Das Vergleichsmuster 2 ist ein PM- Erfassungselement, in dem die Abschirmschichtbildungsfläche die Fläche enthält, in der ein Winkel einer Äquipotentiallinie des zwischen den Erfassungselektroden 110 und 120 erzeugten elektrischen Feldes 7° als Absolutwert (± 7°) zu einer Referenzlinie entlang der Längskante der Erfassungselektroden 110 und 120 übersteigt.
Das PM- Erfassungselement gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die Abschirmschichtbildungsfläche auf, die die Fläche enthält, in der ein Winkel einer Äquipotentiallinie des zwischen den Erfassungselektroden 110 und 120 erzeugten elektrischen Feldes zu einer Referenzlinie entlang der Längskante der Erfassungselektroden 110 und 120 3° als Absolutwert übersteigt.
Ein Automobiltestsystem wurde als die Evaluierungsumgebung verwendet, um die Funktionen von jedem der PM- Erfassungselemente 10 gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und der Vergleichsmuster 1 und 2 zu evaluieren.
Bei einem gewöhnlichen Antrieb eines Motorfahrzeugs wurden das PM-Erfassungselement gemäß der vorliegenden Erfindung und die PM-Erfassungselemente als die Vergleichsmuster an der Position um 120 cm gemessen von dem Oxidationskatalysator platziert. In dem Evaluierungstest betrug die PM- Konzentration in dem Zielerfassungsgas 0,4 mg/s. Die Änderung über den Zeitverlauf der elektrischen Eigenschaften der Sensorausgabe des PM- Erfassungselements und der Vergleichsmuster wurde erfasst. 5A und 5B zeigen die Erfassungsergebnisse. In 5A und 5B geben die horizontale Achse eine Gesamtmenge (mg) einer PM- Emission an, und die vertikale Achse gibt die Sensorausgabe (V) an.
In dem Experiment wurde die Menge von in jedem der Vergleichsmuster 1 und 2 und dem Ausführungsbeispiel 1 während einer Totzeitperiode angesammelten PM berechnet. Die Totzeitperiode wird von der Erfassungsstartzeit zu der Zeit gezählt, wenn die Sensorausgabe 0,01 V als der minimale Erfassungswert, d.h., die Erfassungsgrenze übersteigt.
Weiterhin wurde in dem Experiment weiterhin ein Mittelwert (X bar) und eine Standardabweichung (σ_x) der berechneten Menge des angesammelten PM während der Totzeitperiode berechnet. In dem Experiment wurde eine Erfassungsfluktuation CVx(=σ_x/ V Bar × 100) (%) der erfassten PM- Menge während der Totzeitperiode berechnet. Weiterhin wurde in dem Experiment der Mittelwert (V bar) und eine Standardabweichung (σ_v) während einer konstanten Emissionsperiode, in der PM einer konstanten Menge von dem Automobiltestsystem ausgestoßen wurde, berechnet. In dem Experiment wurde eine Sensorausgabefluktuation CVv (=σ_v/ V Bar × 100) (%) während der konstanten PM- Emissionsperiode berechnet.

Die Tabelle 1 zeigt die vorstehenden Erfassungs- und Berechnungsergebnisse. Tabelle 1

Abschirmschichtbildungsbereich		CVx	CVv	Ergebnisse
Vergleichsmuster 1	ohne Abschirmschicht	7%	> 10%	×
Vergleichsmuster 2	mit Abschirmschicht innerhalb > 7° und < 7°	3% ~ 5%	5% ~ 10%	O
beispielhaftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung	mit Abschirmschicht > 3° und < 3°	3% >	5% >	*

Wie in Tabelle 1 und 5A und 5B gezeigt ist, weist das Vergleichsmuster 1 die Erfassungsfluktuation CVx von nicht weniger als 5 % während der Totzeitperiode auf, und die Erfassungsfluktuation CVx von nicht weniger als 10 % während der konstanten Emissionsperiode auf. Als ein Ergebnis weist das Vergleichsmuster 1 das durch das Bezugszeichen „x“ bezeichnete Erfassungsergebnis auf. Das heißt, dass das Vergleichsmuster 1 keinerlei verbesserte Funktion aufweist.
Andererseits weist das Vergleichsmuster 2 die Erfassungsfluktuation CVx (= σ_x/ V Bar × 100) (%) innerhalb eines Bereichs von 3 % bis 5 % der erfassten PM- Menge während der Totzeitperiode auf, was im Vergleich mit dem des Vergleichsmusters 1 leicht verbessert ist.
Weiterhin weist das Vergleichsmuster 2 die Sensorausgabefluktuation CVv (= σ_v/V Bar × 100) (%) innerhalb eines Bereichs von 5 % bis 10 % während der konstanten PM- Emissionsperiode auf, was im Vergleich mit dem des Vergleichsmusters 1 leicht verbessert ist, und ist durch das Bezugszeichen „O“ in Tabelle 1 angegeben.
Andererseits weist das erste beispielhafte Ausführungsbeispiel die Erfassungsfluktuation CVx (= σ_x / V Bar × 100) (%) von nicht mehr als 3 % der erfassten PM- Menge während der Totzeitperiode auf, und weist die Sensorausgabefluktuation CVv (= σ_v/V Bar × 100) (%) von nicht mehr als 5 % während der konstanten PM- Emissionsperiode auf, wie durch das in der Tabelle 1 gezeigte Bezugszeichen „*“ angegeben ist.
Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, weist das erste beispielhafte Ausführungsbeispiel die besseren Eigenschaften im Vergleich mit jedem der Vergleichsmuster 1 und 2 auf.
Nun wird eine Beschreibung der Ergebnisse einer Analyse der Verteilung eines elektrischen Feldes in dem PM- Erfassungselement 10 und einer Modifikation davon mit Bezugnahme auf 6A bis 6F bereitgestellt.
6A bis 6F zeigen Verteilungen einer elektrischen Feldstärke von verschiedenen Arten von PM- Erfassungselementen.
In 6A bis 6F bezeichnet das Bezugszeichen „Δ“ das Niveau des elektrischen Feldes in der gleichförmigen elektrischen Feldstärke in den PM-Erfassungselementen und den Modifikationen davon gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel.
Wenn die Aussparung zwischen dem Längsteil der Erfassungselektrode 10 und dem Längsteil der Erfassungselektrode 120 in dem PM-Erfassungselement 10 D ist, und die Aussparung zwischen dem vorderen Teil der Erfassungselektrode 110 oder 120 zu der Erfassungselektrode 120 oder 110 D ist, wie in 6A gezeigt ist, weist die Fläche um den vorderen Teil der Erfassungselektrode 110 oder 120 ein ungleichförmiges elektrisches Feld auf. Der Längsteil mit der Länge W von jeder der Erfassungselektroden 110 und 120 ist gleichförmig.
Die Modifikation 10a der in 6B gezeigten PM- Erfassungselektrode 10 weist die Distanz gemessen von dem vorderen Teil von jeder der Erfassungselektroden 110a und 120a zu dem entsprechenden Erfassungselektrodenaderteil 111, 121 auf, die das doppelte der Aussparung D zwischen den Längsteilen der benachbarten Erfassungselektroden 110 und 120 beträgt.
Obwohl die Fläche Wa mit der gleichförmigen elektrischen Feldstärke in dem Längsteil schmäler als die des in 6A gezeigten PM- Erfassungssensors 10 ist, ist es möglich, die elektrische Feldstärke in der gleichförmigen elektrischen Feldfläche Wa als dem in 6A gezeigten Fall zu erhöhen, weil dieser Aufbau die Konzentration des elektrischen Feldes an dem vorderen Teil von jeder der Erfassungselektroden 110 und 120 unterdrückt.
Jedoch ist es möglich, dass das PM- Erfassungselement gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel die Erfassungsfluktuation der erfassten PM- Menge während der Totzeitperiode unterdrückt, die PM-Ansammelgeschwindigkeit erhöht, und weiterhin die Totzeitperiode vermindert.
Eine weitere in 6C gezeigte Modifikation weist die Distanz gezählt von dem vorderen Teil von jeder der Erfassungselektroden 110a und 120a zu dem entsprechenden Erfassungselektrodenaderteil 111, 121 auf, die die Hälfte der Aussparung D zwischen den Längsteilen der benachbarten Erfassungselektroden 110 und 120 beträgt.
In diesem Aufbau wird die elektrische Feldstärke um den vorderen Teil von jeder der Erfassungselektroden 110b und 120b weiterhin erhöht, und die elektrische Feldstärke an der Fläche Wb mit der gleichförmigen elektrischen Feldstärke in dem Längsteil wird relativ verringert.
Jedoch wird kein Kurzschluss zwischen dem vorderen Teil von jeder der Erfassungselektroden 110a und 120a erzeugt, weil der vordere Teil von jeder der Erfassungselektroden 110a und 120a elektrisch durch die Abschirmschicht einer Fläche mit ungleichförmiger elektrischen Feldstärke 130 isoliert ist.
Weiterhin ist es möglich zu verhindern, dass PM lokal in der Fläche mit einer hohen elektrischen Feldstärke angesammelt wird, weil diese Fläche mit der Abschirmschicht der ungleichförmigen elektrischen Feldstärke 130 bedeckt ist. Es ist daher möglich, dass die Fläche mit der hohen elektrischen Feldstärke die gleichen vorstehend beschriebenen Effekte des PM-Erfassungselements 10 aufweist.
Weiterhin gilt in dem Aufbau des in 6C gezeigten Beispiels, weil die Fläche Wb mit der gleichförmigen elektrischen Feldstärke im Vergleich mit dem in 6A gezeigten Aufbau breit wird, und die elektrische Feldstärke in der Fläche Wb mit der gleichförmigen elektrischen Feldstärke verringert wird, dass es möglich ist, die Zeitperiode zu der nächsten Ausführung des Regenerationsprozesses zu verlängern.
In dem in 10c gezeigten Aufbau der in 6D gezeigten Modifikation weist der vordere Teil von jeder der Erfassungselektroden 110c und 120c eine abgerundete Form oder gekrümmte Form auf. Dieser in 6C gezeigte Aufbau ermöglicht, dass die Konzentration des elektrischen Feldes unterdrückt wird, und weiterhin die elektrische Feldstärke in der Fläche Wc mit der gleichförmigen elektrischen Feldstärke im Vergleich mit dem in 6C gezeigten Aufbau zu erhöhen. Dieser in 6D gezeigten Aufbau ermöglicht, dass die gleichen Effekte des PM- Erfassungselements 10 erhalten werden, und die Zeitperiode bis zu der nächsten Ausführung des Regenerationsprozesses weiterhin verlängert wird.
Weiterhin beträgt in dem Aufbau der in 10E gezeigten Modifikation 10d die Distanz gemessen von dem vorderen Teil von jeder der Erfassungselektroden 110d und 120d zu dem entsprechenden Erfassungselektrodenaderteil 111d und 121d das doppelte der Aussparung D zwischen dem benachbarten Längsteil der Erfassungselektroden 110d und 120d zusätzlich zu dem Aufbau, bei dem jeder der vorderen Teile von jedem der Erfassungselemente 110d und 120d und der untere Teil von jeder der Erfassungselektroden 110d und 120d, die mit den entsprechenden Erfassungselektrodenaderteil 111d und 121d verbunden ist, die abgerundete Form aufweist.
Dieser Aufbau ermöglicht, weiterhin das elektrische Feld in der Fläche Wd mit der gleichförmigen elektrischen Feldstärke zu erhöhen. Weiterhin ermöglicht dieser in 6E gezeigte Aufbau, dass die gleichen Effekte des PM- Erfassungselements 10 erreicht werden, und die verfügbare Periode zum Ausführen des Regenerationsprozesses zu verlängern.
Weiterhin gilt in dem Aufbau der in 10F gezeigten Modifikation 10e, dass die von dem vorderen Teil von jeder der Erfassungselektroden 110e und 120e zu dem entsprechenden Erfassungselektrodenaderteil 111e und 121e gemessene Distanz die Hälfte der Aussparung D zwischen dem angrenzenden Längsteil der Erfassungselektroden 110e und 120e zusätzlich zu dem Aufbau, bei dem jeder des vorderen Teils von jeder der Erfassungselektroden 110e und 120e und der untere Teil von jeder der Erfassungselektroden 110e und 120e mit dem entsprechenden Erfassungselektrodenaderteil 111e und 121e die abgerundete Form aufweist.
Weil dieser Aufbau ermöglicht, den Anstieg der elektrischen Feldstärke in der Fläche We mit der gleichförmigen elektrischen Feldstärke zu vermeiden, die durch den Aufbau der abgerundeten Form erzeugt wird, und das Abnehmen der elektrischen Feldstärke in der Fläche Wc zu vermindern, die durch Verringern der Distanz zwischen dem vorderen Teil und dem Erfassungselektrodenaderteil erzeugt wird.
Dieser Aufbau ermöglicht, weiterhin das gleiche elektrische Feld in dem in 6A gezeigten Aufbau aufzuweisen, und die Fläche We mit der gleichförmigen elektrischen Feldstärke zu erweitern. Dieser in 6E gezeigte Aufbau ermöglicht, die gleichen Effekte des in 6A gezeigten PM- Erfassungselement 10 aufzuweisen, und weiterhin die verfügbare Periode zum Ausführen des Regenerationsprozesses zu verlängern.
Noch weiterhin gilt gemäß dem PM- Erfassungselement gemäß der vorliegenden Erfindung, dass weil die Abschirmschicht einer Fläche mit ungleichförmiger elektrischen Feldstärke 130 zwischen dem vorderen Teil von jeder der Erfassungselektroden und dem entsprechenden Erfassungselektrodenaderteil erzeugt ist, es möglich ist, dass ein Kurzschluss erzeugt wird, auch wenn eine hohe Spannung zwischen den Erfassungselektroden zugeführt wird. Dies ermöglicht, das PM-Erfassungselement mit hoher Zuverlässigkeit bereitzustellen.
Andererseits gilt in einem herkömmlichen Aufbau, bei dem die Fläche zwischen einem vorderen Teil einer Erfassungselektrode und einem entsprechenden Erfassungselektrodenaderteil zu dem Zielerfassungsgas freigelegt ist, dass ein Kurzschluss durch Konzentrieren eines elektrischen Feldes der vorstehenden Fläche erzeugt wird, und PM lokal auf der Fläche mit dem konzentrierten elektrischen Feld angesammelt wird, sofern nicht die Fläche die gleiche Aussparung zwischen den Längsteilen der benachbarten Erfassungselektroden aufweist, wenn eine hohe Spannung zwischen den Erfassungselektroden zugeführt wird. Dieser herkömmliche Aufbau kann nicht die Fluktuation der Länge der Totzeitperiode unterdrücken.
Weiterhin ist es bei dem Aufbau des PM- Erfassungselements gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, die Fluktuation der Totzeitperiode zu unterdrücken, ungeachtet der Form der Abdeckeinheit, welche das PM-Erfassungselement schützt. Es ist daher möglich, dass das PM-Erfassungselement gemäß der vorliegenden Erfindung stabil PM auf dem Erfassungsteil ansammelt, und, wie vorstehend beschrieben wurde, den Betrag der elektrischen Feldstärke in der Fläche mit der gleichförmigen elektrischen Feldstärke durch Anpassen der Distanz zwischen dem vorderen Teil der Erfassungselektrode und dem entsprechenden Erfassungselektrodenaderteil und durch Anpassen der Form des vorderen Teils und des unteren Teils von jeder der Erfassungselektroden anzupassen. Die vorliegende Erfindung stellt das flexible PM- Erfassungselement bereit.
Zweites beispielhaftes Ausführungsbeispiel
Es wird eine Beschreibung eines Partikelerfassungselements 10f (nachstehend als das „PM- Erfassungselement 10f“) gemäß einem zweiten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf 7A, 7B, 8A und 8B bereitgestellt.
7A ist eine Entwicklungsansicht, die einen perspektivischen Aufbau des PM- Erfassungssensors 10f gemäß dem zweiten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. 7B ist eine Draufsicht, die einen Hauptteil des in 7A gezeigten PM-Erfassungssensor 10f gemäß dem zweiten beispielhaften Ausführungsbeispiel zeigt.
Die gleichen Komponenten des PM- Erfassungssensors 10f gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel und des PM- Erfassungssensors 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel sind mit gleichen Bezugszeichen und Nummerierungen versehen. Die Erläuterung von gleichen Komponenten wird hier weggelassen.
Der PM- Erfassungssensor 10 gemäß dem zuvor beschriebenen ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel weist den Aufbau auf, bei dem die Erfassungselektroden 110 und 120 eine Vielzahl von Elektrodenteilen aufweisen, die abwechselnd in einer Kammstruktur angeordnet sind. Das Konzept der vorliegenden Erfindung ist nicht auf den Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels beschränkt. Es ist daher möglich, dass der PM-Erfassungssensor 10f einen Erfassungsteil 11f aufweist, in dem ein Paar von Erfassungselektroden 110f und 120f parallel entlang der Längsrichtung des PM- Erfassungssensors 10f ausgebildet ist.
Wie in 7A und 7B gezeigt ist, ist der gekrümmte Teil von jedem der Erfassungselektroden 110f und 120f mit einer Abschirmschicht einer Fläche mit ungleichförmiger elektrischen Feldstärke bedeckt, weil es einfach ist, dass das elektrische Feld an dem gekrümmten Teil von jeder der Erfassungselektroden 110f und 120f konzentriert wird. Dieser Aufbau ermöglicht, die gleichförmige elektrische Feldstärke bereitzustellen, die in der Innenseite des Abschirmschichtöffnungsteils 131 erzeugt wird (siehe 7B).
Der eine Endteil von jeder der Erfassungselektroden 110f und 120f ist mit einem entsprechenden Erfassungselektrodenaderteil 111f und 121f verbunden. Die Erfassungselektrodenaderteile 111 und 121 sind mit einer externen Erfassungsschaltung verbunden. Das andere Endteil von jeder der Erfassungselektroden 110f und 120f ist über ein passives Element 15 verbunden. Das heißt, dass das passive Element 15 zwischen dem anderen Endteil von jeder der Erfassungselektroden 110f und 120f ausgebildet ist, sodass das passive Element 15 die Erfassungselektroden 110f und 120f miteinander in Reihe verbindet.
Es ist möglich, als das passive Element 15 ein Widerstandselement mit einem vorbestimmten Widerstand oder ein Kapazitätselement mit einer vorbestimmten Kapazität zu verwenden.
Wenn das Kapazitätselement als das passive Element verwendet wird, wird eine Kapazitätskomponente parallel mit dem durch zwischen den Erfassungselektroden 110f und 120f angesammelten PM gebildeten Erfassungswiderstand verbunden. Dieser Fall ermöglicht, einen Bruch einer Leitung zu erfassen, welche den PM- Erfassungssensor 10f mit der (nicht gezeigten) externen Erfassungsschaltung verbindet, wenn eine Wechselstromspannung zwischen den Erfassungselektroden 110f und 120f angelegt wird.
Weiterhin gilt, dass wenn das Widerstandselement als das passive Element verwendet wird, weil ein elektrischer Widerstand parallel mit dem Erfassungswiderstand verbunden ist, der Erfassungswiderstand relativ vermindert wird, und es möglich ist, die Totzeitperiode zu verringern. Weiterhin gilt, dass weil ein leitfähiger Zustand beibehalten wird, auch wenn kein PM auf dem Erfassungsteil 11f angesammelt ist, es möglich ist, einen Bruch einer Leitung zwischen dem PM- Erfassungssensor 10f und der (nicht gezeigten) externen Erfassungsschaltung zu erfassen.
8A ist eine schematische Ansicht, die Äquipotentiallinien und elektrische Feldlinien in dem Erfassungsteil des PM- Erfassungselements 10f gemäß dem in 7A und 7B gezeigten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. 8B ist eine Ansicht, die eine Verteilung einer elektrischen Feldstärke in den Erfassungselektroden des in 7A und 7B gezeigten PM- Erfassungselements 10f gemäß dem zweiten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
Wie in 8A und 8B gezeigt ist, ermöglicht der Aufbau des PM-Erfassungssensors 10f gemäß dem zweiten beispielhaften Ausführungsbeispiel, die elektrische Feldstärke in dem Abschirmschichtöffnungsteil 131f gleichförmig zu machen. Weiterhin ermöglicht der Aufbau des PM- Erfassungssensors 10f zu unterdrücken, dass PM lokal auf dem Erfassungsteil 11f angesammelt wird, und die Fluktuation der Erfassungsfluktuation der erfassten PM- Menge während der Totzeitperiode zu verhindern, sowie die Fluktuation der Sensorausgabe zu unterdrücken. Das heißt, dass das zweite beispielhafte Ausführungsbeispiel ebenso den PM- Erfassungssensor 10f mit hoher Zuverlässigkeit bereitstellt.
Noch weiterhin ist es möglich zu unterdrücken, dass das elektrische Feld lokal auf den Erfassungsteil konzentriert wird, und dass die elektrische Feldstärke zwischen den Erfassungselektroden 110f und 120f ansteigt, wenn jede der Erfassungselektroden 110f und 120f einen gekrümmten Teil einer abgerundeten Form aufweist, der mit dem entsprechenden Erfassungs-elektrodenaderteil 111f und 121f verbunden ist.
Das erste und zweite beispielhafte Ausführungsbeispiel sowie die Modifikationen davon zeigen die PM- Erfassungssensoren, die dazu fähig sind, den elektrischen Widerstand als die elektrischen Eigenschaften zu erfassen, die sich gemäß der auf dem Erfassungsteil angesammelten Menge von PM ändern. Das Konzept der vorliegenden Erfindung ist nicht durch diese Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise ist es zulässig, eine elektrostatische Kapazität und Impedanz des PM- Erfassungselements zu erfassen, anstatt des Erfassens des elektrischen Widerstands. In diesem Fall ist es möglich zu unterdrücken, dass PM lokal auf dem Erfassungsteil angesammelt wird, und die Erfassungsgenauigkeit der elektrostatischen Kapazität und der Elementimpedanz als das Erfassungsziel durch Ausbilden der Abschirmschicht einer Fläche mit ungleichförmiger elektrischen Feldstärke 130 auf der Fläche mit ungleichförmiger elektrischen Feldstärke, die zwischen den Erfassungselektroden gebildet ist, zu erhöhen.
Während spezifische Ausführungsbeispiele vorliegender Erfindung detailliert beschrieben wurden, ist es dem Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Alternativen zu diesen Details im Lichte der Gesamtlehre der Offenbarung entwickelt werden können. Demzufolge dienen die bestimmten offenbarten Anordnungen lediglich veranschaulichend, und schränken nicht den Umfang der vorliegenden Erfindung ein, der durch die volle Breite der nachfolgenden Patentansprüche und allen Äquivalenten davon gegeben ist.
Ein Abschirmteil ist auf einem Erfassungsteil in einem Partikelerfassungselement ausgebildet. Der Erfassungsteil weist ein Paar von Erfassungselektroden auf, das in einer Kammstruktur ausgebildet ist. Eine Abschirmschicht besteht aus wärmeisolierendem Material, und ist auf dem Erfassungsteil ausgebildet, um ein vorbestimmtes Gebiet mit ungleichförmiger elektrischer Feldintensität abzuschirmen. Ein Gebiet mit gleichförmiger elektrischer Feldstärke auf dem Erfassungsteil ist nur dem Abgas als Zielerfassungsgas freigesetzt, wenn eine vorbestimmte Spannung zwischen den Erfassungselektroden anliegt, um elektrische Eigenschaften des Erfassungsteils zu erfassen. Dieser Aufbau verhindert, dass das sich von dem Gebiet mit der gleichförmigen elektrischen Feldintensität auf dem Erfassungsteil unterscheidende Gebiet dem Abgas ausgesetzt ist.

Claims

Partikelerfassungselement (10, 10a bis 10f), das dazu fähig ist, in einem Zielerfassungsgas enthaltene Partikel zu erfassen, mit: einem Isolationssubstrat (100); einem Erfassungsteil (11), das aus einem Paar von Erfassungselektroden (110, 120) besteht, welches um eine vorbestimmte Distanz abseits einer Oberfläche des Isolationssubstrats (100) ausgebildet ist; und einer Abschirmschicht (130), die aus wärmeisolierendem Material besteht, die ein vorbestimmtes Gebiet auf dem Erfassungsteil bedeckt, sodass ein Gebiet mit einer gleichförmigen elektrischen Feldstärke, die erzeugt wird, wenn eine Spannung zwischen den Erfassungselektroden zugeführt wird, dem Zielerfassungsgas ausgesetzt ist, und ein sich von dem Gebiet mit der gleichförmigen elektrischen Feldstärke unterscheidendes Gebiet von dem Zielerfassungsgas abgeschirmt wird.
Partikelerfassungselement (10, 10a bis 10f) gemäß Anspruch 1, wobei das sich von dem Gebiet mit der gleichförmigen auf dem Erfassungsteil (11) ausgebildeten elektrischen Feldstärke unterscheidende Gebiet ein Gebiet nicht umfasst, in dem Äquipotentiallinien des elektrischen Feldes, das erzeugt wird, wenn die Spannung zwischen den Erfassungselektroden (110, 120) angelegt wird, im Wesentlichen parallel zu einer Referenzlinie verlaufen, die entlang eines Längsteils von jeder der Erfassungselektroden (110, 120) definiert ist.
Partikelerfassungselement (10, 10a bis 10f) gemäß Anspruch 2, wobei in dem Gebiet, das sich von dem Gebiet mit der gleichförmigen elektrischen Feldstärke unterscheidet, ein Winkel der Äquipotentiallinie des elektrischen Feldes zu der Referenzlinie ± 3° übersteigt.