JP2006208123A - スート測定素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 内燃機関から排出されるガスに含まれるスートを測定するための測定素子において、コストを低減し、かつ高温で使用したときの破損や剥離などの問題点を防止できるような構造を提供する。
【解決手段】 内燃機関から排出されるガスに含まれるスートを測定する。セラミックスからなる本体４および本体４に固定された圧電材料製の振動励起手段２を備える振動子１Ａを使用し、測定素子１Ａに付着するスートによる測定素子１Ａの振動状態の変化に基づいてスートを検出する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ディーゼルエンジンなどの内燃機関から排出されるガス中に含まれるスートを測定する装置に関するものである。

例えばディーゼル機関から排出される粒子状物質（ＰＭ）は、有機溶媒に可溶性の物質（Soluble organic
fraction：SOF)と有機溶媒に不溶性の物質(dry soot：スート)とに分離できる。スートは、結晶構造を持つ球状粒子が鎖状に凝集したものであり、排出されると黒色となる。ＳＯＦは、スート生成過程における準安定中間生成物である凝集炭化水素液滴および潤滑油が排出されたものである。ＳＯＦおよびスートの排出特性は、負荷や回転速度等の運転条件によって著しく異なる。

排気ガス中のＰＭは、フィルタ重量法によって、次のように定義されている。エンジン排ガスを希釈トンネルを用いて空気で５２℃以下まで希釈、冷却し、０．３μｍの標準粒子を９５％以上捕集できる炭化フッ素被膜ガラス繊維フィルタやメンブランフィルタなどによってフィルタ上に捕集された固形または液状の粒子の総和をＰＭという。そして、捕集後、気温２５℃、湿度６０％の雰囲気中に８時間以上放置した後の重量をＰＭの重量とする。

最近、ディーゼルパーティキュレート規制の法制化が検討されており、車両においてディーゼル機関からの排出スートをリアルタイムで測定するセンサーが要望される。しかし、運行中の車両において連続的にスート量を監視し続けるのに適したセンサーは未だ知られていない。基本的には、ディーゼルパーティキュレートフィルターについたすすの量を推定する。また、すすの瞬間発生量を知ることができれば、ディーゼルパーティキュレートフィルターの故障検知やエンジン燃焼制御に使用することも可能となる。

スートセンサには、電気抵抗式、電荷式、加速度、光式、マイクロ波式など、さまざまな検知方式が検討されているが、選択性、コスト、および耐久性に問題を抱えている。抵抗式とは、電極間についたすすによって、電極間の抵抗変化で検知する。すすがついた量と抵抗変化が比例しないため、すす量の推定の精度が悪い。電荷式とは、高電圧を電極に与えておき、飛んできたすすに電荷を与えると、対向する電極にすすが飛んで、対向電極側に電荷が移動することを利用する。電荷を与えるために高電圧が必要でこのための電圧源のコストが高い。

一方、QCMなどに代表される振動型の質量検知方法も提案されている（特許文献１、２）。
米国特許２００３／０１２３０５９ Ａ１ 米国特許６７８６０７５ Ｂ２

しかし、特許文献記載のような方法では、圧電性材料からなる振動子が高温の排気ガスに対して継続的に曝露されるので、振動子を形成する圧電性材料には高い耐熱性が必要である。しかし、高い耐熱性を有する圧電性材料は、例えばランガサイトがあるが、種類が少ないために設計が難しく、また高コストである。更に、圧電性振動子を支持するための支持部材も高温で使用する必要があるため、固定方法、電気的接続方法が限られる。更に支持部材の材質は、振動子を形成する耐熱性の圧電製材料に近い熱膨張を持った材料を選択する必要がある。しかし、耐熱性圧電性材料の選択が限定される結果、これと近い熱膨張係数を有する支持部材材質の選択も難しい。
本発明の課題は、内燃機関から排出されるガスに含まれるスートを測定するための測定素子において、コストを低減し、かつ高温で使用したときの破損や剥離などの問題点を防止できるような構造を提供することである。

本発明は、内燃機関から排出されるガスに含まれるスートを測定するための測定素子であって、セラミックスからなる本体およびこの本体に固定された圧電材料製の振動励起手段を使用し、素子に付着するスートによる素子の振動状態の変化に基づいてスートを検出することを特徴とする。

本発明によれば、セラミックスからなる本体に、圧電材料製の振動励起手段を別途設けて測定素子を形成し、スートの測定に供した。振動励起手段は耐熱性の圧電性材料によって形成するが、振動励起手段は本体に比べて小さいので、コストを低減できる。これと共に、測定素子の本体部分の材質として、アルミナ、ジルコニアなどの高温で安定なセラミックス材料を使用することができる。こうした材料は低コストであり、種類が多く、選択の幅が広い。従って、耐熱性の圧電性材料の種類が限られていても、これと熱膨張の近いセラミックスを選択できる。更に、圧電材料は振動励振（駆動）部分にしか使用しないので、本体との間で熱膨張に差があっても、振動励起手段における変位は小さく、充分な熱サイクル強度を発現することが可能であり、振動励起手段の本体からの剥離を防止することが可能である。

好適な実施形態においては、振動励起手段または本体の振動状態の変化に基づいてスートを検出する。この振動状態の変化は数値化可能であれば特に限定されない。好適な実施形態においては、振動周波数を測定し、その変化に基づいてスートを検出する。

あるいは、振動のＱ値を測定し、Ｑ値の変化に基づいてスート量を検出する。測定素子に付着するすすは、粉体であるため、振動体に対してその運動が遅れやすく、すすが付着していくと振動のＱ値が低下する。Ｑ値の低下に伴って定電圧駆動を行っている場合には、駆動電流が低下していくため、電流値を測定することによって、すす量が推定できる。

好適な実施形態においては、振動励起手段によって本体を励振し、この本体の振動状態の変化に基づいてスートを検出する。この場合には、振動励起手段を本体の表面に接合する必要がある。この接合方法は特に限定されず、熱処理や摩擦、超音波などを利用した直接接合であってよく、あるいは白金、銀−パラジウム合金、ろう材などの金属材料を介して接合することができる。このように金属接合層を設けた場合には、直接接合に比べて、応力緩和層ができるため、熱サイクルに対して十分な強度を発揮できる。

好適な実施形態においては、スートの付着部分と振動励起手段とが離間されている。即ち、スート付着部分は必然的に高温であるので、振動励起手段をこの高温部分から離間させることにより、振動励起手段の温度を低下させることができる。この結果、振動励起手段と本体とに加わる熱サイクルに起因する振動励起手段の本体からの剥離を効果的に防止できる。

この場合、スートの付着部分の温度と振動励起手段の温度との温度差は、２００℃以上とすることが好ましく、３００℃以上とすることが更に好ましい。また、振動励起手段における温度は、２００℃以下とすることが好ましく、１００℃以下とすることが更に好ましい。

好適な実施形態においては、スートの付着部分と振動励起手段との間に断熱材が設けられている。これによって、スート付着部分が高温になったときにも振動励起手段を相対的に低温に維持することができ、振動励起手段の剥離や破損を抑制できる。こうした断熱材としては、ボロンナイトライド、窒化珪素、タルク、ムライト、コージェライトなどのアルミノ珪酸塩のセラミックス材料、あるいはそれらセラミック材料とガラス材料を組み合わせたものを例示できる。

振動の種類は特に限定されず、振動励起手段の厚み振動であってよく、振動アームの伸縮振動であってよく、振動アームの屈曲振動であってよい。

好適な実施形態においては、本体がセラミックス多層基板からなる。これはセラミックスグリーンシートを複数層設けて一体焼成することによって得られる。このようなセラミックスシートは、量産技術が既に確立されており、従って低コストで量産が可能である。また、多層基盤の内部に、スルーホール導体、薄層電極を自由に設計し、配置することができるので、振動励起手段に対する電力供給のための電極の設計が容易である。

本体を形成するセラミックスの種類は特に限定されないが、排気ガスに対して長期間曝露されても腐食や変形しない耐熱性を有するものが好ましい。例えば、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素、コージェライトなどのアルミノ珪酸塩、あるいはそれらに添加物を加えたものなどを例示できる。

振動励起手段を形成する圧電性材料は特に限定されない。振動励起手段が高温の排気ガスに曝露される場合には、耐熱性を有することが必要であり、このような耐熱性圧電材料としては、ランガサイト、リチウムナイオベート、リチウムタンタレート、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、チタン酸鉛などを例示できる。また、振動励起手段をスート付着部分から離間して低温とした場合には、高度の耐熱性は不要であるので、前記した耐熱性圧電材料の他、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム、水晶などを例示できる。

好適な実施形態においては、本体の内部あるいは表面に発熱体を設けることができる。この発熱体の用途は限定されない。一例では、発熱体の温度を充分な高温、例えば８００℃まで加熱可能とすることにより、ディーゼルパーティキュレートフィルター再生時に測定素子上に付着したスートを焼き飛ばすことが可能となる。

また、発熱体によって、振動子の温度を一定に保持することができる。アルミナ、ジルコニア等で本体を形成した場合には、温度変化によって振動周波数が変化しやすい。しかし、一定温度に保持することにより、周波数はすす量に応じた変化しか生じなくなる。温度は、すすが酸化しない領域であればよいが、対象とする排気ガス温度より高い方が好ましい。素子の設定温度よりも排気ガス温度が高いと、素子が排気ガスと接触したときに素子の温度が排気ガスよりも高温へと上昇してしまうので、素子の温度は設定温度には保持されない。

好適な実施形態においては、通気孔が排気ガスの流れる方向にあいていないキャップを使用する。キャップなしで本測定素子を使用した場合、振動子に付着するすすの量はかなり多い。すす量が多いと、振動子のＱ値が低下しインピーダンスが増大し、駆動電流が増加して消費電力が増大する。これに対して、キャップの通気孔を風下側に設けた場合であっても、十分な量のすすが付着し、測定可能である。

本発明において、内燃機関は特に限定されないが、ディーゼル機関が特に好ましい。また、陰極や陽極の材質は特に限定されないが、タングステン、モリブデン、チタン、マンガン、クロム、ジルコニア、ニッケル、鉄、銀、銅、白金、及びパラジウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属を含む電極を例示できる。

以下、図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
図１〜図４は、振動励起手段の厚み方向振動を利用し、振動励起手段上に付着したスートを検出するものである。図１（ａ）は、スート測定素子１の平面図であり、図１（ｂ）は、スート測定素子１の正面図であり、図１（ｃ）は、スート測定素子１の側面図である。

本例では、平板形状の本体４の周縁部に貫通孔３が形成されている。貫通孔３を上側からふさぐように、平板形状の振動励起手段２が固定されている。振動励起手段２は、図示しない電極に対して交流電圧を印加することにより、矢印Ａのように厚み方向へと振動させることができる。この振動励起手段２上にスートが付着すると、厚み振動Ａの周波数が低下し、あるいはＱ値が低下する。本例では、本体４は振動励起手段２を支持しているが、本体４それ自体はほとんど振動しない。

スート測定素子1における電極等の具体的構成は特に限定されない。例えば、図２は、図１の装置と同様の原理で動作するスート測定素子１Ａを示す平面図であり、図３は、スート測定素子１Ａの断面図である。

本例では、平板４はセラミック多層基板であり、セラミックシート４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅからなる。シート４ｂと４ｃとの間には、加熱手段であるシート状発熱体１４が挟まれている。平板４のエッジには、シート状発熱体１４用の端子１２が形成されており、端子１２に、温度制御用の電力が供給される。平板状本体４の表面には、電極用端子９、１０が形成されており、端子９、１０は互いに反対の極性となる。端子１０は、本体４表面のリード８を通して、振動励起手段２の下側の電極６に電気的に接続されている。また、端子９は、スルーホール導体およびシート内のリード７を通して、振動励起手段２の上側の電極５に対して電気的に接続されている。

電極５と６との間に振動励起手段２を挟んでいるので、電極５と６とが逆極性となるように交流電圧を印加すると、振動励起手段２が矢印Ａのように厚み方向へと振動する。この状態でスート１１が電極５表面に付着すると、振動励起手段２の振動状態が変化する。

図４は、図２、図３のスート測定素子１Ａの典型的な寸法例を示す斜視図である。図４に示す各符号は、図２、図３において既に説明した。このような細長い形状の測定素子１Ａは、例えば図１２の装置内に設置し、固定するのに適している。

図５〜図７は、振動アームの伸縮振動を利用し、振動アーム上に付着したスートを検出するものである。図５は、スート測定素子１Ｂの平面図である。本例では、本体１５の周縁に複数個、例えば３個の細長い振動アーム１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃが形成されている。各振動アームは、排気ガスに接触可能となっており、従ってスート１１が付着可能である。各振動アームの付け根部分に、それぞれ振動励起手段２Ａ、２Ｂ、２Ｃを形成する。

各振動励起手段２Ａは、図示しない電極によって矢印Ｄ、Ｅのように伸縮可能となっている。従って、両端側の振動励起手段と中央の振動励起手段とを矢印Ｄ、Ｅのように逆相で励振することによって、各振動アーム１６Ａ、１６Ｃを矢印Ｂのように振動させ、中央の振動アーム１６Ｂを矢印Ｃのようにこれと逆相で振動させることができる。スート１１が振動アーム表面に付着すると、この振動の周波数やＱ値が変化するので、この変化からスートの付着やその量を算出する。

図６は、図５のものと同様のスート測定素子１Ｃを概略的に示す平面図であり、図７はその概略断面図である。図５、図６の装置１Ｃは、図４の装置１Ｂと同様の動作をするものであるが、振動励起手段を励振させるための機構を例示してある。

本例では、平板１５、そのアーム１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃはセラミック多層基板からなる。このセラミックシート１５ｂと１５ｃとの間には、加熱手段であるシート状発熱体１４が挟まれている。平板１５のエッジには、シート状発熱体１４用の端子１２が形成されており、端子１２に、温度制御用の電力が供給される。

平板状本体１５の表面には、電極用端子９Ａ、９Ｂ、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃが形成されており、端子９Ａ、９Ｂと、端子１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃとは互いに反対の極性となる。端子１０Ａは、本体表面のリード８Ａを通して、振動励起手段２Ａの下側の電極６Ａに電気的に接続されている。端子１０Ｃは、本体表面のリード８Ｃを通して、振動励起手段２Ｃの下側の電極６Ｃに電気的に接続されている。端子１０Ｂは、スルーホール導体およびシート内のリード８Ｂを通して、振動励起手段２Ｂの上側の電極６Ｂに対して電気的に接続されている。

端子９Ａは、スルーホール導体およびシート内のリード７Ａ、７Ｃを通して、振動励起手段２Ａ、２Ｃの上側の電極５Ａ、５Ｃに対して電気的に接続されている。端子９Ｂは、本体表面のリード７Ｂを通して、振動励起手段２Ｂの下側の電極５Ｂに電気的に接続されている。

電極５Ａ、５Ｂ、５Ｃと電極６Ａ、６Ｂ、６Ｃとの間に振動励起手段２Ａ、２Ｂ、２Ｃを挟んでいるので、各対向電極が逆極性となるように交流電圧を印加すると、振動励起手段２Ａ、２Ｂ、２Ｃが矢印Ｄ、Ｅのように伸縮振動し、これに応じて各アーム１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃが矢印Ｂ、Ｃのように伸縮振動する。この状態でスート１１が各アーム表面に付着すると、各アームの振動状態が変化する。

図８〜図１１は、振動アームの伸縮振動を利用し、振動アーム上に付着したスートを検出するものである。図８は、スート測定素子１Ｄの平面図である。本例では、平板形状の本体２５の周縁に複数対、例えば一対の細長い振動アーム２６Ａ、２６Ｂが形成されている。各振動アームは、排気ガスに接触可能となっており、従ってスート１１が付着可能である。

振動アーム２６Ａの付け根部分に振動励起手段２Ａ、２Ｂを形成し、振動アーム２６Ｂの付け根部分に振動励起手段２Ｃ、２Ｄを形成する。各振動励起手段は、図示しない電極によって矢印Ｇ、Ｈのように伸縮可能となっている。各アームにおいて、一対の振動励起手段を矢印Ｇ、Ｈのように逆相で励振することによって、各振動アーム２６Ａ、２６Ｂを矢印Ｆ（点線）のように屈曲振動させることができる。この際、アーム２６Ａとアーム２６とが同じ周波数、逆相で共振するようにする。スート１１が振動アーム表面に付着すると、この屈曲振動の周波数やＱ値が変化するので、この変化からスートの付着やその量を算出する。

図９は、図８のものと同様のスート測定素子１Ｃを概略的に示す平面図であり、図１０はその概略断面図である。図９、図１０の装置１Ｅは、図８の装置１Ｄと同様の動作をするものであるが、振動励起手段を励振させるための機構を例示してある。

本例では、平板２５、そのアーム２６Ａ、２６Ｂはセラミック多層基板からなる。このセラミックシート２５ｂと２５ｃとの間には、加熱手段であるシート状発熱体１４が挟まれている。平板２５のエッジには、シート状発熱体１４用の端子１２が形成されており、端子１２に、温度制御用の電力が供給される。

平板状本体２５の表面には、電極用端子９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄが形成されており、端子９Ａ、９Ｂ、９Ｃと、端子１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄとは、互いに反対の極性となる。端子１０Ａは、本体表面のリード８Ａを通して、振動励起手段２Ａの下側の電極６Ａに電気的に接続されている。端子１０Ｂは、スルーホール導体およびシート内のリード８Ｂを通して、振動励起手段２Ｂの上側の電極６Ｂに対して電気的に接続されている。端子１０Ｃは、スルーホール導体およびシート内のリード８Ｃを通して、振動励起手段２Ｃの上側の電極６Ｃに対して電気的に接続されている。端子１０Ｄは、本体表面のリード８Ｄを通して、振動励起手段２Ｄの下側の電極６Ｄに電気的に接続されている。

端子９Ａは、スルーホール導体およびシート内のリード７Ａ、７Ｄを通して、振動励起手段２Ａ、２Ｄの上側の電極５Ａ、５Ｄに対して電気的に接続されている。端子９Ｂ、９Ｃは、本体表面のリード７Ｂ、７Ｃを通して、振動励起手段２Ｂ、２Ｃの下側の電極５Ｂ、５Ｃに電気的に接続されている。

電極５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄと電極６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄとの間に振動励起手段２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄを挟んでいるので、各対向電極が逆極性となるように交流電圧を印加すると、振動励起手段２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄが矢印Ｇ、Ｈのように伸縮振動し、これに応じて各アーム２６Ａ、２６Ｂが矢印Ｆのように屈曲振動する。この状態でスート１１が各アーム表面に付着すると、各アームの振動状態が変化する。

図１１は、図８〜図１０のスート測定素子１Ｄ、１Ｅの典型的な寸法例を示す斜視図である。図１１に示す各符号は、図８〜図１０において既に説明した。このような細長い形状の測定素子１Ｅは、例えば図１２の装置内に設置し、固定するのに適している。

図１２、図１３に示すように、モジュール１０１は、導入された被測定ガス（排気ガス）を測定する本発明の測定素子１（１Ａ〜１Ｄ）と、該測定素子の先端部を取り囲むように配置された保護カバー１４と、測定素子１の先端部を除く全部を取り囲むように配置され、かつ、外部への電気的導通を図るように構成されたセンサ組立体１６を有して構成されている。

測定素子１は、金属製のハウジング７０と該ハウジング７０に溶接固定された円筒形の内筒７２の中空部に配置された複数のセラミックサポータ７４ａ〜７４ｃとこれらセラミックサポータ７４ａ〜７４ｃ間にそれぞれ充填されたタルク等のセラミック粉体７６によって固定され、該セラミック粉体７６によって気密封止されている。

素子１と外部との導通をとるために、リード線７８と接続する雌コンタクト８０、２分割のセラミックハウジング８２、固定金具８４、押圧ばね８６及びカシメリング８８からなる差込み部材９０を素子１の電極端子部９２に挿入し、カシメリング８８の外周をかしめることにより、押圧ばね８６に変位を与え、雌コンタクト８０を所定の圧力で電極端子部９２に押圧するように構成している。

なお、センサ組立体１６の構造等については、実公平６−３７３２５号公報、実公平６−３７３２６号公報及び実開平２−１４６３６２号公報に詳細に説明されている。

保護カバー１４は、金属製あるいは合成樹脂製の内側保護カバー１１０と外側保護カバー１１２により構成される。内側保護カバー１１０の先端には、被測定ガスを導入するための開口部１１４が設けられており、この開口部１１４は、所定の長さを有する角状パイプの形状を呈している。開口部１１４の後方には、ほぼ直角に近い段差部１１６を介して開口部１１４よりも幅広で所定の高さを有する拡開部１１８が一体に形成され、この拡開部１１８の後方には、テーパ状の段差部１２０を介して円筒状のカバー部１２２が一体に形成されている。このカバー部１２２の外径は、ハウジング７０の前方中空部の内径とほぼ同じとされ、該カバー部１２２の後端部は、外方に折り曲げられて、センサ組立体１６のセラミックサポータ７４ａの前面とこれに対向するハウジング７０における中空部の段差面によって挟持されている。

測定素子１の先端面の投影寸法は、開口部の開口寸法よりも大きく、拡開部１１８の内壁面で区画形成される空間の投影寸法とほぼ同じか、僅かに小とされている。

外側保護カバー１１２は、前方が密閉され、後方が開口とされた円筒状のキャップ形状に形成され、その内径は、センサ組立体１６のハウジング７０における前方の小径部１２４の外径とほぼ同じか、わずかに小とされている。そして、この外側保護カバー１１２をハウジング７０の小径部１２４にはめ込んでスポット溶接等で固定することにより、内部の内側保護カバー全体を被覆するかたちとなる。また、この外側保護カバー１１２には、その側面に複数のガス導入孔１２６が例えば等ピッチで形成されている。

このように、測定素子1の先端部を被覆するように内側保護カバー１１０を取り付け、更に、内側保護カバー１１０を被覆するように外側保護カバー１１２を取り付けることによって、素子１と内側保護カバー１１０間に一つの空間（以下、内側保護カバー空間１３０と記す）が形成され、内側保護カバー１１０と外側保護カバー１１２間に一つの空間（以下、外側保護カバー空間１３２と記す）が形成される。

ここで、前記内側保護カバー１１０の開口部１１４（角状パイプ）の内側寸法（即ち、開口の寸法）は、素子１のガス導入口の寸法よりも大きく設定してあり、該開口部１１４でのガス拡散抵抗は、測定素子1のガス導入口でのガス拡散抵抗に比べ、十分に低く設定されている。

開口部１１４の寸法は、例えば幅ｄが約３ｍｍ、高さｈが約０．８ｍｍ、長さが約１．５ｍｍＬとなっている。即ち、前記開口部１１４は、３ｍｍ×０．８ｍｍのスリット（開口）１１４ａが１．５ｍｍの長さで形成された連通路１３４（図１２、図１３参照）を有するかたちとなっているため、凝縮水が侵入しにくく、また、仮に侵入する場合があったとしても、水滴の大きさは極めて小さなものとなるため、凝縮水が素子１の先端に当たっても、その熱衝撃は非常に小さいものとなり、測定素子１の先端にクラックが発生するということがない。

開口部１１４に続く拡開部１１８は、前記開口部１１４に対する位置決め、及び内側保護カバー空間１３０と外側保護カバー空間１３２を隔離するためのもので、測定素子１の先端部が拡開部１１８の内壁面に挿入されることにより、測定素子１のガス導入口と内側保護カバー１１０の開口部１１４との位置が合うことになる。

更に、測定素子１が段差部１１６に突き当てられることにより、内側保護カバー空間１３０と外側保護カバー空間１３２とが完全に隔離され、これにより、開口部１１４から測定素子１に向かって拡散流入される被測定ガスが内側保護カバー空間１３０に入り込むことがないため、測定素子１において応答性よく所定ガス成分の濃度を測定することができる。

なお、連通路１３４のガス拡散抵抗Ｄ１と内側保護カバー空間１３０から連通路１３４へのガス拡散抵抗Ｄ２の比Ｄ１／Ｄ２としては１／５以下に設定することが望ましい。また、素子１の先端が段差部１１６に当接しなくても、開口部１１４のガス拡散抵抗（連通路１３４のガス拡散抵抗Ｄ１）を素子１と開口部１１４のクリアランスのガス拡散抵抗（内側保護カバー空間１３０から連通路１３４へのガス拡散抵抗Ｄ２）の１／５以下にすれば、内側保護カバー空間１３０内へのガスの拡散による応答の遅れは大きく改善される。

ちなみに、開口部１１４が内側保護カバー空間１３０に連通していると、内側保護カバー空間１３０の体積が大きいため、拡散流入した被測定ガスが前記内側保護カバー空間１３０に入り込む。このため、素子１に入り込む被測定ガスが少なくなり、応答性が遅くなる。

内側保護カバー１１０の側面には、被測定ガスを導入するための穴がないことから、素子１に被測定ガスが直接当たることがなくなり、素子１は被測定ガスによって冷やされることがない。

更に、内側保護カバー１１０は円筒形状となっているため、内側保護カバー１１０の側面と板状の素子１の大面（大きな面積を有する面で、この例ではセンサ素子１２の上面や下面が相当する。）との距離が長くなる。これにより、内側保護カバー１１０が被測定ガス等によって冷やされても、素子１の前記大面との距離が長いため、熱放射、あるいは熱対流による素子１の熱損失が少なくなる。即ち、素子１は冷やされにくい構造となっている。

このように、測定素子１のうち、内側保護カバー１１０の側面に対向する面（素子１の大面側）には被測定ガスを導入するためのガス導入口を設けず、ガス導入口を測定素子１の端面側にし、内側保護カバー１１０の開口部１１４を測定素子１のガス導入口に直接連通させる構成としているため、測定素子１が冷やされにくく、凝縮水の装置１への付着確率も著しく小さくなる。

なお、開口部１１４に排気ガス中に含まれるオイル燃焼物やカーボンの付着が起こり、開口部１１４のガス拡散抵抗が増大しても、開口部１１４のガス拡散抵抗はセンサ素子１２のガス拡散抵抗に比して、十分低く設定してあるため、感度の低下や応答性の低下を最小限に抑えることができる。なお、１０２はグローメットであり、９８は外筒である。

（実施例１）
図２〜４を参照しつつ説明した測定素子１Ａを作製した。ただし、電極５、６は白金膜によって形成し、セラミック基板４はジルコニア製とし、シート状抵抗体１４は白金抵抗体とした。図４において、寸法ａを５ｍｍとし、寸法ｂを１００ｍｍとし、厚みを１．５ｍｍとした。圧電振動励起手段２は、厚さ０．１ｍｍ，縦横１．５ｍｍのランガサイト膜片とした。ランガサイト膜片２は、白金電極に対して１２００℃１時間の熱処理によって接着した。この測定素子を、図１２、図１３に示すモジュール１０１内に設置した。

スートの測定は、排気管内へハウジング７０を介して挿入し、スートを含んだ排気中に暴露することによって行った。この結果、暴露１０時間で振動子のインピーダンスが約０．７MHz低下し、スートの付着が観測できた。スート加熱処理は、７００℃において行い、共振周波数が元の周波数に回復した。これを１００回繰り返し行ったが、特に破損は認められなかった。

（実施例２）
図５〜７を参照しつつ説明した測定素子１Ｃを作製した。ただし、電極は白金膜によって形成し、セラミック基板はジルコニア製とし、シート状抵抗体は白金抵抗体とした。本体１５（アームを含む）の全長を１００ｍｍとし、本体１５の幅を５ｍｍとし、厚みを１．５ｍｍとした。アーム１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃの長さは５ｍｍとし、幅を２ｍｍとした。圧電振動励起手段２Ａ、２Ｂ、２Ｃは、厚さ０．１ｍｍ，幅０．３ｍｍ、長さ１．２ｍｍのランガサイト膜片とした。ランガサイト膜片は、白金電極に対して１２００℃１時間の熱処理によって接着した。この測定素子を、図１２、図１３に示すモジュール内に設置した。

スートの測定は、排気管内へハウジング７０を介して挿入し、スートを含んだ排気中に暴露することによって行った。この結果、暴露１０時間で共振周波数が約５ｋHz低下し、スートの付着が観測できた。スート加熱処理は、７００℃において行い、共振周波数が元の周波数に回復した。これを１００回繰り返し行ったが、特に破損は認められなかった。

（実施例２）
図８〜図１１を参照しつつ説明した測定素子１Ｄを作製した。ただし、電極は白金膜によって形成し、セラミック基板はジルコニア製とし、シート状抵抗体は白金抵抗体とした。本体１５およびアームの全長を１００ｍｍとし、本体１５の幅を５ｍｍとし、厚みを１．５ｍｍとした。アーム１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃの長さは５ｍｍとし、幅を２ｍｍとした。圧電振動励起手段２Ａ、２Ｂ、２Ｃは、厚さ０．１ｍｍ，幅０．３ｍｍ、長さ１．２ｍｍのランガサイト膜片とした。ランガサイト膜片は、白金電極に対して１２００℃１時間の熱処理によって接着した。この測定素子を、図１２、図１３に示すモジュール内に設置した。

スートの測定は、排気管内へハウジング７０を介して挿入し、スートを含んだ排気中に暴露することによって行った。この結果、暴露１０時間でインピーダンスが約０．５キロオーム低下し、スートの付着が観測できた。スート加熱処理は、７００℃において行い、インピーダンスが元の９０キロオームに回復した。これを１００回繰り返し行ったが、特に破損は認められなかった。

（ａ）は、スート測定素子１の平面図であり、（ｂ）は、スート測定素子１の正面図であり、（ｃ）は、スート測定素子１の側面図である。 図１の装置と同様の原理で動作するスート測定素子１Ａを示す平面図である。 スート測定素子１Ａの断面図である。 図２、図３のスート測定素子１Ａの典型的な寸法例を示す斜視図である。 スート測定素子１Ｂの平面図である。 図５のものと同様のスート測定素子１Ｃを概略的に示す平面図である。 スート測定素子１Ｃの概略断面図である。 スート測定素子１Ｄの平面図である。 図８のものと同様のスート測定素子１Ｅを概略的に示す平面図である。 スート測定素子１Ｅの概略断面図である。 図８〜図１０のスート測定素子１Ｅの典型的な寸法例を示す斜視図である。 測定素子を収容するのに適したモジュール１０１を示す概略断面図である。 図１２のモジュール１０１の横断面図である。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ スート測定素子 ２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ 振動励起手段 ３ 貫通孔 ４ セラミックスからなる本体 ５、５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、６，、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ 電極 ７、７Ａ、７Ｂ、７Ｃ゛７Ｄ、８、８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、８Ｄ リード ９、９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、９Ｄ、１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ 端子 １１ スート １２ シート状発熱体用の端子 １４ シート状発熱体 Ａ 厚み振動 Ｂ、Ｃ アームの伸縮振動 Ｄ、Ｅ、Ｇ、Ｈ 振動励起手段の伸縮振動 Ｆ アームの屈曲振動

Claims (10)

1. 内燃機関から排出されるガスに含まれるスートを測定するための測定素子であって、
   セラミックスからなる本体およびこの本体に固定された圧電材料製の振動励起手段を備えており、前記測定素子に付着するスートによる前記測定素子の振動状態の変化に基づいて前記スートを検出することを特徴とする、スート測定素子。
2. 前記振動励起手段の振動状態の変化に基づいて前記スートを検出することを特徴とする、請求項１記載のスート測定素子。
3. 前記振動励起手段によって前記本体を励振し、この本体の振動状態の変化に基づいて前記スートを検出することを特徴とする、請求項１記載のスート測定素子。
4. 前記振動の周波数の変化に基づいて前記スートを検出することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載のスート測定素子。
5. 前記振動のＱ値の変化に基づいて前記スートを検出することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載のスート測定素子。
6. 前記スートの付着部分と前記振動励起手段とが離間されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載のスート測定素子。
7. 前記スートの付着部分と前記振動励起手段との間に断熱材が設けられていることを特徴とする、請求項６記載のスート測定素子。
8. 前記振動が前記振動励起手段の厚み振動であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つの請求項に記載のスート測定素子。
9. 前記本体が振動アームを備えており、前記振動が、前記振動アームの伸縮振動であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つの請求項に記載のスート測定素子。
10. 前記本体が振動アームを備えており、前記振動が、前記振動アームの屈曲振動であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つの請求項に記載のスート測定素子。

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