JP2011102754A - Deposition amount detection device and detection system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、排気ガス中に含まれる粒子状物質の堆積量を検出する堆積量検出装置、および検出システムに関する。 The present invention relates to a deposition amount detection device and a detection system for detecting a deposition amount of particulate matter contained in exhaust gas.
排気ガス中に含まれる粒子状物質(PM:Particulate Matter)の堆積量を検出する堆積量検出装置としては、例えば、静電容量の変化を利用して堆積量を検出する、いわゆる静電容量型の堆積量検出装置が知られている(例えば、特許文献1および2参照)。
As a deposition amount detection device that detects the deposition amount of particulate matter (PM) contained in exhaust gas, for example, a so-called capacitance type that detects a deposition amount by using a change in capacitance. (See, for example,
しかしながら、上記従来の堆積量検出装置では、粒子状物質の堆積量を、単に、一対の電極間の静電容量の変化に基づいて算出しているので、粒子状物質が堆積されていない場合と粒子状物質が堆積されている場合とにおける静電容量の変化率が小さく、検出感度が悪いという問題があった。 However, in the above conventional accumulation amount detection device, the accumulation amount of the particulate matter is simply calculated based on the change in the capacitance between the pair of electrodes. There has been a problem that the rate of change in capacitance between the case where particulate matter is deposited is small and the detection sensitivity is poor.
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、検出感度を向上することができる堆積量検出装置、および検出システムに関する。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is related to a deposition amount detection device and a detection system that can improve detection sensitivity.
上記目的を達成するために本発明における堆積量検出装置は、内燃機関の排気ガスが移動する排気通路に設けられており、かつ主面を有する積層体と、前記積層体に埋設された一対の電極と、前記排気ガス中に含まれる粒子状物質が前記積層体の主面に堆積された堆積量を、前記一対の電極間の静電容量の変化に基づいて算出する堆積量算出部と、を備え、前記積層体は、第1層と、前記第1層に積層された第2層とを少なくとも有し、前記一対の電極は、平面視において互いに対向するように前記積層体の第1層上に設けられており、かつ前記積層体の第2層で覆われており、前記積層体の第2層の誘電率は、前記積層体の第1層の誘電率よりも低い。 In order to achieve the above object, a deposition amount detection apparatus according to the present invention is provided in an exhaust passage through which exhaust gas of an internal combustion engine moves, and has a laminate having a main surface and a pair of embedded in the laminate. An electrode, and a deposition amount calculation unit that calculates a deposition amount in which particulate matter contained in the exhaust gas is deposited on the main surface of the laminate based on a change in capacitance between the pair of electrodes; The stacked body has at least a first layer and a second layer stacked on the first layer, and the pair of electrodes are arranged so that the pair of electrodes face each other in plan view. The dielectric constant of the second layer of the multilayer body is lower than the dielectric constant of the first layer of the multilayer body, which is provided on the layer and covered with the second layer of the multilayer body.
本発明の堆積量検出装置、および検出システムは、検出感度を向上することができるという効果を奏する。 The accumulation amount detection device and the detection system of the present invention have an effect that detection sensitivity can be improved.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本実施形態に係る検出システム1の概略構成を示すブロック図である。図1に示すように、本実施形態に係る検出システム1は、例えば、図示しない車両(自動車等)等の石油系燃料を使用する燃焼装置に設けられるものであって、フィルタ装置2、堆積量検知センサ3、堆積量算出部4、流量センサ5、流量算出部6、ECU(Electronic Control Unit)7、および制御部8を備えている。ここで、堆積量検知センサ3および堆積量算出部4が、本発明に係る堆積量検出装置の一実施形態となる。
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a
フィルタ装置2は、排気通路Uに設けられており、排気通路Uを移動する排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するための装置である。フィルタ装置2は、例えば、DPF(Diesel Particulate Filter)から構成される。すなわち、排気ガスは、ディーゼルエンジン、ピストンエンジン、ガスタービンエンジン等の内燃機関が燃焼することによって発生するとともに、図1の矢印で示されているように、内燃機関(上流)から消音器(下流)に向かって排気通路Uを移動する。なお、消音器を通過した排気ガスは、外部へ放出される。ここで、排気ガス中に含まれる粒子状物質としては、例えば、単純な固形の炭素の微粒子が房状に連なったもの、SOF(Soluble Organic Fraction)と呼ばれる高分子炭化水素、あるいは硫酸塩等が挙げられる。この粒子状物質は、人の気道や肺に沈着するので、人体へ悪影響を及ぼすとともに、大気汚染の要因ともなり得る。そのため、フィルタ装置2において粒子状物質が捕集される。
The
堆積量検知センサ3は、排気ガス中に含まれる粒子状物質の堆積量を検出するためのセンサであって、フィルタ装置2よりも下流側(消音器側)の排気通路Uに設けられている。
The accumulation
図2は、本実施形態に係る堆積量検知センサ3の概略構成を示す斜視図である。図2に示すように、本実施形態に係る堆積量検知センサ3は、外観視直方体状であって、排気通路Uに設けられた台座Bの上に設けられている。なお、台座Bを設けることなく、直接、堆積量検知センサ3を排気通路Uに設けるようにしてもよい。また、本実施形態に係る堆積量検知センサ3は、外観視直方体状であるが、これに限らず、丸棒状、板状等であってもよく、その形状については特に限定されない。
FIG. 2 is a perspective view showing a schematic configuration of the accumulation
堆積量検知センサ3は、主面31aを有する積層体31を備えている。本実施形態に係る積層体31は、第1層311と、第1層311に積層された第2層312とを有しているが、これに限らず、3層以上積層されていてもよい。なお、図3は、積層体31の第2層312を省略し、図2の矢印Nの方向から見た場合の堆積量検知センサ3を示す平面図である。図4は、図3中に示した切断線I−Iに沿って切断した断面図である。
The accumulation
ここで、積層体31の主面31aは、排気通路Uの長手方向(図2の矢印Nの方向)に対して略垂直な面であり、排気ガスの風の影響を直接受ける面となる。このため、積層体31の主面31a上に、フィルタ装置2で捕集できなかった粒子状物質が堆積されることになる。ここで、積層体31としては、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体、あるいはガラスセラミック焼結体等のセラミック材料が挙げられる。このため、積層体31は、第1層311となるセラミックグリーンシートと、第2層312となるセラミックグリーンシートとが同時に焼成されることによって構成される。
Here, the main surface 31a of the laminated
また、積層体31には、第1電極32aおよび第2電極32bが埋設されている。具体的には、第1電極32aおよび第2電極32bは、平面視において互いに対向するように積層体31の第1層311上に設けられており、かつ積層体31の第2層312で覆われている。なお、第1電極32aおよび第2電極32bは、一対の電極であって、その形状は、図3に示すように、平面視において櫛歯状である。第1電極32aおよび第2電極32bは、所定の隙間を介して互いに噛み合うように積層体31の第1層311上に設けられている。ここで、第1電極32aおよび第2電極32bは、例えば、銀、銅、金、白金、パラジウム、タングステン、モリブデン、またはマンガン等の金属材料からなる。
In addition, the
このように、第1電極32aおよび第2電極32bが平面視において櫛歯状であり、かつ所定の隙間を介して互いに噛み合うように設けられているので、縁端効果が発現し易くなり、堆積量検出装置の検出感度が向上する。
In this way, the
なお、第1電極32aおよび第2電極32bは、平面視において互いに対向するように積層体31の第1層311上に設けられていれば、その形状については特に限定されない。例えば、第1電極32aおよび第2電極32bの形状は、上述した櫛歯状以外に、ミアンダ形状、2重らせん形状であってもよい。このような形状であっても、縁端効果が発現し易くなるので、堆積量検出装置の検出感度は向上する。
The shape of the
ここで、本実施形態に係る堆積量検知センサ3においては、積層体31の第2層312の誘電率は、積層体31の第1層311の誘電率よりも低くなるように構成されている。具体的には、積層体31の第2層312には、図4に示すように、複数の閉気孔Cが形成されている。すなわち、誘電率がほぼ「1」である空気が閉気孔Cとして積層体31の第2層312に複数形成されているため、積層体31の第2層312の誘電率は、積層体31の第1層311の誘電率よりも低くなる。このように、積層体31の第2層312の誘電率は、積層体31の第1層311の誘電率よりも低いので、堆積量検出装置の検出感度は向上する。なお、この理由については、後述する。
Here, in the accumulation
なお、複数の閉気孔Cは、例えば、次のようにして積層体31の第2層312に形成される。すなわち、複数の樹脂ビーズを、積層体31となるセラミック材料に予め混合しておく。そして、セラミック材料を樹脂ビーズとともに所定の温度で焼成することにより、樹脂ビーズを分解させる。このようにすると、樹脂ビーズが存在していた箇所が閉気孔となり、積層体31の第2層312に複数の閉気孔Cが形成される。なお、これはあくまで一例であって、積層体31の第2層312に複数の閉気孔Cを形成する方法については、特に限定されない。
The plurality of closed pores C are formed in the
また、積層体31の第1層311には、積層体31の主面31aに堆積された粒子状物質を除去するための発熱体33が埋設されている。発熱体33は、図示しない発熱体制御部からの指示によって、発熱する。発熱体33が発熱することにより、積層体31の主面31a上に堆積された粒子状物質が焼失する。これにより、積層体31の主面31a上に堆積された粒子状物質を除去することが可能となる。なお、発熱体制御部が発熱体33を発熱させるタイミングについては、特に限定されない。例えば、積層体31の主面31a上に堆積された粒子状物質の堆積量が閾値を超えた場合に、発熱体制御部が発熱体33を発熱させてもよいし、一定時間毎に、発熱体制御部が発熱体33を発熱させてもよい。なお、積層体31の主面31a上に堆積された粒子状物質を除去する必要がない場合には、積層体31の第1層311に発熱体33を埋設しなくてもよい。
Further, in the
堆積量算出部4は、排気ガス中に含まれる粒子状物質が積層体31の主面31a上に堆積された堆積量を、第1電極33aおよび第2電極33b間の静電容量の変化に基づいて算出する。堆積量算出部4は、算出した堆積量を、制御部8へ出力する。
The deposition amount calculation unit 4 uses the deposition amount in which the particulate matter contained in the exhaust gas is deposited on the main surface 31a of the
ところで、堆積量検出装置の検出感度を向上するためには、粒子状物質が堆積されていない場合と粒子状物質が堆積されている場合とにおける静電容量の変化率が大きいことが必要である。そこで、本発明者らは、積層体31の第1層311の誘電率を「9」、粒子状物質の誘電率を「6」で固定し、積層体31の第2層312の誘電率を「3」、「6」、「9」、「12」、「15」と順次変化させた場合の、粒子状物質が堆積されていない場合(厚み0mm)と粒子状物質が堆積されている場合(厚み0.1mm)とにおける静電容量の変化率を、シミュレーションにて測定した。その結果を図5に示す。
By the way, in order to improve the detection sensitivity of the deposition amount detection device, it is necessary that the rate of change in capacitance between the case where the particulate matter is not deposited and the case where the particulate matter is deposited is large. . Therefore, the present inventors fixed the dielectric constant of the
図5に示すように、積層体31の第2層312の誘電率が、積層体31の第1層311の誘電率よりも低い場合に、静電容量の変化率が大きいことが判る。すなわち、図5では、積層体31の第2層312の誘電率が「3」および「6」の場合である。なお、静電容量の変化率(%)は、静電容量の変化量を、粒子状物質が堆積されていない場合の静電容量の値で割り、その結果に対して100を乗じることによって算出される。すなわち、堆積量検出装置の検出感度を向上するためには、積層体31の第2層312の誘電率が、積層体31の第1層311の誘電率よりも低くなることが必要である。
As shown in FIG. 5, it can be seen that when the dielectric constant of the
ここで、積層体31の第2層312の誘電率が、積層体31の第1層311の誘電率よりも低い場合に、静電容量の変化率が大きくなるのは、次の理由による。すなわち、積層体31の第2層312の誘電率が低くなると、この第2層312の誘電率は、粒子状物質の誘電率と比較して、相対的に低くなる。つまり、第2層312の誘電率と粒子状物質の誘電率との和に対する粒子状物質の誘電率の割合が高くなる。そのため、積層体31の第2層312の誘電率が、積層体31の第1層311の誘電率よりも低い場合に、静電容量の変化率が大きくなり、堆積量検出装置の検出感度は向上する。
Here, when the dielectric constant of the
このため、本実施形態では、上述したように、積層体31の第2層312に複数の閉気孔Cを形成することにより、積層体31の第2層312の誘電率を、積層体31の第1層311の誘電率よりも低くしている。
For this reason, in the present embodiment, as described above, by forming a plurality of closed pores C in the
流量センサ5は、排気通路Uを移動する排気ガスの流量を検出するためのセンサであって、フィルタ装置2よりも上流側(内燃機関側)の排気通路Uに設けられている。流量センサ5としては、例えば、熱式流量方式を用いた流量センサが挙げられる。なお、排気ガスの流量を検出できれば、流量センサ5の方式については、特に限定されない。 The flow rate sensor 5 is a sensor for detecting the flow rate of the exhaust gas that moves through the exhaust passage U, and is provided in the exhaust passage U upstream of the filter device 2 (internal combustion engine side). Examples of the flow sensor 5 include a flow sensor using a thermal flow method. Note that the method of the flow sensor 5 is not particularly limited as long as the flow rate of the exhaust gas can be detected.
流量算出部6は、流量センサ5により検出された情報に基づいて、排気通路Uを移動する排気ガスの流量を算出する。流量算出部6は、算出した排気ガスの流量を、制御部8へ出力する。
The flow
なお、流量センサ5および流量算出部6が、本発明に係る流量検出装置の一実施形態となる。
The flow rate sensor 5 and the flow
ECU7は、内燃機関における点火系と燃焼系とを制御するコントローラである。例えば、ECU7は、後述する制御部8からの指示によって、内燃機関の回転数を低下あるいは上昇させ、または内燃機関の点火時期等を制御する。すなわち、ECU7は、内燃機関における点火系と燃焼系とを制御することにより、排気ガス中に含まれる粒子状物質の数を制御することができる。
The
制御部8は、流量算出部6により算出された排気ガスの流量と、堆積量算出部4により算出された粒子状物質の堆積量とに基づいて、単位時間当たりに移動した排気ガス中に、フィルタ装置2で捕集できなかった粒子状物質がどのくらい含まれていたかを示す捕集不可量を算出する。制御部8は、算出した捕集不可量に基づいて、ECU7に対して指示する。例えば、制御部8は、算出した捕集不可量が閾値以上であれば、排気ガス中に含まれる粒子状物質の数が減少するように、ECU7に対して指示する。なお、制御部8は、ECU7に対して指示することなく、算出した捕集不可量を、単にディスプレイに表示するようにしてもよい。
Based on the flow rate of the exhaust gas calculated by the flow
以上のように、本実施形態に係る堆積量検出装置は、上記従来の堆積量検出装置と比較して、検出感度を向上することができる。 As described above, the deposition amount detection device according to the present embodiment can improve the detection sensitivity as compared with the conventional deposition amount detection device.
なお、上述した実施形態は、本発明の実施形態の一具体例を示すものであり、種々の変更が可能である。以下、いくつかの主な変更例を示す。 The above-described embodiment shows a specific example of the embodiment of the present invention, and various modifications can be made. The following are some major changes.
[変更例1]
上述した実施形態では、積層体31の第2層312に形成された複数の気孔の全てが、閉気孔Cである場合について説明したが、これに限定されない。すなわち、積層体31の第2層312に形成される複数の気孔のうち一部の気孔は、開気孔であってもよい。但し、積層体31の第2層312に開気孔を形成した場合、この開気孔を通じて粒子状物質が第1電極32aおよび第2電極32bに付着し、第1電極32aおよび第2電極32bが腐食してしまう可能性がある。このため、積層体31の第2層312に開気孔を形成する場合には、第1電極32aおよび第2電極32bは、耐腐食性の高い、例えば、金または白金等の金属材料を用いて構成することが必要である。
[Modification 1]
In the above-described embodiment, the case where all of the plurality of pores formed in the
逆に言えば、上述した実施形態のように、積層体31の第2層312に形成される複数の気孔の全てが閉気孔Cである場合には、第1電極32aおよび第2電極32bの構成材料として、耐腐食性の高い材料を選択する必要がなく、材料選定の自由度が向上する。
In other words, when all of the plurality of pores formed in the
[変更例2]
上述した実施形態では、積層体31の第2層312の誘電率を、積層体31の第1層311の誘電率よりも低くするために、積層体31の第2層312に複数の閉気孔Cを形成する例について説明したが、これに限定されない。すなわち、積層体31の第2層312に、積層体31の誘電率よりも低い誘電率を有する材料からなる物質を複数含有させてもよい。つまり、積層体31の第2層312には、積層体31の第1層311の誘電率と同じ誘電率を有する第1物質と、当該第1物質内に含有されており、かつ積層体31の第1層311の誘電率よりも低い誘電率を有する第2物質とを有している。積層体31の誘電率よりも低い誘電率を有する材料としては、例えば、二酸化ケイ素(SiO2)、高耐熱エポキシ樹脂等が挙げられる。
[Modification 2]
In the embodiment described above, a plurality of closed pores are formed in the
[変更例3]
上述した実施形態では、積層体31の第2層312の誘電率を、積層体31の第1層311の誘電率よりも低くするために、積層体31の第2層312に複数の閉気孔Cを形成する例について説明したが、これに限定されない。すなわち、図6に示すように、積層体31の第2層312に、中空Sを形成してもよい。ここで、この中空Sは、第1電極32aおよび第2電極32bを個別に覆うように形成されている。すなわち、誘電率がほぼ「1」である空気が中空Sとして積層体31の第2層312に形成されているため、上述の実施形態と同様、積層体31の第2層312の誘電率を、積層体31の第1層311の誘電率よりも低くすることができる。
[Modification 3]
In the embodiment described above, a plurality of closed pores are formed in the
[変更例4]
なお、排気ガス中に含まれる粒子状物質に静電気を付与するとともに、積層体31の第1層311に静電気吸着部材を設けることにより、積層体31の主面31aに粒子状物質が容易に堆積されるようにしてもよい。例えば、粒子状物質にマイナスの電荷を付与するとともに、積層体31の第1層311にプラスの静電気吸着部材を設ければ、積層体31の主面31aには粒子状物質が堆積され易くなる。
[Modification 4]
In addition, while applying static electricity to the particulate matter contained in the exhaust gas, and providing the electrostatic adsorption member on the
1 検出システム
2 フィルタ装置
3 堆積量検知センサ
31 積層体
31a 主面
311 積層体の第1層
312 積層体の第2層
32a 第1電極
32b 第2電極
33 発熱体
4 堆積量算出部
5 流量センサ
6 流量算出部
8 制御部
U 排気通路
C 閉気孔
S 中空
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記積層体に埋設された一対の電極と、
前記排気ガス中に含まれる粒子状物質が前記積層体の主面に堆積された堆積量を、前記一対の電極間の静電容量の変化に基づいて算出する堆積量算出部と、を備え、
前記積層体は、第1層と、前記第1層に積層された第2層とを少なくとも有し、
前記一対の電極は、平面視において互いに対向するように前記積層体の第1層上に設けられており、かつ前記積層体の第2層で覆われており、
前記積層体の第2層の誘電率は、前記積層体の第1層の誘電率よりも低いことを特徴とする堆積量検出装置。 A laminated body provided in an exhaust passage through which exhaust gas of the internal combustion engine moves, and having a main surface;
A pair of electrodes embedded in the laminate;
A deposition amount calculation unit that calculates a deposition amount in which particulate matter contained in the exhaust gas is deposited on the main surface of the laminate based on a change in capacitance between the pair of electrodes;
The laminate has at least a first layer and a second layer laminated on the first layer,
The pair of electrodes are provided on the first layer of the laminate so as to face each other in plan view, and are covered with the second layer of the laminate,
The deposition amount detection apparatus according to claim 1, wherein a dielectric constant of the second layer of the multilayer body is lower than a dielectric constant of the first layer of the multilayer body.
前記電極は、金または白金からなる、請求項2に記載の堆積量検出装置。 Some of the plurality of pores formed in the second layer of the laminate are open pores,
The deposition amount detection device according to claim 2, wherein the electrode is made of gold or platinum.
前記積層体は、前記第1層と前記第2層とが同時に焼成されることによって構成される、請求項1〜8のいずれか一項に記載の堆積量検出装置。 The laminate is made of a ceramic material,
The deposition amount detection device according to claim 1, wherein the stacked body is configured by simultaneously firing the first layer and the second layer.
前記フィルタ装置で捕集できなかった粒子状物質の堆積量を検出する、請求項1〜9のいずれか一項に記載の堆積量検出装置と、を備えた検出システム。 A filter device that is provided in the exhaust passage and collects particulate matter contained in the exhaust gas;
The detection system provided with the deposition amount detection apparatus as described in any one of Claims 1-9 which detects the deposition amount of the particulate matter which could not be collected with the said filter apparatus.
前記流量検出装置により検出された排気ガスの流量と、前記堆積量検出装置により検出された粒子状物質の堆積量とに基づいて、単位時間当たりに移動した前記排気ガス中に、前記フィルタ装置で捕集できなかった粒子状物質がどのくらい含まれていたかを示す捕集不可量を算出する制御装置と、をさらに備えた請求項10に記載の検出システム。 A flow rate detection device for detecting a flow rate of exhaust gas moving in the exhaust passage;
Based on the flow rate of the exhaust gas detected by the flow rate detection device and the deposition amount of the particulate matter detected by the deposition amount detection device, in the exhaust gas moved per unit time, the filter device The detection system according to claim 10, further comprising a control device that calculates an uncollectable amount indicating how much particulate matter that could not be collected was contained.
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