JP2012093292A - 粒子状物質検出素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】一対の電極間に堆積する粒子状物質の量によって変化する電気的特性を検出して被測定ガス中に含まれる粒子状物質の量を検出する粒子状物質検出素子の不感時間の安定化を図り、信頼性の高い粒子状物質検出素子を提供する。
【解決手段】絶縁性耐熱材料を用いて検出部１１の所定の範囲を遮蔽層形成領域として覆う電界強度不均一領域遮蔽層１３０を設け、電界強度不均一領域遮蔽層１３０が、電気的特性を検出すべく検出電極１１０、１２０間に電圧を印加したときに検出部１１に形成される電界強度の均一な領域を被測定ガスに露出させ、電界強度の不均一な領域を被測定ガスから隔絶せしめる。
【選択図】図１
【解決手段】絶縁性耐熱材料を用いて検出部１１の所定の範囲を遮蔽層形成領域として覆う電界強度不均一領域遮蔽層１３０を設け、電界強度不均一領域遮蔽層１３０が、電気的特性を検出すべく検出電極１１０、１２０間に電圧を印加したときに検出部１１に形成される電界強度の均一な領域を被測定ガスに露出させ、電界強度の不均一な領域を被測定ガスから隔絶せしめる。
【選択図】図１
Description
本発明は、例えば、車両用内燃機関の排気浄化システムに好適に利用されて、被測定ガスとなる排出ガス中に存在する粒子状物質を検出する粒子状物質検出素子に関する。
自動車用ディーゼルエンジン等において、排気ガスに含まれる環境汚染物質、特に煤粒子（Ｓｏｏｔ）及び可溶性有機成分（ＳＯＦ）を主体とする粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ；以下、適宜ＰＭと称する）を捕集するために、排気通路にディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、適宜ＤＰＦと称する）を設置することが行われている。ＤＰＦは、耐熱性に優れる多孔質セラミックスからなり、多数の細孔を有する隔壁に排気ガスを通過させてＰＭを捕捉する。
ＤＰＦは、ＰＭ捕集量が許容量を超えると、目詰まりが生じて圧力損失が増大したり、ＰＭのすり抜けが増加したりする虞があり、定期的に再生処理を行って捕集能力を回復させている。
ＤＰＦの再生時期は、一般的には、ＰＭ捕集量の増加により前後差圧が増大することを利用して決定されている。このため、ＤＰＦの上流及び下流の圧力差を検出する差圧センサが設置される。再生処理は、ヒータ加熱あるいはポスト噴射等により高温の燃焼排気をＤＰＦ内に導入し、ＰＭを燃焼除去することによって行われる。
一方、燃焼排気中のＰＭを直接検出可能な粒子状物質検出センサ（以下、適宜、ＰＭセンサと称する。）について種々提案されている。このＰＭセンサを、例えばＤＰＦの下流に設置して、ＤＰＦをすり抜けるＰＭ量を測定し、車載式故障診断装置（ＯＢＤ；Ｏｎ Ｂｏａｒｄ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ）において、ＤＰＦの作動状態の監視、例えば亀裂や破損といった異常の検出に利用することができる。
あるいはＤＰＦの上流に設置して、ＤＰＦに流入するＰＭ量を測定し、差圧センサに代わる再生時期の判断に利用することも検討されている。
このようなＰＭセンサの基本的な構成として、特許文献１には、絶縁性を有する基板の表面に、一対の導電性電極を形成し、基板の裏面又は内部に発熱体を形成した電気抵抗式のスモークセンサが開示されている。
このセンサは、スモーク（微粒炭素）が導電性を有することを利用したもので、検出部となる電極間に、スモークが堆積することで生じる抵抗値の変化を検出する。
発熱体は、検出部を所望の温度（例えば、４００℃〜６００℃）に加熱し、電極間抵抗を測定した後に、付着したスモークを焼き切って検出能力を回復させる。
このセンサは、スモーク（微粒炭素）が導電性を有することを利用したもので、検出部となる電極間に、スモークが堆積することで生じる抵抗値の変化を検出する。
発熱体は、検出部を所望の温度（例えば、４００℃〜６００℃）に加熱し、電極間抵抗を測定した後に、付着したスモークを焼き切って検出能力を回復させる。
また、この種のＰＭセンサでは、検出部以外の表面へのＰＭの堆積による導電経路の形成に伴う誤作動を防止すべく、検出部を除く基板の表面を、気密な絶縁物質によって被覆して絶縁保護している（特許文献１図１等）。
さらに、この種のＰＭセンサにおいては、検出電極間に一定量以上のＰＭが堆積するまでは、検出電極間の抵抗が極めて大きく、出力が検出されない不感時間(質量)が存在することが知られている。
特許文献２には、櫛歯状に形成された検出電極間に印加する電圧を可変とし、測定開始初期には高い電圧の印加により検出電極間の電界強度を高くし、ＰＭの堆積速度を促進させ、不感時間の短縮を図り、不感時間経過後には低い電圧の印加により、検出電極間の電界強度を低くしてＰＭの堆積速度を低下させて、再生処理を必要とするまでの期間の延長を図っている。
ところが、検出電極間に高電圧を印加することによりＰＭ堆積速度の促進を図ろうとする場合、対向する一対の検出電極が特許文献２にあるような櫛歯状に形成されている場合、検出電極の先端部は電界集中により電界強度が高くなり、リード部に直交するように接続された検出電極の根本部は電界強度が低くなり、検出電極間に電界強度が不均一となる部分が存在する。
このように電界強度に不均一な部分が存在すると、ＰＭの堆積速度が一定とならず、不感質量にバラツキを生じることが判明した。特に、特許文献２にあるように、印加電圧を高くしてＰＭの堆積量の増加を図ろうとした場合に、このような電界強度の分布が生じていると、電界強度の高い部分にＰＭが堆積し易く、電界強度の低い部分との堆積量の差が拡大され、不感質量のバラツキが大きくなる虞がある。
不感質量のバラツキが大きいと、その後の出力結果にも影響するためセンサとしての信頼性が損なわれる。
不感質量のバラツキが大きいと、その後の出力結果にも影響するためセンサとしての信頼性が損なわれる。
そこで、本発明は、係る実情に鑑み、一対の電極間に堆積する粒子状物質の量によって変化する電気的特性を検出して被測定ガス中に含まれる粒子状物質の量を検出する粒子状物質検出素子の不感時間の安定化を図り、信頼性の高い粒子状物質検出素子を提供することを目的とする。
第１の発明は、被測定ガス中に配設される絶縁性基体の表面に所定の間隙を隔てて対向する一対の検出電極によって検出部を設け、該検出部に堆積する粒子状物質の量によって変化する電気的特性を検出して被測定ガス中の粒子状物質を検出する粒子状物質検出素子であって、絶縁性耐熱材料を用いて上記検出部の所定の範囲を遮蔽層形成領域として覆う電界強度不均一領域遮蔽層を設け、該電界強度不均一領域遮蔽層が、上記電気的特性を検出すべく上記検出電極間に電圧を印加したときに上記検出部に形成される電界強度の均一な領域を被測定ガスに露出させ、電界強度の不均一な領域を被測定ガスから隔絶せしめたことを特徴とする（請求項２）。
第２の発明では、上記電界強度不均一領域が、上記検出電極の長辺部を基準線として一対の上記検出電極間に電圧を印加したときに形成される電界の等電位線と上記基準線とが略平行となる範囲を除く領域である（請求項２）。
より具体的には、第３の発明のように、上記電界強度不均一領域が、上記基準線と上記等電位線とのなす角度が±３°を超える領域である（請求項３）。
本発明によれば、電界強度の不均一な領域に粒子状物質が堆積せず、上記遮蔽層開口部から露出した電界強度均一領域にのみ粒子状物質が堆積するため、局所的な粒子状物質の偏在が抑制され、不感時間が一定となり、検出出力の安定化を図ることができる。
例えば、それぞれの検出電極の幅を１５０μｍ,対向する検出電極間の距離を５０μm、一方の検出電極先端部から他方の検出電極リード部までの距離を５０μmとしたとき、上記遮蔽層によって覆う領域は、少なくとも、検出電極の先端から５０μｍ、即ち、一方の検出電極先端部から他方の検出電極リード部までの距離と同等の距離、又は、それ以上とするのが望ましい。
例えば、それぞれの検出電極の幅を１５０μｍ,対向する検出電極間の距離を５０μm、一方の検出電極先端部から他方の検出電極リード部までの距離を５０μmとしたとき、上記遮蔽層によって覆う領域は、少なくとも、検出電極の先端から５０μｍ、即ち、一方の検出電極先端部から他方の検出電極リード部までの距離と同等の距離、又は、それ以上とするのが望ましい。
本発明の粒子状物質検出素子１０は、内燃機関の排気浄化装置に適用されて、被測定ガス中に配設される検出部１１に堆積する粒子状物質の量によって変化する電気抵抗や静電容量等の電気的特性を検出して、被測定ガス中に含まれる粒子状物質の検出に好適に利用されるものである。具体的には、ＤＰＦの下流に設置されて、ＤＰＦの異常検出に利用することができる。あるいは、ＤＰＦの上流に設置されて、ＤＰＦに流入する粒子状物質ＰＭを直接検出するシステムに利用することもできる。
本発明の粒子状物質検出素子１０は、検出部１１に形成される電界強度が均一な部分のみが被測定ガスに晒されているので粒子状物質の堆積に偏りが生じ難くなり、不感質量の安定化を図り、信頼性の高い粒子状物質の検出を実現することができるものである。
本発明の粒子状物質検出素子１０は、検出部１１に形成される電界強度が均一な部分のみが被測定ガスに晒されているので粒子状物質の堆積に偏りが生じ難くなり、不感質量の安定化を図り、信頼性の高い粒子状物質の検出を実現することができるものである。
図１を参照して、本発明の第１の実施形態における粒子状物質検出素子１０の概要について説明する。
本図（ａ）に粒子状物質検出素子１０は、検出部１１と保護層１３とヒータ部１４とが積層されて一体に形成されている。
本図（ａ）に粒子状物質検出素子１０は、検出部１１と保護層１３とヒータ部１４とが積層されて一体に形成されている。
検出部１１は、略平板状の絶縁性基体１００と、その表面に形成された一対の検出電極１１０、１２０とによって構成されている。
絶縁性基体１００は、アルミナ、チタニア、ジルコニア、スピネル等の酸化物セラミックス、又は、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化硅素等の非酸化物セラミックス等の絶縁性耐熱材料を用いてドクターブレード法等の公知の方法により略平板状に形成されている。検出電極１１０、１２０は、Ｐｔ等の導電性材料を用いて、厚膜印刷、メッキ、蒸着等の公知の方法により形成されている。
本実施形態においては、検出電極１１０と検出電極１２０とは、それぞれ、外部に設けられた図略の検出回路部との導通を図る検出電極リード部１１１、１２１及び検出電極端子部１１２、１２２に接続されており、検出電極リード部１１１、１２１に直交するように並んだ複数の検出電極１１０と検出電極１２０とが交互に対向するように櫛歯状に形成されている。
絶縁性基体１００は、アルミナ、チタニア、ジルコニア、スピネル等の酸化物セラミックス、又は、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化硅素等の非酸化物セラミックス等の絶縁性耐熱材料を用いてドクターブレード法等の公知の方法により略平板状に形成されている。検出電極１１０、１２０は、Ｐｔ等の導電性材料を用いて、厚膜印刷、メッキ、蒸着等の公知の方法により形成されている。
本実施形態においては、検出電極１１０と検出電極１２０とは、それぞれ、外部に設けられた図略の検出回路部との導通を図る検出電極リード部１１１、１２１及び検出電極端子部１１２、１２２に接続されており、検出電極リード部１１１、１２１に直交するように並んだ複数の検出電極１１０と検出電極１２０とが交互に対向するように櫛歯状に形成されている。
保護層１３は、検出部１１の表面側に積層して形成され、本発明の要部である電界強度不均一領域遮蔽層１３０と、遮蔽層開口部１３１と、従来からある検出電極リード部１１１、１２１を絶縁保護する絶縁保護層１３２とによって構成されている。
電界強度不均一領域遮蔽層１３０は、検出部１１の所定の範囲を遮蔽層形成領域として覆っている。
電界強度不均一領域遮蔽層１３０は、検出部１１の所定の範囲を遮蔽層形成領域として覆っている。
電界強度不均一領域遮蔽層１３０はアルミナ、チタニア、ジルコニア、スピネル等の酸化物セラミックス、又は、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化硅素等の非酸化物セラミックス、若しくは、耐熱性ガラス等の耐熱性絶縁材料を用いて、ドクターブレード法、厚膜印刷、ＣＩＰ、ＨＩＰ等の公知の方法によって略平板状に形成されている。
具体的な蔽層形成領域は、検出電極１１０、１２０の先端部及び検出電極リード部１１１、１２１との接続部を含み、検出電極１１０、１２０間に形成される電界の等電位線が、検出電極１１０、１２０の長手方向の側縁に対して略平行となる領域である。
さらに具体的には、検出電極１１０、１２０の長手方向の側縁を基準線としたときに、検出電極１１０、１２０間に形成される電界の等電位線のなす角度が、基準線に対して±３°を超える範囲を蔽層形成領域とする。
より具体的には、例えば、それぞれの検出電極１１０、１２０及び検出電極リード部１１１、１２１の幅を１５０μｍとし、対向する検出電極１１０、１２０間の距離Ｄを５０μｍとし、一方の検出電極１１０、１２０の先端縁から他方の検出電極リード部１２１、１１１の側端縁までの距離を５０μｍとしたとき、電界強度不均一領域遮蔽層１３０によって覆う領域は、少なくとも、検出電極１１０、１２０の先端縁から５０μｍ、即ち、一方の検出電極１１０、１２０の先端縁から対向する他方の検出電極リード部１２１、１１１の側端縁までの距離Ｄと同等の距離、即ち、少なくとも５０μｍ、又は、検出電極リード部を含めて２００μｍ以上とするのが望ましい。
さらに、検出電極１１０、１２０の先端縁から、例えば、５μｍ程度の範囲でそれぞれの検出電極１１０、１２０の一部を覆うようにしても良い。
より具体的には、例えば、それぞれの検出電極１１０、１２０及び検出電極リード部１１１、１２１の幅を１５０μｍとし、対向する検出電極１１０、１２０間の距離Ｄを５０μｍとし、一方の検出電極１１０、１２０の先端縁から他方の検出電極リード部１２１、１１１の側端縁までの距離を５０μｍとしたとき、電界強度不均一領域遮蔽層１３０によって覆う領域は、少なくとも、検出電極１１０、１２０の先端縁から５０μｍ、即ち、一方の検出電極１１０、１２０の先端縁から対向する他方の検出電極リード部１２１、１１１の側端縁までの距離Ｄと同等の距離、即ち、少なくとも５０μｍ、又は、検出電極リード部を含めて２００μｍ以上とするのが望ましい。
さらに、検出電極１１０、１２０の先端縁から、例えば、５μｍ程度の範囲でそれぞれの検出電極１１０、１２０の一部を覆うようにしても良い。
電界強度不均一領域遮蔽層１３０には、遮蔽層開口部１３１が形成され、電気的特性を検出すべく検出電極１１０、１２０間に電圧を印加したときに検出部１１に形成される電界強度の均一な領域を被測定ガスに露出させ、電界強度の不均一な領域を被測定ガスから隔絶せしめている。
したがって、所定の開口幅Ｗ及び開口長Ｌで形成された遮蔽層開口部１３１からは、本図（ｂ）に示すように、複数の検出電極１１０、１２０の直線部分が平行に並んだ領域が被測定ガスに対して露出している。
したがって、所定の開口幅Ｗ及び開口長Ｌで形成された遮蔽層開口部１３１からは、本図（ｂ）に示すように、複数の検出電極１１０、１２０の直線部分が平行に並んだ領域が被測定ガスに対して露出している。
さらに、本図（ｃ）に示すように、遮蔽層形成領域においては、電界強度不均一領域遮蔽層１３０によって、検出電極１１０、１２０の表面が覆われているだけでなく、検出電極１１０、１２０間にも電界強度不均一領域遮蔽層１３０が介在しており、検出電極１１０の先端部と検出電極リード部１２１との間、又は、検出電極１２０の先端部と検出電極リード部１１１との間の絶縁性が確保されている。
検出部１１の裏面側に積層してヒータ部１４が設けられている。
ヒータ部１４は、絶縁性基体１０１の表面又は内部に形成された発熱体１４０と発熱体１４０と外部の通電制御装置とを接続する一対の発熱体リード部１４１ａ、１４１ｂ、スルーホール電極１４２ａ、１４２ｂ、発熱体端子部１４３ａ、１４３ｂとによって構成されている。
発熱体１４０には、Ｐｔ、Ｗ、ＭｏＳｉ２、ＷＣ等の通電により発熱する導電性セラミックが用いられ、ドクターブレード法、ＣＩＰ、ＨＩＰ、厚膜印刷等の公知の方法により形成されている。
ヒータ部１４は、絶縁性基体１０１の表面又は内部に形成された発熱体１４０と発熱体１４０と外部の通電制御装置とを接続する一対の発熱体リード部１４１ａ、１４１ｂ、スルーホール電極１４２ａ、１４２ｂ、発熱体端子部１４３ａ、１４３ｂとによって構成されている。
発熱体１４０には、Ｐｔ、Ｗ、ＭｏＳｉ２、ＷＣ等の通電により発熱する導電性セラミックが用いられ、ドクターブレード法、ＣＩＰ、ＨＩＰ、厚膜印刷等の公知の方法により形成されている。
図２から図４を参照して本発明の原理について説明する。
粒子状物質検出素子１０の検出電極１１０、１２０間に検出電極１１０を正極とし、検出電極１２０を接地電極として電圧＋Ｖ（例えば３０Ｖ）を印加すると、検出電極１１０、１２０間に電界が形成される。
このとき、図２に示すように、検出電極１１０、１２０の長手方向に伸びる長辺部が平行に並んで対向する部分では、検出電極１１０の長辺を基準線としたとき、等電位線が基準線に対して略平行となるように電位が変化し、電気力線は検出電極１１０から検出電極１２０に対して略直交する方向に示すことができる。
粒子状物質検出素子１０の検出電極１１０、１２０間に検出電極１１０を正極とし、検出電極１２０を接地電極として電圧＋Ｖ（例えば３０Ｖ）を印加すると、検出電極１１０、１２０間に電界が形成される。
このとき、図２に示すように、検出電極１１０、１２０の長手方向に伸びる長辺部が平行に並んで対向する部分では、検出電極１１０の長辺を基準線としたとき、等電位線が基準線に対して略平行となるように電位が変化し、電気力線は検出電極１１０から検出電極１２０に対して略直交する方向に示すことができる。
しかし、一方の検出電極１１０、１２０の先端部は、互いに、他方の検出電極１２０、１１０の根本部と検出電極リード部１２１、１１１とによって略コ字によって取り囲まれている。
このため、一方の検出電極１１０、１２０の先端とその周囲を略コ字型に取り囲む他方の検出電極１２０、１１０及び検出電極リード部１２１、１１１との間に形成される等電位線は湾曲し、電気力線は、略扇状に広がるように、又は、逆扇状に収束するように形成される。
このため、一方の検出電極１１０、１２０の先端とその周囲を略コ字型に取り囲む他方の検出電極１２０、１１０及び検出電極リード部１２１、１１１との間に形成される等電位線は湾曲し、電気力線は、略扇状に広がるように、又は、逆扇状に収束するように形成される。
このため、図３に示すように、検出電極１１０、１２０の先端部に電界集中が起こりその近傍の電界強度が高くなり、検出電極１１０、１２０と検出リード部１１１、１２１とが接続する検出電極１１０、１２０の根本部は電界強度が低くなる。
本図に示すように、電界強度均一領域は、検出電極１１０、１２０の長辺部分が平行に並んで対向する部分の一定の範囲に限られ、検出電極１１０、１２０の先端部周辺に電界強度が不均一となる領域が形成されることが分かる。
本発明においては、この電界強度が不均一となる領域を遮蔽層形成領域として、絶縁性耐熱材料を用いて電界強度不均一領域遮蔽層１３０を形成してある。
なお、図２、３は、二次元ラプラス方程式（∂２Ｕ／∂ｘ２＋∂２Ｕ／∂ｙ２＝０）を差分法により解いたシミュレーション結果に基づくものである。
本図に示すように、電界強度均一領域は、検出電極１１０、１２０の長辺部分が平行に並んで対向する部分の一定の範囲に限られ、検出電極１１０、１２０の先端部周辺に電界強度が不均一となる領域が形成されることが分かる。
本発明においては、この電界強度が不均一となる領域を遮蔽層形成領域として、絶縁性耐熱材料を用いて電界強度不均一領域遮蔽層１３０を形成してある。
なお、図２、３は、二次元ラプラス方程式（∂２Ｕ／∂ｘ２＋∂２Ｕ／∂ｙ２＝０）を差分法により解いたシミュレーション結果に基づくものである。
図４は、有限要素法によって解析した、電界解析図である。本図中Ａに示すように、検出電極１１０の長辺部と検出電極１２０の長辺部とが対向する位置は、電界が一様に形成され、電界ベクトルが検出電極１１０、１２０に対して略直交している。
一方、本図中Ｂに示すように、検出電極１１０の先端を検出電極１２０及び検出電極リード部１２１が略コ字型に取り囲む部分では、電界ベクトルが放射線状に広がっていることが分かる。
一方、本図中Ｂに示すように、検出電極１１０の先端を検出電極１２０及び検出電極リード部１２１が略コ字型に取り囲む部分では、電界ベクトルが放射線状に広がっていることが分かる。
図５及び表１を参照して、本発明の効果について説明する。図５は、本発明の効果を確認すべく比較例と共に行った試験結果を示す特性図である。
本発明の電界強度不均一領域遮蔽層を形成していない粒子状物質検出素子を用いた試験結果を比較例１とし、基準線に対して等電位線のなす角度が７°以上、又は、−７°以下となる範囲に電界強度不均一領域遮蔽層を形成した粒子状物質検出素子を用いた試験結果を電比較例２とし、基準線に対して等電位線のなす角度が３°以上、又は、−３°以下となる範囲に電界強度不均一領域遮蔽層を形成した粒子状物質検出素子を用いた試験結果を実施例１として示す。
本発明の電界強度不均一領域遮蔽層を形成していない粒子状物質検出素子を用いた試験結果を比較例１とし、基準線に対して等電位線のなす角度が７°以上、又は、−７°以下となる範囲に電界強度不均一領域遮蔽層を形成した粒子状物質検出素子を用いた試験結果を電比較例２とし、基準線に対して等電位線のなす角度が３°以上、又は、−３°以下となる範囲に電界強度不均一領域遮蔽層を形成した粒子状物質検出素子を用いた試験結果を実施例１として示す。
評価環境としてエンジンベンチを用い、定常走行において、酸化触媒後方１２０ｃｍの位置に本発明の粒子状物質検出素子及び比較例として上述の検出素子を載置し、被測定ガス中のＰＭ濃度を０．４ｍｇ／ｓとしてセンサ出力の経時変化を測定し、その結果について横軸をＰＭ総排出量（ｍｇ）縦軸をセンサ出力（Ｖ）として図５に示す。
計測開始からセンサ出力の検出限界である０．０１Ｖ以上の出力の立ち上がりが得られるまでの不感時間から不感質量を算出し、その平均値（Ｘバー）と標準偏差（σＸ）を算出し、変動係数ＣＶＸ(σＸ／Ｘバー×１００)（％）を不感質量検出バラツキとし、一定のＰＭ総排出量経過時におけるセンサ出力の平均値（Ｖバー）と標準偏差（σＶ）を算出し、変動係数ＣＶＶ（σＶ／Ｖバー×１００）（％）を出力バラツキとし、その結果を表１に示す。
表１及び図５に示すように、比較例１では、不感質量の検出バラツキＣＶＸが５％以上あり、被測定ガス中に一定のＰＭ総排出量（例えば、１００ｍｇ)が排出された一定ＰＭ総排出量経過時におけるセンサの出力バラツキＣＶＶは１０％以上と大きく、判定結果として×印を付した。
一方、比較例２では、比較例１に比べて改善されているが、不感質量の検出バラツキＣＶＸが３％〜５％程度あり、一定ＰＭ総排出量経過時におけるセンサの出力バラツキＣＶＶも５〜１０％と、改善は見られるものの依然大きく、判定結果として○印を付した。
本発明の実施例１では、不感質量の検出バラツキＣＶＸは３％以内で、一定ＰＭ総排出量経過時におけるセンサの出力バラツキＣＶＶは、５％以内となり、判定結果として◎印を付した。以上のように本発明効果が確認された。
一方、比較例２では、比較例１に比べて改善されているが、不感質量の検出バラツキＣＶＸが３％〜５％程度あり、一定ＰＭ総排出量経過時におけるセンサの出力バラツキＣＶＶも５〜１０％と、改善は見られるものの依然大きく、判定結果として○印を付した。
本発明の実施例１では、不感質量の検出バラツキＣＶＸは３％以内で、一定ＰＭ総排出量経過時におけるセンサの出力バラツキＣＶＶは、５％以内となり、判定結果として◎印を付した。以上のように本発明効果が確認された。
図６を参照して本発明の第１の実施形態における粒子状物質検出素子１０とその変形例における電界強度分布の解析結果について説明する。なお、図６（ａ）から（ｆ）に、各実施形態における電界強度均一領域の電界強度レベルを△印で示した。
検出電極１１０の長辺部と検出電極１２０の長辺部との間隙をＤとし、検出電極１１０、１２０の先端部から検出電極リード部１２１、１１１までの間隙を同じくＤに形成した場合、本図（ａ）に示すように、検出電極１１０、１２０の先端部周辺の電界が不均一となり、平行に対向する検出電極１１０、１２０間の電界強度がＷの幅で均一となる。
検出電極１１０の長辺部と検出電極１２０の長辺部との間隙をＤとし、検出電極１１０、１２０の先端部から検出電極リード部１２１、１１１までの間隙を同じくＤに形成した場合、本図（ａ）に示すように、検出電極１１０、１２０の先端部周辺の電界が不均一となり、平行に対向する検出電極１１０、１２０間の電界強度がＷの幅で均一となる。
本図（ｂ）に示す変形例１０ａでは、検出電極１１０ａ、１２０ａの先端部から検出電極リード部１１１、１２１までの距離を長辺部の間隙Ｄの２倍に形成してある。
このような構成としたときには、長辺部における電界強度が均一となる領域Ｗａは、本図(ａ)の場合に比べ、狭くなるが、検出電極１１０、１２０の先端部での電界集中が抑制されるので、相対的に電界均一領域Ｗａにおいける電界強度は、本図（ａ）の場合よりも高くなる。
したがって、本実施形態のような構成とすれば、上記実施形態と同様に、不感質量検出バラツキを抑制する効果に加え、ＰＭの堆積速度の向上を図り、不感時間のさらなる短縮を図ることもできる。
このような構成としたときには、長辺部における電界強度が均一となる領域Ｗａは、本図(ａ)の場合に比べ、狭くなるが、検出電極１１０、１２０の先端部での電界集中が抑制されるので、相対的に電界均一領域Ｗａにおいける電界強度は、本図（ａ）の場合よりも高くなる。
したがって、本実施形態のような構成とすれば、上記実施形態と同様に、不感質量検出バラツキを抑制する効果に加え、ＰＭの堆積速度の向上を図り、不感時間のさらなる短縮を図ることもできる。
また、本図（ｃ）に示す変形例１０ｂでは、検出電極１１０ａ、１２０ａの先端部から検出電極リード部１１１、１２１までの距離を長辺部の間隙Ｄの２分の１に形成してある。
このような構成とした場合には、検出電極１１０ｂ、１２０ｂの先端部近傍の電界強度がさらに高くなり、長辺部の電界強度均一領域Ｗｂにおける電界強度は相対的に低くなる。
しかし、本発明によれば、検出電極１１０ｂ、１２０ｂの先端部と検出リード部１２１、１１１との間が、電界強度不均一領域遮蔽層１３０によって絶縁されているので、この間で短絡する虞がない。
また、電界強度の高い部分は、電界強度不均一領域遮蔽層１３０によって覆われているので、ＰＭの局所的な堆積を防ぐことができ、上記実施形態と同様の効果が発揮される。
さらに、電界強度均一領域Ｗｂの幅は、本図（ａ）の場合よりも広くなり、電界強度均一領域Ｗｂにおける電界強度は低下するので、再生が必要となるまでの時間を長くすることができる。
このような構成とした場合には、検出電極１１０ｂ、１２０ｂの先端部近傍の電界強度がさらに高くなり、長辺部の電界強度均一領域Ｗｂにおける電界強度は相対的に低くなる。
しかし、本発明によれば、検出電極１１０ｂ、１２０ｂの先端部と検出リード部１２１、１１１との間が、電界強度不均一領域遮蔽層１３０によって絶縁されているので、この間で短絡する虞がない。
また、電界強度の高い部分は、電界強度不均一領域遮蔽層１３０によって覆われているので、ＰＭの局所的な堆積を防ぐことができ、上記実施形態と同様の効果が発揮される。
さらに、電界強度均一領域Ｗｂの幅は、本図（ａ）の場合よりも広くなり、電界強度均一領域Ｗｂにおける電界強度は低下するので、再生が必要となるまでの時間を長くすることができる。
さらに、本図（ｄ）に示す変形例１０ｃでは、検出電極１１０ｃ、１２０ｃの先端部及び検出電極１１０ｃ、１２０ｃが検出電極リード部１１１ｃ、１１２ｃに接続する根本部のそれぞれが、Ｒ形状としてある。
このような構成とすることにより、電界集中が抑制され、相対的に電界強度均一領域Ｗｃにおける電界強度は、本図（ａ）に示した場合よりも高くなり、上述の効果に加え、不感時間の短縮を図ることができる。
このような構成とすることにより、電界集中が抑制され、相対的に電界強度均一領域Ｗｃにおける電界強度は、本図（ａ）に示した場合よりも高くなり、上述の効果に加え、不感時間の短縮を図ることができる。
さらに、本図（ｅ）に示す変形例１０ｄでは、検出電極１１０ｄ、１２０ｄの先端部及び検出電極１１０ｄ、１２０ｄが検出電極リード部１１１ｄ、１１２ｄに接続する根本部のそれぞれが、Ｒ形状としてあるのに加え、検出電極１１０ｄ、１２０ｄの先端部から検出電極リード部１１１ｄ、１２１ｄまでの距離を長辺部の間隙Ｄの２倍に形成してある。
このような構成とすることにより、電界強度均一領域Ｗｄにおける電界強度がさらに高くなるので、本図（ａ）と同様の効果に加え、不感時間のさらなる短縮を図ることができる。
このような構成とすることにより、電界強度均一領域Ｗｄにおける電界強度がさらに高くなるので、本図（ａ）と同様の効果に加え、不感時間のさらなる短縮を図ることができる。
さらに、本図（ｆ）に示す変形例１０ｅでは、検出電極１１０ｅ、１２０ｅの先端部及び検出電極１１０ｅ、１２０ｅが検出電極リード部１１１ｅ、１１２ｅに接続する根本部のそれぞれが、Ｒ形状としてあるのに加え、検出電極１１０ｅ、１２０ｅの先端部から検出電極リード部１１１ｅ、１２１ｅまでの距離を長辺部の間隙Ｄの２分の１に形成してある。
このような構成とすることにより、Ｒ形状の負荷による電界強度均一領域Ｗｅにおける電界強度の上昇と先端部とリード部との距離の縮小による電界強度の低下とが相殺され、本図（ａ）の場合と同様の電界強度を維持しつつ、電界強度均一領域Ｗｅの範囲を拡大させることが可能となり、本図（ａ）と同様の効果に加え、再生を要するまでの時間を長くすることもできる。
このような構成とすることにより、Ｒ形状の負荷による電界強度均一領域Ｗｅにおける電界強度の上昇と先端部とリード部との距離の縮小による電界強度の低下とが相殺され、本図（ａ）の場合と同様の電界強度を維持しつつ、電界強度均一領域Ｗｅの範囲を拡大させることが可能となり、本図（ａ）と同様の効果に加え、再生を要するまでの時間を長くすることもできる。
さらに、本発明によれば、上記いずれの変形例においても、検出電極１１０、１１０ａ〜ｅ、１２０、１２０ａ〜ｅの先端部と検出電極リード部１２１、１２１ｃ〜ｅ、１１１、１１１ｃ〜ｅとの間に、電界強度不均一領域遮蔽層１３０が形成されているので、印加電圧を高くしたときに短絡する虞がなく、高い信頼性を維持できる。
一方、本発明によらず、検出電極の先端部と検出電極リード部との間が被測定ガスに対して露出している場合には、検出電極の長辺部間の距離と同じに設定しないと高電圧を印加した場合に、電界集中により短絡を起こしたり、電界集中部への局所的なＰＭの堆積を生じたりする虞があり、本願の課題とする不感時間の変動を抑制することができない。
一方、本発明によらず、検出電極の先端部と検出電極リード部との間が被測定ガスに対して露出している場合には、検出電極の長辺部間の距離と同じに設定しないと高電圧を印加した場合に、電界集中により短絡を起こしたり、電界集中部への局所的なＰＭの堆積を生じたりする虞があり、本願の課題とする不感時間の変動を抑制することができない。
加えて、通常この種の粒子状物質検出素子を保護すべくカバー体が設けられるが、本発明によれば、カバー体の形状によらず、不感時間の変動を抑制し、安定して検出部にＰＭを堆積させることができ、上述の如く、検出電極１１０、１２０の先端部と検出電極リード部１２１、１１１との距離や、先端部及び根元部の形状を変化させることによって電界強度均一領域の電界強度を調整できるので、検出素子として極めて自由度が高い。
図７、８を参照して本発明の第２の実施形態における粒子状物質検出素子１０ｆについて説明する。なお、上記実施形態と同様の構成については同じ符号を付したので説明を省略し、相違点についてのみ説明する。
上記実施形態においては、検出電極１１０、１２０を櫛歯状に形成した例を示したが本実施形態のように、一定間隙を隔てて対向し直線状に伸びる平行電極１１０ｆ、１２０ｆによって検出部１１ｆを形成しても良い。
上記実施形態においては、検出電極１１０、１２０を櫛歯状に形成した例を示したが本実施形態のように、一定間隙を隔てて対向し直線状に伸びる平行電極１１０ｆ、１２０ｆによって検出部１１ｆを形成しても良い。
このような構成においても、検出電極１１０ｆ、１２０ｆが屈曲し、電界集中し易い部分を、電界強度不均一領域遮蔽層１３０ｆによって覆うことにより、上記実施形態と同様に、遮蔽層開口部１３１ｆ内に形成される電界強度を均一にすることができる。
また、本実施形態においては、検出電極１１０ｆ、１２０ｆの一方の端部は、検出電極リード部１１１、１２１、検出電極端子部１１２、１２２を介して外部に設けられた図略の検出回路部に接続されるが、他方の端部には、受動素子１５が設けられている。
受動素子１５として、例えば、所定の静電容量を有するキャパシタ素子や、所定の電気抵抗を有する抵抗素子を用いることができる。
キャパシタ素子を用いた場合には、検出電極１１０、１２０間に堆積するＰＭによって形成される検出抵抗に対して並列に静電容量成分が接続されることとなり、検出電極１１０、１２０間に交流電流を印加し、粒子状物質検出素子１０ｆと検出回路部との間の断線検出を行うことも可能となる。
また、抵抗素子を用いた場合には、検出抵抗に対して並列な電気抵抗が接続されるので、相対的に検出抵抗を低下させ、不感時間のさらなる短縮を図ったり、検出部１１にＰＭが堆積していない状態でも導通状態となるので、粒子状物質検出素子１０ｆと検出回路部との間の断線検出を行ったりすることも可能となる。
本実施形態においても、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、遮蔽層開口部１３１ｆ内の電界強度を均一にすることが可能となり、局所的なＰＭの堆積を抑制し、不感質量及び、センサ出力の変動を抑制して信頼性の高い粒子状物質検出素子が実現できる。
また、本実施形態に示した変形例のように、屈曲部をＲ形状とすることにより電界集中を抑制し、検出電極１１０ｆ１２０ｆ間の電界強度を高くすることも可能となる。
受動素子１５として、例えば、所定の静電容量を有するキャパシタ素子や、所定の電気抵抗を有する抵抗素子を用いることができる。
キャパシタ素子を用いた場合には、検出電極１１０、１２０間に堆積するＰＭによって形成される検出抵抗に対して並列に静電容量成分が接続されることとなり、検出電極１１０、１２０間に交流電流を印加し、粒子状物質検出素子１０ｆと検出回路部との間の断線検出を行うことも可能となる。
また、抵抗素子を用いた場合には、検出抵抗に対して並列な電気抵抗が接続されるので、相対的に検出抵抗を低下させ、不感時間のさらなる短縮を図ったり、検出部１１にＰＭが堆積していない状態でも導通状態となるので、粒子状物質検出素子１０ｆと検出回路部との間の断線検出を行ったりすることも可能となる。
本実施形態においても、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、遮蔽層開口部１３１ｆ内の電界強度を均一にすることが可能となり、局所的なＰＭの堆積を抑制し、不感質量及び、センサ出力の変動を抑制して信頼性の高い粒子状物質検出素子が実現できる。
また、本実施形態に示した変形例のように、屈曲部をＲ形状とすることにより電界集中を抑制し、検出電極１１０ｆ１２０ｆ間の電界強度を高くすることも可能となる。
上記実施形態においては、検出部に堆積するＰＭによって変化する電気的特性として電気抵抗を検出するものを例として説明したが、本発明において、検出対象となる電気的特性は、電気抵抗に限らず、静電容量や、素子のインピーダンスを計測するものであっても良い。
この場合においても、本発明の検出電極間に形成される電界が不均一となる領域に電界強度不均一領域遮蔽層を形成することにより、検出部に堆積するＰＭの偏在化を抑制し、検出対象とする静電容量や素子インピーダンスの検出精度を向上させることが可能となる。
この場合においても、本発明の検出電極間に形成される電界が不均一となる領域に電界強度不均一領域遮蔽層を形成することにより、検出部に堆積するＰＭの偏在化を抑制し、検出対象とする静電容量や素子インピーダンスの検出精度を向上させることが可能となる。
１０ 粒子状物質検出素子
１００ 絶縁性基体
１１ 検出部
１１０、１２０ 検出電極
１１１、１２１ 検出電極リード部
１１２、１２２ 検出電極端子部
１３ 絶縁層
１３０ 電界強度不均一領域遮蔽層
１３１ 遮蔽層開口部
１３２ 絶縁保護層
１４ ヒータ部
１４０ 発熱体
１４１ａ、１４１ｂ 発熱体リード部
１４２ａ、１４２ｂ
１００ 絶縁性基体
１１ 検出部
１１０、１２０ 検出電極
１１１、１２１ 検出電極リード部
１１２、１２２ 検出電極端子部
１３ 絶縁層
１３０ 電界強度不均一領域遮蔽層
１３１ 遮蔽層開口部
１３２ 絶縁保護層
１４ ヒータ部
１４０ 発熱体
１４１ａ、１４１ｂ 発熱体リード部
１４２ａ、１４２ｂ
Claims (3)
- 被測定ガス中に配設される絶縁性基体の表面に所定の間隙を隔てて対向する一対の検出電極によって検出部を設け、該検出部に堆積する粒子状物質の量によって変化する電気的特性を検出して被測定ガス中の粒子状物質を検出する粒子状物質検出素子であって、
絶縁性耐熱材料を用いて上記検出部の所定の範囲を遮蔽層形成領域として覆う電界強度不均一領域遮蔽層を設け、
該電界強度不均一領域遮蔽層が、上記電気的特性を検出すべく上記検出電極間に電圧を印加したときに上記検出部に形成される電界強度の均一な領域を被測定ガスに露出させ、電界強度の不均一な領域を被測定ガスから隔絶せしめたことを特徴とする粒子状物質検出素子。 - 上記電界強度不均一領域が、上記検出電極の長辺部を基準線として一対の上記検出電極間に電圧を印加したときに形成される電界の等電位線と上記基準線とが略平行となる範囲を除く領域である請求項１に記載の粒子状物質検出素子。
- 上記電界強度不均一領域が、上記基準線と上記等電位線とのなす角度が±３°を超える領域である請求項１または２に記載の粒子状物質検出素子。
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