JP2012117383A

JP2012117383A - Ｐｍセンサ及びｐｍセンサ製造方法

Info

Publication number: JP2012117383A
Application number: JP2010265141A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Osumi; 和生大角; Tadashi Uchiyama; 正内山; Mitsuhiro Aso; 充宏阿曽; Tetsushi Hanawa; 哲史塙; Masabumi Noda; 正文野田
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2010-11-29
Publication date: 2012-06-21
Anticipated expiration: 2030-11-29
Also published as: JP5625812B2

Abstract

【課題】検出感度が高く、ＤＰＦの局所に溜まったＰＭ量を検出することができるＰＭセンサ及びＰＭセンサ製造方法を提供する。
【解決手段】多孔質材料からなる複数の隔壁２で囲まれた通路３を有するＤＰＦ４の通路３に捕集された粒子状物質の量を検出するＰＭセンサ１において、ＤＰＦ４の複数の隔壁２に、電極５が埋められた隔壁２と電極５が埋められない隔壁２とをそれぞれ複数有する。ユニット７４の外面７５に電気伝導材料又は非電気伝導材料からなる接着剤７６，７７を施してユニット７４を集積することで製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、検出感度が高く、ＤＰＦの局所に溜まったＰＭ量を検出することができるＰＭセンサ及びＰＭセンサ製造方法に関する。

ディーゼルエンジンなどの内燃機関を搭載した車両では、内燃機関から大気までの排気ガスの排出流路にディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate Filter；以下、ＤＰＦという）を設置し、排気ガスに含まれるＳＯＦ、ＳＯＯＴなどの粒子状物質（Particulate Matter）を捕集している（以下、これらをＰＭと総称する）。ＤＰＦは、主としてセラミックからなるハニカム細孔状（四角いものを含む）のフィルタにＰＭを一時的に捕集する部材である。

ＤＰＦに捕集されたＰＭが溜まると排気ガス圧力が上昇しエンジン特性の低下をきたすため、堆積したＰＭを燃焼させる。この動作をＤＰＦ再生という。ＤＰＦ再生時には、排気温度を上昇させるための燃料噴射によって排気温度を上昇させ、ＤＰＦを昇温することで、ＤＰＦに捕集されているＰＭを燃焼させる。

このとき、ＤＰＦにＰＭが溜まりすぎていると、ＤＰＦ再生時の熱でＤＰＦが損傷してしまう。ＤＰＦにＰＭが溜まりすぎないうちにＤＰＦ再生するために、従来は、車両の走行距離が所定値に達するごとにＤＰＦ再生している。これは、ＤＰＦに溜まったＰＭ量（ＰＭロード；フィルタの詰まり具合を表す）を検出するのが困難であったからである。このため、安全係数を比較的多く取り、早めにＤＰＦを再生している。

しかし、必要以上に短い間隔でＤＰＦ再生を実行すると燃料が余分に消費されることになり、燃費が悪化する。したがって、ＰＭ量を正確に検出し、最も適切な時期にＤＰＦ再生を行うようにするのが望ましい。

特開２０１０−１４４６３０号公報

ＰＭ量を電気的に検出する先行技術が特許文献１に記載されている。これによれば、円柱形のＤＰＦの外周に沿わせて一対の電極を設けてコンデンサを形成する。コンデンサの比誘電率がＰＭ量に応じて変化して静電容量が変化することを利用し、静電容量を検出することでＰＭ量を検出することができる。

しかしながら、この先行技術では、電極がＤＰＦの外周に配置されているため、電極間距離が大きく、静電容量が小さい。また、電極面積を増やすことはできないので、静電容量が増やせない。このように静電容量が小さいため、ＰＭ量による静電容量の変化が小さく、正確な検出が困難である。

また、先行技術の電極は、電極がＤＰＦ全体を一括して覆っているため、ＤＰＦ全体のＰＭが静電容量に影響する。したがって、ＤＰＦ内の局所に偏ってＰＭが溜まりやすい傾向があったとしても、局所のＰＭ量を検出できないので、偏りに対応できない。例えば、ＰＭはＤＰＦの出口付近など下流側に溜まりやすい傾向があるが、下流側に排気ガスの流通を妨げるほど深刻にＰＭが溜まっていても、ＤＰＦ全体では静電容量に顕著な変化が生じないことが考えられる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、検出感度が高く、ＤＰＦの局所に溜まったＰＭ量を検出することができるＰＭセンサ及びＰＭセンサ製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明のＰＭセンサは、多孔質材料からなる複数の隔壁で囲まれた通路を有するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）の前記通路に捕集された粒子状物質の量を検出するＰＭセンサにおいて、前記複数の隔壁には電極が埋められた隔壁と電極が埋められない隔壁とをそれぞれ複数有し、電極間の粒子状物質の量で静電容量が変化するコンデンサが形成されるものである。

前記隔壁が前記通路に直交する断面で見て縦横に複数配列され、前記電極が埋められた隔壁が縦横のいずれか一方向に複数連続することにより、互いに導通する複数の電極の組が形成され、前記電極が埋められない隔壁を介して縦横の他方向に離間する電極同士間は導通がなく、互いに導通する複数の電極からなる一つの組と前記一つの組とは縦横の他方向に離間して縦横の前記一方向には互いに導通する複数の電極からなる別の組とにより前記コンデンサが形成されてもよい。

前記互いに導通する複数の電極からなる組に対して導通する外側電極が前記ＤＰＦの外周に取り付けられていてもよい。

前記電極及び前記外側電極が前記ＤＰＦの長手方向の１ないし複数箇所で電気的に分離されていてもよい。

前記一つの組に対して導通する端面電極が前記ＤＰＦの長手方向の一端に有り、前記別の組に対して導通する別の端面電極が前記ＤＰＦの長手方向の他端に有ってもよい。

前記端面電極が複数に電気的に分離されていてもよい。

また、本発明のＰＭセンサ製造方法は、多孔質材料からなる４つの板状材料で１つの通路を囲んだセルを複数集積してユニットを形成し、複数のユニットの外面に電気伝導材料又は非電気伝導材料からなる接着剤を施し、前記複数のユニットを集積して外面同士を接着することにより、前記複数のユニットが互いに固定され、前記板状材料と前記接着剤とからなる隔壁が形成され、前記接着剤が電気伝導材料からなる隔壁には電極が形成され、前記接着剤が非電気伝導材料からなる隔壁には電極が形成されないものである。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）検出感度が高い。

（２）ＤＰＦの局所に溜まったＰＭ量を検出することができる。

本発明の一実施形態を示すＰＭセンサの斜視図である。本発明のＰＭセンサの等価回路を示す回路図である。本発明のＰＭセンサと従来のＰＭセンサのＰＭ量対静電容量特性図である。本発明の他の実施形態を示すＰＭセンサの斜視図及び長手方向に沿った断面図である。本発明の他の実施形態を示すＰＭセンサの斜視図及び長手方向に沿った断面図である。本発明の他の実施形態を示すＰＭセンサの斜視図及び長手方向に沿った断面図である。（ａ）〜（ｃ）及び（ｅ）は本発明のＰＭセンサの製造過程における斜視図、（ｄ）は通路に直交する断面図である。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係るＰＭセンサ１は、多孔質材料からなる複数の隔壁２で囲まれた通路３を有するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）４の通路３に捕集された粒子状物質の量を検出するものである。

本発明に係るＰＭセンサ１は、ＤＰＦ４の複数の隔壁２に、電極５が埋められた隔壁２と電極５が埋められない隔壁２とをそれぞれ複数有する。図１では、電極５が埋められた隔壁２を黒塗りで示し、電極５が埋められない隔壁２を白抜きで示した。

ＰＭセンサ１は、通路３に直交する断面で見て隔壁２が縦横に複数配列される。これにより、４つの隔壁２で囲まれた断面四角形の通路３が多数形成される。実際には、隔壁２で囲まれた四角形の中に、さらに細かい縦横の区画（図示せず）があり、通路３は細かいセル通路の集合体である。

本実施形態では、電極５が埋められた隔壁２が縦方向に複数連続することにより、互いに導通する複数の電極５、例えば、電極５ａ１，５ａ２，５ａ３，５ａ４の組Ａが形成される。電極５が埋められない隔壁２を介して横方向に離間する電極５同士間、例えば、電極５ａ２，５ｂ２の間は導通がない。互いに導通する複数の電極５からなる組Ａと、組Ａとは横方向に離間して縦方向には互いに導通する複数の電極５、例えば、電極５ｂ２，５ｂ３，５ｂ４，５ｂ５からなる別の組Ｂとでコンデンサを形成できる。本発明では、このコンデンサの静電容量からＰＭ量を検出することになる。

本実施形態では、互いに導通する複数の電極５からなる組に対して導通する外側電極６がＤＰＦ４の外周に取り付けられている。具体的には、電極５の組Ａに対しては外側電極６ａが導通し、電極５の組Ｂに対しては外側電極６ｂが導通している。組Ａに属する電極５を有する隔壁２と同じ縦列にある隔壁２に、電極５が埋められない隔壁２（白抜き）があるため、組Ａに対して外側電極６ｂは導通しない。同様に、組Ｂに属する電極５を有する隔壁２と同じ縦列にある隔壁２にも電極５が埋められない隔壁２があるため、組Ｂに対して外側電極６ａは導通しない。組Ｃは組Ａと同様に外側電極６ａに導通があり、組Ｄは組Ｂと同様に外側電極６ｂに導通がある。

外側電極６ａ及び外側電極６ｂを周方向に分割して組Ａと組Ｃ間、組Ｂと組Ｄ間の導通をなくしてもよい。この場合、組Ａ、組Ｂ、組Ｃ、組Ｄを任意に組み合わせてコンデンサとすることができる。

図１のＰＭセンサ１は、図２（ａ）、図２（ｂ）のようにモデル化して示される。すなわち、ＰＭセンサ１は、２つの平板状の電極２１，２２を所定の電極間距離を隔てて対向させたコンデンサ２３からなる。コンデンサ２３に対し電子制御装置（Electronical Control Unit；以下、ＥＣＵという）２４に内蔵される静電容量検出回路が接続される。

図２（ａ）のようにＤＰＦ４に捕集されたＰＭ量が少ない状態（薄いハッチングで示す）から、徐々にＰＭ量が増加し、図２（ｂ）のようにＤＰＦ４に捕集されたＰＭ量が多い状態（濃いハッチングで示す）になったとする。このとき、ＰＭセンサ１はコンデンサ２３の静電容量が小さい値Ｃ₀である状態からコンデンサ２３の静電容量が大きい値Ｃ₁である状態に変化する（Ｃ₁＞Ｃ₀）。

ＥＣＵ２４は、コンデンサ２３の静電容量を検出する。このとき、静電容量をＣ、電極２１，２２間の媒体の誘電率をε、電極２１，２２の面積をＳ、電極２１，２２間の距離をｄとすると、

となる。よって、誘電率εが大きくなるか電極間距離ｄが小さくなるかすれば、静電容量Ｃは大きくなる。本発明者らの知見によれば、ＰＭ量に応じて誘電率εが変化するため、静電容量ＣはＰＭセンサ１に捕集されたＰＭ量を正確に示す。

図１のように、ＰＭセンサ１は、組Ａ、組Ｂ、組Ｃ、組Ｄというように交互に異極の平面電極が重なるので、積層コンデンサが形成される。したがって、静電容量Ｃは、電極の積層数をｎとすると、

となる。図１の例では、隔壁２の１区間を隔てて異極の電極５が向かい合うので、電極間距離ｄは、隔壁２の１区間分となる。積層数ｎは図示上では４に過ぎないが、実際は遙かに大きい。

以下、本発明のＰＭセンサ１の作用効果を説明する。

電極がＤＰＦの外周に配置される従来技術のＰＭセンサは、電極間距離がＤＰＦの直径に相当して大きく、電極面積がＤＰＦの外周面積の半分程度と小さいため、静電容量が小さく、ＰＭ量による静電容量の変化が小さく、正確な検出が困難であった。これに対し、本発明のＰＭセンサ１は電極間距離ｄが隔壁２の１区間分と小さく、しかも、多層の積層コンデンサが形成されるため総電極面積は非常に大きい。これにより、静電容量が大きく、ＰＭ量に対する静電容量の変化率が大きく、正確な検出ができる。

図３に、従来技術と本発明の比較を示す。従来技術ではＰＭ量に対する静電容量の変化率が非常に小さいのに対して、本発明ではＰＭ量に対する静電容量の変化率が大きいことが分かる。

次に、本発明の他の実施形態を説明する。

図４に示されるように、ＰＭセンサ４１は、図１のＰＭセンサ１に対して電極５と外側電極６を変形したものであり、電極５はＤＰＦ４の長手方向に３つに分離して形成される。例えば、組Ｂの電極５を有する隔壁２に沿ったＸ−Ｘ断面を見ると、互いに導通がない３つの電極５ｂα，５ｂβ，５ｂγが形成されている。各電極５ｂα，５ｂβ，５ｂγは、縦方向に順次隣接する複数の隔壁２にわたっており、最も下に位置する１区間分の隔壁２のみ電極５が埋められていない。各電極５ｂα，５ｂβ，５ｂγ間には、電極５が埋められない部分が形成されることで電気的な分離が図られている。外側電極６は、ＤＰＦ４の長手方向に３つに分離して形成される。これにより、電極５ｂαに対しては外側電極６ｂαが導通し、電極５ｂβに対しては外側電極６ｂβが導通し、電極５ｂγに対しては外側電極６ｂγが導通する。

このＰＭセンサ４１は、ＤＰＦ４の長手方向、すなわち排気ガス流路の上流から下流へかけて３つの独立したコンデンサが形成される。これにより、ＤＰＦ４の上流部、中流部、下流部におけるＰＭ量を独立して検出することができ、ＤＰＦ４の局所に偏ってＰＭが溜まっているかどうか調べることができる。また、ＤＰＦ４の出口近傍を集中的に検出対象とするなどの検出方法が実施できる。長手方向への分離の個数は３に限らず、２あるいは４以上任意である。

図５に示されるように、ＰＭセンサ５１は、ＰＭセンサ１，４１とは、構造が異なる。本実施形態では、電極５が埋められた隔壁２が横方向に複数連続することにより、互いに導通する複数の電極５の組Ｅが形成される。電極５が埋められない隔壁２を介して縦方向に離間する電極５同士間の間は導通がない。互いに導通する複数の電極５からなる一つの組Ｅと、組Ｅとは縦方向に離間して横方向には互いに導通する複数の電極５からなる別の組Ｆとでコンデンサが形成される。さらに、Ｇ組、Ｈ組を加えて積層コンデンサが形成される。本実施形態では、この積層コンデンサの静電容量からＰＭ量を検出することになる。

縦方向に連続する隔壁２と別の縦方向に連続する隔壁２との中間でのＹ−Ｙ断面を見ると、本実施形態では、一つの組Ｅに対して導通する端面電極７ｅがＤＰＦ４の長手方向の一端に有り、別の組Ｆに対して導通する別の端面電極７ｆがＤＰＦ４の長手方向の他端に有る。組Ｅの電極５と端面電極７ｆ間には、電極５が埋められない部分（白抜き）が形成されることで電気的な分離が図られている。同様に、組Ｆの電極５と端面電極７ｅ間には、電極５が埋められない部分が形成されることで電気的な分離が図られている。端面電極７（７ｅ，７ｆ）は、端面部分の隔壁２に全面的に電極５が埋められることで形成される。Ｇ組、Ｈ組についても同様である。

このＰＭセンサ５１は、ＤＰＦ４の端面自体が端面電極７となるので、ＰＭセンサ１，４１のような外側電極６を取り付ける必要がなく、部材が簡素化される。

図６に示されるように、ＰＭセンサ６１は、図５のＰＭセンサ５１に対して端面電極７を変形したものであり、端面電極７ｅが組Ｅと組Ｇとで電気的に分離され、端面電極７ｆが組Ｆと組Ｈとで電気的に分離されている。分離は、端面近傍に電極５が埋められない部分が形成されることで実現される。

このＰＭセンサ６１は、組Ｅと組Ｆとでコンデンサを形成し、組Ｇと組Ｈとで別のコンデンサを形成することができる。これにより、ＤＰＦ４の上部、あるいは下部というように、局所に偏ってＰＭが溜まっているかどうか調べることができる。実際には、縦横に並べられる隔壁２の数は非常に多いので、端面電極７は２以上いくつでもに分離することができ、ＤＰＦ４の上から下まで、任意の複数の独立したコンデンサが形成できる。

次に、ＰＭセンサ１，４１，５１，６１の製造方法を説明する。

従来より、ＤＰＦ４の製造方法として、全ての隔壁２と通路３を一体的に作り込む方法の他に、１つのセル通路を有する角筒形のセルを作製し、複数のセルを集積して縦横に複数の通路を有するユニットを作製し、このユニットを集積して接着剤で固めてから外周を削って円柱形に加工する製造方法がある。これは、多孔質材料であるＳｉＣが熱衝撃に弱いので、熱応力を緩和する目的で採用する製造方法である。

図７（ａ）に示されるように、セル７１は、多孔質材料からなる４つの板状材料７２で１つのセル通路７３を囲んだものである。図７（ｂ）に示されるように、セル７１を縦横に集積することで、複数のセル通路７３が集合した通路３を有するユニット７４が得られる。ユニット７４の外面７５となっている板状材料に接着剤を施し、複数のユニット７４を縦横に集積して外面７５同士を接着することで複数のユニット７４を互いに固定する。その後、図７（ｃ）に示されるように、外周を削って円柱形に加工してＤＰＦ４を製造する。

本発明では、このユニット７４を集積する製造方法を利用し、導電性と非導電性の二種類の接着剤を用いることで、電極５が埋められた隔壁２と電極５が埋められない隔壁２とを作り分ける。

図７（ｄ）に示されるように、ユニット７４の外面７５に電気伝導材料からなる接着剤又は非電気伝導材料からなる接着剤を塗布、貼り付け、印刷などの方法により施してから、ユニット７４を集積すると、外面７５となっている板状材料７２と隣の板状材料７２との間には、電気伝導材料からなる接着剤７６（黒塗りで示す）又は非電気伝導材料からなる接着剤７７（ハッチングで示す）が挟まれる。非電気伝導材料としてはガラス材料があり、電気伝導材料としては金属材料あるいはガラス材料に金属粉末を添加したものがある。

このようなユニット７４の集積体を焼き固める（焼結する）ことにより、板状材料７２と接着剤７６（又は７７）とが融合してなる隔壁２（図１）が形成される。電気伝導材料からなる接着剤７６が施された場所には、電極５が埋められた隔壁２が形成され、非電気伝導材料からなる接着剤７７が施された場所には、電極５が埋められない隔壁２が形成されることになる。

このとき、縦方向に隣接する板状材料７２に電気伝導材料からなる接着剤７６を施しておくと、縦方向に隣接する隔壁２の電極５同士が導通することになる。同様にして横方向に隣接する隔壁２の電極５同士を導通させたり、縦横で折り曲がって接する隔壁２の電極５同士を導通させたりできる。

また、図７（ｅ）に示されるように、ユニット７４の外面７５に接着剤を施す際に、長手方向に電気伝導材料からなる接着剤７６と非電気伝導材料からなる接着剤７７とを交互に施すことにより、焼き固め後に形成される電極５を長手方向に電気的に分離することができる。

図７（ｄ）に示した縦横に電極５を導通／非導通させる技法と、図７（ｅ）に示した長手方向に電極を分離する技法とを組み合わせると、互いに導通する複数の電極５からなる組を任意の立体形状に形成できると共に、互いに独立している複数の組を任意の個数形成できる。

以上説明したように、本発明のＰＭセンサ１，４１，５１，６１によれば、電極間距離ｄを隔壁２の１区間分まで小さくでき、コンデンサの電極面積を非常に大きくできる。したがって、静電容量を大きくしてＰＭ量に対する静電容量の変化率を大きくできるので、正確な検出ができる。

本発明のＰＭセンサ１，４１，５１，６１によれば、電極５がＤＰＦ４の隔壁２に埋め込まれているので、別途に電極となる部材を取り付ける必要がない。

また、本発明のＰＭセンサ製造方法によれば、ユニット７４の外面７５ごとに電気伝導材料からなる接着剤７６又は非電気伝導材料からなる接着剤７７を施すことにより、電極５が埋められた隔壁２と電極５が埋められない隔壁２とを任意に組み合わせて配置することができる。

本発明のＰＭセンサ製造方法によれば、従来から行われていたユニット７４を集積する製造方法において、接着剤として電気伝導材料からなる接着剤７６と非電気伝導材料からなる接着剤７７とを使い分けるだけでよいので、実施が容易である。

１，４１，５１，６１ＰＭセンサ
２隔壁
３通路
４ＤＰＦ
５電極
６外側電極
７端面電極
２３コンデンサ
７１セル
７２板状部材
７３セル通路
７４ユニット
７５外面
７６電気伝導材料からなる接着剤
７７非電気伝導材料からなる接着剤

Claims

多孔質材料からなる複数の隔壁で囲まれた通路を有するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）の前記通路に捕集された粒子状物質の量を検出するＰＭセンサにおいて、前記複数の隔壁には電極が埋められた隔壁と電極が埋められない隔壁とをそれぞれ複数有し、電極間の粒子状物質の量で静電容量が変化するコンデンサが形成されることを特徴とするＰＭセンサ。
前記隔壁が前記通路に直交する断面で見て縦横に複数配列され、
前記電極が埋められた隔壁が縦横のいずれか一方向に複数連続することにより、互いに導通する複数の電極の組が形成され、
前記電極が埋められない隔壁を介して縦横の他方向に離間する電極同士間は導通がなく、
互いに導通する複数の電極からなる一つの組と前記一つの組とは縦横の他方向に離間して縦横の前記一方向には互いに導通する複数の電極からなる別の組とにより前記コンデンサが形成されることを特徴とする請求項１記載のＰＭセンサ。
前記互いに導通する複数の電極からなる組に対して導通する外側電極が前記ＤＰＦの外周に取り付けられていることを特徴とする請求項２記載のＰＭセンサ。
前記電極及び前記外側電極が前記ＤＰＦの長手方向の１ないし複数箇所で電気的に分離されていることを特徴とする請求項３記載のＰＭセンサ。
前記一つの組に対して導通する端面電極が前記ＤＰＦの長手方向の一端に有り、前記別の組に対して導通する別の端面電極が前記ＤＰＦの長手方向の他端に有ることを特徴とする請求項２記載のＰＭセンサ。
前記端面電極が複数に電気的に分離されていることを特徴とする請求項５記載のＰＭセンサ。
多孔質材料からなる４つの板状材料で１つの通路を囲んだセルを複数集積してユニットを形成し、
複数のユニットの外面に電気伝導材料又は非電気伝導材料からなる接着剤を施し、
前記複数のユニットを集積して外面同士を接着することにより、前記複数のユニットが互いに固定され、前記板状材料と前記接着剤とからなる隔壁が形成され、前記接着剤が電気伝導材料からなる隔壁には電極が形成され、前記接着剤が非電気伝導材料からなる隔壁には電極が形成されないことを特徴とするＰＭセンサ製造方法。