JP2012127907A

JP2012127907A - 粒子状物質検出センサ

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Publication number: JP2012127907A
Application number: JP2010281629A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Harada; 敏彦原田; Satoshi Nakamura; 中村　　聡; Shinya Teranishi; 真哉寺西; Eriko Maeda; 恵里子前田
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2012-07-05
Also published as: DE102011088894A1; US20120151992A1

Abstract

【課題】内燃機関の排気ガス中のＰＭ検出に用いられる電気抵抗式の粒子状物質検出センサにおいて、分級性を高めて粗大粒子による測定誤差を防止し、低コストかつ高い検出精度で、ＤＰＦの故障等を速やかに検知する。
【解決手段】エンジンＥ／Ｇの排気管ＥＸに装着されるＰＭセンサＳのセンサ素子部１は、絶縁性基体１０に設けた２つのスリット２０ａ、２０ｂ内を測定空間２ａ、２ｂとして、２組の検知用電極３、４対を配置し、スリット２０ａを挟んで一対の電場印加用電極５１、５３を、スリット２０ｂを挟んで一対の電場印加用電極５２、５３を埋設する。これによりスリット２０ａ、２０ｂ間に共通の電場印加用電極５３を有する２組の電場印加用電極対となる。電場印加用電極５１、５２により測定空間２ａ、２ｂに一様な電場を発生させ、２組の検知用電極３、４のＰＭ検出結果を平均化してセンサ出力とすることで、出力バラツキを小さくする。
【選択図】図１

Description

本発明は、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電気抵抗式の粒子状物質検出センサに関する。

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）および可溶性有機成分（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、目詰まりが生じて負圧が増大したり、ＰＭのすり抜けが増加したりするおそれがあり、定期的に再生処理を行って捕集能力を回復させている。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おり、このため、ＤＰＦの上流およ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ガスをＤＰＦ内に導入し、ＰＭを燃焼除去する。

一方、排気ガス中のＰＭを直接検出可能なセンサとして、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、基板の裏面または内部に発熱体を形成した電気抵抗式のセンサが提案されている。このセンサをＤＰＦの下流に設置した場合は、ＤＰＦをすり抜けるＰＭを検出することになり、車載式故障診断装置（ＯＢＤ；On Board Diagnosis）においてＤＰＦの作動状態を監視し、例えば亀裂や破損といった異常検出に利用可能である。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。

一般に、電気抵抗式のセンサは、絶縁性を有する基板の表面に一対の櫛形電極を設けて検出部としている。このセンサは、煤粒子が導電性を有することを利用しており、櫛形電極間に、ＰＭが堆積することで生じる電気抵抗値の変化を検出する。基板の裏面側には、ヒータ電極が埋設されたヒータ部が形成される。ヒータ部は、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ＰＭを燃焼させて検出能力を回復させることができる。

また、上記基本構成において、一対の櫛形電極間に印加される電圧を制御することで、煤堆積を制御するようにしたものがある。例えば、特許文献１には、センサ信号が測定可能な電流（閾値）に到達するまでは、櫛形電極間により高い電圧（例えば２１ボルト）を印加し、電極近傍に比較的高い不均一な電界を形成することで、ＰＭに電極へ向かう付加的な力を作用させ、ＰＭの堆積レートを高める手法が開示されている。そして、センサ信号が閾値に到達したら、印加電圧をより低い値（例えば１０ボルト）に切り替え、再生に至るまでの経過時間が長くなるようにしている。

その他の方式のセンサとして、特許文献２には、図９（ａ）に示すように、素子本体１００に貫通孔１０３を形成し、貫通孔１０３を形成する壁面内部に、誘電体で覆われた一対の電極１０１、１０２を埋設した構成が開示されている。このセンサは、一対の電極１０１、１０２間に電圧を印加して、貫通孔１０３内に放電を生起するもので、放電によりＰＭを荷電させて貫通孔１０３の内壁面に電気的に吸着させ、壁面の電気的特性（例えば静電容量）の変化を測定する。

放電を利用したセンサとしては、特許文献３があり、放電を生じさせる電極と測定電極を別々に設けた素子構成が開示されている。このセンサは、図９（ｂ）に示すように、被測定ガスが流れる空間を介して、放電用の一対の電極１０４、１０５を配設し、一方の電極１０４を覆う電極間誘電体１０６の表面に、一対の測定電極１０７、１０８を備えている。また、特許文献４には、図９（ｃ）に示すように、図９（ａ）の基本構成において、貫通孔１０３を素子本体１００の長手方向に多数形成したセンサが開示されている。このセンサは、粒子状物質が吸着される内壁面の表面積を増大させることで、一対の電極１０１、１０２に電圧を印加したときの静電容量の増加分を容易に検出可能となっている。

特表２００８−５０２８９２号公報特開２００９−１８６２７８号公報特開２０１０−３２４８８号公報特開２００９−２７６１５１号公報

近年、大気中へ放出されるＰＭに対する規制が厳しくなっており、特に、ＤＰＦの故障検知では、例えば１０μｍ以下の微小粒子のすり抜けを素早く検出することが期待されている。一方、エンジン停止時に排気管内に留まったＰＭが排気管の内壁面において凝集し、エンジン運転時に排気流れによって剥離すると、粗大粒子となって放出されることがある。

ところが、一般的な電気抵抗式のセンサは、特許文献１に記載されるように、検出部の一対の櫛形電極が、素子表面に剥き出しの状態で露出しており、検出しようとする粒径範囲のＰＭのみを捕集する分級性を有しない。このため、排気流れとともに粗大粒子が衝突して剥き出しの櫛形電極に付着し、誤検出をまねくおそれがある。排出ガスに含まれる水分が停止時の温度低下により凝縮水となった場合にも、同様の問題が生じ、分級性や検出誤差が課題となっている。

さらに、特許文献１のように、電界を形成してＰＭ捕集を制御しようとする場合、ＰＭの堆積とともに櫛形電極の幅が見かけ上変化することから、電極周囲の電場強度も時間経過とともに変化する。このため、電極周囲に一様の電場を安定的に発生させることができず、ＰＭの検出精度に影響を与えるおそれがあった。

一方、特許文献２のように、貫通孔を形成する構成では、粗大粒子の侵入を抑制することが可能である。しかしながら、特許文献２の静電容量を測定するセンサ方式では、ＤＰＦ故障時のように僅かなＰＭ堆積による静電容量変化を、感度よく検出することは容易でなく、特許文献３のように、検出用の測定電極対を別に設けたり、特許文献４のように、貫通孔を多数設けて捕集面積を増大させたりする必要があった。

また、特許文献２〜４のセンサは、いずれも放電によりＰＭを荷電させる方式であるために、高電圧を印加する必要があり、供給エネルギーが大きくなって、コストが増大する懸念があった。

そこで本発明は、内燃機関の排気ガス中のＰＭ検出に用いられる電気抵抗式の粒子状物質検出センサの分級性を高めて、粗大なＰＭ粒子や凝縮水による測定誤差を低減し、また、より小さな供給エネルギーで、低コストかつ高い精度で対象とする粒子状物質を検出することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の発明は、被測定ガス中に配設される絶縁性基体に一対の検出用電極を設け、被測定ガス中の粒子状物質を検出するセンサ素子部を備える粒子状物質検出センサにおいて、
上記センサ素子部は、
上記絶縁性基体を貫通するスリットからなる粒子状物質の測定空間と、
上記測定空間を形成するスリット内壁面に配置された上記一対の検知用電極と、
上記測定空間内に電場を形成するための一対の電場印加用電極とからなる測定ユニットを複数組有しており、
複数組の上記測定ユニットは、各測定ユニットを構成する上記スリットが上記絶縁性基体の厚み方向に間隔をおいて並列配置し、各スリットを挟んで上記一対の電場印加用電極が対向するとともに、上記複数のスリット間に位置する電場印加用電極を共通化して、複数組の電場印加用電極対を設けている。そして、
上記複数組の検知用電極対による検出結果に基づいて、粒子状物質を検出することを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の発明において、上記センサ素子部は、上記絶縁性基体に２つのスリットを形成して２つの上記測定空間となし、上記測定空間の内壁面にそれぞれ上記一対の検知用電極を配置している。そして、２つのスリット間に共通の電場印加用電極を埋設し、各スリットを挟んで上記共通の電場印加用電極と対向する位置にそれぞれ電場印加用電極を埋設して、２組の電場印加用電極対を設ける。

本発明の請求項３に記載の発明において、上記２組の電場印加用電極対は、上記共通の電場印加用電極に対向する２つの電場印加用電極を同極として共通の端子部に接続している。

本発明の請求項４に記載の発明において、上記センサ素子部は、上記複数組の検知用電極対による検出信号を平均化して粒子状物質の検出値とする。

本発明の請求項５に記載の発明において、上記センサ素子部は、上記複数組の検知用電極対による検出信号を比較することにより、各検知用電極対の異常を検出する。

本発明の請求項６に記載の発明において、上記一対の電場印加用電極に電圧を印加することにより、上記測定空間内に０．０２〜５ＭＶ／ｍの電場を発生させる。

本発明の請求項１に記載の粒子状物質検出センサは、複数組の測定ユニットを備え、センサ素子部の複数組の検知用電極を、測定空間となる複数のスリット内部にそれぞれ設けて、測定空間に侵入する粒子状物質のみを検出する。したがって、粒子状物質を含む被測定ガスが検知用電極を直撃することがなく、粗大粒子や凝縮水の侵入により、誤検出を生じるのを防止できる。複数のスリットは、絶縁性基体の厚み方向に並べて配置されるので、これら複数のスリットを挟むように一対の電場印加用電極を配置し、さらに複数のスリット間の電場印加用電極を共通化することで、複数組の電場印加用電極対を容易に設けることができ、電極面積が増大することもない。

したがって、複数組の測定ユニットの各測定空間に、一対の電場印加用電極を用いて安定した電場を発生させることができ、一対の検知用電極による粒子状物質への捕集を促進する。そして、複数組の検知用電極対の検出信号を基に、高い感度かつ高い精度で対象とする粒子状物質を検出し、ＤＰＦの故障等を速やかに検知可能とする。また、対向する電場印加用電極の間隔が小さいので、電場を発生させるための供給エネルギーを小さくしてコストを抑制できる。

本発明の請求項２に記載の発明のように、具体的には、２つのスリットを形成してセンサ素子部の２つの測定空間とすることができる。この時、２つのスリットを挟むように３つの電場印加用電極を配置することで、容易に２組の電場印加用電極対を設けることができ、２つの測定空間内に均一な電場を形成することができる。したがって、各スリットの内壁面にそれぞれ一対の検知用電極を配置し、同等の条件で測定することができるので、検出信号を比較することで異常検出が容易にできる。また、検出信号を平均化することで、検出バラツキの小さい精度よい測定が可能である。

本発明の請求項３に記載の発明のように、具体的には、３つの電場印加用電極のうち、共通の電場印加用電極に対向する２つの電場印加用電極を同極とし、共通の端子部に接続して負電圧を印加し、共通の電場印加用電極に正電圧を印加することで、２つの測定ユニットにて同一条件で測定を行なうことができる。

本発明の請求項４に記載の発明のように、センサ素子部は、具体的には、複数組の検知用電極対からの検出信号を平均化した値を用いることで、検出バラツキを抑制することができる。これにより、微量の粒子状物質であっても高精度に検出可能であり、ＤＰＦ異常時のＰＭすり抜け等の検知に効果的に利用することができる。

本発明の請求項５に記載の発明のように、センサ素子部の複数組の検知用電極対を、異常検出に利用することもできる。センサ素子部複数組の検知用電極対は、同等の測定条件下にあるので、これらの検出信号の差が所定値以上であれば、一方に断線等の異常があると判断することが可能である。

本発明の請求項６に記載の発明のように、具体的には、測定空間内に形成される電場が０．０２〜５ＭＶ／ｍの領域となるように、電場印加用電極間に放電が起こらない範囲の電圧を印加することで、供給エネルギーを増大させることなく、粒子状物質を捕集して効率よい検出が可能である。

本発明の第１実施形態におけるＰＭセンサのセンサ素子部構成を説明するための図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ’間断面図、（ｄ）は（ｂ）のＢ−Ｂ’間断面図、（ｅ）は（ｂ）のＣ−Ｃ’間断面図である。（ａ）は、図１（ｂ）のＤ−Ｄ’およびＥ−Ｅ’間断面図、（ｂ）は、図１（ｂ）のＦ−Ｆ’間断面図、（ｃ）はセンサ素子部へ印加する電圧と発生する電場の関係を示す図である。（ａ）は、ＰＭセンサを排気管に取り付けた状態を示す拡大断面図であり、（ｂ）は、本発明が適用される自動車用ディーゼルエンジンの排ガス浄化システムの全体構成を示す概略図である。（ａ）は、本発明の第１実施形態におけるセンサ素子部の断面図、（ｂ）は、本発明の第１実施形態における印加電圧と電場の関係を説明するための比較用のセンサ素子部の断面図である。本発明の第２実施形態におけるセンサ素子部の分解斜視図である。本発明の実施例を説明するための図で、（ａ）は比較品である素子１の断面図、（ｂ）は本発明品である素子２の断面図、（ｃ）は実施例１における素子１と素子２のセンサ出力のバラツキを比較して示す柱状グラフ図である。（ａ）は実施例１における素子１のＰＭ排出量とセンサ出力の関係を示す図、（ｂ）は実施例１における素子２のＰＭ排出量とセンサ出力の関係を示す図である。（ａ）は実施例２における電極切断方法を説明するための図、（ｂ）は実施例２における素子１のＰＭ排出量とセンサ出力の関係を示す図、（ｃ）は実施例２における素子２のＰＭ排出量とセンサ出力の関係を示す図、（ｄ）は実施例２における素子２の個々の電極対のＰＭ排出量とセンサ出力の関係を示す図である。（ａ）〜（ｃ）は、従来のＰＭセンサのセンサ素子部の概略構成を示す断面図である。

以下、図１〜３を参照しながら本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態は、粒子状物質検出センサとしてのＰＭセンサＳを、内燃機関の排ガス浄化システムへ適用した例であり、図１（ａ）〜（ｅ）、図２（ａ）〜（ｃ）は、ＰＭセンサＳの主要部であるセンサ素子部１の概略構成と動作を説明するためのものである。図３（ａ）は、排気管ＥＸにＰＭセンサＳを取り付けた状態を示しており、図３（ｂ）は、内燃機関である自動車用ディーゼルエンジンＥ／Ｇのシステム全体を示す概略図である。

図３（ｂ）のエンジンＥ／Ｇは、各気筒に共通のコモンレールＲに、高圧ポンプにて昇圧した高圧燃料を所定の噴射圧となるように蓄圧するコモンレール燃料噴射システムを採用し、インジェクタＩＮＪによって燃焼室内に直接噴射する直噴エンジンとして構成されている。ＰＭセンサＳは、エンジンＥ／Ｇの排気通路である排気管ＥＸにおいて、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの下流に設けられ、エンジンＥ／Ｇ各部とともに制御装置ＥＣＵによって制御される。制御装置ＥＣＵは、ＰＭセンサＳの出力に基づき粒子状物質ＰＭを検出する一方、ＰＭセンサＳの異常検出機能を備えており、この詳細については後述する。

まず、図３（ｂ）において、エンジンＥ／Ｇのシステム構成について説明する。エンジンＥ／Ｇの排気マニホールドＭＨ_ＥＸには、タービンＴＲＢが設けられ、タービンＴＲＢに連動して過給器ＴＲＢ_ＣＧＲが回転すると、圧縮された空気がインタクーラＣＬＲ_ＩＮＴを通過して吸気マニホールドＭＨ_ＩＮに送られる。排気マニホールドＭＨ_ＥＸから排出される燃焼排気の一部はＥＧＲバルブＶ_ＥＧＲおよびＥＧＲクーラＣＬＲ_ＥＧＲを介して吸気マニホールドＭＨ_ＩＮに還流する。過給により吸気量を増大して燃焼効率を高め、ＥＧＲにより燃焼を緩やかにしてＮＯｘ等の排出を抑制する。

排気マニホールドＭＨ_ＥＸに接続する排気管ＥＸには、ディーゼル酸化触媒ＤＯＣおよびディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦが設けられ、燃焼排気ガスを処理する。すなわち、排気管Ｅに排出された燃焼排気ガスは、上流側のディーゼル酸化触媒ＤＯＣを通過する間に、未燃焼の炭化水素ＨＣ、一酸化炭素ＣＯおよび一酸化窒素ＮＯが酸化され、下流側のディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦを通過する間に、煤粒子（Ｓｏｏｔ）、可溶性有機成分（ＳＯＦ）および無機成分からなる粒子状物質ＰＭが捕集される。

ディーゼル酸化触媒ＤＯＣは公知のモノリス担体、例えばコーディエライト等のセラミックスハニカム構造体よりなる担体表面に、酸化触媒を担持してなる。ディーゼル酸化触媒ＤＯＣは、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの強制再生時に、供給される燃料の酸化燃焼により排気温度を上昇させ、あるいは粒子状物質ＰＭ中のＳＯＦ成分を酸化除去する。また、ＮＯの酸化により生成するＮＯ_２は、後段のディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに堆積した粒子状物質ＰＭの酸化剤として使用され、連続的な酸化を可能にする。

ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦは、公知のウォールフロータイプのフィルタ構造を有する。例えば、コーディエライト等の耐熱性セラミックスよりなる多孔質セラミックスハニカム構造体を成形し、ガス流路となる多数のセルの入口側または出口側のいずれか一方を、隣接するセルで互い違いになるように目封じしてフィルタとする。この時、ガス流路を区画するセル壁を貫通して多数の細孔が形成され、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに導入される排出ガス中の粒子状物質ＰＭを捕獲する。ディーゼル酸化触媒ＤＯＣとディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦを一体化した連続再生式ディーゼルパティキュレートフィルタとして構成することもできる。

排気管ＥＸには、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに堆積した粒子状物質ＰＭの量を監視するために、差圧センサＳＰが設けられる。差圧センサＳＰは、圧力導入管を介してディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの上流側および下流側と接続されており、その前後差圧に応じた信号を出力する。また、ディーゼル酸化触媒ＤＯＣの上流および、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの上下流には、温度センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３が配設されて、各部の排気温度を監視している。

制御装置ＥＣＵは、これら出力に基づいてディーゼル酸化触媒ＤＯＣの触媒活性状態やディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦのＰＭ捕集状態を監視し、ＰＭ捕集量が許容量を超えると、強制再生を行って粒子状物質ＰＭを燃焼除去する再生制御を実施する。さらに制御装置ＥＣＵには、エンジンＥ／Ｇの運転状態を知るための各種センサ信号、例えばエアフロメータＡＦＭからの吸気量や吸気温度、エンジン潤滑油や冷却水の温度、エンジン回転数、スロットル開度等が入力される。制御装置ＥＣＵは、これら信号に基づいて燃料噴射量、噴射時期等を算出し、燃料噴射を制御する。

図３（ａ）に示すように、本実施形態のＰＭセンサＳは、排気管ＥＸの管壁に螺結される筒状ハウジング５０を有し、その内部に筒状インシュレータ６０に挿入固定されたセンサ素子部１の上半部を保持している。センサ素子部１の下半部は、筒状ハウジング５０の下端部に固定されて排気管ＥＸ内に突出する中空のカバー体４０内に位置している。カバー体４０の側部の複数箇所および底部には、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦを通過した被測定ガス、すなわち粒子状物質ＰＭを含む排出ガスが流出入するための通孔４１、４２が穿設されている。

本実施形態において、ＰＭセンサＳは、図３（ｂ）のディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦを通過して下流側にすり抜ける粒子状物質ＰＭを、センサ素子部１にて検出する。センサ素子部１は、略直方体形状の絶縁性基体１０の先端部（図３（ａ）の下端部）に、絶縁性基体１０を貫通し、粒子状物質の測定空間（以下適宜、測定空間という）２ａ、２ｂとなる複数のスリット２０ａ、２０ｂを有している。測定空間２ａ、２ｂの内壁面には、粒子状物質ＰＭを検出するための検知用電極（図示せず）が形成され、複数組の測定ユニット（ここでは２組）を構成している。本発明の特徴であるセンサ素子部１の構成について、次に詳述する。

図１（ａ）〜（ｅ）に示すように、センサ素子部１は、所定厚の長方形状のセラミック体よりなる絶縁性基体１０を有し、その一端側（図１の左端側）に形成される２つのスリット２０ａ、２０ｂは、絶縁性基体１０を幅方向に貫通して、その両側面に開口している。２つのスリット２０ａ、２０ｂは、絶縁性基体１０の厚み方向に並列して配置されており、それぞれの内部を測定空間２ａ、２ｂとしている。測定空間２ａ、２ｂは、絶縁性基体１０の長手方向に対向する内壁面と、厚さ方向に対向する内壁面にて形成される扁平な空間で、両側面の開口を通じて、粒子状物質ＰＭを含む排出ガスが流出入可能となっている。本実施形態では、図１（ｂ）において、厚さ方向に近接位置する一対の内壁面を、粒子状物質の検出面としており、図１（ｃ）のように、上側に位置する測定空間２ａには、下内壁面に一対のＰＭ検知用電極３が形成され、下側に位置する測定空間２ｂには、上内壁面に一対のＰＭ検知用電極４が形成されている。すなわち、両検出面にそれぞれ設けられた２組のＰＭ検知用電極対を備えている。

一対のＰＭ検知用電極３と一対のＰＭ検知用電極４は、同一形状の電極対からなり、これを図１（ｄ）にまとめて示す。図中、一対のＰＭ検知用電極３は、対向配設された櫛歯状電極３１、３２からなり、櫛歯状電極３１、３２は、所定の電極間距離をおいて対向する基部３１ａ、３２ａと、該基部３１ａ、３２ａから対向方向に延びる複数の補助電極３１ｂ、３２ｂを有している。一対のＰＭ検知用電極４は、同様に、対向配設された櫛歯状電極４１、４２からなり、櫛歯状電極４１、４２は、所定の電極間距離をおいて対向する基部４１ａ、４２ａと、該基部４１ａ、４２ａから対向方向に延びる複数の補助電極４１ｂ、４２ｂを有している。絶縁性基体１０には、例えば、電気絶縁性および耐熱性に優れたアルミナ等の酸化物セラミックスを主成分とするものが好適に使用される。また、検知用電極２１、２２は、例えば白金（Ｐｔ）等の貴金属を含む導電性ペーストを、所定のパターンに印刷して形成される。

図１（ｅ）において、これら櫛歯状電極３１、３２および櫛歯状電極４１、４２の基部３１ａ、３２ａ、４１ａ、４２ａは、それぞれ絶縁性基体１０の他端側（図１の右端側）に延び、出力取り出しおよび電源供給のための端子部（図示せず）に接続される。櫛歯状電極３１、３２および櫛歯状電極４１、４２は、それぞれ所定の間隔をおいて対向し、測定空間２の内壁面に粒子状物質ＰＭが堆積していない初期状態では導通していない。排出ガスとの接触により、導電性の煤粒子を含む粒子状物質ＰＭがこれら電極間の内壁面に徐々に堆積すると、ある時点で櫛歯状電極３１、３２または櫛歯状電極４１、４２間が導通し、粒子状物質ＰＭの堆積量の増加とともに、電極間抵抗が低下する。電極間抵抗は粒子状物質ＰＭの堆積量に依存して変化するので、この関係に基づいて、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ下流の粒子状物質ＰＭを検出し、例えばディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの故障判定に利用することができる。

本実施形態では、図１（ｃ）に示す絶縁性基体１０の一端側（図１の左端側）において、２組のＰＭ検知用電極対（一対のＰＭ検知用電極３、４）が設けられる同一形状のスリット２０ａ、２０ｂを挟んでその上下位置に、絶縁性基体１０の厚さ方向に対向する２つの電場印加用電極５１、５２を備えている。電場印加用電極５１は、一対のＰＭ検知用電極３が設けられるスリット２０ａ側（図の上側）に、電場印加用電極５２は、一対のＰＭ検知用電極４が設けられるスリット２０ｂ側（図の下側）において、絶縁性基体１０の内部に埋設して配置される。さらに本実施形態では、測定空間２ａ、測定空間２ｂとなるスリット２０ａ、２０ｂの間において、絶縁性基体１０に共通の電場印加用電極５３を埋設している。

図２（ａ）のように、電場印加用電極５１、５２は、一対のＰＭ検知用電極３、４の形成位置に対応する大きさの矩形パターンの電極膜である。電場印加用電極５１、５２は同一形状、同一極性（−）であり、絶縁性基体１０の他端側（図１の右端側）に延びるリード部５１ａ、５２ａにより、電源供給のための共通の端子部（図示せず）に接続される。また、共通の電場印加用電極５３は、測定空間２ａを挟んで電場印加用電極５１と、測定空間２ｂを挟んで、電場印加用電極５２とそれぞれ対向する位置にあり、図２（ｂ）のように、矩形電極膜とリード部からなる同様の構成を有している。電場印加用電極５３は、電場印加用電極５１、５２と同一形状で、逆の極性（＋）であり、これにより、一対のＰＭ検知用電極３、４を備える測定空間２ａ、２ｂに、それぞれ独立に電場を印加可能な２組の電場印加用電極対を、容易に形成することができる。

ここで、排出ガス中に含まれる粒子状物質ＰＭは微量であるため、センサ素子部１の測定空間に配置されるＰＭ検知用電極対が１組のみであると、測定結果にバラツキが生じるおそれがある。そこで、本発明では、測定空間とＰＭ検知用電極対を複数組設け、さらに電場印加用電極を独立に設けた同一構成の複数組の測定ユニットを設けて、同一条件で測定を行う。具体的には、２つの測定空間２ａ、２ｂと２組のＰＭ検知用電極３、４を設け、２組の測定ユニットの２組の電場印加用電極対（一対の電場印加用電極５１、５３と一対の電場印加用電極５２、５３）のうち、電場印加用電極５１、５２に負電圧（−）を、共通の電場印加用電極５３に正電圧（＋）を印加することにより、測定空間２ａ、２ｂ内の一対のＰＭ検知用電極３、４の周囲に均一な電場を形成する。３つの電場印加用電極５１、５２、５３は、絶縁性基体１０の内部に埋設されるので、粒子状物質ＰＭの堆積の影響を受けることがなく、一定の電場をかけ続けることができる。

排出ガス中に含まれる粒子状物質ＰＭは、通常、荷電している状態でＰＭセンサＳに到達するので、測定空間２ａ、２ｂ内に流入すると電場により捕集され、一対のＰＭ検知用電極３、４に到達して、検出される。本実施形態では、２つの測定空間２ａ、２ｂに設けた２組のＰＭ検知用電極３、４からの検出信号を平均化して、センサ出力とすることで、測定結果のバラツキを抑制する。これにより、出力を安定化し、検出精度を向上させることができる。

また、本発明では、ＰＭ検知用電極対を複数組設けることで、個々のセンサ出力から、例えばＰＭ検知用電極の断線といった異常を検出することが可能である。具体的には、本実施形態のように、測定空間２ａ、２ｂに２組のＰＭ検知用電極３、４を設けた場合、その一方の組に断線が生じると、一対の櫛歯状電極間に同等に粒子状物質ＰＭが堆積しても、一方のセンサ出力が得られない。この場合、ＰＭ検知用電極対が２組あることで、他の一方のセンサ出力と比較することが可能であり、例えば出力差が所定値を超えたら異常と判断することができる。

また、ＰＭセンサＳは、図３（ａ）のように、通常、カバー体４０を有しているが、排気管ＥＸから剥離する粗大粒子や凝縮水のカバー体４０内への侵入を完全に防止することは難しい。このため、従来のように検出部が素子表面に露出する構成では、粗大粒子等の影響を排除できないが、本発明では、センサ素子部１にスリット２０ａ、２０ｂを設けて測定空間２とするので、スリット２０ａ、２０ｂより大きい粒子が侵入することがない。したがって、スリット２０ａ、２０ｂの幅を、検出対象とする粒子状物質ＰＭの粒径に応じた設定とすることで、分級機能を備えたＰＭセンサＳとすることができる。そして、測定空間２ａ、２ｂ内に所定の電場を安定して発生させて、一対のＰＭ検知用電極３、４にそれぞれ粒子状物質ＰＭを効率よく堆積させることができ、これら測定結果を平均化した出力を用いることで、高感度かつ高精度に粒子状物質ＰＭを検出できる。

図２（ｃ）に、一対の電場印加用電極５１、５２への印加電圧と、発生する電界の関係を示す。一対のＰＭ検知用電極３、４に粒子状物質ＰＭを捕集する場合、測定空間２ａ、２ｂ内に発生させる電場の強度が大きくなるにつれて、捕集能が高まるものの、供給エネルギーが大きくなりやすい。図示されるように、印加電圧の上昇とともに電場が大きくなっており、これに伴い粒子状物質ＰＭの捕集能も増大する。ただし、電場が０．０２ＭＶ／ｍより小さい領域では、粒子状物質ＰＭを効率よく捕集する効果は十分ではなく、一方、電場が５ＭＶ／ｍを超えるとパッシェンの法則に基づく放電が見られた。したがって、測定空間２に発生させる電場は、０．０２〜５ＭＶ／ｍ、有利には、０．２〜２ＭＶ／ｍの範囲となるようにすると、捕集能とエネルギーコスト低減を両立させるために望ましい。

さらに、本実施形態では、２つの測定空間２ａ、測定空間２ｂを設けているので、粒子状物質ＰＭの捕集空間がより大きくなり、各測定空間２ａ、２ｂに流入する粒子状物質ＰＭを、それぞれに設けた一対のＰＭ検知用電極３、４に効率よく捕集することができる。したがって、１つの測定空間内に流入する粒子状物質ＰＭが、一対のＰＭ検知用電極３、４に分散して捕集される構成よりも、感度よい検出が可能になる。また、共通の電場印加用電極５３を設けたことにより、３つの電場印加用電極５１、５２、５３にて、２組の電場印加用電極対を形成して、効率よく粒子状物質ＰＭを検出することができる。この作用効果については、次に説明する。

図４（ａ）は、本発明の第１実施形態におけるセンサ素子部１の断面図であり、図４（ｂ）に、共通の電場印加用電極５３を有しないセンサ素子部１の構成を示す。図４（ｂ）に示すセンサ素子部１は、図４（ａ）の第１実施形態と同様に、センサ素子部１の絶縁性基体１０先端部（図４（ａ）の左端部）を貫通し、厚み方向に並列する２つのスリット２０ａ、２０を有している。２つのスリット２０ａ、２０ｂは、それぞれの内部を測定空間２ａ、２ｂとして、一対のＰＭ検知用電極３、４を配置しており、これら測定空間２ａ、測定空間２ｂを挟んでその上下位置に、一対の電場印加用電極５１、５２が埋設されている。図４（ｂ）に示すセンサ素子部１は、測定空間２ａ、測定空間２ｂとなるスリット２０ａ、２０ｂの間において、絶縁性基体１０に電場印加用電極５３を埋設しておらず、この点でのみ第１実施形態と構成が異なっている。この場合も、一対の電場印加用電極５１、５２の間に印加される電圧を制御して、測定空間２ａ、測定空間２ｂに電場を発生させることができる。

ここで、一対の電場印加用電極５１、５２の間隔をｄ_１とすると、間隔ｄ_１が小さいほど小さい印加電圧で大きな電場を発生させることができる。これは、印加電圧Ｖと電場強度Ｅに関して、一般に次の関係が成り立つからである。
Ｅ＝Ｖ／ｄ（電場強度：Ｅ、印加電圧：Ｖ、間隔：ｄ）
また、図４（ａ）の第１実施形態の構成において、電場印加用電極５１、５２と共通の電場印加用電極５３との間隔をそれぞれｄ_２、ｄ_３とした時、電場印加用電極５１、５２の間隔ｄ_１が一定であるとすると、次の関係が成り立つ。
ｄ_１＝ｄ_２＋ｄ_３
したがって、図４（ａ）、（ｂ）の構成において、同じ電場強度Ｅを与える場合には、共通の電場印加用電極５３を測定空間２ａ、２ｂ間に挿入した図４（ａ）の本発明の構成とすることで、より小さい印加電圧で効果が得られるので、エネルギーコストを低減することができ、有利である。

図５は本発明の第２実施形態であり、センサ素子部１の分解斜視図を示している。本実施形態のセンサ素子部１は、図１の第１実施形態を基本構成とするもので、さらにセンサ素子部１を加熱するためのヒータ部６を備えている。ＰＭセンサＳの基本構成は上記第１実施形態と同様であり、以下、相違点を中心に説明する。

図５において、センサ素子部１の絶縁性基体１０は、測定空間２ａ、２ｂとなるスリット２０ａ、２０ｂを構成し、一対のＰＭ検知用電極３、４および電場印加用電極５１、５２を埋設配置するための絶縁層１１〜１７と、ヒータ部６を構成する絶縁層１８、１９とからなる。絶縁層１１〜１９は、同一のセラミック材料で構成され、例えばアルミナ等の電気絶縁性および耐熱性に優れたセラミック材料を、ドクターブレード法等の公知の方法で、所定の板形状に成形したものが用いられる。セラミック材料として、アルミナ以外の酸化物セラミックスまたは炭化物セラミックスその他を主成分とするものを使用することもできる。

ヒータ部６は、絶縁層１８、１９とそれら層間に配置される発熱体６１からなる。発熱体６１は、絶縁層１９の先端側（図の左端側）で一対のＰＭ検知用電極３、４および電場印加用電極５１、５２の直下位置に、所定パターンで印刷形成され、一対のリード部６２が絶縁層１９の他端側へ延びている。リード部６２の端部は、絶縁層１９に形成され導電材が充填される一対のスルーホール６３を介して、絶縁層１９下面の一対の発熱体端子部７１に接続している。ヒータ電極６１用材料は、Ｗ、Ｔｉ、Ｃｕ等が好適に使用される。

発熱体６１は、この発熱体端子部７１が接続される外部電源（例えば車両バッテリ等）から電源供給を受けて発熱し、センサ素子部１の温度を制御する。これにより、ＰＭ測定時に一対の検知用電極３、４を所定温度範囲に加熱し、測定後は堆積した粒子状物質ＰＭの燃焼温度以上として再生させることができる。

発熱体６１上方の絶縁層１８には、電場印加用電極５２が所定パターンで印刷形成され、絶縁層１７を積層することでこれら層間に保持される。電場印加用電極５２のリード部５２ａは、絶縁層１２〜１７の端部（図の右端部）に形成されるスルーホール８４を介して、絶縁層１１上面の電場印加用電極端子部７６に接続している。絶縁層１７上方の絶縁層１６は、一対のＰＭ検知用電極４に対応する位置を切り欠いたスリット２０ｂを有し、上下に絶縁層１５、１７を積層することで、測定空間２ｂを構成している。

絶縁層１６上方の絶縁層１５の上面側には、共通の電場印加用電極５３が、下面側には、一対のＰＭ検知用電極４となる櫛歯状電極４１、４２が、所定パターンで印刷形成される。共通の電場印加用電極５３のリード部５３ａは、絶縁層１５〜１９の端部（図の右端部）に形成されるスルーホール６４を介して、絶縁層１９下面の電場印加用電極端子部７４に接続している。絶縁層１４上方の絶縁層１３は、一対のＰＭ検知用電極３に対応する位置を切り欠いたスリット２０ａを有し、上下に絶縁層１２、１４を積層することで、測定空間２ａが構成される。

絶縁層１４には、一対のＰＭ検知用電極３となる櫛歯状電極３１、３２が、所定パターンで印刷形成される。ここでは、これら２組のＰＭ検知用電極３、４の一方の端子を共通化してあり、櫛歯状電極３１、４１の基部３１ａ、４１ａは、絶縁層１５、１４、１３、１２の端部（図の右端部）に形成されるスルーホール８１を介して、絶縁層１１上面のＰＭ検知用端子部７３に接続している。ＰＭ検知用電極３、４の他方の櫛歯状電極３２、４２の基部３２ａ、４２ａは、絶縁層１５、１４、１３、１２の端部（図の右端部）に形成されるスルーホール８２、８３を介して、絶縁層１１上面のＰＭ検知用端子部７４、７５に接続される。

また、絶縁層１２には、電場印加用電極５１が所定パターンで印刷形成され、絶縁層１１を積層することでこれら層間に保持される。電場印加用電極５１のリード部５１ａは、絶縁層１１の端部（図の右端部）に形成される図示しないスルーホールを介して、絶縁層１１上面の電場印加用電極端子部７６に接続している。

上記構成のセンサ素子部１は、所定位置に発熱体６１、ＰＭ検知用電極３、４、電場印加用電極５１、５２、共通の電場印加用電極５３、スルーホール６３、６４、８１〜８４、端子部７１〜７６を形成した後、絶縁層１１〜１９を積層し、焼成することにより一体化される。上述した第１実施形態のセンサ素子部１も、同様の方法を用いて製造することができる。

次に、本発明による効果を確認するために、図６（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示す構成の素子１、２を製作し、以下の方法で実機試験を行なった。素子２は本発明品であり、２つのスリット２０ａ、２０ｂと、２組のＰＭ検知電極３、４と、２組の電場印加用電極（一対の２組の電場印加用電極５１、５２と共通の電場印加用電極５３）を備え、上記図４（ｂ）に示した第２実施形態のセンサ素子１と同様の構成を有する。素子１は比較品であり、１つのスリット２０と、１組のＰＭ検知電極３と、１組の電場印加用電極５１、５２を備えている。

（実施例１）
上記構成の素子１、２を、エンジン排気管内に設置し、エンジンを稼働させて粒子状物質ＰＭを含む排出ガスに曝した時の、センサ出力（ＰＭ検知電極３、４間の電気抵抗変化）を所定時間測定した。これを３回繰り返し、その結果を図７（ａ）、（ｂ）に比較して示す。ＰＭ排出量は、ＰＭ分析計にて、排気管中に排出される粒子状物質ＰＭ量を測定した結果である。なお、素子１、２に形成した各スリット２０ａ、２０ｂ、２の大きさは同じであり、電場印加用電極間の印加電圧は一定とした。これら条件およびエンジン条件は、以下の通りとした。
スリット高さ：０．３ｍｍ
スリット幅：１０ｍｍ
印加電圧（電場印加用電極間に印加）：３０Ｖ
エンジン：ディーゼルエンジン
回転数：２０００回転（固定）
スモーク量：５％

図７に明らかなように、素子１、素子２のいずれも、測定初期はセンサ出力が０（Ｖ）であり（不感期間）、ある時点で一対の櫛歯状電極間が導通すると、ＰＭ排出量の増加とともにセンサ出力が増加した後、飽和する同様の傾向を示す。ただし、ＰＭ検知電極対が１組の素子１では、不感期間の長さにバラツキがある上、センサ出力の上昇にもバラツキがあり、予め設定した所定センサ出力に到達するまでのバラツキが大きい。これに対して、２組のＰＭ検知電極対の結果を平均化してセンサ出力としている本発明の素子２は、不感期間の長さ、センサ出力上昇時の傾き、および所定センサ出力に到達するまでのバラツキがいずれも小さくなっている。

図６（ｃ）は、素子１と素子２において、所定センサ出力（所定感度）に到達するまでの時間を柱状グラフで比較したものである（ｎ＝３）。図に明らかなように、本発明の素子２は、到達時間のバラツキがほとんどないが、比較品である素子１は、同一条件での測定であるにもかかわらず、測定ごとのバラツキが大きい。したがって、本発明により、従来よりも高い精度で粒子状物質ＰＭを検出することができる。

（実施例２）
上記構成の素子１、２に、予め断線を生じさせて、実施例１と同様の方法でセンサ出力を測定した。図８（ａ）に示すように、素子１、２に設けた一対のＰＭ検知電極３のうち、片方の櫛歯状電極３１の一部をレーザトリマにより切断した（仮想断線）。素子２については、２組のうち他方のＰＭ検知電極４は断線させず、一対のＰＭ検知電極３のみ断線させている。実施例１と同様のエンジン条件で、センサ出力を測定した結果を、図８（ｂ）〜（ｄ）に示す。

図８（ｂ）は、素子１の結果であり、断線によりＰＭ排出量に対してセンサ出力が得られない。ただし、センサ出力からでは、断線等のセンサ異常が原因であるのか、そもそも粒子状物質ＰＭが排出されてないのか判定することはできない。一方、素子２では、図８（ｃ）のようにセンサ出力が、通常時に得られる出力（図７（ｂ）参照）の１／２となるものの、ＰＭ排出量に対して所定の不感期間の後、センサ出力の上昇が見られる。これは、図８（ｄ）のように、断線のある一方のセンサ出力は、図８（ｂ）の素子１と同様に０（Ｖ）で一定であり、一方は正常なセンサ出力が得られて、これらを平均化した出力となるからである。

したがって、素子２では、２つのセンサ出力を比較することで、異常を検出することができる。例えば、２つのセンサ出力の差をモニタし、その差が所定値より大きくなった時に断線と判断して運転者に警告することができるので、車載式故障診断装置（ＯＢＤ）等に適用されてシステムの信頼性を向上させるこ・BR>ニができる。

このようにして形成される本発明の粒子状物質検出センサは、内燃機関の排気浄化装置に適用されて、排出される粒子状物質の検出に好適に利用される。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。

ＤＰＦディーゼルパティキュレートフィルタ
ＥＸ排気管（排気通路）
Ｅ／Ｇディーゼルエンジン（内燃機関）
ＳＰＭセンサ（粒子状物質検出センサ）
１センサ素子部
１０絶縁性基体
１１〜１９絶縁層
２ａ、２ｂ測定空間
２０ａ、２０ｂスリット
３、４一対のＰＭ検知用電極（検知用電極）
３１、３２一対の櫛歯状電極
４１、４２一対の櫛歯状電極
５１、５２一対の電場印加用電極
５３共通の電場印加用電極
６ヒータ部
６１発熱体

Claims

被測定ガス中に配設される絶縁性基体に一対の検出用電極を設け、被測定ガス中の粒子状物質を検出するセンサ素子部を備える粒子状物質検出センサにおいて、
上記センサ素子部は、
上記絶縁性基体を貫通するスリットからなる粒子状物質の測定空間と、
上記測定空間を形成するスリット内壁面に配置された上記一対の検知用電極と、
上記測定空間内に電場を形成するための一対の電場印加用電極とからなる測定ユニットを複数組有しており、
複数組の上記測定ユニットは、各測定ユニットを構成するスリットが上記絶縁性基体の厚み方向に間隔をおいて並列配置し、各スリットを挟んで対向させた上記一対の電場印加用電極のうち、複数のスリット間に位置する電場印加用電極を共通に設けた複数組の電場印加用電極対を備え、
上記複数組の検知用電極対による検出結果に基づいて、粒子状物質を検出することを特徴とする粒子状物質検出センサ。
上記センサ素子部は、上記測定ユニットを２組有し、上記絶縁性基体に２つのスリットを形成して２つの上記測定空間となし、上記測定空間の内壁面にそれぞれ上記一対の検知用電極を配置するとともに、上記２つのスリット間に共通の電場印加用電極を埋設し、各スリットを挟んで上記共通の電場印加用電極と対向する位置にそれぞれ電場印加用電極を埋設して、３つの電場印加用電極にて２組の電場印加用電極対を設けた請求項１記載の粒子状物質検出センサ。
上記２組の電場印加用電極対は、上記共通の電場印加用電極に対向する２つの電場印加用電極を同極として共通の端子部に接続した請求項２記載の粒子状物質検出センサ。
上記センサ素子部は、上記複数組の検知用電極対による検出信号を平均化して粒子状物質の検出値とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の粒子状物質検出センサ。
上記センサ素子部は、上記複数組の検知用電極対による検出信号を比較することにより、各検知用電極対の異常を検出する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の粒子状物質検出センサ。
上記一対の電場印加用電極に電圧を印加することにより、上記測定空間内に０．０２〜５ＭＶ／ｍの電場を発生させる請求項１ないし５のいずれか１項に記載の粒子状物質検出センサ。