JP2013242283A - センサ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 センサ素子の感度を向上させる。
【解決手段】 排ガス中の粒子を検出するためのセンサ素子１０であって、絶縁性基板２と、絶縁性基板２の上面に設けられた、異なる極性を有する複数の検出電極１１が交互に配置されて成る粒子状物質検出部１と、絶縁性基板２の内部に設けられた、一端が上面の検出電極１１の直下に導出されて検出電極１１に覆われており、他端が表面に露出している複数の引き出し電極３とを備えており、検出電極１１が白金を主原料とするとともに、引き出し電極３がモリブデンまたはタングステンを主原料とする。
【選択図】 図２

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利用されるセンサ素子に関するものである。

排気ガスに含まれる粒子状物質を検出するための素子として、抵抗型のセンサ素子が知られている。この抵抗型のセンサ素子としては、例えば、特許文献１に記載のものが挙げられる。特許文献１に記載のセンサ素子は、絶縁性基板と、絶縁性基板の上面に設けられた複数の検出電極と、絶縁性基板の上面に設けられた、検出電極から引き出された引き出し電極とを備えている。センサ素子は、複数の検出電極間の抵抗を測定することによって、検出電極間に粒子状物質が堆積しているか否かを検出することができる。

特表２００８−５０２８９２号公報

しかしながら、特許文献１に記載のセンサ素子においては、引き出し電極が検出電極と同一平面上に設けられている。そのため、検出電極だけではなく引き出し電極も排気ガスに触れる可能性があった。これにより、検出電極だけではなく引き出し電極にも耐環境性に優れた材料を用いる必要があった。具体的には、白金等の材料を用いることが必要であった。そのため、引き出し電極に用いる材料を電気伝導性の観点から選択することが困難であり、引き出し電極において不要な抵抗が生じていた。その結果、センサ素子の感度を向上させることが困難であった。

本発明の一実施形態のセンサ素子は、絶縁性基板と、該絶縁性基板の上面に設けられた、異なる極性を有する複数の検出電極が交互に配置されて成る粒子状物質検出部と、前記絶縁性基板の内部に設けられた、一端が前記上面の前記検出電極の直下に導出されて該検出電極に覆われており、他端が表面に露出している複数の引き出し電極とを備えており、前記検出電極が白金を主原料とするとともに、前記引き出し電極がモリブデンまたはタングステンを主原料とする。

本発明の一実施形態のセンサ素子によれば、引き出し電極が絶縁性基板の内部に設けられている。これにより、引き出し電極が排気ガスに触れる可能性を低減できる。さらに、排気ガスに触れる検出電極の主原料を白金にするとともに、排気ガスに触れにくい引き出し電極の主原料をモリブデンまたはタングステンにすることによって、耐環境性を保ったまま、引き出し電極における抵抗を低減できる。その結果、センサ素子の感度を向上させることができる。

本発明の一実施形態のセンサ素子を用いたセンサ全体を示す概略図である。 図１に示したセンサ素子の分解斜視図である。 図１に示したセンサ素子の平面図である。 図１に示したセンサ素子に粒子状物質が堆積した様子を示す模式図である。 図３に示したセンサ素子のＸ−Ｘ’断面の断面図である。 図３に示したセンサ素子のＹ−Ｙ’断面の断面図である。 センサ素子の排気ガス管への取り付け例を示す断面図である。 図７に示したセンサ素子および圧電素子の斜視図である。 センサ素子の排気ガス管への他の取り付け例を示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態のセンサ素子１０について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態のセンサ素子１０を用いたセンサ全体１００を示す概略図である。図１に示すように、センサ全体１００は、センサ素子１０と、センサ素子１０に電力を供給する電源部２０と、センサ素子１０の抵抗を測定するための抵抗測定部３０とを備えている。センサ素子１０の上面には粒子状物質検出部１が設けられている。センサ素子１０は、例えば、車両用内燃機関における排気ガスの配管内に粒子状物質検出部１が露出するように設けられる。粒子状物質検出部１に排気ガス中の粒子状物質が堆積すると、センサ素子１０の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化を抵抗測定部３０で検出することによって、検出電極１１間に粒子状物質が堆積しているか否かを検出することができる。

図２はセンサ素子１０の分解斜視図である。図２に示すように、センサ素子１０は、絶縁性基板２と、絶縁性基板２の上面に設けられた粒子状物質検出部１と、絶縁性基板２の内部に設けられた引き出し電極３とを備えている。絶縁性基板２は、例えばアルミナ等のセラミック材料から成る多層基板である。絶縁性基板２は、上面から第１層２１、第２層２２、第３層２３および第４層２４に大別される。以下、順に説明する。

第１層２１は、排気ガスに触れる部分である。すなわち、粒子状物質が堆積する部分でもある。第１層２１の上面には粒子状物質検出部１が設けられている。粒子状物質検出部１は、異なる極性を有する複数の検出電極１１が交互に配置されて成る。粒子状物質検出部１は、さらに補助電極１２を有している。補助電極１２は、同じ極性を有する検出電極１１のそれぞれを接続している。具体的には、図３に示すように、粒子状物質検出部１は、４本の検出電極１１と１つの補助電極１２とによって形成された２つの櫛型状の電極を有している。２つの櫛型状の電極が、互いの検出電極１１を挟み合うように配置されている。検出電極１１および補助電極１２は、白金を主原料としている。これにより、耐環境性が向上されている。本実施形態においては、検出電極１１の厚みおよび補助電極１２の厚みは１０μｍに設定されている。極性の異なる検出電極１１間の間隔は５０μｍに設定されている。第１層２１の厚みは、１００μｍに設定されている。

粒子状物質検出部１は、以下の方法で粒子状物質の堆積を検出する。図４は、センサ素子１０に粒子状物質４が堆積した様子を示している。具体的には、２つの極性の異なる検出電極１１の間に粒子状物質４が堆積している。粒子状物質４は２つの検出電極１１の両方に接触している。これにより、２つの検出電極１１の間の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化を図１に示した抵抗測定部３０で検出することによって、粒子状物質４の堆積を検出することができる。

図５および図６に示すように、第１層２１の内部には複数の引き出し電極３が設けられている。引き出し電極３は、粒子状物質検出部１と電源部２０および抵抗測定部３０とを電気的に接続するための部材である。第１層２１における引き出し電極３はそれぞれの検出電極１１の直下に導出されるとともに、それぞれ検出電極１１に覆われている。第１層２１における引き出し電極３は、第１層２１の下面にまで導出されている。第１層２１における引き出し電極３は、第１層２１中に円柱状のビア配線として形成されている。第１層２１における引き出し電極３の径は例えば５０μｍに設定されている。引き出し電極３は、モリブデンまたはタングステンを主原料としている。ここでいう「モリブデンまたは
タングステンを主原料としている」とは、引き出し電極３に含まれるモリブデンの質量およびタングステンの質量の合計が、引き出し電極３を構成する原料の５０％以上を占めている状態を意味している。本実施形態においては、引き出し電極３は、モリブデン６０％とタングステン４０％とからなる混合物を主原料としている。

図５および図６に示すように、第２層２２においても、引き出し電極３がビア配線として形成されている。第２層２２における引き出し電極３は、第１層２１における引き出し電極３と連続している。第２層２２における引き出し電極３の径および組成は、第１層２１における引き出し電極３の径および組成と同様である。第２層２２における引き出し電極３は、第２層２２の上面および下面に導出されている。第２層２２の厚みは、１００μｍに設定されている。

第３層２３は、一方の極性を有する検出電極１１から引き出された引き出し電極３（以下、「一方の極性を有する引き出し電極３」という）と電源部２０および抵抗測定部３０とを接続するための部分である。また、第３層２３は、他方の極性を有する検出電極１１から引き出された引き出し電極３（以下、「他方の極性を有する引き出し電極３」という）を第４層２４における引き出し電極３に接続するための部分でもある。第３層２３は、第１層２１および第２層２２と比較して主面の面積が大きい。そして、第３層２３の上面には、一方の極性を有する引き出し電極３が、他方の極性を有する引き出し電極３と離れて、周縁付近を除くほぼ全面に形成されている。引き出し電極３が、第３層２３の上面のうち周縁付近を除いて形成されていることによって、引き出し電極３が外部に露出することを抑制できる。その結果、引き出し電極３と排気ガスとを触れにくくすることができる。第３層２３は、第１層２１および第２層２２と比較して側方に突出している。この突出している部分において、一方の極性を有する引き出し電極３と電源部２０および抵抗測定部３０との接続が行われる。一方の極性を有する引き出し電極３がほぼ全面に形成されていることによって、一方の極性を有する引き出し電極３の抵抗を低減することができる。一方の極性を有する引き出し電極３の厚みは、１５μｍに設定されている。

第３層２３の内部には、他方の極性を有する引き出し電極３がビア配線として形成されている。第３層２３における他方の極性を有する引き出し電極３は、第２層２２における他方の極性を有する引き出し電極３と連続している。第３層２３における引き出し電極３の径および組成は、第１層２１および第２層２２における引き出し電極３の径および組成と同様である。第３層２３における引き出し電極３は、第３層２３の上面および下面に導出されている。第３層２３の厚みは、１００μｍに設定されている。

第４層２４は、他方の極性を有する引き出し電極３と電源部２０および抵抗測定部３０とを接続するための部分である。第４層２４は、第３層２３と比較して主面の面積が大きい。そして、第４層２４の上面には、他方の極性を有する引き出し電極３が、周縁付近を除くほぼ全面に形成されている。具体的には、第４層２４は、第３層２３と比較して側方に突出している。この突出している部分において、他方の極性を有する引き出し電極３と電源部２０および抵抗測定部３０との接続が行われる。他方の極性を有する引き出し電極３がほぼ全面に形成されていることによって、他方の極性を有する引き出し電極３の抵抗を低減することができる。引き出し電極３が、第４層２４の上面のうち周縁付近を除いて形成されていることによって、引き出し電極３が外部に露出することを抑制できる。その結果、引き出し電極３と排気ガスとを触れにくくすることができる。他方の極性を有する引き出し電極３の厚みは、１５μｍに設定されている。第４層２４の厚みは、２００μｍに設定されている。

本実施形態のセンサ素子１０は、引き出し電極３が絶縁性基板２の内部に設けられている。これにより、引き出し電極３が排気ガスに触れる可能性を低減できる。さらに、排気
ガスに触れる検出電極１１の主原料を白金にするとともに、排気ガスに触れにくい引き出し電極３の主原料をモリブデンまたはタングステンにすることによって、耐環境性を保ったまま、引き出し電極３における抵抗を低減できる。その結果、センサ素子１０の感度を向上させることができる。

さらに、一方の引き出し電極３が第３層２３の上面のほぼ全面に形成されているとともに、他方の引き出し電極３が第４層２４の上面のほぼ全面に形成されている。このように、異なる極性を有する引き出し電極３を異なる層において水平方向に引き出すことによって、それぞれの引き出し電極３をそれぞれの層のほぼ全面に形成することができる。その結果、引き出し電極３における抵抗をさらに低減することができる。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。例えば、本実施形態においては、引き出し電極３が第３層２３の上面および第４層２４の上面に引き出されていたが、これに限られない。具体的には、絶縁性基板２の下面に引き出されていてもよい。

また、本実施形態においては、引き出し電極３のうちビア配線の部分が円柱状に形成されていたが、これに限られない。具体的には、四角柱状であってもよい。特に、検出電極１１の長さ方向に沿うように直方体形状に引き出し電極３のうちビア配線の部分が形成されてもよい。これにより、引き出し電極３の抵抗値を小さくすることができる。その結果、センサ素子１０の感度を向上させることができる。

また、本実施形態においては、１つの検出電極１１に対して２つの引き出し電極３のビア配線が設けられていたが、これに限られない。具体的には、１つまたは３つ以上のビア配線が設けられていてもよい。

また、本実施形態においては、補助電極１２が設けられることによって粒子状物質検出部１が、櫛型状に形成されていたが、これに限られない。具体的には、補助電極１２を有していない構成であってもよい。補助電極１２を有していない構成にすることによって、センサ素子１０を小型化することができる。

また、本実施形態においては、引き出し電極３がモリブデンとタングステンのみによって形成されていたが、これに限られない。具体的には、レニウムなどを含んでいてもよい。

また、引き出し電極３の抵抗温度係数は、検出電極１１の抵抗温度係数に比べて小さいことが好ましい。これにより、高温環境下において、引き出し電極３の抵抗の影響を受けにくくすることができる。その結果、センサ素子１０の感度が低下することを抑制できる。

また、本実施形態においては、引き出し電極３が第３層２３および第４層２４の周縁付近を除いて設けられていたが、これに限られない。具体的には、引き出し電極３が第３層２３および第４層２４の周縁付近にまで設けられていてもよい。ただし、この場合には、引き出し電極３がセンサ素子１０の側面に露出することになるので、引き出し電極３が排気ガスに触れないようにセンサ素子１０を設置することが求められる。

以下、本発明のセンサ素子１０の取り付け例に関して説明する。図７はセンサ素子１０を排気ガス管４に取り付けた構造を示す断面図である。図７は、排気ガス管４のガスの流動方向に対して垂直な面で切った断面図である。図７においては、センサ素子１０は、一端に粒子状物質検出部１が設けられた帯状の構造になっている。具体的には、図８に示す
ように第２層２２、第３層２３および第４層２４が帯状に形成されている。第１層２１は、第２層２２の一端上に形成されている。センサ素子１０の一端は、排気ガス管４の内部に位置している。すなわち、粒子状物質検出部１は、排気ガス管４の内側に露出している。センサ素子１０の他端は、排気ガス管４の外部に位置している。センサ素子１０の他端において、センサ素子１０と、電源部２０および抵抗測定部３０とが電気的に接続されている。センサ素子１０は、一端と他端との間の領域が排気ガス管４に設けられた貫通孔にはめ込まれることによって、排気ガス管４に取り付けられている。排気ガス管４の貫通孔とセンサ素子１０との間は、接合剤等によって気密に封止されている。接合剤としては例えばろう材等が用いられる。

センサ素子１０の他端には圧電素子５が設けられている。圧電素子５を振動させることによって、センサ素子１０を振動させることができる。粒子状物質検出部１に過度に粒子状物質が付着すると、センサ素子１０の感度が低下する。このとき、センサ素子１０を振動させることによって、粒子状物質検出部１に付着した粒子状物質の一部を粒子状物質検出部１から取り除くことができる。これにより、センサ素子１０の感度の低下を抑制できる。圧電素子５としては、例えば鉛系のＰＺＴや非鉛系圧電素子等を用いることができる。

また、図９に示すように、圧電素子５を排気ガス管４の外周面に設けてもよい。これにより、排気ガス管４を介して、圧電素子５の振動を粒子状物質検出部１に伝達することができる。この場合、センサ素子１０に圧電素子５が実装されるためのスペースが必要なくなることから、センサ素子１０を小型化することができる。

なお、排気ガス管４が低温度の環境下で用いられる場合であれば、排気ガス管４の内部においてセンサ素子１０の表面または排気ガス管４の内周面に圧電素子５を設けてもよい。

１００：センサ全体
１０：センサ素子
２０：電源部
３０：抵抗測定部
１：粒子状物質検出部
１１：検出電極
１２：補助電極
２：絶縁性基板
２１：第１層
２２：第２層
２３：第３層
２４：第４層
３：引き出し電極
４：排気ガス管
５：圧電素子

Claims (2)

1. 排ガス中の粒子を検出するためのセンサ素子であって、
   絶縁性基板と、
   該絶縁性基板の上面に設けられた、異なる極性を有する複数の検出電極が交互に配置されて成る粒子状物質検出部と、
   前記絶縁性基板の内部に設けられた、一端が前記上面の前記検出電極の直下に導出されて該検出電極に覆われており、他端が表面に露出している複数の引き出し電極とを備えており、
   前記検出電極が白金を主原料とするとともに、前記引き出し電極がモリブデンまたはタングステンを主原料とするセンサ素子。
2. 前記粒子状物質検出部は、同じ極性を有する前記検出電極のそれぞれを接続する補助電極を有する請求項１に記載のセンサ素子。

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