JP2015129711A - 微粒子センサ - Google Patents
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Abstract
Description
この特許文献1に開示された微粒子センサは、絶縁セラミックからなる第1〜第5の複数の絶縁性のセラミック層を積層したセンサユニットを有している。このセンサユニットは、これら複数の絶縁性のセラミック層の層間に第1のグランドパターン及び第2のグランドパターンを配すると共に、放電パターンを、第2のセラミック層の表面にパターン印刷により形成している。そして、放電パターンの先端部(放電電極)に、コロナ放電のための電力(2〜3kV、100kHz)が供給され、第2のグランドパターンとの間で、コロナ放電を生じさせている(特許文献1の図6参照)。
しかし、高電圧を印加するコロナ放電等の気中放電においては、交流高電圧やパルス状の脈流の高電圧を用いようとすると、制御可能な周波数に制限があったり、高価なスイッチング素子を要したり、制御回路が複雑化してコストアップを招くなどの問題があった。
なお、補助電極部を、セラミック積層体の表面上に露出して設けても良い。しかし、上述の微粒子センサでは、補助電極部がセラミック積層体の内部に設けられているので、水分や煤の付着による放電電極体などとの絶縁抵抗の低下も防止されている。
本実施形態に係る微粒子センサ1について、図面を参照して説明する。本実施形態の微粒子センサ1は、図1に示すように、車両AMに搭載したエンジンENGの排気管EPに装着され、排気管EP内を流通する排気ガスEG(被測定ガス)中のススなどの微粒子Sを検知する。
微粒子センサ1は、長手方向HNに延びる板状で、気中放電により、イオンを生成するセラミック素子100を備える。このほか、このセラミック素子100を絶縁しつつ保持し、かつ、センサGND電位SGNDとされる主体金具50及びこれに結合する部材、主体金具50等と絶縁し、かつ、これらを囲んで保持し、排気管EPに取り付けられて、シャーシGND電位CGNDとされる取り付け金具90及びこれに結合する部材等を備える。
取り付け金具90の後端側GKには、金属製で筒状の外筒95が固設されている。具体的には、取り付け金具90の後端部90kに、外筒95の先端部95sが外嵌され、レーザ溶接により一体とされている。
具体的には、主体金具50は、径方向外側に膨出する円環状のフランジ部51を有しており、また、内筒80も先端部分が円環状のフランジ部81となっている。そして、これらフランジ部51,81同士が重なるように、主体金具50の後端部50kに、内筒80の先端部80sが外嵌され、レーザ溶接により一体とされている。また、一体とされた主体金具50及び内筒80は、両者のフランジ部51,81が、先端側GSに位置する第1絶縁スペーサ60と後端側GKに位置する第2絶縁スペーサ61とに挟まれて、取り付け金具90内に配置されている。さらに、第2絶縁スペーサ61の後端側GKには、スリーブ62が配置されている。取り付け金具90の最後端部90kkとスリーブ62との間には、線パッキン63が配置され、取り付け金具90の最後端部90kkは、径方向内側に屈曲して加締められている。
さらに、内側プロテクタ45の先端部分には、取り入れた排気ガスEG(被測定ガス)を排出するための丸型の排出口45Oが形成されており、この排出口45Oを含む内側プロテクタ45の先端部分は、外側プロテクタ40の先端部分の開口43から外部に突出している。
図6において、排気ガスEGは、排気管EP内を、図中、左から右に向けて流通している。この排気管EP内を流通する排気ガスEGが、微粒子センサ1の外側プロテクタ40及び内側プロテクタ45の周囲を通ると、その流速が、内側プロテクタ45の排出口45Oの外側で上昇し、いわゆるベンチュリ効果により、排出口45O付近に負圧が生じる。すると、この負圧により、内側プロテクタ45内に取り入れられた取入排気ガスEGIが排出口45Oから排出される。これと共に、外側プロテクタ40の外側導入孔40I周囲の排気ガスEGが、この外側導入孔40Iから外側プロテクタ40内に取り入れられ、さらに、内側プロテクタ45の内側導入孔45Iを通じて、さらに内側プロテクタ45内に取り入れられる。
そして、内側プロテクタ45内の取入排気ガスEGIは、排出口45Oから排出されるので、内側プロテクタ45内には、後端側GKの内側導入孔45Iから先端側GSの排出口45Oに向けて流れる取入排気ガスEGIの気流が生じる。
また、絶縁ホルダ70の後端側GKには、絶縁体からなる第1セパレータ71が、さらに、その後端側GKには、同じく絶縁体からなる第2セパレータ72が、長手方向HNに並んで配置され、いずれも内筒80の内側に収容されている。
なお、第1セパレータ71の挿通孔71c内において、放電電位端子73は、セラミック素子100の後述する放電電位パッド113(図4,図5参照)に接触している。また、第2セパレータ72の第2挿通孔72b内において、補助電位端子75は、セラミック素子100の補助電位パッド125に、第1ヒータ端子76は、セラミック素子100の第1ヒータパッド136に、第2ヒータ端子77は、セラミック素子100の第2ヒータパッド137に、それぞれ接触している。
さらに具体的には、セラミック基体101は、アルミナグリーンシート由来のアルミナからなる板状の3つのセラミック層102,103,104が重なったセラミック積層体である。さらに、詳細には、これらの層間に印刷形成されアルミナからなる2つの絶縁被覆層105,106が介在している。これらは、図5に示すように、セラミック層102,絶縁被覆層105,セラミック層103,絶縁被覆層106,セラミック層104が、この順に積層されている。そして、セラミック層102とセラミック層103の層間、さらに詳しくは、絶縁被覆層105とセラミック層103の間に放電電極体110が配置されている。また、セラミック層103とセラミック層104の層間、さらに詳しくは、セラミック層103と絶縁被覆層106の間に補助電極体120が、絶縁被覆層106とセラミック層104の間にヒータ部130が、それぞれ配置されている。そして、これらが一体化してセラミック素子100(セラミック構造体)が形成されている。
放電電極体110のうち、リード部111と、このリード部111が接続する針状電極部112のうち後端側GKの埋設部112Aとは、絶縁被覆層105及びセラミック層102で被覆されて、セラミック基体101(セラミック積層体)内に、具体的には、セラミック層102とセラミック層103の層間に埋設された層間部である。
このように、層間部(埋設部112A及びリード部111)が、セラミック基体101内に埋設されているので、セラミック基体101に付着した水分や煤によって、層間部112A,111の絶縁性が低下するのが防止されている。しかも、層間部112A,111は、セラミック層102とセラミック層103の層間に形成するので、パターン印刷や白金線の配置により容易に形成できる。
なお、補助電極体120の補助電極部122は、セラミック基体101の第1セラミック部101Aのうち、第2セラミック部101Bの第2先端101BSよりも長手方向HN先端側GSの内部(セラミック層103とセラミック層104の層間)に埋設されている。
また、ヒータ部130のヒータリード部132,133は、後端側GKの端部134,135から、セラミック層104を貫通するスルーホール104h2を通じて、セラミック層104の他方の表面104S2上に形成された第1ヒータパッド136及び第2ヒータパッド137に、それぞれ導通している。なお、前述したように、第1ヒータパッド136には、第1ヒータ端子76が、第2ヒータパッド137には、第2ヒータ端子77が、それぞれ接触し導通する。
イオン源15をなすセラミック素子100のうち、放電電極体110、補助電極体120及びヒータ部130は、それぞれ前述した放電電位リード線161、補助電位リード線162、第1ヒータリード線163及び第2ヒータリード線164を通じて、図2において図示外の回路部190(図1参照)に接続されている。また、前述した放電電位リード線161及び補助電位リード線162を芯線とする三重同軸ケーブル(トライアキシャルケーブル)の同軸二重の外部導体のうち、内側の外部導体も、回路部190に接続され、セラミック素子100(イオン源15)の周囲に配置された内側プロテクタ45は、前述したように、センサGND電位SGND(基準電位)とされている。
これにより、空中に突出した、針状電極部112の露出部112Bの針状先端部112Sと、センサGND電位(基準電位)とされた内側プロテクタ45(基準電位部材)との間に、誘電体をなす絶縁セラミック層が存在せず、放電電極体110の針状先端部112Sに一定の直流の放電電位PV2を印加してコロナ放電を生じさせることができる。また、これにより、回路部190が簡易で安価な構成になり、安価な微粒子センサ1とすることができる。
しかも、本実施形態の微粒子センサ1では、補助電極部122がセラミック基体101(セラミック積層体)の内部に設けられるので、水分や煤の付着による放電電極体110などとの絶縁抵抗の低下も防止されている。
次いで、上述の実施形態の変形形態について説明する。実施形態の微粒子センサ1では、セラミック素子100は、放電電極体110のみならず、補助電極部122を含む補助電極体120を有していた。これに対し、本変形形態の微粒子センサ1Aでは、補助電極体120(補助電極部122)を有しないセラミック素子100Aを用いる点で異なる(図2参照)。なお、セラミック素子100Aが、補助電極体120を有しないことにより、変形形態の微粒子センサ1Aは、補助電位リード線162及び補助電位端子75も不要となり、この点でも、実施形態の微粒子センサ1と相違する。但し、以下では、微粒子センサ1A全体の機械的構成については、説明を省略し、本変形形態に係るセラミック素子100Aについて、図7及び図8を参照して説明する。
さらに具体的には、セラミック基体101は、アルミナグリーンシート由来のアルミナからなる板状の3つのセラミック層102,103,104が重なったセラミック積層体である。さらに、詳細には、これらの層間に印刷形成されアルミナからなる2つの絶縁被覆層105,106が介在している。これらは、図8に示すように、セラミック層102,絶縁被覆層105,セラミック層103,絶縁被覆層106,セラミック層104が、この順に積層されている。そして、セラミック層102とセラミック層103の層間、さらに詳しくは、絶縁被覆層105とセラミック層103の間に放電電極体110が配置されている。また、セラミック層103とセラミック層104の層間、さらに詳しくは、絶縁被覆層106とセラミック層104の間にヒータ部130が配置されている。そして、これらが一体化してセラミック素子100A(セラミック構造体)が形成され、放電電極体110の露出部112Bは、コロナ放電によりイオンCPを生成する。
放電電極体110のうち、リード部111と、このリード部111が接続する針状電極部112のうち後端側GKの埋設部112Aとは、絶縁被覆層105及びセラミック層102で被覆されて、セラミック基体101(セラミック積層体)内に、具体的には、セラミック層102とセラミック層103の層間に埋設された層間部である。一方、白金線からなる針状電極部112のうち先端側GSの露出部112Bは、セラミック基体101の2つの主面101S1,101S間を結ぶ長手方向HN先端側の端面101Sから露出し、かつ、空中に突出している。この露出部112Bの先端部分は、先細の針状先端部112Sである。また、放電電位パッド113は、絶縁被覆層105及びセラミック層102で被覆されておらず、セラミック基体101のうち、後端側GKのセラミック層103の表面103S1上に露出している。この放電電位パッド113には、実施形態と同様、放電電位端子73が接触し導通して、直流高電圧で一定の放電電位PV2(図8参照)が印加される。
また、ヒータ部130のヒータリード部132,133は、後端側GKの端部134,135からセラミック層104のスルーホール104hを通じて、セラミック層104の他方の表面104S2上に形成された第1ヒータパッド136及び第2ヒータパッド137に、それぞれ導通している。なお、実施形態と同様に、第1ヒータパッド136には、第1ヒータ端子76が、第2ヒータパッド137には、第2ヒータ端子77が、それぞれ接触し導通する。また、第1ヒータパッド136には、バッテリ電圧をパルス制御した第1ヒータ電位Vhtが印加され、第2ヒータパッド137は、シャーシGND電位CGNDとされる(図8参照)。
本変形形態では、前述したように、実施形態のセラミック素子100と異なり、セラミック素子100A内に補助電極体120を有していない。
また、放電電極体110の露出部112Bが、板状のセラミック基体101(セラミック積層体)の端面101Sから突出しており、簡易な構成で確実に内側プロテクタ45(基準電位部材)との間でコロナ放電(気中放電)を生じさせることができる。
例えば、実施形態及び変形形態では、セラミック素子100,100Aをなすセラミック基体101(セラミック積層体)が、複数のセラミック層102,103,104を積層した板状であるものを示した。
しかし、セラミック素子(セラミック構造体)としては、このような板状のものに限られず、例えば、円柱状、円筒状としても良い。円柱状、円筒状のセラミック構造体としては、複数のセラミック層202,203,204を年輪状に積層した円柱状のセラミック積層体201(図9参照)や、1つのセラミックシート302を渦巻状に捲回して、径方向に複数のセラミック層302a,302b,302cが重なった円筒状のセラミック積層体301(図10参照)を形成し、このセラミック積層体201,301内のセラミック層203,204,302b,302cの層間から突出する放電電極体210,310(針状先端部212S,312Sを有する針状電極部212,312)を設けたセラミック素子200,300も挙げられる。
また、実施形態及び変形形態では、白金線を用い、1つの針状先端部を設けたが、例えば、図9に示すように、針状電極部212を金属板で構成し、針状先端部212Sを複数設ける形態としても良い。
EG 排気ガス(被測定ガス)
CGND シャーシGND電位
SGND センサGND電位
PV2 放電電位
PV3 補助電位
S 微粒子
CP イオン
CPF 浮遊イオン
GS 先端側
GK 後端側
HN 長手方向
1,1A 微粒子センサ
15 イオン源
40 外側プロテクタ
45 内側プロテクタ(基準電位部材,捕集極)
50 主体金具
71 第1セパレータ
72 第2セパレータ
73 放電電位端子
75 補助電位端子
76 第1ヒータ端子
77 第2ヒータ端子
80 内筒
90 取り付け金具
95 外筒
100,100A セラミック素子(セラミック構造体)
101 セラミック基体(セラミック積層体)
101A 第1セラミック部
101AS 第1先端部
101B 第2セラミック部
101BS 第2先端部
101S1,101S2 主面
101S 端面
102,103,104 セラミック層
105,106 絶縁被覆層
110 放電電極体
111 リード部(層間部)
112 針状電極部
112A 埋設部(層間部)
112B 露出部
112S 針状先端部
120 補助電極体
122 補助電極部
130 ヒータ部
131 発熱部
161 放電電位リード線
162 補助電位リード線
163 第1ヒータリード線
164 第2ヒータリード線
Claims (8)
- 気中放電によりイオンを生成するイオン源と、
上記イオン源の周囲に配置されて基準電位とされる基準電位部材とを備え、
上記イオンを用いて、被測定ガス中の微粒子を検知する微粒子センサであって、
上記イオン源は、
複数の絶縁性のセラミック層が重なったセラミック積層体と、
上記セラミック積層体内の上記セラミック層の層間に埋設された層間部、及び、上記層間部から上記セラミック積層体外に露出する露出部を含み、直流で一定の放電電位が印加されて、上記基準電位部材と上記露出部との間に、上記気中放電を生じる放電電極体とを有する
セラミック構造体を備え、
上記放電電極体の上記露出部は、
上記セラミック積層体外の空中に突出し、上記気中放電を生じる1又は複数の針状先端部を含む
微粒子センサ。 - 請求項1に記載の微粒子センサであって、
前記セラミック構造体は、
前記セラミック積層体内に、前記放電電極体の前記露出部を通電により加熱するヒータ部を有する
微粒子センサ。 - 請求項1または請求項2に記載の微粒子センサであって、
捕集電位とされ、前記イオン源で生成された前記イオンのうち、前記微粒子に付着しなかった浮遊イオンを捕集する捕集極を備え、
前記セラミック構造体は、
補助電位とされ、上記捕集極による上記浮遊イオンの捕集を補助する補助電極部を有する
微粒子センサ。 - 請求項3に記載の微粒子センサであって、
前記基準電位部材を前記捕集極に兼用してなる
微粒子センサ。 - 請求項3または請求項4に記載の微粒子センサであって、
前記セラミック積層体は、長手方向に延びる形状であり、
前記補助電極部は、上記セラミック積層体のうち、上記長手方向先端側の内部に設けられ、
前記放電電極体の前記露出部は、上記セラミック積層体のうち、上記補助電極部よりも上記長手方向後端側の部位に配置されてなり、
使用時に、上記セラミック積層体のうち、上記露出部から上記補助電極部に至る部位の周囲において、前記被測定ガスが上記長手方向後端側から先端側へ流れる形態を有する
微粒子センサ。 - 請求項5に記載の微粒子センサであって、
前記セラミック積層体は、
前記長手方向に延び、複数の前記セラミック層からなる第1セラミック部、及び、
上記第1セラミック部上に積層され、上記第1セラミック部の上記長手方向先端側の端部である第1先端よりも、自身の上記長手方向先端側の端部である第2先端が上記長手方向後端側に引き下がり、上記第1セラミック部よりも上記長手方向に短くされた、1又は複数の前記セラミック層からなる第2セラミック部を含み、
前記放電電極体の前記露出部は、上記第2セラミック部の上記第2先端から突出してなり、
前記補助電極部は、上記第1セラミック部のうち、上記第2セラミック部の上記第2先端よりも上記長手方向先端側の内部に設けられてなる
微粒子センサ。 - 請求項1または請求項2に記載の微粒子センサであって、
前記セラミック積層体は、2つの主面を有する板状であり、
前記放電電極体の前記露出部は、上記セラミック積層体の上記主面間を結ぶ端面から突出してなる
微粒子センサ。 - 請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載の微粒子センサであって、
前記セラミック構造体は、一体焼結により形成されてなる
微粒子センサ。
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