JP2016085132A - センサ基板およびセンサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 検出精度が低下するのを防止し、高い検出精度を実現できるセンサ基板を提供する。【解決手段】 センサ基板４は、絶縁基板１と、絶縁基板１の厚み方向の一方側の表面に設けられた一対の検知電極２と、絶縁基板１の内部または厚み方向の他方側の表面に設けられ、絶縁基板１の厚み方向に透視したときに一対の検知電極２に対応した位置に配置された一対のプラズマ生成電極３とを備える。【選択図】 図３

Description

本発明は、絶縁基板と絶縁基板の表面に設けられた一対の検出電極とを含むセンサ基板、およびそれを用いたセンサ装置に関するものである。

ディーゼルエンジンなどの内燃機関を搭載した自動車の排気系には、排気ガスに含まれているすす（カーボンの微粒子）などの粒子状物質（ＰＭ；Particulate Matter）を捕集するフィルタ（以下、「ＰＭフィルタ」と称する）が設置されることがある。このようなＰＭフィルタとしては、たとえばＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）が知られている
。

このような排気系においては、ＰＭフィルタに故障等が発生すると、粒子状物質がＰＭフィルタで捕集されずに、ＰＭフィルタよりも下流側に流出してしまう。そこで、従来から、排気ガス中の粒子状物質の量を検出するためのセンサ装置（以下、「ＰＭセンサ」と称する）をＰＭフィルタの下流側に設置し、ＰＭセンサの検出値に基づいて、ＰＭフィルタの故障の有無が診断されている。

ＰＭセンサとしては、センサ基板として、酸化アルミニウム質焼結体等のセラミック焼結体からなる絶縁基板と、絶縁基板の表面に設けられた一対の検知電極とを含むセンサ基板を備え、センサ基板に堆積した粒子状物質の量に応じて変化する一対の検知電極間の電気抵抗値を検出するように構成されたものが種々提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

また、この種のＰＭセンサは、ヒータをさらに備えており、適当なタイミングで、センサ基板に堆積した粒子状物質を燃焼により除去する、いわゆる再生処理が実施されている（たとえば、特許文献２参照）。

特開昭５５−３０６９０号公報 特開昭５９−１９７８４７号公報

排気ガスに含まれる粒子状物質には、すすや可溶性有機成分（ＳＯＦ；Soluble Organic Fraction）等の他に、エンジンの摩擦によって発生するマグネシウムや、燃料に含まれる鉛などの金属および金属酸化物が含まれている。このため、特許文献２のような、ヒータにより再生処理を行うように構成されたＰＭセンサでは、センサ基板にすすとともに堆積した金属および金属酸化物が、ヒータによる加熱後に検知電極の周囲に固着し、それによって検出精度が低下してしまうという問題がある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、排気ガス中の粒子状物質の量を検出するセンサ装置に用いられ、検出精度が低下するのを防止し、高い検出精度を実現できるセンサ基板、およびそれを用いたセンサ装置を提供することにある。

本発明の一つの態様によるセンサ基板は、絶縁基板と、前記絶縁基板の厚み方向の一方
側の表面に設けられた一対の検知電極と、前記絶縁基板の内部または厚み方向の他方側の表面に設けられ、前記絶縁基板の厚み方向に透視したときに前記一対の検知電極に対応した位置に配置された一対のプラズマ生成電極とを備える。

本発明の一つの態様によるセンサ装置は、上記構成のセンサ基板と、前記一対の検知電極に直流電圧を印加させる第１の電源と、前記一対のプラズマ生成電極に交流電圧を印加させる第２の電源とを備える。

本発明のセンサ基板によれば、一対のプラズマ生成電極が、絶縁基板の内部または厚み方向の他方側の表面に設けられ、絶縁基板の厚み方向に透視したときに一対の検知電極に対応した位置に配置されている。したがって、一対のプラズマ生成電極に、交流電圧を印加することによって、一対の検知電極周辺にプラズマを発生させ、このプラズマによって、センサ基板に堆積した粒子状物質を除去し、センサ基板を再生することができる。このように、プラズマを用いることにより、粒子状物質に含まれているすすだけでなく、金属および金属酸化物も分解除去することができ、したがって、金属および金属酸化物が、一対の検知電極の周囲に固着してしまうことを防止することができる。これにより、粒子状物質に含まれている金属および金属酸化物が、一対の検知電極の周囲に固着してしまうことに起因する検出精度の低下を防止することができる。

本発明のセンサ装置によれば、上記構成のセンサ基板を有していることから、検出精度が低下するのを防止し、高い検出精度を実現できる。

本発明の一実施形態に係るセンサ基板４を備えるセンサ装置１０の構成を概略的に示す上面図である。 図１における切断面線ＩＩ−ＩＩから見たセンサ基板４の断面図である。 センサ基板４におけるプラズマ生成電極３を説明するために絶縁基板１を分解した分解斜視図である。

本発明の実施形態のセンサ基板およびセンサ装置を添付の図面を参照して説明する。以下の説明における上下の区別は便宜的なものであり、実際にセンサ基板等が使用される際の上下を限定するものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係るセンサ基板４を備えるセンサ装置１０の構成を概略的に示す上面図である。図２は、図１における切断面線ＩＩ−ＩＩから見たセンサ基板４の断面図である。図３は、センサ基板４におけるプラズマ生成電極３を説明するために絶縁基板１を分解した分解斜視図である。

センサ基板４は、絶縁基板１と、絶縁基板１の厚み方向の一方側の表面である上面に設けられた一対の検知電極２と、絶縁基板１の厚み方向に検知電極２から間を空けて設けられた一対のプラズマ生成電極３とを含んで構成される。

絶縁基板１は、例えば四角板状等の平板状であり、一方の検知電極２と他方の検知電極２とを電気的に絶縁して設けるための基体部分である。絶縁基板１は、例えば酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、ガラスセラミック焼結体、ジルコニア系セラミック（酸化ジルコニウム質焼結体）等のセラミック焼結体によって形成されている。絶縁基板１は、このようなセラミック焼結体からなる複数の絶縁層（符号なし）が積層されて形成されていてもよい。

絶縁基板１は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体からなる複数の絶縁層が積層されて形成されている場合であれば、以下の方法で製作することができる。まず、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウムおよび酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダーおよび溶剤等を添加混合して泥漿状とし、これをドクターブレード法やカレンダーロール法等によってシート状に成形してセラミックグリーンシートを得て、セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともにこれを必要に応じて複数枚積層し、高温（約１４００〜１６００℃）で焼成することによって製作される。

一対の検知電極２は、このセンサ基板４が配置される環境におけるすす等の粒子状物質の含有量を測定するための部分である。すす等の粒子状物質が一対の検知電極２の間に付着したときに一対の検知電極２間の電気抵抗が変化する。この電気抵抗の変化を検知することによって、一対の検知電極２が存在している環境中の粒子状物質の質量が算出され、検知される。この粒子状物質の質量と、一対の検知電極２が存在している環境におけるガスの流量（体積）とにより、そのガス中の粒子状物質の含有率が算出され、検知される。

そのため、検知電極２は、このような電気抵抗の変化を検知できる金属材料を含有している。検知電極２は、このような金属材料として、酸化しにくい白金を用いてもよい。

検知電極２は、白金を用いる場合には白金の金属粉末に適当な有機バインダーおよび溶媒等を添加混合して得た検知電極２用の導体ペーストを、絶縁基板１となるセラミックグリーンシートに予めスクリーン印刷法によって所定のパターンに印刷塗布して、絶縁基板１となるセラミックグリーンシートと同時に焼成することによって、絶縁基板１の表面に被着形成される。

また、検知電極２は、その表面部が不動態膜を含んでいるものであってもよい。このような構成とすることによって、検知電極２全体が酸化する可能性が低減される。したがって、検知の精度および長期信頼性が高いセンサ基板４を提供することができる。

検知電極２は、表面に酸化物を含む不動態膜を有するものである場合には、例えばＦｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ａｌの各金属粉末またはＦｅ，Ｃｒ，Ａｌ、またはタングステンの金属粉末を用いたものでもよい。Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ａｌの各金属粉末を用いる場合は、Ｆｅ粉末１〜５５質量％，Ｎｉ粉末２０〜８０質量％，Ｃｒ粉末１０〜２５質量％，Ｔｉ粉末０．１〜５質量％，Ａｌ粉末０．１〜５質量％とするのが好ましい。この場合、上述の比率となるようなＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｔｉ−Ａｌ合金粉末を用いてもかまわない。なお、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ａｌの各金属粉末またはＦｅ，Ｃｒ，Ａｌ、またはタングステンの金属粉末を用いる場合も、白金の金属粉末を用いる場合と同様の形成方法により作製される。

なお、検知電極２となる導体ペーストについて、一回の印刷で所定の厚みにまで印刷せずに、複数回に分けて印刷するようにしてもよい。

検知電極２の露出する表面には、さらに電気めっき法または無電解めっき法によって金属めっき層が被着されていてもよい。金属めっき層は、ニッケル，銅，金または銀等の耐食性や接続部材との接続性に優れる金属から成るものであり、例えば、厚さ０．５〜１０μｍ程度のニッケルめっき層と０．１〜３μｍ程度の金めっき層とが、あるいは厚さ１〜１０μｍ程度のニッケルめっき層と０．１〜１μｍ程度の銀めっき層とが、順次被着される。これによって、検知電極２が腐食することを効果的に抑制できる。また、上記以外の金属からなる金属めっき層、例えば、パラジウムめっき層等を介在させていても構わない。

センサ基板４が配置される環境とは、例えば自動車の排気ガスの排気通路である。センサ基板４で検知される粒子状物質の量が多くなれば、排気通路を流れる粒子状物質の含有量が大きくなったことが検知される。これにより、例えば排気ガスからすす等の粒子状物質を除去するＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）の故障が検知できる。

一対の検知電極２は、粒子状物質の付着による抵抗値の変化を効果的に検知するためには、例えばくし歯状の電極パターン、または細長い長方形状（帯状）の電極パターンを含む線状の電極パターン等の、長さを長くすることが容易な電極パターンで形成されていることが好ましい。図１では、一対の検知電極２が、くし歯状の電極パターンであり、互いにかみ合うような位置関係で配置されている例を示している。一方の検知電極２と他方の検知電極２とは、一方の検知電極２におけるくし歯を形成している線状パターン部分と、その線状パターン部分の隣に位置している、他方の検知電極２におけるくし歯を形成している線状パターン部分との距離は、２０μｍ以上２００μｍ以下に設定されるのが好ましい。

この場合には、例えば平面視における絶縁基板１の大きさをできるだけ小さく抑えながら、検知電極２の長さをより長くすることができる。検知電極２の長さが長いほど、検知電極２としての抵抗値の変化が大きくなりやすい。また、排気ガス中の粒子状物質の検知が容易になる。すなわち、排気ガス中の粒子状物質の含有量が小さい場合でも、その粒子状物質をより確実に検知することができる。

一対のプラズマ生成電極３は、絶縁基板１の厚み方向に検知電極２から間を空けて設けられる。一対のプラズマ生成電極３は、一対の検知電極２と同一形状の電極パターンで形成される。すなわち、一対の検知電極２がくし歯状の電極パターンである場合には、図３に示すように、一対のプラズマ生成電極３も、くし歯状の電極パターンで形成される。また、一対のプラズマ生成電極３は、図１に示すように、センサ基板４の厚み方向に透視したときに、一対の検知電極２に対応した位置に配置される。

より詳細には、絶縁基板１の厚み方向に、一対の検知電極２および一対のプラズマ生成電極３を、絶縁基板１の厚み方向に対して垂直な一仮想平面へ投影したときに、一方のプラズマ生成電極３の投影領域内に、一方の検知電極２の投影領域の全体が包含され、他方のプラズマ生成電極３の投影領域内に、他方の検知電極２の投影領域の全体が包含されるように、一対のプラズマ生成電極３は配置される。

絶縁基板１の厚み方向における、一対のプラズマ生成電極３と一対の検知電極２との距離は、２５μｍ以上２００μｍ以下に設定されるのが好ましい。絶縁基板１の厚みを、２５μｍ以上にすると、熱膨張差による強度劣化や割れが生じにくく、２００μｍより薄くするとと、印加する電圧が所望値以下に抑えることができる。これにより、より低い電圧でセンサ表面に帰着した金属および金属酸化物を分解除去するという効果を奏する。

一対のプラズマ生成電極３は、絶縁基板１の内部に設けられてもよく、あるいは、絶縁基板１の厚み方向の他方側の表面である下面、すなわち一対の検知電極２が設けられる側とは反対側の表面に設けられてもよい。図２および図３では、一対のプラズマ生成電極３が、絶縁基板１の内部に設けられる例を示している。

一対のプラズマ生成電極３は、例えば一対の検知電極２と同様の金属材料を用い、同様の方法で作製することができる。

絶縁基板１における下面または側面等の外表面には、一対のプラズマ生成電極３を外部
電気回路に電気的に接続するための一対の外部電極５が設けられている。一対の外部電極５についても、例えば一対の検知電極２と同様の金属材料を用い、同様の方法で作製することができる。

図１では、一対の外部電極５が、絶縁基板１の下面に設けられ、一方のプラズマ生成電極３と一方の外部電極５とが、また、他方のプラズマ生成電極３と他方の外部電極５とが、絶縁基板１の厚み方向の少なくとも一部を貫通する貫通導体６によってそれぞれ電気的に接続されている。

図１に示すように、上記構成のセンサ基板４と、一対の検知電極２に直流電圧を印加させる第１の電源１１と、一対のプラズマ生成電極３に交流電圧を印加させる第２の電源１２とによって、実施形態のセンサ装置１０が構成されている。

第１の電源１１の異なる電極（正極および負極等）は、一対の検知電極２のそれぞれに接続されている。センサ装置１０について、第１の電源１１から一対の検知電極２に約５０ボルト（Ｖ）の電位が供給され、この電位による漏れ電流が検知される。この漏れ電流の値によって一対の検知電極２の抵抗値が検出される。一対の検知電極２の抵抗値は、例えば外部の測定検知回路（図示せず）によって測定される。また、この絶縁基板１に、一対の検知電極２の抵抗値の測定用回路（図示せず）が配置されていてもよい。

第１の電源１１は、例えばすす検出回路としては、外部電源（図示せず）と電気的に接続された端子および整流器、変圧回路等であり、外部電源から所定の電力が伝送される部分である。伝送された電力が第１の電源１１において、一対の検知電極２の抵抗値の測定に適した条件に整えられ、一対の検知電極２に伝送される。

第１の電源１１と一対の検知電極２との電気的な接続は、例えば接続パッド（図示せず）を介して行なわれる。なお、図１においては、接続パッドと第１の電源１１とを電気的に接続する導電性接続材等の接続用の導体を仮想線（二点鎖線）で模式的に示している。

一対のプラズマ生成電極３は、図１に示すように、第２の電源１２に接続される。なお、図１においては、一対の外部電極５と第１の電源１１とを電気的に接続する導電性接続材等の接続用の導体を仮想線（二点鎖線）で模式的に示している。

一対のプラズマ生成電極３にバイアスをかけると、一対の検知電極２付近に電界が形成され、高電圧かつ高速で正極（＋）と負極（−）とが切り換えられると、誘電体バリア放電により、一対の検知電極２間に露出している絶縁基板１の表面近傍の空間を中心としてプラズマが生成される。第２の電源１２は、例えば、１ｋＨｚで４ｋＶｐｐである。なお、プラズマは、周波数は５０〜１ＫＨｚで電圧が１〜１０ｋＶｐｐである。

上記実施形態のセンサ装置１０は、上記構成のセンサ基板４を有していることから、第２の電源１２によって交流電圧を一対のプラズマ生成電極３に印加することで、一対の検知電極２間に露出している絶縁基板１の表面近傍の空間を中心としてプラズマを発生させることができる。生成されたプラズマは、絶縁基板１における、一対の検知電極２が設けられる側の表面に堆積したすすを分解除去するだけでなく、一対の検知電極２の周囲に固着してしまった、粒子状物質に含まれる金属および金属酸化物をも分解除去することができる。なお、プラズマは、絶縁基板１の表面近傍の空間における気体である、窒素や酸素をイオン化したものである。

このように、上記実施形態のセンサ装置１０によれば、適当なタイミングで、第２の電源１２によって交流電圧を一対のプラズマ生成電極３に印加することで、絶縁基板１にお
ける、一対の検知電極２が設けられる側の表面に堆積したすすを分解除去するだけでなく、一対の検知電極２の周囲に固着してしまった、粒子状物質に含まれる金属および金属酸化物をも分解除去することができる。したがって、粒子状物質に含まれている金属および金属酸化物が、一対の検知電極２の周囲に固着してしまうことに起因する検出精度の低下を防止することができ、これにより、高い検出精度を実現することができる。ここで、適当なタイミングとは、ヒータを備える従来のセンサ装置において、ヒータが稼動されるタイミングに一致するものである。

なお、図１に示すように、一対のプラズマ生成電極３は、一対の検知電極２よりも幅広に形成されていることが好ましい。換言すれば、絶縁基板１の厚み方向に、一対の検知電極２および一対のプラズマ生成電極３を、絶縁基板１の厚み方向に対して垂直な一仮想平面へ投影したときに、一方のプラズマ生成電極３の投影領域が、一方の検知電極２の投影領域よりも大きく、他方のプラズマ生成電極３の投影領域内が、他方の検知電極２の投影領域よりも大きいことが好ましい。一対の検知電極２を構成している電極パターンの幅寸法はたとえば１００μｍに設定され、一対のプラズマ生成電極３を構成している電極パターンの幅寸法はたとえば１２５μｍに設定される。このような構成を採用することにより、検知電極の信頼性が向上するという効果を奏する。つまり、プラズマ生成電極間が特にプラズマが発生するエリアとなる。そのため検知電極への影響が抑制され信頼性が向上する。

上記の実施形態では、一対の検知電極２は、絶縁基板１の表面に被着形成されており、絶縁基板１の表面から突出して設けられているが、他の実施形態では、一対の検知電極２は、絶縁基板１の厚み方向の一方側の表層部に埋め込まれていてもよい。換言すれば、絶縁基板１の上面と一対の検知電極２の上面とが面一となるように、一対の検知電極２が設けられていてもよい。このような構成を採用することにより、プラズマと接触する面積が少なくなり、検知電極の信頼性が向上するという効果を奏する。

１ 絶縁基板
２ 一対の検知電極
３ 一対のプラズマ生成電極
４ センサ基板
５ 外部電極
６ 貫通導体
１０ センサ装置
１１ 第１の電源
１２ 第２の電源

Claims (5)

1. 絶縁基板と、
   前記絶縁基板の厚み方向の一方側の表面に設けられた一対の検知電極と、
   前記絶縁基板の内部または厚み方向の他方側の表面に設けられ、前記絶縁基板の厚み方向に透視したときに前記一対の検知電極に対応した位置に配置された一対のプラズマ生成電極とを備えることを特徴とするセンサ基板。
2. 前記絶縁基板の厚み方向における、前記一対の検知電極と前記一対のプラズマ生成電極との距離が、２５μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ基板。
3. 前記一対のプラズマ生成電極は、前記一対の検知電極よりも幅広に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセンサ基板。
4. 前記一対の検知電極は、前記絶縁基板の厚み方向の一方側の表層部に埋め込まれていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のセンサ基板。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のセンサ基板と、
   前記一対の検知電極に直流電圧を印加させる第１の電源と、
   前記一対のプラズマ生成電極に交流電圧を印加させる第２の電源とを備えることを特徴とするセンサ装置。