JP2016118510A - 粒子状物質検出素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】粒子状物質の残渣による検出電極の埋没を抑制し、検出感度の低下を抑制することができる粒子状物質検出素子を提供すること。【解決手段】粒子状物質検出素子１は、内燃機関から排出される排ガスに含まれる粒子状物質を検出するための複数の検出電極２と、電気絶縁性を備えた材料からなる複数の絶縁部材３とを積層した積層部４を有する。検出電極２と絶縁部材３との積層方向Ｘにおいて、隣り合う検出電極２は、互いに異なる極性を有する。粒子状物質検出素子１は、積層方向Ｘに直交する方向において、複数の検出電極２の少なくとも一部を絶縁部材３から露出させ、粒子状物質の一部を堆積させる被堆積部５を有している。被堆積部５において、一方の極性を有する検出電極２の積層方向Ｘにおける幅Ｗ１は、他方の極性を有する検出電極２の積層方向Ｘにおける幅Ｗ２よりも大きい。【選択図】図１
Description
本発明は、粒子状物質検出素子に関する。
内燃機関の排気管には、排ガスに含まれる粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：ＰＭ）を捕集する排ガス浄化装置が設けられている。この排ガス浄化装置は、排ガスに含まれる粒子状物質の量を検出する粒子状物質検出センサを有する粒子状物質検出装置を備えており、この粒子状物質検出装置によって得られた情報を基に、排ガス浄化装置の故障検知が行われている。
排ガス浄化装置に用いられる粒子状物質検出センサの粒子状物質検出素子としては、例えば、特許文献１に示されたものがある。特許文献１の粒子状物質検出素子は、互いに極性の異なる電極を隣り合わせて配置してなり、電極間に電圧を印加することで静電場を形成し、帯電した粒子状物質を捕集している。そして、電極間に粒子状物質が堆積することによって生じる電極間の電気的特性の変化を測定することにより、粒子状物質の量を検出している。
ここで、粒子状物質の堆積量が増えると、電極間の電気的特性が変化し難くなり、センサ感度が低下することがある。そこで、所定のタイミングにおいて再生処理を行って粒子状物質の捕集能力を回復させることが行われている。再生処理は、ヒータ加熱等により粒子状物質を燃焼除去することにより行われる。
しかしながら、粒子状物質を燃焼させても、無機分が残渣として残るため、粒子状物質の堆積、再生処理を繰り返すと残渣が徐々に堆積する。そして、電極が残渣に埋没してしまうと、センサの検出感度が低下し、或いは検出不能となってしまうおそれがある。
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、粒子状物質の残渣による検出電極の埋没を抑制し、検出感度の低下を抑制することができる粒子状物質検出素子を提供しようとするものである。
本発明の一態様は、内燃機関から排出される排ガスに含まれる粒子状物質を検出するための複数の検出電極と、電気絶縁性を備えた材料からなる複数の絶縁部材とを積層した積層部を有する粒子状物質検出素子において、
上記検出電極と上記絶縁部材との積層方向において、隣り合う上記検出電極は、互いに異なる極性を有し、
上記積層方向に直交する方向において、上記複数の検出電極の少なくとも一部を上記絶縁部材から露出させ、上記粒子状物質の一部を堆積させる被堆積部を有しており、
該被堆積部において、一方の極性を有する上記検出電極の上記積層方向における幅は、他方の極性を有する上記検出電極の上記積層方向における幅よりも大きいことを特徴とする粒子状物質検出素子にある。
上記検出電極と上記絶縁部材との積層方向において、隣り合う上記検出電極は、互いに異なる極性を有し、
上記積層方向に直交する方向において、上記複数の検出電極の少なくとも一部を上記絶縁部材から露出させ、上記粒子状物質の一部を堆積させる被堆積部を有しており、
該被堆積部において、一方の極性を有する上記検出電極の上記積層方向における幅は、他方の極性を有する上記検出電極の上記積層方向における幅よりも大きいことを特徴とする粒子状物質検出素子にある。
上記粒子状物質検出素子は、被堆積部において、一方の極性を有する検出電極の積層方向における幅が、他方の極性を有する検出電極の積層方向における幅よりも大きい。それゆえ、粒子状物質検出素子の厚みの増加を抑制しつつ、粒子状物質の残渣によって検出電極が埋没してしまうことを抑制することができる。
すなわち、排ガスに含まれる粒子状物質は、正又は負に帯電しているため、正及び負のいずれか一方の電極に集中して堆積しやすい。そこで、粒子状物質が集中しやすい側の検出電極のみの幅を大きくすることにより、積層方向における粒子状物質検出素子の大型化を抑制しつつ、粒子状物質の残渣によって検出電極が埋没することを効率的に防ぐことができる。
以上のごとく、本発明によれば、粒子状物質の残渣による検出電極の埋没を抑制し、検出感度の低下を抑制することができる粒子状物質検出素子を提供することができる。
（実施例１）
上記粒子状物質検出素子にかかる実施例について、図１〜図３を用いて説明する。
上記粒子状物質検出素子１は、図１に示すごとく、内燃機関から排出される排ガスに含まれる粒子状物質を検出するための複数の検出電極２と、電気絶縁性を備えた材料からなる複数の絶縁部材３とを積層した積層部４を有する。検出電極２と絶縁部材３との積層方向Ｘにおいて、隣り合う検出電極２は、互いに異なる極性を有する。粒子状物質検出素子１は、積層方向Ｘに直交する方向において、複数の検出電極２の少なくとも一部を絶縁部材３から露出させ、粒子状物質の一部を堆積させる被堆積部５を有している。図２に示すごとく、被堆積部５において、一方の極性を有する検出電極２の積層方向Ｘにおける幅Ｗ１は、他方の極性を有する検出電極２の積層方向Ｘにおける幅Ｗ２よりも大きい。
上記粒子状物質検出素子にかかる実施例について、図１〜図３を用いて説明する。
上記粒子状物質検出素子１は、図１に示すごとく、内燃機関から排出される排ガスに含まれる粒子状物質を検出するための複数の検出電極２と、電気絶縁性を備えた材料からなる複数の絶縁部材３とを積層した積層部４を有する。検出電極２と絶縁部材３との積層方向Ｘにおいて、隣り合う検出電極２は、互いに異なる極性を有する。粒子状物質検出素子１は、積層方向Ｘに直交する方向において、複数の検出電極２の少なくとも一部を絶縁部材３から露出させ、粒子状物質の一部を堆積させる被堆積部５を有している。図２に示すごとく、被堆積部５において、一方の極性を有する検出電極２の積層方向Ｘにおける幅Ｗ１は、他方の極性を有する検出電極２の積層方向Ｘにおける幅Ｗ２よりも大きい。
被堆積部５において、一方の極性を有する検出電極２の積層方向Ｘにおける幅Ｗ１は、他方の極性を有する検出電極２の積層方向Ｘにおける幅Ｗ２の１．５倍以上であることが好ましい。
本例の粒子状物質検出素子１は、自動車に搭載された内燃機関から、排気管を通じて排出される排ガスに含まれる粒子状物質を検出するためのものである。粒子状物質検出素子１によって得られた情報を基に、排ガス浄化装置の故障検知を行う。
なお、本例においては、排ガスに含まれる主な粒子状物質が正に帯電している排気系に取り付けられる粒子状物質検出素子１について説明する。すなわち、本例の粒子状物質検出素子１は、複数の検出電極２のうち、負極２２の幅Ｗ１を正極２１の幅Ｗ２よりも大きくしており、負極２２の幅Ｗ１は正極２１の幅Ｗ２の１．５倍以上であることが好ましい。
図３に示すごとく、絶縁部材３は、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、ベリリアなどのセラミック材料を平板状に形成してなる。粒子状物質検出素子１は、絶縁部材３を８枚積層することにより、棒状に形成されている。８枚の絶縁部材３のうち７枚には、積層方向Ｘの一方の面における絶縁部材３の長手方向の一端部に導電性材料からなる検出電極２が形成されている。この検出電極２が形成された絶縁部材３を積層することにより、絶縁部材３と検出電極２とを交互に積層した積層部４が形成されている。図１に示すごとく、積層部４において、複数の検出電極２は、正極２１と負極２２とが交互に積層されている。なお、図３においては、積層方向Ｘにおける検出電極２の厚みの図示を省略している。また、絶縁部材３及び検出電極２の積層数は、特に限定されるものではない。
図１に示すごとく、積層方向Ｘにおいて隣り合う検出電極２同士は、互いに一定の間隔をあけて配置されている。図３に示すごとく、検出電極２において、積層方向Ｘの一端に配置される正極２１及び負極２２には、検出電極２から積層方向Ｘに直交する方向に延びる引き出し電極部２３がそれぞれ形成されている。図１に示すごとく、粒子状物質検出素子１は、積層方向Ｘと直交する方向に配置された側面に、検出電極２の端部近傍を絶縁部材３から露出して被堆積部５を形成している。
粒子状物質検出素子１の被堆積部５において、検出電極２に電圧を印加すると、検出電極２の周囲に電界が形成され、粒子状物質が検出電極２へと引き寄せられる。本例においては、主な粒子状物質が正に帯電しているため、検出電極２のうち、主として負極２２に粒子状物質が引き寄せられる。
検出電極２に付着した粒子状物質は、検出電極２の表面を移動し、隣り合う正極２１と負極２２との間に堆積する。そして、被堆積部５に堆積した粒子状物質によって、被堆積部５に露出した正極２１と負極２２とが導通し、正極２１と負極２２との間における電気抵抗値が低下する。検出電極２間の電気抵抗値の変化に伴い、検出電極２間を流れる電気信号としての電流量が変化する。これにより、粒子状物質検出素子１から出力される電流値が変化する。
つまり、粒子状物質検出素子１から出力される電流値は、被堆積部５における粒子状物質の堆積量に応じて変化するものであり、粒子状物質の堆積量に関する情報を有するものである。この電流値を用いることで被堆積部５における粒子状物質の堆積量を検出することができる。本例において、粒子状物質検出素子１において検出された電流は、シャント抵抗を備えたコントロールユニットへと出力される。コントロールユニットは、電流値とシャント抵抗の積で算出される電圧を出力する。
次に、本例の作用効果について説明する。
上記粒子状物質検出素子１は、被堆積部５において、一方の極性を有する検出電極２の積層方向Ｘにおける幅Ｗ１が、他方の極性を有する検出電極２の積層方向Ｘにおける幅Ｗ２よりも大きい。それゆえ、粒子状物質検出素子１の厚みの増加を抑制しつつ、粒子状物質の残渣によって検出電極２が埋没してしまうことを抑制することができる。
上記粒子状物質検出素子１は、被堆積部５において、一方の極性を有する検出電極２の積層方向Ｘにおける幅Ｗ１が、他方の極性を有する検出電極２の積層方向Ｘにおける幅Ｗ２よりも大きい。それゆえ、粒子状物質検出素子１の厚みの増加を抑制しつつ、粒子状物質の残渣によって検出電極２が埋没してしまうことを抑制することができる。
すなわち、排ガスに含まれる粒子状物質は、正又は負に帯電しているため、正及び負のいずれか一方の電極に集中して堆積しやすい。そこで、粒子状物質が集中しやすい側の検出電極２のみの幅を大きくすることにより、積層方向Ｘにおける粒子状物質検出素子１の大型化を抑制しつつ、粒子状物質の残渣によって検出電極２が埋没することを効率的に防ぐことができる。
また、幅Ｗ１を幅Ｗ２の１．５倍以上とすることにより、粒子状物質の残渣によって検出電極２が埋没することを一層効率的に防ぐことができる。
以上のごとく、本例によれば、粒子状物質の残渣による検出電極の埋没を抑制し、検出感度の低下を抑制することができる粒子状物質検出素子を提供することができる。
なお、実施例１においては、排ガスに含まれる主な粒子状物質が正に帯電している場合について、被堆積部における、積層方向の負極の幅が、積層方向の正極の幅よりも大きい例を示したが、排ガスに含まれる主な粒子状物質が負に帯電している場合は、被堆積部における、積層方向の正極の幅を、積層方向の負極の幅よりも大きくすることができる。
（確認試験）
本試験においては、粒子状物質検出素子１の正極２１の幅Ｗ２に対する負極２２の幅Ｗ１の比率Ｗ１／Ｗ２を変化させた際の検出感度への影響を確認した。
本試験においては、粒子状物質検出素子１の正極２１の幅Ｗ２に対する負極２２の幅Ｗ１の比率Ｗ１／Ｗ２を変化させた際の検出感度への影響を確認した。
本試験には、基本構成が上述の実施例１に示した粒子状物質検出素子１と同様のものを用い、正極２１の幅Ｗ２に対する負極２２の幅Ｗ１の比率Ｗ１／Ｗ２を変更して検出感度の比較を行った。具体的には、比率Ｗ１／Ｗ２を１．０、１．２、１．５、２．７、５．０とした５種類の粒子状物質検出素子を用いた。正極２１の幅Ｗ２は４μｍとし、積層方向Ｘに隣接する検出電極２間の間隔は２０μｍとした。また、正極２１と負極２２との間に印加する電圧は３５Ｖとした。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。
粒子状物質検出素子が配設された排気管には、粒子状物質濃度が３ｍｇ／ｍ3の排ガスを、２４ｍ／ｓの流速にて流通させた。また、粒子状物質検出素子の近傍における排ガス温度は２２０℃である。この条件下において、粒子状物質の捕集、再生処理を、１２分を１サイクルとして繰り返す耐久試験を行った。すなわち、１サイクルにおける最初の１０分間、粒子状物質の捕集を行い、その後２分かけて再生処理を行った。再生処理は、ヒータ加熱によって粒子状物質を燃焼除去することにより行った。
そして、上記耐久試験の所定サイクル後、粒子状物質検出素子における検出感度の変化を確認した。検出感度は、粒子状物質検出素子における不感質量によって判断した。不感質量とは、各サイクルの間において、粒子状物質の堆積によって粒子状物質検出素子に導通パスが形成され、粒子状物質検出素子の電気特性が変化するまでの間に、排気管内を流通した排気ガスに含まれる粒子状物質の量を示すものである。
上記５種類の粒子状物質検出素子につき、排気管内における粒子状物質の流通量が、車両１０万ｋｍ走行に相当するサイクル（便宜上、「１０万ｋｍ相当サイクル」という。）、及び、車両３０万ｋｍ走行に相当するサイクル（便宜上、「３０万ｋｍ相当サイクル」という。）において、それぞれ不感質量を測定し、不感質量比を測定した。測定結果を表１に示す。なお、不感質量比とは、１回目のサイクルの間に測定された不感質量に対する、所定回数目のサイクルの間に測定された不感質量に対する比率である。
表１における「１０万ｋｍ走行相当」の欄には、１０万ｋｍ相当サイクルにおいて測定された不感質量比を示している。また、表１における「３０万ｋｍ走行相当」の欄には、３０万ｋｍ相当サイクルにおいて測定された不感質量比を示している。
表１に示すように、比率Ｗ１／Ｗ２が１．０の場合（Ｗ１＝Ｗ２の場合）、１０万ｋｍ相当サイクルにおける不感質量比が２．４と大きかったのに対して、負極２２の幅Ｗ１を正極２１の幅Ｗ２よりも大きくしたものは、不感質量比が低減した。
また、比率Ｗ１／Ｗ２が１．５以上であれば、１０万ｋｍ相当サイクルにおいても、粒子状物質検出素子１の検出感度が低下しないことが確認できた。さらに、比率Ｗ１／Ｗ２を２．７以上とすれば、３０万ｋｍ相当サイクルにおいても、粒子状物質検出素子１の検出感度が低下しないことが確認できた。
以上の結果から、被堆積部５において、一方の極性を有する検出電極２の積層方向Ｘにおける幅Ｗ１を、他方の極性を有する検出電極２の積層方向Ｘにおける幅Ｗ２よりも大きくすることで、粒子状物質検出素子の検出感度の耐久性を向上することができることが分かる。また、被堆積部５において、一方の極性を有する検出電極２の積層方向Ｘにおける幅Ｗ１を、他方の極性を有する検出電極２の積層方向Ｘにおける幅Ｗ２の１．５倍以上とすることで、より検出感度が低下しにくい粒子状物質検出素子１が得られることが分かる。さらに、被堆積部５において、一方の極性を有する検出電極２の積層方向Ｘにおける幅Ｗ１を、他方の極性を有する検出電極２の積層方向Ｘにおける幅Ｗ２の２．７倍以上とすることが、さらに好ましいことが分かる。
なお、比率Ｗ１／Ｗ２が、１．０、１．２の粒子状物質検出素子については、耐久試験開始から３０万ｋｍ相当サイクルに到達する前に、粒子状物質の測定が不能となった。これは、耐久試験開始から３０万ｋｍ相当サイクルに到達するまでの間に、検出電極が粒子状物質の残渣に埋没したものと考えられる。
１ 粒子状物質検出素子
２ 検出電極
３ 絶縁部材
４ 積層部
５ 被堆積部
Ｗ１ 検出電極（負極）の幅
Ｗ２ 検出電極（正極）の幅
Ｘ 積層方向
２ 検出電極
３ 絶縁部材
４ 積層部
５ 被堆積部
Ｗ１ 検出電極（負極）の幅
Ｗ２ 検出電極（正極）の幅
Ｘ 積層方向
Claims (2)
- 内燃機関から排出される排ガスに含まれる粒子状物質を検出するための複数の検出電極（２）と、電気絶縁性を備えた材料からなる複数の絶縁部材（３）とを積層した積層部４を有する粒子状物質検出素子（１）において、
上記検出電極（２）と上記絶縁部材（３）との積層方向（Ｘ）において、隣り合う上記検出電極（２）は、互いに異なる極性を有し、
上記積層方向（Ｘ）に直交する方向において、上記複数の検出電極（２）の少なくとも一部を上記絶縁部材（３）から露出させ、上記粒子状物質の一部を堆積させる被堆積部（５）を有しており、
該被堆積部（５）において、一方の極性を有する上記検出電極（２）の上記積層方向（Ｘ）における幅（Ｗ１）は、他方の極性を有する上記検出電極（２）の上記積層方向（Ｘ）における幅（Ｗ２）よりも大きいことを特徴とする粒子状物質検出素子（１）。 - 上記被堆積部（５）において、一方の極性を有する上記検出電極（２）の上記積層方向（Ｘ）における幅（Ｗ１）は、他方の極性を有する上記検出電極（２）の上記積層方向（Ｘ）における幅（Ｗ２）の１．５倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の粒子状物質検出素子（１）。
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