JP4499797B2 - センサ - Google Patents

Description

従来技術
本発明は、測定電極を備えた抵抗性粒子センサに関する。

本発明は、少なくとも１つの坦体部材と、少なくとも１つの第１の測定電極と第２の測定電極との間の測定領域を有する、ガス中の粒子、殊に、煤粒子の濃度を測定するためのセンサに関する。環境を汚染しないように対策を講じる過程で、ディーゼルエンジンが発生する煤を低減するためには、排気ガス中の煤粒子の濃度を簡単に測定することが必要である。殊に、走行運転中、ディーゼル排気微粒子フィルタ（ＤＰＦ）を通った後の煤の含有量を監視することは有意義である。更に、システムの高い安全性を達成するために、ディーゼル排気微粒子フィルタでの粒子の蓄積を予測する必要がある。

内燃機関の排気ガス中の煤濃度を検出するために、排気ガス管内の煤粒子を検出するための装置を備えたセンサがモニタすることができる。

ドイツ連邦共和国特許公開第１０１３３３８４号公報からは、少なくとも１つの非導電性坦体要素を有する各々１つの抵抗性粒子センサが公知であり、その際、坦体要素には、測定電極が設けられている。測定電極は、通常、インターデジタルの櫛状の構造を有している。インターデジタルの櫛状の構造では、各測定電極は、相互に電気的接続された、一連の所謂個別フィンガ状電極から構成されている。両測定電極の各フィンガ状電極は、櫛状に相互に交互に噛み合っており、従って、「インターデジタルな櫛状の構造」という関係を形成している。各電極間に形成されている測定面、所謂沿面電流面（Kriechstromflaeche）上に粒子が堆積することによって、各電極の各フィンガ間の測定面の導電率変動又はインピーダンス変動が生じる。測定面上の粒子濃度が増大するに連れて、例えば、抵抗、インピーダンスの実数部が低減する。択一的に、各測定電極間の一定印加電圧の場合に、電流の増大を測定することができる。各々の測定量の変化から、つまり、センサ信号から、粒子の堆積乃至堆積レートを導出することができる。

この測定方法は、蓄積型の測定原理に相応しており、従って、煤が堆積したセンサ表面は、時々、乃至、所定の飽和電流又は別の閾値に達した場合には常に、導電性の煤粒子を除去する必要がある。煤が堆積した表面を再生するために、各電極間に高電圧を印加して、この電流を介して煤の粒子を燃焼することができる。択一的に、統合されたヒータを用いて、煤が付着したセンサを加熱して、蓄積された煤を完全に燃焼してしまうことができる。それから、センサは、煤粒子の燃焼後再度、元の状態になり、そうすることによって、粒子の新たな堆積及び測定の新たな測定周期が可能となる。つまり、測定及び再生期間は、時間的に常に交互に行われる。このやり方の欠点は、燃焼中粒子の新たな堆積が不可能であることにより生じる。再生後も、即座に煤が再び堆積することはできず、センサは、当該センサの熱慣性により、熱センサ素子が排気ガスで加熱されるのに所定の時間を要する。センサの再生期間と、それに続く、センサの冷却期間中、センサは煤を堆積することができないので、センサは、この期間中、場合により生じている煤濃度に対して不感である。従って、できる限り長い測定期間にする必要がある。それと同時に、粒子濃度に対して早期に且つ明瞭に何らかの情報を得ることができるようにするために、測定値を大きくする必要がある。

発明の利点
ガス中の粒子、殊に、煤粒子の濃度を測定するための本発明のセンサは、測定の感度が改善されるという利点を有している。殊に、同じ粒子濃度の場合に、粒子の堆積レートも増強することができ、従って、測定値を高くすることができる。

それと同時に、測定期間は、再生期間に比して大きくなる。簡単に、センサ信号が飽和現象を示す前に、センサを測定期間中一層長く保持することができるようになる。

本発明によるセンサの有利な改良は従属請求項に記載されている。

図面
次に、図面を参照しながら本発明の実施例に基づき詳しく説明する。図面
図１ａ及び１ｂは、それぞれ、坦体部材に設けられた各測定電極を有する粒子センサの実施例の平面図、
図２ａ、２ｂ及び２ｃは、それぞれ、坦体部材に設けられた各測定電極を有する粒子センサの別の実施例の平面図を示す。

実施例の説明
図１ａの第１の実施例では、センサ１は、ガス中の粒子、殊に、煤粒子の濃度を測定するために、測定装置として第１の測定電極１０と第２の測定電極１５が設けられた坦体部材５を有している。各測定電極１０，１５間の空間は、検出すべき粒子が堆積する測定領域１２として使われる。両測定電極１０，１５は、コンタクト接続部２０，２５を介して、図示していない測定及び制御ユニットと直接接続することができ、電圧を印加することができる。測定領域２０上での粒子の堆積状態に応じて、測定値が変化する。抵抗（インピーダンス）の測定値又は各測定電極１０，１５を介して測定される電流強度は、測定モードに依存している。前述のように、各測定値から専らガス中の煤濃度を測定することができる。その際、両測定電極１０，１５は、本発明によると、各測定電極１０，１５間に電圧を印加して、非対称の電場が、測定領域１２上に形成されるように構成されている。非対称の電場は、この電場が電場内のあらゆる場所で一定の方向と強度を有していることによって特徴付けられる。そのような電場は、例えば、従来技術から公知のインターデジタルな櫛状の電極によって形成される。個別フィンガ状電極は、典型的には、構造化されていない直線状の、相互に平行に配列されたプリント配線板によって形成されている。そのようにして、一定の電場が各フィンガ状電極間に形成される。

しかし、図１から分かるように、第１の電極１０と第２の電極１５の相互に同じ側を向いた側面３０，３５は、相互に平行でないように設けられている。寧ろ、第１の測定電極１０と第２の測定電極１５との間の間隔は、電極の経過に沿って連続的に増大乃至減小する。そうすることによって、各測定電極１０，１５’の相互に狭幅の側面３０，３５を有する領域が形成される。その際、一方の領域から他方の領域への移行部は、連続的である。電圧を印加すると、一定電場にならない。センサ１の測定領域１２上に堆積している粒子は、導電性の経路を形成することによって、各測定電極１０，１５間の抵抗乃至インピーダンスを低減し、それにより、センサ電流が流れる。先ず、相互に狭幅の面３０，３５の領域内に導電性の経路が形成される。各測定電極１０，１５間の間隔は、この個所で非常に狭幅であるので、迅速に導電性の経路を形成して、測定信号をトリガするのに、比較的僅かな堆積で十分である。従って、センサの感度が上昇する。順次連続して別の粒子が堆積するに連れて、相互に広く離隔している各測定電極１０，１５の各側面３０，３５間に導電性の経路も生じる。堆積する煤のパーコレーション特性に基づいて、付加的な導電性経路が完全に形成されるといつでも、測定領域１２全体の導電度が強く上昇し、この上昇を、測定電極１０，１５を介して測定することができる。そうすることによって、相互に平行に配列された各測定電極の場合に可能である時間よりも長い時間に亘って一層強い信号上昇が達成される。面３０，３５の全体に沿って各測定電極１０，１５が短絡した後、更に粒子が堆積すると、導電率は付加的に連続して更に上昇し、即ち、この期間中も測定可能である。測定電極１０，１５を特別な形状及び装置構成にすることによって、粒子が堆積するための一層大きな測定領域１２を形成することができるので、従来公知のインターデジタルの測定電極と較べて一層高い電流が、この電流が飽和領域に達する迄に得られる。つまり、センサ信号は増強される。

従来のインターデジタルの櫛状構造の場合でも、各フィンガ状電極間の変化のある間隔が、形状を変えることによって達成することができる。図１ｂに示されているように、少なくとも１つの測定電極１０，１５は、幅が変化したフィンガ状電極４０を有することができる。図１ａには、第１の測定電極１０及び第２の測定電極１５は、三角形の形状を有しており、図２ｂでは、測定電極１０，１５の個別フィンガ状電極４０が、三角形の形状を有している。そうすることによって、離隔した２つのフィンガ状電極４０間の間隔は、当該フィンガ状電極４０の長さに亘って連続的に変化する。従って、第１の実施例の場合と同様の有利な効果を奏する。尖端状の実施例によって、堆積した煤粒子の所期の有利な成長方向の領域が達成される。上述の実施例は、測定電極１０，１５又は個別フィンガ状電極４０の常になめらかな、構造化されていない面を有している。択一的に（図２ａ）又は付加的に（図２ｂ，２ｃ）、即ち、測定電極１０，１５乃至フィンガ状電極４０の間隔が変わるように相互に組み合わされて、少なくとも一方の測定電極１０，１５が、他方の測定電極１５，１０と同じ側の面３０，３５に沿って、又は、フィンガ状電極４０に沿って構造部４５を有することが提案されている。その際、構造部５は、均等に設けられた尖端部、矩形部、点状部又は他の幾何学的な形状によって形成されている。各電極面の、そのような構造部４５により、電圧を印加した際に、電場が上昇する。図２ａの場合のように、構造化されたフィンガ状電極４０だけでも既に、測定領域１２上が一定でない電場となる。この電場の上昇により、構造化された面が形成されていない電極に較べて、同じ強さで印加された電圧の場合に、分極可能又は既に荷電された粒子が、有利に堆積される。従って、電場の勾配を大きくすることによって、粒子の堆積レートが高くなる。従って、所与の粒子濃度の場合に一層高いセンサ電流が達成される。このことにより、信号評価用の制御装置内に簡単な測定電子装置を用いることができるようになる。と言うのは、漏れ電流乃至ＥＭＶ電流（電磁両立性）は、更に小さな障害作用しか及ぼさないからである。

要するに、全ての実施例で、両測定電極１０，１５は、各測定電極１０，１５間に電圧を印加して、非対称の電場が、測定領域１２上に形成されるように構成されている。非対称の電場は、空間的に非均一な電場である。電場分布を特別に形成することによって、粒子堆積を所期のように空間的に制御することができる。殊に、有利な領域内での導電性の経路の形成を制御することができる。つまり、時間的な経路の成長を、所望の方向に偏向させることができる。必要な場合、このために２つ以上の測定電極１０，１５を設けることができ、例えば、付加的に少なくとも１つの、図示していない中間電極を第１の測定電極１０と第２の測定電極１５との間に設けることができる。その際、幾何学的な形状及び印加電位を、所望の電場分布の全ての電極に適合させることができる。

坦体部材に設けられた各測定電極を有する粒子センサの実施例の平面図 坦体部材に設けられた各測定電極を有する粒子センサの別の実施例の平面図

Claims (7)

1. 少なくとも１つの坦体部材（５）と、少なくとも１つの第１の測定電極（１０）と第２の測定電極（１５）との間の測定領域を有する、ガス中の導電性の煤粒子の濃度を測定するためのセンサ（１）において、
   前記第１と第２の測定電極（１０，１５）は、当該２つの測定電極（１０，１５）間に電圧を印加して、非対称な電場が測定領域（１２）上に形成されるように構成されており、
   前記第１の測定電極（１０）と前記第２の測定電極（１５）は、一緒にインターデジタルな櫛状の構造を形成し、
   前記第１の測定電極（１０）と前記第２の測定電極（１５）のうち少なくとも１つの測定電極は、幅が変化するフィンガ状電極（４０）を有しており、
   前記第１の測定電極（１０）と前記第２の測定電極（１５）に形成される測定面上に導電性の煤粒子が堆積することによって、前記各電極（１０，１５）の各フィンガ間の測定面の導電率変動またはインピーダンス変動が測定されることを特徴とするセンサ（１）。
2. 第１の測定電極（１０）と第２の測定電極（１５）の相互に同じ側を向いた側面（３０，３５）は、相互に平行でないように設けられている請求項１記載のセンサ（１）。
3. 第１の測定電極（１０）と第２の測定電極（１５）との間の間隔は、電極の経過特性に沿って連続的に増減する請求項１又は２記載のセンサ（１）
4. 第１の測定電極（１０）と第２の測定電極（１５）の少なくとも１つの測定電極又は前記第１の測定電極（１０）と前記第２の測定電極（１５）の前記少なくとも１つの測定の電極フィンガ電極（４０）は、三角形の形状を有している請求項１から３迄の何れか１記載のセンサ（１）。
5. 第１の測定電極（１０）と第２の測定電極（１５）の少なくとも一方の測定電極は、当該第１の測定電極（１０）と第２の測定電極（１５）の少なくとも他方の測定電極側の面（３０，３５）に沿って、又は、フィンガ状電極（４０）に沿って構造部（４５）を有する請求項１から４迄の何れか１記載のセンサ（１）。
6. 構造部（４５）は、規則的に設けられた尖端部、矩形部、点状部又は他の幾何学的形状によって形成されている請求項５記載のセンサ（１）。
7. 少なくとも１つの中間電極が、第１の測定電極（１０）と第２の測定電極（１５）の間に設けられている請求項６記載のセンサ（１）。

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