JP5201194B2 - 粒子状物質検出装置及び粒子状物質検出素子の製造方法 - Google Patents

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好適に利用されて、排出ガス中に存在する粒子状物質の量を検出する、電気抵抗式の粒子状物質検出装置及びこれに用いる粒子状物質検出素子の製造方法に関する。

自動車用ディーゼルエンジン等において、燃焼排気中に含まれる環境汚染物質、特に煤粒子（Ｓｏｏｔ）及び可溶性有機成分（ＳＯＦ）を主体とする粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ；以下、適宜ＰＭと称する）を捕集するために、排気通路にディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、適宜ＤＰＦと称する）を設置することが行われている。ＤＰＦは、耐熱性に優れる多孔質セラミックスからなり、多数の細孔を有する隔壁に燃焼排気を通過させてＰＭを捕捉する。

ＤＰＦは、ＰＭ捕集量が許容量を超えると、目詰まりが生じて圧力損失が増大したり、ＰＭのすり抜けが増加したりする虞があり、定期的に再生処理をおこなって捕集能力を回復させている。
再生時期は、一般的には、ＰＭ捕集量の増加により前後差圧が増大することを利用しており、このため、ＤＰＦの上流及び下流の圧力差を検出する差圧センサが設置される。
再生処理は、ヒータ加熱あるいはポスト噴射等により高温の燃焼排気をＤＰＦ内に導入し、ＰＭを燃焼除去する。

一方、燃焼排気中のＰＭを直接検出可能なセンサが提案されている。このＰＭセンサを、例えばＤＰＦの下流に設置して、ＤＰＦをすり抜けるＰＭ量を測定し、車載式故障診断装置（ＯＢＤ；Ｏｎ Ｂｏａｒｄ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ）において、ＤＰＦの作動状態の監視、例えば亀裂や破損といった異常の検出に利用することができる。
あるいはＤＰＦの上流に設置して、ＤＰＦに流入するＰＭ量を測定し、差圧センサに代わる再生時期の判断に利用することも検討されている。

その基本構成として、特許文献１には、絶縁性を有する基板の表面に、一対の導電性電極を形成し、基板の裏面又は内部に発熱体を形成した電気抵抗式のスモークセンサが開示されている。このセンサは、スモーク（微粒炭素）が導電性を有することを利用したもので、検出部となる電極間に、スモークが堆積することで生じる電気抵抗値の変化を検出する。
このような粒子状物質検出装置では、一定以上の量の粒子状物質が検出電極間に堆積すると、それ以上、検出抵抗が変化せず、被測定ガス中の粒子状物質の量を検出できなくなる。
そこで、通電により発熱する発熱体を設けて、ヒータ加熱により直接的に検出部を加熱したり、ポスト噴射等により被測定ガスである燃焼排気を高温にして検出部を加熱したりして、検出電極間に堆積した粒子状物質を燃焼除去して検出能力を回復させている。

また、特許文献２には、このような粒子状物質において、基板と一対の検出電極との間にジルコニア等によって導電層を設けて電極間に堆積した粒子状物質によって形成される電気抵抗に対して並列に接続された抵抗層を形成することにより、電極の損傷や劣化を検出可能とした粒子状物質検出素子と制御方法が開示されている。

ところが、特許文献１にあるような従来の電気抵抗式の粒子状物質検出装置では、測定電極間に堆積した粒子状物質を加熱除去したとき、検出電極間の抵抗が極めて高くなり、ほぼ絶縁状態となる。
このため、検出抵抗の値からは、検出電極間に粒子状物質が堆積していない状態であるのか、検出素子と検出回路部とを接続する信号線の電線等の断線異常であるのかを区別することが困難となる虞がある。

また、特許文献２にあるように、一対の検出電極間が導電層によって導通されているので、導電層の抵抗値が低すぎると粒子状物質が堆積していない状態でも出力が検知され、誤作動を招く虞がある上に、高い精度で導電層の抵抗値を調整する必要があり、製造コストの増大を招く虞もある。
さらに、長期の使用によって、不可避的に検出電極を構成する金属が導電層に拡散し、導電層の抵抗値が変化するため、出力が不安定となる虞もある。

そこで本発明は、かかる実情に鑑み、内燃機関の燃焼排気中の粒子状物質検出に用いられる電気抵抗式の粒子状物質検出装置において、検出精度が高く、かつ、断線異常の検出を可能とした信頼性の高い粒子状物質検出装置とこれに用いる粒子状物質検出素子の製造方法を提供することを目的とする。

第１の発明では、少なくとも、絶縁性基体の表面に所定の間隙を設けて対向する一対の検出電極を設けて検出部とした粒子状物質検出素子と、該粒子状物質検出素子と一対の信号線を介して接続され、上記検出部に堆積する粒子状物質によって形成される電気抵抗を検出抵抗として検出する検出回路部とを具備して被測定ガス中に含まれる粒子状物質の量を検出する粒子状物質検出装置において、
上記粒子状物質検出素子が上記検出抵抗に対して並列に配設した静電容量成分を具備し、上記検出回路部が上記粒子状物質検出素子に直流電流を供給する直流電源と、所定の周波数と振幅を持った交流電流を供給する交流電源と、粒子状物質出検出素子に流れる直流電流を検出する直流検出部と、交流電流を検出する交流検出部とを具備し、
上記静電容量成分は、所定の膜厚と所定の比誘電率とを有する絶縁性セラミックスからなる誘電層と、該誘電層を挟んで対向せしめた所定の面積を有する一対の平行平板導体とによって形成したことを特徴とする（請求項１）。

第１の発明によれば、上記静電容量成分が、上記誘電層の比誘電率と上記平行平板導体の面積とに比例し、上記誘電層の膜厚に反比例した所定の値となり、上記交流電源から供給される交流電流に対して一定範囲のインピーダンスを示す。
上記検出電極間に粒子状物質が堆積しておらず、上記直流電源によって印加される直流電流が上記粒子状物質検出素子を流れず、上記直流検出部の出力が検出できない状態でも、上記交流検出部によって、上記静電容量成分を介して伝達される交流電流を検出することができる。
このため、上記信号線を介して接続された上記検出回路部と上記粒子状物質検出素子との間に断線異常が生じた場合には、上記交流検出部で検出される交流電流が変化し、速やかに断線異常を検出できる。
また、上記直流検出部によって上記粒子状物質検出素子に流れる直流電流を検出することによって、上記検出電極間に堆積した粒子状物質によって形成された検出抵抗を精度良く測定することができる。
このとき、上記静電容量成分が、誘電層として絶縁性セラミックスを用いることによって、上記平行平板導体間の直流抵抗を大きくし、絶縁性を確保することができるので、上記静電容量成分に直流電流が流れることがなく、上記直流検出部で検出される検出抵抗の出力に影響を与えず、上記検出部に堆積する粒子状物質の量を安定して検出することができる。

第２の発明では、上記検出電極間に粒子状物質が堆積していない状態において、上記静電容量成分が一対の上記検出電極間を直列に接続する（請求項２）。

第２の発明によれば、上記検出部と上記検出回路部との間の断線だけでなく上記検出部における断線の検出も可能となる。

第３の発明では、上記誘電層の交流インピーダンスが２００ｋΩ以下となり、上記誘電層の６００℃における直流抵抗が１ＭΩ以上となるように、上記平行平板導体の面積と上記誘電層の厚さとを設定する（請求項３）。

第３の発明のように、上記誘電層の交流インピーダンスが２００ｋΩ以下となるように上記平行平板導体の面積と上記誘電層の厚さとを設定することにより、上記交流検出部において交流電流の検出が容易となり、検出精度を向上することができる。
また、上記平行平板導体の面積と誘電層の厚さを６００℃における直流抵抗が１ＭΩ以上となるように設定することにより、上記容量成分の絶縁性が確保され、上記直流電源から上記容量成分に直流電流が流れず、上記直流電流検出部における直流電流検出精度が向上する。

第４の発明では、上記静電容量成分は、上記粒子状物質検出素子において温度が５００℃以下となる位置に設ける（請求項４）。

一般に粒子状物質検出素子は、ディーゼル燃焼排気等の２００℃〜数百度の高温の被測定ガス中に上記検出部が晒されており、素子温度の上昇により絶縁抵抗の低下を招く虞がある。
しかし、第４の発明によれば、上記静電容量成分が５００℃以上の高温に晒される虞がなく、上記誘電層を構成する絶縁性セラミックスの絶縁抵抗が周囲温度からの受熱によって１ＭΩ以下に低下することがないので、上記静電容量成分に直流電流が流れる虞がない。
したがって、交流電流の検出により上記信号線を介して接続した上記粒子状物質検出素子と上記検出回路部との間に発生した断線異常を速やかに検出すると共に、安定した粒子状物質の検出を可能とする信頼性の高い粒子状物質検出装置が実現できる。

第５の発明では、絶縁性の基体上に所定の間隙を隔てて対向する一対の検出電極を設けて、該検出電極間に堆積する粒子状物質の量によって変化する電気抵抗を検出抵抗として検出する粒子状物質検出素子の製造方法であって、
上記検出抵抗に対して並列となるように静電容量成分を形成する静電容量成分形成工程を具備し、該静電容量成分形成工程は、所定の比誘電率と所定の体積抵抗率を有する絶縁性セラミックス粉末と、所定の分散媒と、所定の結合材と、所定の可塑剤とを混合、分散せしめて、スラリー状、又は、ペースト状となし、さらに得られたセラミックスラリー、又は、セラミックペーストを用いて、上記検出電極を設けた上記絶縁性の基体に積層して、塗工、又は、印刷によって上記誘電層を形成する誘電層形成工程と、該誘電層形成工程で得られた誘電層を挟んで一対の平行平板導体を形成すべく、第１の平板導体を形成する第１の平板導体形成工程と、第２の平板導体を形成する第２の平板導体形成工程とを具備する（請求項５）。

第５の発明によれば、上記粒子状物質検出素子を形成する際に、上記静電容量成分を極めて容易に一体的に形成することができる。
また、使用する上記絶縁性セラミックスの比誘電率、形成する誘電層の膜厚、上記平行平板導体の面積を任意に設定することができるので、上記粒子状物質検出素子の交流インピーダンスを容易に所望の値に制御できる。
一方、本発明によらず、一定の静電容量を有する静電容量素子を検出抵抗に対して並列となるように実装した場合には、一旦、粒子状物質検出素子を形成した後、静電容量素子を実装するため、製造工数が増え、製造コストの増加を招く虞がある。

本発明の第１の実施形態における粒子状物質検出装置に用いられる粒子状物質検出素子の概要を示す展開斜視図。 本発明の第１の実施形態における粒子状物質検出装置に用いられる粒子状物質検出センサの一例を示す断面図。 本発明の第１の実施形態における粒子状物質検出装置の全体概要を示すブロック図。 （ａ）は、本発明の効果を確認するために行った第１の試験方法の概要を示す説明図、（ｂ）は、交流検出部で検出される出力電圧の変化を示す特性図、（ｃ）は、第１の試験において検出された接続状態と断線状態との出力電圧の違いを示す特性図、（ｄ）は、同試験において検出された直流検出部の出力電圧を示す特性図。 （ａ）は、アルミナを誘電層とした場合の交流インピーダンスの温度変化を示す特性図、（ｂ）は、ジルコニアを誘電層とした場合の交流インピーダンスの温度変化を示す特性図。 （ａ）は、アルミナを用いた誘電層の厚さを２５μｍとした場合の交流インピーダンスの温度変化を示す特性図、（ｂ）は、誘電層の厚さを１２．５μｍとした場合の交流インピーダンスの温度変化を示す特性図。 （ａ）は、ジルコニアを用いた誘電層の厚さを２５μｍとした場合の交流インピーダンスの温度変化を示す特性図、（ｂ）は、誘電層の厚さを１２．５μｍとした場合の交流インピーダンスの温度変化を示す特性図。 （ａ）は、アルミナの体積抵抗率の温度変化を示す特性図、（ｂ）は、アルミナを用いた誘電層の厚さと直流抵抗との相関を示す特性図。 （ａ）は、本発明の効果確認のために行った第２の試験方法を示す斜視図、（ｂ）は、比較例と共に本発明の効果を示す特性図。 本発明の第２の実施形態における粒子状物質検出装置に用いられる粒子状物質検出素子の概要を示す展開斜視図。 本発明の第３の実施形態における粒子状物質検出装置に用いられる粒子状物質検出素子の概要を示す展開斜視図。 （ａ）は、本発明の効果確認のために行った第３の試験方法を示す斜視図、（ｂ）は、比較例と共に本発明の効果を示す特性図。

本発明の第１の実施形態における粒子状物質検出装置１は、内燃機関の燃焼排気流路に設けられ、燃焼排気を被測定ガスとして、被測定ガス中の粒子状物質の量を検出するものであり、その検出結果は、内燃機関の燃焼制御、排気浄化装置の再生、異常診断等に利用される。
粒子状物質検出装置１は、少なくとも、絶縁性基体１００の表面に所定の間隙を設けて対向する一対の検出電極１１０、１２０を設けて検出部１１とした粒子状物質検出素子１０と、粒子状物質検出素子１０と一対の信号線１１６、１２６を介して接続され、検出部１１に堆積する粒子状物質ＰＭによって形成される電気抵抗を検出抵抗Ｒ_ＳＥＮとして検出する検出回路部２０とを具備して、被測定ガス中に含まれる粒子状物質ＰＭの量を検出する粒子状物質検出装置１において、粒子状物質検出素子１０が検出抵抗Ｒ_ＳＥＮに対して並列に配設した静電容量成分１３を具備し、検出回路部２０が粒子状物質検出素子１０に直流電流Ｉ_ＤＣを供給する直流電源２１と、所定の周波数ｆと振幅を持った交流電流Ｉ_ＡＣを供給する交流電源２２と、粒子状物質出検出素子１０に流れる直流電流Ｉ_ＤＣを検出する直流検出部２３と、交流電流Ｉ_ＡＣを検出する交流検出部２４とを具備し、静電容量成分１３は、誘電層１５０として、所定の膜厚ｄと所定の比誘電率ε_ｒとを有する絶縁性セラミックスを挟んで対向せしめた所定の面積Ｓを有する一対の平行平板導体１３０、１４０によって形成したことを特徴とする。
また、静電容量成分１３は、検出電極１１０、１２０間に粒子状物質が堆積していない状態において、検出電極１１０、１２０間を直列に接続している。

図１を参照して本発明の第１の実施形態における粒子状物質検出装置１に用いられる粒子状物質検出素子１０の概要について説明する。
粒子状物質検出素子１０は、絶縁性基体１００と、その表面に形成された一対の検出電極１１０、１２０と、検出電極１１０、１２０に接続して形成された一対の検出リード部１１１、１２１と、検出リード部１１１、１２１に接続して形成された検出端子部１１２、１２２とによって構成された検出部１１を有している。
絶縁性基体１００は、アルミナ等の絶縁性耐熱材料を用いて、ドクターブレード法等の公知の方法により略平板状に形成されている。
検出電極１１０、１２１、検出リード部１１１、１２１、検出端子部１１２、１２２は、白金等の導電性材料を用いて、厚膜印刷等の公知の方法により形成されている。

さらに、絶縁性基体１００の裏面側に積層して、本発明の要部である静電容量成分１３が形成されている。
静電容量成分１３は、アルミナ等の所定の比誘電率ε_ｒを有する絶縁性セラミックスを用いて、所定の膜厚ｄを有して略平板状に形成された誘電層１５０と、誘電層１５０を挟み込むように、その両面に形成され、所定の面積Ｓを有して対向する一対の平板導体１３０、１４０と、平板導体１３０、１４０のそれぞれに接続して形成された導体リード部１３１、１４１と、導体リード部１３１、１４１に接続して、誘電層１５０及び絶縁性基体１００を貫通するスルーホール電極１３２、１４２、１４３が形成され、検出部リード部１１１、１２１に接続され、検出抵抗Ｒ_ＳＥＮに対して並列となっている。
平板導体１３０、１４０は、厚さｄの誘電層１５０を介して対向する平行平板導体を構成し、静電容量成分１３を形成している。
静電容量成分１３の静電容量Ｃ_１３は、比誘電率ε_ｒ、真空の誘電率ε_０、平板導体１３０、１４０の面積Ｓ、誘電層１５０の厚さｄとしたとき、Ｃ_１３＝ε_ｒε_０Ｓ／ｄとなる。
また、静電容量成分１３の交流インピーダンスＺは、Ｚ＝１／ｊωＣ_１３（ｊは虚数単位。）で表され、交流インピーダンスＺの絶対値｜Ｚ｜は、１／ωＣ_１３＝１／２／π／ｆ／Ｃ_１３（ｆは、印加する交流電流の周波数）で表される。
本実施形態において、平板導体１３０、１４０の面積Ｓ、誘電層１５０の膜厚ｄは、交流インピーダンスＺの絶対値が２００ｋΩ以下となるように形成されている。
即ち、平板導体１３０、１４０の面積Ｓを１０（ｍｍ_２）とし、誘電層１５０を構成するアルミナの比誘電率ε_ｒを１１．２とし、後述する交流電源２２から印加される交流電流の周波数ｆを２０ｋＨｚとした場合、Ｃ_１３が、１０００／８／π＝３９．８ｐＦ以上となるように、即ち、膜厚ｄは、１１．２×８．８５４×１０／３９．８＝２４．９μｍ以下に形成されている。
また、本実施形態では、誘電層１５０は、６００℃において１．４×１０^１１（Ωｍ）以上の体積抵抗率ρを有する絶縁性セラミックスを用いて、誘電層１５０の直流抵抗Ｒ_１５０が、１ＭΩ以上となる膜厚ｄに形成されている。
即ち、本実施形態においては、ｄ≧７（μｍ）の関係が成り立つ。

ここで、本発明の粒子状物質検出素子の製造方法の要部である静電容量成分形成工程について説明する。
誘電層１５０は、所定の比誘電率εｒと所定の体積抵抗率ρを有する絶縁性セラミックス粉末と、所定の分散媒と、所定の結合材と、所定の可塑剤とを混合、分散せしめて、スラリー状、又は、ペースト状となす絶縁性セラミックス混合・分散工程と、絶縁性セラミックス混合・分散工程において得られたセラミックスラリー、又は、セラミックペーストを用いて、絶縁性基体１００に積層して、塗工、又は、印刷によって誘電層１５０を形成する誘電層形成工程を経て形成される。
本実施形態においては、絶縁性セラミックスを所定の分散剤等に分散せしめたスラリーを用いてドクターブレード法によって所定の膜厚ｄを有する略平板状の誘電層１５０を形成する。
第１の平板導体形成工程では、略平板状に形成された誘電層１５０の一方の面に、Ｐｔ等の金属ペーストを用いて所定の面積Ｓを有する第１の平板導体１３０と第１の平板導体リード部１３１とを印刷形成し、さらに、第２の平板導体形成工程では、誘電層１５０の他方の面に、Ｐｔ等の金属ペーストを用いて所定の面積Ｓを有する第２の平板導体１４０と第２の平板導体リード部１４１とを印刷形成する。
さらに、第１の平板導体リード部１３１と検出リード部１１１とを接続すべく、絶縁性基体１００の裏面側と表面側とを貫通するように設けたスルーホール内にＰｔ等の電極ペーストを充填してスルーホール電極１３２を形成する。
さらに、第２の平板導体リード部１４１と検出リード部１２１と接続すべくと、絶縁性基体１００の裏面側と表面側とを貫通するように設けたスルーホール内に電極ペーストを充填してスルーホール電極１４３を形成すると共に、誘電層１５０も裏面側と表面側とを貫通するように設けたスルーホール内にＰｔ等の電極ペーストを充填して、スルーホール電極１４２を形成する。
これらを一体的に積層することで、誘電層１５０を挟んで平板導体１３０と平板導体１４０とが対向し、一対の平行平板導体が形成され、それぞれが、リード部１１１、１２１と接続状態となり、検出抵抗ＲＳＥＮに対して、静電容量成分１３が並列に接続された状態となる。

さらに、誘電層１５０の裏面側に積層して、発熱体１６０とこれに接続する一対の発熱体リード部１６１ａ、１６１ｂが形成された絶縁性基体１０１が配設され、発熱体リード部１６１ａ、１６１ｂに接続して、絶縁性基体１０１を貫通するように一対のスルーホール電極１６２ａ、１６２ｂが形成され、スルーホール電極１６２ａ、１６２ｂに接続して、一対の発熱体端子部１６３ａ、１６３ｂが形成されている。
なお、第２の平板導体１４０とヒータリード部１６１ａ、１６１ｂとの絶縁性を確保するために、絶縁性基体１０１と同様の略平板状に形成した絶縁性基体によって発熱体１６０とヒータリード部１６１ａ、１６１ｂとを覆っても良い。

さらに、検出電極１１０、１２０に積層して、検出リード部１１１、１２１を覆うように、耐熱性ガラスや絶縁性セラミックスを用いて、検出部１１が露出する開口部１６１を設けた保護層１６０が形成してある。
保護層１６０は、検出リード部１１１、１２１を保護すると共に、検出部１１以外への粒子状物質ＰＭの堆積による誤作動を防止している。
上述の如くの製造工程を経て得られた積層構造の成形体を焼成することにより一体の粒子状物質検出素子１０が完成する。

図２を参照して、本発明の粒子状物質検出素子１０を設けた粒子状物質検出センサ１について説明する。
粒子状物質検出センサ１は、粒子状物質検出素子１０を内側に挿入保持する略筒状のインシュレータ１８５と、被測定ガスの流れる流路壁５０に固定され、インシュレータ１８５を保持すると共に、粒子状物質検出素子１０の検出部１１を被測定流路５００内の所定の位置に保持するハウジング１７と、ハウジング１７の先端側に設けられ、粒子状物質検出素子１０の検出部１１を保護するカバー体１９０と、ハウジング１７の基端側に設けられ、接続金具１１３、１１４、１２３、１２４を介して粒子状物質検出素子１０の端子部１１２、１２２に接続され、検出部１１に捕集・堆積されたＰＭ量に応じて変化する検出電極１１０、１２０間の検出電気抵抗Ｒ_ＳＥＮを外部の検出回路部２０に伝達する一対の信号線１１５、１２５と、粒子状物質検出素子１０に内蔵されたヒータ１６０とヒータ端子部１６３ａ、１６３ｂ、接続金具１６４ａ、１６４ｂ、１６５ａ、１６５ｂを介して接続される一対の導通線１６６ａ、１６６ｂとを、封止部材１８２を介して基端側で固定する略筒状のケーシング１８とによって構成されている。
カバー体１９０には、ＰＭを含む被測定ガスを検出部１１に導入するための被測定ガス入出孔１９２、１９３が適宜穿設され、基端側に設けたフランジ部１９１がハウジング１７の先端側に設けた加締め部１７４によって加締め固定されている。
本実施形態において、静電容量成分１３は、粒子状物質検出１０に内蔵され、インシュレータ１８５内で５００℃以下の安定した温度となる位置に配置してある。
粒子状物質ＰＭを含む被測定ガスが、被測定ガス流路５００内を流れ、カバー体１９０に設けられた被測定ガス入出孔１９２から導入され、被測定ガス中に検出部１１を晒している粒子状物質検出素子１０の検出部１１の表面に接触し、検出電極１１０、１２０の間にＰＭが堆積するようになっている。

図３を参照して、本発明の粒子状物質検出素子１０を用いた粒子状物質検出装置１００の全体概要について説明する。
粒子状物質検出素子１０の検出部１１を構成する検出電極１１０、１２０間に堆積した粒子状物質によって形成される電気抵抗を検出抵抗Ｒ_ＳＥＮとして、静電容量成分１３が検出抵抗Ｒ_ＳＥＮに対して並列に接続された状態となっている。
検出回路部２０には、粒子状物質検出素子１０に直流電流Ｉ_ＤＣを印加する直流電源２１と、交流電流Ｉ_ＡＣを印加する交流電源２２と、検出抵抗Ｒ_ＳＥＮを流れる直流電流Ｉ_ＤＣを検出する直流検出部２３と、静電容量成分１３を介して流れる交流電流Ｉ_ＡＣを検出する交流電流検出部２４とが設けられている。
検出電極１１０、１２０間に粒子状物質ＰＭが堆積し、検出抵抗Ｒ_ＳＥＮが形成されると、直流電流電源２１印加された直流電圧Ｖ_ＤＣに対して、検出抵抗Ｒ_ＳＥＮに応じた直流電流Ｉ_ＤＣが流れ、直流検出部２３によって、直流電流Ｉ_ＤＣが検出され、直流電流Ｉ_ＤＣの変化によって検出部１１に堆積した粒子状物質ＰＭの量を算出することができる。
さらに、交流電源２２から印加された交流電圧Ｖ_ＡＣに対して、静電容量成分１３を介して交流電流Ｉ_ＡＣが流れ、交流検出部２４によって、交流電流Ｉ_ＡＣを検出することによって、検出リード部１１１、１２１、検出端子部１１２、１２２、接続金具１１３、１１４、１２３、１２４、信号線１１５、１２５を介して接続された粒子状物質検出素子１０と検出回路部２０との間に発生する断線異常を検出することができる。
なお、発熱体１６０の一端は、通電用リード部１６１ａから通電線１６６ａを介して駆動電源３１に接続され、他端は、通電用リード部１６１ｂ、通電線１６６ｂを介して発熱体制御装置３０に設けられた駆動部３２によって開閉制御される開閉素子３２０、及び発熱体１６０に流れる電流を検出する電流検出手段３３０を介して接地され、電流検出手段３３０によって検出されたヒータ抵抗を基に温度検出部３３によって発熱体１６０の温度が検出され、発熱体１６０の温度制御に用いられている。
開閉素子３２０には、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体が用いられ、駆動部３２から発振される駆動信号にしたがって開閉され、発熱体４０にパルス電流を供給し、通電パルスのデューティ比を制御することで発熱量を調整することができる。

図４を参照して、本発明の効果を確認するために行った第１の試験について説明する。
本図（ａ）に示すように、本発明の粒子状物質検出素子１０を備えた粒子状物質検出センサ１と検出回路部２０とを接続する信号線１１６、１２６の間に、断線を模した開閉スイッチＳＷを設け、スイッチを開閉したときに検出される直流電流Ｉ_ＤＣ及び交流電流Ｉ_ＡＣの変化を調査した。
本図（ｂ）に示すように、正常な状態においては、粒子状物質検出素子１０の検出部１１に堆積するＰＭの量、及び、粒子状物質検出素子１０の温度の変化によって、検出抵抗Ｒ_ＳＥＮ及び静電容量成分１３の静電容量Ｃ１３との合成インピーダンスが変化し、交流検出部２４によって検出される出力電圧ＶＡＣが１．４Ｖ〜５Ｖ程度まで変化し、断線時には、０．８Ｖ〜１．０Ｖ程度の出力となる。
そこで、発熱体１６０に通電をし、検出部１１にＰＭが堆積していない状態とし、断線を模した開閉スイッチを閉じた状態から開いた状態に変化させたところ、本図（ｃ）に示すように、交流検出部２４の出力は、スイッチを閉じて正常時を模した状態では１．５５Ｖを示し、スイッチを開いて断線時を模した状態では０．９Ｖに変化し、正常時と断線時とが明確に区別され、本図（ｄ）に示すように、直流検出部２３の出力は、検出電極１１０、１２０間の導通がないのでスイッチの開閉に拘わらず、検出されなかった。
このように、本発明の粒子状物質検出素子１０を用いれば、検出部１１にＰＭが堆積していない状態で、交流電流Ｉ_ＡＣを検出することによって明確に信号線１１６、１２６に発生する断線異常を検出できることが確認された。

図５〜９を参照して、本発明の粒子状物質検出素子１０の誘電層１５０に用いる絶縁性セラミックスの最適化のために行った試験について説明する。
図５（ａ）は、誘電層１５０をアルミナによって形成した場合の予備試験として、比誘電率ε_ｒ＝１１．２、厚さｄ＝０．５ｍｍのアルミナ基板の両面に、面積Ｓ＝１．１ｃｍ^２の平板導体を形成して、１０ｋＨｚと２０ｋＨｚの交流電流を掃引して、測定温度を常温から７００℃まで変化させたときの交流インピーダンス｜Ｚ｜の変化をインピーダンスアナライザを用いて調査した結果であり、 図５（ｂ）は、誘電層１５０をジルコニアによって形成した場合の予備試験として、比誘電率ε_ｒ＝１２．５、厚さｄ＝０．５ｍｍのジルコニア基板の両面に、面積Ｓ＝１．１ｃｍ^２の平板導体を形成して、１０ｋＨｚと２０ｋＨｚの交流電流を掃引、測定温度を変化させたときの交流インピーダンス｜Ｚ｜の変化を調査した結果である。
本図に示すように、いずれの場合も、温度上昇にともない、交流インピーダンスの低下が観察された。
また、実際の粒子状検出素子１０に用いた場合、交流検出部２４によって検出可能な交流インピーダンスとしては、２００ｋΩ以下であることが望ましく、アルミナを用いる場合には、誘電層１５０の厚さｄを０．５ｍｍとしたのでは、交流インピーダンスが高過ぎて検出が困難であると推察される。
一方、ジルコニアを用いた場合は、掃引する交流電流が２０ｋＨｚの場合には、ｄ＝０．５ｍｍであっても、全ての温度領域で、交流インピーダンスが２００ｋΩ以下であるが、粒子状物質検出素子１０が使用される３００℃以上の温度になると、周波数に拘わらず、交流インピーダンスが低すぎて検出できなくなる虞がある。

図６に、誘電層１５０をアルミナで形成した場合に、誘電層１５０の厚さｄを、２５μｍ又は１２．５μｍに形成した場合の交流インピーダンスの温度変化を示す。
本図（ａ）に示すように、厚さｄを２５μｍに設定し、掃引する周波数を２０ｋＨｚにすれば、常温から７００℃の温度領域において、交流インピーダンスが２００ｋΩ以下となり、容易に検出可能となると期待できる。
また、本図（ｂ）に示すように、厚さを１２．５μｍに設定すれば、掃引する周波数によらず、常温から７００℃の温度領域において、交流インピーダンスが２００ｋΩ以下となり、容易に検出可能となると期待できる。

一方、ジルコニアを用いた場合、誘電層１５０の厚さｄを２５μｍ又は１２．５μｍに形成した場合、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、いずれの場合も、常温から３００℃までは、検出可能であるが、粒子状物質検出素子１０が使用される３００℃以上の温度になると、インピーダンスが低すぎて検出できなくなる。

図８を参照して、誘電層１５０として、アルミナを用いる場合の効果についてさらに調査した結果について説明する。
図８（ａ）は、代表的なアルミナの堆積抵抗率の温度特性を示す特性図であり、本図（ｂ）は、誘電層１５０の厚さｄを変化させたときの第１の平板導体１３０と第２の平板導体１４０との間の直流抵抗Ｒ_ＡＬの変化を示す特性図である。
本図（ａ）に示すように、６００℃におけるアルミナの堆積抵抗率ρは、アルミナの含有率によって、４×１０^１０Ωｍ〜１．４×１０^１１Ωｍ程度の差がある。
また、本図（ｂ）に示すように、例えば、９６％のアルミナを用いた場合、誘電層１５０の厚さｄを７μｍ以上とすれば、６００℃においても１ＭΩ以上の直流抵抗Ｒ_ＡＬが確保されることが分かる。
したがって、例えば、９６％のアルミナを用いた場合、誘電層１５０を、７μｍ以上、２５μｍ以下に設定すれば、交流インピーダンスは２００ｋΩ以下となり、６００℃における直流抵抗は１ＭΩ以上が確保できるので、ＰＭ検出に影響を与えることなく、かつ、断線検出が容易にできると期待できる。

図９を参照して、本発明の素子内部で発生する断線異常検出に対する効果の確認のために行った試験結果について説明する。
本図（ａ）に示すように、静電容量成分１３_（Ａ）、１３_（ｚ）を構成する誘電層１５０_（Ａ）、１５０_（Ｚ）として、それぞれアルミナとジルコニアを用いた粒子状物質検出素子１０_（Ａ）、１０_（Ｚ）を作成し、さらに検出リード部１１１、１２１を切断して意図的に素子内の断線を模したサンプルを作成し、測定温度Ｔ_ＥＸを常温から素子が通常使用される４００℃まで加熱したときの交流検出部２０で検出される出力の変化を調査しその結果を本図（ｂ）に示す。
本図（ｂ）に１５０_（Ａ）として示すように、アルミナを用いた場合には、測定温度が４００℃に上昇しても交流電流は全く検出されず、断線状態であることを検出できた。
一方、本図（ｂ）に１５０_（Ｚ）として示すように、ジルコニアを用いた場合には、測定温度の上昇と共に、平板導体１３０、１４０間の直流抵抗Ｒ_（Ｚ）が徐々に低下し、測定開始後５００秒経過した頃から出力電圧が徐々に上昇している。
これは、ジルコニアの半導体的性質により、温度上昇に伴い導電性を生じるためと推察される。
したがって、使用環境である４００℃前後の温度において、交流インピーダンスが低く、検出が困難である上に、十分な絶縁性を確保できないジルコニアは本発明の粒子状物質検出素子１０の誘電層１５０として用いるのは不適当であることが判明した。
一方、アルミナは、誘電層１５０の厚さｄを７μｍ以上、２５μｍ以下で形成すれば、充分な絶縁性と検出容易な交流インピーダンスを実現できるので、本発明の粒子状物質検出素子１０の誘電層１５０として有効であることが判明した。
また、誘電層１５０の材料としてアルミナ以外の絶縁性セラミック材料としては、アルミナ、ベリリア、カルシア、マグネシア、トリア、スピネルから選択されるいずれかの材料又はこれらの複合セラミックスを好適に用いることができると期待される。
本発明の粒子状物質検出素子１０の誘電層１５０の材料として用いるためには、以下の条件に適応することが望ましい。
即ち、６００℃における誘電層１５０の直流抵抗が１ＭΩ以上となる所定の体積抵抗率を有するものであり、誘電層１５０の交流インピーダンスが２００ｋΩ以下となり、誘電層１５０の６００℃における直流抵抗が１ＭΩ以上となるように、平行平板導体１３０、１４０の面積Ｓと誘電層１５０の厚さｄとを設定する。
誘電層１５０を構成する絶縁性セラミックス材料の比誘電率εｒ、真空の誘電率ε０、誘電層１５０の厚さｄ、平板導体１３０、１４０の面積Ｓ、と静電容量成分１３の静電容量Ｃ_１３との間には、
Ｃ_１３＝ε_０・ε_ｒ・Ｓ／ｄの関係が成り立ち、交流インピーダンスＺと静電容量Ｃ_１３と掃引周波数ｆとの間には、
Ｚ＝１／（ｊ・ω・Ｃ_１３）＝１／（ｊ・２π・ｆ・Ｃ_１３）（ｊは虚数単位）、よって、｜Ｚ｜＝１／（２π・ｆ・Ｃ_１３）の関係が成り立つ。
また、６００℃における絶縁性セラミックス材料の堆積抵抗率ρ（Ωｍ）と、誘電層１５０の厚さｄ（μｍ）とから、静電容量成分１３の直流抵抗Ｒ_１３が算出され、これが１ＭΩ以上であることが望ましい。
即ち、ρ・ｄ≧１（ＭΩ）となるように、堆積抵抗率ρ又は誘電層１５０の厚さｄを設定する。

図１０を参照して本発明の第２の実施形態における粒子状物質検出素子１０ａについて説明する。なお、上記実施形態と同様の構成については、同じ符号を付したので説明を省略する。
上記実施形態においては、誘電層１５０をドクターブレード法などによって、略平板状に形成し、検出部１１を構成する絶縁性基体１０１の裏面側に積層した例を示したが、本実施形態に示すように、絶縁性基体１０１の検出電極１１０、１２０を設けた表面に第１の平板導体１３０ａと第１の平板導体リード部１２１ａとを形成し、絶縁性セラミックスを用いた印刷ペーストを作成し、第１の平板導体１３０ａを覆うように、誘電層１５０ａを印刷形成し、さらに誘電層１５０ａに積層して、第２の平板導体１４０ａ、第２の平板導体リード部１４１ａを形成しても良い。
このような構成とすることにより、スルーホール電極１３２、１４２、１４３を介することなく直接的に、第１の平板導体リード部１３１ａと検出リード部１１１とを接続させ、第２の平板導体リード部１４１ａと検出リード部１２１とを接続させることができるので、さらに本発明の粒子状物質検出素子１０ａの製造が容易となる。
厚膜印刷によって形成できる誘電層１５０ａの厚さｄは数μｍ〜２０μｍ程度であるので、静電容量成分１３ａが、所望の交流インピーダンスＺ１３及び、直流抵抗Ｒ１３を有するように、印圧や、印刷回数を調整することによって容易に適切な膜厚ｄに形成することができる。

図１１を参照して、本発明の第３の実施形態における粒子状物質検出素子１０ｂについて説明する。
上記実施形態においては、検出部１１を複数の検出電極１１０、１２０が櫛歯状に並んで対向したものについて説明したが、本実施形態に示すように、対向電極として、直線状に伸びる検出電極１１０ｂ、１２０ｂを対向せしめ、検出部１１ｂが露出するように、開口部１６１ｂを設けた絶縁保護層１６０ｂで覆ったものでも良い。
本実施形態においても、静電容量成分１３ｂは、検出電極１１０ｂ、１２０ｂ間に粒子状物質が体積している状態においては、検出抵抗Ｒ_ＳＥＮに対して並列に接続された状態となり、検出電極１１０ｂ、１２０ｂ間に堆積していない状態において、検出電極１１０、１２０間を直列に接続している。

図１２を参照して本発明の第３の実施形態における粒子状物質検出素子１０ｂの降下の確認のために行った第３の試験結果について説明する。試験方法は、上述の第２の試験方法と同様で素子の形態として第３の実施形態を用いた。
図１２（ａ）に示すように、本発明の第３の実施形態においても粒子状物質検出素子１０ｂの内部に意図的な断線を形成して試験を行った所、上記実施形態と同様、図１２（ｂ）に１５０ｂ_（Ａ）として示すように、容量成分１３ｂ_（Ａ）を構成する誘電層１５０ｂ_（Ａ）としてアルミナを用いた場合には、検出部１１ｂ内部の断線を確実に検出することができ、図１２（ｂ）に１５０ｂ_（Ｚ）として示すように容量成分１３ｂ_（Ｚ）を構成する誘電層１５０ｂ_（Ｚ）としてジルコニアを用いた場合には、温度Ｔ_ＥＸの上昇に伴い誘電層１５０ｂ_（Ｚ）の絶縁抵抗Ｒ_Ｚが低下して断線を検出することができなくなる。
したがって、本実施形態の粒子状物質検出素子１０ｂにおいても、６００℃における誘電層１５０ｂ_（Ａ）の直流抵抗が１ＭΩ以上となる所定の体積抵抗率を有するアルミナ等を用いて、誘電層１５０ｂ_（Ａ）の交流インピーダンスが２００ｋΩ以下となり、誘電層１５０ｂ_（Ａ）の６００℃における直流抵抗が１ＭΩ以上となるように、平行平板導体１３０、１４０の面積Ｓと誘電層１５０の厚さｄとを設定することによって確実に断線異常を検出できることが確認された。

１００ 粒子状物質検出装置
１ 粒子状物質検出センサ
１０ 粒子状物質検出素子
１１ 検出部
１０１、１０２ 絶縁性基体
１１０、１２０ 検出電極
１１１、１２１ 検出リード部
１１２、１２２ 信号線
１３ 静電容量成分
１３０、１４０ 平行平板導体
１３１、１４１ 平行平板導体リード部
１３２、１４２、１４３ スルーホール電極
１５０ 誘電層
２０ 検出回路部
２１ 直流電源
２２ 交流電源
２３ 直流検出部
２４ 交流検出部

特開昭５９−１９７８４７号公報 国際公開２００８／０３１６５４号

Claims (5)

1. 少なくとも、絶縁性基体の表面に所定の間隙を設けて対向する一対の検出電極を設けて検出部とした粒子状物質検出素子と、該粒子状物質検出素子と一対の信号線を介して接続され、上記検出部に堆積する粒子状物質によって形成される電気抵抗を検出抵抗として検出する検出回路部とを具備して被測定ガス中に含まれる粒子状物質の量を検出する粒子状物質検出装置において、
   上記粒子状物質検出素子が上記検出抵抗に対して並列に配設した静電容量成分を具備し、
   上記検出回路部が上記粒子状物質検出素子に直流電流を供給する直流電源と、所定の周波数と振幅を持った交流電流を供給する交流電源と、粒子状物質出検出素子に流れる直流電流を検出する直流検出部と、交流電流を検出する交流検出部とを具備し、
   上記静電容量成分は、所定の膜厚と所定の比誘電率とを有する絶縁性セラミックスからなる誘電層と、該誘電層を挟んで対向せしめた所定の面積を有する一対の平行平板導体とによって形成したことを特徴とする粒子状物質検出装置。
2. 上記検出電極間に粒子状物質が堆積していない状態において、上記静電容量成分が一対の上記検出電極間を直列に接続する請求項１に記載の粒子状物質検出装置。
3. 上記誘電層の交流インピーダンスが２００ｋΩ以下となり、上記誘電層の６００℃における直流抵抗が１ＭΩ以上となるように、上記平行平板導体の面積と上記誘電層の厚さとを設定した請求項１又は２に記載の粒子状物質検出装置。
4. 上記静電容量成分を、上記粒子状物質検出素子において温度が５００℃以下となる位置に配設せしめた請求項１ないし３のいずれかに記載の粒子状物質検出装置。
5. 絶縁性の基体上に所定の間隙を隔てて対向する一対の検出電極を設けて、該検出電極間に堆積する粒子状物質の量によって変化する電気抵抗を検出抵抗として検出する粒子状物質検出素子の製造方法であって、
   上記検出抵抗に対して並列となるように静電容量成分を形成する静電容量成分形成工程を具備し、
   該静電容量成分形成工程は、
   所定の比誘電率と所定の体積抵抗率を有する絶縁性セラミックス粉末と、所定の分散媒と、所定の結合材と、所定の可塑剤とを混合、分散せしめて、スラリー状、又は、ペースト状となし、さらに得られたセラミックスラリー、又は、セラミックペーストを用いて、上記検出電極を設けた絶縁性の基体に積層して、塗工、又は、印刷によって誘電層を形成する誘電層形成工程と、
   該誘電層形成工程で得られた誘電層を挟んで一対の平行平板導体を形成すべく、第１の平板導体を形成する第１の平板導体形成工程と、第２の平板導体を形成する第２の平板導体形成工程とを具備することを特徴とする粒子状物質検出素子の製造方法。

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