JP5223905B2 - 粒子状物質検出素子 - Google Patents
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Description
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抵抗値の変化を検出する。
発熱体は、検出部を所望の温度(例えば、400℃〜600℃)に加熱し、電極間抵抗を測定した後に、付着したスモークを焼き切って検出能力を回復させる。
不感質量のバラツキが大きいと、その後の出力結果にも影響するためセンサとしての信頼性が損なわれる。
例えば、それぞれの検出電極の幅を150μm,対向する検出電極間の距離を50μm、一方の検出電極先端部から他方の検出電極リード部までの距離を50μmとしたとき、上記遮蔽層によって覆う領域は、少なくとも、検出電極の先端から50μm、即ち、一方の検出電極先端部から他方の検出電極リード部までの距離と同等の距離、又は、それ以上とするのが望ましい。
本発明の粒子状物質検出素子10は、検出部11に形成される電界強度が均一な部分のみが被測定ガスに晒されているので粒子状物質の堆積に偏りが生じ難くなり、不感質量の安定化を図り、信頼性の高い粒子状物質の検出を実現することができるものである。
本図(a)に粒子状物質検出素子10は、検出部11と保護層13とヒータ部14とが積層されて一体に形成されている。
絶縁性基体100は、アルミナ、チタニア、ジルコニア、スピネル等の酸化物セラミックス、又は、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化硅素等の非酸化物セラミックス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、120は、Pt等の導電性材料を用いて、厚膜印刷、メッキ、蒸着等の公知の方法により形成されている。
本実施形態においては、検出電極110と検出電極120とは、それぞれ、外部に設けられた図略の検出回路部との導通を図る検出電極リード部111、121及び検出電極端子部112、122に接続されており、検出電極リード部111、121に直交するように並んだ複数の検出電極110と検出電極120とが交互に対向するように櫛歯状に形成されている。
電界強度不均一領域遮蔽層130は、検出部11の所定の範囲を遮蔽層形成領域として覆っている。
より具体的には、例えば、それぞれの検出電極110、120及び検出電極リード部111、121の幅を150μmとし、対向する検出電極110、120間の距離Dを50μmとし、一方の検出電極110、120の先端縁から他方の検出電極リード部121、111の側端縁までの距離を50μmとしたとき、電界強度不均一領域遮蔽層130によって覆う領域は、少なくとも、検出電極110、120の先端縁から50μm、即ち、一方の検出電極110、120の先端縁から対向する他方の検出電極リード部121、111の側端縁までの距離Dと同等の距離、又は、検出電極リード部を含めて200μm以上とし、検出電極110、120の先端縁から、例えば、50μm程度の範囲でそれぞれの検出電極110、120の一部を覆うようにするのが望ましい。
したがって、所定の開口幅W及び開口長Lで形成された遮蔽層開口部131からは、本図(b)に示すように、複数の検出電極110、120の直線部分が平行に並んだ領域が被測定ガスに対して露出している。
ヒータ部14は、絶縁性基体101の表面又は内部に形成された発熱体140と発熱体140と外部の通電制御装置とを接続する一対の発熱体リード部141a、141b、スルーホール電極142a、142b、発熱体端子部143a、143bとによって構成されている。
発熱体140には、Pt、W、MoSi2、WC等の通電により発熱する導電性セラミックが用いられ、ドクターブレード法、CIP、HIP、厚膜印刷等の公知の方法により形成されている。
粒子状物質検出素子10の検出電極110、120間に検出電極110を正極とし、検出電極120を接地電極として電圧+V(例えば30V)を印加すると、検出電極110、120間に電界が形成される。
このとき、図2に示すように、検出電極110、120の長手方向に伸びる長辺部が平行に並んで対向する部分では、検出電極110の長辺を基準線としたとき、等電位線が基準線に対して略平行となるように電位が変化し、電気力線は検出電極110から検出電極120に対して略直交する方向に示すことができる。
このため、一方の検出電極110、120の先端とその周囲を略コ字型に取り囲む他方の検出電極120、110及び検出電極リード部121、111との間に形成される等電位線は湾曲し、電気力線は、略扇状に広がるように、又は、逆扇状に収束するように形成される。
本図に示すように、電界強度均一領域は、検出電極110、120の長辺部分が平行に並んで対向する部分の一定の範囲に限られ、検出電極110、120の先端部周辺に電界強度が不均一となる領域が形成されることが分かる。
本発明においては、この電界強度が不均一となる領域を遮蔽層形成領域として、絶縁性耐熱材料を用いて電界強度不均一領域遮蔽層130を形成してある。
なお、図2、3は、二次元ラプラス方程式(∂2U/∂x2+∂2U/∂y2=0)を差分法により解いたシミュレーション結果に基づくものである。
一方、本図中Bに示すように、検出電極110の先端を検出電極120及び検出電極リード部121が略コ字型に取り囲む部分では、電界ベクトルが放射線状に広がっていることが分かる。
本発明の電界強度不均一領域遮蔽層を形成していない粒子状物質検出素子を用いた試験結果を比較例1とし、基準線に対して等電位線のなす角度が7°以上、又は、−7°以下となる範囲に電界強度不均一領域遮蔽層を形成した粒子状物質検出素子を用いた試験結果を電比較例2とし、基準線に対して等電位線のなす角度が3°以上、又は、−3°以下となる範囲に電界強度不均一領域遮蔽層を形成した粒子状物質検出素子を用いた試験結果を実施例1として示す。
一方、比較例2では、比較例1に比べて改善されているが、不感質量の検出バラツキCVXが3%〜5%程度あり、一定PM総排出量経過時におけるセンサの出力バラツキCVVも5〜10%と、改善は見られるものの依然大きく、判定結果として○印を付した。
本発明の実施例1では、不感質量の検出バラツキCVXは3%以内で、一定PM総排出量経過時におけるセンサの出力バラツキCVVは、5%以内となり、判定結果として◎印を付した。以上のように本発明効果が確認された。
検出電極110の長辺部と検出電極120の長辺部との間隙をDとし、検出電極110、120の先端部から検出電極リード部121、111までの間隙を同じくDに形成した場合、本図(a)に示すように、検出電極110、120の先端部周辺の電界が不均一となり、平行に対向する検出電極110、120間の電界強度がWの幅で均一となる。
このような構成としたときには、長辺部における電界強度が均一となる領域Waは、本図(a)の場合に比べ、狭くなるが、検出電極110、120の先端部での電界集中が抑制されるので、相対的に電界均一領域Waにおいける電界強度は、本図(a)の場合よりも高くなる。
したがって、本実施形態のような構成とすれば、上記実施形態と同様に、不感質量検出バラツキを抑制する効果に加え、PMの堆積速度の向上を図り、不感時間のさらなる短縮を図ることもできる。
このような構成とした場合には、検出電極110b、120bの先端部近傍の電界強度がさらに高くなり、長辺部の電界強度均一領域Wbにおける電界強度は相対的に低くなる。
しかし、本発明によれば、検出電極110b、120bの先端部と検出リード部121、111との間が、電界強度不均一領域遮蔽層130によって絶縁されているので、この間で短絡する虞がない。
また、電界強度の高い部分は、電界強度不均一領域遮蔽層130によって覆われているので、PMの局所的な堆積を防ぐことができ、上記実施形態と同様の効果が発揮される。
さらに、電界強度均一領域Wbの幅は、本図(a)の場合よりも広くなり、電界強度均一領域Wbにおける電界強度は低下するので、再生が必要となるまでの時間を長くすることができる。
このような構成とすることにより、電界集中が抑制され、相対的に電界強度均一領域Wcにおける電界強度は、本図(a)に示した場合よりも高くなり、上述の効果に加え、不感時間の短縮を図ることができる。
このような構成とすることにより、電界強度均一領域Wdにおける電界強度がさらに高くなるので、本図(a)と同様の効果に加え、不感時間のさらなる短縮を図ることができる。
このような構成とすることにより、R形状の負荷による電界強度均一領域Weにおける電界強度の上昇と先端部とリード部との距離の縮小による電界強度の低下とが相殺され、本図(a)の場合と同様の電界強度を維持しつつ、電界強度均一領域Weの範囲を拡大させることが可能となり、本図(a)と同様の効果に加え、再生を要するまでの時間を長くすることもできる。
一方、本発明によらず、検出電極の先端部と検出電極リード部との間が被測定ガスに対して露出している場合には、検出電極の長辺部間の距離と同じに設定しないと高電圧を印加した場合に、電界集中により短絡を起こしたり、電界集中部への局所的なPMの堆積を生じたりする虞があり、本願の課題とする不感時間の変動を抑制することができない。
上記実施形態においては、検出電極110、120を櫛歯状に形成した例を示したが本実施形態のように、一定間隙を隔てて対向し直線状に伸びる平行電極110f、120fによって検出部11fを形成しても良い。
受動素子15として、例えば、所定の静電容量を有するキャパシタ素子や、所定の電気抵抗を有する抵抗素子を用いることができる。
キャパシタ素子を用いた場合には、検出電極110、120間に堆積するPMによって形成される検出抵抗に対して並列に静電容量成分が接続されることとなり、検出電極110、120間に交流電流を印加し、粒子状物質検出素子10fと検出回路部との間の断線検出を行うことも可能となる。
また、抵抗素子を用いた場合には、検出抵抗に対して並列な電気抵抗が接続されるので、相対的に検出抵抗を低下させ、不感時間のさらなる短縮を図ったり、検出部11にPMが堆積していない状態でも導通状態となるので、粒子状物質検出素子10fと検出回路部との間の断線検出を行ったりすることも可能となる。
本実施形態においても、図8(a)、(b)に示すように、遮蔽層開口部131f内の電界強度を均一にすることが可能となり、局所的なPMの堆積を抑制し、不感質量及び、センサ出力の変動を抑制して信頼性の高い粒子状物質検出素子が実現できる。
また、本実施形態に示した変形例のように、屈曲部をR形状とすることにより電界集中を抑制し、検出電極110f120f間の電界強度を高くすることも可能となる。
この場合においても、本発明の検出電極間に形成される電界が不均一となる領域に電界強度不均一領域遮蔽層を形成することにより、検出部に堆積するPMの偏在化を抑制し、検出対象とする静電容量や素子インピーダンスの検出精度を向上させることが可能となる。
100 絶縁性基体
11 検出部
110、120 検出電極
111、121 検出電極リード部
112、122 検出電極端子部
13 絶縁層
130 電界強度不均一領域遮蔽層
131 遮蔽層開口部
132 絶縁保護層
14 ヒータ部
140 発熱体
141a、141b 発熱体リード部
142a、142b
Claims (3)
- 被測定ガス中に配設される絶縁性基体の表面に所定の間隙を隔てて対向する一対の検出電極によって検出部を設け、高電圧の印加により上記検出電極間に電界を生じさせて被測定ガス中の粒子状物質を上記検出部へ捕集する速度の促進を図りつつ、上記検出部に堆積する粒子状物質の量によって変化する電気的特性を検出して被測定ガス中の粒子状物質を検出する粒子状物質検出素子であって、
絶縁性耐熱材料を用いて上記検出部の所定の範囲を遮蔽層形成領域として覆う電界強度不均一領域遮蔽層を設け、
該電界強度不均一領域遮蔽層が、上記電極間への粒子状物質の捕集と上記電気的特性の検出とを行うべく上記検出電極間に高電圧を印加したときに上記検出部に形成される電界強度の均一な領域を被測定ガスに露出させ、電界強度の不均一な領域を被測定ガスから隔絶せしめたことを特徴とする粒子状物質検出素子。 - 上記電界強度不均一領域が、上記検出電極の長辺部を基準線として一対の上記検出電極間に電圧を印加したときに形成される電界の等電位線と上記基準線とが略平行となる範囲を除く領域である請求項1に記載の粒子状物質検出素子。
- 上記電界強度不均一領域が、上記基準線と上記等電位線とのなす角度が±3°を超える領域である請求項1または2に記載の粒子状物質検出素子。
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