JP6626901B2 - 粒子状物質の測定装置用部品およびその製造方法 - Google Patents

粒子状物質の測定装置用部品およびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、粒子状物質の測定装置用部品およびその製造方法に関するものである。
ディーゼルエンジンから排出される排気ガス中の粒子状物質の量を測定するために用いられる粒子状物質の測定装置用部品として、例えば、特開2014−159783号公報(以下、特許文献1という)に記載のものが知られている。特許文献1に記載の粒子状物質の測定装置用部品は、多孔質性の隔壁で複数のセルに区画されたフィルタと、少なくとも1つのセルを測定用セルとしたときに、このセルを挟むように設けられた一対の電極とを備えている。そして、特許文献1に記載の粒子状物質の測定装置用部品においては、一対の電極間の静電容量に基づいて、フィルタに捕集される排気中の粒子状物質の堆積量を算出する。
しかしながら、特許文献1に記載の粒子状物質の測定装置用部品を用いて、粒子状物質の堆積量を測定した場合には、実際の堆積量と測定値との間のリニアリティを高めることが困難であった。リニアリティを高めることが困難な原因としては、例えば、セルの隔壁のうち一対の電極の配列方向に対して垂直な面に粒子状物質が堆積する場合と、セルの隔壁のうち一対の電極の配列方向に対して平行な面に粒子状物質が堆積する場合とでは、粒子状物質の量が同じであったとしても電極間の静電容量の変化が異なる点が挙げられる。
粒子状物質の測定装置用部品は、セラミックスから成り内部にガスの流れる流路を有する基部と、前記流路を複数に区切るように前記流路の内部に設けられた多孔質セラミックスから成るフィルタ部と、前記基部に前記フィルタ部を挟むように設けられた静電容量形成用の一対の電極とを備えており、前記基部の前記流路の壁面が前記フィルタ部の表面よ
りも緻密であり、前記電極が線状の配線パターンを有するとともに、前記基部のうち前記フィルタ部を挟む領域および前記フィルタ部を挟まない領域に設けられており、平面視したときに、前記電極のうち前記フィルタ部を挟まない領域に位置する部分が、前記フィルタ部を挟む領域に位置する部分よりも幅が狭くなっている。
粒子状物質の測定装置用部品の斜視図である。 図1に示す粒子状物質の測定装置用部品の縦断面を示す断面図である。 図1に示す粒子状物質の測定装置用部品の横断面を示す断面図である。 図1に示す粒子状物質の測定装置用部品における電極の配線パターンを示す模式図である。 粒子状物質の測定装置用部品の変形例における電極の配線パターンを示す模式図である。 粒子状物質の測定装置用部品の変形例の縦断面を示す断面図である。 粒子状物質の測定装置用部品の変形例の横断面を示す断面図である。 粒子状物質の測定装置用部品の変形例の縦断面を示す断面図である。 粒子状物質の測定装置用部品の変形例の縦断面を示す断面図である。 粒子状物質の測定装置用部品の変形例の縦断面を示す断面図である。 粒子状物質の測定装置用部品の変形例における電極の配線パターンを示す模式図である。 粒子状物質の測定装置用部品の変形例における電極の配線パターンを示す模式図である。 粒子状物質の測定装置用部品の製造方法を示す模式図である。 粒子状物質の測定装置用部品の変形例の縦断面を示す断面図である。 粒子状物質の測定装置用部品の変形例の縦断面を示す断面図である。 粒子状物質の測定装置用部品の変形例の縦断面を示す断面図である。 粒子状物質の測定装置用部品の変形例の縦断面を示す断面図である。 粒子状物質の測定装置用部品の変形例の縦断面を示す断面図である。 粒子状物質の測定装置用部品の変形例の縦断面を示す断面図である。 粒子状物質の測定装置用部品の変形例の縦断面を示す断面図である。 粒子状物質の測定装置用部品の変形例の縦断面を示す断面図である。 粒子状物質の測定装置用部品の変形例の縦断面を示す断面図である。 粒子状物質の測定装置用部品の変形例の縦断面を示す断面図である。 粒子状物質の測定装置用部品の変形例の縦断面を示す断面図である。 (a)は粒子状物質の測定装置用部品の変形例の斜視図であり、(b)は(a)のC−C線断面(縦断面)を示す断面図であり、(c)は(a)のD−D線断面(縦断面)を示す断面図である。 粒子状物質の測定装置用部品の変形例の縦断面を示す断面図である。 粒子状物質の測定装置用部品の変形例の縦断面を示す断面図である。 粒子状物質の測定装置用部品の変形例の縦断面を示す断面図である。 粒子状物質の測定装置用部品の変形例の縦断面を示す断面図である。 粒子状物質の測定装置用部品の変形例の横断面を示す断面図である。
図1は、粒子状物質の測定装置用部品100の構成を示す斜視図である。図1に示すように、粒子状物質の測定装置用部品100は、内部に流路11を有する基部1と、流路11の内部に設けられたフィルタ部2とを備えている。粒子状物質の測定装置用部品100は、さらに、基部1に静電容量形成用の一対の電極3を備えている。粒子状物質の測定装置用部品100は、例えば、ディーゼルエンジンから排出される排気ガス中の粒子状物質の量を測定するために用いられる。
基部1は、ガスの流れる流路11を形成するための部材である。基部1は、例えば、アルミナ等の絶縁性のセラミックスから成る。基部1は、例えば、内部に1つまたは複数の流路11を有している。図1に示す粒子状物質の測定装置用部品100においては、基部1は、外形が直方体形状であって、内部に2つの流路11を有している。流路11は、基部1の主面の長手方向に沿って伸びている。それぞれの流路11はフィルタ部2で複数に区切られており、区切られた空間の1つ1つもまた分割流路12と呼ぶ。流路11は、基部1の1つの側面と、これに対向する位置にある側面とに開口している。2つの流路11は基部1の厚み方向に配列されている。基部1は、例えば、主面の長手方向の長さを40mmに、短手方向の長さ(幅)を10mmに、厚みを5mmに設定できる。また、フィルタ部2で区切られてできた分割流路12(フィルタ部2間の分割流路12)は、幅を1.2mmに、底面と天井面との間隔を1.2mmに設定できる。流路11の長さは、基部1の長さと等しく、40mmに設定できる。
フィルタ部2は、ガス中の粒子状物質を捕集するための部材である。図2に示すように、フィルタ部2は、流路11の内部に設けられている。図3に示すように、粒子状物質の測定装置用部品100においては、フィルタ部2は板状であって、基部1の長手方向に沿って(流路11の長さ方向に沿って)設けられている。フィルタ部2は、基部1の流路11を複数の領域(分割流路12)に区切るように複数設けられている。粒子状物質の測定装置用部品100は、1つの流路11につき4つのフィルタ部2が設けられている。4つのフィルタ部2は、それぞれが並行に配列されている。フィルタ部2は、多孔質セラミックスから成る。多孔質セラミックスとしては、例えば、多孔質アルミナが挙げられる。フィルタ部2が多孔質アルミナから成ることによって、流路11を流れるガスがフィルタ部2を通過できるようになっている。このとき、フィルタ部2は、ガス中に含まれる粒子状物質の一部を捕集する(堆積させる)ことができる。
ここで、粒子状物質の測定装置用部品100においては、基部1の流路11の壁面がフィルタ部2の表面よりも緻密である。これにより、基部1の流路11の壁面に粒子状物質を堆積させにくくするとともに、フィルタ部2の表面に粒子状物質を堆積させやすくすることができる。これらの結果、粒子状物質の堆積をフィルタ部2に集中させやすくできるので、粒子状物質の堆積量と測定値との間のリニアリティを高めることができる。その結果、粒子状物質の測定装置用部品100の測定精度を向上させることができる。
基部1の流路11の壁面がフィルタ部2の表面より緻密であることは、例えば、以下の方法で確認できる。具体的には、基部1の流路11の壁面およびフィルタ部2の表面を走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察する。そして、得られたSEM画像に画像処理を施し、表面の気孔率を求める。結果、気孔率が小さい方をより緻密であると見なすことができる。基部1の流路11の壁面の気孔率は、例えば、3%以下に設定できる。フィルタ部2の表面の気孔率は、例えば、40〜70%に設定できる。なお、ここでいう流路11の壁面とは、流路11のうちガスに面する基部1の内表面の全体を意味している。すなわち、流路11の内側面だけではなく、天井面および底面もここでいう壁面に含まれる。
また、ここでいう、「基部1の流路11の壁面がフィルタ部2の表面よりも緻密」とは、流路11のうち天井面および底面のみがフィルタ部2の表面よりも緻密である場合も含んでいる。この場合も、基部1の流路11の天井面および底面に粒子状物質を堆積させにくくするとともに、フィルタ部2の表面に粒子状物質を堆積させやすくすることができる。これらの結果、粒子状物質の堆積をフィルタ部2に集中させやすくできるので、粒子状物質の堆積量と測定値との間のリニアリティを高めることができる。
基部1の流路11の壁面の気孔率を、3%以下にすることによって、基部1の内部に粒子状物質が入りにくくすることができる。その結果、粒子状物質が電極3に付着してしまうおそれを低減できるので、粒子状物質が電極3に付着することによって電極3間の静電容量を正しく測定することができなくなってしまうおそれを低減できる。その結果、粒子状物質の測定装置用部品100の測定精度をさらに向上できる。
基部1およびフィルタ部2は一体的に形成されている。基部1およびフィルタ部2が一体的に形成されていることによって、粒子状物質の測定装置用部品100の長期信頼性を向上できる。具体的には、基部1およびフィルタ部2が別々に形成された後に接合されているような場合には、例えば、基部1およびフィルタ部2の界面から剥がれが生じるようなおそれがある。特に、接合に接合材等を用いている場合には、接合材が劣化することによって、フィルタ部2を基部1に正しく固定することができなくなるおそれがある。これに対して、基部1およびフィルタ部2を一体的に形成(焼成)することによって、基部1およびフィルタ部2の界面から劣化が生じるおそれを低減できる。
特に、基部1およびフィルタ部2が同じセラミックスから成ることによって、基部1およびフィルタ部2の熱膨張率を近づけることができる。これにより、ヒートサイクル下における粒子状物質の測定装置用部品100の長期信頼性を向上できる。ここでいう、「同じセラミックスから成る」とは、基部1およびフィルタ部2を構成するセラミックスの主成分(80質量%以上を占める成分)が同じであることを意味している。
粒子状物質の測定装置用部品100においては、基部1およびフィルタ部2がアルミナから成る。アルミナは、安価に製造できることに加えて、下記に示すように表面の気孔率の調整が容易である。
気孔率が3%以下の表面を有する基部1、および、気孔率が40〜70%程度の表面を有するフィルタ部2は、例えば、以下の方法で一体的に形成できる。具体的には、基部1となる部分については、アルミナ粉末を93質量%および樹脂バインダを7質量%含むセラミックペーストを用いる。また、フィルタ部2となる部分については、アルミナ粉末を55質量%、造孔材を38質量%および樹脂バインダを7質量%含むセラミックペーストを用いる。これらのセラミックペーストをドクターブレード法を用いて所定の形状のグリーンシートに加工する。このとき、グリーンシート上に導電性ペーストを印刷することによって、静電容量形成用の電極3を形成することができる。そして、これらのグリーンシートを一軸プレス機を用いて加圧積層する。必要に応じて表面の加工を行なった後に、1500℃で焼成することによって、上記の気孔率のフィルタ部2および基部1を形成することができる。
フィルタ部2の寸法は、例えば、基部1の幅方向に沿った長さを0.3mmに、基部1の厚み方向に沿った長さを流路11の底面と天井面との間隔と等しく1.2mmに、基部1の長さ方向に沿った長さを40mmに設定できる。
電極3は、静電容量を形成するための部材である。図2に示すように、電極3は、基部1にフィルタ部2を挟むように対になって設けられている。より具体的には、粒子状物質の測定装置用部品100のように、流路11が複数設けられている場合には、それぞれの流路11に位置するフィルタ部2を挟むように電極3が設けられている。電極3は、例えば、複数のフィルタ部2を跨って覆うように設けられていてもよいし、フィルタ部2の1つ1つに対応するように設けられていてもよい。そして、図2に示すように、粒子状物質の測定装置用部品100のように流路11が上下方向に2つ設けられている場合には、電極3は、上側の流路11の上方、上側の流路11と下側の流路11との間および下側の流路11の下方に位置していてもよい。上側の流路11と下側の流路11との間に位置している電極3は、上側の流路11の上方の電極3との間で静電容量を形成することができ、また、下側の流路11の下方の電極3との間でも静電容量を形成することができる。
フィルタ部2を挟む一対の電極3の間には静電容量が形成される。フィルタ部2に粒子状物質が捕集されると、一対の電極3の間の静電容量が変化する。この静電容量の変化を外部の検出装置で検知することによって、フィルタ部2に捕集された粒子状物質の堆積量を測定することができる。
粒子状物質の測定装置用部品100においては、電極3が基部1に埋設されている。これにより、電極3がガスによる腐食等の影響を受けるおそれを低減できる。また、電極3の表面に粒子状物質等が付着するおそれを低減できるので、粒子状物質の測定装置用部品100の測定精度を向上させることができる。なお、粒子状物質の測定装置用部品100においては、電極3が基部1の内部に設けられている(埋設されている)が、これに限られない。具体的には、電極3の設けられる位置は、例えば、基部1の外表面(流路11の壁面以外の面)であってもよい。
図4に示すように、粒子状物質の測定装置用部品100においては、電極3は、例えば、線状の配線パターンを有するとともに、フィルタ部2に沿って設けられている。このように、電極3がフィルタ部2に沿って設けられていることによって、フィルタ部2に捕集された粒子状物質の量と電極3間の静電容量の変化と間のリニアリティを向上させることができる。これは、電極3がフィルタ部2に沿って設けられていることによって、フィルタ部2以外(例えば、流路11の壁面)に付着した粒子状物質によって静電容量が変化することを低減できるためである。なお、電極3の平面視したときの形状は、線状に限られず、例えば、円形状であってもよいし、矩形状であってもよい。
また、電極3を線状の配線パターンにすることによって、電極3を円形状または矩形状にする場合と比較して抵抗値を大きくすることができる。そのため、この電極3に高い電圧を加えることによってヒータとして機能させることもできる。これにより、フィルタ部2に捕集された粒子状物質を加熱により除去することができる。
また、電極3を発熱させるときには、直流電流を流してもよく、交流電流を流してもよい。特に、交流電流を流すことによって、電極3に生じるマイグレーションを低減できるので、粒子状物質の測定装置用部品の長期信頼性を向上できる。
特に、図5に示す例のように、電極3が線状の配線パターンを有するとともに、基部1のうちフィルタ部2を挟む領域およびフィルタ部2を挟まない領域に設けられており、平面視したときに、電極3のうちフィルタ部2を挟まない領域に位置する部分が、フィルタ部2を挟む領域に位置する部分よりも幅が狭くなっていてもよい。これにより、電極3のうちフィルタ部2を挟む領域に位置する部分の幅を確保して電極3間の静電容量を良好に形成しつつ、電極3のうちフィルタ部2を挟まない領域に位置する部分の幅を狭くすることによって、抵抗値を大きくできる。これにより、静電容量形成用の電極3として有効に機能させつつも、ヒータとしても有効に機能させることができる。
図4および図5に示す例においては、フィルタ部2を挟む一対の電極3のそれぞれは、複数のフィルタ部2のそれぞれに沿って設けられた部分の端部同士を接続して蛇行したミアンダ形状の1本の線状の配線パターンとなっている。そして、その1つ電極の端部が基部1の外表面に引き出されており、一対の電極3のそれぞれは、一系統の配線となっている。
電極3としては、例えば、白金またはタングステン等の金属材料を用いることができる。また、電極3を線状の配線パターンにした場合には、例えば、幅を2mm、長さを38mm、厚みを30μmに設定できる。
上述の粒子状物質の測定装置用部品100においては、基部1が内部に流路11を有するような形状であったが、これに限られない。具体的には、例えば、図6に示すように、セラミックスから成る板状の部材であって主面が対向するように並置された一対の基部1と、一対の基部1の間の空間を区切って流路を形成するように設けられた多孔質セラミックスから成るフィルタ部2と、一対の基部1にそれぞれ設けられておりフィルタ部2を挟むように設けられた静電容量形成用の一対の電極3とを備えており、一対の基部1の対向する主面が、フィルタ部2の表面よりも緻密であってもよい。別の粒子状物質の測定装置用部品100においては、基部1と基部1との間の空間をフィルタ部2で区切ることによって流路11が形成されている。この流路11にガスを流すことによって粒子状物質をフィルタ部2で捕集するとともに、電極3間の静電容量の変化を検知することによって粒子状物質の量を測定することができる。このような粒子状物質の測定装置用部品100においても、上述の粒子状物質の測定装置用部品100と同様に、測定精度を向上できる。
より具体的には、図6に示す粒子状物質の測定装置用部品100においては、3つの基部1が2つの空間を空けて並んで設けられており、この2つの空間にそれぞれ6つずつのフィルタ部2が設けられている。基部1の数は2つでも3つ以上であってもよく、また、フィルタ部2の数も適宜変更することができる。
図6に示す粒子状物質の測定装置用部品100では、フィルタ部2が側壁を兼ねているが、外側のフィルタ部2の外にフィルタ部2に接する基部1を側壁として設けてもよい。これは、図2に示す粒子状物質の測定装置用部品100において、外側のフィルタ部2が基部1の側壁に接するように配置されたものと同様になる。このようにすることで、粒子状物質の測定装置用部品100の剛性が向上し、比較的強度の小さいフィルタ部2が露出する面積を小さくすることができるので、熱応力による変形や、外力による損傷を抑えることができ、信頼性の高いものとなる。また、流路11に面する壁面は全てフィルタ部2となり、捕集効率がより高く感度のよいものとなる。
また、図1に示す粒子状物質の測定装置用部品100においては、流路11の端部が開口していたが、これに限られない。例えば、図7に示すように、流路11の端部が部分的に封止部4によって封止されていてもよい。特に、流路11の一方の端部が部分的に開口しているとともに、他方の端部のうち一方の端部の開口している部分に対向する部分が封止されており、流路11の一方の端部が部分的に封止されているとともに、他方の端部のうち一方の端部の封止されている部分に対向する部分が開口しているとよい。
これにより、流路11の内部を流れるガスがフィルタ部2を通過しやすくなるので、フィルタ部2で粒子状物質を捕集しやすくなる。その結果、粒子状物質の測定装置用部品100の測定精度を向上できる。なお、図7においては、ガスの流れを矢印で示している。
また、封止部4としては、例えば、フッ素樹脂等の樹脂材料を用いることができる。また、その他の封止部4としては、フィルタ部2または基部1と同じセラミックスから成っていてもよい。これにより、フィルタ部2または基部1と封止部4との熱膨張差を小さくできるので、ヒートサイクル下における長期信頼性を向上できる。
また、フィルタ部2がセラミックスから成るとともに、基部1および封止部4と共に一体的に形成(焼成)されていてもよい。これにより、封止部4と基部1または封止部4とフィルタ部2との界面から劣化が生じるおそれを低減できる。
図8〜図10に示す粒子状物質の測定装置用部品100においては、互いにポーラス度が異なる複数のフィルタ2を有している。粒子状物質の粒度分布を知ることのできる粒子状物質の測定装置用部品100や長時間連続して粒子状物質の捕集が可能で長寿命な粒子状物質の測定装置用部品100のような、より付加価値の高いものとすることができる。
具体的には、図8に示す例では、多孔質セラミックスから成るフィルタ部2は、気孔の大きさ、気孔径が異なる3種類のフィルタ部2a,2b,2cを有している。図8に示す例においては、相対的に気孔径の大きい第1のフィルタ部2aと気孔径の小さい第3のフィルタ部2cとこれらの中間の気孔径の第2のフィルタ部2bとを有している。
気孔径が異なる複数のフィルタ部2a,2b,2cを有していることから、それぞれのフィルタ部2a,2b,2cで捕集される粒子状物質は、それぞれ互いに平均粒径が異なるものとなる。そのため、気孔径が異なる複数のフィルタ部2a,2b,2cのそれぞれを挟む電極3で検出される静電容量から捕集された粒子状物質の粒度分布が分かり、例えば、粒子状物質を含む排気ガスを排出するエンジンにおける燃焼状態や、粒子状物質の測定装置用部品100の上流に位置するPMフィルタの状態を推測することができる。
また、図8に示す例においては、気孔径が異なる複数のフィルタ部2a,2b,2cは気孔径の大きさの順に配列されている。具体的には、図8に示す例では、フィルタ部2は図面の上下方向で3段の空間(流路11)が配列されており、上段には第1のフィルタ部2aが配置され、中段には第2のフィルタ部2bが配置され、下段には第3のフィルタ部2cが配置されている。すなわち、各段で同じ気孔径のフィルタ部2が一列に配置されている。このように配列すると、同じ気孔径のフィルタ部2を挟む電極3を並べて配置することができ、これらを図4に示す例のように1つにまとめることができる。
フィルタ部2の気孔径の大きさの種類は3つに限られず、2つでもよいし4つ以上であってもよい。また、図8に示す例においては、同じ気孔径のフィルタ部2は横方向に一列に配列されているが、縦方向に一列に配列してもよい。ランダムに配列してもよいが、上記のように一列に配列してもよい。
なお、ここでいう気孔径は平均気孔径である。気孔径は、フィルタ部2の表面または断面のSEM画像を撮影し、画像解析によってこのSEM画像の範囲内の気孔について平均気孔径を算出すればよい。SEMの倍率は100倍で、1.0mm×1.3mmの視野のSEM画像を用いて行なえばよい。
フィルタ部2の気孔径は、例えば、1μm〜60μmである。フィルタ部2が上記の例のように気孔径の異なる3種類のフィルタ部2a,2b,2cを有する場合であれば、例えば、第1のフィルタ部2aの気孔径は10μm〜60μm、第2のフィルタ部2bの気孔径は5μm〜30μm、第3のフィルタ部2cの気孔径1μm〜15μmとすればよい。
また、図9および図10に示す例では、多孔質セラミックスから成るフィルタ部2は、気孔率が異なる2種類のフィルタ部2d,2eを有している。図9および図10に示す例においては、相対的に気孔率の大きい第4のフィルタ部2dと気孔率の小さい第5のフィルタ部2eとを有している。そして、流路11の長さ方向に垂直な断面視において、外側に位置するフィルタ部2の気孔率が、内側に位置するフィルタ部2の気孔率より大きい。流路11の長さ方向に垂直な断面視において、外側に第4のフィルタ部2dが配置され、内側に第5のフィルタ部2eが配置されている。図9に示す例においては、上下方向の外側に第4のフィルタ部2dが配置され、内側に第5のフィルタ部2eが配置されている。図面の上下方向に3段の空間(流路11)が配列されており、上段および下段の空間(流路11)に第4のフィルタ部2dが配置され、中段の空間(流路11)に第5のフィルタ部2eが配置されている。図10に示す例においては、図面の左右方向の外側に第4のフィルタ部2dが配置され、内側に第5のフィルタ部2eが配置されている。上下方向で3段の空間(流路11)が配列されており、それぞれの空間に左右方向に6つのフィルタ部2が配置されている。この6つのフィルタ部2のうち、左右それぞれの2つが第4のフィルタ部2dであり、これらの間に位置する2つが第5のフィルタ部2eである。
粒子状物質を含むガスが粒子状物質の測定装置用部品100内の空間(流路11)を流れる際には、空間の中心部(流路11の長さ方向に垂直な断面視における内側の領域)を流れるガスの流量が、空間の外周部(流路11の長さ方向に垂直な断面視における外側の領域)を流れるガスの流量より大きくなる傾向がある。そのため、内側のフィルタ部2の方が外側のフィルタ部2より多くの粒子状物質を捕集することになり、粒子状物質の詰まりも早くなってしまう。粒子状物質の詰まりが早いと、ヒータ加熱で粒子状物質を除去する再生を行なう頻度が高くなるので、粒子状物質の測定装置用部品100の劣化も早くなってしまう。
これに対して、上記のように、流路の長さ方向に垂直な断面視において、外側に位置するフィルタ部2(第4のフィルタ部2d)の気孔率が、内側に位置するフィルタ部2(第5のフィルタ部2e)の気孔率より大きいと、気孔率の大きいフィルタ部2(第4のフィルタ部2d)の方にガスが流れやすくなり、流路の長さ方向に垂直な断面における、位置によるガス流量差が小さくなる。そのため、内側のフィルタ部2だけが早く粒子状物質により詰まってしまうことがないので、長時間の連続した粒子状物質の捕集が可能で、長寿命な粒子状物質の測定装置用部品100となる。
図9および図10においては、それぞれ上下方向の外側、左右方向の外側に位置するフィルタ部2(第4のフィルタ部2d)の気孔率が、内側に位置するフィルタ部2(第5のフィルタ部2e)の気孔率より大きいものであるが、これらを組みわせた、上下左右方向の外側、断面における外周部に位置するフィルタ部2の気孔率が、上下左右方向の内側、断面における中心部に位置するフィルタ部2の気孔率より大きいものであってもよい。基部1とフィルタ部2とが上下方向に交互に配置されている場合であれば、図9に示す例のように、上下方向の外側に第4のフィルタ部2dが配置され、内側に第5のフィルタ部2eが配置されている構造が、後述するような製造方法で容易に製造することができるのでよい。
フィルタ部2の気孔率を比較するための、気孔率の測定方法としては、例えば、水銀圧入法(JIS規格R1655:2003)、SEM画像の画像解析などが挙げられる。SEM画像の画像解析は、フィルタ部2の断面のSEM画像を撮影し、画像解析によってこのSEM画像の範囲内における気孔の面積率を算出することで行なうことができる。例えば、SEMの倍率は100倍で、1.0mm×1.3mmの視野のSEM画像を用いて行なえばよい。
フィルタ部2の気孔率が40〜70%である場合には、相対的に気孔率の大きいフィルタ部2dおよび気孔率の小さいフィルタ部2eのそれぞれの気孔率は、50〜70%および40〜60%とすればよい。
粒子状物質の測定装置用部品の製造方法は、複数の第1のセラミックグリーンシート12を準備する工程と、複数の第2のセラミックグリーンシート22を準備する工程と、第1のセラミックグリーンシート12に電極層32を形成する工程と、第2のセラミックグリーンシート22に貫通孔112を形成する工程と、電極層32が形成された第1のセラミックグリーンシート12と貫通孔112が形成された第2のセラミックグリーンシート22を積層して積層体102を形成する工程と、積層体102を焼成する工程とを備えることを特徴とする。
このような製造方法によれば、セラミックスから成る緻密な基部1と多孔質セラミックスから成るフィルタ部2とが一体的に形成されている、上記のような粒子状物質の測定装置用部品100を製造することができる。
また、図11および図12に示す例のように、一対の電極3のそれぞれは、2つのミアンダ形状の線状の配線パターンで構成され、2系統の配線となっていてもよい。図11に示す例では、2つの配線パターンは流路11の幅方向に並んで配置されており、図12に示す例では、2つの配線パターンは流路11の長さ方向に並んで配置されている。
このように、フィルタ部2を挟んで配置されている一対の電極3のそれぞれが2系統の配線となっていることによって、一方の系統の電極3で粒子状物質を検知しながら、他方の系統の電極3で捕集された粒子状物質を除去することができる。そのため、粒子状物質の除去のために粒子状物質の検知を停止することなく、連続して粒子状物質の検知を行なうことができる。図11および図12に示す例においては、フィルタ部2を挟んで配置されている一対の電極3のそれぞれが2系統の配線となっているが、これに限られない。例えば、3系統以上の配線であってもよい。
図13は、粒子状物質の測定装置用部品の製造方法を工程毎に示す模式図である。まず、図13(a)に示す例のように、複数の第1のセラミックグリーンシート12および複数の第2のセラミックグリーンシート22を準備する。第1のセラミックグリーンシート12は、後の焼成工程において焼結して基部1となる部分であり、第2のセラミックグリーンシート22は、同様にフィルタ部2となる部分である。緻密なセラミックスから成る基部1に対して、フィルタ部2は多孔質セラミックスから成るものである。そのため第2のセラミックグリーンシート22は、第1のセラミックグリーンシート12に対して、後の焼成工程において焼結した際に気孔が多くなる(気孔率が大きくなる)ものである。具体的には、第2のセラミックグリーンシート22は、第1のセラミックグリーンシート12と比較して、焼成工程において焼結する際に、気孔となる成分を多く含むものである。具体的には、有機バインダ成分が多いもの、造孔材を含んでいるものなどである。あるいは、焼結性を低下させて気孔を増やすために、焼結助剤成分が少ないものである。
気孔径や気孔率の調整が容易である点で、造孔材を用いるのがよい。造孔材は、後の焼成工程において焼失する粒子状のものである。造孔材としては、例えば、アクリル樹脂ビーズ(メタクリル酸エステル系共重合物)、カーボン粉末、結晶セルロースが挙げられる。造孔材の粒径は、フィルタ部2の気孔径の1倍〜1.2倍のものを用いればよい。上記したような、気孔径が1μm〜60μmのフィルタ部2を作製する場合であれば、平均粒径が1μm〜72μmの造孔材を用いればよい。気孔率の調整は、造孔材の粒径と量によって調整することができる。
第1のセラミックグリーンシート12は、基部1がアルミナ質セラミックスから成る場合であれば、まず、アルミナ粉末および焼結助剤(SiO,MgO,CaO等の粉末)にアクリル系樹脂などの有機バインダ,トルエンやアセトン等の有機溶剤や水などの溶媒を混合してスラリーを作製する。このスラリーを用いてドクターブレード法等の成膜方法によってシート状にすればよい。第2のセラミックグリーンシート22は、第1のセラミックグリーンシート12用のスラリーに造孔材を加えたスラリーを作製すればよい。第2のセラミックグリーンシート22は、第1のセラミックグリーンシート12に対して造孔材を含むものとなる。
フィルタ部2が気孔径の異なるものを有する場合は、例えば、第2のセラミックグリーンシート22用のスラリーに加える造孔材として、平均粒径が互いに異なるものを用いて、含まれる造孔材の平均粒径が異なる、複数種の第2のセラミックグリーンシート22を作製すればよい。フィルタ部2が気孔率の異なるものを有する場合は、例えば、第2のセラミックグリーンシート22用のスラリーに加える造孔材量を互いに異ならせて、含まれる造孔材の平均粒径が異なる、複数種の第2のセラミックグリーンシート22を作製すればよい。
次に、図13(b)に示す例のように、第1のセラミックグリーンシート12に電極層32を形成する。電極層32は後の焼成工程において焼結して電極3となるものである。電極層32の形成は、電極3の主成分となる白金またはタングステン等の金属材料を主成分とする金属ペーストを第1のセラミックグリーンシート12上に塗布することで行なえばよい。金属ペーストは、金属材料の粉末に樹脂バインダおよび溶媒を加えて混練して作製することができる。金属ペーストをスクリーン印刷法等により、電極3の配線パターン形状に塗布すればよい。
また、図13(c)に示す例のように、第2のセラミックグリーンシート22に貫通孔112を形成する。貫通孔112は流路11となる部分である。第2のセラミックグリーンシート22に、金型を用いた打ち抜き加工やレーザー加工によって貫通孔112を形成すればよい。
次に、図13(d)に示す例のように、電極層32が形成された第1のセラミックグリーンシート12と貫通孔112が形成された第2のセラミックグリーンシート22を積層して積層体102を形成する。図13(d)に示す例では、3つの基体1となる部分はそれぞれ2層の第1のセラミックグリーンシート12が積層されて形成され、フィルタ部2となる部分は2層の第2のセラミックグリーンシート22が積層されて形成されている。いずれも、1層や3層以上のセラミックグリーンシートを用いても構わない。
図13(d)に示す例は、図6に示す例のような電極3が基部1に埋設された粒子状物質の測定装置用部品100を作製する場合の積層体102であるので、電極層32は2層の第1のセラミックグリーンシート12の層間に位置している。電極層32を形成した第1のセラミックグリーンシート12の上に電極層32を形成していない第1のセラミックグリーンシート12を積層している。
図2に示す例のような粒子状物質の測定装置用部品100を作製する場合には、電極層32を形成した第1のセラミックグリーンシート12の上に電極層32を形成していない第1のセラミックグリーンシート12を重ねた上に、第2のセラミックグリーンシート22のフィルタ部2となる部分のみを重ね、さらにその周りを囲むように枠状の第1のセラミックグリーンシート12を重ねればよい。
上記した、図6に示す例のような粒子状物質の測定装置用部品100の外側のフィルタ部2の外にフィルタ部2に接する基部1を側壁として設けた構造の場合は、図13(d)に示すような積層体102の側面にさらに第1のセラミックグリーンシート12を貼り付ければよい。あるいは、上記の枠状の第1のセラミックグリーンシート12の内側面が、第2のセラミックグリーンシート22の、外側に位置するフィルタ部2となる部分に接するようにすればよい。
積層体102を形成するには、電極層32が形成された第1のセラミックグリーンシート12と貫通孔112が形成された第2のセラミックグリーンシート22とを重ねて、一軸加圧プレス等で加圧して圧着することで一体化させればよい。
貫通孔112に後の焼成工程で焼失する樹脂等を充填しておくと、第1のセラミックグリーンシート12における貫通孔の上下に位置する部分の変形を抑えることができる。
そして、積層体102を焼成することで、上記のような、セラミックスから成る緻密な基部1と多孔質セラミックスから成るフィルタ部2とが一体的に形成されている粒子状物質の測定装置用部品100となる。焼成温度は、基部1およびフィルタ部2がアルミナ質セラミックスから成る場合であれば、1500℃〜1600℃とすればよい。
また、図14に示すように、流路11の中央側(中心部)に位置する隣り合うフィルタ部2同士の間隔が、空間(流路11)の端部側(外周部)に位置する隣り合うフィルタ部2同士の間隔よりも大きく(広く)てもよい。一般的に、流路11の中心部を流れるガスの流量が外周部を流れるガスの流量よりも大きくなる傾向があるので、この中心部においてフィルタ部2同士の間隔を大きくすることによって、ガスをスムーズに流すことができる。
また、図15に示すように、空間(流路11)の中央側(中心部)に位置するフィルタ部2の厚みが、流路11の端部側(外周部)に位置するフィルタ部2の厚みよりも小さくてもよい。図15においては、電極3が基部1の端部にまで設けられている(例えば、電極31は基部1の右上端部に設けられている)。しかしながら、基部1の端部に電極3(31等)を形成することは、電極3に印加することになる電圧の大きさ次第では、外部との絶縁距離を確保するために、基部1の幅を大きくする等の改良の必要が生じる場合がある。
そこで、図15に示すように、流路11の中央側に位置するフィルタ部2の厚み(フィルタ部2の配列方向の幅)が流路11の端部側に位置するフィルタ部2の厚み(フィルタ部2の配列方向の幅)よりも小さい構成にしてもよい。上記の構成によって、粒子状物質の測定装置用部品100の内側(流路11の内部)と外側との間の圧力差(気圧差)に起因して、基部1に内側に凹むような変形が生じたとしても、この変形によって生じる熱応力を低減できる。具体的には、基部1の変形は、流路11の中央側に近い程、大きくなる傾向にある。変形が大きな中央側において、フィルタ部2の厚みを小さくしておくことによって、フィルタ部2を撓ませることで熱応力を吸収できる。これにより、粒子状物質の測定装置用部品100の耐久性を向上できる。
また、反対に、図16に示すように、空間(流路11)の中央側(中心部)に位置するフィルタ部2の厚みが、流路11の端部側(外周部)に位置するフィルタ部2の厚みよりも大きくてもよい。この場合には、図15の場合とは逆に、ガスが端部側に流れやすくなる。前述した通り、元々ガスは中央側に流れやすい傾向にあるが、図16に示す構成にすることによって、ガスを端部側に流れやすくすることができるので、それぞれの流路11におけるガスの流量を均一に近づけることができる。ガスの流量が均一に近づくということは、フィルタ部2のそれぞれに捕集される粒子状物質の量も均一に近づくことを意味する。その結果、加熱によって粒子状物質を除去するときに要する時間を短くすることができる。これにより、粒子状物質の測定装置用部品100の長期信頼性を向上できる。
なお、図2に示すように、流路11が基部1に囲まれている場合には、端部側に近づけば近づく程、フィルタ部2の厚みを小さくする構成にしてもよい。ただし、図6に示すように、流路11が基部1とフィルタ部2とによって囲まれて形成されている場合には、図17に示す構成にしてもよい。図17に示す粒子状物質の測定装置用部品100においては、中央側から離れるにつれてフィルタ部2の厚みが小さくなっているが、最外周に位置するフィルタ部2については厚みがこの限りではない。具体的には、“最外周に位置するフィルタ部2以外のフィルタ部2のうち最も端部側に位置するフィルタ部2”よりも“最外周に位置するフィルタ部2”のほうが、厚みが大きい。これにより、それぞれの流路11におけるガスの流量を均一に近づけつつも、最外周のフィルタ部2から簡単にガスが外部に逃げてしまうことを低減している。そのため、粒子状物質の測定装置用部品100を通過するガス量を確保しつつ、それぞれの流路11におけるガスの流量を均一に近づけることができる。
また、図18に示すように、フィルタ部2のうち流路11に面する壁面が窪んだ形状であってもよい。具体的には、フィルタ部2のうち流路11に面する壁面が、中央が弧状に凹んだ形状であってもよい。これにより、フィルタ部2の表面積を増やすことができるので、フィルタ部2で捕集できる粒子状物質の量を増やすことができる。
また、図18に示すように、複数のフィルタ部2のうち最外周に位置するフィルタ部2の外側の壁面(流路11に面さず、外部に露出している壁面)が、窪んだ形状であってもよい。より具体的には、中央が弧状に凹んだ形状を有していてもよい。これにより、外部とフィルタ部2が接触してしまうおそれを低減できるので、フィルタ部2が破損するおそれを低減できる。これにより、粒子状物質の測定装置用部品100の長期信頼性を向上できる。
また、基部1がガラス成分を有するとともに、図19に示すように、このガラス成分がフィルタ部2の一部に広がっていてもよい。言い換えると、基部1がガラス成分を有するとともに、フィルタ部2は基部1の近傍にガラス拡散領域20を有している。これにより、基部1とフィルタ部2との間の密着性を高めることができるので、粒子状物質の測定装置用部品100の長期信頼性を向上できる。
また、図20に示すように、フィルタ部2を上下方向に3層(上層22、中層23、下層24)に分けたときに、基部1と隣り合う上層22および下層24の気孔率が中層23における気孔率よりも大きくてもよい。これにより、ヒートサイクル下において、フィルタ部2および基部1に生じる熱応力を、上層22および下層24で吸収することができる。これにより、最もガスが流れることになる中層23において、熱応力が生じるおそれを低減できる。その結果、中層23が損傷してしまうおそれを低減できるので、粒子状物質の測定装置用部品100の長期信頼性を向上できる。
また、図21に示すように、基部1のうち流路11に面する部分が弧状に盛り上がっていてもよい。これにより、フィルタ部2の上端および下端が基部1のうち弧状に盛り上がった部分に挟まれることになるので、曲げ応力への強度を向上させることができる。これにより、粒子状物質の測定装置用部品100の長期信頼性を向上できる。
逆に、図22に示すように、基部1のうち流路11に面する部分が弧状に凹んでいてもよい。これにより、流路11を流れるガスの動きをよりスムーズにすることができる。具体的には、基部1の表面とフィルタ部2の壁面とから成る角部の近傍においてガスが停滞してしまうことを低減できる。これにより、粒子状物質の測定装置用部品100の感度を向上できる。
さらに、図23に示すように、流路11の角が滑らかであってもよい。より具体的には、基部1のうち流路11に面する部分が弧状に凹んでおり、フィルタ部2のうち流路11に面する壁面が弧状に凹んでおり、これらが滑らかに連続していてもよい。これにより、ガスの流れをさらにスムーズにすることができるので、粒子状物質の測定装置用部品100の感度をさらに向上できる。
また、流路11の長さ方向に垂直な断面視において、基部1のうち流路11に面する部分とフィルタ部2のうち流路11に面する壁面とから成る角部が弧状であってもよい。これにより、角部におけるガスの流れをさらにスムーズにすることができる。
さらに、基部1のうち流路11に面する部分とフィルタ部2のうち流路11に面する壁面とから成る角部が弧状であるとともに、この角部の形状が弧状である領域が流路11の長さ方向に連続していてもよい。これにより、角部におけるガスの流れをさらにスムーズにすることができる。
また、図24に示すように、流路11の長さ方向に垂直な断面視において、フィルタ部2のうち流路11に面する壁面に凹部が設けられていてもよい。これにより、フィルタ部2の壁面の表面積を増やすことができるので、フィルタ部2で捕集できる粒子状物質の量を増やすことができる。
以上の粒子状物質の測定装置用部品100は、流路11は、基部1の1つの側面からこれに対向する位置にある側面にかけて延びている例で説明したが、これに限られるものではない。例えば、図25に示す例のように、流路11は、その一端が基部1の1つの側面に開口するとともに、他端が基部1の一端に位置する面(下面)に開口していてもよい。あるいは、基部1の対向する2つの側面と基部1の一端部に位置する面(下面)とに開口していてもよい。具体的には、隣り合う面にガスの流入口および流出口を設けてもよい。流出口を設けた一方の面を排気ガスの流れる方向に沿って配置することで、流入口が小さくても、他方の面に設けた流入口から排気ガスが流入し易い。
また、図26に示すように、縦断面を見たときに、フィルタ部2が幅の異なる2つの部分から成っていてもよい。言い換えると、フィルタ部2が幅が太い部分(大きい部分)と幅が細い部分(小さい部分)から成っていてもよい。フィルタ部2が幅が太い部分を有することによって、粒子状物質の測定装置用部品100に上下方向に外力が加わったときに、フィルタ部2が折れてしまうおそれを低減できる。また、フィルタ部2が幅が細い部分を有することによって、フィルタ部2にガスを流しやすくすることができる。
また、図27に示すように、流路11が、上下方向において外側(上側に位置する流路11においては上側、下側に位置する流路11においては下側)に向かうに連れて幅が広がる形状であってもよい。より具体的には、流路11が長辺が外側に位置する台形状であってもよい。一般的に、縦断面で見たときに、流路11の内側(中心側)よりも外側のほうがガスが流れにくくなる傾向にあるが、流路11を上記の形状にしておくことによって、流路11の外側におけるガスの滞留を低減できる。なお、図27においては、壁面が直線状であることによって流路11が台形状であるが、これに限られない。例えば、壁面に1つの段差を有していてもよいし、複数の段差を有していてもよい。
また、図28に示すように、最も外側に位置するフィルタ部2よりも基部1が外部に突出していてもよい。これにより、最も外側に位置するフィルタ部2に異物が当たることによって、フィルタ部2が損傷するおそれを低減できる。
さらに、図29に示すように、最も外側に位置するフィルタ部2よりも基部1が外部に突出しているとともに、最も外側に位置するフィルタ部2の表面が保護層5によって覆われていてもよい。これにより、フィルタ部2が損傷するおそれをさらに低減できる。また、最も外側に位置するフィルタ部2を介して流路11から外部にガスが流れてしまうことを低減できる。保護層としては、例えば、セラミック粉末を分散した樹脂材料等を用いることができる。
また、図30に示すように、横断面を見たときに、流路11の端部が部分的に封止部4によって封止されているとともに、封止部4のうち流路11に面する部分の形状が流路側に凹状である弧状であってもよい。これにより、流路11のうち封止部4の近傍においてガスが滞留することを低減できる。
1:基部
11:流路
12:分割流路
2:フィルタ部
3:電極
4:封止部
5:保護層
100、200:粒子状物質の測定装置用部品

Claims (16)

  1. セラミックスから成り内部にガスの流れる流路を有する基部と、前記流路を複数に区切るように前記流路の内部に設けられた多孔質セラミックスから成るフィルタ部と、前記基部に前記フィルタ部を挟むように設けられた静電容量形成用の一対の電極とを備えており、
    前記基部の前記流路の壁面が前記フィルタ部の表面よりも緻密であり、
    前記電極が線状の配線パターンを有するとともに、前記基部のうち前記フィルタ部を挟む領域および前記フィルタ部を挟まない領域に設けられており、平面視したときに、前記電極のうち前記フィルタ部を挟まない領域に位置する部分が、前記フィルタ部を挟む領域に位置する部分よりも幅が狭くなっている粒子状物質の測定装置用部品。
  2. セラミックスから成る板状の部材であって主面が対向するように並置された一対の基部と、該一対の基部の間の空間を区切って流路を形成するように設けられた多孔質セラミックスから成るフィルタ部と、前記一対の基部にそれぞれ設けられており前記フィルタ部を挟むように設けられた静電容量形成用の一対の電極とを備えており、
    前記一対の基部の対向する前記主面が、前記フィルタ部の表面よりも緻密であり、
    前記電極が線状の配線パターンを有するとともに、前記基部のうち前記フィルタ部を挟む領域および前記フィルタ部を挟まない領域に設けられており、平面視したときに、前記電極のうち前記フィルタ部を挟まない領域に位置する部分が、前記フィルタ部を挟む領域に位置する部分よりも幅が狭くなっている粒子状物質の測定装置用部品。
  3. 前記電極が前記基部に埋設されている請求項1または請求項2に記載の粒子状物質の測定装置用部品。
  4. 前記基部および前記フィルタ部が一体的に形成されている請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の粒子状物質の測定装置用部品。
  5. 前記基部および前記フィルタ部が同じセラミックスから成る請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の粒子状物質の測定装置用部品。
  6. 前記基部および前記フィルタ部がアルミナから成る請求項5に記載の粒子状物質の測定装置用部品。
  7. 前記電極が、線状の配線パターンを有するとともに、前記フィルタ部に沿って設けられ
    ている請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の粒子状物質の測定装置用部品。
  8. 互いにポーラス度が異なる複数の前記フィルタ部を有している請求項1乃至7のいずれか1項に記載の粒子状物質の測定装置用部品。
  9. 前記ポーラス度は気孔径である請求項8に記載の粒子状物質の測定装置用部品。
  10. 前記ポーラス度は気孔率であり、前記流路の長さ方向に垂直な断面視において、外側に位置する前記フィルタ部の気孔率が、内側に位置する前記フィルタ部の気孔率より大きい請求項8に記載の粒子状物質の測定装置用部品。
  11. 前記流路の長さ方向に垂直な断面視において、前記基部のうち前記流路に面する部分と前記フィルタ部のうち前記流路に面する壁面とから成る角部が弧状である請求項1乃至請求項10のいず1項に記載の粒子状物質の測定装置用部品。
  12. 前記角部の形状が弧状である領域が前記流路の長さ方向に連続している請求項11に記載の粒子状物質の測定装置用部品。
  13. 前記流路の長さ方向に垂直な断面視において、前記フィルタ部のうち前記流路に面する壁面に凹部が設けられている請求項1乃至請求項12のいずれか1項に記載の粒子状物質の測定装置用部品。
  14. 前記流路の長さ方向に垂直な断面視において、前記フィルタ部のうち前記流路に面する壁面が、中央が凹んだ弧状である請求項1乃至請求項12のいずれか1項に記載の粒子状物質の測定装置用部品。
  15. 前記フィルタ部を上下方向に3層(上層、中層および下層)に分けたときに、前記基部と隣り合う前記上層および前記下層の気孔率が前記中層における気孔率よりも大きい請求項1乃至請求項14のいずれか1項に記載の粒子状物質の測定装置用部品。
  16. 複数の第1のセラミックグリーンシートを準備する工程と、
    複数の第2のセラミックグリーンシートを準備する工程と、
    前記第1のセラミックグリーンシートに電極層を形成する工程と、
    前記第2のセラミックグリーンシートに貫通孔を形成する工程と、
    前記電極層が形成された前記第1のセラミックグリーンシートと前記貫通孔が形成された前記第2のセラミックグリーンシートを積層して積層体を形成する工程と、
    前記積層体を焼成する工程と
    を備える請求項1乃至請求項15のいずれか1項に記載の粒子状物質の測定装置用部品の製造方法。
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