JP6745354B2 - 粒子状物質センサー - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

［技術分野］
本発明は、粒子状物質センサーに関するものである。より具体的には、温度に関係なく、一定の静電容量を具現することができ、プラチナのような高価な材料の使用量を減らして、コストを削減することができる粒子状物質センサーに関するものである。
［背景技術］

一般的に、排気規制が一層強化されることにより、排気ガスを浄化する後処理装置への関心が高まっている。特に、ディーゼル自動車に対する粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：ＰＭ）の規制がさらに厳しくなっている。

その一環として、粒子状物質を低減させる最も効率的で実用化に接近する技術が排気ガス低減装置である。

一方、排気ガス低減装置の故障有無を診断するためには、ＤＰＦフィルターの後端に粒子状物質センサー（ＰＭセンサー）が装着され、これらの粒子状物質センサー（ＰＭ）は、抵抗方式と静電容量方式がある。

前記の方式のうち、静電容量方式は、表面上に並んで配置される複数の外部電極と、複数の外部電極と上／下方向に配置される複数の内部電極で構成され、外部電極の間に堆積する粒子状物質の面積および外部電極と内部電極との間の距離を用いて、外部電極と内部電極との間の静電容量を測定することにより、排気ガス微粒子フィルターを通過して下流側に抜ける粒子状物質を容易に検出することができる。

このとき、複数の外部電極は、粒子状物質が堆積される感応部と内部電極との静電容量を測定するための容量部とがそれぞれ備えられ、感応部と容量部とは、互いに隣接する位置に形成される。これにより、粒子状物質が堆積する感応部が高温の排気ガスに露出される場合には、感応部と隣接する位置に形成された容量部も排気ガスから伝達される温度の影響を受けることになる。

一方、絶縁基板の場合、材料の特性上、高温の環境では、誘電率の急激な変化が発生する。

一例として、絶縁基板がアルミナからなる場合、６００℃付近で急激な誘電率の変化が発生する。

これにより、感応部が６００℃以上の高温の環境に露出される場合、感応部と隣接する位置に形成された容量部も高温の影響を受けることになるため、急激な誘電率の変化によって、外部電極と内部電極との間に一定の静電容量を具現しにくい問題点がある。

つまり、感応部と容量部とが互いに隣接して形成される場合、所定の温度以上の高温の環境では、一定の静電容量を測定することができず、使用上の制約が発生する。

また、一般的に絶縁基板の材料として使用されるアルミナの場合、誘電率が１０〜２０程度で非常に低いため、必要な容量値を具現するためには、容量部が大面積に設計されるべきである。これにより、容量部を構成するためのプラチナのような高価な材料を過剰に必要とするので、コストが上昇する問題点がある。
［発明の概要］
［発明が解決しようとする課題］

本発明は、前記のような点を勘案して案出されたものであって、温度に関係なく、一定の静電容量を具現することができる粒子状物質センサーを提供することにその目的がある。

また、本発明は、プラチナのような高価な材料の使用量を減らしてコストを削減し、必要な静電容量を自由に具現することができる粒子状物質センサーを提供することに他の目的がある。
［課題を解決するための手段］

前述した課題を解決するために、本発明は、絶縁基板と、前記絶縁基板の一面に互いに電気的に連結されないように、所定の間隔を置いて離隔配置される複数の感応電極と、粒子状物質の堆積を介して前記複数の感応電極のうち、一部または全体と電気的に連結できるように前記複数の感応電極と同一面上に配置され、前記絶縁基板の一面に形成される接続端子と連結される接続電極と、前記絶縁基板の一面に形成されて前記複数の感応電極と一対一で連結される複数のターミナル端子と、前記絶縁基板の内部に配置され、前記感応電極側に堆積した粒子状物質を除去するための熱を提供するヒーター部と、を含む粒子状物質センサーを提供する。

また、前記感応電極と一対一で連結された複数のターミナル端子は、前記絶縁基板の外部に別に備えられる複数のキャパシターと、それぞれ一対一で連結され得る。

また、前記複数のキャパシターは、互いに並列連結され得る。

また、前記複数のキャパシターは、車両の制御部に備えられ得る。

また、前記複数の感応電極は、所定の面積を有する感応部と、前記感応部を前記ターミナル端子と連結するリード部と、を含み、前記接続電極は、互いに電気的に連結され、前記感応部と平行方向に延長される複数の延長電極を含み、前記感応部は、互いに隣接する延長電極との間に配置され得る。

また、前記複数の延長電極のうちいずれか１つは、リード部を媒介として、前記接続端子と連結され得る。

また、前記リード部は、前記感応部の幅よりも狭い幅を有するように備えられ得る。

また、前記絶縁基板の内部には、前記ヒーター部を制御する温度感知部が配置され得る。
［発明の効果］

本発明によると、静電容量の変化を感知するための容量部が外部に別の部品として具現されることにより、温度に影響を受けず、一定の静電容量を具現することができる。

また、本発明は、容量部を構成するための高価な材料が不要であるので、コストを削減することができ、必要な容量に合わせて容量部を自由に構成することができ、設計の自由度を高めることができる。

本発明の一実施例による粒子状物質センサーを概略的に示した図である。 図１での主要構成の配置関係を示すための概略図である。 本発明の一実施例による粒子状物質センサーに適用される感知電極と接続電極との配置関係を示すための部分拡大図である。 本発明の一実施例による粒子状物質センサーと外部に別に備えられるキャパシターとの電気的な接続関係を示した概念図である。 図４の作動状態図である。 本発明の一実施例による粒子状物質センサーの装着位置を示した概略図である。 本発明の一実施例による粒子状物質センサーがハウジングに内蔵された設置状態図である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施例について本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。本発明は、様々な異なる形態で具現されることができ、ここで説明する実施例に限定されない。図面で本発明を明確に説明するために説明と関係ない部分は省略し、明細書全体を通じて同一または類似の構成要素については、同じ参照符号を付加する。

本発明の一実施例による粒子状物質センサー１００は、図６に示すように、車両の排気マニホールドと連結される排気ガス微粒子フィルター３０の後端に連結される排気管２０側に設置されて排気ガス微粒子フィルター３０および排気管を通過して下流側に抜け出す粒子状物質Ｐを検出するためのものである。

これらの粒子状物質センサー１００は、図１および図２に示すように、絶縁基板１１０、感応電極１２０、接続電極１３０、ターミナル端子１４１、１４２およびヒーター部１５０を含む。

前記絶縁基板１１０は、複数の絶縁層が高さ方向に沿って積層されて形成され得、ガラス素材、セラミック素材、スピネルまたは二酸化チタンなどの耐熱性の絶縁体からなり得る。

一例として、前記絶縁基板１１０は、アルミナであり得、ＺＴＡ（Ｚｉｒｃｏｎｉａ Ｔｏｕｇｈｅｎｅｄ Ａｌｕｍｉｎａ）であり得る。

このとき、前記絶縁基板１００の一面には、少なくとも１つの感応電極１２０と接続電極１３０とが同一面上に配置され、前記排気管２０を通過する粒子状物質が堆積する場合、互いに電気的に連結されることにより、粒子状物質の排出可否を感知することができる。

つまり、前記絶縁基板１００の一面には、複数の感応電極１２０が互いに電気的に連結されず、前記絶縁基板１１０の幅方向に沿って一定の間隔を置いて互いに離隔配置され得、１つの接続電極１３０が前記感応電極１２０と互いに電気的に連結されないように、所定の間隔を置いて離隔配置され得る。

これにより、前記粒子状物質Ｐが、前記接続電極１３０と感応電極１２０との間の堆積空間Ｓに堆積すると、前記接続電極１３０と感応電極１２０とは、堆積した粒子状物質を媒介として、互いに電気的に連結される。

ここで、前記複数の感応電極１２０は、所定の面積を有する感応部１２１を含み得、前記感応部１２１は、感応電極１２０の一端部側に形成され得る。また、前記接続電極１３０は、所定の長さを備えて前記絶縁基板１００の幅方向と平行方向に形成される連結電極１３２から前記感応部１２１と平行方向に延長されることにより、互いに電気的に連結された複数の延長電極１３１を含み得る。

このとき、前記延長電極１３１は、前記感応部１２１の長さと対応する長さを有するように備えられ得、前記感応部１２１は、互いに隣接する一対の延長電極１３１の間に間隔を置いて離隔配置され得る。

これにより、前記絶縁基板１００の幅方向に沿って互いに交互的に配列される延長電極１３１と感応部１２１との間には、粒子状物質が堆積する堆積空間Ｓがそれぞれ形成される。

これにより、前記堆積空間Ｓに粒子状物質が堆積すると、互いに電気的に連結されない感応電極１２０および接続電極１３０は、互いに隣接する感応部１２１および延長電極１３１が、前記粒子状物質を媒介として連結されることにより、互いに電気的に連結される。

つまり、互いに電気的に連結されない複数の感応電極１２０は、前記堆積空間Ｓに堆積する粒子状物質を媒介として前記接続電極１３０と順次電気的に連結され得る。

さらに、本発明の一実施例による粒子状物質センサー１００のように、互いに隣接する延長電極１２３との間に感応部１２１を配置すると、前記感応部１２１と延長電極１３１との間に粒子状物質が堆積する堆積空間Ｓが多くなるとともに、粒子状物質が堆積する堆積空間Ｓの面積を狭く形成できるようになるため、応答時間を短縮させることができる。

一方、前記複数の感応電極１２０は、複数のキャパシターＣと、それぞれ一対一でマッチングするように連結され得る。

ここで、前記複数のキャパシターＣは、絶縁基板１００の外部に別に備えられ得、本発明による粒子状物質センサー１００が排気管２０に前記感応部１２１が露出されるように装着された場合、前記複数の感応電極１２０と、それぞれ一対一で電気的に連結され得る。

一例として、前記複数のキャパシターＣは、車両の全般的な駆動を制御するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）のような制御部４０に独立的な素子の形で備えられ得、前記複数のキャパシターＣは、互いに並列連結され得る。

これにより、前記堆積空間Ｓに粒子状物質が堆積し、複数の感応電極１２０が、前記接続電極１３０と順次に連結されると、それぞれの感応電極１２０と一対一で連結されたキャパシターＣも電気的に連結された数が増加して全体的な静電容量が変化するため、排気ガス中に含まれる粒子状物質の量を感知して排気ガス微粒子フィルター３０の破損の有無を正確に測定することができる。

さらに、静電容量の変化を感知するためのキャパシターＣが粒子状物質センサー１００側ではなく、外部、例えば車両の制御部４０側に部品の形で具現されることにより、必要な容量に合うキャパシターＣを自由に具現することができる。

また、前記キャパシターＣが粒子状物質センサー１００の外部に備えられることにより、排気ガスの温度に影響を受けずに、正確な静電容量の変化値を測定することができる。より具体的には、前記感応部１２１は、前記堆積空間Ｓに堆積する粒子状物質を介して前記感応電極１２０と接続電極１３０とが互いに面積を広げる役割を実行するため、高温の環境に露出されても大きく影響を受けない。しかし、静電容量の変化を測定するためのキャパシターが粒子状物質センサー１００の内部に形成される場合、絶縁基板１１０に使用される材料に応じて、所定の温度以下では、一定の静電容量が具現されるが、所定の温度以上の高温では、誘電率の変化が急激に発生することにより、正確な静電容量の変化を測定しにくくなる。

一例として、前記絶縁基板１１０がセラミック材料からなる場合、素材の特性上、６００℃付近で急激な誘電率の変化が発生することになる。これにより、前記キャパシターが排気ガスに露出される感応部１２１と隣接する位置に形成されると、キャパシターが温度の影響を受けることにより、所定の温度以上の高温の環境では、一定の静電容量を具現することができないため、正確な測定が困難で使用上の制約が発生する。

しかし、本発明による粒子状物質センサー１００は、キャパシターＣが外部に別に備えられることにより、高温で絶縁基板１１０の急激な誘電率の変化が発生しても、一定の静電容量を具現することができる。

さらに、後述するヒーター部１５０によって、前記感応部１２１が、加熱されても待機時間なしにすぐに使用できる。

さらに、粒子状物質センサー１００の内部に静電容量の変化を測定するためのキャパシターを形成する必要がないため、キャパシターを構成するための電極の材料として使用されたプラチナのような高価な材料の使用が大幅に減少することにより製造コストを下げることができる。

このため、前記絶縁基板１００の一面には、複数のターミナル端子１４１、１４２が形成される。このとき、前記複数のターミナル端子１４１、１４２は、前記接続電極１３０と電気的に連結される１つの第１ターミナル端子１４１と、前記複数の感応電極１２０とそれぞれ一対一で連結される複数の第２ターミナル端子１４２とを含み得、前記複数のターミナル端子１４１、１４２は、互いに電気的に連結されないように形成される。

これにより、前記接続電極１３０およびそれぞれの感応電極１２０は、前記複数のターミナル端子１４１、１４２と互いに一対一で連結され、前記堆積空間Ｓに粒子状物質が堆積する場合のみ、前記複数の感応電極１２０のうち、一部または全体が前記接続電極１３０と電気的に連結されて前述した複数のキャパシターＣの一部または全体と電気的な閉ループを形成することになる（図５参照）。

ここで、前記接続電極１３０は、複数の延長電極１３１のうち、いずれか１つの端部から所定の長さに延長されるリード部１３３を媒介として前記第１ターミナル端子１４１と連結され得、前記複数の感応電極１２０は、前記感応部１２１の端部から所定の長さに延長されるそれぞれのリード部１２２を媒介として前記複数の第２ターミナル端子１４２と連結され得る。このような場合、前記リード部１２２、１３３は、前記感応部１２１の幅および／または延長電極１３１の幅よりも狭い幅を有するように備えられることにより、電極を形成するための材料の使用量を減らすこともできる。

ここで、前記リード部１２２、１３３は、外部に露出されず、絶縁するように、絶縁基板１００の一面に積層される別の絶縁層１８０を介して覆われることもあり得る。

しかし、これに限定されるものではなく、前記接続電極１３０は、複数の延長電極１３１のうち、いずれか１つが直接前記第１ターミナル端子１４１と連結され得、前記複数の感応電極１２０は、前記感応部１２１の端部が前記複数の第２ターミナル端子１４２とそれぞれ直接連結され得る。

前記ヒーター部１５０は、前記感応部１２１に熱を提供して前記堆積空間Ｓに堆積した粒子状物質を除去するためのものであって、前記絶縁基板１１０の内部に配置され得、前記感応部１２１の下部側に配置され得る。このとき、前記ヒーター部１５０の両端は、絶縁基板１１０の下部面に備えられる第３ターミナル端子１４３および第４ターミナル端子１４４とビアホール１７１、１７２を媒介として、それぞれ電気的に連結され得る。

これらの前記ヒーター部１５０は、電源供給時に発生する熱を用いて前記感応部１２１側を加熱することにより、前記堆積空間Ｓに堆積した粒子状物質が除去されることができる。

一方、前記絶縁基板１１０の内部には、前記絶縁基板１１０の内部または感応部１２１の温度を測定するための温度感知部１６０を含み得る。

これらの温度感知部１６０は、絶縁基板１１０の内部で感応部１２１とヒーター部１５０との間に配置され得る。

これらの温度感知部１６０は、両端がビアホール１７３、１７４を媒介として前記ヒーター部１５０および第５ターミナル端子１６５にそれぞれ電気的に連結され得る。

具体的に、前記温度感知部１６０の両端のうち、一端は、前記ヒーター部１５０と連結されるビアホール１７４を介してヒーター部１５０と電気的に連結され得、温度感知部１６０の他端は、ビアホール１７３を介して絶縁基板１１０の下部面に形成される第５ターミナル端子１６５と電気的に連結され得る。

ここで、前記絶縁基板１１０の下部面に形成される第５ターミナル端子１６５は、前記第３ターミナル端子１６３および第４ターミナル端子１６４と互いに電気的に連結されない。

これにより、車両の制御部４０は、前記温度感知部１６０で測定された温度と車両に設置される温度センサー（図示せず）で測定された温度との測定値を比較して感応部１２１に熱を提供するヒーター部１５０を制御することができる。

一方、温度感知部１６０の設置面積は、ヒーター部１５０の設置面積内に位置するようにヒーター部１５０の面積と同じであるか、またはそれより小さく形成され得る。

前述のような構成を有する粒子状物質センサー１００は、ハウジング１０に内蔵されて排気管２０に設置され得る。

一例として、前記ハウジング１０は、図７のように、ボディー部１１、ボディー部１１の一方側に備えられる第１保護カバー１２およびボディー部１１の他方側に備えられる第２保護カバー１３を含み得る。

前記ボディー部１１は、前記粒子状物質センサー１００を収容するための内部空間を備え、前記排気管に固定結合される。これらのボディー部１１は、両端が開放されることにより、前記内部空間に挿入された粒子状物質センサー１００の両端部側が外部に突出する。

つまり、前記ボディー部１１の一方側には、粒子状物質センサー１００の感応部１２４側が露出され、前記ボディー部１１の他方側には、粒子状物質センサー１００に備えられる複数のターミナル端子側が露出される。

そして、前記ボディー部１１の内部には、前記内部空間に挿入された粒子状物質センサー１００を包んで位置を固定し、流体が流入することを遮断するための密封部材１４が満たされることができる。

前記第１保護カバー１２は、前記ボディー部１１の一方側に結合されて前記ボディー部１１から突出する粒子状物質センサー１００の端部、一例として感応部１２４側を保護する。

このとき、前記第１保護カバー１２側には、前記感応部１２４が、排気ガスに露出されることができるように、前記排気ガスを流入するための少なくとも１つの開口部１５が形成され得る。

前記第２保護カバー１３は、ボディー部１１の他方側に結合されて前記ボディー部１１から突出する粒子状物質センサー１００の他端、一例として、複数のターミナル端子側を保護する。

このとき、前記第２保護カバー１３側には、前記ボディー部１１から突出して前記第２保護カバー１３の内側に突出した粒子状物質センサー１００の端部と結合されるケーブルコネクター１６が備えられることにより、前記第１ないし第５ターミナル端子１６１、１６２、１６３、１６４、１６５を車両側の制御部４０と接続させる。

一方、本発明による粒子状物質センサー１００の感応電極１２０とそれぞれ一対一で連結される複数のキャパシターＣが、車両の制御部４０に備えられるものと図示して説明したが、これに限定されるものではなく、前記複数のキャパシターＣは、車両の制御部４０によって制御される補助制御部（図示せず）に備えられる形であり得ることを明らかにしておく。

以上で、本発明の一実施例について説明したが、本発明の思想は、本明細書に提示される実施例に限定されず、本発明の思想を理解する当業者は、同じ思想の範囲内で、構成要素の付加、変更、削除、追加などによって他の実施例を容易に提案できるが、これも本発明の思想の範囲内に属するものである。

Claims (7)

1. 絶縁基板と、
   前記絶縁基板の一面に互いに電気的に連結されないように、所定の間隔を置いて離隔配置される複数の感応電極と、
   粒子状物質の堆積を介して前記複数の感応電極のうち、一部または全体と電気的に連結できるように前記複数の感応電極と同一面上に配置される１つの接続電極と、
   前記絶縁基板の一面に形成されて、前記複数の感応電極および接続電極と一対一で連結される複数のターミナル端子と、
   前記絶縁基板の内部に配置され、前記感応電極側に堆積した粒子状物質を除去するための熱を提供するヒーター部と、を含み、
   前記感応電極と一対一で連結された前記複数のターミナル端子は、前記絶縁基板の外側に別に備えられる複数のキャパシターとそれぞれ一対一で連結され、
   前記粒子状物質が前記接続電極と前記感応電極との間の堆積空間に堆積されながら、前記感応電極と電気的に連結されたキャパシターの個数が変化して発生する全体的な静電容量が変化することで前記粒子状物質の量を感知する、粒子状物質センサー。
2. 前記複数のキャパシターは、互いに並列連結される請求項１に記載の粒子状物質センサー。
3. 前記複数のキャパシターは、車両の制御部に備えられる請求項１に記載の粒子状物質センサー。
4. 前記複数の感応電極は、所定の面積を有する感応部と、前記感応部を前記ターミナル端子と連結するリード部と、を含み、
   前記接続電極は、互いに電気的に連結され、前記感応部と平行方向に延長される複数の延長電極を含み、
   前記感応部は、互いに隣接する延長電極との間に配置される請求項１に記載の粒子状物質センサー。
5. 前記複数の延長電極のうちいずれか１つは、リード部を媒介として、複数のターミナル端子のうちのいずれか１つと連結される請求項４に記載の粒子状物質センサー。
6. 前記リード部は、前記感応部の幅よりも狭い幅を有するように備えられる請求項４に記載の粒子状物質センサー。
7. 前記絶縁基板の内部には、前記ヒーター部を制御する温度感知部が配置される請求項１に記載の粒子状物質センサー。

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