KR20200039692A - 입자 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20200039692A
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라도슬라브 루사노브
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 고전압 전극(112)을 구비하여 유체 흐름(A1) 내의 입자(P)를 충전하기 위한 입자 충전 장치(110), 및 유체 흐름(A1)으로부터의 입자에 의해 야기되는 충전 전류에 관한 정보를 검출하기 위한 적어도 하나의 센서 전극(120)을 포함한 입자 센서(100; 100a)에 있어서, 상기 센서 전극(120)은 제 1 전기 절연 바디(102) 상에 배치되고, 고전압 전극(112)은 제 1 전기 절연 바디(102)와는 상이한 제 2 전기 절연 바디(104; 104') 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 입자 센서(100; 100a)에 관한 것이다.

Description

입자 센서 및 그 제조 방법
본 발명은 고전압 전극을 구비하여 유체 흐름 내의 입자를 충전하기 위한 입자 충전 장치, 및 유체 흐름으로부터의 입자, 특히 하전된 입자에 의해 야기되는 충전 전류에 관한 정보를 검출하기 위한 적어도 하나의 센서 전극을 포함하는 입자 센서, 그리고 이러한 입자 센서의 제조 방법에 관한 것이다.
WO 2013/125181 A1에는 차량에 사용하기 위한 입자 센서가 공지되어 있다. 공지된 입자 센서는 비교적 복잡한 형상의 다수의 개별 층들을 가진 복잡한 층 구조를 가진다.
본 발명의 과제는 입자 센서가 향상된 정밀도 및 비교적 간단한 구조를 가지고 경제적으로 제조될 수 있도록 전술한 방식의 입자 센서 및 상기 입자 센서의 제조 방법을 개선하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제 1 항에 따른 입자 센서 및 청구항 10 항에 따른 제조 방법에 의해 해결된다. 본 발명에 따른 입자 센서는 고전압 전극을 구비하여 유체 흐름 내의 입자를 충전하기 위한 입자 충전 장치, 및 유체 흐름으로부터의 하전된 입자에 의해 야기되는 충전 전류에 관한 정보를 검출하기 위한 적어도 하나의 센서 전극을 포함한다. 본 발명에 따르면, 센서 전극은 제 1 전기 절연 바디 상에 배치되고, 고전압 전극은 제 1 전기 절연 바디와는 상이한 제 2 전기 절연 바디 상에 배치된다. 2 개의 상이한 전기 절연 바디들 상에 센서 전극 및 고전압 전극이 배치됨으로써, 공지된 시스템에 비해 특히 센서 전극 또는 경우에 따라 그 전기 공급 라인에 대한 고전압 전극의 간섭 영향이 감소되는 저간섭(low-interference) 작동이 달성된다. 이로써 특히 민감하고 정밀한 입자 센서가 제공될 수 있다. 또한, 특히 간단한 구조와 비용 효율적인 제조가 달성된다. 바디들은 또한 해당 전극(들)에 대한 캐리어로서도 간주될 수 있다.
예를 들어, 언급된 유체 흐름은 차량의 내연 기관의 배기 가스 흐름일 수 있다. 예를 들어, 입자는 내연 기관에 의한 연료의 연소 범주에서 생성되는 것과 같이 그을음(soot) 입자일 수 있다.
바람직한 실시예에서, 제 1 및/또는 제 2 바디는 바람직하게는 예를 들어 세라믹 사출 성형 방법(Ceramic Injection Molding, CIM)에 의해 제조될 수 있는 세라믹 바디이다. 다른 바람직한 실시예들에서, 제 1 및/또는 제 2 바디를 제조하기 위한 인몰드 라벨링 방법이 사용될 수 있고, 바람직하게는 예를 들면 고전압 전극 또는 센서 전극 및/또는 경우에 따라 존재하는 다른 전극들 또는 전기 연결 라인들 등이 바디 또는 바디들 상에 장착될 수 있다. 이로써, 비교적 복잡한 구조가 비교적 낮은 제조 비용으로 제공될 수 있다.
바람직한 실시예들에서, 코로나 방전을 발생시키기 위한 입자 충전 장치가 형성된다. 특히, 고전압 전극에는 적어도 하나의 카운터 전극("고전압 카운터 전극")이 또한 할당 배치될 수 있다. 코로나 방전은 고전압 전극 둘레의 공간에서 유체 흐름 또는 배기 가스 흐름으로부터의 입자 또는 일반적으로 미립자, 예를 들어 가스를 전기 충전할 수 있게 한다. 이로써, 입자는 한편으로 코로나 방전의 영역을 통해 흐를 때 전기적으로 충전된다. 다른 한편으로, 입자는 가스 또는 배기 가스 흐름의 하전된 미립자에 의해 충전되고, 가스 또는 배기 가스 흐름은 고전압 전극의 영역 내의 공간을 통해 흐를 때 직접 충전되었다. 이로써, 전체적으로 충전의 효과가 향상된다. 바람직한 실시예에서, 고전압 전극은 적어도 하나의 니들 형태 전극 또는 팁을 포함한다.
바람직한 실시예에서, 제 1 바디는 실질적으로 중공 실린더식으로 형성되고, 이로써 바람직하게는 바디의 높이를 따라서도 중공 공간을 가진 실린더형 바디(중공 공간이 실린더형일 수도 있음)를 형성할 수 있다. 특히, 다른 실시예들에서, 바디 및 중공 공간의 베이스 면들은 실질적으로 임의적이고 서로 상이할 수 있고 특히 또한 높이에 따라서(즉, 바디의 높이 좌표를 따라서) 변경될 수 있다.
바람직한 실시예들에서, 제 1 바디는 실질적으로 원형 링의 단면 형태를 가진다.
다른 바람직한 실시예들에서, 제 2 바디는 실질적으로 실린더식("실린더형")으로 형성되고, 이로써 바람직하게는 실린더형 바디일 수 있다. 특히, 다른 실시예들에서, 제 2 바디의 베이스 면은 실질적으로 임의적일 수 있고, 특히 또한 높이에 따라서(즉, 제 2 바디의 높이 좌표를 따라) 변경될 수 있다.
특히 바람직한 실시예에서, 상기 2 개의 바디들(제 1 및 제 2 바디들)은 실질적으로 실린더형으로 형성되고, 선택적으로 그들 중 적어도 하나는 높이에 따라 변하는 반경을 갖는다.
다른 바람직한 실시예에서, 고전압 전극은 제 1 바디의 내부 공간 내에 적어도 부분적으로 배치되고, 특히 고전압 전극을 위한 카운터 전극은 제 1 바디의 내부 표면 또는 내벽에, 특히 내부 표면 또는 내벽 상에 배치되므로, 입자의 특히 효율적이고 균일한 충전이 달성된다.
다른 바람직한 실시예들에서, 적어도 하나의 센서 전극은 제 1 바디의 하나의 또는 상기 내부 표면 또는 내벽에, 특히 내부 표면 또는 내벽 상에 배치된다. 예를 들어, 센서 전극은 내부 표면 상에 평평하게 직접 배치될 수 있다.
다른 바람직한 실시예들에서, 제 2 바디는 제 1 축 방향 단부 영역에서 제 1 바디의 하나의 또는 상기 내부 공간의 최소 방사 방향 치수보다 작은 최대 방사 방향 외부 치수를 가진다. 이로써, 바람직하게는 제 2 바디는 적어도 부분적으로, 특히 제 1 축 방향 단부 영역이 제 1 바디 내로 축 방향으로 삽입될 수 있게 된다. 예를 들어, 제 2 바디의 기본 형태가 실질적으로 원형 실린더식으로 형성되면, 최대 방사 방향 외부 치수는 외경에 상응할 수 있고, 경우에 따라 제 1 바디의 최소 방사 방향 치수는 내경에 상응할 수 있다. 이러한 구성에서, 상기 2 개의 바디들의 적어도 부분적인 맞물림 배치에 의해 제 2 바디의 방사 방향 외부 표면과 이의 반대편에 놓인, 제 1 바디의 방사 방향 내부 표면 사이의 기능 공간이 규정될 수 있고, 상기 제 1 바디는 예를 들어 입자 충전 장치의 전극들을 수용할 수 있다. 선택적으로, 비교적 가벼운 하전된 미립자를 편향시키기 위한 하나 또는 다수의 트랩 전극이 상기 영역에 제공될 수 있다. 맞물림 배치가 제공되지 않거나 또는 앞서 예시적으로 설명된 2 개의 바디들의 맞물림 배치 외의 다른 방식이 제공되는 다른 실시예들에서도, 선택적으로 적어도 하나의 트랩 전극이 제공될 수 있다.
다른 바람직한 실시예들에서, 제 2 전기 절연 바디는 제 1 바디에 대해 실질적으로 동축으로 배치되고, 특히 제 1 바디 내로 적어도 부분적으로 돌출한다. 이로써, 전극들의 기능 영역들의 전술한 규정 외에, 유체, 예를 들어 배기 가스를 안내하기 위한 채널이 바람직하게 규정된다.
다른 바람직한 실시예들에서, 고전압 전극은 하기 구조들 중 적어도 하나의 구조를 포함한다: 바람직하게는 제 2 바디의 적어도 하나의 외부 표면 상에 배치되는 실질적으로 평면인 니들 전극 구조, 및 바람직하게는 제 2 바디의 적어도 하나의 외부 표면 상에 배치되며 외부 표면으로부터 돌출하는, 즉 외부 표면으로부터 튀어나오는 니들 전극 구조. 상기 두가지의 변형의 조합도 가능하다. 이러한 실시예들은 코로나 방전의 효율적인 생성을 가능하게 하고, 해당 전극 구조들이 동시에 간단히 제조될 수 있다.
다른 바람직한 실시예들에서, 제 2 바디는 제 1 바디의 하나의 또는 상기 내부 공간 내에 완전히 배치되고, 바람직하게는 상기 제 1 바디에 의해 홀딩되고, 이로써 특히 작은 구조가 얻어진다.
다른 바람직한 실시예들에서, 제 1 바디는 중공 실린더식 기본 형태의 벽 내에 적어도 하나의 개구를 가지고, 이로써 바람직하게는 유체, 특히 검출될 입자를 함유한 배기 가스 등이 입자 센서의 방사 방향 외부 주변으로부터 제 1 바디의 내부 공간 내에 도달할 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 고전압 전극을 구비하여 유체 흐름 내의 입자를 충전하기 위한 입자 충전 장치를 포함한 입자 센서의 제조 방법에 관한 것이다. 입자 센서는 유체 흐름으로부터의 입자에 의해 야기되는 충전 전류에 관한 정보를 검출하기 위한 적어도 하나의 센서 전극을 포함한다. 이 방법은 다음 단계들을 포함한다: 제 1 전기 절연 바디를 제공하는 단계, 제 1 전기 절연 바디 상에 센서 전극을 배치하는 단계, 제 1 전기 절연 바디와는 상이한 제 2 전기 절연 바디를 제공하는 단계, 및 제 2 전기 절연 바디 상에 고전압 전극을 배치하는 단계.
본 발명의 다른 특징들, 가능한 적용들 및 장점들은 도면들에 도시된 본 발명의 실시예들의 아래 설명에 제시된다. 설명되거나 또는 도시된 모든 특징들은 단독으로 또는 임의의 조합으로, 청구 범위 내의 그 통합 또는 그 인용과 상관 없이, 그리고 상세한 설명 또는 도면 내의 그 표현 형식 또는 그 도시와 상관 없이 본 발명의 대상을 형성한다.
도 1은 본 발명에 따른 입자 센서의 제 1 실시예의 개략적 단면도이고,
도 2a 및 도 2b는 각각 다른 실시예들에 따른 입자 센서의 세부 사항의 개략적 평면도이고,
도 3은 입자 센서의 다른 실시예의 개략적 단면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 방법의 실시예의 개략적 흐름도이고,
도 5는 목표 시스템 내의 도 1에 따른 입자 센서의 배치의 개략도이다.
도 1에는 본 발명에 따른 입자 센서(100)의 제 1 실시예의 단면도가 개략적으로 도시된다. 입자 센서(100)는 유체 흐름(A1) 내의 입자(P)를 충전하기 위한 입자 충전 장치(110)를 포함한다. 입자 충전 장치(110)는 코로나 방전(113)을 발생시키기 위해 비교적 큰 전위, 예를 들어 수백 볼트 또는 수 킬로 볼트가 인가될 수 있는 적어도 하나의 고전압 전극(112)을 포함한다. 고전압 전극(112)에는 기준 전위, 예를 들어 접지 전위(GND)와 연결될 수 있는 고전압 카운터 전극(114)이 할당 배치된다. 코로나 방전(113)은 바람직하게는 특히 고전압 전극(112)과 고전압 카운터 전극(114) 사이의 공간 영역에서 형성된다.
코로나 방전(113)은 고전압 전극(112) 둘레의 공간 영역 내의 유체 흐름 또는 배기 가스 흐름(A1, A1')으로부터 입자(P) 또는 일반적으로 미립자, 예를 들어 또한 가스를 충전 가능하게 한다. 이로써, 한편으로 입자(P)는 고전압 전극(112)을 둘러싸는 공간 영역을 통해 흐를 때 직접 하전된다. 다른 한편으로 입자는 가스 흐름 또는 배기 가스 흐름(A1, A1')의 하전된 미립자에 의해 하전되고, 가스 흐름 또는 배기 가스 흐름은 고전압 전극(112)의 공간 영역을 통해 흐를 때 직접 하전되었다. 이로써, 전체적으로 충전의 효율이 향상된다. 바람직한 실시예에서, 고전압 전극(112)은 적어도 하나의 니들 형태 전극 또는 팁을 가진다.
또한, 본 발명에 따르면, 입자 센서(100)는 입자 충전 장치(110)에 의해 충전된 배기 가스 흐름으로부터의 입자(P)에 의해 야기되는 충전 전류에 관한 정보를 검출하기 위한 적어도 하나의 센서 전극(120)을 포함한다.
본 발명에 따르면, 센서 전극(120)은 제 1 전기 절연 바디(102) 상에 배치되고, 고전압 전극(112)은 제 1 전기 절연 바디(102)와는 상이한 제 2 전기 절연 바디(104) 상에 배치된다. 즉, 입자 센서(100)는 제 1 전기 절연 바디(102) 및 이와는 상이한 제 2 전기 절연 바디(104)를 포함하고, 전극들(112, 120)은 각각 다른 바디들(104, 102)에 할당 배치되거나 또는 상기 바디들 상에 배치된다. 이로써 바람직하게는 고전압 전극(112)의 작동에 의해 센서 전극(120)에 매우 적은 영향이 미치므로, 본 발명에 따른 입자 센서의 정확도 및 감도가 종래의 구성에 비해 상당히 향상된다.
바람직한 실시예들에서, 제 1 바디(102)는 실질적으로 중공 실린더식으로, 바람직하게는 실질적으로 원형 링의 단면 형태로 형성되고, 즉 슬리브 형태를 가지고, 이는 하나 또는 다수의 전극을 제 1 바디(102)의 내부 표면(102a) 상에 배치하기 위한 바람직한 가능성을 제공한다.
다른 바람직한 실시예들에서, 고전압 전극(112)은 제 1 바디(102)의 내부 공간(I) 내에 적어도 부분적으로 배치되고, 특히 고전압 카운터 전극(114)은 제 1 바디(102)의 내부 표면(102a) 또는 내벽 상에 배치되므로, 입자가 특히 효율적이고 균일하게 충전된다. 따라서, 비교적 균일한 코로나 방전은 바람직하게는 적어도 거의 회전 대칭으로 (경우에 따라 개별 팁 구조를 제외하고) 형성된 고전압 전극(112) 둘레에 방사 방향으로 형성될 수 있다. 특히 바람직하게는 고전압 카운터 전극(114)은 링 전극으로서 형성되고, 즉 제 1 바디(102)의 내부 공간(I) 또는 내부 표면(102a)에 의해 규정된 원형 실린더의 재킷 면의 섹션에 실질적으로 상응한다.
다른 바람직한 실시예들에서, 적어도 하나의 센서 전극(120)은 제 1 바디(102)의 내부 표면(102a) 상에 배치된다. 예를 들어, 센서 전극(120)은 고전압 전극(114)과 실질적으로 유사하게, 내부 표면(102a) 상에 평평하게 직접 배치될 수 있다.
다른 바람직한 실시예들에서, 제 2 바디(104)는 제 1 축 방향 단부 영역(B1)에서 제 1 바디(102)의 내부 공간(I)의 최소 방사 방향 치수보다 작은 최대 방사 방향 외부 치수를 가진다. 이로써, 제 2 바디(104)는 적어도 부분적으로, 특히 그의 제 1 축 방향 단부 영역(B1)이 제 1 바디(102) 내로 축 방향으로 삽입될 수 있다. 예를 들어 제 2 바디(104)의 기본 형태가 실질적으로 원형 실린더식으로 형성되면 최대 방사 방향 외부 치수가 외경(D1)에 상응할 수 있고, 경우에 따라 제 1 바디(102)의 내부 공간(I)의 최소 방사 방향 치수는 내경(D2)에 상응한다. 이러한 구성에서, 2 개의 바디들(102, 104)의 적어도 부분적인 맞물림 배치에 의해 제 2 바디(104)의 방사 방향 외부 표면(104a)과 이의 반대편에 놓인 제 1 바디(102)의 방사 방향 내부 표면(102a) 사이에 기능 공간(FR)이 규정되고, 상기 기능 공간은 예를 들어 입자 충전 장치(110)의 전극들(112, 114)을 수용할 수 있다.
선택적으로, 비교적 가벼운 하전된 미립자(유체 흐름(A1, A1') 내에 함유된 가스의 이온)을 편향시키기 위한 하나 또는 다수의 트랩 전극도 상기 영역에 제공될 수 있다. 이로써, 검출될 입자에 붙어있지 않는 하전된 미립자가 센서 전극(120)에 도달하기 전에 포획되므로 충전 측정에 기여할 수 없게 된다. 여기서는 도 1에서 제 2 바디(104)의 외부 표면(104a) 상에 배치된 선택적 트랩 전극(130)이 파선으로 표시된다. 몇몇 실시예에서, 선택적 트랩 전극(130)에는 고전압 전극(112)과 동일한 전위가 인가되므로, 바람직하게는 트랩 전극 및 고전압 전극에 고전압에 상응하는 전위를 인가하기 위한 단일 전기 연결 라인만이 필요하다. 트랩 전극(130)을 위한 카운터 전극(132)은 바람직하게는 제 1 바디(102)의 내부 표면(102a) 상에, 구체적으로는 유체 흐름(A1)의 흐름 방향과 관련해서 더 상류에 놓인 입자 충전 장치(110)와 더 하류에 놓인 센서 전극(120) 사이에 배치된다.
다른 실시예들(도 1에 도시되지 않음)에서, 바람직하게는 제 2 바디(104)의 외부 표면(104a) 상에 배치되는 예를 들어 단일 전극 표면에 의해 고전압 전극(112)과 트랩 전극(130)이 기능적으로 통합될 수도 있다. 이 경우에도, 서로 분리된 전기 절연 바디들(102, 104) 상의 배치에 의해 구현되는, 본 발명에 따라 제안된 센서 전극(120)으로부터 고전압 전위가 인가될 수 있는 또는 인가된 전극들(112, 130)의 분리가 바람직하게 유지된다.
맞물림 배치가 제공되지 않거나 또는 앞서 예시적으로 설명된 2 개의 바디들(102, 104)의 맞물림 배치 외에 다른 방식이 제공되는 다른 실시예들(역시 도시되지 않음)에서도 적어도 하나의 트랩 전극이 선택적으로 제공될 수 있다.
다른 바람직한 실시예들에서, 제 2 전기 절연 바디(104)는 제 1 바디에 대해 실질적으로 동축으로 배치되고, 도 1에 예시적으서 도시되듯이, 특히 제 1 바디(102) 내로 적어도 부분적으로 돌출한다. 여기서는 제 2 바디(104)의 제 1 축 방향 단부 영역(B1)은 제 1 바디(102)의 내부 공간(I) 내로 돌출하는 반면, 제 2 바디(104)의 제 2 축 방향 단부 영역(B2)은 내부 공간(I) 내로 돌출하지 않고, 경우에 따라 제 1 외경(D1)보다 큰 외경을 가진다. 이로써, 전극들(112, 114, 130)을 위한 기능 영역 또는 기능 공간(FR)의 전술한 규정 외에, 유체, 예를 들어 배기 가스를 안내하기 위한 채널(K)이 바람직하게 규정된다. 입자 센서(100)로부터 나오는 유체는 도면 부호 A2로 표시된다.
다른 실시예들에서, 선택적 차폐 전극(140)은 예를 들어 그리드 전극의 형태로 제공되고, 바람직하게는 입자 충전 장치(110)와 센서 전극(120) 사이에 배치된다. 선택적 트랩 전극(130)이 제공되면, 도 1에 개략적으로 도시되듯이, 선택적인 차폐 전극(140)도 바람직하게는 선택적 트랩 전극(130)과 센서 전극(120) 사이에 배치된다. 차폐 전극(140)은 더 상류에 배치된 구성 요소들에 의해 발생하는 전기장(예를 들어 코로나 방전(113)에 의해 생성된 전기장)으로부터 센서 전극(120)을 차폐하는데 바람직하게 사용될 수 있다.
특히 바람직하게는 몇몇 실시예에서 입자 센서가 실질적으로 회전 대칭으로 형성되고, 이로써 목표 시스템 내의 설치 각도에 대한 감도가 감소된다.
도 2a 및 도 2b의 평면도를 참조로 아래에서 상세히 설명되는 다른 바람직한 실시예에서, 고전압 전극(112)(도 1)은 다음 구조들 중 적어도 하나의 구조를 갖는다: 바람직하게는 제 2 바디(104)의 외부 표면(104a) 상에 배치된 실질적으로 평면인 니들 전극 구조(1120, 도 2a), 및 바람직하게는 제 2 바디(104)의 외부 표면(104a) 상에 배치되며 특히 수직으로 (여기에서 도 2b의 도면 평면에 대해 수직으로) 외부 표면(104a)으로부터 돌출하는, 즉 외부 표면으로부터 튀어나오는 니들 전극 구조(1122, 도 2b). 상기 두가지의 변형들의 조합들도 가능하다. 이러한 실시예들은 코로나 방전의 효율적인 생성을 가능하게 하고, 해당 전극 구조들은 동시에 간단하게 제조될 수 있다. 도 2a 및 2b에 따른 평면도는 입자 센서(100)의 방사 방향 내부 방향으로, 특히 제 2 바디(104)의 외부 표면(104a) 상으로의 시선으로 도시하고, 각각의 고전압 카운터 전극(114)의 일부가 추가로 개략적으로 도시된다. 도 2b에는 니들 전극 구조(1122)를 가진 고전압 전극을 위한 전기 연결 라인(110')이 추가로 개략적으로 도시된다.
실시예에서, 도 2a에 따른 니들 전극 구조(1120)는 예를 들어 스크린 인쇄, 특히 백금 스크린 인쇄에 의해, 즉 제 2 바디(104) 상으로의 인쇄에 의해 제조될 수 있다. 다른 실시예들에서, 니들 전극 구조(1120)는 대안으로서 또는 추가로 인몰드 라벨링 방법에 의해 제조될 수 있고, 이로써 생산이 더 단순화되고 비용상 더 저렴해진다.
몇몇 실시예에서 니들 전극 구조(1120)는 니들 팁들(가장 작은 곡률 반경을 가진 니들 전극 구조의 영역들)이 특히 입자 센서의 길이 방향 축에 대해 바람직하게는 가능한 정확히, 실질적으로 고전압 카운터 전극(114)의 영역에서 끝나도록 성형되므로, 코로나 방전(113)이 정확히 이 지점에서 발생한다.
실시예에서, 도 2b에 따른 니들 전극 구조(1122)는, 예를 들어, 제 2 바디(104) 상에, 예를 들어 인몰드 라벨링 공정에 의해 제조된 전극 영역들의 하부에 "니들 형태"를 상응하게 3D(3 차원) 성형함으로써 및/또는 그 외에 평평한 전극 영역들 상에 "니들"을 후속 부착함으로써 형성된다. 예를 들어, 내부 바디(104)에 또는 상에 니들 팁들을 가진 링형의 도전성(예를 들어, 금속의) 요소의 부착 및 고전압에 상응하는 전위를 공급하기 위한 연결 라인에 대한 그 전기 접속도 가능하다.
도 3에는 제 2 바디(104')가 도 1에 따른 구성(100)에서와 다르게 형성된 입자 센서의 다른 실시예(100a)의 단면도가 개략적으로 도시되고, 도 3에 따른 실시예(100a)에서 제 2 바디(104')는 제 1 바디(102)의 내부 공간(I) 내에 특히 완전히 배치되므로, 특히 작은 구조가 얻어진다. 제 2 바디(104')는 바람직하게는 또한 제 1 바디(102)에 의해 홀딩되고, 이로써 특히 간단한 구성이 얻어진다. 여기서는 제 1 바디(102)에 의해 형성된 외부의, 예를 들어 세라믹 캐리어가 도 3에서 실질적으로 수평으로 "연속적으로" 형성된다(예를 들어, 목적 시스템 내에 설치를 가능하게 하고 여기에서 예를 들어 제 1 바디(102)의 도 3에서 볼 때 좌측 단부 상에 제공될 수 있을 도시되지 않은 마운팅 소켓에까지).
다른 바람직한 실시예들에서, 제 1 바디(102)는 중공 실린더식 기본 형태의 벽(102') 내에 적어도 하나의 개구(1022)를 가지므로, 바람직하게는 유체, 특히 검출될 입자(P')를 함유한 배기 가스 등이 특히 입자 센서(100a)의 주변(U)으로부터 제 1 바디(102)의 내부 공간(I) 내에 도달할 수 있다. 선택적으로, 실질적으로 튜브형인 가이드 요소(1020), 특히 가이드 플레이트도 제 1 바디(102)의 방사 방향 외부에 배치될 수 있고, 유체 또는 또는 유체 흐름(A1, A1')을 주변(U)으로부터 내부 공간(I) 내로 개구들(1022)을 통해 안내한다.
도 3에 도시된 구성(100a)에서, 도 1에 따른 구성(100)과의 다른 차이점으로서, 조합된 고전압 전극과 트랩 전극(112a)이 제공되고, 상기 조합된 고전압 전극과 트랩 전극에는 비교적 큰 전위가 인가될 수 있고 예를 들어 니들 구조들(1120, 1122)을 포함할 수 있으므로, 조합된 고전압 전극과 트랩 전극(112a)과 상응하는 카운터 전극(1140) 사이에 코로나 방전이 형성될 수 있다. 카운터 전극(1140)은 바람직하게는 제 1 바디(102)의 내부 표면(102a) 상에 배치된다.
몇몇 실시예에서, 조합된 고전압 전극과 트랩 전극(112a)은 예를 들어 제 2 바디(104')의 방사 방향 내부 개구 내로 삽입 가능한 예를 들어 별개의 구성 요소, 특히 금속 전도성 요소 또는 금속 전도성 표면을 가진 요소로서도 형성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 적어도 하나의 고전압 전극 및 적어도 하나의 트랩 전극을 구현하기 위한 다수의 전극들도 제공될 수 있다. 이 경우, 예를 들어, 다른 전기 절연 요소가 제 2 바디(104') 내에 제공되거나 또는 배치될 수 있다.
센서 전극(120)을 위한 전기 연결 라인(120')이 바람직하게는 제 1 바디(102)의 내부 표면(102a) 상에 배치되므로 "고전압 구성 요소들"(112a, 1120, 1122)로부터 공간적으로 분리된다. 카운터 전극(1140)을 위한 전기 연결 라인(1140)은 유사한 방식으로 내부 표면(102a) 상에 배치될 수 있다. 특히, 센서 전극의 공급 라인은 카운터 전극(1140)의 하부에서 절연된 상태로 연장되고(예를 들어, 다층 스크린 인쇄 구조들에 의해 제조), 상기 카운터 전극에 의해 코로나 방전에 의한 간섭으로부터 차폐된다.
도 3에 따른 구성(100a)의 다른 중요한 장점은 홀더 또는 마운팅 소켓에 대한 전기 연결 라인 또는 공급 라인의 연속을 위한 2 개의 바디들(102, 104') 사이의 전기 접촉이 필요하지 않고, 이로써 구조가 더욱 단순화된다.
본 발명의 다른 관점은 예를 들어 전술한 실시예들에 따른 입자 센서(100, 100a)의 제조 방법을 대상으로 하고, 이는 도 4에 따른 간략화된 흐름도를 참조하여 설명된다. 이 방법은 다음 단계들을 포함한다: 제 1 전기 절연 바디(102)를 제공하는 단계(200)(도 1, 예를 들어 세라믹 사출 성형을 사용하여), 제 1 전기 절연 바디(102) 상에 센서 전극(120)을 배치하는 단계(202)(도 4), 제 1 전기 절연 바디(102)와는 상이한 제 2 전기 절연 바디(104)를 제공하는 단계(204), 및 제 2 전기 절연 바디(104) 상에 고전압 전극(112)을 배치하는 단계(206).
도 5는 여기에서는 차량의 내연 기관의 배기관(R)인 목적 시스템 내의 도 1에 따른 입자 센서(100)의 배치가 개략적으로 도시된다. 입자 센서(100)는 방사 방향 외부 제 1 튜브(R1) 및 방사 방향 내부 제 2 튜브(R2)를 포함하는 보호 튜브 어셈블리 내에 배치되고, 상기 제 2 튜브는 도 5에 도시되듯이 방사 방향으로 제 1 튜브(R1)의 내부에 그리고 경우에 따라 제 1 튜브(R1)에 대해 부분적으로 축 방향으로 오프셋되게 배치된다. 튜브들(R1, R2)의 길이 및 배치가 서로 상이하기 때문에, 벤투리 효과에 의해, 배기관(R) 내의 배기 가스 흐름(A)이 유체 흐름(P1 또는 A1(도 1))을 내부 튜브(R1)로부터 도 5에서 수직 방향으로 상부로 일으키는 흡입이 달성된다. 다른 화살표들(P2, P3, P4)은 상기 2 개의 튜브들(R1, R2) 사이의 중간 공간을 통해 보호 튜브 어셈블리의 주변(U')까지 벤투리 효과에 의해 일어난 이러한 유체 흐름의 연속을 나타낸다. 전체적으로, 도 5에 도시된 배치에 의해 입자 센서(100)의 비교적 균일한 유입이 이루어지고, 이로써, 유체 흐름(P1) 내에 있는 입자가 효율적으로 검출될 수 있다. 또한, 입자 센서(100)는 메인 배기 가스 흐름(A)과의 직접적인 접촉으로부터 보호된다. 이로써, 요소들(100, R1, R2)에 의해 배기 가스(A) 내의 입자 농도를 결정하기 위한 센서 장치(1000)가 바람직하게 제시된다.
다른 바람직한 실시예들에서, 방사 방향 외부 튜브(R2)의 기능은 예를 들어 도 3에 따른 튜브형 가이드 요소(1020)에 의해서도 구현될 수 있고, 도 3에 따른 입자 센서(100a)의 제 1 바디(102)는 바람직하게는 내부 튜브(R1)의 기능을 할 수 있으므로, 구조가 더 단순화된다. 이러한 실시예들에서, 먼저 입자가 충전되고 그 후 그 충전이 측정되는 입자 센서의 내부 공간(I, 도 3) 내로 입자 함유 유체(예를 들어 배기 가스)가 유입될 수 있도록, 하나 또는 다수의 개구들(1022)이 둘러싸게 또는 링형으로 제 1 바디(102) 내에 제공되는 것이 더 바람직하다.
실시예들에 따른 입자 센서(100, 100a)의 작동 원리는 측정될 입자(P, 도 1), 특히 그을음(soot) 입자의 전기적 충전 및 센서 전극(120)에 의한 이러한 충전의 후속 검출에 기초한다. 입자 센서는 바람직하게는 예를 들어 자기 점화 내연 기관의 디젤 입자 필터를 모니터링하기 위해 사용될 수 있다. 입자 센서에 의해 예를 들어 그을음 입자(P)의 질량 농도(mg/m3 또는 mg/mi) 및/또는 개수 농도(입자/m3 또는 입자/mi)가 결정될 수 있다. 종래의 시스템에서 일부 적용 목적에 있어서 불충분한 정확도로 이루어질 수 있기 때문에, 몇몇 실시예에 따른 개수 농도의 측정의 가능성이 특히 바람직하다.
다른 실시예들에서, 입자 센서는 입자 방출을 검출하기 위해 예를 들어 스파크 점화 내연 기관을 가진 차량, 예를 들어 "가솔린 차량"에도 사용될 수 있다. 바로 그점에서, 예를 들어, 차량 또는 내연 기관의 시동 후 신속하게 측정 가능한 것이 중요한데, 왜냐하면 콜드 스타트 동안 입자의 대부분이 생성되기 때문이다. 가솔린 차량의 경우, 미세 입자(낮은 질량, 높은 개수)로 인해 입자 개수 측정 가능성이 특히 중요하다.
이러한 관점에서, 실시예들에 따른 입자 센서는 현재 시장에서 이용 가능한 종래의 자동차 센서(온보드)가 입자 개수를 신뢰성 있게 측정할 수 없기 때문에 특히 바람직하다.
이미 전술되듯이, 본 발명에 따른 입자 센서의 바람직한 실시예는 사전에 충전된 그을음 입자(P)의 전기적 충전(또는 상응하는 전류)의 검출에 기초한다(도 1). 충전은 바람직하게는 공기, 또는 입자를 함유하는 유체 흐름(A1) 내의 코로나 방전에 의해 이루어지고, 충전의 측정은 예를 들어 "탈출 전류" 원리에 의해 또는 충전 영향(센서 전극(120)에 의해 입자의 충전 또는 상응하는 전류를 특성화하는 측정 신호의 검출)에 의해 이루어진다. 몇몇 실시예들에 따르면, 입자 센서는 디젤 입자 필터의 상태의 법적으로 규정된 ODB(온보드 진단) 모니터링에 특히 바람직하게 사용될 수 있다.
엔진 제어를 최적화하기 위한 디젤 입자 필터의 앞(즉, 디젤 입자 필터의 상류)에서 배기 시스템 내에 사용과 같은 다른 적용 분야도 가능하다. 지금까지의 저항 원리(그을음을 통해 흐르는 전류의 측정)로는 가능하지 않았던, 훨씬 더 높은 감도(최소 측정 가능한 입자 또는 그을음 농도)가 새로운 측정 원리에 의해 달성된다. 본 발명에 따라 가능한 훨씬 더 빠른 측정 속도(측정 당 몇 분에 비해 초당 1 회 이상 측정) 및 입자 개수 측정의 가능성은 입자 센서(100, 100a)의 큰 장점이다. 이로써 GPF(가솔린 차량용 입자 필터) 모니터링을 위해 가솔린 차량에 사용도 가능하다. 특히, 더 빠른 측정 속도는 엔진 작동 지점과 원시 측정 신호의 상관 관계도 허용하고, 이로써 데이터 평가가 개선되어 센서 정확도가 향상된다.
본 실시예(100, 100a)의 원리는 센서 전극(120) 및 그 공급 라인에 대한 고전압 전극 및 고전압 공급 라인의 간섭 영향을 감소시키려는 과제를 해결한다. 이를 위해, 예를 들어 세라믹 재료로 이루어진 바디들인 2 개의 분리된 바디들(102, 104)을 가진 전술한 디자인이 제안된다. 바람직하게는 바디들(102, 104)은 세라믹 사출 성형(CIM)에 의해, 특히 인몰딩 라벨링에 의해 제조될 수 있고, 이는 낮은 생산 비용으로 비교적 복잡한 기하학적 형태를 허용한다.
여기에 제안된 개념은 다른 구조에 비해 몇몇 다른 장점을 더 가진다. 2 개의 상이한 바디들 또는 캐리어들(102, 104) 상으로 고전압 요소와 저전압 요소를 분리하거나 또는 분배함으로써 입자 센서의 감도 및 정확도에 대한 장점이 얻어진다. 바람직한 실시예들에서 허용되는 링형으로 배치된 코로나 방전에 의해, 충전된 그을음 입자의 양이 증가하여(효율 단면이 더 커짐) 센서의 감도가 향상된다. 링형 배치에 의해 설치 각도(도 5 참조)에 대한 입자 센서(100, 100a)의 감도가 추가로 크게 감소되고, 이로써 목표 시스템(1000)에서의 조립이 단순화된다. 이는 바람직한 실시예에서 링형 트랩 전극들(130, 132) 및 그 전계에도 적용되므로, 트래핑의 균일성(비교적 가벼운 하전된 미립자들의 포착)이 개선된다.
실시예들에 따른 입자 센서는, 예를 들어 승용차 또는 상용차의 디젤 입자 필터의 상태를 온보드 모니터링하기 위한 센서로서 사용될 수 있다. 이 개념은 방출된 입자의 질량 농도(mg/m3 또는 mg/mi) 및 개수 농도(입자/m3 또는 입자/mi)를 결정할 수 있게 한다. 실시예들에 따른 입자 센서는 또한 가솔린 차량에서 입자 필터의 상태 모니터링에도 사용될 수 있다. 다른 적용(실내 공기 질, 연소 플랜트(개인, 산업)의 배출)에서 입자 농도를 결정하기 위한 센서의 사용도 가능하다.
100, 100a 입자 센서
102 제 1 전기 절연 바디, 제 1 바디
102a 내부 표면
102' 벽
104, 104' 제 2 전기 절연 바디, 제 2 바디
104a 외부 표면
110 입자 충전 장치
112 고전압 전극
114 카운터 전극
120 센서 전극
200, 202, 204, 206 단계
1022 개구
1120, 1122 니들 전극 구조
A1 유체 흐름
B1 제 1 축방향 단부 영역
D1 최대 방사 방향 외부 치수
D2 최소 방사 방향 치수
I 내부 공간
P 입자

Claims (11)

  1. 고전압 전극(112)을 구비하여 유체 흐름(A1) 내의 입자(P)를 충전하기 위한 입자 충전 장치(110), 및 상기 유체 흐름(A1)으로부터의 입자(P), 특히 하전된 입자에 의해 야기되는 충전 전류에 관한 정보를 검출하기 위한 적어도 하나의 센서 전극(120)을 포함하는 입자 센서(100; 100a)에 있어서,
    상기 센서 전극(120)은 제 1 전기 절연 바디(102) 상에 배치되고, 상기 고전압 전극(112)은 상기 제 1 전기 절연 바디(102)와는 상이한 제 2 전기 절연 바디(104; 104') 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 입자 센서(100; 100a).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 바디(102)는 실질적으로 중공 실린더식으로 형성되는, 입자 센서(100; 100a).
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 바디(102)는 실질적으로 원형 링의 단면 형태를 가진, 입자 센서(100; 100a).
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 고전압 전극(112)은 상기 제 1 바디(102)의 내부 공간(I) 내에 적어도 부분적으로 배치되고, 상기 고전압 전극(112)을 위한 카운터 전극(114)은 상기 제 1 바디(102)의 내부 표면(102a)에, 특히 상기 내부 표면(102a) 상에 배치되는, 입자 센서(100; 100a).
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서 전극(120)은 상기 제 1 바디(102)의 하나의 또는 상기 내부 표면(102a)에, 특히 상기 내부 표면(102a) 상에 배치되는, 입자 센서(100; 100a).
  6. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 바디(104)는 제 1 축 방향 단부 영역(B1)에서 상기 제 1 바디(102)의 하나의 또는 상기 내부 공간(I)의 최소 방사 방향 치수(D2)보다 작은 최대 방사 방향 외부 치수(D1)를 가지는, 입자 센서(100; 100a).
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 전기 절연 바디(104; 104')는 상기 제 1 바디(102)에 대해 실질적으로 동축으로 배치되고, 특히 상기 제 1 바디(102) 내로 적어도 부분적으로 돌출하는 입자 센서(100; 100a).
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고전압 전극(112)은 바람직하게는 상기 제 2 바디(104)의 적어도 하나의 외부 표면(104a) 상에 배치되는 실질적으로 평면인 니들 전극 구조(1120), 및 바람직하게는 상기 제 2 바디(104)의 적어도 하나의 외부 표면(104a) 상에 배치되고 상기 외부 표면(104a)으로부터 돌출하는 니들 전극 구조(1122) 중 적어도 하나의 구조를 포함하는, 입자 센서(100; 100a).
  9. 제 2 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 바디(104)는 상기 제 1 바디(102)의 하나의 또는 상기 내부 공간(I) 내에 완전히 배치되는, 바람직하게는 상기 제 1 바디에 의해 홀딩되는, 입자 센서(100; 100a).
  10. 제 2 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 바디(102)는 중공 실린더식 기본 형태의 벽(102') 내에 적어도 하나의 개구(1022)를 포함하는, 입자 센서(100; 100a).
  11. 고전압 전극(112)을 구비하여 유체 흐름(A1) 내의 입자(P)를 충전하기 위한 입자 충전 장치(110), 및 상기 유체 흐름(A1)으로부터의 입자에 의해 야기되는 충전 전류에 관한 정보를 검출하기 위한 적어도 하나의 센서 전극(120)을 포함하는 입자 센서(100; 100a)의 제조 방법에 있어서,
    제 1 전기 절연 바디(102)를 제공하는 단계(200), 상기 제 1 전기 절연 바디(102) 상에 상기 센서 전극(120)을 배치하는 단계(202), 상기 제 1 전기 절연 바디(102)와는 상이한 제 2 전기 절연 바디(104; 104')를 제공하는 단계(204), 및 상기 제 2 전기 절연 바디(104; 104') 상에 상기 고전압 전극(112)을 배치하는 단계(206)를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 센서(100; 100a)의 제조 방법.
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