WO2016175022A1 - 粒子状物質検出センサ - Google Patents

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田村　昌之
真宏 山本
豪 宮川
弘宣 下川
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    • G01N2015/0042—Investigating dispersion of solids
    • G01N2015/0046—Investigating dispersion of solids in gas, e.g. smoke

Definitions

  • the present invention relates to a particulate matter detection sensor for detecting the amount of particulate matter contained in exhaust gas.
  • the exhaust pipe of the internal combustion engine is provided with an exhaust gas purification device that collects particulate matter (PM) contained in the exhaust gas.
  • This exhaust gas purification device includes a particulate matter detection device having a particulate matter detection sensor that detects the amount of particulate matter contained in the exhaust gas, and based on information obtained by this particulate matter detection device, Failure detection of the exhaust gas purification device is performed.
  • Patent Document 1 As a particulate matter detection sensor used in an exhaust gas purification apparatus, for example, there is one disclosed in Patent Document 1.
  • the particulate matter detection sensor of Patent Document 1 has a substrate having electrical insulation and a detection electrode formed on the surface of the substrate. A plurality of ridges are formed on the substrate so as to straddle the detection electrodes.
  • the particulate matter detection sensor of Patent Document 1 having the above configuration has the following problems. That is, when the exhaust gas discharged from the internal combustion engine into the exhaust pipe reaches the particulate matter detection sensor, the particulate matter contained in the exhaust gas collides and is collected on the substrate of the particulate matter detection sensor. However, when the collision speed of the particulate matter is high, the collided particulate matter may not be rebounded and collected from the substrate surface. In particular, in the ridge portion formed on the substrate, since there is a distance between the surface of the ridge portion and the detection electrode, the collection voltage hardly acts, and the particulate matter is likely to rebound. Therefore, the particulate matter detection sensor having the conventional structure has a problem that the collection efficiency of the particulate matter is lowered and sufficient detection sensitivity cannot be obtained.
  • the present invention has been made to solve such a conventional problem, and provides a particulate matter detection sensor having a structure capable of improving the detection sensitivity of particulate matter.
  • the particulate matter detection sensor includes an element body that detects the amount of particulate matter contained in the exhaust gas discharged from the internal combustion engine. Further, one of the end faces of the element main body is provided with a depositing part for depositing a part of the particulate matter, and at least a pair of detection electrodes arranged in the depositing part. And according to the quantity which the said particulate matter deposited on the said to-be-deposited part, it is comprised so that the electrical signal which changes according to the change of the electrical property between said pair of detection electrodes may be output.
  • the deposition portion is characterized in that a collection concave portion having a depression shape as viewed from the end surface where the deposition portion is formed is formed.
  • the particulate matter detection sensor having the above-described configuration includes the collection recess, the particulate matter that collides with the deposition portion can be efficiently collected. That is, even if the particulate matter that has entered the collection recess collides with the inner peripheral surface of the collection recess and bounces back, the collection recess is formed to be recessed from the end face of the element body. For this reason, the particulate matter that has bounced back easily collides with the inner peripheral surface of the collection recess. At this time, the collision speed of the particulate matter decelerates when it first collides with the collection recess.
  • the collection efficiency in the portion to be deposited can be improved by providing the collection recess.
  • a particulate matter detection sensor capable of improving the detection sensitivity of particulate matter can be provided.
  • the detection electrode of the particulate matter detection sensor has an outer electrode portion formed outside the collecting recess and an inner electrode portion formed inside the collecting recess.
  • the outer electrode portion and the inner electrode portion are preferably electrically connected on the element surface.
  • the particulate matter is detected outside the collection concave portion, and the inner electrode portion is formed in the collection concave portion where the collection efficiency of the particulate matter is high.
  • the probability of re-collision of the particulate matter to the part can be increased and the collection efficiency can be improved. Thereby, the detection sensitivity in the said particulate matter detection sensor can be improved.
  • a protective cover is provided to cover the periphery of the deposited portion, and an introduction hole for introducing exhaust gas is formed through the protective cover. It is preferable that exhaust gas is introduced through the introduction hole to form a flow of exhaust gas toward the collection recess. In this case, the exhaust gas containing the particulate matter can be efficiently supplied to the deposition portion. In addition, since the flow direction of the exhaust gas is determined, the collection efficiency can be further improved by forming the collection recess according to the flow direction.
  • the collecting recess has a circular arc cross-sectional shape in a plane orthogonal to the direction in which the pair of detection electrodes are arranged.
  • the formation angle of the inner peripheral surface gradually changes. Therefore, the particulate matter that collides from a plurality of directions can be efficiently collected.
  • the collection recesses are formed in the deposition target portion.
  • the amount of collection can be increased by forming a plurality of the above-described collection recesses.
  • the particulate matter detection sensor 1 includes an element main body 10 that detects the amount of particulate matter contained in the exhaust gas discharged from the internal combustion engine.
  • a deposition portion 13 for depositing a part of the particulate matter and at least a pair of detection electrodes 14 arranged in the deposition portion 13 are provided.
  • the particulate matter detection sensor 1 is configured to change the output of an electrical signal in accordance with a change in electrical characteristics between the pair of detection electrodes 14 due to the particulate matter being deposited on the deposition target portion 13.
  • a collection recess 131 that is recessed from an end surface where the deposition portion 13 is formed is formed in the deposition portion 13.
  • the particulate matter detection sensor 1 according to the first embodiment is for detecting particulate matter contained in exhaust gas discharged through an exhaust pipe from an internal combustion engine mounted on an automobile. Based on the information obtained by the particulate matter detection sensor 1, failure detection of the exhaust gas purification device is performed.
  • the particulate matter detection sensor 1 includes an element body 10, a protective cover 2, and a housing member (not shown) that holds them.
  • the element main body 10 has a substantially rod shape with a deposition target portion 13 for depositing particulate matter in the exhaust gas on the tip surface.
  • the deposited portion 13 includes nine insulating members 12 made of an insulating material and eight detection electrodes 14 disposed between the insulating members 12.
  • the number of insulating members 12 and detection electrodes 14 is not particularly limited to the number described above.
  • the number of detection electrodes 14 may be two or more, and the number of insulating members 12 may be the number of detection electrodes 14. The number of +1 is sufficient.
  • the output current of the particulate matter detection sensor 1 is the sum of the output currents flowing between the pairs of detection electrodes 14. Therefore, the detection sensitivity improves as the number of pairs of detection electrodes 14 increases.
  • the insulating member 12 is made of a ceramic material such as alumina, zirconia, magnesia, or beryllia formed in a flat plate shape.
  • the detection electrode 14 is formed on one surface of the insulating member 12 before firing by screen printing using a conductive paste such as platinum paste, copper paste, or silver paste.
  • the formation method of the detection electrode 14 is not limited to the above, and any method that can form an electrode pattern such as gravure printing or inkjet printing may be used.
  • the manufacturing method of the laminated portion 11 is not limited to the above method.
  • the plurality of detection electrodes 14 are formed on the insulating members having a size corresponding to the number of the plurality of insulating members 12 illustrated in FIG.
  • the laminated portion 11 may be formed by dividing into a plurality of pieces by cutting and firing each piece. According to this formation method, the number of steps when manufacturing a plurality of particulate matter detection sensors 1 can be omitted.
  • the stacked portion 11 positive electrodes and negative electrodes are alternately arranged, and adjacent detection electrodes 14 form a pair of detection electrodes 14.
  • the deposited portion 13 is formed by exposing the vicinity of the end portion of the detection electrode 14 to the distal end surface disposed on the distal end side in the axial direction of the particulate matter detection sensor 1.
  • a collecting recess 131 that is recessed from the tip surface is formed on the tip surface on which the portion to be deposited 13 is formed.
  • the collection recess 131 is formed by two inclined surfaces 132 that are inclined toward the base end side from both end portions toward the center in the width direction orthogonal to both the stacking direction and the axial direction of the stacking portion 11.
  • the detection electrode 14 is exposed on the two inclined surfaces 132.
  • the collection recess 131 of the particulate matter detection sensor 1 according to the first embodiment is formed by laminating and baking the insulating member 12 and then cutting the tip surface.
  • the method for forming the collection recess 131 is not limited to the above-described method.
  • the collection recess 131 may be formed by punching or cutting in the state of the insulating member 12 before lamination on which the detection electrode 14 is formed.
  • it may be formed by cutting or cutting after lamination and before firing.
  • the waviness or distortion of the collection recess 131 caused by the firing shrinkage difference between the insulating member 12 and the detection electrode 14 can be corrected simultaneously.
  • the current value output from the particulate matter detection sensor 1 changes.
  • the current value output from the particulate matter detection sensor 1 changes according to the amount of particulate matter deposited in the portion 13 to be deposited, and has information on the amount of particulate matter deposited.
  • the current detected by the element body 10 is output to a control unit (not shown) provided with a shunt resistor.
  • the control unit outputs a voltage calculated by the product of the current value and the shunt resistance. This voltage becomes the output of the particulate matter detection sensor 1.
  • the protective cover 2 has an inner cover 21 and an outer cover 22 disposed on the outer peripheral side of the inner cover 21.
  • the inner cover 21 has a cylindrical inner wall 211 that surrounds the element body 10 and an inner bottom 212 formed at the tip of the inner wall 211.
  • the inner cover 21 is caulked and fixed to the front end surface (not shown) of the housing member.
  • An inner introduction hole 214 is formed in the inner wall portion 211.
  • the inner diameter of the inner introduction hole 214 is circular, and is formed so as to be equally spaced in the circumferential direction of the inner wall portion 211 when viewed from the axial direction. Further, the inner introduction hole 214 is formed at a position closer to the tip side than the portion 13 to be deposited of the element body 10.
  • An inner discharge hole 215 penetrating in the axial direction is formed at the center of the inner bottom portion 212.
  • the outer cover 22 has a cylindrical outer wall portion 221 that surrounds the protective cover 2 and an outer bottom portion 222 formed at the tip of the outer wall portion 221.
  • the outer cover 22 is caulked and fixed to the front end surface of the housing member together with the inner cover 21.
  • An outer introduction hole 224 is formed in the outer wall portion 221.
  • the inner diameter of the outer introduction hole 224 is circular, and when viewed from the axial direction, the outer introduction hole 224 is formed at equal intervals in the circumferential direction of the outer wall portion 221, and each outer introduction hole 224 and each inner introduction hole 214 is formed at a position overlapping in the radial direction.
  • the outer introduction hole 224 is formed at a position closer to the tip than the inner introduction hole 214.
  • An outer discharge hole 225 penetrating in the axial direction is formed at the center of the outer bottom portion 222.
  • the exhaust gas G introduced from the plurality of outer introduction holes 224 is introduced into the inner cover 21 from the inner introduction hole 214 after changing the introduction direction. It is comprised so that. That is, the exhaust gas flowing into the outer cover 22 from the outer introduction hole 224 along the flow direction of the exhaust gas flowing through the exhaust pipe collides with the inner wall portion 211 of the inner cover 21, thereby causing the inner wall portion 211. The introduction direction is changed along Then, the air flows through the gap between the inner cover 21 and the outer cover 22 and flows into the inner cover 21 from the inner introduction hole 214. At this time, the portion to be deposited 13 is arranged in the flow of exhaust gas flowing into the inner cover 21, and the flow of exhaust gas toward the portion to be deposited 13 is formed.
  • the particulate matter detection sensor 1 includes a collection recess 131 having the above-described structure. Therefore, the particulate matter that collides with the portion 13 to be deposited can be efficiently collected. That is, even if the particulate matter that has entered the collection recess 131 collides with the inner peripheral surface of the collection recess 131 and bounces back, the collection recess 131 is formed so as to be recessed from the end surface of the element body 10. Therefore, the particulate matter that has bounced back easily collides with the inner peripheral surface of the collection recess 131 again.
  • the collision speed of the particulate matter is reduced when it first collides with the collection recess 131. Therefore, when the rebounded particulate matter collides with the inner peripheral surface of the collecting recess 131 again, it tends to adhere to the inner peripheral surface of the collecting recess 131. Therefore, the collection efficiency in the portion 13 to be deposited can be improved by providing the collection recess 131.
  • the protective cover 2 having an inner cover 21 and an outer cover 22 that cover the periphery of the portion 13 to be deposited is provided.
  • the protective cover 2 is formed with an introduction hole through which exhaust gas is introduced, and is configured to form a flow of exhaust gas toward the collection recess 131 by introducing the exhaust gas through the introduction hole. Therefore, exhaust gas containing particulate matter can be efficiently supplied to the portion 13 to be deposited. Moreover, since the distribution direction of the exhaust gas is determined, the collection efficiency can be further improved by forming the collection recess 131 in accordance with the distribution direction.
  • the particulate matter detection sensor 1 having excellent detection sensitivity can be easily manufactured.
  • the particulate matter detection sensor 1 that can improve the detection sensitivity of the particulate matter can be provided.
  • the particulate matter detection sensor 1-1 according to Example 2 will be described with reference to FIG.
  • the structure of the particulate matter detection sensor 1-1 according to the second embodiment is an example in which the structure of the particulate matter detection sensor 1 of the first embodiment is partially changed.
  • the collection recess 131-1 formed in the deposition target portion 13-1 has a curved surface in which a cross-sectional shape in a cross section perpendicular to the stacking direction is an arc shape. There is no.
  • Other configurations are the same as those of the first embodiment.
  • the collecting recess 131-1 has an arc shape in cross section in a plane orthogonal to the direction in which the pair of detection electrodes 14 are arranged.
  • the angle of the inner peripheral surface gradually changes. Therefore, the particulate matter that collides from a plurality of directions can be efficiently collected. Thereby, the detection sensitivity of particulate matter can be further improved.
  • the same reference numerals as those used in the particulate matter detection sensor 1 according to the first embodiment are particularly used. Unless otherwise indicated, the configuration and operation are the same as those of the first embodiment.
  • the particulate matter detection sensor 1-2 according to Example 3 is an example in which the structure of the particulate matter detection sensor 1 according to the first embodiment is partially changed.
  • the collection portion 13-2 includes three collection recesses 131-2.
  • Each collection recess 131-2 has a recess bottom surface 133 formed at a position recessed from the distal end surface to the proximal end side, and a pair of recess side surfaces 134 formed so as to connect the distal end surface and the recess bottom surface 133. is doing.
  • the detection electrode 14 has an inner electrode portion 142 formed inside the collecting recess 131-2 and an outer electrode portion 141 formed on the deposition portion 13-2 other than the collecting recess 131-2. Yes.
  • the inner electrode portion 142 is formed inside the collection recess 131-2 provided on the tip surface (deposition target portion 13) of the element body portion 10. ing.
  • the inner electrode part 142 is formed on the recess bottom surface 133 and the pair of recess side surfaces 134 of the collection recess 131-2.
  • the outer electrode portion 141 is formed at a position where the collection recess 131 is not provided on the tip surface (deposition target portion 13-2) of the element body portion 10. That is, the outer electrode portion 141 is between the adjacent collection recesses 131-2 and outside the collection recesses 131-2 at both ends of the three collection recesses 131-2. It is formed in the front end surface of.
  • the inner electrode part 142 and the outer electrode part 141 are electrically connected.
  • the particulate matter detection sensor 1-2 of the example according to the third embodiment detects the particulate matter outside the collection recess 131-2 and has a high collection efficiency of the particulate matter.
  • the detection sensitivity can be improved by forming the inner electrode portion 142 in the second electrode 2.
  • the collection efficiency of the particulate matter can be improved, and the collection efficiency can be further improved.
  • the collection efficiency can be further improved.
  • FIG. 6 three collection recesses 131-2 are formed.
  • the same effects as the particulate matter detection sensor 1 according to the first embodiment are obtained.
  • the collection recesses 131, 131-1 and 131-2 have a uniform cross-sectional shape in the stacking direction.
  • Substantially bowl-shaped collection recesses 131, 131-1 and 131-2 may be formed with the cross-sectional shape rotated about the central axes of the substance detection sensors 1, 1-1 and 1-2, respectively.
  • the outer corners of the edges of the collection recesses 131, 131-1 and 131-2, and the collection recesses It is preferable to chamfer the inner surface of 131, 131-1 and 131-2 such as the R surface and C surface.
  • the chamfer dimension can be set to R0.01 to R1.0 (that is, the R chamfer dimension is 0.01 mm to 1.0 mm).
  • the chamfer dimension can be set to C0.01 to C1.0 (that is, C chamfer dimension 0.01 mm to 1.0 mm).
  • Example 1 the particulate matter detection sensor (see FIG. 3) in a state before the collection recess 131 is formed is used. That is, in the conventional particulate matter detection sensor, the portion to be deposited is formed by a flat surface orthogonal to the axial direction.
  • the conventional particulate matter detection sensor has the same structure as the particulate matter detection sensor 1 of Example 1 except that the collection recess 131 is not formed.
  • the test conditions of the comparative test were to measure the dead mass when an exhaust gas having a temperature in the vicinity of particulate matter of 200 ° C. and a particulate matter concentration of 3 mg / m 3 was circulated at a flow rate of 20 m / s and a flow rate of 50 m / s. did. Note that the dead mass indicates the total amount of particulate matter discharged until the output signal changes in the particulate matter detection sensor 1.
  • Table 1 shows the results of the comparative test.
  • the dead mass in the conventional particulate matter detection sensor shown in the comparative example was 34 mg at a flow rate of 20 m / s and 50 mg at a flow rate of 50 m / s.
  • the dead mass in the particulate matter detection sensor 1 of Example 1 was 28 mg at a flow rate of 20 m / s and 35 mg at a flow rate of 50 m / s.
  • the particulate matter detection sensor 1 of Example 1 has less dead mass than the conventional particulate matter detection sensor shown in the comparative example at any exhaust gas flow rate of 20 m / s and 50 m / s.
  • the particulate matter detection sensor 1 of Example 1 also has a smaller amount of change in the insensitive mass when the exhaust gas flow rate is changed than that of the conventional particulate matter detection sensor. Thereby, in the particulate matter detection sensor 1 according to the first embodiment, even when the flow rate of the exhaust gas is increased, the particulate matter can be prevented from bouncing back in the deposition portion 13 and the collection efficiency can be improved.
  • the dead mass in the particulate matter detection sensor 1-1 according to Example 2 is smaller than the dead mass in the particulate matter detection sensor 1 according to Example 1, and the particles according to Example 3 It was found that the dead mass in the particulate matter detection sensor 1-2 was much smaller than the dead mass in the particulate matter detection sensor 1-1 of Example 2. This tendency is the same whether the flow rate of the exhaust gas is 20 m / s or 50 m / s. Further, with respect to the amount of change in the insensitive mass when the flow rate of the exhaust gas is changed, the particulate matter detection sensor 1-2 according to the second embodiment than the first embodiment and the particulate matter according to the second embodiment. It was found that the particulate matter detection sensor 1-2 according to Example 3 was smaller than the matter detection sensor 1-1.
  • the particulate matter detection sensors 1, 1-1, 1-2 of Examples 1 to 3 are superior in detection sensitivity compared to the conventional particulate matter detection sensors.
  • the particulate matter detection sensor 1-1 of Example 2 is superior in detection sensitivity to Example 1, and the particulate matter detection sensor 1-2 of Example 3 is more superior to Example 2. It was found that the detection sensitivity was excellent.
  • 1,1-1,1-2 particulate matter detection sensor 10 element body part, 13, 13-1, 13-2 deposition part, 131, 131-1 and 131-2 collection concave part, 14 detection electrode.

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Abstract

粒子状物質検出センサは、内燃機関から排出される排ガスに含まれる粒子状物質の量を検出する素子本体部を備えている。素子本体部の端面の１つには、粒子状物質の一部を堆積させる被堆積部と、被堆積部に配置された少なくとも一対の検出電極とを備えている。粒子状物質検出センサは、粒子状物質が被堆積部上に堆積することによる一対の検出電極間における電気特性の変化に応じて電気信号の出力を変化させるように構成されている。被堆積部には、被堆積部の形成された端面から窪んだ捕集凹部が形成されている。

Description

粒子状物質検出センサ
　本発明は、排ガスに含まれる粒子状物質の量を検出する粒子状物質検出センサに関する。
　内燃機関の排気管には、排ガスに含まれる粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ　Ｍａｔｔｅｒ：ＰＭ）を捕集する排ガス浄化装置が設けられている。この排ガス浄化装置は、排ガスに含まれる粒子状物質の量を検出する粒子状物質検出センサを有する粒子状物質検出装置を備えており、この粒子状物質検出装置によって得られた情報を基に、排ガス浄化装置の故障検知が行われている。
　排ガス浄化装置に用いられる粒子状物質検出センサとしては、例えば、特許文献１に示されたものがある。特許文献１の粒子状物質検出センサは、電気絶縁性を有する基板と、基板の表面に形成された検出電極とを有している。基板上には、検出電極を跨ぐように、複数の凸条部が形成されている。
独国特許出願公開第１０２００６０４７９２７号明細書
　しかしながら、上記構成を有する特許文献１の粒子状物質検出センサには以下の課題がある。即ち、内燃機関から排気管内に排出された排ガスが、粒子状物質検出センサに到達すると、排ガス内に含まれる粒子状物質が、粒子状物質検出センサの基板上で衝突し捕集される。しかし、粒子状物質の衝突速度が大きい場合、衝突した粒子状物質が基板表面から跳ね返り捕集されないことがある。特に、基板上に形成された凸条部においては、凸条部の表面と検出電極との間の距離があるため、捕集電圧が作用しにくく、粒子状物質の跳ね返りが生じやすい。そのため従来の構造を有する粒子状物質検出センサでは、粒子状物質の捕集効率が低下して、十分な検出感度が得られないという課題があった。
　本発明は、かかる従来の課題を解決するためになされたものであり、粒子状物質の検出感度を向上させることができる構造を有する粒子状物質検出センサを提供するものである。
　本発明の一態様に係る粒子状物質検出センサは、内燃機関から排出される排ガスに含まれる粒子状物質の量を検出する素子本体部を備えている。さらに、該素子本体部の端面の１つには、上記粒子状物質の一部を堆積させる被堆積部と、該被堆積部に配置された少なくとも一対の検出電極とを備えている。そして、上記粒子状物質が上記被堆積部上に堆積した量に応じて、上記一対の検出電極間における電気特性の変化に応じて変化する電気信号を出力するように構成されている。特に、上記被堆積部には、該被堆積部が形成された端面から見て窪んだ形状の捕集凹部が形成されていることを特徴としている。
　上記した構成の粒子状物質検出センサは、上記捕集凹部を備えているので、上記被堆積部に衝突する上記粒子状物質を効率よく捕集することができる。すなわち、上記捕集凹部内に入り込んだ上記粒子状物質が、上記捕集凹部の内周面に衝突し跳ね返ったとしても、上記捕集凹部は上記素子本体部の端面から窪むように形成されていることから、跳ね返った上記粒子状物質が再度、上記捕集凹部の内周面に衝突しやすい。このとき、上記粒子状物質の衝突速度は、最初に上記捕集凹部に衝突した際に減速する。そのため、跳ね返った上記粒子状物質が再度上記捕集凹部の内周面に衝突する際には、上記捕集凹部の内周面に付着しやすい。したがって、上記捕集凹部を設けることにより上記被堆積部における捕集効率を向上させることができる。
　以上説明したように、本発明によれば、粒子状物質の検出感度を向上させることができる粒子状物質検出センサを提供することができる。
本発明の実施例１に係る粒子状物質検出センサの素子本体部の概略説明図である。 本発明の実施例１に係る粒子状物質検出センサの素子本体部の構造を示す説明図である。 本発明の実施例１に係る粒子状物質検出センサの予備本体部を示す説明図である。 本発明の実施例１に係る粒子状物質検出センサを示す断面図である。 本発明の実施例２に係る粒子状物質検出センサの素子本体部の説明図である。 本発明の実施例３に係る粒子状物質検出センサの素子本体部の説明図である。
　本発明に係る粒子状物質検出センサの上記検出電極は、上記捕集凹部の外側に形成された外側電極部と、上記捕集凹部の内側に形成された内側電極部とを有している。上記外側電極部と上記内側電極部とは、素子表面において電気的に接続されていることが好ましい。この場合には、上記捕集凹部の外側において、上記粒子状物質を検出すると共に、上記粒子状物質の捕集効率が高い上記捕集凹部内に上記内側電極部を形成したことにより、被堆積部への粒子状物質の再衝突の確率を増加させ捕集効率を向上させることができる。これにより、上記粒子状物質検出センサにおける検出感度を向上させることができる。
　また、上記被堆積部の周囲を覆う保護カバーを有しており、該保護カバーには、排ガスを導入するための導入孔が貫通形成されている。該導入孔を通じて排ガスを導入することにより、上記捕集凹部に向かう排ガスの流れを形成するよう構成されていることが好ましい。この場合には、上記被堆積部に上記粒子状物質を含む排ガスを効率良く供給することができる。また、排ガスの流通方向が決まるため、この流通方向に合わせて上記捕集凹部を形成することにより、さらに捕集効率を向上させることができる。
　また、上記捕集凹部は、上記一対の検出電極の並び方向と直交する平面における断面形状が円弧状をなしていることが好ましい。円弧状断面を有する上記捕集凹部においては、その内周面の形成角度が徐々に変化していく。そのため、複数の方向から衝突する上記粒子状物質を効率良く捕集することができる。
　また、上記被堆積部には、複数の上記捕集凹部が形成されていることが好ましい。この場合には、複数の上記捕集凹部を形成することで捕集量を増大させることができる。これにより、上記粒子状物質検出センサにおける捕集効率を向上し、その検出感度をより向上させることができる。
（実施例１）
以下、実施例１に係る粒子状物質検出センサについて、図１～図４を参照しながら説明する。図１に示すように、粒子状物質検出センサ１は、内燃機関から排出される排ガスに含まれる粒子状物質の量を検出する素子本体部１０を備えている。素子本体部１０の先端面には、粒子状物質の一部を堆積させる被堆積部１３と、被堆積部１３に配置された少なくとも一対の検出電極１４とを備えている。粒子状物質検出センサ１は、粒子状物質が被堆積部１３上に堆積することによる一対の検出電極１４間における電気特性の変化に応じて電気信号の出力を変化させるように構成されている。図１に示されるように、被堆積部１３には、被堆積部１３の形成された端面から窪んだ捕集凹部１３１が形成されている。
　以下、実施例１に係る粒子状物質検出センサ１の構造および動作について、さらに詳細に説明する。実施例１に係る粒子状物質検出センサ１は、自動車に搭載された内燃機関から、排気管を通じて排出される排ガスに含まれる粒子状物質を検出するためのものである。粒子状物質検出センサ１によって得られた情報を基に、排ガス浄化装置の故障検知を行う。
　図４に示すように、粒子状物質検出センサ１は、素子本体部１０と保護カバー２とこれらを保持するハウジング部材（図示省略）とを有している。図１及び図２に示すように、素子本体部１０は、排ガス中の粒子状物質を堆積させる被堆積部１３を先端面に備えた略棒状をなしている。被堆積部１３は、絶縁性材料からなる９つの絶縁部材１２と、絶縁部材１２の間に配置された８つの検出電極１４とを有している。しかしながら、絶縁部材１２と検出電極１４の数は、特に上記した数に限定されるものではなく、例えば、検出電極１４の数は２以上であればよく、絶縁部材１２の数は、検出電極１４の個数＋１個であればよい。なお、検出電極１４が複数対設けられている場合には、粒子状物質検出センサ１の出力電流は、各対の検出電極１４間に流れる出力電流の総和となる。従って、検出電極１４の対が多いほど、検出感度が向上する。
　図２及び図３に示すように、絶縁部材１２は、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、ベリリアなどのセラミック材料を平板状に形成したものである。検出電極１４は、焼成前の絶縁部材１２の一面に白金ペースト、銅ペースト、銀ペースト等の導電性ペーストを用いたスクリーン印刷により形成されている。検出電極１４の形成方法は上記に限定されず、グラビア印刷やインクジェット印刷など電極パターンを形成できる方法であればよい。この検出電極１４が形成された絶縁部材１２を積層した後、焼成することにより、絶縁部材１２と検出電極１４とを交互に積層した積層部１１が形成される。
　積層部１１の作製方法は、上記方法に限定されるものではなく、例えば、図２に示す複数の絶縁部材１２の個数分の大きさの絶縁部材の上に、複数の検出電極１４を形成し、当該検出電極１４が形成された絶縁部材を積層した後、切断加工により複数個のピースに分断し、各ピースを焼成することで積層部１１を形成してもよい。この形成方法によれば、粒子状物質検出センサ１を複数製造する場合の工程の数を省略することができる。
　積層部１１においては、正極と負極とが交互に配置されており、隣り合う検出電極１４同士が一対の検出電極１４を形成している。被堆積部１３は、粒子状物質検出センサ１の軸方向における先端側に配置された先端面に、検出電極１４の端部近傍を露出して形成されている。
　また、被堆積部１３が形成された先端面には、先端面から窪んだ捕集凹部１３１が形成されている。捕集凹部１３１は、積層部１１の積層方向及び軸方向の両方と直交する幅方向において、両端部から中央に向かうにつれて、基端側に向かって傾斜した２つの傾斜面１３２によって形成されており、この２つの傾斜面１３２に検出電極１４が露出している。図３に示すように、本実施例１に係る粒子状物質検出センサ１の捕集凹部１３１は、絶縁部材１２を積層して焼成した後、先端面に切削加工を施して形成される。
　また、捕集凹部１３１の形成方法は、上記した方法に限定されるものではなく、例えば、検出電極１４が形成された積層前の絶縁部材１２の状態で打ち抜きや切断加工によって形成してもよく、積層後、焼成前に切断加工あるいは切削加工等によって形成してもよい。ただし、好ましくは、焼成後に形成することで、絶縁部材１２と検出電極１４との焼成収縮差等によって生じる捕集凹部１３１のうねりや歪みなどを同時に補正することができる。
　上記構成を有する実施例１に係る粒子状物質検出センサ１の被堆積部１３において、検出電極１４に捕集電圧を印加すると、検出電極１４の周囲に電界が形成され、粒子状物質が検出電極１４へと引き寄せられる。検出電極１４に付着した粒子状物質は、検出電極１４の表面を移動し、一対の検出電極１４の間に堆積する。そして、被堆積部１３に堆積した粒子状物質によって、被堆積部１３に露出した一対の検出電極１４が導通し、一対の検出電極１４の間における電気抵抗値が低下する。検出電極１４間の電気抵抗値の変化に伴い、検出電極１４間を流れる電気信号としての電流量が変化する。これにより、粒子状物質検出センサ１から出力される電流値が変化する。つまり、粒子状物質検出センサ１から出力される電流値は、被堆積部１３における粒子状物質の堆積量に応じて変化するものであり、粒子状物質の堆積量に関する情報を有するものである。この電流値を用いることで被堆積部１３における粒子状物質の堆積量を検出することができる。本実施例１に係る粒子状物質検出センサ１において、素子本体部１０で検出された電流は、シャント抵抗を備えたコントロールユニット（図示省略）へと出力される。コントロールユニットは、電流値とシャント抵抗の積で算出される電圧を出力する。この電圧が粒子状物質検出センサ１の出力となる。
　図４に示すように、保護カバー２は、内側カバー２１と、内側カバー２１の外周側に配設された外側カバー２２とを有している。内側カバー２１は、素子本体部１０を囲む円筒状の内側壁部２１１と、内側壁部２１１の先端に形成された内側底部２１２とを有している。内側カバー２１は、ハウジング部材の先端面（図示省略）にかしめて固定されている。
　内側壁部２１１には、内側導入孔２１４が形成されている。内側導入孔２１４の内径は円形をなしており、軸方向から見たとき、内側壁部２１１の円周方向に等間隔となるように形成されている。また、内側導入孔２１４は、素子本体部１０の被堆積部１３よりも先端側の位置に形成されている。内側底部２１２の中心には、軸方向に貫通形成された内側排出孔２１５が形成されている。
　外側カバー２２は、保護カバー２を囲む円筒状の外側壁部２２１と、外側壁部２２１の先端に形成された外側底部２２２とを有している。外側カバー２２は、ハウジング部材の先端面に内側カバー２１と共にかしめて固定されている。
　外側壁部２２１には、外側導入孔２２４が形成されている。外側導入孔２２４の内径は円形をなしており、軸方向から見たとき、外側壁部２２１の円周方向に等間隔となるように形成されると共に、各外側導入孔２２４と各内側導入孔２１４とは、径方向に重なる位置に形成されている。また、外側導入孔２２４は、内側導入孔２１４よりも先端側の位置に形成されている。外側底部２２２の中心には、軸方向に貫通形成された外側排出孔２２５が形成されている。
　本実施例１に係る粒子状物質検出センサ１においては、複数の外側導入孔２２４から導入された排ガスＧは、導入方向を変化させた後、内側導入孔２１４から内側カバー２１の内側に導入されるよう構成されている。すなわち、排気管内を流通する排ガスの流通方向に沿うように外側導入孔２２４から外側カバー２２の内側へと流入した排ガスは、内側カバー２１の内側壁部２１１に衝突することで、内側壁部２１１に沿うように導入方向を変化させる。そして、内側カバー２１と外側カバー２２との間の空隙を流通して、内側導入孔２１４から内側カバー２１の内側へと流入する。このとき、内側カバー２１内に流入する排ガスの流れの中に、被堆積部１３を配置しており、被堆積部１３に向かう排ガスの流れが形成されている。
　次に、本実施例１に係る粒子状物質検出センサの作用効果について説明する。粒子状物質検出センサ１は、上記説明した構造を有する捕集凹部１３１を備えている。そのため、被堆積部１３に衝突する粒子状物質を効率よく捕集することができる。すなわち、捕集凹部１３１内に入り込んだ粒子状物質が、捕集凹部１３１の内周面に衝突し跳ね返ったとしても、捕集凹部１３１は素子本体部１０の端面から窪むように形成されていることから、跳ね返った粒子状物質が再度、捕集凹部１３１の内周面に衝突しやすい。このとき、粒子状物質の衝突速度は、最初に捕集凹部１３１に衝突した際に減速する。そのため、跳ね返った粒子状物質が再度捕集凹部１３１の内周面に衝突する際には、捕集凹部１３１の内周面に付着しやすい。したがって、捕集凹部１３１を設けることにより被堆積部
１３における捕集効率を向上させることができる。
　また、被堆積部１３の周囲を覆う内側カバー２１や外側カバー２２を備えた保護カバー２を有している。この保護カバー２には、排ガスを導入するための導入孔が貫通形成されており、導入孔を通じて排ガスを導入することにより、捕集凹部１３１に向かう排ガスの流れを形成するよう構成されている。そのため、被堆積部１３に粒子状物質を含む排ガスを効率良く供給することができる。また、排ガスの流通方向が決まるため、この流通方向に合わせて捕集凹部１３１を形成することにより、さらに捕集効率を向上させることができる。
　また、複数の検出電極１４と電気絶縁性を有する複数の絶縁部材１２とを交互に積層した積層部１１を有しており、積層部１１の先端面に、被堆積部１３及び検出電極１４が形成されている。そのため、検出電極１４間の距離を容易に短縮し、検出感度が優れた粒子状物質検出センサ１を容易に製造することができる。
　以上説明したように、本実施例１によれば、粒子状物質の検出感度を向上させることができる粒子状物質検出センサ１を提供することができる。
（実施例２）
　以下に、実施例２に係る粒子状物質検出センサ１－１について、図５を参照しながら説明する。図５に示すように、実施例２に係る粒子状物質検出センサ１－１の構造は、実施例１の粒子状物質検出センサ１における構造を一部変更した例を示すものである。本実施例２に係る粒子状物質検出センサ１－１において、被堆積部１３－１に形成された捕集凹部１３１－１は、積層方向と直交する断面における断面形状が円弧状となる曲面をなしている。その他の構成は実施例１と同様である。尚、本実施例２に係る粒子状物質検出センサ１－１で用いた符号のうち、実施例１に係る粒子状物質検出センサ１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１に係る粒子状物質検出センサ１と同様の構成要素等を示すものである。
　捕集凹部１３１－１は、一対の検出電極１４の並び方向と直交する平面における断面形状が円弧状をなしている。円弧状の断面を有する捕集凹部１３１－１においては、その内周面の角度が徐々に変化していく。そのため、複数の方向から衝突する粒子状物質を効率良く捕集することができる。これにより、粒子状物質の検出感度を一層向上させることができる。尚、本実施例２に係る粒子状物質検出センサ１－１の説明および図５で用いた符号のうち、実施例１に係る粒子状物質検出センサ１で用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１のものと同様の構成および動作を有するものである。
（実施例３）
　以下に、実施例３に係る粒子状物質検出センサ１－２について、図６を参照しながら説明する。図６に示すように、実施例３に係る粒子状物質検出センサ１－２は、実施例１に係る粒子状物質検出センサ１における構造を一部変更した例を示すものである。実施例３に係る粒子状物質検出センサ１－２において、被堆積部１３－２には、３つの捕集凹部１３１－２が形成されている。各捕集凹部１３１－２は、先端面から基端側に窪んだ位置に形成された凹部底面１３３と、先端面と凹部底面１３３とを繋ぐように形成された一対の凹部側面１３４とを有している。
　検出電極１４は、捕集凹部１３１－２の内側に形成された内側電極部１４２と、捕集凹部１３１－２以外の被堆積部１３－２に形成された外側電極部１４１とを有している。本実施例３に係る粒子状物質検出センサ１－２において、内側電極部１４２は、素子本体部１０の先端面（被堆積部１３）に設けられた捕集凹部１３１－２の内側に形成されている。内側電極部１４２は、捕集凹部１３１－２の凹部底面１３３及び一対の凹部側面１３４に形成されている。
　また、外側電極部１４１は、素子本体部１０の先端面（被堆積部１３－２）における、捕集凹部１３１を設けていない位置に形成されている。すなわち、外側電極部１４１は、３つの捕集凹部１３１－２のうち、隣り合う捕集凹部１３１－２の間、および、両端の捕集凹部１３１－２の外側に存在する、素子本体部１０の先端面に形成されている。内側電極部１４２と外側電極部１４１とは電気的に接続されている。
　その他の構成は、実施例１に係る粒子状物質検出センサ１の構成と同様である。尚、本実施例３に係る粒子状物質検出センサ１－２の説明および図６で用いた符号のうち、実施例１に係る粒子状物質検出センサ１で用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１のものと同様の構成および動作を有するものである。
　本実施例３に係る例の粒子状物質検出センサ１－２は、捕集凹部１３１－２の外側において、粒子状物質を検出すると共に、粒子状物質の捕集効率が高い捕集凹部１３１－２内に内側電極部１４２を形成することにより、検出感度を向上させることができる。
　また、被堆積部１３－２に、複数の捕集凹部１３１－２を形成することで、粒子状物質における捕集効率を向上し、その捕集効率をより向上させることができる。例えば、図６では３つの捕集凹部１３１－２が形成されている。その他、実施例１に係る粒子状物質検出センサ１と同様の作用効果を有する。
　また、実施例１～実施例３の粒子状物質検出センサ１において、捕集凹部１３１，１３１－１，１３１－２は、積層方向において一様な断面形状をなしているが、例えば、粒子状物質検出センサ１，１－１，１－２の中心軸を中心として、断面形状を回転させた略椀状の捕集凹部１３１，１３１－１，１３１－２をそれぞれ形成してもよい。
　また、実施例１～実施例３の粒子状物質検出センサ１，１－１，１－２において、捕集凹部１３１，１３１－１，１３１－２の端縁の外側角部、及び捕集凹部１３１，１３１－１，１３１－２内の内側角部に、Ｒ面、Ｃ面等の面取り加工を施すことが好ましい。例えば、外側角部又は内側角部にＲ面を設ける場合、その面取り寸法を、Ｒ０．０１～Ｒ１．０（すなわちＲ面取り寸法０．０１ｍｍ～１．０ｍｍ）とすることができる。また、例えば、外側角部又は内側角部にＣ面を設ける場合、その面取り寸法を、Ｃ０．０１～Ｃ１．０（すなわちＣ面取り寸法０．０１ｍｍ～１．０ｍｍ）とすることができる。これにより、衝突物や急激な温度変化による応力への耐性を向上させることができる。また、望ましくは焼成前に上記の加工を行うことで、焼成時における割れ、欠け等を抑制することができる。
（比較試験）本比較試験においては、実施例１～実施例３の粒子状物質検出センサ１，１－１，１－２と、捕集凹部１３１，１３１－１，１３１－２とが形成されていない従来の粒子状物質検出センサとの検出感度を比較した。従来の粒子状物質検出センサとしては、実施例１において、捕集凹部１３１を形成する前の状態の粒子状物質検出センサ（図３参照）を用いている。すなわち、従来の粒子状物質検出センサは、被堆積部が軸方向に直交する平坦面によって形成されている。尚、従来の粒子状物質検出センサは、捕集凹部１３１が形成されていないことを除いて、実施例１の粒子状物質検出センサ１と同様の構造を有している。
　比較試験の試験条件は、粒子状物質近傍における温度が２００℃、粒子状物質濃度が３ｍｇ／ｍ３の排ガスを、流速２０ｍ／ｓ及び流速５０ｍ／ｓにて流通させた際の不感質量を計測した。尚、不感質量は、粒子状物質検出センサ１において、出力信号が変化するまでの間に排出される粒子状物質の総量を示すものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１は、比較試験の結果を示すものである。表１において、比較例で示される従来の粒子状物質検出センサにおける不感質量は、流速２０ｍ／ｓにおいては３４ｍｇとなり、流速５０ｍ／ｓにおいては５０ｍｇであった。また、表１において、実施例１の粒子状物質検出センサ１における不感質量は、流速２０ｍ／ｓにおいては２８ｍｇとなり、流速５０ｍ／ｓにおいては３５ｍｇであった。このように、実施例１の粒子状物質検出センサ１は、排ガスの流速が２０ｍ／ｓ及び５０ｍ／ｓのいずれにおいても、比較例で示される従来の粒子状物質検出センサよりも不感質量が少なくなることが確認された。また、実施例１の粒子状物質検出センサ１は、排ガスの流速を変化させた際の不感質量の変化量も従来の粒子状物質検出センサよりも小さいことが確認された。これにより、実施例１の粒子状物質検出センサ１においては、排ガスの流速が増大した場合にも、被堆積部１３における粒子状物質の跳ね返りを防止し、捕集効率を向上させることができる。
　また、表１に示すように、実施例２に係る粒子状物質検出センサ１－１における不感質量は、実施例１の粒子状物質検出センサ１における不感質量よりも少なく、実施例３に係る粒子状物質検出センサ１－２における不感質量は、実施例２の粒子状物質検出センサ１－１における不感質量よりも更に少ないことがわかった。この傾向は、排ガスの流速が２０ｍ／ｓである場合においても５０ｍ／ｓである場合においても同様である。さらに、排ガスの流速を変化させた際の不感質量の変化量についても、実施例１よりも実施例２に係る粒子状物質検出センサ１－２の方が、また、実施例２に係る粒子状物質検出センサ１－１よりも、実施例３に係る粒子状物質検出センサ１－２の方が小さいことがわかった。
　以上の結果から、実施例１～３の粒子状物質検出センサ１，１－１，１－２は、従来の粒子状物質検出センサに比べて、検出感度に優れていることが分かる。そして、実施例１よりも実施例２の粒子状物質検出センサ１－１の方が、検出感度に優れ、さらに実施例２よりも実施例３の粒子状物質検出センサ１－２の方が、検出感度に優れていることがわかった。
　１，１－１，１－２　粒子状物質検出センサ、１０　素子本体部、１３，１３－１，１３－２　被堆積部、１３１，１３１－１，１３１－２　捕集凹部、１４　検出電極。

Claims (6)

  1. 　内燃機関から排出される排ガスに含まれる粒子状物質の量を検出する素子本体部（１０）を備えており、
    　該素子本体部（１０）の端面の１つには、上記粒子状物質の一部を堆積させる被堆積部（１３，１３－１，１３－２）と、該被堆積部（１３，１３－１，１３－２）に配置された少なくとも一対の検出電極（１４）とを備え、
    　上記粒子状物質が上記被堆積部（１３，１３－１，１３－２）上に堆積した量に応じて、上記一対の検出電極（１４）間における電気特性の変化に応じて変化する電気信号を出力するように構成され、
    　上記被堆積部（１３,１３－１，１３－２）には、該被堆積部（１３，１３－１，１３－２）が形成された端面から、窪んだ形状の捕集凹部（１３１，１３１－１，１３１－２）が形成されていることを特徴とする粒子状物質検出センサ（１,１－１，１－２）。
  2. 　上記検出電極（１４）は、上記捕集凹部（１３１－２）の内側に形成された内側電極部（１４２）と、上記捕集凹部（１３１－２）以外の上記被堆積部（１３－２）に形成された外側電極部（１４１）とを有しており、該外側電極部（１４１）と上記内側電極部（１４２）とは、電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の粒子状物質検出センサ（１）。
  3. 　上記被堆積部（１３，１３－１，１３－２）の周囲を覆う保護カバー（２）をさらに有しており、該保護カバー（２）には、排ガスを導入するための導入孔（２１４，２２４）が貫通形成されており、該導入孔（２１４，２２４）を通じて排ガスを導入することにより、上記捕集凹部（１３１，１３１－１，１３１－２）に向かう排ガスの流れを形成するよう構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の粒子状物質検出センサ（１）。
  4. 　上記捕集凹部（１３１－１）は、円弧状の曲面をなしていることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の粒子状物質検出センサ（１－１）。
  5. 　上記被堆積部（１３－２）には、複数の上記捕集凹部（１３１－２）が形成されていることを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の粒子状物質検出センサ（１－２）。
  6. 　複数の上記検出電極（１４）と電気絶縁性を有する複数の絶縁部材（１２）とを交互に積層した積層部（１１）を有しており、該積層部（１１）の端面に、上記被堆積部（１３，１３－１，１３－２）及び上記検出電極（１４）が形成されていることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の粒子状物質検出センサ（１）。
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