JP2011080780A - パティキュレート検出素子 - Google Patents

Abstract

【目的】簡易な構成により被測定ガス中に含まれるＰＭを検出するパティキュレート検出素子であって、不感期間がなく、信頼性の高いパティキュレート検出素子を提供する。
【解決手段】被測定ガスに晒され、電気絶縁性耐熱基板１３の表面に所定の間隙を設けて対向する一対の検出電極１１、１２を設けた検出部１００と、検出部１００の検出電極１１、１２間に堆積する導電性微粒子の量に応じて変化する電気抵抗Ｒ_Ｘを検出する検出手段２１とを具備し、被測定ガス中のＰＭを検出するパティキュレート検出素子１０において、不感期間解消用抵抗体として所定の抵抗値Ｒ_ＦＩＸを有する抵抗体２０を検出部１００に形成される電気抵抗Ｒ_Ｘに対して並列に設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車用内燃機関の排気系等に使用され、被測定ガス中に含まれる導電性微粒子の検知に適したパティキュレート検出素子に関する。

近年、コモンレール式燃料噴射システム、過給器システム、酸化触媒、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）、選択触媒還元（ＳＣＲ）システム、排気再循環（ＥＧＲ）システム等を組み合わせて、ディーゼル機関やガソリンリーンバーン機関等の燃焼排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）、粒状物質（ＰＭ）、未燃炭化水素（ＨＣ）等の環境負荷物質の低減が図られている。
このようなシステムに用いられるＤＰＦは、一般に、耐熱性に優れ、かつ、無数の細孔を有する多孔質セラミックスを素材としたハニカム構造とされ、多孔質の隔壁に存在する細孔中にＰＭを捕捉し、ＰＭが堆積して細孔に目詰まりを起こして圧力損失が高くなると、バーナや発熱体等で加熱したり、機関の燃焼爆発後に少量の燃料を噴射するポスト噴射等によりＤＰＦ内に高温の燃焼排気を導入したりして、ＤＰＦを加熱し、ＤＰＦ内に捕集されたＰＭを燃焼除去して再生できる構成とされている。
内燃機関の燃焼効率をさらに向上すべく、このようなＤＰＦの再生時期の判断や、ＤＰＦの劣化、破損等を検出する車載式故障診断装置（オンボードダイアグノーシス、ＯＢＤ）や、内燃機関のフィードバック制御等において、燃焼排気中に含まれるＰＭを高精度で連続的に検出できる検出手段が必要とされている。

燃焼排気中のＰＭの検出手段として、特許文献１には、耐熱性及び電気絶縁性を有する基板の表面に一対の電極を形成し、該電極間を検出部とし、前記基板の裏面及び／又は内部に発熱体を形成し、該基板上の検出部を形成する前記電極、検出部及び端子部を除く導電部を気密で電気絶縁物質よりなる保護層で被覆し、該検出部と保護層との境界付近の発熱体の発熱密度を該検出部の発熱密度より高くし、該検出部の温度を４００℃以上で且つ６００℃以下に加熱することを特徴とするスモーク濃度センサが開示されている。

ところが、特許文献１にあるような、従来のスモーク濃度センサでは、導電性のスモークの堆積により変化する一対の電極間の電気抵抗を電子回路により検出しているが、スモークが堆積していない状態では一対の電極間は絶縁状態であるので、スモークの堆積によって一対の電極間の電気抵抗が徐々に低下し電子回路によって電気抵抗が検出できるようになるまでに不感期間が存在する。

このような不感期間の問題を解消する方法として、特許文献２には、ガスセンサ向けセンサ素子及びセンサ素子の作動方法として、混合気に晒される少なくとも２つの電極（１）、（２）とこれらの電極を支持する１つの基板（３）とを有し、混合ガス中の粒子を定量するためのガスセンサ、特にカーボン向けセンサ素子に関するものであって、前記基板（３）と前記電極（１）、（２）との間に１つの導電性ベース（４）が設けられており、さらに、前記電極（１）、（２）は、導電性ベース（４）によって互いに電気的に接続されているセンサ素子及びこのセンサ素子を用いて混合ガス中の微粒子を定量するための方法が記載されている。

ところが、特許文献２にあるように、２つの電極間を互いに電気的に接続する導電性ベースを設けた場合、導電性ベースの電気抵抗を極めて狭い範囲で精度良く調整しなければならず、製造が困難である。加えて、長期の使用によって電極材料が導電性ベース内に拡散するマイグレーション現象を引起し、導電性ベースの電気抵抗が変化し、検出精度が不安定となる虞もある。さらに、検出抵抗と導電性ベースの電気抵抗との両方が温度変化の影響を受けるので、両者について温度補正する必要があるため基準が定まらず完全に温度補正することが困難である。

そこで、かかる実情に鑑み、本願発明は、簡易な構成により被測定ガス中に含まれる導電性の微粒子（パティキュレート、ＰＭ）を検出するパティキュレート検出素子であって、不感期間がなく、信頼性の高いパティキュレート検出素子を提供することを目的とする。

第１の発明では、被測定ガスに晒され、電気絶縁性耐熱基板の表面に所定の間隙を設けて対向する一対の検出電極を設けた検出部と、該検出部の上記検出電極間に堆積する導電性微粒子の量に応じて変化する電気抵抗を検出する検出手段とを具備し、被測定ガス中の導電性微粒子を検出するパティキュレート検出素子において、所定の抵抗値を有する抵抗体を上記検出部に形成される電気抵抗に対して並列に設ける（請求項１）。

第１の発明によれば、検出部に堆積する導電性微粒子が少なく検出抵抗が高い状態であっても、検出抵抗に対して並列に介装された所定の抵抗値を有する抵抗体によって、検出抵抗と該抵抗体との合成抵抗が下がり、検出抵抗の僅かな変化に対しても検出が可能となるので不感期間が解消される。したがって、センサとしての信頼性が向上する。加えて、被測定ガス中の導電性粒子の有無だけでなく、その存在量を精度良く計測することも可能となるので、センサとしての用途範囲も広がる。

第２の発明では、不感期間解消用に設けた上記抵抗体を、被測定ガスの温度変化の影響を受けない熱的安定環境下に載置する（請求項２）。

本発明によれば、不感期間解消用に設けた上記抵抗体が被測定ガスの温度変化の影響を受けないので、上記検出部に堆積する導電性粒子によって形成される電気抵抗だけを温度補正すればよく、補正が容易であり、パティキュレート検出素子の信頼性がさらに向上する。

具体的には、第３の発明のように、不感期間解消用に設けた上記抵抗体の電気抵抗を、１００Ω以上１ＭΩ以下とする（請求項３）。このような範囲に不感期間解消用に設けた上記抵抗体の電気抵抗を設定することによって、上記検出電極間に堆積する導電性微粒子の量に応じて検出抵抗が数１０ＭΩから１ｋΩ程度の範囲で変化したときに、上記検出手段によって検出される検出電流が一定以上の値に引き上げられ、検出が容易となるので不感期間が解消され、信頼性の高いパティキュレート検出素子が実現できる。
本発明の範囲をはずれ、１００Ωより低い抵抗体を介装した場合には、検出抵抗の変化が相対的に小さくなり、検出精度が低下し、１ＭΩより高い抵抗体を介装した場合には、検出電流が上記検出手段の検出限界以下となり、不感期間が解消されない。

さらに具体的には、第４の発明のように、不感期間解消用に設けた上記抵抗体は、金属、金属酸化物、金属化合物、炭素、炭素化合物の少なくともいずれか１つを含む単体又は複合体によって実現できる（請求項４）。

本発明の第1の実施形態におけるパティキュレート検出素子の概要を示す展開斜視図。 本発明の第１の実施形態におけるパティキュレート検出素子を有するパティキュレート検出センサの概要を示す断面図。 本発明の第１の実施形態におけるパティキュレート検出素子に適用可能な抵抗検出手段の例を示す等価回路図。 本発明の第２の実施形態におけるパティキュレート検出素子の概要を示す展開斜視図。 本発明の第３の実施形態におけるパティキュレート検出素子の概要を示す展開斜視図。 従来のパティキュレート検出素子の問題点を示す特性図。 本発明の効果を比較例とともに示す特性図。

本発明の第１の実施形態におけるパティキュレート検出素子１０は、例えば、ディーゼル内燃機関から排出される燃焼排気中に含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）の故障診断（ＯＢＤ）や、ＤＰＦの再生制御を行うべく、燃焼排気中のＰＭ、特に、導電性微粒子を検出するパティキュレート検出センサ１に用いられる。
本発明のパティキュレート検出素子１０の特徴は、所定の間隙を設けて対向する一対の検出電極１１、１２の間に堆積するＰＭの量によって変化する電気抵抗Ｒ_Ｘを検出して、被測定ガス中のＰＭを検出するものであって、不感期間解消用抵抗として所定の電気抵抗Ｒ_ＦＩＸを有する抵抗体２０を検出抵抗Ｒ_Ｘに対して並列となるように設けることによって、抵抗体２０の電気抵抗Ｒ_ＦＩＸと検出抵抗Ｒ_Ｘとの合成抵抗Ｒ_ＳＵＭ（＝Ｒ_ＦＩＸ・Ｒ_Ｘ／（Ｒ_ＦＩＸ＋Ｒ_Ｘ））を低くし、合成抵抗Ｒ_ＳＵＭを検出する時にパティキュレート検出素子１０に流れる検出電流Ｉ_ＳＥＮを検出する検出手段の検出限界以上に引上げ、不感期間を解消するものである。

本発明の第１の実施形態におけるパティキュレート検出素子１０及びこれを含むパティキュレート検出センサ１の概要について図１から図４を参照して説明する。
図１に示すように、パティキュレート検出素子１０は、アルミナ等の電気絶縁性耐熱材料をドクターブレード法、プレス成形法、ＣＩＰ、ＨＩＰ等の公知の方法により平板状に形成した電気絶縁性耐熱基板１３と、電気絶縁性耐熱基板１３上に所定の距離を離隔して設けた一対の検出電極１１、１２と、検出電極１１、１２と外部の電気抵抗計測手段とを導通させるリード部１１１、１２１及び端子部１１２、１２２と、本発明の要部であり、検出電極間に堆積するＰＭによって形成される検出抵抗Ｒ_Ｘに対して並列となるようにリード部１１１、１２１間に接続された所定の抵抗値Ｒ_ＦＩＸを有する不感時間解消用抵抗２０と、検出電極１１、１２によって形成される検出部を所定の温度に加熱して、検出抵抗を安定化したり、検出部に堆積したＰＭを加熱除去したりするための通電により発熱する発熱体１４０と、発熱体１４０と図略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と、発熱体端子部１４３ａ、１４３ｂと、電気絶縁性耐熱基板１５と、絶縁性耐熱基板１５を貫通し発熱体リード部１４１ａ、１４１ｂと発熱体端子部１４３ａ、１４３ｂとを導通するスルーホール電極１４２ａ、１４２ｂと、によって構成されている。
なお、リード部１１２、１２１間を短絡するように堆積するＰＭから、リード部１１１、１２１の電気絶縁性を確保するために、リード部１２１、１２１の表面を覆うように電気絶縁性耐熱材料を用いて絶縁性耐熱保護層を形成しても良い。
不感時間解消用抵抗２０には、金属、金属酸化物、金属化合物、炭素、炭素化合物のいずれか１以上を含む単体又は複合体からなる抵抗体が用いられる。本実施形態においては、電気絶縁性耐熱基板１３の表面に実装可能なチップ抵抗を用いた例を示す。
また、不感時間解消用抵抗２０は、電気絶縁性耐熱基板１３の基端側で、被測定ガスの温度変化の影響を受け難い熱的に安定した位置に配設されている。

図２を参照して、本発明のパティキュレート検出素子１０を有するパティキュレート検出センサ１について説明する。
パティキュレート検出センサ１は、パティキュレート検出素子１０を内側に挿入保持する略筒状のインシュレータ４０と、流路壁６０に固定され、インシュレータ４０を保持すると共に、パティキュレート検出素子１０の検出部を被測定流路６００内の所定の位置に保持するハウジング５０と、ハウジング５０の先端側に設けられ、パティキュレート検出素子１０の検出部を保護するカバー体３０と、ハウジング５０の基端側に設けられ、接続金具１１３、１２３を介してパティキュレート検出素子１０の端子部１１２、１２２に接続され、検出部１００に捕集・堆積されたＰＭ量に応じて変化する検出電極１１、１２間の検出電気抵抗Ｒ_Ｘを外部の電気抵抗検出手段に伝達する一対の信号線１１４、１２４と、パティキュレート検出素子１０に内蔵された発熱体１４０と発熱体端子部１４３ａ、１４３ｂ、接続金具１４４a、１４４ｂを介して接続される一対の導通線１４５a、１４５ｂとを、封止部材７０を介して基端側で固定する略筒状のケーシング８０とによって構成されている。カバー体３０には、ＰＭを含む被測定ガスを検出部１００に導入・導出するための被測定ガス入出孔３１０、３１１が適宜穿設されている。
なお、本実施形態においては、パティキュレート検出素子１０の長手軸方向に対して直交する方向に伸びる複数の櫛歯状に形成した検出電極１１、１２を対向させて一対の電極を形成した例を示したが、本発明において一対の検出電極１１、１２の形状を特に限定するものではなく、検出電極１１、１２を、パティキュレート検出素子１０の長手軸方向に伸びる複数の櫛歯状に形成し、これらを所定の間隙を設けて対向させて一対の電極としても良いし、検出電極１１、１２を略渦巻状に形成し、所定の間隙を設けて対向させて一対の電極としても良い。

図３を参照して、本発明のパティキュレート検出素子１０の検出部１００に堆積したＰＭによって変化する電気抵抗Ｒ_Ｘの測定原理について説明する。
被測定ガス流路８００内に載置される検出電極１１、１２の間に堆積したＰＭ量に由来する検出抵抗Ｒ_Ｘと所定の抵抗値Ｒ_ＦＩＸを有する不感時間解消用抵抗２０とは、リード部１１１、１２１を介して並列に接続されており、上流側は、所定の検出用電圧に調整された電圧源Ｖ_ＤＤに接続され、下流側には、不感期間解消用抵抗体２０と検出抵抗Ｒ_Ｘとの合成抵抗Ｒ_ＳＵＭを検出する抵抗検出手段２１が設けられている。
抵抗検出手段２１は、例えば所定の抵抗値Ｒ_Ｓを有するシャント抵抗２２を設け、差動増幅手段２３によってシャント抵抗２２の両端の電位差（Ｖ_ＩＮ−Ｖ_ＲＥＦ）から、シャント抵抗２２に流れる電流、即ち、合成抵抗Ｒ_ＳＵＭに流れる検出電流Ｉ_ＳＥＮを検出できる構成となっている。
不感期間解消用抵抗体２０の抵抗値Ｒ_ＦＩＸは既知であるので、抵抗検出手段２１によって検出された合成抵抗Ｒ_ＳＵＭの変化からＰＭ量由来検出抵抗Ｒ_Ｘの値を精度良く算出できる。
なお、不感期間解消用抵抗体２０は、被測定ガスの温度変化の影響を受けない熱的安定環境下に載置されているので、特に温度補正する必要がないが、検出抵抗Ｒ_Ｘは、被測定ガスの温度変化の影響を受けるので、検出精度を高めるために、被測定ガスの温度に応じて温度補正するのが望ましい。
また、本発明において、抵抗検出手段２１は、本実施形態に限定するものではなく、不感期間解消用抵抗体２０の既知抵抗Ｒ_ＦＩＸとＰＭ量由来検出抵抗Ｒ_Ｘとの合成抵抗Ｒ_ＳＵＭの変化を検出できるものであれば、如何なる形式のものでも良い。

ここで、図４を参照して、従来のパティキュレート検出素子の問題点について説明する。従来のパティキュレート検出素子は、電気絶縁性耐熱基板の表面に所定の間隙を隔てて形成した一対の検出電極間に被測定ガス中に含まれる導電性のカーボンなどからなるＰＭが堆積していくと、ＰＭによって検出電極間に導通経路が形成され、電極間の電気抵抗値が徐々に低下していくので、これを計測することによってＰＭ量を算出しようとするものである。
図４は、一定速度でＰＭ量を増加したときの、検出電極間の電気抵抗値の変化を示すものである。
ところが、図４に示すように、検出電極間にＰＭが堆積していないときには、略絶縁状態であるので、検出電極間の電気抵抗は、数１０ＭΩ以上となっており、ＰＭの堆積に伴って、徐々に電気抵抗値が下がるが、数ＭΩ以下となるまでは、検出用の電流がほとんど流れず、電気抵抗値を測定することができない不感期間ｔｄが存在する。
この不感期間ｔｄが長いと、パティキュレート検出素子を上述のようにＯＢＤに使用しようとしたときに、異常の検出までに時間が掛かかる虞があり、センサとしての信頼性に欠ける。

図５を参照して本発明の効果について説明する。図５は、一定の割合で被測定ガス中の導電性粒子の量を増加させたときの検出電流Ｉ_ＳＥＮの変化を示す特性図で、実施例１として、不感期間解消用抵抗体２０の抵抗値を１ＭΩに設定した場合の検出電流Ｉ_ＳＥＮの変化を示し、実施例２として、不感期間解消用抵抗体２０の抵抗値を１００Ωに設定した場合の検出電流Ｉ_ＳＥＮの変化を示し、比較例として、不感期間解消抵抗２０を設けていない場合の検出電流Ｉ_ＳＥＮの変化を示す。
図５に示すように、不感期間解消用抵抗体２０の抵抗値Ｒ_ＦＩＸを１００Ω以上１ＭΩ以下の範囲で設定すると、検出対象である検出抵抗Ｒ_Ｘが数１０ＭΩから１ＭΩ程度まで変化する間であっても、検出電流Ｉ_ＳＥＮは、検出手段２１の検出限界である５μＡ以上にシフトされるので、容易に検出できるようになり、不感期間ｔｄが解消される。
また、不感期間解消用抵抗体２０の抵抗値Ｒ_ＦＩＸを１００Ωより低くすると、検出電流Ｉ_ＳＥＮに対して、検出抵抗Ｒ_Ｘの変化による電流変化が相対的に小さくなり、検出精度が却って低下し、不感期間解消用抵抗体２０の抵抗値Ｒ_ＦＩＸを１ＭΩより高くすると、検出電流Ｉ_ＳＥＮが検出限界を以下となるので、不感期間ｔｄの解消ができない。

図６を参照して、本発明の第２の実施形態におけるパティキュレート検出素子１０ａについて説明する。上記実施形態においては、不感期間解消用抵抗体２０を、電気絶縁性耐熱基板１３上に実装する構成としたが、リード部１１１、１２１間を渡って接続され、検出抵抗Ｒ_Ｘに対して並列となるものであれば、図６に示すように、不感期間解消用抵抗体２０ａをパティキュレート素子１０の外部に設けた構成としても良い。この際、本図に示すようにリード付き抵抗を用いてもよいし、上記実施形態に示した様なチップ抵抗を検出手段２１側に載置するようにしても良い。

図７を参照して、本発明の第３の実施形態におけるパティキュレート検出素子１０ｂについて説明する。上記実施形態においいては、不感期間解消用抵抗体２０、２０ａとして、チップ抵抗やリード付き抵抗等の別体の固定抵抗器を用いた例を示したが、図７に示すように、電気絶縁性基板１３の表面にスクリーン印刷等によって、リード部１１１、１２１間を渡るようにして不感期間解消用抵抗体２０ｂを形成し、表面を電気絶縁性耐熱保護層２００によってその表面を覆う構成としても良い。

本発明は上記実施形態に限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態においては、自動車エンジン等の内燃機関に搭載されるパティキュレート検出センサを例に説明したが、本発明のパティキュレート検出センサは、車載用に限定されるものではなく、火力発電所等の大規模プラントにおけるパティキュレート検出の用途にも利用可能である。

１ パティキュレート検出センサ
１０ パティキュレート検出素子
１００ 検出部
１１、１２ 検出電極
１１１、１２１ リード部
１１２、１２２ 端子部
１１３、１１３ 接続金具
１１４、１１４ 信号線
１３、１５ 電気絶縁性耐熱基板
１４０ 発熱体
１４１ａ、１４１ｂ 発熱体リード部
１４２ａ、１４２ｂ スルーホール電極
１４３ａ、１４３ｂ 発熱体端子部
１４４ａ、１４４ｂ 接続金具
１４５ａ、１４５ｂ 通電線
ｔｄ 不感期間
２０ 不感期間解消用抵抗体
Ｒ_ＦＩＸ 所定の抵抗値（不感期間解消用抵抗体）
２１ 抵抗検出手段
Ｒ_Ｘ 検出抵抗
３０ カバー体
３１０、３１１ 被測定ガス入出孔
４０ インシュレータ
５０ ハウジング
６０ ケーシング
７０ 封止部材
８０ 被測定ガス流路壁
８００ 被測定ガス流路

特開昭５９−１９７８４７号公報 独国出願公開第１０２００６０４２６０５号明細書

Claims (4)

1. 電気絶縁性耐熱基板の表面に所定の間隙を設けて対向する一対の検出電極を設けて検出部とし、該検出部に捕集され上記検出電極間に堆積する導電性微粒子の量によって変化する電気抵抗を検出して、被測定ガス中の導電性微粒子を検出するパティキュレート検出素子において、電気絶縁性耐熱基板の表面に所定の間隙を設けて対向する一対の検出電極を設けた検出部と、該検出部の上記検出電極間に堆積する導電性微粒子の量に応じて変化する電気抵抗を検出する検出手段とを具備し、被測定ガス中の導電性微粒子を検出するパティキュレート検出素子において、
   所定の抵抗値を有する抵抗体を上記検出部に形成される電気抵抗に対して並列に設けたことを特徴とするパティキュレート検出素子。
2. 不感期間解消用に設けた上記抵抗体を、被測定ガスの温度変化の影響を受けない熱的安定環境下に載置した請求項１に記載のパティキュレート検出素子。
3. 不感期間解消用に設けた上記抵抗体の電気抵抗が、１００Ω以上１ＭΩ以下である請求項1又は２に記載のパティキュレート検出素子。
4. 不感期間解消用に設けた上記抵抗体は、金属、金属酸化物、金属化合物、炭素、炭素化合物の少なくともいずれか１つを含む単体又は複合体によって形成した請求項１ないし３のいずれかに記載のパティキュレート検出素子。

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