JP6711846B2

JP6711846B2 - 粒子状物質の測定装置用部品

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Description

本開示は、粒子状物質の測定装置用部品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ともいう）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。また、流路とフィルタとは平行に配置され、流路のガスの流出側の開口の一部が閉塞され、これとは別の流路はガスの流入側が閉塞された構造となっている。

粒子状物質の測定装置用部品は、両端部において表面に開口している流路空間を内部に有するセラミックスから成る基部と、前記流路空間を複数に区切ってガスが流れる流路を形成するように前記空間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、前記基部の前記流路空間を挟んで対向する領域に、複数の前記フィルタ部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該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、前記フィルタ部は、前記流路空間の長さ方向に対して傾斜して配置されているものを含んでいる。

また、別の粒子状物質の測定装置用部品は、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流路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、複数の前記フィルタ部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該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、前記フィルタ部は、前記流路空間の長さ方向に対して傾斜して配置されているものを含んでいる。

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他の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他の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他の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他の例の横断面を示す断面図である。図６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他の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他の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他の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他の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他の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他の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他の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他の例の上面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は正面図である。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。

以下、粒子状物質の測定装置用部品１００について、図面を参照しながら説明する。図１等においては、粒子状物質の測定装置用部品１００に対して固定して定義した直交座標系ｘｙｚを付している。以下の説明では、この座標系を参照して方向を説明することがある。粒子状物質の測定装置用部品１００は、いずれの方向が鉛直方向乃至は水平方向とされてもよい。また、ｚ軸方向を上下方向、高さ方向または厚み方向ということがある。また、粒子状物質の測定装置用部品１００について単に平面視という場合には、ｚ軸方向から見ることを意味する。

図１、２に示すように、粒子状物質の測定装置用部品１００は、内部に流路空間１０を有する基部１と、流路空間１０の内部に設けられたフィルタ部２とを備えている。流路空間１０がフィルタ部２で複数に区切られて、複数の流路１１が形成されている。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（流路空間１０）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空間１０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つの流路空間１０を有している。流路空間１０は、基部１の主面の長手方向に沿って伸びている。それぞれの流路空間１０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つが流路１１である。２つの流路空間１０は基部１の厚み（高さ）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、開口を有する側面間の長さ（奥行き、ｙ軸方向の長さ）を４０ｍｍに、短手方向の長さ、開口を有さない側面間の長さ（幅、ｘ軸方向の長さ）を１０ｍｍに、高さ（厚み、ｚ軸方向の長さ）を５ｍｍに、設定できる。

流路空間１０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。流路空間１０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。そして、流路１１もまた、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。この２つの開口のうちの一方がガスの流入する流入口４であり、他方はガスが流路１１から流出する流出口５である。なお、図２においては、白抜き矢印でガスの流れを示している。また、流路空間１０は、幅（ｘ軸方向の長さ）を８ｍｍに、高さ（底面と天井面との間隔、ｚ軸方向の長さ）を１．２ｍｍに設定できる。流路空間１０の長さ（ｙ軸方向の長さ）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および図３に示すように、フィルタ部２は、流路空間１０の内部に設けられている。図２に示すように、本開示の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の流路空間１０を、流路空間１０の幅方向に複数の領域に区切るように複数設けられている。そして、フィルタ部２は、流路空間１０の長さ方向（ｙ軸方向）に対して傾斜して配置されているものを含んでいる。図２に示す例においては、すべてのフィルタ部２が流路空間１０の長さ方向（ｙ軸方向）に対して傾斜して配置されている。流路空間１０の長さ方向は流入口４から流出口５へ向かう方向である。本開示の粒子状物質の測定装置用部品１００は、１つの流路空間１０につき５つのフィルタ部２が設けられている。５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。そして、フィルタ部２が流路空間１０の長さ方向に対して傾斜して配置されていることから、排気管内を流れてきた排気ガスの流れ方向に対して流路空間１０の長さ方向が平行になるように粒子状物質の測定装置用部品１００を配置すると、フィルタ部２はガスの流れに対して斜めになる。そのため、ガスがフィルタ部２内に流入しやすくなり、ガスに含まれる粒子状物質を捕集しやすくなって、粒子状物質の検知感度の高いものとなる。

フィルタ部２で区切られて設けられる流路１１は、幅（フィルタ部２間の長さ）を１．２ｍｍに、高さ（底面と天井面との間隔）を流路空間１０と同じく１．２ｍｍに設定できる。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。フィルタ部２の流路空間１０の長さ方向（ｙ軸方向）に対する傾斜角度θは、例えば、３°~１０°に設定すればよい。

図４および図５に示す例においては、図２に示す例に対して、隣り合う一対のフィルタ部２間に、一端部が一方のフィルタ部２の流入口４側の端部に繋がり、他端部が他方のフィルタ部２の流出口５側の端部に繋がっているフィルタ部２が設けられている。言い換えれば、フィルタ部２がジグザグ形状であり、折れ曲がり部が流入口４と流出口５とに交互に位置している。これにより、流路１１は、フィルタ部２によって、ガスが流入する流入口４に繋がる第１の流路１１ａと、ガスが流出する流出口５に繋がる第２の流路１１ｂとに分断されている。そして、第１の流路１１ａは流入口４から長さ方向に向かうにつれて幅が小さくなっており、第２の流路１１ｂは流出口５へ長さ方向に向かうにつれて幅が大きくなっている。

このような構成により、流入口４から第１の流路１１ａに流入したガスの全てがフィルタ部２を通過し、第２の流路１１ｂ内を流れて流出口５から流出することになる。よって、粒子状物質の捕集効率がより向上し、粒子状物質の検知感度がより向上する。従来の粒子状物質の測定用部品は、開口の一部を閉塞部材で閉塞していたのに対して、流入口４および流出口５を閉塞していない。フィルタ部２の流入口４および流出口５において繋がっている部分（ジグザグ形状のフィルタ部２の折れ曲がり部）が閉塞部材を兼ねている。流入口４および流出口５が閉塞されていないため、流路空間１０の開口面積に対する流入口４および流出口５の面積の比率が大きいものとなる。そのため、粒子状物質を含む排気ガスの流入量が大きいものとなり、粒子状物質の捕集効率の高いものとなる。そして、より小型の粒子状物質の測定装置用部品１００とすることができる。

図４に示す例は、流路空間１０の長さ方向に対して傾斜して配置されているフィルタ部２と、流路空間１０の長さ方向に対して沿って（平行に）配置されているフィルタ部２とを有しており、これらが交互に配置されている。これに対して、図５に示す例の粒子状物質の測定装置用部品においては、すべてのフィルタ部２が流路空間１０の長さ方向に対して傾斜して配置されている。隣り合うフィルタ部２は、互いに異なる方向に傾斜している。すべてのフィルタ部２が流路空間１０の長さ方向に対して傾斜しているので、フィルタ部２の長さを長くでき、粒子状物質の捕集効率がさらに向上し、粒子状物質の検知感度がより向上する。なお、図４および図５に示す例においては、流路空間１０の幅方向の最外部にもフィルタ部２が配置されており、基部１の流路空間１０に面する内面を覆っている。このような構成によって、粒子状物質をより多く捕集することができる。図５に示す例の粒子状物質の測定装置用部品においては、すべてのフィルタ部２が流路空間１０の長さ方向に対して傾斜して配置されている、と上記したが、この場合のすべてのフィルタ部２は、基部１の内面を覆うフィルタ部以外のすべてのフィルタ部を指している。

図４および図５に示す例では、第１の流路１１ａおよび第２の流路１１ｂの平面視の形状、第１の流路１１ａおよび第２の流路１１ｂの底面と天井面の形状は三角形である。これに対して、図６に示す例の粒子状物質の測定装置用部品１００においては、第１の流路１１ａの形状は台形である。図５に示す例の三角形状の第１の流路１１ａにおける、流出口５側の角部を隅切りしたような形状である。流出口５側の折れ曲がり部が２段階に折れ曲がっていて、折れ曲がり部に流路空間１０の幅方向に延びる部分を有しているともいえる。このような構成であると、フィルタ部２の流入側の第１の流路１１ａに面する部分の面積を増やすことができるので、より多くの粒子状物質を捕集することができる。粒子状物質の捕集効率がさらに向上し、粒子状物質の検知感度がより向上する。また、この角部が鈍角になるので、角部を起点としたフィルタ部２の割れが発生し難くなる。この点では、第２の流路１１ｂにおいても同様に、三角形の第２の流路１１ｂの流入口４側の角部を隅切りした形状、台形とするとよい。この場合には、粒子状物質の捕集効率の観点から、図６に示す例の粒子状物質の測定装置用部品１００と同様に、第１の流路１１ａの幅を第２の流路１１ｂの幅より大きくするのがよい。

図７に示す例の粒子状物質の測定装置用部品１００は、図５に示す例の三角形状の第１の流路１１ａにおける、流出口５側の角部を丸めたような形状である。言い換えれば、ジグザグ形状のフィルタ部２の折れ曲がり部の、流路１１（第１の流路１１ａ）側の角部を丸めたものである。図６に示す例の粒子状物質の測定装置用部品１００における、第１の流路１１ａの流出口５側の角部を丸めた形状ともいえる。そのため、同様にフィルタ部２の流入側の第１の流路１１ａに面する部分の面積を増やすことができるので、より多くの粒子状物質を捕集することができ、粒子状物質の捕集効率がさらに向上する。粒子状物質の検知感度がより向上する。そして、角部を有していないので、角部を起点としたフィルタ部２の割れがより発生し難くなる。この点では、第２の流路１１ｂにおいても同様に、三角形の第２の流路１１ｂの流入口４側の角部を丸めた形状とするとよい。この場合にも同様に、粒子状物質の捕集効率の観点から、第１の流路１１ａの幅を第２の流路１１ｂの幅より大きくするのがよい。なお、図７に示す例の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の流路空間１０の幅方向の最も外側に位置する部分は、基部１の流路空間１０に面する内面を覆っており、流路１１（第１の流路１１ａ）側の面が流路空間１０の長さ方向に対して傾斜している。この部分も、流路空間１０の長さ方向に対して傾斜して配置されているという。

ここで、本開示の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、天井面および底面がここでいう壁面に含まれる。

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。

本開示の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３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、本開示の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３に示すように、本開示の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。

本開示の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、本開示の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８に示すように、本開示の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。

特に、図９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８および図９に示す例においては、電極３の端部は、基部１の幅方向（ｘ軸方向）において流路１１の外側に位置する基部１へ引き出された引き出し部３ａを有している。この引き出し部３ａからさらに基部１の外表面へ引き出され、外部の装置と電気的に接続される。例えば、引き出し部３ａで電気的に接続され、基部１を貫通して基部１の上面に引き出される貫通導体（不図示）を備えている。基部１の上面には端子電極（不図示）が設けられており、貫通導体が電気的に接続されている。この端子電極と外部の検出装置とを電気的に接続することができる。

図８および図９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、１対の電極３のそれぞれは、一系統の配線となっている。これに対して、図１０および図１１に示す例では、１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る。図１０に示す例では、２つの配線パターンは流路１１の幅方向（ｘ軸方向）に並んで配置されており、図１１に示す例では、２つの配線パターンは流路１１の長さ方向（ｙ軸方向）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と、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１０および図１１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、複数系統であればよいので、３系統以上の配線であってもよい。

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。

上述の開示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１２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の間の流路空間１０を区切って流路１１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とを備えていてもよい。そして、図２、４〜７に示したように、フィルタ部２が、流路空間１０の長さ方向に対して傾斜して配置されているものを含むものであってもよい。

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との間の流路空間１０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１２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つの流路空間１０を空けて並んで設けられており、この２つの流路空間１０にそれぞれ７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１２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３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。

図１３〜図１５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１３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１３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１３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１３に示す例では、図面の上下方向（ｚ軸方向）で３段の流路空間１０（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が図面の左右方向（流路空間１０および基部１の幅方向、ｘ軸方向）に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１３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１３に示す例においては、同じ気孔径のフィルタ部２は基部１の幅方向（ｘ軸方向）に一列に配列されているが、複数の基部１の配置方向（ｚ軸方向）に一列に配列してもよい。あるいは、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１μｍ〜６０μｍであり、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１４および図１５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１４および図１５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、流路空間１０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。なお、ここでいう「外側に位置する」とは、図１４に示すように上下方向における外側であってもよい。また、「外側に位置する」とは、図１５に示すように、流路空間１０の幅方向における外側であってもよい。また、「外側に位置する」とは、上下方向および幅方向の全体における外側であってもよい。

流路空間１０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１４に示す例においては、図面の上下方向（複数の基部１の配置方向、ｚ軸方向）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（複数の基部１の配置方向、ｚ軸方向）に３段の流路空間１０が配列されており、上段および下段の流路空間１０に第４のフィルタ部２ｄが配置され、中段の流路空間１０に第５のフィルタ部２ｅが配置されている。図１５に示す例においては、図面の左右方向（流路空間１０および基部１の幅方向、ｘ軸方向）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（複数の基部１の配置方向、ｚ軸方向）で３段の流路空間１０が配列されており、それぞれの流路空間１０に左右方向（流路空間１０および基部１の幅方向、ｘ軸方向）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内の流路空間１０（流路１１）を流れる際には、流路空間１０の中心部（流路空間１０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、流路空間１０の外周部（流路空間１０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１４および図１５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１４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。

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１６に示す例のように、流路空間１０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。図１６に示す例においては、流入口４が基部１の上面に設けられ、流路１１は基部１の内部において、２段の流路１１に別れて基部１の側面（図面の下側の側面）に設けられた流出口５まで延びている。それぞれの流路１１内にフィルタ部２が設けられ、第１の流路１１ａと第２の流路１１ｂとに区切られている。ガスの流れは白抜き矢印で示しており、ガスは基部１の上面に設けられた流入口４から流入し、基部１の側面に設けられた流出口５から流出する。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。

以上のような、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の製造方法は、例えば、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。

図１７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。図１７は、図１２に示す例のような粒子状物質の測定装置用部品１００において、一対の基部１の間に配置されたフィルタ部２を７つから６つにしたものを製造する工程を示すものである。まず、図１７（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_２，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１７（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。このとき、第１のセラミックグリーンシート１２の面のうち片側だけに電極層３２を形成する。

また、図１７（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１７（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１７（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１７（ｄ）に示す例は、図１２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３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。

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。

貫通導体を形成するには、積層体１０２を作製する工程の前に、必要なセラミックグリーンシート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を形成し、この貫通孔に電極層３２を形成するのと同様の導体ペーストを充填しておけばよい。

１：基部
１０：流路空間
１１：流路
１１ａ：第１の流路
１１ｂ：第２の流路
２：フィルタ部
３：電極
４：流入口
５：流出口
１００：粒子状物質の測定装置用部品

Claims

セラミックスから成り内部にガスの流れる流路空間を有する基部と、前記流路空間を複数に区切って流路を形成するように前記流路空間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、前記基部の前記流路空間を挟んで対向する領域に、複数の前記フィルタ部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該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、
前記フィルタ部は、前記流路空間の長さ方向に対して傾斜して配置されているものを含んでいる粒子状物質の測定装置用部品。
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ガスの流れる流路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、複数の前記フィルタ部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該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、
前記フィルタ部は、前記流路空間の長さ方向に対して傾斜して配置されているものを含んでいる粒子状物質の測定装置用部品。
前記流路は、前記ガスが流入する流入口に繋がる第１の流路と、前記ガスが流出する流出口に繋がる第２の流路とを有しており、前記第１の流路は前記流入口から長さ方向に向かうにつれて幅が小さくなっており、前記第２の流路は前記流出口へ長さ方向に向かうにつれて幅が大きくなっている請求項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。
前記電極が前記基部に埋設されている請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の粒子状物質の測定装置用部品。
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４のいずれか一項に記載の粒子状物質の測定装置用部品。
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５のいずれか一項に記載の粒子状物質の測定装置用部品。
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６に記載の粒子状物質の測定装置用部品。
互いに気孔径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のいずれか一項に記載の粒子状物質の測定装置用部品。
前記流路空間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１乃至８のいずれか一項に記載の粒子状物質の測定装置用部品。