ガスセンサ
【目的】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の濃度を検出するガスセンサにおいて、広い検出範囲を有するガスセンサを提供する。
【解決手段】セラミックス基板３０の表面に形成した検出部１０、２０に捕集、堆積する導電性微粒子ＰＭの堆積量Ｑによって変化する抵抗値Ｒ１０、Ｒ２０を測定して被測定ガス中のＰＭの濃度を検出するガスセンサ１であって、検出範囲の異なる複数の検出部１０、２０を具備すると共に、これらの複数の検出範囲ＤＲ１０、ＤＲ２０の一部が互いに重なるように設定する。
【解決手段】セラミックス基板３０の表面に形成した検出部１０、２０に捕集、堆積する導電性微粒子ＰＭの堆積量Ｑによって変化する抵抗値Ｒ１０、Ｒ２０を測定して被測定ガス中のＰＭの濃度を検出するガスセンサ１であって、検出範囲の異なる複数の検出部１０、２０を具備すると共に、これらの複数の検出範囲ＤＲ１０、ＤＲ２０の一部が互いに重なるように設定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃焼排気等の被測定ガス中に含まれる導電性微粒子を検出するガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
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、ディーゼル粒子状物質フィルタ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、バーナやヒータ等で加熱したり、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ＯＢＤ（オンボードダイアグノーシス、車載式故障診断装置）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ガスセンサが必要とされている。さらに、このようなＰＭを検出するガスセンサを用いる場合、ガスセンサの故障に対する確実なフェールセーフが求められている。
また、一般にＤＰＦの再生制御等には、ＤＰＦの入口側と出口側とに設けた圧力センサによってその圧力差を検出して、ＤＰＦの目詰まりを判断する方法が用いられているが、ＤＰＦの目詰まりが進行し、圧力差が大きくなった状態でないと検出できない虞がある。
【０００３】
燃焼排気中のＰＭの検出手段として、特許文献１には、煤を含むガスが通過するガス流路内に設置して、前記ガスに含まれる前記煤を検出する煤検出センサであって、多孔質の導電性物質から構成された煤検出電極と、前記煤検出電極に配設され、前記煤検出電極の電気抵抗の値を測定するための少なくとも一対の導電性電極とを備えた煤検出センサが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、ガス流内の導電性の微粒子を検出するための検出装置であって、基板上に形成された少なくとも２つの電極からなる電極対を具備すると共に、該電極対の少なくとも２つの電極が導電層によって覆われ、該導電層の抵抗値が測定ガス中の微粒子によって形成される抵抗値の最小値と同等又はそれ以下の抵抗値であることを特徴とする微粒子検出装置が開示されている。
【０００５】
特許文献３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開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１にあるような煤検出センサでは、多孔質の導電性物質から構成された煤検出電極に煤が付着することによる電気抵抗の値の変化を、一対の導電性電極によって測定し、得られた電気抵抗の値からガスに含まれる煤の量を検出するものであるため、煤検出電極に付着した煤が微量であっても検出できる。 ところが、煤検出電極全体の表面を覆うように煤が堆積した後は、それ以上に煤が堆積しても検出される電気抵抗が変化しないため、煤の堆積量として検出できる範囲が狭く、ＤＰＦの破損等により短期間に比較的多量の煤が放出された場合に異常を検知できなかったりする虞がある。
【０００７】
また、特許文献２や、特許文献３にあるように、２つの電極を覆うように導電層を形成したり、２つの電極層の下側に導電性ベースを形成したりすることによって電極間を導通させると、電極間に堆積する微粒子によって形成される抵抗が検出可能となるまでの不感時間を解消することができるが、電極と導電層との２つのノイズが検出信号に含まれ、検出精度が低下する虞がある。
さらに、導電層が微粒子の堆積する部分の全体に渡って設けられているため、一定以上の量のＰＭが堆積した場合の抵抗値変化が相対的に小さくなるので、ＤＰＦの破損等により短期間に比較的多量の煤が放出された場合に異常を検知できない虞がある。
【０００８】
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の濃度を検出するガスセンサにおいて、広い検出範囲を有するガスセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明では、耐熱性基板の表面に形成した検出部に捕集、堆積する導電性微粒子の堆積量によって変化する抵抗値を測定して被測定ガス中の導電性微粒子の濃度を検出するガスセンサであって、検出範囲の異なる複数の検出部を具備すると共に、これらの複数の検出範囲の一部が互いに重なるように設定する（請求項１）。なお、ここで言う耐熱性基板とはセラミックス等の融点が１０００℃以上の耐熱性材料によって形成された基板である。
【００１０】
第１の発明によれば、上記複数の検出部の一方の検出部に堆積する上記導電性微粒子の量が少なく、抵抗値の変化を検出できない不感期間であっても、検出範囲の異なる他方の検出部によって補うことができ、広い検出範囲に渡って被測定ガス中の導電性微粒子の濃度を検出することができる。
【００１１】
第２の発明では、上記複数の検出部を第１の検出部と第２の検出部とで構成し、上記第２の検出部の検出範囲を上記第１の検出部の検出範囲の１／１０ないし１／２とする（請求項２）。
【００１２】
第２の発明によれば、上記第１の検出部の不感期間を上記第２の検出部によって補うことが可能となり、広い検出範囲に渡って被測定ガス中の導電性微粒子の濃度を検出可能なガスセンサが実現できる。
加えて、上記第１の検出部と上記第２の検出部とが同時に出力する期間が形成されるので、上記第２の検出部からの出力が飽和する時期と上記第１の検出部からの出力が検出可能となる時期のズレによって互いの検出部の異常を検知することも可能となる。
【００１３】
より具体的には、第３の発明のように、上記第１の検出部は、上記耐熱性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によって形成し、上記第２の検出部は、上記耐熱性基板の表面に上記第１の検出部と共に形成され、上記第１の検出部を形成する一対の検出電極の上記所定の間隙の１／１０ないし１／２の間隙を設けて対向する一対の検出電極によって形成する（請求項３）。
【００１４】
第３の発明によれば、上記一対の電極間の間隙を調整するだけで、上記第２の検出範囲を上記第１の検出部の検出範囲の１／１０ないし１／２の検出範囲において、任意に設定することが可能で、検出範囲の広いガスセンサを容易に実現可能となる。
【００１５】
また、第４の発明のように、少なくとも上記第２の検出部を上記耐熱性基板の表面に形成した所定の気孔率を有する多孔質導電性層と電極とによって構成しても良い（請求項４）。
【００１６】
第４の発明によれば、上記第２の検出部に上記導電性微粒子が付着していない状態でも微量の電流が流れているため、不感期間がなく、連続的な出力の検出が可能となる。さらに、上記多孔質導電性層の気孔率を調整することによって、検出範囲の調整が可能となる。
【００１７】
第５の発明では、上記第２の検出部が高温側となるように、上記第１の検出部と上記第２の検出部とを上記耐熱性基板の長手方向に対して、上下に配設する（請求項５）。
【００１８】
第５の発明によれば、上記第２の検出部に捕集される上記導電性微粒子が粒径によって分級して検出することが可能となる。
【００１９】
第６の発明では、上記被測定ガスは、ディーゼル燃焼機関の燃焼排気である（請求項６）。
【００２０】
第６の発明によれば、上記ガスセンサをディーゼル燃焼機関の排気浄化装置のより精度の高い故障診断やディーゼル燃焼機関の燃焼制御に利用可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるガスセンサの概要を示す平面図。
【図２】本発明の第１の実施形態におけるガスセンサの作動原理を説明するための説明図であり、（ａ）は、ガスセンサの構成の概要を示す等価回路図、（ｂ）は、検出部に堆積するＰＭの量に対する出力を示す特性図。
【図３】本発明の第１の実施形態におけるガスセンサの効果を示し、（ａ）は、ＤＰＦが正常な状態におけるセンサ出力の経時変化を示す特性図、（ｂ）は、ＤＰＦに破損を生じた状態におけるセンサ出力の経時変化を示す特性図、（ｃ）は、ＤＰＦにＰＭが堆積した状態におけるセンサ出力の経時変化を示す特性図。
【図４】本発明の第１の実施形態におけるガスセンサの効果を示し、（ａ）は、第２の検出部に断線異常が発生した状態におけるセンサ出力の経時変化を示す特性図、（ｂ）は、第２の検出部に劣化異常が生じた場合のセンサ出力の経時変化を示す特性図。
【図５】本発明の第１の実施形態におけるガスセンサの効果を示し、（ａ）は、第１の検出部に断線異常が発生した状態におけるセンサ出力の経時変化を示す特性図、（ｂ）は、第１の検出部に劣化異常が生じた場合のセンサ出力の経時変化を示す特性図。
【図６】本発明の第２の実施形態におけるガスセンサの概要を示し、（ａ）は要部断面図、（ｂ）は、本図（ａ）中Ａ−Ａに沿った断面図。
【図７】（ａ）は、本発明の第３の実施形態におけるガスセンサの検出部の概要を示す平面図、（ｂ）は、第４の実施形態におけるガスセンサの検出部の概要を示す平面図。
【図８】本発明の第５の実施形態におけるガスセンサの検出部の概要を示し、（ａ）は、平面図、（ｂ）は、展開斜視図。
【図９】本発明のガスセンサの他の変形例を示す等価回路図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１を参照して、本発明の第１の実施形態におけるガスセンサ１の概要について説明する。
ガスセンサ１は、例えば、ディーゼル燃焼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粒子状物質フィルタ（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、導電性微粒子の濃度を検出するのに用いられる。
ガスセンサ１は、例えば、耐熱性基板として、略平板状に形成したアルミナ等の１０００℃以上の融点を有するセラミックス基板３０の表面上に、導電性材料を用いて第１の検出部１０と第２の検出部２０とを厚膜印刷、フォトリソグラフィ等の公知の方法により形成して構成されている。
なお、耐熱性基板として、一部に導電性層を有するものや、１０００℃以上の耐熱性を示すものであれば、高分子材料や耐熱ガラス等のセラミックス以外の耐熱性材料を用いても良い。
第１の検出部１０は、少なくとも、所定の第１の間隙Ｄ１を設けて対向する一対の検出電極１１０と検出電極１２０とによって形成されている。
第２の検出部２０は、少なくとも、所定の第２の間隙Ｄ２を設けて対向する一対の検出電極２１０と検出電極２２０とによって形成されている。
第２の間隙Ｄ２は、第１の間隙Ｄ１の１／１０〜１／２の間隙に設けられている。
なお、本実施形態においては、第１の検出部１０は、一対のリード部１１１、１２１に直交する方向に延設したリード部にさらに直交方向に延設して複数の検出電極１１０、１２０を交互に突出するように延設して櫛歯状に形成して、所定の間隙Ｄ１を設けて対向せしめてあり、第２の検出部２０は、一対のリード部２１１、２２１に直交する方向に延設したリード部にさらに直交方向に延設して複数の検出電極２１０、２２０を交互に突出するように延設して櫛歯状に形成して、所定の間隙Ｄ２を設けて対向せしめてある。
本発明のガスセンサは、第１の検出部１０と第２の検出部２０とがＰＭ等の導電性の微粒子を含む被測定ガスに晒され、第１の検出部１０及び第２の検出部２０に捕集され、堆積したＰＭの堆積量Ｑによって抵抗値が変化する第１の検出抵抗Ｒ１０と第２の検出抵抗Ｒ２０とを外部に設けた抵抗測定手段によって測定して、被測定ガス中のＰＭ濃度を検出するものである。
また、公知の方法により、セラミックス基板３０の裏面側に積層して、又は、セラミックス基板３０の内部に通電により発熱する図略の加熱部を設けて、加熱により第１の検出部１０と第２の検出部２０とに堆積したＰＭを燃焼除去できるようになっている。
【００２３】
図２を参照して、本発明の第１の実施形態におけるガスセンサ１の効果について説明する。
本図（ａ）に示すように、第１の検出部１０に堆積するＰＭによって形成される第１の抵抗Ｒ１０は、第１の抵抗検出手段５０として、電源電圧＋Ｂを第１の抵抗Ｒ１０とで分圧する分圧抵抗ＲＳ１を設けて、第１の出力電圧ＶＯＵＴ１を計測することによって検出することができ、第２の検出部２０に堆積するＰＭによって形成される第２の抵抗Ｒ２０は、第２の抵抗検出手段６０として、電源電圧＋Ｂを第２の抵抗Ｒ２０とで分圧する分圧抵抗ＲＳ２を設けて、第２の出力電圧ＶＯＵＴ２を計測することによって検出することができる。
本図（ｂ）は、本実施形態におけるガスセンサ１の第１の検出部１０と第２の検出部２０との検出範囲に一例を示すものである。
例えば、第１の検出部１０は、第１の検出部１０のＰＭ捕集量Ｑが１．０μｇとなったときに、第１の出力電圧ＶＯＵＴ１が検出可能な最小電圧ｍｉｎＶＯＵＴ１（例えば０．１ｖ）となり、第１の検出部１０のＰＭ捕集量Ｑが１００．０μｇとなったときに、第１の出力電圧ＶＯＵＴ１が最大電圧ｍａｘＶＯＵＴ１（例えば９．９ｖ）となるように構成され、第２の検出部２０は、第２の検出部２０のＰＭ捕集量Ｑが０．１μｇとなったときに、第２の出力電圧ＶＯＵＴ２が検出可能な最小電圧ｍｉｎＶＯＵＴ２（例えば０．１ｖ）となり、第２の検出部２０のＰＭ捕集量Ｑが１０．０μｇとなったときに、第２の出力電圧ＶＯＵＴ２が最大電圧ｍａｘＶＯＵＴ１（例えば９．９ｖ）となるように構成されている。
このため、第１の検出部１０の検出範囲ＤＲ１０は、１．０μｇ〜１００．０μｇとなっており、第２の検出部２０の検出範囲ＤＲ２０は、０．１μｇ〜１０．０μｇとなっており、第１の検出部１０の検出範囲ＤＲ１０と第２の検出部２０の検出範囲ＤＲ２０とは、１．０μｇ〜１０．０μｇの範囲で重複している。
本発明においては、第１の検出部１０の検出範囲ＤＲ１０と第２の検出部２０の検出範囲ＤＲ２０とが重なるように、第２の検出部２０の一対の検出電極２１０、２２０間の距離を表す第２の間隙Ｄ２が、第１の検出部１０の一対の検出電極１１０、１２０間の距離を表す第１の間隙Ｄ１の１／１０〜１／２の範囲で適宜変更可能である。
【００２４】
図３を参照して、本発明の第１の実施形態におけるガスセンサ１の効果について説明する。
上述の関係を満たすように、第１の検出部１０と第２の検出部２０とを、形成すれば、図３（ａ）に示すように、先ず、第１の検出部１０に堆積したＰＭによって検出電極１１０、１２０間に導電パスが形成され、第１の検出抵抗Ｒ１０が徐々に低下し、第１の検出抵抗Ｒ１０が検出可能となるＰＭ量の１／１０〜１／２の量のＰＭが第２の検出部２０に堆積した時点で第２の検出部２０に堆積したＰＭによって形成される第２の検出抵抗Ｒ２０が検出可能となり、第２の出力ＶＯＵＴ２の上昇が始まる。
第１の検出部１０からの出力ＶＯＵＴ１を検出できないような、始動開始直後等の検出部に堆積するＰＭ量Ｑが少ないときであっても、第２の出力ＶＯＵＴ２が出力されるので、不感時間Ｔｄ１を解消することができる。
この際、第２の検出部２０にもＰＭの堆積を検出できない不感期間Ｔｄ２が存在するが、極めて短い時間であるため、無視することができる。
第１の検出部１０に堆積したＰＭによって形成される第１の検出抵抗Ｒ１０が、さらに低下し、第１の出力ＶＯＵＴ１が、検出可能な最小電圧ｍｉｎＶＯＵＴ１以上となると、第１の出力ＶＯＵＴ１は徐々に上昇し、第２の検出部２０に堆積するＰＭ量が飽和し、第２の検出部２０の最大電圧ｍａｘＶＯＵＴ１を超えるまでは、第１の出力ＶＯＵＴ１と第２の出力ＶＯＵＴ２との両方が検出され、その後は、第１の出力ＶＯＵＴ１が飽和し、最大電圧ｍａｘＶＯＵＴ１に到達するまで、第１の出力ＶＯＵＴ１のみが上昇する。
本図（ａ）に示すように、第１の検出部１０からの第１の出力ＶＯＵＴ１と第２の検出部２０からの第２の出力ＶＯＵＴ２との両方が同時に出力される同時検出期間が存在するため、第１の出力ＶＯＵＴ１と第２の出力ＶＯＵＴ２との有無によって、ＤＰＦの破損や、目詰まりの有無等を検出するＯＢＤとしての機能を発揮させることができる。
【００２５】
図３（ｂ）を参照し、ＤＰＦが破損する等、短時間に多量のＰＭが排出された場合の効果について説明する、
短時間に多量のＰＭが排出されると、第１の出力ＶＯＵＴ１、第２の出力ＶＯＵＴ２は共に、立ち上がりの速度が速くなる。
特に検出範囲の狭い第２の検出部２０は直ちに飽和状態となるが、一方の、第１の検出部１０は、検出範囲が比較的広いため、第２の検出部に比べれば緩やかな立ち上がりとなる。
その結果、図３（ｂ）に示すように、第１の出力ＶＯＵＴ１と第２の出力ＶＯＵＴ２とが同時に検出される期間が極めて短くなるので、第２の出力ＶＯＵＴ２が飽和するタイミングと第１の出力ＶＯＵＴ１の立ち上がりのタイミングとの比較や、所定の時間閾値との比較等によって、ＤＰＦの破損等によりＰＭが多量に排出されていると判定し、警告等を発信することができる。
【００２６】
図３（ｃ）を参照し、ＤＰＦに目詰まりが生じている場合の効果について説明する。一方、ＤＰＦにＰＭが堆積し、再生が必要な状態となると、ガスセンサ１の検出部に排出されるＰＭの量が減少するので、本図（ｃ）に示すように、第１の出力ＶＯＵＴ１、第２の出力ＶＯＵＴ２は、共に緩やかな変化となる。
特に第１の検出部１０へのＰＭの堆積が少なくなると、第１の検出部１０の不感時間Ｔｄ１が長くなる。第２の検出部２０の検出範囲は、第１の検出部１０の検出範囲の１／１０〜１／２であるので、状況によっては、第１の検出部１０の不感時間Ｔｄ１が長くなり、第１の検出部１０が立ち上がる前に第２の検出部２０が飽和状態となる虞もある。
このような場合に、ＤＰＦの目詰まりと判断して、ＤＰＦの再生制御を開始させたり、ＤＰＦの異常を警告したりすることもできる。
検出範囲の異なる第１の検出部１０と第２の検出部２０とを設けることによって、第１の出力ＶＯＵＴ１と第２の出力ＶＯＵＴ２の立ち上がりの違いから、ＤＰＦの異常の検出が可能となる。
【００２７】
図４、図５を参照して、第１の検出部１０と第２の検出部とを互いの異常を検出するための手段として利用した場合の効果について説明する。
図４（ａ）に示すように、第２の検出部２０に断線異常が発生している場合、第２の出力ＶＯＵＴ２が同時検出期間となっても検出されず、第１の出力ＶＯＵＴ１のみが検出される状態となる。したがって、このような場合は、第２の検出部２０に断線異常が発生していると判断して、ガスセンサ１の異常を警告することができる。
図４（ｂ）に示すように、第２の検出部２０に劣化異常が発生している場合、第２の検出部２０が飽和する量のＰＭが堆積しているにも拘わらず、第２の出力ＶＯＵＴ２の上昇速度が遅くなり、第１の出力ＶＯＵＴ１と第２の出力ＶＯＵＴ２とが同時に検出される期間が長くなる。
したがって、正常な状態における同時検出期間を超えて第１の出力ＶＯＵＴ１と第２の出力ＶＯＵＴ２とが同時に検出される場合には、第２の検出部２０に劣化異常が発生していると判断し、ガスセンサ１の異常を警告することができる。
なお、第１の出力ＶＯＵＴ１及び第２の出力ＶＯＵＴ２の傾き（電流)を検出して、ガスセンサ1の異常を検出することもできる。
【００２８】
図５（ａ）に示すように、第１の検出部１０に断線異常が発生している場合、第１の出力ＶＯＵＴ１が同時検出期間となっても検出されず、第２の出力ＶＯＵＴ２が飽和状態となる。したがって、このような場合は、第１の検出部１０に断線異常が発生していると判断して、ガスセンサ１の異常を警告することができる。
【００２９】
図５（ｂ）に示すように、第１の検出部１０に劣化異常が発生している場合、第２の検出部２０が飽和する量のＰＭが堆積しているにも拘わらず、第１の出力ＶＯＵＴ１の上昇速度が遅くなり、第１の出力ＶＯＵＴ１と第２の出力ＶＯＵＴ２とが同時に検出される期間が短くなる。
したがって、正常な状態における同時検出期間となっても第１の出力ＶＯＵＴ１と第２の出力ＶＯＵＴ２とが同時に検出されない場合には、第１の検出部１０に劣化異常が発生していると判断し、ガスセンサ１の異常を警告することができる。
【００３０】
上記実施形態においては、第１の検出部１０と第２の検出部２０とをそれぞれ独立の抵抗検出手段５０、６０によって、検出する場合について説明したが、第２の出力ＶＯＵＴ２が飽和状態となったら第１の出力ＶＯＵＴ１に切り換えて、第１の検出部１０に形成される第１の抵抗Ｒ１０と第２の検出部２０に形成される第２の抵抗Ｒ２０とを一つの検出手段によって検出するように構成しても良い。
この場合、第２の出力ＶＯＵＴ２と第１の出力ＶＯＵＴ１との切り換え時期を計測し、切り換え時期が同時検出時期よりも早い場合には、ＤＰＦの破損と判断したり、切り換え時期が同時検出時期よりも遅い場合には、ＤＰＦの目詰まりと判断したりするような構成としても良い。
【００３１】
図６を参照して本発明の第２の実施形態におけるガスセンサ１ａについて説明する。本実施形態においては、上記実施形態と同様第２の検出部２０ａの検出範囲が第１の検出範囲１０ａの１／１０〜１／２となるように一対の第１の検出電極１１０ａ、１２０ａ及び第２の検出電極２１０ａ、２２０ａが形成されている。
さらに、本実施形態においては、図６（ａ）に示すように、本実施形態においては第１の検出部１０ａと第２の検出部２０ａとをセラミックス基板３０の長手方向に対して、第２の検出部２０ａが高温側となるように上下に配設すると共に、ガスセンサ１ａの周囲をカバー体４０で覆い、導入孔４１を第１の検出部１０に対向せしめてある。
カバー体４０は、略有底筒状に形成され、その側面及び底面には、被測定ガスをカバー体４０の内部に導入、導出する導入孔４１、４２、４３を設けてある。
このような構成とすることにより、ＰＭを含む被測定ガスは、本図（ｂ）に示すように、導入孔４１から、カバー体４０内に侵入し、第１の検出部１０ａの表面に衝突するが、このとき、φ１０μｍ以上の比較的大きな粒径の大粒子ＰＭＬはそのまま第１の検出部１０ａに、捕集され堆積し、φ１０μｍより小さい小粒径の小粒子ＰＭＳは、流速の低下したカバー体４０内の温度分布によって発生する上昇気流に乗ってふわふわと漂いながら、第1の検出部１０ａよりも上方に位置する第２の検出部２０ａに、捕集され堆積する。
なお、本実施形態においては、第１の検出部１０ａ、第２の検出部２０ａ―を構成する櫛歯状電極をセラミックス基板３０の長手方向に対して、直交するように、形成した例を示したが、第１の実施形態と同様、セラミックス基板３０の長手方向に対して平行となるように形成しても良い。
【００３２】
本実施形態によれば、第２の検出部２０ａには、小粒子ＰＭＳのみが堆積するので、図６（ｃ）に示すように、第２の出力ＶＯＵＴ２の上昇速度が緩やかになり、第１の出力ＶＯＵＴ１と第２の出力ＶＯＵＴ２とが同時に検出される同時検出期間が、上記実施形態よりも相対的に長くなる。
また、本実施形態によれば、ＰＭの粒径を分級して第１の検出部１０ａと第２の検出部２０ａとで分けて検出することにより、異常発生モードをより細かく分類して判定できるようになる。
【００３３】
図７を参照して、本発明の他の実施形態におけるガスセンサの変形例１ｂ、１ｃについて説明する。
上記実施形態においては、第１の検出部１０、１０ａと第２の検出部２０、２０ａとをセラミックス基板３０の長手方向に対して、上下に配設して形成した例を示したが、本図（ａ）に示す第３の実施形態におけるガスセンサ１ｂのように、第１の検出部１０ｂと第２の検出部２０ｂとをセラミックス基板３０に長手方向に対して左右横並びに配設しても良い。
又、第１の検出部１０ｂのリード部１１１ｂと第２の検出部２０ｂのリード部２２１ｂとを兼用する構成としても良い。
さらに、本図（ｃ）に示す第４の実施形態におけるガスセンサ１ｃのように、第１の検出部１０ｃと第２の検出部２０ｃとをセラミックス基板３０に長手方向に対して、上下に配設し、第１の検出部１０ｃのリード部１１１ｃと第２の検出部２０ｃのリード部２２１ｃとを兼用する構成としても良い。
【００３４】
図８を参照して、本発明の第５の実施形態おけるガスセンサ１ｄについて説明する。上記実施形態においては、第１の検出部１０、第２の検出部２０をそれぞれ一対の櫛歯状電極によって形成し、それぞれの電極間の間隙Ｄ１、Ｄ２の調整により検出範囲を設定した例を示したが、本実施形態においては、第２の検出部２０ｄを電極２１０ｄ、多孔質導電成層２２０ｄ、リード部２１１ｄ、２２１ｄによって構成した点が相違する。
本図（ｂ）に示すように、第２の検出部２０ｄは、多孔質導電性層２２０ｄは、所定の気孔率を有する多孔質の半導体膜によって構成し、電極１１０ｄ、電極２１０ｄで挟み込むように積層されており、第２の検出部２０ｄの抵抗値が１００ｋΩから１００ＭΩとなるように形成してある。
また、第１の検出部１０ｄを同様の多孔質導電成層１１０ｄによって形成し、第1の検出部１０ｄの抵抗値が１００ＭΩとなるように構成しても良い。
なお、第１の検出部１０ｄ、第１の検出部２０ｄの抵抗値は、多孔質導電性層の気孔率の調整によって適宜設定可能である。
上記実施形態のように、検出部を櫛歯状電極で構成した場合には、電極間にＰＭがある程度堆積し、電極間に電導パスを形成しないと出力ＶＯＵＴ１、ＶＯＵＴ２が検出されないが、本実施形態のように、半導体膜によって形成すると、ＰＭが堆積しない状態でも、微量の電流が流れるため、ごく微量のＰＭが堆積した場合でも連続的に検出することが可能となる。
【００３５】
図９を参照して、本発明に適用し得る第１の抵抗検出手段５０及び第２の抵抗検出手段６０の概要について説明する。
上記実施形態においては、第１の検出抵抗Ｒ１０と分圧抵抗ＲＳ１とによって電源電圧＋ＶＣＣを分圧して第１の出力電圧ＶＯＵＴ１を検出し、第２の検出抵抗Ｒ２０と分圧抵抗ＲＳ２とによって電源電圧＋ＶＣＣを分圧して第２の出力電圧ＶＯＵＴ２を検出するように構成した例について説明したが、本図（ａ）に示すように、第１の抵抗検出手段５０ｅとして、第１の定電流電源５１ｅを設け、第１のオペアンプ５２ｅによって、第１の出力電圧ＶＯＵＴ１を検出し、第２の抵抗検出手段６０ｅとして、第２の定電流電源６１ｅを設け、第２のオペアンプ６２ｅによって、第２の出力電圧ＶＯＵＴ２を検出するように構成しても良いし、本図（ｂ）に示すように、第１の検出抵抗Ｒ１０の上流側に第１の抵抗検出手段５０ｆとして、第１の分圧抵抗５１ｆ、第１のオペアンプ５２ｆを設けて第１の出力電圧ＶＯＵＴ１を検出し、第２の検出抵抗Ｒ２０の第２の分圧抵抗６１ｆ、第２のオペアンプ６２ｆを設けて第２の出力電圧ＶＯＵＴ２を検出するように構成しても良い。
なお、これらの実施形態は、上記実施形態にも適宜組み合わせて採用し得るものである。
【００３６】
本発明は上記実施形態に限定するものではなく、検出範囲が異なり、互いの検出範囲の一部が重なる検出部を複数設けて、不感期間を解消すると共に、検出範囲のか差なる部分の変化をＯＢＤ等に利用する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粒子状物質検出センサを例に説明したが、本発明の粒子状物質検出センサは、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粒子状物質検出の用途にも利用可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１ ガスセンサ
１０ 第１の検出部
１１０、１２０ 第１の電極部
１１１、１２１ 第１のリード部
２０ 第２の検出部
２１０、２２０ 第２の電極部
２１１、２２１ 第２のリード部
３０ 電気絶縁性耐熱基板
Ｒ１０ 第１の検出抵抗
Ｒ２０ 第２の検出抵抗
５０ 第１の抵抗検出手段
６０ 第２の抵抗検出手段
Ｄ１ 第１の間隙
Ｄ２ 第２の間隙
ＤＲ１０ 第１の検出範囲
ＤＲ２０ 第２の検出範囲
ＶＯＵＴ１ 第１の出力
ＶＯＵＴ２ 第２の出力
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３８】
【特許文献１】特開昭５９−１９７８４７号公報
【特許文献２】国際公開第２００８／１３８６６１号
【特許文献３】欧州特許出願公開第１９２５９２６号明細書
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃焼排気等の被測定ガス中に含まれる導電性微粒子を検出するガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
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、ディーゼル粒子状物質フィルタ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、バーナやヒータ等で加熱したり、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ＯＢＤ（オンボードダイアグノーシス、車載式故障診断装置）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ガスセンサが必要とされている。さらに、このようなＰＭを検出するガスセンサを用いる場合、ガスセンサの故障に対する確実なフェールセーフが求められている。
また、一般にＤＰＦの再生制御等には、ＤＰＦの入口側と出口側とに設けた圧力センサによってその圧力差を検出して、ＤＰＦの目詰まりを判断する方法が用いられているが、ＤＰＦの目詰まりが進行し、圧力差が大きくなった状態でないと検出できない虞がある。
【０００３】
燃焼排気中のＰＭの検出手段として、特許文献１には、煤を含むガスが通過するガス流路内に設置して、前記ガスに含まれる前記煤を検出する煤検出センサであって、多孔質の導電性物質から構成された煤検出電極と、前記煤検出電極に配設され、前記煤検出電極の電気抵抗の値を測定するための少なくとも一対の導電性電極とを備えた煤検出センサが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、ガス流内の導電性の微粒子を検出するための検出装置であって、基板上に形成された少なくとも２つの電極からなる電極対を具備すると共に、該電極対の少なくとも２つの電極が導電層によって覆われ、該導電層の抵抗値が測定ガス中の微粒子によって形成される抵抗値の最小値と同等又はそれ以下の抵抗値であることを特徴とする微粒子検出装置が開示されている。
【０００５】
特許文献３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開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１にあるような煤検出センサでは、多孔質の導電性物質から構成された煤検出電極に煤が付着することによる電気抵抗の値の変化を、一対の導電性電極によって測定し、得られた電気抵抗の値からガスに含まれる煤の量を検出するものであるため、煤検出電極に付着した煤が微量であっても検出できる。 ところが、煤検出電極全体の表面を覆うように煤が堆積した後は、それ以上に煤が堆積しても検出される電気抵抗が変化しないため、煤の堆積量として検出できる範囲が狭く、ＤＰＦの破損等により短期間に比較的多量の煤が放出された場合に異常を検知できなかったりする虞がある。
【０００７】
また、特許文献２や、特許文献３にあるように、２つの電極を覆うように導電層を形成したり、２つの電極層の下側に導電性ベースを形成したりすることによって電極間を導通させると、電極間に堆積する微粒子によって形成される抵抗が検出可能となるまでの不感時間を解消することができるが、電極と導電層との２つのノイズが検出信号に含まれ、検出精度が低下する虞がある。
さらに、導電層が微粒子の堆積する部分の全体に渡って設けられているため、一定以上の量のＰＭが堆積した場合の抵抗値変化が相対的に小さくなるので、ＤＰＦの破損等により短期間に比較的多量の煤が放出された場合に異常を検知できない虞がある。
【０００８】
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の濃度を検出するガスセンサにおいて、広い検出範囲を有するガスセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明では、耐熱性基板の表面に形成した検出部に捕集、堆積する導電性微粒子の堆積量によって変化する抵抗値を測定して被測定ガス中の導電性微粒子の濃度を検出するガスセンサであって、検出範囲の異なる複数の検出部を具備すると共に、これらの複数の検出範囲の一部が互いに重なるように設定する（請求項１）。なお、ここで言う耐熱性基板とはセラミックス等の融点が１０００℃以上の耐熱性材料によって形成された基板である。
【００１０】
第１の発明によれば、上記複数の検出部の一方の検出部に堆積する上記導電性微粒子の量が少なく、抵抗値の変化を検出できない不感期間であっても、検出範囲の異なる他方の検出部によって補うことができ、広い検出範囲に渡って被測定ガス中の導電性微粒子の濃度を検出することができる。
【００１１】
第２の発明では、上記複数の検出部を第１の検出部と第２の検出部とで構成し、上記第２の検出部の検出範囲を上記第１の検出部の検出範囲の１／１０ないし１／２とする（請求項２）。
【００１２】
第２の発明によれば、上記第１の検出部の不感期間を上記第２の検出部によって補うことが可能となり、広い検出範囲に渡って被測定ガス中の導電性微粒子の濃度を検出可能なガスセンサが実現できる。
加えて、上記第１の検出部と上記第２の検出部とが同時に出力する期間が形成されるので、上記第２の検出部からの出力が飽和する時期と上記第１の検出部からの出力が検出可能となる時期のズレによって互いの検出部の異常を検知することも可能となる。
【００１３】
より具体的には、第３の発明のように、上記第１の検出部は、上記耐熱性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によって形成し、上記第２の検出部は、上記耐熱性基板の表面に上記第１の検出部と共に形成され、上記第１の検出部を形成する一対の検出電極の上記所定の間隙の１／１０ないし１／２の間隙を設けて対向する一対の検出電極によって形成する（請求項３）。
【００１４】
第３の発明によれば、上記一対の電極間の間隙を調整するだけで、上記第２の検出範囲を上記第１の検出部の検出範囲の１／１０ないし１／２の検出範囲において、任意に設定することが可能で、検出範囲の広いガスセンサを容易に実現可能となる。
【００１５】
また、第４の発明のように、少なくとも上記第２の検出部を上記耐熱性基板の表面に形成した所定の気孔率を有する多孔質導電性層と電極とによって構成しても良い（請求項４）。
【００１６】
第４の発明によれば、上記第２の検出部に上記導電性微粒子が付着していない状態でも微量の電流が流れているため、不感期間がなく、連続的な出力の検出が可能となる。さらに、上記多孔質導電性層の気孔率を調整することによって、検出範囲の調整が可能となる。
【００１７】
第５の発明では、上記第２の検出部が高温側となるように、上記第１の検出部と上記第２の検出部とを上記耐熱性基板の長手方向に対して、上下に配設する（請求項５）。
【００１８】
第５の発明によれば、上記第２の検出部に捕集される上記導電性微粒子が粒径によって分級して検出することが可能となる。
【００１９】
第６の発明では、上記被測定ガスは、ディーゼル燃焼機関の燃焼排気である（請求項６）。
【００２０】
第６の発明によれば、上記ガスセンサをディーゼル燃焼機関の排気浄化装置のより精度の高い故障診断やディーゼル燃焼機関の燃焼制御に利用可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるガスセンサの概要を示す平面図。
【図２】本発明の第１の実施形態におけるガスセンサの作動原理を説明するための説明図であり、（ａ）は、ガスセンサの構成の概要を示す等価回路図、（ｂ）は、検出部に堆積するＰＭの量に対する出力を示す特性図。
【図３】本発明の第１の実施形態におけるガスセンサの効果を示し、（ａ）は、ＤＰＦが正常な状態におけるセンサ出力の経時変化を示す特性図、（ｂ）は、ＤＰＦに破損を生じた状態におけるセンサ出力の経時変化を示す特性図、（ｃ）は、ＤＰＦにＰＭが堆積した状態におけるセンサ出力の経時変化を示す特性図。
【図４】本発明の第１の実施形態におけるガスセンサの効果を示し、（ａ）は、第２の検出部に断線異常が発生した状態におけるセンサ出力の経時変化を示す特性図、（ｂ）は、第２の検出部に劣化異常が生じた場合のセンサ出力の経時変化を示す特性図。
【図５】本発明の第１の実施形態におけるガスセンサの効果を示し、（ａ）は、第１の検出部に断線異常が発生した状態におけるセンサ出力の経時変化を示す特性図、（ｂ）は、第１の検出部に劣化異常が生じた場合のセンサ出力の経時変化を示す特性図。
【図６】本発明の第２の実施形態におけるガスセンサの概要を示し、（ａ）は要部断面図、（ｂ）は、本図（ａ）中Ａ−Ａに沿った断面図。
【図７】（ａ）は、本発明の第３の実施形態におけるガスセンサの検出部の概要を示す平面図、（ｂ）は、第４の実施形態におけるガスセンサの検出部の概要を示す平面図。
【図８】本発明の第５の実施形態におけるガスセンサの検出部の概要を示し、（ａ）は、平面図、（ｂ）は、展開斜視図。
【図９】本発明のガスセンサの他の変形例を示す等価回路図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１を参照して、本発明の第１の実施形態におけるガスセンサ１の概要について説明する。
ガスセンサ１は、例えば、ディーゼル燃焼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粒子状物質フィルタ（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、導電性微粒子の濃度を検出するのに用いられる。
ガスセンサ１は、例えば、耐熱性基板として、略平板状に形成したアルミナ等の１０００℃以上の融点を有するセラミックス基板３０の表面上に、導電性材料を用いて第１の検出部１０と第２の検出部２０とを厚膜印刷、フォトリソグラフィ等の公知の方法により形成して構成されている。
なお、耐熱性基板として、一部に導電性層を有するものや、１０００℃以上の耐熱性を示すものであれば、高分子材料や耐熱ガラス等のセラミックス以外の耐熱性材料を用いても良い。
第１の検出部１０は、少なくとも、所定の第１の間隙Ｄ１を設けて対向する一対の検出電極１１０と検出電極１２０とによって形成されている。
第２の検出部２０は、少なくとも、所定の第２の間隙Ｄ２を設けて対向する一対の検出電極２１０と検出電極２２０とによって形成されている。
第２の間隙Ｄ２は、第１の間隙Ｄ１の１／１０〜１／２の間隙に設けられている。
なお、本実施形態においては、第１の検出部１０は、一対のリード部１１１、１２１に直交する方向に延設したリード部にさらに直交方向に延設して複数の検出電極１１０、１２０を交互に突出するように延設して櫛歯状に形成して、所定の間隙Ｄ１を設けて対向せしめてあり、第２の検出部２０は、一対のリード部２１１、２２１に直交する方向に延設したリード部にさらに直交方向に延設して複数の検出電極２１０、２２０を交互に突出するように延設して櫛歯状に形成して、所定の間隙Ｄ２を設けて対向せしめてある。
本発明のガスセンサは、第１の検出部１０と第２の検出部２０とがＰＭ等の導電性の微粒子を含む被測定ガスに晒され、第１の検出部１０及び第２の検出部２０に捕集され、堆積したＰＭの堆積量Ｑによって抵抗値が変化する第１の検出抵抗Ｒ１０と第２の検出抵抗Ｒ２０とを外部に設けた抵抗測定手段によって測定して、被測定ガス中のＰＭ濃度を検出するものである。
また、公知の方法により、セラミックス基板３０の裏面側に積層して、又は、セラミックス基板３０の内部に通電により発熱する図略の加熱部を設けて、加熱により第１の検出部１０と第２の検出部２０とに堆積したＰＭを燃焼除去できるようになっている。
【００２３】
図２を参照して、本発明の第１の実施形態におけるガスセンサ１の効果について説明する。
本図（ａ）に示すように、第１の検出部１０に堆積するＰＭによって形成される第１の抵抗Ｒ１０は、第１の抵抗検出手段５０として、電源電圧＋Ｂを第１の抵抗Ｒ１０とで分圧する分圧抵抗ＲＳ１を設けて、第１の出力電圧ＶＯＵＴ１を計測することによって検出することができ、第２の検出部２０に堆積するＰＭによって形成される第２の抵抗Ｒ２０は、第２の抵抗検出手段６０として、電源電圧＋Ｂを第２の抵抗Ｒ２０とで分圧する分圧抵抗ＲＳ２を設けて、第２の出力電圧ＶＯＵＴ２を計測することによって検出することができる。
本図（ｂ）は、本実施形態におけるガスセンサ１の第１の検出部１０と第２の検出部２０との検出範囲に一例を示すものである。
例えば、第１の検出部１０は、第１の検出部１０のＰＭ捕集量Ｑが１．０μｇとなったときに、第１の出力電圧ＶＯＵＴ１が検出可能な最小電圧ｍｉｎＶＯＵＴ１（例えば０．１ｖ）となり、第１の検出部１０のＰＭ捕集量Ｑが１００．０μｇとなったときに、第１の出力電圧ＶＯＵＴ１が最大電圧ｍａｘＶＯＵＴ１（例えば９．９ｖ）となるように構成され、第２の検出部２０は、第２の検出部２０のＰＭ捕集量Ｑが０．１μｇとなったときに、第２の出力電圧ＶＯＵＴ２が検出可能な最小電圧ｍｉｎＶＯＵＴ２（例えば０．１ｖ）となり、第２の検出部２０のＰＭ捕集量Ｑが１０．０μｇとなったときに、第２の出力電圧ＶＯＵＴ２が最大電圧ｍａｘＶＯＵＴ１（例えば９．９ｖ）となるように構成されている。
このため、第１の検出部１０の検出範囲ＤＲ１０は、１．０μｇ〜１００．０μｇとなっており、第２の検出部２０の検出範囲ＤＲ２０は、０．１μｇ〜１０．０μｇとなっており、第１の検出部１０の検出範囲ＤＲ１０と第２の検出部２０の検出範囲ＤＲ２０とは、１．０μｇ〜１０．０μｇの範囲で重複している。
本発明においては、第１の検出部１０の検出範囲ＤＲ１０と第２の検出部２０の検出範囲ＤＲ２０とが重なるように、第２の検出部２０の一対の検出電極２１０、２２０間の距離を表す第２の間隙Ｄ２が、第１の検出部１０の一対の検出電極１１０、１２０間の距離を表す第１の間隙Ｄ１の１／１０〜１／２の範囲で適宜変更可能である。
【００２４】
図３を参照して、本発明の第１の実施形態におけるガスセンサ１の効果について説明する。
上述の関係を満たすように、第１の検出部１０と第２の検出部２０とを、形成すれば、図３（ａ）に示すように、先ず、第１の検出部１０に堆積したＰＭによって検出電極１１０、１２０間に導電パスが形成され、第１の検出抵抗Ｒ１０が徐々に低下し、第１の検出抵抗Ｒ１０が検出可能となるＰＭ量の１／１０〜１／２の量のＰＭが第２の検出部２０に堆積した時点で第２の検出部２０に堆積したＰＭによって形成される第２の検出抵抗Ｒ２０が検出可能となり、第２の出力ＶＯＵＴ２の上昇が始まる。
第１の検出部１０からの出力ＶＯＵＴ１を検出できないような、始動開始直後等の検出部に堆積するＰＭ量Ｑが少ないときであっても、第２の出力ＶＯＵＴ２が出力されるので、不感時間Ｔｄ１を解消することができる。
この際、第２の検出部２０にもＰＭの堆積を検出できない不感期間Ｔｄ２が存在するが、極めて短い時間であるため、無視することができる。
第１の検出部１０に堆積したＰＭによって形成される第１の検出抵抗Ｒ１０が、さらに低下し、第１の出力ＶＯＵＴ１が、検出可能な最小電圧ｍｉｎＶＯＵＴ１以上となると、第１の出力ＶＯＵＴ１は徐々に上昇し、第２の検出部２０に堆積するＰＭ量が飽和し、第２の検出部２０の最大電圧ｍａｘＶＯＵＴ１を超えるまでは、第１の出力ＶＯＵＴ１と第２の出力ＶＯＵＴ２との両方が検出され、その後は、第１の出力ＶＯＵＴ１が飽和し、最大電圧ｍａｘＶＯＵＴ１に到達するまで、第１の出力ＶＯＵＴ１のみが上昇する。
本図（ａ）に示すように、第１の検出部１０からの第１の出力ＶＯＵＴ１と第２の検出部２０からの第２の出力ＶＯＵＴ２との両方が同時に出力される同時検出期間が存在するため、第１の出力ＶＯＵＴ１と第２の出力ＶＯＵＴ２との有無によって、ＤＰＦの破損や、目詰まりの有無等を検出するＯＢＤとしての機能を発揮させることができる。
【００２５】
図３（ｂ）を参照し、ＤＰＦが破損する等、短時間に多量のＰＭが排出された場合の効果について説明する、
短時間に多量のＰＭが排出されると、第１の出力ＶＯＵＴ１、第２の出力ＶＯＵＴ２は共に、立ち上がりの速度が速くなる。
特に検出範囲の狭い第２の検出部２０は直ちに飽和状態となるが、一方の、第１の検出部１０は、検出範囲が比較的広いため、第２の検出部に比べれば緩やかな立ち上がりとなる。
その結果、図３（ｂ）に示すように、第１の出力ＶＯＵＴ１と第２の出力ＶＯＵＴ２とが同時に検出される期間が極めて短くなるので、第２の出力ＶＯＵＴ２が飽和するタイミングと第１の出力ＶＯＵＴ１の立ち上がりのタイミングとの比較や、所定の時間閾値との比較等によって、ＤＰＦの破損等によりＰＭが多量に排出されていると判定し、警告等を発信することができる。
【００２６】
図３（ｃ）を参照し、ＤＰＦに目詰まりが生じている場合の効果について説明する。一方、ＤＰＦにＰＭが堆積し、再生が必要な状態となると、ガスセンサ１の検出部に排出されるＰＭの量が減少するので、本図（ｃ）に示すように、第１の出力ＶＯＵＴ１、第２の出力ＶＯＵＴ２は、共に緩やかな変化となる。
特に第１の検出部１０へのＰＭの堆積が少なくなると、第１の検出部１０の不感時間Ｔｄ１が長くなる。第２の検出部２０の検出範囲は、第１の検出部１０の検出範囲の１／１０〜１／２であるので、状況によっては、第１の検出部１０の不感時間Ｔｄ１が長くなり、第１の検出部１０が立ち上がる前に第２の検出部２０が飽和状態となる虞もある。
このような場合に、ＤＰＦの目詰まりと判断して、ＤＰＦの再生制御を開始させたり、ＤＰＦの異常を警告したりすることもできる。
検出範囲の異なる第１の検出部１０と第２の検出部２０とを設けることによって、第１の出力ＶＯＵＴ１と第２の出力ＶＯＵＴ２の立ち上がりの違いから、ＤＰＦの異常の検出が可能となる。
【００２７】
図４、図５を参照して、第１の検出部１０と第２の検出部とを互いの異常を検出するための手段として利用した場合の効果について説明する。
図４（ａ）に示すように、第２の検出部２０に断線異常が発生している場合、第２の出力ＶＯＵＴ２が同時検出期間となっても検出されず、第１の出力ＶＯＵＴ１のみが検出される状態となる。したがって、このような場合は、第２の検出部２０に断線異常が発生していると判断して、ガスセンサ１の異常を警告することができる。
図４（ｂ）に示すように、第２の検出部２０に劣化異常が発生している場合、第２の検出部２０が飽和する量のＰＭが堆積しているにも拘わらず、第２の出力ＶＯＵＴ２の上昇速度が遅くなり、第１の出力ＶＯＵＴ１と第２の出力ＶＯＵＴ２とが同時に検出される期間が長くなる。
したがって、正常な状態における同時検出期間を超えて第１の出力ＶＯＵＴ１と第２の出力ＶＯＵＴ２とが同時に検出される場合には、第２の検出部２０に劣化異常が発生していると判断し、ガスセンサ１の異常を警告することができる。
なお、第１の出力ＶＯＵＴ１及び第２の出力ＶＯＵＴ２の傾き（電流)を検出して、ガスセンサ1の異常を検出することもできる。
【００２８】
図５（ａ）に示すように、第１の検出部１０に断線異常が発生している場合、第１の出力ＶＯＵＴ１が同時検出期間となっても検出されず、第２の出力ＶＯＵＴ２が飽和状態となる。したがって、このような場合は、第１の検出部１０に断線異常が発生していると判断して、ガスセンサ１の異常を警告することができる。
【００２９】
図５（ｂ）に示すように、第１の検出部１０に劣化異常が発生している場合、第２の検出部２０が飽和する量のＰＭが堆積しているにも拘わらず、第１の出力ＶＯＵＴ１の上昇速度が遅くなり、第１の出力ＶＯＵＴ１と第２の出力ＶＯＵＴ２とが同時に検出される期間が短くなる。
したがって、正常な状態における同時検出期間となっても第１の出力ＶＯＵＴ１と第２の出力ＶＯＵＴ２とが同時に検出されない場合には、第１の検出部１０に劣化異常が発生していると判断し、ガスセンサ１の異常を警告することができる。
【００３０】
上記実施形態においては、第１の検出部１０と第２の検出部２０とをそれぞれ独立の抵抗検出手段５０、６０によって、検出する場合について説明したが、第２の出力ＶＯＵＴ２が飽和状態となったら第１の出力ＶＯＵＴ１に切り換えて、第１の検出部１０に形成される第１の抵抗Ｒ１０と第２の検出部２０に形成される第２の抵抗Ｒ２０とを一つの検出手段によって検出するように構成しても良い。
この場合、第２の出力ＶＯＵＴ２と第１の出力ＶＯＵＴ１との切り換え時期を計測し、切り換え時期が同時検出時期よりも早い場合には、ＤＰＦの破損と判断したり、切り換え時期が同時検出時期よりも遅い場合には、ＤＰＦの目詰まりと判断したりするような構成としても良い。
【００３１】
図６を参照して本発明の第２の実施形態におけるガスセンサ１ａについて説明する。本実施形態においては、上記実施形態と同様第２の検出部２０ａの検出範囲が第１の検出範囲１０ａの１／１０〜１／２となるように一対の第１の検出電極１１０ａ、１２０ａ及び第２の検出電極２１０ａ、２２０ａが形成されている。
さらに、本実施形態においては、図６（ａ）に示すように、本実施形態においては第１の検出部１０ａと第２の検出部２０ａとをセラミックス基板３０の長手方向に対して、第２の検出部２０ａが高温側となるように上下に配設すると共に、ガスセンサ１ａの周囲をカバー体４０で覆い、導入孔４１を第１の検出部１０に対向せしめてある。
カバー体４０は、略有底筒状に形成され、その側面及び底面には、被測定ガスをカバー体４０の内部に導入、導出する導入孔４１、４２、４３を設けてある。
このような構成とすることにより、ＰＭを含む被測定ガスは、本図（ｂ）に示すように、導入孔４１から、カバー体４０内に侵入し、第１の検出部１０ａの表面に衝突するが、このとき、φ１０μｍ以上の比較的大きな粒径の大粒子ＰＭＬはそのまま第１の検出部１０ａに、捕集され堆積し、φ１０μｍより小さい小粒径の小粒子ＰＭＳは、流速の低下したカバー体４０内の温度分布によって発生する上昇気流に乗ってふわふわと漂いながら、第1の検出部１０ａよりも上方に位置する第２の検出部２０ａに、捕集され堆積する。
なお、本実施形態においては、第１の検出部１０ａ、第２の検出部２０ａ―を構成する櫛歯状電極をセラミックス基板３０の長手方向に対して、直交するように、形成した例を示したが、第１の実施形態と同様、セラミックス基板３０の長手方向に対して平行となるように形成しても良い。
【００３２】
本実施形態によれば、第２の検出部２０ａには、小粒子ＰＭＳのみが堆積するので、図６（ｃ）に示すように、第２の出力ＶＯＵＴ２の上昇速度が緩やかになり、第１の出力ＶＯＵＴ１と第２の出力ＶＯＵＴ２とが同時に検出される同時検出期間が、上記実施形態よりも相対的に長くなる。
また、本実施形態によれば、ＰＭの粒径を分級して第１の検出部１０ａと第２の検出部２０ａとで分けて検出することにより、異常発生モードをより細かく分類して判定できるようになる。
【００３３】
図７を参照して、本発明の他の実施形態におけるガスセンサの変形例１ｂ、１ｃについて説明する。
上記実施形態においては、第１の検出部１０、１０ａと第２の検出部２０、２０ａとをセラミックス基板３０の長手方向に対して、上下に配設して形成した例を示したが、本図（ａ）に示す第３の実施形態におけるガスセンサ１ｂのように、第１の検出部１０ｂと第２の検出部２０ｂとをセラミックス基板３０に長手方向に対して左右横並びに配設しても良い。
又、第１の検出部１０ｂのリード部１１１ｂと第２の検出部２０ｂのリード部２２１ｂとを兼用する構成としても良い。
さらに、本図（ｃ）に示す第４の実施形態におけるガスセンサ１ｃのように、第１の検出部１０ｃと第２の検出部２０ｃとをセラミックス基板３０に長手方向に対して、上下に配設し、第１の検出部１０ｃのリード部１１１ｃと第２の検出部２０ｃのリード部２２１ｃとを兼用する構成としても良い。
【００３４】
図８を参照して、本発明の第５の実施形態おけるガスセンサ１ｄについて説明する。上記実施形態においては、第１の検出部１０、第２の検出部２０をそれぞれ一対の櫛歯状電極によって形成し、それぞれの電極間の間隙Ｄ１、Ｄ２の調整により検出範囲を設定した例を示したが、本実施形態においては、第２の検出部２０ｄを電極２１０ｄ、多孔質導電成層２２０ｄ、リード部２１１ｄ、２２１ｄによって構成した点が相違する。
本図（ｂ）に示すように、第２の検出部２０ｄは、多孔質導電性層２２０ｄは、所定の気孔率を有する多孔質の半導体膜によって構成し、電極１１０ｄ、電極２１０ｄで挟み込むように積層されており、第２の検出部２０ｄの抵抗値が１００ｋΩから１００ＭΩとなるように形成してある。
また、第１の検出部１０ｄを同様の多孔質導電成層１１０ｄによって形成し、第1の検出部１０ｄの抵抗値が１００ＭΩとなるように構成しても良い。
なお、第１の検出部１０ｄ、第１の検出部２０ｄの抵抗値は、多孔質導電性層の気孔率の調整によって適宜設定可能である。
上記実施形態のように、検出部を櫛歯状電極で構成した場合には、電極間にＰＭがある程度堆積し、電極間に電導パスを形成しないと出力ＶＯＵＴ１、ＶＯＵＴ２が検出されないが、本実施形態のように、半導体膜によって形成すると、ＰＭが堆積しない状態でも、微量の電流が流れるため、ごく微量のＰＭが堆積した場合でも連続的に検出することが可能となる。
【００３５】
図９を参照して、本発明に適用し得る第１の抵抗検出手段５０及び第２の抵抗検出手段６０の概要について説明する。
上記実施形態においては、第１の検出抵抗Ｒ１０と分圧抵抗ＲＳ１とによって電源電圧＋ＶＣＣを分圧して第１の出力電圧ＶＯＵＴ１を検出し、第２の検出抵抗Ｒ２０と分圧抵抗ＲＳ２とによって電源電圧＋ＶＣＣを分圧して第２の出力電圧ＶＯＵＴ２を検出するように構成した例について説明したが、本図（ａ）に示すように、第１の抵抗検出手段５０ｅとして、第１の定電流電源５１ｅを設け、第１のオペアンプ５２ｅによって、第１の出力電圧ＶＯＵＴ１を検出し、第２の抵抗検出手段６０ｅとして、第２の定電流電源６１ｅを設け、第２のオペアンプ６２ｅによって、第２の出力電圧ＶＯＵＴ２を検出するように構成しても良いし、本図（ｂ）に示すように、第１の検出抵抗Ｒ１０の上流側に第１の抵抗検出手段５０ｆとして、第１の分圧抵抗５１ｆ、第１のオペアンプ５２ｆを設けて第１の出力電圧ＶＯＵＴ１を検出し、第２の検出抵抗Ｒ２０の第２の分圧抵抗６１ｆ、第２のオペアンプ６２ｆを設けて第２の出力電圧ＶＯＵＴ２を検出するように構成しても良い。
なお、これらの実施形態は、上記実施形態にも適宜組み合わせて採用し得るものである。
【００３６】
本発明は上記実施形態に限定するものではなく、検出範囲が異なり、互いの検出範囲の一部が重なる検出部を複数設けて、不感期間を解消すると共に、検出範囲のか差なる部分の変化をＯＢＤ等に利用する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粒子状物質検出センサを例に説明したが、本発明の粒子状物質検出センサは、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粒子状物質検出の用途にも利用可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１ ガスセンサ
１０ 第１の検出部
１１０、１２０ 第１の電極部
１１１、１２１ 第１のリード部
２０ 第２の検出部
２１０、２２０ 第２の電極部
２１１、２２１ 第２のリード部
３０ 電気絶縁性耐熱基板
Ｒ１０ 第１の検出抵抗
Ｒ２０ 第２の検出抵抗
５０ 第１の抵抗検出手段
６０ 第２の抵抗検出手段
Ｄ１ 第１の間隙
Ｄ２ 第２の間隙
ＤＲ１０ 第１の検出範囲
ＤＲ２０ 第２の検出範囲
ＶＯＵＴ１ 第１の出力
ＶＯＵＴ２ 第２の出力
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３８】
【特許文献１】特開昭５９−１９７８４７号公報
【特許文献２】国際公開第２００８／１３８６６１号
【特許文献３】欧州特許出願公開第１９２５９２６号明細書
【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐熱性基板の表面に形成した検出部に捕集、堆積する導電性微粒子の堆積量によって変化する抵抗値を測定して被測定ガス中の導電性微粒子の濃度を検出するガスセンサであって、
検出範囲の異なる複数の検出部を具備すると共に、これらの複数の検出範囲の一部が互いに重なるように設定したことを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
上記複数の検出部を第１の検出部と第２の検出部とで構成し、上記第２の検出部の検出範囲を上記第１の検出部の検出範囲の１／１０ないし１／２とした請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
上記第１の検出部は、上記耐熱性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によって形成し、
上記第２の検出部は、上記耐熱性基板の表面に上記第１の検出部と共に形成され、上記第１の検出部を形成する一対の検出電極の上記所定の間隙の１／１０ないし１／２の間隙を設けて対向する一対の検出電極によって形成した請求項1又は２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
少なくとも上記第２の検出部を上記耐熱性基板の表面に形成した所定の気孔率を有する多孔質導電性層と電極とによって構成した請求項１ないし３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項５】
上記第２の検出部が高温側となるように、上記第１の検出部と上記第２の検出部とを上記耐熱性基板の長手方向に対して、上下に配設した請求項１ないし４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項６】
上記被測定ガスは、ディーゼル燃焼機関の燃焼排気である請求項１ないし５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項１】
耐熱性基板の表面に形成した検出部に捕集、堆積する導電性微粒子の堆積量によって変化する抵抗値を測定して被測定ガス中の導電性微粒子の濃度を検出するガスセンサであって、
検出範囲の異なる複数の検出部を具備すると共に、これらの複数の検出範囲の一部が互いに重なるように設定したことを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
上記複数の検出部を第１の検出部と第２の検出部とで構成し、上記第２の検出部の検出範囲を上記第１の検出部の検出範囲の１／１０ないし１／２とした請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
上記第１の検出部は、上記耐熱性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によって形成し、
上記第２の検出部は、上記耐熱性基板の表面に上記第１の検出部と共に形成され、上記第１の検出部を形成する一対の検出電極の上記所定の間隙の１／１０ないし１／２の間隙を設けて対向する一対の検出電極によって形成した請求項1又は２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
少なくとも上記第２の検出部を上記耐熱性基板の表面に形成した所定の気孔率を有する多孔質導電性層と電極とによって構成した請求項１ないし３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項５】
上記第２の検出部が高温側となるように、上記第１の検出部と上記第２の検出部とを上記耐熱性基板の長手方向に対して、上下に配設した請求項１ないし４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項６】
上記被測定ガスは、ディーゼル燃焼機関の燃焼排気である請求項１ないし５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−２３２０６５（Ｐ２０１１−２３２０６５Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１００４９４（Ｐ２０１０−１００４９４）
【出願日】平成２２年４月２６日（２０１０．４．２６）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２６日（２０１０．４．２６）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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