粒子状物質検出センサ
【課題】一対の電極間に堆積する粒子状物質の量によって変化する電気的特性を検出して被測定ガス中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の不感時間の安定化を図り、信頼性の高い粒子状物質検出センサを提供する。
【解決手段】被測定ガス導入孔２０１を検出部１１に対向する位置であってに周方向に回転させた場合、該導入孔２０１の開口端縁を検出部１１に投影したときに、１１検出部において一対の検出電極１１０、１２０間に生じる電界強度が均一となる範囲の内側に位置するように穿設する。
【解決手段】被測定ガス導入孔２０１を検出部１１に対向する位置であってに周方向に回転させた場合、該導入孔２０１の開口端縁を検出部１１に投影したときに、１１検出部において一対の検出電極１１０、１２０間に生じる電界強度が均一となる範囲の内側に位置するように穿設する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、車両用内燃機関の排気浄化システムに好適に利用されて、被測定ガスとなる排出ガス中に存在する粒子状物質を検出する粒子状物質検出センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用ディーゼルエンジン等において、排気ガスに含まれる環境汚染物質、特に煤粒子（Ｓｏｏｔ）及び可溶性有機成分（ＳＯＦ）を主体とする粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ；以下、適宜ＰＭと称する）を捕集するために、排気通路にディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、適宜ＤＰＦと称する）を設置することが行われている。ＤＰＦは、耐熱性に優れる多孔質セラミックスからなり、多数の細孔を有する隔壁に排気ガスを通過させてＰＭを捕捉する。
【０００３】
ＤＰＦは、ＰＭ捕集量が許容量を超えると、目詰まりが生じて圧力損失が増大したり、ＰＭのすり抜けが増加したりする虞があり、定期的に再生処理を行って捕集能力を回復させている。
【０００４】
ＤＰＦの再生時期は、一般的には、ＰＭ捕集量の増加により前後差圧が増大することを利用して決定されている。このため、ＤＰＦの上流及び下流の圧力差を検出する差圧センサが設置される。再生処理は、ヒータ加熱あるいはポスト噴射等により高温の燃焼排気をＤＰＦ内に導入し、ＰＭを燃焼除去することによって行われる。
【０００５】
一方、燃焼排気中のＰＭを直接検出可能な粒子状物質検出センサ（以下、適宜、ＰＭセンサと称する。）について種々提案されている。このＰＭセンサを、例えばＤＰＦの下流に設置して、ＤＰＦをすり抜けるＰＭ量を測定し、車載式故障診断装置（ＯＢＤ；Ｏｎ Ｂｏａｒｄ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ）において、ＤＰＦの作動状態の監視、例えば亀裂や破損といった異常の検出に利用することができる。
【０００６】
あるいはＤＰＦの上流に設置して、ＤＰＦに流入するＰＭ量を測定し、差圧センサに代わる再生時期の判断に利用することも検討されている。
【０００７】
このようなＰＭセンサの一例として、特許文献１には、絶縁性を有する基板の表面に、一対の導電性電極を形成し、基板の裏面又は内部に発熱体を形成した電気抵抗式のスモークセンサが開示されている。
このセンサは、スモーク（微粒炭素）が導電性を有することを利用したもので、検出部となる電極間に、スモークが堆積することで生じる抵抗値の変化を検出する。
発熱体は、検出部を所望の温度（例えば、４００℃〜６００℃）に加熱し、電極間抵抗を測定した後に、付着したスモークを焼き切って検出能力を回復させる。
【０００８】
特許文献２には、長手軸方向に対して平行に検出電極を設けた検出素子に対して垂直方向に流れる被測定ガスを、複数のカバー体で検出素子を覆って検出素子の背面側から導入することにより、流れ方向を素子の軸方向に移動させて検出電極に対して平行となるように誘導して検出する検出装置及び検出方法が開示されている（特許文献２、ｆｉｇ１、ｆｉｇ２等参照）。
【０００９】
特許文献３には、櫛歯状に形成された検出電極間に印加する電圧を可変とし、測定開始初期には高い電圧の印加により検出電極間の電界強度を高くし、ＰＭの堆積速度を促進させ、不感時間の短縮を図り、不感時間経過後には低い電圧の印加により、検出電極間の電界強度を低くしてＰＭの堆積速度を低下させて、再生処理を必要とするまでの期間の延長を図っている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところが、特許文献２にあるような複雑な経路では、ＰＭを検出部に正しく誘導するための何らかの手段が必要となり、センサの構造が複雑化し、製造コストの増加を招く虞がある。
また、このような複雑な経路を介したのでは、ＰＭが検出部以外に付着し、被測定ガス中のＰＭ量を素早く、正確に検出することができない虞もある。
【００１１】
さらに、櫛歯状に形成された検出電極間に電圧を印加すると電極の先端部は電界集中により電界強度が高くなり、リード部に直交するように接続された検出電極の根本部は電界強度が低くなり、検出電極間に電界強度が不均一となる部分が不可避的に発生する。
【００１２】
このように電界強度に不均一な部分が存在すると、ＰＭの堆積速度が一定とならず、不感時間にバラツキを生じることが判明した。特に、特許文献２にあるように、印加電圧を高くしてＰＭの堆積量の増加を図ろうとした場合に、このような電界強度の分布が生じていると、電界強度の高い部分にＰＭが堆積し易く、電界強度の低い部分との堆積量の差が拡大され、不感時間のバラツキが大きくなる虞があり、不感時間のバラツキが大きいと、その後の出力結果にも影響するためセンサとしての信頼性が損なわれる。
【００１３】
さらに、従来、粒子状物質検出センサを被測定ガス流路に固定する際、周方向に対して検出素子の方向が特定されておらず、任意の方向からセンサ内に被測定ガスが導入されるよう、検出素子を保護するカバー体の側面に一定間隔で複数の開口を設けるのが一般的であり、被測定ガスの流れに対する検出素子の取付方向によってセンサ出力にバラツキを生じる虞があった。
【００１４】
そこで、本発明は、係る実情に鑑み、簡易な構成により検出素子に設けた一対の電極間に堆積する粒子状物質の量によって変化する電気的特性を検出して被測定ガス中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の不感時間の安定化を図り、信頼性の高い粒子状物質検出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】
【００１５】
第１の発明では、耐熱性基体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、該検出部を保護しつつ被測定ガスを上記検出部へ導入する被測定ガス導入孔を設けたカバー体とを具備し、上記検出電極間に発生させた電界による静電気力を利用して上記検出部に被測定ガス中の粒子状物質を捕集し、上記検出電極間に堆積する粒子状物質の量によって変化する電気的特性を検出して、被測定ガス中の粒子状物質を検出する粒子状物質検出センサにおいて、
上記被測定ガス導入孔を周方向に回転させ、上記検出部に対向する位置とした場合、該導入孔の開口端縁を上記検出部に投影したときに、該検出部において上記一対の検出電極間に生じる電界強度が均一となる範囲の内側に位置するように穿設する（請求項１）。
【００１６】
第１の発明によれば、上記被測定ガス導入から被測定ガスの流れによって運ばれた粒子状物質が上記検出部に誘導される際に、上記被測定ガス導入孔の開口端縁を投影した領域の外側に位置する上記検出電極間の電界強度が不均一な部分には到達し難くなり上記検出電極間の電界強度が均一な領域にのみ到達する。
このため、検出電極間の電界強度が高い部分への局所的な粒子状物質堆積が抑制され、不感時間の安定化と検出部への粒子状物質の過剰な堆積により再生処理を要するまでの時間の長期化を図ることができる。
【００１７】
より具体的には、第２の発明では、上記一対の検出電極が、上記耐熱性基体の長手軸方向に平行となるように形成し外部に設けた検出回路部に接続する一対の検出電極リード部に対して直交方向に延設した複数の電極を交互に配設した一対の櫛歯状電極、又は、上記耐熱性基体の長手軸方向に平行となるように形成し外部に設けた検出回路部に接続する一対の検出電極リード部を直交方向に屈曲せしめ、該検出電極リード部に延設した複数の電極を上記耐熱性基体の長手方向に平行となるように交互に配設した一対の櫛歯状電極のいずれかであって、上記導入孔開口端縁の投影位置が、上記一対の検出電極の一方の先端部が他方の検出電極と上記検出電極リード部との接続部によって略コ字形に取り囲まれた領域よりも内側に位置するように上記被測定ガス導入孔を穿設し、複数の電極の直線部分が平行に並んだ領域に被測定ガスを誘導せしめる（請求項２）。
【００１８】
第２の発明によれば、上記検出部の電界強度が均一となる領域の内側の領域に対向する位置に上記被測定ガス導入孔が開口しているので、該導入孔を通過して粒子状物質が被測定ガスの流れに沿って直進して上記検出部に到達する際に電界強度の均一な領域にのみ粒子状物質が堆積するので電界強度の不均一な領域で局所的な粒子状物質の堆積を起こしがたくなる。このため、不感時間の変動や、粒子状物質の局所的な偏在による導電経路の形成により早期に検出不能となるような誤作動が抑制される。
【００１９】
また、第３の発明では、上記一対の検出電極が上記耐熱性基体の軸方向に対して平行に一定の間隙を隔てて対向し直線状に伸びる一つの平行電極であって該平行電極の相対向する内側を検出部とし、少なくとも上記一対の平行電極の一端を屈曲せしめて延設して平行電極の外側を通って外部に設けた検出回路部に接続する一対の検出電極リード部を具備し、上記導入孔開口端縁の投影位置が上記一対の平行電極の屈曲する部分と上記一対の検出電極リード部を除き上記一対の平行電極の直線部分を区画するように上記被測定ガス導入孔を穿設し、上記一対の平行電極の直線部分の端縁の内側に被測定ガスを誘導せしめる（請求項３）。
【００２０】
第３の発明によれば、上記平行電極の直線部分の内側に形成された電界強度が均一となる領域にのみ被測定ガスが誘導されるので、センサの出力が安定し、信頼性の高い粒子状物質検出センサが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態における粒子状物質検出センサの概要を示し、（ａ）は、要部断面図、（ｂ）は、要部拡大図、（ｃ）は、本図（ｂ）中Ａ−Ａに沿った矢視断面図。
【図２】本発明の第１の実施形態における粒子状物質検出センサに用いられる検出素子の概要を示す展開斜視図。
【図３】本発明の効果の説明に用いる検出部における等電位線と電気力線とを示す模式図。
【図４】本発明の効果の説明に用いる検出部における電界強度分布を示す模式図。
【図５】本発明の効果の説明に用いる検出部における電界ベクトルを有限要素法により解析した解析図。
【図６】比較例と共に本発明の効果を示し、（ａ）は、本発明の実施例として不感時間経過時における粒子状物質の堆積状態を示す模式図、（ｂ）は、本発明の実施例として検出満了時における検出部全体の粒子状物質の堆積状態を示す模式図、（ｃ）は、比較例における粒子状物質の堆積状態を示す模式図、（ｄ）は、比較例として示す検出満了時における検出部全体の粒子状物質の堆積状態を示す模式図。
【図７】比較例と共に本発明の効果を示し（ａ）はセンサ出力の経時変化を示す特性図、（ｂ）は、不感時間に対する効果の違いを示す特性図拡大図。
【図８】本発明の第１の実施形態における粒子状物質検出センサに用いられ検出素子の変形例を示し、（ａ）は要部拡大図、（ｂ）は、断面図。
【図９】本発明の第２の実施形態における粒子状物質検出センサに用いられる検出素子の概要を示す展開斜視図。
【図１０】本発明の第２の実施形態における粒子状物質検出センサの効果を説明するための模式図であって、（ａ）は、等電位線及び電気力線を示す模式図、（ｂ）は、電界強度分布を示す模式図。
【図１１】本発明の第３の実施形態における粒子状物質検出センサの概要を示し、（a）は要部平面図、（ｂ）は、断面図。
【図１２】本発明の第３の実施形態における粒子状物質検出センサの効果を示し、（a−１）、（ｂ−１）、（ｃ-1）は、断面模式図、（ａ-２）、（ｂ−２）、（ｃ−２）は側面模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の粒子状物質検出センサ１は、内燃機関の排気浄化装置に適用されて、被測定ガス中に配設される検出部１１に堆積する粒子状物質の量によって変化する電気抵抗や静電容量等の電気的特性を検出して、被測定ガス中に含まれる粒子状物質の検出に好適に利用されるものである。具体的には、ＤＰＦの下流に設置されて、ＤＰＦの異常検出に利用することができる。あるいは、ＤＰＦの上流に設置されて、ＤＰＦに流入する粒子状物質ＰＭを直接検出するシステムに利用することもできる。
【００２３】
図１、図２を参照して、本発明の第１の実施形態における粒子状物質検出センサ１並びに粒子状物質検出素子１０の概要について説明する。
本発明の粒子状物質検出センサ１は、耐熱性基体１００の表面に所定の間隙を設けて対向する一対の検出電極１１０、１２０を設けた検出部１１と、検出部１１を保護しつつ被測定ガスを検出部１１へ導入する被測定ガス導入孔２０１を設けたカバー体２０とを具備し、検出電極１１０、１２０間に発生させた電界による静電気力を利用して検出部１１に被測定ガス中の粒子状物質を捕集し、検出電極１１０、１２０間に堆積する粒子状物質の量によって変化する電気的特性を検出して、被測定ガス中の粒子状物質を検出する粒子状物質検出センサである。
なお、本発明において、検出回路部が検出する電気的特性としては、検出電極１１０、１２０間に堆積する粒子状物質の量に応じて変化する電気抵抗を検出するものでも、静電容量の変化を検出するものでも、検出素子のインピーダンスの変化を検出するものであっても良い。
本発明の粒子状物質検出センサ１は、被測定ガス導入孔２０１を周方向に回転させ、検出部１１に対向する位置とした場合に、導入孔２０１の開口端縁を検出部１１に投影したときに、検出部１１において一対の検出電極１１０、１２０間に生じる電界強度が均一となる範囲の内側に位置するように穿設したことを特徴とするものである。
図１（ａ）に示すように、粒子状物質検出センサ１は、粒子状物質検出素子１０と粒子状物質検出素子１０の検出部１１を被測定ガス４００中に保持固定するセンサ固定部３０と、粒子状物質検出素子１０を保護するカバー体２０とによって構成されている。
粒子状物質検出素子１０は、略平板状に形成された耐熱性基体１００の表面に所定の間隙を隔てて対向する一対の検出電極１１０、１２０が形成されている。
本実施形態においては、図１、図２に示すように、検出電極１１０、１２０は、耐熱性基体１００の長手軸方向に平行となるように形成し外部に設けた検出回路部に接続する一対の検出電極リード部１１１、１２１を直交方向に屈曲せしめ、該検出電極リード部に延設した複数の電極１１０、１２０を上記耐熱性基体の長手方向に平行となるように交互に配設した一対の櫛歯状電極によって形成されている。
さらに、耐熱性基体１００の表面側には、検出リードを保護すると共に、検出部１１以外への粒子状物質の堆積を抑制する絶縁性保護層１３が形成されている。
また、検出部１１の裏面側に積層して、耐熱性基体１０１の表面又は内部に形成した発熱体１４０と発熱体１４０に接続して一対の発熱体リード部１４１ａ、１４１ｂが形成され、さらに発熱体リード部１４１ａ、１４１ｂに接続してスルーホール電極１４２ａ、１４３ｂが耐熱性基体１０１を貫通するように形成され、さらに、スルーホール電極１４２ａ、１４３ｂに接続して一対の発熱体電極端子部１４３ａ、１４３ｂが形成され、さらに発熱体電極端子部１４３ａ、１４３は、外部に設けた図略の通電制御装置に接続されている。
【００２４】
粒子状物質検出素子１０は、絶縁性材料を用いて略筒状に形成したインシュレータ３１０を介して、センサ固定部３０を構成し、金属材料を用いて略筒状に形成したハウジング３００の内側に保持され、ハウジング３００の外周部に設けたネジ部３０２によって被測定ガス流路４０に螺結され、検出部１１が被測定ガス４００内に晒されている。
ハウジング３００の先端側には、検出部１１を覆うカバー体２０が固定され検出素子１０への被水や飛び石の衝突による素子の破損を防止している。
カバー体２０は、金属材料からなり、有底筒状に形成されたカバー体基体２００と、この内外を連通するように穿設した開口部（２０１、２０２、２０３，２０４）及び、フランジ部２０５によって構成されている。
カバー体基体２００の側面には、本発明の要部である被測定ガス導入孔２０１が検出素子１０の検出部１１に対向する位置において所定の範囲が開口するように穿設されている。カバー体２０に基端側には外径方向に鍔状に張り出すカバー体フランジ部２０５が設けられ、ハウジング３００の先端に設けた加締め部３０１によって加締め固定されている。
【００２５】
本発明の要部である被測定ガス導入孔２０１は、導入孔２０１の開口端縁を検出部１に投影したときに、一対の検出電極１１０、１２０の一方の先端部が他方の検出電極１２０、１１０と検出電極リード部１２１、１１１との接続部によって略コ字形に取り囲まれた領域よりも内側に位置するように穿設されている。
より、具体的には、本図（ｂ）に示すように、検出素子１０の長手軸方向に対して平行に伸びる検出電極リード部１１１、１２１間の距離、即ち、検出素子１０の長手軸方向に垂直な方向における検出部の横幅Ｗ１１及び最上端の検出電極１１０、１２０と最下端の検出電極１１０、１２０との間の距離、即ち、検出素子１０の長手軸方向の縦幅Ｌ１１によって区画された範囲よりも、導入孔２０１の開口端縁を投影した横幅Ｗ２０１及び縦幅Ｌ２０１によって区画された領域が狭くなっており、複数の検出電極１１０、１２０の直線部分が平行に並んだ領域のみが被測定ガス４００に対して対向するようになっている。
さらに、本図（ｃ）に示すように、カバー体２０の側面の検出素子１０の側端縁の両側に対して、被測定ガス導入孔２０１から導入された被測定ガスを排出する導出孔２０２が穿設され、検出素子１０の背面側には、カバー体２０内外の圧力を調整するように被測定ガスを導入又は導出する圧力調整孔２０４が穿設され、カバー体２０の底面には、被測定ガスを先端方向へ向かって排出する導出孔２０３が穿設されている。
【００２６】
図３〜図５を参照して本発明の作動原理について説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態における粒子状物質検出センサ１に用いられる検出素子１０の検出電極１１０、１２０間に所定の電圧＋Ｖを印加したときに発生する電界の等電位線及び電気力線を模式的に示すものであり、図４は、電界強度分布を模式的に示すものであり、図５は、有限要素法によって解析した電界解析図である。
なお、図３、４は、二次元ラプラス方程式（∂２Ｕ／∂ｘ２＋∂２Ｕ／∂ｙ２＝０）を差分法により解いたシミュレーション結果に基づくものである。
図３、図４に示すように、電圧＋Ｖの印加される検出電極１１０の先端からＧＮＤに接地される検出電極１２０に向かって電位が徐々に低下するように電界が形成され、検出電極１１０の先端部とその周囲を略コ字形に覆うように対向する検出電極１２０と検出電極リード部１２１とが接続された根本部との間では、検出電極１１０の先端から検出電極１２０に向かって電界ベクトルが放射状に広がるように形成され、検出電極１１０の先端部の電界強度が最も高くなり、検出電極１２０と検出電極リード部１２１とが屈曲するように接続された根本部の電界強度が最も低くなり、検出電極１２０の先端部とその周囲を略コ字形に覆うように対向する検出電極１１０と検出電極リード部１１１とが接続された根本部との間では、電界ベクトルが検出電極１１０から検出電極１２０の先端部に向かって逆扇形に収束するように形成され、検出電極１１０の直線部分と検出電極１２０の直線部分とが平行に並んで対向する領域では、電界ベクトルが検出電極１１０、１２０の端縁に直交するように向かい、電界強度が均一となっている。
さらに、本発明の要部であるカバー体２０に設けた被測定ガス導入孔２０１の開口端縁を検出部１１に投影した領域は、電界強度が均一となる領域の内側となっている。
このため、被測定ガス導入孔２０１からカバー体２０内に被測定ガスと共に導入された粒子状物質は、直進して、検出電極１１０、１２０間の電界強度が均一な領域に到達し、電界からの静電引力によって捕集され検出電極１１０、１２０間に堆積する。
このとき、検出電極１１０、１２０間の電界強度が均一であるので、粒子状物質の堆積量も均一となることが判明した。
またカバー体２０を組み付ける際に被測定ガス導入孔２０１が検出部１１に正対する位置からずれたり、被測定ガス流路４０に粒子状物質検出センサ１を組み付ける際に検出部１１が被測定ガス４００の流れに対して正対しない角度で周方向に回転した位置にずれたりした場合であっても、本発明の第１の実施形態によれば、少なくとも、検出部１１に発生する電界強度不均一領域への流れが阻止されるので、周方向の取り付け位置を気にせずとも安定した粒子状物質の検出を行うことができると期待される。
【００２７】
図６を参照して本発明の効果について説明する。
図６（ａ）は、本発明の第１の実施形態における実施例を示し、検出電極１１０、１２０間に粒子状物質が堆積し始めて検出電極１１０、１２０に導通が形成され、センサ出力が検出されるようになる不感時間を経過した時点において粒子状物質が堆積した状態を示す模式図である。
本図に示すように、本発明の実施例においては、検出電極１１０の直線部分の端縁に沿うように均一に粒子状物質が堆積している。
さらに、一定時間経過後に検出部１１全体に粒子状物質が堆積し、飽和した状態となりセンサ出力が上限に達した状態では、本図（ｂ）に示すように、被測定ガス導入孔２０１の開口端縁を投影した領域に一致するように検出電極１１０、１２０間に一様に粒子状物質が堆積している。
一方、被測定ガス導入孔を検出部１１の範囲よりも大きく穿設した場合を比較例として本図（ｃ）、（ｄ）に示す。
本図（ｃ）に示すように、不感時間経過時においては、検出電極１１０の先端近傍に集中できに粒子状物質が局所的に堆積しており、その分布は電界強度の分布と一致している。さらに、比較例では、センサの出力が一定以上となり飽和状態と判断される状態においても本図（ｄ）に示すように、検出電極１１０、１２０の先端部と検出電極リード部１２１、１１１とが対向する領域には多くの粒子状物質が堆積し、検出電極１１０、１２０の直線部分が平行に並んだ領域には、粒子状物質が堆積していない部分が多く残っている。
これは、検出電極１１０、１２０間の電界強度の高い部分に集中的に粒子状物質が堆積して、早期に検出電極１１０、１２０間の抵抗値が低下して、検出上限を超えたためと推察される。
【００２８】
図７を参照して本発明の効果を確認するために行った試験結果について説明する。
図７（ａ）は、本発明の実施例と比較例とにおいて一定量の粒子状物質を含む被測定ガスを検出したときのセンサ出力の経時変化を示す特性図、（ｂ）は、不感時間の差を詳細に示す拡大図である。
本図（ａ）に示すように、本発明の実施例では、センサの出力の上昇速度は遅く、出力バラツキも小さく、再生処理を要するまでの時間も長い。
一方、比較例では、センサの出力の上昇速度が速く、出力バラツキも大きく、再生処理を要するまでの時間も短いことが判明した。
また、本図（ｂ）に示すようにセンサ出力が検出されるようになるまでの不感時間は、本発明の方が遅くなるがバラツキは小さく不感時間が一定である。一方、比較例では早期にセンサ出力が検出されるがバラツキが大きく不感時間が一定でない。
これは、上述したように、本発明によれば、電界強度の均一な領域のみに粒子状物質が誘導されるので出力の安定化を図ることが可能となり、また、検出電極１１０、１２０の直線部分が平行に並んだ領域に粒子状物質が均一に堆積するため、センサ出力が検出されるまでの時間が遅くなると推察される。
さらに、比較例においては、検出電極１１０、１２０間の電界強度の高い部分に局所的に粒子状物質が堆積し早期にセンサ出力が検出されるが、電界強度が不均一な領域への堆積であるため、バラツキが大きくなるものと推察される。
また、粒子状物質の局所的な堆積により、早期に抵抗値の低い導通経路が形成され、センサの検出限界に達してしまうものと推察される。
【００２９】
図８（ａ）、（ｂ）を参照して本発明の第１の実施形態における粒子状物質検出センサ１ａの変形例として用いられる検出素子１０ａについて説明する。なお、上記実施形態と同様の構成については同じ符号を付したので説明を省略する。
上記実施形態においては、検出素子１０として、検出電極１１０、１２０が検出素子１０の長手軸方向に平行となるように配設された例を示したが、本実施形態に示す粒子状物質１０ａのように、検出電極１１０ａ、１２０ａが検出素子１０ａの長手軸方向に直交する方向に並んだものを用いても良い。この場合においても、カバー体２０aの被測定ガス導入孔２０１aは、粒子状物質検出素子１０aの検出部１１に対向する位置において、開口部端縁を投影した位置が検出部１１aの特定の領域内に位置するように設けられる。
粒子状物質検出素子１０では、耐熱性基体１００の長手軸方向に平行となるように形成され、外部に設けた図略の検出回路部に接続する一対の検出電極リード部１１１、１２１ａを直交方向に屈曲せしめ、検出電極リード部１１１ａ、１２１ａに延設した複数の検出電極１１０ａ、１２０ａを耐熱性基体１００の長手方向に平行となるように交互に配設した一対の櫛歯状電極によって形成してある。
さらに、本実施形態においても、上記実施形態と同様、導入孔２０１ａの開口端縁の投影位置が、一対の検出電極１１０ａ、１２０ａの一方の先端部が他方の検出電極１２０ａ、１１０ａと検出電極リード部１２１ａ、１１１ａとの接続部によって略コ字形に取り囲まれた領域よりも内側に位置するように被定ガス導入孔２０１ａｈが穿設され、複数の検出電極１１０ａ、１２０ａの直線部分が平行に並んだ領域のみが被測定ガスに対向するようになっている。
本実施形態においても、電界強度の均一な領域のみが被測定ガス導入孔２０１に対向しているので、検出電極１１０ａ、１２０ａの電界強度が均一な部分に直線的に衝突した粒子状物質が当該領域に捕集され堆積し、上述と同様の効果が発揮される。
【００３０】
図９を参照して、本発明の第２の実施形態における粒子状物質検出センサ１ｂについて説明する。
上記実施形態においては、検出素子１０、１０ａとして検出電極をいわゆる櫛歯状に形成した場合について説明したが、本実施形態においては、検出素子１０ｂとして、一対の検出電極１１０ｂ、１２０が耐熱性基体１００の軸方向に対して平行に一定の間隙を隔てて対向し直線状に伸びる一つの平行電極１１０ｂ、１２０ｂであって平行電極１１０ｂ、１２０ｂの相対向する内側を検出部１１ｂとした場合について説明する。
本図に示すように、一対の平行電極１１０ｂ、１２０ｂの一端を屈曲せしめて延設して平行電極１１０ｂ、１２０ｂの外側を通って外部に設けた図略の検出回路部に接続する一対の検出電極リード部１１１ｂ、１２１ｂと、他端に配設して一対の平行電極１１０ｂ、１２０ｂを直列に接続する受動素子１５として所定の抵抗値を有する抵抗素子、又は、所定の静電容量を有する容量素子のいずれかを具備し、導入孔開口端縁２０１ｂの投影位置が一対の平行電極１１０ｂ、１２０ｂの屈曲する部分と一対の検出電極リード部１１１ｂ、１２１ｂと受動素子１５の接続する部分を除き一対の平行電極１１０ｂ、１２０ｂの直線部分を区画するように被測定ガス導入孔２０１ｂが穿設して、一対の平行電極１１０ｂ、１２０ｂの直線部分の内側の端縁を被測定ガス４００に対向させている。
【００３１】
本実施形態によれば、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、上記実施形態と同様被測定ガス導入孔２０１ｂの開口端縁を投影した位置が、平行電極１１０ｂ、１２０ｂが直線状に伸び、平行に並んで対向し、電界強度が均一となる領域を区画しているので、当該領域にのみ粒子状物質が誘導され、捕集堆積するので、上記実施形態と同様の効果が期待できる。
さらに本実施形態においては、検出部１１ｂに粒子状物質が堆積していない状態において受動素子１５を介して一対の平行電極１１０ｂ、１２０ｂが直列に接続した状態となっているので、受動素子１５の抵抗値又は静電容量を検出することにより粒子状物質検出センサ１の断線の有無を検出することも可能となりさらに信頼性の高い粒子状物質検出センサが実現できる。
【００３２】
上記実施形態においては、カバー体として、一層のみを用いる構成を示したが、カバー体を同心に２重、３重に設けても良い。
さらに、カバー体を複数設けることによって、検出素子が載置される環境の温度変化を抑制し、粒子状物質検出センサのセンサ出力の安定化を図ることも期待できる。
なお、このような場合において、被測定ガスの導入流経路を複雑にすると、被測定ガスの流速が過剰に低下し、被測定ガス導入孔から検出部に向かって直進せず、電界強度の高い領域に引き込まれ易くなり、本発明の効果が低下する虞がある点に留意しなければならない。
【００３３】
図１１、図１２を参照して、本発明の第３の実施形態について説明する。
上記実施形態においては、被測定ガス２０１を検出部１１に対して正対させたときに、導入孔２０１の開口端縁を投影した領域が電界強度均一領域内に収まるように、導入孔２０１を１つ穿設した例を示したが、本実施形態においては、図１１に示すように、第１の実施形態と同様に検出素子１０ｃの長手軸方向に対して検出電極１１０、１２０が平行となるように設けたのに加えて、開口長Ｌ２０１ｃを検出部１１の縦幅Ｌ１１に対して十分小さくすると共に、複数（ｎ個）の導入孔２０１ｃをカバー体２０ｃの周方向に対して等間隔で穿設した点が相違する。
このような構成とすることにより、検出部１１が被測定ガスの流れに対して正対するときは当然のことながら、図１２（ａ−１）に示すように、被測定ガスの流れに対して検出部１１ｃが裏面側となるように組み付けられたとしても、検出素子１０の裏面側から導入された被測定ガスが検出素子１０の裏面に衝突して、渦を発生させながら検出部１１側に巻き込まれ、検出部１１に堆積する。
このとき、図１２（ａ―２）に示すように、導入孔２０１ｃの開口長Ｌ２０１ｃが検出部１１の縦幅Ｌ１１に対して十分小さいので、電界強度不均一領域には被測定ガスが流れず、電界強度均一領域のみに誘導され、第１の実施形態と同様に、センサの出力を安定させることができる。
また、本図（ｂ−１）に示すように、検出素子１０が被測定ガスの流れに対して周方向に斜めに回転して配設された状態であっても、本図（ｂ−２）に示すように、電界強度均一領域にのみ被測定ガスが誘導される。
さらに、本図（ｃ−１）に示すように、検出素子１０が、被測定ガスの流れに略平行となるように配設された場合であっても、本図（ｃ−２）に示すように、電界強度不均一領域の周囲を被測定ガスが通過することがなく、検出部１１の電界強度均一領域を通過する際に、検出電極１１０、１２０間に発生する電界によって粒子状物質が引き寄せられ、検出部１１の電界強度均一領域にのみ堆積する。
以上のように、本実施形態によれば、検出部１１が任意の周方向の角度で配設された場合であっても、本発明の効果が発揮できる。
加えて、本実施形態は、上記第１の実施形態の変形例として示した粒子状物質検出センサ１ａのように、検出素子１０ａの長手軸方向に対して検出電極１１０ａ、１２０ａを直交するように設けた場合には採用できないが、上記第２の実施形態における粒子状物質検出センサ１ｂにも適用採用可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１ 粒子状物質検出センサ
１０ 粒子状物質検出素子
１００ 絶縁性基体
１１ 検出部
１１０、１２０ 検出電極
１１１、１２１ 検出電極リード部
１１２、１２２ 検出電極端子部
１３ 絶縁保護層
１４ ヒータ部
１４０ 発熱体
１４１ａ、１４１ｂ 発熱体リード部
１４２ａ、１４２ｂ
２０ カバー体
２０１ 粒子状物質導入孔
２０２、２０３、２０４ 被測定ガス導出孔
２０５ カバー体フランジ部
３０ センサ固定部
３００ ハウジング
３０１ カバー体加締め部
３０２ ネジ部
３１０ インシュレータ
４０ 被測定ガス流路
４００ 被測定ガス
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３５】
【特許文献１】特開昭５９−１９７８４７号公報
【特許文献２】独国特許出願ＤＥ１０２００６０１５３８５号明細書
【特許文献３】特表２００８−５０２８９２号公報
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、車両用内燃機関の排気浄化システムに好適に利用されて、被測定ガスとなる排出ガス中に存在する粒子状物質を検出する粒子状物質検出センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用ディーゼルエンジン等において、排気ガスに含まれる環境汚染物質、特に煤粒子（Ｓｏｏｔ）及び可溶性有機成分（ＳＯＦ）を主体とする粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ；以下、適宜ＰＭと称する）を捕集するために、排気通路にディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、適宜ＤＰＦと称する）を設置することが行われている。ＤＰＦは、耐熱性に優れる多孔質セラミックスからなり、多数の細孔を有する隔壁に排気ガスを通過させてＰＭを捕捉する。
【０００３】
ＤＰＦは、ＰＭ捕集量が許容量を超えると、目詰まりが生じて圧力損失が増大したり、ＰＭのすり抜けが増加したりする虞があり、定期的に再生処理を行って捕集能力を回復させている。
【０００４】
ＤＰＦの再生時期は、一般的には、ＰＭ捕集量の増加により前後差圧が増大することを利用して決定されている。このため、ＤＰＦの上流及び下流の圧力差を検出する差圧センサが設置される。再生処理は、ヒータ加熱あるいはポスト噴射等により高温の燃焼排気をＤＰＦ内に導入し、ＰＭを燃焼除去することによって行われる。
【０００５】
一方、燃焼排気中のＰＭを直接検出可能な粒子状物質検出センサ（以下、適宜、ＰＭセンサと称する。）について種々提案されている。このＰＭセンサを、例えばＤＰＦの下流に設置して、ＤＰＦをすり抜けるＰＭ量を測定し、車載式故障診断装置（ＯＢＤ；Ｏｎ Ｂｏａｒｄ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ）において、ＤＰＦの作動状態の監視、例えば亀裂や破損といった異常の検出に利用することができる。
【０００６】
あるいはＤＰＦの上流に設置して、ＤＰＦに流入するＰＭ量を測定し、差圧センサに代わる再生時期の判断に利用することも検討されている。
【０００７】
このようなＰＭセンサの一例として、特許文献１には、絶縁性を有する基板の表面に、一対の導電性電極を形成し、基板の裏面又は内部に発熱体を形成した電気抵抗式のスモークセンサが開示されている。
このセンサは、スモーク（微粒炭素）が導電性を有することを利用したもので、検出部となる電極間に、スモークが堆積することで生じる抵抗値の変化を検出する。
発熱体は、検出部を所望の温度（例えば、４００℃〜６００℃）に加熱し、電極間抵抗を測定した後に、付着したスモークを焼き切って検出能力を回復させる。
【０００８】
特許文献２には、長手軸方向に対して平行に検出電極を設けた検出素子に対して垂直方向に流れる被測定ガスを、複数のカバー体で検出素子を覆って検出素子の背面側から導入することにより、流れ方向を素子の軸方向に移動させて検出電極に対して平行となるように誘導して検出する検出装置及び検出方法が開示されている（特許文献２、ｆｉｇ１、ｆｉｇ２等参照）。
【０００９】
特許文献３には、櫛歯状に形成された検出電極間に印加する電圧を可変とし、測定開始初期には高い電圧の印加により検出電極間の電界強度を高くし、ＰＭの堆積速度を促進させ、不感時間の短縮を図り、不感時間経過後には低い電圧の印加により、検出電極間の電界強度を低くしてＰＭの堆積速度を低下させて、再生処理を必要とするまでの期間の延長を図っている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところが、特許文献２にあるような複雑な経路では、ＰＭを検出部に正しく誘導するための何らかの手段が必要となり、センサの構造が複雑化し、製造コストの増加を招く虞がある。
また、このような複雑な経路を介したのでは、ＰＭが検出部以外に付着し、被測定ガス中のＰＭ量を素早く、正確に検出することができない虞もある。
【００１１】
さらに、櫛歯状に形成された検出電極間に電圧を印加すると電極の先端部は電界集中により電界強度が高くなり、リード部に直交するように接続された検出電極の根本部は電界強度が低くなり、検出電極間に電界強度が不均一となる部分が不可避的に発生する。
【００１２】
このように電界強度に不均一な部分が存在すると、ＰＭの堆積速度が一定とならず、不感時間にバラツキを生じることが判明した。特に、特許文献２にあるように、印加電圧を高くしてＰＭの堆積量の増加を図ろうとした場合に、このような電界強度の分布が生じていると、電界強度の高い部分にＰＭが堆積し易く、電界強度の低い部分との堆積量の差が拡大され、不感時間のバラツキが大きくなる虞があり、不感時間のバラツキが大きいと、その後の出力結果にも影響するためセンサとしての信頼性が損なわれる。
【００１３】
さらに、従来、粒子状物質検出センサを被測定ガス流路に固定する際、周方向に対して検出素子の方向が特定されておらず、任意の方向からセンサ内に被測定ガスが導入されるよう、検出素子を保護するカバー体の側面に一定間隔で複数の開口を設けるのが一般的であり、被測定ガスの流れに対する検出素子の取付方向によってセンサ出力にバラツキを生じる虞があった。
【００１４】
そこで、本発明は、係る実情に鑑み、簡易な構成により検出素子に設けた一対の電極間に堆積する粒子状物質の量によって変化する電気的特性を検出して被測定ガス中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の不感時間の安定化を図り、信頼性の高い粒子状物質検出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】
【００１５】
第１の発明では、耐熱性基体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、該検出部を保護しつつ被測定ガスを上記検出部へ導入する被測定ガス導入孔を設けたカバー体とを具備し、上記検出電極間に発生させた電界による静電気力を利用して上記検出部に被測定ガス中の粒子状物質を捕集し、上記検出電極間に堆積する粒子状物質の量によって変化する電気的特性を検出して、被測定ガス中の粒子状物質を検出する粒子状物質検出センサにおいて、
上記被測定ガス導入孔を周方向に回転させ、上記検出部に対向する位置とした場合、該導入孔の開口端縁を上記検出部に投影したときに、該検出部において上記一対の検出電極間に生じる電界強度が均一となる範囲の内側に位置するように穿設する（請求項１）。
【００１６】
第１の発明によれば、上記被測定ガス導入から被測定ガスの流れによって運ばれた粒子状物質が上記検出部に誘導される際に、上記被測定ガス導入孔の開口端縁を投影した領域の外側に位置する上記検出電極間の電界強度が不均一な部分には到達し難くなり上記検出電極間の電界強度が均一な領域にのみ到達する。
このため、検出電極間の電界強度が高い部分への局所的な粒子状物質堆積が抑制され、不感時間の安定化と検出部への粒子状物質の過剰な堆積により再生処理を要するまでの時間の長期化を図ることができる。
【００１７】
より具体的には、第２の発明では、上記一対の検出電極が、上記耐熱性基体の長手軸方向に平行となるように形成し外部に設けた検出回路部に接続する一対の検出電極リード部に対して直交方向に延設した複数の電極を交互に配設した一対の櫛歯状電極、又は、上記耐熱性基体の長手軸方向に平行となるように形成し外部に設けた検出回路部に接続する一対の検出電極リード部を直交方向に屈曲せしめ、該検出電極リード部に延設した複数の電極を上記耐熱性基体の長手方向に平行となるように交互に配設した一対の櫛歯状電極のいずれかであって、上記導入孔開口端縁の投影位置が、上記一対の検出電極の一方の先端部が他方の検出電極と上記検出電極リード部との接続部によって略コ字形に取り囲まれた領域よりも内側に位置するように上記被測定ガス導入孔を穿設し、複数の電極の直線部分が平行に並んだ領域に被測定ガスを誘導せしめる（請求項２）。
【００１８】
第２の発明によれば、上記検出部の電界強度が均一となる領域の内側の領域に対向する位置に上記被測定ガス導入孔が開口しているので、該導入孔を通過して粒子状物質が被測定ガスの流れに沿って直進して上記検出部に到達する際に電界強度の均一な領域にのみ粒子状物質が堆積するので電界強度の不均一な領域で局所的な粒子状物質の堆積を起こしがたくなる。このため、不感時間の変動や、粒子状物質の局所的な偏在による導電経路の形成により早期に検出不能となるような誤作動が抑制される。
【００１９】
また、第３の発明では、上記一対の検出電極が上記耐熱性基体の軸方向に対して平行に一定の間隙を隔てて対向し直線状に伸びる一つの平行電極であって該平行電極の相対向する内側を検出部とし、少なくとも上記一対の平行電極の一端を屈曲せしめて延設して平行電極の外側を通って外部に設けた検出回路部に接続する一対の検出電極リード部を具備し、上記導入孔開口端縁の投影位置が上記一対の平行電極の屈曲する部分と上記一対の検出電極リード部を除き上記一対の平行電極の直線部分を区画するように上記被測定ガス導入孔を穿設し、上記一対の平行電極の直線部分の端縁の内側に被測定ガスを誘導せしめる（請求項３）。
【００２０】
第３の発明によれば、上記平行電極の直線部分の内側に形成された電界強度が均一となる領域にのみ被測定ガスが誘導されるので、センサの出力が安定し、信頼性の高い粒子状物質検出センサが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態における粒子状物質検出センサの概要を示し、（ａ）は、要部断面図、（ｂ）は、要部拡大図、（ｃ）は、本図（ｂ）中Ａ−Ａに沿った矢視断面図。
【図２】本発明の第１の実施形態における粒子状物質検出センサに用いられる検出素子の概要を示す展開斜視図。
【図３】本発明の効果の説明に用いる検出部における等電位線と電気力線とを示す模式図。
【図４】本発明の効果の説明に用いる検出部における電界強度分布を示す模式図。
【図５】本発明の効果の説明に用いる検出部における電界ベクトルを有限要素法により解析した解析図。
【図６】比較例と共に本発明の効果を示し、（ａ）は、本発明の実施例として不感時間経過時における粒子状物質の堆積状態を示す模式図、（ｂ）は、本発明の実施例として検出満了時における検出部全体の粒子状物質の堆積状態を示す模式図、（ｃ）は、比較例における粒子状物質の堆積状態を示す模式図、（ｄ）は、比較例として示す検出満了時における検出部全体の粒子状物質の堆積状態を示す模式図。
【図７】比較例と共に本発明の効果を示し（ａ）はセンサ出力の経時変化を示す特性図、（ｂ）は、不感時間に対する効果の違いを示す特性図拡大図。
【図８】本発明の第１の実施形態における粒子状物質検出センサに用いられ検出素子の変形例を示し、（ａ）は要部拡大図、（ｂ）は、断面図。
【図９】本発明の第２の実施形態における粒子状物質検出センサに用いられる検出素子の概要を示す展開斜視図。
【図１０】本発明の第２の実施形態における粒子状物質検出センサの効果を説明するための模式図であって、（ａ）は、等電位線及び電気力線を示す模式図、（ｂ）は、電界強度分布を示す模式図。
【図１１】本発明の第３の実施形態における粒子状物質検出センサの概要を示し、（a）は要部平面図、（ｂ）は、断面図。
【図１２】本発明の第３の実施形態における粒子状物質検出センサの効果を示し、（a−１）、（ｂ−１）、（ｃ-1）は、断面模式図、（ａ-２）、（ｂ−２）、（ｃ−２）は側面模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の粒子状物質検出センサ１は、内燃機関の排気浄化装置に適用されて、被測定ガス中に配設される検出部１１に堆積する粒子状物質の量によって変化する電気抵抗や静電容量等の電気的特性を検出して、被測定ガス中に含まれる粒子状物質の検出に好適に利用されるものである。具体的には、ＤＰＦの下流に設置されて、ＤＰＦの異常検出に利用することができる。あるいは、ＤＰＦの上流に設置されて、ＤＰＦに流入する粒子状物質ＰＭを直接検出するシステムに利用することもできる。
【００２３】
図１、図２を参照して、本発明の第１の実施形態における粒子状物質検出センサ１並びに粒子状物質検出素子１０の概要について説明する。
本発明の粒子状物質検出センサ１は、耐熱性基体１００の表面に所定の間隙を設けて対向する一対の検出電極１１０、１２０を設けた検出部１１と、検出部１１を保護しつつ被測定ガスを検出部１１へ導入する被測定ガス導入孔２０１を設けたカバー体２０とを具備し、検出電極１１０、１２０間に発生させた電界による静電気力を利用して検出部１１に被測定ガス中の粒子状物質を捕集し、検出電極１１０、１２０間に堆積する粒子状物質の量によって変化する電気的特性を検出して、被測定ガス中の粒子状物質を検出する粒子状物質検出センサである。
なお、本発明において、検出回路部が検出する電気的特性としては、検出電極１１０、１２０間に堆積する粒子状物質の量に応じて変化する電気抵抗を検出するものでも、静電容量の変化を検出するものでも、検出素子のインピーダンスの変化を検出するものであっても良い。
本発明の粒子状物質検出センサ１は、被測定ガス導入孔２０１を周方向に回転させ、検出部１１に対向する位置とした場合に、導入孔２０１の開口端縁を検出部１１に投影したときに、検出部１１において一対の検出電極１１０、１２０間に生じる電界強度が均一となる範囲の内側に位置するように穿設したことを特徴とするものである。
図１（ａ）に示すように、粒子状物質検出センサ１は、粒子状物質検出素子１０と粒子状物質検出素子１０の検出部１１を被測定ガス４００中に保持固定するセンサ固定部３０と、粒子状物質検出素子１０を保護するカバー体２０とによって構成されている。
粒子状物質検出素子１０は、略平板状に形成された耐熱性基体１００の表面に所定の間隙を隔てて対向する一対の検出電極１１０、１２０が形成されている。
本実施形態においては、図１、図２に示すように、検出電極１１０、１２０は、耐熱性基体１００の長手軸方向に平行となるように形成し外部に設けた検出回路部に接続する一対の検出電極リード部１１１、１２１を直交方向に屈曲せしめ、該検出電極リード部に延設した複数の電極１１０、１２０を上記耐熱性基体の長手方向に平行となるように交互に配設した一対の櫛歯状電極によって形成されている。
さらに、耐熱性基体１００の表面側には、検出リードを保護すると共に、検出部１１以外への粒子状物質の堆積を抑制する絶縁性保護層１３が形成されている。
また、検出部１１の裏面側に積層して、耐熱性基体１０１の表面又は内部に形成した発熱体１４０と発熱体１４０に接続して一対の発熱体リード部１４１ａ、１４１ｂが形成され、さらに発熱体リード部１４１ａ、１４１ｂに接続してスルーホール電極１４２ａ、１４３ｂが耐熱性基体１０１を貫通するように形成され、さらに、スルーホール電極１４２ａ、１４３ｂに接続して一対の発熱体電極端子部１４３ａ、１４３ｂが形成され、さらに発熱体電極端子部１４３ａ、１４３は、外部に設けた図略の通電制御装置に接続されている。
【００２４】
粒子状物質検出素子１０は、絶縁性材料を用いて略筒状に形成したインシュレータ３１０を介して、センサ固定部３０を構成し、金属材料を用いて略筒状に形成したハウジング３００の内側に保持され、ハウジング３００の外周部に設けたネジ部３０２によって被測定ガス流路４０に螺結され、検出部１１が被測定ガス４００内に晒されている。
ハウジング３００の先端側には、検出部１１を覆うカバー体２０が固定され検出素子１０への被水や飛び石の衝突による素子の破損を防止している。
カバー体２０は、金属材料からなり、有底筒状に形成されたカバー体基体２００と、この内外を連通するように穿設した開口部（２０１、２０２、２０３，２０４）及び、フランジ部２０５によって構成されている。
カバー体基体２００の側面には、本発明の要部である被測定ガス導入孔２０１が検出素子１０の検出部１１に対向する位置において所定の範囲が開口するように穿設されている。カバー体２０に基端側には外径方向に鍔状に張り出すカバー体フランジ部２０５が設けられ、ハウジング３００の先端に設けた加締め部３０１によって加締め固定されている。
【００２５】
本発明の要部である被測定ガス導入孔２０１は、導入孔２０１の開口端縁を検出部１に投影したときに、一対の検出電極１１０、１２０の一方の先端部が他方の検出電極１２０、１１０と検出電極リード部１２１、１１１との接続部によって略コ字形に取り囲まれた領域よりも内側に位置するように穿設されている。
より、具体的には、本図（ｂ）に示すように、検出素子１０の長手軸方向に対して平行に伸びる検出電極リード部１１１、１２１間の距離、即ち、検出素子１０の長手軸方向に垂直な方向における検出部の横幅Ｗ１１及び最上端の検出電極１１０、１２０と最下端の検出電極１１０、１２０との間の距離、即ち、検出素子１０の長手軸方向の縦幅Ｌ１１によって区画された範囲よりも、導入孔２０１の開口端縁を投影した横幅Ｗ２０１及び縦幅Ｌ２０１によって区画された領域が狭くなっており、複数の検出電極１１０、１２０の直線部分が平行に並んだ領域のみが被測定ガス４００に対して対向するようになっている。
さらに、本図（ｃ）に示すように、カバー体２０の側面の検出素子１０の側端縁の両側に対して、被測定ガス導入孔２０１から導入された被測定ガスを排出する導出孔２０２が穿設され、検出素子１０の背面側には、カバー体２０内外の圧力を調整するように被測定ガスを導入又は導出する圧力調整孔２０４が穿設され、カバー体２０の底面には、被測定ガスを先端方向へ向かって排出する導出孔２０３が穿設されている。
【００２６】
図３〜図５を参照して本発明の作動原理について説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態における粒子状物質検出センサ１に用いられる検出素子１０の検出電極１１０、１２０間に所定の電圧＋Ｖを印加したときに発生する電界の等電位線及び電気力線を模式的に示すものであり、図４は、電界強度分布を模式的に示すものであり、図５は、有限要素法によって解析した電界解析図である。
なお、図３、４は、二次元ラプラス方程式（∂２Ｕ／∂ｘ２＋∂２Ｕ／∂ｙ２＝０）を差分法により解いたシミュレーション結果に基づくものである。
図３、図４に示すように、電圧＋Ｖの印加される検出電極１１０の先端からＧＮＤに接地される検出電極１２０に向かって電位が徐々に低下するように電界が形成され、検出電極１１０の先端部とその周囲を略コ字形に覆うように対向する検出電極１２０と検出電極リード部１２１とが接続された根本部との間では、検出電極１１０の先端から検出電極１２０に向かって電界ベクトルが放射状に広がるように形成され、検出電極１１０の先端部の電界強度が最も高くなり、検出電極１２０と検出電極リード部１２１とが屈曲するように接続された根本部の電界強度が最も低くなり、検出電極１２０の先端部とその周囲を略コ字形に覆うように対向する検出電極１１０と検出電極リード部１１１とが接続された根本部との間では、電界ベクトルが検出電極１１０から検出電極１２０の先端部に向かって逆扇形に収束するように形成され、検出電極１１０の直線部分と検出電極１２０の直線部分とが平行に並んで対向する領域では、電界ベクトルが検出電極１１０、１２０の端縁に直交するように向かい、電界強度が均一となっている。
さらに、本発明の要部であるカバー体２０に設けた被測定ガス導入孔２０１の開口端縁を検出部１１に投影した領域は、電界強度が均一となる領域の内側となっている。
このため、被測定ガス導入孔２０１からカバー体２０内に被測定ガスと共に導入された粒子状物質は、直進して、検出電極１１０、１２０間の電界強度が均一な領域に到達し、電界からの静電引力によって捕集され検出電極１１０、１２０間に堆積する。
このとき、検出電極１１０、１２０間の電界強度が均一であるので、粒子状物質の堆積量も均一となることが判明した。
またカバー体２０を組み付ける際に被測定ガス導入孔２０１が検出部１１に正対する位置からずれたり、被測定ガス流路４０に粒子状物質検出センサ１を組み付ける際に検出部１１が被測定ガス４００の流れに対して正対しない角度で周方向に回転した位置にずれたりした場合であっても、本発明の第１の実施形態によれば、少なくとも、検出部１１に発生する電界強度不均一領域への流れが阻止されるので、周方向の取り付け位置を気にせずとも安定した粒子状物質の検出を行うことができると期待される。
【００２７】
図６を参照して本発明の効果について説明する。
図６（ａ）は、本発明の第１の実施形態における実施例を示し、検出電極１１０、１２０間に粒子状物質が堆積し始めて検出電極１１０、１２０に導通が形成され、センサ出力が検出されるようになる不感時間を経過した時点において粒子状物質が堆積した状態を示す模式図である。
本図に示すように、本発明の実施例においては、検出電極１１０の直線部分の端縁に沿うように均一に粒子状物質が堆積している。
さらに、一定時間経過後に検出部１１全体に粒子状物質が堆積し、飽和した状態となりセンサ出力が上限に達した状態では、本図（ｂ）に示すように、被測定ガス導入孔２０１の開口端縁を投影した領域に一致するように検出電極１１０、１２０間に一様に粒子状物質が堆積している。
一方、被測定ガス導入孔を検出部１１の範囲よりも大きく穿設した場合を比較例として本図（ｃ）、（ｄ）に示す。
本図（ｃ）に示すように、不感時間経過時においては、検出電極１１０の先端近傍に集中できに粒子状物質が局所的に堆積しており、その分布は電界強度の分布と一致している。さらに、比較例では、センサの出力が一定以上となり飽和状態と判断される状態においても本図（ｄ）に示すように、検出電極１１０、１２０の先端部と検出電極リード部１２１、１１１とが対向する領域には多くの粒子状物質が堆積し、検出電極１１０、１２０の直線部分が平行に並んだ領域には、粒子状物質が堆積していない部分が多く残っている。
これは、検出電極１１０、１２０間の電界強度の高い部分に集中的に粒子状物質が堆積して、早期に検出電極１１０、１２０間の抵抗値が低下して、検出上限を超えたためと推察される。
【００２８】
図７を参照して本発明の効果を確認するために行った試験結果について説明する。
図７（ａ）は、本発明の実施例と比較例とにおいて一定量の粒子状物質を含む被測定ガスを検出したときのセンサ出力の経時変化を示す特性図、（ｂ）は、不感時間の差を詳細に示す拡大図である。
本図（ａ）に示すように、本発明の実施例では、センサの出力の上昇速度は遅く、出力バラツキも小さく、再生処理を要するまでの時間も長い。
一方、比較例では、センサの出力の上昇速度が速く、出力バラツキも大きく、再生処理を要するまでの時間も短いことが判明した。
また、本図（ｂ）に示すようにセンサ出力が検出されるようになるまでの不感時間は、本発明の方が遅くなるがバラツキは小さく不感時間が一定である。一方、比較例では早期にセンサ出力が検出されるがバラツキが大きく不感時間が一定でない。
これは、上述したように、本発明によれば、電界強度の均一な領域のみに粒子状物質が誘導されるので出力の安定化を図ることが可能となり、また、検出電極１１０、１２０の直線部分が平行に並んだ領域に粒子状物質が均一に堆積するため、センサ出力が検出されるまでの時間が遅くなると推察される。
さらに、比較例においては、検出電極１１０、１２０間の電界強度の高い部分に局所的に粒子状物質が堆積し早期にセンサ出力が検出されるが、電界強度が不均一な領域への堆積であるため、バラツキが大きくなるものと推察される。
また、粒子状物質の局所的な堆積により、早期に抵抗値の低い導通経路が形成され、センサの検出限界に達してしまうものと推察される。
【００２９】
図８（ａ）、（ｂ）を参照して本発明の第１の実施形態における粒子状物質検出センサ１ａの変形例として用いられる検出素子１０ａについて説明する。なお、上記実施形態と同様の構成については同じ符号を付したので説明を省略する。
上記実施形態においては、検出素子１０として、検出電極１１０、１２０が検出素子１０の長手軸方向に平行となるように配設された例を示したが、本実施形態に示す粒子状物質１０ａのように、検出電極１１０ａ、１２０ａが検出素子１０ａの長手軸方向に直交する方向に並んだものを用いても良い。この場合においても、カバー体２０aの被測定ガス導入孔２０１aは、粒子状物質検出素子１０aの検出部１１に対向する位置において、開口部端縁を投影した位置が検出部１１aの特定の領域内に位置するように設けられる。
粒子状物質検出素子１０では、耐熱性基体１００の長手軸方向に平行となるように形成され、外部に設けた図略の検出回路部に接続する一対の検出電極リード部１１１、１２１ａを直交方向に屈曲せしめ、検出電極リード部１１１ａ、１２１ａに延設した複数の検出電極１１０ａ、１２０ａを耐熱性基体１００の長手方向に平行となるように交互に配設した一対の櫛歯状電極によって形成してある。
さらに、本実施形態においても、上記実施形態と同様、導入孔２０１ａの開口端縁の投影位置が、一対の検出電極１１０ａ、１２０ａの一方の先端部が他方の検出電極１２０ａ、１１０ａと検出電極リード部１２１ａ、１１１ａとの接続部によって略コ字形に取り囲まれた領域よりも内側に位置するように被定ガス導入孔２０１ａｈが穿設され、複数の検出電極１１０ａ、１２０ａの直線部分が平行に並んだ領域のみが被測定ガスに対向するようになっている。
本実施形態においても、電界強度の均一な領域のみが被測定ガス導入孔２０１に対向しているので、検出電極１１０ａ、１２０ａの電界強度が均一な部分に直線的に衝突した粒子状物質が当該領域に捕集され堆積し、上述と同様の効果が発揮される。
【００３０】
図９を参照して、本発明の第２の実施形態における粒子状物質検出センサ１ｂについて説明する。
上記実施形態においては、検出素子１０、１０ａとして検出電極をいわゆる櫛歯状に形成した場合について説明したが、本実施形態においては、検出素子１０ｂとして、一対の検出電極１１０ｂ、１２０が耐熱性基体１００の軸方向に対して平行に一定の間隙を隔てて対向し直線状に伸びる一つの平行電極１１０ｂ、１２０ｂであって平行電極１１０ｂ、１２０ｂの相対向する内側を検出部１１ｂとした場合について説明する。
本図に示すように、一対の平行電極１１０ｂ、１２０ｂの一端を屈曲せしめて延設して平行電極１１０ｂ、１２０ｂの外側を通って外部に設けた図略の検出回路部に接続する一対の検出電極リード部１１１ｂ、１２１ｂと、他端に配設して一対の平行電極１１０ｂ、１２０ｂを直列に接続する受動素子１５として所定の抵抗値を有する抵抗素子、又は、所定の静電容量を有する容量素子のいずれかを具備し、導入孔開口端縁２０１ｂの投影位置が一対の平行電極１１０ｂ、１２０ｂの屈曲する部分と一対の検出電極リード部１１１ｂ、１２１ｂと受動素子１５の接続する部分を除き一対の平行電極１１０ｂ、１２０ｂの直線部分を区画するように被測定ガス導入孔２０１ｂが穿設して、一対の平行電極１１０ｂ、１２０ｂの直線部分の内側の端縁を被測定ガス４００に対向させている。
【００３１】
本実施形態によれば、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、上記実施形態と同様被測定ガス導入孔２０１ｂの開口端縁を投影した位置が、平行電極１１０ｂ、１２０ｂが直線状に伸び、平行に並んで対向し、電界強度が均一となる領域を区画しているので、当該領域にのみ粒子状物質が誘導され、捕集堆積するので、上記実施形態と同様の効果が期待できる。
さらに本実施形態においては、検出部１１ｂに粒子状物質が堆積していない状態において受動素子１５を介して一対の平行電極１１０ｂ、１２０ｂが直列に接続した状態となっているので、受動素子１５の抵抗値又は静電容量を検出することにより粒子状物質検出センサ１の断線の有無を検出することも可能となりさらに信頼性の高い粒子状物質検出センサが実現できる。
【００３２】
上記実施形態においては、カバー体として、一層のみを用いる構成を示したが、カバー体を同心に２重、３重に設けても良い。
さらに、カバー体を複数設けることによって、検出素子が載置される環境の温度変化を抑制し、粒子状物質検出センサのセンサ出力の安定化を図ることも期待できる。
なお、このような場合において、被測定ガスの導入流経路を複雑にすると、被測定ガスの流速が過剰に低下し、被測定ガス導入孔から検出部に向かって直進せず、電界強度の高い領域に引き込まれ易くなり、本発明の効果が低下する虞がある点に留意しなければならない。
【００３３】
図１１、図１２を参照して、本発明の第３の実施形態について説明する。
上記実施形態においては、被測定ガス２０１を検出部１１に対して正対させたときに、導入孔２０１の開口端縁を投影した領域が電界強度均一領域内に収まるように、導入孔２０１を１つ穿設した例を示したが、本実施形態においては、図１１に示すように、第１の実施形態と同様に検出素子１０ｃの長手軸方向に対して検出電極１１０、１２０が平行となるように設けたのに加えて、開口長Ｌ２０１ｃを検出部１１の縦幅Ｌ１１に対して十分小さくすると共に、複数（ｎ個）の導入孔２０１ｃをカバー体２０ｃの周方向に対して等間隔で穿設した点が相違する。
このような構成とすることにより、検出部１１が被測定ガスの流れに対して正対するときは当然のことながら、図１２（ａ−１）に示すように、被測定ガスの流れに対して検出部１１ｃが裏面側となるように組み付けられたとしても、検出素子１０の裏面側から導入された被測定ガスが検出素子１０の裏面に衝突して、渦を発生させながら検出部１１側に巻き込まれ、検出部１１に堆積する。
このとき、図１２（ａ―２）に示すように、導入孔２０１ｃの開口長Ｌ２０１ｃが検出部１１の縦幅Ｌ１１に対して十分小さいので、電界強度不均一領域には被測定ガスが流れず、電界強度均一領域のみに誘導され、第１の実施形態と同様に、センサの出力を安定させることができる。
また、本図（ｂ−１）に示すように、検出素子１０が被測定ガスの流れに対して周方向に斜めに回転して配設された状態であっても、本図（ｂ−２）に示すように、電界強度均一領域にのみ被測定ガスが誘導される。
さらに、本図（ｃ−１）に示すように、検出素子１０が、被測定ガスの流れに略平行となるように配設された場合であっても、本図（ｃ−２）に示すように、電界強度不均一領域の周囲を被測定ガスが通過することがなく、検出部１１の電界強度均一領域を通過する際に、検出電極１１０、１２０間に発生する電界によって粒子状物質が引き寄せられ、検出部１１の電界強度均一領域にのみ堆積する。
以上のように、本実施形態によれば、検出部１１が任意の周方向の角度で配設された場合であっても、本発明の効果が発揮できる。
加えて、本実施形態は、上記第１の実施形態の変形例として示した粒子状物質検出センサ１ａのように、検出素子１０ａの長手軸方向に対して検出電極１１０ａ、１２０ａを直交するように設けた場合には採用できないが、上記第２の実施形態における粒子状物質検出センサ１ｂにも適用採用可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１ 粒子状物質検出センサ
１０ 粒子状物質検出素子
１００ 絶縁性基体
１１ 検出部
１１０、１２０ 検出電極
１１１、１２１ 検出電極リード部
１１２、１２２ 検出電極端子部
１３ 絶縁保護層
１４ ヒータ部
１４０ 発熱体
１４１ａ、１４１ｂ 発熱体リード部
１４２ａ、１４２ｂ
２０ カバー体
２０１ 粒子状物質導入孔
２０２、２０３、２０４ 被測定ガス導出孔
２０５ カバー体フランジ部
３０ センサ固定部
３００ ハウジング
３０１ カバー体加締め部
３０２ ネジ部
３１０ インシュレータ
４０ 被測定ガス流路
４００ 被測定ガス
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３５】
【特許文献１】特開昭５９−１９７８４７号公報
【特許文献２】独国特許出願ＤＥ１０２００６０１５３８５号明細書
【特許文献３】特表２００８−５０２８９２号公報
【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐熱性基体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、該検出部を保護しつつ被測定ガスを上記検出部へ導入する被測定ガス導入孔を設けたカバー体とを具備し、
上記検出電極間に発生させた電界による静電気力を利用して上記検出部に被測定ガス中の粒子状物質を捕集し、上記検出電極間に堆積する粒子状物質の量によって変化する電気的特性を検出して、被測定ガス中の粒子状物質を検出する粒子状物質検出センサにおいて、
上記被測定ガス導入孔を上記検出部に対向する位置に周方向に回転させ、該導入孔の開口端縁を上記検出部に投影したときに、該検出部において上記一対の検出電極間に生じる電界強度が均一となる範囲の内側に位置するように穿設したことを特徴とする粒子状物質検出センサ。
【請求項２】
上記一対の検出電極が、上記耐熱性基体の長手軸方向に平行となるように形成し外部に設けた検出回路部に接続する一対の検出電極リード部に対して直交方向に延設した複数の電極を交互に配設した一対の櫛歯状電極、又は、上記耐熱性基体の長手軸方向に平行となるように形成し外部に設けた検出回路部に接続する一対の検出電極リード部を直交方向に屈曲せしめ、該検出電極リード部に延設した複数の電極を上記耐熱性基体の長手方向に平行となるように交互に配設した一対の櫛歯状電極のいずれかであって、
上記導入孔開口端縁の投影位置が、上記一対の検出電極の一方の先端部が他方の検出電極と上記検出電極リード部との接続部によって略コ字形に取り囲まれた領域よりも内側に位置するように上記被測定ガス導入孔を穿設し、複数の電極の直線部分が平行に並んだ領域に被測定ガスを誘導せしめた請求項１に記載の粒子状物質検出センサ。
【請求項３】
上記一対の検出電極が上記耐熱性基体の軸方向に対して平行に一定の間隙を隔てて対向し直線状に伸びる一つの平行電極であって、
少なくとも、該平行電極の相対向する内側を検出部とし、上記一対の平行電極の一端を屈曲せしめて延設して平行電極の外側を通って外部に設けた検出回路部に接続する一対の検出電極リード部を具備し、
上記導入孔開口端縁の投影位置が上記一対の平行電極の屈曲する部分と上記一対の検出電極リード部とを除き上記一対の平行電極の直線部分を区画するように上記被測定ガス導入孔を穿設し、
上記一対の平行電極の直線部分の端縁の内側に被測定ガスを誘導せしめた請求項１に記載の粒子状物質検出センサ。
【請求項１】
耐熱性基体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、該検出部を保護しつつ被測定ガスを上記検出部へ導入する被測定ガス導入孔を設けたカバー体とを具備し、
上記検出電極間に発生させた電界による静電気力を利用して上記検出部に被測定ガス中の粒子状物質を捕集し、上記検出電極間に堆積する粒子状物質の量によって変化する電気的特性を検出して、被測定ガス中の粒子状物質を検出する粒子状物質検出センサにおいて、
上記被測定ガス導入孔を上記検出部に対向する位置に周方向に回転させ、該導入孔の開口端縁を上記検出部に投影したときに、該検出部において上記一対の検出電極間に生じる電界強度が均一となる範囲の内側に位置するように穿設したことを特徴とする粒子状物質検出センサ。
【請求項２】
上記一対の検出電極が、上記耐熱性基体の長手軸方向に平行となるように形成し外部に設けた検出回路部に接続する一対の検出電極リード部に対して直交方向に延設した複数の電極を交互に配設した一対の櫛歯状電極、又は、上記耐熱性基体の長手軸方向に平行となるように形成し外部に設けた検出回路部に接続する一対の検出電極リード部を直交方向に屈曲せしめ、該検出電極リード部に延設した複数の電極を上記耐熱性基体の長手方向に平行となるように交互に配設した一対の櫛歯状電極のいずれかであって、
上記導入孔開口端縁の投影位置が、上記一対の検出電極の一方の先端部が他方の検出電極と上記検出電極リード部との接続部によって略コ字形に取り囲まれた領域よりも内側に位置するように上記被測定ガス導入孔を穿設し、複数の電極の直線部分が平行に並んだ領域に被測定ガスを誘導せしめた請求項１に記載の粒子状物質検出センサ。
【請求項３】
上記一対の検出電極が上記耐熱性基体の軸方向に対して平行に一定の間隙を隔てて対向し直線状に伸びる一つの平行電極であって、
少なくとも、該平行電極の相対向する内側を検出部とし、上記一対の平行電極の一端を屈曲せしめて延設して平行電極の外側を通って外部に設けた検出回路部に接続する一対の検出電極リード部を具備し、
上記導入孔開口端縁の投影位置が上記一対の平行電極の屈曲する部分と上記一対の検出電極リード部とを除き上記一対の平行電極の直線部分を区画するように上記被測定ガス導入孔を穿設し、
上記一対の平行電極の直線部分の端縁の内側に被測定ガスを誘導せしめた請求項１に記載の粒子状物質検出センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−９３２８７（Ｐ２０１２−９３２８７Ａ）
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４２１３８（Ｐ２０１０−２４２１３８）
【出願日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【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２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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