(57)【要約】【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し、極端縁付近への電界集中を抑制する粒子状物質検出素子を提供する。【解決手段】導体層１１、１２と絶縁層１００とを交互に積層して断面を検出部１３とした積層構造の粒子状物質検出素子１０において、導体層１１、１２は、一定膜厚を有するとともに断面短冊形状の導体層平面部１１０、１２０を有し、導体層１１、１２のうち少なくとも一つにおける導体層平面部１１０、１２０は、短冊形状の長手方向の端部に、長手方向の外側に凸となる形状であり電界集中抑制部となる導体層端縁部１１１、１２１を具備する。【選択図】図１Ｂ
2018025564.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状の導体層（１１、１１ａ〜１１ｇ、１２、１２ａ〜１２ｇ）と平板状の絶縁層（１００、１００ａ〜１００ｇ）とを交互に積み重ねた積層構造を有し、
この断面を用いて、前記導体層を極性の異なる一対の検出電極とした検出部（１３、１３ａ〜１３ｇ）を構成して、
該検出部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計測して被測定ガス中の粒子状物質を検出するための粒子状物質検出素子であって、
前記導体層は、一定膜厚を有するとともに断面短冊形状の導体層平面部（１１０、１１０ａ〜１１０ｇ、１２０、１２０ａ〜１２０ｇ）を有し、
前記導体層のうち少なくとも一つにおける前記導体層平面部は、前記短冊形状の長手方向の端部に、長手方向の外側に凸となる形状であり電界集中抑制部となる導体層端縁部（１１１、１１１ａ〜１１１ｇ、１２１、１２１ａ〜１２１ｇ）を具備することを特徴とする粒子状物質検出素子（１０、１０ａ〜１０ｇ）。
【請求項２】
複数の前記導体層（１１０、１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｆ、１２０、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｆ）と複数の前記絶縁層（１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｆ）とが交互に積層された前記検出部（１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｆ）において、複数の前記導体層は、それぞれに設けられる複数の前記導体層端縁部（１１１、１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｆ、１２１、１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｆ）の位置が、積層方向に揃えられている、請求項１に記載の粒子状物質検出素子（１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｆ）。
【請求項３】
複数の前記導体層（１１０ｃ、１１０ｄ、１１０ｅ、１１０ｇ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２０ｅ、１２０ｇ）と複数の前記絶縁層（１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ、１００ｇ）とが交互に積層された前記検出部（１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｇ）において、複数の前記導体層は、それぞれに設けられる複数の前記導体層端縁部（１１１ｃ、１１１ｄ、１１１ｅ、１１１ｇ、１２１ｃ、１２１ｄ、１２１ｅ、１２１ｇ）の位置が、積層方向に揃えられていない、請求項１に記載の粒子状物質検出素子（１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｇ）。
【請求項４】
前記導体層端縁部（１１１、１１１ａ、１１１ｃ、１１１ｄ、１１１ｆ、１２１、１２１ａ、１２１ｃ、１２１ｄ、１２１ｆ）は、三つ以上の角部を有する多角形状である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の粒子状物質検出素子（１０、１０ａ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｆ）。
【請求項５】
前記導体層端縁部（１１１、１１１ａ、１１１ｃ、１１１ｄ、１１１ｆ、１２１、１２１ａ、１２１ｃ、１２１ｄ、１２１ｆ）は、前記短冊形状の長手方向の辺上に位置する角部よりも外側に、より角度の小さい角部を少なくとも一つ有する、請求項４に記載の粒子状物質検出素子（１０、１０ａ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｆ）。
【請求項６】
前記導体層端縁部（１１１ｂ、１１１ｅ、１１１ｇ、１２１ｂ、１２１ｅ、１２１ｇ）は、角部を有しない形状である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の粒子状物質検出素子（１０ｂ、１０ｅ、１０ｇ）。
【請求項７】
絶縁性材料からなり、前記導体層端縁部の全部と前記導体層平面部の一部を覆う遮蔽層（１４）を具備する請求項１〜６のいずれか１項に記載の粒子状物質検出素子（１０ｆ、１０ｇ）。
【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素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
絶縁性を有する基板の表面に、一対の電極を形成して、粒子状物質が導電性を有することを利用して、一対の電極間に粒子状物質が堆積することで生じる抵抗値、静電容量等の電気特性の変化から内燃機関の燃焼排気等の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ついて種々提案されている。
【０００３】
特許文献１には、アルミナセラミックス等の絶縁基板上に一対の櫛形電極が形成されたセンサエレメントが開示されている。
特許文献１のセンサエレメントでは、電源部から一対の電極間に電圧を印加して、相互に噛み合う櫛形電極間の空間に不均一な電界を形成して、センサエレメントを通過する排気中に含まれる煤粒子を電極に引き寄せて堆積させ、この時の電極間抵抗を検出することで煤堆積量を測定することができる。
【０００４】
一方、特許文献２には、従来の厚膜印刷では困難であった電極間の距離を５０μｍ以下に精度良く形成すべく、厚膜印刷及びグリーンシートにより導体層と絶縁層とを交互に積み重ねて積層構造とし、この断面を用い導体層を電極とするセンサ用抵抗測定電極が開示され、電極間の距離を絶縁層の膜厚によって決定される１０μｍ程度まで小さくできることが開示されている。
【特許文献１】特表２００８−５０２８９２号公報
【特許文献２】特開昭６０−１９６６５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、特許文献２にあるような導体層と絶縁層とを交互に積み重ねて積層構造とし、その断面に露出させた導体層を一対の電極として用いて、特許文献１にあるように、電極間に電圧を印加して電界を形成して粒子状物質を電極間に堆積させようとした場合、電極端部の角部に電荷の集中が起こる。
このため、電界強度の高い電極端部付近への局所的な粒子状物資の堆積が起こり易くなり、不感質量の個体差が拡大され検出精度の低下を招くおそれがあることが判明した。
【０００６】
そこで、本発明は、かかる実情に鑑み、平板状の導体層と平板状の絶縁層とを交互に積み重ねて積層構造とし、その断面に露出させた導体層を一対の電極として検出部を構成した粒子状物質検出素子において、電極層端部の形状を特徴的な形状とし、電極層端部への電界集中を抑制した粒子状物質検出素子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】
【０００７】
本発明の粒子状物質検出素子（１０、１０ａ〜１０ｇ）は、
平板状の導体層（１１、１１ａ〜１１ｇ、１２、１２ａ〜１２ｇ）と平板状の絶縁層（１００、１００ａ〜１００ｇ）とを交互に積み重ねた積層構造を有し、
この断面を用いて、前記導体層を極性の異なる一対の検出電極とした検出部（１３、１３ａ〜１３ｇ）を構成して、
該検出部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計測して被測定ガス中の粒子状物質を検出するための粒子状物質検出素子であって、
前記導体層は、一定膜厚を有するとともに断面短冊形状の導体層平面部（１１０、１１０ａ〜１１０ｇ、１２０、１２０ａ〜１２０ｇ）を有し、
前記導体層のうち少なくとも一つにおける前記導体層平面部は、前記短冊形状の長手方向の端部に、長手方向の外側に凸となる形状であり電界集中抑制部となる導体層端縁部（１１１、１１１ａ〜１１１ｇ、１２１、１２１ａ〜１２１ｇ）を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、前記導体層端縁部での電界集中が抑制され、電界集中部への局所的な粒子状物質の堆積による不感質量の変動が抑制され、安定した検出精度の粒子状物質検出素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】本発明の第１実施形態における粒子状物質検出センサ１の全体概要を示す構成図。
【図１Ｂ】図１Ａの粒子状物質検出センサ１に用いられる粒子状物質検出素子１０の要部である検出部１３の拡大斜視図。
【図１Ｃ】図１Ａの粒子状物質検出センサ１に用いられる粒子状物質検出素子１０の内部構造の一例を示す展開斜視図。
【図２Ａ】比較例１として示す電極層端面が四角形状の従来の粒子状物質検出素子１０ｚの要部拡大図。
【図２Ｂ】本発明の実施例１として示す電極層端面が鈍角三角形状の粒子状物質検出素子１０の要部拡大図。
【図２Ｃ】本発明の実施例２として示す電極層端面が鋭角三角形状の粒子状物質検出素子１０ａの要部拡大図。
【図２Ｄ】本発明の実施例３として示す電極層端面が円弧形状の粒子状物質検出素子１０ｂの要部拡大図。
【図３Ａ】比較例２として示す電極層端面が四角形状で、かつ、端面の位置が一定でない従来の粒子状物質検出素子１０ｙの要部拡大図。
【図３Ｂ】本発明の実施例４として示す電極層端面が鈍角三角形状で、かつ、端面の位置が一定でない粒子状物質検出素子１０ｃの要部拡大図。
【図３Ｃ】本発明の実施例５として示す電極層端面が鋭角三角形状で、かつ、端面の位置が一定でない粒子状物質検出素子１０ｄの要部拡大図。
【図３Ｄ】本発明の実施例６として示す電極層端面が円弧形状で、かつ、端面の位置が粒子状物質検出素子１０ｅの要部拡大図。
【図４Ａ】比較例１における検出部平面の電界強度分布を示す模式図。
【図４Ｂ】実施例１における検出部平面の電界強度分布を示す模式図。
【図４Ｃ】実施例２における検出部平面の電界強度分布を示す模式図。
【図４Ｄ】実施例３における検出部平面の電界強度分布を示す模式図。
【図５Ａ】比較例２における検出部平面の電界強度分布を示す模式図。
【図５Ｂ】実施例４における検出部平面の電界強度分布を示す模式図。
【図５Ｃ】実施例５における検出部平面の電界強度分布を示す模式図。
【図５Ｄ】実施例６における検出部平面の電界強度分布を示す模式図。
【図６】実施例７における検出部１３ｆの概要を示す要部拡大斜視図。
【図７Ａ】比較例１と共に実施例１のセンサ出力の変化を示す特性図。
【図７Ｂ】複数の比較例と共に本発明の不感質量のバラツキ低減に対する効果を示す特性図。
【図８Ａ】比較例１の製造工程の概要を示す模式図。
【図８Ｂ】比較例３の製造工程の概要を示す模式図。
【図８Ｃ】本発明の実施例１の製造工程の概要を示す模式図。
【図８Ｄ】本発明の実施例２の製造工程の概要を示す模式図。
【図９Ａ】本発明の粒子状物質検出素子の製造において用いられる厚膜印刷用スクリーンの概要を示す平面図。
【図９Ｂ】図９Ａ中Ｂ−Ｂに沿った断面図と対応する導体層を形成した絶縁層層の断面図及び平面図。
【図１０】本発明に用いられる厚膜印刷用スクリーンの変形例を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃを参照して、本発明の第１実施形態における粒子状物質検出センサ１並びに本発明の要部である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（以下、センサ１と称する。）は、例えば、内燃機関の燃焼排気を被測定ガスとし、被測定ガス中に配設される検出部１３を設けた粒子状物質検出素子１０（以下、素子１０と略す。）と、素子１０に所定の電圧を印加する電源２と、素子１０に流れる電流、電圧の変化、インピーダンスの変化等の電気的特性を計測して、被測定ガス中の粒子状物質の検出を行う測定部３とによって構成されている。
【００１１】
素子１０の検出部１３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測定部３によって計測して被測定ガス中の粒子状物質を検出することができる。
なお、以下の説明において、素子１０の検出部１３が設けられ被測定ガスに晒される側を先端側、電源部２、及び、測定部３に接続される側を基端側と称する。
【００１２】
センサ１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。
なお、実際に被測定ガス流路に配設する際には、素子１０を固定するために、図略のハウジングや検出部１３を保護するカバー体など一般的に粒子状物質検出センサとして用いられる公知の構成を適宜採用することができる。
【００１３】
図１Ｂを参照して、本発明の要部である素子１０の特徴について詳述する。
素子１０は、平板状の導体層１１、１２と平板状の絶縁層１００とを交互に積み重ねた積層構造を有している。
素子１０は、その断面を用いて、導体層１１、１２を極性の異なる一対の検出電極とした検出部１３を構成している。
【００１４】
図１Ｂに示すように、検出部１３は、絶縁層１００を介して一対に導体層１１、１２の断面が交互に並んで構成されている。
本実施形態においては、導体層１１、１２が、一定膜厚を有するとともに、断面短冊形状の導体層平面部１１０、１２０（以下、平面部１１０、１２０と略す。）を有している。導体層１１、１２のうち少なくとも一つにおける平面部１１０、１２０は、短冊形状の長手方向の端部に、長手方向の外側に凸となる形状であり電界集中抑制部となる導体層端縁部１１１、１２１（以下、端縁部１１１、１２１と略す。）を具備することを特徴としており、ここでは、導体層平面部１１０、１２０の両側に、先細りとなる断面三角形状の導体層端縁部１１１、１２１（以下、端縁部１１１、１２１と略す。）を具備する。
本発明において、長手方向の外側に凸となる形状は、具体的には、三つ以上の角部を有する多角形状が挙げられる。その一例であり、導体層１１、１２の両端縁に断面三角形状に形成した導体層端縁部１１１、１２１を設けることで、導体層１１、１２の端縁における電界集中を抑制して、電界集中部への局所的な粒子状物質の堆積を防止し、検出精度の向上、安定化を図るものである。
【００１５】
導体層１１、１２には、アルミニウム、金、白金、タングステン等の金属材料、若しくは、酸化ルテニウム等の金属酸化物材料、又は、ＬＮＦ（ＬａＮｉ０．６Ｆｅ０．４Ｏ３）、ＬＳＮ（ＬａＮｉ０．６Ｆｅ０．４Ｏ３）、ＬＳＭ（Ｌａ１−ＸＳｒＸＭｎＯ３−δ）、ＬＳＣ（Ｌａ１−ＸＳｒＸＣｏＯ３―δ）、ＬＣＣ（Ｌａ１−ＸＣａＸＣｒＯ３−δ）、ＬＳＣＮ（Ｌａ０．８５Ｓｒ０．１５Ｃｒ１−ＸＮｉＸＯ３−δ）（０．１≦Ｘ≦０．７）のいずれかから選択したペロブスカイト型の導電性酸化物材料等の公知の導電性材料を適宜用いることができる。
絶縁層１００には、アルミナ、マグネシア、チタニア、ムライト等の絶縁層材料や、誘電率の高いチタン酸バリウム等の高誘電率材料とアルミナやジルコニアを混合した誘電体材料や、８ＹＳＺ（ＺｒＯ２）０．８２（Ｙ２Ｏ３）０．０８）を代表とする部分安定化ジルコニア等の公知のセラミック材料を適宜用いることができる。
【００１６】
なお、本実施形態においては、直方体状に形成した粒子状物質検出素子１０の先端側の側面方向に一対の導体層１１、１２の断面を露出させて検出部１３を形成した例を示しているが、素子１０の先端側の底面から一対の導体層１１、１２の断面を露出させ検出部１３を設けるようにしても良い。
また、図１Ａ〜図１Ｃにおいては、一対の導体層１１、１２が交互に積層され、極性が交互に異なるものであることを明確にするために、異なるハッチングを施しているが、両導体層１１、１２の材質を区別するものではない。
【００１７】
図１Ｃを参照して、より具体的な素子１０の内部構造について説明する。
絶縁層１００は、ドクターブレード法等の公知の製法により、平板状に形成され、必要に応じて所定の位置にスルーホールを穿設し、スルーホール電極１１４、１２４が形成されている。
一対の導体層１１、１２は、後述する製造方法により端縁部１１１、１２１を設けた平面部１１０、１２０と、外部との接続を図るリード部１１２、１２２、端子部１１３、１２３、スルーホール電極１１４、１２４、１２５によって構成されている。
スルーホール電極１１４、１２４は、極性の等しい平面部１１０、１２０同士の導通を図っている。
リード部１１２、１２２、スルーホール電極１１４、１２４、端子部１１３、１２３は、公知の厚膜印刷等の製法により形成されている。
【００１８】
絶縁層１００に導体層１１、１２を交互に形成したものを複数層積み重ねた積層構造となっており、本実施形態においては、最下段の絶縁層１００Ｈには、通電により発熱する発熱体１４０と発熱体１４０との導通を図る一対のリード部１４１及び端子部１４２が形成され発熱部１４を構成している。
発熱体１４０には、タングステン、モリブデンシリサイト、酸化ルテニウム等公知の抵抗発熱体材料が用いられ、リード部１４１、端子部１４２には、金、白金、タングステン等の公知の導電性金属材料が用いられ、厚膜印刷等の公知の方法により形成されている。
素子１０は、焼成によって、一体となっている。
また、本実施形態における検出部１３は、積層、焼成工程を経たのち、素子１０の側面部に断面が露出するよう適宜切断され、研磨を施すことによって形成されている。
【００１９】
ここで、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄ、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｄを参照して、本発明の効果を確認するために検討した、比較例１、実施例１、実施例２、実施例３、比較例２、実施例４、実施例５、実施例６について説明する。
なお、比較例、実施例とも、基本的な構造は、図１ｃに示した実施例１と同様の積層構造をしており、以下の説明において、それぞれの対応する部分に、比較例１、２には枝番としてｚ、ｙの符号を、実施例２〜６にはそれぞれａ〜ｆの枝番を付して区別した。また、後述する比較例３には枝番としてｘの符号を、実施例７、８にはそれぞれｆ、ｇの枝番を付して区別した。
【００２０】
比較例１として図２Ａに示す素子１０ｚは、絶縁層１００ｚと、導体層１１ｚ（平面部１１０ｚ）と導体層１２ｚ（平面部１２０ｚ）とが交互に積層されている。
比較例１の導体層１１ｚ、１２ｚは、断面矩形で、端面が四角形状となっており、端面の位置は揃えられている。
【００２１】
実施例１として図２Ｂに示す素子１０は、絶縁層１００と、導体層１１と導体層１２とが交互に積層されている。
実施例１の導体層１１、１２の平面部１１０、１２０の両側には、先細りとなる三角形状（鈍角）の断面を有する端縁部１１１、１２１が形成されており、積層方向において、端縁部１１１、１２１の位置は揃えられている。
端縁部１１１、１２１は、少なくとも三つの角部を有し、導体層１１、１２の短冊形状の断面において、長手方向の辺上に位置する角部よりも外側に、より角度の小さい角部を少なくとも一つ有する形状となっている。例えば、短手方向の二つの辺にて、より角度の小さい角部が形成され、外側に凸となる形状の端縁部１１１、１２１を形成する。
【００２２】
実施例２として図２Ｃに示す素子１０ａは、実施例１とは、導体層１１ａ、１２ａの端縁部１１１ａ、１２１ａが鋭角の三角形状の断面となっている点が相違する。
実施例３として図２Ｄに示す素子１０ｂは、実施例１と端縁部１１１ｂ、１２１ｂが湾曲する円弧形状の断面となっている点が相違する。導体層１１ｂ、１２ｂが、一定膜厚を有し、断面短冊形状の導体層平面部１１０ｂ、１２０ｂと、該導体層平面部１１０ｂ、１２０ｂの両側に、長手方向の外側に凸となる形状であり、角部を有しない形状の一例として、滑らかに湾曲する断面円弧形状の導体層端縁部１１１ｂ、１２１ｂを具備することを特徴とする。
【００２３】
比較例２として図３Ａに示す素子１０ｙは、比較例１と同様に導体層１１ｙ、１２ｙ（平面部１１０ｙ、１２０ｙ）が四角形状の端面を有するが、端面位置が揃えられていない点が相違する。
実施例４として図３Ｂに示す素子１０ｃは、実施例１と同様に導体層１１ｃ、１２ｃの平面部１１０ｃ、１２０ｃの両側には、先細りとなる三角形状（鈍角）の断面を有する端縁部１１１ｃ、１２１ｃが形成されているが、積層方向において、端縁部１１１ｃ、１２１ｃの位置は揃えられていない点が相違する。
【００２４】
実施例５として図３Ｃに示す素子１０ｄは、実施例２と同様に導体層１１ｄ、１２ｄの平面部１１０ｄ、１２０ｄの両側には、先細りとなる三角形状（鋭角）の断面を有する端縁部１１１ｄ、１２１ｄが形成されているが、積層方向において、端縁部１１１ｄ、１２１ｄの位置は揃えられていない点が相違する。
実施例６として図３Ｄに示す素子１０ｅは、実施例３と同様に、導体層１１ｅ、１２ｅにおいて、平面部１１０ｅ、１２０ｅの両側の端縁部１１１ｅ、１２１ｅが湾曲する円弧形状の断面となっているが、積層方向において、端縁部１１１ｅ、１２１ｅの位置は揃えられていない点が相違する。
【００２５】
ここで、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃ、図４Ｄ、図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、図５Ｄを参照して、一対の導体層間に一定の電圧を印加したときに検出部平面上に発生する電界強度分布について、比較例１、実施例１〜３、比較例２、実施例４〜６におけるシミュレーション結果の違いについて説明する。
図４Ａに示すように、比較例１では、導体層１１ｚ、１２ｚの角部に強い電界集中が起こり、一対の平面部１１０ｚ、１２０ｚ間の電界強度が均一になる領域における電界強度が相対的に低くなることが判明した。
図４Ｂに示すように、実施例１では、電界集中部がそれぞれの端縁部１１１、１２１の３箇所に分散され、電界集中の割合が相対的に低くなり、その分、平面部１１０、１２０間で電界強度が均一になる領域における電荷強度が相対的に高くなることが判明した。
【００２６】
図４Ｃに示すように、実施例２では、さらに、電界集中が抑制され、その分、平面部１１０ａ、１２０ａ間の電界強度が均一になる領域における電荷強度が最も高くなることが判明した。
図４Ｄに示すように、実施例３でも、電界集中が抑制され平面部１１０ｂ、１２０ｂ間の電界強度が均一になる領域における電荷強度が相対的に高くなることが判明した。
【００２７】
次いで、端面位置を揃えない場合を見ると、図５Ａに示すように、比較例２では、比較例１よりも電界集中が抑制され、一対の平面部１１０ｙ、１２０ｙ間の電界強度が均一になる領域における電界強度は、比較例１よりは、相対的に高くなることが判明した。
【００２８】
一方、実施例４、５では、実施例１、２よりも却って電荷集中を招き、一対の平面部１１０ｃ、１１０ｄ、１２０ｃ、１２０ｄ間の電界強度が均一になる領域における電界強度は、実施例１、２より、相対的に低くなることが判明した。
しかし、実施例６では、実施例３よりも、電界集中が抑制され、一対の平面部１１０ｅ、１２０ｅ間の電界強度が均一になる領域における電界強度は、実施例３より、相対的に高くなることが判明した。
【００２９】
ここで、図６を参照して、本発明の実施例７における素子１０ｆについて説明する。
本実施例においては、検出部１３ｆにおいて、端縁部１１１ｆ、１２１ｆの全部、及び、平面部１１０ｆ、１２０ｆの一部で、電界強度が不均一となる領域を覆うように、ガラス、アルミナ等の公知の絶縁性材料、若しくは、絶縁層１００と同材質からなるからなる遮蔽層１４を設けてある。
なお、遮蔽層１４を設ける構成は、前述の実施例１〜６のいずれにも採用し得るものである。
【００３０】
ここで、図７Ａ、図７Ｂを参照して、本発明の効果の確認のために行った試験結果について説明する。
被測定ガス流路内に、素子１０の検出部１３を露出させ、電源部２から所定の電圧を印加し、既知量の粒子状物質を流した場合に、検出部１３に一定量以上の粒子状物質が堆積するまで、粒子状物質の検出ができない不感質量Ｑ０（不感期間）が存在する。
そこで、前述の比較例１、比較例２、実施例１〜７に加え、比較例１と同様の導体層を中間層を設けないで形成した比較例３と、比較例２に前述の遮蔽層１４を設けた比較例４、実施例６に遮蔽層１４を設けた実施例８について既知量の粒子状物質を投入した場合に、各実施例及び比較例のそれぞれに複数のサンプルを用意し、粒子状物質が検出されるまでの不感質量Ｑ０を測定した。実施例８における素子１０ｇは、図３Ｄ、図６に参照されるように、導体層１１ｇ、１２ｇに平面部１１０ｇ、１２０ｇと端縁部１１１ｇ、１２１ｇを有する。
【００３１】
図７Ａに示すように、比較例１では、不感質量Ｑ０の平均値μ２が小さく、早期に粒子状物質の検出が可能となるが、サンプル間のバラツキσ２が大きいことが判明した。
一方、実施例１では、不感質量Ｑ０の平均値μ１は、比較例１の不感質量よりも大きいが、サンプル間のバラツキσ１が遙かに小さいことが判明した。
これは、比較例１では、導体層１１ｚ、１２ｚの端面の角部に強い電界集中が起こり、その表面に集まった電荷に粒子状物質が引きつけられ、局所的に堆積するため早期に導通パスが形成されるためと推察される。
【００３２】
しかし、角部における電界集中はサンプル間の変動が大きく、安定しないものと考えられる。
そこで、変動係数ＣＶ（１００√σ２／μ）（％）を計算して、各サンプルの評価を行い、その結果を図７Ｂに示す。
比較例２では、比較例１よりは、バラツキが小さくなっているが、実施例１〜７のいずれも、比較例１〜４よりも、変動係数を小さくすることができ、本発明がセンサとしての信頼性の向上を図る効果を有するものであることが分かる。
【００３３】
導体層１１、１２の両端面に断面が三角形状や円弧形状の端縁部１１１、１２１、１１１ａ、１２１ａ、１１１ｂ、１２１ｂ、１１１ｃ、１２１ｃ、１１１ｄ、１２１ｄ、１１１ｅ、１２１ｅを設けることで、電界集中を抑制し、導体層１１、１２の端部への局所的な粒子状物質の堆積が抑制されるものと考えられる。
加えて、端縁部１１１ａ、１２１ａでは、断面鋭角三角形状となっているので、電界集中の起こりやすい頂点間の距離が長くなるため、一対の端縁部１１１ａ、１２１ａ間に導通パスが形成されるまでの時間も長くなるものと推察される。
【００３４】
ここで、図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃ、図８Ｄを参照して、前述の比較例１、比較例２、実施例１、実施例２として示した粒子状物質検出素子１０ｚ、１０ｙ、１０、１０ａのそれぞれの製造方法について説明する。
比較例１は、導体層１１ｚ、１２ｚと絶縁層１００ｚとを交互に積層して断面を検出部１３ｚとして利用する粒子状物質検出素子１０ｚの基本的な製造方法を示している。
【００３５】
アルミナ等の絶縁性材料を、公知の結合材、可塑剤、分散剤、溶剤等と混合、攪拌してスラリーを形成し、ドクターブレード法などの公知の製法によって、シート状に形成し、絶縁性シート１００ｚＧＳを得る。
これを、図略の打ち抜き工程Ｐ０ｚにおいて、予め、金型等を用いて、印刷の位置あわせのためのガイドや、極性が共通する導体層同士を接続するためのスルーホール電極１１４ｚ、１２４ｚを埋設するためのスルーホール等を必要に応じて穿設すると共に、所定の外形形状に打ち抜く。
【００３６】
厚膜印刷工程としての印刷工程Ｐ１ｚでは、導体ペーストを所定の導体パターンを形成した厚膜印刷用スクリーンから吐出して、導体層印刷膜１１ｚＰＲＴ、１２ｚＰＲＴを絶縁層シート１００ｚＧＳに転写する。
このとき、円内に拡大して示すように、ペーストのレオロジー特性と表面張力の影響により、極僅かではあるが、中心付近の膜厚が薄くなり、外周付近の膜厚が厚くなる。
【００３７】
比較例１では、絶縁層１００を構成する絶縁性材料と同材料を含むペーストを用いて、厚膜印刷により、導体層印刷膜１１ｚＰＲＴ、１２ｚＰＲＴと同じ膜厚で、導体層以外の部分を覆うように中間層１０１ｚを形成している。
続く、積層圧着工程Ｐ２ｚでは、導体層印刷膜１１ｚＰＲＴ、１２ｚＰＲＴの極性が交互に入れ替わるように絶縁層シート１００ｚＧＳを積み重ね、金型等を用いて圧着する。
【００３８】
このようにして得られた積層構造体を焼成工程Ｐ３ｚにおいて、絶縁層１１ｚ、１２ｚと導体層１００ｚとを同時に焼成し一体とする。
その後、切削、研磨等により、導体層１１ｚ、１２ｚの断面を露出させ検出部１３ｚとした素子１０ｚが完成する。
【００３９】
比較例１では、中間層１０１ｚが設けられているため、積層圧着時に導体層印刷膜１１ｚＰＲＴ、１２ｚＰＲＴ及び絶縁層シート１１０ｚの変形がほとんどなく、素子１０ｚの機械的強度は優れているが、導体層１１ｚ、１２ｚは、断面短冊状の形状が維持されている。
しかし、両導体層間に電圧を印加したときには、角部への電界集中が大きく、前述の如く、不感質量のバラツキが大きいことが判明した。
なお、比較例２として示す素子１０ｙは、比較例１と同様の製造法を基本とし、積層圧着工程において、導体層１１ｙ、１２ｙ端面の位置を意図的にずらして積層したものである。
【００４０】
図８Ｂを参照して、比較例３として示した素子１０ｘの製造工程の概要と、比較例３の問題点について説明する。
比較例３では、印刷工程Ｐ１ｘに示すように、所定形状に打ち抜いた絶縁層シート１００ｘＧＳに、導体層１１０ｘ、１２０ｘの印刷のみを行い、中間層を設けることなく、積層圧着工程Ｐ２ｘに進む。
【００４１】
積層圧着工程Ｐ２ｘでは、導体層印刷膜１１ｘＰＲＴ、１２ｘＰＲＴが、絶縁層シート１００ｘＧＳよりも硬いため、積層圧着時には、絶縁層シート１００ｘＧＳが弾性変形し、導体層印刷膜１１ｘＰＲＴ、１２ｘＰＲＴが、絶縁層シート１００ｘＧＳ内にめり込むようにして絶縁層シート１００ｘＧＳ同士が密着する。
このとき、導体層印刷膜１１ｘＰＲＴ、１２ｘＰＲＴの両側には、図８Ｂの積層圧着工程Ｐ２ｘの円内に拡大して示すように、断面三角形状の空隙が形成される。
【００４２】
その後の焼成工程Ｐ３ｘによって、空隙の表面積を小さくするように焼結がするむので、空隙は縮小されるが、完全には消滅せず、ボイドとして残留したり、デラミネーションのきっかけとなったりする虞がある。
また、焼成後の導体層１１ｘ、１２ｘの端面は、多角形やいびつな形状となり、前述の比較例２と同様、角部に電界集中が起こり易くなる。
【００４３】
図８Ｃを参照して、本発明の実施例１の製造工程の概要について説明する。
本実施形態においては、比較例１と同様の工程により、形成した絶縁層シート１００ＧＳに、位置決めのためのガイドと必要に応じたスルーホールを穿設すると共に、所定の外形形状に打ち抜く、打ち抜き工程Ｐ０において、絶縁層シート１００ＧＳの打ち抜きと同時に、導体層１１、１２を印刷形成する位置に合わせて、所定の導体層端縁部１１１、1２１の形状に合わせた凹み部１０１を設けた凹みシート１００ＰＣＤを形成する。
具体的には、打ち抜き用の金型に、凹み部１０１を形成するための突起を設けて、絶縁層シート１００ＧＳの表面を押圧する。
これにより、導体層端縁部１１１、１２１を形成する部分に所望の角度で傾斜するテーパ面を形成することができる。
【００４４】
その結果、印刷工程Ｐ１において、通常の厚膜印刷を行っても、導体層端縁部１１１、１２１の絶縁層シート１００ＧＳに接する側が凹み部１０１の形状に沿って傾斜することになる。
また、凹みシート１００ＰＣＤの下面側にも凹み部１０１が形成されているので、積層圧着工程Ｐ１において積み重ねたときに、導体層印刷膜１１０、１２０との密着性が向上し、比較例２のようなボイドが形成されることがない。
【００４５】
さらに、比較例１に用いたような中間層を設けなくても、絶縁層シート１００ＧＳ同士を簡単に密着させることができる。
その結果、焼成工程Ｐ３により、導体層１１、１２と絶縁層１００とを一体化したときに、デラミネーションの起こり難い素子１０を形成することができる。
加えて、導体層端縁部１１１、１２１を断面先細りとなる三角形状に形成することが可能となるので、電界集中を抑制した素子１０の実現が容易である。
【００４６】
図８Ｄを参照して本発明の実施例２の製造工程の概要について説明する。
本実施形態における導体印刷工程Ｐ１ａにおいては、絶縁層シート１００（ＧＳ）に導体層１１、１２を印刷形成する際に、部分的にメッシュ開口率を変化させて所定の位置において印刷膜厚が薄くなるように設定した開口率部分変更印刷用スクリーンＰＰＭ、ＰＰＭＡを用いている点が前記実施形態と相違する。
開口率部分変更印刷用スクリーンＰＰＭ、ＰＰＭＡについては、図９Ａ、図９Ｂ、図１０を参照して後述する。
本実施形態においては、開口率部分変更印刷用スクリーンＰＰＭを用いることで、開効率を低く設定した部分から吐出される導体ペーストの量が抑制され、これによって形成される導体層の膜厚を薄くすることができ、外側に向かって先細りとなり鋭角の傾斜面を有する断面三角形状の導体層端縁部１１１ａ、１２１ａを形成することができる。
【００４７】
このように、断面三角形状の導体層端縁部１１１ａ、１２１ａを有する導体層１１ａ、１２ａを形成した絶縁層シート１００ＧＳを積み重ね金型等を用いて圧着することで、導体層１１ａ、１２ａが絶縁層１００ＧＳにめり込みながら、導体層１００ＧＳ同士が密着状態となる。
このとき、導体層端縁部１１１ａ、１２１ａが、先細りの三角形状となっているので、比較例２に示したような空隙が形成されることがない。
このようにしてできあがった積層構造体を焼成工程Ｐ３ａで焼成することにより、導体端面付近の電界集中を抑制した素子１０ａを極めて容易に形成することができる。
【００４８】
図９Ａ、図９Ｂを参照して、本発明の粒子状物質検出素子１０の製造において、用いられる厚膜印刷用スクリーンＭの特徴と、これを用いたときに形成される導体層１１、１２の形状について説明する。
なお、本図においては、一対の導体層１１、１２の内、一方の導体平面部１１０、導体層端縁部１１１を形成するパターンのみを示しているが、他方の導体平面部１２０、導体層端縁部１２１は、一方のパターンを左右反転したパターンとなるので、他方を省略し、共通する構成について符号を１１０／１２０のように並べて記載してある。
【００４９】
本実施形態においては、一般的に厚膜印刷に用いられている厚膜印刷用スクリーンの一部を圧延して部分的に平坦化し、メッシュ厚を薄くすると共にメッシュ開口率を小さくした開口率部分低下スクリーンＭを用いている。
レジスト膜Ｒは、一般的な厚膜印刷と同様、印刷用スクリーンに乳剤を塗布し、導体層平面部１１０、１２０の形状に合わせたパターンを露光、硬化して、所定の印刷パターンに形成されている。
図９Ａ、図９Ｂに示すように、導体層端縁部１１１、１２１を印刷形成する部分のマスクＭ２の断面方向の厚さは薄く、平面方向の線幅が広くなっているので、導体層端縁部１１１、１２１を印刷形成する部分の開口率、即ち、端縁部形成用開口率Ｐ１１１、Ｐ１２１は、導体平面部１１０を形成する部分のマスクＭ１の開口率、即ち、平面部形成用開効率Ｐ１１１、Ｐ１２１よりも低くなっている。
このため、図９Ｂに示すように、導体層平面部１１０、１２０を印刷形成したときに、マスクＭ２から吐出するペースト量が少なくなり、導体層端縁部１１１、１２１の膜厚は、導体層平面部１１０、１２０の膜厚より薄くなる。
【００５０】
図１０を参照して、開口率部分低下スクリーンの変形例ＭＡについて説明する。
前記実施形態においては、厚膜印刷用スクリーンの一部を加圧して、開口率を低くした開口率部分低下スクリーンＭを例として示したが、本図に示すように、開口率部分低下スクリーンＭＡでは、導体層平面部１１０、１２０を印刷するマスクＭ１Ａに比べて導体層端縁部１１１、１２１を印刷するマスクＭ２Ａの横糸と縦糸の織り込み密度を高くすることで端縁部形成用開口率Ｐ１１１Ａ／Ｐ１２１Ａを平面部形成用開口率Ｐ１１０Ａ／Ｐ１２０Ａよりも低くしてある
本実施形態における開口率部分低下スクリーンＭＡでは、予め開効率を部分的に調整したスクーリンメッシュに所定の導体パターンとなるようレジストＲを形成してある。
【００５１】
これによって、導体層１１、１２を印刷したときに、導体層端縁部１１１、１２１において、マスクＭ２Ａから吐出される導体ペースト量が抑制され、導体層平面部１１０、１２０よりも薄い膜厚に形成することができる。
また、外側に向かって織り込み密度を徐々に高くすることで、導体層端縁部１１１、１２１の膜厚を外側に向かって徐々に薄くすることが可能となり、先細りの断面三角形状とすることができる。
【００５２】
なお、前記実施形態においては、打ち抜き工程Ｐ０と印刷工程Ｐ１とのそれぞれで、導体層端縁部１１１、１２１を所望の形状にできる方法を示したが、これらを組み合わせることも可能である。
また、積層圧着工程Ｐ３では、導体層１１、１２を乾燥した後に、積層圧着する場合を例としたが、導体層１１、１２が未乾燥の状態で、積層圧着するようにしても良い。
特に、打ち抜き工程Ｐ０で、絶縁層シート１００（ＧＳ）に、凹み部１０を設けた場合、導体層１１、１２が未乾燥状態で積層圧着すると、凹み部１０の形状に合わせて、導体層１１、１２が流動変形するので、導体層端縁部１１１、１２１を所望の形状に形成することができる。
【００５３】
また、前記実施形態においては、積層圧着工程Ｐ３において、比較例１に示したような絶縁性材料からなる中間層１０１を用いない方法を示したが、導体層端縁部１１１、１２１の形状が予め、先細り三角形状の断面や緩やかに湾曲する円弧形状の断面となるように形成されている場合には、印刷工程で絶縁性材料からなるペーストを用いて中間層１０１を印刷形成するようにしても良い。
中間層１０１を用いることで、積層圧着時における絶縁層シート１００に作用する剪断応力を緩和し、素子１０の機械的強度を向上したり、焼成時に亀裂の発生を抑制したりできる。
検出精度の向上に加え、素子１０の耐久性向上を図る効果が期待できる。
【符号の説明】
【００５４】
１  粒子状物質検出センサ
１０  粒子状物質検出素子
１００  絶縁層
１１、１２  導体層
１１０、１２０  導体平面部
１１１、１２１  導体層端縁部
１３  検出部
１４  絶縁保護層
２  電源部
３  測定部
Ｐ０  打ち抜き工程
Ｐ１  導体層印刷工程
Ｐ２  積層圧着工程
Ｐ３  焼成工程
Ｐ１１１、Ｐ１１１Ａ、Ｐ１２１、Ｐ１２１Ａ  端縁部形成用開口率
Ｐ１１０、Ｐ１１０Ａ、Ｐ１２０、Ｐ１２０Ａ  平面部形成用開口率
Ｍ、ＭＡ  開口率部分低下スクリーン
【図１Ａ】
2018025564.tif 000003
【図１Ｂ】
2018025564.tif 000004
【図１Ｃ】
2018025564.tif 000005
【図２Ａ】
2018025564.tif 000006
【図２Ｂ】
2018025564.tif 000007
【図２Ｃ】
2018025564.tif 000008
【図２Ｄ】
2018025564.tif 000009
【図３Ａ】
2018025564.tif 000010
【図３Ｂ】
2018025564.tif 000011
【図３Ｃ】
2018025564.tif 000012
【図３Ｄ】
2018025564.tif 000013
【図４Ａ】
2018025564.tif 000014
【図４Ｂ】
2018025564.tif 000015
【図４Ｃ】
2018025564.tif 000016
【図４Ｄ】
2018025564.tif 000017
【図５Ａ】
2018025564.tif 000018
【図５Ｂ】
2018025564.tif 000019
【図５Ｃ】
2018025564.tif 000020
【図５Ｄ】
2018025564.tif 000021
【図６】
2018025564.tif 000022
【図７Ａ】
2018025564.tif 000023
【図７Ｂ】
2018025564.tif 000024
【図８Ａ】
2018025564.tif 000025
【図８Ｂ】
2018025564.tif 000026
【図８Ｃ】
2018025564.tif 000027
【図８Ｄ】
2018025564.tif 000028
【図９Ａ】
2018025564.tif 000029
【図９Ｂ】
2018025564.tif 000030
【図１０】
2018025564.tif 000031