(57)【要約】【課題】検出感度を向上することができる堆積量検出装置、および検出システムを提供する。【解決手段】堆積量検出装置は、内燃機関の排気ガスが移動する排気通路Ｕに設けられており、かつ主面３１ａを有する積層体３１と、積層体３１に埋設された一対の電極３２ａ，３２ｂと、排気ガス中に含まれる粒子状物質が積層体３１の主面３１ａに堆積された堆積量を、一対の電極３２ａ，３２ｂ間の静電容量の変化に基づいて算出する堆積量算出部４と、を備え、積層体３１は、第１層３１１と、第１層３１１に積層された第２層３１２とを少なくとも有し、一対の電極３２ａ，３２ｂは、平面視において互いに対向するように積層体３１の第１層３１１上に設けられており、かつ積層体３１の第２層３１２で覆われており、積層体３１の第２層３１２の誘電率は、積層体３１の第１層３１１の誘電率よりも低い。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気ガスが移動する排気通路に設けられており、かつ主面を有する積層体と、
前記積層体に埋設された一対の電極と、
前記排気ガス中に含まれる粒子状物質が前記積層体の主面に堆積された堆積量を、前記一対の電極間の静電容量の変化に基づいて算出する堆積量算出部と、を備え、
前記積層体は、第１層と、前記第１層に積層された第２層とを少なくとも有し、
前記一対の電極は、平面視において互いに対向するように前記積層体の第１層上に設けられており、かつ前記積層体の第２層で覆われており、
前記積層体の第２層の誘電率は、前記積層体の第１層の誘電率よりも低いことを特徴とする堆積量検出装置。
【請求項２】
前記積層体の第２層には、複数の気孔が形成されている、請求項１に記載の堆積量検出装置。
【請求項３】
前記積層体の第２層に形成された複数の気孔の全ては、閉気孔である、請求項２に記載の堆積量検出装置。
【請求項４】
前記積層体の第２層に形成された複数の気孔のうち一部の気孔は、開気孔であり、
前記電極は、金または白金からなる、請求項２に記載の堆積量検出装置。
【請求項５】
前記積層体の第２層には、前記積層体の第１層の誘電率と同じ誘電率を有する第１物質と、当該第１物質内に含有されており、かつ前記積層体の第１層の誘電率よりも低い誘電率を有する第２物質とを有する、請求項１に記載の堆積量検出装置。
【請求項６】
前記積層体の第２層には、中空が形成されている、請求項１に記載の堆積量検出装置。
【請求項７】
前記積層体の第２層に形成された中空は、前記一対の電極それぞれを個別に覆うように形成されている、請求項６に記載の堆積量検出装置。
【請求項８】
前記積層体の第１層には、前記積層体の主面に堆積された粒子状物質を除去するための発熱体が埋設されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の堆積量検出装置。
【請求項９】
前記積層体は、セラミック材料からなり、
前記積層体は、前記第１層と前記第２層とが同時に焼成されることによって構成される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の堆積量検出装置。
【請求項１０】
前記排気通路に設けられており、かつ前記排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するためのフィルタ装置と、
前記フィルタ装置で捕集できなかった粒子状物質の堆積量を検出する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の堆積量検出装置と、を備えた検出システム。
【請求項１１】
前記排気通路を移動する排気ガスの流量を検出する流量検出装置と、
前記流量検出装置により検出された排気ガスの流量と、前記堆積量検出装置により検出された粒子状物質の堆積量とに基づいて、単位時間当たりに移動した前記排気ガス中に、前記フィルタ装置で捕集できなかった粒子状物質がどのくらい含まれていたかを示す捕集不可量を算出する制御装置と、をさらに備えた請求項１０に記載の検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガス中に含まれる粒子状物質の堆積量を検出する堆積量検出装置、および検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
排気ガス中に含まれる粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）の堆積量を検出する堆積量検出装置としては、例えば、静電容量の変化を利用して堆積量を検出する、いわゆる静電容量型の堆積量検出装置が知られている（例えば、特許文献１および２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−３３４１２号公報
【特許文献２】特表２０００−５１７４２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の堆積量検出装置では、粒子状物質の堆積量を、単に、一対の電極間の静電容量の変化に基づいて算出しているので、粒子状物質が堆積されていない場合と粒子状物質が堆積されている場合とにおける静電容量の変化率が小さく、検出感度が悪いという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、検出感度を向上することができる堆積量検出装置、および検出システムに関する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために本発明における堆積量検出装置は、内燃機関の排気ガスが移動する排気通路に設けられており、かつ主面を有する積層体と、前記積層体に埋設された一対の電極と、前記排気ガス中に含まれる粒子状物質が前記積層体の主面に堆積された堆積量を、前記一対の電極間の静電容量の変化に基づいて算出する堆積量算出部と、を備え、前記積層体は、第１層と、前記第１層に積層された第２層とを少なくとも有し、前記一対の電極は、平面視において互いに対向するように前記積層体の第１層上に設けられており、かつ前記積層体の第２層で覆われており、前記積層体の第２層の誘電率は、前記積層体の第１層の誘電率よりも低い。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の堆積量検出装置、および検出システムは、検出感度を向上することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本実施形態に係る検出システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、本実施形態に係る堆積量検知センサの概略構成を示す斜視図である。
【図３】図３は、積層体の第２層を省略し、図２の矢印Ｎの方向から見た場合の堆積量検知センサを示す平面図である。
【図４】図４は、図３中に示した切断線Ｉ−Ｉに沿って切断した断面図である。
【図５】図５は、シミュレーションで測定した結果を示す図である。
【図６】図６は、変更例３に係る堆積量検知センサの概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１０】
図１は、本実施形態に係る検出システム１の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る検出システム１は、例えば、図示しない車両（自動車等）等の石油系燃料を使用する燃焼装置に設けられるものであって、フィルタ装置２、堆積量検知センサ３、堆積量算出部４、流量センサ５、流量算出部６、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）７、および制御部８を備えている。ここで、堆積量検知センサ３および堆積量算出部４が、本発明に係る堆積量検出装置の一実施形態となる。
【００１１】
フィルタ装置２は、排気通路Ｕに設けられており、排気通路Ｕを移動する排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するための装置である。フィルタ装置２は、例えば、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）から構成される。すなわち、排気ガスは、ディーゼルエンジン、ピストンエンジン、ガスタービンエンジン等の内燃機関が燃焼することによって発生するとともに、図１の矢印で示されているように、内燃機関（上流）から消音器（下流）に向かって排気通路Ｕを移動する。なお、消音器を通過した排気ガスは、外部へ放出される。ここで、排気ガス中に含まれる粒子状物質としては、例えば、単純な固形の炭素の微粒子が房状に連なったもの、ＳＯＦ（Soluble Organic Fraction）と呼ばれる高分子炭化水素、あるいは硫酸塩等が挙げられる。この粒子状物質は、人の気道や肺に沈着するので、人体へ悪影響を及ぼすとともに、大気汚染の要因ともなり得る。そのため、フィルタ装置２において粒子状物質が捕集される。
【００１２】
堆積量検知センサ３は、排気ガス中に含まれる粒子状物質の堆積量を検出するためのセンサであって、フィルタ装置２よりも下流側（消音器側）の排気通路Ｕに設けられている。
【００１３】
図２は、本実施形態に係る堆積量検知センサ３の概略構成を示す斜視図である。図２に示すように、本実施形態に係る堆積量検知センサ３は、外観視直方体状であって、排気通路Ｕに設けられた台座Ｂの上に設けられている。なお、台座Ｂを設けることなく、直接、堆積量検知センサ３を排気通路Ｕに設けるようにしてもよい。また、本実施形態に係る堆積量検知センサ３は、外観視直方体状であるが、これに限らず、丸棒状、板状等であってもよく、その形状については特に限定されない。
【００１４】
堆積量検知センサ３は、主面３１ａを有する積層体３１を備えている。本実施形態に係る積層体３１は、第１層３１１と、第１層３１１に積層された第２層３１２とを有しているが、これに限らず、３層以上積層されていてもよい。なお、図３は、積層体３１の第２層３１２を省略し、図２の矢印Ｎの方向から見た場合の堆積量検知センサ３を示す平面図である。図４は、図３中に示した切断線Ｉ−Ｉに沿って切断した断面図である。
【００１５】
ここで、積層体３１の主面３１ａは、排気通路Ｕの長手方向（図２の矢印Ｎの方向）に対して略垂直な面であり、排気ガスの風の影響を直接受ける面となる。このため、積層体３１の主面３１ａ上に、フィルタ装置２で捕集できなかった粒子状物質が堆積されることになる。ここで、積層体３１としては、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体、あるいはガラスセラミック焼結体等のセラミック材料が挙げられる。このため、積層体３１は、第１層３１１となるセラミックグリーンシートと、第２層３１２となるセラミックグリーンシートとが同時に焼成されることによって構成される。
【００１６】
また、積層体３１には、第１電極３２ａおよび第２電極３２ｂが埋設されている。具体的には、第１電極３２ａおよび第２電極３２ｂは、平面視において互いに対向するように積層体３１の第１層３１１上に設けられており、かつ積層体３１の第２層３１２で覆われている。なお、第１電極３２ａおよび第２電極３２ｂは、一対の電極であって、その形状は、図３に示すように、平面視において櫛歯状である。第１電極３２ａおよび第２電極３２ｂは、所定の隙間を介して互いに噛み合うように積層体３１の第１層３１１上に設けられている。ここで、第１電極３２ａおよび第２電極３２ｂは、例えば、銀、銅、金、白金、パラジウム、タングステン、モリブデン、またはマンガン等の金属材料からなる。
【００１７】
このように、第１電極３２ａおよび第２電極３２ｂが平面視において櫛歯状であり、かつ所定の隙間を介して互いに噛み合うように設けられているので、縁端効果が発現し易くなり、堆積量検出装置の検出感度が向上する。
【００１８】
なお、第１電極３２ａおよび第２電極３２ｂは、平面視において互いに対向するように積層体３１の第１層３１１上に設けられていれば、その形状については特に限定されない。例えば、第１電極３２ａおよび第２電極３２ｂの形状は、上述した櫛歯状以外に、ミアンダ形状、２重らせん形状であってもよい。このような形状であっても、縁端効果が発現し易くなるので、堆積量検出装置の検出感度は向上する。
【００１９】
ここで、本実施形態に係る堆積量検知センサ３においては、積層体３１の第２層３１２の誘電率は、積層体３１の第１層３１１の誘電率よりも低くなるように構成されている。具体的には、積層体３１の第２層３１２には、図４に示すように、複数の閉気孔Ｃが形成されている。すなわち、誘電率がほぼ「１」である空気が閉気孔Ｃとして積層体３１の第２層３１２に複数形成されているため、積層体３１の第２層３１２の誘電率は、積層体３１の第１層３１１の誘電率よりも低くなる。このように、積層体３１の第２層３１２の誘電率は、積層体３１の第１層３１１の誘電率よりも低いので、堆積量検出装置の検出感度は向上する。なお、この理由については、後述する。
【００２０】
なお、複数の閉気孔Ｃは、例えば、次のようにして積層体３１の第２層３１２に形成される。すなわち、複数の樹脂ビーズを、積層体３１となるセラミック材料に予め混合しておく。そして、セラミック材料を樹脂ビーズとともに所定の温度で焼成することにより、樹脂ビーズを分解させる。このようにすると、樹脂ビーズが存在していた箇所が閉気孔となり、積層体３１の第２層３１２に複数の閉気孔Ｃが形成される。なお、これはあくまで一例であって、積層体３１の第２層３１２に複数の閉気孔Ｃを形成する方法については、特に限定されない。
【００２１】
また、積層体３１の第１層３１１には、積層体３１の主面３１ａに堆積された粒子状物質を除去するための発熱体３３が埋設されている。発熱体３３は、図示しない発熱体制御部からの指示によって、発熱する。発熱体３３が発熱することにより、積層体３１の主面３１ａ上に堆積された粒子状物質が焼失する。これにより、積層体３１の主面３１ａ上に堆積された粒子状物質を除去することが可能となる。なお、発熱体制御部が発熱体３３を発熱させるタイミングについては、特に限定されない。例えば、積層体３１の主面３１ａ上に堆積された粒子状物質の堆積量が閾値を超えた場合に、発熱体制御部が発熱体３３を発熱させてもよいし、一定時間毎に、発熱体制御部が発熱体３３を発熱させてもよい。なお、積層体３１の主面３１ａ上に堆積された粒子状物質を除去する必要がない場合には、積層体３１の第１層３１１に発熱体３３を埋設しなくてもよい。
【００２２】
堆積量算出部４は、排気ガス中に含まれる粒子状物質が積層体３１の主面３１ａ上に堆積された堆積量を、第１電極３３ａおよび第２電極３３ｂ間の静電容量の変化に基づいて算出する。堆積量算出部４は、算出した堆積量を、制御部８へ出力する。
【００２３】
ところで、堆積量検出装置の検出感度を向上するためには、粒子状物質が堆積されていない場合と粒子状物質が堆積されている場合とにおける静電容量の変化率が大きいことが必要である。そこで、本発明者らは、積層体３１の第１層３１１の誘電率を「９」、粒子状物質の誘電率を「６」で固定し、積層体３１の第２層３１２の誘電率を「３」、「６」、「９」、「１２」、「１５」と順次変化させた場合の、粒子状物質が堆積されていない場合（厚み０ｍｍ）と粒子状物質が堆積されている場合（厚み０．１ｍｍ）とにおける静電容量の変化率を、シミュレーションにて測定した。その結果を図５に示す。
【００２４】
図５に示すように、積層体３１の第２層３１２の誘電率が、積層体３１の第１層３１１の誘電率よりも低い場合に、静電容量の変化率が大きいことが判る。すなわち、図５では、積層体３１の第２層３１２の誘電率が「３」および「６」の場合である。なお、静電容量の変化率（％）は、静電容量の変化量を、粒子状物質が堆積されていない場合の静電容量の値で割り、その結果に対して１００を乗じることによって算出される。すなわち、堆積量検出装置の検出感度を向上するためには、積層体３１の第２層３１２の誘電率が、積層体３１の第１層３１１の誘電率よりも低くなることが必要である。
【００２５】
ここで、積層体３１の第２層３１２の誘電率が、積層体３１の第１層３１１の誘電率よりも低い場合に、静電容量の変化率が大きくなるのは、次の理由による。すなわち、積層体３１の第２層３１２の誘電率が低くなると、この第２層３１２の誘電率は、粒子状物質の誘電率と比較して、相対的に低くなる。つまり、第２層３１２の誘電率と粒子状物質の誘電率との和に対する粒子状物質の誘電率の割合が高くなる。そのため、積層体３１の第２層３１２の誘電率が、積層体３１の第１層３１１の誘電率よりも低い場合に、静電容量の変化率が大きくなり、堆積量検出装置の検出感度は向上する。
【００２６】
このため、本実施形態では、上述したように、積層体３１の第２層３１２に複数の閉気孔Ｃを形成することにより、積層体３１の第２層３１２の誘電率を、積層体３１の第１層３１１の誘電率よりも低くしている。
【００２７】
流量センサ５は、排気通路Ｕを移動する排気ガスの流量を検出するためのセンサであって、フィルタ装置２よりも上流側（内燃機関側）の排気通路Ｕに設けられている。流量センサ５としては、例えば、熱式流量方式を用いた流量センサが挙げられる。なお、排気ガスの流量を検出できれば、流量センサ５の方式については、特に限定されない。
【００２８】
流量算出部６は、流量センサ５により検出された情報に基づいて、排気通路Ｕを移動する排気ガスの流量を算出する。流量算出部６は、算出した排気ガスの流量を、制御部８へ出力する。
【００２９】
なお、流量センサ５および流量算出部６が、本発明に係る流量検出装置の一実施形態となる。
【００３０】
ＥＣＵ７は、内燃機関における点火系と燃焼系とを制御するコントローラである。例えば、ＥＣＵ７は、後述する制御部８からの指示によって、内燃機関の回転数を低下あるいは上昇させ、または内燃機関の点火時期等を制御する。すなわち、ＥＣＵ７は、内燃機関における点火系と燃焼系とを制御することにより、排気ガス中に含まれる粒子状物質の数を制御することができる。
【００３１】
制御部８は、流量算出部６により算出された排気ガスの流量と、堆積量算出部４により算出された粒子状物質の堆積量とに基づいて、単位時間当たりに移動した排気ガス中に、フィルタ装置２で捕集できなかった粒子状物質がどのくらい含まれていたかを示す捕集不可量を算出する。制御部８は、算出した捕集不可量に基づいて、ＥＣＵ７に対して指示する。例えば、制御部８は、算出した捕集不可量が閾値以上であれば、排気ガス中に含まれる粒子状物質の数が減少するように、ＥＣＵ７に対して指示する。なお、制御部８は、ＥＣＵ７に対して指示することなく、算出した捕集不可量を、単にディスプレイに表示するようにしてもよい。
【００３２】
以上のように、本実施形態に係る堆積量検出装置は、上記従来の堆積量検出装置と比較して、検出感度を向上することができる。
【００３３】
なお、上述した実施形態は、本発明の実施形態の一具体例を示すものであり、種々の変更が可能である。以下、いくつかの主な変更例を示す。
【００３４】
[変更例１]
上述した実施形態では、積層体３１の第２層３１２に形成された複数の気孔の全てが、閉気孔Ｃである場合について説明したが、これに限定されない。すなわち、積層体３１の第２層３１２に形成される複数の気孔のうち一部の気孔は、開気孔であってもよい。但し、積層体３１の第２層３１２に開気孔を形成した場合、この開気孔を通じて粒子状物質が第１電極３２ａおよび第２電極３２ｂに付着し、第１電極３２ａおよび第２電極３２ｂが腐食してしまう可能性がある。このため、積層体３１の第２層３１２に開気孔を形成する場合には、第１電極３２ａおよび第２電極３２ｂは、耐腐食性の高い、例えば、金または白金等の金属材料を用いて構成することが必要である。
【００３５】
逆に言えば、上述した実施形態のように、積層体３１の第２層３１２に形成される複数の気孔の全てが閉気孔Ｃである場合には、第１電極３２ａおよび第２電極３２ｂの構成材料として、耐腐食性の高い材料を選択する必要がなく、材料選定の自由度が向上する。
【００３６】
[変更例２]
上述した実施形態では、積層体３１の第２層３１２の誘電率を、積層体３１の第１層３１１の誘電率よりも低くするために、積層体３１の第２層３１２に複数の閉気孔Ｃを形成する例について説明したが、これに限定されない。すなわち、積層体３１の第２層３１２に、積層体３１の誘電率よりも低い誘電率を有する材料からなる物質を複数含有させてもよい。つまり、積層体３１の第２層３１２には、積層体３１の第１層３１１の誘電率と同じ誘電率を有する第１物質と、当該第１物質内に含有されており、かつ積層体３１の第１層３１１の誘電率よりも低い誘電率を有する第２物質とを有している。積層体３１の誘電率よりも低い誘電率を有する材料としては、例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、高耐熱エポキシ樹脂等が挙げられる。
【００３７】
[変更例３]
上述した実施形態では、積層体３１の第２層３１２の誘電率を、積層体３１の第１層３１１の誘電率よりも低くするために、積層体３１の第２層３１２に複数の閉気孔Ｃを形成する例について説明したが、これに限定されない。すなわち、図６に示すように、積層体３１の第２層３１２に、中空Ｓを形成してもよい。ここで、この中空Ｓは、第１電極３２ａおよび第２電極３２ｂを個別に覆うように形成されている。すなわち、誘電率がほぼ「１」である空気が中空Ｓとして積層体３１の第２層３１２に形成されているため、上述の実施形態と同様、積層体３１の第２層３１２の誘電率を、積層体３１の第１層３１１の誘電率よりも低くすることができる。
【００３８】
[変更例４]
なお、排気ガス中に含まれる粒子状物質に静電気を付与するとともに、積層体３１の第１層３１１に静電気吸着部材を設けることにより、積層体３１の主面３１ａに粒子状物質が容易に堆積されるようにしてもよい。例えば、粒子状物質にマイナスの電荷を付与するとともに、積層体３１の第１層３１１にプラスの静電気吸着部材を設ければ、積層体３１の主面３１ａには粒子状物質が堆積され易くなる。
【符号の説明】
【００３９】
１  検出システム
２  フィルタ装置
３  堆積量検知センサ
３１  積層体
３１ａ  主面
３１１  積層体の第１層
３１２  積層体の第２層
３２ａ  第１電極
３２ｂ  第２電極
３３  発熱体
４  堆積量算出部
５  流量センサ
６  流量算出部
８  制御部
Ｕ  排気通路
Ｃ  閉気孔
Ｓ  中空
【図１】
2011102754.tif 000003
【図２】
2011102754.tif 000004
【図３】
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【図４】
2011102754.tif 000006
【図５】
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【図６】
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