(57)【要約】センサーから汚染粒状物質を焼失させるセンサーアセンブリ（１３０）。センサーアセンブリ（１３０）は、信号電極アセンブリ（１３１）と、検出器電極アセンブリ（１３７）と、ヒーター（１３６又は１４２）から成る。信号電極アセンブリ（１３１）は、信号電極絶縁基板に結合した信号電極（１３２）を有する。検出器電極アセンブリ（１３７）は、検出器電極絶縁基板に結合した検出器電極（１３８）を有する。検出器電極（１３８）は、周囲状態の測定値を行うために、信号電極に対し配置される。ヒーター（１３６又は１４２）は、信号および検出器電極アセンブリ（１３１及び１３７）の少なくとも１つの電極アセンブリから汚染粒子の堆積物を焼失させるため、信号および検出器電極アセンブリ（１３１及び１３７）に対し配置される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号電極絶縁基板に結合された信号電極を有する信号電極アセンブリと；検出器電極絶縁基板に結合されると共に周囲状態の測定を行うために信号電極に対し配置された検出器電極を有する検出器電極アセンブリと；信号および検出器電極アセンブリの少なくとも１つの電極アセンブリから汚染粒状物質の堆積物を焼失させるために、信号および検出器電極アセンブリに対し配置した第１の電気ヒーターとから成ることを特徴とするセンサー装置。
【請求項２】
前記信号および検出器電極が、更に、粒状物質を検出するように構成された請求項１に記載のセンサー装置。
【請求項３】
前記信号および検出器電極絶縁基板の少なくとも１つの絶縁基板が、セラミック基板から成る請求項１に記載のセンサー装置。
【請求項４】
前記信号および検出器電極絶縁基板の少なくとも１つの絶縁基板が、セラミック皮膜および耐高温性ポリマー層から成る請求項１に記載のセンサー装置。
【請求項５】
更に、信号および検出器電極アセンブリ間に絶縁スペーサーを有する請求項１に記載のセンサー装置。
【請求項６】
更に、信号および検出器電極アセンブリに対し配置された第２の電気ヒーターを有し、第１の電気ヒーターが、信号電極に対向して、信号電極アセンブリの信号電極絶縁基板上に配置された信号電極ヒーターから成り、第２の電気ヒーターが、検出器電極に対向して、検出器電極アセンブリの検出器電極絶縁基板上に配置された検出器電極ヒーターから成る請求項５に記載のセンサー装置。
【請求項７】
信号および検出器電極ヒーターが、信号および検出器電極アセンブリの信号および検出器電極とほぼ整合して配置された請求項６に記載のセンサー装置。
【請求項８】
更に、信号電極ヒーター基板を有し、第１の電気ヒーターが前記信号電極ヒーター基板に結合した信号電極ヒーターから成り、前記信号電極ヒーター及び信号電極ヒーター基板が信号電極アセンブリの信号電極絶縁基板に接合されている請求項５に記載のセンサー装置。
【請求項９】
更に、検出器電極ヒーターから成る第２の電気ヒーターと検出器電極ヒーター基板とを有し、検出器電極ヒーター及び検出器電極ヒーター基板が検出器電極アセンブリの検出器電極絶縁基板に接合されている請求項８に記載のセンサー装置。
【請求項１０】
更に、信号および検出器電極アセンブリ間にヒーター基板を有する請求項１に記載のセンサー装置。
【請求項１１】
更に、信号および検出器電極アセンブリに対し配置された第２の電気ヒーターを有し、第１の電気ヒーターが前記ヒーター基板の信号電極側に配置された信号電極ヒーターから成り、第２の電気ヒーターが、信号電極ヒーターの反対側で前記ヒーター基板の検出器電極側に配置された検出器電極ヒーターから成る請求項１０に記載のセンサー装置。
【請求項１２】
更に、信号電極ヒーターから信号電極アセンブリを絶縁するための、信号電極ヒーター及び信号電極アセンブリ間に配置された第１のスペーサーと；検出器電極ヒーターから検出器電極アセンブリを絶縁するための、検出器電極ヒーター及び検出器電極アセンブリ間に配置された第２のスペーサーとを有する請求項１１に記載のセンサー装置。
【請求項１３】
信号および検出器電極ヒーターが、信号および検出器電極アセンブリの信号および検出器電極とほぼ整合して配置された請求項１２に記載のセンサー装置。
【請求項１４】
信号および検出器電極ヒーターが、信号および検出器電極にほぼ隣接した、信号および検出器電極アセンブリの領域とほぼ整合して配置された請求項１２に記載のセンサー装置。
【請求項１５】
第１及び第２のスペーサーが、信号および検出器電極ヒーターからオフセットして配置され、信号および検出器電極ヒーターから信号および検出器電極アセンブリへの熱伝達を促進する請求項１４に記載のセンサー装置。
【請求項１６】
信号電極および検出器電極が、約１μｍ〜約１ｃｍの範囲の距離だけ離間して配置される請求項１に記載のセンサー装置。
【請求項１７】
信号電極および検出器電極が、約０．５〜２．０ｍｍの範囲の距離だけ離間して配置される請求項１に記載のセンサー装置。
【請求項１８】
信号および検出器電極アセンブリの信号および検出器電極が、厚膜形成プロセスによって形成されている請求項１に記載のセンサー装置。
【請求項１９】
信号および検出器電極アセンブリの信号および検出器電極が、薄膜形成プロセスによって形成されている請求項１に記載のセンサー装置。
【請求項２０】
信号電極絶縁基板および検出器電極絶縁基板が、信号電極アセンブリ及び検出器電極アセンブリ間に配置された少なくとも１つの絶縁スペーサーを介して互いに接合されている請求項１に記載のセンサー装置。
【請求項２１】
信号電極絶縁基板、検出器電極絶縁基板および絶縁スペーサーは、共に焼結されている、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
信号セラミック基板に結合された信号電極を有する信号電極アセンブリと、検出器セラミック基板に結合された検出器電極を有する検出器電極アセンブリとによって周囲状態を検知する工程と；信号および検出器電極アセンブリの少なくとも１つの電極アセンブリに対して配置されたヒーターに電力を供給する工程と；信号および検出器電極アセンブリの１つ以上を、信号および検出器電極アセンブリの１つ以上の電気アセンブリ上に存在する汚染粒状物質の燃焼閾値を超える温度に加熱する工程とから成ることを特徴とする方法。
【請求項２３】
周囲状態を検知する工程が、更に、信号および検出器電極の一方にバイアス電圧を印加する工程を有し、バイアス電圧は、信号および検出器電極の他方の電極に対し約１〜１０，０００ボルトの範囲の電圧である請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
バイアス電圧が、信号および検出器電極の他方の電極に対し約１００〜２，０００ボルトの範囲の電圧である請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
信号および検出器電極の１つ以上を加熱する工程が、更に、信号および検出器電極アセンブリの１つ以上から汚染粒状物質を除去するため、信号および検出器電極の１つ以上を、約２００℃を超える温度に加熱する工程を有する請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
更に、信号および検出器電極の１つ以上を連続的に加熱する工程を有する請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
更に、信号および検出器電極の１つ以上を定期的に加熱する工程を有する請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
更に、信号および検出器電極の少なくとも１つの電極上の蓄積された電荷を検出する工程を有する請求項２２に記載の方法。
【請求項２９】
更に、信号および検出器電極に結合されたレジスターを通過する電流を検出する工程を有する請求項２２に記載の方法。
【請求項３０】
更に、信号および検出器電極アセンブリの１つ以上を加熱する加熱源を制御する工程を有し、加熱源制御が、第１及び第２の電極アセンブリにより検出される汚染粒状物質の測定に応答して実行される請求項２２に記載の装置。
【請求項３１】
信号電極を信号電極絶縁基板に結合して信号電極アセンブリを形成する工程と；検出器電極を検出器電極絶縁基板に結合して検出器電極アセンブリを形成し、周囲状態の測定を行うため、前記検出器電極を信号電極に対し配置する工程と；信号および検出器電極アセンブリの少なくとも１つの電極アセンブリから汚染粒状物質の堆積物を焼失させるため、ヒーターを信号および検出器電極アセンブリに対し配置する工程とから成ることを特徴とする方法。
【請求項３２】
信号および検出器絶縁基板の少なくとも１つの絶縁基板がセラミック基板から成る請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
更に、ヒーター基板にヒーターを結合する工程と；信号および検出器電極アセンブリの少なくとも１つの電極アセンブリに、ヒーター及びヒーター基板を接合する工程を有する請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
ヒーター及びヒーター基板を接合する工程が、更に、信号および検出器電極アセンブリの少なくとも１つの電極アセンブリに、ヒーター及びヒーター基板を焼結する工程を有する請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
更に、信号および検出器電極アセンブリの間にヒーター基板を配置する工程を有する請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
更に、ほぼ信号および検出器電極に隣接した信号および検出器電極アセンブリの領域に、ヒーターを整合して配置する工程を有する請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
更に、ヒーター基板と信号および検出器電極アセンブリとの間にスペーサーを配置する工程を有し、前記スペーサーは、ヒーターと信号および検出器電極アセンブリとの電気的接触を防止するための絶縁基板から成る請求項３３に記載の方法。
【請求項３８】
更に、信号および検出器電極アセンブリの少なくとも１つの電極アセンブリ上に、ヒーターを形成する工程を有する請求項３１に記載の方法。
【請求項３９】
更に、信号および検出器電極およびヒーターを薄膜形成プロセスによって形成する工程を有する請求項３１に記載の方法。
【請求項４０】
更に、信号および検出器電極およびヒーターを厚膜形成プロセスによって形成する工程を有する請求項３１に記載の方法。
【請求項４１】
更に、ヒーターを電子制御モジュールに結合する工程を有する請求項３１に記載の方法。
【請求項４２】
センサーエレメントが信号電極絶縁基板に結合された信号電極を有する信号電極アセンブリと；検出器電極絶縁基板に結合されると共に通過空気流中の粒状物質の検出に呼応して電気信号を発生するため信号電極と組合わせて配置された検出器電極を有する検出器電極アセンブリと；センサーエレメント上の汚染粒状物質の堆積物を焼失させるために、センサーエレメントに対し配置されたヒーターと；ヒーターに結合されると共に、センサーエレメント上の汚染粒状物質の燃焼閾値に対しヒーター温度を規制する電子制御モジュールとから成ることを特徴とする粒状物質を測定するための検知システム。
【請求項４３】
信号および検出器絶縁基板の少なくとも１つの絶縁基板がセラミック基板から成る請求項４２に記載の検知システム。
【請求項４４】
電子制御モジュールが、対応する複数の電気信号値によりインデックスされた複数の粒状物質値のルックアップテーブルを保存する電子記憶装置と、通過空気流中の粒状物質の測定値を決定するため、電子記憶装置内のルックアップテーブルを参照するように前記電子記憶装置に結合されたプロセッサーとを有する請求項４２に記載の検知システム。
【請求項４５】
電子記憶装置は、更に、プロセッサーにより実行される際、電子制御モジュールに、電気信号値に基づき通過空気流中の粒状物質の測定値を演算させる装置読取可能指令を保存するように構成されている請求項４４に記載の検知システム。
【請求項４６】
更に、プロセッサー及びヒーターに結合したヒーターコントローラーを有し、電子記憶装置は、更に、プロセッサーにより実行される際、ヒーターコントローラーにセンサーエレメント上の汚染粒状物質の燃焼閾値に対するヒーター温度を規制する装置読取可能指令を保存するように構成されている請求項４４に記載の検知システム。
【請求項４７】
信号電極絶縁セラミック基板に結合された信号電極を有する信号電極アセンブリと；検出器電極絶縁セラミック基板に結合されると共に周囲状態の測定値を行うために信号電極に対し配置された検出器電極を有する検出器電極アセンブリと；信号および検出器電極の少なくとも一方に接続され、かつ信号および検出器電極一方に信号および検出器電極の他方に対し約５０〜１０，０００ボルトの範囲の電圧であるバイアス電圧を印加するように構成された電圧供給部とから成ることを特徴とするセンサー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサーから汚染粒状物質を焼失させるセンサーアゼンブリに関する。本願は、２００７年４月２７日出願の米国仮出願第６０／９１４，６３４号の優先権を主張し、その全体が、参照により本願に包含される。
【０００２】
内燃機関（例えば、ディーゼルエンジン）は、代表的には、可変量の粒状物質（ＰＭ）を含有する排気流を発生する。排気流中の粒状物質の量および粒径分布は、燃料噴射タイミング、噴射圧または負荷／エンジン速度関係等のエンジン作動条件に応じて変化する傾向がある。これら条件の調整は、エンジンからの粒状物質排出量および粒状物質サイズの減少に有用である。内燃機関からの粒状物質排出量の減少は、環境の観点から好ましい。更に、ディーゼル排気の粒状物質測定は、ＰＭフィルターのオンボード（例えば、車両搭載）診断および燃焼制御による排気量の減少に有用である。
【背景技術】
【０００３】
従来の技術は、代表的には、配線または電極上への粒状物質層の堆積に関する技術を包含しており、電気伝導度または質量等の電極配線ある種の性質の変化を監視する。これらの方法の問題点は、実時間変化に対し感度が悪いという点である。これらの方法では、粒子堆積の履歴が測定されるが、粒状物質の実時間変化は測定されない。
【０００４】
これら方法では、また、粒状物質形成が、時間経過に伴って装置の感度を低下されるという問題を生じる。幾つかのセンサーは、電極から粒状物質を焼失させるため、ヒーターを有している。しかしながら、これらの方式では、その作動に粒状物質層が必要なため、粒状物質を連続的に焼失させることができない。このように、上記方法は常に感度低下を受け易い。
【０００５】
作動に粒状物質層形成が必要な装置の別例としては、ワイヤーまたはロッド等の金属電極を使用した高圧センサーが挙げられる。これらタイプのセンサーの欠点は、金属電極が、その性質上、例えば、信号変化を生じる振動に起因して、曲がり又は屈曲を生じることである。これは、信号が電極間距離の関数であり、移動可能な電極は、感度および精度に悪影響を与える「信号ノイズ」を生じるためである。ワイヤー電極の別の問題は、もしこれら電極が振動または他の理由に起因して移動または接触した場合、センサーがショートする可能性があることである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように、作動に粒状物質層形成を要しないセンサーの提供が望まれている。更に、他の利点として、センサーのショートの可能性が全く無いように電極を固定かつ接近して配置し得るセンサー装置の提供が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
装置の実施態様を以下に記載する。本発明の一実施態様は、汚染粒状物質をセンサーから焼失させるためのセンサー装置である。センサー装置の一実施態様は、信号電極アセンブリ、検出器電極アセンブリ及び電気的ヒーターから成る。信号電極アセンブリは、信号電極絶縁基板に結合した信号電極を有する。検出器電極アセンブリは検出器電極絶縁基板に結合した検出器電極を有する。検出器電極は周囲状態の測定を行うためにセンサー電極に対し配置される。電気的ヒーターは、信号および検出器電極アセンブリの少なくとも１つの電極アセンブリから汚染粒子堆積物を焼失させるために、信号および検出器電極アセンブリに対し配置される。装置の他の実施態様も同様に記載される。
【０００８】
本発明は、方法の実施態様も同様に記載する。一実施態様では、本発明の方法は、センサーから汚染粒状物質を焼失させるセンサー装置を使用する方法である。方法の一実施態様は、信号電極アセンブリ及び検出器電極アセンブリにより、周囲状態を検知する工程を有する。信号電極アセンブリは、信号セラミック基板に結合した信号電極を有する。検出器電極アセンブリは、検出器セラミック基板に結合した検出器電極を有する。上記方法は、また、信号および検出器電極アセンブリの少なくとも１つの電極アセンブリに対して配置されたヒーターに、電力を供給する工程を有する。上記方法は、また、信号および検出器電極アセンブリの１つ以上の電極アセンブリを、信号および検出器電極アセンブリの１つ以上の電極アセンブリ上に堆積した汚染粒状物質の燃焼閾値より高い温度に加熱する工程を有する。使用方法の他の実施態様も、同様に記載する。
【０００９】
センサーから汚染粒状物質を焼失させるためのセンサー装置の製造方法の実施態様も、同様に記載する。一実施態様では、該方法は、信号電極絶縁基板に信号電極を結合して信号電極アセンブリを形成する工程を有する。該方法は、また、検出器電極絶縁基板に検出器電極を結合して検出器電極アセンブリを形成する工程を有する。検出器電極は、周囲状態の測定を行うために、信号電極に対し配置される。該方法は、また、信号および検出器電極アセンブリの少なくとも１つの電極アセンブリから汚染粒状物質の堆積物を焼失させるために、ヒーターを信号および検出器電極アセンブリに対し配置する工程を有する。製造方法の他の実施態様も、同様に記載する。
【００１０】
システムの実施態様も同様に記載する。一実施態様では、本発明のシステムは粒状物質を測定する検知システムである。検知システムの一実施態様は、センサーエレメント、ヒーター及び電子制御モジュールから成る。センサーエレメントは、信号電極アセンブリ及び検出器電極アセンブリを有する。信号電極アセンブリは、信号電極絶縁基板に結合した信号電極を有する。検出器電極アセンブリは、検出器電極絶縁基板に結合した検出器電極を有する。検出器電極は、通過空気流中の粒状物質の検出に応答して電気信号を発生するように、信号電極と組み合わせて配置される。ヒーターは、センサーエレメント上の汚染粒状物質の堆積物を焼失させるために、センサーエレメントに対し配置される。電子制御モジュールはヒーターに結合され、センサーエレメント上に堆積した汚染粒状物質の燃焼閾値に対しヒーター温度を規制する。システムの他の実施態様も、同様に記載される。
【００１１】
本発明の実施態様の他の要旨及び長所は、添付図面と共に、本発明の原理例により示す以下の詳細な説明から明らかになる。
【００１２】
以下の記載を通じて、同一の参照番号は、同一の部材を示すために使用される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のセンサー装置は、作動に粒状物質層形成を必要とせず、また、センサーのショートの可能性が全く無いように電極を固定かつ接近して配置し得るセンサー装置である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、電極アセンブリの一実施態様の模式図である。
【図２】図２は、ヒーターアセンブリの一実施態様の模式図である。
【図３】図３は、組合せ電極およびヒーターアセンブリの一実施態様の模式図である。
【図４】図４は、粒状物質センサーアセンブリの一実施態様の模式図である。
【図５】図５は、粒状物質センサーアセンブリの他の実施態様の模式図である。
【図６】図６は、粒状物質センサーアセンブリの他の実施態様の模式図である。
【図７】図７は、粒状物質センサーアセンブリの他の実施態様の模式図である。
【図８】図８は、粒状物質センサーの一実施態様の模式図である。
【図９】図９は、粒状物質測定システムの一実施態様の模式ブロック図である。
【図１０】図１０は、粒状物質センサーの作動方法の一実施態様の模式フローチャート図である。
【図１１】図１１は、粒状物質センサーの製造方法の一実施態様の模式フローチャート図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下の記載において、種々の実施態様の特定の詳細を提供する。しかしながら、幾つかの実施態様は、これら特定の詳細の少なくとも一部を要することなしに実施可能である。他の場合には、ある種の方法、手順、構成要素及び回路は、簡潔さ及び明確さのため、その詳細な記述を省略する。
【００１６】
本明細書を通じた、特徴、利点または同様の言語の参照は、本発明によって実現される特徴および利点のすべてが、本発明のいずれかの単一の実施態様に包含されるということを意味するものではない。むしろ、特徴および利点を参照する言語は、実施態様に関して記載された特定の特徴、利点又は特性が、本発明の少なくとも一つの実施態様に包含されることを意味すると解釈されるべきである。つまり、本明細書を通じて、特徴、利点または同様の言語の記載は、同一の実施態様を参照するものであるかもしれないが、必ずしもそうでない場合もある。
【００１７】
更に、本発明の記載された特徴、利点又は特性は、１つ以上の実施態様において、適宜組み合わせることにより実施可能であってもよい。当業者に理解されるように、本発明は、特定の実施態様の１つ以上の特定の特徴または利点なしに、実施可能である。他の場合には、更なる特徴および利点は、本発明の何れの実施態様にも開示されないある種の別の実施態様で認識される可能性もある。
【００１８】
本明細書を通じて、「一実施態様」、「実施態様」又は同様の言語の参照は、当該実施態様に関して記載された特定の特徴、構造または特性が、本発明の少なくとも１つの実施態様に含まれることを意味する。つまり、本明細書を通じて、「一実施態様における」、「実施態様における」等の語句及び同様の言語は、全て同一の実施態様を参照するものであるかもしれないが、必ずしもそうでない場合もある。
【００１９】
本発明において、一般に、記載された実施態様は、粒状物質（ＰＭ）センサー上の炭素質および他の可燃性または揮発性物質の堆積または蓄積に起因する性能低下を減少する方法および装置に関する。高電圧バイアスによる静的蓄積電荷または電流の測定に基づく粒状物質センサーは、斯かる種の堆積によって悪影響を受ける。ここに記載されるＰＭセンサーの実施態様では、ＰＭセンサーは、連続的または定期的に可燃性または揮発性種を焼失または除去することができるヒーターと密接に結合する。一実施態様では、かかるヒーターは、信号および／または検出器電極を含むか又はこれに近設される基板上に配置されてもよい。便宜上、本発明の記載においては、信号および検出器電極のように参照するが、検知および検出電極等の他の用語を、同一または類似の電極を参照するために使用してもよい。
【００２０】
更に、幾つかの実施態様では、厚膜または薄膜形成法により、電極の有効面積を増加させ、信号を最大化またはその他の改良を施すこともできる。厚膜形成法としては、これに限定しないが、スクリーン印刷、スパッタリンング等が挙げられる。薄膜形成法としては、これに限定しないが、化学的または物理的蒸着等の真空蒸着技術が挙げられる。幾つかの実施態様では、PMセンサーは、排気ガス環境又は粒状物質の測定が可能な他の環境内に取付けられる金属ハウジング内に収容される。また、幾つかの実施態様では、排気中、又は粒状物質の測定が可能な他の環境において、粒状物質を測定または監視する方法が実施される。
【００２１】
ＰＭセンサーの少なくとも１つの実施態様の基本構成は、信号電極および検出器電極からなる２電極構造を有する。高電圧が、信号電極に印加され、この電圧印加下において、検出器電極に蓄積された電荷を測定することにより、粒状物質の測定が可能となる。また、蓄積電荷により発生する出力電圧を測定することにより、粒状物質の測定が可能となる。
【００２２】
図１は、電極アセンブリ１００の一実施態様の模式図を示す。図示された電極アセンブリ１００は、センサーエレメント内に配置された信号電極または検出器電極のいずれか一方を代表的に示す。図示電極アセンブリ１００は、絶縁基板１０２を有し、絶縁基板１０２の少なくとも一面には、導電層が付着形成される。便宜上、絶縁基板１０２は、導電層が信号電極の作製に使用される場合は、信号電極絶縁基板を示す。また、導電層が検出器電極の作製に使用される場合は、検出器電極絶縁基板を示す。しかしながら、この用語は、電極アセンブリ１００の上記構成に限定して使用されるものではない。
【００２３】
絶縁基板１０２の表面に付着形成された導電層は、電極１０４、電極接点１０６、及び電極１０４を電極接点１０６に接続する電極トレース１０８から成る。一般に、電極１０４は、他の対応する電極アセンブリの他方の電極と関連して使用され、排気流等の周囲環境中の粒状物質を検出する。電極トレース１０８は、電気信号（例えば、電荷、電流または電圧）を、コントローラー又は他の装置への電気接続に供する電気接点１０６に伝送する。一実施態様では、導電層は、白金（Ｐｔ）から形成される。他の実施態様では、他の導電材料が使用される。
【００２４】
電極アセンブリ１００は、いずれの好適な方法により作製されてもよい。幾つかの実施態様では、基板１０２は、アルミナ等のセラミック基板である。幾つかの実施態様では、基板１０２は、他のセラミック材料に付着されたセラミック皮膜または層である。また、セラミック皮膜または層は、いずれかの金属材料または耐高温ポリマー層上に付着されてもよい。例えば、金属材料としては、ステンレス鋼、ニッケル系スーパー合金または同様の材料が挙げられる。耐高温ポリマー層としては、熱可塑性または類似の材料が挙げられる。
【００２５】
電極アセンブリ１００の導電層は、また、いずれの好適な技術を使用して作製されてもよい。幾つかの実施態様では、導電性トレースは、厚膜製造または形成法を使用して、電極基板１０２の表面に付着形成されてもよい。厚膜製造法の幾つかの例としては、スクリーン印刷およびスパッタリングが挙げられるが、他の厚膜製造法を使用することもできる。幾つかの実施態様では、導電性トレースは、薄膜製造または形成法を使用して、電極基板１０２の表面に付着形成されてもよい。薄膜製造法の幾つかの例としては、化学的または物理的蒸着等の真空蒸着技術が挙げられるが、他の薄膜製造法を使用することもできる。厚膜または薄膜製造法を使用することにより、電極１０４の有効面積が、比較的大きくなり、比較的大強度の電気信号を提供することができる。
【００２６】
図２は、ヒーターアセンブリ１１０の一実施態様の模式図を示す。多くの観点で、ヒーターアセンブリ１１０は、図１の電極アセンブリ１００と類似しているが、ヒーターアセンブリ１１０は、一般に、電気信号を発生させるよりむしろ、熱を発生させるために使用される。図示されたヒーターアセンブリ１１０は、ヒーター基板１１２、多数のヒーター１１４及び１１６、及び対応するヒーター接点１１８からなる。注意すべきは、図示されたヒーターアセンブリ１１０では、多数のヒーター１１４及び１１６が示されているが、ヒーターアセンブリ１１０の他の実施態様では、単一ヒーター、１つを超えるヒーター又は他の個数および／または配置のヒーターが、使用されてもよい。
【００２７】
上記した電極アセンブリと同様に、ヒーターアセンブリ１１０は、厚膜または薄膜製造法を使用して、セラミック又は他の絶縁基板１１２上に導電性トレース形成することによって、製造することができる。更に、ヒーターアセンブリ１１０上に１つ以上のヒーター１１４及び１１６を配置する実施態様では、別体のコイル状、平坦状または他のヒーター等の更なるヒーターの使用を排除するものではない。
【００２８】
幾つかの実施態様では、電極基板１０２及びヒーター基板１１２は、同一基板でもよい。例えば、電極アセンブリ１００用の導電性トレースは、共通基板の一方の側に付着形成し、ヒーターアセンブリ１１０用の導電性トレースを、同一基板の他方側に付着形成してもよい（図４及び５参照）。また、幾つかの実施態様では、電極アセンブリ１００及びヒーターアセンブリ１１０用の導電性トレースを、共通基板の同一側に塗布形成してもよい。図３は、組合せ電極およびヒーターアセンブリ１２０の模式図を示す。図示されたアセンブリ１２０は、共通基板１２２の同一側に、電極及びヒーターアセンブリ両用の導電性トレースを有する。
【００２９】
図４は、粒状物質センサーアセンブリ１３０の一実施態様の模式図を示す。図示された粒状物質センサーアセンブリ１３０は、電極及びヒーターアセンブリの組合わせからなり、各アセンブリは、図１の電極アセンブリ１００及び図２のヒーターアセンブリ１１０とそれぞれ同様である。特に、粒状物質センサーアセンブリ１３０は、信号電極アセンブリ１３７と検出器電極アセンブリ１３７とを有する。信号電極アセンブリ１３７は、信号電極絶縁基板１３４に付着形成された信号電極１３２を有する。信号電極アセンブリ１３７は、また、信号電極絶縁基板１３４の背面側に付着形成されたヒーター１３６を有する。同様に、検出器電極アセンブリ１３７は、検出器電極絶縁基板１４０に付着形成された検出器電極１３８を有し、信号電極絶縁基板１４０の背面側に付着形成されたヒーター１４２を有する。
【００３０】
信号電極アセンブリ１３７及び検出器電極アセンブリ１３７は、絶縁スペーサー１４４又は他の機械的セパレーターによって分離される。幾つかの実施態様では、絶縁スペーサー１４４及び信号および検出器電極アセンブリの物理的配置は、信号電極１３２及び検出器電極１３８間の距離が非常に小さくなるように構成される。一例では、信号電極１３２及び検出器電極１３８間の距離は、約１ミクロン程度と小さくてもよい。また、信号電極１３２及び検出器電極１３８間の距離は、１cmと大きくてもよい。一実施態様では、信号電極１３２及び検出器電極１３８間の距離は、約０．５〜２．０mmの範囲内にある。他の実施態様では、信号電極１３２及び検出器電極１３８間の距離は、他の範囲であってもよい。
【００３１】
幾つかの実施態様では、絶縁基板１３４及び１４０は、絶縁スペーサー１４４に接合されていてもよい。該接合は、各層を共に焼結するか、又は他の接合方法を使用して行うことができる。各層を共に焼結する実施態様では、信号および検出器電極１３２及び１３８は、焼結工程前後に付着形成してもよい。スペーサー１４４を基板１３４及び１４０に接合する方法としては、ガラス接合、金属化接合、又は圧締め又はワイヤー締結等幾つか例示される機械的接合が挙げられる。当業者に理解されるように、上記または他の接合方法は、本明細書中に記載の種々アセンブリの他の構成要素を接合するために使用することもできる。
【００３２】
図４では、また、幾つかの矢印により、ヒーター１３６及び１４２からそれぞれ信号および検出器電極１３２及び１３８への熱伝達が示される。図示の矢印は、ヒーター層１３６及び１４２上のヒーター又はヒーター配置１１４（図２参照）の大よその位置を示す。図示された実施態様では、ヒーター配置１１４は、信号および検出器電極１３２及び１３８とほぼ整合して設けられる。このように、ヒーター配置１１４は、一般に、信号および検出器電極１３２及び１３８に隣接した領域の電極トレース１０８（図１参照）に向かってよりもむしろ、信号および検出器電極１３２及び１３８に向かって熱を伝達する。
【００３３】
図５は、粒状物質センサーアセンブリ１５０の一実施態様の模式図を示す。
図示された粒状物質センサーアセンブリ１５０は、ヒーター１３６及び１４２が、信号および検出器電極１３２及び１３８に直接向かうよりもむしろ、信号および検出器電極１３２及び１３８に隣接する領域に向かって熱を伝達する点を除いて、図４の粒状物質センサーアセンブリ１３０と実質的に同様である。言い換えれば、ヒーター１３６及び１４２は、信号および検出器電極１３２及び１３８から直接よりもむしろ、電極トレース１０８（図１及び３参照）から、粒状物質を焼失させる。
【００３４】
図６は、粒状物質センサーアセンブリ１６０の他の実施態様の模式図を示す。図示された粒状物質センサーアセンブリ１６０は、ヒーター１６２及び１６６が、別体のヒーター基板１６４及び１６８に、それぞれ付着形成される点を除いて、図４の粒状物質センサーアセンブリ１３０と実質的に同様である。このように、ヒーターアセンブリは、電極アセンブリから別体で作製され、上述の接合方法を使用して、電極アセンブリに実質的に接合または他の方法で取り付けてもよい。図示の実施態様では、信号および検出器電極１３２及び１３８に直接熱を伝達するヒーター１６２及び１６６を設けているが、他の実施態様では、信号および検出器電極１３２及び１３８のほぼ隣接領域に直接熱を伝達する、図５に示すヒーター１３６及び１４２と同様なヒーターを設けることもできる。
【００３５】
図７は、粒状物質センサーアセンブリ１７０の他の実施態様の模式図を示す。図４〜６に関して上記した粒状物質センサーアセンブリと相違して、図７で示す粒状物質センサーアセンブリ１７０では、信号電極アセンブリ１３７及び検出器電極アセンブリ１３７の間に配置されたヒーター基板１７６上に、ヒーター１７２及び１７４が設けられる。それゆえ、信号電極アセンブリ１３７及び検出器電極アセンブリ１３７を、それぞれ中間に配置されたヒーターアセンブリから絶縁するために、多数の絶縁スペーサー１７８及び１８０が使用される。また、図示実施態様では、絶縁スペーサー１７８及び１８０は、ヒーター１７２及び１７４に対しオフセットして設けられる。このオフセット配置では、ヒーター１７２及び１７４を、それぞれの電極１３２及び１３８及びそれら電極に結合したリードワイヤーから離間させるギャップ１７３が設けられる。この配置は、遷移金属酸化物やアルカリ金属酸化物等のセラミック材料中の少量の不純物の存在に起因して、高温下でセラミック材料に電気伝導度の増加が生じる場合に、有利である。ギャップ１７３を設けることにより、ヒーターと、検知または検出電極のいずれか並びにそれぞれのリードワイヤーとの電気的干渉を減少することができる。ギャップ１７３は、空間でも高純度スペーサーのいずれでもよい。幾つかの実施態様では、ギャップ１７３の使用は、充分に高純度のスペーサー材料を使用するよりも、電気伝導度の増加を避けるためにコスト的により有効である。
【００３６】
一実施態様では、センサーアセンブリ又は装置は、信号電極絶縁セラミック基板に結合された信号電極を有する信号電極アセンブリを有していてもよい。また、該センサーアセンブリ又は装置は、検出器電極絶縁セラミック基板に結合された検出器電極を有する検出器電極アセンブリを有し、検出器電極は、周囲状態の測定を行うために、信号電極に対して配置されてもよい。上記装置は、ヒーター又はヒーターアセンブリを有していなくてもよいが、信号または検出器電極の少なくとも１つと結合した電圧供給部を有し、該電圧供給部は、信号および検出器電極の１つにバイアス電圧を印加するように構成されてもよい。バイアス電圧は、信号および検出器電極の他方の電極に対し約５０〜１０，０００ボルトの範囲の電圧である。一実施態様では、バイアス電圧は、１００〜２，０００ボルトの範囲であってもよい。
【００３７】
図８は、粒状物質センサー１９０の一実施態様の模式図を示す。図示された粒状物質センサー１９０では、図７の粒状物質センサーアセンブリ１７０を、ハウジング１９２内に収容する。他の実施態様では、上記したように、他の粒状物質センサーアセンブリを使用してもよい。一実施態様では、ハウジング１９２は、粒状物質センサーアセンブリ１７０の環境保護および構造的支持に供する金属ハウジング又は他のタイプのハウジングからなる。一般には、ハウジング１９２は、排気ガス環境または粒状物質の測定が可能である他の環境内において、粒状物質センサーアセンブリ１７０の取付けを容易にする。例えば、ハウジング１９２は、排気ガスシステム（図９参照）内の対応するねじ切孔内への粒状物質センサー１９０の配置を容易にするため、ねじ切ネック部を有していてもよい。排気ガスシステム内に取り付ける際、信号および検出器電極１３２及び１３８は、排気ガス流等の通過空気流に露出される。それ故、粒状物質センサーアセンブリ１７０は、排気ガス流内において、粒状物質の濃度を測定することができる。
【００３８】
一実施態様では、粒状物質センサー１９０のハウジング１９２は、電極接点１０６及びヒーター接点１１８を露出させて、コントローラー又は他の電子装置への接続を可能とする（図９参照）。幾つかの実施態様では、ハウジング１９２は、粒状物質センサーアセンブリ１７０の接続端を完全に密封して、接続ワイヤーを、ハウジング１９２内の開口を通過させる構成としてもよい。
【００３９】
図９は、粒状物質測定システム２００の一実施態様の模式ブロック図である。図示された粒状物質測定システム２００は、エンジン２０２及び排気システム２０４からなる。排気システム２０４は、排気ガスを発生するエンジン２００に結合される。排気システム２０４は、排気出口２０６への排気ガスの流れを促進する。
【００４０】
エンジン２０２からの粒状物質排出量を制御するために、又は排気ガス流中の粒状物質レベルを別の方法で監視するために、センサーエレメント１９０は、上記したように、粒状物質の濃度を測定する。センサーエレメント１９０の信号および検出器電極１３２及び１３８上への粒状物質の堆積は、センサーエレメント１９０の性能を低下させるので、センサーエレメント１９０は、信号および検出器電極１３２及び１３８上またはその近辺に堆積した可燃粒状物質を焼失させるため、１つ以上ヒーターを有する。粒状物質測定システム２００の幾つかの実施態様では、また、センサーエレメント１９０の前後において、中和化学薬剤を排気システム２０４内に放出するため、１つ以上のエミッションコントロール部材が、設けられてもよい。
【００４１】
センサーエレメント１９０は、電子制御モジュール２０８と、電子的に接続される。一般に、電子制御モジュール２０８では、排気システム２０４内の粒状物質レベルの測定値が求められる。測定値は、センサーエレメント１９０によって発生した信号レベルと比例するか、又は該信号レベルと別の相関関係を有する。電子制御モジュール２０８は、また、センサーエレメント１９０内のヒーター１７２及び１７４の作動を制御する。電子制御モジュール２０８は、また、直流電源からの入力供給電圧（代表的には、約９〜２４ボルト）を、センサーエレメント１９０で使用可能な、より高圧の供給電圧に変換する。一実施態様では、センサーエレメント１９０は、約１０，０００ボルト以下の供給電圧を使用する。他の実施態様では、供給電圧は、５００〜５，０００ボルトの範囲である。他の実施態様では、供給電圧は、１００〜２，０００ボルトの範囲であってもよい。
【００４２】
例示された電子制御モジュール２０８は、プロセッサー２１０、ヒーターコントローラー２１２及び電子記憶装置２１４を有する。センサーエレメント１９０は、無線または有線データ伝送信号を含むいずれかのタイプのデータ信号を使用して、１つ以上の電気信号を、電子制御モジュール２０８のプロセッサー２１０に伝送する。
【００４３】
一実施態様では、プロセッサー２１０は、粒状物質測定システム２００の１つ以上の操作を実行する。特に、プロセッサー２１０は、プロセッサー２１０に局所的に保存されるか、又は電子記憶装置２１４に保存された指令を実行することができる。更に、種々のタイプのプロセッサー２１０としては、一般データプロセッサー、応用特定プロセッサー、マルチコアプロセッサー等が挙げられ、これらプロセッサーは、電子制御モジュール２０８内で使用することができる。
【００４４】
いくつかの実施態様では、プロセッサー２１０は、また、センサーエレメント１９０に供給する電圧バイアスを発生させる。電圧バイアスは、少なくとも１つの電極の電圧レベルを、他の電極に対し増加させる。一実施態様では、電圧バイアスは、約１〜１０，０００ボルトの範囲である。より特定の例では、電圧バイアスは、約５００〜５，０００ボルトの範囲である。他の実施態様では、他の電圧バイアスパラメーターを、使用することもできる。
【００４５】
いくつかの実施態様では、プロセッサー２１０は、電子記憶装置２１４内に保存されたルックアップテーブルを参照して、排気システム２０４内の粒状物質濃度の測定を行ってもよい。他の実施態様では、他の方法を使用して、センサーエレメント１９０の信号レベルを粒状物質測定レベルと相関させてもよい。
【００４６】
一実施態様では、ヒーターコントローラー２１２は、センサーエレメント１９０内の単一または複数のヒーターを制御して、対応する電極アセンブリ及び特に対応するセンサー電極の作動温度を特定値に維持する。ヒーターコントローラー２１２は、センサーエレメント１９０のヒーターを、連続的、定期的またはある種の他の非連続ベースに基づいて、作動してもよい。一実施態様では、ヒーターコントローラー２１２は、約２００℃の温度またはこれを超える温度で、ヒーターを作動する。いくつかの実施態様では、ヒーターコントローラー２１２は、約４００℃の温度またはこれを超える温度で、ヒーターを作動する。他の実施態様では、ヒーターは、他の温度で作動されてもよい。
【００４７】
また、注意すべきは、いくつかの実施態様では、センサーエレメント１９０は、粒状物質センサーアセンブリ又は粒状物質測定システムの他の構成部材の故障を決定するために使用されてもよい。例えば、センサーエレメント１９０は、排気システム２０４の粒状物質フィルター（図示せず）の故障を決定するために使用してもよい。一実施態様では、粒状物質測定システム２００内の故障を、センサーエレメント１９０により発生する高強度信号によって検知することもできる。
【００４８】
また、注意すべきは、粒状物質センサーアセンブリの実施態様は、排気ガス環境内のある種の気体成分のバラツキ・変動に対し、一定の許容範囲を有していてもよい点である。このように、粒状物質センサーアセンブリは、排気ガス環境内の特定の学物質または材料の測定を、検量法により行うこともできる。
【００４９】
図１０は、粒状物質センサーを作動する方法２２０の一実施態様の模式フローチャート図を示す。方法２２０の記載に関しては、一定の粒状物質センサー及び粒状物質センサーアセンブリを使用することができるが、方法２２０の実施態様は、他のタイプの粒状物質センサー及び粒状物質センサーアセンブリにより実施してもよい。更に、方法２２０の実施態様は、種々のタイプの粒状物質測定システムにより実施されてもよい。
【００５０】
例示された実施態様では、電子制御モジュールは、ヒーターコントローラーを励起し、センサーエレメント内のヒーターに電力を供給する（工程２２２）。センサーエレメント内の単一または複数のヒーターの温度が上昇するにつれて、電極アセンブリの対応する部分も、同様に加熱される（工程２２４）。温度を十分に上昇させることによって、ヒーターは、電極アセンブリから汚染粒状物質を焼失させる（工程２２６）。粒状物質が、電極アセンブリから完全または部分的に焼失した後、又はその焼失プロセス中においても、プロセッサーは、電極アセンブリの少なくとも一方に、バイアス電圧を印加する（工程２２８）。次いで、プロセッサーは、電極アセンブリで発生した電荷または電流を測定し（工程２３０）、通過排気流中の粒状物質レベルを決定する（工程２３２）。図９に関して上記したように、プロセッサーは、電子記憶装置内に保存されたルックアップテーブル又は他のデータを参照して、センサーエレメントから受取った電気信号に対応する粒状物質のレベルを決定してもよい。次いで、図示された方法２２０を終了する。
【００５１】
図１１は、粒状物質センサーの製造方法２４０の一実施態様の模式フローチャート図である。方法２４０の記載に関しては、一定の粒状物質センサー及び粒状物質センサーアセンブリを使用することができるが、方法２４０の実施態様は、他のタイプの粒状物質センサー及び粒状物質センサーアセンブリによって実施することもできる。更に、方法２４０の実施態様は、種々のタイプの粒状物質測定システムによって実施することができる。
【００５２】
例示された実施態様では、粒状物質センサー１９０は、信号電極を、信号電極基板に結合する（工程２４２）ことによって製造される。検出器電極は、また、検出器電極基板に結合される（工程２４４）。ヒーターは、次いで、信号および検出器電極に対して配置される（工程２４６）。また、絶縁および／または離間機能を施すために使用される絶縁スペーサーは、信号および検出器電極基板の間に配置される（工程２４８）。次いで、信号および検出器電極基板は、いずれかのスペーサーに接合され（工程２５０）、ヒーターは、電子制御モジュールに結合される（工程２５２）。上記したように又は本明細書から理解されるように、種々の他の製造技術が、粒状物質センサーの１つ以上の実施態様を作製するために、考慮されかつ使用されてもよい。次いで、図示された製造方法２４０を終了する。
【００５３】
方法２４０の一実施態様では、ＰＭセンサーは、２つの白金（Ｐｔ）電極を有し、これら電極は、それぞれ信号電極および検出器電極として作用し、対応アルミナ基板に印刷される（工程２４２及び２４４）。基板は、上記Ｐｔ電極が互いに対向しかつ接近状態で離間するように配置される（工程２４８）が、しかし電気的にこれら電極を分離するように配置される。Ｐｔヒーターは、各基板の背面（即ち、電極の反対側）に印刷される（工程２４６）。これらヒーターは、再生（例えば、炭素質粒状物質の熱的に高められた酸化）を促進する。一実施態様では、次いで、これら２つの同一のアルミナ部材を、ステンレス鋼製のハウジング内に組み付け、接合する。当業者に理解されるように、他の導電電極を使用することもできる（工程２５０）。
【００５４】
更なる、しかしこれに限定されない例としては、Ｐｔヒーターは、基板上にスクリーン印刷されてもよい（工程２４２又は２４４）。一実施態様では、Ｐｔインク（例えば、「ＨＥＲＡＥＵＳ  ５１００」）を、約８０．５ｃｍ×１．１ｃｍ×０．１ｃｍの大きさのアルミナ基板上に、スクリーン印刷する。次いで、得られたスクリーン印刷構造体を、１０００℃で約１時間焼成し、次いで３時間ランピングする。幾つかの実施態様では、この後に、同一のインクを、再び焼成体の表面に印刷し、１２００℃で約１時間焼結し、次いで３時間ランピングする。
【００５５】
他の、しかしこれに限定されない例としては、Ｐｔ電極を、基板上にスクリーン印刷してもよい。一実施態様では、約０．７ｃｍ×０．７ｃｍの大きさの矩形Ｐｔ電極は、Ｐｔインク（「ＨＥＲＡＥＵＳ  ５１００」）を、上記ヒーターの背面側にスクリーン印刷することによって、作製される。電極構造は、次いで、１０００℃で約０．５時間焼結し、その後４時間ランピングする。
【００５６】
上記したように、それぞれセンサー及び検知電極アセンブリとして機能する２つの対称電極アセンブリを作製した後、これら対称電極アセンブリを、アルミナスペーサーを介して結合する。この際、アルミナスペーサーは、これら対称電極アセンブリの間に挿入されるように配置される。上記したように、電極アセンブリは、更に、互いに対向して配置される。得られた構成物は、次いで、ステンレス鋼製センサーハウジング内に、少なくとも電極の一部がハウジングから露出するように、収容される。この構成によって、電極は、ハウジングを通過して流れる気体流に曝露される。幾つかの実施態様では、ハウジング内に残存するスペースの少なくとも一部は、耐高温性セメントによって充填される。更に、上記したように、センサーアセンブリの電気接点は、ハウジングの他端においてもアクセス可能に配置される。
【００５７】
本明細書では、方法の操作を、特定の順序で示し記述したが、各方法の操作の順序は、或る操作を、逆の順序で行うか、又は或る操作を、少なくとも部分的に、他の操作と同時に行うように、変更することもできる。他の実施態様では、異なる操作の指令またはサブ操作を、間欠的および／または交互に実施することもできる。
【００５８】
本発明の特定の実施態様を記載・例示したが、本発明は、記載・例示された部材の特定の形状または配置に限定されない。本発明の権利範囲は、ここに添付の特許請求の範囲およびその等価物によって限定されるべきものである。
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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