(57)【要約】【課題】内燃機関の排気ガス中のＰＭ検出に用いられる電気抵抗式の粒子状物質検出センサにおいて、粗大なＰＭ粒子や凝縮水による測定誤差なく、検出感度の低下を抑制し、高い精度で対象とする浮遊ＰＭを検出し、ＤＰＦの故障等を速やかに検知する。【解決手段】エンジンＥ／Ｇの排気管ＥＸに装着されるＰＭセンサＳのセンサ素子部１は、絶縁性基体１０の粒子状物質検出面２０に設けた凹部からなるチャンバ２１と、チャンバ２１の底面に形成した一対の測定電極２４、２５と、これらと間隔をおいて対向する絶縁保護層２２からなる粒子状物質検出部２を有し、絶縁保護層２２には、検出対象となる粒子状物質のみが通過可能な多数の微小貫通孔２３を形成している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガス中に配設される絶縁性基体に一対の測定電極を設け、被測定ガス中の粒子状物質を検出するセンサ素子部を備える粒子状物質検出センサであって、上記センサ素子部は、
上記絶縁性基体の一面を粒子状物質検出面とし、該検出面に設けた凹部からなるチャンバと、該チャンバの底面に形成した上記一対の測定電極と、これら一対の測定電極と間隔をおいて対向するとともに、上記チャンバの開口を閉鎖する絶縁保護層からなる粒子状物質検出部を有しており、上記絶縁保護層は、検出対象となる粒子状物質のみが通過可能な多数の微小貫通孔を有していることを特徴とする粒子状物質検出センサ。
【請求項２】
上記絶縁保護層の上記微小貫通孔の径が１０μｍ以下である請求項１記載の粒子状物質検出センサ。
【請求項３】
上記絶縁保護層の上記微小貫通孔の径が２．５μｍ以下である請求項１記載の粒子状物質検出センサ。
【請求項４】
上記一対の測定電極と上記絶縁保護層の間隔は、上記検出対象となる粒子状物質の粒径よりも大きく設定される請求項１ないし３のいずれか１項に記載の粒子状物質検出センサ。
【請求項５】
上記絶縁保護層は、上記微小貫通孔となる孔を貫設したセラミックス層または多孔質セラミックス層からなる請求項１ないし４のいずれか１項に記載の粒子状物質検出センサ。
【請求項６】
上記絶縁保護層は、酸化物セラミックス、炭化物セラミックスまたは窒化物セラミックスを主成分とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の粒子状物質検出センサ。
【請求項７】
上記粒子状物質検出部は、検出対象となる粒子状物質の粒径を複数設定しており、上記一対の測定電極を複数組有するとともに、各組と対向する上記絶縁保護層の上記微小貫通孔の径を、検出対象となる粒子状物質の粒径に応じて設定する請求項１ないし６のいずれか１項に記載の粒子状物質検出センサ。
【請求項８】
上記センサ素子部は通孔を設けたカバー体内に収容された状態で内燃機関の排気通路に配設され、上記粒子状物質検出部が上記被測定ガスである排出ガス中に配置される請求項１ないし７のいずれか１項に記載の粒子状物質検出センサ。
【請求項９】
上記センサ素子部は、上記粒子状物質検出部を加熱するヒータ電極を有するヒータ部を備えている請求項１ないし８のいずれか１項に記載の粒子状物質検出センサ。
【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電気抵抗式の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）および可溶性有機成分（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、目詰まりが生じて負圧が増大したり、ＰＭのすり抜けが増加したりするおそれがあり、定期的に再生処理を行って捕集能力を回復させている。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おり、このため、ＤＰＦの上流およ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ガスをＤＰＦ内に導入し、ＰＭを燃焼除去する。
【０００４】
一方、排気ガス中のＰＭを直接検出可能なセンサとして、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、基板の裏面または内部に発熱体を形成した電気抵抗式のセンサが提案されている（特許文献１等）。このセンサをＤＰＦの下流に設置した場合は、ＤＰＦをすり抜けるＰＭを検出することになり、車載式故障診断装置（ＯＢＤ；On Board Diagnosis）においてＤＰＦの作動状態を監視し、例えば亀裂や破損といった異常検出に利用可能である。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。
【０００５】
図７（ａ）に従来のセンサの基本構成を示すと、絶縁性を有する基板１００の表面に、一対の櫛形電極１０１、１０２を設けて検出部とし、基板１００の裏面側には、ヒータ電極１０３と絶縁板１０４を配置してヒータ部としている。このセンサは、煤粒子が導電性を有することを利用しており、櫛形電極１０１、１０２間に、ＰＭが堆積することで生じる電気抵抗値の変化を検出する。ヒータ部は、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ＰＭを燃焼させて検出能力を回復させることができる。また、基板１００の検出部と、端子部１０５を除く表面は、気密な絶縁層１０６によって被覆されている。
【０００６】
また、上記基本素子構成において、櫛形電極１０１、１０２の表面に保護層を設けたものがある。特許文献２のセンサ素子は、測定電極システムを、排出ガスによる腐食や機械的損傷から保護するために、櫛状の測定電極の上面に、同一形状の保護層を積層形成している。測定電極は、担体層の上に形成した絶縁層の表面に、例えば、スクリーン印刷法で成膜される。また、ＰＶＤ法やＣＶＤ法を採用して、一対の櫛形電極の間隔が格段に小さい（例えば２０〜４０μｍ）測定電極システムを製造することが提案されている。
【０００７】
特許文献３には、他の素子構成として、図７（ｂ）に示すように、一対の測定電極１０７、１０８の間に、煤検出電極１０９を配置したセンサが開示されている。煤検出電極１０９は、多孔質の導電性物質、例えば金属とセラミックスを含むサーメットを、比較的高気孔率の多孔質体として構成したものである。この構成では、煤が付着していない状態でも、一対の導電性電極間に微粒の電流が流れ、また、煤検出電極の表面および気孔の内部にも煤を捕捉することができるので、煤の量に応じた抵抗値変化をより長時間検出することが可能になる。
【０００８】
なお、ＰＭを検出する技術としては、他に触媒と熱電対を用いてＰＭの酸化反応による発熱を検出するセンサや、波長可変ダイオードレーザを用いて排気ガスの化学種や温度をモニタリングする方法が知られるが、電気抵抗式のセンサは、簡易な構成で比較的安定した出力が得られる利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭５９−１９７８４７号公報
【特許文献２】特開２００９−８５９５９号公報
【特許文献３】特開２００６−２６６９６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図７（ａ）に示される従来のセンサは、通常、通気孔を有するセンサカバー内に収容された状態で、排気管壁に取り付けられる。ここで、センサをＤＰＦの故障検知に利用する場合は、排出ガスに含まれるＰＭを捕捉しやすくするために、検出部の一対の櫛形電極１０１、１０２が排気流れに対向するように配置される。検出対象となるＰＭは、通常１０μｍ以下の浮遊粒子であり、ＤＰＦの故障検知では、例えば２．５μｍ以下の微小粒子のすり抜けを素早く検出することが期待される。
【００１１】
ところで、エンジン停止時には、排気管内に留まった排出ガスに含まれるＰＭが、排気管の内壁面に付着し、凝集することがある。同様に、エンジン温度の低下とともに排気管内の排出ガスが冷却されると、排出ガスに含まれる水分が凝縮水となって、排気管の内壁面に付着する。これらＰＭや凝縮水が、エンジン運転中に、排気流れにより排気管壁から剥離すると、ＰＭの粗大粒子や凝縮水が放出されて、センサ検出部を直撃するおそれがある。
【００１２】
これは、従来のＰＭセンサが、上述したように、一対の櫛形電極１０１、１０２を素子表面に露出させた状態となっているためである。粗大なＰＭが検出部に付着すると、ＤＰＦを通過したＰＭを正確に測定することができず、凝縮水の付着は測定誤差につながるため、ＤＰＦの故障検知の精度が低下する。また、ヒータ加熱によりセンサが高温となる場合、例えばＰＭの燃焼再生中に凝縮水が付着すると、熱衝撃でセンサ素子が割れるおそれがある。
【００１３】
特許文献２の保護層は、測定電極の表面の損傷から保護するには有効であるものの、粗大粒子や凝縮水の付着による影響を排除することはできず、誤検出を防止する効果はない。また、特許文献３の構成も、多孔質の煤検出電極に、粗大粒子や凝縮水が付着することで、容易に抵抗値が変化してしまう。
【００１４】
このように、従来のＰＭセンサは、排気管内に放出されるＰＭの粗大粒子や凝縮水による測定誤差に対して、あるいは凝縮水による被水割れに対して十分な対策がなされていたとはいえない。例えば、酸素センサのような他のガスセンサでは、センサカバーの通気孔の配置を工夫して、排気流れが直撃しない構成とすることがあるが、ＰＭセンサで排気中のわずかな微小粒子を迅速に捕捉しようとする場合には、検出感度を低下させることになり不適当である。
【００１５】
そこで本発明は、内燃機関の排気ガス中のＰＭ検出に用いられる電気抵抗式の粒子状物質検出センサにおいて、粗大なＰＭ粒子や凝縮水による測定誤差を生じることなく、あるいは検出感度を損なうことなく、高い精度で対象とする浮遊ＰＭを検出し、ＤＰＦの故障等を速やかに検知することのできるセンサを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の請求項１に記載の発明は、被測定ガス中に配設される絶縁性基体に一対の測定電極を設け、被測定ガス中の粒子状物質を検出するセンサ素子部を備える粒子状物質検出センサであって、上記センサ素子部は、
上記絶縁性基体の一面を粒子状物質検出面とし、該検出面に設けた凹部からなるチャンバと、該チャンバの底面に形成した上記一対の測定電極と、これら一対の測定電極と間隔をおいて対向するとともに、上記チャンバの開口を閉鎖する絶縁保護層からなる粒子状物質検出部を有しており、上記絶縁保護層は、検出対象となる粒子状物質のみが通過可能な多数の微小貫通孔を有していることを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項２に記載の発明において、上記絶縁保護層の上記微小貫通孔の径が１０μｍ以下である。
【００１８】
本発明の請求項３に記載の発明において、上記絶縁保護層の上記微小貫通孔の径が２．５μｍ以下である。
【００１９】
本発明の請求項４に記載の発明において、上記一対の測定電極と上記絶縁保護層の間隔は、上記検出対象となる粒子状物質の粒径よりも大きく設定される。
【００２０】
本発明の請求項５に記載の発明において、上記絶縁保護層は、上記微小貫通孔となる孔を貫設したセラミックス層または多孔質セラミックス層からなる。
【００２１】
本発明の請求項６に記載の発明において、上記絶縁保護層は、酸化物セラミックス、炭化物セラミックスまたは窒化物セラミックスを主成分とする。
【００２２】
本発明の請求項７に記載の発明において、上記粒子状物質検出部は、検出対象となる粒子状物質の粒径を複数設定しており、上記一対の測定電極を複数組有するとともに、各組と対向する上記絶縁保護層の上記微小貫通孔の径を、検出対象となる粒子状物質の粒径に応じて設定する。
【００２３】
本発明の請求項８に記載の発明において、上記センサ素子部は通孔を設けたカバー体内に収容された状態で内燃機関の排気通路に配設され、上記粒子状物質検出部が上記被測定ガスである排出ガス中に配置される。
【００２４】
本発明の請求項９に記載の発明において、上記センサ素子部は、上記粒子状物質検出部を加熱するヒータ電極を有するヒータ部を備えている。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の請求項１に記載の粒子状物質検出センサは、粒子状物質検出部の測定電極を、チャンバ底面に設けて、チャンバの開口を閉鎖する絶縁保護層の微小貫通孔を通過した粒子状物質のみを検出する。したがって、微小貫通孔の径を検出対象となる粒子状物質サイズに応じて設定すれば、それより大きい粗大粒子や凝縮水がチャンバ内に侵入することはなく、検出精度を大きく向上できる。よって、測定誤差を防止して高い精度で対象とする浮遊粒子を検出し、ＤＰＦの故障等を速やかに検知可能なセンサを実現する。
【００２６】
本発明の請求項２に記載の発明のように、具体的には、絶縁保護層の微小貫通孔の径を１０μｍ以下とすれば、ＤＰＦの故障検知等において問題とされる、１０μｍ以下の粒子状物質を精度よく検出することが可能である。
【００２７】
本発明の請求項３に記載の発明のように、絶縁保護層の微小貫通孔の径を２．５μｍ以下に設定すれば、大気中の浮遊粒子として規制が強化されている２．５μｍ以下の粒子状物質を精度よく検出することが可能であり、規制されるＰＭサイズに応じて貫通孔の径の変更が可能なため利用価値が高い。
【００２８】
本発明の請求項４に記載の発明のように、一対の測定電極と絶縁保護層の間隔は、検出しようとする粒子状物質の粒径よりも大きく設定すると、チャンバ内における粒子状物質の移動を妨げることがなく、検出精度を向上できる。
【００２９】
本発明の請求項５に記載の発明のように、絶縁保護層は、セラミックス層に微小貫通孔を貫設することにより形成することができる。あるいは造孔材を用いて、所定の大きさの微小貫通孔が形成されるようにした多孔質セラミックス層を用いることもできる。
【００３０】
本発明の請求項６に記載の発明のように、絶縁保護層は、酸化物セラミックス、炭化物セラミックスまたは窒化物セラミックスを主成分とする材料にて構成することができる。
【００３１】
本発明の請求項７に記載の発明のように、一対の測定電極を複数組設けて、絶縁保護層の微小貫通孔の径をそれぞれ設定して、分級機能を持たせることができ、検出対象とする粒子状物質の粒径を複数設定して、粒径分布を知ることができる。
【００３２】
本発明の請求項８に記載の発明のように、センサ素子部を、通孔を設けたカバー体内に収容し、上記通孔から流入する排出ガス中に粒子状物質検出部を配置させれば、センサ素子部を保護しながら粒子状物質を容易に捕捉でき、絶縁保護層により粗大粒子等を排除することができる。
【００３３】
本発明の請求項９に記載の発明のように、センサ素子部にヒータ部を設けて所定温度に加熱することで検出および検出後の再生が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１実施形態であり、（ａ）は、ＰＭセンサの主要部であるセンサ素子部構成を説明するための分解斜視図、（ｂ）は、センサ素子部の要部構成を示す部分拡大斜視図、（ｃ）は、センサ素子部の断面図である。
【図２】（ａ）は、ＰＭセンサを排気管に取り付けた状態を示す拡大断面図であり、（ｂ）は、本発明が適用される自動車用ディーゼルエンジンの排ガス浄化システムの全体構成を示す概略図である。
【図３】（ａ）は、ＰＭセンサの製造方法を説明するための要部拡大断面図であり、（ｂ）は、センサ素子部の要部構成を説明するための断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態であり、ＰＭセンサの主要部であるセンサ素子構成を説明するための分解斜視図である。
【図５】本発明の効果を従来と比較して説明するための図で、（ａ）は本発明のセンサ素子部の概略構成を示す断面図、（ｂ）は従来のセンサ素子部の概略構成を示す斜視図である。
【図６】（ａ）は、本発明の第３実施形態であり、（ａ）は、センサ素子部の主要部である検出部構成を説明するための分解斜視図、（ｂ）は、本発明の第４実施形態であり、多孔質保護層の他の構成例を示す概略構成図、（ｃ）は、粒子状物質の粒径とＰＭ量の関係を示す分布図である。
【図７】（ａ）は、従来のＰＭセンサのセンサ素子部構成を説明するための分解斜視図、（ｂ）は、従来のＰＭセンサのセンサ素子部構成を説明するための概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明の粒子状物質検出センサを、内燃機関の排ガス浄化システムへ適用した第１実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１（ａ）〜（ｃ）は、粒子状物質検出センサとしてのＰＭセンサＳの主要部である、センサ素子部１の概略構成を示している。図２（ｂ）は、内燃機関である自動車用ディーゼルエンジンＥ／Ｇのシステム概略図であり、図２（ａ）は、図２（ｂ）の要部を拡大した図で、エンジンＥ／Ｇの排気管ＥＸに、ＰＭセンサＳを取り付けた状態を示す。
【００３６】
図２（ｂ）のエンジンＥ／Ｇは、各気筒に共通のコモンレールＲに、高圧ポンプにて昇圧した高圧燃料を所定の噴射圧となるように蓄圧するコモンレール燃料噴射システムを採用し、インジェクタＩＮＪによって燃焼室内に直接噴射する直噴エンジンとして構成されている。ＰＭセンサＳは、エンジンＥ／Ｇの排気通路である排気管ＥＸにおいて、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの下流に設けられ、エンジンＥ／Ｇ各部とともに制御装置ＥＣＵによって制御される。制御装置ＥＣＵは、ＰＭセンサＳの出力に基づき粒子状物質ＰＭを検出する一方、ＰＭセンサＳの異常検出機能を備えており、この詳細については後述する。
【００３７】
まず、図２（ｂ）において、エンジンＥ／Ｇのシステム構成について説明する。エンジンＥ／Ｇの排気マニホールドＭＨＥＸには、タービンＴＲＢが設けられ、タービンＴＲＢに連動して過給器ＴＲＢＣＧＲが回転すると、圧縮された空気がインタクーラＣＬＲＩＮＴを通過して吸気マニホールドＭＨＩＮに送られる。排気マニホールドＭＨＥＸから排出される燃焼排気の一部はＥＧＲバルブＶＥＧＲおよびＥＧＲクーラＣＬＲＥＧＲを介して吸気マニホールドＭＨＩＮに還流する。過給により吸気量を増大して燃焼効率を高め、ＥＧＲにより燃焼を緩やかにしてＮＯｘ等の排出を抑制する。
【００３８】
排気マニホールドＭＨＥＸに接続する排気管ＥＸには、ディーゼル酸化触媒ＤＯＣおよびディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦが設けられ、燃焼排気ガスを処理する。すなわち、排気管Ｅに排出された燃焼排気ガスは、上流側のディーゼル酸化触媒ＤＯＣを通過する間に、未燃焼の炭化水素ＨＣ、一酸化炭素ＣＯおよび一酸化窒素ＮＯが酸化され、下流側のディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦを通過する間に、煤粒子（Ｓｏｏｔ）、可溶性有機成分（ＳＯＦ）および無機成分からなる粒子状物質ＰＭが捕集される。
【００３９】
ディーゼル酸化触媒ＤＯＣは公知のモノリス担体、例えばコーディエライト等のセラミックスハニカム構造体よりなる担体表面に、酸化触媒を担持してなる。ディーゼル酸化触媒ＤＯＣは、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの強制再生時に、供給される燃料の酸化燃焼により排気温度を上昇させ、あるいは粒子状物質ＰＭ中のＳＯＦ成分を酸化除去する。また、ＮＯの酸化により生成するＮＯ２は、後段のディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに堆積した粒子状物質ＰＭの酸化剤として使用され、連続的な酸化を可能にする。
【００４０】
ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦは、公知のウォールフロータイプのフィルタ構造を有する。例えば、コーディエライト等の耐熱性セラミックスよりなる多孔質セラミックスハニカム構造体を成形し、ガス流路となる多数のセルの入口側または出口側のいずれか一方を、隣接するセルで互い違いになるように目封じしてフィルタとする。この時、ガス流路を区画するセル壁を貫通して多数の細孔が形成され、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに導入される排出ガス中の粒子状物質ＰＭを捕獲する。ディーゼル酸化触媒ＤＯＣとディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦを一体化した連続再生式ディーゼルパティキュレートフィルタとして構成することもできる。
【００４１】
排気管ＥＸには、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに堆積した粒子状物質ＰＭの量を監視するために、差圧センサＳＰが設けられる。差圧センサＳＰは、圧力導入管を介してディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの上流側および下流側と接続されており、その前後差圧に応じた信号を出力する。また、ディーゼル酸化触媒ＤＯＣの上流および、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの上下流には、温度センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３が配設されて、各部の排気温度を監視している。
【００４２】
制御装置ＥＣＵは、これら出力に基づいてディーゼル酸化触媒ＤＯＣの触媒活性状態やディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦのＰＭ捕集状態を監視し、ＰＭ捕集量が許容量を超えると、強制再生を行って粒子状物質ＰＭを燃焼除去する再生制御を実施する。さらに制御装置ＥＣＵには、エンジンＥ／Ｇの運転状態を知るための各種センサ信号、例えばエアフロメータＡＦＭからの吸気量や吸気温度、エンジン潤滑油や冷却水の温度、エンジン回転数、スロットル開度等を入力している。制御装置ＥＣＵは、これら信号に基づいて燃料噴射量、噴射時期等を算出し、燃料噴射を制御する。
【００４３】
図２（ａ）において、ＰＭセンサＳは、排気管ＥＸの管壁に螺結される筒状ハウジング５０を有し、その内部に筒状インシュレータ６０に挿入固定されたセンサ素子部１の上半部を保持している。センサ素子部１の下半部は、筒状ハウジング５０の下端部に固定されて排気管ＥＸ内に突出する中空のカバー体４０内に位置している。カバー体４０の側部および底部には、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦを通過した被測定ガス、すなわち粒子状物質ＰＭを含む排出ガスが流出入するための通孔４１、４２が穿設されている。
【００４４】
本実施形態のＰＭセンサＳは、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦを通過して下流側にすり抜ける粒子状物質ＰＭを、センサ素子部１にて検出する。図２（ａ）において、センサ素子部１は、直方体形状の絶縁性基体１０の一面を粒子状物質検出面（図の左側面）２０とし、その先端側（図の下端側）の端部表面に、粒子状物質検出部（以下適宜、検出部という）２を有している。検出部２は、チャンバ２１と、その開口を閉鎖するように覆う絶縁保護層としての多孔質保護層２２を有し、チャンバ２１の底面に一対の測定電極（図示せず）を形成して、粒子状物質ＰＭを捕捉する。以下に、本発明の特徴であるセンサ素子部１の検出部２構成について詳述する。
【００４５】
図１（ａ）において、センサ素子部１は、長方体形状のセラミックスよりなる絶縁基板１１の上面に、一対の測定電極２４、２５を印刷形成し、その上面側に、チャンバ２１が形成されるチャンバ形成層１２および多孔質保護層２２を、下面１側にヒータ部３を積層して構成されている。一対の測定電極２４、２５は、所定の電極間距離をおいて対向する基部から対向方向に延びる複数の補助電極が、絶縁基板１１の先端側（図の左端側）に対向して配設される櫛歯状電極であり、一対のリード電極２６が絶縁基板１１の他端側へ延びて、出力取り出し用の一対の端子部２７に接続している。その上方に位置するチャンバ形成層１２には、一対の測定電極２４、２５と対向する位置に開口を設けて、チャンバ２１としている。チャンバ形成層１２は、絶縁基板１１よりも軸方向長がやや短く、端子２７は絶縁基板１１表面に露出して外部接続を容易にしている。
【００４６】
ヒータ部３は、セラミックスよりなる絶縁層１３とその上面に形成されるヒータ電極３１からなる。ヒータ電極３１は、絶縁層１３の先端側（図の左端側）で一対の測定電極２４、２５の直下位置に、所定パターンで印刷形成され、一対のリード部３２が絶縁層１３の他端側へ延びている。リード部３２の端部は、絶縁層１３に形成した一対のスルーホール３５に充填される導電材３４を介して、絶縁層１３下面の一対の端子３６に接続している。ヒータ電極３１は、この端子３６が接続される外部電源（例えば車両バッテリ等）から電源供給を受けて発熱し、検出部２を所定温度に加熱する。
【００４７】
センサ素子部１の絶縁性基体１０は、測定電極２４、２５が形成される絶縁基板１１と、チャンバ形成層１２と、ヒータ電極３１が形成される絶縁層１３とで構成される。これら絶縁基板１１、チャンバ形成層１２、絶縁層１３は、同一のセラミックス材料で構成されることが好ましく、一般には、電気絶縁性および耐熱性に優れたアルミナセラミックス等の酸化物セラミックスを主成分とするものが好適に使用される。シリコンカーバイド等の炭化物セラミックス、シリコンナイトライド等の窒化物セラミックス等を使用することもできる。これらセラミックス材料は、ドクターブレード法等の公知の方法で、所定の形状に成形される。
【００４８】
図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、検出部２は、チャンバ２１の底面に一対の櫛歯状電極である測定電極２４、２５が露出し、チャンバ２１の上端開口を覆って、多孔質保護層２２が配設されている。多孔質保護層２２は、絶縁性のセラミックスよりなる多孔性の層であり、チャンバ２１内外を連通する多数の貫通孔２３を有している。この多数の貫通孔２３は、検出対象となる粒子状物質ＰＭが通過可能な大きさに形成され、それより大きなＰＭの粗大粒子や凝縮水は、チャンバ２１内へ侵入しない。これにより、検出対象の粒子状物質ＰＭのみが貫通孔２３を通過して、チャンバ２１内に導入され、貫通孔２３の直下に位置する測定電極２４、２５に到達することになる。
【００４９】
多孔質保護層２２を構成するセラミックス材料は、絶縁性基体１０と同様であり、具体的には、アルミナセラミックス等の酸化物セラミックスを主成分とするものが好適に使用される。その他、シリコンカーバイド等の炭化物セラミックス、シリコンナイトライド等の窒化物セラミックス等を主成分とするセラミックス材料を使用することができる。多孔質保護層２２は、これら材料を、公知の方法でシート状に成形したセラミックス層に、多数の微小貫通孔（以下、貫通孔と称する）２３を穿設することにより作製される貫通孔層、あるいは、多数の貫通孔２３を内包する多孔質セラミックス層とすることができる。
【００５０】
ここで、ＯＢＤによる故障診断において検出対象となる粒子状物質ＰＭは、一般に浮遊ＰＭ粒子と呼ばれるものであり、通常、粒径が１００ｎｍ〜１０μｍの範囲にあるものを示す。大気中の粒子状物質ＰＭによる環境汚染は、特に１０μｍ以下の粒子の影響が大きいと考えられており、このため、粒径１０μｍ以下の浮遊ＰＭ粒子のすり抜けを監視することが重要となっている。そこで、好適には、多孔質保護層２２の貫通孔２３の径を、１０μｍ以下とし、それ以上の粗大ＰＭ粒子または水滴を予め排除することで、誤検出を防止する。
【００５１】
なお、多孔質保護層２２の貫通孔２３の大きさは、検出対象とする粒子状物質ＰＭの粒径に応じて、１０μｍ以下で任意に設定することができる。例えば、より人体に影響が大きいとされる２．５μｍ以下の微小ＰＭ粒子を検出する場合には、貫通孔２３の径を２．５μｍ以下に設定すればよい。このように本発明のＰＭセンサＳは、適用される分野や地域等により、また経年により粒子状物質ＰＭの規制値が変更される可能性があり、それぞれの実情に応じて多孔質保護層２２の構成も適宜変更することができる。また、多孔質保護層２２の表面に撥水層を形成したり、多孔質保護層２２に撥水性を有する材料を用いたりすることもでき、凝縮水の侵入を防止する効果が高い。撥水性を有する材料として、具体的には、アルミナセラミックス等の酸化物セラミックスを主成分とするものが好適に使用される
【００５２】
図３（ａ）に、チャンバ２１および多孔質保護層２２を有する検出部２の製造方法の一例を示す。上記構成のセンサ素子部１は、図１（ａ）に示すように、絶縁基板１１の上面にスクリーン印刷等により測定電極２４、２５とリード電極２６、端子部２７を形成し、上方にチャンバ２１に対応する開口を設けたチャンバ形成層１２と多孔質保護層２２を、下方にヒータ電極３１およびリード部３２、端子３６等を形成した絶縁層１３を積層して、焼成することにより一体化される。この際、図３（ａ）の左図に示すように、チャンバ形成層１２の開口内にカーボンを充填して隙間を埋め、その上に多孔質保護層２２となるセラミックスシートを配設するとよい。そして、セラミックスシートに貫通孔２３を、レーザー装置等の穿孔手段を用いて形成する。
【００５３】
その後、絶縁性基体１０の材質に応じた焼成温度で焼成することにより、図３（ａ）の右図に示すように、カーボンが燃焼除去された空洞部にて、底面に測定電極２４、２５を有するチャンバ２１が形成される。多孔質保護層２２の厚みは、通常２．５μｍ〜２００μｍの範囲とする。その理由は、２．５μｍより薄いと製造段階で割れが生じるおそれがあり、２００μｍより厚いと粒子状物質ＰＭの通過を妨げるおそれがあるからである。貫通孔２３の詰まりを防止するには、多孔質保護層２２をできるだけ薄く作製するのがよく、好ましくは２．５μｍ〜２０μｍの範囲とする。
【００５４】
セラミックスシートに貫通孔２３を形成する際に、レーザー装置を用いると、貫通孔２３の径や配置を容易に制御できる。また、多孔質保護層２２に貫通孔２３を穿孔する代わりに、予めカーボン等の造孔材を混合した多孔質ペーストまたは多孔質セラミックスを用いて、焼成と同時に貫通孔２３を形成されるようにしてもよい。この場合も、多孔質ペーストまたは多孔質セラミックスの所定位置に、貫通孔２３の径に対応する粒径の造孔材を埋め込むことで、焼成後の貫通孔２３の径や配置を制御可能であり、検出対象となる粒子状物質ＰＭに応じた多孔質保護層２２を容易に実現できる。
【００５５】
図３（ｂ）に示すように、チャンバ２１の高さは、チャンバ２１の底面に形成される測定電極２４、２５の膜厚と検出対象とする粒子状物質ＰＭの粒径（最大値）を考慮して、これらを加算した数値より十分高くなるように設定するのがよい。これは、貫通孔２３を通過した粒子状物質ＰＭが浮遊可能な十分な空間をチャンバ２１内に形成するためで、測定電極２４、２５間に粒子状物質ＰＭを均等に堆積させることができる。チャンバ２１の高さは、チャンバ形成層１２の厚みによって決まるので、測定電極２４、２５の膜厚と粒子状物質ＰＭの粒径から適宜設定するのがよい。
【００５６】
図４に、本発明の第２実施形態におけるセンサ素子部１の構成例を示す。上記図１の第１実施形態では、チャンバ形成層１２の基端側において絶縁基板１１表面に端子２７が露出する構成としたが、チャンバ形成層１２と絶縁基板１１を同一長としてもよい。この場合には、チャンバ形成層１２の基端部（図の右端部）に一対のスルーホール１４を貫設し、導電材１５を充填するとともに、チャンバ形成層１２の上面に一対の端子１６を形成して、出力取り出しを行うようにしてもよい。このように、センサ素子部１の構成は、周囲のスペースや、出力取り出しまたは電源供給のためのワイヤハーネスの配置等に適合するように、適宜変更することができる。
【００５７】
上記各実施形態において、検出部２の一対の測定電極２４、２５は、例えば白金（Ｐｔ）等の貴金属を含む導電性ペーストを、所定のパターンに印刷して形成される。ヒータ部３のヒータ電極３１も、同様にして形成される。ヒータ電極３１用材料は、Ｗ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｕおよびこれらの合金等が挙げられ、耐マイグレーション性に優れた高抵抗材料を用いることが好ましい。櫛歯形状の一対の測定電極２４、２５の電極間隔は、検出対象とする粒子状物質ＰＭのサイズに応じて設定することができ、電極間隔が小さければ、より早期に検出することが可能になる。スクリーン印刷による方法であれば、通常、電極間隔を５０〜２００μｍ程度に設定可能であるが、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法といった薄膜形成技術を利用することで電極間隔を５０μｍ以下とすることもできる。
【００５８】
次に、本発明のＰＭセンサＳの基本作動について説明する。図２（ａ）、（ｂ）において、センサ素子部１は、粒子状物質ＰＭを確実に捕捉するため、検出部２が形成される粒子状物質検出面２０が排気管ＥＸの上流側を向くように配置される。センサ素子部１の端子２７、３６が形成されるＰＭセンサ素子Ｓの基端側は、排気管ＥＸの外部へ取り出され、ワイヤハーネスにより制御装置ＥＣＵへ接続される。この時、被被測定ガスとなるエンジンＥ／Ｇの排出ガスは、ＰＭセンサＳのカバー体４０の上流側の通孔４１から内部に導入され、ＰＭセンサ素子１と接触した後、排出される。
【００５９】
ＰＭセンサＳのカバー体４０内において、ＤＰＦで捕集されずに下流側へすり抜けてきた粒子状物質ＰＭは、ＰＭセンサ素子１の検出部２に到達すると、排気流れによって、多孔質保護層２２の貫通孔２３を通過し、チャンバ２１底面の一対の測定電極２４、２５表面および両電極間の絶縁基板１１表面に付着し、堆積していく。図１（ａ）、（ｂ）のように、検出部２の櫛歯形状の測定電極２４、２５は、所定の間隙を有して形成されているので、初期状態では非導通状態である。粒子状物質ＰＭは導電性の煤粒子を含むために、排出ガスとの接触により粒子状物質ＰＭが徐々に堆積すると、ある時点で両電極間が導通する。そして、ＰＭ堆積量の増加に伴い電極間抵抗は大きく低下する。電極間抵抗は粒子状物質ＰＭの堆積量に依存して変化するので、この関係に基づいて、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ下流の粒子状物質ＰＭを検出し、例えばディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの故障判定に利用することができる。
【００６０】
図５により本発明のＰＭセンサＳの効果を、従来と比較しながら説明する。図５（ｂ）は、従来のセンサ素子部の概略構成を示しており、絶縁層１００の表面に、櫛歯形状の測定電極１０１、１０２が剥き出しの状態で配設されている。このため、排気管ＥＸの内壁面に付着していた粗大ＰＭ粒子や凝縮水が、エンジンＥ／Ｇからの排出ガスの流れによって管壁から剥離し、排出ガスとともにＰＭセンサＳ内に導入されると、測定電極１０１、１０２に粗大ＰＭ粒子や水滴が容易に付着する。測定電極１０１、１０２の間隔は、検出感度を高めるために小さく設定される傾向にあり、粗大ＰＭ粒子や水滴の付着により測定電極１０１、１０２間が導通して誤検出が生じたり、測定値が変動したりするおそれがある。
【００６１】
これに対して、図５（ａ）の本発明のセンサ素子部１では、検出部２の表面が多孔質保護層２２で覆われており、貫通孔２３を通過する粒子状物質ＰＭのみが、チャンバ２１内に到達する。そして、貫通孔２３の大きさは、検出対象となる粒子状物質ＰＭの粒径に対応して設定されているので、これより大きい粗大ＰＭ粒子や水滴は、貫通孔２３を通過せず、排気流れにより排除される。その結果、測定電極２４、２５の間の抵抗値変化を監視することで対象となる粒子状物質ＰＭのみを検出し、高精度な検出を行うことができる。また、熱衝撃によるセンサ素子の割れを抑制することができる。検出後は、ヒータ部３による加熱で、堆積した粒子状物質ＰＭを燃焼除去して、再生させる。
【００６２】
図６（ａ）に、本発明の第３実施形態を示す。本発明では、多孔質保護層２２に形成する貫通孔２３の大きさを部分的に変更し、分級機能をもたせることができる。図示するように、本実施形態の多孔質保護層２２は、図の左半部２２１に形成する貫通孔２３１の大きさを、右半部２２２に形成する貫通孔２３２の大きさよりも小さくして、２段階に設定している。例えば、貫通孔２３１の径を１０μｍ以下、貫通孔２３２の径を５μｍ以下とする。また、この場合、左半部２２１の貫通孔２３１に対応する測定電極２４１、２５１と、右半部２２２の貫通孔２３２に対応する測定電極２４２、２５２を設けて、それぞれ一対の端子部２７１、２７２に接続するとよい。これにより、排出ガス中に含まれる粒子状物質ＰＭの分布を知り、より精度よい検出が可能となる。
【００６３】
図６（ｂ）に本発明の第４実施形態として示すように、多孔質保護層２２に形成する貫通孔２３の大きさを２段階以上に設定し、より細かく分級することもできる。ここでは、多孔質保護層２２を４分割し、図の左方から保護層２２３〜保護層２２６として、それぞれに形成する貫通孔２３３〜２３６の大きさを、図の左方ほど大きく設定する（貫通孔２３３＞貫通孔２３４＞貫通孔２３５＞貫通孔２３６）。この場合も、それぞれ対応する一対の測定電極２４、２５を設置して粒子状物質ＰＭを検出し、その結果を分析することで、図６（ｃ）に示すような粒径分布を知ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
このようにして形成される本発明の粒子状物質検出センサは、内燃機関の排気浄化装置に適用されて、排出される粒子状物質の検出に好適に利用される。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。
【符号の説明】
【００６５】
ＤＰＦ  ディーゼルパティキュレートフィルタ
ＥＸ  排気管（排気通路）
Ｅ／Ｇ  ディーゼルエンジン（内燃機関）
Ｓ  ＰＭセンサ（粒子状物質検出センサ）
１  ＰＭセンサ素子（センサ素子）
１０  絶縁性基体
１１  絶縁基板
１２  チャンバ形成層
１３  絶縁層
２  検出部
２１  チャンバ
２２  多孔質保護層（絶縁保護層）
２３  微小貫通孔
３  ヒータ部
３１  ヒータ電極
３２  絶縁性基板
４０  カバー体
４１０、４１１  通孔
５０  ハウジング
６０  インシュレータ
【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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