JP2012108127A - 粒子状物質センサの自己診断 - Google Patents

Abstract

【課題】粒子状物質センサを提供する。
【解決手段】本発明の粒子状物質センサは、互いに離間された第１及び第２の電極及びこれらの電極間に接続されたバイアス抵抗器を含む。粒子状物質センサにより、センサの、又はセンサへの接続部の、又は配線の開回路故障状態を検出できる。更に、粒子状物質センサを使用した感知システム及び感知システムの故障を診断するための方法が提供される。
【選択図】図２

Description

[0001]本願は、粒子状物質感知システム及び粒子状物質感知システムを診断するための方法及び装置に関する。

[0002]粒子状物質（ＰＭ）センサとしても周知の煤センサが、ディーゼルエンジンを持つ車輛で多く使用されている。粒子状物質センサは、微粒子捕捉フィルタの上流に配置されることができる。この場合、センサは、煤粒子が排気ガス中に同伴された、エンジンからの排気流に露呈される。別の態様では粒子状物質センサは、微粒子捕捉フィルタの下流のガス流中に配置されていてもよい。この場合、センサは、微粒子捕捉フィルタの適正な作動を監視するのに使用される。

[0003]周知の煤監視方法は、互いから離間された二つの電極を持つ粒子状物質センサを使用する。煤がない場合には、電極間の導電性は非常に低い。煤がセンサの表面に溜まるにつれて、煤粒子は、電極間の隙間を橋絡するように作用する。煤粒子が導電性であるため、電極間の導電性が高くなる。この導電性の変化はガス流中の煤の量と関連させることができる。この原理に従って作動するセンサは、米国特許出願公開第２００８／０２８３３９８号として公開された米国特許出願第１１／７４９，２６２号、米国特許出願公開第２００８／０２８２７６９号として公開された米国特許出願第１１／７５０，８８３号、米国特許出願公開第２００９／０１３９０８１号として公開された米国特許出願第１１／９９８，２３８号に開示されている。出典を明示することにより、これらの出願に開示された全ての内容は本明細書の開示の一部とされる。

[0004]政府による規制によれば、粒子状物質センサは、適切に機能していることを確認するため、自己診断機能（即ち車載式診断装置（ＯＢＤ））を持つことが必要とされている。しかしながら、常開回路デバイスで煤が通常存在しない場合には、これは困難である。センサは、回路が適切に機能していること、導電材料が電極に付着した場合にセンサがこれを検出できることを確認できなければならない。上述の従来のセンサでは、「清浄」なセンサ即ち煤が溜まっていないセンサは、電気的に開回路として表示される。同じ開回路表示は、センサが損傷した場合又はワイヤハーネスが外れた場合でも生じる。

米国特許出願公開第２００８／０２８３３９８号 米国特許出願公開第２００８／０２８２７６９号 米国特許出願公開第２００９／０１３９０８１号

[0005]従って、本発明者らは、上文中に説明した欠点が少ない及び／又はこうした欠点をなくした粒子状物質センサを持つ改良感知システムが必要とされているということを認識している。

[0006]本発明の一態様による粒子状物質センサを提供する。粒子状物質センサは、０でない導電性（非無限の抵抗）を持つベースライン条件を提供するため、感知電極間に電気的に接続されたバイアス抵抗器を含む。粒子状物質センサに設けられたバイアス抵抗器により、粒子状物質センサに接続された制御装置は、適切に接続された粒子状物質センサと配線障害又はセンサの損傷による開回路状態との間を識別できる。

[0007]本発明の別の態様による、煤感知システムを診断するための方法を提供する。この方法は、粒子状物質センサの電気的特性を感知する工程、この電気的特性を所定の閾値と比較する工程、及び比較結果に基づいて故障状態を確認する工程を含む。

[0008]図１は、従来技術の粒子状物質感知システムの電気回路図である。 [0009]図２は、本発明の例示の実施例による粒子状物質感知システムの電気回路図である。 [0010]図３は、本発明の別の例示の実施例による粒子状物質感知システムの電気回路図である。 [0011]図４は、本発明の例示の実施例による感知要素の分解斜視図である。 [0012]図５は、本発明の例示の実施例による感知要素の平面図である。 [0013]図６は、本発明の別の例示の実施例による感知要素の平面図である。

[0014]説明を始めるにあたり、本明細書中、「第１」、「第２」等の用語は、何らかの順序、量、又は重要性を示すものではなく、一つの要素を他の要素から区別するために使用されるものであり、冠詞の使用は量を限定しようとするものではなく、言及したものが少なくとも一つ存在するということを示す。量に関して使用される「約」という修飾語句は、言及した数値を含むということを意味し、文脈によって決定された意味を有する（例えば、特定の量の計測と関連した誤差の程度を含む）。「左方」、「右方」、「水平」、「垂直」、「下」、及び「上」等の用語は、本明細書中、特段の記載のない限り、単に説明上の便宜のために使用され、任意の一つの位置又は空間的配向に限定されない。最後に、特段の定義がなされていない限り、本明細書中で使用した技術用語及び科学用語は、本発明が属する技術分野の当業者が一般的に理解するのと同じ意味を持つ。

[0015]図１は、従来技術の粒子状物質感知システムの電気回路図を示す。このシステムは、図示のように、全体として、制御装置部分２０、ワイヤハーネス部分３０、及び感知要素部分４０に分けられるものと考えられる。制御装置部分２０は、これに接続された回路のインピーダンスを計測するための手段を含む。図１の例示の制御装置部分２０では、インピーダンス計測手段は、電圧値Ｖ_{ｓｕｐｐｌｙ}を提供する電圧源２２、抵抗値がＲ_{ｐｕｌｌｕｐ}のプルアップ抵抗器２４、及び電圧計測手段２６を含む。図１に電圧源２２が所与の極性を持つ直流電源として示してあるが、電圧源２２は、本明細書中に説明した本発明の概念から逸脱することなく、交流電源であってもよく、直流電源の極性が図示の極性と逆であってもよく、又は交流成分及び直流成分の両方を提供する電源であってもよいということは理解されよう。制御装置部分２０は、接続手段２７及び２８によってワイヤハーネス部分３０に電気的に接続されている。ワイヤハーネス部分３０は、導体３２及び３４を含む。ワイヤハーネス部分３０は、接続手段３７及び３８によって感知要素部分４０に電気的に接続されている。感知要素部分４０は、導体４６によって接続手段３７に電気的に接続された第１電極４２及び導体４８によって接続手段３８に電気的に接続された第２電極４４を含む。

[0016]第１電極４２は、感知要素上に形成されたとき、第２電極４４から電気的に絶縁されており、そのため、感知要素４０は、粒子状物質がない場合、接続手段３７と接続手段３８との間で計測したとき、電気的に開回路として表示される。粒子状物質がない場合、計測手段２６によって計測された電圧は、本質的に、電圧源２２が提供する電圧Ｖ_{ｓｕｐｐｌｙ}と等しい。

[0017]第１電極４２及び第２電極４４は、好ましくは、間に小さな隙間を置いて互いに組み合った指の形状をなしている。作動では、感知要素に付着し、電極４２、４４間の隙間を橋絡した粒子状物質を検出できる。これは、粒子状物質が、電極４２、４４間の常開の回路を橋絡する抵抗路を形成するためである。電極を橋絡する粒子状物質の抵抗の値がＲ_{ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ}である場合、計測手段２６が計測する電圧は、以下の式１に示す値である。

[0018]第１電極４２と第２電極４４との間に粒子状物質が溜まるに従って、抵抗Ｒ_{ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ}が低下し、計測手段２６のところでの電圧Ｖ_{ｍｅａｓｕｒｅｄ}がＶ_{ｓｕｐｐｌｙ}の最大値から低下する。制御装置部分２０は、これによって、接続手段２７及び２８の前後のインピーダンスを、点２７と２８との間で計測された電圧の関数として決定できる。

[0019]図１に示す従来技術の構成は粒子状物質を効果的に感知できるが、粒子状物質感知システムの診断を行うには適していない。上文中に説明したように、感知要素４０は、設置された感知システムについての通常の状態である、粒子状物質がない場合には、制御装置２０に対して電気的に開回路として表示される。開回路として表示される幾つかの故障状態がある。例えば、接続手段２７、２８、３７、又は３８等の電気コネクタが外れてしまった場合である。ワイヤハーネス部分３０のワイヤ３２、３４が破断する場合がある。感知要素部分４０が損傷し、導体４６又は４８が破断する場合がある。これらの故障状態は、従来技術のシステム１０では、こうした故障状態のうちのいずれも検出することができない。なぜなら、これらの故障状態では、計測手段２６のところで計測された電圧Ｖ_{ｍｅａｓｕｒｅｄ}が供給電圧Ｖ_{ｓｕｐｐｌｙ}と等しくなるからである。これは、粒子状物質がない、適切に接続されており且つ作動している感知要素についての電圧と同じである。

[0020]図２は、本発明の一態様による粒子状物質感知システム１００の電気回路図である。制御装置部分２０及びワイヤハーネス部分３０は、従来技術のシステム１０と本質的に同じである。感知要素部分１４０は、導体１４６によって接続手段３７に電気的に接続された第１電極１４２、及び導体１４８によって接続手段３８に電気的に接続された第２電極１４４を含む。図２の感知要素部分１４０は、導体１４６及び１４８間に電気的に接続された、抵抗値がＲ_ｂｉａｓの追加のバイアス抵抗器１５０を含む。接続手段３７と接続手段３８との間で計測した感知要素の抵抗値Ｒ_{ｓｅｎｓｏｒ}は、Ｒ_ｂｉａｓ及び第１電極１４２と第２電極１４４との間の隙間を橋絡する粒子状物質による抵抗の並列結合である。Ｒ_{ｓｅｎｓｏｒ}は、数学的に以下の式２のように表される。

[0021]感知要素１４０に粒子状物質がない場合には、Ｒ_{ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ}は、Ｒ_ｂｉａｓと比較して非常に大きく、有効センサ抵抗Ｒ_{ｓｅｎｓｏｒ}は、本質的にＲ_ｂｉａｓと等しい。この状態でＲ_{ｓｅｎｓｏｒ}の最大抵抗値が提供される。粒子状物質が溜まり、第１電極１４２と第２電極１４４との間の隙間を橋絡するに従って、有効センサ抵抗Ｒ_{ｓｅｎｓｏｒ}は、その最大値Ｒ_ｂｉａｓから低下する。

[0022]二つの抵抗が並列に接続された回路について、並列結合の有効抵抗は、二つの抵抗のうちの小さい方の抵抗よりも小さいということは理解されよう。二つの抵抗の大きさに大きな相違がある場合には、小さい方の抵抗が並列結合の値を支配する。このため、第１電極１４２と第２電極１４４との間に粒子状物質が溜まることによって生じる抵抗の変化に並列結合が敏感であるように、Ｒ_ｂｉａｓの値を可能な限り高く設定するのが望ましい。粒子状物質の抵抗値が高いため、Ｒ_ｂｉａｓを１００ｋΩよりも大きくしなければならず、１ＭΩよりも高い値が好ましく、約１０ＭΩの値が更に好ましい。

[0023]図２に示す粒子状物質感知システム１００について、計測手段２６によって計測される電圧は、以下の式３に示す通りである。

[0024]粒子状物質がない場合、Ｒ_{ｓｅｎｓｏｒ}の値はその最大値にあり、本質的にＲ_ｂｉａｓに等しい。この状態で、計測手段２６によって計測された電圧は、以下の式４に示す通りである。

[0025]この値は、粒子状物質感知システム１００が適切に接続されており、損傷していない場合の最大電圧を示す。Ｒ_ｂｉａｓが１０ＭΩに等しく、Ｒ_{ｐｕｌｌｕｐ}が１ＭΩに等しい例示の実施例では、感知要素１４０に粒子状物質がない計測手段２６によって計測された電圧は、供給電圧Ｖ_{ｓｕｐｐｌｙ}の約９１％である。電圧がこのレベルよりも低いということは、第１電極１４２と第２電極１４４との間のに粒子状物質が溜まっているということを示す。

[0026]上文中に説明したように、粒子状物質感知システムには、開回路として表示される幾つかの故障状態がある。例えば、接続手段２７、２８、３７、又は３８等の電気コネクタが外れる場合がある。ワイヤハーネス部分３０のワイヤ３２、３４が破断する場合がある。感知要素部分１４０が損傷し、接続手段３７、３８とバイアス抵抗器１５０との間の導体１４６又は１４８が破断する場合がある。これらの故障状態のいずれも、計測手段によって計測された電圧を本質的にＶ_{ｓｕｐｐｌｙ}にしてしまう。これは、システムが適切に接続されている場合の最高電圧（例えば、Ｒ_{ｐｕｌｌｕｐ}が１ＭΩでＲ_ｂｉａｓが１０ＭΩである場合のＶ_{ｓｕｐｐｌｙ}の９１％）よりも高い。適切に接続された損傷していないセンサについて期待される最大電圧を越えたことは、故障状態があるということを示すのに使用できる。図２に示す例示の粒子状物質感知システム１００は、図１の従来技術のシステムよりも診断機能が改良されているということは理解されよう。

[0027]本発明の発明者らは、図２に示すシステムに対し、更なる改良を行うことができることを見出した。例えば、感知要素１４０が損傷し、第１電極１４２で、第２電極１４４で、又は抵抗器１５０の接続部の右側の導体１４６又は１４８の部分でこれらの導体のうちのいずれかに対して開回路が生じた場合、損傷は、計測手段２６で異常電圧の計測として認識されない。

[0028]図３は、図２の実施例を越える特定の利点を提供する変形例の電気回路図である。図３では、制御装置部分２０及びワイヤハーネス部分３０は、図１及び図２と関連して説明したのと実質的に同じである。感知要素部分２４０は、第１電極２４２に電気的に接続された第１導体２４６及び第２電極２４４に電気的に接続された第２導体２４８を含む。感知要素部分２４０は、更に、バイアス抵抗器２５０を含み、このバイアス抵抗器２５０は、第１電極２４２が接続手段３７とバイアス抵抗器２５０の第１端との間に電気的に接続され、第２電極２４４が電気接続手段３９とバイアス抵抗器２５０の第２端との間に電気的に接続されるように配置されている。

[0029]感知要素部分２４０を含む粒子状物質感知システム２００の作動は、上文中に説明した図２の粒子状物質感知システム１００の作動を説明する上で使用したのと同じ説明及び式を使用して理解できる。第１及び第２の電極２４２及び２４４が接続手段３７、３９とバイアス抵抗器２５０との間で電気的に接続されるようにバイアス抵抗器２５０の位置を変えることにより、診断機能を改良できる。上文中に説明したように、図２に示すシステム１００は、バイアス抵抗器１５０と導体１４６及び１４８の接続部の右側の感知要素１４０の部分の損傷を検出することができない。これとは対照的に、図３のバイアス抵抗器２５０の位置により、接続手段２７、２８、３７、又は３８と関連した故障状態並びにワイヤ３２、３４での開回路故障を検出できることに加え、感知要素２４０のどこで開回路故障が起こっても認識できる。

[0030]図４は、本発明の一態様による感知要素１４０の分解斜視図である。感知要素１４０は、電気的絶縁基板１５４を含む。基板１５４は、単一の層として示してあるが、複数の層を互いに積層することによって形成されていてもよい。基板１５４の一方の表面に配置された導電材料は、導体１４６及び１４８及び電極１４２及び１４４を形成するパターンをなしている。バイアス抵抗器１５０を形成する抵抗器材料は、導体１４６及び１４８に接続されるように配置されている。

[0031]粒子状物質センサは、更に、感知要素１４０に設けられた電極１４２、１４４の近傍の温度を上昇するように制御できる加熱手段を含んでいてもよい。温度を十分に上昇することにより、粒子状物質を感知要素１４０の表面から除去し、これによって感知電極１４２、１４４間の領域の抵抗を高い抵抗まで回復し、即ち本質的に開回路状態にする。この開回路状態は、バイアス抵抗器１５０と電気的に並列であることを示し、その結果、接続手段３７と接続手段３８との間で計測した全抵抗がＲ_ｂｉａｓに戻る。図４に示す感知要素１４０は、ヒータ１６０及びヒータリード１６２を、基板の電極１４２、１４４とは反対側の表面に備えている。ヒータ１６０は、ヒータリード１６２を通して電流を供給することによってヒータ１６０に電力が供給されたとき、ヒータ１６０により、電極１４２、１４４の近くから粒子状物質を除去できるように位置決めされる。

[0032]更に、計測が行われるガス流中の研磨粒子に対して露呈される導体１４６、１４８の部分並びに電極１４２、１４４を形成する導電材料を保護するため、保護層１６４が設けられていてもよい。保護層１６４は、粒子状物質が電極１４２及び１４４を橋絡できるように電極１４２及び１４４間の隙間を露呈する開放領域１６６を含む。保護層１６４は、更に、バイアス抵抗器１５０を覆うように延びていてもよい。

[0033]感知要素１４０、２４０を制御装置２０に関して容易に交換できるようにするため、バイアス抵抗器１５０、２５０が所定の周知の抵抗値を持つように、各感知要素１４０、２４０を製造するのが望ましい。これは、バイアス抵抗器を、所望の最終的抵抗値よりも低い所定の抵抗値に合わせて基板に配置した後、レーザートリミング等のアブレーティブトリミング(ablative trimming) 法を使用して抵抗を目標値まで大きくすることによって行われる。周知のトリミング技術が使用される。

[0034]電極を含む感知要素の第１部分が計測がなされるガス流に対して露呈され、感知要素への接続手段３７、３８を含む感知要素の第２部分がガス流に露呈されないようにシールされるように、感知要素用取り付け構成にシール手段を設けるのが望ましい。感知要素１４０、２４０用の適当な取り付け構成は、米国特許出願公開第２００９／０３１４０５６号として公開された米国特許出願第１２／１４３，５０５号に開示された構成である。出典を明示することにより、この出願に開示された全ての内容は本明細書の開示の一部とされる。バイアス抵抗器１５０、２５０を、ガス流から保護されたシール手段の側部に位置決めするのが望ましい。加えて、使用時にバイアス抵抗器１５０、２５０に加わる極端な温度を低下するのが望ましいということは理解されよう。この理由により、抵抗器１５０、２５０は、ヒータ１６０によって加熱される基板１５４の部分から遠方の基板１５４の部分に配置されるのが好ましい。

[0035]図５は、図２及び図４に示す感知要素１４０の導体−抵抗器パターンの平面図である。ヒータ（図示せず）を賦勢し、粒子状物質を電極１４２、１４４の近傍から除去するときにバイアス抵抗器１５０の加熱を最小にするため、並びにバイアス抵抗器１５０をガス流から保護するシール手段の側にバイアス抵抗器１５０を配置するのを容易にするため、バイアス抵抗器１５０は、第１電極１４２及び第２電極１４４から離れた位置に配置される。

[0036]図６は、図３に示す感知要素２４０の導体−抵抗器パターンの平面図である。バイアス抵抗器２５０は、第１電極２４２がバイアス抵抗器２５０と導体２４６との間で電気的に直列であり、第２電極２４４がバイアス抵抗器２５０と導体２４８との間で電気的に直列であるように接続されている。図６に示すパターンにより、感知要素２４０の電極２４２及び２４４を形成する導電材料における開回路状態を含む、粒子状物質感知システム２００のどの場所での開回路故障も検出できる。更に、図６に示すパターンにより、バイアス抵抗器２５０を第１電極２４２及び第２電極２４４から離して配置できる。これにより、電極２４２、２４４の近くから粒子状物質を除去するためにヒータ（図示せず）を賦勢した場合のバイアス抵抗器２５０の加熱を最小にし、並びにバイアス抵抗器２５０をガス流から保護するシール手段の側にバイアス抵抗器２５０を配置するのを容易にすることができる。

[0037]本発明の態様による適切に接続された損傷していない粒子状物質センサが示すインピーダンスは、センサに粒子状物質が付着していない場合には、バイアス抵抗器の抵抗値と等しい最大値を示すということは理解されよう。粒子状物質がセンサに溜まるに従って、インピーダンスがこの最大値から低下する。インピーダンスがバイアス抵抗器の抵抗よりも大きいことが検出された場合、これは、電気コネクタの脱落、ワイヤの断線、又はセンサの損傷等の故障状態を示す。検出された故障状態に応じて、例えばインジケータライトの点灯及び／又はエンジン又は排気システムの作動パラメータの調節等の適切な対処を行うことができる。

[0038]故障状態の診断を容易にする粒子状物質感知システムの実施例を図示し且つ詳細に説明したが、本発明の要旨は、以下の特許請求の範囲のみによって制限されるということは理解されるべきである。

２０ 制御装置部分
２６ 計測手段
２７、２８ 接続手段
３０ ワイヤハーネス部分
３２、３４ ワイヤ
３７、３８ 接続手段
１００ 粒子状物質感知システム
１４０ 感知要素部分
１４２ 第１電極
１４４ 第２電極
１４６ 導体
１４８ 導体
１５０ バイアス抵抗器

Claims (10)

1. ガス流中の粒子状物質を検出するためのセンサにおいて、
   非導電性基板と、
   前記基板の第１面に配置された第１電極と、
   前記基板の第１面に前記第１電極から離間して配置された第２電極と、
   前記基板に配置された、前記第１電極と前記第２電極との間に電気的に接続されたバイアス抵抗器と、
   前記基板の一部を前記ガス流からシールするシール手段とを含み、前記バイアス抵抗器は、前記ガス流からシールされた前記基板の前記一部に配置されている、センサ。
2. 請求項１に記載のセンサにおいて、更に、
   前記基板の第１部分を加熱するように配置されたヒータ手段を含み、前記バイアス抵抗器は、前記基板の第２部分に前記ヒータ手段から離して配置されている、センサ。
3. 請求項１に記載のセンサにおいて、
   前記バイアス抵抗器の抵抗値は、約１００ｋΩよりも大きい、センサ。
4. 請求項３に記載のセンサにおいて、
   前記バイアス抵抗器の抵抗値は、約１ＭΩよりも大きい、センサ。
5. 請求項４に記載のセンサにおいて、
   前記バイアス抵抗器の抵抗値は、約７ＭΩ乃至１０ＭΩである、センサ。
6. 請求項４に記載のセンサにおいて、
   前記バイアス抵抗器の抵抗値は、約１０ＭΩよりも大きい、センサ。
7. 請求項１に記載のセンサにおいて、更に、
   前記第１電極に電気的に接続された第１接続手段及び前記第２電極に電気的に接続された第２接続手段を含み、前記第１及び第２の接続手段は、前記センサの外部のインピーダンス計測手段に接続されるようになっており、前記第１電極は前記第１接続手段と前記バイアス抵抗器との間に電気的に直列に配置されている、センサ。
8. 請求項１に記載のセンサにおいて、
   前記バイアス抵抗器は、抵抗材料の薄膜を前記基板上に付着し、次いでアブレーティブ手段によってトリミングを行い、その抵抗値を所定の目標抵抗値まで増大することによって形成される、センサ。
9. 粒子状物質感知システムにおいて、
   互いから間隔が隔てられた二つの電極及び前記二つの電極間に電気的に接続されたバイアス抵抗器を含む感知要素と、
   前記感知要素の前記二つの電極間のインピーダンスを計測するように形成された、インピーダンス計測手段とを含む、粒子状物質感知システム。
10. 粒子状物質感知システムを診断するための方法において、
    前記システムは、電子式制御装置部分、前記制御装置部分に接続された電気接続手段、及び前記電気接続手段に接続された感知要素を含み、前記感知要素は、互いから間隔が隔てられた二つの電極及びこれらの二つの電極間に電気的に接続されたバイアス抵抗器を含み、前記方法は、
    組み合わせた前記電気的接続手段及び前記感知要素のインピーダンスを決定する工程と、
    組み合わせた前記電気的接続手段及び前記感知要素のインピーダンスが前記バイアス抵抗器の抵抗値よりも高い場合、故障状態を示す工程とを含む、方法。

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