JP5582084B2 - 粒子状物質検出センサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

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。

自動車用ディーゼルエンジン等において、燃焼排気に含まれる環境汚染物質、特に煤粒子（Ｓｏｏｔ）及び可溶性有機成分（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燃焼排気を通過させてＰＭを捕捉する。

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の上流及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をＤＰＦ内に導入し、ＰＭを燃焼除去する。

一方、燃焼排気中のＰＭを直接検出可能なセンサが、例えば特許文献１、２等に提案されている。このセンサを、ＤＰＦの下流に設置した場合には、ＤＰＦをすり抜けるＰＭ量を測定し、車載式故障診断装置（ＯＢＤ；Ｏｎ Ｂｏａｒｄ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ）において、ＤＰＦの作動状態の監視、例えば亀裂や破損といった異常の検出に利用することができる。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。

特許文献１には、絶縁性を有する基板の表面に、一対の櫛形電極を形成し、基板の裏面又は内部に発熱体を形成した電気抵抗式のスモークセンサが開示されている。このセンサは、スモーク（微粒炭素）が導電性を有することを利用したもので、検出部となる電極間に、スモークが堆積することで生じる電気抵抗値の変化を検出する。基板材料には、電気絶縁性耐熱材料が用いられ、電極材料となるＰｔ、Ａｇ等の貴金属粉をペースト状にして、平板状基板の表面にスクリーン印刷することにより一対の電極が形成される。基板の裏面側には、電極と相対する部分に発熱体が形成され、検出部を所望の温度（例えば、４００℃〜６００℃）に加熱して、電極間抵抗を測定した後に、付着したスモークを焼き切って検出能力を回復させる。

また特許文献２には、センサ上の煤堆積を制御するためのセンサエレメントが開示されている。
特許文献２にあるような従来のＰＭ検出センサ１ｚの基本構造を図１３（ａ）に示すと、アルミナセラミックス等の絶縁基板１００ｚ上に一定の間隙を設けて対向する一対の櫛形電極ＥＬ_１１ｚ、ＥＬ_１２ｚが形成されており、櫛形電極ＥＬ_１１ｚ、ＥＬ_１２ｚは、リード部１１３ｚ、１２３ｚ、端子部１１４ｚ、１２４ｚ等を介して、例えば車両電源等を利用した電源部２０に接続されている。
電源部２０から印加される電圧に応じて、相互に噛み合う櫛形電極ＥＬ_１１ｚ、ＥＬ_１２ｚ間の空間に不均一な電界が形成され、ＰＭ検出センサ１ｚを通過する燃焼排気中に含まれる煤粒子が、櫛形電極ＥＬ_１１ｚ、ＥＬ_１２ｚに引き寄せられて堆積する。この時の電極間抵抗を、検出部２１にて検出することで煤堆積量を測定することができる。

また、特許文献３には、櫛状の測定電極表面に保護層を形成した構成において、製法として、スクリーン印刷の他、ＣＶＤ、ＰＶＤによる方法により、測定電極間の間隔を小さくできることが記載されている。

従来の電気抵抗式のＰＭ検出センサ１ｚ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ものの、絶縁基板１００ｚ上にＰＭが堆積し、一対の櫛形電極ＥＬ_１１ｚ、ＥＬ_１２ｚ間が導通するまでは、電気抵抗値の変化が検出されない。このため、ＰＭの検出を早期に可能とすることが課題であり、特許文献２では、印加電圧を高めて煤粒子を引き付け易くする制御を行っている。
ところが、電荷を帯びたＰＭは、図１３（ｃ）に示すように、電界の強い検出電極ＥＬ_１１ｚ、ＥＬ_１２ｚの表面に引きつけられるため、その近傍に堆積し易く、検出電極間に露出する絶縁基板１００ｚの表面には堆積し難くなり、プラスに帯電したＰＭはマイナス極側に、マイナスに帯電したＰＭはプラス極側に引きつけられる。このため、ＰＭの堆積分布に偏りを生じ、検出部全面を覆うようにＰＭを均一に堆積させることは容易でない。

加えて、ＯＢＤによる故障診断は、通常、２０μｍ以下の微粒状ＰＭのすり抜けを監視しており、検出電極ＥＬ_１１ｚ、ＥＬ_１２ｚの間隔がより小さければ、早期検出が可能になるが、特許文献１、２等にあるような従来のスクリーン印刷による方法では、櫛形電極ＥＬ_１１ｚ、ＥＬ_１２ｚの電極幅や電極間隔に制約があり、図１３（ｂ）に示すように、膜厚が数μｍから１０μｍ程度、電極間距離が３０〜５０μｍ程度に形成され、一般的なスクリーン印刷では、電極間距離を３０μｍ以下に設定することは困難とされており、更なる不感質量の低減を図ることが困難であった。

また、特許文献３に記載されるように、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法といった薄膜形成技術を利用することも可能であるが、それでも、電極間隔は２０〜４０μｍ程度とされており、ＤＰＦをすり抜けるような微粒状ＰＭを検出するには、十分とはいい切れない。また、薄膜形成のための専用の装置が必要であり、生産コストが高くなる虞もある。
さらに、従来の絶縁基板の表面に一対の櫛形電極をスクリーン印刷等により形成する方法では、焼成時の収縮率の変動や、電極形成時の印刷条件等により、電極幅や電極間隔に±５％程度の個体差を生じるので、被測定ガス中のＰＭ量が同一の条件であっても、ＰＭ検出センサの個体差によって、電極間にＰＭが堆積し、抵抗値の変化が検出されるようになるまでの不感質量や、ＰＭ量の変化に対する出力の変化量にバラツキを生じていた。

しかし、特許文献１〜３等にあるような従来の絶縁性基体の表面に一対の櫛形電極を形成したＰＭ検出センサの構造では、一旦完成したＰＭ検出センサの電極幅や電極間隔を修正することが不可能であるため、このような個体差を少なくし、さらなる検出精度の向上を図ることが困難であった。

そこで本発明は、内燃機関の燃焼排気中の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、検出電極の幅や電極間隔の寸法精度の個体差を少なくし、検出精度を向上させると共に、一対の検出電極の間隔をより小さくして、ＤＰＦからの微粒状ＰＭのすり抜けといった異常を速やかに検出可能な構成とすること、さらには、そのような構成の粒子状物質検出センサを、複雑な生産工程を必要とすることなく、比較的低コストで製造するための方法を提供することを目的とする。

請求項１の発明では、内燃機関の燃焼排気を被測定ガスとし、被測定ガス中に設けられ、平板状の絶縁性基体（１００）と、導電性材料から成る略平膜状の検出電極（ＥＬ_１、ＥＬ_２）とを具備し、上記絶縁性基体を介して、互いに異なる極性を有する少なくとも一対の上記検出電極が一定間隔で平行に並んだ状態となるように対向せしめて、上記絶縁性基体内部に埋設保持しつつ、上記検出電極の端部を上記絶縁性基体の少なくとも一の側端面に引き出した断面を検出面として用いる粒子状物質検出センサ素子と、上記検出電極間に所定の電圧を印加する電源部（２０）と、該電源部からの電圧の印加により上記検出面に露出する上記検出電極端部表面（１１、１２）に堆積する粒子状物質の量に応じて変化する電気的特性を検出する検出器（２１）とを具備し、被測定ガス中の粒子状物質の量を検出する粒子状物質検出センサであって、上記絶縁性基体内部に埋設された上記検出電極の平面部に対して直交する基準面に対して所定の傾斜面形成角度（０＜θ≦４５°）で傾斜する傾斜面を形成し、当該傾斜面を上記検出面とすることで、当該検出面に沿った上記検出電極間の距離（Ｔ_１０）を所定の目標値（Ｔ_{１０ＴＲＧ}）に調整したことを特徴とする粒子状物質検出センサ。

請求項２の発明では、上記検出面に沿った検出電極間の距離が２μｍ以上２０μｍ以下である。

請求項３の発明では、略平板状の絶縁性基体を介して対向する一対の略平膜状の検出電極を具備して、該検出電極の端部を上記絶縁性基体の少なくとも一の側端面に引き出した断面を検出面とし、該検出面に露出する上記一対の検出電極端部表面に堆積する粒子状物質の量に応じて変化する電気的特性によって被測定ガス中の粒子状物質の量を検出する粒子状物質検出センサの製造方法であって、少なくとも、絶縁性耐熱材料を用いて略平板状の絶縁性基体を形成する絶縁性基体成形工程と、該絶縁性基体の表面に、導電性材料を用いて略平膜状の検出電極を形成する検出電極形成工程と、該検出電極を形成した絶縁性基体を積層し、少なくとも、一対の上記検出電極が上記絶縁性基体を介して対向する一体の粒子状物質検出センサ前駆体（１_ＰＲＥ）を形成する前駆体形成工程と、上記検出電極の断面が露出するように上記粒子状物質センサ前駆体の端部に所定の傾斜面形成角度（θ）で傾斜面を形成し、当該傾斜面を上記検出面とし、当該検出面に沿った上記一対の検出電極間の距離（Ｔ_１０）を前記絶縁性基体（１００）の板厚に等しい調整前電極間距離（Ｔ_{１０ＰＲＥ}）の１／ｃｏｓθ倍とすることで、所定の目標値（Ｔ_{１０ＴＲＧ}）に調整する電極間距離調整工程と、を具備することを特徴とする。

請求項４の発明では、上記電極間距離調整工程において、一対の上記検出電極間に配設された上記絶縁性基体の板厚を目標値の７０％〜１００％、即ち、マイナス目の公差に設定すると共に、上記粒子状物質検出センサ前駆体を作製後に、実際の調整前電極間距離（Ｔ_{１０ＰＲＥ}）の計測結果に応じて上記傾斜面形成角度を決定する。

請求項５の発明では、上記絶縁性基体の板厚分布から、幾つかのグループにランク分けして、各ランクに対して上記傾斜面形成角度（θ）を設定する。

請求項６の発明では、上記調整前検出電極間距離となる前記絶縁性基体の板厚（Ｔ _{１０ＰＲＥ} ）が所定の目標値以上である場合には、上記傾斜面形成角度（θ）を０°とし、上記絶縁性基体の板厚が所定の目標値より薄い場合には、上記傾斜面形成角度（θ）を０°より大きく４５°以下とする。

請求項１の発明によれば、上記電源部から上記検出電極間に電圧を印加したときに、上記絶縁性基体内部に埋設された上記検出電極間に発生した電界により、上記検出面において上記検出電極表面のみならず上記絶縁性基体の表面が誘電分極により分極され、上記検出面において、被測定ガス中に含まれる粒子状物質が速やかに、かつ、均一に堆積するため、早期に不感期間を解消することができる。加えて、上記傾斜面形成角度を調整することで上記検出面に沿った上記検出電極間の距離が極めて精度良く目標値に調整されているので被測定ガス中の粒子状物質が堆積して上記検出部によって電気的特性が検出可能になるまでの不感期間を安定化することが可能となり、また、被測定ガス中の粒子状物質の堆積に伴う上記検出部の出力変化を一定にすることが可能となるので、個体差が少なく、信頼性の高い粒子状物質検出センサが実現できる。

請求項２の発明によれば、極めて早期に不感期間が解消されると共に、被測定ガス中に含まれる２０μｍ以下の粒径の粒子状物質の検出が可能となる。

請求項３の発明によれば、上記絶縁性基体の板厚にバラツキがあっても、上記傾斜面を形成することで、上記検出面における電極間距離を極めて精度良く調整することが可能となり、個体差を少なくした信頼性の高い粒子状物質検出センサを製造することができる。

請求項４の発明によれば、上記検出面における電極間距離を極めて目標値に近い値に調整可能となる。

個々の製品毎に上記傾斜面形成角度θの設定値を変えることもできるが、作業効率を低下させる虞もあるが、請求項５の発明によれば、各ランクに対して傾斜面形成角度θを設定することにより、比較的高率良く、しかも極めて高い精度で電極間距離Ｔ _１０ を目標値に近い一定の値に調整することができる。

請求項６の発明によれば、 元々の検出電極間距離の１．０倍から√２倍の範囲で、任意に調整することが可能となり、上記ＰＭ検出センサの製造過程で不可避的に発生する上記検出電極間の距離のバラツキを、極めて小さくし個体差を少なくすることができる。

本発明の第１の実施形態におけるＰＭ検出センサの概要を示し、（ａ）は、傾斜面形成前のＰＭ検出センサの平面図、（ｂ）は、その要部断面図、（ｃ）は、傾斜面形成後のＰＭ検出センサ及び全体構成を示す平面図、（ｄ）は、その要部断面図。 図１のＰＭ検出センサの要部詳細を示し、（ａ）は、傾斜面形成前のＰＭ検出センサの要部拡大断面図、（ｂ）は、傾斜面形成後のＰＭ検出センサの要部拡大断面図。 本発明の効果を示す模式図。 比較例と共に本発明の効果を示し、（ａ）は、比較例１、比較例２、実施例１における既知量のＰＭを含む被測定ガスに対する出力の変化の違いを示す特性図、（ｂ−１）、（ｂ−２）は、比較例２における個体差を示す特性図、（ｃ−１）、（ｃ−２）は、本発明の実施例１における個体差を示す特性図。 本発明の第１の実施形態におけるＰＭ検出センサの製造方法を説明するための展開斜視図。 図５に続く製造方法の概要を示し、（ａ−１）は、傾斜面形成前のＰＭ検出センサ前駆体の斜視図、（ａ−２）は、そのＡ−Ａに沿った断面図、（ｂ−１）は、傾斜面形成後のＰＭ検出センサの斜視図、（ｂ−２）は、そのＡ−Ａに沿った断面図、（ｃ）は、完成したＰＭ検出センサ全体の概要を示す構成図。 本発明の第１の実施形態におけるＰＭ検出センサの変形例を示し、（ａ）は、ＰＭ検出センサ前駆体の展開斜視図、（ｂ）は、発熱体の断面図、（ｃ）は、ＰＭ検出センサ前駆体の斜視図、（ｃ）は、ＰＭ検出センサの斜視図。 本発明の第２の実施形態におけるＰＭ検出センサ前駆体展開平面図 本発明の第２の実施形態における傾斜面形成後のＰＭ検出センサの要部を示し、（ａ）は、正面図、（ｂ）は、側端面図、（ｃ）は、下面図。 本発明の第３の実施形態におけるＰＭ検出センサを示し、（ａ）は、ＰＭ検出センサ前駆体の展開斜視図、（ｂ）は、その側端面図、（ｃ）は、傾斜面形成後のＰＭ検出センサの側端面図、（ｄ）は、その下面図。 本発明の第３実施形態におけるＰＭ検出センサの変形例を示し、（ａ）は、ＰＭ検出センサ前駆体の展開斜視図、（ｂ）は、その側端面図、（ｃ）は、傾斜面形成後のＰＭ検出センサの側端面図、（ｄ）は、その上面図。 本発明の第４の実施形態におけるＰＭ検出センサの概要を示す平面図。 （ａ）は、比較例として示す従来のＰＭ検出センサの構成図、（ｂ）は、検出部の詳細を示す断面図、（ｃ）は、比較例におけるＰＭの捕集状態を示す断面図。

本発明の粒子状物質検出センサ（以下、ＰＭ検出センサと略す。）１は、内燃機関の燃焼排気等を被測定ガスとし、検出電極間に堆積するＰＭ量によって変化する電気的特性として抵抗値を検出することによって、被測定ガス中に含まれる粒子状物質（ＰＭ）の量を検出するものである。
図１、図２を参照して、本発明の第１の実施形態におけるＰＭ検出センサ１の概要について説明する。
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、１μｍ以上２０μｍ以下の一定膜厚でＰｔ等の導電性材料を略平膜状に形成した少なくとも一対の検出電極ＥＬ_１１、ＥＬ_１２を、２μｍ以上２０μｍ以下の一定間隔で平行に並べて略平板状の絶縁性基体１００の内部に埋設保持し、これらの検出電極ＥＬ_１１、ＥＬ_１２の端部表面１１、１２を絶縁性基体１００の側端面１０に引き出した粒子状物質検出センサ前駆体（以下、ＰＭ検出センサ前駆体と略す。）１_ＰＲＥの端面に検出電極ＥＬ_１１、ＥＬ_１２の平面部に直交する基準面に対する角度が０°以上４５°以下の範囲で傾斜する所定の傾斜角度θを有する傾斜面を形成し、検出電極間距離Ｔ_１０を傾斜面の角度により微調整したことを特徴とし、ＰＭ検出センサ１の製造工程中に発生する個体差を少なくして、検出精度の向上を図ると共に、微細な粒径のＰＭを効率よく捕集可能として不感期間の短縮を図ろうとするものである。
検出電極ＥＬ_１１、ＥＬ_１２には、傾斜面の形成角度θが変化しても、検出面に露出する電極端部表面１１、１２の幅Ｗが一定となるように、傾斜面が形成され得る範囲内において、電極の幅Ｗを一定とした検出電極調整領域１１０、１２０が形成してある。

さらに、平行に並んだ複数対の電極ＥＬ_１１、ＥＬ_１２の内、同極性となる電極が並列となるように絶縁性基体１００の内部でスルーホール電極１１２、１２２を介して接続され、互いに異なる極性の電極は絶縁性を維持するように、互いの電極を回避して検出電極調整領域１１０、１２０とスルーホール電極１１２、１２２とを接続する電極取り回し部１１１、１２１が形成されている。
さらに、図１（ｃ）に示すように、スルーホール電極１１２、１２２は、それぞれ検出電極リード部１１３、１２３及び電極端子部１１４、１２４を介して、外部に設けた制御部２に接続されている。
制御部２は、電源部２０と検出部２１とによって構成され、電源部２０は、検出電極ＥＬ_１１、ＥＬ_１２間に電圧を印加し、ＰＭを捕集し易くする。
なお、便宜上、検出電極ＥＬ_１１をプラス極、検出電極ＥＬ_１２をマイナス極としてあるが、どちらをプラス極とし、マイナス極とするかは任意である。
また、電極取り回し部１１１、１２１は、互いに絶縁性を確保しながら、検出電極調整領域１１０、１２０とスルーホール電極１１２、１２２とを接続するものであれば如何なる配線パターンに形成しても良い。

図２（ａ）に示すように、ＰＭ検出センサ前駆体１_ＰＲＥの端面に露出する傾斜形成前検出電極端面１１_ＰＲＥ、１２_ＰＲＥの膜厚がそれぞれ、調整前電極高さＴ_{１１ＰＲＥ}、Ｔ_{１２ＰＲＥ}、傾斜形成前絶縁性基体端面１０_ＰＲＥの板厚が調整前電極間距離Ｔ_{１０ＰＲＥ}であるときに、基準端面に対して、図２（ｂ）に示すように、０°以上４５°以下の傾斜面形成角度θで検出面を切削、研磨等により傾斜面を形成した後の電極端面１１、１２の検出面に沿った方向の膜厚Ｔ_１１、Ｔ_１２、絶縁性基体端面１０に設けた検出面に沿った検出電極間距離Ｔ_１０は、それぞれ、調整前電極高さＴ_{１１ＰＲＥ}、Ｔ_{１２ＰＲＥ}、調整前電極間距離Ｔ_{１０ＰＲＥ}の１／ｃｏｓθ倍、即ち、傾斜面形成角度θを０°以上、４５°以下とすることにより、１．０倍から√２倍の範囲で任意に調整することができる。

例えば、目標とする電極間距離Ｔ_{１０ＴＲＧ}が１０．０μｍであるにも拘わらず、実際に形成された絶縁性基体１００の膜厚、即ち、調整前電極間距離Ｔ_{１０ＰＲＥ}が、９．０μｍであった場合、約１．１１倍にすれば良く、傾斜面形成角度θを約４０．６°として傾斜面を形成して、その傾斜面を検出面とすることにより、検出面に露出し、当該検出面に沿った電極間距離Ｔ_１０を極めて精度良く１０．０μｍに調整することができる。 また、本図（ａ）に示すように、ＰＭ検出センサ前駆体１_ＰＲＥの表面は、収縮率の違いや、熱膨張係数の違い等によって、端面に凹凸ができるが、傾斜面を形成する際に、平滑化されるので、検出面にＰＭが捕集堆積され、検出電極端部表面１１、１２間の導体経路を形成する際に絶縁性基体端部表面１０が立体的な障害となることがない。 また、ＰＭ検出時に、被測定ガスの温度が高い場合等、ＰＭ検出センサ１が加熱環境下にある場合には、絶縁性基体１００よりも熱膨張係数の大きい検出電極ＥＬ_１１、ＥＬ_１２が膨張し、絶縁性基体端部表面１０から、検出電極端部表面１１、１２が外側に向かって突出するので、絶縁性基体端部表面１０が立体的な障害となることがない。 これとは逆に、本発明によらず、検出電極端部表面よりも絶縁性基体端部表面が外側に向かって突出している場合には、絶縁性基体端部表面を乗り越えるようにして検出電極間に導電経路が形成されることになるので、不感期間が長くなってしまう。

上述の如く、電極間距離Ｔ_１０が極めて高い精度で調整されているため、電極間にＰＭが堆積して、抵抗値変化が検出部２によって検出されるようになるまでの不感期間のバラツキが低減される。
また、検出電極ＥＬ_１１、ＥＬ_１２及び絶縁性基体１００の厚み方向の断面が検出面として露出しているので、それぞれの膜厚（Ｔ_{１１ＰＲＥ}、Ｔ_{１２ＰＲＥ}、Ｔ_{１０ＰＲＥ}）を薄くすることにより、不感期間の低減を図ることができる。
絶縁性基体１００をドクターブレード法等によりシート成形し、検出電極ＥＬ_１１、ＥＬ_１２をスクリーン印刷によって厚膜形成し、これらを積層してＰＭ検出センサ前駆体１_ＰＲＥを形成した場合、それぞれの膜厚（Ｔ_{１１ＰＲＥ}、Ｔ_{１２ＰＲＥ}、Ｔ_{１０ＰＲＥ}）は２μｍ〜２０μｍの範囲で任意に調整可能である。

図３を参照して、本発明のＰＭ検出センサ１のＰＭ捕集性向上の効果について説明する。検出電極ＥＬ_１１、ＥＬ_１２の間に電源２０から電圧を印加すると、絶縁性基体１００の外部に露出する検出電極端部表面１１、１２が分極され、反対の電荷を帯びたＰＭが検出電極端部表面１１、１２に捕集される。
このとき、電極端部表面１１、１２のみならず絶縁性基体１００の内部で対向する検出電極ＥＬ_１１、ＥＬ_１２間にも電界が形成されるので、誘電分極により絶縁性基体端部表面１０にもＰＭが電気的に引き寄せられ、検出電極端部表面１１、１２間に均一にＰＭが堆積することになり、早期に不感期間が解消される。

図４を参照して、比較例と共に本発明の精度向上効果について説明する。本図（ａ）は、既知量のＰＭ量に対する出力の変化を示し、比較例１として、図１３に示した従来の絶縁性基体１００ｚ表面に一対の櫛形電極ＥＬ_１１ｚ、ＥＬ_１２Ｚを形成したＰＭ検出センサ１ｚの検出特性を示し、比較例２として、上記実施形態で説明したＰＭ前駆体１_ＰＲＥをそのままの状態で使用した場合の検出特性を示し、実施例１として、本発明のＰＭ検出センサ１を用いた場合の検出特性を示す。
なお、本図に用いた、比較例１の電極間距離は、３０μｍ、比較例２の電極間距離は、９．５μｍ、実施例１の電極間距離は、１０．０μｍである。
実施例１の不感質量Ｑ_ＥＭＢ１が最も少なく、比較例１の不感質量Ｑ_ＲＥＦ１の１／５程度となっており、本発明のＰＭ検出センサ１が早期に不感期間を解消できることが分かる。
比較例２の不感質量Ｑ_ＲＥＦ２は、実施例１の不感質量Ｑ_ＥＭＢ１よりも多い。これは、上述したように、検出面に凹凸が存在し、導電経路を形成する上で立体的な障害となっているためと推察される。

本図（ｂ−１）は、ＰＭ検出センサ前駆体１_ＰＲＥの電極間距離Ｔ_{１０ＰＲＥ}の個体差変動を計測した結果であり、本図（ｂ−２）は、電極間距離を調整していない本発明のＰＭ検出センサ前駆体１_ＰＲＥを複数用いて既知のＰＭ量を検出したときの出力変動を調査したものである。
本図（ｂ−１）に示すように、未調整の状態で、ＰＭ検出センサ前駆体１ＰＲＥの電極間距離Ｔ_{１０ＰＲＥ}は、測定水準数ｎ＝１２５で、平均１０．０μｍ、σ０．１２５であり、全体として、±５％程度のバラツキであった。

本図（ｃ−１）は、本発明のＰＭ検出センサ１の電極間距離Ｔ_１０を調査したものであり、本図（ｃ−２）は、電極間距離を調整した本発明のＰＭ検出センサ１を複数用いて既知のＰＭ量を検出したときの出力変動を調査したものである。
なお、本発明の実施例においては、調整前の電極間距離Ｔ_{１０ＰＲＥ}が、１０．０μｍより短い場合には、一律の傾斜面形成角度θ＝１５°で検出面に研磨を施し、１０．０μｍ以上の場合には、傾斜面形成角度θ＝０°で、検出面に研磨を施した。
電極間距離調整後の電極間距離Ｔ_１０は、測定水準数ｎ＝１２５、平均１０．０４μｍ、σ０．０９１に改善され、全体として、±３．５％程度のバラツキに低減することができた。

また、予め、未調整の電極間距離Ｔ_{１０ＰＲＥ}、即ち、絶縁性基体１００の板厚を目標値の７０％〜１００％、即ち、マイナス目の公差を設定し、ＰＭ検出センサ前駆体１_ＰＲＥを作製後に、実際の電極間距離Ｔ_{１０ＰＲＥ}の計測結果に応じて傾斜面形成角度θを決定することにより、電極間距離Ｔ_１０を極めて目標値に近い値に調整可能となる。
この場合、個々の製品毎に傾斜面形成角度θの設定値を変えることもできるが、作業効率を低下させる虞もあり、絶縁性基体１００の板厚分布から幾つかのグループにランク分けして、各ランクに対して傾斜面形成角度θを設定することにより、比較的高率良く、しかも極めて高い精度で電極間距離Ｔ_１０の値を一定に調整することができる。

例えば、絶縁性基体１００の側端部における板厚の平均値が９．５０μｍで、最小値９．００μｍ、最大値１０．００μｍ、σ０．１２５であった場合に、各ＰＭ検出センサ前駆体１_ＰＲＥを、絶縁性基体１００の端部表面における板厚Ｔ_{１０ＰＲＥ}が９．７〜１０．０μｍのものをＡランク、９．３〜９．７μｍのものをＢランク、９．０〜９．４μｍのものをＣランクとし、Ａランクは傾斜面形成角度θを１７°、Ｂランクは傾斜面形成角度θを２８°、Ｃランクは傾斜面形成角度θを３７°とすることによって、調整後の絶縁性基体１００の端部表面における板厚Ｔ_１０を平均値１０．０３μｍ、最小値９．８２μｍ、最大値１０．１５μｍ、σ０．０７２まで調整することも可能となる。
本図（ｂ−２）、（ｃ−２）に示すように、本発明によれば、電極間距離Ｔ_１０の変動を小さくすることによって、不感質量の変動ΔＱ_ＥＭＢ１をΔＱ_ＲＥＦ２より小さくでき、しかも、既知のＰＭ量に対する出力変動ΔＶ_ＥＭＢ１もΔＶ_ＲＥＦ２より小さくできることが判明した。

図５、図６を参照して、本発明の第１の実施形態におけるＰＭ検出センサ１のより具体的な構成及び、製造方法について説明する。
絶縁性基体１００は、絶縁性基体成形工程として、アルミナ、チタニア、スピネル等の絶縁性耐熱材料をドクターブレード法等の公知の方法により、所定の板厚（例えば、焼成後の厚みとして、１０μｍ）で、平板状に形成し、金型等を用いて、長方形に打ち抜いてある。また、必要に応じて、スルーホール電極１１２、１２２を形成するための貫通孔が適宜打ち抜いてある。
検出電極ＥＬ_１１、ＥＬ_１２は、検出電極形成工程として、白金等の導体ペーストを用いて、それぞれの電極パターンに応じた形状で、スクリーン印刷等の公知の方法により、絶縁性基体１００の表面に印刷形成されている。
このとき、上述の如く、検出電極調整領域１１０、１２０は、端面から一定の範囲が、一定幅となるように形成されており、これに接続して、検出電極取り回し部１１１、１２１が形成されている。
検出電極ＥＬ_１１、ＥＬ_１２を印刷すると同時に、絶縁性基体１００のスルーホール内に導体ペーストが充填され、スルーホール電極１１２、１２２が形成される。
検出電極取り回し部１１１、１２１、スルーホール電極１１２、１２２のそれぞれに接続して、検出電極リード部１１３、１２３、及び、検出電極端子部１１４、１２４が形成されている。
検出電極ＥＬ_１１、ＥＬ_１２が絶縁性基体１０を介して交互に対向するよう積層されている。
さらに、通電により発熱する発熱体を形成すべく、抵抗ペースト及び導体ペースト等を用いて、スクリーン印刷等の公知の方法により、発熱体１３０及び、発熱体リード部１３１、１３２、発熱体端子部１３３、１３４が印刷形成されたヒータ部が形成されている。
発熱体１３０は、検出面が発熱体１３０よりも熱的に低い位置となるように配設してある。

前駆体形成工程として、これらが一体的に積層され、所定の温度で一体的に焼成され、図６（ａ−１）に示すようなＰＭセンサ前駆体１_ＰＲＥが形成される。
なお、本実施形態においては、最上層と最下層となる絶縁性基体１００の長さを短くし、検出電極端子部１１４、１２４及び発熱体端子部１３３、１３４が露出するように形成してあるが、これに限定するものではない。
また、本実施形態においては、検出電極ＥＬ_１１、ＥＬ_１２をそれぞれ３層づつ形成した例を示したが、積層数はこれに限定するものではなく、適宜変更可能である、
図６（ａ−２）に示すように、複数の検出電極ＥＬ_１１、ＥＬ_１２が絶縁性基体１０を介して交互に平行に並んで、絶縁性基体内部に埋設され、絶縁性基体の側端面に検出電極端部表面１１_ＰＲＥ、１２_ＰＲＥが露出した状態となっている。

さらに、焼成後のＰＭ検出センサ前駆体１_ＰＲＥの絶縁性基体１００の厚みに応じて、目標とする検出電極間距離Ｔ１０に一致させるように、傾斜面形成角度θが算出され、検出電極間距離調整工程として、検出面が所定の傾斜面形成角度θで切削、研磨等の方法により形成され、本図（ｂ−１）、（ｂ−２）に示すように、検出面に検出電極端部表面１１、１２が所定の電極間距離Ｔ_１０を隔てて交互に対向することになる。

このようにして、できあがったＰＭ検出センサ１には、制御部２に設けられた電源部２０及び、検出部２１が接続される。
センサ電源部２０１は、検出電極ＥＬ_１１、ＥＬ_１２間に電圧を印加し、検出面に電界を発生され、その周囲に存在する被測定ガス中のＰＭを静電気力によって引き寄せることができる。
検出部２１は、検出電極端部表面１１、１２間に堆積するＰＭ量によって変化する抵抗値を計測し、被測定ガス中に含まれるＰＭ量を検出することができる。
発熱体端子部１３３、１３４は、ヒータ通電線１３５、１３６を介してヒータ制御部２０２に接続され、検出電極端部表面１１、１２間に堆積したＰＭを燃焼除去したり、検出抵抗を安定化するために一定温度に加熱したりするために、必要に応じて通電が行われる。なお、ＰＭ検出センサ１は、図略の保護カバーに覆われた状態でハウジングに保持され、検出電極端部表面１１、１２が被測定ガス流路内に載置される。

図７を参照して、本発明の第１の実施形態における変形例としてＰＭ検出センサ１ａについて説明する。
上記実施形態においては、発熱体１３０を絶縁性基体１００の表面に平面的に印刷形成し、積層した例について説明したが、本実施形態においては、検出電極ＥＬ_１１、ＥＬ_１２を形成した層と同層に発熱体１３０ａを印刷形成し、絶縁性基体１００を貫通するスルーホール内に発熱体１３０ｂ、１３０ｃを形成して、これを積層することにより本図(ｂ)に示すように、立体的に配設した点が相違し、各検出電極ＥＬ_１１、ＥＬ_１２の構成は上記実施形態と同様である。
本実施形態においても、本図（ｃ）、（ｄ）に示すように、傾斜面形成角度θを形成することにより、検出面に露出する検出電極端部表面１１、１２及び絶縁性基体端部表面１１の厚みを調整し、電極間距離Ｔ_１０を精度良く一定にすることができ、上記実施形態と同様の効果が発揮できる。

また、本実施形態において、発熱体１３０ａを毎層に形成した例を示したが、発熱量に応じて発熱体１３０ａの形成を適宜間引いて、スルーホール内の発熱体１３０ｂ、１３０ｃを介して接続するようにしても良い。
さらに、上記実施形態においては、検出電極リード部１１３、１２３、検出電極端子部１１４、１２４を同一層に形成した例を示したが、本図（ａ）に示すように、検出電極の極性に応じて、検出電極リード部１１３、検出電極端子部１１４と、検出電極リード部１２３、検出電極端子部１２４とを別の層に分けて形成しても良い。電源部２０及び検出部２１への配線の都合等により、リード部及び、端子部をどのように配設するかは適宜選択可能である。

図８、図９を参照して、本発明の第２の実施形態におけるＰＭ検出センサ１ｂについて説明する。
上記実施形態においては、絶縁性基体１００内に埋設した一対の検出電極ＥＬ_１１、ＥＬ_１２の端部表面１１、１２を、絶縁性基体１００の一の端部表面１０に引き出した構成について説明したが、本実施形態においては、略直方体に形成した絶縁性基体１００の両側端部表面１０_ｂ１、１０_ｂ３及び底面１０_ｂ２の三方向に検出電極端部表面を引き出した点が相違する。
本実施形態において、図８に示すように、検出電極調整領域１１０ｂ１、１１０ｂ２、１１０ｂ３、１２０ｂ１、１２０ｂ２、１２０ｂ３においては、絶縁性基体１００内に埋設される部分の幅が一定となるように形成されているので、図９に示すように、検出面１、検出面２、検出面３の３方向に傾斜面を形成したときに、露出する検出電極端部表面１１_ｂ１、１１_ｂ２、１１_ｂ３、１２_ｂ１、１２_ｂ２、１２_ｂ３がそれぞれ絶縁性基体１００によって分離された状態となっており、各検出電極端部表面の幅Ｗを一定に保ちながら、電極間距離Ｔ_１０を精度良く調整することができる。
本実施形態においては、上記実施形態と同様の効果に加え、検出面が３方向に存在するので、被測定流路に載置する際の方向性に自由度が生まれ、さらにＰＭ検出センサとしての信頼性が高くなる。

図１０を参照して、本発明の第３の実施形態におけるＰＭ検出センサ１ｃについて説明する。
上記実施形態においては、一の絶縁性基体１００の表面に検出電極ＥＬ_１１、ＥＬ_１２と検出電極リード部１１３、１２３を形成した例を示したが、本実施形態においては、絶縁性基体１００の外周を多角形に形成し、各辺に向かって端部が露出するように検出電極調整領域１１０ｃ_１、１１０ｃ_２、１１０ｃ_３、１１０ｃ_４、１２０ｃ_１、１２０ｃ_２、１２０ｃ_３、１２０ｃ_４を引き出すように検出電極ＥＬ_１１ｃ、ＥＬ_１２ｃを形成し、これらを交互に積層し、さらに、検出電極リード部１１３ｃ、１２３ｃを、絶縁性基体１００を貫通するスルーホール電極によって構成して、検出電極ＥＬ_１１、ＥＬ_１２の平面方向に直交するような方向に引き伸ばして、絶縁性基体１００の最上層の表面に検出電極端子部１１４ｃ、１２４ｃを形成した点が相違する。
さらに、それぞれの検出電極ＥＬ_１１、ＥＬ_１２の同極を接続するスルーホール電極１１２、１２２と、反対極となる検出電極取り回し部１２１ｃ、１１１ｃを貫通する位置では各スルーホール電極１１２、１２２と反対極の検出電極取り回し部１２１ｃ、１１１ｃとの絶縁性を確保すべく空隙が設けてある。

また、本実施形態においては、発熱体１３０ｃを検出電極ＥＬ_１１、ＥＬ_１２に対して基端側となるように配設して、発熱体リード部１３１ｃ、１３３ｃを、絶縁性基体１００を貫通するスルーホール電極によって構成し、発熱体１３０ｃを形成した面に直交する方向に引き伸ばしてある。
加えて、本実施形態においては、傾斜面形成角度θは、ＰＭ検出センサ１ｃの検出面が先端側に向かって先細りとなるような角度で形成されている。
このような構成とすることによって、上記実施形態と同様、電極間隔Ｔ_１０を精度良く調整し、不感質量のバラツキを低減する効果に加え、多角形状に形成した絶縁性基体１００の各辺に検出面を形成することができるので、ＰＭ検出センサ１ｃを被測定ガスの流れに対する方向を特定することなく載置することが可能となる。
また、本実施形態においては、多角形として、絶縁性基体１００を正方形に形成した例を示したが、多角形の形状は、三角形でも、五角形でも、六角形でも、十二角形でも任意の形状に適宜変更可能であり、各辺に向かって検出電極端部１１ｃ_１〜ｎ、１２ｃ_１〜ｎが露出するように検出電極ＥＬ_１１ｃ、ＥＬ_１２ｃを形成できる。

なお、本実施形態において、検出電極リード部１１３ｃ、１２３ｃ及び発熱体リード部１３１ｃ、１３２ｃを絶縁性基体１００ｃに設けたスルーホール内に電極ペーストを充填し、スルーホール電極を形成したものを複数枚積層した例を示したが、検出電極リード部１１３ｃ、１２３ｃ及び発熱体リード部１３１ｃ、１３２ｃをリード線によって構成し、貫通孔を設けた絶縁性基体１００ｃを押出成形により軸方向に延びる多角柱状に形成して、貫通孔にリード線を挿入し、絶縁性基体１００ｃの先端部に検出電極ＥＬ_１１ｃ、ＥＬ_１２ｃを形成し積層した検出層を接続するようにしても良い。

図１１を参照して、本発明の第３の実施形態におけるＰＭ検出センサの変形例１ｄについて説明する。
上記第３の実施形態におけるＰＭ検出センサ１ｃは、発熱体１３０ｃが、検出電極ＥＬ_１１ｃ、ＥＬ_１２ｃを積層した層の基端側に配設された例を示したが、本実施形態においては、発熱体１３０ｄが、検出電極ＥＬ_１１ｃ、ＥＬ_１２ｃを積層した層の先端側に配設された点が相違する。
本実施形態においては、傾斜面形成角度θは、ＰＭ検出センサ１ｄの検出面が基端側に向かって先細りとなるような角度で形成されている。
このような構成とすることによっても、上記第３の実施形態と同様の効果が発揮される。また、本実施形態においては、発熱体１３０ｄが、検出電極ＥＬ_１１ｄ、ＥＬ_１２ｄを交互に積層した層の先端側に形成されているので、発熱体１３０ｄで発生した熱を無駄なく検出電極端部表面１１ｄ、１２ｄ間に堆積したＰＭを燃焼除去できる。

図１２を参照して、本発明の第４の実施形態におけるＰＭ検出センサ１ｅについて説明する。
上記第２、第３の実施形態においては、複数の検出面に露出する検出電極端部表面１１ｂ_１〜３、１１ｃ_１〜４、１１ｄ_１〜４、１２ｂ_１〜３、１２ｃ_１〜４、１２ｄ１〜４が、絶縁性基体１００内部で、一の検出電極取り回し部１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄに接続され、一の検出電極ＥＬ_１１ｄ、ＥＬ_１２ｄを構成するようにした例を示したが、本実施形態のように、第１の検出電極ＥＬ_１１ｅ_１、ＥＬ_１２ｅ_１、第２の検出電極ＥＬ_１１ｅ_２、ＥＬ_１２ｅ_２とをそれぞれ分離独立した状態で形成しても良い。
このように、第１の検出電極ＥＬ_１１ｅ_１、ＥＬ_１２ｅ_１の端部表面１１ｅ_１、１２ｅ_１間に堆積するＰＭ量と、第２の検出電極ＥＬ_１１ｅ_２、ＥＬ_１２ｅ_２の端部表面１１ｅ_２、１２ｅ_２間に堆積するＰＭ量との違いを、それぞれの出力Ｖ_１、Ｖ_２の違いによって検出することも可能となる。

このようにして形成される本発明のＰＭ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。

１ ＰＭ検出センサ
１_ＰＲＥ ＰＭ検出センサ前駆体
１０ 絶縁性基体傾斜端面
１０_ＰＲＥ 傾斜形成前絶縁性基体端面
１１、１２ 検出電極傾斜端面
１１_ＰＲＥ、１２_ＰＲＥ 傾斜形成前電極端面
１１０、１２０ 検出電極調整領域
１１１、１２０ 検出電極取り回し領域
１１２、１２２ 検出電極スルーホール部
１１３、１２３ 検出電極リード部
１１４、１２４ 検出電極端子部
２ 制御部
２０ 電源部
２１ 検出部
θ 検出面形成角度
Ｔ _{１０ＴＲＧ} 目標値
Ｔ_１０ 調整後電極間距離
Ｔ_{１０ＰＲＥ} 調整前電極間距離（絶縁性基体板厚）
Ｔ_１１、Ｔ_１２ 調整後検出電極高さ
Ｔ_{１１ＰＲＥ}、Ｔ_{１２ＰＲＥ} 調整前検出電極高さ

特開昭５９−１９７８４７号公報 特表２００８−５０２８９２号公報 特開２００９−８５９５９号公報

Claims (6)

1. 内燃機関の燃焼排気を被測定ガスとし、被測定ガス中に設けられ、平板状の絶縁性基体（１００）と、導電性材料から成る略平膜状の検出電極（ＥＬ_１、ＥＬ_２）とを具備し、上記絶縁性基体を介して、互いに異なる極性を有する少なくとも一対の上記検出電極が一定間隔で平行に並んだ状態となるように対向せしめて、上記絶縁性基体内部に埋設保持しつつ、上記検出電極の端部を上記絶縁性基体の少なくとも一の側端面に引き出した断面を検出面として用いる粒子状物質検出センサ素子と、
   上記検出電極間に所定の電圧を印加する電源部（２０）と、
   該電源部からの電圧の印加により上記検出面に露出する上記検出電極端部表面（１１、１２）に堆積する粒子状物質の量に応じて変化する電気的特性を検出する検出器（２１）とを具備し、
   被測定ガス中の粒子状物質の量を検出する粒子状物質検出センサであって、
   上記絶縁性基体内部に埋設された上記検出電極の平面部に対して直交する基準面に対して所定の傾斜面形成角度（０＜θ≦４５°）で傾斜する傾斜面を形成し、当該傾斜面を上記検出面とすることで、当該検出面に沿った上記検出電極間の距離（Ｔ_１０）を所定の目標値（Ｔ_{１０ＴＲＧ}）に調整したことを特徴とする粒子状物質検出センサ。
2. 上記検出面に沿った上記検出電極間の距離（Ｔ_１０）が２μｍ以上２０μｍ以下である請求項１に記載の粒子状物質検出センサ。
3. 略平板状の絶縁性基体を介して対向する一対の略平膜状の検出電極を具備して、該検出電極の端部を上記絶縁性基体の少なくとも一の側端面に引き出した断面を検出面とし、該検出面に露出する上記一対の検出電極端部表面に堆積する粒子状物質の量に応じて変化する電気的特性によって被測定ガス中の粒子状物質の量を検出する粒子状物質検出センサの製造方法であって、
   少なくとも、
   絶縁性耐熱材料を用いて略平板状の絶縁性基体を形成する絶縁性基体成形工程と、
   該絶縁性基体の表面に、導電性材料を用いて略平膜状の検出電極を形成する検出電極形成工程と、
   該検出電極を形成した絶縁性基体を積層し、少なくとも、一対の上記検出電極が上記絶縁性基体を介して対向する一体の粒子状物質検出センサ前駆体（１_ＰＲＥ）を形成する前駆体形成工程と、
   上記検出電極の断面が露出するように上記粒子状物質センサ前駆体の端部に所定の傾斜面形成角度（θ）で傾斜面を形成し、当該傾斜面を上記検出面とし、当該検出面に沿った上記一対の検出電極間の距離（Ｔ_１０）を前記絶縁性基体（１００）の板厚に等しい調整前電極間距離（Ｔ_{１０ＰＲＥ}）の１／ｃｏｓθ倍とすることで、所定の目標値（Ｔ_{１０ＴＲＧ}）に調整する電極間距離調整工程と、を具備することを特徴とする粒子状物質検出センサの製造方法。
4. 上記電極間距離調整工程において、一対の上記検出電極間に配設された上記絶縁性基体の板厚を目標値の７０％〜１００％、即ち、マイナス目の公差に設定すると共に、上記粒子状物質検出センサ前駆体を作製後に、実際の上記調整前検出電極間距離（Ｔ_{１０ＰＲＥ}）の計測結果に応じて上記傾斜面形成角度を決定する請求項３に記載の粒子状物質検出センサの製造方法。
5. 絶縁性基体の板厚分布から、幾つかのグループにランク分けして、各ランクに対して上記傾斜面形成角度（θ）を設定する請求項３または４に記載の粒子状物質検出センサの製造方法。
6. 上記調整前検出電極間距離となる上記絶縁性基体の板厚が所定の目標値以上である場合には、上記傾斜面形成角度（θ）を０°とし、上記絶縁性基体の板厚が所定の目標値より薄い場合には、上記傾斜面形成角度（θ）を０°より大きく４５°以下とする請求項３ないし５のいずれかに記載の粒子状物質検出センサの製造方法。

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