DE112017005165T5

DE112017005165T5 - Feinstaubdetektionssensor und feinstaubdetektionsvorrichtung

Info

Publication number: DE112017005165T5
Application number: DE112017005165.7T
Authority: DE
Inventors: Kazuhiko Koike; Masahiro Yamamoto; Michiyasu Moritsugu; Kensuke Takizawa
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2016-10-12
Filing date: 2017-10-05
Publication date: 2019-07-11
Also published as: CN109844510A; US20200018679A1; JP6601977B2; JP2018165713A

Abstract

Ein Detektionsleitabschnitt (2a) und ein Überwachungsleitabschnitt (2b) aus einem leitenden Material mit einem höheren elektrischen Widerstand als der von PM (8) sind vorgesehen. Eine Ablagerungsoberfläche (20), auf der das PM (8) (der Feinstaub 8) abgelagert wird, ist an dem Detektionsleitabschnitt (2a) vorgesehen. Ein Paar Detektionselektroden (3a) ist an der Ablagerungsoberfläche (20) vorgesehen. Ein Paar Überwachungselektroden (3b) ist an dem Überwachungsleitabschnitt (2b) vorgesehen. Die Konfiguration ist so ausgelegt, dass kein PM (8) auf dem Überwachungsleitabschnitt (2b) zwischen dem Paar Überwachungselektroden (3b) abgelagert wird.

Description

Die vorliegende Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2016-201070 vom 12. Oktober 2016, der japanischen Patentanmeldung Nr. 2017-74706 vom 4. April 2017, der japanischen Patentanmeldung Nr. 2017-80740 vom 14. April 2017 und der japanischen Patentanmeldung Nr. 2017-179388 vom 19. September 2017, deren Inhalte durch Bezugnahme hierin aufgenommen sind.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Feinstaubdetektionssensor und eine Feinstaubdetektionsvorrichtung zum Erfassen einer im Abgas enthaltenen Feinstaubmenge.
Stand der Technik
Bekannte Partikelmaterial- bzw. Feinstaubdetektionssensoren (im Folgenden auch PM-Sensoren genannt) zum Erkennen einer im Abgas enthaltenen Partikelmenge bzw. Feinstaubmenge (Partikelmaterial, im Folgenden auch PM genannt, auch Feinstaub) beinhalten einen PM-Sensor mit einem isolierenden Substrat, das mit einer Ablagerungs(ober)fläche, auf der PM abgelagert wird, und mit einem Paar Detektionselektroden auf der Ablagerungsfläche vorgesehen ist. PM besteht aus Ruß und weist eine elektrische Leitfähigkeit auf. Wenn PM auf der Ablagerungsoberfläche abgelagert wird, ist das Paar der Detektionselektroden folglich durch das PM elektrisch verbunden, und es fließt ein elektrischer Strom. Der PM-Sensor ist konfiguriert, um eine Menge an PM auf der Ablagerungsoberfläche zu erfassen, indem er einen Wert des elektrischen Stroms misst.
Der PM-Sensor hat jedoch ein Problem, bei dem PM nicht nachweisbar ist, wenn die Ablagerungsmenge von PM gering ist. Insbesondere beginnt im PM-Sensor ein elektrischer Strom zu fließen, nachdem eine bestimmte Menge PM auf der Ablagerungsoberfläche abgelagert wurde und zwischen dem Paar Detektionselektroden ein Strompfad durch das PM gebildet wurde. Dementsprechend fließt, wenn die Ablagerungsmenge von PM klein ist und kein Strompfad gebildet wurde, kein elektrischer Strom zwischen dem Paar von Detektionselektroden, so dass kein PM nachgewiesen werden kann (siehe 58).
Um das Problem zu lösen wurde in den letzten Jahren ein PM-Sensor entwickelt, der einen leitenden Abschnitt aus einem leitenden Material mit einem höheren elektrischen Widerstand als PM verwendet (siehe Patentliteratur 1 unten). In diesem PM-Sensor ist auf einer Oberfläche des leitenden Abschnitts eine Ablagerungsoberfläche vorgesehen, auf der PM abgelagert wird, und auf der Ablagerungsoberfläche sind zwei Detektionselektroden vorgesehen. Da der leitende Abschnitt aus dem leitenden Material besteht, auch wenn kein PM auf der Ablagerungsoberfläche abgelagert wird, fließt ein elektrischer Strom durch den leitenden Abschnitt (siehe 7). Wenn außerdem eine kleine Menge PM auf der Ablagerungsoberfläche abgelagert wird (siehe 8), fließt in Bereichen der Ablagerungsoberfläche, in denen kein PM abgelagert wird, ein elektrischer Strom durch den leitenden Abschnitt und in einem Bereich der Ablagerungsoberfläche, in dem das PM abgelagert wird, fließt hauptsächlich ein elektrischer Strom durch das PM, dessen elektrischer Widerstand gering ist. Selbst wenn die Ablagerungsmenge von PM klein ist und kein Strompfad durch das PM zwischen dem Paar von Detektionselektroden gebildet wurde, kann demnach ein elektrischer Strom zwischen den Detektionselektroden fließen. Darüber hinaus wird je nach Ablagerungsmenge von PM der elektrische Widerstand zwischen den Detektionselektroden verändert und damit wird ein Wert des elektrischen Stroms verändert. Daher kann selbst bei einer geringen Menge an PM die Ablagerungsmenge an PM nachgewiesen werden.
Zitierliste
Patentliteratur
[PTL 1] JP 2016-138449 A
Kurzfassung der Erfindung
Der obige PM-Sensor hat ein Problem, bei dem ein Detektionswert der Ablagerungsmenge von PM je nach Temperatur sehr variabel ist. Insbesondere hat der PM-Sensor eine Struktur, in der ein elektrischer Strom durch den leitenden Abschnitt fließt und der elektrische Widerstand des leitenden Abschnitts je nach Temperatur stark verändert wird. Dementsprechend ändert sich auch bei konstanter Ablagerungsmenge von PM bei Temperaturänderung der elektrische Widerstand des leitenden Abschnitts und damit der elektrische Widerstand zwischen dem Paar von Detektionselektroden stark. Dies macht es schwierig, die Ablagerungsmenge von PM genau zu bestimmen.
Die vorliegende Offenbarung soll einen Feinstaubdetektionssensor bereitstellen, der in der Lage ist, eine Ablagerungsmenge von Feinstaub auch dann zu erfassen, wenn die Ablagerungsmenge von Feinstaub klein ist, und eine Änderung des Detektionswertes gemäß einer Temperatur leicht zu verhindern, und eine Feinstaubdetektionsvorrichtung bereitzustellen, die den Feinstaubdetektionssensor beinhaltet.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Feinstaubdetektionssensor zum Erfassen einer im Abgas enthaltenen Feinstaubmenge, wobei der Feinstaubdetektionssensor Folgendes beinhaltet:

einen Feinstaubdetektionsabschnitt; und einen Widerstandsüberwachungsabschnitt, wobei: der Feinstaubdetektionsabschnitt einen Detektionsleitabschnitt und ein Paar Detektionselektroden beinhaltet, der Detektionsleitabschnitt aus einem leitfähigen Material mit einem höheren elektrischen Widerstand als derjenige des Feinstaubs hergestellt ist und er eine Oberfläche aufweist, auf der eine Ablagerungsoberfläche vorgesehen ist, wobei das Feinstaub auf der Ablagerungsoberfläche abgelagert wird, das Paar Detektionselektroden an dem Detektionsleitabschnitt vorgesehen ist und diese auf der Ablagerungsoberfläche gegenüberliegen angeordnet sind, und der Feinstaubdetektionsabschnitt so konfiguriert ist, dass ein elektrischer Widerstand zwischen dem Paar von Detektionselektroden entsprechend der Menge des auf der Ablagerungsfläche abgelagerten Feinstaubs verändert wird, der Widerstandsüberwachungsabschnitt einen Überwachungsleitabschnitt und ein Paar Überwachungselektroden beinhaltet, der Überwachungsleitabschnitt aus dem leitenden Material besteht und an einer Position angrenzend zu dem leitenden Detektionsabschnitt angeordnet ist, das Paar Überwachungselektroden an dem Überwachungsleitabschnitt vorgesehen ist, und der Widerstandsüberwachungsabschnitt so konfiguriert ist, dass kein Feinstaub auf dem Überwachungsleitabschnitt zwischen dem Paar von Überwachungselektroden abgelagert wird.

Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Vorrichtung zur Detektion von Feinstaub, die Folgendes beinhaltet: den Sensor zur Detektion von Feinstaub; und einen Steuerabschnitt, der mit dem Feinstaubdetektionssensor verbunden ist, wobei der Steuerabschnitt einen Hauptmessabschnitt, einen Kompensationsmessabschnitt und einen Ablagerungsmengenberechnungsabschnitt beinhaltet, der Hauptmessabschnitt einen Feinstaubdetektionswiderstand misst, der ein elektrischer Widerstand zwischen dem Paar von Detektionselektroden ist, der Kompensationsmessabschnitt einen Kompensationswiderstand misst, der ein elektrischer Widerstand zwischen dem Paar Überwachungselektroden ist, und der Ablagerungsmengenberechnungsabschnitt eine Änderung des elektrischen Widerstands des Detektionsleitabschnitts zwischen dem Paar Detektionselektroden unter Verwendung eines Messwertes des Kompensationswiderstands kompensiert und eine Menge des auf der Ablagerungsoberfläche abgelagerten Feinstaubs berechnet.
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Feinstaubdetektionsvorrichtung, die Folgendes beinhaltet: einen Feinstaubdetektionssensor zum Erfassen einer Menge an Feinstaub, die im Abgas enthalten sind; und einen Steuerabschnitt, der mit dem Feinstaubdetektionssensor verbunden ist, wobei:

der Feinstaubdetektionssensor einen Detektionsleitabschnitt und ein Paar Detektionselektroden beinhaltet, der Detektionsleitabschnitt aus einem leitfähigen Material mit einem höheren elektrischen Widerstand als derjenige des Feinstaubs hergestellt ist und eine Oberfläche aufweist, auf der eine Ablagerungsfläche vorgesehen ist, wobei der Feinstaub auf der Ablagerungsfläche ablagert wird, das Paar Detektionselektroden auf dem Detektionsleitabschnitt vorgesehen ist und diese über die Ablagerungsfläche gegenüberliegend angeordnet sind, der Feinstaubdetektionssensor so konfiguriert ist, dass ein elektrischer Widerstand zwischen dem Paar Detektionselektroden entsprechend einer Menge an Feinstaub, die auf der Ablagerungsfläche ablagert wird, verändert wird, und
der Steuerabschnitt konfiguriert ist, um eine Temperatur des Detektionsleitabschnitts zu erhöhen und den Feinstaub zu erfassen bzw. zu detektieren, während die Temperatur des Detektionsleitabschnitts so gesteuert wird, dass ein Detektionsleitabschnittswiderstand innerhalb eines vorbestimmten Bereichs in einem Zustand liegt, in dem keine Feinstaub abgelagert wird, wobei der Detektionsleitabschnittswiderstand ein elektrischer Widerstand des Detektionsleitabschnitts zwischen dem Paar von Detektionselektroden ist.

Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Der Feinstaubdetektionssensor gemäß dem ersten Aspekt beinhaltet den mit der Ablagerungsfläche versehenen Detektionsleitabschnitt und das Paar von Detektionselektroden, die sich über die Ablagerungsfläche gegenüberliegen bzw. die über die Ablagerungsfläche gegenüberliegend angeordnet sind. Der Detektionsleitabschnitt besteht aus dem leitfähigen Material mit einem höheren elektrischen Widerstand als der von Feinstaub.
So kann auch dann, wenn sich kein Feinstaub auf der Ablagerungsoberfläche ablagert, ein elektrischer Strom zwischen dem Paar Detektionselektroden fließen. Darüber hinaus fließt bei der Ablagerung einer kleinen Menge von Feinstaub auf der Ablagerungsoberfläche (siehe 8) in Bereichen der Ablagerungsoberfläche, in denen kein Feinstaub abgelagert wird, ein elektrischer Strom durch den Detektionsleitabschnitt und in einem Bereich der Ablagerungsoberfläche, in dem der Feinstaub ablagert wird, ein elektrischer Strom hauptsächlich durch den Feinstaub, dessen elektrischer Widerstand gering ist. Selbst wenn die Ablagerungsmenge des Feinstaubs klein ist und kein Strompfad durch den Feinstaub zwischen den Detektionselektroden gebildet wurde, kann demnach ein elektrischer Strom zwischen den Detektionselektroden fließen. Darüber hinaus wird je nach Ablagerungsmenge des Feinstaubs der elektrische Widerstand zwischen den Detektionselektroden verändert und damit ein Wert des elektrischen Stroms verändert. Daher kann selbst bei einer geringen Menge an Feinstaub die Ablagerungsmenge von Feinstaub nachgewiesen werden.
Darüber hinaus beinhaltet der Feinstaubdetektionssensor den Widerstandsüberwachungsabschnitt. Der Widerstandsüberwachungsabschnitt beinhaltet den Überwachungsleitabschnitt und das Paar Überwachungselektroden, die an dem Überwachungsleitabschnitt vorgesehen sind.
Somit ist es möglich, die Änderung des elektrischen Widerstandes des Detektionsleitabschnitts in Abhängigkeit von der Temperatur zu kompensieren. Dadurch kann die Ablagerungsmenge von Feinstaub genau gemessen werden. Da der Detektionsleitabschnitt an der Position angrenzend zu dem Überwachungsleitabschnitt angeordnet ist, ist die Temperatur des Detektionsleitabschnitts nahezu gleich der Temperatur des Überwachungsleitabschnitts. Da der Widerstandsüberwachungsabschnitt so konfiguriert ist, dass sich kein Feinstaub auf dem Überwachungsleitabschnitt ablagert, wird der elektrische Widerstand des Überwachungsleitabschnitts zwischen den Detektionselektroden kaum durch den Feinstaub beeinflusst. So ist es durch Messen des elektrischen Widerstands des Überwachungsleitabschnitts zwischen den Überwachungselektroden möglich, den elektrischen Widerstand des Detektionsleitabschnitts bei der gleichen Temperatur wie der des Überwachungsleitabschnitts in einem Zustand zu berechnen, in dem keine Feinstaub ablagert wird.
Wie vorstehend beschrieben, weist der Feinstaubdetektionssensor eine Struktur auf, in der ein elektrischer Strom zwischen den Detektionselektroden durch den Detektionsleitabschnitt fließt und der elektrische Widerstand des Detektionsleitabschnitts je nach Temperatur stark verändert wird. Da der elektrische Widerstand des Detektionsleitabschnitts durch Messen des elektrischen Widerstandes zwischen dem Paar von Überwachungselektroden berechnet werden kann, ist es beim vorliegenden Aspekt möglich, die Änderung des elektrischen Widerstandes des Detektionsleitabschnitts entsprechend der Temperatur zu kompensieren. Auf diese Weise kann die Ablagerungsmenge an Feinstaub genau bestimmt werden.
Die Feinstaubdetektionsvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt beinhaltet den Feinstaubdetektionssensor und den mit dem Feinstaubdetektionssensor verbundenen Steuerabschnitt. Der Steuerabschnitt beinhaltet den Hauptmessabschnitt, den Kompensationsmessabschnitt und den Abschnitt zur Berechnung der Ablagerungsmenge.
So kann die Ablagerungsmenge von Feinstaub genau und zuverlässig berechnet werden.
Der Steuerabschnitt gemäß dem dritten Aspekt ist konfiguriert, um die Temperatur des Detektionsleitabschnitts zu erhöhen und der Feinstaub zu erfassen, während die Temperatur des Detektionsleitabschnitts so gesteuert wird, dass der Widerstand des Detektionsleitabschnitts innerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt.
Dementsprechend kann der Feinstaub erkannt werden, nachdem der Detektionsleitabschnittswiderstand einen optimalen Wert erreicht hat. Auf diese Weise kann der Feinstaubmenge genau bestimmt werden.
Wie bereits beschrieben, kann der vorliegende Aspekt einen Feinstaubdetektionssensor bereitstellen, der in der Lage ist, die Ablagerungsmenge von Feinstaub auch dann zu erfassen, wenn die Ablagerungsmenge von Feinstaub klein ist, und der in der Lage ist, leicht eine Änderung des Erkennungswerts gemäß einer Temperatur zu verhindern, und dieser kann eine Feinstaubdetektionsvorrichtung bereitstellen, die den Feinstaubdetektionssensor beinhaltet.
Figurenliste
Das oben genannte Objekt und andere Objekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden durch die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung verdeutlicht.

1 ist eine perspektivische Ansicht eines Feinstaubdetektionssensors gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 ist eine Draufsicht auf den Feinstaubdetektionssensor, betrachtet in Pfeilrichtung II von 3, gemäß der ersten Ausführungsform.
3 ist eine Querschnittsansicht, die entlang III-III von 2 geschnitten ist.
4 ist eine Draufsicht auf den Feinstaubdetektionssensor gemäß der ersten Ausführungsform, von dem Detektionselektroden entfernt werden.
5 ist ein konzeptionelles Diagramm einer Feinstaubdetektionsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform.
6 ist ein konzeptionelles Diagramm des Feinstaubdetektionssensors und einer Detektionsschaltung gemäß der ersten Ausführungsform.
7 ist eine Teilquerschnittsansicht des Feinstaubdetektionssensors gemäß der ersten Ausführungsform in einem Zustand, in dem kein Feinstaub abgelagert ist.
8 ist eine Teilquerschnittsansicht des Feinstaubdetektionssensors gemäß der ersten Ausführungsform in einem Zustand, in dem eine geringe Menge an Feinstaub abgelagert ist.
9 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Ablagerungsmenge von Feinstaub und einem elektrischen Strom zwischen den Detektionselektroden gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
10 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen Temperatur und elektrischen Strömen zwischen den Elektroden zeigt, wenn die Ablagerungsmenge des Feinstaubs konstant ist, gemäß der ersten Ausführungsform.
11 ist ein Diagramm, das einen Zusammenhang zwischen Temperatur und einem korrigierten Wert des elektrischen Stroms zwischen den Detektionselektroden zeigt, wenn die Ablagerungsmenge des Feinstaubs konstant ist, gemäß der ersten Ausführungsform.
12 ist ein Flussdiagramm für einen Steuerabschnitt gemäß der ersten Ausführungsform.
13 ist ein konzeptionelles Diagramm einer Feinstaubdetektionsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
14 ist ein Diagramm, das einen Zusammenhang zwischen Kompensationswiderstand und Temperatur gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt.
15 ist ein Flussdiagramm für einen Temperaturberechnungsabschnitt gemäß der zweiten Ausführungsform.
16 ist ein konzeptionelles Diagramm einer Feinstaubdetektionsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform.
17 ist ein Diagramm, das einen Zusammenhang zwischen dem spezifischen Widerstand der Feinstaub und der Temperatur gemäß der dritten Ausführungsform zeigt.
18 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem korrigierten PM-Strom und der Temperatur gemäß der dritten Ausführungsform darstellt.
19 ist ein Flussdiagramm für den Steuerabschnitt gemäß der dritten Ausführungsform.
20 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Verhältnis eines zwischen Überwachungselektroden fließenden elektrischen Stroms und einem zwischen den Detektionselektroden fließenden elektrischen Strom und einem Abstand zwischen der Detektionselektrode und der Detektionselektrode gemäß einem ersten experimentellen Beispiel darstellt.
21 ist eine perspektivische Ansicht eines Feinstaubdetektionssensors gemäß einer vierten Ausführungsform.
22 ist eine Querschnittsansicht eines Feinstaubdetektionssensors gemäß einer fünften Ausführungsform.
23 ist eine Querschnittsansicht eines Feinstaubdetektionssensors, betrachtet in Pfeilrichtung XXIII von 24, gemäß einer sechsten Ausführungsform.
24 ist eine Querschnittsansicht, die entlang des XXIV-XXIV von 23 geschnitten ist.
25 ist eine perspektivische Ansicht eines Feinstaubdetektionssensors gemäß einer siebten Ausführungsform.
26 ist eine Querschnittsansicht, die entlang XXVI-XXVI von 25 geschnitten ist.
27 ist eine Querschnittsansicht eines Feinstaubdetektionssensors gemäß einer achten Ausführungsform.
28 ist eine Querschnittsansicht eines Feinstaubdetektionssensors gemäß einer neunten Ausführungsform.
29 ist ein Diagramm, das einen Zusammenhang zwischen dem elektrischen Oberflächenwiderstand p und der Temperatur von Sr_1-xLa_xTiO₃ gemäß einer zehnten Ausführungsform zeigt.
30 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Menge an emittiertem PM und dem Sensorausgang für eine Vielzahl von PM-Sensoren zeigt, bei denen die elektrischen Oberflächenwiderstände p eines leitenden Abschnitts gemäß der zehnten Ausführungsform unterschiedlich sind.
31 ist ein Diagramm, das ein Verfahren zum Messen des elektrischen Oberflächenwiderstandes p gemäß der zehnten Ausführungsform veranschaulicht.
32 ist ein Diagramm, das einen Zusammenhang zwischen der Dicke einer Probe und dem elektrischen Widerstand gemäß der zehnten Ausführungsform zeigt.
33 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem spezifischen Widerstand und der Temperatur von SrTiO₃ zeigt, die durch Ändern eines Verfahrens zum Messen des spezifischen Widerstandes gemäß der zehnten Ausführungsform erhalten wird.
34 ist ein Diagramm, das ein Verfahren zum Messen des elektrischen Volumenwiderstands gemäß der zehnten Ausführungsform veranschaulicht.
35 ist eine Draufsicht auf einen Feinstaubdetektionssensor, betrachtet in Pfeilrichtung XXXV von 36, gemäß einer elften Ausführungsform.
36 ist eine Querschnittsansicht, die entlang XXXVI-XXXVI von 35 geschnitten ist.
37 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Ablagerungsmenge von PM und einem elektrischen Strom zeigt, der zwischen den Detektionselektroden vor und nach dem Erwärmen gemäß der elften Ausführungsform fließt.
38 ist ein konzeptionelles Diagramm einer Schaltung, die mit dem Feinstaubdetektionssensor gemäß der elften Ausführungsform verbunden ist.
39 ist ein Diagramm, das einen Zusammenhang zwischen dem elektrischen Widerstand von leitfähigen Materialien, die den Detektionsleitabschnitt bilden, und dem Überwachungsleitabschnitt und der Temperatur gemäß der elften Ausführungsform darstellt.
40 ist ein Flussdiagramm für den Steuerabschnitt gemäß der elften Ausführungsform.
41 ist ein Flussdiagramm für den Steuerabschnitt gemäß einer zwölften Ausführungsform.
42 ist eine Querschnittsansicht eines Feinstaubdetektionssensors gemäß einer dreizehnten Ausführungsform.
43 ist eine Draufsicht auf einen Feinstaubdetektionssensor, betrachtet in Pfeilrichtung XLIII von 44, gemäß einer vierzehnten Ausführungsform.
44 ist eine Querschnittsansicht, die entlang von XLIV-XLIV von 43 geschnitten ist.
45 ist ein konzeptionelles Diagramm einer Schaltung, die mit einer Heizvorrichtung verbunden ist, gemäß der vierzehnten Ausführungsform.
46 ist ein Flussdiagramm für den Steuerabschnitt gemäß der vierzehnten Ausführungsform.
47 ist ein konzeptionelles Diagramm einer Schaltung, die mit dem Feinstaubdetektionssensor verbunden ist, gemäß einer fünfzehnten Ausführungsform.
48 ist ein Flussdiagramm für den Steuerabschnitt gemäß der fünfzehnten Ausführungsform.
49 ist ein Flussdiagramm für den Steuerabschnitt gemäß einer sechzehnten Ausführungsform.
50 ist eine Querschnittsansicht eines Feinstaubdetektionssensors gemäß einer siebzehnten Ausführungsform.
51 zeigt die Ausgangseigenschaften des PM-Sensors, bei dem die Detektionselektroden und der Überwachungsleitabschnitt gemäß der siebzehnten Ausführungsform mit einem Isolationsfilm ohne Gasdurchlässigkeit bedeckt sind.
52 zeigt die Ausgangseigenschaften des Feinstaubdetektionssensors, bei dem die Überwachungselektroden und der Überwachungsleitabschnitt mit einem Isolationsfilm mit Gasdurchlässigkeit gemäß der siebzehnten Ausführungsform bedeckt sind.
53 ist ein konzeptionelles Diagramm, das Änderungen der Temperatur von Abgas, dem Detektionsleitabschnitt und dem Überwachungsleitabschnitt zeigt, wenn der Überwachungsleitabschnitt und dergleichen mit dem Isolationsfilm ohne Gasdurchlässigkeit gemäß der siebzehnten Ausführungsform bedeckt ist.
54 ist ein konzeptionelles Diagramm, das Änderungen der Temperatur von Abgas, dem Detektionsleitabschnitt und dem Überwachungsleitabschnitt zeigt, wenn der Überwachungsleitabschnitt und dergleichen mit dem Isolationsfilm mit Gasdurchlässigkeit gemäß der siebzehnten Ausführungsform bedeckt ist.
55 ist eine Querschnittsansicht des Feinstaubdetektionssensors, in der der Überwachungsleitabschnitt und der Detektionsleitabschnitt gemäß der siebzehnten Ausführungsform laminiert sind.
56 ist eine Querschnittsansicht des Feinstaubdetektionssensors, bei der der Überwachungsleitabschnitt gemäß der siebzehnten Ausführungsform in den Detektionsleitabschnitt integriert ist.
57 ist eine Teilquerschnittsansicht des Feinstaubdetektionssensors in einem Zustand, in dem kein Feinstaub abgelagert ist, gemäß einer ersten vergleichenden Ausführungsform.
58 ist eine Teilquerschnittsansicht des Feinstaubdetektionssensors in einem Zustand, in dem eine geringe Menge an Feinstaub abgelagert ist, gemäß der ersten vergleichenden Ausführungsform.
59 ist eine Teilquerschnittsansicht des Feinstaubdetektionssensors in einem Zustand, in dem gemäß der ersten vergleichenden Ausführungsform ein Strompfad mit dem abgelagerten Feinstaub gebildet wird.
60 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Ablagerungsmenge von Feinstaub und einem elektrischen Strom, der zwischen den Detektionselektroden fließt, gemäß der ersten vergleichenden Ausführungsform darstellt.
61 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Ablagerungsmenge von Feinstaub und einem zwischen den Detektionselektroden fließenden elektrischen Strom gemäß einer zweiten vergleichenden Ausführungsform darstellt.
62 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Ablagerungsmenge von Feinstaub und einem zwischen den Detektionselektroden fließenden elektrischen Strom gemäß einer dritten vergleichenden Ausführungsform darstellt.

Beschreibung der Ausführungsformen
Der Feinstaubdetektionssensor ist als fahrzeuginterner Feinstaubdetektionssensor verwendbar, um eine im Abgas enthaltene Feinstaubmenge in einem Motor eines Fahrzeugs zu erfassen.
Erste Ausführungsform
Eine Ausführungsform des Feinstaubdetektionssensors und der Feinstaubdetektionsvorrichtung wird mit Bezug auf die 1 bis 12 beschrieben. Der Feinstaubdetektionssensor (d.h. PM-Sensor 1) der vorliegenden Ausführungsform wird zum Erfassen einer im Abgas enthaltenen Feinstaubmenge 8 verwendet. Wie in den 1 bis 3 dargestellt, beinhaltet der PM-Sensor 1 einen Feinstaubdetektionsabschnitt 4 und einen Widerstandsüberwachungsabschnitt 5.
Wie in 3 dargestellt, beinhaltet der Feinstaubdetektionsabschnitt 4 einen leitfähigen Detektionsabschnitt 2a und ein Paar Detektionselektroden 3a. Der Detektionsleitabschnitt 2a besteht aus einem leitenden Material mit einem höheren elektrischen Widerstand als das PM 8.
Der elektrische Widerstand des PM 8 kann mit einem der folgenden Pulverwiderstandsmessverfahren gemessen werden. Genauer gesagt wird das Pulver (PM) in einen vorbestimmten zylindrischen Behälter (mit einer Querschnittsfläche A) eingebracht deren Boden- und Oberseite Elektrodenplatten sind, und während von oben Druck auf die Elektrodenplatte der Oberseite ausgeübt wird, um das Pulver (PM) in Längsrichtung zu komprimieren, wird ein Abstand L zwischen den Elektroden und ein Widerstand R zwischen den Elektroden gemessen. Nach diesem Messverfahren wird ein Widerstand p des Pulvers (PM) durch R × (A/L) berechnet. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein zylindrischer Behälter mit einem Querschnitt von 6 mmϕ (Querschnittsfläche: 2.83 × 10^-5 m²) zur Messung des Widerstandswertes R verwendet, während ein Druck von 60 kgf auf den Behälter ausgeübt wird. Nach der Messung liegt der Widerstand von PM spezifisch im Bereich von 10^-3 to 10²Ω·cm. Der erzeugte elektrische Widerstand von PM variiert je nach Betriebszustand des Motors. Wenn beispielsweise PM unter Betriebsbedingungen mit hoher Last und hoher Drehzahl emittiert wird, eine geringe Menge an unverbrannter Kohlenwasserstoffkomponente enthält und hauptsächlich aus Ruß besteht, weist der PM einen elektrischen Widerstand von ca. 10^-3 Ω·cm auf. Wenn PM aus dem Motor abgegeben wird, der unter Bedingungen mit niedriger Drehzahl und niedriger Last betrieben wird, eine große Menge an unverbranntem Kohlenwasserstoff enthält und einen höchsten spezifischen Widerstand aufweist, weist der PM einen elektrischen Widerstand von ca. 10² Q·cm auf. Somit weist der Detektionsleitabschnitt 2a der vorliegenden Ausführungsform vorzugsweise einen elektrischen Widerstand von mindestens 10² Ω·cm oder mehr auf.
Wie in 3 dargestellt, ist auf einer Oberfläche des Detektionsleitabschnitts 2a eine Ablagerungsoberfläche 20 bzw. Ablagerungsfläche 20 vorgesehen, auf der PM abgelagert wird. Das Paar von Detektionselektroden 3a ist auf dem Detektionsleitabschnitt 2a vorgesehen und liegen sich über die Ablagerungsfläche 20 gegenüber. Der Feinstaubdetektionsabschnitt 4 ist so konfiguriert, dass ein elektrischer Widerstand zwischen dem Paar von Detektionselektroden 3a entsprechend der Menge an PM 8, die auf der Ablagerungsoberfläche 20 abgelagert wird, verändert wird.
Der Widerstandsüberwachungsabschnitt 5 ist zum Kompensieren einer temperaturabhängigen Änderung des elektrischen Widerstandes Ra (siehe 6; im Folgenden auch Detektionsleitabschnittswiderstand R_a genannt) des Detektionsleitabschnitts 2a zwischen dem Paar Detektionselektroden 3a vorgesehen. Der Widerstandsüberwachungsabschnitt 5 beinhaltet einen Überwachungsleitabschnitt 2b und ein Paar Überwachungselektroden 3b. Der Überwachungsleitabschnitt 2b besteht aus dem leitenden Material und ist an einer Position angrenzend zu dem Detektionsleitabschnitt 2a angeordnet. Das Paar Überwachungselektroden 3b ist im Überwachungsleitabschnitt 2b vorgesehen. Der Widerstandsüberwachungsabschnitt 5 ist so konfiguriert, dass kein PM 8 auf dem Überwachungsleitabschnitt 2b zwischen dem Paar Überwachungselektroden 3b abgelagert wird.
Wie in 5 dargestellt, ist der PM-Sensor 1 der vorliegenden Ausführungsform ein fahrzeuginterner PM-Sensor zum Erfassen der im Abgas enthaltenen Menge an PM 8 in einem Motor 71 des Fahrzeugs. Ein Abgasrohr 72 ist mit dem Motor 71 verbunden. Das Abgasrohr 72 ist mit einer Reinigungsvorrichtung 73 zur Reinigung des Abgases versehen. Der PM-Sensor 1 ist an einem Abschnitt 720 des Abgasrohrs 72 befestigt, der weiter stromabwärts vom Abgas angeordnet ist als die Reinigungsvorrichtung 73. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Menge an PM 8, die im Abgas enthalten ist, das die Reinigungsvorrichtung 73 passiert hat, unter Verwendung des PM-Sensors 1 gemessen, und die Fehlerdiagnose der Reinigungsvorrichtung 73 wird unter Verwendung eines Messwertes der Menge an PM 8 durchgeführt.
Der PM-Sensor 1 ist an einen Steuerabschnitt 6 angeschlossen. Der Steuerabschnitt 6 und der PM-Sensor 1 bilden eine Feinstaubdetektionsvorrichtung 10 (im Folgenden auch PM-Detektionsvorrichtung 10 genannt). Der Steuerabschnitt 6 besteht aus einer ECU (Engine Control Unit bzw. Maschinensteuereinheit). Der Steuerabschnitt 6 beinhaltet eine CPU 67, ein ROM 68, ein RAM 69, einen I/O 611 und eine Detektionsschaltung 60. Das ROM 68 speichert ein Programm 68p. Wenn die CPU 67 das Programm 68p liest und ausführt, werden damit ein Hauptmessabschnitt 61, ein Kompensationsmessabschnitt 62 und ein Ablagerungsmengenberechnungsabschnitt 63 und dergleichen (wie später beschrieben) implementiert.
Wie in 6 dargestellt, beinhaltet die Detektionsschaltung 60 einen Schalter 608, einen Shuntwiderstand 609, einen Spannungsmessabschnitt 603 und eine Gleichstromversorgung 604. Die Detektionsschaltung 60 ist konfiguriert, um den Schalter 608 zu steuern, um eine Spannung VO der Gleichstromversorgung 604 entweder an das Paar von Detektionselektroden 3a oder das Paar von Überwachungselektroden 3b anzulegen. Ein elektrischer Strom I, der zwischen den Detektionselektroden 3a oder zwischen den Überwachungselektroden 3b geflossen ist, durchläuft den Shuntwiderstand 609. Ein durch den Shuntwiderstand 609 verursachter Spannungsabfall wird durch den Spannungsmessabschnitt 603 gemessen. Somit ist die Detektionsschaltung 60 konfiguriert, um den elektrischen Strom I zu messen und einen elektrischen Widerstand (= V₀/I) zwischen den Elektroden zu berechnen.
Wie vorstehend beschrieben, besteht der Detektionsleitabschnitt 2a aus dem leitenden Material. Dementsprechend kann, wie in 7 dargestellt, der elektrische Strom I auch in einem Zustand, in dem kein PM 8 auf der Ablagerungsfläche 20 abgelagert wird, durch den Detektionsleitabschnitt 2a fließen. Darüber hinaus fließt der elektrische Strom I, wie in 8 dargestellt, bei einer kleinen Menge PM 8 in den Bereichen A1 der Ablagerungsfläche 20, in denen kein PM 8 abgelagert wird, durch den Detektionsleitabschnitt 2a und in einem Bereich A2 der Ablagerungsfläche 20, in dem das PM 8 abgelagert wird, fließt der elektrische Strom I hauptsächlich durch das PM 8, dessen elektrischer Widerstand gering ist. Dementsprechend wird, wie in 9 dargestellt, auch bei kleiner Ablagerungsmenge von PM 8 der elektrische Strom I verändert und damit die Ablagerungsmenge von PM 8 erfasst.
Der Aufbau des PM-Sensors 1 wird im Folgenden näher beschrieben. Wie in 3 dargestellt, ist der Detektionsleitabschnitt 2a mit dem Überwachungsleitabschnitt 2b integriert vorgesehen, um einen einzigen leitenden Plattenabschnitt 29 zu bilden. Der leitende Plattenabschnitt 29 wird von einem Substratabschnitt 11 getragen. Der Überwachungsleitabschnitt 2b ist ein Abschnitt des leitenden Plattenabschnitts 29 auf der dem Substratabschnitt 11 näher liegenden Seite in einer Plattendickenrichtung (im Folgenden auch Z-Richtung genannt) des leitenden Plattenabschnitts 29 angeordnet. Der Detektionsleitabschnitt 2a ist ein Abschnitt des Leitplattenabschnitts 29 auf der dem Überwachungsleitabschnitt 2b gegenüberliegenden Seite angeordnet. Darüber hinaus sind die Überwachungselektroden 3b auf einer Hauptfläche S2 des leitenden Plattenabschnitts 29 in Kontakt mit dem Substratabschnitt 11 angeordnet. Die Ablagerungsfläche 20 ist auf einer Hauptfläche S1 des leitenden Plattenabschnitts 29 gegenüber der Hauptfläche S2 vorgesehen.
Im Substratabschnitt 11 ist eine Heizvorrichtung 111 vorgesehen. Der PM-Sensor 1 ist so konfiguriert, dass, wenn eine große Menge PM 8 auf der Ablagerungsfläche 20 abgelagert wird, die Heizvorrichtung 111 Wärme zum Verbrennen und Entfernen des PM 8 erzeugt.
Wie in den 2 bis 4 dargestellt, ist ein Abstand Wa zwischen dem Paar Detektionselektroden 3a gleich einem Abstand Wb zwischen dem Paar Überwachungselektroden 3b. Weiterhin sind eine Länge La der Elektroden 3a und eine Länge Lb der Elektroden 3b in Längsrichtung (X-Richtung in den 2 bis 4) gleich.
Wie in den 2 und 4 dargestellt, sind die Anschlüsse 31 (d.h. die Detektionsanschlüsse 31a) mit den jeweiligen Detektionselektroden 3a verbunden. Außerdem sind die Anschlüsse 31 (d.h. die Überwachungsanschlüsse 31b) mit den jeweiligen Überwachungselektroden 3b verbunden. Die Anschlüsse 31a und 31b sind mit der Detektionsschaltung 60 verbunden (siehe 6). Die Überwachungsanschlüsse 31b sind zwischen dem Paar der Detektionsanschlüsse 31a angeordnet.
Darüber hinaus ist ein Isolierabschnitt 13 aus einem Isolationsmaterial an einer Stelle angrenzend zu dem Leiterplattenabschnitt 29 angeordnet. Die Detektionselektroden 3a sind über entsprechende Detektionskopplungsabschnitte 32a mit den jeweiligen Detektionsanschlüssen 31a gekoppelt. Die Überwachungselektroden 3b sind über die jeweiligen Detektionskopplungsabschnitte 32b mit den jeweiligen Überwachungsanschlüssen 31b gekoppelt. Die Detektionskopplungsabschnitte 32a sind auf einer Außenfläche des Isolierabschnitts 13 vorgesehen, und die Detektionskopplungsabschnitte 32b sind zwischen dem Isolierabschnitt 13 und dem Substratabschnitt 11 angeordnet. Ein Abstand zwischen den Detektionskopplungsabschnitten 32a ist größer als ein Abstand zwischen den Detektionskopplungsabschnitten 32b. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Isolierabschnitt 13 vorgesehen, um zu verhindern, dass ein elektrischer Strom zwischen den Detektionskopplungsabschnitten 32a und zwischen den Detektionskopplungsabschnitten 32b fließt. Dementsprechend ist in einem Zustand, in dem kein PM 8 auf der Ablagerungsfläche 20 abgelagert wird, der zwischen den Detektionselektroden 3a fließende elektrische Strom I ungefähr gleich dem zwischen den Überwachungselektroden 3b fließenden elektrischen Strom I, und somit ist ein elektrischer Widerstand zwischen den Detektionselektroden 3a ungefähr gleich einem elektrischen Widerstand zwischen den Überwachungselektroden 3b.
Die PM-Detektionsvorrichtung 10 wird im Folgenden beschrieben. Wie in 5 dargestellt, beinhaltet die PM-Detektionsvorrichtung 10 der vorliegenden Ausführungsform den PM-Sensor 1 und den mit dem PM-Sensor 1 verbundenen Steuerabschnitt 6. Der Steuerabschnitt 6 beinhaltet den Hauptmessabschnitt 61, den Kompensationsmessabschnitt 62 und den Ablagerungsmengenberechnungsabschnitt 63. Der Hauptmessabschnitt 61 misst einen Feinstaubdetektionswiderstand Rs (siehe 6), der ein elektrischer Widerstand zwischen dem Paar von Detektionselektroden 3a ist. Der Kompensationsmessabschnitt 62 misst einen Kompensationswiderstand R_b , der ein elektrischer Widerstand zwischen dem Paar Überwachungselektroden 3b ist. Der Ablagerungsmengenberechnungsabschnitt 63 kompensiert eine Änderung des Detektionsleitabschnittswiderstands R_a entsprechend der Temperatur unter Verwendung eines Messwertes des Kompensationswiderstands R_b und berechnet die Menge an PM 8, die auf der Ablagerungsfläche 20 abgelagert wurde.
So kann beispielsweise die Ablagerungsmenge des PM 8 wie folgt berechnet werden. Wie in 6 dargestellt, wird ein Wert des Feinstaubdetektionswiderstands Rs durch den Detektionsleitabschnittswiderstand R_a und durch einen Widerstand R_PM des PM 8 bestimmt. So kann beispielsweise der Feinstaubdetektionswiderstand Rs durch die folgende Gleichung annähernd ausgedrückt werden. $R_{S} = R_{PM} R_{a} / (R_{PM} + R_{a})$
Wie vorstehend beschrieben, ist in der vorliegenden Ausführungsform der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a ungefähr gleich dem Kompensationswiderstand R_b . Dementsprechend kann die obige Gleichung wie folgt transformiert werden. $R_{S} = R_{PM} R_{b} / (R_{PM} + R_{b})$
Da Rs und R_b gemessen werden können, kann der Widerstand R_PM des PM 8 nach der obigen Gleichung berechnet werden. Darüber hinaus kann in einem Fall, in dem ein Zusammenhang zwischen dem Widerstand R_PM und der Ablagerungsmenge von PM 8 vorab gespeichert wird, die Ablagerungsmenge von PM 8 aus dem berechneten Wert dem Widerstand R_PM berechnet werden.
Alternativ kann die Ablagerungsmenge des PM 8 auch wie folgt berechnet werden. 10 ist ein Diagramm, das eine Änderung des elektrischen Stroms Is zwischen den Detektionselektroden 3a und eine Änderung des elektrischen Stroms I_b zwischen den Überwachungselektroden 3b zeigt, wenn die Temperatur in einem Zustand geändert wird, in dem eine fixierte Menge von PM 8 auf der Ablagerungsfläche 20 abgelagert wird. Der Graph zeigt, dass zwischen den Detektionselektroden 3a eine größere Menge an elektrischem Strom fließt als zwischen den Überwachungselektroden 3b. Denn das PM 8 wird auf der Ablagerungsfläche 20 abgelagert und somit fließt der elektrische Strom durch das PM 8 (siehe 8). Die Werte der elektrischen Ströme Is und I_b können durch Verwendung des Feinstaubdetektionswiderstands Rs und des Kompensationswiderstands R_b ermittelt werden. Der elektrische Strom I_S zwischen den Detektionselektroden 3a kann durch Verwendung eines elektrischen Stroms I_a (siehe 6), der durch den Detektionsleitabschnitt 2a fließt, und eines elektrischen Stroms I_PM , der durch das PM 8 fließt, ungefähr wie folgt ausgedrückt werden. $I_{S} = I_{a} + I_{PM}$
Darüber hinaus ist der elektrische Widerstand des Detektionsleitabschnitts 2a ungefähr gleich dem elektrischen Widerstand des Überwachungsleitabschnitts 2b, und somit ist der durch den Detektionsleitabschnitt 2a fließende elektrische Strom Ia ungefähr gleich dem elektrischen Strom Ib, der durch den Überwachungsleitabschnitt 2b fließt. Dementsprechend kann die obige Gleichung wie folgt transformiert werden. $I_{S} = I_{b} + I_{PM}$
Aus dieser Gleichung wird der durch das PM 8 fließende elektrische Strom (im Folgenden auch PM-Strom I_PM genannt) wie folgt ausgedrückt. $I_{PM} = I_{S} - I_{b}$
Der berechnete Wert des PM-Stromes I_PM ist ein Wert, der durch Entfernen des elektrischen Stroms I_a (= I_b ), der durch den leitfähigen Abschnitt 2a fließt, aus dem elektrischen Strom IS zwischen den Detektionselektroden 3a erhalten wird. Dementsprechend wird der PM-Strom I_PM kaum durch eine temperaturabhängige Änderung des elektrischen Widerstandes des Detektionsleitabschnitts 2a beeinflusst. So wird, wie in 11 dargestellt, auch bei Temperaturänderungen der PM-Strom I_PM kaum verändert. In einem Fall, in dem eine Beziehung zwischen einem Wert des PM-Strom I_PM und der Ablagerungsmenge von PM 8 vorab gespeichert wird, kann die Ablagerungsmenge von PM 8 berechnet werden.
Wie in 11 dargestellt, wird auch bei konstanter Ablagerungsmenge von PM 8 bei Temperaturerhöhung der PM-Strom I_PM teilweise erhöht. Denn bei einer Temperaturerhöhung wird der elektrische Widerstand des PM 8 selbst reduziert. Eine Änderungsrate des elektrischen Widerstands R_PM des PM 8 entsprechend der Temperatur ist jedoch relativ klein, so dass selbst bei Verwendung des PM-Stroms I_PM die Ablagerungsmenge des PM 8 mit relativ hoher Genauigkeit berechnet werden kann.
Ein Flussdiagramm für den Steuerabschnitt 6 wird im Folgenden mit Bezug auf 12 beschrieben. Wenn die Ablagerungsmenge von PM 8 berechnet wird, bewirkt der Steuerabschnitt 6 zunächst, dass die Heizvorrichtung 111 Wärme erzeugt, um die auf der Ablagerungsfläche 20 abgelagerte PM 8 zu verbrennen. Dadurch wird der PM-Sensor 1 aktiviert (Schritt S1). Anschließend wird der PM-Sensor 1 in einem vorgegebenen Zeitraum abgekühlt (Schritt S2).
Anschließend wird der elektrische Widerstand (d.h. der Feinstaubdetektionswiderstand RS) zwischen dem Paar von Detektionselektroden 3a gemessen (Schritt S3). Anschließend wird der elektrische Widerstand (d.h. der Kompensationswiderstand Rb) der Überwachungselektroden 3b gemessen (Schritt S4). Anschließend wird die Ablagerungsmenge von PM 8 aus den Messwerten der Widerstände RS und Rb berechnet (Schritt S5).
Nach Schritt S5 fährt die Steuerung mit Schritt S6 fort. In diesem Schritt wird bestimmt, ob die Ablagerungsmenge von PM 8 einen vorgegebenen Wert erreicht hat. In diesem Schritt kehrt die Steuerung bei einer negativen Bestimmung (Nein) zu Schritt S3 zurück. Wird eine positive Bestimmung (Ja) vorgenommen, endet das Verfahren. Anschließend wird bestimmt, ob die Reinigungsvorrichtung 73 (siehe 5) ausgefallen ist. Die Bestimmung erfolgt auf der Grundlage der Zeit t, die benötigt wird, bis die Ablagerungsmenge von PM 8 den vorgegebenen Wert erreicht. Insbesondere, wenn die Zeit t kürzer als ein vorgegebener oberer Grenzwert ist, wird bestimmt, dass die Reinigungsvorrichtung 73 ausgefallen ist. Ist die Zeit t länger als der obere Grenzwert, wird bestimmt, dass die Reinigungsvorrichtung 73 nicht ausgefallen ist.
Die Effekte der vorliegenden Ausführungsform werden im Folgenden beschrieben. Wie in den 1 und 3 dargestellt, beinhaltet der PM-Sensor 1 der vorliegenden Ausführungsform den mit der Ablagerungsfläche 20 versehenen Detektionsleitabschnitt 2a und das Paar von Detektionselektroden 3a, die einander über die Ablagerungsfläche 20 gegenüberliegend angeordnet sind. Der Detektionsleitabschnitt 2a besteht aus dem leitenden Material mit einem höheren elektrischen Widerstand als derjenige von PM.
So kann, wie in 7 dargestellt, auch wenn sich kein PM auf der Ablagerungsfläche 20 ablagert bzw. abscheidet, der elektrische Strom I zwischen dem Paar Detektionselektroden 3a fließen. Darüber hinaus fließt der elektrische Strom I, wie in 8 dargestellt, wenn eine geringe Menge PM 8 auf der Ablagerungsoberfläche 20, in den Bereichen A1 der Ablagerungsoberfläche 20, in denen kein PM 8 abgelagert wird, durch den Detektionsleitabschnitt 2a und in dem Bereich A2 der Ablagerungsoberfläche 20, in dem das PM 8 abgelagert wird, der elektrische Strom I hauptsächlich durch das PM 8, dessen elektrischer Widerstand gering ist. Dementsprechend kann auch bei kleiner Ablagerungsmenge des PM 8 und fehlender Strombildung durch das PM 8 zwischen den Detektionselektroden 3a ein elektrischer Strom zwischen den Detektionselektroden 3a fließen. Weiterhin wird entsprechend der Ablagerungsmenge von PM 8 der elektrische Widerstand RS zwischen den Detektionselektroden 3a verändert und damit ein Wert des elektrischen Stroms IS verändert. Somit kann bereits bei geringer Ablagerungsmenge von PM 8 die Ablagerungsmenge von PM 8 nachgewiesen werden.
Wenn anstelle des aus dem leitenden Material bestehenden Detektionsleitabschnitts 2a, wie in den 57 und 58 dargestellt, eine Isolationsplatte 9 aus einem Isolationsmaterial verwendet wird, um eine Ablagerungsfläche 90 für das PM 8 auf einer Oberfläche der Isolationsplatte 9 zu bilden, kann das PM 8 nicht erkannt werden, wenn die Ablagerungsmenge des PM 8 klein ist. Da die Isolationsplatte 9 aus dem Isolationsmaterial besteht, fließt bei kleiner Ablagerungsmenge von PM 8 kein elektrischer Strom zwischen dem Paar Detektionselektroden 3a. Wie in 59 dargestellt, beginnt der elektrische Strom I zwischen den Detektionselektroden 3a zu fließen, nachdem eine bestimmte Menge PM 8 auf der Ablagerungsfläche 90 abgelagert und von dem PM 8 zwischen den Detektionselektroden 3a ein Strompfad gebildet wurde. Wie in 60 dargestellt, kann das PM 8 daher bei kleiner Ablagerungsmenge des PM 8 nicht erkannt werden. Andererseits kann der elektrische Strom I, wie in der vorliegenden Ausführungsform, unter Verwendung des aus dem leitenden Material bestehenden Detektionsleitabschnitts 2a, wie in den 8 und 9 dargestellt, auch dann zwischen den Detektionselektroden 3a fließen, wenn die Ablagerungsmenge von PM 8 klein ist und kein Strompfad durch das PM 8 gebildet wurde. Darüber hinaus kann der elektrische Strom I entsprechend der Ablagerungsmenge des PM 8 verändert werden. Selbst wenn die Ablagerungsmenge von PM 8 klein ist, kann daher die Ablagerungsmenge von PM 8 nachgewiesen werden.
Darüber hinaus beinhaltet der PM-Sensor 1 der vorliegenden Ausführungsform, wie in 3 dargestellt, den Widerstandsüberwachungsabschnitt 5. Der Widerstandsüberwachungsabschnitt 5 beinhaltet den Überwachungsleitabschnitt 2b und das Paar Überwachungselektroden 3b, die in dem Überwachungsleitabschnitt 2b vorgesehen sind.
Dementsprechend ist es möglich, die Änderung des elektrischen Widerstands des Detektionsleitabschnitts 2a temperaturabhängig zu kompensieren. Dadurch kann die Ablagerungsmenge von PM genau gemessen werden. Da der Detektionsleitabschnitt 2a an der Position angrenzend zu dem Überwachungsleitabschnitt 2b angeordnet ist, ist die Temperatur des Detektionsleitabschnitts 2a nahezu gleich der Temperatur des Überwachungsleitabschnitts 2b. Da der Widerstandsüberwachungsabschnitt 5 so konfiguriert ist, dass kein PM auf dem Überwachungsleitabschnitt 2b abgelagert wird, wird der elektrische Widerstand (d.h. der Kompensationswiderstand Rb) des Überwachungsleitabschnitts 2b zwischen den Überwachungselektroden 3b kaum durch das PM 8 beeinflusst. So ist es durch Messen des Kompensationswiderstands Rb möglich, den elektrischen Widerstand Ra des Detektionsleitabschnitts 2a bei der gleichen Temperatur wie der des Überwachungsleitabschnitts 2b zu berechnen.
Wie vorstehend beschrieben, weist der PM-Sensor 1 eine Struktur auf, in der der elektrische Strom I zwischen den Detektionselektroden 3a durch den Detektionsleitabschnitt 2a fließt und der elektrische Widerstand Ra des Detektionsleitabschnitts 2a je nach Temperatur stark verändert wird. Da der elektrische Widerstand Ra des Detektionsleitabschnitts 2a durch Messung des Kompensationswiderstands Rb erhalten werden kann, ist es in der vorliegenden Ausführungsform möglich, die Änderung des elektrischen Widerstands Ra in Abhängigkeit von der Temperatur zu kompensieren. Somit kann die Ablagerungsmenge von PM 8 genau bestimmt werden.
Darüber hinaus beinhaltet die PM-Detektionsvorrichtung 10 der vorliegenden Ausführungsform, wie in 5 dargestellt, den PM-Sensor 1 und den mit dem PM-Sensor 1 verbundenen Steuerabschnitt 6. Der Steuerabschnitt 6 beinhaltet den Hauptmessabschnitt 61, den Kompensationsmessabschnitt 62 und den Ablagerungsmengenberechnungsabschnitt 63.
So kann die Ablagerungsmenge des PM 8 genau und zuverlässig berechnet werden.
Darüber hinaus ist, wie in 3 dargestellt, in der vorliegenden Ausführungsform der Detektionsleitabschnitt 2a mit dem Überwachungsleitabschnitt 2b integriert, um den einzelnen leitenden Plattenabschnitt 29 zu bilden.
Dementsprechend kann im Vergleich zu einem Fall, in dem der Detektionsleitabschnitt 2a und der Überwachungsleitabschnitt 2b getrennt ausgebildet sind, die Anzahl der Komponenten reduziert werden, wodurch die Herstellungskosten des PM-Sensors 1 reduziert werden können.
Darüber hinaus steht in der vorliegenden Ausführungsform die Hauptfläche S2 des leitenden Plattenabschnitts 29, in dem die Überwachungselektroden 3b vorgesehen sind, mit dem Substratabschnitt 11 in Kontakt.
Somit kann der Substratabschnitt 11 verhindern, dass das PM 8 zwischen den Detektionselektroden 3b (an)haftet.
Darüber hinaus ist, wie in 3 dargestellt, in der vorliegenden Ausführungsform die Heizvorrichtung 111 zum Verbrennen der auf der Ablagerungsfläche 20 abgelagerten PM 8 im Substratabschnitt 11 vorgesehen.
Dadurch kann die Leistungsaufnahme der Heizvorrichtung 111 reduziert werden. Insbesondere ist es möglich, die Heizvorrichtung 111 innerhalb des leitenden Plattenabschnitts 29 bereitzustellen, ohne den Substratabschnitt 11 bereitzustellen (siehe 28). In diesem Fall muss jedoch der leitende Plattenabschnitt 29 selbst die Steifigkeit/Festigkeit des gesamten PM-Sensors 1 gewährleisten, und somit muss der leitende Plattenabschnitt 29 eine ausreichend große Dicke aufweisen. Darüber hinaus wird das leitende Material, das den leitenden Plattenabschnitt 29 bildet, ausgewählt, indem einem guten Widerstands- und Temperaturverhalten Vorrang eingeräumt wird. Dementsprechend kann ein Material mit guter Wärmeleitfähigkeit nicht unbedingt verwendet werden. Dies erschwert das Erwärmen der Ablagerungsfläche 20 durch die Heizvorrichtung 111, so dass die Leistungsaufnahme der Heizvorrichtung 111 eher erhöht wird. Andererseits kann, wie in 3 veranschaulicht, wie auch in der vorliegenden Ausführungsform, bei Bereitstellung des Substratabschnitts 11 der Substratabschnitt 11 die Steifigkeit gewährleisten, so dass der leitende Plattenabschnitt 29 eine geringe Dicke aufweisen kann. Darüber hinaus kann als Material, das den Substratabschnitt 11 bildet, ein Material mit guter Wärmeleitfähigkeit gewählt werden, was das Erwärmen der Ablagerungsfläche 20 durch die Heizvorrichtung 111 im Substratabschnitt 11 erleichtert. Dadurch kann die Leistungsaufnahme der Heizvorrichtung 111 reduziert werden.
Darüber hinaus ist, wie in 3 dargestellt, in der vorliegenden Ausführungsform der Abstand W_a zwischen dem Paar Detektionselektroden 3a gleich dem Abstand W_b zwischen dem Paar Überwachungselektroden 3b.
Somit kann der elektrische Widerstand R_a des Detektionsleitabschnitts 2a zwischen den Detektionselektroden 3a gleich dem elektrischen Widerstand (d.h. dem Kompensationswiderstand R_b ) des Überwachungsleitabschnitts 2b zwischen den Detektionselektroden 3b sein. Dies ermöglicht die Berechnung der Ablagerungsmenge von PM 8 durch den Abschnitt 63 der Ablagerungsmengenberechnung.
Wie bereits beschrieben, kann die vorliegende Ausführungsform einen Feinstaubdetektionssensor bereitstellen, der in der Lage ist, eine Ablagerungsmenge von Feinstaub auch dann zu erfassen, wenn die Ablagerungsmenge von Feinstaub klein ist, und der leicht eine Änderung des Detektionswertes entsprechend einer Temperatur verhindern kann, und diese kann eine Feinstaubdetektionsvorrichtung bereitstellen, die den Feinstaubdetektionssensor beinhaltet.
In den folgenden Ausführungsformen weisen Bezugszeichen in den Zeichnungen, wie sie auch in der ersten Ausführungsform verwendet werden, auf Komponenten oder dergleichen hin, die denen in der ersten Ausführungsform ähnlich sind, sofern dies nicht ausdrücklich anders angegeben ist.
Zweite Ausführungsform
Die vorliegende Ausführungsform ist ein Beispiel, in dem die Konfiguration des Steuerabschnitts 6 modifiziert ist. Wie in 13 dargestellt, beinhaltet der Steuerabschnitt 6 der vorliegenden Ausführungsform wie bei der ersten Ausführungsform den Hauptmessabschnitt 61, den Kompensationsmessabschnitt 62 und den Ablagerungsmengenberechnungsabschnitt 63. Darüber hinaus beinhaltet der Steuerabschnitt 6 einen Temperaturberechnungsabschnitt 64.
Der Temperaturberechnungsabschnitt 64 berechnet die Temperatur des Detektionsleitabschnitts 2a unter Verwendung eines Messwertes des Kompensationswiderstandes R_b . Wie in 14 dargestellt, steht der Kompensationswiderstand R_b in einem bestimmten Zusammenhang mit der Temperatur. Der Steuerabschnitt 6 speichert diese Beziehung. Die Beziehung wird verwendet, um aus einem Messwert des Kompensationswiderstandes R_b eine Temperatur Tx zu berechnen. So kann beispielsweise anhand des berechneten Wertes der Temperatur Tx bestimmt werden, ob, wenn die Heizvorrichtung 111 Wärme erzeugt hat, der Detektionsleitabschnitt 2a ausreichend erwärmt und das PM 8 verbrannt wurde.
15 zeigt ein Flussdiagramm für den Temperaturberechnungsabschnitt 64. Wie in 15 dargestellt, legt der Temperaturberechnungsabschnitt 64 zunächst eine Spannung zwischen den Überwachungselektroden 3b an und misst den Kompensationswiderstand Rb (Schritt S11). Anschließend berechnet der Temperaturberechnungsabschnitt 64 die Temperatur TX unter Verwendung einer Speicherabbildung des Kompensationswiderstandes Rb und der Temperatur (Schritt S12).
Die Effekte der vorliegenden Ausführungsform werden beschrieben. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann die Temperatur des Detektionsleitabschnitts 2a durch Verwendung des Widerstandswächterabschnitts 5 erhalten werden. Dementsprechend ist kein eigener Temperatursensor erforderlich, so dass die Herstellungskosten des PM-Sensors 1 reduziert werden können.
Ansonsten weist die zweite Ausführungsform eine ähnliche Konfiguration und Wirkung auf wie die erste Ausführungsform.
Dritte Ausführungsform
Die vorliegende Ausführungsform ist ein Beispiel, in dem die Konfiguration des Steuerabschnitts 6 modifiziert ist. Wie in 16 dargestellt, beinhaltet der Steuerabschnitt 6 der vorliegenden Ausführungsform, wie bei der zweiten Ausführungsform, den Hauptmessabschnitt 61, den Kompensationsmessabschnitt 62, den Ablagerungsmengenberechnungsabschnitt 63 und den Temperaturberechnungsabschnitt 64. Darüber hinaus beinhaltet der Steuerabschnitt 6 weiterhin einen Ablagerungsmengenkorrekturabschnitt 65. Der Ablagerungsmengenkorrekturabschnitt 65 korrigiert eine Änderung des spezifischen Widerstandes des PM 8 entsprechend der Temperatur unter Verwendung eines aus dem Temperaturberechnungsabschnitt 64 berechneten Wertes der Temperatur TX. Somit korrigiert der Ablagerungsmengenkorrekturabschnitt 65 die Ablagerungsmenge von PM 8, die durch den Ablagerungsmengenberechnungsabschnitt 63 berechnet wurde.
So kann beispielsweise die Korrektur der Ablagerungsmenge wie folgt durchgeführt werden. Wie in 17 dargestellt, steht der Widerstand des PM 8 in einem bestimmten Zusammenhang mit der Temperatur. Die Beziehung wird im Steuerabschnitt 6 vorab gespeichert. Anschließend wird die Beziehung verwendet, um einen spezifischen Widerstand r_x des PM 8 bei der gemessenen Temperatur Tx zu erhalten. Darüber hinaus wird ein Verhältnis r"/r" eines (spezifischen) Widerstandes r" des PM 8 bei einer normalen Temperatur To und des (spezifischen) Widerstandes r_x bei der Temperatur Tx berechnet.
Ein Widerstandswert R_PM bei der Temperatur Tx und ein Widerstandswert R_PM ' bei der Normaltemperatur des gesamten PM 8, die auf der Ablagerungsfläche 20 abgelagert ist, haben folgende Beziehung: $R_{PM}' = R_{PM} r_{o} {/r}_{x}$
Darüber hinaus haben der durch das PM 8 fließende elektrische Strom (d.h. der PM-Strom I_PM ), die angelegte Spannung VO und der Widerstand R_PM des PM 8 folgende Beziehung: $I_{PM} = V_{O} {/R}_{PM}$
Der PM-Strom I_PM bei der Temperatur T_x kann mit Hilfe der folgenden Gleichung in einen Wert I_PM ' bei der normalen Temperatur umgerechnet werden. $\begin{matrix} I_{PM} = V_{O} {/R}_{PM} \\ = V_{O} r_{x} {/R}_{PM} r_{o} \\ = I_{PM} r_{x} {/r}_{o} \end{matrix}$
18 zeigt einen Zusammenhang zwischen dem korrigierten PM-Strom I_PM ' und der Temperatur. Der Wert I_PM ' ist ein Wert, der durch Kompensation der Widerstandsänderung des PM 8 in Abhängigkeit von der Temperatur erhalten wird und somit unabhängig von der Temperatur konstant ist. Dementsprechend kann mit dem Wert I_PM ' die Ablagerungsmenge von PM 8 genau berechnet werden, ohne stark von der Temperatur beeinflusst zu werden.
Die Ablagerungsmenge von PM 8 kann direkt aus einem berechneten Wert des PM-Stromes I_PM berechnet werden (siehe 11). Der PM-Strom I_PM wird jedoch durch die temperaturabhängige Änderung des spezifischen Widerstandes des PM 8 beeinflusst, was eine hinreichend genaue Berechnung der Ablagerungsmenge des PM 8 verhindern kann. Andererseits, wie in 18 dargestellt, wird bei der Berechnung des Wertes I_PM ' durch Korrektur der Widerstandsänderung des PM 8 in Abhängigkeit von der Temperatur der Wert I_PM ' kaum von der Temperatur beeinflusst. Somit kann die Ablagerungsmenge des PM 8 ausreichend genau berechnet werden.
Im Folgenden wird ein Flussdiagramm für den Steuerabschnitt 6 beschrieben. Wie in 19 dargestellt, bewirkt der Steuerabschnitt 6 bei der Messung der Ablagerungsmenge von PM 8 zunächst, dass die Heizvorrichtung 111 Wärme erzeugt und das PM 8 verbrennt. Dadurch wird der PM-Sensor 1 aktiviert (Schritt S21). Anschließend wird der PM-Sensor 1 in einem vorgegebenen Zeitraum abgekühlt (Schritt S22).
Anschließend fährt die Steuerung mit Schritt S23 fort und der elektrische Widerstand RS zwischen den Detektionselektroden 3a wird gemessen. Anschließend fährt die Steuerung mit Schritt S24 fort, und zwischen den Überwachungselektroden 3b wird eine Spannung angelegt und der Kompensationswiderstand Rb gemessen. Anschließend fährt die Steuerung mit Schritt S25 fort. In diesem Schritt wird die Temperatur Tx unter Verwendung der Speicherabbildung des Kompensationswiderstandes Rb und der Temperatur berechnet (siehe 14).
Anschließend fährt die Steuerung mit Schritt S26 fort. In diesem Schritt wird der spezifische Widerstand r_x des PM 8 bei der gemessenen Temperatur Tx unter Verwendung der Speicherabbildung des spezifischen Widerstandes des PM 8 und der Temperatur berechnet (siehe 17). Anschließend wird der Schritt S27 durchgeführt. In diesem Schritt wird der korrigierte Wert I_PM ' des PM-Stroms I_PM (= I_S - I_b ) berechnet. Anschließend wird die Ablagerungsmenge von PM 8 unter Verwendung des erhaltenen korrigierten Wertes I_PM ' berechnet.
Anschließend fährt die Steuerung mit Schritt S28 fort. In diesem Schritt wird bestimmt, ob die Ablagerungsmenge von PM 8 einen vorgegebenen Wert erreicht hat. In diesem Schritt fährt die Steuerung mit Schritt S23 fort, wenn eine negative Bestimmung (Nein) vorgenommen wird, und wenn eine positive Bestimmung (Ja) vorgenommen wird, endet das Verfahren.
Ansonsten weist die dritte Ausführungsform eine ähnliche Konfiguration und Wirkung auf wie die erste Ausführungsform.
Erstes Experimentierbeispiel
Es wurde ein Experiment durchgeführt, um einen bevorzugten Bereich eines Intervalls H (siehe 3) zwischen der Detektionselektrode 3a und der Detektionselektrode 3b in Z-Richtung zu bestimmen. Zunächst wurden eine Vielzahl von Proben des PM-Sensors 1 mit der in der ersten Ausführungsform beschriebenen Struktur hergestellt. In diesem Fall wurden die Intervalle H der Proben auf 4 µm, 8 µm, 10 µm, 10 µm, 20 µm, 40 µm, 45 µm, 50 µm, 80 µm und 100 µm festgelegt. Darüber hinaus wurde der PM-Sensor 1, bei dem die Detektionselektroden 3a auch als Überwachungselektroden 3b dienen, als Ersatz für eine Probe vorbereitet, bei der das Intervall H 0 µm war. RuCh-basiertes Glas mit einem spezifischen Widerstand von 6×10⁶ Ω·cm wurde für den leitenden Plattenabschnitt 29 jeder der Proben verwendet. Der Abstand W_a zwischen den Detektionselektroden 3a und der Abstand W_b zwischen den Überwachungselektroden 3b wurden jeweils auf 700 µm und die Länge L_a der Elektroden 3a und die Länge L_b der Elektroden 3b war jeweils auf 8 mm eingestellt.
Nachdem die Proben vorbereitet waren, wurde das PM 8 auf der Ablagerungsfläche 20 jeder der Proben abgelagert, und der elektrische Strom I_b , der zwischen dem Paar Überwachungselektroden 3b fließt, und der elektrische Strom Is, der zwischen dem Paar Detektionselektroden 3a fließt, wurde gemessen. Genauer gesagt, in einem Zustand, in dem etwa 120 mg PM 8 auf der Ablagerungsfläche 20 abgelagert und die Temperatur auf 200°C eingestellt wurde, wurde zwischen den Elektroden eine Spannung von 1 kV angelegt und es wurden die elektrischen Ströme I_b und Is gemessen. 20 zeigt eine Beziehung zwischen einem Verhältnis I_b/I_S der gemessenen elektrischen Ströme I_b und Is und dem Intervall H.
Wie in 20 dargestellt, wird mit zunehmender Verengung des Intervalls H das Verhältnis I_b/I_S erhöht. Denn wenn das Intervall H schmaler ist, befinden sich die Überwachungselektroden 3b näher an der Ablagerungsfläche 20, und so fließt der elektrische Strom I_b von einer der Überwachungselektroden 3b zur anderen der Detektionselektrode 3b durch das PM 8, deren Widerstand gering ist, und das bewirkt, dass der elektrische Strom I_b einen größeren Wert hat. Darüber hinaus zeigt der Graph in 20, dass bei größerem Intervall H die Überwachungselektroden 3b weiter von der Ablagerungsfläche 20 entfernt angeordnet sind und somit der elektrische Strom I_b weniger wahrscheinlich durch das PM 8 fließt, was dazu führt, dass der elektrische Strom Ib einen kleineren Wert hat.
Darüber hinaus zeigt der Graph in 20, dass sich das Verhältnis I_b/I_S, wenn das Verhältnis I_b/I_S 0,02 oder weniger beträgt, was sich auch bei einem breiteren Intervall H nicht wesentlich ändert. Dies liegt vermutlich daran, dass der elektrische Strom I_b kaum durch das PM 8 fließt und somit auch bei größer werdendem Intervall H der elektrische Strom I_b nicht reduziert wird. Dementsprechend kann in einem Fall, in dem das Verhältnis I_b/I_S auf 0,02 oder weniger eingestellt wurde, auch wenn Herstellungsschwankungen im Intervall H, d.h. der Dicke des leitenden Plattenabschnitts 29, auftreten, der elektrische Strom I_b genau gemessen werden, und somit kann der Kompensationswiderstand Rb genau gemessen werden. Dadurch ist es möglich, die Änderung des elektrischen Widerstandes R_a des Detektionsleitabschnitts 2a temperaturabhängig genau zu kompensieren.
Ansonsten hat das erste Experimentierbeispiel eine Konfiguration und ähnliche Effekte wie die erste Ausführungsform.
Vierte Ausführungsform
Die vorliegende Ausführungsform ist ein Beispiel, in dem die Formen der Detektionselektroden 3a und der Überwachungselektroden 3b modifiziert werden. Wie in 21 dargestellt, beinhalten die Detektionselektroden 3a der vorliegenden Ausführungsform jeweils einen Körperabschnitt 38 und Kammzahnabschnitte 39, die aus dem Körperabschnitt 38 herausragen. Kammzahnabschnitte 39a einer Detektionselektrode 3aa, die eine der Detektionselektroden 3a ist, und Kammzahnabschnitte 39b einer Detektionselektrode 3ab, die die andere der Detektionselektroden 3a ist, sind abwechselnd bzw. alternierend angeordnet. Auch die Detektionselektroden 3b weisen ähnliche Formen auf.
Die Effekte der vorliegenden Ausführungsform werden beschrieben. Die obige Konfiguration erreicht einen engen Abstand zwischen dem Paar der Detektionselektroden 3aa und 3ab und gewährleistet gleichzeitig einen großen Bereich der Ablagerungsfläche 20. So kann, selbst wenn eine geringe Menge PM 8 auf der Ablagerungsoberfläche 20 abgelagert wird, der elektrische Strom Is zwischen den Detektionselektroden 3aa und 3ab stark verändert werden. Dadurch wird eine hohe Detektionsempfindlichkeit für das PM 8 erreicht.
Ansonsten hat die vierte Ausführungsform eine ähnliche Konfiguration und Wirkung wie die erste Ausführungsform.
Fünfte Ausführungsform
Die vorliegende Ausführungsform ist ein Beispiel, in dem die Struktur des PM-Sensors 1 modifiziert ist. Wie in 22 dargestellt, ist der Detektionsleitabschnitt 2a in der vorliegenden Ausführungsform ein von dem Detektionsleiterabschnitt 2b getrenntes Element. Der Überwachungsleitabschnitt 2b ist mit einem Isolationsfilm 12 abgedeckt. Der Detektionsleitabschnitt 2a ist auf dem Isolationsfilm 12 angeordnet. Darüber hinaus steht die Hauptfläche S2 des Überwachungsleitabschnitts 2b in Kontakt mit dem Substratabschnitt 11. Die Hauptfläche S2 ist eine Oberfläche des Überwachungsleitabschnitts 2b auf der Seite gegenüber der Seite, auf der der Detektionsleitabschnitt 2a vorgesehen ist.
Die Effekte der vorliegenden Ausführungsform werden beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Isolationsfilm 12 zwischen dem Detektionsleitabschnitt 2a und dem Überwachungsleitabschnitt 2b angeordnet. Dementsprechend sind die Überwachungselektroden 3b von des PM 8 isoliert, und selbst wenn eine Spannung zwischen dem Paar Überwachungselektroden 3b angelegt wird, fließt der elektrische Strom Ib nicht durch das PM 8. Somit kann der Kompensationswiderstand Rb genau gemessen werden. Dadurch ist es möglich, die Änderung des elektrischen Widerstandes R_a des Detektionsleitabschnitts 2a temperaturabhängig genau zu kompensieren.
Ansonsten weist die fünfte Ausführungsform eine Konfiguration und ähnliche Effekte auf wie die erste Ausführungsform.
Sechste Ausführungsform
Die vorliegende Ausführungsform ist ein Beispiel, in dem die Konfiguration des PM-Sensors 1 modifiziert ist. Wie in den 23 und 24 dargestellt, ist in der vorliegenden Ausführungsform der Detektionsleitabschnitt 2a von dem Überwachungsleitabschnitt 2b getrennt vorgesehen. Die leitenden Abschnitte 2a und 2b haben jeweils eine Plattenform und sind auf dem Substratabschnitt 11 vorgesehen.
Die Überwachungselektroden 3b sind auf der Hauptfläche S1 des Überwachungsleitabschnitts 2b vorgesehen, die einer Hauptfläche des Überwachungsleitabschnitts 2b in Kontakt mit dem Substratabschnitt 11 gegenüberliegt. Der Überwachungsleitabschnitt 2b und die Überwachungselektroden 3b sind mit dem Isolationsfilm 12 abgedeckt.
Die Effekte der vorliegenden Ausführungsform werden beschrieben. Die obige Konfiguration ermöglicht es, dass der Feinstaubdetektionsabschnitt 4 und der Widerstandsüberwachungsabschnitt 5 die gleiche Form aufweisen. Somit ist der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a eher gleich dem Kompensationswiderstand R_b . Dies ermöglicht eine genaue Temperaturkompensation.
Abgesehen davon weist die sechste Ausführungsform 6 eine ähnliche Konfiguration und Wirkung auf wie die erste Ausführungsform.
Siebte Ausführungsform
Die vorliegende Ausführungsform ist ein Beispiel, in dem die Konfiguration des PM-Sensors 1 modifiziert ist. Wie in den 25 und 26 dargestellt, beinhaltet der PM-Sensor 1 der vorliegenden Ausführungsform einen Sensorkörperabschnitt 19 aus einem Isolationsmaterial. Eine Vielzahl von leitenden Plattenabschnitten 29 ist im Sensorkörperabschnitt 19 angeordnet. Die leitenden Plattenabschnitte 29 bestehen jeweils aus einem leitenden Material mit einem höheren elektrischen Widerstand als der des PM 8. Die Vielzahl der leitenden Plattenabschnitte 29 ist laminiert. Wie in 26 dargestellt, sind die Detektionselektrode 3a und die Überwachungselektrode 3b zwischen zwei benachbarten der leitenden Plattenabschnitte 29 angeordnet. Die Detektionselektroden 3a und die leitenden Plattenabschnitte 29 sind von einer Stirnfläche 190 des Sensorkörperabschnitts 19 freigelegt. Die Ablagerungsflächen 20 für das PM 8 sind die freiliegenden Oberflächen der leitenden Plattenabschnitte 29.
Die Detektionselektroden 3a sind unterteilt in erste Detektionselektroden 3aa und zweite Detektionselektroden 3ab. Die ersten Detektionselektroden 3aa und die zweiten Detektionselektroden 3ab sind abwechselnd angeordnet. Durch Verbindungselemente (nicht dargestellt) sind die Vielzahl der ersten Detektionselektroden 3aa elektrisch miteinander verbunden, und die Vielzahl der zweiten Detektionselektroden 3ab sind elektrisch miteinander verbunden. Darüber hinaus weisen auch die Überwachungselektroden 3b ähnliche Strukturen auf.
Die Effekte der vorliegenden Ausführungsform werden beschrieben. Die obige Konfiguration erreicht einen engen Abstand zwischen den beiden Detektionselektroden 3aa und 3ab. Selbst wenn also eine kleine Menge PM 8 auf der Ablagerungsoberfläche 20 abgelagert wird, ist es wahrscheinlich, dass sich der elektrische Strom IS der Detektionselektroden 3aa und 3ab stark verändert. Dadurch wird eine hohe Detektionsempfindlichkeit für das PM 8 erreicht.
Abgesehen davon weist die siebte Ausführungsform eine Konfiguration und ähnliche Effekte auf wie die erste Ausführungsform.
Achte Ausführungsform
Die vorliegende Ausführungsform ist ein Beispiel, in dem die Struktur des PM-Sensors 1 und das Verfahren zur Berechnung der Ablagerungsmenge von PM 8 modifiziert sind. Wie in 27 dargestellt, unterscheidet sich in der vorliegenden Ausführungsform der Abstand W_a zwischen dem Paar Detektionselektroden 3a von dem Abstand W_b zwischen dem Paar Überwachungselektroden 3b. Darüber hinaus ist der Ablagerungsmengenberechnungsabschnitt 63 konfiguriert, um die Ablagerungsmenge von PM 8 unter Verwendung eines Wertes R_bW_a/W_b zu berechnen, der durch Multiplikation eines Messwertes des Kompensationswiderstands R_b mit einem Verhältnis W_a/W_b des Intervalls Wa des Intervalls W_a zwischen den Detektionselektroden 3a und des Intervalls W_b zwischen dem Paar Überwachungselektroden 3b erhalten wird.
So kann beispielsweise die Ablagerungsmenge des PM 8 wie folgt berechnet werden. Wie vorstehend beschrieben, kann der elektrische Widerstand R_S zwischen dem Paar von Detektionselektroden 3a durch Verwendung des Widerstands R_PM des PM 8 und des Widerstandes R_a des Detektionsleitabschnitts 2a ungefähr wie folgt ausgedrückt werden. $R_{S} = R_{PM} R_{a} / (R_{PM} + R_{a})$
Darüber hinaus kann eine Beziehung zwischen dem Widerstand R_a und dem Kompensationswiderstand R_b wie folgt ausgedrückt werden. $R_{a} = R_{b} W_{a} {/W}_{b}$
Dementsprechend kann der Widerstand R_PM des PM 8 durch die Gleichungen (1) und (2) berechnet und damit kann die Ablagerungsmenge des PM 8 berechnet werden.
Die Effekte der vorliegenden Ausführungsform werden beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich das Intervall W_a zwischen dem Paar der Detektionselektroden 3a von dem Intervall W_b zwischen dem Paar der Überwachungselektroden 3b. Dadurch erhöht sich der Freiheitsgrad bei der Auslegung des PM-Sensors 1. Darüber hinaus kann ein Abstand von den Überwachungselektroden 3b zur Ablagerungsfläche 20 verlängert werden, so dass der elektrische Strom Ib zwischen den Überwachungselektroden 3b weniger wahrscheinlich durch das auf der Ablagerungsfläche 20 abgelagerte PM 8 fließt. Dies ermöglicht eine genaue Messung des Kompensationswiderstandes R_b .
Ansonsten hat die achte Ausführungsform eine Konfiguration und eine Wirkung, die denen der ersten Ausführungsform ähnlich sind.
Neunte Ausführungsform
Die vorliegende Ausführungsform ist ein Beispiel, in dem die Konfiguration des PM-Sensors 1 modifiziert ist. Wie in 28 dargestellt, beinhaltet der PM-Sensor 1 der vorliegenden Ausführungsform im Gegensatz zur ersten Ausführungsform nicht den Substratabschnitt 11 (siehe 3). In der vorliegenden Ausführungsform ist, wie bei der ersten Ausführungsform, der Detektionsleitabschnitt 2a mit dem Überwachungsleitabschnitt 2b integriert vorgesehen, um den einzelnen leitenden Plattenabschnitt 29 zu bilden. Die Heizvorrichtung 111 zum Verbrennen des PM 8 ist im Leitplattenabschnitt 29 vorgesehen.
Darüber hinaus sind die Ablagerungsfläche 20, auf der das PM 8 abgelagert ist, und das Paar Detektionselektroden 3a auf der Hauptfläche S1 des leitenden Plattenabschnitts 29 vorgesehen. Wie bei der vierten Ausführungsform sind die Detektionselektroden 3a der vorliegenden Ausführungsform zu einer Kammzahnform angeordnet. Darüber hinaus sind die Überwachungselektroden 3b im Leitplattenabschnitt 29 vorgesehen. Ähnlich wie bei den Detektionselektroden 3a sind die Überwachungselektroden 3b so angeordnet, dass sie eine Kammzahnform bilden.
Die Effekte der vorliegenden Ausführungsform werden beschrieben. Da der Substratabschnitt 11 in der vorliegenden Ausführungsform nicht verwendet wird, kann die Anzahl der Komponenten reduziert werden. Dadurch können die Herstellungskosten des PM-Sensors 1 reduziert werden. Darüber hinaus weisen der leitende Plattenabschnitt 29 und der Substratabschnitt 11 bei dem PM-Sensor 1, in dem der leitende Plattenabschnitt 29 und der Substratabschnitt 11 laminiert sind, unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, so dass beim Erwärmen der Heizvorrichtung 111 ein Verzug des PM-Sensors 1, ein Abziehen des leitenden Plattenabschnitts 29 oder dergleichen auftreten kann. In der vorliegenden Ausführungsform ist ein solches Problem jedoch weniger wahrscheinlich, da der Substratabschnitt 11 nicht verwendet wird.
Ansonsten hat die neunte Ausführungsform eine Konfiguration und Effekte, die denen der ersten Ausführungsform ähnlich sind.
Zehnte Ausführungsform
Die vorliegende Ausführungsform ist ein Beispiel, in dem das leitende Material der leitenden Abschnitte 2a und 2b modifiziert ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein elektrischer Oberflächenwiderstand p des leitenden Materials wie folgt gemessen. Konkret wird zunächst eine in 31 dargestellte Probe 25 vorbereitet. Die Probe 25 beinhaltet ein plattenförmiges Substrat 251, das aus einem leitfähigen Material hergestellt ist und eine Dicke T von 1,4 mm aufweist, und ein Paar Messelektroden 37, die auf einer Hauptoberfläche des plattenförmigen Substrats 251 vorgesehen sind, eine Länge von L aufweisen und in einem Abstand von D vorgesehen sind. Somit wird die Probe 25 gebildet und ein elektrischer Widerstand R (Ω) wird zwischen dem Paar Messelektroden 37 gemessen. Der elektrische Oberflächenwiderstand p wird nach folgender Gleichung (3) berechnet. $ρ = R \times L \times T/D$
Dabei bedeutet der Begriff „elektrischer Widerstand“ lediglich den so genannten elektrischen Volumenwiderstand. Wie beispielsweise in 34 dargestellt, kann der elektrische Volumenwiderstand berechnet werden, indem eine Volumenprobe 259 mit einem Substratabschnitt 250 aus einem leitfähigen Material und einem Paar Messelektroden 371, die auf den jeweiligen Seitenflächen des Substratabschnitts 250 vorgesehen sind, vorbereitet wird und ein elektrischer Widerstand zwischen dem Paar Messelektroden 371 gemessen wird. Darüber hinaus bedeutet der Begriff „elektrischer Oberflächenwiderstand p“ einen Wert, der nach Gleichung (3) berechnet wird, indem die in 31 dargestellte Probe 25 vorbereitet und der elektrische Widerstand R zwischen den Messelektroden 37 gemessen wird.
In der vorliegenden Ausführungsform, wie in 29 dargestellt, sind der Detektionsleitabschnitt 2a und der Überwachungsleitabschnitt 2b aus einem leitenden Material mit einem elektrischen Oberflächenwiderstand p in einem Bereich von 1.0×10⁷ to 1.0×10¹⁰ Ω·cm bei einem Temperaturbereich von 100 bis 500°C hergestellt.
Als leitfähiges Material mit einem elektrischen Oberflächenwiderstand p, der den obigen Zahlenbereich erfüllt, kann Keramik mit einer Molekularformel von ABO3 und einer Perowskitstruktur verwendet werden. So kann beispielsweise mindestens ein Ausgewähltes aus La, Sr, Ca und Mg als A in der Summenformel verwendet werden, und mindestens ein Ausgewähltes aus Ti, Al, Zr und Y kann als B in der Summenformel verwendet werden.
In der vorliegenden Ausführungsform enthält A in der Summenformel Sr als Hauptkomponente und La als Zusatzkomponente. Darüber hinaus ist B in der Summenformel Ti. 29 zeigt einen Zusammenhang zwischen dem elektrischen Oberflächenwiderstand p der Keramik (Sr_1-xLa_xTiO₃) und der Temperatur. Wie in 29 dargestellt, liegt der elektrische Oberflächenwiderstand p von Sr_1-xLa_xTiO₃ im Bereich von 1.0×10⁷ to 1.0×10¹⁰ Ω·cm im Temperaturbereich von 100 bis 500°C. Somit kann die Keramik entsprechend als Material für die Bildung der leitenden Abschnitte 2a und 2b verwendet werden.
Darüber hinaus liegt der elektrische Oberflächenwiderstand p, wie in 29 dargestellt, wenn kein La hinzugefügt wird (SrTiO₃), in einem Bereich von ca. 1.0×10⁵ to 1.0×10¹¹ Ω·cm im Temperaturbereich von 100 bis 500°C. Dies zeigt, dass die Keramik, die La enthält, eine geringere Änderung des elektrischen Oberflächenwiderstandes p entsprechend der Temperatur aufweist.
Genauer gesagt, wird der Graph in 29 durch Messung des elektrischen Oberflächenwiderstandes p wie folgt erhalten. Das heißt, es werden verschiedene Arten von Keramiken hergestellt, bei denen X in Sr_1-xLa_xTiO₃ 0, 0,016, 0,02 und 0,36 ist, und die Proben 25 (siehe 31) werden unter Verwendung der verschiedenen Keramiken hergestellt. Die Proben 25 beinhalten jeweils das plattenförmige Substrat 251 mit einer Dicke T von 1,4 mm und das Paar Messelektroden 37, die auf der Hauptoberfläche des plattenförmigen Substrats 251 vorgesehen sind, eine Länge L von 16 mm aufweisen und in einem Abstand D von 800 µm bereitgestellt werden. Die Proben 25 werden in Luft auf den Bereich von 100 bis 500°C erhitzt. Anschließend wird zwischen den Messelektroden 37 eine Spannung in einem Bereich von 5 bis 1000 V angelegt und es wird der elektrische Widerstand R gemessen. Anschließend wird der elektrische Oberflächenwiderstand p durch Gleichung (3) berechnet.
30 zeigt ein Diagramm einer Beziehung zwischen der Menge an PM 8, die an den PM-Sensor 1 abgegeben wird, und dem Sensorausgang des PM-Sensors 1, erhalten durch Ändern des elektrischen Oberflächenwiderstands p des Detektionsleitabschnitts 2a. Der Graph ergibt sich wie folgt. Zunächst werden die leitenden Plattenabschnitte 29 unter Verwendung von leitfähigen Materialien mit elektrischen Oberflächenwiderständen p von 2.3×10⁶, 1.0×10⁷, 1.0×10¹⁰, and 3.2×10¹⁰ Ω·cm gebildet, und die PM-Sensoren 1 (siehe 1) einschließlich der jeweiligen leitenden Plattenabschnitte 29 werden vorbereitet. Anschließend wird das PM 8 enthaltende Abgas von 0,01 mg/l an jeden der PM-Sensoren 1 abgegeben, so dass ein Teil des emittierten PM 8 auf der Ablagerungsfläche 20 der PM-Sensoren 1 abgelagert wird. Darüber hinaus wird der zwischen dem Paar von Detektionselektroden 3a fließende elektrische Strom I mittels eines Shuntwiderstands in eine Spannung umgewandelt, um den Sensorausgang zu erhalten. Der Abstand zwischen dem Paar von Detektionselektroden 3a beträgt 80 µm, die angelegte Spannung 35 V und eine gemessene Temperatur 200°C. 30 zeigt eine Grafik des Zusammenhangs zwischen der Menge der emittierten PM 8 und dem Sensorausgang.
Wie in 30 dargestellt, erhöht die Emission von nur einer geringen Menge PM 8 die Sensorleistung des PM-Sensors 1, wenn der elektrische Oberflächenwiderstand p des Detektionsleitabschnitts 2a im Bereich von 1.0×10⁷ to 1.0×10¹⁰ Ω·cm liegt. Dies zeigt, dass der PM-Sensor 1 eine hohe Empfindlichkeit aufweist. Darüber hinaus wird mit der Anhaftung des PM 8 der Sensorausgang stark verändert. Dies zeigt, dass, wenn der elektrische Oberflächenwiderstand p des Detektionsleitabschnitts 2a innerhalb des obigen Bereichs liegt, der PM-Sensor 1 eine hohe Empfindlichkeit aufweist und die Menge des abgelagerten PM 8 genau gemessen werden kann.
Andererseits, wenn der elektrische Oberflächenwiderstand p außerhalb des oben genannten Bereichs liegt, kann ein solcher Effekt nicht ausreichend erreicht werden. Wenn beispielsweise der elektrische Oberflächenwiderstand ρ 3.2×10¹⁰ Ω·cm beträgt, wenn die Ablagerungsmenge von PM 8 klein ist, wird der Sensorausgang kaum erhöht. Insbesondere ist eine Totzeit vorhanden. Dies hat vermutlich den folgenden Grund. Das heißt, der elektrische Oberflächenwiderstand p des leitenden Abschnitts 2 ist zu hoch, und somit fließt der elektrische Strom I weniger wahrscheinlich zwischen den Detektionselektroden 3a. Dementsprechend beginnt der elektrische Strom I zu fließen, nachdem eine große Menge PM abgelagert wurde und durch das PM 8 ein Strompfad gebildet wurde.
Darüber hinaus wird der Sensorausgang kaum verändert, wenn beispielsweise der elektrische Oberflächenwiderstand ρ 2.3×10⁶ Ω·cm beträgt, auch wenn die Ablagerungsmenge von PM 8 geändert wird. Dies hat vermutlich den folgenden Grund. Das heißt, der elektrische Oberflächenwiderstand p ist zu niedrig, und so fließt auch bei der Ablagerung des PM 8 ein großer Teil des elektrischen Stroms I nicht durch das PM 8. Dementsprechend ist es weniger wahrscheinlich, dass ein Wert des elektrischen Stroms zwischen den Detektionselektroden 3a verändert wird. Dies zeigt, dass es in diesem Fall schwierig ist, die Ablagerungsmenge des PM 8 mit Hilfe des Sensorausgangs genau zu messen.
Die Tiefe des in der Probe 25 fließenden elektrischen Stroms I von einer Oberfläche aus (siehe 31) wird im Folgenden mit Bezug auf 32 beschrieben. Der Graph der 32 wird wie folgt beschrieben erhalten. Zunächst wird das leitfähige Material zu einem Blech geformt. Anschließend werden die Messelektroden 37 auf eine Oberfläche des leitenden Materials gedruckt und das leitende Material wird zur Vorbereitung der Proben 25 gebrannt. Die Dicken T der Proben 25 sind auf 10 µm, 20 µm, 40 µm, 45 µm, 50 µm, 80 µm, 0,1 mm, 0,2 mm, 0,5 mm, 1,0 mm, 1,4 mm und 2,0 mm festgelegt. Um den Einfluss von Wasser zu eliminieren, werden die Proben 25 auf 200°C erwärmt. Anschließend wird zwischen das Paar Messelektroden 37 eine Spannung von 500 V angelegt und es wird der elektrische Widerstand R gemessen. Die Messelektroden 37 haben eine Länge L von 16 mm und sind in einem Abstand D von 800 µm vorgesehen. Der Graph in 32 zeigt eine Beziehung zwischen einer Dicke jeder der Proben 25 und ein Verhältnis des elektrischen Widerstands R des entsprechenden der Proben 25 zum elektrischen Widerstand der Probe 25 mit einer Dicke von 10 µm (d.h. 100%).
Wie in 32 dargestellt, wird bei einer Dicke der Probe 25 im Bereich von 10 µm bis 0,1 mm mit zunehmender Dicke der elektrische Widerstand reduziert. Bei einer Dicke über 0,1 mm wird der elektrische Widerstand jedoch kaum verändert. Dies zeigt, dass der elektrische Strom I erst in einer Tiefe von 0,1 mm oder weniger der Oberfläche der Probe 25 fließt. In der vorliegenden Ausführungsform wird bei der Messung des elektrischen Oberflächenwiderstandes p die Probe 25 mit einer Dicke T von 1,4 mm verwendet. Dadurch wird eine Dicke gewährleistet, die ausreicht, um den elektrischen Strom I fließen zu lassen.
Eine Beziehung zwischen jedem der elektrischen Widerstände und dem elektrischen Oberflächenwiderstand p von SrTiO₃und der Temperatur wird im Folgenden mit Bezug auf 33 beschrieben. Der Graph in 33 wird wie folgt erhalten. Insbesondere wird die Probe 25 (siehe 31) mit Hilfe von SrTiO₃ hergestellt und der elektrische Oberflächenwiderstand p wird bei Änderung der Temperatur gemessen. Darüber hinaus wird die Volumenprobe 259 (siehe 34) mit Hilfe von SrTiO₃ hergestellt und der elektrische Volumenwiderstand bei Temperaturänderung wird gemessen. Der Graph in 33 zeigt eine Beziehung zwischen jedem der gemessenen elektrischen Widerstände und dem elektrischen Oberflächenwiderstand p und der Temperatur. 33 zeigt, dass sich ein Wert des elektrischen Durchgangswiderstandes vollständig von einem Wert des elektrischen Oberflächenwiderstandes p unterscheidet.
Die Effekte der vorliegenden Ausführungsform werden im Folgenden beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform bestehen die leitenden Abschnitte 2a und 2b aus dem leitenden Material mit einem elektrischen Oberflächenwiderstand ρ im Bereich von 1.0×10⁷ to 1.0×10¹⁰Ω·cm im Temperaturbereich von 100 bis 500°C.
So kann, wie in 30 dargestellt, der PM-Sensor 1 erhalten werden, bei dem die Totzeit kurz ist, und der Sensorausgang wird stark verändert, wenn der Feinstaub anhaftet.
Darüber hinaus ist in der vorliegenden Ausführungsform der numerische Bereich des elektrischen Oberflächenwiderstandes p definiert. Dies ermöglicht die Optimierung der elektrischen Eigenschaften der leitenden Abschnitte 2a und 2b. Insbesondere sind im PM-Sensor 1 der vorliegenden Ausführungsform die Detektionselektroden 3a auf der Hauptfläche S1 (siehe 3) des Detektionsleitabschnitts 2a vorgesehen. Dementsprechend fließt bei Verwendung des PM-Sensors 1 der elektrische Strom I nahe der Oberfläche des Detektionsleitabschnitts 2a. So kann man sagen, dass der elektrische Oberflächenwiderstand p, gemessen durch das Fließenlassen des elektrischen Stroms I in der Nähe der Oberfläche des plattenförmigen Substrats 251 (siehe 31), eine elektrische Eigenschaft ist, die unter Bedingungen gemessen wird, die den tatsächlichen Einsatzbedingungen des PM-Sensors 1 ähnlich sind. Durch die Definition des Zahlenbereichs des elektrischen Oberflächenwiderstandes p kann somit die elektrische Charakteristik des Detektionsleitabschnitts 2a unter den Bedingungen ähnlich den tatsächlichen Einsatzbedingungen definiert werden.
Darüber hinaus wird in der vorliegenden Ausführungsform Keramik mit Perowskitstruktur als leitfähiges Material verwendet, das die leitenden Abschnitte 2a und 2b bildet. Wenn die Keramik eine Molekularformel von ABO₃ aufweist, ist A vorzugsweise mindestens Eines, ausgewählt aus La, Sr, Ca und Mg, und B ist vorzugsweise mindestens Eines, ausgewählt aus Ti, Al, Zr und Y.
Diese Keramik weist eine hohe Hitzebeständigkeit auf und reagiert seltener chemisch mit einer im Abgas enthaltenen Substanz. Dementsprechend kann die Keramik als leitfähiges Material für den dem Abgas ausgesetzten PM-Sensor 1 verwendet werden.
Darüber hinaus enthält insbesondere A in der Summenformel vorzugsweise Sr als Hauptkomponente und La als Nebenkomponente, und B ist vorzugsweise Ti.
Wie in 29 dargestellt, ist die Änderung des elektrischen Oberflächenwiderstandes p einer solchen Keramik auch bei Temperaturänderung gering. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass La hinzugefügt wurde. Wenn diese Keramik zur Bildung der leitenden Abschnitte 2a und 2b verwendet wird, kann eine kostengünstige Messschaltung zur Messung des Ausgangs des PM-Sensors 1 verwendet werden. Insbesondere, wie in 29 dargestellt, wird der elektrische Oberflächenwiderstand p der Keramik (SrTiO₃), die kein La enthält, im Bereich von ca. 1×10⁵ to 1×10¹¹ Ω·cm im Temperaturbereich von 100 bis 500°C stark verändert. Somit fließt in den aus der Keramik (SrTiO₃) gebildeten leitenden Abschnitten 2a und 2b nur eine geringe Menge an elektrischem Strom bei einer Temperatur von ca. 100°C und eine große Menge an elektrischem Strom bei einer Temperatur von ca. 500°C. Dies erfordert den Einsatz einer teuren Messschaltung mit einem breiten Messbereich für den elektrischen Strom. Andererseits kann bei Verwendung der La-haltigen Keramik (Sr_1-xLa_xTiO₃) der Änderungsgrad des elektrischen Oberflächenwiderstandes p im Temperaturbereich von 100 bis 500°C klein gemacht werden. Somit kann die Änderung des elektrischen Stroms, der durch die leitenden Abschnitte 2a und 2b bei dem obigen Temperaturbereich fließt, klein gemacht werden. Dies ermöglicht die Verwendung einer kostengünstigen Messschaltung mit einem engen Messbereich für den elektrischen Strom.
Ansonsten hat die zehnte Ausführungsform eine Konfiguration und Wirkung, die denen der ersten Ausführungsform ähnlich sind.
Elfte Ausführungsform
Die vorliegende Ausführungsform ist ein Beispiel, in dem die Konfiguration des Steuerabschnitts 6 modifiziert ist. Wie bei der ersten Ausführungsform beinhaltet der Feinstaubdetektionsvorrichtung 10 der vorliegenden Ausführungsform den PM-Sensor 1 und den Steuerabschnitt 6 (siehe 5).
Wie in 35 dargestellt, beinhaltet der PM-Sensor 1 den Detektionsleitabschnitt 2a und die Detektionselektroden 3a. Wie bei der ersten Ausführungsform ist der Detektionsleitabschnitt 2a aus einem leitfähigen Material mit einem höheren elektrischen Widerstand als des PM 8 hergestellt, und die Ablagerungsfläche 20, auf der das PM 8 abgelagert wird, ist auf einer Oberfläche des Detektionsleitabschnitts 2a vorgesehen. Das Paar der Detektionselektroden 3a ist auf der Ablagerungsfläche 20 vorgesehen. Der Detektionsleitabschnitt 2a und die Detektionselektroden 3a bilden den PM-Detektionsabschnitt 4.
Der Steuerabschnitt 6 ist konfiguriert, um die Temperatur des Detektionsleitabschnitts 2a zu erhöhen und das PM 8 zu erfassen, während die Temperatur des Detektionsleitabschnitts 2a gesteuert wird, so dass in einem Zustand, in dem kein PM 8 abgelagert ist, der Detektionsleitabschnittswiderstand Ra, das ist der elektrische Widerstand des Detektionsleitabschnitts 2a zwischen dem Paar Detektionselektroden 3a, einen vorgegebenen Wert RTH aufweist.
Das leitende Material, das den Detektionsleitabschnitt 2a bildet, weist, sofern es nicht erwärmt wird, einen hohen Widerstand auf und weist eine ähnliche Eigenschaft auf wie ein Isolator. So fließt, wie in 37 dargestellt, der elektrische Strom Ia vor dem Erwärmen des Detektionsleitabschnitts 2a erst dann zwischen den Detektionselektroden 3a, wenn eine bestimmte Menge PM 8 auf der Ablagerungsfläche 20 abgelagert ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird daher das PM 8 erfasst, nachdem der Detektionsleitabschnitt 2a durch die Heizvorrichtung 111 erwärmt und der Detektionsleitabschnittswiderstand Ra verringert wurde. Wenn der Detektionsleitabschnitt 2a erwärmt wird und der Detektionsleitabschnittswiderstand Ra so gesteuert wird, dass er einen optimalen Wert aufweist, wie in 37 dargestellt, beginnt eine kleine Menge an elektrischem Strom zwischen den Detektionselektroden 3a in einem Zustand zu fließen, in dem kein PM 8 abgelagert wird. Dementsprechend wird auch bei einer geringen Menge von PM 8 der elektrische Strom Ia verändert, so dass die Ablagerung des PM 8 erkannt werden kann.
Darüber hinaus beinhaltet der PM-Sensor 1 der vorliegenden Ausführungsform, wie in den 35 und 36 dargestellt, den leitfähigen Überwachungsabschnitt 2b und das Paar Überwachungselektroden 3b. Der monitorleitende Abschnitt 2b und die Überwachungselektroden 3b bilden den Widerstandsüberwachungsabschnitt 5. Der Überwachungsleitabschnitt 2b ist mit dem Detektionsleitabschnitt 2a integriert vorgesehen, um den einzelnen leitenden Plattenabschnitt 29 zu bilden. Darüber hinaus ist der Überwachungsleitabschnitt 2b mit dem Isolationsfilm 12 abgedeckt. Somit ist der Widerstandsüberwachungsabschnitt 5 so konfiguriert, dass kein PM 8 auf dem Überwachungsleitabschnitt 2b abgelagert wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Widerstand Rb des Überwachungsleitabschnitts 2b gemessen und die Temperatur des Detektor-Leitungsabschnitts 2a wird unter Verwendung des Messwertes des Widerstands R_b so gesteuert, dass der Detektionsleitabschnittswiderstand Ra einen vorgegebenen Wert aufweist.
Eine an den PM-Sensor 1 angeschlossene Schaltung wird im Folgenden mit Bezug auf 38 beschrieben. An den PM-Sensor 1 sind eine Verstärkerschaltung 601, ein Widerstandsmessabschnitt 602 und die Shuntwiderstände r_A und r_B angeschlossen. Die Verstärkerschaltung 601 verstärkt eine Spannung einer Gleichstromversorgung 89, und die erhöhte Spannung wird an den PM-Sensor 1 angelegt. Wenn die leitenden Abschnitte 2a und 2b erwärmt werden, werden die Widerstände verringert, und die elektrischen Ströme I_a und I_b fließen. Der Widerstandsmessabschnitt 602 misst einen Spannungsabfall V_B , der auftritt, wenn der elektrische Strom I_b , der durch den Überwachungsleitabschnitt 2b geflossen ist, durch den Shuntwiderstand r_B fließt. Der Widerstandsmessabschnitt 602 berechnet den elektrischen Strom I_b (= V_B/r_B), der durch den Überwachungsleitabschnitt 2b fließt, unter Verwendung des Messwertes des Spannungsabfalls V_B . Darüber hinaus berechnet der Widerstandsmessabschnitt 602 aus dem elektrischen Strom I_b und einer Ausgangsspannung V der Verstärkerschaltung 601 den Widerstand R_b (= V/I_b) des Überwachungsleitabschnitts 2b. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Temperatur so gesteuert, dass der Widerstand R_b einen vorgegebenen Wert aufweist. Somit wird der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a so gesteuert, dass er einen vorgegebenen Wert aufweist.
Darüber hinaus tritt, wie in 38 dargestellt, ein Spannungsabfall V_A auf, wenn der elektrische Strom I_a des Detektionsleitabschnitts 2a durch den Shuntwiderstand r_A fließt. Der Steuerabschnitt 6 berechnet den elektrischen Strom I_a (= V_A/r_A) des Detektionsleitabschnitts 2a unter Verwendung eines Messwertes des Spannungsabfalls V_A . Somit wird die Menge an PM 8 berechnet, die auf der Ablagerungsoberfläche 20 abgelagert wird.
Im Folgenden wird ein Flussdiagramm für den Steuerabschnitt 6 beschrieben. Wie in 40 dargestellt, führt der Steuerabschnitt 6 zunächst den Schritt S31 durch. In diesem Schritt wird der elektrische Strom Ib des Überwachungsleitabschnitts 2b gemessen. Anschließend fährt die Steuerung mit Schritt S32 fort. In diesem Schritt wird der Widerstand R_b (= V/I_b) des Überwachungsleitabschnitts 2b berechnet.
Anschließend fährt die Steuerung mit Schritt S33 fort. In diesem Schritt wird bestimmt, ob der gemessene Widerstand R_b größer als ein Schwellenwert RTH ist. In diesem Schritt, wenn eine positive Bestimmung (Ja) vorgenommen wird (d.h., es wird bestimmt, dass die Temperatur niedrig ist und der Widerstand R_b und der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a groß sind), fährt die Steuerung mit Schritt S34 fort, und wenn eine negative Bestimmung (Nein) vorgenommen wird, fährt die Steuerung mit Schritt S35 fort. In Schritt S34 wird der elektrische Strom der Heizvorrichtung 111 erhöht. Dadurch werden die Temperaturen der leitenden Abschnitte 2a und 2b erhöht und der Widerstand R_a des leitenden Abschnitts 2a und der Widerstand R_b des leitenden Abschnitts 2b werden verringert.
In Schritt S35 wird bestimmt, ob der Widerstand R_b des Überwachungsleitabschnitts 2b kleiner als der Schwellenwert RTH ist. In diesem Schritt, wenn eine positive Bestimmung (Ja) vorgenommen wird (d.h., wenn bestimmt wird, dass die Temperatur hoch ist und der Widerstand Rb und der Nachweis des Detektionsleitabschnittswiderstand Ra niedrig sind), fährt die Steuerung mit Schritt S36 fort, und wenn eine negative Bestimmung (Nein) vorgenommen wird, kehrt die Steuerung zu Schritt S31 zurück. In Schritt S36 wird der elektrische Strom der Heizvorrichtung 111 reduziert. Dadurch werden die Temperaturen der leitenden Abschnitte 2a und 2b gesenkt und der Widerstand R_a des leitenden Abschnitts 2a und der Widerstand R_b des leitenden Abschnitts 2b werden erhöht.
Die Zusammensetzung des leitenden Materials, das die leitenden Abschnitte 2a und 2b bildet, wird im Folgenden beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform wird Sr_1-xLa_xTiO₃ als leitfähiges Material verwendet. Wie in 39 dargestellt, ist die Größe der Änderung des spezifischen Widerstandes von Sr_1-xLa_xTiO₃ entsprechend der Temperatur im Vergleich zu SrTiO₃, RuO₂ und dergleichen gering. Dementsprechend, wenn Sr_1-xLa_xTiO₃ verwendet wird, um die leitenden Abschnitte 2a und 2b zu bilden, auch wenn die Temperatur geändert wird, werden die Widerstände R_a und R_b weniger wahrscheinlich geändert, was das Steuern der Widerstände R_a und R_b , damit diese innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegen, erleichtert.
Die Effekte der vorliegenden Ausführungsform werden im Folgenden beschrieben. Der Steuerabschnitt 6 der vorliegenden Ausführungsform ist konfiguriert, um die Temperatur des Detektionsleitabschnitts 2a zu erhöhen und das PM 8 zu erfassen, während die Temperatur des Detektionsleitabschnitts 2a so gesteuert wird, dass der Detektionsleitabschnittswiderstand Ra den vorgegebenen Wert R_TH aufweist.
Dementsprechend kann das PM 8 erkannt werden, nachdem der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a einen optimalen Wert erreicht hat. Dadurch kann die Menge des PM 8 genau bestimmt werden.
Insbesondere wenn der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a zu hoch ist, wie durch die gerade Linie A in 61 angegeben, wird der elektrische Strom Ia nicht erhöht, bis eine bestimmte Menge PM 8 abgelagert ist, was zu einer Totzone führt. Wenn der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a zu niedrig ist, wie durch die gerade Linie B in 61 angegeben, fließt außerdem eine große Menge an elektrischem Strom Ia auch in einem Zustand, in dem kein PM 8 abgelagert ist. Die Spannung V (siehe 38), die an den Detektionsleitabschnitt 2a angelegt werden kann, ist begrenzt, so dass der elektrische Strom Ia, der durch den Detektionsleitabschnitt 2a fließen kann, einen oberen Grenzwert I_U aufweist. Wenn demnach eine große Menge an elektrischem Strom Ia in einem Zustand fließt, in dem kein PM 8 deponiert wird, erreicht der elektrische Strom I_a sofort den oberen Grenzwert Iu, was einen Bereich ΔI eingrenzt, in dem das PM 8 detektiert werden kann.
Andererseits, wie in 37 dargestellt, kann, wie in der vorliegenden Ausführungsform, wenn der Detektionsleitabschnittswiderstand 2a mit einem hohen Widerstandswert vor dem Erwärmen verwendet und erwärmt wird, so dass der Detektionsleitabschnitt Ra auf den optimalen Wert R_TH gesteuert wird, eine geringe Menge an elektrischem Strom Ia in einem Zustand durchfließen, in dem kein PM 8 abgelagert ist. Dadurch entsteht keine Totzone, und auch bei der Ablagerung des PM 8 erreicht der elektrische Strom Ia nicht leicht den oberen Grenzwert I_U . Dies kann den Bereich ΔI erweitern, in dem das PM 8 erkannt werden kann.
Darüber hinaus kann die Zusammensetzung des leitenden Materials so eingestellt werden, dass der Leiterbahnwiderstand R_a den optimalen Wert R_TH in einem Zustand aufweist, in dem der Leiterbahnbereich 2a nicht erwärmt wurde. In diesem Fall kann jedoch aufgrund von Schwankungen des Widerstandswertes des leitfähigen Materials oder der Temperatur des Abgases, wie in 62 dargestellt, eine Totzone (z.B. entsprechend der Geraden C1) auftreten oder eine große Menge an elektrischem Strom I_a in einem Zustand fließen, in dem kein PM 8 abgelagert ist (z.B. entsprechend der Geraden C2). In der vorliegenden Ausführungsform kann der Detektionsleitabschnitt 2a auch dann erwärmt werden, wenn vor dem Erwärmen des Detektionsleitabschnitts 2a Schwankungen des Detektionsleitabschnittswiderstandes R_a oder der Abgastemperatur auftreten, so dass der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a den optimalen Widerstandswert R_TH aufweist. Dies ermöglicht eine genaue Messung des PM 8 und erreicht einen großen Erfassungsbereich ΔI.
Darüber hinaus beinhaltet der PM-Sensor 1 der vorliegenden Ausführungsform, wie in den 35 und 36 dargestellt, den Widerstandsüberwachungsabschnitt 5, der aus dem Überwachungsleitabschnitt 2b und den Überwachungselektroden 3b besteht. Der Widerstandsüberwachungsabschnitt 5 ist so konfiguriert, dass kein PM 8 auf dem Überwachungsleitabschnitt 2b abgelagert wird. Dementsprechend ist es durch Messen des Widerstandes R_b des Überwachungsleitabschnitts 2b zwischen dem Paar Überwachungselektroden 3b möglich, den Widerstand (d.h. den Detektionsleitabschnittswiderstand R_a ) des Detektionsleitabschnitts 2a in einem Zustand, in dem kein PM 8 abgelagert ist, genau zu berechnen. Somit lässt sich der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a leicht auf einen vorgegebenen Wert regeln.
Darüber hinaus beinhaltet der Feinstaubdetektionssensor 1 der vorliegenden Ausführungsform, wie in 36 dargestellt, die Heizvorrichtung 111 zum Verbrennen des auf der Ablagerungsfläche 20 abgelagerten PM 8. Wenn das PM 8 erkannt wird, bewirkt der Feinstaubdetektionssensor 1, dass die Heizvorrichtung 111 eine geringe Wärmemenge erzeugt, und die Wärme wird verwendet, um den Detektionsleitabschnitt 2a zu erwärmen. Wie in 40 dargestellt, ist der Steuerabschnitt 6 konfiguriert, um die Temperatur des Detektionsleitabschnitts 2a durch Steuern der Menge des elektrischen Stroms, der durch die Heizvorrichtung 111 fließt, zu steuern.
Wie später beschrieben, ist es möglich, die Widerstandswärme des Detektionsleitabschnitts 2a, ohne Verwendung der Heizvorrichtung 111, zum Erwärmen des Detektionsleitfadens 2a zu nutzen. In diesem Fall ist die Menge der erzeugten Wärme jedoch gering, was verhindern kann, dass der Detektionsleitabschnitt 2a in kurzer Zeit erwärmt wird. Bei Verwendung der Heizvorrichtung 111 wie in der vorliegenden Ausführungsform ist die erzeugte Wärmemenge jedoch groß, so dass der Detektionsleitabschnitt 2a in kurzer Zeit erwärmt werden kann.
Ansonsten hat die elfte Ausführungsform eine Konfiguration und Wirkung, die denen der ersten Ausführungsform ähnlich sind.
In der vorliegenden Ausführungsform wird der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a so gesteuert, dass er den Einzelwert R_TH aufweist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a kann so gesteuert werden, dass er einen Wert innerhalb eines vorgegebenen Bereichs (R_TH1 bis R_TH2 ) aufweist. Dadurch kann der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a innerhalb eines bestimmten Bereichs gesteuert werden, was die Steuerung des Detektionsleitabschnittswiderstandes R_a erleichtert.
Zwölfte Ausführungsform
Die vorliegende Ausführungsform ist ein Beispiel, in dem das Verfahren zum Erwärmen des Detektionsleitabschnitts 2a modifiziert ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Widerstandswärme, die erzeugt wird, wenn der elektrische Strom Ia durch den Detektionsleitabschnitt 2a fließt, verwendet, um die Temperatur des Detektionsleitabschnitts 2a zu erhöhen. Durch Steuern der zwischen dem Paar von Detektionselektroden 3a angelegten Spannung V (siehe 35 und 38) steuert der Steuerabschnitt 6 die Temperatur des Detektionsleitabschnitts 2a und den Detektionsleitabschnittswiderstand Ra.
Im Folgenden wird ein Flussdiagramm für den Steuerabschnitt 6 beschrieben. Wie in 41 dargestellt, führt der Steuerabschnitt 6 zunächst den Schritt S41 aus. In diesem Schritt wird, wie bei der elften Ausführungsform, der elektrische Strom I_b des Überwachungsleitabschnitts 2b gemessen. Anschließend fährt die Steuerung mit Schritt S42 fort. In diesem Schritt wird der Widerstand R_b (= V/I_b) des Überwachungsleitabschnitts 2b berechnet.
Anschließend fährt die Steuerung mit Schritt S43 fort. In diesem Schritt wird bestimmt, ob der berechnete Widerstand Rb ein Schwellenwert RTH oder mehr ist bzw. diesen erreicht hat. In diesem Schritt, wenn eine positive Bestimmung (Ja) vorgenommen wird (d.h., es wird bestimmt, dass die Temperatur niedrig ist und der Widerstand R_b und der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a hoch sind), fährt die Steuerung mit Schritt S44 fort, und wenn eine negative Bestimmung (Nein) vorgenommen wird, fährt die Steuerung mit Schritt S45 fort. In Schritt S44 wird die zwischen dem Paar Detektionselektroden 3a und dem Paar Überwachungselektroden 3b angelegte Spannung V, d.h. die Ausgangsspannung V der Verstärkerschaltung 601 (siehe 38) erhöht. Dadurch wird die Wärmemenge, die durch den Detektionsleitabschnitt 2a erzeugt wird, erhöht und der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a wird verringert.
In Schritt S45 wird bestimmt, ob der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a kleiner als der Schwellenwert RTH ist. In diesem Schritt, wenn eine positive Bestimmung (Ja) vorgenommen wird (d.h., es wird bestimmt, dass die Temperatur hoch ist und der Widerstand Rb und der Nachweis des leitenden Querschnittswiderstandes R_a niedrig sind), fährt die Steuerung mit Schritt S46 fort, und wenn eine negative Bestimmung (Nein) vorgenommen wird, fährt die Steuerung mit Schritt S41 fort. In Schritt S46 wird die zwischen dem Paar Detektionselektroden 3a und dem Paar Überwachungselektroden 3b angelegte Spannung V verringert. Dadurch wird die Wärmemenge, die durch den Detektionsleitabschnitt 2a erzeugt wird, verringert und der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a wird erhöht.
Die Effekte der vorliegenden Ausführungsform werden beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Widerstandswärme des Detektionsleitabschnitts 2a verwendet, um die Temperatur des Detektionsleitabschnitts 2a zu erhöhen. Darüber hinaus steuert der Steuerabschnitt 6 die Temperatur des Detektionsleitabschnitts 2a durch Steuern der zwischen dem Paar Detektionselektroden 3a angelegten Spannung V.
Dadurch kann der Detektionsleitabschnitt 2a im Vergleich zum Einsatz der Heizvorrichtung 111 (siehe 36) gleichmäßig erwärmt werden. Darüber hinaus erleichtert dies die Feinjustierung der Temperatur des Detektionsleitabschnitts 2a.
Ansonsten hat die zwölfte Ausführungsform eine Konfiguration und Wirkung, die denen der elften Ausführungsform ähnlich sind.
Dreizehnte Ausführungsform
Die vorliegende Ausführungsform ist ein Beispiel, in dem die Struktur des PM-Sensors 1 modifiziert ist. Wie in 42 dargestellt, ist in der vorliegenden Ausführungsform der Detektionsleitabschnitt 2a mit dem Überwachungsleitabschnitt 2b integriert vorgesehen, um den einzelnen leitenden Plattenabschnitt 29 zu bilden. Der leitende Plattenabschnitt 29 wird durch den Substratabschnitt 11 getragen bzw. gelagert. Der Überwachungsleitabschnitt 2b ist ein Abschnitt des leitfähigen Plattenabschnitts 29 auf der dem Substratabschnitt 11 in Plattendickenrichtung (d.h. der Z-Richtung) näher liegenden Seite, und der Detektionsleitabschnitt 2a ist ein Abschnitt des leitfähigen Plattenabschnitts 29 gegenüber dem Überwachungsleitabschnitt 2b. Darüber hinaus sind die Überwachungselektroden 3b in der Hauptfläche S2 des leitenden Plattenabschnitts 29 auf der dem Substratabschnitt 11 näher liegenden Seite und die Ablagerungsfläche 20 auf der Hauptfläche S1 des leitenden Plattenabschnitts 29 gegenüber der Hauptfläche S2 vorgesehen.
Die obige Konfiguration ermöglicht es dem Substratabschnitt 11 zu verhindern, dass das PM 8 an der Oberfläche S2 des Überwachungsleitabschnitts 2b haftet. Dementsprechend muss im Gegensatz zur elften Ausführungsform der Isolationsfilm 12 (siehe 36) nicht gebildet werden, so dass die Konfiguration des PM-Sensors 1 vereinfacht werden kann.
Abgesehen davon weist die dreizehnte Ausführungsform eine Konfiguration und ähnliche Effekte auf wie die der ersten Ausführungsform.
Vierzehnte Ausführungsform
Die vorliegende Ausführungsform ist ein Beispiel, in dem die Konfiguration des PM-Sensors 1 und das Verfahren zum Steuern des Detektionsleitabschnittswiderstandes R_a modifiziert sind. Wie in den 43 und 44 dargestellt, beinhaltet der PM-Sensor 1 der vorliegenden Ausführungsform nur den Detektionsleitabschnitt 2a und die Detektionselektroden 3a und nicht den Überwachungsleitabschnitt 2b oder die Überwachungselektrode 3b. Die Heizvorrichtung 111 zum Verbrennen des PM 8 ist im Substratabschnitt 11 vorgesehen, der den Detektionsleitabschnitt 2a trägt.
In der vorliegenden Ausführungsform wird durch Steuern eines Widerstandes R_h der Heizvorrichtung 111 die Temperatur so gesteuert, dass der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt. Wie in 45 dargestellt, sind die Gleichstromversorgung 89, ein Schaltelement 88 und ein Shuntwiderstand r_H an die Heizvorrichtung 111 angeschlossen. Der Steuerabschnitt 6 schaltet das Schaltelement 88 ein und aus, damit die Heizvorrichtung 111 Wärme erzeugt. Wenn ein elektrischer Strom I_h durch die Heizvorrichtung 111 fließt, tritt im Shuntwiderstand r_H ein Spannungsabfall V_H auf. Der Steuerabschnitt 6 misst den Heizstrom I_h (= V_H/r_H) unter Verwendung eines Messwertes des Spannungsabfalls V_H .
Darüber hinaus misst der Steuerabschnitt 6 auch eine Zwischenanschlussspannung V_h der Heizvorrichtung 111. Der Steuerabschnitt 6 berechnet den Heizwiderstand R_h (= V_h/I_h) aus dem Messwert der Zwischenanschlussspannung V_h .
Im Folgenden wird ein Flussdiagramm für den Steuerabschnitt 6 beschrieben. Wie in 46 dargestellt, führt der Steuerabschnitt 6 zunächst den Schritt S51 aus. In diesem Schritt bewirkt der Steuerabschnitt 6, dass die Heizvorrichtung 111 Wärme erzeugt. Anschließend fährt die Steuerung mit Schritt S52 fort. In diesem Schritt wird der Heizwiderstand R_h (= V_h/I_h) gemessen.
Anschließend fährt die Steuerung mit Schritt S53 fort. In diesem Schritt wird bestimmt, ob der Heizwiderstand R_h ein vorgegebener Schwellenwert RTH oder weniger ist (d.h. ob die Temperatur der Heizvorrichtung 111 zu niedrig und der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a zu hoch ist). In diesem Schritt, wenn eine positive Bestimmung (Ja) vorgenommen wird (d.h., es wird bestimmt, dass der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a zu hoch ist), fährt die Steuerung mit Schritt S54 fort, und wenn eine negative Bestimmung (Nein) vorgenommen wird, fährt die Steuerung mit Schritt S55 fort. In Schritt S54 wird der durch die Heizvorrichtung 111 fließende elektrische Strom I_h erhöht. Dadurch wird die Temperatur des Detektionsleitabschnitts 2a erhöht und der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a verringert.
In Schritt S55 wird bestimmt, ob der Heizwiderstand R_h den Schwellenwert überschritten hat (d.h. ob die Temperatur der Heizvorrichtung 111 zu hoch und der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a zu niedrig ist). In diesem Schritt, wenn eine positive Bestimmung (Ja) vorgenommen wird (d.h., es wird bestimmt, dass der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a zu niedrig ist), fährt die Steuerung mit Schritt S56 fort, und wenn eine negative Bestimmung (Nein) vorgenommen wird, kehrt die Steuerung zu Schritt S51 zurück. In Schritt S56 wird der elektrische Strom I_h der Heizvorrichtung 111 reduziert. Dadurch wird die Temperatur des Detektionsleitabschnitts 2a verringert und der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a wird erhöht.
Die Effekte der vorliegenden Ausführungsform werden beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Temperatur des Detektionsleitabschnitts 2a durch Steuern des Widerstands Rh der Heizvorrichtung 111 gesteuert. Dementsprechend muss der PM-Sensor 1 im Gegensatz zur elften Ausführungsform und dergleichen nicht den Überwachungsleitabschnitt 2b oder die Überwachungselektrode 3b beinhalten. Dadurch kann die Konfiguration des PM-Sensors 1 vereinfacht werden.
Abgesehen davon hat die vierzehnte Ausführungsform eine Konfiguration und Wirkung, die denen der elften Ausführungsform ähnlich sind.
Fünfzehnte Ausführungsform
Die vorliegende Ausführungsform ist ein Beispiel, in dem das Verfahren zum Steuern des Detektionsleitabschnittswiderstands Ra modifiziert ist. Wie in 47 dargestellt, beinhaltet der PM-Sensor 1 der vorliegenden Ausführungsform, wie bei der vierzehnten Ausführungsform, nicht den Überwachungsleitabschnitt 2b oder die Überwachungselektrode 3b. Der PM-Sensor 1 der vorliegenden Ausführungsform ist konfiguriert, um den Detektionsleitabschnittswiderstand R_a zu messen. Insbesondere ist der PM-Sensor 1 der vorliegenden Ausführungsform, wie in 47 dargestellt, konfiguriert, um eine Spannung V_Ra zwischen dem Paar von Detektionselektroden 3a zu messen. Wie bei der elften Ausführungsform misst der Steuerabschnitt 6 den elektrischen Strom I_a (= V_A/r_A), der durch den Detektionsleitabschnitt 2a geflossen ist, durch Messen des Spannungsabfalls V_A des mit den Detektionselektroden 3a verbundenen Shuntwiderstands r_A . Anschließend berechnet der Steuerabschnitt 6 aus dem Messwert des elektrischen Stroms I_a und der Spannung V_Ra den Detektionsleitabschnittswiderstand R_a (= V_Ra/I_a). Anschließend bewirkt der Steuerabschnitt 6, dass die Heizvorrichtung 111 (siehe 44) Wärme erzeugt, und steuert die Temperatur des Detektionsleitabschnitts 2a so, dass der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt.
Im Folgenden wird ein Flussdiagramm für den Steuerabschnitt 6 beschrieben. Wie in 48 dargestellt, führt der Steuerabschnitt 6 zunächst den Schritt S61 aus. In diesem Schritt wird das PM 8 durch die Heizvorrichtung 111 verbrannt. Anschließend fährt die Steuerung mit Schritt S62 fort. In diesem Schritt wird bestimmt, ob seit Abschluss der Verbrennung eine vorgegebene Zeit verstrichen ist (d.h. ob der Detektionsleitabschnitt 2a ausreichend abgekühlt ist). Wenn in diesem Schritt eine positive Bestimmung (Ja) vorgenommen wird, fährt die Steuerung mit Schritt S63 fort.
In Schritt S63 wird der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a gemessen. Anschließend wird durch Steuern des Heizstroms I_h die Temperatur so gesteuert, dass der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt. Anschließend fährt die Steuerung mit Schritt S64 fort. In diesem Schritt wird das PM 8 erfasst, während die Temperatur, bei der der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a innerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt, gehalten wird, indem der in Schritt S63 bestimmte Heizstrom I_h fließen gelassen wird. Anschließend fährt die Steuerung mit Schritt S65 fort. In diesem Schritt wird bestimmt, ob das PM 8 verbrannt werden muss. In diesem Schritt kehrt die Steuerung, wenn eine positive Bestimmung (Ja) vorgenommen wird, zu Schritt S61 zurück, und wenn eine negative Bestimmung (Nein) vorgenommen wird, kehrt die Steuerung zu Schritt S64 zurück.
Die Effekte der vorliegenden Ausführungsform werden beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform, wie in 48 dargestellt, wird nach dem Verbrennen des PM 8, d.h. in einem Zustand, in dem kein PM 8 auf der Ablagerungsfläche 20 abgelagert wird, der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a (der Widerstand zwischen dem Paar Detektionselektroden 3a) gemessen. Anschließend wird das PM 8 erfasst, während die Temperatur, bei der der Detektionsleitabschnittswiderstand Ra innerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt, gehalten wird.
Auf diese Weise kann der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a direkt in einem Zustand gemessen werden, in dem kein PM 8 abgelagert ist. Dementsprechend muss der PM-Sensor 1 im Gegensatz zu Ausführungsform 11 und dergleichen nicht den Überwachungsleitabschnitt 2b oder die Überwachungselektrode 3b beinhalten. Dadurch kann die Konfiguration des PM-Sensors 1 vereinfacht werden.
Abgesehen davon hat die fünfzehnte Ausführungsform eine Konfiguration und Wirkung, die denen der elften Ausführungsform ähnlich sind.
Sechzehnte Ausführungsform
Die vorliegende Ausführungsform ist ein Beispiel, in dem das Steuerverfahren durch den Steuerabschnitt 6 modifiziert ist. Wie bei der fünfzehnten Ausführungsform beinhaltet der PM-Sensor 1 der vorliegenden Ausführungsform nicht den Überwachungsleitabschnitt 2b oder die Überwachungselektrode 3b. Wie bei der fünfzehnten Ausführungsform ist der PM-Sensor 1 der vorliegenden Ausführungsform konfiguriert, um den Widerstand R_a des Detektionsleitabschnitts 2a direkt zu messen. Wie in 49 dargestellt, führt der Steuerabschnitt 6 der vorliegenden Ausführungsform zunächst den Schritt S71 aus. In diesem Schritt wird anhand von Informationen über einen Betriebszustand des abgasemittierenden Motors 71 (siehe 5) bestimmt, ob das PM 8 auf der Ablagerungsfläche 20 abgelagert wird. Wenn beispielsweise eine Kraftstoffabschaltung in Bezug auf den Motor 71 durchgeführt wurde, ist die Konzentration des PM 8 im Abgas niedrig, und somit wird bestimmt, dass kein PM 8 auf der Ablagerungsfläche 20 (Nr.) abgelagert wird. Wenn in Bezug auf den Motor 71 keine Kraftstoffabschaltung durchgeführt wurde, ist die Konzentration des PM 8 hoch, und so wird bestimmt, dass das PM 8 auf der Ablagerungsfläche 20 abgelagert wird (Ja).
Wenn in Schritt S71 eine negative Bestimmung (Nein) vorgenommen wird (d.h. es wird bestimmt, dass kein PM 8 abgelagert wird), fährt die Steuerung mit Schritt S72 fort und der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a wird gemessen. Anschließend wird durch Steuern des Heizstroms I_h der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a so gesteuert, dass er innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt.
Anschließend fährt die Steuerung mit Schritt S73 fort. In diesem Schritt wird das PM 8 erfasst, während die Temperatur, bei der der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a innerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt, gehalten wird, indem der in Schritt S72 bestimmte Heizstrom I_b fließen gelassen wird.
Die Effekte der vorliegenden Ausführungsform werden beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform wird unter Verwendung der Informationen über den Betriebszustand des Motors 71 bestimmt, ob das PM 8 auf der Ablagerungsfläche 20 (Schritt S71) abgelagert wird. Wenn dann bestimmt wird, dass kein PM 8 auf der Ablagerungsfläche 20 abgelagert wird, wird der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a (d.h. der Widerstand zwischen dem Paar Detektionselektroden 3a) gemessen und die Temperatur wird so gesteuert, dass der Messwert des Detektionsleiterabschnittswiderstandes R_a innerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt.
Dadurch kann der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a direkt in einem Zustand gemessen werden, in dem kein PM 8 auf der Ablagerungsfläche 20 abgelagert wird. Dementsprechend muss der PM-Sensor 1 im Gegensatz zur elften Ausführungsform und dergleichen nicht den Überwachungsleitabschnitt 2b oder die Überwachungselektrode 3b beinhalten. Dadurch kann die Konfiguration des PM-Sensors 1 vereinfacht werden.
Ansonsten hat die sechste Ausführungsform eine Konfiguration und Wirkung, die denen der elften Ausführungsform ähnlich sind.
In der vorliegenden Ausführungsform wird bestimmt, ob das PM 8 auf der Ablagerungsfläche 20 abgelagert wird, indem bestimmt wird, ob eine Kraftstoffabschaltung in Bezug auf den Motor 71 durchgeführt wurde. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. So kann beispielsweise bestimmt werden, ob das PM 8 auf der Ablagerungsfläche 20 abgelagert wird, indem bestimmt wird, ob die EGR bzw. AGR (Abgasrückführung) durchgeführt wurde. Insbesondere wenn eine AGR durchgeführt wurde, wird eine große Menge an PM 8 erzeugt, und somit wird bestimmt, dass das PM 8 auf der Ablagerungsoberfläche 20 abgelagert wird. Wenn keine AGR durchgeführt wurde, wird eine geringe Menge PM 8 erzeugt, so dass bestimmt wird, dass kein PM 8 auf der Ablagerungsoberfläche 20 abgelagert wird.
Ansonsten hat die sechzehnte Ausführungsform eine Konfiguration und Wirkung, die denen der elften Ausführungsform ähnlich sind.
Siebzehnte Ausführungsform
Die vorliegende Ausführungsform ist ein Beispiel, in dem die Konfiguration des PM-Sensors 1 modifiziert ist. Wie in 50 dargestellt, beinhaltet der PM-Sensor 1 der vorliegenden Ausführungsform wie bei der sechsten Ausführungsform den Detektionsleitabschnitt 2a und den Überwachungsleitabschnitt 2b. Die leitenden Abschnitte 2a und 2b sind auf dem Substratabschnitt 11 aufgebracht. Der Detektionsleitabschnitt 2a ist mit den Detektionselektroden 3a und der Überwachungsleitabschnitt 2b mit den Überwachungselektroden 3b versehen. Eine Oberfläche des Überwachungsleitabschnitts 2b ist mit einem gasdurchlässigen Isolationsfilm 121 abgedeckt. Der gasdurchlässige Isolierfilm 121 bzw. der Isolationsfilm 121 ist ein Film, der den Durchtritt des PM 8 verhindert und eine im Abgas enthaltene Gaskomponente passieren lässt.
Genauer gesagt, wird in der vorliegenden Ausführungsform poröse Keramik für den gasdurchlässigen Isolationsfilm 121 verwendet. Die poröse Keramik weist eine Vielzahl von Poren im Inneren auf, und die Poren sind miteinander verbunden, um Verbindungs- bzw. Kommunikationsöffnungen zu bilden. Die Verbindungslöcher erstrecken sich von einer freiliegenden Oberfläche S3 des gasdurchlässigen Isolierfilms 121 bis zu einer Oberfläche S1 gegenüber der freiliegenden Oberfläche S3. Der gasdurchlässige Isolationsfilm 121 ist so konfiguriert, dass die Gaskomponente den Überwachungsleitabschnitt 2b durch die Verbindungslöcher erreichen kann.
Wenn also der Überwachungsleitabschnitt 2b mit dem gasdurchlässigen Isolationsfilm 121 abgedeckt ist, kann die Erkennungsgenauigkeit des PM 8 weiter verbessert werden. Insbesondere wenn das leitende Material, das den Detektionsleitabschnitt 2a bildet, der Gaskomponente, wie beispielsweise dem im Abgas enthaltenen SOx, ausgesetzt ist, findet ein Elektronenaustausch zwischen dem leitenden Material und der Gaskomponente statt, was zu einer Änderung der elektrischen Leitfähigkeit führen kann. Dementsprechend kann der elektrische Widerstand (d.h. der Detektionsleitabschnittswiderstand R_a ) des Detektionsleitabschnitts 2a, der der Gaskomponente ausgesetzt ist, vom elektrischen Widerstand (d.h. dem Kompensationswiderstand R_b ) des Überwachungsleitabschnitts 2b, der nicht der Gaskomponente ausgesetzt ist, abweichen, wenn der Überwachungsleitabschnitt 2b mit dem Isolationsfilm 12 ohne Gasdurchlässigkeit bedeckt ist. Dies kann eine genaue Kompensation des Detektionsleitabschnittswiderstands R_a verhindern und zu einer Verringerung der Detektionsgenauigkeit des PM 8 führen. Wie in der vorliegenden Ausführungsform, wenn der Überwachungsleitabschnitt 2b mit dem gasdurchlässigen Isolationsfilm 121 bedeckt ist, ist jedoch auch der Überwachungsleitabschnitt 2b der Gaskomponente ausgesetzt, so dass die Differenz zwischen dem detektierenden leitenden Abschnittswiderstand Ra und dem Kompensationswiderstand Rb klein gemacht werden kann. Dies erleichtert die Kompensation des Detektionsleitabschnittswiderstands R_a und somit kann die Detektionsgenauigkeit des PM 8 weiter verbessert werden.
Darüber hinaus kann bei Verwendung eines porösen Materials für den gasdurchlässigen Isolationsfilm 121 die Wärmekapazität dem gasdurchlässigen Isolationsfilm 121 klein gemacht werden. Daher ist es wahrscheinlicher, dass Wärme vom Abgas auf den Überwachungsleitabschnitt 2b übertragen wird. Dementsprechend kann der Temperaturunterschied zwischen dem Detektionsleitabschnitt 2a und dem Überwachungsleitabschnitt 2b klein gestaltet werden, was eine genaue Kompensation der Änderung des Detektionsleitabschnittswiderstands R_a entsprechend der Temperatur ermöglicht. Dadurch kann die Erkennungsgenauigkeit des PM 8 weiter verbessert werden.
Insbesondere wenn der Überwachungsleitabschnitt 2b mit dem dicken und nicht porösen Isolationsfilm 12 bedeckt ist, kann es bis zu einem gewissen Grad weniger wahrscheinlich sein, dass die Temperatur vom Abgas auf den Überwachungsleitabschnitt 2b übergeht. So kann, wie in 53 dargestellt, bei einer Änderung der Abgastemperatur die Temperatur des leitfähigen Detektionsabschnitts 2b mit leichter Verzögerung geändert werden. Darüber hinaus kann der Betrag der Temperaturänderung des Überwachungsleitabschnitts 2b kleiner sein als der Betrag der Temperaturänderung des Detektionsleitabschnitts 2a. Andererseits, wenn der Überwachungsleitabschnitt 2b mit dem gasdurchlässigen Isolationsfilm 121 aus einem porösen Material, wie in 54 dargestellt, für die Temperaturänderung des Überwachungsleitabschnitts 2b abgedeckt ist, kann die Reaktionsfähigkeit auf die Temperaturänderung des Abgases verbessert werden. Außerdem wird die Größe der Temperaturänderung groß. Dadurch wird die Differenz zwischen der Temperatur des Detektionsleitabschnitts 2a und der Temperatur des Überwachungsleitabschnitts 2b klein, was eine genaue Kompensation des Detektionsleitabschnittswiderstandes R_a ermöglicht. Dadurch kann die Erkennungsgenauigkeit des PM 8 verbessert werden.
Wie vorstehend beschrieben, ist der gasdurchlässige Isolationsfilm 121 ein Film bzw. eine Folie, die das Durchdringen des PM 8 verhindert. Die „Prävention“ bedeutet hier nicht die vollständige Blockade des Durchflusses des PM 8 durch den gasdurchlässigen Isolationsfilm 121. So kann beispielsweise das PM 8 den gasdurchlässigen Isolationsfilm 121 so weit durchdringen, dass ein Ausgang des Widerstandsüberwachungsabschnitts 5 kaum verändert wird. Wenn das PM 8 beispielsweise eine kleine Partikelgröße aufweist, kann eine kleine Menge des PM 8 durch die Verbindungslöcher in den Überwachungsleitabschnitt 2b gelangen. Genauer gesagt, verwendet die vorliegende Ausführungsform den gasdurchlässigen Isolationsfilm 121, der verhindem kann, dass das PM 8 während eines Zeitraums, in dem der PM-Sensor 1 das PM 8 erfasst, den Detektionsleitabschnitt 2b erreicht, d.h. ab dem Ende des Verfahrens, in dem die Heizvorrichtung 111 (siehe 50) Wärme erzeugt, um das PM 8 auf der Ablagerungsfläche 20 zu verbrennen, bis zur nächsten Wärmeentwicklung durch die Heizvorrichtung 111.
Wie vorstehend beschrieben, ist es vorzuziehen, für den gasdurchlässigen Isolationsfilm 121 poröse Keramik zu verwenden. Genauer gesagt, ist es vorzuziehen, eine poröse Keramik wie Aluminiumoxid (z.B. α Aluminiumoxid, θ Aluminiumoxid), Spinell, Siliziumdioxid oder Titanoxid zu verwenden. Darüber hinaus weist die poröse Keramik vorzugsweise eine Porosität von 10 bis 75% auf. Wenn die poröse Keramik eine Porosität von weniger als 10% aufweist, wird die Durchlässigkeit der Gaskomponente eher geringer. Wenn die poröse Keramik eine Porosität von mehr als 75% aufweist, ist die Festigkeit des gasdurchlässigen Isolationsfilms 121 wahrscheinlicher verringert. Eine bevorzugte Porosität liegt in einem Bereich von 45 bis 60%.
Darüber hinaus weist der gasdurchlässigen Isolationsfilm 121 vorzugsweise eine Dicke von 10 µm oder mehr auf. Eine weitere bevorzugte Dicke des gasdurchlässigen Isolationsfilms 121 liegt im Bereich von 30 bis 2000 µm. Wenn den gasdurchlässigen Isolationsfilm 121 eine Dicke von weniger als 30 aufweist µm, kann die Festigkeit dem gasdurchlässigen Isolationsfilm 121 verringert werden. Wenn der gasdurchlässige Isolationsfilm 121 eine Dicke von mehr als 2000 µm aufweist, ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Gaskomponente den gasdurchlässigen Isolationsfilm 121 durchdringt, geringer.
Es wurde ein Experiment zur Bestätigung der Effekte der vorliegenden Ausführungsform durchgeführt. Zunächst wurde der PM-Sensor 1 mit der in 50 dargestellten Struktur vorbereitet, bei dem der Überwachungsleitabschnitt 2b und die Überwachungselektroden 3b mit dem Isolationsfilm 12 ohne Gasdurchlässigkeit abgedeckt wurden. Dann wurde SO₂-haltiges Gas und kein PM 8 auf den PM-Sensor 1 geblasen, und die Differenz zwischen einem Ausgang des Feinstaubdetektionsabschnitts 4 und einem Ausgang des Widerstandsüberwachungsabschnitts 5 (d.h. einem Sensorausgang) wurde gemessen. Die Konzentrationen von SO₂ wurden auf 10 ppm, 20 ppm, 50 ppm und 100 ppm festgelegt. Für der Isolationsfilm 12 wurde Aluminiumoxid oder dergleichen verwendet. 51 zeigt ein Ergebnis der Messung.
51 zeigt, dass bei Verwendung dem Isolationsfilm 12 ohne Gasdurchlässigkeit, wenn das Abgas SO₂ enthält, der Sensorausgang stark verändert wird. Dies liegt vermutlich daran, dass, wenn das Abgas SO₂ enthält, der elektrische Widerstand Ra des Detektionsleitabschnitts 2a klein wird und eine große Menge an elektrischem Strom durch den Detektionsleitabschnitt 2a fließt (d.h. die Ausgabe des Feinstaubdetektionsabschnitts 4 wird groß), aber kein SO₂ den Überwachungsleitabschnitt 2b erreicht und eine große Menge an elektrischem Strom weniger wahrscheinlich durch den Überwachungsleitabschnitt 2b fließt.
Anschließend wurde der PM-Sensor 1 mit der in 50 dargestellten Struktur vorbereitet, bei dem der Überwachungsleitabschnitt 2b mit dem gasdurchlässigen Isolationsfilm 121 abgedeckt wurde. Aluminiumoxid oder dergleichen wurde für den gasdurchlässigen Isolationsfilm 121 verwendet. Dann wurde ein Experiment ähnlich dem oben genannten Experiment durchgeführt. 52 zeigt das Ergebnis des Experiments.
52 zeigt, dass bei Verwendung des gasdurchlässigen Isolationsfilms 121, auch wenn das Abgas SO₂ enthält, der Sensorausgang nicht wesentlich verändert wird. Dies liegt vermutlich daran, dass, wenn das Abgas SO₂ enthält, der Detektionsleitabschnitt 2a SO₂ und der Überwachungsleitabschnitt 2b auch SO₂ ausgesetzt ist, das durch den gasdurchlässigen Isolationsfilm 121 hindurchgetreten ist, und somit der elektrische Widerstand R_a des Leitabschnitts 2a nahezu gleich den elektrischen Widerständen Rb des Leitabschnitts 2b wird. Dies zeigt, dass bei Verwendung des gasdurchlässigen Isolationsfilms 121 die Menge an PM 8 genau gemessen werden kann, ohne von der Gaskomponente wie SO₂ stark beeinflusst zu werden.
In der vorliegenden Ausführungsform wird das poröse Material mit den Verbindungslöchern für den gasdurchlässigen Isolationsfilm 121 verwendet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. So kann beispielsweise ein Festelektrolyt, der die Gaskomponente ionisiert und die Gaskomponente durchlässt, für den gasdurchlässigen Isolationsfilm 121 verwendet werden. In diesem Fall muss der gasdurchlässige Isolationsfilm 121 nicht porös sein und kann eine dichte Folie sein. Auf diese Weise kann zuverlässig verhindert werden, dass das PM 8 den Detektionsleitabschnitt 2b erreicht.
In der vorliegenden Ausführungsform wird der PM-Sensor 1 mit der in 50 dargestellten Struktur verwendet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Insbesondere kann der PM-Sensor 1, wie in 55 dargestellt, so konfiguriert werden, dass der Überwachungsleitabschnitt 2b und die Überwachungselektroden 3b mit dem gasdurchlässigen Isolationsfilm 121 bedeckt sind und der Detektionsleitabschnitt 2a auf dem gasdurchlässigen Isolationsfilm 121 vorgesehen ist. Alternativ kann der PM-Sensor 1, wie in 56 dargestellt, so konfiguriert werden, dass der Überwachungsleitabschnitt 2b mit dem Detektionsleitabschnitt 2a integriert vorgesehen ist und der Überwachungsleitabschnitt 2b und die Überwachungselektroden 3b mit dem gasdurchlässigen Isolationsfilm 121 abgedeckt sind.
Abgesehen davon weist die siebte Ausführungsform eine Konfiguration und ähnliche Effekte auf wie die erste Ausführungsform.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben genannten Ausführungsformen beschränkt und kann auf verschiedene Ausführungsformen angewendet werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Die vorliegende Offenbarung wurde auf der Grundlage der Ausführungsformen beschrieben, aber es versteht sich, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die Ausführungsformen oder die Strukturen beschränkt ist. Die vorliegende Offenbarung beinhaltet verschiedene modifizierte Beispiele und Modifikationen in einem äquivalenten Bereich. Darüber hinaus beinhaltet eine Kategorie oder ein Denkbereich der vorliegenden Offenbarung verschiedene Kombinationen oder Formen und andere Kombinationen oder Formen, die nur ein Element, ein oder mehrere Elemente oder ein oder weniger Elemente davon beinhalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2016201070 [0001]
JP 2017074706 [0001]
JP 2017080740 [0001]
JP 2017179388 [0001]
JP 2016138449 A [0006]

Claims

Feinstaubdetektionssensor (1) zum Erfassen einer Menge an Feinstaub (8), der im Abgas enthalten ist, wobei der Feinstaubdetektionssensor das Folgende umfasst: einen Feinstaubdetektionsabschnitt (4); und einen Widerstandsüberwachungsabschnitt (5), wobei: der Feinstaubdetektionsabschnitt einen Detektionsleitabschnitt (2a) und ein Paar Detektionselektroden (3a) beinhaltet, der Detektionsleitabschnitt aus einem leitfähigen Material mit einem höheren elektrischen Widerstand als der des Feinstaubs besteht und dieser eine Oberfläche aufweist, auf der eine Ablagerungsoberfläche (20) vorgesehen ist, wobei der Feinstaub auf der Ablagerungsoberfläche abgelagert wird, das Paar von Detektionselektroden an dem Detektionsleitabschnitt vorgesehen ist und diese über die Ablagerungsoberfläche zueinander gegenüberliegend angeordnet sind, der Feinstaubdetektionsabschnitt so konfiguriert ist, dass ein elektrischer Widerstand zwischen dem Paar von Detektionselektroden entsprechend der Menge des auf der Ablagerungsoberfläche abgelagerten Feinstaubs geändert wird, der Widerstandsüberwachungsabschnitt einen Überwachungsleitabschnitt (2b) und ein Paar Überwachungselektroden (3b) beinhaltet, der Überwachungsleitabschnitt aus dem leitenden Material besteht und an einer Position angrenzend zu dem Detektionsleitabschnitt angeordnet ist, das Paar Überwachungselektroden an dem Überwachungsleitabschnitt vorgesehen ist, und der Widerstandsüberwachungsabschnitt so konfiguriert ist, dass kein Feinstaub auf dem Überwachungsleitabschnitt zwischen dem Paar Überwachungselektroden abgelagert wird.
Feinstaubdetektionssensor nach Anspruch 1, wobei der Detektionsleitabschnitt mit dem Überwachungsleitabschnitt integriert angeordnet ist, um einen einzigen leitenden Plattenabschnitt (29) zu bilden, der leitende Plattenabschnitt durch einen Substratabschnitt (11) gelagert wird, der Überwachungsleitabschnitt ein Abschnitt des leitenden Plattenabschnitts auf einer Seite ist, die in einer Plattendickenrichtung des leitenden Plattenabschnitts näher an dem Substratabschnitt liegt, der Detektionsleitabschnitt ein Abschnitt des leitenden Plattenabschnitts auf einer Seite gegenüber dem Überwachungsleitabschnitt ist, die Überwachungselektroden an einer Hauptfläche (S2) des leitenden Plattenabschnitts vorgesehen sind, wobei die Hauptfläche (S2) in Kontakt mit dem Substratabschnitt steht, und die Ablagerungsoberfläche an einer Hauptfläche (S1) des leitenden Plattenabschnitts vorgesehen ist, wobei die Hauptfläche (S1) der Hauptfläche (S2) gegenüberliegt.
Feinstaubdetektionssensor nach Anspruch 2, wobei in einem Zustand, in dem die Ablagerungsfläche mit den Feinstaub bedeckt ist, ein Abstand (H) zwischen der Detektionselektrode und der Detektionselektrode in Plattendickenrichtung so bestimmt wird, dass ein Verhältnis I_b/I_s eines elektrischen Stroms I_b und eines elektrischen Stroms Is 0,02 oder weniger beträgt, wobei der elektrische Strom I_b zwischen dem Paar Überwachungselektroden fließt, wobei der elektrische Strom I_S zwischen dem Paar Detektionselektroden fließt.
Feinstaubdetektionssensor nach Anspruch 1, wobei der Detektionsleitabschnitt von dem Überwachungsleitabschnitt getrennt angeordnet ist, der Detektionsleitabschnitt und der Überwachungsleitabschnitt jeweils eine Plattenform aufweisen und von dem Substratabschnitt gelagert werden, die Überwachungselektroden an einer Hauptoberfläche des Detektionsleitabschnitts vorgesehen sind, wobei die Hauptoberfläche gegenüber einer Hauptoberfläche des Detektionsleitabschnitts in Kontakt mit dem Substratabschnitt angeordnet ist, und Oberflächen des Detektionsleitabschnitts und der Überwachungselektroden mit einem Isolationsfilm (12) abgedeckt sind.
Feinstaubdetektionssensor nach Anspruch 1, wobei eine Oberfläche des Überwachungsleitabschnitts mit einem gasdurchlässigen Isolationsfilm (121) bedeckt ist, und der gasdurchlässige Isolationsfilm das Durchdringen des Feinstaubs verhindert und eine im Abgas enthaltene Gaskomponente durchdringen lässt.
Feinstaubdetektionssensor nach Anspruch 5, wobei der gasdurchlässige Isolationsfilm aus einem porösen Material mit einer Vielzahl von Verbindungslöchern hergestellt ist, durch die die Gaskomponente durchdringt.
Feinstaubdetektionssensor nach Anspruch 5, wobei der gasdurchlässige Isolationsfilm aus einem Festelektrolyt besteht, der die Gaskomponente ionisiert und den Durchgang der Gaskomponente ermöglicht.
Feinstaubdetektionssensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei eine Heizvorrichtung (111) in dem Substratabschnitt vorgesehen ist, und die Heizvorrichtung (111) den auf der Ablagerungsoberfläche abgelagerten Feinstaub verbrennt.
Feinstaubdetektionssensor nach Anspruch 1, wobei der Detektionsleitabschnitt mit dem Überwachungsleitabschnitt integriert angeordnet ist, um einen einzigen leitenden Plattenabschnitt zu bilden, eine Heizvorrichtung im Abschnitt der leitenden Platte vorgesehen ist, und die Heizvorrichtung (111) den auf der Ablagerungsoberfläche abgelagerten Feinstaub verbrennt.
Feinstaubdetektionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das leitende Material verwendet wird, um den Detektionsleitabschnitt und den Überwachungsleitabschnitt zu bilden, und, wenn eine Probe (25) mit einem plattenförmigen Substrat (251) und einem Paar Messelektroden (37) vorbereitet wird, und ein elektrischer Widerstand R zwischen dem Paar Messelektroden gemessen wird, um einen elektrischen Oberflächenwiderstand p zu berechnen, der durch die folgende Gleichung ausgedrückt wird, der elektrische Oberflächenwiderstand p in einem Bereich von 1.0×10⁷ to 1.0×10¹⁰ Ω·cm bei einem Temperaturbereich von 1 bis 500°C liegt, wobei das plattenförmige Substrat aus dem leitenden Material hergestellt ist und eine Dicke T von 1,4 mm aufweist, wobei das Paar Messelektroden einer Hauptoberfläche bereitgestellt wird. $ρ = R \times L \times T/D$
Feinstaubdetektionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das leitfähige Material Keramik mit einer Molekularformel von ABO₃ und mit einer Perowskitstruktur ist, wobei A mindestens eines ist, ausgewählt aus La, Sr, Ca und Mg, und B mindestens eines ist, ausgewählt aus Ti, Al, Zr und Y.
Feinstaubdetektionssensor nach Anspruch 11, wobei A Sr als Hauptkomponente und La als Zubehörkomponente enthält, und B Ti ist.
Feinstaubdetektionsvorrichtung (10), umfassend: den Feinstaubdetektionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12; und einen Steuerabschnitt (6), der mit dem Feinstaubdetektionssensor verbunden ist, wobei der Steuerabschnitt einen Hauptmessabschnitt (61), einen Kompensationsmessabschnitt (62) und einen Ablagerungsmengenberechnungsabschnitt (63) beinhaltet, der Hauptmessabschnitt einen Feinstaubdetektionswiderstand (Rs) misst, der ein elektrischer Widerstand zwischen dem Paar von Detektionselektroden ist, der Kompensationsmessabschnitt einen Kompensationswiderstand (R_b) misst, der ein elektrischer Widerstand zwischen dem Paar von Überwachungselektroden ist, und der Ablagerungsmengenberechnungsabschnitt eine Änderung eines elektrischen Widerstands (R_a) des Detektionsleitabschnitts zwischen dem Paar von Detektionselektroden unter Verwendung eines Messwertes des Kompensationswiderstands kompensiert und eine Menge des auf der Ablagerungsoberfläche abgelagerten Feinstaubs berechnet.
Feinstaubdetektionsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei ein Intervall W_a zwischen dem Paar von Detektionselektroden gleich einem Intervall W_b zwischen dem Paar von Überwachungselektroden ist.
Feinstaubdetektionsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei sich ein Intervall W_a zwischen dem Paar von Detektionselektroden von einem Intervall W_b zwischen dem Paar von Überwachungselektroden unterscheidet, und der Ablagerungsmengenberechnungsabschnitt konfiguriert ist, um die Menge des abgelagerten Feinstaubs unter Verwendung eines Wertes R_bW_a/W_b zu berechnen, der durch Multiplikation eines Messwertes des Kompensationswiderstands R_b mit einem Verhältnis W_a/W_b des Intervalls W_a zwischen dem Paar von Detektionselektroden und dem Intervall W_b zwischen dem Paar von Überwachungselektroden erhalten wird.
Feinstaubdetektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei der Steuerabschnitt einen Temperaturberechnungsabschnitt (64) beinhaltet, der eine Temperatur des Detektionsleitabschnitts unter Verwendung des Messwertes des Kompensationswiderstands berechnet.
Feinstaubdetektionsvorrichtung nach Anspruch 16, wobei der Steuerabschnitt einen Ablagerungsmengen-Korrekturabschnitt (65) beinhaltet, der eine Änderung des spezifischen Widerstandes des Feinstaubs gemäß einer Temperatur unter Verwendung eines berechneten Wertes der Temperatur korrigiert und dadurch die Menge des abgelagerten Feinstaubs korrigiert, die durch den Ablagerungsmengen-Berechnungsabschnitt berechnet wird.
Feinstaubdetektionsvorrichtung (10), umfassend: einen Feinstaubdetektionssensor (1) zum Detektieren einer im Abgas enthaltenen Feinstaubmenge (8); und einen Steuerabschnitt (6), der mit dem Feinstaubdetektionssensor verbunden ist, wobei der Feinstaubdetektionssensor einen Detektionsleitabschnitt (2a) und ein Paar Detektionselektroden (3a) beinhaltet, der Detektionsleitabschnitt aus einem leitfähigen Material mit einem höheren elektrischen Widerstand als der des Feinstaubs besteht und dieser eine Oberfläche aufweist, auf der eine Ablagerungsoberfläche (20) vorgesehen ist, wobei der Feinstaub auf der Ablagerungsoberfläche abgelagert wird, das Paar von Detektionselektroden an dem Detektionsleitabschnitt vorgesehen ist und diese über die Ablagerungsoberfläche zueinander gegenüberliegend angeordnet sind, der Feinstaubdetektionssensor so konfiguriert ist, dass ein elektrischer Widerstand zwischen dem Paar von Detektionselektroden entsprechend einer auf der Ablagerungsoberfläche abgelagerten Feinstaubmenge verändert wird, und der Steuerabschnitt konfiguriert ist, um eine Temperatur des Detektionsleitabschnitts zu erhöhen und den Feinstaub zu erfassen, während die Temperatur des Detektionsleitabschnitts so gesteuert wird, dass ein Detektionsleitabschnittswiderstand (R_a) innerhalb eines vorbestimmten Bereichs in einem Zustand liegt, in dem kein Feinstaub ablagert ist, wobei der Detektionsleitabschnittswiderstand ein elektrischer Widerstand des Detektionsleitabschnitts zwischen dem Paar von Detektionselektroden ist.
Feinstaubdetektionsvorrichtung nach Anspruch 18, wobei der Steuerabschnitt konfiguriert ist, um einen elektrischen Widerstand zwischen dem Paar von Detektionselektroden in einem Zustand zu messen, in dem kein Feinstaub auf der Ablagerungsoberfläche abgelagert ist, und den Feinstaub unter Beibehaltung einer Temperatur, bei der ein Messwert des elektrischen Widerstands innerhalb des Bereichs liegt, zu erfassen.
Feinstaubdetektionsvorrichtung nach Anspruch 19, wobei der Steuerabschnitt konfiguriert ist, um zu bestimmen, ob der Feinstaub auf der Ablagerungsoberfläche ablagert wird, indem Informationen über einen Betriebszustand eines Motors (71) verwendet werden, der Abgas emittiert, und um den elektrischen Widerstand zwischen dem Paar von Detektionselektroden zu messen, wenn der Steuerabschnitt bestimmt, dass keine Feinstaub auf der Ablagerungsoberfläche ablagert ist.
Feinstaubdetektionsvorrichtung nach Anspruch 18, wobei: der Feinstaubdetektionssensor ferner einen Überwachungsleitabschnitt (2b) und ein Paar Überwachungselektroden (3b) beinhaltet, der Überwachungsleitabschnitt aus dem leitenden Material besteht und an einer Position angrenzend zu dem Detektionsleitabschnitt angeordnet ist, das Paar Überwachungselektroden an dem Überwachungsleitabschnitt vorgesehen ist, der Feinstaubdetektionssensor so konfiguriert ist, dass kein Feinstaub auf dem Überwachungsleitabschnitt zwischen dem Paar Überwachungselektroden abgelagert wird, und der Steuerabschnitt konfiguriert ist, um einen Widerstand (R_b) des Detektionsleitabschnitts zwischen dem Paar von Überwachungselektroden zu messen und die Temperatur des Detektionsleitabschnitts unter Verwendung eines Messwertes des Widerstands zu steuern, so dass der Detektionsleitabschnittswiderstand innerhalb des Bereichs liegt.
Feinstaubdetektionsvorrichtung nach Anspruch 21, wobei der Detektionsleitabschnitt mit dem Überwachungsleitabschnitt integriert angeordnet ist, um einen einzigen leitenden Plattenabschnitt (29) zu bilden, der leitende Plattenabschnitt durch einen Substratabschnitt (11) gelagert wird, der Überwachungsleitabschnitt ein Abschnitt des leitenden Plattenabschnitts auf einer Seite ist, die in einer Plattendickenrichtung des leitenden Plattenabschnitts näher an dem Substratabschnitt liegt, der Detektionsleitabschnitt ein Abschnitt des leitenden Plattenabschnitts auf einer Seite gegenüber dem Überwachungsleitabschnitt ist, die Überwachungselektroden an einer Hauptfläche (S2) des leitenden Plattenabschnitts vorgesehen sind, wobei die Hauptfläche (S2) in Kontakt mit dem Substratabschnitt steht, und die Ablagerungsoberfläche an einer Hauptfläche (S1) des leitenden Plattenabschnitts vorgesehen ist, wobei die Hauptfläche (S1) der Hauptfläche (S2) gegenüberliegt.
Feinstaubdetektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei der Steuerabschnitt den Detektionsleitabschnitt unter Verwendung von Widerstandswärme erwärmt, die durch einen elektrischen Strom erzeugt wird, der durch den Detektionsleitabschnitt fließt, und der Steuerabschnitt konfiguriert ist, um die Temperatur des Detektionsleitabschnitts durch Steuern einer zwischen dem Paar Detektionselektroden angelegten Spannung zu steuern.
Feinstaubdetektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei der Feinstaubdetektionssensor eine Heizvorrichtung (111) zum Verbrennen der auf der Ablagerungsoberfläche abgelagerten Feinstaub beinhaltet und den leitenden Abschnitt der Erfassung unter Verwendung der von der Heizvorrichtung erzeugten Wärme erwärmt, und der Steuerabschnitt konfiguriert ist, um die Temperatur des Detektionsleitabschnitts durch Steuern einer Größe des elektrischen Stroms, der durch die Heizvorrichtung fließt, zu steuern.