JP5746991B2 - 煤検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車用内燃機関の排気系等に使用され、被測定ガス中に含まれるカーボンからなる煤を主成分とする粒子状物質（ＰＭ）を検出する煤検出装置に関する。

自動車用ディーゼルエンジン等において、燃焼排気に含まれる環境汚染物質、特に煤粒子（Ｓｏｏｔ）及び可溶性有機成分（ＳＯＦ）を主体とする粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ；ＰＭ）を捕集するために、排気通路にディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）を設置することが行われている。ＤＰＦは、耐熱性に優れる多孔質セラミックスからなり、多数の細孔を有する隔壁に燃焼排気を通過させて粒子状物質を捕捉する。
ＤＰＦは、粒子状物質捕集量が許容量を超えると、目詰まりが生じて圧力損失が増大したり、粒子状物質のすり抜けが増加したりする恐れがあり、定期的に再生処理を行って捕集能力を回復させている。
ＤＰＦの再生時期は、一般的には、粒子状物質捕集量の増加によりＤＰＦ前後の差圧が増大することを利用しており、このため、ＤＰＦの上流及び下流の圧力差を検出する差圧センサが設置される。
ＤＰＦの再生処理は、ヒータ加熱あるいはポスト噴射等により高温の燃焼排気をＤＰＦ内に導入により、粒子状物質を燃焼除去して行う。

一方、燃焼排気中の粒子状物質を直接検出可能なセンサとして、例えば、特許文献１には、第１酸素濃度測定部の第１検知電極と煤捕集層を、煤の侵入が可能な構成とすると共に、第２酸素濃度測定部の第２検知電極の表面に煤の侵入防止する煤制限層を設けた煤検出センサを用いて、第１酸素濃度測定部の温度を、煤が残存し、しかも、ポンピングによる酸素によって煤の燃焼が可能な温度に制御し、この状態で、第１酸素濃度測定部の両電極間に電圧を印加して酸素のポンピングを行い、このポンピングされた酸素を用いて前記温度で煤を燃焼させて、第１酸素濃度測定部の電極間の電流値Ｉ１と第２酸素濃度測定部の電極間の電流値Ｉ２との差（ΔＩ＝Ｉ１−Ｉ２）から、煤の積算量を算出できることが記載されている。

また、このセンサを、ＤＰＦの下流に設置した場合には、ＤＰＦをすり抜ける粒子状物質を測定し、車載式故障診断装置（ＯＢＤ：Ｏｎ Ｂｏａｒｄ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ）において、ＤＰＦの作動状態の監視、例えば亀裂や破損といった異常の検出に利用することができる。あるいはＤＰＦの上流に設置して、ＤＰＦに流入する粒子状物質量を測定し、差圧センサに代えて再生時期の判断に利用することも検討されている。

ところが、特許文献１にあるように、第１酸素濃度測定部の電極間の電流値Ｉ１と、第１酸素濃度測定部の電極間の電流値Ｉ２との差ΔＩ＝Ｉ１−Ｉ２を用いて煤を検出しても、第１酸素濃度測定部の電極間の電流値Ｉ１には、煤の燃焼に用いられる電流以外に、煤の燃焼のみならず、単なる酸素ポンピングのための電流が含まれているため、第１酸素濃度検出部と中間室との酸素濃度の違いが重畳的に検出され、検出誤差が大きくなる虞があった。

そこで、かかる実情に鑑み、本発明は、検知電極と基準電極との間の電圧を所定の値に制御することで、検知電極上に堆積した煤量を高精度に検出可能な煤検出装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明（１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ）では、少なくとも、酸素イオン導電性の固体電解質体（４）の表面において、被測定ガス空間（１１）内に存在し、煤を含む被測定ガスに面する第１の検知電極（２２、２２ｂ、２２ｆ）と、前記被測定ガス空間（１１）とは別に区画した基準ガス空間（５１、５１ａ、５１ｃ、５１ｇ）内に存在し、又は、前記被測定ガス空間（１１）と同一の空間とした基準ガス空間（５１ｆ）内に存在し、煤を含まない基準ガスに面する第１の基準電極（２１、２１ｂ、２１ｆ）とからなる一対の電極（２１、２２、２１ｂ、２２ｂ、２１ｆ、２２ｆ）を有し、これらの一対の電極（２１、２２、２１ｂ、２２ｂ、２１ｆ、２２ｆ）間への通電により前記第１の基準電極（２１、２１ｂ、２１ｆ）から前記第１の検知電極（２２、２２ｂ、２２ｆ）に向かって前記第１の検知電極（２２、２２ｂ、２２ｆ）の表面上に堆積した煤を酸化させるための酸素を供給する第１の電気化学セル（２、２ｂ、２ｆ）と、前記固体電解質体（４）を加熱する加熱手段（９）とを備えた煤検出素子（１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ）を被測定ガス中に配設して、前記第１の検知電極（２２、２２ｂ、２２ｆ）の表面上に堆積した煤を酸化させたときの電気化学的変化を検出して、被測定ガス空間（１１）内に存在する煤を検出する煤検出装置であって、前記第１の検知電極（２２、２２ｂ、２２ｆ）と前記第１の基準電極（２１、２１ｂ、２１ｆ）との間に印加する検知電圧（Ｖ_Ｄ）と、煤が堆積していない状態における電圧閾値（Ｖ_ＲＥＦ）とが等しくなるように電圧制御することにより、前記第１の基準電極（２１、２１ｂ、２１ｆ）から前記第１の検知電極（２２、２２ｂ、２２ｆ）に煤を酸化させるための酸素を供給して、前記第１の検知電極（２２、２２ｂ、２２ｆ）の表面上に堆積した煤を酸化させたときに、前記第１の電気化学セル（２、２ｂ、２ｆ）に流れる酸素イオン電流信号（Ｉ_ＰＭ）から前記第１の検知電極（２２、２２ｂ、２２ｆ）の表面上に堆積した煤量を検出する手段を有する。

請求項２の発明（１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ）では、前記手段が、前記第１の電気化学セル（２、２ｂ、２ｆ）に流れる酸素イオン電流信号（Ｉ_ＰＭ）の積算値（Ｉ_ＳＵＭ）から前記第１検知電極（２２、２２ｂ）の表面上に堆積した煤量を検出することを特徴とする。

請求項３の発明（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｅ、１ｆ、１ｇ）では、前記基準ガス空間（５１ａ、５１ｃ、５１ｇ）と前記被測定ガス空間（１１）とが連通し、又は、前記基準ガス空間（５１ｆ）と前記被測定ガス空間（１１）とを同一の空間とし、かつ、前記被測定ガス空間（１１）内の被測定ガスを被測定ガス中に存在する煤は透過せず、気体は透過する多孔質セラミック層（１００ａ、１００ｃ、１００ｆ）を透過させて、煤を含まない前記基準ガスとして、前記第１の基準電極（２１、２１ｂ）が接していることを特徴とする。

請求項４の発明（１、１ａ、１ｄ）では、前記固体電解質体（４）の表面に、前記第１の検知電極（２２）と同じ被測定ガス空間（１１）に対して、被測定ガス中に存在する煤は透過せず気体は透過する多孔質セラミック層（１００）を介して面する、第２の検知電極（３２）と、前記第１の基準電極（２１）と同じ、前記基準ガス空間（５１、５１ａ）に面して設けた第２の基準電極（３１）とからなる一対の電極（３１、３２）を有し、これら一対の電極（３１、３２）間の起電力を測定する第２の電気化学セル（３）を備え、前記第２の電気化学セル（３）の電極（３１、３２）間の電圧を、前記電圧閾値（Ｖ_ＲＥＦ）として、前記第１の電気化学セル（２）の電極（２１、２２）間に前記検知電圧（Ｖ_Ｄ）を印加することを特徴とする。

請求項５の発明（１ｂ、１ｃ、１ｅ、１ｆ、１ｇ）では、前記第１の基準電極（２１ｂ、２１ｆ）が被測定ガス中の煤は透過せず気体は透過する多孔質セラミック層（１００ａ、１００ｃ、１００ｆ）を介して、前記第１の検知電極（２２ｂ、２２ｆ）が面する被測定ガス空間（１１）に存在する被測定ガスと同一の気体が存在する基準ガス空間（５１ａ、５１ｃ、５１ｆ）に面すると共に、前記第１の電気化学セル（２ｂ、２ｆ）の一対の電極（２１ｂ、２２ｂ、２１ｆ、２２ｆ）間を短絡させて、前記電圧閾値（Ｖ_ＲＥＦ）、即ち、前記検知電圧（Ｖ_Ｄ）を０とすることを特徴とする。

請求項６の発明（１ｄ、１ｅ、１ｇ）では、前記第１の検知電極（２２、２２ｂ、２２ｆ）に対向して絶縁体（１４）を介して設けた静電場印加電極（１５）を有し、前記第１の検知電極（２２、２２ｂ、２２ｆ）と前記静電場印加電極（１５）との間に電圧（Ｖ_ＳＴ）を印加して静電場を形成することにより前記第１の検知電極の表面上に煤を捕集することを特徴とする。

本発明によれば、被検出ガス空間（１１）中に存在する気体の酸素濃度と煤量とが重畳的に変化しても、前記基準電極（２１、２１ｂ、２１ｆ）と前記検知電極（２２、２２ｂ。２２ｆ）との間の電圧（Ｖ_Ｄ）を所定の電圧（Ｖ_ＲＥＦ）に制御することで、被検出ガス空間（１１）内の酸素濃度の変化による影響を相殺して、酸素ポンピングによる電流の影響を受けることなく、前記基準電極（２１、２１ｂ、２１ｆ）から前記検知電極（２２、２２ｂ、２２ｆ）に向かって前記検知電極（２２、２２ｂ、２２ｆ）の表面上で煤の酸化に利用される酸素イオンのみがポンピングされ、この酸素イオン電流を測定することで前記検知電極（２２、２２ｂ、２２ｆ）の表面上に堆積した煤量を高精度に検出可能な、極めて信頼性の高い煤検出装置（１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ）が実現できる。

本発明の第１の実施形態における煤検出装置の概要を示す模式的断面図。 図１の煤検出装置に用いられる煤検出素子の展開斜視図。 図１の煤検出装置１において、被測定ガス空間と基準ガス空間との間に酸素濃度差が存在しない状態で、検知部に意図的に煤を堆積させたときのセル電流とセル電圧の関係を示す特性図。 図１の煤検出装置１において、被測定ガス空間と基準ガス空間との間に酸素濃度差が存在する状態で、検知部に意図的に煤を堆積させたときのセル電流とセル電圧の関係を示す特性図。 検知電極の表面上に堆積した煤量と被測定ガス中の酸素濃度とが重畳的に変化した場合に対する本発明の効果を示す特性図。 本発明の第２の実施形態における煤検出装置の概要を示す模式的断面図。 図６の煤検出装置に用いられる煤検出素子の展開斜視図。 本発明の第３の実施形態における煤検出装置の概要を示す模式的断面図。 本発明の第４の実施形態における煤検出装置の概要を示す模式的断面図。 本発明の第５の実施形態における煤検出装置の概要を示す模式的断面図。 本発明の第６の実施形態における煤検出装置の概要を示す模式的断面図。 本発明の第７の実施形態における煤検出装置の概要を示す模式的断面図。 本発明の第８の実施形態における煤検出装置の概要を示す模式的断面図。

図１、図２を参照して、本発明の第１の実施形態における煤検出装置１について説明する。
煤検出装置１は、少なくとも、酸素イオン導電性の固体電解質体４の表面において、被測定ガスの流れる被測定ガス空間１１に面する第１の検知電極２２と、第１の検知電極２２の面する前記被測定ガス空間１１とは別に区画した基準ガス空間５１に面する第１の基準電極２１とからなる一対の電極２１、２２を有し、これらの一対の電極２１、２２間への通電により第１の基準電極２１から第１の検知電極２２に向かって第１の検知電極２２の表面上に堆積した煤を酸化させるための酸素を供給する第１の電気化学セル２と、固体電解質体４を加熱する加熱手段９とを備えた煤検出素子１０を被測定ガス中に配設して、第１の検知電極２２の表面上に堆積した煤を酸化させたときの電気化学的変化を検出して、被測定ガス空間１１内に存在する煤を検出する煤検出装置１であって、第１の検知電極２２と第１の基準電極２１との間に印加する検知電圧Ｖ_Ｄと、煤が堆積していない状態における電圧閾値Ｖ_ＲＥＦとが等しくなるように電圧制御することにより、第１の基準電極２１から前記第１の検知電極２２に煤を酸化させるための酸素を供給して、第１の検知電極２２の表面上に堆積した煤を酸化させ、このとき前記第１の電気化学セル２に流れる酸素イオン電流信号Ｉから第１の検知電極２２の表面上に堆積した煤量を検出することを特徴とするものである。

加えて、本実施形態においては、固体電解質体４の表面に、第１の検知電極２２と同じ被測定ガス空間１１に対して、被測定ガス中に存在する煤は透過せず気体は透過する多孔質セラミック層１００を介して面する、第２の検知電極３２と、第１の基準電極２１と同じ、基準ガス空間５１に面して設けた第２の基準電極３１とからなる一対の電極３１、３２を有し、これら一対の電極３１、３２間の起電力を測定する第２の電気化学セル３を備え、第２の電気化学セル３の電極３１、３２間の電圧Ｖ_ＲＥＦを、電圧閾値Ｖ_ＲＥＦとして、第１の電気化学セル２の電極２１、２２間に検知電圧Ｖ_Ｄを印加することを特徴とする。

第２の電気化学セル３において、第２の検知電極３２は、被測定ガス空間１１内を流れる気体は通すが、煤は通さない多孔質セラミック層１００が形成されているため、煤が堆積していない状態において、被測定ガス空間１１と基準ガス空間５１との酸素濃度の差によって生じる起電力に基づく電圧Ｖ_ＲＥＦが検出され、第１の電気化学セル２に印加する検知電圧Ｖ_Ｄを、煤が堆積していない状態における電圧閾値Ｖ_ＲＥＦとして、第２の電気化学セル３で検出された電圧Ｖ_ＲＥＦに等しくなるようにフィードバック制御（Ｆ／Ｂ）している。
なお、後述する、本発明の煤検出装置を用いた試験により、被測定ガス中に存在する酸素濃度が変化したときでも、第１の検知電極２２の表面上に堆積した既知量の煤に対して検出された積算電流Ｉ_ＳＵＭが極めて高い精度で相関性を示すことが確認され、本発明においては、第１の電気化学セル２に流れる酸素イオン電流信号を所定の時間だけ積算した積算値Ｉ_ＳＵＭから第１検知電極２２の表面上に堆積した煤量を検出するようにするのが望ましいことが判明した。
本発明の煤検出装置を内燃機関の燃焼排気流路に設けて、いわゆるオンボードで使用する場合には、被測定ガスである燃焼排気中に含まれる煤量は未知であり、第１の検知電極２２の表面上に堆積した煤は連続的に酸化され続けられることになる。
したがって、実際の検出制御においては、例えば、１ｓないし１０ｓ程度の一定時間に第１の電気化学セル２で検出される酸素イオン電流信号を積算し、その時間当たりに堆積・酸化された煤量を検出することとする。

煤検出装置１においては、第１の電気化学セル２及び第２の電気化学セル３を構成するためのシート状の固体電解質体４と、基準ガス空間５１を形成するためのシート状のスペーサ５と、これらを加熱するヒータ９とが、順次積層されて煤検出素子１０を構成している。より具体的な煤検出素子１０の構成については、図２を参照して後述する。
本実施形態においては、第１の電気セル２に流れる電流Ｉ_ＰＭを検出する電流検出手段Ａと、第２の電気セル３の電極３１、３２間の電圧Ｖ_ＲＥＦを検出する電圧検出手段Ｖとを具備し、電圧検出手段Ｖによって検出した被測定ガス空間１１内の酸素濃度と基準ガス空間５１の酸素濃度の差によって生じた電圧Ｖ_ＲＥＦと等しくなるように電流検出手段Ａの検知電圧Ｖ_Ｄを制御することによって、酸素濃度の差に起因する第１の電気セル２の検出誤差を相殺し、第１の検知電極２２の表面上に堆積した煤を酸化したときに流れる酸素イオン電流のみを電流検出手段Ａによって精度良く検出できるようにしたものである。
なお、電圧検出手段Ｖは、第２の電気セルの第２の基準電極３１と第２の検知電極３２との間に任意の電圧を印加する電圧印加手段を含むものでも良い。

本実施形態における基準ガス空間５１には、一定の酸素濃度をもつ基準酸素濃度ガスとしての大気が導入される。
基準ガス空間５１は、図２に示すように、固体電解体４の下方に積層したスペーサ５に設けた抜き穴５１にて形成される。さらに、この抜き穴５１は、煤検出装置１の長手方向に伸びる溝としての通路部５２を有し、この通路部５２を通して大気が導入される。なお、スペーサ５は、公知のアルミナ等の絶縁材料よりなる。
第１の電気化学セル２、第２の電気化学セル３を構成するための固体電解質体４は、公知のジルコニアやセリア等の酸素イオン導電性を有する電解質材料よりなる。
第１の電気化学セル２は、固体電解質体４と、固体電解質体４を挟むように対向配置された一対の第１の検知電極２２と第１の基準電極２１とにより構成される。
一対の電極２１、２２のうち、一方の第１の検知電極２２は、被測定ガス空間１１に対向する側の固体電解質体４の表面に設けられ、他方の第１の基準電極２１は、基準ガス空間５１に対向する側の固体電解質体４の表面に設けられている。

第２の電気化学セル３は、固体電解質体４と、固体電解質体４を挟むように対向配置された一対の第２の検知電極３２、第２の基準電極３１とにより構成される。
一対の電極３１、３２のうち、一方の第２の検知電極３２は、被測定ガス空間１１に対向する側の固体電解質体４の表面に設けられ、他方の第２の基準電極３１は、基準ガス空間５１に対向する側の固体電解質体４の表面に設けられている。
さらに検知電極３２は煤の侵入は阻止し気体は透過する煤フィルタ層として設けた多孔質セラミック層１００により被覆されている。
多孔質セラミック層１００は、アルミナ等の絶縁材料からなり、被測定ガス空間１１内を流れる気体は透過できるが、煤は透過できない程度の細孔を有する多孔質体である。
なお、本実施形態における多孔質セラミック層１００の細孔は、自由な気体の移動を妨げるものではなく、酸素の拡散抵抗とはならない。
多孔質セラミック層１００の気孔率は、具体的には、５〜３０％、より好ましくは、１０〜２０％程度であることが望ましい。
第１の電気化学セル２、第２の電気化学セル３を構成する各電極２１、２２、３１、３２には、例えば、Ｐｔ、Ａｕ等の公知の多孔質サーメット電極が好適に用いられる。

また、図２に示すように、各電極２１、２２、３１、３２には、これらから電気信号を取り出すためのリード２１０、２２０、３１０、３２０が一体に形成されている。
各電極２１、２２、３１、３２及びリード２１０、２２０、３１０、３２０は、Ｐｔ等の貴金属とジルコニア等のセラミックを主成分としたサーメット材料で構成される。
ここで、固体電解質体４の表面上に形成した電極２１、２２、３１、３２以外の部位、特にリード２１０、２２０、３１０、３２０の形成部位には、固体電解質体４とリード２１０、２２０、３１０、３２０の間に、図略のアルミナ等の絶縁層を形成しておくことが好ましい。

加熱手段として設けたヒータ９は、アルミナ等からなる絶縁層７の上面に、通電発熱するヒータ電極８をパターニング形成し、このヒータ電極８の上面（スペーサ５側の面）に、アルミナ等からなる絶縁層６を形成してなる。
ヒータ電極８は、通常、Ｐｔとアルミナ等のセラミックスとのサーメットが用いられる。
このヒータ９は、ヒータ電極８を外部に設けた図略のヒータ通電制御装置からの給電により発熱させ、煤は酸化しないが、前記各セル２、３を活性化可能な温度まで加熱する。
さらに、煤検出装置１の温度を煤の燃焼温度以上に上昇させることにより、煤検出素子１０の被測定ガス空間１１内に露出した煤検知部２２、多孔質セラミック層１００の表面やリード２２０、３２０を覆う絶縁層等に余分に堆積した煤を燃焼除去する。

また、図２に示すように、各セル２、３、ヒータ電極８は、絶縁層７等に形成されたスルーホールＳＨを通して、センサ基部の端子Ｐまで接続されている。
そして、この端子Ｐにはコネクタを介して圧着やろう付け等により、リード線が接続され、外部に設けた電流検出手段Ａと第１の電気化学セル２と、電圧検出手段Ｖと第２の電気化学セル３と、図略のヒータ通電制御装置とヒータ９との電気信号のやり取りが可能となっている。

なお、固体電解質体４、スペーサ５、絶縁層６、７は、ドクターブレード法や押し出し成形法等の公知の製法により、シート形状に成形することができる。
また、前記の各電極２１等、リード２１０等及び端子Ｐは、スクリーン印刷等により形成することができる。
そして、各シートは積層して焼成することにより、一体化される。

次に、前記構成のガスセンサ素子の動作原理を説明する。図１において、被測定ガス空間１１内を流れる燃焼排気などの被測定ガス中に存在する煤は、第１の電気化学セル２に設けた第１の検知電極２２の表面上に堆積する。
一方、第２の電気化学セル３に設けた第２の検知電極３２は煤フィルタ層１００に被覆されているため煤は煤フィルタ層１００の表面上に堆積し、第２の検知電極３２には被測定ガスは到達するが、煤は到達しない。
第１の基準電極２１及び第２の基準電極３１は基準酸素濃度ガスとしての大気に接しており、それぞれの電極電位は一定に保たれる。
第２の電気化学セル３の電極３１、３２間には両電極間の酸素濃度差に基づく起電力が発生する。

一方、第１の電気化学セル２の電極２１、２２間には両電極間の酸素濃度差に基づく起電力に加えて、第１の検知電極２２の表面上に煤が堆積することによる起電力が発生する。
煤の堆積による起電力は、第１の検知電極２２の表面上で下記の反応がバランスする混成電位メカニズムに起因するものと推定される。
Ｃ（煤） ＋ ２Ｏ^２− → ＣＯ_２ ＋ ４ｅ⁻ ・・・式１
Ｏ_２ ＋ ４ｅ⁻ → ２Ｏ^２− ・・・式２

図３は、図１の煤検出装置１において、煤検出素子１０の検知部に意図的に煤を堆積させたときのセル電流Ｉとセル電圧Ｖの関係を示したものである。
このときの被測定ガス空間１１は、大気（酸素濃度約２１％）、素子温度（第１の電気化学セル２、及び、第２の電気化学セル３の温度）は、４００℃であり、第１の電気化学セル２、及び、第２の電気化学セル３の表面上には十分な量の煤（約０．１ｇ）が堆積してある。
また、第２の電気化学セル３の第２の検知電極３２は、煤フィルタ層１００に被覆されているため、第２の電気化学セル３の第２の検知電極３２にはガスのみが接触している。
第１の検知電極２２、第１の基準電極２１、第２の検知電極３２、第２の基準電極３１は、いずれも、大気雰囲気であるため、各セル２、３に酸素濃度差による起電力は発生しない。

第２の電気化学セル３の一対の電極３１、３２に、第２の検知電極３２が＋極となるように電圧Ｖを印加すると、第２の基準電極３１の表面上で酸素が還元されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により第２の検知電極３２側に排出される。
これとは逆に、第２の基準電極３１が＋極となるように電圧Ｖを印加すると、第２の検知電極３２の表面上で酸素が還元されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により第２の基準電極３１側に排出される。

一方、第１の電気化学セルの２の第１の検知電極２２は直接被測定ガス空間１１に曝されているため、被測定ガス（大気）だけでなく煤も接触し、これにともない起電力が発生する。
このときのメカニズムは、必ずしも明確にはなっていないが、第１の検知電極２２の表面上では、上述の式１に示す反応による電流が流れようとするため、この電流を相殺するように上述の式２の反応が起こり、その結果、起電力が発生すると考えられる。
したがって、図３に示すように、第１の電気化学セル２の電流−電圧曲線（実線）は第２の電気化学セル３の電流−電圧曲線（一点破線）に比べて上述の式１の電流分だけ上方にシフトした曲線になる。

図４は、同様の実験を被測定ガス空間１１の酸素濃度を１％として実施した結果である。
大気が導入されている基準ガス空間５１との酸素濃度の違いによる酸素濃淡電池の起電力分だけ、電流−電圧曲線が左側にシフトしている。
原理的には、第１の電気化学セル２の第１の基準電極２１と第１の検知電極２２との間の電圧を、第２の電気化学セル３の第２の基準電極３１と第２の検知電極３２との間の電圧に等しくなるように電圧制御し、第１の電気化学セル２の電流値Ｉ１と第２の電気化学セル３の電流値Ｉ２の差ΔＩを測定すれば、上述の式１による煤の電気化学的酸化電流を検出でき、これを積算することで煤の堆積量を求めることができると考えられる。

しかし、実際には、第２の電気化学セル３の電流が０となる電圧以外では、第１の電気化学セル２の電流Ｉ１、及び、第２の電気化学セル３の電流Ｉ２には、前記式１による煤の電気化学的酸化電流以外に、酸素のポンピング電流が流れており、第１の電気化学セル２の電流値Ｉ１と第２の電気化学セル３の電流値Ｉ２の差（ΔＩ＝Ｉ１−Ｉ２）をとっても測定バラツキがあるため完全には、濃淡電池による起電力をキャンセルできず、検出誤差要因となる。
これに対し、本発明では図１に示すように第２の電気化学セル３の電極３１、３２間の電圧Ｖ_ＲＥＦ（すなわち、第２の電気化学セル３の電流が０となる電圧）を測定し、この電圧と同じになるように第２の電気化学セル２の電極２１、２２間の検知電圧Ｖ_Ｄを制御する。
このとき、第１の電気化学セル２に流れる電流Ｉは、前記式１による煤の電気化学的酸化電流Ｉ_ＰＭのみとなる。
この電流を測定し、積算することで、被測定ガス空間１１の酸素濃度の影響を受けることなく、煤量を正確に測定することができる。

図５は、本発明における図１の煤検出装置について煤堆積量Ｑと積算電流Ｉ_ＳＵＭの関係を示したものであり、被測定ガス空間１１中の酸素濃度が変化しても精度よく煤堆積量を検出できることがわかる。
本図は、図３、図４に示した異なる酸素濃度において、第１の電気化学セル２で検出された電圧電流特性を示すもので、被測定ガス中の酸素濃度によらず、精度良く、粒子状物質の堆積量を検出することができることが分かる。

図６、図７、図８は本発明における、他の実施形態を示した図である。
なお、以下の実施形態の説明において、上記実施形態と同じ構成には同じ符号を付し、類似の構成についてはアルファベットの枝番を付して区別したので、詳細な説明を省略し、各実施形態の特徴的な点、他の実施形態との相違点を中心に説明する。また、他の実施形態においても同様である。
図６に示す本発明の第２の実施形態における煤検出装置１ａにおいては、図７に示すように、煤検出素子１０ａを構成するアルミナ等の絶縁性材料からなるスペーサ５ａの基準ガス空間５１ａを区画する絶縁体壁面の少なくとも一部が多孔質セラミック層１００ａとなっている。
ここで、スペーサ５ａの多孔質セラミック層１００ａは、上述の多孔質セラミック層１００と同様、被測定ガス空間１１内の気体は透過できるが、煤は透過できない細孔を有する。
したがって基準ガス空間５１ａのガス成分は、被測定ガス空間１１のガス成分とほぼ等しくなる。

すなわち、図６の実施例１ａでは煤を除いた被測定ガス空間１１内のガスと同じ気体成分のガスを基準ガスとして用いる。このため、本実施形態においては、基準ガス空間５１ａ内に大気を導入する必要がないので、スペーサ５ａには、通路部５２を設ける必要はない。
原理的には、このとき被測定ガス空間１１の酸素濃度と基準ガス空間５１ａの酸素濃度とは同じであるので、第２の電気化学セル３には起電力が発生しない（電極３１、３２間の電圧Ｖ_ＲＥＦが０になる）ため、第１の電気化学セル２に印加される電圧Ｖ_Ｄは０となり、電極２１、２２間を短絡したものと同じ状態になる。

一方、酸素センサ等の一般的なガスセンサにおいて慣用されているように、煤検出装置１においても、基準ガスとして大気を用いる場合、煤検出素子１０を略筒状のハウジングに保持し、各種の信号線を引き出しつつ、基端側を封止する構造が取られ、その封止部分に大気導入するための通気孔を設けて、さらに、その通気孔に多孔質のフッ素樹脂等からなる撥水フィルタを設けて、通気孔から水分が侵入するのを防ぐ必要があり、センサとしての構造が複雑となっていた。
本実施形態によれば、前記実施形態と同様に、被測定ガス中の酸素濃度の如何に拘わらず、第１の検知電極２２の表面上に堆積した煤量を精度良く検出することができるのに加えて、基準ガスとしての大気を導入するための構成を設ける必要がないので、従来行われているような水分の侵入を阻止しつつ大気をセンサ内に導入するための複雑な構造を取る必要がなく、極めて簡素な構造となるだけでなく、通気孔が存在しないので基端側からの浸水を完全に遮断し、煤検出装置１ａのさらなる信頼性、耐久性の向上を図ることも可能となる。

また、被測定ガス空間１１と基準ガス空間５１ａのガス成分濃度が同じとなる構成であれば、第１の電気化学セル２の電極２１、２２間の電圧を０に制御することで、図８に示す本発明の第３の実施形態における煤検出装置１ｂのような第２の電気化学セル３を省略すした構造の煤検出素子１０ｂを用いることが可能になる。
第３の実施形態における煤検出装置１ｂにおいても、第２の実施形態における煤検出装置１ａと同様、高い精度で煤検出が可能で、かつ、基準ガスとしての大気を導入するための構造を省略できる効果が発揮されるのに加え、煤検出素子１０ｂの構造が極めて簡単で、製造コストの削減を図ることも可能となる。

さらに、図９に示す第４の実施形態における煤検出装置１ｃのように、スペーサ５ｃに被測定ガス空間１１と連通し、煤もガスも通過できる連通孔１２を形成し、第１の基準電極２１ｂを被覆するように、ガスは透過できるが煤は透過できない細孔を有する多孔質セラミック層１００ｃを形成した煤検出素子１０ｃを用いた場合でも同様の効果が得られる。

図１０、図１１は、本発明における、他の実施形態を示した図である。
図１０に示す本発明の第５の実施形態における煤検出装置１ｄは、図１の実施例の煤検出装置１の第１の検知電極２２、及び、第２の検知電極３２が形成される側の面に、アルミナ等の絶縁性材料によりなるスペーサ１４と遮蔽板１３とを形成した煤検出素子１０ｄが用いられている。
さらに、固体電解質体４の表面と、スペーサ１４と、遮蔽板１３とにより、煤捕集空間１６が区画され、スペーサ１４に形成された切り欠き部により煤捕集空間１６と被測定ガス空間１１が連通するようになっている。
遮蔽板１３の煤捕集空間１６に面する側には、静電場を印加するための静電場印加電極１５が、第１の検知電極２２及び第２の検知電極３２と対向するように形成されている。

一般に内燃機関の燃焼排気中に含まれる煤粒子は＋に帯電しているため、静電場印加電極１５と第１の検知電極２２との間に第１の検知電極２２が負極となるように電圧を印加すると、静電場印加電極１５と第１の検知電極２２との間の空間に静電場が形成され、＋に帯電した煤粒子はこの静電場の影響を受けて負極である第１の検知電極２２の表面上に捕集される。
これにより、被測定ガス空間１１内に浮遊する煤をより効果的に捕集することが可能になり、煤検出装置１ｄの検出感度が向上する。
さらに、図１１に示す本発明の第６の実施形態における煤検出装置１ｅは、図８の実施例の煤検出装置１ｂについて、煤捕集空間１６及び静電場印加電極１５を設けた煤検出素子１０ｅを用いるもので、図１０の実施例と同様の効果を有する。

図１２を参照して、本発明の第７の実施形態における煤検出装置１ｆについて説明する。
上記実施形態においては、固体電解質体４の対向する表面にそれぞれ第１の基準電極２１、２１ｆと第１の検知電極２２、２２ｂとを設け、第１の基準電極２１、２１ｂを被測定ガス空間１１とは別に区画した基準ガスを導入する基準ガス空間５１、５１ａ、５１ｃに対向させ、第１の検知電極２２、２２ｂを被測定ガス空間に対向させて第１の電気化学セル２、２ｂを固体電解質体４を挟み込むようにして形成した例を示したが、本実施形態においては、被測定ガス空間１１と同一の空間を基準ガス空間５１ｆとして利用し、被測定ガス空間１１に面する固体電解質体４の片側の表面にのみ、第１の基準電極２１ｆと第１の検知電極２２ｆとの両方を形成し、かつ、第１の基準電極２１ｆの表面を、被測定ガス中に存在する煤は透過せず、気体のみを透過する多孔質セラミック層１００ｆによって覆い、第１の電気化学セル２ｆとし、第１の基準電極２１ｆと第１の検知電極２２ｆとを短絡させ、第１の電気化学セル２ｆに印加される電圧を０として、第１の電気化学セル２ｆに流れる酸素イオン電流を検出するようにした点が相違する。
本実施形態においては、図８に示した本発明の第３の実施形態と同様の効果に加え、被測定ガス空間１１とは別の基準ガス空間５１を区画する必要がなく、基準ガス空間５１ｆとして被測定ガス空間１１を利用している構造であるため、煤検出素子１０ｆのさらなる簡素化を図ることもできる。

図１３に示す本発明の第８の実施形態における煤検出装置１ｇでは、第８の実施形態と同様に、第１の基準電極２１ｆ、及び、第１の検知電極２２ｆを固体電解質体４の被測定ガス空間１１に対向する側の表面に形成し、第１の基準電極２１ｆは、多孔質セラミック層１００ｆに被覆されている。
さらに、これらの電極２１ｆ、２２ｆが形成される側の面に、アルミナ等の絶縁性材料によりなるスペーサ１４ｇと遮蔽板１３が形成されて、スペーサ１４gと、遮蔽板１３とにより、煤捕集空間１６が基準ガス空間５１ｇを兼用して区画され、スペーサ１４gに形成された切り欠き部により煤捕集空間１６と被被測定ガス空間１１とが連通するようになっている。
遮蔽板１３の煤捕集空間１６に面する側には、静電場を印加するための静電場印加電極１５が、第１の基準電極２１ｆ及び第１の検知電極２２ｆと対向するように形成され、煤検出素子１０ｇが構成されている。
本実施形態においても、上記実施形態と同様、高い精度で煤検出を実施できるのに加えて、静電場印加電極１５によって、第１の検知電極２２ｆと静電場印加電極１５と間に、煤を捕集する静電場を作用させ、被測定ガス空間１１内に浮遊する煤をより効果的に捕集することが可能になり、煤検出装置１ｇの検出感度を向上させることできる。

１ 煤検出装置
２ 第１の電気化学セル
３ 第２の電気化学セル
４ 固体電解質体
５、１４ スペーサ
５１ 基準ガス空間
９ 加熱手段（ヒータ）
１００ 多孔質セラミック層
１２ スリット
１３ 遮蔽層
１６ 煤捕集空間
１１ 被測定ガス空間
１５、２１、２２、３１、３２ 電極

特開２００９−２８１９７４

Claims (6)

1. 少なくとも、酸素イオン導電性の固体電解質体（４）の表面において、被測定ガス空間（１１）内に存在し、煤を含む被測定ガスに面する第１の検知電極（２２、２２ｂ、２２ｆ）と、前記被測定ガス空間（１１）とは別に区画した基準ガス空間（５１、５１ａ、５１ｃ、５１ｇ）内に存在し、又は、前記被測定ガス空間（１１）と同一の空間とした基準ガス空間（５１ｆ）内に存在し、煤を含まない基準ガスに面する第１の基準電極（２１、２１ｂ、２１ｆ）とからなる一対の電極（２１、２２、２１ｂ、２２ｂ、２１ｆ、２２ｆ）を有し、これらの一対の電極（２１、２２、２１ｂ、２２ｂ、２１ｆ、２２ｆ）間への通電により前記第１の基準電極（２１、２１ｂ、２１ｆ）から前記第１の検知電極（２２、２２ｂ、２２ｆ）に向かって前記第１の検知電極（２２、２２ｂ、２２ｆ）の表面上に堆積した煤を酸化させるための酸素を供給する第１の電気化学セル（２、２ｂ、２ｆ）と、前記固体電解質体（４）を加熱する加熱手段（９）とを備えた煤検出素子（１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ）を被測定ガス中に配設して、前記第１の検知電極（２２、２２ｂ、２２ｆ）の表面上に堆積した煤を酸化させたときの電気化学的変化を検出して、被測定ガス空間（１１）内に存在する煤を検出する煤検出装置であって、
   前記第１の検知電極（２２、２２ｂ、２２ｆ）と前記第１の基準電極（２１、２１ｂ、２１ｆ）との間に印加する検知電圧（Ｖ_Ｄ）と、煤が堆積していない状態における電圧閾値（Ｖ_ＲＥＦ）とが等しくなるように電圧制御することにより、
   前記第１の基準電極（２１、２１ｂ、２１ｆ）から前記第１の検知電極（２２、２２ｂ、２２ｆ）に煤を酸化させるための酸素を供給して、前記第１の検知電極（２２、２２ｂ、２２ｆ）の表面上に堆積した煤を酸化させたときに、前記第１の電気化学セル（２、２ｂ、２ｆ）に流れる酸素イオン電流信号（Ｉ_ＰＭ）から前記第１の検知電極（２２、２２ｂ、２２ｆ）の表面上に堆積した煤量を検出する手段を有することを特徴とする煤検出装置（１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ）。
2. 前記手段は、前記第１の電気化学セル（２、２ｂ、２ｆ）に流れる酸素イオン電流信号（Ｉ_ＰＭ）の積算値（Ｉ_ＳＵＭ）から前記第１検知電極（２２、２２ｂ）の表面上に堆積した煤量を検出することを特徴とする請求項１に記載の煤検出装置（１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ）。
3. 前記基準ガス空間（５１ａ、５１ｃ、５１ｇ）と前記被測定ガス空間（１１）とが連通し、又は、前記基準ガス空間（５１ｆ）と前記被測定ガス空間（１１）とを同一の空間とし、かつ、前記被測定ガス空間（１１）内の被測定ガスを被測定ガス中に存在する煤は透過せず、気体は透過する多孔質セラミック層（１００ａ、１００ｃ、１００ｆ）を透過させて、煤を含まない前記基準ガスとして、前記第１の基準電極（２１、２１ｂ）が接していることを特徴とする請求項１、又は、２に記載の煤検出装置（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｅ、１ｆ、１ｇ）。
4. 前記固体電解質体（４）の表面に、前記第１の検知電極（２２）と同じ被測定ガス空間（１１）に対して、被測定ガス中に存在する煤は透過せず気体は透過する多孔質セラミック層（１００）を介して面する、第２の検知電極（３２）と、
   前記第１の基準電極（２１）と同じ、前記基準ガス空間（５１、５１ａ）に面して設けた第２の基準電極（３１）とからなる一対の電極（３１、３２）を有し、
   これら一対の電極（３１、３２）間の起電力を測定する第２の電気化学セル（３）を備え、前記第２の電気化学セル（３）の電極（３１、３２）間の電圧を、前記電圧閾値（Ｖ_ＲＥＦ）として、前記第１の電気化学セル（２）の電極（２１、２２）間に前記検知電圧（Ｖ_Ｄ）を印加することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の煤検出装置（１、１ａ、１ｄ）。
5. 前記第１の基準電極（２１ｂ、２１ｆ）が被測定ガス中の煤は透過せず気体は透過する多孔質セラミック層（１００ａ、１００ｃ、１００ｆ）を介して、前記第１の検知電極（２２ｂ、２２ｆ）が面する被測定ガス空間（１１）に存在する被測定ガスと同一の気体が存在する基準ガス空間（５１ａ、５１ｃ、５１ｆ）に面すると共に、
   前記第１の電気化学セル（２ｂ、２ｆ）の一対の電極（２１ｂ、２２ｂ、２１ｆ、２２ｆ）間を短絡させて、前記電圧閾値（Ｖ_ＲＥＦ）、即ち、前記検知電圧（Ｖ_Ｄ）を０とすることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の煤検出装置（１ｂ、１ｃ、１ｅ、１ｆ、１ｇ）。
6. 前記第１の検知電極（２２、２２ｂ、２２ｆ）に対向して絶縁体（１４）を介して設けた静電場印加電極（１５）を有し、
   前記第１の検知電極（２２、２２ｂ、２２ｆ）と前記静電場印加電極（１５）との間に電圧（Ｖ_ＳＴ）を印加して静電場を形成することにより前記第１の検知電極の表面上に煤を捕集することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の煤検出装置（１ｄ、１ｅ、１ｇ）。

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