(57)【要約】      （修正有）【課題】検出部に堆積したアッシュ成分のガラス化による検出不良を生じず、低電力で再生処理が可能な粒子状物質検出装置を提供する。【解決手段】被測定ガス中の粒子状物質を検出するセンサ素子１と、センサ制御部４を備える粒子状物質検出装置であって、上記センサ素子は、絶縁性基体１１の表面１２に、検出用電極２１、２２を配置した検出部２と、ヒータ部３を有しており、上記センサ制御部は、上記一対の検出用電極に検出用電圧Ｖina又は再生用電圧Ｖinbを印加する制御回路５と、上記ヒータ部に電力を供給するヒータ電源６と、再生時に、上記ヒータ電源を駆動して、上記ヒータ部単独で粒子状物質を燃焼除去するための第１温度Ｔ１より低い第２温度Ｔ２に加熱すると共に、上記制御回路を駆動して、上記一対の検出用電極に上記再生用電圧を印加する再生制御部４１を備えている。【選択図】図１
2018096906.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガス中の粒子状物質を検出するセンサ素子（１）と、
上記センサ素子の作動を制御するセンサ制御部（４）と、を備える粒子状物質検出装置であって、
上記センサ素子は、
絶縁性基体（１１）の表面（１２）に、正負一対の検出用電極（２１、２２）を配置した検出部（２）と、
上記絶縁性基体と一体的に設けられて、上記検出部を加熱するヒータ部（３）と、を有しており、
上記センサ制御部は、
上記一対の検出用電極に検出用電圧（Ｖina）又は再生用電圧（Ｖinb）を印加する制御回路（５）と、
上記ヒータ部に電力を供給して、上記検出部の再生が可能な温度に加熱するヒータ電源（６）と、
再生時に、上記ヒータ電源を駆動して、上記ヒータ部単独で粒子状物質を燃焼除去するための第１温度（Ｔ１）より低い第２温度（Ｔ２）に加熱すると共に、上記制御回路を駆動して、上記一対の検出用電極に上記再生用電圧を印加する再生制御部（４１）と、を備えている、粒子状物質検出装置。
【請求項２】
被測定ガス中の粒子状物質を検出するセンサ素子（１）と、
上記センサ素子の作動を制御するセンサ制御部（４）と、を備える粒子状物質検出装置であって、
上記センサ素子は、
絶縁性基体（１１）の表面（１２）に、正負一対の検出用電極（２１、２２）を配置した検出部（２）と、
上記絶縁性基体と一体的に設けられて、上記検出部を加熱するヒータ部（３）と、を有しており、
上記センサ制御部は、
上記一対の検出用電極に検出用電圧（Ｖina）又は再生用電圧（Ｖinb）を印加する制御回路（５）と、
上記ヒータ部に電力を供給して、上記検出部の再生が可能な温度に加熱するヒータ電源（６）と、
再生時に、上記ヒータ電源を駆動して、上記ヒータ部単独で粒子状物質を燃焼除去するための第１温度（Ｔ１）、又は、上記第１温度より低い第２温度（Ｔ２）に加熱すると共に、上記第２温度に加熱する際に上記制御回路を駆動して、上記一対の検出用電極に上記再生用電圧を印加する再生制御部（４１）と、を備えている、粒子状物質検出装置。
【請求項３】
上記再生制御部は、上記一対の検出用電極間が粒子状物質にて電気的に接続された状態において、上記ヒータ部を上記第２温度に加熱する、請求項１又は２に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項４】
上記センサ制御部は、上記制御回路を駆動して、上記一対の検出用電極に上記検出用電圧を印加する検出制御部（４２）を備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項５】
上記第２温度は、粒子状物質に含まれるカーボンがグラファイト化可能な温度以上であり、粒子状物質に含まれるアッシュ成分が溶融する温度以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項６】
上記第１温度は、６５０℃〜８００℃であり、上記第２温度は、４５０℃〜６５０℃である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項７】
上記制御回路は、電源電圧を上記検出用電圧又は上記再生用電圧に昇圧する昇圧回路（５２）を備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項８】
上記ヒータ電源は、電力可変のヒータ電源回路を備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項９】
上記絶縁性基体の上記表面と、上記検出用電極の間に、粒子状物質の電気抵抗率よりも高い電気抵抗率を有する導電体層（１４）を備える、請求項１〜８のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定ガスに含まれる粒子状物質を検出するための粒子状物質検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関から排出される排ガス中の粒子状物質（すなわち、Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｍａｔｔｅｒ：ＰＭ）の量を検出するために、電気抵抗式のセンサ素子を備える粒子状物質検出装置が使用されている。粒子状物質検出装置は、例えば、内燃機関の排気管に配置されるパティキュレートフィルタの故障診断に用いられる。一例として、特許文献１には、絶縁基板の表面に一対の検出用電極を配置した検出部を設け、絶縁基板の背面側にヒータ部を積層したセンサ素子と、センサ素子によるＰＭ検出と再生を制御する制御部とからなる粒子状物質検出装置が開示されている。
【０００３】
制御部は、ＰＭ検出に先立ちヒータ部へ通電して、検出部の温度をＰＭ燃焼が可能な温度に保持する始動時燃焼制御を実施する。始動時燃焼制御の温度は、例えば、６００℃〜９００℃の範囲で設定することができるが、温度が低い場合には、保持時間が長くなる。そのため、一般的には、粒子状物質の主成分であるカーボンが燃焼する７００℃以上となるように再生処理される。これにより、検出部にＰＭが残留して誤検出が生じるのを防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１２９６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、粒子状物質検出装置の再生処理時には、ヒータ部によって検出部の全体を加熱することになり、再生のために必要な電力が大きくなりやすい（例えば、１０Ｗ弱程度）。また、検出部が高温になると、粒子状物質と一緒に堆積したアッシュ成分がガラス化しやすくなる。このガラス化したアッシュ成分が検出用電極を覆うと、粒子状物質の検出不良を引き起こす懸念がある。
【０００６】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、検出部に堆積する粒子状物質を低電力で確実に燃焼除去する再生処理が可能であり、再生処理時のアッシュ成分のガラス化を抑制して粒子状物質の検出不良を防止できる、信頼性の高い粒子状物質検出装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、
被測定ガス中の粒子状物質を検出するセンサ素子（１）と、
上記センサ素子の作動を制御するセンサ制御部（４）と、を備える粒子状物質検出装置であって、
上記センサ素子は、
絶縁性基体（１１）の表面（１２）に、正負一対の検出用電極（２１、２２）を配置した検出部（２）と、
上記絶縁性基体と一体的に設けられて、上記検出部を加熱するヒータ部（３）と、を有しており、
上記センサ制御部は、
上記一対の検出用電極に検出用電圧（Ｖina）又は再生用電圧（Ｖinb）を印加する制御回路（５）と、
上記ヒータ部に電力を供給して、上記検出部の再生が可能な温度に加熱するヒータ電源（６）と、
再生時に、上記ヒータ電源を駆動して、上記ヒータ部単独で粒子状物質を燃焼除去するための第１温度（Ｔ１）より低い第２温度（Ｔ２）に加熱すると共に、上記制御回路を駆動して、上記一対の検出用電極に上記再生用電圧を印加する再生制御部（４１）と、を備えている、粒子状物質検出装置にある。
【０００８】
本発明の他の態様は、
被測定ガス中の粒子状物質を検出するセンサ素子（１）と、
上記センサ素子の作動を制御するセンサ制御部（４）と、を備える粒子状物質検出装置であって、
上記センサ素子は、
絶縁性基体（１１）の表面（１２）に、正負一対の検出用電極（２１、２２）を配置した検出部（２）と、
上記絶縁性基体と一体的に設けられて、上記検出部を加熱するヒータ部（３）と、を有しており、
上記センサ制御部は、
上記一対の検出用電極に検出用電圧（Ｖina）又は再生用電圧（Ｖinb）を印加する制御回路（５）と、
上記ヒータ部に電力を供給して、上記検出部の再生が可能な温度に加熱するヒータ電源（６）と、
再生時に、上記ヒータ電源を駆動して、上記ヒータ部単独で粒子状物質を燃焼除去するための第１温度（Ｔ１）、又は、上記第１温度より低い第２温度（Ｔ２）に加熱すると共に、上記第２温度に加熱する際に上記制御回路を駆動して、上記一対の検出用電極に上記再生用電圧を印加する再生制御部（４１）と、を備えている、粒子状物質検出装置にある。
【発明の効果】
【０００９】
上記粒子状物質検出装置において、センサ制御部は、例えば、一対の検出用電極に検出用電圧Ｖinaを印加して粒子状物質の検出を行った後に、再生処理を行う。再生時には、再生制御部が、ヒータ電源を駆動してヒータ部に電力を供給し、第１温度より低い第２温度に加熱すると共に、制御回路を駆動して一対の検出用電極に再生用電圧Ｖinbを印加する。第２温度は、ヒータ部単独で再生処理するには十分高い温度ではないものの、粒子状物質の主体となるカーボンのグラファイト化を促進し、低抵抗化させることができる。また、再生用電圧Ｖinbが印加されることでジュール熱が発生し、このジュール熱がグラファイト化により増大するので、検出用電極間の粒子状物質を、燃焼除去可能な温度以上とすることができる。このとき、ジュール熱により粒子状物質が直接加熱され、周囲の検出部が必要以上に加熱されないので、アッシュ成分のガラス化が抑制され、低エネルギで効率良い再生処理が可能となる。
【００１０】
以上のごとく、上記態様によれば、検出部に堆積する粒子状物質を低電力で確実に燃焼除去する再生処理が可能であり、再生処理時のアッシュ成分のガラス化を抑制して粒子状物質の検出不良を防止できる、信頼性の高い粒子状物質検出装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態１における、粒子状物質検出装置を構成するセンサ素子とセンサ制御部の概略構成を示す図。
【図２】実施形態１における、粒子状物質検出装置が適用される内燃機関の排気後処理装置の全体構成図。
【図３】実施形態１における、粒子状物質検出装置のセンサ制御部を構成する制御回路の一例を示す図。
【図４】実施形態１における、粒子状物質検出装置のセンサ制御部を構成するヒータ電源の一例を示す図。
【図５】実施形態１における、センサ制御部による制御内容を示すフローチャート図。
【図６】実施形態１における、センサ制御部による制御開始後の粒子状物質の堆積量とセンサ出力の関係を示す図。
【図７】実施形態１における、センサ制御部による再生処理後（すなわち、ヒータ温度７００℃）の検出用電極の表面状態を顕微鏡観察した観察写真（すなわち、倍率１０００倍）。
【図８】実施形態１における、センサ制御部による再生処理後（すなわち、ヒータ温度８００℃）の検出用電極の表面状態を顕微鏡観察した観察写真（すなわち、倍率１０００倍）。
【図９】実施形態１における、粒子状物質とアモルフファスカーボン及びグラファイトカーボンの電気抵抗率を比較して示す図。
【図１０】実施形態１における、センサ制御部による制御開始後のセンサ出力の時間変化の一例を示す図。
【図１１】実施形態１における、センサ制御部による再生制御時のヒータ温度と再生用印加電圧の関係を示す図。
【図１２】実施形態２における、センサ素子の主要部構成を示す平面図。
【図１３】実施形態２における、センサ素子の主要部構成を示す部分断面図で、図１２のXIII−XIII線断面図。
【図１４】実施形態２における、センサ制御部にて検出されるセンサ素子のセンサ出力の時間変化の一例を示す図。
【図１５】実施形態２における、センサ素子の検出用電極間に堆積する粒子状物質と検出用電極間を流れる電流の関係を模式的に示すセンサ素子の一部拡大断面図。
【図１６】実施形態２における、センサ素子の検出用電極間に堆積する粒子状物質状態を模式的に示すセンサ素子の一部拡大断面図。
【図１７】実施形態２における、センサ制御部による制御内容を示すフローチャート図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（実施形態１）
次に、粒子状物質検出装置の実施形態について、図面を参照して説明する。本形態は、図１、図２に示すように、印刷型の検出部２を有するセンサ素子１と、センサ素子１の作動を制御するセンサ制御部４とを備える粒子状物質検出装置を、内燃機関である自動車用ディーゼルエンジンＥの排気後処理装置へ適用した例である。センサ素子１は、被測定ガス中の粒子状物質（以下、適宜ＰＭと称する）を検出するものであり、被測定ガスは、例えば、内燃機関から排出される燃焼排ガスである。燃焼排ガスに含まれるＰＭは、導電性のカーボンからなる煤（すなわち、Ｓｏｏｔ）を主体とし、可溶性有機成分（すなわち、ＳＯＦ）の他、エンジンオイルや燃料等に由来するアッシュ成分（すなわち、Ａｓｈ；灰分）等を含んでいる。
【００１３】
図１において、センサ素子１は、絶縁性基体となる平板状の絶縁基板１１及び絶縁基板３２を一体的に積層して構成される。絶縁性基体は、例えば、アルミナ等の酸化物系絶縁性セラミックスからなる。絶縁基板１１の表面１２（すなわち、図１の上面）には、一対の検出用電極２１、２２を配置した検出部２が設けられ、絶縁基板１１の裏面（すなわち、図１の下面）側にはヒータ部３が設けられる。検出部２は、絶縁基板１１の長手方向Ｘの一端（すなわち、図１の左端）側の表面１２に、櫛歯状電極からなる一対の検出用電極２１、２２が配置され、各検出用電極２１、２２に接続される電極リード部２１１、２２１が絶縁基板１１の他端（すなわち、図１の右端）側へ延びている。
【００１４】
ヒータ部３は、絶縁基板１１の裏面に積層される絶縁基板３２と、その表面に配置されるヒータ電極３１及びヒータリード部３１１、３１２とからなる。ヒータ電極３１及びヒータリード部３１１、３１２は、絶縁基板１１と絶縁基板３２とが積層されることにより、一体化した絶縁性基体内に埋設される。ヒータ電極３１は、積層方向Ｘにおいて、検出部２と対向する位置に設けられ、検出部２の全体を裏面側から加熱可能となっている。
【００１５】
センサ制御部４は、制御回路５と、ヒータ電源６と、これらを作動させて再生処理を行う再生制御部４１と、検出制御部４２とを備えている。図１、３に示すように、制御回路５は、電極リード部２１１、２２１を介して一対の検出用電極２１、２２に接続され、これら検出用電極２１、２２間に、検出用電圧Ｖina又は再生用電圧Ｖinbを印加する電圧印加部５１を有する。また、制御回路５には、一対の検出用電極２１、２２間の抵抗値変化から粒子状物質を検出する粒子状物質検出部（以下、ＰＭ検出部と称する）７が設けられる。図１、４に示すように、ヒータ電源６は、ヒータリード部３１１、３１２を介してヒータ部３に接続され、ヒータ部３に電力を供給して、検出部２を再生可能な温度に加熱する。
【００１６】
再生制御部４１は、再生時に、ヒータ電源６を駆動して、ヒータ部３単独で粒子状物質を燃焼除去するための第１温度Ｔ１より低い第２温度Ｔ２に加熱すると共に、制御回路５を駆動して、電圧印加部５１により一対の検出用電極２１、２２に再生用電圧Ｖinbを印加する。
あるいは、再生時に、ヒータ電源６を駆動して、ヒータ部３を粒子状物質が燃焼可能な第１温度Ｔ１、又は、第１温度Ｔ１より低い第２温度Ｔ２に加熱することもできる。その場合は、第２温度Ｔ２に加熱する際に、制御回路５を駆動して、電圧印加部５１により一対の検出用電極２１、２２に再生用電圧Ｖinbを印加する。
検出制御部４２は、ＰＭ検出時に、電圧印加部５１により一対の検出用電極２１、２２に検出用電圧Ｖinaを印加し、ＰＭ検出部７の出力から検出部２に捕集されるＰＭ量を検出する。センサ制御部４による制御の詳細については、後述する。
【００１７】
図２において、ディーゼルエンジンＥの排気後処理装置は、排気マニホールドＭＨexに接続する排気管ＥＸに、ディーゼル酸化触媒（以下、ＤＯＣと称する）１００およびディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦと称する）１０１を備えて、燃焼排ガスを処理する。ＤＯＣ１００は、ＰＭに含まれるＳＯＦ分の浄化に寄与する。センサ素子１は、例えば、検出部２が設けられる一端側が排気管ＥＸ内に突出するように、ＤＰＦ１０１の下流側の排気管ＥＸに取り付けられる。排気管ＥＸにおいて、センサ素子１の周囲は、図示しないカバー体にて覆われ、燃焼排ガスは、カバー体に設けられる通気孔から内部に導入されて、検出部２に到達する。
【００１８】
ディーゼルエンジンＥは、燃焼排ガスの一部をＥＧＲバルブＶegr及びＥＧＲクーラＣＬegrを介して吸気マニホールドＭＨinに還流するＥＧＲシステムを備える。また、排気駆動式の過給器ＴＲＢが設けられ、排気マニホールドＭＨexに接続したタービンと連動するコンプレッサが空気を圧縮し、インタクーラＣＬintを介して吸気マニホールドＭＨinに送り込む。ＥＧＲにより過給圧が増加し燃焼効率が向上することで、ＰＭの排出が抑制され、さらに、ＤＰＦ１０１においてＰＭを捕集することで、外部への排出を防止している。多気筒のディーゼルエンジンＥには、共通の燃料供給路Ｒが設けられ、各気筒に対応する燃料噴射弁ＩＮＪに燃料が供給される。これらエンジン各部の作動は、電子制御装置（以下、ＥＣＵと称する）２００によって制御される。
【００１９】
排気後処理装置は、排出ガス規制等へ対応するために、ＤＰＦ１０１の性能劣化によるＰＭ排出といった異常を検出する機構を備えている。例えば、ＤＰＦ１０１に亀裂が生じる等の故障が発生した場合には、ＰＭの捕集性能が低下するため、ＤＰＦ１０１の下流側におけるＰＭの排出量が増加する。そこで、粒子状物質検出装置は、ＤＰＦ１０１の下流にセンサ素子１を配置して、ＥＣＵ２００に設けたセンサ制御部４により、ＰＭの排出を監視する。センサ制御部４は、ＰＭ検出に先立ち、再生制御部４１によりヒータ部３を駆動して、検出部２を再生処理する。再生処理後は、検出制御部４２により検出部２に所定の電圧を印加し、ＰＭの検出処理を行い、異常の有無を判断する。
【００２０】
図３において、センサ制御部４の制御回路５には、バッテリＢに接続された昇圧回路５２を備える電圧印加部５１と、ＰＭ検出用の電流検出抵抗７１を有するＰＭ検出部７が設けられる。バッテリＢとしては、例えば、車載バッテリ（例えば、１２Ｖ）が用いられ、昇圧回路５２は、バッテリＢの電圧（すなわち、電源電圧）を、例えば、３０Ｖ〜１００Ｖ程度の所定電圧に昇圧して、センサ素子１側に出力する。昇圧回路５２は、公知の構成とすることができ、例えば、バッテリＢの正極端子に接続されるリアクトルとトランジスタ等を備え、指令信号に従い昇圧動作を行って、昇圧された所定電圧を出力する。
【００２１】
具体的には、電圧印加部５１は、ＰＭの検出処理時には、検出制御部４２の指令により、昇圧回路５２がバッテリＢの電圧を検出用電圧Ｖinaまで昇圧させて、一対の検出用電極２１、２２に印加する。また、再生処理時には、再生制御部４１の指令により、昇圧回路５２がバッテリＢの電圧を再生用電圧Ｖinbまで昇圧させて、一対の検出用電極２１、２２に印加する。検出用電圧Ｖinaと再生用電圧Ｖinbとは、同じでも異なっていてもよい。Ｖina＜Ｖinbとしてもよく、例えば、Ｖinaを３０Ｖ程度、Ｖinbを３０Ｖ〜１００Ｖ程度の範囲で、検出処理及び再生処理がそれぞれ適切に行われるように選択することができる。
【００２２】
ＰＭ検出部７の電流検出抵抗７１は、一対の検出用電極２１、２２と直列に接続されており、ＰＭの検出処理時には、昇圧回路５２により昇圧された検出用電圧Ｖinaが、一対の検出用電極２１、２２と電流検出抵抗７１に印加される。これにより、検出部２に静電場が形成され、導電性のＰＭが引き寄せられて、検出部２の表面に堆積する。堆積したＰＭによって一対の検出用電極２１、２２の間が繋がり、検出用電極２１、２２間が電気的に接続されると、電気抵抗値がＰＭ量に応じて低下する。これにより、図３中に示すようにＰＭ検出部７の出力（すなわち、ＰＭout）が急増する。したがって、検出制御部４２により、検出用電圧Ｖina印加時のＰＭ検出部７の出力を、予め設定した閾値と比較することで、異常の有無を判断することができる。
【００２３】
図４において、センサ制御部４のヒータ電源６は、電力可変のヒータ電源回路を備える。具体的には、バッテリＢをトランジスタ６１、電流検出抵抗６２を介してヒータ電極３１に接続し、通電制御を行ってヒータ部３を所定温度に加熱する。ヒータ電極３１は、一端がバッテリＢの正極端子に接続され、ヒータ電極３１の他端とバッテリＢの負極端子との間に、トランジスタ６１及び電流検出抵抗６２が設けられる。トランジスタ６１は、図４中に示すようにパルス信号により駆動され、オン状態とオフ状態との比（すなわち、デューティ比）を可変させることにより、ヒータ温度を制御する。
【００２４】
ここで、ヒータ抵抗は正の温度係数を有し、ヒータ温度は、ヒータ部３の抵抗Ｒｈとリニアな関係にあり、ヒータ印加電圧Ｖｈoutとヒータ電流Ｉhoutを用いて抵抗Ｒｈを求め（すなわち、Ｒｈ＝Ｖｈout／Ｉhout）、ヒータ温度を得ることができる。ヒータ印加電圧Ｖｈoutは、ヒータ電極３１の端子間電圧であり、ヒータ電流Ｉhoutは、電流検出抵抗６２の端子間電圧を、電流検出抵抗６２の抵抗値で除算し電流値に換算することで得られる。したがって、抵抗Ｒｈを所定値に保つようにトランジスタ６１をデューティ制御することで、ヒータ温度制御が可能である。
【００２５】
具体的には、再生処理時には、再生制御部４１の指令によりヒータ部３に通電し、検出部２に捕集されるＰＭを燃焼除去可能な第１温度Ｔ１、又は、第１温度Ｔ１より低い第２温度Ｔ２に加熱する。さらに、第２温度Ｔ２に加熱する際には、再生制御部４１は、電圧印加部５１を作動させて、一対の検出用電極２１、２２に再生用電圧Ｖinbを印加する。第１温度Ｔ１は、例えば、エンジン始動時等において、検出部２の表面を再生する場合の加熱温度であり、ＰＭ検出処理を開始するに先立ち、検出部２を加熱してＰＭが付着していない状態とする。
【００２６】
第１温度Ｔ１は、ＰＭの主成分であるカーボンが燃焼可能な温度である、６５０℃以上に設定される。また、燃料排ガスに含まれるアッシュ成分が、検出部２にＰＭと共に堆積している場合、検出部２の温度が高くなると、アッシュ成分がガラス化して検出用電極２１、２２に付着することがあるため、第１温度Ｔ１の上限は、例えば、８００℃以下であるとよい。好ましくは、第１温度Ｔ１を、６５０℃を上回り７５０℃以下の温度、例えば、７００℃前後の温度に制御する。これにより、ＰＭを確実に燃焼除去することができ、また、アッシュ成分がガラス化して検出用電極２１、２２に付着するのを抑制する。
【００２７】
ＰＭ検出後は、ヒータ温度を第１温度Ｔ１より低い第２温度Ｔ２に制御し、アッシュ成分のガラス化をさらに抑制して、アッシュ成分の影響による検出不良を防止する。さらに、再生用電圧Ｖinbを印加することにより、一対の検出用電極２１、２２の間に存在するＰＭを直接加熱する。ＰＭ検出処理が開始され、ＰＭ検出部７の出力が所定の閾値に達した時点以降は、一対の検出用電極２１、２２間が堆積したＰＭにより導通している。この状態で、再生用電圧Ｖinbを印加すると、検出用電極２１、２２間に堆積したＰＭに、通電によるジュール熱が発生する。このジュール熱の補助により、ＰＭの燃焼除去が促進されるので、第１温度Ｔ１より低い第２温度Ｔ２においても、検出部２の再生が可能になる。
【００２８】
このとき、第２温度Ｔ２は、被測定ガスである燃焼排ガスに含まれ、ＰＭと共に堆積するアッシュ成分が溶融する温度以下であることが望ましい。金属成分であるアッシュ成分の融点は比較的高いが、混合物を形成している場合には、比較的低い温度で溶融することがあり、第２温度Ｔ２を、例えば、７００℃以下とすることで、アッシュ成分のガラス化を防止可能となる。また、エンジンから排出されるＰＭは、アモルファスカーボンとグラファイトが混在していることが知られており、加熱処理することで、アモルファスカーボンに比べて導電率が高い（すなわち、電気抵抗率が低い）グラファイトに変化させることができる。好適には、第２温度Ｔ２を、７００℃を下回る温度、例えば、４５０℃〜６５０℃とすることで、グラファイト化に十分な効果が得られる。そして、グラファイト化により導電率が高まることで、通電により発生するジュール熱が増大し、ＰＭを効率よく焼き飛ばして、確実に再生することができる。
【００２９】
次に、図５のフローチャートに基づいて、センサ制御部４にて実施される制御の一例を具体的に説明する。ステップＳ１０１〜Ｓ１０２、ステップＳ１０９〜Ｓ１１１は、再生制御部４１としての処理であり、ステップＳ１０３〜Ｓ１０８は、検出制御部４２としての処理である。
ＰＭセンサ制御を開始すると、まず、ステップＳ１０１において、初期再生処理を実施する。例えば、エンジン始動時には、検出電極２１、２２間が堆積したＰＭで繋がっておらずジュール熱が発生しない可能性があるので、ＰＭセンサ制御を開始した直後においては、ヒータのみで燃焼除去する。初期再生処理では、ヒータ電源６を駆動させて、ヒータ部３のヒータ電極３１に通電し、ヒータ温度を第１温度Ｔ１とする。第１温度Ｔ１は、ヒータ部３による加熱のみで検出部２に捕集されるＰＭを燃焼除去可能な温度であり、例えば、７００℃に設定される。この初期再生処理は、制御開始時に１回のみ行われ、予め設定した保持時間が経過したら、通電を停止する。この保持時間は、７００℃にてＰＭを燃焼除去するのに十分な時間であればよい。
【００３０】
続いて、ステップＳ１０２において、所定時間ｔ１が経過したか否かを判定し、肯定判定されたら、ステップＳ１０３に進む。ステップＳ１０２が否定判定されたら、肯定判定されるまでステップＳ１０２を繰り返す。ステップＳ１０２は、ＰＭ検出処理に移行するための処理であり、センサ素子１が、第１温度Ｔ１から排気温以下に冷却されるまで、予め設定した所定時間ｔ１（例えば、３０秒から２分程度）が経過するまで待機する。
【００３１】
ステップＳ１０３では、記憶している走行距離をリセットし（すなわち、走行距離＝０）、走行距離の計測を開始する。さらに、ステップＳ１０４に進み、制御回路５の電圧印加部５１を作動させて、一対の検出用電極２１、２２に検出用電圧Ｖinaを印加し、ＰＭの検出を開始する。検出用電圧Ｖinaは、検出部２に静電場を形成してＰＭの静電捕集が可能な電圧であればよく、例えば、３０Ｖ程度とする。次に、ステップＳ１０５において、検出用電圧Ｖina印加時のＰＭ出力をＰＭ検出部７にて測定する。そして、ステップＳ１０６において、電流検出抵抗７１の端子間電圧ＰＭoutが、異常の判定基準となる閾値以上になったか否かを判定する。
【００３２】
図６にＰＭの堆積量に対する端子間電圧ＰＭoutの変化を示すように、ＰＭの検出を開始した時点からしばらくの間は、端子間電圧ＰＭoutが０となる不感期間となっている。端子間電圧ＰＭoutは、ＰＭが堆積して検出電極２１、２２間が導通した時点で立ち上がり始めるので、閾値としては、例えば、図中に破線で示すように、立ち上がり始めた以降の値であればよい。
【００３３】
ステップＳ１０６が否定判定されたら、ステップＳ１０５へ戻り、ステップＳ１０６が肯定判定されたら、ステップＳ１０７へ進む。さらに、ステップＳ１０７では、走行距離を読み込んで、予め設定した所定値以下か否かを判定し、肯定判定されたら、ステップＳ１０８へ進む。ステップＳ１０７が否定判定されたら、ステップＳ１０８をスキップしてステップＳ１０９へ進む。例えば、早期検出するために閾値を小さくした場合には、走行距離が長くなると、僅かに排出されたＰＭが蓄積して閾値に達することがあることから、ステップＳ１０７では、所定の走行距離内における端子間電圧ＰＭoutの変化が明らかな異常と推定される場合のみＤＰＦ異常と判定することで、誤検出等を回避する。
【００３４】
ステップＳ１０８では、走行距離が所定値以下で、ＰＭの堆積量が閾値に達したことから、ＤＰＦ異常と判定し、異常検出信号を出力する。具体的には、例えば、異常検知を運転者に知らせるために、警告ランプを点灯させるといった処理を行うことができる。同時に、ステップＳ１０９以降へ進んで、再生処理を実施する。この時点では、堆積したＰＭで検出電極２１、２２間が導通しているので、ヒータ電源６と、制御回路５の電圧印加部５１の両方を作動させる。
【００３５】
まず、ステップＳ１０９では、ヒータ電源６を駆動させて、ヒータ部３のヒータ電極３１に通電し、ヒータ温度を第２温度Ｔ２とする。第２温度Ｔ２は、第１温度Ｔ１よりも低い温度であり、アッシュ成分のガラス化を防止すると共に、グラファイト化による導電率の向上が可能な温度、例えば、６００℃に設定される。続いて、ステップＳ１１０において、電圧印加部５１を作動させて、一対の検出用電極２１、２２に再生用電圧Ｖinbを印加する（例えば、３０Ｖ〜１００Ｖ程度）。
【００３６】
下記表１に示すように、アッシュ成分としては、例えば、硫酸カルシウム系（すなわち、融点１４６０℃）、リン酸カルシウム系（すなわち、融点１２３０℃〜１６７０℃）、亜鉛系（すなわち、融点９００℃〜１９７５℃）等がある。これらアッシュ成分は、エンジンオイルや燃料等に由来するものであり、各成分の結晶状態での融点は、比較的高くなっている。例えば、リン酸亜鉛(すなわち、Ｚｎ3（ＰＯ4)2）は、融点が最も低く９００℃であるが、不純物等が混在する場合には、より低い温度で溶融し、ガラス化する可能性がある。これを回避するため、第１温度Ｔ１さらには第２温度Ｔ２を、アッシュ成分が溶融する温度より低くすることで、アッシュ成分がガラス化して検出用電極２１、２２に付着するのを抑制できる。
【００３７】
図７、図８に示すように、アッシュ成分が混在するＰＭを用いたセンサ再生制御試験を行って、検出用電極２１、２２への影響を調べた。アッシュ成分が混在するＰＭをセンサ素子１に供給したときのＰＭ出力が所定値となる度に、ヒータ部３を作動させて検出部２を加熱した。ヒータ温度が８００℃になるように繰り返し再生制御した場合と、７００℃になるように繰り返し再生制御した場合とで比較試験を行い、所定の再生回数となった時点で検出用電極２１、２２の表面を顕微鏡観察した。図７に示すように、再生温度が７００℃の場合は、検出用電極２１、２２（すなわち、観察写真中の白い部分）の露出部分が明確に観察されるのに対して、図８に示すように、再生温度が８００℃の場合は、検出用電極２１、２２の露出部分の減少が観察された。このように、センサ再生制御を行う場合には、好ましくは、ヒータ温度が７００℃以下となるようにするとよく、アッシュ成分による劣化を抑制して、検出不良等生じるのを防止することができる。
【００３８】
【表１】
2018096906.tif 000003
【００３９】
また、図９に示すように、エンジンから排出されるＰＭの導電性は、ＰＭの主成分であるカーボンの構造によって変化する。ＰＭの主成分であるカーボンは、不定形のアモルファスカーボンと結晶性のグラファイトとが混在したものであり、ＰＭの電気抵抗率は、アモルファスカーボンが多いほど高くなりグラファイトが多いほど低くなる（例えば、図中に矢印で示す範囲；電気抵抗率１Ωｍ〜５×１０-3Ωｍ程度）。このとき、第２温度Ｔ２をグラファイト化可能な温度以上とすることで、ＰＭの大幅な低抵抗化が可能になり、一対の検出用電極２１、２２間の導電性がより高くなる。そのために、再生用電圧Ｖinbの印加時に、通電により発生するジュール熱（すなわち、Ｖ2／Ｒ）が増大し、再生処理が容易になる。
【００４０】
図１０に、センサ制御部４によるＰＭセンサ制御開始後のＰＭ出力の時間経過を示すように、ＰＭ検出部７から出力される端子間電圧ＰＭoutは、出力が０である不感期間の後に立ち上がり、出力Ｖ１まで急上昇する。出力Ｖ１は、ＰＭ堆積量に対応する一定の出力値であり、異常検出信号が出力される閾値を超える場合には、ヒータ部３への通電と検出部２への電圧印加による再生処理が実施される。ＰＭ出力は、再生処理が開始され、検出部２がヒータ部３により加熱されると、再び上昇し始める（すなわち、図中の時点Ａ）。これは、ヒータ加熱により検出部２の温度が上昇し、ＰＭ中のアモルファスカーボンがグラファイト化して、電気抵抗率が低下したことによるものである。
【００４１】
ＰＭ出力は、ある出力Ｖ２となるまで上昇し（すなわち、図中の時点Ｂ）、その後、急下降する。ＰＭ出力の上昇は、グラファイト化による低抵抗化で導電性が向上し、検出用電極２１、２２間及びＰＭ検出部７の電流検出抵抗７１への電流が増えることによる。その一方で、電圧印加により検出用電極２１、２２間にジュール熱が発生し、検出部２の温度がさらに上昇する。これらによりＰＭの燃焼が可能となり、一対の検出用電極２１、２２間に堆積するＰＭが燃焼除去されるのに伴い、ＰＭ出力が急速に低下して０となる。このように、再生処理時に、再生用電圧Ｖinbの印加によるジュール熱を補助的に利用することにより、ヒータ温度を初期再生処理時より低くしても、ＰＭを燃焼させて検出部２を再生できることが確認された。
【００４２】
図１１に示すように、ヒータ温度が高くなるほど、検出部２を再生するために必要となる再生用電圧Ｖinbは低くなる。ヒータ部３への通電によりヒータ温度が６５０℃を超える場合、例えば、７００℃以上では、電圧印加部５１を作動させることなく、検出部２のＰＭ燃焼が可能となるものの、ＰＭに含まれるアッシュ成分がガラス化する可能性がある。これを抑制するには、ヒータ温度をより低くして、再生用電圧Ｖinbの印加と組み合わせるのがよい。具体的には、再生処理時のヒータ温度である第２温度Ｔ２を、例えば、６５０℃以下として、より低い温度となるほど、再生用電圧Ｖinbを高くなるようにする。
【００４３】
したがって、ステップＳ１０９のヒータ加熱における第２温度Ｔ２と、ステップＳ１１０の印加電圧における再生用電圧Ｖinbとを適切に組み合わせることで、ガラス化を抑制しヒータ電力を低減しながら、電圧印加により検出部２を直接加熱してＰＭを燃焼除去し、効率よい再生が実現できる。
【００４４】
その後、ステップＳ１１１において、所定時間ｔ２が経過したか否かを判定し、肯定判定されるまで、このステップを繰り返す。所定時間ｔ２は、例えば、図１１に示す関係に基づいて、ヒータ加熱開始からＰＭ燃焼が終了するまでの必要時間とすることができる。ステップＳ１１１が肯定判定されたら、ステップＳ１０３へ戻り、以降の処理を繰り返し行う。
【００４５】
（実施形態２）
次に、図１２〜図１６を用いて実施形態２の粒子状物質検出装置について説明する。
上記実施形態１では、センサ素子１の検出部２を、絶縁性基体の表面１２に直接配置したが、ＰＭをより早期に検出するために、一対の検出用電極２１、２２と絶縁性基体の間に導電体層を設けた構成とすることもできる。本形態は、このような早期検出型のセンサ素子１への適用例であり、以下、相違点を中心に説明する。センサ素子１及びセンサ制御部４を含む粒子状物質検出装置の基本構成は、上記実施形態１と同様であるので、図示を省略する。
なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
【００４６】
図１２、図１３において、センサ素子１は、ヒータ部３を内蔵する絶縁性基体１３と、絶縁性基体１３の表面１２（すなわち、図１３の上面）上に設けられる検出部２を有している。絶縁性基体１３は平板状で、その長手方向Ｘの一端（すなわち、図１２の下端）側の表面１２に、櫛歯状電極からなる一対の検出用電極２１、２２を配置して、検出部２としている。各検出用電極２１、２２に接続される電極リード部２１１、２２１は、絶縁性基体１３の他端（すなわち、図１２の上端）側へ延びている。
【００４７】
絶縁性基体１３の表面１２には、検出部２が設けられる一端側に、ＰＭよりも電気抵抗率が高い導電性材料からなる導電体層（以下、高抵抗導電体層と称する）１４が設けられる。高抵抗導電体層１４は、一対の検出用電極２１、２２が配置される領域の全体を覆うように、矩形の薄膜状に設けられる。好ましくは、高抵抗導電体層１４の層厚ａは、検出用電極２１、２２の電極幅ｂよりも厚く形成されるとよい。
【００４８】
上述したように、ＰＭの電気抵抗率は、例えば、１Ωｍ〜５×１０-3Ωｍ程度の範囲にあり、想定されるＰＭの電気抵抗率よりも高抵抗となるように、高抵抗導電体層１４の材料を適宜選択することができる。高抵抗導電体層１４としては、具体的には、ぺロブスカイト系酸化物等の導電性セラミックスを用いることができる。ぺロブスカイト系酸化物は、ＡＢＯ3型のペロブスカイト構造を有する金属酸化物であり、具体的には、ＡサイトにＬａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇを、ＢサイトにＴｉ、Ｙ、Ａｌ、Ｚｒを有する酸化物、例えば、ＳｒＴｉＯ3、ＣａＴｉＯ3、ＬａＹＯ3等のペロブスカイト型酸化物が挙げられる。
【００４９】
このとき、検出用電極２１、２２の間に、制御回路５の電圧印加部５１から電圧を印加すると、高抵抗導電層１４に微小電流が流れる。そのため、図１４にＰＭ検出部７の出力特性を示すように、電流検出抵抗７１の端子間電圧ＰＭoutは、ＰＭの堆積量が０の時点で０とならず、オフセット電圧が出力されることになる。図１５に示すように、この状態から、検出部２にＰＭが堆積し始めた場合、高抵抗導電層１４よりＰＭの電気抵抗率が低いので、ＰＭを介して検出電極２１、２２間を流れる電流Ｉの経路が形成される。そして、図１４に示すオフセット電圧を初期値として、ＰＭの堆積量の増加に伴い、端子間電圧ＰＭoutが上昇する。端子間電圧ＰＭoutが予め設定した閾値に達すると、異常検出信号が出力される。
【００５０】
本形態においても、センサ制御部４によるＰＭ検出処理と再生処理とを実施し、高効率で精度よいＰＭの検出を行うことができる。その場合、再生処理時に、再生用電圧Ｖinbの印加によりＰＭに十分なジュール熱を発生させるには、電流Ｉが高抵抗導電層１４によって制限されないことが望ましい。つまり、検出用電圧Ｖinaを印加してＰＭ検出処理を行う際に、再生処理に移行するための閾値は、図１６に示すように、検出用電極２１、２２間がＰＭで繋がった状態であると判断可能な値であることが望ましい。
【００５１】
具体的には、閾値は、高抵抗導電層１４の電気抵抗率や、ＰＭの電気抵抗率の範囲を考慮して設定されるのがよい。例えば、高抵抗導電層１４を介する検出用電極２１、２２間の抵抗Ｒｃと、ＰＭを介する検出用電極２１、２２間の抵抗Ｒpと、電流検出抵抗７１の抵抗Ｒｆとから、端子間電圧ＰＭoutが、下記式１を満たすように閾値となる電圧を設定するとよい。
式１：ＰＭout≧Ｒf・Ｖina／（［Ｒc・Ｒp/（Ｒc＋Ｒp)］＋Ｒf）
Ｒpは、エンジン条件によって変化するＰＭの電気抵抗率が最大となる抵抗率から算出することができる。
【００５２】
センサ制御部４は、設定した閾値と端子間電圧ＰＭoutを比較して、異常の有無を判断し、ＰＭ検出処理後は、検出部２への印加電圧を再生用電圧Ｖinbに変更して、再生処理を行う。この一連の手順は、上述した図５のフローチャートに示した手順と同様とすることができる。あるいは、図１７にフローチャートを示すように、ＰＭセンサ制御の開始時の初期再生処理を行わず、また、異常判定を実施しないように、手順を変更することもできる。
【００５３】
図１７において、ＰＭセンサ制御を開始すると、まず、ステップＳ２０１において、記憶している判定回数をリセットし、カウント＝０とする。次に、ステップＳ２０２に進んで、記憶している走行距離をリセットし（すなわち、走行距離＝０）、走行距離の計測を開始する。ステップＳ２０３〜Ｓ２０５は、図５のＳ１０４〜Ｓ１０６と同様の検出制御部４２としての処理である。
【００５４】
ステップＳ２０３では、制御回路５の電圧印加部５１を作動させて、一対の検出用電極２１、２２に検出用電圧Ｖinaを印加し、ＰＭの検出を開始する。次に、ステップＳ２０４において、検出用電圧Ｖina印加時のＰＭ出力をＰＭ検出部７にて測定し、ステップＳ２０５において、電流検出抵抗７１の端子間電圧ＰＭoutが、異常の判定基準となる閾値以上になったか否かを判定する。
【００５５】
ステップＳ２０５が否定判定されたら、ステップＳ２０４へ戻り、ステップＳ２０５が肯定判定されたら、ステップＳ２０６へ進む。ステップＳ２０６では、走行距離を読み込んで、予め設定した所定値以下か否かを判定する。ステップＳ２０６が肯定判定されたら、ステップＳ２０７へ進んで、判定回数のカウント＝０か否かを判定する。ステップＳ２０６が肯定判定されたら、ステップＳ２０７へ進んで、判定回数のカウント＝０か否かを判定する。ステップＳ２０７が否定判定されたら、ステップＳ２０８へ進み、ＤＰＦ異常と判定して、異常検出信号を出力した後、ステップＳ２０９へ進む。
【００５６】
ステップＳ２０６が否定判定され、あるいは、ステップＳ２０７が肯定判定された場合も、ステップＳ２０９へ進む。このように、走行距離が所定値以内か否かに加えて、閾値に到達した回数が０であるＰＭ検出初期には、異常判定を行わないことで、誤検出を防止し、信頼性を向上することができる。
【００５７】
ステップＳ２０９では、判定回数のカウント値に１だけ加算し（すなわち、カウント＝カウント＋１）、ステップＳ２１０以降へ進む。ステップＳ２１０〜Ｓ２１２の処理は、図５のＳ１０９〜Ｓ１１１と同様の再生制御部４１としての処理である。ステップＳ２１０では、ヒータ電源６を駆動させて、ヒータ部３のヒータ電極３１に通電し、ヒータ温度を第２温度Ｔ２、例えば、６００℃とする。続いて、ステップＳ２１１において、電圧印加部５１を作動させて、一対の検出用電極２１、２２に再生用電圧Ｖinbを印加する。
【００５８】
このとき、第２温度Ｔ２によるヒータ加熱と、再生用電圧Ｖinbの印加によるジュール熱とを組み合わせることで、アッシュ成分のガラス化を抑制しヒータ電力を低減しながらＰＭを燃焼除去し、効率よい再生制御が実現できる。
【００５９】
その後、ステップＳ２１２において、所定時間ｔ２が経過したか否かを判定し、肯定判定されるまで、ステップＳ２１２を繰り返す。ステップＳ２１２が肯定判定されたら、ステップＳ２０２へ戻り、以降の処理を繰り返し行う。
【００６０】
本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、上記実施形態では、内燃機関の排気後処理装置への適用例について説明したが、粒子状物質が含まれる被測定ガスは、燃焼排ガスに限らない。また、排気後処理装置に搭載される場合もＤＰＦの故障診断に限らず、種々の用途に用いることができる。
【００６１】
また、粒子状物質検出装置のセンサ素子１は、上記実施形態に記載した構成に限らず、絶縁性基体１１の表面に検出部２を有する構成であればよい。例えば、上記実施形態に記載した印刷型の検出部２を有するセンサ素子１の他、検出用電極が絶縁基板と交互に積層され、検出用電極の一部が絶縁性基体内に埋設される積層型のセンサ素子に適用されてもよい。
【符号の説明】
【００６２】
１  センサ素子
１１  絶縁性基体
２  検出部
２１、２２  検出用電極
３  ヒータ部
４  センサ制御部
４１  再生制御部
４２  検出制御部
５  制御回路
６  ヒータ電源
【図１】
2018096906.tif 000004
【図２】
2018096906.tif 000005
【図３】
2018096906.tif 000006
【図４】
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【図５】
2018096906.tif 000008
【図６】
2018096906.tif 000009
【図７】
2018096906.tif 000010
【図８】
2018096906.tif 000011
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2018096906.tif 000016
【図１４】
2018096906.tif 000017
【図１５】
2018096906.tif 000018
【図１６】
2018096906.tif 000019
【図１７】
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