(57)【要約】【課題】測定環境における温度とノイズの影響を共に排除して、粒子状物質を精度よく検出可能な粒子状物質検出装置を提供すること。【解決手段】粒子状物質検出装置１は、粒子状物質よりも電気抵抗率が高い検出用導電層２ａの堆積面３１に、一対の検出用電極３ａ、３ｂを有する粒子状物質検出部３と、温度補償用導電層２ｂの粒子状物質が堆積しない非堆積面４１に、一対の温度補償用電極４ａ、４ｂを有する温度補償部４とを有し、検出用電極３ａ、３ｂと温度補償用電極４ａ、４ｂが共通のグランド端子１３に接続されるセンサ素子１０と、検出用電極３ａ、３ｂの間の電気抵抗Ｒｓに基づく第１出力信号Ｖａを検出すると共に、温度補償用電極４ａ、４ｂの間の電気抵抗Ｒｂに基づく第２出力信号Ｖｂを検出し、その差分出力Ｖ１に基づいて粒子状物質の堆積量を算出する検出制御部５０と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガスに含まれる粒子状物質を検出するためのセンサ素子（１０）と、上記センサ素子に接続される検出制御部（５０）とを備える粒子状物質検出装置（１）であって、
上記センサ素子は、
上記粒子状物質よりも電気抵抗率が高い導電性材料にて構成され、上記粒子状物質が堆積する堆積面（２０）を有する検出用導電層（２ａ）と、上記堆積面に配置される一対の検出用電極（３ａ、３ｂ）とを有し、上記粒子状物質の堆積量に応じて上記一対の検出用電極の間の電気抵抗（Ｒｓ）が変化する粒子状物質検出部（３）と、
上記導電性材料からなり、上記粒子状物質が堆積しない位置に配置された非堆積面（２１）を有する温度補償用導電層（２ｂ）と、上記非堆積面に配置される一対の温度補償用電極（４ａ、４ｂ）とを有する温度補償部（４）と、を有し、
上記一対の検出用電極は、第１出力端子（１１）及び共通のグランド端子（１３）にそれぞれ接続されており、
上記一対の温度補償用電極は、第２出力端子（１２）及び上記共通のグランド端子にそれぞれ接続されており、
上記検出制御部は、
上記第１出力端子に接続されて、上記一対の検出用電極の間の電気抵抗に基づく第１出力信号（Ｖａ）を検出すると共に、上記第２出力端子に接続されて、上記一対の温度補償用電極の間の電気抵抗（Ｒｂ）に基づく第２出力信号（Ｖｂ）を検出する検出回路部（５１）と、
上記第１出力信号及び上記第２出力信号との差分出力（Ｖ１）に基づいて粒子状物質の堆積量を算出する粒子状物質量算出部（５２）と、を有している、粒子状物質検出装置。
【請求項２】
上記粒子状物質量算出部は、上記差分出力を、上記堆積面に上記粒子状物質が堆積していない初期状態における上記第１出力信号と上記第２出力信号との差分出力である、初期差分（Ｖｉ）を用いて補正する、請求項１記載の粒子状物質検出装置。
【請求項３】
上記粒子状物質量算出部は、上記初期差分と温度の関係を規定した初期差分マップ又は初期差分補正式を参照して、初期差分補正値（Ｖdi）を設定し、上記差分出力から上記初期差分補正値を減じて補正出力を得る、請求項２に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項４】
上記センサ素子は、通電により発熱するヒータ電極（６１）を有し、上記ヒータ電極の発熱により、上記堆積面に堆積した上記粒子状物質を燃焼除去する再生処理のためにヒータ部（６）を、さらに備えており、
上記粒子状物質量算出部は、上記差分出力を、上記ヒータ部による上記再生処理の実施以降における上記第１出力信号と上記第２出力信号との差分出力である、経時差分（Ｖｃ）を用いて補正する、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】
上記粒子状物質量算出部は、上記経時差分と温度の関係を規定した経時差分マップ又は経時差分補正式を参照して、経時差分補正値（Ｖdc）を設定し、上記差分出力から上記経時差分補正値を減じて補正出力を得る、請求項４に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項６】
上記粒子状物質量算出部は、上記ヒータ部による上記再生処理の実施後に、上記第１出力信号と上記第２出力信号との経時差分値（Ｖc1）を検出し、上記経時差分値を用いて、上記経時差分マップ又は上記経時差分補正式を設定する、請求項５に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項７】
上記ヒータ電極は、上記共通のグランド端子に接続されている、請求項４〜６のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項８】
上記ヒータ電極への通電と、上記第１出力信号の検出と、上記第２出力信号の検出とは、異なるタイミングで実施される、請求項４〜７のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項９】
上記粒子状物質量算出部は、上記一対の温度補償用電極の出力から上記センサ素子の温度を推定し、推定された温度と上記粒子状物質の温度特性に基づいて、上記差分出力を補正する、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。
【請求項１０】
上記粒子状物質検出部と、上記温度補償部とは、絶縁性基体（１００）を挟んで対向する位置にある、請求項１〜９のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項１１】
上記検出用導電層は、上記絶縁性基体と反対側の表面を上記堆積面としており、上記温度補償用導電層は、上記絶縁性基体と反対側の表面を上記非堆積面としている、請求項１０に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項１２】
上記温度補償部は、上記温度補償用導電層及び上記一対の温度補償用電極の全体が、ガス透過性絶縁膜によって被覆されている、請求項１０又は１１に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項１３】
上記ガス透過性絶縁膜は、被測定ガスに含まれるガス成分を通過させる複数の連通孔を有する多孔質体、又は、上記ガス成分をイオン化して透過させる酸化物材料からなる、請求項１２に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項１４】
上記粒子状物質検出部と、上記温度補償部とは、絶縁性基体（１００）の同じ側に隣接して配置される、請求項１〜９のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項１５】
上記検出用導電層と上記温度補償用導電層とは、一体の導電体層（２）を構成しており、上記導電体層は、上記絶縁性基体と反対側の表面を上記堆積面としており、上記絶縁性基体側の表面を上記非堆積面としている、請求項１４に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項１６】
上記導電性材料は、表面電気抵抗率ρが、１００〜５００℃の温度範囲において１．０×１０7〜１．０×１０10Ω・ｃｍである、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項１７】
上記導電性材料は、分子式がＡＢＯ3で表されるペロブスカイト構造を有するセラミックスであり、上記分子式におけるＡサイトは、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇから選択される少なくとも一種であり、Ｂサイトは、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｙから選択される少なくとも一種である、請求項１６に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項１８】
上記Ａサイトは、主成分がＳｒ、副成分がＬａであり、上記Ｂサイトは、Ｔｉである、請求項１７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の量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】
自動車エンジンの排ガス通路から外部へ排出される粒子状物質（すなわち、Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｍａｔｔｅｒ；以下、適宜ＰＭと称する）を低減するために、排ガス通路にパティキュレートフィルタを設けた排ガス浄化システムが知られている。排ガス浄化システムは、自己診断機能を備えており、例えば、パティキュレートフィルタの下流に漏れ出る粒子状物質を検出する粒子状物質検出装置が設けられ、その検出結果に基づいて、パティキュレートフィルタの故障診断が行われる。
【０００３】
粒子状物質検出装置は、例えば、電気抵抗式のセンサ素子を備え、絶縁性基体の表面に設けた一対の検出用電極に電圧を印加して、導電性のＳｏｏｔ（すなわち、煤）を主成分とする粒子状物質が堆積することによる一対の検出用電極間の電気抵抗変化を検出する。この方式では、粒子状物質が堆積して一対の検出用電極間が導通するまでは、電気抵抗変化が生じない不感期間となる。そのため、不感期間を短縮して早期にＰＭ検出を可能とすることが望まれている。
【０００４】
特許文献１には、粒子状物質の一部を堆積させる被堆積部の表面に、一対の検出用電極を備えると共に、一対の検出用電極をつなぐように高抵抗導電層が形成された粒子状物質検出センサが提案されている。高抵抗導電層は、粒子状物質よりも電気抵抗率が高い材料からなり、その表面に堆積する粒子状物質の量に応じて、一対の検出用電極間の電気抵抗が変化する。したがって、電気抵抗の変化を測定することで、不感期間を有さずに、ＰＭ堆積量を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−１３８４４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示される粒子状物質検出センサは、高抵抗導電層の電気抵抗率が温度により変化しやすいという問題がある。そのため、ＰＭ堆積量が一定であっても、測定環境温度が変化すると、検出用電極間の電気抵抗が大きく変わってしまい、ＰＭ堆積量を正確に検出できなくなるおそれがあった。また、この方式では、一対の検出用電極間に常に電流が流れているために、測定環境によっては外部から侵入するノイズの影響を受けやすい。特に、微量の粒子状物質を検出する場合には、ノイズの影響が無視できないものとなり、検出精度の低下が懸念されている。
【０００７】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、測定環境における温度とノイズの影響を共に排除して、粒子状物質を精度よく検出可能な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】
【０００８】
本発明の第１の態様は、
被測定ガスに含まれる粒子状物質を検出するためのセンサ素子（１０）と、上記センサ素子に接続される検出制御部（５０）とを備える粒子状物質検出装置（１）であって、
上記センサ素子は、
上記粒子状物質よりも電気抵抗率が高い導電性材料にて構成され、上記粒子状物質が堆積する堆積面（３１）を有する検出用導電層（２ａ）と、上記堆積面に配置される一対の検出用電極（３ａ、３ｂ）とを有し、上記粒子状物質の堆積量に応じて上記一対の検出用電極の間の電気抵抗（Ｒｓ）が変化する粒子状物質検出部（３）と、
上記導電性材料からなり、上記粒子状物質が堆積しない位置に配置された非堆積面（４１）を有する温度補償用導電層（２ｂ）と、上記非堆積面に配置される一対の温度補償用電極（４ａ、４ｂ）とを有する温度補償部（４）と、を有し、
上記一対の検出用電極は、第１出力端子（１１）及び共通のグランド端子（１３）にそれぞれ接続されており、
上記一対の温度補償用電極は、第２出力端子（１２）及び上記共通のグランド端子にそれぞれ接続されており、
上記検出制御部は、
上記第１出力端子に接続されて、上記一対の検出用電極の間の電気抵抗に基づく第１出力信号（Ｖａ）を検出すると共に、上記第２出力端子に接続されて、上記一対の温度補償用電極の間の電気抵抗（Ｒｂ）に基づく第２出力信号（Ｖｂ）を検出する検出回路部（５１）と、
上記第１出力信号及び上記第２出力信号との差分出力（Ｖ１）に基づいて粒子状物質の堆積量を算出する粒子状物質量算出部（５２）と、を有している、粒子状物質検出装置にある。
【発明の効果】
【０００９】
上記一態様の粒子状物質検出装置において、検出制御部は、粒子状物質検出部の一対の検出用電極の間の電気抵抗を、検出回路部から第１出力信号として、粒子状物質量算出部へ出力する。また、温度補償部の一対の温度補償用電極の間の電気抵抗を、第２出力信号として出力する。粒子状物質量算出部は、第１出力信号から第２出力信号を減じて差分出力を算出し、粒子状物質の堆積量を算出する。
【００１０】
このとき、粒子状物質検出部と温度補償部とは、同等の測定環境にあり、粒子状物質の堆積面又は非堆積面を有する構成のみ相違するので、差分出力を算出することで、温度による検出用導電層及び温度補償用導電層の電気抵抗の変化を含まない出力を得ることができる。さらに、粒子状物質検出部の一対の検出用電極と、温度補償部の一対の温度補償用電極とは、共通のグランド端子に接続されているので、測定環境からのノイズの影響は、検出用電極と温度補償用電極とで同等となる。そのため、算出される差分出力には、ノイズの影響も含まれない。したがって、温度及びノイズの影響が排除された差分出力を用いて、粒子状物質の堆積量を、高い精度を算出することができる。
【００１１】
以上のごとく、本態様によれば、測定環境における温度とノイズの影響を共に排除して、粒子状物質を精度よく検出可能な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】
【００１２】
【図１】実施形態１における、粒子状物質検出装置のセンサ素子の構成を示す斜視図。
【図２】実施形態１における、粒子状物質検出装置の概略構成図。
【図３】実施形態１における、センサ素子の平面図であって、図１のIII矢視図。
【図４】実施形態１における、センサ素子の平面図であって、図１のIV矢視図。
【図５】実施形態１における、センサ素子の堆積面に粒子状物質が堆積していない状態を示す部分拡大断面図。
【図６】実施形態１における、センサ素子の堆積面に粒子状物質が堆積した状態を示す部分拡大断面図。
【図７】実施形態１における、粒子状物質の堆積量と、一対の検出用電極の間に流れる電流との関係を示す図。
【図８】実施形態１における、表面電気抵抗率ρの測定方法を説明するための図。
【図９】実施形態１における、バルクの電気抵抗率を測定する方法を説明するための図。
【図１０】実施形態１における、粒子状物質検出装置を含む排気浄化システムの全体構成図。
【図１１】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で実行される粒子状物質検出処理のフローチャート図。
【図１２】実施形態１における、センサ素子の出力の時間変化を示す図。
【図１３】比較形態１における、粒子状物質検出装置のセンサ素子の構成を示す斜視図。
【図１４】比較形態１における、センサ素子の出力時間変化を示す図。
【図１５】実施形態２における、粒子状物質検出装置の概略構成図。
【図１６】実施形態２における、理想状態でのセンサ素子の出力と温度との関係を示す図。
【図１７】実施形態２における、実際の状態でのセンサ素子の出力と温度との関係を示す図。
【図１８】実施形態２における、粒子状物質検出装置のセンサ制御部で実行される粒子状物質検出処理のフローチャート図。
【図１９】実施形態３における、センサ素子の出力と温度との関係を示す図。
【図２０】実施形態３における、粒子状物質検出装置のセンサ制御部で実行される粒子状物質検出処理のフローチャート図。
【図２１】実施形態４における、素子温度とセンサ素子の出力との関係を示す図。
【図２２】実施形態４における、粒子状物質検出装置のセンサ制御部で実行される粒子状物質検出処理のフローチャート図。
【図２３】実施形態５における、粒子状物質検出装置のセンサ素子の構成を示す斜視図。
【図２４】実施形態５における、センサ素子の平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（実施形態１）
粒子状物質検出装置に係る実施形態について、図面を参照して説明する。図１〜図４に示すように、粒子状物質検出装置１は、被測定ガスに含まれる粒子状物質を検出するためのセンサ素子１０と、センサ素子１０に接続されて粒子状物質の検出を制御する検出制御部５０とを備えている。被測定ガスは、例えば、自動車エンジンから排出される燃焼排ガスであり、導電性成分であるＳｏｏｔを主体とする粒子状物質を含む。粒子状物質の排出量や粒子の状態、例えば、粒子径や化学組成は、エンジンの運転状態により変化する。
【００１４】
センサ素子１０は、電気抵抗型の板状素子であり、粒子状物質検出部（以下、ＰＭ検出部と称する）３と、温度補償部４と、第１出力端子１１と、第２出力端子１２と、共通のグランド端子１３と、を有している。また、センサ素子１０には、ヒータ部６が内蔵されており、ヒータ制御部６０によって制御される。検出制御部５０は、ヒータ制御部６０と共に、センサ制御部５を構成している。
【００１５】
ＰＭ検出部３は、粒子状物質よりも電気抵抗率が高い導電性材料にて構成され、粒子状物質が堆積する堆積面３１を有する検出用導電層２ａと、堆積面３１に配置される一対の検出用電極３ａ、３ｂとを有する。一対の検出用電極３ａ、３ｂは、堆積面３１の一部を挟んで互いに対向し、粒子状物質の堆積量に応じて一対の検出用電極３ａ、３ｂの間の電気抵抗（以下、適宜、検出用電極間抵抗Ｒｓと称する）が変化する。
【００１６】
温度補償部４は、検出用導電層２ａと同様の導電性材料からなり、粒子状物質が堆積しない位置に配置された非堆積面４１を有する温度補償用導電層２ｂと、非堆積面４１に配置される一対の温度補償用電極４ａ、４ｂとを有する。一対の温度補償用電極４ａ、４ｂは、非堆積面４１の一部を挟んで互いに対向し、ＰＭ検出部３による出力を温度補償する。
【００１７】
ＰＭ検出部３は、一対の検出用電極３ａ、３ｂが、第１出力端子１１と共通のグランド端子１３とにそれぞれ接続される。温度補償部４は、一対の温度補償用電極４ａ、４ｂが、第２出力端子１２と共通のグランド端子１３とにそれぞれ接続される。
検出用導電層２ａ、温度補償用導電層２ｂを構成する導電性材料については、詳細を後述する。
【００１８】
センサ制御部５は、検出回路部５１及び粒子状物質量算出部（以下、ＰＭ量算出部と称する）５２を有する検出制御部５０と、ヒータ制御部６０と、を備えている。
検出回路部５１は、第１出力端子１１に接続されて、検出用電極間抵抗Ｒｓに基づく第１出力信号（以下、ＰＭ検出信号Ｖａと称する）を出力すると共に、第２出力端子１２に接続されて、温度補償部４の一対の温度補償用電極４ａ、４ｂの間の電気抵抗（以下、適宜、補償用電極間抵抗Ｒｂと称する）に基づく第２出力信号（以下、温度補償信号Ｖｂと称する）を検出する。
ＰＭ量算出部５２は、検出回路部５１にて検出されるＰＭ検出信号Ｖａ及び温度補償信号Ｖｂとの差分出力Ｖ１に基づいて粒子状物質の堆積量を算出する。
【００１９】
ヒータ制御部６０は、センサ素子１０が内蔵するヒータ部６へ制御信号を出力し、ヒータ電極６１へ電力を供給して、センサ素子１０を所定の温度に加熱する。例えば、粒子状物質の検出に先立ってヒータ部６を作動させ、ＰＭ検出部３の堆積面３１に堆積した粒子状物質を燃焼除去する。これにより、センサ素子１０を再生することができる。
センサ制御部５を構成する各部の詳細については、後述する。
【００２０】
次に、センサ素子１０の構成について詳述する。
図１、図２に示すように、センサ素子１０は、ＰＭ検出部３と、温度補償部４と、ヒータ部６と、絶縁性基体１００とを有する。絶縁性基体１００は、矩形板状の絶縁板１０１〜１０３からなる。ＰＭ検出部３と、温度補償部４と、ヒータ部６とは、それぞれ、絶縁板１０１〜１０３に対して同じ側（例えば、図１の上面側）に配置され、絶縁板１０１〜１０３を挟んで、この順に積層される。これにより、ＰＭ検出部３と、温度補償部４と、ヒータ部６とが、絶縁性基体１００と共に一体化されたセンサ素子１０となる。
【００２１】
絶縁性基体１００となる、絶縁板１０１〜１０３は、例えば、アルミナ等の絶縁性セラミックス材料からなる。
以下、絶縁性基体１００の長手方向及び幅方向を、センサ素子１０の長手方向Ｘ及び幅方向Ｙとし、絶縁性基体１００の積層方向を、センサ素子１０の積層方向Ｚとする。
【００２２】
絶縁性基体１００は、概略同形の２枚の絶縁板１０２、１０３と、これら絶縁板１０２、１０３より長手方向Ｘの長さが短い絶縁板１０１とからなる。絶縁板１０１〜１０３は、長手方向Ｘの基端側（例えば、図１の右端側）が揃うように配置されている。基端側において、絶縁性基体１００の上面となる絶縁板１０１の表面には、第１出力端子１１、第２出力端子１２が設けられ、絶縁性基体１００の下面となる絶縁板１０３の表面には、グランド端子１３と、ヒータ端子１４が設けられる。
【００２３】
センサ素子１０は、長手方向Ｘにおいて基端側と反対側を先端側（例えば、図１の左端側）とし、絶縁板１０１の先端側に接して、検出用導電層２ａ、温度補償用導電層２ｂが設けられる。
【００２４】
ＰＭ検出部３は、センサ素子１０の先端側の最上面となる検出用導電層２ａの表面が、被測定ガスに晒される堆積面３１となる。堆積面３１には、一対の検出用電極３ａ、３ｂが、幅方向Ｙに所定の間隔をおいて互いに対向するように配置される。検出用電極３ａ、３ｂは、それぞれ長手方向Ｘに延びる線状電極であり、長手方向Ｘに延びる一対のリード部３２ａ、３２ｂを介して、第１出力端子１１、グランド端子１３にそれぞれ接続される。
【００２５】
温度補償部４は、検出用導電層２ａと絶縁板１０２との間に配置される温度補償用導電層２ｂを有する。温度補償用導電層２ｂは、絶縁板１０２側（すなわち、下面側）の表面を、非堆積面４１としている。非堆積面４１には、一対の温度補償用電極４ａ、４ｂが、幅方向Ｙに所定の間隔をおいて互いに対向するように配置される。温度補償用電極４ａ、４ｂは、それぞれ長手方向Ｘに延びる線状電極であり、長手方向Ｘに延びる一対のリード部４２ａ、４２ｂを介して、第２出力端子１２、グランド端子１３にそれぞれ接続される。
【００２６】
図３に示すように、検出用導電層２ａの上面に形成される一対の検出用電極３ａ、３ｂは、検出用導電層２ａの先端側から基端縁部へ延びて、絶縁板１０１の上面に形成される一対のリード部３２ａ、３２ｂに接続される。一方の検出用電極３ａに接続されるリード３２ａは、絶縁板１０１の先端縁部から基端部に延びて、第１出力端子１１に接続している。他方の検出用電極３ｂに接続されるリード部３２ｂは、絶縁板１０１の先端縁部から基端側へ延びて、端子取出用の導電部１５に接続している。
【００２７】
図４に示すように、温度補償用導電層２ｂは、絶縁板１０２の先端側の上面に形成される一対の温度補償用電極４ａ、４ｂの全体を覆うように配置される。一対の温度補償用電極４ａ、４ｂは、温度補償用導電層２ｂの基端縁部において、一対のリード部４２ａ、４２ｂに接続される。一方の温度補償用電極４ａに接続されるリード部４２ａは、絶縁板１０２の基端側へ延びて、端子取出用の導電部１６に接続している。他方の温度補償用電極４ｂに接続されるリード部４２ｂは、絶縁板１０２の基端側に延びて、端子取出用の導電部１７に接続している。
【００２８】
図１において、ヒータ部６は、絶縁板１０３の先端側の上面に形成されるヒータ電極６１と、ヒータ電極６１の両端に接続されて基端側へ延びる一対のリード部６２ａ、６２ｂとからなる。絶縁板１０３の基端部において、一対のリード部６２ａ、６２ｂは、一方のリード部６２ａが端子取出用の導電部１８に、他方のリード部６２ｂが、端子取出用の導電部１９にそれぞれ接続している。導電部１８は、絶縁板１０３の下面に形成されるヒータ端子１４に接続され、導電部１９は、絶縁板１０３を貫通してその下面に形成されるグランド端子１３に接続される。
【００２９】
積層方向Ｚにおいて、導電部１５、１７は、絶縁板１０１、１０２の同位置を貫通して、リード部６２ｂの途中に設けられる導電部１９ａと接続される。これにより、ＰＭ検出部３の検出用電極３ｂと、温度補償部４の温度補償用電極４ｂと、ヒータ部６のヒータ電極６１の一端が、導電部１９を介して、共通のグランド端子１３と電気的に接続される。温度補償部４の温度補償用電極４ａは、導電部１６を介して、絶縁板１０１の上面に形成される第２出力端子１２に接続される。
【００３０】
このとき、検出用電極３ａ、３ｂと、温度補償用電極４ａ、４ｂとは、概略同一形状に形成され、積層方向Ｚにおいて重なる位置となるように、検出用導電層２ａ及び温度補償用導電層２ｂを挟んで対称配置される。また、検出用電極３１のリード部３２ａ、３２ｂは、積層方向Ｚにおいて、温度補償用電極４１のリード部３２ａ、３２ｂと重なる位置にあり、両者の間は絶縁板１０１によって絶縁されている。
【００３１】
図２において、検出用導電層２ａと温度補償用導電層２ｂとは、絶縁性基体１００の同じ側に隣接して配置され、一体的に積層されて導電体層２を形成している。導電体層２は、堆積面３１側が露出するように絶縁性基体１００に積層されており、このとき、堆積面３１と、堆積面３１に形成される一対の検出用電極３ａ、３ｂが被測定ガスに晒される。また、堆積面３１と反対側の非堆積面４１と、非堆積面４１に形成される一対の温度補償用電極４ａ、４ｂは、センサ素子１０の内部に埋設され、被測定ガスに晒されることはない。
【００３２】
検出制御部５０の検出回路部５１は、スイッチ５０１と、シャント抵抗５０２と、電圧測定部５０３と、直流電源５０４とを備える。直流電源５０４の負極端子は、センサ素子１０のグランド端子１３に接続されており、スイッチ５０１は、直流電源５０４の正極端子を、第１出力端子１１及び第２出力端子１２のいずれか一方に接続するように構成されている。すなわち、スイッチ５０１を切り替えることにより、直流電源５０４の電圧(例えば、ＶＢ)を、ＰＭ検出部３の一対の検出用電極３ａ、３ｂ、及び、温度補償部４の一対の温度補償用電極４ａ、４ｂのうち、いずれか一方に印加することができる。
【００３３】
このとき、一対の検出用電極３ａ、３ｂの間を、又は、一対の温度補償用電極４ａ、４ｂとの間を流れた電流Ｉは、シャント抵抗５０２を通過する。このシャント抵抗５０２による電圧降下を、電圧測定部５０３によって測定することで、電流Ｉを測定し、電極間の電気抵抗（＝ＶＢ／Ｉ）を算出することができる。
【００３４】
検出制御部５０は、検出回路部５１のスイッチ５０１をＰＭ検出部３側に切り替えて、電圧測定部５０３にて、検出用電極間抵抗Ｒｓに基づく電流Ｉｓを測定し、ＰＭ検出信号Ｖａとして出力させる。また、スイッチ５０１を温度補償部４側に切り替えて、補償用電極間抵抗Ｒｂに基づく電流Ｉｂを測定し、温度補償信号Ｖｂとして出力させる。
検出制御部５０のＰＭ量算出部５２は、ＰＭ検出信号Ｖａから温度補償信号Ｖｂを減算し、得られる差分出力Ｖ１を用いてＰＭ量を算出する。すなわち、ＰＭ堆積量に応じて変動するＰＭ検出信号Ｖａを、温度補償及びノイズ除去のための温度補償信号Ｖｂを用いて補正し、補正後の信号に基づいてＰＭ量を算出することで、検出精度を向上させる。
【００３５】
上述したように、検出用導電層２ａ、温度補償用導電層２ｂは導電性材料によって構成されている。そのため、図５に示すように、堆積面３１に粒子状物質が全く堆積していない状態でも、検出用導電層２ａ、温度補償用導電層２ｂに電流Ｉを流すことができる。一対の検出用電極３ａ、３ｂの間隔Ｗａと、一対の温度補償用電極４ａ、４ｂの間隔Ｗｂとは等しく、各電極の長手方向Ｘにおける長さも互いに等しい。すなわち、非堆積時の検出用電極間抵抗Ｒｓである検出用導電層抵抗Ｒａは、補償用電極間抵抗Ｒｂと概略等しく、一対の検出用電極３ａ、３ｂ間を流れる電流Ｉａと、一対の温度補償用電極４ａ、４ｂ間を流れる電流Ｉｂとは、概略等しい。
【００３６】
次に、図６に示すように、ＰＭ検出部３の堆積面３１に粒子状物質（すなわち、図中に示すＰＭ）が僅かに堆積した場合、堆積面３１のうちＰＭが堆積していない領域Ａ１では、電流Ｉは検出用導電層２ａを流れ（すなわち、電流Ｉａ）、ＰＭが堆積している領域Ａ２では、電流Ｉは主に、電気抵抗率が低いＰＭに流れる（すなわち、ＰＭ電流Ｉｐ）。そのため、図７に示すように、堆積面３１に付着するＰＭが僅かであっても電流Ｉが変化し、ＰＭ堆積量に比例して電流Ｉが増加する。この変化を検出することで、ＰＭ堆積量を算出することができる。
【００３７】
図６において、検出用電極間抵抗Ｒｓの値は、検出用導電層抵抗Ｒａと、堆積した粒子状物質の電気抵抗(以下、適宜、ＰＭ抵抗と称する)Ｒｐと、によって決まる。検出用電極間抵抗Ｒｓは、例えば、下記式１によって近似的に表すことができる。
式１：Ｒｓ＝ＲｐＲａ／（Ｒｐ＋Ｒａ）
また、Ｒａ＝Ｒｂであるから、この式は、次の式１１のように変形できる。
式１１：Ｒｓ＝ＲｐＲｂ／（Ｒｐ＋Ｒｂ）
この式から、ＲｓとＲｂを測定することでＰＭ抵抗Ｒｐを算出でき、ＰＭ抵抗ＲｐとＰＭ堆積量の関係を用いて、ＰＭ堆積量を算出できることがわかる。
【００３８】
また、ＰＭ堆積量は、例えば、以下のように算出することもできる。
ＰＭ検出部３の一対の検出用電極３ａ、３ｂの間を流れる電流Ｉｓは、検出用導電層２ａを流れる電流Ｉａと、ＰＭ電流Ｉｐとを用いて、下記式２のように近似的に表すことができる。
式２：Ｉｓ＝Ｉａ＋Ｉｐ
また、Ｉａ＝Ｉｂであるから、この式は、次の式２１のように変形できる。
式２１：Ｉｓ＝Ｉｂ＋Ｉｐ
この式から、ＰＭ電流Ｉｐは、下記式３のように表されることがわかる。
式３：Ｉｐ＝Ｉｓ−Ｉｂ
上述したように、検出回路部５１を用いて、ＩｓとＩｂに相当するセンサ出力を得ることができるため、センサ出力の差分を算出することで、算出した差分とＰＭ堆積量との関係を用いて、ＰＭ堆積量を算出できることがわかる。
【００３９】
この式により算出されるＰＭ電流Ｉｐは、ＰＭ検出部３の一対の検出用電極３ａ、３ｂ間を流れる電流Ｉｓから、検出用導電層２ａを流れる電流Ｉａ（すなわち、温度補償用導電層２ｂを流れる電流Ｉｂ）を減算した値である。検出用導電層２ａと温度補償用導電層２ｂとは、一体の導電体層２を構成しており、同等の温度環境にある。また、さらに、ＰＭ検出部３の検出用電極３ｂと、温度補償部４の温度補償用電極４ｂとは、共通のグランド端子１３に接続されているので、測定環境によるノイズの影響も同等となる。
したがって、電流Ｉｓから電流Ｉａを減算することで、温度やノイズの影響が排除されたＰＭ電流Ｉｐを算出することができる。
【００４０】
ここで、検出用導電層２ａ及び温度補償用導電層２ｂを構成する導電性材料について説明する。検出用導電層２ａ及び温度補償用導電層２ｂは、粒子状物質よりも電気抵抗率が高い導電性材料からなり、例えば、１００〜５００℃の温度範囲において、表面電気抵抗率が１．０×１０7〜１．０×１０10Ω・ｃｍの範囲にある導電性材料であることが望ましい。表面電気抵抗率が上記数値範囲を満たす導電性材料としは、例えば、分子式がＡＢＯ3で表されるペロブスカイト構造を有するセラミックスを用いることができる。上記分子式において、Ａサイトは、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇから選択される少なくとも一種であり、Ｂサイトは、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｙから選択される少なくとも一種である。好適には、Ａサイトは、主成分がＳｒ、副成分がＬａであり、Ｂサイトは、Ｔｉであるペロブスカイト型セラミックス（すなわち、Ｓｒ1-XＬａXＴｉＯ3）が用いられる。
【００４１】
例えば、（Ｓｒ1-XＬａXＴｉＯ3）におけるｘを０．０１６〜０．０３６の範囲にした場合、表面電気抵抗率ρは、１００〜５００℃の温度範囲において、１．０×１０7〜１．０×１０10Ω・ｃｍになる。そのため、このようなセラミックス（例えば、Ｓｒ0.984Ｌａ0.016ＴｉＯ3、Ｓｒ0.98Ｌａ0.02ＴｉＯ3、Ｓｒ0.964Ｌａ0.036ＴｉＯ3）は、導電部２を構成するための材料として、好適に用いることができる。
【００４２】
なお、「表面電気抵抗率ρ」は、図８に示すサンプルＳを作成し、測定電極２０１、２０２間の電気抵抗を測定して、下記式４を用いて算出した値を意味する。
本形態では、以下のようにして、導電性材料の表面電気抵抗率ρを測定している。すなわち、まず、図８に示すサンプルＳを作成する。このサンプルＳは、導電性材料からなり厚さＴが１．４ｍｍの板状基板２００と、該板状基板２００の主表面に形成され長さがＬ、間隔がＤである一対の測定電極２０１、２０２とを有する。このようなサンプルＳを形成し、一対の測定電極２０１、２０２間の電気抵抗Ｒ（単位：Ω）を測定する。表面電気抵抗率ρは、下記式４によって算出される。
式４：ρ＝Ｒ×Ｌ×Ｔ／Ｄ
【００４３】
本明細書において、単に「電気抵抗率」と記載した場合は、いわゆるバルクの電気抵抗率を意味する。これは、例えば図９に示すごとく、導電性材料からなる基板部３００と、この基板部３００の側面に形成した一対の測定電極３０１、３０２とを備えるバルク用サンプルＳ１を作成し、上記一対の測定電極３０１、３０２間の電気抵抗を測定することによって算出することができる。
【００４４】
また、粒子状物質の電気抵抗率は、以下の紛体抵抗測定法によって測定することができる。すなわち、底面および上面が電極板になっている所定の円筒容器（断面積Ａ）に粉体（ＰＭ）を入れた状態で、上面の電極板に上部から圧力を加え、縦軸方向に紛体（ＰＭ）を圧縮しながら、電極間の距離Ｌと電極間の電気抵抗Ｒを測定する。この測定法によれば、紛体（ＰＭ）の電気抵抗率ρはＲ×（Ａ／Ｌ）で算出される。
【００４５】
例えば、断面６ｍｍφの円筒容器（断面積２．８３×１０-5ｍ2）を用い、圧力６０ｋｇｆで加圧した状態で電気抵抗Ｒを計測した場合には、ＰＭの電気抵抗率の範囲は、具体的には、１．０×１０-3〜１．０×１０2Ω・ｃｍとなった。エンジンの運転条件によって、生成されるＰＭの電気抵抗率は変化する。例えば、高負荷、高回転の運転条件で排出され、未燃焼の炭化水素成分含有量が少なく、殆どが煤で構成されるＰＭの場合、電気抵抗率は１０-3Ω・ｃｍ程度である。また、低回転、低負荷条件で運転するエンジンから排出され、未燃焼の炭化水素成分を多量に含み、最も抵抗率が高いＰＭの場合、電気抵抗率は、１．０×１０2Ω・ｃｍ程度の値を示す。
したがって、本実施形態における検出用導電層２ａ、温度補償用導電層２ｂの電気抵抗率は、少なくとも１．０×１０2Ω・ｃｍ以上とすることが好ましい。
【００４６】
なお、積層方向Ｚにおける温度補償用電極４ａ、４ｂと検出電極３ａ、３ｂとの間隔Ｈ、すなわち、導電体層２の層厚は、一対の検出用電極３ａ、３ｂが粒子状物質によって覆われている状態において、一対の温度補償用電極４ａ、４ｂ間を流れる電流Ｉｂと、上記一対の検出用電極３ａ、３ｂの間を流れる電流Ｉｓとの比Ｉｂ／Ｉｓが０．０２以下となるように定められるのがよい。
【００４７】
これは、間隔Ｈが狭いと、温度補償用電極４ａ、４ｂが堆積面３１に接近するため、電流Ｉｂが、電気抵抗率が低い粒子状物質を通って、一対の温度補償用電極４ａ、４ｂの間を流れてしまうからである。間隔Ｈが広くなると、温度補償用電極４ａ、４ｂが堆積面３１から遠ざかるため、電流Ｉｂが粒子状物質に流れにくくなり、Ｉｂの値が小さくなる。この効果を得るためには、Ｉｂ／Ｉｓが０．０２以下となるようにするとよいことが、実験的に確認されており、導電体層２の層厚に製造ばらつきが生じた場合でも、電流Ｉｂを正確に測定でき、補償用電極間抵抗Ｒｂを正確に測定できる。これにより、検出用導電層抵抗Ｒａの、温度による変化を正確に補償できる。
【００４８】
図１０に示すように、本形態の粒子状物質検出装置１は、例えば、自動車用エンジンＥの排ガス浄化システムに適用され、被測定ガスである排ガスＧに含まれる粒子状物質の量を検出する。エンジンＥに接続される排ガス管Ｅ１には、粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタ４００が配置される。センサ素子１０は、パティキュレートフィルタ４００の下流に配置され、図示しない素子カバー内に収容される先端側半部が排ガス管Ｅ１内に位置するように、排ガス管Ｅ１壁に取付固定される。パティキュレートフィルタ４００とセンサ素子１０の間には、排ガス温度センサ４０１が設置されて、パティキュレートフィルタ４００の下流における排ガス温度を検出するようになっている。
【００４９】
センサ素子１０は、センサ制御部５を構成するエンジン制御装置（すなわち、Engine Control Unit；以下、ＥＣＵと称する）５００に接続されている。ＥＣＵ５００は、演算処理を行うＣＰＵと、プログラム、データ等を記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートI／Ｏ等を備えており、周期的にプログラムを実行して、粒子状物質検出装置１を含むシステム全体を制御する。ＲＯＭには、センサ制御部５の検出制御部５０、ヒータ制御部６０に対応するプログラム５０４が記憶されており、ＣＰＵがプログラム５０４を読み出して実行することにより、センサ素子１０に堆積するＰＭ量が測定される。また、その測定値を用いて、パティキュレートフィルタ４００の故障診断を行うことができる。
【００５０】
次に、図１１のフローチャートを用いて、センサ制御部５にて実行される粒子状物質検出処理について説明する。
まず、ステップＳ１０１において、ＰＭ堆積量の検出に先立ち、センサ素子１０の再生処理を行うために、ヒータ制御部６０を用いて、ヒータ部６への通電を開始する。これによりステップＳ１０２において、ヒータ部６が発熱して、センサ素子１０を再生する。再生処理は、予めセンサ素子１０の堆積面３１に付着している粒子状物質を燃焼除去するための処理であり、再生温度は、通常、Ｓｏｏｔを燃焼除去可能な６００℃以上に設定される。
【００５１】
所定の再生処理時間が経過したら、ステップＳ１０３において、ヒータ部６への通電が停止され、続くステップＳ１０４において、所定時間待機することにより、センサ素子１０が冷却される。再生処理が完了したら、ステップＳ１０５以降において、検出制御部５０を用いて、ＰＭ堆積量の検出が開始される。
【００５２】
ステップＳ１０５では、検出回路部５１のスイッチ５０１が、ＰＭ検出部３側に切り替えられて、一対の検出用電極３ａ、３ｂの間に所定の電圧が印加される。これにより、ＰＭ検出部３に静電場が形成されて、堆積面３１への粒子状物質の堆積が促進される。
【００５３】
次いで、ステップＳ１０６において、検出用電極間抵抗Ｒｓに基づくＰＭ検出信号Ｖａが検出される。その後、ステップＳ１０７において、ＰＭ検出部３の一対の検出用電極３ａ、３ｂへの通電が終了される。
【００５４】
ステップＳ１０８では、検出回路部５１のスイッチ５０１が、温度補償部４側に切り替えられて、一対の温度補償用電極４ａ、４ｂの間に所定の電圧が印加される。次いで、ステップＳ１０９において、補償用電極間抵抗Ｒｂに基づく温度補償信号Ｖｂが検出される。その後、ステップＳ１１０において、温度補償部４の一対の温度補償用電極４ａ、４ｂへの通電が終了される。
【００５５】
ステップＳ１１１は、ＰＭ量算出部５２としての処理であり、ＰＭ検出信号Ｖａと温度補償信号Ｖｂとを用いて、差分出力Ｖ１を算出する（すなわち、Ｖ１＝Ｖａ−Ｖｂ）。次いで、ステップＳ１１２において、差分出力Ｖ１が、所定の出力Ｖ０に達したか否かを判定する（Ｖ１≧Ｖ０？）。閾値となる所定の出力Ｖ０は、例えば、パティキュレートフィルタ４００の故障診断のための検出基準となるもので、検出可能な最少のＰＭ堆積量に対応する出力値とすることができる。
【００５６】
ステップＳ１１２が否定判定された場合には、ステップＳ１０５へ戻って、以降のステップを繰り返す。ステップＳ１１２が肯定判定されたら、本処理を終了して、故障診断のための処理へ移行する。例えば、差分出力Ｖ１が所定の出力Ｖ０に達するまでに要した時間ｔが、予め定められた上限値よりも短い場合は、パティキュレートフィルタ４００は故障していると判断し、時間ｔが上限値より長い場合は、パティキュレートフィルタ４００は故障していないと判断することができる。
【００５７】
次に、本形態の作用効果について説明する。
図１２は、本形態の粒子状物質検出装置１において、センサ素子１０の出力に対する測定環境の影響を示すものであり、検出回路部５１から出力されるＰＭ検出信号Ｖａと、温度補償信号Ｖｂとは、ほぼ同等の時間変化を示した。なお、ここでは、ＰＭ検出部３のＰＭ堆積量は一定としている。
【００５８】
図１２において、ＰＭ検出信号Ｖａ及び温度補償信号Ｖｂの傾きは、測定環境温度の変化によるもので、ＰＭ検出部３の検出用導電層２ａと、温度補償部４の温度補償用導電層２ｂとが、温度によって電気抵抗が変化する特性を有することに起因する。このとき、温度の上昇と共に出力も上昇するが、検出用導電層２ａと温度補償用導電層２ｂの温度特性が同等であるために、出力の傾きも同等となる。
また、測定環境によっては信号線にノイズが侵入して、出力が変動することがあるが、一対の検出用電極３ａ、３ｂと、一対の温度補償用電極４ａ、４ｂとは、グランド端子１３が共通であるので、ノイズによる出力変動のタイミングや大きさも同等となる。
【００５９】
その結果、ＰＭ検出信号Ｖａと温度補償信号Ｖｂとは、温度による出力の変化だけでなく、ノイズによる出力の変動についても、そのタイミングや大きさがほぼ同じになるので、これらの差分出力Ｖ１は、ほぼ一定となる。なお、本形態では、ヒータ部６のヒータ電極６１も共通のグランド端子１３に接続されるので、ヒータ部６の動作等によるノイズの影響も排除することができる。また、ヒータ部による再生処理と、ＰＭ検出信号Ｖａの検出と、温度補償信号Ｖｂの検出とを、異なるタイミングで行うことで、各動作に基づくノイズの影響も抑制できる。
したがって、この差分出力Ｖ１とＰＭ堆積量との関係を、予め記憶しておくことで、ＰＭ堆積量を精度よく検出することができる。
【００６０】
これに対して、図１３に示す比較用のセンサ素子２０を用いた場合には、図１４に示すように、ノイズの影響が排除されない。図１３において、比較用のセンサ素子２０は、ＰＭ検出部３０と、温度補償部４０と、ヒータ部６０とを有し、各部の電極とそれぞれ接続される複数のグランド端子１３、１３０、１３１を有している点のみが、センサ素子１０と異なっている。
すなわち、ＰＭ検出部３０の一対の検出用電極３０ａ、３０ｂは、リード部３２ａ、３２ｂを介して、絶縁板１０１の上面に形成される第１出力端子１１及びグランド端子１３０に接続される。温度補償部４０の一対の温度補償用電極４０ａ、４０ｂは、リード部４２ａ、４２ｂ及び導電部１６、１７を介して、絶縁板１０１の上面に形成される第２出力端子１２及び絶縁板１０３の下面に形成されるグランド端子１３１に接続される。絶縁板１０３には、導電部１６をグランド端子１３１に接続するための導電部１６ａが形成される。ヒータ部６０は、センサ素子１０のヒータ部６と同様の構成を有する。
【００６１】
このとき、図１４に示すように、比較用のセンサ素子２０に基づくＰＭ検出信号Ｖａ１と温度補償信号Ｖｂ１とは、温度の変化による傾きは同等となるものの、各出力に異なるタイミング、異なる大きさのノイズが乗るために、出力変動にずれが生じる。そのために、これらの差分出力Ｖ１を取ることで、出力の傾きは除去されるが、ノイズを完全に除去することはできない。
【００６２】
このように、本形態の粒子状物質検出装置１によれば、測定環境の影響を排除して、ＰＭ堆積量を精度よく検出することができる。また、共通のグランド端子を用いることで、構成を簡易にし、製造コストを低減できる。
【００６３】
（実施形態２）
粒子状物質検出装置１に係る実施形態２について、図１５〜図１８を参照して説明する。図１５において、本形態の粒子状物質検出装置１は、上記実施形態１と同様に、センサ素子１０とセンサ制御部５とを有している。センサ制御部５の構成は、上記実施形態１と同様であり、検出回路部５１以外の図示を省略している。本形態においては、センサ素子１０とＰＭ検出部３と温度補償部４の配置が、上記実施形態１と異なっており、以下、相違点を中心に説明する。
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。
【００６４】
本形態において、センサ素子１０は、絶縁性基体１００を挟んで、ＰＭ検出部３及び温度補償部４が対向配置された構成となっている。絶縁性基体１００にはヒータ電極６１が内蔵されてヒータ部６を形成している。絶縁性基体１００は、例えば、同一形状の２枚の絶縁板１０４、１０５からなり、これら２枚の絶縁板１０４、１０５の間にヒータ電極６１を挟んで一体化することにより、ヒータ電極６１が埋設される。
【００６５】
ＰＭ検出部３は、積層方向Ｚにおいて、絶縁性基体１００の一方の表面１００ａに積層される検出用導電層２ａと、検出用導電層２ａの堆積面３１に配置される一対の検出用電極３ａ、３ｂとを有する。検出用電極３ａは、リード部３２ａを介して第１出力端子１１に接続されており、検出用電極３ｂは、リード部３２ｂを介して共通のグランド端子１３に接続されている。
【００６６】
温度補償部４は、積層方向Ｚにおいて、絶縁性基体１００の一方の表面１００ａと対向する表面１００ｂに積層される温度補償用導電層２ｂと、温度補償用導電層２ｂの非堆積面４１に配置される一対の温度補償用電極４ａ、４ｂとを有する。温度補償用電極４ａは、リード部４２ａを介して第２出力端子１２に接続されており、温度補償用電極４ｂは、リード部４２ｂを介して共通のグランド端子１３に接続されている。
【００６７】
温度補償部４には、温度補償用導電層２ｂと一対の温度補償用電極４ａ、４ｂの全体を被覆するように、ガス透過性絶縁膜７が設けられる。ガス透過性絶縁膜７は、粒子状物質の通過を抑制し、かつ排ガスに含まれるガス成分を透過させるガス透過性を有する絶縁膜からなる。これにより、非堆積面４１へ粒子状物質が到達することを抑制しながら、粒子状物質を除く排ガスを非堆積面４１へ到達させて、堆積面３１と測定環境を同等とすることができる。
【００６８】
本形態の構成では、ヒータ部６を内蔵する絶縁性基体１００を挟んで、ＰＭ検出部３と温度補償部４とが対称配置される。すなわち、検出用導電層２ａと温度補償用導電層２ｂの両方が、絶縁性基体１００に接して配置されると共に、堆積面３１と非堆積面４１の両方が、絶縁性基体１００と反対側に位置して排ガスに晒される配置となるので、検出用導電層２ａの抵抗変化の温度特性と、温度補償用導電層２ｂの抵抗変化の温度特性とが同等となる。
【００６９】
排ガスに、例えば、ＳＯ2やＮＯ2といった酸性ガスが含まれている場合、検出用導電層２ａが、酸性ガスに晒されると電気抵抗が変化して、出力に影響する懸念がある。本形態では、温度補償部４にガス透過性絶縁膜７が設けられるので、粒子状物質以外のガス成分は、ガス透過性絶縁膜７を透過する。すなわち、検出用導電層２ａが酸性ガスに晒されるときには、温度補償用導電層２ｂも酸性ガスに晒されるので、酸性ガス等のガス成分による影響で出力が大きく変化することはなく、ＰＭ堆積量を精度よく検出できる。
【００７０】
ガス透過性絶縁膜７は、例えば、測定しようとする粒子状物質よりも平均粒径が小さい多数の連通孔を有する多孔質セラミックス等の酸化物絶縁材料からなる。あるいは、ガス透過性絶縁膜７として、ガス成分をイオン化して透過させる固体電解質体等の酸化物絶縁材料を用いることもできる。この場合、ガス透過性絶縁膜７は、多孔質体である必要がなく、緻密な膜にすることができる。このようにすると、粒子状物質が温度補償部４の非堆積面４１に到達することを確実に防止できる。
【００７１】
本形態の構成においても、上記実施形態１と同様にして、センサ制御部５により、差分出力Ｖ１を算出し、ＰＭ堆積量を算出することができる。
また、検出制御部５０において、ＰＭ堆積量をより精度よく算出するために、初期状態における出力信号の差分を用いて、差分出力Ｖ１を補正することもできる。図１６に示すように、理想的な出力状態では、粒子状物質が堆積していない初期状態のＰＭ検出信号Ｖａと温度補償信号Ｖｂとは全く同じとなり、その差分Ｖi0はゼロで変化しない。そのためには、ＰＭ検出部３の検出用導電層２ａと、温度補償部４の温度補償用導電層２ｂとが、同じ電気抵抗特性を示し、ＰＭ検出部３と温度補償部４の出力が一致する必要がある。
【００７２】
ただし、図１７に示すように、初期状態であっても、実際の出力状態では、ＰＭ検出信号Ｖａと温度補償信号Ｖｂとが全く同じにならず、僅かな差が存在することがある。そこで、初期状態における両出力の初期差分Ｖｉに基づいて、初期差分補正値Ｖdiを設定し、これを用いて、差分出力Ｖ１を補正する。初期差分補正値Ｖdiは、例えば、ＰＭ検出を行う前に、予め測定して求めた両出力の初期差分Ｖｉと温度との関係を規定する温度特性データを用意し、初期差分マップとして記憶しておくことができる。また、両出力の差分の温度特性データから差分補正式を求め、初期差分補正式として記憶しておくことができる。
あるいは、両出力の差分の温度依存性が小さい場合には、例えば、基準温度における差分値や代表的な温度範囲における差分の平均値等を用いて、初期差分補正値Ｖdiを固定値として設定することもできる。
【００７３】
この場合に、センサ制御部５にて実行される粒子状物質検出処理について、説明する。図１８に示すフローチャートは、上記図１１に示したフローチャートの手順の一部を変更したものである。具体的には、ステップＳ２０１〜ステップＳ２１１までは、上記図１１のステップＳ１０１〜ステップＳ１１１と同じ処理であるので説明を簡略にし、相違点となるステップＳ２１２以降について、主に説明する。
【００７４】
まず、ステップＳ２０１〜２０３において、ヒータ部６への通電を開始し、センサ素子１０の再生処理を行った後、ヒータ部６への通電を停止する。続くステップＳ２０４にて、センサ素子１０を冷却した後、ステップＳ２０５〜ステップＳ２０７において、ＰＭ検出部３に通電し、検出用電極間抵抗Ｒｓに基づくＰＭ検出信号Ｖａを検出する。その後、通電を終了する。
【００７５】
ステップＳ２０８〜ステップＳ２１０では、温度補償部４に通電し、補償用電極間抵抗Ｒｂに基づく温度補償信号Ｖｂを検出した後、通電を終了する。次いで、ステップＳ２１１において、ＰＭ検出信号Ｖａから温度補償信号Ｖｂを減算することで、差分出力Ｖ１を算出する。
【００７６】
次に、ステップＳ２１２において、初期差分補正値Ｖdiを差分出力Ｖ１から減算することで、補正出力Ｖ２を算出する（すなわち、Ｖ２＝Ｖ１−Ｖdi）。初期差分補正値Ｖdiは、上述したように、初期状態における両出力の初期差分Ｖｉと温度との関係を予め初期差分マップ又は初期差分補正式として記憶しておくことができる。センサ素子１０の温度は、例えば、センサ素子１０の上流側に配置される排ガス温度センサ４０１を用いて検出又は推定することができる。そして、検出又は推定された温度に対応するマップ値を読み出して、初期差分補正値Ｖdiに設定し、又は、初期差分補正式から差分補正値Ｖdiを算出することができる。
【００７７】
ステップＳ２１３では、初期差分補正値Ｖdiを用いて補正された補正出力Ｖ２が、所定の出力Ｖ０に達したか否かを判定する（Ｖ２≧Ｖ０？）。ステップＳ２１３が否定判定された場合には、ステップＳ２０５へ戻って、以降のステップを繰り返す。ステップＳ２１３が肯定判定されたら、本処理を終了して、故障診断のための処理へ移行する。
【００７８】
これにより、初期状態での出力に、何らかの影響で差が存在する場合においても、その差分を用いて補正を行うことで、ＰＭ堆積量をより精度よく算出することができる。また、上記実施形態１の構成においても、本形態の粒子状物質検出処理を行うことで、同様の効果が得られる。
【００７９】
（実施形態３）
粒子状物質検出装置１に係る実施形態３について、図１９〜図２０を参照して説明する。本形態の粒子状物質検出装置１の基本構成は、上記各実施形態と同様であり、センサ制御部５の検出制御部５０において、差分出力Ｖ１を算出後の補正手法が異なっている。上記実施形態２では、初期状態における初期差分Ｖｉに基づく初期差分補正値Ｖdiを用いたが、本形態では、経時変化後の経時差分Ｖｃを考慮して補正された経時差分補正値Ｖdcを用いる。
以下、相違点を中心に説明する。
【００８０】
図１９に示すように、初期状態から時間が経過すると、ＰＭ検出部３では、ＰＭ検出信号Ｖａが低下する傾向が見られる（例えば、経時変化前を実線、経時変化後を点線で示す）。これは、粒子状物質の堆積と再生を繰り返すことで、アッシュ成分等が堆積することに起因し、検出用電極間抵抗Ｒｓの変化により出力が変化する経時劣化が起こる。一方、温度補償部４では、粒子状物質が堆積しないために、このような経時劣化は起きにくい。そのために、再生処理の実施以降において両出力の差分も変化し、初期差分Ｖｉよりも、経時変化後の経時差分Ｖｃの方が大きくなる。
【００８１】
そこで、本形態では、経時差分Ｖｃを求めて、初期差分補正値Ｖｉをさらに補正する。具体的には、センサ素子１０の再生処理を実施した直後に、ＰＭ検出信号Ｖａと温度補償信号Ｖｂの差分値を検出し、この経時差分値Ｖc1を基に、初期差分Ｖｉのマップ値を補正することができる。また、初期差分補正式の場合も、図１９に示される出力の温度特性の傾きは変化しないものと仮定して、検出した経時差分値Ｖc1を基に、初期差分補正式の切片を変更することで、簡易的に補正することができる。
そして、これら補正された経時差分マップ又は経時差分補正式を基に、経時変化を考慮した経時差分補正値Ｖdcを設定して、差分出力Ｖ１の補正に用いることができる。
【００８２】
この場合に、センサ制御部５にて実行される粒子状物質検出処理について、説明する。図２０に示すフローチャートは、上記図１８に示したフローチャートの手順の一部を変更したものである。具体的には、ステップＳ３０１〜ステップＳ３０２、ステップＳ３０４〜ステップＳ３１２は、上記図１８のステップＳ２０１〜ステップＳ２１１と同じ処理であるので説明を簡略にし、相違点となるステップＳ３０３、ステップＳ３１３以降について、主に説明する。
【００８３】
まず、ステップＳ３０１〜３０２において、ヒータ部６への通電を開始し、センサ素子１０の再生処理を行う。続いて、ステップＳ３０３において、経時変化後のＰＭ検出信号Ｖａと温度補償信号Ｖｂとの経時差分値Ｖc1を算出する。この場合も、検出回路部５１のスイッチ５０１を、ＰＭ検出部３側と温度補償部４側とに切り替えて、ＰＭ検出信号Ｖａと温度補償信号Ｖｂを順次検出する手順は、差分出力Ｖ１を算出する場合と同様である。
【００８４】
このように、再生直後に、ヒータ部６への通電を維持した状態で検出することで、ＰＭ検出部３に粒子状物質が堆積していない状態のＰＭ検出信号Ｖａを、正確に検出することができる。これにより、経時変化後における経時差分Ｖｃに対応する差分値Ｖc1を正確に算出することができるので、この経時差分値Ｖc1を用いて、予め記憶されている初期差分マップ又は初期差分補正式を、経時変化に対応させて精度よく補正することができる。
【００８５】
次いで、ステップＳ３０４〜３０５において、ヒータ部６への通電を終了し、センサ素子を冷却する。その後、ステップＳ３０６〜ステップＳ３０８において、ＰＭ検出部３に通電し、検出用電極間抵抗Ｒｓに基づくＰＭ検出信号Ｖａを検出した後、通電を終了する。また、ステップＳ３０９〜ステップＳ３１１において、温度補償部４に通電し、補償用電極間抵抗Ｒｂに基づく温度補償信号Ｖｂを検出した後、通電を終了する。次いで、ステップＳ３１２において、ＰＭ検出信号Ｖａから温度補償信号Ｖｂを減算することで、差分出力Ｖ１を算出する。
【００８６】
ステップＳ３１３では、経時差分補正値Ｖdcを差分出力Ｖ１から減算することで、補正出力Ｖ３を算出する（すなわち、Ｖ３＝Ｖ１−Ｖdc）。経時差分補正値Ｖdcは、上述したように、初期差分補正値Ｖdiに対応する初期差分マップ又は初期差分補正式を、経時差分値Ｖｄを用いて補正した経時差分マップ又は経時差分補正式に基づくものとすることができる。センサ素子１０の温度は、例えば、センサ素子１０の上流側に配置される排ガス温度センサ４０１を用いて検出又は推定することができる。そして、検出又は推定された温度に対応するマップ値を読み出して差分補正値Ｖｃを設定し、又は経時差分補正式から経時差分補正値Ｖdcを算出することができる。
【００８７】
ステップＳ３１４では、差分補正値Ｖｄを用いて補正された補正出力Ｖ３が、所定の出力Ｖ０に達したか否かを判定する（Ｖ３≧Ｖ０？）。ステップＳ３１４が否定判定された場合には、ステップＳ３０６へ戻って、以降のステップを繰り返す。ステップＳ３１４が肯定判定されたら、本処理を終了して、故障診断のための処理へ移行する。
これにより、経時変化後においても、その変化を考慮した差分補正値Ｖｃを用いて補正を行うことで、ＰＭ堆積量をより精度よく算出することができる。
【００８８】
（実施形態４）
粒子状物質検出装置１に係る実施形態４について、図２１〜図２２を参照して説明する。本形態の粒子状物質検出装置１の基本構成は、上記各実施形態と同様であり、センサ制御部５の検出制御部５０において、差分出力Ｖ１を算出後の補正手法が異なっている。上記実施形態２、３では、初期状態又は経時変化後の出力信号の差分に基づいて、差分出力Ｖ１を補正したが、本形態では、粒子状物質の電気抵抗への温度の影響を考慮して補正を行う。
以下、相違点を中心に説明する。
【００８９】
上記各実施形態のように、ＰＭ検出部３のＰＭ検出信号Ｖａと温度補償信号Ｖｂとの差分出力Ｖ１を用いることで、検出用導電層２ａの電気抵抗に対する温度やノイズの影響を排除することができる。ただし、ＰＭ検出信号Ｖａのうち、粒子状物質自身の電気抵抗に基づく信号については、温度補償されていない。そこで、ＰＭ堆積量に対応する差分出力Ｖ１を、センサ素子１０の温度（以下、素子温度と称する）に基づいて補正することで、より精度よいＰＭ検出が可能になる。
【００９０】
図２１に示すように、素子温度は、例えば、温度補償部４の出力と相関があり、素子温度が高くなるほど出力が大きくなる。したがって、この相関関係を予め求めておくことで、温度補償部４の出力から、素子温度を精度よく推定できる。また、粒子状物質を通過するＰＭ電流Ｉｐも、素子温度と相関があり、温度に比例して増加する特性を有する。すなわち、図２１に示されるのと同様の傾向を有する。そこで、粒子状物質自身についても、出力と温度の関係から温度特性補正式を予め求めておくことで、推定された素子温度を用いて、差分出力Ｖ１を温度補正可能になる。
【００９１】
この場合に、センサ制御部５にて実行される粒子状物質検出処理について、説明する。図２２に示すフローチャートは、上記図１８に示したフローチャートの手順の一部を変更したものである。具体的には、ステップＳ４０１〜ステップＳ４１２までは、上記図１８のステップＳ２０１〜ステップＳ２１２と同じ処理であるので説明を簡略にし、相違点となるステップＳ４１３以降について、主に説明する。
【００９２】
まず、ステップＳ４０１〜４０３において、ヒータ部６への通電を開始し、センサ素子１０の再生処理を行った後、ヒータ部６への通電を停止する。続くステップＳ４０４にて、センサ素子１０を冷却した後、ステップＳ４０５〜ステップＳ４０７において、ＰＭ検出部３に通電し、検出用電極間抵抗Ｒｓに基づくＰＭ検出信号Ｖａを検出する。その後、通電を終了する。
【００９３】
ステップＳ４０８〜ステップＳ４１０では、温度補償部４に通電し、補償用電極間抵抗Ｒｂに基づく温度補償信号Ｖｂを検出した後、通電を終了する。次いで、ステップＳ４１１において、ＰＭ検出信号Ｖａから温度補償信号Ｖｂを減算することで、差分出力Ｖ１を算出する。
【００９４】
ステップＳ４１２では、差分補正値Ｖdiを差分出力Ｖ１から減算することで、補正出力Ｖ２を算出する（すなわち、Ｖ２＝Ｖ１−Ｖdi）。差分補正値Ｖdiは、上述したように、初期状態における両出力の差分と温度との関係を予めマップ値又は差分補正式として記憶しておくことができる。
【００９５】
次に、ステップＳ４１３において、素子温度を測定する。ここでは、上記図２１の相関を用いて、温度補償部４の温度補償信号Ｖｂから、素子温度を推定する。さらに、続くステップＳ４１４において、推定された素子温度と、粒子状物質の温度特性補正式に基づいて、補正出力Ｖ２に対する温度特性の補正を行い、補正出力Ｖ４を算出する。
【００９６】
その後、ステップＳ４１５において、補正された補正出力Ｖ４が、所定の出力Ｖ０に達したか否かを判定する（Ｖ４≧Ｖ０？）。ステップＳ４１５が否定判定された場合には、ステップＳ４０５へ戻って、以降のステップを繰り返す。ステップＳ４１５が肯定判定されたら、本処理を終了して、故障診断のための処理へ移行する。
【００９７】
これにより、補正出力Ｖ２が、さらに粒子状物質の温度特性に基づいて補正される。すなわち、ＰＭ検出部３のＰＭ検出信号Ｖａのうち、検出用導電層２ａに基づく出力のみならず、堆積した粒子状物質に基づく出力に対しても、温度特性の補正を行うことができるので、ＰＭ堆積量をより精度よく算出することができる。
【００９８】
（実施形態５）
粒子状物質検出装置１に係る実施形態５について、図２３〜図２４を参照して説明する。図２３において、本形態の粒子状物質検出装置１の基本構成は、上記実施形態１と同様であり、センサ素子１０の電極形状のみが異なっている。センサ制御部５の構成は、上記実施形態１と同様であり、図示を省略している。以下、相違点を中心に説明する。
【００９９】
本形態において、センサ素子１０は、絶縁性基体１００となる絶縁板１０１〜１０３と、絶縁性基体１００に支持される、ＰＭ検出部３と、温度補償部４と、ヒータ部６とを有する。ＰＭ検出部３と、温度補償部４と、ヒータ部６とは、絶縁板１０１〜１０３を挟んで、この順に積層される。
【０１００】
ＰＭ検出部３は、検出用導電層２ａと、検出用導電層２ａの堆積面３１に互いに対向して配置される一対の検出用電極３ａ、３ｂを有する。検出用電極３ａ、３ｂは、それぞれ櫛歯状に形成されており、幅方向Ｙに延びる複数の線状電極が、互い違いに所定の間隔で長手方向Ｘに対向するように、配置されている。検出用電極３ａ、３ｂは、一対のリード部３２ａ、３２ｂを介して、絶縁板１０１の上面に形成される第１出力端子１１、共通のグランド端子１３にそれぞれ接続される。
【０１０１】
温度補償部４は、温度補償用導電層２ｂと、温度補償用導電層２ｂの非堆積面４１に互いに対向して配置される一対の温度補償用電極４ａ、４ｂを有する。温度補償用電極４ａ、４ｂは、幅方向Ｙに所定の間隔をおいて互いに対向するように配置される。温度補償用電極４ａ、４ｂは、それぞれ櫛歯状に形成されており、幅方向Ｙに延びる複数の線状電極が、互い違いに所定の間隔で長手方向Ｘに対向するように、配置されている。温度補償用電極４ａ、４ｂは、一対のリード部４２ａ、４２ｂと導電部１６、１７を介して、絶縁板１０３の下面に形成される第２出力端子１２、絶縁板１０１の上面に形成される共通のグランド端子１３にそれぞれ接続される。
【０１０２】
ヒータ部６のヒータ電極６１は、一対のリード部６２ａ、６２ｂと導電部１８、１９を介して、絶縁板１０３の下面に形成される第２出力端子１２、グランド端子１３１にそれぞれ接続される。このように、ヒータ電極６１のグランド端子１３１は、ＰＭ検出部３及び温度補償部４と必ずしも共通とする必要はない。
【０１０３】
このように、ＰＭ検出部３及び温度補償部４を、同一形状の櫛歯状電極を有する構造とすることもできる。そして、共通のグランド端子１３に接続することで、出力の温度補償を行うと共に、ノイズの影響を排除して、ＰＭ堆積量を精度よく検出することができる。この場合も、４端子構造とすることができるので、構成を簡易にし、製造コストを低減できる。
【０１０４】
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、上記実施形態においては、粒子状物質検出装置を、自動車エンジンの排ガス浄化システムに適用する例について説明したが、エンジン等からの燃焼排ガスに限らず、粒子状物質が含まれる被測定ガスであれば、いずれにも適用することができる。
【符号の説明】
【０１０５】
１  粒子状物質検出装置
１０  センサ素子
２ａ  検出用導電層
２ｂ  温度補償用導電層
３  ＰＭ検出部（粒子状物質検出部）
３ａ、３ｂ  一対の検出用電極
４  温度補償部
４ａ、４ｂ  一対の温度補償用電極
５  センサ制御部
５０  検出制御部
【図１】
2019184465.tif 000003
【図２】
2019184465.tif 000004
【図３】
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【図４】
2019184465.tif 000006
【図５】
2019184465.tif 000007
【図６】
2019184465.tif 000008
【図７】
2019184465.tif 000009
【図８】
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【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】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2019184465.tif 000018
【図１７】
2019184465.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
2019184465.tif 000024
【図２３】
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【図２４】
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