(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、絶縁性基体（１００）の表面に所定の間隙を設けて対向する一対の検出電極（１１０、１２０）を設けて検出部（１１）とした粒子状物質検出素子（１０）と、
該粒子状物質検出素子と一対の信号線（１１２、１２２）を介して接続され、上記検出部に堆積する粒子状物質（ＰＭ）によって形成される電気抵抗を検出抵抗（ＲＳＥＮ）として検出する検出回路部（２０ｄ）とを具備して被測定ガス中に含まれる粒子状物質の量を検出する粒子状物質検出装置（１ｄ）において、
上記粒子状物質検出素子が、
上記検出抵抗に対して並列に配設され、所定の静電容量（Ｃ１３）を有する第１の静電容量成分（１３）を具備し、
上記検出回路部が、
上記粒子状物質検出素子に電源電圧（ＶＢ）を昇圧して高電圧（ＶＤＣ）を供給する直流電源（２１ｄ）と、
上記粒子状物質検出素子に流れる直流成分（ＩＤＣ＋ＩＲＰ１）を検出する直流検出部（２３）と、
上記直流電源において、電源電圧を昇圧したときに発生するリップル電圧（±ＶＲＰ）から交流成分（ＩＲＰ２）を検出する交流検出部（２４）とを具備し、
上記直流検出部と上記交流検出部とのそれぞれの電流検出手段として直流分圧抵抗（２３１）と交流分圧抵抗（２４２）とを独立して設けており、
上記検出回路部は、上記直流検出部により検出される上記直流成分の値及び上記交流検出部により検出される上記交流成分の値が共に０とみなせる場合には、上記一対の信号線のいずれか又は両方の断線と判定し、上記交流成分の値が出力されており、かつ上記直流成分の値が０とみなせる場合には、上記検出部の加熱再生と判定するように、上記直流成分の値及び上記交流成分の値に基づいて上記粒子状物質検出素子の状態を判別することを特徴とする粒子状物質検出装置。
【請求項２】
上記直流電源に、
直流電流を制限する直流制限抵抗（２１２）を設けて、該直流制限抵抗を介して上記粒子状物質検出素子に接続せしめると共に、
上記直流電源と上記直流検出部とを上記粒子状物質検出素子を介して直列に接続せしめた請求項１に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項３】
上記交流検出部に、
所定の静電容量（Ｃ２４４）を有し、交流は伝達し、直流は遮断する第２の静電容量成分（２４４）を設けて、該第２の静電容量成分を介して上記粒子状物質検出素子に接続せしめると共に、
上記交流分圧抵抗の第２の静電容量成分を設けた側に所定のオフセット電圧（ＶＯＦＦ）を印加するオフセット電源（２４０）を設けた請求項１又は２に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項４】
上記検出回路部に、上記直流検出部で検出した上記直流成分に基づいて上記直流電源から上記粒子状物質検出素子に印加する直流電圧を制御するフィードバック制御手段（２５）を設けた請求項１ないし３のいずれか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、例えば、車両用内燃機関の排気浄化システムに好適に利用されて、排出ガス中に存在する粒子状物質の量を検出する、電気抵抗式の粒子状物質検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用ディーゼルエンジン等において、燃焼排気中に含まれる環境汚染物質、特に煤粒子（Ｓｏｏｔ）及び可溶性有機成分（ＳＯＦ）を主体とする粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ；以下、適宜ＰＭと称する）を捕集するために、排気通路にディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、適宜ＤＰＦと称する）を設置することが行われている。ＤＰＦは、耐熱性に優れる多孔質セラミックスからなり、多数の細孔を有する隔壁に燃焼排気を通過させてＰＭを捕捉する。
【０００３】
ＤＰＦは、ＰＭ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、ＰＭのすり抜けが増加したりする虞があり、定期的に再生処理をおこなって捕集能力を回復させている。  
再生時期は、一般的には、ＰＭ捕集量の増加により前後差圧が増大することを利用しており、このため、ＤＰＦの上流及び下流の圧力差を検出する差圧センサが設置される。
再生処理は、ヒータ加熱あるいはポスト噴射等により高温の燃焼排気をＤＰＦ内に導入し、ＰＭを燃焼除去する。
【０００４】
一方、燃焼排気中のＰＭを直接検出可能なセンサが提案されている。このＰＭセンサを、例えばＤＰＦの下流に設置して、ＤＰＦをすり抜けるＰＭ量を測定し、車載式故障診断装置（ＯＢＤ；Ｏｎ Ｂｏａｒｄ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ）において、ＤＰＦの作動状態の監視、例えば亀裂や破損といった異常の検出に利用することができる。
あるいはＤＰＦの上流に設置して、ＤＰＦに流入するＰＭ量を測定し、差圧センサに代わる再生時期の判断に利用することも検討されている。
【０００５】
その基本構成の一例として、特許文献１には、絶縁性を有する基板の表面に、一対の導電性電極を形成し、基板の裏面又は内部に発熱体を形成した電気抵抗式のスモークセンサが開示されている。このセンサは、スモーク（微粒炭素）が導電性を有することを利用したもので、検出部となる電極間に、スモークが堆積することで生じる電気抵抗値の変化を検出する。
このような粒子状物質検出装置では、一定以上の量の粒子状物質が検出電極間に堆積すると、それ以上、検出抵抗が変化せず、被測定ガス中の粒子状物質の量を検出できなくなる。
そこで、通電により発熱する発熱体を設けて、ヒータ加熱により直接的に検出部を加熱したり、ポスト噴射等により被測定ガスである燃焼排気を高温にして検出部を加熱したりして、検出電極間に堆積した粒子状物質を燃焼除去して検出能力を回復させている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、特許文献１にあるような従来の電気抵抗式の粒子状物質検出装置では、測定電極間に堆積した粒子状物質を加熱除去したとき、検出電極間の抵抗が極めて高くなり、ほぼ絶縁状態となる。
このため、検出抵抗の値からは、検出電極間に粒子状物質が堆積していない状態であるのか、検出素子と検出回路部とを接続する信号線の電線等の断線異常であるのかを区別することが困難となる虞がある。
【０００７】
そこで本発明は、かかる実情に鑑み、内燃機関の燃焼排気中の粒子状物質検出に用いられる電気抵抗式の粒子状物質検出装置において、検出精度が高く、かつ、検出電極間が絶縁状態であっても安定して断線異常の検出を可能とした信頼性の高い粒子状物質検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明に係る粒子状物質検出装置（１ｄ）では、少なくとも、絶縁性基体（１００）の表面に所定の間隙を設けて対向する一対の検出電極（１１０、１２０）を設けて検出部（１１）とした粒子状物質検出素子（１０）と、
該粒子状物質検出素子と一対の信号線（１１２、１２２）を介して接続され、上記検出部に堆積する粒子状物質（ＰＭ）によって形成される電気抵抗を検出抵抗（ＲＳＥＮ）として検出する検出回路部（２０ｄ）とを具備して被測定ガス中に含まれる粒子状物質の量を検出する粒子状物質検出装置（１ｄ）において、
上記粒子状物質検出素子が、
上記検出抵抗に対して並列に配設され、所定の静電容量（Ｃ１３）を有する第１の静電容量成分（１３）を具備し、
上記検出回路部が、
上記粒子状物質検出素子に電源電圧（ＶＢ）を昇圧して高電圧（ＶＤＣ）を供給する直流電源（２１ｄ）と、
上記粒子状物質検出素子に流れる直流成分（ＩＤＣ＋ＩＲＰ１）を検出する直流検出部（２３）と、
上記直流電源において、電源電圧を昇圧したときに発生するリップル電圧（±ＶＲＰ）から交流成分（ＩＲＰ２）を検出する交流検出部（２４）とを具備し、
上記直流検出部と上記交流検出部とのそれぞれの電流検出手段として直流分圧抵抗（２３１）と交流分圧抵抗（２４２）とを独立して設けており、
上記検出回路部は、上記直流検出部により検出される上記直流成分の値及び上記交流検出部により検出される上記交流成分の値が共に０とみなせる場合には、上記一対の信号線のいずれか又は両方の断線と判定し、上記交流成分の値が出力されており、かつ上記直流成分の値が０とみなせる場合には、上記検出部の加熱再生と判定するように、上記直流成分の値及び上記交流成分の値に基づいて上記粒子状物質検出素子の状態を判別することを特徴とする（請求項１）。
【０００９】
第１の発明によれば、上記直流電源を昇圧する際に、ノイズとして不可避的に発生するリップル（脈動成分）を、上記交流検出部において交流成分として検出することによって、検出電極間が絶縁状態であっても上記信号線を介して接続された粒子状物質検出素子と上記検出回路部との間で発生した断線異常の安定した検出が可能となる。
さらに、測定レンジが大きく異なる直流成分と交流成分とに対してそれぞれ独立した電流検出手段を設けているので、それぞれの感度を互いに影響されることなく自由に設定することが可能となり、必要な検出範囲を確保することができる。
したがって、上記直流電流を正確に検出することで、上記検出部に堆積する粒子状物質の量を正確な検出が可能となる。
また、ＤＣ−ＤＣコンバータ等の直流昇圧電源においては、ノイズ除去フィルタを設けてスイッチングノイズを小さくして、発生した直流電圧を利用するのが一般的である。
しかし、本発明においては、ノイズ成分を積極的に粒子状物質検出素子の異常検出に利用しているので、ノイズ成分を除去するためのコンデンサ等からなるフィルタを設ける必要がなく、装置の小型化、製造コストの削減が容易である。
【００１２】
第２の発明では、上記直流電源に直流電流を制限する直流制限抵抗（２１２）を設けると共に、該直流制限抵抗を介して上記粒子状物質検出素子に接続せしめ、上記直流電源と上記直流検出部とを上記粒子状物質検出素子を介して直列に接続せしめる（請求項２）。
【００１３】
第２の発明によれば、上記直流電源から上記粒子状物質検出素子に印加する直流電圧を例えば、２５Ｖ以上の高電圧に設定して、上記直流分圧抵抗の上流側で検出される電圧を高くしても、上記直流制限抵抗によって、直流電流が一定値以下に制限されるので、上記直流検出部に大きな電流が流れず、上記直流検出部の破損を招く虞がない。
【００１４】
第３の発明では、上記交流検出部に、所定の静電容量（Ｃ２４４）を有し、交流は伝達し、直流は遮断する第２の静電容量成分を設けて、該第２の静電容量成分を介して上記粒子状物質検出素子に接続せしめると共に、上記交流分圧抵抗の第２の静電容量成分を設けた側に所定のオフセット電圧（ＶＯＦＦ）を印加するオフセット電源（２４０）を設ける（請求項３）。
【００１５】
第３の発明によれば、上記第２の静電容量成分（２４４）によって、交流成分（ＩＲＰ２）と直流成分（ＩＤＣ＋ＩＲＰ１）とが分離され、上記直流検出部では直流電流のみの検出が可能となり、上記交流検出部では交流電流のみの検出が可能となる。
加えて、上記交流分圧抵抗の第２の静電容量成分を設けた側に所定のオフセット電圧を印加することで交流的には上記分圧抵抗の両端が接地されたものと等価となり、交流分圧抵抗のインピーダンスを無視することができ、上記交流検出部で検出する交流電流を大きくして検出容易とすることができる。
本発明によらず、上記交流分圧抵抗の下流側を直接的に接地した場合には、交流分圧抵抗のインピーダンスが無視できなくなるので、直流検出部側に流れる交流電流成分が多くなり、交流検出部での交流電流の検出精度が低下して、断線検出が困難となるばかりでなく、直流検出部で検出する直流電流に交流電流の一部が重畳して検出され、誤検出を招く虞がある。
【００１６】
第４の発明では、上記検出回路部に、上記直流検出部で検出した上記直流成分に基づいて上記直流電源から上記粒子状物質検出素子に印加する直流電圧を制御するフィードバック制御手段を設ける（請求項４）。
【００１７】
上記粒子状物質の表面は帯電しており、上記検出電極間に形成される電界強度によって上記粒子状物質との間に作用する静電引力が変化し、上記検出電極間に捕集される粒子状物質の量が影響を受ける。
また、上記検出電極間に堆積する粒子状物質の堆積量が増すほど上記検出電極間の電気抵抗が低下し、それに応じて電界強度も低下する。
第４の発明によれば、上記直流電流の検出結果を基に、上記直流電源の印加電圧を制御することによって、上記検出電極間に形成される電界強度を一定にして、粒子状物質の捕集性の安定化を図ることができる。 
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の粒子状物質検出装置に用いられる粒子状物質検出素子の基本構成を示す斜視図。
【図２】本発明を理解するための参考例として示す粒子状物質検出装置の概要を示すブロック図。
【図３】本発明を理解するための参考例として示す粒子状物質検出装置の作動に係り、（ａ）は、直流電流検出の原理について説明するための等価回路図、（ｂ）は、断線検出の原理について説明するための等価回路図。
【図４】（ａ）は、従来の粒子状物質検出装置の問題点を示す特性図、（ｂ）は、本発明の効果を示す特性図。
【図５】本発明を理解するための他の参考例として示す粒子状物質検出装置の概要を示すブロック図。
【図６】本発明を理解するための他の参考例として示す粒子状物質検出装置の概要を示すブロック図。
【図７】本発明を理解するための他の参考例として示す粒子状物質検出装置の概要を示すブロック図。
【図８】本発明の第１の実施形態における粒子状物質検出装置の概要を示すブロック図。
【図９】図８の粒子状物質検出装置の効果を説明するため説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１、図８を参照して本発明の第１の実施形態における粒子状物質検出装置１ｄの概要について説明する。本発明の粒子状物質検出装置１ｄは、内燃機関の燃焼排気流路に設けられ、燃焼排気を被測定ガスとして、被測定ガス中の粒子状物質の量を検出するものであり、その検出結果は、内燃機関の燃焼制御、排気浄化装置の再生、異常診断等に利用される。
なお、図２は、参考例として示す粒子状物質検出装置１であり、本発明には用いられない、交流電源２２を備えた構成を示すものである。
【００２０】
先ず、図１を参照して、本発明の粒子状物質検出装置１ｄに用いられる粒子状物質検出素子１０の最も基本的な構成について説明する。
粒子状物質検出素子１０は、少なくとも、絶縁性基体１００の表面に所定の間隙を設けて形成され対向する一対の検出電極１１０、１２０によって構成された検出部１１と、検出部１１に堆積する粒子状物質ＰＭの量に応じて変化する電気抵抗を検出抵抗ＲＳＥＮ（例えば、２０ｋΩ〜１００ＭΩ）として、検出電極１１０、１２０に接続する検出リード部１１１、１２１と、検出リード部１１１、１２１間を繋ぎ、検出抵抗ＲＳＥＮに対して、並列となるように配設した所定の静電容量Ｃ１３（例えば、素子インピーダンスＺ１０を１０ｋΩ〜２００ｋΩとした場合には、４０ｐＦ〜８００ｐＦとする。）を有する第１の静電容量成分１３とを具備している。
一対の電検出リード部１１１、１２１は、それぞれ、一対の信号線１１２、１２２を介して外部に設けた検出回路部２０と接続されている。
なお、本実施形態においては、検出部１１を構成する検出電極１１０、１２０として、リード部１１１、１１２に接続して直線上に伸びる電極に対して直交するように延設して複数の電極が櫛歯状に並んで形成された例を示したが、本発明において、検出部１１は、櫛歯状のものに限定するものではなく、検出部１１に堆積する粒子状物質の堆積量に応じて変化する検出抵抗ＲＳＥＮを計測し得るものであれば、直線状に伸びる一対の対向電極によって構成しても良いし、多孔質電極によって構成しても良い。
【００２１】
次いで、図２及び、図８を参照して、本発明の粒子状物質検出装置１ｄの全体構成について説明する。本発明の粒状物質検出装置１ｄでは、粒子状物質検出素子１０の検出部１１に設けた検出電極１１０、１２０間に堆積した粒子状物質によって形成される検出抵抗ＲＳＥＮに対して並列に第１の静電容量成分１３を設けてある。
一方、図２に示すように参考例においては、直流電流ＩＤＣを供給する直流電源２１と、交流電流ＩＡＣを供給する交流電源２２と、粒子状物質出検出素子１０に流れる直流電流ＩＤＣを検出する直流検出部２３と、交流電流ＩＡＣを検出する交流検出部２４とによって検出回路部２０を構成しているが、本発明においては、図８に示すように、直流電源２１ｄをいわゆるチョッパ型のＤＣ−ＤＣコンバータによって構成し、電源電圧ＶＢを昇圧したときにスイッチングノイズとして発生するリップル電圧±ＶＲＰを交流成分として利用することにより、交流電源２２を廃した点が相違する。
参考例では、直流検出部２３と交流検出部２４とのそれぞれの電流検出手段として直流分圧抵抗２３１（抵抗値Ｒ２３１、例えば、１ｋΩ〜５ｋΩ（検出抵抗値ＲＳＥＮが２０ｋΩ〜１００ＭΩの場合)）と交流分圧抵抗２４１（抵抗値Ｒ２４１、例えば、１０ｋΩ〜４０ｋΩ（掃引する交流電圧ＶＡＣの振幅が±１Ｖ〜±２．５Ｖの場合)）とを独立して設けることによって、測定レンジの異なる直流電流ＩＤＣ（例えば、２００ｎＡ(印加電圧ＶＤＣ：２０Ｖ、検出抵抗ＲＳＥＮ：２０ｋΩ)〜５ｍＡ（印加電圧ＶＤＣ：１００Ｖ、検出抵抗ＲＳＥＮ：１００ＭΩ)）と交流電流ＩＡＣ（例えば、５μＡ（掃引振幅ＶＡＣ：±１Ｖ、素子インピーダンスＺ１０：２００ｋΩ)〜２５０μＡ（掃引振幅ＶＡＣ：±２．５Ｖ、素子インピーダンスＺ１０：１０ｋΩ)）とを正確に検出可能とし、さらに、交流電流ＩＡＣの検出により、信号線１１２、１２２とを介して接続される粒子状物質検出素子１０と検出回路部２０との間で発生した断線異常を検出可能としている。
本発明の粒子状物質検出装置１ｄでは、交流電源２２を設けることなく、参考例と同様の効果を発揮可能としている。
詳細については、図８、図９を参照して後述する。
【００２２】
図２に示すように、検出回路部２０は、直流電源２１と交流電源２２と直流検出部２３と交流検出部２４とによって構成されている。
直流電源２１は、バッテリ電源２１０と、バッテリ電源２１０のバッテリ電圧＋Ｂ（例えば、１１Ｖ〜１６Ｖ）を所定の直流電圧ＶＤＣ（例えば、２０Ｖ〜１００Ｖ）に増幅、調整する直流増幅回路２１１と、直流電流ＩＤＣを一定以下に制限するための所定の抵抗値Ｒ２１２（例えば、１ｋΩ〜５ｋΩ（検出抵抗値ＲＳＥＮが２０ｋΩ〜１００ＭΩの場合)）を有する直流制限抵抗２１２とによって構成されている。
検出抵抗ＲＳＥＮは、１００ｋΩ〜１００ＭΩまで極めて広い範囲で変化する。そこで、直流電圧ＶＤＣを２０Ｖ以上に高くして幅広い検出レンジに対応できるようにしてあるが、直流電流ＩＤＣが大きすぎると直流検出部２３に直流検出手段として設けた差動増幅回路２３２の許容電流を超える虞があるため、直流制限抵抗２１２によって、直流電流ＩＤＣを２０ｍＡ以下に制限している。
【００２３】
参考例で必要とされる交流電源２２は、バッテリ電源２２０と、バッテリ電源２２０を所定の発振周波数ｆ（例えば、２０ｋＨｚ）と、所定の交流電圧ＶＡＣ（例えば、±１Ｖ〜±２．５Ｖ）とに調整して、発振する交流発振回路２２１と、直流を遮断し交流を伝達する交流伝達手段として、所定の静電容量Ｃ２２２（例えば、０．０１ｐＦ〜１ｐＦ）を有する第３の静電容量成分２２２とによって構成されている。参考例においては、直流電源２１と交流電源２２とは、共通の信号端子ＴＲＭ１に並列に接続され、信号線１２を介して、粒子状物質検出素子１０に接続されている。
【００２４】
直流検出部２３は、所定の基準電圧ＶＲＥＦ（例えば、１０Ｖ）を印加する基準電源２３０と、所定の直流分圧抵抗値Ｒ２３１（例えば、１ｋΩ〜５ｋΩ）を有する直流分圧抵抗２３１と、直流分圧抵抗２３１の両端の電位差を検出して、粒子状物質検出素子１０に流れる直流電流ＩＤＣを検出する電流検出手段として設けられた差動増幅回路２３２とによって構成されている。
【００２５】
交流検出部２４は、所定のオフセット電圧ＶＯＦＦ（例えば、２．５Ｖ）を印加するオフセット電源２４０と、所定の交流分圧抵抗値Ｒ２４１（例えば、１０ｋΩ〜４０ｋΩ）と、交流分圧抵抗２４２による電圧降下の影響を廃除すべく交流分圧抵抗２４２の両端にオフセット電圧ＶＯＦＦを印加する差動増幅回路２４１と、交流分圧抵抗２４２の両端の電位差を検出して、粒子状物質検出素子１０に流れる交流電流ＩＡＣを検出する電流検出手段として設けられた差動増幅回路２４３と、所定の静電容量Ｃ２４４（例えば、０．０１ｐＦ〜１ｐＦ）を有し、交流は伝達し、直流は阻止する第３の静電容量成分２４４とによって構成されている。
本図に示すようにオフセット電圧ＶＯＦＦは、分圧抵抗２４２の第３の静電容量成分２４４側に印加されるように接続されている。
なお、オフセット電圧ＶＯＦＦの電圧値は、０〜Ｖｃｃの回路動作範囲を最大限に活用できるよう、その中心値とし、例えば、一般的な回路動作用電源の電圧として用いられているようにＶｃｃが５Ｖの場合、オフセット電圧ＶＯＦＦを２．５Ｖとするのが望ましい。
本実施形態においては、直流検出部２３と交流検出部２４とは、共通の信号端子ＴＲＭ２に並列に接続され、信号線１２２を介して、粒子状物質検出素子１０に接続されている。
【００２６】
参考例においては、直流電源２１と交流電源２２とは、１の信号線１１２を共用して粒子状物質検出素子１０に接続されているが、本発明においては、直流電源２１ｄとして電源電圧ＶＢを昇圧するＤＣ-ＤＣコンバータ等の直流増幅回路２１１ｄを設けた直流電源２１ｄを用い、交流電源２２を廃して、交流検出部２４において、直流電源２１ｄで発生したリップル電圧ＶＲＰを交流成分ＩＲＰ２として検出するようにしている。
参考例では、交流検出部２４は、第２の静電容量成分２４４を介しているため、直流電流ＩＤＣは、交流検出部２４側には流れず、本実施形態における粒子状物質検出装置１の直流成分については、図３（ａ）に示す等価回路で表すことができる。
したがって、直流電源２１から粒子状物質検出素子１０に流れる直流電流ＩＤＣは、直流制限抵抗値Ｒ２１２と、粒子状物質検出素子１０の検出部１１を構成する検出電極１１０、１２０間に堆積した粒子状物質ＰＭの量によって変化する検出抵抗ＲＳＥＮと、直流分圧抵抗値Ｒ２３１との合成抵抗（ＲＳＵＭ＝Ｒ２１２＋ＲＳＥＮ＋Ｒ２３１）によって、直流電源２１によって印加される直流電圧ＶＤＣと基準電源２３０によって印加される基準電圧ＶＲＥＦとの電位差（ΔＶ＝ＶＤＣ−ＶＲＥＦ）を割った値となる。
即ち、ＩＤＣ＝ΔＶ／ＲＳＵＭ＝（ＶＤＣ−ＶＲＥＦ）／（Ｒ２１２＋ＲＳＥＮ＋Ｒ２３１）の関係が成り立つ。
直流制限抵抗値Ｒ２１２と直流分圧抵抗値Ｒ２３１とが一定であるので、直流分圧抵抗２３１の両端の電位差ΔＶを差動増幅回路２３２によって検出すれば直流電流ＩＤＣを知ることができる。
さらに、直流電流ＩＤＣから、検出部１１に堆積した粒子状物質ＰＭの量に応じて変化する検出抵抗ＲＳＥＮを算出し、被測定ガス中に含まれる粒子状物質ＰＭの量を知ることができる。
一方、本発明においては、図９を参照して後述するように、昇圧された直流電圧ＶＤＣと±リップル電圧ＶＲＰとが重畳的に出力されることになるが、これを第２の静電容量成分２４４によって直流成分（ＩＤＣ＋ＩＲＰ１）と交流成分（ＩＲＰ２）とに分離して、それぞれを直流検出部２３と交流検出部２４とで検出することによって、上記実施形態と同様に、直流検出部２３では、検出抵抗ＲＳＥＮの変化から被測定ガス中のＰＭ量を検出し、交流検出部２４では、リップル電圧ＶＲＰの変化から、断線等の異常の有無を検出することができるのである。
【００２７】
一方、参考例として示す粒子状物質検出装置１について、交流インピーダンスで表すと、図３（ｂ）に示す等価回路で表すことができる。
交流電源２２に交流伝達手段として設けられた第２の静電容量成分２２２のインピーダンスＺ２２２は、交流電流ＩＡＣの周波数をｆ、静電容量をＣ２２２としたとき、
Ｚ２２２＝１／ｊωＣ２２２＝１／ｊ２πｆＣ２２２（ｊは虚数単位）
となり、その絶対値は、
｜Ｚ２２２｜＝１／２πｆＣ２２２
となる。
粒子状物質検出素子１０のインピーダンスＺ１０は、並列に接続された検出抵抗ＲＳＥＮと静電容量成分Ｃ１３とのベクトル合成となるので、
Ｚ１０＝１／（１／ＲＳＥＮ＋ｊωＣ１０）＝１／（１／ＲＳＥＮ＋ｊ２πｆＣ１０）
となり、その絶対値は、
｜Ｚ１０｜＝１／√（（１／ＲＳＥＮ）２＋（２πｆＣ１０）２）
である。
しかし、検出抵抗ＲＳＥＮは、１００ｋΩ〜１００ＭΩと高い値であるので、（１／ＲＳＥＮ）２は、ほぼ０となり、
インピーダンスＺ１０の絶対値は、｜Ｚ１０｜≒１／２πｆＣ１０と近似できる。
さらに、交流検出部２４の第３の静電容量成分２４４と交流分圧抵抗２４３との合成インピーダンスＺ２４は、交流分圧抵抗２４２の両端にオフセット電圧ＶＯＦＦが印加されているので、交流分圧抵抗２４２による電圧降下がなく、その分のインピーダンスを無視でき、第３の静電容量成分２４４のインピーダンスＺ２４４は、
Ｚ２４４＝１／ｊωＣ２４４＝１／ｊ２πｆＣ２４４
となり、その絶対値は、
｜Ｚ２４４｜＝１／２πｆＣ２４４
となる。
また、交流電流ＩＡＣは、並列に接続された直流検出部２３と交流検出部２４とに分かれて、それぞれ、直流検出側交流電流ＩＡＣ１、交流検出側交流電流ＩＡＣ２に案分されるが、直流検出部２３に設けられた直流分圧抵抗２３１の抵抗値Ｒ２３１に比べて交流検出部２４に設けられた第２の静電容量成分２４４のインピーダンス１／ｊ２πｆＣ２４４が遙かに小さく、直流検出側交流電流ＩＡＣ１は交流検出側交流電流ＩＡＣ２に比べて遙かに少なくなり、交流電流ＩＡＣのほとんどが交流検出部２４側に流れるので、交流検出側交流電流ＩＡＣ２は、交流電流ＩＡＣにほぼ等しい値となる。
したがって、第１の静電容量成分１３、第２の静電容量成分２１２、第３の静電容量成分２４４の合成インピーダンスＺＳＵＭは、
ＺＳＵＭ＝１／ｊ２πｆＣ１３＋１／ｊ２πｆＣ２１２＋１／ｊ２πｆＣ２４４
となる。  
さらに、それぞれの静電容量Ｃ１３、Ｃ２１２、Ｃ２２４が一定で、交流電流ＩＡＣの周波数ｆも一定であるので、合成インピーダンスＺＳＵＭは、検出電極１１０、１２０間に堆積する粒子状物質ＰＭの量によらず、ほぼ一定の値となる。
このため、差動増幅回路２４３によって交流分圧抵抗２４２の両端の電位差を検出することによって、交流電流ＩＡＣの変化を検出することができる。
交流電源２２から、一定の周波数ｆ（例えば、２０ｋＨｚ）で、±ＶＡＣ（例えば、±１Ｖ〜±２．５Ｖ）の振幅を有する正弦波として、交流電圧ＶＡＣが印加された場合、正常な状態では、交流検出部２４では、粒子状物質検出素子１０の検出部１１に堆積した粒子状物質の量に関係なく、一定の正弦波が検出され、その実効値は、一定値（Ｖｍ／√２、Ｖｍは、交流電圧ＶＡＣの最大値）となり、検出回路部２０と粒子状検出素子１０とを繋ぐ、信号線１１２、又は、信号線１２２のいずれかに断線が生じた場合には、交流検出部２４の出力が０となり断線を検出することができる。
本発明においては、交流電源２２を設けることなく、直流電源２１ｄで発生したリップル電圧（±ＶＲＰ）を交流検出部２４において検出することで、交流電源２２を設けたのと同様に、断線異常の検出をすることができる。
しかも、一般的にノイズ成分として小さくするのが望ましいとされるリップルを積極的に利用するため、リップル電圧を小さくするための構成も不要となるため、昇圧回路の構成について、自由度が高くなるのである。
一方、本発明によらず、オフセット電源２４１が設けられておらず、交流分圧抵抗２４２の両端にオフセット電圧ＶＯＦＦを印加することなく交流分圧抵抗２４２の下流側が直接接地されている場合には、交流検出部２４のインピーダンスが、直列に接続された交流分圧抵抗２４２と第３の静電容量成分２４４との合成インピーダンスとなるので、交流分圧抵抗２４１を無視できなくなり、交流検出部２４に流れる交流電流ＩＡＣ２が低下し、検出が困難となる。
加えて、直流検出部２３に流れる交流電流ＩＡＣ１が増加し、差動増幅回路２３２によって直流電流ＩＤＣと交流電流ＩＡＣ１とが重畳的に検出されるので、出力の振幅が大きくなり、誤検出の虞を生じる。
【００２８】
ここで、図４を参照して、本発明の効果について説明する。
図４（ａ）は、従来の、粒子状物質検出素子の問題点を示し、本図（ｂ）は、参考例に係る粒子状物質検出装置で断線異常が発生した場合の交流検出部２４で検出される交流電流の変化を示す。
本図（ａ）に示すように、検出電極１１０、１２０間に堆積する粒子状物質ＰＭの量に応じて、検出電極１１０、１２０間の検出抵抗ＲＳＥＮは、１００ｋΩ〜１００ＭΩの極めて広い範囲で変化し、検出電極１１０、１２０間に堆積した粒子状物質ＰＭを、加熱除去したときの検出抵抗ＲＳＥＮは１００ＭΩと極めて高く、直流検出部２３で検出される直流電流ＩＤＣは、ほぼ０に等しく、したがって、出力電圧も極めて低い。
一方、検出回路部２０と粒子状物質検出素子１０との間を繋ぐ信号線１１２、又は、信号線１２２のいずれか、又は、両方に、断線異常が発生して場合、粒子状物質検出素子１０に直流電流ＩＤＣが流れず、直流検出部２３の出力は０となる。
したがって、加熱再生直後の検出電極１１０、１２０間が絶縁状態となり、直流検出部２３の出力が０に近くなった場合と、断線により出力が０となった場合とを直流検出部２３の出力からは区別ができない。
ところが、参考例のように、検出抵抗ＲＳＥＮに対して並列に所定の静電容量Ｃ１３を有する第１の静電容量成分１３を設けて、交流電源２２から供給された交流電流ＩＡＣを、交流検出部２４によって検出することによって、本図（ｂ）に示すように、正常時には、交流電流ＩＡＣが検出され、断線発生時には、交流電流ＩＡＣが０となるので、容易に断線異常を検出することができる。
【００２９】
図５を参照して他の参考例に係る粒子状物質検出装置１ａの概要について説明する。なお、上記参考例と同じの構成については、同じ符号を付したので説明を省略する。
上記参考例の検出回路部２０においては、直流電源２１と交流電源２２とを並列に繋いで、１の信号端子ＴＲＭ１から信号線１１２を介して粒子状物質検出素子１０に接続し、直流検出部２３と交流検出部２４とを並列に繋いで、１の信号端子ＴＲＭ２から信号線１２２を介して粒子状物質検出素子１０に接続しているが、参考例の検出回路部２０ａにおいては、本図に示すように、交流電源２２ａと交流検出部２４ａとを入れ替えて、直流電源２１と交流検出部２４ａとを並列に繋いで、１の信号端子ＴＲＭ１から信号線１１２ａを介して粒子状物質検出素子１０に接続し、直流検出部２３と交流電源２２ａとを並列に繋いで、１の信号端子ＴＲＭ２から信号線１２２ａを介して粒子状物質検出素子１０に接続した点が上記実施形態と相違する。
このように交流電源２２ａと交流検出部２４ａとを入れ替えても、交流電流ＩＡＣの発振周期が半周期ずれるだけなので、上記参考例と全く同様の効果を得ることができる。
【００３０】
図６を参照して他の参考例における粒子状物質検出装置１ｂについて説明する。
本参考例の検出回路部２０ｂにおいて、上記参考例の構成に加えて、直流検出部２３ａで検出した検出結果を直流電源２２にフィードバックするフィードバック制御手段２５を設けた点が相違する。
本参考例によれば、上記実施形態と同様の効果に加え、直流電流ＩＤＣの検出結果を基に、直流電源２１の印加電圧ＶＤＣを制御することによって、検出電極１１０、１２０間に形成される電界強度を一定にして、粒子状物質ＰＭの捕集性の安定化を図ることもできる。
内燃機関の燃焼排気中に含まれる粒子状物質ＰＭの内、排気浄化装置をすり抜けて排出される微細粒子状物質ＳＰＭ（スート）は、サブミクロン級、又は、ナノサイズ級の極めて小さな粒子で、その表面は帯電しており、電界の影響を受け易い。
同符号に帯電した粒子間には静電斥力が作用し、反対符号に帯電した粒子間には静電引力が作用し、さらに、検出電極１１０、１２０間に形成される電界は、帯電した粒子に対して反対符号となる検出電極側には静電引力が作用し、同符号となる検出電極側には静電斥力が作用する。
このため、ＰＭ堆積量が増加し、検出電極１１０、１２０間の検出抵抗ＲＳＥＮが低下してくると、検出電極１１０、１２０間に形成される電界強度も低下し、帯電した粒子状物質ＰＭの捕集性が変化する。
そこで、本参考例のように、直流電流ＩＤＣの検出結果に応じて、印加電圧ＶＤＣを制御することで、検出電極１１０、１２０間に形成される電界強度を制御して、捕集性の安定化を図り、検出精度の向上を図ることができる。
なお、本参考例においても、上述の参考例と同様、交流電源２２と交流検出部２４とを入れ替えても良い。
【００３１】
図７を参照して、他の参考例における粒子状物質検出装置１ｃについて説明する。
上記参考例の直流検出部２３においては、直流分圧抵抗２３１の下流側に基準電圧ＶＲＥＦを印加する基準電源２３０を設けた例について説明したが、本実施形態の直流検出部２３ｃに示すように、基準電源２３０を廃して直接、接地しても良い。
本参考例においても上記参考例と同様の効果が得られるのに加え、回路構成が簡略となるので、コスト的にも優位である。
加えて、基準電圧ＶＲＥＦを供給するための電圧調整用の抵抗やオペアンプ等の内部インピーダンス等によるロスや精度の制約がなくなり、直流検出部の自由度が上がる。
また、直流電源２１の印加電圧ＶＤＣをさらに高くして、不感時間の短縮を図ったり、検出電極１１０、１２０間の電界強度を高くして捕集性の向上を図ったりすることも可能となる。
さらに、本参考例においても、上記参考例と同様、交流電源２２と交流検出部２４とを入れ替えたり、直流電流ＩＤＣの検出結果を直流電源２１の印加電圧調整にフィードバックしたりするようにしても良い。
【００３２】
図８を参照して、本発明の実施形態における粒子状物質検出装置１ｄについて説明する。
なお、上述の参考例と同一の構成については、同じ符号を付したので説明を省略し、本実施形態における特徴的な部分を中心に説明する。
本実施形態においても、粒子状物質検出素子１０の検出抵抗ＲＳＥＮに対して並列に第１の容量成分１３を設けて、第１の容量成分１３を介して交流検出部２４に伝達される交流成分を検出して、粒子状物質検出素子１０の異常の有無を検出できるようにした点は上記参考例と共通するが、上記参考例においては、検出回路部２０に交流電源２２を設けて、交流電流ＩＡＣを粒子状検出素子１０に供給し、第１の容量成分１３を介して交流検出部２４に伝達される交流電流ＩＡＣの変化を検出するようにした例を示したが、本実施形態においては、図８に示すように、直流電源２１ｄをいわゆるチョッパ型のＤＣ−ＤＣコンバータによって構成し、電源電圧ＶＢを昇圧したときにスイッチングノイズとして発生するリップル電圧±ＶＲＰを交流成分として利用することにより、交流電源２２を廃した点が相違する。
なお、本実施形態において、直流電源２１ｄにおいて、電源電圧ＶＢを２５Ｖ以上の高電圧に増幅、調整する手段として、チョークコイルＬと整流素子ＤｉとコンデンサＣとトランジスタＴＲと駆動回路ＤＲＶとによって構成した、いわゆるチョッパ型のＤＣ−ＤＣコンバータを例に示したが、本発明において、直流電源２１ｄの昇圧手段は、リップル電圧±ＶＲＰを生じる方式のものであれば、フライバックトランス型のＤＣ−ＤＣコンバータでも、チャージポンプ式でも良い。
一般的に、直流電源においては、ノイズ成分であるリップル電圧ＶＲＰを小さくするのが望ましいとされているが、本発明においては、リップル電圧ＶＲＰを交流成分として検出し、断線等の異常の有無を検出するものであるので、出力電圧ＶＤＣを高くする際にリップル電圧ＶＲＰを小さくする必要がなく、昇圧回路の構成について極めて自由度が高く、ＤＣ−ＤＣコンバータの回路方式として非絶縁型と絶縁型のいずれを用いても良い。
【００３３】
図９を参照して、本実施形態における本発明の効果について説明する。
本実施形態のように、直流電源２１ｄを、パルス幅変調制御(ＰＷＭ制御)やパルス周期変調制御(ＰＦＭ制御)によって、トランジスタＴＲをＯＮ／ＯＦＦして、コンデンサＣの充電と放電とを繰り返して昇圧すると、本図に示すように、昇圧された直流電圧ＶＤＣと±リップル電圧ＶＲＰとが重畳的に出力されることになるが、これを第２の静電容量成分２４４によって直流成分（ＩＤＣ＋ＩＲＰ１）と交流成分（ＩＲＰ２）とに分離して、それぞれを直流検出部２３と交流検出部２４とで検出することによって、上記参考例と同様に、直流検出部２３では、検出抵抗ＲＳＥＮの変化から被測定ガス中のＰＭ量を検出し、交流検出部２４では、リップル電圧ＶＲＰの変化から、断線等の異常の有無を検出することができる。
上記参考例のように交流電源２２を設けた場合には、図４（ｂ）に示したように、交流電流ＩＡＣは、サインカーブを示し、本実施形態においては、リップル電流ＩＲＰは、三角波(または、容量成分により三角波が鈍らされた波形)を示す点が相違するが、断線異常が発生した場合には交流検出部２４に交流成分が入力されなくなり、断線異常を検出できる点は同様である。
【符号の説明】
【００３４】
１  微粒子検出装置
１０  粒子状物質検出素子
１１  検出部
１００  絶縁性基体
１１０、１２０  検出電極
１１１、１２１  検出リード部
１１２、１２２  信号線
１３  第１の静電容量成分
２０  検出回路部
２１  直流電源
２１０  バッテリ電源
２１１  直流増幅回路
２１２  直流制限抵抗
２２  交流電源
２２０  バッテリ電源
２２１  交流発振回路
２２２  第３の静電容量成分
２３  直流検出部
２３０  基準電源
２３１  直流分圧抵抗
２３２  増幅回路（電流検出手段）
２４  交流検出部
２４０  オフセット電圧
２４１  増幅回路（オフセット手段）
２４２  交流分圧抵抗
２４３  差動増幅回路（電流検出手段）
２４４  第２の静電容量成分
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３５】
【特許文献１】特開昭５９−１９７８４７号公報
【図１】
0005796350.tif 000002
【図２】
0005796350.tif 000003
【図３】
0005796350.tif 000004
【図４】
0005796350.tif 000005
【図５】
0005796350.tif 000006
【図６】
0005796350.tif 000007
【図７】
0005796350.tif 000008
【図８】
0005796350.tif 000009
【図９】
0005796350.tif 000010