JP2013160617A - 粒子状物質検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィルタの上流側といった高濃度環境下においても、少ない電力消費量でかつ長時間にわたる検出が可能なＰＭセンサを提供することを提供すること。
【解決手段】ＰＭセンサは、センサ本体と、排気管４内でセンサ本体１８の先端部に設けられたセンサ素子１２を保護する保護カバー６と、を備える。保護カバー６には、ＰＭを流入させる流入孔６２ａ，６２ｂと、ＰＭを流出させる流出孔６３ａ，６３ｂと、が形成されている。保護カバー６は、センサ素子１２を囲繞する筒状の胴部６１と胴部６１の一方の端部を塞ぐ底部とを有する有底筒状である。流入孔６２ａ，６２ｂは、胴部６１のうち排気の上流側に面した部分であり、かつ、排気の流れ方向に垂直な幅方向に沿ってセンサ素子１２のキャビティ部１２０から距離ｄだけオフセットした位置にのみ形成される。
【選択図】図７

Description

本発明は、粒子状物質検出装置に関する。特に、内燃機関から排出された排気の粒子状物質（ＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ））の濃度を検出する粒子状物質検出装置に関する。

排気管内に設けられたＰＭセンサの電極部にＰＭが付着すると、この電極部の電気的特性はＰＭの付着量に応じて変化する。特許文献１には、排気管内のＰＭの濃度と、電極部へのＰＭの付着量と、電極部の電気的特性の変化量との間に相関関係があることを利用し、排気管内に設けられた電極部の電気的特性の測定に基づいて排気管内のＰＭ濃度を算出する粒子状物質検出装置が提案されている。

また、特許文献１の粒子状物質検出装置では、ＰＭを付着させる電極部を、一対の電極板と、これら電極板の間に介装される２枚の板状のスペーサとを組み合わせることにより形成している。これらスペーサは各電極板の両端側に設けられており、これにより、各電極板のタングステン導体の導体部には、ＰＭが付着するキャビティが形成される。このようなキャビティ構造を有する電極部によれば、電極間は等間隔かつ極近距離で保たれるため、電極板間に均一な電界を低電力で発生させることができる。

しかしながら、このような粒子状物質検出装置では、電極部に付着させることができるＰＭの量に限りがあることから、電極部に付着したＰＭが規定の飽和に達した場合にはこれを燃焼しＰＭセンサを再生しなければ継続して使用することができない。このため従来の粒子状物質検出装置では、長時間にわたる連続的な検出が困難であり、またＰＭセンサの再生により燃費が悪化する、という課題がある。特に、ＰＭの高濃度環境下で用いる場合には、電極部へのＰＭの付着量は速やかに飽和に達してしまうため、再生頻度の増加、ひいては燃費の悪化の課題が特に顕著となる。

特許文献２には、フィルタの上流側に複数のＰＭセンサを設ける技術が提案されている。この技術では、複数のＰＭセンサのうちの１つが飽和に達した場合には、これを再生し、再生中は他の飽和に達していないＰＭセンサの出力に基づいて排気中のＰＭを検出する。すなわち、特許文献２の技術では、複数のＰＭセンサを相補的に用いることにより、ＰＭの高濃度環境下でも連続的な検出を可能としている。

特開２００８−１３９２９４号公報 特開２００８−１９０５０２号公報

特許文献２の技術によれば、高濃度環境下でも連続的な検出が可能とはなるものの、複数のＰＭセンサを設けた分だけＰＭの付着量も増加し、燃焼除去すべきＰＭの総量も増えてしまうため、燃費の観点からは逆に悪化すると考えられる。

本発明は、フィルタの上流側といった高濃度環境下においても、少ない電力消費量でかつ長時間にわたる検出が可能な粒子状物質検出装置を提供することを目的とする。

（１）上記目的を達成するため本発明は、内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の排気管（例えば、後述の排気管４）に設けられ、排気中の粒子状物質を検出するセンサ本体（例えば、後述のセンサ本体１８）と、前記排気管内で前記センサ本体の電極部（例えば、後述のセンサ素子１２）を保護するカバー（例えば、後述の保護カバー６）と、を備え、前記カバーには、粒子状物質を当該カバーの内側へ流入させる流入孔（例えば、後述の流入孔６２ａ，６２ｂ）と、粒子状物質を当該カバーの内側から流出させる流出孔（例えば、後述の流出孔６３ａ，６３ｂ）と、が形成され、前記電極部の電気的特性の変化の測定に基づいて、前記カバーの外側を流通する排気の粒子状物質の濃度を推定する粒子状物質検出装置（例えば、後述のＰＭセンサ１１）を提供する。前記粒子状物質検出装置は、前記カバーの内側に流入した粒子状物質を、電圧を印加することで前記電極部に付着させる集塵手段（例えば、後述の集塵用ＤＣ電源１３及びＥＣＵ５）をさらに備え、前記カバーは、前記電極部を囲繞する筒状の胴部（例えば、後述の胴部６１）と当該胴部の一方の端部を塞ぐ底部（例えば、後述の底部６４）とを有する有底筒状であり、前記流入孔は、前記胴部のうち排気の上流側に面した部分であり、かつ、排気の流れ方向に垂直な幅方向に沿って前記電極部からオフセットした位置にのみ形成されることを特徴とする。

（１）本発明では、粒子状物質を流入させる流入孔と粒子状物質を流出させる流出孔とが形成されたカバーで、センサ本体の電極部を排気管内で保護し、また上記流入孔を、カバーの胴部のうち排気の上流側に面した部分のうち、排気の流れ方向に垂直な幅方向に沿って電極部からオフセットした位置にのみ形成する。このように、流入孔と流出孔との両方が形成されたカバーで電極部を保護することにより、カバー内側のうち特に電極部の周囲の粒子状物質の濃度を、カバー外側の濃度よりも十分に低くしながらかつ、カバー外側の濃度と連動して変化させることができる。これにより、カバー外側の粒子状物質の濃度が高い状態であっても、電極部に短時間で過剰な量の粒子状物質が付着するのを防ぐことができ、また、電極部の電気的特性の変化の測定に基づいてカバー外側の粒子状物質の濃度を推定することができる。したがって、例えば粒子状物質を捕集するフィルタの上流側や内燃機関の直下などといった粒子状物質の高濃度環境下であっても、電極部が飽和に達するまでの時間を長くできるので、電極部の再生頻度を少なくし、ひいては少ない電力消費量でかつ長時間にわたり粒子状物質の濃度を推定することができる。
また粒子状物質検出装置が検出対象とする粒子状物質はある程度の質量を有するため、排気を構成するＣＯやＯ_２などの気体成分と比較すると直進性が高い。このため、流入孔からカバー内側に流入した粒子状物質の多くは、カバー外側での粒子状物質の進行方向、すなわち排気の流れ方向に沿ってカバー内側をそのまま流れると考えられる。したがって、単なる孔が形成されたカバーで電極部を覆っただけでは、電極部が粒子状物質の濃度の高い排気の流れにさらされてしまい、長時間にわたる正確な濃度の推定ができなくなってしまうおそれがあるところ、本発明では流入孔を排気の流れ方向に垂直な幅方向に沿って電極部からオフセットした位置にのみ形成することにより、高濃度の排気が直接電極部に当たらないようにできるので、長時間にわたり正確に濃度を推定できる。

ところで、電極部の電気的特性は、ある程度の量の粒子状物質が電極部に付着し、電極部に粒子状物質の基盤が形成されて始めて有意な変化が現れる。これは、本発明の粒子状物質検出装置では、電極部には粒子状物質の基盤が形成されて初めて、粒子状物質の濃度の推定が可能となることを意味する。しかしながら、電極部を完全に再生した直後など、電極部に粒子状物質の基盤が形成されていない初期段階では、基盤が形成された後と比較して粒子状物質が付着しにくくなっている。特に、上述のように流入孔の位置を電極部に対しオフセットした場合、排気の流れ方向に沿って流入孔から流入した粒子状物質は、外部からの物理的な作用が無ければ電極部にほとんど付着することは無く、したがって粒子状物質の濃度が推定可能となるまでに時間がかかってしまう。これに対し、本発明では、電圧を印加することにより、カバー内において電極部から離れた粒子状物質を引き付けるようにして、電極部に粒子状物質を積極的に付着させることができるので、上記初期段階でも速やかに粒子状物質の基盤を形成し、速やかに濃度の推定が可能な状態にすることができる。

（２）この場合、前記流入孔は、２つで一対として、前記胴部のうち排気の上流側に面した部分に一対以上形成され、前記一対の流入孔は、前記幅方向に沿った前記電極部からのオフセット距離（例えば、後述のｄ）が等しくなるように、排気の流れ方向に平行かつ前記電極部を通過する仮想軸（例えば、後述の仮想軸Ａ１）を中心として対称な位置に形成されることが好ましい。

（２）本発明では、流入孔を２つで一対とし、これら一対の流入孔を、仮想軸を中心として対称かつ電極部からのオフセット距離が等しくなるように形成することにより、電極部に偏り無く均一に粒子状物質を付着させることができるので、濃度の推定精度を高くできる。また、粒子状物質を電極部に均一に付着させることにより、適切なタイミングで電極部が飽和に達したと判断できるので、電極部の再生頻度を最小限にすることができ、ひいては消費電力量を最小限にできる。

（３）この場合、前記電極部は、前記集塵手段により電圧を印加したときに当該電極部の周囲に形成される電界の強さが、前記一対の流入孔の両方の位置で等しくなるように、前記カバーの内側に設けられることが好ましい。

（３）本発明では、電圧の印加時における電極部の周囲の電界の強さが、一対の流入孔の両方の位置において等しくなるようにすることにより、各流入孔から流入した粒子状物質を電極部に等しい力で引き寄せることができるため、電極部に均一な厚みの粒子状物質の基盤を形成することができる。したがって、上記（２）の発明と同様に、濃度の推定精度をさらに向上でき、また消費電力量をさらに低減できる。

（４）この場合、前記電極部は、前記集塵手段により電圧が印加される一対の電極板（例えば、後述の集塵電極１２３Ａ，１２８Ａ）と、これら一対の電極板の間に介装された板状のスペーサ（例えば、後述のスペーサ１２５Ａ，１２５Ｂ）と、を組み合わせて形成され、前記一対の電極板の間には、粒子状物質が付着する空洞状のキャビティ部（例えば、後述のキャビティ部１２０）が形成され、前記電極部は、前記キャビティ部の一方の開口から他方の開口へ向かう長手方向が、排気の流れ方向に対し平行又は垂直になるように、前記カバー内に設けられることが好ましい。

（４）本発明では、電極部を電極板で挟まれたキャビティ構造とした上、さらにその長手方向を排気の流れ方向に対し平行又は垂直となるようにすることにより、各流入孔から流入した粒子状物質を、キャビティ部内に均一に付着させることができる。したがって、上記（２）の発明と同様に、濃度の推定精度をさらに向上でき、また消費電力量をさらに低減できる。

（５）この場合、前記流出孔は、前記胴部のうち排気の下流側に面した部分のうち、前記流入孔から排気の流れ方向に沿った直線（例えば、後述の直線Ａ２，Ａ３）上に形成されることが好ましい。

（５）上述のように粒子状物質は直進性が高いため、その飛跡は排気の流れ方向とほぼ平行になる。したがって、流出孔を、胴部のうち排気の下流側に面した部分のうち、流入孔から排気の流れ方向に沿った直線上に形成することにより、カバー外側から流入孔を介して流入した粒子状物質の多くはそのまま流出孔からカバー外側へ排出されるため、カバー内側に粒子状物質が滞留するのを防ぐことができる。

また、胴部のうち排気の下流側に面した部分に、このような流出孔を形成することにより、カバー外側の排気の流れに引き込まれるようにしてカバー内側の排気を排出できるので、カバー内側の圧力を低くすることができる。カバー内側の圧力を低く維持すると、流入孔から流入した排気は、カバー内側でゆるやかに拡散し、流出孔から排出されることとなる。これにより、電極部の周囲の粒子状物質の濃度を、カバー外側の濃度変動が反映されたものにしながらかつ低く維持することができるので、粒子状物質検出装置による濃度の推定精度をさらに向上することができる。
また、このようにカバー内側のガス抜け性を向上することにより、カバー外側の排気を流入孔から導入しやすくできるので、カバー外側の粒子状物質の濃度の変化を、カバー内側の電極部の周囲の粒子状物質の濃度の変化に速やかに反映させることができ、ひいては粒子状物質検出装置による濃度推定の遅れを小さくできる。

（６）この場合、前記カバーは、前記排気管内において排気の流れ方向に対し前記胴部の延在方向を垂直にして設けられ、前記底部のうち前記排気の流れ方向に対し平行な部分には貫通孔（例えば、後述のガス抜け孔６５）が形成されていることが好ましい。

（６）本発明では、流入孔や流出孔が形成された胴部の延在方向を排気の流れ方向に対し垂直にした上、底部のうち排気の流れ方向に対し平行な部分に貫通孔を形成することにより、カバー外側の排気の流れに引き込まれるようにしてカバー内側の排気を排出できるので、カバー内側の圧力を低くすることができる。したがって、上記（５）の発明と同様に、電極部の周囲の粒子状物質の濃度を、カバー外側の濃度変動が反映されたものにしながらかつ低く維持することができるので、粒子状物質検出装置による濃度の推定精度をさらに向上することができる。また、カバー内側のガス抜け性を向上することにより、上記（５）の発明と同様の理由により、粒子状物質検出装置による濃度推定の遅れを小さくできる。

（７）この場合、前記集塵手段は、前記電極部に接続された電源（例えば、後述の集塵用ＤＣ電源１３）と当該電源を制御する制御装置（例えば、後述のＥＣＵ５）とを備え、前記制御装置は、前記電極部への粒子状物質の付着量が前記電気的特性の変化に基づく濃度の推定が可能になる所定量（Ｑ_０）に達するまで前記電極部に電圧を印加し、前記電極部への粒子状物質の付着量が前記所定量に達した後は前記電極部への電圧の印加を停止することが好ましい。

（７）本発明では、粒子状物質の付着量が所定量に達するまでの間、すなわち濃度推定ができずかつ粒子状物質が電極部に付着しにくい期間は、電極部に電圧を印加することで積極的に集塵することにより（静電集塵）、速やかに電極部に粒子状物質の基盤を形成し、濃度推定が可能な状態にできる。また、本発明では、静電集塵を行うことで粒子状物質の付着量が所定量に達した後、すなわち粒子状物質の基盤が形成されることで濃度推定が可能となりかつ新たな粒子状物質が付着し易くなった後は、電極部への電圧の印加を停止し、自然集塵に移行することにより、集塵にかかる電力の消費を最小限にとどめることができる。以上の効果は、電極部をカバーで覆うことにより、意図的に電極部の周囲に粒子状物質の低濃度環境を作り出す本発明ではとりわけ有効である。

本発明の一実施形態に係る粒子状物質検出装置が設けられた内燃機関及びその排気系の構成を示す図である。 上記実施形態に係るセンサ素子の斜視図である。 上記実施形態に係るセンサ素子の分解斜視図である。 上記実施形態に係るセンサ素子のキャビティ部内にＰＭが全面に付着したときの様子を模式的に示した図である。 上記実施形態に係るセンサ素子のキャビティ部に付着したＰＭの量と、センサ素子の静電容量との関係を模式的に示す図である。 上記実施形態に係る排気管に設けられたセンサ本体の斜視図である。 上記実施形態に係る排気管に設けられたセンサ本体の断面図である。 上記実施形態に係る保護カバー外側のＰＭ濃度と保護カバー内側のセンサ素子の周囲のＰＭ濃度との関係を模式的に示す図である。 上記実施形態に係るセンサ素子に集塵電圧を印加した場合に、センサ素子の周囲に形成される電界を模式的に示す図である。 上記実施形態の保護カバーの変形例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る粒子状物質検出装置が設けられた内燃機関及びその排気系の構成を示す図である。内燃機関（以下単に「エンジン」という）１は、各気筒内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒には図示しない燃料噴射弁が設けられている。

エンジン１の排気が流通する排気管４には、排気に含まれる炭素を主成分とした粒子状物質を検出する粒子状物質検出装置（以下、「ＰＭセンサ」という）１１と、排気浄化フィルタ（以下、「ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）」という）３とが、上流側からこの順で設けられている。

ＤＰＦ３は、多孔質体のフィルタ壁を備え、排気がこのフィルタ壁の微細な孔を通過する際、排気に含まれるＰＭを、フィルタ壁の表面及びフィルタ壁中の孔に堆積させることにより、これを捕集する。フィルタ壁の構成材料としては、例えば、チタン酸アルミニウムやコージェライト等を材料とした多孔質体が使用される。

ＰＭセンサ１１は、排気管４に設けられ排気中のＰＭを検出するセンサ素子１２を備えるセンサ本体１８と、センサ本体１８に接続されたセンサ制御ユニット１７と、このセンサ制御ユニット１７に接続された電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）５と、を備える。センサ制御ユニット１７は、集塵用ＤＣ電源１３と、インピーダンス測定器１４と、センサ素子１２の温度を制御する温度制御装置１５と、を含んで構成される。ＰＭセンサ１１は、以下に示すように、排気管４内を流通する排気に含まれるＰＭが付着したセンサ素子１２の電気的特性の測定に基づいて、排気管４内を流通する排気中のＰＭ濃度を算出する。

図２は、センサ素子１２の斜視図である。図２に示すように、センサ素子１２は、空洞状のキャビティ部１２０を備える。排気中に含まれるＰＭは、このキャビティ部１２０の内壁に付着する。以下では、キャビティ部１２０の一方の開口から他方の開口へ向かう方向を、キャビティ部１２０の長手方向と定義する。

図３は、センサ素子１２の分解斜視図である。センサ素子１２は、図３に示すように、一対の電極板１３０，１３１を、板状のスペーサ１２５Ａ，１２５Ｂを介装して組み合わせ、ヒーター層１２２，１２９及びアルミナプレート１２１で挟持することにより構成される。これにより、電極板１３０，１３１、スペーサ１２５Ａ，１２５Ｂに囲まれたキャビティ部１２０が形成される。

電極板１３０は、誘電体層１２４と、集塵電極層１２３とを積層することにより形成される。また、電極板１３１は、誘電体層１２６と、測定電極層１２７と、集塵電極層１２８とを積層することにより形成される。

測定電極層１２７は、一対の櫛形の測定電極１２７Ａ，１２７Ｂを備える。具体的には、測定電極１２７Ａ，１２７Ｂは、測定電極層１２７の一端側のキャビティ部１２０に対応する位置に形成された一対の櫛歯部と、この櫛歯部から他端側へかけて延びる一対の櫛本体部と、を含んで構成される。より具体的には、測定電極１２７Ａ，１２７Ｂは、一方の櫛形の測定電極１２７Ａの櫛歯部と他方の櫛形の測定電極１２７Ｂの櫛歯部とが相互に挟み合うように対向配置されている。
また、一対の櫛本体部は、インピーダンス測定器１４に電気的に接続されている。

ここで、測定電極層１２７に櫛形の測定電極１２７Ａ，１２７Ｂを備える本実施形態のＰＭ検出メカニズムについて説明する。
図４は、センサ素子１２のキャビティ部１２０内にＰＭが全面に付着したときの様子を模式的に示した図である。図４に示すように、キャビティ部１２０に付着したＰＭは、櫛形の測定電極１２７Ａ，１２７Ｂの櫛歯部上に誘電体層を介して堆積する。このとき、隣接する測定電極１２７Ａ，１２７Ｂ間におけるもれ電界が、堆積したＰＭによる影響を受け、測定電極１２７Ａ，１２７Ｂ間の電気的特性が変化する。この電気的特性の変化は、ＰＭが付着した量に相関があることから、この電気的特性の変化を測定することにより、単位時間当たりにキャビティ部１２０に堆積したＰＭの量、ひいてはセンサ素子の周囲の排気のＰＭ濃度を算出できる。なお、以下の説明において、センサ素子１２の電気的特性とは、センサ素子１２のうちＰＭ付着量に相関のあるキャビティ部１２０の電気的特性を意味する。

集塵電極層１２３，１２８は、タングステン導体層からなる集塵電極１２３Ａ，１２８Ａを備える。この集塵電極１２３Ａ，１２８Ａは、集塵電極層１２３，１２８の一端側のキャビティ部１２０に対応する位置に略正方形状に形成された導体部と、この導体部からアルミナ基板の他端側へかけて線状に延びる導線部と、を含んで構成される。
また、集塵電極１２３Ａ，１２８Ａの導線部は、集塵用ＤＣ電源１３に電気的に接続されている。
なお、集塵電極１２３Ａ、１２８Ａの導体部の一辺の長さは、約１０ｍｍである。

ヒーター層１２２，１２９は、ヒーター配線１２２Ａ，１２９Ａを備え、これらヒーター配線１２２Ａ，１２９Ａは、温度制御装置１５に電気的に接続されている。
また、アルミナプレート１２１は、略矩形状のアルミナ基板であり、厚みは約１ｍｍである。

集塵用ＤＣ電源１３は、集塵電極層１２３，１２８に備えられた集塵電極１２３Ａ，１２８Ａの導線部に電気的に接続されている。集塵用ＤＣ電源１３は、ＥＣＵ５から送信された制御信号に基づいて動作し、後述する測定電圧よりも大きい所定の集塵電圧を集塵電極層１２３，１２８間に印加する。これにより、センサ素子１２の周囲のＰＭを引き寄せるようにしてキャビティ部１２０に付着させる。

インピーダンス測定器１４は、測定電極層１２７の一対の櫛本体部に電気的に接続されている。インピーダンス測定器１４は、ＥＣＵ５から送信された制御信号に基づいて動作し、所定の測定電圧及び測定周期のもとで、センサ素子１２の電気的特性を検出し、検出した静電容量に略比例した検出信号をＥＣＵ５に出力する。なお、本実施形態では、インピーダンス測定器１４により、センサ素子１２の電気的特性として特に静電容量を測定するが、これに限るものではない。

温度制御装置１５は、各電極板１３０，１３１に接して設けられたヒーター層１２２，１２９のヒーター配線１２２Ａ，１２９Ａに電気的に接続されており、これらヒーター層１２２，１２９に電力を供給するヒーター用ＤＣ電源（図示せず）を含んで構成される。
ヒーター用ＤＣ電源は、ＥＣＵ５から送信された制御信号に基づいて動作し、ヒーター層１２２，１２９に所定の電流を通電する。ヒーター層１２２，１２９は、ヒーター用電源から電流が供給されると発熱し、各電極板１３０，１３１を加熱する。これにより、各電極板１３０，１３１を加熱し、キャビティ部１２０に付着したＰＭを燃焼除去でき、センサ素子１２を再生できる。

ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ５は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路と、センサ制御ユニット１７に制御信号を出力する出力回路とを備える。

次に、ＥＣＵによるＰＭセンサの制御方法について、センサ素子の特性と合わせて説明する。
図５は、センサ素子のキャビティ部に付着したＰＭの量と、センサ素子の静電容量との関係を模式的に示す図である。図５では、横軸をＰＭの付着量とし、縦軸を静電容量とする。

先ず、センサ素子にはキャビティ部の容積を超える量のＰＭを付着させることができないため、センサ素子のＰＭ付着量にはキャビティ部の容積に応じた限界量Ｑ_Ｍがある。この限界量Ｑ_Ｍ以下において、センサ素子の静電容量はＰＭ付着量に対して以下のように変化する。

ＰＭ付着量が０から所定量Ｑ_０までの間は、ＰＭはキャビティ部の内壁に薄くまばらに付着した状態であり、ＰＭがセンサ素子の電気的特性に及ぼす影響が小さく、ＰＭ付着量によらず静電容量は初期値Ｃ_０一定のままである。したがって、キャビティ部にＰＭが付着してもセンサ素子の静電容量に有意な変化は現れないため、単位時間当たりに付着したＰＭの量、ひいてはセンサ素子の周囲のＰＭ濃度を算出することはできない。また、キャビティ部にＰＭが付着していない場合、既に付着している場合と比較して、新たなＰＭが付着しにくくなっている。

ＰＭ付着量が上記所定量Ｑ_０を超えると、キャビティ部の内壁にＰＭの基盤が形成された状態となり、センサ素子の静電容量は初期値Ｃ_０から変化し始める。このため、ＰＭ付着量が所定量Ｑ_０を超えた領域では、センサ素子の静電容量の変化量から、単位時間当たりに付着したＰＭの量を特定でき、ひいてはセンサ素子の周囲のＰＭ濃度を算出することができる。

ＥＣＵは、センサ素子の静電容量がＣ_０以下であり、したがってＰＭ濃度を算出できない場合には、センサ素子に集塵電圧を印加し、センサ素子の周囲のＰＭを積極的にキャビティ部に付着させる（静電集塵）。これにより、できるだけ速やかにセンサ素子を濃度の算出が可能な状態にする。
上述の静電集塵を開始してから、ＰＭが付着しセンサ素子の静電容量がＣ_０から変化し始めた場合には、ＥＣＵは、集塵電圧の印加を停止し、これ以降は集塵電圧の印加によらず自然にＰＭをキャビティ部に付着させる（自然集塵）。また、センサ素子の静電容量がＣ_０からＣ_Ｍの範囲内にある間は、ＥＣＵは、単位時間当たりの静電容量の変化量ΔＣに基づいて、単位時間当たりのＰＭ付着量ΔＱを算出し、このＰＭ付着量ΔＱから、センサ素子の周囲のＰＭ濃度を算出する。
上述の自然集塵を開始してから、センサ素子の静電容量がＣ_０に達した場合には、ＥＣＵは、センサ素子が飽和に達したと判断し、キャビティ部内のＰＭを燃焼除去する。センサ素子の再生が完了すると、再び上記静電集塵を開始する。

図１に戻って、エンジン１から排出されたＰＭは、ほぼ全てＤＰＦ３によって捕集されるため、排気管４のうちＤＰＦ３より下流側はＰＭの低濃度領域となっており、ＤＰＦ３より上流側は相対的にＰＭの高濃度領域となっている。したがって、センサ本体１８をこのようなＰＭの高濃度領域に設けると、センサ素子１２は短時間で飽和に達してしまうため、長時間にわたりＰＭを検出し続けることが困難になる。そこで、センサ本体１８には、排気管４内でセンサ素子１２を保護する保護カバー６が取り付けられる。

図６は、排気管に設けられたセンサ本体１８の斜視図である。
センサ本体１８は、円柱状のボディ１９と、ボディ１９の先端部に設けられたセンサ素子１２と、センサ素子１２を保護する保護カバー６とを備える。保護カバー６は、円筒状の胴部６１と、この胴部６１の一方の端部を塞ぐ底部６４とを有する有底筒状である。胴部６１の他方の端部６６には、ボディ１９の端部１９ａに形成された突起（図示せず）が嵌合する凹溝（図示せず）が形成されている。保護カバー６は、ボディ１９の突起を凹溝に嵌合させることにより、センサ素子１２を胴部６１で囲繞するようにボディ１９に取り付けられる。

センサ本体１８は、保護カバー６より先端側の部分のみが排気管内に臨むようにして、排気管に形成された図示しないセンサホールに取り付けられる。この際、センサ本体１８は、胴部６１の延在方向が排気の流れ方向に対し垂直となり、かつ保護カバー６の底部６２が鉛直下方を向くようにして、排気管に取り付けられることが好ましい。

保護カバー６の材質は、ステンレス鋼が好ましい。排気管内には凝縮水が付着することから、保護カバー６の材質は、特にステンレス鋼の中でも耐腐食性に優れたフェライト系ステンレスが好ましい。

保護カバー６の胴部６１の形状は、圧損の低下をできるだけ小さくするため、その断面の形状が真円の筒状となっていることが好ましいが、本発明はこれに限るものではない。例えば、断面の形状が四角形や五角形などの多角形又は楕円の筒状であってもよい。

保護カバー６は、排気管４内がＰＭの高濃度環境下であってもセンサ素子１２が短時間で飽和に達してしまうのを防止するために、センサ素子１２を保護するためのものであるが、保護カバー６の内側に設けられたセンサ素子１２により、保護カバー６の外側を流通する排気のＰＭ濃度を推定できるようにするため、保護カバー６の外側のＰＭ濃度の変化を保護カバー６の内側のＰＭ濃度の変化に反映させる必要がある。このため、保護カバー６の内側のＰＭ濃度を外側のＰＭ濃度よりも十分に低く維持しつつ、外側のＰＭ濃度の変化に連動して内側のＰＭ濃度を変化させるため、保護カバー６の胴部６１には、一対の流入孔６２ａ，６２ｂと、これら一対の流入孔６２ａ，６２ｂと対になる一対の流出孔６３ａ，６３ｂとが形成されている。

２つの流入孔６２ａ，６２ｂは、胴部６１のうち排気の上流側に面する部分に形成されており、排気管４内のうち保護カバー６の外側を流通する排気をＰＭとともに保護カバー６の内側へ流入させる。
２つの流出孔６３ａ，６３ｂは、胴部６１のうち排気の下流側に面する部分に形成されており、保護カバー６の内側の排気をＰＭとともに保護カバー６の外側へ流出させる。
また、保護カバー６の底部６２のうち、排気の流れ方向に平行な中心部には、上記流入孔６２ａ，６２ｂや流出孔６３ａ，６３ｂよりも大きな径のガス抜け孔６５が貫通して形成されている。

以上のような流出孔６３ａ，６３ｂやガス抜け孔６５を形成することにより、保護カバー６内側に滞留するガスを、保護カバー６の外側を流通する排気に引き込まれるようにして保護カバー６の外側へ排出し、保護カバー６の内側の圧力を低くすることができる。また、このように保護カバー６内のガス抜け性を向上することにより、保護カバー６の外側の濃度変動を保護カバー６の内側の濃度変動に速やかに反映させることができるので、濃度推定の遅れを小さくできる。また、上述のように、底部６２を鉛直下方に向けることにより、保護カバー６の内側に生じた凝縮水をその自重によりガス抜け孔６５を介してカバー６の外側に排出することができるので、センサ素子１２に凝縮水が付着するのを防止し、ひいてはセンサ素子１２の誤作動を防止できる。

図７は、排気管４に設けられたセンサ本体の断面図である。より具体的には、センサ本体のうち、排気の流れ方向と平行かつキャビティ部１２０を含む平面に沿った断面である。図７において、左側は排気の上流側に相当し、右側は排気の下流側に相当する。以下、一対の流入孔６２ａ，６２ｂと、一対の流出孔６３ａ，６３ｂと、センサ素子１２との好ましい相対位置関係等について説明する。

先ず、センサ素子１２は、ＰＭが付着するキャビティ部１２０の中心と円筒状の保護カバー６の中心とが一致し、かつキャビティ部１２０の長手方向が排気の流れ方向に対し平行となるように保護カバー６の内側に設けられる。なお、キャビティ部１２０の長手方向の向きは、排気の流れ方向に対し、図７に示すような平行に限らず垂直でもよい。

このように保護カバー６の中心に設けられたセンサ素子１２に対し、流入孔６２ａは、胴部６１の排気の上流側に面した部分のうち、排気の流れ方向に垂直な幅方向に沿ってセンサ素子１２のキャビティ部１２０から距離ｄだけオフセットした位置にのみ形成される。換言すれば、胴部６１の排気の上流側に面した部分のうち、センサ素子１２の排気の流れ方向に沿った直線上には、貫通孔は形成されていない。

流入孔６２ａと対になる流入孔６２ｂは、上記オフセット距離ｄが流入孔６２ａと等しくなるように、胴部６１の排気の上流側に面した部分のうち、排気の流れ方向に平行かつキャビティ部１２０を通過する仮想軸Ａ１を中心として対称な位置に形成される。

ＰＭはある程度の質量を有するため直進性が高く、その飛跡は排気の流れ方向とほぼ平行になる。したがって、一対の流出孔６３ａ，６３ｂを介して保護カバー６内に流入したＰＭが、保護カバー６内に必要以上に残留せずにそのまま保護カバー６の外側へ排出されるようにするため、一対の流出孔６３ａ，６３ｂは、それぞれ、胴部６１のうち排気の下流側に面した部分のうち、一対の流入孔６２ａ，６２ｂから排気の流れ方向に沿った直線Ａ２，Ａ３上に形成される。

これら流入孔６２ａ，６２ｂの直径は、約１．５〜２．５ｍｍの範囲内、より好ましくは約２ｍｍ程度であることが好ましい。流入孔６２ａ，６２ｂの直径が、２．５ｍｍを大きく超えてしまうと、保護カバー６の外側からＰＭが過剰に流入してしまい、センサ素子１２が飽和に達するまでの時間が短くなり、再生頻度が増加するおそれがある。一方、流入孔６２ａ，６２ｂの直径が１．５ｍｍを大きく下回ってしまうと、保護カバー６の外側からのＰＭの流入が少なくなりすぎてしまい、正確な濃度の推定ができなくなるおそれがある。

また、流入孔６２ａ，６２ｂの直径を２ｍｍ程度にした場合、保護カバー６の外側を流れる排気は、流入孔６２ａ，６２ｂにおいてその流速が減ぜられ、しみ込むようにして保護カバー６の内側に流入する。この際、流出孔６３ａ，６３ｂやガス抜け孔６５による上述のガス抜け作用により、保護カバー６の内側の圧力は低く保たれているため、保護カバー６内にしみ込むようにして流入した排気は、保護カバー６内をゆるやかに拡散して、流出孔６３ａ，６３ｂやガス抜け孔６５を介して保護カバー６の外側に排出される。このため、センサ素子１２の周囲のＰＭ濃度を、保護カバー６の外側の濃度変動が反映されたものにしながらかつ低く維持することができる。

また、流出孔６３ａ，６３ｂの直径は、流入孔６２ａ，６２ｂの直径と同じかそれ以上であることが好ましい。流出孔６３ａ，６３ｂの直径が流入孔６２ａ，６２ｂの直径よりも小さくなると、保護カバー６内に流入したＰＭが速やかに排出されず、保護カバー６内に溜まってしまい、正確な濃度が推定できなくなるおそれがある。また、流出孔６３ａ，６３ｂの直径が流入孔６２ａ，６２ｂの直径よりも小さくなると、保護カバー６内のガス抜け性が悪化してしまい、濃度推定に遅れが生じてしまう。

図８は、保護カバー外側のＰＭ濃度と保護カバー内側のセンサ素子の周囲のＰＭ濃度との関係を模式的に示す図である。図８では、横軸をカバー外側のＰＭ濃度とし、縦軸をセンサ素子の周囲のＰＭ濃度とする。
図８に示すように、カバーの外側のＰＭ濃度と内側のセンサ素子の周囲のＰＭ濃度とでは、概ね比例関係にあり、かつその傾きは“１”よりも十分に低くなっている。ＥＣＵは、カバーの外側の濃度と内側の濃度との間には、図８に示すような相関関係があることを前提として、排気管内のうちカバー外側を流れる排気のＰＭ濃度を推定する。より具体的には、図５を参照して説明したように、静電容量の変化量に基づいてカバー内側のセンサ素子の周囲のＰＭ濃度を算出した後、これに所定の係数を乗算したものを、排気管内のうちカバー外側を流れる排気のＰＭ濃度とする。

図９は、センサ素子１２に集塵電圧を印加した場合に、センサ素子１２の周囲に形成される電界を模式的に示す図である。なお、センサ素子１２の周囲に形成される電界は実線で示し、この電界の作用下におけるＰＭの分布を模式的に破線で示す。

キャビティ部１２０の短手方向に沿って集塵電圧を印加すると、センサ素子１２の周囲には、図９中実線で示すような電界が形成される。この際、センサ素子１２は、集塵電圧を印加したときに形成される電界の強さが、一対の流入孔６２ａ，６２ｂの位置とで等しくなるように、保護カバー６の中心に設けられることが好ましい。これにより、静電集塵時には、一方の流入孔６２ａから流入したＰＭと、他方の流入孔６２ｂから流入したＰＭは、同じ条件でキャビティ部１２０側に引き寄せられるので、キャビティ部１２０内に偏りなく均一にＰＭを付着させることができる。

本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）ＰＭを流入させる流入孔６２ａ，６２ｂとＰＭを流出させる流出孔６３ａ，６３ｂとが形成されたカバー６で、センサ素子１２を排気管４内で保護し、また上記流入孔６２，６２ｂを、カバー６の胴部６１のうち排気の上流側に面した部分のうち、排気の流れ方向に垂直な幅方向に沿ってセンサ素子１２からオフセットした位置にのみ形成する。本実施形態によれば、流入孔６２ａ，６２ｂと流出孔６３ａ，６３ｂとの両方が形成されたカバー６でセンサ素子１２を保護することにより、カバー６内側のうち特にセンサ素子１２の周囲のＰＭの濃度を、カバー６外側の濃度よりも十分に低くしながらかつ、カバー６外側のＰＭ濃度と連動して変化させることができる。これにより、カバー６外側のＰＭの濃度が高い状態であっても、センサ素子１２に短時間で過剰な量のＰＭが付着するのを防ぐことができ、また、センサ素子１２の静電容量の変化の測定に基づいてカバー６外側のＰＭの濃度を推定することができる。したがって、例えばＰＭを捕集するＤＰＦ３の上流側やエンジン１の直下などといったＰＭの高濃度環境下であっても、センサ素子１２が飽和に達するまでの時間を長くできるので、センサ素子１２の再生頻度を少なくし、ひいては少ない電力消費量でかつ長時間にわたりＰＭの濃度を推定することができる。
本実施形態によれば、センサ素子１２に集塵電圧を印加することにより、カバー６内においてセンサ素子１２から離れた粒ＰＭを引き付けるようにして、センサ素子１２にＰＭを積極的に付着させることができるので、速やかにＰＭの基盤を形成し、センサ素子１２を速やかに濃度の推定が可能な状態にすることができる。

（２）本実施形態では、流入孔を２つで一対とし、これら一対の流入孔６２ａ，６２ｂを、仮想軸Ａ１を中心として対称かつセンサ素子１２からのオフセット距離ｄが等しくなるように形成することにより、センサ素子１２に偏り無く均一にＰＭを付着させることができるので、ＰＭ濃度の推定精度を高くできる。また、ＰＭをセンサ素子１２に均一に付着させることにより、適切なタイミングでセンサ素子１２が飽和に達したと判断できるので、センサ素子１２の再生頻度を最小限にすることができ、ひいては消費電力量を最小限にできる。

（３）本実施形態によれば、集塵電圧の印加時におけるセンサ素子１２の周囲の電界の強さが、一対の流入孔６２ａ，６２ｂの両方の位置において等しくなるようにすることにより、各流入孔６２ａ，６２ｂから流入したＰＭをセンサ素子１２に等しい力で引き寄せることができるため、センサ素子１２に均一な厚みのＰＭの基盤を形成することができる。したがって、ＰＭ濃度の推定精度をさらに向上でき、また消費電力量をさらに低減できる。

（４）本実施形態によれば、センサ素子１２を集塵電極層１２３，１２８で挟まれたキャビティ構造とした上、さらにその長手方向を排気の流れ方向に対し平行又は垂直となるようにすることにより、各流入孔６２ａ，６２ｂから流入したＰＭを、キャビティ部１２０内に均一に付着させることができる。したがって、ＰＭ濃度の推定精度をさらに向上でき、また消費電力量をさらに低減できる。

（５）本実施形態によれば、流出孔６３ａ，６３ｂを、胴部６１のうち排気の下流側に面した部分のうち、流入孔６２ａ，６２ｂから排気の流れ方向に沿った直線Ａ２，Ａ３上に形成することにより、カバー６外側から流入孔６２ａ，６２ｂを介して流入したＰＭの多くをそのまま流出孔６３ａ，６３ｂからカバー６外側へ排出させることができるため、カバー６内側にＰＭが滞留するのを防ぐことができる。
また、胴部６１のうち排気の下流側に面した部分に、このような流出孔６３ａ，６３ｂを形成することにより、カバー外側の排気の流れに引き込まれるようにしてカバー６内側の排気を排出できるので、カバー６内側の圧力を低くすることができる。カバー６内側の圧力を低く維持すると、流入孔６２ａ，６２ｂから流入した排気は、カバー６内側でゆるやかに拡散し、流出孔６３ａ，６３ｂから排出されることとなる。これにより、カバー６内側のセンサ素子１２の周囲のＰＭの濃度を、カバー６外側の濃度変動が反映されたものにしながらかつ低く維持することができるので、ＰＭセンサ１１による濃度の推定精度をさらに向上することができる。
また、このようにカバー６内側のガス抜け性を向上することにより、カバー６外側の排気を流入孔６２ａ，６２ｂから導入しやすくできるので、カバー６外側のＰＭの濃度の変化を、カバー６内側のセンサ素子１２の周囲のＰＭの濃度の変化に速やかに反映させることができ、ひいてはＰＭセンサ１１による濃度推定の遅れを小さくできる。

（６）本実施形態によれば、胴部６１の延在方向を排気の流れ方向に対し垂直にした上、底部６４のうち排気の流れ方向に対し平行な部分にガス抜け孔６５を形成することにより、カバー６外側の排気の流れに引き込まれるようにしてカバー６内側の排気を排出できるので、カバー６内側の圧力を低くすることができる。したがって、上述のように、センサ素子１２の周囲のＰＭ濃度を、カバー６外側の濃度変動が反映されたものにしながらかつ低く維持することができるので、ＰＭセンサ１１による濃度の推定精度をさらに向上することができる。また、カバー６内側のガス抜け性を向上することにより、上述のようにＰＭセンサ１１による濃度推定の遅れを小さくできる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限るものではない。
上記実施形態では、ＰＭをキャビティ部１２０に積極的に付着させるための集塵電圧を印加する集塵電極層１２３，１２８と、キャビティ部１２０の電気的特定を測定するために測定電圧を印加する測定電極１２７Ａ，１２７Ｂとが別体で構成されたセンサ素子１２を用いたが、本発明はこれに限らない。例えば、集塵電圧を印加する電極と測定電圧を印加する電極とが共通となったセンサ素子も周知であるから、このような共通電極を備えたセンサ素子を用いてもよい。

また、上記実施形態では、ＰＭを付着させる部分が空洞状になったキャビティ部１２０を備えるセンサ素子１２を例に説明したが、本発明はこのようなキャビティ構造を有さないセンサ素子、より具体的には、電極板の一方の面にのみＰＭを付着させるセンサ素子にも適用できる。

また、上記実施形態では、図５を参照して説明したように、静電集塵を開始しキャビティ部内にＰＭの基盤が形成された後は、集塵電圧の印加を停止し、それ以降は自然集塵に切り替えたが、本発明はこれに限るものではない。上述のように、保護カバー内側のセンサ素子の周囲のＰＭ濃度は、流入孔や流出孔の径の大きさなどに応じて変化する。このため、自然集塵のみでは十分な量のＰＭをセンサ素子に付着させることができない場合もある。このような場合、キャビティ部内にＰＭの基盤が形成された後も、引き続き静電集塵を行ってもよい。

上記実施形態では、流入孔は２つで一対とし、一対のみ形成された例を示したが、本発明はこれに限らない。例えば、二対以上形成してもよい。
また、上記実施形態では、流入孔は直径が約２ｍｍ程度の円形のものとしたが、流入孔の形状は、これに限らない。流入孔の形状は、例えば矩形のスリット状としてもよい。ただし、流入孔をスリット状とした場合、その短手方向に沿った長さは、約２ｍｍ程度とすることが好ましい。

また、上記実施形態では、図６を参照して説明したように、一対の流入孔６２ａ，６２ｂと、一対の流出孔６３ａ，６３ｂと、ガス抜け孔６５との合計５つの孔を保護カバー６に形成した例を説明したが、本発明はこれに限らない。この他、図１０に示すように、保護カバー６Ａの胴部６１のうち、幅方向の両端側に、一対の貫通孔６７ａ，６７ｂをさらに形成してもよい。このような位置に貫通孔６７ａ，６７ｂを形成することにより、上述の流出孔６３ａ，６３ｂやガス抜け孔６５と同様のガス抜け作用が期待できる。

１…エンジン（内燃機関）
１１…ＰＭセンサ（粒子状物質検出装置）
１３…集塵用ＤＣ電源（集塵手段、電源）
１８…センサ本体
１２…センサ素子（電極部）
１２０…キャビティ部
３…ＤＰＦ
４…排気管
５…ＥＣＵ（集塵手段、制御装置）
６，６Ａ…保護カバー（カバー）
６１…胴部
６２ａ，６２ｂ…流入孔
６３ａ，６３ｂ…流出孔
６４…底部
６５…ガス抜け孔（貫通孔）

Claims (7)

1. 内燃機関の排気管に設けられ、排気中の粒子状物質を検出するセンサ本体と、
   前記排気管内で前記センサ本体の電極部を保護するカバーと、を備え、
   前記カバーには、粒子状物質を当該カバーの内側へ流入させる流入孔と、粒子状物質を当該カバーの内側から流出させる流出孔と、が形成され、
   前記電極部の電気的特性の変化の測定に基づいて、前記カバーの外側を流通する排気の粒子状物質の濃度を推定する粒子状物質検出装置であって、
   前記カバーの内側に流入した粒子状物質を、電圧を印加することで前記電極部に付着させる集塵手段をさらに備え、
   前記カバーは、前記電極部を囲繞する筒状の胴部と当該胴部の一方の端部を塞ぐ底部とを有する有底筒状であり、
   前記流入孔は、前記胴部のうち排気の上流側に面した部分であり、かつ、排気の流れ方向に垂直な幅方向に沿って前記電極部からオフセットした位置にのみ形成されることを特徴とする粒子状物質検出装置。
2. 前記流入孔は、２つで一対として、前記胴部のうち排気の上流側に面した部分に一対以上形成され、
   前記一対の流入孔は、前記幅方向に沿った前記電極部からのオフセット距離が等しくなるように、排気の流れ方向に平行かつ前記電極部を通過する仮想軸を中心として対称な位置に形成されることを特徴とする請求項１に記載の粒子状物質検出装置。
3. 前記電極部は、前記集塵手段により電圧を印加したときに当該電極部の周囲に形成される電界の強さが、前記一対の流入孔の両方の位置で等しくなるように、前記カバーの内側に設けられることを特徴とする請求項２に記載の粒子状物質検出装置。
4. 前記電極部は、前記集塵手段により電圧が印加される一対の電極板と、これら一対の電極板の間に介装された板状のスペーサと、を組み合わせて形成され、
   前記一対の電極板の間には、粒子状物質が付着する空洞状のキャビティ部が形成され、
   前記電極部は、前記キャビティ部の一方の開口から他方の開口へ向かう長手方向が、排気の流れ方向に対し平行又は垂直になるように、前記カバー内に設けられることを特徴とする請求項２又は３に記載の粒子状物質検出装置。
5. 前記流出孔は、前記胴部のうち排気の下流側に面した部分のうち、前記流入孔から排気の流れ方向に沿った直線上に形成されることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の粒子状物質検出装置。
6. 前記カバーは、前記排気管内において排気の流れ方向に対し前記胴部の延在方向を垂直にして設けられ、
   前記底部のうち前記排気の流れ方向に対し平行な部分には貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の粒子状物質検出装置。
7. 前記集塵手段は、前記電極部に接続された電源と当該電源を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記電極部への粒子状物質の付着量が前記電気的特性の変化に基づく濃度の推定が可能になる所定量に達するまで前記電極部に電圧を印加し、前記電極部への粒子状物質の付着量が前記所定量に達した後は前記電極部への電圧の印加を停止することを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の粒子状部室検出装置。

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