JP2017198488A

JP2017198488A - 電流測定装置および微粒子検出装置

Info

Publication number: JP2017198488A
Application number: JP2016087728A
Authority: JP
Inventors: 一成小久保; Kazunari Kokubo
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2016-04-26
Filing date: 2016-04-26
Publication date: 2017-11-02

Abstract

【課題】コロナ放電の電圧を安定化するために、コロナ電流を含む電流を測定する。【解決手段】絶縁トランスの一次側に印加された一次電圧に応じて前記絶縁トランスの二次側に発生された二次電圧を用いて、一次側に印加された電圧より高圧の直流電圧を発生させ、この直流電圧により、所定の空間にコロナ放電を発生させる。このとき、所定の空間を介して流れる測定電流を電圧信号に変換し、これを、時間と共に漸増または漸減する部分の繰り返しを少なくとも含む基準電圧信号と比較回路により比較し、パルス幅の信号に変換する。変換されたパルス幅の信号を、電気的な絶縁を保って測定回路に入力し、測定電流を測定する。【選択図】図４

Description

本発明は、微粒子の測定に用いる電流測定装置および微粒子検出装置に関する。

気体中の微粒子（ＰＭ）を検出する微粒子検出装置としてコロナ放電を利用したものが知られている（例えば下記特許文献１参照）。こうした装置では、コロナ放電の際のコロナ電流を制御して、コロナ放電により一定量のイオンを発生させる。このイオンの一部が微粒子を帯電させることから、イオンにより帯電された微粒子を外部に放出することで生じるイオン電流を測定することで、微粒子を測定している。帯電する微粒子の量は、発生したイオンの量にも影響をうけるから、発生するイオンの量を一定に制御するため、コロナ放電に用いられる電流の大きさを測定することが必要になる。

特開２０１４−２１９２５５号公報

上記特許文献１の微粒子測定の技術は、測定側とコロナ放電の発生側とを絶縁した上で、コロナ電流を測定する優れたものであるが、測定回路の精度の向上が更に望まれていた。特に、コロナ放電に伴う電流は、通常、マイクロアンペア（μＡ）程度の微少電流であるため、これを高精度に検出するために、測定回路におけるオフセット誤差やゲイン誤差の低減が求められていた。

引用文献１記載の構成では、コロナ電流に対応する電圧信号を、電気的な絶縁を保ったまま測定側に渡すために、Ａ／Ｄ変換器を用い、その出力をフォトカプラの入力側に接続している。そしてフォトカプラで絶縁された出力側の信号をＤ／Ａ変換器で再びアナログ信号に変換して、センサ制御部に入力している。このため、既存のＡ／Ｄ変換器やＤ／Ａ変換器の変換速度や変換精度の制約を受けてしまい、もとめる性能を達成することが困難だった。

また、コロナ電流に対応する電圧信号をそのまま読み取る回路構成では、回路構成の一部に何らかの不具合が生じても、これを判別することは困難であった。例えば、Ａ／Ｄ変換器やＤ／Ａ変換器が故障して、その出力がコロナ電流とは関係がない値に固定されても、これを識別することは困難であった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様又は適用例として実現することが可能である。

（１）本発明の第１態様として、電流測定装置が提供される。この電流測定装置は、絶縁トランスの一次側に印加された一次電圧に応じて前記絶縁トランスの二次側に発生された二次電圧を用いて、前記一次側に印加された電圧より高圧の直流電圧を発生させる昇圧回路と、前記昇圧回路に接続された電極を備え、前記直流電圧により、所定の空間にコロナ放電を発生させる放電部と、前記所定の空間を形成する少なくとも一部が導電性のケースを介して流れる測定電流であって、前記コロナ放電によるコロナ電流を含む前記測定電流を電圧信号に変換する電圧変換部と、時間と共に漸増または漸減する部分の繰り返しを少なくとも含む基準電圧信号を生成する発振回路と、前記変換された電圧信号を前記基準電圧信号と比較することにより、前記測定電流の大きさに対応したパルス幅の信号に変換する比較回路と、前記変換されたパルス幅の信号を、電気的な絶縁を保って入力し、前記測定電流を測定する測定回路と、を備える。

かかる電流測定装置は、コロナ電流を含む測定電流を電圧信号に変換し、これを電圧信号に変換した上で、発振回路が出力する基準電圧信号と、比較回路により比較してパルス幅の信号に変換する。この信号は、測定電流の大きさに対応したパルス幅を備えるので、これを用いて測定電流を測定することができる。従って、測定電流の測定の応答性や分解能などの設定やその変更に容易に行なうことができる。

（２）こうした電流測定装置において、前記測定回路による測定結果を入力し、前記測定電流が安定化するように、前記絶縁トランスの前記一次側の電圧を制御する電圧制御部を更に備えるものとしてもよい。こうすれば、コロナ電流を含む測定電流を測定できるだけでなく、その安定化を図ることも容易である。

（３）こうした電流測定装置において、前記発振回路は、三角波、正弦波、鋸波のうちのいずれか一つの形態で前記基準電圧信号を生成するものとしてよい。これらの信号は、生成することが容易である。なお、これ以外に台形波を用いてもよい。

（４）本発明の第２の態様として、気体中の微粒子を検出する微粒子検出装置が提供される。この微粒子検出装置は、前記気体が流通する測定室と、前記測定室に設けられ、前記測定室内に設けられたコロナ放電用電極に直流電圧を印加してコロナ放電を生じさせるコロナ放電部と、前記コロナ放電によって発生したイオンにより、前記気体中の微粒子を帯電させ、前記微粒子の帯電により変化するイオン電流を測定するイオン電流測定部と、前記測定した前記イオン電流に基づいて、前記微粒子を検出する微粒子検出部と、を備える。

かかる態様の微粒子検出装置において、コロナ放電部は、絶縁トランスの一次側に印加された一次電圧に応じて前記絶縁トランスの二次側に発生された二次電圧を用いて、前記直流電圧を発生させる昇圧回路と、前記昇圧回路の出力を前記コロナ放電用電極に接続し、前記直流電圧により、前記所定の空間を介して流れる測定電流であって、前記コロナ放電によるコロナ電流を含む前記測定電流を電圧信号に変換する電圧変換部と、時間と共に漸増または漸減する部分の繰り返しを少なくとも含む基準電圧信号を生成する発振回路と、前記変換された電圧信号を前記基準電圧信号と比較することにより、前記測定電流の大きさに対応したパルス幅の信号に変換する比較回路と、前記変換されたパルス幅の信号を、電気的な絶縁を保って入力し、前記測定電流を安定化するように、前記絶縁トランスの一次側の電圧を制御する電圧制御部とを備えてよい。かかる微粒子検出装置は、前記測定電流が安定化された状態で、前記微粒子の検出を行なう。

（５）上記微粒子検出装置において、前記電圧制御部は、前記パルス幅が、前記基準電圧信号の周波数から想定されるパルス幅の範囲外となっている場合に、前記コロナ放電部に故障が生じたと判断するものとしてよい。こうすれば、電圧制御部は、コロナ放電部の故障を容易に検出することができる。この結果、電圧制御部は、故障検出の結果を外部に報知するなどの対応をとってもよく、絶縁トランスの一次側の電圧を制御して、故障発生時のコロナ放電を停止するなどの対応を執ることも可能である。

本発明は、上記態様の他、測定したコロナ放電の電流に基づいて、コロナ放電を安定化させる装置や、排ガス中の微粒子を検出して排ガスを排気した内燃機関などの運転を制御する装置などとして実施することも可能である。

第１実施形態に係る微粒子検出装置の全体構成を説明するための説明図である。微粒子センサの先端部の概略構成を模式的に示した説明図である。電気回路部の概略構成を例示した説明図である。二次側の詳細な回路構成を示す回路図である。発振回路と比較回路との電気信号の様子を示す説明図である。故障検出を伴う微粒子量検出処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。第２実施形態における電気回路部の概略構成を例示した説明図である。第２実施形態における微粒子センサの先端部分の形状を模式的に示す説明図である。第２実施形態における二次側の詳細な回路構成を示す回路図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態に係る微粒子検出装置１０の全体構成を説明するための説明図である。図１の上欄（ａ）は、微粒子検出装置１０を搭載した車両５０の概略構成を例示した説明図である。図１の下欄（ｂ）は、車両５０に取り付けられた微粒子検出装置１０の概略構成を例示した説明図である。図１の下欄（ｂ）に示した範囲が、電流測定装置の実施形態に相当する。即ち、図１の微粒子検出装置１０は、電流測定装置を内蔵している。以下、両者を一体に説明する。

第１実施形態の微粒子検出装置１０は、微粒子センサ１００と、ケーブル２０と、センサ駆動部３０とを含んで構成され、内燃機関４０から排出される排ガスＥＧに含まれる煤などの微粒子の量を測定する。内燃機関４０とは、車両５０の動力源であり、本実施形態では、ディーゼルエンジンである。

微粒子センサ１００は、内燃機関４０から延びる排ガス配管６２に取り付けられるとともに、ケーブル２０によってセンサ駆動部３０と電気的に接続されている。本実施形態では、微粒子センサ１００は、フィルタ装置４１（例えば、ＤＰＦ（Diesel particulate filter））よりも下流側の排ガス配管６２に取り付けられている。微粒子センサ１００は、気体である排ガスＥＧに含まれる微粒子の量に相関する信号をセンサ駆動部３０に出力する。

センサ駆動部３０は、微粒子センサ１００を駆動させるとともに、微粒子センサ１００から入力される信号に基づいて、排ガスＥＧ中の微粒子の量を検出する。センサ駆動部３０が検出する「排ガスＥＧ中の微粒子の量」とは、排ガスＥＧ中の微粒子の表面積の合計に比例する値であってもよいし、微粒子の質量の合計に比例する値であってもよい。または、排ガスＥＧの単位体積中に含まれる微粒子の個数に比例する値（微粒子の濃度）であってもよい。この場合には、微粒子センサ１００を通過した排ガスＥＧの量を別途測定しておく。微粒子センサ１００を通過する排ガスＥＧの量は、排ガス配管６２に設けた流量センサ（図示省略）の出力から求めたり、車両の運転状態に関する複数のパラメータを用いた公知の手法により推定したりすることができる。

センサ駆動部３０は、車両５０側の車両制御部４２と電気的に接続されており、検出した排ガスＥＧ中の微粒子量を示す信号を車両制御部４２に出力する。車両制御部４２は、センサ駆動部３０から入力される信号に応じて、内燃機関４０の燃焼状態や、燃料配管６１を介して燃料供給部４３から内燃機関４０に供給される燃料の供給量などを制御する。車両制御部４２は、例えば、排ガスＥＧ中の微粒子量が所定量よりも多い場合には、フィルタ装置４１の劣化や異常を車両５０の運転手に警告するように構成されていてもよい。車両には、バッテリ４４が搭載されており、車両の各部に電力を供給する。後述する各回路は、電源回路を備える場合があり、このバッテリ４４からの電力を元に、必要に応じて動作用の電圧を提供する。

図１下欄（ｂ）に示すように、微粒子センサ１００は、円筒形状の先端部１００ｅを備えており、この先端部１００ｅが排ガス配管６２の内側に挿入された状態で、排ガス配管６２の外表面に固定されている。ここでは、微粒子センサ１００の先端部１００ｅは、排ガス配管６２の延伸方向ＤＬに対してほぼ垂直に挿入されている。先端部１００ｅのケーシングＣＳの表面には、排ガスＥＧをケーシングＣＳの内部に取り込むための流入孔１４５と、取り込んだ排ガスＥＧをケーシングＣＳの外部に排出するための排出孔１３５とが設けられている。排ガス配管６２の内部を流通する排ガスＥＧの一部は、流入孔１４５を介して先端部１００ｅのケーシングＣＳの内部に取り込まれる。取り込まれた排ガスＥＧ中に含まれる微粒子は、微粒子センサ１００において生成するイオン（ここでは、陽イオン）によって帯電される。帯電した微粒子を含む排ガスＥＧは、排出孔１３５を介してケーシングＣＳの外部に排出される。ケーシングＣＳの内部の構成や、微粒子センサ１００の具体的な構成については後述する。

微粒子センサ１００の後端部１００ｒには、ケーブル２０が取り付けられている。ケーブル２０は、第１の配線２１と、第２の配線２２と、信号線２３と、空気供給管２４と、を束ねた構成を備えている。ケーブル２０を構成する配線２１〜２３と、空気供給管２４は、それぞれ可撓性の部材によって構成されている。第１の配線２１、第２の配線２２、および、信号線２３は、センサ駆動部３０の電気回路部７０に電気的に接続され、空気供給管２４は、空気供給部８０に接続されている。

センサ駆動部３０は、制御部６０と、電気回路部７０と、空気供給部８０とを備えている。制御部６０と電気回路部７０との間、および、制御部６０と空気供給部８０との間は、必要な電気的な絶縁を施した上で、それぞれ電気的な信号のやり取りが可能とされている。

制御部６０は、マイクロコンピュータを含んで構成されており、電気回路部７０と空気供給部８０とを制御する。また、制御部６０は、電気回路部７０から入力される信号から排ガスＥＧ中の微粒子の量を検出し、排ガスＥＧ中の微粒子量を表す信号を車両制御部４２に出力する。この他、制御部６０は、電気回路部７０の異常検出も行なう。制御部６０が行なう異常検出の処理については、後で詳しく説明する。

電気回路部７０は、第１の配線２１および第２の配線２２を介して、微粒子センサ１００を駆動するための電力を供給する。また、電気回路部７０は、信号線２３を介して微粒子センサ１００からコロナ電流に相関する信号が入力される。電気回路部７０は、信号線２３から入力される信号を用いて、コロナ電流の安定化を図り、その上で、排ガスＥＧ中の微粒子量に対応するイオン電流に応じた信号を制御部６０に出力する。これらの信号の具体的な内容については後述する。

空気供給部８０は、ポンプ（図示しない）を含んで構成されており、制御部６０からの指示に基づいて、空気供給管２４を介して、高圧空気を微粒子センサ１００に供給する。空気供給部８０から供給される高圧空気は、微粒子センサ１００を駆動させるときに用いられる。なお、空気供給部８０が供給するガスの種類は空気以外であってもよい。

図２は、微粒子センサ１００の先端部１００ｅの概略構成を模式的に示した説明図である。微粒子センサ１００の先端部１００ｅは、全体が、排ガス配管６２の内部に配置され、排ガスＥＧに晒されている。微粒子センサ１００の先端部１００ｅは、イオン発生部１１０と、排ガス帯電部１２０と、イオン捕捉部１３０と、を備えている。ケーシングＣＳは、イオン発生部１１０、排ガス帯電部１２０、および、イオン捕捉部１３０の３つの機構部がこの順に先端部１００ｅの基端側（図２の上方）から先端側（図２の下方）に向かって（換言すれば、微粒子センサ１００の軸線方向に沿って）並んだ構成を有している。ケーシングＣＳは、導電性部材によって形成され、信号線２３（図１）を介して、図３、図４を用いて後述するように、電気回路部７０の内部で、二次側グランドＳＧＬに接続されている。

イオン発生部１１０は、排ガス帯電部１２０に供給するイオン（ここでは陽イオン）を発生させるための機構部であり、イオン発生室１１１と、第１の電極１１２とを含んで構成されている。イオン発生室１１１は、ケーシングＣＳの内側に形成された小空間であり、内周面には空気供給孔１５５とノズル１２４とが設けられ、内部には第１の電極１１２が突出した状態で取り付けられている。空気供給孔１５５は、空気供給管２４（図１）と連通しており、空気供給部８０（図１）から供給される高圧空気をイオン発生室１１１に供給する。ノズル１２４は、排ガス帯電部１２０との間を区画する隔壁１４２の中心部付近に設けられた微小孔（オリフィス）であり、イオン発生室１１１で発生したイオンを排ガス帯電部１２０の帯電室１２１に供給する。第１の電極１１２は、棒状の外形を備え、先端部が隔壁１４２と近接するようにして基端部がセラミックパイプ２５を介してケーシングＣＳに固定されている。第１の電極１１２は、第１の配線２１（図１）を介して電気回路部７０（図１）に接続されている。その詳細は後述する。

イオン発生部１１０は、第１の電極１１２を陽極とし、隔壁１４２を陰極として、電気回路部７０により、直流電圧（例えば、２〜３ｋＶ）が印加される。イオン発生部１１０は、この電圧の印加によって、第１の電極１１２の先端部と、隔壁１４２との間にコロナ放電が生じる。コロナ放電は、第１の電極１１２周辺の空気を構成する分子の一部を電離する。これにより、第１の電極１１２の周りに陽イオンＰＩが発生する。イオン発生部１１０において発生した陽イオンＰＩは、空気供給部８０（図１）から供給される高圧空気とともに、ノズル１２４を介して排ガス帯電部１２０の帯電室１２１に噴射される。ノズル１２４から噴射される空気の噴射速度は音速程度とすることが好ましい。

排ガス帯電部１２０は、排ガスＥＧに含まれる微粒子を陽イオンＰＩによって帯電させるための部位であり、帯電室１２１を備えている。帯電室１２１は、イオン発生室１１１と隣接する小空間であり、ノズル１２４を介してイオン発生室１１１と連通している。また、帯電室１２１は、流入孔１４５を介して、ケーシングＣＳの外部と連通し、ガス流路１３４を介してイオン捕捉部１３０の捕捉室１３１と連通している。帯電室１２１は、ノズル１２４から陽イオンＰＩを含む空気が噴射されたときに内部が負圧になり、流入孔１４５を介してケーシングＣＳの外部の排ガスＥＧが流入するように構成されている。そのため、ノズル１２４から噴射された陽イオンＰＩを含む空気と、流入孔１４５から流入した排ガスＥＧとは、帯電室１２１の内部において混合される。このとき、流入孔１４５から流入した排ガスＥＧに含まれる煤Ｓ（微粒子）の少なくとも一部は、ノズル１２４から供給される陽イオンＰＩにより帯電される。帯電した煤Ｓと帯電に供されなかった陽イオンＰＩとを含む空気は、ガス流路３１を介してイオン捕捉部１３０の捕捉室１３１に供給される。

図２において、陽イオンＰＩを「○」に「＋」として、煤Ｓをハッチングした「○」として、それぞれ図示した。陽イオンＰＩは、視認できないので、図示は理解を図るための模式なものである。また、煤Ｓの大きさも、説明のためであり、実際には、０．１μｍから数十μｍ程度のものが多い。微粒子である煤Ｓの大きさいは、使用する内燃機関４０の種類やその燃料、燃焼の状態などにより異なる。

イオン捕捉部１３０は、煤Ｓ（微粒子）の帯電に使用されなかったイオンを捕捉するための部位であり、捕捉室１３１と、第２の電極１３２とを含んで構成されている。捕捉室１３１は、帯電室１２１と隣接する小空間であり、ガス流路１３４を介して帯電室１２１と連通している。また、捕捉室１３１は、排出孔１３５を介して、ケーシングＣＳの外部と連通している。

第２の電極１３２は、略棒状の外形を備え、長手方向がガス流路１３４を流通する空気の流通方向（ケーシングＣＳの延伸方向）に沿うようにしてケーシングＣＳに固定されている。第２の電極１３２は、第２の配線２２（図１）を介して電気回路部７０（図１）に接続されている。第２の電極１３２は、煤Ｓの帯電に供されなかった陽イオンの捕捉を補助する補助電極として機能する。具体的には、イオン捕捉部１３０は、電気回路部７０により、第２の電極１３２を陽極とし、帯電室１２１および捕捉室１３１を構成するケーシングＣＳを陰極として、１００Ｖ程度の電圧が印加されている。これにより、煤Ｓの帯電に用いられなかった陽イオンＰＩは、第２の電極１３２から斥力を受けて、第２の電極１３２から離れる方向に移動しやすい状態とされる。移動方向が第２の電極１３２から離れる方向とされた陽イオンＰＩは、陰極として機能する捕捉室１３１やガス流路１３４の内周壁に捕捉される。一方、陽イオンＰＩが帯電された煤Ｓは、陽イオンＰＩの単体と同様に第２の電極１３２から斥力を受けるが、質量が陽イオンＰＩと比較して格段に大きいため、斥力によってその進行方向に与えられる影響が、単体の陽イオンＰＩに比較して小さい。そのため、帯電した煤Ｓは、排ガスＥＧの流れに従って、排出孔１３５からケーシングＣＳの外部へと排出される。

微粒子センサ１００は、イオン捕捉部１３０における陽イオンＰＩの捕捉量に応じた電流の変化を示す信号を出力する。制御部６０（図１）は、微粒子センサ１００から出力された信号に基づいて、排ガスＥＧ中に含まれる煤Ｓの量を検出する。微粒子センサ１００から出力される信号から排ガスＥＧ中に含まれる煤Ｓの量を算出する方法については後述する。

図３は、電気回路部７０の概略構成を示す説明図である。電気回路部７０は、ドライバ７１と、絶縁トランス７２と、コロナ電流測定回路７３と、イオン電流測定回路７４と、第１，第２，第３の整流回路８１，８２，１２と、を備えている。電気回路部７０は、絶縁トランス７２を挟んで、大きくは絶縁トランス７２の一次側と二次側とに分けられる。一次側と二次側とは、それぞれ独立の電源により動作する。一次側の電源は、バッテリ４４に接続された電源部４６により、安定化された電圧として供給される。ドライバ７１の各回路７５．７６はもとより、制御部６０等も、電源部４６からドライバ７１に供給される直流電源により動作する。この電源は、図３を初めとする各図において、「○」印にＶp として示した。なお、二次側の電源は、複数種類存在するので、別途説明する。

本実施形態の絶縁トランス７２は、一次側の巻線と二次側の巻線とが、電気的にはもとより、物理的にも接触していない。このため、絶縁トランス７２の一次側と二次側とは、完全に切り離されている。図３において、破線は、電気回路部７０の一次側と二次側の境界を示している。絶縁トランス７２の一次側の回路としては、ドライバ７１のほか、制御部６０や電源部４６が含まれる。絶縁トランス７２の二次側の回路としては、微粒子センサ１００や第１，第２，第３の整流回路８１，８２，１２が含まれる。コロナ電流測定回路７３とイオン電流測定回路７４は、絶縁トランス７２の一次側の回路と二次側の回路との間に跨がる回路であり、両方の回路にそれぞれ電気的に接続されている。コロナ電流測定回路７３は、後述するように、絶縁トランス７２の一次側の回路に電気的に接続される回路部分と、二次側の回路に電気的に接続されている回路部分とが存在するが、両者は、電気的に絶縁されている。

電気的に絶縁された一次側と二次側とは、それぞれ個別にグランド電位（接地電位）を定め、接地配線を設けている。ここでは、一次側の回路の基準電位を示すグランドを「一次側グランドＰＧＬ」と呼び、図３等では「▽」印により示すものとした。また、二次側の回路の基準電位を示すグランドを「二次側グランドＳＧＬ」と呼び、同じく図３等では、「▼」印で示すものとした。絶縁トランス７２は、二次側の巻線の終端のタップＳＴ４が二次側グランドＳＧＬに接続されている。イオン電流測定回路７４は、一次側グランドＰＧＬに接続されている（図４参照）。

ドライバ７１は、絶縁トランス７２の一次側巻線に供給する電力を調整する回路であり、放電電圧制御回路７５とトランス駆動回路７６とを備える。ドライバ７１は、この放電電圧制御回路７５とトランス駆動回路７６との協働により、絶縁トランス７２の一次側と共に、プッシュプル型の電源回路を構成する。放電電圧制御回路７５は、出力電圧可変のＤＣ／ＤＣコンバータ（図示省略）を内蔵し、電源部４６の出力する電圧Ｖｐを昇圧し、これを、絶縁トランス７２の一次側巻線のセンタタップＰＴ１に印加する。ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧は、制御部６０により調整可能である。トランス駆動回路７６は、絶縁トランス７２の一次側巻線の両端のタップＰＴ２，ＰＴ３にそれぞれ接続される２つのスイッチング素子を備える。スイッチング素子は、ドライバ７１の一次側グランドＰＧＬとタップＰＴ２、ＰＴ３との間に介装されている。トランス駆動回路７６は、この２つのスイッチング素子を数十ＫＨｚで交互に繰り返しオン・オフすることで、放電電圧制御回路７５から供給される直流電圧を交流に変換する。こうした一次側に印加された交流電圧を、絶縁トランス７２は、その一次側と二次側のコイルの巻線比より変換し、二次側の電圧を生成する。絶縁トランス７２の二次側の回路構成については、後述する。

電源部４６が生成する電圧Ｖｐで動作するもうひとつの回路である制御部６０は、第１の配線２１を介して微粒子センサ１００の第１の電極１１２に供給される入力電流Ｉ_inの電流値が予め設定された目標電流値（例えば、５μＡ）となるように、絶縁トランス７２の一次側に印加される電圧を制御する。この制御の方法については後述する。これにより、イオン発生部１１０において、コロナ放電によって発生する陽イオンＰＩの発生量は一定に保たれる。

絶縁トランス７２は、上述したように、プッシュプル型の電源回路を構成する。絶縁トランス７２の二次側の電圧は、一次側に供給される電圧と、一次側巻線および二次側巻線の巻線数の比とに応じて定まる。二次巻線には複数のタップが設けられ、二次側のグランドＳＧＬに対して、全部で３種類の交流電圧を取り出すことができる。図４に示すように、最も巻線数比の高いタップＳＴ１の出力は、第１の整流回路８１に接続され、次に巻線数比の高いタップＳＴ２の出力は、第２の整流回路８２に接続されている。最も巻線数比の低いタップＳＴ３の出力は、第３の整流回路１２に、接続されている。

第１，第２の整流回路８１、８２は、絶縁トランス７２から出力されたそれぞれの電圧の交流を整流し、直流に変換する。第１の整流回路８１は、多段のチャージポンプからなり、直流に変換した電圧を、１０倍程度の電圧に昇圧する。図３に示すように、第１の整流回路８１の出力（直流）は、ショート保護用抵抗８３を介して第１の電極１１２に接続されており、変換した直流電圧を、第１の配線２１を介して第１の電極１１２に印加する。すなわち、第１の整流回路８１により印加される直流電圧は、ほぼ第１の電極１１２における放電電圧となり、第１の整流回路８１から供給される直流電流は、第１の電極１１２に入力される入力電流Ｉ_inとなる。第２の整流回路８２は、絶縁トランス７２により昇圧された交流電圧を整流する。第２の整流回路８２は、ショート保護用抵抗８４を介して第２の電極１３２に接続されており、整流後の直流電圧を第２の配線２２を介して第２の電極１３２に印加する。上記の説明では、第２の整流回路８２は第１の整流回路８１とは、異なる回路構成としたが、第１の整流回路８１と同様、チャージポンプを用いた構成としてもよい。第３の整流回路１２については、後で詳しく説明する。

コロナ電流測定回路７３は、イオン発生部１１０において発生するコロナ放電によって流れる放電電流（コロナ電流）の電流値を検出するための回路であり、イオン電流測定回路７４は、イオン捕捉部１３０において捕捉されずに流出した陽イオンＰＩに相当する電流（Ｉ_c）を二次側の回路に供給することで、イオン電流を測定する回路である。コロナ電流測定回路７３等の詳細な回路構成は、図４を用いて説明するので、ここでは簡単に各部の接続についてのみ説明する。

微粒子センサ１００のケーシングＣＳからの信号線２３は、電気回路部７０の内部で、イオン電流測定回路７４の入力ライン９５と接続されており、接続後の信号ライン９８は、電圧変換部に相当するシャント抵抗器Ｒ１を介して、二次側グランドＳＧＬに接続されている。このシャント抵抗器Ｒ１の両端は、配線９１，９２により、コロナ電流測定回路７３の二次側に接続されている。コロナ電流測定回路７３の一次側は、配線９３により、制御部６０に接続されている。他方、イオン電流測定回路７４の出力は、配線９４により、制御部６０に接続されている。

次に、図４を用いて、第３の整流回路１２とコロナ電流測定回路７３の詳細について説明する。第３の整流回路１２は、フォワード方式を採用しており、絶縁トランス７２から所定電圧の交流を入力し、これを整流して、直流電圧に変換する。変換された直流電圧は完全な直流にはなっていないので、後段の二次側電圧生成回路１３に入力し、安定な直流定電圧を得る。二次側電圧生成回路１３は、精度の良い三端子レギュレータ等により容易に実現できる。二次側電圧生成回路１３の出力は、コロナ電流測定回路７３を構成するオペアンプなどの電源として用いられる。これを、駆動電圧Ｖccと呼ぶものとし、図４においては、「●」印に「Ｖcc」として示した。

駆動電圧Ｖccにより動作するコロナ電流測定回路７３は、発振回路１４と、抵抗器Ｒ２，Ｒ３と共に非反転増幅器を構成するオペアンプ１５と、比較回路として構成されたオペアンプ１６と、フォトカプラ１７と、フォトカプラ１７を駆動するトランジスタＴＲ１とを備える。発振回路（ＯＳＣ）１４は、内部に二つのオペアンプを備え、前段のシュミット回路と後段の積分回路とを組み合わせ、帰還をかけて発振を継続するように構成した。発振回路１４は、積分回路の積分動作を利用して、所定周波数（本実施形態では、５ＫＨｚ）の三角波信号Ｓosc を出力する。三角波信号Ｓoscにおいて時間とともに漸増および漸減する電圧範囲は、二次側グランドＳＧＬから駆動電圧Ｖccまでの全範囲である。図５の上段に、三角波信号Ｓosc の一例を模式的に示した。三角波の周波数は、もっと低周波側（例えば、１０Ｈｚ程度まで）でも良いし、もっと高周波側（例えば１０ＫＨｚ程度まで）でもよい。周波数が低くなると、測定における分解能は高まるが、単位時間当たりの測定回数は少なくなる。他方、周波数が高くなると、測定における分解能は低くなるが、単位時間当たりの測定回数は多くなる。分解能は、コロナ電流測定回路７３の出力を受けて測定を行なう制御部６０の動作周波数にも拠るので、必要な分解能と測定回数を満足できるように、三角波の周波数を設定すればよい。

オペアンプ１５の非反転入力端子＋には、一端が二次側グランドＳＧＬに接続されたシャント抵抗器Ｒ１の他端の電位が入力されている。オペアンプ１５は、この電位を、増幅度Ａ＝１＋Ｒ３／Ｒ２で増幅して出力する公知の非反転増幅器として構成されている。シャント抵抗器Ｒ１には、ケーシングＣＳから信号線２３を介した電流（Ｉ_dc＋Ｉ_trp）と、イオン電流測定回路７４からのイオン電流（Ｉ_c）とが、二次側グランドＳＧＬに向けて流れ込むので、シャント抵抗器Ｒ１には、合計電流（Ｉ_all＝Ｉ_dc＋Ｉ_trp＋Ｉ_c）が流れる。ここで、電流Ｉ_dcは、コロナ放電により、第１の電極１１２から隔壁１４２を介してケーシングＣＳに流れる電流であり、電流Ｉ_trpは、ケーシングＣＳに捕捉された陽イオンＰＩの電荷に相当する電流である。また、電流Ｉ_cは、コロナ放電により発生した陽イオンＰＩのうち、煤Ｓの帯電に用いられ、排ガスＥＧと共にケーシングＣＳの外部へと持ち去られた陽イオンＰＩの電荷に相当する電流、すなわちイオン電流に相当する。

煤Ｓと共に外部に持ち去られた陽イオンＰＩに相当する電流Ｉ_cが、イオン電流測定回路７４から供給されるのは、持ち去られた陽イオンＰＩに相当する電荷は、どこかでグランドに落ち、車両５０のシャーシに、つまり一次側の電源部４６に還ってくるからである。換言すれば、煤Ｓと共に持ち去られた陽イオンＰＩに相当する電流Ｉ_cが、一次側の電源電圧Ｖp からイオン電流測定回路７４を介して、二次側グランドＳＧＬに供給されることで、第１の整流回路８１から第１の配線２１を介して第１の電極１１２に供給された放電用の入力電流Ｉ_inと、微粒子センサ１００から回収される合計電流Ｉ_allとが等しくなり、電気回路部７０における電流の収支はバランスする。

測定電流に相当する上述した合計電流Ｉ_allは、シャント抵抗器Ｒ１を流れる。従って、シャント抵抗器Ｒ１の両端には、この合計電流Ｉ_allにシャント抵抗器Ｒ１の抵抗値を乗算した電位差Ｖallが発生する。そこで、オペアンプ１５の出力である全電流出力信号Ｓivは、Ｓiv＝Ａ・Ｖall となる。この全電流出力信号Ｓivが、時間と共に、０Ｖから駆動電圧Ｖccまで増加したと仮定した場合の様子を、図５の上段に示した。なお、図５は、比較回路であるオペアンプ１６の動作を説明するために、全電流出力信号Ｓivのダイナミックレンジを三角波信号Ｓosc に合せて描いているが、全電流出力信号Ｓivのダイナミックレンジは、実際には、かなり狭い。

このオペアンプ１５の全電流出力信号Ｓivは、比較回路として用いられているオペアンプ１６の反転入力端子に接続されている。他方、上述した発振回路１４からの三角波信号Ｓosc は、オペアンプ１６の非反転入力端子に接続されている。このオペアンプ１６には帰還抵抗器が存在しないので、増幅度は無限大であり、非反転入力端子側の三角波信号Ｓosc が反転入力端子側の全電流出力信号Ｓivより高ければ、出力Ｓpwはハイレベルに、低ければ出力Ｓpwはロウレベルとなる。すなわち、オペアンプ１６は、両入力端子の信号の大小により出力Ｓpwが決まる比較回路（コンパレータ）として動作する。

オペアンプ１６の動作の様子を図５を用いて更に説明する。図５の上段は、オペアンプ１６に入力される全電流出力信号Ｓivと三角波信号Ｓosc とを示している。下段は、オペアンプ１６の出力Ｓpwを示している。図示するように、全電流出力信号Ｓivが０ボルトであれば、出力Ｓpwは、ハイレベルに固定されている。全電流出力信号Ｓivが高くなると、三角波信号Ｓosc と比較して、全電流出力信号Ｓivが大きい区間では、出力Ｓpwはロウレベルとなる。三角波信号Ｓosc は、一つの波形の前半が時間と共に漸増し、後半が時間と共に漸減する波形なので、全電流出力信号Ｓivが大きくなるにつれて、出力Ｓpwがロウレベルとなる区間ｔは、全電流出力信号Ｓivに正比例して増加する。この結果、オペアンプ１６の出力は、三角波信号Ｓosc の１周期Ｔを単位とするパルス幅変調信号として扱うことができることになる。すなわち、オペアンプ１６の出力Ｓpwのデューティ（ｔ／Ｔ）は、全電流出力信号Ｓivに比例する。

オペアンプ１６の出力Ｓpwは、トランジスタＴＲ１のベースに接続されている。このトランジスタＴＲ１のエミッタは二次側グランドＳＧＬに接続されており、コレクタはフォトカプラ１７のフォトダイオード側のカソード端子に接続されている。フォトカプラ１７のフォトダイオード側のアノード端子は、駆動電圧Ｖccに電流制限用の抵抗器Ｒ４を介して接続されている。フォトカプラ１７のフォトトランジスタ側は、フォトトランジスタのエミッタ側が、一次側グランドＰＧＬに接続されており、フォトトランジスタのコレクタ側が、一次側の電源電圧Ｖp に、プルアップ抵抗器Ｒ５を介して接続されている。更に、フォトカプラ１７のフォトトランジスタのコレクタ側は、制御部６０の入力ポートＰ１に、配線９３により接続されている。

この結果、オペアンプ１６の出力Ｓpwがハイレベルとのときに、トランジスタＴＲ１がターンオンし、フォトカプラ１７のフォトダイオード側に電流が流れて発光する。この結果、フォトカプラ１７のフォトトランジスタ側がターンオンし、一次側の電源電圧Ｖp にプルアップされた抵抗器Ｒ４に電流が流れ、フォトトランジスタのコレクタ側電位はロウレベルとなる。従って、制御部６０の入力ポートＰ１には、図５下段に示したのとは、丁度逆転した信号が入力されることになる。制御部６０を構成するＣＰＵは、内蔵するプログラムにより、この入力ポートＰ１がハイレベルになったタイミングからロウレベルになるまでの時間ｔを計測し、デューティ（ｔ／Ｔ）を求めることで、全電流出力信号Ｓiv、ひいては微粒子センサ１００に流れる全電流Ｉ_allを検出することができる。

図５では、三角波信号Ｓosc と比較することで、全電流出力信号Ｓivがパルス幅の信号に変換されることを示すために、全電流出力信号Ｓivを、三角波信号Ｓosc の最小値から最大値まで変化するものとして示したが、実際には、全電流出力信号Ｓivは、第１の電極１１２に電圧が印加されている限り、値０とはならない。また、第１の電極１１２に印加される電圧は、制御部６０により制御されており、その最大値は、三角波信号Ｓosc の最大値のより低い値に抑えられている。即ち、図５に示したように、実際の全電流出力信号Ｓivの取りうる範囲、つまり測定範囲Ｌは、三角波信号Ｓosc の２０〜８０％程度の範囲とされている。

上述したように、電気回路部７０から微粒子センサ１００の第１の電極１１２に供給された入力電流Ｉ_inは、全てコロナ放電に用いられ、合計電流Ｉ_allとバランスする。従って、この全電流Ｉ_allが一定になるように、制御部６０は、ドライバ７１の放電電圧制御回路７５とトランス駆動回路７６を介して、絶縁トランス７２の一次巻線に印加される交流電圧の実効値をフィードバック制御する。この結果、第１の配線２１を介して第１の電極１１２に供給される入力電流Ｉ_inは、一定に保たれる。

最後に、イオン電流測定回路７４の構成について簡単に説明する。イオン電流測定回路７４は、全体としては、オペアンプを用いた計測アンプとして構成されており、前段のオフセット回路を構成する２つのオペアンプと後段の作動増幅器を構成するオペアンプとからなる。前段の一方のオペアンプは、微少なイオン電流Ｉ_cを入力オフセットを付与した上で電流／電圧変換して増幅し、後段の差動増幅器（オペアンプ）の一方の入力端子に出力する。前段の他方のオペアンプは、この入力オフセット分を後段の差動増幅器の他方の入力端子に出力する。差動増幅器として構成された後段のオペアンプは、両信号の差分をとった上で、これを増幅して出力する。このため、イオン電流Ｉ_cに付与されたオフセットは打ち消され、差動増幅器の出力は、イオン電流Ｉ_cを所定の増幅度で増幅した信号となる。この出力は、配線９４を介して、制御部６０の入力端子Ｐ２に入力される。制御部６０は、入力端子Ｐ２の信号を、内蔵するアナログ／デジタル変換器で変換して読み取ることで、イオン電流Ｉ_cの大きさを知り、排ガスＥＧ中の微粒子の量を検出する。検出した微粒子の量は、車両制御部４２に出力され、運転者への警告の出力や、内燃機関４０の運転条件の切り替えなどに用いられる。

次に、微粒子量検出処理について、図６を用いて説明する。図６は、制御部６０が繰り返し実行している処理であって、ドライバ７１による絶縁トランス７２の駆動処理を行なうことでコロナ電流の安定化を行ないつつ、微粒子量を検出する処理を示すフローチャートである。この処理は、制御部６０により、常時実行されている処理である。この処理を開始すると、まず制御部６０、端子Ｐ１に入力されている信号Ｓpwのレベルを読み込む（ステップＳ１００）。信号Ｓpwは、図５に示したように、ハイ（電圧Ｖp）かロウ（電圧０）か、いずれかのレベルとなる。

このレベルを読み取ったあと、信号Ｓpwの期間ｔを算出する処理を行なう（ステップＳ１１０）。この処理は、三角波信号Ｓosc の周期Ｔ内において、信号Ｓpwが、ロウレベルを継続した時間を求める処理である。なお、図４に示した回路構成では、フォトカプラ１７により、信号Ｓpwのレベルと、端子Ｐ１に入力する信号のレベルとは逆転している。そこで、制御部６０は、内部のクロックを用いて、端子Ｐ１に入力する信号がハイレベルとなっている期間を計測し、これを、図４においてロウレベルとして示されている期間ｔとして検出する。従って、以下の説明において、期間ｔとは、信号Ｓpwがロウレベルとなっている期間として説明する。

信号Ｓpwがロウレベルとなっている期間ｔを求めた後、この期間ｔが、次の３つの場合のいずれに属するかを判定する（ステップＳ１２０）。
［１］期間ｔ＝０：ロウレベルとなっている期間は存在しない。
［２］期間ｔ≧Ｔ：周期Ｔを越えてロウレベルになっている。
［３］期間０＜ｔ＜Ｔ：期間ｔは、０より大きく周期Ｔより小さい。
制御部６０は、この判定に従い、以下の処理を行なう。

［１］の場合：故障１と判定する（ステップＳ１３０）。故障１とは、コロナ放電に伴う全電流出力信号Ｓivが測定できない状態となっている故障の一つである。図５に示したように、全電流出力信号Ｓivの測定範囲Ｌは、値０より大きく最大値より小さい範囲として定められているので、周期Ｔ内において信号Ｓpwが０となる期間が存在しない（ｔ＝０）となることはあり得ない。従って、周期Ｔ内において期間ｔが０であれば、全電流出力信号Ｓivが測定できない状態になっていると判定する。こうした故障としては、以下のいくつかのケースが考えられる。一つは、発振回路１４が故障したケースである。発振回路１４が故障して、三角波信号Ｓoscがハイレベルに固定されてしまうと、測定範囲Ｌにおいて、信号Ｓpwがロウレベルとなることはないからである。もとより、発振回路１４だけでなく、コロナ電流測定回路７３を構成する他の回路部品の故障によっても、故障１は、生じる。例えばトランジスタＴｒ１の短絡故障、フォトカプラ１７のフォトトランジスタの短絡故障などが考えられる。こうしたコロナ電流測定回路７３の故障の他、故障１が生じ得る他の原因としては、例えばコロナ放電を行なう回路構成の何処かに故障を生じ、電流Ｉ_dc＋Ｉ_trpが流れないか設定範囲より小さくなったケースが考えられる。こうした故障は、電気回路部７０の一次側の放電電圧制御回路７５やトランス駆動回路７６の故障、絶縁トランス７２の断線や短絡故障、第１，第２の整流回路８１，８２の故障によって生じる。これらの回路の故障により、第１の電極１１２や、第２の電極１３２に印加される電圧が十分に高くならない場合の他、第１の配線２１や第１の電極１１２の劣化（酸化、腐食など）によっても、この故障１は生じる。

［２］の場合：故障２と判定する（ステップＳ１４０）。故障２とは、コロナ放電に伴う全電流出力信号Ｓivが測定できない状態となっている故障のうち、もう一つの態様である。図５に示したように、全電流出力信号Ｓivの測定範囲Ｌは、値０より大きく最大値より小さい範囲として定められているので、周期Ｔ内において信号Ｓpwが周期Ｔを越える期間となること（ｔ≧Ｔ）となることはあり得ない。従って、信号Ｓpwが周期Ｔ以上の期間ロウレベルになっていれば、全電流出力信号Ｓivが測定できない状態になっていると判定する。こうした故障としては、以下のいくつかのケースが考えられる。一つは、発振回路１４が故障して、三角波信号Ｓoscがロウレベルに固定されてしまったケースである。もとより、発振回路１４だけでなく、コロナ電流測定回路７３を構成する他の回路部品の故障によっても、故障２は、生じ得る。例えばトランジスタＴｒ１を含むフォトカプラ１７のフォトダイオード側回路およびフォトトランジスタ側回路の断線などが考えられる。こうしたコロナ電流測定回路７３の故障の他、故障２が生じる原因としては、コロナ放電を行なう回路構成の何処かに故障を生じ、過大な電流Ｉ_dc＋Ｉ_trpが流れているケースが考えられる。こうした故障は、電気回路部７０の一次側の放電電圧制御回路７５やトランス駆動回路７６の故障などによって生じる。これらの回路の故障により、第１の電極１１２や、第２の電極１３２に印加される電圧が過剰に高くなった場合に、こうした故障２は生じる。

故障１、故障２は、信号Ｓpwの周期が発振回路１４の周期から想定される範囲に入っていない場合にこれを異常として検出することに相当する。故障１，２のいずれかが生じたと判定された場合には（ステップＳ１３０，１４０）、何も処理は行なわず、「ＮＥＸＴ」に抜けて、本処理ルーチンを終了する。故障１，２と判定した場合には、制御部６０は、トランス駆動回路７６への制御信号を停止して、スイッチング素子のスイッチングを停止する。こうすれば、故障が疑われる状態で、第１の電極１１２等に高電圧を印加し続けることがない。また、制御部６０は、故障を検出すると、図示しないＣＡＮなどの通信回路を介して、微粒子量の測定結果を利用している車両制御部４２や図示しないダイアグノーシス回路、更には車両５０のインスツルメントパネルなどに、故障１，２の発生を報知するものとしてもよい。

［３］の場合：期間ｔが、０より大きく周期Ｔより小さい場合には、全電流出力信号Ｓivの測定を正常に行なえる状態にあると判断し、ステップＳ１５０以下の処理を実行する。まずステップＳ１５０では、この期間ｔと周期Ｔの割合、つまりデューティｔ／Ｔを求め、このデューティｔ／Ｔに基づいて、コロナ放電電圧を制御する処理を行なう（ステップＳ１５０）。具体的には、デューティｔ／Ｔが予め定めた目標値より大きくなれば、全電流出力信号Ｓivが高くなっているとして、放電電圧制御回路７５から絶縁トランス７２の一次側巻線に印加する電圧を低下する。他方、デューティｔ／Ｔが目標値より小さくなれば、全電流出力信号Ｓivが小さくなっているとして、放電電圧制御回路７５から絶縁トランス７２の一次側巻線に印加する電圧を増加する。

かかる制御により、全電流出力信号Ｓivは安定化される。即ち、微粒子センサ１００におけるコロナ放電は安定に実施される。そこで、この状態でのイオン電流Ｉ_cを読み込む（ステップＳ１６０）。イオン電流Ｉ_cは、端子Ｐ２の電圧に基づき読み取ることができる。

こうして読み取ったイオン電流Ｉ_cに基づいて微粒量を算出する処理を行なう（ステップＳ１７０）。微粒子センサ１００における微粒子の量は、微粒子に付着し、微粒子センサ１００外に持ち去られるイオンの量、即ちイオン電流Ｉ_cより求めることができるからである。

算出した微粒子量を、図示しないＣＡＮなどの通信回路により、車両制御部４２などに出力し（ステップＳ１８０）、本処理ルーチンを「ＮＥＸＴ」に抜けて終了する。なお、以上の説明では、コロナ放電電圧の制御と微粒子量の算出とを、同じ処理ルーチンでと行なうものとしたが、これらの処理は別々の処理ルーチンにより行なってもよい。また、微粒子量を算出せず、イオン電流Ｉc のまま、車両制御部４２などに出力し、車両制御部４２などの側で微粒子量に変換してもよい。排ガスＥＧの全量を測定または推定し、微粒子濃度として扱うものとしてもよい。期間ｔに基づく故障の検出は、必須の処理ではなく、行なわなくてもよい。

以上説明した第１実施形態の微粒子検出装置１０によれば、以下の作用・効果を奏する。
（１）微粒子検出装置１０に含まれるコロナ電流測定回路７３をディスクリートな回路構成とし、コロナ電流を含む合計電流Ｉ_allをシャント抵抗器Ｒ１により電圧信号に変換した後、オペアンプ１５を用いた増幅回路で増幅し、増幅した信号Ｓivを、発振回路１４が出力する三角波信号Ｓosc と比較することにより、パルス幅変調している。このため、合計電流Ｉ_allを精度良く検出することができる。
（２）また、微粒子センサ１００の構造などによりコロナ放電の電流の大きさなどが変わっても、容易に対応することができる。発振回路１４が出力する信号の周波数や三角波の傾きなどを変えることにより、応答性や分解能を調整することも容易である。微小な電流を電圧信号に変換したあと、Ａ／Ｄ変換器などでデジタル信号に変換する場合、応答性や分解能を変更することは容易ではない。

（３）更に、パルス幅変調して得られた出力Ｓpwによりフォトカプラ１７のダイオード側を駆動することにより、パルス幅変調された信号をそのまま光結合されたフォトトランジスタ側のオンオフに伴う電圧信号に変換し、これを制御部６０の入力ポートＰ１に入力している。このため、コロナ電流測定回路７３において、二次側と一次側との絶縁をほぼ完全に実現した上で、制御部６０による合計電流Ｉ_allの高精度な測定を実現することができる。合計電流Ｉ_allは、パルス幅変調により、デューティ（ｔ／Ｔ）に変換されているので、制御部６０は、入力ポートＰ１がハイレベルからロウレベルになるまでの時間をカウントするだけでよく、簡単なプログラムで、精度の良い測定が可能となる。

（４）制御部６０の端子Ｐ１のレベル変化の期間ｔを監視することで、電気回路部７０の一次側、二次側の故障を容易に検出することができる。電気回路部７０の二次側の故障を、絶縁された一次側で検出できることは、回路構成上、特に大きな利点となっている。
（５）制御部６０は、この期間ｔが生じなかったり（ｔ＝０）、周期Ｔより長い期間に亘っているような場合、つまり信号Ｓpwの周期が発振回路１４の周期から想定される範囲に入っていない場合には、これを故障として検出することができる。故障が検出された場合には、イオン電流Ｉc の測定を行なわないので、回路の故障に伴う微粒子の誤った検出値が、車両制御部４２などに出力されることがない。

（６）コロナ電流を含む合計電流Ｉ_allの安定化を行なった上でイオン電流Ｉ_cを検出しており、イオン電流Ｉ_cを精度良く検出できる。この結果、微粒子である煤Ｓの量を容易かつ精度良く検出することができる。

Ｂ．第２実施形態：
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態の微粒子検出装置は、第１実施形態と同様のシステム構成（図１）を備える。第２実施形態との微粒子検出装置は、第１実施形態と比べると、微粒子センサ２００の構造が相違し、これに伴い電気回路部７０Ａの構成が一部相違する。図７は、第２実施形態の電気回路部７０Ａの概略構成図、図８は、微粒子センサ２００の腰部構成を示す模式図、図９は、コロナ電流測定回路７３の詳細回路図、である。図において、第１実施形態と同様の構成を有する部分には同一の符号を付し、説明を適宜省略する。

第２実施形態の微粒子検出装置における微粒子センサ２００は、第１実施形態と比較すると、微粒子である煤Ｓの帯電に使われなかった陽イオンの捕捉を補助するための第２の電極が存在しない。また、排ガス配管６２から排ガスＥＧが内部に流れ込む流路も異なる。そこで、まず図８を用いて、微粒子センサ２００の構造について説明する。

微粒子センサ２００は、排ガス配管６２に取り付けられる。図８では、微粒子センサ２００の取付構造などは省略している。微粒子センサ２００は、最外周にステンレス製の外側プロテクタ２２４を備え、その内側に同じくステンレス製の内側プロテクタ２２５を備える。外側プロテクタ２２４および内側プロテクタ２２５を合わせて、ケース２２０と呼ぶ。更に、中空の内側プロテクタ２２５の中心に、上方から垂下するセラミック製の電極ホルダ２１０を備える。電極ホルダ２１０の中心には第１の電極２１２が、図示しないヒーターと共に埋め込まれ、その先端は、電極ホルダ２１０の先端から下方に露出している。内側プロテクタ２２５の内部は空洞で、かつ第１の電極２１２は、この内部空間の上方に設けられているので、第１の電極２１２の先端下方には、第１実施形態におけるイオン発生部、排ガス帯電部およびイオン捕捉部として機能する十分な空間が形成されている。

外側プロテクタ２２４の外周上には、排ガスＥＧを内部に導入するため外側導入孔２２２が複数形成されている。また、内側プロテクタ２２５の外周には、内側導入孔２４０が複数形成されている。外側プロテクタ２２４の外側導入孔２２２と内側プロテクタ２２５の内側導入孔２４０の位置は、微粒子センサ２００の軸方向にずれている。更に、内側プロテクタ２２５の先端部分には、取り入れた排ガスＥＧを排出するための排出口２３０が形成されており、この排出口２３０を含む内側プロテクタ２２５の先端部分は、外側プロテクタ２２４の先端部分の開口２６０から外部に突出している。

図８において、排ガスＥＧは、排ガス配管６２内を、図中、左から右に向けて流通している。この排ガス配管６２内を流通する排ガスＥＧが、微粒子センサ２００の外側プロテクタ２２４及び内側プロテクタ２２５の周囲を通ると、その流速が、内側プロテクタ２２５の排出口２３０の外側で上昇し、いわゆるベンチュリ効果により、排出口２３０付近に負圧が生じる。すると、この負圧により、内側プロテクタ２２５の内部空間に存在した取入排ガスＥＧＩが排出口２３０から排出される。これと共に、外側プロテクタ２２４の外側導入孔２２２周囲の排ガスＥＧが、この外側導入孔２２２から外側プロテクタ２２４内に取入排ガスＥＧＩとして取り入れられ、外側プロテクタ２２４と内側プロテクタ２２５との隙間に沿って、内側プロテクタ２２５の内側導入孔２４０まで導かれ、内側導入孔２４０を介して、内側プロテクタ２２５の内部空間に取り入れられる。

このように、外側プロテクタ２２４の内側に取り込まれ、更に内側プロテクタ２２５の内部空間に至った取入排ガスＥＧＩは、排出口２３０から排出されるので、内側プロテクタ２２５内には、内側導入孔２４０から先端側の排出口２３０に向けて流れる取入排ガスＥＧＩの気流が生じる。この状態で、第１の電極２１２に高電圧を印加すると、コロナ放電が生じ、第１の電極２１２の先端付近で陽イオンＣＰが発生する。

前述したように、外側プロテクタ２２４及び内側プロテクタ２２５の作用により、内側プロテクタ２２５の内部空間には、排ガスＥＧが取り入れられ、第１の電極２１２の付近から排出口２３０に向かう取入排ガスＥＧＩの気流が生じている。このため、生成されたイオンＣＰは、図８に示すように、取入排ガスＥＧＩ中の煤などの微粒子Ｓに付着する。これにより、微粒子Ｓは、正に帯電した帯電微粒子ＳＣとなって、取入排ガスＥＧＩと共に、排出口２３０に向けて流れ、排出される。

一方、外側プロテクタ２２４および内側プロテクタ２２５からなるケース２２０は、第１実施形態と同様に、シャント抵抗器Ｒ１を介して、二次側グランドＳＧＬに接続されている。これにより、コロナ放電により生成したイオンＣＰのうち、煤などの微粒子ＳＣに付着しなかった浮遊イオンＣＰＦ（図８参照）は、内側プロテクタ２２５の各部に付着する。微粒子ＳＣに付着しなかった浮遊イオンＣＰＦが内側プロテクタ２２５に捕捉される一方、排出口２３０から帯電微粒子ＳＣが排出されることにより、第１実施形態と同様の検出原理に従い、微粒子センサ２００から漏出する電流（イオン電流Ｉ_c）を測定することにより、微粒子ＳＣの量を測定することができる。

そこで、かかる微粒子センサ２００の構造を前提として、第２実施形態において、コロナ電流を測定してコロナ電流を安定化する仕組み、およびイオン電流を測定する仕組みについて説明する。図７に示したように、第２実施形態の微粒子検出装置においてコロナ電流測定装置の一部を構成する電気回路部７０Ａは、第１実施形態と比べると、絶縁トランス７２の一次側の回路構成と二次側高電圧を整流する整流回路の構成が変更されている。これは、微粒子センサ２００の第１の電極２１２に印加する高電圧を生成する回路構成が異なること、および微粒子センサ２００に第２の電極が存在しないことによっている。前者は、第１実施形態では、プッシュプル型の電源構成を採用していたのに対して、第２実施形態ではフライバック型の電源構成を採用していることによる相違である。また後者は、第２の電極に所定の直流電圧を印加するための整流回路８２が必要ないことによる相違である。なお、第３の整流回路１２は、フォワード方式の回路構成を採用した第１実施形態と同じものを用いた。

図７に示すように、第２実施形態の電気回路部７０Ａでは、絶縁トランス７２Ａの一次側巻線にはセンタタップがなく、巻線の片側のタップＰＴ４には、バッテリ４４が直接接続されている。また巻線の他方のタップＰＴ５は、ドライバ７１Ａのトランス駆動回路７６Ａに接続されている。ドライバ７１Ａは、第１実施形態における放電電圧制御回路７５に相当する回路構成は備えていない。トランス駆動回路７６Ａは、制御部６０からの指示を受けて、内蔵するスイッチング素子を高速で入り切りし、バッテリ４４から絶縁トランス７２Ａを流れる電流を高速でオンオフする。つまり、制御部６０は、絶縁トランス７２Ａの一次側に流れる交流のデューティを制御することができる。スイッチング素子のオン時間の割合（デューティ）により、絶縁トランス７２Ａの二次側に伝達される電力が調整される。トランス駆動回路７６Ａは、絶縁トランス７２Ａを含めて、フライバック型の電源回路の一次側回路を構成する。

絶縁トランス７２Ａの二次側は、第２の整流回路８２が存在しないことを除いて、ほぼ第１実施形態と同様である。但し、第１の整流回路８１Ａ内において、絶縁トランス７２Ａの二次側巻線からの交流電圧を受けて、これを整流し昇圧する回路構成は、若干異なる。上述したように、第２実施形態では、フライバック型の電源構成を採用している。

電気回路部７０Ａに設けられたコロナ電流測定回路７３は、基本的な回路構成は、第１実施形態と同様である。図９に示したように、ケース２２０から信号線２３を介して流れ込む電流は、第１実施形態と同様に、コロナ放電により第１の電極２１２からケース２２０に流れる電流Ｉ_dcと、ケース２２０に捕捉された浮遊イオンＣＰＦの電荷に相当する電流Ｉ_trpとの合計電流である。また、シャント抵抗器Ｒ１には、これらの電流（Ｉ_dc＋Ｉ_trp）と共に、イオン電流Ｉ_cが流れ込むことも第１実施形態と同様である。イオン電流Ｉ_cは、コロナ放電により発生した陽イオンＣＰのうち、微粒子ＳＣである煤の帯電に用いられ、排ガスＥＧと共にケース２２０の外部へと持ち去られた排出イオンの電荷に相当する電流である。

また、イオン電流測定回路７４も、第１実施形態と同様の回路構成と機能を備える。従って、第２実施形態における微粒子検出装置は、コロナ電流測定回路７３を用いたコロナ電流の安定化とイオン電流測定回路７４を用いたイオン電流Ｉ_cの計測、延いてはイオン電流Ｉ_cの大きさに基づく排ガスＥＧ中の微粒子の検出を行なうことができる。その際、第２実施形態でも、第１実施形態と同様に、制御部６０による故障検出を伴う微粒子量の検出処理（図６）を行なっている。従って、第１実施形態と同様に、電気回路部７０Ａの故障を判断することができる。

以上説明した第２実施形態の微粒子検出装置によれば、第１実施形態と同様の作用・効果を奏する上、微粒子センサ２００において、第２の電極に相当する電極を省略しているので、微粒子センサ２００の構成を簡略なものとすることができる。また、微粒子センサ２００への配線も簡略化することができる。更に、第２の電極の汚損等を生じることがなく、メンテナンス性も優れる。

かかる微粒子センサ２００の構成に伴い、電気回路部７０Ａの整流回路の構成を簡易なものにすることができる。従って、絶縁トランス７２の二次側のタップ数を減らすことができるなど、電気回路部７０Ａの全体構成も簡易なものにすることができる。

上記実施形態では、コロナ電流測定回路７３は、イオン電流Ｉ_cも合わせて測定するものとしたが、イオン電流Ｉ_cを含まない電流（Ｉ_dc＋Ｉ_trp）を測定するように構成してもよい。イオン電流Ｉ_cは、コロナ放電に用いられる全電流量からみてかなり少ないので、イオン電流Ｉ_cを除く電流を検出し、これに拠り第１の電極１１２，２１２に印加する電圧を制御しても、コロナ放電を実用上問題ない程度に安定化することができる。

Ｃ．変形例：
本発明のいくつかの変形例について説明する。第１，第２実施形態では、全体を微粒子検出装置として構成したが、コロナ電流を測定するコロナ電流測定装置として実施したり、あるいはコロナ電流を測定し、フィードバック制御によりコロナ電流を安定化する装置として実施することも可能である。コロナ電流測定回路７３は、オペアンプを用いたディスクリートな回路構成としたが、オペアンプに代えて、その一部または全部をトランジスタやＦＥＴを用いた回路構成としてもよい。

発振回路１４は、上記実施形態では、三角波を発生する回路として構成したが、三角波に代えて、鋸波や正弦波を出力する回路としても良い。三角波の正弦波の場合、漸増区間と漸減区間とでは、その傾きや長さを、異ならせてよい。また、発振回路１４の出力は、最大値や最小値の区間が一定時間継続する台形波であっても差し支えない。

上記実施形態では、一次側と二次側と絶縁を実現するのに、絶縁トランス７２とフォトカプラ１７とを用いたが、他の手法を用いてもよい。例えば絶縁トランス７２に代えて、種々の無線給電の仕組みを採用することができる。またフォトカプラ１７による光結合に代えて、ソリッドステートリレー（機械結合）やコイルとホール素子の組み合わせ（磁気結合）や静電結合などを用いても良い。

上記実施形態では、期間ｔの値を制御部６０が判別することにより故障検出を行なったが、故障検出の一部または全部を、ディスクリートな回路構成により行なうものとしてもよい。

以上本発明のいくつかの実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態や変形例に限られるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲内において種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、コロナ電流の検出方法、その安定化方法、微粒子の検出方法などとしても実施することができる。

１０…微粒子検出装置
１２…第３の整流回路
１３…二次側電圧生成回路
１４…発振回路
１５、１６…オペアンプ
１７…フォトカプラ
２０…ケーブル
２１…第１の配線
２２…第２の配線
２３…信号線
２４…空気供給管
２５…セラミックパイプ
３０…センサ駆動部
３１…ガス流路
４０…内燃機関
４１…フィルタ装置
４２…車両制御部
４３…燃料供給部
４４…電源部
５０…車両
６０…制御部
６１…燃料配管
６２…排ガス配管
７０，７０Ａ…電気回路部
７１，７１Ａ…ドライバ
７２，７２Ａ…絶縁トランス
７３…コロナ電流測定回路
７４…イオン電流測定回路
７５…放電電圧制御回路
７６，７６Ａ…トランス駆動回路
８０…空気供給部
８１，８１Ａ…第１の整流回路
８２…第２の整流回路
８３，８４…ショート保護用抵抗
９１，９３，９４…配線
９５…入力ライン
９８…信号ライン
１００…微粒子センサ
１００ｅ…先端部
１００ｒ…後端部
１１０…イオン発生部
１１１…イオン発生室
１１２…第１の電極
１２０…排ガス帯電部
１２１…帯電室
１２４…ノズル
１３０…イオン捕捉部
１３１…捕捉室
１３２…第２の電極
１３４…ガス流路
１３５…排出孔
１４２…隔壁
１４５…流入孔
１５５…空気供給孔
２００…微粒子センサ
２１０…電極ホルダ
２１２…第１の電極
２２０…ケース
２２２…外側導入孔
２２４…外側プロテクタ
２２５…内側プロテクタ
２３０…排出口
２４０…内側導入孔
２６０…開口
ＣＰ…陽イオン
ＣＰＦ…浮遊イオン
ＣＳ…ケーシング
ＥＧＩ…取入排ガス
ＥＧ…排ガス
Ｐ１，Ｐ２…入力ポート
ＰＧＬ…一次側グランド
Ｒ１…シャント抵抗器
Ｒ２〜Ｒ５…抵抗器
Ｓ，ＳＣ…微粒子
ＳＧＬ…二次側グランド
ＴＲ１…トランジスタ

Claims

電流測定装置であって、
絶縁トランスの一次側に印加された一次電圧に応じて前記絶縁トランスの二次側に発生された二次電圧を用いて、前記一次側に印加された電圧より高圧の直流電圧を発生させる昇圧回路と、
前記昇圧回路に接続された電極を備え、前記直流電圧により、所定の空間にコロナ放電を発生させる放電部と、
前記所定の空間を形成する少なくとも一部が導電性のケースを介して流れる測定電流であって、前記コロナ放電によるコロナ電流を含む前記測定電流を電圧信号に変換する電圧変換部と、
時間と共に漸増または漸減する部分の繰り返しを少なくとも含む基準電圧信号を生成する発振回路と、
前記変換された電圧信号を前記基準電圧信号と比較することにより、前記測定電流の大きさに対応したパルス幅の信号に変換する比較回路と、
前記変換されたパルス幅の信号を、電気的な絶縁を保って入力し、前記測定電流を測定する測定回路と、
を備えた電流測定装置。
請求項１記載の電流測定装置であって、
前記測定回路による測定結果を入力し、前記測定電流が安定化するように、前記絶縁トランスの前記一次側の電圧を制御する電圧制御部を更に備える電流測定装置。
前記発振回路は、三角波、正弦波、鋸波のうちのいずれか一つの形態で前記基準電圧信号を生成する請求項１または請求項２記載の電流測定装置。
気体中の微粒子を検出する微粒子検出装置であって、
前記気体が流通する測定室と、
前記測定室に設けられ、前記測定室内に設けられたコロナ放電用電極に直流電圧を印加してコロナ放電を生じさせるコロナ放電部と、
前記コロナ放電によって発生したイオンにより、前記気体中の微粒子を帯電させ、前記微粒子の帯電により変化するイオン電流を測定するイオン電流測定部と、
前記測定した前記イオン電流に基づいて、前記微粒子の量を検出する微粒子量検出部と、
を備え、
前記コロナ放電部は、
絶縁トランスの一次側に印加された一次電圧に応じて前記絶縁トランスの二次側に発生された二次電圧を用いて、前記直流電圧を発生させる昇圧回路と、
前記昇圧回路の出力を前記コロナ放電用電極に接続し、前記直流電圧により、所定の空間を形成する少なくとも一部が導電性のケースを介して流れる測定電流であって、前記コロナ放電によるコロナ電流を含む前記測定電流を電圧信号に変換する電圧変換部と、
時間と共に漸増または漸減する部分の繰り返しを少なくとも含む基準電圧信号を生成する発振回路と、
前記変換された電圧信号を前記基準電圧信号と比較することにより、前記測定電流の大きさに対応したパルス幅の信号に変換する比較回路と、
前記変換されたパルス幅の信号を、電気的な絶縁を保って入力し、前記測定電流を安定化するように、前記絶縁トランスの一次側の電圧を制御する電圧制御部と
を備える微粒子検出装置。
前記電圧制御部は、前記パルス幅が、前記基準電圧信号の周波数から想定されるパルス幅の範囲外となっている場合に、前記コロナ放電部に故障が生じたと判断する請求項４記載の微粒子検出装置。