JP2019113331A - 粒子状物質検出器及びフィルタ処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ＰＭ蓄積量の測定時間を短縮する。【解決手段】負性抵抗素子１１ａは、排ガスをろ過するＤＰＦ１５ａを収容した筐体１５内に挿入されるアンテナ１５ｂに接続される入力端子と、インピーダンス整合を行う整合回路１１ｂと通過する信号の周波数帯域を狭めるフィルタ１１ｃとを介して筐体１５内に挿入されるアンテナ１５ｃに接続される出力端子と、を有し、ＤＰＦ１５ａに付着する付着物の量に応じて変化する筐体１５の共振周波数で発振し、検波器１１ｄは、筐体内に挿入されるアンテナ１５ｄが受信した電波の信号強度に応じた電圧値を出力する。【選択図】図１

Description

本発明は、粒子状物質検出器及びフィルタ処理装置に関する。
ディーゼルエンジンより排出される排ガスには、粒子状物質（以下ＰＭ（Particulate Matter）という）が含まれる。このＰＭによる大気汚染を防ぐための排ガス規制は、年々厳しくなってきている。その規制への対策として、汚染物質の大気中への排出量を低減させるために、ディーゼル車両には排ガスを濾過するフィルタが設けられている。このフィルタは、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）と呼ばれる。
ＤＰＦには、ＰＭが付着し、付着するＰＭの量はディーゼル車両の走行距離に比例して増える。付着するＰＭの量が増加すると、排ガスの排出量が低下し、ディーゼルエンジンの本来の性能が発揮されなくなり、燃費の悪化へもつながる。また、完全に排ガスが排出できなくなるほどまでＤＰＦにＰＭが付着すると、ＤＰＦ自体が破損し、大気中へ濾過されていない排ガスが流出してしまうだけでなく、ディーゼルエンジン自体の破損にもつながる。
このような状況を回避するため、現在市販されているディーゼル車両の多くには、ＤＰＦの排ガスの入り口側と出口側のそれぞれに圧力センサが取り付けられており、それらの圧力の差（差圧）を計測することでＤＰＦの排気状態を観測していた。しかしながら、この差圧を利用した観測手法では、機械的な機構によって観測が行われるため、エンジンや走行時の振動の影響を受けやすく、正しく計測できないことが知られている。
また、ＤＰＦに付着したＰＭ（その多くは炭素を含む）を、軽油などを用いて燃焼して除去する際、上記の方法では付着したＰＭの量（以下ＰＭ蓄積量という）が不明であるため、ＰＭを除去するだけの燃料の量を見積もることができない。
そこで、ＤＰＦが搭載されている金属筐体内に０．４ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚの電波を伝播させ、金属筐体の大きさや形状により決まる共振周波数（固有値）におけるＳパラメータの周波数特性を測定することで、ＰＭ蓄積量を見積もる手法が提案されている。
国際公開第２０１０／０７４８１２号 米国特許第９３９９１８５号明細書 特開２０１１−１２８００２号公報
しかし、ＤＰＦが搭載されている金属筐体のＱ値が大きいため、特定の共振周波数におけるＳパラメータの周波数特性を測定するために、周波数を変化させる際の分解能が細かくなり、取得すべきデータ量が増大する。このため、データ処理の時間が増え、結果的にＰＭ蓄積量の測定時間が増大する問題がある。
たとえば、金属筐体内部にＰＭの付着していないＤＰＦが挿入されている系のＱ値は、ほぼＤＰＦのＱ値で決まり、１０万を超える。Ｑ値は、Ｑ＝ｆ０／（ｆ２−ｆ１）で表せる。ｆ０は共振周波数、ｆ１，ｆ２（＞ｆ１）は、値がｆ０における値（共振電圧あるいは共振電流）の半分となる周波数である。ｆ２−ｆ１は半値幅であり、周波数を精度よく共振周波数に合わせるための分解能を半値幅の１／１０００とした場合、ｆ０＝２．５ＧＨｚ、Ｑ＝１０万と仮定すると、分解能は、２５Ｈｚとなる。金属筐体内に伝播させる電波の周波数を０．４ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚの範囲で、この分解能で変化させていき上記の周波数特性に関するデータを取得する場合、データ量がギガバイト級となり、データ取得処理だけでも多大な時間を要する。
１つの側面では、本発明は、ＰＭ蓄積量の測定時間を短縮する粒子状物質検出器及びフィルタ処理装置を提供することを目的とする。
１つの実施態様では、排ガスをろ過する第１のフィルタを収容した筐体内に挿入される第１のアンテナに接続される入力端子と、インピーダンス整合を行う整合回路と通過する信号の周波数帯域を狭める第２のフィルタとを介して前記筐体内に挿入される第２のアンテナに接続される出力端子と、を有し、前記第１のフィルタに付着する付着物の量に応じて変化する前記筐体の共振周波数で発振する負性抵抗素子と、前記筐体内に挿入される第３のアンテナまたは前記第２のアンテナが受信した電波の信号強度に応じた電圧値を出力する検波器と、を有する粒子状物質検出器が提供される。
また、１つの実施態様ではフィルタ処理装置が提供される。
１つの側面では、本発明は、ＰＭ蓄積量の測定時間を短縮できる。
第１の実施の形態のＰＭ検出器及びフィルタ処理装置の一例を示す図である。 第２の実施の形態のＰＭ検出器及びフィルタ処理装置の一例を示す図である。 負性抵抗素子の一例を示す図である。 筐体の等価回路の一例を示す図である。 負性抵抗素子を２．５ＧＨｚで発振させる場合の、ＲＧ＝０のときの出力安定円の一部が示されたスミスチャートの一例である。 負性抵抗素子を２．５ＧＨｚで発振させる場合の、ＲＧ＝ＲＧｍａｘのときの出力安定円の一部が示されたスミスチャートの一例である。 整合回路のインピーダンスの決定方法の例を説明する図である。 第３の実施の形態のＰＭ検出器及びフィルタ処理装置の一例を示す図である。 第４の実施の形態のＰＭ検出器及びフィルタ処理装置の一例を示す図である。 第５の実施の形態のＰＭ検出器及びフィルタ処理装置の一例を示す図である。
以下、発明を実施するための形態を、図面を参照しつつ説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態のＰＭ検出器及びフィルタ処理装置の一例を示す図である。
フィルタ処理装置１０は、ＰＭ検出器１１、信号処理回路１２を有する。
ＰＭ検出器１１は、負性抵抗素子１１ａ、整合回路１１ｂ、フィルタ１１ｃ、検波器１１ｄを有する。
負性抵抗素子１１ａの入力端子は、排ガスをろ過するＤＰＦ１５ａを収容した筐体（金属筐体）１５内に挿入されるアンテナ１５ｂに接続され、出力端子は、整合回路１１ｂとフィルタ１１ｃとを介して筐体１５内に挿入されるアンテナ１５ｃに接続される。このような負性抵抗素子１１ａは、共振器として機能する筐体１５が入力端子に接続されることになり、ＰＭやアッシュ（灰分）などの付着物の量に応じて変化する筐体１５の共振周波数で発振する。負性抵抗素子１１ａは、たとえば、トランジスタ、キャパシタ、インダクタなどで実現される。なお、負性抵抗素子１１ａとして、トンネルダイオードやガンダイオードなどを用いてもよい。負性抵抗素子１１ａの例については後述する。
整合回路１１ｂは、たとえば、負性抵抗素子１１ａの出力端子と、フィルタ１１ｃとの間に設けられ、負性抵抗素子１１ａの出力電力を最大化するためのインピーダンス整合を行う。
フィルタ１１ｃは、たとえば、整合回路１１ｂとアンテナ１５ｃとの間に設けられる。フィルタ１１ｃは、通過する信号の周波数帯域をある帯域に狭めるバンドパスフィルタである。フィルタ１１ｃは、後述のように筐体１５に複数の共振周波数がある場合、複数の共振周波数のうちの１つを含む帯域以外の帯域の信号の通過を遮断するように、パラメータが調整されている。
また、フィルタ１１ｃは、通過を許容する帯域を、たとえば、信号処理回路１２による制御に基づいて、変えられる回路であってもよい。
なお、負性抵抗素子１１ａの出力端子と、アンテナ１５ｃとの間に、整合回路１１ｂとフィルタ１１ｃとが図１の例とは逆に接続されていてもよい。
検波器１１ｄは、筐体１５内に挿入されるアンテナ１５ｄが受信した電波の信号強度に応じた電圧値を出力する。検波器１１ｄは、たとえば、ダイオード検波回路である。
なお、アンテナ１５ｄと検波器１１ｄとの間に、フィルタ１１ｃと同じ機能を持つフィルタが設けられていてもよい。また、検波器１１ｄは、アンテナ１５ｄの代わりに、アンテナ１５ｃが受信した電波の信号強度に応じた電圧値を出力するようにしてもよい。
信号処理回路１２は、検波器１１ｄの出力信号の電圧値の計測と、負性抵抗素子１１ａの出力信号の周波数の計測を行い、それらの計測結果を収集し、出力する。
収集された計測結果は、たとえば、図１のようにＥＣＵ（Engine Control Unit）１６に供給される。ＥＣＵ１６は、たとえば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含み、図示しない車両のエンジンを制御する。ＥＣＵ１６は、たとえば、収集された計測結果に基づいてＰＭ蓄積量を算出し、算出したＰＭ蓄積量を表示装置１７に表示してもよい。なお、ＰＭ蓄積量を、フィルタ処理装置１０の信号処理回路１２が算出してもよい。
上記のようなＰＭ検出器１１では、負性抵抗素子１１ａの入力端子とアンテナ１５ｂとの間で信号の反射が繰り返され、共振現象によって、負性抵抗素子１１ａの発振周波数は、筐体１５の共振周波数に等しくなっていく。
図１には、筐体１５内を伝播する電波の周波数特性の例が示されている。横軸は周波数を表し、縦軸は信号強度を表す。波形１８ａは、ＤＰＦ１５ａにＰＭやアッシュが付着していないときの電波の周波数特性を示し、波形１８ｂは、ＤＰＦ１５ａにＰＭやアッシュが付着したときの電波の周波数特性を示している。
波形１８ａにて示されているように、筐体１５内を伝播する電波は、筐体１５の大きさや形状に応じた共振周波数ｆ１ａ，ｆ２ａ，ｆ３ａ，ｆ４ａ，ｆ５ａにおいて信号強度が強まる。
一方、ＰＭやアッシュがＤＰＦ１５ａに付着したとき、共振周波数ｆ１ａ，ｆ２ａ，ｆ３ａ，ｆ４ａ，ｆ５ａは、波形１８ｂに示すように、共振周波数ｆ１ｂ，ｆ２ｂ，ｆ３ｂ，ｆ４ｂ，ｆ５ｂにシフトする。付着物によって筐体１５内の誘電率が変化するためである。
また、ＰＭがＤＰＦ１５ａに付着したとき、共振周波数ｆ１ｂ，ｆ２ｂ，ｆ３ｂ，ｆ４ｂ，ｆ５ｂにおける電波の信号強度が、ＰＭがＤＰＦ１５ａに付着していないときと比べて減衰する。交流信号である電波が筐体１５内において伝播されるときに、導電性を有するＰＭが振動することで熱が生じ、その結果、損失が発生するためである。このときの減衰量は、ＰＭ蓄積量を反映している。減衰量が多いほど、ＰＭ蓄積量が多いことを表す。
ＰＭ検出器１１がどの共振周波数における信号強度の変化からＰＭ蓄積量を検出するかによって、フィルタ１１ｃが通過を許容する帯域が異なる。たとえば、ＰＭ検出器１１が、共振周波数ｆ１ａにおける信号強度の変化からＰＭ蓄積量を検出する場合には、出力信号の周波数帯域を帯域ｗ１に狭めるフィルタ１１ｃが用いられる。また、ＰＭ検出器１１が、共振周波数ｆ２ａにおける信号強度の変化からＰＭ蓄積量を検出する場合には、出力信号の周波数帯域を帯域ｗ２に狭めるフィルタ１１ｃが用いられる。
なお、帯域ｗ１，ｗ２のそれぞれに対応したフィルタを設け、信号処理回路１２が、使用するフィルタを切り替えてもよい。また、フィルタ１１ｃが、通過を許容する帯域を変更できるものであれば、たとえば、信号処理回路１２による制御に基づいて、フィルタ１１ｃは、通過を許容する帯域を、帯域ｗ１または帯域ｗ２に切り替えてもよい。
前述のように、負性抵抗素子１１ａの入力端子とアンテナ１５ｂとの間で信号の反射が繰り返され、共振現象によって、負性抵抗素子１１ａの発振周波数は、筐体１５の共振周波数に等しくなっていく。たとえば、出力信号の周波数帯域を帯域ｗ２に狭めるフィルタ１１ｃが用いられる場合、ＰＭやアッシュがＤＰＦ１５ａに付着して、共振周波数ｆ２ａが、Δｆ、変化して、共振周波数ｆ２ｂに変化した場合、負性抵抗素子１１ａの発振周波数もその変化に追尾して、共振周波数ｆ２ｂと等しくなる。
これにより、共振周波数ｆ２ｂと周波数が等しい電波の信号強度に応じた電圧値が検波器１１ｄから出力される。そして、たとえば、ＥＣＵ１６によって、その電圧値と、ＰＭが付着していないときの電圧値との差分（図１の電波の信号強度の差分（ΔＳ）に相当）に基づいて、ＰＭ蓄積量が算出される。たとえば、ＥＣＵ１６は、予め、電圧値の差分とＰＭ蓄積量との関係を示すデータを保持しており、そのデータに基づいて、ＰＭ蓄積量を決定してもよい。
また、信号処理回路１２は、負性抵抗素子１１ａの出力信号を受け、その出力信号の周波数を計測する。これにより、その計測結果を受けるＥＣＵ１６は、ＰＭやアッシュがＤＰＦ１５ａに付着することによる共振周波数の変化を検出する。
以上のような第１の実施の形態のＰＭ検出器１１によれば、負性抵抗素子１１ａが筐体１５の共振周波数で発振するようになる。つまり、電圧で共振周波数を変えるような共振器を負性抵抗素子１１ａの入力端子に接続して発振周波数を細かく変えなくても、付着物の量に応じた共振周波数の変化に負性抵抗素子１１ａの発振周波数が追尾する。このため、発振周波数を細かく変えて共振周波数を検出する場合よりも取得するデータ量が減り、データ処理にかかる時間を短縮でき、結果的に、ＰＭ蓄積量の測定時間を短縮できる。また、付着物の蓄積量の変化をリアルタイムで逐次観測できる。
（第２の実施の形態）
図２は、第２の実施の形態のＰＭ検出器及びフィルタ処理装置の一例を示す図である。図２において、図１に示した要素と同じ要素については、同一符号が付されている。
図２の例では、筐体１５内には排ガスの流入口側にＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）１５ｅが設けられており、アンテナ１５ｄは、ＤＯＣ１５ｅと、排ガスの流出口側に設けられたＤＰＦ１５ａとの間に設けられている。ＤＯＣ１５ｅは、ＤＰＦ１５ａに付着したＰＭを燃焼させる際、触媒作用により、より低温でＰＭが燃焼するように燃焼を促進する。
なお、アンテナ１５ｂ〜１５ｄは、筐体１５に設けられたボス（たとえば、図２に示されているようなボス１５ｆ）に取り付けられる。
フィルタ処理装置２０のＰＭ検出器２１は、フィルタ１１ｃとアンテナ１５ｃとの間に増幅器２１ａが設けられている点と、検波器１１ｄとアンテナ１５ｄとの間に増幅器２１ｂが設けられている点以外、図１に示したＰＭ検出器１１と同じである。増幅器２１ａは、フィルタ１１ｃの出力信号を増幅してアンテナ１５ｃに供給する。また、増幅器２１ｂは、アンテナ１５ｄが受信した電波に基づく信号を増幅して検波器１１ｄに供給する。
また、図２には検波器１１ｄの一例が示されている。検波器１１ｄは、ダイオード１１ｄ１とキャパシタ１１ｄ２を有する。ダイオード１１ｄ１のアノードは増幅器２１ｂの出力端子に接続され、ダイオード１１ｄ１のカソードは信号処理回路２２に接続される。キャパシタ１１ｄ２の一端はダイオード１１ｄ１のカソードに接続され、キャパシタ１１ｄ２の他端は接地される。
なお、増幅器２１ｂと検波器１１ｄとの間に、フィルタ１１ｃと同じ機能を持つフィルタが設けられていてもよい。
信号処理回路２２は、周波数計測器２２ａ、電圧計２２ｂ、データ収集器２２ｃ、タイミング制御器２２ｄ、ＳＣＵ（Sensor Control Unit）２２ｅを有する。
周波数計測器２２ａは、負性抵抗素子１１ａの出力信号の周波数を計測する。
電圧計２２ｂは、検波器１１ｄの出力信号の電圧値を計測する。
データ収集器２２ｃは、周波数計測器２２ａと電圧計２２ｂの計測結果を収集する。
タイミング制御器２２ｄは、ＳＣＵ２２ｅの制御に基づいて、周波数計測器２２ａ、電圧計２２ｂ、データ収集器２２ｃの動作開始及び動作終了を指示するトリガ信号を出力する。
ＳＣＵ２２ｅは、タイミング制御器２２ｄを制御するとともに、データ収集器２２ｃが収集した計測結果を取得し、ＥＣＵ１６に送信する。
図３は、負性抵抗素子の一例を示す図である。
負性抵抗素子１１ａは、トランジスタ１１ａ１、インダクタ１１ａ２，１１ａ３，１１ａ４、キャパシタ１１ａ５を有する。
トランジスタ１１ａ１は、図３に示すように、たとえば、ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）である。トランジスタ１１ａ１のドレインは、出力端子ＯＵＴに接続されるとともに、インダクタ１１ａ２を介して電源ＶＤＤに接続され、トランジスタ１１ａ１のゲートは、入力端子ＩＮに接続されるとともに、インダクタ１１ａ３を介して電源ＶＧＧに接続される。トランジスタ１１ａ１のソースは、キャパシタ１１ａ５を介して接地されるとともに、インダクタ１１ａ４を介して接地される。
電源ＶＤＤは、トランジスタ１１ａ１をアクティブにするための電源電圧を出力する。電源ＶＤＤが出力する電源電圧は、負性抵抗素子１１ａの出力信号（発振信号）の信号振幅の値を決定する。
電源ＶＧＧが出力する電源電圧は、トランジスタ１１ａ１の相互コンダクタンスが最大となるように設定される。
インダクタ１１ａ２〜１１ａ４は、チョークコイルとして機能し、たとえば、数ＭＨｚ程度の周波数の信号よりも高い周波数の信号が電源ＶＤＤ，ＶＧＧ及びグランドに伝播しないようにインダクタンス値が設定される。
キャパシタ１１ａ５は、正帰還を実現するために設けられている。
このような負性抵抗素子１１ａは、使用される周波数での発振が継続するように、安定係数が１未満になるようにインダクタ１１ａ２〜１１ａ４、キャパシタ１１ａ５のパラメータが調整されている。
ただし、発振条件は、筐体１５内におけるＰＭ蓄積量によって変化する。
図４は、筐体の等価回路の一例を示す図である。なお、図４では、発振条件について説明するため、負性抵抗素子１１ａの代わりに、増幅素子２７が図示されている。
筐体１５の等価回路は、理想共振器２５と、理想共振器２５に直列に接続された抵抗２６を有する。抵抗２６はＰＭ蓄積量を等価的に表している。ＰＭ蓄積量が多くなると、抵抗２６の抵抗値ＲＧが大きくなり、増幅素子２７の出力安定円は以下のように変化する。
図５は、負性抵抗素子を２．５ＧＨｚで発振させる場合の、ＲＧ＝０のときの出力安定円の一部が示されたスミスチャートの一例である。
また、図６は、負性抵抗素子を２．５ＧＨｚで発振させる場合の、ＲＧ＝ＲＧｍａｘのときの出力安定円の一部が示されたスミスチャートの一例である。
なお、軌跡３０ａ，３０ｂは、増幅素子２７の入力反射を示すＳパラメータ（Ｓ１１）の軌跡の一例であり、軌跡３１ａ，３１ｂは、増幅素子２７の出力反射を示すＳパラメータ（Ｓ２２）の軌跡の一例である。曲線３２ａ，３２ｂは、出力安定円の円弧を示している。
図５に示すように、ＲＧ＝０、すなわち、ＰＭによる損失がない場合、スミスチャートと出力安定円の一部が重なっている。この重なっている領域は不安定領域（安定係数が１未満）であり、この不安定領域のインピーダンスを増幅素子２７の出力端子に設定することで、増幅素子２７は発振し、負性抵抗素子１１ａとして機能する。
一方、図６に示すように、ＰＭ蓄積量が多くなり、抵抗値ＲＧがある値（ＲＧｍａｘ）になると、出力安定円は、スミスチャートと重ならなくなる。この場合、増幅素子２７は負性抵抗素子１１ａとしては機能せず、発振が停止する。
このような出力安定円の変化に基づいて、ＰＭ蓄積量が増加しても増幅素子２７の発振をできるだけ維持させるように（負性抵抗素子１１ａとして機能するように）、増幅素子２７の出力端子に設定するインピーダンスが決定される。
たとえば、ＰＭ蓄積量が増加しても発振をできるだけ維持させるために、増幅素子２７の出力端子に設定するインピーダンスは、図６の曲線３２ｂとスミスチャートが接している付近になるように決定される。ただし、図１に示したような複数の共振周波数で発振させるために、各共振周波数における出力安定円の変化に基づいて、インピーダンスが設定されるようにしてもよい。
インピーダンスの設定は、たとえば、図３に示したインダクタ１１ａ２〜１１ａ４、キャパシタ１１ａ５として、適切なパラメータを持つものを選択して適用することで行われる。
負性抵抗素子１１ａの出力電力を最大化するための整合回路１１ｂのインピーダンスは、たとえば、以下のように決定される。
図７は、整合回路のインピーダンスの決定方法の例を説明する図である。
図７ではスミスチャート３３と出力安定円３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄの例が複素平面上で示されている。横軸は実数を表し、縦軸は虚数を表している。
出力安定円３４ａは、ＲＧ＝０の場合、出力安定円３４ｂは、ＲＧ＝ＲＧｍａｘの場合の出力安定円である。出力安定円３４ｃ，３４ｄは、ＲＧ＞ＲＧｍａｘの場合の出力安定円である。
出力安定円３４ａ〜３４ｄの半径は、抵抗値ＲＧが大きいほど（ＰＭ蓄積量が多いほど）、小さくなる。また、出力安定円３４ａ〜３４ｄの中心点３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄの座標は、抵抗値ＲＧが増加すると、直線３６上を実数値と虚数値が小さくなるように移動する。直線３４上の座標は、Ｕ＝ｆ（Ｘｒ，ｊＸｘ）で表せる。“Ｘｒ”は、実数値を表し、“ｊＸｘ”は、虚数値を表す。
スミスチャート３３の外周（この外周では出力反射係数Γの絶対値が１となる）に接する出力安定円３４ｂになる場合のＲＧ＝ＲＧｍａｘをワーストケースとして、整合回路１１ｂのインピーダンスが決定される。
出力安定円３４ｂの中心座標が（Ｗｒ，ｊＷｘ）である場合、複素平面の原点からその中心座標までのベクトル３７は、Ｗ＝Ｗｒ＋ｊＷｘと表せる。このとき、スミスチャート３３上でΓ＝１／Ｗとなるようなインピーダンスを整合回路１１ｂに設定することで、負性抵抗素子１１ａの出力電力を最大化できる。
なお、ＤＰＦ１５ａへのＰＭの蓄積による、筐体１５における排ガスの入口の圧力と排ガスの出口の圧力差が、車両が安全に走行できる限界値であるときのＰＭ蓄積量から決まる抵抗値ＲＧに基づいて、整合回路１１ｂのインピーダンスを決定してもよい。たとえば、複素平面の原点から、上記圧力差が限界値であるときのＰＭ蓄積量の８割程度のＰＭ蓄積量のときの出力安定円の中心座標までのベクトルに基づいて、整合回路１１ｂのインピーダンスを決定してもよい。
以下、フィルタ処理装置２０の全体の動作例を説明する。
図３に示したような電源ＶＤＤ，ＶＧＧにより電源電圧が負性抵抗素子１１ａに供給されると、前述のように負性抵抗素子１１ａが発振する。図１に示したように筐体１５には複数の共振周波数が存在するため、フィルタ１１ｃによって、アンテナ１５ｃに供給される信号の周波数帯域が、何れかの共振周波数を含む帯域に狭められる。そして、負性抵抗素子１１ａの入力端子とアンテナ１５ｂとの間で信号の反射が繰り返され、共振現象によって、負性抵抗素子１１ａの発振周波数は、フィルタ１１ｃによって狭められた帯域内の筐体１５の共振周波数に等しくなっていく。ＰＭやアッシュがＤＰＦ１５ａに付着して、共振周波数が変化した場合、負性抵抗素子１１ａの発振周波数もその変化に追尾して、変化する。
また、検波器１１ｄは、アンテナ１５ｄが受信した電波を増幅器２１ｂで増幅した信号を受け、電波の信号強度に応じた電圧値を出力する。
一方、ＳＣＵ２２ｅが、タイミング制御器２２ｄにＰＭ蓄積量の計測の開始を指示すると、タイミング制御器２２ｄは、周波数計測器２２ａ、電圧計２２ｂ、データ収集器２２ｃの動作開始を指示するトリガ信号を出力する。
これによって周波数計測器２２ａは、負性抵抗素子１１ａの出力信号の周波数の計測を開始し、電圧計２２ｂは検波器１１ｄの出力信号の電圧値の計測を開始する。また、データ収集器２２ｃは、周波数計測器２２ａと電圧計２２ｂの計測結果を収集する。
ＳＣＵ２２ｅが、タイミング制御器２２ｄにＰＭ蓄積量の計測の終了を指示すると、タイミング制御器２２ｄは、周波数計測器２２ａ、電圧計２２ｂ、データ収集器２２ｃの動作終了を指示するトリガ信号を出力する。
これによって周波数計測器２２ａは、負性抵抗素子１１ａの出力信号の周波数の計測を終了し、電圧計２２ｂは検波器１１ｄの出力信号の電圧値の計測を終了する。また、データ収集器２２ｃは、周波数計測器２２ａと電圧計２２ｂの計測結果の収集を終了する。ＳＣＵ２２ｅは、データ収集器２２ｃが収集した計測結果を取得し、ＥＣＵ１６に送信する。
ＥＣＵ１６は、たとえば、収集された計測結果からＰＭ蓄積量を算出し、算出したＰＭ蓄積量を表示装置１７に表示する。また、負性抵抗素子１１ａの出力信号の周波数の変化に基づいてアッシュの蓄積量を算出してもよい。また、収集された計測結果をそのまま表示装置１７に表示してもよい。
さらに、ＥＣＵ１６は、ＰＭ蓄積量が上限値に達した場合、ＰＭを燃焼させるために、図示しないエンジンを制御して軽油を燃焼させることで生じる排ガスの温度を上昇させる。ＰＭを燃焼させる処理中に、信号処理回路２２は、負性抵抗素子１１ａの出力信号の周波数の計測と、検波器１１ｄの出力信号の電圧値の計測を行うことができ、燃焼の効果を確認することができる。なお、ＰＭをマイクロ波で燃焼させることもできる。マイクロ波で燃焼させる例については後述する。
以上のような第２の実施の形態のＰＭ検出器２１及びフィルタ処理装置２０によれば、第１の実施の形態のＰＭ検出器１１及びフィルタ処理装置１０と同様の効果が得られる。すなわち、ＰＭ蓄積量の測定時間を短縮できる。また、付着物の蓄積量の変化をリアルタイムで逐次観測できる。
（第３の実施の形態）
図８は、第３の実施の形態のＰＭ検出器及びフィルタ処理装置の一例を示す図である。図８において、図２に示した要素と同じ要素については同一符号が付されている。
フィルタ処理装置４０におけるＰＭ検出器４１は、カプラ（方向性結合器とも呼ばれる）４１ａを有する。
カプラ４１ａは、アンテナ１５ｃが受信した電波（アンテナ１５ｃ自身が送信した電波が反射されたもの）に基づく信号を、増幅器２１ｂに供給する。
これにより、第２の実施の形態のＰＭ検出器２１と同様の効果が得られるとともに、アンテナ１５ｄが不要になる。
なお、カプラ４１ａの代わりに、デュプレクサを用いてもよい。
（第４の実施の形態）
図９は、第４の実施の形態のＰＭ検出器及びフィルタ処理装置の一例を示す図である。図９において、図２に示した要素と同じ要素については同一符号が付されている。
フィルタ処理装置５０におけるＰＭ検出器５１は、複数の整合回路１１ｂ１〜１１ｂｎと、複数のフィルタ１１ｃ１〜１１ｃｎと、スイッチ５１ａ，５１ｂを有する。
整合回路１１ｂ１〜１１ｂｎのそれぞれとフィルタ１１ｃ１〜１１ｃｎのそれぞれは、図１に示したような筐体１５の複数の共振周波数の何れかを含む帯域に通過する信号の周波数帯域を狭める。負性抵抗素子１１ａの発振周波数を、複数の共振周波数のどの変化に追尾させるかによって、用いられる整合回路とフィルタとが、スイッチ５１ａ，５１ｂによって選択される。
たとえば、図１に示した共振周波数ｆ１ａの変化時の信号強度の変化からＰＭ蓄積量の測定が行われる場合、整合回路１１ｂ１とフィルタ１１ｃ１とがスイッチ５１ａ，５１ｂによって負性抵抗素子１１ａの出力端子と増幅器２１ａの入力端子との間に接続される。
スイッチ５１ａ，５１ｂの切り替えは、たとえば、ＳＣＵ２２ｅの制御に基づいて、タイミング制御器２２ｄが行う。また、スイッチ５１ａ，５１ｂの切り替えをＳＣＵ２２ｅ自身が行ってもよい。
なお、整合回路１１ｂ１〜１１ｂｎが複数設けられる理由は、負性抵抗素子１１ａの発振周波数によって、負性抵抗素子１１ａの出力電圧を最大化できる整合条件が異なるためである。発振周波数に応じて、図７に示したような手法により適切なインピーダンスが設定された整合回路１１ｂ１〜１１ｂｎが用いられる。
上記のようなＰＭ検出器５１によれば、第２の実施の形態のＰＭ検出器２１と同様の効果が得られるとともに、負性抵抗素子１１ａの発振周波数を、複数の共振周波数のそれぞれに追尾させることができる。このため、観測に適した周波数帯を選択でき、ＰＭ蓄積量の測定精度を向上させることができる。たとえば、信号処理回路２２は、検波器１１ｄにて検出される電波の信号強度の変化がより大きい（ＰＭ蓄積量の変化がより顕著に現れている）共振周波数を含む周波数帯を選択する。
また、信号処理回路２２は、ある時間ごとに選択する周波数帯を変化させてもよい。その場合、ＥＣＵ１６は、信号処理回路２２から供給される各周波数帯についての計測結果を、表示装置１７に時系列で表示させてもよい。これにより、ＰＭやアッシュの付着による共振状態の変化をリアルタイムで確認できる。
また、フィルタ処理装置５０は、複数の共振周波数のそれぞれの変化に基づいて、ＰＭ蓄積量を測定し、測定結果の分布に基づいて、より正しい測定結果と考えられるＰＭ蓄積量を決定してもよい。
（第５の実施の形態）
図１０は、第５の実施の形態のＰＭ検出器及びフィルタ処理装置の一例を示す図である。図１０において、図２に示した要素と同じ要素については同一符号が付されている。
マイクロ波によりＰＭを燃焼させる場合、そのマイクロ波により筐体１５内を伝播するＰＭ蓄積量の測定用の電波が影響を受ける可能性がある。そのため、マイクロ波によりＰＭを燃焼させる場合、ＰＭ蓄積量の測定を停止させることが望ましい。
図１０に示すように、フィルタ処理装置６０におけるＰＭ検出器６１は、スイッチ６１ａ，６１ｂを有している。また、フィルタ処理装置６０は、マイクロ波帯の高周波信号を出力する高周波信号源６２と、高周波信号源６２の出力電力を最大化するための整合回路６３を有する。高周波信号源６２は、たとえば、ＧａＮ（窒化ガリウム）を用いた増幅器である。
スイッチ６１ａは、負性抵抗素子１１ａの出力信号を、アンテナ１５ｃに伝えるか、高周波信号源６２が出力する高周波信号を、アンテナ１５ｃに伝えるかを切り替える。
スイッチ６１ｂは、アンテナ１５ｄと、検波器１１ｄとの接続の有無を切り替える。
スイッチ６１ａは、マイクロ波によるＰＭの燃焼が行われる際、整合回路１１ｂとフィルタ１１ｃとの接続を遮断し、フィルタ１１ｃと整合回路６３とを接続する。これにより、高周波信号源６２が出力する高周波信号が、アンテナ１５ｃに伝播する。
スイッチ６１ｂは、マイクロ波によるＰＭの燃焼が行われる際、アンテナ１５ｄと検波器１１ｄとの接続を遮断する。
スイッチ６１ａ，６１ｂの切り替えは、たとえば、ＳＣＵ２２ｅの制御に基づいて、タイミング制御器２２ｄが行う。また、スイッチ６１ａ，６１ｂの切り替えをＳＣＵ２２ｅ自身が行ってもよい。
なお、スイッチ６１ａは、フィルタ１１ｃと増幅器２１ａとの間にあってもよい。
上記のようなフィルタ処理装置６０では、マイクロ波によるＰＭの燃焼と、ＰＭ蓄積量の測定を異なるタイミングで行うことができ、ＰＭ蓄積量の測定時に、ＰＭ蓄積量の測定用の電波がＰＭ燃焼用のマイクロ波による影響を受けることを避けられる。
なお、上記の第３の実施の形態乃至第５の実施の形態のフィルタ処理装置４０，５０，６０は、互いに組み合わせられる。たとえば、フィルタ処理装置５０，６０を組み合わせる場合には、フィルタ処理装置５０のＰＭ検出器５１のスイッチ５１ｂと増幅器２１ａの入力端子との間に、図１０に示したようなＰＭ検出器６１のスイッチ６１ａに相当するスイッチが設けられる。そして、アンテナ１５ｃに対して、負性抵抗素子１１ａの出力信号を伝えるか、マイクロ波帯の高周波信号を伝えるかを、そのスイッチを用いて切り替えればよい。
以上、実施の形態に基づき、本発明のＰＭ検出器及びフィルタ処理装置の一観点について説明してきたが、これらは一例にすぎず、上記の記載に限定されるものではない。
１０ フィルタ処理装置
１１ ＰＭ検出器
１１ａ 負性抵抗素子
１１ｂ 整合回路
１１ｃ フィルタ
１１ｄ 検波器
１２ 信号処理回路
１５ 筐体
１５ａ ＤＰＦ
１５ｂ〜１５ｄ アンテナ
１６ ＥＣＵ
１７ 表示装置
１８ａ，１８ｂ 波形
ｆ１ａ〜ｆ５ａ，ｆ１ｂ〜ｆ５ｂ 共振周波数
ｗ１，ｗ２ 帯域

Claims (5)

  1. 排ガスをろ過する第１のフィルタを収容した筐体内に挿入される第１のアンテナに接続される入力端子と、インピーダンス整合を行う整合回路と通過する信号の周波数帯域を狭める第２のフィルタとを介して前記筐体内に挿入される第２のアンテナに接続される出力端子と、を有し、前記第１のフィルタに付着する付着物の量に応じて変化する前記筐体の共振周波数で発振する負性抵抗素子と、
    前記筐体内に挿入される第３のアンテナまたは前記第２のアンテナが受信した電波の信号強度に応じた電圧値を出力する検波器と、
    を有する粒子状物質検出器。
  2. 前記第２のフィルタは、前記筐体の複数の共振周波数のうちの１つを含む帯域以外の帯域の前記信号の通過を遮断する、請求項１に記載の粒子状物質検出器。
  3. それぞれが、前記複数の共振周波数の何れかを含む第１の帯域に前記周波数帯域を狭める複数の第３のフィルタと、
    複数の整合回路と、
    前記複数の第３のフィルタの何れかと、前記複数の整合回路の何れかを、前記第２のフィルタまたは前記整合回路として選択して、前記負性抵抗素子の前記出力端子と前記第２のアンテナとの間に接続するスイッチと、
    をさらに有する請求項２に記載の粒子状物質検出器。
  4. 排ガスをろ過する第１のフィルタを収容した筐体内に挿入される第１のアンテナに接続される入力端子と、インピーダンス整合を行う整合回路と通過する信号の周波数帯域を狭める第２のフィルタとを介して前記筐体内に挿入される第２のアンテナに接続される出力端子と、を有し、前記第１のフィルタに付着する付着物の量に応じて変化する前記筐体の共振周波数で発振する負性抵抗素子と、前記筐体内に挿入される第３のアンテナまたは前記第２のアンテナが受信した電波の信号強度に応じた電圧値を出力する検波器と、を備えた粒子状物質検出器と、
    前記電圧値の計測と、前記負性抵抗素子の出力信号の周波数の計測を行い、計測結果を出力する信号処理回路と、
    を有するフィルタ処理装置。
  5. 前記粒子状物質検出器は、前記負性抵抗素子の前記出力信号を、前記第２のアンテナに伝えるか、信号源が出力するマイクロ波帯の高周波信号を、前記第２のアンテナに伝えるかを切り替える第１のスイッチと、
    前記第３のアンテナまたは前記第２のアンテナと、前記検波器との接続の有無を切り替える第２のスイッチとを有し、
    前記信号処理回路は、マイクロ波により粒子状物質を燃焼する際、前記第１のスイッチを制御して、前記高周波信号を前記第２のアンテナに伝えるように切り替えさせ、前記第２のスイッチを制御して、前記第３のアンテナまたは前記第２のアンテナと、前記検波器との接続を切断させる、
    請求項４に記載のフィルタ処理装置。
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