JP6053603B2 - 微粒子測定システム - Google Patents

Description

本発明は、ガス中に含まれる煤などの微粒子量を測定する微粒子測定システムに関する。

従来から、ディーゼルエンジンなどの内燃機関の排ガスに含まれる煤などの微粒子の量を測定する微粒子測定システムが知られている。この微粒子測定システムは、コロナ放電によってイオンを生成し、生成したイオンによって排ガス中の微粒子を帯電させるとともに、微粒子の帯電に使用されなかったイオンを捕捉して、捕捉したイオン量に基づいて（逆に言えば、微粒子に帯電され、捕捉されなかったイオン量に基づいて）排ガス中の微粒子の量を測定する。捕捉したイオン量は、帯電に使用されたイオン量と相関しており、帯電に使用されたイオン量は、排ガス中の微粒子の量に相関しているため、この微粒子測定システムは、捕捉したイオン量から排ガス流の微粒子の量を測定することができる。

この微粒子測定システムに関して、イオンを発生させるためのイオン源電源回路と、これを囲む電源回路包囲部材と、捕捉したイオン量に相関する信号電流を検出する信号電流検出回路とを外側回路包囲部材で包囲することによって電磁遮蔽する技術が知られている（特許文献１）。また、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にイオンに対して斥力を生じさせる分離用電極を、イオンを噴射するためのノズルを形成するノズル形成部材を貫通させて配置し、分離用電極とノズル形成部材とをセラミック部材によって絶縁する技術が知られている（特許文献２）。

特開２０１２−２２０４２３号公報 特表２０１２−１９４０７８号公報

しかしながら、上記先行技術によっても、微粒子測定システムにおいて、排ガス中の微粒子の量を検出する精度については、なお改善の余地があった。一般的に、微粒子の帯電に使用されたイオン量に相当する電流に相当する電流は非常に小さいため、この電流値を正確に検出することは容易ではない。例えば、微粒子測定システムは、放電のための高電圧の印加や当該システムを構成する絶縁部材の湿度に起因する絶縁低下等に起因して、微粒子測定システムの回路内において意図しない微電流（漏れ電流）が流れることがあった。この漏れ電流が発生すると、微粒子の帯電に使用されたイオン量に相当する電流として検出した電流値に誤差が生じる問題があった。

微粒子測定システムの一例として、絶縁トランスの一次側に電源回路を含み、二次側にイオン発生部やイオン捕捉部を含み、一次側の回路と二次側の回路との間には、微粒子の帯電に使用されたイオン量に相当する電流を二次側に補償電流として供給するとともに、この補償電流の電流値を検出する電流測定回路を備える微粒子測定システムが考えられる。この構成によれば、電流測定回路によって検出された補償電流の電流値から排ガス中の微粒子の量を検出することができる。しかし、この微粒子測定システムの場合、電流測定回路以外の部分において、一次側から二次側に漏れ電流が流れると、補償電流の電流値と、微粒子の帯電に使用されたイオン量に相当する電流の電流値との間に誤差が生じ、排ガス中の微粒子の量を正確に検出できなくなる問題があった。

上記課題を解決するために、本発明は、以下の形態として実現することが可能である。即ち、本発明の一形態によれば、コロナ放電によってイオンを発生させるイオン発生部と、ガス中の少なくとも一部の微粒子を、前記イオンを用いて帯電させるための帯電室と、前記帯電室と連通し、前記微粒子の帯電に使用されなかった前記イオンの少なくとも一部を捕捉する捕捉部と、を備える微粒子測定システムが提供される。この微粒子測定システムは、前記コロナ放電に用いられる電力の電圧変換をおこなう絶縁トランスであって、二次側が前記イオン発生部に接続される絶縁トランスと、前記絶縁トランスの一次側に接続され、前記絶縁トランスに供給する電力の電圧値を変更可能な一次側電源回路と、前記一次側電源回路に接続され、前記一次側電源回路を制御して前記イオン発生部に供給される電力の電流値を調整する制御回路と、前記絶縁トランスの二次側の基準電位を示す配線である二次側基準電位配線と、前記捕捉部と、前記制御回路と、にそれぞれ接続され、前記捕捉部から前記二次側基準電位配線に向けて流れる第１の電流の電流値を示す第１の信号を前記制御回路に伝送する第１の電流測定回路と、前記絶縁トランスの一次側の基準電位を示す配線である一次側基準電位配線と、前記二次側基準電位配線と、前記制御回路と、にそれぞれ接続され、前記一次側基準電位配線と前記二次側基準電位配線との電位差に基づいて得られる第２の電流の電流値であって、前記捕捉部に捕捉されなかったイオンの量に相当する第２の電流の電流値を示す第２の信号を前記制御回路に伝送する第２の電流測定回路と、を備え、前記制御回路は、前記第１の電流の電流値に応じて前記イオン発生部に供給される電力の電流値を目標電流値に調整するとともに、前記第２の電流の電流値に応じて前記ガス中の前記微粒子の量を測定するように構成されており、前記第１の電流測定回路は、入力側と出力側とを絶縁するアイソレーションアンプを含んで構成され、前記アイソレーションアンプの前記入力側で増幅した前記第１の信号を絶縁して前記出力側から前記制御回路に伝送することを特徴としている。

（１）本発明の一形態によれば、コロナ放電によってイオンを発生させるイオン発生部と、ガス中の少なくとも一部の微粒子を、前記イオンを用いて帯電させるための帯電室と、前記帯電室と連通し、前記微粒子の帯電に使用されなかった前記イオンの少なくとも一部を捕捉する捕捉部と、を備える微粒子測定システムが提供される。この微粒子測定システムは、前記コロナ放電に用いられる電力の電圧変換をおこなう絶縁トランスであって、二次側が前記イオン発生部に接続される絶縁トランスと、前記絶縁トランスの一次側に接続され、前記絶縁トランスに供給する電力の電圧値を変更可能な一次側電源回路と、前記一次側電源回路に接続され、前記一次側電源回路を制御して前記イオン発生部に供給される電力の電流値を調整する制御回路と、前記絶縁トランスの二次側の基準電位を示す配線である二次側基準電位配線と、前記捕捉部と、前記制御回路と、にそれぞれ接続され、前記捕捉部から前記二次側基準電位配線に向けて流れる第１の電流の電流値を示す第１の信号を前記制御回路に伝送する第１の電流測定回路と、前記絶縁トランスの一次側の基準電位を示す配線である一次側基準電位配線と、前記二次側基準電位配線と、前記制御回路と、にそれぞれ接続され、前記一次側基準電位配線と前記二次側基準電位配線との電位差に基づいて得られる第２の電流の電流値であって、前記捕捉部に捕捉されなかったイオンの量に相当する第２の電流の電流値を示す第２の信号を前記制御回路に伝送する第２の電流測定回路と、を備え、前記制御回路は、前記第１の電流の電流値に応じて前記イオン発生部に供給される電力の電流値を目標電流値に調整するとともに、前記第２の電流の電流値に応じて前記ガス中の前記微粒子の量を測定するように構成されており、前記第１の電流測定回路は、アイソレーションアンプを含んで構成され、前記アイソレーションアンプを介して前記第１の信号を増幅して前記制御回路に伝送することを特徴としている。
この構成によれば、一次側の回路と二次側の回路にそれぞれ接続される２つの電気測定回路（第１の電流測定回路と第２の測定回路）のうち、定電流回路を構成するための第１の電流測定回路は、アイソレーションアンプとして構成され、絶縁トランスと同様に、一次側と二次側との間（詳細には、入力部にあたる一次側と出力部にあたる二次側との間）が物理的に絶縁されている。そのため、この微粒子測定システムでは、一次側の回路と二次側の回路とを電気的に接続しているのは、第２の電流測定回路だけの構成となっており、第２の電流測定回路以外の部分において、一次側から二次側に漏れ電流が発生することを抑制することができる。第２の電流測定回路以外の部分における漏れ電流の発生を抑制することで、第２の電流測定回路において、二次側に供給される補償電流の電流値と、微粒子の帯電に使用されたイオンの量に相当する電流の電流値との間の誤差を低減することができる。また、制御回路は、アイソレーションアンプによって増幅された第１の信号に基づいて、イオン発生部に供給される電力の電流値を目標電流値に調整することから、より精度の高い電力の電流値制御が可能となる。よって、この微粒子測定システムによれば、ガス中に含まれる微粒子の量を検出する精度の向上を図ることができる。

（２）上記（１）に記載の微粒子測定システムであって、前記ガスは、内燃機関から排出される排気ガスであり、前記帯電室は、前記排気ガスが流通する排気管内に配置されていてもよい。
この構成によれば、内燃機関から排出される排気ガス中の微粒子の量を検出する精度の向上を図ることができ、検出した微粒子の量を用いた上での、排気ガス中の微粒子を捕集するフィルタの破損状態の検出精度、または、内燃機関の各種制御の精度の信頼性を高めることが可能となる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、微粒子センサ、微粒子検出方法、微粒子測定システムを備える内燃機関、この内燃機関を備えた車両などの形態で実現することができる。

第１実施形態に係る微粒子測定システム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。 イオン電流測定回路の概略構成を例示した説明図である。 コロナ電流測定回路の概略構成を例示した説明図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態に係る微粒子測定システム１０の全体構成を説明するための説明図である。図１（ａ）は、微粒子測定システム１０を搭載した車両５００の概略構成を例示した説明図である。図１（ｂ）は、車両５００に取り付けられた微粒子測定システム１０の概略構成を例示した説明図である。微粒子測定システム１０は、微粒子センサ１００と、ケーブル２００と、センサ駆動部３００とを含んで構成され、内燃機関４００から排出される排ガスに含まれる煤などの微粒子の量を測定する。内燃機関４００とは、車両５００の動力源であり、ディーゼルエンジン等によって構成されている。

微粒子センサ１００は、内燃機関４００から延びる排ガス配管４０２に取り付けられるとともに、ケーブル２００によってセンサ駆動部３００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４１０（例えば、ＤＰＦ（Diesel particulate filter））よりも下流側の排ガス配管４０２に取り付けられている。微粒子センサ１００は、排ガスに含まれる微粒子の量に相関する信号をセンサ駆動部３００に出力する。

センサ駆動部３００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、排ガス中の微粒子の量を検出する。センサ駆動部３００が検出する「排ガス中の微粒子の量」とは、排ガス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、排ガスの単位体積中に含まれる微粒子の個数に比例する値であってもよい。センサ駆動部３００は、車両５００側の車両制御部４２０と電気的に接続されており、検出した排ガス中の微粒子量を示す信号を車両制御部４２０に出力する。車両制御部４２０は、センサ駆動部３００から入力される信号に応じて、内燃機関４００の燃焼状態や、燃料配管４０５を介して燃料供給部４３０から内燃機関４００に供給される燃料の供給量などを制御する。車両制御部４２０は、例えば、排ガス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４１０の劣化や異常を車両５００の運転手に警告するように構成されていてもよい。センサ駆動部３００と車両制御部４２０は、それぞれ電源部４４０に電気的に接続されており、電源部４４０から電力が供給される。

図１（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４０２の内側に挿入された状態で、排ガス配管４０２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４０２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、排ガスをケーシングＣＳの内部に取り込むための流入孔４５と、取り込んだ排ガスをケーシングＣＳの外部に排出するための排出孔３５と、が設けられている。排ガス配管４０２の内部を流通する排ガスの一部は、流入孔４５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は、排出孔３５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２００が取り付けられている。ケーブル２００は、第１の配線２２１と、第２の配線２２２と、信号線２２３と、空気供給管２２４と、を束ねた構成を備えている。ケーブル２００を構成する配線２２１〜２２３と、配管２２４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２２１、第２の配線２２２、および、信号線２２３は、センサ駆動部３００に電気的に接続され、空気供給管２２４は、空気供給部８００に接続されている。

センサ駆動部３００は、センサ制御部６００と、電気回路部７００と、空気供給部８００とを備えている。センサ制御部６００と電気回路部７００との間、および、センサ制御部６００と空気供給部８００との間はそれぞれ電気的に接続されている。

センサ制御部６００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７００と、空気供給部８００とを制御する。また、センサ制御部６００は、電気回路部７００から入力される信号から排ガス中の微粒子の量を検出し、排ガス中の微粒子量を表す信号を車両制御部４２０に出力する。

電気回路部７００は、第１の配線２２１および第２の配線２２２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７００は、信号線２２３を介して微粒子センサ１００から排ガスに含まれる微粒子の量に相関する信号が入力される。電気回路部７００は、信号線２２３から入力される信号を用いて、排ガス中の微粒子量に応じた信号をセンサ制御部６００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８００は、ポンプ（図示しない）を含んで構成されており、センサ制御部６００からの指示に基づいて、空気供給管２２４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８００から供給される高圧空気は、微粒子センサ１００の駆動させるときに用いられる。なお、空気供給部８００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、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２２３（図１）を介して二次側グランドＳＧＬ（図３）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５５とノズル４１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５５は、空気供給管２２４（図１）と連通しており、空気供給部８００（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４１は、排ガス帯電部１２０との間を区画する隔壁４２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４２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２２１（図１）を介して電気回路部７００（図１）に接続されている。

イオン発生部１１０は、電気回路部７００から供給される電力を用いて、第１の電極１１２を陽極とし、隔壁４２を陰極として、直流電圧（例えば、２〜３ｋＶ）を印加する。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４２との間にコロナ放電を生じさせることによって、陽イオンＰＩを発生させる。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８００（図１）から供給される高圧空気とともに、ノズル４１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４１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４１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４５を介して、ケーシングＣＳの外部と連通し、ガス流路３１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４１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４５を介してケーシングＣＳの外部の排ガスが流入するように構成されている。そのため、ノズル４１から噴射された陽イオンＰＩを含む空気と、流入孔４５から流入した排ガスとは、帯電室１２１の内部において混合される。このとき、流入孔４５から流入した排ガスに含まれる煤Ｓ（微粒子）の少なくとも一部は、ノズル４１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。

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３１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３５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３１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２２２（図１）を介して電気回路部７００（図１）に接続されている。第２の電極１３２は、１００Ｖ程度の電圧が印加されており、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７００から供給される電力によって、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を陰極とした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、その移動方向が第２の電極１３２から離れる方向へと反らされる。移動方向が反らされた陽イオンＰＩは、陰極として機能する捕捉室１３１やガス流路３１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、排ガスの流れに従って、排出孔３５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。センサ制御部６００（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７００の概略構成を例示した説明図である。電気回路部７００は、一次側電源回路７１０と、絶縁トランス７２０と、コロナ電流測定回路７３０と、イオン電流測定回路７４０と、第１の整流回路７５１と、第２の整流回路７５２と、を備えている。

一次側電源回路７１０は、電源部４４０から供給される電力（ここでは、直流電力）を昇圧して絶縁トランス７２０に供給するとともに、絶縁トランス７２０を駆動させる。一次側電源回路７１０は、放電電圧制御回路７１１と、トランス駆動回路７１２とを備えている。放電電圧制御回路７１１は、ＤＣ／ＤＣコンバータを含んで構成され、センサ制御部６００の制御によって、絶縁トランス７２０に供給される電力の電圧値を任意に変更可能に構成されている。ここでは、センサ制御部６００は、第１の配線２２１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７２０に供給される電力の電圧値を制御する。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の発生量を一定にすることができる。

トランス駆動回路７１２は、絶縁トランス７２０の一次側のコイルに流れる電流の方向を切り換え可能なスイッチを含んで構成されており、このスイッチの切り換えによって絶縁トランス７２０を駆動させる。本実施形態では、絶縁トランス７２０の回路方式は、プッシュプルとして構成されているが、絶縁トランス７２０の回路方式は、これに限定されず、例えば、ハーフブリッジやフルブリッジなどであってもよい。

絶縁トランス７２０は、一次側電源回路７１０から供給される電力に対して電圧変換をおこない、変換後の電力（ここでは、交流電力）を二次側の整流回路７５１、７５２に供給する。絶縁トランス７２０は、２次側のコイル構成によって、第１の整流回路７５１に供給される電力と、第２の整流回路７５２に供給される電力とで、増幅率が異なるように設定することができる。本実施形態の絶縁トランス７２０は、一次側のコイルと二次側のコイルとが物理的に接触しておらず、磁気によって結合するように構成されている。絶縁トランス７２０の一次側の回路としては、一次側電源回路７１０のほか、センサ制御部６００や電源部４４０が含まれる。絶縁トランス７２０の二次側の回路としては、微粒子センサ１００や整流回路７５１、７５２が含まれる。コロナ電流測定回路７３０とイオン電流測定回路７４０は、絶縁トランス７２０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７３０は、後述するように、絶縁トランス７２０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の間が物理的に絶縁されている。ここでは、一次側の回路の基準電位を示すグランド（接地配線）を「一次側グランドＰＧＬ」とも呼び、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」とも呼ぶ。絶縁トランス７２０は、一次側のコイルの端部が一次側グランドＰＧＬに接続され、二次側のコイルの端部が二次側グランドＳＧＬに接続されている。信号線２２３は、一方の端部がケーシングＣＳに接続され、他方の端部が二次側グランドＳＧＬに接続されている。

整流回路７５１、７５２は、絶縁トランス７２０から出力された交流電力を整流するとともに、直流電力に変換する。第１の整流回路７５１は、ショート保護用抵抗７５３を介して第１の電極１１２に接続されており、変換した直流電力を第１の配線２２１を介して第１の電極１１２に供給する。すなわち、第１の整流回路７５１から供給される直流電圧は、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７５１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７５２は、ショート保護用抵抗７５４を介して第２の電極１３２に接続されており、変換した直流電圧を第２の配線２２２を介して第２の電極１３２に印加する。

コロナ電流測定回路７３０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、配線７６１、７６２を介して信号線２２３に接続され、配線７６３を介してセンサ制御部６００に接続されている。配線７６１と配線７６２は、信号線２２３に設けられたシャント抵抗２３０を間に挟んでそれぞれ信号線２２３に接続されている。コロナ電流測定回路７３０は、信号線２２３をケーシングＣＳから二次側グランドＳＧＬに向けて流れる電流（Ｉ_dc＋Ｉ_trp）の電流値を示す信号Ｓ_dc+trpをセンサ制御部６００に出力する。ここで「電流値を示す信号」とは、電流値を直接的に示す信号に限定されず、電流値を間接的に示す信号も該当する。例えば、信号から得られる情報に演算式やマップを適用することによって電流値を特定できる信号も「電流値を示す信号」に含まれる。

後述の式（１）に示すように、信号線２２３を流れる電流（Ｉ_dc＋Ｉ_trp）の電流値は、入力電流Ｉ_inの電流値とほぼ等しい。式（１）の漏洩電流Ｉ_escは、信号線２２３を流れる電流（Ｉ_dc＋Ｉ_trp）のおよそ１／１０⁶倍程度大きさであり、入力電流Ｉ_inの変動を監視するにあたっては実質的に無視することができるためである。入力電流Ｉ_inの電流値とイオン発生部１１０のコロナ電流の電流値とは等しいことから、信号線２２３を流れる電流（Ｉ_dc＋Ｉ_trp）の電流値は、コロナ電流の電流値とほぼ等しいといえる。このことから、コロナ電流測定回路７３０は、イオン発生部１１０のコロナ電流の電流値を示す信号Ｓ_dc+trpをセンサ制御部６００に出力しているといえる。本実施形態において、コロナ電流測定回路７３０は、特許請求の範囲の「第１の電流測定回路」に該当する。また、信号線２２３を流れる電流（Ｉ_dc＋Ｉ_trp）は、特許請求の範囲の「第１の電流」に該当する。信号線２２３を流れる電流の電流値を示す信号Ｓ_dc+trpは、特許請求の範囲の「第１の信号」に該当する。

センサ制御部６００は、コロナ電流測定回路７３０から入力される信号Ｓ_dc+trpに応じて、入力電流Ｉ_inの電流値が目標電流値となるように、放電電圧制御回路７１１を制御する。すなわち、コロナ電流測定回路７３０とセンサ制御部６００は、コロナ電流（＝入力電流Ｉ_in）の電流値を一定にするための定電流回路を構成する。コロナ電流の電流値は、イオン発生部１１０における陽イオンＰＩの発生量と相関するため、この定電流回路によってイオン発生部１１０における陽イオンＰＩの発生量が一定に保たれる。

イオン電流測定回路７４０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_esc）電流値を検出するとともに、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。イオン電流測定回路７４０は、配線７７１を介して二次側の信号線２２３に接続されるとともに、配線７７２を介して一次側のセンサ制御部６００に接続される。また、イオン電流測定回路７４０は、配線７７３を介して一次側グランドＰＧＬに接続されている。イオン電流測定回路７４０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に相当する電流の電流値に応じた信号Ｓ_escをセンサ制御部６００に出力する。

イオン電流測定回路７４０がイオン捕捉部１３０において捕捉されずに流出した陽イオンＰＩに相当する電流の電流値を検出する方法について説明する。ここでは、第１の配線２２１から第１の電極１１２に供給される電流を「入力電流Ｉ_in」と呼ぶほか、コロナ放電により、第１の電極１１２から隔壁４２を介してケーシングＣＳに流れる電流を「放電電流Ｉ_dc」と呼び、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、ケーシングＣＳの外部へと漏洩する陽イオンＰＩの電荷に相当する電流を「漏洩電流Ｉ_esc」と呼び、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を「捕捉電流Ｉ_trp」と呼ぶ。これらの４つの電流は、下記の式（１）の関係が成り立つ。
Ｉ_in＝Ｉ_dc＋Ｉ_trp＋Ｉ_esc ・・・（１）

放電電流Ｉ_dcと捕捉電流Ｉ_trpは、ケーシングＣＳから信号線２２３を介して二次側グランドＳＧＬに流れるため、信号線２２３の流れる電流値から放電電流Ｉ_dcと捕捉電流Ｉ_trpの合計の値を検出することができる。また、入力電流Ｉ_inは、上述のように、定電流回路によって一定に制御されている。従って、入力電流Ｉ_inの電流値と、信号線２２３を流れる電流（Ｉ_dc＋Ｉ_trp）の電流値との差から漏洩電流Ｉ_escの値を算出することができる。すなわち、漏洩電流Ｉ_escは、下記式（２）によって算出することができる。
Ｉ_esc＝Ｉ_in−（Ｉ_dc＋Ｉ_trp） ・・・（２）

図４は、イオン電流測定回路７４０の概略構成を例示した説明図である。本実施形態のイオン電流測定回路７４０は、この漏洩電流Ｉ_escの値を以下の方法によって検出する。イオン電流測定回路７４０は、オペアンプ７４１と、抵抗値が既知の抵抗７４２と、抵抗７４２を介して配線７７２と配線７７１とを接続する配線７４３と、を含んで構成されている。オペアンプ７４１の一方の入力端子は、配線７７１および信号線２２３を介して二次側グランドＳＧＬに接続されており、他方の入力端子は、配線７７３を介して一次側グランドＰＧＬに接続されている。オペアンプ７４１の出力端子は、配線７７２を介してセンサ制御部６００に接続されるとともに、配線７４３と抵抗７４２を介して配線７７１に接続されている。

漏洩電流Ｉ_escが発生すると、二次側グランドＳＧＬの基準電位は、漏洩電流Ｉ_escの大きさに応じて、一次側グランドＰＧＬの基準電位よりも低下する。これは、一次側電源回路７１０を含む一次側から微粒子センサ１００に供給されるエネルギー（電力）と、信号線２２３を介して微粒子センサ１００から出力されるエネルギー（電力）との間に、漏洩電流Ｉ_escに対応するエネルギー分の差異が生じるためである。漏洩電流Ｉ_escの発生により、二次側グランドＳＧＬの基準電位と一次側グランドＰＧＬの基準電位との間に差異が生じると、オペアンプ７４１は、この差異に応じた電圧を出力する。オペアンプ７４１が出力する電圧は、漏洩電流Ｉ_escの電流値に相関するため、この電圧値は、漏洩電流Ｉ_escの電流値を示す信号Ｓ_escとして配線７７２を介してセンサ制御部６００に出力される。また、オペアンプ７４１が出力する電圧は、抵抗７４２を介することによって、補償電流I_cとして配線７７１に供給される。この補償電流I_cは、漏洩電流Ｉ_escと電流値が等しく、二次側の回路を構成する配線７７１に供給されることで、二次側グランドＳＧＬの基準電位と一次側グランドＰＧＬの基準電位との間の差異を補償する。本実施形態において、イオン電流測定回路７４０は、特許請求の範囲の「第２の電流測定回路」に該当する。また、補償電流I_cは、特許請求の範囲の「第２の電流」に該当する。また、補償電流I_cの電流値を示す信号は、特許請求の範囲の「第２の信号」に該当する。

センサ制御部６００は、イオン電流測定回路７４０から入力される漏洩電流Ｉ_escの電流値を示す信号Ｓ_escから排ガス中の煤Ｓの量を検出する。漏洩電流Ｉ_escの電流値から排ガス中の煤Ｓの量を検出する方法については、特に限定されないが、例えば、センサ制御部６００は、漏洩電流Ｉ_escの電流値と排ガス中の煤Ｓの量との対応関係が示されているマップや、漏洩電流Ｉ_escの電流値と排ガス中の煤Ｓの量との関係式を記憶していれば、これらを用いることによって、排ガス中の煤Ｓの量を算出することができる。

図５は、コロナ電流測定回路７３０の概略構成を例示した説明図である。コロナ電流測定回路７３０は、入力側と出力側との間が絶縁されたいわゆる光結合式のアイソレーションアンプとして構成されている。コロナ電流測定回路７３０の入力側は電気回路部７００（図３）の二次側に属し、出力側は電気回路部７００の一次側に属している。コロナ電流測定回路７３０は、第１のオペアンプ７３１と、Ａ／Ｄコンバータ７３２と、発光部７３３と、受光部７３４と、第２のオペアンプ７３５と、Ｄ／Ａコンバータ７３６とを備えている。

第１のオペアンプ７３１の２つの入力端子は、配線７６１と配線７６２にそれぞれ接続されており、出力端子は、Ａ／Ｄコンバータ７３２に接続されている。第１のオペアンプ７３１は、配線７６１と配線７６２との電位差を増幅してＡ／Ｄコンバータ７３２に出力する。配線７６１と配線７６２との電位差は、抵抗値が既知のシャント抵抗２３０（図３）の両側の電位差であり、信号線２２３（図３）を流れる電流の電流値と相関する。すなわち、第１のオペアンプ７３１は、信号線２２３（図３）を流れる電流の電流値を示すアナログの電圧信号を増幅させてＡ／Ｄコンバータ７３２に出力する。Ａ／Ｄコンバータ７３２は、第１のオペアンプ７３１と発光部７３３に接続されており、第１のオペアンプ７３１から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換して発光部７３３に出力する。

発光部７３３は、ＬＥＤを含んで構成されており、Ａ／Ｄコンバータ７３２と二次側グランドＳＧＬに接続されている。発光部７３３は、Ａ／Ｄコンバータ７３２から出力されたデジタルの電圧信号を光信号に変換する。受光部７３４は、フォトダイオードを含んで構成されており、第２のオペアンプ７３５と一次側グランドＰＧＬに接続されている。受光部７３４は、発光部７３３から出力される光信号を電流信号に変換して第２のオペアンプ７３５に出力する。このように、発光部７３３と受光部７３４との間は、電気的、物理的に絶縁されており、光によって信号の伝達がおこなわれる。

第２のオペアンプ７３５は、受光部７３４とＤ／Ａコンバータ７３６に接続されており、電流−電圧変換回路を含んで構成されている。第２のオペアンプ７３５は、受光部７３４から出力された電流信号を電圧信号に変換してＤ／Ａコンバータ７３６に出力する。Ｄ／Ａコンバータ７３６は、第２のオペアンプ７３５と配線７６３に接続されており、第２のオペアンプ７３５から出力されたデジタル信号をアナログ信号に変換して配線７６３を介してセンサ制御部６００（図３）に出力する。コロナ電流測定回路７３０は、上述の構成を備えることによって、一次側と二次側との間の絶縁を保ちつつ、二次側の信号線２２３から入力された信号を一次側のセンサ制御部６００に出力することができる。

以上説明した第１実施形態の微粒子測定システム１０（図３）によれば、絶縁トランス７２０の一次側と二次側にそれぞれ接続されている２つの電気測定回路（コロナ電流測定回路７３０とイオン電流測定回路７４０）のうち、コロナ電流測定回路７３０は、アイソレーションアンプとして構成され、一次側と二次側との間が物理的に絶縁されている。そのため、本実施形態の微粒子測定システム１０では、一次側の回路と二次側の回路とを電気的に接続しているのは、イオン電流測定回路７４０だけの構成となっており、イオン電流測定回路７４０以外の部分において、一次側から二次側に漏れ電流が発生することを抑制することができる。イオン電流測定回路７４０以外の部分における漏れ電流の発生を抑制することで、イオン電流測定回路７４０において、二次側に供給される補償電流Iｃの電流値と、漏洩電流Ｉ_escの電流値との間の誤差を低減することができる。よって、本実施形態の微粒子測定システム１０によれば、排ガス中に含まれる煤Ｓの量を検出する精度の向上を図ることができる。

また、第１実施形態の微粒子測定システム１０によれば、コロナ電流測定回路７３０は、第１のオペアンプ７３１によって、信号線２２３を流れる電流の電流値を示す信号を増幅させた後に光信号に変換するため、排ガス中に含まれる煤Ｓの量を検出する精度の向上を図ることができる。具体的には、信号線２２３を流れる電流の電流値を示す信号は微弱であるため、発光部７３３から受光部７３４への信号の伝達時に誤差が含まれやすい。誤差を含んだ信号がセンサ制御部６００に入力されると、微粒子センサ１００に供給される入力電流Ｉ_inの電流値と目標電流値との間に誤差が生じるため、上記式（２）に示すように、算出される漏洩電流Ｉ_escに誤差が生じ、排ガス中の微粒子の量の検出精度が低下する。本実施形態の微粒子測定システム１０によれば、信号線２２３を流れる電流を示す信号を増幅した後に光信号に変換するため、発光部７３３から受光部７３４への信号の伝達時に誤差が含まれにくい。よって、本実施形態の微粒子測定システム１０によれば、排ガス中に含まれる煤Ｓの量を検出する精度の向上を図ることができる。

Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｂ−１．変形例１：
第１実施形態のコロナ電流測定回路７３０（図４）は、発光部７３３と受光部７３４との間において光によって信号の伝達をおこなう光結合式のアイソレーションアンプとして説明した。しかし、コロナ電流測定回路７３０は、入力側と出力側とが絶縁され、この絶縁部を介して入力側から出力側へ情報の伝達が可能な回路であれば、光結合方式のアイソレーションアンプに限定されない。例えば、コロナ電流測定回路７３０は、磁気によって信号の伝達をおこなう磁気結合式のアイソレーションアンプであってもよいし、コンデンサを使用した容量結合式のアイソレーションアンプであってもよい。なお、コロナ電流測定回路７３０は、ノイズに強く、リークが少ない光結合式のアイソレーションアンプとすることがより好ましい。

Ｂ−２．変形例２：
第１実施形態として示した微粒子測定システム１０の構成は例示であり、本発明は、第１実施例で示した微粒子測定システム１０の構成以外の構成であっても実現することができる。例えば、微粒子測定システム１０は、第２の電極１３２を備えていなくてもよい。また、微粒子測定システム１０は、イオン発生部１１０が微粒子センサ１００の内側ではなく、微粒子センサ１００とは別体として構成されていてもよい。また、イオン発生部１１０は、排ガス帯電部１２０と隣接する形態で設けられる必要はなく、排ガス帯電部１２０の内部に配置されるように構成されていてもよい。

Ｂ−３．変形例３：
本実施例のセンサ制御部６００は、コロナ電流測定回路７３０から出力される信号Ｓ_dc+trpに基づいて入力電流Ｉ_inの電流値が目標電流値となるように、放電電圧制御回路７１１を制御するものとして説明したが、センサ制御部６００の構成はこれに限定されない。例えば、センサ制御部６００は、コロナ電流測定回路７３０から出力される信号Ｓ_dc+trpのほか、イオン電流測定回路７４０から出力される信号Ｓ_escを用いて放電電圧制御回路７１１を制御するように構成されていてもよい。信号Ｓ_dc+trpは、電流（Ｉ_dc＋Ｉ_trp）の電流値を示し、信号Ｓ_escは、電流（Ｉ_esc）の電流値を示している。そのため、上記式（１）に示すように、この２つの信号を用いることにより、センサ制御部６００は、入力電流Ｉ_inの電流値を検出する精度をより高めることができる。

Ｂ−４．変形例４：
第１実施形態の微粒子測定システム１０は、コロナ放電により第１の電極１１２と隔壁４２との間で陽イオンを発生させる構成としたが、微粒子測定システム１０は、コロナ放電により陰イオンを発生させる構成としてもよい。例えば、第１の電極１１２、隔壁４２の正負の接続先を変更することにより、第１の電極１１２と隔壁４２との間で陰イオンを発生させせることができる。

１０…微粒子測定システム
２５…セラミックパイプ
３１…ガス流路
３５…排出孔
４１…ノズル
４２…隔壁
４５…流入孔
５５…空気供給孔
１００…微粒子センサ
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
１３０…イオン捕捉部
１３１…捕捉室
１３２…第２の電極
２００…ケーブル
２２１…第１の配線
２２２…第２の配線
２２３…信号線
２２４…空気供給管
２３０…シャント抵抗
３００…センサ駆動部
４００…内燃機関
４０２…排ガス配管
４０５…燃料配管
４１０…フィルタ装置
４２０…車両制御部
４３０…燃料供給部
４４０…電源部
５００…車両
６００…センサ制御部
７００…電気回路部
７１０…一次側電源回路
７１１…放電電圧制御回路
７１２…トランス駆動回路
７２０…絶縁トランス
７３０…コロナ電流測定回路
７３１…第１のオペアンプ
７３３…発光部
７３４…受光部
７３５…第２のオペアンプ
７４０…イオン電流測定回路
７４１…オペアンプ
７４２…抵抗
７４３…配線
７５１…第１の整流回路
７５２…第２の整流回路
７５３…ショート保護用抵抗
７５４…ショート保護用抵抗
７６１〜７６３、７７１〜７７３…配線
８００…空気供給部

Claims (2)

1. コロナ放電によってイオンを発生させるイオン発生部と、
   ガス中の少なくとも一部の微粒子を、前記イオンを用いて帯電させるための帯電室と、
   前記帯電室と連通し、前記微粒子の帯電に使用されなかった前記イオンの少なくとも一部を捕捉する捕捉部と、を備える微粒子測定システムであって、
   前記コロナ放電に用いられる電力の電圧変換をおこなう絶縁トランスであって、二次側が前記イオン発生部に接続される絶縁トランスと、
   前記絶縁トランスの一次側に接続され、前記絶縁トランスに供給する電力の電圧値を変更可能な一次側電源回路と、
   前記一次側電源回路に接続され、前記一次側電源回路を制御して前記イオン発生部に供給される電力の電流値を調整する制御回路と、
   前記絶縁トランスの二次側の基準電位を示す配線である二次側基準電位配線と、前記捕捉部と、前記制御回路と、にそれぞれ接続され、前記捕捉部から前記二次側基準電位配線に向けて流れる第１の電流の電流値を示す第１の信号を前記制御回路に伝送する第１の電流測定回路と、
   前記絶縁トランスの一次側の基準電位を示す配線である一次側基準電位配線と、前記二次側基準電位配線と、前記制御回路と、にそれぞれ接続され、前記一次側基準電位配線と前記二次側基準電位配線との電位差に基づいて得られる第２の電流の電流値であって、前記捕捉部に捕捉されなかったイオンの量に相当する第２の電流の電流値を示す第２の信号を前記制御回路に伝送する第２の電流測定回路と、を備え、
   前記制御回路は、前記第１の電流の電流値に応じて前記イオン発生部に供給される電力の電流値を目標電流値に調整するとともに、前記第２の電流の電流値に応じて前記ガス中の前記微粒子の量を測定するように構成されており、
   前記第１の電流測定回路は、入力側と出力側とを絶縁するアイソレーションアンプを含んで構成され、前記アイソレーションアンプの前記入力側で増幅した前記第１の信号を絶縁して前記出力側から前記制御回路に伝送することを特徴とする微粒子測定システム。
2. 請求項１に記載の微粒子測定システムであって、
   前記ガスは、内燃機関から排出される排気ガスであり、
   前記帯電室は、前記排気ガスが流通する排気管内に配置されていることを特徴とする微粒子測定システム。

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