JP6110754B2 - 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、補足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。この問題を解決するための１つの方法として、微粒子測定システムにおいて、この電流値を示すアナログ信号に対する分解能を高めることが考えられる。しかし、この場合、装置のコストが上昇する問題があった。

また、この電流値を正確に検出することが容易ではない他の原因として以下のものがある。微粒子測定システムは、放電のための高電圧の印加や回路絶縁の低下等に起因して、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または捕捉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。

（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、前記捕捉部に捕捉されたイオンの量に基づいて前記ガス中の前記微粒子の量を測定す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、前記イオン発生部から発生されたイオンの量と、前記捕捉部に捕捉されたイオンの量との差分のイオン量に相当する電流値を示す第１の信号を出力する信号出力回路と、前記信号出力回路に接続される制御回路と、を備え、前記信号出力回路は、前記第１の信号を前記制御回路に伝送するための第１のラインと、前記第１の信号を増幅器によって増幅させた第２の信号を前記制御回路に伝送するための第２のラインと、を備え、前記制御回路は、前記第１の信号または第２の信号の少なくともいずれかに基づいて前記ガス中の前記微粒子の量を検出することを特徴としている。
この構成によれば、信号出力回路は、低感度信号としての第１の信号を制御回路に伝送するための第１のラインと、第１の信号を増幅器によって増幅させた高感度信号としての第２の信号を前記制御回路に伝送するための第２のラインと、を備えているため、装置側において、これらの信号に対する分解能を高めることなく、排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。すなわち、本実施形態の微粒子測定システムによれば、第２の信号を用いることによって排ガス中に含まれる微粒子の量の検出精度を高めることができ、第２の信号が微粒子測定システムの読み取り可能範囲に含まれなときには、第１の信号を用いることによって、排ガス中に含まれる微粒子の量の検出することができる。

（２）上記形態の微粒子測定システムはさらに、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の基準電位を示す一次側基準電位配線と、前記絶縁トランスの二次側の基準電位を示す二次側基準電位配線と、備え、前記捕捉部は、前記二次側基準電位配線に接続されており、前記信号出力回路は、前記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信号を前記第１の信号として前記制御回路に伝送することを特徴としていてもよい。
この構成によれば、信号出力回路は、一次側基準電位配線と二次側基準電位配線との電位差に基づいて、イオン発生部から発生されたイオンの量と、捕捉部に捕捉されたイオンの量との差分のイオン量に相当する電流値を示す第１の信号を容易に出力することができる。

（３）上記形態の微粒子測定システムにおいて、前記信号出力回路は、第１のオペアンプを含んで構成されており、前記第１のオペアンプの一方の入力端子は、前記一次側基準電位配線に接続され、前記第１のオペアンプの他方の入力端子は、前記二次側基準電位配線に接続され、前記第１のオペアンプの出力端子は、前記第１のラインを介して前記制御回路に接続されるとともに、抵抗部を介して前記二次側基準電位配線に接続されていることを特徴としていてもよい。
この構成によれば、信号出力回路は、第１のオペアンプを含んで構成されているため、一次側基準電位配線と二次側基準電位配線との電位差に基づいて第１の信号を容易に出力することができる。また、第１のオペアンプの出力端子が抵抗部を介して二次側基準電位配線に接続されているため、一次側基準電位配線と二次側基準電位配線との電位差を補償するための補償電流を二次側基準電位配線に容易に供給することができる。

（４）上記形態の微粒子測定システムにおいて、前記信号出力回路は、前記増幅器として第２のオペアンプを用いた差動増幅回路を含んで構成されており、前記第２のオペアンプの一方の入力端子は、前記第１のオペアンプの出力端子に接続され、前記第２のオペアンプの他方の入力端子は、前記一次側基準電位配線に接続され、前記第２のオペアンプの出力端子は、前記第２のラインを介して前記制御回路に接続されていることを特徴としていてもよい。
この構成によれば、信号出力回路は、第２のオペアンプを含んで構成されているため、第１の信号を増幅させた第２の信号を容易に出力することができる。

（５）上記形態の微粒子測定システムにおいて、前記信号出力回路は、前記増幅器として第３のオペアンプを用いた差動増幅回路を含んで構成されており、前記第３のオペアンプの一方の入力端子は、前記第１のオペアンプの出力端子に接続され、前記第３のオペアンプの他方の入力端子は、前記制御回路から延びるフィードバック用配線に接続され、前記第３のオペアンプの出力端子は、前記第２のラインを介して前記制御回路に接続され、前記制御回路は、前記イオン発生部がイオンを発生していないときに、前記第２のラインを介して入力される前記第２の信号をオフセット値として読み込み、前記オフセット値から更新補正信号を算出し、前記イオン発生部がイオンを発生しているときに、前記更新補正信号を前記フィードバック用配線に出力することによって、前記第２のラインを介して入力される前記第２の信号を補正することを特徴としていてもよい。
この構成によれば、信号出力回路は、第３のオペアンプの入力端子に更新補正信号が入力するように構成されているため、出力する第２の信号からオペアンプの誤差（バイアス電流やオフセット電圧による誤差等）の影響を低減させることができる。

（６）上記形態の微粒子測定システムにおいて、前記信号出力回路は、前記増幅器として第４のオペアンプを用いた差動増幅回路を含んで構成されており、前記第４のオペアンプの一方の入力端子は、前記第１のオペアンプの出力端子に接続され、前記第４のオペアンプの他方の入力端子は、前記第１のオペアンプの誤差を補償するための補償信号を保持する補償信号保持部に接続され、前記第４のオペアンプの出力端子は、前記第２のラインを介して前記制御回路に接続されていることを特徴としていてもよい。
この構成によれば、信号出力回路は、第４のオペアンプの入力端子に補償信号が入力するように構成されているため、出力する第２の信号からオペアンプの誤差（バイアス電流やオフセット電圧による誤差等）の影響を低減させることができる。

（７）上記形態の微粒子測定システムにおいて、前記制御回路は、前記イオン発生部がイオンを発生していないときに、前記第１のオペアンプから出力される前記第１の信号を補償信号として前記補償信号保持部に保持させ、前記イオン発生部がイオンを発生しているときに、前記補償信号保持部に保持させている補償信号を前記第４のオペアンプに供給することを特徴としていてもよい。
この構成によれば、第４のオペアンプの入力端子には、イオン発生部がイオンを発生していないときの第１の信号が補償信号として入力されるため、第４のオペアンプが出力する第２の信号からオペアンプの誤差（バイアス電流やオフセット電圧による誤差等）の影響を容易に低減させることができる。

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。 第２実施形態に係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。 第２実施形態のセンサ制御部による微粒子測定処理の動作の流れを例示したフローチャートである。 第３実施形態に係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。 第３実施形態のセンサ制御部による微粒子測定処理の動作の流れを例示したフローチャートである。

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が生成するイオン（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（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）の少なくとも一部には、ノズル４１から供給される陽イオンＰＩが帯電される。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及び捕捉室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、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。

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および配線７７３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７７５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、配線７７２を介して、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の量に相当する電流値を示す信号ＳＷ_escをセンサ制御部６００に出力する。また、イオン電流測定回路７４０は、配線７７３を介して、信号ＳＷ_escを増幅させた高感度信号としての信号ＳＳ_escをセンサ制御部６００に出力する。本実施形態のイオン電流測定回路７４０は、特許請求の範囲の「信号出力回路」に該当する。また、本実施形態の信号ＳＷ_escは、特許請求の範囲の「第１の信号」に該当し、信号ＳＳ_escは、特許請求の範囲の「第２の信号」に該当する。また、本実施形態の配線７７２は、特許請求の範囲の「第１のライン」に該当し、配線７７３は、特許請求の範囲の「第２のライン」に該当する。

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。イオン電流測定回路７４０は、第１のオペアンプＡＭＰ１と、第２のオペアンプＡＭＰ２と、第５のオペアンプＡＭＰ５と、抵抗値が既知の抵抗ＲＥ１〜ＲＥ５と、を含んで構成されている。

第１のオペアンプＡＭＰ１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７７５を介して一次側グランドＰＧＬに接続されている。第１のオペアンプＡＭＰ１の出力端子は、配線７７２を介してセンサ制御部６００に接続されている。また、第１のオペアンプＡＭＰ１の出力端子は、配線７７２の一部と配線ＬＩ１を介して第２のオペアンプＡＭＰ２の一方の入力端子に接続され、配線７７２の一部と配線ＬＩ２を介して配線７７１に接続されている。配線ＬＩ１には、抵抗ＲＥ１が設けられ、配線ＬＩ２には、抵抗ＲＥ２が設けられている。本実施形態の抵抗ＲＥ２は、特許請求の範囲の「抵抗部」に該当する。

第２のオペアンプＡＭＰ２の一方の入力端子は、配線ＬＩ１の一部と配線７７２を介して第１のオペアンプＡＭＰ１に接続され、他方の入力端子は、配線ＬＩ３と配線７７５を介して一次側グランドＰＧＬに接続されている。配線ＬＩ３には、抵抗ＲＥ３と第５のオペアンプＡＭＰ５とが設けられており、抵抗ＲＥ３と第５のオペアンプＡＭＰ５との間には、配線ＬＩ４が接続されている。配線ＬＩ３は、抵抗ＲＥ４が設けられた配線ＬＩ４を介して配線ＬＩ１に接続されている。第５のオペアンプＡＭＰ５は、出力側の電流変化による電圧変化を抑えるためのボルテージフォロアとして構成されている。第２のオペアンプＡＭＰ２の出力端子は、配線７７３を介してセンサ制御部６００に接続され、配線７７３と配線ＬＩ５を介して配線ＬＩ３に接続されている。配線ＬＩ５には、抵抗ＲＥ５が設けられている。

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第１のオペアンプＡＭＰ１は、この差異に応じた電圧を出力する。第１のオペアンプＡＭＰ１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ＳＷ_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、第１のオペアンプＡＭＰ１が出力する電圧は、配線ＬＩ２から抵抗ＲＥ２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。

第２のオペアンプＡＭＰ２は、第１のオペアンプＡＭＰ１から入力される信号ＳＷ_escを増幅させた信号ＳＳ_escをセンサ制御部６００に出力する。第２のオペアンプＡＭＰ２は、差動増幅回路として構成されており、一方の入力端子から入力される信号ＳＷ_escとしての電圧と、他方の入力端子から入力される一次側グランドＰＧＬの基準電位との差分に応じた電圧を出力する。すなわち、第２のオペアンプＡＭＰ２は、入力された信号ＳＷ_escの電圧値に対して所定の増幅率（例えば、１０³倍）で増幅させた電圧を信号ＳＳ_escとしてセンサ制御部６００に出力する。

センサ制御部６００は、イオン電流測定回路７４０から入力される低感度信号としての信号ＳＷ_escと、高感度信号としての信号ＳＳ_escから排ガス中に含まれる煤Ｓの量を検出する。漏洩電流Ｉ_escの電流値を示すこれらの信号から排ガス中に含まれる煤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、信号の電圧値と排ガス中の煤Ｓの量との対応関係が示されているマップや、信号の電圧値と排ガス中の煤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、排ガス中に含まれる煤Ｓの量を算出することができる。

本実施形態のセンサ制御部６００は、信号ＳＷ_escおよび信号ＳＳ_esとして入力されるアナログ信号としての電圧値を所定の分解能（例えば、８ビット）によってデジタル値として取得する。また、センサ制御部６００は、入力される信号ＳＳ_escと信号ＳＷ_escのいずれにおいても電圧値の読み取り可能な範囲（フルスケールの範囲）が同じ大きさとなるように構成されている。

高感度信号としての信号ＳＳ_escは、低感度信号としての信号ＳＷ_escに比べて、漏洩電流Ｉ_escの電流値に対する感度（分解能）が高い。例えば、信号ＳＷ_escの１Ｖが漏洩電流Ｉ_escの１ｎＡに相当するのに対して、信号ＳＳ_escの１Ｖは漏洩電流Ｉ_escの１ｐＡに相当する。一方、センサ制御部６００における信号ＳＳ_esc，ＳＷ_escの電圧の分解能（最小識別可能電位差）は等しい（例えば、０．０２Ｖ）。従って、センサ制御部６００の電圧分解能に相当する漏洩電流Ｉ_escの電流値は、信号ＳＳ_escでは小さく（例えば、０．０２ｐＡ）、信号ＳＷ_escでは大きい（例えば、０．０２ｎＡ）。換言すれば、センサ制御部６００は、信号ＳＳ_escから、信号ＳＷ_escに比べて、漏洩電流Ｉ_escのより小さな変動を検出することが可能である。

よって、信号ＳＳ_escから取得できる排ガス中の煤Ｓの量は、信号ＳＷ_escから取得できる排ガス中の煤Ｓの量よりも最小識別可能単位が小さく精度が高い。一方、センサ制御部６００の読み取り可能な電圧範囲（例えば、０〜５V）は、信号ＳＷ_escの電圧範囲の全体が含まれるように設定されている。そのため、信号ＳＷ_escよって測定可能な排ガス中の煤Ｓの量の範囲は、信号ＳＳ_escによって測定可能な排ガス中の煤Ｓの量の範囲よりも広く、排ガス中の煤Ｓの量が、信号ＳＷ_escの全電圧範囲に相当する範囲内であれば、その全範囲において煤Ｓの量を測定することができる。

このことから、センサ制御部６００は、信号ＳＳ_escの電圧値が読み取り可能範囲にある場合には、信号ＳＳ_escから排ガス中の煤Ｓの量を精度良く測定し、信号ＳＳ_escの電圧値が読み取り可能範囲にない場合には、広い範囲で測定可能な信号ＳＷ_escから排ガス中の煤Ｓの量を測定することができる。これにより、微粒子測定システム１０は、排ガス中に含まれる煤Ｓの量を精度良く測定することができ、また、排ガス中に含まれる煤Ｓの量によらず確実に測定することができる。

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、二次側オペアンプ７３１と、Ａ／Ｄコンバータ７３２と、発光部７３３と、受光部７３４と、一次側オペアンプ７３５と、Ｄ／Ａコンバータ７３６とを備えている。

二次側オペアンプ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。二次側オペアンプ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、二次側オペアンプ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、二次側オペアンプ７３１と発光部７３３に接続されており、二次側オペアンプ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、一次側オペアンプ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一次側オペアンプ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。

一次側オペアンプ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。一次側オペアンプ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、一次側オペアンプ７３５と配線７６３に接続されており、一次側オペアンプ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、４）によれば、イオン電流測定回路７４０は、低感度信号としての信号ＳＷ_escをセンサ制御部６００に伝送するための配線７７２と、信号ＳＷ_escを増幅させた高感度信号としての信号ＳＳ_escをセンサ制御部６００に伝送するための配線７７３と、を備えているため、センサ制御部６００において、これらの信号に対する分解能を高めることなく、排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。すなわち、本実施形態の微粒子測定システム１０によれば、信号ＳＳ_escを用いることによって排ガス中に含まれる微粒子の量の検出精度を高めることができ、信号ＳＳ_escが微粒子測定システム１０の読み取り可能範囲に含まれていないときには、信号ＳＷ_escを用いることによって、排ガス中に含まれる微粒子の量の検出することができる。

また、第１実施形態の微粒子測定システム１０（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。

Ｂ．第２実施形態：
図６は、第２実施形態に係るイオン電流測定回路７４０Ａの概略構成を例示した説明図である。第２実施形態のイオン電流測定回路７４０Ａは、第１実施形態のイオン電流測定回路７４０と比較すると、イオン電流測定回路７４０Ａとセンサ制御部６００とを接続する配線として配線７７４が追加されている点と、信号ＳＳ_escをセンサ制御部６００に出力するオペアンプ（第３のオペアンプＡＭＰ３）の一方の入力端子がこの配線７７４に接続されている点と、第１のオペアンプＡＭＰ１の一方の入力端子と一次側グランドＰＧＬとの間にオフセット電圧（例えば、０．５Ｖ）を発生させるための電源ＰＷＲが配置されている点が異なる。本実施形態の配線７７４は、特許請求の範囲の「フィードバック用配線」に該当する。

第２実施形態のイオン電流測定回路７４０Ａは、センサ制御部６００に出力する信号ＳＳ_escから、オペアンプの誤差（バイアス電流やオフセット電圧による誤差等）の影響を低減できるように構成されている。イオン電流測定回路７４０Ａは、第１のオペアンプＡＭＰ１と、第３のオペアンプＡＭＰ３と、抵抗値が既知の抵抗ＲＥ２、ＲＥ６〜ＲＥ８と、Ｄ／ＡコンバータＤＡＣ１とを含んで構成されている。

第１のオペアンプＡＭＰ１と、配線７７１〜７７３、７７５、配線ＬＩ２の構成は、第１実施形態の第１のオペアンプＡＭＰ１と、配線７７１〜７７３、７７５、配線ＬＩ２の構成（図４）と比較すると、第１のオペアンプＡＭＰ１の一方の入力端子が電源ＰＷＲを介して一次側グランドＰＧＬに接続されている点のみが異なり、それ以外の点は同様である。第１のオペアンプＡＭＰ１の一方の入力端子は、電源ＰＷＲを介して一次側グランドＰＧＬに接続されているため、一次側グランドＰＧＬの基準電位に対して所定値分（例えば、０．５Ｖ）だけオフセットされた電位が入力される。二次側グランドＳＧＬは、一次側グランドＰＧＬの基準電位に対しインピーダンスが高いため、二次側グランドＳＧＬの基準電位へ、このオフセット電位が重畳される。よって、漏洩電流Ｉ_escの発生による二次側グランドＳＧＬの基準電位と一次側グランドＰＧＬの基準電位の差異と同様な相関性を有することができる。よって、センサ制御部６００は、第１のオペアンプＡＭＰ１から出力される信号ＳＷ_escから排ガス中の煤Ｓの量を算出することができる。一方、第１のオペアンプＡＭＰ１の一方の入力端子にオフセット電圧を入力することによって、第１のオペアンプＡＭＰ１の両入力端子間の電位差を、第１のオペアンプＡＭＰ１において誤差（バイアス電流やオフセット電圧による誤差等）の生じにくい電位差範囲に近づけるように調整することができる。これにより、第１のオペアンプＡＭＰ１の誤差に起因する信号ＳＷ_escの電圧値の出力誤差の発生を抑制することができる。

第３のオペアンプＡＭＰ３は、第１実施形態の第２のオペアンプＡＭＰ２（図４）に対応しており、第１のオペアンプＡＭＰ１から入力される信号ＳＷ_escを増幅させた信号ＳＳ_escをセンサ制御部６００に出力する。第３のオペアンプＡＭＰ３の一方の入力端子は、配線ＬＩ６と配線７７２の一部を介して第１のオペアンプＡＭＰ１に接続され、他方の入力端子は、配線７７４を介してセンサ制御部６００に接続されている。配線７７４には抵抗ＲＥ６とＤ／ＡコンバータＤＡＣ１とが設けられている。第３のオペアンプＡＭＰ３の出力端子は、配線７７３を介してセンサ制御部６００に接続され、配線７７３と配線ＬＩ７を介して配線７７４に接続されている。配線ＬＩ７には抵抗ＲＥ７が設けられており、抵抗ＲＥ７と配線７７４との間には配線ＬＩ８が接続されている。配線ＬＩ７は、抵抗ＲＥ８が設けられた配線ＬＩ８を介して一次側グランドＰＧＬに接続されている。

第３のオペアンプＡＭＰ３は、配線７７４を介してセンサ制御部６００から更新補正信号Ｓ_corが入力される。第３のオペアンプＡＭＰ３は、差動増幅回路として構成されており、一方の入力端子から入力されるこの更新補正信号Ｓ_corとしての電圧と、他方の入力端子から入力される信号ＳＷ_escとしての電圧との差分に応じた電圧を信号ＳＳ_escとして出力する。更新補正信号Ｓ_corは、センサ制御部６００からデジタルの電圧信号として出力され、Ｄ／ＡコンバータＤＡＣ１によってアナログ信号に変換された後、第３のオペアンプＡＭＰ３に入力される。更新補正信号Ｓ_corは、第３のオペアンプＡＭＰ３から出力される信号ＳＳ_escを補正するようにセンサ制御部６００によって電圧値が調整されている。具体的には、更新補正信号Ｓ_corは、第３のオペアンプＡＭＰ３から出力される信号ＳＳ_escに、２つのオペアンプ（第１のオペアンプＡＭＰ１と第３のオペアンプＡＭＰ３）の誤差（バイアス電流やオフセット電圧による誤差等）がキャンセルされるように、その電圧値がセンサ制御部６００によって調整されている。そのため、第３のオペアンプＡＭＰ３は、更新補正信号Ｓ_corと信号ＳＷ_escから、オペアンプの誤差が抑制された信号ＳＳ_escを出力することができる。センサ制御部６００が更新補正信号Ｓ_corを算出する手順を含む微粒子測定処理の動作の流れを以下に説明する。

図７は、第２実施形態のセンサ制御部６００による微粒子測定処理の動作の流れを例示したフローチャートである。ここでは、センサ制御部６００は、図示しない記憶部を備えており、そこに初期値としての更新補正信号Ｓ_corが記憶されているものとして説明する。センサ制御部６００は、まず、記憶部に記憶されている更新補正信号Ｓ_corを更新するタイミングとして予め設定されている算出開始条件を満たしているか否かの判断をおこなう（ステップＳ１１０）。算出開始条件としては、任意の条件を設定することができる。例えば、内燃機関４００（図１）の始動直前や、内燃機関４００の停止直後、前回算出時から一定期間が経過した後、等を例示することができる。センサ制御部６００は、算出開始条件を満たしていないと判断すると（ステップＳ１１０：ＮＯ）、更新補正信号Ｓ_corを算出するための後述の処理（ステップＳ１２０〜Ｓ１４０）をスキップする。

一方、センサ制御部６００は、算出開始条件を満たしていると判断すると（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、絶縁トランス７２０（図３）の駆動を停止させて、微粒子センサ１００（図３）のコロナ放電を停止させる（ステップＳ１２０）。なお、内燃機関４００の始動直前時など、コロナ放電を発生させていない状態が算出開始条件として設定されている場合には、このステップはスキップされる。

センサ制御部６００は、コロナ放電を停止させた状態で、第３のオペアンプＡＭＰ３から入力される信号ＳＳ_escの電圧値をオフセット値として取得する（ステップＳ１３０）。すなわち、コロナ放電が発生しておらず、排ガス中の煤Ｓの量に対応する漏洩電流Ｉ_escが発生していない（漏洩電流Ｉ_esc＝０）状態における信号ＳＳ_escの電圧値は、２つのオペアンプのバイアス電流やオフセット電圧による信号ＳＳ_escの電圧値の誤差量を表しているものと考えられる。なお、センサ制御部６００は、オフセット値を取得するとき、配線７７４から第３のオペアンプＡＭＰ３の出力電圧がある一定の値（初期値）となるように配線７７４に印加する電圧を調整する。

センサ制御部６００は、オフセット値から更新補正信号Ｓ_corを算出し、図示しない記憶部に記憶させる（ステップＳ１４０）。上述のように、オフセット値は、信号ＳＳ_escの電圧値の誤差量（オフセット量）と相関している。一方、更新補正信号Ｓ_corも、信号ＳＳ_escからこの誤差量（オフセット量）をキャンセルしつつ、信号ＳＷ_escを増幅させるための信号であるため、この誤差量（オフセット量）と相関している。すなわち、オフセット値と更新補正信号Ｓ_corの電圧値との間には相関関係があり、オフセット値と更新補正信号Ｓ_corは、その関係が対応マップや演算式によって定義することができる。センサ制御部６００は、これらの対応マップや演算式を参照することによって、オフセット値から更新補正信号Ｓ_corを算出することができる。センサ制御部６００は、算出した更新補正信号Ｓ_corの電圧値を図示しない記憶部に記憶させる。

排ガス中の煤Ｓの量を測定するために、センサ制御部６００は、絶縁トランス７２０（図３）を駆動させて、微粒子センサ１００のコロナ放電を開始させる（ステップＳ１５０）。また、センサ制御部６００は、配線７７４（図６）を介して、記憶部に記憶した更新補正信号Ｓ_corを第３のオペアンプＡＭＰ３に出力する（ステップＳ１６０）。これにより、センサ制御部６００は、第３のオペアンプＡＭＰ３から入力される信号ＳＳ_escを用いて、精度良く排ガス中の煤Ｓの量を測定することができる（ステップＳ１７０）。

以上説明した第２実施形態の微粒子測定システム１０（図３、６）によれば、イオン電流測定回路７４０Ａは、第３のオペアンプＡＭＰ３の入力端子に更新補正信号Ｓｃｏｒが入力されるように構成されている。また、入力される更新補正信号Ｓ_corは、信号ＳＳ_escから、オペアンプの誤差（バイアス電流やオフセット電圧による誤差等）をキャンセルできるように調整されている。よって、本実施形態の微粒子測定システム１０によれば、出力する信号ＳＳ_escからオペアンプによる誤差等の影響を低減させることができる。これにより、例えば、第１のオペアンプＡＭＰ１や第３のオペアンプＡＭＰ３などのオペアンプに製造時の個体差や経年劣化による誤差が生じても、イオン電流測定回路７４０Ａが出力する信号ＳＳ_escからこれらによる誤差の影響を抑制することができる。

Ｃ．第３実施形態：
図８は、第３実施形態に係るイオン電流測定回路７４０Ｂの概略構成を例示した説明図である。第３実施形態のイオン電流測定回路７４０Ｂは、第１実施形態のイオン電流測定回路７４０と比較すると、サンプリングホールド回路ＳＨＣ１を備えている点と、イオン電流測定回路７４０Ｂとセンサ制御部６００とを接続する配線として配線７７４が追加されている点と、信号ＳＳ_escをセンサ制御部６００に出力するオペアンプ（第４のオペアンプＡＭＰ４）の一方の入力端子がサンプリングホールド回路ＳＨＣ１に接続されている点と、第１のオペアンプＡＭＰ１の一方の入力端子と一次側グランドＰＧＬとの間にオフセット電圧（例えば、０．５Ｖ）を発生させるための電源ＰＷＲが配置されている点が異なる。本実施形態のサンプリングホールド回路ＳＨＣ１は、特許請求の範囲の「補償信号保持部」に該当する。

第３実施形態のイオン電流測定回路７４０Ｂは、第２実施形態のイオン電流測定回路７４０Ａと同様に、センサ制御部６００に出力する信号ＳＳ_escからオペアンプによる誤差（バイアス電流やオフセット電圧による誤差等）の影響を低減できるように構成されている。イオン電流測定回路７４０Ｂは、第１のオペアンプＡＭＰ１と、第４のオペアンプＡＭＰ４と、第６のオペアンプＡＭＰ６と、第７のオペアンプＡＭＰ７と、抵抗値が既知の抵抗ＲＥ２、ＲＥ１０〜ＲＥ１３と、サンプリングホールド回路ＳＨＣ１とを含んで構成されている。

第１のオペアンプＡＭＰ１と、配線７７１〜７７３、７７５、配線ＬＩ２は、第１実施形態の第１のオペアンプＡＭＰ１と、配線７７１〜７７３、７７５、配線ＬＩ２と対応している。第３実施形態の第１のオペアンプＡＭＰ１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７７２の一部と配線ＬＩ１０を介して第４のオペアンプＡＭＰ４の一方の入力端子に接続されている。また、第１のオペアンプＡＭＰ１の出力端子は、配線７７２の一部と配線ＬＩ１０の一部と配線ＬＩ１１を介して配線７７５に接続されるとともに、配線７７２の一部と配線ＬＩ１２を介してサンプリングホールド回路ＳＨＣ１に接続されている。配線ＬＩ１１には、抵抗ＲＥ１１と、バッファ回路としての第６のオペアンプＡＭＰ６とが設けられている。そして、前述したように漏洩電流Ｉ_escが発生すると電源ＰＷＲの電位が重畳された二次側グランドＳＧＬの基準電位の変動が発生するため、第１のオペアンプＡＭＰ１は、この差異に応じた電圧を信号ＳＷ_escとして出力する。

第４のオペアンプＡＭＰ４は、第１実施形態の第２のオペアンプＡＭＰ２（図４）に対応しており、第１のオペアンプＡＭＰ１から入力される信号ＳＷ_escを増幅させた信号ＳＳ_escをセンサ制御部６００に出力する。第４のオペアンプＡＭＰ４の一方の入力端子は、配線ＬＩ１０と配線７７２の一部を介して第１のオペアンプＡＭＰ１に接続され、他方の入力端子は、配線ＬＩ１３を介してサンプリングホールド回路ＳＨＣ１に接続されている。配線ＬＩ１３には、抵抗ＲＥ１２と、バッファ回路としての第７のオペアンプＡＭＰ７とが設けられている。第４のオペアンプＡＭＰ４の出力端子は、配線７７３を介してセンサ制御部６００に接続されている。

サンプリングホールド回路ＳＨＣ１は、第１のオペアンプＡＭＰ１の誤差（バイアス電流やオフセット電圧による誤差等）を補償するための回路であり、スイッチＳＷと、コンデンサＣＯＮと、を含んで構成されている。スイッチＳＷは、例えば、ｎ型のＭＯＳＦＥＴなどのトランジスタを含んで構成されており、ゲートが配線７７４を介してセンサ制御部６００に接続され、ソースが配線ＬＩ１３に接続され、ドレインが配線ＬＩ１２に接続されている。スイッチＳＷは、配線７７４を介してセンサ制御部６００から信号Ｓ_swが入力されると、配線ＬＩ１２側からコンデンサＣＯＮに電流が流れて電荷がチャージされる。コンデンサＣＯＮは、一方の端部がオペアンプＡＭＰ７の入力端子（非反転入力端子）に接続され、他方の端部が一次側グランドＰＧＬに接続されており、スイッチＳＷを介して第１のオペアンプＡＭＰ１から出力される信号ＳＷ_escの電圧を保持可能に構成されている。後述するように、センサ制御部６００は、微粒子センサ１００のコロナ放電を停止させているときに第１のオペアンプＡＭＰ１から出力される信号ＳＷ_escを補償信号としてその電圧をコンデンサＣＯＮに保持させる。センサ制御部６００は、微粒子センサ１００のコロナ放電を開始する前には、コンデンサＣＯＮの電荷が配線ＬＩ１２側へ流れないようにスイッチＳＷをオフにし、コンデンサＣＯＮに保持させた補償信号（電荷）を第７のオペアンプＡＭＰ７を介して第４のオペアンプＡＭＰ４の入力端子（反転入力端子）に出力する。

第４のオペアンプＡＭＰ４は、差動増幅回路として構成されており、サンプリングホールド回路ＳＨＣ１から補償信号として入力される電圧と、第１のオペアンプＡＭＰ１から入力される信号ＳＷ_escとしての電圧との差分に応じた電圧を信号ＳＳ_escとして出力する。補償信号の電圧は、コロナ放電を停止させて漏洩電流Ｉ_escが発生していない（漏洩電流Ｉ_esc＝０）状態における信号ＳＷ_escの電圧値であるため、第１のオペアンプＡＭＰ１のバイアス電流やオフセット電圧による誤差量を表しているものと考えられる。そのため、第４のオペアンプＡＭＰ４は、サンプリングホールド回路ＳＨＣ１から補償信号として入力される電圧と、第１のオペアンプＡＭＰ１から入力される信号ＳＷ_escから、第１のオペアンプＡＭＰ１の誤差が抑制された信号ＳＳ_escを出力することができる。センサ制御部６００がサンプリングホールド回路ＳＨＣ１に電圧を保持させる手順を含む微粒子測定処理の動作の流れを以下に説明する。

図９は、第３実施形態のセンサ制御部６００による微粒子測定処理の動作の流れを例示したフローチャートである。ここでは、サンプリングホールド回路ＳＨＣ１は、補償信号として予めコンデンサＣＯＮに所定の電圧を保持しているものとして説明する。センサ制御部６００は、まず、サンプリングホールド回路ＳＨＣ１に新たに補償信号としての電圧を保持させるタイミングとして予め設定されている保持開始条件を満たしているか否かの判断をおこなう（ステップＳ２１０）。保持開始条件としては、任意の条件を設定することができる。センサ制御部６００は、保持開始条件を満たしていないと判断すると（ステップＳ２１０：ＮＯ）、サンプリングホールド回路ＳＨＣ１に新たに電圧を保持させるための後述の処理（ステップＳ２２０、Ｓ２３０、Ｓ２４０）をスキップする。

一方、センサ制御部６００は、保持開始条件を満たしていると判断すると（ステップＳ２１０：ＹＥＳ）、絶縁トランス７２０の駆動を停止させて、微粒子センサ１００におけるコロナ放電を停止させる（ステップＳ２２０）。センサ制御部６００は、コロナ放電を停止させた状態で、サンプリングホールド回路ＳＨＣ１に信号Ｓ_swを出力し、第１のオペアンプＡＭＰ１から出力された信号ＳＷ_escの電圧をコンデンサＣＯＮへチャージさせて保持させる（ステップＳ２３０）。すなわち、センサ制御部６００は、排ガス中の煤Ｓの量に対応する漏洩電流Ｉ_escが発生していない（漏洩電流Ｉ_esc＝０）状態における信号ＳＷ_escの電圧をサンプリングホールド回路ＳＨＣ１に保持させる。

その後、センサ制御部６００は、サンプリングホールド回路ＳＨＣ１への信号Ｓ_swの出力を停止し、コンデンサＣＯＮの電荷が配線ＬＩ１２側へ流れないようにスイッチＳＷをオフする（ステップＳ２４０）。次に、センサ制御部６００は、排ガス中の煤Ｓの量を測定するために、絶縁トランス７２０を駆動させて、微粒子センサ１００におけるコロナ放電を開始させる（ステップＳ２５０）。これにより、サンプリングホールド回路ＳＨＣ１は、保持した電圧を補償信号として第７のオペアンプＡＭＰ７を介して第４のオペアンプＡＭＰ４に出力する。これにより、センサ制御部６００は、第４のオペアンプＡＭＰ４から入力される信号ＳＳ_escを用いて、精度良く排ガス中の煤Ｓの量を測定することができる（ステップＳ２６０）。

以上説明した第３実施形態の微粒子測定システム１０（図３、８）によれば、イオン電流測定回路７４０Ｂは、第４のオペアンプＡＭＰ４の入力端子にサンプリングホールド回路ＳＨＣ１から補償信号が入力するように構成されている。また、入力される補償信号は、信号ＳＳ_escから、第１のオペアンプＡＭＰ１の誤差をキャンセルできるように構成されている。よって、本実施形態の微粒子測定システム１０によれば、出力する信号ＳＳ_escから第１のオペアンプＡＭＰ１（バイアス電流やオフセット電圧による誤差等）の影響を低減させることができる。

Ｄ．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。

Ｄ−１．変形例１：
本実施形態のセンサ制御部６００（図３、４、６、８）は、信号ＳＳ_escの電圧値が読み取り可能範囲にある場合には、信号ＳＳ_escから排ガス中に含まれる煤Ｓの量を測定し、信号ＳＳ_escの電圧値が読み取り可能範囲にない場合には、信号ＳＷ_escから排ガス中の煤Ｓの量を測定するものとして説明した。しかし、センサ制御部６００が２つの信号から排ガス中に含まれる煤Ｓの量を測定する方法は上記に限定されない。例えば、センサ制御部６００は、２つの信号からそれぞれ算出した排ガス中の煤Ｓの量の平均値を出力するように構成されていてもよい。また、２つの信号のうちのいずれを使うか任意に切り換え可能に構成されていてもよい。

Ｄ−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、コロナ電流測定回路７３０は、光結合式のアイソレーションアンプではなく、磁気結合式や容量結合式のアイソレーションアンプであってもよい。

Ｄ−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。

Ｄ−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…二次側オペアンプ
７３３…発光部
７３４…受光部
７３５…一次側オペアンプ
７４０…イオン電流測定回路
７４１…オペアンプ
７５１…第１の整流回路
７５２…第２の整流回路
７５３、７５４…ショート保護用抵抗
７６１〜７６３、７７１〜７７４…配線
８００…空気供給部
ＡＭＰ１〜７…第１〜７のオペアンプ
ＳＨＣ１…サンプリングホールド回路
ＬＩ１０〜ＬＩ１４…配線
ＲＥ１〜ＲＥ１２…抵抗
ＣＳ…ケーシング
ＳＷ…スイッチ
ＳＧＬ…二次側グランド
ＰＧＬ…一次側グランド
ＣＯＮ…コンデンサ
ＰＷＲ…電源

Claims (7)

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、
   前記捕捉部に捕捉されたイオンの量に基づいて前記ガス中の前記微粒子の量を測定する微粒子測定システムであって、
   前記イオン発生部から発生されたイオンの量と、前記捕捉部に捕捉されたイオンの量との差分のイオン量に相当する電流値を示す第１の信号を出力する信号出力回路と、
   前記信号出力回路に接続される制御回路と、を備え、
   前記信号出力回路は、前記第１の信号を前記制御回路に伝送するための第１のラインと、前記第１の信号を増幅器によって増幅させた第２の信号を前記制御回路に伝送するための第２のラインと、を備え、
   前記制御回路は、前記第１の信号または第２の信号の少なくともいずれかに基づいて前記ガス中の前記微粒子の量を検出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はさらに、
   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の基準電位を示す一次側基準電位配線と、
   前記絶縁トランスの二次側の基準電位を示す二次側基準電位配線と、備え、
   前記捕捉部は、前記二次側基準電位配線に接続されており、
   前記信号出力回路は、前記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信号を前記第１の信号として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。
3. 請求項２に記載の微粒子測定システムにおいて、
   前記信号出力回路は、第１のオペアンプを含んで構成されており、
   前記第１のオペアンプの一方の入力端子は、前記一次側基準電位配線に接続され、
   前記第１のオペアンプの他方の入力端子は、前記二次側基準電位配線に接続され、
   前記第１のオペアンプの出力端子は、前記第１のラインを介して前記制御回路に接続されるとともに、抵抗部を介して前記二次側基準電位配線に接続されていることを特徴とする微粒子測定システム。
4. 請求項３に記載の微粒子測定システムにおいて、
   前記信号出力回路は、前記増幅器として第２のオペアンプを用いた差動増幅回路を含んで構成されており、
   前記第２のオペアンプの一方の入力端子は、前記第１のオペアンプの出力端子に接続され、
   前記第２のオペアンプの他方の入力端子は、前記一次側基準電位配線に接続され、
   前記第２のオペアンプの出力端子は、前記第２のラインを介して前記制御回路に接続されていることを特徴とする微粒子測定システム。
5. 請求項３に記載の微粒子測定システムにおいて、
   前記信号出力回路は、前記増幅器として第３のオペアンプを用いた差動増幅回路を含んで構成されており、
   前記第３のオペアンプの一方の入力端子は、前記第１のオペアンプの出力端子に接続され、
   前記第３のオペアンプの他方の入力端子は、前記制御回路から延びるフィードバック用配線に接続され、
   前記第３のオペアンプの出力端子は、前記第２のラインを介して前記制御回路に接続され、
   前記制御回路は、
   前記イオン発生部がイオンを発生していないときに、前記第２のラインを介して入力される前記第２の信号をオフセット値として読み込み、前記オフセット値から更新補正信号を算出し、
   前記イオン発生部がイオンを発生しているときに、前記更新補正信号を前記フィードバック用配線に出力することによって、前記第２のラインを介して入力される前記第２の信号を補正することを特徴とする微粒子測定システム。
6. 請求項３に記載の微粒子測定システムにおいて、
   前記信号出力回路は、前記増幅器として第４のオペアンプを用いた差動増幅回路を含んで構成されており、
   前記第４のオペアンプの一方の入力端子は、前記第１のオペアンプの出力端子に接続され、
   前記第４のオペアンプの他方の入力端子は、前記第１のオペアンプの誤差を補償するための補償信号を保持する補償信号保持部に接続され、
   前記第４のオペアンプの出力端子は、前記第２のラインを介して前記制御回路に接続されていることを特徴とする微粒子測定システム。
7. 請求項６に記載の微粒子測定システムにおいて、
   前記制御回路は、
   前記イオン発生部がイオンを発生していないときに、前記第１のオペアンプから出力される前記第１の信号を補償信号として前記補償信号保持部に保持させ、
   前記イオン発生部がイオンを発生しているときに、前記補償信号保持部に保持させている補償信号を前記第４のオペアンプに供給することを特徴とする微粒子測定システム。

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