JP6596482B2 - 粒子状物質検出装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関から排出される粒子状物質の粒子数を検出するための粒子状物質検出装置に関する。
自動車排ガス中に含まれる粒子状物質（すなわち、Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ；以下、適宜ＰＭと称する）は、導電性のＳｏｏｔ（すなわち、煤）を主成分とし、未燃の燃料やエンジンオイルに由来するＳＯＦ（すなわち、Ｓｏｌｕｂｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｃｔｉｏｎ；可溶性有機成分）を含む混合物である。粒子状物質検出装置は、例えば、電気抵抗式のセンサ素子を備え、絶縁性基体の表面に設けた検出電極部に電圧を印加して静電場を形成し、粒子状物質が捕集されることによる検出電極部の抵抗値変化を検出する。
近年、排出規制がより厳しくなっており、粒子状物質検出装置の検出精度を高めることが重要となっている。一般に、粒子状物質検出装置では、センサ素子の出力から、粒子状物質の排出量を推定しており、さらに、排出される粒子状物質を粒子数で規制することが検討されている。例えば、特許文献１には、複数の電気抵抗式のＰＭ検出部を配置し、各ＰＭ検出部に付着する粒子状物質が異なる粒子径分布となるように設定したセンサ制御装置が開示されている。この装置では、ＰＭ検出部ごとにＰＭ１個当たりの平均粒子質量を設定し、各ＰＭ検出部のセンサ出力から検出したＰＭ質量と設定した平均粒子質量を用いて、ＰＭ粒子数を算出している。
特開２０１２−５２８１１号公報
特許文献１の装置では、各ＰＭ検出部への印加電圧を調整し、印加電圧が高いほど付着する粒子状物質の粒径範囲が拡がることを利用して、平均粒子質量を設定し、所望の粒径範囲のＰＭ粒子数を算出可能としている。しかしながら、エンジン運転条件により、排ガスと共に排出される粒子状物質の状態は、エンジン運転条件により大きく変化する。そのため、例えば、各ＰＭ検出部に堆積する粒子状物質の粒子径と、設定した粒子径との間にずれが生じると、それにより算出されるＰＭ粒子数の検出精度も低下する問題がある。また、複数のＰＭ検出部を用いているため、装置構成が複雑となり、大型化やコスト増をまねきやすい。
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、エンジン運転条件による粒子状物質の粒子径の変化を反映させて粒子数の算出を行うことで、粒子状物質の検出精度を向上させた粒子状物質検出装置を提供しようとするものである。
本発明の一態様は、
被測定ガスに含まれる粒子状物質を検出する粒子状物質検出装置であって、
被測定ガスに晒される基体（１１）の表面に互いに離間する一対の電極（２１、２２）を配置した検出部（２）を有して、上記検出部に静電捕集される粒子状物質の量に応じた信号を出力するセンサ部（１）と、
上記センサ部から送信されるセンサ出力（Ｖ）に基づいて、上記検出部に静電捕集された粒子状物質の粒子数（Ｎ）を検出するセンサ制御部（４）と、を備えており、
上記センサ制御部は、
上記検出部の上記一対の電極間へ第１電圧を印加して、上記検出部に粒子状物質を静電捕集させる捕集制御部（４１）と、
上記第１電圧における上記センサ出力が閾値に到達した状態で、上記一対の電極間への印加電圧を上記第１電圧と異なる第２電圧に変更した後に、上記一対の電極間の抵抗値（Ｒ）を検出し、上記抵抗値から推定される粒子状物質の平均粒径（Ｄ）と、上記センサ出力から推定される粒子状物質の質量（Ｍ）を用いて、上記粒子数を算出する粒子数算出部（４２）と、を有する、粒子状物質検出装置にある。
本発明の他の態様は、被測定ガスに含まれる粒子状物質を検出する粒子状物質検出装置であって、
被測定ガスに晒される基体（１１）の表面に互いに離間する一対の電極（２１、２２）を配置した検出部（２）を有して、上記検出部に静電捕集される粒子状物質の量に応じた信号を出力するセンサ部（１）と、
上記センサ部から送信されるセンサ出力（Ｖ）に基づいて、上記検出部に静電捕集された粒子状物質の粒子数（Ｎ）を検出するセンサ制御部（４）と、を備えており、
上記センサ制御部は、
上記検出部の上記一対の電極間へ第１電圧を印加して、上記検出部に粒子状物質を静電捕集させる捕集制御部（４１）と、
上記第１電圧における上記センサ出力が閾値に到達した状態で、上記一対の電極間への印加電圧を上記第１電圧と異なる第２電圧に変更した後に、大きさが異なる複数の電圧における上記一対の電極間の抵抗値（Ｒ、Ｒ１）を検出し、上記抵抗値から推定される粒子状物質の平均粒径（Ｄ）と、上記センサ出力から推定される粒子状物質の質量（Ｍ）を用いて、上記粒子数を算出する粒子数算出部（４２）と、を有する、粒子状物質検出装置にある。
本発明のさらに他の態様は、被測定ガスに含まれる粒子状物質を検出する粒子状物質検出装置であって、
被測定ガスに晒される基体（１１）の表面に互いに離間する一対の電極（２１、２２）を配置した検出部（２）を有して、上記検出部に静電捕集される粒子状物質の量に応じた信号を出力するセンサ部（１）と、
上記センサ部から送信されるセンサ出力（Ｖ）に基づいて、上記検出部に静電捕集された粒子状物質の粒子数（Ｎ）を検出するセンサ制御部（４）と、を備えており、
上記センサ制御部は、
上記検出部の上記一対の電極間へ第１電圧を印加して、上記検出部に粒子状物質を静電捕集させる捕集制御部（４１）と、
上記第１電圧における上記センサ出力が閾値に到達した状態で、上記一対の電極間への印加電圧を上記第１電圧と異なる第２電圧に変更した後に、大きさが異なる複数の電圧における上記一対の電極間の抵抗値（Ｒ、Ｒ１）を検出し、上記複数の電圧と上記抵抗値との関係における傾きから推定される粒子状物質の平均粒径（Ｄ）と、上記センサ出力から推定される粒子状物質の質量（Ｍ）を用いて、上記粒子数を算出する粒子数算出部（４２）と、を有する、粒子状物質検出装置にある。
本発明のさらに他の態様は、被測定ガスに含まれる粒子状物質を検出する粒子状物質検出装置であって、
被測定ガスに晒される基体（１１）の表面に互いに離間する一対の電極（２１、２２）を配置した検出部（２）を有して、上記検出部に静電捕集される粒子状物質の量に応じた信号を出力するセンサ部（１）と、
上記センサ部から送信されるセンサ出力（Ｖ）に基づいて、上記検出部に静電捕集された粒子状物質の粒子数（Ｎ）を検出するセンサ制御部（４）と、を備えており、
上記センサ制御部は、
上記検出部の上記一対の電極間へ第１電流を印加して、上記検出部に粒子状物質を静電捕集させる捕集制御部（４１）と、
上記第１電流における上記センサ出力が閾値に到達した状態で、上記一対の電極間への印加電流を上記第１電流と異なる第２電流に変更した後に、上記一対の電極間の抵抗値（Ｒ）を検出し、上記抵抗値から推定される粒子状物質の平均粒径（Ｄ）と、上記センサ出力から推定される粒子状物質の質量（Ｍ）を用いて、上記粒子数を算出する粒子数算出部（４２）と、を有する、粒子状物質検出装置にある。
上記一態様における上記粒子状物質検出装置において、センサ制御部は、捕集制御部を作動させて粒子状物質の静電捕集を開始する。センサ出力が閾値に到達したら、電圧制御部を作動させて捕集のための第１電圧から第２電圧に変更して、捕集状態を変化させた後に、一対の電極間の抵抗値を検出する。このとき、一対の電極間の抵抗値と粒子状物質の平均粒径との間には相関があり、平均粒径が大きいほど検出される抵抗値が高くなることが判明している。この関係を利用して、検出した抵抗値から、粒子状物質の平均粒径を推定することができる。さらに、センサ出力から推定される粒子状物質の質量を用いて、粒子数算出部において粒子数を算出することができる。
上記他の態様のように、第１電圧と異なる第２電圧に変更した後に、複数の電圧において、各電圧における抵抗値を検出することもできる。その場合には、複数の電圧における抵抗値を用いて粒子状物質の平均粒径を推定することができる。あるいは、上記さらに他の態様のように、複数の電圧と抵抗値との関係における傾きを利用して、粒子状物質の平均粒径を推定することもできる。または、上記さらに他の態様のように、第１電圧及び第２電圧に代えて、一対の電極間へ第１電流及び第２電流を印加するようにしても、粒子状物質の平均粒径を推定することができる。
以上のごとく、上記態様によれば、エンジン運転条件による粒子状物質の粒子径の変化を反映させて粒子数の算出を行うことができ、粒子状物質の検出精度を向上させた粒子状物質検出装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
実施形態１における、粒子状物質検出装置を構成する粒子状物質検出センサの一例を示す要部拡大図。 実施形態１における、粒子状物質検出センサのセンサ素子の構成例を示す全体斜視図。 実施形態１における、粒子状物質検出装置を備える内燃機関の排ガス浄化装置の全体構成を示す概略構成図。 実施形態１における、粒子状物質検出センサのセンサ出力特性の一例を示す図。 実施形態１における、粒子状物質検出センサの他の例を示す要部拡大図。 実施形態１における、粒子状物質検出センサのセンサ素子の他の構成例を示す全体斜視図。 実施形態１における、粒子状物質検出装置のセンサ制御部で実行される粒子状物質検出処理のフローチャート図。 実施形態１における、センサ素子の検出部への印加電圧と検出時間との関係を示す図。 実施形態１における、センサ素子の検出部への印加電圧と電極間抵抗との関係を示す図。 実施形態１における、センサ素子の検出部への印加電圧と電極間抵抗との関係を調べるために用いたモデル排ガス浄化装置の全体概略構成図。 実施形態１における、センサ素子の検出部に捕集される粒子状物質の平均粒径と電極間抵抗との関係を示す図。 実施形態１における、センサ素子の検出部への印加電圧と、粒子状物質の平均粒径と電極間抵抗の関係を示す直線の傾きとの関係を示す図。 実施形態１における、捕集される粒子状物質の平均粒径の逆数と電極間抵抗との関係を示す図。 実施形態１における、粒子状物質の平均粒径の大小と印加電圧の高低による電極間抵抗の変化を説明するための模式的な図。 実施形態１における、推定された粒子状物質の粒子数と、実測された粒子状物質の粒子数との関係を示す図。 実施形態２における、粒子状物質検出装置のセンサ制御部で実行される粒子状物質検出処理のフローチャート図。 実施形態２における、検出用電圧が１つである条件で推定された粒子状物質の粒子数と、実測された粒子状物質の粒子数との関係の一例を示す図。 実施形態２における、検出用電圧が複数である条件で推定された粒子状物質の粒子数と、実測された粒子状物質の粒子数との関係の一例を示す図。 実施形態３における、粒子状物質検出装置のセンサ制御部で実行される粒子状物質検出処理のフローチャート図。 実施形態３における、センサ素子の検出部への印加電圧と電極間抵抗との関係を示す図。 実施形態３における、センサ素子の検出部への印加電圧と電極間抵抗との関係を示す図。 実施形態３における、捕集される粒子状物質の平均粒径の逆数と電極間抵抗との関係を示す図。 実施形態３における、捕集される粒子状物質の平均粒径の逆数と、印加電圧−電極間抵抗の関係式の傾きとの関係を示す図。 実施形態４における、粒子状物質検出装置のセンサ制御部で実行される粒子状物質検出処理のフローチャート図。 実施形態４における、センサ素子の加熱処理時の素子温度の変化を示す図。 実施形態４における、センサ素子の加熱処理の有無と、粒子状物質の平均粒径の逆数と電極間抵抗との関係を示す図。 実施形態５における、粒子状物質検出装置のセンサ制御部で実行される粒子状物質検出処理のフローチャート図。 実施形態６における、粒子状物質検出センサのセンサ素子の構成例を示す全体図。 実施形態６における、センサ素子の検出部の構成例を示す断面図で、図２８のＡ−Ａ線断面図。 実施形態６における、センサ素子の検出部を構成する高抵抗導電材料の、表面電気抵抗率と温度との関係を表したグラフ。 実施形態６における、表面電気抵抗率の測定方法を説明するための図。 実施形態６における、バルクの電気抵抗率を測定する方法を説明するための図。 実施形態６における、センサ素子の検出部への印加電圧と電極間抵抗との関係を示す図。 実施形態６における、捕集される粒子状物質の平均粒径の逆数と電極間抵抗との関係を示す図。 実施形態６における、センサ素子の検出部に粒子状物質が堆積していない初期状態を模式的に示す拡大断面図。 実施形態６における、センサ素子の検出部に粒子状物質が付着した状態を模式的に示す拡大断面図。 実施形態６における、センサ素子の検出部への粒子状物質の堆積量とセンサ出力との関係を示す図。 実施形態６における、推定された粒子状物質の粒子数と、実測された粒子状物質の粒子数との関係の一例を示す図。 実施形態７における、粒子状物質検出装置のセンサ制御部で実行される粒子状物質検出処理のフローチャート図。 実施形態７における、粒子状物質の平均粒径と比重との関係を示す図。 実施形態７における、推定された粒子状物質の粒子数と、実測された粒子状物質の粒子数との関係の一例を示す図。 実施形態７における、推定された粒子状物質の粒子数と、実測された粒子状物質の粒子数との関係の一例を示す図。 実施形態８における、粒子状物質検出装置のセンサ制御部で実行される粒子状物質検出処理のフローチャート図。 実施形態８における、捕集される粒子状物質の平均粒径と電極間抵抗との関係を示す図。 実施形態８における、推定された粒子状物質の粒子数と、実測された粒子状物質の粒子数との関係の一例を示す図。 実施形態８における、センサ素子の検出部への印加電圧と電極間抵抗との関係を示す図。 実施形態８における、センサ素子の検出部への印加電圧と測定電流との関係を示す図。 実施形態８における、センサ素子の検出部への印加電圧と電極間抵抗変化量との関係を示す図。 実施形態８における、捕集される粒子状物質の平均粒径と電極間抵抗変化量との関係を示す図。 実施形態８における、捕集される粒子状物質の平均粒径と電極間抵抗変化量との関係を示す図。 実施形態８における、捕集される粒子状物質の平均粒径と電極間抵抗との関係を示す図。
（実施形態１）
次に、粒子状物質検出装置の実施形態について、図面を参照して説明する。図１〜図３に示すように、粒子状物質検出装置は、被測定ガスＧに含まれる粒子状物質を検出するものであり、センサ部としての粒子状物質検出センサ１と、粒子状物質検出センサ１からのセンサ出力に基づいて、捕集された粒子状物質の粒子数を検出するセンサ制御部としての電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと称する）４とを備えている。
ＥＣＵ４は、捕集制御部４１、粒子数算出部４２及び加熱制御部４３を備えており、粒子状物質検出センサ１に制御信号を出力し、又は検出信号を受信して、粒子状物質の捕集と検出を制御する。粒子数算出部４２は、電圧制御部４２１及び電極間抵抗検出部４２２を備える。これら各部の詳細については、後述する。
図１に示すように、粒子状物質検出センサ１は、電気抵抗型のセンサ素子１０と、その外周囲を覆う保護カバー１２からなる。センサ素子１０は、保護カバー１２の軸方向を長手方向Ｘ（すなわち、図１の上下方向）として、その先端側（すなわち、図１における下端側）の表面に、被測定ガスＧに晒される検出部２を備える。検出部２は、センサ素子１０に内蔵されるヒータ部３によって加熱可能となっている。保護カバー１２は、ステンレス鋼等の金属材料からなる筒状体形状で、側面及び先端面に、複数の被測定ガス流通孔１３、１４を有している。例えば、図示するように、検出部２に対向する側面の被測定ガス流通孔１３から、保護カバー１２内に被測定ガスが導入され、検出部２の表面に沿って、先端面の被測定ガス流通孔１４へ向かう被測定ガスＧの流れが形成される。
図２に示すように、センサ素子１０は、基体としての、直方体形状の絶縁性基体１１と、絶縁性基体１１の長手方向Ｘの先端側（すなわち、図２における左右方向の右端側）表面に形成される検出部２と、絶縁性基体１１の内部に埋設されるヒータ部３を有している。検出部２は、絶縁性基体１１の一側面（すなわち、図２における上側面で、図１における左側面）に櫛歯状に印刷形成された、一対の電極２１、２２からなる。櫛歯状の電極２１、２２は、それぞれ、複数の線状電極からなり、極性の異なる線状電極が交互に平行配設されて複数の電極対を構成している。電極２１、２２は、それぞれ、絶縁性基体１１の先端側から基端側（すなわち、図２における左端側）へ延びる線状のリード電極２１ａ、２２ａに接続される。
ヒータ部３は、絶縁性基体１１の先端側に配置されるヒータ電極３１と、ヒータ電極３１に接続されて基端側へ延びるリード電極３１ａ、３１ｂとからなる。絶縁性基体１１は、例えば、アルミナ等の絶縁性セラミックス材料からなる、複数の絶縁性シートの積層体にて構成される。このとき、絶縁性シートの表面に、ヒータ電極３１及びリード電極３１ａ、３１ｂを印刷形成し、他の絶縁性シートを重ねて、所定の直方体形状の成形体とし、焼成する。これにより、ヒータ部３を内蔵するセンサ素子１０を形成することができる。
検出部２の電極２１、２２、リード電極２１ａ、２２ａ、ヒータ部３のヒータ電極３１、リード電極３１ａ、３１ｂは、例えば、貴金属等の導電性材料からなり、スクリーン印刷等を用いて所定の電極形状に形成することができる。なお、ヒータ部３を、絶縁性基体１１内に埋設せず、絶縁性基体１１の表面、例えば、検出部２が形成される一側面と異なる側面にヒータ部３を印刷形成することもできる。ヒータ部３は、検出部２を加熱可能に構成されていればよく、例えば、絶縁性基体１１とは別体に設けることもできる。
検出部２の電極２１、２２には、それぞれリード電極２１ａ、２２ａを介して、ＥＣＵ４から所定の電圧が印加される。すなわち、捕集制御部４１の作動時には、一対の電極２１、２２間に第１電圧が印加され、静電捕集される粒子状物質の量に応じたセンサ出力Ｖが取得される。また、粒子数算出部４２の作動時には、電圧制御部４２１から第２電圧が印加され、電極間抵抗検出部４２２により、第２電圧における電極２１、２２間の抵抗値（以下、適宜、電極間抵抗と称する）Ｒが測定される。
被測定ガスＧは、例えば、図３に示す内燃機関Ｅから排出される燃焼排ガスであり、粒子状物質（すなわち、ＰＭ）は、導電性成分であるＳｏｏｔ（すなわち、煤）と有機成分であるＳＯＦ（すなわち、可溶性有機成分）を含む混合物である。粒子状物質の排出量や粒子の状態、例えば、粒子径や化学組成は、内燃機関Ｅの運転状態により変化する。内燃機関Ｅは、例えばディーゼルエンジンであり、排ガスが流通する排ガス通路Ｅ１には、粒子状物質捕集部となるディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦと称する）５が配置される。粒子状物質検出センサ１は、ＤＰＦ５の下流に配置され、先端側半部が排ガス通路Ｅ１内に位置するように、排ガス通路Ｅ１壁に取付固定される。粒子状物質検出センサ１は、ＥＣＵ４に接続されており、ＤＰＦ５の下流における排ガス中のＰＭ量に対応する検出信号をＥＣＵ４に出力する。
ＥＣＵ４は、粒子状物質検出センサ１の検出部２及びヒータ部３の作動を制御すると共に、内燃機関Ｅの運転状態を制御する。図３において、粒子状物質検出センサ１の近傍の排ガス通路Ｅ１壁には、排ガス温度センサ５１が取付固定されて、ＤＰＦ５の下流の排ガス温度を検出可能であり、内燃機関Ｅの吸気通路Ｅ２にはエアフローメータ５２が配設されて、吸気流量を検出するようになっている。また、内燃機関Ｅの回転数を検出する回転数センサ５３、アクセルペダルの動作を検出するアクセルペダルセンサ５４、その他の各種検出装置が設けられる。ＥＣＵ４には、これら各種検出装置からの検出信号が入力される。
ＥＣＵ４は、マイコン４Ａを備える公知の構成で、入出力インターフェイスＩ／Ｆを介して、各種検出装置に接続される。マイコン４Ａは、演算処理を行うＣＰＵと、プログラム、データ等を記憶するＲＯＭ、ＲＡＭを備えており、周期的にプログラムを実行して、粒子状物質検出センサ１を含む内燃機関Ｅの各部を制御する。例えば、ＥＣＵ４は、予め記憶したプログラムに基づく粒子状物質検出処理を実行し、粒子状物質検出センサ１に制御信号を出力して、センサ素子１０の検出部２に粒子状物質を堆積させ、センサ素子１０から送信される出力信号に基づいて、検出部２に静電捕集される粒子状物質を検出する。
ここで、内燃機関Ｅの運転条件により、排ガス通路Ｅ１に排出される粒子状物質の粒子径は変化する。排出される粒子状物質の粒子径が変化すると、導電性が変化するため、検出部２に捕集される粒子状物質の抵抗が変化し、同じ化学組成で同じ捕集量であったとしても、センサ出力Ｖが異なってしまうことが判明している。そこで、本形態では、平均粒径の変化に伴う一対の電極２１、２２間の抵抗値変化を予め把握しておくことで、粒子状物質の粒子径を推定し、精度よく粒子数を算出する。
具体的には、図１に示すように、ＥＣＵ４は、検出部２の一対の電極２１、２２間に第１電圧を印加して静電場を形成し、被測定ガスＧ中の粒子状物質を静電捕集させる捕集制御部４１と、捕集された粒子状物質の粒子数Ｎを算出する粒子数算出部４２と、を備える。粒子数算出部４２は、第１電圧におけるセンサ出力Ｖが閾値に到達した状態で、第１電圧と異なる第２電圧に変更した後に、一対の電極２１、２２間の抵抗値Ｒを検出する。そして、検出した抵抗値Ｒから推定される粒子状物質の平均粒径Ｄと、センサ出力Ｖから推定される粒子状物質の質量Ｍを用いて、粒子数Ｎを算出する。
より具体的には、粒子数算出部４２は、静電捕集のための第１電圧におけるセンサ出力Ｖが閾値に到達した時点において、一対の電極２１、２２間への印加電圧を、粒子状物質の捕集状態を変化させるための第２電圧に変更した後に、検出用電圧に制御する電圧制御部４２１と、検出用電圧における一対の電極２１、２２間の抵抗値Ｒを検出する電極間抵抗検出部４２２と、を備える。検出用電圧は、第２電圧と同じか異なる電圧であって電極間抵抗検出のための電圧である。
図４に一例を示すように、粒子状物質検出センサ１の出力特性（例えば、ここでは電流−時間特性として示す）は、捕集開始後の一定期間はセンサ出力がゼロとなる不感期間であり、その後、捕集された粒子状物質により一対の電極２１、２２間が電気的に接続されると、センサ出力が上昇を始め、堆積量の増加に応じてセンサ出力が増加する。この出力値が予め設定される閾値に到達した時点（すなわち、図４中の検出時間ｔ）以降において、粒子状物質の検出が可能となる。
電圧制御部４２１において、第１電圧は、捕集制御部４１による粒子状物質の静電捕集が促進され、センサ出力Ｖが速やかに立ち上がるように設定される。これにより、粒子状物質が排出されたときに、速やかに閾値に到達し、続いて、粒子数算出部４２による粒子数Ｎの算出へ移行することができる。
一方、第２電圧は、閾値に到達した時点における粒子状物質の捕集状態、例えば、捕集された粒子状物質の接触抵抗や接触状態が変化するように設定される。第２電圧は、第１電圧と異なる任意の電圧に設定することができ、第１電圧より高くても低くてもよい。印加電圧の変更により、捕集された粒子状物質の捕集状態が粒径に応じて変化することで、電極間抵抗検出部４２２において、粒径に応じた抵抗値Ｒの検出が可能になる。
また、検出用電圧は、粒径に応じた抵抗値Ｒの変化を判別しやすい電圧に設定される。検出用電圧は、抵抗値Ｒの検出に適した任意の電圧に設定することができ、第１電圧又は第２電圧と同じ電圧であってもよい。
好適には、第２電圧は、第１電圧に対して、より電圧差が大きい方がよく、捕集状態の変化がより大きくなる。検出用電圧は、抵抗値Ｒが感度よく検出可能な範囲で、第１電圧との電圧差がより大きくなるように設定されるとよい。
一般には、印加電圧を、第１電圧より低い側の電圧へ変更すると、一対の電極２１、２２間の抵抗値Ｒが高くなる傾向があり、また、粒子径が大きいほど、その傾向が大きくなる。そこで例えば、第１電圧より低い電圧を第２電圧に設定して、粒子状物質の捕集状態を変化させ、さらに、第２電圧を検出用電圧として、抵抗値Ｒを検出することができる。そして、第２電圧において検出した抵抗値Ｒと、予め用意しておいた抵抗値Ｒと粒子状物質の平均粒径Ｄとの関係式とから、平均粒径Ｄを推定することができる。
したがって、第１電圧及び第２電圧（例えば、検出用電圧＝第２電圧）を適切に設定することで、抵抗値Ｒを感度よく検出し、抵抗値Ｒからの平均粒径Ｄの精度よい推定が可能になる。そして、センサ出力Ｖから粒子状物質の質量Ｍを知り、さらに抵抗値Ｒから推定される平均粒径Ｄを用いて、粒子数Ｎの算出を精度よく行うことができる。
また、ＥＣＵ４は、ヒータ部３のヒータ電極３１へ電力を供給して、検出部２を所定の温度に加熱する加熱制御部４３を備えている。加熱制御部４３は、例えば、粒子状物質の捕集、検出に先立ってヒータ部３を作動させ、検出部２に堆積した粒子状物質を燃焼除去することができる。これにより、粒子状物質検出センサ１を再生することができる。
図５、６に示すように、粒子状物質検出センサ１のセンサ素子１０は、絶縁性基体１１の先端面に、積層構造の一対の電極２１、２２からなる検出部２を有する構成であってもよい。センサ素子１０は、例えば、絶縁性基体１１となる複数の絶縁性シートの間に、電極２１又は電極２２となる電極膜を交互に配設した積層体を焼成して形成される。このとき、絶縁性基体１１の先端面に、電極２１、２２となる電極膜の端縁部が交互に露出して、極性の異なる線状電極からなる複数の電極対を構成する。電極２１又は電極２２となる電極膜は、それぞれ図示しないリード電極に接続され、絶縁性基体１１の基端側において互いに接続される。
保護カバー１２内において、積層構造の検出部２を有するセンサ素子１０は、検出部２が位置する先端面が、保護カバー１２の側面に開口する複数の被測定ガス流通孔１３より、やや基端側に位置するように配置されている。保護カバー１２の構成は、上記図１に示した例と同様であり、側面の複数の被測定ガス流通孔１３から保護カバー１２内に被測定ガスＧが流入し、先端面の被測定ガス流通孔１４へ向かうガス流れとなる。このとき、被測定ガスＧの流れは、被測定ガス流通孔１３から検出部２に直接向かわず、保護カバー１２内に導入された、被測定ガスＧの流れがセンサ素子１０の先端面の近傍で合流して、先端面の被測定ガス流通孔１４へ向かうガス流れとなる。
このセンサ素子１０においても、図示しないヒータ部３が備えられ、ヒータ電極３１とそのリード電極３１ａ、３１ｂを絶縁性基体１１内に埋設形成し、または、絶縁性基体１１の表面に印刷形成することができる。なお、積層構造のセンサ素子１０において、検出部２を先端面に形成せず、先端側の一側面に配置してもよい。その場合も、電極２１、２２となる絶縁膜が、絶縁性基体１１となる絶縁性シート間に配置され、絶縁性シートの厚さが電極２１、２２間の距離となる構成は同様である。
このような粒子状物質検出装置は、図３において、粒子状物質検出センサ１の上流に配置されるＤＰＦ５の故障診断に利用することができる。一般に、ＤＰＦ５が正常であれば、排出される粒子状物質はＤＰＦ５にて捕集され、その下流にはほとんど排出されない。ＤＰＦ５に何らかの異常が生じて粒子状物質の捕集性能が低下した場合には、下流側の粒子状物質検出センサ１において、排出される粒子状物質の粒子数Ｎを計測することで、異常の有無を判定することができる。その際に、粒子状物質の粒子径の影響による検出ばらつきを低減することで、粒子状物質検出センサ１の検出精度を高め、異常を速やかに検出可能となる。
以下に、ＥＣＵ４によって実行される粒子状物質検出処理の詳細を、フローチャートを用いて説明する。本形態は、図７に示すように、第２電圧と検出用電圧を同じ電圧とした例であり、また、第２電圧は第１電圧より低い電圧となっている。
図７において、粒子状物質検出処理を開始したら、ステップＳ１において、粒子状物質検出センサ１の検出部２への粒子状物質の捕集を実施する。なお、捕集の開始時には、別ルーチンで実施される粒子状物質検出センサ１の再生処理により予め粒子状物質が燃焼除去され、検出部２に粒子状物質は堆積していないものとする。再生処理は、センサ素子１０に内蔵するヒータ部３に通電して、検出電極部２を加熱することにより実施される。再生時の検出部２の温度は、通常、Ｓｏｏｔを燃焼除去可能な６００℃以上に設定される。
ステップＳ１は、ＥＣＵ４の捕集制御部４１としての処理であり、センサ素子１０の一対の電極２１、２２間へ、予め設定された第１電圧を印加して、保護カバー１２内に導入される粒子状物質を検出部２に堆積させる。粒子状物質検出センサ１は、検出部２において、一対の電極２１、２２間に粒子状物質を捕捉し、粒子状物質の量によって変化する電気的特性を検出する。前述したように、粒子状物質検出センサ１は、センサ出力Ｖが速やかに閾値に到達するのがよい。
そのために、捕集制御部４１は、一対の電極２１、２２間に印加する第１電圧を、センサ出力Ｖの検出時間が最小となるように選定する。閾値は、例えば、ＤＰＦ５の故障診断のための検出基準となる所定の出力であり、検出可能な最少の粒子状物質の堆積量に対応する出力値Ｖ０とすることができる。また、積層型のセンサ素子１０において、一対の電極２１、２２間の距離（すなわち、電極間隔）は、例えば、５μｍ〜１００μｍの範囲で設定され、一般に、距離が小さくなるほど検出感度が高くなる。
図８に示すように、排ガスの流速が一定のとき（例えば、１１．４ｍ/ｓ）、印加電圧が低い領域では、検出時間が比較的長く、印加電圧の増加に伴い検出時間は減少し、例えば、印加電圧が３０Ｖ〜４０Ｖの近傍で検出時間は最も短くなる。印加電圧がより高くなると、検出時間は再び増加する。したがって、第１電圧を、検出時間が最も短くなる３０Ｖ〜４０Ｖの範囲（例えば、３５Ｖ）に設定することで、速やかにセンサ出力Ｖを立ち上げることができる。
これは、検出部２への粒子状物質の電気的付着力Ｐが、下記式１で表されるように、クーロン力と反発力に依存するためと考えられる。
式１：Ｐ∝Ｄ2（ＫＥＩρ1−Ｅ2／３２）
ただし、
Ｄ：平均粒径
Ｋ：係数
Ｅ：電界強度
Ｉ：コロナ電流
ρ1：粒子の電気抵抗率
上記式１において、括弧内の第１項はクーロン力を表し、第２項は反発力を表す。つまり、低印加電圧の領域では、クーロン力が支配的となって検出時間が減少し、高印加電圧の領域では、反発力が支配的となって検出時間が増加する。このように、クーロン力と反発力のバランスによって電気的付着力Ｐが決まり、クーロン力が比較的大きく反発力が比較的小さくなることで検出時間が最小となる、印加電圧の最適値が存在すると推察される。
次いで、ステップＳ２において、センサ素子１０からのセンサ出力Ｖを取り込み、閾値である出力値Ｖ０に到達したか否かを判断する。センサ出力Ｖが出力値Ｖ０未満の場合には、ステップＳ２が否定判定されて、ステップＳ１に戻り、静電捕集及びセンサ出力Ｖの取り込みを継続する。
ステップＳ２において、センサ出力Ｖが出力値Ｖ０に到達すると、粒子状物質の粒子数を算出するタイミングに到達したとして、ステップＳ３に進み、以降の処理により、粒子状物質の粒子数Ｎを算出する。この時点において、一対の電極２１、２２間は、粒子状物質が堆積して電気的に接続された状態となっている。ステップＳ３〜Ｓ７は、ＥＣＵ４の粒子数算出部４２としての処理である。そのうちのステップＳ３は、電圧制御部４２１としての処理であり、ステップＳ４は、電極間抵抗検出部４２２としての処理である。
ステップＳ３では、センサ素子１０の一対の電極２１、２２間に印加される電圧を、第１電圧から、これより低い第２電圧へ変更する。このとき、堆積した粒子状物質が電気的に接続している状態が変化する。さらに、ステップＳ４では、検出用電圧としての第２電圧における一対の電極２１、２２間の電極間抵抗Ｒを測定する。その後、ステップＳ５に進んで、測定した電極間抵抗Ｒに基づいて、粒子状物質の平均粒径Ｄを推定する。
前述したように、ステップＳ３で印加される第２電圧は、第１電圧と異なる電圧であればよく、例えば、第１電圧より低い電圧である。好ましくは、第１電圧と第２電圧との差が大きい方がよく、例えば、図９に示される印加電圧と電極間抵抗Ｒとの関係を用いて、予め設定される。この関係は、図１０に示されるモデル排ガス浄化装置を用いて測定されたものであり、ＤＰＦ５が設置されたモデル排ガス流路１０１に、主にＳｏｏｔからなる粒子状物質を発生させるＰＭ発生装置１００が接続されている。粒子状物質検出センサ１は、ＤＰＦ５の上流側に配置されており、粒子状物質検出センサ１の上流側には、市販の粒径分布計測装置（すなわち、ＥＥＰＳ；Ｅｎｇｉｎｅ Ｅｘｈａｕｓｔ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｓｉｚｅｒ）１０２が配置される。
このモデル排ガス浄化装置を用いて、モデル排ガスに含まれる粒子状物質の平均粒径Ｄを変化させて、粒子状物質検出センサ１によるＰＭ捕集を行った。センサ出力Ｖが、予め設定した所定の出力値Ｖ０（例えば、０．１２Ｖ）に達した時点で、ＰＭ捕集を停止し、ＰＭ発生装置１００を停止した。その状態で、粒子状物質検出センサ１への印加電圧を変化させて、一対の電極２１、２２間の電極間抵抗Ｒを測定した。測定条件は、以下のようにした。
モデルガス温度：２００℃
モデルガス流量：１５ｍ／ｓ
平均粒径Ｄ：７４ｎｍ、６３ｎｍ、５８ｎｍ
ＰＭ捕集時印加電圧：３５Ｖ
測定時の印加電圧：１Ｖ（測定不可）、５Ｖ、１０Ｖ、２０Ｖ、３０Ｖ、３５Ｖ
電極間隔：２０μｍ
図９に示されるように、ＰＭ捕集時の印加電圧（すなわち、第１電圧）に対して、測定時の印加電圧（すなわち、検出用電圧＝第２電圧）が低くなるほど、平均粒径Ｄによる電極間抵抗Ｒの差異が大きくなる。例えば、第２電圧に変化させず、ＰＭ捕集時と測定時の印加電圧が同じまま（すなわち、３５Ｖ）である場合には、十分大きな差異はない。これに比べて、測定時印加電圧が３５Ｖより低くなるにつれて、電極間抵抗Ｒが大きくなっており、しかも、平均粒径Ｄによる電極間抵抗Ｒの差が大きくなる。このように、より低い第２電圧に変更することで、電極間抵抗Ｒから平均粒径Ｄを推定することが可能になる。
具体的には、図１１に示されるように、粒子状物質の平均粒径Ｄ（単位：ｎｍ）と電極間抵抗Ｒ（単位：Ω）とは、比例関係にあり、それらの関係を表す直線の傾き（単位：Ω／ｎｍ）は、図１２に示されるように、印加電圧が低いほど、大きくなる。特に、測定時印加電圧が２０Ｖ程度ないしそれより低い領域において、傾きが急激に大きくなっている。したがって、より好ましくは、第２電圧を、第１電圧の６０％（例えば、第１電圧が３５Ｖであるとき、第２電圧が２０Ｖ）程度ないしそれ以下に設定するのがよい。これにより、電極間抵抗Ｒに基づく平均粒径Ｄの推定精度をより向上させることができる。
なお、測定時の印加電圧がごく低い領域では(例えば、検出用電圧＝１Ｖ)、測定ばらつきが大きくなったために、図１２中には記載せず、測定不可とした。したがって、検出用電圧としての第２電圧を選定する際には、回路構成等に応じて測定が可能な範囲となるように、例えば、抵抗測定時に一対の電極２１、２２間を流れる電流が１μＡ程度となる電圧を下限値として、それより低くならないように設定することが望ましい。これにより、ステップＳ４における電極間抵抗Ｒの測定精度を向上させ、回路コストを低減させることができる。
ステップＳ５では、測定した電極間抵抗Ｒに基づいて、例えば、図１３に示される関係を用いて、粒子状物質の平均粒径Ｄを推定する。図１３において、横軸は、平均粒径Ｄ（すなわち、メジアン径）の逆数を示しており、平均粒径Ｄが大きくなるほど、縦軸の電極間抵抗Ｒは高くなる。また、測定時の印加電圧である第２電圧が低くなるほど、電極間抵抗Ｒは高くなる。
これは、図１４に示されるように、平均粒径Ｄが小さい場合と大きい場合とで、印加電圧の高低によって捕集された粒子状物質の配列に変化が生じる際の、変化のしかたが異なるためと考えられる。すなわち、第１電圧において捕集された状態では、比較的印加電圧が高く、一対の電極２１、２２間の電界強度が高い状態となっている。その場合には、両電極間に配置される粒子状物質（すなわち、図中のＰＭ）が整列して両電極を電気的に接続している状態は、平均粒径Ｄの大小により大きな差異は生じない。また、第２電圧が比較的高い電圧である場合には、電界強度の変化が小さく、捕集状態の変化も小さい。つまり、粒子状物質の配列は、ＰＭ捕集時のセンサ出力Ｖが所定の出力値Ｖ０に到達した状態とほぼ同様となっている。このため、測定される電極間抵抗Ｒにも大きな差異は生じていない。
これに対して、印加電圧がより低くなると、一対の電極２１、２２間の電界強度がさらに低下するために、粒子状物質を拘束する力が弱くなる。すると、図示するように、粒子状物質の整列状態が乱れ、隣接する粒子状物質同士の接触抵抗が高くなると考えられる。また、一対の電極２１、２２間を接続する粒子状物質の接触状態（例えば、導電パスの形成状態）が変化し、その変化は平均粒径Ｄが比較的小さい場合よりも、平均粒径Ｄが比較的大きい場合において顕著となりやすい。
ここで、粒子状物質は粒径が小さいほど抵抗が高いため、所定のセンサ出力Ｖ０に到達した時点では、粒子状物質の粒径が小さいほど多くの粒子状物質が捕集されている。電極間抵抗Ｒは、粒子状物質の接触抵抗や接触状態による抵抗の合成抵抗となるため、多くの粒子状物質が捕集される、粒径が小さい場合ほど、電極間抵抗Ｒの変化は小さくなる。
このように、捕集されている粒子状物質の粒径により、電極間抵抗Ｒの変化が変わるので、粒子状物質の捕集時と異なる第２電圧に変更して、捕集状態を変化させた後に、電極間抵抗Ｒを測定することで、粒子状物質の平均粒径Ｄを推定できる。
そこで、これらの関係を運転条件や測定条件ごとに予め調べて、関係式やマップ等としてＥＣＵ４の記憶領域であるＲＯＭに記憶しておき、測定した電極間抵抗Ｒから平均粒径Ｄを推定することができる。この処理により得られる平均粒径Ｄは、ステップＳ１による静電捕集の開始から、ステップＳ２の判定タイミングの到達までの捕集期間にＤＰＦ５の下流に排出された粒子状物質の平均粒径である。
次いで、ステップＳ６へ進んで、センサ出力Ｖから捕集期間に排出された粒子状物質の質量Ｍを推定する。センサ出力Ｖは、捕集期間にセンサ素子１０の検出部２に捕集された粒子状物質の質量Ｍと、ほぼ正の相関を有しており、ここでは、ステップＳ２が肯定判定された時点におけるセンサ出力Ｖ、すなわち所定の出力値Ｖ０を用いる。ステップＳ２では、センサ出力Ｖが出力値Ｖ０に到達したか否かを判定しており、肯定判定された時点におけるセンサ出力Ｖは、閾値である出力値Ｖ０と実質的に等しいからである。
さらに、ステップＳ７へ進んで、推定された粒子状物質の質量Ｍと、平均粒径Ｄとを用いて、下記式２、式３により、粒子状物質の粒子数Ｎを算出する。
式２：粒子数Ｎ＝質量Ｍ／ＰＭ平均体積×ＰＭ比重
式３：ＰＭ平均体積＝４π（Ｄ/２）3／３
ここで、粒子状物質の比重（すなわち、ＰＭ比重）は、予め定めた一定値（例えば、１ｇ／ｃｍ3）とすることができる。粒子状物質の平均体積（すなわち、ＰＭ平均体積）は、推定した粒子状物質の平均粒径Ｄから、粒子状物質を球状とみなして上記式３により算出される。
これら一連のステップを経て算出された粒子状物質の粒子数Ｎを、実際に測定された粒子数と比較したところ、図１５に示すように、推定ＰＭ個数と実測ＰＭ個数とがほぼ一致する関係にあることが確認された。このように、粒子状物質の平均粒径Ｄを考慮することで、粒子状物質の粒子数Ｎを精度よく推定することができる。
（実施形態２）
実施形態２の粒子状物質検出装置において、センサ部としての粒子状物質検出センサ１、及びセンサ制御部であるＥＣＵ４の基本構成は、上記実施形態１と同様である。上記実施形態１では、検出用電圧としての第２電圧における電極間抵抗Ｒに基づいて、粒子状物質の平均粒径Ｄを推定したが、検出用電圧として第１電圧より低い複数の電圧を設定し、大きさが異なる複数の電圧においてそれぞれ電極間抵抗Ｒを測定するようにしてもよい。複数の電圧は、第２電圧と同じ大きさの電圧を含んでもよい。この場合に、ＥＣＵ４によって実行される粒子状物質検出処理の詳細を、図１６を用いて説明する。
なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
図１６にフローチャートを示すように、本形態において、センサ制御部であるＥＣＵ４により実行される粒子状物質検出処理は、図７に示される実施形態１の手順の一部を変更したものである。具体的には、ステップＳ１１〜Ｓ１４までは、図７のステップＳ１〜Ｓ４と同じ処理であるので説明を簡略にし、相違点となるステップＳ１５以降について、主に説明する。
ステップＳ１１〜Ｓ１４では、検出部２の一対の電極２１、２２に第１電圧を印加して静電捕集を行い、センサ出力Ｖが出力値Ｖ０に到達したら、第２電圧に変更して捕集状態を変化させた後、第２電圧において電極間抵抗Ｒを測定する。次に、ステップＳ１５に進んで、一対の電極２１、２２への印加電圧を、第２電圧より低い第３電圧に変更し、さらにステップＳ１６に進んで、第３電圧における電極間抵抗Ｒ１を測定する。
ここで、検出用電圧としての第２電圧及び第３電圧は、それぞれ第１電圧より低い電圧であり、かつ互いに大きさが異なる電圧であればよい。好ましくは、第２電圧及び第３電圧のうちの少なくとも一方又は両方が、第１電圧の６０％程度ないしそれ以下の電圧であるとよく、印加電圧が低いほど、平均粒径Ｄの推定精度が高くなる。また、第２電圧と第３電圧の差を比較的大きくすると、より好ましい。
ステップＳ１７においては、検出用電圧となる複数の電圧における抵抗値、すなわち、第２電圧における電極間抵抗Ｒと、第３電圧における電極間抵抗Ｒ１に基づいて、平均粒径Ｄの推定を行う。例えば、前述した図７のステップＳ５と同様に、図１３に示される関係を用いて、電極間抵抗Ｒ、Ｒ１のそれぞれについて平均粒径Ｄを推定し、それらの平均値を算出することができる。好ましくは、平均粒径Ｄを推定する際に、各電圧に対して重み付けを行うことで、推定精度が高めることできる。具体的には、印加電圧が低い状態で測定された場合ほど、重みを増すように、電極間抵抗Ｒ、Ｒ１に対して重み付けを行うとよい。
その後のステップＳ１８、ステップＳ１９は、前述した図７のステップＳ６、ステップＳ７と同様である。すなわち、ステップＳ１８では、ステップ１２が肯定判定された時点におけるセンサ出力Ｖとしての出力値Ｖ０を用いて、粒子状物質の質量Ｍを推定する。さらに、ステップＳ１９では、推定された粒子状物質の質量Ｍと、平均粒径Ｄとを用いて、上記式２、式３により、粒子状物質の粒子数Ｎを算出する。
このように、複数の電圧における電極間抵抗Ｒ、Ｒ１を測定することで、平均粒径Ｄの推定をより精度よく行うことができる。複数の電圧は、本形態のように、２つの異なる電圧とするだけでなく、３つ以上の異なる電圧を設定し、それぞれについて電極間抵抗Ｒを測定することもできる。図１７に一例を示すように、電極間抵抗Ｒが測定される印加電圧が１つである印加電圧条件（すなわち、実施形態１による粒子状物質検出処理）では、推定粒径と実測粒径とに生じる差が、最大で１６％程度となる。これに対して、図１８に示すように、複数の印加電圧条件において、電極間抵抗Ｒが測定される場合には、推定粒径と実測粒径とに生じる差が、最大で５％程度に縮小することができる。
（実施形態３）
実施形態３の粒子状物質検出装置において、センサ部としての粒子状物質検出センサ１、及びセンサ制御部であるＥＣＵ４の基本構成は、上記実施形態２と同様である。本形態においても、検出用電圧として第１電圧より低い複数の電圧を設定し、これら複数の電圧においてそれぞれ電極間抵抗Ｒを測定している。このとき、上記実施形態２では、測定した電極間抵抗Ｒからそれぞれ平均粒径Ｄを推定したが、複数の電圧と測定した電極間抵抗Ｒとの関係における傾きＩを基にして、平均粒径Ｄを推定するようにしてもよい。
その場合には、図１に示したＥＣＵ４の粒子数算出部４２は、電圧制御部４２１及び電極間抵抗検出部４２２に加えて、複数の電圧と電極間抵抗Ｒとの関係における傾きを算出する図略の傾き算出部を備える。この場合に、ＥＣＵ４によって実行される粒子状物質検出処理の詳細を、図１９を用いて説明する。
図１９にフローチャートを示すように、本形態において、センサ制御部であるＥＣＵ４により実行される粒子状物質検出処理は、図１６に示される実施形態２の手順の一部を変更したものである。具体的には、平均粒径Ｄを推定するためのステップＳ１７を、ステップＳ１７１、Ｓ１７２の２段階にて行う点のみ相違する。ステップＳ１７１は、傾き算出部としての処理であり、ステップＳ１１〜Ｓ１６、Ｓ１８〜Ｓ１９は、図１６と同じ処理であるので同じ符号を付している。
ここで、図２０、図２１に比較して示すように、測定温度等の外乱の影響により、測定される電極間抵抗Ｒが変動することがある。図２１は、測定温度がいずれも正しい設定温度となっている場合であり、粒子状物質の平均粒径Ｄが比較的近い範囲にあっても（例えば、６５．２ｎｍ、５４．７ｎｍ、５２．３ｎｍ、４８．５ｎｍ）、印加電圧と電極間抵抗Ｒとの関係は、平均粒径Ｄの大小と良好な相関が見られる。図中には、各印加電圧における電極間抵抗Ｒのばらつき範囲を示しており、例えば、平均粒径Ｄの差が小さい５４．７ｎｍ、５２．３ｎｍについても、ばらつき範囲の重なりはほとんどなく、上述した実施形態２の手順による平均粒径Ｄの推定が可能となる。
ただし、これら関係は温度依存性を有しており、例えば、測定時のセンサ素子１０の温度が設定温度からずれる等の外乱の影響を受けて、電極間抵抗Ｒが本来の値からずれてしまうことがある。図２０は、平均粒径Ｄが５２．３ｎｍの場合のみ、５０℃低い測定温度において電極間抵抗Ｒを測定した結果を示しており、図２１に比べて、平均粒径Ｄが５４．７ｎｍにおける電極間抵抗Ｒの値に接近している。そのため、図２２に印加電圧５Ｖの場合を示すように、平均粒径Ｄの逆数と電極間抵抗Ｒは、全体には良い相関を示すものの、温度が低い条件においては（すなわち、図２２中に白丸で示す）、外乱がない場合に対して電極間抵抗Ｒの値が大きくなるために、推定精度が低下するおそれがある。
そのような場合でも、印加電圧と電極間抵抗Ｒとの関係を直線近似した近似式（すなわち、図２０中にそれぞれ示す近似直線の式）の傾きＩは、一定値となる。これは、外乱の影響により各印加電圧での電極間抵抗Ｒにおなじだけずれが生じるためであり、図２３に平均粒径Ｄの逆数との関係を示すように、温度が低い条件における近似直線の傾きＩは、（すなわち、図２３中に白丸で示す）、外乱の影響を受けない。そこで、この傾きＩを用いて平均粒径Ｄを推定することで、推定精度を向上させることができる。
図１９に示すフローチャートでは、ステップＳ１１〜Ｓ１６に従い、第１電圧にて静電捕集を行い、センサ出力Ｖが出力値Ｖ０に到達にした後、第２電圧に変更し、さらに、第２電圧、第３電圧における電極間抵抗Ｒ、Ｒ１を測定する。次いで、ステップＳ１７１に進んで、これら第２電圧、第３電圧及び電極間抵抗Ｒ、Ｒ１から、これらの関係を直線近似した近似式の傾きＩを算出する。そして、ステップＳ１７２において、算出した近似式の傾きＩから、図２３の関係に基づいて、粒子状物質の平均粒径Ｄを精度よく推定することができる。
その後、ステップＳ１８〜Ｓ１９に進んで、出力値Ｖ０に基づいて粒子状物質の質量Ｍを推定し、この質量Ｍと平均粒径Ｄとを用いて、粒子状物質の粒子数Ｎを算出することができる。
（実施形態４）
実施形態４の粒子状物質検出装置において、センサ部としての粒子状物質検出センサ１、及びセンサ制御部であるＥＣＵ４の基本構成は、上記実施形態１と同様である。上記実施形態１、２では、粒子状物質検出センサ１のヒータ部３を、粒子状物質の捕集に先立つ検出部２の再生に用いたが、粒子数Ｎを検出する際に、検出部２に堆積する粒子状物質を加熱処理するために利用することもできる。その際、ＥＣＵ４の加熱制御部４３は、ヒータ部３に通電して、検出部２を再生時よりも低い温度、例えば、堆積する粒子状物質中のＳＯＦが揮発可能でありＳｏｏｔは燃焼しないような温度に加熱保持する。この場合に、ＥＣＵ４によって実行される粒子状物質検出処理の詳細を、図２４を用いて説明する。
図２４にフローチャートを示すように、本形態において、センサ制御部であるＥＣＵ４により実行される粒子状物質検出処理は、図７に示される実施形態１の手順の一部を変更したものである。具体的には、ステップＳ２１〜Ｓ２２は、図７のステップＳ１〜Ｓ２と同じ処理であり、説明を省略する。ステップＳ２３では、センサ素子１０のヒータ部３に電力を供給して、検出部２を加熱し、ＳＯＦのみが揮発除去されＳｏｏｔは除去されない第１温度まで昇温させる。
図２５に加熱処理パターンの一例を示すように、加熱処理温度である第１温度は、２００℃以上、４００℃以下の範囲で選択される（例えば、３５０℃）。このとき、加熱制御部４３は、出力値Ｖ０に到達した時点以降に加熱を開始し、予め定めた第１温度に収束するように、昇温速度を制御する。例えば、第１温度の近傍までは、昇温速度を一定とし、その後、徐々に昇温速度を低減して第１温度に収束させることができる。
このとき、ヒータ部３の作動により検出部２の温度が上昇し、第１温度に収束するのに伴い、センサ出力Ｖも同様の曲線を描いて、第１温度における第１出力値Ｖ１に収束する。その際、検出部２が加熱されてＳＯＦが揮発し、Ｓｏｏｔのみとなることにより導電率が向上するために、一般に、第１出力値Ｖ１は、出力値Ｖ０よりも大きくなる。これには、温度上昇によるＳｏｏｔの抵抗が低下する温特の効果も含まれる。
そこで、ステップＳ２４では、第１温度に到達した後に、第１温度における第１出力値Ｖ１を取り込む。第１温度に到達するのに要する時間は、第１温度に到達してＳＯＦが十分に揮発するまで加熱保持するのに必要な時間であり、予め試験等を行って任意に設定できる。
続くステップＳ２５〜ステップＳ２７は、前述した図７のステップＳ３〜Ｓ５と同じ処理である。ステップＳ２５では、検出部２の一対の電極２１、２２への印加電圧を、第１電圧から第２電圧に変更し、さらにステップＳ２６に進んで、検出用電圧としての第２電圧における電極間抵抗Ｒを測定する。その後、ステップＳ２７に進んで、測定した電極間抵抗Ｒに基づいて、粒子状物質の平均粒径Ｄを推定する。
前述したように、粒子状物質の検出に際して、排出される粒子状物質中のＳＯＦの影響は必ずしも大きいものではない。ただし、例えば、排気温度が低い条件ではＳＯＦが揮発しにくいことから、粒子状物質中のＳＯＦ割合が高くなりやすい。図２６に加熱処理前後に測定された電極間抵抗Ｒと平均粒径Ｄの関係を示すように、加熱処理の有無による抵抗値の差が大きくなっており、加熱処理を行って高抵抗なＳＯＦを揮発させることにより、検出誤差を小さくすることがわかる。
次に、ステップＳ２８に進んで、第１出力値Ｖ１に基づいて、捕集期間にセンサ素子１０の検出部２に捕集された粒子状物質の質量Ｍを推定する。第１出力値Ｖ１は、Ｓｏｏｔ主体の粒子状物質に基づくセンサ出力Ｖであり、粒子状物質の質量Ｍと正の相関を有する。この関係を予め調べてＥＣＵ４の記憶領域であるＲＯＭに記憶しておくことで、質量Ｍを推定することができる。
その後、ステップＳ２９へ進んで、前述した図７のステップＳ７と同様の手順で、推定された粒子状物質の質量Ｍと平均粒径Ｄとから粒子状物質の粒子数Ｎを算出する。このように、捕集後に検出部２の加熱処理を行うことで、ＳＯＦと排気温度の影響を排除することができる。
（実施形態５）
実施形態５の粒子状物質検出装置において、センサ部としての粒子状物質検出センサ１、及びセンサ制御部であるＥＣＵ４の基本構成は、上記実施形態１と同様である。また、ＥＣＵ４の加熱制御部４３により、捕集後に検出部２の加熱処理を行うことで、ＳＯＦの影響を排除する手順は、上記実施形態４と同様であり、粒子状物質の質量Ｍを推定する手順のみ異なっている。
具体的には、図２７に示すフローチャートにおいて、ＥＣＵ４により実行される粒子状物質検出処理のうち、ステップＳ３１〜Ｓ３７までは、図２４に示される実施形態４のステップＳ２１〜Ｓ２７と同じ処理であり、加熱処理後に第２電圧に変更し、電極間抵抗Ｒを測定することで、粒子状物質の平均粒径Ｄを精度よく推定する。
その後、ステップＳ３８に進んで、ステップ３２におけるセンサ出力Ｖである出力値Ｖ０に基づいて、捕集期間にセンサ素子１０の検出部２に捕集された粒子状物質の質量Ｍを推定する。粒子状物質の質量Ｍに占めるＳＯＦ割合は比較的小さいので、上記実施形態１と同様に、出力値Ｖ０に基づいて粒子状物質の質量Ｍを推定することもできる。その後、ステップＳ３９において、推定された粒子状物質の質量Ｍと、平均粒径Ｄとを用いて、粒子状物質の粒子数Ｎを算出することができる。
（実施形態６）
以上の各実施形態における粒子状物質検出処理では、粒子状物質検出センサ１を、積層構造の検出部２を有する積層型のセンサ素子１０とした場合について主に説明したが、図２に示したように、直方体形状の絶縁性基体１１の表面に、一対の電極２１、２２を印刷形成した、印刷型のセンサ素子１０とすることもできる。この場合には、一対の電極２１、２２間の距離、すなわち電極間隔は、積層型のセンサ素子１０よりも広くなり、例えば、５０μｍ〜５００μｍの範囲で適宜選択することができる。
また、印刷型のセンサ素子１０とした場合において、図２８〜図２９に示すように、基体となる絶縁性基体１１の表面に、検出用導電部２３を配置することもできる。検出用導電部２３は、粒子状物質よりも電気抵抗率が高い導電性材料であり、後述する高抵抗導電材料からなる。
ＥＣＵ４により実行される粒子状物質検出処理は、上記各実施形態のように、センサ素子１０の一対の電極２１、２２間が絶縁材料で形成されている構成のみならず、高抵抗導電材料で形成されている構成にも有効であり、以下に説明する。
検出用導電部２３は、検出部２となる長手方向Ｘの先端側（すなわち、図２８における一端側）の表面に配置される。一対の電極２１、２２は、検出用導電部２３の表面（すなわち、基体１１とは反対側の表面）に間隔をおいて、それぞれ長手方向Ｘに延びるように配置される。一対の電極２１、２２は、絶縁性基体１１の先端側から基端側（すなわち、図２８における他端側）へ延びる線状のリード電極２１ａ、２２ａに、それぞれ接続される。なお、一対の電極２１、２２は、図２に示したセンサ素子１０と同様に、複数組の電極対が、例えば櫛歯型に配設された構成であってもよい。
ここで、検出用導電部２３に用いられる高抵抗導電材料２０は、図３０中に示すように、１００〜５００℃の温度範囲において、表面電気抵抗率が１．０×１０7〜１．０×１０10Ω・ｃｍの範囲にある導電性材料であることが望ましい。表面電気抵抗率が上記数値範囲を満たす導電性材料として、例えば、分子式がＡＢＯ3で表されるペロブスカイト構造を有するセラミックスを用いることができる。上記分子式において、Ａサイトは、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇから選択される少なくとも一種であり、Ｂサイトは、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｙから選択される少なくとも一種である。好適には、Ａサイトは、主成分がＳｒ、副成分がＬａであり、Ｂサイトは、Ｔｉであるペロブスカイト型セラミックス（すなわち、Ｓｒ1-XＬａXＴｉＯ3）が用いられる。
図３０中に、ペロブスカイト型セラミックスの表面電気抵抗率ρと、温度との関係を示すように、（Ｓｒ1-XＬａXＴｉＯ3）におけるｘを０．０１６〜０．０３６の範囲にした場合、表面電気抵抗率ρは、１００〜５００℃の温度範囲において、１．０×１０7〜１．０×１０10Ω・ｃｍになる。そのため、このようなセラミックス（例えば、Ｓｒ0.984Ｌａ0.016ＴｉＯ3、Ｓｒ0.98Ｌａ0.02ＴｉＯ3、Ｓｒ0.964Ｌａ0.036ＴｉＯ3）は、導電部２を構成するための材料として、好適に用いることができる。
ここで、「表面電気抵抗率ρ」は、図３１に示すサンプルＳを作成し、測定電極１０１、１０２間の電気抵抗(すなわち、電極間抵抗)を測定して、下記式４を用いて算出した値を意味する。
本形態では、以下のようにして、導電性材料の表面電気抵抗率ρを測定している。すなわち、まず、図３１に示すサンプルＳを作成する。このサンプルＳは、導電性材料からなり厚さＴが１．４ｍｍの板状基板１００と、該板状基板１００の主表面に形成され長さがＬ、間隔がＤである一対の測定電極１０１、１０２とを有する。このようなサンプルＳを形成し、一対の測定電極１０１、１０２間の電気抵抗Ｒ（単位：Ω）を測定する。表面電気抵抗率ρは、下記式４によって算出される。
式４：ρ＝Ｒ×Ｌ×Ｔ／Ｄ
なお、本明細書において、単に「電気抵抗率」と記載した場合は、いわゆるバルクの電気抵抗率を意味する。これは、例えば図３２に示すごとく、導電性材料からなる基板部２００と、この基板部２００の側面に形成した一対の測定電極２０１、２０２とを備えるバルク用サンプルＳ１を作成し、上記一対の測定電極２０１、２０２間の電気抵抗を測定することによって算出することができる。
図３０中に示すように、Ｌａを添加しない場合（ＳｒＴｉＯ3）は、１００〜５００℃の温度範囲において、表面電気抵抗率ρが、約１．０×１０5〜１．０×１０11Ω・ｃｍになり、低温側及び高温側にて１．０×１０7〜１．０×１０10Ω・ｃｍの範囲を外れている。この結果から、上記セラミックスにＬａを含有させた方が、温度による表面電気抵抗率ρの変化が少ないことが分かる。
なお、図３０のグラフを取得するにあたり、表面電気抵抗率ρの測定は、より詳しくは、以下のように行った。すなわち、Ｓｒ1-XＬａXＴｉＯ3におけるｘを０、０．０１６、０．０２、０．３６にしたセラミックスを作成し、これらのセラミックスを用いてサンプルＳ（例えば、図３１参照）を作成した。各サンプルＳは、厚さＴが１．４ｍｍの板状基板１００と、この板状基板１００の主表面に形成した、長さＬが１６ｍｍ、間隔Ｄが８００μｍである一対の測定電極１０１、１０２とを備える。そして、このサンプルＳを大気中にて１００〜５００℃に加熱し、測定電極１０１、１０２間に５〜１０００Ｖの電圧を加えて、電気抵抗Ｒを測定した。そして、上記式４を用いて、表面電気抵抗率ρを算出した。
本形態において、センサ制御部であるＥＣＵ４により実行される粒子状物質検出処理は、上記実施形態１〜５のいずれを適用してもよい。すなわち、粒子状物質の捕集時に第１電圧を印加して速やかに閾値に到達させ、次いで、例えば、第１電圧より低い第２電圧に変更した後、第２電圧又は複数の電圧において検出した抵抗値によって、平均粒径Ｄを精度よく推定することができる。さらに、出力値Ｖ０又は加熱処理後の第１出力値Ｖ１を用いて推定した粒子状物質の質量Ｍと、既知の定数であるＰＭ比重とから、捕集期間における粒子数Ｎを、算出することができる。
具体的には、図７に示される実施形態１のステップＳ１〜Ｓ７と同じ処理を行うことができる。
すなわち、ステップＳ１〜Ｓ３では、検出部２の一対の電極２１、２２に第１電圧を印加して静電捕集を行い、センサ出力Ｖが出力値Ｖ０に到達したら、第２電圧に変更して捕集状態を変化させる、その後、ステップＳ４において、検出用電圧としての第２電圧における電極間抵抗Ｒを測定し、ステップＳ５にて、電極間抵抗Ｒから粒子状物質の平均粒径Ｄを推定する。そして、ステップＳ６〜Ｓ７において、出力値Ｖ０に基づいて粒子状物質の質量Ｍを推定し、粒子状物質の比重と、推定した粒子状物質の質量Ｍを用いて、粒子状物質の粒子数Ｎを算出する。
図３３に示すように、検出用導電部２３を用いた検出部２においても、印加電圧と電極間抵抗の関係は、印加電圧が低くなるほど、平均粒径Ｄ（例えば、５６．９ｎｍ、６５．４ｎｍ、８０．０ｎｍ）による電極間抵抗Ｒの差異が大きくなる傾向を示す。
なお、測定条件は、以下の通りとした。
モデルガス温度：２００℃
モデルガス流量：１５ｍ／ｓ
ＰＭ濃度：１０ｍｇ／ｍ3
表面電気抵抗率ρ：２．４×１０8Ω・ｃｍ
平均粒径Ｄ：５６．９ｎｍ、６５．４ｎｍ、８０．０ｎｍ
電極間隔：６０μｍ×５組
粒子数Ｎ：１〜２×１０14個程度
したがって、ＰＭ捕集時の印加電圧（すなわち、第１電圧：例えば、３５Ｖ）に対して、より低い第２電圧（例えば、５Ｖ）に変化させると、平均粒径Ｄが大きいほど電極間抵抗Ｒが大きくなる。図３４に示すように、平均粒径Ｄの逆数と電極間抵抗Ｒとの関係においては、平均粒径Ｄの逆数が小さくなるほど、電極間抵抗Ｒが大きくなる。この関係を用いて、粒子状物質の平均粒径Ｄを精度よく推定することができる。
図３５に示すように、本形態の検出部２は、検出用導電部２３となる高抵抗導電材料２０の表面に一対の電極２１、２２が配置されるので、粒子状物質（すなわち、図中のＰＭ）が堆積していない初期状態においても、高抵抗導電材料２０を介して電極２１、２２間を微小な電流（例えば、図中に矢印で示す）が流れる。この状態において、図３６に示すように、高抵抗導電材料２０の表面に、粒子状物質が付着すると、一対の電極２１、２２間の電極間抵抗Ｒは、高抵抗導電材料２０と粒子状物質の合成抵抗となる。そのため、電極間抵抗Ｒは、粒子状物質が付着した分だけ変化し、高抵抗導電材料２０は粒子状物質よりも電気抵抗率が高いため、図３７に示すように、粒子状物質の堆積量に比例してセンサ出力が増加する。
図３８は、これら一連のステップを経て算出された粒子状物質の粒子数Ｎを、実際に測定された粒子数と比較したものであり、推定ＰＭ個数と実測ＰＭ個数とが相関を有することが確認された。上記各実施形態のように電極間を絶縁体で形成した場合は、前述した図４のように、電極間を粒子状物質が短絡するまではセンサ出力が得られないが、本形態では、電極間を短絡するよりも僅かな堆積量において粒子状物質を検出できる。そのため、微量の粒子状物質でも粒子数Ｎを算出することができる。
（実施形態７）
実施形態７の粒子状物質検出装置において、センサ部としての粒子状物質検出センサ１、及びセンサ制御部であるＥＣＵ４の基本構成は、上記実施形態１と同様である。上記各実施形態では、いずれも粒子状物質の比重を一定値として粒子状物質の質量Ｍを算出しているが、ＰＭ比重を既知の定数とする代わりに、推定した平均粒径Ｄを基にＰＭ比重を推定するようにしてもよい。その場合に、ＥＣＵ４によって実行される粒子状物質検出処理の詳細を、図３９を用いて説明する。
図３９にフローチャートを示すように、本形態において、センサ制御部であるＥＣＵ４により実行される粒子状物質検出処理は、ステップＳ４１〜Ｓ４５までは、図７に示される実施形態１のステップＳ１〜Ｓ５と同じ処理である。すなわち、検出部２の一対の電極２１、２２に第１電圧を印加して静電捕集を行い、センサ出力Ｖが出力値Ｖ０に到達したら、第２電圧に変更して捕集状態を変化させる。その後、ステップＳ４４に進んで、検出用電圧としての第２電圧における電極間抵抗Ｒを測定し、ステップＳ４５にて、電極間抵抗Ｒから粒子状物質の平均粒径Ｄを推定する。
その後、ステップＳ４６において、推定された平均粒径Ｄから、捕集した粒子状物質の比重を推定する。図４０に示すように、平均粒径Ｄ（単位：ｎｍ）と比重（単位：ｇ／ｃｍ3）とは相関があり、平均粒径Ｄが大きくなるほどＰＭ比重が小さくなることが判明している。そこで、この関係を基に、予め用意しておいた平均粒径ＤとＰＭ比重の関係式から、推定された平均粒径での比重を、精度よく算出することができる。
次いで、ステップＳ４７において、出力値Ｖ０に基づいて粒子状物質の質量Ｍを推定し、さらに、ステップＳ４８において、推定された粒子状物質の比重と、粒子状物質の質量Ｍを用いて、粒子状物質の粒子数Ｎを算出することができる。
なお、比重を算出する基となる粒子状物質の平均粒径Ｄの推定方法は、ここで示す電極間抵抗Ｒから推定する方法に限らず、加熱によるセンサ出力の増幅率から推定する方法、高周波インピーダンスから推定する方法等を用いることも可能である。
図４１は、これら一連のステップのうち、ステップＳ４６のＰＭ比重の推定を実施せず、既知のＰＭ比重を用いて算出された粒子状物質の粒子数Ｎと実測粒子数の関係を示したものであり、推定ＰＭ個数は、ほぼ実測ＰＭ個数±２０％の範囲にある。これに対して、図４２に示すように、ステップＳ４６にて推定したＰＭ比重を用いた場合には、推定ＰＭ個数と実測ＰＭ個数の差がより小さくなっており、粒子数Ｎの検出精度を向上させることができる。
（実施形態８）
実施形態８の粒子状物質検出装置において、センサ部としての粒子状物質検出センサ１、及びセンサ制御部であるＥＣＵ４の基本構成は、上記実施形態６と同様である。センサ素子１０には、微量の粒子状物質の検出が可能な検出用導電部２３を用いた検出部２を備えている。上記実施形態６では、上記実施形態１と同様に、第１電圧から第２電圧に変更後、検出用電圧としての第２電圧にて電極間抵抗Ｒを測定したが、本形態では、さらに第２電圧と異なる検出用電圧(例えば、第３電圧)に変更して、電極間抵抗Ｒを測定する。この場合に、ＥＣＵ４によって実行される粒子状物質検出処理の詳細を、図４３を用いて説明する。
図４３にフローチャートを示すように、本形態において、センサ制御部であるＥＣＵ４により実行される粒子状物質検出処理は、図７に示される実施形態１の手順の一部を変更したものである。具体的には、ステップＳ５１〜Ｓ５３までは、図７のステップＳ１〜Ｓ３と同じ処理であり、検出部２の一対の電極２１、２２に第１電圧を印加して静電捕集を行い、センサ出力Ｖが出力値Ｖ０に到達したら、第２電圧に変更して捕集状態を変化させる。次いで、ステップＳ５４に進んで、検出部２の一対の電極２１、２２への印加電圧を、第２電圧から第３電圧に変更する。
ここで、前述したように、ＰＭ捕集時の第１電圧（例えば、３５Ｖ）に対して、第２電圧が低いほど、粒子状物質の捕集状態が変化して電極間抵抗Ｒの変化が大きくなる。ただし、検出用電圧が低くなるとセンサ出力も小さくなるため、その場合には、電極間抵抗Ｒの変化を判別しやすい第３電圧に変更して、電極間抵抗Ｒを測定するのがよい。図４４に示すように、第２電圧（例えば、０Ｖ）より高い第３電圧（例えば、２０Ｖ）を設定した場合には、平均粒径Ｄと電極間抵抗Ｒが明確な比例関係を示している。なお、測定条件は、以下の通りとした。
モデルガス温度：２００℃
モデルガス流量：１５ｍ／ｓ
ＰＭ濃度：１ｍｇ／ｍ3
表面電気抵抗率ρ：３．８×１０8Ω・ｃｍ
電極間隔：６０μｍ×９組
そこで、図４４に示される関係から、ステップＳ５３、Ｓ５４における第２電圧、第３電圧を、例えば、０Ｖ、２０Ｖに設定し、ステップＳ５５に進んで、検出用電圧としての第３電圧における電極間抵抗Ｒを測定する。さらに、ステップＳ５６に進んで、測定した電極間抵抗Ｒと図４４に示される関係に基づいて、粒子状物質の平均粒径Ｄを精度よく推定することができる。その後、ステップＳ５７において、出力値Ｖ０から粒子状物質の質量Ｍを推定した後、ステップＳ５８において、粒子状物質の粒子数Ｎを算出する。
図４５は、これら一連のステップにより算出された粒子状物質の粒子数Ｎと実測粒子数の関係を示したものであり、推定ＰＭ個数と実測ＰＭ個数とは良好な相関が見られる。
図４６〜図４９は、本形態の変形例であり、極微量の粒子状物質を検出する場合は、センサ出力特性に応じて、例えば、検出用電圧である第３電圧を、ＰＭ捕集時の第１電圧（例えば、３５Ｖ）よりも高い電圧としてもよい。本例における測定条件は、以下の通りとした。
モデルガス温度：２００℃
モデルガス流量：１５ｍ／ｓ
ＰＭ濃度：１ｍｇ／ｍ3
表面電気抵抗率ρ：１．０×１０10Ω・ｃｍ
平均粒径Ｄ：５５ｎｍ、６１ｎｍ、６６ｎｍ
電極間隔：８０μｍ×９組
粒子数Ｎ：１×１０13個程度
図４６に示すように、粒子数Ｎが微量である場合においても、印加電圧が低くなると電極間抵抗Ｒが大きくなる傾向は同様であるが、平均粒径Ｄの大小による電極間抵抗Ｒの差が小さくなる。そのため、図４７に示すように、ＰＭ捕集時点でのセンサ出力（すなわち、測定電流）が小さくなり、検出用電圧を低くすると、測定される電流がさらに小さくなって測定限界となり、平均粒径Ｄの差が見られなくなる。
その場合には、第２電圧（例えば、０Ｖ）に変更した後、図４８に示すように、第１電圧（例えば、３５Ｖ）よりも高い側において、平均粒径Ｄによる測定電流（すなわち、電極間抵抗変化量）の差が判別可能な任意の電圧を、第３電圧に設定することができる。例えば、図４９に示すように、第３電圧を６０Ｖとした場合には、平均粒径Ｄに対して電極間抵抗Ｒの変化量の差が十分大きくなる。したがって、この関係を用いて、平均粒径Ｄを推定することが可能になり、粒子数Ｎを算出することができる。
図５０は、本形態の変形例であり、第１電圧（例えば、３５Ｖ）に対して、第２電圧（例えば、７０Ｖ）、第３電圧（例えば、７０Ｖ）を、より高い電圧に設定した場合について、平均粒径Ｄと電極間抵抗Ｒの変化量の関係を示している。
検出用電圧と同様に、第２電圧も、第１電圧よりも高い電圧とすることができ、その差を大きくすることで、捕集状態の変化を大きくすることができる。その場合には、第２電圧と検出用電圧を同じ電圧とすることもでき、印加電圧を変更することなく、電極間抵抗Ｒを測定することができる。
図５０に示すように、粒子数Ｎが微量である場合においても、第２電圧、第３電圧を第１電圧より十分大きく設定することで、平均粒径Ｄによる電極間抵抗Ｒの変化量の差が十分判別可能となる。したがって、この関係を用いて、平均粒径Ｄを推定し、粒子数Ｎを算出することができる。
図５１は、本形態の変形例であり、第１電圧（例えば、３５Ｖ）から、より低い第２電圧（例えば、０Ｖ）に変更した後、より高い検出用電圧（すなわち、第３電圧；例えば、３５Ｖ）にさらに変更した場合について、平均粒径Ｄと電極間抵抗Ｒの関係を示している。本例における測定条件は、以下の通りとし、粒子状物質検出センサ１は、検出用導電部２３を用いない印刷型の検出部２を備えるセンサ素子１０を用いた。
モデルガス温度：２００℃
モデルガス流量：１５ｍ／ｓ
ＰＭ濃度：１０ｍｇ／ｍ3
図５１に示すように、検出用電圧が第１電圧と同電圧である場合においても、一旦第２電圧に変更して、捕集状態を変化させることで、平均粒径Ｄによる電極間抵抗Ｒの差が十分判別可能となる。したがって、この関係を用いて、平均粒径Ｄを推定し、粒子数Ｎを算出することができる。
このように、粒子状物質の捕集状態を変化させる第２電圧は、第１電圧より高電圧あるいは低電圧であり、より電位差が大きい方がよい。ただし、高電圧にすると粒子状物質を引き寄せる吸引力より反発力が大きくなるので、粒子状物質が剥離したり、放電が発生したりするおそれがあり、これらが発生しない程度の電圧とすることが望ましい。また、低電圧にする場合は、電極間の静電場の強度が弱くなるため接触状態が変化しやすくなり、印加電圧０Ｖで静電場の強度も０となるため、接触状態を変化させる効果が最も大きくなる。
電極間抵抗Ｒを測定する検出用電圧は、粒径による電極間抵抗Ｒの違いが読み取れる電圧であればよく、高電圧の方がより読み取りやすい。特に、微量の粒子状物質での平均粒径Ｄの推定、粒子数Ｎの算出の場合は、低電圧では粒径による電極間抵抗の違いが明確にならないので、高電圧の方がよい。ただし、粒子状物質の剥離や放電が発生しない電圧に抑える必要があり、粒径による電極間抵抗Ｒの違いが読み取れるのであれば、第２電圧と検出用電圧は同じでもよい。また、電極間抵抗Ｒの変化は不可逆的な変化を含むため、粒子状物質の捕集状態を変化させる第２電圧を挟めば、捕集電圧である第１電圧と電極間抵抗を測定する検出用電圧を同じにしてもよい。
以上の各実施形態に示したように、粒子状物質検出センサ１の検出部２に電圧を印加して粒子状物質を捕集すると共に、印加電圧を変更して電極間抵抗Ｒを測定し、粒子状物質の粒子数を算出するセンサ制御部を設けることにより、粒子状物質の粒子数を精度よく検出することができる。また、このような粒子状物質検出装置を、内燃機関の排気浄化装置等に利用して、上流に配置したＤＰＦ５の故障診断を実施することができる。
以上の各実施形態においては、電圧を変化させることにより求められる抵抗値から粒子状物質の平均粒径を推定しているが、電流を変化させることにより求められる抵抗値を用いて、粒子状物質の平均粒径Ｄを推定してもよい。すなわち、粒子状物質検出センサ１の検出部２に第１電流を印加して粒子状物質を捕集すると共に、センサ出力が閾値に到達した状態で、印加電流を第１電流と異なる第２電流に変更して、検出部２における電極間抵抗Ｒを検出してもよい。
また、上記実施形態において、閾値は、捕集制御部４１において、検出基準となる所定の出力値Ｖ０としたが、これに限るものではなく、粒子状物質の検出が可能となるセンサ出力Ｖに基づいて、任意に設定することができる。
あるいは、センサ出力Ｖに限らず、粒子状物質の検出が可能な状態となったことを示す基準となる値であればよい。例えば、捕集制御部４１において第１電圧を印加することにより、静電捕集を開始してから、粒子状物質の検出が可能となるまでの経過時間（例えば、図４における検出時間ｔ)に基づいて、閾値を設定することもできる。
なお、センサ出力は、出力電圧であっても出力電流であってもよい。
粒子状物質検出センサ１とＥＣＵ４を備える本発明の粒子状物質検出装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を超えない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態１においては、粒子状物質検出センサ１のセンサ素子１０を覆う保護カバー１２を一重筒構造としたが、内筒と外筒からなる二重筒構造とすることもできる。保護カバー１２に設ける被測定ガス流通孔１３、１４の配置や数も任意に設定することができる。その他、粒子状物質検出センサ１を構成するセンサ素子１０や保護カバー１２の各部形状や材質等は、適宜変更することができる。
また、上記実施形態１においては、内燃機関Ｅをディーゼルエンジンとし、粒子状物質捕集部となるＤＰＦ５を配置したが、内燃機関Ｅをガソリンエンジンとして、ガソリンパティキュレートフィルタを配置することもできる。また、内燃機関Ｅの燃焼排ガスに限らず、粒子状物質が含まれる被測定ガスであれば、いずれにも適用することができる。
本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。
１ 粒子状物質検出センサ（すなわち、センサ部）
１０ センサ素子
２ 検出部
２１、２２ 電極
３ ヒータ部
４ 電子制御ユニット（すなわち、センサ制御部）
４１ 捕集制御部
４２ 粒子数算出部
４２１ 電圧制御部
４２２ 電極間抵抗測定部

Claims (22)

  1. 被測定ガスに含まれる粒子状物質を検出する粒子状物質検出装置であって、
    被測定ガスに晒される基体（１１）の表面に互いに離間する一対の電極（２１、２２）を配置した検出部（２）を有して、上記検出部に静電捕集される粒子状物質の量に応じた信号を出力するセンサ部（１）と、
    上記センサ部から送信されるセンサ出力（Ｖ）に基づいて、上記検出部に静電捕集された粒子状物質の粒子数（Ｎ）を検出するセンサ制御部（４）と、を備えており、
    上記センサ制御部は、
    上記検出部の上記一対の電極間へ第１電圧を印加して、上記検出部に粒子状物質を静電捕集させる捕集制御部（４１）と、
    上記第１電圧における上記センサ出力が閾値に到達した状態で、上記一対の電極間への印加電圧を上記第１電圧と異なる第２電圧に変更した後に、上記一対の電極間の抵抗値（Ｒ）を検出し、上記抵抗値から推定される粒子状物質の平均粒径（Ｄ）と、上記センサ出力から推定される粒子状物質の質量（Ｍ）を用いて、上記粒子数を算出する粒子数算出部（４２）と、を有する、粒子状物質検出装置。
  2. 上記粒子数算出部は、
    静電捕集のための上記第１電圧における上記センサ出力が上記閾値に到達した時点において、上記一対の電極間への印加電圧を、粒子状物質の捕集状態を変化させるための上記第２電圧に変更した後に、上記第２電圧と同じか異なる電圧であって電極間抵抗検出のための検出用電圧に制御する電圧制御部（４２１）と、
    上記検出用電圧における上記一対の電極間の抵抗値（Ｒ）を検出する電極間抵抗検出部（４２２）と、を備える、請求項１に記載の粒子状物質検出装置。
  3. 被測定ガスに含まれる粒子状物質を検出する粒子状物質検出装置であって、
    被測定ガスに晒される基体（１１）の表面に互いに離間する一対の電極（２１、２２）を配置した検出部（２）を有して、上記検出部に静電捕集される粒子状物質の量に応じた信号を出力するセンサ部（１）と、
    上記センサ部から送信されるセンサ出力（Ｖ）に基づいて、上記検出部に静電捕集された粒子状物質の粒子数（Ｎ）を検出するセンサ制御部（４）と、を備えており、
    上記センサ制御部は、
    上記検出部の上記一対の電極間へ第１電圧を印加して、上記検出部に粒子状物質を静電捕集させる捕集制御部（４１）と、
    上記第１電圧における上記センサ出力が閾値に到達した状態で、上記一対の電極間への印加電圧を上記第１電圧と異なる第２電圧に変更した後に、大きさが異なる複数の電圧における上記一対の電極間の抵抗値（Ｒ、Ｒ１）を検出し、上記抵抗値から推定される粒子状物質の平均粒径（Ｄ）と、上記センサ出力から推定される粒子状物質の質量（Ｍ）を用いて、上記粒子数を算出する粒子数算出部（４２）と、を有する、粒子状物質検出装置。
  4. 上記粒子数算出部は、
    静電捕集のための上記第１電圧における上記センサ出力が上記閾値に到達した時点において、上記一対の電極間への印加電圧を、粒子状物質の捕集状態を変化させるための上記第２電圧に変更した後に、電極間抵抗検出のための検出用電圧となる上記複数の電圧に順次制御する電圧制御部（４２１）と、
    上記複数の電圧における上記一対の電極間の抵抗値をそれぞれ検出する電極間抵抗検出部（４２２）と、を備える、請求項３に記載の粒子状物質検出装置。
  5. 上記粒子数算出部は、上記複数の電圧において検出される上記抵抗値のそれぞれに対して重み付けを行って、上記平均粒径を推定する、請求項３又は４に記載の粒子状物質検出装置。
  6. 被測定ガスに含まれる粒子状物質を検出する粒子状物質検出装置であって、
    被測定ガスに晒される基体（１１）の表面に互いに離間する一対の電極（２１、２２）を配置した検出部（２）を有して、上記検出部に静電捕集される粒子状物質の量に応じた信号を出力するセンサ部（１）と、
    上記センサ部から送信されるセンサ出力（Ｖ）に基づいて、上記検出部に静電捕集された粒子状物質の粒子数（Ｎ）を検出するセンサ制御部（４）と、を備えており、
    上記センサ制御部は、
    上記検出部の上記一対の電極間へ第１電圧を印加して、上記検出部に粒子状物質を静電捕集させる捕集制御部（４１）と、
    上記第１電圧における上記センサ出力が閾値に到達した状態で、上記一対の電極間への印加電圧を上記第１電圧と異なる第２電圧に変更した後に、大きさが異なる複数の電圧における上記一対の電極間の抵抗値（Ｒ、Ｒ１）を検出し、上記複数の電圧と上記抵抗値との関係における傾きから推定される粒子状物質の平均粒径（Ｄ）と、上記センサ出力から推定される粒子状物質の質量（Ｍ）を用いて、上記粒子数を算出する粒子数算出部（４２）と、を有する、粒子状物質検出装置。
  7. 上記粒子数算出部は、
    静電捕集のための上記第１電圧における上記センサ出力が上記閾値に到達した時点において、上記一対の電極間への印加電圧を、粒子状物質の捕集状態を変化させるための上記第２電圧に変更した後に、電極間抵抗検出のための検出用電圧となる上記複数の電圧に順次制御する電圧制御部（４２１）と、
    上記複数の電圧における上記一対の電極間の抵抗値をそれぞれ検出する電極間抵抗検出部（４２２）と、上記複数の電圧と上記抵抗値との関係における傾きを算出する傾き算出部と、を備える、請求項６に記載の粒子状物質検出装置。
  8. 上記複数の電圧は、上記第２電圧と同じ大きさの電圧を含む、請求項３〜７のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
  9. 被測定ガスに含まれる粒子状物質を検出する粒子状物質検出装置であって、
    被測定ガスに晒される基体（１１）の表面に互いに離間する一対の電極（２１、２２）を配置した検出部（２）を有して、上記検出部に静電捕集される粒子状物質の量に応じた信号を出力するセンサ部（１）と、
    上記センサ部から送信されるセンサ出力（Ｖ）に基づいて、上記検出部に静電捕集された粒子状物質の粒子数（Ｎ）を検出するセンサ制御部（４）と、を備えており、
    上記センサ制御部は、
    上記検出部の上記一対の電極間へ第１電流を印加して、上記検出部に粒子状物質を静電捕集させる捕集制御部（４１）と、
    上記第１電流における上記センサ出力が閾値に到達した状態で、上記一対の電極間への印加電流を上記第１電流と異なる第２電流に変更した後に、上記一対の電極間の抵抗値（Ｒ）を検出し、上記抵抗値から推定される粒子状物質の平均粒径（Ｄ）と、上記センサ出力から推定される粒子状物質の質量（Ｍ）を用いて、上記粒子数を算出する粒子数算出部（４２）と、を有する、粒子状物質検出装置。
  10. 上記閾値は、上記捕集制御部において、粒子状物質の検出が可能となる上記センサ出力、又は、静電捕集の開始から粒子状物質の検出が可能となるまでの経過時間に基づいて設定される、請求項１〜９のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
  11. 上記閾値は、上記捕集制御部において、粒子状物質の検出基準となる出力値（Ｖ０）であり、
    上記粒子数算出部は、粒子状物質の上記質量を、上記検出基準となる出力値を用いて算出する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
  12. 上記センサ部は、上記検出部を加熱するヒータ電極（３１）を設けたヒータ部（３）を有し、
    上記センサ制御部は、上記ヒータ部へ電力を供給して、粒子状物質中のＳＯＦが揮発可能であってＳｏｏｔは燃焼しないような温度に加熱保持する加熱制御部（４３）を有している、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
  13. 上記温度は、２００℃以上、４００℃以下の温度である、請求項１２に記載の粒子状物質検出装置。
  14. 上記閾値は、上記捕集制御部において、粒子状物質の検出基準となる出力値（Ｖ０）であり、
    上記粒子数算出部は、粒子状物質の上記質量を、上記検出基準となる出力値、又は、上記加熱制御部による加熱保持時の上記センサ出力である第１出力値（Ｖ１）を用いて算出する、請求項１２又は１３に記載の粒子状物質検出装置。
  15. 上記粒子数算出部は、粒子状物質の上記質量と、粒子状物質の上記平均粒径と、粒子状物質の比重とから、上記粒子数を算出する、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
  16. 上記粒子状物質の比重は、一定値であるか、又は、上記粒子数算出部にて推定される粒子状物質の平均粒径を基に推定した値である、請求項１５に記載の粒子状物質検出装置。
  17. 上記基体が絶縁性材料からなる請求項１〜１６のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
  18. 上記検出部は、上記基体の表面に検出用導電部（２３）を配置し、該検出用導電部の上記基体と反対側の表面に、互いに離間する上記一対の電極を有する、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
  19. 上記検出用導電部は、上記粒子状物質よりも電気抵抗率が高い導電性材料からなる請求項１８に記載の粒子状物質検出装置。
  20. 上記検出用導電部は、表面電気抵抗率ρが、１００〜５００℃の温度範囲において１．０×１０7〜１．０×１０10Ω・ｃｍである導電性材料からなる、請求項１８又は１９に記載の粒子状物質検出装置。
  21. 上記導電性材料は、分子式がＡＢＯ3で表されるペロブスカイト構造を有するセラミックスであり、上記分子式におけるＡサイトは、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇから選択される少なくとも一種であり、Ｂサイトは、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｙから選択される少なくとも一種である請求項２０に記載の粒子状物質検出装置。
  22. 上記Ａサイトは、主成分がＳｒ、副成分がＬａであり、上記Ｂサイトは、Ｔｉである請求項２１に記載の粒子状物質検出装置。
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