粒子状物質検出装置
【課題】簡便な構成のセンサー回路を用い高精度に粒子状物質を検出することが可能な粒子状物質検出装置を提供する。
【解決手段】方形波の電圧信号をＱ値が１．５〜３のローパスフィルタで同調させた正弦波の電圧信号を印加する電圧印加回路２２と、印加した電圧を電流に変換する電流電圧変換回路２６と、電流電圧変換回路２６の出力を２相以上の同期検波により直交成分に分解して検出する検出回路２３と、一対の計測電極１２ａ，１２ｂと切り替え可能な状態で電圧印加回路２２及び電流電圧変換回路２６に電気的に接続された２つ以上の校正素子２４ａ，２４ｂと、を有する特性測定手段２０を備え、２つ以上の校正素子２４ａ，２４ｂを用いてそれぞれ測定した２つ以上の校正検出値と、この２つ以上の校正素子本来の真値とから、電流電圧変換回路２２の校正行列Ｑを算出し、一対の計測電極１２ａ，１２ｂの間にて測定される検出値の校正を行う粒子状物質検出装置１００。
【解決手段】方形波の電圧信号をＱ値が１．５〜３のローパスフィルタで同調させた正弦波の電圧信号を印加する電圧印加回路２２と、印加した電圧を電流に変換する電流電圧変換回路２６と、電流電圧変換回路２６の出力を２相以上の同期検波により直交成分に分解して検出する検出回路２３と、一対の計測電極１２ａ，１２ｂと切り替え可能な状態で電圧印加回路２２及び電流電圧変換回路２６に電気的に接続された２つ以上の校正素子２４ａ，２４ｂと、を有する特性測定手段２０を備え、２つ以上の校正素子２４ａ，２４ｂを用いてそれぞれ測定した２つ以上の校正検出値と、この２つ以上の校正素子本来の真値とから、電流電圧変換回路２２の校正行列Ｑを算出し、一対の計測電極１２ａ，１２ｂの間にて測定される検出値の校正を行う粒子状物質検出装置１００。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子状物質検出装置に関する。更に詳しくは、簡便な構成のセンサー回路を用い高精度に粒子状物質を検出することが可能な粒子状物質検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
煙道排ガスやディーゼルエンジン排ガスには煤等の粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：ＰＭ）が含まれており、大気汚染の原因になっていた。これらを除去するために、セラミック等で作製されたフィルタ（ディーゼルパティキュレートフィルタ：ＤＰＦ）が広く用いられている。セラミック製のＤＰＦは、長期間の使用が可能であるが、熱劣化等によりクラックや溶損等の欠陥が発生することがあり、微量ではあるが粒子状物質が漏れる可能性がある。このような欠陥が発生した場合には、その欠陥の発生を即座に検知し、装置の異常を認識することが、大気汚染防止の観点から極めて重要である。
【０００３】
このような欠陥の発生を検知する方法として、ＤＰＦの下流側に粒子状物質検出装置を設ける方法がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１に記載の発明は、コロナ放電によって粒子状物質を帯電させ、そのイオン電流を測定することにより、粒子状物質の量を測定するものである。このように、粒子状物質を帯電させてそのイオン電流を測定する方法では、粒子状物質に帯電するイオン電流が微弱であるため、その微弱なイオン電流を検出するために大掛かりな検出回路が必要になり、高価なものとなってしまう。また、排ガスが高流量である場合には、粒子状物質を効果的に帯電させることが困難であるため、粒子状物質の測定値が、実際に排ガスに含有されている粒子状物質の量より小さい値となり、その誤差が大きくなってしまう。
【０００５】
このようなことから、例えば、一方の端部に一の貫通孔が形成された一方向に長い検出装置本体と、貫通孔を形成する壁の内部に埋設され、誘電体で覆われた少なくとも一対の電極とを備え、排ガス中の粒子状物質を、貫通孔の壁面に電気的に吸着させることが可能であり、貫通孔を形成する壁の電気的な特性の変化を測定することにより貫通孔の壁面に吸着された粒子状物質の質量を検出することが可能な粒子状物質検出装置等も提案されている（特許文献２参照）。
【０００６】
このような従来の粒子状物質検出装置は、例えば、上記電気的特性として静電容量を測定し、この静電容量の変化量から粒子状物質の質量を算出することができる。そして、このような静電容量の測定を利用した検知方法は、例えば、自動車等の乗員検知システムや検知方法にも利用されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
また、静電容量を利用した検知方法において、リーク電流の影響を低減する方法についても提案されている（例えば、特許文献４参照）。粒子状物質検出装置においても、ケーブル・コネクタにおけるリーク電流の低減及び外来のノイズの影響を低減するために静電シールドを利用することが好ましく、上記した特許文献４に記載されているような、電流−電圧変換回路（「Ｉ−Ｖ変換回路」ともいう）の適用が必要となる。
【０００８】
但し、この電流−電圧変換回路を用い、上記特許文献３に記載されているような経済性の高い方形波の信号発生回路（単に、「方形波の発生回路」ともいう）を適用した場合には、測定対象が静電容量負荷であると、検出電流が方形波の微分波形となるため、有効な信号振幅に対して、方形波信号の変化タイミングでスパイク上の波形が発生し、信号の処理が極めて困難になってしまう。
【０００９】
このため、従来の静電容量の測定を利用した検知方法において、上記特許文献４に記載の方法を適用する場合には、正弦波の信号発生回路が必要とされていた。また、正弦波が用いられる要因としては、方形波は奇数次の高調波を含んでいるため、その検出回路に、精度が高くコストも安価なスイッチング方式の位相検出素子（ＰＳＤ）を利用した際には、その高調波成分を排除することが困難になることも挙げられる。
【００１０】
しかし、上記した正弦波の発生回路は、バンドパスフィルタと帰還回路の組み合わせ、或いは同調回路と帰還回路の組み合わせ等の複雑な回路が必要となり、また、更に回路の調整を必要とする場合にはコストの負担が大きくなる。また、検出側のスイッチング方式のＰＳＤのスイッチを動作させる基準信号を生成する際にもコンパレータ等の追加回路が更に必要となる。このように、正弦波の発生回路は、方形波の発生回路と比較して極めて高コストの発生回路であり、例えば、設置スペースに制限があり且つ低コストであることが望まれるＤＰＦ用の粒子状物質検出装置の発生回路としては不適当である。
【００１１】
このようなことから、例えば、方形波の発生回路に対して、その周波数以上の周波数を低減する周波数特性を有するローパスフィルタを用いることにより、上記した奇数次の高調波を削減する方法が提案されている。また、この周波数をローパスフィルタと同調させ、ローパスフィルタのＱ値（クオリティファクタ値）の高いフィルタとすることで、フィルタの次数を小さくし、回路規模を小さくすることもできる。
【００１２】
但し、上記したようなローパスフィルタを使用する場合、発振周波数にフィルタを同調させるため、ローパスフィルタにて使用する素子のばらつきや温度変化の影響を受け易くなり、結果として、正弦波の振幅変化や、基準信号と正弦波との間の位相変化が発生して、測定精度が悪化することがある。特に、自動車から排出される排ガス中の粒子状物質を検出するための装置の場合には、環境の温度変化が激しいために、上述した測定精度低下の影響を受け易くなることがある。
【００１３】
即ち、安価な方形波の発生回路とローパスフィルタを用いることにより、正弦波を比較的低コストで発振させることができるが、上述したようなセンサー回路内に誤差が発生するという問題が別途生じることとなる。
【００１４】
なお、例えば、一般的な検出装置においては、センサー検出部の感度に相当する値を有する素子を接続することで、センサー検出部の感度を補正する方法も提案されている（特許文献５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開昭６０−１２３７６１号公報
【特許文献２】特開２００９−１８６２７８号公報
【特許文献３】特開平１１−２７１４６３号公報
【特許文献４】特開２００６−２０１１２９号公報
【特許文献５】特開２０１０−９６７４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
特許文献５に記載の静電式乗員検知装置のように、排ガス中の粒子状物質を検出するための粒子状物質検出装置においても、校正或いは補正は必要であるが、校正を必要とするのは、センサー回路の部分であり、特許文献５に記載された方法を適用することは不可能である。
【００１７】
即ち、方形波の発生回路とローパスフィルタとを用いた場合の誤差は、センサー回路内に生じる誤差であり、一方、特許文献５に記載されている補正の方法は、センサー検出部を補正するものである。このため、特許文献５に記載の方法を適用しても、方形波の発生回路とローパスフィルタとを用いた場合の誤差を解消することはできない。
【００１８】
なお、粒子状物質検出装置のセンサー回路に、位相と振幅が既知の校正用素子を接続し、センサー回路の内部にて校正を行うことは可能であるが、このような場合には、校正を行うための演算が極めて複雑である。例えば、検出された値を、実数成分と虚数成分とに分解し、各成分毎に、平方根（√）、逆正接（ｔａｎ−１）、及び補正用の正弦（ｓｉｎ）や余弦（ｃｏｓ）の計算が必要となる。
【００１９】
特に、測定を行う毎に、上述したような複雑な校正を行う場合には、各演算等のデータ処理を行うコンピューターの処理装置、例えば、中央処理装置（ＣＰＵ）の負荷が大きいため、高性能の中央処理装置が必要となり、逆に、検出装置のコスト増に繋がってしまう。
【００２０】
即ち、排ガス中等に含まれる粒子状物質を検出するための粒子状物質検出装置においては、低コストと高精度の測定との両方を十分に満足するセンサー回路は未だ提案されておらず、安価で且つ簡便な構成のセンサー回路を用いつつ、高精度な測定を行うことが可能な装置の開発が望まれている。
【００２１】
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、簡便な構成のセンサー回路を用い高精度に粒子状物質を検出することが可能な粒子状物質検出装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明者らは、鋭意検討した結果、方形波の発生回路と特定のＱ値のローパスフィルタとを用いた発生回路を備えた粒子状物質検出装置において、異なる２つ以上の校正素子を用いた補正（校正）を行うことで、高精度に粒子状物質を検出することができることを見出し、本発明を完成するに至った。本発明によれば、以下に示す粒子状物質検出装置が提供される。
【００２３】
［１］ 板状の素子基材、前記素子基材に配設された一対の計測電極、前記一対の計測電極の間における電気的特性の測定をする特性測定手段、及び前記特性測定手段で測定をされた電気的特性の変化量に基づいて前記一対の計測電極及びその周囲に集塵された粒子状物質の量を求める粒子状物質量算出手段、を備え、前記特性測定手段は、前記一対の計測電極の一方の計測電極に特定周波数の電圧信号を印加する電圧印加回路と、前記一対の計測電極の他方の計測電極に接続された電流電圧変換回路と、前記電流電圧変換回路の出力を２相以上の同期検波により直交成分に分解して検出する検出回路と、前記一対の計測電極にそれぞれ並列且つ前記一対の計測電極と切り替え可能な状態で前記電圧印加回路及び前記電流電圧変換回路に電気的に接続された２つ以上の校正素子と、を有し、前記電圧印加回路から出力される前記特定周波数の電圧信号は、方形波の電圧信号を、クオリティファクタ値が１．５〜３のローパスフィルタで同調させた正弦波であるとともに、前記２つ以上の校正素子は、それぞれ位相が異なる素子であり、前記特性測定手段は、前記２つ以上の校正素子を用いてそれぞれ測定した２つ以上の校正検出値と、前記２つ以上の校正素子によって本来得られるべき真値とから、前記電流電圧変換回路の校正行列Ｑを算出し、算出された前記校正行列Ｑを用いて前記一対の計測電極の間にて測定される測定検出値の校正を行う粒子状物質検出装置。
【００２４】
［２］ 前記検出回路は、前記電流電圧変換回路から出力される前記特定周波数の電圧信号の位相と振幅とを同期検波するものである前記［１］に記載の粒子状物質検出装置。
【００２５】
［３］ 前記検出回路により検出された検出値を、静電容量成分と抵抗成分とに分け、前記校正行列Ｑの算出及び前記測定検出値の校正を行う前記［１］又は［２］に記載の粒子状物質検出装置。
【００２６】
［４］ 前記２つ以上の校正素子のうちの少なくとも１の校正素子がコンデンサーであり、他の校正素子が抵抗である前記［１］〜［３］のいずれかに記載の粒子状物質検出装置。
【００２７】
［５］ 前記校正素子を２つ用いた場合における前記校正行例Ｑを下記式（１）の校正行列とし、前記校正素子のうちの一方の校正素子Ａの本来得られるべき前記真値が（Ｘ０１，Ｙ０１）であり、他方の校正素子Ｂの本来得られるべき前記真値が（Ｘ０２，Ｙ０２）であり、且つ、前記一方の校正素子Ａを用いて検出された前記校正検出値が（Ｘ１，Ｙ１）であり、前記他方の校正素子Ｂを用いて検出された前記校正検出値が（Ｘ２，Ｙ２）である際に、下記式（２）から前記校正行列Ｑを算出し、前記測定検出値（ＸＭ，ＹＭ）から校正された校正後検出値（Ｘｃ，Ｙｃ）を下記式（３）により算出する前記［１］〜［４］のいずれかに記載の粒子状物質検出装置。
【００２８】
【数１】
【００２９】
【数２】
【００３０】
【数３】
【発明の効果】
【００３１】
本願の請求項１に係る発明の粒子状物質検出装置は、異なる２つ以上の校正素子を用いた各検出値（即ち、校正検出値）と、上記校正素子本来の値（即ち、本来得られるべき真値）とから、センサー回路を含む特性測定手段の校正行列Ｑを、極めて簡便な方法、例えば、単純な四則演算で算出し、この校正行列Ｑによって実際の検出値を校正することができる。このため、簡便な構成のセンサー回路を用い高精度に粒子状物質を検出することができる。即ち、比較的安価な方形波の発生回路を用い、更に、校正を行うための各演算に際しても、高度な処理装置を必要とせずに、例えば、比較的高価な正弦波の発生回路や、高度な演算を可能とする処理装置を用いた場合と同等の精度の測定（粒子状物質の検出）を行うことができる。
【００３２】
本願の請求項２に係る発明の粒子状物質検出装置は、検出回路が、電流電圧変換回路から出力される特定周波数の電圧信号の位相と振幅とを同期検波するものであるため、一対の計測電極にて測定される電気的特性が静電容量の場合に、高感度な粒子状物質の検出を行うことができる。
【００３３】
本願の請求項３に係る発明の粒子状物質検出装置は、極めて簡便な方法で、より正確な校正（補正）を行うことが可能な校正行列Ｑを算出することができる。
【００３４】
本願の請求項４に係る発明の粒子状物質検出装置は、簡単に入手可能で、且つ安価な部材を校正素子として用いることができるとともに、各校正素子の電気的な特徴を活かし、広い測定範囲に適用可能な校正行列Ｑを得ることができる。
【００３５】
本願の請求項５に係る発明の粒子状物質検出装置は、校正行列Ｑを極簡単な四則演算によって求めることができ、実際の検出値を校正（補正）するまでの手間（即ち、校正に関する演算の手間）を簡略なものとすることができる。勿論、得られる校正後の検出値についても信頼性を有し、高精度な粒子状物質の検出を行うことができる。なお、本願の請求項１〜５に係る発明は、上記［１］〜［５］に記載された発明である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１Ａ】本発明の粒子状物質検出装置の一の実施形態の構成を模式的に示す模式図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示す粒子状物質検出装置において、校正素子Ａの校正検出値を測定する状態を示す模式図である。
【図１Ｃ】図１Ａに示す粒子状物質検出装置において、校正素子Ｂの校正検出値を測定する状態を示す模式図である。
【図１Ｄ】図１Ａに示す粒子状物質検出装置において、一対の計測電極にて測定検出値を測定する状態を示す模式図である。
【図２】実施例１の粒子状物質検出装置における回路の構成を模式的に示すブロック図である。
【図３】比較例１の粒子状物質検出装置における回路の構成を模式的に示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明を実施するための形態を具体的に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。
【００３８】
［１］粒子状物質検出装置：
本発明の粒子状物質検出装置の一の実施形態は、図１Ａに示すように、板状の素子基材１１、素子基材１１に配設された一対の計測電極１２（１２ａ，１２ｂ）、一対の計測電極１２ａ，１２ｂの間における電気的特性の測定をする特性測定手段２０、及び特性測定手段２０で測定をされた電気的特性の変化量に基づいて一対の計測電極１２ａ，１２ｂ及びその周囲に集塵された粒子状物質の量を求める粒子状物質量算出手段２１、を備えた粒子状物質検出装置１００である。ここで、図１Ａは、本発明の粒子状物質検出装置の一の実施形態の構成を模式的に示す模式図である。
【００３９】
そして、本実施形態の粒子状物質検出装置１００は、上記特性測定手段２０が、一対の計測電極１２ａ，１２ｂの一方の計測電極１２ａに特定周波数の電圧信号を印加する電圧印加回路２２と、一対の計測電極１２ａ，１２ｂの他方の計測電極１２ｂに接続された電流電圧変換回路２６と、電流電圧変換回路２６の出力を２相以上の同期検波により直交成分に分解して検出する検出回路２３と、一対の計測電極１２ａ，１２ｂにそれぞれ並列且つ一対の計測電極１２ａ，１２ｂと切り替え可能な状態で電圧印加回路２２及び電流電圧変換回路２６に電気的に接続された２つ以上の校正素子２４（図１Ａにおいては、２つの校正素子２４ａ，２４ｂ）と、を有している。
【００４０】
更に、上記した電圧印加回路２２から出力される上記特定周波数の電圧信号は、方形波の電圧信号を、クオリティファクタ値（以下、「Ｑ値」ともいう）が１．５〜３のローパスフィルタで同調させた正弦波である。また、２つ以上の校正素子２４（即ち、図１Ａにおいては、２つの校正素子２４ａ，２４ｂ）は、それぞれ位相が異なる素子である。
【００４１】
本実施形態の粒子状物質検出装置１００において、この特性測定手段２０は、上記２つ以上の校正素子２４ａ，２４ｂを用いてそれぞれ測定した２つ以上の校正検出値と、この２つ以上の校正素子によって本来得られるべき真値とから、電流電圧変換回路２６の校正行列Ｑを算出し、算出された校正行列Ｑを用いて一対の計測電極１２ａ，１２ｂの間にて測定される測定検出値の校正を行うことができる。
【００４２】
即ち、本実施形態の粒子状物質検出装置１００は、異なる２つ以上の校正素子２４ａ，２４ｂを用いた各検出値（即ち、各校正素子を経由して検出される各校正検出値）と、上記校正素子本来の値（即ち、各校正素子の本来得られるべき真値、換言すれば、電圧信号や回路の誤差を含まない状態で測定された場合に得られる検出値）とから、センサー回路を含む特性測定手段２０の校正行列Ｑを、極めて簡便な方法、具体的には、単純な四則演算で算出し、この校正行列Ｑによって実際の検出値を校正することができる。
【００４３】
このため、簡便な構成のセンサー回路（即ち、安価な方形波の発生回路とローパスフィルタを用いた電圧印加回路２２と、四則演算が十分可能な安価な演算処理装置）を用い、高精度に粒子状物質を検出することができる。例えば、本実施形態の粒子状物質検出装置は、比較的高価な正弦波の発生回路や、高度な演算を可能とする処理装置を用いて校正を行った場合と同等の精度の測定（粒子状物質の検出）を行うことができる。
【００４４】
ここで、本実施形態の粒子状物質検出装置による粒子状物質の検出方法について更に詳細に説明する。
【００４５】
本実施形態の粒子状物質検出装置は、本来、排ガス等の測定対象ガスが通過する流路内に設置し、その測定対象ガスに含有される粒子状物質を、一対の計測電極１２ａ，１２ｂ及びその周囲に付着（集塵）させ、一対の計測電極１２ａ，１２ｂ間における電気的特性の変化を特性測定手段２０によって測定し、更に、この特性測定手段２０で測定をされた電気的特性の変化量に基づいて粒子状物質量算出手段２１によって集塵させた粒子状物質の量（例えば、質量）を求めるものである。
【００４６】
このような粒子状物質の検出を行う場合には、より高精度な測定が求められているが、これと同時に、検出装置自体を低コストに製造することも求められている。しかし、検出装置に使用される電子部品や信号発生回路は、高性能及び高精度のものほど高価であることが一般的であり、高精度な測定が要求される場合には、比較的コストが高くなることは止むを得ず、また、比較的低コストの検出装置が要求される場合には、比較的測定精度が落ちることは止むを得ないとされていた。即ち、従来の粒子状物質検出装置においては、製造コストと測定精度とのバランスで、装置の構成が決定されていた。
【００４７】
本実施形態の粒子状物質検出装置は、比較的な安価な部材を用いて電圧印加回路を構成するとともに、極めて簡便な方法（簡便な演算）で、検出値を校正するための校正行列Ｑを求めることができるという顕著な効果を奏するものである。
【００４８】
校正行列Ｑの算出に際しては、２つ以上の校正素子を用いてそれぞれ測定した２つ以上の校正検出値と、２つ以上の校正素子によって本来得られるべき真値とから求めるものであり、例えば、校正素子を２つ用いた場合における校正行例Ｑを下記式（１）の校正行列とし、校正素子のうちの一方の校正素子Ａの本来得られるべき真値が（Ｘ０１，Ｙ０１）であり、他方の校正素子Ｂの本来得られるべき真値が（Ｘ０２，Ｙ０２）であり、且つ、一方の校正素子Ａを用いて検出された校正検出値が（Ｘ１，Ｙ１）であり、他方の校正素子Ｂを用いて検出された校正検出値が（Ｘ２，Ｙ２）である際に、下記式（２）から校正行列Ｑを算出し、測定検出値（ＸＭ，ＹＭ）から校正された校正後検出値（Ｘｃ，Ｙｃ）を下記式（３）により算出することができる。
【００４９】
【数４】
【００５０】
【数５】
【００５１】
【数６】
【００５２】
なお、図１Ａに示す粒子状物質検出装置１００において、一方の校正素子Ａを用いて校正検出値（Ｘ１，Ｙ１）を求める場合には、例えば、図１Ｂに示すように、各校正素子２４ａ，２４ｂ及び一対の計測電極１２ａ，１２ｂに対して接続された切り替えスイッチ２５により、校正素子Ａ（図１Ｂにおいては、校正素子２４ａ）の電気的特性を検出可能な状態とする。一方、一方の校正素子Ｂを用いて校正検出値（Ｘ２，Ｙ２）を求める場合には、図１Ｃに示すように、切り替えスイッチ２５により、校正素子Ｂ（図１Ｃにおいては、校正素子２４ｂ）の電気的特性を検出可能な状態とする。
【００５３】
また、各校正素子については、予め、信頼性の高い装置によって、校正検出値と同様の電気的特性について検出を行い、本来得られるべき真値を求めておき、図１Ｂ及び図１Ｃの状態によって検出される各校正検出値と、前記真値とによって、上記式（１）に示す校正行列Ｑを算出する。なお、上記式（２）の演算は、校正行列Ｑを解とする単純な線型方程式（連立方程式）であり、高度な演算処理装置でなくとも短時間で計算可能である。
【００５４】
このようにして校正行列Ｑを得た後、図１Ｄに示すように、切り替えスイッチ２５により、一対の計測電極１２ａ，１２ｂ間の電気的特性を測定して、測定検出値（ＸＭ，ＹＭ）を得、得られた測定検出値（ＸＭ，ＹＭ）を校正行列Ｑによって上記式（３）に従い校正して校正後検出値（Ｘｃ，Ｙｃ）を算出する。上記式（３）も単純な線型方程式であり、上記式（２）の演算と同様に極めて短時間に且つ簡単に行うことができる。
【００５５】
このようにして得られた校正後検出値（Ｘｃ，Ｙｃ）を用いて、粒子状物質量算出手段によって、一対の計測電極に付着した粒子状物質の量を算出する。
【００５６】
従来の粒子状物質検出装置においては、上述した校正（補正）を行わないため、測定検出値（ＸＭ，ＹＭ）を用いて粒子状物質の量の算出が行われていたが、排ガス中の粒子状物質の検出を継続的に行う場合には、例えば、測定環境における温度変化の影響等が大きく、正確な測定が極めて困難であった。
【００５７】
本実施形態の粒子状物質検出装置は、上述したように、校正行列Ｑの算出が極めて簡便で短時間に行うことができるため、例えば、測定検出値の測定毎に、測定環境の変化に応じて、その状態に適した校正行列Ｑを随時得ることができる。これにより、高精度に粒子状物質の検出を行うことが可能となる。なお、上記においては、２つの校正素子を用いた場合について説明しているが、３つ以上の校正素子を用いて校正を行ってもよい。このような場合には、誤差成分を考えその誤差が最小となるような最適化問題を解くことで、より校正精度を向上させることが可能になる。
【００５８】
上述したように２つ以上の校正素子によって校正行列Ｑを求める以外にも、例えば、従来から、検出された検出値（例えば、インピーダンス）を、実数成分と虚数成分とに分解し、各成分毎に、平方根（√）、逆正接（ｔａｎ−１）、及び補正用の正弦（ｓｉｎ）や余弦（ｃｏｓ）等の演算を行うことで、検出値の校正（補正）を行うことが知られているが、このような方法では上記逆正接等の高度な演算が必要となり、演算処理装置の負荷が大きくなる。このため、測定毎に校正を行うためには、極めて高性能で高価な演算処理装置を用いなければならない。
【００５９】
なお、本実施形態の粒子状物質検出装置においては、電圧印加回路から出力される特定周波数の電圧信号が、方形波の電圧信号を、クオリティファクタ値（Ｑ値）が１．５〜３のローパスフィルタで同調させた正弦波であることも重要な特徴である。
【００６０】
方形波の電圧信号を、ローパスフィルタで同調させた正弦波を用いることは、従来から既に知られているが、正弦波の振幅変化や、基準信号と正弦波との間の位相変化が発生して、測定精度が悪化するため、検出値を校正する重要性が高まり、上記した高度な演算が必要とされた従来の算出方法との併用は極めて困難であった。特に、自動車用の粒子状物質検出装置は環境の温度変化が激しいため、装置の低コスト化に際し、ローパスフィルタで同調させた正弦波を用いることは難しいとされていた。
【００６１】
本実施形態の粒子状物質検出装置は、上記のように２つ以上の校正素子を用いて校正行列Ｑを算出することで、検出値の校正に高度な演算を必要としないため、従来、粒子状物質検出装置において敬遠されていたローパスフィルタで同調させた正弦波を用いることを可能とした。特に、クオリティファクタ値が１．５〜３のローパスフィルタを使用することにより、回路規模を小さくすることも可能となっている。
【００６２】
本実施形態の粒子状物質検出装置においては、上記したように、特定周波数の電圧信号を印加する電圧印加回路と、２つ以上の校正素子を用いて校正行列Ｑを算出し、測定検出値の校正を行うこと以外は、従来の粒子状物質検出装置と同様に構成することができる。
【００６３】
なお、特性測定手段に用いられる検出回路は、電流電圧変換回路から出力される特定周波数の電圧信号の位相と振幅とを同期検波するものを好適に用いることができる。このように構成することによって、一対の計測電極にて測定される電気的特性が静電容量の場合に、高感度な粒子状物質の検出を行うことができる。
【００６４】
また、検出回路により検出された検出値を、静電容量成分と抵抗成分とに分け、校正行列Ｑの算出及び測定検出値の校正を行うことが好ましい。即ち、上記式（２）において、例えば、校正検出値（Ｘ１，Ｙ１）のＸ１を静電容量成分とし、Ｙ１を抵抗成分とすることが好ましい。このように構成することによって、極めて簡便な方法で、より正確な校正（補正）を行うことが可能な校正行列Ｑを算出することができる。
【００６５】
本実施形態の粒子状物質検出装置に用いられる２つ以上の校正素子は、それぞれ位相が異なる素子であれば、各校正素子の構成については制限はないが、例えば、それぞれの位相差が４５度以上であることが好ましい。このような校正素子としては、粒子状物質検出装置が静電容量の測定を主な測定とする回路を有することから、コンデンサーを好適に用いることができる。具体的には、２つ以上の校正素子のうちの少なくとも１の校正素子がコンデンサーであり、他の校正素子が抵抗であることが更に好ましい。
【００６６】
例えば、図１Ａに示す粒子状物質検出装置１００を用いて、粒子状物質の検出を行う場合には、下記（Ａ）〜（Ｅ）の操作を繰り返し行うことにより、正確な粒子状物質の検出を行うことができる。
（Ａ）校正素子Ａ（校正素子２４ａ）の測定。
（Ｂ）校正素子Ｂ（校正素子２４ｂ）の測定。
（Ｃ）校正行列Ｑの算出。
（Ｄ）計測電極による粒子状物質の測定。
（Ｅ）計測電極による測定値を、校正行列Ｑで校正（校正値の算出）。
【００６７】
なお、上記（Ｅ）の操作に用いる「校正行列Ｑ」は、上記（Ｃ）の操作で算出されたものである。また、実際に粒子状物質の検出を行う場合には、上記（Ａ）〜（Ｃ）の操作（即ち、校正行列Ｑを算出する操作）は、必ずしも毎回の測定時に行わずとも、例えば、一定回数の測定においては、上記（Ｅ）の操作の後、上記（Ｄ）の操作に戻り、上記（Ｄ）〜（Ｅ）の操作を所定回数繰り返した後、上記（Ａ）の操作に戻るようにして測定を行ってもよい。
【００６８】
以下、本実施形態の粒子状物質検出装置の各構成要素について、更に具体的に説明する。
【００６９】
［１−１］素子基材：
素子基材は、一対の計測電極を配設するための検出装置の本体を構成するものである。この素子基材は、例えば、誘電体によって形成することができ、素子基材の表面又は内部に一対の計測電極を配設（埋設）することができる。
【００７０】
素子基材を構成する誘電体は、例えば、アルミナ、コージェライト、ムライト、ガラス、ジルコニア、マグネシア、及びチタニアからなる群より選択される少なくとも一種であることが好ましい。中でも、アルミナを好適に用いることができる。このような誘電体からなる素子基材を用いることにより、粒子状物質検出装置が、優れた耐熱性、耐絶縁破壊特性等を有するものとなる。ここで、「誘電体」とは、導電性よりも誘電性が優位である物質で、直流電圧に対して絶縁体として振舞う物質のことをいう。
【００７１】
素子基材は、一方向に長く構成された板状のものであることが好ましく、更に、この一方向に長い板状の素子基材の一方の端部に、一対の計測電極が配置されていることが好ましい。このように構成することによって、排ガス配管等に挿入したときに排ガス（測定対象ガス）中の粒子状物質を効率よくサンプリングすることができる。
【００７２】
なお、「素子基材の一方の端部」というときは、素子基材の一方の先端部分から、素子基材の全長の５０％の長さに相当する位置までの範囲をいう。また、「素子基材の他方の端部」というときは、素子基材の他方の先端部分から、素子基材の全長の５０％の長さに相当する位置までの範囲をいう。なお、素子基材の一方の端部は、好ましくは、素子基材の一方の先端部分から、素子基材の全長の４０％の長さに相当する位置までの範囲であり、更に好ましくは、３０％の長さに相当する範囲である。また、素子基材の他方の端部は、好ましくは、素子基材の他方の先端部分から、素子基材の全長の４０％の長さに相当する位置までの範囲であり、更に好ましくは、３０％の長さに相当する範囲である。素子基材の一方の端部と他方の端部との間の位置とは、素子基材から、上記一方の端部と他方の端部の範囲を除いた部分ということになる。
【００７３】
また、素子基材が一方向に長く構成された板状である場合に、この素子基材の厚さや幅についても特性制限はない。
【００７４】
素子基材は、複数のテープ状セラミック（セラミックシート）が積層されてなるものであることが好ましい。これにより、複数のテープ状セラミックを、それぞれの間に各電極、配線等を挟みながら積層して粒子状物質検出装置を作製することができるため、粒子状物質検出装置を効率的に製造することが可能となる。
【００７５】
［１−２］計測電極：
計測電極は、素子基材の表面又は素子基材の内部に少なくとも一対配置されたものであり、一対の計測電極及びその周囲に粒子状物質が電気的に吸着されることにより生じる、電気的特性の変化を測定するための電極である。
【００７６】
本実施形態の粒子状物質検出装置１００に用いられる一対の計測電極１２ａ，１２ｂは、間隔を空けて対向配置された一対の電極であれば特に制限はないが、図１Ａに示すように、平面的に配列された複数の櫛歯部１３と、各計測電極１２ａ，１２ｂの複数の櫛歯部１３をその一端で連結する櫛骨部１４とを有する櫛歯状の電極であり、それぞれの計測電極１２ａ，１２ｂの櫛歯部１３が、隙間を空けて相互にかみ合わされるように配置されているものであることが好ましい。このように構成することによって、これまでに説明した本実施形態の粒子状物質検出装置の効果に加え、更に検出装置の感度を向上させることができる。即ち、このような櫛歯状の電極を用いることによって、電極間の間隔を狭く、且つより均一にすることができる。
【００７７】
計測電極（例えば、計測電極が櫛歯状の電極である場合には、櫛歯部１３及び櫛骨部１４）の厚さは特に限定されず、例えば、５〜３０μｍであることが好ましい。また、計測電極の材質としては、白金（Ｐｔ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）等を挙げることができる。
【００７８】
また、粒子状物質検出装置１００の一対の計測電極１２ａ，１２ｂは、計測配線１６を介して、特性測定手段２０と電気的に接続されている。
【００７９】
［１−３］特性測定手段：
特性測定手段は、一対の計測電極の一方の計測電極に特定周波数の電圧信号を印加する電圧印加回路と、一対の計測電極の他方の計測電極に接続された電流電圧変換回路と、電流電圧変換回路の出力を２相以上の同期検波により直交成分に分解して検出する検出回路と、一対の計測電極にそれぞれ並列且つ一対の計測電極と切り替え可能な状態で電圧印加回路及び電流電圧変換回路に電気的に接続された２つ以上の校正素子と、を有している。
【００８０】
そして、電圧印加回路は、方形波の電圧信号を発信する信号発生回路と、クオリティファクタ値（Ｑ値）が１．５〜３のローパスフィルタとから構成されてなり、上記ローパスフィルタで同調させた正弦波を発生させることができる。
【００８１】
方形波の信号発生回路としては、例えば、演算処理装置に付属するタイマー回路を利用し任意の周波数の方形波を発生させることができる場合があり、その場合にはそれを利用することがコストの面から好ましい。
【００８２】
また、ローパスフィルタとしては、例えば、サレン・キー型あるいはＶＣＶＳ型の２次ローパスフィルタを挙げることができる。なお、このローパスフィルタのＱ値は、１．５〜３であるが、１．６〜２．８であることが好ましく、１．８〜２．５であることが更に好ましい。なお、クオリティファクタ値（Ｑ値）が１．５未満であると、高調波成分に対する減衰量が十分になく十分な正弦波を発生させることが困難なことがあり、３以上であると、同調がはずれた時の振幅の変化が大きく校正量が大きくなることがある。
【００８３】
電流電圧変換回路は、一対の計測電極の他方の計測電極に接続されたものであり、一方の計測電極に印加された電圧により発生する電流を、他方の計測電極にて検出し、その電流を電圧に変換するものである。
【００８４】
検出回路は、電流電圧変換回路の出力を２相以上の同期検波により直交成分に分解して検出するものであれば特に制限はなく、例えば、電流電圧変換回路から出力される特定周波数の電圧信号の位相と振幅とを同期検波する検出回路を好適に用いることができる。これにより、一対の計測電極にて測定される電気的特性が静電容量の場合に、高感度な粒子状物質の検出を行うことができる。
【００８５】
より具体的な検出回路としては、例えば、アジレント・テクノロジー社製のＬＣＲメータ４２６３Ｂ等を用いることができる。
【００８６】
更に、この特性測定手段は、一対の計測電極にそれぞれ並列且つ一対の計測電極と切り替え可能な状態で電流電圧変換回路及び検出回路に電気的に接続された２つ以上の校正素子を有している。この２つ以上の校正素子は、それぞれ位相が異なる素子である。
【００８７】
２つ以上の校正素子を配置する位置は、一対の計測電極にそれぞれ並列に配置され、一対の計測電極と各校正素子とが切り替え可能なものであれば特に制限はないが、測定回路と同一の基板上に配置されていることが好ましい。このように構成することによって、全体の寸法・コストを小さくできることに加え、計測電極近傍に配置する際に比べ温度変化の影響を小さくすることが可能である。
【００８８】
校正素子の数については、２つ以上であれば特に制限はないが、２行２列の校正行列Ｑによって高精度の測定が可能であるため、一台の粒子状物質検出装置（換言すれば、特性測定手段）には、２つの校正素子を有していればよい。勿論、３つ以上の校正素子を有していてもよい。
【００８９】
校正素子としては、例えば、コンデンサー、抵抗、及びそれらの組み合わせ等を用いることができ、２つ以上の校正素子のうちの少なくとも１の校正素子がコンデンサーであり、他の校正素子が抵抗であることが好ましい。
【００９０】
［１−４］粒子状物質量算出手段：
粒子状物質量算出手段は、粒子状物質を吸着させたことによる電気的特性の変化（検出値の変化）を読み取り、排ガス中に含まれる粒子状物質を検出するものである。本実施形態の粒子状物質検出装置においては、一対の計測電極にて測定された検出値（測定検出値）を用いるのではなく、この測定検出値を、校正行列Ｑによって校正された校正後の検出値（校正後検出値）を用いて粒子状物質の算出が行われる。
【００９１】
なお、この粒子状物質量算出手段は、上記したように校正後検出値を用いて粒子状物質の算出を行うこと以外、即ち、ある検出値（検出値の変化）から粒子状物質を算出する構成については、従来公知の粒子状物質検出装置に用いられる粒子状物質量算出手段と同様に構成されたものを用いることができる。
【００９２】
［２］粒子状物質検出装置の製造方法：
次に、本実施形態の粒子状物質検出装置の製造方法について、図１Ａ〜図１Ｄに示す粒子状物質検出装置１００を製造する方法を例に説明する。なお、本発明の粒子状物質検出装置を製造する方法については、以下の製造方法に限定されるものではない。
【００９３】
［２−１］成形原料の調製：
まず、素子基材１１を製造するための成形原料を調製する。具体的には、例えば、アルミナ、コージェライト化原料、ムライト、ガラス、ジルコニア、マグネシア、及びチタニアからなる群より選択される少なくとも一種のセラミック原料（誘電体原料）と、成形原料として使用する他の成分とを混合し、スラリー状の成形原料を調製する。セラミック原料（誘電体原料）としては、上記原料が好ましいが、これに限定されるものではない。他の原料としては、バインダー、可塑剤、分散剤、分散媒等を使用することが好ましい。
【００９４】
バインダーとしては、特に限定されるものではないが、水系バインダー、非水系バインダーのどちらでもよく、水系バインダーとしてはメチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキシド等を好適に使用でき、非水系バインダーとしてはポリビニルブチラール、アクリル系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン等を好適に使用することができる。アクリル系樹脂としては、（メタ）アクリル樹脂、（メタ）アクリル酸エステル共重合体、アクリル酸エステル−メタクリル酸エステル共重合体等を挙げることができる。
【００９５】
バインダーの添加量は、誘電体原料１００質量部に対して、３〜２０質量部であることが好ましく、６〜１７質量部であることが更に好ましい。このようなバインダー含有量とすることにより、スラリー状の成形原料を成形してグリーンシートを成形したとき、及び、乾燥、焼成したときに、クラック等の発生を防止することが可能となる。
【００９６】
可塑剤としては、グリセリン、ポリエチレングリコール、ジブチルフタレート、フタル酸ジ−２−エチルヘキシル、フタル酸ジイソノニル等を使用することができる。
【００９７】
可塑剤の添加量は、バインダー添加量１００質量部に対して、３０〜７０質量部であることが好ましく、４５〜５５質量部であることが更に好ましい。７０質量部より多いと、グリーンシートが柔らかくなりすぎ、シートを加工する工程において変形しやすくなることがあり、３０質量部より少ないと、グリーンシートが硬くなりすぎ、曲げただけでクラックが入るなどハンドリング性が悪くなることがある。
【００９８】
分散剤としては、水系ではアニオン系界面活性剤、ワックスエマルジョン、ピリジン等を使用することができ、非水系では脂肪酸、リン酸エステル、合成界面活性剤等を使用することができる。
【００９９】
分散剤は、誘電体原料１００質量部に対して、０．５〜３質量部であることが好ましく、１〜２質量部であることが更に好ましい。０．５質量部より少ないと、誘電体原料の分散性が低下することがあり、グリーンシートにクラック等が生じることがある。３質量部より多いと、誘電体原料の分散性は変わらずに焼成時の不純物を増やすことになる。
【０１００】
分散媒としては、水等を使用することができる。分散媒は、誘電体原料１００質量部に対して、５０〜２００質量部であることが好ましく、７５〜１５０質量部であることが更に好ましい。
【０１０１】
上記各原料をアルミナ製ポット及びアルミナ玉石を用いて十分に混合してグリーンシート製作用のスラリー状の成形原料を作製する。また、これらの材料を、モノボールによりボールミル混合して作製してもよい。
【０１０２】
次に、得られたグリーンシート製作用のスラリー状の成形原料を、減圧下で撹拌して脱泡し、更に所定の粘度となるように調製する。成形原料の調製において得られるスラリー状の成形原料の粘度は、２．０〜６．０Ｐａ・ｓであることが好ましく、３．０〜５．０Ｐａ・ｓであることが更に好ましく、３．５〜４．５Ｐａ・ｓであることが特に好ましい。粘度範囲をこのように調整すると、スラリーをシート状に成形し易くなるため好ましい。スラリー粘度は、高過ぎても低過ぎても成形し難くなることがある。なお、スラリーの粘度は、Ｂ型粘度計で測定した値である。
【０１０３】
［２−２］成形加工：
次に、上記方法により得られたスラリー状の成形原料をテープ状に成形加工して、一方向に長いグリーンシートを作製する。成形加工方法は、成形原料をシート状に成形してグリーンシートを形成することができれば特に限定されず、ドクターブレード法、プレス成形法、圧延法、カレンダーロール法等の公知の方法を使用することができる。このとき、グリーンシートを積層したときに貫通孔が形成されるように、貫通孔形成用のグリーンシートを作製する。製造するグリーンシートの厚さは、５０〜８００μｍであることが好ましい。
【０１０４】
得られたグリーンシートの表面に一対の計測電極、配線等を配設する。一対の計測電極及び配線を形成（印刷）するための導体ペーストは、電極、配線等のそれぞれの形成に必要なそれぞれの材質に合わせて、金、銀、白金、ニッケル、モリブデン、及びタングステンからなる群より選択される少なくとも一種を含有する粉末に、バインダー及びテルピネオール等の溶剤を加え、トリロールミル等を用いて十分に混錬して調製することができる。このようにして形成した、各電極、配線等の形成に必要な材質を含有するそれぞれの導体ペーストを、グリーンシートの表面にスクリーン印刷等を用いて印刷して所定の形状の電極及び配線を形成する。
【０１０５】
［２−３］焼成：
次に、グリーンシート積層体を乾燥、焼成して、粒子状物質検出装置を得る。更に具体的には、得られた、グリーンシート積層体を６０〜１５０℃で乾燥し、１２００〜１６００℃で焼成して一対の計測電極が配設された素子基材を作製する。グリーンシートが有機バインダーを含有する場合には、焼成の前に、４００〜８００℃で脱脂することが好ましい。
【０１０６】
［２−４］特性測定手段の作製：
次に、本実施形態の粒子状物質検出装置に用いられる特性測定手段を作製する。具体的には、方形波の電圧信号を発信する信号発生回路に、オリティファクタ値（Ｑ値）が１．５〜３のローパスフィルタを接続することにより、方形波の信号発生回路から発生させた電圧信号をローパスフィルタで同調させた正弦波を発生させることが可能な電圧印加回路（信号発生回路）を作製する。
【０１０７】
［２−５］粒子状物質検出装置の作製：
素子基材に配設された一方の計測電極の計測配線と電圧印加回路とを電気的に接続し、且つ他方の計測電極の計測配線と電流電圧変換回路とを電気的に接続する。電流電圧変換回路は、この電流電圧変換回路の出力を２相以上の同期検波により直交成分に分解して検出する検出回路と電気的に接続する。また、このような回路と同一の基板上に、一対の計測電極にそれぞれ並列且つ一対の計測電極と切り替え可能な状態で、２つ以上の校正素子を配置する。
【０１０８】
更に、上記特性測定手段の検出回路に対して、検出回路からの電気信号を読み取り、排ガス中に含まれる粒子状物質の量を算出するための粒子状物質量算出手段を配設して粒子状物質検出装置を製造する。なお、粒子状物質量算出手段については、従来公知の粒子状物質検出装置に使用されている粒子状物質量算出手段を用いることができる。
【実施例】
【０１０９】
以下、本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
【０１１０】
（実施例１）
実施例１の粒子状物質検出装置として、図２に示すように構成された粒子状物質検出装置を作成した。ここで、図２は、実施例１の粒子状物質検出装置における回路の構成を模式的に示すブロック図である。
【０１１１】
実施例１の粒子状物質検出装置の計測部分としては、平面的に配列された複数の櫛歯部１３と、各計測電極１２ａ，１２ｂの複数の櫛歯部１３をその一端で連結する櫛骨部１４とを有する櫛歯状の電極を、誘電体からなる素子基材１１に配設して作製した（図１Ａ参照）。
【０１１２】
また、一対の計測電極１２ａ，１２ｂの一方の計測電極１２ａに特定周波数の電圧信号を印加する電圧印加回路としては、ＣＰＵ３６のタイマーからの信号により分周器３１にて方形波の電圧信号を発生させる方形波発生回路に、クオリティファクタ値が「２」で、発生した方形波の周波数に同調するローパスフィルタ３２を接続して作製した。
【０１１３】
更に、電流電圧変換回路３４と、電流電圧変換回路３４の出力を２相以上の同期検波により直交成分に分解して検出する検出回路（検波器３５）とを、一対の計測電極１２ａ，１２ｂの他方の計測電極１２ｂ側に接続し、検波器３５からの信号を変換するためのアナログ−デジタル変換器（ＡＤ変換器：図２においては、「ＡＤ」と示す）に接続した。
【０１１４】
また、位相差が９０度の２つの校正素子（校正素子３３）を電流電圧変換回路３４の前段に配置し、電流電圧変換回路３４の校正行列Ｑを算出可能なものとした。
【０１１５】
上記校正行列Ｑの算出、及び計測電極にて測定された測定検出値を校正して校正後検出値を算出するためのコンピューターの処理装置（ＣＰＵ３６）としては、８ビットクラスの処理能力を持つものを用いた。
【０１１６】
このようにして得られた実施例１の粒子状物質検出装置を用いて、粒子状物質の検出を行った。具体的には、２．２Ｌのディーゼルエンジンの排気管に、直径２２ｍｍの円筒状の破損したＤＰＦを設置し、更にその下流側に、実施例１の粒子状物質検出装置を設置した。ディーゼルエンジンとしては、直噴−ディーゼルエンジンを使用し、回転数１５００ｒｐｍ、トルク２０Ｎ・ｍ、ＥＧＲ（ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）開度５０％、排ガス温度２００℃、吸入空気１．３ｍ３（室温換算）／分の運転条件下で排ガスを発生させた。
【０１１７】
（比較例１）
比較例１の粒子状物質検出装置として、図３に示すように構成された粒子状物質検出装置を作成した。ここで、図３は、比較例１の粒子状物質検出装置における回路の構成を模式的に示すブロック図である。
【０１１８】
比較例１の粒子状物質検出装置の計測部分としては、実施例１と同様に構成された櫛歯条の計測電極１２を用いた。
【０１１９】
また、比較例１においては、電圧印加回路として、正弦波発振器４１を用い、一方の計測電極１２ａに接続した。また、他方の計測電極には、電流電圧変換回路４４と検出回路（検波器４５）とを接続し、検波器４５からの信号を変換するためのアナログ−デジタル変換器（ＡＤ変換器：図２においては、「ＡＤ」と示す）に接続した。なお、正弦波発振器４１と検波器４５とはコンパレータ４７に接続されている。
【０１２０】
計測電極にて測定された検出値を演算処理するためのコンピューターの処理装置（ＣＰＵ４６）としては、８ビットのタイプを用いた。
【０１２１】
（比較例２）
比較例２の粒子状物質検出装置として、実施例１の装置のように校正素子を２つ用いずに、校正素子を１つ用いた粒子状物質検出装置を作製した。比較例１においては、校正素子としてコンデンサーを用い、計測電極にて測定された検出値を、実数成分と虚数成分とに分解して、その検出値の誤差を補正するものとした。
【０１２２】
また、比較例２の粒子状物質検出装置は、上記した誤差の補正が極めて複雑であることから、補正を行う演算に支障をきたさないように、コンピューターの処理装置（ＣＰＵ）としては、３２ビットのタイプを用いた。
【０１２３】
なお、比較例２の粒子状物質検出装置の誤差の補正に関しては以下の方法を用いた。検出回路にて検出される検出値を（Ｘ３，Ｙ３）とした際に、この検出値（Ｘ３，Ｙ３）と、誤差が無い場合の値（即ち、校正素子としてコンデンサーを用いた場合の、誤差の無い電流成分（０，Ｙ４））と、の誤差（振幅比Ａ及び位相差θ）は、下記式（４）及び（５）にて示される。
振幅比Ａ＝Ｙ４／√（Ｘ３２＋Ｙ３２） ・・・ （４）
位相差θ＝−π／２−ｔａｎ−１（Ｙ３／Ｘ３） ・・・ （５）
【０１２４】
そして、校正素子測定時に上記振幅比Ａ及び位相差θを計算し、通常の測定時には、測定値（Ｘ５，Ｙ５）に対して下記（６）及び（７）の計算を行うことで、その測定値の誤差が補正された値を算出する。
実数成分＝Ａ・ｃｏｓθ・Ｘ５−Ａ・ｓｉｎθ・Ｙ５ ・・・ （６）
虚数成分＝Ａ・ｓｉｎθ・Ｘ５＋Ａ・ｃｏｓθ・Ｙ５ ・・・ （７）
【０１２５】
（結果）
実施例１と、比較例１及び２の装置とでは、実際に粒子状物質を測定する際の測定精度はほぼ同程度であったが、実施例１の粒子状物質検出装置は、比較例１及び２の装置と比較して、比較的安価な電圧印加回路及びＣＰＵを用いて製造することができた。具体的には、実施例１の粒子状物質検出装置は、比較例１の装置と比較して製造コストが半減し、比較例２の装置と比較例して製造コストが１／３となった。
【産業上の利用可能性】
【０１２６】
本発明の粒子状物質検出装置は、ＤＰＦの欠陥の発生を即座に検知し、装置の異常を認識するために好適に利用することができ、これにより大気汚染の防止に貢献することができる。
【符号の説明】
【０１２７】
１１：素子基材、１２：一対の計測電極、１２ａ，１２ｂ：計測電極、１３：櫛歯部、１４：櫛骨部、１５：櫛骨被覆部、１６，１６ａ，１６ｂ：計測配線、１７ａ，１７ｂ：計測取出端子、１８：流入側、１９：流出側、２０：特性測定手段、２１：粒子状物質量算出手段、２２：電圧印加回路、２３：検出回路、２４，２４ａ，２４ｂ：校正素子、２５：切り替えスイッチ、２６：電流電圧変換回路、３１：分周器、３２：ローパスフィルタ、３３：校正素子、３４，４４：電流電圧変換回路、３５，４５：検波器、３６，４６：ＣＰＵ、４１：正弦波発振器、４７：コンパレータ、１００：粒子状物質検出装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子状物質検出装置に関する。更に詳しくは、簡便な構成のセンサー回路を用い高精度に粒子状物質を検出することが可能な粒子状物質検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
煙道排ガスやディーゼルエンジン排ガスには煤等の粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：ＰＭ）が含まれており、大気汚染の原因になっていた。これらを除去するために、セラミック等で作製されたフィルタ（ディーゼルパティキュレートフィルタ：ＤＰＦ）が広く用いられている。セラミック製のＤＰＦは、長期間の使用が可能であるが、熱劣化等によりクラックや溶損等の欠陥が発生することがあり、微量ではあるが粒子状物質が漏れる可能性がある。このような欠陥が発生した場合には、その欠陥の発生を即座に検知し、装置の異常を認識することが、大気汚染防止の観点から極めて重要である。
【０００３】
このような欠陥の発生を検知する方法として、ＤＰＦの下流側に粒子状物質検出装置を設ける方法がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１に記載の発明は、コロナ放電によって粒子状物質を帯電させ、そのイオン電流を測定することにより、粒子状物質の量を測定するものである。このように、粒子状物質を帯電させてそのイオン電流を測定する方法では、粒子状物質に帯電するイオン電流が微弱であるため、その微弱なイオン電流を検出するために大掛かりな検出回路が必要になり、高価なものとなってしまう。また、排ガスが高流量である場合には、粒子状物質を効果的に帯電させることが困難であるため、粒子状物質の測定値が、実際に排ガスに含有されている粒子状物質の量より小さい値となり、その誤差が大きくなってしまう。
【０００５】
このようなことから、例えば、一方の端部に一の貫通孔が形成された一方向に長い検出装置本体と、貫通孔を形成する壁の内部に埋設され、誘電体で覆われた少なくとも一対の電極とを備え、排ガス中の粒子状物質を、貫通孔の壁面に電気的に吸着させることが可能であり、貫通孔を形成する壁の電気的な特性の変化を測定することにより貫通孔の壁面に吸着された粒子状物質の質量を検出することが可能な粒子状物質検出装置等も提案されている（特許文献２参照）。
【０００６】
このような従来の粒子状物質検出装置は、例えば、上記電気的特性として静電容量を測定し、この静電容量の変化量から粒子状物質の質量を算出することができる。そして、このような静電容量の測定を利用した検知方法は、例えば、自動車等の乗員検知システムや検知方法にも利用されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
また、静電容量を利用した検知方法において、リーク電流の影響を低減する方法についても提案されている（例えば、特許文献４参照）。粒子状物質検出装置においても、ケーブル・コネクタにおけるリーク電流の低減及び外来のノイズの影響を低減するために静電シールドを利用することが好ましく、上記した特許文献４に記載されているような、電流−電圧変換回路（「Ｉ−Ｖ変換回路」ともいう）の適用が必要となる。
【０００８】
但し、この電流−電圧変換回路を用い、上記特許文献３に記載されているような経済性の高い方形波の信号発生回路（単に、「方形波の発生回路」ともいう）を適用した場合には、測定対象が静電容量負荷であると、検出電流が方形波の微分波形となるため、有効な信号振幅に対して、方形波信号の変化タイミングでスパイク上の波形が発生し、信号の処理が極めて困難になってしまう。
【０００９】
このため、従来の静電容量の測定を利用した検知方法において、上記特許文献４に記載の方法を適用する場合には、正弦波の信号発生回路が必要とされていた。また、正弦波が用いられる要因としては、方形波は奇数次の高調波を含んでいるため、その検出回路に、精度が高くコストも安価なスイッチング方式の位相検出素子（ＰＳＤ）を利用した際には、その高調波成分を排除することが困難になることも挙げられる。
【００１０】
しかし、上記した正弦波の発生回路は、バンドパスフィルタと帰還回路の組み合わせ、或いは同調回路と帰還回路の組み合わせ等の複雑な回路が必要となり、また、更に回路の調整を必要とする場合にはコストの負担が大きくなる。また、検出側のスイッチング方式のＰＳＤのスイッチを動作させる基準信号を生成する際にもコンパレータ等の追加回路が更に必要となる。このように、正弦波の発生回路は、方形波の発生回路と比較して極めて高コストの発生回路であり、例えば、設置スペースに制限があり且つ低コストであることが望まれるＤＰＦ用の粒子状物質検出装置の発生回路としては不適当である。
【００１１】
このようなことから、例えば、方形波の発生回路に対して、その周波数以上の周波数を低減する周波数特性を有するローパスフィルタを用いることにより、上記した奇数次の高調波を削減する方法が提案されている。また、この周波数をローパスフィルタと同調させ、ローパスフィルタのＱ値（クオリティファクタ値）の高いフィルタとすることで、フィルタの次数を小さくし、回路規模を小さくすることもできる。
【００１２】
但し、上記したようなローパスフィルタを使用する場合、発振周波数にフィルタを同調させるため、ローパスフィルタにて使用する素子のばらつきや温度変化の影響を受け易くなり、結果として、正弦波の振幅変化や、基準信号と正弦波との間の位相変化が発生して、測定精度が悪化することがある。特に、自動車から排出される排ガス中の粒子状物質を検出するための装置の場合には、環境の温度変化が激しいために、上述した測定精度低下の影響を受け易くなることがある。
【００１３】
即ち、安価な方形波の発生回路とローパスフィルタを用いることにより、正弦波を比較的低コストで発振させることができるが、上述したようなセンサー回路内に誤差が発生するという問題が別途生じることとなる。
【００１４】
なお、例えば、一般的な検出装置においては、センサー検出部の感度に相当する値を有する素子を接続することで、センサー検出部の感度を補正する方法も提案されている（特許文献５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開昭６０−１２３７６１号公報
【特許文献２】特開２００９−１８６２７８号公報
【特許文献３】特開平１１−２７１４６３号公報
【特許文献４】特開２００６−２０１１２９号公報
【特許文献５】特開２０１０−９６７４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
特許文献５に記載の静電式乗員検知装置のように、排ガス中の粒子状物質を検出するための粒子状物質検出装置においても、校正或いは補正は必要であるが、校正を必要とするのは、センサー回路の部分であり、特許文献５に記載された方法を適用することは不可能である。
【００１７】
即ち、方形波の発生回路とローパスフィルタとを用いた場合の誤差は、センサー回路内に生じる誤差であり、一方、特許文献５に記載されている補正の方法は、センサー検出部を補正するものである。このため、特許文献５に記載の方法を適用しても、方形波の発生回路とローパスフィルタとを用いた場合の誤差を解消することはできない。
【００１８】
なお、粒子状物質検出装置のセンサー回路に、位相と振幅が既知の校正用素子を接続し、センサー回路の内部にて校正を行うことは可能であるが、このような場合には、校正を行うための演算が極めて複雑である。例えば、検出された値を、実数成分と虚数成分とに分解し、各成分毎に、平方根（√）、逆正接（ｔａｎ−１）、及び補正用の正弦（ｓｉｎ）や余弦（ｃｏｓ）の計算が必要となる。
【００１９】
特に、測定を行う毎に、上述したような複雑な校正を行う場合には、各演算等のデータ処理を行うコンピューターの処理装置、例えば、中央処理装置（ＣＰＵ）の負荷が大きいため、高性能の中央処理装置が必要となり、逆に、検出装置のコスト増に繋がってしまう。
【００２０】
即ち、排ガス中等に含まれる粒子状物質を検出するための粒子状物質検出装置においては、低コストと高精度の測定との両方を十分に満足するセンサー回路は未だ提案されておらず、安価で且つ簡便な構成のセンサー回路を用いつつ、高精度な測定を行うことが可能な装置の開発が望まれている。
【００２１】
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、簡便な構成のセンサー回路を用い高精度に粒子状物質を検出することが可能な粒子状物質検出装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明者らは、鋭意検討した結果、方形波の発生回路と特定のＱ値のローパスフィルタとを用いた発生回路を備えた粒子状物質検出装置において、異なる２つ以上の校正素子を用いた補正（校正）を行うことで、高精度に粒子状物質を検出することができることを見出し、本発明を完成するに至った。本発明によれば、以下に示す粒子状物質検出装置が提供される。
【００２３】
［１］ 板状の素子基材、前記素子基材に配設された一対の計測電極、前記一対の計測電極の間における電気的特性の測定をする特性測定手段、及び前記特性測定手段で測定をされた電気的特性の変化量に基づいて前記一対の計測電極及びその周囲に集塵された粒子状物質の量を求める粒子状物質量算出手段、を備え、前記特性測定手段は、前記一対の計測電極の一方の計測電極に特定周波数の電圧信号を印加する電圧印加回路と、前記一対の計測電極の他方の計測電極に接続された電流電圧変換回路と、前記電流電圧変換回路の出力を２相以上の同期検波により直交成分に分解して検出する検出回路と、前記一対の計測電極にそれぞれ並列且つ前記一対の計測電極と切り替え可能な状態で前記電圧印加回路及び前記電流電圧変換回路に電気的に接続された２つ以上の校正素子と、を有し、前記電圧印加回路から出力される前記特定周波数の電圧信号は、方形波の電圧信号を、クオリティファクタ値が１．５〜３のローパスフィルタで同調させた正弦波であるとともに、前記２つ以上の校正素子は、それぞれ位相が異なる素子であり、前記特性測定手段は、前記２つ以上の校正素子を用いてそれぞれ測定した２つ以上の校正検出値と、前記２つ以上の校正素子によって本来得られるべき真値とから、前記電流電圧変換回路の校正行列Ｑを算出し、算出された前記校正行列Ｑを用いて前記一対の計測電極の間にて測定される測定検出値の校正を行う粒子状物質検出装置。
【００２４】
［２］ 前記検出回路は、前記電流電圧変換回路から出力される前記特定周波数の電圧信号の位相と振幅とを同期検波するものである前記［１］に記載の粒子状物質検出装置。
【００２５】
［３］ 前記検出回路により検出された検出値を、静電容量成分と抵抗成分とに分け、前記校正行列Ｑの算出及び前記測定検出値の校正を行う前記［１］又は［２］に記載の粒子状物質検出装置。
【００２６】
［４］ 前記２つ以上の校正素子のうちの少なくとも１の校正素子がコンデンサーであり、他の校正素子が抵抗である前記［１］〜［３］のいずれかに記載の粒子状物質検出装置。
【００２７】
［５］ 前記校正素子を２つ用いた場合における前記校正行例Ｑを下記式（１）の校正行列とし、前記校正素子のうちの一方の校正素子Ａの本来得られるべき前記真値が（Ｘ０１，Ｙ０１）であり、他方の校正素子Ｂの本来得られるべき前記真値が（Ｘ０２，Ｙ０２）であり、且つ、前記一方の校正素子Ａを用いて検出された前記校正検出値が（Ｘ１，Ｙ１）であり、前記他方の校正素子Ｂを用いて検出された前記校正検出値が（Ｘ２，Ｙ２）である際に、下記式（２）から前記校正行列Ｑを算出し、前記測定検出値（ＸＭ，ＹＭ）から校正された校正後検出値（Ｘｃ，Ｙｃ）を下記式（３）により算出する前記［１］〜［４］のいずれかに記載の粒子状物質検出装置。
【００２８】
【数１】
【００２９】
【数２】
【００３０】
【数３】
【発明の効果】
【００３１】
本願の請求項１に係る発明の粒子状物質検出装置は、異なる２つ以上の校正素子を用いた各検出値（即ち、校正検出値）と、上記校正素子本来の値（即ち、本来得られるべき真値）とから、センサー回路を含む特性測定手段の校正行列Ｑを、極めて簡便な方法、例えば、単純な四則演算で算出し、この校正行列Ｑによって実際の検出値を校正することができる。このため、簡便な構成のセンサー回路を用い高精度に粒子状物質を検出することができる。即ち、比較的安価な方形波の発生回路を用い、更に、校正を行うための各演算に際しても、高度な処理装置を必要とせずに、例えば、比較的高価な正弦波の発生回路や、高度な演算を可能とする処理装置を用いた場合と同等の精度の測定（粒子状物質の検出）を行うことができる。
【００３２】
本願の請求項２に係る発明の粒子状物質検出装置は、検出回路が、電流電圧変換回路から出力される特定周波数の電圧信号の位相と振幅とを同期検波するものであるため、一対の計測電極にて測定される電気的特性が静電容量の場合に、高感度な粒子状物質の検出を行うことができる。
【００３３】
本願の請求項３に係る発明の粒子状物質検出装置は、極めて簡便な方法で、より正確な校正（補正）を行うことが可能な校正行列Ｑを算出することができる。
【００３４】
本願の請求項４に係る発明の粒子状物質検出装置は、簡単に入手可能で、且つ安価な部材を校正素子として用いることができるとともに、各校正素子の電気的な特徴を活かし、広い測定範囲に適用可能な校正行列Ｑを得ることができる。
【００３５】
本願の請求項５に係る発明の粒子状物質検出装置は、校正行列Ｑを極簡単な四則演算によって求めることができ、実際の検出値を校正（補正）するまでの手間（即ち、校正に関する演算の手間）を簡略なものとすることができる。勿論、得られる校正後の検出値についても信頼性を有し、高精度な粒子状物質の検出を行うことができる。なお、本願の請求項１〜５に係る発明は、上記［１］〜［５］に記載された発明である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１Ａ】本発明の粒子状物質検出装置の一の実施形態の構成を模式的に示す模式図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示す粒子状物質検出装置において、校正素子Ａの校正検出値を測定する状態を示す模式図である。
【図１Ｃ】図１Ａに示す粒子状物質検出装置において、校正素子Ｂの校正検出値を測定する状態を示す模式図である。
【図１Ｄ】図１Ａに示す粒子状物質検出装置において、一対の計測電極にて測定検出値を測定する状態を示す模式図である。
【図２】実施例１の粒子状物質検出装置における回路の構成を模式的に示すブロック図である。
【図３】比較例１の粒子状物質検出装置における回路の構成を模式的に示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明を実施するための形態を具体的に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。
【００３８】
［１］粒子状物質検出装置：
本発明の粒子状物質検出装置の一の実施形態は、図１Ａに示すように、板状の素子基材１１、素子基材１１に配設された一対の計測電極１２（１２ａ，１２ｂ）、一対の計測電極１２ａ，１２ｂの間における電気的特性の測定をする特性測定手段２０、及び特性測定手段２０で測定をされた電気的特性の変化量に基づいて一対の計測電極１２ａ，１２ｂ及びその周囲に集塵された粒子状物質の量を求める粒子状物質量算出手段２１、を備えた粒子状物質検出装置１００である。ここで、図１Ａは、本発明の粒子状物質検出装置の一の実施形態の構成を模式的に示す模式図である。
【００３９】
そして、本実施形態の粒子状物質検出装置１００は、上記特性測定手段２０が、一対の計測電極１２ａ，１２ｂの一方の計測電極１２ａに特定周波数の電圧信号を印加する電圧印加回路２２と、一対の計測電極１２ａ，１２ｂの他方の計測電極１２ｂに接続された電流電圧変換回路２６と、電流電圧変換回路２６の出力を２相以上の同期検波により直交成分に分解して検出する検出回路２３と、一対の計測電極１２ａ，１２ｂにそれぞれ並列且つ一対の計測電極１２ａ，１２ｂと切り替え可能な状態で電圧印加回路２２及び電流電圧変換回路２６に電気的に接続された２つ以上の校正素子２４（図１Ａにおいては、２つの校正素子２４ａ，２４ｂ）と、を有している。
【００４０】
更に、上記した電圧印加回路２２から出力される上記特定周波数の電圧信号は、方形波の電圧信号を、クオリティファクタ値（以下、「Ｑ値」ともいう）が１．５〜３のローパスフィルタで同調させた正弦波である。また、２つ以上の校正素子２４（即ち、図１Ａにおいては、２つの校正素子２４ａ，２４ｂ）は、それぞれ位相が異なる素子である。
【００４１】
本実施形態の粒子状物質検出装置１００において、この特性測定手段２０は、上記２つ以上の校正素子２４ａ，２４ｂを用いてそれぞれ測定した２つ以上の校正検出値と、この２つ以上の校正素子によって本来得られるべき真値とから、電流電圧変換回路２６の校正行列Ｑを算出し、算出された校正行列Ｑを用いて一対の計測電極１２ａ，１２ｂの間にて測定される測定検出値の校正を行うことができる。
【００４２】
即ち、本実施形態の粒子状物質検出装置１００は、異なる２つ以上の校正素子２４ａ，２４ｂを用いた各検出値（即ち、各校正素子を経由して検出される各校正検出値）と、上記校正素子本来の値（即ち、各校正素子の本来得られるべき真値、換言すれば、電圧信号や回路の誤差を含まない状態で測定された場合に得られる検出値）とから、センサー回路を含む特性測定手段２０の校正行列Ｑを、極めて簡便な方法、具体的には、単純な四則演算で算出し、この校正行列Ｑによって実際の検出値を校正することができる。
【００４３】
このため、簡便な構成のセンサー回路（即ち、安価な方形波の発生回路とローパスフィルタを用いた電圧印加回路２２と、四則演算が十分可能な安価な演算処理装置）を用い、高精度に粒子状物質を検出することができる。例えば、本実施形態の粒子状物質検出装置は、比較的高価な正弦波の発生回路や、高度な演算を可能とする処理装置を用いて校正を行った場合と同等の精度の測定（粒子状物質の検出）を行うことができる。
【００４４】
ここで、本実施形態の粒子状物質検出装置による粒子状物質の検出方法について更に詳細に説明する。
【００４５】
本実施形態の粒子状物質検出装置は、本来、排ガス等の測定対象ガスが通過する流路内に設置し、その測定対象ガスに含有される粒子状物質を、一対の計測電極１２ａ，１２ｂ及びその周囲に付着（集塵）させ、一対の計測電極１２ａ，１２ｂ間における電気的特性の変化を特性測定手段２０によって測定し、更に、この特性測定手段２０で測定をされた電気的特性の変化量に基づいて粒子状物質量算出手段２１によって集塵させた粒子状物質の量（例えば、質量）を求めるものである。
【００４６】
このような粒子状物質の検出を行う場合には、より高精度な測定が求められているが、これと同時に、検出装置自体を低コストに製造することも求められている。しかし、検出装置に使用される電子部品や信号発生回路は、高性能及び高精度のものほど高価であることが一般的であり、高精度な測定が要求される場合には、比較的コストが高くなることは止むを得ず、また、比較的低コストの検出装置が要求される場合には、比較的測定精度が落ちることは止むを得ないとされていた。即ち、従来の粒子状物質検出装置においては、製造コストと測定精度とのバランスで、装置の構成が決定されていた。
【００４７】
本実施形態の粒子状物質検出装置は、比較的な安価な部材を用いて電圧印加回路を構成するとともに、極めて簡便な方法（簡便な演算）で、検出値を校正するための校正行列Ｑを求めることができるという顕著な効果を奏するものである。
【００４８】
校正行列Ｑの算出に際しては、２つ以上の校正素子を用いてそれぞれ測定した２つ以上の校正検出値と、２つ以上の校正素子によって本来得られるべき真値とから求めるものであり、例えば、校正素子を２つ用いた場合における校正行例Ｑを下記式（１）の校正行列とし、校正素子のうちの一方の校正素子Ａの本来得られるべき真値が（Ｘ０１，Ｙ０１）であり、他方の校正素子Ｂの本来得られるべき真値が（Ｘ０２，Ｙ０２）であり、且つ、一方の校正素子Ａを用いて検出された校正検出値が（Ｘ１，Ｙ１）であり、他方の校正素子Ｂを用いて検出された校正検出値が（Ｘ２，Ｙ２）である際に、下記式（２）から校正行列Ｑを算出し、測定検出値（ＸＭ，ＹＭ）から校正された校正後検出値（Ｘｃ，Ｙｃ）を下記式（３）により算出することができる。
【００４９】
【数４】
【００５０】
【数５】
【００５１】
【数６】
【００５２】
なお、図１Ａに示す粒子状物質検出装置１００において、一方の校正素子Ａを用いて校正検出値（Ｘ１，Ｙ１）を求める場合には、例えば、図１Ｂに示すように、各校正素子２４ａ，２４ｂ及び一対の計測電極１２ａ，１２ｂに対して接続された切り替えスイッチ２５により、校正素子Ａ（図１Ｂにおいては、校正素子２４ａ）の電気的特性を検出可能な状態とする。一方、一方の校正素子Ｂを用いて校正検出値（Ｘ２，Ｙ２）を求める場合には、図１Ｃに示すように、切り替えスイッチ２５により、校正素子Ｂ（図１Ｃにおいては、校正素子２４ｂ）の電気的特性を検出可能な状態とする。
【００５３】
また、各校正素子については、予め、信頼性の高い装置によって、校正検出値と同様の電気的特性について検出を行い、本来得られるべき真値を求めておき、図１Ｂ及び図１Ｃの状態によって検出される各校正検出値と、前記真値とによって、上記式（１）に示す校正行列Ｑを算出する。なお、上記式（２）の演算は、校正行列Ｑを解とする単純な線型方程式（連立方程式）であり、高度な演算処理装置でなくとも短時間で計算可能である。
【００５４】
このようにして校正行列Ｑを得た後、図１Ｄに示すように、切り替えスイッチ２５により、一対の計測電極１２ａ，１２ｂ間の電気的特性を測定して、測定検出値（ＸＭ，ＹＭ）を得、得られた測定検出値（ＸＭ，ＹＭ）を校正行列Ｑによって上記式（３）に従い校正して校正後検出値（Ｘｃ，Ｙｃ）を算出する。上記式（３）も単純な線型方程式であり、上記式（２）の演算と同様に極めて短時間に且つ簡単に行うことができる。
【００５５】
このようにして得られた校正後検出値（Ｘｃ，Ｙｃ）を用いて、粒子状物質量算出手段によって、一対の計測電極に付着した粒子状物質の量を算出する。
【００５６】
従来の粒子状物質検出装置においては、上述した校正（補正）を行わないため、測定検出値（ＸＭ，ＹＭ）を用いて粒子状物質の量の算出が行われていたが、排ガス中の粒子状物質の検出を継続的に行う場合には、例えば、測定環境における温度変化の影響等が大きく、正確な測定が極めて困難であった。
【００５７】
本実施形態の粒子状物質検出装置は、上述したように、校正行列Ｑの算出が極めて簡便で短時間に行うことができるため、例えば、測定検出値の測定毎に、測定環境の変化に応じて、その状態に適した校正行列Ｑを随時得ることができる。これにより、高精度に粒子状物質の検出を行うことが可能となる。なお、上記においては、２つの校正素子を用いた場合について説明しているが、３つ以上の校正素子を用いて校正を行ってもよい。このような場合には、誤差成分を考えその誤差が最小となるような最適化問題を解くことで、より校正精度を向上させることが可能になる。
【００５８】
上述したように２つ以上の校正素子によって校正行列Ｑを求める以外にも、例えば、従来から、検出された検出値（例えば、インピーダンス）を、実数成分と虚数成分とに分解し、各成分毎に、平方根（√）、逆正接（ｔａｎ−１）、及び補正用の正弦（ｓｉｎ）や余弦（ｃｏｓ）等の演算を行うことで、検出値の校正（補正）を行うことが知られているが、このような方法では上記逆正接等の高度な演算が必要となり、演算処理装置の負荷が大きくなる。このため、測定毎に校正を行うためには、極めて高性能で高価な演算処理装置を用いなければならない。
【００５９】
なお、本実施形態の粒子状物質検出装置においては、電圧印加回路から出力される特定周波数の電圧信号が、方形波の電圧信号を、クオリティファクタ値（Ｑ値）が１．５〜３のローパスフィルタで同調させた正弦波であることも重要な特徴である。
【００６０】
方形波の電圧信号を、ローパスフィルタで同調させた正弦波を用いることは、従来から既に知られているが、正弦波の振幅変化や、基準信号と正弦波との間の位相変化が発生して、測定精度が悪化するため、検出値を校正する重要性が高まり、上記した高度な演算が必要とされた従来の算出方法との併用は極めて困難であった。特に、自動車用の粒子状物質検出装置は環境の温度変化が激しいため、装置の低コスト化に際し、ローパスフィルタで同調させた正弦波を用いることは難しいとされていた。
【００６１】
本実施形態の粒子状物質検出装置は、上記のように２つ以上の校正素子を用いて校正行列Ｑを算出することで、検出値の校正に高度な演算を必要としないため、従来、粒子状物質検出装置において敬遠されていたローパスフィルタで同調させた正弦波を用いることを可能とした。特に、クオリティファクタ値が１．５〜３のローパスフィルタを使用することにより、回路規模を小さくすることも可能となっている。
【００６２】
本実施形態の粒子状物質検出装置においては、上記したように、特定周波数の電圧信号を印加する電圧印加回路と、２つ以上の校正素子を用いて校正行列Ｑを算出し、測定検出値の校正を行うこと以外は、従来の粒子状物質検出装置と同様に構成することができる。
【００６３】
なお、特性測定手段に用いられる検出回路は、電流電圧変換回路から出力される特定周波数の電圧信号の位相と振幅とを同期検波するものを好適に用いることができる。このように構成することによって、一対の計測電極にて測定される電気的特性が静電容量の場合に、高感度な粒子状物質の検出を行うことができる。
【００６４】
また、検出回路により検出された検出値を、静電容量成分と抵抗成分とに分け、校正行列Ｑの算出及び測定検出値の校正を行うことが好ましい。即ち、上記式（２）において、例えば、校正検出値（Ｘ１，Ｙ１）のＸ１を静電容量成分とし、Ｙ１を抵抗成分とすることが好ましい。このように構成することによって、極めて簡便な方法で、より正確な校正（補正）を行うことが可能な校正行列Ｑを算出することができる。
【００６５】
本実施形態の粒子状物質検出装置に用いられる２つ以上の校正素子は、それぞれ位相が異なる素子であれば、各校正素子の構成については制限はないが、例えば、それぞれの位相差が４５度以上であることが好ましい。このような校正素子としては、粒子状物質検出装置が静電容量の測定を主な測定とする回路を有することから、コンデンサーを好適に用いることができる。具体的には、２つ以上の校正素子のうちの少なくとも１の校正素子がコンデンサーであり、他の校正素子が抵抗であることが更に好ましい。
【００６６】
例えば、図１Ａに示す粒子状物質検出装置１００を用いて、粒子状物質の検出を行う場合には、下記（Ａ）〜（Ｅ）の操作を繰り返し行うことにより、正確な粒子状物質の検出を行うことができる。
（Ａ）校正素子Ａ（校正素子２４ａ）の測定。
（Ｂ）校正素子Ｂ（校正素子２４ｂ）の測定。
（Ｃ）校正行列Ｑの算出。
（Ｄ）計測電極による粒子状物質の測定。
（Ｅ）計測電極による測定値を、校正行列Ｑで校正（校正値の算出）。
【００６７】
なお、上記（Ｅ）の操作に用いる「校正行列Ｑ」は、上記（Ｃ）の操作で算出されたものである。また、実際に粒子状物質の検出を行う場合には、上記（Ａ）〜（Ｃ）の操作（即ち、校正行列Ｑを算出する操作）は、必ずしも毎回の測定時に行わずとも、例えば、一定回数の測定においては、上記（Ｅ）の操作の後、上記（Ｄ）の操作に戻り、上記（Ｄ）〜（Ｅ）の操作を所定回数繰り返した後、上記（Ａ）の操作に戻るようにして測定を行ってもよい。
【００６８】
以下、本実施形態の粒子状物質検出装置の各構成要素について、更に具体的に説明する。
【００６９】
［１−１］素子基材：
素子基材は、一対の計測電極を配設するための検出装置の本体を構成するものである。この素子基材は、例えば、誘電体によって形成することができ、素子基材の表面又は内部に一対の計測電極を配設（埋設）することができる。
【００７０】
素子基材を構成する誘電体は、例えば、アルミナ、コージェライト、ムライト、ガラス、ジルコニア、マグネシア、及びチタニアからなる群より選択される少なくとも一種であることが好ましい。中でも、アルミナを好適に用いることができる。このような誘電体からなる素子基材を用いることにより、粒子状物質検出装置が、優れた耐熱性、耐絶縁破壊特性等を有するものとなる。ここで、「誘電体」とは、導電性よりも誘電性が優位である物質で、直流電圧に対して絶縁体として振舞う物質のことをいう。
【００７１】
素子基材は、一方向に長く構成された板状のものであることが好ましく、更に、この一方向に長い板状の素子基材の一方の端部に、一対の計測電極が配置されていることが好ましい。このように構成することによって、排ガス配管等に挿入したときに排ガス（測定対象ガス）中の粒子状物質を効率よくサンプリングすることができる。
【００７２】
なお、「素子基材の一方の端部」というときは、素子基材の一方の先端部分から、素子基材の全長の５０％の長さに相当する位置までの範囲をいう。また、「素子基材の他方の端部」というときは、素子基材の他方の先端部分から、素子基材の全長の５０％の長さに相当する位置までの範囲をいう。なお、素子基材の一方の端部は、好ましくは、素子基材の一方の先端部分から、素子基材の全長の４０％の長さに相当する位置までの範囲であり、更に好ましくは、３０％の長さに相当する範囲である。また、素子基材の他方の端部は、好ましくは、素子基材の他方の先端部分から、素子基材の全長の４０％の長さに相当する位置までの範囲であり、更に好ましくは、３０％の長さに相当する範囲である。素子基材の一方の端部と他方の端部との間の位置とは、素子基材から、上記一方の端部と他方の端部の範囲を除いた部分ということになる。
【００７３】
また、素子基材が一方向に長く構成された板状である場合に、この素子基材の厚さや幅についても特性制限はない。
【００７４】
素子基材は、複数のテープ状セラミック（セラミックシート）が積層されてなるものであることが好ましい。これにより、複数のテープ状セラミックを、それぞれの間に各電極、配線等を挟みながら積層して粒子状物質検出装置を作製することができるため、粒子状物質検出装置を効率的に製造することが可能となる。
【００７５】
［１−２］計測電極：
計測電極は、素子基材の表面又は素子基材の内部に少なくとも一対配置されたものであり、一対の計測電極及びその周囲に粒子状物質が電気的に吸着されることにより生じる、電気的特性の変化を測定するための電極である。
【００７６】
本実施形態の粒子状物質検出装置１００に用いられる一対の計測電極１２ａ，１２ｂは、間隔を空けて対向配置された一対の電極であれば特に制限はないが、図１Ａに示すように、平面的に配列された複数の櫛歯部１３と、各計測電極１２ａ，１２ｂの複数の櫛歯部１３をその一端で連結する櫛骨部１４とを有する櫛歯状の電極であり、それぞれの計測電極１２ａ，１２ｂの櫛歯部１３が、隙間を空けて相互にかみ合わされるように配置されているものであることが好ましい。このように構成することによって、これまでに説明した本実施形態の粒子状物質検出装置の効果に加え、更に検出装置の感度を向上させることができる。即ち、このような櫛歯状の電極を用いることによって、電極間の間隔を狭く、且つより均一にすることができる。
【００７７】
計測電極（例えば、計測電極が櫛歯状の電極である場合には、櫛歯部１３及び櫛骨部１４）の厚さは特に限定されず、例えば、５〜３０μｍであることが好ましい。また、計測電極の材質としては、白金（Ｐｔ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）等を挙げることができる。
【００７８】
また、粒子状物質検出装置１００の一対の計測電極１２ａ，１２ｂは、計測配線１６を介して、特性測定手段２０と電気的に接続されている。
【００７９】
［１−３］特性測定手段：
特性測定手段は、一対の計測電極の一方の計測電極に特定周波数の電圧信号を印加する電圧印加回路と、一対の計測電極の他方の計測電極に接続された電流電圧変換回路と、電流電圧変換回路の出力を２相以上の同期検波により直交成分に分解して検出する検出回路と、一対の計測電極にそれぞれ並列且つ一対の計測電極と切り替え可能な状態で電圧印加回路及び電流電圧変換回路に電気的に接続された２つ以上の校正素子と、を有している。
【００８０】
そして、電圧印加回路は、方形波の電圧信号を発信する信号発生回路と、クオリティファクタ値（Ｑ値）が１．５〜３のローパスフィルタとから構成されてなり、上記ローパスフィルタで同調させた正弦波を発生させることができる。
【００８１】
方形波の信号発生回路としては、例えば、演算処理装置に付属するタイマー回路を利用し任意の周波数の方形波を発生させることができる場合があり、その場合にはそれを利用することがコストの面から好ましい。
【００８２】
また、ローパスフィルタとしては、例えば、サレン・キー型あるいはＶＣＶＳ型の２次ローパスフィルタを挙げることができる。なお、このローパスフィルタのＱ値は、１．５〜３であるが、１．６〜２．８であることが好ましく、１．８〜２．５であることが更に好ましい。なお、クオリティファクタ値（Ｑ値）が１．５未満であると、高調波成分に対する減衰量が十分になく十分な正弦波を発生させることが困難なことがあり、３以上であると、同調がはずれた時の振幅の変化が大きく校正量が大きくなることがある。
【００８３】
電流電圧変換回路は、一対の計測電極の他方の計測電極に接続されたものであり、一方の計測電極に印加された電圧により発生する電流を、他方の計測電極にて検出し、その電流を電圧に変換するものである。
【００８４】
検出回路は、電流電圧変換回路の出力を２相以上の同期検波により直交成分に分解して検出するものであれば特に制限はなく、例えば、電流電圧変換回路から出力される特定周波数の電圧信号の位相と振幅とを同期検波する検出回路を好適に用いることができる。これにより、一対の計測電極にて測定される電気的特性が静電容量の場合に、高感度な粒子状物質の検出を行うことができる。
【００８５】
より具体的な検出回路としては、例えば、アジレント・テクノロジー社製のＬＣＲメータ４２６３Ｂ等を用いることができる。
【００８６】
更に、この特性測定手段は、一対の計測電極にそれぞれ並列且つ一対の計測電極と切り替え可能な状態で電流電圧変換回路及び検出回路に電気的に接続された２つ以上の校正素子を有している。この２つ以上の校正素子は、それぞれ位相が異なる素子である。
【００８７】
２つ以上の校正素子を配置する位置は、一対の計測電極にそれぞれ並列に配置され、一対の計測電極と各校正素子とが切り替え可能なものであれば特に制限はないが、測定回路と同一の基板上に配置されていることが好ましい。このように構成することによって、全体の寸法・コストを小さくできることに加え、計測電極近傍に配置する際に比べ温度変化の影響を小さくすることが可能である。
【００８８】
校正素子の数については、２つ以上であれば特に制限はないが、２行２列の校正行列Ｑによって高精度の測定が可能であるため、一台の粒子状物質検出装置（換言すれば、特性測定手段）には、２つの校正素子を有していればよい。勿論、３つ以上の校正素子を有していてもよい。
【００８９】
校正素子としては、例えば、コンデンサー、抵抗、及びそれらの組み合わせ等を用いることができ、２つ以上の校正素子のうちの少なくとも１の校正素子がコンデンサーであり、他の校正素子が抵抗であることが好ましい。
【００９０】
［１−４］粒子状物質量算出手段：
粒子状物質量算出手段は、粒子状物質を吸着させたことによる電気的特性の変化（検出値の変化）を読み取り、排ガス中に含まれる粒子状物質を検出するものである。本実施形態の粒子状物質検出装置においては、一対の計測電極にて測定された検出値（測定検出値）を用いるのではなく、この測定検出値を、校正行列Ｑによって校正された校正後の検出値（校正後検出値）を用いて粒子状物質の算出が行われる。
【００９１】
なお、この粒子状物質量算出手段は、上記したように校正後検出値を用いて粒子状物質の算出を行うこと以外、即ち、ある検出値（検出値の変化）から粒子状物質を算出する構成については、従来公知の粒子状物質検出装置に用いられる粒子状物質量算出手段と同様に構成されたものを用いることができる。
【００９２】
［２］粒子状物質検出装置の製造方法：
次に、本実施形態の粒子状物質検出装置の製造方法について、図１Ａ〜図１Ｄに示す粒子状物質検出装置１００を製造する方法を例に説明する。なお、本発明の粒子状物質検出装置を製造する方法については、以下の製造方法に限定されるものではない。
【００９３】
［２−１］成形原料の調製：
まず、素子基材１１を製造するための成形原料を調製する。具体的には、例えば、アルミナ、コージェライト化原料、ムライト、ガラス、ジルコニア、マグネシア、及びチタニアからなる群より選択される少なくとも一種のセラミック原料（誘電体原料）と、成形原料として使用する他の成分とを混合し、スラリー状の成形原料を調製する。セラミック原料（誘電体原料）としては、上記原料が好ましいが、これに限定されるものではない。他の原料としては、バインダー、可塑剤、分散剤、分散媒等を使用することが好ましい。
【００９４】
バインダーとしては、特に限定されるものではないが、水系バインダー、非水系バインダーのどちらでもよく、水系バインダーとしてはメチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキシド等を好適に使用でき、非水系バインダーとしてはポリビニルブチラール、アクリル系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン等を好適に使用することができる。アクリル系樹脂としては、（メタ）アクリル樹脂、（メタ）アクリル酸エステル共重合体、アクリル酸エステル−メタクリル酸エステル共重合体等を挙げることができる。
【００９５】
バインダーの添加量は、誘電体原料１００質量部に対して、３〜２０質量部であることが好ましく、６〜１７質量部であることが更に好ましい。このようなバインダー含有量とすることにより、スラリー状の成形原料を成形してグリーンシートを成形したとき、及び、乾燥、焼成したときに、クラック等の発生を防止することが可能となる。
【００９６】
可塑剤としては、グリセリン、ポリエチレングリコール、ジブチルフタレート、フタル酸ジ−２−エチルヘキシル、フタル酸ジイソノニル等を使用することができる。
【００９７】
可塑剤の添加量は、バインダー添加量１００質量部に対して、３０〜７０質量部であることが好ましく、４５〜５５質量部であることが更に好ましい。７０質量部より多いと、グリーンシートが柔らかくなりすぎ、シートを加工する工程において変形しやすくなることがあり、３０質量部より少ないと、グリーンシートが硬くなりすぎ、曲げただけでクラックが入るなどハンドリング性が悪くなることがある。
【００９８】
分散剤としては、水系ではアニオン系界面活性剤、ワックスエマルジョン、ピリジン等を使用することができ、非水系では脂肪酸、リン酸エステル、合成界面活性剤等を使用することができる。
【００９９】
分散剤は、誘電体原料１００質量部に対して、０．５〜３質量部であることが好ましく、１〜２質量部であることが更に好ましい。０．５質量部より少ないと、誘電体原料の分散性が低下することがあり、グリーンシートにクラック等が生じることがある。３質量部より多いと、誘電体原料の分散性は変わらずに焼成時の不純物を増やすことになる。
【０１００】
分散媒としては、水等を使用することができる。分散媒は、誘電体原料１００質量部に対して、５０〜２００質量部であることが好ましく、７５〜１５０質量部であることが更に好ましい。
【０１０１】
上記各原料をアルミナ製ポット及びアルミナ玉石を用いて十分に混合してグリーンシート製作用のスラリー状の成形原料を作製する。また、これらの材料を、モノボールによりボールミル混合して作製してもよい。
【０１０２】
次に、得られたグリーンシート製作用のスラリー状の成形原料を、減圧下で撹拌して脱泡し、更に所定の粘度となるように調製する。成形原料の調製において得られるスラリー状の成形原料の粘度は、２．０〜６．０Ｐａ・ｓであることが好ましく、３．０〜５．０Ｐａ・ｓであることが更に好ましく、３．５〜４．５Ｐａ・ｓであることが特に好ましい。粘度範囲をこのように調整すると、スラリーをシート状に成形し易くなるため好ましい。スラリー粘度は、高過ぎても低過ぎても成形し難くなることがある。なお、スラリーの粘度は、Ｂ型粘度計で測定した値である。
【０１０３】
［２−２］成形加工：
次に、上記方法により得られたスラリー状の成形原料をテープ状に成形加工して、一方向に長いグリーンシートを作製する。成形加工方法は、成形原料をシート状に成形してグリーンシートを形成することができれば特に限定されず、ドクターブレード法、プレス成形法、圧延法、カレンダーロール法等の公知の方法を使用することができる。このとき、グリーンシートを積層したときに貫通孔が形成されるように、貫通孔形成用のグリーンシートを作製する。製造するグリーンシートの厚さは、５０〜８００μｍであることが好ましい。
【０１０４】
得られたグリーンシートの表面に一対の計測電極、配線等を配設する。一対の計測電極及び配線を形成（印刷）するための導体ペーストは、電極、配線等のそれぞれの形成に必要なそれぞれの材質に合わせて、金、銀、白金、ニッケル、モリブデン、及びタングステンからなる群より選択される少なくとも一種を含有する粉末に、バインダー及びテルピネオール等の溶剤を加え、トリロールミル等を用いて十分に混錬して調製することができる。このようにして形成した、各電極、配線等の形成に必要な材質を含有するそれぞれの導体ペーストを、グリーンシートの表面にスクリーン印刷等を用いて印刷して所定の形状の電極及び配線を形成する。
【０１０５】
［２−３］焼成：
次に、グリーンシート積層体を乾燥、焼成して、粒子状物質検出装置を得る。更に具体的には、得られた、グリーンシート積層体を６０〜１５０℃で乾燥し、１２００〜１６００℃で焼成して一対の計測電極が配設された素子基材を作製する。グリーンシートが有機バインダーを含有する場合には、焼成の前に、４００〜８００℃で脱脂することが好ましい。
【０１０６】
［２−４］特性測定手段の作製：
次に、本実施形態の粒子状物質検出装置に用いられる特性測定手段を作製する。具体的には、方形波の電圧信号を発信する信号発生回路に、オリティファクタ値（Ｑ値）が１．５〜３のローパスフィルタを接続することにより、方形波の信号発生回路から発生させた電圧信号をローパスフィルタで同調させた正弦波を発生させることが可能な電圧印加回路（信号発生回路）を作製する。
【０１０７】
［２−５］粒子状物質検出装置の作製：
素子基材に配設された一方の計測電極の計測配線と電圧印加回路とを電気的に接続し、且つ他方の計測電極の計測配線と電流電圧変換回路とを電気的に接続する。電流電圧変換回路は、この電流電圧変換回路の出力を２相以上の同期検波により直交成分に分解して検出する検出回路と電気的に接続する。また、このような回路と同一の基板上に、一対の計測電極にそれぞれ並列且つ一対の計測電極と切り替え可能な状態で、２つ以上の校正素子を配置する。
【０１０８】
更に、上記特性測定手段の検出回路に対して、検出回路からの電気信号を読み取り、排ガス中に含まれる粒子状物質の量を算出するための粒子状物質量算出手段を配設して粒子状物質検出装置を製造する。なお、粒子状物質量算出手段については、従来公知の粒子状物質検出装置に使用されている粒子状物質量算出手段を用いることができる。
【実施例】
【０１０９】
以下、本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
【０１１０】
（実施例１）
実施例１の粒子状物質検出装置として、図２に示すように構成された粒子状物質検出装置を作成した。ここで、図２は、実施例１の粒子状物質検出装置における回路の構成を模式的に示すブロック図である。
【０１１１】
実施例１の粒子状物質検出装置の計測部分としては、平面的に配列された複数の櫛歯部１３と、各計測電極１２ａ，１２ｂの複数の櫛歯部１３をその一端で連結する櫛骨部１４とを有する櫛歯状の電極を、誘電体からなる素子基材１１に配設して作製した（図１Ａ参照）。
【０１１２】
また、一対の計測電極１２ａ，１２ｂの一方の計測電極１２ａに特定周波数の電圧信号を印加する電圧印加回路としては、ＣＰＵ３６のタイマーからの信号により分周器３１にて方形波の電圧信号を発生させる方形波発生回路に、クオリティファクタ値が「２」で、発生した方形波の周波数に同調するローパスフィルタ３２を接続して作製した。
【０１１３】
更に、電流電圧変換回路３４と、電流電圧変換回路３４の出力を２相以上の同期検波により直交成分に分解して検出する検出回路（検波器３５）とを、一対の計測電極１２ａ，１２ｂの他方の計測電極１２ｂ側に接続し、検波器３５からの信号を変換するためのアナログ−デジタル変換器（ＡＤ変換器：図２においては、「ＡＤ」と示す）に接続した。
【０１１４】
また、位相差が９０度の２つの校正素子（校正素子３３）を電流電圧変換回路３４の前段に配置し、電流電圧変換回路３４の校正行列Ｑを算出可能なものとした。
【０１１５】
上記校正行列Ｑの算出、及び計測電極にて測定された測定検出値を校正して校正後検出値を算出するためのコンピューターの処理装置（ＣＰＵ３６）としては、８ビットクラスの処理能力を持つものを用いた。
【０１１６】
このようにして得られた実施例１の粒子状物質検出装置を用いて、粒子状物質の検出を行った。具体的には、２．２Ｌのディーゼルエンジンの排気管に、直径２２ｍｍの円筒状の破損したＤＰＦを設置し、更にその下流側に、実施例１の粒子状物質検出装置を設置した。ディーゼルエンジンとしては、直噴−ディーゼルエンジンを使用し、回転数１５００ｒｐｍ、トルク２０Ｎ・ｍ、ＥＧＲ（ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）開度５０％、排ガス温度２００℃、吸入空気１．３ｍ３（室温換算）／分の運転条件下で排ガスを発生させた。
【０１１７】
（比較例１）
比較例１の粒子状物質検出装置として、図３に示すように構成された粒子状物質検出装置を作成した。ここで、図３は、比較例１の粒子状物質検出装置における回路の構成を模式的に示すブロック図である。
【０１１８】
比較例１の粒子状物質検出装置の計測部分としては、実施例１と同様に構成された櫛歯条の計測電極１２を用いた。
【０１１９】
また、比較例１においては、電圧印加回路として、正弦波発振器４１を用い、一方の計測電極１２ａに接続した。また、他方の計測電極には、電流電圧変換回路４４と検出回路（検波器４５）とを接続し、検波器４５からの信号を変換するためのアナログ−デジタル変換器（ＡＤ変換器：図２においては、「ＡＤ」と示す）に接続した。なお、正弦波発振器４１と検波器４５とはコンパレータ４７に接続されている。
【０１２０】
計測電極にて測定された検出値を演算処理するためのコンピューターの処理装置（ＣＰＵ４６）としては、８ビットのタイプを用いた。
【０１２１】
（比較例２）
比較例２の粒子状物質検出装置として、実施例１の装置のように校正素子を２つ用いずに、校正素子を１つ用いた粒子状物質検出装置を作製した。比較例１においては、校正素子としてコンデンサーを用い、計測電極にて測定された検出値を、実数成分と虚数成分とに分解して、その検出値の誤差を補正するものとした。
【０１２２】
また、比較例２の粒子状物質検出装置は、上記した誤差の補正が極めて複雑であることから、補正を行う演算に支障をきたさないように、コンピューターの処理装置（ＣＰＵ）としては、３２ビットのタイプを用いた。
【０１２３】
なお、比較例２の粒子状物質検出装置の誤差の補正に関しては以下の方法を用いた。検出回路にて検出される検出値を（Ｘ３，Ｙ３）とした際に、この検出値（Ｘ３，Ｙ３）と、誤差が無い場合の値（即ち、校正素子としてコンデンサーを用いた場合の、誤差の無い電流成分（０，Ｙ４））と、の誤差（振幅比Ａ及び位相差θ）は、下記式（４）及び（５）にて示される。
振幅比Ａ＝Ｙ４／√（Ｘ３２＋Ｙ３２） ・・・ （４）
位相差θ＝−π／２−ｔａｎ−１（Ｙ３／Ｘ３） ・・・ （５）
【０１２４】
そして、校正素子測定時に上記振幅比Ａ及び位相差θを計算し、通常の測定時には、測定値（Ｘ５，Ｙ５）に対して下記（６）及び（７）の計算を行うことで、その測定値の誤差が補正された値を算出する。
実数成分＝Ａ・ｃｏｓθ・Ｘ５−Ａ・ｓｉｎθ・Ｙ５ ・・・ （６）
虚数成分＝Ａ・ｓｉｎθ・Ｘ５＋Ａ・ｃｏｓθ・Ｙ５ ・・・ （７）
【０１２５】
（結果）
実施例１と、比較例１及び２の装置とでは、実際に粒子状物質を測定する際の測定精度はほぼ同程度であったが、実施例１の粒子状物質検出装置は、比較例１及び２の装置と比較して、比較的安価な電圧印加回路及びＣＰＵを用いて製造することができた。具体的には、実施例１の粒子状物質検出装置は、比較例１の装置と比較して製造コストが半減し、比較例２の装置と比較例して製造コストが１／３となった。
【産業上の利用可能性】
【０１２６】
本発明の粒子状物質検出装置は、ＤＰＦの欠陥の発生を即座に検知し、装置の異常を認識するために好適に利用することができ、これにより大気汚染の防止に貢献することができる。
【符号の説明】
【０１２７】
１１：素子基材、１２：一対の計測電極、１２ａ，１２ｂ：計測電極、１３：櫛歯部、１４：櫛骨部、１５：櫛骨被覆部、１６，１６ａ，１６ｂ：計測配線、１７ａ，１７ｂ：計測取出端子、１８：流入側、１９：流出側、２０：特性測定手段、２１：粒子状物質量算出手段、２２：電圧印加回路、２３：検出回路、２４，２４ａ，２４ｂ：校正素子、２５：切り替えスイッチ、２６：電流電圧変換回路、３１：分周器、３２：ローパスフィルタ、３３：校正素子、３４，４４：電流電圧変換回路、３５，４５：検波器、３６，４６：ＣＰＵ、４１：正弦波発振器、４７：コンパレータ、１００：粒子状物質検出装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の素子基材、前記素子基材に配設された一対の計測電極、前記一対の計測電極の間における電気的特性の測定をする特性測定手段、及び前記特性測定手段で測定をされた電気的特性の変化量に基づいて前記一対の計測電極及びその周囲に集塵された粒子状物質の量を求める粒子状物質量算出手段、を備え、
前記特性測定手段は、前記一対の計測電極の一方の計測電極に特定周波数の電圧信号を印加する電圧印加回路と、前記一対の計測電極の他方の計測電極に接続された電流電圧変換回路と、前記電流電圧変換回路の出力を２相以上の同期検波により直交成分に分解して検出する検出回路と、前記一対の計測電極にそれぞれ並列且つ前記一対の計測電極と切り替え可能な状態で前記電圧印加回路及び前記電流電圧変換回路に電気的に接続された２つ以上の校正素子と、を有し、
前記電圧印加回路から出力される前記特定周波数の電圧信号は、方形波の電圧信号を、クオリティファクタ値が１．５〜３のローパスフィルタで同調させた正弦波であるとともに、前記２つ以上の校正素子は、それぞれ位相が異なる素子であり、
前記特性測定手段は、前記２つ以上の校正素子を用いてそれぞれ測定した２つ以上の校正検出値と、前記２つ以上の校正素子によって本来得られるべき真値とから、前記電流電圧変換回路の校正行列Ｑを算出し、算出された前記校正行列Ｑを用いて前記一対の計測電極の間にて測定される測定検出値の校正を行う粒子状物質検出装置。
【請求項２】
前記検出回路は、前記電流電圧変換回路から出力される前記特定周波数の電圧信号の位相と振幅とを同期検波するものである請求項１に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項３】
前記検出回路により検出された検出値を、静電容量成分と抵抗成分とに分け、前記校正行列Ｑの算出及び前記測定検出値の校正を行う請求項１又は２に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項４】
前記２つ以上の校正素子のうちの少なくとも１の校正素子がコンデンサーであり、他の校正素子が抵抗である請求項１〜３のいずれか一項に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項５】
前記校正素子を２つ用いた場合における前記校正行例Ｑを下記式（１）の校正行列とし、
前記校正素子のうちの一方の校正素子Ａの本来得られるべき前記真値が（Ｘ０１，Ｙ０１）であり、他方の校正素子Ｂの本来得られるべき前記真値が（Ｘ０２，Ｙ０２）であり、且つ、前記一方の校正素子Ａを用いて検出された前記校正検出値が（Ｘ１，Ｙ１）であり、前記他方の校正素子Ｂを用いて検出された前記校正検出値が（Ｘ２，Ｙ２）である際に、下記式（２）から前記校正行列Ｑを算出し、前記測定検出値（ＸＭ，ＹＭ）から校正された校正後検出値（Ｘｃ，Ｙｃ）を下記式（３）により算出する請求項１〜４のいずれか一項に記載の粒子状物質検出装置。
【数１】
【数２】
【数３】
【請求項１】
板状の素子基材、前記素子基材に配設された一対の計測電極、前記一対の計測電極の間における電気的特性の測定をする特性測定手段、及び前記特性測定手段で測定をされた電気的特性の変化量に基づいて前記一対の計測電極及びその周囲に集塵された粒子状物質の量を求める粒子状物質量算出手段、を備え、
前記特性測定手段は、前記一対の計測電極の一方の計測電極に特定周波数の電圧信号を印加する電圧印加回路と、前記一対の計測電極の他方の計測電極に接続された電流電圧変換回路と、前記電流電圧変換回路の出力を２相以上の同期検波により直交成分に分解して検出する検出回路と、前記一対の計測電極にそれぞれ並列且つ前記一対の計測電極と切り替え可能な状態で前記電圧印加回路及び前記電流電圧変換回路に電気的に接続された２つ以上の校正素子と、を有し、
前記電圧印加回路から出力される前記特定周波数の電圧信号は、方形波の電圧信号を、クオリティファクタ値が１．５〜３のローパスフィルタで同調させた正弦波であるとともに、前記２つ以上の校正素子は、それぞれ位相が異なる素子であり、
前記特性測定手段は、前記２つ以上の校正素子を用いてそれぞれ測定した２つ以上の校正検出値と、前記２つ以上の校正素子によって本来得られるべき真値とから、前記電流電圧変換回路の校正行列Ｑを算出し、算出された前記校正行列Ｑを用いて前記一対の計測電極の間にて測定される測定検出値の校正を行う粒子状物質検出装置。
【請求項２】
前記検出回路は、前記電流電圧変換回路から出力される前記特定周波数の電圧信号の位相と振幅とを同期検波するものである請求項１に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項３】
前記検出回路により検出された検出値を、静電容量成分と抵抗成分とに分け、前記校正行列Ｑの算出及び前記測定検出値の校正を行う請求項１又は２に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項４】
前記２つ以上の校正素子のうちの少なくとも１の校正素子がコンデンサーであり、他の校正素子が抵抗である請求項１〜３のいずれか一項に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項５】
前記校正素子を２つ用いた場合における前記校正行例Ｑを下記式（１）の校正行列とし、
前記校正素子のうちの一方の校正素子Ａの本来得られるべき前記真値が（Ｘ０１，Ｙ０１）であり、他方の校正素子Ｂの本来得られるべき前記真値が（Ｘ０２，Ｙ０２）であり、且つ、前記一方の校正素子Ａを用いて検出された前記校正検出値が（Ｘ１，Ｙ１）であり、前記他方の校正素子Ｂを用いて検出された前記校正検出値が（Ｘ２，Ｙ２）である際に、下記式（２）から前記校正行列Ｑを算出し、前記測定検出値（ＸＭ，ＹＭ）から校正された校正後検出値（Ｘｃ，Ｙｃ）を下記式（３）により算出する請求項１〜４のいずれか一項に記載の粒子状物質検出装置。
【数１】
【数２】
【数３】
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図２】
【図３】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−５８０１４（Ｐ２０１２−５８０１４Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９９９０９（Ｐ２０１０−１９９９０９）
【出願日】平成２２年９月７日（２０１０．９．７）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月７日（２０１０．９．７）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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