JP6766358B2 - センサ - Google Patents

Description

本発明は、センサに関し、特に、排気ガス中に含まれる粒子状物質（以下、ＰＭという）の粒径（毎）総数の排出量を検出するＰＭセンサに関する。

内燃機関から排出される排気ガス中に含まれるＰＭの粒径分布及び排出量を検出するセンサが知られている。例えば、気孔率の異なるフィルタを、排気ガスの流れ方向の上流側から順に、気孔率の高い順に設けて室を区画し、室内に捕集された粒径毎のＰＭを燃焼させた際の固体電解質層で生じる起電力に基づいてＰＭの粒径分布及び排出量を検出するセンサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−４２０２１号公報

ところで、特許文献１に記載されたセンサは、固体電解質層で生じる起電力を利用するため、測定時には排気ガスの流れを止めてＰＭを捕集した室を閉空間にする必要がある。測定時に排気ガスの流れを止めることから、このセンサでは、ＰＭの捕集量を連続的に検出することは考慮されていない。また装置が大型化になり自動車等にセンサとして装着するには重量大きさコスト等で課題が多く不適である。

本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、排気ガス中に含まれるＰＭの粒径毎のＰＭ量を連続的に推定することができるセンサを提供することにある。また自動車等への搭載も可能としている。

開示のセンサは、排気ガス中の粒子状物質を捕集する気孔率が異なる複数のフィルタ部材を、前記排気ガスの排気上流から下流へ気孔率が高い順に配置した粒子状物質捕集部と、複数の前記フィルタ部材のそれぞれに前記フィルタ部材を挟んで対向配置される電極と、前記一対の電極間の静電容量変化量に基づいて、気孔率が異なる前記フィルタ部材のそれぞれに捕集された粒子状物質量を、当該フィルタ部材毎にそれぞれ推定する推定手段とを備える。

開示のセンサによれば、排気ガス中に含まれるＰＭの粒径毎のＰＭ量を連続的に推定することができる。

第一実施形態のＰＭセンサが適用された排気系の一例を示す概略構成図である。 第一実施形態のＰＭセンサを示す模式的な部分断面図である。 第一実施形態のＰＭセンサの要部を示す部分拡大断面図である。 第一実施形態に係るフィルタ再生、フィルタ温度の変化及び、ＰＭ量の積算を説明するタイミングチャート図である。 第二実施形態のＰＭセンサを示す模式的な部分断面図である。 第三実施形態に係るＰＭセンサの模式的な斜視図である。 （Ａ）は、第三実施形態に係る各センサ部の模式的な斜視図、（Ｂ）は、第三実施形態に係る各センサ部の模式的な分解斜視図である。 第四実施形態に係るＰＭセンサの模式的な断面図である。 他の実施形態のＰＭセンサが適用された排気系の一例を示す概略構成図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の各実施形態に係るセンサを説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

［第一実施形態］
図１は、第一実施形態のセンサ１０Ａが適用されたディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１００の排気系の一例を示す概略構成図である。エンジン１００の排気管１１０内には、排気上流側から順に酸化触媒２１０、ＤＰＦ２２０、ＮＯｘ浄化触媒２３０が設けられている。本実施形態のセンサ１０Ａは、好ましくは、ＤＰＦ２２０よりも下流側の排気管１１０に設けられている。なお、センサ１０Ａを、酸化触媒２１０よりも上流側の排気管１１０に設けてもよい。

次に、図２に基づいて本実施形態に係るセンサ１０Ａの詳細構成について説明する。

センサ１０Ａは、排気管１１０内に挿入されたケース部材１１と、ケース部材１１を排気管１１０に取り付ける台座部２０と、ケース部材１１内に収容された第１センサ部３０Ｌ、第２センサ部３０Ｍ、及び第３センサ部３０Ｓと、コントロールユニット４０を備えている。

ケース部材１１は、底部側（図示例では下端側）を閉塞した有底円筒状に形成されている。ケース部材１１の筒軸方向の長さＬは、その底部側の筒壁部が排気管１１０の軸中心ＣＬ近傍まで突出するように、排気管１１０の半径Ｒと略同一の長さで形成されている。なお、以下の説明では、ケース部材１１の底部側を先端側、底部側とは反対側をケース部材１１の基端側とする。

ケース部材１１の先端側筒壁部には、周方向に間隔を隔てて配置された複数の導入口１２が設けられている。また、ケース部材１１の基端側筒壁部には、周方向に間隔を隔てて配置された複数の導出口１３が設けられている。導入口１２の総開口面積Ｓ１２は、導出口１３の総開口面積Ｓ１３よりも小さく形成されている（Ｓ１２＜Ｓ１３）。すなわち、導入口１２付近の排気流速Ｖ１２が導出口１３付近の排気流速Ｖ１３よりも遅くなることで（Ｖ１２＜Ｖ１３）、導入口１２側の圧力Ｐ１２は導出口１３側の圧力Ｐ１３よりも高くなる（Ｐ１２＞Ｐ１３）。これにより、導入口１２からはケース部材１１内に排気ガスが円滑に取り込まれると同時に、導出口１３からはケース部材１１内の排気ガスが排気管１１０内に円滑に導出される。

台座部２０は、雄ネジ部２１と、ナット部２２とを備えている。雄ネジ部２１はケース部材１１の基端部に設けられており、ケース部材１１の基端側開口部を閉塞する。この雄ネジ部２１は、排気管１１０に形成されたボス部１１０Ａの雌ネジ部と螺合される。ナット部２２は、例えば六角ナットであって、雄ネジ部２１の上端部に固定されている。これら雄ネジ部２１及びナット部２２には、後述する各導電線３４Ｌ，３４Ｍ，３４Ｓ，３５Ｌ，３５Ｍ，３５Ｓ等を挿通させる貫通孔（不図示）が形成されている。

第１センサ部３０Ｌは、第１フィルタ部材３１Ｌと、複数対の第１電極３２Ｌ，３３Ｌを備えている。

第１フィルタ部材３１Ｌは、本発明の粒子状物質捕集部の一部を構成し、多孔質セラミックスの隔壁で区画された格子状の排気流路をなす複数のセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。この第１フィルタ部材３１Ｌは、セルの流路方向をケース部材１１の軸方向（図中上下方向）と略平行にした状態で、ケース部材１１の内周面にクッション部材ＣＭ_Ｌを介して保持されている。図３に破線の矢印で示すように、導入口１２からケース部材１１内に取り込まれた排気ガス中のＰＭは、排気ガスが下流側を目封止されたセルＣ１_Ｌから上流側を目封止されたセルＣ２_Ｌに流れ込むことで、隔壁表面や細孔に捕集される。なお、以下の説明では、下流側が目封止されたセルを第１測定用セルＣ１_Ｌといい、上流側が目封止されたセルを第１電極用セルＣ２_Ｌという。

第１電極３２Ｌ，３３Ｌは、例えば導電性の金属線であり、第１フィルタ部材３１Ｌの測定用セルＣ１_Ｌを挟んで対向する電極用セルＣ２_Ｌに下流側（非目封止側）から交互に挿入されてコンデンサを形成する。これら第１電極３２Ｌ，３３Ｌは、コントロールユニット４０に内蔵された図示しない静電容量検出回路に第１導電線３４Ｌ，３５Ｌを介してそれぞれ接続されている。

図２に示すように、第２センサ部３０Ｍは、第２フィルタ部材３１Ｍと、複数対の第２電極３２Ｍ，３３Ｍを備えている。

第２フィルタ部材３１Ｍは、本発明の粒子状物質捕集部の一部を構成し、第１フィルタ部材３１Ｌよりも、排気ガスの流れ方向における下流側に配置され、クッション部材ＣＭ_Ｍを介してケース部材１１の内周面に保持されている。この第２フィルタ部材３１Ｍは、第１フィルタ部材３１Ｌよりも低い気孔率（或は、小さい平均気孔径）とされている。すなわち、第２フィルタ部材３１Ｍには、第１フィルタ部材３１Ｌに設けられた気孔よりも径の小さな気孔が設けられており、第１フィルタ部材３１Ｌによって捕集されなかった排気ガス中のＰＭを捕集する。

図３に示すように、第２フィルタ部材３１Ｍもまた、第１フィルタ部材３１Ｌと同様に、下流側が目封止された測定用セルＣ１_Ｍ、及び上流側が目封止された電極用セルＣ２_Ｍを有している。第２電極３２Ｍ，３３Ｍは、例えば導電性の金属線であり、第２フィルタ部材３１Ｍの測定用セルＣ１_Ｍを挟んで対向する電極用セルＣ２_Ｍに下流側（非目封止側）から交互に挿入されてコンデンサを形成する。これら第２電極３２Ｍ，３３Ｍは、静電容量検出回路に第２導電線３４Ｍ，３５Ｍを介してそれぞれ接続されている。

図２に示すように、第３センサ部３０Ｓは、第３フィルタ部材３１Ｓと、複数対の第３電極３２Ｓ，３３Ｓを備えている。

第３フィルタ部材３１Ｓは、本発明の粒子状物質捕集部の一部を構成し、第２フィルタ部材３１Ｍよりも、排気ガスの流れ方向における下流側に配置され、クッション部材ＣＭ_Ｍを介してケース部材１１の内周面に保持されている。

この第３フィルタ部材３１Ｓは、第２フィルタ部材３１Ｍよりも低い気孔率（或は、小さい平均気孔径）とされている。すなわち、第３フィルタ部材３１Ｓには、第２フィルタ部材３１Ｍに設けられた気孔よりも径の小さな気孔が設けられており、第２フィルタ部材３１Ｍによっても捕集されなかった排気ガス中のＰＭを捕集する。

図３に示すように、第３フィルタ部材３１Ｓもまた、第１フィルタ部材３１Ｌや第２フィルタ部材３１Ｍと同様に、下流側が目封止された測定用セルＣ１_Ｓ、及び上流側が目封止された電極用セルＣ２_Ｓを有している。

第３電極３４Ｓ，３５Ｓは、例えば導電性の金属線であり、第３フィルタ部材３１Ｓの測定用セルＣ１_Ｓを挟んで対向する電極用セルＣ２_Ｓに下流側（非目封止側）から交互に挿入されてコンデンサを形成する。これら第３電極３２Ｓ，３３Ｓは、静電容量検出回路に第３導電線３４Ｓ，３５Ｓを介してそれぞれ接続されている。

図２に示すように、これらの各センサ部３０Ｌ、３０Ｍ、３０Ｓに対し、電気ヒータ３６が設けられている。この電気ヒータ３６は、例えば電熱線であって、本発明の再生手段を構成する。電気ヒータ３６は、通電により発熱して各フィルタ部材３１Ｌ、３１Ｍ、３１Ｓが備える測定用セルＣ１_Ｌ，Ｃ１_Ｍ，Ｃ１_Ｓを加熱することで、測定用セル内に堆積したＰＭを燃焼除去するいわゆるフィルタ再生（以下、センサ再生ともいう）を実行する。このため、電気ヒータ３６は、各フィルタ部材３１Ｌ、３１Ｍ、３１Ｓにて連続Ｓ字形に屈曲して形成されており、互いに平行な直線部分を各測定用セルＣ１_Ｌ，Ｃ１_Ｍ，Ｃ１_Ｓの内部に流路に沿って挿入されている。本実施形態の電気ヒータ３６は、各センサ部３０Ｌ、３０Ｍ、３０Ｓを巡る状態で一連の電熱線を配置しているので、これらのセンサ部３０Ｌ、３０Ｍ、３０Ｓを一括して加熱する。

コントロールユニット４０は、各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備えて構成されている。また、コントロールユニット４０は、フィルタ再生制御部４１と、第１ＰＭ量推定部４２と、第２ＰＭ量推定部４３と、第３ＰＭ量推定部４４と、総ＰＭ量推定部４５とを各機能要素として備えている。これら機能要素は、一体のハードウェアであるコントロールユニット４０に含まれるものとして説明するが、別体のハードウェアに設けることもできる。

フィルタ再生制御部４１は、本発明の再生手段の一例であって、静電容量検出回路（不図示）によって検出される各電極３２Ｌ，３２Ｍ，３２Ｓと対になる各電極３３Ｌ，３３Ｍ，３３Ｓの間の静電容量Ｃｐ_Ｌ,Ｃｐ_Ｍ,Ｃｐ_Ｓに応じて電気ヒータ３６をＯＮ（通電）にするフィルタ再生制御を実行する。

ここで、第１電極３２Ｌ，３３Ｌ間の静電容量Ｃｐ_Ｌは、第１電極３２Ｌ，３３Ｌ間の媒体の誘電率ε_Ｌ、第１電極３２Ｌ，３３Ｌの表面積Ｓ_Ｌ、第１電極３２Ｌ，３３Ｌ間の距離ｄ_Ｌとする以下の数式（１）で表される。

数式（１）において、第１電極３２Ｌ，３３Ｌの表面積Ｓ_Ｌは一定であり、測定用セルＣ１_Ｌに捕集されたＰＭによって誘電率ε_Ｌ及び距離ｄ_Ｌが変化すると、これに伴い静電容量Ｃｐ_Ｌも変化する。すなわち、第１電極３２Ｌ，３３Ｌ間の静電容量Ｃｐ_Ｌと第１フィルタ部材３１ＬのＰＭ堆積量との間には比例関係が成立する。

また、第２電極３２Ｍ，３３Ｍ間の静電容量Ｃｐ_Ｍは、第２電極３２Ｍ，３３Ｍ間の媒体の誘電率ε_Ｍ、第２電極３２Ｍ，３３Ｍの表面積Ｓ_Ｍ、第２電極３２Ｍ，３３Ｍ間の距離ｄ_Ｍとする以下の数式（２）で表される。

数式（２）において、第２電極３２Ｍ，３３Ｍの表面積Ｓ_Ｍは一定であり、測定用セルＣ１_Ｍに捕集されたＰＭによって誘電率ε_Ｍ及び距離ｄ_Ｍが変化すると、これに伴い静電容量Ｃｐ_Ｍも変化する。このため、第１電極３２Ｌ，３３Ｌと同様に、第２電極３２Ｍ，３３Ｍ間の静電容量Ｃｐ_Ｍと第２フィルタ部材３１ＭのＰＭ堆積量との間には比例関係が成立する。

また、第３電極３２Ｓ，３３Ｓ間の静電容量Ｃｐ_Ｓは、第３電極３２Ｓ，３３Ｓ間の媒体の誘電率ε_Ｓ、第３電極３２Ｓ，３３Ｓの表面積Ｓ_Ｓ、第３電極３２Ｓ，３３Ｓ間の距離ｄ_Ｓとする以下の数式（３）で表される。

数式（３）において、第３電極３２Ｓ，３３Ｓの表面積Ｓ_Ｓは一定であり、測定用セルＣ１_Ｓに捕集されたＰＭによって誘電率ε_Ｓ及び距離ｄ_Ｓが変化すると、これに伴い静電容量Ｃｐ_Ｓも変化する。このため、第１電極３２Ｌ，３３Ｌ等と同様に、第３電極３２Ｓ，３３Ｓ間の静電容量Ｃｐ_Ｓと第２フィルタ部材３１ＳのＰＭ堆積量との間には比例関係が成立する。

本実施形態では、第１ＰＭ量推定部４２、第２ＰＭ量推定部４３、及び第３ＰＭ量推定部４４で各フィルタ部材３１Ｌ，３１Ｍ，３１ＳのＰＭ堆積量を推定している。

第１ＰＭ量推定部４２は、本発明の推定手段の一例であって、フィルタ再生終了から次のフィルタ再生開始までの再生インターバル期間に第１フィルタ部材３１Ｌで捕集されるＰＭ量を、第１電極３２Ｌ，３３Ｌ間の静電容量変化量ΔＣｐ_Ｌに基づいて推定演算する。

第２ＰＭ量推定部４３は、本発明の推定手段の一例であって、フィルタ再生終了から次のフィルタ再生開始までの再生インターバル期間に第２フィルタ部材３１Ｍで捕集されるＰＭ量を、第２電極３２Ｍ，３３Ｍ間の静電容量変化量ΔＣｐ_Ｍに基づいて推定演算する。

第３ＰＭ量推定部４４は、本発明の推定手段の一例であって、フィルタ再生終了から次のフィルタ再生開始までの再生インターバル期間に第３フィルタ部材３１Ｓで捕集されるＰＭ量を第３電極３２Ｓ，３３Ｓ間の静電容量変化量ΔＣｐ_Ｓに基づいて推定演算する。

より詳しくは、各ＰＭ量推定部４２〜４４は、再生インターバル期間に静電容量検出回路（不図示）によって検出される各電極３２Ｌ、３２Ｍ、３２Ｓと、対になる各電極３３Ｌ、３３Ｍ、３３Ｓとの間の静電容量変化量ΔＣｐ_Ｌ、ΔＣｐ_Ｍ、ΔＣｐ_Ｓのそれぞれに一次の係数βを乗算する以下の数式（４）〜（６）に基づいて、インターバル期間ＰＭ量ｍ_{ＰＭ＿Ｉｎｔ＿Ｌ}、ｍ_{ＰＭ＿Ｉｎｔ＿Ｍ}、ｍ_{ＰＭ＿Ｉｎｔ＿Ｓ}を順次演算する。

図４に示すように、フィルタ再生制御部４１は、第１フィルタ部材３１Ｌが備える第１電極３２Ｌ，３３Ｌの静電容量Ｃｐ_Ｌ、第２フィルタ部材３１Ｍが備える第２電極３２Ｍ，３３Ｍの静電容量Ｃｐ_Ｍ、第３フィルタ部材が備える第３電極３２Ｓ，３３Ｓの静電容量Ｃｐ_Ｓの何れかが、ＰＭ上限堆積量を示す所定の静電容量上限閾値Ｃｐ_{Ｌ＿ｍａｘ}，Ｃｐ_{Ｍ＿ｍａｘ}，Ｃｐ_{Ｓ＿ｍａｘ}に達すると、電気ヒータ３６をＯＮにするフィルタ再生を開始する。このフィルタ再生は、前述したように、全てのフィルタ部３０Ｌ，３０Ｍ，３０Ｓに対して行われ、対象となった電極の静電容量がＰＭの完全除去を示す所定の静電容量下限閾値Ｃｐ_Ｌ＿ｍｉｎ，Ｃｐ_Ｍ＿ｍｉｎ，Ｃｐ_Ｓ＿ｍｉｎに低下するまで継続される。

図４に示す例では、フィルタ再生時刻ｔ_０からフィルタ再生時刻ｔ_１までの第１インターバル期間Ｔ_１において第１フィルタ部材３１Ｌの静電容量Ｃｐ_Ｌが静電容量上限閾値Ｃｐ_{Ｌ＿ｍａｘ}に達したことから、各フィルタ部材３１Ｌ，３１Ｍ，３１Ｓに対してフィルタ再生が行われている。

同様に、フィルタ再生時刻ｔ_１からフィルタ再生時刻ｔ_２までの第２インターバル期間Ｔ_２において第３フィルタ部材３１Ｓの静電容量Ｃｐ_Ｓが静電容量上限閾値Ｃｐ_{Ｓ＿ｍａｘ}に達し、フィルタ再生時刻ｔ_２からフィルタ再生時刻ｔ_３までの第３インターバル期間Ｔ_３において第２フィルタ部材３１Ｍの静電容量Ｃｐ_Ｍが静電容量上限閾値Ｃｐ_{Ｍ＿ｍａｘ}に達したことから、各フィルタ部材３１Ｌ，３１Ｍ，３１Ｓに対してフィルタ再生が行われている。

総ＰＭ量推定部４５は、センサ１０Ａの全体に堆積されているＰＭ量を推定する部分である。このため、総ＰＭ量推定部４５は、第１ＰＭ量推定部４２、第２ＰＭ量推定部４３、及び第３ＰＭ量推定部４４からの推定値をリアルタイムで受け取って合算し、総ＰＭ量の推定値を取得する。

このように、本実施形態のセンサ１０Ａでは、再生インターバル期間Ｔ_ｎは静電容量変化量ΔＣｐ_Ｌ、ΔＣｐ_Ｍ、ΔＣｐ_Ｓに基づいてインターバルＰＭ量ｍ_{ＰＭ＿Ｉｎｔ＿Ｌ}、ｍ_{ＰＭ＿Ｉｎｔ＿Ｍ}、ｍ_{ＰＭ＿Ｉｎｔ＿Ｓ}を演算することで、エンジン１００から排出される排気ガス中のＰＭ量をリアルタイム且つ高精度に推定することが可能になる。

また、センサ１０Ａは、孔径の異なる３種類のフィルタ部材３１Ｌ，３１Ｍ，３１Ｓを含むセンサ部３０Ｌ，３０Ｍ，３０Ｓを備えている。そして、気孔率の低い孔径の小さいフィルタ部材が、気孔率の高い孔径の大きいフィルタ部材よりも排気ガスの流れ方向の下流側となるように、各センサ部３０Ｌ，３０Ｍ，３０Ｓが配置されている。これにより、排気ガス中のＰＭを粒径毎に分けた状態で各フィルタ部材３１Ｌ，３１Ｍ，３１Ｓに堆積させることができ、粒径毎のＰＭ量をリアルタイム且つ高精度に推定することが可能になる。

また、電気ヒータ３６は、各フィルタ部材３１Ｌ，３１Ｍ，３１Ｓを巡る状態で一連に配置されているので、１つのフィルタ部材における再生処理で別のフィルタ部材に堆積されたＰＭが焼失する不具合を抑制できる。これにより、粒径毎のＰＭ量をより高精度に推定することが可能になる。

また、本実施形態のＰＭセンサ１０Ａでは、センサ部３０を収容したケース部材１１は、その先端部を排気管１１０内で排気流速が最も速い軸中心ＣＬ近傍まで突出させている。このケース部材１１の先端側筒壁部には、ケース部材１１内に排気ガスを取り込む導入口１２が設けられている。また、ケース部材１１の基端側筒壁部には、導入口１２よりも開口面積を大きく形成した導出口１３が設けられている。すなわち、本実施形態のＰＭセンサ１０Ａによれば、導入口１２を排気流速が速い排気管１１０の軸中心ＣＬ近傍に配置し、導出口１３の開口面積を大きくしたことで、導入口１２と導出口１３との静圧差を大きく確保することが可能となり、センサ部３０を通過する排気ガスの流れを効果的に促進させることができる。

本実施形態のＰＭセンサ１０Ａは、排気ガス中のＰＭを各フィルタ部材３１Ｌ，３１Ｍ，３１Ｓで確実に捕集するように構成されている。したがって、このＰＭセンサ１０Ａによれば、排気流量が多くなる運転状態においてもＰＭ量の推定精度を効果的に確保することができる。

［第二実施形態］
次に、図５に基づいて、第二実施形態に係るＰＭセンサ１０Ｂの詳細について説明する。第二実施形態のＰＭセンサ１０Ｂは、第一実施形態のＰＭセンサ１０Ａにおいて、ケース部材１１を二重管構造にしたものである。他の構成要素については同一構造となるため、詳細な説明は省略する。また、コントロールユニット４０など一部の構成要素については図示を省略している。

第二実施形態のケース部材１１は、有底円筒状の内側ケース部１１Ａと、内側ケース部１１Ａの円筒外周面を囲む円筒状の外側ケース部１１Ｂとを備えている。

内側ケース部１１Ａは、先端側が外側ケース部１１Ｂよりも突出するように、その軸方向長さを外側ケース部１１Ｂよりも長く形成されている。また、内側ケース部１１Ａの底部には、内側ケース部１１Ａ内の排気ガスを排気管１１０内に導出する導出口１３が設けられている。さらに、内側ケース部１１Ａの基端側の筒壁部には、周方向に間隔を隔てて配置された複数の通過口１４が設けられている。この通過口１４は、内側ケース部１１Ａの外周面と外側ケース部１１Ｂの内周面とで区画された流路１５内の排気ガスを内側ケース部１１Ａ内に通過させる。

流路１５の下流端には、内側ケース部１１Ａの先端側筒壁部と外側ケース部１１Ｂの先端部とにより区画された円環状の導入口１２が形成されている。導入口１２の開口面積Ｓ１２は、導出口１３の開口面積Ｓ１３よりも小さく形成されている（Ｓ１２＜Ｓ１３）。

すなわち、排気管１１０を流れる排気ガスは、外側ケース部１１Ｂよりも先端側に突出した内側ケース部１１Ａの筒壁面に当たり、排気管１１０の軸中心ＣＬ近傍に配置された導入口１２から流路１５内に円滑に取り込まれる。さらに、流路１５内を流れる排気ガスは、通過口１４から内側ケース部１１Ａに取り込まれ、フィルタ部材３１を通過した後に、排気管１１０の軸中心ＣＬ近傍に配置された導出口１３から排気管１１０内に円滑に導出されるようになっている。このように、第二実施形態のＰＭセンサ１０Ｂでは、導入口１２と導出口１３とを、排気管１１０内で排気流速が最も速くなる軸中心ＣＬ近傍に配置したことで、フィルタ部材３１を通過する排気流量を効果的に高めることが可能になる。

［第三実施形態］
次に、第三実施形態に係るセンサ１０Ｃの詳細について説明する。図６に示すように、第三実施形態のセンサ１０Ｃは、第一実施形態の各センサ部３０Ｌ，３０Ｍ,３０Ｓを、積層タイプのセンサ部６０Ｌ，６０Ｍ，６０Ｓにしたものである。

ここで、センサ部６０Ｌ，６０Ｍ，６０Ｓの間における違いは、各フィルタ層６１Ｌ，６１Ｍ，６１Ｓの気孔率にある。このため、各フィルタ層６１Ｌ，６１Ｍ，６１Ｓの外観は同じである。また、各第１電極板６２Ｌ、６２Ｍ、６２Ｓ、及び各第２電極板６３Ｌ、６３Ｍ、６３Ｓについては同一の部材である。

このため、以下の説明では、各フィルタ層６１Ｌ，６１Ｍ，６１Ｓをフィルタ層６１として説明し、各第１電極板６２Ｌ、６２Ｍ、６２Ｓを第１電極板６２として説明し、各第２電極板６３Ｌ、６３Ｍ、６３Ｓを第２電極板６３として説明する。同様に、各導電線６４Ｌ，６４Ｍ，６４Ｓと、対になる導電線６５Ｌ，６５Ｍ，６５Ｓについても、導電線６４，６５として説明する。なお、各センサ部６０Ｌ，６０Ｍ，６０Ｓ以外の他の構成要素については同一構造となるため、詳細な説明及び図示は省略する。

図７（Ａ）は、センサ１０Ｃが備える各センサ部６０Ｌ，６０Ｍ，６０Ｓの斜視図、図７（Ｂ）は各センサ部６０Ｌ，６０Ｍ，６０Ｓの分解斜視図をそれぞれ示している。

各センサ部６０Ｌ，６０Ｍ，６０Ｓは、複数のフィルタ層６１と、複数枚の第１及び第２電極板６２，６３と、導電線６４，６５を備えている。

フィルタ層６１は、例えば、多孔質セラミックス等の隔壁で区画されて排気流路をなす複数のセルの上流側と下流側とを交互に目封止し、これらセルを一方向に並列に配置した直方体状に形成されている。排気ガス中に含まれるＰＭは、図７（Ｂ）中に破線矢印で示すように、排気ガスが下流側を目封止されたセルＣ１１から上流側を目封止されたセルＣ１２に流れ込むことで、セルＣ１１の隔壁表面や細孔に捕集される。なお、以下の説明では、セル流路方向を各センサ部６０Ｌ，６０Ｍ，６０Ｓの長さ方向（図７（Ａ）中の矢印Ｌ）とし、セル流路方向と直交する方向を各センサ部６０Ｌ，６０Ｍ，６０Ｓの幅方向（図７（Ａ）中の矢印Ｗ）とする。

第１及び第２電極板６２，６３は、例えば、平板状の導電性部材であって、その長さ方向Ｌ及び幅方向Ｗの外形寸法をフィルタ層６１と略同一に形成されている。これら第１及び第２電極板６２，６３は、フィルタ層６１を挟んで交互に積層されると共に、導電線６４，６５を介してコントロールユニット４０に内蔵された図示しない静電容量検出回路にそれぞれ接続されている。

すなわち、第１電極板６２と第２電極板６３とを対向配置し、これら電極板６２，６３間にフィルタ層６１を挟持させたことで、セルＣ１１全体がコンデンサを形成するようになっている。このように、第三実施形態のセンサ１０Ｃでは、平板状の電極板６２，６３によりセルＣ１１全体をコンデンサにしたことで、電極表面積Ｓを効果的に確保することが可能となり、検出可能な静電容量絶対値を高めることが可能になる。また、電極間距離ｄがセルピッチとなり均一化されることで、初期静電容量のバラツキを効果的に抑制することができる。

なお、セルＣ１１に堆積したＰＭを燃焼除去する場合は、電極板６２，６３に電圧を直接印加するか、あるいは、フィルタ層６１と電極板６２，６３との間に図示しないヒータ基板等を介設すればよい。

［第四実施形態］
次に、第四実施形態に係るセンサ１０Ｄの詳細について説明する。図８に示すように、第四実施形態のセンサ１０Ｄは、第一実施形態の各センサ部３０Ｌ，３０Ｍ，３０Ｓを、気孔率及び、平均気孔径の異なるセラミックスで形成したセンサ部７０Ｌ，７０Ｍ，７０Ｓにしたものである。

図８は、センサ１０Ｄが備える各センサ部７０Ｌ，７０Ｍ，７０Ｓの排気流れ方向の断面図を示している。

各センサ部７０Ｌ，７０Ｍ，７０Ｓは、フィルタ層７１Ｌ，７１Ｍ，７１Ｓと、第１電極板７２Ｌ，７２Ｍ，７２Ｓ及び第２電極板７３Ｌ，７３Ｍ，７３Ｓと、導電線７４，７５を備えている。

各フィルタ層７１Ｌ，７１Ｍ，７１Ｓは、多孔質セラミックスで構成され、ＰＭを捕集する複数の孔７６Ｌ，７６Ｍ，７６Ｓと、各孔７６Ｌ，７６Ｍ，７６Ｓをそれぞれ形成する壁部７７Ｌ，７７Ｍ，７７Ｓを有する。

フィルタ層７１Ｌの気孔率は、フィルタ層７１Ｍ及び、フィルタ層７１Ｓの気孔率よりも大きい。また、フィルタ層７１Ｌの各孔７６Ｌの孔径を平均した平均気孔径は、他のフィルタ層７１Ｍ，７１Ｓの平均気孔径よりも大きく形成されている。つまり、本実施形態では、排気ガスの排気上流から下流へ気孔率が高い（或は、平均気孔径が大きい）順にフィルタ層７１Ｌ，７１Ｍ，７１Ｓが配置されている。

各センサ部７０Ｌ，７０Ｍ，７０Ｓに流入する排気ガス中に含まれるＰＭは、前述の壁部７７Ｌ，７７Ｍ，７７Ｓで区画形成された孔７６Ｌ，７６Ｍ，７６Ｓ内に向かって流れる。各センサ部７０Ｌ，７０Ｍ，７０Ｓの孔７６Ｌ，７６Ｍ，７６Ｓの径より大きな径のＰＭは孔７６Ｌ，７６Ｍ，７６Ｓに捕集され、一方、孔７６Ｌ，７６Ｍ，７６Ｓの径より小さな径のＰＭは孔７６Ｌ，７６Ｍ，７６Ｓを通過して、フィルタ層７１Ｌ，７１Ｍ，７１Ｓの下流に流れる。このようにして、排気ガスの排気上流側から順に気孔率が小さく（或は、平均気孔径が小さく）なるように配置されたフィルタ層７１Ｌ，７１Ｍ，７１Ｓのそれぞれの気孔率に対応する孔径より大きな径のＰＭが各センサ部７０Ｌ，７０Ｍ，７０Ｓのフィルタ層７１Ｌ，７１Ｍ，７１Ｓに捕集される。

第１電極板７２Ｌ，７２Ｍ，７２Ｓ及び第２電極板７３Ｌ，７３Ｍ，７３Ｓは、例えば、平板状の導電性部材であって、その外形寸法をフィルタ層７１Ｌ，７１Ｍ，７１Ｓと略同一に形成されている。これら第１電極板７２Ｌ，７２Ｍ，７２Ｓ及び第２電極板７３Ｌ，７３Ｍ，７３Ｓは、フィルタ層７１Ｌ，７１Ｍ，７１Ｓを挟んで配置されると共に、導電線７４，７５を介してコントロールユニット４０に内蔵された図示しない静電容量検出回路にそれぞれ接続されている。

すなわち、第１電極板７２Ｌ，７２Ｍ，７２Ｓと第２電極板７３Ｌ，７３Ｍ，７３Ｓとを対向配置し、これら第１電極板７２Ｌ，７２Ｍ，７２Ｓと第２電極板７３Ｌ，７３Ｍ，７３Ｓ間にフィルタ層７１Ｌ，７１Ｍ，７１Ｓを挟持させたことで、孔７６Ｌ，７６Ｍ，７６Ｓ全体がコンデンサを形成するようになっている。

なお、孔７６Ｌ，７６Ｍ，７６Ｓに堆積したＰＭを燃焼除去する場合は、電極板第１電極板７２Ｌ，７２Ｍ，７２Ｓ及び第２電極板７３Ｌ，７３Ｍ，７３Ｓに電圧を直接印加するか、あるいは、フィルタ層７１Ｌ，７１Ｍ，７１Ｓと第１電極板７２Ｌ，７２Ｍ，７２Ｓ及び第２電極板７３Ｌ，７３Ｍ，７３Ｓとの間に図示しないヒータ基板等を介設すればよい。

本実施形態のフィルタ層７１Ｌ，７１Ｍ，７１Ｓは、コージェライトのセラミックスで形成するのが好適であるが、耐熱性を有し、排ガスが通過可能で、かつ、気孔率が把握可能な部材であれば、それらをフィルタ層を構成する部材として適用することができる。

［その他］
本発明は、上述の各実施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、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、図９に示すように、排気管１１０に酸化触媒２１０とＤＰＦ２２０との間から分岐してＮＯｘ浄化触媒２３０よりも上流側で合流するバイパス管１９０を接続し、第一実施形態のセンサ部３０Ｌ，３０Ｍ，３０Ｓ又は、第三実施形態のセンサ部６０Ｌ，６０Ｍ，６０Ｓをバイパス管１９０内に配置して構成してもよい。

また、上述の実施形態では、単一の電気ヒータ３６を用いて複数のセンサ部３０Ｌ，３０Ｍ，３０Ｓをまとめて加熱していたが、各センサ部３０Ｌ，３０Ｍ，３０Ｓに電気ヒータを個別に設けて再生制御を行ってもよい。この場合、再生対象となるセンサ部と、このセンサ部よりも排気ガスの流れ方向における下流側に位置するセンサ部については、まとめて再生処理をすることが好ましい。つまり、１つのフィルタ部材の前記セルに堆積された粒子状物質量が所定量以上になった場合には、当該フィルタ部材及び当該フィルタ部材に下流側で隣接するフィルタ部材を含む複数のフィルタ部材を加熱して粒子状物質を燃焼除去するフィルタ再生を実行する。これは、上流側のセンサ部の再生処理時に生じた加熱後の排気ガスによって、下流側に堆積されたＰＭが焼失する可能性があるためである。

また、上述の実施形態では気孔の大きさが異なる３種類のフィルタ部材３１Ｌ，３１Ｍ，３１Ｓが備えられていたが、フィルタ部材の種類の数はこれに限定されない。２種類以上のフィルタ部材が備えられていればよい。

また、図示は省略するが、第一実施形態（又は、第二実施形態）において、導入口１２と導出口１３との位置を入れ替えて、ケース部材１１内に導入される排気ガスの流れを逆向きにしてもよい。この場合は、フィルタ部材３１Ｌ，３１Ｍ，３１Ｓを、ケース部材１１内に反転させて収容すればよい。

１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ、１０Ｄ センサ
１１ ケース部材
１２ 導入口
１３ 導出口
２０ 台座部
２１ 雄ネジ部
２２ ナット部
３０Ｌ 第１センサ部
３０Ｍ 第２センサ部
３０Ｓ 第３センサ部
３１Ｌ 第１フィルタ部材（粒子状物質捕集部）
３１Ｍ 第２フィルタ部材（粒子状物質捕集部）
３１Ｓ 第３フィルタ部材（粒子状物質捕集部）
３２Ｌ，３３Ｌ 第１電極
３２Ｍ，３３Ｍ 第２電極
３２Ｓ，３３Ｓ 第３電極
３６ 電気ヒータ（再生手段）
４０ コントロールユニット
４１ フィルタ再生制御部（再生手段）
４２ 第１ＰＭ量推定部（推定手段）
４３ 第２ＰＭ量推定部（推定手段）
４４ 第３ＰＭ量推定部（推定手段）
４５ 総ＰＭ量演算部

Claims (5)

1. 排気ガス中の粒子状物質を捕集する気孔率が異なる複数のフィルタ部材を、前記排気ガスの排気上流から下流へ気孔率が高い順に配置した粒子状物質捕集部と、
   複数の前記フィルタ部材のそれぞれに前記フィルタ部材を挟んで対向配置される電極と、
   前記一対の電極間の静電容量変化量に基づいて、気孔率が異なる前記フィルタ部材のそれぞれに捕集された粒子状物質量を、当該フィルタ部材毎にそれぞれ推定する推定手段と、
   各フィルタ部材に個別に設けられ、各フィルタ部材を加熱する複数の加熱手段と、
   １つの前記フィルタ部材に捕集された粒子状物質量が所定量以上になった場合に、当該フィルタ部材及び当該フィルタ部材に下流側で隣接するフィルタ部材を含む複数のフィルタ部材を、当該フィルタ部材に設けられた前記加熱手段及び当該フィルタ部材に下流側で隣接するフィルタ部材に設けられた前記加熱手段により加熱して粒子状物質を燃焼除去するフィルタ再生を実行する再生手段と、を備える
   ことを特徴とするセンサ。
2. 排気ガス中の粒子状物質を捕集する平均孔径が異なる複数のフィルタ部材を、前記排気ガスの排気上流から下流へ平均孔径が大きい順に配置した粒子状物質捕集部と、
   複数の前記フィルタ部材のそれぞれに前記フィルタ部材を挟んで対向配置される電極と、
   前記一対の電極間の静電容量変化量に基づいて、平均孔径が異なる前記フィルタ部材のそれぞれに捕集された粒子状物質量を、当該フィルタ部材毎にそれぞれ推定する推定手段と、
   各フィルタ部材に個別に設けられ、各フィルタ部材を加熱する複数の加熱手段と、
   １つの前記フィルタ部材に捕集された粒子状物質量が所定量以上になった場合に、当該フィルタ部材及び当該フィルタ部材に下流側で隣接するフィルタ部材を含む複数のフィルタ部材を、当該フィルタ部材に設けられた前記加熱手段及び当該フィルタ部材に下流側で隣接するフィルタ部材に設けられた前記加熱手段により加熱して粒子状物質を燃焼除去するフィルタ再生を実行する再生手段と、を備える
   ことを特徴とするセンサ。
3. 前記推定手段は、前記再生手段によるフィルタ再生終了から次のフィルタ再生開始までの再生インターバル期間に、前記一対の電極部材間の静電容量変化量に基づいて推定した粒子状物質量を順次積算することで、前記排気ガス中の粒子状物質量をリアルタイムに推定する
   請求項１又は２に記載のセンサ。
4. 前記フィルタ部材は多孔質隔壁で区画されたセルを備えたフィルタ部材であって、
   前記再生手段は、前記セル内に挿入されて通電により発熱する電熱線を含む
   請求項１から３の何れか一項に記載のセンサ。
5. 前記フィルタ部材が前記複数のセルを一方向に並列に配置したフィルタ層であり、前記一対の電極部材が前記フィルタ層を挟んで対向する平板状の第１及び第２電極板であり、前記再生手段が通電により発熱する平板状のヒータ基板を含み、当該ヒータ基板が前記第１電極板と前記フィルタ層との間又は、前記第２電極板と前記フィルタ層との間の何れかに介設される
   請求項４に記載のセンサ。

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