JP7088056B2

JP7088056B2 - 粒子状物質検出センサ

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Publication number: JP7088056B2
Application number: JP2019018094A
Authority: JP
Inventors: 幹泰松岡; 友生川瀬; 寿幸石井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2019-02-04
Filing date: 2019-02-04
Publication date: 2022-06-21
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Description

本発明は、内燃機関の排ガス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センサに関する。

車両用エンジン等からの排ガスに含まれる粒子状物質（すなわち、ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ；以下、適宜ＰＭと称する）を捕集するために、パティキュレートフィルタを含む排ガス浄化システムが用いられている。排ガス浄化システムには、ＰＭセンサが設けられて、パティキュレートフィルタの破損時等に漏れ出る粒子状物質を検出するようになっている。

近年、排ガス規制が厳しくなっており、システムの故障等を速やかに検出することが要求されている。その場合には、ＰＭセンサが正常に動作しないと誤検出が生じるおそれがあることから、システムの信頼性を確保するために、ＰＭセンサそのものの異常の有無を検出することが必要となっている。ＰＭセンサの出力異常の１つに、回路異常があり、例えば、ＰＭセンサの検出部に接続されるリード部や外部接続用のワイヤ等の信号線に断線異常が生じると、本来の出力が得られずに、粒子状物質の検出が困難になる。

特許文献１には、絶縁基板上に配置された少なくとも２つの測定電極と加熱要素とを含む粒子検出用のセンサについて、その機能を監視するための方法が開示されている。具体的には、第１の温度にて第１の電流－電圧測定を実施した後、より低い第２の温度にて第２の電流－電圧測定を実施し、測定された第１、第２の電流値の差分値が、所定の閾値に達していない場合に、センサの欠陥ないし不良と判定する。第２の温度は、第１の温度よりも低く設定され、２つの温度における差分値を用いることで、シャント電流をオフセットとして除外している。

特表２０１５－５２０３８７号公報

特許文献１では、正常なセンサにおいて、第１の温度から第２の温度への低下と共に電極間の導電率が減少し、電流値が変化することを利用して判定を行っている。センサ出力は、経年変化に伴って低下するため、特許文献１では、差分値に基づく判定とすることで、経年による出力変化の影響を抑制可能としている。しかしながら、センサの温度を高い側から低い側へ変化させる場合には、電流値の変化量が小さいことから誤判定のおそれがある。その場合に、差分値に基づく判定を有利に行うためには、第１の温度と第２の温度との十分な温度差が必要であり、第１の温度を、耐熱限界に近い高温（例えば７８５Ｃ°）に加熱し、かつ、第２の温度を、第１の温度よりも１２０℃～１８０℃程度低く（例えば６３５Ｃ°）する必要がある。そのため、正確な温度制御が要求されるだけでなく、高温での電圧印加が繰り返されることで、熱劣化による耐久性の低下が懸念される。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、熱劣化による耐久性の低下を抑制しながら、検出部に接続される信号線の断線異常を正確に検出可能として、より信頼性の高い粒子状物質検出センサ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ためのセンサ素子（１）と、センサ制御部（Ｓ２）と、を備える粒子状物質検出センサ（Ｓ）であって、
上記センサ素子は、
絶縁性基体の表面に一対の計測電極（３１、３２）を有する検出部（３）と、
上記検出部を加熱するためのヒータ部（４）と、を有しており、
上記センサ制御部は、
上記ヒータ部への通電を制御して上記検出部を所定温度に保持する温度制御部（２１）と、
一対の上記計測電極間に電圧を供給して、一対の上記計測電極間の抵抗値に応じた検出信号を取得する検出制御部（２２）と、
上記検出制御部により取得される検出信号に基づいて、上記センサ素子の異常の有無を判定する異常判定部（２３）と、を有しており、
上記異常判定部は、
上記検出部を、上記温度制御部によって第１判定温度（Ｔ１）に制御し、上記検出制御部によって一対の上記計測電極間に検出用電圧が供給された状態で、取得される検出値が正常判定閾値（Ｉth）以上か否かを判定する第１判定部（２４）と、
上記検出部を、上記温度制御部によって上記第１判定温度より高く第２判定温度（Ｔ２）以下の温度範囲に制御し、上記検出制御部によって一対の上記計測電極間に上記検出用電圧が供給された状態で、取得される検出値が上記正常判定閾値以上か否かを判定する第２判定部（２５）と、を有し、
上記第１判定部が否定判定され、かつ、上記第２判定部が、上記第２判定温度において否定判定されたときに、上記検出信号の信号経路の断線異常と判定する、粒子状物質検出センサにある。

上記粒子状物質検出センサにおいて、センサ制御部は、温度制御部により、検出部の温度を第１判定温度又は第２判定温度に制御し、異常判定部において、第１判定温度又は第２判定温度における検出値を正常判定閾値と比較する。正常判定閾値は、例えば、検出部が正常であるときに、より温度の低い第１判定温度において、正常判定が可能な値とすると、第１判定部において、正常と判定された場合には、第１判定温度から第２判定温度へ昇温することなく、異常判定を終了することができる。第１判定部が否定判定された場合には、さらに第２判定部において、第２判定温度へ向けて昇温する間に、正常又は異常と判定することができる。

このように昇温を段階的に行うことで、経年変化による出力低下がある場合のみ、第１判定部から第２判定部へ移行する。経年による出力変化のない場合は、より低い第１判定温度において正常判定されるので、第２判定部への移行は不要になる。さらに、第２判定部においても、第２判定温度へ向けて段階的に昇温することで、過昇温のおそれが小さくなる。したがって、不要な昇温を抑制して、熱劣化やエネルギロスを抑制しながら、正常又は異常の判定を、正確に行うことができる。

以上のごとく、上記態様によれば、熱劣化による耐久性の低下を抑制しながら、検出部に接続される信号線の断線異常を正確に検出可能として、より信頼性の高い粒子状物質検出センサ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、粒子状物質検出センサの全体構成図。実施形態１における、粒子状物質検出センサのセンサ制御部によるセンサ制御の概要を示すブロック図。実施形態１における、粒子状物質検出センサのセンサ本体の要部拡大断面図。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要部拡大斜視図。実施形態１における、粒子状物質検出センサを含む排ガス浄化システムの全体構成図。実施形態１における、センサ素子の動作を説明するための模式的な断面図。実施形態１における、センサ制御部による異常判定の概要を示すブロック図。実施形態１における、正常時の素子温度と検出値の関係を示す図。実施形態１における、異常判定部の第１、第２判定部にて実施される昇温操作と閾値判定の概要を示す図。実施形態１における、異常判定部の第１、第２判定部による正常判定及び異常判定の概要を示す図。実施形態１における、異常判定処理のフローチャート図。実施形態１における、異常判定処理のタイムチャート図。実施形態１における、異常判定処理のタイムチャート図。実施形態１における、センサ制御部において検出されるセンサ電流と排ガス流速の関係を示す図。実施形態１における、温度制御部による昇温操作と素子温度及びリーク電流の関係を示す図。実施形態２における、粒子状物質検出センサのセンサ制御部によるセンサ制御の概要を示すブロック図。実施形態２における、異常判定処理のフローチャート図。実施形態２における、異常判定処理のタイムチャート図。実施形態２における、温度制御部にて制御される素子温度とヒータ抵抗の関係を示す図。実施形態１における、温度制御部による温度制御手法を説明するためのブロック図。実施形態１における、温度制御部による温度制御手法を説明するためのタイムチャート図。

（実施形態１）
粒子状物質検出センサに係る実施形態について、図１～図１４を参照して説明する。
図１～図４に示すように、粒子状物質検出センサＳは、被測定ガスに含まれる粒子状物質を検出するためのセンサ素子１を含むセンサ本体Ｓ１と、センサ側制御ユニット（Sensor Control Unit；以下、ＳＣＵと称する）２を含むセンサ制御部Ｓ２と、を備える。センサ素子１は、センサ本体Ｓ１内に保持され、絶縁性基体１１の表面に一対の計測電極３１、３２を有する検出部３と、検出部３を加熱するためのヒータ部４と、を有している。

このような粒子状物質検出センサＳは、例えば、図５に示すように、内燃機関としての車両用のディーゼルエンジン（以下、エンジンと略称する）ＥＮＧに搭載される排ガス浄化装置１００に適用することができる。センサ本体Ｓ１は、エンジンＥＮＧの排ガス管１０１に取り付けられる。排ガス管１０１の管壁には、センサ本体Ｓ１の上流側に、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦと略称する）１０２が取り付けられ、ＳＣＵ２からの指令によって、センサ本体Ｓ１に収容されるセンサ素子１が、ＤＰＦ１０２から漏れ出る粒子状物質を検出する。

ＳＣＵ２は、温度制御部２１と、検出制御部２２と、異常判定部２３と、を有しており、車両側電子制御ユニット（Electronic Control Unit；以下、ＥＣＵと略称する）５に接続されて、ＥＣＵ５と共にセンサ制御部Ｓ２を構成している。
温度制御部２１は、ヒータ部４への通電を制御して検出部３を所定温度に保持するものであり、検出制御部２２は、一対の計測電極３１、３２間に電圧を供給して、一対の計測電極３１、３２間の抵抗値に応じた検出信号を取得する。異常判定部２３は、検出制御部２２により取得される検出信号に基づいて、センサ素子１の異常の有無を判定する。

さらに、異常判定部２３は、第１判定部２４と、第２判定部２５と、を有し、第１判定部２４が否定判定され、かつ、第２判定部２５が、第２判定温度Ｔ２において否定判定されたときに、検出信号の信号経路の断線異常と判定する。
第１判定部２４は、検出部３を、温度制御部２１によって第１判定温度Ｔ１に制御し、検出制御部２２によって一対の計測電極３１、３２間に検出用電圧が供給された状態で、取得される検出値が正常判定閾値以上か否かを判定する。
第２判定部２５は、検出部３を、温度制御部２１によって第１判定温度Ｔ１より高く第２判定温度Ｔ２以下の温度範囲に制御し、検出制御部２２によって一対の計測電極３１、３２間に検出用電圧が供給された状態で、取得される検出値が正常判定閾値Ｉth以上か否かを判定する。

具体的には、第２判定部２５は、第１判定温度Ｔ１から第２判定温度Ｔ２へ向けて昇温する間に、少なくとも１回以上、取得される検出値を閾値判定することが好ましい。そして、第２判定温度Ｔ２に到達するまで否定判定が継続されたときに、断線異常と判定することができる。

また、異常判定部２３は、第１判定部２４が肯定判定されたとき、又は、第２判定部２５において、第１判定温度Ｔ１から第２判定温度Ｔ２へ昇温する間に実施される閾値判定が、肯定判定されたときに、検出信号の信号経路は正常と判定することができる。

第２判定部２５において、温度制御部２１は、例えば、第１判定温度Ｔ１から第２判定温度Ｔ２への昇温速度を、３℃／０．１秒以下とすることが好ましい。このとき、温度制御の遅れにより、検出部３が過昇温となることを抑制することができる。

センサ制御部Ｓ２は、温度制御部２１によって、検出部３を粒子状物質が燃焼可能な再生温度領域に制御する再生制御機能を備えることができる。このとき、第１判定部２４における第１判定温度Ｔ１を、再生温度領域に設定することが望ましい。
また、第２判定部２５における第２判定温度Ｔ２は、検出部３の個体バラツキ又は経年による導電率低下に基づいて想定される検出信号の下限値が、正常判定閾値Ｉth以上となるように設定されることが望ましい。

次に、粒子状物質検出センサＳの詳細構成について、説明する。
図１、図２において、粒子状物質検出センサＳは、センサ素子１を有するセンサ本体Ｓ１と、センサ制御部Ｓ２と、を有している。センサ制御部Ｓ２は、センサ本体Ｓ１に接続されるＳＣＵ２及びＥＣＵ５にて構成される。センサ本体Ｓ１は、筒状のハウジングＨを有し、その内周側にセンサ素子１を同軸的に収容すると共に、ハウジングＨの外周側に、取付ネジ部Ｈ１を備えている。両端が開口するハウジングＨの先端側には、容器状の素子カバー１０が固定され、基端側には、筒状の大気カバー１２が固定されている。
なお、ここでは、図１における上下方向をセンサ素子１の軸方向Ｘとし、その下端側をセンサ素子の先端側、上端側をセンサ素子１の基端側としている。

大気カバー１２は、排ガス管１０１（例えば、図５参照）の外部に位置するセンサ素子１の基端側を覆っており、大気カバー１２の基端側から取り出されるリード線１３を介して、センサ素子１とＳＣＵ２とが電気的に接続されている。ＳＣＵ２は、例えば、ＥＣＵ５からの異常判定のための検出指示や再生指示に基づいて、温度制御部２１が、センサ素子１のヒータ部４に加熱指示を出力して、検出部３を所望の温度に制御し、又は、検出部３の加熱を停止する。

また、ＳＣＵ２の検出制御部２２から、センサ素子１の検出部３に検出用電圧が供給され、検出部３からの検出信号に基づく検出値が、ＥＣＵ５へ送信される。この検出値は異常判定部２３へ入力され、検出値に基づく異常有無の判定結果が、ＥＣＵ５へ送信される。ＥＣＵ５は、これらセンサ情報や、ＤＰＦ１０２の下流に設置される温度センサ１０３からのガス温度情報に基づいて（例えば、図５参照）、ＤＰＦ１０２によるＰＭ捕集等を制御する。また、ＳＣＵ２を介して粒子状物質検出センサＳの作動を制御する。
これら各部による制御の詳細は、後述する。

図３、図４に一例を示すように、センサ素子１は、細長い直方体形状で、センサ本体Ｓ１の軸方向Ｘに延びている。センサ素子１の先端面には、検出部３が設けられて、エンジンＥＮＧから排出される排ガスに含まれるＰＭを検出する。センサ素子１の先端部は、ハウジングＨから軸方向Ｘに突出し、ハウジングＨに取り付けられた素子カバー１０内に位置している。素子カバー１０は、センサ素子１の外側を覆って、排ガス中の被毒物質や凝縮水等から保護している。

素子カバー１０は、例えば、ハウジングＨ側が開口する二重容器状で、同軸配置されるアウタカバー１０ａとインナカバー１０ｂからなる。アウタカバー１０ａは、先端面側の側面に、複数のガス流通孔１１ａが貫通形成されて、排ガス管１０１から排ガスを導入又は導出可能となっている。インナカバー１０ｂは、先端面にガス流通孔１１ｂが貫通形成されると共に、基端側の側面に、複数のガス流通孔１１ｃが貫通形成されている。ガス流通孔１１ｃには、インナカバー１０ｂの内側へ向けて傾斜するガイド部１１ｄが設けられ、ガイド部１１ｄの先端は、センサ素子１の検出部３に向けて配置される。

センサ素子１は、例えば、積層構造を有する積層型素子であり、偏平な直方体形状の絶縁性基体１１の先端面を検出部３としている。検出部３には、一対の計測電極３１、３２となる複数の線状電極が配置されており、交互に極性の異なる複数の電極対を構成している。検出部３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、計測電極３１、３２となる電極膜を交互に配設して積層体とし、焼成して一体化することにより形成される。

このとき、絶縁性基体１１に少なくとも一部が埋設される電極膜の端縁部が、絶縁性基体１１の先端面に線状に露出して、計測電極３１、３２を構成する。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を用いて構成することができる。
絶縁性基体１１の内部には、一対の計測電極３１、３２に接続される、図示しないリード部が埋設されている。これらリード部は、センサ素子１の基端側に引き出されて、リード線１３を介してＳＣＵ２の検出制御部２２に接続される（図１参照）。

また、絶縁性基体１１の内部には、計測電極３１、３２が形成される先端面の近傍に、ヒータ部４の発熱部となるヒータ電極４１と、ヒータ電極４１に通電するための一対のリード部４２、４３と、検出用リード部４４が埋設されている。これらリード部４２、４３、４４は、センサ素子１の基端側に引き出されて、リード線１３を介してＳＣＵ２の温度制御部２１に接続される（例えば、図１参照）。

温度制御部２１は、例えば、ヒータ駆動信号のパルス幅を制御するパルス幅変調回路を備え、パルス信号のデューティ比(以下、ヒータデューティと称する)によって、ヒータ部４への通電量を制御することができる。また、ヒータ電極４１の抵抗値（以下、適宜、ヒータ抵抗と略称する）に基づいて、センサ素子１の検出部３の温度（以下、適宜、素子温度と略称する）Ｔを検出することができる。そのために、温度制御部２１には、例えば、ヒータ抵抗検出回路が設けられ、所定の電圧を印加したときにヒータ部４を流れる電流を検出することでヒータ部４の抵抗値を算出する。また、検出用リード部４４を用いて、リード部４２、４３のリード抵抗を検出し、ヒータ部４の抵抗値から減算することで、ヒータ抵抗を正確に算出することができる。

したがって、粒子状物質検出センサＳの異常判定時や、エンジンＥＮＧの始動に伴うセンサ素子１の再生制御時において、温度制御部２１によってヒータ部４の発熱量を制御し、センサ素子１を所望の温度に加熱することができる。例えば、エンジンＥＮＧの始動後に、検出制御部２２によるＰＭ検出を開始する際には、これに先立って、検出部３をＰＭの燃焼温度以上に加熱し(例えば、６００℃～８００℃程度)、捕集されたＰＭを燃焼除去して、センサ素子１を初期状態に戻す再生制御が実施される。また、エンジンＥＮＧの低温始動時等に、センサ素子１に付着する凝縮水を除去するために、ＰＭの燃焼温度より低い温度（例えば、３００℃～６００℃程度）に加熱する耐被水制御を実施することもできる。

ここで、図６に示す模式図によりＰＭ検出原理を説明する。センサ素子１の検出部３は、絶縁性基体１１の表面に一対の計測電極３１、３２が所定間隔をおいて対向配設されており、初期状態において一対の計測電極３１、３２は導通していない。ＰＭ検出期間に、検出制御部２２によって所定の電圧が供給されると、一対の計測電極３１、３２間に発生する電界によってＰＭが引き寄せられ、徐々に堆積する。これにより、一対の計測電極３１、３２間が導通すると、ＰＭ捕集量に応じて一対の計測電極３１、３２間の抵抗値が変化する。したがって、一対の計測電極３１、３２間の電流信号を検出することで、予め知られるＰＭ捕集量と電流との関係から、ＰＭ捕集量を求めることができる。

検出制御部２２は、例えば、一対の計測電極３１、３２間に電圧を供給するための電圧供給回路を備える。これにより、所定のＰＭ検出期間において、所定の捕集用電圧を供給して、一対の計測電極３１、３２間にＰＭを静電捕集し、ＰＭ捕集量に基づくセンサ電流を検出することができる。また、異常判定部２３による所定の異常判定期間において、所定の高温条件下で、所定の検出用電圧を供給することで、一対の計測電極３１、３２間にリーク電流を発生させることができる。異常判定のための検出用電圧は、ＰＭ検出のための捕集用電圧と同じでも、異なっていてもよい。

次に、ＳＣＵ２の異常判定部２３の詳細について、説明する。
図７に示すように、本形態において、センサ素子１のヒータ部４は、ヒータスイッチを有するＨ+配線を介して、ＳＣＵ２の温度制御部２１に接続されると共に、Ｈ-配線を介して接地されている。また、検出部３は、電圧スイッチを有するＳ+配線を介して、検出制御部２２に接続されると共に、Ｓ-配線を介して接地されている。Ｓ+配線の途中には、電流計２０が配置されており、ＰＭ検出期間又は異常判定期間に電圧スイッチがオンとなったときに、検出部３を流れるセンサ電流が検出される。

ここで、図中に×印で示すように、信号経路となるＳ+配線又はＳ-配線の途中に断線が生じると、ＰＭ検出期間に電圧スイッチがオンとなっても、センサ電流が検出されない。すなわち、前段のＤＰＦ１０２から漏れ出るＰＭが、検出部３の一対の計測電極３１、３２間に堆積して、電極間抵抗が低下している状態であっても、粒子状物質検出センサＳによるＰＭ捕集量がゼロと判断され、ＤＰＦ１０２の故障検出が困難となる。

そこで、ＤＰＦ１０２の故障検出の精度を確保するために、異常判定部２３に第１判定部２４及び第２判定部２５を設けて、粒子状物質検出センサＳによるＰＭ検出機能が正常か異常かを、定期的に診断する。そのために、異常判定部２３は、検出部３の計測電極３１、３２間に検出可能なリーク電流が発生する条件において、検出制御部２２によるセンサ電流の検出を行い、その検出値の大きさに基づいて、正常判定又は異常判定を行うことができる。

なお、信号経路を構成するセンサ信号線であるＳ+配線及びＳ-配線は、センサ素子１とＳＣＵ２とを接続するリード線１３に加えて、センサ素子１内部の検出部３に至る図示しないリード部、ＳＣＵ２に形成されるリード部等を含む。

図８に示すように、正常なセンサ素子１の検出部３に、検出用電圧（例えば、３０Ｖ～４０Ｖ程度）を供給し、昇温していくと、再生温度領域（例えば、６５０℃～８００℃程度）以上の高温領域において、計測電極３１、３２間にリーク電流が発生する。検出されるリーク電流（すなわち、図中の検出値）は、温度上昇に伴い、指数関数的に大きくなり、正常判定閾値Ｉthを超える。ただし、正常なセンサ素子１の初期品であっても個体バラツキが存在し、また、経年変化が進むほど導電率が減少するために、発現する電流値が大きく低下する（すなわち、図中の電流下限品）。一方、断線が生じている状態では、検出信号が得られず、検出値は、温度によらずほぼゼロとなる（すなわち、図中の異常品）。

このとき、図９下図に示すように、正常品と異常品を区別可能な正常判定閾値Ｉthを、第１判定部２４と第２判定部２５とに共通に設定し、素子温度Ｔを段階的に昇温操作しながら、検出部３からの検出値と比較することで、センサ信号線の異常診断が可能となる。その場合には、まず、第１判定部２４において、正常初期品にてセンサ電流が検出可能な第１判定温度Ｔ１に昇温し、必要により、第２判定部２５において、第１判定温度Ｔ１から第２判定温度Ｔ２へ向けて、さらに昇温操作を行う。第２判定温度Ｔ２は、第１判定温度Ｔ１よりも高い温度で、かつ、電流下限品においてもセンサ電流が検出可能な温度であり、過昇温に至らない温度範囲で設定される。

好ましくは、図９上図に示すように、第１判定温度Ｔ１から第２判定温度Ｔ２へ向けて段階的に昇温しながら、適時、センサ電流を検出し、異常診断を実施するのがよい。第２判定温度Ｔ２に至るまでに、正常判定閾値Ｉthに達した場合には、その時点で判定を終了することができる。このようにすると、必要以上に昇温することなく最小限の消費電力での診断が可能であり、また、センサ素子１の熱劣化を抑制することができる。

これにより、図１０の上図に示すように、正常初期品であれば、第１判定部２４にて、第１判定温度Ｔ１に昇温することで、検出値が正常判定閾値Ｉthを超え、正常と判定することができる。図１０の中図に示すように、センサ電流が発現しにくい電流下限品であっても、第２判定部２５にて、第１判定温度Ｔ１より高い第２判定温度Ｔ２に向けて昇温する間に、検出値が正常判定閾値Ｉthを超え、正常と判定することができる。一方、図１０の下図に示すように、異常品であれば、第１、第２判定部２４、２５のいずれにおいても正常と判定されず、異常と判定することができる。

正常判定閾値Ｉthは、具体的には、断線時に検出される異常品のセンサ電流（すなわち、回路誤差バラツキを含む）と、正常時に検出されるセンサ電流（すなわち、正常初期品、電流下限品を含む）とを確実に切り分けできる電流値に設定される。好適には、想定される回路誤差バラツキ（例えば、０．５μＡ）を考慮して、正常判定閾値Ｉthをそれよりも十分大きい値（例えば、１．０μＡ以上）に設定することが望ましい。

第１判定部２４における第１判定温度Ｔ１は、具体的には、正常初期品でリーク電流に基づくセンサ電流が発現する温度以上で、かつ、センサ素子１が熱劣化しない温度範囲に設定される。この第１判定温度Ｔ１の温度範囲は、例えば、検出部３の計測電極３１、３２間の絶縁抵抗値が所定値（例えば、２０ＭΩ；３５Ｖ供給時）以下となる温度を下限値とし、計測電極３１、３２を構成する白金の蒸散や灰分（すなわち、Ａｓｈ）の溶着に至らない昇温限界温度より低く、正常初期品の個体バラツキを考慮したときにリーク電流が発現する最大温度を上限値とすることができ、好適には、通常の正常初期品にてセンサ電流を検出可能な、比較的低い温度範囲（例えば、７００℃～７５０℃程度）に設定することで、エネルギロスをより低減することができる。

また、第２判定部２５における第２判定温度Ｔ２は、第１判定温度Ｔ１よりも高い温度で、かつ、経年変化によってセンサ電流が発現しにくい電流下限品でも、想定される検出信号の下限値が、正常判定閾値Ｉthを超えるような温度範囲に設定される。この第２判定温度Ｔ２の温度範囲は、好適には、高ガス流速時の電流低下も考慮して、温度回路検出バラツキに埋もれないレベルの電流値が確実に発生できる温度を下限値とし、計測電極３１、３２を構成する白金の蒸散や灰分（すなわち、Ａｓｈ）の溶着に至らない昇温限界温度を上限値とすることができ、昇温限界温度を超えない温度に設定することで（例えば、７５０℃～８００℃程度）、過昇温を抑制しながら、正確な診断が可能になる。

異常判定部２３による異常診断は、好適には、エンジンＥＮＧの始動時に実施されるセンサ素子１の再生制御時に、併せて行うことができる。その場合には、第１判定部２４の第１判定温度Ｔ１が、センサ素子１の再生温度領域の温度となるように設定する。好適には、再生制御時の目標温度を、第１判定温度Ｔ１に設定することで、異常判定部２３における昇温制御を効率よく行うことができる。

次に、ＳＣＵ２の異常判定部２３において実行される手順の概要を、図１１のフローチャートと、図１２、図１３のタイムチャートを用いて説明する。図１１のステップＳ２～ステップＳ４は、第１判定部２４に対応し、ステップＳ６～ステップＳ１０は、第２判定部２５に対応している。図１２に示すように、ＳＣＵ２によるセンサ素子１の制御モードは、エンジンＥＮＧの始動に際して、耐被水モード、再生モード、冷却モード、捕集準備モードの順に遷移する。第１、第２判定部２４、２５による異常判定は、再生モードにおいて実施され、再生温度≦第１判定温度Ｔ１＜第２判定温度Ｔ２である。

図１１において、異常判定処理が開始されると、まず、ステップＳ１にて、ＳＣＵ２の制御モードが、センサ素子１の再生モードか否かを判定する。ステップＳ１が否定判定されたときには、本処理を一旦終了する。ステップＳ１が肯定判定された場合には、ステップＳ２へ進んで、センサ素子１の素子温度Ｔが、再生温度以上であるか否か、つまり、第１判定温度Ｔ１以上であるか否かを判定する（すなわち、素子温度Ｔ≧再生温度（Ｔ１）？）。

ステップＳ２が否定判定されたときには、ステップＳ１へ戻り、ステップＳ２が肯定判定された場合には、ステップＳ３へ進む。ステップＳ３では、第１判定部２４による異常判定のために、検出制御部２２を用いて検出部３の計測電極３１、３２間に所定の検出用電圧を供給する。次いで、ステップＳ４へ進んで、検出部３からの検出信号を読み込み、検出値が正常判定閾値Ｉth以上か否かを判定する（すなわち、検出値≧Ｉth？）。

ステップＳ４が肯定判定されたときには、検出値が正常判定閾値Ｉth以上であり、断線異常はないと判断されるので、ステップＳ５へ進んで、センサ素子１の信号経路は正常と判定する（すなわち、断線異常検出：正常判定）。
図１２左図に、この場合のタイムチャートを示すように、耐被水モードから再生モードに切り替わり、素子温度Ｔが第１判定温度Ｔ１以上となると、診断タイミングとなって検出用電圧が印加される。これにより、例えば、正常な初期品では、検出部３を流れるセンサ電流が速やかに正常判定閾値Ｉth以上となって、正常判定がなされる。すなわち、信号線断線異常フラグはオフのままとなる。

ステップＳ４が否定判定されたときには、ステップＳ６以降へ進み、続いて、第２判定部２５による異常判定を行う。ステップＳ６では、温度制御部２１を用いて、第１判定温度Ｔ１から第２判定温度Ｔ２へ向けて昇温操作を開始する。次いで、ステップＳ７へ進んで、検出部３からの検出信号を読み込み、検出値が正常判定閾値Ｉth以上か否かを判定する（すなわち、検出値≧Ｉth？）。

ステップＳ７が肯定判定されたときには、検出値が正常判定閾値Ｉth以上であり、断線異常はないと判断されるので、ステップＳ５へ進んで、センサ素子１の信号経路は正常と判定する（すなわち、断線異常検出：正常判定）。
図１２左図に、この場合のタイムチャートを示すように、耐被水モードから再生モードに切り替わり、素子温度Ｔが第１判定温度Ｔ１以上となると、診断タイミングとなって検出用電圧が印加される。このとき、例えば、正常品であっても経年変化が進んだ電流下限品では、センサ電流が発現しないが、さらに、第２判定温度Ｔ２へ昇温されることで、センサ電流が正常判定閾値Ｉth以上となって、正常判定がなされる。すなわち、信号線断線異常フラグはオフのままとなる。

ステップＳ７が否定判定されたときには、ステップＳ８へ進み、素子温度Ｔが第２判定温度Ｔ２に達したか否かを判定する（すなわち、素子温度Ｔ≧Ｔ２？）。ステップＳ８が肯定判定されたときには、ステップＳ９へ進んで、断線診断時間をカウントアップする。その後、ステップＳ１０へ進んで、断線診断時間が所定の判定値以上となったか否かを判定する（すなわち、断線診断時間≧判定値？）。
ステップＳ１０が否定判定されたときには、ステップＳ１へ戻り、以降のステップを繰り返す。

ステップＳ１０が肯定判定されたときには、検出値が正常判定閾値Ｉth以上になることはなく、センサ素子１の信号経路に断線異常があると判断されるので、ステップＳ１１へ進んで、異常判定する（すなわち、断線異常検出：異常判定）。さらに、ステップＳ１２へ進んで、ＳＣＵ制御モードを異常モードに設定する。
図１３に、この場合のタイムチャートを示すように、耐被水モードから再生モードに切り替わり、素子温度Ｔが第１判定温度Ｔ１以上となると、診断タイミングとなって検出用電圧が印加される。このとき、例えば、異常品ではセンサ電流が発現せず、さらに、第２判定温度Ｔ２へ昇温されても、センサ電流は正常判定閾値Ｉth以上とならない。この断線診断時間が一定期間継続され、判定値に達することで、信号線断線異常フラグがオンとなる。

このように、本形態によれば、異常判定部２３が第１、第２判定部２４、２５を有することで、過昇温を抑制しながら、センサ信号線の異常の有無を正確に判別することができる。また、検出部３の再生制御に兼用される温度制御部２１と、検出部３のＰＭ検出に兼用される検出制御部２２とを利用して、効率よく異常診断を実施することができる。

なお、図１４に示すように、センサ電流は排ガス流速によっても変化し、特に、８００℃を超える高温条件（例えば、８５０℃）において高流速となると、センサ電流が大きく低下する。これに対して、異常判定部２３の第１、第２判定温度Ｔ１、Ｔ２に対応する温度域（例えば、７５０℃、８００℃）では、センサ電流の変化は小さい。また、上述した従来技術のように、センサ電流の差分値を用いる場合には、２つの測定時に流速が大きく変化すると、正確な差分値が得られないおそれがあるが、本形態では、第１、第２判定部２４、２５における検出値に基づいて、その都度異常判定を行うので、流速依存性の影響を受けることなく、異常診断を実施することができる。

昇温操作に際しては、第１判定温度Ｔ１から第２判定温度Ｔ２への昇温時に、応答遅れ等が生じても、過昇温とならないように、かつ、断線診断時間内に第２判定温度Ｔ２へ昇温可能となるように、昇温速度の上限を設定することが望ましい（例えば、３℃／０．１秒以下）。また、断線診断時間の判定値以内に、第１判定温度Ｔ１から第２判定温度Ｔ２への昇温が可能となるように、昇温速度の下限を設定することが望ましい（例えば、１℃／０．１秒以上）。

例えば、図１５に示すように、第２判定温度Ｔ２を、昇温限界温度（例えば、８００℃以下）より低く、電流下限品においてリーク電流が発現する上限温度（例えば、７７０℃以上）に設定したとき、ヒータ部４の昇温操作によるリーク電流の発現から検出されるまでの時間遅れによって、素子温度Ｔが昇温限界温度を超えるおそれがある。そのような場合でも、昇温限界温度を超えないようにするには、上限温度から昇温限界温度への昇温（例えば、８００℃－７７０℃）が、時間遅れ(例えば、１秒)の範囲内となる必要がある。すなわち、以下に算出式を示すように、昇温速度の上限を、３℃／０．１秒とすることで、過昇温を抑制可能となる。
（８００℃－７７０℃）／１秒＝３℃／０．１秒

また、断線診断時間については、例えば、判定値を１０秒程度とし、第１判定温度Ｔ１と第２判定温度Ｔ２の温度差を１００℃程度としたときに、判定値以内の時間で昇温を完了させる必要がある。その場合には、昇温速度の下限を、１００℃／１０秒＝１℃／０．１秒とすることで、昇温遅れによる誤診断を抑制可能となる。
したがって、好適には、昇温速度を、１℃～３℃／０．１秒の範囲にて設定することが望ましい（例えば、２℃／０．１秒）。

（実施形態２）
図１６～図２１を参照して、実施形態２の粒子状物質検出センサＳについて説明する。
本形態において、粒子状物質検出センサＳの基本構成及び基本動作は、上記実施形態１と同様であり、図１６に示すように、ＳＣＵ２の異常判定部２３に第３判定部２６を設けた点が異なっている。本形態の異常判定部２３において実行される手順の概要を、図１７のフローチャートと、図１８のタイムチャートに示す。
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。

本形態では、異常判定部２３に第１、第２判定部２４、２５に加え、第３判定部２６を設けて、異常診断時に、温度制御部２１によって第１判定温度Ｔ１から第２判定温度Ｔ２に昇温するまでの経過時間を計測し、計測された経過時間（以下、診断経過時間と称する）が、時間判定値Ｔth未満か否かを判定する。異常判定部２３は、第３判定部２６が肯定判定されるまでに、第１、第２判定部２４、２５による検出信号の信号経路の正常判定又は異常判定がなされないときに、昇温異常と判定することができる。
これにより、上記実施形態１に示したセンサ素子１の信号経路の異常に加えて、温度制御部２１による昇温不良が生じた場合に、異常として検出可能としている。以下、相違点を中心に説明する。

なお、本形態では、図１６の上図に示すように、異常判定部２３を、ＥＣＵ５内に設けて、ＳＣＵ２内の検出制御部２２から送信される検出値と診断経過時間に基づいて、第１、第２判定部２４、２５と第３判定部２６にて、判定を行う。図１６の下図に示すように、異常判定部２３に加えて、温度制御部２１、検出制御部２２をＥＣＵ５内に設けることもできる。このように、異常判定部２３、温度制御部２１、検出制御部２２は、センサ制御部Ｓ２となるＳＣＵ２、ＥＣＵ５のいずれに設けられていてもよい。

図１９～図２１に示すように、温度制御部２１による素子温度Ｔの昇温制御は、一般に、ヒータ抵抗と素子温度Ｔの相関性を利用して行われ、目標温度Ｔ0に相当するヒータ抵抗となるように、ヒータ部４への通電を制御している。
具体的には、図１９に示すように、センサ素子１の抵抗温度特性には個体バラツキがあるので、通常は、初期品における関係を温度変換マップとして記憶しておき、図２０に示すように、検出されるヒータ抵抗に基づく実温度と目標温度Ｔ0との差が小さくなるように、公知のＰＩ制御を行って、ヒータ通電量を決定する。

このとき、図２１に示すように、例えば、昇温初期には、固定デューティとして、目標温度Ｔ0の近傍まで急速昇温し、その後、素子温度Ｔが一定温度となるように、ヒータ抵抗に基づくヒータデューティを演算により求めて、昇温操作量をフィードバック制御する。
ここで、図１９に示すように、初期品と経年による耐久品とでは、抵抗温度特性が変化し、実温度が目標温度Ｔ0よりも低くなる傾向にある。そのために、再生制御時の再生温度、異常判定部２３の第１、第２判定温度Ｔ１、Ｔ２が正確に制御できなくなるおそれがあり、そのような場合には、昇温不良として、断線異常の判定を行わない。

図１７のフローチャートを用いて、具体的な手順を説明する。
異常判定処理が開始されると、まず、ステップＳ１０１にて、ＳＣＵ２の制御モードが、センサ素子１の再生モードか否かを判定する。ステップＳ１０１が否定判定されたときには、本処理を一旦終了する。ステップＳ１０１が肯定判定された場合には、ステップＳ１０２へ進んで、センサ素子１の素子温度Ｔが、再生温度以上であるか否か、つまり、第１判定温度Ｔ１以上であるか否かを判定する（すなわち、素子温度Ｔ≧再生温度（Ｔ１）？）。

ステップＳ１０２が否定判定されたときには、ステップＳ１０１へ戻り、ステップＳ１０２が肯定判定された場合には、ステップＳ１０３へ進む。ステップＳ１０３では、診断経過時間をカウントアップして、ステップＳ１０４へ進む。ステップＳ１０４では、診断経過時間が所定の時間判定値Ｔth未満か否かを判定する（すなわち、診断経過時間＜Ｔth？）。これらステップＳ１０３、ステップＳ１０４は、第３判定部２６に対応する。

ステップＳ１０２が肯定判定されたときには、ステップＳ１０５へ進む。ステップＳ１０５～ステップＳ１１３は、上記実施形態１におけるステップＳ４～ステップＳ１２と同様であり、以下、説明を簡略にする。
ステップＳ１０５では、検出部３の検出値が正常判定閾値Ｉth以上か否かを判定する（すなわち、検出値≧Ｉth？）。ステップＳ１０５が肯定判定されたときには、ステップＳ１０６へ進んで、センサ素子１の信号経路は正常と判定することができる（すなわち、断線異常検出：正常判定）。

ステップＳ１０５が否定判定されたときには、ステップＳ１０７へ進んで、第１判定温度Ｔ１から第２判定温度Ｔ２へ向けて昇温操作を開始する。次いで、ステップＳ１０８へ進んで、検出部３の検出値が正常判定閾値Ｉth以上か否かを判定する（すなわち、検出値≧Ｉth？）。ステップＳ１０８が肯定判定されたときには、ステップＳ１０６へ進んで、センサ素子１の信号経路は正常と判定する（すなわち、断線異常検出：正常判定）。

ステップＳ１０８が否定判定されたときには、ステップＳ１０９へ進み、素子温度Ｔが第２判定温度Ｔ２に達したか否かを判定する（すなわち、素子温度Ｔ≧Ｔ２？）。ステップＳ１０９が肯定判定されたときには、ステップＳ１１０へ進んで、断線診断時間をカウントアップした後、ステップＳ１１１へ進んで、断線診断時間が所定の判定値以上となったか否かを判定する（すなわち、断線診断時間≧判定値？）。
ステップＳ１１１が否定判定されたときには、ステップＳ１へ戻り、以降のステップを繰り返す。

ステップＳ１１１が肯定判定されたときには、センサ素子１の信号経路に断線異常があると判断されるので、ステップＳ１１２へ進んで、異常判定する（すなわち、断線異常検出：異常判定）。さらに、ステップＳ１１３へ進んで、ＳＣＵ制御モードを異常モードに設定する。

図１８左図に、この場合のタイムチャートを示すように、耐被水モードから再生モードに切り替わり、素子温度Ｔが第１判定温度Ｔ１以上となると、診断タイミングとなって検出用電圧が印加される。このとき、断線異常があるとセンサ電流が発現せず、第２判定温度Ｔ２へ昇温されても、センサ電流は正常判定閾値Ｉth以上とならない。この断線診断時間が一定期間継続され、判定値に達することで、信号線断線異常フラグがオンとなる。
一方、素子温度Ｔが第１判定温度Ｔ１以上となると、診断経過時間のカウントが開始され、所定の判定値に達する前に、異常又は正常と判定された場合には、素子温度Ｔの昇温制御は正常と判断されるので、昇温不良フラグはオフのままとなる。

これに対して、図１８右図にタイムチャートを示すように、診断経過時間のカウントが所定の時間判定値Ｔthに達しても、異常又は正常と判定されない場合には、温度制御部２１による素子温度Ｔの昇温制御が正常になされていないと判断することができる。診断経過時間を判定する時間判定値Ｔthは、通常の素子温度昇温制御時に、第１判定温度Ｔ１から第２判定温度Ｔ２への昇温が十分可能な時間以上に設定される。そして、判定値に達したときに、昇温不良フラグがオンとなる。

すなわち、ステップＳ１０４が否定判定されたときには、ステップＳ１１４へ進んで、昇温不良異常と判定する。さらに、ステップＳ１１５へ進んで、ＳＣＵ制御モードを異常モードに設定する。

このように、本形態によれば、診断経過時間に基づいて、昇温不良による異常を検出することができる。したがって、昇温不良によるセンサ電流の低下が予測される場合に、センサ信号線の異常の有無を判断しないことで、誤診断を回避することができる。

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。
例えば、上記実施形態１、２では、粒子状物質検出センサＳは、車両用の内燃機関から排出される粒子状物質の検出に適用したが、これに限るものではない。また、センサ素子１は、先端面に検出部３が設けられる構成としたが、センサ素子１の側面に検出部３が設けられる構成であってもよい。さらに、素子カバー１０の形状やガス流通孔の配置その他、粒子状物質検出センサＳの各部構成等も適宜変更することができる。

Ｓ粒子状物質検出センサ
Ｓ２センサ制御部
１センサ素子
２１温度制御部
２２検出制御部
２３異常判定部
２４第１判定部
２５第２判定部
３検出部
４ヒータ部

Claims

被測定ガスに含まれる粒子状物質を検出するためのセンサ素子（１）と、センサ制御部（Ｓ２）と、を備える粒子状物質検出センサ（Ｓ）であって、
上記センサ素子は、
絶縁性基体の表面に一対の計測電極（３１、３２）を有する検出部（３）と、
上記検出部を加熱するためのヒータ部（４）と、を有しており、
上記センサ制御部は、
上記ヒータ部への通電を制御して上記検出部を所定温度に保持する温度制御部（２１）と、
一対の上記計測電極間に電圧を供給して、一対の上記計測電極間の抵抗値に応じた検出信号を取得する検出制御部（２２）と、
上記検出制御部により取得される検出信号に基づいて、上記センサ素子の異常の有無を判定する異常判定部（２３）と、を有しており、
上記異常判定部は、
上記検出部を、上記温度制御部によって第１判定温度（Ｔ１）に制御し、上記検出制御部によって一対の上記計測電極間に検出用電圧が印加された状態で、取得される検出値が正常判定閾値（Ｉth）以上か否かを判定する第１判定部（２４）と、
上記検出部を、上記温度制御部によって上記第１判定温度より高く第２判定温度（Ｔ２）以下の温度範囲に制御し、上記検出制御部によって一対の上記計測電極間に上記検出用電圧が印加された状態で、取得される検出値が上記正常判定閾値以上か否かを判定する第２判定部（２５）と、を有し、
上記第１判定部が否定判定され、かつ、上記第２判定部が、上記第２判定温度において否定判定されたときに、上記検出信号の信号経路の断線異常と判定する、粒子状物質検出センサ。
上記第２判定部は、上記第１判定温度から上記第２判定温度へ向けて昇温する間に、少なくとも１回以上、上記検出値を閾値判定し、上記第２判定温度に到達するまで否定判定が継続されたときに、断線異常と判定する、請求項１に記載の粒子状物質検出センサ。
上記異常判定部は、上記第１判定部が肯定判定されたとき、又は、上記第２判定部において、上記第１判定温度から上記第２判定温度へ昇温する間に実施される閾値判定が肯定判定されたときに、上記検出信号の信号経路は正常と判定する、請求項１又は２に記載の粒子状物質検出センサ。
上記異常判定部は、上記第１判定部が肯定判定されたときには、上記第１判定温度から上記第２判定温度への昇温を実施せず、判定を終了する、請求項３に記載の粒子状物質検出センサ。
上記温度制御部は、上記第１判定温度から上記第２判定温度への昇温を段階的に行う、請求項１～４のいずれか１項に記載の粒子状物質検出センサ。
上記温度制御部は、上記第１判定温度から上記第２判定温度への昇温速度を、３℃／０．１秒以下とする、請求項１～５のいずれか１項に記載の粒子状物質検出センサ。
上記センサ制御部は、上記温度制御部によって、上記検出部を粒子状物質が燃焼可能な再生温度領域に制御する再生制御機能を備えており、
上記第１判定部は、上記第１判定温度を、上記再生温度領域に設定する、請求項１～６のいずれか１項に記載の粒子状物質検出センサ。
上記第２判定部は、上記第２判定温度を、上記検出部の個体バラツキ又は経年による導電率低下に基づいて想定される上記検出信号の下限値が、上記正常判定閾値以上となるように設定する、請求項１～７のいずれか１項に記載の粒子状物質検出センサ。
上記異常判定部は、上記温度制御部によって上記第１判定温度から上記第２判定温度に昇温するまでの経過時間を計測し、計測された経過時間が時間判定値（Ｔth）未満か否かを判定する第３判定部（２６）を有し、
上記第３判定部が肯定判定されるまでに、上記検出信号の信号経路の正常判定又は異常判定がなされないときに、昇温異常と判定する、請求項１～８のいずれか１項に記載の粒子状物質検出センサ。