JP2019164094A - 電荷発生装置とそれを有する微粒子検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】流路の内面が帯電することを抑制して、電荷を安定して供給し得る。【解決手段】少なくとも一部が絶縁体で画定された流路内に電荷を発生する電荷発生装置であって、流路内に配置される放電電極と、放電電極の近傍に配置される誘導電極と、誘導電極に対して放電電極に所定の放電電圧を断続的に印加する電源と、流路内において放電電極よりも下流側に配置され、放電電圧と同じ極性の直流電圧が印加される帯電防止電極とを備える。【選択図】図３

Description

本明細書が開示する技術は、電荷発生装置とそれを有する微粒子検出器に関する。

流体中に含まれる微粒子を検出する微粒子検出器が知られている。微粒子検出器は、流体が導入される流路と、その流路内に電荷（荷電粒子の意、以下同じ）を発生する電荷発生装置と、流路内において放電電極よりも下流側に配置された捕集電極とを備える。捕集電極は、電荷の付着によって帯電した微粒子、又は、微粒子に付着していない電荷を捕集する。この微粒子検出器によると、捕集電極によって捕集された電荷量に基づいて、流体中に含まれる微粒子の量（例えば、微粒子の数、質量、体積など）を推定することができる。微粒子検出器の一例が、特許文献１に記載されている。この種の微粒子検出器は、自動車の排気管に取り付けられ、エンジンからの排出ガスに含まれる微粒子を検出する。

特開２０１２−１９４０７８号公報

微粒子検出器では、微粒子の検出を行う流路が、セラミックといった絶縁体で画定されている。そのため、電荷発生装置の発生する電荷が過剰であると、流路の内面が帯電し、その結果、流路を通過する流体に含まれる電荷の密度が低下することがある。従って、本明細書は、流路の内面が帯電することを抑制して、電荷を安定して供給し得る技術を提供する。

本明細書が開示する技術は、少なくとも一部が絶縁体で画定された流路内に電荷を発生する電荷発生装置に具現化される。この電荷発生装置は、流路内に配置される放電電極と、放電電極の近傍に配置される誘導電極と、誘導電極に対して放電電極に所定の放電電圧を断続的に印加する電源と、流路内において放電電極よりも下流側に配置され、放電電圧と同じ極性の直流電圧が印加される帯電防止電極とを備える。

誘導電極に対して放電電極に、所定の放電電圧が印加されると、放電電極の近傍に存在する気体分子に電離が生じて、流路内に電荷が発生する。このとき発生する電荷の大部分は、放電電圧と等しい極性を有する。例えば、放電電圧が正の電圧であれば、発生する電荷の大部分は正イオンである。放電電極の近傍で発生した電荷は、流路内の流れに乗って移動しようとする。しかしながら、放電電極の下流側には、帯電防止電極が設けられており、この帯電防止電極には、放電電圧と同じ極性（即ち、電荷と同じ極性）の直流電圧が印加されている。従って、放電電極の近傍で発生した電荷のうちの一部は、帯電防止電極が形成する電界に遮られ、流路内の流れに乗って移動することが禁止される。これにより、放電電極では十分な量の電荷を発生させながら、流路へ実際に供給される電荷の量を、帯電防止電極によって制限することができる。流路内に適量の電荷が供給されることで、流路の内面が帯電することが抑制される。

実施例の電荷発生装置１０を示す斜視図。 電荷発生装置１０の筐体１２の流路１４を拡大して示す図。 電荷発生装置１０の流路１４内の構成を模式的に示す断面図。 誘導電極２４に対して放電電極２２に印加した電圧の波形を示す図。 試験１（比較例）の測定結果であって、時間と正イオンの密度との間の関係を示すグラフ。 試験２（実施例）の測定結果であって、帯電防止電極２８に印加した直流電圧と正イオンの密度との間の関係を示すグラフ。 誘導電極２４に対して放電電極２２に印加する電圧の波形例１−７を示す。 試験３の測定結果であって、流路１４の寸法と正イオンの密度との間の関係を示すグラフ。 壁状の帯電防止電極２８の一例を示す図。 メッシュ状の帯電防止電極２８の一例を示す図。 実施例の微粒子検出器５０を示す斜視図。 微粒子検出器５０の筐体１２の流路１４を拡大して示す図。 排気管６に取付けられた微粒子検出器５０の筐体１２を示す図。 微粒子検出器５０の流路１４内の構成を模式的に示す断面図。

本技術の一実施形態では、帯電防止電極に印加される直流電圧が、放電電圧よりも小さくてよい。この場合、帯電防止電極に印加される直流電圧は、特に限定されないが、放電電圧の０．２５倍から０．３３倍の範囲内であってよい。なお、帯電防止電極に印加される直流電圧の大きさに応じて、帯電防止電極によって遮断される電荷の量、即ち、流路へ実際に供給される電荷の量は変化する。そのことから、帯電防止電極に印加される直流電圧の大きさは、流路へ実際に供給されるべき電荷の量に応じて、適宜設定することができる。

本技術の一実施形態では、帯電防止電極が、流路の内面に沿って配置された板状の電極であってもよい。帯電防止電極の構造が単純であると、電荷発生装置の製造時において、帯電防止電極を形成しやすい。また、電荷発生装置の使用時においても、帯電防止電極の耐久性を高めることができる。

上記した実施形態では、放電電極と帯電防止電極とが、流路の同じ内面に配置されていてもよい。このような構成によると、電荷発生装置の製造時において、放電電極と帯電防止電極とを同時に形成することができる。

本技術の一実施形態では、帯電防止電極が、流路の内面から突出する壁状の電極を有してもよい。このような構成によると、壁状の電極によって、流路の一部が物理的に遮断される。これにより、帯電防止電極は、流路に供給される電荷を、電気的だけでなく、物理的にも制限することができる。

本技術の一実施形態では、帯電防止電極が、流路の流れ方向に交差するメッシュ状の電極を有してもよい。このような構成によると、メッシュ状の電極によって、流路の一部が物理的に遮断される。これにより、帯電防止電極は、流路に供給される電荷を、電気的だけでなく、物理的にも制限することができる。

本技術の一実施形態では、電荷発生装置が、帯電防止電極に印加される直流電圧の大きさを調整可能な電圧調整回路をさらに有してもよい。このような構成によると、帯電防止電極に印加される直流電圧の大きさを調整することによって、流路に供給される電荷の量を調整することができる。

本技術の一実施形態では、流路が矩形状の断面を有してもよい。この場合、矩形状の断面の短辺の寸法は、９ｍｍ以下であってよい。通常、短辺の寸法が小さくなるほど、流路の内面は帯電し易くなる。この点に関して、本技術に係る電荷発生装置では、短辺の寸法が９ｍｍ以下であっても、帯電防止電極によって流路の内面が帯電することを有意に抑制することができる。

本技術の一実施形態では、放電電極から流路の下流端までの距離が、流路の矩形状の断面の短辺の長さ以上であってよい。通常、放電電極から流路の下流端までの距離が長くなるほど、流路の内面は帯電し易くなる。この点に関して、本技術に係る電荷発生装置では、放電電極から流路の下流端までの距離が、流路の矩形状の断面の短辺の寸法以上であっても、帯電防止電極によって流路の内面が帯電することを有意に抑制することができる。

本明細書で開示する電荷発生装置は、例えば、微粒子検出器に採用することができる。この場合、微粒子検出器は、少なくとも一部が絶縁体で構成された流路を有する筐体と、流路内に電荷を発生する電荷発生装置と、流路内において放電電極よりも下流側に配置されており、電荷の付着によって帯電した微粒子、又は、微粒子に付着していない電荷を捕集する捕集電極とを備えることができる。この微粒子検出器では、流路内に適量の電荷が供給されることから、流体中に含まれる微粒子を正しく検出することができる。

図面を参照して、実施例の電荷発生装置１０について説明する。図１−図３に示すように、本実施例の電荷発生装置１０は、流路１４を有する筐体１２を備え、流路１４内を通過する流体（典型的には気体）に電荷２を供給する。電荷発生装置１０は、後述する微粒子検出器５０に限られず、電荷２を必要とする各種の機器に採用することができる。

筐体１２は、絶縁体で構成されている。筐体１２を構成する絶縁体には、例えばセラミックを採用することができる。この場合、セラミックとしては、特に限定されないが、アルミナ（酸化アルミニウム）、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、ムライト、ジルコニア、チタニア、窒化ケイ素、マグネシア、ガラス、又はこれらのうちの二以上を含む混合物が挙げられる。一例ではあるが、本実施例における筐体１２は、第１の側壁１２ａ、第２の側壁１２ｂ、本体１２ｃ及び底壁１２ｄが接合されて構成されている。第１の側壁１２ａと第２の側壁１２ｂは、互いに対向しており、それらの間に流路１４が形成されている。また、本体１２ｃと底壁１２ｄは、第１の側壁１２ａと第２の側壁１２ｂとの間において互いに対向しており、それらの間に流路１４が形成されている。

流路１４は、その上流端１４ａに位置する開口から、その下流端１４ｂに位置する開口まで、筐体１２を通過して延びている。なお、図３中の矢印Ａは、流路１４に導入される気体の流れ方向を示す。流路１４は、筐体１２を構成する絶縁体によって画定されている。即ち、筐体１２の内面は、絶縁体によって構成されている。一例ではあるが、流路１４は、矩形状の断面を有しており、その短辺の寸法Ｗ１は３ｍｍであって、長辺の寸法Ｗ２は８ｍｍである。即ち、第１の側壁１２ａと第２の側壁１２ｂとの間の距離が３ｍｍであり、本体１２ｃと底壁１２ｄとの間の距離が８ｍｍである。但し、流路１４の断面の形状や寸法については、特に限定されず、適宜変更することができる。

電荷発生装置１０は、放電電極２２と、二つの誘導電極２４と、放電用電源２６と、帯電防止電極２８と、可変直流電源３０とを備える。放電電極２２は、流路１４の上流端１４ａの近傍において、流路１４の内面に設けられている。一例ではあるが、放電電極２２から流路１４の上流端１４ａまでの距離は１ｍｍであり、放電電極２２から流路１４の下流端１４ｂまでの距離は９ｍｍである。なお、流路１４における放電電極２２の位置は特に限定されず、例えば、放電電極２２から流路１４の下流端１４ｂまでの距離は、流路１４の矩形状の断面の短辺の寸法Ｗ１と同程度であってもよい。また、本実施例における放電電極２２は、筐体１２の第１の側壁１２ａに設けられているが、放電電極２２の位置を限定するものではない

二つの誘導電極２４は、放電電極２２の近傍において、筐体１２の内部に埋設されている。一例ではあるが、本実施例における放電電極２２は、流路１４の矩形状の断面の長辺に沿って線状に延びており、その長手方向に沿って複数の微細な突起を有している。そして、二つの誘導電極２４が、放電電極２２に対して平行に延びている。放電電極２２及び誘導電極２４を構成する材料は、導電体であればよく、特に限定されない。また、誘導電極２４は、筐体１２の内部に埋設されていなくてもよく、例えば流路１４の内面に設けられてもよい。誘導電極２４の数についても、二つに限定されない。

特に限定されないが、放電電極２２を構成する材料には、放電時における耐熱性の観点から、１５００℃以上の融点を有する金属を採用することができる。この種の金属としては、例えば、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、ニオブ、モリブデン、タンタル、タングステン、イリジウム、パラジウム、白金、金、又はそれらのうちの二以上を含む合金が挙げられる。そのなかでも、耐腐食性をさらに考慮すると、白金又は金を採用することが考えられる。放電電極２２は、例えば、ガラスペーストを介して流路１４の内面に接合されてもよい。あるいは、流路１４の内面に金属ペーストをスクリーン印刷し、それを焼成して焼結金属とすることにより、流路１４の内面に放電電極２２を形成してもよい。誘導電極２４及び帯電防止電極２８を構成する材料にも、上述した放電電極２２と同様に、各種の金属を採用することができる。なお、誘導電極２４及び帯電防止電極２８を構成する材料は、放電電極２２を構成する材料と同じであってもよいし、異なってもよい。

一例ではあるが、放電電極２２、誘導電極２４及び帯電防止電極２８を備えた筐体１２は、複数のセラミックグリーンシートを、積層することによって製造することができる。この場合、先ずはセラミックグリーンシートを製造する。具体的には、アルミナ粉末に、バインダーとしてのポリビニルブチラール樹脂（ＰＶＢ）、可塑剤としてのフタル酸ビス（２−エチルヘキシル）（ＤＯＰ）、溶剤としてのキシレンおよび１−ブタノールを加え、ボールミルにて３０時間混合し、グリーンシート成形用スラリーを調製する。このスラリーに真空脱泡処理を施すことにより、粘度を４０００ｃｐｓに調整した後、ドクターブレード装置によってシート材を作製する。このシート材を、焼成後の寸法が筐体１２の寸法（例えば１０ｍｍ）となるように、外形加工と打抜き加工を行って、グリーンシートを作製する。

続いて、グリーンシートの表面に、誘導電極２４になる金属ペースト（例えば白金）を、筐体１２における誘導電極２４の位置に合わせ、また、焼成後の膜厚が５μｍになるように、スクリーン印刷し、１２０℃で１０分間乾燥する。また、他のグリーンシートの表面に、放電電極２２及び帯電防止電極２８になる各金属ペーストを、筐体１２におけるそれぞれの位置に合わせ、かつ、焼成後の膜厚が５μｍになるように、スクリーン印刷し、１２０℃で１０分間乾燥する。次に、それらのグリーンシートを、誘導電極２４が内包され、且つ、放電電極２２及び帯電防止電極２８が露出するように積み重ねて第１の側壁１２ａを成形する。第１の側壁１２ａ上に、グリーンシートで構成される底壁１２ｄ、本体１２ｃ及び第２の側壁１２ｂを、焼成後の流路１４の断面の寸法が３ｍｍ×８ｍｍになるように積み重ね、積層体を構成する。この積層体を１４５０℃で２時間一体焼成することで、直方体状の筐体１２を製造することができる。

放電用電源２６は、放電電極２２と誘導電極２４とに接続されており、誘導電極２４に対して放電電極２２に、所定の放電電圧を断続的に（例えばパルス列状に）印加する。誘導電極２４に対して放電電極２２に放電電圧が印加されると、放電電極２２と誘導電極２４との間の電位差によって気中放電が発生する。このとき、筐体１２のうちの放電電極２２と誘導電極２４との間に位置する部分が、誘電体層として機能する。この気中放電によって、放電電極２２の近傍に存在する気体が電離され、正又は負の電荷２が発生する。これにより、流路１４を流れる流体中に電荷２が供給される。

ここで、筐体１２の流路１４は、セラミックといった絶縁体で画定されている。そのため、放電電圧の印加によって発生した電荷２が過剰であると、流路１４の内面が帯電し、その結果、流路１４を通過する流体に含まれる電荷２の密度が低下することがある。そこで、本実施例の電荷発生装置１０は、帯電防止電極２８と可変直流電源３０をさらに備える。帯電防止電極２８は、流路１４内において、放電電極２２よりも下流側に配置されている。可変直流電源３０は、帯電防止電極２８に接続されており、帯電防止電極２８に直流電圧を印加する。帯電防止電極２８に印加される直流電圧は、放電電極２２に印加される放電電圧と同じ極性である。一例ではあるが、帯電防止電極２８は、板状の電極であって、流路１４の内面に沿って配置されている。帯電防止電極２８は、放電電極２２と同じく第１の側壁１２ａに設けられており、放電電極２２と帯電防止電極２８とは、流路１４の同じ内面に配置されている。

放電電極２２によって発生する電荷２の大部分は、放電電圧と等しい極性を有する。例えば、放電電圧が正の電圧であれば、発生する電荷の大部分は正イオンである。放電電極２２の近傍で発生した電荷２は、流路１４内の流れＡに乗って移動しようとする。しかしながら、放電電極２２の下流側には、帯電防止電極２８が設けられており、この帯電防止電極２８には、放電電圧と同じ極性（即ち、電荷２と同じ極性）の直流電圧が印加されている。従って、放電電極２２の近傍で発生した電荷のうちの一部は、帯電防止電極２８が形成する電界に遮られ、流路１４内の流れＡに乗って移動することが禁止される。これにより、放電電極２２では十分な量の電荷を発生させながら、流路１４へ実際に供給される電荷の量（即ち、流路１４内を流れていく電荷２の量）を、帯電防止電極２８によって制限することができる。流路１４内に適量の電荷が供給されることで、流路１４の内面が帯電することが抑制される。以下では、いくつかの試験結果を示すことにより、本実施例の電荷発生装置１０に係る特徴について説明する。

［試験１］
この試験１では、比較例として、帯電防止電極２８に印加する電圧をゼロボルトとし、帯電防止電極２８を無効化した。図４に示すように、放電電極２２には、３ｋＶ（キロボルト）の放電電圧Ｖａを、１ミリ秒の間隔でパルス状に印加した。パルス幅は１００マイクロ秒であり、デューティ比は１０パーセントである。放電電圧Ｖａが印加されない期間では、ベース電圧Ｖｂとしてゼロボルトが放電電極２２に印加される。このような電圧を印加しながら、流路１４の流量を５リットル／分に調整し、流路１４を通過した気体に含まれる正イオンの密度を測定した。参考として、正イオンの密度の測定には、泰榮エンジニアリング株式会社製の空気イオンカウンターを利用した。

図５に、試験１の測定結果を示す。図５に示すように、試験開始の直後では、測定された正イオンの密度が７×１０^６個／ｃｍ^３であったが、約１０秒を経過した時点から正イオンの密度が急激に低下し始め、約５分を経過した時点において、測定された正イオンの密度は１×１０^３個／ｃｍ^３まで低下した。このように、帯電防止電極２８が無効化されていると、時間の経過とともに正イオンの密度が有意に低下する。これは、過剰に発生した正イオンによって流路１４の内面が帯電し、帯電した流路１４から受ける反力によって、流路１４を通過する正イオンが減少したためと推察される。

［試験２］
この試験２では、帯電防止電極２８を有効化して、試験１と同様の測定を行った。具体的には、帯電防止電極２８に印加する直流電圧を、ゼロボルトから１．０ｋＶまで徐々に上昇させながら同様の試験を繰り返し、試験開始後から５分を経過した時点での正イオンの密度をそれぞれ測定した。その結果、図６に示すように、帯電防止電極２８に印加する直流電圧が０．５ｋＶを超えて大きくなるほど、正イオンの密度は上昇し、０．８ｋＶから１．０ｋＶの間では１×１０^７個／ｃｍ^３以上となった。

次に、放電電圧Ｖａを−３ｋＶへ変更し、帯電防止電極２８に印加する直流電圧を、ゼロボルトから−１．０ｋＶまで徐々に上昇させながら同様の試験を繰り返して、試験開始後から５分を経過した時点での負イオンの密度をそれぞれ測定した。その結果、上記した正イオンの密度の場合と同様の結果が確認された。これらの結果から、帯電防止電極２８に、放電電圧Ｖａと同じ極性の直流電圧を印加すると、流路１４の内面が帯電することが防止され、流路１４に電荷２が安定して供給されることが理解される。また、帯電防止電極２８に印加する直流電圧を調整することによって、流路１４に供給される電荷２の量（あるいは、電荷２の数）を調整することができることも確認された。

ここで、誘導電極２４に対して放電電極２２に印加される電圧の波形は、例えば図７に例示するように、様々に変更可能である。図７に示す波形例１−７を採用した場合、放電電圧Ｖａが正の電圧であるので、帯電防止電極２８にも正の直流電圧を印加すればよい。放電用電源２６の簡素化という観点では、波形例１のパルス波、波形例２の正弦半波、又は波形例７の正弦波を採用することが好ましい。パルス波については、直流電源を用いて放電用電源２６を構成し、スイッチング素子によって直流電圧を断続的に出力させればよい。正弦半波又は正弦波については、交流電源を用いて放電用電源２６を構成し、ダイオードを介して、又は直接的に出力させればよい。これらの波形例１−７は、極性を反転させて、放電電圧Ｖａを負の電圧とすることもできる。この場合、帯電防止電極２８には、負の直流電圧を印加すればよい。即ち、帯電防止電極２８には、放電電極２２に印加される放電電圧Ｖａと同じ極性の直流電圧を印加すればよい。

なお、流路１４の流量を５リットル／分に調整した場合、流路１４の開口において計測された風速は１．７７メートル毎秒であった。流路１４の流量を調整して徐々に下げていったところ、流量が１．５リットル／分となったときに、帯電防止電極２８に直流電圧を印加しても、計測されるイオンの密度は比較的に小さいままであった。このとき、流路１４の開口において計測された風速は０．５７メートル毎秒であった。逆に、流路１４の流量を調整して徐々に上げていったところ、流量が１５リットル／分となったときに、イオン密度の低下はみられず、帯電防止電極２８に直流電圧を印加しなくても、計測されるイオンの密度は比較的に高いままであった。このとき、流路１４の開口において計測された風速は４．５メートル毎秒であった。

［試験３］
この試験３では、流路１４の矩形状の断面の短辺の寸法Ｗ１が異なる筐体１２を複数用意して、試験開始後から５分を経過した時点での正イオンの密度をそれぞれ測定した。なお、流路１４の短辺の寸法Ｗ１による影響を確認するために、帯電防止電極２８に印加する電圧をゼロボルトとして、帯電防止電極２８を無効化した。誘導電極２４に対して放電電極２２に印加する放電電圧Ｖａについては、図４に示す波形の電圧を採用した。その結果、図８に示すように、短辺の寸法Ｗ１が５ｍｍ以下では正イオンの密度が非常に少なく、短辺の寸法Ｗ１が５ｍｍを超えると、正イオンが急激に上昇していった。そして、短辺の寸法Ｗ１が９ｍｍ以上では、正イオンの密度が７×１０^６個／ｃｍ^３に到達した。この結果から、短辺の寸法Ｗ１が９ｍｍ以下では、帯電防止電極２８が無効化されていると、正イオンの密度が低下することが確認された。これに対して、前述した試験２では、短辺の寸法Ｗ１が３ｍｍであっても、帯電防止電極２８が有効化されていれば、正イオンの密度が１×１０^６個／ｃｍ^３以上となり得る。そのことから、短辺の寸法Ｗ１が９ｍｍ以下であるときは、帯電防止電極２８の働きによって、電荷２の密度低下が有意に抑制されることが確認される。

以上、本実施例の電荷発生装置１０について詳細に説明したが、電荷発生装置１０における各部の構成は様々に変更されることができる。例えば、本実施例における帯電防止電極２８は、流路１４の内面に沿って配置された板状の電極であったが、これは帯電防止電極２８の構成を限定するものではない。図９に例示するように、帯電防止電極２８は、流路１４の内面から突出する壁状の電極を有してもよい。この場合、壁状の帯電防止電極２８は、流路１４の対向する一対の内面にそれぞれ設けられてもよい。このような構成によると、壁状の帯電防止電極２８によって、流路１４の一部が物理的に遮断される。これにより、帯電防止電極２８は、流路１４に供給される電荷２を、電気的だけでなく、物理的にも制限することができる。なお、壁状の帯電防止電極２８の数は、二つに限られず、一つであってもよいし、三以上であってもよい。

あるいは、図１０に例示するように、帯電防止電極２８が、流路１４の流れ方向に交差するメッシュ状の電極を有してもよい。この場合、メッシュ状の帯電防止電極２８は、流路１４の断面全体に亘って設けられてもよい。このような構成によっても、メッシュ状の帯電防止電極２８によって、流路１４の一部が物理的に遮断される。これにより、帯電防止電極２８は、流路１４に供給される電荷２を、電気的だけでなく、物理的にも制限することができる。なお、メッシュ状の帯電防止電極２８の数は、一つに限られず、二以上であってもよい。また、メッシュ状の帯電防止電極２８は、流路１４の断面の一部にのみ設けられてもよい。

本実施例の電荷発生装置１０は、帯電防止電極２８に直流電圧を印加する電源として、可変直流電源３０を有する。可変直流電源３０は、電圧調整回路を内蔵しており、帯電防止電極２８に印加する直流電圧の大きさを調整することができる。前述したように、このような構成によると、帯電防止電極２８に印加される直流電圧の大きさを調整することによって、流路１４に供給される電荷の量を調整することができる（図６参照）。但し、他の実施形態として、電荷発生装置１０は、可変直流電源３０に代えて、電圧調整回路を有しない直流電源を備えてもよい。あるいは、電荷発生装置１０は、必ずしも直流電源を備えなくてもよく、外部の直流電源から帯電防止電極２８に直流電圧が印加されるように構成されてもよい。

次に、図１１−１４を参照して、実施例の微粒子検出器５０について説明する。本実施例の微粒子検出器５０は、上述した電荷発生装置１０を用いて構成されている。電荷発生装置１０に相当する部分については、同一の符号を付すことによって、重複する説明は省略する。

本実施例の微粒子検出器５０は、例えば自動車に搭載され、エンジンからの排出ガスに含まれる微粒子４の数を監視するために用いられる。微粒子検出器５０は、流路１４を有する筐体１２を備える。筐体１２は、エンジンに接続された排気管６内に取り付けられ、筐体１２の流路１４は排気管６内に配置される。微粒子検出器５０は、流路１４を通過する排出ガスに含まれる微粒子４の数を測定する。

筐体１２には、放電電極２２、誘導電極２４、帯電防止電極２８、第１捕集電極５２、第１電界発生電極５４、第２捕集電極５６及び第２電界発生電極５８が設けられている。前述したように、放電電極２２は、流路１４の内面に設けられており、誘導電極２４は、放電電極２２の近傍において筐体１２内に埋設されている。放電電極２２と誘導電極２４は、放電用電源２６に接続されており、放電電圧Ｖａが断続的に印加される。これにより、流路１４内に電荷２が発生するとともに、その電荷２が排出ガス中の微粒子４に付着することによって、微粒子４が帯電する。このとき、各々の微粒子４に付着する電荷２の数は、おおよそ一定（例えば一つ）である。

帯電防止電極２８には、可変直流電源３０が接続されている。可変直流電源３０は、帯電防止電極２８に放電電圧Ｖａと同じ極性の直流電圧を印加する。これにより、前述したように、流路１４の内面が帯電することが防止され、流路１４に電荷２が安定して供給される。排出ガスに供給される電荷２の密度が経時的に安定するので、微粒子検出器５０は、排出ガスに含まれる微粒子４を高い精度で検出することができる。

第１捕集電極５２と第１電界発生電極５４は、放電電極２２よりも下流側において、流路１４の内面に設けられている。第１捕集電極５２と第１電界発生電極５４は、互いに対向している。第１捕集電極５２と第１電界発生電極５４は、直流電源（図示省略）に接続され、それらの間に電界を形成する。この電界は比較的に弱く、微粒子４に付着していない余剰の電荷２のみが、第１捕集電極５２へ吸い寄せられ、第１捕集電極５２において捕集される。帯電した微粒子４（即ち、電荷２が付着した微粒子４）は、電荷２よりも質量が大きいことから、第１捕集電極５２において捕集されることなく、第１捕集電極５２と第１電界発生電極５４との間を通過していく。

第２捕集電極５６と第２電界発生電極５８は、第１捕集電極５２と第１電界発生電極５４よりも下流側において、流路１４の内面に設けられている。第２捕集電極５６と第２電界発生電極５８は、互いに対向している。第２捕集電極５６と第２電界発生電極５８は、直流電源（図示省略）に接続され、それらの間に電界を形成する。第２捕集電極５６と第２電界発生電極５８との間に形成される電界は、第１捕集電極５２と第１電界発生電極５４との間に形成される電界よりも強い。従って、帯電した微粒子４が、第２捕集電極５６へ吸い寄せられ、第２捕集電極５６において捕集される。第２捕集電極５６には、例えば電流計６０が接続される。電流計６０の測定値は、第２捕集電極５６において単位時間あたりに捕集された微粒子４の数に対応する。従って、電流計６０の測定値及びその他の指標（例えば、流路１４を流れる排出ガスの流量）に基づいて、排出ガスに含まれる微粒子４の数又は密度を測定することができる。

第２捕集電極５６と第２電界発生電極５８との間に印加する直流電圧を小さくすると、大きな質量の微粒子４は、第２捕集電極５６において捕集されることなく、第１捕集電極５２と第１電界発生電極５４との間を通過する。それに対して、第２捕集電極５６と第２電界発生電極５８との間に印加する直流電圧を大きくすると、大きな質量の微粒子４についても、第２捕集電極５６に引き寄せて、捕集することができる。そのことから、第２捕集電極５６と第２電界発生電極５８との間に印加する直流電圧を調整することで、特定の範囲の質量を有する微粒子４のみを選択的に捕集して、その数又は密度を測定することができる。従って、第２捕集電極５６と第２電界発生電極５８との間に印加する直流電圧を、例えば段階的に変化させることにより、排出ガスに含まれる微粒子４を分級して、その数又は密度をそれぞれ測定することができる。

ここで、第１捕集電極５２で捕集される余剰な電荷２の数と、第２捕集電極５６で捕集される帯電した微粒子４の数との間には、負の相関関係がある。即ち、排出ガスに含まれる微粒子４の数が多いときほど、第１捕集電極５２で捕集される余剰な電荷２の数は減少し、その一方で、第２捕集電極５６で捕集される帯電した微粒子４の数は増大する。そのことから、他の実施形態として、第１捕集電極５２に電流計６０を接続して余剰な電荷２の数を測定し、その測定値に基づいて微粒子４の数を推定してもよい。このような構成であると、第２捕集電極５６及び第２電界発生電極５８が必ずしも必要とされず、それらを省略することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独で、あるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。本明細書又は図面に例示した技術は、複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：電荷
４：微粒子
６：排気管
１０：電荷発生装置
１２：筐体
１４：流路
２２：放電電極
２４：誘導電極
２６：放電用電源
２８：帯電防止電極
３０：可変直流電源
５０：微粒子検出器
５２：第１捕集電極
５４：第１電界発生電極
５６：第２捕集電極
５８：第２電界発生電極
６０：電流計

Claims (11)

1. 少なくとも一部が絶縁体で構成された流路内に電荷を発生する電荷発生装置であり、
   前記流路内に配置される放電電極と、
   前記放電電極の近傍に配置される誘導電極と、
   前記誘導電極に対して前記放電電極に所定の放電電圧を断続的に印加する電源と、
   前記流路内において前記放電電極よりも下流側に配置され、前記放電電圧と同じ極性の直流電圧が印加される帯電防止電極と、
   を備える電荷発生装置。
2. 前記帯電防止電極に印加される直流電圧は、前記放電電圧よりも小さい、請求項１に記載の電荷発生装置。
3. 前記帯電防止電極に印加される直流電圧は、前記放電電圧の０．２５倍から０．３３倍の範囲内である、請求項１に記載の電荷発生装置。
4. 前記帯電防止電極は、前記流路の内面に沿って配置された板状の電極を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の電荷発生装置。
5. 前記放電電極と前記帯電防止電極とは、前記流路の同じ内面に配置されている、請求項４に記載の電荷発生装置。
6. 前記帯電防止電極は、前記流路の内面から突出する壁状の電極を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の電荷発生装置。
7. 前記帯電防止電極は、前記流路の流れ方向に交差するメッシュ状の電極を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の電荷発生装置。
8. 前記帯電防止電極に印加される直流電圧の大きさを調整可能な電圧調整回路をさらに有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の電荷発生装置。
9. 前記流路は矩形状の断面を有し、前記矩形状の断面の短辺の長さが９ｍｍ以下である、請求項１から８のいずれか一項に記載の電荷発生装置。
10. 前記放電電極から前記流路の下流端までの距離は、前記流路の前記矩形状の断面の短辺の長さ以上である、請求項９に記載の電荷発生装置。
11. 少なくとも一部が絶縁体で構成された前記流路を有する筐体と、
    前記流路内に前記電荷を発生する請求項１から１０のいずれか一項に記載の電荷発生装置と、
    前記流路内において前記放電電極よりも下流側に配置されており、前記電荷の付着によって帯電した微粒子を捕集する捕集電極と、
    を備える微粒子検出器。

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