JP6420525B1 - 微粒子検出素子及び微粒子検出器 - Google Patents

Abstract

微粒子検出素子は、ガスが通過するガス流路を有する筐体と、その筐体内に導入されたガス中の微粒子に放電によって発生させた電荷を付加して帯電微粒子にする電荷発生部と、その筐体内で電荷発生部よりもガスの流れの下流側に設けられ、帯電微粒子を捕集する捕集電極と、を備える。ガス流路は、矩形のガス導入口からガス導入口と同形のガス排出口まで連なる直方体形状の空間であり、ガスの流れの中に微粒子検出素子を配置してガス流路にガスを通過させると、ガス排出口よりも下流領域に、ガスの流速がガス流路の内部を通過するガスの流速よりも低速になる低流速部が発生する。

Description

本発明は、微粒子検出素子及び微粒子検出器に関する。

微粒子検出器としては、電荷発生素子でコロナ放電によりイオンを発生させ、そのイオンにより被測定ガス中の微粒子を帯電させて帯電微粒子とし、その帯電微粒子を捕集電極で捕集し、捕集された帯電微粒子の電荷の量に基づいて微粒子の個数を測定するものが知られている（例えば特許文献１参照）。

国際公開第２０１５／１４６４５６号パンフレット

しかしながら、特許文献１では、帯電微粒子のすべてを捕集電極で捕集できるわけではなく、一部の帯電微粒子を微粒子検出器の外へ逃がしていた。そのため、捕集電極による帯電微粒子の捕集率を向上させることが望まれていた。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、捕集電極による帯電微粒子の捕集率を向上させることを主目的とする。

本発明は、上述した主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の微粒子検出素子は、
ガス中の微粒子を検出するために用いられる微粒子検出素子であって、
前記ガスが通過するガス流路を有する筐体と、
前記筐体内に導入された前記ガス中の微粒子に放電によって発生させた電荷を付加して帯電微粒子にする電荷発生部と、
前記筐体内で前記電荷発生部よりも前記ガスの流れの下流側に設けられ、前記帯電微粒子を捕集する捕集電極と、
を備え、
前記ガス流路は、矩形のガス導入口から前記ガス導入口と同形のガス排出口まで連なる直方体形状の空間であり、前記ガスの流れの中に前記微粒子検出素子を配置して前記ガス流路に前記ガスを通過させると、前記ガス排出口よりも下流領域に、前記ガスの流速が前記ガス流路の内部を通過する前記ガスの流速よりも低速になる低流速部が発生する、
ものである。

この微粒子検出素子では、電荷発生部が電荷を発生させることでガス中の微粒子を帯電微粒子にし、捕集電極がその帯電微粒子を捕集する。捕集電極は捕集された帯電微粒子の数に応じて物理量が変化するため、この微粒子検出素子を用いることでガス中の微粒子の数を検出できる。ここで、ガス流路は、矩形のガス導入口からそのガス導入口と同形のガス排出口まで連なる直方体形状の空間である。ガスの流れの中に微粒子検出素子を配置してガス流路にガスを通過させると、ガス排出口よりも下流領域に、ガスの流速がガス流路の内部を通過するガスの流速よりも低速になる低流速部が発生する。捕集電極で捕集されなかった帯電微粒子は、ガス排出口から排出されたあと低流速部に至る。低流速部に至った帯電微粒子は、その後に捕集電極で捕集されずガス排出口から排出されてきた帯電微粒子を電気的な反発力によりガス流路に押し戻すように作用する。その結果、捕集電極による帯電微粒子の捕集率が向上する。

なお、本明細書で「微粒子検出素子」は、微粒子の量（例えば微粒子の数、質量、表面積など）を検出する素子のことをいう。

本発明の微粒子検出素子において、（低流速部におけるガスの流速）／（ガス流路の内部を通過するガスの最大流速）≦０．５７を満たすようにしてもよい。こうすれば、本発明の効果が顕著に得られる。

本発明の微粒子検出素子において、前記低流速部は、前記ガス排出口を覆うように形成されることが好ましい。こうすれば、本発明の効果が顕著に得られる。

本発明の微粒子検出素子において、前記筐体は、前記ガス流路を構成する一対の流路壁を備え、前記一対の流路壁の間隔を前記ガス流路の流路幅としたとき、（流路壁の壁厚）／（流路幅）≦０．６５を満たすようにしてもよい。こうすれば、低流速部がガス排出口を確実に覆うように形成されると共に、（低流速部におけるガスの流速）／（ガス流路の内部を通過するガスの最大流速）≦０．３１を満たすようになるため、本発明の効果が顕著に得られる。

本発明の微粒子検出素子において、前記筐体のうち前記ガス導入口の周囲に位置する辺を含む角部の曲率半径は、１．０ｍｍ以下（特に０．３ｍｍ以下）としてもよい。こうすれば、ガス導入口からガス流路に入らなかったガスは、その角部に当たったあと筐体の外面から斜め後方に延びる剥離面を境界にしてその剥離面よりも筐体側では低速で進み、その剥離面よりも筐体とは反対側では高速で進む。一般に、低速のガスと固体との熱交換は、高速のガスと固体との熱交換よりも熱交換効率が低いことが知られている。そのため、筐体とガスとの熱交換が抑制され、筐体の温度変化が低減される。特に、こうした構成は、（流路壁の壁厚）／（流路幅）≦０．６５を満たす場合に適用する意義が高い。この場合、流路壁の熱容量が小さいため、流路壁はガスとの熱交換の影響を受けやすくなるからである。

本発明の微粒子検出素子において、前記筐体は、前記ガス流路の軸方向と交差する方向に長い長尺体であり、前記長尺体の長手方向の一端は、前記ガス流路を有し、前記ガスが流通する管の内部に配置され、前記長尺体の長手方向の他端は、少なくとも前記電荷発生部の端子及び前記捕集電極の端子を有し、前記管の外部に配置されるものとしてもよい。こうすれば、電荷発生部の端子や捕集電極の端子は管を流通する高温のガスの影響を受けにくいため、はんだ等の比較的耐熱性の低い接合材で配線と接続することができる。

本発明の微粒子検出器は、上述したいずれかの態様の微粒子検出素子と、前記捕集電極に捕集された前記帯電微粒子に応じて変化する物理量に基づいて、前記微粒子を検出する検出部と、を備えたものである。そのため、この微粒子検出器は、上述した本発明の微粒子検出素子と同様の効果、例えば捕集電極による帯電微粒子の捕集率を向上させるという効果が得られる。

なお、本明細書において、「電荷」とは、正電荷や負電荷のほかイオンを含むものとする。「微粒子を検出する」とは、微粒子の量（例えば微粒子の数、質量、表面積など）を測定する場合のほか、微粒子の量が所定の数値範囲に入るか否か（例えば所定のしきい値を超えるか否か）を判定する場合も含むものとする。「物理量」とは、帯電微粒子の数（電荷量）に基づいて変化するパラメータであればよく、例えば電流などが挙げられる。

微粒子検出器１０の説明図。 微粒子検出素子２０の斜視図。 図２の部分拡大図。 図２のＡ−Ａ断面図。 図２のＢ−Ｂ断面図。 微粒子検出素子２０の分解斜視図。 微粒子検出素子２０の内外を通過するガスの流速分布を示す説明図。 微粒子検出素子２０の内外を通過するガスの流速分布を示す説明図。

次に、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図１は本発明の一実施形態である微粒子検出器１０の説明図、図２は微粒子検出素子２０の斜視図、図３は図２の部分拡大図、図４は図２のＡ−Ａ断面図、図５は図２のＢ−Ｂ断面図、図６は微粒子検出素子２０の分解斜視図である。なお、本実施形態において、上下方向，左右方向及び前後方向は、図１〜図２に示した通りとする。

微粒子検出器１０は、図１に示すように、エンジンの排気管１２を流れる排ガスに含まれる微粒子２６（図５参照）の数を検出するものである。この微粒子検出器１０は、微粒子検出素子２０と、各種電源３６，４６，５６や個数検出部６０を含む付属ユニット８０とを備えている。

微粒子検出素子２０は、図１に示すように、円柱状の支持体１４に差し込まれた状態で、排気管１２に固定されたリング状の台座１６に取り付けられている。微粒子検出素子２０は、保護カバー１８によって保護されている。保護カバー１８には図示しない穴が設けられており、この穴を介して排気管１２を流通する排ガスが微粒子検出素子２０の下端に設けられたガス流路２４を通過する。微粒子検出素子２０は、図５に示すように、筐体２２に、電荷発生部３０と、余剰電荷除去部４０と、捕集部５０と、ヒータ電極７２とを備えたものである。

筐体２２は、図１に示すように、排気管１２の軸方向と交差する方向（ここでは略直交する方向）に長い長尺の直方体である。筐体２２は絶縁体であり、例えばアルミナなどのセラミックス製である。筐体２２の下端２２ａは排気管１２の内部に配置され、上端２２ｂは排気管１２の外部に配置される。筐体２２の下端２２ａには、ガス流路２４が設けられている。筐体２２の上端２２ｂには、各種端子が設けられている。

ガス流路２４の軸方向は、排気管１２の軸方向と一致している。ガス流路２４は、図２に示すように、筐体２２の前方の面に設けられた矩形のガス導入口２４ａから、筐体２２の後方の面に設けられた矩形のガス排出口２４ｂまで連なる直方体形状の空間である。筐体２２は、ガス流路２４を構成する左右一対の流路壁２２ｃ，２２ｄを備えている（図２及び図３参照）。本実施形態では、図３に示すように、左右一対の流路壁２２ｃ，２２ｄの間隔を、ガス流路２４の流路幅Ｗと称する。流路壁２２ｃ，２２ｄの壁厚ｔは、流路幅Ｗより大きくても小さくてもよいが、流路幅Ｗより小さい方が好ましく、ｔ／Ｗ≦０．６５を満たすのがより好ましい。また、０．１７≦ｔ／Ｗを満たすことが好ましい。例えば、流路幅Ｗを１〜５ｍｍの範囲内の所定値に設定し、この不等式を満たすように壁厚ｔを設定するのが好ましい。一例として、流路幅Ｗを３ｍｍとした場合、壁厚ｔは０．５〜１．９５ｍｍで設定するのが好ましい。筐体２２の辺のうち、ガス導入口２４ａの周囲に位置する辺（図２及び図３における、ガス導入口２４ａの左辺、右辺及び下辺とそれぞれ対向する辺２２ｅ，２２ｆ，２２ｇ）を含む角部の曲率半径は、１．０ｍｍ以下であることが好ましく、０．１ｍｍ以下であることがより好ましい。

電荷発生部３０は、ガス流路２４内のガス導入口２４ａの近傍に電荷が発生するように、左右一対の流路壁２２ｃ，２２ｄのそれぞれに設けられている。以下には説明の便宜上、流路壁２２ｃに設けられた電荷発生部３０について説明するが、流路壁２２ｄに設けられた電荷発生部３０もこれと同様である。電荷発生部３０は、放電電極３２と２つの誘導電極３４，３４とを有している。放電電極３２は、流路壁２２ｃの内面に沿って設けられ、図４に示すように、矩形の周囲に複数の微細突起を有している。２つの誘導電極３４，３４は、矩形電極であり、流路壁２２ｃに間隔をあけて放電電極３２と平行となるように埋設されている。電荷発生部３０では、放電電極３２と２つの誘導電極３４，３４との間に放電用電源３６（付属ユニット８０の１つ）の高周波高電圧（例えばパルス電圧等）が印加されることで、両電極間の電位差による気中放電が発生する。このとき、筐体２２のうち放電電極３２と誘導電極３４，３４との間の部分が誘電体層の役割を果たす。この気中放電によって、放電電極３２の周囲に存在するガスがイオン化されて正の電荷２８が発生する。誘導電極３４，３４は、ここではグランドに接続されている。

ガスに含まれる微粒子２６は、ガス導入口２４ａからガス流路２４内に入り、電荷発生部３０を通過する際に電荷発生部３０の気中放電によって発生した電荷２８が付加されて帯電微粒子Ｐとなったあと後方に移動する。また、発生した電荷２８のうち微粒子２６に付加されなかったものは、電荷２８のまま後方に移動する。

余剰電荷除去部４０は、電荷発生部３０の下流で且つ捕集部５０の上流に設けられている。余剰電荷除去部４０は、印加電極４２と除去電極４４とを有している。印加電極４２は、右側の流路壁２２ｄの内面に沿って設けられ、ガス流路２４内に露出している。除去電極４４は、左側の流路壁２２ｃの内面に沿って設けられ、ガス流路２４内に露出している。印加電極４２と除去電極４４とは互いに向かい合う位置に配設されている。印加電極４２は、除去用電源４６（付属ユニット８０の１つ）によって後述する電圧Ｖ１に対して１桁程度低い電圧Ｖ２（正電位）が印加される電極である。除去電極４４は、グランドに接続された電極である。これにより、余剰電荷除去部４０の印加電極４２と除去電極４４との間には弱い電界が発生する。したがって、電荷発生部３０で発生した電荷２８のうち、微粒子２６に付加されなかった余剰の電荷２８は、この弱い電界によって除去電極４４に引き寄せられて捕獲され、グランドに捨てられる。これにより、余剰電荷除去部４０は、余剰の電荷２８が捕集部５０の捕集電極５４に捕集されて微粒子２６の数にカウントされてしまうことを抑制している。

捕集部５０は、ガス流路２４のうち電荷発生部３０及び余剰電荷除去部４０よりも下流に設けられている。捕集部５０は、帯電微粒子Ｐを捕集するものであり、電界発生電極５２と捕集電極５４とを有している。電界発生電極５２は、右側の流路壁２２ｄの内面に沿って設けられ、ガス流路２４内に露出している。捕集電極５４は、左側の流路壁２２ｃの内面に沿って設けられ、ガス流路２４内に露出している。電界発生電極５２と捕集電極５４とは互いに向かい合う位置に配設されている。電界発生電極５２は、印加電極４２に印加される電圧Ｖ２よりも大きな電圧Ｖ１（正電位）が捕集用電源５６（付属ユニット８０の１つ）によって印加される電極である。捕集電極５４は、電流計６２を介してグランドに接続された電極である。これにより、捕集部５０の電界発生電極５２と捕集電極５４との間には比較的強い電界が発生する。したがって、ガス流路２４を流れる帯電微粒子Ｐは、この比較的強い電界によって捕集電極５４に引き寄せられて捕集される。

なお、余剰電荷除去部４０の各電極４２，４４のサイズ、両電極４２，４４の間に発生させる電界の強さ、捕集部５０の各電極５２，５４のサイズ、両電極５２，５４の間に発生させる電界の強さは、帯電微粒子Ｐが除去電極４４に捕集されることなく捕集電極５４に捕集されるように、また、微粒子２６に付加しなかった電荷２８が除去電極４４によって除去されるように、設定されている。一般に、電荷２８の電気移動度は、帯電微粒子Ｐの電気移動度の１０倍以上であり、捕集するのに必要な電界は１桁以上小さくて済むので、このような設定が容易に可能となる。なお、電界発生電極５２と捕集電極５４とは、複数組設けられていてもよい。

個数検出部６０は、付属ユニット８０の１つであり、電流計６２と個数測定装置６４とを備えている。電流計６２は、一方の端子が捕集電極５４に接続され、もう一方の端子がグランドに接続されている。この電流計６２は、捕集電極５４に捕集された帯電微粒子Ｐの電荷２８に基づく電流を測定する。個数測定装置６４は、電流計６２の電流に基づいて微粒子２６の個数を演算する。

ヒータ電極７２は、筐体２２に埋設されている。ヒータ電極７２は、ジグザグに引き回された帯状の発熱体（図６参照）である。ヒータ電極７２は、図示しない給電装置に接続され、その給電装置によって通電されると発熱する。ヒータ電極７２は、筐体２２や除去電極４４，捕集電極５４などの各電極を加熱する。

ここで、微粒子検出素子２０の構成について、図６の分解斜視図を用いて更に説明する。微粒子検出素子２０は、７枚のシートＳ１〜Ｓ７で構成されている。各シートＳ１〜Ｓ７は、筐体２２と同じ材料で形成されている。説明の便宜上、左から右に向かって第１シートＳ１、第２シートＳ２、…と称し、各シートＳ１〜Ｓ７における右側の面を表面、左側の面を裏面と称する。各シートＳ１〜Ｓ７の厚みは適宜設定すればよく、例えばすべて同じであってもよいし、それぞれ異なっていてもよい。

第１シートＳ１の表面には、ヒータ電極７２が設けられている。ヒータ電極７２の一端及び他端は、第１シートＳ１の表面の上方に配置されており、第１シートＳ１のスルーホールを介して第１シートＳ１の裏面の上方に設けられたヒータ電極端子７５，７５にそれぞれ接続されている。

第２シートＳ２の表面には、誘導電極３４，３４が設けられている。誘導電極３４，３４は１本の配線にまとめられている。その配線の端部は、第２シートＳ２の表面の上方に配置されており、第２シートＳ２及び第１シートＳ１のスルーホールを介して第１シートＳ１の裏面の上方に設けられた誘導電極端子３５に接続されている。第２シートＳ２の表面には、除去電極４４の配線４４ａと捕集電極５４の配線５４ａとが上下方向に沿ってそれぞれ設けられている。各配線４４ａ，５４ａの上端は、第２シートＳ２及び第１シートＳ１のスルーホールを介して第１シートＳ１の裏面の上方に設けられた除去電極端子４５及び捕集電極端子５５にそれぞれ接続されている。

第３シートＳ３の表面には、放電電極３２、除去電極４４及び捕集電極５４が設けられている。除去電極４４は、第３シートＳ３のスルーホールを介して第２シートＳ２の配線４４ａに接続され、更にこの配線４４ａを介して除去電極端子４５に接続されている。捕集電極５４は、第３シートＳ３のスルーホールを介して第２シートＳ２の配線５４ａに接続され、更にこの配線５４ａを介して捕集電極端子５５に接続されている。

第４シートＳ４の下端側には、ガス流路２４すなわち直方体形状の空間が設けられている。

第５シートＳ５の裏面には、放電電極３２、印加電極４２及び電界発生電極５２が設けられている。

第６シートＳ６の裏面には、誘導電極３４，３４が設けられている。誘導電極３４，３４は１本の配線にまとめられている。その配線の端部は、第６シートＳ６の裏面の上方に配置されており、第３〜第６シートＳ３〜Ｓ６のスルーホールを介して第２シートＳ２の誘導電極３４の配線に接続されている。そのため、第６シートＳ６に設けられた誘導電極３４，３４も、第１シートＳ１の裏面の上方に設けられた誘導電極端子３５に接続されている。

第７シートＳ７の裏面には、放電電極３２の配線３２ａと印加電極４２の配線４２ａと電界発生電極５２配線５２ａとが上下方向に沿ってそれぞれ設けられている。配線３２ａの下端は、第４〜第６シートＳ４〜Ｓ６のスルーホールを介して第３及び第５シートＳ３，Ｓ５にそれぞれ設けられた放電電極３２に接続されている。配線４２ａの下端は、第５及び第６シートＳ５，Ｓ６のスルーホールを介して第５シートＳ５の裏面に設けられた印加電極４２に接続されている。配線５２ａの下端は、第５及び第６シートＳ５，Ｓ６のスルーホールを介して第５シートＳ５の裏面に設けられた電界発生電極５２に接続されている。各配線３２ａ，４２ａ，５２ａの上端は、第７シートＳ７のスルーホールを介して第７シートＳ７の表面の上方に設けられた放電電極端子３３、印加電極端子４３及び電界発生電極端子５３にそれぞれ接続されている。

次に、微粒子検出器１０の製造例について説明する。微粒子検出素子２０は、複数枚のセラミックグリーンシートを用いて作製することができる。具体的には、複数枚のセラミックグリーンシートの各々について、必要に応じて切欠や貫通孔や溝を設けたり電極や配線パターンをスクリーン印刷したりした後、それらを積層して焼成する。なお、切欠や貫通孔や溝については、焼成時に焼失するような材料（例えば有機材料）で充填しておいてもよい。こうして、微粒子検出素子２０を得る。続いて、微粒子検出素子２０の放電電極端子３３、印加電極端子４３及び電界発生電極端子５３をそれぞれ付属ユニット８０の放電用電源３６、除去用電源４６及び捕集用電源５６に接続する。また、微粒子検出素子２０の誘導電極端子３５及び除去電極端子４５をグランドに接続し、捕集電極端子５５を電流計６２を介して個数測定装置６４に接続する。更に、ヒータ電極端子７５，７５を図示しない給電装置に接続する。こうすることにより、微粒子検出器１０を製造することができる。

次に、微粒子検出器１０の使用例について説明する。自動車の排ガスに含まれる微粒子２６を計測する場合、上述したようにエンジンの排気管１２に微粒子検出素子２０を取り付ける（図１参照）。

図５に示すように、ガス導入口２４ａから筐体２２内に導入された排ガスに含まれる微粒子２６は、電荷発生部３０の放電によって発生した電荷２８（ここでは正電荷）を帯びて帯電微粒子Ｐになる。帯電微粒子Ｐは、電界が弱く除去電極４４の長さが捕集電極５４よりも短い余剰電荷除去部４０をそのまま通過して、捕集部５０に至る。一方、微粒子２６に付加されなかった電荷２８は、電界が弱くても余剰電荷除去部４０の除去電極４４に引き寄せられ、除去電極４４を介してＧＮＤに捨てられる。これにより、微粒子２６に付加されなかった不要な電荷２８は捕集部５０にほとんど到達することがない。

捕集部５０に到達した帯電微粒子Ｐは、電界発生電極５２によって発生した捕集用電界によって捕集電極５４に捕集される。そして、捕集電極５４に捕集された帯電微粒子Ｐの電荷２８に基づく電流が電流計６２で測定され、その電流に基づいて個数測定装置６４が微粒子２６の個数を演算する。電流Ｉと電荷量ｑの関係は、Ｉ＝ｄｑ／（ｄｔ）、ｑ＝∫Ｉｄｔである。個数測定装置６４は、所定期間にわたって電流値を積分（累算）してその積分値（蓄積電荷量）を求め、蓄積電荷量を素電荷で除算して電荷の総数（捕集電荷数）を求め、その捕集電荷数を１つの微粒子２６に付加する電荷の数の平均値（平均帯電数）で除算することで、捕集電極５４に捕集された微粒子２６の個数Ｎｔを求める（下記式（１）参照）。個数測定装置６４は、この個数Ｎｔを排ガス中の微粒子２６の数として検出する。
Ｎｔ＝（蓄積電荷量）／｛（素電荷）×（平均帯電数）｝ …（１）

微粒子検出素子２０の使用に伴い、微粒子２６等が捕集電極５４に数多く堆積すると、新たに帯電微粒子Ｐが捕集電極５４に捕集されないことがある。そのため、定期的にあるいは堆積量が所定量に達したタイミングで、捕集電極５４をヒータ電極７２によって加熱することにより、捕集電極５４上の堆積物を加熱して焼却し捕集電極５４の電極面をリフレッシュする。また、ヒータ電極７２により、筐体２２の内周面に付着した微粒子２６を焼却することもできる。

ここで、ガス流路２４は、矩形のガス導入口２４ａからガス導入口２４ａと同形のガス排出口２４ｂまで連なる直方体形状の空間である。このガス流路２４に排ガスを通過させると図７に示す流速分布が得られる。図７は、微粒子検出素子２０の断面図（図２のＢ−Ｂ断面図に相当）を用いて、微粒子検出素子２０を排ガスの流れの中に配置したときの流速分布を示したものである。図７の元図になったカラーの流速分布図では、赤→橙→黄→緑→青→藍→紫の順に流速が低くなるように表示されていたが、図７ではカラーをグレースケールに置き換えて表示した。図７に示すように、ガス排出口２４ｂよりも下流領域には、排ガスの流速がガス流路２４の内部を通過する排ガスの流速よりも低速になる低流速部ＬＡが発生する。捕集電極５４で捕集されなかった帯電微粒子Ｐは、ガス排出口２４ｂから排出されたあと低流速部ＬＡに至る。低流速部ＬＡに至った帯電微粒子Ｐは、その後に捕集電極５４で捕集されずガス排出口２４ｂから出てきた帯電微粒子Ｐを電気的な反発力によりガス流路２４に押し戻すように作用する。その結果、捕集電極５４による帯電微粒子Ｐの捕集率が向上する。

図７の低流速部ＬＡは、（低流速部ＬＡにおける排ガスの流速）／（ガス流路２４の内部を通過する排ガスの最大流速）を流速比Ｒとしたとき、Ｒ≦０．５７を満たす。Ｒ≦０．５７の低流速部ＬＡが存在するか否かは、図７の元図になったカラーの流速分布図を用いることにより容易に判断することができる。図７では、低流速部ＬＡは、ガス排出口２４ｂを覆うように形成されていることがわかる。これにより、上述したように低流速部ＬＡに至った帯電微粒子Ｐがその後にガス排出口２４ｂから排出されてきた帯電微粒子Ｐをガス流路２４に押し戻すように作用しやすくなり、帯電微粒子Ｐの捕集率がより向上する。

図７に示した流路壁２２ｃ，２２ｄの壁厚ｔは、（流路壁の壁厚ｔ）／（流路幅Ｗ）≦０．６５を満たす。具体的には、図７ではｔ＝１ｍｍ、Ｗ＝３ｍｍとした。これにより、低流速部ＬＡは、ガス排出口２４ｂを確実に覆うように形成されるし、低流速部ＬＡにおける排ガスの流速は、流速比Ｒ≦０．３１を満たすほど低くなる。そのため、上述したように低流速部ＬＡに至った帯電微粒子Ｐがその後にガス排出口２４ｂから排出されてきた帯電微粒子Ｐをガス流路２４に押し戻すように一層作用しやすくなり、帯電微粒子Ｐの捕集率が一層向上する。こうした作用効果は、ｔ／Ｗ≦０．６５を満たせば得られる。一方、流路壁２２ｃ，２２ｄの壁厚ｔがｔ／Ｗ≦０．６５を満たしていない場合であっても、帯電微粒子Ｐの捕集率が向上する効果は得られる。例えば、図８に示すように壁厚ｔが流路幅Ｗと等しい場合（図８ではｔ＝Ｗ＝３ｍｍ）であっても、ガス排出口２４ｂよりも下流領域に低流速部ＬＡが発生し、図７ほど明確ではないがガス排出口２４ｂを覆うように形成される。そのため、帯電微粒子Ｐの捕集率が向上するという効果は得られる。但し、図８の低流速部ＬＡは、流速比Ｒ≦０．５７を満たすが、流速比Ｒ≦０．３１を満たさない。そのため、帯電微粒子Ｐの捕集率が向上するという効果は図８よりも図７の方が大きい。なお、壁厚ｔや流路幅Ｗには、各種電極３２，４２，４４，５２，５４の厚み（通常、数１０μｍ）を含めないものとする。

筐体２２のうちガス導入口２４ａの周囲に位置する辺２２ｅ〜２２ｇを含む角部（図３参照）の曲率半径は、１．０ｍｍ以下（特に０．３ｍｍ以下）を満たすことが好ましい。こうすれば、ガス導入口２４ａからガス流路２４に入らなかった排ガスは、図７に示すように、こうした角部に当たったあと筐体２２の外面から斜め後方に延びる剥離面ＢＦを境界にしてその剥離面ＢＦよりも筐体２２側では低速で進み、その剥離面ＢＦよりも筐体２２とは反対側では高速で進む。一般に、低速のガスと固体との熱交換は、高速のガスと固体との熱交換よりも熱交換効率が低いことが知られている。そのため、筐体２２と排ガスとの熱交換が抑制され、筐体２２の温度変化が低減され、ひいては微粒子の個数Ｎｔの測定精度が向上する。すなわち、微粒子２６の個数Ｎｔは上述したように平均帯電数の関数であり、平均帯電数は温度の関数であることが知られている。そのため、筐体２２の温度変化を抑制して平均帯電数を安定化させれば、個数Ｎｔの測定精度が向上する。辺２２ｅ〜２２ｇを含む角部の曲率半径が１．０ｍｍを超えると、剥離面ＢＦは形成されず筐体２２の外面を高速のガスが流れるため、筐体２２の温度変化は低減されない。辺２２ｅ〜２２ｇを含む角部の曲率半径が１．０ｍｍ以下という構成を採用したことによる効果は、壁厚ｔと流路幅Ｗとの関係によらずに得ることができる。例えば、図８においても得ることができる。但し、この構成は、（流路壁の壁厚ｔ）／（流路幅Ｗ）≦０．６５を満たす場合に適用する意義が高い。この場合、流路壁２２ｃ，２２ｄの熱容量が小さいため、流路壁２２ｃ，２２ｄは排ガスとの熱交換の影響を受けやすくなるからである。なお、剥離面ＢＦを生じさせるためには、この曲率半径は０ｍｍであっても構わない。しかし、あまり鋭利な角部を形成しようとすると、角部が突出して脱落しやすくなり、脱落面によって角部形状が不均一になるおそれがある。そのような不均一な角部形状では、流れが乱れやすくなるため、かえって安定な剥離面を生じにくくなる。これを防ぐためには、曲率半径を０．０１ｍｍ以上にしておくことが好ましい。

以上説明した微粒子検出器１０では、捕集電極５４で捕集されなかった帯電微粒子Ｐは、ガス排出口２４ｂから排出されたあと低流速部ＬＡに至る。低流速部ＬＡに至った帯電微粒子Ｐは、その後に捕集電極５４で捕集されずガス排出口２４ｂから排出されてきた帯電微粒子Ｐを電気的な反発力によりガス流路２４に押し戻すように作用する。その結果、捕集電極５４による帯電微粒子Ｐの捕集率が向上する。微粒子検出器１０において、捕集性能を上げるために電圧Ｖ１を増加させると、ガス流路２４内の絶縁破壊や配線部での短絡を生じるリスクがあるため、電圧Ｖ１を変えずに捕集率を向上させる工夫はきわめて有効である。

微粒子検出器１０は、流速比Ｒ≦０．５７を満たすことや低流速部ＬＡがガス排出口２４ｂを覆うように形成されることが好ましい。こうすれば、捕集電極５４による帯電微粒子Ｐの捕集率がより向上する。

また、ｔ／Ｗ≦０．６５を満たすことが好ましい。こうすれば、低流速部ＬＡは、ガス排出口２４ｂを確実に覆うように形成されるし、低流速部ＬＡにおける排ガスの流速は、流速比Ｒ≦０．３１を満たすほど低くなる。そのため、捕集電極５４による帯電微粒子Ｐの捕集率が一層向上する。なお、流路壁２２ｃ，２２ｄの強度を確保することを考慮すると、０．１７≦ｔ／Ｗを満たすことが好ましい。

更に、筐体２２のうちガス導入口２４ａの周囲に位置する辺２２ｅ〜２２ｇを含む角部の曲率半径を１．０ｍｍ以下にすることが好ましい。こうすれば、筐体２２の外面と排ガスとの熱交換が抑制され、筐体２２の温度変化が低減され、ひいては微粒子の個数Ｎｔの測定精度が向上する。

更にまた、長尺体である筐体２２のうち、ガス流路２４が形成された下端は排気管１２の内部に配置され、電極端子３３，３５，４３，４５，５３，５５、７５が形成された上端は排気管１２の外部に配置される。そのため、電極端子３３，３５，４３，４５，５３，５５、７５は排気管１２を流通する高温の排ガスの影響を受けにくく、はんだ等の比較的耐熱性の低い接合材で外部配線と接続することができる。

そしてまた、捕集電極５４は電界を利用して帯電微粒子Ｐを捕集するため、捕集電極５４に帯電微粒子Ｐを効率よく捕集することができる。

そして更に、筐体２２は、ヒータ電極７２を内蔵しているため、筐体２２の温度をヒータ電極７２によって制御することができる。また、微粒子検出素子２０の使用に伴って捕集電極５４等に付着した微粒子２６をヒータ電極７２を加熱することにより焼却して捕集電極５４等をリフレッシュすることができる。

そして更にまた、微粒子検出素子２０は、筐体２２内で捕集電極５４よりもガスの流れの上流側に除去電極４４を備えているため、微粒子２６に付加されなかった電荷２８（余剰電荷）は捕集電極５４に捕集される前に除去電極４４によって除去される。したがって、そのような余剰電荷によって微粒子数が影響を受けるのを防止することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

例えば、上述した実施形態において、ガス流路２４の流路壁２２ｃ，２２ｄを壁厚ｔとして説明したが、流路壁２２ｃを壁厚ｔ１とし、流路壁２２ｄを壁厚ｔ２（≠ｔ１）としてもよい。その場合、（流路壁の壁厚ｔ１）／（流路幅Ｗ）≦０．６５、（流路壁の壁厚ｔ２）／（流路幅Ｗ）≦０．６５の両方を満たすことが好ましい。

上述した実施形態において、筐体２２にガス流路２４を２つ以上並べて設けてもよい。その場合、例えばガス流路２４ごとに捕集電極５４に発生させる電界の強度を変化させれば、ガス流路２４ごとに捕集される微粒子２６の粒径分布を異ならせることができる。

上述した実施形態において、微粒子検出素子２０は、低流速部ＬＡが発生しない構成であって、筐体２２のうちガス導入口２４ａの周囲に位置する辺２２ｅ〜２２ｇを含む角部の曲率半径が１．０ｍｍ以下（特に０．３ｍｍ以下）のものであってもよい。その場合、低流速部ＬＡによる効果は得られないものの、角部による効果、つまり筐体２２の外面と排ガスとの熱交換が抑制され、筐体２２の温度変化が低減され、ひいては微粒子の個数Ｎｔの測定精度が向上するという効果は得られる。

上述した実施形態では、電荷発生部３０として、ガス流路２４の内面に沿って設けられた放電電極３２と筐体２２に埋設された２つの誘導電極３４，３４とにより構成したが、気中放電により電荷を発生するものであれば特にどのような構成でも構わない。例えば、誘導電極３４，３４をガス流路２４の壁に埋設する代わりに、ガス流路２４の内面に沿って設けてもよい。あるいは、特許文献１に記載されているように、電荷発生部を針状電極と対向電極とで構成してもよい。

上述した実施形態では、電界発生電極５２はガス流路２４に露出していたが、これに限らず筐体２２に埋設されていてもよい。また、電界発生電極５２に代えて、捕集電極５４を上下から挟むように配設された一対の電界発生電極を筐体２２に設け、この一対の電界発生電極間に印加した電圧により生じる電界で、帯電微粒子Ｐを捕集電極５４に向けて移動させてもよい。この点は、印加電極４２も同様である。

上述した実施形態において、電界発生電極５２には電圧Ｖ１を印加したが、電圧を印加せず電界発生電極５２による電界を発生させない場合でも、流路幅Ｗを微小な値（例えば０．０１ｍｍ以上０．２ｍｍ未満）としておくことで、ブラウン運動の激しい粒径の比較的小さな帯電微粒子Ｐを捕集電極５４に衝突させることができる。これにより、捕集電極５４が帯電微粒子Ｐを捕集できる。この場合、微粒子検出素子２０は電界発生電極５２を備えなくてもよい。

上述した実施形態では、微粒子検出器１０をエンジンの排気管１２に取り付ける場合を例示したが、特にエンジンの排気管１２に限定されるものではなく、微粒子を含むガスが流通する管であればどのような管であってもよい。

上述した実施形態では、微粒子検出素子２０は微粒子の数を検出するものとしたが、微粒子の質量や表面積などを検出するものとしてもよい。微粒子の質量は、例えば、微粒子の数に微粒子の平均質量を乗じることにより求めることができるし、予め蓄積電荷量と捕集された微粒子の質量との関係をマップとして記憶装置に記憶しておき、このマップを用いて蓄積電荷量から微粒子の質量を求めることもできる。微粒子の表面積についても、微粒子の質量と同様の方法で求めることができる。

本発明は、例えば自動車などの動力機械の排ガス中の微粒子の数を検出する微粒子検出器に利用可能である。

１０ 微粒子検出器、１２ 排気管、１４ 支持体、１６ 台座、１８ 保護カバー、２０ 微粒子検出素子、２２ 筐体、２２ａ 下端、２２ｂ 上端、２２ｃ 流路壁、２２ｄ 流路壁、２２ｅ〜ｇ 辺、２４ ガス流路、２４ａ ガス導入口、２４ｂ ガス排出口、２６ 微粒子、２８ 電荷、３０ 電荷発生部、３２ 放電電極、３２ａ 配線、３３ 放電電極端子、３４ 誘導電極、３５ 誘導電極端子、３６ 放電用電源、４０ 余剰電荷除去部、４２ 印加電極、４２ａ 配線、４３ 印加電極端子、４４ 除去電極、４４ａ 配線、４５ 除去電極端子、４６ 除去用電源、５０ 捕集部、５２ 電界発生電極、５２ａ 配線、５３ 電界発生電極端子、５４ 捕集電極、５４ａ 配線、５５ 捕集電極端子、５６ 捕集用電源、６０ 個数検出部、６２ 電流計、６４ 個数測定装置、７２ ヒータ電極、７５ ヒータ電極端子、８０ 付属ユニット、ＢＦ 剥離面、ＬＡ 低流速部、Ｓ１〜Ｓ７ 第１〜第７シート、Ｐ 帯電微粒子、ｔ 流路壁の壁厚、Ｗ 流路幅。

Claims (7)

1. ガス中の微粒子を検出するために用いられる微粒子検出素子であって、
   前記ガスが通過するガス流路を有する筐体と、
   前記筐体内に導入された前記ガス中の微粒子に放電によって発生させた電荷を付加して帯電微粒子にする電荷発生部と、
   前記筐体内で前記電荷発生部よりも前記ガスの流れの下流側に設けられ、前記帯電微粒子を捕集する捕集電極と、
   を備え、
   前記ガス流路は、矩形のガス導入口から前記ガス導入口と同形のガス排出口まで連なる直方体形状の空間であり、前記ガスの流れの中に前記微粒子検出素子を配置して前記ガス流路に前記ガスを通過させると、前記ガス排出口よりも下流領域に、前記ガスの流速が前記ガス流路の内部を通過する前記ガスの流速よりも低速になる低流速部が発生する、
   微粒子検出素子。
2. （低流速部におけるガスの流速）／（ガス流路の内部を通過するガスの最大流速）≦０．５７を満たす、
   請求項１に記載の微粒子検出素子。
3. 前記低流速部は、前記ガス排出口を覆うように形成される、
   請求項１又は２に記載の微粒子検出素子。
4. 前記筐体は、前記ガス流路を構成する一対の流路壁を備え、前記一対の流路壁の間隔を前記ガス流路の流路幅としたとき、（流路壁の壁厚）／（流路幅）≦０．６５を満たす、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の微粒子検出素子。
5. 前記筐体のうち前記ガス導入口の周囲に位置する辺を含む角部の曲率半径は、１．０ｍｍ以下である、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の微粒子検出素子。
6. 前記筐体は、前記ガス流路の軸方向と交差する方向に長い長尺体であり、前記長尺体の長手方向の一端は、前記ガス流路を有し、前記ガスが流通する管の内部に配置され、前記長尺体の長手方向の他端は、少なくとも前記電荷発生部の端子及び前記捕集電極の端子を有し、前記管の外部に配置される、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の微粒子検出素子。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の微粒子検出素子と、
   前記捕集電極に捕集された前記帯電微粒子に応じて変化する物理量に基づいて、前記微粒子を検出する検出部と、
   を備えた微粒子検出器。