JP4540057B2

JP4540057B2 - Soot detector

Info

Publication number: JP4540057B2
Application number: JP2005165730A
Authority: JP
Inventors: 幸久大杉
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2005-06-06
Filing date: 2005-06-06
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2025-06-06
Also published as: JP2006337332A

Description

本発明は、スートの存在の検出や濃度の検出を行う装置に関するものである。 The present invention relates to an apparatus for detecting the presence of soot and detecting a concentration.

例えばディーゼル機関から排出される粒子状物質（ＰＭ）は、有機溶媒に可溶性の物質（Soluble organic fraction：SOF)と有機溶媒に不溶性の物質(dry soot：スート)とに分離できる。スートは、結晶構造を持つ球状粒子が鎖状に凝集したものであり、排出されると黒色となる。ＳＯＦは、スート生成過程における準安定中間生成物である凝集炭化水素液滴および潤滑油が排出されたものである。ＳＯＦおよびスートの排出特性は、負荷や回転速度等の運転条件によって著しく異なる。 For example, particulate matter (PM) discharged from a diesel engine can be separated into an organic solvent-soluble substance (Soluble organic fraction: SOF) and an organic solvent-insoluble substance (dry soot: soot). Soot is a chain aggregate of spherical particles having a crystal structure, and turns black when discharged. SOF is a product obtained by discharging aggregated hydrocarbon droplets and lubricating oil, which are metastable intermediate products in the soot generation process. The discharge characteristics of SOF and soot vary significantly depending on operating conditions such as load and rotational speed.

排気ガス中のＰＭは、フィルタ重量法によって、次のように定義されている。エンジン排ガスを希釈トンネルを用いて空気で５２℃以下まで希釈、冷却し、０．３μｍの標準粒子を９５％以上捕集できる炭化フッ素被膜ガラス繊維フィルタやメンブランフィルタなどによってフィルタ上に捕集された固形または液状の粒子の総和をＰＭという。そして、捕集後、気温２５℃、湿度６０％の雰囲気中に８時間以上放置した後の重量をＰＭの重量とする。 PM in exhaust gas is defined as follows by the filter weight method. The engine exhaust gas was diluted to 52 ° C or lower with air using a dilution tunnel, cooled, and collected on the filter by a fluorocarbon coated glass fiber filter or membrane filter that can collect 95% or more of 0.3 µm standard particles. The sum of solid or liquid particles is called PM. Then, after collection, the weight after standing for 8 hours or more in an atmosphere having an air temperature of 25 ° C. and a humidity of 60% is defined as the weight of PM.

最近、ディーゼルパーティキュレート規制の法制化が検討されており、車両においてディーゼル機関からの排出スートをリアルタイムで測定するセンサーが要望される。しかし、運行中の車両において連続的にスート量を監視し続けるのに適したセンサーは未だ知られていない。基本的には、ディーゼルパーティキュレートフィルターについたすすの量を推定する。また、すすの瞬間発生量を知ることができれば、ディーゼルパーティキュレートフィルターの故障検知やエンジン燃焼制御に使用することも可能となる。 Recently, the regulation of diesel particulate regulations has been studied, and a sensor for measuring exhaust soot from a diesel engine in a vehicle in real time is desired. However, a sensor suitable for continuously monitoring the amount of soot in a running vehicle is not yet known. Basically, the amount of soot on the diesel particulate filter is estimated. Moreover, if the instantaneous amount of soot can be known, it can be used for detecting the failure of the diesel particulate filter and controlling engine combustion.

スートセンサには、電気抵抗式、電荷式、加速度、光式、マイクロ波式など、さまざまな検知方式が検討されているが、選択性、コスト、および耐久性に問題を抱えている。例えば、抵抗式とは、電極間についたすすによって、電極間の抵抗変化で検知する。すすがついた量と抵抗変化が比例しないため、すす量の推定の精度が悪い。 Various detection methods such as an electric resistance type, an electric charge type, an acceleration type, an optical type, and a microwave type have been studied for the soot sensor, but have problems in selectivity, cost, and durability. For example, the resistance type is detected by a resistance change between electrodes by sooting between the electrodes. Since the amount of soot is not proportional to the resistance change, the accuracy of soot estimation is poor.

一方、QCMなどに代表される振動型の質量検知方法も提案されている（特許文献１、２）。
米国特許２００３／０１２３０５９Ａ１米国特許６７８６０７５Ｂ２ On the other hand, vibration-type mass detection methods represented by QCM have also been proposed (Patent Documents 1 and 2).
US Patent 2003/0123059 A1 US Pat. No. 6,786,075 B2

更に、特許文献３には、振動子の周波数変化ではなく、振動変位の変化に基づいて検出膜上に付着した質量を測定する方法が記載されている。
特願２００４−１９９２１４ Furthermore, Patent Document 3 describes a method of measuring the mass attached on the detection film based on a change in vibration displacement, not a change in frequency of the vibrator.
Japanese Patent Application No. 2004-199214

しかし、ＱＣＭ素子は特定のにおい物質のような吸着性の高い物質については比較的高感度を達成できることがあるが、各種の微粒子のような広範囲の目的物質をＱＣＭ素子によって吸着し、その質量や濃度を計測しようとするときに、次の問題がある。即ち、目的物質が高効率でＱＣＭ素子の吸着膜に吸着するとは限らず、目的物質の検出感度を高くできなかったり、目的物質以外の物質による干渉が大きくなることがある。こうした場合に、既知のＱＣＭ素子においては、目的物質の吸着能を選択的に向上させることは難しい。 However, the QCM element can achieve a relatively high sensitivity for a highly adsorbent substance such as a specific odor substance, but a wide range of target substances such as various fine particles are adsorbed by the QCM element, and its mass and When trying to measure the concentration, there are the following problems. That is, the target substance is not necessarily adsorbed on the adsorption film of the QCM element with high efficiency, and the detection sensitivity of the target substance cannot be increased, or interference by substances other than the target substance may increase. In such a case, it is difficult to selectively improve the adsorption ability of the target substance in the known QCM element.

本発明の課題は、スートの吸着による振動子の振動状態の変化に基づいてスートを検出するのに際して、スートの振動子上への効率的な吸着を可能とすることである。 An object of the present invention, upon detecting the soot on the basis of the change in the vibration state of the vibrator due to adsorption of the soot is to enable efficient adsorption onto vibrator soot.

本発明は、エンジン排気ガス中のスートを検出する装置であって、
排気管中に設置されたコロナ帯電装置、およびこのコロナ帯電装置の下流に設置された検出装置を備えており、
コロナ帯電装置が、高圧電極および接地電極を備えており、高圧電極と接地電極との間を流れる排気ガス中のスートを帯電させる機能を有しており、
検出装置が、振動子、この振動子の表面に設けられ、直流バイアス電圧が印加されており、帯電したスートの吸着能を有する静電吸着膜であって、振動子に基本振動を励振する駆動電極として機能する静電吸着膜、および振動子に基本振動を励振したときのスートの静電吸着膜への吸着による振動子の振動状態の変化に基づいてスートを検出する検出電極を備えていることを特徴とする。 The present invention is an apparatus for detecting soot in engine exhaust gas,
It has a corona charging device installed in the exhaust pipe, and a detection device installed downstream of this corona charging device,
The corona charging device includes a high voltage electrode and a ground electrode, and has a function of charging soot in exhaust gas flowing between the high voltage electrode and the ground electrode.
The detection device is a vibrator, an electrostatic adsorption film provided on the surface of the vibrator, to which a DC bias voltage is applied, and capable of adsorbing charged soot , and driving the vibrator to excite basic vibration It has an electrostatic adsorption film that functions as an electrode , and a detection electrode that detects soot based on a change in the vibration state of the vibrator due to adsorption of the soot to the electrostatic adsorption film when basic vibration is excited in the vibrator It is characterized by that.

本発明によれば、排気ガス中のスートを帯電状態で振動子上の静電吸着膜に対して高効率で吸着させ、検出可能である。 According to the present invention, the soot in the exhaust gas can be adsorbed with high efficiency to the electrostatic adsorption film on the vibrator in a charged state and detected.

振動子の材質や形態は特に限定されない。振動子の材質は特に限定するものでないが、水晶、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ₃、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体（Ｌｉ（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ₃）単結晶、ホウ酸リチウム単結晶、ランガサイト単結晶等からなる圧電単結晶を使用できる。あるいは、振動子をセラミックスによって形成できる。このセラミックスの種類は特に限定されず，アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素、コージェライトなどのアルミノ珪酸塩、あるいはそれらに添加物を加えたものを例示できる。 The material and form of the vibrator are not particularly limited. The material of the vibrator is not particularly limited. Crystal, LiNbO ₃ , LiTaO ₃ , lithium niobate-lithium tantalate solid solution (Li (Nb, Ta) O ₃ ) single crystal, lithium borate single crystal, langasite single crystal A piezoelectric single crystal made of a crystal or the like can be used. Alternatively, the vibrator can be formed of ceramics. The kind of the ceramic is not particularly limited, and examples thereof include aluminosilicates such as alumina, zirconia, silicon carbide, silicon nitride, and cordierite, or those obtained by adding an additive thereto.

本発明においては、圧電性材料によって形成された振動子の表面に駆動電極を設け、この駆動電極を駆動手段とする。 In the present invention , a drive electrode is provided on the surface of a vibrator formed of a piezoelectric material, and this drive electrode is used as drive means.

本発明では、圧電材料からなる振動子上に検出電極を形成する。 In the present invention, to form a detection electrode on a vibrator made of a piezoelectric material.

前述した駆動電極、検出電極は、導電性膜によって構成することができる。こうした導電性膜としては、金膜、金とクロムとの多層膜、金とチタンとの多層膜、銀膜、銀とクロムとの多層膜、銀とチタンとの多層膜、鉛膜、白金膜等の金属膜、ＴｉＯ_２等の金属酸化物膜が好ましい。金膜と酸化物単結晶、例えば水晶とは密着性が低いので、金膜と振動子、特に水晶振動子との間には、下地層、例えば少なくともクロム層またはチタン層を介在させることが好ましい。 The drive electrode and detection electrode described above can be formed of a conductive film. Examples of such a conductive film include a gold film, a multilayer film of gold and chromium, a multilayer film of gold and titanium, a silver film, a multilayer film of silver and chromium, a multilayer film of silver and titanium, a lead film, and a platinum film. A metal oxide film such as TiO ₂ is preferable. Since the adhesion between the gold film and the oxide single crystal such as quartz is low, it is preferable to interpose an underlayer such as at least a chromium layer or a titanium layer between the gold film and the vibrator, particularly the quartz vibrator. .

測定対象は、排気ガス中に含まれるスートである。 Measured is the soot contained in the exhaust gas.

測定系は排気ガスである。 The measurement system is exhaust gas .

本発明では、振動子の上流側に、スートを帯電させるためのコロナ帯電装置を設ける。これによって目的物質を計測に先立って確実に帯電し、その検出能を向上させることができる。
また、目的物質は、正帯電させてよく、負帯電させてもよい。正帯電させた目的物質は負側の直流ポテンシャルを与えられた静電吸着膜に吸着される。負帯電させた目的物質は正側の直流ポテンシャルを与えられた静電吸着膜に吸着される。 In the present invention , a corona charging device for charging the soot is provided on the upstream side of the vibrator . This makes it possible to reliably charge the target substance prior to measurement and improve its detection ability.
The target substance may be positively charged or negatively charged. The positively charged target substance is adsorbed by the electrostatic adsorption film given a negative DC potential. The negatively charged target substance is adsorbed by the electrostatic adsorption film having a positive DC potential.

静電吸着膜は、前記した駆動電極と兼用である。好ましくは、静電吸着膜の材質は導電性材料であり、例えば、金膜、金とクロムとの多層膜、金とチタンとの多層膜、銀膜、銀とクロムとの多層膜、銀とチタンとの多層膜、鉛膜、白金膜等の金属膜、ＴｉＯ_２等の金属酸化物膜が好ましい。金膜と酸化物単結晶、例えば水晶とは密着性が低いので、金膜と振動子、特に水晶振動子との間には、下地層、例えば少なくともクロム層またはチタン層を介在させることが好ましい。 Electrostatic adsorption film, Ru shared der and the the drive electrodes. Preferably, the material of the electrostatic adsorption film is a conductive material, such as a gold film, a multilayer film of gold and chromium, a multilayer film of gold and titanium, a silver film, a multilayer film of silver and chromium, and silver. A multilayer film with titanium, a metal film such as a lead film and a platinum film, and a metal oxide film such as TiO ₂ are preferable. Since the adhesion between the gold film and the oxide single crystal such as quartz is low, it is preferable to interpose an underlayer such as at least a chromium layer or a titanium layer between the gold film and the vibrator, particularly the quartz vibrator. .

本発明においては、静電吸着膜に直流バイアス電圧を印加し、これによって帯電したスートを高効率で静電吸着膜上に吸着し、検出時の誤差を低減することができる。この直流バイアス電圧の大きさは特に限定されず、スートの形態、寸法によって適宜選択するべきものであるが、吸着効率を向上させるという観点からは、100V以上であることが好ましく、また実用的には100ｋV以下であることが好ましい。また、静電吸着膜の極性は、目的物質の帯電極性に合わせて選択する。 In the present invention , a DC bias voltage is applied to the electrostatic adsorption film, whereby the charged soot is adsorbed on the electrostatic adsorption film with high efficiency, and errors during detection can be reduced. The magnitude of the DC bias voltage is not particularly limited and should be appropriately selected depending on the soot form and dimensions. From the viewpoint of improving the adsorption efficiency, it is preferably 100 V or more, and practically. Is preferably 100 kV or less. The polarity of the electrostatic adsorption film is selected according to the charging polarity of the target substance.

本発明において、振動子の振動状態の変化は、数値化可能であれば特に限定されない。以下を例示できる。
（１）振動周波数を測定し、帯電した目的物質の静電吸着膜への吸着による静電吸着膜の質量変化に基づく振動周波数変化から、物質の存在を検出し、また物質の濃度を計測する。
（２）振動のＱ値を測定し、帯電した目的物質の静電吸着膜への吸着による静電吸着膜の質量変化に基づくＱ値の変化から、物質の存在を検出し、また物質の濃度を計測する。
（３）振動子の振動変位を測定し、帯電した目的物質の静電吸着膜への吸着による静電吸着膜の質量変化に基づく振動変位の変化から、目的物質の存在を検出し、また物質の濃度を計測する。この方法によれば、周波数の変化を測定する場合に比べて、単位質量変化当たりの感度を向上させることが可能である。しかも、ねじれ弾性率μ、厚さ方向弾性率Ｃｙなどの温度特性等の環境変化は、振動子の全体にわたって生ずる。この際、本例においては、振動子の変位のバランス変化は、振動子の全体にわたって生ずるので、測定前後における振動変位の変化には影響しない。従って、質量変化のみを正確に測定することができる。 In the present invention, the change in the vibration state of the vibrator is not particularly limited as long as it can be quantified. The following can be illustrated.
(1) The vibration frequency is measured, the presence of the substance is detected from the change in the vibration frequency based on the mass change of the electrostatic adsorption film due to the adsorption of the charged target substance to the electrostatic adsorption film, and the concentration of the substance is measured. .
(2) The vibration Q value is measured, the presence of the substance is detected from the change in the Q value based on the change in the mass of the electrostatic adsorption film due to the adsorption of the charged target substance to the electrostatic adsorption film, and the concentration of the substance Measure.
(3) The vibration displacement of the vibrator is measured, and the presence of the target substance is detected from the change in vibration displacement based on the change in the mass of the electrostatic adsorption film due to the adsorption of the charged target substance to the electrostatic adsorption film. Measure the concentration of. According to this method, it is possible to improve the sensitivity per unit mass change compared to the case of measuring the change in frequency. Moreover, environmental changes such as temperature characteristics such as torsional elastic modulus μ and thickness direction elastic modulus Cy occur throughout the vibrator. At this time, in this example, the balance change of the displacement of the vibrator occurs over the whole vibrator, and therefore does not affect the change of the vibration displacement before and after the measurement. Therefore, only the mass change can be accurately measured.

好適な実施形態においては、基本振動において、振動変位が振動子の中心軸に対して略対称である。また、好適な実施形態においては、非測定時において、検出手段からの検出値が略０となるようにする。この場合には、略０からの変位を検出するので、一層測定感度が向上する上、環境変化の影響を低減できる。 In a preferred embodiment, in the fundamental vibration, the vibration displacement is substantially symmetric with respect to the central axis of the vibrator. In a preferred embodiment, the detection value from the detection means is set to approximately 0 when not measuring. In this case, since the displacement from about 0 is detected, the measurement sensitivity is further improved and the influence of the environmental change can be reduced.

振動の種類は特に限定されず、振動励起手段の厚み振動であってよく、振動アームの伸縮振動であってよく、振動アームの屈曲振動であってよい。 The type of vibration is not particularly limited, and may be thickness vibration of the vibration excitation means, stretching vibration of the vibration arm, or bending vibration of the vibration arm.

好適な実施形態においては、振動子の内部あるいは表面に発熱体を設けることができる。この発熱体の用途は限定されない。一例では、測定終了ごとに、発熱体の温度を充分な高温、例えば８００℃まで加熱可能とすることにより、例えばスートのような粒状物質を焼却し、検出装置を初期状態に戻すことができる。 In a preferred embodiment, a heating element can be provided inside or on the surface of the vibrator. The application of the heating element is not limited. In one example, the temperature of the heating element can be heated to a sufficiently high temperature, for example, 800 ° C. every time measurement is completed, so that particulate matter such as soot can be incinerated and the detection device can be returned to the initial state.

以下、図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
好適な実施形態においては、基本振動が、振動子の厚さ方向のねじれ振動モードである。図１〜図６は、この実施形態に係るものである。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
In a preferred embodiment, the fundamental vibration is a torsional vibration mode in the thickness direction of the vibrator. 1 to 6 relate to this embodiment.

図１は、検出装置１を模式的に示す平面図であり、図２は、検出装置１を模式的に示す斜視図であり、図３は検出装置１の正面図である。図４（ａ）は、厚みねじれ振動モードを説明するための平面図であり、図４（ｂ）は、厚みねじれ振動モードを説明するための斜視図であり、図５は回路例を示す。図６は、静電吸着膜上に帯電した目的物質２０が吸着されている様子を模式的に示す正面図である。 FIG. 1 is a plan view schematically showing the detection device 1, FIG. 2 is a perspective view schematically showing the detection device 1, and FIG. 3 is a front view of the detection device 1. 4A is a plan view for explaining the thickness torsional vibration mode, FIG. 4B is a perspective view for explaining the thickness torsional vibration mode, and FIG. 5 shows a circuit example. FIG. 6 is a front view schematically showing a state where the charged target substance 20 is adsorbed on the electrostatic adsorption film.

図１、図２に示すように、センサ１の振動子２は例えば角板形状をしている。振動子２の表面２ａ上には、駆動電極３Ａ、３Ｂ、検出電極４Ａが形成されており、表面２ｂ上には、駆動電極３Ｃ、３Ｄおよび検出電極４Ｂが形成されている。１５はリードであり、１６はリード端子である。 As shown in FIGS. 1 and 2, the vibrator 2 of the sensor 1 has, for example, a square plate shape. Drive electrodes 3A, 3B and detection electrodes 4A are formed on the surface 2a of the vibrator 2, and drive electrodes 3C, 3D and detection electrodes 4B are formed on the surface 2b. 15 is a lead, and 16 is a lead terminal.

駆動回路部１４（図５参照）の駆動電源８を使用し、駆動電極３Ａと３Ｃとの間、駆動電極３Ｂと３Ｄとの間にそれぞれ逆相の交流電圧を印加することによって、図４（ａ）、図４（ｂ）に示す矢印Ａ、Ｂのように、厚みすべり振動を生じさせる。また、駆動電極３Ａ側の端子Ｄ１を直流バイアス電源２２に接続し、駆動電極３Ｃ側の端子Ｄ１Ｇをアースする。これによって駆動電極３Ａと３Ｃとの間には、駆動振動を励振するための交流電圧だけでなく、直流バイアス電圧も印加される。駆動電極３Ｂ、３Ｄ側の端子Ｄ２、Ｄ２Ｇには、駆動振動を励振するための交流電圧を印加するが、直流バイアス電圧は印加しない。駆動振動Ａ、Ｂは、振動子の中心軸Ｄに対して略線対称である。 By using the drive power supply 8 of the drive circuit unit 14 (see FIG. 5) and applying an AC voltage having a reverse phase between the drive electrodes 3A and 3C and between the drive electrodes 3B and 3D, respectively, FIG. a) Thickness shear vibration is generated as indicated by arrows A and B shown in FIG. Further, the terminal D1 on the drive electrode 3A side is connected to the DC bias power source 22, and the terminal D1G on the drive electrode 3C side is grounded. As a result, not only an AC voltage for exciting drive vibration but also a DC bias voltage is applied between the drive electrodes 3A and 3C. An AC voltage for exciting drive vibration is applied to the terminals D2 and D2G on the drive electrodes 3B and 3D, but no DC bias voltage is applied. The drive vibrations A and B are substantially line symmetric with respect to the central axis D of the vibrator.

ここで、帯電した目的物質が検出装置１上を通過すると、駆動電極３Ａ、３Ｃは、直流バイアス電圧が印加されていることから静電吸着膜として使用し、電極３Ａまたは３Ｃ上に目的物質２０が静電吸着される。例えば駆動電極３Ａと３Ｂとの両方に測定対象物質が付着すると、振動子２の中心軸Ｄの左右における各質量のバランスは変化しないので、検出電極４Ａ、４Ｂからの出力は変化せず、吸着量を測定できない。このため、振動子２の中心軸Ｄから見て一方の側の駆動電極３Ａまたは３Ｃ側のみに目的物質が静電吸着されるようにする。 Here, when the charged target substance passes over the detection device 1, the drive electrodes 3A and 3C are used as an electrostatic adsorption film because a DC bias voltage is applied, and the target substance 20 is placed on the electrode 3A or 3C. Is electrostatically adsorbed. For example, when the substance to be measured adheres to both the drive electrodes 3A and 3B, the balance of the respective masses on the left and right of the central axis D of the vibrator 2 does not change, so the outputs from the detection electrodes 4A and 4B do not change, and the adsorption The amount cannot be measured. Therefore, the target substance is electrostatically adsorbed only on the drive electrode 3A or 3C side on one side when viewed from the central axis D of the vibrator 2.

これによって、振動子２の中心軸Ｄの左右における各質量のバランスが崩れる。この結果、中心軸Ｄに対する駆動振動Ａ、Ｂの線対称性が崩れ、検出電極４Ａと４Ｂとの間に、駆動振動と同相の信号電圧が発生する。この信号電圧に基づいて質量を算出する。 Thereby, the balance of the respective masses on the left and right of the central axis D of the vibrator 2 is lost. As a result, the line symmetry of the drive vibrations A and B with respect to the central axis D is lost, and a signal voltage in phase with the drive vibration is generated between the detection electrodes 4A and 4B. The mass is calculated based on this signal voltage.

即ち、検出電極４Ａ、４Ｂの間で振動子に変位が生ずると、端子Ｐと接地端子ＰＧとの間で電圧が生ずる。この電圧差を信号処理部分６の検出増幅器９で検出し、駆動振動によって位相検波回路１０で位相検波する。そして、駆動振動と同相の振動をローパスフィルター１１に通し、出力する。 That is, when the transducer is displaced between the detection electrodes 4A and 4B, a voltage is generated between the terminal P and the ground terminal PG. This voltage difference is detected by the detection amplifier 9 of the signal processing portion 6, and phase detection is performed by the phase detection circuit 10 by driving vibration. Then, the vibration having the same phase as the drive vibration is passed through the low-pass filter 11 and output.

ここで、中心の検出電極４Ａ、４Ｂにおける検出信号は、非測定時においては略ゼロとなるようにする。これは、駆動振動の変位Ａ、Ｂが、振動子２の中心軸Ｄに対して略線対称となっているために、検出電極４Ａ、４Ｂの間の領域における振動子の振動変位はほぼゼロとなるからである。 Here, the detection signals at the center detection electrodes 4A and 4B are set to be substantially zero at the time of non-measurement. This is because the vibration displacements A and B of the drive vibration are substantially line symmetric with respect to the central axis D of the vibrator 2, so that the vibration displacement of the vibrator in the region between the detection electrodes 4 A and 4 B is almost zero. Because it becomes.

また、本発明においては、いわゆるＡＴカット水晶振動子の厚みすべり振動を使用できる。例えば図７（ａ）、（ｂ）に模式的に示すように、検出装置１２は、略円板形状の水晶振動子２を備えている。水晶振動子２の表面２ａ、２ｂ上に駆動電極１３Ａ、１３Ｂを形成し、駆動電極１３Ａと１３Ｂとの間に交流電源８から交流信号電圧を印加し、厚みすべり振動を水晶振動子２内に発生させる。これと同時に、電極１３Ａと１３Ｂとの間に直流電源２２から、電極１３Ａを正極、電極１３Ｂを負極として直流バイアス電圧を印加する。これによって、例えば負に帯電した目的物質２０は電極１３Ａに対して静電吸着する。この振動においては、質量変化と周波数変化との間には以下の関係がある。Δｆ（基本周波数の変化）を測定することにより、Δｍ（質量変化）を算出することができる。
Δｆ＝−２Δｍｆ^２／Ａ（μρ）^１／２
Δｆ：基本周波数の変化
ｆ：基本周波数
Δｍ：質量変化
Ａ：電極面積
μ：水晶のねじれ弾性率＝１０^１１ｄｙｎ／ｃｍ^２
ρ：水晶の密度＝２．６５ｇ／ｃｍ^３ In the present invention, the thickness shear vibration of a so-called AT-cut quartz resonator can be used. For example, as schematically shown in FIGS. 7A and 7B, the detection device 12 includes a substantially disc-shaped crystal resonator 2. The drive electrodes 13A and 13B are formed on the surfaces 2a and 2b of the crystal resonator 2, and an AC signal voltage is applied from the AC power source 8 between the drive electrodes 13A and 13B to cause the thickness shear vibration in the crystal resonator 2. generate. At the same time, a DC bias voltage is applied between the electrodes 13A and 13B from the DC power source 22 with the electrode 13A as the positive electrode and the electrode 13B as the negative electrode. Thereby, for example, the negatively charged target substance 20 is electrostatically adsorbed to the electrode 13A. In this vibration, there is the following relationship between mass change and frequency change. By measuring Δf (change in fundamental frequency), Δm (mass change) can be calculated.
Δf = −2Δmf ² / A (μρ) ^1/2
Δf: change in fundamental frequency f: fundamental frequency Δm: mass change A: electrode area μ: torsional elastic modulus of crystal = 10 ¹¹ dyn / cm ²
ρ: Crystal density = 2.65 g / cm ³

図８は、目的物質の帯電に使用できる帯電手段の一例を示す模式図である。パイプ２９、例えば排気管の中をガスまたは液体（例えば排気ガス）が矢印Ｅのように流れているものとする。ここで、帯電手段２１は接地電極２８、２４および高圧電極２３を備えており、高圧電極２３は直流高圧電源２５に接続されている。これによって、高圧電極２３と接地電極２８、２４との間に直流高圧電界を印加し、パイプ内を通過する目的物質を帯電させる。目的物質を帯電させた後のガスや気体を矢印Ｆのように更に下流へと流し、検出装置１によって目的物質の存在および／または濃度を検出する。 FIG. 8 is a schematic diagram showing an example of a charging means that can be used for charging the target substance. It is assumed that gas or liquid (for example, exhaust gas) flows in the pipe 29, for example, the exhaust pipe, as indicated by an arrow E. Here, the charging means 21 includes ground electrodes 28 and 24 and a high voltage electrode 23, and the high voltage electrode 23 is connected to a DC high voltage power supply 25. As a result, a DC high-voltage electric field is applied between the high-voltage electrode 23 and the ground electrodes 28 and 24 to charge the target substance passing through the pipe. The gas or gas after charging the target substance flows further downstream as indicated by arrow F, and the detection device 1 detects the presence and / or concentration of the target substance.

エンジン排気ガス中を流れる排気ガス中のスートを、本発明の検出装置１によって検出した。図１〜図６に示す検出装置１および図８に示すコロナ帯電装置２１を作製した。振動子２はＡＴカット水晶板によって形成した。振動子２の幅は8ｍｍとし、厚さは0.16ｍｍとした。各電極は、クロム／金膜（厚さ５００オングストローム）を使用した。こうして得られた検出装置１を真空蒸着装置の成膜室内に接地した。駆動信号電圧１ボルトで、駆動電極にたいして、振動子２の固有共振周波数である１０ＭＨｚの交流電圧を印加した。この時点では検出信号は０であった。更に、図５に示す直流電源２２によって、駆動電極３Ａと３Ｃとの間に＋１ｋＶ程度の正の直流バイアス電圧を印加した。 Soot in the exhaust gas flowing in the engine exhaust gas was detected by the detection device 1 of the present invention. The detection device 1 shown in FIGS. 1 to 6 and the corona charging device 21 shown in FIG. 8 were produced. The vibrator 2 was formed of an AT cut quartz plate. The width of the vibrator 2 was 8 mm, and the thickness was 0.16 mm. Each electrode used a chrome / gold film (thickness 500 Å). The detection device 1 thus obtained was grounded in the film forming chamber of the vacuum vapor deposition device. An AC voltage of 10 MHz, which is the natural resonance frequency of the vibrator 2, was applied to the drive electrode at a drive signal voltage of 1 volt. At this time, the detection signal was zero. Further, a positive DC bias voltage of about +1 kV was applied between the drive electrodes 3A and 3C by the DC power source 22 shown in FIG.

図８に示すコロナ帯電装置をエンジン排気管２９中で検出装置１の上流側に設置した。そしてこの高圧電源に１０ｋＶの直流電圧を印加し、高圧電極２３の周辺にコロナ放電を発生させた。エンジン排気管中の排気ガスには、カーボンなどの粉塵が含まれる。コロナ放電部を通過する粉塵は電子によってマイナスに帯電する。マイナスに帯電した粉塵は静電引力によって、選択的に正の高電圧が印加された駆動電極３Ａに対して吸着される。この吸着量は、排気ガス中に含まれる粉塵濃度に比例する。この結果、吸着に応じて振動子中心軸Ｄに対する左右の質量バランスが崩れ、検出信号が発生した。発生信号は、吸着量１ｐｇ当たり２．２μＶであった。用いた検出回路による検出限界は０．０４μＶであるため、測定精度２０ｆｇの高精度測定が可能であった。この結果、排気ガス中の粉塵濃度の高精度測定が可能になった。 The corona charging device shown in FIG. 8 was installed upstream of the detection device 1 in the engine exhaust pipe 29. Then, a DC voltage of 10 kV was applied to this high voltage power source, and corona discharge was generated around the high voltage electrode 23. The exhaust gas in the engine exhaust pipe contains dust such as carbon. Dust passing through the corona discharge is negatively charged by electrons. The negatively charged dust is attracted to the driving electrode 3A to which a positive high voltage is selectively applied by electrostatic attraction. This amount of adsorption is proportional to the concentration of dust contained in the exhaust gas. As a result, the mass balance on the left and right with respect to the vibrator center axis D was lost in accordance with the suction, and a detection signal was generated. The generated signal was 2.2 μV per 1 pg of adsorption amount. Since the detection limit of the detection circuit used was 0.04 μV, high-precision measurement with a measurement accuracy of 20 fg was possible. As a result, it is possible to measure the dust concentration in the exhaust gas with high accuracy.

センサ１を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows the sensor 1 typically. センサ１を模式的に示す斜視図である。1 is a perspective view schematically showing a sensor 1. FIG. センサ１の正面図である。2 is a front view of the sensor 1. FIG. （ａ）は、厚みねじれ振動モードを説明するための平面図であり、（ｂ）は、厚みねじれ振動モードを説明するための斜視図である。(A) is a top view for demonstrating thickness torsional vibration mode, (b) is a perspective view for demonstrating thickness torsional vibration mode. 振動子の駆動および信号検出のための回路例を示す。An example of a circuit for driving a vibrator and detecting a signal is shown. 静電吸着膜３Ａ上に目的物質２０が吸着した状態を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the state which the target substance 20 adsorb | sucked on 3 A of electrostatic adsorption films. （ａ）は、本発明を適用したＱＣＭ素子１２を模式的に示す平面図であり、（ｂ）はＱＣＭ素子１２を示す正面図である。(A) is a top view which shows typically the QCM element 12 to which this invention is applied, (b) is a front view which shows the QCM element 12. FIG. 目的物質の帯電手段２１を示す模式図である。It is a schematic diagram showing a charging means 21 for a target substance.

１、１２検出装置２振動子３Ａ駆動電極（静電吸着膜）３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ駆動電極４Ａ、４Ｂ検出電極１３Ａ駆動電極（静電吸着膜）１３Ｂ駆動電極Ａ、Ｂ厚み滑り振動Ｄ振動子２の中心軸

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,12 Detection apparatus 2 Vibrator 3A Drive electrode (electrostatic adsorption film) 3B, 3C, 3D Drive electrode 4A, 4B Detection electrode 13A Drive electrode (electrostatic adsorption film) 13B Drive electrode A, B Thickness shear vibration D Vibrator 2 central axes

Claims

エンジン排気ガス中のスートを検出する装置であって、
排気管中に設置されたコロナ帯電装置、およびこのコロナ帯電装置の下流に設置された検出装置を備えており、
前記コロナ帯電装置が、高圧電極および接地電極を備えており、前記高圧電極と前記接地電極との間を流れる前記排気ガス中のスートを帯電させる機能を有しており、
前記検出装置が、振動子、この振動子の表面に設けられ、直流バイアス電圧が印加されており、帯電した前記スートの吸着能を有する静電吸着膜であって、前記振動子に基本振動を励振する駆動電極として機能する静電吸着膜、および前記振動子に前記基本振動を励振したときの前記スートの前記静電吸着膜への吸着による前記振動子の振動状態の変化に基づいて前記スートを検出する検出電極を備えていることを特徴とする、スート検出装置。 A device for detecting soot in engine exhaust gas,
It has a corona charging device installed in the exhaust pipe, and a detection device installed downstream of this corona charging device,
The corona charging device includes a high voltage electrode and a ground electrode, and has a function of charging soot in the exhaust gas flowing between the high voltage electrode and the ground electrode,
The detection device is a vibrator, an electrostatic adsorption film provided on a surface of the vibrator, to which a DC bias voltage is applied, and having an ability to adsorb the charged soot , and the fundamental vibration is applied to the vibrator. on the basis of the said change in the vibration state of the vibrator due to adsorption to the electrostatic adsorption film of soot when the excited fundamental vibration electrostatic adsorption film functions as a drive electrode for exciting, and the vibrator soot A soot detection device comprising a detection electrode for detecting sucrose.

前記振動状態の変化が振動変位であることを特徴とする、請求項１記載の装置。 The apparatus according to claim 1, wherein the change in the vibration state is a vibration displacement.

前記基本振動において、前記振動変位が前記振動子の中心軸に対して略対称であることを特徴とする、請求項２記載の装置。 The apparatus according to claim 2 , wherein in the fundamental vibration, the vibration displacement is substantially symmetric with respect to a central axis of the vibrator.

非測定時において検出値が略０となることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の装置。 The apparatus according to any one of claims 1 to 3 , wherein the detected value is substantially 0 at the time of non-measurement.

前記基本振動が、前記振動子の厚みねじれ振動モードであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の装置。
The fundamental vibration, characterized in that a thickness torsional vibration mode of the vibrator Apparatus according to any one of claims 1-4.