WO2020036092A1 - 微粒子検出器 - Google Patents

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WO2020036092A1
WO2020036092A1 PCT/JP2019/030817 JP2019030817W WO2020036092A1 WO 2020036092 A1 WO2020036092 A1 WO 2020036092A1 JP 2019030817 W JP2019030817 W JP 2019030817W WO 2020036092 A1 WO2020036092 A1 WO 2020036092A1
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WO
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electrode
electric field
fine particles
charge
removal
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Application number
PCT/JP2019/030817
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English (en)
French (fr)
Inventor
英正 奥村
Original Assignee
日本碍子株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/62—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode
    • G01N27/68—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode using electric discharge to ionise a gas
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05F—STATIC ELECTRICITY; NATURALLY-OCCURRING ELECTRICITY
    • H05F3/00—Carrying-off electrostatic charges
    • H05F3/02—Carrying-off electrostatic charges by means of earthing connections

Definitions

  • the present invention relates to a particle detector.
  • ions are generated by corona discharge with a charge generating element, and the ions are used to charge fine particles in a gas into charged fine particles.
  • Patent Document 1 a removing electrode is provided between the charge generating element and the collecting electrode, an electric power is connected to the removing electrode to generate an electric field on the removing electrode, and the electric field is used to generate fine particles. It has also been proposed to improve the detection accuracy of the number of fine particles by collecting and removing uncharged charges (excess charges) with a removal electrode.
  • the present invention has been made to solve such a problem, and has as its main object to simplify the configuration of a particle detector as compared with the related art.
  • the particle detector of the present invention A fine particle detector used to detect fine particles in a gas, A housing having a gas flow path through which the gas passes, A charge generation unit that generates a charge by discharging when a discharge voltage is applied, and adds the charge to the fine particles in the gas introduced into the gas flow path to make the charged fine particles; A removing electrode provided in the gas flow path on the downstream side of the flow of the gas from the charge generation unit, for removing an excess charge not charged to the fine particles, A collecting electrode provided in the gas flow path on the downstream side of the gas flow from the removing electrode, for collecting the charged fine particles, A detection unit that detects the amount of the fine particles based on a physical amount that changes according to the charged fine particles collected by the collection electrode, With The removal electrode is connected to ground, does not have its own power supply for generating an electric field on the removal electrode, and has an electric field generated between the removal electrode and a voltage application electrode disposed around the removal electrode. Removing the excess charge using Things.
  • the charge generation unit generates charges to convert fine particles in the gas introduced into the gas flow path into charged fine particles, and a removal electrode removes excess charge not added to the fine particles. Is collected by the collecting electrode.
  • the detection unit detects the amount of the fine particles based on a physical amount that changes according to the charged fine particles collected by the collection electrode.
  • the removal electrode is connected to the ground, does not have its own power supply for generating an electric field on the removal electrode, and generates an electric field generated between the removal electrode and a voltage application electrode arranged around the removal electrode. Utilize to remove excess charge. Therefore, the configuration can be simplified as compared with a conventional fine particle detector having a unique power supply for generating an electric field at the removal electrode.
  • charge includes ions in addition to positive charges and negative charges.
  • physical quantity may be a parameter that changes according to the collection target, and includes, for example, current.
  • amount of fine particles includes, for example, the number, mass, and surface area of the fine particles.
  • the voltage application electrode is a discharge electrode of the charge generation unit to which a discharge voltage is applied by a discharge power supply, and the removal electrode is provided between the removal electrode and the discharge electrode.
  • the surplus electric charge may be removed by using an electric field generated in the above.
  • a power supply for discharge can be used instead of a power supply unique to the removal electrode.
  • the removal electrode may be provided on a surface different from the surface on which the discharge electrode is provided. In this case, an electric field is easily generated between the removal electrode and the discharge electrode.
  • the discharge voltage is preferably a periodic voltage (a voltage having periodicity). This makes it possible to generate charges intermittently.
  • the collecting electrode collects the charged fine particles using an electric field generated on the collecting electrode by a collecting voltage applied to an electric field generating electrode by a collecting power supply.
  • the voltage applying electrode is the electric field generating electrode
  • the removing electrode removes the surplus charge by using an electric field generated between the removing electrode and the electric field generating electrode.
  • a power supply for collection can be used instead of a power supply unique to the removal electrode.
  • the removal electrode may be provided on a surface different from the surface on which the electric field generating electrode is provided. In this case, an electric field is easily generated between the removal electrode and the electric field generating electrode.
  • the collection voltage may be a DC voltage. This makes it possible to continuously remove excess charges during the period of detecting fine particles.
  • both the discharge electrode and the electric field generating electrode may be used as the voltage application electrode, or either one of them may be used.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram of the particle detector 10.
  • FIG. 2 is a perspective view of the particle detection element 20. AA sectional drawing of FIG. FIG. 3 is a sectional view taken along line BB of FIG. 2.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the particle detection element 20.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of a sine wave voltage.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the particle detector 110.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the particle detector 210.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of a pulse voltage.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the particle detector 310.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the particle detector 410.
  • FIG. 1 is an explanatory view of a particle detector 10 according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a perspective view of a particle detection element 20
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 2
  • FIG. 5 is an exploded perspective view of the particle detecting element 20.
  • the vertical direction, the horizontal direction, and the front-back direction are as shown in FIGS.
  • the particle detector 10 detects the number of particles 26 (see FIG. 4) contained in exhaust gas flowing through the exhaust pipe 12 of the engine.
  • the particle detector 10 includes a particle detection element 20 and an attached unit 80 including various power supplies 36 and 56 and a number detection unit 60.
  • the fine particle detection element 20 is attached to a ring-shaped pedestal 16 fixed to the exhaust pipe 12 while being inserted into a columnar support 14.
  • the particle detecting element 20 is protected by the protective cover 18.
  • a hole (not shown) is provided in the protective cover 18, and the exhaust gas flowing through the exhaust pipe 12 passes through the gas passage 24 provided at the lower end of the particle detection element 20 through the hole.
  • the holes in the protective cover 18 are adjusted so that the speed of the exhaust gas introduced into the gas flow path 24 is substantially constant regardless of the speed of the exhaust gas flowing through the exhaust pipe 12.
  • the fine particle detection element 20 includes a housing 22 including a charge generation unit 30, a surplus charge removal unit 40, a collection unit 50, and a heater electrode 72.
  • the casing 22 is a long rectangular parallelepiped that is long in a direction intersecting with the axial direction of the exhaust pipe 12 (here, a direction substantially orthogonal to the axis).
  • the housing 22 is an insulator, and is made of, for example, ceramics such as alumina.
  • the lower end 22 a of the housing 22 is arranged inside the exhaust pipe 12, and the upper end 22 b is arranged outside the exhaust pipe 12.
  • a gas flow path 24 is provided at a lower end 22 a of the housing 22.
  • Various terminals are provided on the upper end 22 b of the housing 22.
  • the axial direction of the gas flow path 24 matches the axial direction of the exhaust pipe 12.
  • the gas flow path 24 extends from a rectangular gas inlet 24 a provided on the front surface of the housing 22 to a rectangular gas outlet 24 b provided on the rear surface of the housing 22. It is a continuous rectangular parallelepiped space.
  • the housing 22 includes a pair of left and right flow path walls 22c and 22d that form the gas flow path 24 (see FIG. 2).
  • the charge generation section 30 is provided on the flow path wall 22c so that charges are generated in the gas flow path 24 near the gas inlet 24a.
  • the charge generation section 30 has a discharge electrode 32 and two ground electrodes 34.
  • the discharge electrode 32 is provided along the inner surface of the flow path wall 22c, and has a plurality of fine protrusions around a rectangle as shown in FIG.
  • the two ground electrodes 34, 34 are rectangular electrodes, and are embedded in the flow path wall 22c so as to be parallel to the discharge electrodes 32 at intervals.
  • a high-frequency high voltage (periodic voltage) of the discharge power source 36 (one of the attached units 80) is applied between the discharge electrode 32 and the two ground electrodes 34, 34, so that both of the two are connected. Air discharge occurs due to a potential difference between the electrodes. At this time, a portion of the housing 22 between the discharge electrode 32 and the ground electrodes 34, 34 serves as a dielectric layer. By this air discharge, the gas existing around the discharge electrode 32 is ionized and a positive charge 28 is generated.
  • the ground electrodes 34, 34 are connected to ground (earth).
  • the fine particles 26 contained in the gas enter the gas flow path 24 from the gas inlet 24 a, and charge 28 generated by air discharge of the charge generation unit 30 when passing through the charge generation unit 30. Are added to form the charged fine particles P, and then move backward. Further, of the generated electric charges 28, those not added to the fine particles 26 move backward with the electric charges 28. Of the generated charges 28, those not added to the fine particles 26 are referred to as surplus charges.
  • the surplus charge removing unit 40 is provided downstream of the charge generating unit 30 and upstream of the collecting unit 50.
  • the surplus charge removing section 40 has a pair of removing electrodes 42 and 44.
  • One removal electrode 44 is provided along the inner surface of the left channel wall 22 c and is exposed in the gas channel 24.
  • the other removal electrode 42 is provided along the inner surface of the right channel wall 22 d and is exposed in the gas channel 24.
  • the pair of removal electrodes 42 and 44 are disposed at positions facing each other, and both are connected to ground (earth).
  • the collection unit 50 is provided downstream of the charge generation unit 30 and the surplus charge removal unit 40 in the gas flow path 24.
  • the collecting section 50 is for collecting the charged fine particles P, and has an electric field generating electrode 52 and a collecting electrode 54.
  • the electric field generating electrode 52 is provided along the inner surface of the left channel wall 22 c and is exposed in the gas channel 24.
  • the collecting electrode 54 is provided along the inner surface of the right channel wall 22 d and is exposed in the gas channel 24.
  • the electric field generating electrode 52 and the collecting electrode 54 are provided at positions facing each other.
  • the electric field generating electrode 52 is an electrode to which a DC voltage V1 (positive potential, for example, about 2 kV) is applied by a trapping power supply 56 (one of the attached units 80).
  • the collection electrode 54 is an electrode connected to the ground (earth) via the ammeter 62. Thereby, a relatively strong electric field is generated between the electric field generation electrode 52 and the collection electrode 54 of the collection unit 50. Therefore, the charged fine particles P flowing through the gas flow path 24 are attracted to and collected by the collection electrode 54 by the relatively strong electric field.
  • the surplus charge 28 not added to the fine particles 26 is attracted to and captured by the removal electrode 42 by the electric field generated between the discharge electrode 32 and the removal electrode 42, and is grounded. Or is attracted to the removal electrode 42 by an electric field generated between the electric field generating electrode 52 and the removal electrode 42, is captured and discarded by the ground, or is removed by an electric field generated between the discharge electrode 32 and the removal electrode 44. It is attracted to the electrode 44 and captured and discarded to the ground, or it is attracted to the removal electrode 44 by an electric field generated between the electric field generating electrode 52 and the removal electrode 44 and captured and discarded to the ground.
  • the removal electrodes 42 and 44 remove the surplus electric charge 28 by using the discharge power supply 36 and the collection power supply 56, and have their own power supply for generating an electric field in the removal electrodes 42 and 44. Absent. In this way, the surplus charge removing unit 40 prevents the surplus charge 28 from being collected by the collecting electrode 54 of the collecting unit 50 and being counted as the number of the fine particles 26.
  • each of the removing electrodes 42 and 44 of the surplus charge removing section 40 The size of each of the removing electrodes 42 and 44 of the surplus charge removing section 40, the strength of the electric field between the discharge electrode 32 and the removing electrode 42, the strength of the electric field between the discharge electrode 32 and the removing electrode 44, The size of each electrode 52, 54 of the collecting part 50, the intensity of the electric field generated between the two electrodes 52, 54, the distance between the removal electrode 42 and the discharge electrode 32, the distance between the removal electrode 44 and the discharge electrode 32, the removal The distance between the electrode 42 and the electric field generating electrode 52 and the distance between the removing electrode 44 and the electric field generating electrode 52 are set such that the charged fine particles P are collected by the collecting electrode 54 without being collected by the removing electrode 44.
  • the electric charge 28 not added to the fine particles 26 is removed by the removing electrode 44.
  • the mobility ⁇ i [m 2 / V ⁇ s] of the electric charge 28 is 10 times or more the mobility ⁇ p [m 2 / V ⁇ s] of the charged fine particles P, and the electric field required for collection is Can be easily reduced by one digit or more.
  • a plurality of sets of the electric field generation electrode 52 and the collection electrode 54 may be provided.
  • the number detection unit 60 is one of the attached units 80, and includes an ammeter 62 and a number measurement device 64 as shown in FIG.
  • the ammeter 62 has one terminal connected to the collecting electrode 54 and the other terminal connected to the ground.
  • the ammeter 62 measures a current based on the electric charge 28 of the charged fine particles P collected by the collecting electrode 54.
  • the number measuring device 64 calculates the number of the fine particles 26 based on the current of the ammeter 62.
  • the heater electrode 72 is embedded in the housing 22.
  • the heater electrode 72 is a belt-like heating element (see FIG. 5) drawn in zigzag.
  • the heater electrode 72 is connected to a power supply device (not shown), and generates heat when energized by the power supply device.
  • the heater electrode 72 heats each electrode such as the housing 22, the removal electrodes 42 and 44, the electric field generation electrode 52, and the collection electrode 54.
  • the fine particle detecting element 20 is composed of seven sheets S1 to S7.
  • Each of the sheets S1 to S7 is formed of the same material as that of the housing 22.
  • the first sheet S1, the second sheet S2,... are referred to from left to right
  • the right side of each of the sheets S1 to S7 is referred to as the front side
  • the left side is referred to as the back side.
  • the thickness of each of the sheets S1 to S7 may be set as appropriate, and may be, for example, all the same or different.
  • a heater electrode 72 is provided on the surface of the first sheet S1. One end and the other end of the heater electrode 72 are disposed above the front surface of the first sheet S1, and the heater electrode terminals 75 provided above the back surface of the first sheet S1 through through holes in the first sheet S1. , 75 respectively.
  • Ground electrodes 34, 34 are provided on the surface of the second sheet S2.
  • the ground electrodes 34, 34 are combined into one wiring 34a.
  • the end of the wiring 34a is arranged above the front surface of the second sheet S2, and is provided above the back surface of the first sheet S1 through through holes of the second sheet S2 and the first sheet S1. It is connected to the electrode terminal 35.
  • the wiring 44a of the removing electrode 44 and the wiring 54a of the collecting electrode 54 are provided along the vertical direction.
  • the upper ends of the wirings 44a and 54a are connected to the removal electrode terminal 45 and the collection electrode terminal 55 provided above the back surface of the first sheet S1 through through holes in the second sheet S2 and the first sheet S1, respectively. ing.
  • the discharge electrode 32, the removal electrode 44, and the electric field generation electrode 52 are provided on the surface of the third sheet S3.
  • the removal electrode 44 is connected to the wiring 44a of the second sheet S2 via the through hole of the third sheet S3, and further connected to the removal electrode terminal 45 via this wiring 44a.
  • a gas flow path 24, that is, a rectangular parallelepiped space is provided at the lower end side of the fourth sheet S4.
  • the removal electrode 42 and the collection electrode 54 are provided on the back surface of the fifth sheet S5.
  • the removal electrode 42 is connected to the wiring 34a of the second sheet S2 through each through hole of the fourth sheet S4 and the third sheet S3, and is connected to the removal electrode terminal 45 via the wiring 34a.
  • the collecting electrode 54 is connected to the wiring 44a of the second sheet S2 through each through hole of the fourth sheet S4 and the third sheet S3, and is connected to the collecting electrode terminal 55 via the wiring 44a.
  • the sixth sheet S6 has no electrodes or wires.
  • the wiring 32a of the discharge electrode 32 and the wiring 52a of the electric field generating electrode 52 are provided along the vertical direction.
  • the lower end of the wiring 32a is connected to the discharge electrode 32 provided on the third sheet S3 through the through holes of the fourth to sixth sheets S4 to S6.
  • the lower end of the wiring 52a is connected to the electric field generating electrode 52 provided on the third sheet S3 through the through holes of the fourth to sixth sheets S4 to S6.
  • the upper ends of the wirings 32a and 52a are connected to the discharge electrode terminals 33 and the electric field generating electrode terminals 53 provided above the surface of the seventh sheet S7 through through holes in the seventh sheet S7, respectively.
  • the fine particle detection element 20 can be manufactured using a plurality of ceramic green sheets. Specifically, for each of the plurality of ceramic green sheets, cutouts, through holes and grooves are provided as necessary, electrodes and wiring patterns are screen-printed, and then laminated and fired. Note that the notch, the through hole, and the groove may be filled with a material (for example, an organic material) that burns out during firing. Thus, the fine particle detection element 20 is obtained. Subsequently, the discharge electrode terminal 33 and the electric field generation electrode terminal 53 of the fine particle detection element 20 are connected to the discharge power source 36 and the collection power source 56 of the attached unit 80, respectively.
  • a material for example, an organic material
  • the ground electrode terminal 35 and the removal electrode terminal 45 of the fine particle detection element 20 are connected to the ground, and the collection electrode terminal 55 is connected to the number measuring device 64 via the ammeter 62. Further, the heater electrode terminals 75, 75 are connected to a power supply device (not shown). By doing so, the fine particle detector 10 can be manufactured.
  • the fine particle detection element 20 is attached to the exhaust pipe 12 of the engine as described above (see FIG. 1).
  • the fine particles 26 contained in the exhaust gas introduced into the housing 22 from the gas inlet 24 a are charged with the charges 28 (positive charges in this case) generated by the discharge of the charge generating unit 30 and are charged fine particles. It becomes P.
  • the charged fine particles P pass through the surplus charge removing unit 40 as they are and reach the collecting unit 50.
  • the electric charge 28 not added to the fine particles 26 is attracted to the removing electrodes 42 and 44 of the surplus charge removing section 40 and is discarded to the ground via the removing electrodes 42 and 44.
  • the unnecessary charges 28 not added to the fine particles 26 hardly reach the collection unit 50.
  • the charged fine particles P reaching the collection unit 50 are collected by the collection electrode 54 by the collection electric field generated by the electric field generation electrode 52. Then, a current based on the charge 28 of the charged fine particles P collected by the collecting electrode 54 is measured by the ammeter 62, and the number measuring device 64 calculates the number of the fine particles 26 based on the current.
  • the number measuring device 64 integrates (accumulates) the current value over a predetermined period, obtains the integrated value (accumulated charge amount), divides the accumulated charge amount by the elementary charge, and calculates the total number of charges (the number of collected charges).
  • the number Nt of the fine particles 26 collected by the collecting electrode 54 is obtained by dividing the number of collected electric charges by the average value of the number of electric charges added to one fine particle 26 (the average number of charges) (see below). Equation (1)).
  • the collecting electrode 54 is heated by the heater electrode 72 by heating the collecting electrode 54 by the heater electrode 72 at regular intervals or at a timing when the amount of deposition reaches a predetermined amount. Refresh the electrode surface.
  • the heater electrode 72 can also incinerate the fine particles 26 attached to the inner peripheral surface of the housing 22.
  • the electric charge is generated by the charge generation unit 30 so that the fine particles 26 in the gas introduced into the gas flow path 24 are converted into the charged fine particles P, and the surplus electric charge not added to the fine particles 26 is generated. 28 are removed by the removal electrodes 42 and 44, and the charged fine particles P are collected by the collection electrode 54.
  • the number detecting unit 60 detects the number of the fine particles 26 based on a current that changes according to the charged fine particles P collected by the collecting electrode 54.
  • the removal electrodes 42 and 44 are connected to the ground, do not have a unique power supply for generating an electric field on the removal electrodes 42 and 44, and have the removal electrodes 42 and 44 and the voltage application electrodes ( The surplus electric charge 28 is removed using an electric field generated between the discharge electrode 32 and the electric field generating electrode 52). Therefore, the configuration can be simplified as compared with a conventional particle detector having a unique power supply for generating an electric field at the removal electrodes 42 and 44.
  • the removal electrode 42 is provided on a surface different from the surface on which the discharge electrode 32 and the electric field generating electrode 52 are provided (here, the surface facing the electrode). Therefore, an electric field is easily generated between the removal electrode 42 and the discharge electrode 32 or between the removal electrode 42 and the electric field generating electrode 52.
  • the collecting electrode 54 uses the electric field to collect the charged fine particles P, the collected fine particles P can be efficiently collected by the collecting electrode 54.
  • the housing 22 incorporates the heater electrode 72, the temperature of the housing 22 can be controlled by the heater electrode 72.
  • the fine particles 26 attached to the collecting electrode 54 and the like can be incinerated by heating the heater electrode 72 with the use of the fine particle detecting element 20 to refresh the collecting electrode 54 and the like.
  • the charge 28 can be generated intermittently.
  • the periodic voltage preferably has an absolute value of the peak voltage of 2 to 5 kV. By doing so, the charges 28 can be sufficiently generated by the charge generation unit 30, and the surplus charges 28 can be sufficiently removed by the removal electrodes 42 and 44 using the electric field generated when the charge generation unit 30 discharges. You can also.
  • the periodic voltage is preferably a pulse wave or a sine wave. This makes it easier to prevent the charge 28 generated by the discharge from accumulating on the charge generation unit 30 for a long time. Sine waves are more preferable because noise is less likely to be generated during discharge than pulse waves. Further, the sine wave alternates between positive and negative, and it is preferable that the absolute value of one of the positive and negative peak voltages is larger than the absolute value of the other peak voltage.
  • FIG. 6 shows a sine wave voltage as an example of the high frequency high voltage of the discharge power supply 36.
  • the zero volt is not a dotted line but a solid line (a line below the middle line (dashed line) of the sine wave). Therefore, the absolute value of the positive peak voltage is larger than the absolute value of the negative peak voltage.
  • Part of the charge generated by the positive voltage is deposited on the discharge electrode 32, but if the deposited charge remains, the charge 28 is less likely to be generated at the next discharge.
  • the sinusoidal voltage of FIG. 6 the accumulated charge disappears during the period of the negative voltage. Therefore, charges 28 can be continuously and efficiently generated.
  • each of the pair of removing electrodes 42 and 44 of the surplus charge removing unit 40 is connected to the ground, but the removing electrode 44 may be omitted as in the fine particle detector 110 shown in FIG. . 7, the same components as those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals. Also in the fine particle detector 110, the same effect as in the above-described embodiment can be obtained except that the surplus electric charge 28 is not removed by the removing electrode 44.
  • the removal electrode 42 may be eliminated as in the case of the fine particle detector 210 shown in FIG. 8, the same components as those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals.
  • the same effect as in the above-described embodiment can be obtained except that the surplus electric charge 28 is not removed by the removing electrode 42.
  • the removal electrode 42 is provided on a surface different from the surface on which the discharge electrode 32 and the electric field generating electrode 52 are provided (here, the opposite surface), FIG. An electric field is more likely to be generated between the removal electrode 42 and the discharge electrode 32 and between the removal electrode 42 and the electric field generating electrode 52 as compared with the fine particle detector 210.
  • the removal electrode 44 is provided on the same surface as the surface on which the discharge electrode 32 and the electric field generating electrode 52 are provided.
  • the particle detector 110 of FIG. 7 is more preferable than the particle detector 210 of FIG.
  • the number of the charged fine particles P is determined based on the current flowing through the collection electrode 54.
  • the number of the charged fine particles P may be determined based on the current flowing through the removing electrode.
  • the removal electrode 44 and the collection unit 50 are eliminated, and the ammeter 62 of the number detection unit 60 is connected to the removal electrode 42.
  • the number detection unit 60 calculates the number of the surplus electric charges 28 based on the physical quantity (current) that changes according to the surplus electric charge 28 collected by the removal electrode 42,
  • the number of the charged fine particles P may be obtained by subtracting the number of the surplus electric charges 28 from the total number.
  • the removal electrode 42 is connected to the ground, does not have its own power supply for generating an electric field on the removal electrode 42, and is connected to the removal electrode 42 and a voltage application electrode (discharge electrode 32) disposed therearound.
  • the surplus electric charge 28 is removed by using an electric field generated between the electric charges. Further, the charged fine particles P are discharged from the gas discharge port 24b without being collected by the removal electrode 42.
  • the gas flow path 24 may be divided into a plurality of sections on the downstream side of the charge generation section 30.
  • a partition wall 22e is provided on the gas flow path 24 downstream of the charge generation unit 30, and the gas flow path 24 is divided into two branch paths 241.
  • 241 may be provided with a removal electrode 442 and a collecting section 450.
  • the removal electrodes 442 are provided on both the front and back surfaces of the partition wall 22e.
  • the collection unit 450 includes a pair of the collection electrode 454 provided on the surface of the partition wall 22e and the electric field generation electrode 452 provided on the flow path wall 22d opposed thereto.
  • each removal electrode 442 is connected to the ground
  • each collection electrode 454 is connected to the ammeter 62 (see FIG. 4) of the individual number detection unit 60
  • each electric field generation electrode is connected.
  • 452 is connected to the collecting power supply 56 (see FIG. 4).
  • the fine particle detector 410 calculates the number of fine particles in the gas by adding up the number of fine particles 26 detected by the number detecting unit 60 connected to each collecting electrode 454.
  • Each of the removal electrodes 442 is connected to the ground, does not have its own power supply for generating an electric field on the removal electrode 442, and has a voltage application electrode (discharge electrode 32 or electric field generation electrode 452) disposed around the removal electrode 442.
  • the surplus electric charge 28 is removed by utilizing the electric field generated between the above-mentioned steps.
  • the charge generation unit 30 is provided on the flow path wall 22c of the gas flow path 24.
  • the charge generation unit 30 may be provided on the flow path wall 22d, or may be provided on both of the flow path walls 22c and 22d. Good.
  • the charge generation unit 30 is configured by the discharge electrode 32 provided along the inner surface of the gas flow path 24 and the two ground electrodes 34, 34 buried in the housing 22. Any configuration may be used as long as it generates charges by discharging. For example, instead of embedding the ground electrodes 34, 34 in the wall of the gas flow channel 24, they may be provided along the inner surface of the gas flow channel 24. Alternatively, as described in Patent Literature 1, the charge generation unit may be constituted by a needle electrode and a counter electrode.
  • the electric field generating electrode 52 is exposed to the gas flow path 24, but is not limited thereto and may be embedded in the housing 22. Further, instead of the electric field generating electrode 52, a pair of electric field generating electrodes disposed so as to sandwich the collecting electrode 54 from above and below is provided on the housing 22, and an electric field generated by a voltage applied between the pair of electric field generating electrodes is provided. Then, the charged fine particles P may be moved toward the collection electrode 54.
  • the surplus electric charge 28 is removed by using the electric field generated between the removal electrodes 42 and 44 and the discharge electrode 32, and the electric charge generated between the removal electrodes 42 and 44 and the electric field generation electrode 52.
  • the surplus electric charge 28 may be removed by using only the electric field generated between the removal electrodes 42 and 44 and the discharge electrode 32.
  • the surplus electric charge 28 may be removed by using only the electric field generated between the removing electrodes 42 and 44 and the electric field generating electrode 52.
  • the voltage V1 is applied to the electric field generation electrode 52.
  • the flow path width (the distance between the two electrodes 52 and 54) is kept small.
  • the value By setting the value to an appropriate value (for example, 0.01 mm or more and less than 0.2 mm), the charged fine particles P having a sharp Brownian motion can collide with the collection electrode 54. Thereby, the collecting electrode 54 can collect the charged fine particles P.
  • the fine particle detection element 20 may not include the electric field generating electrode 52. In this case, the surplus electric charge 28 is removed by the electric field generated between the discharge electrode 32 and the removal electrodes 42 and 44.
  • the present invention is not particularly limited to the exhaust pipe 12 of the engine.
  • Such a tube may be used.
  • the fine particle detecting element 20 detects the number of fine particles.
  • the fine particle detecting element 20 may detect the mass or surface area of the fine particles.
  • the mass of the fine particles can be obtained, for example, by multiplying the number of the fine particles by the average mass of the fine particles, and the relationship between the accumulated charge amount and the mass of the collected fine particles is stored in a storage device in advance as a map. Using this map, the mass of the fine particles can also be obtained from the accumulated charge amount.
  • the surface area of the fine particles can be determined in the same manner as the mass of the fine particles.
  • the present invention is applicable to, for example, a particle detector for detecting the number of particles in exhaust gas of a power machine such as an automobile.

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Abstract

微粒子検出器１０は、ガス中の微粒子を検出するために用いられるものであり、ガスが通過するガス流路２４を有する筐体２２と、放電電圧が印加されて放電することによって電荷を発生する電荷発生部３０と、微粒子２６に帯電しなかった余剰の電荷２８を除去する除去電極４２，４４と、帯電微粒子Ｐを捕集する捕集電極５４と、捕集電極５４を流れる電流に基づいて微粒子の量を検出する検出部６０と、を備える。除去電極４２，４４は、アースに接続され、除去電極４２，４４上に電界を発生させる独自の電源を有さず、除去電極４２，４４とその周囲に配置された電圧印加電極（例えば放電電極３２や電界発生電極５２）との間に発生する電界を利用して余剰の電荷２８を除去する。

Description

微粒子検出器
　本発明は、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では、ｑ＝∫Ｉｄｔに基づき、捕集電極に流れる電流を時間で積分して蓄積電荷量を求め、その蓄積電荷量を素電荷で除算することで、その時間にわたって捕集電極に付着した微粒子数を求めている。すなわち、捕集電極に帯電微粒子のみを捕集することを前提としている。そのため、特許文献１では、電荷発生素子と捕集電極との間に除去電極を設け、この除去電極に独自の電源を繋いで除去電極上に電界を発生させ、その電界を利用して微粒子に帯電しなかった電荷（余剰電荷）を除去電極で捕集して除去することにより、微粒子数の検出精度を向上することも提案されている。
国際公開第２０１５／１４６４５６号パンフレット
　しかしながら、除去電極に独自の電源が必要になるため、微粒子検出器のサイズが大きくなったり配線が煩雑になったりするという問題があった。
　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、従来に比べて微粒子検出器の構成を簡略化することを主目的とする。
　本発明の微粒子検出器は、
　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器であって、
　前記ガスが通過するガス流路を有する筐体と、
　放電電圧が印加されて放電することによって電荷を発生し、該電荷を前記ガス流路内に導入された前記ガス中の微粒子に付加して帯電微粒子にする電荷発生部と、
　前記ガス流路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、前記微粒子に帯電しなかった余剰電荷を除去する除去電極と、
　前記ガス流路内で前記除去電極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、
　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の量を検出する検出部と、
　を備え、
　前記除去電極は、アースに接続され、前記除去電極上に電界を発生させる独自の電源を有さず、前記除去電極と前記除去電極の周囲に配置された電圧印加電極との間に発生する電界を利用して前記余剰電荷を除去する、
　ものである。
　この微粒子検出器では、電荷発生部が電荷を発生させることでガス流路内に導入されたガス中の微粒子を帯電微粒子にし、微粒子に付加されなかった余剰電荷を除去電極が除去し、帯電微粒子を捕集電極が捕集する。検出部は、捕集電極に捕集された帯電微粒子に応じて変化する物理量に基づいて微粒子の量を検出する。ここで、除去電極は、アースに接続され、除去電極上に電界を発生させる独自の電源を有さず、除去電極と除去電極の周囲に配置された電圧印加電極との間に発生する電界を利用して余剰電荷を除去する。そのため、除去電極に電界を発生させる独自の電源を有する従来の微粒子検出器と比べて構成を簡略化することができる。
　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。「物理量」とは、捕集対象に応じ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。「微粒子の量」とは、例えば微粒子の数、質量、表面積などが挙げられる。
　本発明の微粒子検出器において、前記電圧印加電極は、前記電荷発生部のうち放電用電源によって放電電圧が印加される放電電極であり、前記除去電極は、前記除去電極と前記放電電極との間に発生する電界を利用して前記余剰電荷を除去するものとしてもよい。こうすれば、除去電極独自の電源の代わりに、放電用電源を利用することができる。前記除去電極は、前記放電電極が設けられている面と異なる面に設けられていてもよい。こうすれば、除去電極と放電電極との間に電界が発生しやすくなる。前記放電電圧は、周期性電圧（周期性を有する電圧）であることが好ましい。こうすれば、間欠的に電荷を発生することができる。
　本発明の微粒子検出器において、前記捕集電極は、捕集用電源が電界発生電極に印加する捕集電圧によって前記捕集電極上に発生される電界を利用して前記帯電微粒子を捕集するものであり、前記電圧印加電極は、前記電界発生電極であり、前記除去電極は、前記除去電極と前記電界発生電極との間に発生する電界を利用して前記余剰電荷を除去するものとしてもよい。こうすれば、除去電極独自の電源の代わりに、捕集用電源を利用することができる。前記除去電極は、前記電界発生電極が設けられている面と異なる面に設けられていてもよい。こうすれば、除去電極と電界発生電極との間に電界が発生しやすくなる。前記捕集電圧は、直流電圧であってもよい。こうすれば、微粒子を検出する期間中、継続的に余剰電荷を除去することができる。
　なお、本発明の微粒子検出器において、前記電圧印加電極として、前記放電電極及び前記電界発生電極の両方を用いてもよいし、いずれか一方を用いてもよい。
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。 正弦波電圧の説明図。 微粒子検出器１１０の断面図。 微粒子検出器２１０の断面図。 パルス電圧の説明図。 微粒子検出器３１０の断面図。 微粒子検出器４１０の断面図。
　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Ａ－Ａ断面図、図４は図２のＢ－Ｂ断面図、図５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４参照）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３６，５６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。保護カバー１８の穴は、排気管１２を流れる排ガスの速度にかかわらず、ガス流路２４に導入される排ガスの速度がほぼ一定になるように調整されている。微粒子検出素子２０は、図４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２参照）。
　電荷発生部３０は、図３及び図４に示すように、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、流路壁２２ｃに設けられている。電荷発生部３０は、放電電極３２と２つのグランド電極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３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つのグランド電極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つのグランド電極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（周期性電圧）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とグランド電極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。グランド電極３４，３４は、ここではグランド（アース）に接続されている。
　ガスに含まれる微粒子２６は、図４に示すように、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。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を余剰電荷という。
　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、一対の除去電極４２，４４を有している。一方の除去電極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。他方の除去電極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。一対の除去電極４２，４４とは互いに向かい合う位置に配設され、いずれもグランド（アース）に接続されている。
　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、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。捕集電極５４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。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、直流電圧Ｖ１（正電位、例えば２ｋＶ程度）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（アース）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。
　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、放電電極３２と除去電極４２との間に発生する電界によって除去電極４２に引き寄せられて捕獲されグランドに捨てられるか、電界発生電極５２と除去電極４２との間に生じる電界によって除去電極４２に引き寄せられて捕獲されグランドに捨てられるか、放電電極３２と除去電極４４との間に生じる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か、電界発生電極５２と除去電極４４との間に生じる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。つまり、除去電極４２，４４は、放電用電源３６や捕集用電源５６を利用して余剰の電荷２８を除去するものであり、除去電極４２，４４に電界を発生させる独自の電源を有さない。このようにして、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する。
　なお、余剰電荷除去部４０の各除去電極４２，４４のサイズ、放電電極３２と除去電極４２との間の電界の強さ、放電電極３２と除去電極４４との間の電界の強さ、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、除去電極４２と放電電極３２との距離、除去電極４４と放電電極３２との距離、除去電極４２と電界発生電極５２との距離、除去電極４４と電界発生電極５２との距離は、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の移動度μi［ｍ2／Ｖ・ｓ］は、帯電微粒子Ｐの移動度μp［ｍ2／Ｖ・ｓ］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、図４に示すように、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５参照）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４２，４４，電界発生電極５２，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５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、グランド電極３４，３４が設けられている。グランド電極３４，３４は１本の配線３４ａにまとめられている。その配線３４ａ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グランド電極端子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及び電界発生電極５２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。
　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、除去電極４２及び捕集電極５４が設けられている。除去電極４２は、第４シートＳ４及び第３シートＳ３の各スルーホールを介して第２シートＳ２の配線３４ａに接続され、この配線３４ａ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４シートＳ４及び第３シートＳ３の各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、この配線４４ａを介して捕集電極端子５５に接続されている。
　第６シートＳ６には、電極や配線は設けられていない。
　第７シートＳ７の裏面には、放電電極３２の配線３２ａと電界発生電極５２の配線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シートＳ３に設けられた放電電極３２に接続されている。配線５２ａ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シートＳ３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，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及び捕集用電源５６に接続する。また、微粒子検出素子２０のグランド電極端子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４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、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、余剰電荷除去部４０の除去電極４２，４４に引き寄せられ、除去電極４２，４４を介してグランドに捨てられる。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。
　以上説明した微粒子検出器１０では、電荷発生部３０が電荷を発生させることでガス流路２４内に導入されたガス中の微粒子２６を帯電微粒子Ｐにし、微粒子２６に付加されなかった余剰の電荷２８を除去電極４２，４４が除去し、帯電微粒子Ｐを捕集電極５４が捕集する。個数検出部６０は、捕集電極５４に捕集された帯電微粒子Ｐに応じて変化する電流に基づいて微粒子２６の数を検出する。ここで、除去電極４２，４４は、アースに接続され、除去電極４２，４４上に電界を発生させる独自の電源を有さず、除去電極４２，４４とその周囲に配置された電圧印加電極（放電電極３２や電界発生電極５２）との間に発生する電界を利用して余剰の電荷２８を除去する。そのため、除去電極４２，４４に電界を発生させる独自の電源を有する従来の微粒子検出器と比べて構成を簡略化することができる。
　また、除去電極４２は、放電電極３２及び電界発生電極５２が設けられている面と異なる面（ここでは対向する面）に設けられている。そのため、除去電極４２と放電電極３２との間や除去電極４２と電界発生電極５２との間に電界が発生しやすい。
　更に、微粒子２６の数を検出する期間中、電界発生電極５２に直流電圧が印加されるため、電界発生電極５２と除去電極４２，４４との間に電界が発生する。その継続的に発生する電界によって余剰の電荷２８が除去電極４２，４４に引き寄せられて除去される。そのため、微粒子を検出する期間中、継続的に余剰の電荷２８を除去することができる。一方、放電電極３２に印加される放電電圧は周期性電圧であるため、放電電極３２と除去電極４２，４４との間に間欠的に電界が発生し、その間欠的に発生する電界によっても余剰の電荷２８が除去電極４２，４４に引き寄せられて除去される。上述した実施形態では、放電電極３２と除去電極４２，４４との間に間欠的に発生する電界だけでなく、電界発生電極５２と除去電極４２，４４との間に継続的に発生する電界も利用して余剰の電荷２８を除去するため、結果的に、微粒子を検出する期間中、継続的に余剰の電荷２８を除去することができる。
　更にまた、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。
　そしてまた、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、放電電極３２には高周波高電圧（周期性電圧）が印加されるため、間欠的に電荷２８を発生することができる。周期性電圧は、ピーク電圧の絶対値が２～５ｋＶであることが好ましい。こうすれば、電荷発生部３０で十分に電荷２８を発生させることができるし、電荷発生部３０の放電時に発生する電界を利用して除去電極４２，４４で余剰の電荷２８を十分除去することもできる。また、周期性電圧は、パルス波又は正弦波であることが好ましい。こうすれば、放電によって発生した電荷２８が電荷発生部３０に長期にわたって堆積するのを防止しやすくなる。正弦波は、パルス波に比べて放電時にノイズが発生しにくいため、より好ましい。更に、正弦波は、正と負とが交互に入れ替わるものであり、正負いずれか一方のピーク電圧の絶対値の方が他方のピーク電圧の絶対値よりも大きいことが好ましい。
　図６に放電用電源３６の高周波高電圧の一例として正弦波電圧を示す。この正弦波電圧では、ゼロボルトを点線ではなく実線（正弦波の真ん中のライン（１点鎖線）よりも下側の線）としている。そのため、正のピーク電圧の絶対値の方が負のピーク電圧の絶対値よりも大きい。正電圧によって発生した電荷の一部は放電電極３２上に堆積するが、その堆積電荷が残っていると次回の放電時に電荷２８が発生しにくくなる。図６の正弦波電圧を用いると、堆積電荷は負電圧の期間で消失する。そのため、電荷２８を継続的に効率よく発生させることができる。
　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、余剰電荷除去部４０の一対の除去電極４２，４４のそれぞれをアースに接続したが、図７に示す微粒子検出器１１０のように、除去電極４４をなくしてもよい。図７において、上述した実施形態と同じ構成要素については同じ符号を付した。微粒子検出器１１０においても、除去電極４４で余剰の電荷２８を除去しない以外は、上述した実施形態と同様の効果が得られる。あるいは、図８に示す微粒子検出器２１０のように、除去電極４２をなくしてもよい。図８において、上述した実施形態と同じ構成要素については同じ符号を付した。微粒子検出器２１０においても、除去電極４２で余剰の電荷２８を除去しない以外は、上述した実施形態と同様の効果が得られる。ここで、図７の微粒子検出器１１０では、除去電極４２が放電電極３２及び電界発生電極５２が設けられている面と異なる面（ここでは対向する面）に設けられているため、図８の微粒子検出器２１０に比べて、除去電極４２と放電電極３２との間や除去電極４２と電界発生電極５２との間に電界が発生しやすい。また、図８の微粒子検出器２１０では、除去電極４４が放電電極３２及び電界発生電極５２が設けられている面と同一面に設けられているため、微粒子検出器２１０のサイズの制約から各電極３２，４２，５２が近接しすぎて電界強度が高くなりすぎ、除去電極４２に帯電微粒子Ｐが捕集されたり電極間の絶縁破壊が起きたりするおそれがあるが、図７の微粒子検出器１１０ではそのようなおそれがない。したがって、図８の微粒子検出器２１０よりも、図７の微粒子検出器１１０の方が好ましい。
　上述した実施形態では、放電用電源３６の高周波高電圧として正弦波電圧を用いる場合を例に挙げて説明したが、図９に示すパルス電圧を用いてもよい。
　上述した実施形態では、捕集電極５４に流れる電流に基づいて帯電微粒子Ｐの数を求めたが、除去電極に流れる電流に基づいて帯電微粒子Ｐの数を求めるようにしてもよい。例えば図１０に示す微粒子検出器３１０のように、除去電極４４及び捕集部５０（電界発生電極５２及び捕集電極５４）をなくし、除去電極４２に個数検出部６０の電流計６２を接続し、個数検出部６０は、除去電極４２に捕集された余剰の電荷２８に応じて変化する物理量（電流）に基づいて余剰の電荷２８の数を求め、電荷発生部３０で発生した電荷２８の総数からその余剰の電荷２８の数を差し引いて帯電微粒子Ｐの数を求めるようにしてもよい。図１０において、上述した実施形態と同じ構成要素については同じ符号を付した。この場合、除去電極４２は、アースに接続され、除去電極４２上に電界を発生させる独自の電源を有さず、除去電極４２とその周囲に配置された電圧印加電極（放電電極３２）との間に発生する電界を利用して余剰の電荷２８を除去する。また、帯電微粒子Ｐは除去電極４２に捕集されることなくそのままガス排出口２４ｂから排出される。
　上述した実施形態において、ガス流路２４のうち電荷発生部３０の下流側を複数に仕切ってもよい。例えば、図１１に示す微粒子検出器４１０のように、ガス流路２４のうち電荷発生部３０の下流側に仕切り壁２２ｅを設けてガス流路２４を２つの分岐路２４１に分け、各分岐路２４１に除去電極４４２と捕集部４５０とを設けてもよい。図１１では、除去電極４４２は、仕切り壁２２ｅの表裏両面にそれぞれ設けられている。また、捕集部４５０は、除去電極４４２の下流側において、仕切り壁２２ｅの表面に設けられた捕集電極４５４とそれに対向して流路壁２２ｄに設けられた電界発生電極４５２とが一対になるように、また、仕切り壁２２ｅの裏面に設けられた捕集電極４５４とそれに対向して流路壁２２ｃに設けられた電界発生電極４５２とが一対になるように設けられている。図１１において、上述した実施形態と同じ構成要素については同じ符号を付した。なお、図１１には示さなかったが、各除去電極４４２はアースに接続され、各捕集電極４５４は個別の個数検出部６０の電流計６２（図４参照）に接続され、各電界発生電極４５２は捕集用電源５６（図４参照）に接続されている。微粒子検出器４１０においては、各捕集電極４５４に接続された個数検出部６０から検出された微粒子２６の数を合算することによりガス中の微粒子数を算出する。各除去電極４４２は、アースに接続され、除去電極４４２上に電界を発生させる独自の電源を有さず、除去電極４４２とその周囲に配置された電圧印加電極（放電電極３２や電界発生電極４５２）との間に発生する電界を利用して余剰の電荷２８を除去する。
　上述した実施形態では、電荷発生部３０をガス流路２４の流路壁２２ｃに設けたが、流路壁２２ｄに設けてもよいし、両方の流路壁２２ｃ，２２ｄのそれぞれに設けてもよい。
　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つのグランド電極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、グランド電極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。
　上述した実施形態では、除去電極４２，４４と放電電極３２との間に発生する電界を利用して余剰の電荷２８を除去すると共に、除去電極４２，４４と電界発生電極５２との間に発生する電界を利用して余剰の電荷２８を除去するようにしたが、除去電極４２，４４と放電電極３２との間に発生する電界のみを利用して余剰の電荷２８を除去してもよいし、除去電極４２，４４と電界発生電極５２との間に発生する電界のみを利用して余剰の電荷２８を除去してもよい。
　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（両電極５２，５４の距離）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。また、この場合、余剰の電荷２８は放電電極３２と除去電極４２，４４との間に発生する電界によって除去される。
　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。
  本出願は、２０１８年８月１３日に出願された日本国特許出願第２０１８－１５２３５４号を優先権主張の基礎としており、引用によりその内容の全てが本明細書に含まれる。
　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。
１０，１１０，２１０，３１０，４１０　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　仕切り壁、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　グランド電極、３４ａ　配線、３５　グランド電極端子、３６　放電用電源、４０　余剰電荷除去部、４２，４４，４４２　除去電極、４４ａ　配線、４５　除去電極端子、５０，４５０　捕集部、５２，４５２　電界発生電極、５２ａ　配線、５３　電界発生電極端子、５４，４５４　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、２４１　分岐路、Ｓ１～Ｓ７　第１～第７シート、Ｐ　帯電微粒子。

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器であって、
    　前記ガスが通過するガス流路を有する筐体と、
    　放電電圧が印加されて放電することによって電荷を発生し、該電荷を前記ガス流路内に導入された前記ガス中の微粒子に付加して帯電微粒子にする電荷発生部と、
    　前記ガス流路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、前記微粒子に帯電しなかった余剰電荷を除去する除去電極と、
    　前記ガス流路内で前記除去電極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、
    　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の量を検出する検出部と、
    　を備え、
    　前記除去電極は、アースに接続され、前記除去電極上に電界を発生させる独自の電源を有さず、前記除去電極と前記除去電極の周囲に配置された電圧印加電極との間に発生する電界を利用して前記余剰電荷を除去する、
    　微粒子検出器。
  2. 　前記電圧印加電極は、前記電荷発生部のうち放電用電源によって放電電圧が印加される放電電極であり、
    　前記除去電極は、前記除去電極と前記放電電極との間に発生する電界を利用して前記余剰電荷を除去する、
    　請求項１に記載の微粒子検出器。
  3. 　前記除去電極は、前記放電電極が設けられている面と異なる面に設けられている、
    　請求項２に記載の微粒子検出器。
  4. 　前記放電電圧は、周期性電圧である、
    　請求項２又は３に記載の微粒子検出器。
  5. 　前記捕集電極は、捕集用電源が電界発生電極に印加する捕集電圧によって前記捕集電極上に発生される電界を利用して前記帯電微粒子を捕集するものであり、
    　前記電圧印加電極は、前記電界発生電極であり、
    　前記除去電極は、前記除去電極と前記電界発生電極との間に発生する電界を利用して前記余剰電荷を除去する、
    　請求項１に記載の微粒子検出器。
  6. 　前記除去電極は、前記電界発生電極が設けられている面と異なる面に設けられている、
    　請求項５に記載の微粒子検出器。
  7. 　前記捕集電圧は、直流電圧である、
    　請求項５又は６に記載の微粒子検出器。
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