(57)【要約】【課題】帯電微粒子の捕集効率を簡易な構成で高める。【解決手段】微粒子検出素子２０は、ガス流路２４を有する筐体２２と、ガス流路２４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３０と、帯電微粒子を捕集対象として捕集する捕集電極５０とを備える。ガス流路２４は、ガスがガス導入口２４ａから直進したあと屈曲してガス排出口２４ｂ，２４ｃに至る流路である。捕集電極５０は、ガス導入口２４ａに正対する領域に設けられている。【選択図】図２
2020159726.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記ガス流路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、
前記帯電微粒子を捕集対象として捕集するか、前記帯電微粒子と前記微粒子に付加されなかった余剰電荷の両方を捕集対象として捕集する捕集電極と、
を備え、
前記ガス流路は、前記ガスがガス導入口から直進したあと屈曲してガス排出口に至る流路であり、
前記捕集電極は、前記ガス導入口に正対するガス導入口正対領域に設けられている、
微粒子検出素子。
【請求項２】
前記捕集電極は、前記帯電微粒子を捕集対象として捕集する電極であり、
前記ガス流路は、前記帯電微粒子を前記捕集電極に向けて移動させる捕集用電界を発生させる電界発生電極を備えている、
請求項１に記載の微粒子検出素子。
【請求項３】
前記捕集電極は、前記ガス導入口正対領域に隣接し前記ガス排出口に至る拡張領域にも設けられており、
前記電界発生電極は、前記捕集電極のうち前記拡張領域に設けられた部分と対向するように設けられている、
請求項２に記載の微粒子検出素子。
【請求項４】
前記ガス流路は、前記ガス導入口と前記捕集電極との間に流路を絞る絞り部を備えている、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の微粒子検出素子。
【請求項５】
前記電荷発生部は、放電電極及びグランド電極を有し、
前記放電電極は、前記ガス導入口が設けられた入口形成壁の内面に露出し、
前記グランド電極は、前記入口形成壁に埋設されている、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の微粒子検出素子。
【請求項６】
前記電荷発生部は、放電電極及びグランド電極を有し、
前記放電電極は、前記ガス流路の壁に設けられた凹み部の表面に露出し、
前記グランド電極は、前記ガス流路の壁に埋設されている、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の微粒子検出素子。
【請求項７】
前記捕集電極は、前記帯電微粒子を捕集対象として捕集する電極であり、
前記ガス流路のうち前記捕集電極よりもガスの流れの上流側には、前記余剰電荷を除去する除去電極を備える、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の微粒子検出素子。
【請求項８】
前記除去電極は、前記ガス流路の壁に設けられた溝部の表面に露出している、
請求項７に記載の微粒子検出素子。
【請求項９】
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によって前記余剰電荷を引き寄せるものであり、前記除去電極には、前記電荷発生部に印加される電圧とは逆の極性の電圧が印加される、
請求項７又は８に記載の微粒子検出素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微粒子検出素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
微粒子検出器としては、ガス流路を有するセラミック製の筐体と、ガス流路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、ガス流路内で電荷発生部よりも下流側で帯電微粒子を捕集する捕集部と、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個数測定部とを備えたものが知られている（例えば特許文献１参照）。捕集部は、ガス流路に露出している捕集電極と、ガス流路を挟んで捕集電極に対向している対向電極とを有している。捕集電極は、捕集電極と対向電極との間に印加された電圧によってガス流路のうち捕集電極と対向電極との間に発生した電界を利用して、帯電微粒子を捕集する。捕集された帯電微粒子の電荷の量は、微小な電流（例えば数ｐＡ）として検出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１５／１４６４５６号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような微粒子検出器において、微粒子の検出精度を高めるには、捕集電極と対向電極との間に印加する電圧を高くして捕集電極での帯電微粒子の捕集効率を高くすることが考えられる。しかしながら、捕集電極と対向電極との間に印加する電圧を高くしすぎると、大気中で絶縁破壊が発生するため、電圧を高くするには限界があった。
【０００５】
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、帯電微粒子の捕集効率を簡易な構成で高めることを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、
前記ガス流路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、
前記帯電微粒子を捕集対象として捕集するか、前記帯電微粒子と前記微粒子に付加されなかった余剰電荷の両方を捕集対象として捕集する捕集電極と、
を備え、
前記ガス流路は、前記ガスがガス導入口から直進したあと屈曲してガス排出口に至る流路であり、
前記捕集電極は、前記ガス導入口に正対するガス導入口正対領域に設けられている、
ものである。
【０００７】
この微粒子検出素子では、ガス流路は、ガスがガス導入口から直進したあと屈曲してガス排出口に至るように設けられている。電荷発生部は、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する。捕集電極は、帯電微粒子を捕集対象として捕集するか、帯電微粒子と微粒子に付加されなかった余剰電荷の両方を捕集対象として捕集電極で捕集する。ガス中の微粒子は、捕集電極に捕集された捕集対象に応じて変化する物理量に基づいて検出することができる。ここで、捕集電極は、ガス導入口に正対するガス導入口正対領域に設けられている。そのため、ガスの流れに乗った帯電微粒子は慣性力によって捕集電極に衝突して捕集電極に捕集される。したがって、帯電微粒子を捕集電極に向かって移動させる電界が存在しなくても、捕集対象の捕集効率を高めることができる。また、ガス流路は途中で屈曲しているため、直線状のガス流路に比べて、ガス流路内にガスが滞留しやすくなり、この点でも捕集対象の捕集効率を高めることができる。
【０００８】
本発明の微粒子検出素子において、前記捕集電極は、前記帯電微粒子を捕集対象として捕集する電極であり、前記ガス流路は、前記帯電微粒子を前記捕集電極に向けて移動させる捕集用電界を発生させる電界発生電極を備えていてもよい。こうすれば、ガスの流れに乗った帯電微粒子を慣性力によって捕集電極に衝突させて捕集電極に捕集するのに加えて、補助的に捕集用電界を利用して帯電微粒子を捕集電極に捕集することができるため、帯電微粒子の捕集効率がより高くなる。ここで、前記捕集電極は、前記ガス導入口正対領域に隣接し前記ガス排出口に至る拡張領域にも設けられており、前記電界発生電極は、前記捕集電極のうち前記拡張領域に設けられた部分と対向するように設けられていてもよい。こうすれば、ガス排出口から外へ排出される直前の帯電微粒子を捕集用電界を利用して捕集電極に捕集することができる。また、余剰電荷は、捕集用電界によって排ガスの流れと反対の方向に押し返されるため、捕集電極にほとんど付着しない。そのため、余剰電荷を除去する電極を設けなくても、捕集電極に余剰電荷が付着するのを防止することができる。
【０００９】
本発明の微粒子検出素子において、前記ガス流路は、前記ガス導入口と前記捕集電極との間に流路を絞る絞り部を備えていてもよい。こうすれば、絞り部によってガスの流速が上がるため、捕集対象の捕集効率を高めることができる。また、上述したように捕集電極をガス導入口正対領域に隣接する拡張領域にも設け、電界発生電極を捕集電極のうち拡張領域に設けられた部分と対向するように設ける形態において、ガス流路に絞り部を設けた場合、絞り部によってガス導入口正対領域が狭まるため、逆に拡張領域が広がる。これにより、電界発生電極の電極面積を広くすることができるため、帯電微粒子の捕集効率を更に高めることができる。
【００１０】
本発明の微粒子検出素子において、前記電荷発生部は、放電電極及びグランド電極を有し、前記放電電極は、前記ガス導入口が設けられた入口形成壁の内面に露出し、前記グランド電極は、前記入口形成壁に埋設されていてもよい。こうすれば、排ガスは放電電極に接触しにくいため、放電電極に煤などが付着するのを抑制することができる。
【００１１】
本発明の微粒子検出素子において、前記電荷発生部は、放電電極及びグランド電極を有し、前記放電電極は、前記ガス流路の壁に設けられた凹み部の表面に露出し、前記グランド電極は、前記ガス流路の壁に埋設されていてもよい。このようにしても、ガスは放電電極に接触しにくくなるため、放電電極に煤などが付着するのを抑制することができる。
【００１２】
本発明の微粒子検出素子において、前記捕集電極は、前記帯電微粒子を捕集対象として捕集する電極であり、前記ガス流路のうち前記捕集電極よりもガスの流れの上流側には、前記余剰電荷を除去する除去電極を備えていてもよい。帯電微粒子と余剰電荷の両方を捕集対象とした場合でも、捕集電極に捕集された捕集対象に応じて変化する物理量に基づいてガス中の微粒子を検出することができるが、微粒子の検出精度を向上させるためには、余剰電荷を除去電極で除去し帯電微粒子を捕集対象とした方が好ましい。ここで、前記除去電極は、前記ガス流路の壁に設けられた溝部の表面に露出していてもよい。こうすれば、除去電極に煤などが付着するのを抑制することができる。また、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によって前記余剰電荷を引き寄せるようにしてもよい。その場合、前記除去電極には、前記電荷発生部に印加される電圧とは逆の極性の電圧が印加されるようにするのが好ましい。こうすれば、除去電極と放電電極との間に発生する電界の強度が高まるため余剰電荷を除去しやすい。また、電荷発生部に印加される電圧としてパルス電圧を採用すると、放電電極の電位がゼロになることがあるが、放電電極の電位がゼロになったとしても除去電極と放電電極との間に電位差が生じるため余剰電荷を除去電極に引き寄せることができる。
【００１３】
本発明の微粒子検出素子は、前記捕集電極に捕集された前記捕集対象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演算部と共に、微粒子検出器を構成するようにしてもよい。
【００１４】
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。演算部は、物理量に基づいて微粒子の量を検出してもよく、その場合、微粒子の量は、例えば微粒子の数，質量，表面積の少なくともいずれかであってもよい。「微粒子の量を検出する」とは、微粒子の量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。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】微粒子検出器１０の説明図。
【図２】微粒子検出素子２０の斜視図。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図。
【図４】図２のＢ−Ｂ断面図。
【図５】微粒子検出素子１２０の斜視図。
【図６】図５のＣ−Ｃ断面図。
【図７】微粒子検出器１０の変形例の断面図。
【図８】微粒子検出器１０の変形例の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
［第１実施形態］
図１は本実施形態の微粒子検出器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。
【００１７】
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、放電用電源３６や個数検出部６０を含む付属ユニット８０とを備えている。
【００１８】
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２２ａ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２に示すように、筐体２２に電荷発生部３０と捕集電極５０とを備えたものである。
【００１９】
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、例えばアルミナなどのセラミック製である。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。
【００２０】
ガス流路２４は、図２に示すように、筐体２２の前面に設けられた矩形のガス導入口２４ａと、筐体２２の左側面及び右側面にそれぞれ設けられた矩形のガス排出口２４ｂ，２４ｃとを備えている。筐体２２の前面の壁は、ガス導入口２４ａが設けられた壁であるため、入口形成壁２２ｃという。ガス流路２４は、平面視したときに略Ｔ字状になっている。ガス導入口２４ａからガス流路２４に導入された排ガスは、排気管１２の軸方向（前後方向）に沿って直進したあと後方の壁に当たり、そこで左に屈曲してガス排出口２４ｂから排出されるか、右に屈曲してガス排出口２４ｃから排出される。
【００２１】
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、入口形成壁２２ｃのうちガス導入口２４ａの左右両側に設けられている。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、入口形成壁２２ｃの内面（後面）に露出するように設けられ、上下方向に長い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、互いに間隔をあけて放電電極３２と平行となるように入口形成壁２２ｃに埋設されている。電荷発生部３０では、図４に示すように、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）の数ｋＶのパルス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。放電電極３２は、筐体２２の上端２２ｂの放電電極端子３３（図２参照）に接続され、この端子３３を介して放電用電源３６に接続されている。また、２つのグランド電極３４，３４は、筐体２２の上端２２ｂのグランド電極端子３５（図２参照）に接続され、この端子３５を介してグランドに接続されている。
【００２２】
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、余剰電荷Ｑとして電荷２８のまま後方に移動する。
【００２３】
捕集電極５０は、図４に示すように、ガス流路２４の壁のうちガス導入口２４ａと正対するガス導入口正対領域２２ｄと、その領域２２ｄに隣接しガス排出口２４ｂ，２４ｃに至る拡張領域２２ｅ，２２ｆに設けられている。ガス導入口正対領域２２ｄは、ガス導入口２４ａを後方の壁に投影した領域である。捕集電極５０は、ガス流路２４内に露出している。捕集電極５０は、ソリッドな（ベタな）金属電極である。そのため、排ガスは捕集電極５０の厚さ方向にすり抜けることはない。捕集電極５０は、捕集電極端子５５（図２参照）を介して電流計６２を経てグランドに接続されている。
【００２４】
個数検出部６０（演算部）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５０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５０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、周知のＣＰＵなどを備えたマイクロプロセッサからなり、電流計６２の電流に基づいて微粒子２６の個数を演算する。
【００２５】
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。積層方向は図２の前後方向である。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を付属ユニット８０の放電用電源３６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をグランドに接続する。更に、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。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。
【００２６】
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。排ガスの流れに乗った帯電微粒子Ｐは、慣性力によって捕集電極５０に衝突して捕集電極５０に捕集される。一方、微粒子２６に付加されなかった余剰電荷Ｑも、捕集電極５０に捕集される。そして、捕集電極５０に捕集された帯電微粒子Ｐの電荷２８及び余剰電荷Ｑに基づく電流が電流計６２で測定される。個数測定装置６４は、図示しないメモリに記憶された所定の対応関係と実際に電流計６２で測定された電流とに基づいて、その電流に対応する粒子数濃度を求める。
【００２７】
所定の対応関係は、例えば次のようにして求めることができる。すなわち、粒子数濃度Ｘ（個／ｃｃ）が既知のガスを微粒子検出素子２０のガス流路２４に流したときに捕集電極５０に流れる電流Ｙを測定し、回帰直線の式Ｙ＝ａＸ＋ｂ（ａ，ｂは定数）を求め、この式を所定の対応関係とする。この測定においては、捕集電極５０は帯電微粒子Ｐの電荷２８及び余剰電荷Ｑの両方を捕集するが、その捕集電極５０を流れる電流Ｙと粒子数濃度Ｘとの間には相関関係があることが本発明者らの実験により実証された。捕集電極５０が帯電微粒子Ｐだけでなく余剰電荷Ｑも捕集しているにもかかわらず、なぜ電流Ｙと粒子数濃度Ｘとの間に良好な相関関係が得られるかは定かではないが、何らかの理由でガス中の余剰電荷Ｑの濃度が帯電微粒子Ｐの濃度によらず一定になっているためと推測される。あるいは、余剰電荷Ｑは、質量が極小のため排ガスの流れに乗って移動することがほとんどなく、捕集電極５０に到達する前にガス流路２４の壁に付着して消失したとも推測される。
【００２８】
以上説明した微粒子検出素子２０では、捕集電極５０は、ガス導入口正対領域２２ｄに設けられている。そのため、排ガスの流れに乗った帯電微粒子Ｐは慣性力によって捕集電極５０に衝突して捕集電極５０に捕集される。したがって、帯電微粒子Ｐを捕集電極５０に向かって移動させる電界が存在しなくても、帯電微粒子Ｐの捕集効率を高めることができる。また、ガス流路２４は途中で屈曲しているため、直線状のガス流路に比べて、ガス流路２４内にガスが滞留しやすくなり、この点でも帯電微粒子Ｐの捕集効率を高めることができる。
【００２９】
また、電荷発生部３０は、放電電極３２及びグランド電極３４を有し、放電電極３２は、ガス導入口２４ａが設けられた入口形成壁２２ｃの内面に露出している。これにより、排ガスは放電電極３２に接触しにくくなるため、放電電極３２に煤などが付着するのを抑制することができる。
【００３０】
［第２実施形態］
図５は微粒子検出素子１２０の斜視図、図６は図５のＣ−Ｃ断面図である。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５に示した通りとする。
【００３１】
本実施形態の微粒子検出器は、微粒子検出素子２０の代わりに微粒子検出素子１２０を備えている以外は、第１実施形態の微粒子検出器１０と同様である。このため、以下には微粒子検出素子１２０について説明する。
【００３２】
微粒子検出素子１２０は、筐体１２２に、電荷発生部１３０と、除去電極１４０と、捕集電極１５０とを備えたものである。微粒子検出素子１２０は、図１の微粒子検出素子２０と同様にして排気管１２に取り付けられる。
【００３３】
筐体１２２は、ガス流路１２４を有している。ガス流路１２４は、図５に示すように、筐体１２２の前面に設けられた矩形のガス導入口１２４ａと、筐体１２２の左側面及び右側面にそれぞれ設けられた矩形のガス排出口１２４ｂ，１２４ｃとを備えている。ガス流路１２４は、平面視したときに略Ｔ字状になっている。ガス導入口１２４ａからガス流路１２４に導入された排ガスは、排気管の軸方向（前後方向）に沿って直進したあと後方の壁に当たり、そこで左に屈曲してガス排出口１２４ｂから排出されるか、右に屈曲してガス排出口１２４ｃから排出される。ガス流路２４の左方壁のうちガス導入口２４ａに近い部分には、上下方向に延びる凹み部１２６が設けられ、ガス流路２４の右方壁のうちガス導入口２４ａに近い部分には、上下方向に延びる溝部１２８が設けられている。凹み部１２６は、上下方向に細長く延びるように設けられ、断面が略Ｕ字状である。溝部１２８は、上下方向に細長く延びるように設けられ、断面が略Ｕ字状である。
【００３４】
電荷発生部１３０は、図５及び図６に示すように、ガス流路１２４内のガス導入口１２４ａの近傍に電荷が発生するように凹み部１２６に設けられている。電荷発生部１３０は、放電電極１３２と２つのグランド電極１３４，１３４とを有している。放電電極１３２は、上下方向に長い矩形の周囲に複数の微細突起を有し、凹み部１２６のうち後方に位置する面に露出するように設けられている。２つのグランド電極１３４，１３４は、矩形電極であり、放電電極１３２と平行となるようにガス流路１２４の壁に埋設されている。電荷発生部１３０では、図４に示すように、放電電極１３２と２つのグランド電極１３４，１３４との間に放電用電源１３６の数ｋＶのパルス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１２２のうち放電電極１３２とグランド電極１３４，１３４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１３２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。放電電極１３２は、筐体１２２の上端１２２ｂの放電電極端子１３３（図５参照）に接続され、この端子１３３を介して放電用電源１３６に接続されている。また、２つのグランド電極１３４，１３４は、筐体１２２の上端１２２ｂのグランド電極端子１３５（図５参照）に接続され、この端子１３５を介してグランドに接続されている。
【００３５】
ガスに含まれる微粒子２６は、図６に示すように、ガス導入口１２４ａからガス流路１２４内に入り、電荷発生部１３０を通過する際に電荷発生部１３０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を余剰電荷Ｑと称する。
【００３６】
除去電極１４０は、図６に示すように、捕集電極５０の上流に設けられている。除去電極１４０は、余剰電荷Ｑを除去するための電極であり、溝部１２８に設けられている。除去電極１４０は、上下方向に長い矩形の電極であり、溝部１２８のうち前方に位置する面に露出するように設けられている。除去電極１４０は、除去電極端子１４５（図５参照）を介してグランドに接続されている。
【００３７】
捕集電極１５０は、図６に示すように、ガス流路１２４の壁のうちガス導入口１２４ａと正対するガス導入口正対領域１２２ｄと、その領域１２２ｄに隣接しガス排出口１２４ｂ，１２４ｃに至る拡張領域１２２ｅ，１２２ｆに設けられている。ガス導入口正対領域１２２ｄは、ガス導入口１２４ａを後方の壁に投影した領域である。捕集電極１５０は、ガス流路１２４内に露出している。捕集電極１５０は、ソリッドな（ベタな）金属電極である。そのため、排ガスは捕集電極１５０の厚さ方向にすり抜けることはない。捕集電極１５０は、捕集電極端子１５５（図５参照）を介して電流計１６２を経てグランドに接続されている。
【００３８】
個数検出部１６０（演算部）は、図６に示すように、電流計１６２と個数測定装置１６４とを備えている。電流計１６２は、一方の端子が捕集電極１５０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１６２は、捕集電極１５０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１６４は、周知のＣＰＵなどを備えたマイクロプロセッサからなり、電流計１６２の電流に基づいて微粒子２６の個数を演算する。
【００３９】
本実施形態の微粒子検出器の製造例については、上述した微粒子検出器１０と同様であるため、ここではその説明を省略する。
【００４０】
次に、本実施形態の微粒子検出器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、第１実施形態と同様、エンジンの排気管に微粒子検出素子１２０を取り付ける。図６に示すように、ガス導入口１２４ａから筐体１２２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１３０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。排ガスの流れに乗った帯電微粒子Ｐは、慣性力によって除去電極１４０を通過して捕集電極１５０に衝突して捕集電極１５０に捕集される。一方、微粒子２６に付加されなかった電荷２８（余剰電荷Ｑ）は、放電電極１３２と除去電極１４０との間に発生する電界によって除去電極１４０に引き寄せられ、除去電極１４０を介してグランドに捨てられる。これにより、余剰電荷Ｑは捕集電極５０にほとんど到達することがない。
【００４１】
捕集電極１５０には、捕集された帯電微粒子Ｐの電荷２８に基づく電流が流れる。そして、その電流が電流計１６２で測定され、その電流に基づいて個数測定装置１６４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１６４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１５０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１６４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）
【００４２】
以上説明した微粒子検出素子１２０では、捕集電極１５０は、ガス導入口正対領域１２２ｄに設けられている。そのため、排ガスの流れに乗った帯電微粒子Ｐは慣性力によって捕集電極１５０に衝突して捕集電極１５０に捕集される。したがって、帯電微粒子Ｐを捕集電極１５０に向かって移動させる電界が存在しなくても、帯電微粒子Ｐの捕集効率を高めることができる。また、ガス流路１２４は途中で屈曲しているため、直線状のガス流路に比べて、ガス流路１２４内にガスが滞留しやすくなり、この点でも帯電微粒子Ｐの捕集効率を高めることができる。
【００４３】
また、電荷発生部１３０の放電電極１３２は、ガス流路２４の左方壁に設けられた凹み部１２６の表面に露出している。これにより、排ガスは放電電極１３２に接触しにくくなるため、放電電極１３２に煤などが付着するのを抑制することができる。
【００４４】
更に、余剰電荷Ｑは、除去電極１４０と放電電極１３２との間に発生する電界によって除去電極１４０に引き寄せられるため、除去電極１４０によって除去される。これにより、捕集電極５０には余剰電荷Ｑがほとんど到達しなくなり、微粒子の検出精度が向上する。
【００４５】
更にまた、除去電極１４０は、ガス流路１２４の右方壁に設けられた溝部１２８の表面に露出している。これにより、除去電極１４０に煤が付着するのを防止することができる。
【００４６】
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。
【００４７】
例えば、上述した第１実施形態において、図７に示すように、対向電極５２を、捕集電極５０のうち拡張領域２２ｅ，２２ｆに設けられた部分と対向するように設けてもよい。換言すれば、対向電極５２を、ガス流路２４の曲がり角からガス排出口２４ｂ，２４ｃまでの区間に設けてもよい。図７では、第１実施形態と同じ構成要素については同じ符号を付した。対向電極５２は、直流電圧Ｖ１（正電位）が捕集用電源５６によって印加される。これにより、対向電極５２と捕集電極５０との間には、帯電微粒子Ｐを捕集電極５０に向けて移動させる捕集用電界が発生する。微粒子２６には、質量の軽いものや重いものがある。質量の重い微粒子２６に電荷２８が付加した帯電微粒子Ｐは、慣性力が働きやすいため、ガス導入口正対領域２２ｄの捕集電極５０に捕集される。一方、質量の軽い微粒子２６に電荷２８が帯電した帯電微粒子Ｐは、慣性力が働きにくいため、ガス導入口正対領域２２ｄの捕集電極５０を通り過ぎてガス排出口２４ｂ，２４ｃに向かうことがある。しかし、ガス排出口２４ｂ，２４ｃの近辺には、帯電微粒子Ｐを拡張領域２２ｅ，２２ｆの捕集電極５０に引き寄せる捕集用電界が発生しているため、この電界によって質量の軽い帯電微粒子Ｐも捕集電極５０に引き寄せられて捕集される。したがって、図７の構成によれば、帯電微粒子Ｐの捕集効率がより高くなる。また、対向電極５２からは電気力線が発生するが、ガス流路２４の曲がり角付近の電気力線は図７で点線矢印で示すように対向電極５２からガス導入口２４ａに向かう。これにより、余剰電荷Ｑは、捕集用電界によって排ガスの流れと反対の方向に押し返されるため、捕集電極５０にほとんど付着しない。そのため、余剰電荷Ｑを除去するための除去電極を設けなくても、捕集電極５０に余剰電荷Ｑが付着するのを防止することができる。なお、第２実施形態においても、図７と同様の対向電極５２を設けてもよい。また、対向電極５２は筐体２２に埋設してもよい。
【００４８】
こうした図７の形態において、図８に示すように、ガス流路２４のうちガス導入口２４ａと捕集電極５０との間にガス流路２４を絞る絞り部２３を設けてもよい。図８では、図７と同じ構成要素については同じ符号を付した。図８のガス流路２４には、ガス導入口２４と捕集電極５０との間にガス流路２４を塞ぐ中間壁２２ｇが設けられている。絞り部２３は、この中間壁２２ｇを排ガスの流れ方向（微粒子検出素子２０の前後方向）に貫通するように設けられたスリットである。このスリットは、紙面に垂直な方向（微粒子検出素子２０の上下方向）に細長く延びる穴であり、ガス流路２４の流路面積を狭く絞っている。こうすれば、絞り部２３によって排ガスの流速が上がるため、帯電微粒子Ｐの捕集効率を高めることができる。なお、絞り部２３は、ガス流路２４の流路面積を絞るものであれば特に限定されるものではなく、例えば小径の丸穴や角穴としてもよいし、メッシュ状としてもよい。また、図８では、ガス導入口正対領域２２ｄは実質的には絞り部２３に正対する狭い領域になっている。このように絞り部２３によってガス導入口正対領域２２ｄが狭まるため、逆に拡張領域２２ｅ，２２ｆは広くなる。対向電極５２は、中間壁２２ｇのうち捕集電極５０の拡張領域２２ｅ，２２ｆと対向する領域に設けられている。そのため、対向電極５２の電極面積は図７に比べて広くなる。その結果、図８では、図７に比べて電界が発生する領域が広くなり、帯電微粒子Ｐの捕集効率が更に高くなる。
【００４９】
上述した第２実施形態では、除去電極１４０をグランドに接続したが、除去電極１４０を電源に接続し、電荷発生部１３０の放電電極１３２に印加される正の電圧とは逆の極性の電圧（負の電圧）が除去電極１４０に印加されるようにしてもよい。こうすれば、除去電極１４０と放電電極１３２との間に発生する電界の強度が高まるため余剰電荷Ｑを除去しやすい。また、放電電極１３２にはパルス電圧が印加されるため、電位はゼロと放電電位との間で切り替わる。放電電極１３２の電位がゼロのときでも、除去電極１４０は負の電圧が印加されているため、除去電極１４０と放電電極１３２との間に電位差が生じ、余剰電荷Ｑを除去電極１４０に引き寄せて除去することができる。
【００５０】
上述した第１実施形態において、捕集電極５０へ流れ込む漏れ電流を吸収するガード電極を設けてもよい。漏れ電流は、捕集電極５０に捕集された帯電微粒子Ｐに応じて変化する検出電流に影響を与えるが、ガード電極によって吸収されるようにすれば、検出電流を精度よく捉えることができ、ひいては微粒子の数の検出精度を高めることができる。第２実施形態においても、捕集電極１５０へ流れ込む漏れ電流を吸収するガード電極を設けてもよい。
【００５１】
上述した第１実施形態において、捕集電極５０を加熱可能なヒータを筐体２２に埋設してもよい。その場合、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５０をヒータによって加熱することにより、捕集電極５０上の堆積物を加熱して焼却し捕集電極５０の電極面をリフレッシュすることができる。また、ヒータにより、筐体２２のガス流路２４の内面に付着した微粒子２６を焼却することもできる。第２実施形態においても、捕集電極１５０を加熱可能なヒータを筐体１２２に埋設してもよい。
【００５２】
上述した第１実施形態や図７及び図８の形態では、筐体２２のガス導入口２４ａの左右両側のそれぞれに電荷発生部３０を設けたが、左右いずれか一方にだけ電荷発生部３０を設けてもよい。また、電荷発生部３０を入口形成壁２２ｃに設ける代わりに、ガス流路２４の左側面及び右側面の少なくとも一方に設けてもよい。また、電荷発生部３０の代わりに、図６のように凹み部１２６に設けた電荷発生部１３０を採用してもよい。
【００５３】
上述した第１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。この点は第２実施形態も同様である。
【００５４】
上述した第１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。この点は第２実施形態も同様である。
【符号の説明】
【００５５】
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  入口形成壁、２２ｄ  ガス導入口正対領域、２２ｅ，２２ｆ  拡張領域、２２ｇ  中間壁、２４  ガス流路、２４ａ  ガス導入口、２４ｂ，２４ｃ  ガス排出口、２６  微粒子、２８  電荷、３０  電荷発生部、３２  放電電極、３３  放電電極端子、３４  グランド電極、３５  グランド電極端子、３６  放電用電源、５０  捕集電極、５２  対向電極、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、８０  付属ユニット、１２０  微粒子検出素子、１２２  筐体、１２２ｂ  上端、１２２ｄ  ガス導入口正対領域、１２２ｅ，１２２ｆ  拡張領域、１２４  ガス流路、１２４ａ  ガス導入口、１２４ｂ，１２４ｃ  ガス排出口、１２６  凹み部、１２８  溝部、１３０  電荷発生部、１３２  放電電極、１３３  放電電極端子、１３４  グランド電極、１３５  グランド電極端子、１３６  放電用電源、１４０  除去電極、１４５  除去電極端子、１５０  捕集電極、１５５  捕集電極端子、１６０  個数検出部、１６２  電流計、１６４  個数測定装置、Ｐ  帯電微粒子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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