(57)【要約】  微粒子数検出器は、通気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、帯電微粒子を捕集する捕集電極と、捕集電極に捕集された帯電微粒子の数に応じて変化する物理量に基づいて微粒子の数を求める個数検出部とを備える。個数検出部は、微粒子の粒径と確率密度との関係と、微粒子の粒径と帯電数との関係とを用いて、微粒子の平均帯電数を求め、物理量及び微粒子の平均帯電数に基づいて微粒子の数を求める。
2019049570.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通気路を有する筐体と、
前記通気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、
前記電荷発生部よりも前記ガスの流れの下流側に設けられ、前記帯電微粒子を捕集する捕集電極と、
前記捕集電極に捕集された前記帯電微粒子の数に応じて変化する物理量に基づいて、前記微粒子の数を求める個数検出部と、
を備え、
前記個数検出部は、前記微粒子の粒径と確率密度との関係と、前記微粒子の粒径と帯電数との関係とを用いて、前記微粒子の平均帯電数を求め、前記物理量と前記微粒子の平均帯電数とを用いて前記微粒子の数を求める。
微粒子数検出器。
【請求項２】
前記ガスは、エンジンの排ガスであり、
前記個数検出部は、前記エンジンの運転条件に基づいて前記微粒子の粒径と確率密度との関係を求める、
請求項１に記載の微粒子数検出器。
【請求項３】
前記エンジンの運転条件は、前記エンジンの回転数及びトルクである、
請求項２に記載の微粒子数検出器。
【請求項４】
前記個数検出部は、前記微粒子の平均帯電数を、各微粒子の粒径の帯電数と各微粒子の粒径の確率密度との積を累積することにより求める、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の微粒子数検出器。
【請求項５】
前記個数検出部は、前記微粒子の粒径と帯電数との関係を、前記ガスの温度及び前記ガスの流速の少なくとも一方を考慮して求める、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の微粒子数検出器。
【請求項６】
前記個数検出部は、前記微粒子の粒径と帯電数との関係を、前記ガスの温度及び前記ガスの流速の少なくとも一方を考慮した累乗近似式を利用して求める、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の微粒子数検出器。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の微粒子数検出器であって、
前記電荷発生部と前記捕集電極との間に設けられ、前記微粒子に付加されなかった余剰の電荷を除去する余剰電荷除去電極
を備えた微粒子数検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微粒子数検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
微粒子数検出器としては、コロナ放電によって発生させたイオンを用いて被測定ガス中の微粒子を帯電させ、被測定ガス中の微粒子に相関する測定信号を生成し、その測定信号に基づいて被測定ガス中の微粒子数を決定するものが知られている（例えば特許文献１参照）。この微粒子数検出器は、被測定ガス中の微粒子の粒径を推定し、推定された粒径と基準となる粒径との比率に関する係数を用いて微粒子数を補正する。粒径としては、粒径ピーク値（所定の運転条件で内燃機関を運転させた際の排ガスに含まれる微粒子の粒径分布において、粒子数の最も多い粒径の値）が例示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−７５６７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、粒径ピーク値が同じで微粒子の粒径分布が異なる２つの被測定ガスがあった場合、本来は２つの被測定ガスの微粒子数はそれぞれ異なる値になるが、特許文献１では、粒径ピーク値が同じであれば補正係数が同じ値になるため補正後の微粒子数も同じ値になってしまうという問題があった。そのため、微粒子数の測定精度が高いとはいえなかった。【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、微粒子数の測定精度を高くすることを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の微粒子数検出器は、
通気路を有する筐体と、
前記通気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、
前記電荷発生部よりも前記ガスの流れの下流側に設けられ、前記帯電微粒子を捕集する捕集電極と、
前記捕集電極に捕集された前記帯電微粒子の数に応じて変化する物理量に基づいて、前記微粒子の数を求める個数検出部と、
を備え、
前記個数検出部は、前記微粒子の粒径と確率密度との関係と、前記微粒子の粒径と帯電数との関係とを用いて、前記微粒子の平均帯電数を求め、前記物理量と前記微粒子の平均帯電数とを用いて前記微粒子の数を求める
ものである。【０００７】
この微粒子数検出器では、ガス中の微粒子の数を求めるにあたり、微粒子の粒径と確率密度との関係と、微粒子の粒径と帯電数との関係とを用いて、微粒子の平均帯電数を求め、捕集電極に捕集された帯電微粒子の数に応じて変化する物理量と微粒子の平均帯電数とを用いて微粒子の数を求める。そのため、例えば粒径ピーク値が同じで微粒子の粒径分布が異なる２つのガスがあった場合、微粒子の粒径分布が異なれば微粒子の粒径と確率密度との関係は異なるため、得られる微粒子の数はガスごとに異なる値となる。したがって、従来と比べて微粒子数の測定精度が高くなる。【０００８】
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、帯電微粒子の数（電荷量）に基づいて変化するパラメータであればよく、例えば電流などが挙げられる。【０００９】
本発明の微粒子数検出器において、前記ガスは、エンジンの排ガスであり、前記個数検出部は、前記エンジンの運転条件に基づいて前記微粒子の粒径と確率密度との関係を求めてもよい。エンジンの運転条件によって微粒子の粒径分布は変化するため微粒子の粒径と確率密度との関係も変化する。ここでは、エンジンの運転条件に基づいて微粒子の粒径と確率密度との関係を求めるため、微粒子数の測定精度がより高くなる。エンジンの運転条件としては、例えばエンジンの回転数やトルクなどが挙げられる。【００１０】
本発明の微粒子数検出器において、前記微粒子の平均帯電数を、各微粒子の粒径の帯電数と各微粒子の粒径の確率密度との積を累積することにより求めてもよい。こうすれば、微粒子の平均帯電数を正確に求めることができる。【００１１】
本発明の微粒子数検出器において、前記個数検出部は、前記微粒子の粒径と帯電数との関係を、前記ガスの温度及び前記ガスの流速の少なくとも一方を考慮して求めてもよい。同じ粒径の微粒子であっても、帯電数はガスの温度やガスの流速に応じて変化する。そのため、ガスの温度及びガスの流速の少なくとも一方と微粒子の粒径とに基づいて帯電数を求める方が、単に微粒子の粒径に基づいて帯電数を求める場合に比べて、より正確に帯電数を求めることができる。したがって、微粒子数の測定精度がより高くなる。【００１２】
この場合、前記個数検出部は、前記微粒子の粒径と帯電数との関係を、前記ガスの温度及び前記ガスの流速の少なくとも一方を考慮した累乗近似式を利用して求めてもよい。ガスの温度及びガスの流速の少なくとも一方を変化させて微粒子の粒径と帯電数との関係を実測した場合、粒径は離散的に設定される。しかし、ここでは累乗近似式を利用するため、粒径は補完されて連続した値になる。そのため、微粒子の粒径に対応する帯電数をより正確に求めることができる。【００１３】
本発明の微粒子数検出器は、前記電荷発生部と前記捕集電極との間に設けられ、前記微粒子に付加されなかった余剰の電荷を除去する余剰電荷除去電極を備えていてもよい。こうすれば、余剰の電荷は余剰電荷除去電極によって除去されるため、捕集電極に捕集されて微粒子数にカウントされてしまうのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】微粒子数検出器１０の概略構成を表す断面図。
【図２】微粒子数検出処理のフローチャート。
【図３】微粒子の粒径分布のグラフ。
【図４】微粒子の粒径分布のグラフ。
【図５】微粒子の粒径と確率密度との関係を表すグラフ。
【図６】帯電数測定装置８０の説明図。
【図７】帯電前及び帯電後の煤粒子の粒径分布。
【図８】煤粒子の粒径と帯電数とガス温との関係を表すグラフ。
【図９】煤粒子の粒径と帯電数とガス流速との関係を表すグラフ。
【図１０】余剰電荷除去電極３０及び捕集電極４０の別例を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の好適な実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は微粒子数検出器１０の概略構成を表す断面図である。
【００１６】
微粒子数検出器１０は、ガス（ここでは自動車のエンジンの排ガス）に含まれる微粒子の数を計測するものである。この微粒子数検出器１０は、筐体１２と、電荷発生素子２０（電荷発生部）と、余剰電荷除去電極３０と、捕集電極４０と、制御装置５０（個数検出部）と、ヒータ６０とを備えている。
【００１７】
筐体１２は、絶縁材料からなり、通気路１３を有している。通気路１３は、ガス導入口１３ａからガス排出口１３ｂまで筐体１２を貫通している。絶縁材料としては、例えばセラミック材料が挙げられる。セラミック材料の種類は、特に限定するものではないが、例えばアルミナや窒化アルミニウム、炭化珪素、ムライト、ジルコニア、チタニア、窒化珪素、マグネシア、ガラス、またはこれらの混合物などが挙げられる。通気路１３内には、ガスの流れの上流側から下流側に向かって（ここではガス導入口１３ａからガス排出口１３ｂに向かって）、電荷発生素子２０、余剰電荷除去電極３０及び捕集電極４０がこの順に並ぶように設けられている。
【００１８】
電荷発生素子２０は、通気路１３のガス導入口１３ａに近い側に設けられ、針状電極２２と、その針状電極２２に対向する壁に露出するように設置された対向電極２４とを有している。針状電極２２と対向電極２４とは、電圧Ｖｐ（例えばパルス電圧等）を印加する放電用電源２６に接続されている。電荷発生素子２０は、針状電極２２と対向電極２４との間に電圧Ｖｐ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。この気中放電中をガスが通過することによりガス中の微粒子は電荷（ここでは正電荷とする）が付加されて帯電微粒子になる。
【００１９】
余剰電荷除去電極３０は、通気路１３の内面に沿って設けられている。余剰電荷除去電極３０は、微粒子に付加されなかった電荷を除去する。通気路１３のうち余剰電荷除去電極３０と対向する位置には、余剰電荷除去用の電界発生電極３２が設けられている。この電界発生電極３２も、通気路１３の内面に沿って設けられている。電界発生電極３２と余剰電荷除去電極３０との間に図示しない電界発生用電源の電圧Ｖ２が印加されると、電界発生電極３２と余剰電荷除去電極３０との間（余剰電荷除去電極３０上）に電界が発生する。電荷発生素子２０の気中放電によって発生した電荷のうち微粒子に付加されなかったものは、この電界によって余剰電荷除去電極３０に引き寄せられて捕集され、ＧＮＤ（グランド）に捨てられる。
【００２０】
捕集電極４０は、通気路１３の内面に沿って設けられている。捕集電極４０は、帯電微粒子を捕集する。通気路１３のうち捕集電極４０と対向する位置には、捕集用の電界発生電極４２が設けられている。この電界発生電極４２も、通気路１３の内面に沿って設けられている。電界発生電極４２と捕集電極４０との間に図示しない電界発生用電源の電圧Ｖ１が印加されると、電界発生電極４２と捕集電極４０との間（捕集電極４０上）に電界が発生する。帯電微粒子は、この電界によって捕集電極４０に引き寄せられて捕集される。捕集電極４０には、コンデンサ５２、抵抗器５３及びスイッチ５４を介して電流計５５が接続されている。スイッチ５４は、半導体スイッチが好ましい。スイッチ５４がオンされて捕集電極４０と電流計５５とが電気的に接続されると、捕集電極４０に付着した帯電微粒子に付加された電荷に基づく電流が、コンデンサ５２と抵抗器５３からなる直列回路を介して過渡応答として電流計５５に伝達される。
【００２１】
各電極３０，４０のサイズや各電極３０，４０上の電界の強さ（電圧Ｖ１，Ｖ２の大きさ）は、帯電微粒子が余剰電荷除去電極３０に捕集されることなく捕集電極４０に捕集されるように、また、微粒子に付着しなかった電荷が余剰電荷除去電極３０に捕集されるように、設定されている。
【００２２】
制御装置５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどからなる周知のマイクロコンピュータによって構成されている。制御装置５０は、電流計５５から捕集電極４０を流れる電流を入力したり、エンジンの排気管に装着されたガス温センサ５６及びガス流速センサ５７から排ガスの温度及び排ガスの流速をそれぞれ入力したり、エンジンを制御するエンジンＥＣＵ５８からエンジンのトルク及び回転数を入力したりする。また、制御装置５０は、微粒子の個数を演算する。なお、ガス流速センサ５７の代わりにガス流量センサを用いてもよい。その場合、ガス流速はガス流量を流路断面積で除することにより求めることができる。
【００２３】
ヒータ６０は、捕集電極４０の近傍の位置にて通気路１３の壁内に埋設されている。ヒータ６０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して捕集電極４０を加熱する。微粒子等が捕集電極４０に数多く堆積すると、新たに帯電微粒子が捕集電極４０に捕集されないことがある。そのため、制御装置５０は、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４０をヒータ６０によって加熱することにより、捕集電極４０上の堆積物を加熱して焼却し捕集電極４０の電極面をリフレッシュする。
【００２４】
次に、微粒子数検出器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を計測する場合、エンジンの排気管内に微粒子数検出器１０を取り付ける。このとき、排ガスが微粒子数検出器１０のガス導入口１３ａから通気路１３内に導入され、ガス排出口１３ｂから排出されるように微粒子数検出器１０を取り付ける。
【００２５】
制御装置５０は、微粒子数検出処理の開始タイミングが到来するごとに、ＲＯＭに記憶されている微粒子数検出処理プログラムを読み出してこれを実行する。微粒子数検出処理のフローチャートを図２に示す。
【００２６】
制御装置５０は、微粒子数検出処理を開始すると、まず、各種情報を取得する（ステップＳ１１０）。具体的には、制御装置５０は、ガス温センサ５６から排ガスの温度を入力し、ガス流速センサ５７から排ガスの流速を入力し、エンジンＥＣＵ５８からエンジンのトルク及び回転数を入力し、電流計５５から捕集電極４０を流れる電流を入力する。
【００２７】
続いて、制御装置５０は、エンジンのトルク及び回転数に基づいて微粒子の粒径分布を取得する（ステップＳ１２０）。排ガスに含まれる微粒子の粒径分布を実測した結果の一例を図３及び図４に示す。図３はエンジン回転数を１０００ｒｐｍ、トルクを５０Ｎ・ｍとしたときの実測結果である。図４はエンジン回転数を２０００ｒｐｍ，３０００ｒｐｍ、トルクを５０Ｎ・ｍ、１００Ｎ・ｍとしたときの実測結果である。図３及び図４から、エンジンの運転条件によって微粒子の粒径分布が変化することがわかる。制御装置５０の図示しない記憶装置（ＲＯＭなど）には、エンジンのトルク及び回転数に対応して微粒子の粒径分布が記憶されている。そのため、ステップＳ１２０では、制御装置５０は、今回のエンジンのトルク及び回転数に対応した微粒子の粒径分布を記憶装置から読み出す。
【００２８】
続いて、制御装置５０は、微粒子の粒径と確率密度との関係を求める（ステップＳ１３０）。具体的には、制御装置５０は、微粒子の粒径分布のデータにおいて、各粒子の粒子数を累積して全粒子数を求め、各粒子の粒子数を全粒子数で除して正規化することにより、粒径分布の縦軸を粒子の確率密度に変換する。図３の微粒子の粒径分布を確率密度関数に変換したあとのグラフ（微粒子の粒径と確率密度との関係の一例を表すグラフ）を図５の実線で示す。この実線の曲線と横軸とで囲まれた領域の面積は１になる。
【００２９】
続いて、制御装置５０は、排ガスの温度及び排ガスの流速を考慮して微粒子の粒径と帯電数との関係を求める（ステップＳ１４０）。
【００３０】
ここで、微粒子の粒径と帯電数との関係について説明する。この関係は予め実験により求めておく。こうした実験は、例えば図６に示す帯電数測定装置８０を用いて行うことができる。帯電数測定装置８０は、煤粒子発生装置８１とダイリュータ８２と電子式低圧インパクタ８３とを直列になるようにパイプで繋ぎ、ダイリュータ８２と電子式低圧インパクタ８３とを繋ぐパイプから分岐して空気清浄化フィルタ８４を介してマスフロー制御器（ＭＦＣ）８５を繋いだものである。
【００３１】
煤粒子発生装置８１は、放電により煤粒子を生成する装置である。こうした装置としては、例えばＰＡＬＡＳ社のＤＮＰ３０００などが挙げられる。生成した帯電前の煤粒子の粒径分布の一例を図７に破線で示す。煤粒子の粒径分布は正規分布に近いパターンであり、粒径範囲は３０〜２００ｎｍである。このときの縦軸は煤粒子の個数である。
【００３２】
ダイリュータ８２は、入口から導入された微粒子含有ガスをクリーンエアで希釈して出口から放出する装置である。こうした装置としては、例えばＤＥＫＡＴＩ社のＤＩ−１０００などが挙げられる。出口流量は所定の流量（例えば１０Ｌ／ｍｉｎ）とし、ガスの温度は室温〜１８０℃の範囲で適宜設定することができる。
【００３３】
電子式低圧インパクタ８３は、入口から導入された煤粒子に帯電させるチャージャ部と、帯電した煤粒子を捕集するインパクタ捕集部とを備えた装置である。こうした装置としては、例えばＤＥＫＡＴＩ社のＨＴ  ＥＬＰＩ＋などが挙げられる。電子式低圧インパクタ８３は、室温〜１８０℃の範囲で設定された温度において、リアルタイムに粒径分布測定や荷電分布測定を行うことができる。電子式低圧インパクタ８３に導入された帯電煤粒子の粒度分布の一例を図７に実線で示す。帯電煤粒子の粒度分布は、ガスの温度がある特定の温度のときの帯電前の煤粒子が帯電された後の粒度分布である。このときの縦軸は帯電煤粒子の数に帯電数を乗じた値である。なお、チャージャ部は、電荷発生素子２０と同じ構成とし、電極間に印加する電圧も電荷発生素子２０と同じにするのが好ましい。
【００３４】
ＭＦＣ８５は、ダイリュータ８２から所定の流量で放出されたガスの一部又は全部が電子式低圧インパクタ８３に導入されるように流量を制御するものである。これにより、電子式低圧インパクタ８３に導入されるガスの流速を任意に変更することができる。
【００３５】
図７から、粒径が５０ｎｍ以下の場合には煤粒子１個当たりの帯電数がおおむね１であり、粒径が５０ｎｍを超えると、煤粒子１個当たりの帯電数が１を超えることがわかる。例えば、粒径が１００ｎｍの場合、煤粒子１個当たりの帯電数は約４である。このように、図７のグラフから、煤粒子の粒径と帯電数との関係を把握することができる。
【００３６】
こうした煤粒子の粒径と帯電数との関係は、煤粒子を含むガスの温度や煤粒子を含むガスの流速によって変化する。これも、帯電数測定装置８０を用いることにより予め把握することができる。煤粒子の粒径と帯電数との関係がガスの温度によって変化する一例を、図８に示す。図８は、ガスの流速を１ｍ／ｓに固定した場合のグラフである。図８によれば、ガスの温度が室温（２２℃）から６０℃、１２０℃、１８０℃と高くなるにしたがって、同じ粒径の微粒子であっても帯電数が大きくなることがわかる。また、煤粒子の粒径と帯電数との関係が煤粒子を含むガスの流速によって変化する一例を、図９に示す。図９は、ガスの温度を室温に固定した場合のグラフである。図９によれば、ガスの流速が０．１ｍ／ｓから０．２ｍ／ｓ、０．５ｍ／ｓ、１．０ｍ／ｓと高くなるにしたがって、同じ粒径の微粒子であっても帯電数が大きくなることがわかる。
【００３７】
図８において、各温度の実測に基づく曲線にほぼ一致するように描かれた細い実線は、累乗近似により得られた指数関数の曲線であり、精度よく実測の曲線に近似していることがわかる。また、図９において、各流速の実測に基づく曲線にほぼ一致するように描かれた細い実線は、累乗近似により得られた指数関数の曲線であり、精度よく実測の曲線に近似していることがわかる。図８及び図９において、累乗近似により得られた指数関数の式を細い実線の右側に示す。式中、ｙは帯電数、ｘは粒径（μｍ）である。このように、粒径と帯電数との関係は、正比例の関係ではないことがわかる。
【００３８】
制御装置５０は、図８及び図９の累乗近似により得られた曲線（細い実線）を用いることにより、微粒子の粒径に対する帯電数を、ガスの温度及びガスの流速を考慮して求めることができる。累乗近似により得られた曲線は、実測した粒径以外の粒径を補完しているため、実測しなかった粒径についても精度よく帯電数を推定することができる。また、代表的なガスの温度やガスの流速による帯電数分布（微粒子の粒径と帯電数との関係）を実測しておけば、実測しなかったガスの温度やガスの流速についても補完することが可能なため、ガスの温度やガスの流速による帯電数分布を網羅的に実測する必要はない。
【００３９】
続いて、制御装置５０は、微粒子の粒径と確率密度との関係（例えば図５の実線参照）と、微粒子の粒径と帯電数との関係（例えば図８及び図９の累乗近似により得られた曲線を元にして作成された図５の破線参照）とを用いて、微粒子の平均帯電数を算出する（ステップＳ１５０）。具体的には、制御装置５０は、まず、微粒子の粒径と確率密度との関係を用いて各粒径の確率密度を求め、微粒子の粒径と帯電数との関係を用いて各粒径の帯電数を求める。その後、制御装置５０は、各粒径の確率密度と帯電数との積を求め、その積を、対象となる粒径範囲について累積することで、帯電数の期待値を得る。この帯電数の期待値を平均帯電数とする。
【００４０】
続いて、制御装置５０は、捕集電極４０を流れる電流と平均帯電数とを用いて微粒子の数を演算する（ステップＳ１６０）。ガス導入口１３ａから通気路１３内に導入された排ガスに含まれる微粒子は、電荷発生素子２０の放電によって発生した電荷（ここでは正電荷）を帯びて帯電微粒子になる。帯電微粒子は、余剰電荷除去電極３０に除去されることなくガスの流れに沿って移動し、その後、捕集電極４０に捕集される。一方、電荷発生素子２０で発生した電荷のうち微粒子に付加しなかったものは、余剰電荷除去電極３０に捕集されてＧＮＤに捨てられる。そのため、捕集電極４０に流れる電流は、帯電微粒子の数に応じて変化する。電流Ｉと電荷量ｑの関係は、Ｉ＝ｄｑ／（ｄｔ）、ｑ＝∫Ｉｄｔである。したがって、制御装置５０は、スイッチ５４がオンされている期間（スイッチオン期間）にわたって電流計５５からの電流値を積分（累算）して電流値の積分値（蓄積電荷量）を求める。スイッチオン期間の経過後に、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、その捕集電荷数を微粒子１つ当たりに付加した電荷の数の平均値（平均帯電数）で除算し、更にガス流量で除算することで、一定時間（例えば５〜１５秒）にわたって捕集電極４０に付着していた微粒子の個数を求めることができる（下記式参照）。この個数は、単位体積当たりの個数である。なお、ガス流量はガス流速に流路断面積を乗じることにより得られる。そして、制御装置５０は、一定時間における微粒子の個数を算出する演算を、所定期間（例えば１〜５分）にわたって繰り返し行って積算することで、所定期間にわたって捕集電極４０に付着した微粒子の個数を算出することができる。また、コンデンサ５２と抵抗器５３による過渡応答を利用することで、小さな電流でも測定することが可能となり、微粒子の個数を高精度に検出することができる。ｐＡ（ピコアンペア）レベルやｎＡ（ナノアンペア）レベルの微小な電流であれば、例えば抵抗値の大きい抵抗器５３を使用して時定数を大きくすることで、微小な電流の測定が可能となる。
微粒子数＝蓄積電荷量／（素電荷×平均帯電数×流量）
【００４１】
以上詳述した本実施形態の微粒子数検出器１０では、ガス中の微粒子の数を求めるにあたり、微粒子の粒径と確率密度との関係と、微粒子の粒径と帯電数との関係とを用いて、微粒子の平均帯電数を求め、捕集電極４０に流れる電流と微粒子の平均帯電数とを用いて微粒子の数を求める。例えば図５の実線（実測分布）と点線（対数正規分布）のように、粒径ピーク値が同じ（約６５ｎｍ）で微粒子の粒径分布が異なる２つのガスがあった場合、微粒子の粒径分布が異なれば微粒子の粒径と確率密度との関係は異なるため、得られる微粒子の数はガスごとに異なる値となる。図５の実線と点線の平均帯電数を同じ排ガスの温度、流速としてそれぞれ計算したところ、前者が０．６５、後者が０．８９であった。一方、特許文献１のように、粒径分布を考慮せずに粒径ピーク値を用いて平均帯電数を算出すると、前者も後者も平均帯電数は同じ値になってしまう。したがって、本実施形態によれば、従来（特許文献１）と比べて微粒子数の測定精度が高くなる。
【００４２】
また、エンジンの運転条件によって微粒子の粒径分布は変化するため微粒子の粒径と確率密度との関係も変化することから、制御装置５０は、エンジンの運転条件に基づいて微粒子の粒径と確率密度との関係を求めている。そのため、微粒子数の測定精度がより高くなる。
【００４３】
更に、制御装置５０は、微粒子の平均帯電数を、各微粒子の粒径の帯電数と各微粒子の粒径の確率密度との積を累積することにより求めている。そのため、微粒子の平均帯電数を正確に求めることができる。
【００４４】
更にまた、制御装置５０は、微粒子の粒径と帯電数との関係を、排ガスの温度及び流速を考慮して求めている。同じ粒径の微粒子であっても、帯電数は排ガスの温度及び流速に応じて変化する。そのため、排ガスの温度及び流速と微粒子の粒径とに基づいて帯電数を求める方が、単に微粒子の粒径に基づいて帯電数を求める場合に比べて、より正確に帯電数を求めることができる。したがって、微粒子数の測定精度がより高くなる。
【００４５】
特に、制御装置５０は、微粒子の粒径と帯電数との関係を、排ガスの温度及び流速を考慮した累乗近似式を利用して求めている。排ガスの温度及び流速を変化させて微粒子の粒径と帯電数との関係を実測した場合、粒径は離散的に設定される。しかし、ここでは累乗近似式を利用するため、粒径は補完されて連続した値になる。そのため、微粒子の粒径に対応する帯電数をより正確に求めることができる。
【００４６】
そしてまた、余剰の電荷は余剰電荷除去電極３０によって除去されるため、捕集電極４０に捕集されて微粒子数にカウントされてしまうのを抑制することができる。
【００４７】
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。
【００４８】
例えば、上述した実施形態では、微粒子の粒径と帯電数との関係を、排ガスの温度及び流速の両方を考慮して求めたが、排ガスの温度及び流速のいずれか一方を考慮して求めてもよい。あるいは、上述した実施形態では、微粒子の粒径と帯電数との関係を、排ガスの温度及び流速を考慮せずに求めてもよい。この場合でも、粒径分布を考慮して平均帯電数を算出するため、粒径分布を考慮せずに粒径ピーク値を用いて平均帯電数を算出する場合（特許文献１）と比べて微粒子数の測定精度が高くなる。但し、排ガスの温度及び流速の少なくとも一方を考慮する場合に比べると微粒子数の測定精度は劣る。
【００４９】
上述した実施形態では、制御装置５０は微粒子数検出処理（図２）においてステップＳ１２０〜Ｓ１５０を行ったが、Ｓ１２０〜Ｓ１５０に代えて、以下の処理を行ってもよい。すなわち、予め、エンジンの運転条件（例えばエンジンの回転数とトルク）ごとに、微粒子の粒径と確率密度との関係及び微粒子の粒径と帯電数との関係を実測して上述した手順により平均帯電数を算出しておき、エンジンの運転条件と平均帯電数とを対応づけたマップ（又はテーブル）を制御装置５０のＲＯＭなどの記憶装置に格納しておく。制御装置５０は、微粒子数検出処理において、ステップＳ１１０でエンジンの運転条件を取得したあと、その運転条件に対応する平均帯電数をマップ（又はテーブル）から読み出し、その後ステップＳ１６０で微粒子数を算出する。こうすれば、制御装置５０の演算負担が軽減されるため高速で微粒子数を算出することができる。
【００５０】
上述した実施形態では、エンジンの運転条件としてエンジンの回転数とトルクを例示したが、特にこれに限定されるものではなく、これに代えて又は加えて、燃料噴射量、吸入空気量、車速などを用いてもよい。
【００５１】
上述した実施形態では、電界発生電極３２，４２を通気路１３の内面に沿って設けたが、通気路１３の壁（筐体１２）に埋設してもよい。また、図１０に示すように、電界発生電極３２の代わりに、余剰電荷除去電極３０を挟むように一対の電界発生電極３４，３６を通気路１３の壁に埋設し、電界発生電極４２の代わりに、捕集電極４０を挟むように一対の電界発生電極４４，４６を通気路１３の壁に埋設してもよい。この場合、一対の電界発生電極３４，３６に電圧を印加して余剰電荷除去電極３０上に電界を発生させると、余剰電荷除去電極３０に電荷が捕集される。また、一対の電界発生電極４４，４６に電圧を印加して捕集電極４０上に電界を発生させると、捕集電極４０に帯電微粒子が捕集される。
【００５２】
上述した実施形態では、電荷発生素子２０を針状電極２２と対向電極２４とで構成したが、気中放電により電荷を発生させるものであれば特にどのような構成でも構わない。例えば、誘導電極を通気路１３の壁に埋設すると共に通気路１３の内面のうち誘導電極と対向する位置に放電電極を設けてもよい。この場合、筐体１２のうち放電電極と誘導電極との間の部分が誘電体層の役割を果たすため、誘電体バリア放電によって電荷を発生させることができる。
【００５３】
上述した実施形態では、捕集電極４０上に電界を発生させたが、電界を発生させない場合でも、通気路１３のうち捕集電極４０が設けられている部分の間隔（流路厚）を微小な値（例えば０．０１ｍｍ以上０．２ｍｍ未満）に調整すれば、捕集電極４０に帯電微粒子を捕集することは可能である。すなわち、帯電微粒子はブラウン運動が激しいため、流路厚を微小な値にすることで帯電微粒子を捕集電極４０に衝突させて捕集することができる。この場合、電界発生電極４２を備えなくてもよい。
【００５４】
上述した実施形態では、正に帯電した帯電微粒子の個数を測定する場合について説明したが、負に帯電した帯電微粒子であっても同様にして微粒子の個数を測定することができる。
【００５５】
上述した実施形態では、ガス温センサ５６から排ガスの温度を取得するようにしたが、エンジンの排気管にガス温センサ５６が取り付けられていない場合には、他のパラメータ
【００５６】
本出願は、２０１７年９月６日に出願された日本国特許出願第２０１７−１７０８１０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。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、例えば内燃機関の排ガスに含まれる微粒子の数を測定するのに利用可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１０  微粒子数検出器、１２  筐体、１３  通気路、１３ａ  ガス導入口、１３ｂ  ガス排出口、２０  電荷発生素子、２２  針状電極、２４  対向電極、２６  放電用電源、３０  余剰電荷除去電極、３２，３４，３６  電界発生電極、４０  捕集電極、４２，４４，４６  電界発生電極、５０  制御装置、５２  コンデンサ、５３  抵抗器、５４  スイッチ、５５  電流計、５６  ガス温センサ、５７  ガス流速センサ、５８  エンジンＥＣＵ、６０  ヒータ、８０  帯電数測定装置、８１  煤粒子発生装置、８２  ダイリュータ、８３  電子式低圧インパクタ、８４  空気清浄化フィルタ、８５  マスフロー制御器。
【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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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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