(57)【要約】      （修正有）【課題】気体中に含まれる固体微粒子の含有量を高感度に検出する固体微粒子質量測定装置を提供する。【解決手段】固体微粒子質量測定装置は、圧電基板１１１と、圧電基板１１１上に表面弾性波１の伝搬路である表面弾性波伝搬領域１０５を挟んで形成された入力電極１０３及び出力電極１０４を有する。表面弾性波伝搬領域１０５に設けられ固体微粒子を付着させる固体微粒子付着領域１０９と、固体微粒子付着領域１０９に付着した固体微粒子の付着量を検出する固体微粒子付着量検出部（信号検出回路９１）とを有する。【選択図】図１
2019090742.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体中に含まれる固体微粒子の含有量を測定する固体微粒子質量測定装置であって、
圧電基板と、
前記圧電基板の一端に設けられ、表面弾性波を励起する入力電極と、
前記圧電基板の他端に設けられ、前記入力電極で励起されて前記圧電基板上の表面弾性波伝搬領域を伝搬する前記表面弾性波を受信する出力電極と、
前記表面弾性波伝搬領域に設けられ、前記固体微粒子を付着させる固体微粒子付着領域と、
前記固体微粒子付着領域に付着した前記固体微粒子の付着量を検出する固体微粒子付着量検出部と、
を有することを特徴とする固体微粒子質量測定装置。
【請求項２】
前記固体微粒子付着量検出部は、
前記固体微粒子付着領域に付着した前記固体微粒子と前記表面弾性波との相互作用により、前記表面弾性波が前記表面弾性波伝搬領域を伝搬する伝搬速度が変化することにより生じた前記表面弾性波の位相の変化を前記出力電極で検出することにより、前記固体微粒子の付着量を検出することを特徴とする請求項１に記載の固体微粒子質量測定装置。
【請求項３】
前記入力電極及び前記出力電極は、前記表面弾性波の伝搬方向に対して垂直方向に対向して配置された櫛型の電極により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体微粒子質量測定装置。
【請求項４】
前記櫛型の電極は、複数の電極指を有し、
前記電極指の幅及び隣接する前記電極指の間の距離は、前記表面弾性波の波長の１／４であることを特徴とする請求項１に記載の固体微粒子質量測定装置。
【請求項５】
前記固体微粒子付着領域は、前記表面弾性波伝搬領域に設けられた第１の金属電極により形成され、
前記第１の金属電極の上部には、前記第１の金属電極と対向して第２の金属電極が設けられ、
前記第１の金属電極と前記第２の金属電極との間に電圧を印加することにより前記第１の金属電極に前記固体微粒子を付着させることを特徴とする請求項１に記載の固体微粒子質量測定装置。
【請求項６】
前記第１の金属電極は、複数の格子状電極により形成され、
前記固体微粒子は、複数の前記格子状電極の周辺に付着することを特徴とする請求項５に記載の固体微粒子質量測定装置。
【請求項７】
前記格子状電極の幅及び隣接する前記格子状電極の間隔は、前記表面弾性波の波長より小さいことを特徴とする請求項６に記載の固体微粒子質量測定装置。
【請求項８】
前記格子状電極の幅及び隣接する前記格子状電極の間隔は、前記表面弾性波の波長の１／２以下であることを特徴とする請求項７に記載の固体微粒子質量測定装置。
【請求項９】
複数の前記格子状電極は間引かれており、
前記固体微粒子は電界に引き付けられて段差を設けながら間引かれた複数の前記格子状電極上に付着することを特徴とする請求項６に記載の固体微粒子質量測定装置。
【請求項１０】
前記第１の金属電極を加熱することにより前記第１の金属電極に付着した前記固体微粒子を除去するヒータを更に有することを特徴とする請求項６に記載の固体微粒子質量測定装置。
【請求項１１】
前記固体微粒子付着領域は平坦膜により形成され、
前記固体微粒子は、前記平坦膜に印加されたＤＣバイアス電圧の電界に引き付けられて前記平坦膜に一様に付着することを特徴とする請求項１に記載の固体微粒子質量測定装置。
【請求項１２】
前記表面弾性波伝搬領域へ前記固体微粒子を含む前記気体を導入する導入路を更に有することを特徴とする請求項１に記載の固体微粒子質量測定装置。
【請求項１３】
請求項１に記載された固体微粒子質量測定装置を一対配置し、
一の固体微粒子質量測定装置を測定素子として用い、
他の固体微粒子質量測定装置を参照素子として用い、
前記参照素子の前記固体微粒子付着領域には、前記固体微粒子が付着するのを阻止するためのマスクが設けられ、
前記固体微粒子付着量検出部は、前記測定素子と前記参照素子の前記出力電極でそれぞれ受信される前記表面弾性波の特性を比較することにより、前記固体微粒子の前記付着量を検出することを特徴とする固体微粒子質量測定装置。
【請求項１４】
前記測定用素子の前記固体微粒子付着領域は、絶縁膜の窓が開口されており、
前記参照素子の前記固体微粒子付着領域は、前記絶縁膜で覆われていることを特徴とする請求項１３に記載の固体微粒子質量測定装置。
【請求項１５】
前記入力電極及び出力電極は、白金とチタンとの２層構造により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体微粒子質量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体微粒子質量測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンなどの内燃機関の排気ガスには、煤などの固体微粒子、いわゆるＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｍａｔｔｅｒ）が含まれるが、この個体微粒子による大気汚染が世界的に問題となっている。
【０００３】
排気ガスに含有し大気に排出される個体微粒子の量を制御するために、内燃機関の排気ガス管に微粒子センサを取り付け、個体微粒子の排出量を制御する試みがなされている。
【０００４】
このような微粒子センサに関連する技術として、例えば、特許文献１、２がる。特許文献１、２では、セラミック基板に櫛型の電極を設け、電極間にバイアスを印加し、電極間に付着した個体微粒子の抵抗値を測定することにより排気ガス中に含有する個体微粒子を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−２２６８３２号公報
【特許文献２】特開平８−８８５３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１、２に記載された微粒子センサにおいては、電極間に付着した個体微粒子により電極間が導通しないと個体微粒子の付着量を測定できない。このため、特許文献１、２では微量な個体微粒子を高感度に検出することは困難である。
本発明の目的は、気体中に含まれる固体微粒子の含有量を高感度に検出することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様の固体微粒子質量測定装置は、気体中に含まれる固体微粒子の含有量を測定する固体微粒子質量測定装置であって、圧電基板と、前記圧電基板の一端に設けられ、表面弾性波を励起する入力電極と、前記圧電基板の他端に設けられ、前記入力電極で励起されて前記圧電基板上の表面弾性波伝搬領域を伝搬する前記表面弾性波を受信する出力電極と、前記表面弾性波伝搬領域に設けられ、前記固体微粒子を付着させる固体微粒子付着領域と、前記固体微粒子付着領域に付着した前記固体微粒子の付着量を検出する固体微粒子付着量検出部と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一態様によれば、気体中に含まれる固体微粒子の含有量を高感度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１の固体微粒子質量測定装置の構成を示す図である。
【図２】実施例２の固体微粒子質量測定装置の他の構成を示す図である。
【図３】実施例３の固体微粒子質量測定装置の他の構成を示す図である。
【図４】実施例４の固体微粒子質量測定装置の他の構成を示す図である。
【図５】表面弾性波の伝搬速度低下率と固体微粒子（ＰＭ）の表面弾性波伝搬路への付着量（ＰＭ厚さ）との関係を示す図である。
【図６Ａ】表面弾性波素子に設けた格子状電極への固体微粒子の付着状態を示す図である。
【図６Ｂ】格子状電極の構成を示す図である。
【図７】格子状電極を設けた表面弾性波素子に固体微粒子が付着した際の感度変化を示す図である。
【図８】実施例５の固体微粒子質量測定装置の構成を示す図である。
【図９】実施例５の固体微粒子質量測定装置の構成を示す図である。
【図１０】櫛形電極の一例を示す図である。
【図１１】実施例６の固体微粒子質量測定装置の構成を示す図である。
【図１２】実施例７の固体微粒子質量測定装置の構成を示す図である。
【図１３】格子のピッチが波長の１／２以下であることの根拠を示す図である。
【図１４】実施例８の固体微粒子質量測定装置の構成を示す図である。
【図１５】実施例８の固体微粒子質量測定装置の格子状電極の構成を示す図である。
【図１６】実施例９の固体微粒子質量測定装置の構成を示す図である。
【図１７】実施例９の固体微粒子質量測定装置の格子状電極の構成を示す図である。
【図１８】実施例９の固体微粒子質量測定装置の格子状電極の他の構成を示す図である。
【図１９】実施例１０の固体微粒子質量測定装置の構成を示す図である。
【図２０】実施例１０の固体微粒子質量測定装置の他の構成を示す図である。
【図２１】実施例１０の固体微粒子質量測定装置の動作を示す図である。
【図２２】実施例１１の固体微粒子質量測定装置の構成を示す図である。
【図２３】実施例１２の固体微粒子質量測定装置の構成を示す図である。
【図２４】実施例１３の固体微粒子質量測定装置の構成を示す図である。
【図２５】実施例１３の固体微粒子質量測定装置の動作を示す図である。
【図２６】実施例１４の固体微粒子質量測定装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態は、表面弾性波素子（ＳＡＷ）を用いた固体微粒子の固体微粒子質量測定装置に関し、排ガス中に含まれる煤などの固体微粒子の含有量（質量）を高感度に検出する。具体的には、固体微粒子の含有量を見積もるために、圧電基板上に形成した一対の電極により表面弾性波を伝搬させる表面弾性波素子を用い、伝搬路上にイオン化した固体微粒子を収集し付着させる手段を設ける。これにより、大気中に含まれる固体微粒子の含有量（質量）を高精度に検出する。
以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１を参照して、実施例１の固体微粒子質量測定装置の構成について説明する。
ここで、図１（Ａ）は上面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の点線Ａ−Ｂに沿った断面図である。
【００１２】
図１に示すように、固体微粒子質量測定装置は、圧電基板１１１と、圧電基板１１１上に表面弾性波１の伝搬路である表面弾性波伝搬領域１０５を挟んで形成された入力電極１０３及び出力電極１０４を有する。
【００１３】
入力電極１０３は、圧電基板１１１の一端に設けられ表面弾性波１を励起する。出力電極１０４は、圧電基板１１１の他端に設けられ入力電極１０３で励起されて圧電基板１１１上の表面弾性波伝搬領域１０５を伝搬する表面弾性波１を受信する。
【００１４】
表面弾性波伝搬領域１０５の全部又は一部には、固体微粒子を付着させる固体微粒子付着領域１０９が設けられている。入力電極１０３には、信号発生回路９０がＧＮＤ電極１１を介して接続されている。一方、出力電極１０４には、信号検出回路９１がＧＮＤ電極１１を介して接続されている。信号検出回路９１は、固体微粒子付着領域１０９に付着した固体微粒子の付着量を検出する固体微粒子付着量検出部として機能する。
【００１５】
信号検出回路９１（固体微粒子付着量検出部）は、固体微粒子付着領域１０９に付着した固体微粒子と表面弾性波１との相互作用により、表面弾性波１が表面弾性波伝搬領域１０５を伝搬する伝搬速度が変化することにより生じた表面弾性波１の位相の変化を出力電極１０４で検出することにより、固体微粒子の付着量を検出する。
【００１６】
圧電基板１１１は、圧電性を有する材料を板状に整形された基板である。圧電性を有する材料とは、例えば水晶などがよく知られており、電場を印加すると伸縮する機能を有する。
【００１７】
入力電極１０３及び出力電極１０４は、表面弾性波１の伝搬方向に対して垂直方向に対向して配置された櫛型の電極により形成されるのが好ましい。図１（Ｂ）に示すように、入力電極１０３及び出力電極１０４は、絶縁膜１１２で被覆されている。
【００１８】
図１０を参照して、入力電極１０３及び出力電極１０４を構成する櫛型電極について説明する。
図１０（Ａ）に示すように、櫛型電極１０３、１０４は、複数の電極指１００と、複数の電極指１００を電気的に束ねる一対のバスバー１０１と、バスバー１０１により電気的に接続する電気端子１０２とで構成されている。電気端子１０２の間に高周波電気信号を印加すると、電極指１００と直交する方向に高周波電気信号と同じ周波数の表面弾性波１を励振する。あるいは、伝搬してきた表面弾性波１を表面弾性波１と同じ周波数の高周波電気信号に変換する。このように、櫛型の入力電極１０３は表面弾性波１を励起し、櫛型の出力電極１０４は表面弾性波１を受信する。
【００１９】
櫛型の入力電極１０３の電気端子１０２間に信号発生回路９０により高周波電気信号を入力すると、圧電基板１上に電場が誘起されて電極指１００に垂直な方向に表面弾性波１が励振される。
【００２０】
励振された表面弾性波１は、伝搬路としての表面弾性波伝搬領域１０５を伝搬し出力電極１０４に到達する。出力電極１０４に到達した表面弾性波１は出力電極１０４で再び高周波電気信号に変換され、出力電極１０４の電気端子１０２に高周波電気信号として出力され信号検出回路９１により検出される。
【００２１】
表面弾性波伝搬領域１０５内に設けられた固体微粒子付着領域１０９に固体微粒子が付着すると、表面弾性波１と固体微粒子との相互作用により表面弾性波１の伝搬速度が変化し表面弾性波１の位相が変化する。この位相変化を出力電極１０４で出力される高周波電気信号の位相変化として検出することにより、固体微粒子の付着を検出することができる。
【００２２】
なお、実施例１では、図１の入力電極１０３及び出力電極１０４として、図１及び図１０に示す櫛型電極を用いたが、櫛形電極の形状はこれに限ったものではなく、表面弾性波素子の特性が固体微粒子量の測定に最適となるように変更してもよい。
【００２３】
例えば、図１０（Ａ）に示すように、櫛型電極を構成する電極指１００の電極幅１３２及び隣接する電極指１００間のスペース１３３を表面弾性波１の波長の１／４で設計する。これにより、各電極で発生あるいは通過する表面弾性波同士が強め合うため低損失での測定が可能となる。
【００２４】
また、図１０（Ｂ）で示すスプリット電極を用いると、位相の歪が低減されるため、検出精度を向上することができる。また、スプリット電極を構成する電極指１００の電極幅１３２及び隣接する電極指１００間のスペース１３３を表面弾性波１の波長の１／８で設計する。これにより、低損失での測定が可能となる。
【００２５】
なお、図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）の櫛形電極は共に、電極に印加した入力信号により発生した表面弾性波１が電極の両側に伝搬してしまうが、例えば、一方向性電極を用いて表面弾性波１の伝搬方向を一方向に制限する。これにより、出力高周波電気信号のレベルを大きくすることができ、検出精度を向上することが可能となる。
【実施例２】
【００２６】
図２を参照して、実施例２の固体微粒子質量測定装置の構成について説明する。
図２に示すように、表面弾性波伝搬領域１０５の少なくても一部が重なるように設けられた第１の金属電極１０６が形成される。固体微粒子付着領域１０９は、表面弾性波伝搬領域１０５の内側の第１の金属電極１０６の表面である。第１の金属電極１０６の上部には、第１の金属電極１０６と対向して第２の金属電極１０７が設けられている。第１の金属電極１０６と第２の金属電極１０７との間に電圧を印加することにより第１の金属電極１０６に固体微粒子を効率良く付着させる。
【００２７】
集塵方法としては、ＤＣ電界、コロナ放電、熱泳動などがある。図２では、表面弾性波伝搬領域１０９に、第１の金属電極１０６と第１の金属電極１０６の上部に対向して第２の金属電極１０７を設け、第１の金属電極１０６と第２の金属電極１０７の間にＤＣ電圧を印加して第１の金属電極１０６に固体微粒子を付着させる。
【実施例３】
【００２８】
図３を参照して、実施例３の固体微粒子質量測定装置の構成について説明する。
図3では明示していないが、固体微粒子付着領域１０９は、表面弾性波伝搬領域１０５の内側の第１の金属電極１０６の表面である。圧電体基板１１１上の固体微粒子付着領域１０９に付着した固体微粒子は、表面弾性波１と固体微粒子が付着する領域の端部で反射する性質があり、この反射の際に位相が大きくシフトする。
【００２９】
そこで、実施例３では、図３に示すように、固体微粒子付着領域１０９として機能する第１の金属電極１０８として、複数の格子状電極により形成された電極を用いる。固体微粒子は、複数の格子状電極の表面に付着する。
【００３０】
図３に示す構成では、固体微粒子付着領域１０９に付着した固体微粒子の付着する領域を格子状に制限することにより、音速による位相シフト量を増大し固体微粒子の質量の測定感度をさせる。
具体的には、図３に示すように、表面弾性波伝搬領域１０５に格子状の第１の金属電極１０８を設け、固体微粒子を含む気体中で金属電極１０７に電圧を印加し電界を起こし、格子状の第１の金属電極１０８に固体微粒子を付着させる。
【実施例４】
【００３１】
図４を参照して、実施例４の固体微粒子質量測定装置の構成について説明する。
図４に示すように、固体微粒子の浮遊する領域を第２の金属電極１０７又は格子状電極を構成する第１の金属電極１０８の近傍に制限するため、板状のマスク１１３で覆う。
【００３２】
尚、図４（Ｂ）に示すように、表面弾性波伝搬領域１０５へ固体微粒子を含む気体を導入するガス導入路２０１を設けられている。尚、ガス導入路２０１は本構成に限ったものではなく、その他の構成によってガスを導入してもよい。
【００３３】
図５は、表面弾性波の伝搬速度低下率と固体微粒子（ＰＭ）の表面弾性波伝搬路への付着量（ＰＭ厚さ）との関係を示す図であり、図１１（ｃ）から図１３（ｃ）のＡ−Ｂ部の拡大図である。
図５に示すように、金属電極がない場合に比べて、金属電極がある場合は伝搬速度の低下率が増加し、格子状電極の場合はさらに伝搬速度低下率が増加することが分かる。ここで、伝搬速度低下率は位相の変化に対応する。また、両者はＰＭ感度に対応することから、金属電極により感度が向上することが分かる。
【００３４】
なお、図５に示すように、高周波電気信号の位相変化に対応する固体微粒子の付着質量をあらかじめ測定し検量線を作成すると、電気信号の測定から固体微粒子の付着量（質量）を見積もることが可能になる。
【００３５】
なお、格子状電極の高さ以上に固体微粒子が付着した場合には、図５に示すように感度が変化する。ここで、図６Ａは、図３に示す格子状の第１の金属電極１０８の点線Ａ〜Ｂにおける断面図であり、図６Ｂは図３に示す格子状の第１の金属電極１０８の上面図である。
【００３６】
図６Ａ（ｂ）に示すように、格子状の第１の金属電極１０８に格子状に固体微粒子２０２が付着する。さらに、固体微粒子を付着すると、図６Ａ（ｃ）、図６Ａ（ｄ）のように、固体微粒子が堆積し格子状の第１の金属電極１０８を被服する。
【００３７】
図７は図６Ａ（ａ）〜（ｄ）のように固体微粒子が付着した際の表面弾性波の位相変化を示したものであり、図７中のＡ〜Ｄは図６Ａ（ａ）〜（ｄ）にそれぞれ対応している。図６Ａ（ａ）〜（ｂ）のように、固体微粒子が格子状に堆積した場合と図６Ａ（ｃ）〜図６（ｄ）のように格子状の第１の金属電極１０８の高さ以上に固体粒子が付着した場合とで感度が異なる。図７のＡ〜Ｃの傾きのほうが、図７のＣ〜Ｄの傾きより大きい。すなわち、格子状に固体微粒子が付着すると、固体微粒子量の検出感度が向上することが分かる。
【００３８】
図３に示す格子状の第１の金属電極１０８の構成では、検出感度を向上させるために、図６Ｂに示すように、格子電極の幅１１５と隣接する格子電極の間隔１１４を櫛型電極で励振される表面弾性波の波長より小さくする。
【００３９】
また、付着した固体微粒子の総質量が多くても感度が低下しないように、格子状電極の膜厚を十分厚くする。なお、格子電極のアスペクト比が大きくなりすぎると、格子電極が倒れたり形状の欠陥が生じやすくなったりする。このため、格子電極の形状はプロセスで加工可能な形状であることが必要である。実施例１では、電極幅と高さの比、いわゆるアスペクト比を、たとえば１５：１以下で格子電極を作成する。
【００４０】
なお、格子電極の幅１１５と隣接する格子電極の間隔１１４を表面弾性波の波長の１／８で構成することにより、格子電極を通過する表面弾性波１が干渉し強め合おう。この結果、固体微粒子がより強く相互作用し固体微粒子の検出感度が向上する。
【００４１】
なお、実施例１では、入力電極１０３、出力電極１０４、第１の金属電極１０６、第２の金属電極１０７の電極の材料として白金とチタンとの２層構造を用いた。電極材料は白金やチタンに限ったものでなく、電気信号を通す材料であれば良い。
【００４２】
しかし、白金のように高温でも酸化せず、形成した電極と圧電基板１１１との密着性及び電極の形状が容易に変化しない材料を用いると、高温で動作させることができる。また、高温下で固体微粒子を燃焼させることで、図７のＤ状態からＡ状態に戻すことが出来るため（リフレッシュ可能になるため）高感度を維持でき、高精度な測定器を実現できる。
【００４３】
また、圧電体基板１１１として、表面弾性波１の温度特性が変化しない圧電体基板を用いれば、質量測定装置で環境温度変化に対して影響を受けない測定が可能となり高精度な測定器を実現できる。圧電体基板１１１としては、水晶、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）基板などがあるが、温度安定性の良い他の圧電基板を使用しても良い。またアルミニウムナイトライド薄膜、またはＳｃをドープしたアルミニウムナイトライド薄膜を使用しても良い。これら圧電薄膜を用いる場合、珪素、サファイヤ、アルミナ、ダイヤモンド、炭素化珪素を主原料とする基板上に成膜するとよい。
圧電基板１１１が、ランガサイト、アルミニウムナイトライド薄膜、またはＳｃをドープしたアルミニウムナイトライド薄膜、サファイヤ、アルミナ、ダイヤモンド、炭素化珪素のいずれかで構成され、かつ、電極が白金やチタンで構成されている場合、（後術）リフレッシュ動作をさせることができるため、いっそう高精度な測定器を実現できる。
【００４４】
尚、固体微粒子は、例えば、炭素を主成分とする。固体微粒子測定装置において、表面弾性波伝搬領域１０５を加熱し固体微粒子付着領域１０９に付着した固体微粒子を燃焼除去する手段を設けても良い。
【００４５】
図１に示す表面弾性波素子は、以下のプロセス処理により作成した。
圧電体基板１１１の表面を洗浄し、表面の異物等を除去した後、ホトリソグラフィプロセスによりパターンを形成し、電子ビーム蒸着装置により白金パターンを成膜した後、リフトオフプロセスにより櫛型電極を形成した。
【００４６】
次に、圧電体基板１１１と白金の界面、および、白金電極上には接着層としてチタンの薄膜を形成した。実施例１では、櫛型電極の保護のため、酸化珪素膜を形成した。
なお、固体微粒子の測定に問題がなければ、表面弾性波１の表面弾性波伝搬領域１０５上に形成された酸化珪素膜の除去は必ずしも必要ではない。しかし、固体微粒子を収集するために第１の金属電極１０６、１０８への電圧印加により放電を起こし固体、酸化珪素膜中への電荷蓄積が起こり固体微粒子の付着量が変化する可能性があるため、酸化珪素膜は除去することが望ましい。
【実施例５】
【００４７】
図８、図９を参照して、実施例５の固体微粒子質量測定装置の構成について説明する。
実施例５では、図８のように、固体微粒子を測定するための表面弾性波素子を１対用い、片方の素子に放電等の固体粒子収集手段により固体粒子を付着し検出する測定素子１２１として、片方の素子には固体粒子を付着しないように被覆した素子を参照素子１２２としてそれぞれ用いる。
【００４８】
図９は、図８の測定用素子と参照素子の、それぞれＡＡ−ＢＢ、ＣＣ−ＤＤにおける断面図である。
図９に示すように、測定用素子１２１には固体微粒子付着領域１０９に酸化珪素膜１１３の窓を開口しており、ガスの導入路２０１を設けている。一方、参照素子１２２の固体微粒子付着領域１０９は酸化珪素膜１１３で完全に覆っている。
【００４９】
また、実施例２のように、同じ素子を一対として用い、たとえば両者の出力信号の差分を用いるなどして固体微粒子を測定することにより、測定における環境の変化による表面弾性波素子の特性変化を補償し正確な測定を行うことができる。なお、対として用いる素子のうち、参照側素子（固体微粒子が付着しない）の表面弾性波伝搬領域１０５には、必ずしも測定素子（固体微粒子が付着する側）と同じ電極を設ける必要はなく、例えば、測定素子１２１の表面弾性波伝搬領域１０５には格子状電極１０７を、参照素子１２２の表面弾性波伝搬領域１０５には金属電極１０６を設けるなど、両者で異なる電極を設けても良い。
【００５０】
ただし、測定環境の変化により測定素子１２１と参照素子１２２が環境により同じ特性変化を示すような電極構成をとることが望ましいため、実施例２では測定素子１２１と参照素子１２２とに同じ格子状電極を用いている。
【００５１】
参照素子１２２に固体微粒子が付着せず、測定素子１２１のみに固体微粒子が付着するように、表面弾性波１の漏れ波と被服膜上に付着した堆積物が相互作用しないよう、保護マスク１１３で参照側電極の被服を行った。
【００５２】
参照用素子１２２の被服材料は何でも良いが、固体微粒子を測定する環境温度及び環境雰囲気において反応、変形等をしにくい材料であることが望ましい。実施例２では、酸化珪素膜１１２で素子表面を被服する。また、櫛形電極１０３、１０４については、固体微粒子が付着しないように、固体微粒子付着領域１０９上に窓を設けた被服板１１３で覆いマスクとして用いても良い。
【実施例６】
【００５３】
図１１を参照して、実施例６の固体微粒子質量測定装置の構成について説明する。
図１１（Ａ）に示すように、実施例６の固体微粒子質量測定装置では、固体微粒子付着領域１０９として、ベタ膜１１０（パターニングする前の平坦な膜）を用い、固体微粒子（ＰＭ）の集塵方法としては、ベタ膜１１０にＤＣ電圧１０６（ＤＣ  ｂｉａｓ）を印加する。
【００５４】
このような構成では、図１１（Ｂ）に示すように、固体微粒子（ＰＭ）は電界にひきつけられて、固体微粒子付着領域１０９としてのベタ膜１１０上に一様に堆積して付着する。図１１（Ｃ）に示すように、Ａ−Ｃでは感度が低いことが分かる。
【実施例７】
【００５５】
図１２を参照して、実施例７の固体微粒子質量測定装置の構成について説明する。
図１２（Ａ）に示すように、実施例７では、実施例３（図３参照）と同様に、固体微粒子付着領域１０９として機能する第１の金属電極１０８として、複数の格子状電極により形成された電極を用いる。固体微粒子は、複数の格子状電極の周辺に付着する。
【００５６】
図１２に示すように、実施例７の固体微粒子質量測定装置では、格子状電極１０８の格子のピッチが波長の１／２以下である。
このような構成では、図１２（Ｂ）に示すように、固体微粒子（ＰＭ）は電界に引き付けられて段差を設けながら堆積する。この段差は表面弾性波１（ＳＡＷ）を停留させる効果がある。段差が大きいほど表面弾性波１の停留効果が大きく、音速の低下は位相の回転に対応する。
図１２（Ｃ）に示すように、Ａ−Ｄで実施例６より感度が高いことが分かる。
【００５７】
ここで、格子のピッチが波長の１／２以下であることの根拠を図１３に示す。
【実施例８】
【００５８】
図１４を参照して、実施例８の固体微粒子質量測定装置の構成について説明する。
図１４（Ａ）、図１５に示すように、実施例８の固体微粒子質量測定装置では、実施例７（図１２参照）と比べて、格子状電極１０８が間引かれている。
このような構成では、図１４（ｂ）に示すように、固体微粒子（ＰＭ）は電界に引き付けられて段差を設けながら堆積する。
図１４（Ｃ）に示すように、実施例８ではＰＭ付着量が低い領域Ａ−Ｃで実施例７より感度が高いことが分かる。
【実施例９】
【００５９】
図１６〜図１８を参照して、実施例９の固体微粒子質量測定装置の構成について説明する。
図１６（Ａ）、図１７に示すように、実施例８の固体微粒子質量測定装置では、実施例８（図１４参照）と比べて、格子状電極１０８が間引かれており、かつ一部が塗りつぶされている。
【００６０】
このような構成では、使用する領域で感度を一定にすることができる。例えば、図１４（Ｂ）のＡ〜Ｅの領域を使用したい場合には、格子状電極１０８の間引き及び塗りつぶしの度合いにより、図１６（Ｂ）に示すように、領域Ａ〜Ｅで感度を一定にすることができる。
【００６１】
また、例えば、図１４（Ｂ）のＢ〜Ｄの領域を使用したい場合には、格子状電極１０８の間引き及び塗りつぶしの度合いにより、図１６（Ｃ）に示すように、領域Ｂ〜Ｄで感度を一定にすることができる。
ここで、格子状電極１０８の間引き及び塗りつぶしの度合いとして、図１６に示すパターンや、図１７に示すパターンや、図１８に示すパターンを適宜選択して使用する。
【実施例１０】
【００６２】
図１９、図２０を参照して、実施例１０の固体微粒子質量測定装置の構成について説明する。
実施例２では、図２に示すように、固体微粒子付着領域１０９は表面弾性波伝搬領域１０９に設けられた第１の金属電極１０６により形成される。
実施例１０では、図１９に示すように、第１の金属電極１０６に対してヒータ及び抵抗温度計１９０を配置する。
【００６３】
このような構成の下、固体微粒子付着領域１０９として機能する第１の金属電極１０６をヒータ及び抵抗温度計１９０により高温（例えば６００℃以上）に加熱して、第１の金属電極１０６に付着した固体微粒子（ＰＭ）を除去する。これにより、飽和領域（例えば、図１１（Ｃ）の領域Ｅ）に達したとき、リフレッシュが可能となる。
【００６４】
尚、図１９では、ヒータ及び抵抗温度計１９０を一体に形成したが、ヒータと抵抗温度計を分けて形成しても良い。
また、図２０に示すように、セラミック基板１９５に接着層１９６とＳＡＷ素子１９６を実装し、セラミック基板１９５と接着層１９６の間にヒータ及び抵抗温度計１９０を配置しても良い。
【００６５】
次に、図２１のフローチャートを参照して、実施例１０の固体微粒子質量測定装置の動作について説明する。
最初に、センサの出力（位相または遅延時間）を計測（１）する（Ｓ２１０）し、ＰＭ付着量の絶対値を求める（Ｓ２１１）。
次に、センサの出力を計測（２）する（Ｓ２１２）。
次に、センサの出力の計測（２）結果から、飽和状態になっているかを判定する（Ｓ２１３）。
【００６６】
飽和状態になっている場合には、所望の温度になるように、ヒータ及び抵抗温度計１９０に通電する（Ｓ２１４）。
ヒータ及び抵抗温度計１９０を通電後、リフレッシュを行い（Ｓ２１５）、通電をオフする（Ｓ２１６）。
Ｓ２１３で飽和状態になっていない場合には、出力（１）と出力（２）の差から、単位時間当たりのＰＭ付着量を算出する（Ｓ２１７）。
【００６７】
最後に、単位時間当たりのＰＭ付着量を出力（ＯＵＴ）する（Ｓ２１８）。
ＰＭ付着量を係数倍することで、エンジンのＰＭ排出量が分かる。そして、センサの出力として、図８に示す実施例５の参照素子１２２との出力差を使うと、温度依存性の影響を除去できるので好ましい。
【実施例１１】
【００６８】
図２２を参照して、実施例１１の固体微粒子質量測定装置の構成について説明する。
実施例１１は、図１６に示す実施例９の固体微粒子質量測定装置の変形例である。図２２(Ａ)は上面図、図２２（Ｂ）は格子状金属電極１０８の中心近傍の断面図である。
図２２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、実施例１１の固体微粒子質量測定装置では、金属２３０の上に絶縁膜２２０が形成されている。このように、絶縁膜２２０を形成することにより、耐熱性を向上させて断線を防ぎ、安全にリフレッシュを行うことができる。
【実施例１２】
【００６９】
図２３を参照して、実施例１２の固体微粒子質量測定装置の構成について説明する。
実施例１２は、図１１に示す実施例６の固体微粒子質量測定装置の変形例である。
図２３（Ａ）に示すように、実施例１２の固体微粒子質量測定装置では、圧電基板１１１（ランガサイト）は長方形である必要はなく、例えば平行四辺形でも良い。
このような構成では、出力電極１０４を通過した表面弾性波（ＳＡＷ）１が出力電極１０４を再通過することを防ぎ感度が安定する。
【００７０】
ここで、表面弾性波（ＳＡＷ）１が出力電極１０４を再通過した場合の感度を図２３（Ｂ）に示す。図２３（Ｂ）に示すように、再通過した場合の感度は一定しないことが分かる。実施例１２では、再通過した場合の感度が一定になる。
【実施例１３】
【００７１】
図２４を参照して、実施例１３の固体微粒子質量測定装置の構成について説明する。
図２４に示すように、実施例１３の固体微粒子質量測定装置では、反射器２４０を設けて入出力電極を兼用する。
このような構成では、表面弾性波１が固体微粒子付着領域１０９を２回通過するので感度が２倍となる。
【００７２】
図２５のフローチャートを参照して、実施例１３の固体微粒子質量測定装置の動作について説明する。
最初に、スイッチ１（２４１）、スイッチ２（２４２）を信号発生回路９０に接続する（Ｓ２５０）。
次に、信号発生回路９０から信号を出力する（Ｓ２５１）。
次に、入力電極（櫛型電極）１０３で表面弾性波（ＳＡＷ）１を励振する（Ｓ２５２）。
次に、表面弾性波（ＳＡＷ）１が固体微粒子付着領域１０９を通過して、反射器２４０で反射され、再度、固体微粒子付着領域１０９を通過する（Ｓ２５３）。
次に、スイッチ１（２４１）、スイッチ２（２４２）を信号検出回路９１に接続する（Ｓ２５４）。
次に、信号検出回路９１で遅延時間及び位相量を計測する（Ｓ２５５）。
最後に、ＰＭ排出量を出力する（Ｓ２５６）。
【００７３】
このように、実施例１３によれば、表面弾性波１が固体微粒子付着領域１０９を２回通過するので感度を２倍にすることができる。
【実施例１４】
【００７４】
実施例１４は、図１４に示す固体微粒子質量測定装置と図１６に示す固体微粒子質量測定装置とを使用してＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ  Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｆｉｌｔｅｒ）を構成する。
【００７５】
図２６に示すように、図１４の低感度ＰＭセンサ２６２をディーゼルエンジン２６１とＤＰＦ２６４の間に配置し、図１６の高感度ＰＭセンサ２６３をＤＰＦ２６４の後方に配置する。
このような構成では、ＰＭ量が大きい場所が低感度になり飽和が難しくなる。一方、ＰＭ量が小さい場所が高感度になり高感度センシングが可能になる。
【００７６】
上記実施例によれば、伝搬路である表面弾性波伝搬領域１０５上に固体微粒子を収集し付着させる固体微粒子付着領域１０９を設けることにより、大気中に含まれる固体微粒子の含有量（質量）を高精度に検出することができる。
【符号の説明】
【００７７】
１  表面弾性波
１１  ＧＮＤ電極
９０  信号発生回路
９１  信号検出回路
１００  電極指
１０１  バスバー
１０２  電気端子
１０３  櫛型電極
１０４  櫛型電極
１０５  表面弾性波伝搬領域
１０６  金属電極
１０７  金属電極
１０８  格子状金属電極
１０９  固体微粒子付着領域
１１１  圧電基板
１１２  絶縁膜
１１３  固体微粒子付着防止マスク
１１４  格子状電極の幅
１１５  格子状電極間の距離
１１６  固体微粒子付着防止マスクの開口部
１３２  櫛形電極の幅
１３３  櫛形電極間の距離
２０１  ガス導入路
２０２  固体微粒子
【図１】
2019090742.tif 000003
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
2019090742.tif 000028
【図２６】
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