微粒检测器的制作方法

本发明涉及微粒检测器。

背景技术：

作为微粒检测器，已知有下述微粒检测器：其在电荷发生元件中通过电晕放电而产生离子，通过该离子使被测定气体中的微粒带电而成为带电微粒，利用捕集电极来捕集该带电微粒，基于被捕集的带电微粒的电荷量对微粒的个数进行测定(例如参照专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2015/146456号小册子

技术实现要素：

然而，在捕集电极被捕集的带电微粒的电荷量极其微小，因此容易受到噪声的影响，难以精度良好地进行检测。

本发明是为了解决这种课题而做出的，其主要目的在于提高微粒的量的检测精度。

为了达成上述主要目的，本发明采用了以下的手段。

本发明的微粒检测器用于对气体中的微粒进行检测，其中，所述微粒检测器具备：

外壳，其具有所述气体通过的气体流路；

电荷发生部，其对导入至所述气体流路内的所述气体中的微粒附加因放电而产生的电荷，从而使其成为带电微粒；

捕集部，其在所述气体流路内设置于比所述电荷发生部靠近所述气体的气流的下游侧的位置，并对捕集对象进行捕集，该捕集对象是所述带电微粒和未使所述微粒带电的剩余电荷的任一者；

噪声消除部，其消除因所述电荷发生部的放电而产生的噪声；以及

检测部，其基于根据被所述捕集部捕集的所述捕集对象而变化的物理量对所述微粒的数量进行检测。

在该微粒检测器中，电荷发生部产生电荷，从而使气体中的微粒成为带电微粒，捕集部对该带电微粒和剩余电荷的任一者、亦即捕集对象进行捕集。检测部基于根据被捕集部捕集的捕集对象而变化的物理量对微粒的量进行检测。噪声消除部消除因电荷发生部的放电而产生的噪声。这种噪声会对根据被捕集部捕集的捕集对象而变化的物理量产生影响，但在此，被噪声消除部消除。因此，可以精度良好地获取根据被捕集部捕集的捕集对象而变化的物理量，进而可以提高微粒的量的检测精度。

需要说明的是，在本说明书中，所谓“电荷”，除正电荷和负电荷之外，还包括离子在内。所谓“物理量”，只要是根据捕集对象而变化的参数即可，可以举出例如电流等。“微粒的量”可以举出例如微粒的数量、质量、表面积等。

在本发明的微粒检测器中，可以对所述电荷发生部施加用于引起所述放电的正弦波电压或脉冲电压，也可以对所述噪声消除部施加与所述正弦波电压或所述脉冲电压极性相反的正弦波电压或脉冲电压。如此，可以有效地消除因电荷发生部的放电而产生的噪声。在此，优选的是，施加于噪声消除部的极性相反的正弦波电压或脉冲电压与施加于电荷发生部的正弦波电压或脉冲电压为同相位。

在本发明的微粒检测器中，所述噪声消除部可以配置于所述电荷发生部和所述捕集部之间。如此，可以将噪声消除部配置在捕集部的近旁，因此可以利用绝对值较小的电压将噪声消除。另外，在噪声消除部中，有时会产生与因放电而在电荷发生部所产生的电荷极性相反的电荷，但可以减小施加于噪声消除部的电压的绝对值，因此，与此相对应，极性相反的电荷的产生量变小。因此，可以抑制带电微粒的电荷在被捕集部捕集之前因在噪声消除部所产生的极性相反的电荷而被抵消。

在本发明的微粒检测器中，所述噪声消除部可以配置在与所述电荷发生部对置的位置。如此，与将噪声消除部配置在与电荷发生部相同的面的情况相比，可以缩短气体流路的长度。

在本发明的微粒检测器中，所述噪声消除部也可以配置于比所述捕集部靠近所述气体的气流的下游侧的位置。如此，带电微粒的电荷几乎不会在被捕集部捕集之前因在噪声消除部所产生的极性相反的电荷而被抵消。

在本发明的微粒检测器中，也可以是作为所述捕集对象，所述捕集部捕集所述带电微粒，在所述电荷发生部和所述捕集部之间具备除去所述剩余电荷的剩余电荷除去部。如此，可以抑制捕集部捕集剩余电荷，因此微粒的量的检测精度得以提高。

附图说明

图1是微粒检测器10的说明图。

图2是微粒检测元件20的立体图。

图3是图2的a-a截面图。

图4是图2的b-b截面图。

图5是表示电极32、92、54的电信号的时间变化的曲线图。

图6是表示电极32、92、54的电信号的时间变化的曲线图。

图7是微粒检测器110的截面图。

图8是微粒检测器210的截面图。

图9是表示脉冲电压以及正弦波电压的形状的代表例的说明图。

具体实施方式

接着，使用附图对本发明的实施方式进行说明。图1是本发明的一个实施方式亦即微粒检测器10的说明图，图2是微粒检测元件20的立体图，图3是图2的a-a截面图，图4是图2的b-b截面图。需要说明的是，在本实施方式中，上下方向、左右方向以及前后方向如图1～图2所示。

如图1所示，微粒检测器10对在发动机的排气管12中流动的废气中所包含的微粒26(参照图4)的数量进行检测。该微粒检测器10具备微粒检测元件20和包括各种电源36、46、56、96与个数检测部60的附属单元80。

如图1所示，微粒检测元件20在插入至圆柱状的支撑体14的状态下被安装于环状的台座16，所述环状的台座16固定在排气管12上。微粒检测元件20被保护罩18保护。在保护罩18设置有未图示的孔，在排气管12中流通的废气经由该孔而通过设置于微粒检测元件20的下端的气体流路24。如图4所示，微粒检测元件20在外壳22具备电荷发生部30、噪声消除部90、剩余电荷除去部40、捕集部50和加热器电极72。

如图1所示，外壳22是在与排气管12的轴向交叉的方向(此处为大致正交的方向)上较长的长条状的长方体。外壳22是绝缘体，例如为氧化铝等陶瓷制。外壳22的下端22a配置于排气管12的内部，上端22b配置于排气管12的外部。在外壳22的下端22a设置有气体流路24。在外壳22的上端22b设置有各种端子。

气体流路24的轴向与排气管12的轴向一致。如图2所示，气体流路24是从设置于外壳22的前方的面的矩形的气体导入口24a连通至设置于外壳22的后方的面的矩形的气体排出口24b的长方体形状的空间。外壳22具备构成气体流路24的左右一对的流路壁22c、22d。

如图3以及图4所示，电荷发生部30设置于流路壁22c，以在气体流路24内的气体导入口24a的产生电荷。电荷发生部30具有放电电极32和2个接地电极34、34。放电电极32沿着流路壁22c的内面而设置，如图3所示，在矩形的周围具有多个细微凸起。2个接地电极34、34为矩形电极，其按照隔着间隔并与放电电极32平行的方式埋设于流路壁22c。在电荷发生部30中，如图4所示，在放电电极32和2个接地电极34、34之间施加放电用电源36(附属单元80之一)的几kv的脉冲电压，从而基于两电极间的电位差而产生气体中放电。此时，外壳22中的放电电极32与接地电极34、34之间的部分发挥电介质层的作用。通过该气体中放电，存在于放电电极32周围的气体被离子化而产生正的电荷28。放电电极32经由设置于外壳22内部的未图示的配线与外壳22的上端22b的端子33(参照图2)连接，并经由该端子33与放电用电源36连接。另外，2个接地电极34、34经由设置于外壳22内部的未图示的配线与外壳22的上端22b的端子35(参照图2)连接，并经由该端子35与放电用电源36连接。

如图4所示，气体中包含的微粒26在从气体导入口24a进入气体流路24内并在通过电荷发生部30时，被附加因电荷发生部30的气体中放电而产生的电荷28而成为带电微粒p后，向后方移动。另外，所产生的电荷28中的未附加至微粒26的电荷以电荷28的形式向后方移动。

如图3以及图4所示，噪声消除部90设置于流路壁22c中的电荷发生部30的下游侧(具体为电荷发生部30和捕集电极54之间，更具体来讲，为电荷发生部30和除去电极44之间)。噪声消除部90具有噪声消除电极92和2个接地电极94、94。噪声消除电极92沿着流路壁22c的内面而设置，如图3所示，在矩形的周围具有多个细微凸起。2个接地电极94、94为矩形电极，其按照隔着间隔并与噪声消除电极92平行的方式埋设于流路壁22c。2个接地电极94、94中的靠近电荷发生部30的一侧的接地电极94也兼为电荷发生部30的接地电极34。在噪声消除部90中，对噪声消除电极92和2个接地电极94、94之间施加噪声消除用电源96(附属单元80之一)的脉冲电压，从而消除因电荷发生部30的放电而产生的噪声。具体而言，施加与电荷发生部30的脉冲电压极性相反且相位相同或相位大致相同的脉冲电压。噪声消除电极92经由设置于外壳22内部的未图示的配线与外壳22的上端22b的端子93(参照图2)连接，并经由该端子93与噪声消除用电源96连接。另外，2个接地电极94、94经由设置于外壳22内部的未图示的配线与外壳22的上端22b的端子95(参照图2)连接，并经由该端子95与噪声消除用电源96连接。

如图4所示，剩余电荷除去部40设置于电荷发生部30的下游且捕集部50的上游。剩余电荷除去部40具有施加电极42和除去电极44。施加电极42沿着右侧的流路壁22d的内面而设置，并在气体流路24内露出。除去电极44沿着左侧的流路壁22c的内面而设置，并在气体流路24内露出。施加电极42和除去电极44配设在彼此相向的位置。施加电极42是利用除去用电源46(附属单元80之一)施加比后述的电压v1低1个数量级左右的电压v2(正电位)的电极。除去电极44是接地的电极。由此，在剩余电荷除去部40的施加电极42和除去电极44之间产生较弱的电场。因此，在电荷发生部30产生的电荷28中的、未附加至微粒26的剩余的电荷28被该较弱的电场吸引到除去电极44而被捕获，并通过接地而舍去。由此，剩余电荷除去部40可抑制剩余的电荷28被捕集部50的捕集电极54捕集而被计数在微粒26的数量中。施加电极42经由配置于外壳22内部的未图示的配线与外壳22的上端22b的端子43(参照图2)连接，并经由该端子43与除去用电源46连接。另外，除去电极44经由设置于外壳22内部的未图示的配线与外壳22的上端22b的端子45(参照图2)连接，并经由该端子45接地。

如图4所示，捕集部50设置于比电荷发生部30以及剩余电荷除去部40靠近气体流路24中的下游的位置。捕集部50对带电微粒p进行捕集，其具有电场发生电极52和捕集电极54。电场发生电极52沿着右侧的流路壁22d的内面而设置，并在气体流路24内露出。捕集电极54沿着左侧的流路壁22c的内面而设置，并在气体流路24内露出。电场发生电极52和捕集电极54配设在彼此相向的位置。电场发生电极52是通过捕集用电源56(附属单元80之一)被施加比对施加电极42所施加的电压v2大的电压v1(正电位)的电极。捕集电极54是经由电流计62接地的电极。由此，在捕集部50的电场发生电极52和捕集电极54之间产生较强的电场。因此，在气体流路24中流动的带电微粒p被该较强的电场吸引至捕集电极54而被捕集。电场发生电极52经由设置于外壳22内部的未图示的配线与外壳22的上端22b的端子53(参照图2)连接，并经由该端子53与捕集用电源56连接。另外，捕集电极54经由设置于外壳22内部的未图示的配线与外壳22的上端22b的端子55(参照图2)连接，并经由该端子55与电流计62连接。

需要说明的是，剩余电荷除去部40的各电极42、44的尺寸、两电极42、44之间产生的电场的强度、捕集部50的各电极52、54的尺寸、两电极52、54之间产生的电场的强度如下设定，即，带电微粒p不被除去电极44捕集而被捕集电极54捕集，并且，未附加至微粒26的电荷28通过除去电极44而被除去。一般而言，电荷28的电迁移率为带电微粒p的电迁移率的10倍以上，使捕集所需的电场小1个数量级以上即可，因此能够容易地进行这种设定。需要说明的是，可以设置多组电场发生电极52和捕集电极54。

个数检测部60是附属单元80之一，如图4所示，具备电流计62和个数测定装置64。电流计62的一个端子与捕集电极54连接，另一个端子接地。该电流计62对基于被捕集电极54捕集的带电微粒p的电荷28的电流进行测定。个数测定装置64基于电流计62的电流对微粒26的个数进行运算。

加热器电极72是埋设于外壳22的带状的发热体。具体而言，加热器电极72以如下方式布线：从外壳22的上端22b的一个端子75(参照图2)曲折地引绕至外壳22的流路壁22c后返回至外壳22的上端22b的另一端子75(参照图2)。加热器电极72经由一对端子75、75与未图示的供电装置连接，当利用该供电装置通电时，所述加热器电极72发热。加热器电极72对外壳22和除去电极44、捕集电极54等各电极进行加热。

接着，对微粒检测器10的使用例进行说明。对汽车废气所包含的微粒26进行计测的情况下，如上所述将微粒检测元件20安装于发动机的排气管12(参照图1)。

如图4所示，关于从气体导入口24a导入至气体流路24内的废气中所包含的微粒26，使其带有因电荷发生部30的放电而发生的电荷28(此处为正电荷)而成为带电微粒p。带电微粒p直接通过电场较弱且除去电极44的长度比捕集电极54短的剩余电荷除去部40而到达捕集部50。另一方面，即使电场较弱，但未附加至微粒26的电荷28也被吸引至剩余电荷除去部40的除去电极44，经由除去电极44而在gnd中被舍去。由此，未附加至微粒26的不需要的电荷28几乎不会到达捕集部50。

到达捕集部50的带电微粒p被因电场发生电极52而产生的捕集用电场而捕集到捕集电极54。然后，利用电流计62对基于被捕集电极54捕集的带电微粒p的电荷28的电流进行测定，个数测定装置64基于该电流对微粒26的个数进行运算。电流i和电荷量q的关系为i＝dq/(dt)、q＝∫idt。个数测定装置64在规定期间对电流值进行积分(累计)而求出其积分值(积蓄电荷量)，将积蓄电荷量除以基元电荷而求出电荷的总数(捕集电荷数)，将该捕集电荷数除以附加至1个微粒26的电荷数量的平均值(平均带电数)，由此求出被捕集电极54捕集的微粒26的个数nt(参照下述式(1))。个数测定装置64将个数nt作为废气中的微粒26的数量而进行检测。

nt＝(积蓄电荷量)/{(基元电荷)×(平均带电数)}…(1)

伴随着微粒检测元件20的使用，当微粒26等大量堆积于捕集电极54时，带电微粒p有时不会再被捕集电极54捕集。因此，定期地或在堆积量达到规定量的时机利用加热器电极72对捕集电极54进行加热，从而将捕集电极54上的堆积物加热而燃烧去除，使捕集电极54的电极面恢复。另外，通过加热器电极72也可以将附着于外壳22内周面的微粒26燃烧去除。

接着，对在捕集电极54中出现的噪声信号进行说明。在将微粒检测器10安装于排气管12之前，在电荷发生部30的放电电极32和2个接地电极34、34之间施加几kv的脉冲电压而产生气体中放电，本发明人对此时在捕集电极54中出现的噪声信号进行了调查。图5是表示在未对噪声消除部90施加脉冲电压的状态下对电荷发生部30施加用于产生气体中放电的脉冲电压时的、放电电极32、噪声消除电极92以及捕集电极54的电信号的时间变化的曲线图。图6是表示在对电荷发生部30施加用于产生气体中放电的脉冲电压的同时对噪声消除部90施加与其极性相反且相位相同或相位大致相同的脉冲电压时的、放电电极32、噪声消除电极92以及捕集电极54的电信号的时间变化的曲线图。在这些曲线图中，横轴为时间，纵轴为电压。

未对噪声消除部90施加电压的情况下，由图5可知，因对电荷发生部30的放电电极32施加了脉冲电压而在捕集电极54出现较大的噪声信号。与此相对，在对电荷发生部30施加用于产生气体中放电的脉冲电压的同时对噪声消除部90施加与其极性相反且相位相同或相位大致相同的脉冲电压的情况下，由图6可知，即使对电荷发生部30的放电电极32施加了脉冲电压，在捕集电极54也几乎未出现噪声信号。另外，对施加于噪声消除部90的脉冲电压的绝对值的大小进行了研究，其结果为，利用比施加于电荷发生部30的脉冲电压的绝对值小的值可以几乎将噪声信号消除。也就是说，使施加于噪声消除部90的脉冲电压的绝对值与施加于电荷发生部30的脉冲电压的绝对值同等时，在捕集电极54产生了极性相反且较小的噪声信号。

在以上所说明的微粒检测器10中，噪声消除部90消除因电荷发生部30的放电而产生的噪声。这种噪声会对根据被捕集电极54捕集的带电微粒p而变化的物理量(本实施方式中为检测电流)产生影响，但在此，被噪声消除部90消除。因此，可以精度良好地获得捕集电极54的检测电流，进而可以提高微粒数量的检测精度。

另外，对噪声消除部90施加了与在电荷发生部30所施加的脉冲电压极性相反的脉冲电压，因此可以有效地消除因电荷发生部30的放电而产生的噪声。此处，施加于噪声消除部90的极性相反的脉冲电压优选与施加于电荷发生部30的脉冲电压同相位。

另外，噪声消除部90配置于电荷发生部30和捕集部50之间，因此可以将噪声消除电极92配置于捕集电极54的近旁，可以利用绝对值较小且极性相反的脉冲电压消除噪声。另外，在噪声消除部90中，有时因放电而产生负电荷(与在电荷发生部30产生的电荷极性相反的电荷)，但其产生量与极性相反的脉冲电压的绝对值较小相应地也较小。因此，也可以抑制带电微粒p的正电荷在被捕集电极54捕集之前被在噪声消除部90产生的负电荷抵消。

在此，对噪声消除电极92进一步进行说明。优选的是，考虑(1)防止放电电极32和噪声消除电极92之间的绝缘击穿的发生；(2)防止噪声消除效果的下降；(3)防止因噪声消除电极92的放电而产生极性相反的电荷等等来决定噪声消除电极92的位置和施加电压。通常，放电电极32在2kv以上的施加电压下进行放电，在2.5kv以上稳定地进行放电。因此，考虑例如将施加于放电电极32的电压设定为3kv的情况。该情况下，为了防止放电电极32和噪声消除电极92之间的绝缘击穿的发生，优选使放电电极32和噪声消除电极92的距离拉开1mm以上(即，使电场强度为3kv/mm以下)。另一方面，可知：当过于拉开放电电极32和噪声消除电极92的距离时，在放电电极32产生的电场(电力线)不被噪声消除电极92消除而进行迂回并到达捕集电极54，从而使噪声消除效果下降。因此，为了防止噪声消除效果的下降，放电电极32和噪声消除电极92的距离优选设定为同时满足上述(1)、(2)。另外，关于上述(3)，即，为了防止在噪声消除电极92产生极性相反的电荷，优选将噪声消除电极92的施加电压设定为小于2kv。

需要说明的是，本发明不受上述实施方式的任何限定，只要属于本发明的技术范围则能够以各种方式来实施，这不言而喻。

例如，在上述的实施方式中，将电荷发生部30的一个接地电极34兼用为噪声消除部90的一个接地电极94，但也可以不兼用而分别设置。但是，兼用的情况下，电极数变少，因此部件成本和制造成本变低。

在上述的实施方式中，将噪声消除部90配置于电荷发生部30和捕集部50之间(更详细为电荷发生部30和剩余电荷除去部40之间)，但噪声消除部90的配置位置并不特别限定于此。例如，也可以如图7的微粒检测器110那样，将噪声消除部190配置在与电荷发生部30对置的位置。噪声消除部190由设置于流路壁22c的壁面的噪声消除电极192和埋设于流路壁22c的2个接地电极194、194构成。需要说明的是，在图7中，对于与上述的实施方式相同的构成要素标注相同的符号。将噪声消除电极92配置于捕集电极54的近旁并将放电电极32配置于远离捕集电极54的位置的情况下，可以减小噪声消除电极92的脉冲电压的绝对值，可以抑制由噪声消除电极92产生的极性相反的电荷。因此，在图7中，噪声消除部190设置在与捕集电极54相同的左侧的流路壁22c，电荷发生部30设置于右侧的流路壁22d。另外，放电电极32和噪声消除电极192相互对置。因此，与如上述的实施方式那样将噪声消除部90配置在与电荷发生部30相同的面的情况相比，可以缩短气体流路24的长度。

或者，也可以如图8的微粒检测器210那样，将噪声消除部290配置于比捕集部50靠近气流的下游侧的位置。噪声消除部290由设置于流路壁22c壁面的噪声消除电极292和埋设于流路壁22c的2个接地电极294、294构成。需要说明的是，在图8中，对于与上述的实施方式相同的构成要素标注相同的符号。在微粒检测器210中，带电微粒p的正电荷几乎不会在被捕集部50捕集之前被噪声消除部290中产生的负电荷抵消。

在上述的实施方式中，作为噪声消除部90，由沿着气体流路24的流路壁22c的内面而设置的噪声消除电极92和埋设于流路壁22c的2个接地电极94、94构成，但只要能够消除因电荷发生部30的放电而发生的噪声则可以为任意的构成。例如，可以代替将接地电极94、94埋设于流路壁22c而沿着流路壁22c的内面进行设置。

在上述的实施方式中，作为电荷发生部30，由沿着气体流路24的流路壁22c的内面而设置的放电电极32和埋设于流路壁22c的2个接地电极34、34构成，但只要通过气体中放电而产生电荷则可以为任意的构成。例如，可以代替将接地电极34、34埋设于流路壁22c而沿着流路壁22c的内面进行设置。或者，也可以如专利文献1所记载的那样，由针状电极和对置电极构成电荷发生部。

在上述的实施方式中，电场发生电极52露出于气体流路24，但并不限于此，也可以埋设于外壳22。另外，也可以代替电场发生电极52，将配设为从上下方向夹持捕集电极54的一对电场发生电极设置于外壳22，利用由施加于该一对电场发生电极间的电压而产生的电场，使带电微粒p向捕集电极54移动。关于这一点，施加电极42也是同样的。

在上述的实施方式中，对电场发生电极52施加了电压v1，但即使在不施加电压而不基于电场发生电极52产生电场的情况下，也可以通过预先将气体流路24的左右方向的宽度设为微小的值(例如0.01mm以上且小于0.2mm)，使布朗运动剧烈且粒径较小的带电微粒p与捕集电极54碰撞。由此，捕集电极54可以捕集带电微粒p。该情况下，微粒检测元件20可以不具备电场发生电极52。

在上述的实施方式中，示例了将微粒检测器10安装于发动机的排气管12的情况，但并不特别限于发动机的排气管12，只要为使包含微粒的气体流通的管则可以为任意的管。

在上述的实施方式中，微粒检测元件20对微粒的数量进行检测，但也可以对微粒的质量、表面积等进行检测。微粒的质量例如可以通过将微粒的平均质量乘以微粒的数量而求出，或者，也可以预先将积蓄电荷量和所捕集的微粒的质量的关系以映射图的形式存储于存储装置中，使用该映射图由积蓄电荷量求出微粒的质量。关于微粒的表面积，可以利用与微粒的质量同样的方法求出。

在上述的实施方式中，设置了剩余电荷除去部40，但也可以省略剩余电荷除去部40。

在上述的实施方式中，基于在捕集电极54中流动的电流求出了带电微粒p的数量，但也可以基于在除去电极44流动的电流求出剩余电荷的数量，并从在电荷发生部30中产生的电荷的总数减去该剩余电荷的数量而求出带电微粒p的数量。该情况下，剩余电荷除去部40相当于本发明的微粒检测器的捕集部，剩余电荷相当于捕集对象。另外，可以省略捕集部50。

在上述的实施方式中，作为脉冲电压采用了矩形波，但脉冲电压的形状并不特别限于矩形，也可以采用梯形、三角形、锯齿等各种形状。另外，也可以代替脉冲电压而采用正弦波电压。在图9(a)～(f)中示例了脉冲电压的形状的代表例，在图9(g)示例了正弦波电压的形状的代表例。

本申请以2018年3月19日申请的日本专利申请第2018-051051号作为优先权主张的基础，并通过引用将其内容全部包含在本说明书中。