电荷发生装置和具有该电荷发生装置的微粒检测器的制作方法

本说明书公开的技术涉及电荷发生装置和具有该电荷发生装置的微粒检测器。

背景技术：

已知有检测流体中含有的微粒的微粒检测器。微粒检测器具备导入流体的流路、在该流路内产生电荷(荷电粒子的含义，以下相同)的电荷发生装置、和在流路内配置于比放电电极靠下游侧的位置的捕集电极。捕集电极捕集因电荷的附着而带电的微粒或未附着于微粒的电荷。根据该微粒检测器，能够基于由捕集电极捕集到的电荷量而推断流体中含有的微粒的量(例如，微粒的数量、质量、体积等)。

在日本特开2012-194078号公报中记载了微粒检测器的一个例子。这种微粒检测器安装于汽车的排气管，检测来自发动机的废气中含有的微粒。

技术实现要素：

在微粒检测器中，进行微粒的检测的流路由陶瓷这样的绝缘体划分。因此，如果电荷发生装置所产生的电荷过量，则流路的内表面带电，其结果，存在通过流路的流体中含有的电荷的密度降低的情况。因此，本说明书提供一种能够抑制流路的内表面带电而稳定地供给电荷的技术。

本说明书公开的技术在至少一部分由绝缘体划分而成的流路内产生电荷的电荷发生装置中得以实现。该电荷发生装置具备配置于流路内的放电电极、配置于放电电极的附近的感应电极、相对于感应电极而对放电电极断续地施加规定的放电电压的电源、以及在流路内配置于比放电电极靠下游侧的位置并施加与放电电压相同的极性的直流电压的防带电电极。

相对于感应电极而对放电电极施加规定的放电电压时，存在于放电电极附近的气体分子发生电离，在流路内产生电荷。此时产生的电荷的大部分具有与放电电压相同的极性。例如，如果放电电压为正电压，则产生的电荷的大部分为正离子。在放电电极的附近产生的电荷会借助流路内的气流而移动。然而，在放电电极的下游侧设置有防带电电极，对该防带电电极施加与放电电压相同的极性(即，与电荷相同的极性)的直流电压。因此，在放电电极的附近产生的电荷中的一部分被防带电电极形成的电场阻挡，禁止借助流路内的气流而移动。由此，能够在放电电极中产生足够量的电荷，而且能够利用防带电电极来限制实际向流路供给的电荷的量。通过向流路内供给适量的电荷，流路的内表面带电被抑制。

附图说明

图1是表示实施例的电荷发生装置10的立体图。

图2是放大表示电荷发生装置10的壳体12的流路14的图。

图3是示意地表示电荷发生装置10的流路14内的构成的截面图。

图4是表示相对于感应电极24而施加于放电电极22的电压的波形的图。

图5是表示试验1(比较例)的测定结果、即时间与正离子的密度之间的关系的图。

图6是表示试验2(实施例)的测定结果、即施加于防带电电极28的直流电压与正离子的密度之间的关系的图。

图7表示相对于感应电极24而施加于放电电极22的电压的波形例1～7。

图8是表示试验3的测定结果、即流路14的尺寸与正离子的密度之间的关系的图。

图9是表示壁状的防带电电极28的一个例子的图。

图10是表示网状的防带电电极28的一个例子的图。

图11是表示实施例的微粒检测器50的立体图。

图12是放大表示微粒检测器50的壳体12的流路14的图。

图13是表示安装于排气管6的微粒检测器50的壳体12的图。

图14是示意地表示微粒检测器50的流路14内的构成的截面图。

具体实施方式

在本技术的一个实施方式中，施加于防带电电极的直流电压可以小于放电电压。该情况下，施加于防带电电极的直流电压没有特别限定，可以在放电电压的0.25倍～0.33倍的范围内。应予说明，被防带电电极阻挡的电荷的量、即、实际向流路供给的电荷的量根据施加于防带电电极的直流电压的大小而变化。因此，施加于防带电电极的直流电压的大小可以根据实际要向流路供给的电荷的量而适当地设定。

在本技术的一个实施方式中，防带电电极可以为沿着流路的内表面配置的板状的电极。如果防带电电极的结构简单，则在电荷发生装置的制造时容易形成防带电电极。另外，在电荷发生装置的使用时也能够提高防带电电极的耐久性。

在上述的实施方式中，放电电极和防带电电极可以配置于流路的同一内表面。根据这样的构成，在电荷发生装置的制造时能够同时形成放电电极和防带电电极。

在本技术的一个实施方式中，防带电电极可以具有从流路的内表面突出的壁状的电极。根据这样的构成，利用壁状的电极对流路的一部分进行物理性阻挡。由此，防带电电极不仅能够在电气方面还能够物理性地限制向流路供给的电荷。

在本技术的一个实施方式中，防带电电极可以具有与流路的流动方向交叉的网状的电极。根据这样的构成，利用网状的电极对流路的一部分进行物理阻挡。由此，防带电电极不仅能够在电上还能够在物理上限制向流路供给的电荷。

在本技术的一个实施方式中，电荷发生装置可以进一步具有能够调整施加于防带电电极的直流电压的大小的电压调整电路。根据这样的构成，能够通过调整施加于防带电电极的直流电压的大小来调整向流路供给的电荷的量。

在本技术的一个实施方式中，流路可以具有矩形的截面。该情况下，矩形截面的短边尺寸可以为9mm以下。通常，短边尺寸越小，流路的内表面越容易带电。关于该方面，在本技术的电荷发生装置中，即便短边的尺寸为9mm以下，也能够通过防带电电极而显著地抑制流路的内表面带电。

在本技术的一个实施方式中，从放电电极到流路的下游端的距离可以为流路的矩形截面的短边长度以上。通常，从放电电极到流路的下游端的距离越长，流路的内表面越容易带电。关于该方面，在本技术的电荷发生装置中，即便从放电电极到流路的下游端的距离为流路的矩形截面的短边尺寸以上，也能够通过防带电电极而显著地抑制流路的内表面带电。

本说明书所公开的电荷发生装置例如可以用于微粒检测器。该情况下，微粒检测器可以具备：具有至少一部分由绝缘体构成的流路的壳体、在流路内产生电荷的电荷发生装置、和在流路内配置于比放电电极靠下游侧的位置并捕集因电荷的附着而带电的微粒或未附着于微粒的电荷的捕集电极。在该微粒检测器中，由于向流路内供给适量的电荷，因此能够准确地检测流体中含有的微粒。

[实施例]

参照附图，对实施例的电荷发生装置10进行说明。如图1～图3所示，本实施例的电荷发生装置10具备具有流路14的壳体12，向在流路14内通过的流体(典型的为气体)供给电荷2。电荷发生装置10不限于后述的微粒检测器50，能够用于需要电荷2的各种装置。

壳体12由绝缘体构成。构成壳体12的绝缘体例如可以采用陶瓷。该情况下，作为陶瓷，没有特别限定，可举出氧化铝(aluminiumoxide)、氮化铝、碳化硅、莫来石、氧化锆、二氧化钛、氮化硅、氧化镁、玻璃或含有它们中的2种以上的混合物。作为一个例子，本实施例中的壳体12通过对第1侧壁12a、第2侧壁12b、主体12c和底壁12d进行接合而构成。第1侧壁12a与第2侧壁12b相互对置，在它们之间形成流路14。另外，主体12c与底壁12d在第1侧壁12a与第2侧壁12b之间相互对置，在它们之间形成流路14。

流路14从位于其上游端14a的开口开始通过壳体12而延伸到位于其下游端14b的开口，图3中的箭头a表示导入于流路14的气体的流动方向。流路14由构成壳体12的绝缘体划分。即，壳体12的内表面由绝缘体构成。作为一个例子，流路14具有矩形的截面，其短边尺寸w1为3mm，长边尺寸w2为8mm。即，第1侧壁12a和第2侧壁12b之间的距离为3mm，主体12c和底壁12d之间的距离为8mm。其中，流路14的截面的形状、尺寸没有特别限定，可以适当地变更。

电荷发生装置10具备放电电极22、二个感应电极24、放电用电源26、防带电电极28和可变直流电源30。放电电极22在流路14的上游端14a的附近设置于流路14的内表面。作为一个例子，从放电电极22到流路14的上游端14a的距离为1mm，从放电电极22到流路14的下游端14b的距离为9mm。应予说明，流路14中的放电电极22的位置没有特别限定，例如，从放电电极22到流路14的下游端14b的距离可以为与流路14的矩形截面的短边尺寸w1相同的程度。另外，本实施例中的放电电极22设置于壳体12的第1侧壁12a，但并非对放电电极22的位置进行限定

二个感应电极24在放电电极22的附近埋设于壳体12的内部。作为一个例子，本实施例中的放电电极22沿着流路14的矩形截面的长边延伸成线状，沿着该长边方向具有多个微细的突起。而且，二个感应电极24与放电电极22平行地延伸。构成放电电极22和感应电极24的材料只要是导电体即可，没有特别限定。另外，感应电极24也可以不埋设于壳体12的内部，例如可以设置于流路14的内表面。感应电极24的数量也不限定于二个。

虽然没有特别限定，但从放电时的耐热性的观点考虑，构成放电电极22的材料可以采用具有1500℃以上的熔点的金属。作为这种金属，例如可举出钛、铬、铁、钴、镍、铌、钼、钽、钨、铱、钯、铂、金或含有它们中的二种以上的合金。其中，如果进一步考虑耐腐蚀性，则可考虑采用铂或金。放电电极22例如可以借助玻璃糊接合于流路14的内表面。或者，可以通过在流路14的内表面对金属糊进行丝网印刷，并对其进行烧成而成为烧结金属，从而在流路14的内表面形成放电电极22。构成感应电极24和防带电电极28的材料也可以与上述的放电电极22同样地采用各种金属。应予说明，构成感应电极24和防带电电极28的材料可以与构成放电电极22的材料相同，也可以不同。

作为一个例子，具备放电电极22、感应电极24和防带电电极28的壳体12可以通过层叠多个陶瓷生片进行制造。该情况下，首先制造陶瓷生片。具体而言，在氧化铝粉末中加入作为粘结剂的聚乙烯醇缩丁醛树脂(pvb)、作为增塑剂的邻苯二甲酸双(2-乙基己基)酯(dop)、作为溶剂的二甲苯和1-丁醇，利用球磨机混合30小时，制备生片成型用浆料。对该浆料实施真空脱泡处理，由此将粘度调整为4000cps后，利用刮浆刀装置来制作片材。对该片材以烧成后的尺寸成为壳体12的尺寸(例如10mm)的方式进行外形加工和冲裁加工，制作生片。

接着，在生片的表面使成为感应电极24的金属糊(例如铂)与壳体12中的感应电极24的位置吻合，再以烧成后的膜厚为5μm的方式进行丝网印刷，在120℃干燥10分钟。另外，在另一生片的表面使成为放电电极22和防带电电极28的各金属糊与壳体12中的各自的位置吻合，且以烧成后的膜厚为5μm的方式进行丝网印刷，在120℃干燥10分钟。接下来，将这些生片以内包感应电极24且放电电极22和防带电电极28露出的方式层叠而形成第1侧壁12a。将由生片构成的底壁12d、主体12c和第2侧壁12b以烧成后的流路14的截面尺寸为3mm×8mm的方式层叠在第1侧壁12a上，构成层叠体。将该层叠体在1450℃进行2小时一体烧成，由此能够制造长方体状的壳体12。

放电用电源26连接于放电电极22和感应电极24，相对于感应电极24而对放电电极22断续地(例如以脉冲串状)施加规定的放电电压。相对于感应电极24而对放电电极22施加放电电压时，因放电电极22与感应电极24之间的电位差而发生气体放电。此时，壳体12中的位于放电电极22和感应电极24之间的部分以电介质层的形式发挥功能。通过该气体放电而将存在于放电电极22的附近的气体电离，产生正或负的电荷2。由此，向流过流路14的流体中供给电荷2。

在此，壳体12的流路14由陶瓷这样的绝缘体划分。因此，如果因放电电压的施加而产生的电荷2过量，则流路14的内表面带电，其结果，存在通过流路14的流体中含有的电荷2的密度降低的情况。因此，本实施例的电荷发生装置10进一步具备防带电电极28和可变直流电源30。防带电电极28在流路14内配置于比放电电极22靠下游侧的位置。可变直流电源30连接于防带电电极28，对防带电电极28施加直流电压。施加于防带电电极28的直流电压为与施加于放电电极22的放电电压相同的极性。作为一个例子，防带电电极28为板状的电极，沿着流路14的内表面进行配置。防带电电极28与放电电极22同样地设置于第1侧壁12a，放电电极22和防带电电极28配置于流路14的同一内表面。

由放电电极22产生的电荷2的大部分具有与放电电压相同的极性。例如，如果放电电压为正电压，则产生的电荷的大部分为正离子。在放电电极22的附近产生的电荷2会借助流路14内的气流a而移动。然而，在放电电极22的下游侧设置有防带电电极28，对该防带电电极28施加与放电电压相同的极性(即，与电荷2相同的极性)的直流电压。因此，在放电电极22的附近产生的电荷中的一部分被防带电电极28形成的电场阻挡，禁止借助流路14内的气流a而移动。由此，能够在放电电极22产生足够量的电荷，而且能够通过防带电电极28来限制实际向流路14供给的电荷的量(即，流路14内流动的电荷2的量)。通过向流路14内供给适量的电荷，流路14的内表面带电被抑制。以下，通过示出一些试验结果而对本实施例的电荷发生装置10的特征进行说明。

[试验1]

该试验1中，作为比较例，使施加于防带电电极28的电压为零伏，将防带电电极28无效化。如图4所示，对放电电极22按1毫秒的间隔以脉冲状施加3kv(千伏)的放电电压va。脉冲宽度为100微秒，占空比为10％。在不施加放电电压va的期间，对放电电极22施加作为基础电压vb的零伏。一边施加这样的电压，一边将流路14的流量调整为5升/分钟，对通过流路14的气体中含有的正离子的密度进行测定。作为参考，在正离子的密度的测定中使用taieiengineering株式会社制的空气离子计数器。

在图5中示出试验1的测定结果。如图5所示，在试验开始之后，所测定的正离子的密度为7×10⁶个/cm³，从经过约10秒的时刻开始，正离子的密度开始急剧降低，在经过约5分钟的时刻，所测定的正离子的密度降低到1×10³个/cm³。这样，防带电电极28无效化时，在时间经过的同时正离子的密度显著降低。推测这是由于过量产生的正离子使得流路14的内表面带电，在从带电的流路14受到的反作用力的作用下，通过流路14的正离子减少。

[试验2]

该试验2中，将防带电电极28有效化，进行与试验1同样的测定。具体而言，使施加于防带电电极28的直流电压从零伏缓慢上升到1.0kv而重复同样的试验，分别测定从试验开始后经过5分钟的时刻的正离子的密度。其结果，如图6所示，施加于防带电电极28的直流电压超过0.5kv而越变大，正离子的密度越上升，在0.8kv～1.0kv的期间达到1×10⁷个/cm³以上。

接下来，将放电电压va变更为－3kv，使施加于防带电电极28的直流电压从零伏缓慢上升到－1.0kv而重复同样的试验，对从试验开始后经过5分钟的时刻的负离子的密度分别进行测定。其结果，确认到与上述的正离子的密度的情况同样的结果。根据这些结果，可以理解对防带电电极28施加与放电电压va相同的极性的直流电压时，防止了流路14的内表面带电，稳定地向流路14供给电荷2。另外，还确认到能够通过调整施加于防带电电极28的直流电压来调整向流路14供给的电荷2的量(或电荷2的数量)。

在此，相对于感应电极24而施加于放电电极22的电压的波形例如能够如图7所例示的那样进行各种变更。采用图7中示出的波形例1～7时，因为放电电压va为正电压，所有对防带电电极28也施加正的直流电压即可。从放电用电源26的简单化的观点考虑，优选采用波形例1的脉冲波、波形例2的正弦半波或者波形例7的正弦波。对于脉冲波，可以使用直流电源来构成放电用电源26，利用开关元件而断续地输出直流电压。对于正弦半波或者正弦波，可以使用交流电源来构成放电用电源26，经由二极管进行输出或者直接输出。也可以使这些波形例1～7的极性反转而使放电电压va为负电压。该情况下，对防带电电极28施加负的直流电压即可。即，只要对防带电电极28施加与施加于放电电极22的放电电压va相同的极性的直流电压即可。

应予说明，将流路14的流量调整为5升/分钟时，在流路14的开口处测量到的风速为1.77米每秒。调整流路14的流量使其缓慢下降，结果在流量为1.5升/分钟时，即便对防带电电极28施加直流电压，所测量的离子的密度也较小。此时，在流路14的开口处测量到的风速为0.57米每秒。相反，调整流路14的流量使其缓慢上升，结果在流量为15升/分钟时，没有看到离子密度的降低，即便对防带电电极28不施加直流电压，所测量的离子的密度也较高。此时，在流路14的开口处测量到的风速为4.5米每秒。

[试验3]

该试验3中，准备流路14的矩形截面的短边尺寸w1不同的多个壳体12，分别测定从试验开始后经过5分钟的时刻的正离子的密度。应予说明，为了确认由流路14的短边尺寸w1所带来的影响，使施加于防带电电极28的电压为零伏，将防带电电极28无效化。相对于感应电极24而施加于放电电极22的放电电压va采用图4中示出的波形的电压。其结果，如图8所示，短边尺寸w1为5mm以下时正离子的密度非常小，如果短边尺寸w1超过5mm，则正离子急剧上升。而且，短边尺寸w1为9mm以上时，正离子的密度达到7×10⁶个/cm³。根据该结果，确认了短边尺寸w1为9mm以下时，如果防带电电极28无效化，则正离子的密度降低。与此相对，在前述的试验2中，即便短边尺寸w1为3mm，但只要将防带电电极28有效化，则正离子的密度可以达到1×10⁶个/cm³以上。因此，确认到短边尺寸w1为9mm以下时，在防带电电极28的作用下，电荷2的密度降低得到显著抑制。

以上，对本实施例的电荷发生装置10进行了详细说明，但可以对电荷发生装置10中各部分的构成进行各种变更。例如，本实施例中的防带电电极28为沿着流路14的内表面配置的板状的电极，但其并非对防带电电极28的构成进行限定。如图9所例示的那样，防带电电极28可以具有从流路14的内表面突出的壁状的电极。该情况下，壁状的防带电电极28可以分别设置于流路14的对置的一对内表面。根据这样的构成，通过壁状的防带电电极28而对流路14的一部分进行物理性阻挡。由此，防带电电极28不仅能够在电气方面而且还能够物理性地限制向流路14供给的电荷2。应予说明，壁状的防带电电极28的数量不限于二个，也可以为一个，还可以为三个以上。

或者，如图10所例示，防带电电极28可以具有与流路14的气流方向交叉的网状的电极。该情况下，网状的防带电电极28可以设置于流路14的整个截面。根据这样的构成，也会通过网状的防带电电极28而对流路14的一部分进行物理性阻挡。由此，防带电电极28不仅能够在电气方面而且还能够物理性地限制向流路14供给的电荷2。应予说明，网状的防带电电极28的数量不限于一个，也可以为二个以上。另外，网状的防带电电极28可以仅设置于流路14的截面的一部分。

本实施例的电荷发生装置10具有可变直流电源30来作为对防带电电极28施加直流电压的电源。可变直流电源30内置有电压调整电路，能够调整施加于防带电电极28的直流电压的大小。如前所述，根据这样的构成，能够通过调整施加于防带电电极28的直流电压的大小来调整供给到流路14的电荷的量(参照图6)。其中，作为另一实施方式，电荷发生装置10也可以具备不具有电压调整电路的直流电源来代替可变直流电源30。或者，电荷发生装置10也不一定具备直流电源，而可以以由外部的直流电源向防带电电极28施加直流电压的方式构成。

接下来，参照图11～14，对实施例的微粒检测器50进行说明。本实施例的微粒检测器50使用上述的电荷发生装置10而构成。相当于电荷发生装置10的部分标记相同的符号，因此省略重复的说明。

本实施例的微粒检测器50例如安装于汽车，用于检测来自发动机的废气中含有的微粒4的数量。微粒检测器50具备具有流路14的壳体12。壳体12安装于与发动机连接的排气管6内，壳体12的流路14配置于排气管6内。微粒检测器50对通过流路14的废气中含有的微粒4的数量进行测定。

在壳体12中设有放电电极22、感应电极24、防带电电极28、第1捕集电极52、第1电场发生电极54、第2捕集电极56和第2电场发生电极58。如前所述，放电电极22设置于流路14的内表面，感应电极24在放电电极22的附近埋设于壳体12内。放电电极22和感应电极24连接于放电用电源26，断续地施加放电电压va。由此，通过在流路14内产生电荷2，并且该电荷2附着于废气中的微粒4而使微粒4带电。此时，附着于各个微粒4的电荷2的数量几乎是恒定的(例如为一个)。

在防带电电极28上连接有可变直流电源30。可变直流电源30对防带电电极28施加与放电电压va相同的极性的直流电压。由此，如前所述，防止流路14的内表面带电，稳定地向流路14供给电荷2。因为供给到废气的电荷2的密度经时稳定，所以微粒检测器50能够以高精度检测废气中含有的微粒4。

第1捕集电极52和第1电场发生电极54在比放电电极22靠下游侧的位置设置于流路14的内表面。第1捕集电极52与第1电场发生电极54相互对置。第1捕集电极52和第1电场发生电极54连接于直流电源(省略图示)，在它们之间形成电场。该电场较弱，仅未附着于微粒4的多余的电荷2被吸引到第1捕集电极52，在第1捕集电极52被捕集。由于带电的微粒4(即，附着有电荷2的微粒4)与电荷2相比质量较大，因此在第1捕集电极52不被捕集，在第1捕集电极52和第1电场发生电极54之间通过。

第2捕集电极56和第2电场发生电极58在比第1捕集电极52和第1电场发生电极54靠下游侧的位置设置于流路14的内表面。第2捕集电极56与第2电场发生电极58相互对置。第2捕集电极56和第2电场发生电极58连接于直流电源(省略图示)，在它们之间形成电场。在第2捕集电极56和第2电场发生电极58之间形成的电场强于在第1捕集电极52和第1电场发生电极54之间形成的电场。因此，带电的微粒4被吸引到第2捕集电极56，在第2捕集电极56被捕集。第2捕集电极56例如连接有电流计60。电流计60的测定值与在第2捕集电极56单位时间内捕集到的微粒4的数量对应。因此，可以根据电流计60的测定值和其它指标(例如，流过流路14的废气的流量)来测定废气中含有的微粒4的数量或密度。

如果减小施加于第2捕集电极56和第2电场发生电极58之间的直流电压，则大质量的微粒4不会在第2捕集电极56被捕集，而在第2捕集电极56和第2电场发生电极58之间通过。与此相对，如果增大施加于第2捕集电极56和第2电场发生电极58之间的直流电压，则大质量的微粒4也能够被吸引到第2捕集电极56而进行捕集。因此，通过对施加于第2捕集电极56和第2电场发生电极58之间的直流电压进行调整，能够选择性地仅捕集具有特定范围的质量的微粒4，并对其数量或密度进行测定。因此，例如能够通过阶段性地改变施加于第2捕集电极56和第2电场发生电极58之间的直流电压而对废气中含有的微粒4进行分级，分别测定其数量或密度。

在此，被第1捕集电极52捕集的多余的电荷2的数量和被第2捕集电极56捕集的带电的微粒4的数量之间存在负相关关系。即，废气中含有的微粒4的数量越多，被第1捕集电极52捕集的多余的电荷2的数量越减少，另一方面，被第2捕集电极56捕集的带电的微粒4的数量越增大。因此，作为另一实施方式，可以在第1捕集电极52上连接电流计60来测定多余的电荷2的数量，并根据其测定值来推断微粒4的数量。如果为这样的构成，则不一定需要第2捕集电极56和第2电场发生电极58，可以将它们省略。

以上，对本发明的具体例进行了详细说明，但它们只不过是例示，并非对权利要求书进行限定。权利要求书中记载的技术包含对以上例示的具体例进行的各种变形、变更。本说明书或附图中说明的技术要素单独或通过各种组合而发挥技术有用性，并不限定于申请时的权利要求中记载的组合。本说明书或附图中例示的技术能够同时实现多个目的，实现其中一个目的本身就具有技术有用性。

符号说明

2：电荷

4：微粒

6：排气管

10：电荷发生装置

12：壳体

14：流路

22：放电电极

24：感应电极

26：放电用电源

28：防带电电极

30：可变直流电源

50：微粒检测器

52：第1捕集电极

54：第1电场发生电极

56：第2捕集电极

58：第2电场发生电极

60：电流计