CN111656159A - 微粒检测器 - Google Patents

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奥村英正
水野和幸
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Abstract

微粒检测器10具备：陶瓷制的壳体22；电荷产生部30，其对导入至气体流路24内的气体中的微粒26附加通过放电而产生的电荷28，由此使该微粒26形成为带电微粒P；捕集部50，其对带电微粒进行捕集；以及个数测定装置64，其基于根据捕集部50捕集到的带电微粒P而发生变化的电流，对微粒的数量进行检测。捕集部50具有：在气体流路24内露出的捕集电极54、以及隔着气体流路24而与捕集电极54对置的对置电极52，通过向捕集电极54与对置电极52之间所施加的电压而在捕集电极54与对置电极52之间产生电场，利用该电场将带电微粒P捕集于捕集电极54。壳体22具有保护电极，该保护电极对从对置电极52经壳体22向捕集电极54流动的漏电流进行吸收。

Description

微粒检测器
技术领域
本发明涉及微粒检测器。
背景技术
作为微粒检测器，已知有如下微粒检测器，该微粒检测器具备：陶瓷制的壳体，其具有气体流路；电荷产生部，其对导入至气体流路内的气体中的微粒附加通过放电而产生的电荷，由此使该微粒形成为带电微粒；捕集部，该捕集部在气体流路内比电场产生部靠下游侧的位置对带电微粒进行捕集；以及个数测定部，该个数测定部基于所捕集到的带电微粒的电荷的量来测定微粒的个数(例如参见专利文献1)。捕集部具有：在气体流路内露出的捕集电极、以及隔着气体流路而与捕集电极对置的对置电极。通过向捕集电极与对置电极之间所施加的电压而在气体流路中的捕集电极与对置电极之间产生电场，捕集电极利用该电场，对带电微粒进行捕集。所捕集到的带电微粒的电荷的量以微小的电流(例如数pA)的形式被检测出。
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
发明内容
然而，当向捕集电极与对置电极之间施加电压时，会有少许的漏电流从捕集电极及对置电极中的一方经陶瓷制的壳体而向另一方流动，该漏电流有时会对与捕集电极捕集到的带电微粒的量相当的微小的检测电流造成影响。因此，很难提高微粒的量的检测精度。
本发明是为了解决上述课题而实施的，其主要目的在于，提高微粒的量的检测精度。
本发明为了达成上述主要目的而采用了以下手段。
本发明的微粒检测器用于对气体中的微粒进行检测，
所述微粒检测器的特征在于，具备：
壳体，该壳体具有供所述气体通过的气体流路；
电荷产生部，该电荷产生部对导入至所述气体流路内的所述气体中的微粒附加通过放电而产生的电荷，由此使该微粒形成为带电微粒；
捕集部，该捕集部在所述气体流路内设置为相比所述电场产生部更靠所述气体的气流的下游侧，对捕集对象进行捕集，该捕集对象为所述带电微粒和没有带电于所述微粒的剩余电荷中的任一者；以及
检测部，该检测部基于根据所述捕集部捕集到的所述捕集对象而发生变化的物理量对所述微粒的量进行检测，
所述捕集部具有：在所述气体流路内露出的捕集电极、以及隔着所述气体流路而与所述捕集电极对置的对置电极，通过向所述捕集电极与所述对置电极之间所施加的电压而在所述气体流路中的所述捕集电极与所述对置电极之间产生电场，利用该电场，将所述捕集对象捕集于所述捕集电极，
所述壳体具有漏电流吸收电极，该漏电流吸收电极对从所述捕集电极及所述对置电极中的一方经所述壳体而向另一方流动的漏电流进行吸收。
该微粒检测器中，电荷产生部产生电荷而使得导入至气体流路内的气体中的微粒形成为带电微粒，捕集部对该带电微粒和剩余电荷中的任一者、即捕集对象进行捕集。检测部基于根据捕集部捕集到的捕集对象而发生变化的物理量对微粒的量进行检测。漏电流吸收电极对从捕集电极及对置电极中的一方经壳体而向另一方流动的漏电流进行吸收。该漏电流虽然会对根据捕集部捕集到的捕集对象而发生变化的物理量造成影响，但是，此处被漏电流吸收电极吸收。因此，能够精度良好地掌握根据捕集部捕集到的捕集对象而发生变化的物理量，并且，能够提高微粒的量的检测精度。
应予说明，本说明书中，“电荷”除了包括正电荷、负电荷以外，还包括离子。“物理量”只要是根据捕集对象而发生变化的参数即可，例如可以举出电流等。关于“微粒的量”，例如可以举出微粒的数量、质量、表面积等。
本发明的微粒检测器中，所述漏电流吸收电极可以与地线连接。据此，能够将漏电流可靠地向外部排出。应予说明，作为地线，可以举出金属外壳、机壳等框架地线、接地板等。
本发明的微粒检测器中，所述漏电流吸收电极可以设置成：切断将所述捕集电极和所述对置电极连结的所述壳体内的电流路径。据此，能够可靠地吸收漏电流。此时，所述电流路径的至少一部分可以由陶瓷形成，所述漏电流吸收电极设置于所述由陶瓷形成的部分。由陶瓷形成的部分的体积电阻率虽高，但是仍有可能微少地流通电流，因此，在该部分设置漏电流吸收电极是有意义的。另外，所述漏电流吸收电极可以跨设于所述由陶瓷形成的部分和所述壳体的内表面，或者跨设于所述由陶瓷形成的部分、所述壳体的内表面以及所述壳体的外表面。据此，漏电流吸收电极能够吸收流通于壳体的内部的漏电流及流通于壳体的内表面(在气体流路内露出的面)的漏电流，并进一步吸收流通于壳体的外表面的漏电流。
本发明的微粒检测器中，所述漏电流吸收电极可以设置于所述壳体的内表面。据此，能够吸收流通于壳体的内表面的漏电流。此时，所述漏电流吸收电极可以按包围所述捕集电极的方式设置于与所述捕集电极相同的面。据此，能够可靠地防止流通于壳体的内表面的漏电流流入捕集电极。
本发明的微粒检测器中，在所述漏电流吸收电极设置于所述壳体的内表面的情况下，所述漏电流吸收电极可以设置于与设置有所述捕集电极的面不同的面(例如台阶面)。据此，即便导电性的微粒附着于捕集电极的周围，也不易因该微粒而导致捕集电极和漏电流吸收电极发生短路。
本发明的微粒检测器中，所述漏电流吸收电极可以在所述捕集电极的上方及下方位置从所述气体流路的气体导入口设置至气体排出口。据此，漏电流吸收电极能够可靠地吸收向捕集电极流入的漏电流。另外，漏电流吸收电极不需要设置于捕集电极的前方及后方，因此，与按将捕集电极的整周包围的方式设置漏电流吸收电极的情况相比，能够增大捕集电极的尺寸，从而能够捕集更多的带电微粒。因此，测定灵敏度提高。
本发明的微粒检测器中，所述捕集对象可以为所述带电微粒。将带电微粒捕集于捕集电极的情况与将剩余电荷捕集于捕集电极的情况相比，必须提高向捕集电极与对置电极之间施加的电压，因此，容易产生从捕集电极及对置电极中的一方经壳体而向另一方流动的漏电流。因此，设置漏电流吸收电极的意义重大。
像这样捕集对象为带电微粒的本发明的微粒检测器可以具备除去电极，该除去电极在所述气体流路内设置于所述电场产生部与所述捕集部之间，将没有带电于所述微粒的剩余电荷除去至地线，使所述漏电流吸收电极与所述除去电极通用。据此，能够简化电极的构成。另外，所述除去电极可以不具有使所述除去电极上产生电场的专用电源，利用在所述除去电极与配置于所述除去电极的周围的电压施加电极之间产生的电场，将所述剩余电荷除去至地线。据此，与具有使除去电极产生电场的专用电源的情况相比，能够简化微粒检测器的构成。此外，所述电压施加电极可以是：所述电荷产生部中的通过放电用电源而施加电压的放电电极、或者所述捕集部中的通过捕集用电源而施加电压的所述对置电极。据此，可以利用放电用电源或捕集用电源来代替除去电极专用电源。
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是图2的C－C截面图。
图6是微粒检测元件20的分解立体图。
图7是微粒检测元件120的分解立体图。
图8是微粒检测元件220的截面图。
图9是微粒检测元件220的截面图。
图10是微粒检测元件220的截面图。
图11是微粒检测元件320的截面图。
图12是微粒检测元件420的立体图。
图13是图12的D－D截面图。
图14是图12的E－E截面图。
图15是图12的F－F截面图。
图16是微粒检测元件420的分解立体图。
图17是微粒检测元件420的另一例的截面图(与图12的E－E截面图相当)。
图18是具备保护电极290、292的微粒检测元件20的截面图。
图19是具备保护电极390、392的微粒检测元件20的截面图。
具体实施方式
[第一实施方式]
采用附图，对本发明的第一实施方式进行说明。图1是作为第一实施方式的微粒检测器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是图2的C－C截面图，图6是微粒检测元件20的分解立体图。应予说明，本实施方式中，上下方向、左右方向及前后方向如图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内流通的废气中含有的微粒26(参照图5)的数量进行检测。该微粒检测器10具备：微粒检测元件20；以及附属单元80，该附属单元80包括各种电源36、46、56、个数检测部60。
如图1所示，微粒检测元件20以插入于圆柱状的支撑体14的状态安装于固定在排气管12的环状的基座16。微粒检测元件20由保护罩18保护。在保护罩18设置有未图示的孔，在排气管12内流通的废气经由该孔而从在微粒检测元件20的下端22a设置的气体流路24内通过。如图5所示，微粒检测元件20在壳体22具备电荷产生部30、剩余电荷除去部40、捕集部50、保护电极90、92(参照图3及图4)以及加热器电极72。
如图1所示，壳体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)上较长的长条的长方体。壳体22由例如氧化铝等陶瓷制成。壳体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。在壳体22的下端22a设置有气体流路24。在壳体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是从在壳体22的前方的面设置的矩形的气体导入口24a连通至在壳体22的后方的面设置的矩形的气体排出口24b的长方体形状的空间。壳体22具备构成气体流路24的左右一对流路壁22c、22d。
如图3及图5所示，电荷产生部30设置于流路壁22c，以便在气体流路24内的气体导入口24a附近产生电荷。电荷产生部30具有放电电极32和2个感应电极34、34。放电电极32沿着流路壁22c的内表面设置，如图3所示，在矩形周围具有多个微细突起。2个感应电极34、34为矩形电极，以隔开间隔且与放电电极32平行的方式埋设于流路壁22c。对于电荷产生部30，如图5所示，向放电电极32与2个感应电极34、34之间施加放电用电源36(附属单元80之一)的数kV的脉冲电压，由此因两电极间的电位差而产生气体放电。此时，壳体22中的放电电极32与感应电极34、34之间的部分发挥出电介质层的作用。通过该气体放电而使得放电电极32周围存在的气体实现离子化，由此产生正的电荷28。放电电极32与壳体22的上端22b的端子33连接，借助该端子33而与放电用电源36连接。另外，2个感应电极34、34与壳体22的上端22b的端子35连接，借助该端子35而与放电用电源36连接。
如图5所示，气体中含有的微粒26从气体导入口24a进入气体流路24内，当从电荷产生部30通过时，被附加通过电荷产生部30的气体放电而产生的电荷28，从而形成为带电微粒P，然后向后方移动。另外，产生的电荷28中的未附加于微粒26的电荷继续保持电荷28的状态向后方移动。
如图5所示，剩余电荷除去部40设置于电荷产生部30的下游、且设置于捕集部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的内表面而设置、且在气体流路24内露出。除去电极44沿着左侧的流路壁22c的内表面而设置、且在气体流路24内露出。施加电极42和除去电极44配设于彼此对置的位置。施加电极42通过除去用电源46(附属单元80之一)施加了相对于后述的电压V1而降低1个数量级左右的电压V2(正电位)。除去电极44与地线连接。应予说明，地线可以为保护罩18、排气管12等框架地线，也可以为接地板(以下相同)。由此，在剩余电荷除去部40的施加电极42与除去电极44之间产生弱电场。因此，在电荷产生部30产生的电荷28中的、未附加于微粒26的剩余的电荷28因该弱电场的作用而被吸引至除去电极44并被捕集，进而向地线丢弃。由此，剩余电荷除去部40抑制剩余的电荷28被捕集部50的捕集电极54捕集并计入微粒26的数量。施加电极42与壳体22的上端22b的端子43连接，借助该端子43而与除去用电源46连接。另外，除去电极44与壳体22的上端22b的端子45连接，借助该端子45而与地线连接。
如图5所示，捕集部50在气体流路24中设置为比电荷产生部30及剩余电荷除去部40靠下游。捕集部50对带电微粒P进行捕集，并具有对置电极(电场产生电极)52和捕集电极54。对置电极52沿着右侧的流路壁22d的内表面而设置、且在气体流路24内露出。捕集电极54沿着左侧的流路壁22c的内表面而设置、且在气体流路24内露出。对置电极52和捕集电极54配设于彼此对置的位置。对置电极52通过捕集用电源56(附属单元80之一)施加比施加于施加电极42的电压V2大的电压V1(正电位)。捕集电极54经由电流表62而与地线连接。由此，在捕集部50的对置电极52与捕集电极54之间产生较强的电场。因此，在气体流路24内流通的带电微粒P因该较强的电场的作用而被吸引至捕集电极54并被捕集。对置电极52与壳体22的上端22b的端子53连接，借助该端子53而与捕集用电源56连接。另外，捕集电极54与壳体22的上端22b的端子55连接，借助该端子55而与电流表62连接。
应予说明，剩余电荷除去部40的各电极42、44的尺寸、两个电极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、两个电极52、54之间产生的电场的强度设定成：使得带电微粒P被捕集电极54捕集而不会被除去电极44捕集，另外，使得未附着于微粒26的电荷28被除去电极44除去。通常，电荷28的电迁移率为带电微粒P的电迁移率的10倍以上，进行捕集所需的电场减小1个数量级以上即可，因此，能够容易地实现上述设定。应予说明，对置电极52和捕集电极54可以设置为多组。
保护电极90、92为矩形的平板电极，且是对从对置电极52经壳体22而向捕集电极54流动的漏电流进行吸收的漏电流吸收电极。具体而言，保护电极90、92按切断将捕集电极54和对置电极52连结的壳体22内的电流路径96(参照图4的双点划线)的方式分别设置于捕集电极54的上下。壳体22由陶瓷制成，因此，电流路径96的一部分由陶瓷形成。保护电极90、92设置于该由陶瓷形成的部分。保护电极90、92与地线连接。保护电极90、92与壳体的上端22b的端子95连接，借助该端子95而与地线连接。
个数检测部60为附属单元80之一，如图5所示，其具备电流表62和个数测定装置64。电流表62的一个端子与捕集电极54连接，另一个端子与地线连接。该电流表62对基于捕集电极54捕集到的带电微粒P的电荷28的电流进行测定。个数测定装置64基于电流表62的电流运算出微粒26的个数。
加热器电极72为埋设于壳体22的带状的发热体。具体而言，加热器电极72以如下方式配线，即，从壳体22的上端22b的一个端子75(参照图2)开始，在壳体22的流路壁22c呈锯齿状布设，然后返回到壳体22的上端22b的另一个端子75(参照图2)。将加热器电极72的具体形状示于图6。加热器电极72借助一对端子75、75而与未图示的供电装置连接，若借助该供电装置被通电则发热。加热器电极72对壳体22、除去电极44、捕集电极54等各电极进行加热。
此处，利用图6的分解立体图进一步对微粒检测元件20的构成进行说明。微粒检测元件20构成为包括6个片材S1～S6。各片材S1～S6由与壳体22相同的材料形成。为了方便说明，从左向右称为第一片材S1、第二片材S2、…，将各片材S1～S6的右侧的面称为表面、且将左侧的面称为背面。各片材S1～S6的厚度只要适当地设定即可，例如可以全部都相同，也可以各不相同。
在第一片材S1的表面设置有加热器电极72。加热器电极72的一端及另一端配置于第一片材S1的表面的上方，经由第一片材S1的通孔而与在第一片材S1的背面的上方设置的加热器电极端子75、75分别连接。
在第二片材S2的表面设置有感应电极34、34。感应电极34、34汇集成1条配线34a。该配线34a的端部配置于第二片材S2的表面的上方，并经由第二片材S2及第一片材S1的通孔而与在第一片材S1的背面的上方设置的感应电极端子35连接。除去电极44的配线44a、捕集电极54的配线54a以及保护电极90、92的配线94a分别沿着上下方向而设置于第二片材S2的表面。各配线44a、54a、94a的上端经由第二片材S2及第一片材S1的通孔而与在第一片材S1的背面的上方设置的除去电极端子45、捕集电极端子55以及保护电极端子95分别连接。
在第三片材S3的表面设置有放电电极32、除去电极44、捕集电极54以及保护电极90、92。除去电极44经由第三片材S3的通孔而与第二片材S2的配线44a连接，进而借助该配线44a而与除去电极端子45连接。捕集电极54经由第三片材S3的通孔而与第二片材S2的配线54a连接，进而借助该配线54a而与捕集电极端子55连接。保护电极90、92经由第三片材S3的通孔而与第二片材S2的配线94a连接，进而借助该配线94a而与保护电极端子95连接。
在第四片材S4的下端侧设置有气体流路24即长方体形状的空间。
在第五片材S5的背面设置有施加电极42及对置电极52。
放电电极32的配线32a、施加电极42的配线42a以及对置电极52的配线52a分别沿着上下方向而设置于第六片材S6的背面。配线32a的下端经由第四片材S4～第五片材S5的通孔而与在第三片材S3设置的放电电极32连接。配线42a的下端经由第五片材S5的通孔而与在第五片材S5的背面设置的施加电极42连接。配线52a的下端经由第五片材S5的通孔而与在第五片材S5的背面设置的对置电极52连接。各配线32a、42a、52a的上端经由第六片材S6的通孔而与在第六片材S6的表面的上方设置的放电电极端子33、施加电极端子43及对置电极端子53分别连接。
接下来，对微粒检测器10的制造例进行说明。可以利用多个陶瓷生片而制作微粒检测元件20。具体而言，针对多个陶瓷生片，根据需要分别设置切口、贯通孔、槽并对电极、配线图案进行丝网印刷，然后，对它们进行层叠、烧成。应予说明，切口、贯通孔、槽可以预先利用在烧成时烧除的材料(例如有机材料)进行填充。由此得到微粒检测元件20。接下来，将微粒检测元件20的放电电极端子33、施加电极端子43及对置电极端子53分别与附属单元80的放电用电源36、除去用电源46及捕集用电源56连接。另外，将微粒检测元件20的感应电极端子35、除去电极端子45以及保护电极端子95与地线连接，捕集电极端子55经由电流表62而与个数测定装置64连接。进而，将加热器电极端子75、75与未图示的供电装置连接。由此，能够制成微粒检测器10。
接下来，对微粒检测器10的使用例进行说明。在对汽车的废气中含有的微粒26进行测量的情况下，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5所示，从气体导入口24a导入至气体流路24内的废气中含有的微粒26携带因电荷产生部30的放电所产生的电荷28(此处为正电荷)而成为带电微粒P。带电微粒P从电场较弱且除去电极44的长度比捕集电极54的长度短的剩余电荷除去部40保持原样地通过而到达捕集部50。另一方面，即便电场较弱，未附加于微粒26的电荷28也被吸引至剩余电荷除去部40的除去电极44，并借助除去电极44而向地线丢弃。由此，未附加于微粒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由捕集电极54利用因对置电极52而产生的捕集用电场进行捕集。然后，利用电流表62对基于捕集电极54捕集到的带电微粒P的电荷28的电流进行测定，个数测定装置64基于该电流而运算出微粒26的个数。电流I与电荷量q的关系为I＝dq/(dt)、q＝∫Idt。个数测定装置64在规定期间内对电流值进行积分(累计)而求出电流值的积分值(蓄积电荷量)，利用蓄积电荷量除以基本电荷而求出电荷的总数(捕集电荷数)，进而利用该捕集电荷数除以附加于1个微粒26的电荷的数量的平均值(平均带电数)，由此求出捕集电极54捕集到的微粒26的个数Nt(参照下式(1))。个数测定装置64检测出该个数Nt而作为废气中的微粒26的数量。
Nt＝(蓄积电荷量)/{(基本电荷)×(平均带电数)}…(1)
随着微粒检测元件20的使用，微粒26等大量堆积于捕集电极54，会出现捕集电极54不再对带电微粒P进行捕集的情况。因此，定期或者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，由此将捕集电极54上的堆积物加热烧除而对捕集电极54的电极面进行再生。另外，还能够利用加热器电极72将附着于壳体22的内周面的微粒26烧除。
接下来，对保护电极90、92的作用进行说明。微粒检测器10中，在检测个数Nt时，向捕集部50的对置电极52与捕集电极54之间施加电压V1。由于电压V1为数kV，所以，即便是由通常认为是电绝缘体的氧化铝等陶瓷形成的壳体22，也会有数10～数100pA的漏电流通过壳体22内的电流路径96(参照图4)而流通于对置电极52和捕集电极54。另一方面，在检测个数Nt时，由电流表62测定的检测电流为数pA。因此，漏电流会对检测电流造成影响。本实施方式中，按切断将对置电极52和捕集电极54连结的壳体22内的电流路径96的方式在捕集电极54的上下分别设置有保护电极90、92。上述保护电极90、92与地线连接。因此，保护电极90、92吸收想要从对置电极52经壳体22而向捕集电极54流动的漏电流并向地线丢弃。因此，能够精度良好地掌握根据捕集电极54捕集到的带电微粒P而发生变化的检测电流。
以上说明的微粒检测器10中，虽然从对置电极52经壳体22向捕集电极54流动的漏电流会对根据捕集电极54捕集到的带电微粒P而发生变化的检测电流造成影响，但是其被保护电极90、92吸收。因此，能够精度良好地掌握检测电流，并且，能够提高微粒的数量的检测精度。
另外，保护电极90、92与地线连接，因此，能够将漏电流可靠地向外部排出。
此外，保护电极90、92设置成切断将对置电极52和捕集电极54连结的壳体22内的电流路径96，因此，能够可靠地吸收漏电流。上述保护电极90、92埋设于由体积电阻率较高的氧化铝等陶瓷形成的壳体22内。壳体22的体积电阻率虽高，但是，由于向对置电极52与捕集电极54之间施加的电压V1高达数kV，所以可能会有少许的漏电流进行流通。由于由电流表62检测出的电流微少，所以会受到该少许漏电流的影响。因此，在壳体22内设置保护电极90、92是有意义的。
进而，捕集对象为带电微粒P，因此，与捕集对象为剩余电荷的情况相比，必须提高向对置电极52与捕集电极54之间施加的电压V1。因此，漏电流容易从对置电极52经壳体22而向捕集电极54流动，利用保护电极90、92吸收该漏电流的意义重大。
应予说明，本发明并不受上述第一实施方式的任何限定，当然，只要属于本发明的技术范围就可以以各种方案进行实施。
例如，上述的第一实施方式中，漏电流有可能流通于对置电极52的配线52a与捕集电极54的配线54a之间，因此，可以像图7所示的微粒检测元件120那样在从配线52a经壳体22到达配线54a的壳体内设置副保护电极91。图7中，对与上述的第一实施方式相同的构成要素标记相同的符号。副保护电极91沿着上下方向按位于两个配线52a、54a之间的方式设置于第三片材S3，并与保护电极90连接。据此，副保护电极91吸收在两个配线52a、54a之间的壳体内流动的漏电流并向地线丢弃，因此，能够进一步提高微粒的数量的检测精度。应予说明，在后述的第二实施方式中也可以采用上述副保护电极91。
上述的第一实施方式中，基于在捕集电极54流通的电流而求出带电微粒P的数量，不过，可以像图8～图10所示的微粒检测元件220那样，省略捕集部50及保护电极90、92，个数测定装置164基于在除去电极44流通的电流(由电流表162检测到的电流)来求出剩余电荷的数量，在电荷产生部30产生的电荷的总数减去该剩余电荷的数量，求出带电微粒P的数量。即，可以使捕集对象为剩余电荷。图8～图10是微粒检测元件220的截面图，图8是与图3相当的截面图，图9是与图4相当的截面图，图10是与图5相当的截面图。图8～图10中，对上述的第一实施方式的构成要素标记相同的符号。在这种情况下，带电微粒P从气体排出口24b排出。另外，如图9所示，保护电极190、192设置成吸收从施加电极42经壳体22向除去电极44流动的漏电流。即，保护电极190、192按切断将施加电极42和除去电极44连结的壳体22内的电流路径196的方式分别设置于除去电极44的上下。即便如此，也能够精度良好地掌握流通于除去电极44的电流，并且，能够提高微粒的数量的检测精度。
上述的第一实施方式中，气体流路24具有1个气体导入口24a，不过，也可以像图11所示的微粒检测元件320那样，气体流路24除了具有气体导入口24a以外，还具有从与气体流路24正交的方向向电荷产生部30与剩余电荷除去部40之间导入气体的气体导入口24aa。应予说明，图11中，对与上述的第一实施方式相同的构成要素标记相同的符号。在这种情况下，从气体导入口24a导入空气，从气体导入口24aa导入废气。通过电荷产生部30的放电而在空气中产生电荷28，该电荷28与从气体导入口24aa导入的废气中的微粒26混合，附加于微粒26而形成带电微粒P。即便如此，也能够以与上述的第一实施方式相同的原理检测微粒的数量。应予说明，在图8～图10所示的微粒检测元件220中，也可以像图11这样设置2个气体流路24的气体导入口。另外，在后述的第二实施方式中也可以采用上述气体导入口24aa。
上述的第一实施方式中，作为电荷产生部30，构成为包括沿着气体流路24的内表面而设置的放电电极32以及埋设于壳体22的2个感应电极34、34，不过，只要通过气体放电而产生电荷即可，可以为任意结构。例如，可以沿着气体流路24的内表面设置感应电极34、34来代替埋设于气体流路24的壁的方式。或者，如专利文献1记载的那样，电荷产生部可以构成为包括针状电极和对置电极。另外，上述的第一实施方式中，将电荷产生部30设置于流路壁22c，不过，可以将电荷产生部30设置于流路壁22d来代替将电荷产生部30设置于流路壁22c的方式，或者，除了将电荷产生部30设置于流路壁22c以外，还将电荷产生部30设置于流路壁22d。在后述的第二实施方式中也可以采用上述电荷产生部30的变形例。
上述的第一实施方式中，对置电极52在气体流路24内露出，但不限于此，也可以埋设于壳体22。就这一点而言，施加电极42也一样。
上述的第一实施方式中，举例示出了微粒检测器10安装于发动机的排气管12的情形，不过，并不特别限定于发动机的排气管12，只要是供含有微粒的气体流通的管即可，可以为任意管。就这一点而言，后述的第二实施方式中也一样。
上述的第一实施方式中，微粒检测元件20对微粒的数量进行检测，不过，也可以对微粒的质量、表面积等进行检测。例如，可以通过对微粒的数量乘以微粒的平均质量而求出微粒的质量，另外，还可以预先将蓄积电荷量与捕集到的微粒的质量之间的关系以映射的形式存储于存储装置，进而利用该映射并根据蓄积电荷量而求出微粒的质量。关于微粒的表面积，也可以利用与微粒的质量同样的方法进行求解。就这一点而言，后述的第二实施方式中也一样。
上述的第一实施方式中，可以将保护电极90、92和除去电极44电连接，借助通用的端子而与地线连接。
上述的第一实施方式中，可以省略施加电极42及除去用电源46。据此，除去电极44不具有使除去电极44上产生电场的专用电源，利用在除去电极44与配置于其周围的电压施加电极(放电电极32、对置电极52)之间产生的电场，将剩余的电荷28除去至地线。因此，与具有使除去电极44产生电场的专用电源的情况相比，能够简化微粒检测器10的构成。
上述的第一实施方式中，可以使保护电极90、92的一部分或全部在壳体22的内表面露出。据此，该保护电极90、92能够吸收从对置电极52及捕集电极54中的一方经壳体22的内表面而向另一方流动的漏电流。
例如，图18是具备保护电极290、292的微粒检测元件20的截面图。图18(A)是与图2的A－A截面图相当的截面图，图18(B)是与图2的B－B截面图相当的截面图。图18中，对与上述的第一实施方式相同的构成要素标记相同的符号。保护电极290、292设置成：在与捕集电极54相同的平面上，跨设于壳体22的内部(即由陶瓷形成的部分)和壳体22的内表面(即在气体流路24内露出的面)。具体而言，保护电极290、292具备：埋设于壳体22的内部的埋设部290a、292a、以及配设于壳体22的内表面的露出部290b、292b。保护电极290、292能够同时吸收在壳体22的内部流通的漏电流和在壳体22的内表面流通的漏电流。另外，保护电极290在捕集电极54的上方位置从气体流路24的气体导入口24a设置至气体排出口24b，保护电极292在捕集电极的下方位置从气体流路24的气体导入口24a设置至气体排出口24b。像这样，保护电极290、292未配置于捕集电极54的前后，因此，与按将捕集电极54的整周包围的方式设置保护电极的情况相比，能够增大捕集电极54的尺寸，从而能够捕集更多的带电微粒P。因此，测定灵敏度提高。
另外，图19是具备保护电极390、392的微粒检测元件20的截面图。图19(A)是与图2的A－A截面图相当的截面图，图19(B)是与图2的B－B截面图相当的截面图。图19中，对与上述的第一实施方式相同的构成要素标记相同的符号。保护电极390、392设置于壳体22的内表面中的与设置有捕集电极54的面不同的台阶面。保护电极390跨设于壳体22的内部和壳体22的内表面。具体而言，保护电极390具备：埋设于壳体22的内部的埋设部390a、以及配设于壳体22的内表面的露出部390b。另一方面，保护电极392跨设于壳体22的内部、壳体22的内表面以及壳体22的外表面(即壳体22的外侧的表面)。具体而言，保护电极392具备：埋设于壳体22的内部的埋设部392a、配置于壳体22的内表面的露出部392b、以及配置于壳体22的外表面的露出部392c。保护电极390、392能够同时吸收在壳体22的内部流通的漏电流和在壳体22的内表面流通的漏电流。特别是，保护电极392具备配置于壳体22的外表面的露出部392c，因此，能够更可靠地吸收漏电流。另外，保护电极390在捕集电极54的上方位置从气体流路24的气体导入口24a设置至气体排出口24b，保护电极392在捕集电极的下方位置从气体流路24的气体导入口24a设置至气体排出口24b。像这样，保护电极390、392未配置于捕集电极54的前后，因此，与按将捕集电极54的整周包围的方式设置保护电极的情况相比，能够增大捕集电极54的尺寸，从而能够捕集更多的带电微粒P。因此，测定灵敏度提高。此外，保护电极390、392设置于与设置有捕集电极54的面不同的台阶面，因此，即便微粒附着于捕集电极54的周围，也不易因该微粒而导致捕集电极54和保护电极390、392发生短路。
应予说明，可以使图19的保护电极392像保护电极292那样横跨于壳体22的内部和壳体22的内表面(即可以省略露出部392c)。另外，也可以使图18的保护电极292像保护电极392那样横跨于壳体22的内部、壳体22的内表面以及壳体22的外表面。
上述的第一实施方式中，在壳体22的右侧的流路壁22d设置有剩余电荷除去部40的施加电极42和捕集部50的对置电极52，在左侧的流路壁22c设置有剩余电荷除去部40的除去电极44和捕集部50的捕集电极54，不过，不特别限定于此。例如，可以在壳体22的左侧的流路壁22c设置剩余电荷除去部40的施加电极42和捕集部50的对置电极52，在右侧的流路壁22d设置剩余电荷除去部40的除去电极44和捕集部50的捕集电极54。在这种情况下，可以省略施加电极42，利用在除去电极44与其周围的电压施加电极(放电电极32、电极发生电极52)之间产生的电场，将剩余的电荷28捕集于除去电极44并除去至地线。
[第二实施方式]
采用附图，对本发明的第二实施方式进行说明。第二实施方式的微粒检测器410与微粒检测器10的不同点在于：具备微粒检测元件420来代替第一实施方式的微粒检测器10的微粒检测元件20，以及不具备作为附属单元80之一的除去用电源46。因此，以下主要对微粒检测元件420进行说明。图12是微粒检测元件420的立体图，图13是图12的D－D截面图，图14是图12的E－E截面图，图15是图12的F－F截面图，图16是微粒检测元件420的分解立体图。应予说明，第二实施方式中，对与第一实施方式相同的构成要素标记相同的符号进行说明。
如图15所示，微粒检测元件420在壳体22内具备：电荷产生部30、剩余电荷除去部440、捕集部450、保护电极490、以及加热器电极72。壳体22、电荷产生部30以及加热器电极72与第一实施方式相同，因此，此处省略其说明。如图15所示，对于作为附属单元80之一的个数检测部60，除了电流表62的一个端子与捕集电极454连接以外，与第一实施方式的个数检测部60相同，因此，此处省略其说明。
如图15所示，剩余电荷除去部440设置于电荷产生部30的下游、且设置于捕集部450的上游。剩余电荷除去部440具有除去电极444(参照图14)，但不具有施加电极。除去电极444沿着右侧的流路壁22d的内表面而设置、且在气体流路24内露出。除去电极444与地线连接。
如图15所示，捕集部450在气体流路24中设置为比电荷产生部30及剩余电荷除去部440靠下游。捕集部450对带电微粒P进行捕集，并具有对置电极(电场产生电极)452和捕集电极454。对置电极452沿着左侧的流路壁22c的内表面而设置、且在气体流路24内露出(参照图13)。捕集电极454沿着右侧的流路壁22d的内表面而设置、且在气体流路24内露出(参照图14)。对置电极452和捕集电极454配设于彼此对置的位置。对置电极452通过捕集用电源56被施加直流电压V1(正电位、例如2kV左右)。捕集电极454经由电流表62而与地线连接。由此，在捕集部450的对置电极452与捕集电极454之间产生较强的电场。因此，在气体流路24内流通的带电微粒P因该较强的电场的作用而被吸引至捕集电极454并被捕集。对置电极452可以在气体流路24内露出，也可以埋设于壳体22。
应予说明，剩余电荷除去部440的除去电极444的尺寸、放电电极32与除去电极444之间的电场的强度、捕集部450的各电极452、454的尺寸、两个电极452、454之间产生的电场的强度、除去电极444与放电电极32之间的距离、以及除去电极444与对置电极452之间的距离设定成：使得带电微粒P被捕集电极454捕集而不会被除去电极444捕集，另外，使得未附着于微粒26的电荷28被除去电极444除去。通常，电荷28的电迁移率为带电微粒P的电迁移率的10倍以上，进行捕集所需的电场减小1个数量级以上即可，因此，能够容易地实现上述设定。
保护电极490是对从对置电极452经壳体22的表面而向捕集电极454流动的漏电流进行吸收的漏电流吸收电极。保护电极490如图14及图15所示按将捕集电极454包围的方式设置于流路壁22d的表面。保护电极490的一部分与除去电极444通用。保护电极490与除去电极444一同借助除去电极端子445(参照图12及图16)而与地线连接。应予说明，图14中，为了方便，将捕集电极454用四边形表示，保护电极490记载为包围该四边形的形状，但是，实际上，如图16所示在捕集电极454的上部设置有端子连接用的引出部，因此，保护电极490的上部呈现也将该引出部包围的形状。
此处，利用图16的分解立体图进一步对微粒检测元件420的构成进行说明。微粒检测元件420构成为包括6个片材S21～S26。各片材S21～S26由与壳体22相同的材料形成。为了方便说明，从左向右称为第一片材S21、第二片材S22、…，将各片材S21～S26的右侧的面称为表面、且将左侧的面称为背面。各片材S21～S26的厚度只要适当地设定即可，例如可以全部都相同，也可以各不相同。
在第一片材S21的表面设置有加热器电极72。加热器电极72的一端及另一端配置于第一片材S21的表面的上方，经由第一片材S21的通孔而与在第一片材S21的背面的上方设置的加热器电极端子75、75分别连接。
在第二片材S22的表面设置有感应电极34、34。感应电极34、34汇集成1条配线34a。该配线34a的端部配置于第二片材S22的表面的上方，并经由第二片材S22及第一片材S21的通孔而与在第一片材S21的背面的上方设置的感应电极端子35连接。除去电极444的配线444a、捕集电极454的配线454a分别沿着上下方向而设置于第二片材S22的表面。各配线444a、454a的上端经由第二片材S22及第一片材S21的通孔而与在第一片材S21的背面的上方设置的除去电极端子445及捕集电极端子455分别连接。
在第三片材S23的表面设置有放电电极32及对置电极452。
在第四片材S24的下端侧设置有气体流路24即长方体形状的空间。
在第五片材S25的背面设置有除去电极444、捕集电极454以及保护电极490。与保护电极490一体化的除去电极444经由第四片材S24及第三片材S23的各通孔而与第二片材S22的配线444a连接，借助该配线444a而与除去电极端子445连接。捕集电极454经由第四片材S24及第三片材S23的各通孔而与第二片材S22的配线454a连接，借助该配线454a而与捕集电极端子455连接。
放电电极32的配线32a及对置电极452的配线452a分别沿着上下方向而设置于第六片材S26的背面。配线32a的下端经由第四片材S24～第五片材S25的各通孔而与在第三片材S23设置的放电电极32连接。配线452a的下端经由第四片材S24～第五片材S25的各通孔而与在第三片材S23设置的对置电极452连接。各配线32a、452a的上端经由第六片材S26的通孔而与在第六片材S26的表面的上方设置的放电电极端子33及对置电极端子453分别连接。
接下来，对微粒检测器410的制造例进行说明。可以利用多个陶瓷生片而制作微粒检测元件420。具体而言，针对多个陶瓷生片，根据需要分别设置切口、贯通孔、槽并对电极、配线图案进行丝网印刷，然后，对它们进行层叠、烧成。应予说明，切口、贯通孔、槽可以预先利用在烧成时烧除的材料(例如有机材料)进行填充。由此得到微粒检测元件420。接下来，将微粒检测元件420的放电电极端子33及对置电极端子453分别与附属单元的放电用电源36及捕集用电源56连接。另外，将微粒检测元件420的感应电极端子35及除去电极端子445与地线连接，捕集电极端子455经由电流表62而与个数测定装置64连接。进而，将加热器电极端子75、75与未图示的供电装置连接。由此，能够制成微粒检测器410。
接下来，对微粒检测器410的使用例进行说明。在对汽车的废气中含有的微粒26进行测量的情况下，与图1所示的第一实施方式的微粒检测元件20同样地，将微粒检测元件420安装于发动机的排气管12。如图15所示，从气体导入口24a导入至气体流路24内的废气中含有的微粒26携带因电荷产生部30的放电所产生的电荷28(此处为正电荷)而成为带电微粒P。带电微粒P从电场(在除去电极444与配置于其周围的电压施加电极(放电电极32、对置电极452)之间产生的电场)较弱且除去电极444的长度比捕集电极454的长度短的剩余电荷除去部440保持原样地通过而到达捕集部450。另一方面，即便电场较弱，未附加于微粒26的电荷28也被吸引至剩余电荷除去部440的除去电极444，并借助除去电极444而向地线丢弃。由此，未附加于微粒26的不需要的电荷28几乎不会到达捕集部450。到达捕集部450的带电微粒P由捕集电极454利用因对置电极452而产生的捕集用电场进行捕集。然后，利用电流表62对基于捕集电极454捕集到的带电微粒P的电荷28的电流进行测定，个数测定装置64与第一实施方式同样地基于该电流而运算出微粒26的个数Nt。微粒检测元件420与第一实施方式同样地在适当的时机利用加热器电极72对捕集电极454及壳体22的内周面进行加热，使其再生。
接下来，对保护电极490的作用进行说明。微粒检测器410中，在检测个数Nt时，向捕集部450的对置电极452与捕集电极454之间施加电压V1。由于电压V1为数kV，所以，即便是由通常认为是电绝缘体的氧化铝等陶瓷形成的壳体22，也会有数10～数100pA的漏电流从对置电极452及捕集电极454的一方经壳体22而向另一方流动。另一方面，在检测个数Nt时，由电流表62测定的检测电流为数pA。因此，漏电流会对检测电流造成影响。本实施方式中，保护电极490吸收该漏电流并向地线丢弃。因此，能够精度良好地掌握根据捕集电极454捕集到的带电微粒P而发生变化的检测电流。
以上说明的微粒检测器410中，虽然从对置电极452经壳体22的表面向捕集电极454流动的漏电流会对根据捕集电极454捕集到的带电微粒P而发生变化的检测电流造成影响，但是其被保护电极490吸收。因此，能够精度良好地掌握检测电流，并且，能够提高微粒的数量的检测精度。
另外，保护电极490与地线连接，因此，能够将漏电流可靠地向外部排出。
此外，保护电极490按将捕集电极454包围的方式设置于与捕集电极454相同的面。因此，能够可靠地防止在壳体22的内表面流通的漏电流流入捕集电极454。
进而，捕集对象为带电微粒P，因此，与捕集对象为剩余电荷的情况相比，必须提高向对置电极452与捕集电极454之间施加的电压V1。因此，漏电流容易从对置电极452经壳体22而向捕集电极454流动，利用保护电极490吸收该漏电流的意义重大。
另外，保护电极490与除去电极444通用，因此，能够简化电极的构成。
再者，除去电极444不具有使除去电极444上产生电场的专用电源，利用在除去电极444与配置于其周围的电压施加电极(放电电极32、对置电极452)之间产生的电场将剩余的电荷28除去至地线。因此，与具有使除去电极444产生电场的专用电源的情况相比，能够简化微粒检测器410的构成。
应予说明，本发明并不受上述的第二实施方式的任何限定，当然，只要属于本发明的技术范围就可以以各种方案进行实施。
例如，上述的第二实施方式中，将引导电极490和除去电极444通用，不过，也可以像图17(与图12的E－E截面图相当)所示那样分别设置引导电极490和除去电极444。在这种情况下，可以将两个电极490、444借助通用的配线而与地线连接，也可以借助分开的配线而与地线连接。
上述的第二实施方式中，以剩余电荷除去部440不具有施加电极、向该施加电极施加电压的专用除去用电源为例进行了说明，不过，与第一实施方式同样地，可以具有设置于与除去电极444对置的位置的施加电极和与该施加电极连接的除去用电源。
上述的第二实施方式中，在壳体22的右侧的流路壁22d设置有剩余电荷除去部440的除去电极444、捕集部450的捕集电极454以及保护电极490，且在左侧的流路壁22c设置有捕集部50的对置电极452，但不特别限定于此。例如，可以在壳体22的左侧的流路壁22c设置有除去电极444、捕集电极454以及保护电极490，且在右侧的流路壁22d设置有捕集部50的对置电极452。
上述的第二实施方式中，在壳体22的右侧的流路壁22d设置有剩余电荷除去部440的除去电极444，不过，在左侧的流路壁22c也可以设置与地线连接的除去电极。
本申请以2018年2月8日申请的日本专利申请第2018－21097号及2018年9月20日申请的日本专利申请第2018－175737号作为主张优先权的基础，它们的全部内容通过引用而包含在本说明书中。
产业上的可利用性
本发明可利用于对气体中含有的微粒进行检测的微粒检测器。
符号说明
10、410微粒检测器，12排气管，14支撑体，16基座，18保护罩，20微粒检测元件，22壳体，22a下端，22b上端，22c流路壁，22d流路壁，24气体流路，24a、24aa气体导入口，24b气体排出口，26微粒，28电荷，30电荷产生部，32放电电极，32a配线，33放电电极端子，34感应电极，34a配线，35感应电极端子，36放电用电源，40、440剩余电荷除去部，42施加电极，42a配线，43施加电极端子，44、444除去电极，44a、444a配线，45、445除去电极端子，46除去用电源，50、450捕集部，52、452对置电极，52a、452a配线，53、453对置电极端子，54、454捕集电极，54a、454a配线，55、455捕集电极端子，56捕集用电源，60个数检测部，62电流表，64个数测定装置，72加热器电极，75加热器电极端子，80附属单元，90、92、490保护电极，91副保护电极，94a配线，95保护电极端子，96电流路径，120微粒检测元件，162电流表，164个数测定装置，190、192保护电极，196电流路径，220微粒检测元件，290、292、390、392保护电极，290a、292a、390a、392a埋设部，290b、292b、390b、392b、392c露出部，320微粒检测元件，420微粒检测元件，P带电微粒。

Claims (13)

1.一种微粒检测器，其用于对气体中的微粒进行检测，
所述微粒检测器的特征在于，具备：
壳体，该壳体具有供所述气体通过的气体流路；
电荷产生部，该电荷产生部对导入至所述气体流路内的所述气体中的微粒附加通过放电而产生的电荷，由此使该微粒形成为带电微粒；
捕集部，该捕集部在所述气体流路内设置为相比所述电场产生部更靠所述气体的气流的下游侧，对捕集对象进行捕集，该捕集对象为所述带电微粒和没有带电于所述微粒的剩余电荷中的任一者；以及
检测部，该检测部基于根据所述捕集部捕集到的所述捕集对象而发生变化的物理量对所述微粒的量进行检测，
所述捕集部具有：在所述气体流路内露出的捕集电极、以及隔着所述气体流路而与所述捕集电极对置的对置电极，通过向所述捕集电极与所述对置电极之间所施加的电压而在所述气体流路中的所述捕集电极与所述对置电极之间产生电场，利用该电场，将所述捕集对象捕集于所述捕集电极，
所述壳体具有漏电流吸收电极，该漏电流吸收电极对从所述捕集电极及所述对置电极中的一方经所述壳体而向另一方流动的漏电流进行吸收。
2.根据权利要求1所述的微粒检测器，其特征在于，
所述漏电流吸收电极与地线连接。
3.根据权利要求1或2所述的微粒检测器，其特征在于，
所述漏电流吸收电极设置成：切断将所述捕集电极和所述对置电极连结的所述壳体内的电流路径。
4.根据权利要求3所述的微粒检测器，其特征在于，
所述电流路径的至少一部分由陶瓷形成，
所述漏电流吸收电极设置于所述由陶瓷形成的部分。
5.根据权利要求4所述的微粒检测器，其特征在于，
所述漏电流吸收电极跨设于所述由陶瓷形成的部分和所述壳体的内表面，或者跨设于所述由陶瓷形成的部分、所述壳体的内表面以及所述壳体的外表面。
6.根据权利要求1或2所述的微粒检测器，其特征在于，
所述漏电流吸收电极设置于所述壳体的内表面。
7.根据权利要求6所述的微粒检测器，其特征在于，
所述漏电流吸收电极按包围所述捕集电极的方式设置于与所述捕集电极相同的面。
8.根据权利要求5或6所述的微粒检测器，其特征在于，
所述漏电流吸收电极设置于所述壳体的内表面中的与设置有所述捕集电极的面不同的面。
9.根据权利要求1～8中的任一项所述的微粒检测器，其特征在于，
所述漏电流吸收电极在所述捕集电极的上方及下方位置从所述气体流路的气体导入口设置至气体排出口。
10.根据权利要求1～9中的任一项所述的微粒检测器，其特征在于，
所述捕集对象为所述带电微粒。
11.根据权利要求10所述的微粒检测器，其特征在于，
所述微粒检测器具备除去电极，该除去电极在所述气体流路内设置于所述电场产生部与所述捕集部之间，将没有带电于所述微粒的剩余电荷除去至地线，
使所述漏电流吸收电极与所述除去电极通用。
12.根据权利要求11所述的微粒检测器，其特征在于，
所述除去电极不具有使所述除去电极上产生电场的专用电源，利用在所述除去电极与配置于所述除去电极的周围的电压施加电极之间产生的电场，将所述剩余电荷除去至地线。
13.根据权利要求12所述的微粒检测器，其特征在于，
所述电压施加电极是：所述电荷产生部中的通过放电用电源而施加电压的放电电极、或者所述捕集部中的通过捕集用电源而施加电压的所述对置电极。
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