JP5960619B2 - 外部ガス流を利用した微粒子センサ - Google Patents

Description

本発明は、例えば、内燃機関の排気または吸気ダクト、火力プラント若しくは各種工業プロセスの煙突または煙道、室内の換気システムの換気ダクトなどに適用され、センサ部の外部を流れる外部ガス流を利用して、被測定ガス中の微粒子を検知する微粒子センサに関する。

微粒子を含んだエアロゾルを被測定ガスとし、この被測定ガス中の微粒子を検知する微粒子センサにおいて、センサ部の作動には、被測定ガス（エアロゾル）のガス流をセンサ部に適切に集めることが必要である。このガス流は、センサ部を直接通り抜けるか、または、センサ部の外部を流れる外部ガス流により生じる動圧（dynamic pressure）を利用して、センサ部内に導かれる。センサ部内を通過する被測定ガスの流れの体積流量は、例えば、ＷＯ２０１２／０２２８４３（特許文献２）に示される手段で特徴づけられる方法によって決定される。
その方法は、検出素子を用いて、粒子濃度の関数である信号を測定し、検出素子の出力に影響するパラメータを切り換えまたは変調し、切り換えまたは変調が検出素子の出力に引き起こす時間応答に基づいて体積流量を決定する。

一方、米国特許第７４０６８５５号明細書（特許文献１）は、排気管システムまたは相当する排気ガス管において使用される、燃焼機関の排気ガスからの粒子排出を決定する方法について記載している。その方法は、排気ガスに含まれる排出粒子が帯電され、排気ガス管内の排出粒子によって運ばれる電荷を測定することによって、粒子排出が決定される。排出粒子は、帯電の結果として、少なくとも２つの異なる荷電状態にされた排出粒子が存在するように、帯電方法または帯電電力を時間に関して変化させて帯電される。さらに、排出粒子の電荷は、少なくとも２つの異なる荷電状態にされた排出粒子から測定された差分値として決定される。しかしながら、この特許文献１では、センサを通じた体積流量の決定については教示していない。また、流体の流れにより生じる動圧を利用することについても教示していない。

米国特許第７４０６８５５号明細書 ＷＯ２０１２／０２２８４３

ところで、微粒子センサによって検知される微粒子の量は、被測定ガス中の帯電微粒子によって運ばれた電荷量に相当する電流を測定することにより、この電流の大きさに基づいて決定される。しかしながら、この電流の値と微粒子の量の関係は、被測定ガスの流れが所定の体積流量である場合に定まるものである。しかるに、外部ポンプを用いず、センサ部の外部を流れる外部ガス流によって、センサ部内に被測定ガスを通過させて、微粒子を検知する微粒子センサにおいては、被測定ガスの流れの体積流量が一定に定まらず、検知される微粒子の量に誤差を生じる。

本発明は、かかる知見に鑑みてなされたものであって、センサ部の外部を流れる外部ガス流を利用して、微粒子を検知する微粒子センサに関し、安価で、かつ、適切に微粒子の量を検知できる微粒子センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の一態様は、センサ部の外部を流れる外部ガス流によって、上記センサ部の内部に上記外部ガス流の少なくとも一部である被測定ガスの流れを通過させて、上記被測定ガス中に含まれる微粒子を検知する微粒子センサであって、上記被測定ガス中の微粒子の少なくとも一部にイオンを付着させ、帯電した帯電微粒子とする帯電化手段と、上記帯電化手段の下流において、上記イオンのうち上記微粒子に付着していない浮遊イオンを上記被測定ガスから除去する浮遊イオン除去手段と、上記被測定ガスの流れにより、上記センサ部の外部に運び去られた上記帯電微粒子に相当する電流を測定したセンサ信号を得る電流測定手段と、上記帯電化手段、上記浮遊イオン除去手段及び上記電流測定手段を用いて、上記被測定ガスの流れの体積流量を測定する流量測定手段と、上記センサ信号から得られる上記微粒子の量を、上記体積流量に応じて補正する補正手段と、を備え、前記流量測定手段は、前記浮遊イオン除去手段において、前記被測定ガスが流れる空間に掛ける電界強度を規定するトラップ電圧を調整し、前記センサ信号に基づき、上記浮遊イオン除去手段から前記浮遊イオンが漏れ始める上記トラップ電圧の限界電圧を検知する限界電圧検知手段と、上記限界電圧に基づいて、前記体積流量を決定する第２流量決定手段と、を含むる微粒子センサである。

この微粒子センサでは、このセンサ部の外部を流れる外部ガス流によって、センサ部の内部に外部ガス流の一部である被測定ガスの流れを通過させて、被測定ガス中に含まれる微粒子を検知する。そして、この微粒子センサでは、微粒子検知のために、帯電化手段と、浮遊イオン除去手段と、電流測定手段とを備えるほか、これら帯電化手段、浮遊イオン除去手段及び電流測定手段を用いて、被測定ガスの流れの体積流量を測定する流量測定手段を備える。さらに、センサ信号から得られる微粒子の量を、体積流量に応じて補正する補正手段を備える。

したがって、この微粒子センサでは、外部ポンプを用いなくとも、外部ガス流を利用して微粒子を検知でき、また、この微粒子の検知に際し、微粒子検知のための構成要素を用いて、被測定ガスの流れの体積流量を測定することができる。さらに、補正手段により、この体積流量に応じて微粒子の量を補正することができる。これにより、安価で、かつ、適切に微粒子の量を検知できる微粒子センサが得られる。
しかも、この微粒子センサでは、トラップ電圧の限界電圧を検知し、この限界電圧に基づいて、被測定ガスの流れの体積流量を決定する。
なお、トラップ電圧の限界電圧と被測定ガスの体積流量の間には、体積流量が大きいと限界電圧は高くなり、逆に、体積流量が小さいと限界電圧が低くなる相関関係がある。
このため、トラップ電圧の限界電圧を検知することで、被測定ガスの流れの体積流量を決定することができ、これにより、体積流量に応じて微粒子の量を適切に補正することができる。

なお、帯電化手段としては、例えば、気中コロナ放電によりイオンを生成し、生成したイオンを微粒子に付着させて、微粒子を帯電させるコロナ帯電器が挙げられる。
また、浮遊イオン除去手段としては、浮遊イオンがセンサ部の外に漏れ出さないように、電界設定電圧（トラップ電圧）を設定して被測定ガスに電界を印加し、浮遊イオンを被測定ガスから除去するイオントラップ（補助電極）が挙げられる。
また、電流測定手段としては、帯電微粒子によって運び去られた電荷量に相当する電流を測定する電流測定回路が挙げられる。

あるいは、前記流量測定手段が、前記帯電化手段及び前記浮遊イオン除去手段における、前記センサ信号に影響する少なくとも１つのパラメータを変調する変調手段と、上記変調に対する上記センサ信号の応答を用いて、前記被測定ガスが前記センサ部の内部に滞留している滞留時間を測定する滞留時間測定手段と、上記滞留時間に基づいて、前記体積流量を決定する第１流量決定手段と、を含む微粒子センサとするのも好ましい。

この微粒子センサでは、パラメータの変調によってセンサ信号がこれに応答して変化するので、この変調されたパラメータとセンサ信号との間に生じる位相差などの時間的な遅れを観測することにより、被測定ガスの流れの滞留時間を得て、さらに、被測定ガスの流れの体積流量を決定することができる。これにより、被測定ガスの流れの体積流量を適切に得て、さらに、この体積流量に応じて測定した微粒子の量を適切に補正することができる。

なお、変調手段で変調する好ましいパラメータとしては、具体的には、帯電化手段であるコロナ帯電器のコロナ電圧や、浮遊イオン除去手段であるイオントラップのトラップ電圧が挙げられる。

さらに、前記変調手段は、前記帯電化手段を、前記微粒子を帯電させるオンモードと、上記微粒子を帯電させないオフモードとの間で切り換える帯電切換手段を含む微粒子センサとするのも好ましい。

この微粒子センサでは、帯電化手段を、オンモードとオフモードとの間で切り換える。具体的には、コロナ帯電器のコロナ電圧をオンオフさせる変調を行い、イオンの生成を矩形波状に変化させる。
帯電化手段を用いてイオン生成を変調することで、これに応答して変調されたセンサ信号に基づき、滞留時間を容易に測定できる。

また、前記変調手段は、前記浮遊イオン除去手段において、前記被測定ガスが流れる空間に掛ける電界強度を規定するトラップ電圧を時間的に変化させる電圧変調手段を含む微粒子センサとするのも好ましい。

この微粒子センサでは、電圧変調手段で、浮遊イオン除去手段のトラップ電圧を変調することで、これに応答して変調されたセンサ信号に基づき、滞留時間を容易に測定できる。

参考形態１に係る微粒子センサの概略構成を示す説明図である。 参考形態１に係る微粒子センサの微粒子検知の動作を示すフローチャートである。 参考形態２に係る微粒子センサの概略構成を示す説明図である。 参考形態２に係る微粒子センサの微粒子検知の動作を示すフローチャートである。 実施形態に係る微粒子センサの概略構成を示す説明図である。 実施形態に係る微粒子センサにおける、トラップ電圧と排出される浮遊イオンの量との関係を示したグラフである。 図６に示したトラップ電圧と排出される浮遊イオンの量との関係を、トラップ電圧と電流測定器で測定される電流との関係で示したグラフである。 実施形態に係る微粒子センサの微粒子検知の動作を示すフローチャートである。

（参考形態１）
図１は、参考形態１に係る微粒子センサ１の概略構成を示す。金属製の排気ガス管ＥＰには、図１中、左から右に、微粒子Ｓを含んだ排気ガスである外部ガス流ＥＦが流れている。微粒子センサ１のうちセンサ部１０は、排気ガス管ＥＰ内に設置されている。センサ部１０は、網目状電極Ｎによって、限定された空間ＶＴを規定している。これにより、センサ部１０は、外部ガス流ＥＦによって、空間ＶＴで規定されるセンサ部１０（網目状電極Ｎ）の内部に外部ガス流ＥＦの一部である被測定ガスＥＧの流れを通過させて、この被測定ガスＥＧ中に含まれる微粒子Ｓを検知する。また、この被測定ガスＥＧの流れは、センサ部１０の内部を、図１中、左から右に通り抜けて、微粒子Ｓの検知に用いられた後、センサ部１０の外部に排出される。

なお、網目状電極Ｎは、後述するように、トラップ電源ＴＮと共にイオントラップＴ１を構成しており、微粒子センサ１は、このイオントラップＴ１のほか、帯電器Ｃ１、電流測定器Ｄ１、及び、これらを制御する制御回路であって、マイクロプロセッサ１０１を中心に構成された制御部１００を備えている。
このうち、帯電器Ｃ１は、高圧電源ＨＶ、電極ＨＶＥ及びコロナ先端Ｐを含み、高圧電源ＨＶによって、電極ＨＶＥとコロナ先端Ｐとの間にコロナ電圧Ｖをパルス状に印加して、気中コロナ放電を発生させるコロナ帯電器である。そして、この気中コロナ放電によって生成されたイオンＣＰは、網目状電極Ｎ内（センサ部１０内）で被測定ガスＥＧ中の微粒子Ｓに付着する。これにより、微粒子ＳはイオンＣＰが付着して帯電した帯電微粒子ＳＣとなる。なお、帯電器Ｃ１の高圧電源ＨＶ、電極ＨＶＥ及びコロナ先端Ｐと排気ガス管ＥＰの間は、絶縁体ＩＳによって絶縁されている。

また、イオントラップＴ１は、トラップ電源ＴＮ及び補助電極をなす網目状電極Ｎを含み、網目状電極Ｎにより限定された空間ＶＴを規定する一方、帯電器Ｃ１で生成したイオンＣＰが、網目状電極Ｎが規定する空間ＶＴから漏れ出さないように、トラップ電源ＴＮによって、網目状電極Ｎにトラップ電圧ＴＶを設定して被測定ガスＥＧが流れる空間ＶＴに電界を印加し、微粒子Ｓに付着していない浮遊イオンＣＰＦを被測定ガスＥＧから除去する。なお、トラップ電圧ＴＶは、電界強度を規定する電圧である。そして、このトラップ電圧ＴＶを印加した網目状電極Ｎは、空間ＶＴから浮遊イオンＣＰＦが漏れ出すのを制限する一方、帯電微粒子ＳＣの移動には有意な作用を及ぼさない。

また、電流測定器Ｄ１は、被測定ガスＥＧの流れにより、センサ部１０の外部へと帯電微粒子ＳＣによって運び去られた電荷量に相当する電流Ｉを測定し、この電流Ｉに対応するセンサ信号ＳＧを得る電流測定回路である。電流Ｉの大きさは、微粒子Ｓの量（単位：個／ｃｍ³，ｇ／ｃｍ³）と相関関係があり、電流Ｉに対応するセンサ信号ＳＧから微粒子Ｓの量が得られる。

そして、マイクロプロセッサ１０１を備える制御部１００は、帯電器Ｃ１のコロナ電圧Ｖ及びイオントラップＴ１のトラップ電圧ＴＶを制御すると共に、電流測定器Ｄ１で得たセンサ信号ＳＧを入力して、微粒子Ｓの量を算出する。

ところで、外部ガス流ＥＦの流速は、一定とは限らないため、被測定ガスＥＧの体積流量ＱＶも一定ではない。しかしながら、上述した電流Ｉの大きさと微粒子Ｓの量の相関関係は、被測定ガスＥＧの流れが所定の体積流量ＱＶである場合に当てはまるものである。このため、微粒子Ｓの量を適切に検知するためには、被測定ガスＥＧの体積流量ＱＶを求め、この体積流量ＱＶに応じて、得られた微粒子Ｓの量を補正する必要がある。

そこで、この微粒子センサ１では、制御部１００によって、帯電器Ｃ１のコロナ電圧Ｖを、微粒子Ｓを帯電させるオンモードと、微粒子Ｓを帯電させないオフモードとの間で切り換える。具体的には、コロナ電圧Ｖを矩形パルス状に周期的に発生させて、コロナ電圧Ｖを変調する。これにより、図１に示すように、電流測定器Ｄ１で測定される電流Ｉ（電流Ｉに対応するセンサ信号ＳＧ）も、オンモードに応答する電流Ｉが流れる期間と、オフモードに応答する電流Ｉが流れない期間（Ｉ＝０）とを繰り返す周期的な波形となる。ここで、帯電器Ｃ１で発生させたコロナ電圧Ｖと電流測定器Ｄ１で測定される電流Ｉ（センサ信号ＳＧ）の間の位相差を示す、コロナ電圧Ｖに対するセンサ信号ＳＧの遅れ時間（以下、遅れ時間ｔｄ１）から、被測定ガスＥＧが、センサ部１０（網目状電極Ｎ）の内部に滞留している時間（以下、滞留時間ＲＴ）を測定することができる。そして、この滞留時間ＲＴから、被測定ガスＥＧの流れの体積流量ＱＶを決定することができる。
さらに、電流Ｉの大きさ（センサ信号ＳＧ）に基づいて得られる微粒子Ｓの量を、この体積流量ＱＶに応じて補正することで、適切な補正された微粒子Ｓの量を検知することができる。

図２は、本参考形態１に係る微粒子センサ１のうち、制御部１００のマイクロプロセッ
サ１０１による微粒子検知の動作を示すフローチャートである。マイクロプロセッサ１０
１がこのフローチャートに示す微粒子検知の動作を開始する際には、センサ部１０の内部
である網目状電極Ｎで規定される空間ＶＴに、外部ガス流ＥＦの一部である被測定ガスＥ
Ｇの流れが通過している。

まず、ステップＳ１では、帯電器Ｃ１の高圧電源ＨＶを制御することにより、コロナ電圧Ｖを矩形パルス状に周期的に発生させて、コロナ電圧Ｖの変調を開始する。これにより、コロナ電圧Ｖを、被測定ガスＥＧ中の微粒子Ｓを帯電させるオンモードと、被測定ガスＥＧ中の微粒子Ｓを帯電させないオフモードとの間で切り換える。
次いで、ステップＳ２では、イオントラップＴ１のトラップ電源ＴＮを制御し、網目状電極Ｎのトラップ電圧ＴＶ一定による駆動を開始する。これにより、被測定ガスＥＧが流れる空間ＶＴにトラップ電圧ＴＶで規定される電界強度の電界が印加される。

次いで、ステップＳ３では、電流測定器Ｄ１で、被測定ガスＥＧの流れにより、センサ部１０（網目状電極Ｎ）の外部へと帯電微粒子ＳＣによって運び去られた電荷量に相当する電流Ｉを測定し、電流Ｉに対応するセンサ信号ＳＧを得る。
そして、ステップＳ４では、変調したコロナ電圧Ｖに対するセンサ信号ＳＧの遅れ時間ｔｄ１を得て、この遅れ時間ｔｄ１から、被測定ガスＥＧが、センサ部１０（網目状電極Ｎ）の内部に滞留している滞留時間ＲＴを測定する。

次いで、ステップＳ５では、この滞留時間ＲＴから、被測定ガスＥＧの流れの体積流量ＱＶを算出し、決定する。
そして、微粒子測定の開始指示があるまでは、ステップＳ６でＮｏとなって、ステップＳ３からステップＳ５までを繰り返して、体積流量ＱＶの測定を継続する。

その後、微粒子測定の開始指示が出されると、ステップＳ６でＹｅｓと判断され、ステップＳ７に進む。ステップ７では、帯電器Ｃ１のコロナ電圧Ｖの変調を停止し、コロナ電圧Ｖを一定とする。
次いで、ステップＳ８では、コロナ電圧Ｖ及びトラップ電圧ＴＶを一定とした状態で、電流測定器Ｄ１で測定した電流Ｉに対応するセンサ信号ＳＧから、補正前の微粒子Ｓの量を得る。
そして、続くステップＳ９で、ステップＳ８で得た微粒子Ｓの量を、ステップＳ５で得た体積流量ＱＶに応じて補正し、補正された微粒子Ｓの量を得て、微粒子検知を終了する。

本参考形態１において、帯電器Ｃ１が、帯電化手段に相当し、この帯電器Ｃ１のコロナ電圧Ｖをオンモードとオフモードとの間で切り換える、ステップＳ１を実行している制御部１００のマイクロプロセッサ１０１が、変調手段のうちの帯電切換手段に相当する。また、イオントラップＴ１が浮遊イオン除去手段に相当し、電流測定器Ｄ１が電流測定手段に相当する。
また、ステップＳ１〜ステップＳ５を実行している制御部１００のマイクロプロセッサ１０１が流量測定手段に相当し、このうち、ステップＳ４を実行している制御部１００のマイクロプロセッサ１０１が滞留時間測定手段に、ステップＳ５を実行している制御部１００のマイクロプロセッサ１０１が第１流量決定手段にそれぞれ相当する。
また、ステップＳ９を実行している制御部１００のマイクロプロセッサ１０１が補正手段に相当する。

以上で説明したように、本参考形態１の微粒子センサ１では、排気ガス管ＥＰ内で、センサ部１０の外部を流れる外部ガス流ＥＦによって、空間ＶＴで規定されるセンサ部１０（網目状電極Ｎ）の内部に外部ガス流ＥＦの一部である被測定ガスＥＧの流れを通過させて、被測定ガスＥＧ中に含まれる微粒子Ｓを検知する。そして、この微粒子センサ１では、微粒子検知のために、帯電器Ｃ１（帯電化手段）と、イオントラップＴ１（浮遊イオン除去手段）と、電流測定器Ｄ１（電流測定手段）とを備えるほか、これら微粒子検知のための帯電器Ｃ１（帯電化手段）、イオントラップＴ１（浮遊イオン除去手段）及び電流測定器Ｄ１（電流測定手段）を用いて、被測定ガスＥＧの流れの体積流量ＱＶを測定する流量測定手段（ステップＳ１〜Ｓ５）を備えている。さらに、電流Ｉを測定したセンサ信号ＳＧから得られる微粒子Ｓの量を、体積流量ＱＶに応じて補正する補正手段（ステップＳ９）を備えている。

したがって、この微粒子センサ１では、外部ポンプを用いなくとも、外部ガス流ＥＦを利用して微粒子Ｓを検知でき、また、微粒子Ｓの検知のための帯電器Ｃ１（帯電化手段）、イオントラップＴ１（浮遊イオン除去手段）及び電流測定器Ｄ１（電流測定手段）を用いて、被測定ガスＥＧの流れの体積流量ＱＶを測定することができる（ステップＳ１〜Ｓ５）。さらに、補正手段（ステップＳ９）により、体積流量ＱＶに応じて微粒子Ｓの量を補正することができる。これにより、安価で、かつ、適切に微粒子Ｓの量を検知できる微粒子センサ１が得られる。

さらに、本参考形態１の微粒子センサ１では、コロナ電圧Ｖの変調に応答して電流Ｉに対応するセンサ信号ＳＧが変化するので、変調したコロナ電圧Ｖと電流測定器Ｄ１で測定される電流Ｉ（センサ信号ＳＧ）との間の位相差である遅れ時間ｔｄ１から、被測定ガスＥＧの流れの滞留時間ＲＴを適切に得て、被測定ガスＥＧの流れの体積流量ＱＶを決定することができる。これにより、体積流量ＱＶを適切に得て、さらに、この体積流量ＱＶに応じて測定した微粒子Ｓの量を適切に補正することができる。

さらに、本参考形態１の微粒子センサ１では、帯電器Ｃ１（帯電化手段）のコロナ電圧Ｖを、微粒子Ｓを帯電させるオンモードと、微粒子Ｓを帯電させないオフモードとの間で切り換えて、コロナ電圧Ｖを変調している（ステップＳ１：帯電切換手段）。
帯電器Ｃ１（帯電化手段）を用いてこのような変調を行うことで、これに応答して変調されたセンサ信号ＳＧに基づき、滞留時間ＲＴを容易に測定できる。

（参考形態２）
図３は、参考形態２に係る微粒子センサ２の概略構成を示す。この微粒子センサ２は、センサ部２０が排気ガス管ＥＰ内に設置されると共に、限定された空間ＶＴを規定する網目状電極Ｎ及びトラップ電源ＴＮにより構成されるイオントラップＴ２のほか、帯電器Ｃ２、電流測定器Ｄ２、及び、これらを制御する制御部２００（マイクロプロセッサ２０１）を備えており、参考形態１とほぼ同様の構成を有する。
但し、参考形態１が、帯電器Ｃ１の高圧電源ＨＶを制御することにより、コロナ電圧Ｖを変調していたのに対し、本参考形態２の微粒子センサ２では、イオントラップＴ２のトラップ電源ＴＮを制御し、網目状電極Ｎのトラップ電圧ＴＶを所定パターンで、変調している点で異なる。
具体的には、本参考形態２では、コロナ電圧Ｖは一定である一方、トラップ電圧ＴＶをパルス状に周期的に発生させて、トラップ電圧ＴＶを変調している。

このように、コロナ電圧Ｖに代えて、トラップ電圧ＴＶを変調させた場合にも、浮遊イオンＣＰＦが空間ＶＴから漏れる場合と漏れない場合が周期的に生じることになり、電流測定器Ｄ２で測定される電流Ｉが周期的に変化する（図３参照）。これにより、参考形態１と同様に、イオントラップＴ２で発生させた網目状電極Ｎのトラップ電圧ＴＶと電流測定器Ｄ２で測定される電流Ｉ（センサ信号ＳＧ）の間の位相差を示す、トラップ電圧ＴＶに対するセンサ信号ＳＧの遅れ時間（以下、遅れ時間ｔｄ２）から、被測定ガスＥＧの流れの滞留時間ＲＴを測定することができる。そして、この滞留時間ＲＴから、被測定ガスＥＧの流れの体積流量ＱＶを決定することができる。
さらに、電流Ｉの大きさ（センサ信号ＳＧ）に基づいて得た微粒子Ｓの量を、この体積流量ＱＶに応じて補正することで、適切な補正された微粒子Ｓの量を検知することができる。

図４は、本参考形態２に係る微粒子センサ２のうち、制御部２００のマイクロプロセッサ２０１による微粒子検知の動作を示すフローチャートである。マイクロプロセッサ２０１がこのフローチャートに示す微粒子検知の動作を開始する際には、空間ＶＴに、外部ガス流ＥＦの一部である被測定ガスＥＧの流れが通過している。

まず、ステップＳ１１では、帯電器Ｃ２の高圧電源ＨＶを制御し、コロナ電圧Ｖを一定として、帯電器Ｃ２の駆動を開始する。これにより、被測定ガスＥＧ中の微粒子Ｓが帯電される。
次いで、ステップＳ１２では、イオントラップＴ２のトラップ電源ＴＮを制御することにより、網目状電極Ｎのトラップ電圧ＴＶを矩形パルス状に駆動して、トラップ電圧ＴＶの変調を開始する。これにより、被測定ガスＥＧが流れる空間ＶＴに印加される電界の電界強度が時間的に変化する。

次いで、ステップＳ１３では、電流測定器Ｄ２で、被測定ガスＥＧの流れにより、センサ部２０（網目状電極Ｎ）の外部へと帯電微粒子ＳＣによって運び去られた電荷量に相当する電流Ｉを測定し、電流Ｉに対応するセンサ信号ＳＧを得る。
そして、ステップＳ１４では、変調したトラップ電圧ＴＶに対するセンサ信号ＳＧの遅れ時間ｔｄ２を得て、この遅れ時間ｔｄ２から、被測定ガスＥＧが、センサ部２０（網目状電極Ｎ）の内部に滞留している滞留時間ＲＴを測定する。

次いで、ステップＳ１５では、この滞留時間ＲＴから、被測定ガスＥＧの流れの体積流量ＱＶを算出し、決定する。
そして、微粒子測定の開始指示があるまでは、ステップＳ１６でＮｏとなって、ステップＳ１３からステップＳ１５までを繰り返して、体積流量ＱＶの測定を継続する。

その後、微粒子測定の開始指示が出されると、ステップＳ１６でＹｅｓと判断され、ステップＳ１７に進む。ステップＳ１７では、イオントラップＴ２のトラップ電圧ＴＶの変調を停止し、トラップ電圧ＴＶを一定とする。
次いで、ステップＳ１８では、コロナ電圧Ｖ及びトラップ電圧ＴＶを一定とした状態で、電流測定器Ｄ２で測定した電流Ｉに対応するセンサ信号ＳＧから、補正前の微粒子Ｓの量を得る。
そして、続くステップＳ１９で、ステップＳ１８で得た微粒子Ｓの量を、ステップＳ１５で得た体積流量ＱＶに応じて補正し、補正された微粒子Ｓの量を得て、微粒子検知を終了する。

本参考形態２において、帯電器Ｃ２が、帯電化手段に相当する。また、イオントラップＴ２が浮遊イオン除去手段に相当し、このイオントラップＴ２の網目状電極Ｎのトラップ電圧ＴＶを時間的に変化させて変調する、ステップＳ１２を実行している制御部２００のマイクロプロセッサ２０１が、変調手段のうちの電圧変調手段に相当する。
また、ステップＳ１１〜ステップＳ１５を実行している制御部２００のマイクロプロセッサ２０１が流量測定手段に相当し、このうち、ステップＳ１４を実行している制御部２００のマイクロプロセッサ２０１が滞留時間測定手段に、ステップＳ１５を実行している制御部２００のマイクロプロセッサ２０１が第１流量決定手段にそれぞれ相当する。
また、ステップＳ１９を実行している制御部２００のマイクロプロセッサ２０１が補正手段に相当する。

このように、本参考形態２の微粒子センサ２では、参考形態１と同様に、微粒子検知のために、帯電器Ｃ２（帯電化手段）と、イオントラップＴ２（浮遊イオン除去手段）と、電流測定器Ｄ２（電流測定手段）とを備えるほか、被測定ガスＥＧの流れの体積流量ＱＶを測定する流量測定手段（ステップＳ１１〜Ｓ１５）、電流Ｉを測定したセンサ信号ＳＧから得られる微粒子Ｓの量を、体積流量ＱＶに応じて補正する補正手段（ステップＳ１９）を備えている。

したがって、この微粒子センサ２では、参考形態１と同様に、外部ポンプを用いなくとも、外部ガス流ＥＦを利用して微粒子Ｓを検知でき、また、微粒子Ｓの検知のための帯電器Ｃ２（帯電化手段）、イオントラップＴ２（浮遊イオン除去手段）及び電流測定器Ｄ２（電流測定手段）を用いて、被測定ガスＥＧの流れの体積流量ＱＶを測定することができる（ステップＳ１１〜Ｓ１５）。さらに、補正手段（ステップＳ１９）により、体積流量ＱＶに応じて微粒子Ｓの量を補正することができる。これにより、参考形態１と同様に、安価で、かつ、適切に微粒子Ｓの量を検知できる微粒子センサ２が得られる。

また、本参考形態２の微粒子センサ２では、トラップ電圧ＴＶの変調に応答して電流Ｉに対応するセンサ信号ＳＧが変化するので、変調したトラップ電圧ＴＶと電流測定器Ｄ２で測定される電流Ｉ（センサ信号ＳＧ）との間の位相差である遅れ時間ｔｄ２から、被測定ガスＥＧの流れの滞留時間ＲＴを適切に得て、被測定ガスＥＧの流れの体積流量ＱＶを決定することができる。これにより、体積流量ＱＶを適切に得て、さらに、この体積流量ＱＶに応じて測定した微粒子Ｓの量を適切に補正することができる。

さらに、本参考形態２の微粒子センサ２では、イオントラップＴ２（浮遊イオン除去手段）の網目状電極Ｎのトラップ電圧ＴＶを時間的に変化させて変調している（電圧変調手段）。
イオントラップＴ２（浮遊イオン除去手段）を用いてこのような変調を行うことで、これに応答して変調されたセンサ信号ＳＧに基づき、滞留時間ＲＴを容易に測定できる。

（実施形態）
図５は、本発明の実施形態に係る微粒子センサ３の概略構成を示す。この微粒子センサ３は、センサ部３０が排気ガス管ＥＰ内に設置されると共に、限定された空間ＶＴを規定する網目状電極Ｎ及びトラップ電源ＴＮにより構成されるイオントラップＴ３のほか、帯電器Ｃ３、電流測定器Ｄ３、及び、これらを制御する制御部３００（マイクロプロセッサ３０１）を備えており、参考形態１，２とほぼ同様の構成を有する。
前述したように、参考形態１では、帯電器Ｃ１のコロナ電圧Ｖを、参考形態２では、イオントラップＴ２の網目状電極Ｎのトラップ電圧ＴＶを、それぞれ変調させた。
これに対し、本実施形態の微粒子センサ３では、イオントラップＴ３の網目状電極Ｎのトラップ電圧ＴＶを調整して、帯電器Ｃ３で生成したイオンＣＰのうち微粒子Ｓに付着していない浮遊イオンＣＰＦが、網目状電極Ｎが規定する空間ＶＴから漏れ始めるトラップ電圧ＴＶの限界電圧ＬＶを、電流測定器Ｄ３で測定される電流Ｉ（センサ信号ＳＧ）から検知する。

トラップ電圧ＴＶの限界電圧ＬＶと被測定ガスＥＧの体積流量ＱＶの間には、体積流量ＱＶが大きいと限界電圧ＬＶは高くなり、逆に、体積流量ＱＶが小さいと限界電圧ＬＶが低くなる相関関係がある。

例えば、被測定ガスＥＧの流れが所定の体積流量ＱＶ（ＱＶ＝ＱＶ１）である場合に、図６中、実線で示すトラップ電圧ＴＶと排出される浮遊イオンＣＰＦの量との関係が得られたとする。この図６から判るように、トラップ電圧ＴＶが所定の値（図６では、ＴＶ＝ＬＶ１）以上では、排出される浮遊イオンＣＰＦの量は、ほぼ０となる一方、トラップ電圧ＴＶがこの所定の値（ＴＶ＝ＬＶ１）より低い値では、トラップ電圧ＴＶの低下と共に、排出される浮遊イオンＣＰＦの量が増加する。上述の所定の値（ＴＶ＝ＬＶ１）は、浮遊イオンＣＰＦが漏れ始めるトラップ電圧ＴＶの限界電圧ＬＶである（ＬＶ＝ＬＶ１）。

これに対し、被測定ガスＥＧの流れの体積流量ＱＶが低下すると（ＱＶ＝ＱＶ２＜ＱＶ１）、トラップ電圧ＴＶと排出される浮遊イオンＣＰＦの量との関係は、図６中、破線で示す特性に変化する。すなわち、体積流量ＱＶの低下に伴って、トラップ電圧ＴＶの限界電圧ＬＶも低下する（ＬＶ＝ＬＶ２）。
なお、トラップ電圧ＴＶが限界電圧ＬＶ以下になって、浮遊イオンＣＰＦが排出されると、排出された浮遊イオンＣＰＦの量は、電流測定器Ｄ３で測定される電流Ｉに加算される。
また、被測定ガスＥＧの流れの体積流量ＱＶの大きさにより、単位時間当たりに運び去られた帯電微粒子ＳＣによる電流Ｉも変化し、体積流量ＱＶが大きいほど、電流Ｉも大きくなる。

このため、図６に示すトラップ電圧ＴＶと排出される浮遊イオンＣＰＦの量との関係を、トラップ電圧ＴＶと電流測定器Ｄ３で測定される電流Ｉ（センサ信号ＳＧ）との関係で示すと、図７のグラフが得られる。
この図７の実線と破線で示すグラフのように、体積流量ＱＶの大きさにより（ＱＶ１＞ＱＶ２）、トラップ電圧ＴＶの限界電圧ＬＶが異なる（ＬＶ１＞ＬＶ２）ことに加えて、限界電圧ＬＶ以上の領域における電流Ｉの大きさも異なる。しかし、いずれの場合にも、トラップ電圧ＴＶが限界電圧ＬＶ以下では、トラップ電圧ＴＶの低下と共に電流Ｉが増加する。
したがって、トラップ電圧ＴＶの限界電圧ＬＶは、電流測定器Ｄ３で測定される電流Ｉ（センサ信号ＳＧ）から検知することが可能である。

そして、図７のグラフから判るように、トラップ電圧ＴＶの限界電圧ＬＶと体積流量ＱＶの間には、密接な相関関係があるので、限界電圧ＬＶを検知することにより、この限界電圧ＬＶに基づいて、被測定ガスＥＧの流れの体積流量ＱＶを適切に判定することができる。
さらに、電流Ｉの大きさ（センサ信号ＳＧ）に基づいて得た微粒子Ｓの量を、この体積流量ＱＶに応じて補正することで、適切な補正された微粒子Ｓの量を検知することができる。

図８は、本実施形態に係る微粒子センサ３のうち、制御部３００のマイクロプロセッサ３０１による微粒子検知の動作を示すフローチャートである。マイクロプロセッサ３０１がこのフローチャートに示す微粒子検知の動作を開始する際には、空間ＶＴに、外部ガス流ＥＦの一部である被測定ガスＥＧの流れが通過している。

まず、ステップＳ２１では、帯電器Ｃ３の高圧電源ＨＶを制御し、コロナ電圧Ｖを一定として、帯電器Ｃ３の駆動を開始する。これにより、被測定ガスＥＧ中の微粒子Ｓが帯電される。
次いで、ステップＳ２２では、イオントラップＴ３のトラップ電源ＴＮを制御し、網目状電極Ｎのトラップ電圧ＴＶを所定の値として駆動を開始する。これにより、被測定ガスＥＧが流れる空間ＶＴにトラップ電圧ＴＶで規定される電界強度の電界が印加される。

次いで、ステップＳ２３では、トラップ電圧ＴＶの限界電圧ＬＶを検知するために、トラップ電圧ＴＶを、現状の値から下げる方向に変化させる（一定値分下げる）。
そして、ステップＳ２４では、電流測定器Ｄ３で電流Ｉを測定し、電流Ｉに対応するセンサ信号ＳＧを得ることにより、このセンサ信号ＳＧから、ステップＳ２３で変化させたトラップ電圧ＴＶに応答して、浮遊イオンＣＰＦが網目状電極Ｎが規定する空間ＶＴから漏れ出すトラップ電圧ＴＶの限界電圧ＬＶを検知する。
次いで、ステップＳ２５では、トラップ電圧ＴＶの限界電圧ＬＶが検知できたか否かを判定する。限界電圧ＬＶが検知できなかった場合は（Ｎｏ）、ステップＳ２３に戻り、再度ステップＳ２３，Ｓ２４を繰り返して、限界電圧ＬＶの検知を継続する。前述したように、トラップ電圧ＴＶの限界電圧ＬＶでは、浮遊イオンＣＰＦが漏れだして、電流Ｉの値が急激に増加するので、この電流Ｉの急激な増加に対応するセンサ信号ＳＧの変化点が検知できるまで、トラップ電圧ＴＶを現状の値から下げる方向に変化させる（一定値分下げる）のと、限界電圧ＬＶの検知とを繰り返し行う。そして、限界電圧ＬＶが検知できた場合は（Ｙｅｓ）、ステップＳ２６に進む。

ステップＳ２６では、検知された限界電圧ＬＶに基づいて、被測定ガスＥＧの流れの体積流量ＱＶを決定する。そして、微粒子測定の開始指示があるまでは、ステップＳ２７でＮｏとなってステップＳ２２に戻り、トラップ電圧ＴＶを所定の値に再度設定した後、ステップＳ２３からステップＳ２６までを繰り返して、体積流量ＱＶの測定を継続する。

その後、微粒子測定の開始指示が出されると、ステップＳ２７でＹｅｓと判断され、ステップＳ２８に進む。ステップＳ２８では、イオントラップＴ３のトラップ電圧ＴＶを所定の値に戻す。
次いで、ステップＳ２９では、コロナ電圧Ｖ及びトラップ電圧ＴＶを所定の値とした状態で、電流測定器Ｄ３で測定した電流Ｉに対応するセンサ信号ＳＧから、補正前の微粒子Ｓの量を得る。
そして、続くステップＳ３０で、ステップＳ２９で得た微粒子Ｓの量を、ステップＳ２６で得た体積流量ＱＶに応じて補正し、補正された微粒子Ｓの量を得て、微粒子検知を終了する。

本実施形態において、帯電器Ｃ３が、本発明の帯電化手段に相当する。また、イオントラップＴ３が浮遊イオン除去手段に相当する。
また、ステップＳ２１〜ステップＳ２６を実行している制御部３００のマイクロプロセッサ３０１が流量測定手段に相当し、このうち、ステップＳ２２〜Ｓ２５を実行している制御部３００のマイクロプロセッサ３０１が限界電圧検知手段に、ステップＳ２６を実行している制御部３００のマイクロプロセッサ３０１が第２流量決定手段にそれぞれ相当する。
また、ステップＳ３０を実行している制御部３００のマイクロプロセッサ３０１が補正手段に相当する。

このように、本実施形態の微粒子センサ３では、参考形態１，２と同様に、微粒子検知のために、帯電器Ｃ３（帯電化手段）と、イオントラップＴ３（浮遊イオン除去手段）と、電流測定器Ｄ３（電流測定手段）とを備えるほか、被測定ガスＥＧの流れの体積流量ＱＶを測定する流量測定手段（ステップＳ２１〜Ｓ２６）、電流Ｉを測定したセンサ信号ＳＧから得られる微粒子Ｓの量を、体積流量ＱＶに応じて補正する補正手段（ステップＳ３０）を備えている。

したがって、この微粒子センサ３では、参考形態１，２と同様に、外部ポンプを用いなくとも、外部ガス流ＥＦを利用して微粒子Ｓを検知でき、また、微粒子Ｓの検知のための帯電器Ｃ３（帯電化手段）、イオントラップＴ３（浮遊イオン除去手段）及び電流測定器Ｄ３（電流測定手段）を用いて、被測定ガスＥＧの流れの体積流量ＱＶを測定することができる（ステップＳ２１〜Ｓ２６）。さらに、補正手段（ステップＳ３０）により、体積流量ＱＶに応じて微粒子Ｓの量を補正することができる。これにより、参考形態１，２と同様に、安価で、かつ、適切に微粒子Ｓの量を検知できる微粒子センサ３が得られる。

さらに、本実施形態の微粒子センサ３では、トラップ電圧ＴＶの限界電圧ＬＶを検知し、この限界電圧ＬＶに基づいて、被測定ガスＥＧの流れの体積流量ＱＶを決定している。
これにより、体積流量ＱＶを適切に得て、さらに、この体積流量ＱＶに応じて微粒子Ｓの量を適切に補正することができる。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
そのほか、参考形態１では、変調手段として、帯電器Ｃ１（帯電化手段）のコロナ電圧Ｖを変調する帯電切換手段を備え、一方、参考形態２では、変調手段として、イオントラップＴ２（浮遊イオン除去手段）の網目状電極Ｎのトラップ電圧ＴＶを変調する電圧変調手段を備えていた。
しかし、変調手段としては、帯電器のコロナ電圧Ｖを変調する帯電切換手段、及び、イオントラップの網目状電極Ｎのトラップ電圧ＴＶを変調する電圧変調手段を共に備える構成としても良い。

ＥＰ 排気ガス管
ＥＦ 外部ガス流
ＥＧ 被測定ガス
Ｓ 微粒子
ＳＣ 帯電微粒子
ＣＰ イオン
ＣＰＦ 浮遊イオン
Ｉ 電流
ＳＧ センサ信号
Ｖ コロナ電圧
ＴＶ トラップ電圧
ＬＶ 限界電圧
ＶＴ 空間
ＱＶ 体積流量
１，２，３ 微粒子センサ
１０，２０，３０ センサ部
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３ 帯電器（コロナ帯電器、帯電化手段）
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３ イオントラップ（浮遊イオン除去手段）
Ｎ 網目状電極
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３ 電流測定器（電流測定手段）
ＲＴ 滞留時間
１００，２００，３００ 制御部
１０１，２０１，３０１ マイクロプロセッサ
Ｓ１〜Ｓ５，Ｓ１１〜Ｓ１５，Ｓ２１〜Ｓ２６ 流量測定手段
Ｓ１ 帯電切換手段（変調手段）
Ｓ１２ 電圧変調手段（変調手段）
Ｓ４，Ｓ１４ 滞留時間測定手段
Ｓ５，Ｓ１５ 第１流量決定手段
Ｓ２２〜Ｓ２５ 限界電圧検知手段
Ｓ２６ 第２流量決定手段
Ｓ９，Ｓ１９，Ｓ３０ 補正手段

Claims (1)

1. センサ部の外部を流れる外部ガス流によって、上記センサ部の内部に上記外部ガス流の少なくとも一部である被測定ガスの流れを通過させて、上記被測定ガス中に含まれる微粒子を検知する微粒子センサであって、
   上記被測定ガス中の微粒子の少なくとも一部にイオンを付着させ、帯電した帯電微粒子とする帯電化手段と、
   上記帯電化手段の下流において、上記イオンのうち上記微粒子に付着していない浮遊イオンを上記被測定ガスから除去する浮遊イオン除去手段と、
   上記被測定ガスの流れにより、上記センサ部の外部に運び去られた上記帯電微粒子に相当する電流を測定したセンサ信号を得る電流測定手段と、
   上記帯電化手段、上記浮遊イオン除去手段及び上記電流測定手段を用いて、上記被測定ガスの流れの体積流量を測定する流量測定手段と、
   上記センサ信号から得られる上記微粒子の量を、上記体積流量に応じて補正する補正手段と、を備え、
   前記流量測定手段は、
   前記浮遊イオン除去手段において、前記被測定ガスが流れる空間に掛ける電界強度を規定するトラップ電圧を調整し、前記センサ信号に基づき、上記浮遊イオン除去手段から前記浮遊イオンが漏れ始める上記トラップ電圧の限界電圧を検知する限界電圧検知手段と、
   上記限界電圧に基づいて、前記体積流量を決定する第２流量決定手段と、を含む
   微粒子センサ。

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