JP6711183B2 - 微粒子検出器及び排気浄化装置 - Google Patents

微粒子検出器及び排気浄化装置 Download PDF

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Description

本発明は、微粒子検出器及び排気浄化装置に関するものである。
現在、排気に含まれるＰＭ（Particulate matter）等の微粒子を捕集する装置として、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）が用いられた排気浄化装置が実用化されている。このような排気浄化装置は、使用によりＤＰＦにＰＭ等の微粒子が堆積するため、ＤＰＦを再生することが求められる。ＤＰＦを再生する方法としては、例えば、マイクロ波加熱装置から放射されたマイクロ波等の高周波電磁波を用いる方法が開示されている（例えば、特許文献１）。具体的には、この方法は、ＤＰＦにマイクロ波等の電磁波を照射することにより、ＤＰＦに堆積しているＰＭ等の微粒子を加熱し、燃焼させて、ＤＰＦの再生を行う方法である。
特開平１０−２２０２１９号公報 特表２０１２−５０７６６０号公報 特公平５−４４５２９号公報 特開２００９−５７９４８号公報
上述した排気浄化装置では、ＤＰＦの再生は、ＤＰＦ内にＰＭ等の微粒子がある程度堆積した際に、ＤＰＦにマイクロ波等の電磁波を照射することにより、ＰＭ等の微粒子が加熱され、酸化分解されることにより行われる。しかしながら、ＤＰＦは、筐体に覆われているため、ＤＰＦ内にＰＭ等の微粒子が堆積している量は、外からは解らない。
このため、ＤＰＦ内に堆積しているＰＭ等の微粒子の量を測定するための様々な方法が提案されているが、ＰＭ等の堆積量を正確に測定することができなかったり、測定のためにネットワークアナライザ等の高価で大型な装置等が必要となる場合がある。
このため、ＤＰＦ内にＰＭ等の微粒子の堆積している量を低コストで正確に測定することのできる微粒子検出器が求められている。
１つの態様では、微粒子検出器は、被加熱物が入れられる筐体部と、複数の異なる周波数の電磁波を発生させる電磁波発生部と、前記電磁波発生部において発生させた電磁波を前記筐体部に入射させ、前記筐体部からのパワーを測定するパワーセンサと、前記パワーセンサにより測定された前記複数の周波数の電磁波のパワーに基づき、前記被加熱物に堆積している微粒子の堆積量が所定の堆積量となったか否かを判断する微粒子検出制御部と、を有し、前記電磁波発生部は、所定の範囲の複数の異なる周波数の電磁波を発生させるものであって、前記微粒子検出制御部は、前記パワーセンサにより検出されていたパワーの周波数微分値の絶対値を周波数積分した積分量が、所定の値以下となった場合に、前記被加熱物に堆積している微粒子の堆積量が所定の堆積量となったことを検出する。
また、１つの態様では、排気浄化装置は、上記微粒子検出器と、排気に含まれる微粒子を捕集する微粒子捕集部とを有し、微粒子捕集部に堆積している微粒子の堆積量が所定の堆積量となった場合には、電磁波発生部において発生させたマイクロ波を前記微粒子捕集部に照射する。
１つの側面として、ＤＰＦ内にＰＭ等の微粒子の堆積している量を低コストで正確に測定することができる。
第１の実施の形態における排気浄化装置の構造図 電磁波を発生させるために用いられる半導体装置の構造図 第１の実施の形態における微粒子検出器の反射波の周波数特性図 第１の実施の形態における微粒子検出器の微粒子検出方法のフローチャート 第２の実施の形態における微粒子検出器の微粒子検出方法のフローチャート 第２の実施の形態における微粒子検出器の透過した電磁波の周波数特性図 第３の実施の形態における微粒子検出器の微粒子検出方法のフローチャート 透過した電磁波の強度を周波数積分した積分量と微粒子堆積量との相関図 第４の実施の形態における微粒子堆積量推定値と実際の微粒子堆積量の相関図 第４の実施の形態における微粒子検出器の微粒子検出方法のフローチャート 透過した電磁波の強度の周波数微分値の絶対値を周波数積分した積分量と微粒子堆積量との相関図 第５の実施の形態における微粒子堆積量推定値と実際の微粒子堆積量の相関図 透過した電磁波の強度の周波数微分値の絶対値を周波数積分した積分量の説明図 第５の実施の形態における微粒子検出器の微粒子検出方法のフローチャート 第６の実施の形態における微粒子検出器の微粒子検出方法のフローチャート
実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。
〔第１の実施の形態〕
（排気浄化装置）
第１の実施の形態における排気浄化装置について図１に基づき説明する。
本実施の形態における排気浄化装置は、微粒子捕集部１０、酸化触媒部１１、筐体部２０、電磁波発生部３０、入射パワーセンサ４１、反射パワーセンサ４２、透過パワーセンサ４３、制御部５０、温度測定部６０等を有している。
微粒子捕集部１０は、本実施の形態において被加熱物となるものであり、ＤＰＦ等により形成されている。ＤＰＦは、例えば、隣り合う通気口が交互に閉じられたハニカム構造により形成されており、排気は入口の通気口とは異なる通気口より排出される。酸化触媒部１１は、ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）等の酸化触媒により形成されている。
筐体部２０は、ステンレス等の金属材料により形成されており、酸化触媒部１１及び微粒子捕集部１０の周囲を覆う筐体本体部２０ａ、筐体本体部２０ａに接続されている吸入口２０ｂ及び排出口２０ｃを有している。本実施の形態における排気浄化装置においては、エンジン等からの排気ガス等の排気は、破線矢印Ａに示される方向より、吸入口２０ｂから筐体部２０内に入り、筐体本体部２０ａ内に設置されている酸化触媒部１１及び微粒子捕集部１０を通ることにより浄化される。この後、酸化触媒部１１及び微粒子捕集部１０において浄化された排気は、排出口２０ｃより破線矢印Ｂに示される方向に排出される。
尚、筐体部２０内では、吸入口２０ｂより排出口２０ｃに向かって、酸化触媒部１１、微粒子捕集部１０の順に配置されている。酸化触媒部１１では、吸入口２０ｂより入った排気ガスに含まれる成分を酸化するものであり、例えば、排気ガスに含まれているＮＯをより酸化力の強いＮＯ２にする。微粒子捕集部１０では、ＰＭ等の微粒子が捕集されるが、捕集されたＰＭ等の微粒子を燃焼させて除去する際に、酸化触媒部１１において生成されたＮＯ２が用いられる。微粒子捕集部１０において捕集されるＰＭ等の微粒子は、すす等でありＣ（炭素）を多く含んでいる。微粒子捕集部１０において捕集されたＰＭ等の微粒子を燃焼させて除去する際に、ＮＯ２を流すことによりＣとＮＯ２とが化学反応しＣＯ２が生成される。これにより、微粒子捕集部１０において捕集されたＰＭ等の微粒子を効率よく除去することができる。
電磁波発生部３０は、筐体部２０に接続されており、例えば、１ＧＨｚ〜５ＧＨｚの電磁波を周波数を可変させて発生させることができる。また、電磁波発生部３０は、微粒子捕集部１０において捕集されたＰＭ等の微粒子を燃焼させて除去するために必要な高い出力のマイクロ波、例えば、周波数が２．４ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚのマイクロ波を発生させることも可能である。電磁波発生部３０は、窒化物半導体により形成された半導体素子が用いられている。
入射パワーセンサ４１及び反射パワーセンサ４２は、筐体部２０と電磁波発生部３０との間に設けられている。入射パワーセンサ４１は、電磁波発生部３０から筐体部２０内に入射する入射波のパワーを測定し、反射パワーセンサ４２は、筐体部２０内に入射した電磁波のうち筐体部２０より戻ってくる反射波のパワーを測定する。また、透過パワーセンサ４３は、筐体部２０において、電磁波発生部３０と対向する位置に設けられており、電磁波発生部３０において発生し、筐体部２０に入射した電磁波のうち、微粒子捕集部１０を透過した電磁波のパワーを測定する。本願においては、便宜上、透過パワーセンサ４３により検出される電磁波を透過波または透過した電磁波と記載する。
制御部５０は、微粒子検出制御部５１とマイクロ波加熱制御部５２とを有している。微粒子検出制御部５１は、主に、微粒子検出器の制御を行い、マイクロ波加熱制御部５２は、主に、電磁波発生部３０においてマイクロ波を発生させ、微粒子捕集部１０を加熱する制御を行う。温度測定部６０は、筐体部２０に取り付けられており、筐体部２０内における微粒子捕集部１０の温度を測定する。温度測定部６０は、放射温度計等であってもよく、微粒子捕集部１０における温度分布を測定することのできるものであってもよい。
本実施の形態においては、電磁波発生部３０は、周波数を変化させて電磁波を発生させるとともに、高い出力のマイクロ波を発生させるため、半導体素子、具体的には、窒化物半導体を用いたＨＥＭＴ等により形成されている。窒化物半導体を用いたＨＥＭＴは、図２に示されるように、ＳｉＣ等の基板２１０の上に、窒化物半導体層を積層することにより形成されている。即ち、基板２１０の上に、ＡｌＮやＧａＮ等により形成されたバッファ層２１１、電子走行層２１２、電子供給層２１３が順に積層されている。電子走行層２１２は、ＧａＮにより形成されており、電子供給層２１３は、ＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＮにより形成されている。これにより、電子走行層２１２において、電子供給層２１３との界面近傍には２ＤＥＧ２１２ａが生成される。電子供給層２１３の上には、ゲート電極２３１、ソース電極２３２、ドレイン電極２３３が形成されている。
（微粒子検出器）
次に、本実施の形態における微粒子検出器について、図１に基づき説明する。本実施の形態における微粒子検出器は、電磁波発生部３０、入射パワーセンサ４１、反射パワーセンサ４２、透過パワーセンサ４３、微粒子検出制御部５１等を有しており、微粒子捕集部１０に堆積したＰＭ等の微粒子の堆積量を検出することができる。
ところで、電磁波発生部３０に、所定の範囲の周波数の電磁波を発生させて筐体部２０内に入射させた場合、微粒子捕集部１０におけるＰＭ等の微粒子の堆積量が増えると、反射波の周波数特性が変化する。具体的には、微粒子捕集部１０は、ステンレスにより形成された筐体部２０の内部に入れられており、筐体部２０内に出射された電磁波は、筐体部２０内において多重反射を繰り返し、筐体部２０内に設置されている微粒子捕集部１０の内部を何度も通る。従って、筐体部２０に入射した電磁波は、微粒子捕集部１０に堆積しているＰＭ等の微粒子に吸収されるが、微粒子捕集部１０の内部を一度通る場合と比べて、微粒子捕集部１０に堆積しているＰＭ等の微粒子に、より多く吸収される。
尚、微粒子捕集部１０が入れられている筐体部２０は、共振周波数が存在しており、微粒子捕集部１０におけるＰＭ等の微粒子の堆積量が変化すると共振器となる筐体部２０における誘電率が変化し、共振周波数が変化する。一方、共振していない周波数では、多重反射された電磁波は、微粒子捕集部１０に堆積しているＰＭ等の微粒子に吸収されると、極端に反射波のパワーの高い周波数やパワーの低い周波数が減少する傾向にあることが、発明者の検討の結果、知見として得られた。
本実施の形態における微粒子検出器による微粒子の検出は、このような知見に基づくものであり、特に、微粒子捕集部１０におけるＰＭ等の微粒子の堆積量が増えると、所定の強度以下となる周波数の反射波の数が減少することに基づくものである。尚、本実施の形態においては、筐体部２０の共振周波数よりも高い周波数の電磁波が用いられている。例えば、筐体部２０の全長が約１ｍである場合には、共振周波数は約３００ＭＨｚであるため、微粒子の検出には、３００ＭＨｚよりも高い、１ＧＨｚから５ＧＨｚの範囲の周波数が用いられている。
具体的に、図３に基づき説明する。図３は、電磁波発生部３０において、１ＧＨｚから５ＧＨｚの範囲において、５０ＭＨｚ間隔で異なる周波数の電磁波を発生させ、筐体部２０内に入射させた場合の反射波の強度分布を示す。反射波の強度は、反射パワーセンサ４２により測定した。図３（ａ）は、微粒子捕集部１０にＰＭ等の微粒子が堆積していない状態の反射波の強度分布であり、図３（ｂ）は、微粒子捕集部１０にＰＭ等の微粒子が堆積している状態の反射波の強度分布である。
図３に示されるように、微粒子捕集部１０にＰＭ等の微粒子が堆積すると、上述したように、極端に反射波のパワーの高い周波数や、パワーの低い周波数が減少し、反射波のパワーが平均化する傾向にある。
具体的には、微粒子捕集部１０にＰＭ等の微粒子が堆積していない状態においては、図３（ａ）に示されるように、強度が−２０ｄＢ以下となる周波数は、１．６５、１．８５、３．９０、３．９５、４．６０、４．６５ＧＨｚの６つである。これに対し、微粒子捕集部１０にＰＭ等の微粒子が堆積している状態においては、図３（ｂ）に示されるように、強度が−２０ｄＢ以下となる周波数は、１．７０、１．７５ＧＨｚの２つである。
本実施の形態は、この点に着目して、微粒子捕集部１０にＰＭ等の微粒子が所定量堆積したことを検出するものであり、図３のように反射波のパワーを対数に変換して判断する。
（微粒子検出方法）
次に、本実施の形態における微粒子検出器を用いた微粒子検出方法について、図４に基づき説明する。尚、以下の工程における制御及び演算等は、マイクロ波による加熱を除き、微粒子検出制御部５１において行われる。
最初に、ステップ１０２（Ｓ１０２）に示すように、タイマｔを０に設定し、時間の計測を開始する。
次に、ステップ１０４（Ｓ１０４）に示すように、タイマｔの時間が所定の時間ｔ０経過したか否かが判断される。タイマｔの時間が所定の時間ｔ０経過した場合には、ステップ１０６に移行し、タイマｔの時間が所定の時間ｔ０経過していない場合には、ステップ１０４を繰り返す。
次に、ステップ１０６（Ｓ１０６）に示すように、電磁波発生部３０において、周波数の異なる電磁波を発生させ、筐体部２０内に出射し、反射波のパワーを計測し、所定の強度以下となる周波数の数Ｒｃをカウントする。具体的には、電磁波発生部３０において発生させる周波数は、所定の範囲の周波数、例えば、１ＧＨｚから５ＧＨｚの範囲の周波数であって、５０ＭＨｚの間隔で順に発生させる。反射波のパワーは、反射パワーセンサ４２において測定し、測定したパワーの値は、微粒子検出制御部５１に送信され、対数に変換した後、所定の強度以下、例えば、−２０ｄＢ以下の強度の周波数の数Ｒｃをカウントする。
次に、ステップ１０８（Ｓ１０８）に示すように、所定の強度以下となる周波数の数Ｒｃが所定の数Ｒｎ以下であるか否かを判断する。所定の強度以下となる周波数の数Ｒｃが所定の数Ｒｎ以下である場合には、微粒子捕集部１０のクリーニングを行うため、ステップ１１０に移行する。一方、所定の強度以下となる周波数の数Ｒｃが所定の数Ｒｎ以下ではない場合には、微粒子捕集部１０のクリーニングは必要ではないため、ステップ１０２に移行する。
具体的に、所定の強度を−２０ｄＢとし、所定の数Ｒｎを３として、図３に基づき説明する。例えば、図３（ａ）に示される場合では、反射波のパワーが−２０ｄＢ以下となる周波数の数Ｒｃは６つであり、所定の数Ｒｎの３よりも大きい。この場合には、微粒子捕集部１０にＰＭ等の微粒子が、クリーニングが必要な所定量まで堆積してはいないため、微粒子捕集部１０においてＰＭ等の微粒子を除去することが必要な状態には至っていない。これに対し、図３（ｂ）に示される場合では、反射波のパワーが−２０ｄＢ以下となる周波数の数Ｒｃは２つであり、所定の数Ｒｎの３以下となる。この場合には、微粒子捕集部１０にＰＭ等の微粒子が、クリーニングが必要な所定量まで堆積しているため、微粒子捕集部１０においてＰＭ等の微粒子を除去することが必要となる。
以上のように、本実施の形態における微粒子検出器は、筐体部２０において反射された電磁波のパワーを反射パワーセンサ４２により測定することにより、微粒子捕集部１０に堆積しているＰＭ等の微粒子が、所定量以上堆積したことを検知することができる。
次に、ステップ１１０（Ｓ１１０）に示すように、微粒子捕集部１０に堆積しているＰＭ等の微粒子を除去するクリーニングを行う。このクリーニングでは、微粒子捕集部１０に軽油等の燃料を供給し燃焼させることにより行ってもよい。また、マイクロ波加熱制御部５２の制御により、電磁波発生部３０において所定の波長のマイクロ波を発生させ、発生させたマイクロ波を微粒子捕集部１０に照射することにより行ってもよい。
尚、本実施の形態におけるマイクロ波照射装置では、電磁波発生部３０において所定の波長のマイクロ波を発生させ、発生させたマイクロ波を微粒子捕集部１０に照射する。この際発生させるマイクロ波の波長は、２．４０ＧＮｚ〜２．５０ＧＨｚであり、ステップ１０６において発生させた電磁波のうちの１つと同じ周波数であってもよい。この場合、ステップ１０６において発生させた電磁波のうち、反射波のパワーが−２０ｄＢ以下となる周波数の電磁波が好ましい。反射波のパワーが低い周波数の電磁波では、ＰＭ等の微粒子に電磁波の多くが吸収されているものと考えられるため、このような周波数のマイクロ波を照射することにより、微粒子捕集部１０に堆積しているＰＭ等の微粒子を効率よく除去することができる。
また、クリーニングにおいて発生させるマイクロ波の強度は、ステップ１０６において発生させた電磁波の強度よりも高い。微粒子捕集部１０におけるＰＭ等の微粒子の堆積量を検出するための電磁波は、ＰＭ等の微粒子の堆積量を検出することができればよいため、強度は低くてもよい。しかしながら、ＰＭ等の微粒子を除去するためのマイクロ波は、ＰＭ等の微粒子を加熱し除去するため、高い強度が必要となる。
〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、筐体部２０内に複数の異なる周波数の電磁波を入射させて、微粒子捕集部１０を透過した電磁波の強度を測定することにより、微粒子捕集部１０におけるＰＭ等の微粒子の堆積量を検出するものである。第１の実施の形態と同様に、筐体部２０内に複数の異なる周波数の電磁波を入射させた場合、電磁波は筐体部２０内において多重反射を繰り返し、微粒子捕集部１０におけるＰＭ等の微粒子に吸収される。このため、筐体部２０に入射した電磁波の透過パワーを測定することにより、ＰＭ等の微粒子の堆積量を検出することができる。本実施の形態における微粒子検出器には、第１の実施の形態と同様のものが用いられる。
次に、本実施の形態における微粒子検出方法について、図５に基づき説明する。尚、以下の工程における制御及び演算等は、マイクロ波による加熱を除き、微粒子検出制御部５１において行われる。
最初に、ステップ２０２（Ｓ２０２）に示すように、タイマｔを０に設定し、時間の計測を開始する。
次に、ステップ２０４（Ｓ２０４）に示すように、タイマｔの時間が所定の時間ｔ０経過したか否かが判断される。タイマｔの時間が所定の時間ｔ０経過した場合には、ステップ２０６に移行し、タイマｔの時間が所定の時間ｔ０経過していない場合には、ステップ２０４を繰り返す。
次に、ステップ２０６（Ｓ２０６）に示すように、電磁波発生部３０において、周波数の異なる電磁波を発生させ、筐体部２０内に出射し、透過波のパワーを計測し、所定の強度以下となる周波数の数Ｔｃをカウントする。具体的には、電磁波発生部３０において発生させる周波数は、所定の範囲の周波数、例えば、１．５ＧＨｚから３．５ＧＨｚの範囲の周波数であって、５０ＭＨｚの間隔で順に発生させる。透過した電磁波のパワーは、透過パワーセンサ４３において測定し、測定したパワーの値は、微粒子検出制御部５１に送信され、対数に変換した後、所定の強度以下、例えば、−３５ｄＢ以下の強度の周波数の数Ｔｃをカウントする。
次に、ステップ２０８（Ｓ２０８）に示すように、所定の強度以下となる周波数の数Ｔｃが所定の数Ｔｎ以下であるか否かを判断する。所定の強度以下となる周波数の数Ｔｃが所定の数Ｔｎ以下である場合には、微粒子捕集部１０のクリーニングを行うため、ステップ２１０に移行する。一方、所定の強度以下となる周波数の数Ｔｃが所定の数Ｔｎ以下ではない場合には、微粒子捕集部１０のクリーニングは必要ではないため、ステップ２０２に移行する。
具体的に、所定の強度を−３５ｄＢとし、所定の数Ｔｎを０として、図６に基づき説明する。例えば、図６（ａ）に示される場合では、透過した電磁波のパワーが−３５ｄＢ以下となる周波数の数Ｔｃは１つであり、所定の数Ｔｎの０よりも大きい。この場合には、微粒子捕集部１０にＰＭ等の微粒子が、クリーニングが必要な所定量まで堆積してはいないため、微粒子捕集部１０においてＰＭ等の微粒子を除去することが必要な状態には至っていない。これに対し、図６（ｂ）に示される場合では、透過した電磁波のパワーが−３５ｄＢ以下となる周波数の数Ｔｃは０であり、所定の数Ｔｎの０と同じとなる。この場合には、微粒子捕集部１０にＰＭ等の微粒子が、クリーニングが必要な所定量まで堆積しているため、微粒子捕集部１０においてＰＭ等の微粒子を除去することが必要となる。
以上のように、本実施の形態における微粒子検出器は、微粒子捕集部１０を透過した電磁波のパワーを透過パワーセンサ４３により測定することにより、微粒子捕集部１０に堆積しているＰＭ等の微粒子が、所定量以上堆積したことを検知することができる。
次に、ステップ２１０（Ｓ２１０）に示すように、微粒子捕集部１０に堆積しているＰＭ等の微粒子を除去するクリーニングを行う。このクリーニングでは、微粒子捕集部１０に軽油等の燃料を供給し燃焼させることにより行ってもよい。また、マイクロ波加熱制御部５２の制御により、電磁波発生部３０において所定の波長のマイクロ波を発生させ、発生させたマイクロ波を微粒子捕集部１０に照射することにより行ってもよい。
尚、本実施の形態におけるマイクロ波照射装置では、電磁波発生部３０において所定の波長のマイクロ波を発生させ、発生させたマイクロ波を微粒子捕集部１０に照射する。この際発生させるマイクロ波の波長は、２．４０ＧＮｚ〜２．５０ＧＨｚであり、ステップ２０６において発生させた電磁波のうちの１つと同じ周波数であってもよい。この場合、ステップ２０６において発生させた電磁波のうち、透過した電磁波のパワーが−３５ｄＢ以下となる周波数の電磁波が好ましい。透過したパワーが低い周波数の電磁波では、ＰＭ等の微粒子に電磁波の多くが吸収されているものと考えられるため、このような周波数のマイクロ波を照射することにより、微粒子捕集部１０に堆積しているＰＭ等の微粒子を効率よく除去することができる。クリーニングにおいて発生させるマイクロ波の強度は、ステップ２０６において発生させた電磁波の強度よりも高い。
尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。更に、第１の実施の形態を組み合わせること、即ち、反射波と透過した電磁波とを組み合わせて判断することにより、ＰＭ等の微粒子の堆積量の検出精度を高めることができる。
〔第３の実施の形態〕
次に、第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、所定の範囲の周波数の電磁波において、反射波の値がすべて、所定の値以下となった場合に、微粒子捕集部１０におけるＰＭ等の微粒子の堆積量がクリーニングが必要な所定量となったものと判断する微粒子検出器である。具体的には、微粒子捕集部１０におけるＰＭ等の微粒子の堆積量が増えると、吸収される電磁波も増えるため、反射波及び透過した電磁波のパワーは低下する。例えば、図３（ａ）に示されるように、微粒子捕集部１０にＰＭ等の微粒子が堆積していない状態よりも、図３（ｂ）に示されるように、微粒子捕集部１０にＰＭ等の微粒子が堆積している状態の方が、全体的に反射波のパワーが低くなっている。具体的には、図３（ａ）に示されるように、微粒子捕集部１０にＰＭ等の微粒子が堆積していない状態では、１．５ＧＨｚから５．０ＧＨｚの範囲において、反射波のパワーが−５ｄＢ以上となる周波数の電磁波が複数存在している。これに対し、図３（ｂ）に示されるように、微粒子捕集部１０にＰＭ等の微粒子が堆積している状態では、１．５ＧＨｚから５．０ＧＨｚの範囲において、反射波のパワーが−５ｄＢ以上となる周波数の電磁波は存在していない。このような傾向は、透過した電磁波についても同様である。
次に、本実施の形態における微粒子検出方法について、図７に基づき説明する。尚、以下の工程における制御及び演算等は、マイクロ波による加熱を除き、微粒子検出制御部５１において行われる。
最初に、ステップ３０２（Ｓ３０２）に示すように、タイマｔを０に設定し、時間の計測を開始する。
次に、ステップ３０４（Ｓ３０４）に示すように、タイマｔの時間が所定の時間ｔ０経過したか否かが判断される。タイマｔの時間が所定の時間ｔ０経過した場合には、ステップ３０６に移行し、タイマｔの時間が所定の時間ｔ０経過していない場合には、ステップ３０４を繰り返す。
次に、ステップ３０６（Ｓ３０６）に示すように、電磁波発生部３０において、周波数の異なる電磁波を発生させ、筐体部２０内に出射し、反射波のパワーを計測し、所定の強度以上の周波数の数Ｒｐをカウントする。具体的には、電磁波発生部３０において発生させる周波数は、所定の範囲の周波数、例えば、１．５ＧＨｚから５．０ＧＨｚの範囲の周波数であって、５０ＭＨｚの間隔で順に発生させる。透過した電磁波のパワーは、反射パワーセンサ４２において測定し、測定したパワーの値は、微粒子検出制御部５１に送信され、対数に変換した後、所定の強度以上、例えば、−５ｄＢ以上の強度の周波数の数Ｒｐをカウントする。
次に、ステップ３０８（Ｓ３０８）に示すように、所定の強度以上となる周波数の数Ｒｐが０であるか否かを判断する。所定の強度以上となる周波数の数Ｒｐが０である場合には、微粒子捕集部１０のクリーニングを行うため、ステップ３１０に移行する。一方、所定の強度以上となる周波数の数Ｒｐが０ではない場合には、微粒子捕集部１０のクリーニングは必要ではないため、ステップ３０２に移行する。
具体的に、所定の強度を−５ｄＢとして、図３に基づき説明する。例えば、図３（ａ）に示される場合では、１．５ＧＨｚから５．０ＧＨｚの範囲の周波数において、反射波のパワーが−５ｄＢ以上となる周波数の数Ｒｐは複数であり１以上である。この場合には、微粒子捕集部１０にＰＭ等の微粒子が、クリーニングが必要な所定量まで堆積してはいないため、微粒子捕集部１０においてＰＭ等の微粒子を除去することが必要な状態には至っていない。これに対し、図３（ｂ）に示される場合では、１．５ＧＨｚから５．０ＧＨｚの範囲の周波数において、反射波のパワーが−５ｄＢ以上となる周波数は存在していないため、Ｒｐは０である。この場合には、微粒子捕集部１０にＰＭ等の微粒子が、クリーニングが必要な所定量まで堆積しているため、微粒子捕集部１０においてＰＭ等の微粒子を除去することが必要となる。
以上のように、本実施の形態における微粒子検出器は、筐体部２０において反射された電磁波のパワーを反射パワーセンサ４２により測定することにより、微粒子捕集部１０に堆積しているＰＭ等の微粒子が、所定量以上堆積したことを検知することができる。
次に、ステップ３１０（Ｓ３１０）に示すように、微粒子捕集部１０に堆積しているＰＭ等の微粒子を除去するクリーニングを行う。
尚、本実施の形態は、反射波に代えて透過した電磁波を用いてもよい。上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
〔第４の実施の形態〕
次に、第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は、透過した電磁波のパワーを周波数積分した積分量に基づき微粒子検出を行う微粒子検出器である。具体的には、微粒子捕集部１０におけるＰＭ等の微粒子の堆積量が増えると、吸収される電磁波も増えるため、反射波及び透過した電磁波のパワーは低下する。例えば、図６（ａ）に示されるように、微粒子捕集部１０にＰＭ等の微粒子が堆積していない状態よりも、図６（ｂ）に示されるように、微粒子捕集部１０にＰＭ等の微粒子が堆積している状態の方が、透過した電磁波のパワーを周波数積分した積分量が低くなる。
即ち、図８に示すように、微粒子堆積量が増えると、透過した電磁波のパワーを周波数積分した積分量が減少する傾向にある。従って、透過した電磁波のパワーを周波数積分した積分量が、所定の値以下になった場合に、微粒子捕集部１０におけるＰＭ等の微粒子の堆積量が、クリーニングが必要な量まで堆積したことを検出することができる。尚、図９は、透過した電磁波のパワーを周波数積分した積分量より算出した微粒子堆積量推定値と実際の微粒子堆積量との相関を示す図であり、ほぼリニアな関係にある。
本願においては、透過した電磁波のパワーを周波数積分した積分量とは、実際に、透過した電磁波のパワーを周波数積分した積分量のみならず、所定の周波数ごと、例えば、５０ＭＨｚごとに透過した電磁波のパワーを測定し、その測定した値の和であってもよい。
次に、本実施の形態における微粒子検出方法について、図１０に基づき説明する。尚、以下の工程における制御及び演算等は、マイクロ波による加熱を除き、微粒子検出制御部５１において行われる。
最初に、ステップ４０２（Ｓ４０２）に示すように、タイマｔを０に設定し、時間の計測を開始する。
次に、ステップ４０４（Ｓ４０４）に示すように、タイマｔの時間が所定の時間ｔ０経過したか否かが判断される。タイマｔの時間が所定の時間ｔ０経過した場合には、ステップ４０６に移行し、タイマｔの時間が所定の時間ｔ０経過していない場合には、ステップ４０４を繰り返す。
次に、ステップ４０６（Ｓ４０６）に示すように、電磁波発生部３０において、周波数の異なる電磁波を発生させ、筐体部２０内に出射し、透過波のパワーを計測し、積算することにより、透過した電磁波のパワーを周波数積分した積分量Ｓｔを得る。具体的には、電磁波発生部３０において発生させる周波数は、所定の範囲の周波数、例えば、１．５ＧＨｚから３．５ＧＨｚの範囲の周波数であって、５０ＭＨｚの間隔で順に発生させる。透過した電磁波のパワーは、透過パワーセンサ４３において測定し、測定したパワーの値は、微粒子検出制御部５１に送信され、対数に変換した後、積算することにより、透過した電磁波のパワーを周波数積分した積分量Ｓｔを算出する。
次に、ステップ４０８（Ｓ４０８）に示すように、積分量Ｓｔが所定の値以下であるか否かを判断する。積分量Ｓｔが所定の値以下である場合には、微粒子捕集部１０のクリーニングを行うため、ステップ４１０に移行する。一方、積分量Ｓｔが所定の値以下ではない場合には、微粒子捕集部１０のクリーニングは必要ではないため、ステップ４０２に移行する。
次に、ステップ４１０（Ｓ４１０）に示すように、微粒子捕集部１０に堆積しているＰＭ等の微粒子を除去するクリーニングを行う。
尚、本実施の形態は、透過した電磁波に代えて反射波を用いてもよい。また、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
〔第５の実施の形態〕
次に、第５の実施の形態について説明する。本実施の形態は、透過した電磁波のパワーの周波数微分値の絶対値を周波数積分した積分量に基づき微粒子検出を行う微粒子検出器である。具体的には、微粒子捕集部１０におけるＰＭ等の微粒子の堆積量が増えると、透過した電磁波のパワーのピークが下がりボトムが上昇し平均化する傾向にある。このことは、反射波も同様である。例えば、図６（ａ）に示されるように、微粒子捕集部１０にＰＭ等の微粒子が堆積していない状態よりも、図６（ｂ）に示されるように、微粒子捕集部１０にＰＭ等の微粒子が堆積している状態の方が、パワーが平均化される。従って、透過した電磁波のパワーの周波数微分値の絶対値を周波数積分した積分量が低くなる。
即ち、図１１に示すように、微粒子堆積量が増えると、透過した電磁波のパワーの周波数微分値の絶対値を周波数積分した積分量は減少する。このため、透過した電磁波のパワーの周波数微分値の絶対値を周波数積分した積分量が、所定の値以下になった場合に、微粒子捕集部１０におけるＰＭ等の微粒子の堆積量が、クリーニングが必要な量まで堆積したことを検出することができる。尚、図１２は、透過した電磁波のパワーの周波数微分値の絶対値を周波数積分した積分量より算出した微粒子堆積量推定値と実際の微粒子堆積量との相関を示す図であり、ほぼリニアな関係にある。
本願においては、透過した電磁波のパワーの周波数微分値の絶対値を周波数積分した積分量とは、実際の積分量のみならず、隣り合う所定の周波数ごと、例えば、５０ＭＨｚごとの電磁波における透過パワーの差を算出し、その差の絶対値を積算した値であってもよい。具体的には、後段における透過した電磁波のパワーの周波数微分値の絶対値を周波数積分した積分量は、図１３に示されるように、隣り合う周波数の透過した電磁波のパワーの差を算出し、その差の絶対値を積算した値となる。例えば、隣り合う周波数の透過した電磁波のパワーの差が、順に、ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４であるとすると、透過した電磁波のパワーの周波数微分値の絶対値を周波数積分した積分量Ｓｂ＝｜ｂ１｜＋｜ｂ２｜＋｜ｂ３｜＋｜ｂ４｜＋・・・となる。
次に、本実施の形態における微粒子検出方法について、図１４に基づき説明する。尚、以下の工程における制御及び演算等は、マイクロ波による加熱を除き、微粒子検出制御部５１において行われる。
最初に、ステップ５０２（Ｓ５０２）に示すように、タイマｔを０に設定し、時間の計測を開始する。
次に、ステップ５０４（Ｓ５０４）に示すように、タイマｔの時間が所定の時間ｔ０経過したか否かが判断される。タイマｔの時間が所定の時間ｔ０経過した場合には、ステップ５０６に移行し、タイマｔの時間が所定の時間ｔ０経過していない場合には、ステップ５０４を繰り返す。
次に、ステップ５０６（Ｓ５０６）に示すように、電磁波発生部３０において、周波数の異なる電磁波を発生させ、筐体部２０内に出射し、透過波のパワーを計測する。このように得られた透過した電磁波のパワーに基づき、隣り合う周波数の電磁波のパワーの差を算出し、その差の絶対値を積算することにより、透過した電磁波のパワーの周波数微分値の絶対値を周波数積分した積分量Ｓｂを得る。具体的には、電磁波発生部３０において発生させる周波数は、所定の範囲の周波数、例えば、１．５ＧＨｚから３．５ＧＨｚの範囲の周波数であって、５０ＭＨｚの間隔で順に発生させる。透過した電磁波のパワーは、透過パワーセンサ４３において測定し、測定したパワーの値は、微粒子検出制御部５１に送信され、対数に変換した後、透過した電磁波のパワーの周波数微分値の絶対値を周波数積分した積分量Ｓｂを算出する。
次に、ステップ５０８（Ｓ５０８）に示すように、積分量Ｓｂが所定の値以下であるか否かを判断する。積分量Ｓｂが所定の値以下である場合には、微粒子捕集部１０のクリーニングを行うため、ステップ５１０に移行する。一方、積分量Ｓｂが所定の値以下ではない場合には、微粒子捕集部１０のクリーニングは必要ではないため、ステップ５０２に移行する。
次に、ステップ５１０（Ｓ５１０）に示すように、微粒子捕集部１０に堆積しているＰＭ等の微粒子を除去するクリーニングを行う。
尚、本実施の形態は、透過した電磁波に代えて反射波を用いてもよい。また、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
〔第６の実施の形態〕
次に、第６の実施の形態について説明する。本実施の形態は、筐体部２０に取り付けられた温度計に基づき、補正を加える微粒子測定方法である。本実施の形態における微粒子検出方法について、図１５に基づき説明する。尚、以下の工程における制御及び演算等は、マイクロ波による加熱を除き、微粒子検出制御部５１において行われる。
最初に、ステップ６０２（Ｓ６０２）に示すように、タイマｔを０に設定し、時間の計測を開始する。
次に、ステップ６０４（Ｓ６０４）に示すように、タイマｔの時間が所定の時間ｔ０経過したか否かが判断される。タイマｔの時間が所定の時間ｔ０経過した場合には、ステップ６０６に移行し、タイマｔの時間が所定の時間ｔ０経過していない場合には、ステップ６０４を繰り返す。
次に、ステップ６０６（Ｓ６０６）に示すように、温度測定部６０により筐体部２０における温度を測定する。
次に、ステップ６０８（Ｓ６０８）に示すように、ステップ６０６において測定した温度に基づき、Ｒｎの値を設定する。筐体部２０やＰＭ等の微粒子は、温度が上がると電磁波の吸収量が増えるため、温度測定部６０において測定された温度が高い場合には、Ｒｎの値を低く設定し、温度が低い場合には、Ｒｎの値を高く設定する。
次に、ステップ６１０（Ｓ６１０）に示すように、電磁波発生部３０において、周波数の異なる電磁波を発生させ、筐体部２０内に出射し、反射波のパワーを計測し、所定の強度以下となる周波数の数Ｒｃをカウントする。
次に、ステップ６１２（Ｓ６１２）に示すように、所定の強度以下となる周波数の数Ｒｃが所定の数Ｒｎ以下であるか否かを判断する。所定の強度以下となる周波数の数Ｒｃが所定の数Ｒｎ以下である場合には、微粒子捕集部１０のクリーニングを行うため、ステップ６１４に移行する。一方、所定の強度以下となる周波数の数Ｒｃが所定の数Ｒｎ以下ではない場合には、微粒子捕集部１０のクリーニングは必要ではないため、ステップ６０２に移行する。
次に、ステップ６１４（Ｓ６１４）に示すように、微粒子捕集部１０に堆積しているＰＭ等の微粒子を除去するクリーニングを行う。
本実施の形態においては、温度によりＲｎの値を変える場合について説明したが、測定した温度に対応して、反射波の所定の強度を変更するものであってもよい。
尚、本実施の形態は、反射波に代えて透過した電磁波を用いてもよい。また、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
被加熱物が入れられる筐体部と、
複数の異なる周波数の電磁波を発生させる電磁波発生部と、
前記電磁波発生部において発生させた電磁波を前記筐体部に入射させ、前記筐体部からのパワーを測定するパワーセンサと、
前記パワーセンサにより測定された前記複数の周波数の電磁波のパワーに基づき、前記被加熱物に堆積している微粒子の堆積量が所定の堆積量となったか否かを判断する微粒子検出制御部と、
を有することを特徴とする微粒子検出器。
（付記２）
前記パワーセンサは、前記電磁波発生部より前記筐体部に入射させた前記電磁波のうち、前記筐体部において反射された電磁波のパワーを測定する反射パワーセンサであることを特徴とする付記１に記載の微粒子検出器。
（付記３）
前記パワーセンサは、前記電磁波発生部より前記筐体部に入射させた前記電磁波のうち、前記被加熱物を透過した電磁波のパワーを測定する透過パワーセンサであることを特徴とする付記１に記載の微粒子検出器。
（付記４）
前記パワーセンサは、複数設けられており、
第１のパワーセンサは、前記電磁波発生部より前記筐体部に入射させた前記電磁波のうち、前記筐体部において反射された電磁波のパワーを測定する反射パワーセンサであり、
第２のパワーセンサは、前記電磁波発生部より前記筐体部に入射させた前記電磁波のうち、前記被加熱物を透過した電磁波のパワーを測定する透過パワーセンサであることを特徴とする付記１に記載の微粒子検出器。
（付記５）
前記電磁波発生部は、所定の範囲の複数の異なる周波数の電磁波を発生させるものであって、
前記微粒子検出制御部は、前記パワーセンサにより検出された所定のパワー以下となる電磁波の数が、所定の数以下となった場合に、前記被加熱物に堆積している微粒子の堆積量が所定の堆積量となったことを検出することを特徴とする付記１から４のいずれかに記載の微粒子検出器。
（付記６）
前記電磁波発生部は、所定の範囲の複数の異なる周波数の電磁波を発生させるものであって、
前記微粒子検出制御部は、前記パワーセンサにより検出されていた所定のパワー以上となる電磁波が、存在しなくなった場合に、前記被加熱物に堆積している微粒子の堆積量が所定の堆積量となったことを検出することを特徴とする付記１から４のいずれかに記載の微粒子検出器。
（付記７）
前記電磁波発生部は、所定の範囲の複数の異なる周波数の電磁波を発生させるものであって、
前記微粒子検出制御部は、前記パワーセンサにより検出されていたパワーを周波数積分した積分量が、所定の値以下となった場合に、前記被加熱物に堆積している微粒子の堆積量が所定の堆積量となったことを検出することを特徴とする付記１から４のいずれかに記載の微粒子検出器。
（付記８）
前記電磁波発生部は、所定の範囲の複数の異なる周波数の電磁波を発生させるものであって、
前記微粒子検出制御部は、前記パワーセンサにより検出されていたパワーの周波数微分値の絶対値を周波数積分した積分量が、所定の値以下となった場合に、前記被加熱物に堆積している微粒子の堆積量が所定の堆積量となったことを検出することを特徴とする付記１から４のいずれかに記載の微粒子検出器。
（付記９）
前記筐体部には、前記筐体部の温度を測定する温度測定部が設けられていることを特徴とする付記１から８のいずれかに記載の微粒子検出器。
（付記１０）
前記電磁波発生部において発生させる電磁波の周波数は、前記筐体部における最低共振周波数以上であることを特徴とする付記１から８のいずれかに記載の微粒子検出器。
（付記１１）
付記１から１０のいずれかに記載の微粒子検出器と、
排気に含まれる微粒子を捕集する微粒子捕集部と、
を有し、
前記微粒子捕集部に堆積している微粒子の堆積量が所定の堆積量となった場合には、前記電磁波発生部において発生させたマイクロ波を前記微粒子捕集部に照射することを特徴とする排気浄化装置。
（付記１２）
前記マイクロ波の周波数は、前記複数の異なる周波数の電磁波のうちの一つと同じ周波数であることを特徴とする付記１１に記載の排気浄化装置。
（付記１３）
前記マイクロ波の周波数は、２．４ＧＨｚ以上、２．５ＧＨｚ以下であることを特徴とする付記１１または１２に記載の排気浄化装置。
（付記１４）
前記マイクロ波の周波数は、前記パワーセンサにおいて測定されたパワーが、所定のパワー以下となった周波数であることを特徴とする付記１１から１３のいずれかに記載の排気浄化装置。
（付記１５）
前記電磁波発生部は、窒化物半導体により形成された半導体素子を含むものにより形成されていることを特徴とする付記１１から１４のいずれかに記載の排気浄化装置。
１０ 微粒子捕集部
１１ 酸化触媒部
２０ 筐体部
２０ａ 筐体本体部
２０ｂ 吸入口
２０ｃ 排出口
３０ 電磁波発生部
４１ 入射パワーセンサ
４２ 反射パワーセンサ
４３ 透過パワーセンサ
５０ 制御部
５１ 微粒子検出制御部
５２ マイクロ波加熱制御部
６０ 温度測定部

Claims (8)

  1. 被加熱物が入れられる筐体部と、
    複数の異なる周波数の電磁波を発生させる電磁波発生部と、
    前記電磁波発生部において発生させた電磁波を前記筐体部に入射させ、前記筐体部からのパワーを測定するパワーセンサと、
    前記パワーセンサにより測定された前記複数の周波数の電磁波のパワーに基づき、前記被加熱物に堆積している微粒子の堆積量が所定の堆積量となったか否かを判断する微粒子検出制御部と、
    を有し、
    前記電磁波発生部は、所定の範囲の複数の異なる周波数の電磁波を発生させるものであって、
    前記微粒子検出制御部は、前記パワーセンサにより検出されていたパワーの周波数微分値の絶対値を周波数積分した積分量が、所定の値以下となった場合に、前記被加熱物に堆積している微粒子の堆積量が所定の堆積量となったことを検出することを特徴とする微粒子検出器。
  2. 被加熱物が入れられる筐体部と、
    複数の異なる周波数の電磁波を発生させる電磁波発生部と、
    前記電磁波発生部において発生させた電磁波を前記筐体部に入射させ、前記筐体部からのパワーを測定するパワーセンサと、
    前記パワーセンサにより測定された前記複数の周波数の電磁波のパワーに基づき、前記被加熱物に堆積している微粒子の堆積量が所定の堆積量となったか否かを判断する微粒子検出制御部と、
    を有し、
    前記電磁波発生部は、所定の範囲の複数の異なる周波数の電磁波を発生させるものであって、
    前記微粒子検出制御部は、前記パワーセンサにより検出された所定のパワー以下となる電磁波の周波数のピークの数が、所定の数以下となった場合に、前記被加熱物に堆積している微粒子の堆積量が所定の堆積量となったことを検出することを特徴とする微粒子検出器。
  3. 前記パワーセンサは、前記電磁波発生部より前記筐体部に入射させた前記電磁波のうち、前記筐体部において反射された電磁波のパワーを測定する反射パワーセンサであることを特徴とする請求項１または２に記載の微粒子検出器。
  4. 前記パワーセンサは、前記電磁波発生部より前記筐体部に入射させた前記電磁波のうち、前記被加熱物を透過した電磁波のパワーを測定する透過パワーセンサであることを特徴とする請求項１または２に記載の微粒子検出器。
  5. 前記筐体部には、前記筐体部の温度を測定する温度測定部が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の微粒子検出器。
  6. 請求項１から５のいずれかに記載の微粒子検出器と、
    排気に含まれる微粒子を捕集する微粒子捕集部と、
    を有し、
    前記微粒子捕集部に堆積している微粒子の堆積量が所定の堆積量となった場合には、前記電磁波発生部において発生させたマイクロ波を前記微粒子捕集部に照射することを特徴とする排気浄化装置。
  7. 前記マイクロ波の周波数は、前記複数の異なる周波数の電磁波のうちの一つと同じ周波数であることを特徴とする請求項６に記載の排気浄化装置。
  8. 前記マイクロ波の周波数は、前記パワーセンサにおいて測定されたパワーが、所定のパワー以下となった周波数であることを特徴とする請求項６または７に記載の排気浄化装置。
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