JPWO2008111403A1 - 粒子状物質検出装置 - Google Patents

Abstract

内部を貫通する空洞（キャビティ）２を有する検出装置本体１を備え、キャビティ２が、その一方の端部（流入側端部）６側から順に、流入側端部６からキャビティ内に流入した粒子状物質を荷電することが可能な粒子荷電部３、粒子荷電部３で荷電された粒子状物質を捕集し、粒子状物質量を測定することが可能な集塵部４、及び、粒子荷電部３で荷電された粒子状物質をキャビティ２の他方の端部（流出側端部）７側に向かって移動させることが可能なイオン風発生部５を有する粒子状物質検出装置１００。小型で測定誤差が小さく、安価に製造することが可能な粒子状物質検出装置を提供する。

Description

本発明は、粒子状物質検出装置に関し、さらに詳しくは、小型で測定誤差が小さく、安価に製造することが可能な粒子状物質検出装置に関する。

煙道排ガスやディーゼルエンジン排ガスには煤等の粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：ＰＭ）が含まれており、大気汚染の原因になっていた。これらを除去するために、セラミック等で作製されたフィルタ（ディーゼルパティキュレートフィルタ：ＤＰＦ）が広く用いられている。セラミック製のＤＰＦは、長期間の使用が可能であるが、熱劣化等によりクラックや溶損等の欠陥が発生することがあり、微量ではあるが粒子状物質が漏れる可能性がある。このような欠陥が発生した場合には、その欠陥の発生を即座に検知し、装置の異常を認識することが、大気汚染防止の観点から極めて重要である。

このような欠陥の発生を検知する方法として、ＤＰＦの下流側に粒子状物質検出装置を設ける方法がある（例えば、特許文献１参照）。
特開昭６０−１２３７６１号公報

特許文献１に記載の発明は、コロナ放電によって粒子状物質を帯電させ、そのイオン電流を測定することにより、粒子状物質の量を測定するものである。このように、粒子状物質を帯電させてそのイオン電流を測定する方法では、粒子状物質に帯電するイオン電流が微弱であるため、その微弱なイオン電流を検出するために大掛かりな検出回路が必要になり、高価なものになるという問題があった。また、排ガスが高流量である場合には、粒子状物質を効果的に帯電させることができないため、粒子状物質の測定値が、実際に排ガスに含有されている粒子状物質の量より小さい値となり、その誤差が大きいという問題があった。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、小型で測定誤差が小さく、安価に製造することが可能な粒子状物質検出装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、以下の粒子状物質検出装置を提供するものである。

［１］ 内部を貫通する空洞（キャビティ）を有する検出装置本体を備え、前記キャビティが、その一方の端部（流入側端部）側から順に、流入側端部からキャビティ内に流入した粒子状物質を荷電することが可能な粒子荷電部、前記粒子荷電部で荷電された粒子状物質を捕集し、粒子状物質量を測定することが可能な集塵部、及び、前記粒子荷電部で荷電された粒子状物質を前記キャビティの他方の端部（流出側端部）側に向かって移動させることが可能なイオン風発生部を有する粒子状物質検出装置。

［２］ 前記検出装置本体に、前記キャビティの前記粒子荷電部を間に挟むようにして荷電用電極と接地電極（荷電用接地電極）とが配設され、前記粒子荷電部が、前記荷電用電極によって前記キャビティ内の空間に発生した無声放電により、粒子状物質を荷電させるものである［１］に記載の粒子状物質検出装置。

［３］ 前記検出装置本体に、前記キャビティの前記粒子荷電部を間に挟むようにして荷電用電極と接地電極（荷電用接地電極）とが配設され、前記粒子荷電部が、前記荷電用電極によって前記キャビティ内に発生したコロナ放電により、粒子状物質を荷電させるものである［１］に記載の粒子状物質検出装置。

［４］ 前記荷電用電極及び前記荷電用接地電極が、金、銀、白金、ニッケル、モリブデン及びタングステンからなる群から選択される少なくとも一種を含有するものである［２］又は［３］に記載の粒子状物質検出装置。

［５］ 前記集塵部が、前記粒子荷電部で荷電された粒子状物質を静電気により捕集することが可能な集塵電極を、前記キャビティの内壁面に備えたものである［１］〜［４］のいずれかに記載の粒子状物質検出装置。

［６］ 前記集塵部に備えられた前記集塵電極が、外周形状に凹凸が形成された板状の電極である［５］に記載の粒子状物質検出装置。

［７］ 前記集塵電極が、金、銀、白金、ニッケル、モリブデン及びタングステンからなる群から選択される少なくとも一種を含有するものである［５］又は［６］に記載の粒子状物質検出装置。

［８］ 前記キャビティを取り囲む内壁面のうち、前記集塵電極が配設されている内壁面を構成する壁の内部に埋設された接地電極（集塵用接地電極）を備え、前記集塵電極と前記集塵用接地電極との間の静電容量の変化を検出することにより前記集塵電極で捕集した粒子状物質の量を測定することが可能な［５］〜［７］のいずれかに記載の粒子状物質検出装置。

［９］ 前記集塵用接地電極が、金、銀、白金、ニッケル、モリブデン及びタングステンからなる群から選択される少なくとも一種を含有するものである［８］に記載の粒子状物質検出装置。

［１０］ 前記集塵電極が配設される前記集塵部の内壁面の前記集塵電極に接触しない位置に、少なくとも一の電極拡張部が配設され、前記集塵電極により捕集された粒子状物質が、前記集塵電極と前記電極拡張部との間に集積することにより、前記集塵電極と前記電極拡張部とが電気的に導通することが可能な［５］〜［９］のいずれかに記載の粒子状物質検出装置。

［１１］ 前記電極拡張部が二以上配設され、前記集塵電極から各前記電極拡張部までの距離がそれぞれ異なるものである［１０］に記載の粒子状物質検出装置。

［１２］ 前記イオン風発生部が、前記粒子荷電部で荷電された粒子状物質を前記流出側端部方向に移動させるように沿面放電するイオン風発生電極を、前記キャビティの内壁面に備えたものである［１］〜［１１］のいずれかに記載の粒子状物質検出装置。

［１３］ 前記イオン風発生部が、前記粒子荷電部で荷電された粒子状物質を前記流出側端部方向に移動させるようにコロナ放電するイオン風発生電極を、前記キャビティの内壁面に備えたものである［１］〜［１１］のいずれかに記載の粒子状物質検出装置。

［１４］ 前記イオン風発生電極が、金、銀、白金、ニッケル、モリブデン、ステンレススチール及びタングステンからなる群から選択される少なくとも一種を含有するものである［１２］又は［１３］に記載の粒子状物質検出装置。

［１５］ 前記検出装置本体を構成する材料がセラミックである［１］〜［１４］のいずれかに記載の粒子状物質検出装置。

［１６］ 前記検出装置本体が、複数のテープ状セラミックが積層されてなる［１５］に記載の粒子状物質検出装置。

［１７］ 前記検出装置本体を構成する材料であるセラミックが、アルミナ、酸化マグネシウム、酸化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、ジルコニア、コーディエライト、ムライト、スピネル、マグネシウム−カルシウム−チタン系酸化物、バリウム−チタン−亜鉛系酸化物、及びバリウム−チタン系酸化物からなる群から選択される少なくとも一種を含むものである［１５］又は［１６］に記載の粒子状物質検出装置。

［１８］ 浄化用電極と接地電極（浄化用接地電極）とが、前記キャビティを間に挟むようにして前記検出装置本体に配設され、前記浄化用電極と前記浄化用接地電極とによりキャビティ内に無声放電を発生させ、キャビティ内に付着した粒子状物質を除去することが可能な［１］〜［１７］のいずれかに記載の粒子状物質検出装置。

［１９］ 前記浄化用電極及び前記浄化用接地電極が、金、銀、白金、ニッケル、モリブデン及びタングステンからなる群から選択される少なくとも一種を含有するものである［１８］に記載の粒子状物質検出装置。

［２０］ 前記キャビティ内を通過する粒子状物質が、ディーゼルエンジンより排出される煤、又はナノ粒子製造設備で製造されたナノ粒子である［１］〜［１９］のいずれかに記載の粒子状物質検出装置。

本発明の粒子状物質検出装置によれば、検出装置本体の内部を貫通するキャビティに粒子状物質（排ガス）を流入させることができ、そのキャビティが、その一方の端部（流入側端部）側から順に、流入側端部からキャビティ内に流入した粒子状物質を荷電することが可能な粒子荷電部、粒子荷電部で荷電された粒子状物質を捕集し、粒子状物質量を測定することが可能な集塵部、及び、粒子荷電部で荷電された粒子状物質をキャビティの他方の端部（流出側端部）側に向かって移動させることが可能なイオン風発生部を有するため、ＤＰＦの下流側を流れる排ガスに含有される全ての粒子状物質を直接測定するのではなく、キャビティ内に流入した粒子状物質だけを測定することにより排ガス全体の粒子状物質量を推算することができるので、粒子状物質検出装置を小型化することが可能となり、安価に製造することが可能となる。また、ＤＰＦの下流側を流れる排ガスの全流量が高流量の場合でも、その排ガス（粒子状物質）の一部をイオン風発生部によりキャビティ内に一定の流量で吸引し、吸引された粒子状物質をキャビティ内に流すことが可能であるため、キャビティ内の粒子状物質を全て効果的に荷電することができ、誤差の少ない測定値を得ることが可能となる。更に、ＤＰＦの下流側を流れる排ガスの全流量が変動しても、キャビティ内を流れる排ガスの量は全流量とは独立に制御できるため、誤差の少ない測定値を得ることが可能となる。

本発明の粒子状物質検出装置の一の実施形態を模式的に示す斜視図である。 本発明の粒子状物質検出装置の一の実施形態を模式的に示す側面図である。 図２ＡのＡ−Ａ’断面図である。 図２ＡのＡ−Ａ’断面図であり、放電状態を示した断面図である。 集塵電極の形状を模式的に示す平面図である。 集塵電極の形状を模式的に示す平面図である。 集塵電極の形状を模式的に示す平面図である。 集塵電極と電極拡張部とを模式的に示す平面図である。 図２ＡのＡ−Ａ’断面図であり、浄化時にプラズマが発生している状態を示す断面図である。

符号の説明

１：検出装置本体、２：空洞（キャビティ）、３：粒子荷電部、４：集塵部、５：イオン風発生部、６：流入側端部、７：流出側端部、１１：接地電極、１２：荷電用電極、１３：荷電用接地電極、１４：集塵電極、１５：集塵用接地電極、１６，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ：電極拡張部、１７：イオン風発生電極、１８：イオン風発生用接地電極、１９：浄化用電極、２０：浄化用接地電極、２１：集塵電極配設面、２２：接地用電極埋設壁、３１：荷電用沿面放電、３２：沿面放電、３３：プラズマ、４１：セラミックシート、１００：粒子状物質検出装置、ａ，ｂ，ｃ：距離。

次に本発明の実施形態を図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。

図１は、本発明の粒子状物質検出装置の一の実施形態を模式的に示す斜視図である。本実施形態の粒子状物質検出装置１００は、図１に示すように、内部を貫通する空洞（キャビティ）２を有する検出装置本体１を備えるものであり、キャビティ２は、粒子状物質が通過することが可能なものである。

図２Ａ、図２Ｂは本発明の粒子状物質検出装置の一の実施形態を模式的に示し、図２Ａは側面図、図２Ｂは図２ＡのＡ−Ａ’断面図である。図２Ａ、図２Ｂは、図１に示す本実施形態の粒子状物質検出装置の側面図及び断面図であり、図２Ａにおいては、便宜上、検出装置本体１の内部を貫通するキャビティ２、及び各種電極が配置されている位置を破線で示した。図２Ａ、図２Ｂに示すように、本実施形態の粒子状物質検出装置１００は、粒子状物質が通過することが可能なキャビティ２が、その一方の端部（流入側端部）６側から順に、流入側端部６からキャビティ２内に流入した粒子状物質を荷電することが可能な粒子荷電部３、粒子荷電部３で荷電された粒子状物質を捕集し、粒子状物質量を測定することが可能な集塵部４、及び、キャビティ内の排ガスを他方の端部７側に向かって流出させることが可能なイオン風発生部５を有する。

このように、本実施形態の粒子状物質検出装置１００によれば、イオン風発生部５によりキャビティ２内に、流入側端部６から流出側端部７に向かう一定流量のイオン風を発生させ、キャビティ２内に一定量の排ガスを流入、通過、及び流出させることが可能であるため、キャビティ２内に流入した粒子状物質だけを測定することにより排ガス全体の粒子状物質量を推算することができ、粒子状物質検出装置を小型化することが可能となり、安価に製造することが可能となる。また、ＤＰＦの下流側を流れる排ガスの全流量が高流量であったり、変動したりする場合でも、その排ガス（粒子状物質）の一部をイオン風発生部５によりキャビティ内に一定の流量で吸引し、吸引された粒子状物質をキャビティ内に流すことが可能であるため、キャビティ内の粒子状物質を粒子荷電部３で全て効果的に荷電することができ、集塵部４により誤差の少ない測定値を得ることが可能となる。

図２Ａ、図２Ｂに示すように、本実施形態の粒子状物質検出装置１００は、キャビティ２内の流入側端部６付近に粒子荷電部３を有する。粒子荷電部３は、粒子状物質を荷電することが可能な領域をいい、キャビティ２内において、キャビティ２の流入側端部６から、キャビティ２の全長（流入側端部６から流出側端部７までの距離）の１／４に相当する位置までの間に配置されていることが好ましい。

図３に示すように、本実施形態の粒子状物質検出装置１００は、検出装置本体１に、キャビティ２の粒子荷電部３を間に挟むようにして荷電用電極１２と接地電極１１（荷電用接地電極１３）とが配設され、粒子荷電部３が、荷電用電極１２によってキャビティ２内に発生した無声放電（荷電用無声放電３１）により、粒子状物質を荷電させるものであることが好ましい。図３は、図２ＡのＡ−Ａ’断面図であり、放電状態を示した断面図である。このように、キャビティ２内に流入した一定流量の排ガスに含有される粒子状物質をキャビティ２内で荷電用沿面放電３１により荷電するため、キャビティ２内の粒子状物質を効率的に荷電することができる。

荷電用電極１２と荷電用接地電極１３との間に印加する電圧は、無声放電し、かつアーク放電しない電圧であればよい。また、荷電用電極１２の形状は特に限定されず、図２Ａ、図２Ｂに示すように、長方形の膜状又はシート状であることが好ましいが、円形、楕円形、トラック形状、五角形等の多角形等の膜状又はシート状であってもよい。荷電用電極１２の厚さは特に限定されず放電時の耐久性が高く、かつ流入する排ガスの妨げとならない厚さであればよい。荷電用電極１２の面積は特に限定されず、流入する粒子状物質を効果的に荷電でき、かつ無声放電を起こすのに必要以上の電力を消費しない面積であればよい。図２Ａに示すように、荷電用電極１２の紙面における上下方向（キャビティ２の貫通方向に垂直で、且つ、荷電用電極１２に平行な方向であり、この方向を検出装置本体１の上下方向とする）に相当する長さが、キャビティ２の検出装置本体１の上下方向に相当する長さより長く、荷電用電極１２がキャビティ２の上部から下部までを（側面から見たときに）覆っている状態であることが好ましい。

荷電用接地電極１３は、荷電用電極１２と同じ大きさ、又は荷電用電極１２より大きいことが好ましい。そして、荷電用接地電極１３が、荷電用電極１２をその表面に直交する方向（法線方向）に移動させたときに、重なる位置（対向する位置）に配設されていることが好ましい。荷電用接地電極１３の形状は、図２Ａ、図２Ｂに示すように、長方形の膜状又はシート状であることが好ましいが、円形、楕円形、トラック形状、五角形等の多角形等の膜状又はシート状であってもよい。また、図２Ａ、図２Ｂに示すように、荷電用接地電極１３と集塵用接地電極１５（接地電極１１）とが共通であることが好ましいが、分離されていてもよい。荷電用接地電極１３の厚さは特に限定されず、不連続な導体膜とならない厚さであればよい。荷電用接地電極１３の面積は特に限定されず荷電部分と集塵部分が接近しすぎて正確な測定ができない面積でなく、かつ素子全体の大きさが大きくなり、コスト高につながる恐れのない面積であればよい。図２Ａに示すように、荷電用接地電極１３の検出装置本体１の上下方向における上端部と下端部が、荷電用電極１２と（側面から見たときに）重なっていることが好ましい。

本実施形態の粒子状物質検出装置１００は、粒子荷電部３が、荷電用電極１２によってキャビティ２内に発生したコロナ放電により、粒子状物質を荷電させるものであることが好ましい。この場合には、荷電用電極１２を先端が尖った針状等の電極とし、その先端がキャビティ２の空間内に突き出す状態にすることが好ましい。コロナ放電をする場合には、荷電用電極１２と荷電用接地電極１３との間に印加する電圧は、コロナ放電が発生し、かつアーク放電にならない電圧であればよい。

本実施形態の粒子状物質検出装置１００において、集塵部４が、粒子荷電部３で荷電された粒子状物質を静電気により捕集することが可能な集塵電極１４を、キャビティ２の内壁面に備えたものであることが好ましい。集塵部４は、静電気により粒子状物質を捕集することが可能な領域をいい、キャビティ２内において、キャビティ２の流入側端部６から、キャビティ２の全長（流入側端部６から流出側端部７までの距離）の１／８〜７／８に相当する位置までの間に配置されていることが好ましい。

前記キャビティを取り囲む内壁面のうち、集塵電極１４が配設されるキャビティ２の内壁面（集塵電極配設面２１）を構成する壁（接地電極埋設壁２２）の内部に埋設された接地電極１１（集塵用接地電極１５）を備え、集塵電極１４と集塵用接地電極１５との間の静電容量の変化を検出することにより集塵電極１４で捕集した粒子状物質の量を測定することが可能であることが好ましい。

このように、集塵電極１４と集塵用接地電極１５との間の静電容量の変化を検出することにより集塵電極１４で捕集した粒子状物質の量を測定することができるため、検出回路を小型にすることができ、粒子状物質検出装置１００を更に小型化することができる。そして、より安価に製造することが可能となる。

集塵電極１４と集塵用接地電極１５との間に印加する電圧は、電極間の絶縁破壊や周りの導体への漏れ電流が顕著化しない電圧を印加するのが望ましいが、汎用ＩＣが使用できる−３０Ｖ〜３０Ｖが更に好ましい。集塵電極１４と集塵用接地電極１５との間の距離は、特に限定されないが、製造ばらつきの影響を受けて初期の静電容量の固体バラツキが大きくならず、かつ煤を集塵したときの静電容量の変化が小さく感度がわるくなることがない距離であればよい。

集塵電極１４は、図４Ａに示すように、外周形状が長方形の板状の電極であってもよいが、図４Ｂ、図４Ｃに示すように、外周形状に凹凸が形成された板状の電極であることが好ましい。ここで、「凹凸が形成される」というときは、凹部及び凸部が両方形成されている場合、凹部のみが形成されている場合、及び凸部のみが形成されている場合のいずれも含む。図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃは、それぞれ集塵電極１４を模式的に示した平面図である。図４Ｂに示す集塵電極１４は、図４Ａに示す長方形の集塵電極に対して、一の辺側から複数の凹部及び凸部が形成されたものである。図４Ｂは、複数の凸部が櫛歯状に配置されて形成されているという見方もできる。このように、凹部及び凸部は、元の形状の把握の仕方によりどちらともとれる場合があるが、この様な場合も、「凹凸が形成される」に該当し、これを凹部と考えるべきか、凸部と考えるべきかは重要では無い。図４Ｃに示す集塵電極１４は、図４Ａに示す長方形の集塵電極に対して、平行な二つの辺より、交互に凹部が形成されたものである。

集塵電極１４の厚さは特に限定されず、耐久性が十分取れるかつ流入する排ガスの妨げとならないような厚さであればよい。集塵電極１４の面積は特に限定されず煤を集塵したときの静電容量の変化が大きく取れ、かつ付着した煤をクリーニングする際に必要以上の電力を消費しないような面積であればよい。集塵電極１４の図２Ａの紙面における上下方向（検出装置本体１の上下方向）に相当する長さは、特に限定されないが、図２Ａに示すように、キャビティ２の検出装置本体１の上下方向に相当する長さと同じであることが好ましい。集塵電極１４の枚数は、特に限定されず、１枚であっても、複数枚であってもよい。具体的には、１〜５枚であることが好ましい。

集塵用接地電極１５は、集塵電極１４と同じ大きさ、又は集塵電極１４より大きいことが好ましい。そして、集塵用接地電極１５が、集塵電極１４をその表面に直交する方向（法線方向）に移動させたときに、重なる位置に配設されていることが好ましい。上述のように、集塵用接地電極１５は荷電用接地電極１３と共通であることが好ましいが、分離されていてもよい。集塵用接地電極１５と荷電用接地電極１３とが共通の場合、集塵用接地電極１５の形状は、図２Ａ、図２Ｂに示すように、長方形の膜状又はシート状であることが好ましいが、円形、楕円形、トラック形状、五角形等の多角形等の膜状又はシート状であってもよい。集塵用接地電極１５と荷電用接地電極１３とが分離されている場合も、集塵用接地電極１５の形状としては同様の形状であることが好ましい。集塵用接地電極１５の厚さは特に限定されず、不連続な導体膜とならない厚さであればよい。

本実施形態の粒子状物質検出装置１００においては、集塵電極１４が配設される集塵部４の内壁面（集塵電極配設面２１）の集塵電極１４に接触しない位置に、少なくとも一の電極拡張部が配設されることが好ましい。例えば、図５に示すように、集塵電極１４に接触しない位置に複数の電極拡張部１６が配設されていることが更に好ましい。そして、集塵電極１４により捕集された粒子状物質が、集塵電極１４と電極拡張部１６との間に堆積したときに、集塵電極１４と電極拡張部１６とが電気的に導通することが可能であることが好ましい。集塵電極１４に粒子状物質が捕集されている間（集塵電極１４と電極拡張部１６とがまだ電気的に導通していない間）は、徐々に集塵電極１４と集塵用接地電極１５との間の静電容量が変化するが、集塵電極１４と電極拡張部１６とが電気的に導通したところで、大幅に静電容量が大きくなり、一定量の粒子状物質が捕集されたことを明確に把握することが可能となる。そして、図５に示すように、電極拡張部１６が二以上配設された場合、集塵電極１４から各電極拡張部１６（１６ａ，１６ｂ，１６ｃ）までの距離ａ，ｂ，ｃがそれぞれ異なるものであることが好ましい。このように、集塵電極１４から各電極拡張部１６（１６ａ，１６ｂ，１６ｃ）までの距離ａ，ｂ，ｃを異ならせることにより、粒子状物質の捕集量を、異なる複数の段階で明確に把握することが可能になる。この場合、電極拡張部１６（１６ａ，１６ｂ，１６ｃ）間の距離は、特に限定されないが、集塵電極１４から各電極拡張部１６（１６ａ，１６ｂ，１６ｃ）までの距離ａ，ｂ，ｃのいずれよりも長いことが好ましい。

図２Ａ、図２Ｂに示すように、本実施形態の粒子状物質検出装置１００は、キャビティ２内の流出側端部７寄りにイオン風発生部５を有する。イオン風発生部５は、イオン風を発生させるための放電をすることができる領域をいい、キャビティ２内において、キャビティ２の流入側端部６から、キャビティ２の全長（流入側端部６から流出側端部７までの距離）の３／４〜４９／５０に相当する位置までの間に配置されていることが好ましい。

本実施形態の粒子状物質検出装置１００においては、図２Ａ、図２Ｂ及び図３に示すように、イオン風発生部５が、粒子荷電部３で荷電された粒子状物質を含む排ガスを流出側端部７方向に移動させるように沿面放電するイオン風発生電極１７を、キャビティの内壁面に備えたものであることが好ましい。そして、イオン風発生電極１７が配設されるキャビティ２の内壁面を構成する壁の中に埋設されたイオン風発生用接地電極１８を備え、イオン風発生電極１７とイオン風発生用接地電極１８との間に電圧を印加することにより沿面放電３２を発生させることが好ましい。このとき、イオン風発生用接地電極１８の埋設位置は、図２Ａ、図２Ｂ及び図３に示すように、イオン風発生電極１７の位置より流出側端部に寄った位置であることが好ましい。これにより、イオン風発生電極１７とイオン風発生用接地電極１８との間に電圧を印加したときに、キャビティ２が貫通する方向（キャビティ２の長さ方向）に沿面放電３２が発生し、荷電された粒子状物質がこの沿面放電３２により流出側端部７方向に力を受けてイオン風を発生させることが可能となる。

イオン風の風量としては、排ガスの流れとして、排ガス中の煤を測定できるのに十分な風量が取れ、かつ全排ガス流量とは独立に風量が制御できることが望ましい。

イオン風発生電極１７とイオン風発生用接地電極１８との間に印加する電圧、イオン風発生電極１７とイオン風発生用接地電極１８との間の距離、イオン風発生電極１７の面積は、絶縁破壊をせず、排ガス中の煤を測定できるのに十分な風量が取れ、かつ全排ガス流量とは独立に風量が制御できる電圧、距離、面積であることが望ましい。

イオン風発生電極１７の厚さは特に限定されず、放電時の耐久性が高く、かつ流入する排ガスの妨げとならない厚さであればよい。イオン風発生電極１７の図２Ａの紙面における上下方向（検出装置本体１の上下方向）に相当する長さは、特に限定されないが、図２Ａに示すように、キャビティ２の検出装置本体１の上下方向に相当する長さと同じであることが好ましい。イオン風発生電極１７の枚数は、特に限定されないが、複数あることが好ましく、２〜１００枚であることが更に好ましい。

イオン風発生電極１７の形状は特に限定されず、図２Ａ、図２Ｂに示すように、長方形の膜状又はシート状であることが好ましいが、円形、楕円形、トラック形状、五角形等の多角形等の膜状又はシート状であってもよい。

イオン風発生用接地電極１８は、イオン風発生電極１７と同じ大きさ、又はイオン風発生電極１７より大きいことが好ましい。そして、図２Ａ、図２Ｂ、図３に示すように、イオン風発生用接地電極１８が、イオン風発生電極１７をその表面に直交する方向（法線方向）に移動させたときに、イオン風発生電極１７の流出側端部７側の端部が、イオン風発生用接地電極１８の流入側端部６側の端部と重なる位置に配設されていることが好ましい。イオン風発生用接地電極１８の形状は、図２Ａ、図２Ｂに示すように、長方形の膜状又はシート状であることが好ましいが、円形、楕円形、トラック形状、五角形等の多角形等の膜状又はシート状であってもよい。イオン風発生用接地電極１８の厚さは特に限定されず、不連続な導体膜とならない厚さであればよい。イオン風発生用接地電極１８の面積は特に限定されず、排ガス中の煤を測定できるのに十分な風量が取れ、かつ全排ガス流量とは独立に風量が制御できる面積であることが望ましい。

本実施形態の粒子状物質検出装置１００は、イオン風発生部５が、粒子荷電部３で荷電された粒子状物質を含む排ガスを、流出側端部７方向に移動させるようにコロナ放電するイオン風発生電極を、キャビティ２の内壁面に備えたものであることが好ましい。この場合には、イオン風発生電極を先端が尖った針状等の電極とし、その先端がキャビティ２の空間内に突き出す状態にすることが好ましい。コロナ放電をする場合には、イオン風発生電極とイオン風発生用接地電極１８との間に印加する電圧は、アーク放電にならず、排ガス中の煤を測定できるのに十分な風量が取れ、かつ全排ガス流量とは独立に風量が制御できる電圧であることが望ましい。

上述した接地電極１１（荷電用接地電極１３、集塵用接地電極１５、イオン風発生用接地電極１８）、荷電用電極１２、集塵電極１４、電極拡張部１６、及びイオン風発生電極１７の材質は、それぞれ独立に、金、銀、白金、ニッケル、モリブデン、ステンレススチール及びタングステンからなる群から選択される少なくとも一種を含有するものであることが好ましい。これらの成分は、２０体積％以上含有されていることが好ましい。

本実施形態の粒子状物質検出装置１００において、検出装置本体１は、内部を貫通するキャビティが形成された構造体であり、この構造体は、キャビティを筒状に取り囲む壁を有するものである。このような構造体である検出装置本体１を構成する材料が、セラミックであることが好ましく、アルミナ、酸化マグネシウム、酸化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、ジルコニア、コーディエライト、ムライト、スピネル、マグネシウム−カルシウム−チタン系酸化物、バリウム−チタン−亜鉛系酸化物、及びバリウム−チタン系酸化物からなる群から選択される少なくとも一種を含むものであることが更に好ましい。

検出装置本体１が、複数のテープ状セラミック（セラミックシート４１）が積層されてなるものであることが好ましい（図２Ｂ、図３参照）。これにより、複数のテープ状セラミックを、間に各電極を挟みながら積層して検出装置本体１を作製することができるため、本実施形態の粒子状物質検出装置１００を効率的に製造することが可能となる。検出装置本体１の形状は、特に限定されず、図１に示すように直方体であることが好ましいが、五角柱形等の角柱形、円柱形等の他の形状であってもよい。検出装置本体１の大きさは特に限定されず、例えば、図１に示すような直方体である場合、キャビティ２が伸びる方向（排ガスが流れる方向）の長さが１〜３０ｍｍ、それに垂直な２つ辺の長さが、それぞれ、０．５〜１０ｍｍ、及び１０〜５０ｍｍであることが好ましい。

本実施形態の粒子状物質検出装置１００は、図６に示すように、浄化用電極１９と接地電極１１（浄化用接地電極２０）とが、キャビティ２を間に挟むようにして検出装置本体１に配設され、浄化用電極１９と浄化用接地電極２０とによりキャビティ２内にプラズマ３３を発生させ、キャビティ２内に付着した粒子状物質を除去することが可能であることが好ましい。浄化用電極１９は、キャビティ２の流入側端部６から流出側端部７までの間のできるだけ広い範囲をカバーしていることが好ましいが、キャビティ２の長手方向長さの７０〜９９％の長さを有していることが好ましい。浄化用電極１９の図２Ａの紙面における上下方向（検出装置本体１の上下方向）に相当する長さは、特に限定されないが、図２Ａに示すように、キャビティ２の検出装置本体１の上下方向に相当する長さより長く、キャビティ２の上下方向全体をカバーしていることが好ましい。また、図６に示すように、キャビティ２内にプラズマ３３を発生させ、キャビティ２内に付着した粒子状物質を除去する操作をするときには、荷電用電極１２を浄化用電極１９と共に浄化用電極として使用し、荷電用接地電極１３、集塵用接地電極１５及びイオン風発生用接地電極１８を浄化用接地電極２０として使用してもよい。これら以外にも、他の浄化用接地電極１８を追加してもよい。

浄化用電極１９及び浄化用接地電極２０が、金、銀、白金、ニッケル、モリブデン及びタングステンからなる群から選択される少なくとも一種を含有するものであることが好ましい。これらの成分は、２０体積％以上含有されていることが好ましい。

本実施形態の粒子状物質検出装置１００は、キャビティ２内を通過する粒子状物質が、ディーゼルエンジンより排出される煤、又はナノ粒子製造設備で製造されたナノ粒子であるときに、特にその効果を発揮させることができる。

本実施形態の粒子状物質検出装置１００の製造方法について説明する。

（成形原料の調製）
アルミナ、酸化マグネシウム、酸化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、ジルコニア、コーディエライト化原料、ムライト、スピネル、マグネシウム−カルシウム−チタン系酸化物、バリウム−チタン−亜鉛系酸化物、及びバリウム−チタン系酸化物からなる群から選択される少なくとも一種を含むセラミック原料と、成形原料として使用する他の成分とを混合し、スラリー状の成形原料を調製する。セラミック原料としては、上記原料が好ましいが、これに限定されるものではない。他の原料としては、バインダー、可塑剤、分散剤、水等を使用することが好ましい。

バインダーとしては、特に限定されるものではないが、水系バインダー、非水系バインダーのどちらでもよく、水系バインダーとしてはメチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキシド等を好適に使用でき、非水系バインダーとしてはポリビニルブチラール、アクリル系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン等を好適に使用することができる。アクリル系樹脂としては、（メタ）アクリル樹脂、（メタ）アクリル酸エステル共重合体、アクリル酸エステル−メタクリル酸エステル共重合体等を挙げることができる。

バインダーの添加量は、セラミック原料１００質量部に対して、３〜２０質量部であることが好ましく、６〜１７質量部であることが更に好ましい。このようなバインダー含有量とすることにより、スラリー状の成形原料を成形してグリーンシートを成形したとき、及び、乾燥、焼成したときに、クラック等の発生を防止することが可能となる。

可塑剤としては、グリセリン、ポリエチレングリコール、ジブチルフタレート、フタル酸ジ−２−エチルヘキシル、フタル酸ジイソノニル等を使用することができる。

可塑剤の添加量は、バインダー添加量１００質量部に対して、３０〜７０質量部であることが好ましく、４５〜５５質量部であることが更に好ましい。７０質量部より多いと、グリーンシートが柔らかくなりすぎ、シートを加工する工程において変形しやすくなることがあり、３０質量部より少ないと、グリーンシートが硬くなりすぎ、曲げただけでクラックが入るなどハンドリング性が悪くなることがある。

分散剤としては、水系ではアニオン系界面活性剤、ワックスエマルジョン、ピリジン等を使用することが出来、非水系では脂肪酸、リン酸エステル、合成界面活性剤等を使用することができる。

分散剤は、セラミック原料１００質量部に対して、０．５〜３質量部であることが好ましく、１〜２質量部であることが更に好ましい。０．５質量部より少ないと、セラミック原料の分散性が低下することがあり、グリーンシートにクラック等が生じることがある。３質量部より多いと、セラミック原料の分散性は変わらずに焼成時の不純物を増やすことになる。

溶媒は、セラミック原料１００質量部に対して、５０〜２００質量部であることが好ましく、７５〜１５０質量部であることが更に好ましい。

上記各原料をアルミナ製ポット及びアルミナ玉石を用いて十分に混合してグリーンシート製作用のスラリー状の成形原料を作製する。また、これらの材料を、モノボールによりボールミル混合して作製してもよい。

次に、得られたグリーンシート製作用のスラリー状の成形原料を、減圧下で撹拌して脱泡し、さらに所定の粘度となるように調製する。成形原料の調製において得られるスラリー状の成形原料の粘度は、２．０〜６．０Ｐａ・ｓであることが好ましく、３．０〜５．０Ｐａ・ｓであることが更に好ましく、３．５〜４．５Ｐａ・ｓであることが特に好ましい。粘度範囲をこのように調整すると、スラリーをシート状に成形し易くなるため好ましい。スラリー粘度は、高過ぎても低過ぎても成形し難くなることがある。尚、スラリーの粘度は、Ｂ型粘度計で測定した値である。

（成形加工）
次に、上記方法により得られたスラリー状の成形原料をシート状に成形加工して、グリーンシートを形成する。成形加工方法は、成形原料をシート状に成形してグリーンシートを形成することができれば特に限定されず、ドクターブレード法、プレス成形法、圧延法、カレンダーロール法等の公知の方法を使用することができる。このとき、グリーンシートを積層したときにキャビティが形成されるように、キャビティ形成用のグリーンシートを作製する。

製造するグリーンシートの厚さは、５０〜８００μｍであることが好ましい。

得られたグリーンシートの表面に各電極及び配線を配設する。例えば、図２Ａ、図２Ｂに示すような、粒子状物質検出装置を作製する場合には、各電極及び配線（図示せず）が所定の位置に配設されるように、グリーンシートの対応する位置に各電極及び配線を印刷することが好ましい。配設する各電極及び配線を形成するための導体ペーストを調製する。この導体ペーストは、例えば、金、銀、白金、ニッケル、モリブデン、及びタングステンからなる群から選択される少なくとも一種を含有する粉末に、バインダ及びテルピネオール等の溶剤を加え、トリロールミル等を用いて十分に混錬して調製することができる。このようにして形成した導体ペーストを、グリーンシートの表面にスクリーン印刷等を用いて印刷して、所定の形状の電極及び配線を形成する。

次に、グリーンシートを積層する。積層するときには、各電極及びキャビティが図２Ａ、図２Ｂに示すような配置になるようにする。積層は加圧しながら行うことが好ましい。

（焼成）
得られた、グリーンシートの積層体を６０〜１５０℃で乾燥し、１２００〜１６００℃で焼成して粒子状物質検出装置を作製する。グリーンシートが有機バインダーを含有する場合には、焼成の前に、４００〜８００℃で脱脂することが好ましい。

以下、本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。

（実施例１）
（成形原料の調製）
アルミナをセラミック原料として使用し、バインダーとしてポリビニルブチラール、可塑剤としてフタル酸ジ−２−エチルヘキシル、分散剤としてソルビタントリオレエートを使用し、有機溶剤（キシレン、ブタノール＝６：４（質量比））と共にアルミナ製ポットに入れて混合し、グリーンシート製作用のスラリー状の成形原料を作製した。各原料の使用量は、アルミナ１００質量部に対して、バインダー７質量部、可塑剤３．５質量部、分散剤１．５質量部、有機溶剤１００質量部とした。

次に、得られたグリーンシート製作用のスラリー状の成形原料を、減圧下で撹拌して脱泡し、粘度４Ｐａ・ｓとなるように調製した。スラリーの粘度は、Ｂ型粘度計で測定した。

（成形加工）
次に、上記方法により得られたスラリー状の成形原料をドクターブレード法を用いてシート状に成形加工した。このとき、グリーンシートを積層したときにキャビティが形成されるように、キャビティ形成用のグリーンシートも作製した。グリーンシートの厚さは、２５０μｍとした。

得られたグリーンシートの表面に各電極及び配線を形成した。配設する各電極及び配線を形成するための導体ペーストは、白金粉末に、溶剤として２エチルヘキサノール、バインダーとしてポリビニルブチラール、可塑剤としてフタル酸ジ−２−エチルヘキシル、分散剤としてソルビタントリオレエート、グリーンシートの共生地としてアルミナ、焼結助剤としてガラスフリットを加え、らいかい機及びトリロールミルを用いて十分に混錬して調製した（質量比で、白金：アルミナ：ガラスフリット：２−エチルヘキサノール：ポリビニルブチラール：フタル酸ジ−２−エチルヘキシル：ソルビタントリオレエート＝８０：１５：５：５０：７：３．５：１）。このようにして形成した導体ペーストを、グリーンシートの表面にスクリーン印刷を用いて印刷して、所定の形状の電極及び配線を形成した。

次に、グリーンシートを加熱可能な一軸プレス機を用いて加圧積層し、グリーンシートからなる図２Ａ、図２Ｂに示す粒子状物質検出装置の未焼成体を得た。

（焼成）
得られた、グリーンシートの積層体（粒子状物質検出装置の未焼成体）を１２０℃で乾燥し、１５００℃で焼成して粒子状物質検出装置を作製した。得られた粒子状物質検出装置は、０．６ｃｍ×１．０ｃｍ×３．２ｃｍの直方体であり、キャビティは、排ガスの流通方向に垂直な断面形状が０．２ｃｍ×０．５ｃｍの長方形であった。

（粒子状物質測定）
得られた粒子状物質測定装置を、ディーゼルエンジンの排気管に酸化触媒と欠陥のあるＤＰＦを装着した装置の、ＤＰＦの下流側に設置した。ディーゼルエンジンとしては、排気量１４００ｃｃの直噴−ディーゼルエンジンを使用し、回転数２０００ｒｐｍの運転条件下でＥＧＲ（ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）率を変化させながらＰＭ濃度の異なる（０．５〜２０．２ｍｇ／ｍ^３）排ガスを発生させた。ディーゼルエンジンから排ガスを発生させながら、「粒子状物質の検出」及び「キャビティ内の浄化」のそれぞれの状態を１０秒サイクルで切り替えた。粒子状物質を検出する場合には、荷電用電極には電圧３ｋＶ、電流１ｍＡのパルス波を印加した。そして、集塵電極には電圧２ｋＶ、電流１ｍＡを印加して粒子状物質の集塵による電極の静電容量の変化を測定した。そして、イオン風発生電極には電圧５ｋＶ、電流３ｍＡの矩形波を印加し、キャビティ内に風量５Ｌ／ｓのイオン風を発生させた。キャビティ内を浄化する場合には、荷電用接地電極、集塵用接地電極、及びイオン風発生用接地電極を浄化用接地電極として使用し、浄化用電極と、この浄化用接地電極との間に電圧４ｋＶ、電流５ｍＡのパルス波形を印加し、キャビティ内にプラズマを発生させた。これにより、キャビティ内に付着した粒子状物質を酸化浄化した。

測定結果より、静電容量の変化量ΔＣ（ｐＦ）とスモークメータ（ＡＶＬ社製、商品名：型式４１５８）で測定したＰＭ濃度Ｐ（ｍｇ／ｍ^３）との間には近似直線として、「Ｐ＝０．４８５×ΔＣ＋１．０２３」の関係があった。また、ΔＣとＰとの間の相関関係としては、ｒ^２＝０．９８という結果が得られ、静電容量変化を測定することでＰＭ濃度が検出できることを確認した。ｒは、ピアソンの積率相関係数を示す。

ＤＰＦの欠陥の発生を即座に検知し、装置の異常を認識するために好適に利用することができ、これにより大気汚染の防止に貢献することができる。

Claims (20)

1. 内部を貫通する空洞（キャビティ）を有する検出装置本体を備え、
   前記キャビティが、その一方の端部（流入側端部）側から順に、
   流入側端部からキャビティ内に流入した粒子状物質を荷電することが可能な粒子荷電部、
   前記粒子荷電部で荷電された粒子状物質を捕集し、粒子状物質量を測定することが可能な集塵部、及び、
   前記粒子荷電部で荷電された粒子状物質を前記キャビティの他方の端部（流出側端部）側に向かって移動させることが可能なイオン風発生部を有する粒子状物質検出装置。
2. 前記検出装置本体に、前記キャビティの前記粒子荷電部を間に挟むようにして荷電用電極と接地電極（荷電用接地電極）とが配設され、
   前記粒子荷電部が、前記荷電用電極によって前記キャビティ内の空間に発生した無声放電により、粒子状物質を荷電させるものである請求項１に記載の粒子状物質検出装置。
3. 前記検出装置本体に、前記キャビティの前記粒子荷電部を間に挟むようにして荷電用電極と接地電極（荷電用接地電極）とが配設され、
   前記粒子荷電部が、前記荷電用電極によって前記キャビティ内に発生したコロナ放電により、粒子状物質を荷電させるものである請求項１に記載の粒子状物質検出装置。
4. 前記荷電用電極及び前記荷電用接地電極が、金、銀、白金、ニッケル、モリブデン及びタングステンからなる群から選択される少なくとも一種を含有するものである請求項２又は３に記載の粒子状物質検出装置。
5. 前記集塵部が、前記粒子荷電部で荷電された粒子状物質を静電気により捕集することが可能な集塵電極を、前記キャビティの内壁面に備えたものである請求項１〜４のいずれかに記載の粒子状物質検出装置。
6. 前記集塵部に備えられた前記集塵電極が、外周形状に凹凸が形成された板状の電極である請求項５に記載の粒子状物質検出装置。
7. 前記集塵電極が、金、銀、白金、ニッケル、モリブデン及びタングステンからなる群から選択される少なくとも一種を含有するものである請求項５又は６に記載の粒子状物質検出装置。
8. 前記キャビティを取り囲む内壁面のうち、前記集塵電極が配設されている内壁面を構成する壁の内部に埋設された接地電極（集塵用接地電極）を備え、前記集塵電極と前記集塵用接地電極との間の静電容量の変化を検出することにより前記集塵電極で捕集した粒子状物質の量を測定することが可能な請求項５〜７のいずれかに記載の粒子状物質検出装置。
9. 前記集塵用接地電極が、金、銀、白金、ニッケル、モリブデン及びタングステンからなる群から選択される少なくとも一種を含有するものである請求項８に記載の粒子状物質検出装置。
10. 前記集塵電極が配設される前記集塵部の内壁面の前記集塵電極に接触しない位置に、少なくとも一の電極拡張部が配設され、
    前記集塵電極により捕集された粒子状物質が、前記集塵電極と前記電極拡張部との間に集積することにより、前記集塵電極と前記電極拡張部とが電気的に導通することが可能な請求項５〜９のいずれかに記載の粒子状物質検出装置。
11. 前記電極拡張部が二以上配設され、前記集塵電極から各前記電極拡張部までの距離がそれぞれ異なるものである請求項１０に記載の粒子状物質検出装置。
12. 前記イオン風発生部が、前記粒子荷電部で荷電された粒子状物質を前記流出側端部方向に移動させるように沿面放電するイオン風発生電極を、前記キャビティの内壁面に備えたものである請求項１〜１１のいずれかに記載の粒子状物質検出装置。
13. 前記イオン風発生部が、前記粒子荷電部で荷電された粒子状物質を前記流出側端部方向に移動させるようにコロナ放電するイオン風発生電極を、前記キャビティの内壁面に備えたものである請求項１〜１１のいずれかに記載の粒子状物質検出装置。
14. 前記イオン風発生電極が、金、銀、白金、ニッケル、モリブデン、ステンレススチール及びタングステンからなる群から選択される少なくとも一種を含有するものである請求項１２又は１３に記載の粒子状物質検出装置。
15. 前記検出装置本体を構成する材料がセラミックである請求項１〜１４のいずれかに記載の粒子状物質検出装置。
16. 前記検出装置本体が、複数のテープ状セラミックが積層されてなる請求項１５に記載の粒子状物質検出装置。
17. 前記検出装置本体を構成する材料であるセラミックが、アルミナ、酸化マグネシウム、酸化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、ジルコニア、コーディエライト、ムライト、スピネル、マグネシウム−カルシウム−チタン系酸化物、バリウム−チタン−亜鉛系酸化物、及びバリウム−チタン系酸化物からなる群から選択される少なくとも一種を含むものである請求項１５又は１６に記載の粒子状物質検出装置。
18. 浄化用電極と接地電極（浄化用接地電極）とが、前記キャビティを間に挟むようにして前記検出装置本体に配設され、前記浄化用電極と前記浄化用接地電極とによりキャビティ内に無声放電を発生させ、キャビティ内に付着した粒子状物質を除去することが可能な請求項１〜１７のいずれかに記載の粒子状物質検出装置。
19. 前記浄化用電極及び前記浄化用接地電極が、金、銀、白金、ニッケル、モリブデン及びタングステンからなる群から選択される少なくとも一種を含有するものである請求項１８に記載の粒子状物質検出装置。
20. 前記キャビティ内を通過する粒子状物質が、ディーゼルエンジンより排出される煤、又はナノ粒子製造設備で製造されたナノ粒子である請求項１〜１９のいずれかに記載の粒子状物質検出装置。

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