JPWO2019049566A1 - 微粒子検出素子及び微粒子検出器 - Google Patents

Abstract

微粒子検出素子は、ガスが通過するガス流路（１３）を有する筐体（１２）と、筐体（１２）内に導入されたガス中の微粒子に放電によって発生させた電荷を付加して帯電微粒子にする電荷発生部（２０）と、筐体（１２）内でガス流路（１３）に露出して設けられ帯電微粒子と微粒子に付加されなかった電荷とのいずれかである捕集対象を捕集する１以上の捕集電極を有する捕集部（４２）と、捕集電極を加熱する加熱部（６２）と、を備えている。筐体（１２）は、捕集電極が少なくとも１つ配設された捕集電極配設壁部（１５）を１以上有している。捕集電極配設壁部（１５）の少なくとも１つは、ガス流路（１３）の中心軸に垂直な断面において中央部分の厚さがそれ以外の部分よりも薄くなっている中央薄肉形状をしている。

Description

本発明は、微粒子検出素子及び微粒子検出器に関する。

従来、微粒子検出器としては、筐体内に導入された被測定ガス中の微粒子に電荷を付加し、電荷が付加された微粒子を測定電極で捕集し、捕集された微粒子の電荷の量に基づいて微粒子の個数を測定するものが知られている（例えば、特許文献１）。また、特許文献１の微粒子検出器は、測定電極を加熱するヒータを備えている。このヒータが測定電極を加熱することで、測定電極に付着した微粒子が除去されて測定電極がリフレッシュされる。

国際公開第２０１５／１４６４５６号パンフレット

このような微粒子検出器において、電極に付着した微粒子を速やかに除去することが望まれていた。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、捕集電極に付着した微粒子をより短時間で除去することを主目的とする。

本発明は、上述した主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の微粒子検出素子は、
ガス中の微粒子を検出するために用いられる微粒子検出素子であって、
前記ガスが通過するガス流路を有する筐体と、
前記筐体内に導入された前記ガス中の微粒子に放電によって発生させた電荷を付加して帯電微粒子にする電荷発生部と、
前記筐体内で前記ガス流路に露出して設けられ前記帯電微粒子と前記微粒子に付加されなかった前記電荷とのいずれかである捕集対象を捕集する１以上の捕集電極、を有する捕集部と、
前記捕集電極を加熱する加熱部と、
を備え、
前記筐体は、前記捕集電極が少なくとも１つ配設された捕集電極配設壁部を１以上有し、
前記捕集電極配設壁部の少なくとも１つは、前記ガス流路の中心軸に垂直な断面において中央部分の厚さがそれ以外の部分よりも薄くなっている中央薄肉形状をしている、
ものである。

この微粒子検出素子では、電荷発生部が電荷を発生させることでガス中の微粒子を帯電微粒子にし、捕集電極が捕集対象（帯電微粒子と微粒子に付加されなかった電荷とのいずれか）を捕集する。捕集電極に捕集された捕集対象に応じて物理量が変化するため、この微粒子検出素子を用いることでガス中の微粒子を検出できる。このとき、微粒子検出素子の使用に伴って捕集電極には微粒子が付着していく。ここで、ガス中の微粒子は筐体内のガス流路の中心軸に近い領域の方が濃度が高くなる傾向にある。そのため、捕集電極のうちガス流路の中心軸に近い部分には微粒子が付着しやすい。そして、本発明の微粒子検出素子では、筐体のうち捕集電極が配設された捕集電極配設壁部の少なくとも１つが、ガス流路の中心軸に垂直な断面において中央部分がそれ以外の部分よりも薄くなっている中央薄肉形状をしている。そのため、中央薄肉形状の捕集電極配設壁部では、中央部分が他の部分よりも熱容量が小さく、温度が上昇しやすい。したがって、捕集電極に付着した微粒子を加熱部が加熱する際には、中央薄肉形状の捕集電極配設壁部に配設された捕集電極のうち微粒子が付着しやすい部分（上述したガス流路の中心軸に近い部分）の温度が上昇しやすい。これにより、中央薄肉形状の捕集電極配設壁部に配設された捕集電極については、捕集電極のうち微粒子が多く付着する部分を速やかに昇温して微粒子を燃焼させることができ、その捕集電極に付着した微粒子をより短時間で除去できる。この場合において、本発明の微粒子検出素子は、前記ガス中の前記微粒子の量を検出するために用いられてもよい。「微粒子の量」は、例えば微粒子の数，質量，表面積の少なくともいずれかであってもよい。

本発明の微粒子検出素子において、前記ガス流路は、少なくとも前記中央薄肉形状の前記捕集電極配設壁部が存在する部分では、前記ガス流路の中心軸に垂直な断面が円形状（真円状）でないものとしてもよい。例えば、前記ガス流路は、前記断面が楕円形又は多角形状であってもよい。

本発明の微粒子検出素子において、前記筐体は、前記ガス流路を仕切る仕切り部を有しており、前記中央薄肉形状をした前記捕集電極配設壁部の少なくとも１つは、前記仕切り部であってもよい。この場合において、前記筐体は、前記中央薄肉形状をした前記捕集電極配設壁部を複数有し、前記中央薄肉形状をした前記捕集電極配設壁部の少なくとも１つは、前記筐体の外壁であってもよい。すなわち、前記中央薄肉形状をした前記捕集電極配設壁部は、少なくとも１つが前記筐体の外壁であり、少なくとも１つが前記仕切り部であってもよい。

本発明の微粒子検出素子において、前記中央薄肉形状をした前記捕集電極配設壁部の少なくとも１つは、前記断面において前記中央部分に向けて厚さが徐々に薄くなる形状をしていてもよい。こうすれば、例えば中央薄肉形状をした捕集電極配設壁部が厚さが急激に変化する段差部を有している場合と比べて、その捕集電極配設壁部の強度が高くなりやすい。

本発明の微粒子検出素子において、前記捕集電極の少なくとも１つが前記中央薄肉形状をしていてもよい。こうすれば、中央薄肉形状の捕集電極では、ガス流路の中央に位置する部分の熱容量が小さくなるため、その捕集電極のうち微粒子が付着しやすい部分の温度が上昇しやすくなる。したがって、その捕集電極に付着した微粒子をより短時間で除去できる。この場合において、前記中央薄肉形状をした前記捕集電極の少なくとも１つは、前記断面において前記中央部分に向けて厚さが徐々に薄くなる形状をしていてもよい。

本発明の微粒子検出素子において、前記捕集部は、前記ガス流路内に露出し前記捕集電極の少なくとも１つに向けて前記捕集対象を移動させる電界を発生させる電界発生電極を１以上有し、前記筐体は、前記電界発生電極が少なくとも１つ配設された電界発生電極配設壁部を１以上有し、前記電界発生電極配設壁部の少なくとも１つは、前記中央薄肉形状をしていてもよい。こうすれば、中央薄肉形状の捕集電極配設壁部に配設された捕集電極と同様に、中央薄肉形状の電界発生電極配設壁部に配設された電界発生電極についても、微粒子が多く付着する部分を速やかに昇温して微粒子を燃焼させることができる。

この場合において、前記電界発生電極は、各々が少なくとも１つの前記捕集電極に対向して配設されていてもよいし、各々が前記捕集電極に１対１に対向して配設されていてもよい。また、前記中央薄肉形状の前記電界発生電極配設壁部の少なくとも１つは、前記仕切り部であってもよいし、前記筐体の外壁であってもよい。前記中央薄肉形状の前記電界発生電極配設壁部の少なくとも１つは、前記断面において前記中央部分に向けて厚さが徐々に薄くなる形状をしていてもよい。

本発明の微粒子検出素子において、前記ガス流路は、該ガス流路の中心軸に垂直な断面が四角形状であってもよい。ここで、「四角形状」には略四角形状を含み、例えば捕集電極配設壁部が中央薄肉形状をしていることでガス流路が厳密な四角形状をしていない場合も含む。

本発明の微粒子検出素子において、前記捕集電極を含み前記ガス流路内に露出している複数の露出電極、を備え、前記筐体は、前記ガス流路に露出する内周面の一部であり前記複数の露出電極のうち少なくとも２つの電極を接続する部分である接続面を有し且つ前記中央薄肉形状をした接続壁部を有しており、前記加熱部は、前記接続壁部を加熱してもよい。ここで、微粒子検出素子の使用に伴って、微粒子の一部が筐体の内周面に付着していき、付着した微粒子が露出電極間の短絡経路を形成する場合がある。しかし、加熱部が接続壁部を加熱することで露出電極間の接続面に付着した微粒子を除去できる。しかも、中央薄肉形状をした接続壁部はガス流路の中央に位置する部分の熱容量が小さいため、接続壁部の接続面のうち微粒子が付着しやすい部分の温度が上昇しやすくなる。したがって、接続面に付着した微粒子を加熱部によってより短時間で除去できる。以上のことから、この微粒子検出素子は、例えば短絡経路の形成を抑制したり、短絡経路が形成されても速やかに短絡状態から回復したりできる。この場合において、前記露出電極は、１以上の前記捕集電極と、１以上の前記電界発生電極と、前記電荷発生部が有する複数の電極と、のうち２以上としてもよい。

本発明の微粒子検出器は、上述したいずれかの態様の微粒子検出素子と、前記捕集電極に捕集された前記捕集対象に応じて変化する物理量に基づいて、前記微粒子を検出する検出部と、を備えたものである。そのため、この微粒子検出器は、上述した本発明の微粒子検出素子と同様の効果、例えば捕集電極に付着した微粒子をより短時間で除去できる効果が得られる。この場合において、前記検出部は、前記物理量に基づいて、前記微粒子の量を検出してもよい。「微粒子の量」は、例えば微粒子の数，質量，表面積の少なくともいずれかであってもよい。この微粒子検出器において、前記捕集対象が前記微粒子に付加されなかった前記電荷である場合には、前記検出部は、前記物理量と、前記電荷発生部が発生させる電荷（例えば電荷の数又は電荷量）と、に基づいて、前記微粒子を検出してもよい。

なお、本明細書において、「電荷」とは、正電荷や負電荷のほかイオンを含むものとする。「微粒子の量を検出する」とは、微粒子の量を測定する場合のほか、微粒子の量が所定の数値範囲に入るか否か（例えば所定のしきい値を超えるか否か）を判定する場合も含むものとする。「物理量」とは、捕集対象の数（電荷量）に基づいて変化するパラメータであればよく、例えば電流などが挙げられる。

微粒子検出器１０の概略構成を表す斜視図。 図１のＡ−Ａ断面図。 図１のＢ−Ｂ断面の部分断面図。 微粒子検出素子１１の分解斜視図。 変形例の第２外壁１１５ｂの断面図。 変形例の筐体１１２の部分断面図。 変形例の微粒子検出器７１０の断面図。

次に、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図１は本発明の一実施形態である微粒子検出器１０の概略構成を表す斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図であり、図３は図１のＢ−Ｂ断面の部分断面図であり、図４は微粒子検出素子１１の分解斜視図である。なお、本実施形態において、上下方向，左右方向及び前後方向は、図１〜図３に示した通りとする。

微粒子検出器１０は、ガス（例えば自動車の排ガス）に含まれる微粒子１７の数を計測するものである。この微粒子検出器１０は、図１，２に示すように、微粒子検出素子１１を備えている。また、微粒子検出器１０は、図２に示すように、放電用電源２９と、除去用電源３９と、捕集用電源４９と、検出装置５０と、ヒータ用電源６９とを備えている。微粒子検出素子１１は、図２に示すように、筐体１２と、電荷発生装置２０と、余剰電荷除去装置３０と、捕集装置４０と、ヒータ装置６０と、を備えている。

筐体１２は、ガスが通過するガス流路１３を内部に有している。ガス流路１３は、図２に示すように、筐体１２内にガスを導入するガス導入口１３ａと、ガス導入口１３ａよりも下流側に位置しガスの流れが分岐する複数（ここでは３つ）の分岐流路１３ｂ〜１３ｄと、を有している。ガス導入口１３ａから筐体１２内に導入されたガスは、分岐流路１３ｂ〜１３ｄを通って筐体１２外に排出される。ガス流路１３は、ガス流路１３の中心軸に垂直な断面（ここでは上下左右方向に沿った断面）が略四角形状をしている。ガス導入口１３ａ，及び分岐流路１３ｂ〜１３ｄのいずれも、ガス流路１３の中心軸に垂直な断面が略四角形状をしている。筐体１２は、図１及び図４に示すように、長尺な略直方体形状をしている。筐体１２は、図２〜図４に示すように、複数の層（ここでは第１〜第１１層１４ａ〜１４ｋ）を所定の積層方向（ここでは上下方向）に積層した積層体として構成されている。筐体１２は絶縁体であり、例えばアルミナなどのセラミックス製である。第４〜第８層１４ｄ〜１４ｈの各々には各層を厚さ方向（ここでは上下方向）に貫通する貫通孔又は切り欠きが設けられており、この貫通孔又は切り欠きがガス流路１３となっている。図３に示すように、第４，第６，第８層１４ｄ，１４ｆ，１４ｈはそれぞれ分岐流路１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの側壁（ここでは左右の壁）を構成している。本実施形態では、第４，第６，第８層１４ｄ，１４ｆ，１４ｈは他の層よりも厚さが厚くなっている。第４，第６，第８層１４ｄ，１４ｆ，１４ｈは、各々が複数の層を有する積層体であってもよい。

筐体１２は、図２，３に示すように、ガス流路１３に面しており捕集電極４２と電界発生電極４４との少なくとも一方が配設された第１〜第４壁部１５ａ〜１５ｄを有している。第１壁部１５ａは、第１〜第３層１４ａ〜１４ｃのうちガス流路１３の直上に位置する部分である。第１壁部１５ａの下面はガス流路１３の天井面を構成している。第１壁部１５ａは、筐体１２のうち上側の外壁の一部である。第１壁部１５ａの下面には放電電極２１ａ，印加電極３２，及び第１電界発生電極４４ａが配設されている。第２壁部１５ｂは、第５層１４ｅのうちガス流路１３に面する部分（分岐流路１３ｂの直下及び分岐流路１３ｃの直上に位置する部分）である。第２壁部１５ｂは、分岐流路１３ｂと分岐流路１３ｃとを上下に仕切る仕切り部として構成されている。第２壁部１５ｂの上面には第１捕集電極４２ａが配設され、下面には第２電界発生電極４４ｂが配設されている。第３壁部１５ｃは、第７層１４ｇのうちガス流路１３に面する部分（分岐流路１３ｃの直下及び分岐流路１３ｄの直上に位置する部分）である。第３壁部１５ｃは、分岐流路１３ｃと分岐流路１３ｄとを上下に仕切る仕切り部として構成されている。第３壁部１５ｃの上面には第２捕集電極４２ｂが配設され、下面には第３電界発生電極４４ｃが配設されている。第４壁部１５ｄは、第９〜第１１層１４ｉ〜１４ｋのうちガス流路１３の直下に位置する部分である。第４壁部１５ｄの上面はガス流路１３の底面を構成している。第４壁部１５ｄは、筐体１２のうち下側の外壁の一部である。第４壁部１５ｄの上面には放電電極２１ｂ，除去電極３４，及び第３捕集電極４２ｃが配設されている。

第１〜第４壁部１５ａ〜１５ｄは、いずれも、図３に示すように、ガス流路１３の中心軸に垂直な断面において中央部分（ここでは左右方向の中央部分）の厚さがそれ以外の部分よりも薄くなっている形状をしている。以下では、このような形状を中央薄肉形状と称する。第１〜第４壁部１５ａ〜１５ｄは、いずれも、左右方向の中央部分に向けて厚さが徐々に薄くなる形状をしている。第１〜第４壁部１５ａ〜１５ｄは、いずれも、上下面のうちガス流路１３に面する部分が湾曲面になっており、これにより中央薄肉形状に形成されている。中央薄肉形状は、厚みの最小値が厚みの最大値の９６％未満であるような形状としてもよい。中央薄肉形状は、厚みの最小値が５０μｍ以上であるような形状としてもよい。

第１〜第４壁部１５ａ〜１５ｄは、ガス流路１３の中心軸に垂直ないずれの断面においても中央部分の厚さがそれ以外の部分よりも薄くなっている。そのため、第１壁部１５ａの一部であり図２に示す接続壁部７０ａ，７０ｂ、及び第４壁部１５ｄの一部であり図２に示す接続壁部７０ｃ，７０ｄについても、図３に示した形状と同様にガス流路１３に面する部分が湾曲した中央薄肉形状に形成されている。接続壁部７０ａは、筐体１２のうちガス流路１３に露出する内周面の一部であり放電電極２１ａと印加電極３２とを前後方向に接続する部分である接続面７２ａを有する。同様に、接続壁部７０ｂは、筐体１２の内周面の一部であり印加電極３２と第１電界発生電極４４ａとを前後方向に接続する部分である接続面７２ｂを有する。接続壁部７０ｃは、筐体１２の内周面の一部であり放電電極２１ｂと除去電極３４とを前後方向に接続する部分である接続面７２ｃを有する。接続壁部７０ｄは、筐体１２の内周面の一部であり除去電極３４と第３捕集電極４２ｃとを前後方向に接続する部分である接続面７２ｄを有する。接続面７２ａ，７２ｂはそれぞれ接続壁部７０ａ，７０ｂの下面であり、接続面７２ｃ，７２ｄはそれぞれ接続壁部７０ｃ，７０ｄの上面である。接続面７２ａ〜７２ｄは、導電性を有する微粒子１７が付着することで電極間の短絡経路となりうる面である。例えば接続面７２ａは、放電電極２１ａと印加電極３２との短絡経路となりうる面である。

電荷発生装置２０は、図２に示すように、筐体１２のガス導入口１３ａに近い側に設けられた第１，第２電荷発生装置２０ａ，２０ｂを有している。第１電荷発生装置２０ａは、第１壁部１５ａに配設された放電電極２１ａ及び誘導電極２４ａを有している。放電電極２１ａ及び誘導電極２４ａは、誘電体層の役割を果たす第３層１４ｃの表裏にそれぞれ設けられている。放電電極２１ａは第１壁部１５ａの下面に設けられ、ガス流路１３内に露出している。第２電荷発生装置２０ｂは、第４壁部１５ｄに配設された放電電極２１ｂ及び誘導電極２４ｂを有している。放電電極２１ｂ及び誘導電極２４ｂは、誘電体層の役割を果たす第９層１４ｉの表裏にそれぞれ設けられている。放電電極２１ｂは第４壁部１５ａの上面に設けられ、ガス流路１３内に露出している。放電電極２１ａ，２１ｂの各々は、長方形状の金属薄板の互いに向かい合う長辺に複数の三角形状の微細な突起２２を有している（図１参照）。誘導電極２４ａ，２４ｂの各々は、長方形状の電極であり、放電電極２１ａ，２１ｂの長手方向と平行に２本設けられている。放電電極２１ａ，２１ｂと誘導電極２４ａ，２４ｂとは、放電用電源２９に接続されている。誘導電極２４ａ，２４ｂはグランドに接続されていてもよい。

第１電荷発生装置２０ａでは、放電電極２１ａと誘導電極２４ａとの間に放電用電源２９から高周波の高電圧（例えばパルス電圧等）が印加されると、両電極間の電位差により放電電極２１ａの近傍で気中放電（ここでは誘電体バリア放電）が起こる。第２電荷発生装置２０ｂについても同様に、放電用電源２９からの高電圧による放電電極２１ｂと誘導電極２４ｂとの電位差により放電電極２１ｂの近傍で気中放電が起こる。これらの放電によって、放電電極２１ａ，２１ｂの周囲に存在するガスがイオン化されて、電荷１８（ここでは正電荷とする）が発生する。これにより、電荷発生装置２０を通過するガス中の微粒子１７は電荷１８が付加されて帯電微粒子Ｐになる（図２参照）。

余剰電荷除去装置３０は、印加電極３２と除去電極３４とを有している。印加電極３２及び除去電極３４は、電荷発生装置２０の下流且つ捕集装置４０の上流に位置している。印加電極３２は第１壁部１５ａの下面に設けられ、ガス流路１３内に露出している。除去電極３４は第４壁部１５ｄの上面に設けられ、ガス流路１３内に露出している。印加電極３２と除去電極３４とは互いに向かい合う位置に配設されている。印加電極３２は、除去用電源３９から微小な正電位Ｖ２が印加される電極である。除去電極３４は、グランドに接続された電極である。これにより、余剰電荷除去装置３０の印加電極３２と除去電極３４との間には弱い電界が発生する。したがって、電荷発生装置２０で発生した電荷１８のうち、微粒子１７に付加されなかった余剰の電荷１８は、この弱い電界によって除去電極３４に引き寄せられて捕獲され、グランドに捨てられる。これにより、余剰電荷除去装置３０は、余剰の電荷１８が捕集装置４０の捕集電極４２に捕集されて微粒子１７の数にカウントされてしまうことを抑制している。

捕集装置４０は、捕集対象（ここでは帯電微粒子Ｐ）を捕集するための装置であり、電荷発生装置２０及び余剰電荷除去装置３０よりも下流の分岐流路１３ｂ〜１３ｄに設けられている。捕集装置４０は、帯電微粒子Ｐを捕集する１以上の捕集電極４２と、帯電微粒子Ｐを捕集電極４２に向けて移動させる１以上の電界発生電極４４と、を有している。本実施形態では、捕集装置４０は捕集電極４２として第１〜第３捕集電極４２ａ〜４２ｃを有し、電界発生電極４４として第１〜第３電界発生電極４４ａ〜４４ｃを有している。第１電界発生電極４４ａは第１壁部１５ａの下面に配設され、第１捕集電極４２ａは第２壁部１５ｂの上面に配設されている。第１電界発生電極４４ａと第１捕集電極４２ａとは互いに上下に向かい合う位置に配設され、いずれも分岐流路１３ｂに露出している。第２電界発生電極４４ｂは第２壁部１５ｂの下面に配設され、第２捕集電極４２ｂは第３壁部１５ｃの上面に配設されている。第２電界発生電極４４ｂと第２捕集電極４２ｂとは互いに上下に向かい合う位置に配設され、いずれも分岐流路１３ｃに露出している。第３電界発生電極４４ｃは第３壁部１５ｃの下面に配設され、第３捕集電極４２ｃは第４壁部１５ｄの上面に配設されている。第３電界発生電極４４ｃと第３捕集電極４２ｃとは互いに上下に向かい合う位置に配設され、いずれも分岐流路１３ｄに露出している。第１〜第３電界発生電極４４ａ〜４４ｃには、いずれも捕集用電源４９から電圧Ｖ１が印加される。第１〜第３捕集電極４２ａ〜４２ｃは、いずれも電流計５２を介してグランドに接続されている。これにより、分岐流路１３ｂには第１電界発生電極４４ａから第１捕集電極４２ａに向かう電界が発生し、分岐流路１３ｃには第２電界発生電極４４ｂから第２捕集電極４２ｂに向かう電界が発生し、分岐流路１３ｄには第３電界発生電極４４ｃから第３捕集電極４２ｃに向かう電界が発生する。したがって、ガス流路１３を流れる帯電微粒子Ｐは、分岐流路１３ｂ〜１３ｄのいずれかに入り込み、そこで発生している電界によって下方に移動させられ、第１〜第３捕集電極４２ａ〜４２ｃのいずれかに引き寄せられて捕集される。電圧Ｖ１はここでは正電位であり、電圧Ｖ１のレベルは例えば１００Ｖオーダーから数ｋＶである。各電極３４，４２の各々のサイズや各電極３４，４２上の各々の電界の強さ（すなわち電圧Ｖ１，Ｖ２の大きさ）は、帯電微粒子Ｐが除去電極３４に捕集されることなく捕集電極４２に捕集されるように、また、微粒子１７に付着しなかった電荷１８が除去電極３４に捕集されるように、設定されている。

第１〜第３捕集電極４２ａ〜４２ｃ及び第１〜第３電界発生電極４４ａ〜４４ｃは、いずれも、第１〜第４壁部１５ａ〜１５ｄと同様に中央薄肉形状をしている。すなわち、図３に示すように、捕集電極４２及び電界発生電極４４は、ガス流路１３の中心軸に垂直な断面において中央部分（ここでは分岐流路１３ｂ〜１３ｄの左右方向の中央に位置する部分）の厚さがそれ以外の部分よりも薄くなっている形状をしている。捕集電極４２及び電界発生電極４４は、いずれも、中央部分に向けて厚さが徐々に薄くなる形状をしている。第１〜第４壁部１５ａ〜１５ｄは、いずれも、上下面のうちガス流路１３（ここでは分岐流路１３ｂ〜１３ｄ）に面する部分が湾曲面になっており、これにより中央薄肉形状に形成されている。

検出装置５０は、電流計５２と演算装置５４とを備えている。電流計５２は、一方の端子が捕集電極４２に接続され、もう一方の端子がグランドに接続されている。この電流計５２は、捕集電極４２に捕集された帯電微粒子Ｐの電荷１８に基づく電流を測定する。演算装置５４は、電流計５２の電流に基づいて微粒子１７の個数を演算する。演算装置５４は、各電源２９，３９，４９，６９のオンオフや電圧を制御することで各装置２０，３０，４０，６０を制御する制御部としての機能を有していてもよい。

ヒータ装置６０は、第１０層１４ｉと第１１層１４ｋとの間に配設されて第４壁部１５ｄに埋設されたヒータ電極６２を有している。ヒータ電極６２は、例えばジグザグに引き回された帯状の発熱体である。ヒータ電極６２は、少なくとも第３捕集電極４２ｃの真下に存在するように配置されている。ヒータ電極６２は、本実施形態ではガス流路１３の真下の領域のほぼ全体に亘って引き回されており、放電電極２１ｂ及び除去電極３４の真下にも存在している。ヒータ電極６２は、ヒータ用電源６９に接続され、ヒータ用電源６９によって通電されると発熱する。ヒータ電極６２が発生させた熱は、例えば筐体１２を介した熱伝導やガス流路１３を介した輻射などにより捕集電極４２などの各電極及び筐体１２に伝達されて、これらの電極及び筐体１２の内周面を加熱する。

図１，４に示すように、筐体１２の左端の上下面には、それぞれ複数の端子１９が配設されている。上述した各電極２１ａ，２１ｂ，２４ａ，２４ｂ，３２，３４，４２，４４は、筐体１２内に配設された配線を介して、この複数の端子１９のいずれかと電気的に導通している。同様に、ヒータ電極６２は配線を介して２つの端子１９と電気的に導通している。配線は、例えば第１〜第１１層１４ａ〜１４ｋの上下面に配設されたり、第１〜第１１層１４ａ〜１４ｋに設けられたスルーホール内に配設されたりしている。図２では図示を省略しているが、各電源２９，３９，４９，６９及び電流計５２は、この端子１９を介して微粒子検出素子１１内の各電極と導通している。

こうして構成された微粒子検出素子１１の製造方法を以下に説明する。まず、第１層〜第１１層１４ａ〜１４ｋに対応して、セラミックスの原料粉末を含む未焼成のセラミックスグリーンシートを複数用意する。第４〜第８層１４ｄ〜１４ｈに対応するグリーンシートには、ガス流路１３となる空間及びスルーホールを予め打ち抜き処理などによって設けておく。次に、第１〜第１１層１４ａ〜１４ｋの各々に対応して、各セラミックスグリーンシートに種々のパターンを形成するパターン印刷処理及び乾燥処理を行う。形成するパターンは、具体的には、例えば上述した各電極や各電極に接続される配線及び端子１９などのパターンである。パターン印刷は、公知のスクリーン印刷技術を利用してグリーンシート上にパターン形成用ペーストを塗布することにより行う。パターン印刷処理中又はその前後において、配線となる導電性ペーストのスルーホールへの充填も行う。続いて、グリーンシート同士を積層及び接着するための接着用ペーストの印刷処理及び乾燥処理を行う。そして、接着用ペーストを形成したグリーンシートを所定の順序に積層して、所定の温度・圧力条件を加えることで圧着させ、一つの積層体とする圧着処理を行う。この圧着処理を行う際には、ガス流路１３となる空間に、焼成によって消失する消失材（例えばテオブロミンなど）を充填しておく。その後、積層体を切断して筐体１２の大きさの積層体を切り出す。そして、切り出した積層体を所定の焼成温度で焼成する。焼成時には消失材が消失するため、消失材が充填されていた部分がガス流路１３となる。これにより、微粒子検出素子１１を得る。

微粒子検出素子１１の製造工程において、中央薄肉形状の第１〜第４壁部１５ａ〜１５ｄ、捕集電極４２及び電界発生電極４４は、以下のように形成することができる。例えば、上述した圧着処理中に充填する消失材の厚みを調整して、ガス流路１３となる空間のうち左右方向の中央部分の消失材が厚くなるようにする。こうすれば、複数のグリーンシートを積層して圧力を加える際に第１〜第４壁部１５ａ〜１５ｄ、捕集電極４２及び電界発生電極４４となる部分は左右方向の中央部分が他の部分よりも押圧されて凹むため、中央薄肉形状となる。あるいは、グリーンシートの成形時に第１〜第４壁部１５ａ〜１５ｄが中央薄肉形状となるような成形型を用いてもよい。また、捕集電極４２及び電界発生電極４４のパターン形成時に、中央部分以外の印刷回数を増やすなどによりパターンの厚さを調整して各々の電極が中央薄肉形状になるようにしてもよい。

このように、筐体１２をセラミック材料で構成する場合、以下の効果が得られる点で好適である。セラミック材料は一般に耐熱性が高く、ヒータ電極６２により後述する微粒子１７の除去を行うための温度、例えば微粒子１７の主成分であるカーボンが燃焼する６００℃から８００℃もの高温にも、容易に耐える。さらに、セラミック材料は一般にヤング率が高いため、筐体１２の壁部や仕切り部の厚さを薄くしても筐体１２の剛性を維持しやすく、熱衝撃や外力による筐体１２の変形を抑制できる。筐体１２の変形が抑制されることで、例えば電荷発生装置２０の放電時のガス流路１３中の電界分布の変化や分岐流路１３ｂ〜１３ｄの流路厚（ここでは上下の高さ）の変化などによる微粒子数の検出精度の低下を抑制できる。したがって、筐体１２をセラミック材料で構成することで、筐体１２の変形を抑制しつつ筐体１２の壁部や仕切り部の厚さを薄くして筐体１２をコンパクトにできる。セラミック材料としては、特に限定するものではないが、例えば、アルミナ、窒化ケイ素、ムライト、コージェライト、マグネシア、ジルコニアなどが挙げられる。

次に、微粒子検出器１０の使用例について説明する。自動車の排ガスに含まれる微粒子を計測する場合、エンジンの排気管内に微粒子検出素子１１を取り付ける。このとき、排ガスがガス導入口１３ａから筐体１２内に導入され、分岐流路１３ｂ〜１３ｄを通過してから排出されるように微粒子検出素子１１を取り付ける。また、微粒子検出素子１１に各電源２９，３９，４９，６９、及び検出装置５０を接続する。

ガス導入口１３ａから筐体１２内に導入された排ガスに含まれる微粒子１７は、電荷発生装置２０の放電によって発生した電荷１８（ここでは正電荷）を帯びて帯電微粒子Ｐになる。帯電微粒子Ｐは、電界が弱く除去電極３４の長さが捕集電極４２よりも短い余剰電荷除去装置３０をそのまま通過して分岐流路１３ｂ〜１３ｄのいずれかに流入し、捕集装置４０に至る。一方、微粒子１７に付加されなかった電荷１８は、電界が弱くても余剰電荷除去装置３０の除去電極３４に引き寄せられ、除去電極５８を介してＧＮＤに捨てられる。これにより、微粒子１７に付加されなかった不要な電荷１８は捕集装置４０にほとんど到達することがない。

捕集装置４０に到達した帯電微粒子Ｐは、電界発生電極４４が発生させた電界によって第１〜第３捕集電極４２ａ〜４２ｃのいずれかに捕集される。そして、捕集電極４２に付着した帯電微粒子Ｐの電荷１８に基づく電流が電流計５２で測定され、その電流に基づいて演算装置５４が微粒子１７の個数を演算する。本実施形態では、第１〜第３捕集電極４２ａ〜４２ｃは１つの電流計５２に接続されており、第１〜第３捕集電極４２ａ〜４２ｃに付着した帯電微粒子Ｐの電荷１８の合計数に基づく電流が電流計５２で測定される。電流Ｉと電荷量ｑの関係は、Ｉ＝ｄｑ／（ｄｔ）、ｑ＝∫Ｉｄｔである。演算装置５４は、所定期間にわたって電流値を積分（累算）してその積分値（蓄積電荷量）を求め、蓄積電荷量を素電荷で除算して電荷の総数（捕集電荷数）を求め、その捕集電荷数を１つの微粒子１７に付加する電荷の数の平均値（平均帯電数）で除算することで、捕集電極４２に付着していた微粒子１７の個数Ｎｔを求める。演算装置５４は、この個数Ｎｔを排ガス中の微粒子１７の数として検出する。ただし、微粒子１７の一部が捕集電極４２に捕集されずに通過してしまったり、捕集電極４２に捕集される前に筐体１２の内周面に付着してしまったりする場合もある。そのため、このような捕集電極４２に捕集されない微粒子１７の割合を考慮して予め微粒子１７の捕集率を定めておき、演算装置５４は、個数Ｎｔをその捕集率で除した値である総数Ｎａを、排ガス中の微粒子１７の数として検出してもよい。

微粒子１７等が捕集電極４２に数多く堆積すると、新たに帯電微粒子Ｐが捕集電極４２に捕集されないことがある。そのため、定期的にあるいは堆積量が所定量に達したタイミングで、捕集電極４２をヒータ電極６２によって加熱することにより、捕集電極４２上の堆積物を加熱して焼却し捕集電極４２の電極面をリフレッシュする。

ここで、排ガス中の微粒子１７は筐体１２内のガス流路１３の中心軸に近い領域の方が濃度が高くなる傾向にある。そのため、捕集電極４２のうちガス流路１３の中心軸に近い部分には微粒子１７が付着しやすい。例えば分岐流路１３ｂでは、図３に示す断面における分岐流路１３ｂの中心軸すなわち上下左右の中央に近い領域の方が、微粒子１７の濃度が高くなる傾向にある。そのため、第１捕集電極４２ａのうち分岐流路１３ｂの中心軸に近い部分、すなわち第１捕集電極４２ａのうち分岐流路１３ｂの左右の中央に位置する部分は、それ以外の部分よりも微粒子１７が付着しやすい。第２捕集電極４２ｂ及び第３捕集電極４２ｃについても同様に、分岐流路１３ｃ，１３ｄの左右の中央に位置する部分の方が微粒子１７が付着しやすい。そして、本実施形態の微粒子検出素子１１では、筐体１２のうち捕集電極４２が配設された捕集電極配設壁部である第２〜第４壁部１５ｂ〜１５ｄが、ガス流路１３の中心軸に垂直な断面において中央部分がそれ以外の部分よりも薄くなっている中央薄肉形状をしている。そのため、中央薄肉形状の第２〜第４壁部１５ｂ〜１５ｄでは、中央部分が他の部分よりも熱容量が小さく、温度が上昇しやすい。したがって、第１〜第３捕集電極４２ａ〜４２ｃに付着した微粒子１７をヒータ装置６０が加熱する際には、第１〜第３捕集電極４２ａ〜４２ｃのうち微粒子１７が付着しやすい部分（上述したガス流路１３の中心軸に近い部分）の温度が上昇しやすい。これにより、第１〜第３捕集電極４２ａ〜４２ｃの各々について、微粒子１７が多く付着する部分を速やかに昇温して微粒子１７を燃焼させることができる。その結果、捕集電極４２に付着した微粒子１７をより短時間で除去できる。ヒータ装置６０により微粒子１７を燃焼させている間は、演算装置５４が微粒子１７の個数を検出することができない期間（不感時間）となるが、本実施形態の微粒子検出素子１１ではこの不感時間を短くすることができる。

捕集電極４２の他に、ガス流路１３に露出した電極（ここでは放電電極２１ａ，２１ｂ、印加電極３２、除去電極３４及び電界発生電極４４）にも、微粒子１７が付着して堆積する場合がある。ヒータ装置６０により捕集電極４２の電極面をリフレッシュする際には、これらの電極のうち１以上についても付着した微粒子１７等を燃焼させて電極面をリフレッシュしてもよい。このとき、第１〜第４壁部１５ａ〜１５ｄはガス流路１３の中心軸に垂直ないずれの断面においても中央部分の厚さがそれ以外の部分よりも薄くなっている。そのため、捕集電極４２以外の電極に付着した微粒子１７を除去する際にも、捕集電極４２と同様に各電極のうち微粒子１７が多く付着する部分を速やかに昇温して微粒子１７を燃焼させることができる。

ここで、本実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係を明らかにする。本実施形態の筐体１２が本発明の筐体に相当し、電荷発生装置２０が電荷発生部に相当し、捕集装置４０が捕集部に相当し、ヒータ装置６０が加熱部に相当し、第２〜第４壁部１５ｂ〜１５ｄが捕集電極配設壁部に相当する。また、第１〜第３壁部１５ａ〜１５ｃが電界発生電極配設壁部に相当し、放電電極２１ａ，２１ｂ，印加電極３２，除去電極３４，捕集電極４２，及び電界発生電極４４が露出電極に相当し、検出装置５０が個検出部に相当する。

以上詳述した本実施形態の微粒子検出素子１１では、筐体１２のうち捕集電極４２が配設された捕集電極配設壁部である第２〜第４壁部１５ｂ〜１５ｄのいずれもが中央薄肉形状をしている。そのため、第２〜第４壁部１５ｂ〜１５ｄは左右方向の中央部分が他の部分よりも熱容量が小さく、温度が上昇しやすい。これにより、微粒子検出素子１１は、捕集電極４２のうち微粒子１７が多く付着する部分、すなわち第１〜第３捕集電極４２ａ〜４２ｃの各々のうちガス流路１３の中心軸に近い部分を、ヒータ装置６０により速やかに昇温して微粒子１７を燃焼させることができる。したがって、第１〜第３捕集電極４２ａ〜４２ｃの各々に付着した微粒子１７をより短時間で除去できる。ここで、第２〜第４壁部１５ｂ〜１５ｄ全体を薄くしてこれらの熱容量を小さくすることも考えられるが、その場合には筐体１２の強度が低下しやすい。第２〜第４壁部１５ｂ〜１５ｄを中央薄肉形状とすることで、筐体１２の強度低下を抑制しつつ捕集電極４２に付着した微粒子１７を短時間で除去できる。また、第２〜第４壁部１５ｂ〜１５ｄを中央薄肉形状とすることで、第２〜第４壁部１５ｂ〜１５ｄ全体を薄くする場合と比較して中央部分をより集中的に加熱できる。

また、筐体１２は、ガス流路１３を仕切る仕切り部として機能する第２，第３壁部１５ｂ，１５ｃを有している。仕切り部を設けて、ガス流路１３を分岐させる構造には、以下に記載するような効果がある。比較例として、図２において、第２，第３壁部１５ｂ，１５ｃを除いた構造を考える。その場合、帯電微粒子Ｐは、第１電界発生電極４４ａと第３捕集電極４２ｃとの間に形成される電界によってのみ、斥力ないし引力を受ける。その際、第１電界発生電極４４ａに印加する電圧は、上述した実施形態の電圧Ｖ１の約３倍（３Ｖ１）だけ印加しないと、上述した実施形態で捕集した粒子相当の粒子を捕集することができない（ただし、第２壁部１５ｂと第３壁部１５ｃの厚みは、ガス流路１３の厚みに比べて十分小さいと仮定する）。すなわち、仕切り部を設けることにより、印加電圧の低減を図ることが可能であり、結果として、捕集用電源４９の信頼性向上や、電圧Ｖ１を印加するために微粒子検出素子１１に設けられた端子１９間の短絡等を未然に防止することが可能である。

また、中央薄肉形状をした捕集電極配設壁部である第２〜第４壁部１５ｂ〜１５ｄは、いずれも、ガス流路１３の中心軸に垂直な断面においてガス流路１３の中央部分に向けて厚さが徐々に薄くなる形状をしている。そのため、例えば第２〜第４壁部１５ｂ〜１５ｄが厚さが急激に変化する段差部を有していることで中央薄肉形状になっている場合と比べて、第２〜第４壁部１５ｂ〜１５ｄの強度が高くなりやすい。

さらに、第１〜第３捕集電極４２ａ〜４２ｃがいずれも中央薄肉形状をしているため、これらの電極についてもガス流路１３の左右方向の中央に位置する部分の熱容量が小さくなる。これにより、第１〜第３捕集電極４２ａ〜４２ｃのうち微粒子１７が付着しやすい部分の温度が上昇しやすくなり、第１〜第３捕集電極４２ａ〜４２ｃの各々に付着した微粒子１７をより短時間で除去できる。また、第１〜第３捕集電極４２ａ〜４２ｃは、中央薄肉形状をしていることで、例えば厚さが一定の形状をしている場合と比較して上面の表面積が大きくなっている。そのため、第１〜第３捕集電極４２ａ〜４２ｃの各々について、微粒子１７の堆積量の許容値が大きくなる。これにより、新たな帯電微粒子Ｐが捕集電極４２に捕集されない状態になることを抑制したり、捕集電極４２の電極面をリフレッシュするためのヒータ装置６０の使用間隔を長くしたりすることができる。

さらにまた、筐体１２は、電界発生電極４４が配設された電界発生電極配設壁部である第１〜第３壁部１５ａ〜１５ｃを有し、この第１〜第３壁部１５ａ〜１５ｃのいずれもが中央薄肉形状をしている。そのため、中央薄肉形状の第２〜第４壁部１５ｂ〜１５ｄに配設された第１〜第３捕集電極４２ａ〜４２ｃと同様に、第１〜第３壁部１５ａ〜１５ｃに配設された第１〜第３電界発生電極４４ａ〜４４ｃについても、微粒子１７が多く付着する部分を速やかに昇温して微粒子１７を燃焼させることができる。そしてまた、第１〜第３電界発生電極４４ａ〜４４ｃがいずれも中央薄肉形状をしているため、これらの電極についてもガス流路１３の左右方向の中央に位置する部分の熱容量が小さくなり、各々の電極に付着した微粒子１７をより短時間で除去できる。

そしてまた、微粒子検出素子１１は、ガス流路１３内に露出している複数の露出電極（ここでは放電電極２１ａ，２１ｂ，印加電極３２，除去電極３４，捕集電極４２，及び電界発生電極４４）を備えている。また、筐体１２は、ガス流路１３に露出する内周面の一部であり複数の露出電極のうち少なくとも２つの電極を接続する部分である接続面７２ａを有し且つ中央薄肉形状をした接続壁部７０ａを有している。同様に、筐体１２は、接続面７２ｂ〜７２ｄをそれぞれ有し且つ中央薄肉形状をした接続壁部７０ｂ〜７０ｄを有している。そして、ヒータ装置６０は、接続壁部７０ａ〜７０ｄを加熱する。ここで、微粒子検出素子１１の使用に伴って、微粒子１７の一部が筐体１２の内周面に付着していく場合がある。一般に、微粒子１７は例えば炭素などの導電性を有する材料であることが多いため、微粒子１７が筐体１２の内周面に多量に付着していくと、微粒子１７が筐体１２の内周面に沿った短絡経路を形成して、内周面に露出した電極間を短絡させてしまう可能性がある。しかし、ヒータ装置６０は、接続壁部７０ａ〜７０ｄを加熱することで、露出電極間の接続面７２ａ〜７２ｄに付着した微粒子を除去できる。しかも、中央薄肉形状をした接続壁部７０ａ〜７０ｄはガス流路１３の中央に位置する部分の熱容量が小さいため、接続壁部７０ａ〜７０ｄの接続面７２ａ〜７２ｄのうち微粒子１７が付着しやすい部分の温度が上昇しやすくなる。したがって、接続壁部７０ａ〜７０ｄが中央薄肉形状であることで、接続面７２ａ〜７２ｄに付着した微粒子１７をヒータ装置６０によってより短時間で除去できる。以上のことから、微粒子検出素子１１は、例えば短絡経路の形成を抑制したり、短絡経路が形成されても速やかに短絡状態から回復したりできる。微粒子検出素子１１が速やかに短絡状態から回復できることで、微粒子検出素子１１の応答不能時間（微粒子１７の数を検出できない期間）を短くすることができる。

そしてさらにまた、筐体１２は絶縁体（誘電体）であり、電荷発生装置２０は、ガス流路１３に露出した放電電極２１ａ，２１ｂと、筐体１２に埋設された誘導電極２４ａ，２４ｂと、を有している。これにより、筐体１２のうち放電電極２１ａ，２１ｂと誘導電極２４ａ，２４ｂとに挟まれた部分が誘電体層の役割を果たし、電荷発生装置２０は、放電電極２１ａ，２１ｂの近傍で生じる誘電体バリア放電によって電荷１８を発生させて、微粒子１７を帯電微粒子Ｐにすることができる。そのため、例えば針状の放電電極を用いてコロナ放電により電荷１８を発生させる場合と比較して、低電圧及び低消費電力で同等の電荷量を発生させることができる。また、誘導電極２４ａ，２４ｂが筐体１２に埋設されているため、誘導電極２４ａ，２４ｂと他の電極との短絡を未然に防止できる。さらに、放電電極２１ａ，２１ｂが複数の突起２２を有しているため、より高濃度の電荷１８が生成可能となる。また、放電電極２１ａ，２１ｂは筐体１２のうちガス流路１３に露出する内周面に沿って配設されている。そのため、例えば針状の放電電極をガス流路１３に露出するように配設する場合と比較して、筐体１２と放電電極２１ａ，２１ｂとの一体製造が容易で、放電電極２１ａ，２１ｂがガスの流れを阻害しにくく、放電電極２１ａ，２１ｂに微粒子が付着しにくい。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

例えば、上述した実施形態では、第１〜第３捕集電極４２ａ〜４２ｃはいずれも中央薄肉形状としたが、これに限らず少なくとも１つが中央薄肉形状であってもよいし、いずれもが中央薄肉形状でなくともよい。電界発生電極４４についても同様である。また、ガス流路１３に露出する電極（上述した実施形態では放電電極２１ａ，２１ｂ、印加電極３２、除去電極３４、捕集電極４２及び電界発生電極４４）がいずれも中央薄肉形状であってもよい。

上述した実施形態では、中央薄肉形状をした壁部及び電極のいずれもが、ガス流路１３の中心軸に垂直な断面において中央部分（ガス流路１３の中心軸に近い部分）に向けて厚さが徐々に薄くなる形状をしていたが、これに限られない。例えば、図５に示す変形例の第２外壁１１５ｂのように、中央薄肉形状として、段差部を有する形状を採用してもよい。この場合、中央部分だけに薄肉部を配置できるため、中央部分をより集中的に加熱できる。図５の第２外壁１１５ｂは、上面に段差部を有するが、上面と下面との少なくとも一方に段差部があればよい。また、図５の第１捕集電極１４２ａは、第２外壁１１５ｂの段差部に倣って段差部を有するが、厚さは一定になっている。ただし、第１捕集電極１４２ａの段差部の高さを大きくして、第１捕集電極１４２ａの中央部分の厚さが薄い中央薄肉形状としてもよい。同様に、第２電界発生電極１４４ｂは、図５では厚さが一定になっているが、段差部を有する中央薄肉形状としてもよい。

上述した実施形態では、電界発生電極配設壁部である第１〜第３壁部１５ａ〜１５ｃはいずれも中央薄肉形状としたが、これに限らず少なくとも１つが中央薄肉形状であってもよいし、いずれもが中央薄肉形状でなくともよい。

上述した実施形態では、捕集電極配設壁部である第２〜第４壁部１５ｂ〜１５ｄはいずれも中央薄肉形状としたが、これに限らず少なくとも１つが中央薄肉形状であればよい。例えば、第２〜第４壁部１５ｂ〜１５ｄのうち、複数の捕集電極４２のうちヒータ電極６２に最も近い第３捕集電極４２ｃが配設された第４壁部１５ｄを中央薄肉形状としなくてもよい。あるいは、第２〜第４壁部１５ｂ〜１５ｄのうち、複数の捕集電極４２のうちヒータ電極６２から最も遠い第１捕集電極４２ａが配設された第２壁部１５ｂを少なくとも中央薄肉形状としてもよい。

上述した実施形態では、第１〜第４壁部１５ａ〜１５ｄのいずれもが、ガス流路１３の中心軸に垂直ないずれの断面においても中央部分の厚さがそれ以外の部分よりも薄くなっていたが、これに限られない。捕集電極配設壁部（例えば第２〜第４壁部１５ｂ〜１５ｄ）を中央薄肉形状とする場合には、少なくとも自身に配設された捕集電極４２を通り且つガス流路１３の中心軸に垂直ないずれかの断面において、中央薄肉形状であればよい。ただし、捕集電極配設壁部を中央薄肉形状とする場合には、自身に配設された捕集電極４２を通り且つガス流路１３の中心軸に垂直ないずれの断面においても、中央部分の厚さがそれ以外の部分よりも薄くなっていることが好ましい。電界発生電極配設壁部（例えば第１〜第３壁部１５ａ〜１５ｃ）についても同様である。

上述した実施形態では、接続壁部７０ａ〜７０ｄが中央薄肉形状に形成されていたが、これに限られない。微粒子検出素子１１が備える複数の露出電極のうち少なくとも２つの電極を接続する接続面を有する接続壁部が中央薄肉形状であれば、その２つの電極間について、短絡経路の形成を抑制したり短絡状態から速やかに回復したりする効果が得られる。例えば、第４層１４ｄのうち図３において分岐流路１３ｂの右側に位置する部分は、分岐流路１３ｂの右側面を有する右側壁である。この右側壁を中央薄肉形状（ここでは上下方向の中央部分の厚さがそれ以外の部分よりも薄くなっている形状）にすれば、第１電界発生電極４４ａと第１捕集電極４２ａとの間について、上述した効果が得られる。

上述した実施形態では、第１〜第４壁部１５ａ〜１５ｄは、いずれも、上下面のうちガス流路１３に面する部分が湾曲面になっていたが、これに限られない。例えば、外壁である第１，第２壁部１５ａ，１５ｄについては、ガス流路１３に面する部分と外側の面との少なくとも一方が湾曲していてもよい。図６は、この場合の変形例の筐体１１２の部分断面図である。図６の第１，第２壁部１１５ａ，１１５ｂは、ガス流路１３に面する部分と外側の面との両方が湾曲している。仕切り部である第２，第３壁部１５ｂ，１５ｃについては、ガス流路１３に面する部分が２つ存在するため、そのうちの一方が湾曲していなくてもよい。

上述した実施形態では、電界発生電極４４はガス流路１３に露出していたが、これに限らず筐体１２に埋設されていてもよい。この場合、電界発生電極配設壁部や電界発生電極４４を中央薄肉形状にする必要はない。また、第１電界発生電極４４ａに代えて、第１捕集電極４２ａを上下から挟むように配設された一対の電界発生電極を筐体１２に設け、この一対の電界発生電極間に印加した電圧により生じる電界で、帯電微粒子Ｐを第１捕集電極４２ａに向けて移動させてもよい。第２〜第４電界発生電極４４ｂ〜４４ｄについても同様である。

上述した実施形態では、第２〜第４壁部１５ｂ〜１５ｄには捕集電極４２が１つずつ配設されていたが、これに限らず捕集電極配設壁部には捕集電極４２が１以上配設されていればよい。

上述した実施形態では、ガス流路１３は中心軸に垂直な断面が略四角形状をしていたが、これに限られない。ガス流路１３は、中心軸に近い領域の方がガス中の微粒子１７の濃度が高くなるような形状であればよい。言い換えると、ガス流路１３は、捕集電極４２のうちガス流路１３の中心軸に近い部分の方がそれ以外の部分よりも微粒子１７が付着しやすくなるような形状であればよい。例えば、ガス流路１３は、ガス流路１３の中心軸に垂直な断面が楕円形であってもよいし、四角形以外の多角形状であってもよい。

上述した実施形態では、第１〜第１１層１４ａ〜１４ｋの積層方向と第１〜第４壁部１５ａ〜１５ｄ及び捕集電極４２の厚み方向とが同じ上下方向であったが、これに限られない。例えば、積層方向と厚み方向とが垂直であってもよい。また、筐体１２は積層体でなくてもよい。

上述した実施形態では、ヒータ装置６０は第４壁部１５ｄに埋設されたヒータ電極６２を有していたが、これに限らずヒータ装置６０はガス流路１３に露出していてもよい。また、ヒータ装置６０は、第１壁部１５ａに埋設されたヒータ電極も有するなど、複数のヒータ電極を有していてもよい。

上述した実施形態では、捕集装置４０は捕集電極４２及び電界発生電極４４をそれぞれ複数備えていたが、これに限らず捕集電極４２及び電界発生電極４４をそれぞれ１以上有していればよい。また、分岐流路１３ｂ〜１３ｄは捕集電極４２の数に応じて設ければよい。例えば、図２，３において、筐体１２が仕切り部である第２壁部１５ｂ及び第３壁部１５ｃを備えないものとし、捕集装置４０は１つの捕集電極４２（ここでは第３捕集電極４２ｃ）と１つの電界発生電極４４（ここでは第１電界発生電極４４ａ）とを備えていてもよい。また、捕集電極４２と電界発生電極４４とは１対１に対向していたが、これに限られない。例えば、捕集電極４２より電界発生電極４４の数が少なくてもよい。例えば、図２において第２，第３電界発生電極４４ｂ，４４ｃを省略して、第１電界発生電極４４ａが発生させる電界で第１〜第３捕集電極４２ａ〜４２ｃの各々に向けて帯電微粒子Ｐを移動させてもよい。また、第１〜第３電界発生電極４４ａ〜４４ｃはいずれも帯電微粒子Ｐを下方向に移動させたが、これに限られない。例えば、図２における第１捕集電極４２ａと第１電界発生電極４４ａとを逆に配置してもよい。

上述した実施形態では、第１〜第３捕集電極４２ａ〜４２ｃは１つの電流計５２に接続されていたが、これに限らず別々の電流計５２に接続してもよい。こうすれば、演算装置５４は第１〜第３捕集電極４２ａ〜４２ｃの各々に付着した微粒子１７の個数を別々に演算できる。この場合、例えば第１〜第３電界発生電極４４ａ〜４４ｃの各々に印加する電圧を異ならせたり、分岐流路１３ｂ〜１３ｄの流路厚（図２，３では上下方向の高さ）を異ならせたりすることで、第１〜第３捕集電極４２ａ〜４２ｃの各々に異なる粒径の微粒子１７が捕集されるようにしてもよい。

上述した実施形態において、第１〜第３電界発生電極４４ａ〜４４ｃには電圧Ｖ１を印加したが、電圧を印加しなくてもよい。電界発生電極４４による電界を発生させない場合でも、分岐流路１３ｂ〜１３ｄの流路厚を微小な値（例えば０．０１ｍｍ以上０．２ｍｍ未満）としておくことで、ブラウン運動の激しい粒径の比較的小さな帯電微粒子Ｐを捕集電極４２に衝突させることができる。これにより、捕集電極４２が帯電微粒子Ｐを捕集できる。この場合、微粒子検出素子１１は電界発生電極４４を備えなくてもよい。

上述した実施形態において、第１，第２電荷発生装置２０ａ，２０ｂの一方を省略してもよい。また、誘導電極２４ａ，２４ｂは筐体１２に埋設されていたが、放電電極と誘導電極との間に誘電体層が存在していれば、誘導電極はガス流路１３に露出していてもよい。また、上述した実施形態では、放電電極２１ａ，２１ｂと誘導電極２４ａ，２４ｂとを備えた電荷発生装置２０を採用したが、これに限られない。例えば、針状電極と、その針状電極にガス流路１３を挟んで対向して配置された対向電極とを備えた電荷発生装置を採用してもよい。この場合、針状電極と対向電極との間に高電圧（例えば直流電圧又は高周波のパルス電圧等）が印加されると、両電極間の電位差により気中放電（ここではコロナ放電）が発生する。この気中放電中をガスが通過することにより、上述した実施形態と同様にガス中の微粒子１７は電荷１８が付加されて帯電微粒子Ｐになる。例えば、第１，第４壁部１５ａ，１５ｄの一方に針状電極を配設し、他方に対向電極を配設してもよい。

上述した実施形態では、筐体１２内で電荷発生装置２０よりもガスの流れの下流側に捕集電極４２を設け、微粒子１７を含むガスを電荷発生素子２０の上流側から筐体１２内に導入したが、特にこの構成に限定されない。また、上述した実施形態では、捕集電極４２の捕集対象は帯電微粒子Ｐとしたが、捕集対象は微粒子１７に付加されなかった電荷１８であってもよい。例えば、図７に示す変形例の微粒子検出素子７１１及びこれを備えた微粒子検出器７１０の構成を採用してもよい。微粒子検出素子７１１は、余剰電荷除去装置３０を備えず、電荷発生装置２０，捕集装置４０，及びガス流路１３に代えて電荷発生装置７２０，捕集装置７４０，及びガス流路７１３を備えている。また、微粒子検出素子７１１の筐体１２は、仕切り部を備えていない。電荷発生装置７２０は、放電電極７２１と放電電極７２１に対向して配置された対向電極７２２とを有している。放電電極７２１と対向電極７２２との間には放電用電源２９から高電圧が印加される。また、微粒子検出器７１０は、放電用電源２９が電圧を印加する際の電流を測定する電流計２８を備えている。捕集装置７４０は、筐体１２のガス流路７１３の内周面のうち対向電極７２２と同じ側（ここでは上側）に配設された捕集電極７４２と、筐体１２に埋設され且つ捕集電極７４２の下方に配設された電界発生電極７４４と、を備えている。捕集電極７４２には検出装置５０が接続され、電界発生電極７４４には捕集用電源４９が接続されている。対向電極７２２と捕集電極７４２とは同電位であってもよい。ガス流路７１３は、空気導入口７１３ｅと、ガス導入口７１３ａと、混合領域７１３ｆと、ガス排出口７１３ｇと、を有している。空気導入口７１３ｅは、電荷発生装置２０を経由するように微粒子１７を含まないガス（ここでは空気）を筐体１２内に導入する。ガス導入口７１３ａは、電荷発生装置２０を経由せずに微粒子１７を含むガスを筐体１２内に導入する。混合領域７１３ｆは電荷発生装置７２０の下流且つ捕集装置７４０の上流に設けられ、この混合領域７１３ｆで空気導入口７１３ｅからの空気とガス導入口７１３ａからのガスとが混合される。ガス排出口７１３ｇは、混合領域７１３ｆ及び捕集装置７４０を通過した後のガスを筐体１２外に排出する。また、この微粒子検出器７１０では、捕集電極７４２のサイズや捕集電極７４２上の電界の強さ（すなわち電圧Ｖ１の大きさ）は、帯電微粒子Ｐが捕集電極７４２に捕集されることなくガス排出口７１３ｇから排出されるように、また、微粒子１７に付加されなかった電荷１８が捕集電極７４２に捕集されるように、設定されている。

こうして構成された図７の微粒子検出器７１０では、放電用電源２９が放電電極７２１側を高電位として放電電極７２１と対向電極７２２との間に電圧を印加すると、放電電極７２１の近傍で気中放電が生じる。これにより、放電電極７２１と対向電極７２２との間の空気中で電荷１８が発生し、発生した電荷１８が混合領域７１３ｆでガス中の微粒子１７に付加される。そのため、微粒子１７を含むガスが電荷発生装置７２０を通過しなくとも、電荷発生装置７２０は電荷発生装置２０と同様に微粒子１７を帯電微粒子Ｐにすることができる。

また、図７の微粒子検出器７１０では、捕集用電源４９が印加する電圧Ｖ１によって電界発生電極７４４から捕集電極７４２に向かう電界が発生し、これにより捕集電極７４２は捕集対象（ここでは微粒子１７に付加されなかった電荷１８）を捕集する。一方、帯電微粒子Ｐは、捕集電極７４２に捕集されずにガス排出口７１３ｇから排出される。そして、演算装置５４は、捕集電極７４２に捕集された電荷１８に基づく電流値を電流計５２から入力し、入力した電流値に基づいてガス中の微粒子１７の数を検出する。例えば、演算装置５４は、電流計２８で測定された電流値と電流計５２で測定された電流値との電流差を導出し、導出した電流差の値を素電荷で除算して、捕集電極７４２に捕集されずにガス流路１３を通過した電荷１８の数（通過電荷数）を求める。そして、演算装置５４は、通過電荷数を１つの微粒子１７に付加する電荷１８の数の平均値（平均帯電数）で除算することで、ガス中の微粒子１７の個数Ｎｔを求める。このように、捕集電極７４２の捕集対象が帯電微粒子Ｐではなく微粒子１７に付加されなかった電荷１８である場合でも、捕集電極７４２に捕集された捕集対象の数はガス中の微粒子１７の数と相関があるから、微粒子検出素子７１１を用いてガス中の微粒子１７の数を検出できる。

この図７の微粒子検出器７１０のように、捕集電極７４２の捕集対象が帯電微粒子Ｐではなく微粒子１７に付加されなかった電荷１８である場合も、微粒子検出素子７１１の使用に伴って捕集電極７４２に微粒子１７が付着していく場合がある。一方、微粒子検出器７１０は、上述した実施形態と同様に、筐体１２のうち捕集電極７４２が配設された捕集電極配設壁部である第１壁部１５ａが中央薄肉形状をしている。そのため、上述した実施形態と同様に、微粒子検出素子７１１においても、捕集電極７４２に付着した微粒子１７をより短時間で除去できる。ここで、捕集電極７４２の捕集対象が微粒子１７に付加されなかった電荷１８である場合は、ヒータ装置６０により微粒子１７を燃焼させている間でも演算装置５４がガス中の微粒子１７の数の検出を行うことはできる。ただし、捕集電極７４２に微粒子１７が多く付着すると、微粒子１７によりガス流路１３中のガスの流れに影響を与えるなどにより、微粒子１７の数の検出精度が低下する場合がある。また、ヒータ装置６０による筐体１２の温度上昇により検出精度が低下する場合もある。そのため、微粒子検出素子７１１においても、捕集電極７４２に付着した微粒子１７をより短時間で除去することが好ましい。

図７の微粒子検出素子７１１において、微粒子１７に付加されない電荷１８のうち捕集電極７４２に捕集されない電荷１８の割合を考慮して予め電荷１８の捕集率が定められていてもよい。この場合、演算装置５４は、電流計５２で測定された電流値を捕集率で除した値を、電流計２８で測定された電流値から引くことで、電流差を導出してもよい。また、微粒子検出器７１０は電流計２８を備えなくてもよい。この場合、例えば単位時間当たりに所定量の電荷１８が発生するように演算装置５４が放電用電源２９からの印加電圧を調整するようにしておき、演算装置５４は所定の電流値（電荷発生装置７２０が発生させる所定量の電荷１８の数に対応する電流値）と電流計５２で測定された電流値との電流差を導出すればよい。

上述した実施形態では、検出装置５０はガス中の微粒子１７の数を検出したが、これに限らずガス中の微粒子１７を検出すればよい。例えば、検出装置５０は、ガス中の微粒子１７の数に限らず、ガス中の微粒子１７の量を検出してもよい。微粒子１７の量としては、微粒子１７の数の他に、微粒子１７の質量又は表面積が挙げられる。検出装置５０がガス中の微粒子１７の質量を検出する場合、例えば演算装置５４が微粒子１７の個数Ｎｔにさらに１つの微粒子１７あたりの質量（例えば質量の平均値）を乗じてガス中の微粒子１７の質量を求めてもよい。あるいは、蓄積電荷量と捕集された帯電微粒子Ｐの合計質量との関係をマップとして予め演算装置５４が記憶しており、演算装置５４がこのマップを用いて蓄積電荷量からガス中の微粒子１７の質量を直接導出してもよい。演算装置５４がガス中の微粒子１７の表面積を求める場合についても、ガス中の微粒子１７の質量を求める場合と同様の方法を用いることができる。また、捕集電極４２の捕集対象が微粒子１７に付加されなかった電荷１８である場合も、検出装置５０は同様にして微粒子１７の質量又は表面積を検出できる。

上述した実施形態では、正に帯電した帯電微粒子Ｐの個数を測定する場合について説明したが、負に帯電した帯電微粒子Ｐであっても同様にして微粒子１７の個数を測定することができる。

本出願は、２０１７年９月６日に出願された日本国特許出願第２０１７−１７１１２０号を優先権主張の基礎としており、引用によりその内容の全てが本明細書に含まれる。

本発明は、ガス（例えば自動車の排ガス）に含まれる微粒子を検出する微粒子検出器に利用可能である。

１０ 微粒子検出器、１１ 微粒子検出素子、１２ 筐体、１３ ガス流路、１３ａ ガス導入口、１３ｂ〜１３ｄ 分岐流路、１４ａ〜１４ｋ 第１〜第１１層、１５ａ〜１５ｄ 第１〜第４壁部、１７ 微粒子、１８ 電荷、１９ 端子、２０ 電荷発生装置、２０ａ，２０ｂ 第１，第２電荷発生装置、２１ａ，２１ｂ 放電電極、２２ 突起、２４ａ，２４ｂ 誘導電極、２９ 放電用電源、３０ 余剰電荷除去装置、３２ 印加電極、３４ 除去電極、３９ 除去用電源、４０ 捕集装置、４２ 捕集電極、４２ａ〜４２ｃ
第１〜第３捕集電極、４４ 電界発生電極、４４ａ〜４４ｃ 第１〜第３電界発生電極、４９ 捕集用電源、５０ 検出装置、５２ 電流計、５４ 演算装置、６０ ヒータ装置、６２ ヒータ電極、６９ ヒータ用電源、７０ａ〜７０ｄ 接続壁部、７２ａ〜７２ｄ 接続面、１１２ 筐体、１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｄ 第１，第２，第４壁部、１４２ａ 第１捕集電極、１４４ｂ 第２電界発生電極、７１０ 微粒子検出器、７１１ 微粒子検出素子、７１３ ガス流路、７１３ａ ガス導入口、７１３ｅ 空気導入口、７１３ｆ 混合領域、７１３ｇ ガス排出口、７２０ 電荷発生装置、７２１ 放電電極、７２２ 対向電極、７４０ 捕集装置、７４２ 捕集電極、７４４ 電界発生電極、Ｐ 帯電微粒子。

Claims (9)

1. ガス中の微粒子を検出するために用いられる微粒子検出素子であって、
   前記ガスが通過するガス流路を有する筐体と、
   前記筐体内に導入された前記ガス中の微粒子に放電によって発生させた電荷を付加して帯電微粒子にする電荷発生部と、
   前記筐体内で前記ガス流路に露出して設けられ前記帯電微粒子と前記微粒子に付加されなかった前記電荷とのいずれかである捕集対象を捕集する１以上の捕集電極、を有する捕集部と、
   前記捕集電極を加熱する加熱部と、
   を備え、
   前記筐体は、前記捕集電極が少なくとも１つ配設された捕集電極配設壁部を１以上有し、
   前記捕集電極配設壁部の少なくとも１つは、前記ガス流路の中心軸に垂直な断面において中央部分の厚さがそれ以外の部分よりも薄くなっている中央薄肉形状をしている、
   微粒子検出素子。
2. 前記筐体は、前記ガス流路を仕切る仕切り部を有しており、
   前記中央薄肉形状をした前記捕集電極配設壁部の少なくとも１つは、前記仕切り部である、
   請求項１に記載の微粒子検出素子。
3. 前記筐体は、前記中央薄肉形状をした前記捕集電極配設壁部を複数有し、
   前記中央薄肉形状をした前記捕集電極配設壁部の少なくとも１つは、前記筐体の外壁である、
   請求項２に記載の微粒子検出素子。
4. 前記中央薄肉形状をした前記捕集電極配設壁部の少なくとも１つは、前記断面において前記中央部分に向けて厚さが徐々に薄くなる形状をしている、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の微粒子検出素子。
5. 前記捕集電極の少なくとも１つが前記中央薄肉形状をしている、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の微粒子検出素子。
6. 前記捕集部は、前記ガス流路内に露出し前記捕集電極の少なくとも１つに向けて前記捕集対象を移動させる電界を発生させる電界発生電極を１以上有し、
   前記筐体は、前記電界発生電極が少なくとも１つ配設された電界発生電極配設壁部を１以上有し、
   前記電界発生電極配設壁部の少なくとも１つは、前記中央薄肉形状をしている、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の微粒子検出素子。
7. 前記ガス流路は、該ガス流路の中心軸に垂直な断面が四角形状である、
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の微粒子検出素子。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の微粒子検出素子であって、
   前記捕集電極を含み前記ガス流路内に露出している複数の露出電極、
   を備え、
   前記筐体は、前記ガス流路に露出する内周面の一部であり前記複数の露出電極のうち少なくとも２つの電極を接続する部分である接続面を有し且つ前記中央薄肉形状をした接続壁部を有しており、
   前記加熱部は、前記接続壁部を加熱する、
   微粒子検出素子。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の微粒子検出素子と、
   前記捕集電極に捕集された前記捕集対象に応じて変化する物理量に基づいて、前記微粒子を検出する検出部と、
   を備えた微粒子検出器。

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