WO2020137431A1 - 微粒子検出素子及び微粒子検出器 - Google Patents

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WO2020137431A1
WO2020137431A1 PCT/JP2019/047704 JP2019047704W WO2020137431A1 WO 2020137431 A1 WO2020137431 A1 WO 2020137431A1 JP 2019047704 W JP2019047704 W JP 2019047704W WO 2020137431 A1 WO2020137431 A1 WO 2020137431A1
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WO
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electrode
collection
guard
detection element
fine particles
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PCT/JP2019/047704
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English (en)
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Inventor
英正 奥村
Original Assignee
日本碍子株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/62—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode
    • G01N27/68—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode using electric discharge to ionise a gas

Definitions

  • the present invention relates to a particle detection element and a particle detector.
  • a ceramic housing having a gas flow path, a charge generation unit that adds electric charges generated by electric discharge to the particles in the gas introduced into the gas flow path to form charged particles
  • the gas flow path was provided with a collection unit that collects the charged fine particles on the downstream side of the electric field generation unit, and a number measurement unit that measures the number of the fine particles based on the amount of charges of the collected charged fine particles.
  • the thing is known (for example, refer patent document 1).
  • the collection part has a collection electrode exposed in the gas flow path, and a counter electrode facing the collection electrode with the gas flow path in between.
  • the collection electrode collects the charged fine particles by using an electric field generated between the collection electrode and the counter electrode in the gas flow path by a voltage applied between the collection electrode and the counter electrode.
  • the amount of charge of the collected charged fine particles is detected as a minute current (for example, several pA).
  • the present invention has been made to solve such a problem, and its main purpose is to improve the detection accuracy of fine particles.
  • the fine particle detection element of the present invention A fine particle detection element used for detecting fine particles in a gas, A rectangular parallelepiped casing, A gas flow path provided so as to penetrate the casing on one end side in the longitudinal direction of the casing, A charge generation unit that adds a charge generated by discharge to the fine particles in the gas introduced into the gas flow path to form charged fine particles, A collection electrode that collects a collection target that is either the charged fine particles or the charges that are not added to the fine particles, An electric field generation electrode that is provided at a position facing the collection electrode and that generates a collection electric field that moves the collection target toward the collection electrode, A collecting electrode terminal connected to the collecting electrode via a collecting electrode lead portion and provided so as to be exposed to the outside at the other end side of the housing, An electric field generation electrode terminal, which is connected to the electric field generation electrode via an electric field generation electrode lead portion and is provided so as to be exposed to the outside at the other end side of the casing, A guard electrode for blocking a path of a leakage current flowing from one of the
  • the charge generation unit generates charges to convert the particles in the gas into charged particles, and the particles to be collected (charged particles and charges not added to the particles are moved to the collecting electrode by the collecting electric field). And either) are collected by the collecting electrode. Since the physical quantity changes depending on the collection target collected by the collection electrode, the particles in the gas can be detected by using this particle detection element.
  • the guard electrode blocks a path of a leakage current flowing from one of the collecting electrode including the collecting electrode lead portion and the electric field generating electrode including the electric field generating electrode lead portion to the other through the housing.
  • the guard electrode is arranged on the entire surface of the region surrounded by the outline of the housing except the gas flow path when the guard electrode is seen through in a direction perpendicular to the collecting electrode.
  • the leakage current affects the physical quantity that changes depending on the object to be collected by the collection electrode, but the guard electrode completely or almost completely blocks the path of such leakage current. Therefore, according to the particle detection element of the present invention, it is possible to improve the detection accuracy of particles.
  • the collection electrode lead portion may be provided without penetrating the guard electrode.
  • the collecting electrode lead portion penetrates the guard electrode, it is necessary to provide a clearance at the penetrating portion in order to electrically insulate the guard electrode and the collecting electrode lead portion. Therefore, a slight leakage current may flow through this clearance.
  • the collecting electrode lead portion does not penetrate the guard electrode, such a clearance does not occur, so that the leakage current can be reliably cut off.
  • the casing has a short portion having a short length in the longitudinal direction and a long portion having a long length in the longitudinal direction.
  • a long portion, the short portion and the long portion are aligned on the one end side of the housing, and the short portion does not reach the long portion on the other end side of the housing.
  • the electric field generating electrode lead portion and the electric field generating electrode are provided in the short portion, and the collecting electrode, the collecting electrode lead portion and the collecting electrode terminal are the long portion of the long portion.
  • the collecting electrode terminal may be provided on a boundary surface between the long portion and the short portion and exposed to the outside by the step.
  • the collecting electrode lead portion can be prevented from penetrating the guard electrode relatively easily.
  • the guard electrode is disposed on the entire surface of the region surrounded by the outline of the short portion excluding the gas flow channel when the guard electrode is seen through in a direction perpendicular to the collecting electrode. May be
  • the particle detector of the present invention is a particle detection element according to any one of the aspects described above, and a detection unit that detects the particles based on a physical quantity that changes according to the collection target collected in the collection electrode. , Are provided. Therefore, this particle detector has the same effects as those of the above-described particle detection element of the present invention, for example, the effect that the detection accuracy of particles can be increased.
  • the detection unit may detect the amount of the fine particles based on the physical quantity.
  • the “fine particle amount” may be, for example, at least one of the number, mass, and surface area of the fine particles.
  • the detection unit when the object to be collected is the electric charge that has not been added to the particles, the detection unit includes the physical quantity and the electric charge generated by the electric charge generation unit (for example, the number of electric charges or the electric charge). The amount of) and the fine particles may be detected.
  • charge includes ions in addition to positive charges and negative charges.
  • Detecting the amount of fine particles means not only measuring the amount of fine particles but also determining whether the amount of fine particles falls within a predetermined numerical range (for example, whether or not it exceeds a predetermined threshold value). The case shall be included.
  • the “physical quantity” may be any parameter that changes based on the number of collection targets (charge quantity), and examples thereof include current.
  • FIG. 3 is a perspective view of the particle detection element 20.
  • FIG. 3 is a sectional view taken along line AA of FIG. 3 is an exploded perspective view of the particle detection element 20.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of the particle detection element 20.
  • FIG. Explanatory drawing when the guard electrode 60 is seen through from the direction perpendicular to the collection electrode 54.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of the particle detection element 120. The disassembled perspective view of the particle detection element 220.
  • FIG. 1 is an explanatory view of the particle detector 10 of the present embodiment
  • FIG. 2 is a perspective view of the particle detection element 20
  • FIG. 3 is a sectional view taken along the line AA of FIG. 2
  • FIGS. 4 and 5 are exploded views of the particle detection element 20.
  • FIG. 6 is a perspective view when the guard electrode 60 is seen through from the direction perpendicular to the collecting electrode 54
  • FIG. 7 is an explanatory diagram when the guard electrode 160 is seen through from the direction perpendicular to the collecting electrode 154.
  • the up-down direction, the left-right direction, and the front-back direction are as shown in FIGS.
  • the particle detector 10 detects the number of particles 26 (see FIG. 3) contained in the exhaust gas flowing through the exhaust pipe 12 of the engine.
  • the particle detector 10 includes a particle detection element 20 and an accessory unit 80 including various power sources 36 and 56 and a number detection unit 70.
  • the fine particle detection element 20 is attached to a ring-shaped pedestal 16 fixed to the exhaust pipe 12 while being inserted into a columnar support 14.
  • the particle detection element 20 is protected by the protective cover 18.
  • the protective cover 18 is provided with a hole (not shown), and the exhaust gas flowing through the exhaust pipe 12 passes through the gas passage 24 provided at the lower end 22a of the particle detection element 20 through the hole.
  • the particle detection element 20 is provided with a charge generation section 30, collection sections 50 and 150, and guard electrodes 60 and 160 in a housing 22.
  • the housing 22 is a long rectangular parallelepiped that is long in a direction intersecting the axial direction of the exhaust pipe 12 (here, a direction substantially orthogonal to it).
  • the housing 22 is made of ceramic such as alumina.
  • the lower end 22 a of the housing 22 is arranged inside the exhaust pipe 12, and the upper end 22 b is arranged outside the exhaust pipe 12.
  • a gas flow path 24 is provided at the lower end 22 a of the housing 22.
  • the axial direction of the gas flow path 24 matches the axial direction of the exhaust pipe 12.
  • the housing 22 includes a short portion 221 having a short length in the longitudinal direction and a long portion 222 having a long length in the longitudinal direction.
  • the short portion 221 and the long portion 222 are aligned.
  • the short portion 221 does not reach the long portion 222 and forms a step, and the step surface 22s of the long portion 222 is exposed to the outside.
  • the gas flow path 24 extends from a rectangular gas inlet 24 a provided on the front surface of the housing 22 to a rectangular gas outlet 24 b provided on the rear surface of the housing 22. It is a continuous rectangular parallelepiped space.
  • the housing 22 includes a left wall 22c and a right wall 22d that form the gas flow path 24, and a partition wall 22e that is parallel to these walls 22c and 22d.
  • the partition wall 22e is a wall that reaches the gas discharge port 24b from a position slightly inside the gas introduction port 24a, and divides the gas flow channel 24 into the first branch flow channel 241 and the second branch flow channel 242 substantially equally. doing.
  • the charge generation unit 30 generates charges in the vicinity of the gas introduction port 24a in the gas flow path 24 (between the gas introduction port 24a and the front end face 22e1 of the partition wall 22e). Thus, it is provided on the left side wall 22c.
  • the charge generator 30 has a discharge electrode 32 and two ground electrodes 34, 34.
  • the discharge electrode 32 is provided along the inner surface of the left side wall 22c, and has a plurality of fine protrusions around the rectangle.
  • the two ground electrodes 34, 34 are rectangular electrodes, and are embedded in the left wall 22c so as to be parallel to the discharge electrode 32 with a space therebetween.
  • the charge generation unit 30 as shown in FIG.
  • a pulse voltage of several kV of the discharge power supply 36 (one of the accessory units 80) is applied between the discharge electrode 32 and the two ground electrodes 34, 34.
  • an air discharge is generated due to the potential difference between the electrodes.
  • the portion of the housing 22 between the discharge electrode 32 and the ground electrodes 34, 34 serves as a dielectric layer.
  • the discharge electrode 32 is connected to a discharge electrode terminal 33 (see FIG. 2) provided on the upper left side surface of the elongated portion 222 of the housing 22, and is connected to a discharge power supply 36 via this terminal 33.
  • the two ground electrodes 34, 34 are connected to a ground electrode terminal 35 (see FIG. 2) provided on the upper left side surface of the elongated portion 222 of the housing 22, and the discharge power supply 36 is connected via the terminal 35. It is connected to the.
  • the fine particles 26 contained in the gas enter the gas flow path 24 from the gas introduction port 24a and, when passing through the charge generation unit 30, charge 28 generated by the air discharge of the charge generation unit 30. After being added to form the charged fine particles P, the particles move to one of the first and second branch channels 241 and 242. Further, of the generated electric charges 28, those not added to the fine particles 26 move to one of the first and second branch flow paths 241 and 242 as the electric charges 28 as the surplus electric charges.
  • the collection units 50 and 150 collect the charged fine particles P, and are provided downstream of the charge generation unit 30, as shown in FIG.
  • the collecting unit 50 has a counter electrode (electric field generating electrode) 52 and a collecting electrode 54.
  • the counter electrode 52 is provided on the left wall 22c and is exposed in the first branch flow channel 241.
  • the collection electrode 54 is provided on the left surface of the partition wall 22e and is exposed in the first branch flow channel 241.
  • the counter electrode 52 and the collection electrode 54 are arranged at positions facing each other.
  • a DC voltage V1 positive potential, for example, about 2 kV
  • V1 positive potential, for example, about 2 kV
  • the collecting unit 150 has a counter electrode (electric field generating electrode) 152 and a collecting electrode 154.
  • the counter electrode 152 is provided on the right wall 22d and is exposed to the second branch flow channel 242.
  • the collection electrode 154 is provided on the right surface of the partition wall 22e and is exposed to the second branch flow channel 242.
  • the counter electrode 152 and the collection electrode 154 are arranged at positions facing each other.
  • a DC voltage V1 is applied to the counter electrode 152 by the collection power source 56 via the counter electrode terminal 153 (see FIG. 2).
  • a relatively strong electric field that moves the charged fine particles P toward the collecting electrode 154 is generated between the opposing electrode 152 and the collecting electrode 154 of the collecting unit 150. Therefore, the charged fine particles P flowing in the second branch flow channel 242 are attracted to and collected by the collection electrode 154 by this relatively strong electric field.
  • the guard electrode 60 is a leakage current absorption electrode that absorbs a leakage current flowing from the counter electrode 52 through the housing 22 to the collection electrode 54.
  • the guard electrode 160 is a leakage current absorption electrode that absorbs a leakage current flowing from the counter electrode 152 through the housing 22 to the collection electrode 154.
  • the guard electrodes 60 and 160 are connected to the ground. The portions of the guard electrodes 60 and 160 that are exposed to the gas flow path 24 and are located downstream of the charge generation unit 30 and upstream of the collection units 50 and 150 also serve to remove excess charges. Details of the guard electrodes 60 and 160 will be described later.
  • the number detecting unit 70 is one of the accessory units 80, and includes an ammeter 72 and a number measuring device 74, as shown in FIG.
  • the ammeter 72 has one terminal connected to the collection electrodes 54 and 154 and the other terminal connected to the ground.
  • the ammeter 72 measures a current based on the electric charge 28 of the charged fine particles P collected by the collecting electrodes 54 and 154.
  • the number measuring device 74 is composed of a microprocessor having a well-known CPU and the like, and calculates the number of the particles 26 based on the current of the ammeter 72.
  • the particle detection element 20 is composed of eight sheets S1 to S8. Each of the sheets S1 to S8 is made of the same material as the case 22. For convenience of description, the sheets are referred to as a first sheet S1, a second sheet S2,... From left to right.
  • Ground electrodes 34, 34 are provided below the right surface of the first sheet S1.
  • the ground electrodes 34, 34 are connected to one lead wire 34a extending in the vertical direction.
  • the upper end of the lead wire 34a is located above the right surface of the first sheet S1, and is connected to the ground electrode terminal 35 provided above the left surface of the first sheet S1 via the through hole of the first sheet S1. ..
  • the discharge electrode 32 and the counter electrode 52 are provided below the right surface of the second sheet S2.
  • the discharge electrode 32 is connected to a lead wire 32a extending in the vertical direction.
  • the upper end of the lead wire 32a is located above the right surface of the second sheet S2, and the discharge electrode terminal 33 is provided above the left surface of the first sheet S1 through the through holes of the second sheet S2 and the first sheet S1. It is connected to the.
  • the counter electrode 52 is connected to a lead wire 52a extending in the vertical direction.
  • the upper end of the lead wire 52a is located above the right surface of the second sheet S2, and the counter electrode terminal 53 is provided above the left surface of the first sheet S1 through the through holes of the second sheet S2 and the first sheet S1. It is connected to the.
  • the third sheet S3 includes an upper sheet portion S3a arranged above the gas flow passage 24 and a lower sheet portion S3b arranged below the gas flow passage 24.
  • the fourth sheet S4 includes an upper sheet portion S4a arranged above the gas flow passage 24 and a lower sheet portion S4b arranged below the gas flow passage 24.
  • the first guard electrode 62 is provided on the entire left surface of the upper sheet S4a.
  • the fifth sheet S5 is a member that becomes the partition wall 22e, and a rectangular notch is provided at the lower front end. A portion of the notch that extends in the vertical direction becomes the front end face 22e1 of the partition wall 22e.
  • the collecting electrode 54 and the second guard electrode 64 are provided on the left surface of the fifth sheet S5.
  • the collection electrode 154 and the second guard electrode 164 are provided on the right surface of the fifth sheet S5.
  • the collecting electrode 54 and the collecting electrode 154 are arranged in plane symmetry with the fifth sheet S5 as a plane of symmetry, and the second guard electrode 64 and the second guard electrode 164 have planes with the fifth sheet S5 as a plane of symmetry. They are arranged symmetrically.
  • the collecting electrode 154 on the right side of the fifth sheet S5 is connected to the lead wire 154a extending in the vertical direction.
  • the upper end of the lead wire 154a serves as the collecting electrode terminal 55, and is arranged on the step surface 22s (see FIG. 2) exposed to the outside of the right surface of the fifth sheet S5.
  • the collecting electrode 54 on the left side has a short lead wire 54a, and the lead wire 54a is connected to the lead wire 154a on the right side via the through hole of the fifth sheet S5.
  • the second guard electrode 64 on the left side of the fifth sheet S5 is formed in a substantially U shape so as to surround the collecting electrode 54 with a clearance capable of maintaining electrical insulation with the collecting electrode 54.
  • the lower portion 64a of the second guard electrode 64 extending in the front-rear direction is a quadrangle surrounded by the up-down side and the front-rear side of the lower sheet portion S4b of the fourth sheet S4 (lower side of the third sheet S3). It is provided so as to coincide with a quadrangle surrounded by the vertical side and the front-back direction side of the seat portion S3b).
  • the lower portion 64a may be provided so as to be slightly larger than the quadrangle (for example, to protrude upward).
  • the lateral portions 64b, 64b extending in the up-down direction in the front and rear of the second guard 64 are short in the front and rear of the collecting electrode 54 from the lower portion 64a beyond the upper portion of the collecting electrode 54 to the collecting electrode 54 side. It has a bent shape.
  • One side portion 64b is provided so as to be in contact with a vertical side (front end surface 22e1) forming the cutout of the collection electrode 54, and the other side portion 64b is in contact with a rear side of the fifth sheet S5. Is provided. Since the second guard electrode 164 on the right side of the fifth sheet S5 is formed in plane symmetry with the second guard electrode 64 and the fifth sheet S5 as planes of symmetry, like the second guard electrode 64, the lower portion 164a and the side thereof are formed. Although the side portions 164b and 164b are provided, description thereof will be omitted.
  • a guard electrode terminal 65 is provided above the right side of the fifth sheet S5.
  • the guard electrode terminal 65 is arranged on the step surface 22s (see FIG. 2) exposed to the outside of the right surface of the fifth sheet S5.
  • the upper part of the first guard electrode 62 of the fourth sheet S4 is connected to the guard electrode terminal 65 via the through hole of the fourth sheet S4.
  • the sixth sheet S6 includes an upper sheet portion S6a arranged above the gas flow passage 24 and a lower sheet portion S6b arranged below the gas flow passage 24.
  • the first guard electrode 162 is provided on the entire right surface of the upper sheet portion S6a.
  • the first guard electrode 162 is connected to the second guard electrode 164 of the fifth sheet S5 via the through hole of the sixth sheet S6, and the second guard electrode 164 is connected to the second guard electrode of the fifth sheet S5 through the through hole.
  • 64, and the second guard electrode 64 is connected to the first guard electrode 62 through the through hole of the fourth sheet S4. Therefore, both the first guard electrodes 62 and 64 and the second guard electrodes 162 and 164 are connected to the guard electrode terminal 65.
  • the guard electrode 60 includes first and second guard electrodes 62 and 64, and flows from the counter electrode 52 including the lead wire 52a to the collecting electrode 54 including the lead wire 54a through the third and fourth sheets S3 and S4. Cut off the leakage current.
  • the guard electrode 160 includes the first and second guard electrodes 162 and 164, and the collecting electrode 154 including the lead wire 154a from the counter electrode 152 including the lead wire 152a through the seventh and sixth sheets S7 and S6. Cut off the leakage current flowing to.
  • the seventh sheet S7 includes an upper sheet portion S7a arranged above the gas flow path 24 and a lower sheet portion S7b arranged below the gas flow path 24.
  • the lower portion 164a of the second guard electrode 164 is a quadrangle (lower sheet portion S7b of the seventh sheet S7) surrounded by the vertical side and the front-back side of the lower sheet portion S6b of the sixth sheet S6. The same as a rectangle surrounded by the vertical side and the front-back side).
  • a counter electrode 152 is provided below the left surface of the eighth sheet S8.
  • the counter electrode 152 is connected to a lead wire 152a extending in the vertical direction.
  • the upper end of the lead wire 152a is located above the left surface of the eighth sheet S8, and is connected to the counter electrode terminal 153 provided above the right surface of the eighth sheet S8 through the through hole of the eighth sheet S8. ..
  • first to fifth sheets S1 to S5 form the long portion 222 of the housing 22, and the sixth to eighth sheets S6 to S8 form the short portion 221.
  • the particle detection element 20 can be manufactured by using a plurality of ceramic green sheets. Specifically, each of the plurality of ceramic green sheets is provided with notches, through holes, or grooves as required, screen-printed with electrodes or wiring patterns, and then laminated and fired. Note that the notches, through holes, and grooves may be filled with a material (for example, an organic material) that will be burned out during firing. Thus, the particle detection element 20 is obtained. Then, the discharge electrode terminal 33 and the counter electrode terminals 53 and 153 of the particle detection element 20 are connected to the discharge power supply 36 and the collection power supply 56 of the accessory unit, respectively. Further, the ground electrode terminal 35 and the guard electrode terminal 65 are connected to the ground. Further, the collection electrode terminal 55 is connected to the number measuring device 74 via the ammeter 72. By doing so, the particle detector 10 can be manufactured.
  • a material for example, an organic material
  • the fine particle detecting element 20 When measuring the fine particles 26 contained in the exhaust gas of an automobile, the fine particle detecting element 20 is attached to the exhaust pipe 12 of the engine as described above (see FIG. 1). As shown in FIG. 3, the fine particles 26 contained in the exhaust gas introduced into the gas flow path 24 through the gas introduction port 24a are charged with a charge 28 (here, a positive charge) generated by the discharge of the charge generation unit 30. It becomes fine particles P. The charged fine particles P pass through the portions of the guard electrodes 60 and 160 on the upstream side of the collection units 50 and 150 as they are, and reach the collection units 50 and 150.
  • a charge 28 here, a positive charge
  • the charges 28 that have not been added to the particles 26 are attracted to the portions of the guard electrodes 60 and 160 on the upstream side of the collecting portions 50 and 150 and are discarded to the ground. As a result, the unnecessary charges 28 that have not been added to the fine particles 26 hardly reach the collection portions 50 and 150.
  • the charged fine particles P that have reached the collection units 50 and 150 are collected by the collection electrodes 54 and 154 by the collection electric field generated by the counter electrodes 52 and 152.
  • a current based on the charge 28 of the collected charged fine particles P flows through the collection electrodes 54 and 154.
  • a current based on the electric charge 28 of the charged fine particles P collected by the collecting electrodes 54 and 154 flows through the ammeter 72. Then, the current is measured by the ammeter 72, and the number measuring device 74 calculates the number of the fine particles 26 based on the current.
  • the number measuring device 74 integrates (accumulates) the current value over a predetermined period to obtain the integrated value (accumulated charge amount), divides the accumulated charge amount by the elementary charge, and obtains the total number of charges (collected charge number).
  • the number Nt of the fine particles 26 collected by the collecting electrodes 54 and 154 is obtained by dividing the number of collected charges by the average value of the number of charges added to one fine particle 26 (average number of charges). (See the following formula (1)).
  • the voltage V1 is applied between the counter electrode 52 and the collection electrode 54 of the collection unit 50, and the counter electrode 152 and the collection electrode 150 of the collection unit 150 are also applied.
  • the voltage V1 is also applied to 154. Since the voltage V1 is several kV, a leakage current of several tens to several hundreds pA may flow even in the case 22 made of ceramic such as alumina which is usually considered to be an electric insulator.
  • the leakage current flows from the counter electrode 52 including the lead wire 52a to the collecting electrode 54 including the lead wire 54a via the housing 22, or from the counter electrode 152 including the lead wire 152a to the housing 22 including the lead wire 154a. It flows to the collecting electrode 154.
  • the detected current measured by the ammeter 72 when detecting the number Nt is several pA. Therefore, the leakage current affects the detection current. In this embodiment, such a leak current is absorbed by the guard electrodes 60 and 160 and is discarded to the ground.
  • FIG. 6 shows a state when the guard electrode 60 is seen through from the direction perpendicular to the collecting electrode 54, and FIG.
  • the guard electrode 60 is disposed on at least the entire surface of the elongated portion 222 of the housing 22 surrounded by the outline (thick line in FIG. 6) except the gas flow path 24.
  • the fine hatched area in FIG. 6 is the first guard electrode 62
  • the coarse hatched area is the lower portion 64 a of the second guard electrode 64. Therefore, the guard electrode 60 completely or almost completely blocks the leakage current flowing from the counter electrode 52 including the lead wire 52a to the collecting electrode 54 including the lead wire 54a via the housing 22.
  • the second guard electrode 64 has the side portions 64a (see FIG.
  • the guard electrode 160 is disposed on at least the entire surface of the short portion 221 of the housing 22 surrounded by the outline (thick line in FIG. 7) except the gas flow path 24.
  • the fine hatched region in FIG. 7 is the first guard electrode 162, and the coarse hatched region is the lower portion 164 a of the second guard electrode 164. Therefore, the guard electrode 160 completely or almost completely blocks the leakage current flowing from the counter electrode 152 including the lead wire 152a to the collecting electrode 154 including the lead wire 154a via the housing 22.
  • the second guard electrode 164 has the side portions 164a (see FIG. 4) on both sides of the collection electrode 154, the leakage current is surely cut off.
  • the guard electrodes 60 and 160 completely or almost completely block the path of the leakage current, so that the particle detection accuracy can be improved.
  • the lead wires 54a and 154a of the collecting electrodes 54 and 154 are connected to the collecting electrode terminal 55 without penetrating the guard electrodes 60 and 160.
  • the lead wire penetrates the guard electrode and is connected to the collecting electrode terminal, it is necessary to provide a clearance at the penetrating portion in order to electrically insulate the guard electrode and the lead wire. Therefore, a slight leakage current may flow through this clearance.
  • the lead wires 54a and 154a are connected to the collection electrode terminal 55 without penetrating the guard electrodes 60 and 160, such a clearance does not occur, and it is possible to ensure the reliability. Leakage current can be cut off.
  • the lead wire 152 a and the counter electrode 152 are provided in the short portion 221, and the collection electrode 154, the lead wire 154 a, and the collection electrode terminal 55 are the boundaries between the long portion 222 and the short portion 221 of the long portion 222. It is provided on the surface (the right surface of the fifth sheet S5), and the collecting electrode terminal 55 is provided on the step surface 22s exposed to the outside. Therefore, it is possible to relatively easily prevent the lead wire 154a of the collection electrode 154 from penetrating the guard electrode 160.
  • the excess charges are removed by the side portions 64b, 164b of the guard electrodes 60, 160 on the upstream side of the collection electrodes 54, 154, the excess charges are collected by the collection electrodes 54, 154 and the fine particles are collected. Can be suppressed from being counted in the number of.
  • the number of fine particles is calculated with the collection target as the charged fine particles P, but the number of particles may be calculated with the collection target as excess charges.
  • the side portions 64b and 164b of the second guard electrodes 64 and 164 are omitted, and the voltage applied by the collection power source 56 to the counter electrodes 52 and 152 is set lower than the voltage V1.
  • the surplus charges may be collected by the collection electrodes 54, 154, and the charged fine particles P may be discharged from the gas discharge port 24b without being collected by the collection electrodes 54, 154.
  • the total number of the electric charges 28 generated in the electric charge generating unit 30 is measured, and thereafter, when the gas containing the fine particles 26 is passed through the gas flow path 24, the surplus current from the current flowing through the collecting electrodes 54, 154 is surplus.
  • the number of charges is measured, and the number of particles is obtained by subtracting the number of surplus charges from the total number of charges 28.
  • the guard electrodes 60 and 160 completely or almost completely block the path of the leakage current, so that the detection accuracy of fine particles can be improved.
  • the gas flow path 24 is partitioned into the first and second branch flow paths 241 and 242 by the partition wall 22e, but the partition wall 22e is not provided as in the case of the particle detection element 120 shown in FIG. It may be one.
  • the sixth to eighth sheets S6 to S8 of the particle detection element 20 are omitted, and the second guard electrode 164, the collection electrode 154, and the lead wire 154a provided on the right surface of the fifth sheet S5 are omitted.
  • the lead wire 54a provided on the left side of the fifth sheet S5 is extended to the upper portion and connected to the collecting electrode terminal 55 through the through hole of the fifth sheet S5.
  • the appearance shape of the particle detection element 120 is a rectangular parallelepiped having no step and does not have the step surface 22s like the particle detection element 20, but the lead wire 54a of the collection electrode 54 does not penetrate the guard electrode 60 and is captured. Since it is connected to the collector electrode terminal 55, the guard electrode 60 can surely block the leakage current.
  • the collecting electrode terminal 55 and the guard electrode terminal 65 are provided on the step surface 22s of the housing 22 as shown in FIG. 4, but the step surface 22s is provided like the particle detecting element 220 shown in FIG.
  • the collection electrode terminal 255 and the guard electrode terminal 265 may be provided above the right surface of the eighth sheet S8 without having (that is, using the rectangular parallelepiped housing 22 having no step).
  • the collecting electrode terminal 55 and the guard electrode terminal 65 of the fifth sheet S5 are omitted, and the lead wire 154a includes the sixth sheet S6, the first guard electrode 162, the seventh sheet S7, and the eighth sheet S8.
  • the particle detection element 20 is the same as the particle detection element 20 except that the heights of the first to eighth sheets S6 to S8 are high.
  • the particle detection element 220 it is necessary to make a clearance in order to secure insulation at the penetrating portion of the first guard electrode 162. Therefore, a slight leakage current may flow through this clearance, but otherwise the guard electrodes 60 and 160 almost completely block the leakage current path, so that the detection accuracy of fine particles can be improved.
  • the above-described embodiment can be said to be more preferable because it can cut off even this slight leakage current.
  • the term "entire surface" in the claims includes not only the literally entire surface but also the entire surface excluding minute portions (for example, the above-mentioned clearance).
  • the charge generation unit 30 is provided on the left side wall 22c of the housing 22, but instead of or in addition to this, the charge generation unit may be provided on the right side wall 22d.
  • the counter electrodes 52 and 152 are exposed to the gas flow path 24, but the present invention is not limited to this and may be embedded in the housing 22.
  • the particulate matter detector 10 is attached to the exhaust pipe 12 of the engine, but the particulate matter detector 10 is not particularly limited to the exhaust pipe 12 of the engine, and may be any pipe as long as a gas containing particulates flows. Such a tube may be used.
  • the particle detection element 20 detects the number of particles, but it may detect the mass or surface area of the particles.
  • the mass of the fine particles can be obtained, for example, by multiplying the number of the fine particles by the average mass of the fine particles, and the relationship between the accumulated charge amount and the mass of the collected fine particles is stored in a storage device as a map in advance. It is also possible to obtain the mass of the fine particles from the accumulated charge amount using this map.
  • the surface area of the fine particles can also be obtained by the same method as the mass of the fine particles.
  • the present invention can be used for a particle detector that detects particles contained in a gas.

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Abstract

微粒子検出素子２０は、ガス中の微粒子２６に放電によって発生させた電荷２８を付加して帯電微粒子Ｐにする電荷発生部３０と、帯電微粒子Ｐを捕集する捕集電極５４，１５４と、捕集電極５４，１５４に向けて捕集対象を移動させる捕集用電界を発生させる対向電極５２，１５２と、対向電極５２，１５２から捕集電極５４，１５４へ流れる漏れ電流の経路を遮断するガード電極６０，１６０とを備えている。ガード電極６０，１６０は、ガード電極６０，１６０を捕集電極５４，１５４に垂直な方向から透視したときに、筐体２２の外郭線で囲まれた領域のうちガス流路２４を除く全面に配設されている。

Description

微粒子検出素子及び微粒子検出器
　本発明は、微粒子検出素子及び微粒子検出器に関する。
　微粒子検出器としては、ガス流路を有するセラミック製の筐体と、ガス流路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と、ガス流路内で電界発生部よりも下流側で帯電微粒子を捕集する捕集部と、捕集された帯電微粒子の電荷の量に基づいて微粒子の個数を測定する個数測定部とを備えたものが知られている（例えば特許文献１参照）。捕集部は、ガス流路に露出している捕集電極と、ガス流路を挟んで捕集電極に対向している対向電極とを有している。捕集電極は、捕集電極と対向電極との間に印加された電圧によってガス流路のうち捕集電極と対向電極との間に発生した電界を利用して、帯電微粒子を捕集する。捕集された帯電微粒子の電荷の量は、微小な電流（例えば数ｐＡ）として検出される。
国際公開第２０１５／１４６４５６号パンフレット
　しかしながら、捕集電極と対向電極との間に電圧を印加すると、捕集電極及び対向電極の一方からセラミック製の筐体を経て他方へわずかな漏れ電流が流れ、その漏れ電流が捕集電極に捕集された帯電微粒子の量に相当する微小な検出電流に影響を及ぼすことがあった。そのため、微粒子の検出精度を高めることが難しかった。
　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、微粒子の検出精度を高めることを主目的とする。
　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、
　直方体形状の筐体と、
　前記筐体の長手方向の一端側に前記筐体を貫通するように設けられたガス流路と、
　前記ガス流路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捕集電極と、
　前記捕集電極に対向する位置に設けられ、前記捕集電極に向けて前記捕集対象を移動させる捕集用電界を発生させる電界発生電極と、
　前記捕集電極と捕集電極リード部を介して接続され、前記筐体の他端側で外部に露出するように設けられた捕集電極端子と、
　前記電界発生電極と電界発生電極リード部を介して接続され、前記筐体の前記他端側で外部に露出するように設けられた電界発生電極端子と、
　前記捕集電極リード部を含む前記捕集電極及び前記電界発生電極リード部を含む前記電界発生電極の一方から前記筐体を経て他方へ流れる漏れ電流の経路を遮断するガード電極と、
　を備え、
　前記ガード電極は、前記ガード電極を前記捕集電極に垂直な方向から透視したときに、前記筐体の外郭線で囲まれた領域のうち前記ガス流路を除く全面に配設されている、
　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、捕集用電界によって捕集電極に移動する捕集対象（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）を捕集電極が捕集する。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。また、ガード電極は、捕集電極リード部を含む捕集電極及び電界発生電極リード部を含む電界発生電極の一方から筐体を経て他方へ流れる漏れ電流の経路を遮断する。このガード電極は、ガード電極を捕集電極に垂直な方向から透視したときに、筐体の外郭線で囲まれた領域のうちガス流路を除く全面に配設されている。漏れ電流は捕集電極に捕集された捕集対象に応じて変化する物理量に影響を与えるが、ガード電極はこうした漏れ電流の経路を完全に又はほぼ完全に遮断する。そのため、本発明の微粒子検出素子によれば、微粒子の検出精度を高めることができる。
　本発明の微粒子検出素子において、前記捕集電極リード部は、前記ガード電極を貫通することなく設けられていてもよい。捕集電極リード部がガード電極を貫通している場合には、貫通箇所においてガード電極と捕集電極リード部とを電気的に絶縁させるためにクリアランスをとる必要がある。そのため、このクリアランスを介して僅かな漏れ電流が流れるおそれがある。これに対して、捕集電極リード部がガード電極を貫通していない場合には、そのようなクリアランスが生じないため、確実に漏れ電流を遮断することができる。
　前記捕集電極リード部が前記ガード電極を貫通することなく設けられている本発明の微粒子検出素子において、前記筐体は、長手方向の長さの短い短尺部と長手方向の長さの長い長尺部とを有し、前記筐体の前記一端側では前記短尺部と前記長尺部とが揃っており、前記筐体の前記他端側では前記短尺部が前記長尺部に届かず段差になっており、前記電界発生電極リード部及び前記電界発生電極は、前記短尺部内に設けられ、前記捕集電極、捕集電極リード部及び前記捕集電極端子は、前記長尺部のうち前記長尺部と前記短尺部との境界面に設けられ、前記捕集電極端子は、前記段差によって外部に露出していてもよい。こうすれば、比較的容易に、捕集電極リード部がガード電極を貫通しないようにすることができる。このとき、前記ガード電極は、前記ガード電極を前記捕集電極に垂直な方向から透視したときに、前記短尺部の外郭線で囲まれた領域のうち前記ガス流路を除く全面に配設されていてもよい。
　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、例えば微粒子の検出精度を高めることができるという効果が得られる。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の説明図。 微粒子検出素子２０の斜視図。 図２のＡ－Ａ断面図。 微粒子検出素子２０の分解斜視図。 微粒子検出素子２０の分解斜視図。 ガード電極６０を捕集電極５４と垂直方向から透視したときの説明図。 ガード電極１６０を捕集電極１５４と垂直方向から透視したときの説明図。 微粒子検出素子１２０の分解斜視図。 微粒子検出素子２２０の分解斜視図。
　本発明の好適な実施形態について、図面を用いて説明する。図１は本実施形態の微粒子検出器１０の説明図、図２は微粒子検出素子２０の斜視図、図３は図２のＡ－Ａ断面図、図４及び図５は微粒子検出素子２０の分解斜視図、図６はガード電極６０を捕集電極５４と垂直方向から透視したときの説明図、図７はガード電極１６０を捕集電極１５４と垂直方向から透視したときの説明図である。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１，２，４，５に示した通りとする。
　微粒子検出器１０は、図１に示すように、エンジンの排気管１２を流れる排ガスに含まれる微粒子２６（図３参照）の数を検出するものである。この微粒子検出器１０は、微粒子検出素子２０と、各種電源３６，５６や個数検出部７０を含む付属ユニット８０とを備えている。
　微粒子検出素子２０は、図１に示すように、円柱状の支持体１４に差し込まれた状態で、排気管１２に固定されたリング状の台座１６に取り付けられている。微粒子検出素子２０は、保護カバー１８によって保護されている。保護カバー１８には図示しない穴が設けられており、この穴を介して排気管１２を流通する排ガスが微粒子検出素子２０の下端２２ａに設けられたガス流路２４を通過する。微粒子検出素子２０は、図３に示すように、筐体２２に、電荷発生部３０と、捕集部５０，１５０と、ガード電極６０，１６０とを備えたものである。
　筐体２２は、図１に示すように、排気管１２の軸方向と交差する方向（ここでは略直交する方向）に長い長尺の直方体である。筐体２２は、例えばアルミナなどのセラミック製である。筐体２２の下端２２ａは排気管１２の内部に配置され、上端２２ｂは排気管１２の外部に配置される。筐体２２の下端２２ａには、ガス流路２４が設けられている。ガス流路２４の軸方向は、排気管１２の軸方向と一致している。筐体２２は、図２に示すように、長手方向の長さの短い短尺部２２１と長手方向の長さの長い長尺部２２２とを備えている。筐体２２の下端２２ａでは、短尺部２２１と長尺部２２２とが揃っている。筐体２２の上端２２ｂでは、短尺部２２１が長尺部２２２に届かず段差になっており、長尺部２２２の段差面２２ｓが外部に露出している。
　ガス流路２４は、図２に示すように、筐体２２の前方の面に設けられた矩形のガス導入口２４ａから、筐体２２の後方の面に設けられた矩形のガス排出口２４ｂまで連なる直方体形状の空間である。筐体２２は、ガス流路２４を構成する左方壁２２ｃと右方壁２２ｄを備えると共に、これらの壁２２ｃ，２２ｄと平行な仕切り壁２２ｅを備えている。仕切り壁２２ｅは、ガス導入口２４ａよりもやや奥に入り込んだ位置からガス排出口２４ｂに達する壁であり、ガス流路２４を第１分岐流路２４１と第２分岐流路２４２にほぼ等分している。
　電荷発生部３０は、図２及び図３に示すように、ガス流路２４内のガス導入口２４ａの近傍（ガス導入口２４ａから仕切り壁２２ｅの前端面２２ｅ１までの間）に電荷が発生するように、左方壁２２ｃに設けられている。電荷発生部３０は、放電電極３２と２つのグランド電極３４，３４とを有している。放電電極３２は、左方壁２２ｃの内面に沿って設けられ、矩形の周囲に複数の微細突起を有している。２つのグランド電極３４，３４は、矩形電極であり、左方壁２２ｃに間隔をあけて放電電極３２と平行となるように埋設されている。電荷発生部３０では、図３に示すように、放電電極３２と２つのグランド電極３４，３４との間に放電用電源３６（付属ユニット８０の１つ）の数ｋＶのパルス電圧が印加されることで、両電極間の電位差による気中放電が発生する。このとき、筐体２２のうち放電電極３２とグランド電極３４，３４との間の部分が誘電体層の役割を果たす。この気中放電によって、放電電極３２の周囲に存在するガスがイオン化されて正の電荷２８が発生する。放電電極３２は、筐体２２の長尺部２２２の上部左側面に設けられた放電電極端子３３（図２参照）に接続され、この端子３３を介して放電用電源３６に接続されている。また、２つのグランド電極３４，３４は、筐体２２の長尺部２２２の上部左側面に設けられたグランド電極端子３５（図２参照）に接続され、この端子３５を介して放電用電源３６に接続されている。
　ガスに含まれる微粒子２６は、図３に示すように、ガス導入口２４ａからガス流路２４内に入り、電荷発生部３０を通過する際に電荷発生部３０の気中放電によって発生した電荷２８が付加されて帯電微粒子Ｐとなったあと、第１及び第２分岐流路２４１，２４２のいずれかに移動する。また、発生した電荷２８のうち微粒子２６に付加されなかったものは、余剰電荷として電荷２８のまま第１及び第２分岐流路２４１，２４２のいずれかに移動する。
　捕集部５０，１５０は、帯電微粒子Ｐを捕集するものであり、図３に示すように、電荷発生部３０よりも下流に設けられている。
　捕集部５０は、対向電極（電界発生電極）５２と捕集電極５４とを有している。対向電極５２は、左方壁２２ｃに設けられ、第１分岐流路２４１に露出している。捕集電極５４は、仕切り壁２２ｅの左面に設けられ、第１分岐流路２４１に露出している。対向電極５２と捕集電極５４とは、互いに向かい合う位置に配設されている。対向電極５２は、対向電極端子５３（図２参照）を介して直流電圧Ｖ１（正電位、例えば２ｋＶ程度）が捕集用電源５６によって印加される。これにより、捕集部５０の対向電極５２と捕集電極５４との間には、帯電微粒子Ｐを捕集電極５４に向けて移動させる比較的強い電界が発生する。したがって、第１分岐流路２４１を流れる帯電微粒子Ｐは、この比較的強い電界によって捕集電極５４に引き寄せられて捕集される。
　捕集部１５０は、対向電極（電界発生電極）１５２と捕集電極１５４とを有している。対向電極１５２は、右方壁２２ｄに設けられ、第２分岐流路２４２に露出している。捕集電極１５４は、仕切り壁２２ｅの右面に設けられ、第２分岐流路２４２に露出している。対向電極１５２と捕集電極１５４とは、互いに向かい合う位置に配設されている。対向電極１５２は、対向電極端子１５３（図２参照）を介して直流電圧Ｖ１が捕集用電源５６によって印加される。これにより、捕集部１５０の対向電極１５２と捕集電極１５４との間には、帯電微粒子Ｐを捕集電極１５４に向けて移動させる比較的強い電界が発生する。したがって、第２分岐流路２４２を流れる帯電微粒子Ｐは、この比較的強い電界によって捕集電極１５４に引き寄せられて捕集される。
　ガード電極６０は、対向電極５２から筐体２２を経て捕集電極５４へ流れる漏れ電流を吸収する漏れ電流吸収電極である。ガード電極１６０は、対向電極１５２から筐体２２を経て捕集電極１５４へ流れる漏れ電流を吸収する漏れ電流吸収電極である。ガード電極６０，１６０はグランドに接続されている。ガード電極６０，１６０のうち、ガス流路２４に露出していて電荷発生部３０の下流で且つ捕集部５０，１５０の上流に位置する部分は、余剰電荷を除去する役割も果たす。ガード電極６０，１６０の詳細については、後述する。
　個数検出部７０は、付属ユニット８０の１つであり、図３に示すように、電流計７２と個数測定装置７４とを備えている。電流計７２は、一方の端子が捕集電極５４，１５４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７２は、捕集電極５４，１５４に捕集された帯電微粒子Ｐの電荷２８に基づく電流を測定する。個数測定装置７４は、周知のＣＰＵなどを備えたマイクロプロセッサからなり、電流計７２の電流に基づいて微粒子２６の個数を演算する。
　ここで、微粒子検出素子２０の構成について、図４及び図５の分解斜視図を用いて更に説明する。微粒子検出素子２０は、８枚のシートＳ１～Ｓ８で構成されている。各シートＳ１～Ｓ８は、筐体２２と同じ材料で形成されている。説明の便宜上、左から右に向かって第１シートＳ１、第２シートＳ２、…と称する。
　第１シートＳ１の右面の下方には、グランド電極３４，３４が設けられている。グランド電極３４，３４は、上下方向に延びる１本のリード線３４ａに接続されている。リード線３４ａの上端は、第１シートＳ１の右面の上方に位置し、第１シートＳ１のスルーホールを介して第１シートＳ１の左面の上方に設けられたグランド電極端子３５に接続されている。
　第２シートＳ２の右面の下方には、放電電極３２及び対向電極５２が設けられている。放電電極３２は、上下方向に延びるリード線３２ａに接続されている。リード線３２ａの上端は、第２シートＳ２の右面の上方に位置し、第２シートＳ２及び第１シートＳ１のスルーホールを介して第１シートＳ１の左面の上方に設けられた放電電極端子３３に接続されている。対向電極５２は、上下方向に延びるリード線５２ａに接続されている。リード線５２ａの上端は、第２シートＳ２の右面の上方に位置し、第２シートＳ２及び第１シートＳ１のスルーホールを介して第１シートＳ１の左面の上方に設けられた対向電極端子５３に接続されている。
　第３シートＳ３の下方には、ガス流路２４（主に第１分岐流路２４１）になる直方体形状の空間が設けられている。第３シートＳ３は、ガス流路２４の上側に配置される上側シート部Ｓ３ａと、ガス流路２４の下側に配置される下側シート部Ｓ３ｂとを備えている。
　第４シートＳ４の下方には、ガス流路２４（主に第１分岐流路２４１）になる直方体形状の空間が設けられている。第４シートＳ４は、ガス流路２４の上側に配置される上側シート部Ｓ４ａと、ガス流路２４の下側に配置される下側シート部Ｓ４ｂとを備えている。上側シート部Ｓ４ａの左面の全面には、第１ガード電極６２が設けられている。
　第５シートＳ５は、仕切り壁２２ｅになる部材であり、下方前端には矩形の切欠が設けられている。この切欠のうち上下方向に延びる部分が仕切り壁２２ｅの前端面２２ｅ１になる。第５シートＳ５の左面には、捕集電極５４及び第２ガード電極６４が設けられている。第５シートＳ５の右面には、捕集電極１５４及び第２ガード電極１６４が設けられている。捕集電極５４と捕集電極１５４とは第５シートＳ５を対称面として面対称になるように配置され、第２ガード電極６４と第２ガード電極１６４とは第５シートＳ５を対称面として面対称になるように配置されている。
　第５シートＳ５の右面の捕集電極１５４は、上下方向に延びるリード線１５４ａに接続されている。リード線１５４ａの上端は、捕集電極端子５５になっており、第５シートＳ５の右面のうち外部に露出した段差面２２ｓ（図２参照）に配置されている。左面の捕集電極５４は短尺のリード線５４ａを有しており、リード線５４ａは第５シートＳ５のスルーホールを介して右面のリード線１５４ａに接続されている。
　第５シートＳ５の左面の第２ガード電極６４は、捕集電極５４と電気絶縁性を維持可能なクリアランスをもって、捕集電極５４を囲むように略Ｕ字に形成されている。第２ガード電極６４のうち前後方向に延びる下方部６４ａは、第４シートＳ４の下側シート部Ｓ４ｂの上下方向の辺と前後方向の辺とで囲まれた四角形（第３シートＳ３の下側シート部Ｓ３ｂの上下方向の辺と前後方向の辺とで囲まれた四角形と同じ）と一致するように設けられている。この下方部６４ａは、その四角形よりも若干大きくなるように（例えば上にはみ出すように）設けられていてもよい。第２ガード６４の前後において上下方向に延びる側方部６４ｂ，６４ｂは、捕集電極５４の前後のそれぞれにおいて、下方部６４ａから捕集電極５４の上部を超えたあと捕集電極５４側へ短く折れ曲がった形状になっている。一方の側方部６４ｂは、捕集電極５４の切欠をなす上下方向の辺（前端面２２ｅ１）に接するように設けられ、他方の側方部６４ｂは、第５シートＳ５の後方の辺に接するように設けられている。第５シートＳ５の右面の第２ガード電極１６４は、第２ガード電極６４と第５シートＳ５を対称面として面対称に形成されているため、第２ガード電極６４と同様、下方部１６４ａと側方部１６４ｂ，１６４ｂを備えているが、これらの説明は省略する。
　第５シートＳ５の右面の上方には、ガード電極端子６５が設けられている。ガード電極端子６５は、第５シートＳ５の右面のうち外部に露出した段差面２２ｓ（図２参照）に配置されている。第４シートＳ４の第１ガード電極６２の上方は、第４シートＳ４のスルーホールを介してガード電極端子６５に接続されている。
　第６シートＳ６の下方には、ガス流路２４（主に第２分岐流路２４２）になる直方体形状の空間が設けられている。第６シートＳ６は、ガス流路２４の上側に配置される上側シート部Ｓ６ａと、ガス流路２４の下側に配置される下側シート部Ｓ６ｂとを備えている。上側シート部Ｓ６ａの右面の全面には、第１ガード電極１６２が設けられている。第１ガード電極１６２は第６シートＳ６のスルーホールを介して第５シートＳ５の第２ガード電極１６４に接続され、第２ガード電極１６４は第５シートＳ５のスルーホールを介して第２ガード電極６４に接続され、第２ガード電極６４は第４シートＳ４のスルーホールを介して第１ガード電極６２に接続されている。そのため、第１ガード電極６２，６４及び第２ガード電極１６２，１６４はいずれもガード電極端子６５に接続されている。
　ガード電極６０は、第１及び第２ガード電極６２，６４を含み、リード線５２ａを含む対向電極５２から第３及び第４シートＳ３，Ｓ４を介してリード線５４ａを含む捕集電極５４へ流れる漏れ電流を遮断する。また、ガード電極１６０は、第１及び第２ガード電極１６２，１６４を含み、リード線１５２ａを含む対向電極１５２から第７及び第６シートＳ７，Ｓ６を介してリード線１５４ａを含む捕集電極１５４へ流れる漏れ電流を遮断する。
　第７シートＳ７の下方には、ガス流路２４（主に第２分岐流路２４２）になる直方体形状の空間が設けられている。第７シートＳ７は、ガス流路２４の上側に配置される上側シート部Ｓ７ａと、ガス流路２４の下側に配置される下側シート部Ｓ７ｂとを備えている。なお、第２ガード電極１６４の下方部１６４ａは、第６シートＳ６の下側シート部Ｓ６ｂの上下方向の辺と前後方向の辺とで囲まれた四角形（第７シートＳ７の下側シート部Ｓ７ｂの上下方向の辺と前後方向の辺とで囲まれた四角形と同じ）と一致するように設けられている。
　第８シートＳ８の左面の下方には、対向電極１５２が設けられている。対向電極１５２は、上下方向に延びるリード線１５２ａに接続されている。リード線１５２ａの上端は、第８シートＳ８の左面の上方に位置し、第８シートＳ８のスルーホールを介して第８シートＳ８の右面の上方に設けられた対向電極端子１５３に接続されている。
　なお、第１～第５シートＳ１～Ｓ５が筐体２２の長尺部２２２を構成し、第６～第８シートＳ６～Ｓ８が短尺部２２１を構成する。
　次に、微粒子検出器１０の製造例について説明する。微粒子検出素子２０は、複数枚のセラミックグリーンシートを用いて作製することができる。具体的には、複数枚のセラミックグリーンシートの各々について、必要に応じて切欠や貫通孔や溝を設けたり電極や配線パターンをスクリーン印刷したりした後、それらを積層して焼成する。なお、切欠や貫通孔や溝については、焼成時に焼失するような材料（例えば有機材料）で充填しておいてもよい。こうして、微粒子検出素子２０を得る。続いて、微粒子検出素子２０の放電電極端子３３及び対向電極端子５３，１５３をそれぞれ付属ユニットの放電用電源３６及び捕集用電源５６に接続する。また、グランド電極端子３５及びガード電極端子６５をグランドに接続する。更に、捕集電極端子５５を電流計７２を介して個数測定装置７４に接続する。こうすることにより、微粒子検出器１０を製造することができる。
　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２６を計測する場合、上述したようにエンジンの排気管１２に微粒子検出素子２０を取り付ける（図１参照）。図３に示すように、ガス導入口２４ａからガス流路２４内に導入された排ガスに含まれる微粒子２６は、電荷発生部３０の放電によって発生した電荷２８（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、ガード電極６０，１６０のうち捕集部５０，１５０の上流側の部分をそのまま通過して、捕集部５０，１５０に至る。一方、微粒子２６に付加されなかった電荷２８は、ガード電極６０，１６０のうち捕集部５０，１５０の上流側の部分に引き寄せられてグランドに捨てられる。これにより、微粒子２６に付加されなかった不要な電荷２８は捕集部５０，１５０にほとんど到達することがない。
　捕集部５０，１５０に到達した帯電微粒子Ｐは、対向電極５２，１５２によって発生した捕集用電界によって捕集電極５４，１５４に捕集される。捕集電極５４，１５４には、捕集された帯電微粒子Ｐの電荷２８に基づく電流が流れる。電流計７２には、捕集電極５４，１５４に捕集された帯電微粒子Ｐの電荷２８に基づく電流が流れる。そして、その電流が電流計７２で測定され、その電流に基づいて個数測定装置７４が微粒子２６の個数を演算する。電流Ｉと電荷量ｑの関係は、Ｉ＝ｄｑ／（ｄｔ）、ｑ＝∫Ｉｄｔである。個数測定装置７４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２６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５４，１５４に捕集された微粒子２６の個数Ｎｔを求める（下記式（１）参照）。個数測定装置７４は、この個数Ｎｔを排ガス中の微粒子２６の数として検出する。
　Ｎｔ＝（蓄積電荷量）／｛（素電荷）×（平均帯電数）｝　…（１）
　次に、ガード電極６０，１６０の役割について説明する。微粒子検出器１０では、個数Ｎｔを検出する際に、捕集部５０の対向電極５２と捕集電極５４との間に電圧Ｖ１を印加すると共に、捕集部１５０の対向電極１５２と捕集電極１５４との間にも電圧Ｖ１を印加する。電圧Ｖ１は数ｋＶであるため、通常は電気絶縁体と考えられているアルミナ等のセラミックからなる筐体２２であっても、数１０～数１００ｐＡの漏れ電流が流れることがある。漏れ電流は、リード線５２ａを含む対向電極５２から筐体２２を経てリード線５４ａを含む捕集電極５４へ流れたり、リード線１５２ａを含む対向電極１５２から筐体２２を経てリード線１５４ａを含む捕集電極１５４へ流れたりする。一方、個数Ｎｔを検出する際に電流計７２で測定される検出電流は数ｐＡである。そのため、漏れ電流は検出電流に影響を与える。本実施形態では、こうした漏れ電流をガード電極６０，１６０が吸収してグランドに捨てる。ここで、ガード電極６０を捕集電極５４と垂直方向から透視したときの様子を図６に、ガード電極１６０を捕集電極１５４と垂直方向から透視したときの様子を図７に示す。図６では、ガード電極６０は、少なくとも、筐体２２の長尺部２２２の外郭線（図６の太線）で囲まれた領域のうちガス流路２４を除く全面に配設されている。図６の細かいハッチング領域は第１ガード電極６２であり、粗いハッチング領域は第２ガード電極６４の下方部６４ａである。そのため、ガード電極６０は、リード線５２ａを含む対向電極５２から筐体２２を経てリード線５４ａを含む捕集電極５４へ流れる漏れ電流を完全に又はほぼ完全に遮断する。特に、第２ガード電極６４は捕集電極５４の両側に側方部６４ａ（図５参照）を有しているため、確実に漏れ電流を遮断する。図７では、ガード電極１６０は、少なくとも、筐体２２の短尺部２２１の外郭線（図７の太線）で囲まれた領域のうちガス流路２４を除く全面に配設されている。図７の細かいハッチング領域は第１ガード電極１６２であり、粗いハッチング領域は第２ガード電極１６４の下方部１６４ａである。そのため、ガード電極１６０は、リード線１５２ａを含む対向電極１５２から筐体２２を経てリード線１５４ａを含む捕集電極１５４へ流れる漏れ電流を完全に又はほぼ完全に遮断する。特に、第２ガード電極１６４は捕集電極１５４の両側に側方部１６４ａ（図４参照）を有しているため、確実に漏れ電流を遮断する。
　以上説明した微粒子検出素子２０では、ガード電極６０，１６０が漏れ電流の経路を完全に又はほぼ完全に遮断するため、微粒子の検出精度を高めることができる。
　また、捕集電極５４，１５４のリード線５４ａ，１５４ａ（捕集電極リード部に想到）は、ガード電極６０，１６０を貫通することなく捕集電極端子５５に接続されている。リード線がガード電極を貫通して捕集電極端子に接続されている場合には、貫通箇所においてガード電極とリード線とを電気的に絶縁させるためにクリアランスをとる必要がある。そのため、このクリアランスを介して僅かな漏れ電流が流れるおそれがある。これに対して、上述した実施形態では、リード線５４ａ，１５４ａは、ガード電極６０，１６０を貫通することなく捕集電極端子５５に接続されているため、そのようなクリアランスが生じず、確実に漏れ電流を遮断することができる。
　更に、リード線１５２ａ及び対向電極１５２は短尺部２２１内に設けられ、捕集電極１５４、リード線１５４ａ及び捕集電極端子５５は長尺部２２２のうち長尺部２２２と短尺部２２１との境界面（第５シートＳ５の右面）に設けられ、捕集電極端子５５は外部に露出した段差面２２ｓに設けられている。そのため、比較的容易に、捕集電極１５４のリード線１５４ａがガード電極１６０を貫通しないようにすることができる。
　更にまた、余剰電荷はガード電極６０，１６０のうち捕集電極５４，１５４の上流側の側方部６４ｂ，１６４ｂで除去されるため、余剰電荷が捕集電極５４，１５４に捕集されて微粒子の数にカウントされてしまうのを抑制することができる。
　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、捕集対象を帯電微粒子Ｐとして微粒子の数を求めたが、捕集対象を余剰電荷として微粒子の数を求めてもよい。例えば、上述した実施形態において、第２ガード電極６４，１６４の側方部６４ｂ，１６４ｂを省略し、捕集用電源５６が対向電極５２，１５２に印加する電圧を電圧Ｖ１よりも低く設定し、余剰電荷が捕集電極５４，１５４に捕集され、帯電微粒子Ｐが捕集電極５４，１５４に捕集されずにガス排出口２４ｂから排出されるようにしてもよい。その場合、まず、電荷発生部３０で発生する電荷２８の総数を測定しておき、その後、微粒子２６を含むガスをガス流路２４に流したときに捕集電極５４，１５４に流れる電流から余剰電荷の数を測定し、電荷２８の総数から余剰電荷の数を引くことにより微粒子の数を求める。このようにしても、ガード電極６０，１６０が漏れ電流の経路を完全に又はほぼ完全に遮断するため、微粒子の検出精度を高めることができる。
　上述した実施形態では、ガス流路２４を仕切り壁２２ｅで第１及び第２分岐流路２４１，２４２に仕切ったが、例えば図８に示す微粒子検出素子１２０のように仕切り壁２２ｅを有さないものとしてもよい。微粒子検出素子１２０は、微粒子検出素子２０の第６～第８シートＳ６～Ｓ８を省略し、第５シートＳ５の右面に設けていた第２ガード電極１６４、捕集電極１５４、リード線１５４ａを省略し、第５シートＳ５の左面に設けていたリード線５４ａを上部まで延ばして第５シートＳ５のスルーホールを介して捕集電極端子５５に接続した以外は、微粒子検出素子２０と同じである。微粒子検出素子１２０の外観形状は段差のない直方体であり、微粒子検出素子２０のように段差面２２ｓを有していないが、捕集電極５４のリード線５４ａはガード電極６０を貫通することなく捕集電極端子５５に接続されているため、ガード電極６０は確実に漏れ電流を遮断することができる。
　上述した実施形態では、図４に示すように筐体２２の段差面２２ｓに捕集電極端子５５とガード電極端子６５を設けたが、図９に示す微粒子検出素子２２０のように段差面２２ｓを有さず（つまり段差のない直方体形状の筐体２２を用いる）、第８シートＳ８の右面の上方に捕集電極端子２５５とガード電極端子２６５を設けてもよい。微粒子検出素子２２０は、第５シートＳ５の捕集電極端子５５とガード電極端子６５を省略し、リード線１５４ａが第６シートＳ６、第１ガード電極１６２、第７シートＳ７及び第８シートＳ８のスルーホールを介して捕集電極端子２５５に接続されていること、第１ガード電極１６２が第７シートＳ７のスルーホールを介してガード電極端子２６５に接続されていること、段差面がないため第１～第８シートＳ６～Ｓ８の高さが高いこと以外は、微粒子検出素子２０と同じである。微粒子検出素子２２０では、第１ガード電極１６２の貫通箇所において絶縁を確保するためにクリアランスをとる必要がある。そのため、このクリアランスを介して僅かな漏れ電流が流れるおそれがあるが、それ以外はガード電極６０，１６０は漏れ電流の経路をほぼ完全に遮断するため、微粒子の検出精度を高めることができる。但し、上述した実施形態は、この僅かな漏れ電流も遮断できるため、より好ましいといえる。なお、請求項における「全面」は、文字通り全面の場合のほか、微小な箇所（例えば前出のクリアランスなど）を除いた全面という場合も含む。
　上述した実施形態では、筐体２２の左方壁２２ｃに電荷発生部３０を設けたが、それに代えて又は加えて、右方壁２２ｄに電荷発生部を設けてもよい。
　上述した実施形態では、対向電極５２，１５２はガス流路２４に露出していたが、これに限らず筐体２２に埋設されていてもよい。
　上述した実施形態では、微粒子検出器１０をエンジンの排気管１２に取り付ける場合を例示したが、特にエンジンの排気管１２に限定されるものではなく、微粒子を含むガスが流通する管であればどのような管であってもよい。
　上述した実施形態では、微粒子検出素子２０は微粒子の数を検出するものとしたが、微粒子の質量や表面積などを検出するものとしてもよい。微粒子の質量は、例えば、微粒子の数に微粒子の平均質量を乗じることにより求めることができるし、予め蓄積電荷量と捕集された微粒子の質量との関係をマップとして記憶装置に記憶しておき、このマップを用いて蓄積電荷量から微粒子の質量を求めることもできる。微粒子の表面積についても、微粒子の質量と同様の方法で求めることができる。
　本出願は、２０１８年１２月２７日に出願された日本国特許出願第２０１８－２４４４５７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、ガス中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、１２　排気管、１４　支持体、１６　台座、１８　保護カバー、２０，１２０，２２０　微粒子検出素子、２２　筐体、２２ａ　下端、２２ｂ　上端、２２ｃ　左方壁、２２ｄ　右方壁、２２ｅ　仕切り壁、２２ｅ１　前端面、２２ｓ　段差面、２４　ガス流路、２４ａ　ガス導入口、２４ｂ　ガス排出口、２６　微粒子、２８　電荷、３０　電荷発生部、３２　放電電極、３２ａ　リード線、３３　放電電極端子、３４　グランド電極、３４ａ　リード線、３５　グランド電極端子、３６　放電用電源、５０，１５０　捕集部、５２，１５２　対向電極、５２ａ，１５２ａ　リード線、５３，１５３　対向電極端子、５４，１５４　捕集電極、５４ａ，１５４ａ　リード線、５５，２５５　捕集電極端子、５６　捕集用電源、６０，１６０　ガード電極、６２，１６２　第１ガード電極、６４，１６４　第２ガード電極、６４ａ，１６４ａ　下方部、６４ｂ，１６４ｂ　側方部、６５，２６５　ガード電極端子、７０　個数検出部、７２　電流計、７４　個数測定装置、８０　付属ユニット、２４１　第１分岐流路、２４２　第２分岐流路、Ｐ　帯電微粒子、Ｓ１～Ｓ８　第１～第８シート、Ｓ３ａ，Ｓ４ａ，Ｓ６ａ，Ｓ７ａ　上側シート部、Ｓ３ｂ，Ｓ４ｂ，Ｓ６ｂ，Ｓ７ｂ　下側シート部。

Claims (5)

  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、
    　直方体形状の筐体と、
    　前記筐体の長手方向の一端側に前記筐体を貫通するように設けられたガス流路と、
    　前記ガス流路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捕集電極と、
    　前記捕集電極に対向する位置に設けられ、前記捕集電極に向けて前記捕集対象を移動させる捕集用電界を発生させる電界発生電極と、
    　前記捕集電極と捕集電極リード部を介して接続され、前記筐体の他端側で外部に露出するように設けられた捕集電極端子と、
    　前記電界発生電極と電界発生電極リード部を介して接続され、前記筐体の前記他端側で外部に露出するように設けられた電界発生電極端子と、
    　前記捕集電極リード部を含む前記捕集電極及び前記電界発生電極リード部を含む前記電界発生電極の一方から前記筐体を経て他方へ流れる漏れ電流の経路を遮断するガード電極と、
    　を備え、
    　前記ガード電極は、前記ガード電極を前記捕集電極に垂直な方向から透視したときに、前記筐体の外郭線で囲まれた領域のうち前記ガス流路を除く全面に配設されている、
    　微粒子検出素子。
  2. 　前記捕集電極リード部は、前記ガード電極を貫通することなく設けられている、
    　請求項１に記載の微粒子検出素子。
  3. 　前記筐体は、長手方向の長さの短い短尺部と長手方向の長さの長い長尺部とを有し、前記筐体の前記一端側では前記短尺部と前記長尺部とが揃っており、前記筐体の前記他端側では前記短尺部が前記長尺部に届かず段差になっており、
    　前記電界発生電極リード部及び前記電界発生電極は、前記短尺部内に設けられ、
    　前記捕集電極、捕集電極リード部及び前記捕集電極端子は、前記長尺部のうち前記長尺部と前記短尺部との境界面に設けられ、
    　前記捕集電極端子は、前記段差によって外部に露出している、
    　請求項２に記載の微粒子検出素子。
  4. 　前記ガード電極は、前記ガード電極を前記捕集電極に垂直な方向から透視したときに、前記短尺部の外郭線で囲まれた領域のうち前記ガス流路を除く全面に配設されている、
    　請求項３に記載の微粒子検出素子。
  5. 　請求項１～４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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