粒子状物質検出装置
【課題】粒子状物質の検出を簡易に行えて低廉であり、測定精度が高い粒子状物質検出装置を提供すること。
【解決手段】一の面が電極間誘電体４で被覆をされた板状を呈する一の電極１、その一の電極１の一の面の側に粒子状物質１１を含む排気ガスが流れる空間を介して配設をされ一の電極１との間に印加をされる電圧によって電界の形成及び放電の何れか又は両方を行う二の電極２、及び電圧の印加をする電源９、並びに、電極間誘電体４の表面に配設をされる測定対向電極５、その測定対向電極５と一の電極１との間における電気的特性の測定をする特性測定手段３、及びその特性測定手段３で測定をされる電気的特性の変化量に基づいて電極間誘電体４の表面に集塵をされた粒子状物質１１の量を求める粒子状物質量算出手段１３を備える粒子状物質検出装置１００の提供による。
【解決手段】一の面が電極間誘電体４で被覆をされた板状を呈する一の電極１、その一の電極１の一の面の側に粒子状物質１１を含む排気ガスが流れる空間を介して配設をされ一の電極１との間に印加をされる電圧によって電界の形成及び放電の何れか又は両方を行う二の電極２、及び電圧の印加をする電源９、並びに、電極間誘電体４の表面に配設をされる測定対向電極５、その測定対向電極５と一の電極１との間における電気的特性の測定をする特性測定手段３、及びその特性測定手段３で測定をされる電気的特性の変化量に基づいて電極間誘電体４の表面に集塵をされた粒子状物質１１の量を求める粒子状物質量算出手段１３を備える粒子状物質検出装置１００の提供による。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス等に含まれる粒子状物質を検出する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンの排気ガス等には、粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ（ＰＭ）、有機溶媒可溶成分とスートとサルフェートの３成分として検出されるもの）が含まれており、これが大気汚染の原因になっている。特に、ディーゼルエンジン等の粒子状物質発生源に不具合が生じれば、大気へ放出される排気ガス中の粒子状物質が増加し、環境に大きな悪影響を与えることになる。これを防ぐためには、排気ガス中の粒子状物質を検出し、ディーゼルエンジン等の不具合を認識することが肝要である。
【０００３】
又、近時、公害を防止し環境の改善を図るために、排気ガスの処理に、ディーゼルパティキュレートフィルタ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ（ＤＰＦ））が排気系等に組み込まれて使用されるようになってきている。このＤＰＦは、一般にセラミック製であり、高い信頼性で長期間の使用が可能なものである。但し、熱劣化等によりクラック等の欠陥が発生する可能性は皆無とはいえず、仮にそうなれば微量ではあるが粒子状物質が漏れてしまう。これを防止するためには、ＤＰＦで処理された排気ガス中の粒子状物質を検出し、欠陥の発生を即座に検知することが重要である。
【０００４】
尚、先行文献として、例えば、特許文献１を挙げることが出来る。特許文献１では、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粒子状物質検出装置が開示されている。
【特許文献１】特開昭６０−１２３７６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された方法では、粒子状物質に帯電するイオン電流が微弱であることから、その微弱なイオン電流を検出するための大掛かりな検出回路が必要となり、装置が高価になってしまう。加えて、排気ガスの流量が多い場合には、粒子状物質を効果的に帯電させることが出来ず、測定値は、実際に排気ガスに含有されている粒子状物質の量より小さくなり、精度の点で改善すべき余地がある。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、粒子状物質の検出を簡易に行え、低廉であり、測定精度が高い粒子状物質検出装置を提供することを課題とする。研究が重ねられた結果、以下の手段によって、この課題を解決出来ることが見出された。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
即ち、本発明によれば、一の面が誘電体（電極間誘電体）で被覆をされた板状を呈する一の電極、その一の電極の一の面の側に粒子状物質を含む気体が流れる空間を介して配設をされ一の電極との間に印加をされる電圧によって電界の形成及び放電の何れか又は両方を行う二の電極、及び前記電圧の印加をする電源、並びに、誘電体（電極間誘電体）の表面に配設をされる測定対向電極、その測定対向電極と一の電極との間における電気的特性の測定をする特性測定手段、及びその特性測定手段で測定をされる電気的特性の変化量に基づいて誘電体（電極間誘電体）の表面に集塵をされた粒子状物質の量を求める粒子状物質量算出手段、を備える粒子状物質検出装置が提供される。
【０００８】
本発明に係る粒子状物質検出装置においては、空間を流れる気体の流量の測定又は推定をする流量計を備え、その流量計で測定又は推定をされる気体の流量と粒子状物質の量とに基づいて、空間を流れる気体における粒子状物質の濃度を算出する粒子状物質濃度算出手段を備えることが好ましい。
【０００９】
本発明に係る粒子状物質検出装置においては、上記電気的特性が、抵抗、インダクタンス、静電容量、及びインピーダンスからなる電気的特性群から選ばれる一以上の電気的特性であることが好ましい。
【００１０】
本発明に係る粒子状物質検出装置においては、測定対向電極が、複数の線状部分を有し、その複数の線状部分は、粒子状物質を含む気体が流れる方向に対し垂直方向に長く平行して、誘電体（電極間誘電体）の表面に配設をされることが好ましい。この場合において、複数の線状部分を有する測定対向電極が、格子状を呈することが好ましい。即ち、複数の線状部分が、粒子状物質を含む気体が流れる方向に対し垂直方向に長く平行するのに加えて、粒子状物質を含む気体が流れる方向と同一方向に長く平行する部分があれば、格子状になる。又、これらの場合において、複数の線状部分を有する測定対向電極が、誘電体（電極間誘電体）の表面の全面にわたって配設をされることが好ましい。
【００１１】
本発明に係る粒子状物質検出装置においては、二の電極が板状を呈することが好ましい。この場合において、二の電極が、管壁面で構成されることが好ましい。即ち、板状体を丸めて曲面で構成し管状としたものであり、具体的には、排気管の全面又は一面が該当する。
【００１２】
本発明に係る粒子状物質検出装置においては、二の電極が針状又は棒状を呈することが好ましい。
【００１３】
本発明に係る粒子状物質検出装置においては、板状を呈する一の電極の他の面を被覆する誘電体（電極外誘電体）と、その誘電体（電極外誘電体）の表面に配設されたヒータと、を備えることが好ましい。
【００１４】
本発明に係る粒子状物質検出装置においては、一の電極と測定対向電極との間に電圧の印加をして沿面放電により粒子状物質を酸化除去するための除去用電源を備え、その電圧の印加によって一の電極の一の面に被覆された誘電体（電極間誘電体）の表面に沿面放電をさせることが好ましい。
【００１５】
本発明に係る粒子状物質検出装置においては、測定対向電極が、膜状の誘電体で被覆されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る粒子状物質検出装置は、粒子状物質を含む気体（排気ガス）が通過する流路に設置して、気体に含まれる粒子状物質を検出する装置である。本発明に係る粒子状物質検出装置では、電源によって電圧の印加をして二の電極に放電をさせ、一の電極の電極間誘電体の側と二の電極との間の空間を流れる気体に含まれる粒子状物質を荷電させるか、予め荷電された粒子状物質を一の電極を被覆する電極間誘電体の表面に集塵させる。そうすると、電極間誘電体の上には粒子状物質が堆積され、その粒子状物質が堆積された電極間誘電体を挟んで設けられている一の電極と測定対向電極との間における電気的特性が、堆積した粒子状物質の量との間に一定の関係を持ちつつ、変化する。そこで、本発明に係る粒子状物質検出装置では、この電気的特性の変化量を知って、電極間誘電体の表面に集塵をされた粒子状物質の量を求めている。定量化することが出来るのであるから、当然に、空間を流れる気体における粒子状物質の有無（量が０（零）か否か）を判断することは可能である。そのため、本発明に係る粒子状物質検出装置は、検出装置と称している。本発明に係る粒子状物質検出装置では、粒子状物質の量を基に補正して空間を流れる気体に含まれる粒子状物質の量を求め、空間を流れる気体の流量との関係から、その気体における粒子状物質の濃度を算出することが可能である。
【００１７】
電気的特性として、例えばインピーダンスの変化量の検出をするためには、測定周波数や測定電圧の大きさによって異なるが、１０ｎＡ（ナノアンペア）レベルの電流の変化の測定を行えればよい。従って、本発明に係る粒子状物質検出装置は、高価にはならず、粒子状物質の検出、あるいは量の測定、更には濃度の測定を、簡易に行うことが出来、且つ、測定誤差は小さい。加えて、粒子状物質の検出、量の測定、濃度の測定によって、ディーゼルエンジン等の不具合や、ＤＰＦの欠陥の発生を即座に検知することが可能になるので、これらを通じて、本発明に係る粒子状物質検出装置は、粒子状物質の排出量低減に寄与し、大気汚染の防止に貢献する。
【００１８】
本発明に係る粒子状物質検出装置では、測定対向電極の表面に堆積した粒子状物質の面積によって電気的特性が変化するのであり、粒子状物質の物性が変化しても、その影響を受け難い。
【００１９】
本発明に係る粒子状物質検出装置は、その好ましい態様において、測定対向電極が、複数の線状部分を有し、その複数の線状部分は、粒子状物質を含む気体が流れる方向に対し垂直方向に長く平行して、誘電体の表面に配設をされ、更には、複数の線状部分を有する測定対向電極が、格子状を呈し、加えて、複数の線状部分を有する測定対向電極が、誘電体の表面の全面にわたって配設をされる。このような態様の本発明に係る粒子状物質検出装置によれば、電気的特性の測定感度を向上させることが出来るとともに、電極間誘電体の上に堆積した粒子状物質を逃さず検出することが可能であり、粒子状物質の量及び濃度の測定精度に優れる。
【００２０】
本発明に係る粒子状物質検出装置は、その好ましい態様として、二の電極が板状を呈する場合に、特に、二の電極が管壁面で構成される態様を採ることが出来るので、ディーゼルエンジン等の排気管の中へ、コンパクトに収容することが出来る。
【００２１】
本発明に係る粒子状物質検出装置は、その好ましい態様において、電極外誘電体の表面に配設されたヒータを備えるので、一の電極と測定対向電極とによって測定される電気的特性が安定する。加えて、粒子状物質をヒータの熱で酸化除去することが可能となり、粒子状物質の検出を、繰り返し精度よく行うことが可能である。
【００２２】
本発明に係る粒子状物質検出装置は、その好ましい態様において、一の電極と測定対向電極との間に電圧の印加をして沿面放電により粒子状物質を酸化除去するための除去用電源を備え、その電圧の印加によって一の電極の一の面に被覆された電極間誘電体の表面に沿面放電をさせることが出来るので、この沿面放電によって、集塵された粒子状物質を酸化除去することが可能である。この酸化除去によって、粒子状物質の検出を、繰り返し精度よく行うことが可能である。
【００２３】
本発明に係る粒子状物質検出装置は、その好ましい態様において、測定対向電極が、膜状の誘電体で被覆されているので、放電や排ガスによる劣化が起こり難い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明について、適宜、図面を参酌しながら、実施形態を説明するが、本発明はこれらに限定されて解釈されるべきものではない。本発明に係る要旨を損なわない範囲で、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良、置換を加え得るものである。例えば、図面は、好適な本発明に係る実施形態を表すものであるが、本発明は図面に表される態様や図面に示される情報により制限されない。本発明を実施し又は検証する上では、本明細書中に記述されたものと同様の手段若しくは均等な手段が適用され得るが、好適な手段は、以下に記述される手段である。
【００２５】
［粒子状物質検出装置］先ず、本発明に係る粒子状物質検出装置について、構成、機能、作用等を中心に説明する。
【００２６】
図１及び図７は、本発明に係る粒子状物質検出装置の一の実施形態を模式的に示す図である。図１はセンサ部を示す断面図であり、図７は電気制御系統を示す構成図である。図１及び図７に示される粒子状物質検出装置１００は、板状を呈する一の電極１、板状を呈する二の電極２、一の電極１の（図１における）上面（一の面）を被覆する電極間誘電体４、一の電極１と二の電極２の間に電圧の印加をする電源９、電極間誘電体４の表面に配設をされた複数の線状部分を有する測定対向電極５、一の電極１の（図１における）下面（他の面）を被覆する電極外誘電体６、電極外誘電体６の表面（図１における下面）に配設されたヒータ７、そのヒータ７に電気を供給するヒータ用電源１０、ヒータ７を覆って保護し周りと隔離して保温するシート状の断熱材８、一の電極１と測定対向電極５との間の電気的特性（の変化）を測定する特性測定装置（手段）３、粒子状物質１１の量を算出する粒子状物質量算出装置（手段）１３、粒子状物質１１の濃度を算出する粒子状物質濃度算出装置（手段）１６、流量計１４、及び制御装置１２で構成される。尚、図１に示される一の電極１、二の電極２、電極間誘電体４、測定対向電極５、電極外誘電体６、ヒータ７、及び断熱材８で構成される部分が、粒子状物質１１を含む排気ガスが通過する流路に設置される。これらをセンサ部ということがある。
【００２７】
粒子状物質検出装置１００では、粒子状物質１１を含む排気ガスが、図１において（矢印で示されるように）左から右へ、板状を呈する一の電極１を被覆する電極間誘電体４と、板状を呈する二の電極２との間の空間を流れる。この排気ガスの流量は、図１には示されない流量計１４によって測定される。この状態で、電源９が、二の電極２に、例えば、直流高電圧の印加をすると、放電が生じ、二の電極２の周囲の排気ガス（分子）はプラスイオンとマイナスイオンに分離し、プラスの直流高電圧の印加された一の電極１に向かって、マイナスイオンが移動する。このとき、排気ガスに含まれる粒子状物質１１は、このマイナスイオンと衝突してマイナスに荷電する。そして、荷電された粒子状物質１１は、プラスの一の電極１を被覆する電極間誘電体４の表面に、静電気力によって集塵され堆積する。そうすると、その粒子状物質１１の堆積の程度によって、一の電極１と測定対向電極５との間における電気的特性は変化するから、その電気的特性の変化量を知れば、集塵によって電極間誘電体４の表面に堆積した粒子状物質（ＰＭ）の量が求まる。そして、そのＰＭ堆積量から排気ガスのＰＭ濃度が求まる。
【００２８】
図８は、粒子状物質量算出装置１３のはたらきを説明するためのグラフであり、図９は、粒子状物質濃度算出装置１６のはたらきを説明するためのグラフである。一の電極１と測定対向電極５との間における電気的特性の変化量Ｅ１は、ＰＭ堆積量Ｗ１と一定の関係にあり（図８を参照）、特性測定装置３によって電気的特性の変化量Ｅ１を知れば、図８に基づく算出機能を有する粒子状物質量算出装置１３によって、ＰＭ堆積量Ｗ１が求まる。そして、排気ガスの流量を一定とすれば、ＰＭ堆積量Ｗ１は、ＰＭ濃度Ｃ１と一定の関係にあり（図９を参照）、ＰＭ堆積量Ｗ１がわかれば、図９に基づく算出機能を有する粒子状物質濃度算出装置１６によって、ＰＭ濃度Ｃ１が求まる。排気ガスの流量が変る場合には、流量計１４で求めた流量に基づいて粒子状物質濃度算出装置１６が補正をして、ＰＭ堆積量Ｗ１からＰＭ濃度Ｃ１を求める。
【００２９】
粒子状物質検出装置１００では、粒子状物質量算出装置１３及び粒子状物質濃度算出装置１６は、制御装置１２に組み込まれている。その制御装置１２は、主に、例えば電気信号入出力機能を備えたシーケンサ等で構成され、粒子状物質量算出装置１３と粒子状物質濃度算出装置１６の他に、流量計１４で測定された流量の電気信号を入力する機能を備えるとともに、ヒータ用電源１０や電源９の制御や、工程の切換等を含め、装置全体の制御を行う。
【００３０】
一の電極１と測定対向電極５の間における電気的特性として、例えばインピーダンスを求める場合には、交流電源を用い、抵抗、静電容量、インダクタンスをそれぞれ測定することが出来る。図１０は、粒子状物質１１が存在する状態で、交流電源を用いて、一の電極１と測定対向電極５の間に電圧Ｖを印加したときの等価回路（ＲＣ回路）を表す図である。回路の全インピーダンスは、粒子状物質１１が存在しない状態では、電極間誘電体４に基づく静電容量Ｃ０によってのみ構成されるが、粒子状物質１１が存在する状態では、粒子状物質１１の静電容量Ｃ１及び抵抗Ｒ１が加わる。そして、堆積した粒子状物質１１の量との一定の関係の下、静電容量Ｃ１及び抵抗Ｒ１は変化する。従って、回路の全インピーダンの変化量を求めれば、粒子状物質１１の堆積量が求められる。尚、インダクタンス成分は、殆ど無視出来るものと考えられる。
【００３１】
上記の他に、定電流源を使い、一の電極１と測定対向電極５の間の電圧の変化を測定することによって、インピーダンスの変化を測定してもよく、定電圧源を使って、一の電極１と測定対向電極５の間に流れる電流の変化や、一の電極１と測定対向電極５の間に蓄積される電荷の変化を測定することによって、一の電極１と測定対向電極５の間のインピーダンスの変化を測定してもよい。
【００３２】
特性測定装置３は、上記のような電気的特性及びその変化の求め方によって、適切な構成とすることが可能である。例えば、特性測定装置３は、一の電極１と測定対向電極５に電圧を印加する交流電源と測定器とで構成することが出来る。好ましい測定器としては、ＬＣＲメータを挙げることが出来る。
【００３３】
既述のように、本発明に係る粒子状物質検出装置では、先ず、排気ガス中から粒子状物質１１を電極間誘電体４の表面に集塵し堆積させ（集塵工程）、次いで、一の電極１と測定対向電極５の間の電気的特性の変化を測定する（測定工程）、という主に２つの工程を経て、粒子状物質が検出され、あるいは、その量が求められる（他に、後述する粒子状物質１１を除去する除去工程がある）。そして、一の電極１は、集塵工程では集塵用電極として機能し、測定工程では測定用電極としてはたらく。そのため、工程毎に、一の電極１の接続を切り替えられるようにしておく必要がある（図７を参照）。即ち、集塵工程では、一の電極１と特性測定装置３を切り離し、測定工程では、一の電極１と電源９を切り離す。制御装置１２は、これらの工程の管理、制御を行う。
【００３４】
排気ガスが流れる空間を形成する電極間誘電体４と二の電極２との間の好ましい距離は、０．５〜５０ｍｍであり、より好ましい距離は、０．６〜４０ｍｍである。このような間隔にすることにより、より効率的に放電させ、粒子状物質を集塵することが出来る。電極間誘電体４と二の電極２との間の距離が０．５ｍｍより短いと、集塵率が低下することにより測定精度が低下することがあり、５０ｍｍより長いと、より高い電圧が必要になり無駄なエネルギーを要することがある。
【００３５】
電源９は、一の電極１と二の電極２との間に放電を発生させ得る安定した直流電圧又は交流電圧を供給するものである。電源９として、例えば、フライバック方式による電源回路等を用いた電源を採用することが出来る。これは、入力側の電源からトランスにエネルギーを蓄積し、蓄積されたエネルギーを出力側に放出することによって高圧の直流電圧を供給することが出来るものである。フライバック方式による電源回路においては、トランスへのエネルギーの蓄積と放出は、トランジスタ等により制御され、出力側の電流はダイオードにより整流される。
【００３６】
図５は、電極外誘電体６及び一の電極１を表した斜視図である。図５において矢印は排気ガスの流れ方向を示している。一の電極１は、二の電極２の対向電極として電界の形成及び放電の何れか又は両方を行うとともに、荷電された粒子状物質１１を吸引し集塵する部材としての役割を果たす。粒子状物質検出装置１００における板状の一の電極１は、図５に示されるように、概ね長方形を呈しているが、他に、五角形等の多角形、円形、楕円形、トラック形状等の形状や、外周に凹凸が形成される形状、あるいは、１又は複数のスリットが形成された形状等を採ることが出来る。
【００３７】
板状の二の電極２は、斜視図を示さないが、一の電極１と同様に、概ね長方形を呈している。一の電極１と同様に、五角形等の多角形、円形、楕円形、トラック形状や、外周に凹凸が形成される形状、あるいは、１又は複数のスリットが形成される形状を採ることも出来る。
【００３８】
複数の線状部分を有する測定対向電極５は、排気ガスが流れる（図１における矢印）方向に対し垂直方向に長くなるように配設をされる。線状の測定対向電極５相互の間の距離は、一の電極１が粒子状物質１１を集塵することによって生じた、一の電極１と測定対向電極５の間の電気的特性の変化を、明確に測定することが出来る範囲に設定される。例えば、０．２〜１０ｍｍ程度である。
【００３９】
図６は、複数の線状部分を有する測定対向電極の他の態様を表す斜視図である。図６において矢印は排気ガスの流れ方向を示している。図６に示される測定対向電極１０５は、格子状を呈し、２方向に対向部分が存在する。加えて、測定対向電極１０５は、電極間誘電体４の表面の全面にわたって配設をされている。本発明に係る粒子状物質検出装置では、電気的特性の測定感度及び測定精度を向上させる観点から、線状の測定対向電極相互の間の距離が長いことは好ましくなく、一方、測定対向電極が排気ガスが流れる空間全てに対応する位置に配設されることが好ましい。図６に示される測定対向電極１０５は、このような好ましい態様を具現化したものである。
【００４０】
粒子状物質検出装置１００の説明に戻る。ヒータ７の形状、大きさは、電極間誘電体４の表面に集塵された粒子状物質１１の全部を燃焼することが可能なように決定すればよい。
【００４１】
ヒータ７は、粒子状物質１１を酸化して除去するときだけでなく、一の電極１と測定対向電極５の間の電気的特性の変化を測定する場合に、結露等の水分の影響を受けないようにするために使用される。例えば、インピーダンス変化の検出や放電の際に、適度に加熱することによって、一の電極１と測定対向電極５への水分の付着を防止することが出来る。このときの好ましい加熱温度は、２００〜３００℃である。
【００４２】
好ましいヒータ用電源１０として、効率的な温度制御を可能とする観点から、降圧チョッパ方式の電源を挙げることが出来る。特に好ましいものは、自己消弧型の半導体スイッチを使用した降圧チョッパ方式のスイッチング電源である。この場合、好ましいスイッチング周波数は、可聴周波数以上の２０ｋＨｚ以上である。燃費に直接影響するため、ヒータ用電源の電流、電力は、より小さくすることが望ましい。好ましいヒータ用電源１０は、電圧と電流からヒータ７の温度を算出して温度制御機能を有するものである。
【００４３】
断熱材８は、ヒータ７で発生する熱の放熱を抑制して、ヒータ７の熱を粒子状物質１１の燃焼に、効率的に使用することを可能とする。断熱材８の好ましい厚さは、放熱を抑制することが出来る厚さとして、例えば、１００〜１０００μｍ程度である。
【００４４】
尚、粒子状物質検出装置１００では、ヒータ７及びヒータ用電源１０の代わりに、又はそれらと併用して、一の電極１と測定対向電極５との間に電圧の印加をして、電極間誘電体４の表面に沿面放電をさせるための除去用電源を備える態様を採ることが出来る。この場合、除去用電源を含み沿面放電をさせるために、集塵工程及び測定工程とは異なる電気制御回路を構築可能にしておく必要がある。即ち、一の電極１と特性測定装置３、一の電極１と電源９、をそれぞれ切り離し、一の電極１と測定対向電極５とを除去用電源に接続することが出来るような切換回路を設けておく必要がある。除去用電源としては、交流電源やパルス電源を採用することが出来る。
【００４５】
以上、本発明に係る粒子状物質検出装置の一の実施形態を説明したが、他の実施形態として、二の電極を管壁面で構成した態様、あるいは針状又は棒状を呈する二の電極を採用した態様を挙げることが出来る。図２は、前者に相当する粒子状物質検出装置２００を表す断面図であり、図２では、管状の二の電極２０２が管壁面を構成している。図２において、排気ガスが流れる方向は、手前から奥側に向けた方向である。図３は、後者に相当する粒子状物質検出装置３００を表す断面図であり、二の電極３０２は先の尖った棒状を呈している。この粒子状物質検出装置３００では、放電はコロナ放電となる。粒子状物質検出装置２００，３００は、原理・作用、二の電極を除く装置構成は、粒子状物質検出装置１００に準じたものであるので、説明は省略する。
【００４６】
又、本発明に係る粒子状物質検出装置の更に他に実施形態として、測定対向電極を膜状の誘電体で被覆した態様を挙げることが出来る。図４は、そのような態様の粒子状物質検出装置４００を表す断面図である。図１１は、図１０に対応する図であり、粒子状物質検出装置４００において、粒子状物質１１が存在する状態で、交流電源を用いて、一の電極１と測定対向電極５の間に電圧Ｖを印加したときの等価回路（ＲＣ回路）を表す図である。回路の全インピーダンスは、粒子状物質１１が存在しない状態では、電極間誘電体４に基づく静電容量Ｃ０及び測定対向電極を被覆した膜状誘電体２４（図４を参照）に基づく静電容量Ｃ２によって構成されるが、粒子状物質１１が存在する状態では、粒子状物質１１の静電容量Ｃ１及び抵抗Ｒ１が加わる。そして、堆積した粒子状物質１１の量との一定の関係の下、静電容量Ｃ１及び抵抗Ｒ１は変化する。従って、粒子状物質検出装置１００の場合と同様に、回路の全インピーダンの変化量を求めれば、粒子状物質１１の堆積量が求められる。
【００４７】
［粒子状物質検出装置の材料］次に、本発明に係る粒子状物質検出装置の各構成要素を形成する材料について、粒子状物質検出装置１００の場合を例にして、説明する。
【００４８】
一の電極１、二の電極２、及び測定対向電極５、並びにこれらの接続に用いる配線を形成する好ましい材料として、金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル、チタン、マンガン、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が挙げられる。これらの成分の好ましい含有率は、２０体積％以上、より好ましい含有率は６０体積％以上である。又、一の電極１、二の電極２、及び測定対向電極５、並びにこれらの接続に用いる配線を形成する材料として、ステンレススチールを採用することが出来る。
【００４９】
電極間誘電体４、電極外誘電体６、及び断熱材８を形成する好ましい材料として、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、アルミニウム−チタン系酸化物、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を挙げることが出来る。上記セラミックスにガラス成分を混合した低温焼成可能なセラミック−ガラス複合材料も使用することが出来る。このようなセラミック製の電極間誘電体４及び電極外誘電体６は、温度変動が発生しても破壊され難く、耐熱衝撃性に優れる。断熱材８の場合は、多孔質やファイバ状とすることが好ましい。これらの材料は、図４に示される粒子状物質検出装置４００の膜状誘電体１４の好ましい材料としても採用される。
【００５０】
ヒータ７を形成する好ましい材料は、白金、銅、ニッケル、チタン、マンガン、タングステン、モリブデン、タングステンカーバイド等である。特に、白金は、抵抗値と温度との関係において高い精度を示すので、これをヒータ７の材料として使用することにより、精度の高い温度制御が可能となる。
【００５１】
［粒子状物質検出装置の製造方法］次に、本発明に係る粒子状物質検出装置を製造する方法について、粒子状物質検出装置１００を作製する場合を例にして、説明する。
【００５２】
先ず、既述の電極間誘電体４、電極外誘電体６、及び断熱材８として好ましいセラミック原料に、必要に応じて、バインダ、可塑剤、分散剤、水や有機溶剤等の溶媒を混合して、スラリー状の成形用原料を調製する。混合に際しては、アルミナ製ポット及びアルミナ玉石、又は、モノボール（ボールミル）を使用することが出来る。電極間誘電体４、電極外誘電体６、及び断熱材８の原料は、同じ組成としてもよいし、異なる組成としてもよい。断熱材８の成形用原料には、発泡剤を入れることが好ましい。
【００５３】
バインダは、水系バインダとして、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することが出来、非水系バインダとして、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可能である。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出来る。のちのグリーンシートの成形、乾燥、焼成の際に、クラックの発生を抑制するという観点から、バインダの好ましい添加量は、セラミック原料１００質量部に対して、３〜２０質量部であり、特に好ましい添加量は、６〜１７質量部である。
【００５４】
好ましい可塑剤は、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である。可塑剤の好ましい添加量は、バインダ１００質量部に対して、３０〜７０質量部であり、特に好ましい添加量は、４５〜５５質量部である。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易くなることがあり、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等、ハンドリング性が悪くなることがある。
【００５５】
好ましい分散剤は、水系ではアニオン系界面活性剤、ワックスエマルジョン、ピリジン等であり、非水系では脂肪酸、リン酸エステル、合成界面活性剤等である。分散剤の好ましい添加量は、セラミック原料１００質量部に対して、０．５〜３質量部であり、特に好ましい添加量は、１〜２質量部である。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。
【００５６】
好ましい有機溶剤（溶媒）は、キシレン、ブタノール等である。有機溶剤は、一種単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。好ましい溶媒の添加量は、セラミック原料１００質量部に対して、５０〜２００質量部であり、特に好ましい添加量は、７５〜１５０質量部である。
【００５７】
次に、スラリー状の成形用原料を、減圧下で撹拌して脱泡し、更に所定の粘度となるように調製する。シート状に成形し易くなるという観点から、好ましい粘度は、Ｂ型粘度計で測定した値として、２．０〜６．０Ｐａ・ｓであり、より好ましい粘度は、３．０〜５．０Ｐａ・ｓであり、特に好ましい粘度は、３．５〜４．５Ｐａ・ｓである。
【００５８】
そして、粘度が調製された成形原料を、シート状に成形して、のちに電極間誘電体４、電極外誘電体６、及び断熱材８となるグリーンシートを形成する。好ましい成形方法は、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である。好ましいグリーンシートの厚さは、５０〜８００μｍである。
【００５９】
次いで、得られたグリーンシートの表面に、のちに一の電極１、測定対向電極５、ヒータ７、及び必要な配線となる導体ペーストを配設するとともに、グリーンシートを積層してグリーン積層体を得る。導体ペーストは、既述の一の電極１、測定対向電極５、ヒータ７、及び必要な配線に好適な材料からなる粉末に、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出来る。導体ペーストの好適な配設手段は、スクリーン印刷法である。
【００６０】
導体ペーストの配設は、具体的には、電極外誘電体６となるグリーンシートの一の面には、一の電極１及び必要な配線となる導体ペーストを印刷し、更に電極間誘電体４となるグリーンシートを積層し、その電極間誘電体４となるグリーンシートの表面に、測定対向電極５及び必要な配線を、所望のパターンで（測定対向電極は、例えば図６に示される態様を採ることが好ましい）、印刷することによって行う。他方、電極外誘電体６となるグリーンシートの他の面には、ヒータ７及び必要な配線となる導体ペーストを印刷し、更に断熱材８となるグリーンシートを積層する（図１を参照）。グリーンシートの積層は加圧しながら行うことが好ましい。
【００６１】
次に、得られたグリーン積層体を、６０〜１５０℃で乾燥し、有機バインダを含有する場合には４００〜８００℃で脱脂し、その後、１２００〜１６００℃で焼成する。このようにして、粒子状物質検出装置１００を構成する、一の電極１、電極間誘電体４、一の電極１と測定対向電極５、電極外誘電体６、ヒータ７、及び断熱材８を含む焼成積層体が得られる。
【００６２】
二の電極２は、既述の好適な材料からなる市販の薄板を購入して用い上記焼成積層体に支持部材を介して一体化させる。二の電極として、セラミックスと導体ペーストを積層したものを用いてもよい。この支持部材としては、既述の電極間誘電体４、電極外誘電体６、及び断熱材８に好適な材料からなる焼結体を使用することが出来る。又、粒子状物質１１を含む排気ガスが流れる空洞（空間）が形成されるように、上記焼成積層体と二の電極２の支持部材とを、一体化させた積層構造としてもよい。この場合、上記焼成積層体を得る前に、上記したグリーン積層体の電極間誘電体４（測定対向電極５）の側に、その空洞を形成するグリーンシートと、天板となるグリーンシートと、を更に積層し、その天板となるグリーンシートの内面（空洞に対向する面）に、のちに二の電極２及び必要な配線となる導体ペーストを配設し、これら全体からなるグリーン積層体を得て、乾燥、必要な脱脂、焼成を行えばよい。
【００６３】
電源９、特性測定装置３、ヒータ用電源１０は、既述の好ましい仕様に合致した市販品を購入する。流量計１４も市販品を採用することが出来る。電源９は、一の電極１と二の電極２に切り離し可能なように接続し、特性測定装置３は、一の電極１と測定対向電極５に切り離し可能なように接続し、ヒータ用電源１０はヒータ７に接続する。粒子状物質量算出装置１３及び粒子状物質濃度算出装置１６は、シーケンサ等のコンピュータにおいてソフトウエアで構築することが出来る。制御装置１２は、既述又は後述する粒子状物質検出装置１００の動作を実現するように、シーケンサ等のコンピュータにおけるソフトウエア及び実体的な制御回路（ハードウエア）で構築することが出来る。以上によって、粒子状物質検出装置１００を作製することが出来る。
【００６４】
［粒子状物質検出装置の使用方法］次に、本発明に係る粒子状物質検出装置を使用する方法について、粒子状物質検出装置１００の場合を例にして、説明する。
【００６５】
先ず、粒子状物質検出装置１００のセンサ部を、例えばディーゼルエンジンの排気系（排気ガス管）に設置し、電源供給、制御線接続等を行い、使用可能な状態とする。
【００６６】
（集塵工程）一の電極１を特性測定装置３から切り離した状態で、電源９によって二の電極２と一の電極１との間に、例えば直流の高電圧を印加して放電し、粒子状物質１１を荷電させて集塵し、電極間誘電体４の表面に堆積させる。
【００６７】
高電圧を印加する好ましい時間は、０．５〜１２０秒であり、より好ましくは２〜１０秒である。０．５秒より短いと、粒子状物質１１の堆積量（集塵量）が少なくなるため、粒子状物質量１１の測定精度が低下することがあり、１２０秒より長いと、粒子状物質１１の集塵量が多くなるため、のちのインピーダンスの変化量の検出から、粒子状物質１１の量を正確に把握し難くなることがある。
【００６８】
一の電極１及び二の電極２に供給するための好ましい電圧は、電極間の距離によって異なるが、印加する電圧を高くすることで電界が強まり集塵力が向上する。その一方で、絶縁及び絶縁距離等が問題となり装置が大型化するため、実際上は、上記電圧は１０ｋＶ以下が望ましい。
【００６９】
一の電極１と二の電極２との間を流れる放電による好ましい電流は、１ｍＡ以下であり、更に好ましい電流は、１〜１００μＡである。１μＡより小さいと、集塵率が低下することがある。
【００７０】
使用電力は、本発明に係る粒子状物質検出装置が自動車の排気系で使用される場合には、燃費に直接影響を与えるので小さい方が望ましい。又、発生する電磁ノイズの低減や、放電を発生させる回路の大きさから考えても、好ましい使用電力は１０Ｗ以下であり、より好ましい使用電力は１Ｗ以下である。
【００７１】
（測定工程）粒子状物質１１の堆積を終えたら、二の電極２と一の電極１との間における高電圧の印加を停止して放電を止め、電源９を一の電極１から切り離す。そして、一の電極１を特性測定装置３に接続し、特性測定装置３を稼動させ、好ましくは１〜６０秒程度の時間で、一の電極１と測定対向電極５の間のインピーダンスの変化量を測定する。このインピーダンスの変化量によって、粒子状物質１１の量及び濃度が求まる。
【００７２】
特性測定装置３を一の電極１と測定対向電極５に電圧を印加する交流電源と測定器とで構成する場合に、交流電源から印加される好ましい電圧の値は、１〜６０Ｖであり、より好ましい電圧の値は２〜３０Ｖである。１Ｖより小さいと検出信号が小さくなってノイズの影響を受け易くなり、６０Ｖより大きいと汎用ＩＣの使用が出来なくなることがある。好ましい測定周波数は、３００ｋＨｚ以下である。
【００７３】
（除去工程）一の電極１と測定対向電極５の間におけるインピーダンスの変化量の測定を終えたら、ヒータ用電源１０によってヒータ７を稼動させ、電極間誘電体４の表面に堆積した粒子状物質１１を酸化して除去する。
【００７４】
ヒータ用電源１０が降圧チョッパ方式のスイッチング電源である場合に、ヒータ７に印加される好ましい電流は０．８〜４Ａ程度であり、好ましい使用電力は、４８Ｗ以下である。
【００７５】
ヒータ７によって、粒子状物質１１を酸化除去するときの好ましい時間は、１〜６００秒であり、特に好ましい時間は、３〜１２０秒である。１秒より短いと粒子状物質１１の酸化除去が不十分になることがあり、６００秒より長いと無駄にエネルギーを消費することがある。
【００７６】
ヒータ７によって、電極間誘電体４の表面に集塵された粒子状物質１１を酸化除去するときの好ましい温度は、５００〜９００℃であり、特に好ましい温度は、５５０〜７００℃である。５００℃より低いと粒子状物質が酸化除去され難くなることがあり、９００℃より高いと素子の寿命が短くなることがある。
【００７７】
尚、既述のように、ヒータ７及びヒータ用電源１０の代わりに、又はそれらと併用して、一の電極１と測定対向電極５との間に電圧の印加をして、電極間誘電体４の表面に沿面放電をさせるための除去用電源を備え、その沿面放電によって、集塵された粒子状物質１１を酸化除去することが出来る。この場合、沿面放電させるときの好ましい電圧は、電極間誘電体４の厚さによって異なるが、例えば２〜１５ｋＶである。好ましい使用電力は、１０〜３０Ｗである。沿面放電する好ましい時間は、１〜６００秒であり、特に好ましい時間は、３〜１２０秒である。１秒より短いと粒子状物質１１の酸化除去が不十分になることがあり、６００秒より長いと無駄にエネルギーを消費することがある。
【００７８】
以上のように、集塵工程、測定工程、除去工程を繰り返すことによって、安定して、長期にわたり、粒子状物質１１の検出を続けることが可能である。尚、ディーゼルエンジンの排気ガスを粒子状物質検出対象とする場合には、ディーゼルエンジンの回転数、トルク、排気ガスの流量、温度等の条件が、特定の状態となったときに電界の形成及び放電の何れか又は両方を行うことが好ましい。これらは、ディーゼルエンジンの情報を信号として制御装置１２へ入力するとともに、排気ガス管に温度計を設け、その情報を信号として制御装置１２へ入力することによって、制御装置１２（シーケンサ等）で判断をさせることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明に係る粒子状物質検出装置は、ディーゼルエンジンや煙道等の排気ガス等に含まれる粒子状物質を検出する手段として、好適に利用することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明に係る粒子状物質検出装置の一の実施形態を模式的に示す図であり、センサ部のみを表す断面図である。
【図２】本発明に係る粒子状物質検出装置の他の実施形態を模式的に示す図であり、センサ部のみを表す断面図である。
【図３】本発明に係る粒子状物質検出装置の他の実施形態を模式的に示す図であり、センサ部のみを表す断面図である。
【図４】本発明に係る粒子状物質検出装置の他の実施形態を模式的に示す図であり、センサ部のみを表す断面図である。
【図５】本発明に係る粒子状物質検出装置の一の実施形態を模式的に示す図であり、電極外誘電体及び一の電極を表した斜視図である。
【図６】本発明に係る粒子状物質検出装置の一の実施形態を模式的に示す図であり、測定対向電極の他の態様を表す斜視図である。
【図７】本発明に係る粒子状物質検出装置の一の実施形態を模式的に示す図であり、電気制御系統を表す構成図である。
【図８】本発明に係る粒子状物質検出装置における粒子状物質量算出装置のはたらきを説明するためのグラフである。
【図９】本発明に係る粒子状物質検出装置における粒子状物質濃度算出装置のはたらきを説明するためのグラフである。
【図１０】図１に示される粒子状物質検出装置における等価回路（ＲＣ回路）を表す図である。
【図１１】図４に示される粒子状物質検出装置における等価回路（ＲＣ回路）を表す図である。
【符号の説明】
【００８１】
１：一の電極、２，２０２，３０２：二の電極、３：特性測定装置、４：電極間誘電体、５，１０５：測定対向電極、６：電極外誘電体、７：ヒータ、８：断熱材、９：電源、１０：ヒータ用電源、１１：粒子状物質、１２：制御装置、１３：粒子状物質量算出装置、１４：流量計、１６：粒子状物質濃度算出装置、２４：膜状誘電体、１００，２００，３００，４００：粒子状物質検出装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス等に含まれる粒子状物質を検出する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンの排気ガス等には、粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ（ＰＭ）、有機溶媒可溶成分とスートとサルフェートの３成分として検出されるもの）が含まれており、これが大気汚染の原因になっている。特に、ディーゼルエンジン等の粒子状物質発生源に不具合が生じれば、大気へ放出される排気ガス中の粒子状物質が増加し、環境に大きな悪影響を与えることになる。これを防ぐためには、排気ガス中の粒子状物質を検出し、ディーゼルエンジン等の不具合を認識することが肝要である。
【０００３】
又、近時、公害を防止し環境の改善を図るために、排気ガスの処理に、ディーゼルパティキュレートフィルタ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ（ＤＰＦ））が排気系等に組み込まれて使用されるようになってきている。このＤＰＦは、一般にセラミック製であり、高い信頼性で長期間の使用が可能なものである。但し、熱劣化等によりクラック等の欠陥が発生する可能性は皆無とはいえず、仮にそうなれば微量ではあるが粒子状物質が漏れてしまう。これを防止するためには、ＤＰＦで処理された排気ガス中の粒子状物質を検出し、欠陥の発生を即座に検知することが重要である。
【０００４】
尚、先行文献として、例えば、特許文献１を挙げることが出来る。特許文献１では、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粒子状物質検出装置が開示されている。
【特許文献１】特開昭６０−１２３７６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された方法では、粒子状物質に帯電するイオン電流が微弱であることから、その微弱なイオン電流を検出するための大掛かりな検出回路が必要となり、装置が高価になってしまう。加えて、排気ガスの流量が多い場合には、粒子状物質を効果的に帯電させることが出来ず、測定値は、実際に排気ガスに含有されている粒子状物質の量より小さくなり、精度の点で改善すべき余地がある。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、粒子状物質の検出を簡易に行え、低廉であり、測定精度が高い粒子状物質検出装置を提供することを課題とする。研究が重ねられた結果、以下の手段によって、この課題を解決出来ることが見出された。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
即ち、本発明によれば、一の面が誘電体（電極間誘電体）で被覆をされた板状を呈する一の電極、その一の電極の一の面の側に粒子状物質を含む気体が流れる空間を介して配設をされ一の電極との間に印加をされる電圧によって電界の形成及び放電の何れか又は両方を行う二の電極、及び前記電圧の印加をする電源、並びに、誘電体（電極間誘電体）の表面に配設をされる測定対向電極、その測定対向電極と一の電極との間における電気的特性の測定をする特性測定手段、及びその特性測定手段で測定をされる電気的特性の変化量に基づいて誘電体（電極間誘電体）の表面に集塵をされた粒子状物質の量を求める粒子状物質量算出手段、を備える粒子状物質検出装置が提供される。
【０００８】
本発明に係る粒子状物質検出装置においては、空間を流れる気体の流量の測定又は推定をする流量計を備え、その流量計で測定又は推定をされる気体の流量と粒子状物質の量とに基づいて、空間を流れる気体における粒子状物質の濃度を算出する粒子状物質濃度算出手段を備えることが好ましい。
【０００９】
本発明に係る粒子状物質検出装置においては、上記電気的特性が、抵抗、インダクタンス、静電容量、及びインピーダンスからなる電気的特性群から選ばれる一以上の電気的特性であることが好ましい。
【００１０】
本発明に係る粒子状物質検出装置においては、測定対向電極が、複数の線状部分を有し、その複数の線状部分は、粒子状物質を含む気体が流れる方向に対し垂直方向に長く平行して、誘電体（電極間誘電体）の表面に配設をされることが好ましい。この場合において、複数の線状部分を有する測定対向電極が、格子状を呈することが好ましい。即ち、複数の線状部分が、粒子状物質を含む気体が流れる方向に対し垂直方向に長く平行するのに加えて、粒子状物質を含む気体が流れる方向と同一方向に長く平行する部分があれば、格子状になる。又、これらの場合において、複数の線状部分を有する測定対向電極が、誘電体（電極間誘電体）の表面の全面にわたって配設をされることが好ましい。
【００１１】
本発明に係る粒子状物質検出装置においては、二の電極が板状を呈することが好ましい。この場合において、二の電極が、管壁面で構成されることが好ましい。即ち、板状体を丸めて曲面で構成し管状としたものであり、具体的には、排気管の全面又は一面が該当する。
【００１２】
本発明に係る粒子状物質検出装置においては、二の電極が針状又は棒状を呈することが好ましい。
【００１３】
本発明に係る粒子状物質検出装置においては、板状を呈する一の電極の他の面を被覆する誘電体（電極外誘電体）と、その誘電体（電極外誘電体）の表面に配設されたヒータと、を備えることが好ましい。
【００１４】
本発明に係る粒子状物質検出装置においては、一の電極と測定対向電極との間に電圧の印加をして沿面放電により粒子状物質を酸化除去するための除去用電源を備え、その電圧の印加によって一の電極の一の面に被覆された誘電体（電極間誘電体）の表面に沿面放電をさせることが好ましい。
【００１５】
本発明に係る粒子状物質検出装置においては、測定対向電極が、膜状の誘電体で被覆されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る粒子状物質検出装置は、粒子状物質を含む気体（排気ガス）が通過する流路に設置して、気体に含まれる粒子状物質を検出する装置である。本発明に係る粒子状物質検出装置では、電源によって電圧の印加をして二の電極に放電をさせ、一の電極の電極間誘電体の側と二の電極との間の空間を流れる気体に含まれる粒子状物質を荷電させるか、予め荷電された粒子状物質を一の電極を被覆する電極間誘電体の表面に集塵させる。そうすると、電極間誘電体の上には粒子状物質が堆積され、その粒子状物質が堆積された電極間誘電体を挟んで設けられている一の電極と測定対向電極との間における電気的特性が、堆積した粒子状物質の量との間に一定の関係を持ちつつ、変化する。そこで、本発明に係る粒子状物質検出装置では、この電気的特性の変化量を知って、電極間誘電体の表面に集塵をされた粒子状物質の量を求めている。定量化することが出来るのであるから、当然に、空間を流れる気体における粒子状物質の有無（量が０（零）か否か）を判断することは可能である。そのため、本発明に係る粒子状物質検出装置は、検出装置と称している。本発明に係る粒子状物質検出装置では、粒子状物質の量を基に補正して空間を流れる気体に含まれる粒子状物質の量を求め、空間を流れる気体の流量との関係から、その気体における粒子状物質の濃度を算出することが可能である。
【００１７】
電気的特性として、例えばインピーダンスの変化量の検出をするためには、測定周波数や測定電圧の大きさによって異なるが、１０ｎＡ（ナノアンペア）レベルの電流の変化の測定を行えればよい。従って、本発明に係る粒子状物質検出装置は、高価にはならず、粒子状物質の検出、あるいは量の測定、更には濃度の測定を、簡易に行うことが出来、且つ、測定誤差は小さい。加えて、粒子状物質の検出、量の測定、濃度の測定によって、ディーゼルエンジン等の不具合や、ＤＰＦの欠陥の発生を即座に検知することが可能になるので、これらを通じて、本発明に係る粒子状物質検出装置は、粒子状物質の排出量低減に寄与し、大気汚染の防止に貢献する。
【００１８】
本発明に係る粒子状物質検出装置では、測定対向電極の表面に堆積した粒子状物質の面積によって電気的特性が変化するのであり、粒子状物質の物性が変化しても、その影響を受け難い。
【００１９】
本発明に係る粒子状物質検出装置は、その好ましい態様において、測定対向電極が、複数の線状部分を有し、その複数の線状部分は、粒子状物質を含む気体が流れる方向に対し垂直方向に長く平行して、誘電体の表面に配設をされ、更には、複数の線状部分を有する測定対向電極が、格子状を呈し、加えて、複数の線状部分を有する測定対向電極が、誘電体の表面の全面にわたって配設をされる。このような態様の本発明に係る粒子状物質検出装置によれば、電気的特性の測定感度を向上させることが出来るとともに、電極間誘電体の上に堆積した粒子状物質を逃さず検出することが可能であり、粒子状物質の量及び濃度の測定精度に優れる。
【００２０】
本発明に係る粒子状物質検出装置は、その好ましい態様として、二の電極が板状を呈する場合に、特に、二の電極が管壁面で構成される態様を採ることが出来るので、ディーゼルエンジン等の排気管の中へ、コンパクトに収容することが出来る。
【００２１】
本発明に係る粒子状物質検出装置は、その好ましい態様において、電極外誘電体の表面に配設されたヒータを備えるので、一の電極と測定対向電極とによって測定される電気的特性が安定する。加えて、粒子状物質をヒータの熱で酸化除去することが可能となり、粒子状物質の検出を、繰り返し精度よく行うことが可能である。
【００２２】
本発明に係る粒子状物質検出装置は、その好ましい態様において、一の電極と測定対向電極との間に電圧の印加をして沿面放電により粒子状物質を酸化除去するための除去用電源を備え、その電圧の印加によって一の電極の一の面に被覆された電極間誘電体の表面に沿面放電をさせることが出来るので、この沿面放電によって、集塵された粒子状物質を酸化除去することが可能である。この酸化除去によって、粒子状物質の検出を、繰り返し精度よく行うことが可能である。
【００２３】
本発明に係る粒子状物質検出装置は、その好ましい態様において、測定対向電極が、膜状の誘電体で被覆されているので、放電や排ガスによる劣化が起こり難い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明について、適宜、図面を参酌しながら、実施形態を説明するが、本発明はこれらに限定されて解釈されるべきものではない。本発明に係る要旨を損なわない範囲で、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良、置換を加え得るものである。例えば、図面は、好適な本発明に係る実施形態を表すものであるが、本発明は図面に表される態様や図面に示される情報により制限されない。本発明を実施し又は検証する上では、本明細書中に記述されたものと同様の手段若しくは均等な手段が適用され得るが、好適な手段は、以下に記述される手段である。
【００２５】
［粒子状物質検出装置］先ず、本発明に係る粒子状物質検出装置について、構成、機能、作用等を中心に説明する。
【００２６】
図１及び図７は、本発明に係る粒子状物質検出装置の一の実施形態を模式的に示す図である。図１はセンサ部を示す断面図であり、図７は電気制御系統を示す構成図である。図１及び図７に示される粒子状物質検出装置１００は、板状を呈する一の電極１、板状を呈する二の電極２、一の電極１の（図１における）上面（一の面）を被覆する電極間誘電体４、一の電極１と二の電極２の間に電圧の印加をする電源９、電極間誘電体４の表面に配設をされた複数の線状部分を有する測定対向電極５、一の電極１の（図１における）下面（他の面）を被覆する電極外誘電体６、電極外誘電体６の表面（図１における下面）に配設されたヒータ７、そのヒータ７に電気を供給するヒータ用電源１０、ヒータ７を覆って保護し周りと隔離して保温するシート状の断熱材８、一の電極１と測定対向電極５との間の電気的特性（の変化）を測定する特性測定装置（手段）３、粒子状物質１１の量を算出する粒子状物質量算出装置（手段）１３、粒子状物質１１の濃度を算出する粒子状物質濃度算出装置（手段）１６、流量計１４、及び制御装置１２で構成される。尚、図１に示される一の電極１、二の電極２、電極間誘電体４、測定対向電極５、電極外誘電体６、ヒータ７、及び断熱材８で構成される部分が、粒子状物質１１を含む排気ガスが通過する流路に設置される。これらをセンサ部ということがある。
【００２７】
粒子状物質検出装置１００では、粒子状物質１１を含む排気ガスが、図１において（矢印で示されるように）左から右へ、板状を呈する一の電極１を被覆する電極間誘電体４と、板状を呈する二の電極２との間の空間を流れる。この排気ガスの流量は、図１には示されない流量計１４によって測定される。この状態で、電源９が、二の電極２に、例えば、直流高電圧の印加をすると、放電が生じ、二の電極２の周囲の排気ガス（分子）はプラスイオンとマイナスイオンに分離し、プラスの直流高電圧の印加された一の電極１に向かって、マイナスイオンが移動する。このとき、排気ガスに含まれる粒子状物質１１は、このマイナスイオンと衝突してマイナスに荷電する。そして、荷電された粒子状物質１１は、プラスの一の電極１を被覆する電極間誘電体４の表面に、静電気力によって集塵され堆積する。そうすると、その粒子状物質１１の堆積の程度によって、一の電極１と測定対向電極５との間における電気的特性は変化するから、その電気的特性の変化量を知れば、集塵によって電極間誘電体４の表面に堆積した粒子状物質（ＰＭ）の量が求まる。そして、そのＰＭ堆積量から排気ガスのＰＭ濃度が求まる。
【００２８】
図８は、粒子状物質量算出装置１３のはたらきを説明するためのグラフであり、図９は、粒子状物質濃度算出装置１６のはたらきを説明するためのグラフである。一の電極１と測定対向電極５との間における電気的特性の変化量Ｅ１は、ＰＭ堆積量Ｗ１と一定の関係にあり（図８を参照）、特性測定装置３によって電気的特性の変化量Ｅ１を知れば、図８に基づく算出機能を有する粒子状物質量算出装置１３によって、ＰＭ堆積量Ｗ１が求まる。そして、排気ガスの流量を一定とすれば、ＰＭ堆積量Ｗ１は、ＰＭ濃度Ｃ１と一定の関係にあり（図９を参照）、ＰＭ堆積量Ｗ１がわかれば、図９に基づく算出機能を有する粒子状物質濃度算出装置１６によって、ＰＭ濃度Ｃ１が求まる。排気ガスの流量が変る場合には、流量計１４で求めた流量に基づいて粒子状物質濃度算出装置１６が補正をして、ＰＭ堆積量Ｗ１からＰＭ濃度Ｃ１を求める。
【００２９】
粒子状物質検出装置１００では、粒子状物質量算出装置１３及び粒子状物質濃度算出装置１６は、制御装置１２に組み込まれている。その制御装置１２は、主に、例えば電気信号入出力機能を備えたシーケンサ等で構成され、粒子状物質量算出装置１３と粒子状物質濃度算出装置１６の他に、流量計１４で測定された流量の電気信号を入力する機能を備えるとともに、ヒータ用電源１０や電源９の制御や、工程の切換等を含め、装置全体の制御を行う。
【００３０】
一の電極１と測定対向電極５の間における電気的特性として、例えばインピーダンスを求める場合には、交流電源を用い、抵抗、静電容量、インダクタンスをそれぞれ測定することが出来る。図１０は、粒子状物質１１が存在する状態で、交流電源を用いて、一の電極１と測定対向電極５の間に電圧Ｖを印加したときの等価回路（ＲＣ回路）を表す図である。回路の全インピーダンスは、粒子状物質１１が存在しない状態では、電極間誘電体４に基づく静電容量Ｃ０によってのみ構成されるが、粒子状物質１１が存在する状態では、粒子状物質１１の静電容量Ｃ１及び抵抗Ｒ１が加わる。そして、堆積した粒子状物質１１の量との一定の関係の下、静電容量Ｃ１及び抵抗Ｒ１は変化する。従って、回路の全インピーダンの変化量を求めれば、粒子状物質１１の堆積量が求められる。尚、インダクタンス成分は、殆ど無視出来るものと考えられる。
【００３１】
上記の他に、定電流源を使い、一の電極１と測定対向電極５の間の電圧の変化を測定することによって、インピーダンスの変化を測定してもよく、定電圧源を使って、一の電極１と測定対向電極５の間に流れる電流の変化や、一の電極１と測定対向電極５の間に蓄積される電荷の変化を測定することによって、一の電極１と測定対向電極５の間のインピーダンスの変化を測定してもよい。
【００３２】
特性測定装置３は、上記のような電気的特性及びその変化の求め方によって、適切な構成とすることが可能である。例えば、特性測定装置３は、一の電極１と測定対向電極５に電圧を印加する交流電源と測定器とで構成することが出来る。好ましい測定器としては、ＬＣＲメータを挙げることが出来る。
【００３３】
既述のように、本発明に係る粒子状物質検出装置では、先ず、排気ガス中から粒子状物質１１を電極間誘電体４の表面に集塵し堆積させ（集塵工程）、次いで、一の電極１と測定対向電極５の間の電気的特性の変化を測定する（測定工程）、という主に２つの工程を経て、粒子状物質が検出され、あるいは、その量が求められる（他に、後述する粒子状物質１１を除去する除去工程がある）。そして、一の電極１は、集塵工程では集塵用電極として機能し、測定工程では測定用電極としてはたらく。そのため、工程毎に、一の電極１の接続を切り替えられるようにしておく必要がある（図７を参照）。即ち、集塵工程では、一の電極１と特性測定装置３を切り離し、測定工程では、一の電極１と電源９を切り離す。制御装置１２は、これらの工程の管理、制御を行う。
【００３４】
排気ガスが流れる空間を形成する電極間誘電体４と二の電極２との間の好ましい距離は、０．５〜５０ｍｍであり、より好ましい距離は、０．６〜４０ｍｍである。このような間隔にすることにより、より効率的に放電させ、粒子状物質を集塵することが出来る。電極間誘電体４と二の電極２との間の距離が０．５ｍｍより短いと、集塵率が低下することにより測定精度が低下することがあり、５０ｍｍより長いと、より高い電圧が必要になり無駄なエネルギーを要することがある。
【００３５】
電源９は、一の電極１と二の電極２との間に放電を発生させ得る安定した直流電圧又は交流電圧を供給するものである。電源９として、例えば、フライバック方式による電源回路等を用いた電源を採用することが出来る。これは、入力側の電源からトランスにエネルギーを蓄積し、蓄積されたエネルギーを出力側に放出することによって高圧の直流電圧を供給することが出来るものである。フライバック方式による電源回路においては、トランスへのエネルギーの蓄積と放出は、トランジスタ等により制御され、出力側の電流はダイオードにより整流される。
【００３６】
図５は、電極外誘電体６及び一の電極１を表した斜視図である。図５において矢印は排気ガスの流れ方向を示している。一の電極１は、二の電極２の対向電極として電界の形成及び放電の何れか又は両方を行うとともに、荷電された粒子状物質１１を吸引し集塵する部材としての役割を果たす。粒子状物質検出装置１００における板状の一の電極１は、図５に示されるように、概ね長方形を呈しているが、他に、五角形等の多角形、円形、楕円形、トラック形状等の形状や、外周に凹凸が形成される形状、あるいは、１又は複数のスリットが形成された形状等を採ることが出来る。
【００３７】
板状の二の電極２は、斜視図を示さないが、一の電極１と同様に、概ね長方形を呈している。一の電極１と同様に、五角形等の多角形、円形、楕円形、トラック形状や、外周に凹凸が形成される形状、あるいは、１又は複数のスリットが形成される形状を採ることも出来る。
【００３８】
複数の線状部分を有する測定対向電極５は、排気ガスが流れる（図１における矢印）方向に対し垂直方向に長くなるように配設をされる。線状の測定対向電極５相互の間の距離は、一の電極１が粒子状物質１１を集塵することによって生じた、一の電極１と測定対向電極５の間の電気的特性の変化を、明確に測定することが出来る範囲に設定される。例えば、０．２〜１０ｍｍ程度である。
【００３９】
図６は、複数の線状部分を有する測定対向電極の他の態様を表す斜視図である。図６において矢印は排気ガスの流れ方向を示している。図６に示される測定対向電極１０５は、格子状を呈し、２方向に対向部分が存在する。加えて、測定対向電極１０５は、電極間誘電体４の表面の全面にわたって配設をされている。本発明に係る粒子状物質検出装置では、電気的特性の測定感度及び測定精度を向上させる観点から、線状の測定対向電極相互の間の距離が長いことは好ましくなく、一方、測定対向電極が排気ガスが流れる空間全てに対応する位置に配設されることが好ましい。図６に示される測定対向電極１０５は、このような好ましい態様を具現化したものである。
【００４０】
粒子状物質検出装置１００の説明に戻る。ヒータ７の形状、大きさは、電極間誘電体４の表面に集塵された粒子状物質１１の全部を燃焼することが可能なように決定すればよい。
【００４１】
ヒータ７は、粒子状物質１１を酸化して除去するときだけでなく、一の電極１と測定対向電極５の間の電気的特性の変化を測定する場合に、結露等の水分の影響を受けないようにするために使用される。例えば、インピーダンス変化の検出や放電の際に、適度に加熱することによって、一の電極１と測定対向電極５への水分の付着を防止することが出来る。このときの好ましい加熱温度は、２００〜３００℃である。
【００４２】
好ましいヒータ用電源１０として、効率的な温度制御を可能とする観点から、降圧チョッパ方式の電源を挙げることが出来る。特に好ましいものは、自己消弧型の半導体スイッチを使用した降圧チョッパ方式のスイッチング電源である。この場合、好ましいスイッチング周波数は、可聴周波数以上の２０ｋＨｚ以上である。燃費に直接影響するため、ヒータ用電源の電流、電力は、より小さくすることが望ましい。好ましいヒータ用電源１０は、電圧と電流からヒータ７の温度を算出して温度制御機能を有するものである。
【００４３】
断熱材８は、ヒータ７で発生する熱の放熱を抑制して、ヒータ７の熱を粒子状物質１１の燃焼に、効率的に使用することを可能とする。断熱材８の好ましい厚さは、放熱を抑制することが出来る厚さとして、例えば、１００〜１０００μｍ程度である。
【００４４】
尚、粒子状物質検出装置１００では、ヒータ７及びヒータ用電源１０の代わりに、又はそれらと併用して、一の電極１と測定対向電極５との間に電圧の印加をして、電極間誘電体４の表面に沿面放電をさせるための除去用電源を備える態様を採ることが出来る。この場合、除去用電源を含み沿面放電をさせるために、集塵工程及び測定工程とは異なる電気制御回路を構築可能にしておく必要がある。即ち、一の電極１と特性測定装置３、一の電極１と電源９、をそれぞれ切り離し、一の電極１と測定対向電極５とを除去用電源に接続することが出来るような切換回路を設けておく必要がある。除去用電源としては、交流電源やパルス電源を採用することが出来る。
【００４５】
以上、本発明に係る粒子状物質検出装置の一の実施形態を説明したが、他の実施形態として、二の電極を管壁面で構成した態様、あるいは針状又は棒状を呈する二の電極を採用した態様を挙げることが出来る。図２は、前者に相当する粒子状物質検出装置２００を表す断面図であり、図２では、管状の二の電極２０２が管壁面を構成している。図２において、排気ガスが流れる方向は、手前から奥側に向けた方向である。図３は、後者に相当する粒子状物質検出装置３００を表す断面図であり、二の電極３０２は先の尖った棒状を呈している。この粒子状物質検出装置３００では、放電はコロナ放電となる。粒子状物質検出装置２００，３００は、原理・作用、二の電極を除く装置構成は、粒子状物質検出装置１００に準じたものであるので、説明は省略する。
【００４６】
又、本発明に係る粒子状物質検出装置の更に他に実施形態として、測定対向電極を膜状の誘電体で被覆した態様を挙げることが出来る。図４は、そのような態様の粒子状物質検出装置４００を表す断面図である。図１１は、図１０に対応する図であり、粒子状物質検出装置４００において、粒子状物質１１が存在する状態で、交流電源を用いて、一の電極１と測定対向電極５の間に電圧Ｖを印加したときの等価回路（ＲＣ回路）を表す図である。回路の全インピーダンスは、粒子状物質１１が存在しない状態では、電極間誘電体４に基づく静電容量Ｃ０及び測定対向電極を被覆した膜状誘電体２４（図４を参照）に基づく静電容量Ｃ２によって構成されるが、粒子状物質１１が存在する状態では、粒子状物質１１の静電容量Ｃ１及び抵抗Ｒ１が加わる。そして、堆積した粒子状物質１１の量との一定の関係の下、静電容量Ｃ１及び抵抗Ｒ１は変化する。従って、粒子状物質検出装置１００の場合と同様に、回路の全インピーダンの変化量を求めれば、粒子状物質１１の堆積量が求められる。
【００４７】
［粒子状物質検出装置の材料］次に、本発明に係る粒子状物質検出装置の各構成要素を形成する材料について、粒子状物質検出装置１００の場合を例にして、説明する。
【００４８】
一の電極１、二の電極２、及び測定対向電極５、並びにこれらの接続に用いる配線を形成する好ましい材料として、金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル、チタン、マンガン、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が挙げられる。これらの成分の好ましい含有率は、２０体積％以上、より好ましい含有率は６０体積％以上である。又、一の電極１、二の電極２、及び測定対向電極５、並びにこれらの接続に用いる配線を形成する材料として、ステンレススチールを採用することが出来る。
【００４９】
電極間誘電体４、電極外誘電体６、及び断熱材８を形成する好ましい材料として、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、アルミニウム−チタン系酸化物、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を挙げることが出来る。上記セラミックスにガラス成分を混合した低温焼成可能なセラミック−ガラス複合材料も使用することが出来る。このようなセラミック製の電極間誘電体４及び電極外誘電体６は、温度変動が発生しても破壊され難く、耐熱衝撃性に優れる。断熱材８の場合は、多孔質やファイバ状とすることが好ましい。これらの材料は、図４に示される粒子状物質検出装置４００の膜状誘電体１４の好ましい材料としても採用される。
【００５０】
ヒータ７を形成する好ましい材料は、白金、銅、ニッケル、チタン、マンガン、タングステン、モリブデン、タングステンカーバイド等である。特に、白金は、抵抗値と温度との関係において高い精度を示すので、これをヒータ７の材料として使用することにより、精度の高い温度制御が可能となる。
【００５１】
［粒子状物質検出装置の製造方法］次に、本発明に係る粒子状物質検出装置を製造する方法について、粒子状物質検出装置１００を作製する場合を例にして、説明する。
【００５２】
先ず、既述の電極間誘電体４、電極外誘電体６、及び断熱材８として好ましいセラミック原料に、必要に応じて、バインダ、可塑剤、分散剤、水や有機溶剤等の溶媒を混合して、スラリー状の成形用原料を調製する。混合に際しては、アルミナ製ポット及びアルミナ玉石、又は、モノボール（ボールミル）を使用することが出来る。電極間誘電体４、電極外誘電体６、及び断熱材８の原料は、同じ組成としてもよいし、異なる組成としてもよい。断熱材８の成形用原料には、発泡剤を入れることが好ましい。
【００５３】
バインダは、水系バインダとして、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することが出来、非水系バインダとして、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可能である。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出来る。のちのグリーンシートの成形、乾燥、焼成の際に、クラックの発生を抑制するという観点から、バインダの好ましい添加量は、セラミック原料１００質量部に対して、３〜２０質量部であり、特に好ましい添加量は、６〜１７質量部である。
【００５４】
好ましい可塑剤は、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である。可塑剤の好ましい添加量は、バインダ１００質量部に対して、３０〜７０質量部であり、特に好ましい添加量は、４５〜５５質量部である。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易くなることがあり、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等、ハンドリング性が悪くなることがある。
【００５５】
好ましい分散剤は、水系ではアニオン系界面活性剤、ワックスエマルジョン、ピリジン等であり、非水系では脂肪酸、リン酸エステル、合成界面活性剤等である。分散剤の好ましい添加量は、セラミック原料１００質量部に対して、０．５〜３質量部であり、特に好ましい添加量は、１〜２質量部である。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。
【００５６】
好ましい有機溶剤（溶媒）は、キシレン、ブタノール等である。有機溶剤は、一種単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。好ましい溶媒の添加量は、セラミック原料１００質量部に対して、５０〜２００質量部であり、特に好ましい添加量は、７５〜１５０質量部である。
【００５７】
次に、スラリー状の成形用原料を、減圧下で撹拌して脱泡し、更に所定の粘度となるように調製する。シート状に成形し易くなるという観点から、好ましい粘度は、Ｂ型粘度計で測定した値として、２．０〜６．０Ｐａ・ｓであり、より好ましい粘度は、３．０〜５．０Ｐａ・ｓであり、特に好ましい粘度は、３．５〜４．５Ｐａ・ｓである。
【００５８】
そして、粘度が調製された成形原料を、シート状に成形して、のちに電極間誘電体４、電極外誘電体６、及び断熱材８となるグリーンシートを形成する。好ましい成形方法は、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である。好ましいグリーンシートの厚さは、５０〜８００μｍである。
【００５９】
次いで、得られたグリーンシートの表面に、のちに一の電極１、測定対向電極５、ヒータ７、及び必要な配線となる導体ペーストを配設するとともに、グリーンシートを積層してグリーン積層体を得る。導体ペーストは、既述の一の電極１、測定対向電極５、ヒータ７、及び必要な配線に好適な材料からなる粉末に、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出来る。導体ペーストの好適な配設手段は、スクリーン印刷法である。
【００６０】
導体ペーストの配設は、具体的には、電極外誘電体６となるグリーンシートの一の面には、一の電極１及び必要な配線となる導体ペーストを印刷し、更に電極間誘電体４となるグリーンシートを積層し、その電極間誘電体４となるグリーンシートの表面に、測定対向電極５及び必要な配線を、所望のパターンで（測定対向電極は、例えば図６に示される態様を採ることが好ましい）、印刷することによって行う。他方、電極外誘電体６となるグリーンシートの他の面には、ヒータ７及び必要な配線となる導体ペーストを印刷し、更に断熱材８となるグリーンシートを積層する（図１を参照）。グリーンシートの積層は加圧しながら行うことが好ましい。
【００６１】
次に、得られたグリーン積層体を、６０〜１５０℃で乾燥し、有機バインダを含有する場合には４００〜８００℃で脱脂し、その後、１２００〜１６００℃で焼成する。このようにして、粒子状物質検出装置１００を構成する、一の電極１、電極間誘電体４、一の電極１と測定対向電極５、電極外誘電体６、ヒータ７、及び断熱材８を含む焼成積層体が得られる。
【００６２】
二の電極２は、既述の好適な材料からなる市販の薄板を購入して用い上記焼成積層体に支持部材を介して一体化させる。二の電極として、セラミックスと導体ペーストを積層したものを用いてもよい。この支持部材としては、既述の電極間誘電体４、電極外誘電体６、及び断熱材８に好適な材料からなる焼結体を使用することが出来る。又、粒子状物質１１を含む排気ガスが流れる空洞（空間）が形成されるように、上記焼成積層体と二の電極２の支持部材とを、一体化させた積層構造としてもよい。この場合、上記焼成積層体を得る前に、上記したグリーン積層体の電極間誘電体４（測定対向電極５）の側に、その空洞を形成するグリーンシートと、天板となるグリーンシートと、を更に積層し、その天板となるグリーンシートの内面（空洞に対向する面）に、のちに二の電極２及び必要な配線となる導体ペーストを配設し、これら全体からなるグリーン積層体を得て、乾燥、必要な脱脂、焼成を行えばよい。
【００６３】
電源９、特性測定装置３、ヒータ用電源１０は、既述の好ましい仕様に合致した市販品を購入する。流量計１４も市販品を採用することが出来る。電源９は、一の電極１と二の電極２に切り離し可能なように接続し、特性測定装置３は、一の電極１と測定対向電極５に切り離し可能なように接続し、ヒータ用電源１０はヒータ７に接続する。粒子状物質量算出装置１３及び粒子状物質濃度算出装置１６は、シーケンサ等のコンピュータにおいてソフトウエアで構築することが出来る。制御装置１２は、既述又は後述する粒子状物質検出装置１００の動作を実現するように、シーケンサ等のコンピュータにおけるソフトウエア及び実体的な制御回路（ハードウエア）で構築することが出来る。以上によって、粒子状物質検出装置１００を作製することが出来る。
【００６４】
［粒子状物質検出装置の使用方法］次に、本発明に係る粒子状物質検出装置を使用する方法について、粒子状物質検出装置１００の場合を例にして、説明する。
【００６５】
先ず、粒子状物質検出装置１００のセンサ部を、例えばディーゼルエンジンの排気系（排気ガス管）に設置し、電源供給、制御線接続等を行い、使用可能な状態とする。
【００６６】
（集塵工程）一の電極１を特性測定装置３から切り離した状態で、電源９によって二の電極２と一の電極１との間に、例えば直流の高電圧を印加して放電し、粒子状物質１１を荷電させて集塵し、電極間誘電体４の表面に堆積させる。
【００６７】
高電圧を印加する好ましい時間は、０．５〜１２０秒であり、より好ましくは２〜１０秒である。０．５秒より短いと、粒子状物質１１の堆積量（集塵量）が少なくなるため、粒子状物質量１１の測定精度が低下することがあり、１２０秒より長いと、粒子状物質１１の集塵量が多くなるため、のちのインピーダンスの変化量の検出から、粒子状物質１１の量を正確に把握し難くなることがある。
【００６８】
一の電極１及び二の電極２に供給するための好ましい電圧は、電極間の距離によって異なるが、印加する電圧を高くすることで電界が強まり集塵力が向上する。その一方で、絶縁及び絶縁距離等が問題となり装置が大型化するため、実際上は、上記電圧は１０ｋＶ以下が望ましい。
【００６９】
一の電極１と二の電極２との間を流れる放電による好ましい電流は、１ｍＡ以下であり、更に好ましい電流は、１〜１００μＡである。１μＡより小さいと、集塵率が低下することがある。
【００７０】
使用電力は、本発明に係る粒子状物質検出装置が自動車の排気系で使用される場合には、燃費に直接影響を与えるので小さい方が望ましい。又、発生する電磁ノイズの低減や、放電を発生させる回路の大きさから考えても、好ましい使用電力は１０Ｗ以下であり、より好ましい使用電力は１Ｗ以下である。
【００７１】
（測定工程）粒子状物質１１の堆積を終えたら、二の電極２と一の電極１との間における高電圧の印加を停止して放電を止め、電源９を一の電極１から切り離す。そして、一の電極１を特性測定装置３に接続し、特性測定装置３を稼動させ、好ましくは１〜６０秒程度の時間で、一の電極１と測定対向電極５の間のインピーダンスの変化量を測定する。このインピーダンスの変化量によって、粒子状物質１１の量及び濃度が求まる。
【００７２】
特性測定装置３を一の電極１と測定対向電極５に電圧を印加する交流電源と測定器とで構成する場合に、交流電源から印加される好ましい電圧の値は、１〜６０Ｖであり、より好ましい電圧の値は２〜３０Ｖである。１Ｖより小さいと検出信号が小さくなってノイズの影響を受け易くなり、６０Ｖより大きいと汎用ＩＣの使用が出来なくなることがある。好ましい測定周波数は、３００ｋＨｚ以下である。
【００７３】
（除去工程）一の電極１と測定対向電極５の間におけるインピーダンスの変化量の測定を終えたら、ヒータ用電源１０によってヒータ７を稼動させ、電極間誘電体４の表面に堆積した粒子状物質１１を酸化して除去する。
【００７４】
ヒータ用電源１０が降圧チョッパ方式のスイッチング電源である場合に、ヒータ７に印加される好ましい電流は０．８〜４Ａ程度であり、好ましい使用電力は、４８Ｗ以下である。
【００７５】
ヒータ７によって、粒子状物質１１を酸化除去するときの好ましい時間は、１〜６００秒であり、特に好ましい時間は、３〜１２０秒である。１秒より短いと粒子状物質１１の酸化除去が不十分になることがあり、６００秒より長いと無駄にエネルギーを消費することがある。
【００７６】
ヒータ７によって、電極間誘電体４の表面に集塵された粒子状物質１１を酸化除去するときの好ましい温度は、５００〜９００℃であり、特に好ましい温度は、５５０〜７００℃である。５００℃より低いと粒子状物質が酸化除去され難くなることがあり、９００℃より高いと素子の寿命が短くなることがある。
【００７７】
尚、既述のように、ヒータ７及びヒータ用電源１０の代わりに、又はそれらと併用して、一の電極１と測定対向電極５との間に電圧の印加をして、電極間誘電体４の表面に沿面放電をさせるための除去用電源を備え、その沿面放電によって、集塵された粒子状物質１１を酸化除去することが出来る。この場合、沿面放電させるときの好ましい電圧は、電極間誘電体４の厚さによって異なるが、例えば２〜１５ｋＶである。好ましい使用電力は、１０〜３０Ｗである。沿面放電する好ましい時間は、１〜６００秒であり、特に好ましい時間は、３〜１２０秒である。１秒より短いと粒子状物質１１の酸化除去が不十分になることがあり、６００秒より長いと無駄にエネルギーを消費することがある。
【００７８】
以上のように、集塵工程、測定工程、除去工程を繰り返すことによって、安定して、長期にわたり、粒子状物質１１の検出を続けることが可能である。尚、ディーゼルエンジンの排気ガスを粒子状物質検出対象とする場合には、ディーゼルエンジンの回転数、トルク、排気ガスの流量、温度等の条件が、特定の状態となったときに電界の形成及び放電の何れか又は両方を行うことが好ましい。これらは、ディーゼルエンジンの情報を信号として制御装置１２へ入力するとともに、排気ガス管に温度計を設け、その情報を信号として制御装置１２へ入力することによって、制御装置１２（シーケンサ等）で判断をさせることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明に係る粒子状物質検出装置は、ディーゼルエンジンや煙道等の排気ガス等に含まれる粒子状物質を検出する手段として、好適に利用することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明に係る粒子状物質検出装置の一の実施形態を模式的に示す図であり、センサ部のみを表す断面図である。
【図２】本発明に係る粒子状物質検出装置の他の実施形態を模式的に示す図であり、センサ部のみを表す断面図である。
【図３】本発明に係る粒子状物質検出装置の他の実施形態を模式的に示す図であり、センサ部のみを表す断面図である。
【図４】本発明に係る粒子状物質検出装置の他の実施形態を模式的に示す図であり、センサ部のみを表す断面図である。
【図５】本発明に係る粒子状物質検出装置の一の実施形態を模式的に示す図であり、電極外誘電体及び一の電極を表した斜視図である。
【図６】本発明に係る粒子状物質検出装置の一の実施形態を模式的に示す図であり、測定対向電極の他の態様を表す斜視図である。
【図７】本発明に係る粒子状物質検出装置の一の実施形態を模式的に示す図であり、電気制御系統を表す構成図である。
【図８】本発明に係る粒子状物質検出装置における粒子状物質量算出装置のはたらきを説明するためのグラフである。
【図９】本発明に係る粒子状物質検出装置における粒子状物質濃度算出装置のはたらきを説明するためのグラフである。
【図１０】図１に示される粒子状物質検出装置における等価回路（ＲＣ回路）を表す図である。
【図１１】図４に示される粒子状物質検出装置における等価回路（ＲＣ回路）を表す図である。
【符号の説明】
【００８１】
１：一の電極、２，２０２，３０２：二の電極、３：特性測定装置、４：電極間誘電体、５，１０５：測定対向電極、６：電極外誘電体、７：ヒータ、８：断熱材、９：電源、１０：ヒータ用電源、１１：粒子状物質、１２：制御装置、１３：粒子状物質量算出装置、１４：流量計、１６：粒子状物質濃度算出装置、２４：膜状誘電体、１００，２００，３００，４００：粒子状物質検出装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一の面が誘電体で被覆をされた板状を呈する一の電極、その一の電極の一の面の側に粒子状物質を含む気体が流れる空間を介して配設をされ一の電極との間に印加をされる電圧によって電界の形成及び放電の何れか又は両方を行う二の電極、及び前記電圧の印加をする電源、並びに、
前記誘電体の表面に配設をされる測定対向電極、その測定対向電極と前記一の電極との間における電気的特性の測定をする特性測定手段、及びその特性測定手段で測定をされる電気的特性の変化量に基づいて前記誘電体の表面に集塵をされた粒子状物質の量を求める粒子状物質量算出手段、
を備える粒子状物質検出装置。
【請求項２】
前記空間を流れる気体の流量の測定又は推定をする流量計を備え、その流量計で測定又は推定をされる気体の流量と前記粒子状物質の量とに基づいて、前記空間を流れる気体における粒子状物質の濃度を算出する粒子状物質濃度算出手段を備える請求項１に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項３】
前記電気的特性が、抵抗、インダクタンス、静電容量、及びインピーダンスからなる電気的特性群から選ばれる一以上の電気的特性である請求項１又は２に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項４】
前記測定対向電極が、複数の線状部分を有し、その複数の線状部分は、前記粒子状物質を含む気体が流れる方向に対し垂直方向に長く平行して、前記誘電体の表面に配設をされる請求項１〜３の何れか一項に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項５】
前記複数の線状部分を有する測定対向電極が、格子状を呈する請求項４に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項６】
前記複数の線状部分を有する測定対向電極が、前記誘電体の表面の全面にわたって配設をされる請求項４又は５に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項７】
前記二の電極が板状を呈する請求項１〜６の何れか一項に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項８】
前記二の電極が、管壁面で構成される請求項７に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項９】
前記二の電極が針状又は棒状を呈する請求項１〜６の何れか一項に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項１０】
前記板状を呈する一の電極の他の面を被覆する誘電体と、その誘電体の表面に配設されたヒータと、を備える請求項１〜９の何れか一項に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項１１】
前記一の電極と前記測定対向電極との間に電圧の印加をして沿面放電により粒子状物質を酸化除去するための除去用電源を備え、その電圧の印加によって前記一の電極の一の面に被覆された誘電体の表面に沿面放電をさせる請求項１〜１０の何れか一項に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項１２】
前記測定対向電極が、膜状の誘電体で被覆されている請求項１〜１１の何れか一項に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項１】
一の面が誘電体で被覆をされた板状を呈する一の電極、その一の電極の一の面の側に粒子状物質を含む気体が流れる空間を介して配設をされ一の電極との間に印加をされる電圧によって電界の形成及び放電の何れか又は両方を行う二の電極、及び前記電圧の印加をする電源、並びに、
前記誘電体の表面に配設をされる測定対向電極、その測定対向電極と前記一の電極との間における電気的特性の測定をする特性測定手段、及びその特性測定手段で測定をされる電気的特性の変化量に基づいて前記誘電体の表面に集塵をされた粒子状物質の量を求める粒子状物質量算出手段、
を備える粒子状物質検出装置。
【請求項２】
前記空間を流れる気体の流量の測定又は推定をする流量計を備え、その流量計で測定又は推定をされる気体の流量と前記粒子状物質の量とに基づいて、前記空間を流れる気体における粒子状物質の濃度を算出する粒子状物質濃度算出手段を備える請求項１に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項３】
前記電気的特性が、抵抗、インダクタンス、静電容量、及びインピーダンスからなる電気的特性群から選ばれる一以上の電気的特性である請求項１又は２に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項４】
前記測定対向電極が、複数の線状部分を有し、その複数の線状部分は、前記粒子状物質を含む気体が流れる方向に対し垂直方向に長く平行して、前記誘電体の表面に配設をされる請求項１〜３の何れか一項に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項５】
前記複数の線状部分を有する測定対向電極が、格子状を呈する請求項４に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項６】
前記複数の線状部分を有する測定対向電極が、前記誘電体の表面の全面にわたって配設をされる請求項４又は５に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項７】
前記二の電極が板状を呈する請求項１〜６の何れか一項に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項８】
前記二の電極が、管壁面で構成される請求項７に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項９】
前記二の電極が針状又は棒状を呈する請求項１〜６の何れか一項に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項１０】
前記板状を呈する一の電極の他の面を被覆する誘電体と、その誘電体の表面に配設されたヒータと、を備える請求項１〜９の何れか一項に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項１１】
前記一の電極と前記測定対向電極との間に電圧の印加をして沿面放電により粒子状物質を酸化除去するための除去用電源を備え、その電圧の印加によって前記一の電極の一の面に被覆された誘電体の表面に沿面放電をさせる請求項１〜１０の何れか一項に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項１２】
前記測定対向電極が、膜状の誘電体で被覆されている請求項１〜１１の何れか一項に記載の粒子状物質検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−１４６１４（Ｐ２０１０−１４６１４Ａ）
【公開日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１７６０８０（Ｐ２００８−１７６０８０）
【出願日】平成２０年７月４日（２００８．７．４）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月４日（２００８．７．４）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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