粒子状物質検出装置
【課題】測定精度が高く、測定電極の耐食性に優れた粒子状物質検出装置を提供する。
【解決手段】一の面が誘電体で被覆をされた板状を呈する第一の電極１、及びその第一の電極１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第一の電極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第二の電極２と、誘電体の表面に、対向して配設をされた一対の測定電極５，１５と、一対の測定電極５，１５の表面に配設された体積抵抗率が１０Ωｃｍ〜１０１２Ωｃｍの保護膜２１とを備え、一対の測定電極５，１５の間における電気的特性の変化量を測定することにより、集塵をされた粒子状物質の量を求めることができる粒子状物質検出装置１００。
【解決手段】一の面が誘電体で被覆をされた板状を呈する第一の電極１、及びその第一の電極１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第一の電極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第二の電極２と、誘電体の表面に、対向して配設をされた一対の測定電極５，１５と、一対の測定電極５，１５の表面に配設された体積抵抗率が１０Ωｃｍ〜１０１２Ωｃｍの保護膜２１とを備え、一対の測定電極５，１５の間における電気的特性の変化量を測定することにより、集塵をされた粒子状物質の量を求めることができる粒子状物質検出装置１００。
【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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６０−１２３７６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。また、排ガス中の酸、アルカリにより電極等が腐食されるという問題があった。
【０００７】
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て低廉であり、測定精度が高く、測定電極の耐食性に優れた粒子状物質検出装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の目的を達成するため、本発明は、以下の粒子状物質検出装置を提供するものである。
【０００９】
［１］ 一の面が誘電体で被覆をされた板状を呈する第一の電極、及びその第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第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第二の電極と、前記誘電体の表面に、対向して配設をされた一対の測定電極と、前記一対の測定電極の表面に配設された体積抵抗率が１０Ωｃｍ〜１０１２Ωｃｍの保護膜とを備え、前記一対の測定電極の間における電気的特性の変化量を測定することにより、集塵をされた粒子状物質の量を求めることができる粒子状物質検出装置。
【００１０】
［２］ 前記保護膜が、金属ドープされたものである［１］に記載の粒子状物質検出装置。
【００１１】
［３］ 前記保護膜が、前記測定電極の表面に配設された絶縁保護膜と、前記絶縁保護膜の表面に配設された体積抵抗率が１０−５Ωｃｍ〜１０Ωｃｍの低抵抗膜との２層から形成されるものである［１］に記載の粒子状物質検出装置。
【００１２】
［４］ 前記保護膜が、前記測定電極の表面に配設された、表面に複数の微細な金属片が散在する絶縁保護膜である［１］に記載の粒子状物質検出装置。
【００１３】
［５］ 前記保護膜が、前記測定電極の表面に形成された酸化膜である［１］に記載の粒子状物質検出装置。
【００１４】
［６］ 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［１］〜［５］の何れかに記載の粒子状物質検出装置。
【００１５】
［７］ 前記一対の測定電極が、線状を呈し、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対向して、前記誘電体の表面に配設をされる［１］〜［６］の何れかに記載の粒子状物質検出装置。
【００１６】
［８］ 前記線状を呈する一対の測定電極は、一対をなすそれぞれが複数に分岐をして、複数の対向部分を有する［７］に記載の粒子状物質検出装置。
【００１７】
［９］ 前記複数の対向部分を有する一対の測定電極が、前記誘電体の表面の全面にわたって配設をされる［８］に記載の粒子状物質検出装置。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の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、第一の電極と第二の電極との間に電圧を印加して、第二の電極に放電をさせて、第一の電極と第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第一の電極を覆う保護膜の表面、又は保護膜と第一の電極が配設される電極間誘電体の両方の表面に集塵させる。そうすると、第一の電極を覆う保護膜の表面、又は保護膜と第一の電極が配設される電極間誘電体の両方の表面に粒子状物質が堆積され、電極間誘電体の表面に配設された一対の測定電極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、電気的特性の変化量を知って、保護膜の表面、又は保護膜と電極間誘電体の両方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。更に、本発明の粒子状物質検出装置は、一対の測定電極の表面に体積抵抗率が１０Ωｃｍ〜１０１２Ωｃｍの保護膜が配設されているため、測定電極が排ガス中の酸成分やアルカリ成分によって腐食されるのを防止することができる。そして、保護膜の体積抵抗率が１０Ωｃｍ〜１０１２Ωｃｍであるため、保護膜上に堆積した低抵抗の粒子状物質を電気的に認識できるという利点がある。
【００１９】
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。
【００２０】
本発明に係る粒子状物質検出装置では、電気的特性を測定するための測定電極が、同じ誘電体の表面に存在するため、測定電極間の距離の設定自由度が高く、高感度化が容易であるとともに、用途に応じ、任意の感度を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】本発明の粒子状物質検出装置の一の実施形態を示し、気体の流れる方向に平行且つ一の電極に直交する断面を示す模式図である。
【図１Ｂ】本発明の粒子状物質検出装置の一の実施形態を模式的に示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
［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。
【００２４】
図１Ａは、本発明の粒子状物質検出装置の一の実施形態を示し、気体の流れる方向に平行且つ一の電極に直交する断面を示す模式図である。図１Ｂは、本発明の粒子状物質検出装置の一の実施形態を模式的に示す平面図である。尚、図１Ｂにおいては、二の電極２は省略してある。また、図１Ａの粒子状物質検出装置は、図１ＢにおけるＡ−Ａ’断面図である。
【００２５】
図１Ａ及び図１Ｂに示すように、本実施形態の粒子状物質検出装置は、一の面が誘電体（電極間誘電体）４で被覆をされた板状を呈する第一の電極１、及びその第一の電極１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第一の電極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第二の電極２と、誘電体（電極間誘電体）４の表面に、対向して配設をされた一対の測定電極５，１５と、一対の測定電極５，１５の表面に配設された体積抵抗率が１０Ωｃｍ〜１０１２Ωｃｍの保護膜２１とを備えるものである。そして、一対の測定電極５，１５の間における電気的特性の変化量を測定することにより集塵をされた粒子状物質の量を求めることができるものである。ここで、「集塵をされた粒子状物質」とは、保護膜２１の表面、又は保護膜２１と誘電体（電極間誘電体）４の両方の表面に集塵された粒子状物質のことを意味する。つまり、本実施形態の粒子状物質検出装置のように、測定電極５，１５及び電極間誘電体４の表面全体が保護膜２１で覆われる場合には、保護膜２１の表面に集塵された粒子状物質のことであり、電極間誘電体４の表面の少なくとも一部が保護膜２１で覆われずに空間に露出している場合には、保護膜２１と電極間誘電体４の両方の表面に集塵された粒子状物質のことである。尚、耐久性の観点より、測定電極５，１５及び電極間誘電体４の表面全体が保護膜２１で覆われることが好ましい。本実施形態の粒子状物質検出装置１００は、一対の測定電極の表面に体積抵抗率が１０Ωｃｍ〜１０１２Ωｃｍの保護膜が配設されているため、測定電極が排ガス中の酸成分やアルカリ成分によって腐食されるのを防止することができる。
【００２６】
本実施形態の粒子状物質検出装置１００は、一対の測定電極５，１５の表面に配設された保護膜２１の体積抵抗率が、１０Ωｃｍ〜１０１２Ωｃｍであり、１０８Ωｃｍ〜１０１２Ωｃｍが好ましく、１０１０Ωｃｍ〜１０１２Ωｃｍが更に好ましい。保護膜２１の体積抵抗率がこのような範囲であるため、保護膜上に堆積した低抵抗の粒子状物質を電気的に精度よく認識できるという利点がある。保護膜２１の体積抵抗率が１０Ωｃｍより小さいと、保護膜上に堆積した低抵抗の粒子状物質を電気的に精度よく認識できないことがある。保護膜２１の体積抵抗率が１０１２Ωｃｍより大きいと、体積抵抗率の安定した保護膜が製造できず、体積抵抗率のばらつきによる測定精度が大きくなることがある。
【００２７】
保護膜２１の測定電極５，１５の表面における厚さは、１０〜５００μｍが好ましく、１０〜１００μｍが更に好ましい。保護膜２１の測定電極５，１５の表面における厚さがこのような範囲であることにより、高感度を維持しながら測定電極５，１５を保護することが可能となる。保護膜２１の測定電極５，１５の表面における厚さが、１０μｍより薄いと保護膜２１の強度が低下することがあり、５００μｍより厚いと感度が低下することがある。また、保護膜２１が電極間誘電体４の表面にも配設されている場合、電極間誘電体４の表面における保護膜２１の厚さは、１０〜５００μｍが好ましく、１０〜１００μｍが更に好ましい。保護膜２１の電極間誘電体４の表面における厚さがこのような範囲であることにより、保護膜２１の強度を維持しながら高感度な粒子状物質検出装置１００とすることができる。保護膜２１の電極間誘電体４の表面における厚さが、１０μｍより薄いと保護膜２１の強度が低下することがあり、５００μｍより厚いと感度が低下することがある。保護膜２１の材質としては、シリカ（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、チタニア（ＴｉＯ２）等の金属酸化物が好ましい。
【００２８】
保護膜２１は、金属ドープされたものであることが好ましい。ここで、「金属ドープされた」とは、体積抵抗をコントロールする目的で保護膜内におおむね均一に導電性の高い金属元素が配設された状態もしくは、表面から保護膜の厚さ方向にこの金属元素が濃度傾斜（表面が高濃度）がある状態をいう。保護膜２１に金属ドープすることにより、容易に体積抵抗率を制御することが可能となる。保護膜２１に含有される金属としては、アルミ、シリコン、チタン、金、ニッケル、白金等が好ましい。保護膜２１に含有される金属の量は、０．０１〜１０モル％が好ましく、０．１〜５モル％が更に好ましい。０．０１モル％より少ないと、体積抵抗率が大きくなることがあり、１０モル％より多いとドープ金属の偏在等により体積抵抗率が小さくなることがある。
【００２９】
保護膜２１は、測定電極５，１５の表面に配設された絶縁保護膜と、絶縁保護膜の表面に配設された体積抵抗率が１０−５Ωｃｍ〜１０Ωｃｍの低抵抗膜との２層から形成されるものであることが好ましい。このように、保護膜２１を、絶縁保護膜と低抵抗膜との２層によって形成することにより、粒子状物質の濃度（電極保護膜上への堆積）が少ない場合でも感度よく測定できるという利点がある。絶縁保護膜の材質は、シリカ（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、チタニア（ＴｉＯ２）等の金属酸化物が好ましい。絶縁保護膜の厚さは１０〜５００μｍが好ましく、１０〜１００μｍが更に好ましい。１０μｍより薄いと低抵抗膜と絶縁保護膜の下の測定電極が短絡する可能性がある。５００μｍより厚いと感度が低下することがある。表面に露出する低抵抗膜の材質は、チタン、ニッケル、アルミニウム、ケイ素、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）が好ましい。また、低抵抗膜が、ＩＴＯ膜（透明導電膜（インジウム酸化物とすず酸化物との混合物により形成された膜））であってもよい。低抵抗膜の厚さは０．００５〜０.１μｍが好ましく、０.００５〜０．０５μｍが更に好ましい。０．００５μｍより薄いと強度が低下したり、低抵抗膜が不連続膜となり感度の改善効果が得られないことがある。０．１μｍより厚いと感度が低下することがある。
【００３０】
保護膜２１は、測定電極５，１５の表面に配設された、表面に複数の微細な金属片が散在する絶縁保護膜であることが好ましい。保護膜２１をこのように、絶縁保護膜の表面に複数の微細な金属片が散在した構造とすることにより、粒子状物質の濃度（電極保護膜上への堆積）が少ない場合でも、散在した金属片によるブリッジ効果で感度よく測定できるという利点がある。複数の微細な金属片は、表面に露出する状態で、絶縁保護膜の表面に配設されている。金属片の材質としては、チタン、ニッケル、アルミニウム、ケイ素、クロム、金、白金、銀、タングステン、タングステンにニッケルめっきを施したもの、モリブデンにニッケルめっきを施したもの等の金属が好ましい。微細な金属片の大きさは、１０〜４０００μｍ２が好ましく、１００〜５００μｍ２が更に好ましい。１０μｍ２より小さいと、散在した金属片によるブリッジ効果が現れず感度よく測定できないことがある。４０００μｍ２より大きいと、散在した金属片によるブリッジ効果で感度よく測定できるものの、粒子状物質の堆積量の測定のダイナミックレンジが取れないことがある。金属片が配設される総面積としては、保護膜２１の表面全体に対して１〜８０％（面積基準）が好ましく、３０〜６０％が更に好ましい。金属片の厚さは、１〜１００μｍが好ましく、５〜５０μｍが更に好ましい。絶縁保護膜の材質としては、シリカ（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、チタニア（ＴｉＯ２）等の金属酸化物が好ましい。絶縁保護膜の厚さは、１０〜５００μｍが好ましく、１０〜１００μｍが更に好ましい。１０μｍより薄いと強度が低下することがある。５００μｍより厚いと感度が低下することがある。
【００３１】
保護膜２１は、測定電極５，１５の表面に形成された酸化膜であることが好ましい。保護膜２１を酸化膜とすることにより、電極の耐久性が向上するという利点がある。酸化膜としては、測定電極５，１５が酸化して形成される膜であることが好ましい。酸化膜の厚さは、０．１〜５μｍが好ましく、０．１〜１μｍが更に好ましい。０．１μｍより薄いと強度が低下することがある。５μｍより厚いと感度が低下することがある。
【００３２】
図１Ａ、図１Ｂに示すように、本実施形体の粒子状物質検出装置１００は、第一の電極１の、図１Ａ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、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を更に備えることが好ましい。また、第一の電極１と第二の電極２の間に電圧の印加をする集塵用電源、ヒータ７に電気を供給するヒータ用電源、一対の測定電極に接続されて一対の測定電極の間における電気的特性を測定する特性測定装置（手段）、粒子状物質の量を算出する粒子状物質量算出装置（手段）、粒子状物質の濃度を算出する粒子状物質濃度算出装置（手段）、第一の電極１と第二の電極２との間の空間に流れる排ガス等の気体の流量を測定する流量計、及び上記各装置を制御するための制御装置を備えるものであることが好ましい。制御装置は、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、粒子状物質濃度算出装置の他に、流量計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、ヒータ用電源や集塵用電源の制御や、測定モードの切換等を含め、装置全体の制御を行う。
【００３３】
本実施形体の粒子状物質検出装置１００は、粒子状物質を含む排気ガスが、図１Ａにおいて、矢印で示されるように、紙面上、左から右へ、板状を呈する第一の電極１を被覆する電極間誘電体４と、板状を呈する第二の電極２との間の空間を流れる。この排気ガスの流量は、上記流量計によって測定される。この状態で、集塵用電源により、第二の電極２に、例えば直流高電圧の印加をすると、放電が生じ、第二の電極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第一の電極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は、プラスの第一の電極１を被覆する保護膜２１の表面、又は保護膜２１の表面及び電極間誘電体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、その粒子状物質の堆積の程度によって、一対の測定電極５，１５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、集塵された粒子状物質（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。
【００３４】
測定電極５，１５により測定する電気的特性としては、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。例えば、測定電極５，１５間の電気的特性として、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。また、定電流源を使い、測定電極５，１５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、測定電極５，１５の間に流れる電流の変化や、測定電極５，１５の間に蓄積される電荷の変化を測定することによって、測定電極５，１５の間のインピーダンスの変化を測定してもよい。特性測定装置は、こ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。特性測定装置としては、例えば、測定電極５，１５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。
【００３５】
排気ガスが流れる空間を形成する保護膜２１と第二の電極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。保護膜２１と第二の電極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。
【００３６】
本実施形体の粒子状物質検出装置１００において、第一の電極１は、第二の電極２の対向電極として放電を行うとともに、荷電された粒子状物質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における板状の第一の電極１は、概ね長方形であることが好ましいが、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。板状の第二の電極２は、第一の電極１と同様に、概ね長方形であることが好ましいが、第一の電極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。
【００３７】
ここで、集塵用電源は、第一の電極１と第二の電極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。集塵用電源として、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。
【００３８】
本実施形体の粒子状物質検出装置１００において、測定電極５，１５は、互いに対向して配設をされ、測定電極５，１５間の電気的特性の変化を測定する。測定電極５と測定電極１５の間の距離は、一の電極１が粒子状物質を集塵することによって生じた、測定電極５，１５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】
一対の測定電極５，１５は、それぞれ線状を呈し、一対をなすそれぞれが複数に分岐をして、複数の対向部分を有して、誘電体の表面に配設されるものであることが好ましい。つまり、一対の測定電極５，１５は、測定電極５と測定電極１５とが、それぞれ櫛歯状に複数に分岐し、測定電極５と測定電極１５のそれぞれの櫛歯を構成する複数の歯に相当する部分が、交互並ぶように配置されている。つまり、櫛歯状の測定電極５の歯と歯の間に、櫛歯状の測定電極１５の歯が挟まれて、測定電極５と測定電極１５のそれぞれの櫛歯を構成する複数の歯が、互いにかみ合うようにして、測定電極５と測定電極１５とが電極間誘電体４の表面に配設されている。本実施形態の粒子状物質検出装置は、このように、櫛歯状の測定電極５と測定電極１５とが、互いの櫛歯がかみ合うように配設されているため、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ものである。また、一対の測定電極５，１５は、線状を呈し、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対向して、誘電体の表面に配設されるものであってもよい。また、測定電極５と測定電極１５が分岐して対向する複数の部分が、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、一対の対向する測定電極の間の距離が長いことは好ましくなく、一方、一対の対向する測定電極が、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。測定電極５，１５の厚さは、１０〜５００μｍが好ましく、１０〜１００μｍが更に好ましい。１０μｍより薄いと密着性が低下することがある。５００μｍより厚いと膜の応力で電極と下地界面にマイクロクラックが発生したり、膜の応力で素子そのものにそりが発生することがある。
【００４０】
測定電極５，１５が上記のように櫛歯状である場合、櫛歯の歯に相当する複数に分岐した部分の幅は、１０〜５００μｍが好ましく、５０〜２００μｍが更に好ましい。１０μｍより細いと断線することがある。２００μｍより広いと良好な素子の感度を得るためには素子の面積（測定電極面積）が大きくなりすぎることがある。また、櫛歯の歯に相当する部分の長さは、２〜５０ｍｍが好ましく、５〜１０ｍｍが更に好ましい。２ｍｍより短いと感度が低下することがある。５０ｍｍより長いと粒子状物質検出装置が大きくなりすぎることがある。
【００４１】
本実施形体の粒子状物質検出装置１００において、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の全部を燃焼することが可能なように決定すればよい。
【００４２】
ヒータ７は、粒子状物質を酸化して除去するときだけでなく、測定電極５，１５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、測定電極５，１５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。
【００４３】
ヒータ用電源としては、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が好ましい。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。また、好ましいヒータ用電源は、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。
【００４４】
本実施形体の粒子状物質検出装置１００において、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の熱を効率的に粒子状物質の燃焼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。
【００４５】
［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。
【００４６】
第一の電極１、第二の電極２、及び測定電極５，１５、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。また、第一の電極１、第二の電極２、及び測定電極５，１５、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。
【００４７】
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、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。又、これらを多孔質やファイバ状とすることも可能である。
【００４８】
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。
【００４９】
［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。
【００５０】
先ず、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。
【００５１】
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、焼成のときにおいて、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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
そして、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。
【００５６】
次に、得られた成形原料を、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。
【００５７】
そして、得られたグリーンシートの表面に、のちに一の電極１、一対の測定電極５，１５、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、一対の測定電極５，１５、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。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、測定電極５，１５及び必要な配線を、所望のパターンで印刷することで行う。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。
【００５８】
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、第一の電極１、電極間誘電体４、測定電極５，１５、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。
【００５９】
保護膜２１は、上記グリーン積層体の、測定電極５，１５を印刷した部分の表面に、保護膜をスクリーン印刷し、その後にグリーン積層体を乾燥、脱脂、焼成することにより形成することが好ましい。また、焼成積層体を形成した後に、ＣＶＤ（化学気相反応成膜法）により保護膜を形成してもよい。また、絶縁保護膜と低抵抗膜との２層からなる保護膜を形成する場合は、グリーン積層体の、測定電極５，１５を印刷した部分の表面に、スクリーン印刷により絶縁保護膜を形成し、その後にグリーン積層体を乾燥、脱脂、焼成し、その後に、ＣＶＤにより絶縁保護膜の表面に低抵抗膜を形成する方法が好ましい。また、表面に複数の微細な金属片が散在する絶縁保護膜からなる保護膜２１を形成する場合には、グリーン積層体の、測定電極５，１５を印刷した部分の表面に、絶縁保護膜をスクリーン印刷し、その後に、絶縁保護膜の表面に複数の微細な金属片をスクリーン印刷により形成し、その後に、グリーン積層体を乾燥、脱脂、焼成する方法が好ましい。
【００６０】
第二の電極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。第二の電極として、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。
【００６１】
また、粒子状物質を含む排気ガスが流れる空洞（空間）が形成されるように、上記焼成積層体と第二の電極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、上記のグリーン積層体の電極間誘電体４（測定電極５，１５）の側に、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、後に第二の電極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。
【００６２】
集塵用電源、特性測定装置及びヒータ用電源は、既述の好ましい仕様に合致した市販品を購入する。流量計も市販品を採用することが出来る。集塵用電源は、第一の電極１と第二の電極２に接続し、特性測定装置は、測定電極５，１５に接続し、ヒータ用電源はヒータ７に接続する。粒子状物質量算出装置及び粒子状物質濃度算出装置は、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。
【００６３】
［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を使用する場合を例にして、説明する。
【００６４】
（集塵工程）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。そして、集塵用電源によって第二の電極２と第一の電極１との間に、例えば直流の高電圧を印加し、粒子状物質を荷電させ、保護膜２１の表面に堆積させる。
【００６５】
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、粒子状物質の集塵量が少なくなるため、粒子状物質量の測定精度が低下することがあり、１２０秒より長いと、粒子状物質の集塵量が多くなるため、インピーダンスの変化量の検出から粒子状物質の量を正確に把握し難くなることがある。
【００６６】
第一の電極１及び第二の電極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。
【００６７】
第一の電極１と第二の電極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。
【００６８】
使用電力は、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。
【００６９】
（測定工程）粒子状物質の堆積を終えたら、第二の電極２と第一の電極１との間における高電圧の印加を停止し、特性測定装置を稼動させ、好ましくは１〜６０秒程度の時間で、測定電極５，１５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、粒子状物質の量及び濃度が求まる。尚、既述のように、保護膜２１の表面に堆積させつつ（高電圧を印加させつつ）、測定電極５，１５間のインピーダンスの変化量を測定することも出来る。但し、これらは別の測定モードとして取り扱うようにする。
【００７０】
特性測定装置を測定電極５，１５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。
【００７１】
（除去工程）測定電極５，１５間におけるインピーダンスの変化量の測定を終えたら、ヒータ用電源によってヒータ７を稼動させ、保護膜２１の表面に堆積した粒子状物質を酸化して除去する。
【００７２】
ヒータ用電源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に流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。
【００７３】
ヒータ７によって、粒子状物質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。
【００７４】
ヒータ７によって、保護膜２１の表面に集塵された粒子状物質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。
【００７５】
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放電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へ入力することによって、制御装置（シーケンサ等）で判断をさせることが可能である。
【実施例】
【００７６】
以下、本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
【００７７】
（実施例１）
（成形原料の調製）
アルミナをセラミック原料として使用し、バインダーとしてポリビニルブチラール、可塑剤としてフタル酸ジ−２−エチルヘキシル、分散剤としてソルビタントリオレエートを使用し、分散媒として有機溶剤（キシレン：ブタノール＝６：４（質量比））を使用し、これらをアルミナ製ポットに入れて混合し、グリーンシート製作用のスラリー状の成形原料を作製した。各原料の使用量は、アルミナ１００質量部に対して、バインダー７質量部、可塑剤３．５質量部、分散剤１．５質量部、有機溶剤１００質量部とした。
【００７８】
次に、得られたグリーンシート製作用のスラリー状の成形原料を、減圧下で撹拌して脱泡し、粘度４Ｐａ・ｓとなるように調製した。スラリーの粘度は、Ｂ型粘度計で測定した。
【００７９】
（成形加工）
次に、上記方法により得られたスラリー状の成形原料をドクターブレード法を用いてシート状に成形加工した。このとき、グリーンシートを積層したときに貫通孔（第一の電極と第二の電極との間に形成される空間）が形成されるように、切断部形成グリーンシートも作製した。グリーンシートの厚さは、２５０μｍとした。
【００８０】
得られたグリーンシートの表面に、図１Ａ、図１Ｂに示すような、各電極、ヒータ、配線を形成した。配設する各電極、ヒータ、配線を形成するための導体ペーストは、白金粉末に、溶剤として２−エチルヘキサノール、バインダーとしてポリビニルブチラール、可塑剤としてフタル酸ジ−２−エチルヘキシル、分散剤としてソルビタントリオレエート、グリーンシートの共生地としてアルミナ、焼結助剤としてガラスフリットを加え、らいかい機及びトリロールミルを用いて十分に混錬して調製した（質量比で、白金：アルミナ：ガラスフリット：２−エチルヘキサノール：ポリビニルブチラール：フタル酸ジ−２−エチルヘキシル：ソルビタントリオレエート＝８０：１５：５：５０：７：３．５：１）。また、ヒータを形成するための導体ペーストは、白金粉末に、溶剤として２−エチルヘキサノール、バインダーとしてポリビニルブチラール、可塑剤としてフタル酸ジ−２−エチルヘキシル、分散剤としてソルビタントリオレエート、グリーンシートの共生地としてアルミナ、焼結助剤としてガラスフリットを加え、らいかい機及びトリロールミルを用いて十分に混錬して調製した（質量比で、白金：アルミナ：ガラスフリット：２−エチルヘキサノール：ポリビニルブチラール：フタル酸ジ−２−エチルヘキシル：ソルビタントリオレエート＝８０：１５：５：５０：７：３．５：１）。このようにして形成した導体ペーストを、グリーンシートの表面にスクリーン印刷を用いて印刷して、所定の形状の電極等を形成した。
【００８１】
グリーンシートの積層は、グリーンシートを加熱可能な一軸プレス機を用いて加圧積層し、グリーンシートの積層体からなる粒子状物質検出装置の未焼成体（グリーン積層体）を得た。尚、図１Ａでは、第二の電極は、空間に露出した状態であるが、本実施例では、第二の電極を、２枚のグリーンシートに挟まれるように形成し、第二の電極が誘電体の内部に埋設されるものとした。
【００８２】
その後、グリーン積層体の測定電極になる部分の表面に、スクリーン印刷により保護膜になる部分を形成した。スクリーン印刷は、セリテック社製、商品名ＴＳＵ４０６０を用いて行った。保護膜の材質は、シリカとした。また、保護膜の厚さは、触針段差計を用いて測定した結果、５０μｍであった。
【００８３】
（焼成）
得られた、グリーン積層体（粒子状物質検出装置の未焼成体）を１２０℃で乾燥し、１５００℃で焼成して粒子状物質検出装置を作製した。得られた粒子状物質検出装置は、０．７ｃｍ×０．２ｃｍ×１２ｃｍの直方体であった。貫通孔は、排ガスの流通方向に垂直な断面形状が１０ｃｍ×０．５ｃｍの長方形であった。また、保護膜の体積抵抗率は、１０１１Ωｃｍであった。体積抵抗率は、三菱化学アナリテック社製のＭＣＰ−Ｔ６１０とＭＣＰ−ＨＴ４５０を用いて測定する。体積抵抗率が１０−３以上、１０６Ωｃｍ未満の膜に関しては前者の装置を用いて測定し、１０６から１０１３Ωｃｍの膜に関しては後者の装置を用いて測定する。体積抵抗率が未知の場合は、両方の装置を用いる。体積抵抗率測定のために同一工程を経たテストピースを用いる。このテストピースには基材となるグリーンシートと、測定用電極と同一の材質の円形電極と、その上に保護膜を有した構造になっている。体積抵抗率が１０６Ωｃｍ未満の場合は、四端子四深針法を用いて保護膜に接触させて抵抗値を測定し、テストピースの断面ＳＥＭ写真より保護膜厚を測定して保護膜の体積抵抗率を算出する。保護膜上に低抵抗膜がある場合は、四端子四深針法を用いて保護膜上の低抵抗膜に接触させて、テストピースの断面ＳＥＭ写真より低抵抗膜厚を測定して低抵抗膜の体積抵抗率を算出する。保護膜の体積抵抗率が１０６Ωｃｍ以上の場合は、保護膜上にＡｕスパッタリングにより二重の測定電極とガード電極を形成して、保護膜の体積抵抗率を測定する。上記の測定された保護膜の体積抵抗率はこの方法で測定した値である。
【００８４】
放電用の電源としては、パルス電源とＤＣ電源を用いた。電極間のインピーダンスを測定するための特性測定装置としては、アジレントテクノロジー社製のインピーダンスアナライザを用いた。得られた粒子状物質検出装置について、以下に示す方法で、粒子状物質検出装置の感度の測定（感度測定）及び測定電極の腐食試験を行った。結果を表１に示す。尚、表１においては、初期の静電容量と１分間集塵後の静電容量を示し、これら初期の静電容量と１分間集塵後の静電容量との差が感度を表している。
【００８５】
（感度測定）
得られた粒子状物質検出装置を、ディーゼルエンジンの排気管に設置した。ディーゼルエンジンとしては、排気量２０００ｃｃの直噴−ディーゼルエンジンを使用し、回転数１５００ｒｐｍ、トルク２４Ｎ・ｍ、ＥＧＲ（ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）開度５０％、排ガス温度２００℃、吸入空気１．３ｍ３（室温換算）／分の運転条件下で排ガスを発生させた。スモークメータ（ＡＶＬ社製、商品名：型式４１５８）による排ガス中の粒子状物質量は、２．０ｍｇ／ｍ３であった。粒子状物質の検出は、以下のように行った。ディーゼルエンジンから排ガスを発生させながら、粒子状物質を荷電集塵する前に、一対の電極間の初期の静電容量（ｐＦ）を、１分間に亘って６回測定し、その後、粒子状物質を１分間に亘って荷電集塵し、その後、荷電集塵操作を停止して、再度、静電容量（一対の電極間の１分間集塵後の静電容量）（ｐＦ）を、１分間に亘って６回測定した。初期の静電容量及び１分間集塵後の静電容量は、いずれも６回の測定の平均値を求めた。そして、初期の静電容量と１分間集塵後の静電容量との差が、粒子状物質検出装置の感度の指標となる。つまり、１分間集塵後の静電容量から初期の静電容量を差し引いた値が大きいほど、感度が良好であることになる。尚、本測定においては、ヒータによる粒子状物質の燃焼は行わないこととした。粒子状物質を荷電集塵する際には、高電圧電源による印加電圧をＤＣ２．０ｋＶとし、電極間の静電容量測定時には、測定部から印加電圧をＡＣ２Ｖ、周波数を１０ｋＨｚとした。
【００８６】
（腐食試験）
測定電極（素子）の腐食試験を以下の方法で行った。先ず０．０１３モル／Ｌの硝酸中に、３５０℃に素子を加熱した状態で当該素子を６０分間浸漬し、続いて０．００５９モル／Ｌの硫酸中に、３５０℃に素子を加熱した状態で当該素子を６０分間浸漬し、さらに０．００４９モル／Ｌのアンモニア水中に、３５０℃に素子を加熱した状態で当該素子を６０分間浸漬した後に、流水洗浄と乾燥を行い、測定電極の静電容量変化率を測定した。腐食試験のサンプル数は、各実施例、比較例ともｎ＝５本で実施した。静電容量変化率は、腐食試験前の測定電極の静電容量と腐食試験後の測定電極の静電容量との差を、腐食試験前の測定電極の静電容量で除算することにより求めた。
【００８７】
【表１】
【００８８】
（実施例２）
保護膜を金属ドープされたものとした以外は、実施例１と同様にして粒子状物質検出装置を作製した。金属ドープされた保護膜の作製は以下のように行った。保護膜の作製方法は実施例１と同様であるが、保護膜の原料をシリカとチタニアとし、ベースのシリカ（ＳｉＯ２）に対してチタニア（ＴｉＯ２）のＴｉ原子換算の配合比率を５モル％となるようにした。保護膜の体積抵抗率は、１０８Ωｃｍであった。実施例１の場合と同様に、感度測定及び腐食試験を行った。結果を表１に示す。
【００８９】
（実施例３）
保護膜を、絶縁保護膜と低抵抗膜との２層からなるものとした以外は、実施例１と同様にして粒子状物質検出装置を作製した。絶縁保護膜と低抵抗膜との２層からなる保護膜の作製は以下のように行った。グリーン積層体の、測定電極５，１５を印刷した部分の表面に、スクリーン印刷により絶縁保護膜を形成し、その後にグリーン積層体を実施例１の場合と同様に乾燥、焼成し、その後に、ＣＶＤにより絶縁保護膜の表面に低抵抗膜を形成した。スクリーン印刷は、セリテック社製、商品名ＴＳＵ４０６０を用いて行った。また、ＣＶＤは、ユーテック社製、商品名Ｓｕｐｅｒ７を用いて行った。絶縁保護膜の材質は、シリカとし、低抵抗膜の材質は、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）とした。また、絶縁保護膜の厚さは、６０μｍとし、低抵抗膜の厚さは、０．２μｍとした。保護膜の体積抵抗率は、０．３Ωｃｍであった。実施例１の場合と同様に、感度測定及び腐食試験を行った。結果を表１に示す。
【００９０】
（実施例４）
保護膜を、表面に複数の微細な金属片が散在する絶縁保護膜からなるものとした以外は、実施例１と同様にして粒子状物質検出装置を作製した。表面に複数の微細な金属片が散在する絶縁保護膜からなる保護膜の作製は以下のように行った。グリーン積層体の、測定電極５，１５を印刷した部分の表面に、絶縁保護膜をスクリーン印刷し、その後に、絶縁保護膜の表面に複数の微細な金属片をスクリーン印刷により形成し、その後に、グリーン積層体を実施例１の場合と同様に乾燥、焼成した。スクリーン印刷は、セリテック社製、商品名「ＴＳＵ４０６０」を用いて行った。絶縁保護膜の材質は、シリカとし、金属片の材質は、タングステンとし、乾燥、焼成後にニッケルめっきを施した。また、絶縁保護膜の厚さは、４５μｍとした。各金属片の大きさは、１００〜２００μｍ２程度とした。また、金属片が配設された面積は、絶縁保護膜の面積の１０％とした。保護膜の体積抵抗率は、１０１２Ωｃｍであった。実施例１の場合と同様に、感度測定及び腐食試験を行った。結果を表１に示す。
【００９１】
（実施例５）
保護膜を、測定電極の表面に形成された酸化膜とした以外は、実施例１と同様にして粒子状物質検出装置を作製した。測定電極の表面に酸化膜を形成する方法は、以下の通りである。素子を乾燥酸素雰囲気の雰囲気炉内にて６００℃−３時間の加熱を加えて酸化処理を行った。酸化膜の厚さは、３μｍとした。保護膜の体積抵抗率は、１０９Ωｃｍであった。実施例１の場合と同様に、感度測定及び腐食試験を行った。結果を表１に示す。
【００９２】
（比較例１）
保護膜を形成しなかった以外は、実施例１と同様にして粒子状物質検出装置を作製した。実施例１の場合と同様に、感度測定及び腐食試験を行った。結果を表１に示す。
【００９３】
表１より、実施例１〜５の粒子状物質検出装置は、良好な感度を維持している。また腐食試験後の測定電極の静電容量変化が１％以下であり、測定誤差範囲内に収まっているので、耐食性に優れていることがわかる。比較例１の粒子状物質検出装置は、感度は良好であるが、実施例１〜５の粒子状物質検出装置と比較して耐食性に劣ることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
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。
【符号の説明】
【００９５】
１：第一の電極、２：第二の電極、４：電極間誘電体、５，１５：測定電極、６：電極外誘電体、７：ヒータ、８：断熱材、２１：保護膜、１００：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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６０−１２３７６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。また、排ガス中の酸、アルカリにより電極等が腐食されるという問題があった。
【０００７】
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て低廉であり、測定精度が高く、測定電極の耐食性に優れた粒子状物質検出装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の目的を達成するため、本発明は、以下の粒子状物質検出装置を提供するものである。
【０００９】
［１］ 一の面が誘電体で被覆をされた板状を呈する第一の電極、及びその第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第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第二の電極と、前記誘電体の表面に、対向して配設をされた一対の測定電極と、前記一対の測定電極の表面に配設された体積抵抗率が１０Ωｃｍ〜１０１２Ωｃｍの保護膜とを備え、前記一対の測定電極の間における電気的特性の変化量を測定することにより、集塵をされた粒子状物質の量を求めることができる粒子状物質検出装置。
【００１０】
［２］ 前記保護膜が、金属ドープされたものである［１］に記載の粒子状物質検出装置。
【００１１】
［３］ 前記保護膜が、前記測定電極の表面に配設された絶縁保護膜と、前記絶縁保護膜の表面に配設された体積抵抗率が１０−５Ωｃｍ〜１０Ωｃｍの低抵抗膜との２層から形成されるものである［１］に記載の粒子状物質検出装置。
【００１２】
［４］ 前記保護膜が、前記測定電極の表面に配設された、表面に複数の微細な金属片が散在する絶縁保護膜である［１］に記載の粒子状物質検出装置。
【００１３】
［５］ 前記保護膜が、前記測定電極の表面に形成された酸化膜である［１］に記載の粒子状物質検出装置。
【００１４】
［６］ 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［１］〜［５］の何れかに記載の粒子状物質検出装置。
【００１５】
［７］ 前記一対の測定電極が、線状を呈し、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対向して、前記誘電体の表面に配設をされる［１］〜［６］の何れかに記載の粒子状物質検出装置。
【００１６】
［８］ 前記線状を呈する一対の測定電極は、一対をなすそれぞれが複数に分岐をして、複数の対向部分を有する［７］に記載の粒子状物質検出装置。
【００１７】
［９］ 前記複数の対向部分を有する一対の測定電極が、前記誘電体の表面の全面にわたって配設をされる［８］に記載の粒子状物質検出装置。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の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、第一の電極と第二の電極との間に電圧を印加して、第二の電極に放電をさせて、第一の電極と第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第一の電極を覆う保護膜の表面、又は保護膜と第一の電極が配設される電極間誘電体の両方の表面に集塵させる。そうすると、第一の電極を覆う保護膜の表面、又は保護膜と第一の電極が配設される電極間誘電体の両方の表面に粒子状物質が堆積され、電極間誘電体の表面に配設された一対の測定電極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、電気的特性の変化量を知って、保護膜の表面、又は保護膜と電極間誘電体の両方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。更に、本発明の粒子状物質検出装置は、一対の測定電極の表面に体積抵抗率が１０Ωｃｍ〜１０１２Ωｃｍの保護膜が配設されているため、測定電極が排ガス中の酸成分やアルカリ成分によって腐食されるのを防止することができる。そして、保護膜の体積抵抗率が１０Ωｃｍ〜１０１２Ωｃｍであるため、保護膜上に堆積した低抵抗の粒子状物質を電気的に認識できるという利点がある。
【００１９】
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。
【００２０】
本発明に係る粒子状物質検出装置では、電気的特性を測定するための測定電極が、同じ誘電体の表面に存在するため、測定電極間の距離の設定自由度が高く、高感度化が容易であるとともに、用途に応じ、任意の感度を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】本発明の粒子状物質検出装置の一の実施形態を示し、気体の流れる方向に平行且つ一の電極に直交する断面を示す模式図である。
【図１Ｂ】本発明の粒子状物質検出装置の一の実施形態を模式的に示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
［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。
【００２４】
図１Ａは、本発明の粒子状物質検出装置の一の実施形態を示し、気体の流れる方向に平行且つ一の電極に直交する断面を示す模式図である。図１Ｂは、本発明の粒子状物質検出装置の一の実施形態を模式的に示す平面図である。尚、図１Ｂにおいては、二の電極２は省略してある。また、図１Ａの粒子状物質検出装置は、図１ＢにおけるＡ−Ａ’断面図である。
【００２５】
図１Ａ及び図１Ｂに示すように、本実施形態の粒子状物質検出装置は、一の面が誘電体（電極間誘電体）４で被覆をされた板状を呈する第一の電極１、及びその第一の電極１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第一の電極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第二の電極２と、誘電体（電極間誘電体）４の表面に、対向して配設をされた一対の測定電極５，１５と、一対の測定電極５，１５の表面に配設された体積抵抗率が１０Ωｃｍ〜１０１２Ωｃｍの保護膜２１とを備えるものである。そして、一対の測定電極５，１５の間における電気的特性の変化量を測定することにより集塵をされた粒子状物質の量を求めることができるものである。ここで、「集塵をされた粒子状物質」とは、保護膜２１の表面、又は保護膜２１と誘電体（電極間誘電体）４の両方の表面に集塵された粒子状物質のことを意味する。つまり、本実施形態の粒子状物質検出装置のように、測定電極５，１５及び電極間誘電体４の表面全体が保護膜２１で覆われる場合には、保護膜２１の表面に集塵された粒子状物質のことであり、電極間誘電体４の表面の少なくとも一部が保護膜２１で覆われずに空間に露出している場合には、保護膜２１と電極間誘電体４の両方の表面に集塵された粒子状物質のことである。尚、耐久性の観点より、測定電極５，１５及び電極間誘電体４の表面全体が保護膜２１で覆われることが好ましい。本実施形態の粒子状物質検出装置１００は、一対の測定電極の表面に体積抵抗率が１０Ωｃｍ〜１０１２Ωｃｍの保護膜が配設されているため、測定電極が排ガス中の酸成分やアルカリ成分によって腐食されるのを防止することができる。
【００２６】
本実施形態の粒子状物質検出装置１００は、一対の測定電極５，１５の表面に配設された保護膜２１の体積抵抗率が、１０Ωｃｍ〜１０１２Ωｃｍであり、１０８Ωｃｍ〜１０１２Ωｃｍが好ましく、１０１０Ωｃｍ〜１０１２Ωｃｍが更に好ましい。保護膜２１の体積抵抗率がこのような範囲であるため、保護膜上に堆積した低抵抗の粒子状物質を電気的に精度よく認識できるという利点がある。保護膜２１の体積抵抗率が１０Ωｃｍより小さいと、保護膜上に堆積した低抵抗の粒子状物質を電気的に精度よく認識できないことがある。保護膜２１の体積抵抗率が１０１２Ωｃｍより大きいと、体積抵抗率の安定した保護膜が製造できず、体積抵抗率のばらつきによる測定精度が大きくなることがある。
【００２７】
保護膜２１の測定電極５，１５の表面における厚さは、１０〜５００μｍが好ましく、１０〜１００μｍが更に好ましい。保護膜２１の測定電極５，１５の表面における厚さがこのような範囲であることにより、高感度を維持しながら測定電極５，１５を保護することが可能となる。保護膜２１の測定電極５，１５の表面における厚さが、１０μｍより薄いと保護膜２１の強度が低下することがあり、５００μｍより厚いと感度が低下することがある。また、保護膜２１が電極間誘電体４の表面にも配設されている場合、電極間誘電体４の表面における保護膜２１の厚さは、１０〜５００μｍが好ましく、１０〜１００μｍが更に好ましい。保護膜２１の電極間誘電体４の表面における厚さがこのような範囲であることにより、保護膜２１の強度を維持しながら高感度な粒子状物質検出装置１００とすることができる。保護膜２１の電極間誘電体４の表面における厚さが、１０μｍより薄いと保護膜２１の強度が低下することがあり、５００μｍより厚いと感度が低下することがある。保護膜２１の材質としては、シリカ（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、チタニア（ＴｉＯ２）等の金属酸化物が好ましい。
【００２８】
保護膜２１は、金属ドープされたものであることが好ましい。ここで、「金属ドープされた」とは、体積抵抗をコントロールする目的で保護膜内におおむね均一に導電性の高い金属元素が配設された状態もしくは、表面から保護膜の厚さ方向にこの金属元素が濃度傾斜（表面が高濃度）がある状態をいう。保護膜２１に金属ドープすることにより、容易に体積抵抗率を制御することが可能となる。保護膜２１に含有される金属としては、アルミ、シリコン、チタン、金、ニッケル、白金等が好ましい。保護膜２１に含有される金属の量は、０．０１〜１０モル％が好ましく、０．１〜５モル％が更に好ましい。０．０１モル％より少ないと、体積抵抗率が大きくなることがあり、１０モル％より多いとドープ金属の偏在等により体積抵抗率が小さくなることがある。
【００２９】
保護膜２１は、測定電極５，１５の表面に配設された絶縁保護膜と、絶縁保護膜の表面に配設された体積抵抗率が１０−５Ωｃｍ〜１０Ωｃｍの低抵抗膜との２層から形成されるものであることが好ましい。このように、保護膜２１を、絶縁保護膜と低抵抗膜との２層によって形成することにより、粒子状物質の濃度（電極保護膜上への堆積）が少ない場合でも感度よく測定できるという利点がある。絶縁保護膜の材質は、シリカ（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、チタニア（ＴｉＯ２）等の金属酸化物が好ましい。絶縁保護膜の厚さは１０〜５００μｍが好ましく、１０〜１００μｍが更に好ましい。１０μｍより薄いと低抵抗膜と絶縁保護膜の下の測定電極が短絡する可能性がある。５００μｍより厚いと感度が低下することがある。表面に露出する低抵抗膜の材質は、チタン、ニッケル、アルミニウム、ケイ素、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）が好ましい。また、低抵抗膜が、ＩＴＯ膜（透明導電膜（インジウム酸化物とすず酸化物との混合物により形成された膜））であってもよい。低抵抗膜の厚さは０．００５〜０.１μｍが好ましく、０.００５〜０．０５μｍが更に好ましい。０．００５μｍより薄いと強度が低下したり、低抵抗膜が不連続膜となり感度の改善効果が得られないことがある。０．１μｍより厚いと感度が低下することがある。
【００３０】
保護膜２１は、測定電極５，１５の表面に配設された、表面に複数の微細な金属片が散在する絶縁保護膜であることが好ましい。保護膜２１をこのように、絶縁保護膜の表面に複数の微細な金属片が散在した構造とすることにより、粒子状物質の濃度（電極保護膜上への堆積）が少ない場合でも、散在した金属片によるブリッジ効果で感度よく測定できるという利点がある。複数の微細な金属片は、表面に露出する状態で、絶縁保護膜の表面に配設されている。金属片の材質としては、チタン、ニッケル、アルミニウム、ケイ素、クロム、金、白金、銀、タングステン、タングステンにニッケルめっきを施したもの、モリブデンにニッケルめっきを施したもの等の金属が好ましい。微細な金属片の大きさは、１０〜４０００μｍ２が好ましく、１００〜５００μｍ２が更に好ましい。１０μｍ２より小さいと、散在した金属片によるブリッジ効果が現れず感度よく測定できないことがある。４０００μｍ２より大きいと、散在した金属片によるブリッジ効果で感度よく測定できるものの、粒子状物質の堆積量の測定のダイナミックレンジが取れないことがある。金属片が配設される総面積としては、保護膜２１の表面全体に対して１〜８０％（面積基準）が好ましく、３０〜６０％が更に好ましい。金属片の厚さは、１〜１００μｍが好ましく、５〜５０μｍが更に好ましい。絶縁保護膜の材質としては、シリカ（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、チタニア（ＴｉＯ２）等の金属酸化物が好ましい。絶縁保護膜の厚さは、１０〜５００μｍが好ましく、１０〜１００μｍが更に好ましい。１０μｍより薄いと強度が低下することがある。５００μｍより厚いと感度が低下することがある。
【００３１】
保護膜２１は、測定電極５，１５の表面に形成された酸化膜であることが好ましい。保護膜２１を酸化膜とすることにより、電極の耐久性が向上するという利点がある。酸化膜としては、測定電極５，１５が酸化して形成される膜であることが好ましい。酸化膜の厚さは、０．１〜５μｍが好ましく、０．１〜１μｍが更に好ましい。０．１μｍより薄いと強度が低下することがある。５μｍより厚いと感度が低下することがある。
【００３２】
図１Ａ、図１Ｂに示すように、本実施形体の粒子状物質検出装置１００は、第一の電極１の、図１Ａ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、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を更に備えることが好ましい。また、第一の電極１と第二の電極２の間に電圧の印加をする集塵用電源、ヒータ７に電気を供給するヒータ用電源、一対の測定電極に接続されて一対の測定電極の間における電気的特性を測定する特性測定装置（手段）、粒子状物質の量を算出する粒子状物質量算出装置（手段）、粒子状物質の濃度を算出する粒子状物質濃度算出装置（手段）、第一の電極１と第二の電極２との間の空間に流れる排ガス等の気体の流量を測定する流量計、及び上記各装置を制御するための制御装置を備えるものであることが好ましい。制御装置は、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、粒子状物質濃度算出装置の他に、流量計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、ヒータ用電源や集塵用電源の制御や、測定モードの切換等を含め、装置全体の制御を行う。
【００３３】
本実施形体の粒子状物質検出装置１００は、粒子状物質を含む排気ガスが、図１Ａにおいて、矢印で示されるように、紙面上、左から右へ、板状を呈する第一の電極１を被覆する電極間誘電体４と、板状を呈する第二の電極２との間の空間を流れる。この排気ガスの流量は、上記流量計によって測定される。この状態で、集塵用電源により、第二の電極２に、例えば直流高電圧の印加をすると、放電が生じ、第二の電極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第一の電極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は、プラスの第一の電極１を被覆する保護膜２１の表面、又は保護膜２１の表面及び電極間誘電体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、その粒子状物質の堆積の程度によって、一対の測定電極５，１５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、集塵された粒子状物質（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。
【００３４】
測定電極５，１５により測定する電気的特性としては、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。例えば、測定電極５，１５間の電気的特性として、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。また、定電流源を使い、測定電極５，１５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、測定電極５，１５の間に流れる電流の変化や、測定電極５，１５の間に蓄積される電荷の変化を測定することによって、測定電極５，１５の間のインピーダンスの変化を測定してもよい。特性測定装置は、こ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。特性測定装置としては、例えば、測定電極５，１５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。
【００３５】
排気ガスが流れる空間を形成する保護膜２１と第二の電極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。保護膜２１と第二の電極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。
【００３６】
本実施形体の粒子状物質検出装置１００において、第一の電極１は、第二の電極２の対向電極として放電を行うとともに、荷電された粒子状物質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における板状の第一の電極１は、概ね長方形であることが好ましいが、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。板状の第二の電極２は、第一の電極１と同様に、概ね長方形であることが好ましいが、第一の電極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。
【００３７】
ここで、集塵用電源は、第一の電極１と第二の電極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。集塵用電源として、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。
【００３８】
本実施形体の粒子状物質検出装置１００において、測定電極５，１５は、互いに対向して配設をされ、測定電極５，１５間の電気的特性の変化を測定する。測定電極５と測定電極１５の間の距離は、一の電極１が粒子状物質を集塵することによって生じた、測定電極５，１５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】
一対の測定電極５，１５は、それぞれ線状を呈し、一対をなすそれぞれが複数に分岐をして、複数の対向部分を有して、誘電体の表面に配設されるものであることが好ましい。つまり、一対の測定電極５，１５は、測定電極５と測定電極１５とが、それぞれ櫛歯状に複数に分岐し、測定電極５と測定電極１５のそれぞれの櫛歯を構成する複数の歯に相当する部分が、交互並ぶように配置されている。つまり、櫛歯状の測定電極５の歯と歯の間に、櫛歯状の測定電極１５の歯が挟まれて、測定電極５と測定電極１５のそれぞれの櫛歯を構成する複数の歯が、互いにかみ合うようにして、測定電極５と測定電極１５とが電極間誘電体４の表面に配設されている。本実施形態の粒子状物質検出装置は、このように、櫛歯状の測定電極５と測定電極１５とが、互いの櫛歯がかみ合うように配設されているため、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ものである。また、一対の測定電極５，１５は、線状を呈し、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対向して、誘電体の表面に配設されるものであってもよい。また、測定電極５と測定電極１５が分岐して対向する複数の部分が、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、一対の対向する測定電極の間の距離が長いことは好ましくなく、一方、一対の対向する測定電極が、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。測定電極５，１５の厚さは、１０〜５００μｍが好ましく、１０〜１００μｍが更に好ましい。１０μｍより薄いと密着性が低下することがある。５００μｍより厚いと膜の応力で電極と下地界面にマイクロクラックが発生したり、膜の応力で素子そのものにそりが発生することがある。
【００４０】
測定電極５，１５が上記のように櫛歯状である場合、櫛歯の歯に相当する複数に分岐した部分の幅は、１０〜５００μｍが好ましく、５０〜２００μｍが更に好ましい。１０μｍより細いと断線することがある。２００μｍより広いと良好な素子の感度を得るためには素子の面積（測定電極面積）が大きくなりすぎることがある。また、櫛歯の歯に相当する部分の長さは、２〜５０ｍｍが好ましく、５〜１０ｍｍが更に好ましい。２ｍｍより短いと感度が低下することがある。５０ｍｍより長いと粒子状物質検出装置が大きくなりすぎることがある。
【００４１】
本実施形体の粒子状物質検出装置１００において、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の全部を燃焼することが可能なように決定すればよい。
【００４２】
ヒータ７は、粒子状物質を酸化して除去するときだけでなく、測定電極５，１５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、測定電極５，１５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。
【００４３】
ヒータ用電源としては、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が好ましい。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。また、好ましいヒータ用電源は、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。
【００４４】
本実施形体の粒子状物質検出装置１００において、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の熱を効率的に粒子状物質の燃焼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。
【００４５】
［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。
【００４６】
第一の電極１、第二の電極２、及び測定電極５，１５、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。また、第一の電極１、第二の電極２、及び測定電極５，１５、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。
【００４７】
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、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。又、これらを多孔質やファイバ状とすることも可能である。
【００４８】
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。
【００４９】
［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。
【００５０】
先ず、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。
【００５１】
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、焼成のときにおいて、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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
そして、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。
【００５６】
次に、得られた成形原料を、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。
【００５７】
そして、得られたグリーンシートの表面に、のちに一の電極１、一対の測定電極５，１５、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、一対の測定電極５，１５、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。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、測定電極５，１５及び必要な配線を、所望のパターンで印刷することで行う。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。
【００５８】
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、第一の電極１、電極間誘電体４、測定電極５，１５、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。
【００５９】
保護膜２１は、上記グリーン積層体の、測定電極５，１５を印刷した部分の表面に、保護膜をスクリーン印刷し、その後にグリーン積層体を乾燥、脱脂、焼成することにより形成することが好ましい。また、焼成積層体を形成した後に、ＣＶＤ（化学気相反応成膜法）により保護膜を形成してもよい。また、絶縁保護膜と低抵抗膜との２層からなる保護膜を形成する場合は、グリーン積層体の、測定電極５，１５を印刷した部分の表面に、スクリーン印刷により絶縁保護膜を形成し、その後にグリーン積層体を乾燥、脱脂、焼成し、その後に、ＣＶＤにより絶縁保護膜の表面に低抵抗膜を形成する方法が好ましい。また、表面に複数の微細な金属片が散在する絶縁保護膜からなる保護膜２１を形成する場合には、グリーン積層体の、測定電極５，１５を印刷した部分の表面に、絶縁保護膜をスクリーン印刷し、その後に、絶縁保護膜の表面に複数の微細な金属片をスクリーン印刷により形成し、その後に、グリーン積層体を乾燥、脱脂、焼成する方法が好ましい。
【００６０】
第二の電極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。第二の電極として、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。
【００６１】
また、粒子状物質を含む排気ガスが流れる空洞（空間）が形成されるように、上記焼成積層体と第二の電極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、上記のグリーン積層体の電極間誘電体４（測定電極５，１５）の側に、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、後に第二の電極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。
【００６２】
集塵用電源、特性測定装置及びヒータ用電源は、既述の好ましい仕様に合致した市販品を購入する。流量計も市販品を採用することが出来る。集塵用電源は、第一の電極１と第二の電極２に接続し、特性測定装置は、測定電極５，１５に接続し、ヒータ用電源はヒータ７に接続する。粒子状物質量算出装置及び粒子状物質濃度算出装置は、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。
【００６３】
［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を使用する場合を例にして、説明する。
【００６４】
（集塵工程）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。そして、集塵用電源によって第二の電極２と第一の電極１との間に、例えば直流の高電圧を印加し、粒子状物質を荷電させ、保護膜２１の表面に堆積させる。
【００６５】
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、粒子状物質の集塵量が少なくなるため、粒子状物質量の測定精度が低下することがあり、１２０秒より長いと、粒子状物質の集塵量が多くなるため、インピーダンスの変化量の検出から粒子状物質の量を正確に把握し難くなることがある。
【００６６】
第一の電極１及び第二の電極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。
【００６７】
第一の電極１と第二の電極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。
【００６８】
使用電力は、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。
【００６９】
（測定工程）粒子状物質の堆積を終えたら、第二の電極２と第一の電極１との間における高電圧の印加を停止し、特性測定装置を稼動させ、好ましくは１〜６０秒程度の時間で、測定電極５，１５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、粒子状物質の量及び濃度が求まる。尚、既述のように、保護膜２１の表面に堆積させつつ（高電圧を印加させつつ）、測定電極５，１５間のインピーダンスの変化量を測定することも出来る。但し、これらは別の測定モードとして取り扱うようにする。
【００７０】
特性測定装置を測定電極５，１５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。
【００７１】
（除去工程）測定電極５，１５間におけるインピーダンスの変化量の測定を終えたら、ヒータ用電源によってヒータ７を稼動させ、保護膜２１の表面に堆積した粒子状物質を酸化して除去する。
【００７２】
ヒータ用電源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に流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。
【００７３】
ヒータ７によって、粒子状物質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。
【００７４】
ヒータ７によって、保護膜２１の表面に集塵された粒子状物質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。
【００７５】
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放電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へ入力することによって、制御装置（シーケンサ等）で判断をさせることが可能である。
【実施例】
【００７６】
以下、本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
【００７７】
（実施例１）
（成形原料の調製）
アルミナをセラミック原料として使用し、バインダーとしてポリビニルブチラール、可塑剤としてフタル酸ジ−２−エチルヘキシル、分散剤としてソルビタントリオレエートを使用し、分散媒として有機溶剤（キシレン：ブタノール＝６：４（質量比））を使用し、これらをアルミナ製ポットに入れて混合し、グリーンシート製作用のスラリー状の成形原料を作製した。各原料の使用量は、アルミナ１００質量部に対して、バインダー７質量部、可塑剤３．５質量部、分散剤１．５質量部、有機溶剤１００質量部とした。
【００７８】
次に、得られたグリーンシート製作用のスラリー状の成形原料を、減圧下で撹拌して脱泡し、粘度４Ｐａ・ｓとなるように調製した。スラリーの粘度は、Ｂ型粘度計で測定した。
【００７９】
（成形加工）
次に、上記方法により得られたスラリー状の成形原料をドクターブレード法を用いてシート状に成形加工した。このとき、グリーンシートを積層したときに貫通孔（第一の電極と第二の電極との間に形成される空間）が形成されるように、切断部形成グリーンシートも作製した。グリーンシートの厚さは、２５０μｍとした。
【００８０】
得られたグリーンシートの表面に、図１Ａ、図１Ｂに示すような、各電極、ヒータ、配線を形成した。配設する各電極、ヒータ、配線を形成するための導体ペーストは、白金粉末に、溶剤として２−エチルヘキサノール、バインダーとしてポリビニルブチラール、可塑剤としてフタル酸ジ−２−エチルヘキシル、分散剤としてソルビタントリオレエート、グリーンシートの共生地としてアルミナ、焼結助剤としてガラスフリットを加え、らいかい機及びトリロールミルを用いて十分に混錬して調製した（質量比で、白金：アルミナ：ガラスフリット：２−エチルヘキサノール：ポリビニルブチラール：フタル酸ジ−２−エチルヘキシル：ソルビタントリオレエート＝８０：１５：５：５０：７：３．５：１）。また、ヒータを形成するための導体ペーストは、白金粉末に、溶剤として２−エチルヘキサノール、バインダーとしてポリビニルブチラール、可塑剤としてフタル酸ジ−２−エチルヘキシル、分散剤としてソルビタントリオレエート、グリーンシートの共生地としてアルミナ、焼結助剤としてガラスフリットを加え、らいかい機及びトリロールミルを用いて十分に混錬して調製した（質量比で、白金：アルミナ：ガラスフリット：２−エチルヘキサノール：ポリビニルブチラール：フタル酸ジ−２−エチルヘキシル：ソルビタントリオレエート＝８０：１５：５：５０：７：３．５：１）。このようにして形成した導体ペーストを、グリーンシートの表面にスクリーン印刷を用いて印刷して、所定の形状の電極等を形成した。
【００８１】
グリーンシートの積層は、グリーンシートを加熱可能な一軸プレス機を用いて加圧積層し、グリーンシートの積層体からなる粒子状物質検出装置の未焼成体（グリーン積層体）を得た。尚、図１Ａでは、第二の電極は、空間に露出した状態であるが、本実施例では、第二の電極を、２枚のグリーンシートに挟まれるように形成し、第二の電極が誘電体の内部に埋設されるものとした。
【００８２】
その後、グリーン積層体の測定電極になる部分の表面に、スクリーン印刷により保護膜になる部分を形成した。スクリーン印刷は、セリテック社製、商品名ＴＳＵ４０６０を用いて行った。保護膜の材質は、シリカとした。また、保護膜の厚さは、触針段差計を用いて測定した結果、５０μｍであった。
【００８３】
（焼成）
得られた、グリーン積層体（粒子状物質検出装置の未焼成体）を１２０℃で乾燥し、１５００℃で焼成して粒子状物質検出装置を作製した。得られた粒子状物質検出装置は、０．７ｃｍ×０．２ｃｍ×１２ｃｍの直方体であった。貫通孔は、排ガスの流通方向に垂直な断面形状が１０ｃｍ×０．５ｃｍの長方形であった。また、保護膜の体積抵抗率は、１０１１Ωｃｍであった。体積抵抗率は、三菱化学アナリテック社製のＭＣＰ−Ｔ６１０とＭＣＰ−ＨＴ４５０を用いて測定する。体積抵抗率が１０−３以上、１０６Ωｃｍ未満の膜に関しては前者の装置を用いて測定し、１０６から１０１３Ωｃｍの膜に関しては後者の装置を用いて測定する。体積抵抗率が未知の場合は、両方の装置を用いる。体積抵抗率測定のために同一工程を経たテストピースを用いる。このテストピースには基材となるグリーンシートと、測定用電極と同一の材質の円形電極と、その上に保護膜を有した構造になっている。体積抵抗率が１０６Ωｃｍ未満の場合は、四端子四深針法を用いて保護膜に接触させて抵抗値を測定し、テストピースの断面ＳＥＭ写真より保護膜厚を測定して保護膜の体積抵抗率を算出する。保護膜上に低抵抗膜がある場合は、四端子四深針法を用いて保護膜上の低抵抗膜に接触させて、テストピースの断面ＳＥＭ写真より低抵抗膜厚を測定して低抵抗膜の体積抵抗率を算出する。保護膜の体積抵抗率が１０６Ωｃｍ以上の場合は、保護膜上にＡｕスパッタリングにより二重の測定電極とガード電極を形成して、保護膜の体積抵抗率を測定する。上記の測定された保護膜の体積抵抗率はこの方法で測定した値である。
【００８４】
放電用の電源としては、パルス電源とＤＣ電源を用いた。電極間のインピーダンスを測定するための特性測定装置としては、アジレントテクノロジー社製のインピーダンスアナライザを用いた。得られた粒子状物質検出装置について、以下に示す方法で、粒子状物質検出装置の感度の測定（感度測定）及び測定電極の腐食試験を行った。結果を表１に示す。尚、表１においては、初期の静電容量と１分間集塵後の静電容量を示し、これら初期の静電容量と１分間集塵後の静電容量との差が感度を表している。
【００８５】
（感度測定）
得られた粒子状物質検出装置を、ディーゼルエンジンの排気管に設置した。ディーゼルエンジンとしては、排気量２０００ｃｃの直噴−ディーゼルエンジンを使用し、回転数１５００ｒｐｍ、トルク２４Ｎ・ｍ、ＥＧＲ（ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）開度５０％、排ガス温度２００℃、吸入空気１．３ｍ３（室温換算）／分の運転条件下で排ガスを発生させた。スモークメータ（ＡＶＬ社製、商品名：型式４１５８）による排ガス中の粒子状物質量は、２．０ｍｇ／ｍ３であった。粒子状物質の検出は、以下のように行った。ディーゼルエンジンから排ガスを発生させながら、粒子状物質を荷電集塵する前に、一対の電極間の初期の静電容量（ｐＦ）を、１分間に亘って６回測定し、その後、粒子状物質を１分間に亘って荷電集塵し、その後、荷電集塵操作を停止して、再度、静電容量（一対の電極間の１分間集塵後の静電容量）（ｐＦ）を、１分間に亘って６回測定した。初期の静電容量及び１分間集塵後の静電容量は、いずれも６回の測定の平均値を求めた。そして、初期の静電容量と１分間集塵後の静電容量との差が、粒子状物質検出装置の感度の指標となる。つまり、１分間集塵後の静電容量から初期の静電容量を差し引いた値が大きいほど、感度が良好であることになる。尚、本測定においては、ヒータによる粒子状物質の燃焼は行わないこととした。粒子状物質を荷電集塵する際には、高電圧電源による印加電圧をＤＣ２．０ｋＶとし、電極間の静電容量測定時には、測定部から印加電圧をＡＣ２Ｖ、周波数を１０ｋＨｚとした。
【００８６】
（腐食試験）
測定電極（素子）の腐食試験を以下の方法で行った。先ず０．０１３モル／Ｌの硝酸中に、３５０℃に素子を加熱した状態で当該素子を６０分間浸漬し、続いて０．００５９モル／Ｌの硫酸中に、３５０℃に素子を加熱した状態で当該素子を６０分間浸漬し、さらに０．００４９モル／Ｌのアンモニア水中に、３５０℃に素子を加熱した状態で当該素子を６０分間浸漬した後に、流水洗浄と乾燥を行い、測定電極の静電容量変化率を測定した。腐食試験のサンプル数は、各実施例、比較例ともｎ＝５本で実施した。静電容量変化率は、腐食試験前の測定電極の静電容量と腐食試験後の測定電極の静電容量との差を、腐食試験前の測定電極の静電容量で除算することにより求めた。
【００８７】
【表１】
【００８８】
（実施例２）
保護膜を金属ドープされたものとした以外は、実施例１と同様にして粒子状物質検出装置を作製した。金属ドープされた保護膜の作製は以下のように行った。保護膜の作製方法は実施例１と同様であるが、保護膜の原料をシリカとチタニアとし、ベースのシリカ（ＳｉＯ２）に対してチタニア（ＴｉＯ２）のＴｉ原子換算の配合比率を５モル％となるようにした。保護膜の体積抵抗率は、１０８Ωｃｍであった。実施例１の場合と同様に、感度測定及び腐食試験を行った。結果を表１に示す。
【００８９】
（実施例３）
保護膜を、絶縁保護膜と低抵抗膜との２層からなるものとした以外は、実施例１と同様にして粒子状物質検出装置を作製した。絶縁保護膜と低抵抗膜との２層からなる保護膜の作製は以下のように行った。グリーン積層体の、測定電極５，１５を印刷した部分の表面に、スクリーン印刷により絶縁保護膜を形成し、その後にグリーン積層体を実施例１の場合と同様に乾燥、焼成し、その後に、ＣＶＤにより絶縁保護膜の表面に低抵抗膜を形成した。スクリーン印刷は、セリテック社製、商品名ＴＳＵ４０６０を用いて行った。また、ＣＶＤは、ユーテック社製、商品名Ｓｕｐｅｒ７を用いて行った。絶縁保護膜の材質は、シリカとし、低抵抗膜の材質は、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）とした。また、絶縁保護膜の厚さは、６０μｍとし、低抵抗膜の厚さは、０．２μｍとした。保護膜の体積抵抗率は、０．３Ωｃｍであった。実施例１の場合と同様に、感度測定及び腐食試験を行った。結果を表１に示す。
【００９０】
（実施例４）
保護膜を、表面に複数の微細な金属片が散在する絶縁保護膜からなるものとした以外は、実施例１と同様にして粒子状物質検出装置を作製した。表面に複数の微細な金属片が散在する絶縁保護膜からなる保護膜の作製は以下のように行った。グリーン積層体の、測定電極５，１５を印刷した部分の表面に、絶縁保護膜をスクリーン印刷し、その後に、絶縁保護膜の表面に複数の微細な金属片をスクリーン印刷により形成し、その後に、グリーン積層体を実施例１の場合と同様に乾燥、焼成した。スクリーン印刷は、セリテック社製、商品名「ＴＳＵ４０６０」を用いて行った。絶縁保護膜の材質は、シリカとし、金属片の材質は、タングステンとし、乾燥、焼成後にニッケルめっきを施した。また、絶縁保護膜の厚さは、４５μｍとした。各金属片の大きさは、１００〜２００μｍ２程度とした。また、金属片が配設された面積は、絶縁保護膜の面積の１０％とした。保護膜の体積抵抗率は、１０１２Ωｃｍであった。実施例１の場合と同様に、感度測定及び腐食試験を行った。結果を表１に示す。
【００９１】
（実施例５）
保護膜を、測定電極の表面に形成された酸化膜とした以外は、実施例１と同様にして粒子状物質検出装置を作製した。測定電極の表面に酸化膜を形成する方法は、以下の通りである。素子を乾燥酸素雰囲気の雰囲気炉内にて６００℃−３時間の加熱を加えて酸化処理を行った。酸化膜の厚さは、３μｍとした。保護膜の体積抵抗率は、１０９Ωｃｍであった。実施例１の場合と同様に、感度測定及び腐食試験を行った。結果を表１に示す。
【００９２】
（比較例１）
保護膜を形成しなかった以外は、実施例１と同様にして粒子状物質検出装置を作製した。実施例１の場合と同様に、感度測定及び腐食試験を行った。結果を表１に示す。
【００９３】
表１より、実施例１〜５の粒子状物質検出装置は、良好な感度を維持している。また腐食試験後の測定電極の静電容量変化が１％以下であり、測定誤差範囲内に収まっているので、耐食性に優れていることがわかる。比較例１の粒子状物質検出装置は、感度は良好であるが、実施例１〜５の粒子状物質検出装置と比較して耐食性に劣ることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
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。
【符号の説明】
【００９５】
１：第一の電極、２：第二の電極、４：電極間誘電体、５，１５：測定電極、６：電極外誘電体、７：ヒータ、８：断熱材、２１：保護膜、１００：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第一の電極、及びその第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第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第二の電極と、
前記誘電体の表面に、対向して配設をされた一対の測定電極と、
前記一対の測定電極の表面に配設された体積抵抗率が１０Ωｃｍ〜１０１２Ωｃｍの保護膜とを備え、
前記一対の測定電極の間における電気的特性の変化量を測定することにより、集塵をされた粒子状物質の量を求めることができる粒子状物質検出装置。
【請求項２】
前記保護膜が、金属ドープされたものである請求項１に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項３】
前記保護膜が、前記測定電極の表面に配設された絶縁保護膜と、前記絶縁保護膜の表面に配設された体積抵抗率が１０−５Ωｃｍ〜１０Ωｃｍの低抵抗膜との２層から形成されるものである請求項１に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項４】
前記保護膜が、前記測定電極の表面に配設された、表面に複数の微細な金属片が散在する絶縁保護膜である請求項１に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項５】
前記保護膜が、前記測定電極の表面に形成された酸化膜である請求項１に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項６】
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１〜５の何れかに記載の粒子状物質検出装置。
【請求項７】
前記一対の測定電極が、線状を呈し、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対向して、前記誘電体の表面に配設をされる請求項１〜６の何れかに記載の粒子状物質検出装置。
【請求項８】
前記線状を呈する一対の測定電極は、一対をなすそれぞれが複数に分岐をして、複数の対向部分を有する請求項７に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項９】
前記複数の対向部分を有する一対の測定電極が、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８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第一の電極、及びその第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第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第二の電極と、
前記誘電体の表面に、対向して配設をされた一対の測定電極と、
前記一対の測定電極の表面に配設された体積抵抗率が１０Ωｃｍ〜１０１２Ωｃｍの保護膜とを備え、
前記一対の測定電極の間における電気的特性の変化量を測定することにより、集塵をされた粒子状物質の量を求めることができる粒子状物質検出装置。
【請求項２】
前記保護膜が、金属ドープされたものである請求項１に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項３】
前記保護膜が、前記測定電極の表面に配設された絶縁保護膜と、前記絶縁保護膜の表面に配設された体積抵抗率が１０−５Ωｃｍ〜１０Ωｃｍの低抵抗膜との２層から形成されるものである請求項１に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項４】
前記保護膜が、前記測定電極の表面に配設された、表面に複数の微細な金属片が散在する絶縁保護膜である請求項１に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項５】
前記保護膜が、前記測定電極の表面に形成された酸化膜である請求項１に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項６】
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１〜５の何れかに記載の粒子状物質検出装置。
【請求項７】
前記一対の測定電極が、線状を呈し、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対向して、前記誘電体の表面に配設をされる請求項１〜６の何れかに記載の粒子状物質検出装置。
【請求項８】
前記線状を呈する一対の測定電極は、一対をなすそれぞれが複数に分岐をして、複数の対向部分を有する請求項７に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項９】
前記複数の対向部分を有する一対の測定電極が、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８に記載の粒子状物質検出装置。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｂ】
【公開番号】特開２０１０−２１０５３９（Ｐ２０１０−２１０５３９Ａ）
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５８８５６（Ｐ２００９−５８８５６）
【出願日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
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