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WO2017208889A1 - 電荷発生素子及び微粒子数検出器 - Google Patents

電荷発生素子及び微粒子数検出器 Download PDF

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Publication number
WO2017208889A1
WO2017208889A1 PCT/JP2017/019053 JP2017019053W WO2017208889A1 WO 2017208889 A1 WO2017208889 A1 WO 2017208889A1 JP 2017019053 W JP2017019053 W JP 2017019053W WO 2017208889 A1 WO2017208889 A1 WO 2017208889A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
dielectric layer
charge
electrode
charge generation
nozzle
Prior art date
Application number
PCT/JP2017/019053
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
和幸 水野
英正 奥村
京一 菅野
Original Assignee
日本碍子株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日本碍子株式会社 filed Critical 日本碍子株式会社
Priority to EP17806446.5A priority Critical patent/EP3444909A4/en
Priority to JP2018520812A priority patent/JPWO2017208889A1/ja
Priority to CN201780029110.2A priority patent/CN109196741B/zh
Publication of WO2017208889A1 publication Critical patent/WO2017208889A1/ja
Priority to US16/184,123 priority patent/US20190072520A1/en

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Definitions

  • the present invention relates to a charge generation element and a particle number detector.
  • the fine particle number detector As the fine particle number detector, as in Patent Document 1, charge is added to the fine particles in the gas to be measured introduced into the housing, the fine particles to which the charge is added are collected, and the charge of the collected fine particles is collected. A method for measuring the number of fine particles based on the amount of the above is known. In this particle number detector, charges are added to the particles using a sharp needle-shaped charge generation electrode. Such a needle-shaped charge generation electrode adds charges to the fine particles by a local electric field at the tip, and thus it is difficult to add charges to the fine particles in a wide range.
  • a charge generation element as disclosed in Patent Document 2, a dielectric, a discharge electrode having fine protrusions disposed on the surface of the dielectric, and an induction electrode disposed on the back surface of the dielectric are provided. What you have is known. Since this charge generation element utilizes high-efficiency discharge using a dielectric as a barrier layer, it is possible to generate an equivalent amount of charge with a lower voltage and lower power consumption than a needle-shaped charge generation electrode.
  • the present invention has been made to solve such a problem, and a main object of the present invention is to provide a charge generating element capable of efficiently discharging generated charges.
  • the charge generating element of the present invention is A charge generating element that generates charges by air discharge, A dielectric layer; A discharge electrode provided on one surface of the dielectric layer; An induction electrode provided on the other surface of the dielectric layer; A nozzle provided so as to penetrate the dielectric layer at a position not interfering with the discharge electrode and the induction electrode in the dielectric layer; It is equipped with.
  • an air discharge is generated by applying a high voltage between the induction electrode and the discharge electrode, and an electric charge is generated by the air discharge.
  • the electric charge is generated, for example, when air is ionized.
  • high-efficiency discharge using a dielectric layer as a barrier layer is used, it is possible to generate an equivalent amount of charge at a lower voltage and lower power consumption than a needle-shaped charge generation electrode.
  • the electric charge generated at the discharge electrode is discharged to the induction electrode through a nozzle provided in the dielectric layer.
  • the nozzle is arranged separately from the charge generation element, there is a risk that charges may adhere to the wall surface of the connection passage connecting the charge generation element and the nozzle.
  • the nozzle is incorporated in the charge generation element. Therefore, there is no connection passage, and no charge is attached to the wall surface. Therefore, the generated charges can be efficiently released.
  • charge includes positive and negative charges as well as ions.
  • the charge generating element of the present invention may add the generated charge to the fine particles contained in the gas.
  • an electric charge may be added to fine particles contained in automobile exhaust gas.
  • the dielectric layer may have the nozzle at the center of the dielectric layer. In this way, the generated charges are easily released from the nozzle.
  • the nozzle opening shape may be a polygon, a circle, or an ellipse.
  • the “polygon” includes a quadrangle, a pentagon, a hexagon, and the like, but a quadrangle is preferable.
  • the dielectric layer may be a cone shape or a pyramid shape, and the nozzle may be provided at the tip of the dielectric layer.
  • Cone shape includes an elliptical cone shape as well as a cone shape.
  • the “pyramid shape” includes a polygonal pyramid shape such as a quadrangular pyramid shape, and a quadrangular pyramid shape is preferable.
  • the outer shape of the dielectric layer is circular or elliptical, and when the dielectric layer is pyramid-shaped, the outer shape of the dielectric layer is polygonal. In such a charge generating element, the outer shape of the dielectric layer may be the outer shape of the charge generating element.
  • the external shape of the charge generation element is preferably matched to the cross-sectional shape of the gas inlet side and the gas outlet side of the vent pipe.
  • the charge generation element can be hermetically attached to the vent pipe, and therefore, it is possible to prevent the charge from leaking from the gap between the vent pipe and the charge generation element.
  • the discharge electrode may be provided on the inner surface of the dielectric layer, and the induction electrode may be provided on the outer surface or inside of the dielectric layer.
  • the discharge electrode and the induction electrode may be provided in a plurality of pairs, and each may be arranged radially or annularly around the nozzle. By doing so, a large number of discharge electrodes and induction electrodes can be arranged in the dielectric layer, and thus charges can be generated efficiently.
  • the dielectric layer may have a vibration source that vibrates the dielectric layer. In this way, it is possible to prevent the generated charges from adhering to the dielectric layer by vibrating the dielectric layer with the vibration source. Moreover, it is possible to prevent clogging of the nozzle.
  • the particle number detector according to the present invention includes the above-described charge generation element that adds charges to the particles in the gas introduced into the vent pipe, and the amount of charges of the particles to which charges have been added or the amount of charges that have not been added to the particles. Detecting means for detecting the number of fine particles in the gas based on the amount.
  • the above-described charge generation element uses high-efficiency discharge using a dielectric layer as a barrier layer, it can generate the same amount of charge with lower voltage and lower power consumption than a needle-shaped charge generation electrode. it can. Further, the electric charge generated at the discharge electrode is discharged to the downstream side in the gas traveling direction through a nozzle provided in the dielectric layer itself.
  • the nozzle When the nozzle is arranged separately from the charge generation element, there is a risk that charges may adhere to the wall surface of the connection passage connecting the charge generation element and the nozzle.
  • the nozzle In the present invention, the nozzle is incorporated in the charge generation element. Therefore, such a connection passage does not exist, and no charge or fine particles to which charge is added adhere to the wall surface. Therefore, the generated charges can be efficiently released. “Detecting the number of fine particles” means not only measuring the number of fine particles but also whether or not the number of fine particles falls within a predetermined numerical range (for example, whether or not a predetermined threshold value is exceeded). It shall include the case of judging.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the particle number detector 10.
  • FIG. 3 is a plan view of the charge generation element 20.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
  • FIG. 3 is a rear view of the charge generation element 20.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the charge generation element 120.
  • FIG. 6 is a plan view of the charge generation element 220.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the particle number detector 10
  • FIG. 2 is a plan view of the charge generation element 20
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. is there.
  • the fine particle number detector 10 measures the number of fine particles contained in a gas (for example, exhaust gas from an automobile). As shown in FIG. 1, the particle number detector 10 includes a charge generating element 20, a collecting device 40, a surplus charge removing device 50, a number measuring device 60, and a heater 70 in a ceramic ventilation tube 12. Yes.
  • the vent pipe 12 has a gas inlet 12a for introducing gas into the vent pipe 12 and a gas outlet 12b for discharging the gas that has passed through the vent pipe 12.
  • the charge generation element 20 adds a charge 18 to the fine particles 16 in the gas introduced into the vent tube 12, and as shown in FIGS. 1 to 4, the dielectric layer 22, the discharge electrode 26, the induction electrode, and the like. 30 and a power source 34.
  • the dielectric layer 22 is made of, for example, mica or ceramic, and is disposed so as to block the passage of the vent pipe 12. In other words, the dielectric layer 22 is disposed so as to block the progress of the gas.
  • a through hole is provided in the center of the dielectric layer 22, and this through hole functions as the nozzle 24.
  • the nozzle 24 is provided at a position where it does not interfere with the discharge electrode 26 and the induction electrode 30.
  • the dielectric layer 22 has an ultrasonic transducer 36 in the vicinity of the nozzle 24.
  • the discharge electrode 26 has a rectangular shape, and a plurality of protrusions 26a are provided on the long sides facing each other. A portion of the discharge electrode 26 other than the protrusion 26a is referred to as a base line 26b.
  • a plurality of discharge electrodes 26 (eight in FIG. 2) are provided radially on the surface of the dielectric layer 22 on the upstream side in the gas traveling direction with the nozzle 24 as the center. All the discharge electrodes 26 are connected to a ring-shaped discharge electrode terminal 28 provided on the outer periphery of the dielectric layer 22.
  • the induction electrode 30 is a rectangular electrode, and a plurality of induction electrodes 30 (16 in FIG. 2) are formed radially on the downstream surface of the dielectric layer 22 in the gas traveling direction. ) Is provided. All the induction electrodes 30 are connected to ring-shaped induction electrode terminals 32 provided on the outer periphery of the dielectric layer 22. Two induction electrodes 30 form a pair with respect to one discharge electrode 26. When the dielectric layer 22 is seen through from the downstream surface in the gas traveling direction, the induction electrodes 30 are arranged on both sides of one discharge electrode 26, respectively. Specifically, the two induction electrodes 30 paired with one discharge electrode 26 do not overlap, and the long side of one induction electrode 30 faces one long side of the discharge electrode 26, and the discharge electrode 26. The long side of the other induction electrode 30 faces the other long side.
  • the power supply 34 is connected to the discharge electrode terminal 28 and the induction electrode terminal 32, and can ground the induction electrode terminal 32 and apply a high voltage (negative voltage) to the discharge electrode terminal 28.
  • a high voltage is applied to the discharge electrode terminal 28
  • an air discharge for example, corona discharge, dielectric barrier discharge, both corona discharge and dielectric barrier discharge, etc.
  • charges 18 are added to the fine particles 16 in the gas introduced from the gas inlet 12a on the surface of the dielectric layer 22 where the discharge electrode 26 is provided.
  • the fine particles 16 to which the electric charge 18 has been added ride on the gas flow and proceed from the nozzle 24 to the hollow portion 12 c in the vent pipe 12.
  • the collection device 40 is a device that collects the fine particles 16 to which the electric charge 18 is added, and is provided in the hollow portion 12 c in the vent pipe 12.
  • the collection device 40 includes an electric field generation unit 42 and a collection electrode 48.
  • the electric field generating part 42 has a negative electrode 44 embedded in the wall of the hollow part 12 c and a positive electrode 46 embedded in the wall facing the negative electrode 44.
  • the collection electrode 48 is exposed on the wall of the hollow portion 12c in which the positive electrode 46 is embedded.
  • a negative potential ⁇ V1 is applied to the negative electrode 44 of the electric field generator 42, and a ground potential Vss is applied to the positive electrode 46.
  • the level of the negative potential ⁇ V1 is from the ⁇ mV order to ⁇ several tens of volts.
  • the surplus charge removing device 50 is a device that removes the electric charge 18 that has not been added to the fine particles 16, and is provided in front of the collecting device 40 (upstream in the gas traveling direction) in the hollow portion 12c.
  • the surplus charge removing device 50 includes an electric field generating unit 52 and a removing electrode 58.
  • the electric field generator 52 has a negative electrode 54 embedded in the wall of the hollow portion 12 c and a positive electrode 56 embedded in the wall facing the negative electrode 54.
  • the removal electrode 58 is exposed on the wall of the hollow portion 12c in which the positive electrode 56 is embedded.
  • a negative potential ⁇ V2 is applied to the negative electrode 54 of the electric field generator 52, and a ground potential Vss is applied to the positive electrode 56.
  • the level of the negative potential ⁇ V2 is from the ⁇ mV order to ⁇ several tens of volts.
  • the absolute value of the negative potential ⁇ V2 is one digit or more smaller than the absolute value of the negative potential ⁇ V1 applied to the negative electrode 44 of the collection device 40.
  • the number measuring device 60 is a device that measures the number of the fine particles 16 based on the amount of the charges 18 of the collected fine particles 16, and includes a current measuring unit 62 and a number calculating unit 64. Between the current measuring unit 62 and the collecting electrode 48, a capacitor 66, a resistor 67, and a switch 68 are connected in series from the collecting electrode 48 side.
  • the switch 68 is preferably a semiconductor switch. When the switch 68 is turned on and the collecting electrode 48 and the current measuring unit 62 are electrically connected, a current based on the electric charge 18 added to the fine particles 16 attached to the collecting electrode 48 is supplied to the capacitor 66 and the resistor. The transient response is transmitted to the current measuring unit 62 through the series circuit 67.
  • the current measuring unit 62 can use a normal ammeter.
  • the number calculation unit 64 calculates the number of fine particles 16 based on the current value from the current measurement unit 62.
  • the heater 70 is embedded in the wall of the hollow portion 12c where the collecting electrode 48 is provided.
  • the heater 70 is supplied with electric power from a power source (not shown) when the collecting electrode 48 is refreshed by incinerating the fine particles 16 collected by the collecting electrode 48.
  • the heater 70 is also used when the number of fine particles is measured in a state in which the influence of polymer hydrocarbons called SOF (Soluble Organic Fraction) is eliminated.
  • the particulate number detector 10 When measuring particulates contained in the exhaust gas of an automobile, the particulate number detector 10 is attached in the exhaust pipe of the engine. At this time, the particulate matter detector 10 is attached so that the exhaust gas is introduced into the vent pipe 12 from the gas inlet 12a of the particulate detector 10 and discharged from the gas outlet 12b.
  • the fine particles 16 contained in the exhaust gas introduced into the vent pipe 12 from the gas inlet 12a pass through the nozzle 24 after charge 18 (electrons) is added on the discharge electrode 26 side of the charge generation element 20, and pass through the hollow portion 12c. to go into.
  • the fine particles 16 to which the electric charge 18 is added are collected by passing through the surplus charge removing device 50 as it is, whose electric field is weak and the length of the removal electrode 58 is 1/20 to 1/10 as short as the length of the hollow portion 12c. Device 40 is reached. Further, the electric charge 18 that has not been added to the fine particles 16 also passes through the nozzle 24 and enters the hollow portion 12c.
  • Such charges 18 are attracted to the positive electrode 56 of the surplus charge removing device 50 even if the electric field is weak, and are discarded to the GND via the removing electrode 58 installed in the middle thereof. Thereby, the unnecessary charges 18 that have not been added to the fine particles 16 hardly reach the collection device 40.
  • the fine particles 16 to which the electric charge 18 is added reach the collecting device 40, they are attracted to the positive electrode 46 and collected by the collecting electrode 48 installed in the middle thereof.
  • a current based on the electric charge 18 added to the fine particles 16 attached to the collecting electrode 48 is transmitted to the current measuring unit 62 of the number measuring device 60 as a transient response through a series circuit including a capacitor 66 and a resistor 67. .
  • the number calculation unit 64 integrates (accumulates) the current value from the current measurement unit 62 over a period during which the switch 68 is on (switch-on period) to obtain an integral value (accumulated charge amount) of the current value. . After the switch-on period, the accumulated charge amount is divided by the elementary charge to obtain the total number of charges (collected charge number), and the collected charge number is divided by the average value of the number of charges added to one fine particle 16. Thus, the number of fine particles 16 attached to the collecting electrode 48 over a certain time (for example, 5 to 15 seconds) can be obtained.
  • the number calculating unit 64 repeatedly performs the calculation for calculating the number of the fine particles 16 in a predetermined time over a predetermined period (for example, 1 to 5 minutes) and accumulates the fine particles attached to the collection electrode 48 over the predetermined period.
  • the number of 16 can be calculated. Further, by using the transient response by the capacitor 66 and the resistor 67, it is possible to measure even with a small current, and the number of the fine particles 16 can be detected with high accuracy.
  • a minute current at a pA (picoampere) level or an nA (nanoampere) level for example, a minute current can be measured by increasing the time constant using the resistor 67 having a large resistance value.
  • power is supplied to the heater 70 to incinerate the fine particles 16 collected on the collecting electrode 48 to refresh the collecting electrode 48.
  • the charge generation element 20 of the present embodiment since high-efficiency discharge using the dielectric layer 22 as a barrier layer is used, lower voltage and lower consumption than the needle-shaped charge generation electrode. An equivalent amount of charge can be generated with electric power. Further, the generated charges 18 and the fine particles 16 to which the charges 18 are added are discharged from the upstream side in the gas traveling direction to the downstream side through the nozzle 24 incorporated in the dielectric layer 22. Therefore, there is no connection path connecting the nozzle generating element and the nozzle, and the charge 18 and the fine particles 16 to which the charge 18 is added do not adhere to the wall surface of the connection path. Therefore, the charges 18 and the fine particles 16 to which the charges are added can be efficiently discharged to the hollow portion 12c with almost no loss.
  • the dielectric layer 22 has the nozzle 24 at the center of the dielectric layer 22, the charge 18 generated by the charge generation element 20 and the fine particles 16 to which the charge 18 is added are easily emitted from the nozzle 24.
  • the amount of generated charges can be increased compared to the case where only one electrode pair is present. it can.
  • the dielectric layer 22 has the ultrasonic vibrator 36, the dielectric layer 22 is vibrated by the ultrasonic vibrator 36, whereby the charges 18 and the fine particles 16 to which the charges 18 are added are formed in the dielectric layer. It is possible to prevent the particles 22 from adhering to the surface 22 and to remove the adhered fine particles 16. Further, it is possible to prevent the nozzle 24 from being clogged.
  • the charge generation element 20 including the flat dielectric layer 22 is illustrated, but the charge generation element 120 including the cone-shaped dielectric layer 122 is employed as shown in FIG. May be.
  • the charge generation element 120 has the same configuration as the charge generation element 20 except that the shape of the dielectric layer 122 is different. Therefore, the same components as those of the charge generation element 20 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • the tip of the cone-shaped dielectric layer 122 is disposed downstream in the gas traveling direction.
  • the cone shape includes an elliptical cone shape as well as a cone shape.
  • the outer shape of the dielectric layer 122 is circular or elliptical.
  • the nozzle 124 is provided at the tip of the dielectric layer 122.
  • the discharge electrode 26 is provided on the inner surface of the cone-shaped dielectric layer 122, and the induction electrode 30 is provided on the outer surface of the cone-shaped dielectric layer 122.
  • the charge generation element 120 the charge 18 generated by the discharge electrode 26 and the fine particles 16 to which the charge 18 is added are smoothly guided to the nozzle 124 by the cone-shaped dielectric layer 122. Released to the part 12c.
  • the dielectric layer 122 may have a pyramid shape.
  • the pyramid shape includes a polygonal pyramid shape such as a quadrangular pyramid shape, but a quadrangular pyramid shape is preferable.
  • the outer shape of the dielectric layer 122 is a polygon.
  • the discharge electrode 26 and the induction electrode 30 are arranged radially with the nozzle 24 as the center.
  • the discharge electrode 226 and the induction electrode 230 are annular with the nozzle 24 as the center. You may arrange in. Specifically, the discharge electrode 226 is annularly arranged, and the induction electrodes 230 are annularly arranged on the inner peripheral side and the outer peripheral side of the discharge electrode 226, respectively.
  • a plurality of electrode pairs including one discharge electrode 226 and two induction electrodes 230 are arranged in a ring shape. Therefore, the amount of generated charges can be increased compared to the case where there is only one electrode pair.
  • the protrusion of the discharge electrode 226 is omitted in FIG. 6, the same protrusion as that of the discharge electrode 26 may be provided.
  • the number of the fine particles 16 to which the electric charges 18 are added is measured.
  • the electric charges 18 are added by subtracting the number of the electric charges 18 that are not added to the fine particles 16 from the total number of the generated electric charges 18.
  • the number of fine particles 16 may be obtained (see, for example, the third embodiment of Patent Document 1). Specifically, first, the number (N1) of charges 18 generated in the charge generation element 20 is measured using a gas in which the fine particles 16 are hardly present. Next, using a gas containing fine particles 16, the number (N 2) of the charges 18 generated by the charge generation element 20 that are not added to the fine particles 16 is measured.
  • the charge 18 generated at the discharge electrode 26 of the charge generation element 20 is added to the fine particles 16 included in the gas, and the fine particles 16 to which the charge 18 is added are emitted from the nozzle 24.
  • a mixing region is provided in front of the hollow portion 12c (upstream side in the gas traveling direction) in the ventilation pipe 12, and a charge generation element 20 is provided in front of the mixing region, and charge is generated from the exhaust gas of an automobile including fine particles. It may be introduced into the mixing region without going through the element 20.
  • the charge generation element 20 ionizes air supplied from the upstream side by air discharge to generate charges (ions), and discharges the charges from the nozzle 24 to the mixing region.
  • exhaust gas containing fine particles is introduced into the mixing region.
  • electric charges are added to the fine particles in the exhaust gas.
  • the fine particles to which charges are added in this way are introduced from the mixing region into the hollow portion 12c. Thereafter, the number of fine particles to which electric charges are added is measured in the same manner as in the above-described embodiment.
  • the ultrasonic transducer 36 is disposed in the vicinity of the nozzle 24.
  • the ultrasonic transducer 36 may be disposed at a position away from the nozzle 24, or may be disposed on the dielectric layer 22 and on the induction electrode 30 or the discharge electrode 26. You may arrange
  • the dielectric layer 22 may not have the ultrasonic transducer 36, but it is preferable to have it.
  • the protrusion 26a is provided on the discharge electrode 26. However, the protrusion 26a may be omitted. In the above-described embodiment, the surplus charge removing device 50 is provided, but this may be omitted.
  • the outer shape of the charge generation element 20 (the outer shape of the dielectric layer 22) is a disc shape, but is not particularly limited to a disc shape, and has a shape that matches the cross-sectional shape of the vent pipe. do it.
  • the charge generation element 20 can be hermetically attached to the vent tube 12, so that it is possible to prevent charges from leaking from the gap between the vent tube 12 and the charge generation element 20.
  • the cross-sectional shape of the vent pipe is a square
  • the outer shape of the charge generation element 20 may be a square. This also applies to the charge generation element 120.
  • the particle number detector 10 that measures the number of particles in the gas is illustrated, but instead of measuring the number of particles in the gas, whether or not the number of particles falls within a predetermined range (for example, it may be determined whether or not a predetermined threshold is exceeded.
  • the discharge electrode 26 is provided on one surface of the dielectric layer 22 and the induction electrode 30 is provided on the other surface is shown, but the present invention is not particularly limited thereto.
  • the dielectric layer 22 may be embedded inside.
  • the opening shape of the nozzle 24 is circular, but it may be polygonal or elliptical. This also applies to the nozzle 124 of the charge generation element 120.
  • Example 1 By grinding a cylindrical 96% alumina sintered body having an outer diameter of 28 mm, an inner diameter of 5 mm, and a height of 14 mm, the outer diameter of the bottom surface is 28 mm, the inner diameter is 27 mm, the outer diameter of the upper surface is 6 mm, and the inner diameter is A cone-shaped (conical truncated cone) alumina sintered body having a height of 5 mm and a height of 14 mm was produced. In this example, this alumina sintered body was used as a dielectric layer substrate.
  • the cone-shaped alumina sintered body can also be produced by a gel cast method in which a ceramic slurry is poured into a mold.
  • a coating device equipped with an inkjet head at the tip of the robot arm was prepared.
  • the dielectric layer substrate was supported on the stage.
  • An ink jet head provided with a nozzle can be moved in all directions by a robot arm, and a cone-shaped dielectric substrate can also be moved in all directions by a stage.
  • the platinum paste was injected into the inkjet head, the platinum paste was applied as the discharge electrode inside the cone-shaped dielectric layer substrate, and the platinum paste was applied as the induction electrode outside.
  • Discharge and induction electrodes with high application accuracy are formed by applying platinum paste while moving the head and stage so that the area where the platinum paste is applied on the dielectric layer substrate and the nozzle of the inkjet head are close to each other. did.
  • An arbitrary discharge electrode pattern can be formed by changing the coating pattern of the coating apparatus.
  • the platinum paste is pulverized so that the particle size of platinum is smaller than the nozzle diameter of the ink jet head to prevent nozzle clogging, and the organic solvent content is made higher than the platinum paste used in Comparative Example 1 described later.
  • the applicability was improved by lowering the viscosity.
  • the dielectric layer substrate after applying the platinum paste was baked to obtain a charge generating element in which the discharge electrode, the induction electrode, the dielectric layer, and the nozzle were integrated.
  • the length of the discharge electrode was 15 mm
  • the width (excluding the protrusions) was 0.12 mm
  • the protrusion shape was a triangle
  • the number of protrusions was 38
  • the protrusion pitch was 0.3 mm.
  • Example 2 A cone-shaped alumina sintered body was produced in the same manner as in Example 1, and this was divided into two in the longitudinal direction, whereby two half members were produced. In this example, these two half members were used as the dielectric layer substrate.
  • the half member can also be manufactured by a gel cast method in which ceramic slurry is poured into a mold. A through hole for taking out the cable wire was provided by drilling the half member.
  • a SUS316 sheet having a thickness of 20 ⁇ m was laser processed to remove discoloration and burrs due to heat by chemical polishing, thereby producing discharge electrodes and induction electrodes.
  • the length, width (excluding protrusions), protrusion shape, number of protrusions, and protrusion pitch of the discharge electrode were the same as those in Example 1.
  • the discharge electrode thus obtained was bonded to the inside of each of the two halved members, and the induction electrode was bonded to each of the two halved members with a glass paste, followed by welding.
  • the two half members thus fabricated were bonded together with the glass paste described above and welded to obtain a charge generating element in which the discharge electrode, induction electrode, dielectric layer and nozzle were integrated.
  • a cable wire was attached to the electrode pad of the discharge electrode and the induction electrode provided in the charge generation element.
  • the cable line connected to the discharge electrode was passed through the previous through hole.
  • Example 1 A cone-shaped alumina sintered body was produced in the same manner as in Example 1. In this comparative example, this alumina sintered body was used as a casing. Next, by using a ceramic slurry containing alumina powder, a sheet is formed by a doctor blade method so that the thickness after sintering is 0.5 mm, and after firing, it is cut into a width of 16 mm and a depth of 7 mm. A dielectric layer substrate for the charge generation element was produced. A discharge electrode was formed by screen printing a platinum paste on one surface of the dielectric layer substrate, and an induction electrode was formed by screen printing the platinum paste on the other surface.
  • the dielectric layer substrate on which both electrodes were formed was fired to obtain a charge generating element.
  • the length, width (excluding protrusions), protrusion shape, number of protrusions, and protrusion pitch of the discharge electrode were the same as those in Example 1.
  • This charge generation element was fixed in a cone-shaped alumina sintered body.
  • a cable wire was attached to the electrode pad of the discharge electrode and the induction electrode formed on the charge generation element.
  • a through hole was made in the housing by drilling, and a cable line connected to the discharge electrode was passed through this through hole.
  • the charge generation element of Example 1 After connecting the cable line to the output cable of the high voltage amplifier, the above-described pulse wave was applied. At this time, the ion density was 7.6 ⁇ 10 6 ions / cc.
  • the cable wave was connected to the output cable of the high voltage amplifier, and then the pulse wave described above was applied. At this time, the ion density was 7.8 ⁇ 10 6 ions / cc.
  • the above-described pulse wave was applied after connecting the cable wire to the output cable of the high-voltage amplifier. .
  • the ion density was 5.8 ⁇ 10 6 ions / cc.
  • the charge generating element of the present invention can be used for, for example, a particle number detector.
  • Fine particle counter 10 Fine particle counter, 12 Vent pipe, 12a Gas inlet, 12b Gas outlet, 12c Hollow part, 16 Fine particles, 18 Charge, 20 Charge generating element, 22 Dielectric layer, 24 Nozzle, 26 Discharge electrode, 26a Protrusion, 26b Base line, 28 discharge electrode terminal, 30 induction electrode, 32 induction electrode terminal, 34 power supply, 36 ultrasonic transducer, 40 collection device, 42 electric field generator, 44 negative electrode, 46 positive electrode, 48 collection electrode, 50 surplus Charge removal device, 52 electric field generation unit, 54 negative electrode, 56 positive electrode, 58 removal electrode, 60 number measurement device, 62 current measurement unit, 64 number calculation unit, 66 capacitor, 67 resistor, 68 switch, 70 heater, 120 charge generation Element, 122 dielectric layer, 124 nozzle, 220 charge generation element, 226 Discharge electrodes, 230 induction electrode.

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Abstract

電荷発生素子２０は、気中放電により電荷を発生する素子である。この電荷発生素子２０は、誘電体層２２と、誘電体層２２の一方の面に設けられた放電電極２６と、誘電体層２２の他方の面に設けられた誘導電極３０と、誘電体層２２のうち放電電極２６及び誘導電極３０と干渉しない位置に誘電体層２２を貫通するように設けられたノズル２４とを備えている。電荷発生素子２０の放電電極２６で発生した電荷はノズル２４を通って反対側へ放出される。

Description

電荷発生素子及び微粒子数検出器
　本発明は、電荷発生素子及び微粒子数検出器に関する。
　微粒子数検出器としては、特許文献１のように、筐体内に導入された被測定ガス中の微粒子に電荷を付加し、電荷が付加された微粒子を捕集し、捕集された微粒子の電荷の量に基づいて微粒子の個数を測定するものが知られている。この微粒子数検出器では、先鋭な針形状の電荷発生電極を用いて微粒子に電荷を付加している。このような針形状の電荷発生電極は、先端部における局所的な電界によって微粒子に電荷を付加するため、広い範囲で微粒子に電荷を付加することは難しかった。
　一方、電荷発生素子としては、特許文献２のように、誘電体と、その誘電体表面に配設される微細な突起を有する放電電極と、その誘電体裏面に配設される誘導電極とを備えたものが知られている。この電荷発生素子では、誘電体をバリア層とした高効率放電を利用しているため、針形状の電荷発生電極に比べ、低電圧、低消費電力で同等の電荷量を発生させることができる。
国際公開第２０１５／１４６４５６号パンフレット 特開２００８－４４８８号公報
　特許文献１の微粒子数検出器において、微粒子に電荷を付加するにあたり、針形状の電荷発生電極の代わりに特許文献２の電荷発生素子を適用すれば、低電圧、低消費電力で同等の電荷量を発生させることができる。その場合、電荷発生素子の下流側に電荷発生素子とは別体のノズルを配置し、電荷発生素子で発生した電荷や電荷が付加された微粒子をそのノズルから捕集装置へ放出することが考えられる。しかしながら、電荷発生素子からノズルまでの通路において、電荷発生素子で発生した電荷や電荷が付加された微粒子が通路の内壁に付着してしまい、それらを効率よく捕集装置へ放出することができないという問題がある。
　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、発生した電荷を効率よく放出することのできる電荷発生素子を提供することを主目的とする。
　本発明の電荷発生素子は、
　気中放電により電荷を発生する電荷発生素子であって、
　誘電体層と、
　前記誘電体層の一方の面に設けられた放電電極と、
　前記誘電体層の他方の面に設けられた誘導電極と、
　前記誘電体層のうち前記放電電極及び前記誘導電極と干渉しない位置に前記誘電体層を貫通するように設けられたノズルと、
　を備えたものである。
　この電荷発生素子では、誘導電極と放電電極との間に高電圧を印加することにより気中放電を生じさせ、その気中放電によって電荷を発生させる。電荷は、例えば空気が電離することにより発生する。ここでは、誘電体層をバリア層とした高効率放電を利用しているため、針形状の電荷発生電極に比べて、低電圧、低消費電力で同等の電荷量を発生させることができる。また、放電電極で発生した電荷は、誘電体層に設けられたノズルを通って誘導電極側へ放出される。ノズルを電荷発生素子と別々に配置した場合には、電荷発生素子とノズルとを繋ぐ接続通路の壁面に電荷が付着してしまうおそれがあるが、本発明ではノズルは電荷発生素子に組み込まれているため、接続通路が存在せず、その壁面に電荷が付着することもない。したがって、発生した電荷を効率よく放出することができる。
　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。
　本発明の電荷発生素子は、発生した電荷をガスに含まれる微粒子に付加するものとしてもよい。例えば、自動車の排ガスに含まれる微粒子に電荷を付加してもよい。
　本発明の電荷発生素子において、前記誘電体層は、前記誘電体層の中心に前記ノズルを有していてもよい。こうすれば、発生した電荷がノズルから放出されやすい。
　本発明の電荷発生素子において、前記ノズルの開口形状は、多角形、円形又は楕円形としてもよい。「多角形」には、四角形や五角形、六角形なども含まれるが、四角形が好ましい。
　本発明の電荷発生素子において、前記誘電体層は、コーン形状又はピラミッド形状であり、前記ノズルは、前記誘電体層の尖端に設けられていてもよい。「コーン形状」には、円錐形状のほか楕円錐形状も含まれる。「ピラミッド形状」には、四角錐形状などの多角錐形状が含まれるが、四角錐形状が好ましい。誘電体層がコーン形状の場合には、誘電体層の外形は円形又は楕円形になり、誘電体層がピラミッド形状の場合には、誘電体層の外形は多角形になる。こうした電荷発生素子では、誘電体層の外形が電荷発生素子の外形となるようにしてもよい。電荷発生素子の外形は、通気管のガス導入口側とガス排出口側の断面形状に合わせることが好ましい。こうすれば、通気管内に電荷発生素子を気密に取り付けることができるため、通気管と電荷発生素子との隙間から電荷が漏れ出すのを防ぐことができる。こうした電荷発生素子において、前記放電電極は、前記誘電体層の内面に設けられ、前記誘導電極は、前記誘電体層の外面又は内部に設けられていてもよい。こうすれば、放電電極で発生した電荷は、コーン形状又はピラミッド形状の誘電体層によってノズルへスムーズに誘導されるため、誘導電極側へ効率よくノズルから放出される。
　本発明の電荷発生素子において、前記放電電極及び前記誘導電極は、複数の対をなすように設けられており、各々前記ノズルを中心として放射状又は環状に配置されていてもよい。こうすれば、誘電体層に放電電極や誘導電極を多く配置することができるため、効率よく電荷を発生することができる。
　本発明の電荷発生素子において、前記誘電体層は、前記誘電体層を振動させる振動源を有していてもよい。こうすれば、振動源により誘電体層を振動させることで、発生した電荷が誘電体層上に付着するのを防止できる。また、ノズルの詰まりが発生するのを防止することができる。
　本発明の微粒子数検出器は、通気管内に導入されたガス中の微粒子に電荷を付加する上述した電荷発生素子と、電荷が付加された微粒子の電荷の量又は微粒子に付加されなかった電荷の量に基づいて前記ガス中の微粒子の数を検出する検出手段と、を備えたものである。
　この微粒子数検出器では、通気管内に導入されたガス中の微粒子に上述した電荷発生素子を利用して電荷を付加し、電荷が付加された微粒子の電荷の量又は微粒子に付加されなかった電荷の量に基づいてガス中の微粒子の数を検出する。上述した電荷発生素子では誘電体層をバリア層とした高効率放電を利用しているため、針形状の電荷発生電極に比べて、低電圧、低消費電力で同等の電荷量を発生させることができる。また、放電電極で発生した電荷は誘電体層そのものに設けられたノズルを通ってガス進行方向の下流側へ放出される。ノズルを電荷発生素子と別々に配置した場合には、電荷発生素子とノズルとを繋ぐ接続通路の壁面に電荷が付着してしまうおそれがあるが、本発明ではノズルは電荷発生素子に組み込まれているため、そのような接続通路が存在せず、その壁面に電荷や電荷が付加された微粒子が付着することもない。したがって、発生した電荷を効率よく放出することができる。なお、「微粒子の数を検出する」とは、微粒子の数を測定する場合のほか、微粒子の数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。
微粒子数検出器１０の概略構成を表す断面図。 電荷発生素子２０の平面図。 図２のＡ－Ａ断面図。 電荷発生素子２０の背面図。 電荷発生素子１２０の断面図。 電荷発生素子２２０の平面図。
　本発明の好適な実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は微粒子数検出器１０の概略構成を表す断面図、図２は電荷発生素子２０の平面図、図３は図２のＡ－Ａ断面図、図４は電荷発生素子２０の背面図である。
　微粒子数検出器１０は、ガス（例えば自動車の排ガス）に含まれる微粒子の数を計測するものである。この微粒子数検出器１０は、図１に示すように、セラミック製の通気管１２内に、電荷発生素子２０、捕集装置４０、余剰電荷除去装置５０、個数測定装置６０及びヒータ７０を備えている。通気管１２は、ガスを通気管１２内に導入するガス導入口１２ａと、通気管１２を通過してきたガスを排出するガス排出口１２ｂとを有している。
　電荷発生素子２０は、通気管１２内に導入されたガス中の微粒子１６に電荷１８を付加するものであり、図１～図４に示すように、誘電体層２２、放電電極２６、誘導電極３０及び電源３４を備えている。
　誘電体層２２は、例えば雲母やセラミックなどで構成されており、通気管１２の通路を塞ぐように配置されている。換言すれば、誘電体層２２は、ガスの進行を遮るように配置されている。誘電体層２２の中心には貫通孔が設けられており、この貫通孔がノズル２４として機能する。ノズル２４は、放電電極２６及び誘導電極３０と干渉しない位置に設けられている。誘電体層２２は、ノズル２４の近傍に超音波振動子３６を有している。
　放電電極２６は、図２に示すように、長方形状であり、互いに向かい合う長辺には複数の突起２６ａが設けられている。この放電電極２６のうち突起２６ａ以外の部分をベースライン２６ｂと称する。放電電極２６は、誘電体層２２のうちガス進行方向の上流側の面に、ノズル２４を中心として放射状に複数個（図２では８個）設けられている。すべての放電電極２６は、誘電体層２２の外周に設けられたリング状の放電電極端子２８に接続されている。
　誘導電極３０は、図４に示すように、長方形状の電極であり、誘電体層２２のうちガス進行方向の下流側の面に、ノズル２４を中心として放射状に複数個（図２では１６個）設けられている。すべての誘導電極３０は、誘電体層２２の外周に設けられたリング状の誘導電極端子３２に接続されている。誘導電極３０は、１つの放電電極２６に対して２つがひと組となって対をなしている。誘電体層２２をガス進行方向の下流側の面から透視すると、１つの放電電極２６の両脇にそれぞれ誘導電極３０が配置されている。具体的には、１つの放電電極２６と対をなす２つの誘導電極３０とが重ならず、その放電電極２６の一方の長辺に片方の誘導電極３０の長辺が対峙し、放電電極２６の他方の長辺にもう片方の誘導電極３０の長辺が対峙している。
　電源３４は、放電電極端子２８と誘導電極端子３２に接続され、誘導電極端子３２を接地すると共に放電電極端子２８に高電圧（負電圧）を印加可能となっている。放電電極端子２８に高電圧が印加されると、放電電極２６と誘導電極３０との電位差によって気中放電（例えばコロナ放電、誘電体バリア放電、コロナ放電と誘電体バリア放電の両方など）が起こる。気中放電が起きると、誘電体層２２のうち放電電極２６が設けられた面で、ガス導入口１２ａから導入されたガス中の微粒子１６に電荷１８（ここでは電子）が付加される。電荷１８が付加された微粒子１６はガスの流れに乗ってノズル２４から通気管１２内の中空部１２ｃへ進む。
　捕集装置４０は、電荷１８が付加された微粒子１６を捕集する装置であり、通気管１２内の中空部１２ｃに設けられている。捕集装置４０は、電界発生部４２及び捕集電極４８を有している。電界発生部４２は、中空部１２ｃの壁に埋設された負極４４と、その負極４４に対向する壁に埋設された正極４６とを有している。捕集電極４８は、正極４６が埋設された中空部１２ｃの壁に露出している。電界発生部４２の負極４４には負電位－Ｖ１が印加され、正極４６には接地電位Ｖｓｓが印加される。負電位－Ｖ１のレベルは－ｍＶオーダーから－数１０Ｖである。これにより、中空部１２ｃの内部には正極４６から負極４４に向かう電界が発生する。したがって、中空部１２ｃに入り込んだ微粒子１６（電荷１８が付加されている）は、発生している電界によって、正極４６に引き寄せられ、その途中に設置された捕集電極４８に捕集される。
　余剰電荷除去装置５０は、微粒子１６に付加されなかった電荷１８を除去する装置であり、中空部１２ｃのうち捕集装置４０の手前（ガス進行方向の上流側）に設けられている。余剰電荷除去装置５０は、電界発生部５２及び除去電極５８を有している。電界発生部５２は、中空部１２ｃの壁に埋設された負極５４と、その負極５４に対向する壁に埋設された正極５６とを有している。除去電極５８は、正極５６が埋設された中空部１２ｃの壁に露出している。電界発生部５２の負極５４には負電位－Ｖ２が印加され、正極５６には接地電位Ｖｓｓが印加される。負電位－Ｖ２のレベルは－ｍＶオーダーから－数１０Ｖである。負電位－Ｖ２の絶対値は、捕集装置４０の負極４４に印加される負電位－Ｖ１の絶対値よりも１桁以上小さい。これにより、正極５６から負極５４に向かう弱い電界が発生する。したがって、電荷発生素子２０で気中放電によって発生した電荷１８のうち、微粒子１６に付加されなかった電荷１８は、弱い電界によって正極５６に引き寄せられ、その途中に設置された除去電極５８を介してＧＮＤに捨てられる。
　個数測定装置６０（検出手段）は、捕集された微粒子１６の電荷１８の量に基づいて微粒子１６の個数を測定する装置であり、電流測定部６２及び個数算出部６４を有している。電流測定部６２と捕集電極４８との間には、捕集電極４８側からコンデンサ６６と抵抗器６７とスイッチ６８とが直列に接続されている。スイッチ６８は、半導体スイッチが好ましい。スイッチ６８がオンされて捕集電極４８と電流測定部６２とが電気的に接続されると、捕集電極４８に付着した微粒子１６に付加された電荷１８に基づく電流が、コンデンサ６６と抵抗器６７からなる直列回路を介して過渡応答として電流測定部６２に伝達される。電流測定部６２は、通常の電流計を用いることができる。個数算出部６４は、電流測定部６２からの電流値に基づいて微粒子１６の個数を演算する。
　ヒータ７０は、中空部１２ｃのうち捕集電極４８が設けられた壁に埋設されている。ヒータ７０は、捕集電極４８に捕集された微粒子１６を焼却して捕集電極４８をリフレッシュするときに図示しない電源から電力が供給されるようになっている。なお、ヒータ７０は、ＳＯＦ（Ｓｏｌｕｂｌｅ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｆｒａｃｔｉｏｎ：可溶性有機成分）と呼ばれる高分子炭化水素の影響をなくした状態で微粒子数を測定する際にも利用される。
　次に、微粒子数検出器１０の使用例について説明する。自動車の排ガスに含まれる微粒子を計測する場合、エンジンの排気管内に微粒子数検出器１０を取り付ける。このとき、排ガスが微粒子数検出器１０のガス導入口１２ａから通気管１２内に導入され、ガス排出口１２ｂから排出されるように微粒子数検出器１０を取り付ける。
　ガス導入口１２ａから通気管１２内に導入された排ガスに含まれる微粒子１６は、電荷発生素子２０の放電電極２６側で電荷１８（電子）が付加されたあとノズル２４を通過して中空部１２ｃに入る。電荷１８が付加された微粒子１６は、電界が弱く除去電極５８の長さが中空部１２ｃの長さに対して１／２０～１／１０と短い余剰電荷除去装置５０をそのまま通過して捕集装置４０に至る。また、微粒子１６に付加されなかった電荷１８も、ノズル２４を通過して中空部１２ｃに入る。こうした電荷１８は、電界が弱くても余剰電荷除去装置５０の正極５６に引き寄せられ、その途中に設置された除去電極５８を介してＧＮＤに捨てられる。これにより、微粒子１６に付加されなかった不要な電荷１８は捕集装置４０にほとんど到達することがない。
　電荷１８が付加された微粒子１６は、捕集装置４０に至ると、正極４６に引き寄せられ、その途中に設置された捕集電極４８に捕集される。捕集電極４８に付着された微粒子１６に付加された電荷１８に基づく電流が、コンデンサ６６と抵抗器６７からなる直列回路を介して過渡応答として個数測定装置６０の電流測定部６２に伝達される。
　電流Ｉと電荷量ｑの関係は、Ｉ＝ｄｑ／（ｄｔ）、ｑ＝∫Ｉｄｔである。したがって、個数算出部６４は、スイッチ６８がオンされている期間（スイッチオン期間）にわたって電流測定部６２からの電流値を積分（累算）して電流値の積分値（蓄積電荷量）を求める。スイッチオン期間の経過後に、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１６に付加する電荷の数の平均値で除算することで、一定時間（例えば５～１５秒）にわたって捕集電極４８に付着していた微粒子１６の個数を求めることができる。そして、個数算出部６４は、一定時間における微粒子１６の個数を算出する演算を、所定期間（例えば１～５分）にわたって繰り返し行って積算することで、所定期間にわたって捕集電極４８に付着した微粒子１６の個数を算出することができる。また、コンデンサ６６と抵抗器６７による過渡応答を利用することで、小さな電流でも測定することが可能となり、微粒子１６の個数を高精度に検出することができる。ｐＡ（ピコアンペア）レベルやｎＡ（ナノアンペア）レベルの微小な電流であれば、例えば抵抗値の大きい抵抗器６７を使用して時定数を大きくすることで、微小な電流の測定が可能となる。なお、適時、ヒータ７０に電力を供給して捕集電極４８に捕集された微粒子１６を焼却して捕集電極４８をリフレッシュする。
　以上詳述した本実施形態の電荷発生素子２０によれば、誘電体層２２をバリア層とした高効率放電を利用しているため、針形状の電荷発生電極に比べて、低電圧、低消費電力で同等の電荷量を発生させることができる。また、発生した電荷１８や電荷１８が付加された微粒子１６は誘電体層２２に組み込まれたノズル２４を通ってガス進行方向の上流側から下流側へ放出される。そのため、ノズル発生素子とノズルとを繋ぐ接続通路が存在せず、その接続通路の壁面に電荷１８や電荷１８が付加された微粒子１６が付着することもない。したがって、電荷１８や電荷が付加された微粒子１６をほとんどロスすることなく効率よく中空部１２ｃへ放出することができる。
　また、誘電体層２２は、誘電体層２２の中心にノズル２４を有しているため、電荷発生素子２０で発生した電荷１８や電荷１８が付加された微粒子１６がノズル２４から放出されやすい。
　更に、１つの放電電極２６と２つの誘導電極３０からなる電極対が複数個、放射状に配置されているため、電極対が１つだけの場合に比べて発生する電荷の量を多くすることができる。
　更にまた、誘電体層２２は超音波振動子３６を有しているため、超音波振動子３６により誘電体層２２を振動させることで電荷１８や電荷１８が付加された微粒子１６が誘電体層２２上に付着するのを防止することができ、また、付着した微粒子１６を除去することができる。また、ノズル２４の詰まりが発生するのを防止することができる。
　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、平板状の誘電体層２２を備えた電荷発生素子２０を例示したが、図５に示すようにコーン形状の誘電体層１２２を備えた電荷発生素子１２０を採用してもよい。電荷発生素子１２０は、誘電体層１２２の形状が異なる以外は、電荷発生素子２０と同様の構成である。そのため、電荷発生素子２０と同じ構成要素については同じ符号を付し、その説明を省略する。電荷発生素子１２０は、コーン形状の誘電体層１２２の尖端がガス進行方向の下流側に配置される。コーン形状には、円錐形状のほか楕円錐形状も含まれる。誘電体層１２２がコーン形状の場合には、誘電体層１２２の外形は円形又は楕円形になる。また、ノズル１２４は、誘電体層１２２の尖端に設けられる。放電電極２６はコーン形状の誘電体層１２２の内面に、誘導電極３０はコーン形状の誘電体層１２２の外面に設けられている。この電荷発生素子１２０では、放電電極２６で発生した電荷１８や電荷１８が付加された微粒子１６は、コーン形状の誘電体層１２２によってノズル１２４へスムーズに誘導されるため、効率よくノズル２４から中空部１２ｃへ放出される。なお、誘電体層１２２をピラミッド形状としてもよい。ピラミッド形状には、四角錐形状などの多角錐形状が含まれるが、四角錐形状が好ましい。誘電体層１２２がピラミッド形状の場合には、誘電体層１２２の外形は多角形になる。
　上述した実施形態では、放電電極２６や誘導電極３０をノズル２４を中心として放射状に配置したが、図６の電荷発生素子２２０のように、ノズル２４を中心として放電電極２２６や誘導電極２３０を環状に配置してもよい。具体的には、放電電極２２６が環状に配置し、その放電電極２２６の内周側と外周側にそれぞれ誘導電極２３０が環状に配置されている。また、１つの放電電極２２６と２つの誘導電極２３０からなる電極対が複数個、環状に配置されている。そのため、電極対が１つだけの場合に比べて発生する電荷の量を多くすることができる。なお、図６では放電電極２２６の突起を省略したが、放電電極２６と同様の突起を設けてもよい。
　上述した実施形態では、電荷１８が付加された微粒子１６の数を計測したが、発生する電荷１８の総数から微粒子１６に付加しなかった電荷１８の数を差し引くことにより、電荷１８が付加された微粒子１６の数を求めてもよい（例えば特許文献１の第３の実施の形態参照）。具体的には、まず、微粒子１６がほとんど存在しないガスを使用して電荷発生素子２０で発生した電荷１８の数（Ｎ１）を計測する。次に、微粒子１６を含むガスを使用して、電荷発生素子２０で発生した電荷１８のうち微粒子１６に付加しなかったものの数（Ｎ２）を計測する。電荷発生素子２０で発生した電荷１８のうち微粒子１６に付加したものの数（Ｎ３）は、Ｎ３＝Ｎ１－Ｎ２で求めることができる。そして、Ｎ３を、１つの微粒子１６に付加する電荷の数の平均値ＮＡで除した値（Ｎ）は、微粒子１６の数と実質的に同じであり、Ｎ＝Ｎ３／ＮＡで求めることができる。このようにしてもガスに含まれる微粒子数を計測することができる。
　上述した実施形態では、電荷発生素子２０の放電電極２６で発生した電荷１８をガスに含まれる微粒子１６に付加させ、電荷１８が付加された微粒子１６をノズル２４から放出するようにしたが、特にこの構成に限定されない。例えば、通気管１２内のうち中空部１２ｃの手前（ガス進行方向の上流側）に混合領域を設け、その混合領域の手前に電荷発生素子２０を設けると共に、微粒子を含む自動車の排ガスを電荷発生素子２０を経由せずに混合領域に導入するようにしてもよい。この場合、電荷発生素子２０は、上流側から供給される空気を気中放電により電離させて電荷（イオン）を発生させ、その電荷をノズル２４から混合領域に放出する。一方、混合領域には、微粒子を含む排ガスが導入される。この混合領域では、排ガス中の微粒子に電荷が付加される。このように電荷が付加された微粒子は、混合領域から中空部１２ｃへ導入される。その後は上述した実施形態と同様にして電荷が付加された微粒子の数が計測される。
　上述した実施形態では、超音波振動子３６をノズル２４の近傍に配置したが、ノズル２４から離れた位置に配置してもよいし、誘電体層２２上であって誘導電極３０や放電電極２６が存在しない領域に配置してもよい。また、誘電体層２２は超音波振動子３６を有していなくてもよいが、有していた方が好ましい。
　上述した実施形態では、放電電極２６に突起２６ａを設けたが、この突起２６ａを省略してもよい。また、上述した実施形態では、余剰電荷除去装置５０を設けたが、これを省略してもよい。
　上述した実施形態では、電荷発生素子２０の外形（誘電体層２２の外形）を円板状としたが、特に円板状に限定されるものではなく、通気管の断面形状に合った形状にすればよい。こうすれば、通気管１２内に電荷発生素子２０を気密に取り付けることができるため、通気管１２と電荷発生素子２０との隙間から電荷が漏れ出すのを防ぐことができる。例えば、通気管の断面形状が四角形だったならば電荷発生素子２０の外形も四角形にすればよい。この点は電荷発生素子１２０も同様である。
　上述した実施形態では、ガス中の微粒子の数を計測する微粒子数検出器１０を例示したが、ガス中の微粒子の数を計測する代わりに、その微粒子の数が所定範囲に入るか否か（例えば所定の閾値を超えるか否か）を判定してもよい。
　上述した実施形態では、誘電体層２２の一方の面に放電電極２６、他方の面に誘導電極３０を設けた例を示したが、特にこれに限定されるものではなく、例えば誘導電極３０を誘電体層２２の内部に埋設してもよい。
　上述した実施形態では、ノズル２４の開口形状を円形としたが、多角形としてもよいし楕円形としてもよい。この点は、電荷発生素子１２０のノズル１２４も同様である。
［実施例１］
　外径が２８ｍｍ、内径が５ｍｍ、高さが１４ｍｍの円筒形の９６％アルミナ焼結体を研削加工することにより、底面の外径が２８ｍｍ、内径が２７ｍｍ、上面の外径が６ｍｍ、内径が５ｍｍ、高さが１４ｍｍのコーン形状（円錐台形状）のアルミナ焼結体を作製した。本実施例では、このアルミナ焼結体を誘電体層基板として使用した。コーン形状のアルミナ焼結体は、セラミックスラリーを型に流し込んで成形するゲルキャスト法によっても、作製することができる。
　次に、ロボットアームの先端にインクジェットヘッドを備えた塗布装置を用意した。また、誘電体層基板をステージに支持した。ノズルを備えたインクジェットヘッドは、ロボットアームにより全方向に可動することができ、また、コーン形状の誘電体基板も、ステージにより全方向に可動することができる。
　インクジェットヘッドに、白金ペーストを注入し、コーン形状の誘電体層基板の内側に、放電電極として白金ペーストを塗布し、外側に、誘導電極として白金ペーストを塗布した。誘電体層基板の白金ペーストを塗布する領域とインクジェットヘッドのノズルとが近接するように、ヘッドとステージとを移動させながら白金ペーストを塗布することで、塗布精度の高い放電電極と誘導電極を形成した。なお、塗布装置の塗布パターンを変更することで、任意の放電電極パターンを形成することができる。また、白金ペーストは白金の粒径がインクジェットヘッドのノズル径よりも小さくなるように微粉化し、ノズル詰まりを防ぐとともに、後述する比較例１で使用した白金ペーストよりも有機溶剤の含有率を高くし、粘性を下げることで、塗布性を高めた。白金ペーストを塗布した後の誘電体層基板を焼成することで、放電電極、誘導電極、誘電体層及びノズルが一体となった電荷発生素子を得た。放電電極の長さは１５ｍｍ、幅（突起を除く）は０．１２ｍｍ、突起部形状は三角形、突起数は３８個、突起のピッチは０．３ｍｍであった。
　その後、誘電体層基板に穴あけ加工をすることにより、ケーブル線の取り出し用貫通孔を設けた。最後に、電荷発生素子に放電電圧を印加するために、電荷発生素子に設けた放電電極と誘導電極の電極パッドにケーブル線を取り付けた。放電電極に繋いだケーブル線を先ほどの貫通孔に通した。
［実施例２］
　実施例１と同様にしてコーン形状のアルミナ焼結体を作製し、これを縦方向に２分割することにより、半割部材を２体作製した。本実施例では、この２体の半割部材を誘電体層基板として使用した。なお、半割部材は、セラミックスラリーを型に流し込んで成形するゲルキャスト法でも、製作することができる。この半割部材に穴あけ加工をすることにより、ケーブル線の取り出し用貫通孔を設けた。
　厚みが２０μｍのＳＵＳ３１６シートをレーザ加工し、熱による変色やバリを化学研磨で除去することにより、放電電極及び誘導電極を作製した。放電電極の長さ、幅（突起を除く）、突起部形状、突起数、突起のピッチについては、実施例１と同じとした。
　こうして得られた放電電極を２つの半割部材のそれぞれの内側に、誘導電極を２つの半分割部材のそれぞれの外側に、ガラスペーストで貼り合せた後、溶着することで接合した。こうして作製した２体の半割部材を、前述したガラスペーストで貼り合わせ、溶着することで、放電電極、誘導電極、誘電体層及びノズルが一体となった電荷発生素子を得た。
　最後に、電荷発生素子に放電電圧を印加するために、電荷発生素子に設けた放電電極と誘導電極の電極パッドにケーブル線を取り付けた。放電電極に繋いだケーブル線を先ほどの貫通孔に通した。
［比較例１］
　実施例１と同様にしてコーン形状のアルミナ焼結体を作製した。本比較例では、このアルミナ焼結体を筐体として使用した。次に、アルミナ粉末を含有したセラミックスラリーを用いて、焼結後の厚みが０．５ｍｍになるようにドクターブレード法によりシートを成形し、焼成後、幅１６ｍｍ、奥行７ｍｍに切断することで、電荷発生素子の誘電体層基板を作製した。誘電体層基板の一方の面に白金ペーストをスクリーン印刷することにより放電電極を形成し、他方の面に白金ペーストをスクリーン印刷することにより誘導電極を形成した。その後、両電極を形成した誘電体層基板を焼成することにより、電荷発生素子を得た。放電電極の長さ、幅（突起を除く）、突起部形状、突起数、突起のピッチについては、実施例１と同じとした。この電荷発生素子を、コーン形状のアルミナ焼結体の中に固定した。電荷発生素子に放電電圧を印加するために、電荷発生素子に形成した放電電極と誘導電極の電極パッドにケーブル線を取り付けた。さらに、筐体に穴あけ加工により貫通孔をあけ、この貫通孔に放電電極に繋いだケーブル線を通した。
［電荷発生素子の評価］
　実施例１、実施例２及び比較例１で作製した電荷発生素子について、評価試験を行った。評価方法としては、電荷発生素子に、電圧３０００Ｖ、オフセット電圧１５００Ｖ、パルス幅５０μｓｅｃ、周期１ｍｓｅｃのパルス波を印加したときのイオン密度を測定した。ファンクションジェネレーター（テクトロニクス社製）でパルス波を発生させ、高電圧アンプ（トレック社製）で高電圧に増幅したパルス波を、電荷発生素子に印加し、電荷発生素子から発生したイオンの密度を、空気イオンカウンター（泰榮電器エンジニアリング製）で吸引しながら測定した。吸引量は１．５リットル／分とした。
　実施例１の電荷発生素子について、ケーブル線を高電圧アンプの出力ケーブルに接続した後、前述したパルス波を印加した。このとき、イオン密度は７．６×１０6個／ｃｃであった。
　実施例２の電荷発生素子について、ケーブル線を高電圧アンプの出力ケーブルに接続した後、前述したパルス波を印加した。このとき、イオン密度は７．８×１０6個／ｃｃであった。
　比較例１で作製した電荷発生素子を筐体（コーン形状のアルミナ焼結体）の内部に組み込んだものについて、ケーブル線を高電圧アンプの出力ケーブルに接続した後、前述したパルス波を印加した。このとき、イオン密度は５．８×１０6個／ｃｃであった。
　このように、実施例１、実施例２では比較例１よりもイオン密度が１．８×１０6個／ｃｃ～２×１０6個／ｃｃ増大したことから、実施例１、実施例２の電荷発生素子は、通路の内壁に付着する電荷を低減し、電荷を効率よく捕集装置に放出することができることがわかった。
　本出願は、２０１６年６月３日に出願された日本国特許出願第２０１６－１１１７１８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。
　なお、上述した実施例は本発明を何ら限定するものでないことは言うまでもない。
　本発明の電荷発生素子は、例えば微粒子数検出器などに利用可能である。
１０　微粒子数計測器、１２　通気管、１２ａ　ガス導入口、１２ｂ　ガス排出口、１２ｃ　中空部、１６　微粒子、１８　電荷、２０　電荷発生素子、２２　誘電体層、２４　ノズル、２６　放電電極、２６ａ　突起、２６ｂ　ベースライン、２８　放電電極端子、３０　誘導電極、３２　誘導電極端子、３４　電源、３６　超音波振動子、４０　捕集装置、４２　電界発生部、４４　負極、４６　正極、４８　捕集電極、５０　余剰電荷除去装置、５２　電界発生部、５４　負極、５６　正極、５８　除去電極、６０　個数測定装置、６２　電流測定部、６４　個数算出部、６６　コンデンサ、６７　抵抗器、６８　スイッチ、７０　ヒータ、１２０　電荷発生素子、１２２　誘電体層、１２４　ノズル、２２０　電荷発生素子、２２６　放電電極、２３０　誘導電極。

Claims (10)

  1. 　気中放電により電荷を発生する電荷発生素子であって、
    　誘電体層と、
    　前記誘電体層の一方の面に設けられた放電電極と、
    　前記誘電体層の他方の面又は内部に設けられた誘導電極と、
    　前記誘電体層のうち前記放電電極及び前記誘導電極と干渉しない位置に前記誘電体層を貫通するように設けられたノズルと、
    　を備えた電荷発生素子。
  2. 　前記発生した電荷をガスに含まれる微粒子に付加する、
    　請求項１に記載の電荷発生素子。
  3. 　前記誘電体層は、前記誘電体層の中心に前記ノズルを有している、
    　請求項１又は２に記載の電荷発生素子。
  4. 　前記ノズルの開口形状は、多角形、円形又は楕円形である、
    　請求項１～３のいずれか１項に記載の電荷発生素子。
  5. 　前記誘電体層は、コーン形状であり、
    　前記ノズルは、前記誘電体層の尖端に設けられている、
    　請求項１～４のいずれか１項に記載の電荷発生素子。
  6. 　前記誘電体層は、ピラミッド形状であり、
    　前記ノズルは、前記誘電体層の尖端に設けられている、
    　請求項１～４のいずれか１項に記載の電荷発生素子。
  7. 　前記放電電極は、前記誘電体層の内面に設けられ、
    　前記誘導電極は、前記誘電体層の外面又は内部に設けられている、
    　請求項５又は６に記載の電荷発生素子。
  8. 　前記放電電極及び前記誘導電極は、複数の対をなすように設けられており、各々前記ノズルを中心として放射状又は環状に配置されている、
    　請求項１～７のいずれか１項に記載の電荷発生素子。
  9. 　前記誘電体層は、前記誘電体層を振動させる振動源を有している、
    　請求項１～８のいずれか１項に記載の電荷発生素子。
  10. 　通気管内に導入されたガス中の微粒子に電荷を付加する請求項１～９のいずれか１項に記載の電荷発生素子と、
    　電荷が付加された微粒子の電荷の量又は微粒子に付加されなかった電荷の量に基づいて前記ガス中の微粒子の数を検出する検出手段と、
    　を備えた微粒子数検出器。
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