特許 6787837 微粒子検出センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6787837

(24)【登録日】2020年11月2日

(45)【発行日】2020年11月18日

(54)【発明の名称】微粒子検出センサ

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/00 20060101AFI20201109BHJP

   G01N 15/06 20060101ALI20201109BHJP

【ＦＩ】

   G01N27/00 Z

   G01N15/06 D

【請求項の数】1

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2017-93151(P2017-93151)

(22)【出願日】2017年5月9日

(65)【公開番号】特開2018-189548(P2018-189548A)

(43)【公開日】2018年11月29日

【審査請求日】2019年11月8日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004695

【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】特許業務法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】森次 通泰

(72)【発明者】

【氏名】水谷 祐也

(72)【発明者】

【氏名】西嶋 大貴

【審査官】 蔵田 真彦

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１４−５１５４８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０３２０１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１６／０２７８９４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０３１２０７４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ １５／００−１５／１４、２７／００−２７／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガスに含まれる微粒子を検出する微粒子検出センサであって、
中心線に沿って延びる中心電極と、
前記中心電極と同心に配置され前記中心電極を取り囲む筒状電極と、
前記筒状電極と同心に配置され前記筒状電極を取り囲むハウジングと、
前記ハウジングと前記筒状電極との間に形成された第１ガス流路と、
前記筒状電極と前記中心電極との間に形成された第２ガス流路と、
前記中心電極と前記筒状電極との間に電圧をかけたときに前記微粒子の移動により発生する電流に基づいて前記微粒子を検出する検出部と、を備え、
前記中心線の方向における一端に、前記ガスを前記第１ガス流路へ取り込むためのガス入口と、前記ガスを前記第２ガス流路から排出するためのガス出口とが設けられ、
前記第１ガス流路と第２ガス流路は、前記中心線の方向における他端で連通しており、
前記ガス入口は、前記ガス出口を取り囲む円周上に配置された複数の開口部を有し、
前記ガス出口は、前記ガス入口よりも前記中心線の方向へ突出して設けられ、
前記ガス入口の外側を流れるガスの上流側の前記開口部の直径は、前記ガス入口の外側を流れる前記ガスの下流側の前記開口部の直径よりも小さいことを特徴とする微粒子検出センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、微粒子検出センサに関する。

【背景技術】

【0002】

従来から粒子状物質を測定するセンサアセンブリが知られている（下記特許文献１を参照）。特許文献１に開示されたセンサアセンブリは、電圧源、センサ電極、接地アセンブリ、積分キャパシタおよび電流計を含む。

【0003】

前記センサ電極は、電圧を受け取るために電圧源に結合される。前記センサ電極は、このセンサ電極の表面における粒子状物質構造物への粒子凝集を促進するためにセンサアセンブリ内の制御された定方向の排気流内に配置される。前記接地アセンブリは、接地基準に結合され、前記センサ電極から離して配置される。前記積分キャパシタは、前記電圧源の負側に結合され、前記センサ電極から粒子状物質構造物への電荷移動による電流パルスを時間的に積分するように構成される（同文献、要約等を参照）。

【0004】

特許文献１に開示されたセンサアセンブリを通過する排気ガスは、たとえば、排気入口を経て外部ハウジング内に流入し、内部バッフルと外部ハウジングとの間の空間を通って内部バッフルの基部にあるバッフル孔へと流れる。その後、排気ガスは、筒形のセンサ電極と筒形の内部バッフルとの間の空間を通って、ベンチュリキャップの排気出口へと流れる（同文献、図２Ｂ、段落００６７等を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特表２０１４−５１５４８８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に開示されたセンサアセンブリは、センサ電極と内部バッフルとの間を流れる排気ガスが層流でない場合、排ガスの流速の影響を受けてセンサ出力が安定しないという課題がある。

【0007】

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、センサ内でガスを流れやすくしてガスの流速を安定させ、センサ出力を安定させることができる微粒子検出センサを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前記目的を達成すべく、本発明の微粒子検出センサは、ガスに含まれる微粒子を検出する微粒子検出センサであって、中心線に沿って延びる中心電極と、前記中心電極と同心に配置され前記中心電極を取り囲む筒状電極と、前記筒状電極と同心に配置され前記筒状電極を取り囲むハウジングと、前記ハウジングと前記筒状電極との間に形成された第１ガス流路と、前記筒状電極と前記中心電極との間に形成された第２ガス流路と、前記中心電極と前記筒状電極との間に電圧をかけたときに前記微粒子の移動により発生する電流に基づいて前記微粒子を検出する検出部と、を備え、前記中心線の方向における一端に、前記ガスを前記第１ガス流路へ取り込むためのガス入口と、前記ガスを前記第２ガス流路から排出するためのガス出口とが設けられ、前記第１ガス流路と第２ガス流路は、前記中心線の方向における他端で連通しており、前記ガス入口は、前記ガス出口を取り囲む円周上に配置された複数の開口部を有し、前記ガス出口は、前記ガス入口よりも前記中心線の方向へ突出して設けられ、前記ガス入口の外側を流れるガスの上流側の前記開口部の直径は、前記ガス入口の外側を流れる前記ガスの下流側の前記開口部の直径よりも小さいことを特徴とする。

【0009】

本発明の微粒子検出センサは、内燃機関の排気ガス等、ガス入口の外側を流れる微粒子を含むガスを、ガス入口から、ハウジングと筒状電極との間に形成された第１ガス流路に取り込む。第１ガス流路に取り込まれたガスは、中心電極の中心線の方向における第１ガス流路の一端から他端へ向けて流れる。第１ガス流路は、ガス入口が設けられた中心電極の中心線の方向における一端と反対側の他端で、第２ガス流路に連通している。そのため、中心電極の中心線の方向において、第１ガス流路の一端から他端へ向けて流れたガスは、第１ガス流路の他端で第２ガス流路に流入する。

【0010】

第２ガス流路は、筒状電極と中心電極との間に形成されている。中心電極の中心線の方向において、ガス出口が設けられた第２ガス流路の一端と反対側の他端で第２ガス流路へ流入したガスは、第１ガス流路に連通する第２ガス流路の他端から、ガス出口が設けられた第２ガス流路の一端へ向けて流れ、ガス出口から排出される。中心電極と筒状電極との間に電圧がかけられると、第２ガス流路を流れるガスに含まれる微粒子が、これらの電極に接触して電荷を得てこれらの電極の間を移動することで、電流が流れる。検出部は、この電流に基づいて微粒子を検出する。これにより、本発明の微粒子検出センサは、ガスに含まれる微粒子を検出することができる。

【0011】

また、本発明の微粒子検出センサは、ガス入口が、ガス出口を取り囲む円周上に配置された複数の開口部を有している。また、ガス出口は、ガス入口よりも中心線の方向へ突出して設けられている。さらに、ガス入口の外側を流れるガスの上流側の開口部の直径は、ガス入口の外側を流れるガスの下流側の開口部の直径よりも小さい。この構成により、ガス入口から取り込まれたガスは、第１ガス流路と第２ガス流路を円滑に流れ、ガス出口から排出される。したがって、第１ガス流路と第２ガス流路を流れるガスの流速を安定させ、センサの出力を安定させることができる。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、センサ内でガスを流れやすくしてガスの流速を安定させ、センサ出力を安定させることができる微粒子検出センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】内燃機関およびその周辺の構成の一例を示す概略図。

【図2】本実施形態に係る微粒子検出センサの概略的な断面図。

【図3】図２に示す微粒子検出センサの基本的な回路構成の一例を示す回路図。

【図4】図２に示す微粒子検出センサのガス入口とガス出口の一例を示す端面図。

【図5】図２に示す微粒子検出センサの中心電極に堆積した微粒子の例を示す写真図。

【図6】図２に示す微粒子検出センサの流速分布のシミュレーションモデル。

【図7A】図６に示す点Ｐ１から点Ｐ６のガスの流速の一例を示すグラフ。

【図7B】図６に示す点Ｐ１から点Ｐ６のガスの流速の一例を示すグラフ。

【図8】微粒子検出センサの感度の測定結果の一例を示すグラフ。

【図9】実施例と比較例の微粒子検出センサのシミュレーション結果を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照して本発明の微粒子検出センサの実施の形態の一例を説明する。

【0015】

図１は、内燃機関およびその周辺の構成の一例を示す概略図である。内燃機関であるエンジン１は、たとえば自動車用のディーゼルエンジンであり、吸気マニホールド２を介して吸気通路３に接続され、排気マニホールド４を介して排気通路５に接続されている。排気通路５は、排気ガスの一部を吸気側へ再循環させるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）通路６を介して吸気通路３に接続されている。

【0016】

排気通路５には、たとえば、タービン５１と、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）５２と、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）５３と、本実施の形態に係る微粒子検出センサ１０と、が設けられている。タービン５１は、排気通路５を流れる排気ガスによって回転する。ＤＯＣ５２は、たとえば、排気ガスに含まれる未燃焼の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、一酸化窒素（ＮＯ）などを酸化して無害化処理する。ＤＰＦ５３は、排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕捉する。

【0017】

吸気通路３には、たとえば、エアフロメータ３１と、過給機３２と、インタークーラ３３が設けられている。エアフロメータ３１は、エンジン１への吸気量を計測する。過給機３２は、タービン５１の回転に連動して回転することで、吸気通路３を流れる空気の圧力を上昇させる。インタークーラ３３は、過給機３２の圧縮により温度が上がった空気を冷却する。

【0018】

ＥＧＲ通路６には、ＥＧＲバルブ６１と、ＥＧＲクーラ６２が設けられている。ＥＧＲバルブ６１は、たとえばモータによって駆動され、ＥＧＲ通路６を介して再循環させる排気ガス量を調整する。ＥＧＲクーラ６２は、高温の排気ガスの温度を下げることによりガス密度を高め、エンジン１の損失低減およびノッキングを防止する。

【0019】

エンジン１から排出され、排気マニホールド４を介して排気通路５を流れる排気ガスによってタービン５１が回転すると、タービン５１の回転に連動して過給機３２が回転し、圧縮された空気がインタークーラ３３を通過して吸気マニホールド２に送られる。排気通路５を流れる排気ガスの一部は、ＥＧＲ通路６を流れ、ＥＧＲクーラ６２を通過し、ＥＧＲバルブ６１を介して吸気マニホールド２に還流される。

【0020】

このように、図１に示す例では、過給によりエンジン１の吸気量を増加させて燃焼効率を高め、ＥＧＲにより燃焼を緩やかにしてＮＯｘ等の排出を抑制する。また、排気マニホールド４を流れてタービン５１を通過した排気ガスは、排気通路５を流れ、ＤＯＣ５２を通過して無害化処理され、ＤＰＦ５３を通過してＰＭが捕集される。排気ガス中に含まれる微粒子であるＰＭは、たとえば、煤粒子（soot）、可溶性有機成分(SOF: Soluble Organic Fraction)および無機成分を含んでいる。

【0021】

本実施の形態に係る微粒子検出センサ１０は、たとえば、ＤＰＦ５３に亀裂などの損傷が発生した場合や、ＤＰＦ５３のＰＭ捕集性能が劣化した場合など、ＤＰＦ５３の下流の排気通路５に規制値以上のＰＭが流出したことを検知するために用いられる。

【0022】

図２は、本実施形態に係る微粒子検出センサ１０の概略的な断面図である。図３は、図２に示す微粒子検出センサ１０の基本的な回路構成を示す回路図である。微粒子検出センサ１０は、エンジン１から排出された排気ガス等のガスＧに含まれる微粒子を検出するセンサであり、中心電極１１と、筒状電極１２と、ハウジング１３と、第１ガス流路１４と、第２ガス流路１５と、検出部１６と、を備えている。図２に示す例において、微粒子検出センサ１０は、さらに、スペーサ１７と、エンドプレート１８と、キャップ１９を備えている。

【0023】

中心電極１１は、たとえば、中心線Ｌ１に沿って延びる細長い円柱状の形状を有している。なお、中心電極１１は、中心線Ｌ１に沿って延びる形状であれば、円柱状の形状に限定されず、断面が長円形や楕円形の柱状、断面が多角形の柱状、または任意の断面形状の棒状であってもよい。

【0024】

筒状電極１２は、中心電極１１と同心に配置され、中心電極１１を取り囲んでいる。筒状電極１２は、たとえば、中心電極１１と中心線Ｌ１を同じくする円筒状の形状を有している。なお、筒状電極１２は、円筒状の形状に限定されず、任意の断面形状の筒状に形成することができる。

【0025】

ハウジング１３は、筒状電極１２と同心に配置され、筒状電極１２を取り囲んでいる。ハウジング１３は、たとえば、中心電極１１および筒状電極１２と中心線Ｌ１を同じくする円筒状の形状を有している。なお、ハウジング１３は、円筒状の形状に限定されず、任意の断面形状の筒状に形成することができる。ハウジング１３は、筒状電極１２と一体に設けられていてもよい。

【0026】

第１ガス流路１４は、ハウジング１３と筒状電極１２との間に形成されている。すなわち、第１ガス流路１４は、ハウジング１３と、このハウジング１３の内側に配置された筒状電極１２との間に形成された空間または間隙であり、微粒子検出センサ１０に取り込まれたガスｇが流れるガス流路の一部である。第１ガス流路１４、すなわちハウジング１３と筒状電極１２との間の空間は、第２ガス流路１５に流入するガスｇの助走空間である。

【0027】

第２ガス流路１５は、筒状電極１２と中心電極１１との間に形成されている。すなわち、第２ガス流路１５は、筒状電極１２と、この筒状電極１２の内側に配置された中心電極１１との間に形成された空間または間隙であり、微粒子検出センサ１０に取り込まれたガスｇが流れるガス流路の一部である。第２ガス流路１５、すなわち筒状電極１２と中心電極１１との間の空間は、筒状電極１２と中心電極１１との間に電圧がかけられたときに電界が発生する電界印加空間である。

【0028】

検出部１６は、中心電極１１と筒状電極１２との間に電圧をかけたときに微粒子の移動により発生する電流Ｉに基づいて微粒子を検出する。図３に示すように、微粒子検出センサ１０の回路は、直流電源Ｅと、抵抗Ｒと、検出部１６とを有している。直流電源Ｅは、たとえば、正極が中心電極１１に接続され、負極が抵抗Ｒを介して筒状電極１２に接続され、中心電極１１と筒状電極１２との間に、たとえば１ｋＶ程度の高電圧の直流電圧を印加する。検出部１６は、抵抗Ｒの両端に接続され、中心電極１１と筒状電極１２との間に電圧をかけたときに、抵抗Ｒを流れる電流Ｉに基づいて、ガスｇに含まれる微粒子を検出するように構成されている。

【0029】

微粒子検出センサ１０は、帯電方式のセンサである。すなわち、中心電極１１と筒状電極１２との間に電圧がかけられて電界が発生した状態で、微粒子を含んだガスｇが第２ガス流路１５を流れると、一方の電極に接触して帯電した微粒子が他方の電極に到達して回路に電流Ｉが流れる。また、他方の電極に到達して帯電した微粒子が一方の電極に戻ることで、回路に電流Ｉが流れる。このように、対向する中心電極１１と筒状電極１２との間を微粒子が往復することで、検出部１６によって電流出力が得られる。

【0030】

微粒子検出センサ１０の出力電流Ｉは、微粒子の単位重量当たりの電荷量をＱ、ガスｇに含まれる微粒子の濃度をＤ（ｍｇ/ｍ^３）、中心電極１１と筒状電極１２の電極間断面積をＳ（ｍ^２）、中心電極１１と筒状電極１２の電極間を流れるガスｇの流速をｖ（ｍ/ｓ）、比例係数をｋとすると、下記の式（１）によって表される。

【0031】

Ｉ＝ｋ・Ｑ・Ｄ・Ｓ・ｖ（Ｃ/ｓ）…（１）

【0032】

比例係数ｋは、帯電した微粒子が中心電極１１と筒状電極１２との間を往復する回数に相当する。出力電流Ｉは、電極間のガスｇの流速ｖに比例する。しかし、微粒子の電極間の往復回数に相当する比例係数ｋは、電極間のガスｇの流速ｖに逆比例する。そのため、出力電流Ｉは、電極間のガスｇの流速ｖの変化による増減と、微粒子の往復回数に相当する比例係数ｋの変化による増減とが相殺され、電極間のガスｇの流速ｖに影響されないはずである。しかし、電極間のガスｇの流れが層流ではなくなると、微粒子の電極への接触回数や、微粒子の電極間の往復回数が不安定になる。そのため、電極間のガスｇの流れを層流にすること、すなわち、電極間のガスｇの流速を安定させて均一にすることが、微粒子検出センサ１０の出力を安定させる上で重要になる。

【0033】

微粒子検出センサ１０は、図２に示すように、中心線Ｌ１の方向における一端に、微粒子検出センサ１０の外側を流れるガスＧを第１ガス流路１４へ取り込むためのガス入口１０ａと、第２ガス流路１５からガスｇを排出するためのガス出口１０ｂとを有している。ガス出口１０ｂは、ガス入口１０ａよりも中心線Ｌ１の方向へ突出して設けられている。より具体的には、ガス出口１０ｂは、たとえば、筒状電極１２の一端に係合したキャップ１９に設けられた貫通孔１９ａの開口である。第１ガス流路１４と第２ガス流路１５は、ガス入口１０ａおよびガス出口１０ｂが設けられた中心線Ｌ１の方向における一端と反対側の他端で連通している。

【0034】

図４は、図２に示す微粒子検出センサ１０のガス入口１０ａとガス出口１０ｂの一例を示す端面図である。ガス入口１０ａは、ガス出口１０ｂを取り囲む円周Ｃ１上に配置された複数の開口部１３ａを有している。開口部１３ａは、たとえば、ハウジング１３の中心線Ｌ１の方向の一端で筒状電極１２の径方向外側に、周方向に等間隔に２つから８つ程度、設けられている。図４に示す例において、ガス入口１０ａの外側を流れるガスＧの上流側の開口部１３ａの直径は、ガス入口１０ａの外側を流れるガスＧの下流側の開口部１３ａの直径よりも小さくなっている。

【0035】

より具体的には、ガス入口１０ａを構成する複数の開口部１３ａは、たとえば、中心電極１１の中心線Ｌ１を中心とする同一の円周Ｃ１上に中心が配置された円形の形状を有している。各開口部１３ａの中心は、たとえば、同一の円周Ｃ１上に等しい角度間隔で配置されている。図４に示す例では、各開口部１３ａの中心を通る円周Ｃ１において、微粒子検出センサ１０の外側を流れるガスＧの流れにおおむね平行な中心線Ｌ２を示している。すなわち、図４において、微粒子検出センサ１０の外側を流れるガスＧは、中心線Ｌ２に沿って左から右へ流れる。ガス出口１０ｂは、たとえば、ガス入口１０ａを構成する複数の開口部１３ａの中心を通る円周Ｃ１の中心に設けられている。

【0036】

ガス入口１０ａを構成する複数の開口部１３ａのうち、最小径の開口部１３ａと、最大径の開口部１３ａは、それぞれ、微粒子検出センサ１０の外側を流れるガスＧの上流側と下流側に位置している。また、最小径の開口部１３ａと、最大径の開口部１３ａは、それぞれ、ガス入口１０ａを構成する複数の開口部１３ａの中心を通る同一の円周Ｃ１の中心線Ｌ２上にある。ガス入口１０ａを構成する複数の開口部１３ａの大きさは、微粒子検出センサ１０の外側を流れるガスＧの上流側から下流側へ、漸次拡大している。すなわち、ガス入口１０ａを構成する複数の開口部１３ａの直径は、微粒子検出センサ１０の外側を流れるガスＧの上流側から下流側へ、漸次増大している。

【0037】

より具体的には、最小径の開口部１３ａの直径は、たとえば０．５ｍｍである。その下流側に隣接する２つの開口部１３ａの直径は、たとえば０．７５ｍｍである。その下流側に隣接する２つの開口部１３ａの直径は、たとえば１ｍｍである。その下流側に隣接する２つの開口部１３ａの直径は、たとえば１．２５ｍｍである。その下流側に隣接する最大径の開口部１３ａの直径は、たとえば１．５ｍｍである。

【0038】

図２に示すように、スペーサ１７は、たとえば、電気絶縁性を有する絶縁部材を素材とする筒状の部材である。スペーサ１７は、中心電極１１を挿通させた状態でハウジング１３に固定され、ハウジング１３の内部で中心電極１１を支持している。スペーサ１７は、たとえば、中心線Ｌ１の方向の一端面に、中心電極１１の中心線Ｌ１の方向の端部に設けられたフランジ状の部分を嵌合させる凹部１７ａを有している。またスペーサ１７は、外周面に径方向の凸部１７ｂを有し、この凸部１７ｂがハウジング１３の内側面に設けられた凹部１３ｂに嵌合している。このスペーサ１７により、中心電極１１は、中心線Ｌ１がハウジング１３の中心線Ｌ１に一致するように支持され、筒状電極１２との間隔が一定に保たれる。

【0039】

エンドプレート１８は、たとえば、電気絶縁性を有する絶縁部材を素材とする円板状の部材である。エンドプレート１８は、たとえば、微粒子検出センサ１０のガス入口１０ａおよびガス出口１０ｂが設けられた中心線Ｌ１の方向の一端と反対側の他端に配置されている。このエンドプレート１８が、たとえばハウジング１３に嵌合されてねじによって中心電極１１に固定されることで、スペーサ１７および中心電極１１の中心線Ｌ１方向の位置が決定される。

【0040】

キャップ１９は、たとえば、電気絶縁性を有する絶縁部材を素材とする筒状の部材である。キャップ１９は、径方向の寸法が拡大された拡径部１９ｂと、径方向の寸法が縮小された縮径部１９ｃとを有している。キャップ１９は、縮径部１９ｃが筒状電極１２の中心線Ｌ１方向の一端で内側に挿入され、拡径部１９ｂが筒状電極１２の端面に当接した状態で、ハウジング１３に固定されている。

【0041】

キャップ１９を中心電極１１の中心線Ｌ１の方向に貫通する貫通孔１９ａは、中心電極１１と筒状電極１２との間の第２ガス流路１５と、微粒子検出センサ１０の外部空間とを連通している。キャップ１９の拡径部１９ｂの底面には、図４に示すように、ガス出口１０ｂが形成されている。すなわち、ガス出口１０ｂはキャップ１９の貫通孔１９ａの開口である。ガス出口１０ｂは、図２に示すように、ガス入口１０ａよりも微粒子検出センサ１０の中心線Ｌ１の方向に突出して設けられている。

【0042】

以下、本実施の形態の微粒子検出センサ１０の作用について説明する。

【0043】

図１に示すように、本実施の形態の微粒子検出センサ１０は、たとえば、エンジン１に排気マニホールド４を介して接続された排気通路５を構成する排気管に取り付けられ、排気管の内壁から排気管の内部へ径方向に突出するように配置される。そのため、図２に示すように、微粒子検出センサ１０の外側を流れるガスＧは、微粒子検出センサ１０の中心線Ｌ１の方向すなわちスラスト方向に対して直交する方向に流れる。

【0044】

ここで、本実施の形態の微粒子検出センサ１０は、前述のように、ガス出口１０ｂがガス入口１０ａよりも中心線Ｌ１の方向へ突出して設けられている。これにより、ガス出口１０ｂとガス入口１０ａとの間に段差が生じ、微粒子検出センサ１０の外側を流れるガスＧが、ベンチュリ効果によりガス入口１０ａから流入する。微粒子検出センサ１０の外側を流れるガスＧは、エンジン１から排出された排気ガスを含んでいる。排気ガスは、ＰＭ等の微粒子を含んでいる。

【0045】

ガス入口１０ａから第１ガス流路１４に取り込まれたガスｇは、ガス入口１０ａが設けられた中心線Ｌ１の方向における第１ガス流路１４の一端から反対側の他端へ向けて流れる。第１ガス流路１４は、ガスｇの下流である中心線Ｌ１の方向の他端で、第２ガス流路１５に連通している。そのため、中心線Ｌ１の方向において、第１ガス流路１４の一端から他端へ向けて流れたガスｇは、第１ガス流路１４の他端で第２ガス流路１５に流入する。このように、第１ガス流路１４は、第２ガス流路１５に流入するガスｇの助走区間として機能する。

【0046】

中心線Ｌ１の方向において、ガス出口１０ｂが設けられた第２ガス流路１５の一端と反対側の他端で第２ガス流路１５へ流入したガスｇは、第２ガス流路１５の一端へ向けて折り返すように流れ、ガス出口１０ｂから排出される。ここで、第２ガス流路１５は、筒状電極１２と中心電極１１との間に形成されている。

【0047】

そのため、中心電極１１と筒状電極１２との間に電圧がかけられると、第２ガス流路１５を流れるガスｇに含まれる微粒子が、これらの電極に接触して電荷を得て、これらの電極の間を往復するように移動することで、図３に示す回路に電流Ｉが流れる。図３に示す検出部１６は、この電流Ｉに基づいてガスｇに含まれる微粒子を検出する。この検出部１６によって、本実施形態の微粒子検出センサ１０は、ガスｇに含まれる微粒子を検出することができる。

【0048】

図５は、中心電極１１に堆積した微粒子の一例を示す写真図である。ＰＭ等の微粒子を含むガスｇが第２ガス流路１５を流れると、中心電極１１に接した微粒子は、中心電極１１上に堆積する。中心電極１１に堆積した微粒子同士は、同一の極性の電荷を獲得するので、互いに反発し合う静電力が作用し、微粒子同士が繋がろうとする分子間力との釣り合いを取りながら、反対の極性を有する筒型電極へ向けてデンドライト（Dendrite：樹枝状晶）Ｄが形成される。デンドライトＤがある程度成長すると、静電力が分子間力に打ち勝ち、デンドライトＤが崩壊する。

【0049】

崩壊したデンドライトＤは、反対極性を有する筒状電極１２に吸い寄せられ、筒状電極１２上に堆積して同様にデンドライトＤを形成する。ただし、崩壊したデンドライトＤは、電界印加空間である第２ガス流路１５を流れるガスｇに流されて、中心電極１１上のデンドライトＤが崩壊した位置よりもやや下流側で筒状電極１２に吸い寄せられ、筒状電極１２上に堆積する。この結果、図３に示すように、中心電極１１と筒状電極１２の間に電流Ｉが流れ、これらに直列に接続された抵抗Ｒにも電流Ｉが流れ、この電流Ｉを検出した検出部１６によって微粒子が検出される。

【0050】

ここで、本実施の形態の微粒子検出センサ１０は、図４に示すように、ガス入口１０ａが、ガス出口１０ｂを取り囲む円周Ｃ１上に配置された複数の開口部１３ａを有している。また、ガス入口１０ａの外側を流れるガスＧの上流側の開口部１３ａの直径は、ガス入口１０ａの外側を流れるガスＧの下流側の開口部１３ａの直径よりも小さい。この構成により、図２に示すように、ガス入口１０ａから取り込まれたガスｇは、第１ガス流路１４と第２ガス流路１５を均一な流速で円滑に流れ、ガス出口１０ｂから排出される。すなわち、よりガスｇが流入しやすい上流側の開口部１３ａほど、開口面積を絞ることで、上流側の開口部１３ａから流入するガスｇの流量と下流側の開口部１３ａから流入するガスｇの流量を均一化することができる。したがって、第１ガス流路１４および第２ガス流路１５を流れるガスｇの流速を均一化することができ、第１ガス流路１４と第２ガス流路１５を流れるガスｇの流速を安定させ、微粒子検出センサ１０の出力を安定させることができる。

【0051】

以上説明したように、本実施形態によれば、微粒子検出センサ１０内でガスｇを流れやすくしてガスｇの流速を安定させ、微粒子検出センサ１０の出力を安定させることができる。以上、図面を用いて本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

【0052】

［シミュレーション例］
図６は、第２ガス流路１５を流れるガスｇの流速分布のシミュレーションモデルである。中心電極１１と筒状電極１２の間の電界印加空間である第２ガス流路１５のガスｇの流れを層流にするためには、助走空間である第１ガス流路１４の容積がバッファとしての役割を果たす。ガス入口１０ａおよびガス出口１０ｂの構成が第１ガス流路１４および第２ガス流路１５を流れるガスｇの流速を決定するので、ガス入口１０ａおよびガス出口１０ｂの構成と第１ガス流路１４の容積の関係を適切に選択することが、第２ガス流路１５を流れるガスｇを層流にするための要件となる。

【0053】

図６に示すように、中心電極１１と筒状電極１２とが互いに対向している領域を、中心線Ｌ１に沿って４つの区画に分け、中心電極１１の両側の各区画の境界上の点Ｐ１から点Ｐ６までの６点を流速の計算点とした。また、微粒子検出センサ１０の外側を流れるガスＧの流速を、１０［ｍ／ｓ］、１５［ｍ／ｓ］、２０［ｍ／ｓ］、３０［ｍ／ｓ］、４０［ｍ／ｓ］、５０［ｍ／ｓ］として、点Ｐ１から点Ｐ６における流速を計算した。

【0054】

図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれ、点Ｐ１から点Ｐ６のガスｇの流速を示すグラフである。なお、図７Ａおよび図７Ｂは、ガス入口１０ａの複数の開口部１３ａの開口面積の合計とガス出口１０ｂの開口面積とを等しくした場合の結果である。また、図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれ、第１ガス流路１４の容積［ｍ^３］の数値を、ガス出口１０ｂの開口面積［ｍ^２］の数値の２００倍とした場合と、８００倍にした場合の結果である。

【0055】

図７Ａに示す６点の平均流速と、図７Ｂに示す６点の平均流速との間に、大きな差は見られなかった。しかし、図７Ａに示す結果では、微粒子検出センサの外側を流れるガスＧの流速の増加とともに、点Ｐ１から点Ｐ６までの第２ガス流路１５を流れるガスｇの流速のばらつきが大きくなっている。一方、図７Ｂに示す結果では、微粒子検出センサ１０の外側を流れるガスＧの流速が増加しても、点Ｐ１から点Ｐ６までの第２ガス流路１５を流れるガスｇの流速は、おおむね等しく、均一になっている。すなわち、図７Ｂに示す結果では、電界印加空間である第２ガス流路１５を流れるガスｇが層流になっていることが分かる。

【0056】

［実験例］
図７Ａおよび図７Ｂに示す結果を得た各条件に基づいて、二種類の微粒子検出センサを試作した。試作した各微粒子検出センサを排気管に取り付け、排気管に微粒子としてＰＭを含む排気ガスを流して、単位重量濃度あたりの出力電流Ｉを測定した。

【0057】

図８は、各微粒子検出センサの感度、すなわち単位重量濃度あたりの出力電流Ｉ［ｎＡ／（ｍｇ／ｍ^３）］の測定結果を示すグラフである。図８に実線で示すように、図７Ａの結果を得た条件に基づく微粒子検出センサは、微粒子検出センサの外側を流れるガスＧの流量の増加に伴ってセンサ感度が低下している。

【0058】

これに対し、図８に破線で示すように、図７Ｂの結果を得た条件に基づく微粒子検出センサは、微粒子検出センサの外側を流れるガスＧの流量が増加しても感度はあまり変化せず、ガスＧの流速に対する感度の依存度はほとんどないことが分かる。すなわち、ガス入口の開口面積［ｍ^２］に対する第１ガス通路の容積［ｍ^３］の比を大きくすることで、電界印加空間である第２ガス流路を流れるガスの流れを層流にすることができ、微粒子検出センサの感度の排気ガス流速依存性をなくすことができる。

【0059】

［実施例］
前述の実施の形態で説明した構成に基づいて、実施例の微粒子検出センサのシミュレーションモデルを作成した。実施例の微粒子検出センサのモデルにおいて、複数の開口部１３ａの直径は、最小径を０．５ｍｍとし、その下流側を０．７５ｍｍ、その下流側を１ｍｍ、その下流側を１．２５ｍｍ、その下流側の最大径を１．５ｍｍとした。

【0060】

また、複数の開口部１３ａの直径をすべて１．０ｍｍとした以外は、実施例と同様の比較例１の微粒子検出センサのシミュレーションモデルを作成した。また、実施例の微粒子検出センサの外側を流れるガスの上流側と下流側で、複数の開口部１３ａの大小関係を逆転させた比較例２の微粒子検出センサのシミュレーションモデルを作成した。

【0061】

実施例の微粒子検出センサのモデルと、比較例１および比較例２の微粒子検出センサのモデルを用い、微粒子検出センサの外側を流れるガスＧの流速を５０［ｍ／ｓ］としてシミュレーションを行った。

【0062】

図９は、実施例の微粒子検出センサと比較例の微粒子検出センサのシミュレーション結果を示すグラフである。図９において、（ａ）は、比較例１の結果を示し、（ｂ）は、実施例の結果を示し、（ｃ）は、比較例２の結果を示している。図９において十字の印で示す「ｍａｘ−ｍｉｎ」は、図６に示す点Ｐ１から点Ｐ６までの６点において第２ガス流路を流れるガスｇの流速の最大値と最小値との差である。

【0063】

図９の（ｂ）に示すように、本発明の実施例に係る微粒子検出センサでは、微粒子検出センサの外側を流れるガスＧの上流ほどガス入口の開口部から排気ガスが入りやすいので、上流側の開口部の直径を絞ることで、第２ガス流路を流れるガスｇの流速、すなわちセンサ内流速を平滑化することができる。

【0064】

これに対し、図９の（ａ）に示すように、比較例１の微粒子検出センサでは、実施例の微粒子検出センサよりも６点の流速のばらつきが大きくなっている。また、図９の（ｃ）に示すように、比較例２の微粒子検出センサでは、比較例１の微粒子検出センサよりも６点の流速のばらつきがさらに大きくなっている。

【0065】

以上の結果から、図９の（ｂ）に示す本発明の実施例に係る微粒子検出センサでは、センサ内流速のばらつきが最小となった。すなわち、ガス入口の開口部の直径をガスＧの上流側ほど小さくすることで、センサ内流速が安定化することが分かった。

【符号の説明】

【0066】

１０ 微粒子検出センサ
１０ａ ガス入口
１０ｂ ガス出口
１１ 中心電極
１２ 筒状電極
１３ ハウジング
１３ａ 開口部
１４ 第１ガス流路
１５ 第２ガス流路
１６ 検出部
Ｃ１ 円周
ｇ ガス
Ｇ ガス
Ｉ 電流
Ｌ１ 中心線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9】