特許 6870116 自動車のための光学式の煤粒子センサ

(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】6870116

(24)【登録日】2021年4月16日

(45)【発行日】2021年5月12日

(54)【発明の名称】自動車のための光学式の煤粒子センサ

(51)【国際特許分類】

   G01N 15/06 20060101AFI20210426BHJP

   G01N 21/17 20060101ALI20210426BHJP

【ＦＩ】

   G01N15/06 C

   G01N21/17 Z

   G01N15/06 D

   G01N15/06 B

【請求項の数】15

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2019-560315(P2019-560315)

(86)(22)【出願日】2018年4月19日

(65)【公表番号】特表2020-519867(P2020-519867A)

(43)【公表日】2020年7月2日

(86)【国際出願番号】EP2018060087

(87)【国際公開番号】WO2018202433

(87)【国際公開日】20181108

【審査請求日】2019年11月1日

(31)【優先権主張番号】102017207402.7

(32)【優先日】2017年5月3日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】390023711

【氏名又は名称】ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＭＢＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100098501

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 拓

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100135633

【弁理士】

【氏名又は名称】二宮 浩康

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】ラドスラフ ルサノフ

(72)【発明者】

【氏名】オリヴァー クライル

(72)【発明者】

【氏名】クリストフ ダニエル クレマー

【審査官】 外川 敬之

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２００４／０２３７５０５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 英国特許第０２４５９４５２（ＧＢ，Ｂ）

【文献】 特開２０１１−１９６８３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０２３０５２３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 英国特許出願公開第０２４５９４５２（ＧＢ，Ａ）

【文献】 特開平０１−０１５６３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１５６２２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０４８６５２２７（ＣＮ，Ａ）

【文献】 独国特許出願公開第１０２０１３２０２４２３（ＤＥ，Ａ１）

【文献】 独国特許出願公開第１０２００８０４１０３８（ＤＥ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ １５／００

Ｇ０１Ｎ ２１／１７

Ｇ０１Ｎ ２１／６３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザを有するレーザモジュール（１８）と、温度放射（１４）を検出するように構成された検出器（２６）とを備える煤粒子センサ（１６）において、
前記煤粒子センサ（１６）は、前記レーザモジュール（１８）の前記レーザのビーム経路上に配置された光学素子（２０）を有し、前記光学素子（２０）は、前記レーザモジュール（１８）から発せられたレーザ光（１０）を１つのスポット（２２）に集束させるように構成されており、
前記検出器（２６）は、前記スポット（２２）から発せられた放射（１４）を検出するように、前記煤粒子センサ（１６）内に配置されており、
測定ガスに曝されるように構成された第１の部分（１６．１）と、前記煤粒子センサ（１６）の前記レーザモジュール（１８）、前記光学素子（２０）及び前記検出器（２６）を含む、前記測定ガスに曝されない第２の部分（１６．２）と、が設けられており、
前記第１の部分（１６．１）と前記第２の部分（１６．２）とは、前記測定ガスに対して非透過性である分離壁（１６．３）を介して分離されており、
前記煤粒子センサ（１６）は、外側保護管（２８）及び内側保護管（３０）からなる配列を有し、前記外側保護管（２８）及び前記内側保護管（３０）は、両方とも円筒形状又は角柱形状を有し、
前記外側保護管（２８）と前記内側保護管（３０）とは、同軸上に配置されており、前記円筒形状又は前記角柱形状の軸線は、前記レーザ光（１０）の入射方向に対して平行に方向決めされており、前記スポット（２２）は、前記内側保護管（３０）の内部に位置しており、
前記外側保護管（２８）の、前記レーザの方を向いた端部は、前記内側保護管（３０）を越えて突出しており、
前記内側保護管（３０）の、反対側の端部は、前記外側保護管（２８）を越えて突出している、
ことを特徴とする、煤粒子センサ（１６）。

【請求項2】

前記レーザモジュール（１８）は、平行なレーザ光（１０）を生成するように構成されており、
前記光学素子（２０）は、前記レーザモジュール（１８）から発せられた前記平行なレーザ光（１０）を前記スポット（２２）に集束させるように構成されている、
請求項１に記載の煤粒子センサ（１６）。

【請求項3】

前記レーザモジュール（１８）の前記レーザは、ＣＷレーザである、
請求項１又は２に記載の煤粒子センサ（１６）。

【請求項4】

前記レーザは、半導体レーザ素子、特にレーザダイオード（３６）である、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の煤粒子センサ（１６）。

【請求項5】

前記検出器（２６）は、少なくとも１つのフォトダイオード（２６．１）を有する、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の煤粒子センサ（１６）。

【請求項6】

前記レーザモジュール（１８）は、平行なレーザ光（１０）を生成するように構成されており、
ビームスプリッタ（３４）がさらに設けられており、
前記ビームスプリッタ（３４）は、前記レーザモジュール（１８）から入射した前記平行なレーザ光（１０）の少なくとも一部を、前記光学素子（２０）に向けるように、かつ、前記スポット（２２）から入射した前記放射（１４）の少なくとも一部を、前記検出器（２６）に向けるように、前記平行なレーザ光（１０）の前記ビーム経路上に配置されている、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の煤粒子センサ（１６）。

【請求項7】

前記ビームスプリッタ（３４）は、偏光ビームスプリッタ（１３４）であり、
前記偏光ビームスプリッタ（１３４）は、入射してきた所定の偏光方向を有する前記レーザ光（１０）に対して最大の透過性を有するように方向決めされている、
請求項６に記載の煤粒子センサ（１６）。

【請求項8】

光学フィルタ（４２）が設けられており、
前記光学フィルタ（４２）は、前記ビームスプリッタ（３４）と前記検出器（２６）との間の前記ビーム経路上に配置されており、前記スポット（２２）から発せられる温度放射（１４）に対する透過性よりも、前記レーザ光（１０）に対する透過性の方が低くなっている、
請求項６又は７に記載の煤粒子センサ（１６）。

【請求項9】

前記レーザは、５００ｎｍ未満の波長、特に４０５ｎｍ、４５０ｎｍ又は４６５ｎｍの波長を有するレーザ光（１０）を放出するように構成されており、
前記光学フィルタ（４２）は、５００ｎｍ未満の波長を有する光を減衰させるように又は遮断するように構成されている、
請求項８に記載の煤粒子センサ（１６）。

【請求項10】

前記レーザ光（１０）の前記ビーム経路上で、前記分離壁に窓（４０）が取り付けられており、
前記窓（４０）は、前記レーザ光（１０）と、前記スポット（２２）から発せられた放射（１４）との両方に対して透過性を有する、
請求項１乃至９のいずれか一項に記載の煤粒子センサ（１６）。

【請求項11】

前記煤粒子センサ（１６）は、シェーカーモジュール（６８）を有し、
前記シェーカーモジュール（６８）は、前記レーザモジュール（１８）に機械的に結合された振動する可動の要素を有し、これによって、前記シェーカーモジュール（６８）の前記可動の部分の振動が、前記レーザモジュール（１８）に伝達される、
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の煤粒子センサ（１６）。

【請求項12】

前記シェーカーモジュール（６８）は、前記可動の要素を有する圧電アクチュエータを有する、又は、
前記シェーカーモジュール（６８）は、前記可動の要素を有する電磁アクチュエータを有する若しくは前記可動の要素を有する、磁歪によって動作するアクチュエータを有する、
請求項１１に記載の煤粒子センサ（１６）。

【請求項13】

前記煤粒子センサ（１６）は、前記煤粒子センサ（１６）において前記スポット（２２）の相異なる両側に配置された一対の電極（８４，８６）を有する、
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の煤粒子センサ（１６）。

【請求項14】

前記煤粒子センサ（１６）は、前記内側保護管（３０）の内部に配置された一対の音波励振器（９８，１００）を有する、
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の煤粒子センサ（１６）。

【請求項15】

前記音波励振器（９８，１００）は、電気トランスデューサであり、
前記電気トランスデューサは、圧電又は磁歪に基づいて動作する、又は、電磁的に操作され、定在超音波を生成する、
請求項１４に記載の煤粒子センサ（１６）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

従来技術
本発明は、請求項１の上位概念に記載の煤粒子センサに関する。そのような煤粒子センサは、レーザを有するレーザモジュールと、温度放射を検出するように構成された検出器とを有する。

【背景技術】

【0002】

最新のディーゼル機関によって駆動される自動車には、ディーゼル粒子フィルタが装備されている。これらの粒子フィルタの機能性能は、法的要件に従ってオンボード診断手段によって監視される必要がある。自動車の場合、例えば、本出願人によって製造及び販売される、電気抵抗を有するセンサが使用される。この公知のセンサの機能方式は、２つの櫛形電極の間に導電性の煤経路が形成されることに基づいている。このセンサにおいては、電圧が印加された後の電流の立ち上がり時間が、煤濃度に対する尺度となる。この際には、質量濃度（ｍｇ／ｍ^３排気ガス又はｍｇ／ｋｍ走行距離）が測定される。このセンサコンセプトの場合、数濃度（排気ガス１ｍ^３当たり又は走行距離１ｋｍ当たりの粒子数）の計算は、種々の理由から非常に困難であり又はそれどころか不可能である。公知のセンサは、組み込まれた加熱素子によって少なくとも７００℃に加熱されることによって周期的に再生され、それによって煤堆積物が焼却される。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

長年、健康に対する微粒子の影響が取り扱われる科学シーンにおいては、粒子の総質量（ｍｇ／ｍ^３又はｍｇ／ｋｍ単位で表される）又は粒子の数ｎ（ｎ／ｍ^３又はｎ／ｋｍ）のパラメータのうちのどちらが、健康障害の観点からより重要なパラメータであるかという議論がなされてきた。この際には、質量が非常に小さい（ｍ〜ｒ^３）ことに起因して全質量のうち非常にわずかな割合しか有していない小さな煤粒子が、特に危険であることに注意すべきである。これは、煤粒子のサイズが小さいことから生じる人体への「浸透の深さ」が大きいせいである。従って、適切な（性能及び価格から許容可能な）解決策が市場で利用可能となり次第、オンボード診断に関する法律の制定によって、測定技術的に粒子数も検出するための手段が定められるであろうと予測され得る。

【0004】

レーザ誘起白熱法（ＬＩＩ）の原理は、（空気中の）ナノ粒子を検出するために既に以前から公知であり、例えば、実験室の「ガラス状」機関での燃焼プロセスの特性評価のために、又は、実験室環境での排気ガスの特性評価のためにも、集中的に使用されている。煤粒子は、高出力レーザのナノ秒パルスによって摂氏数千度に加熱され、これによって温度放射を有意に放出する。煤粒子のこの熱的な誘起による発光が、光検出器によって測定される。この方法においては、数１０ｎｍのサイズまでの直径を有する非常に小さな煤粒子を検出することが可能である。このレーザ誘起白熱法は、請求項１の上位概念を形成する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

発明の開示
本発明は、煤粒子センサが、レーザモジュールのレーザのビーム経路上に配置された光学素子を有し、光学素子が、レーザモジュールから発せられたレーザ光を１つのスポットに集束させるように構成されており、検出器が、スポットから発せられた放射を検出するように、煤粒子センサ内に配置されているという点で、上記の高出力ナノ秒レーザによって動作する従来技術とは異なっている。放射は、温度放射であり得る、又は、スポット内で進行する煤の酸化のような化学反応によって放たれる放射であり得る。

【0006】

本発明に係るセンサは、既知のセンサとは対照的に、自動車におけるオンボード診断センサとして使用するためにも適している。本発明に係る煤粒子センサは、レーザ誘起白熱法の原理も利用する。

【0007】

１つの好ましい実施形態は、レーザモジュールが、平行なレーザ光を生成するように構成されており、光学素子が、レーザモジュールから発せられた平行なレーザ光をスポットに集束させるように構成されていることを特徴とする。

【0008】

１つの好ましい実施形態においては、レーザは、例えばダイオードレーザのような有利なＣＷレーザである。従来技術においては、ＬＩＩ実験のために高価格のＱスイッチ固体レーザが使用される。この場合、ＣＷレーザの一般的に比較的低い出力は、レーザ光の強力な集束によって補償される。

【0009】

ＣＷレーザのレーザ光は、光学素子（例えばレンズ）を介して１つの非常に小さなスポットに集束される。レーザを変調することも十分に可能であるが、好ましくはＣＷレーザが使用される。このことにより、低コストの半導体レーザ素子（レーザダイオード）を使用することが可能となり、これにより、完全なセンサユニットが安価になり、制御及び評価が大幅に簡単になる。スポットの寸法が非常に小さい（例えば数μｍ）ことにより、スポット内には常に多くても１つの煤粒子しか存在せず、この多くても１つの煤粒子のみから、測定信号が生じるということを保証することができる。

【0010】

これによって、単一粒子の測定が可能となり、この単一粒子の測定によって、煤粒子のサイズのような煤粒子に関する情報の抽出が可能となる。このことは、煤粒子を測定するための他の測定方法に比較して明らかな利点を奏する。本発明は、有利には、高速な測定速度（１回の測定当たり数分と比較して、少なくとも１回の測定当たり数秒になる）も可能にすると共に、粒子数を測定することも可能にする。従って、本発明は、放出された煤粒子の質量濃度（ｍｇ／ｍ^３又はｍｇ／ｋｍ）と、数濃度（煤粒子／ｍ^３又は煤粒子／ｋｍ）との両方の特定を可能にする。

【0011】

これにより、オットー機関を用いて駆動される自動車を使用し、オットー機関において使用されているガソリン粒子フィルタを監視し、オットー機関の煤粒子の排出量を検出することも可能になる。正に、ガソリンによって駆動されるオットー機関の場合には、車両の始動後すぐに測定可能となることが重要である。なぜなら、煤粒子の大部分は、オットー機関においてコールドスタート時に形成されるからである。さらに、オットー機関の場合には、煤粒子が微細であること、即ち、煤粒子のサイズが小さいこと（質量が小さく、数が多い）に起因して、煤粒子数の測定能力も特に重要である。現在のところ市場で利用可能な自動車センサ（オンボード）は、煤粒子数を確実に測定することができないので、本発明に係る煤粒子センサのこの煤粒子数の測定能力は、特に重要かつ有利である。

【0012】

ガソリンによって駆動されるオットー機関での使用を越えて、本発明に係る煤粒子センサを、あらゆる燃焼プロセスにおいて使用することが可能である。好ましい使用分野は、乗用車及びトラックでの、並びに、建設機械のオフロード領域での、ディーゼル粒子フィルタのオンボード監視時における煤粒子測定及び数濃度の検出や、例えば、室内空気の品質の監視時、又は、私有若しくは工場の焼却炉の排出の監視時における、粒子状物質を測定するためのセンサとして等である。本発明に係る煤粒子センサは、レーザ誘起白熱法の原理に基づいている。

【0013】

１つの好ましい実施形態は、レーザが、半導体レーザ素子、特にレーザダイオードであることを特徴とする。

【0014】

検出器が、少なくとも１つのフォトダイオードを有することも好ましい。フォトダイオードは、好ましくは、近赤外光及び可視光に対して感度を有するフォトダイオードである。

【0015】

さらに、煤粒子センサが、ビームスプリッタを有し、ビームスプリッタが、レーザモジュールから入射したレーザ光の少なくとも一部を、光学素子に向けるように、かつ、スポットから入射した温度放射の少なくとも一部を、検出器に向けるように、好ましくは平行なレーザ光のビーム経路上に配置されていることが好ましい。

【0016】

さらなる好ましい実施形態は、ビームスプリッタが、偏光ビームスプリッタであり、ビームスプリッタが、入射してきた所定の偏光方向を有するレーザ光に対して最大の透過性を有するように方向決めされていることを特徴とする。

【0017】

煤粒子センサが、光学フィルタを有し、光学フィルタが、ビームスプリッタと検出器との間のビーム経路上に配置されており、スポットから発せられるＬＩＩ光に対する透過性よりも、レーザ光に対する透過性の方が低くなっていることも好ましい。

【0018】

さらに、レーザが、５００ｎｍ未満の波長、特に４０５ｎｍ、４５０ｎｍ又は４６５ｎｍの波長を有するレーザ光を放出するように構成されており、光学フィルタが、５００ｎｍ未満の波長を有する光を減衰させるように又はそれどころか遮断するように構成されていることが好ましい。レーザ波長付近の範囲だけを透過させないバンドパスフィルタを使用することも可能である。

【0019】

さらなる好ましい実施形態は、煤粒子センサが、測定ガスに曝されるように構成された第１の部分と、煤粒子センサの光学部品を含む、測定ガスに曝されない第２の部分とを有し、両方の部分が、測定ガスに対して非透過性である分離壁を介して分離されていることを特徴とする。

【0020】

レーザ光のビーム経路上で、分離壁に窓が取り付けられており、窓が、レーザ光と、スポットから発せられたＬＩＩ光との両方に対して透過性を有することも好ましい。

【0021】

さらに、煤粒子センサが、外側保護管及び内側保護管からなる配列を有し、外側保護管及び内側保護管が、両方とも円筒形状を有し、外側保護管と内側保護管とが、同軸上に配置されており、円筒形状の軸線が、レーザ光の入射方向に対して平行に方向決めされており、スポットが、内側保護管の内部に位置しており、外側保護管の、レーザの方を向いた端部が、内側保護管を越えて突出しており、内側保護管の、反対側の端部が、外側保護管を越えて突出していることが好ましい。

【0022】

さらなる好ましい実施形態は、煤粒子センサが、シェーカーモジュールを有し、シェーカーモジュールが、レーザモジュールに機械的に堅固に結合された振動する可動の要素を有し、これによって、シェーカーモジュールの可動の部分の振動が、レーザモジュールに伝達されることを特徴とする。

【0023】

シェーカーモジュールが、可動の要素を有する圧電アクチュエータを有する、又は、シェーカーモジュールが、可動の要素を有する電磁アクチュエータを有する、又は、可動の要素を有する、磁歪によって動作するアクチュエータを有することも好ましい。

【0024】

さらに、煤粒子センサが、煤粒子センサにおいてスポットの相異なる両側に配置された一対の電極を有することが好ましい。

【0025】

煤粒子センサが、内側保護管の内部に配置された一対の音波励振器を有することも好ましい。

【0026】

さらに、音波励振器が、電気トランスデューサであることが好ましい。電気トランスデューサは、圧電若しくは磁歪に基づいて動作し、又は、電気的又は電磁的に操作され、定在超音波を生成する。

【0027】

さらなる利点は、従属請求項、明細書及び添付の図面から明らかになる。

【0028】

上述した特徴及び後述する特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、それぞれ記載された組合せだけでなく、他の組合せでも又は単独でも、使用することが可能であることは自明である。

【0029】

本発明の実施例を図面に示し、以下の記載においてより詳細に説明する。それぞれ異なる図面における同一の参照符号は、それぞれ同等の要素を示す、又は、少なくとも機能的に比較可能な要素を示す。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】本発明において使用されるレーザ誘起白熱法に基づく測定原理を示す図である。

【図2】本発明に係る煤粒子センサの基本構造を示す図である。

【図3】本発明に係る煤粒子センサの第１の実施例を示す図である。

【図4】本発明に係る煤粒子センサの、図３の対象に基づく第２の実施例を示す図である。

【図5】煤粒子フィルタの検出器として使用可能なシリコンフォトダイオードの感度を、第１の波長範囲を有する入射光の波長λの関数として示す図である。

【図6】同様にして、検出器として使用可能なシリコンフォトダイオードの感度を、第２の波長範囲を有する入射光の波長λの関数として示す図である。

【図7】励起されたレーザ光の強度の変調が時間的に十分な速度で実施される場合における、煤粒子のＬＩＩ信号の定性図である。

【図8】制御及び評価電子機器が接続された図３の煤粒子センサの実施例を示す図である。

【図9】制御及び評価電子機器が接続された煤粒子センサの第３の実施例を示す図である。

【図10】本発明に係る煤粒子センサの第４の実施例の詳細を示す図である。

【図11】本発明に係る煤粒子センサにおける、煤粒子を搬送するガスの流れ方向と、レーザ光の伝播方向との複数の異なる組合せに対する、レーザ光のビームウエスト内のスポットを示す図である。

【図12】空間的に振動するスポットにおいて生じるＬＩＩ信号の定性図である。

【図13】本発明に係る煤粒子センサの第４の実施例を示す図である。

【図14】スポットを画定するレーザ光のビームウエストを、煤粒子と共に示す図である。

【図15】レーザスポットを通過して空間的に振動する軌道上を移動する煤粒子のＬＩＩ信号を示す図である。

【図16】本発明に係る煤粒子センサの第５の実施例を示す図である。

【図17】図１６の煤粒子センサの音波励振器の間で発生する定在超音波の一例を示す図である。

【図18】非偏光ビームスプリッタと偏光ビームスプリッタとの比較を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

図１は、レーザ誘起白熱法（ＬＩＩ）に基づく測定原理を示す。高強度のレーザ光１０が、煤粒子１２に衝突する。レーザ光１０の強度は、煤粒子１２によって吸収されるレーザ光１０のエネルギが、煤粒子１２を摂氏数千度に加熱するほどに高くなっている。加熱の結果として、煤粒子１２は、以下ではＬＩＩ光とも呼ばれる温度放射の形態の放射１４を、実質的に優先方向なしに自発的に有意に放出する。従って、温度放射の形態で放出される放射１４の一部は、入射レーザ光１０の方向とは反対の方向にも放出される。

【0032】

図２は、本発明に係る煤粒子センサ１６の１つの実施例の基本構造を概略的に示す。ここでは、煤粒子センサ１６は、ＣＷレーザモジュール１８（ＣＷ：連続波）を有し、このＣＷレーザモジュール１８の、好ましくは平行なレーザ光１０は、ＣＷレーザモジュール１８のビーム経路上に配置された少なくとも１つの光学素子２０によって、非常に小さなスポット２２に集束される。光学素子２０は、好ましくは第１のレンズ２４である。レーザ光１０の強度は、スポット２２の体積内でのみ、ＬＩＩのために必要な高い値に到達する。本発明は、ＣＷレーザの使用に限定されているわけではない。パルス駆動型のレーザを使用することも考えられる。

【0033】

スポット２２の寸法は、数μｍの範囲であり、特に最大でも２００μｍの範囲であり、従って、スポット２２を横断する煤粒子１２は、レーザ誘起白熱によってであれ、又は、化学反応（特に酸化）によってであれ、励起されて評価可能な放射出力を放出する。結果として、スポット２２内には常に多くても１つの煤粒子１２しか存在せず、この多くても１つの煤粒子１２のみから、煤粒子センサ１６の瞬間的な測定信号が生じるということを前提にすることができる。測定信号は、検出器２６によって生成され、この検出器２６は、スポット２２を飛行通過する煤粒子１２から発せられる放射１４、特に温度放射を検出するように、煤粒子センサ１６内に配置されている。このために検出器２６は、好ましくは少なくとも１つのフォトダイオード２６．１を有する。これによって、単一粒子の測定が可能となり、この単一粒子の測定によって、サイズ及び速度のような煤粒子１２に関する情報の抽出が可能となる。

【0034】

これによって、排気ガス速度を特定することが可能となり、そして、粒径スペクトルの計算が可能となる。第１のパラメータは、煤粒子１２の数濃度を計算するために重要なものである。第２のパラメータと組み合わせて、質量濃度を計算することも可能である。このことは、煤粒子を測定するための他の測定方法に比較して明らかな利点を奏する。

【0035】

レーザモジュール１８のレーザを変調すること、又は、スイッチオン及びスイッチオフすることも十分に可能である（デューティサイクル＜１００％）。しかしながら、レーザモジュール１８のレーザをＣＷレーザとすることが好ましい。このことにより、低コストの半導体レーザ素子（レーザダイオード）を使用することが可能となり、これにより、完全な煤粒子センサが安価になり、レーザモジュール１８の制御と、測定信号の評価とが大幅に簡単になる。しかしながら、パルスレーザの使用が排除されているわけではない。

【0036】

図３は、燃焼プロセスの排気ガス中の煤粒子センサとして使用するために適した、本発明に係る煤粒子センサ１６の有利な実施例を示す。

【0037】

煤粒子センサ１６は、外側保護管２８及び内側保護管３０からなる配列を有する。２つの保護管２８，３０は、好ましくは一般的な円筒形状又は角柱形状を有する。円筒形状の底面は、好ましくは、円形、楕円形又は多角形である。円筒同士は、好ましくは同軸上に配置されており、円筒の軸線は、排気ガス３２の流れを横断する方向に方向決めされている。内側保護管３０は、軸線方向に外側保護管２８を越えて、流れている排気ガス３２内に突出している。２つの保護管２８，３０の、流れている排気ガスとは逆の方向を向いた端部においては、外側保護管２８が、内側保護管３０を越えて突出している。外側保護管２８の内法幅は、好ましくは、２つの保護管２８，３０の間に第１の流れ断面が形成されるように、内側保護管３０の外径よりも大きくなっている。内側保護管３０の内法幅は、第２の流れ断面を形成している。

【0038】

上記の幾何形状によって結果的に、排気ガス３２は、第１の流れ断面を介して２つの保護管２８，３０の配列に流入し、その後、保護管２８，３０の、排気ガス３２とは逆の方向を向いた端部において方向を転換し、内側保護管３０に流入し、そこから、通流する排気ガス３２によって吸い出されることとなる。この際、内側保護管３０内に層流が形成される。保護管２８，３０のこの配列は、排気管上又は排気管内で、排気ガス流を横断するように煤粒子センサ１６に取り付けられる。

【0039】

煤粒子センサ１６は、さらに、好ましくは平行なレーザ光１０を生成するレーザモジュール１８を有する。好ましくは平行なレーザ光１０のビーム経路上に、ビームスプリッタ３４が配置されている。レーザ光１０のうちの偏向されずにビームスプリッタ３４を通過する部分は、光学素子２０によって、内側保護管３０の内部の非常に小さなスポット２２に集束される。このスポット２２においては、光強度が、排気ガス３２と共に搬送される煤粒子１２を摂氏数千度に加熱するために十分に高いので、加熱された煤粒子１２が、温度放射の形態の放射１４を有意に放出する。この放射１４は、例えば近赤外及び可視スペクトル範囲にあるが、本発明は、このスペクトル範囲からの放射１４に限定されているわけではない。放射１４又はＬＩＩ光の、温度放射の形態で無指向的に放出されたこの部分は、光学素子２０によって検出され、ビームスプリッタ３４を介して検出器２６へと向けられる。この構造は、排気ガス３２への光学的なアクセスが１つだけしか必要とされないという特に重要な利点を有する。なぜなら、スポット２２を生成するためと、煤粒子１２から発せられた放射１４を検出するためとに、同一の１つの光学系、特に同一の１つの光学素子２０が使用されるからである。排気ガス３２は、測定ガスの一例である。測定ガスは、他のガス又はガス混合物、例えば室内空気でもよい。

【0040】

図３の対象の場合には、レーザモジュール１８は、レーザダイオード３６と、レーザダイオード３６から発せられたレーザ光１０を好ましくは平行に方向決めする第２のレンズ３８とを有する。レーザダイオード３６を使用することにより、レーザ光１０を生成するための特に低コストで簡単に取り扱い可能な手段がもたらされる。好ましくは平行なレーザ光１０は、光学素子２０によってスポット２２に集束される。

【0041】

光学式の煤粒子センサ１６は、好ましくは、排気ガスに曝される第１の部分１６．１と、煤粒子センサ１６の光学部品を含む、排気ガスに曝されない第２の部分１６．２とを有する。これら両方の部分は、煤粒子センサの保護管２８，３０と、光学素子との間に延在する分離壁１６．３によって分離されている。壁１６．３は、脆弱な光学素子を、高温で化学浸食性の「汚れた」排気ガス３２から隔離するために使用される。レーザ光１０のビーム経路上で、分離壁３２に保護窓４０が取り付けられており、レーザ光１０は、保護窓４０を貫通して排気ガス３２に入射し、スポット２２から発せられた放射１４を介して光学素子２０に入射し、そして、光学素子２０からビームスプリッタ３４を介して検出器２６に入射することができる。

【0042】

ここに図示された実施例に代えて、スポット２２の生成と、スポット内の煤粒子から発せられた放射１４の検出とを、それぞれ別個の光ビーム経路を介して実施することもできる。

【0043】

ここで単に実施例として示されたものとは異なるレンズの組合せによって、スポット２２を生成することも考えられる。さらに、煤粒子センサ１６を、ここで実施例として示されたレーザダイオード３６とは異なるレーザ光源を用いて実現することもできる。

【0044】

図４は、図３の主題に基づくさらなる実施例を示す。図４の煤粒子センサ１６は、ビームスプリッタ３４と検出器２６との間のビーム経路上に追加的なフィルタ４２が配置されているという点で、図３の煤粒子センサ１６とは異なっている。フィルタ４２は、スポット２２に煤粒子１２が存在する場合にスポット２２から発せられた放射１４に対する透過性よりも、レーザ光１０に対する透過性の方が低くなっていることを特徴とする。

【0045】

この実施例は、検出器２６に入射する光の信号対雑音比を格段に改善する。なぜなら、この実施例は、煤粒子センサ１６の光学部品でのレーザ光１０の後方反射に起因して検出器２６に入射し得るレーザ光１０の量を、大幅に低減するからである。そのようなレーザ光は、妨害的な背景検出信号を生成するおそれがあり、この妨害的な背景検出信号は、例えばスポット２２内の煤粒子の温度放射の形態で発せられる放射１４の検出を困難にするおそれがある。フィルタ４２によって、煤粒子１２から例えば温度放射の形態で放出される放射１４のパルスに対する妨害的な背景が低減される。フィルタ４２を有する実施例は、特別に、レーザ光源（例えばレーザダイオード）の帯域幅が狭いことを利用して、正にこの狭い帯域幅を、光検出器２６の上流でフィルタリングする。簡単なエッジフィルタを使用することも考えられる。これによって信号対雑音比が非常に大幅に改善される。

【0046】

煤粒子センサ１６が燃焼プロセスの排気系統内に取り付けられている場合には、排気系統内に外部光／周囲光がほぼ完全に存在しないことに関連して、フィルタ４２によって励起光（レーザ光）をフィルタリングすることにより、特に高感度の検出器２６、例えば、低コストのＳｉＰＭ（シリコン光電子増倍管）又はＳＰＡＤダイオード（単一光子アバランシェダイオード）を使用することが可能となる。結果として、特に小さい煤粒子によって生成され、従って、極めて小さい光信号、例えば数十個の光子によって形成される光信号でさえ検出することが可能となる。これによって、正に依然として検出可能となる煤粒子の寸法が、１０乃至１００ｎｍの検出下限まで小さくなる。

【0047】

図５は、検出器２６として使用可能なシリコンフォトダイオードの感度を、入射光の波長λの関数として任意単位で例示的に示す。感度は、約３００ｎｍ乃至１１００ｎｍの範囲において有意である。このことを、他のＳｉベースの検出器２６に適用することができる。図５は、励起用レーザモジュール１８のレーザ光１０の可能な波長範囲４４の概略図も示す。この波長を有する光は、検出器２６に到達する前に光学フィルタ４２によってビーム経路からフィルタリングされる。スポット２２内で励起された煤粒子１２から発せられる放射１４、例えば温度放射の形態で放出される放射１４の検出は、シリコンベースの検出器２６が依然として感度を有している残りの波長範囲４６，４８において実施される。

【0048】

図６も、差し当たり同様にして、検出器２６として使用可能なシリコンフォトダイオードの感度を、入射光の波長λの関数として任意単位で示す。ここでは感度範囲が、比較的短い波長の第１の範囲５０と、比較的長い波長の第２の範囲５２とに分割されている。レーザモジュール１８の励起用レーザ光１０の波長は、好ましくは第１の範囲５０にあり、例えば５００ｎｍ未満の波長（例えば４０５，４５０，４６５ｎｍ）である。光学フィルタ４２は、好ましくは、例えば５００ｎｍ未満の波長を有する光を大幅に減衰させ又はそれどころか十分に遮断するフィルタである。

【0049】

この変形例の大きな利点は、シリコンベースの検出器が感度を有している波長範囲のほぼ全体を、検出のために利用することが可能となることにある。もう１つの利点は、この変形例によって、下側の限界波長を下回る波長を有する光を遮断し、限界波長を上回る波長を有する光を通過させるステップフィルタを使用することが可能となることにある。このようなステップフィルタは、通常、レーザ光の波長を含んでいる狭い波長範囲内の波長を有する光を遮断する帯域幅フィルタよりも低コストである。

【0050】

既に述べたように、レーザ光源として、好ましくはレーザダイオードが使用される。既に述べた利点に加えて、レーザダイオードは、自身のレーザ光の放出をＭＨｚ周波数で変調することができるという利点を有する。この利点は、以下で説明される実施例において利用される。この実施例の基本的な着想は、レーザモジュール１８によって放射されるレーザ光１０の強度を時間的に変調することにある。結果として、正にスポット２２内に存在している煤粒子１２からＬＩＩに起因して温度放射の形態で発せられる放射１４の強度が、同様の周波数で変化することとなる。スポット２２を通過して飛行する煤粒子１２は、これによって複数回加熱され、そして、連続的に実施される複数回の加熱の間でそのつど再び冷却され、これによって周期的なＬＩＩ信号が形成される。その後、信号対雑音比ＳＮＲを改善するために、そのようなＬＩＩ信号にロックイン増幅方法を適用することができる。

【0051】

この実施例の大きな利点は、ＬＩＩ信号の周波数が、高い搬送周波数へと、即ち、レーザ光の強度の変調のＭＨｚ範囲にある周波数へとシフトされることにあり、それにより、例えば自動車の走行動作中に発生する振動によって引き起こされ得るような外乱に対する反応が、格段に非敏感になる。走行動作中に発生する振動は、数Ｈｚの周波数しか有さない。

【0052】

ＬＩＩのために典型的に使用されるパルス高出力ｎｓレーザの場合には、ＭＨｚ範囲の周波数によってレーザ出力を変調することは、基本的に不可能である。高出力ｆｓレーザの方向にさらに進むと、この周波数が再び達成される。

【0053】

本実施例において使用される煤粒子センサ１６は、これまで説明された実施例に対応している。レーザモジュール１８から発せられるレーザ光の強度の時間的な変調は、放出されたレーザ光１０の強度が、レーザモジュール１８の最大出力に対応するように、かつ、放出されたレーザ光１０の最小強度が、レーザモジュール１８の（短時間の）スイッチオフによって達成されるように、好ましくは正弦波状に実施される。

【0054】

しかしながら、信号形状及び期間に関して、他のあらゆる任意のバリエーションも考えられる。単なる一例として、時間の経過に伴う強度の矩形又は鋸歯状の推移を挙げておく。レーザ光１０の強度がＭＨｚ範囲の周波数で変化する変調においては、典型的な排気ガス速度でスポット２２を通過して飛行する煤粒子１２が、スポット２２内に存在している期間中に、スポット２２内の強度が、複数回、最大値及び最小値をとり、これによって、煤粒子１２が周期的に加熱及び冷却される。従って、温度放射の形態で煤粒子１２から放出された放射１４のＬＩＩ信号は、レーザ光１０の強度の振動に対して同一の周波数でかつ一定の位相で振動する。典型的な飛行通過時間が１μｓ乃至１ｍｓである煤粒子１２を、スポット２２において複数回照射することができるようにするためには、そのような振動の周波数は、１００ｋＨｚ乃至１０ＭＨｚの範囲でなければならない。他方で、この振動は、スポット２２における煤粒子１２の典型的な加熱時間及び冷却時間よりも低速でなくてはならない。この時間は、１００ｎｓ乃至１０μｓである。

【0055】

図７は、煤粒子１２がスポット２２の領域を通過して飛行し、その際に、励起用レーザ光１０の強度の変調が時間的に十分な速度で実施される場合における、時間ｔにわたる任意単位での煤粒子１２のＬＩＩ信号５４の概略定性図を示す。変調は、好ましくは、１００ｋＨｚ乃至１００ＭＨｚの範囲にある変調周波数によって実施される。ＬＩＩ信号５４は、レーザ光１０による励起後に煤粒子１２から温度放射の形態で放出される放射１４の強度を反映する。包絡曲線５６は、レーザ光１０の強度が変調されない場合のＬＩＩ信号に対応する。励起用レーザ光１０の変調により、煤粒子１２が励起用レーザ光１０によって繰り返し照射及び加熱され、結果として、高速に振動する信号５８が形成され、なお、この信号５８において、煤粒子１２から温度放射の形態で放出される放射１４の高速な振動が反映されている。その後、信号対雑音比（ＳＮＲ）を改善し、特に妨害的な信号背景６０を除去するために、そのようなＬＩＩ信号５８にロックイン増幅方法を適用することができる。

【0056】

図８は、制御及び評価電子機器６２が接続された煤粒子センサ１６の１つの実施例を示す。煤粒子センサ１６は、例えば、図３を参照して説明された煤粒子センサ１６に対応しているので、図３の説明は、図８にも当てはまる。制御及び評価電子機器６２を、別個の制御装置とすることができ、又は、制御及び評価電子機器６２を、燃焼プロセスを制御するために使用される制御装置に組み込むことができる。制御及び評価電子機器６２は、制御モジュール６４を有し、この制御モジュール６４は、レーザモジュール１８から発せられたレーザ光１０の強度を、例えば図７を参照して説明されたように変調する。検出器２６の信号は、ロックイン増幅器６６に供給され、ロックイン増幅器６６にはさらに、レーザ光の変調を反映する信号が供給される。この信号を、図８に示されるように制御モジュール６４から直接的に取り出すことができ、又は、レーザモジュール１８から取り出すことができる。結果として、検出器２６の信号を、制御及び評価電子機器６２における信号処理及び信号増幅の際に、励起用レーザ光１０の変調と相関させることができ、このことを、例えば、信号対雑音比を改善するために当業者に提供されるロックイン方法若しくは擬似ランダムシーケンス方法、又は、一般的に信号相関方法によって実施することが可能である。

【0057】

ＬＩＩのために典型的に使用されるパルス高出力ｎｓレーザの場合には、ＭＨｚ範囲でのこのようなレーザ出力の変調は、基本的に不可能である。しかしながら、ｆｓの範囲にさらに進むと、このような繰り返し周波数が再び可能になる。

【0058】

図８の対象の有利な実施形態は、フィルタ４２が設けられていることを特徴とし、このフィルタ４２は、図４に示されるように配置されていて、上述した特性を有する。この実施形態は、光学部品によって後方散乱されたレーザ光１０の強度の振動が、検出器２６によって生成される測定信号に対して与える影響をフィルタリングする。

【0059】

図９は、制御及び評価電子機器６２が接続された煤粒子センサ１６のさらなる実施例を示す。煤粒子センサ１６は、シェーカーモジュール６８を有する。図示の実施例においては、シェーカーモジュール６８の可動の要素が、レーザモジュール１８に機械的に堅固に結合されており、これによって、シェーカーモジュール６８の可動の部分の振動が、レーザモジュール１８に伝達される。その他の点においては、図９の煤粒子センサ１６は、例えば、図３を参照して説明された煤粒子センサ１６に対応しているので、図３の説明は、図９の煤粒子センサ１６にも当てはまる。煤粒子センサ１６の残りの構成要素は、シェーカーモジュール６８の可動の部分に堅固には結合されておらず、従って、シェーカーモジュール６８の可動の部分の振動運動を実施しない。制御及び評価電子機器６２は、図８の制御及び評価電子機器６２に対応しているので、別段の明記がない限り、図８の説明は、図９の制御及び評価電子機器６２にも当てはまる。図９の実施例は、煤粒子１２の現在の位置に関連してスポット２２の位置を変化させるという着想に基づいている。この場合、スポット２２を通過して飛行する煤粒子が、スポット２２内に存在している間に複数回照射及び加熱されることによって周期的なＬＩＩ信号が形成されるように、スポットの動きは、排気ガス３２に伴う煤粒子１２の動きよりも十分に高速でなければならない。その後、図８を参照して説明したように、好ましくは、そのような信号にロックイン又は他の増幅方法が適用される。図８との違いは、ロックイン増幅器６６にシェーカーモジュール６８の駆動信号が供給されるという点から生じる。なぜなら、シェーカーモジュール６８は、スポット２２の動きに、ひいてはＬＩＩ信号の強度の変化に同期しているからである。

【0060】

スポット２２の位置の変化は、シェーカーモジュール６８によって駆動されるレーザモジュール１８の動きによって生成される。シェーカーモジュール６８は、例えば、制御モジュール６４によって操作される圧電アクチュエータを有する。圧電アクチュエータに代えて、電磁アクチュエータを使用すること、又は、磁歪によって動作するアクチュエータを使用することも考えられる。アクチュエータの構成に応じて、振動運動を、レーザビーム方向に対して平行に実施すること、又は、レーザビーム方向を横断する方向に実施することができ、このことは、図９に、可能な振動方向７０の図示によって表されている。振動方向を、図平面に対して垂直にすることも可能である。

【0061】

図１０は、スポット２２の空間位置を振動させるように構成された煤粒子センサ１６の、図９に代わる実施形態の詳細を示す。図１０の煤粒子センサ１６は、２つのシェーカーモジュール６８ａ，６８ｂを有し、これらのシェーカーモジュール６８ａ，６８ｂの可動の部分は、それぞれ光学素子２０に機械的に連結されており、これによって、シェーカーモジュールの振動運動が、光学素子２０に伝達される。好ましくは、この機械的な連結は、堅固な結合である。２つのシェーカーモジュール６８ａ，６８ｂは、好ましくは同期して、同一の位相及び同一の振幅で駆動され、これによって、光学素子２０が、レーザ光１０の伝播方向に往復運動され、これによって、ビームウエストの対応する動きがもたらされる。

【0062】

スポット２２の位置を変化させるために、他の適切な方法も考えられる。動き自体も、特定の形態又は方向に限定されているわけではない。ただし、重要なことは、煤粒子１２が、スポット２２の振動運動に起因してそのつど複数回、より集中的に照射されたり、さほど集中的でなく照射されたりを繰り返し、これによって、煤粒子１２のＬＩＩ光強度の変動／振動がもたらされるということだけである。

【0063】

レーザ光１０の強度を変化させることと比較して、スポット２２の位置を変化させることによる主な利点は、スポット２２の位置を変化させる場合に、光学部品によって後方散乱されるレーザ光の強度が変化しないことである。従って、スポット２２の位置の変化によって動作する実施例の場合には、図４に示される実施例のフィルタ４２を省略することが可能であり、これによってコスト削減が可能となる。

【0064】

図１１は、煤粒子１２を搬送するガスの流れ方向７２と、レーザ光１０の伝播方向７４との２つの異なる組合せに対する、レーザ光１０のビームウエスト７３内のスポット２２を示す。図１１の部分ａ）（左）においては、両方の方向７２，７４が相互に平行である。これは、これまでに紹介した煤粒子センサの配置に対応している。図１１の部分ｂ）（右）においては、両方の方向７２，７４が相互に横断しており、これは、煤粒子センサの代替案として考えられる構造に対応する。両方の場合において、スポット２２の位置を、煤粒子のそれぞれの移動方向に対して平行にも垂直にも変化させることが可能である。即ち、スポット２２の振動方向７０と、レーザ光１０の伝播方向との少なくとも４つの可能な組合せが生じる。

【0065】

ビームウエスト７３は、煤粒子センサ１６内のレーザ光１０のビーム経路のうちのレーザ光１０が最も強力に集束されている領域である。ビームウエスト７３のサイズの下限は、光学法則に基づいて制限されており、従って、ビームウエスト７３のサイズを無限に小さくすることはできない。スポット２２は、煤粒子の光強度、ひいてはエネルギ密度及び温度が、レーザ誘起白熱を生成するために、又は、化学反応を引き起こすために、十分に高くなっている空間領域である。

【0066】

図１２は、空間的に振動するスポット２２を通過して飛行する煤粒子１２によって引き起こされる、検出器２６のＬＩＩ信号７６の例示的な概略図を示す。信号７６は、図７に示される信号５４に定性的に対応する。包絡曲線７８は、スポット２２が動かされない場合のＬＩＩ信号に対応する。しかしながら、実際にはスポット２２の位置の変化が存在することによって、煤粒子１２が繰り返し照射及び加熱され、これによって、周期信号８０が形成され、なお、この周期信号８０において、煤粒子１２の高速な空間振動が反映されている。その後、信号対雑音比（ＳＮＲ）を改善し、特に妨害的な信号背景８２を除去するために、そのような信号８０にロックイン増幅方法又は一般的に信号相関方法を適用することができる。

【0067】

図１３は、本発明に係る煤粒子センサ１６のさらなる実施形態を示す。図１３の煤粒子センサ１６も、図３及び４を参照して説明された煤粒子センサ１６に基づいており、追加的に、煤粒子センサ１６においてスポット２２の相異なる両側に配置された一対の電極８４，８６を有する。電極８４，８６は、好ましくは内側保護管３０の内部に配置されている。これらの電極８４，８６は、スポット２２を貫通する交番電界を生成するために使用される。電界を生成する交流電圧は、制御モジュール６４によって電極８４，８６に印加される。結果として、このことによって、煤粒子流の空間振動の外部励起がもたらされ、この空間振動が測定信号を周期的に変調する。これにより、検出において相関技術（例えばロックインシーケンス又は擬似ランダムシーケンスなど）を使用することが可能となり、これにより、信号対雑音比が数桁改善される。図示の実施例においては、電極８４，８６に供給される交流電圧は、ロックイン増幅器６６の入力部に並列に供給される。煤粒子の少なくとも一部は、電荷を帯びている。

【0068】

図１４は、スポット２２を画定するレーザ光１０のビームウエスト７３を、正にスポット２２を通過して飛行する煤粒子１２と共に示す。他の全ての図と同様に、ここでもスポット２２は、飛行通過する煤粒子１２が励起されて放射、特に温度放射を放出するように強力に加熱されるほどに、強度が高くなっている空間領域であるということが当てはまる。電界が印加されていなければ、煤粒子１２は、排気ガスの流れ方向７２に排気ガスの流速で、均一な動きでスポット２２を通過する。この状況は、図１４の部分ａ）に示されている。排気ガスの流れ方向７２を横断する方向に方向決めされた交番電界を印加することにより、（帯電した）煤粒子１２の軌跡に振動が印加され、煤粒子１２は、スポット２２から出て、電界方向の反転後に再びスポット２２に入る。交番電界の周波数が十分に高いことを前提にした場合には、煤粒子１２が周期的に加熱され、煤粒子１２から発せられるＬＩＩ信号が周期的に変調される。

【0069】

図１５は、レーザスポット２２を通過して振動軌道上を移動する煤粒子のＬＩＩ信号９０の、時間ｔにわたる任意単位での概略図を示す。包絡曲線９２は、交番電界が印加されない場合のＬＩＩ信号に対応している。印加された交番界に起因してレーザスポットに周期的に出入りすることにより、煤粒子が繰り返し照射及び加熱され、これによって、周期的なＬＩＩ信号９４が形成される。他の実施形態に関して前述したように、信号対雑音比（ＳＮＲ）を改善し、特に妨害的な背景９６を除去するために、そのような信号に相関方法を適用することができる。

【0070】

このために必要な周波数の推定を、以下の計算によって実施することができる。これらのプロセスに関連する長さは、ビームウエスト７３（レーザ焦点）の軸線方向の拡がり２ｚ_０と横方向の拡がり２ｗ_０とによって与えられている。スポット２２の寸法は、これらの寸法にほぼ対応している。横方向の拡がりは、ガウス放射光学系においては通常であるように、１／ｅ^２への強度低下によって与えられている。距離ｚ_０は、レイリー長とも呼ばれ、レーザモジュール１８のレーザのビームウエストｗ_０と波長λとによって定義されている。
ｚ_０＝πｗ_０^２／λ

【0071】

ここで、印加される交番電界のために必要な最小周波数は、煤粒子１２が、スポット２２を通過する途中でスポット２２を一度出て、再びスポット２２に入るという条件によって与えられている。これにより、排気ガス流速ｖｅｘｈを考慮して、最大周期Δｔ_ｍａｘと、ひいては最小周波数
１／ｆ_ｍｉｎ＝２ｚ_０／ｖ_ｅｘｈ
とを計算することができる。例えば、ビームウエストが２ｗ_０＝１０μｍであり、波長が１μｍであり、排気ガス速度が約１ｍ／ｓである場合には、最小周波数は、約６ｋＨｚになる。煤粒子１２がスポット２２を複数回通過することを可能にするために、典型的な動作周波数を少なくとも１０倍高く選択すべきである。これによって、ＬＩＩ信号は、周波数ｆで周期的に変調され、相関技術（ロックイン、擬似ランダムシーケンス）による検出が可能となる。このことにより、例えば、ビーム経路上の光学素子によって後方散乱された光によって引き起こされるような背景信号９６を、強力に抑制することが可能となる。同様にして、相関技術を使用することにより、一般的な信号対雑音比が改善される。

【0072】

これらの相関技術の使用は、従来技術で使用されているＱスイッチパルスｎｓレーザの場合には、繰り返し周波数が低いことに起因して、高周波数（ｋＨｚ乃至ＭＨｚの範囲）においては不可能であった。本明細書において提案される本発明を用いることにより、このことが問題なく可能となる。

【0073】

交番電界を印加するために使用される電極８４，８６自体に、加熱素子を設けることができ、これによって、堆積している煤が焼却されるように、電極８４，８６が定期的な間隔で加熱される。

【0074】

図１６は、音波励振器９８，１００を有し、図３に示される煤粒子センサ１６に基づく煤粒子センサ１６の１つの実施例を示す。一対の音波励振器９８，１００は、保護管３０の内部に配置されている。音波励振器９８，１００は、煤粒子１２の流れ方向を横断する方向に振動する。音波励振器９８，１００は、例えば電気トランスデューサであり、この電気トランスデューサは、例えば圧電若しくは磁歪に基づいて、又は、スピーカのように電磁的に操作されて、定在超音波を生成する。

【0075】

図１７は、音波励振器９８，１００の間で発生するそのような定在超音波１０２の一例を示す。この場合、音波励振器９８，１００の励振周波数は、好ましくは、スポット２２が、音波励振器９８，１００の間で発生する定在超音波１０２の速度腹に位置するように設定される。スポット２２は、ビームウエスト２ｗ_０及びレイリー長２ｚ_０によって画定される空間領域であり、この空間領域においては、レーザ光１０の強度は、ＬＩＩを「点火」するために十分に高くなっている（全ての実施例に当てはまる）。これによって、煤粒子１２は、速度腹のスポット２２を通過する際に、煤粒子１２の当初の流れ方向７２を横断する方向に周期的にスポット２２から押し出され、そして再び引き込まれ、これによって、粒子励起の変調が発生し、この変調がＬＩＩ信号の変調に反映される。ＬＩＩ信号は、典型的には励起後、数ナノ秒乃至１００ナノ秒の範囲の時間スケールで減衰する。

【0076】

このために必要な変調周波数の推定は、図１３による煤粒子センサ１６に関して上で詳述した推定と完全に同様にして実施される。空気中の音速が約３４０ｍ／ｓであり、動作周波数がｆ＝６０ｋＨｚである場合には、超音波の波長は、約５ｍｍになり、これは、保護管内で十分に実現可能である。煤粒子は、速度腹のスポット２２を通過する際に周期的に焦点から押し出され、これによって粒子励起の変調がもたらされる。これによって、ＬＩＩ信号は、周波数ｆで周期的に変調され、相関技術（ロックイン、擬似ランダムシーケンス）による検出が可能となる。このことにより、例えば、ビーム経路上の光学素子によって後方散乱された光によって引き起こされるような背景信号を、強力に抑制することが可能となる。さらに、音波励振器９８，１００の励振周波数を変化させることにより、定在超音波１０２の速度腹の位置を制御してシフトすることが可能であり、これによって、検出信号の所望の変調が達成される。この特別な解決策の技術的な利点は、信号評価時におけるサンプリングレートがさらに一層低減されることであり、このことによって、評価回路が簡単になり（コスト）、その結果、電流消費量が低減される。

【0077】

両方の音波励振器９８，１００の振動の位相同士を、相互に相対的に変調することも考えられる（位相変調）。超音波を生成するために使用される音波励振器９８，１００自体に、少なくとも１つの加熱素子を設けることができ、これによって、堆積している煤が焼却されるように、音波励振器９８，１００が定期的な間隔で加熱される。

【0078】

図１５に示されるような、振動しながら延在する軌跡上でスポット２２を通過して移動する煤粒子１２にとって典型的であるような、ＬＩＩ信号の時間推移が得られる。包絡曲線９２は、交番音響界が印加されない場合のＬＩＩ信号に対応している。印加された交番界に起因してレーザスポットに周期的に出入りすることにより、煤粒子が繰り返し照射及び加熱され、これによって、周期的なＬＩＩ信号９４が形成される。その後、この点に関して比較可能な図１２を参照して前述したように、信号対雑音比（ＳＮＲ）を改善するために、そのような信号に相関方法を適用することができる。

【0079】

図１８は、非偏光ビームスプリッタ２３４と偏光ビームスプリッタ１３４との比較を示す。図２２の左半分が、非偏光ビームスプリッタ２３４に関し、その一方で、右半分が、偏光ビームスプリッタ１３４に関する。

【0080】

偏光ビームスプリッタ１３４は、偏光に応じてそれぞれ異なる強度で光を透過又は反射することを特徴とする。入射光の、ある所定の偏光方向においては、ほぼ完全な透過が生じ、入射光の、これに対して垂直な偏光においては、ほぼ完全な反射が生じる。

【0081】

レーザ光１０は、一般的に既に偏光されているので、レーザ光１０は、偏光ビームスプリッタ１３４の偏光方向に対して適切に選択された配置においては、偏光ビームスプリッタ１３４を一方向に（スポット２２に向かう方向に）実質的に無損失で通過することができ、その一方で、非偏光ビームスプリッタ２３４のビームスプリッタ面２３４．１は、既に、レーザ光１０によって搬送される出力の最大５０％を有効光路から反射させる。この損失は、図１８の左部分においては、左を指す矢印１０’によって表されている。図１８の右側部分に示されるビームスプリッタ１３４の場合には、この損失成分１０’が生じない。換言すれば、レーザの偏光とレーザの方向とを正しく選択することにより、その位置での透過出力を最大化することが可能であり（ほぼ１００％まで）、その一方で、従来の非偏光ビームスプリッタ２３４の場合には、ビームスプリッタを透過する際の約５０％の出力損失を甘受しなければならない。レーザ光１０は、減衰されることなく偏光ビームスプリッタ１３４のビームスプリッタ面１３４．１を貫通する。

【0082】

図３及び４を参照して説明したように、透過光は、第２のレンズ２０を介して保護窓４０を貫通して内側保護管３０内のスポット２２に集束される。従って、レーザの出力が同等である場合には、偏光ビームスプリッタ１３４を使用すると、粒子を加熱するためにスポット２２内の２倍の光出力を利用することが可能となる。

【0083】

この実施形態は、煤粒子センサ１６がその他の点に関しては不変である場合に、スポット２２内の最大強度が増加され、このことにより、測定されるべき煤粒子１２がより高い温度に加熱され、それによって、温度放射の形態で放出される放射１４の、加熱された煤粒子１２から発せられる放射出力が増加するという利点を有する。結果として、信号対雑音比が改善される。

【0084】

スポット２２内に存在する煤粒子１２から発せられ、レンズの方向に放出された放射１４は、好ましくは同一のレンズ２０によって検出され、好ましくは偏光ビームスプリッタ１３４を介して検出器２６に案内される。加熱された煤粒子から発せられた放射１４は、優先偏光を有していないので、例えばレンズ２０によって検出される放射１４の約半分が、検出器２６に向けられる。煤粒子１２は、非偏光放射１４のみを放出するので、いずれにせよ発生するであろう残留損失のみが検出ビーム経路上に残ることとなる。偏光ビームスプリッタ１３４を、本発明による全ての実施例において、即ち、特に本願に記載されている全ての煤粒子センサにおいて、ビームスプリッタ３４として使用することができる。同様にして、非偏光ビームスプリッタ２３４を、本発明による全ての実施例において、即ち、特に本願に記載されている全ての煤粒子センサにおいて、ビームスプリッタ３４として使用することができる。

【0085】

従って、偏光ビームスプリッタ１３４の使用は、非偏光ビームスプリッタ２３４を使用して動作する実施形態に比較して、光ポンプ出力の増加によって、スポット２２内の格段に高い出力密度及び温度Ｔを達成することが可能となり、これによって、スポット２２内で自発的に放出される出力が急激に増加する（放射に関するキルヒホッフの法則Ｐ〜Ｔ^４）という利点を有する。ここでも、煤粒子センサ１６が、好ましくは光学フィルタ４２を有し、この光学フィルタ４２が、（偏光）ビームスプリッタ１３４と検出器２６との間のビーム経路上に配置されていて、上述した特性を有するということが当てはまる。このフィルタ４２により、レーザ光１０に対する検出器２６の遮蔽が達成され、このことも、信号対雑音比を改善する。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11a)】

【図11b)】

【図12】

【図13】

【図14a)】

【図14b)】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】