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WO2018163845A1 - 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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WO2018163845A1
WO2018163845A1 PCT/JP2018/006437 JP2018006437W WO2018163845A1 WO 2018163845 A1 WO2018163845 A1 WO 2018163845A1 JP 2018006437 W JP2018006437 W JP 2018006437W WO 2018163845 A1 WO2018163845 A1 WO 2018163845A1
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WO
WIPO (PCT)
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charge
electrode
discharge electrode
dielectric layer
base surface
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/006437
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
英正 奥村
和幸 水野
京一 菅野
Original Assignee
日本碍子株式会社
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Publication date
Application filed by 日本碍子株式会社 filed Critical 日本碍子株式会社
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Priority to DE112018000829.0T priority patent/DE112018000829T5/de
Priority to JP2019504467A priority patent/JPWO2018163845A1/ja
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Priority to US16/564,163 priority patent/US20200003672A1/en

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G01N15/0656—Investigating concentration of particle suspensions using electric, e.g. electrostatic methods or magnetic methods
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/60—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrostatic variables, e.g. electrographic flaw testing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T19/00—Devices providing for corona discharge
    • H01T19/04—Devices providing for corona discharge having pointed electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T23/00—Apparatus for generating ions to be introduced into non-enclosed gases, e.g. into the atmosphere
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N2015/0042—Investigating dispersion of solids
    • G01N2015/0046—Investigating dispersion of solids in gas, e.g. smoke

Definitions

  • the present invention relates to a charge generation element and a particle number detector.
  • ions are generated by a corona discharge in a charge generation element, the particles in the gas to be measured are charged by the ions, the charged particles are collected by a collecting electrode, and the collected particles are collected.
  • the number measuring device measures the number of fine particles based on the amount of electric charge.
  • a charge generating element an element in which a discharge electrode and an induction electrode are provided to face each other with a dielectric layer interposed therebetween is known (for example, see Patent Document 2).
  • the end portion (side surface) of the discharge electrode is formed at right angles to the surface of the dielectric layer on which the discharge electrode is provided, the electric field is less likely to concentrate, and the electric field intensity at which discharge occurs is obtained. It was necessary to increase the applied voltage.
  • the present invention has been made to solve such a problem, and has as its main object to lower the voltage between the discharge electrode and the induction electrode for generating electric charges.
  • the charge generating element of the present invention is It has a discharge electrode on one side of the dielectric layer and an induction electrode on the other side or inside of the dielectric layer. When a voltage is applied between the discharge electrode and the induction electrode, a charge is generated by the discharge.
  • a charge generating element, The discharge electrode has a flat base surface and a bulging surface swelled from the base surface, and an angle ⁇ between the base surface and the bulging surface at the edge of the discharge electrode is 5 ° to 45 °. Is.
  • the discharge electrode has a planar base surface and a bulging surface bulging from the base surface, and the angle ⁇ formed by the base surface and the bulging surface at the edge of the discharge electrode is 5 °. It is ⁇ 45 ° (preferably 10 ° to 30 °). That is, the thickness of the discharge electrode gradually decreases toward the edge. Therefore, the electric field tends to concentrate on the edge of the discharge electrode as compared with the case where the angle ⁇ is 90 °. Therefore, the voltage between the discharge electrode and the induction electrode for generating charges can be lowered.
  • charge includes positive charges and negative charges as well as ions.
  • shape bulging from the base surface may be a shape bulging from the base surface toward the inside of the dielectric layer, or may be a shape bulging from the base surface to the outside of the dielectric layer.
  • the dielectric layer may be made of ceramic, and the discharge electrode and the dielectric layer may be bonded by sintering or bonded by an inorganic adhesive. In this way, the heat resistance is higher than when the discharge electrode and the dielectric layer are joined with an organic material.
  • the base surface of the discharge electrode is flush with the one surface of the dielectric layer, and the bulging surface extends from the base surface to the inside of the dielectric layer. It may swell toward you. In this way, foreign matter is less likely to accumulate as compared to the case where the bulging surface bulges from the base surface toward the outside of the dielectric layer.
  • the base surface of such a discharge electrode may be covered with an insulating protective layer. Since the base surface of the discharge electrode is flush with one surface of the dielectric layer, the protective layer can be formed uniformly by printing or the like without causing voids.
  • the base surface of the discharge electrode is flush with the one surface of the dielectric layer, and the bulging surface extends from the base surface to the outside of the dielectric layer. It may swell toward you. In this way, foreign matter is less likely to accumulate than the discharge electrode having a rectangular cross section.
  • the bulging surface of such a discharge electrode may be covered with an insulating protective layer. Since the bulging surface of the discharge electrode is gentler than the discharge electrode having a rectangular cross section, the protective layer can be formed relatively well by printing or the like.
  • the particle number detector of the present invention is Any of the charge generating elements described above for adding a charge to the fine particles in the gas introduced into the vent pipe; Detection means for detecting the number of fine particles in the gas based on the amount of charge of the fine particles to which the charge has been added or the amount of charge not added to the fine particles; It is equipped with.
  • the discharge electrode has a planar base surface and a bulging surface bulging from the base surface, and an angle ⁇ formed by the base surface and the bulging surface at the edge of the discharge electrode is 5. It is in the range of ° to 45 ° (preferably 10 ° to 30 °). Therefore, the electric field tends to concentrate on the edge of the discharge electrode as compared with the case where the angle is 90 °. Therefore, the voltage between the discharge electrode and the induction electrode for generating charges can be lowered.
  • 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.
  • the fine particle number detector of the present invention is used in, for example, atmospheric environment surveys, indoor environment surveys, pollution surveys, combustion particle measurement of automobiles, particle generation environment monitoring, particle synthesis environment monitoring, and the like.
  • FIG. 3 is a plan view of the charge generation element 20. AA sectional drawing.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the charge generation element 120.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the charge generation element 220.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the charge generation element 320.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of a modified example of the charge generation element 320.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of the charge generation element 420.
  • 2 is a cross-sectional view of the particle number detector 10.
  • FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view of a charge generation element 520.
  • FIG. 1 is a plan view of the charge generating element 20
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
  • the charge generation element 20 of this embodiment has a discharge electrode 24 on the front surface 22 a of the dielectric layer 22, and an induction electrode 26 on the back surface 22 b of the dielectric layer 22.
  • the dielectric layer 22 is a flat layer made of a dielectric.
  • the material constituting the dielectric layer 22 is not particularly limited, and examples thereof include ceramic materials such as alumina, aluminum nitride, silicon nitride, silicon carbide, mullite, zirconia, titania, and magnesia.
  • the discharge electrode 24 is formed in a shape in which a plurality of triangular protrusions 25 are provided on two long sides facing each other when viewed from above.
  • the discharge electrode 24 is joined to the surface 22a of the dielectric layer 22 by sintering.
  • the discharge electrode 24 has a flat base surface 24a and a bulging surface 24b having a shape bulging from the base surface 24a in a cross section cut along the thickness direction.
  • the base surface 24 a is flush with the surface 22 a of the dielectric layer 22.
  • the bulging surface 24 b has a shape bulging from the base surface 24 a toward the inside of the dielectric layer 22.
  • the angle ⁇ between the base surface 24a and the bulging surface 24b at the edge E (that is, the outer peripheral edge) of the discharge electrode 24 is 5 ° to 45 °, preferably 10 ° to 30 °.
  • the material constituting the discharge electrode 24 is not particularly limited as long as it is a material that does not melt, scatter, or deform due to discharge.
  • the induction electrode 26 has a rectangular shape when seen from the upper surface, and is provided on each of the long side and the other long side of the discharge electrode 24.
  • the induction electrode 26 is joined to the back surface 22b of the dielectric layer 22 by sintering.
  • the shape when the induction electrode 26 is cut along the thickness direction is a rectangle.
  • the same material as that constituting the discharge electrode 24 can be used.
  • a voltage of a discharge power source (not shown) is applied to the charge generation element 20 so that a potential difference is generated between the discharge electrode 24 and the induction electrode 26. Then, discharge occurs in the vicinity of the discharge electrode 24 based on the potential difference. By this discharge, the gas existing around the discharge electrode 24 is ionized to generate charges.
  • the protrusion 25 protruding in the direction along the surface of the dielectric layer 22 is provided on the long side of the discharge electrode 24, the electric field tends to concentrate on the tip of the protrusion 25.
  • the cross section of the discharge electrode 24 becomes thinner toward the edge E, and the angle ⁇ formed by the base surface 24a and the bulging surface 24b is 5 ° to 45 °. Therefore, the electric field tends to concentrate on the edge E of the discharge electrode 24 as compared with a case where the discharge electrode has a rectangular cross section (angle ⁇ is 90 °).
  • the discharge electrode 24 is gradually reduced in thickness toward the edge E, the electric field is concentrated on the edge E of the discharge electrode 24 compared to the case where the angle ⁇ is 90 °. Cheap. Therefore, the voltage between the discharge electrode 24 and the induction electrode 26 for generating charges can be lowered as compared with the conventional charge generation element.
  • a conventional charge generating element for example, as shown in FIG. 9, a charge generating element having a discharge electrode 524 having a rectangular cross section on the surface of a dielectric layer 522 and an induction electrode 526 having a rectangular cross section on the back surface of the dielectric layer 522.
  • the element 520 is mentioned.
  • the dielectric layer 22 is made of a ceramic material, and the discharge electrode 24 and the induction electrode 26 are joined to the dielectric layer 22 by sintering, compared to the case where the electrodes 24 and 26 are joined with an organic material. Increases heat resistance.
  • the base surface 24 a exposed to the outside of the discharge electrode 24 is flush with the surface 22 a of the dielectric layer 22, the surface exposed to the outside swells outward from the surface 22 a of the dielectric layer 22. Foreign matter is harder to deposit than in the case of an oval shape.
  • the surface 22a of the dielectric layer 22 and the base surface 24a of the discharge electrode 24 may be covered with an insulating protective layer 27 as in the charge generation element 120 shown in FIG.
  • the protective layer 27 plays a role of preventing the dielectric layer 22 from absorbing moisture as well as preventing damage and oxidation due to discharge deterioration of the discharge electrode 24. Since the base surface 24a of the discharge electrode 24 is flush with the surface 22a of the dielectric layer 22, the protective layer 27 can be formed uniformly by printing or the like without causing voids.
  • the induction electrode 26 may be embedded in the dielectric layer 22 as in the charge generating element 220 shown in FIG.
  • the same components as those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals. Even if it does in this way, the effect similar to embodiment mentioned above is acquired.
  • the discharge electrode 124 may be employed instead of the discharge electrode 24 as in the charge generating element 320 shown in FIG.
  • the discharge electrode 124 has a flat base surface 124a and a bulging surface 124b having a shape bulging from the base surface 124a to the outside of the dielectric layer 22 in a cross section cut along the thickness direction.
  • the base surface 124 a is flush with the surface 22 a of the dielectric layer 22.
  • An angle ⁇ between the base surface 124a and the bulging surface 124b at the edge E of the discharge electrode 124 is 5 ° to 45 °, preferably 10 ° to 30 °.
  • the surface 22a of the dielectric layer 22 and the bulging surface 124b of the discharge electrode 124 may be covered with an insulating protective layer 127.
  • the protective layer 127 plays a role of preventing damage and oxidation due to discharge deterioration of the discharge electrode 124 and preventing moisture absorption of the dielectric layer 22. Since the bulging surface 124b of the discharge electrode 124 has a gentle shape as compared with the discharge electrode 524 having a rectangular cross section (see FIG. 9), the protective layer 127 can be formed relatively well by printing or the like.
  • the induction electrode 26 may be embedded in the dielectric layer 22 like the charge generation element 420 shown in FIG.
  • the same components as those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals. Even if it does in this way, the effect similar to embodiment mentioned above is acquired.
  • the discharge electrode 24 and the induction electrode 26 are joined to the dielectric layer 22 by sintering.
  • the discharge electrode 24 and the induction electrode 26 are bonded to the dielectric layer 22 with an inorganic adhesive (for example, glass). You may join.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the particle number detector 10.
  • 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. 8, the particle number detector 10 includes a charge generating element 220, a surplus charge removing device 30, a collecting device 40, and a detector main body 50 in a ceramic vent pipe 12.
  • 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 generating element 220 has the structure shown in FIG. 4 and is provided on the side of the vent pipe 12 close to the gas inlet 12a. Therefore, detailed description of the charge generation element 220 is omitted. However, here, the inner wall of the ceramic ventilation pipe 12 is used as the dielectric layer 22 of FIG.
  • the discharge electrode 24 and the induction electrode 26 are connected to a discharge power supply 28 that applies a voltage Vp (eg, a pulse voltage).
  • Vp eg, a pulse voltage
  • the surplus charge removing device 30 is a device for removing surplus charges 18 that have not been added to the fine particles 16 out of the charges 18 generated by the charge generating element 220, and the charge generating element 220 in the hollow portion 12 c in the vent tube 12. And the collection device 40.
  • the surplus charge removing device 30 has a pair of removing electric field generating electrodes (applying electrode 32 and ground electrode 34) and a removing electrode 36.
  • the application electrode 32 and the ground electrode 34 are embedded in positions facing each other on the wall of the vent pipe 12.
  • the application electrode 32 is an electrode having a negative potential ⁇ V2.
  • the absolute value of the negative potential ⁇ V2 is one digit or more smaller than the absolute value of the negative potential ⁇ V1 of the collection device 40 described later.
  • the ground electrode 34 is an electrode connected to the ground.
  • the removal electrode 36 is disposed between the application electrode 32 and the ground electrode 34, and is exposed on the wall of the hollow portion 12 c in which the ground electrode 34 is embedded. As a result, a weak electric field is generated between the application electrode 32 and the ground electrode 34 of the surplus charge removing device 30. Therefore, of the charges 18 generated by the charge generation element 220, the surplus charges 18 that have not been added to the fine particles 16 are attracted to the ground electrode 34 by this weak electric field, captured by the removal electrode 36, and then discarded to the ground. .
  • the collection device 40 is a device that collects the charged fine particles P, and is provided in the hollow portion 12 c in the vent pipe 12.
  • the collection device 40 has a pair of collection electric field generation electrodes (application electrode 42 and ground electrode 44) and a collection electrode 46.
  • the application electrode 42 and the ground electrode 44 are embedded at positions facing each other on the wall of the vent pipe 12.
  • the application electrode 42 is an electrode having a negative potential ⁇ V1.
  • the level of the negative potential ⁇ V1 is from the ⁇ mV order to ⁇ several tens of volts.
  • the ground electrode 44 is an electrode connected to the ground.
  • the collection electrode 46 is disposed between the application electrode 42 and the ground electrode 44, and is exposed on the wall of the hollow portion 12 c in which the ground electrode 44 is embedded.
  • the detector main body 50 corresponds to the detecting means of the present invention, and includes a series circuit unit 52 and a number measuring device 56.
  • the series circuit unit 52 is provided between the collecting electrode 46 and the number measuring device 56.
  • a capacitor 53, a resistor 54, and a switch (preferably a semiconductor switch) 55 are connected in series to the series circuit portion 52 from the collecting electrode 46 side.
  • the number measuring device 56 is a device that measures the number of the fine particles 16 based on the charge amount of the charged fine particles P collected by the collecting electrode 46.
  • the switch 55 is turned on, a current based on the charge 18 of the charged fine particles P collected by the collecting electrode 46 is transmitted to the number measuring device 56 as a transient response through a series circuit including the capacitor 53 and the resistor 54. Is done.
  • the number measuring device 56 measures an electric current value using an ammeter, and calculates the number of fine particles 16 based on the electric current value.
  • 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 ventilation pipe 12 from the gas introduction port 12a are charged with the charge 18 (negative charge in this case) generated by the discharge of the charge generation element 220 to become the charged fine particles P and then the hollow portion. Enter 12c.
  • the charged fine particles P entering the hollow portion 12c reach the collection device 40, they are attracted to the ground electrode 44 and collected by the collection electrode 46 installed in the middle thereof.
  • the electric charges 18 generated in the electric charge generating element 220 the excessive electric charges 18 that have not been added to the fine particles 16 are attracted to the ground electrode 34 by this weak electric field, captured by the removal electrode 36, and then discarded to the ground. Therefore, surplus charges 18 are not collected by the collection electrode 46 of the collection device 40.
  • a current based on the electric charge 18 of the charged fine particles P attached to the collecting electrode 46 is transmitted to the number measuring device 56 as a transient response through a series circuit including a capacitor 53 and a resistor 54.
  • the number measuring device 56 integrates (accumulates) the current value over a period during which the switch 55 is turned on (switch-on period) to obtain an integrated 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 46 over a certain time (for example, 5 to 15 seconds) can be obtained.
  • the number measuring device 56 repeats and accumulates calculations for calculating the number of the fine particles 16 in a predetermined time over a predetermined period (for example, 1 to 5 minutes), so that the fine particles attached to the collecting electrode 46 over the predetermined period.
  • the number of 16 can be calculated. Further, by using the transient response by the capacitor 53 and the resistor 54, 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 54 having a large resistance value.
  • the charge generation element 220 since the charge generation element 220 is used, the voltage between the discharge electrode 24 and the induction electrode 26 for generating charges can be lowered. it can. Moreover, since the base surface 24a exposed to the outside of the discharge electrode 24 is flush with the surface of the dielectric layer (that is, the inner wall of the vent tube 12), foreign matters such as fine particles 16 are difficult to deposit.
  • the charge generation element 220 is employed, but the above-described charge generation element 420 (see FIG. 7) may be employed. Also in this case, the voltage between the discharge electrode 24 and the induction electrode 26 for generating charges can be lowered. Further, since the bulging surface 124b exposed to the outside of the discharge electrode 24 is thinner toward the edge E, foreign matter such as the fine particles 16 is less likely to be deposited than the discharge electrode 524 of FIG. Instead of the discharge electrode 24, the above-described charge generation elements 20, 120, and 320 may be employed.
  • the surplus charge removing device 30 is provided, but the surplus charge removing device 30 may be omitted.
  • the case of measuring the number of negatively charged fine particles P has been described, but the number of fine particles 16 can be similarly measured even for positively charged fine particles P.
  • a positive voltage may be applied to the applying electrode 42 to collect the charged fine particles P on the collecting electrode 46.
  • the number of fine particles is detected based on the current that flows when the charged fine particles P are collected by the collecting electrode 46, but the total amount of charges generated by the charge generating element 20 and the collecting electrode 36 collect the charged particles.
  • the number of fine particles in the gas may be detected based on the difference from the amount of the generated charge (that is, the charge 16 not added to the fine particles 16).
  • the above-described charge generation element 220 was produced as follows. First, polyvinyl butyral resin (PVB) as a binder, bis (2-ethylhexyl) phthalate (DOP) as a plasticizer, xylene and 1-butanol as a solvent are added to alumina powder, and mixed in a ball mill for 30 hours. Then, a slurry for forming a green sheet was prepared. The slurry was vacuum degassed to adjust the viscosity to 4000 cps, and then a green sheet was prepared with a doctor blade device so that the thickness after firing was 200 ⁇ m. The green sheet was cut to produce two green sheets.
  • PVB polyvinyl butyral resin
  • DOP bis (2-ethylhexyl) phthalate
  • xylene and 1-butanol as a solvent
  • Pt paste as an induction electrode was screen-printed so that the film thickness after firing was 5 ⁇ m, and dried at 120 ° C. for 10 minutes.
  • the fluororesin material was used from the point of releasability with respect to the green sheet.
  • the shape of the discharge electrode in the thickness direction can be controlled by the shape of the fluororesin material, and in this embodiment, the fluororesin material provided with the convex portions having the same shape as the discharge electrode having the angle ⁇ of 30 ° described above It was used.
  • a Pt paste as a discharge electrode was screen-printed on the recesses so that the film thickness after firing was 5 ⁇ m and did not protrude from the recesses, and dried at 120 ° C. for 10 minutes. The green sheet on which the induction electrode was formed and the green sheet on which the discharge electrode was formed were overlapped so that the induction electrode was included and the discharge electrode was on the outer surface.
  • the porous alumina setter was placed on the surface on which the discharge electrode was formed, and was integrally fired at 1450 ° C. for 2 hours.
  • the reason why the porous alumina setter was used is to suppress warpage of the substrate due to integral firing, to control the angle of both ends of the discharge electrode in the thickness direction, and to prevent the setter from sticking to the green sheet and the discharge electrode.
  • the green sheet is fired to become a ceramic substrate, a charge generating element having a discharge electrode on one surface of the ceramic substrate and an induction electrode inside the ceramic substrate (see charge generating element 220 in FIG. 4). )
  • the angle ⁇ formed by the base surface and the bulging surface at the edge of the discharge electrode was 30 °.
  • Example 2 The above-described charge generation element 420 (see FIG. 7) was manufactured by the following procedure. First, polyvinyl butyral resin (PVB) as a binder, bis (2-ethylhexyl) phthalate (DOP) as a plasticizer, xylene and 1-butanol as a solvent are added to alumina powder, and mixed in a ball mill for 30 hours. Then, a slurry for forming a green sheet was prepared. The slurry was vacuum degassed to adjust the viscosity to 4000 cps, and then a green sheet was prepared with a doctor blade device so that the thickness after firing was 200 ⁇ m. The green sheet was cut to produce two green sheets.
  • PVB polyvinyl butyral resin
  • DOP bis (2-ethylhexyl) phthalate
  • xylene and 1-butanol as a solvent
  • Pt paste as an induction electrode was screen-printed so that the film thickness after firing was 5 ⁇ m, and dried at 120 ° C. for 10 minutes.
  • the remaining green sheet and the green sheet on which the induction electrode was formed were overlapped so that the induction electrode was included and the discharge electrode was on the outer surface, and were integrally fired at 1450 ° C. for 2 hours.
  • an angle formed by the flat base surface at the edge and the bulging surface bulging outward is 30 ° so that the film thickness after firing Pt paste at the center portion becomes 5 ⁇ m as the discharge electrode.
  • Screen printing was carried out so as to be dried at 120 ° C. for 10 minutes.
  • the printing pressure of the screen printing machine is increased from 0.2 MPa, which is the conventional condition, to 0.25 MPa, and the content of texanol, which is an organic solvent contained in the Pt paste, is increased.
  • the amount was increased from 16% by mass to 21% by mass.
  • the surface on which the discharge electrode was formed faced up and was integrally fired at 1450 ° C. for 2 hours.
  • the green sheet is fired to become a ceramic substrate, a charge generating element having a discharge electrode on one surface of the ceramic substrate and an induction electrode inside the ceramic substrate (see charge generating element 420 in FIG. 7).
  • the angle ⁇ formed by the base surface (coplanar with the surface of the ceramic substrate) and the bulging surface at the edge of the discharge electrode was 30 °.
  • the above-described charge generation element 520 (see FIG. 9) was manufactured by the following procedure. First, polyvinyl butyral resin (PVB) as a binder, bis (2-ethylhexyl) phthalate (DOP) as a plasticizer, xylene and 1-butanol as a solvent are added to alumina powder, and mixed in a ball mill for 30 hours. Then, a slurry for forming a green sheet was prepared. The slurry was vacuum degassed to adjust the viscosity to 4000 cps, and then a green sheet was prepared with a doctor blade device so that the thickness after firing was 200 ⁇ m. The green sheet was cut and integrally fired at 1450 ° C.
  • PVB polyvinyl butyral resin
  • DOP bis (2-ethylhexyl) phthalate
  • xylene and 1-butanol as a solvent
  • a ceramic substrate (dielectric layer) which is a constituent member of the charge generation element.
  • a sheet material made of SUS316 having a thickness of 20 ⁇ m was cut by laser processing in accordance with each size of the discharge electrode and the induction electrode, and discoloration and burrs due to heat were removed by chemical polishing.
  • the discharge electrode and the induction electrode thus obtained were bonded to a ceramic substrate using an adhesive to obtain a charge generation element (see charge generation element 520 in FIG. 9).
  • Example 1 An evaluation test was performed on the charge generation devices manufactured in Example 1, Example 2, and Comparative Example 1. As an evaluation method, the discharge voltage was measured when the density of ions as an example of the charge was 1 ⁇ 10 6 (pieces / cc) which is class 6 of the highest class in JIS B9929.
  • the voltage waveform applied to the charge generation element was a pulse wave having a pulse width of 50 ⁇ sec and a period of 1 msec.
  • a pulse wave is generated with a function generator (manufactured by Tektronix), a voltage waveform amplified to a high voltage by a high voltage amplifier (manufactured by Trek) is applied to the charge generating element, and ions generated from the charge generating element
  • the density of was measured with an ion counter (manufactured by Taiho Engineering). The ion density was measured while increasing the voltage, and the voltage at which the ion density reached 1 ⁇ 10 6 (pieces / cc) was recorded. The polarity of the applied voltage was positive, and the offset voltage was superimposed so that the baseline of the voltage waveform was 0V.
  • the polarity of ions for measuring the ion density was also set as the positive electrode.
  • the discharge voltage at which the ion density was 1 ⁇ 10 6 (pieces / cc) was 2.6 kV in Comparative Example 1, whereas it was 2.1 kV in both Example 1 and Example 2. From this result, the discharge voltage could be reduced by 0.5 kV.
  • this invention is not limited to the Example mentioned above at all, and as long as it belongs to the technical scope of this invention, it cannot be overemphasized that it can implement with a various aspect.
  • the present invention can be used for a charge generator for generating a charge, a particle detector for detecting a particle using the charge, and the like.

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Abstract

電荷発生素子２０は、誘電体層２２の表面２２ａに放電電極２４、裏面２２ｂに誘導電極２６を有し、放電電極２４と誘導電極２６との間に電圧が印加されると放電により電荷が発生するものである。放電電極２４は、平坦なベース面２４ａと、そのベース面２４ａから膨らんだ形状の膨出面２４ｂとを有し、放電電極２４のエッジＥにおけるベース面２４ａと膨出面２４ｂとのなす角度θが５°～４５°である。

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、電荷発生素子でコロナ放電によりイオンを発生させ、そのイオンにより被測定ガス中の微粒子を帯電し、帯電した微粒子を捕集電極で捕集し、捕集された微粒子の電荷の量に基づいて個数測定器が微粒子数を測定するものが知られている（例えば特許文献１参照）。また、電荷発生素子としては、放電電極と誘導電極とが誘電体層を挟んで対向して設けられたものが知られている（例えば特許文献２参照）。
国際公開第２０１５／１４６４５６号パンフレット 特開２００９－３１６０６号公報
　しかしながら、放電電極の端部（側面）は放電電極が設けられている誘電体層の表面に対して直角に形成されているため、電界が集中しにくく、放電が発生する電界強度にするには印加電圧を高くする必要があった。
　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、電荷を発生させるための放電電極と誘導電極との間の電圧を低くすることを主目的とする。
　本発明の電荷発生素子は、
　誘電体層の一方の面に放電電極、前記誘電体層の他方の面又は内部に誘導電極を有し、前記放電電極と前記誘導電極との間に電圧が印加されると放電により電荷が発生する電荷発生素子であって、
　前記放電電極は、平坦なベース面と、そのベース面から膨らんだ形状の膨出面とを有し、前記放電電極のエッジにおけるベース面と膨出面とのなす角度θが５°～４５°である
　ものである。
　この電荷発生素子では、放電電極は、平面形状のベース面と、そのベース面から膨らんだ形状の膨出面とを有し、放電電極のエッジにおけるベース面と膨出面とのなす角度θが５°～４５°（好ましくは１０°～３０°）になっている。つまり、放電電極はエッジに向かって徐々に厚みが薄くなっている。そのため、角度θが９０°の場合に比べて、放電電極のエッジに電界が集中しやすい。したがって、電荷を発生させるための放電電極と誘導電極との間の電圧を低くすることができる。
　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。また、「ベース面から膨らんだ形状」は、ベース面から誘電体層の内側に向かって膨らんだ形状でもよいし、ベース面から誘電体層の外側に向かって膨らんだ形状でもよい。
　本発明の電荷発生素子において、前記誘電体層はセラミック製であり、前記放電電極と前記誘電体層とは焼結によって接合されているか無機系の接着剤によって接合されていてもよい。こうすれば、放電電極と誘電体層とを有機材料で接合する場合に比べて耐熱性が高くなる。
　本発明の電荷発生素子において、前記放電電極の前記ベース面は、前記誘電体層の前記一方の面と同一平面となっており、前記膨出面は、前記ベース面から前記誘電体層の内側に向かって膨らんでいてもよい。こうすれば、膨出面がベース面から誘電体層の外側に向かって膨らんだ形状の場合に比べて異物が堆積しにくい。こうした放電電極のベース面は、絶縁性の保護層により被覆されていてもよい。放電電極のベース面は誘電体層の一方の面と同一平面となっているため、印刷等により保護層を均一に且つボイドを生じさせずに形成することができる。
　本発明の電荷発生素子において、前記放電電極の前記ベース面は、前記誘電体層の前記一方の面と同一平面となっており、前記膨出面は、前記ベース面から前記誘電体層の外側に向かって膨らんでいてもよい。こうすれば、断面長方形の放電電極に比べて異物が堆積しにくい。こうした放電電極の膨出面は、絶縁性の保護層により被覆されていてもよい。放電電極の膨出面は断面長方形の放電電極に比べてなだらかな形状のため、印刷等により保護層を比較的良好に形成することができる。
　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いずれかの電荷発生素子と、
　前記電荷が付加された微粒子の電荷の量又は前記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、放電電極は、平面形状のベース面と、そのベース面から膨らんだ形状の膨出面とを有し、放電電極のエッジにおけるベース面と膨出面とのなす角度θが５°～４５°（好ましくは１０°～３０°）になっている。そのため、その角度が９０°の場合に比べて、放電電極のエッジに電界が集中しやすい。したがって、電荷を発生させるための放電電極と誘導電極との間の電圧を低くすることができる。
　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。
　本発明の微粒子数検出器は、例えば、大気環境調査、屋内環境調査、汚染調査、自動車などの燃焼粒子計測、粒子生成環境監視、粒子合成環境監視等で用いられる。
電荷発生素子２０の平面図。 Ａ－Ａ断面図。 電荷発生素子１２０の断面図。 電荷発生素子２２０の断面図。 電荷発生素子３２０の断面図。 電荷発生素子３２０の変形例の断面図。 電荷発生素子４２０の断面図。 微粒子数検出器１０の断面図。 電荷発生素子５２０の断面図。
［第１実施形態］
　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は電荷発生素子２０の平面図、図２は図１のＡ－Ａ断面図（１点鎖線の四角で囲った部分の拡大図付き）である。
　本実施形態の電荷発生素子２０は、誘電体層２２の表面２２ａに放電電極２４を有し、誘電体層２２の裏面２２ｂに誘導電極２６を有している。
　誘電体層２２は、誘電体からなる平板状の層である。誘電体層２２を構成する材料としては、特に限定するものではないが、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ムライト、ジルコニア、チタニア、マグネシアなどのセラミック材料が挙げられる。
　放電電極２４は、図１に示すように、上面からみたときの形状が長方形の互いに向かい合う２つの長辺に複数の三角形の突起２５が設けられた形状に形成されている。放電電極２４は、誘電体層２２の表面２２ａに焼結によって接合されている。放電電極２４は、図２に示すように、厚み方向に沿って切断した断面において、平坦なベース面２４ａと、そのベース面２４ａから膨らんだ形状の膨出面２４ｂとを有している。ベース面２４ａは、誘電体層２２の表面２２ａと同一平面となっている。膨出面２４ｂは、ベース面２４ａから誘電体層２２の内側に向かって膨らんだ形状となっている。放電電極２４のエッジＥ（すなわち外周縁）におけるベース面２４ａと膨出面２４ｂとのなす角度θは、５°～４５°、好ましくは１０°～３０°である。放電電極２４を構成する材料としては、放電によって溶融したり飛散したり変形したりすることのない材料であれば特に限定されるものではなく、例えば、白金、タングステン、銀、パラジウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、ニオブ、モリブデン、タンタル、イリジウム、金又はそれらの合金などが挙げられる。
　誘導電極２６は、図１に示すように、上面から透視したときの形状が長方形であり、放電電極２４の一方の長辺側と他方の長辺側とに１つずつ設けられている。誘導電極２６は、誘電体層２２の裏面２２ｂに焼結によって接合されている。誘導電極２６を厚み方向に沿って切断したときの形状は、図２に示すように、長方形である。誘導電極２６を構成する材料としては、放電電極２４を構成する材料と同様のものを使用することができる。
　次に、電荷発生素子２０の使用例について説明する。放電電極２４と誘導電極２６との間に電位差が生じるように、図示しない放電用電源の電圧を電荷発生素子２０に印加する。すると、その電位差に基づいて放電電極２４の近傍で放電が起こる。この放電によって、放電電極２４の周囲に存在するガスがイオン化されて、電荷が発生する。ここで、放電電極２４の長辺には誘電体層２２の表面に沿った方向に突出した突起２５が設けられているため、その突起２５の先端に電界が集中しやすい。また、放電電極２４の断面は、エッジＥに向かって厚みが薄くなっており、ベース面２４ａと膨出面２４ｂとのなす角度θは５°～４５°となっている。そのため、放電電極の断面が長方形（角度θが９０°）の場合に比べて、放電電極２４のエッジＥには電界が集中しやすい。
　以上説明した電荷発生素子２０では、放電電極２４はエッジＥに向かって徐々に厚みが薄くなっているため、角度θが９０°の場合に比べて、放電電極２４のエッジＥに電界が集中しやすい。したがって、従来の電荷発生素子に比べて、電荷を発生させるための放電電極２４と誘導電極２６との間の電圧を低くすることができる。なお、従来の電荷発生素子としては、例えば、図９に示すように、誘電体層５２２の表面に断面長方形の放電電極５２４、誘電体層５２２の裏面に断面長方形の誘導電極５２６を有する電荷発生素子５２０が挙げられる。
　また、誘電体層２２はセラミック材料で構成され、放電電極２４や誘導電極２６は誘電体層２２に焼結によって接合されているため、各電極２４，２６を有機材料で接合する場合に比べて耐熱性が高くなる。
　更に、放電電極２４のうち外部に露出するベース面２４ａは、誘電体層２２の表面２２ａと同一平面となっているため、外部に露出する面が誘電体層２２の表面２２ａから外方向に膨らんだ形状の場合に比べて異物が堆積しにくい。
　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、上述した実施形態において、図３に示す電荷発生素子１２０のように、誘電体層２２の表面２２ａ及び放電電極２４のベース面２４ａを絶縁性の保護層２７により被覆してもよい。図３では上述した実施形態と同じ構成要素については同じ符号を付した。保護層２７は、放電電極２４の放電劣化による損傷や酸化を防止するほか誘電体層２２の吸湿を防止する役割を果たすものである。放電電極２４のベース面２４ａは誘電体層２２の表面２２ａと同一平面となっているため、印刷等により保護層２７を均一に且つボイドを生じさせずに形成することができる。
　上述した実施形態において、図４に示す電荷発生素子２２０のように、誘電体層２２の内部に誘導電極２６を埋め込んでもよい。図４では上述した実施形態と同じ構成要素については同じ符号を付した。このようにしても上述した実施形態と同様の効果が得られる。
　上述した実施形態において、図５に示す電荷発生素子３２０のように、放電電極２４の代わりに放電電極１２４を採用してもよい。図５では上述した実施形態と同じ構成要素については同じ符号を付した。放電電極１２４は、厚み方向に沿って切断した断面において、平坦なベース面１２４ａと、そのベース面１２４ａから誘電体層２２の外側に膨らんだ形状の膨出面１２４ｂとを有している。ベース面１２４ａは、誘電体層２２の表面２２ａと同一平面となっている。放電電極１２４のエッジＥにおけるベース面１２４ａと膨出面１２４ｂとのなす角度θは、５°～４５°、好ましくは１０°～３０°である。このようにしても上述した実施形態と同様の効果が得られる。こうした放電電極１２４を備えた構造において、図６に示すように、誘電体層２２の表面２２ａ及び放電電極１２４の膨出面１２４ｂを絶縁性の保護層１２７により被覆してもよい。保護層１２７は、放電電極１２４の放電劣化による損傷や酸化を防止するほか誘電体層２２の吸湿を防止する役割を果たすものである。放電電極１２４の膨出面１２４ｂは断面長方形の放電電極５２４（図９参照）に比べてなだらかな形状のため、印刷等により保護層１２７を比較的良好に形成することができる。また、放電電極１２４を備えた構造において、図７に示す電荷発生素子４２０のように、誘電体層２２の内部に誘導電極２６を埋め込んでもよい。図７では上述した実施形態と同じ構成要素については同じ符号を付した。このようにしても上述した実施形態と同様の効果が得られる。
　上述した実施形態では、放電電極２４や誘導電極２６を誘電体層２２に焼結によって接合したが、放電電極２４や誘導電極２６を誘電体層２２に無機系の接着剤（例えばガラスなど）によって接合してもよい。
［第２実施形態］
　上述した電荷発生素子２２０を利用した微粒子数検出器１０につき、図面を参照しながら以下に説明する。図８は微粒子数検出器１０の概略構成を表す断面図である。
　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８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２２０、余剰電荷除去装置３０、捕集装置４０及び検出器本体５０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２２０は、図４に示した構造のものであり、通気管１２のガス導入口１２ａに近い側に設けられている。そのため、電荷発生素子２２０の詳細な説明は省略する。但し、ここでは、図４の誘電体層２２としてセラミック製の通気管１２の内壁を利用している。放電電極２４と誘導電極２６とは、電圧Ｖｐ（例えばパルス電圧等）を印加する放電用電源２８に接続されている。両電極２４，２６の間に電圧Ｖｐが印加されることで、両電極間の電位差による放電が発生する。この放電中をガスが通過することによりガス中の微粒子１６は電荷１８（ここでは負電荷とする）が付加されて帯電微粒子Ｐになる。
　余剰電荷除去装置３０は、電荷発生素子２２０で発生した電荷１８のうち微粒子１６に付加されなかった余剰の電荷１８を除去する装置であり、通気管１２内の中空部１２ｃのうち電荷発生素子２２０と捕集装置４０との間に設けられている。余剰電荷除去装置３０は、一対の除去電界発生電極（印加電極３２及び接地電極３４）と、除去電極３６とを有している。印加電極３２と接地電極３４とは、通気管１２の壁の互いに向かい合う位置に埋設されている。印加電極３２は、負電位－Ｖ２の電極である。負電位－Ｖ２の絶対値は後述する捕集装置４０の負電位－Ｖ１の絶対値よりも１桁以上小さい。接地電極３４は、グランドに接続された電極である。除去電極３６は、印加電極３２と接地電極３４との間に配置され、接地電極３４が埋設された中空部１２ｃの壁に露出している。これにより、余剰電荷除去装置３０の印加電極３２と接地電極３４との間には弱い電界が発生する。したがって、電荷発生素子２２０で発生した電荷１８のうち、微粒子１６に付加されなかった余剰の電荷１８は、この弱い電界によって接地電極３４に引き寄せられ、除去電極３６に捕獲されたあとグランドに捨てられる。
　捕集装置４０は、帯電微粒子Ｐ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、一対の捕集電界発生電極（印加電極４２及び接地電極４４）と、捕集電極４６とを有している。印加電極４２と接地電極４４とは、通気管１２の壁の互いに向かい合う位置に埋設されている。印加電極４２は、負電位－Ｖ１の電極である。負電位－Ｖ１のレベルは－ｍＶオーダーから－数１０Ｖである。接地電極４４は、グランドに接続された電極である。捕集電極４６は、印加電極４２と接地電極４４との間に配置され、接地電極４４が埋設された中空部１２ｃの壁に露出している。これにより、中空部１２ｃの内部には接地電極４４から印加電極４２に向かう電界が発生する。したがって、中空部１２ｃに入り込んだ帯電微粒子Ｐ（負に帯電）は、発生している電界によって、接地電極４４に引き寄せられ、その途中に設置された捕集電極４６に捕集される。
　検出器本体５０は、本発明の検出手段に相当するものであり、直列回路部５２と個数測定装置５６とを備えている。直列回路部５２は、捕集電極４６と個数測定装置５６との間に設けられている。この直列回路部５２には、捕集電極４６側からコンデンサ５３と抵抗器５４とスイッチ（好ましくは半導体スイッチ）５５とが直列に接続されている。個数測定装置５６は、捕集電極４６に捕集された帯電微粒子Ｐの電荷量に基づいて微粒子１６の個数を測定する装置である。スイッチ５５がオンされると、捕集電極４６に捕集された帯電微粒子Ｐの電荷１８に基づく電流が、コンデンサ５３と抵抗器５４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５６に伝達される。個数測定装置５６は、電流計を用いて電流値を測定し、その電流値に基づいて微粒子１６の個数を演算する。
　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２２０の放電によって発生した電荷１８（ここでは負電荷）を帯びて帯電微粒子Ｐになったあと中空部１２ｃに入る。中空部１２ｃに入った帯電微粒子Ｐは、捕集装置４０に至ると、接地電極４４に引き寄せられ、その途中に設置された捕集電極４６に捕集される。電荷発生素子２２０で発生した電荷１８のうち、微粒子１６に付加されなかった余剰の電荷１８は、この弱い電界によって接地電極３４に引き寄せられ、除去電極３６に捕獲されたあとグランドに捨てられる。そのため、余剰の電荷１８が捕集装置４０の捕集電極４６に捕集されてしまうことがない。捕集電極４６に付着された帯電微粒子Ｐの電荷１８に基づく電流は、コンデンサ５３と抵抗器５４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５６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、個数測定装置５６は、スイッチ５５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４６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、個数測定装置５６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４６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５３と抵抗器５４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５４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。
　以上詳述した本実施形態の微粒子数検出器１０によれば、電荷発生素子２２０を用いているため、電荷を発生させるための放電電極２４と誘導電極２６との間の電圧を低くすることができる。また、放電電極２４のうち外部に露出するベース面２４ａは、誘電体層の表面（つまり通気管１２の内壁）と同一平面となっているため、微粒子１６等の異物が堆積しにくい。
　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、電荷発生素子２２０を採用したが、上述した電荷発生素子４２０（図７参照）を採用してもよい。この場合も、電荷を発生させるための放電電極２４と誘導電極２６との間の電圧を低くすることができる。また、放電電極２４のうち外部に露出する膨出面１２４ｂはエッジＥに向かって厚さが薄くなっているため、図９の放電電極５２４に比べて、微粒子１６等の異物が堆積しにくい。なお、放電電極２４の代わりに、上述した電荷発生素子２０，１２０，３２０を採用してもよい。
　上述した実施形態では、余剰電荷除去装置３０を設けたが、この余剰電荷除去装置３０を省略してもよい。
　上述した実施形態では、負に帯電した帯電微粒子Ｐの個数を測定する場合について説明したが、正に帯電した帯電微粒子Ｐであっても同様にして微粒子１６の個数を測定することができる。正に帯電した帯電微粒子Ｐの個数を測定する場合、例えば、印加電極４２に正電圧を印加して捕集電極４６に帯電微粒子Ｐを捕集してもよい。
　上述した実施形態では、帯電微粒子Ｐを捕集電極４６に捕集したときに流れる電流に基づいて微粒子の数を検出したが、電荷発生素子２０で発生した電荷の総量と除去電極３６に捕集された電荷（つまり微粒子１６に付加されなかった電荷１６）の量との差分に基づいてガス中の微粒子の数を検出するようにしてもよい。
［実施例１］
　上述した電荷発生素子２２０（図４参照）を以下のようにして作製した。まず、アルミナ粉末に、バインダーとしてのポリビニルブチラール樹脂（ＰＶＢ）、可塑剤としてのフタル酸ビス（２－エチルヘキシル）（ＤＯＰ）、溶剤としてのキシレンおよび１－ブタノールを加え、ボールミルにて３０時間混合し、グリーンシート成形用スラリーを調製した。このスラリーに真空脱泡処理を施すことにより、粘度を４０００ｃｐｓに調整した後、グリーンシートを焼成後の厚みが２００μｍになるようにドクターブレード装置によって作製した。グリーンシートを切断し、グリーンシートを２枚作製した。２枚のうち１枚のグリーンシート上に、誘導電極として、Ｐｔペーストを焼成後の膜厚が５μｍになるようにスクリーン印刷し、１２０℃で１０分間乾燥した。残りのグリーンシートについて、放電電極を形成する位置に、放電電極と同形状の凸部を備えたフッ素樹脂材を押圧して、焼成後の深さが５μｍになるようにグリーンシート上に凹部を形成した。グリーンシートに対しての離型性の点からフッ素樹脂材を使用した。フッ素樹脂材の形状によって、放電電極の厚み方向の形状を制御することが可能であり、本実施例では、上述した角度θが３０°の放電電極と同形状の凸部を備えたフッ素樹脂材を使用した。凹部に、放電電極として、Ｐｔペーストを焼成後の膜厚が５μｍになるように且つ凹部からはみ出さないようにスクリーン印刷し、１２０℃で１０分間乾燥した。誘導電極を形成したグリーンシートと、放電電極を形成したグリーンシートを、誘導電極が内包し放電電極が外表面になるように、重ね合わせた。放電電極を形成した面に、多孔質アルミナセッターを載せた状態で、１４５０℃で２時間一体焼成した。多孔質アルミナセッターを使用したのは、一体焼成による基板の反りを抑制し、放電電極の厚み方向の両端の角度を制御するとともに、セッターにグリーンシートと放電電極の張り付きを防ぐためである。
　これにより、グリーンシートが焼成されてセラミック基板になり、そのセラミック基板の一方の面に放電電極を有し、セラミック基板の内部に誘導電極を有する電荷発生素子（図４の電荷発生素子２２０を参照）を得た。放電電極のエッジにおけるベース面と膨出面とのなす角度θは３０°であった。
［実施例２］
　上述した電荷発生素子４２０（図７参照）を以下の手順で作製した。まず、アルミナ粉末に、バインダーとしてのポリビニルブチラール樹脂（ＰＶＢ）、可塑剤としてのフタル酸ビス（２－エチルヘキシル）（ＤＯＰ）、溶剤としてのキシレンおよび１－ブタノールを加え、ボールミルにて３０時間混合し、グリーンシート成形用スラリーを調製した。このスラリーに真空脱泡処理を施すことにより、粘度を４０００ｃｐｓに調整した後、グリーンシートを焼成後の厚みが２００μｍになるようにドクターブレード装置によって作製した。グリーンシートを切断し、グリーンシートを２枚作製した。２枚のうち１枚のグリーンシート上に、誘導電極として、Ｐｔペーストを焼成後の膜厚が５μｍになるようにスクリーン印刷し、１２０℃で１０分間乾燥した。残りのグリーンシートと誘導電極を形成したグリーンシートを、誘導電極が内包し放電電極が外表面になるように重ね合わせて、１４５０℃で２時間一体焼成した。こうして得られたセラミック基板上に、放電電極として、Ｐｔペーストを中央部の焼成後の膜厚が５μｍになるように且つエッジにおける平坦なベース面と外側に膨らむ膨出面とのなす角度が３０°になるようにスクリーン印刷を行い、１２０℃で１０分間乾燥した。エッジにおける角度を３０°にするために、スクリーン印刷機の印刷圧力を従来の条件である０．２ＭＰａから０．２５ＭＰａに上げるとともに、Ｐｔペーストに含まれている有機溶剤であるテキサノールの含有率を従来の１６質量％から２１質量％に高くした。放電電極を形成した面を上にして、１４５０℃で２時間一体焼成した。
　これにより、グリーンシートが焼成されてセラミック基板になり、そのセラミック基板の一方の面に放電電極を有し、セラミック基板の内部に誘導電極を有する電荷発生素子（図７の電荷発生素子４２０を参照）を得た。放電電極のエッジにおけるベース面（セラミック基板の表面と同一平面）と膨出面とのなす角度θは３０°であった。
［比較例１］
　上述した電荷発生素子５２０（図９参照）を以下の手順で作製した。まず、アルミナ粉末に、バインダーとしてのポリビニルブチラール樹脂（ＰＶＢ）、可塑剤としてのフタル酸ビス（２－エチルヘキシル）（ＤＯＰ）、溶剤としてのキシレンおよび１－ブタノールを加え、ボールミルにて３０時間混合し、グリーンシート成形用スラリーを調製した。このスラリーに真空脱泡処理を施すことにより、粘度を４０００ｃｐｓに調整した後、グリーンシートを焼成後の厚みが２００μｍになるようにドクターブレード装置によって作製した。グリーンシートを切断し、１４５０℃で２時間一体焼成することにより、電荷発生素子の構成部材であるセラミック基板（誘電体層）を作製した。また、厚みが２０μｍのＳＵＳ３１６製のシート材を放電電極、誘導電極の各サイズに合わせてレーザ加工で切断し、熱による変色やバリを化学研磨で除去した。こうして得られた放電電極、誘導電極を、接着剤を用いてセラミック基板に貼り合せることで、電荷発生素子（図９の電荷発生素子５２０を参照）を得た。
［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、電荷の一例であるイオンの密度が、ＪＩＳ　Ｂ９９２９において最上位クラスのクラス６である１×１０6（個／ｃｃ）になるときの放電電圧を測定した。電荷発生素子に印加する電圧波形は、パルス幅５０μｓｅｃ、周期１ｍｓｅｃのパルス波とした。測定手順として、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電圧波形を、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、イオンカウンター（泰榮エンジニアリング製）で測定した。電圧を昇圧しながら、イオン密度を測定し、イオン密度が１×１０6（個／ｃｃ）になるときの電圧を記録した。印加する電圧の極性は正極とし、電圧波形のベースラインが０Ｖになるようにオフセット電圧を重畳した。それに伴い、イオン密度を測定するイオンの極性も正極とした。イオン密度が、１×１０6（個／ｃｃ）になる放電電圧は、比較例１が２．６ｋＶであったのに対して、実施例１、実施例２はともに２．１ｋＶであった。この結果から放電電圧を０．５ｋＶ低減することができた。
　なお、本発明は上述した実施例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。
　本出願は、２０１７年３月１０日に出願された日本国特許出願第２０１７－４５６３５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。
　本発明は、電荷を発生させる電荷発生器や電荷を利用して微粒子を検出する微粒子検出器などに利用可能である。
１０　微粒子数検出器、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、２２ａ　表面、２２ｂ　裏面、２４　放電電極、２４ａ　ベース面、２４ｂ　膨出面、２５　突起、２６　誘導電極、２７　保護層、２８　放電用電源、３０　余剰電荷除去装置、３２　印加電極、３４　接地電極、３６　除去電極、４０　捕集装置、４２　印加電極、４４　接地電極、４６　捕集電極、５０　検出器本体、５２　直列回路部、５３　コンデンサ、５４　抵抗器、５５　スイッチ、５６　個数測定装置、１２０，２２０，３２０，４２０，５２０　電荷発生素子、１２４　放電電極、１２４ａ　ベース面、１２４ｂ　膨出面、１２７　保護層、５２２　誘電体層、５２４　放電電極、５２６　誘導電極、Ｅ　エッジ、Ｐ　帯電微粒子。

Claims (8)

  1. 　誘電体層の一方の面に放電電極、前記誘電体層の他方の面又は内部に誘導電極を有し、前記放電電極と前記誘導電極との間に電圧が印加されると放電により電荷が発生する電荷発生素子であって、
    　前記放電電極は、平坦なベース面と、そのベース面から膨らんだ形状の膨出面とを有し、前記放電電極のエッジにおけるベース面と膨出面とのなす角度θが５°～４５°である、
    　電荷発生素子。
  2. 　前記角度θは１０°～３０°である、
    　請求項１に記載の電荷発生素子。
  3. 　前記誘電体層はセラミック製であり、前記放電電極と前記誘電体層とは焼結によって接合されているか無機系の接着剤によって接合されている、
    　請求項１又は２に記載の電荷発生素子。
  4. 　前記放電電極の前記ベース面は、前記誘電体層の前記一方の面と同一平面となっており、前記膨出面は、前記ベース面から前記誘電体層の内側に向かって膨らんでいる、
    　請求項１～３のいずれか１項に記載の電荷発生素子。
  5. 　前記ベース面は、絶縁性の保護層により被覆されている、
    　請求項４に記載の電荷発生素子。
  6. 　前記放電電極の前記ベース面は、前記誘電体層の前記一方の面と同一平面となっており、前記膨出面は、前記ベース面から前記誘電体層の外側に向かって膨らんでいる、
    　請求項１～３のいずれか１項に記載の電荷発生素子。
  7. 　前記膨出面は、絶縁性の保護層により被覆されている、
    　請求項６に記載の電荷発生素子。
  8. 　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１～７のいずれか１項に記載の電荷発生素子と、
    　前記電荷が付加された微粒子の電荷の量又は前記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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