JP2004004122A - イオン測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】　帯電等の問題を克服して十分な信頼度を維持しつつ安価に構成されたイオン測定装置を提供する。
【解決手段】 イオン測定装置１は、大気中のイオンが吸着することにより、該大気中のイオン濃度に応じた電位を生ずるイオン検知電極４と、該イオン検知電極４に生じた電位を増幅してイオン測定信号として出力する信号増幅回路１００とを含む主回路部と、主回路部に電力を供給する電源部１０６と、電源部１０６による主回路部への電源投入時に、イオン検知電極４に蓄積されている電荷を放電させる放電回路１０５とを備える。
【選択図】 図３

Description

　この発明は、イオン測定装置に関する。

　昨今においては、健康への関心の高さや環境への配慮への意識向上は目覚しいものがあり、空気の浄化や殺菌、あるいは消臭などを目的として、イオン発生装置が使用されている。また、それに関連して、人体への影響等を慮って、大気中の正負のイオンの状態を測定するイオン測定器などが使用されている。従来より、大気中のイオンを測定する技術として、検知用電極に高電圧を印加し、その電極に吸引されたイオンの電荷からイオンを測定するイオンカウンタなどが知られているが、装置が大掛かりになってしまうため、一般の生活環境下等での使用を想定した小型のイオン測定器に対する需要も高まりつつある。その一例として、特開平６−１９４３４０号公報に開示されたものがある。このイオン測定器においては電源からの供給電圧を正または負に切り替えることにより正・負のイオンをそれぞれ判別しつつ測定できるように構成されている。

　ところで、上記公報に開示されたものも含め、従来のイオン測定装置においては、イオン吸着に伴う検知電極の電位変化に基づいてイオン測定を行なうのものなので、携行型か固定設置型かによらず、測定時に電荷吸着が生じていると誤差を生じやすい問題がある。

　本発明の課題は、帯電等の問題を克服して十分な信頼度を維持しつつ安価に構成されたイオン測定装置を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

　上記課題を解決するために、本発明のイオン測定装置は、
　大気中のイオンが吸着することにより、該大気中のイオン濃度に応じた電位を生ずるイオン検知電極と、該イオン検知電極に生じた電位を増幅してイオン測定信号として出力する信号増幅回路とを含む主回路部と、主回路部に電力を供給する電源部と、電源部による主回路部への電源投入時に、イオン検知電極に蓄積されている電荷を放電させる放電回路とを備えたことを特徴とする。

　イオン検知電極に対しては、本来測定したいイオン以外にも、吸着水分やこれに溶解した炭酸ガスあるいはナトリウム成分などが吸着して、測定すべきイオンとは無関係な誤差電位が不可避的に発生することがある（以下誤差吸着という）。従ってイオン測定信号がイオン検知電極が吸着した電荷に基づくものである以上、こうした誤差吸着が生じることは、イオン測定の精度低下に直結するため、望ましくない。そこで上記構成のように電源投入時に誤差吸着により電極に蓄積されている電荷を放電させるようにすれば、測定前の誤差吸着等の影響が放電により必ずクリアされてから測定に移ることができるので、常に正確なイオン検知を行なうことができる。

　なお、誤差吸着は測定中にも多かれ少なかれ生じているので、例えば断続的に測定を繰り返す場合には、電源投入時のみならず、その測定インターバルを利用して放電処理を行なうようにすることもできる。また、タイマを用いて周期的に放電回路が作動するように構成してもよい。

　上記本発明のイオン測定装置において、報知回路は、測定結果としてイオン濃度値を報知するものとできる。具体的にイオン濃度値を表示する表示部としては、液晶表示装置や７セグメント表示器などを用いることができる。その場合、増幅回路の出力をＡ／Ｄ変換し、ＣＰＵを用いて濃度を数値表示することができるが、表示態様はこれに限られるものではない。

　また、より簡便な構成として、報知回路を、測定結果として得られたイオン濃度値の予め定められた基準値に対する大小関係のみを報知するものとして構成することもできる。具体的には基準値よりも大であるか小であるかの２状態をＬＥＤ等の点灯／消灯によって報知することができる。

　以下、本発明の実施例を、図面に基いて説明する。
　図１は、本発明のイオン測定装置１の外観を示す図である。
　イオン測定装置１は、その筐体に把持部２と測定部３を備え、把持部２の側面には測定スイッチ６と接地電極７が設けられている。測定部３にはイオン検知電極である測定金属板４と報知回路を構成する報知ＬＥＤ５が備えられている。

　把持部２は測定部３より小さい軸断面積を有するものとされ、使用者に把持しやすい形状が選ばれている。また、測定スイッチ６は把持部２を持ったとき指が楽に届く位置に配置されている。また、接地電極７は使用者が把持部２を普通に把持した際に、指または掌が自然に触れる位置に配置されている。接地電極７には主回路部内にて生ずる接地端子の全てが接続され、使用者が把持部２を把持するのに伴い、使用者の身体を介してそれら接地端子を接地するものとして機能する。他方、報知ＬＥＤ５は使用しながら容易に視認できるように測定部３の側面に設けられている。

　なお、イオン濃度の計測に際しての誤差の幅は、単位時間当りに測定金属板４に衝突するイオン個数のバラツキに関係するため、測定誤差を抑制するためには測定金属板４がなるべく大きい方が望ましい。そこで、定格の量のイオンを発生させて、それをさまざまな大きさの金属板を用いて測定したところ、金属板の表面積が１２ｃｍ^２以上であれば、測定した場合における誤差が、有用な誤差範囲といえるプラスマイナス１０％以内とできることが判った。本実施例において測定金属板４は、例えば、それよりもやや大きい２３ｍｍ×５０ｍｍの広さを有する平板状のものとしてある。

　また、把持部２の接地電極７は、使用者がこれに確実に触れるように、しかるべき形態を考慮することが望ましい。例えば図６（ａ）は把持部を円筒形にすることで把持部と掌の密着性を高くしている。また同図（ｂ）では使用者がどういう方向から握っても接地電極７と触れるように接地電極７を把持部２の全周にわたって設けた例である。また、同図（ｃ）のように、把持部２自体を導電性の材料を含有した（例えば金属粒子等を分散させた）樹脂製として、把持部全体が接地電極７として機能するようにし、特に意識せずとも使用者が接地電極７に触れるようにしてもよい。

　また、測定部３及びその表面に備えられる測定金属板４を、球形、半球形などに構成することもできる。こうすれば、立方体の一面に同一表面積の測定金属板４を配する場合に比べて測定部３を小さく構成することができ、携行の利便性を増すことができる。但し、本実施例は、イオン発生装置などからの方向性のあるイオン流の検出を適確に行なうことも考慮して、図１のような形態の構成としてある。

　図２はイオン測定装置１の測定・表示回路の構成例を示すものであり、図３に示すような測定・表示回路が収められている。測定・表示回路（主回路部）は、イオン検知電極である測定金属板４、信号増幅部１００、参照電圧設定部１０１、比較回路部１０２、参照電圧安定化部１０３、ＬＥＤ表示部１０４及び放電回路１０５とを備えている。また、それら回路に電圧を供給する電源部１０６（図３参照）も備えている。電源部１０６は電池式であり、電池Ｂが着脱される。

　図３は測定・表示回路の詳細を示す回路図である。
　参照電圧設定部１０１は、９Ｖの電源電圧を、抵抗Ｒ１及びＲ２によって分圧設定される参照電圧（ここでは＋４．５Ｖ）を発生させるものであり（Ｃ１，Ｃ２はノイズ除去用のコンデンサである）、その出力はオペアンプＩＣ１Ａの＋端子に接続されている。オペアンプＩＣ１Ａはいわゆるボルテージホロワとして機能している。該参照電圧は、信号増幅部をなす単極性オペアンプＩＣ１Ｂの＋端子に可変抵抗ＶＲ１によって微調整されつつ入力されている。また、参照電圧安定化部１０３は、参照電圧設定部１０１のオペアンプＩＣ１Ａからの出力端子に接続され、参照電圧設定部１０１の出力に対し、適当な負荷インピーダンスを与えることによりこれを安定させる役割を果たしている。

　次に、信号増幅部１００は、単極性のオペアンプＩＣ１Ｂと抵抗Ｒ６、Ｒ７及びコンデンサＣ４を含んで構成され、＋端子に入力された参照電圧と、イオン検知電極４がイオン吸着するのにともなって生ずる電圧（電位）との差電圧を反転増幅する差動増幅回路を形成している。オペアンプＩＣ１Ｂには単極性アンプを用いているが、オペアンプＩＣ１Ｂの＋端子には参照電圧設定部１０１からオペアンプＩＣ１Ｂの出力電圧範囲の中間（ここでは０Ｖと９Ｖとの間の４．５Ｖ）の参照電圧が入力されているため、−端子に入力される電圧の極性が正負のいずれであっても検出することが可能となっている。すなわち、オペアンプＩＣ１Ｂからはイオン検知電極４の電位がゼロ（つまり正負いずれのイオンも検出していない状態）の場合を基準として、イオン検知電極４に生じた電位が正（つまり正イオンが吸着した状態）であれば、参照電圧に対応して定まる基準出力レベル（ここでは４．５Ｖ）より低電圧の出力（低電圧側の第二出力域）がなされ、イオン検知電極４に生じた電位が負（つまり負イオンが吸着した状態）であれば該基準出力レベルより高電圧の出力（高電圧側の第一出力域）がなされる。本実施形態では、基準出力レベルが差動増幅回路の出力域（０〜９Ｖ）の中間に定められている。ここでは、基準出力レベルよりも高電圧側を負イオン検出状態、低電圧側を正イオン検出状態としているが、もちろん、これと逆にしてもよい。

　また、差動増幅回路の出力は、基準出力レベルからの差分が負イオンないし正イオンの検出量に応じ、差動増幅回路の出力域内で増加することとなる。なお、差動増幅回路の増幅率は、上記差分１Ｖあたりの検出イオン個数が２０万〜６０万個／ｃｍ^２（例えば４０万個／ｃｍ^２）となるように定めてある。ここでは増幅率を決める抵抗Ｒ６、Ｒ７は、それぞれ１０ｋΩ、１００ＭΩのものを使用しており、増幅率はおおよそ１×１０⁵である。また、コンデンサＣ４は、ノイズやイオン検知電極４に吸着されるイオン数のばらつき等による微細な電圧の上下動を吸収する役割を果たす。

　次に、比較回路部１０２は、オペアンプＩＣ２Ｂに正帰還抵抗Ｒ１３を付加したヒステリシス付きコンパレータとして構成され、可変抵抗ＶＲ２にて所定の負イオン検出イオン量に対応した表示閾電圧の設定及び微調整がなされている。なお、ヒステリシス付きコンパレータとしてあるのは、測定金属板４に吸着するイオン量の変化に過敏に反応しないための不感帯を設けるためである。一方、ＬＥＤ表示部１０４は、イオン濃度の状態を報知ＬＥＤ５により報知するもので、オペアンプＩＣ２Ｂからの出力があるとトランジスタＴＲ１が通電し報知ＬＥＤ５が点灯する。

　大気中のイオンがイオン検知電極４に吸着するとイオン検知電位が発生し、信号増幅部１００のオペアンプＩＣ１Ｂの＋端子に入力されている参照電圧との差電圧が反転増幅されオペアンプＩＣ１Ｂから出力される。オペアンプＩＣ２Ｂはその出力を表示閾電圧Ｖｓと比較し、Ｖｓより大であれば所定レベル以上の負イオン検出を報知するためにＬＥＤ表示部１０４のトランジスタＴＲ１をＯＮして報知ＬＥＤ５を点灯させ、Ｖｓより小であればトランジスタＴＲ１はＯＦＦのままで報知ＬＥＤ５は点灯しない。

　なお、上記のようなＬＥＤ表示部１０４に代え、液晶表示板や７セグメント表示器などを用いて、計測した具体的なイオン濃度値を表示するようにしても良い。その場合、比較回路部１０２の代りに濃度値演算部（例えばＣＰＵ）を用い、入力値のイオン濃度値への変換と出力の表示制御とを行なう。また信号増幅部１００とはＡ−Ｄコンバータを介して接続する。

　次に、図３において、放電回路１０５は、前記した誤差吸着等により測定金属板４に蓄積された電荷を放電する回路である。ここでは、放電回路１０５は測定金属板４に直結されており、電源投入時に上記放電のための動作を行なう。具体的には、放電回路１０５は、測定金属板４の放電用接地経路１０５ｂ上に設けられた放電スイッチング素子としてのフォトＭＯＳリレーＲｙ１と、電源投入を検出して一定時間だけ放電スイッチング素子（フォトＭＯＳリレーＲｙ１）を放電可能状態に維持した後、放電不能状態に切り替えるための制御信号発生部１０５ａとを含む。

　本実施例では、制御信号発生部１０５ａは、電源受電後に一定時間だけ放電可能状態に対応した第一電圧レベル状態を形成するための遅延回路部１０５ｃ（ここでは、コンデンサＣ５と抵抗器Ｒ１７とを含む）と、波形成形部としてのシュミットトリガインバータＩＳＴ１と、さらに、電源遮断時にコンデンサＣ５の還流放電路を形成するダイオードＩＳＳと抵抗器Ｒ１６とを含んでいる。

　図４（ａ）に示すように、放電回路１０５は、電源が投入されると、図内のａ〜ｃ点の電位が図５に示すタイミングチャートに従って変化する。まず、電源が投入されるとシュミットトリガインバータＩＳＴ１も作動を開始するが、入力側はコンデンサＣ５に電荷が蓄積されるまではＬＯＷ入力されるため、出力側のｂ点においてはＨの出力がなされる。これによりフォトＭＯＳリレーＲｙ１がターンオンし、測定金属板４はＲｙ１を経て設置経路１０５ｂにより接地され、蓄積されていた電荷が放電する。その後、コンデンサＣ５が充電されると、ａ点の電位は充分高くなりシュミットトリガインバータＩＳＴ１の入力がＨレベルになり出力であるｂ点の電位はＬレベルとなり、フォトＭＯＳリレーＲｙ１はオフになって測定金属板４は接地状態を解除される。なお、コンデンサＣ５が充電されるまでの時間は測定金属板４に蓄積された電荷を放電するために要する時間よりも十分に長いものとしてある。また、電源遮断時には、コンデンサＣ５に蓄積された電荷はダイオードＩＳＳ１３３と抵抗Ｒ１６からなる還流放電路を循環して放電される。

　なお、放電回路１０５は、電源投入時に動作させる態様に限らず、例えば、信号増幅部１００の出力（すなわちイオン測定値出力）をモニタして、その値が一定以上（Ｖｑ）の大きさであることを検知すると、電極板に何らかの異常が発生したと判断して放電動作を行なうようにすることもできる。さらに、イオン発生装置の動作中に、一定時間毎に測定金属板４の放電動作を行なわせるようにすることも可能である。

　さらに、図４(ｂ)に示すように、放電スイッチング素子(フォトＭＯＳリレーＲｙ１）の動作をＣＰＵ１０７により、プログラム制御するようにしてもよい。図１４のフローチャートは、その制御パターンの一例を示すものである。まず、Ｓ１においてＣＰＵに内蔵されたタイマを参照してそれが予め定められた値であれば、放電回路への出力（つまり、フォトＭＯＳリレーＲｙ１の動作信号の出力）を行なうＳ５へと進む。そうでない場合は前回（Ｎ回目）取得のイオン濃度値を参照し、今回（Ｎ＋１回目）取得の値と比較してその差が規定値Ｑより大きいか否かを判定する（Ｓ２〜Ｓ４）。この値がＱより大きい場合、電極板に何らかの異常が発生した可能性を考慮してＳ５へ進み放電回路への出力を指示する。放電回路への出力はＳ５で開始したカウンタが、Ｓ７で所定値に達するまで出力を維持する（Ｓ６）。

　イオン測定装置の別の実施の形態として、図７に示すようなイオン測定装置１２０を考えることもできる。イオン測定装置１２０においては、把持しやすく幅狭に形成された把持部２から幅広に形成される測定部３へと拡幅される形状を有している。上面には、測定スイッチ６とスリット状の開口部を有し、該開口部には、筐体内部に納められた報知ＬＥＤ５を透過視認可能な（例えば透明又は半透明の）樹脂カバーが設けられている。測定金属板４は筐体前面に露出して設けられている。測定スイッチ６は、図８に示すように、測定金属板４を測定方向に向け、把持部２を把持した場合、筐体上面の親指の届く位置に設けられている。また、測定スイッチ６は、把持部２の内部に収納された乾電池Ｂから測定部３の内部に収納された制御基板１０（主回路を搭載している）への電力の供給をＯＮ／ＯＦＦするためのものである。そして、同時に制御基板１０の接地端子に接続し、使用者が触れることで人体に対し接地する接地電極７を構成している。

　なお、イオン測定装置１２０の、内部の回路については図２、図３と同一のものが収められているので、これに対する詳細な説明は省略する。

本発明のイオン測定装置の外観図。 イオン測定装置の主回路部の回路構成を示すブロック図。 図１のイオン測定装置の具体的な回路の一例を示す回路図。 放電回路の作用説明図と、変形例を示す図。 図４に示す放電回路の、電源投入時及び電源遮断時の各点における電位の変化を示すタイミングチャート。 イオン測定装置の筐体の変形例。 本発明のイオン測定装置の別の実施例を示す三面図。 図７に示すイオン測定装置の作用を示す斜視図。

符号の説明

１，８０，１２０　イオン測定装置
２　把持部
３　測定部
４，９４　測定金属板
５，９７　報知ＬＥＤ
７　接地端子

Claims (4)

1. 　大気中のイオンが吸着することにより、該大気中のイオン濃度に応じた電位を生ずるイオン検知電極と、該イオン検知電極に生じた電位を増幅してイオン測定信号として出力する信号増幅回路とを含む主回路部と、
   　前記主回路部に電力を供給する電源部と、
   　前記電源部による前記主回路部への電源投入時に、前記イオン検知電極に蓄積されている電荷を放電させる放電回路と、
   　を備えたことを特徴とするイオン測定装置。
2. 　前記主回路部には、前記信号増幅回路からのイオン測定信号出力に基づいて、前記大気中のイオン測定結果の報知を行なう報知回路が設けられている請求項１記載のイオン測定装置。
3. 　前記報知回路は、前記測定結果として、大気中のイオン濃度値を報知するものである請求項２に記載のイオン測定装置。
4. 　前記報知手段は、前記測定結果として、大気中のイオン濃度が予め定められた基準イオン濃度よりも高くなっているか否かを報知するものである請求項３記載のイオン測定装置。

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