JP2008300092A - イオン発生素子及びこれを備えたイオン発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放電開始電圧が安定し、イオンを安定して発生する。
【解決手段】イオン発生素子１０は、誘電体基板１１の上面及び下面にイオン発生電極１２及び誘導電極１３をそれぞれ配置している。イオン発生電極１２の電極指１２ａの電極幅は、０．２ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲で均一な電極幅となっている。イオン発生電極１２と誘導電極１３との間に高周波高電圧を印加することにより、イオン発生電極１２の略円弧状の先端部１２ｃに電界が集中し、この先端部１２ｃで暗流放電が行われ、イオンが発生する。
【選択図】図２

Description

本発明は、イオン発生素子及びこれを備えたイオン発生装置の改良に関し、より詳細には、イオン発生に伴うイオン発生電極の消耗などに対する耐久性に優れたイオン発生素子及びこれを備えたイオン発生装置に関する。

従来、誘電体で形成された基板を介してイオン発生電極である放電電極と誘導電極とを対向させて、放電電極と誘導電極との間に交番電圧を印加することにより、放電電極近傍で放電を起こし、イオンを発生するイオン発生素子が知られている。

特許文献１には、放電電極に三角形状の電界集中部を設け、放電開始電圧のバラツキを低減したイオン発生素子が開示されている。この特許文献１に記載のイオン発生素子は、放電電極に三角形状の放電集中部を設けて、強い電界集中を起こしているが、三角形状の先端部は、放電時に発生しているイオンによってスパッタリングされ、経年変化により丸まってしまうとともに電極先端幅が除々に太くなる。電極の先端が丸まり、またその先端幅が太くなってしまうと、強い電界集中が起こりにくくなり、放電条件が変化し、イオンの発生量が不安定になるという問題があった。

そこで、このような問題に対処するために、特許文献２には、誘電体とこの誘電体を介して対向する放電電極及び誘導電極とを備え、放電電極に電極幅が２０μｍ〜１００μｍの線状電極部が形成されたイオン発生素子が開示されている。

特開平２−１６４３７７号公報（図１） 特開２００７−１２４８９号公報（図１）

しかしながら、上述した特許文献２に記載のイオン発生素子によると、線状電極部の電極幅が非常に細いために、この先端がスパッタリングなどによって消耗される程度が激しく、素子の長寿命化に問題があった。また、線状電極部の先端がスパッタリングによって微視的に異なった形状に変化し、それに伴って放電条件が変動し、イオンを持続して安定的に発生することが困難で、結果としてオゾンの発生増大につながるという問題が見出された。さらに、このような状況は、コロナ放電以前の暗流放電を用いてイオンを発生させようとした場合により顕著であった。

そこで、本発明の目的は、放電開始電圧が安定し、イオンを安定して発生するイオン発生素子及びこれを備えたイオン発生装置を提供することである。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明のイオン発生素子は、誘電体と、前記誘電体を介して対向するイオン発生電極及び誘導電極と、を備えており、前記イオン発生電極は均一な電極幅の複数の電極指を有する櫛歯状の電極と成し、前記電極幅は０．２ｍｍ〜１．０ｍｍと成している。

本発明のイオン発生素子によると、電極指の先端に電界が集中することで、この先端がスパッタリングなどによって消耗されるが、電極指が０．２ｍｍ〜１．０ｍｍの均一な電極幅で形成されていることにより、略均一な先端形状を保って電極指の先端が消耗される。これにより、放電開始電圧が安定し、イオンを安定して発生することができる。

一方、別の観点では、本発明のイオン発生素子は、誘電体と、前記誘電体を介して対向するイオン発生電極及び誘導電極と、を備えており、前記イオン発生電極は均一な電極幅の複数の電極指を有する櫛歯状の電極と成し、前記電極指の先端は、略円弧状に形成されている。

本発明のイオン発生素子によると、電極指の先端に電界が集中することで、この先端がスパッタリングなどによって消耗されるが、あらかじめ電極指の先端が略円弧状に形成されていることにより、イオン発生初期から略均一な先端形状を保って電極指の先端が消耗される。これにより、イオン発生初期から放電開始電圧が安定し、イオンを安定して発生することができる。

また、前記イオン発生電極は、前記複数の電極指を一体に接続する共通部をさらに有しており、前記イオン発生電極から前記誘導電極を見たときに、前記複数の電極指部分及び前記共通部の前記複数の電極指に一体に接続される部分のみが前記誘導電極領域に含まれるように配置されている。これにより、電極指の先端にのみ電界が集中し、共通部のコーナー端部に電界が集中することを防止することができるとともに、スパッタリングなどによる電極指の先端の消耗に対して、電極指全体で対応することができる。

さらに、前記イオン発生電極としてカーボン系電極を用いる。これにより、例えば、イオン発生電極として銀電極を用いた場合のように、放電により銀電極が酸化されて、イオンの発生量が低下することがなく、低い印加電圧で、イオンの発生量を増加させることができる。

本発明のイオン発生装置は、上述した何れかのイオン発生素子と、前記イオン発生素子に備えられた前記イオン発生電極と前記誘導電極との間に暗流放電を行わせる高周波電圧を印加する電圧印加手段と、を備えている。

本発明のイオン発生装置によると、電極指の先端に電界が集中することで、先端がスパッタリングなどによって消耗されるが、０．２ｍｍ〜１．０ｍｍの均一な電極幅の電極指を用いることにより、電極指の先端が略円弧状の同様の形状を保って消耗される。これにより、放電開始電圧が安定し、イオンを安定して発生することができる。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るイオン発生装置のブロック図である。図２は、本実施形態に係るイオン発生素子の平面図である。図３は、III−III線に沿う断面図である。

図１に示すように、イオン発生装置１は、ＡＣ電源２から出力された電力を整流回路３、高周波インバータ回路４及び高周波高電圧トランス５を介して高周波高電圧に変換し、イオン発生素子１０に供給する。イオン発生装置１とは、イオン発生素子１０に高周波高電圧を印加することで、イオン発生素子１０で暗流放電を起こし、大気中にイオンを発生させるものである。

ＡＣ電源２は、商用周波数の交流電力を出力する電源である。整流回路３は、ＡＣ電源２から出力された交流電力を直流電力に変換する回路であり、ＰＦＣ変換回路や高調波抑制回路などを含んでいてもよい。高周波インバータ回路４は、整流回路３から出力された直流電力を高周波電圧に変換する回路である。高周波高電圧トランス５は、高周波インバータ回路４から出力された高周波電圧を高周波高電圧に昇圧する。このように、これらのＡＣ電源２、整流回路３、高周波インバータ回路４及び高周波高電圧トランス５によりイオン発生素子１０に暗流放電を行わせる高周波高電圧を印加する電圧印加手段を構成している。なお、ＡＣ電源２ではなく、蓄電池などのＤＣ電源を用いる場合には、整流回路３は設けなくてもよい。

イオン発生素子１０は、図２及び図３に示すように、誘電体基板１１の上面及び下面にイオン発生電極１２及び誘導電極１３をそれぞれ配置したものである。

誘電体基板１１は、矩形状をなしているが、その形状に特に制限はない。誘電体基板１１の材料としては有機物を用いることができ、例えばポリイミドやポリエステル等の樹脂を用いても良い。また、誘電体基板１１の材料として無機物を用いることができ、この場合、例えばアルミナ、ジルコニア等のセラミックスを用いても良い。なお、誘電体基板１１の誘電率は、２．０以上が好ましく、３．０前後がより好ましい。

イオン発生電極１２は、誘電体基板１１の上面にカーボンで形成されており、複数の櫛歯状の電極指１２ａ及び該複数の電極指１２ａを一体に接続する共通部１２ｂを有している。複数の電極指１２ａは、誘電体基板１１の短手方向に沿って長尺な形状をしており、誘電体基板１１の長手方向に沿って所定の間隔おきに形成されている。なお、所定の間隔は、１．５ｍｍ〜３．０ｍｍが好ましい。

電極指１２ａの電極幅は、０．２ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲で均一な電極幅が好ましく、０．５ｍｍ程度がより好ましい。電極指１２ａの一端である先端部１２ｃは、略円弧状をしており、他端は共通部１２ｂに一体に接続されている。つまり、複数の電極指１２ａは、共通部１２ｂを介して一体に電気的に接続されている。

誘導電極１３は、誘電体基板１１の下面にイオン発生電極１２と同様にカーボンで形成されており、誘電体基板１１よりも小さな矩形状をしている。また、誘導電極１３は、イオン発生電極１２から誘導電極１３を見たときに、共通部１２ｂの電極指１２ａに連接されている側と反対側の部分（共通部１２ｂのコーナー端部１２ｄ）は含まずに、先端部１２ｃを含む電極指１２ａを含むようにその電極領域が形成されている。なお、上記のイオン発生電極１２及び誘導電極１３を構成するカーボン電極は、例えば、グリコール系、エーテル系などの所定の有機溶剤で溶解したフェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂またはポリイミド樹脂などの合成樹脂バインダーに麟片状グラファイト、カーボンブラック、アセチレンブラック、カーボンファイバーなどを混練分散したものをスクリーン印刷などで塗布、乾燥させて形成されている。

次に、イオン発生電極１２の初期エージングによる放電条件を安定化させる方法について説明する。まず、誘電体基板１１上に、上述した櫛歯形状（幅０．５ｍｍの矩形状の電極指）になるようにカーボンペーストをスクリーン印刷する。このときの電極指１２ａの先端部１２ｃの顕微鏡写真を図４（ａ）に示す。図４（ａ）は、左から順に図２中最左方、中央、最右方の先端部１２ｃをそれぞれ示している。このような先端部１２ｃの形状で、イオン発生電極１２と誘導電極１３との間に高周波高電圧を印加すると、先端部１２ｃの左右のコーナー端部に電界が集中してコロナ放電が開始されるが、放電が安定しない状態が続く。

そこで、初期エージングとして、イオン発生電極１２と誘導電極１３との間に、所定の時間（好ましくは３０分間）、コロナ放電が起こるような高周波高電圧（ここでは、６０ｋＨｚ、５ｋＶｐｐ）を印加する。すると、スパッタリングによって先端部１２ｃの左右のコーナー端部から消耗し、電極指が０．５ｍｍの所定の幅を有していることに起因して、時間の経過とともに、図４（ｂ）に示すように、先端部１２ｃの形状は左右のコーナー端部が消滅し、略円弧状に近い形状となる。なお、初期エージングは、コロナ放電に限らず、スパッタリングによって先端部１２ｃが消耗するような放電であれば、暗流放電であってもよい。

次に、イオン発生電極１２と誘導電極１３との間に高周波高電圧を印加して、コロナ放電以前の暗流放電を行わせた場合について図５〜図７を参照して説明する。図５は、イオン発生電極１２の先端部１２ｃの時間経過にともなう顕微鏡写真である。図５は、左から図２中最左方、最右方をそれぞれ示している。図６は、暗流放電によってイオンを発生した状態での時間経過に伴うイオン発生電極の先端部の消耗量を示す図である。この消耗量は、図２中最左方の先端部１２ｃと最右方の先端部１２ｃで測定している。縦軸は、先端部の消耗した長さであり、横軸は、イオン発生装置の駆動時間、すなわち、イオンの発生時間である。図７は、イオンを発生した状態での時間経過に伴う２次電流のプラス側とマイナス側のピーク値の変化を示す図である。縦軸は、２次電流値であり、横軸は、イオン発生装置の駆動時間である。２次電流とは、イオン発生装置１に流れている電流である。ここで、イオン発生電極１２と誘導電極１３との間に印加される高周波高電圧は、イオン発生電極１２と誘導電極１３との間に暗流放電を行わせるような比較的低い電圧（ここでは、６０ｋＨｚ、４．８ｋＶｐｐ）になるように、高周波高電圧トランス５での昇圧を調整されている。ただし、この暗流放電を行わせるための電圧は、イオン発生素子１０の構成や誘電体基板１１の材質、厚さなどで異なる。ここで、暗流放電とは、コロナ放電のような発光が行われない、微弱な電流が流れる放電であり、コロナ放電に比べて、不要な電磁波を抑制してオゾンの発生も抑制することができる。

初期エージングにより先端部１２ｃが略円弧状に近い形状に形成されたイオン発生電極１２と誘導電極１３との間に高周波高電圧が印加されると、イオン発生電極１２の先端部１２ｃに電界が集中し、この先端部１２ｃで暗流放電が行われ、イオンが発生する。すると、電界が集中している先端部１２ｃは、暗流放電により発生しているイオンによってスパッタリングされ、消耗されていく。図６に示すように、電圧印加を開始して５０時間経過した辺りから先端部１２ｃの消耗量は安定して、１５０時間経過した辺りから先端部１２ｃの消耗量はさらに安定する。これは、電極指１２ａの電極幅を０．２ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲で均一に形成することにより、電極指１２ａの先端部１２ｃが、略円弧状の同様の形状を保ってスパッタリングによって消耗されることになり、電界集中の分布が均一になるためである。このとき、図７に示すように、５０時間辺りから、２次電流も安定してきて、２次電流が安定することにより、放電開始電圧が安定し、イオンが安定して発生していることがわかる。さらに、１５０時間経過した辺りから、先端部１２ｃの消耗量がさらに安定することに伴い、２次電流及び放電開始電圧もさらに安定して、イオンがさらに安定して発生していることがわかる。このとき、図５に示すように、電極指１２ａの先端部１２ｃは、略円弧状の同様の形状を保って先端部が消耗されていることがわかる。

このように、電極指１２ａの電極幅が０．２ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲で均一に形成されていることにより、略円弧状の同様の形状を保って先端部が消耗される。これにより、放電開始電圧が安定し、イオンを安定して発生することができる。電極指１２ａの電極幅が０．２ｍｍ未満の場合には電界集中の効果は期待できるが、先端部のスパッタリングによる形状変化が不均一となり、放電、特に暗流放電の安定性が悪くなる。一方、電極指１２ａの電極幅が１．０ｍｍを越えた場合には、電界集中の効果が期待できず、安定した暗流放電を行うことが困難となる。

また、このとき、先端部１２ｃは略円弧状となっていることにより、図８（ａ）の斜線部で示すように略円弧状を保ったまま先端部が消耗されていく。これは、例えば、先端部が図８（ｂ）のように矩形状となっていると、先端部が斜線部で示すように消耗され、イオン発生初期には、矩形の角から消耗される。しかしながら、先端部１２ｃが略円弧状と成すことにより、同様の形状を保って均一に先端部が消耗される。したがって、放電開始電圧が安定し、イオンを安定して発生することができる。

さらに、誘導電極１３は、イオン発生電極１２から誘導電極１３を見たときに、共通部１２ｂの電極指１２ａに連接されている側と反対側の部分（共通部１２ｂのコーナー端部１２ｄ）は含まずに、先端部１２ｃを含む電極指１２ａを含むようにその電極領域が形成されている。これにより、電極指１２ａの先端部１２ｃにのみ電界が集中し、共通部１２ｂのコーナー端部１２ｄに電界が集中することを防止することができるとともに、電極指１２ａの消耗に対し、より長時間の使用が可能となる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能なものである。例えば、本実施形態においては、誘導電極１３は、矩形状をして形成されていたが、イオン発生電極１２から誘導電極１３を見たときに、共通部１２ｂの電極指１２ａに連接されている側と反対側の部分（共通部１２ｂのコーナー端部１２ｄ）は含まずに、少なくとも先端部１２ｃを含む電極指１２ａと重なるように形成されていればよい。一例として、図９に示すように、電極指１２ａよりも電極幅の大きな櫛歯状に形成されていてもよい。

加えて、本実施形態においては、イオン発生電極１２として、カーボンを用いたが、カーボンに限らず、例えば、アルミニウム、銅、金、タンタル若しくはタングスタン等の単独金属、または、これらの合金であってもよい。

本実施形態に係るイオン発生装置のブロック図である。 本実施形態に係るイオン発生素子の平面図である。 III−III線に沿う断面図である。 イオン発生電極の先端部の顕微鏡写真である。 イオン発生電極の先端部の時間経過にともなう顕微鏡写真である。 イオンを発生した状態での時間経過に伴うイオン発生電極の先端部の消耗量を示す図である。 イオンを発生した状態での時間経過に伴う２次電流のプラス側とマイナス側のピーク値の変化を示す図である。 櫛歯状電極の先端部の消耗を説明する図である。 誘導電極の形状の変形例を示す図である。

符号の説明

１ イオン発生装置
２ ＡＣ電源
３ 整流回路
４ 高周波インバータ回路
５ 高周波高電圧トランス
１０ イオン発生素子
１１ 誘電体基板
１２ イオン発生電極
１３ 誘導電極

Claims (5)

1. 誘電体と、
   前記誘電体を介して対向するイオン発生電極及び誘導電極と、を備えており、
   前記イオン発生電極は均一な電極幅の複数の電極指を有する櫛歯状の電極と成し、
   前記電極幅は０．２ｍｍ〜１．０ｍｍであることを特徴とするイオン発生素子。
2. 誘電体と、
   前記誘電体を介して対向するイオン発生電極及び誘導電極と、を備えており、
   前記イオン発生電極は均一な電極幅の複数の電極指を有する櫛歯状の電極と成し、
   前記電極指の先端は、略円弧状に形成されていることを特徴とするイオン発生素子。
3. 前記イオン発生電極は、前記複数の電極指を一体に接続する共通部をさらに有しており、
   前記イオン発生電極から前記誘導電極を見たときに、前記複数の電極指部分及び前記共通部の前記複数の電極指に一体に接続される部分のみが前記誘導電極領域に含まれるように配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のイオン発生素子。
4. 前記イオン発生電極としてカーボン系電極を用いたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のイオン発生素子。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載のイオン発生素子と、
   前記イオン発生素子に備えられた前記イオン発生電極と前記誘導電極との間に暗流放電を行わせる高周波電圧を印加する電圧印加手段と、を備えていることを特徴とするイオン発生装置。