JP2013214443A

JP2013214443A - イオン発生装置

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Publication number: JP2013214443A
Application number: JP2012084688A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Yamanaka; 隆幸山中; Tadashi Iwamatsu; 正岩松
Original assignee: Sharp Corp
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Priority date: 2012-04-03
Filing date: 2012-04-03
Publication date: 2013-10-17
Anticipated expiration: 2032-04-03
Also published as: JP5981197B2

Abstract

【課題】イオンの放出を停止した後もイオンによる殺菌効果を長く持続させる。
【解決手段】負イオンを発生させる第１イオン発生部１０と、正イオンを発生させる第２イオン発生部３０とを有するイオン発生装置１であって、第１イオン発生部は、第１電極２１と、第２電極２２と、第１電極と第２電極の間に絶縁性微粒子２３１を含んで形成される微粒子層２３とからなり、第１電極と第２電極の間に電圧を印加することで電子を放出する電子放出素子２０を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、正イオン及び負イオンを発生させるイオン発生装置に関する。

近年、空気中に浮遊するカビ菌又はウィルスの分解などを行なうために、正イオン及び負イオンを発生させるイオン発生装置が使用されている。

従来のイオン発生装置を図１３に示す。従来のイオン発生装置５では、正イオン又は負イオンを放出するために形成された各々の流路の途中に、負イオンを発生させるイオン発生器１５及び正イオンを発生させるイオン発生器３０が各々配設されている。そして、発生させた正イオン及び負イオンを各々の流路の放出口から外部空間に放出させている。ここで、イオン発生器１５及びイオン発生器３０は、放電電極間に高圧の放電電圧を印加しコロナ放電を発生させることによって、正イオン及び負イオンを発生させている。また、略同量程度の負イオン及び正イオンが放出されるように、放電電極間に印加する放電電圧の調整等がなされている。

ここで、イオン発生装置５で放出される正イオン及び負イオンは、空気中の分子（以後「空気分子」と呼称する）が放電現象によりイオン化することで生成したものである。つまり、イオン発生装置５で生成される正イオン及び負イオンは、例えば、水素イオン（Ｈ^＋）又は酸素イオン（０_２ ⁻）の周囲に複数の水分子が付随した形態、所謂クラスタイオンの形態を成している。そして、このような形態の正イオン及び負イオンを空気中に放出することによって、正イオン及び負イオンは浮遊粒子に凝集して化学反応し、浮遊細菌を殺菌するとされる。

一方、特許文献１、２には、ＦＥＤ（ＦｉｅｌｄＥｍｉｓｉｏｎＤｉｓｐｌａｙ）等の分野で応用され得る電子放出素子が開示されている。

図１６に示されるように、特許文献１の電子放出素子１００では、電極基板１０２と薄膜電極１０３の間に、絶縁体の微粒子１０５及び金属微粒子１０６を含む微粒子層１０４を備えている。そして、電極基板１０２と薄膜電極１０３の間に電圧を印加することによって、薄膜電極１０３から電子を放出させる。

また、図１７に示されるように、特許文献２の電子放出素子２００では、上層に開口部を有する絶縁層２０５が形成された第１電極２０２と第２電極２０４の間に、絶縁性微粒子及び導電性微粒子で構成された微粒子層２０３を備えている。そして、第１電極２０２と第２電極２０４の間に電圧を印加することによって、第２電極２０４から電子を放出させる。

特開２００９−１４６８９１号公報特開２０１１−２２２４５２号公報

図１３に示される従来のイオン発生装置５のように、コロナ放電方式のイオン発生器を用いて放出されるイオンは、化学的に不安定な状態になっている。つまり、該装置で放出されるイオンは比較的短時間で消滅してしまい、浮遊細菌を殺菌する効果が持続しないという課題があった。

つまり、従来のイオン発生装置５では、負にバイアスされた針電極先端部近傍の電界集中による微小空間が強電界となることにより当該領域中の空気分子が電離し電子が放出され、強電界により加速されて大きなエネルギを持った電子が生じる。そして、該電子が他の空気分子に衝突することで、空気分子を新たに電離させる。或いは空気分子間の結合を解離する。或いは空気分子に付着する。そして、このような反応が繰り返されることによって負イオンが生成されるものと考えられる。

このことから、従来のイオン発生装置５で生成される負イオンには、Ｏ⁻、Ｏ_２ ⁻、Ｏ_３ ⁻、ＮＯ_２ ⁻又はＮＯ_３ ⁻等の様々な成分の負イオンが含有しているもの推察される。そして、Ｏ_２ ⁻は化学的に比較的安定しているが、Ｏ⁻及びＯ_３ ⁻は大気中に浮遊する物質、或いは室内の壁面又は床面等の固定物表面と反応し易い。このため、コロナ放電によって生成される負イオンは、比較的短時間で消滅してしまうのではないかと考えている。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、イオンの放出を停止した後もイオンによる殺菌効果を長く持続させるイオン発生装置を提供することにある。

本発明のイオン発生装置は、負イオンを発生させる第１イオン発生部と、正イオンを発生させる第２イオン発生部とを有するイオン発生装置であって、第１イオン発生部は、第１電極と、第２電極と、第１電極と第２電極の間に絶縁性微粒子を含んで形成される微粒子層とからなり、第１電極と第２電極の間に電圧を印加することで電子を放出する電子放出素子を有する、ことを特徴とする。

好ましくは、電子放出素子は、第１電極と微粒子層の間に、厚み方向に貫通した開口部を複数有する絶縁層が形成されていることを特徴とする。

また好ましくは、絶縁性微粒子は、酸化ケイ素、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、酸化チタン又は酸化銅の少なくとも１つを含んでいることを特徴とする。

また好ましくは、微粒子層は、絶縁性微粒子より小さな粒径の導電性微粒子を含むことを特徴とする。

さらに好ましくは、導電性微粒子は、金、銀、白金、パラジウム、タングステン又はニッケルの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする。

また好ましくは、第１電極と第２電極の間に、第１電極に対して第２電極が正側になる直流成分を含む電圧を印加することを特徴とする。

またさらに好ましくは、第１電極と第２電極の間に、パルス状電圧を印加することを特徴とする。

本発明に係るイオン発生装置によれば、イオンの放出を停止した後もイオンによる殺菌効果を長く持続させることができる。

本発明の一実施形態であるイオン発生装置１の全体構成を示す図である。第１イオン発生部１０の構成を示す図である。電子放出素子２０の積層構造を示す図である。図３における電子放出素子２０の微粒子層２３近傍を拡大した拡大図である。電子放出素子２０における絶縁層２４の構成例を示す図である。電子放出素子２０の製造工程を示すフローチャートである。室内のイオン濃度の時間的変化を測定する環境条件を示す模式図である。実験例におけるイオン発生装置１の駆動条件、及び実験例に使用したイオン発生装置１の各部の詳細構成を示す図である。実験例に使用した電子放出素子２０の各部の詳細構成を示す図である。実験例に使用した電子放出素子２０における微粒子層２３の積層構造を示す図である。イオン発生装置１が放出するイオン濃度を測定した測定結果を示す図である。実験例の測定結果を示す図である。実験例と比較する比較例に使用した従来のイオン発生装置５の全体構成を示す図である。イオン発生装置５の負イオン発生部１５の詳細構成、及び比較例における負イオン発生部１５に印加する電圧条件を示す図である。比較例の測定結果を示す図である。特許文献１に記載されている電子放出素子１００の構成を示す図である。特許文献２に記載されている電子放出素子２００の構成を示す図である。

図１は、本発明の一実施形態であるイオン発生装置１の全体構成を示している。本図を用いて、該イオン発生装置１の構成について以下に説明する。

＜イオン発生装置の全体構成＞
イオン発生装置１は、内蔵されている電子放出素子が放出する電子によって負イオンを発生させる第１イオン発生部１０と、該第１イオン発生部１０に内蔵されている電子放出素子２０の電極間に電圧を印加するための電源部５０を有している。ここで、電子放出素子の電極間に印加する電圧は、電子放出量が安定するように、交流成分に直流成分を重畳した電圧を用いる方が望ましい。

また、イオン発生装置１は、針電極３１と対向電極３２の間に高圧の電圧を印加することによりコロナ放電を発生させて正イオンを発生させる第２イオン発生部３０と、該第２イオン発生部３０の針電極３１と対向電極３２の間に高圧の電圧を印加するための電源部５１を有している。そして、電源部５０及び電源部５１による電圧の印加を制御するためのイオン発生コントローラ６０を有している。

ここで、発生させた負イオンと正イオンが装置内で反応しないように、第１イオン発生部１０で発生させた負イオンを搬送する流路と、第２イオン発生部３０で発生させた正イオンの流路を搬送する流路とが、別々に設けられている。さらに、該イオン発生装置１は、発生させた負イオン及び正イオンとともに空気等の気体媒体を外部に放出するため、イオン放出口に向けて気流を生じさせる気流発生部（不図示）が設けられている。

＜第１イオン発生部の全体構成＞
図２は、第１イオン発生部１０の構成を示している。本図によると、該第１イオン発生部１０は、電子を放出する電子放出素子２０を複数有して構成されている。そして、複数の電子放出素子２０は、各々個別に電源部５０の電圧を印加することができるように、電源部５０と接続されている。

＜電子放出素子の構成＞
図３は、電子放出素子２０の積層構造を示す図である。本図を用いて、電子放出素子２０の構成について以下に説明する。

電子放出素子２０は、第１電極２１、第２電極２２及び第１電極２１と第２電極２２の間に形成された微粒子層２３から構成されている。さらに、第１電極２１と第２電極２２の間に、第１電極２１に対して第２電極２２が正側になる直流成分を含む電圧を印加できるように、第１電極２１及び第２電極２２は電源部５０と接続されている。つまり、電子放出素子２０は、第１電極２１と第２電極２２の間に電圧を印加し、第２電極２２側の微粒子層２３表面に強電界を発生させることによって、第１電極２１から第２電極２２に移動する電子の一部が第２電極２２から放出されるように構成されている。

また、微粒子層に電圧を印加し電子を放出させる電子放出素子の場合、該素子の電極間に長時間連続して電圧を印加すると、微粒子層の特定箇所に長時間電流が流れてしまい、該素子が劣化又は破損してしまう可能性がある。該課題を解決するために、本発明に係る電子放出素子２０では、第１電極２１と微粒子層２３の間に、積層方向（紙面の上下方向）に貫通した開口部２４ａを複数有する絶縁層２４を形成し、微粒子層２３の特定箇所に偏在して長時間電流が流れることを防止している。ここで、開口部２４ａに係る諸条件は、開口部２４ａ内の各々の電界が互いに干渉しない程度の条件を満たすものが採用される。さらに、開口部２４ａのサイズが大きすぎると、電子放出素子２０から均一に電子が放出されにくい。逆に小さすぎると、各々の開口部２４ａ内の電界が弱まって電子の放出効率が悪くなってしまう可能性がある。このことから、開口部２４ａのサイズは、一辺が１〜５００μｍ程度の正方形内に収まるサイズのものを採用する方が望ましい。また、電子放出素子２０から均一に電子を放出させるという観点から、複数の開口部２４ａを縦横整然とマトリックス状に配置する方が望ましい。

第１電極２１は、導電性の板状基板であって、電子放出素子２０の支持体としての機能を兼ね備えている。したがって、ある程度の強度及び適度な導電性を有する基板が用いられる。例えば、ステンレス、アルミニウム、チタン又は銅等を主成分とする金属基板が用いられる。若しくは、ケイ素、ゲルマニウム又はＧａＡｓ（ガリウム砒素）等を主成分とする半導体基板が用いられる。若しくは、ガラス又はプラスティック等の絶縁体基板であって、該基板上に金属蒸着膜、又はＩＴＯ膜（酸化イリジウム錫膜）等の導電性膜が形成された基板が用いられる。

第２電極２２は、第１電極２１と対となって微粒子層２３内に電圧を印加させるための電極であって、電圧の印加が可能となるような材料であれば特に制限なく用いることができる。しかしながら、微粒子層２３で加速されて高エネルギを有する状態となった電子を、できる限りロスが少なく透過させて放出させるという観点から、仕事関数が低く、かつ薄膜で形成することが可能な導電性材料を用いる方が望ましい。このような材料として、金、銀、タングステン、チタン又はパラジウム等が挙げられる。中でも大気圧中での動作を想定した場合、酸化物及び硫化物形成反応のない金が最良な材料となる。また、酸化物形成反応が比較的小さい銀、タングステン又はパラジウム等も実使用に耐える材料として挙げることができる。

微粒子層２３は、絶縁性微粒子２３１から構成されている。該絶縁性微粒子２３１には、Ｓｉ０_２（酸化ケイ素）又はＺｎ０（酸化亜鉛）等の半導体酸化物が用いられる。若しくは、Ａｌ_２０_３（酸化アルミニウム）、Ｔｉ０_２（酸化チタン）又はＣｕ０（酸化銅）等の金属酸化物が用いられる。ここで、各々の絶縁性微粒子２３１の粒径（直径の平均）は、５〜１０００ｎｍの範囲とすることが望ましい。これは、５ｎｍより小さな粒径の絶縁性微粒子２３１を用いた場合、個々の微粒子の大きさのばらつきを少なくすることが難しく、均一な膜厚の微粒子層２３を形成することが困難となるためである。一方、１０００ｎｍより大きな粒径の絶縁性微粒子２３１の分散液を塗布して微粒子層２３を形成しようとすると、分散液に絶縁性微粒子２３１が沈殿することから、該絶縁性微粒子２３１の分散性が悪くなってしまう。つまり、分散液を塗布した塗布膜において、絶縁性微粒子２３１を多く含む箇所と少ない箇所のばらつきが生じ易くなってしまい、均一な膜厚の微粒子層２３を形成することが困難となるためである。

＜微粒子層の構成＞
図４は、図３における電子放出素子２０の微粒子層２３近傍を拡大した拡大図である。本図を用いて、微粒子層２３の構成について補足する。

微粒子層２３は、絶縁性微粒子２３１より小さな粒径の導電性微粒子２３２を含む構成とする方が望ましい。これは、導電性微粒子２３２を含んで構成し、該導電性微粒子２３２の含有量を調整することによって、微粒子層２３の抵抗値を任意の範囲で調整できるためである。ここで、導電性微粒子２３２の粒径が絶縁性微粒子２３１より大きい場合、微粒子層２３が必要とする絶縁性が得られなくなるため、導電性微粒子２３２の粒径は、絶縁性微粒子２３１の粒径よりも小さくする必要がある。また、導電性微粒子２３２は、導電性を有する材料であれば特に制限なく用いることができるが、例えば、金、銀、白金、パラジウム、タングステン又はニッケル等の材料が用いられる。さらに、微粒子層２３に、シリコーン樹脂等のバインダ成分を含む構成としても構わない。バインダ成分を含む構成とすることで、素子の機械的強度を向上させることができるとともに、大気中の酸素又は水分などによる素子の劣化を防ぐことができる。

絶縁層２４は、上述した通り、長時間の連続駆動による素子の破損又は劣化等を防ぐために、第１電極２１と微粒子層２３の間に、積層方向（紙面の上下方向）に貫通した開口部２４ａを複数有して形成される。

絶縁層２４としては、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜又はシリコン窒化酸化膜等の無機膜を用いることによって、膜厚を０．１〜３μｍの範囲に形成することができる。若しくは、シリコーン樹脂膜、アクリル系樹脂膜、ポリイミド系樹脂膜、エポキシ系樹脂膜、ポリエステル系樹脂膜、ポリウレタン系樹脂膜又はポリスチレン系樹脂膜等の有機膜を用いることによって、膜厚を０．１〜３μｍの範囲に形成することができる。なお、抵抗値、耐熱性、吸水率及び機械的強度等の観点から、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコーン樹脂膜、アクリル樹脂膜、又はポリイミド系樹脂膜を用いる方がより望ましい。

＜絶縁層の全体構成＞
図５には、電子放出素子２０における絶縁層２４の構成例を示している。ここで、図５（Ａ）は、絶縁層２４の全体構成例を示す上面図（平面図）である。また、図５（Ｂ）は、絶縁層２４の一部を拡大した拡大図（斜視図）である。これら図面を用いて、絶縁層２４の全体構成例について、以下に説明する。

絶縁層２４は、一辺の長さがＢＳである略正方形の第１電極２１基板上に形成されている。ここで、該絶縁層２４の紙面の右上隅エリアＡ１、右下隅エリアＡ２、左上隅エリアＡ３及び左下隅エリアＡ４の４エリアには、一辺の長さがＡＳである正方形の開口部エリア２４ｂを、格子状に３×３区画の計９区画、ピッチＡＰ間隔で区画している。そして、区画された開口部エリア２４ｂのそれぞれには、一辺の長さがＨＳの略正方形の開口部２４ａを、所定のピッチ間隔ＨＰで格子状に複数個形成している。

＜電子放出素子の製造工程＞
図６は、電子放出素子２０の製造工程を示すフローチャートである。本図によると、電子放出素子２０は、第１電極２１となる導電性基板上に絶縁層２４を形成する絶縁層形成工程、該絶縁層形成工程で形成した絶縁層２４の上層を覆うように微粒子層２３を形成する微粒子層形成工程及び微粒子層形成工程で形成した微粒子層２３上に第２電極２２を形成する第２電極形成工程を順に行うことによって製造される。以下に、各工程の詳細について説明する。

絶縁層形成工程では、先ず、絶縁体材料としてのアクリル系樹脂を溶剤に溶かした塗液を第１電極２１上にスピンコート法によって塗布して塗布膜を形成し、塗布膜を加熱乾燥させる。そして、フォトリソグラフィーによって、乾燥した塗布膜に開口部２４ａとなる小孔を複数形成することによって絶縁層２４を形成する。なお、この工程によって形成された絶縁層２４は、膜厚が０．１〜３μｍの範囲の所望の膜厚に、開口部２４ａの内径が１５〜１００μｍの範囲で所望の内径に調整される。

ここで、絶縁体材料としては、アクリル系樹脂以外にも、シリコーン樹脂、ポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリウレタン系樹脂又はポリスチレン系樹脂などの有機ポリマーが用いられる。また、これらの有機ポリマーを２種以上混合して用いても構わない。さらに、有機ポリマー以外にも、シリコン酸化物又はシリコン窒化物などの無機材料を用いて、例えば、スパッタ法、蒸着法又はＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等によって絶縁層２４を形成してもよい。そして、開口部２４ａとなる小孔を形成する方法として、電子ビームリソグラフィ法、プラズマエッチング法又はインクジェット法等が用いられる。

微粒子層形成工程では、先ず、溶剤に絶縁性微粒子２３１が分散された分散液を調製する。そして、調製された分散液を、絶縁層形成工程で形成した絶縁層２４の上層を覆うようにスピンコート法によって塗布して塗布膜を形成し、該塗布膜を乾燥させることによって微粒子層２３を形成する。なお、分散液の塗布、及び塗布膜の乾燥は、所望の膜厚となるまで繰り返される。

ここで、分散液の調製において、絶縁性微粒子２３１に加えて、導電性微粒子２３２及びバインダ成分となる原料を混合して調製する方が望ましい。また、分散液を調製する際には、混合するバインダ成分となる原料を溶解し、絶縁性微粒子２３１又は導電性微粒子２３２を分散させ、そして塗布後に乾燥することができる溶剤が用いられる。このような溶剤としては、例えば、トルエン、ベンゼン、キシレン、ヘキサン又はテトラデカン等が用いられる。さらに、分散液における絶縁性微粒子２３１の濃度は１０〜５０重量％の範囲で調製される。これは、１０重量％より低濃度とすると、絶縁性微粒子２３１を開口部２４ａ内に満充填することが困難となるためである。一方、５０重量％より高濃度とすると、分散液の粘度が高まり凝集してしまって、薄膜の微粒子層２３を形成することが困難になるためである。なお、塗布膜の形成において格段の制限事項はないが、例えば、スピン回転数５００ｒｐｍで１秒間回転させた後、スピン回転数３０００ｒｐｍで１０秒間回転させる等の２段階のスピンコートを行って塗布膜を形成する。

第２電極形成工程では、先ず、微粒子層形成工程で形成した微粒子層２３上に炭素薄膜を形成する。そして、炭素薄膜の上層に、例えば、マグネトロンスパッタ法、インクジェット法、スピンコート法、又は蒸着法等を用いて、第２電極２２を形成する。

なお、第１イオン発生部１０は、上述した製造工程によって製造された複数の電子放出素子２０に対して、該複数の電子放出素子２０の各々の第１電極２１及び第２電極２２を、リード線を介して電源部５０と接続することができるように形成する工程を成すことによって製造される。

このように、本発明に係るイオン発生装置１では、電子放出素子２０を用いて負イオンを発生させている。そして、このことによって殺菌効果を長く持続させることが可能であると考えている。

つまり、本発明に係るイオン発生装置１では、電子放出素子２０の近傍に存在する空気分子に、該素子２０によって放出された電子が衝突する。そして、該空気分子に付着することによって負イオンが生成されるものと考えられる。

ここで、電子放出素子２０から放出される電子は、コロナ放電によって生じる電子と比べるとはるかに低いエネルギしか有しない。このことから、空気分子間の結合を解離する反応はほとんど生じず、放出された電子の大半が親和性の高い酸素分子に付着しているのではないかと推察される。

このことから、電子放出素子２０によって生成される負イオンには、化学的に比較的安定しているＯ_２ ⁻が多く含有し、比較的長時間かけて消滅するのではないかと考えている。つまり、本発明に係るイオン発生装置１によって生成される負イオンには、Ｏ_２ ⁻が多く含有していることから、該イオンによる殺菌効果を長く持続させることが可能と考えている。

＜実験例：本発明に係るイオン発生装置による測定＞
図７は、室内のイオン濃度の時間的変化を測定する環境条件を示す模式図である。本図を用いて、イオン発生装置１からイオンを放出させたときの室内のイオン濃度に係る時間的変化を測定する実験例の環境条件について説明する。

実験例では、大きさがおよそ５．０ｍ×５．０ｍ、床面から天井までの高さがおよそ２．５ｍの測定室の中央にイオン発生装置１を設置している。ここで、床面からイオン発生装置１のイオン放出口までの高さが、およそ０．６ｍになるように設定している。また、イオンカウンタ（旭システム社製、ＭＹ１２１０−２）を、測定室の片隅に設置している。詳しくは、測定室の２方向の壁面の各々からおよそ０．５ｍ離れた位置、床面からおよそ１．０ｍの高さの位置に設置している。

＜実験例：イオン発生装置の駆動条件、各部の詳細構成＞
図８には、実験例におけるイオン発生装置１の駆動条件及び該実験例に使用したイオン発生装置１の各部の詳細構成を示し、以下に説明する。

イオン発生装置１の第１イオン発生部１０は、図９によって後述する電子放出素子２０を複数有して構成されている。つまり、実験例に用いたイオン発生装置１は、電源部５０によって駆動させる電子放出素子２０の個数、すなわち駆動素子数を変更することによって、発生させる負イオンの濃度を調整することができる。

実験例では、駆動素子数を６個とし、６個の電子放出素子２０に対して、周波数６００Ｈｚ、デューティ比２０％、波高値１７．４Ｖのパルス波電圧を印加して測定している。

また、イオン発生装置１の第２イオン発生部３０は、元径０．５ｍｍ、長さ６．０ｍｍのタングステンの針電極３１と、内径１０ｍｍ、幅２．０ｍｍのリング形状の対向電極３２とから構成されている。ここで、コロナ放電を発生させてイオンが発生するように、リング形状の対向電極３２内部の中心近傍に針電極３１の先端が位置するように構成している。さらに、電源部５１によって、対向電極３２をＧＮＤとし針電極３１に正極のパルス電圧を印加することができるように構成されている。

実験例では、第２イオン発生部３０の針電極３１に、周波数６０Ｈｚ、デューティ比２０％、波高値＋４．０ｋＶのパルス波電圧を印加し駆動させて測定している。

さらに、イオン発生装置１には、イオン放出口に向けて気流を生じさせるための気流発生部を備えている。該気流発生部は、イオン放出口に対して、第１イオン発生部１０及び第２イオン発生部３０が配置されている位置よりも離れた位置に配置されている。つまり、イオン放出口に向けて気流を発生させる送風タイプの気流発生部を備えている。ここで、実験例では、送風量０．００１ｍ^３／秒の気流を発生させて測定している。

＜実験例：電子放出素子各部の詳細構成＞
図９には、実験例に使用した電子放出素子２０の各部の詳細構成を示し、以下に説明する。

該電子放出素子２０の第１電極２１として、一辺の長さＢＳがおよそ２４ｍｍの略正方形のアルミニウム基板を用いている。

また、該電子放出素子２０の絶縁層２４として、該アルミニウム基板上に、およそ膜厚１．５μｍのアクリル系樹脂から成る層を形成している。ここで、絶縁層２４のエリアＡ１、エリアＡ２、エリアＡ３及びエリアＡ４の４エリアには、一辺の長さＡＳが２．４ｍｍの正方形の開口部エリア２４ｂを格子状に３×３区画の計９区画、ピッチＡＰ３．０ｍｍ間隔で区画する。そして、各々の開口部エリア２４ｂに、一辺の長さＨＳが６０μｍの略正方形の開口部２４ａを、ピッチＨＰが１２０μｍで格子状に２０×２０個の計４００個形成している。

また、該電子放出素子２０の微粒子層２３として、絶縁層２４が形成されている範囲に第１微粒子層２３Ａ及び第２微粒子層２３Ｂを形成している。ここで、該微粒子層２３の積層構造について、以下に補足する。

図１０には、実験例に使用した電子放出素子２０における微粒子層２３の積層構造を示している。本図に示されるように、絶縁層２４が形成されている範囲に、およそ膜厚１．０μｍの第１微粒子層２３Ａを形成している。そして、第１微粒子層２３Ａが形成されている範囲に、およそ膜厚１．５μｍの第２微粒子層２３Ｂを形成している。つまり、絶縁層２４の上層に、およそ膜厚２．５μｍとなる微粒子層２３を形成している。

以下に、第１微粒子層２３Ａ及び第２微粒子層２３Ｂの形成方法について説明する。

先ず、５ｍｌの試薬瓶に、溶媒であるヘキサン０．６ｇ及び絶縁性微粒子２３１の原料となる粒径５０ｎｍの球状シリカ粒子０．１ｇを投入し、超音波分散器を用いて分散させる。さらに、導電性微粒子２３２の原料となる粒径１０ｎｍの銀ナノ粒子（応用ナノ粒子研究所製）を０．０２４ｇ投入し、超音波分散器を用いて分散させた第１分散液を調整する。

続いて、別の５ｍｌの試薬瓶に、溶媒であるヘキサン０．６ｇ及び絶縁性微粒子２３１の原料となる粒径５０ｎｍの球状シリカ粒子０．１ｇを投入し、超音波分散器を用いて分散させる。さらに、バインダ成分としてシリコーン樹脂（東レ・ダウコーニング株式会社製、ＳＲ２４１１）を０．０２ｇ投入し、超音波分散器を用いて分散させた第２分散液を調整する。

続いて、絶縁層２４が形成されている範囲に第１分散液を滴下し、５００ｒｐｍで１秒間、続いて３０００ｒｐｍで１０秒間の２段階のスピンコートを行って第１の塗布膜を形成し、ホットプレートを用いて第１の塗布膜を１５０℃で６０秒間乾燥することにより、およそ膜厚１．０μｍの第１微粒子層２３Ａを形成する。ここで、第１分散液には、絶縁性微粒子２３１となる原料及び導電性微粒子２３２となる原料が含まれていることから、第１微粒子層２３Ａには絶縁性微粒子２３１及び導電性微粒子２３２を含んでいることになる。

続いて、第１微粒子層２３Ａを形成した後、経時変化を起こさない程度に即座に、第１微粒子層２３Ａ上に、第２分散液を滴下し、５００ｒｐｍで１秒間、続いて３０００ｒｐｍで１０秒間の２段階のスピンコートを行って第２の塗布膜を形成し、ホットプレートを用いて第２の塗布膜を２００℃で９０秒間乾燥することにより、およそ膜厚１．５μｍの第２微粒子層２３Ｂを形成する。

このようにして、およそ膜厚１．０μｍの第１微粒子層２３Ａに、およそ膜厚１．５μｍの第２微粒子層２３を積層させ、およそ膜厚２．５μｍの微粒子層２３を絶縁層２４の上層に形成する。

また、該電子放出素子２０の第２電極２２として、微粒子層２３が形成されている範囲に、およそ膜厚１０ｎｍの炭素薄膜層を形成している。そして、炭素薄膜層が形成されている範囲に、およそ膜厚４０ｎｍの第２電極２２用の導電層を形成している。さらに、第２電極２２用の導電層が形成されている一部の範囲に、配線用の導電層を積層し、電源部５０と接続するための接点を形成している。以下に、第２電極２２の各部の形成方法について説明する。

先ず、微粒子層２３が形成されている範囲に、真空蒸着装置を用いて、およそ膜厚１０ｎｍのグラファイトを素材する炭素薄膜層を形成する。

続いて、炭素薄膜層が形成された範囲に、マグネトロンスパッタ装置を用いて、およそ２０ｍｍ×２０ｍｍ角、およそ膜厚４０ｎｍのＡｕ−Ｐｄ合金を素材する第２電極２２用の導電層を形成する。

続いて、第２電極２２用の導電層が形成された範囲内であって、開口部エリア２４ｂが下層に区画されていない一部の範囲に、真空蒸着装置を用いて金蒸着し、およそ膜厚６２０ｎｍの配線用の導電層を積層する。そして、配線用の導電層に、厚み２００μｍ、２ｍｍ×２ｍｍ角の金を素材とする金属パッドを、京セラケミカル株式会社製の導電ペーストＣＴ２２３を介して接着し、電子炉を用いて１５０℃で１時間加熱硬化して形成する。

＜実験例：イオン発生装置が放出するイオン濃度＞
図１１には、イオン発生装置１が放出するイオン濃度を測定した結果を示している。本図によると、イオン発生装置１は、イオン放出口から２０ｃｍ離れた位置において、負イオンがおよそ１．１２×１０^６個／ｃｍ^３、正イオンがおよそ０．９１×１０^６個／ｃｍ^３のイオンを放出する。

ここで、該測定結果は、イオン発生装置１を動作させている間に、イオン放出口から２０ｃｍ離れた位置に設置されているイオンカウンタが測定したイオン濃度の５回測定の平均値である。

なお、後述する比較例に用いたイオン発生装置５が放出するイオン濃度も、同一の測定条件で、ほぼ同じイオン濃度になるよう設定されている。つまり、イオン発生装置５も、イオン放出口から２０ｃｍ離れた位置において、負イオンがおよそ１．１２×１０^６個／ｃｍ^３、正イオンがおよそ０．９１×１０^６個／ｃｍ^３のイオンを放出するように設定されている。

ここで、実験例におけるイオン発生装置１の駆動条件について補足する。図８に示される駆動素子数、及び印加するパルス波電圧の波高値は、イオン発生装置１から図１１に示されるイオン濃度が放出されるように調整され設定されたものである。

つまり、後述する比較例に用いたイオン発生装置５が放出するイオン濃度とほぼ合致するように、イオン発生装置１では、駆動素子数を６個、電子放出素子２０に印加するパルス波電圧の波高値１７．４Ｖに設定し、測定を行っている。

＜実験例：測定結果＞
図１２には、実験例の測定結果を示し、以下に説明する。ここで、実験例では、イオン発生装置１を３０分間動作させて、負イオン及び正イオンを測定室内に放出させている。そして、気流発生部による送風は継続したまま、第１イオン発生部１０及び第２イオン発生部３０の駆動を停止する。そして、第１イオン発生部１０及び第２イオン発生部３０の駆動を停止してから、イオンカウンタで測定されるイオン濃度の変化を測定している。

本図に示されるように実験例において、第１イオン発生部１０及び第２イオン発生部３０の駆動を停止した直後の初期時には、負イオン５．１０×１０^３個／ｃｍ^３、正イオン４．１０×１０^３個／ｃｍ^３のイオンが測定されている。

また、実験例において、第１イオン発生部１０及び第２イオン発生部３０の駆動を停止させてから１０秒後には、負イオン４．５９×１０^３個／ｃｍ^３、正イオン３．７０×１０^３個／ｃｍ^３のイオンが測定されている。したがって、初期時のイオン濃度に対して駆動停止から１０秒後のイオン濃度は、負イオンがおよそ９０％、正イオンがおよそ９０％に減少している。

また、実験例において、第１イオン発生部１０及び第２イオン発生部３０の駆動を停止させてから３０秒後には、負イオン２．１９×１０^３個／ｃｍ^３、正イオン１．７１×１０^３個／ｃｍ^３のイオンが測定されている。したがって、初期時のイオン濃度に対して駆動停止から３０秒後のイオン濃度は、負イオンがおよそ４３％、正イオンがおよそ４２％に減少している。

また、実験例において、第１イオン発生部１０及び第２イオン発生部３０の駆動を停止させてから６０秒後には、負イオン１．０２×１０^３個／ｃｍ^３、正イオン０．８２×１０^３個／ｃｍ^３のイオンが測定されている。したがって、初期時のイオン濃度に対して駆動停止から６０秒後のイオン濃度は、負イオンがおよそ２０％、正イオンがおよそ２０％に減少している。

このように、イオン発生装置１によって放出された室内のイオン濃度は、時間が経過するにつれて、負イオン及び正イオンともにほぼ同じ割合で減少している。

＜比較例：従来のイオン発生装置による測定＞
図１３は、実験例と比較する比較例に使用した従来のイオン発生装置５の全体構成を示し、本図を用いてイオン発生装置５の構成について以下に説明する。なお、上述したイオン発生装置１の構成要素と同一の構成要素には、同一の参照符号を付している。したがって、これらの構成要素の説明は省略する。

イオン発生装置５は、上述したイオン発生装置１との比較において、第１イオン発生部１０に代えて負イオン発生部１５が構成されている点及び電源部５０に代えて電源部５５が構成されている点でのみ異なっている。つまり、イオン発生装置５は、針電極１６と対向電極１７の間に高圧の電圧を印加することによりコロナ放電を発生させて負イオンを発生させる負イオン発生部１５と、該負イオン発生部１５の針電極１６と対向電極１７の間に高圧の電圧を印加するための電源部５５を有している。そして、電源部５５及び電源５１による電圧の印加を制御するためのイオン発生コントローラ６０を有している。

さらに、イオン発生装置５を用いてイオンを放出させたときの室内のイオン濃度の時間的変化を測定する比較例の環境条件は、上述した実験例と全く同一である。つまり、およそ５．０ｍ×５．０ｍ、床面から天井までの高さがおよそ２．５ｍの測定室の中央にイオン発生装置５を設置している。ここで、床面からイオン発生装置５のイオン放出口までの高さが、およそ０．６ｍになるように設定している。また、イオンカウンタを、測定室の片隅に設置している。詳しくは、測定室の２方向の壁面の各々からおよそ０．５ｍ離れた位置、床面からおよそ１．０ｍの高さの位置に設置している。

＜比較例：イオン発生装置の駆動条件、各部の詳細構成＞
図１４は、イオン発生装置５の負イオン発生部１５の構成、及び比較例における該負イオン発生部１５に印加する電圧条件を示す図である。

イオン発生装置５の負イオン発生部１５は、元径０．５ｍｍ、長さ６ｍｍのタングステンの針電極１６と、内径１０ｍｍ、幅２ｍｍのリング形状の対向電極１７とから構成されている。ここで、コロナ放電を発生させてイオンが発生するように、リング形状の対向電極１７内部の中心近傍に針電極１６の先端が位置するように構成している。さらに、電源部５５によって、対向電極１７をＧＮＤとし針電極１６に負極のパルス電圧を印加することができるように構成されている。また、比較例では、負イオン発生部３０の針電極１６に、周波数６０Ｈｚ、デューティ比２０％、波高値−４．０ｋＶのパルス波電圧を印加し駆動させて測定している。したがって、電源部５５によって負イオン発生部１５の針電極１６に印加するパルス電圧の極性が異なるだけで、負イオン発生部１５の構成は、イオン発生装置１及びイオン発生装置５の第２イオン発生部３０と同一の構成となっている。

＜比較例：測定結果＞
図１５は、比較例の測定結果を示し、以下に説明する。ここで、比較例では、実験例と同一の測定を行っている。つまり、イオン発生装置５を３０分間動作させて、負イオン及び正イオンを測定室内に放出させている。そして、気流発生部による送風は継続したまま、負イオン発生部１５及び第２イオン発生部３０の駆動を停止する。そして、負イオン発生部１０及び第２イオン発生部３０の駆動を停止してから、イオンカウンタで測定されるイオン濃度の変化を測定している。

本図に示されるように比較例において、負イオン発生部１５及び第２イオン発生部３０の駆動を停止した直後の初期時には、負イオン４．９５×１０^３個／ｃｍ^３、正イオン３．９９×１０^３個／ｃｍ^３のイオンが測定されている。

また、比較例において、負イオン発生部１５及び第２イオン発生部３０の駆動を停止させてから１０秒後には、負イオン２．５７×１０^３個／ｃｍ^３、正イオン２．０６×１０^３個／ｃｍ^３のイオンが測定されている。したがって、初期時のイオン濃度に対して駆動停止から１０秒後のイオン濃度は、負イオンがおよそ５２％、正イオンがおよそ５２％に減少している。

また、比較例において、負イオン発生部１５及び第２イオン発生部３０の駆動を停止させてから３０秒後には、負イオン０．７４×１０^３個／ｃｍ^３、正イオン０．６５×１０^３個／ｃｍ^３のイオンが測定されている。したがって、初期時のイオン濃度に対して駆動停止から３０秒後のイオン濃度は、負イオンがおよそ１５％、正イオンがおよそ１６％に減少している。

また、比較例において、負イオン発生部１５及び第２イオン発生部３０の駆動を停止させてから６０秒後には、負イオン０．４０×１０^３個／ｃｍ^３、正イオン０．３１×１０^３個／ｃｍ^３のイオンが測定されている。したがって、初期時のイオン濃度に対して駆動停止から６０秒後のイオン濃度は、負イオンがおよそ８％、正イオンがおよそ８％に減少している。

上述したイオン濃度の時間的変化を測定する実験例及び比較例の結果から分かるように、本発明に係るイオン発生装置１では、従来のイオン発生装置５と比べ、イオン発生装置の駆動を停止させてからのイオン濃度の減少が低く抑えられている。つまり、従来と比べ、イオンの放出を停止した後もイオンによる殺菌効果を長く持続させることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１イオン発生装置
１０第１イオン発生部
２０電子放出素子
２１第１電極
２２第２電極
２３微粒子層
２３１絶縁性微粒子
２３２導電性微粒子
２４絶縁層
２４ａ開口部
３０第２イオン発生部
５０、５１電源部
６０イオン発生コントローラ

Claims

負イオンを発生させる第１イオン発生部と、
正イオンを発生させる第２イオン発生部と、
を有するイオン発生装置であって、
前記第１イオン発生部は、
第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極の間に絶縁性微粒子を含んで形成される微粒子層とからなり、前記第１電極と前記第２電極の間に電圧を印加することで電子を放出する電子放出素子を有する、
ことを特徴とするイオン発生装置。
前記電子放出素子は、
前記第１電極と前記微粒子層の間に、厚み方向に貫通した開口部を複数有する絶縁層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のイオン発生装置。
前記絶縁性微粒子は、
酸化ケイ素、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、酸化チタン又は酸化銅の少なくとも１つを含んで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装置。
前記微粒子層は、
前記絶縁性微粒子より小さな粒径の導電性微粒子を含むことを特徴とする請求項１から３に記載のイオン発生装置。
前記導電性微粒子は、
金、銀、白金、パラジウム、タングステン又はニッケルの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする請求項４に記載のイオン発生装置。
前記第１電極と前記第２電極の間に、前記第１電極に対して前記第２電極が正側になる直流成分を含む電圧を印加することを特徴とする請求項１から５に記載のイオン発生装置。
前記第１電極と前記第２電極の間に、パルス状の電圧を印加することを特徴とする請求項６に記載のイオン発生装置。