JP2016066463A - イオン発生装置及びそれを備えた装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子放出方式を用いることでオゾンの発生を大幅に低減させながら、シンプルな構成でイオンの発生を効率良く行うことを可能なイオン発生装置を提供する。【解決手段】本発明に係るイオン発生装置１は、電子放出素子１０を備える。さらに、イオン発生装置１は、電子放出素子１０から空間を隔てた位置に配置された制御用電極１５を備え、制御用電極１５に電圧を印加することにより電子放出素子１０から放出させる電子の量を制御する。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、イオン発生装置及びそれを備えた装置に関し、より詳細には、電子放出素子に電圧を印加することにより電子を放出しこの電子の放出に伴いイオンを発生させるイオン発生装置、及びそのイオン発生装置を備えた及び装置に関する。

近年、プラスイオンやマイナスイオンを発生させるイオン発生装置が製品として多種販売されている。このイオン発生装置では、アレルゲンの元となる空気中に浮遊するカビ菌や花粉、インフルエンザ発症の原因である各種ウイルスを不活性化させたり、ＰＭ２．５粒子を帯電させフィルタで捕獲したりすることが可能となっている。

このうち、マイナスイオンのみ発生する装置の多くはコロナ放電やプラズマ放電といった放電現象を用いており、空気中のＯ₂分子を放電による電離作用によりＯ₂ ^-化させ、さらに空気中のＨ₂Ｏと反応してＯＨラジカルを形成し菌等の核中あるＨ⁺イオンを生体の殻を破って抜き取りこれを不活性化させる。Ｈ⁺とＯＨラジカルは結合後にＨ₂Ｏを形成するため、生成物は無害である。

マイナス及びプラスの両イオンを発生させる代表的なものには、シャープ株式会社製のプラズマクラスターイオン発生装置のように、プラズマ放電によりＯ₂ ^-イオンとＨ⁺イオンを発生させて、両イオンの結合によりＯＨラジカルを形成して同上の効果を発揮するものがある。前述の通りＯ₂ ^-イオンと空気中の水分によりＯＨラジカルも形成されるので、カビ菌の発生が活発になる高湿下では特に効率良くＯＨラジカルが発生させることができる。

このように従来のイオン発生装置ではマイナスイオンのみ又は必要に応じてマイナスプラスイオンの双方を発生させることができるが、両極のイオン発生装置を持つために装置が大きくなってしまう。また、放電現象はオゾン（Ｏ₃）やＮＯ_Xの発生を伴うが、特にマイナス放電によるオゾンの発生量が同じ放電条件でのプラス放電に比べて１桁多いのは公知である。このオゾンも殺菌等の効果があるがオゾン自身が元々有害であり、異臭が発生したり、部品の劣化を引き越したりする可能性もある。

このため、上述したようなイオン発生装置と異なり、マイナスイオン発生装置においてコロナ放電現象を利用しない方法の一つとして、電子放出素子による電子放出現象を用いてイオンを発生させる方法が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。ここで、放出された電子（ｅ^-）が直接的に空気中のＯ₂に付与されるためＯ₂ ^-が生成されてＯＨラジカルが発生するのは前述の通りである。この電子放出素子の特徴としてオゾンの発生が無いといった利点がある。

特許文献１に記載のイオン発生装置について、図１を参照しながら説明する。図１に示すイオン発生装置１００は、電子放出素子１０４を用いてマイナスイオンを発生させるマイナスイオン発生部１０３、その電源である第１電源部１０５、針電極１０７ａとリング状の対向電極１０７ｂを用いてプラスのコロナ放電によりプラスイオンを発生させるプラスイオン発生部１０７、その電源である第２電源部１０８、及び、第１，第２電源部１０５，１０８等を制御する制御部１０１を備える。マイナスイオン発生部１０３、プラスイオン発生部１０７はそれぞれ支持壁１０２，１０６に設けられている。

そして、イオン発生装置１００は、マイナスイオン発生部１０３とプラスイオン発生部１０７との間に隔壁１０９を設け、マイナスイオンとプラスイオンとが内部で打ち消されずに、支持壁１０２と隔壁１０９とで形成された放出口からマイナスイオンを放出し、支持壁１０６と隔壁１０９とで形成された放出口からプラスイオンを放出することが可能となっている。また、イオン発生装置１００では、上述のようにマイナスイオン発生部１０３が電子放出素子で構成され、プラスイオン発生部１０７がコロナ放電装置で構成されており、マイナスイオンの発生に電子放出方式を用いているため、有害なオゾンの発生を伴わない特徴がある。

特開２０１３−２１４４４３号公報

しかしながら、特許文献１に記載のイオン発生装置では、電子放出量を増やしてコロナ放電レベルまで大量のマイナスイオンを発生させるのには限界がある。よって、より効率良くイオンを発生させることが望まれ、また装置のシンプル化も望まれる。

本発明は、上述のような実状に鑑みてなされたものであり、その目的は、電子放出方式を用いることでオゾンの発生を大幅に低減させながら、シンプルな構成でイオンの発生を効率良く行うことを可能なイオン発生装置、及びそのイオン発生装置を備えた及び装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の第１の技術手段は、電子放出素子を備えたイオン発生装置であって、前記電子放出素子から空間を隔てた位置に配置された制御用電極を備え、該制御用電極に電圧を印加することにより前記電子放出素子から放出させる電子の量を制御することを特徴としたものである。

本発明の第２の技術手段は、第１の技術手段において、前記電子放出素子は、第１電極と、該第１電極に対向する位置に配置された第２電極と、前記第１電極と該第２電極の間に設けられた中間層とを有し、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により、前記第２電極から電子を放出させる素子であり、前記制御用電極は、前記第２電極を挟んで前記第１電極の反対側で、前記第２電極から空間を隔てた位置に配置されることを特徴としたものである。

本発明の第３の技術手段は、第１又は第２の技術手段において、前記制御用電極は１本の導線でなる電極であることを特徴としたものである。

本発明の第４の技術手段は、第１又は第２の技術手段において、前記制御用電極は複数本の導線がメッシュ状又は平行に張り巡らされた電極であることを特徴としたものである。

本発明の第５の技術手段は、第１〜第４のいずれか１の技術手段において、前記電子放出素子は平面状の電極から電子を放出させることを特徴としたものである。

本発明の第６の技術手段は、第１〜第４のいずれか１の技術手段において、前記電子放出素子は平面状の電極を複数の領域に分割した電極から電子を放出させることを特徴としたものである。

本発明の第７の技術手段は、第１〜第６のいずれか１の技術手段において、周辺の温湿度を検知するセンサを備え、該センサでの検知結果に基づいて、前記電子放出素子に印加する電圧、及び／又は、前記制御用電極に印加する電圧を制御することを特徴としたものである。

本発明の第８の技術手段は、第１〜第７のいずれか１の技術手段において、前記制御用電極と前記電子放出素子で発生するイオンの移動を補助するための送風機を備えたことを特徴としたものである。

本発明の第９の技術手段は、第１〜第８のいずれか１の技術手段におけるイオン発生装置を２つ備えた装置であって、一方の前記イオン発生装置をマイナスイオンが発生するように制御し、他方の前記イオン発生装置をプラスイオンが発生するように制御することを特徴としたものである。

本発明によれば、シンプルな構成で、オゾンの発生を大幅に低減しながらイオンを効率良く発生させることが可能になる。

従来のイオン発生装置を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るイオン発生装置の一構成例を示す図である。 図２Ａのイオン発生装置の一部を上から見た様子を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るイオン発生装置の他の構成例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るイオン発生装置の一構成例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係るイオン発生装置の一構成例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係るイオン発生装置の他の構成例を示す図である。 本発明の第４の実施形態に係るイオン発生装置の一構成例を示す図である。 本発明の第５の実施形態に係るイオン発生装置の一構成例を示す図である。 本発明の第５の実施形態に係るイオン発生装置の他の構成例を示す図である。 本発明の第６の実施形態に係る装置の一構成例を示す図である。

本発明に係るイオン発生装置は、電子放出素子を備えると共に、その電子放出素子から空間を隔てた位置（離間した位置）に配置された制御用電極を備え、その制御用電極に電圧（無論、正電圧）を印加することによりその電子放出素子から放出させる電子の量を制御（変更）し、もってマイナスイオンの発生量を制御（変更）するものである。

イオンは電子に比べて質量が大きく、低速であり、電子放出素子で放出された電子により生じたマイナスイオンは放出面近辺の空間に停滞して電子の放出を制限することになる。この効果は空間電荷効果、或いは空間電荷制限効果と呼ばれている。本発明では、制御用電極に正電圧を印加することでプラスイオンを発生させており、そのプラスイオンにより、電子放出素子がもつ空間電荷制限効果に対抗して放出面近辺の空間の電荷を中和し、電子放出素子から電子を効率良く引き出す。上述の制御はこれを利用したものである。本発明に係るイオン発生装置では、制御用電極と電子放出素子との間にその間の空間を遮ってしまうような遮蔽部材（例えば図１の隔壁１０９）を設けていないため、このような制御が実現できる。

本発明に係るイオン発生装置によれば、シンプルな構成で、電子放出素子によりオゾンの発生を大幅に低減しながら、制御用電極への電圧印加によりイオンを効率良く発生させることが可能になる。また、本発明は、このようなイオン発生装置をプラスイオン用とマイナスイオン用に２つ備えた装置を提供することもできる。本発明に係るイオン発生装置や上記装置は、空気清浄機をはじめ、様々な機器に搭載することができる。

以下、本発明に係るイオン発生装置の様々な実施形態について、並びにそれを２つ備えた装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に記述する構成は、本発明の一例に過ぎず、本発明はこれによって限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図２Ａは、本発明の第１の実施形態に係るイオン発生装置の一構成例を示す図で、図２Ｂは、図２Ａのイオン発生装置の一部を上から見た様子を示す図である。また、図２Ｃは、本発明の第１の実施形態に係るイオン発生装置の他の構成例を示す図である。

本実施形態に係るイオン発生装置１は、電子放出素子１０及びそれに電圧を印加するための電源として第１電源部１４を備える。この電子放出素子１０は、第１電極１１、第２電極１３、及び中間層１２を有し、第１電極１１と第２電極１３の間に電圧を印加することにより、第２電極１３から電子を放出させる素子である。ここで、第１電極１１は負電極、第２電極１３は第１電極１１に対向する位置に配置された正電極であり、中間層１２は第１電極１１と第２電極１３の間に設けられた層である。

電子放出素子１０は、第１電極１１の下方に接触配置された基材（図示せず）上にある。この基材は金属板等の導電性をもつ板状のもの、或いは絶縁性の板状のものなどが挙げられる。このように、第１電極１１は、導電性基板の上に形成されてもよいし、絶縁性基板の上に形成されてもよい。導電性基板等の導電性の基材を採用した場合には、その基材は第１電極１１を兼ねることができる。また、第２電極１３としては、金属を蒸着又はスパッタすることで形成した薄膜が用いられる。

上記電圧の印加により第２電極１３から電子を放出させるために、中間層１２は導電性をもつ層となる。中間層１２は樹脂で形成されていてもよいし、導電性材料を含んでいてもよい。導電性材料は中間層１２の電気伝導度を調整するために用いる材料（導電度の調整剤）であり、これには、例えば導電性微粒子や導電性樹脂を用いることができる。導電度の調整剤無しで樹脂のみで中間層１２を形成する場合には、導電性樹脂が適用できる。

図２Ａで例示する中間層１２は、導電性微粒子１２ｂを含んだ樹脂１２ａから形成されている。樹脂１２ａとしては、室温硬化型樹脂などの低温で硬化可能な樹脂を用いることが好ましい。これにより、高温での焼成工程を得ずに中間層１２を形成することができ、熱膨張率の異なる中間層１２や第１電極１１に大きな体積変化を生じさせることがないため、第１電極１１での反りや中間層１２の剥離や亀裂の発生を防止することができる。このため、中間層１２や第２電極１３の剥離による部分的な欠損を抑制し、均一な電子放出性能をもつ電子放出素子１０を得ることができる。

また、第１電源部１４は、第１電極１１と第２電極１３との間に電圧Ｖ１を印加する電源である。電子放出素子１０は、第１電源部１４から、第１電極１１と第２電極１３との間に適度な電圧Ｖ１を印加することにより、第１電極１１と第２電極１３との間で電子を加速させて第２電極１３の表面から電子を放出する。そして、電子放出素子１０から放出される電子（ｅ^-）の量と拡散状態や空間に存在する酸素分子Ｏ₂の量により、マイナスイオンの発生量が決まる。

しかし、電子放出素子１０だけでは電子を効率良く空間に放出することができない。これは、電子放出素子１０における第２電極１３の表面近傍で、放出された電子が形成する空間電荷制限効果に因るものであると考えられる。

そこで、本実施形態の主たる特徴として、イオン発生装置１は次のような制御用電極（第３電極）１５を備える。この制御用電極１５は、第２電極１３を挟んで第１電極１１の反対側で、第２電極１３から空間を隔てた位置（離間した位置）に配置される。

図２Ｂでその上から見た状態を示すように、本実施形態での制御用電極１５は１本の導線でなる電極（つまり、１本のワイヤ形状の電極）である。そして、電子放出素子１０は平面状の電極から電子を放出させる素子である。つまり、第２電極１３は平面状の電極となっている。制御用電極１５は、制御用電極支持部１８に取り付けられている。制御用電極支持部１８は、電子放出素子１０又はそれが設けられた基材に設けられ、制御用電極１５を支持するための部材である。

また、図２Ｂでは第２電極１３が長方形の電極である例を挙げたが、これに限らず例えば図２Ｃで例示するように菱形の第２電極１３ａなど様々な形状の電極が適用できる。なお、後述する電子の引き出しのために、第２電極１３は制御用電極１５より広い面積を有するものとする。

そして、イオン発生装置１は、制御用電極１５に電圧（正電圧）を印加することにより、電子放出素子１０の第２電極１３から放出させる電子の量を制御（変更）し、もってマイナスイオンの発生量を制御（変更）する。また、イオン発生装置１は、制御用電極１５の電源である第２電源部１６を備える。

イオン発生装置１では、制御用電極１５によって、第２電極１３から効率良く電子を放出させる（引き出させる）ことができるため、効率良くマイナスイオンを発生させることができる。つまり、制御用電極１５は引き出し電極として設けられており、本実施形態に係るイオン発生装置１はその装置構成が非常にシンプルになっており、小型化が容易となる。

また、イオン発生装置１からこのようにマイナスイオンのみ発生させる場合、コロナ放電のような電離作用を用いていないため、オゾンの発生が全く無いメリットがある。そして、このイオン発生装置１で発生するマイナスイオンから形成されるＯＨラジカルは、カビ菌やウイルス、花粉、ＰＭ２．５に対して有効に作用する。

ここで、制御用電極１５と第２電極１３の間の距離（ギャップ）について説明する。
上記ギャップが狭すぎると、電子及びマイナスイオンが空間に拡散せずに制御用電極１５へ集中・回収されてしまう。逆に上記ギャップが大きすぎると、制御用電極１５の引き出し電極としての作用が弱くなり、空間電荷制限効果によって電子及びマイナスイオンが空間に拡散し難くなる。このように、第２電極１３（電子放出面）と制御用電極１５とのギャップによって電子の引き出し・回収の具合が異なってくる。

また、第２電極１３に印加する電圧（Ｖ１）と制御用電極１５に印加する電圧（Ｖ２）との電位差についても同様である。つまり、この電位差が大きすぎると発生したマイナスイオンが制御用電極１５に回収されてしまい、逆にこの電位差が小さすぎると空間電荷制限効果によって電子及びマイナスイオンが空中に拡散し難くなる。

従って、上記ギャップ、第２電源部１６から印加する電圧（Ｖ２）、第２電極１３と第１電極１１との間に印加する電圧（Ｖ１）等のパラメータは、電子の効率的な引き出しが可能なように適切に決めておけばよい。

図２Ｂの例のように制御用電極１５が１本の導線でなる場合、制御用電極１５と第２電極１３の間の距離（ギャップ）の分布は、第２電極１３上の位置に応じて異なることになる。例えば、制御用電極１５を通り第２電極１３に垂直な垂直面を定義すると、その垂直面と交わる第２電極１３の線上ではギャップは最短となり、第２電極１３におけるこの線上から離間するに連れてギャップは長くなる。この例のように第２電極１３上の位置に応じてギャップが異なる場合には、全体として電子の効率的な引き出しが可能なようにギャップ等のパラメータを決めておけばよい。

本実施形態においてマイナスイオンの発生についてのみ説明した。しかし、本実施形態に係るイオン発生装置１では、制御用電極１５への印加電圧Ｖ２を高くすることで、制御用電極１５をプラスのコロナ放電器として機能させ、制御用電極１５からプラスのコロナ放電を生じさせ、プラスイオンもマイナスイオンと同時に発生させることが可能である。すなわち、本実施形態に係るイオン発生装置１は、必要に応じて、マイナスイオンのみの発生を行うことや、マイナスプラス両極のイオンの発生を行うことが可能な装置となり得る。このように、イオン発生装置１では、プラスイオン発生への切り替えも可能となっていることからも、効率良いイオンの発生が行えると言える。

図２Ａで例示するイオン発生装置１では、このような切り替えを可能とするための制御部１７を設けている。この切り替えは、例えば制御部１７に接続されたスイッチやボタン等のユーザ操作部（図示せず）からユーザに操作させることで実行できる。例えば、湿気が多いと感じるときは、ユーザは電子放出のみ行うように操作することで、Ｏ₂ ^-とＨ₂ＯからＯＨラジカルを生成し、オゾンが発生しない仕様で稼働させればよい。逆に乾燥していると感じるときは、空気中の水分量が不足してＯＨラジカルが充分生成しないような場合であるため、ユーザはＯ₂ ^-とＨ⁺の両極のイオンを発生させるように操作することで、必要なＯＨラジカルを形成することが可能となる。また、後述する実施形態のように環境に応じた自動的な切り替えも可能である。

なお、このような切り替えが不要な場合（マイナス用、或いは両極用のいずれかに固定した装置とする場合）には、制御部１７を設けず、予め定めたＶ１，Ｖ２でイオン発生装置１を駆動させればよい。但し、上記いずれかに固定した装置とする場合にもイオンの発生量を調整可能とするためには、制御部１７やスイッチやボタン等のユーザ操作部を設けておく必要がある。

＜パラメータ例ａ＞
次に、図２Ａ，図２Ｂで例示したイオン発生装置１における各部材の材料や寸法等のパラメータについて、具体的な例を挙げて説明する。

図２Ａで例示する第１電極１１は、基板の機能を兼ねる電極基板であり、導電性を有する板状体で構成されており、アルミニウム板やステンレス鋼板を用いることができる。また、第１電極１１は、ガラスなどの絶縁性基板上にアルミや銅、金、銀といった導電性薄膜を形成したものを用いることもできる。ここでは、パラメータ例ａとして、板厚０．５ｍｍのアルミ鋼板（住友軽金属ＦＳ００３）を用いる例を挙げる。

中間層１２は、主体となる樹脂１２ａと、樹脂１２ａ中に分散された導電性微粒子１２ｂを含んでおり、樹脂１２ａは、絶縁性の樹脂であり、例えば、シラノール（Ｒ³Ｓｉ−ＯＨ）を縮合重合したシリコーン樹脂を用いることができる。導電性微粒子１２ｂは、金属や半導電体など導電性材料を用いることが可能である。例えば、金、銀、白金、パラジウム、銅、アルミ等の導電性を有する金属微粒子を用いることができる。樹脂１２ａに対する導電性微粒子１２ｂの含有量を変えることにより、中間層１２の抵抗値を調整することができる。導電性微粒子１２ｂは中間層１２の導電性を調整するために用いるため、材料調整時に酸化し導電性が低下することを抑制するために、酸化し難い貴金属類がより好ましい。

中間層１２は、樹脂１２ａと導電性微粒子１２ｂを混合した分散液を用い、スピンコート法、ドクターブレード法、スプレー法、ディッピング法等により第１電極１１の表面に塗布することができる。

このパラメータ例ａでは、試薬瓶へ樹脂１２ａとしてシリコーン樹脂（室温硬化性、東レ・ダウコーニング株式会社製）を入れ、これに導電性微粒子１２ｂとしてＡｇナノ粒子（平均径１０ｎｍ）を混合し、さらに上記混合液が入った試薬瓶を超音波振動器にかけて導電性微粒子１２ｂを樹脂１２ａ中に分散させ、分散液を作製する。なお、樹脂１２ａと導電性微粒子１２ｂの割合は、シリコーン樹脂（７５〜９８ｗｔ％）、Ａｇナノ粒子（２〜２５ｗｔ％）の範囲が好ましい。上記分散液の割合とすることにより、中間層１２の抵抗値が調整され、５〜４０Ｖ程度の適度な印加電圧で電子放出させることができる。電圧は必要に応じて周波数を持ち１〜９９％といったＤｕｔｙ制御されたものでも構わない。

このパラメータ例ａでは、シリコーン樹脂９０ｗｔ％、Ａｇナノ粒子（１０ｗｔ％）とした例を挙げる。このように作製した分散液をスプレーコート法（武蔵エンジニアリング社製ＳＶ−６改造機）で第１電極１１の表面に１．０μｍの厚さで塗布し、室温で硬化させ中間層１２を得る。そして、中間層１２の表面にスパッタ法によりＡｕの厚さ５０ｎｍの第２電極１３を形成する。

なお、このパラメータ例ａでは、シリコーン樹脂として室温硬化性シリコーンを用いたが、シリコーン樹脂の硬化方法は限定されない。但し、熱硬化性シリコーン樹脂は、硬化温度が一般的に１００℃〜１５０℃であり、熱応力による撓みが発生するため、第１電極１１の材料や膜厚により適さない場合がある。一方、紫外線（ＵＶ）硬化性シリコーン樹脂は、ＵＶ光の照射によって硬化できるため熱応力が発生することがなく、第１電極１１の材料や膜厚に影響されずに用いることができる。

このような材料からイオン発生装置１を構成する一具体例について説明する。第１電極１１として幅１０ｍｍ、長さ２３４ｍｍのアルミ鋼板を用い、その第１電極１１が露出した状態の表面に、前述の通り作製した樹脂１２ａと導電性微粒子１２ｂの分散液をスプレーコート法で塗布する。

形成された塗布膜では大気中の湿気によりシリコーン樹脂が縮合重合し、樹脂１２ａ中にＡｇナノ粒子が分散されて中間層１２が形成される。中間層１２の膜厚は、電子放出素子１０に印加する電圧の大きさや中間層１２の抵抗値によって異なるが、例えば、０．３〜１０．０μｍとすることができる。中間層１２の厚さが厚い程、絶縁破壊電圧が大きくなるため、より高い電圧Ｖ１を印加できる。また、中間層１２は導電性微粒子１２ｂの粒子径が大きい程、また、導電性微粒子１２ｂの含有量が多い程、導電性微粒子１２ｂが凝集することにより、リークポイントができやすくなる。したがって、用いる導電性微粒子１２ｂの粒子径、含有量、及び凝集状態から、作製する膜厚を決定することが好ましい。

次に、中間層１２の表面に、マグネトロンスパッタ装置を用いて第２電極１３を形成する。第２電極１３は、第１電極１１との間で中間層１２に対して電圧を印加できるものであればよいため、導電性を有する材質及び製法であれば特に制限されるものではない。

また、第２電極１３の膜厚は、厚すぎると電子が第２電極１３にトラップされて外部へ放出される電子の量が減少し、電子の放出効率が減少する。逆に薄すぎると劣化や破壊等が起こり易くなり耐久性が低下するといった問題が生じる。

ここでは、Ａｕを材料として膜厚５０ｎｍ、幅１０ｍｍ、長さ２３４ｍｍの第２電極１３を形成する。次に、制御用電極１５として２００μｍの銅線を使用し、それを第２電極１３に５ｍｍ離れて対向配置する。制御用電極１５の線の直径によって電子放出量は変化する。電子はできるだけ多く発生させて広範囲に拡散させるのがイオン発生の面で好ましいが、細いと電子放出量が少なくなり、逆に太すぎると流れ込む電子が電極に集中してしまい多くのイオンを発生させることができない。制御用電極１５の材料は銅以外の導電性材料である鉄、タングステン、金、銀等も使用可能であるが、コストと耐久性によってこれが選択される。また、制御用電極１５は、１本の導線として、メッシュ状に編み込んだ線材を採用してもよいし、それ以外にも平角導体などを採用してもよい。

このようにして作製したイオン発生装置１において、電子放出素子１０を接続された第１電源部１４から２０Ｖの直流電圧Ｖ１を印加し、制御用電極１５には第２電源部１６から５００Ｖの直流電圧Ｖ２をそれぞれ印加する。これにより、第２電極１３から電子が放出され、マイナスイオンが発生することになる。

なお、例えば、第２電極１３への印加電圧Ｖ１は１０〜３０Ｖの範囲、制御用電極１５への印加電圧Ｖ１は１０〜４０００Ｖの範囲などが想定できる。そして、それらの範囲から第２電極１３と制御用電極１５との距離（ギャップ）などを踏まえ、且つマイナスイオンのみ発生させるのか或いはプラスイオンも併せて発生させるのかによって、印加電圧Ｖ１，Ｖ２を適宜決定すればよい。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について、図３を参照しながら説明する。図３は、本発明の第２の実施形態に係るイオン発生装置の一構成例を示す図である。以下、本実施形態について第１の実施形態との相違点を中心に説明するが、第１の実施形態での様々な応用例についても同様に適用できる。

本実施形態に係るイオン発生装置３は、イオン発生装置１において、周辺の温湿度を検知するセンサ（温湿度計）３２を備える。温湿度計３２は、イオン発生装置３の本体から離れた位置に設置してもよい。また、イオン発生装置３は制御部１７に対応する制御部３７を備える。

そして、イオン発生装置３の制御部３７は、その温湿度計３２での検知結果に基づいて、電子放出素子１０に印加する電圧（この例では第１電極１１と第２電極１３の間に印加する電圧Ｖ１）、及び／又は、制御用電極１５に印加する電圧Ｖ２を制御する。

例えば、制御部３７は、イオン発生装置３の本体の近傍に設置された温湿度計３２の測定データを元に空気中の水分量を算出する。そして、制御部３７は、水分量の算出データより制御用電極１５に印加する電圧Ｖ２等を変えることでイオンの発生量を制御することができる。

具体的には、空気中の水分量と制御用電極１５へ印加する電圧Ｖ２とマイナス／プラス両極のイオン発生量との関係を予め求めて制御部３７に設定しておくことで、印加電圧Ｖ２を実際の水分量に応じた値に変化させてプラスイオンを発生させることにより、効率良くＯＨラジカルの生成を行うことができる。

制御部３７は、空気中の水分量が所定値より多い場合、電圧Ｖ２（及び電圧Ｖ１）を調整して電子放出のみ行うことで、Ｏ₂ ^-とＨ₂ＯからＯＨラジカルを生成しオゾンが発生しない仕様で稼働させる。一方、制御部３７は、空気中の水分量が所定値以下であった場合、水分量が不足しＯＨラジカルが充分生成しないと判断し、電圧Ｖ２（及び電圧Ｖ１）を調整してＯ₂ ^-とＨ⁺の両極のイオンを発生させることで、必要なＯＨラジカルを形成する。

また、本実施形態に係るイオン発生装置３は、制御用電極１５と電子放出素子１０で発生するイオンの移動を補助するための送風機３３を備える。送風機３３は、例えばＤＣファンモータなど、送風ファンとモータで構成できる。

無論、イオン発生装置３において送風機３３を備えない形態も採用できる。但し、イオン発生装置１自身でもイオン風が発生するのでイオンを拡散させることができるが、イオン発生装置３のように、近傍に送風機３３を設置し風量を制御することでイオンを遠くまで運ぶことができる。送風機３３を備えた場合と備えない場合とでは、同じ量のイオンを発生させるための制御用電極１５への印加電圧Ｖ２や電子放出素子１０への印加電圧Ｖ１は異なってくると言える。

また、イオンの発生量については空気中イオン密度測定機、俗称イオンカウンタ３１で測定することができる。本実施形態に係るイオン発生装置３はこのようなイオンカウンタ３１を備える。イオンカウンタ３１はマイナスイオンカウンタとプラスイオンカウンタを有している。そして、制御部３７は、このイオンカウンタ３１の検出結果に基づき、送風機３３での送風量（モータの回転速度）や印加電圧Ｖ２及び／又は印加電圧Ｖ１を制御することもできる。

但し、イオンカウンタ３１を設けない構成においても、予め水分量とイオン量を計測しながら、水分量に応じた印加電圧Ｖ１，Ｖ２及び送風量の関係を決定し、その関係を示した制御データを制御部３７に設定しておけばよい。

＜試験Ａ＞
次に、第１の実施形態で例示したパラメータ例ａで規定されるイオン発生装置１において、本実施形態のようにイオンカウンタ３１、温湿度計３２、及び送風機３３を設けたイオン発生装置３を形成し、試験を行った結果を説明する。この試験を試験Ａと呼ぶ。

パラメータ例ａで説明したが、試験Ａでも、電子放出素子１０を接続された第１電源部１４から２０Ｖの直流電圧Ｖ１を印加し、制御用電極１５には第２電源部１６から５００Ｖの直流電圧Ｖ２をそれぞれ印加する。

そしてイオン発生装置３の本体（制御用電極１５と第２電極１３との間の空間の一端）から１０ｃｍ離れた位置に送風機３３を設置し、同じく送風機３３と対向させて、同じくイオン発生装置３の本体（上記空間の他端）から１０ｃｍ離れた位置にイオンカウンタ３１（ＦＩＳＡ社製ＦＩＣ−３０００）を設置した。そして、風量計（日本カルノマックス社製モデル６２４４：図示せず）で１ｍ／ｓの風量になるように送風機３３の電圧を設定した。

このような条件でマイナスイオン量の測定を３０秒間行った所、３５〜５０万個／ｃｃで推移し平均値４０万個／ｃｃが得られた。さらに、パラメータ例ａを含むこのような前提条件から、以下に示すように条件（１）ギャップ、（２）Ｖ２、（３）Ｖ１、（４）制御用電極１５の線径、をそれぞれ単独で変化させ、マイナスイオン量の平均増減を確認した。

（１）制御用電極１５と第２電極１３との最短距離（ギャップ）を５ｍｍから２ｍｍに短くしたところマイナスイオン量が２０％減少し、１０ｍｍに長くしたところマイナスイオン量が１０％減少した。前者の場合には、放出された電子が制御用電極１５に集中してしまうことによりマイナスイオン発生量が減少したものと推察される。後者の場合には、ギャップを広げることで空間電荷制限効果の抑制効果が効き難くなり電子放出量が減っているものと推察される。

（２）制御用電極１５の印加電圧Ｖ２を５００Ｖから２５０Ｖに減らしたところマイナスイオン量が２５％減少し、７００Ｖに増やしたところマイナスイオン量が１５％増加した。これらの減少／増加は、それぞれ空間電荷制限効果の抑制効果の効き具合の減少／増加による電子放出量の減少／増加に対応しているものと推察される。

（３）電子放出素子１０の印加電圧Ｖ１を２０Ｖから１８Ｖに減らしたところマイナスイオン量が４０％減少し、２２Ｖに増やしたところマイナスイオン量が２５％増加した。それぞれの増減は電子放出量の増減に対応しているものと推察される。

（４）銅ワイヤ径を２００μｍから７０μｍに細くしたところマイナスイオン量が１５％減少し、２５０μｍに太くしたところマイナスイオン量が１０％減少した。いずれの場合にもパラメータ例ａの場合に比べて効率良くイオンの生成ができていない。前者の場合には、空間電荷制限効果の抑制効果が効き難くなって電子放出量が減り、マイナスイオン発生量が減少したものと推察される。後者の場合には、放出された電子が制御用電極１５に集中してしまうことによりマイナスイオン発生量が減少したものと推察される。

＜試験Ｂ＞
次に、試験Ｂとして、パラメータ例ａにおけるアルミ鋼材の代わりに同じく幅１０ｍｍ、長さ２３４ｍｍで厚さ１ｍｍのガラス上にアルミニウムを厚さ２００ｎｍで幅１０ｍｍ、長さ２３４ｍｍでスパッタしたもの用いて、同様の試験を行った。試験Ｂにおいても、試験Ａとほぼ同じ結果が得られた。

＜試験Ｃ＞
マイナスイオンのみ発生させた場合において、空気中の水分量が少ないとＯＨラジカルの生成も減少してしまいウイルス等の不活性化への効果が低下してしまう問題が生じる。例えば温湿度と空気中の絶対水分量の関係を見ると、５℃／２０％が１．４ｇ／ｍ³、２３℃／５０％が１０．７ｇ／ｍ³、３０℃／８０％が２４．３ｇである。カビ菌が発生し易い高温高湿下では空気中の水分量が多いのでマイナスイオンのみの発生で良いが、低温低湿下では水分量は９４％も少ないため安定したＯＨラジカルを生成するためプラスイオンも発生させる必要が生じる。

そこで、試験Ｃとして、試験Ａの上記前提条件にて制御用電極１５に印加する電圧Ｖ２のみ変化させて、マイナスプラスの各イオンの発生量を測定した。その結果、１５００Ｖ印加した場合の３０秒値の平均値は、マイナスイオン３５万個／ｃｃ、プラスイオン１０万個／ｃｃであった。また、２０００Ｖ印加した場合の３０秒値の平均値は、双方のイオンで２０万個／ｃｃであった。また、２５００Ｖ印加した場合の３０秒値の平均値は、マイナスイオン５万個／ｃｃ、プラスイオン４５万個／ｃｃであった。

さらに、制御用電極１５の印加電圧Ｖ２を１５００Ｖとし、第２電極１３への印加電圧Ｖ１を２０Ｖから２２Ｖに増加させることで、マイナスイオン４５万個／ｃｃ、プラスイオン１５万個／ｃｃが得られた。なお、これらの印加電圧の条件や第２電極１３と制御用電極１５とのギャップやさらには制御用電極１５の線径等の条件によっては、マイナスイオンとプラスイオンの結合による消失の可能性があるため最適化が必要である。

以上、試験Ａ〜Ｃはあくまで単なる例に過ぎず、これらの試験で用いた各種パラメータの値は絶対的な数値ではなく、またこれらの構成を基本に材料系の最適化によって、より多くのマイナスイオンを発生させることができると推察される。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態について、図４及び図５を参照しながら説明する。図４は、本発明の第３の実施形態に係るイオン発生装置の一構成例を示す図で、図５は、他の構成例を示す図である。以下、本実施形態について上述した各実施形態との相違点を中心に説明するが、上述した各実施形態での様々な応用例についても同様に適用できる。なお、図４，図５で例示するイオン発生装置４，５においては、制御部、第１電源部、第２電源部等については簡略化のため図示していない。

図４で例示するイオン発生装置４で採用する制御用電極４５は、複数本の導線が平行に張り巡らされた電極である。なお、図４において制御用電極４５は制御用電極支持部１８と同様（但し複数本の導線を支持可能になっている）の制御用電極支持部４８によって支持されている。

代わりに、図５で例示するイオン発生装置５のように、制御用電極４５に垂直な制御用電極５５を加え、複数本の導線がメッシュ状に張り巡らされた制御用電極を採用することもできる。なお、図５において制御用電極５５は制御用電極支持部４８と同様の制御用電極支持部５８によって支持されている。

ここで、メッシュのマス目は正方形に限ったものではなく、極端な例を挙げれば四角形でなくてもよい。但し、メッシュの１つ１つの開口部が小さいと制御用電極４５，５５が平板のようになって電子が上手く引き出せなくなるため、特にイオン発生装置５でマイナスイオンのみを発生させるようにする際にはその点を考慮する必要がある。

また、図５では、制御用電極４５の上側に制御用電極５５を設けるように、つまり制御用電極４５と制御用電極５５とが離間した距離に配置され両者が接続していないことを前提に説明している。しかし、代わりに、メッシュ状に連なった１つの制御用電極を採用することもできる。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態について、図６を参照しながら説明する。図６は、本発明の第４の実施形態に係るイオン発生装置の一構成例を示す図である。以下、本実施形態について第１の実施形態との相違点を中心に説明するが、上述した第１，第２の実施形態での様々な応用例についても同様に適用できる。

図６で例示するイオン発生装置６は、イオン発生装置１における電子放出素子１０、第１電源部１４、第２電源部１６、及び制御部１７と同様に、それぞれ電子放出素子６０、第１電源部６４、第２電源部６６、及び制御部６７を備える。

電子放出素子６０は、壁部６０ｂに設置された基材６０ａに取り付けられている。また、イオン発生装置６は、壁部６０ｂに対向するように設けられた壁部６５ｄに制御用電極６５を備える。制御用電極６５は、針電極６５ａとリング状の対向電極６５ｂとが基材６５ｃに取り付けられてなる。制御用電極６５と電子放出素子６０とは空間を隔てた位置に配置されている。なお、壁部６０ｂ，６５ｄはそれに垂直な２つの壁で接続され、それらにより箱状の筐体を形成し、その開口部からイオンが放出されるようになっている。

ここで例示するように、本発明における制御用電極は、第１〜第３の実施形態で説明したような１本の導線や複数本の導線を用いたものに限らない。イオン発生装置６においても、制御用電極６５に電圧を印加することにより電子放出素子６０から放出させる電子の量を制御（変更）し、もってマイナスイオンの発生量を制御（変更）する。

よって、本実施形態においても、第１〜第３の実施形態と同様に、シンプルな装置構成で、効率良くマイナスイオンを発生させることができ、またプラスイオンも同時に発生させることもできる。

（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態について、図７及び図８を参照しながら説明する。図７は、本発明の第５の実施形態に係るイオン発生装置の一構成例を示す図で、図８は他の構成例を示す図である。以下、本実施形態について上述した第１〜第３の実施形態との相違点を中心に説明するが、上述した第１〜第４の実施形態での様々な応用例についても同様に適用できる。

図７で例示するイオン発生装置７では、電子放出素子７０は平面状の電極を複数の領域に分割した電極（分割電極）７３ｄから電子を放出させている。つまり、本実施形態では、第２電極７３として、平面状の電極を複数の領域に分割した分割電極７３ｄを用いている。第１電極や中間層については第１の実施形態と同様である。

第１電源部１４に対応する第１電源部７４には、電源７４ａと各分割電極７３ｄに接続されたスイッチ７４ｂとが設けられている。各スイッチ７４ｂのスイッチングは制御部１７に対応する制御部７７によって実行される。特に、後述するように電極の径時劣化をふせぐためにスイッチングを行うことが好ましい。さらに、第２の実施形態のように温湿度計３２を設けた場合には、制御部７７が、温湿度計３２の計測結果に基づいて、何個の分割電極７３ｄに通電させるかなどを制御することもできる。

また、図８で例示するイオン発生装置８では、イオン発生装置７において、第３の実施形態における図５の例と同様に制御用電極４５，５５をメッシュ状に張り巡らされたものであり、他の点はイオン発生装置７と同様である。

電極の径時劣化について説明する。第１〜第４の実施形態でのように、第２電極が一体型で構成される素子の問題点として電極の劣化や破壊が進むと徐々に電子放出の量が減って行き、これに伴いマイナスイオンの発生量が低下してしまうことがある。この問題に対して、第２電極と制御用電極の印加電圧Ｖ１，Ｖ２を上げることで電子放出量を増やすことができるが、マイナスイオン発生量の安定化が難しく、さらに第２電極の劣化の加速を招いたりして全体的にみると寿命が短くなってしまう。

これに対し、本実施形態では、第２電極７３が複数に分割されており、１分割分から複数分までをスイッチ７４ｂを離接し使い分けながら印加電圧を制御し使用することができる。例えば、低めの電圧設定で複数個を使用したり、やや高めの電圧設定で１分割のみ使用したりするなど、予め得られデータを元に制御することで、電子放出量を安定化させ、もってマイナスイオン発生量を安定化させることが可能になる。

（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態について、図９を参照しながら説明する。図９は、本発明の第６の実施形態に係る装置の一構成例を示す図である。以下、本実施形態について第１の実施形態との相違点を中心に説明するが、上述した第１〜第５の実施形態での様々な応用例についても同様に適用できる。なお、図９において、符号１ａ，１ｂ、符号１０ａ，１０ｂ、符号１４ａ，１４ｂ、符号１５ａ，１５ｂ、符号１６ａ，１６ｂはそれぞれ図２Ａにおける符号１、符号１０、符号１４、符号１５、符号１６で示すものと同じものを指しており、その詳細な説明を省略する。

本実施形態に係る装置は、第１〜第５の実施形態で説明したようなイオン発生装置を２つ備えた装置であり、この装置もイオン発生装置と呼べるが、区別のために単に「装置」と呼ぶ。

そして、本実施形態に係る装置９は、一方のイオン発生装置１ａをマイナスイオンが発生するように制御し（つまりマイナスイオン発生装置として機能させ）、他方のイオン発生装置１ｂをプラスイオンが発生するように制御している（つまりプラスイオン発生装置として機能させている）。なお、装置９では双方に共通する制御部９７を設けた例を挙げているが、別々に制御部を設けておいてもよい。また、第１電源部１４ａ，１４ｂは共通化し、同じ電圧を印加するようにしておいてもよい。

つまり、イオン発生装置１ａではマイナスイオンのみを発生させており、イオン発生装置１ｂでは、マイナスイオンとプラスイオンとを同時に発生させているが、プラスイオンを優勢に発生させている。イオン発生装置１ｂでは、仮に両イオンが打ち消し合うような設置条件（壁の配置等）であっても結果としてプラスイオンを発生させている。なお、打ち消さない設置条件であってもプラスイオンを発生させていることに変わりはない。

このように、イオン発生装置１ａ，１ｂでそれぞれマイナスイオン、プラスイオンを同時に発生させ、両者が同程度に発生するように制御すると共に、両者が装置内部で打ち消されないようにイオン発生装置１ａ，１ｂ間に隔壁（図示せず）を設けておくことで、両イオンによりクラスタイオンの形態をなすことができる。そして、このクラスタイオンにより、浮遊細菌が殺菌することが期待できる。

１，１ａ，１ｂ，３，４，５，６，７，８…イオン発生装置、９…装置、１０，１０ａ，１０ｂ，６０，７０…電子放出素子、１１…第１電極、１２…中間層、１２ａ…樹脂、１２ｂ…導電性微粒子、１３，１３ａ，７３…第２電極、１４，１４ａ，１４ｂ，６４，７４…第１電源部、１５，１５ａ，１５ｂ，４５，５５，６５…制御用電極（第３電極）、１６，１６ａ，１６ｂ，６６…第２電源部、１７，３７，６７，７７，９７…制御部、１８，４８，５８…制御用電極支持部、３１…イオンカウンタ、３３…送風機、３２…温湿度計、６０ａ，６５ｃ…基材、６０ｂ，６５ｄ…壁部、６５ａ…針電極、６５ｂ…対向電極、７３ｄ…分割電極、７４ａ…電源、７４ｂ…スイッチ。

Claims (9)

1. 電子放出素子を備えたイオン発生装置であって、
   前記電子放出素子から空間を隔てた位置に配置された制御用電極を備え、
   該制御用電極に電圧を印加することにより前記電子放出素子から放出させる電子の量を制御することを特徴とするイオン発生装置。
2. 前記電子放出素子は、第１電極と、該第１電極に対向する位置に配置された第２電極と、前記第１電極と該第２電極の間に設けられた中間層とを有し、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により、前記第２電極から電子を放出させる素子であり、
   前記制御用電極は、前記第２電極を挟んで前記第１電極の反対側で、前記第２電極から空間を隔てた位置に配置されることを特徴とする請求項１に記載のイオン発生装置。
3. 前記制御用電極は１本の導線でなる電極であることを特徴とする請求項１又は２に記載のイオン発生装置。
4. 前記制御用電極は複数本の導線がメッシュ状又は平行に張り巡らされた電極であることを特徴とする請求項１又は２に記載のイオン発生装置。
5. 前記電子放出素子は平面状の電極から電子を放出させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のイオン発生装置。
6. 前記電子放出素子は平面状の電極を複数の領域に分割した電極から電子を放出させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のイオン発生装置。
7. 周辺の温湿度を検知するセンサを備え、
   該センサでの検知結果に基づいて、前記電子放出素子に印加する電圧、及び／又は、前記制御用電極に印加する電圧を制御することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のイオン発生装置。
8. 前記制御用電極と前記電子放出素子で発生するイオンの移動を補助するための送風機を備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のイオン発生装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１に記載のイオン発生装置を２つ備えた装置であって、
   一方の前記イオン発生装置をマイナスイオンが発生するように制御し、他方の前記イオン発生装置をプラスイオンが発生するように制御することを特徴とする装置。
   

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