JP2017224589A - イオン発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で効率よくイオンを発生するイオン発生装置を提供すること。【解決手段】イオン発生装置１は、針状の先端部が形成されたエミッタ１０と、エミッタ１０の先端部に対向配置された接地電極２０と、周波数が４０Ｈｚ以下である交流電圧をエミッタ１０に印加する交流電源３０と、を備える。イオン発生装置１は、直方体形状に形成され、一方の面から厚さ方向に凹む凹部５２が形成される発生器５０を更に備え、エミッタ１０は、発生器５０の厚さ方向に刺突方向を向けて凹部５２の内部に配置され、接地電極２０は、平板状に形成され、凹部５２の開口の周方向に沿って、発生器５０の一面に接触した状態で配置されるのが好ましい。【選択図】図１

Description

本発明は、コロナ放電によりイオンを発生するイオン発生装置に関する。

従来、電子デバイスや電子機器の製造工程、組立工程、実装工程において製品が帯電すると、製品が塵埃を吸引する静電吸引や、製品と周囲の物体との間での静電気放電等が発生する。これらの現象は、製品に特性劣化、破壊、誤作動等の静電気障害を発生させ、製品の歩留低下の原因となる。

このような問題を解決するために、除電器として、ＡＣコロナ放電型イオナイザが広く使用されている。このイオナイザは、エミッタと呼ばれる針状電極に高電圧を印加し、針の先端にコロナ放電を発生させ、空気中の分子をイオン化するイオン発生装置である。また、これに類するイオン発生装置として、円筒状の絶縁体を挟んで対向する電極を設け、これらの電極間に交流電圧を印加してコロナ放電を発生させることにより、正イオン及び負イオンを発生させるイオン発生装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−８９５５４４号公報

これらのイオン発生装置では、生成されたイオンが、同極性のエミッタとの間のクーロン力により生成位置から加速され、エミッタ付近から射出される。これにより、正イオン及び負イオンは、イオン発生装置から拡散する。

しかしながら、これらのイオン発生装置では、比較的高い周波数の交流電源により電極間に印加される電圧の極性が頻繁に切り替わる。これにより、コロナ放電により生成されるイオンも正及び負の間で頻繁に切り替わる。そのため、生成されたイオンは、エミッタから十分な加速を得られない場合がある。その結果、後に生成される逆の極性をもつイオンとの間で中和されてしまい、イオン発生量が減少してしまうという問題があった。

また、後者のイオン発生装置では、正イオン及び負イオンを水で包むことにより、両者が中和されることを防止している。しかしながら、水を供給する機構をさらに必要とするため、装置が複雑になる傾向があった。

本発明は、簡易な構成で効率よくイオンを発生するイオン発生装置を提供することを目的とする。

本発明は、針状の先端部が形成されたエミッタと、該エミッタの先端部に対向配置された接地電極と、周波数が４０Ｈｚ以下である交流電圧を前記エミッタに印加する交流電源と、を備えるイオン発生装置に関する。

また、イオン発生装置は、直方体形状に形成され、一方の面から厚さ方向に凹む凹部が形成される発生器を更に備え、前記エミッタは、前記発生器の厚さ方向に刺突方向を向けて前記凹部の内部に配置され、前記接地電極は、平板状に形成され、前記凹部の開口の周方向に沿って、前記発生器の一面に接触した状態で配置されるのが好ましい。

また、前記交流電源は、５Ｖより大きく２０Ｖ未満の交流電圧を前記エミッタに印加することが好ましい。

本発明によれば、簡易な構成で効率よくイオンを発生するイオン発生装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係るイオン発生装置を示す全体構成図である。 第１実施形態のイオン発生装置から発生する正イオン及び負イオンのそれぞれの単極領域を説明するイメージ図である。 第１実施形態のイオン発生装置によって生成される負イオンについて、周波数と負イオン濃度との関係を示す図である。 第１実施形態のイオン発生装置によって生成される正イオンについて、周波数と正イオン濃度との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るイオン発生装置を示す全体構成図である。 図５のＡ−Ａ線断面図である。 第２実施形態のイオン発生装置によって生成される負イオンについて、周波数と負イオン濃度との関係を示す図である。 第２実施形態のイオン発生装置によって生成される正イオンについて、周波数と正イオン濃度との関係を示す図である。

以下、本発明に係るイオン発生装置の各実施形態について図１〜図８を参照して説明する。
イオン発生装置１は、コロナ放電方式を採用した装置であり、コロナ放電を発生させることにより、雰囲気中にイオンを発生させる。発生されたイオンが雰囲気中に存在する逆極性をもつイオンと中和されることにより、雰囲気中の除電及び消臭をすることができる。そして、交流電源３０を用いることにより、正イオン及び負イオンの両方を交互に発生させることができる。

［第１実施形態］
第１実施形態に係るイオン発生装置１を、図１〜図４を参照して説明する。本実施形態に係るイオン発生装置１は、図１に示すように、エミッタ１０と、接地電極２０と、エミッタ１０に交流電圧を印加する交流電源３０と、送風器（図示せず）と、を備える。
エミッタ１０は、例えば、金属で形成された導体である。エミッタ１０は、針状の先端部をもつ形状に形成される。

接地電極２０は、エミッタ１０の先端部に対向配置される。本実施形態において、接地電極２０は、エミッタ１０の先端部の刺突方向に所定の間隔を開けて配置される。

交流電源３０は、エミッタ１０に接続され、所定周波数の交流電圧をエミッタ１０に印加する。本実施形態において、交流電源３０は、４０Ｈｚ以下の交流電圧をエミッタ１０に印加する。また、本実施形態おいて、交流電源３０は、２ｋＶより大きく５ｋＶ未満の交流電圧をエミッタ１０に印加する。これにより、エミッタ１０から正イオン及び負イオンを発生させる際に、製品や周辺の機器等に埃が付着することを防止できる。
送風器（図示せず）は、発生されたイオンを所定の方向に向けて吹き付けるために設けられる。

以上のようなイオン発生装置１によれば、エミッタ１０は、交流電源３０によって印加される交流電圧によって、正極又は負極になることを繰り返す。具体的には、エミッタ１０は、交流電源３０から印加される交流電圧の振幅が正である間、正極として作用する。また、エミッタ１０は、交流電源３０から印加される交流電圧の振幅が負である間、負極として作用する。交流電圧を５ｋＶ未満とすることで、人体に有害なオゾンの発生を低減でき、また、エミッタ１０の帯電により製品や周辺の機器等に埃が付着することを防止できる。また、交流電圧を２ｋＶよりも大きくすることで、エミッタ１０において十分量のイオンを発生させられる。

エミッタ１０が負極又は正極として作用する間、エミッタ１０は、接地電極２０との間に電界を発生させる。これにより、エミッタ１０の先端部にはコロナ放電が発生する。コロナ放電により、エミッタ１０の先端部周辺には、エミッタ１０の極性に応じたイオンが発生する。すなわち、エミッタ１０が正極として作用する間、エミッタ１０の先端部周辺には正イオンが発生し続ける。逆に、エミッタ１０が負極として作用する間、エミッタ１０の先端部周辺には負イオンが発生し続ける。

発生したイオンは、同じ極性のエミッタ１０との間のクーロン力により、エミッタ１０近傍から射出される。また、発生したイオンは、同極性のイオン同士の間に働くクーロン力により拡散する。これにより、図２に示すように、エミッタ１０周辺の空間には、正又は負の単極イオンが分布した領域（単極領域）が発生する。すなわち、エミッタ１０が正極として作用する間、正の単極イオンが発生し続けて、エミッタ１０周辺の空間には正イオンが分布した領域（単極領域）が発生する。一方で、エミッタ１０が負極として作用する間、負の単極イオンが発生し続けて、エミッタ１０の周辺の空間には負イオンが分布した領域（単極領域）が発生する。

エミッタ１０には交流電圧が印加されることから、負イオンの単極領域と、正イオンの単極領域とが交互（層状）に発生する。これらの単極領域は、送風器（図示せず）による送風により、所定の方向に向けて移動する。なお、単極領域の外側（周辺）の領域は、正イオン及び負イオンが混合状態になった領域（混合領域）である。

交流電圧の周波数を比較的低くする（本実施形態では、４０Ｈｚ以下）ことにより、交流電圧の半周期の時間は長くなる。これにより、それぞれの極性において発生するイオンの数が増える。したがって、交流電圧の周波数が比較的高い場合に比べ、それぞれの単極領域の広がりは大きくなる。このように単極領域が広いことにより、多くのイオンが逆極性をもつイオンに中和されずに目的物（図示せず）まで到達する。したがって、比較的良好な除電及び消臭の効果を得ることができる。
また、イオンを安定的に発生させる観点から、交流電圧の周波数は、０．１Ｈｚ以上であることが好ましい。

次に、本実施形態に係るイオン発生装置１の実施例（実施例１）を示す。

［実施例１］
イオン発生装置１から発生するイオンの濃度を測定した。交流電源３０からエミッタ１０に印加される交流電圧を、２．５ｋＶとし、送風器（図示せず）の送風速度を０．５ｍ／ｓとした。そして、印加する交流電圧の周波数を２０Ｈｚ〜１００Ｈｚの間で段階的に変化させた。このような環境下において、イオン濃度の測定装置として、イオンカウンタ（北斗電子工業株式会社製、ＮＫＭＨ−１０３）を用い、エミッタ１０から２０ｃｍ離れた位置のイオン濃度を測定した。

図３に示すように、負イオン濃度の値は、４０Ｈｚの際に約１．０Ｅ＋０６個認められた。４０Ｈｚを超えると、負イオンの濃度の値は急激に下がり、６０Ｈｚの際には約１．０Ｅ＋０５個となった。したがって、両者の間のイオン数には約９万個の差が認められた。

また、図４に示すように、正イオンの濃度の値は、４０Ｈｚの際に約１．０Ｅ＋０６個認められた。４０Ｈｚを超えると、正イオンの濃度の値は急激に下がり、６０Ｈｚの際には約１．０Ｅ＋０５個となった。したがって、正イオンの場合にも、両者の間のイオン数には約９万個の差が認められた。

以上説明した第１実施形態のイオン発生装置１によれば、以下のような効果を奏する。

（１）エミッタ１０の先端部に接地電極２０を対向配置した上で、４０Ｈｚ以下の交流電圧をエミッタ１０に印加する交流電源３０を設けるようにした。これにより、エミッタ１０及び接地電極２０の間にはコロナ放電が発生し、正イオン及び負イオンが交互に発生する。交流電源３０の周波数をより低くすることにより、各極において発生するイオンの数がより増え、電極及びイオンの間のクーロン力により放出及び拡散されるイオンの数がより増える。特に、交流電圧の周波数を４０Ｈｚ以下とすることにより、より多くの正イオン及び負イオンを発生させることができ、放出及び拡散することができるので、簡易の構成で効率の良いイオン発生器を提供することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明に係るイオン発生装置の第２実施形態について図５〜図８を参照しながら説明する。第２実施形態の説明にあたって、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
第２実施形態に係るイオン発生装置１は、携帯可能な程度に小型化され、送風器を設けずにイオン風を用いてイオンを移動させる点で第１実施形態と異なる。
また、第２実施形態に係るイオン発生装置１は、図５に示すように、筐体４０と、エミッタ１０及び接地電極２０を一体化した発生器５０と、を備える点で第１実施形態と異なる。
そして、第２実施形態に係るイオン発生装置１は、交流電源３０が、後述する筐体４０の内部に収容される点で第１実施形態と異なる。なお、第２実施形態において、交流電源３０は、５Ｖより大きく２０Ｖ未満の交流電圧をエミッタ１０に印加する。

筐体４０は、直方体形状で箱状に形成される。
発生器５０は、直方体形状に形成される。発生器５０は、筐体４０の内部に収容される。発生器５０には、一方の面から厚さ方向に凹む凹部５２が形成される。凹部５２は、断面円形状に形成される。また、凹部５２は、発生器５０が筐体４０の内部に収容された状態で、開口位置が筐体４０から露出する。

交流電源３０は、バッテリ３１と、出力電圧調整部３２と、スイッチ部３３と、ＤＣ−ＡＣ変換器３４と、を備える。
エミッタ１０は、図６に示すように、凹部５２の内部に配置される。エミッタ１０は、発生器５０の厚さ方向に刺突方向を向けて配置される。エミッタ１０は、凹部５２の開口位置と先端とを略同一の高さにして配置される。

接地電極２０は、平板状に形成される。接地電極２０は、凹部５２の開口の周方向に沿って凹部５２を囲うように、発生器５０の一面に接触した状態で配置される。即ち、接地電極２０は、凹部５２の径と略同じ内径で円環形状に形成される。

本実施形態において、凹部５２は、発生器５０の一面から凹んで２か所に形成される。これに合せて、エミッタ１０及び接地電極２０は、凹部５２のそれぞれに配置される。

バッテリ３１は、外部に接続されて充電可能な直流電源である。バッテリ３１は、例えばポータブルリチウムイオン二次電池（放電容量３０００ｍＡ／ｈｒ）であり、５Ｖの直流電圧を供給することができる。

出力電圧調整部３２は、バッテリ３１から出力される直流電圧の大きさを変更することが可能な回路である。出力電圧調整部３２は、例えば、昇圧回路として構成される。
スイッチ部３３は、出力電圧調整部３２から出力された直流電圧を供給する回路を遮断又は接続することが可能な回路である。

ＤＣ−ＡＣ変換器３４は、スイッチ部３３を介して供給された直流電圧（電力）を交流電圧（電力）に変換する。ＤＣ−ＡＣ変換器３４は、例えば、基板上に集積回路として設けられるインバータ回路である。ＤＣ−ＡＣ変換器３４は、エミッタ１０に接続される。

以上のようなイオン発生装置１によれば、バッテリ３１から供給された直流電圧は、出力電圧調整部３２によって、所望の直流電圧に調整される。調整された直流電圧は、スイッチ部３３を介して、ＤＣ−ＡＣ変換器３４に供給される。ＤＣ−ＡＣ変換器３４は、供給された直流電圧を交流電圧（例えば、５Ｖ以上２０Ｖ未満）に変換する。ＤＣ−ＡＣ変換器３４は、変換した交流電圧をエミッタ１０に印加する。

エミッタ１０に交流電圧が印加されることにより、第１実施形態と同様に、エミッタ１０は、接地電極２０との間に電界を発生させる。これにより、エミッタ１０の先端部にはコロナ放電が発生する。コロナ放電により、エミッタ１０の極性に応じたイオンが凹部５２の内部に発生する。

電荷を持ったプラズマの粒子（イオンと電子）は、エミッタ１０及び接地電極２０によって作られた電場によって運動する。プラズマの粒子が空気分子と衝突することにより、イオン風という風が作られる。イオン風は、凹部５２の内部から発生器５０の厚さ方向に向けて流れる。発生したイオンは、イオン風に乗って凹部５２の内部から開口を通り、発生器５０の厚さ方向に沿って移動する。これにより、送風器を設けずに凹部５２の内部から発生したイオンを移動させることができる。

次に、本実施形態に係るイオン発生装置１の実施例（実施例２）を示す。

［実施例２］
イオン発生装置１から発生するイオンの濃度を測定した。交流電源３０からエミッタ１０に印加される交流電圧を、５Ｖとした。そして、印加する交流電圧の周波数を２０Ｈｚ〜１００Ｈｚの間で段階的に変化させた。このような環境下において、イオン濃度の測定装置として、イオンカウンタ（北斗電子工業株式会社製、ＮＫＭＨ−１０３）を用い、エミッタ１０から２０ｃｍ離れた位置のイオン濃度を測定した。

図７に示すように、負イオン濃度の値は、４０Ｈｚの際に約１．０Ｅ＋０６個認められた。４０Ｈｚを超えると、負イオンの濃度の値は急激に下がり、６０Ｈｚの際には約１．０Ｅ＋０５個となった。したがって、両者の間のイオン数には約９万個の差が認められた。

また、図８に示すように、正イオンの濃度の値は、４０Ｈｚの際に約１．０Ｅ＋０６個認められた。４０Ｈｚを超えると、正イオンの濃度の値は急激に下がり、６０Ｈｚの際には約１．０Ｅ＋０５個となった。したがって、正イオンの場合にも、両者の間のイオン数には約９万個の差が認められた。

以上説明した第２実施形態のイオン発生装置１によれば、上記（１）の効果に加え、以下のような効果を奏する。

（２）イオン発生装置１を、直方体形状に形成され、一方の面から厚さ方向に凹む凹部５２が形成される発生器５０を更に含んで構成した。そして、エミッタ１０を発生器５０の厚さ方向に刺突方向を向けて凹部５２の内部に配置し、接地電極２０を平板状に形成し、凹部５２の開口の周方向に沿って、発生器５０の一面に接触した状態で配置した。エミッタ１０に交流電圧が印加されることにより、エミッタ１０及び接地電極２０の間には電界が発生する。これにより、エミッタ１０の先端部にはコロナ放電が発生する。コロナ放電により、凹部５２の内部にイオンが発生する。発生したイオンと電子（電荷を持ったプラズマの粒子）は、凹部５２の内部の空気分子と衝突する。これにより、空気分子が移動させられて、凹部５２の内部には発生器５０の厚さ方向に沿うイオン風と呼ばれる風が発生する。発生したイオンがイオン風によって凹部５２の内部から開口を通って外部に運ばれるので、送風器を設けずにイオン発生装置１を構成することができる。これにより、イオン発生装置１の小型化を図ることができる。

（３）エミッタに印加される交流電圧を５Ｖよりも大きく２０Ｖ未満とした。これにより、商用電源に比べて小出力の交流電源３０を用いてイオン発生装置１を構成することができる。

以上、本発明のイオン発生装置の好ましい各実施形態につき説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。

例えば、イオン発生装置１を複数設け、それぞれのイオン発生装置１からイオンを発生させる場合、同極の単極領域が重なるようにそれぞれの電源電圧の位相を設定することとしてもよい。具体的には、２つのイオン発生装置１を設ける場合、一方のイオン発生装置１から目的物までの距離と、他方のイオン発生装置１から目的物までの距離との差に基づいて一方のイオン発生装置１と他方のイオン発生装置１との間に位相差を発生させる。これにより、同極の単極領域が重なるように目的物に到達するので、中和されるイオンを減少させて、多数のイオンを目的物に到達させることができる。

このとき、イオン発生装置１のそれぞれに個別に交流電源３０を設けることも考えられるが、単一の交流電源３０を用いてもよい。単一の交流電源３０を用いる場合、それぞれのイオン発生装置１を並列に接続した上で、他方のイオン発生装置１に接続される回路上に、コイルやコンデンサ等を用いた移相器（図示せず）を接続することにより実現してもよい。また、目的物（図示せず）が移動し、目的物（図示せず）までの距離が変化する場合には、それぞれのイオン発生装置１と目的物（図示せず）との間の距離の差の変化に応じて移相器（図示せず）により位相を変化させることにより、同極の単極領域が重なるように目的物（図示せず）に到達するようにしてもよい。また、上記目的物までの距離の差に応じて、それぞれの送風器（図示せず）の風速を変化させるようにしてもよい。

また、上記第２実施形態において、発生器５０に形成される凹部５２を２か所としたが、１か所又は３か所以上としてもよい。凹部５２の個数に合せ、エミッタ１０及び接地電極２０の配置される個数は変更されてよい。

１ イオン発生装置
１０ エミッタ
２０ 接地電極
３０ 交流電源
５０ 発生器
５２ 凹部

Claims (3)

1. 針状の先端部が形成されたエミッタと、
   該エミッタの先端部に対向配置された接地電極と、
   周波数が４０Ｈｚ以下である交流電圧を前記エミッタに印加する交流電源と、を備えるイオン発生装置。
2. 直方体形状に形成され、一方の面から厚さ方向に凹む凹部が形成される発生器を更に備え、
   前記エミッタは、前記発生器の厚さ方向に刺突方向を向けて前記凹部の内部に配置され、
   前記接地電極は、平板状に形成され、前記凹部の開口の周方向に沿って、前記発生器の一面に接触した状態で配置される請求項１に記載のイオン発生装置。
3. 前記交流電源は、５Ｖより大きく２０Ｖ未満の交流電圧を前記エミッタに印加する請求項１又は２に記載のイオン発生装置。

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