JP4483395B2

JP4483395B2 - イオン発生装置

Info

Publication number: JP4483395B2
Application number: JP2004128856A
Authority: JP
Inventors: 浩一相澤; 卓哉菰田; 徹馬場
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2024-04-23
Also published as: JP2005310681A

Description

本発明は、イオン発生装置に関するものである。

従来から、真空中に限らず大気圧中でも電界放射により電子を放出することが可能な電子源として、例えば、図８に示す構成の電子源１０’が知られており（例えば、特許文献１、２、３参照）、この電子源１０’を利用したイオン発生装置として図９に示す構成のものが提案されている。

図８に示す構成の電子源１０’は、導電性基板としてのｎ形シリコン基板１の主表面（一表面）側に酸化した多孔質多結晶シリコンよりなる強電界ドリフト層６が形成され、強電界ドリフト層６上に金属薄膜（例えば、金薄膜）よりなる表面電極７が形成されている。また、ｎ形シリコン基板１の裏面にはオーミック電極２が形成されており、ｎ形シリコン基板１とオーミック電極２とで下部電極１２を構成している。なお、表面電極７の厚さ寸法は例えば１０ｎｍ程度に設定されている。また、図８に示す構成の電子源１０’では、下部電極１２と強電界ドリフト層６との間にノンドープの多結晶シリコン層３が介在しており、多結晶シリコン層３と強電界ドリフト層６とで、下部電極１２と表面電極７との間に介在し電子が通過する電子通過層を構成しているが、多結晶シリコン層３を介在させずに強電界ドリフト層６のみで電子通過層を構成したものも提案されている。また、上述の電子源１０’では、下部電極１２と電子通過層と表面電極７とで電子源素子を構成しているが、絶縁性基板上に導電性層からなる下部電極と電子通過層と表面電極とからなる電子源素子を形成した電子源も提案されている。

上述の電子源１０’から電子を放出させるには、例えば、表面電極７に対向配置されたアノード電極９を設け、表面電極７とアノード電極９との間を真空とした状態で、表面電極７が下部電極１２に対して高電位側となるように表面電極７と下部電極１２との間に直流電圧Ｖpsを印加するとともに、アノード電極９が表面電極７に対して高電位側となるようにアノード電極９と表面電極７との間に直流電圧Ｖｃを印加する。ここに、直流電圧Ｖpsを適宜に設定すれば、下部電極１２から注入された電子が強電界ドリフト層６をドリフトし表面電極７を通して放出される（図８、図９中の一点鎖線は表面電極７を通して放出された電子ｅ⁻の流れを示す）。なお、強電界ドリフト層６の表面に到達した電子はホットエレクトロンであると考えられ、表面電極７を容易にトンネルし真空中に放出される。

上述の各電子源１０’では、表面電極７と下部電極１２との間に流れる電流をダイオード電流Ｉpsと呼び、アノード電極９と表面電極７との間に流れる電流をエミッション電流（放出電子電流）Ｉｅと呼ぶことにすれば（図８参照）、ダイオード電流Ｉpsに対するエミッション電流Ｉｅの比率（＝Ｉｅ／Ｉps）が大きいほど電子放出効率（＝（Ｉｅ／Ｉps）×１００〔％〕）が高くなる。なお、上述の電子源１０’では、表面電極７と下部電極１２との間に印加する直流電圧Ｖpsを１０〜２０Ｖ程度の低電圧としても電子を放出させることができ、直流電圧Ｖpsが大きいほどエミッション電流Ｉｅが大きくなる。ここに、表面電極７と下部電極１２との間に印加する直流電圧Ｖpsを１０〜２０Ｖ程度とした時に電子源１０’から放出される電子のエネルギは４〜８ｅＶ程度である。

図９に示した構成のイオン発生装置は、電子源１０’が収納された直方体状のケース１２０’と、図９においてケース１２０’の上方に設けられ電子源１０’の表面電極７に対向するアノード電極９とを備え、電子源１０’から放出された電子がケース１２０’の上壁に設けた格子状の窓部１２１’を通してケース１２０’外へ取り出され、ケース１２０’の窓部１２１’とアノード電極９との間のイオン生成空間Ｂ’へ供給される空気をイオン化するようになっている。なお、図９中の矢印Ｆ１１はイオン生成空間Ｂ’へ供給する空気の流れを示し、同図中の矢印Ｆ１２はイオン生成空間Ｂ’において発生したイオンの流れを示している。
特開平１１−３２９２１３号公報特開２０００−１００３１６号公報特開２００１−１５５６２２号公報

ところで、上述の図９に示した構成のイオン発生装置では、ケース１２０’内の雰囲気が空気となっており、電子源１０’の電子放出特性（エミッション電流Ｉｅ、電子放出効率など）が空気中の湿度の影響を受けるので、イオンの発生量が不安定になってしまうという不具合があった。図１０は時間経過とともに湿度を変化させたときのエミッション電流の測定結果の一例を示したグラフであり（横軸が経過時間、図１０中の「イ」が湿度、「ロ」がエミッション電流Ｉｅ）、湿度が１０％（１０％ＲＨ）を超えるとエミッション電流Ｉｅが低下し始め、３０％（３０％ＲＨ）を超えるとエミッション電流Ｉｅが急減している。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、空気中の湿度の影響を受けずに安定してイオンを発生させることができるイオン発生装置を提供することにある。

請求項１の発明は、大気圧中で電子を放出可能な電子源と、電子源に対向配置され電子源との間に電子源を低電位側として加速電圧が印加されるアノード電極と、電子源およびアノード電極が収納されたケースとを備え、ケースには、アノード電極と電子源との間のイオン生成空間へ供給する乾燥ガスを導入するガス導入口と、電子源から放出された電子線がイオン生成空間で乾燥ガスに作用することにより生成されたイオンが吹き出す吹出口とが設けられてなり、乾燥ガスが、湿度が１０％ＲＨ以下のガスであり、電子源は、下部電極と表面電極との間に、下部電極の表面側に列設され下部電極の厚み方向に延びている柱状の多結晶シリコンのグレインと、グレイン間に介在する多数のナノメータオーダのシリコン微結晶と、各シリコン微結晶の表面に形成され当該シリコン微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有する強電界ドリフト層を備え、表面電極を通してイオン生成空間へ電子を放出することを特徴とする。

この発明によれば、ケース内において電子源とアノード電極とが対向配置されており、ケースのガス導入口を通してケース内へ導入された乾燥ガスが電子源とアノード電極との間のイオン生成空間へ供給され、電子源から放出された電子線がイオン生成空間で乾燥ガスに作用することにより生成されたイオンはケースの吹出口を通してケースの外へ吹き出されるので、下部電極の表面側に列設され下部電極の厚み方向に延びている柱状の多結晶シリコンのグレインと、グレイン間に介在する多数のナノメータオーダのシリコン微結晶と、各シリコン微結晶の表面に形成され当該シリコン微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有する強電界ドリフト層を備え大気圧中で電子を放出可能な電子源の電子放出特性が空気中の湿度の影響を受けることなく安定し、空気中の湿度の影響を受けずに安定してイオンを発生させることができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記ケースの外側にグリッド電極を備えることを特徴とする。

この発明によれば、グリッド電極の電位を適宜制御することにより前記吹出口から吹き出すイオンの量を制御したり、イオンの運動エネルギを制御したり、イオンの放出方向を制御したりすることが可能となる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記ケース内には、前記イオン生成空間と前記吹出口との間に補助電極が設けられてなることを特徴とする。

この発明によれば、補助電極の電位を適宜制御することにより前記ケース内で発生するイオンの量を制御することが可能となり、前記吹出口を通して吹き出すイオンの量を制御することが可能となる。

請求項４の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記ケースの外側には、前記イオン生成空間と前記吹出口との間に対応する部位に補助電極が設けられてなることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記ケースの外側において前記吹出口から吹き出したイオンの流れ方向に交差する方向から所望のイオン化対象のガスを供給するガス供給手段を備えることを特徴とする。

この発明によれば、前記乾燥ガスに電子線が作用することにより発生するイオンとは別の所望のイオンを前記ケースの外で発生させることが可能となる。

請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５の発明において、前記乾燥ガスが、酸素を含むガスであることを特徴とする。

この発明によれば、前記乾燥ガスが電子源からの電子線によりマイナスイオンになりやすくなるので、マイナスイオンを簡単に発生することができ、また、前記吹出口を通して前記ケースの外へ吹き出したマイナスイオンが空気中の分子と結びついて種々のイオンを発生する。

請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６の発明において、前記ケースが複数個積層されてなることを特徴とする。

この発明によれば、発生するイオンの量を増大させることができる。

請求項１の発明では、電子源の電子放出特性が空気中の湿度の影響を受けることなく安定し、空気中の湿度の影響を受けずに安定してイオンを発生させることができるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態のイオン発生装置は、図１に示すように、電界放射により電子線を放出する電子源１０と、電子源１０の表面電極７（図２参照）に対向配置され表面電極７との間に表面電極７を低電位側として加速電圧が印加されるアノード電極９と、電子源１０およびアノード電極９が収納された直方体状のケース２０とを備え、ケース２０には、アノード電極９と電子源１０の表面電極７との間のイオン生成空間Ｂへ供給する乾燥ガス（例えば、乾燥空気、乾燥酸素など）を導入するガス導入口２１と、電子源１０から放出された電子線（図１，図２中の一点鎖線の矢印は電子源１０から放出された電子ｅ⁻の流れを示す）がイオン生成空間Ｂで乾燥ガスに作用することにより生成されたイオンが吹き出す吹出口２２とが設けられてなる。ここに、乾燥ガスとは、低湿度のガスのことであり、湿度が３０％ＲＨ以下のガスであることが望ましく、１０％ＲＨ以下であるとさらに好ましい。なお、図１中の矢印Ｆ１はガス導入口２１を通してケース２０内へ導入される乾燥ガスの流れを示し、同図中の矢印Ｆ２は吹出口２２を通してケース２０外へ吹き出すイオンの流れを示している。

電子源１０は、図２に示すように、矩形板状の絶縁性基板（例えば、絶縁性を有するガラス基板、絶縁性を有するセラミック基板など）１１の一表面上に金属膜（例えば、タングステン膜など）からなる下部電極１２が形成され、下部電極１２上に強電界ドリフト層６が形成され、強電界ドリフト層６上に金属薄膜（例えば、金薄膜）よりなる表面電極７が形成されている。

本実施形態における電子源１０では、強電界ドリフト層６が電子通過層を構成しており、下部電極１２と電子通過層と表面電極７とで表面電極７を通して大気圧中へ電子を放出する電子源素子１０ａを構成している。また、本実施形態のイオン発生装置は、電子源素子１０ａの表面電極７と下部電極１２との間に表面電極７を高電位側として直流電圧（駆動電圧）Ｖpsを印加する駆動用電源、アノード電極９と表面電極７との間にアノード電極９を高電位側（つまり、表面電極７を低電位側）として直流電圧（加速電圧）Ｖｃを与える加速用電源を備えている。

電子源素子１０ａの強電界ドリフト層６は、後述のナノ結晶化プロセスおよび酸化プロセスを行うことにより形成されており、図３に示すように、少なくとも、下部電極１２の表面側に列設された柱状の多結晶シリコンのグレイン（半導体結晶）５１と、グレイン５１の表面に形成された薄いシリコン酸化膜５２と、グレイン５１間に介在する多数のナノメータオーダのシリコン微結晶（半導体微結晶）６３と、各シリコン微結晶６３の表面に形成され当該シリコン微結晶６３の結晶粒径よりも小さな膜厚の酸化膜である多数のシリコン酸化膜（絶縁膜）６４とから構成されると考えられる。ここに、各グレイン５１は、下部電極１２の厚み方向に延びている（つまり、絶縁性基板１１の厚み方向に延びている）。

上述の電子源素子１０ａから電子を放出させるには、図２に示すように、表面電極７が下部電極１２に対して高電位側となるように表面電極７と下部電極１２との間に駆動電圧Ｖpsを上記駆動電源により印加すれば、下部電極１２から強電界ドリフト層６へ注入された電子が強電界ドリフト層６をドリフトし表面電極７を通して放出される（図２中の一点鎖線は表面電極７を通して放出された電子ｅ⁻の流れを示す）。ここに、強電界ドリフト層６の表面に到達した電子はホットエレクトロンであると考えられ、表面電極７を容易にトンネルし大気中に放出される。また、電子源素子１０ａに駆動電圧Ｖpsを印加するとともに、アノード電極９が表面電極７に対して高電位側となるようにアノード電極９と表面電極７との間に加速電圧Ｖｃを上記加速用電源により印加しておけば、電子源素子１０ａが上記駆動電圧Ｖpsにより駆動されて表面電極７を通して電子が放出され、表面電極７を通して放出された電子が加速電圧Ｖｃにより加速される。

本実施形態の電子源素子１０ａでは、表面電極７と下部電極１２との間に流れる電流をダイオード電流Ｉpsと呼び、アノード電極９と表面電極７との間に流れる電流をエミッション電流（放出電子電流）Ｉｅと呼ぶことにすれば（図２参照）、ダイオード電流Ｉpsに対するエミッション電流Ｉｅの比率（＝Ｉｅ／Ｉps）が大きいほど電子放出効率（＝（Ｉe／Ｉps）×１００〔％〕）が高いことになる。ここに、本実施形態における電子源素子１０ａでは、表面電極７と下部電極１２との間に印加する駆動電圧Ｖpsを１０〜２０Ｖ程度の低電圧としても電子を放出させることができる。なお、本実施形態の電子源素子１０ａは、電子放出特性の真空度依存性が小さく且つ電子放出時にポッピング現象が発生せず安定して電子を高い電子放出効率で放出することができるという特徴を有しており、大気圧中でも電子を放出することができる。なお、電子源１０へ与える駆動電圧Ｖpsは一定の直流電圧でもよいし、パルス状の電圧でもよい。また、駆動電圧Ｖpsをパルス状の電圧とした場合、駆動電圧Ｖpsを印加していない時に逆バイアスの電圧を印加するようにしてもよい。また、アノード電極９と表面電極７との間に印加する加速電圧Ｖｃは、直流電圧でもよいし、駆動電圧Ｖpsとともにパルス状の電圧としてもよい。

本実施形態における電子源素子１０ａの基本構成は周知であり、次のようなモデルで電子放出が起こると考えられる。すなわち、表面電極７と下部電極１２との間に表面電極７を高電位側として電圧を印加することにより、下部電極１２から強電界ドリフト層６へ電子ｅ⁻が注入される。一方、強電界ドリフト層６に印加された電界の大部分はシリコン酸化膜６４にかかるから、注入された電子ｅ⁻はシリコン酸化膜６４にかかっている強電界により加速され、強電界ドリフト層６におけるグレイン５１の間の領域を表面に向かって図３中の矢印の向き（図３における上向き）へドリフトし、表面電極７をトンネルし放出される。しかして、強電界ドリフト層６では下部電極１２から注入された電子がシリコン微結晶６３でほとんど散乱されることなくシリコン酸化膜６４にかかっている電界で加速されてドリフトし、表面電極７を通して放出され（弾道型電子放出現象）、強電界ドリフト層６で発生した熱がグレイン５１を通して放熱されるから、電子放出時にポッピング現象が発生せず、安定して電子を放出することができる。

上述の強電界ドリフト層６の形成方法の一例について説明する。

強電界ドリフト層６の形成にあたっては、まず、絶縁性基板１１上に形成した下部電極１２上にノンドープの多結晶シリコン層を例えばＬＰＣＶＤ法などにより形成した後、上述のナノ結晶化プロセスを行うことにより、多結晶シリコンの多数のグレイン５１（図３参照）と多数のシリコン微結晶６３（図３参照）とが混在する複合ナノ結晶層（以下、第１の複合ナノ結晶層と称す）を形成する。ここにおいて、ナノ結晶化プロセスでは、例えば、５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを略１：１で混合した混合液よりなる電解液を用い、下部電極１２を陽極とし、電解液中において多結晶シリコン層に白金電極よりなる陰極を対向配置して、５００Ｗのタングステンランプからなる光源により多結晶シリコン層の主表面に光照射を行いながら、電源から陽極と陰極との間に定電流（例えば、電流密度が１２ｍＡ／ｃｍ^２の電流）を所定時間（例えば、１０秒）だけ流すことによって、多結晶シリコンのグレイン５１およびシリコン微結晶６３を含む第１の複合ナノ結晶層を形成する。

ナノ結晶化プロセスが終了した後に、上述の酸化プロセスを行うことで第１の複合ナノ結晶層を電気化学的に酸化することによって、図３のような構成の複合ナノ結晶層（以下、第２の複合ナノ結晶層と称す）からなる強電界ドリフト層６を形成する。酸化プロセスでは、例えば、エチレングリコールからなる有機溶媒中に０．０４ｍｏｌ／ｌの硝酸カリウムからなる溶質を溶かした溶液よりなる電解液を用い、下部電極１２を陽極とし、電解液中において第１の複合ナノ結晶層に白金電極よりなる陰極を対向配置して、下部電極１２を陽極とし、電源から陽極と陰極との間に定電流（例えば、電流密度が０．１ｍＡ／ｃｍ^２の電流）を流し陽極と陰極との間の電圧が２０Ｖだけ上昇するまで第１の複合ナノ結晶層を電気化学的に酸化することによって、上述のグレイン５１、シリコン微結晶６３、各シリコン酸化膜５２，６４を含む第２の複合ナノ結晶層からなる強電界ドリフト層６を形成するようになっている。なお、本実施形態では、上述のナノ結晶化プロセスを行うことによって形成される第１の複合ナノ結晶層においてグレイン５１、シリコン微結晶６３以外の領域はアモルファスシリコンからなるアモルファス領域となっており、強電界ドリフト層６においてグレイン５１、シリコン微結晶６３、各シリコン酸化膜５２，６４以外の領域がアモルファスシリコン若しくは一部が酸化したアモルファスシリコンからなるアモルファス領域６５となっているが、ナノ結晶化プロセスの条件によってはアモルファス領域６５が孔となり、このような場合の第１の複合ナノ結晶層は多孔質多結晶シリコン層とみなすことができる。

なお、上述の強電界ドリフト層６では、シリコン酸化膜６４が絶縁膜を構成しており絶縁膜の形成に酸化プロセスを採用しているが、酸化プロセスの代わりに窒化プロセスないし酸窒化プロセスを採用してもよく、窒化プロセスを採用した場合には各シリコン酸化膜５２，６４がいずれもシリコン窒化膜となり、酸窒化プロセスを採用した場合には各シリコン酸化膜５２，６４がいずれもシリコン酸窒化膜となる。

ケース２０は、上述のように直方体状に形成されており、図１（ａ）を用いて上下方向および左右方向を規定すれば、下壁における上壁との対向面に電子源１０が配置され、上壁における下壁との対向面にアノード電極９が配置されている。また、ケース２０は、右壁から側方に突出した円筒状の導入部２０ａの先端面にガス導入口２１が設けられるとともに、左壁から側方に突出した円筒状の導出部２０ｂの先端面に吹出口２２が設けられており、導入部２０ａおよび導出部２０ｂそれぞれの流路の断面積がケース２０における導入部２０ａと導出部２０ｂとの間の部位（ケース本体）の流路の断面積よりも小さくなっている。要するに、本実施形態のイオン発生装置では、乾燥ガスの流れ方向と電子線の流れ方向とがイオン生成空間Ｂにおいて交差するようになっており、ガス導入口２１からケース２０内へ導入され吹出口２２へ向かって流れる乾燥ガスがイオン生成空間Ｂにおいて電子源１０から放出された電子線により励起されてイオン化される。なお、イオン生成空間Ｂにおいてマイナスイオンを生成するには、イオン生成空間Ｂへ供給する乾燥ガスとして、電子親和力が正である元素を含んだガスや電子親和力が大きな元素を含んだガス（例えば、酸素ガスなど）をケース２０の外部からガス導入口２１を通してケース２０内へ導入すればよく、乾燥ガスとして酸素ガスを採用した場合にはマイナスイオンを容易に発生させることができ、この場合、加速電圧Ｖｃとして数Ｖから数ｋＶの電圧をアノード電極９と表面電極７との間に印加すればよい。吹出口２２を通してケース２０の外へ吹き出したマイナスイオンが空気中の分子と結びついて種々のイオンが生成される。なお、マイナスイオンだけでなく、プラスイオンの発生も可能であり、プラスイオンを発生させる場合には、アノード電極９と表面電極９との間に乾燥ガスのイオン化エネルギ（電離エネルギ、通常は数十ｅＶ以上）以上のエネルギを与える電圧（通常、数十Ｖ〜数ＭＶ）を印加するようにすればよい。

しかして、本実施形態のイオン発生装置では、ケース２０内において電子源１０とアノード電極９とが対向配置されており、ケース２０のガス導入口２１を通してケース２０内へ導入された乾燥ガスが電子源１０とアノード電極９との間のイオン生成空間Ｂを横切って流れるように吹出口２２の位置を設計してあるから、電子源１０から放出された電子線がイオン生成空間Ｂで乾燥ガスに作用することにより生成されたイオンはケース２０の吹出口２２を通してケース２０の外へ吹き出されるので、電子源１０の電子放出特性が空気中の湿度の影響を受けることなく安定し、空気中の湿度の影響を受けずに安定してイオンを発生させることができる。ここにおいて、ガス導入口２１を通してケース２０内へ導入する乾燥ガスの流量は多い方が、イオンの発生量が増大するとともに、イオンの発生量が安定する。また、本実施形態のイオン発生装置では、電子源１０とアノード電極９との間の距離を短くした方が加速電圧Ｖｃを低減できて低消費電力化を図れるという利点があるとともに、ケース２０内での流体の速度が速くなってイオン発生空間Ｂで発生したイオンがケース２０内でトラップされにくくなるという利点がある。

なお、本実施形態では、導入部２０ａおよび導出部２０ｂそれぞれを円筒状の形状に形成してあるが、円筒状に限らず、例えば、角筒状の形状としてもよい。また、ガス導入口２１および吹出口２２の大きさがケース２０の流路の断面積よりも大きくなるように導入部２０ａおよび導出部２０ｂを形成してもよい。また、導入部２０ａおよび導出部２０ｂを設けずに、ケース２０の右壁にガス導入口２１を設けるとともに左壁に吹出口２２を設けるようにしてもよく、この場合のガス導入口２１および吹出口２２の形状も円形状に限らず、例えば矩形状であってもよい。また、ケース２０内に導入された乾燥ガスがイオン生成空間Ｂを横切るように設計すれば、ケース２０の上壁あるいは下壁にガス導入口２１および吹出口２２を設けるようにしてもよいし、上壁と下壁との一方にガス導入口２１を設けて他方に吹出口２２を設けるようにしてもよい。また、ガス導入口２１、吹出口２２の数は１つに限らず、複数設けてもよい。また、アノード電極９は電子源１０の表面電極７の表面に平行な面内での形状が乾燥ガスの流れ方向に直交する方向（つまり、図１（ｂ）の左右方向）を長手方向とする細長の形状とすることが好ましい。このような細長の形状が好ましいのは、イオン生成空間Ｂで発生したイオンがアノード電極９にトラップされにくくなるためであると考えられる。また、アノード電極９の形状は、板状に限らず、メッシュ状や線状など適宜変更してもよい。

（実施形態２）
本実施形態のイオン発生装置の基本構成は実施形態１と略同じであって、図４に示すように、ケース２０の外側において吹出口２２から吹き出すイオンの量を制御するメッシュ状のグリッド電極３１を備えている点が相違し、他の構成は実施形態１と同じなので説明を省略する。なお、グリッド電極３１は、吹出口２２との間の距離や電位を適宜設定すればよいが、吹出口２２の近くに設けて電子源１０の表面電極７に対して低電位となるように電位を設定することが、吹出口２２から吹き出すイオンがマイナスイオンの場合には望ましく、且つ、マイナスイオンの放出量を増大させるという観点からも望ましい。

しかして、本実施形態のイオン発生装置では、グリッド電極３１の電位を適宜制御することにより吹出口２２から吹き出すイオンの量を制御することが可能となる。また、本実施形態のイオン発生装置では、メッシュ状のグリッド電極３１を備えていることにより、吹出口２２を通してケース２０の外へ吹き出したイオンの運動エネルギを制御したり、イオンを収束するといったイオンの放出方向を制御したりすることができるという利点もある。これらの作用は、グリッド電極３１に印加された電位によって生じた電界とイオンとの電磁気力によって決まる。なお、メッシュ状のグリッド電極３１のメッシュの粗さは特に限定するものではないが、粗さが粗い方が好ましい。また、グリッド電極３１の形状はメッシュ状に限らず、イオンが通過する部分を有していればよく、例えば、多数の穴が開いた板状でもよいし、内径の異なる複数の円環状のワイヤを同心円状に配置した形状や、複数の直線状のワイヤを平行に配置した形状などでもよい。

（実施形態３）
本実施形態のイオン発生装置の基本構成は実施形態１と略同じであって、図５に示すように、ケース２０内におけるイオン生成空間Ｂと吹出口２２との間にケース２０内で発生するイオンの量が制御されるように電位が制御される補助電極３２が設けられている点が相違し、他の構成は実施形態１と同じなので図示および説明を省略する。

ここに、本実施形態のイオン発生装置では、ケース２０の上壁における下壁との対向面においてアノード電極９よりも吹出口２２側の部位と、ケース２０の下壁における上壁との対向面において電子源１０よりも吹出口２２側の部位とのそれぞれに、補助電極３２を配置してある。

しかして、本実施形態のイオン発生装置では、補助電極３２の電位を適宜制御することによりケース２０内で発生するイオンの量を制御することが可能となり、吹出口２２を通して吹き出すイオンの量を制御することが可能となる。ここにおいて、両補助電極３２の電位は電子源１０の表面電極７よりも高電位となるように設定することが、吹出口２２から吹き出すイオンがマイナスイオンの場合には望ましく、且つ、マイナスイオンの放出量を増大させるという観点からも望ましい。これらの作用は、補助電極３２に印加された電位によって生じた電界とイオンとの電磁気力によって決まる。ここで、マイナスイオンの場合には、補助電極３２に高電位を印加すると、マイナスイオンがこの電位によって生じた電界によって吹出口２２側へ引き出されることとなり、イオンの放出量が増大するものと考えられる。

ところで、本実施形態のイオン発生装置では、ケース２０内のイオン生成空間Ｂよりも下流側に２つの補助電極３２を設けてあるが、補助電極３２の形状や数は特に限定するものではなく、例えば、上述の２つの補助電極３２のうちのいずれか一方のみを設けるようにしてもよいし、図６に示すように、ケース２０の内周面の全周に亙って接する矩形枠状の補助電極３２を１つだけ設けるようにしてもよい。

（実施形態４）
本実施形態のイオン発生装置の基本構成は実施形態１と略同じであって、図７に示すように、ケース２０の外側においてイオン生成空間Ｂと吹出口２２との間に対応する部位に、ケース２０内で発生するイオンの量が制御されるように電位が制御される補助電極３２が設けられている点や、ケース２０の外側において吹出口２２から吹き出したイオンの流れ方向に交差する方向から所望のイオン化対象のガス（例えば、水蒸気、薬効を含んだ水蒸気など）をイオンの流れへ吹きつけるように供給するガス供給手段３０を備えている点が相違し、他の構成は実施形態１と同じなので図示および説明を省略する。なお、図７中のＣはガス供給手段３０から供給されるガスを模式的に示したものである。

ここに、本実施形態のイオン発生装置では、ケース２０の上壁の上面においてアノード電極９よりも吹出口２２側の部位と、ケース２０の下壁の下面において電子源１０よりも吹出口２２側の部位とのそれぞれに、補助電極３２を配置してある。

しかして、本実施形態のイオン発生装置では、実施形態３と同様に補助電極３２の電位を適宜制御することによりケース２０内で発生するイオンの量を制御することが可能となり、吹出口２２を通して吹き出すイオンの量を制御することが可能となる。ここにおいて、両補助電極３２の電位は電子源１０の表面電極７よりも高電位となるように設定することが、吹出口２２から吹き出すイオンがマイナスイオンの場合には望ましく、且つ、マイナスイオンの放出量を増大させるという観点からも望ましい。これらの作用は、補助電極３２に印加された電位によってケース２０内部に生じた電界とイオンとの電磁気力によって決まる。ここで、マイナスイオンの場合には、補助電極３２に高電位を印加すると、ケース２０内部にも高電位が誘引され、マイナスイオンがこの電位によって生じた電界によって吹出口２２側へ引き出されることとなり、イオンの放出量が増大するものと考えられる。なお、本実施形態においても、実施形態３と同様、補助電極３２の形状や数は特に限定するものではない。

また、本実施形態のイオン発生装置では、ガス供給手段３０から供給されたイオン化対象のガスに吹出口２２から吹き出したイオンが結合したり、電子を相手に受け渡したりすることにより所望のイオンを発生させることが可能となる。要するに、本実施形態のイオン発生装置では、ケース２０で乾燥ガスに電子線が作用することにより発生するイオンとは別の所望のイオンをケース２０の外で発生させることが可能となる。なお、本実施形態におけるガス供給手段３０を他の実施形態１〜３に設けてもよいことは勿論である。

とろこで、上記各実施形態それぞれにおいて少なくとも電子源１０およびアノード電極９を収納したケース２０を複数個積層した構造を採用すれば、発生するイオンの量を増大させることができる。

また、上記各実施形態の電子源１０は、絶縁性基板１１の上記一表面側に下部電極１２を形成しているが、絶縁性基板１１に代えてシリコン基板などの半導体基板を用い、半導体基板と当該半導体基板の裏面側に積層した導電性層（例えば、オーミック電極）とで下部電極を構成するようにしてもよい。また、上記各実施形態における電子源１０は弾道型電子放出現象により電子を放出する電子源であって弾道電子面放出型電子源（Ballistic electron Surface-emitting Device：ＢＳＤ）と呼ばれているが、電子源１０はＢＳＤに限らず、大気圧中で電子放出が可能な電子源であればよい。

実施形態１のイオン発生装置を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略側面図である。同上における電子源素子の動作説明図である。同上における電子源素子の要部説明図である。実施形態２のイオン発生装置の概略構成図である。実施形態３のイオン発生装置を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略平面図である。同上の他の構成例を示す概略側面図である。実施形態４のイオン発生装置の概略構成図である。従来例における電子源の動作説明図である。従来例を示すイオン発生装置の概略構成図である。従来例の電子源におけるエミッション電流の湿度依存性を示すグラフである。

符号の説明

９アノード電極
１０電子源
２０ケース
２１ガス導入口
２２吹出口
Ｂイオン生成空間

Claims

大気圧中で電子を放出可能な電子源と、電子源に対向配置され電子源との間に電子源を低電位側として加速電圧が印加されるアノード電極と、電子源およびアノード電極が収納されたケースとを備え、ケースには、アノード電極と電子源との間のイオン生成空間へ供給する乾燥ガスを導入するガス導入口と、電子源から放出された電子線がイオン生成空間で乾燥ガスに作用することにより生成されたイオンが吹き出す吹出口とが設けられてなり、乾燥ガスが、湿度が１０％ＲＨ以下のガスであり、電子源は、下部電極と表面電極との間に、下部電極の表面側に列設され下部電極の厚み方向に延びている柱状の多結晶シリコンのグレインと、グレイン間に介在する多数のナノメータオーダのシリコン微結晶と、各シリコン微結晶の表面に形成され当該シリコン微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有する強電界ドリフト層を備え、表面電極を通してイオン生成空間へ電子を放出することを特徴とするイオン発生装置。
前記ケースの外側にグリッド電極を備えることを特徴とする請求項１記載のイオン発生装置。
前記ケース内には、前記イオン生成空間と前記吹出口との間に補助電極が設けられてなることを特徴とする請求項１または請求項２記載のイオン発生装置。
前記ケースの外側には、前記イオン生成空間と前記吹出口との間に対応する部位に補助電極が設けられてなることを特徴とする請求項１または請求項２記載のイオン発生装置。
前記ケースの外側において前記吹出口から吹き出したイオンの流れ方向に交差する方向から所望のイオン化対象のガスを供給するガス供給手段を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のイオン発生装置。
前記乾燥ガスが、酸素を含むガスであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のイオン発生装置。
前記ケースが複数個積層されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のイオン発生装置。