JP5156993B2 - イオン発生器及び除電器 - Google Patents

Description

本発明は、大気イオンクラスターを生成するイオン発生器及び物体表面の静電気を除去する除電器に関し、詳しくは板状のイオン発生素子より、イオンを効率的に発生・搬送させるための、電圧、周波数及び気流流量の設計範囲を規定したイオン発生器及び除電器に関する。

一般的な従来のイオン発生器・除電器は、例えば、従来型除電器の場合では、先鋭な針形状のイオン発生電極に高電圧電源により高電圧を印加して、コロナ放電を生じさせ、空気をイオン化する（例えば特許文献１参照）。針形状のイオン発生電極は、空気の電離によるプラズマ形成のために、先端部に局所的な電界を形成する必要があり、その電圧は直流高圧電源を用いたものでは５〜７ｋＶ以上であった。従って、針電極に直流電圧を印加して十分なイオン量のイオンを発生するためには、多くの消費電力が必要で、また電源装置も大型とならざるを得なかった。

針形状のイオン発生電極に印加する高電圧を発生する電源には、装置の小型化やイオンバランスの制御を目的として、圧電トランスを用いたものもあり、その電圧は約２〜３ｋＶであり、周波数は２０〜１００ｋＨｚであった（特許文献２参照）。即ち、針電極を用いて安定したイオン発生を確保しつつ、圧電素子を小型化するためには、２０ｋＨｚ以上の高い周波数にせざるを得なかった。しかしながら、このような高周波では、副生成物であるオゾンが多量に生成され、また発熱によって安定した運転を行うことが困難であった。

ところで、従来の針形状のイオン発生電極は、チリなどの堆積や物理スパッタリングによる摩耗などの影響により、コロナ放電が生じ難くなり、イオン発生効率が低下する傾向にあった。また、針形状のイオン発生電極と対向し、放電を安定させるために設けられた接地電極についても、高電圧による静電吸着及びイオン発生電極の物理スパッタリングなどにより、チリなどの堆積が生じ表面の汚れが進行し、イオン発生効率を低下させる要因ともなっていた。

従って、使用者は定期的に、針形状のイオン発生電極先鋭部の清掃または交換、さらに接地電極及びその周辺の清掃を行い、イオン発生効率を改善するためのメンテナンス作業を強いられることになる。かかるメンテナンス作業は、先鋭部を有する構造体内部の清掃であり、さらに高電圧が印加されている部分でもあるため、作業は危険かつ煩わしいものとなっている。また、清掃のための機構を設置した除電器も開発されているが、複雑な機構を必要とした（特許文献３参照）。

一方、放電電極と誘導電極を表面に配設した誘電体をイオン発生素子として用い、針形状ではなく、板状のイオン発生素子（特許文献４〜１２参照）及び除電器が開発された（特許文献１１参照）。

特許文献４〜１１に示す技術では、誘電体を介し放電電極と誘導電極との間で高電圧を印加して局所的に放電させイオンを発生させるため、物理的な先鋭構造を持たないフラットな形状となっている。また、放電電極に微細な突起パターンを設けることで、電界集中により安定して正負両イオンを発生させることが可能となり、針形状のイオン発生電極に比べ、低電圧、低消費電力で同等のイオン量を発生させることが可能になっている。さらに、上記突起を放電電極長手方向に複数個設置することで、一次元的に均一な濃度のイオンが発生することが可能になるため、針形状のイオン発生電極が抱えていた、イオン濃度
の空間的なバラツキの問題が低減されている。

また、素子型の電極は、低電圧でイオンを発生することができるため、電極が劣化しにくく、チリなども付着しにくく、また、素子全面でイオンが発生しているため、チリの付着も分散され、結果として汚れにくい構造となっている。また、例え汚れたとしても、先鋭構造を持たないために清掃が容易で、従来の針型形状電極と比較して、メンテナンス性が格段に向上している。

上記のような誘電体を介して形成された電極構造に、高電圧を印加することでイオン発生素子から正イオンと負イオンを発生させるものでは、外乱要因、即ち、電極の劣化や電源の効率低下によって、イオンのバランスが崩れることが第１の問題点となっている。ここで、大気中でのイオンの濃度変化は式（１）で表されることが知られている（例えば、ＪＩＳ Ｂ９９２９：２００６付属書４「イオンの寿命とエアロゾル濃度との関係」）。

Ｃ_ion：正、または負のイオン濃度
ｔ：時間
ｑ：イオン生成速度
ａ：正・負イオンの再結合係数
ｂ：イオンのエアロゾルに対する付着係数
Ｃ_aerosol：エアロゾル濃度

ここで、クリーンルーム中や一般の製造、室内環境においてエアロゾル濃度は十分低いので式（１）の右辺第３項は無視できるとすれば、式（１）よりイオン濃度の変化は、イオンの生成速度と正負イオンの再結合によってバランスされることになる。

即ち、イオン生成速度ｑが大きくなれば、イオン濃度が増大することで右辺第２項の再結合速度も増大してバランスすることで、見かけ上、それ以上イオン濃度が変化しないという、平衡値が存在することになる。従って、この平衡条件以上の発生速度では、原理的に多少のイオン発生量の変化に対しても、安定してイオンが発生できることになる。

このような安定したイオン発生を得るためには、イオン生成速度ｑの評価が重要であるが、これを理論的に求めることは困難である。従って、従来では汎用電源を使用して、適当に上述の素子状の電極に印加する電圧、周波数などを決定していた。例えば、特許文献４〜８では高電圧の連続波を印加しており、例えば、特許文献４では交流の電圧２．５ｋＶ_p-p、周波数５０ｋＨｚ、特許文献５では電圧１．９〜３．２５ｋＶ_p-p、周波数５ｋＨｚ、特許文献６では電圧２．６〜６．７ｋＶ_p-p、周波数４０ｋＨｚ、特許文献７では周波数１００〜９００Ｈｚ、特許文献８では電圧２〜４ｋＶ_p-p、周波数４０ｋＨｚ、であった。これらは必ずしも安定したイオン発生を得ることはできなかった。

素子状の電極を用いたイオン発生素子におけるもう一つ問題点は、高周波高電圧を印加した場合、沿面放電によってオゾンが生成されるという点である。即ち、電極の沿面におけるプラズマ反応で空気中の酸素が原子状酸素と結合し、オゾンが生成されることである。空気中のオゾン濃度の上限値としては、作業空間において１００ｐｐｂ以下（産業衛生学会許容濃度委員会：１９８５年）が許容濃度とされており、湿度条件やその他の動作条件により、許容濃度の半分である５０ｐｐｂが推奨値である。従来では、上記の連続波と異なり、よりオゾン生成が少ない、間欠波やパルス波の高電圧を用いてオゾン濃度の低減を試みていた（特許文献９〜１２）。しかしながら、パルスの場合は一般にＤＣバイアス成分が印加された電源を用いるために、少なくとも正負それぞれの極性のイオンを別々に発生させるためにそれぞれ１個の電源が必要となり、装置の小型化が困難であり、また、イオンバランスの制御が困難であった。即ち、式（１）の条件が空間的に均一で無いために安定したイオンバランスの確保が困難であった。一部特許文献１２のように、１００ｋＨｚの正弦波を６０Ｈｚ程度に間引くことで、正負の極性のイオンを同時に発生させている例もあるが、その値は必ずしも安定したイオン発生に適したものでは無かった。

一方、板状のイオン発生素子をファンなどの気流発生機構と組み合わせて除電器として利用する場合では、除電性能の向上が求められている。除電器に対する国際規格であるＥＯＳ／ＥＳＤ規格においては、大きさが１５０ｍｍ×１５０ｍｍのプレートモニタ（金属板）を帯電させ、その電位が１０００Ｖから１００Ｖまで除電されるのに必要とする時間を除電特性時間ｔ_nと決められている。工業的には、３０ｃｍ離れた地点において、ｔ_nが２秒以下となる程度の除電速度が望ましく、これは７．５ｃｍ／秒程度の速度で作動するベルトコンベア状の物体を連続的に除電できることになる。ここで、除電特性時間は、イオン濃度とイオン流速の関数として、式（２）で与えられることが知られている（例えば、J. M. Crowley, D. Leri, G. Dahlhoff and L. Vevit, J. Electrostatics., 61 p. 71-83 (2004)中に記載されている式（４）において、イオン電流が電場に依存しないと簡略化すれば、 式（２）が成り立つ。）。

Ｃ：除電対象物の静電容量
ΔＶ：除電対象物の電位差
ｕ：イオンの速度
Ａ：除電対象物の面積
ｅ：素電荷（＝１．６×１０^-19）

従来の板状のイオン発生素子では、そのほとんどが物体表面の除電を目的としたものでは無いために、イオン発生条件が最適化されていなかった。従って、式（２）のｔ_nが２秒以下となるような高速の除電性能を得ることが困難であった。
特開平４−９４０９９ 再公表特許 国際公開番号ＷＯ２００４／１０９８７５ 特開２００４−２３４９７２ 特開平８−８２９８０ 特開２００２−３６５８８７ 特開２００４−１０３２５７ 特開２００５−３２８９０４ 特開２００６−２２２０１９ 特開２００３−２４９３２７ 特開２００６−５９７１１ 特開２００６−１９６２９１ 特開２００６−２６０９６３

本発明者らは、先に特願２００６−１９３６９７等の技術を提案した。この先提案技術である微細電極素子を用いたイオン発生器及び除電器について更に研究を続けた結果、イオン生成がより効率的となり、かつ副生成物であるオゾン濃度を低減させ、さらに除電器として迅速な除電性能を得るための、電圧、周波数を気流流量の最適な範囲を求め、イオン発生器ならびに除電器の高性能化をより進める必要が生じた。

そこで、本発明の第１の課題は、電極や電源に若干の変化が生じても、安定したイオン発生が得られ、かつ、オゾン濃度が許容濃度である５０ｐｐｂを下回るための電圧、周波数の条件を満たし、しかも環境温度・湿度の影響を受けずに十分なイオン濃度が得られるイオン発生器を提供することである。また、このようなイオン発生器を気流発生機構と組み合わせたファン型除電器において、除電特性時間が２秒以下の高性能除電器を提供することが第２の課題である。

上記課題を解決するための本発明は、下記構成を有する。
１．誘電体と、該誘電体表面に配設されている微細な突起を有する放電電極と、前記誘電体の裏面に配設される誘電電極とを有するイオン発生器において、
前記放電電極に正弦波の交流高電圧を印加し、前記誘電電極との間で電位差を設けることにより、前記誘電体の表面でプラズマが形成され、空気の電離により正イオン、負イオン及びオゾンが生成される構成のイオン素子と、
前記放電電極に対して気流を発生させるファンと
を有するファン型イオン発生器であって、
ピーク間電圧が３．５ｋＶ以上、７ｋＶ以下であって、周波数ｆが下記式（７）を満たし、且つ電圧Ｖと周波数ｆとの関係が下記式（１０）を満たし、副生物であるオゾン濃度を低減させ、しかも十分なイオン濃度が得られる構成であることを特徴とするファン型イオン発生器。

［式中、Ｃ_ion：正または負のイオン濃度、Ｃ^S _ion：平衡イオン濃度、Ｋ_ion：消失係数、Ｃ_O3：オゾン濃度を各々表す。］

２．更に、気流速度ｕとするとき、前記放電電極から３００ｍｍ離れた位置において、下記式（１１）を満たすように設計されていることを特徴とする請求項１に記載のファン型イオン発生器。

［式中、ｔ_n：除電特性時間を表す。］

３．前記１又は２に記載のファン型イオン発生器によって除電する構成であることを特徴とするファン型除電器。

上記１に記した発明によれば、微細電極を有するイオン発生器において、電極や電源の変化、環境温度・湿度の変化の影響を受け難く、十分な濃度のイオン発生が得られ、かつオゾン濃度が許容値以下となるような、ピーク間電圧ならびに周波数の最適な範囲内での運転が可能となるために、安全性を確保したまま、十分なイオン発生器の性能を得ることができる。

さらに上記２に記した発明によれば．生成するイオンを気流によって搬送する際に、多少の外乱要因によってもイオンバランスが安定したイオン発生器を供給することが可能となる。

また、上記３に記した発明によれば、該イオン発生器から発生するイオンを帯電した対象物に照射することによって、十分な除電性能を有する除電器として用いることができる。

尚、以下の説明では、便宜上、本発明のイオン発生器を第１発明と呼び、そのイオン発生器を用いた除電器を第２発明と呼ぶ。

まず、第１発明について、添付図面を参照しながら説明する。図１は本発明のイオン発生器である。本発明に係るイオン発生器１０は、放電電極１、誘電体２、誘導電極３及び電源４によって構成されており、誘電体２の表面には放電電極１を、裏面には誘導電極３を微細加工により形成されている。電圧リード線５、６を介して放電電極１に正弦波の交流高電圧を印加し、誘導電極３との間で電位差を設けることにより、誘電体２の表面でプラズマが形成され、空気の電離により正イオン７、負イオン８ならびにオゾン９が生成される。

イオン発生素子１０の詳細は、図２に示すように放電電極接点１１及び誘導電極接点１２により、確実に電源を接続できるようになっている。また、放電電極１には微細な突起が誘導電極３の投影線と重ならない程度に間隔を空けて配設されており、プラズマの形成を局所的にするような工夫がなされている。

図３は、イオン濃度を計測するためのシステムを示している。図２のイオン発生素子１０をリング状に加工して箱形のケース１３に格納し、ファン１４を設置することでイオン発生器とした。電源には周波数と電圧を任意に設定できる電源４を用い、これらのパラメータを変化させてイオンを発生、輸送した。イオン濃度の測定には、図３に示したように、イオン発生器の中心から３００ｍｍ離れた場所に置かれたイオンカウンタを用いた。
外筒部に、３０Ｖ程度の直流電圧を印加することでイオンを静電反発させ、中心電極と接続された微小電流計によって計測された電流値から、次式（３）を用いてイオン濃度を求めた。

Ｉ_ion：イオン電流値
Ｑ：流量

そのようにして計測されたイオン濃度を放電電極に印加したピーク間電圧Ｖ_p-pが３〜７ｋＶの範囲において、周波数に対してプロットした結果を図４に示した。印加する電圧に依存して、イオン濃度は周波数に対して増大し、ある特定の周波数以上では一定の値をとることが実験的に示された。ここで、一定となるイオン濃度を各電圧における平衡イオン濃度とすると、電圧が高いほど平衡イオン濃度は大きく、また電圧が高いほど平衡イオン濃度に到達する周波数は低いことが分かった。このような現象は、即ち、式（１）で示したイオン生成速度と正負イオンの再結合による消失速度のバランスが関与している。

式（１）の右辺第２項で示されるイオンの再結合は、指数関数的に減衰することが知られている（ＪＩＳ Ｂ９９２９：２００６：附属書４）。そこで、平衡イオン濃度をＣ_ion ^sとすれば、イオン濃度は周波数の関数として、次式（４）で近似的に表される。

Ｋ_ion：消失係数
ｆ：周波数

式（４）を用いて、図４の実験結果をフィッティングすると、平衡イオン濃度と消失係数に対して、表１の値が得られた。

図４の結果より、式（４）を用いた計算線は本実験の範囲において、いかなる電圧においても実験値と良く一致していることから、式（４）はイオン濃度の周波数特性を適切に表していることが確認できる。ここで、さらに表１の平衡イオン濃度Ｃ_ion ^S [ｃｍ^-3]と、消失係数Ｋ_ion [−]は、ピーク間電圧の関数として以下の実験式（５）、（６）で近似できる（図５、６）。

ここで、ピーク間電圧が３ｋＶ以下においては、例えば２．９ｋＶでは、イオン濃度が平衡値に到達しなかった。また、後述の除電への応用においては、８×１０⁵個／ｃｍ³以上のイオン濃度が必要となる。従って、まず次式（７）を満たす最小の周波数を最小周波数ｆ_minと定義し、この値を求めると表２の通りであった。

上表の範囲内では、十分なイオン発生を得ることができるが、平衡イオン濃度に満たない条件下では、周波数や電圧のバラツキや、素子の劣化などの外乱要因によりイオン濃度が大きく変化するため、安定したイオン発生が得られない。従って、以下の表３に示す平衡周波数ｆ^s[Ｈｚ]（平衡イオン濃度の９９％となる周波数）以上の条件で操作を行うこ
とが好ましい。

次に、図３のシステムを用いて、オゾン濃度を周波数の関数として測定した結果を図７に示す。オゾン濃度Ｃ_O3[ｐｐｂ]は、０．１ｐｐｍ以下の低濃度域であればイオン濃度のように再結合による消失が無いために、単純に周波数ｆに比例して、以下の式で与えられる。

ここで、係数Ｋ_O3は印加電圧Ｖ_p-pの関数で、本発明の電極形態及び実験範囲においては、以下の式（９）の関係を実験的に求められた。

図７に、上式で得られた計算値と実験値の比較を示すように、本実験の範囲内におけるいかなる電圧、周波数においても両者は良く一致しており、式（８）、（９）がオゾン濃度の周波数特性を良く表していることが分かる。

以上より、作業環境［イオン発生部（放電電極）から３００ｍｍ］においての規制値０．０５ｐｐｍ（５０ｐｐｂ）を許容できる電圧Ｖと周波数ｆの関係は以下の式（１０）で与えられる。

上式の関係から、各電圧における許容限界値の最大周波数ｆ_maxを、以下の表にまとめた。

以上より、表５に各電圧における最小周波数、平衡周波数、最大周波数をまとめる。また、これらの範囲を本発明の範囲として、図８に図示する。ピーク間電圧が３．０ｋＶ未満では、平衡イオン濃度に到達せず、さらに、周波数が非常に高くなることから実用的ではない。電圧が７ｋＶを超えると、直ちにオゾン濃度が許容値を超えてしまうため、実用的でない。また周波数が低いため、正負イオン濃度の時間的な揺らぎが問題となる。従って、第１発明の範囲は、湿度の影響を受けないものと仮定すれば、ピーク間電圧が３．０ｋＶ以上、７ｋＶ以下であって、周波数が式（７）と（１０）を満たす範囲であり、さらに好ましくは平衡イオン濃度となる周波数範囲である。

次に、第２発明の形態について図を用いて説明する。図３に示したイオン発生器はファンと板状のイオン発生素子１０、電源４で構成されるものであり、除電器として用いることが可能である。具体的には、図９のようなリング状素子を筒状ケース４に格納した構造を有する除電器が最も良い特性を示す。

除電器の操作条件を決定するために、式（２）に標準的なチャージプレートモニタを用いた除電の条件として、Ｃ＝２０ｐＦ、ＤＶ＝９００Ｖ（＝１０００Ｖ−１００Ｖ）、Ａ＝２２５ｃｍ²（＝１５×１５ｃｍ）を代入すれば、以下の式（１１）となる。

ファン型除電器に取り付けられる標準的なファンの平均流速は最大でも３００ｃｍ／ｓ程度であり、気流のみでｔ_nを２秒以下とするためには、上式（１１）より、０．８×１０⁶[ｃｍ^-3]以上のイオン濃度が必要であることが分かる。これは、上述した最小周波数におけるイオン濃度の値と一致する。

イオン発生における外乱要因として湿度の影響が挙げられる。特にイオン生成の下限値を決定するに際して、イオン濃度に対する湿度の影響を検討したところ、表６に示すような結果とった。

表６によれば、比較例である印加電圧３ｋＶｐｐにおいては、低湿度（Ｒｈ１０％）においては設定値である０．８×１０⁶[ｃｍ^-3]以上のイオン濃度がほぼ得られているが、５０％以上の高湿度下では、イオン濃度が減少する。また、もう一つの比較例である印加電圧３．３ｋＶにおいても、一部高湿度下において設定値を下回るイオン濃度が見られた。一方、本発明の範囲である３．５ｋＶｐｐでは、１０〜７０％のいかなる湿度範囲においても十分なイオン濃度が得られている。

本発明のイオン発生器の構成図 本発明のイオン発生素子の構造図 イオン濃度、オゾン濃度を計測するシステムの説明図 イオン濃度の周波数特性を示すグラフ 平衡イオン濃度の電圧依存性を示すグラフ 消失係数の電圧依存性を示すグラフ オゾン濃度の周波数特性を示すグラフ 本発明のイオン濃度に対する湿度の影響を考慮する前の電圧範囲（斜線）を示すグラフ 除電器へのイオン発生素子の取り付けを示す構成図であって、（Ａ）が組立斜視図、（Ｂ）が分解斜視図 本発明のイオン濃度に対する湿度の影響を考慮する前のイオン濃度範囲を示すグラフ

Claims (3)

1. 誘電体と、該誘電体表面に配設されている微細な突起を有する放電電極と、前記誘電体の裏面に配設される誘電電極とを有するイオン発生器において、
   前記放電電極に正弦波の交流高電圧を印加し、前記誘電電極との間で電位差を設けることにより、前記誘電体の表面でプラズマが形成され、空気の電離により正イオン、負イオン及びオゾンが生成される構成のイオン素子と、
   前記放電電極に対して気流を発生させるファンと
   を有するファン型イオン発生器であって、
   ピーク間電圧が３．５ｋＶ以上、７ｋＶ以下であって、周波数ｆが下記式（７）を満たし、且つ電圧Ｖと周波数ｆとの関係が下記式（１０）を満たし、副生物であるオゾン濃度を低減させ、しかも十分なイオン濃度が得られる構成であることを特徴とするファン型イオン発生器。
   

   

   

   ［式中、Ｃ_ion：正または負のイオン濃度、Ｃ^S _ion：平衡イオン濃度、Ｋ_ion：消失係数、Ｃ_O3：オゾン濃度を各々表す。］
   
2. 更に、気流速度ｕとするとき、前記放電電極から３００ｍｍ離れた位置において、下記式（１１）を満たすように設計されていることを特徴とする請求項１に記載のファン型イオン発生器。
   

   

   ［式中、ｔ_n：除電特性時間を表す。］
   
3. 請求項１又は２に記載のファン型イオン発生器によって除電する構成であることを特徴とするファン型除電器。

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