JP6155342B2

JP6155342B2 - イオン発生装置および電気機器

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Publication number: JP6155342B2
Application number: JP2015540423A
Authority: JP
Inventors: 西田　弘; 弘西田; 晃一伊豆; 大江　信之; 信之大江
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2013-10-02
Filing date: 2014-08-26
Publication date: 2017-06-28
Anticipated expiration: 2034-08-26
Also published as: CN105474484B; US20160218490A1; CN106953237A; JP6411581B2; WO2015049933A1; US10096977B2; JPWO2015049933A1; JP2017162841A; CN105474484A

Description

この発明は、イオン発生装置およびそれを用いた電気機器に関し、特に、誘導電極および針電極を備え、イオンを発生するイオン発生装置と、それを用いた電気機器とに関する。

イオン発生装置は、基板と誘導電極と針電極とを備える。誘導電極は、環状に形成され、基板上に搭載される。針電極の基端部は基板に設けられ、その先端部は誘導電極の中央部に配置される。針電極および誘導電極の間に高電圧を印加すると、針電極の先端部でコロナ放電が発生し、イオンが発生する。発生したイオンは、送風機によって室内に送出され、空気中に浮遊するカビ菌やウィルスを取り囲み、それらを分解する（たとえば、特開２０１０−０４４９１７号公報（特許文献１）参照）。

特開２０１０−０４４９１７号公報

しかしながら、従来のイオン発生装置では、針電極および誘導電極を１枚の基板の表面に搭載している。このため、基板の表面に塵埃が堆積した状態でイオン発生装置が高湿度環境下に置かれると、吸湿した塵埃を介して針電極および誘導電極の間に電流がリークし、イオン発生量が低下する恐れがある。

また、誘導電極を板状の金属で形成しているため小型化が難しく、イオン発生装置全体の小型化が達成できない。このため、携帯用の小型電気機器にイオン発生装置を搭載することが難しい。

それゆえに、この発明の主たる目的は、高湿度環境下でも安定にイオンを発生することが可能で、小型電気機器にも搭載可能なイオン発生装置と、それを用いた電気機器とを提供することである。

この発明の１つの局面に従ったイオン発生装置は、誘導電極および針電極を備え、空気中でイオンを発生するイオン発生装置である。イオン発生装置は、孔が開けられた第１の基板と、第１の基板の一方側の表面に対向して設けられた第２の基板とを備える。誘導電極は、第１の基板の孔の周りに設けられ、その基本形状の一部が省略された形状を有する。針電極の基端部は第２の基板に設けられ、その先端部は孔に挿入されている。誘導電極の基本形状は、第１の基板の孔の周りに環状に延在する形状である。基本形状の一部と、それに対応する第１の基板の一部とが省略されている。
この発明の別の局面に従ったイオン発生装置は、誘導電極および針電極を備え、イオンを発生するイオン発生装置であって、孔が開けられた第１の基板と、第１の基板の一方側の表面に対向して設けられた第２の基板とを備えたものである。誘導電極は、第１の基板の孔の周りに設けられる。針電極の基端部は第２の基板に設けられ、その先端部は孔に挿入されている。したがって、誘導電極および針電極をそれぞれ第１の基板および第２の基板に別々に設けたので、第１の基板および第２の基板上に塵埃が堆積した状態で高湿度環境下に置かれた場合でも、針電極および誘導電極の間に電流がリークするのを防止することができ、イオンを安定に発生することができる。

また、イオン発生装置全体の小型化を一層可能にするために誘導電極の一部を省略することで、第１の基板の寸法をギリギリまで小型化し、イオン発生装置全体の小型化を行う。

さらに、第１の基板および第２の基板を絶縁性樹脂で覆うので、第１の基板および第２の基板上に塵埃が堆積するのを防止することができる。さらに、針電極および誘導電極の間に電流がリークするのをより効果的に防止することができる。

また、針電極の先端部は、絶縁性樹脂から突出している。この場合は、塵埃が針電極周辺に溜まった場合でも、針電極の先端部が塵埃に埋もれて針電極の放電が妨げられるのを防止することができる。また、針電極の先端部に塵埃が付着した場合であっても、針電極の先端部に送風しながら針電極に高電圧を印加することにより、針電極から塵埃を弾き飛ばすことができる。

また好ましくは、誘導電極は、第１の基板の孔の周りに環状に形成された基本形状に対して、その一部が省略された形状を有する。

また好ましくは、第１の基板はプリント基板であり、誘導電極はプリント基板の配線層によって形成されている。この場合は、誘導電極を低コストで形成することができ、イオン発生装置の低コスト化を図ることができる。

また、この発明に係る電気機器は、上記イオン発生装置と、イオン発生装置で発生したイオンを送出するための送風部とを備えたものである。

この発明に係るイオン発生装置では、誘導電極および針電極をそれぞれ第１の基板および第２の基板に別々に設けたので、第１の基板および第２の基板上に塵埃が堆積した状態で高湿度環境下に置かれた場合でも、針電極および誘導電極の間に電流がリークするのを防止することができ、イオンを安定に発生することができる。

この発明の一実施の形態によるイオン発生装置の外観を示す斜視図である。図１に示したイオン発生装置の外観を示す平面図である。図１に示したイオン発生装置の外観を示す側面図である。図１に示したイオン発生装置の外観を示す底面図である。図２に示したイオン発生装置から絶縁性樹脂を外した状態を示す内部構造図である。図３に示したイオン発生装置の内部構造を示す断面図である。この発明の実施の形態におけるイオン発生装置の構成を示す回路図である。この発明の実施の形態におけるイオン発生装置の誘導電極の形成方法を示す図である。この発明の実施の形態におけるイオン発生装置の誘導電極形状とイオン発生量との関係を示す図である。この発明の実施の形態におけるイオン発生装置の誘導電極の試作形状を示す図である。この発明の実施の形態におけるイオン発生装置の誘導電極の試作形状を示す別の図である。この発明の実施の形態におけるイオン発生装置の誘導電極の試作形状を示すさらに別の図である。この発明の実施の形態におけるイオン発生装置の誘導電極の試作形状を示すさらに別の図である。図１に示したイオン発生装置を用いた空気清浄機の構成を示す断面図である。

（実施の形態１）
本発明の一実施の形態によるイオン発生装置は、図１〜図６に示すように、正イオンを発生するための針電極１と、負イオンを発生するための針電極２と、針電極１との間に電界を形成するための環状の誘導電極３と、針電極２との間に電界を形成するための環状の誘導電極４と、２枚の長方形状の基板５，６とを備える。

基板５，６は、所定の間隔を開けて、図１中の上下に平行に配置されている。誘導電極３は、基板５の長手方向の一方端の表面に、基板５の配線層を用いて形成されている。誘導電極３の内側には、基板５を貫通する孔５ａが開口されている。また、誘導電極４は、基板５の長手方向の他方端部の表面に、基板５の配線層を用いて形成されている。誘導電極４の内側には、基板５を貫通する孔５ｂが開口されている。誘導電極３および誘導電極４は、基板５の各々の外側において一部を切除して省略されている。

針電極１，２の各々は、基板５，６に対して直角に設けられている。すなわち、針電極１の基端部は基板６の孔に挿嵌されており、その先端部は基板５の孔５ａの中心を貫通している。また、針電極２の基端部は基板６の孔に挿嵌されており、その先端部は基板５の孔５ｂの中心を貫通している。針電極１，２の各々の基端部は、半田によって基板５に固定されている。針電極１，２の各々の先端部は、鋭く尖っている。

また、このイオン発生装置は、基板５，６よりも若干大きな長方形の開口部を有する直方体状の筐体１０と、筐体１０の開口部を閉じる絶縁性樹脂１１と、回路基板１２と、回路部品１３と、トランス１４とを備える。

筐体１０は、絶縁性の樹脂で形成されている。筐体１０の下部は上部よりも若干小さく形成されており、船の底のような形状となっている。トランス１４は、基板５および基板６の一方側の内側に収容されている。回路基板１２は、トランス１４を挟んで基板５および基板６の反対側に設けられている。回路部品１３は、回路基板１２に搭載されている。

基板５，６は、筐体１０の一方の端側に収容されている。筺体１０の他の端側には電力供給を行うためのコネクタ１５が外部に突出して設けられる。コネクタ１５と回路基板１２とトランス１４と基板５，６とが配線によって電気的に接続されている。筐体１０内の高電圧部には、絶縁性樹脂１１が充填されている。絶縁性樹脂１１は、基板６の下面まで充填されている。本実施の形態では、トランス１４の１次側に接続されている回路部品１３は絶縁性樹脂１１によって絶縁する必要がないが、作業上の理由から、筺体内部の空間は絶縁性樹脂１１を充填している。

絶縁性樹脂１１は、基板５の外側表面を覆うように塗布されるが、針電極１，２の先端部は絶縁性樹脂１１の上に５ｍｍ程度突出している。針電極１，２が絶縁性樹脂１１から突出する長さは、特に限定されるものではないが、針電極に印加される高圧電気の電圧や発生するイオンの量から適切な長さが決定される。

図７は、イオン発生装置の構成を示す回路図である。図７において、イオン発生装置は、針電極１，２および誘導電極３，４の他に、電源端子Ｔ１、接地端子Ｔ２、ダイオード２０，２４，２８，３２，３３、抵抗素子２１〜２３，２５、ＮＰＮバイポーラトランジスタ２６、昇圧トランス２７，３１、コンデンサ２９、および２端子サイリスタ３０を備える。図７の回路のうちの針電極１，２および誘導電極３，４以外の部分は、図３では回路基板１２、回路部品１３、およびトランス１４などで構成されている。

電源端子Ｔ１および接地端子Ｔ２には、それぞれ、直流電源の正極および負極が接続される。電源端子Ｔ１には、直流電源電圧（たとえば、＋１２Ｖまたは＋１５Ｖ）が印加され、接地端子Ｔ２は接地される。ダイオード２０および抵抗素子２１〜２３は、電源端子Ｔ１とトランジスタ２６のベースとの間に直列接続される。トランジスタ２６のエミッタは、接地端子Ｔ２に接続される。ダイオード２４は、接地端子Ｔ２とトランジスタ２６のベースとの間に接続される。

ダイオード２０は、直流電源の正極および負極が端子Ｔ１，Ｔ２に逆に接続された場合に電流を遮断して直流電源を保護するための素子である。抵抗素子２１，２２は、昇圧動作を制限するための素子である。抵抗素子２３は、起動抵抗素子である。ダイオード２４は、トランジスタ２６の逆耐圧保護素子として動作する。

昇圧トランス２７は、１次巻線２７ａ、ベース巻線２７ｂ、および２次巻線２７ｃを含む。１次巻線２７ａの一方端子は、抵抗素子２２，２３間のノードＮ２２に接続され、その他方端子は、トランジスタ２６のコレクタに接続される。ベース巻線２７ｂの一方端子は、抵抗素子２５を介してトランジスタ２６のベースに接続され、その他方端子は、接地端子Ｔ２に接続される。２次巻線２７ｃの一方端子は、トランジスタ２６のベースに接続され、その他方端子は、ダイオード２８およびコンデンサ２９を介して接地端子Ｔ２に接続される。

昇圧トランス３１は、１次巻線３１ａおよび２次巻線３１ｂを含む。２端子サイリスタ３０は、ダイオード２８のカソードと１次巻線３１ａの一方端子との間に接続される。１次巻線３１ａの他方端子は、接地端子Ｔ２に接続される。２次巻線３１ｂの一方端子は、誘導電極３，４に接続され、その他方端子は、ダイオード３２のアノードおよびダイオード３３のカソードに接続される。ダイオード３２のカソードは、針電極１の基端部に接続され、ダイオード３３のアノードは、針電極２の基端部に接続される。

抵抗素子２５は、ベース電流を制限するための素子である。２端子サイリスタ３０は、端子間電圧がブレークオーバー電圧に到達すると導通状態になり、電流が最小保持電流以下になると非導通になる素子である。

次に、このイオン発生装置の動作について説明する。コンデンサ２９は、ＲＣＣ方式スイッチング電源動作により充電される。すなわち、電源端子Ｔ１および接地端子Ｔ２間に直流電源電圧が印加されると、電源端子Ｔ１からダイオード２０および抵抗素子２１〜２３を介してトランジスタ２６のベースに電流が流れてトランジスタ２６が導通状態となる。これにより、昇圧トランス２７の１次巻線２７ａに電流が流れ、ベース巻線２７ｂの端子間に電圧が発生する。

ベース巻線２７ｂの巻線方向は、トランジスタ２６が導通状態になるとトランジスタ２６のベース電圧をさらに上昇させるように設定されている。このため、ベース巻線２７ｂの端子間に発生した電圧は正帰還状態でトランジスタ２６の導通抵抗値を低下させる。このとき、ダイオード２８によって通電が阻止されるように、２次巻線２７ｃの巻線方向が設定されており、２次巻線２７ｃには電流が流れない。

このようにして１次巻線２７ａおよびトランジスタ２６に流れる電流が増加し続けることにより、トランジスタ２６のコレクタ電圧は飽和領域から外れて上昇する。これにより、１次巻線２７ａの端子間電圧が低下してベース巻線２７ｂの端子間電圧も低下し、トランジスタ２６のコレクタ電圧はさらに上昇する。このため、正帰還状態で動作して急速にトランジスタ２６が非導通状態になる。このとき、２次巻線２７ｃは、ダイオード２８の導通方向に電圧を発生する。これにより、コンデンサ２９が充電される。

コンデンサ２９の端子間電圧が上昇して２端子サイリスタ３０のブレークオーバー電圧に到達すると、２端子サイリスタ３０はツェナーダイオードのように動作してさらに電流を流す。２端子サイリスタ３０に流れる電流がブレークオーバー電流に到達すると、２端子サイリスタ３０は略短絡状態となり、コンデンサ２９に充電された電荷が２端子サイリスタ３０および昇圧トランス３１の１次巻線３１ａを介して放電され、１次巻線３１ａにはインパルス電圧が発生する。

１次巻線３１ａにインパルス電圧が発生すると、２次巻線３１ｂに正および負の高電圧パルスが交互に減衰しながら発生する。正の高電圧パルスはダイオード３２を介して針電極１に印加され、負の高電圧パルスはダイオード３３を介して針電極２に印加される。これにより、針電極１，２の先端でコロナ放電が発生し、それぞれ正イオンおよび負イオンが発生する。

一方、昇圧トランス２７の２次巻線２７ｃに電流が流れると、１次巻線２７ａの端子間電圧が上昇して再度トランジスタ２６が導通し、以上の動作が繰り返される。この動作の繰り返し速度は、トランジスタ２６のベースに流れる電流が大きいほど速くなる。したがって、抵抗素子２１の抵抗値を調整することにより、トランジスタ２６のベースに流れる電流を調整し、ひいては針電極１，２の放電回数を調整することができる。

本実施の形態においては、針電極１には正の高圧電気、針電極２には負の高圧電気が印加されるように構成してあり、針電極１からは正イオン、針電極２からは負イオンが発生する。

本実施の形態においては、針電極１および針電極２に印加される高電圧を調整してあり、特定のイオンが発生するように構成されている。ここにおいて、正イオンは、水素イオン（Ｈ^＋）の周囲に複数の水分子が付随したクラスターイオンであり、Ｈ^＋（Ｈ_２Ｏ）ｍ（ただし、ｍは任意の自然数である）と表わされる。また負イオンは、酸素イオン（Ｏ_２ ⁻）の周囲に複数の水分子が付随したクラスターイオンであり、Ｏ_２ ⁻（Ｈ_２Ｏ）ｎ（ただし、ｎは任意の自然数である）と表わされる。

正イオンおよび負イオンを室内に放出すると、両イオンが空気中を浮遊するカビ菌やウィルスの周りを取り囲み、その表面に付着して表面上で結合して化学反応を起こす。その際に生成される活性種の水酸化ラジカル（・ＯＨ）および過酸化水素Ｈ_２Ｏ_２の作用により、浮遊カビ菌などが殺菌される。

本実施の形態においては、誘導電極３および誘導電極４の一部が省略される。同時に基板５の一部も切除されるので、基板５の長手方向の寸法が短縮される。図８に誘導電極の形状の定義を示す。誘導電極は、針電極を中心とする円状に形成されており、その一部が省略されて針電極を中心とする扇形に形成される。図８中では、針電極を中心に誘導電極の一部を省略した残りの部分の両端が中心と成す開き角度を基準に形状を表現する。開き角度が０°（度）であれば、誘導電極のすべてが省略され、開き角度が３６０°（度）であれば完全なリングを形成していることになる。なお、開き角度は、針電極を中心として上下方向対象が好ましいが、大きくバランスが異ならない範囲で変更可能である。

次に、扇形状の誘導電極の開き角度と発生するイオンの量との関係を図９に示す。開き角度が２０°の時のイオン発生量は、開き角度３６０°の時の約６５％であり、開き角度９０°の時には約８０％となり、開き角度１８０°の時には約９０％となっている。この結果から開き角度は２０°以上３６０°以下とすることが出来る。さらに好ましくは、９０°以上３６０°以下であり、最も好ましくは１８０°以上３６０°以下とすることができる。

図１０には、誘導電極の試作品について示す。図１０Ａには、開き角度３６０°の時の誘導電極の試作形状を示し、図１０Ｂには、開き角度１８０°の時の誘導電極の試作形状を示し、図１０Ｃには、開き角度９０°の時の誘導電極の試作形状を示し、図１０Ｄには、開き角度２０°の時の誘導電極の試作形状を示す。

図１１は、図１に示したイオン発生装置を用いた空気清浄機の構成を示す断面図である。図１１において、この空気清浄機では、本体４０の下部の背面に吸込口４０ａが設けられ、本体４０の上部の背面および前面にそれぞれ吹出口４０ｂ，４０ｃが設けられている。また、本体４０の内部にはダクト４１が設けられており、ダクト４１の下端の開口部は吸込口４０ａに対向して設けられ、ダクト４１の上端は吹出口４０ｂ，４０ｃに接続されている。

ダクト４１の下端の開口部にはクロスフローファン４２が設けられ、ダクト４１の中央部にはイオン発生装置４３が設けられている。イオン発生装置４３は、図１で示したものである。イオン発生装置４３の本体はダクト４１の外壁面に固定され、その針電極１，２はダクト４１の壁を貫通してダクト４１内に突出している。２本の針電極１，２は、ダクト４１内の空気が流れる方向と直交する向きに配列されている。

また、吸込口４０ａには樹脂製の格子状のグリル４４が設けられており、グリル４４の内側に網目状の薄いフィルタ４５が貼り付けられている。フィルタ４５の奥にはクロスフローファン４２に異物やユーザーの指が入り込まないようにファンガード４６が設けられている。

クロスフローファン４２が回転駆動されると、室内の空気は吸込口４０ａを介してダクト４１内に吸込まれる。吸込まれた空気に含まれるカビ菌などは、イオン発生装置４３によって生成されたイオンによって殺菌される。イオン発生装置４３を通過した清浄な空気は、吹出口４０ｂ，４０ｃを介して室内に放出される。

この実施の形態では、誘導電極３，４を基板５に搭載し、針電極１，２を基板６に搭載したので、イオン発生装置が高湿度環境下に置かれた場合でも、針電極１，２と誘導電極３，４の間に電流がリークするのを防止することができ、イオンを安定に発生することができる。

また、基板５，６を絶縁性樹脂１１で覆うので、基板５，６上に塵埃が堆積するのを防止することができる。

また、針電極１，２の先端部は、絶縁性樹脂１１の上に突出しているので、塵埃が開口部付近に溜まった場合でも、針電極１，２の先端部が塵埃に埋もれて針電極１，２の放電が妨げられるのを防止することができる。また、針電極１，２の先端部に塵埃が付着した場合であっても、針電極１，２の先端部に送風しながら針電極１，２に高電圧を印加することにより、針電極１，２から塵埃を弾き飛ばすことができる。

また、基板５の配線層を用いて誘導電極３，４を形成したので、誘導電極３，４を低コストで形成することができ、イオン発生装置の低コスト化を図ることができる。

（実施の形態２）
実施の形態１では誘導電極の基本形状を円形とし、その一部を省略して形成したが、基本形状は、六角形以上の多角形であれば機能的には円形と同等に扱える。また、三角形や四角形であっても、その設置の仕方によっては本実施形態と似た形状とすることも可能である。たとえば、針電極の位置を対象軸として上下対称になるように設置した場合であり、同じく実用できるものと考える。

（実施の形態３）
実施の形態１では、針電極１，２の先端を絶縁性樹脂１１の上に突出させたが、針電極１，２の先端を絶縁性樹脂１１の上面よりも低くしてもよい。

（実施の形態４）
実施の形態１では、基板５の配線層を用いて誘導電極３，４を形成したが、誘導電極３，４の各々を金属板で形成してもよい。また、誘導電極３，４の各々は、環状でなくてもかまわない。

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請求の範囲によって示され、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。

１，２針電極、３，４誘導電極、５，６基板、５ａ，５ｂ孔、１０筐体、１１絶縁性樹脂、１２回路基板、１３回路部品、１４トランス、１５コネクタ、Ｔ１電源端子、Ｔ２接地端子、２０，２４，２８，３２，３３ダイオード、２１〜２３，２５抵抗素子、２６ＮＰＮバイポーラトランジスタ、２７，３１昇圧トランス、２７ａ，３１ａ１次巻線、２７ｂベース巻線、２７ｃ，３１ｂ２次巻線、２９コンデンサ、３０２端子サイリスタ、４０本体、４０ａ吸込口、４０ｂ，４０ｃ吹出口、４１ダクト、４２クロスフローファン、４３イオン発生装置、４４グリル、４５フィルタ、４６ファンガード。

Claims

誘導電極および針電極を備え、空気中でイオンを発生するイオン発生装置であって、
孔が開けられた第１の基板と、
前記第１の基板の一方側の表面に対向して設けられた第２の基板とを備え、
前記誘導電極は、前記第１の基板の前記孔の周りに設けられ、その基本形状の一部が省略された形状を有し、
前記針電極の基端部は前記第２の基板に設けられ、その先端部は前記孔に挿入されており、
前記誘導電極の前記基本形状は、前記第１の基板の前記孔の周りに環状に延在する形状であり、
前記基本形状の一部と、それに対応する前記第１の基板の一部とが省略されている、イオン発生装置。
前記第１の基板および前記第２の基板を収納し、一面が開口となっている筺体と、
前記第１の基板および前記第２の基板を覆うとともに、前記開口を封止する絶縁性樹脂とをさらに備える、請求項１に記載のイオン発生装置。
前記針電極の先端部は、前記絶縁性樹脂から突出している、請求項２に記載のイオン発生装置。
前記第１の基板は、プリント基板であり、
前記誘導電極は、前記プリント基板の配線層によって形成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載のイオン発生装置。
請求項１から４のいずれか１項に記載のイオン発生装置と、
前記イオン発生装置で発生したイオンを送出するための送風部とを備える、電気機器。