JP2007294180A - イオン発生装置及びこれを備えた電気機器 - Google Patents

Abstract

【課題】イオンを発生するのに必要な電圧を低くして、イオン発生装置が備える各素子の耐圧を低くすることを可能とし、オゾン等の副生成物の発生量が少なく、正イオン及び負イオンを効率的に発生させることが可能なイオン発生装置を提供する。
【解決手段】誘電体２と、該誘電体２の表面に配置された放電電極３，４と、誘電体２の裏面に放電電極３，４に対向するように配置された誘導電極４，６とを備えた放電部に電圧を印加してイオンを発生させるイオン発生装置において、放電部として、放電電極３に正電圧を印加する間に、誘導電極４に負電圧を印加して正イオンを発生する第１放電部７と、放電電極５に負電圧を印加する間に、誘導電極６に正電圧を印加して負イオンを発生する第２放電部８とを少なくとも１つずつ有し、誘電体２の表面から正イオンと負イオンとを発生させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、正イオンと負イオンを空間に放出することで、空気中に浮遊する細菌やカビ菌、有害物質等を分解することが可能なイオン発生装置及びこれを備えた電気機器に関するものである。

従来、沿面放電を利用したイオン発生装置は、物体の帯電や除電を行なう際のイオン源として利用されている。また、正イオンと負イオンとにより空気中の浮遊菌、カビなどを不活性化できることが報告されている。このため、放電によるイオン発生装置は空気清浄機やエアコンなどにも搭載されるようになってきている。

このようなイオン発生装置として、電極を保持する誘電体としてアルミナが主成分のセラミックを用いた放電体に高周波高電圧を印加するイオン発生装置が知られている（特許文献１）。

イオン発生装置に用いられる一般的な沿面放電素子の構成を、図８〜図１０を参照して説明する。沿面放電素子１０１は、セラミック等からなる誘電体１０２と誘電体１０２を挟んで対向している放電電極１０３と誘導電極１０４とで構成されている。誘導電極１０４は、余分な放電を避けるために、誘電体１０５によって覆われていてもよい。図８に示すように、放電電極１０３は、放電による電極の損傷を抑えるために、セラミック等からなる保護膜１０３ａに覆われていてもよい。放電電極１０３と誘導電極１０４との間に高電圧を印加すると、放電電極の端１０３ｂ近傍の電界が強まり、この端１０３ｂから誘電体１０２の表面に沿って沿面放電が発生する。この結果、この沿面放電が発生した部分からイオンが発生する。
特開昭５９−４４７８２号公報

上記特許文献３に記載された従来のイオン発生装置では誘電体を挟んで対向する電極間に図１０に示すような高周波高圧電源を接続し、図１１に示すような高周波高電圧（周波数１０ｋＨｚ、ピーク間電圧１０ｋＶの交流高電圧）を印加している。放電を起こすために必要な電圧は、誘電体の厚さ、材料など沿面放電体にもよるが、電極間に１．５ｋＶ以上の高電圧を印加する必要があった。

一方、イオン発生装置の駆動装置が備える種々の素子の耐圧は、素子に印加される最大電圧によって決定される。よって、十分な耐圧を維持するために高価で大きい素子を使用する必要があった。また、高電圧のかかる部分は、周りの接地電位との間の絶縁対策に苦慮しなければならなかった。

また、上記特許文献１に示したような従来のイオン発生装置では、電極に交流電圧を印加している。電極に正の電圧を印加したとき、電極近傍の電界強度が電極近傍の気体において絶縁破壊を起こすまで強くなると、放電体において沿面放電が発生する。このとき、当該誘電体の表面は正に帯電する。

次に、電極に印加される電圧の極性が負に変わってから沿面放電が起きると、事前に正に帯電していた誘電体表面の（正の）電荷が、放電により発生した負の電荷により中和される。つまり、放電によって生じた負の電荷が誘電体表面の（正の）電荷を中和するために消費され、空気中に放出されるイオンが減少する。

また、上述のように電極に印加される電圧の極性が負になったことにより、誘電体表面が負に帯電したあと、電極に印加される電圧の極性が再び正に変わったときも、放電による正の電荷が誘電体表面の（負の）電荷を中和するために消費される。この結果、従来のイオン発生装置の駆動方法では、放電体の周囲に正イオン及び負イオンを効率的に放出することができなかった。また、大気中で放電が発生すると、オゾン等の副生成物の発生量が増えていた。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、イオンを発生するのに必要な電圧を低くして、イオン発生装置が備える各素子の耐圧を低くすることを可能とし、オゾン等の副生成物の発生量が少なく、正イオン及び負イオンを効率的に発生させることが可能なイオン発生装置を提供することを目的とする。

上記問題点を解決するため、本発明では、誘電体と、該誘電体の表面に配置された放電電極と、前記誘電体の裏面に前記放電電極に対向するように配置された誘導電極とを備えた放電部に電圧を印加してイオンを発生させるイオン発生装置において、前記放電部として、前記放電電極に正電圧を印加する間に、誘導電極に負電圧を印加して正イオンを発生する第１放電部と、前記放電電極に負電圧を印加する間に、誘導電極に正電圧を印加して負イオンを発生する第２放電部とを少なくとも１つずつ有し、前記誘電体表面から正イオンと負イオンとを発生させることを特徴とする。

上記構成によれば、放電電極又は誘導電極にかかる電圧の絶対値は、ともに放電開始電圧の絶対値を下回るようにしながら、放電電極と誘導電極との間の電位差の絶対値が放電開始電圧を上回るように設定することが可能となる。すなわち、イオン発生装置が備える各素子の耐圧を低くしながら、放電電極と誘導電極との間で沿面放電させることが可能となる。しかも、各電極で発生する電荷の極性は変化しないため、電荷の中和が生じず、これにより効率よく正イオンと負イオンを発生させることが可能となる。

上記イオン発生装置は、誘電体表面の一面のみを通風路などのイオンを発生させる空間に露出させておくことにより、場所をとらずに正イオンと負イオンを発生させることができるという利点を有する。

第１放電部と、第２放電部は、それぞれ別体の誘電体に設けてもよいが、１つの誘電体に設けることも可能である。この場合、誘電体表面に、第１放電部及び第２放電部の放電電極を形成し、誘電体裏面に第１放電部及び第２放電部の誘導電極をそれぞれ対になる放電電極に対向する位置に形成すればよく、これによりイオン発生装置をコンパクト化することができる。

前述のごとく、各電極で発生した電荷が中和されないようにするには、各電極に印加する電圧は単極性電圧にすることが必要となる。単極性電圧を各電極に印加するには、昇圧手段の出力電圧（交流高電圧）を整流手段によって整流したものを使用すればよい。

昇圧手段としては、一般のトランスに比べて薄型化が可能な圧電トランスを使用するのが好ましい。これにより、イオン発生装置全体を薄型化することが可能となり、イオン発生装置を電気機器等に組み込んだときに、通風路を広くとることができるため、効率的にイオンを放出することができる。

具体的には、昇圧手段として圧電トランスを２つ用い、これを駆動回路に対して並列接続し、各圧電トランスの出力電圧を整流手段で整流した単極性電圧を各放電部の電極に印加すればよい。これにより、各圧電トランスの出力端子から同期した交流高電圧を発生させ、これを整流手段で整流することにより、相互に極性が逆になる単極性電圧を得ることが可能となる。よって、それぞれ得られた単極性電圧を放電部の各電極に印加すると、相互に極性が逆で同期した電圧を印加することが可能となる。

本発明にかかるイオン発生装置は、正イオンとしてＨ⁺（Ｈ₂Ｏ）_mを発生し、負イオンとしてＯ₂ ^-（Ｈ₂Ｏ）_n（ｍ、ｎは自然数であり、Ｈ₂Ｏ分子が複数個付いていることを意味する）を発生する。

空気中にＨ⁺（Ｈ₂Ｏ）_mとＯ₂ ^-（Ｈ₂Ｏ）_nを同時に存在させることにより、両イオンを空気中の浮遊細菌等に付着させ、その際に生成される活性種の水酸基ラジカル（・ＯＨ）の作用により、前記浮遊細菌等を不活性化することができる。

また、本発明に係る電気機器は、上記いずれかの構成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空気中に送出する送出手段（例えば送風ファンなど）とを備える構成にするとよい。このような構成とすることにより、機器本来の機能に加えて、搭載したイオン発生装置で空気中のイオン量やイオンバランスを変化させ、室内等の環境を所望の雰囲気状態とすることが可能となる。

上記の電気機器に該当する例としては、主に閉空間（家屋内、ビル内の一室、病院の病室や手術室、車内、飛行機内、船内、倉庫内、冷蔵庫の庫内等）に正イオンと負イオンを放出する空気調和機、除湿器、加湿器、空気清浄機、冷蔵庫、ファンヒータ、電子レンジ、洗濯乾燥機、掃除機、殺菌装置等を挙げることができる。

以上のように、本発明によれば、放電部の放電電極と誘導電極とに互いに逆極性の単極性電圧を同時に印加する電圧印加手段を設けたため、放電電極における対地電位の絶対値を増加させることなく、放電電極近傍の電界を強めることが可能となり、放電によって生成されたイオンを再結合などの影響を受けにくくし、効率よくイオンを放出することができる。

［第１実施形態］
図１〜４は、本発明に係る第１実施形態を示す図であり、図１は本発明に係るイオン発生装置の回路図であり、図２は図１におけるイオン発生用放電体の平面模式図であり、図３は図２の線分Ａ−Ａにおける断面模式図であり、図４は図１における第１放電部の各電極に印加する電圧波形を示す模式図である。

図１に示すように、本実施形態におけるイオン発生装置は、正イオン及び負イオンを発生する放電体１を備えている。放電体１は、誘電体２を介して対向する放電電極３，５と、誘導電極４，６とからなる電極対を二対備えており、誘電体２を挟んで対向配置される放電電極３と誘導電極４が第１放電部７とされ、誘電体２を挟んで対向配置される放電電極５と誘導電極６とが第２放電部８とされている。

図２に示すように、放電体１は、誘電体２の表面に形成される放電電極３，５と、誘電体２の裏面に形成される誘導電極４，６とを備えている。放電電極３と誘導電極６は、誘電体２を厚み方向に接続する接続経路９によって接続されており、放電電極５と誘導電極４は、同じく誘電体２を厚み方向に接続する接続経路１０によって接続されている。

図３は、図１における第１放電部７のＡ−Ａ断面図である。放電体１を製造するには、第１の誘電体１１上に誘導電極４，６を形成し、誘導電極４，６の表面を覆うように第１の誘電体１１の上に第２の誘電体２を形成し、さらに第２の誘電体２の表面の上に放電電極３，５を形成すればよい。誘導電４，６及び放電電極３，５は、導電体により構成される。また、図３に示すように、放電電極３，５の表面を保護膜１７によって被覆するようにしてもよい。

放電電極３と誘導電極４とは、放電電極３から誘導電極４を見たときに、図２に示すように、放電電極３の端部の一部が第２の誘電体２を介して誘導電極４の領域と重なるように配置されている。言い換えれば、放電電極３の端部は、第２の誘電体２を介して誘導電極４の領域に重なる領域を有する。放電電極３は、複数に分かれて櫛状、樹枝状、又は網目状に延びており、複数の樹枝状部（図２に示す例では６個の楔状の樹枝状部）を有している。なお、図３では第１放電部７の断面図を示しているが、構造的には第２放電部８も同じとされている。

誘電体２及び誘電体１１の材料としては、例えば有機物を用いることができる。誘電体２及び誘電体１１を構成する有機物としては、耐食性に優れた材料を用いることが好ましい。例えば、誘電体２および誘電体１１の材料として、ポリイミドやガラスエポキシなどの樹脂を用いてもよい。また、誘電体２および誘電体１１の材料として無機物を用いる場合、例えばアルミナ、マグネシア、結晶化ガラス、フォルステライト、ステアライト、ムライト、ジルコニアなどのセラミックを用いることができる。

イオン生成のための放電を行なう際に、発生するプラズマに対する耐性を考えた場合には、誘電体２および誘電体１１として無機系の材料を用いることが好ましい。特に、安価でかつ加工が容易なアルミナを主成分とするセラミックを用いることが好ましい。

放電電極３および誘導電極４の電極導電部を構成する材料としては、導電性を有するものであればどのような材料を用いてもよい。また、電極導電部の形成方法としては、スクリーン印刷法、めっき法、蒸着法、スパッタリング法など公知の方法を用いることができる。また、誘電体２，１１としてアルミナが主成分のセラミックを用いた場合、その熱膨張係数がアルミナを主成分とするセラミックに近いタングステンを電極３〜６の材料として用いることが好ましい。このとき、電極３〜６は、スクリーン印刷法を用いて形成することができる。

保護膜１７は、なるべく薄く形成されることが好ましい。保護膜１７を構成する材料としては、耐プラズマ性を有する材料であれば任意の材料（たとえばセラミックなどの無機材料など）を用いることができる。たとえば、保護膜１７を構成する材料として、耐プラズマ性に優れたアルミナや酸化チタンを用いることができる。

本実施形態におけるイオン発生装置は、図１に示すように、駆動回路１２に対して２つの圧電トランス１３及び１４が並列接続されている。そして、圧電トランス１３の出力端子１３ａは、第１放電部の放電電極３および第２放電部の誘導電極６に接続されており、該圧電トランスの出力端子１３ａと、電極３，６の中間点には整流手段であるダイオード１５のカソード端子が接続され、ダイオード１５のアノード端子は、基準電位であるＶｓｓに接続されている。

他方、圧電トランス１４の出力端子１４ａは、第１放電部の誘導電極４及び第２放電部の放電電極５に接続されており、該圧電トランスの出力端子１４ａと、電極４，５の中間点には整流手段であるダイオード１６のアノード端子が接続され、ダイオード１６のカソード端子は、基準電位であるＶｓｓに接続されている。

上記構成のイオン発生装置において、圧電トランス１３，１４を駆動回路１２によって駆動すると、放電電極３の端近傍では、正極性のストリーマによる沿面放電が発生し、放電電極５の端近傍では負極性のストリーマによる沿面放電が発生することにより、正イオンと負イオンをほぼ同量発生することができる。

図４は、第１放電部７における放電電極３及び誘導電極４に印加する電圧波形を図示する模式図である。図４を参照して放電電極３、誘導電極４の電位をそれぞれ電位ＶＵ、ＶＤと示す。圧電トランス１３，１４からは、正弦波が出力され、半波整流された電圧が放電電極３、誘導電極４に印加される。

放電電極３と誘導電極４との間の電位差の絶対値｜Ｖ１−Ｖ２｜の最大値は、イオン発生用放電体１の放電開始電圧を上回るように設定される。一方、電圧Ｖ１，Ｖ２の絶対値はともに放電開始電圧の絶対値を下回るように設定される。この結果、放電電極３の端近傍の電界が強まり、これら端から誘電体２の表面に沿って沿面放電が発生し、その部分からイオンが発生する。

また、誘導電極４に比べ、放電電極３のほうが高電位になるため放電電極３の端部分の近傍では、正極性のストリーマが発生し、正イオンが放出される。この場合、高電圧がかかるのは、放電体１の電極間だけであり、電源内の各素子にかかる電圧は従来よりも低く抑えることができる。これにより、耐圧の低い安価な素子を用いて電源を作成することが可能になるので、イオン発生装置の製造コストを低減することができる。

本図では第１放電部における放電電極の電位ＶＵ及び誘導電極の電位ＶＤについて示したが、第２放電部８における放電電極の電位ＶＵ及び誘導電極の電位ＶＤの関係は、本図におけるＶＵ及びＶＤの関係と逆になる。すなわち、第２放電部８ではＶＵの電位がＶｓｓよりも低くなり、ＶＤの電位がＶｓｓよりも高くなる。したがって、放電電極５の近傍では負極性のストリーマが発生し、負イオンが放出される。

本実施の形態のように第１放電部７に電圧を印加すると、放電電極３が誘導電極４に比べて、常に高電位にあるため、放電電極３側では負極性のストリーマが発生しない。そのため、誘電体２の表面が負に帯電することがないので、正極性のストリーマが発生したときに、正イオンが誘電体２の表面の負の電荷と中和して消失することを防ぐことが可能となる。

なお、放電電極３側に負極性のストリーマが発生しない程度であれば、放電電極３が誘導電極４に比べて、低電位になる状態があってもかまわない。このようにすると、常に放電電極３が高電位になるように設計するときよりも設計マージンが広がる。

また、大気中で放電を起こすと、上述したようにイオンと同時にオゾンなどの副生成物が発生する。そして、オゾンなどの副生成物は、電気的に中性で、誘電体の表面電荷の影響を特に受けないため、一般に放電の回数が増えるにつれてオゾンなどの副生成物の発生量が増加する。

すなわち、交流電圧または交番極性の電圧をイオン発生用放電体の電極に印加するという条件の下で、放電回数を増やした場合には、従来のイオン発生用放電体では正イオンまたは負イオンが誘電体の表面電荷の中和に消費されてしまうので、イオン密度は増えずに、オゾンなどの副生成物の発生量だけが増えてしまうといった問題がある。

しかし、本発明によるイオン発生装置では、上述のように誘電体の表面電荷の中和にイオンが浪費されるといった問題の影響を少なくすることができるので、必要以上に放電回数を増やす必要がない。この結果、オゾンなどの副生成物の生成量を少なくすることができる。

［第２実施形態］
図５〜７は本発明に係る第２実施形態を示す図である。本実施形態においては、昇圧手段として圧電トランスを１つと、圧電トランスの出力端子にコンデンサを２つ並列に接続した点が特徴とされている。

すなわち、本実施形態におけるイオン発生装置は、図５に示すように、圧電トランス１３の出力端子１３ａに２個のコンデンサ２０，２１が並列に接続され、一方のコンデンサ２０の他側端子は、放電電極３及び誘導電極６に接続されている。コンデンサ２０と電極３、６との間には整流手段であるダイオード２３がアノード端子をコンデンサ２０側に、カソード端子が電極３，６側になるように接続されている。

さらに、コンデンサ２０とダイオード２３の間にはダイオード２２のカソード端子が接続され、ダイオード２３と電極３，６の間にはコンデンサ２４が接続され、ダイオード２２の他端とコンデンサ２４の他端は基準電位Ｖｓｓに接続されている。すなわち、ダイオード２２、２３及びコンデンサ２０、２４で倍電圧整流回路が構成されている。

圧電トランス１３の出力端子に接続されている他方のコンデンサ２１の他側端子は、誘導電極４及び放電電極５に接続されている。コンデンサ２１と電極４，５の中間点にはダイオード２５のアノード端子が接続され、該ダイオード２５のカソード端子は基準電位Ｖｓｓに接続されている。

図６は、図５における第１放電部７の電極３，４に印加される電圧波形を図示する模式図である。放電電極３、誘導電極４の電位をそれぞれ電位ＶＵ、ＶＤと示す。放電電極３には、Ｖｓｓよりも高い電位の直流電圧が印加され、誘導電極４にはＶｓｓより負にバイアス成分を持った正弦波形の電圧が印加される。

図７は、図５における第２放電部８の電極５，６に印加される電圧波形を図示する模式図である。誘導電極６には、Ｖｓｓよりも低い電位の直流電圧が印加され、放電電極５にはＶｓｓより正にバイアス成分を持った正弦波形の電圧が印加される。

図６および図７のいずれにおいても、放電電極３と誘導電極４との間の電位差の絶対値｜Ｖ１−Ｖ２｜の最大値は、イオン発生用放電体１の放電開始電圧を上回るように設定される。一方、電圧Ｖ１，Ｖ２の絶対値は、ともに放電開始電圧の絶対値を下回るように設定される。

本実施形態においては、高価な圧電トランスを２個使わずに、正極性の電圧と負極性の電圧を発生させることができるので、イオン発生装置を小型化し、安価に製作することができる。また、イオンの発生効率がよく副生成物が少ないことは、第１実施形態で説明したのと同様の理由により、本実施の形態にも当てはまる。

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。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許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。

本発明に係るイオン発生装置の第１実施形態を示す回路図 図１におけるイオン発生用放電体の平面模式図 図２のＡ−Ａ断面図 図１における第１放電部の各電極に印加する電圧波形を示す模式図 本発明に係るイオン発生装置の第２実施形態を示す回路図 図５における第１放電部の電極に印加される電圧波形を示す模式図 図５における第２放電部の電極に印加される電圧波形を示す模式図 従来の沿面放電素子を示す斜視図 図８の断面図 図８における従来の放電素子を用いたイオン発生装置の回路図 図１０におけるイオン発生装置に印加する電圧波形を示す模式図

符号の説明

１ 放電体
２、１１ 誘電体
３、５ 放電電極
４、６ 誘導電極
７ 第１放電部
８ 第２放電部
９、１０ 接続経路
１２ 駆動回路
１３、１４ 圧電トランス
１５、１６ ダイオード
１７ 保護膜
２０、２１、２４ コンデンサ
２２、２３、２５ ダイオード

Claims (6)

1. 誘電体と、該誘電体の表面に配置された放電電極と、前記誘電体の裏面に前記放電電極に対向するように配置された誘導電極とを備えた放電部に電圧を印加してイオンを発生させるイオン発生装置において、前記放電部として、前記放電電極に正電圧を印加する間に、誘導電極に負電圧を印加して正イオンを発生する第１放電部と、前記放電電極に負電圧を印加する間に、誘導電極に正電圧を印加して負イオンを発生する第２放電部とを少なくとも１つずつ有し、前記誘電体表面から正イオンと負イオンとを発生させることを特徴とするイオン発生装置。
2. 前記第１放電部及び第２放電部が、１つの誘電体に設けられたことを特徴とする請求項１記載のイオン発生装置。
3. 前記電極に印加する電圧が単極性電圧であることを特徴とする請求項１又は２記載のイオン発生装置。
4. 前記単極性電圧が、昇圧手段の出力電圧を整流手段で整流したものである請求項１〜３のいずれかに記載のイオン発生装置。
5. 前記昇圧手段として２つの圧電トランスが駆動回路に対して並列接続され、各圧電トランスの出力電圧を整流手段で整流した単極性電圧を前記各放電部の電極に印加することを特徴とする請求項４記載のイオン発生装置。
6. 請求項１〜５のいずれか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空気中に送出する送出手段とを備えたことを特徴とする電気機器。

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