JP4146677B2

JP4146677B2 - イオン検出器

Info

Publication number: JP4146677B2
Application number: JP2002196707A
Authority: JP
Inventors: 善弘清水; 泰三笹田; 秀雄野島; 和男西川; 久晴八木
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-07-05
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2022-07-05
Also published as: JP2004037337A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、屋外大気中のイオン濃度の測定のみならず、室内の生活空間、さらには実験目的で密閉された空間における空気中のイオン濃度の測定を行なうためのイオン検出器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、大気中のイオン濃度を測定する方法としては、大気中のイオンに電界を与えるイオン加速電極とその電界を与えられたイオンを捕集するためのイオン捕集電極とからなる一対の検出電極構造体をセンサーとして使用するタイプの大気イオン検出器（イオンカウンター）があった。
このイオン検出器による大気イオンの検出方法は、イオン加速電極の電界の力で大気中のイオンの進行方向を変え、進行方向を変えられたイオンをイオン捕集電極で捕集し、その結果生じるイオン電流を電圧信号に変換し、その電圧信号を増幅回路で増幅し出力電圧を得るというものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
大気中のイオンにより発生するイオン電流は非常に微小である事が知られており、イオン検出器で空気中のイオンを測定するためには、先ず、測定を行おうとする場所の大気中のアースに対する電位をカウンター出力ゼロ（ゼロ点調整）とした後、イオン濃度の測定を行う必要があった。
このゼロ点調整はイオン濃度の測定を行なう度に、また、イオン濃度の測定地点を変える度に行う必要があり、イオン濃度の測定というものを不便なものにする一つの理由であった。
しかしながら、このゼロ点調整をせずにイオン濃度の測定を行なう事ができる技術は、現在のところ、ほとんど開発されていなかった。
【０００４】
そこで、本発明は、イオン濃度の測定の度にゼロ点調整を行う必要のないイオン検出器を提供する事を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、大気中のイオンに電界を与えるイオン加速電極と、該イオン加速電極によって電界を与えられたイオンを捕集するためのイオン捕集電極とからなる検出電極構造体を備え、該検出電極構造体と同一形状で、アースに対する大気中の電位を検出する補正電極構造体を設け、前記検出電極構造体の検出信号と補正電極構造体の検出信号とを基に大気中のイオン濃度の検出を行うことを特徴とする。
【０００６】
大気中のアースに対する電位、すなわち大気中の浮遊電圧は、周辺の機器から発せられる電磁波により誘起される電圧、及び、イオンを含む大気が電極構造体を流れる時に電極との摩擦で生じる静電気に因る電圧に大きく影響される。
【０００７】
しかし、同一形状の検出電極構造体と補正電極構造体とを設けて、例えば、検出電極構造体に電圧を印加して大気中のイオンを検出し、補正電極構造体には電圧を印加しないで浮遊電圧による大気中のアースに対する電位を検出するようにすると、両電極構造体の浮遊電圧はほぼ同等の値となり、補正電極構造体にかかる浮遊電圧を測定すれば、検出電極構造体にかかる浮遊電圧をリアルタイムに得ることが可能となる。よって、検出電極構造体の検出信号から補正電極構造体の検出信号分を引くことで、別途ゼロ点調整を行うことなく、イオン濃度を検出することが可能となる。
【０００８】
検出電極構造体及び補正電極構造体の構造としては、イオン加速電極及びイオン捕集電極をそれぞれ円筒状に形成し、これらを同心状に配置した二重の円筒管構造としてもよいし、各電極を平板状に形成し、所定間隔をおいて対向配置した構造のものを使用することもできる。
【０００９】
イオン検出器は、外部から前記電極構造体に大気を送り込む送風手段を設ければ、検出対象となる大気の容量が多くなるため、より安定したイオン濃度を検出できる点で好ましい。
【００１０】
送風手段は、検出電極構造体及び補正電極構造体の上流側に配置すると、電極構造体に送り込まれる大気の流れが送風手段によって乱されることにより、浮遊電圧が不安定になるおそれが生じる。
【００１１】
そこで、本発明においては、送風手段を検出電極構造体及び補正電極構造体の下流側に配置する構成を採用可能とした。これにより、流れの穏やかな大気が電極構造体に引き込まれることになり、各電極構造体にかかる浮遊電圧をより安定化させることが可能となる。
【００１２】
検出電極構造体及び補正電極構造体の位置関係については、送風方向に対していずれか一方を上流側に配置し、他方を下流側に配置した場合、送り込まれた大気の流れが変わって各電極構造体における浮遊電圧がばらつくおそれが生じる。
【００１３】
そこで、本発明においては、検出電極構造体と補正電極構造体とを、送風方向に対して並列に配置する構成を採用可能とし、これにより、両電極構造体における浮遊電圧の値を同等レベルに維持することを可能とした。
【００１４】
また、電極構造体の各電極は、送風方向に対して平行に配置すると、送風手段によって電極構造体に送りこまれた大気が電極間の空間をスムーズに通過するため、浮遊電圧を安定化させることができる点で好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図１〜３を基に説明する。図１はイオン検出器の概略を示す斜視図である。図中、イオン検出器は、図示しない検出器本体内に、検出電極構造体２、補正電極構造体３及び送風手段としての送風ファン８を備えた構成とされている。
【００１６】
送風ファン８は、検出電極構造体２及び補正電極構造体３の下流側に配置されており、外部から引き込まれた大気（矢印Ａ）が各電極構造体２、３内をスムーズに通過するような構成とされている。
【００１７】
なお、本実施形態においては、送風ファン８によって外部から大気をイオン検出器内に引き込む構成とされているが、送風ファン８を設けずに、大気が吹き出している装置の吹き出し口にイオン検出器を近づけて、電極構造体２、３に大気を引き込むようにすることもできる。
【００１８】
検出電極構造体２は、所定間隔をおいて立てた状態で対向配置された平板状のイオン加速電極４ａ、４ｂと、このイオン加速電極４ａ、４ｂを上下から挟んで保持するプラスチック製の上板１２ａ及び下板１２ｂと、イオン加速電極４ａ、４ｂ間の空間の中央に、イオン加速電極４ａ、４ｂに対向するように配された平板状のイオン捕集電極５とから構成されている。
【００１９】
検出電極構造体２は、イオン加速電極４ａ及び４ｂと、上板１２ａ及び下板１２ｂとによって直方体の風洞１が形成されている。本実施形態では、イオン加速電極４ａ及び４ｂと、上板１２ａ及び下板１２ｂとを組合わせることにより、風洞１を形成しているが、このほかにも、例えば、直方体のプラスチック製の風洞を用い、この風洞の対向する２面の内側にイオン加速電極４ａ及び４ｂを配置固定し、イオン加速電極４ａ、４ｂに対向するようにイオン捕集電極５を配するようにしてもよい。この場合には、電極構造体を絶縁されたひとつのユニットとして扱うことができ、検出電極構造体２及び補正電極構造体３の配置を自由に変更することが可能となる。
【００２０】
検出電極構造体２は、イオン加速電極４によって風洞の中に飛び込んできた大気中のイオンに電界を与えてイオンの進路を曲げ、イオン捕集電極５によってイオン加速電極がつくる電界で進路を曲げられたイオンを捕集する構成とされている。
【００２１】
検出電極構造体２の風洞１は、送風方向Ａに沿うように配置されており、また、風洞１内のイオン加速電極４ａ、４ｂ及びイオン捕集電極５は、送風方向Ａに対して平行に配置されている。これにより、検出電極構造体２に送り込まれた大気は、各電極間の空間をスムーズに通過するようになっている。
【００２２】
補正電極構造体３は、検出電極構造体２と全く同じ構造とされており、イオン加速電極４ａ、４ｂに相当する擬似イオン加速電極６ａ、６ｂと、イオン捕集電極５に相当する擬似イオン捕集電極７とで構成されている。上記検出電極構造体２及び補正電極構造体３は、送風方向Ａに対して近接した状態で並列に配置されている。なお、図中、イオン加速電極４ｂと擬似イオン加速電極６ａとの間には図示しない絶縁体が介在され、両電極は電気的に絶縁されている。
【００２３】
実際の大気イオン濃度の測定は、電極構造体２のイオン加速電極４に所定の直流電圧を印加し、電極構造体３の擬似イオン加速電極６には直流電圧を印加しない状態で行う。
【００２４】
直流電圧を印加した状態の検出電極構造体２に大気中のイオンが引き込まれると、イオン加速電極４がつくる電界の影響を受ける。大気中のイオンは、電荷を帯びた微粒子（エアロゾル）であるので、電界をかけられることによってその進路を曲げていく。
【００２５】
そして、進路を曲げられたイオンは、風洞の中心に位置するイオン捕集電極５に衝突し、電極５表面で電荷受け渡しが行われる結果、検出電極構造体２に電流の流れが生じる。この電流の流れは、大気中のイオンにより誘起されたものであるので、この電流値の大きさは、検出電極構造体２がカウントしたイオン濃度に比例する。
【００２６】
しかし、このイオン電流は極めて微小な大きさなので、これを実際に目に見える形で表示するためには、その電流信号を増幅する必要がある。そのためには、イオン電流を一旦電圧に変換し、電圧信号を増幅回路で増幅する手段が必要となる。
【００２７】
ただ、イオン電流は極めて微小であるので、イオン電流から変換されるイオン電流電圧も極めて微小なものとなる。したがって、検出電極構造体２で得られる電圧信号は、イオンの測定を行なった大気中の浮遊電圧に大きく影響される。
【００２８】
そこで、本発明のイオン検出器は、補正電極構造体３を備え、浮遊電圧を常にモニタできるようにしている。イオン濃度測定時においては、補正電極構造体３の擬似イオン加速電極６には直流電圧は印加されず、大気中の電荷を持った微粒子である大気イオンは擬似イオン捕集電極７を素通りしていく。よって、大気中のイオンによって誘起される電圧信号は補正電極構造体３からは得られない。
【００２９】
しかし、補正電極構造体３は、周辺の機器から発せられる電磁波を受けるアンテナのような働きをし、また、検出電極構造体２と並列に並べられ、電極構造体２と同様に大気の流れる環境に晒されているので、同様の形状をしている電極構造体２の浮遊電圧とほぼ同じ大きさの浮遊電圧を検知する。
【００３０】
浮遊電圧は、たえず変化しつづけるものであり、従来は、測定毎にゼロ点調整を行っても、その測定が長時間に及ぶと定期的にゼロ点調整をする必要があった。ところが、本発明では、補正電極構造体３により、浮遊電圧を常にモニタすることが可能となる。
【００３１】
図２は、検出電極構造体と測定回路を含めたイオン検出器全体を示す構成図である。図中、検出電極構造体２で得られた電圧信号と、補正電極構造体３で得られた電圧信号は、作動増幅回路部９に入力され、電圧信号の差が増幅される。作動増幅回路９により増幅された信号は、デジタル変換部１０にてデジタル変換され、デジタル信号に基づく表示を行うイオン濃度表示部１１においてイオン濃度が表示される。
【００３２】
上記のように、検出電極構造体２では、イオン電流電圧＋大気の浮遊電圧の信号を、補正電極構造体３では、大気の浮遊電圧の信号のみを検知しており、この二つの信号の差分の電圧を差動増幅回路９で増幅することにより、イオン濃度に対応した電圧信号を得るものである。
【００３３】
実際に、上記構成のイオン検出器を用いて所定のイオン濃度における出力電圧を測定した。具体的には、電極構造体として、高さ１ｃｍ×長さ６ｃｍのイオン加速電極を２ｃｍの間隔をおいて対向配置し、上板及び下板を組合わせることによって高さ１ｃｍ×幅２ｃｍ×長さ６ｃｍの風洞を形成し、この風洞の中心に１×６ｃｍのイオン捕集電極を挿入したものを使用した。
【００３４】
上記電極構造体を２つ並列に配置し、一方の電極構造体のイオン加速電極には、加速電圧として直流電圧＋１５Ｖまたは−１５Ｖを印加し、送風ファンの風速を３ｍ/ｓとした。また、電極構造体が検知した信号は、１００００倍の増幅を行う差動増幅回路で増幅した。
【００３５】
加速電圧として＋１５Ｖ印加されている時は、プラスイオンが捕集電極に衝突するのでプラスイオンを、−１５Ｖ印加されている時はマイナスイオンを測定することになる。なお、イオンを含む空気は、イオン発生素子が設置されているＳＨＡＲＰ製の空気清浄器から発生させた。また、イオン濃度はダン科学社製イオンカウンターにより測定した。
【００３６】
イオン検出器の出力電圧とイオン濃度との相関を図３に示す。図３より、測定した範囲でイオン濃度とイオン検出器の出力電圧に相関が見られる事が判った。また、ゼロ点のレベル（イオン濃度ゼロにおけるイオン検出器の出力電圧）については、測定場所が変わっても、ほぼ１０±５ｍＶの範囲内で安定している事が判明した。
【００３７】
図４は、本発明の別の実施形態を示す電極構造体の断面図である。本実施形態においては、検出電極構造体２及び補正電極構造体３として、二重の円筒管構造のものを使用した点が特徴とされている。
【００３８】
すなわち、検出電極構造体２は、イオン加速電極４及びイオン捕集電極５がそれぞれ円筒管状に形成されており、イオン捕集電極５の周りにイオン加速電極４が同心状に配置されている。補正電極構造体３も検出電極構造体２と同様に、擬似イオン捕集電極７の周りに擬似イオン加速電極６が同心状に配置された二重の円筒管構造のものが使用されている。
【００３９】
両電極構造体２、３は、送風方向に対して近接した状態で並列に配置されている。なお、図中、イオン加速電極４と擬似イオン加速電極６との間には図示しない絶縁体が介在され、両電極は電気的に絶縁されている。このような構造の電極構造体を使用しても、前記平板状の電極構造体を用いたときと同様に精度の高いイオン検出が可能となる。
【００４０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によると、イオン濃度を検出する検出電極構造体とは別に、浮遊電圧を検出する検出電極構造体と同一形状の補正電極構造体を設けたため、イオン濃度の測定場所を変更する度に大気イオン検出器のゼロ点調整を行うという作業が不要となった。よって、ゼロ点調整という余分な時間もなくなり、測定時間を短縮することが可能となった。
【００４１】
また、大気中の電位というのは常に微妙に変動し続けているが、本発明によるイオン濃度の測定では、大気中の変動する電位を常にキャッチする補正電極構造体を備えて、その電位の変動分を大気中のイオンによる信号からキャンセルできるようなシステムであるので、大気中の電位の微妙な変動にも追従してくことが可能であり、より精度の高いイオン濃度測定を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】イオン検出器の概略を示す斜視図
【図２】イオン検出器全体を示す構成図
【図３】イオン検出器の出力電圧とイオン濃度との相関を示すグラフ
【図４】電極構造体の別の実施形態を示す断面図
【符号の説明】
１風洞
２検出電極構造体
３補正電極構造体
４イオン加速電極
５イオン捕集電極
６擬似イオン加速電極
７擬似イオン捕集電極
８送風ファン
９差動増幅回路部
１０デジタル変換部
１１イオン濃度表示部

Claims

大気中のイオンに電界を与えるイオン加速電極と、該イオン加速電極によって電界を与えられたイオンを捕集するためのイオン捕集電極とからなる検出電極構造体を備え、該検出電極構造体と同一形状で、アースに対する大気中の電位を検出する補正電極構造体を設け、前記検出電極構造体の検出信号と補正電極構造体の検出信号とを基に大気中のイオン濃度の検出を行うことを特徴とするイオン検出器。
前記電極構造体は、電極が二重の円筒管構造である請求項１記載のイオン検出器。
前記電極構造体は、電極が平板状で所定間隔をおいて対向配置された構造である請求項１記載のイオン検出器。
外部から前記電極構造体に大気を送り込む送風手段が設けられ、前記検出電極構造体及び補正電極構造体が、送風方向に対して並列に配置されたことを特徴とする請求項１、２又は３記載のイオン検出器。
前記電極構造体の各電極が、送風方向に対して平行に配置された請求項１〜４のいずれかに記載のイオン検出器。