JP4760183B2 - イオン発生部品、イオン発生ユニットおよびイオン発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、イオン発生部品、特に、空気清浄器やエアコンなどのイオン発生回路に用いられるイオン発生部品、およびそれを用いたイオン発生ユニット、イオン発生装置に関する。

この種のイオン発生装置として、従来、特許文献１に記載されたものが知られている。図１１に示すように、このイオン発生装置１１０は、筺体１２０と、この筺体１２０の前面に取り付けられた放電電極１１２と、対向電極１１４とを備えている。筺体１２０の上部には高圧電源部１１８が配置されている。高圧電源部１１８は、放電電極１１２と対向電極１１４との間に交流高電圧を印加する高電圧発生回路を内蔵している。

放電電極１１２は複数の鋸歯１１２ａを備えており、放電電極１１２と対向電極１１４とは互いに垂直な関係を有している。一方、対向電極１１４は筺体１２０の台座部１２０ｂに固定されている。対向電極１１４は誘電体セラミックに金属を埋設した構造からなる。放電電極１１２と対向電極１１４は、放電によりオゾンを発生させる作用と、印加された交流高電圧により空気をマイナスイオン化する作用とを行う。
特開平６−１８１０８７号公報

しかしながら、従来のイオン発生装置１１０は、マイナスイオンを発生させるために、放電電極１１２に−５ｋＶ〜−７ｋＶの高電圧を印加する必要がある。そのため、電源回路や絶縁構造が複雑になり、イオン発生装置１１０の製造コストが高価になるという問題があった。

また、−５ｋＶ〜−７ｋＶの高電圧を放電電極１１２に印加すると、オゾンが付随的に発生してしまうため、マイナスイオンだけを選択的に発生させることができなかった。さらに、放電電極１１２に高電圧が印加されるため、十分な安全対策を講じる必要がある。

また、放電電極１１２と対向電極１１４が互いに垂直に対向している（立体的な配置である）ため、占有体積が大きく、イオン発生装置１１０の小型化が困難であった。

そこで、本発明の目的は、低い印加電圧でマイナスイオン又はプラスイオンを発生させることができるイオン発生部品、イオン発生ユニットおよびイオン発生装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明に係るイオン発生部品は、
絶縁基板と線状電極とグランド電極とを備え、
前記絶縁基板は一辺に凹部を有し、
前記線状電極は、線径が細く、前記絶縁基板に先端側が前記凹部に突出するように取り付けられており、
前記グランド電極は、前記絶縁基板上に設けられ、前記凹部の両側の絶縁基板上に前記線状電極を間に配置して線状電極の長さ方向に対して略平行な二つの脚部を有し、
前記絶縁基板の前記グランド電極の先端部付近で前記線状電極に対向する側の角部がＲ面取り若しくはＣ面取りされていること、
を特徴とする。

線径が細い（１００μｍ以下の線径であることが好ましい）線状電極を用いることにより、電子が線状電極の先端部に集中し易くなり、強電界が生じ易くなる。さらに、絶縁基板のグランド電極の先端部付近で線状電極に対向する側の角部をＲ面取り若しくはＣ面取りすることにより、角部にバリや電界集中が発生しにくくなる。

本発明に係るイオン発生部品においては、引張り強度が２５００Ｎ／ｍｍ²以上の線状電極を用いることが好ましい。

以上の構成により、線状電極やグランド電極などを平面状に構成することができ、薄型のイオン発生部品が得られる。

また、グランド電極の表面を絶縁膜で覆うことにより、イオン発生量を殆ど変えることなく、オゾン発生の抑制効果を得ることができる。また、グランド電極には、例えば酸化ルテニウムやカーボン抵抗などの抵抗体が用いられる。線状電極がグランド電極に接触するような事態が生じた場合においても、抵抗体であればショートによる発熱や発火などの危険を低減できるからである。特に、酸化ルテニウムは高電界がかかってもマイグレーションを起こさないので、最適な材料である。

また、本発明に係るイオン発生ユニットは、前述の特徴を有するイオン発生部品と、絶縁基板上に設けられた、線状電極を取り付けるための高圧電極と、高圧電極に接触接続し、リード線との係止部を有する第１端子と、グランド電極に接触接続し、リード線との係止部を有する第２端子と、イオン発生部品と高圧電極と第１端子と第２端子とを収容するためのケースとを備えたことを特徴とする。

さらに、本発明に係るイオン発生装置は、前述のイオン発生部品と、マイナス電圧又はプラス電圧を発生する高圧電源とを備えたことを特徴とする。あるいは、本発明に係るイオン発生装置は、第１端子と第２端子にそれぞれ係止されるリード線を有し、かつ、前述の特徴を有するイオン発生ユニットと、マイナス電圧又はプラス電圧を発生させる高圧電源とを備えたことを特徴とする。高圧電源からの出力電圧の絶対値は２．５ｋＶ以下であることが好ましい。

以上の構成により、小型で低コストのイオン発生ユニットやイオン発生装置が得られる。

本発明に係るイオン発生部品は、線径が細い線状電極を用いているので、電子が線状電極の先端部に集中し易くなり、強電界が生じ易くなる。従って、従来よりも低い印加電圧でマイナスイオン又はプラスイオンを発生させることができる。さらに、絶縁基板のグランド電極の先端部付近で線状電極に対向する側の角部をＲ面取り若しくはＣ面取りすることにより、角部にバリや電界集中が発生しにくくなり、イオン発生を安定しておこなうことができる。この結果、小型で低コストのイオン発生ユニットやイオン発生装置を得ることができる。

以下に、本発明に係るイオン発生部品、イオン発生ユニットおよびイオン発生装置の実施例について添付の図面を参照して説明する。

図１はイオン発生装置１の分解斜視図、図２はその外観斜視図である。図１に示すように、イオン発生装置１は、下側樹脂ケース２と、上側樹脂ケース３と、イオン発生部品４と、第１端子５ａと、第２端子５ｂと、リード線７，８と、高圧電源とを備えている。ここに、下側樹脂ケース２と、上側樹脂ケース３と、イオン発生部品４と、第１端子５ａと、第２端子５ｂとでイオン発生ユニットを構成している。

下側樹脂ケース２は、一方の端部の側壁２ａに空気の取入れ口２１が形成され、他方の端部の側壁２ｂに空気の吐出し口２２が形成されている。さらに、手前側の側壁２ｃには、係止腕部２３が形成されている。

上側樹脂ケース３は、一方の端部の側壁３ａに空気の取入れ口（図示せず）が形成され、他方の端部の側壁３ｂに空気の吐出し口３２が形成されている。手前側の側壁３ｃには、爪部３１が２個形成されている。これらの爪部３１を下側樹脂ケース２の係止腕部２３に嵌め込むことにより、上側樹脂ケース３と下側樹脂ケース２は堅固に接合し、通気性のある樹脂ケースとされる。下側樹脂ケース２と上側樹脂ケース３のそれぞれの奥側の側壁２ｄ，３ｄは図示しないヒンジで連結されている。なお、奥側の側壁２ｄ，３ｄにも爪部と係止腕部を形成して嵌め込むようにしてもよい。そして、上側樹脂ケース３と下側樹脂ケース２が内部に形成する収容部には、イオン発生部品４と端子５ａ，５ｂが配設されている。

イオン発生部品４は、図３に示すように、絶縁基板４１上にグランド電極４２および高圧電極４３と、グランド電極４２の表面に形成された絶縁膜４４と、線状電極４５とを備えている。矩形の絶縁基板４１は、一辺を切り欠いて凹部４１ａを設けている。絶縁基板４１には、例えば幅１０．０ｍｍ×長さ２０．０ｍｍ×厚み０．６３５ｍｍのアルミナ基板やガラスエポキシ基板などが使用される。線状電極４５の根元部は高圧電極４３にはんだ付けされ、先端側は凹部４１ａから突出している。線状電極４５は線径が１００μｍ以下の極細線であり、ピアノ線、タングステン線、ステンレス線、チタン線などが用いられる。

また、線状電極４５としては引張り強度が２５００Ｎ／ｍｍ^２以上のステンレス線を用いることが好ましい。線材の組成比率や伸線後の熱処理により２５００Ｎ／ｍｍ^２以上の引張り強度を得ている。このように、２５００Ｎ／ｍｍ^２以上の線状電極４５を用いることにより、曲がりにくく、外力が作用しても復元性が良好で、線状電極４５が所定位置からずれることがなくなる。

グランド電極４２は、凹部４１ａの両側の絶縁基板４１上に、線状電極４５を間にして該線状電極４５と平行な一対の脚部４２ａ，４２ｂを有している。絶縁基板４１は、グランド電極４２の脚部４２ａ，４２ｂの先端部付近で線状電極４５に対向する側の角部がＲ面取りされている。

グランド電極４２の表面には、端子５ｂが接触するコンタクト部４２ｃを残して、絶縁膜４４が形成されている。絶縁膜４４の材料としてはシリコーン、ガラスグレーズなどが用いられる。グランド電極４２は５０ＭΩ程度の抵抗値を持っている。グランド電極４２の材料としては、酸化ルテニウムペーストやカーボンペーストなどが用いられる。特に、酸化ルテニウムは高電界がかかってもマイグレーションを起こさないので、最適な材料である。

イオン発生部品４は以下のようにして作成される。すなわち、図４（Ａ）に示すように、母基板４１Ａを金型で打ち抜いて凹部４１ａを形成する。同時に、グランド電極４２の脚部４２ａ，４２ｂの先端部付近で線状電極４５に対向する側の角部（凹部４１ａの角部）に、電界集中を避けるために曲率半径が０．５ｍｍ以上のＲ面取り若しくは０．５ｍｍ以上のＣ面取りを形成する。Ｒ面取りはエッジがないので、電界集中に対してＣ面取りよりも効果が大きい。一方、Ｃ面取りは金型の作成が容易であるという特長がある。本実施例では曲率半径が１．０ｍｍのＲ面取りを形成した。なお、Ｒ面取りやＣ面取りは、金型による打ち抜き加工ではなく、後で切削加工や研磨加工により形成してもよい。

次に、母基板４１Ａに複数個分のグランド電極４２等を形成した後、母基板４１Ａに設けたＶ字溝Ｌに沿って母基板４１Ａをブレークして（折って）、所定のサイズの絶縁基板４１を得る。このとき、図４（Ｂ）に示すように、グランド電極４２の脚部４２ａ，４２ｂの先端部付近で線状電極４５に対向する側の角部がＲ面取りされていなければ、母基板をブレークした際に、絶縁基板４１の凹部４１ａの角部にひげ状のバリＫが発生することがある。

金属製端子５ａ，５ｂはそれぞれ係止部５１と足部５２にて構成されている。係止部５１は、上側樹脂ケース３の上面３ｅに形成された保持部３３，３４に嵌め込まれる。端子５ａの足部５２は高圧電極４３のコンタクト部４３ａに接触接続し、端子５ｂの足部５２はグランド電極４２のコンタクト部４２ｃに接触接続している。

高圧用リード線７の端部７ａは上側樹脂ケース３の保持部３３の正面に形成された開口部（図示せず）に嵌入され、芯線７１が端子５ａの係止部５１に係合して電気的に接続される。同様に、グランド用リード線８の端部８ａは保持部３４の正面に形成された開口部（図示せず）に嵌入され、芯線８１が端子５ｂの係止部５１に係合して電気的に接続される。

高圧用リード線７は高圧電源のマイナス出力端子に接続され、グランド用リード線８は高圧電源のグランド出力端子に接続される。高圧電源はマイナスの直流電圧を供給するが、マイナスの直流バイアスを重畳した交流電圧を供給してもよい。そして、このイオン発生装置１は空気清浄機や空調機などに組み込まれる。つまり、高圧電源が空気清浄機の電源回路部にセットされ、イオン発生ユニットが送風経路にセットされることにより、空気清浄器などはマイナスイオンを含んだ風を送風する。

以上の構成からなるイオン発生装置１は、−１．３ｋＶ〜−２．５ｋＶの電圧でマイナスイオンを発生させることができる。すなわち、線状電極４５にマイナス電圧をかけると、線状電極４５とグランド電極４２との間で強電界が形成される。また、線状電極４５の先端部は絶縁破壊してコロナ放電状態になる。このとき、線状電極４５の先端部周辺では、空気中の分子がプラズマ化されて、分子が＋イオンと−イオンとに分かれ、空気中の＋イオンは線状電極４５に吸収され、マイナスイオンが残ることになる。

先端が細い（曲率半径が小さい）線状電極４５の方が、先端が太い電極よりも電子が集中しやすく、強電界が生じやすい。従って、線状電極４５を用いることで、低い印加電圧でもマイナスイオンを発生させることができる。

表１は線状電極４５に印加する電圧を変化させたときのマイナスイオン発生量を測定した結果を示すものである。測定には、周知のエーベルト式測定装置を用いた。測定地点は、イオン発生装置１から風下側に３０ｃｍ離れた地点である。風速は２．０ｍ／ｓとした。表１には、比較のために、図１１に示した従来のイオン発生装置１１０の鋸歯１１２ａが一つの構成のものを使ってマイナスイオン発生量を測定した結果も併せて記載している。

表１から、本実施例のイオン発生装置１は低電圧でも十分なマイナスイオンを発生していることがわかる。なお、この測定結果はグランド電極４２を絶縁膜４４にて被覆したときのデータであるが、絶縁膜４４が無いときも殆ど同じ数値のデータが得られた。

また、図１１に示した従来のイオン発生装置１１０の鋸歯１１２ａは、先端部を削った鉛筆形状のものであるため、使用を続けると先端部がなまる経時変化があり、ちょうど鉛筆の先が削れて丸くなるように次第に曲率半径が大きくなってしまう。そのため、曲率半径が大きくなるにつれて、イオン発生量が減少する。

一方、本実施例の線状電極４５は、線径が一定であるため、経時変化によって曲率半径が変わることがない。そのため、イオン発生量は安定する。

図５は、イオン発生量が１００万個／ｃｃになる印加電圧と線状電極４５の線径との関係を示すグラフである。測定地点は、イオン発生装置１から風下側へ５０ｃｍ離れた地点である。風速は３．０ｍ／ｓとした。グラフから、線状電極４５の線径が１００μｍ以下であれば、−２．０ｋＶ程度の低い印加電圧で十分な量のマイナスイオンが発生することがわかる。

さらに、絶縁基板４１のグランド電極４２の脚部４２ａ，４２ｂの先端部付近で線状電極４５に対向する側の角部がＲ面取りされているため、絶縁基板４１の凹部４１ａの角部にひげ状のバリが発生しにくい。バリが存在すると、バリ先端に電界が集中して強電界を形成する。正規の強電界近傍に同じ極性のバリによる強電界が存在すると、互いに反発し合い、正規の電界強度が弱くなる。従って、一つの強電界を利用する構造では、その強電界の近傍に強電界が存在しないことが望ましい。本実施例の構造は、イオン発生部以外に電界集中が起こりにくい構造であるので、イオン発生部の電界集中がし易く、結果として、イオン発生を安定しておこなうことができる。

図６および図７はそれぞれ、イオン発生装置１から風下側へ５０ｃｍおよび７０ｃｍ離れた地点でのイオン発生量と入力電圧との関係を示すグラフである（実線参照）。風速は２〜３ｍ／ｓとし、イオン測定器の測定上限は１２３万個／ｃｃである。比較のため、図４（Ｂ）に示したＲ面取りをしない絶縁基板を使用したイオン発生装置のイオン発生量を測定した結果も併せて記載している（点線参照）。グラフから、Ｒ面取りをすることにより、イオン発生電圧が若干低くなることがわかる。また、測定限界に達する電圧もＲ面取りをしない場合と比較して同等か低くなっていることがわかる。

図８は、入力電圧を−２．５ｋＶに固定したときの、イオン発生装置から７０ｃｍ離れた地点でのイオン発生量を示すグラフである（実線参照）。比較のため、図４（Ｂ）に示したＲ面取りをしない絶縁基板を使用したイオン発生装置のイオン発生量を測定した結果も併せて記載している（点線参照）。グラフから、Ｒ面取りをすることにより、イオン発生量が多くなることがわかる。

また、線状電極４５に印加する電圧を低くできるため、高圧電源のコストを下げることが可能となる。一般に、出力電圧の絶対値が２．５ｋＶ以下であれば、電源回路や絶縁構造を簡素化できる。例えば、図９に示すように、交流回路６５で発生した交流電圧をトランス６６で昇圧し、さらに、コッククロフト回路（コンデンサＣとダイオードＤを組み合わせて整流、倍圧を行う回路）で昇圧する場合を考える。この場合、従来のイオン発生装置であれば、トランス６６で−１ｋＶ〜−１．５ｋＶ程度で昇圧した後、図９の（Ａ）に示すようなコッククロフト回路６７で５倍圧、つまり−５ｋＶ〜−７．５ｋＶ程度昇圧する必要がある。一方、本実施例のイオン発生装置１であれば、図９の（Ｂ）に示すようなコッククロフト回路６８で２倍圧、つまり、−２ｋＶ〜−３ｋＶ程度昇圧するだけでよい。従って、コッククロフト回路のコンデンサＣやダイオードＤの数を減らすことができ、回路も簡素になる。

また、従来よりも印加電圧を低くできるため、安全性の向上を図ることができる。また、線状電極４５とグランド電極４２が絶縁基板４１上に平面的に構成されるため、占有体積が小さくなり、小型化を図ることができる。

また、表２は線状電極４５に印加する電圧を変化させたときのオゾン発生量を測定した結果を示すものである。測定地点は、イオン発生装置１から５ｍｍ離れた地点である。風速は０ｍ／ｓとした。表２には、比較のために、図１１に示した従来のイオン発生装置１１０の鋸歯１１２ａが一つの構成のものを使ってオゾン発生量を測定した結果も併せて記載している。

表２から、本実施例のイオン発生装置１は、使用状態におけるオゾン発生量が極めて少ないことがわかる。さらに、グランド電極４２を覆う絶縁膜４４が形成されているので、グランド電極４２と線状電極４５との間の放電開始電圧を空気のみの場合と比較して高くすることができる。この結果、線状電極４５の先端部とグランド電極４２との間で流れる暗電流（漏れ電流であり、放電ではない）を抑えることができる。これにより、電流の量に比例して発生するオゾンの発生量を低減することができる。

また、グランド電極４２を絶縁膜４４で覆うことにより、小型化の要求でグランド電極４２と線状電極４５との間隔が狭くなっても、グランド電極４２と線状電極４５間での異常放電などの不具合を防止できる。

図１０は別のイオン発生部品４Ａの平面図である。イオン発生部品４Ａのグランド電極４２は、線状電極４５と平行な脚部４２ａを一つだけ有している。グランド電極４２の脚部４２ａの先端部付近で線状電極４５に対向する側の角部（凹部４１ａの角部）には、バリ発生および電界集中を避けるために０．５ｍｍ以上のＣ面取りが形成されている。このイオン発生部品４Ａは、マイナスイオンの発生量が前記実施例のイオン発生部品４と比較して若干少なくなるが、より小型にできるという特徴がある。

なお、本発明は、前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。

例えば、イオン発生部品の線状電極は一つに限るものではなく、二つ以上備えていてもよい。ただし、二つ以上の線状電極を設ける場合には、線状電極同士が接近し過ぎると、電界分布が乱れて放電効率が低下するので、間隔に注意する必要がある。また、本発明はマイナスイオンの発生のみならず、プラスイオンの発生にも適用することができる。この場合、プラス電圧を発生する高圧電源を用い、高圧電極にプラス電圧を印加することになる。

本発明に係るイオン発生装置の一実施例を示す分解斜視図。 図１に示したイオン発生装置の外観斜視図。 図１に示したイオン発生部品を示す平面図。 図１に示したイオン発生部品の製造方法を示す平面図。 イオン発生量が１００万個／ｃｃになる印加電圧と線状電極の線径との関係を示すグラフ。 イオン発生装置から５０ｃｍ離れた地点でのイオン発生量と入力電圧との関係を示すグラフ。 イオン発生装置から７０ｃｍ離れた地点でのイオン発生量と入力電圧との関係を示すグラフ。 イオン発生装置から７０ｃｍ離れた地点でのイオン発生量を示すグラフ。 高圧電源の電気回路図。 本発明に係るイオン発生部品の別の実施例を示す平面図。 従来のイオン発生装置を示す外観斜視図。

符号の説明

１…イオン発生装置
２…下側樹脂ケース
３…上側樹脂ケース
４…イオン発生部品
５ａ…第１端子
５ｂ…第２端子
４１…絶縁基板
４１ａ…凹部
４２…グランド電極
４２ａ，４２ｂ…脚部
４３…高圧電極
４４…絶縁膜
４５…線状電極
５１…係止部

Claims (9)

1. 絶縁基板と線状電極とグランド電極とを備え、
   前記絶縁基板は一辺に凹部を有し、
   前記線状電極は、線径が細く、前記絶縁基板に先端側が前記凹部に突出するように取り付けられており、
   前記グランド電極は、前記絶縁基板上に設けられ、前記凹部の両側の絶縁基板上に前記線状電極を間に配置して線状電極の長さ方向に対して略平行な二つの脚部を有し、
   前記絶縁基板の前記グランド電極の先端部付近で前記線状電極に対向する側の角部がＲ面取り若しくはＣ面取りされていること、
   を特徴とするイオン発生部品。
2. 前記線状電極は線径が１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のイオン発生部品。
3. 前記線状電極は引張り強度が２５００Ｎ／ｍｍ²以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のイオン発生部品。
4. 前記グランド電極の表面に絶縁膜が形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のイオン発生部品。
5. 前記グランド電極が抵抗体からな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部品。
6. 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部品と、前記絶縁基板上に設けられた、前記線状電極を取り付けるための高圧電極と、前記高圧電極に接触接続し、リード線との係止部を有する第１端子と、前記グランド電極に接触接続し、リード線との係止部を有する第２端子と、前記イオン発生部品と前記高圧電極と前記第１端子と前記第２端子とを収容するためのケースとを備えたことを特徴とするイオン発生ユニット。
7. 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部品と、マイナス電圧又はプラス電圧を発生する高圧電源とを備えたことを特徴とするイオン発生装置。
8. 前記第１端子と前記第２端子にそれぞれ係止されるリード線を有し、かつ、マイナス電圧又はプラス電圧を発生する高圧電源と、請求項６に記載のイオン発生ユニットとを備えたことを特徴とするイオン発生装置。
9. 前記高圧電源からの出力電圧の絶対値が２．５ｋＶ以下であることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載のイオン発生装置。

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