(57)【要約】【課題】  電界放出によってイオンを発生させることが可能なイオン発生素子およびそれを備えたイオン発生装置を提供する。【解決手段】  カーボンナノチューブ１２を用いたイオン発生素子５と、イオン発生素子５に印加する印加電圧を出力するための電圧レベル設定回路２とを設ける。電圧レベル設定回路２から与えられる印加電圧に基づいてカーボンナノチューブ１２により高電界が生じる。この高電界中の電界放出によりカーボンナノチューブ１２から放出された電子と、水分子との衝突電離に基づいてイオンが生成される。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気中に存在する水分子と電子との衝突電離に基づいてイオンを生成するイオン発生素子であって、
第１および第２の電極素子と、
前記第１および第２の電極部の一方に対応して付着し、前記第１および第２の電極素子に与えられる印加電圧に基づいて、前記第１および第２の電極素子間において高電界を生じさせて前記電子を放出するための電子放出素子とを備える、イオン発生素子。
【請求項２】
前記電子放出素子は、カーボンナノチューブに相当する、請求項１記載のイオン発生素子。
【請求項３】
前記カーボンナノチューブは、単層構造である、請求項２記載のイオン発生素子。
【請求項４】
前記カーボンナノチューブは、多層構造である、請求項２記載のイオン発生素子。
【請求項５】
前記高電界は、高周波高電界であって、
前記高周波高電界の周波数は、前記生成されたイオンが前記高周波高電界にしたがって移動する最大の距離が前記電子放出素子から放出される前記電子の平均自由行程の距離よりも短くなるように設定される、請求項１記載のイオン発生素子。
【請求項６】
前記イオンはマイナスイオンとしてのＯ2-（Ｈ2Ｏ）m（ｍ：自然数）と、プラスイオンとしてのＨ+（Ｈ2Ｏ）n（ｎ：自然数）とを含む、請求項１記載のイオン発生素子。
【請求項７】
空気中に存在する水分子と印加電圧に基づく電界放出により放出される電子との衝突電離に基づいてイオンを生成するイオン生成部と、
前記イオン生成部に与える前記印加電圧を調整するための電圧設定部とを備え、
前記印加電圧は、生成された前記イオンを捕捉する周波数に設定され、かつ減衰振幅の電圧レベルに設定される、イオン発生装置。
【請求項８】
前記電圧設定部は、
高周波信号を発振する発振回路と、
前記発振回路から出力される前記高周波信号に応答して制御信号を出力する制御回路と、
前記制御回路から出力される制御信号に応じて出力する電圧レベルを調整する電圧レベル設定回路とを含む、請求項７記載のイオン発生装置。
【請求項９】
前記イオン生成部で生成した前記イオンを撒布するための送風機をさらに備える、請求項７記載のイオン発生装置。
【請求項１０】
前記電圧設定部は、電池で駆動される請求項７記載のイオン発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオンを発生するイオン発生素子に関し、特に電界放出によってマイナスイオンおよびプラスイオンを発生するイオン発生素子およびそれを備えたイオン発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、居住空間の高気密化に伴い清潔で快適な居住空間を実現するための技術、特に、居住空間内の空気を清浄化する技術の開発が切望されている。このような空気の清浄化には従来から対象となる空間内の空気を吸い込み、適宜フィルタを通して吐き出す循環気流を生じさせて、この循環気流中に存在する浮遊物を当該フィルタに逐次捕捉する空気調和機が広く用いられていた。
【０００３】
しかしながら、この種の空気調和機においては、浮遊物の除去は本体内に吸い込まれた空気に対して行なわれるのみであり居住空間の全体に清浄化効果を及ぼすことが困難であるという問題があった。たとえば、室内に配置された家具の裏側、居室の各部等空気の澱みが生じやすく、清浄化が必要な箇所においては十分な効果を期待し得ないという問題があった。また、本来の性能を維持するためにもフィルタの清掃および交換等が不可欠であり、これらを含む複雑なメンテナンス作業を強いられるという問題もあった。さらに、居住空間内の浮遊物には塵埃、煙塵等の微粒子と共にカビ菌、大腸菌等の細菌類が含まれている。上述したフィルタを用いた空気調和機では微粒子等については有効な除去を行うことができるが、人体に有害な細菌類等についてはそのフィルタへの捕捉下において繁殖し、循環気流と共に居住空間内に戻されるため十分な除菌効果すなわち除去効果が得られないという問題があった。近年においては、抗菌材料製のフィルタを用い細菌類の除去効果を高めるようにした空気調和機も実用化されているが、満足する性能が得られていないのが実情である。
【０００４】
このような問題点を解消すべく、特開２００３−１２３９４０号公報においては空間内にイオンを放出することにより、当該空間内の空気を清浄化するという新しい発想に基づく清浄化の方式が提案されている。この方式は、対象となる空間に対して気流を放出する通気路の途中にプラスイオンおよびマイナスイオンを略同量程度、発生するイオン発生装置を配置し、当該気流と共に対象となる空間に放出するものである。当該プラスイオンおよびマイナスイオンは、空気中の水蒸気を放電現象によりイオン化することによって生成されるものであり、水素イオン（Ｈ+）または酸素イオン（Ｏ2-）の周囲に複数の水分子が付随した形態いわゆるクラスタイオンの形態をなしている。
【０００５】
空気中に放出されたこれらのイオンは、浮遊粒子に凝集されて相互に化学反応し、活性物質としての過酸化水素（Ｈ2Ｏ2）または水酸基ラジカル（・ＯＨ）となり浮遊粒子から水素を抜き取る酸化反応により浮遊粒子を不活性化し、また浮遊細菌を殺菌する。この空気清浄化は、対象となる空間内に放出され、当該空間の全体に広がるイオン作用によりなされる。
【０００６】
また、これらのイオンは浮遊細菌に作用して、これらを殺菌し、さらには臭い分子および有害分子に作用して、無臭化および無害化することから対象空間の全体に行き渡って清浄化効果を十分に得ることができる。なお、空間内に放出されるこのクラスタイオンは自然界に存在するイオンであり、人体に影響を及ぼすものではない。
【特許文献１】特開２００３−１２３９４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来のイオン発生装置は、放電現象によってイオンを発生させる方式を採用しており、電極間に高電圧を印加する必要がある。したがって、イオンを生成するためのイオン発生素子の小型化が困難であり、また、電力消費量も大きいという問題がある。また、放電現象により実用上必要としないイオンやラジカルおよび多量のオゾンが生成されてしまうという問題もある。
【０００８】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、電界放出によってイオンを発生させることが可能なイオン発生素子およびそれを備えたイオン発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は空気中に存在する水分子と電子との衝突電離に基づいてイオンを生成するイオン発生素子であって、第１および第２の電極素子と、第１および第２の電極部の一方に対応して付着し、第１および第２の電極素子に与えられる印加電圧に基づいて、第１および第２の電極素子間において高電界を生じさせて電子を放出するための電子放出素子とを備える。
【００１０】
本発明のイオン発生装置は、空気中に存在する水分子と印加電圧に基づく電界放出により放出される電子との衝突電離に基づいてイオンを生成するイオン生成部と、イオン生成部に与える印加電圧を調整するための電圧設定部とを備える。印加電圧は、生成されたイオンを捕捉する周波数に設定され、かつ減衰振幅の電圧レベルに設定される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のイオン発生素子により、水分子と電子との衝突電離に基づくイオンを生成することができるため不要なイオンを生成することなく、所望のイオンを生成することができる。
【００１２】
本発明のイオン発生装置により、生成されたイオンを捕捉することができるためスパッタリング現象を抑制して所望のイオンを生成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下において本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお図中における同一符号は同一または相当部分を示すものとする。
【００１４】
図１は、本発明の実施の形態に従うイオン発生装置１の主要部の概略構成図である。
【００１５】
図１を参照して、本発明の実施の形態に従うイオン発生装置１は、イオンを発生させるイオン発生素子５と、イオンを発生させるための印加電圧の電圧レベルを設定する電圧レベル設定回路２と、電圧レベル設定回路２を制御するための制御回路４と、制御回路４内のタイミング制御に用いられる発振器３とを備える。電圧レベル設定回路２と、制御回路４と、発振器３とで電圧設定部を構成する。
【００１６】
電圧レベル設定回路２は、電圧Ｖｉｎ（−５Ｖ）を駆動電圧として電圧Ｖｏｕｔを出力する。電圧レベル設定回路２は、電圧Ｖｉｎの電圧レベルを降圧して出力（−２０Ｖ）する降圧回路６と、電圧Ｖｉｎの電圧レベルを昇圧して出力（１０Ｖ）する昇圧回路７と、トランジスタＮＴ１〜ＮＴ３とを含む。トランジスタＮＴ１は、降圧回路６を介して電圧Ｖｉｎと接続され、制御回路４からの制御信号ｎ１に応答して降圧回路６の出力電圧を電圧Ｖｏｕｔとしてイオン発生素子５に出力する。トランジスタＮＴ２は、電圧Ｖｉｎと接続され、制御回路４からの制御信号ｎ３に応答して電圧Ｖｉｎを電圧Ｖｏｕｔとしてイオン発生素子５に出力する。トランジスタＮＴ３は、昇圧回路７を介して電圧Ｖｉｎと接続され、制御回路４からの制御信号ｎ２に応答して昇圧回路７の出力電圧を電圧Ｖｏｕｔとしてイオン発生素子５に出力する。
【００１７】
図２は、本発明の実施の形態に従うイオン発生素子５の概略構成図である。
【００１８】
図２を参照して、イオン発生素子５は、陽極板１０と、陰極板１１と、陰極板１１に付着して設けられた電子放出素子であるカーボンナノチューブ１２とを含む。本構成は、いわゆるペースト型のカーボンナノチューブの構成である。
【００１９】
ここで、電界放出に基づくイオン生成について説明する。
【００２０】
電界放出とは、電極直前の電界強度が１０9［Ｖ／ｍ］程度になると、外部のポテンシャルが急激に降下し、電極表面のポテンシャル障壁が非常に薄くなって内部の電子がトンネル効果によって障壁を通過して外部（真空もしくは大気中）に放出される確率を持つようになるという現象である。この電界強度が１０9［Ｖ／ｍ］という非常に大きな電界強度を得るために、本発明の実施の形態においてはカーボンナノチューブを用いている。
【００２１】
一般的に、カーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴｓと称することとする）は、グラファイト状の炭素原子面を丸めた円筒が１個または複数個入れ子状に配列した繊維状構造を有し、その直径はナノメートルオーダと極めて微細な物質で構成されている。
【００２２】
ＣＮＴｓは、その構造によって金属から半導体と幅広い電気特性を持ち、微小で表面積が大きい、また長さマイクロメートルオーダにも達するため、非常にアスペクト比（長さ／直径比）が大きく中空であるという独特の形状を有する。特に、このＣＮＴｓの先端は、ナノメートルオーダの径を持つ半球状で形成されており、印加電圧による電界の集中が容易に得られ、低い印加電圧で電界放出を実現することができる。
【００２３】
次式は、図２に示されるカーボンナノチューブ１２を用いたイオン発生素子５における電界強度Ｅを示す。
【００２４】
【数１】
2005149983.tif 000003
【００２５】
電極間距離ｄを１０〜５０μｍ、カーボンナノチューブの先端の曲率半径を４０〜５０ｎｍ、印加電圧｜Ｖ｜を１５〜２１Ｖに設定することにより、電界強度が１０9［Ｖ／ｍ］程度とすることができる。したがって、上記で説明したように電界放出に必要な高電界の電界強度を得ることができる。また、低電圧で電界放出が生じる高電界を生じさせることができ、消費電力を低減することができる。なお、カーボンナノチューブの特性は、通常の電極に用いられる金属と異なり、電界強度が上記１０9［Ｖ／ｍ］程度よりも低い１０7［Ｖ／ｍ］程度で電界放出が生じるという実験結果も得られている。したがって、カーボンナノチューブを用いることにより、より効果的な電界放出を行うことができる。また、低電圧であるため小型の電池等（太陽電池を含む）を用いて、イオンを発生させる事が可能であり、装置を小型化するとともに、携帯することも可能である。また、不要なイオンやラジカルおよび多量のオゾンを生成することなく、所望のクラスタイオンを生成することができる。
【００２６】
上述したように本発明は、低電圧での電子放出、化学的安定性、物理的強靭性を併せ持つ電子放出素子であるＣＮＴｓを用いてイオンを生成する。
【００２７】
具体的には、負電極に付着されたＣＮＴｓの先端から放出された電子が水分子に衝突する。この電子衝突によって、水分子の電子による衝突電離（解離）に基づきマイナスイオンとしてのＯ2-（Ｈ2Ｏ）m（ｍ：自然数）と、プラスイオンとしてのＨ+（Ｈ2Ｏ）n（ｎ：自然数）とが生成される。この点、プラスイオンＨ+（Ｈ2Ｏ）nは、水分子と高いエネルギ（約５［ｅＶ］程度）を有する電子との衝突に基づいて生成される。一方、マイナスイオンＯ2-（Ｈ2Ｏ）mは、酸素の電子親和力が大きいため電子付着が起こりやすく低いエネルギ（約１［ｅＶ］）を有する電子との衝突においても生成される。
【００２８】
一方で、衝突電離に基づき生じたプラスイオンＨ+（Ｈ2Ｏ）nは、負電極のカーボンナノチューブに電界に従って引き寄せられる。この際、この生じたプラスイオンＨ+（Ｈ2Ｏ）nは高エネルギ粒子であり、これがカーボンナノチューブおよび負電極に衝突するとその接触した付近において破壊が生じるいわゆるスパッタリング現象が生じる可能性がある。
【００２９】
したがって、本実施の形態においては、生成したプラスイオンＨ+（Ｈ2Ｏ）nによるスパッタリング現象によってカーボンナノチューブおよび負電極が破壊されないようにイオンを電極間で捕捉（trapping）する。
【００３０】
このイオンの捕捉について説明すると、高周波電界において高周波電界中を荷電粒子が運動する場合に周波数が高くなると荷電粒子が対向する電極に到達しないうちに電圧の極性が反転して電界の向きが逆になり、荷電粒子が引き戻されるという場合が生じる。したがって最初の荷電粒子の位置によっては対向する電極に到達することなく常に電極内を往復運動し続けるという現象が起こり得る。この状態を荷電粒子の捕捉（trapping）という。
【００３１】
本発明では電極間でこのプラスイオンを捕捉することによりスパッタリング現象を抑制して所望のイオンを生成する。
【００３２】
具体的には、所望の高周波電界を与えることにより、スパッタリング現象を抑制する。
【００３３】
図３は、本発明の実施の形態に従う電子の自由行程分布確率を説明する図である。
【００３４】
図３を参照して、縦軸は、分布確率Ｐを示す。横軸は、平均自由行程を基準（１．００）とした場合の自由行程λの係数が示されている。この分布確率の図に示されるように平均自由行程以下の電子の割合は約６３％である。また、平均自由行程以上の電子の割合は約３７％である。
【００３５】
電界強度が１０8［Ｖ／ｍ］程度の場合この平均自由行程の電子が有するエネルギは３ｅＶ程度である。したがって、３ｅＶ以上のエネルギを有する電子は約全体の３７％であることがわかる。そのうち、特に、プラスイオンＨ+（Ｈ2Ｏ）nを生成するためには平均自由行程以上の電子である必要がある。なお、５ｅＶ程度以上のエネルギを有する電子は約全体の数十％は存在する。
【００３６】
図４は、電界中における荷電粒子の移動を説明する図である。
【００３７】
図４（ａ）に示されるように、カーボンナノチューブ１２から放出された電子ｅは、自由行程λ進んで水分子と衝突する。この衝突電離によりマイナスイオンＯ2-（Ｈ2Ｏ）mと、プラスイオンＨ+（Ｈ2Ｏ）nとが生成される。本例においては、プラスイオンＨ+（Ｈ2Ｏ）nについて主に説明する。
【００３８】
図４（ｂ）は、生成されたプラスイオンＨ+（Ｈ2Ｏ）nの電界の向きに従った移動を説明する図である。
【００３９】
図４（ｂ）に示されるようにプラスイオンＨ+（Ｈ2Ｏ）nは陰極板１１方向に移動する。したがって、上述したように陰極板１１付近でスパッタリング現象が生じる可能性がある。
【００４０】
ここで、プラスイオンＨ+（Ｈ2Ｏ）nがｘ進む図が示されている。このプラスイオンが陰極板１１付近に到達する前に電界の向きを反転すなわち極性を変えることにより陰極板１１に到達する前にプラスイオンＨ+（Ｈ2Ｏ）nが対抗する陽極板１０に引き寄せられ上述したイオンの捕捉（trapping）を行うことができる。
【００４１】
図５は、本発明の実施の形態に従う高周波電界の生成を説明する図である。
【００４２】
図５（ａ）では、制御回路４が発振器３の発振信号に応答して制御信号ｎ１〜ｎ３を出力している。具体的には、時刻ｔ１に制御信号ｎ１が「Ｈ」レベルに設定される。時刻ｔ２に制御信号ｎ１は「Ｌ」レベルに設定されるとともに、制御信号ｎ２は「Ｈ」レベルに設定される。時刻ｔ３に制御信号ｎ２は「Ｌ」レベルに設定されるとともに、制御信号ｎ３は「Ｈ」レベルに設定される。時刻ｔ４に制御信号ｎ３は「Ｌ」レベルに設定される。
【００４３】
図５（ｂ）では、制御信号ｎ１〜ｎ３に従って出力される印加電圧Ｖｏｕｔが示されている。具体的には、制御信号ｎ１〜ｎ３に従って減衰波形の印加電圧Ｖｏｕｔが出力される。
【００４４】
図５（ｃ）では、与えられる印加電圧Ｖｏｕｔに従って生成される電界Ｅが示されている。
【００４５】
図５（ｂ）に示されるようにカーボンナノチューブにより高電界が生成され、印加電圧に従って減衰波形の電界Ｅが生成される。最大の高電界−Ｅｍに到達した時刻ｔ１ａにおいて、電界放出が行われる。具体的には、カーボンナノチューブの先端から電子が放出され、イオンすなわちプラスイオンＨ+（Ｈ2Ｏ）nおよびマイナスイオンＯ2-（Ｈ2Ｏ）mが生成される。この時刻ｔ１ａから時刻ｔ２までの区間、生成されたイオンが電界の向きに従って移動する。時刻ｔ２から時刻ｔ３の区間は電界の向きが逆向きであるため、この電界の向きに従ってプラスイオンが移動する。また、時刻ｔ３から時刻ｔ４の区間はまた電界の向きが変わり、電界の向きに従ってプラスイオンＨ+（Ｈ2Ｏ）nが移動する。したがって、このような高周波高電界に従ってプラスイオンＨ+（Ｈ2Ｏ）nを電極間中で捕捉することができる。
【００４６】
カーボンナノチューブから放出された電子の自由行程がλｘである場合、以下の式が成り立つようにすればスパッタリング現象を起こすことなく、イオンを捕捉することができる。
【００４７】
λｘ≧ｘ（ｘは、プラスイオンが電界の向きにしたがって移動する最大距離）
本実施の形態においては、上述したように平均自由行程の電子が約３ｅＶ程度のエネルギを有する。したがって、上述したように水分子と衝突してプラスイオンＨ+（Ｈ2Ｏ）nを生成する電子は５ｅＶ以上のエネルギを有するため平均自由行程以上の自由行程を有する。
【００４８】
したがって、本例においては、一例としてλｘを電子の平均自由行程として、与えられる高周波高電界の周波数を計算する。
【００４９】
【数２】
2005149983.tif 000004
【００５０】
ここでＥｙは、電子の平均自由行程進んだ位置における電界強度を示している。また、積分区間としては、高周波高電界の周期Ｔの区間におけるＴ／４〜Ｔ／２であり、角速度ωを用いて表すとπ／２ω〜π／ωとなる。また、平均自由行程は、０．４４×１０-6ｍとする。また、移動度μ：３×１０-4ｍ2／（Ｖ・ｔ）とする。
【００５１】
上記の（１）、（２）式に基づいて計算すると、ｆ＝約８０ＭＨｚの周波数の高電界を生成することにより、スパッタリング現象を起こすことなく、イオンを捕捉することができる。
【００５２】
図６は、本発明の実施の形態に従うイオン発生装置の概観図である。
【００５３】
図６を参照して、ここでは、装置内部を被覆するカバー本体５１と、送風機５２と、送風機５２を支持し、カバー本体と連結される支持部５３とを備える。
【００５４】
送風機５２は、気流を生成し、放出する。したがって、本構成により、生成された電極間のイオンが送風機５２で外部に放出され、たとえば部屋の周囲全体に広がるイオン作用により空気清浄化を行うことができる。
【００５５】
図７は、本発明の実施の形態に従うカーボンナノチューブの構造を説明する図である。
【００５６】
図７（ａ）を参照して、ここでは単層カーボンナノチューブ（single-wall carbon nanotube：ＳＷＣＮＴ）が示されている。ここでは、一つ一つが寄り集まった集合体が示されている。
【００５７】
図７（ｂ）を参照して、ここでは多層カーボンナノチューブ（multi-wall carbon nanotube：ＭＷＣＮＴ）が示されている。上層のチューブが下層のチューブを被覆する構造で多層構造となっている。
【００５８】
図８は、別のイオン発生素子の構造図である。
【００５９】
図８（ａ）は、図２と異なる別のイオン発生素子５ａを示している。イオン発生素子５ａは、基板電極２２と、ゲート電極２０と、絶縁層２１と、カーボンナノチューブ１２とを備える。
【００６０】
カーボンナノチューブ１２は、基板電極２２と電気的に結合される。
【００６１】
図８（ｂ）は、イオン発生素子５ａの構造を説明する図である。
【００６２】
図８（ｂ）に示されるように基板電極２２と、ゲート電極２０とが絶縁層２１を介して対向して設けられる。ゲート電極２０および絶縁層２１の中央付近は円柱状に空隙が設けられており、その中央にカーボンナノチューブ１２が配置される。すなわち、カーボンナノチューブ１２を取り囲むようにゲート電極２０および絶縁層２１が設けられているいわゆるスピント型の構成である。この構成においては、カーボンナノチューブ１２の先端から周囲を取り囲むゲート電極２０に電子が放出される。
【００６３】
次式は、図８に示されるカーボンナノチューブ１２を用いたイオン発生素子５における電界強度Ｅを示す。
【００６４】
【数３】
2005149983.tif 000005
【００６５】
本構成においても、上記の図２で説明したのと同様の方式に従って、スパッタリング現象を起こすことなく、イオンを捕捉することができる。
【００６６】
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。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施の形態に従うイオン発生装置１の主要部の概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に従うイオン発生素子５の概略構成図である。
【図３】本発明の実施の形態に従う電子の自由行程分布確率を説明する図である。
【図４】電界中における荷電粒子の移動を説明する図である。
【図５】本発明の実施の形態に従う高周波電界の生成を説明する図である。
【図６】本発明の実施の形態に従うイオン発生装置の概観図である。
【図７】本発明の実施の形態に従うカーボンナノチューブの構造を説明する図である。
【図８】別のイオン発生素子の構造図である。
【符号の説明】
【００６８】
１  イオン発生装置、２  電圧レベル設定回路、３  発振器、４  制御回路、５，５ａ  イオン発生素子、６  降圧回路、７  昇圧回路、１０  陽極板、１１  陰極板、１２  カーボンナノチューブ、２０  ゲート電極、２１  絶縁層、２２  基板電極、５１  カバー本体、５２  送風機、５３  支持部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005149983.tif 000012
【図８】
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