JPH04238056A - 固体イオン発生器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

［発明の目的］

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は気中にて荷電粒子を発生
させることに係り、特に高密度でイオンを発生させるイ
オン発生器に関する。

【０００２】

【従来の技術】記録技術に使用する気中でのイオン発生
には、コロナ放電、火花放電などがある。コロナ放電は
電子写真記録方式の複写機において、感光体の一様帯電
、あるいは転写紙へのトナー画像転写などに広く用いら
れている。しかし、通常のコロナ放電では、コロナワイ
アから生ずるイオンによる空間電荷でイオン発生量が限
定され、放電電流密度は最大１０μＡ／ｃｍ２　程度で
あった。そのため、より高いコロナ電流を得る方法に、
コロナワイアに空気流を吹き付けて空間電荷を形成する
空気中の生成イオンを吹き飛ばし、１０３　μＡ／ｃｍ
２　程度の高密度のイオン電流を得る方法が報告されて
いる。しかし、この方法は圧縮空気が必要である欠点が
ある。また、これらのコロナワイアを使用する方法では
、コロナワイアが〜６０μｍと細く、高電圧印加時に生
じるワイアの震動でワイアが切れ、さらに、空気中の浮
遊ダストを静電吸着するため、しばしばクリーニングし
なければならない欠点がある。

【０００３】一方、静電記録で使用される静電記録紙と
、記録針間の火花放電を利用する記録方法がある。この
方法は、静電記録方式のプロッタやファクシミリなどに
用いられ、エアギャップの火花放電を利用し、記録針と
絶縁性記録媒体表面との５〜２０μｍの小さなエアギャ
ップに生ずる気中放電を用いて静電潜像を形成するもの
である。しかし、このようにして得た電荷像は均一でな
く、広い面積にわたって均一な静電潜像を形成するのが
困難であった。

【０００４】これらの問題に対しデルファクス社では、
絶縁層を挟んだ２枚の電極に高周波高電圧を印加すると
高密度のイオンが発生することに注目し、この固体イオ
ン発生器からなる固体イオン流ヘッドを用い、１９８２
年にラベルプリンタの商品化に成功している。この方法
は、高密度イオンを発生させる１ＭＨｚ、２．８ＫＶＰ
−Ｐ　の高周波高電圧と、記録媒体にイオンを搬送する
６００Ｖの電圧を、画点対応の電極ごとに切り替え、２
値の高速記録（５００枚／分：Ａ４相当）を行うもので
、高硬度アルミナの記録媒体を用い、１０万枚に１回程
度の保守で大量印刷ができる。

【０００５】この方法は、例えばＵ．Ｓ．Ｐ．４，１５
５，０９３に示されている。図１３を用いてこの方法を
説明するとイオン発生装置は絶縁層６０１の上下各面に
は電極６０２，６０３が設けられ、又下側の電極６０３
には電界集中を大きくし容易にイオンを発生させるため
の溝（又は穴）６０４が設けられた構成となっている。 又、これらの電極６０２，６０３間には交流電圧６０５
が印加され、イオンを発生させる電極の溝６０４に高い
交流電界を集中させ、これにより、正負のイオンが高密
度に発生するようになっている。このようにして発生し
たイオンは、電極６０３に加えられた制御用信号電圧６
０６のオン，オフにより負極性のイオンのみが選択され
、イオン流となって加速電極方向に移動する。さらに、
このイオン流は加速電極６０７に印加された電圧６０８
で加速され、絶縁性記録媒体６０９に到達し、これによ
り信号に応じた静電潜像が形成される。いわゆるイオン
記録ヘッドは以上のイオン発生装置を画点に数に応じて
多数配置したものである。

【０００６】このように高い電圧を制御するには、高耐
圧の制御用ＩＣを必要とし、高耐圧のＩＣは大きな実装
面積を必要とするため、ヘッドに駆動ＩＣを搭載できな
い欠点がある。そのため、高精細ヘッド用の高密度実装
には適さない。さらに、この画点毎に設けられた固体イ
オン発生器からのイオン発生量は周囲環境の影響を受け
易く、このヘッドによる静電潜像は、環境によって変化
する欠点がある。そのためデルファックス社では、イオ
ン照射およびコロナイオン発生で生成された硝酸塩でも
材質が変化しない、長寿命の結晶雲母を固体イオン発生
器の絶縁層に使用している。そのため、固体イオン発生
器の製造は、結晶雲母と基板との接着および結晶雲母上
への厚膜印刷による電極形状が困難で、イオン発生器の
大量生産が困難である欠点を有する。

【０００７】以上の欠点を除き制御電圧を低下させる方
法に、コロナチャージャで発生したイオンを高速の空気
流により空気流通過孔に搬送し、このイオンを含んだ空
気流の垂直方向に制御電界を与えて搬送イオンを偏向し
、記録媒体に達する搬送イオン量を制御して静電潜像を
形成する提案（特開昭６１−２５５８７０号公報）があ
る。この方法では、３０Ｖ程度の低電圧でコロナイオン
流の駆動が可能であることが示されているが、イオン流
の通過孔内の垂直方向に制御電界を与える電極を設ける
必要から、構造が複雑となり実装密度に限界がある。 また、空気流の速度で記録速度が決定され、安定した記
録が困難である。

【０００８】一方、比較的低い電圧で制御できる他の方
法（Ｊａｐａｎ　　Ｈａｒｄｃｏｐｙ´８９．．Ｐ１５
９）がある。この方法は、コロナチャージャに常時６．
５ｋＶの電圧を加えて発生したイオンを、イオン通過孔
のある２枚の制御電極を通過させ〜１５０Ｖの電圧で制
御し、静電記録紙を用いて４００Ｖ以上の高い静電コン
トラスト像を作り、複写機で通常使用されているトナー
を使用できる。また、画点毎にパルス幅制御した信号電
圧を用いて階調記録ができ、画点集中で階調表現を行う
レーザプリンタより低い解像度で同等の画質が得られる
。しかし、このイオン記録ヘッドの欠点は、コロナチャ
ージャのイオン発生量により速度限界の上限が決まり、
２枚／分（Ａ４）が限界である。さらに、制御電圧がま
だ１５０Ｖ以上と高く、駆動ＩＣをヘッドに搭載するこ
とが困難で、さらに、この方式はコロナチャージャを使
用しているためイオン記録ヘッドの固体化が困難で、量
産製品には向かない欠点がある。

【０００９】以上のイオンデポジション記録方法は、（
１）レーザプリンタのような（光源・回転ミラー走査）
レーザ光学系と感光体を必要とせず、（２）記録画点を
パルス幅変調ができ、レーザプリンタの数分の一の解像
度で同等の画質が得られ、（３）感光体のような表面電
位の暗減衰がある記録媒体を使用しないため、静電潜像
の保持時間が長く間欠送り記録の可能がある。さらに、
（４）記録媒体上に順次トナー画像を重ねて形成できる
可能性があり、高速ワンパスカラー記録が期待される特
徴がある。しかしながら、従来のイオン記録ヘッドでは
制御電圧に高電圧を必要とし、高耐圧の駆動ＩＣが必要
である。また、低電圧化した方式では空気流を必要とし
た。さらに、コロナチャージャを用い駆動電圧を低電圧
化した方式では記録速度が低下する。これらのいずれの
方式でもヘッドの固体化が困難であった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来の誘電体を挟んで
配設された誘導電極とイオン発生電極の間に高圧高周波
電圧を印加して高密度のイオン流を発生させる固体イオ
ン発生器を画点毎に形成し、イオン流を画点毎に制御し
て絶縁性記録媒体上に静電潜像を形成させるイオン流ヘ
ッドでは、固体イオン発生器の絶縁層に結晶雲母を使用
して固体イオン発生器を安定に動作させていた。そのた
め、ヘッドの量産性に乏しく、製造コストが高くなる欠
点がある。さらに、イオン流を制御するには特殊な高圧
駆動回路を必要とし、回路規模が大きくなる欠点があっ
た。

【００１１】一方、コロナチャージャをイオン発生器に
使用し、２枚のイオン通過孔を有する制御電極で比較的
低い電圧でイオン流を制御できる方法は記録速度が遅く
、かつコロナチャージャを使用するためイオン流ヘッド
の固体化ができず、量産に向かない欠点がある。

【００１２】本発明は、固体イオン発生器の絶縁層を厚
膜印刷技術で大量生産できる材料で形成し、かつ安定し
て高密度イオン発生が可能な固体イオン発生器構造と使
用方法を提供するものである。この発明による固体イオ
ン発生器を用いることで、イオン量を安定に制御して高
速記録のできるイオン記録ヘッドを量産可能にするもの
である。 ［発明の構成］

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明は、誘電体層を
挟んで誘導電極とイオン発生電極を設け、大量のイオン
を発生できる固体イオン発生器を、厚膜印刷技術を用い
て低価格に大量生産できる固体イオン発生器を与え、か
つ安定して使用できる固体イオン発生器の使用方法を提
供するものである。

【００１４】固体イオン発生器に生ずるイオン発生量の
変動は、イオン照射により誘電体層の表面抵抗の減少で
生ずる。このイオン発生器の寿命は誘電体層の絶縁破壊
で起こる。また、イオン発生器を低電圧駆動させるため
には、イオンを低電圧で発生させ、かつ生じたイオンを
低い電圧で効率よく取り出す必要がある。ここでは、こ
れらの条件を達成できるイオン発生器を提供することを
目的とした。

【００１５】このイオン発生器の誘電体層の表面抵抗が
減少すると、誘電体層表面の電位がイオン発生電極の電
圧と同一となり、イオン発生電極と誘電体間の気中空間
に電圧が印加されず、イオン発生量が低下する。この表
面抵抗の減少は、イオン発生時に生じる窒化物または硝
酸塩が誘電体層表面に付着して生ずる。そのため、これ
らの窒化物または硝酸塩で表面が劣化しないポリイミド
層と高耐圧のガラス層などからなる２層構造にし、誘電
体層の表面抵抗の安定性と耐圧を確保した。この形成さ
れた窒化物または硝酸塩は６０℃程度の温度で分解する
ため、誘電体層に接している誘導電極またはイオン発生
電極を抵抗体で形成し、その電極自身に電流を流してヒ
ータとし、誘電体層を６０℃以上の温度に保持すること
でイオン発生器の安定化を計っている。

【００１６】さらに、イオン発生器に加える交流電圧の
周波数ｆを次式を満足する値以上にし、表面抵抗の劣化
が生じた場合にも安定したイオン発生ができるようにし
た。 ｆ≧１／｛Ｒ・Ｃｏ・（Ｌｒ／２）２　｝

【００１７】
ここでＲはイオン発生電極のスリット（または孔）の中
心方向の誘電体層の単位長さ当りの表面抵抗、Ｃｏは誘
電体層の単位面積当りの静電容量、Ｌｒはイオン発生電
極のスリット幅（または孔）である。

【００１８】この点についてつぎに説明する。誘電体層
表面の抵抗値が減少すると、その抵抗と誘電体層の静電
容量で決まる時定数で誘電体層の表面電位がイオン発生
電極と同電位になり、イオン発生電極と誘電体表面間の
気中の電界が減少する。そのため、この時定数よりも高
速に電位上昇が起こる周波数でイオン発生器を駆動する
必要がある。この時定数は、イオン発生電極から離れる
スリット中心部ではその抵抗値が増加して時定数が大き
くなり、イオンが容易に発生する。このスリット内の誘
電体層の単位長さ当りの表面抵抗はＲ、単位面積当りの
静電容量をＣｏとすると、時定数の最も長いスリット中
心では次の値となる。

【００１９】 τ＝（Ｒ・Ｌｒ／２）・（Ｃｏ・Ｌｒ／２）＝Ｒ・Ｃｏ
・（Ｌｒ／２）２　…（１） このスリットの中心でイオンが発生するには交流電圧の
最小周波数ｆｏを次式（２式）で示す周波数以上にする
必要がある。

【００２０】 　　　　ｆｏ＝１／τ＝１／｛Ｒ・Ｃｏ・（Ｌｒ／２）
２　｝　　　　　　　　　　　　　　　　…（２） そのため、イオン発生電極近傍を含む広い範囲でイオン
を発生させるには、駆動用の交流電圧の周波数をこの周
波数ｆｏ以上に上昇させる必要がある。

【００２１】一方、イオン発生器の寿命は誘電体層の絶
縁破壊で生ずる。そのため本発明では、電界強度が最も
強くなるイオン発生電極と誘電体層と接合部の間に絶縁
層を設けて段差を設け、イオン発生電極を誘電体層から
隔離してその接合部の電界強度を弱め、長寿命化を計っ
た。これは、イオン発生電極で電界が最大となる領域と
イオン発生量が最大となる領域とが異なることを本発明
人が明らかにし、電界強度が最大となる領域を除去して
イオン発生量が十分得られるようにしたためである。ま
たこのようにして設けられた絶縁層からなる段差ではイ
オンが発生せず、イオン発生電極近傍の誘電体層の抵抗
値減少がなくなり、安定したイオン発生が可能になる。

【００２２】また本発明では、イオン発生効果を上昇さ
せるために気中の電界が十分大きくなるように次式で示
すように誘電体層の厚さｄを誘電体率εで除した値がイ
オン発生電極のスリット幅（または孔径）Ｌｒよりも小
さくした。このようにすることで誘電体層上の漏洩電界
を大きくしてイオン発生を容易にしている。 Ｌｒ≧ｄ／ε

【００２３】さらに、発生したイオンがイオン発生電極
中のスリット（または孔）から効率よく出るように、漏
洩電界がスリット外にも存在するようにした。そのため
、次式で示すようにイオン発生電極の厚さＤｐをイリッ
ト幅Ｌｒよりも小さくした。 Ｄｐ≦Ｌｒ

【００２４】

【作用】本発明では、誘電体層をガラスなどの絶縁耐圧
の大きい材料と、耐圧は弱いがイオン照射に対し絶縁抵
抗が安定しているポリイミド等の材料との２層構造にす
ることにより、イオン照射による絶縁抵抗の劣化で生ず
る発生量の経時変化を防止する。さらに、構造的にはイ
オン発生器のイオン発生電極と誘電体層の接合部に絶縁
層の段差設け、イオン発生電極近傍の誘電体層に強電界
が加わらないようにし、誘電体層の低抵抗化と絶縁破壊
を防止する。また、イオン発生電極に設けられたスリッ
ト間の気中の漏洩電界を大きくしてイオン発生効率を上
昇させるため、スリット幅を誘電体層の厚さを比誘電率
で除した値以上にした。さらに、そのスリットからイオ
ンが容易に出るよう、イオン発生電極の厚さをスリット
幅よりも小さくし、スリット外にも漏洩電界が存在する
ようにした。

【００２５】以上の本発明により、特殊な雲母等の誘電
体層を使用すること無く、通常の感熱記録用ヘッドなど
に使用される量産技術の確立しているガラスなどの厚膜
材料を用いた厚膜印刷技術により、環境変動に依存せず
安定してイオンが発生しかつ低価格で長寿命の固体イオ
ン発生器を達成できる。

【００２６】

【実施例】以下に図面を用いて本発明を詳細に説明する
。 ＜実施例１＞図１，図２は、イオン発生器の誘電体層を
２層構造にした本発明によるイオン発生器の安定化と長
寿命化を目的としたイオン発生器の断面構造図である。

【００２７】図１は、その一実施例である。厚さ６４０
μｍのセラミック基板（図示せず）上に、厚さ３〜４μ
ｍ、幅２００μｍの焼結金電極からなる誘導電極１０１
を、必要な長さ（Ａ４）紙面方向に厚膜印刷技術と焼結
技術で設ける。その上に、電気的に耐圧の大きくイオン
照射に対しては劣化現象が発生するガラス層１０２を厚
膜印刷技術と焼結技術で厚さ〜２０μｍ同様にして設け
る。さらに、この厚膜ガラス層上に交流印加時の耐圧で
は劣るがイオン照射に対して劣化現象が少なく絶縁抵抗
が大きいポリイミド層１０３を、スピンナ塗布技術を用
いて厚さ〜５μｍ一様に塗布する。つぎに、イオン発生
用の１００μｍ幅のスリット１０４を有するイオン発生
電極を紙面方向に形成するため、ポリイミドと接合力の
強いニッケル層１０５を初め薄膜技術を用いて厚さ数千
オングストローム、幅９０μｍ設ける。その後、このニ
ッケル層上にメッキ行程でニッケル、金などの酸化しな
い金属層をイオン発生に必要な〜２０μｍの厚さ設けて
イオン発生電極１０６を形成する。このスリットの両側
にある両イオン発生電極は、紙面方向の両サイドで結合
している。

【００２８】また、図２は他の実施例である。厚膜技術
で設けられたガスラ誘電体層１０２上にポリイミド層を
、スピンナ塗布技術で〜５μｍの厚さ一様に塗布する。 ついで、エッチング行程によりイオン発生電極のスリッ
ト部のみを残して除去する。その後に、イオン発生電極
１０６を厚膜技術でガラス誘電体層上に厚膜技術を用い
て厚さ〜２０μｍ形成する。この方法は各層の接着力が
強い特徴を有する。

【００２９】このようにして作製したイオン発生器は誘
電体層に使用したガラス層とポリイミド層の長所を有し
、長時間の使用に対し誘電体層をガラス層のみで形成し
たときに較べイオン電流が安定し、数十時間使用した後
にもイオン電流は安定している。かつポリイミド層のみ
の場合に比較し、絶縁破壊により寿命に達するまでの時
間が数時間から数十時間に伸びた。このようにして誘電
体層表面抵抗の劣化がなく安定した長寿命のイオン発生
器を達成することができる。 ＜実施例２＞

【００３０】つぎに、図３〜図５を用いてイオン発生器
の安定化を達成する他の実施例を説明する。イオン発生
器からイオン発生量が減少するのは、イオン発生の際に
生じた窒素イオン、窒素酸化物イオンなどが空気中の水
分と反応して硝酸塩などの塩基イオンが誘電体層表面に
形成される結果である。そのため誘電体層の表面抵抗が
減少し、誘電体層電位がイオン発生電極電位と同一とな
って、イオン発生電極と誘電体層間の気中の電界が低下
し、イオン発生量が低下する。この発明では、生成され
た塩基が〜６０℃程度の熱で容易に分解することに着目
し、イオン発生電極または誘導電極を抵抗体で構成して
ヒータにし、効率よくイオン発生電極近傍の誘電体層表
面を加熱して塩基の発生を防止し、誘電体層表面抵抗の
変動をなくしてイオン発生器の安定化を計ったものであ
る。

【００３１】図３は、誘電体層の加熱温度と発生イオン
電流との関係を示したものである。誘電体層の温度が上
昇するにつれて減少していたイオン電流が回復し、ほぼ
６０℃の温度で誘電体層上の塩基がほぼ完全に分解して
イオン電流は初期状態に近い値に復帰する。

【００３２】つぎに、図４を用いてイオン発生電極２０
１または誘導電極２０２を抵抗体で形成してヒータとし
た場合の例を示す。誘導電極２０２をセラミック基板（
図示せず）上にスパッタリングによってＴａ２　Ｎ，Ｗ
，Ｃｒ，Ｎｉ−Ｃｒ，ＳｎＯ２などの抵抗体を１０００
〜２０００オングストロームの厚さ形成する。その抵抗
体上に厚膜印刷技術を用いてガラス誘電体層１０２を〜
２０μｍの厚さ設け、さらにそのうえに金電極のイオン
発生電極１０６を厚膜印刷技術を用いて〜２０μｍの厚
さ形成する。一方、イオン発生電極２０１を厚膜技術を
用いて抵抗体にしても良い。このときには、Ｐｄ−Ａｇ
，ＲｕＯ２などの抵抗ペーストを誘電体層１０２上にス
クリーン印刷し、焼成して形成する。誘導電極はこのと
き抵抗体の必要なく、従来の厚膜又は薄膜技術により形
成しても良い。このように構成したイオン発生器の抵抗
体で構成されたイオン発生電極または誘導電極に駆動用
交流電源とは異なる電源から紙面方向に電流を流し、誘
電体層の表面２０３の温度を６０℃以上に加熱する。 このようにして誘導電極の表面を６０℃以上に加熱する
と、その塩基２０４の分解により伝導には寄与しない他
の物質２０５に変化し、表面に形成されていた硝酸塩な
どの塩基で〜１０９　Ω以下に減少していた抵抗値が上
昇し、イオン電流は劣化以前の値に復帰する。

【００３３】この抵抗体への電圧印加方法を図５を用い
て説明する。この図はイオン発生電極を抵抗体で形成し
たイオン発生器をイオン発生電極側から見たものである
。セラミック基板２０６上に誘導電極２０２を厚膜技術
により数μｍの厚さ形成し、イオン発生用の交流電圧２
０７を供給するリード線２０８を設ける。その上に厚膜
技術でガラス層１０２を一様に被覆する。さらにその上
に厚膜抵抗体からなるイオン発生電極２０１を設け、電
圧供給用のリード線２０９を抵抗体と厚膜技術により接
続する。このようにして構成されたイオン発生器のイオ
ン発生電極と誘導電極間には、イオン発生用の交流電圧
２１０を印加し、イオンを発生させる。さらに、イオン
発生電極には紙面方向に存在する対抗電極（図示せず）
にはイオン電流を流すためのバイアス電圧２１１を印加
する。このイオン発生電極の両端に、抵抗体を加熱させ
るための電源２１２を接続して誘電体層を加熱し、誘電
体層表面に形成された塩基を分解してイオン発生を容易
にする。このとき温度を検出して抵抗体加熱用の電源２
１２を制御し、温度を安定化するとイオン発生が安定と
なり、効果的である。＜実施例３＞

【００３４】つぎに
、誘電体層の表面抵抗が減少したときにイオンの発生を
安定化させる方法を図６を用いて説明する。誘電体層１
０２の表面抵抗３０１が減少したときイオン発生用の交
流電圧を印加すると、イオン発生電極１０６から距離ｘ
離れた点３０２における誘電体層表面の電位は、誘電体
層の静電容量３０３がイオン発生電極近傍から順次充電
され、イオン発生電極と同電位となる。そのためイオン
発生電極と誘電体層間の気中には電界が加わらず、イオ
ンが発生しなくなる。このように、時定数で与えられる
周波数よりもイオン発生用の交流電圧の周波数が低いと
、イオン発生電極と誘電体層表面の間の電位が上昇する
前に、誘電体層表面の電位がイオン発生電極と同電位に
なってイオンが発生しない。この的定数は次式となる。 τ＝Ｒ・Ｃｏ・ｘ２

【００３５】ここでＲは、誘電体層表面の単位長さ当り
の抵抗値、Ｃｏは誘電体層の単位面積当りの静電容量で
ある。誘電体層の表面抵抗は、長時間使用後にイオン照
射によってスリット間のイオン発生電極で抵抗値が１０
１２から１０９　Ω程度まで減少する。ガラス層の比誘
電率を５とし、１００μｍのスリット中央における時定
数を計算すると〜１１０μｓｅｃとなる。そのため、ほ
ぼ９ｋＨｚ以上の高周波電圧でイオン発生器を駆動する
必要がある。このように誘電体層表面の抵抗値が減少し
て誘電体表面の電位がイオン発生電極と同電位になるた
めのイオン発生電極からの距離は、駆動周波数が３０ｋ
Ｈｚで〜２４μｍ、１５０ｋＨｚでは〜１０μｍである
。そのため、１５０ｋＨｚの高周波電圧で駆動すると、
イオン発生電極の誘電体層近傍とは異なる次に示すイオ
ン発生電極の領域の電位は上昇し、イオンが十分生ずる
。 ＜実施例４＞

【００３６】つぎに図７〜図１０を用い、イオン発生器
の長寿命化を達成する実施例を説明する。イオン発生器
の寿命は、電界が最大となるイオン発生電極と誘電体層
の接合部における誘電体層が絶縁破壊することで決まる
。しかし、イオン発生量が最大となる領域は、最大の電
界となる領域とは異なっている。そのため、イオン発生
電極下部に絶縁層を設けてイオン発生電極を誘電体層か
ら浮かし、イオン発生電極近傍が強電界とならないよう
にする。この様にして、イオン発生量が最大となるイオ
ン発生電極上の電界は同一で、かつ誘電体層には絶縁破
壊が生じないようにしている。

【００３７】この点について図７を用いて詳細に説明す
る。誘電体層１０２を挟んで設けられた誘導電極１０１
とイオン発生電極１０６に２．５ｋＶＰ−Ｐの交流電圧
を印加したとき、境界要素法で求めた点線で示した電位
分布４０１と、この電位分布に垂直方向な電界４０２，
４０３と、計算から導出したイオン発生電極上のイオン
密度分布４０４を図中に示した。イオン発生は、空気中
に宇宙線などにより自然に発生しているＮｏケのイオン
の種が電界Ｅで加速されて順次空気中を移動すると、イ
オンの増倍係数αで象倍され、大量の２次イオンを形成
して増加する。この２次イオンの形成には、イオンが空
気分子と衝突して倍増するための距離と電界とが必要で
ある。この増倍されて形成されたイオン密度ｎと距離ｘ
および電界Ｅとの間には、次式で示される関係がある。 ｎ＝Ｎｏ／α・｛ｅｘｐ（α・ｘ）−１｝α＝ｐ・Ａ・
ｅｘｐ（−Ｂ・ｐ／Ｅ）

【００３８】ここでＡとＢは、空気中における比例定数
で実験的に決定されている。また、ｐはイオン発生時の
気圧である。以上の式から、絶縁層の厚さ２０μｍ、イ
オン発生電極間スリット幅１００μｍ、イオン発生電極
の厚さ〜２０μｍのときの境界要素法で求めた電位分布
４０１をもとに、イオン発生電極上のイオン発生密度分
布ｎを計算し、図中にカーブ４０４で示した。イオン発
生電極と誘電体層の接合点では、電界強度４０３が大き
くなるがイオンの飛翔距離が短いため、発生イオン密度
は小さい。一方、イオン発生電極の上方ではイオンの飛
翔距離は大きくなるが電界が小さいため、イオン発生量
は同様に少ない。このようにイオン発生電極上方〜１５
μｍのところでイオン発生量が最大となる。このとき、
イオン発生電極と誘電体層の接合点近傍の強電界はイオ
ン発生に寄与せず、むしろ絶縁破壊によるイオン発生器
の誘電体層寿命を決定する原因となる。本発明ではイオ
ン発生電極の下部に絶縁層を設け、イオン発生電極を誘
電体層１０２から浮かして強電界が誘電体層に加わらな
いようにし、イオン発生器の寿命を伸ばした。

【００３９】この実施例を図８を用いて説明する。セラ
ミック基板上に厚膜技術で設けられた誘導電極１０１と
ガラス層１０２上に、スリット１０４が得られるように
厚さ〜５μｍのガラス層４０５を厚膜技術で設ける。さ
らに、そのガラス層４０５上にイオン発生電極１０６を
厚膜技術で厚さ〜２０μｍ形成する。このようにして製
作したイオン発生電極１０６近傍の誘電体層１０２との
境界面４０６の電界は減少し、誘電体層の絶縁破壊が防
止されてイオン発生器の長寿命化が達成できる。このと
き、イオン発生電極でイオン発生量が最大となる領域に
は十分な電界が加わっているため、イオン発生量が減少
することもない。また、イオン発生電極と誘電体層との
接合部から生じたイオンは矢印４０７のような軌跡をと
って誘電体層に達する。そのため、イオンが誘電体層１
０２に至る点４０８よりもイオン発生電極に近接した誘
電体層面には直接イオン衝撃が生せず、誘電体層のイオ
ン衝撃による劣化が減少する。

【００４０】つぎに、本発明による他の実施例を、図９
を用いて説明する。この例は、イオン発生電極と誘電体
層の間に設けた絶縁層４０８をイオン発生電極より数ｍ
ｍから十数ｍｍ誘電体層のスリット側に出すことで、電
界が最大となる誘電体層とイオン発生電極近傍の電界を
弱め、誘電体層表面の電界が最大となる領域をより完全
に除去したものである。

【００４１】図１０は、実施例１による誘電体層を２層
構造にした例とイオン発生電極近傍の電界を減少させる
本実施例との両者を取り入れたものである。誘導電極１
０１上に設けられた厚さ１５μｍのガラス層からなる誘
電体層１０２上に、厚膜技術により１０μｍの厚さのガ
ラス層４０９を１００μｍ幅のスリットに数μｍから十
数μｍ突出して設ける。さらに、このスリット上に〜５
μｍの厚さのポリイミド層４１０を一様にスピンナによ
り塗布し、あるいはスパッタなどの薄膜技術を用いて形
成する。ついで、スリット以外のポリイミド層をエッチ
ングにより除去する。一方、ガラス絶縁層４０９上にス
リット幅１００μｍを有するイオン発生電極１０６を厚
膜技術により〜２０μｍの厚さ形成する。このようにし
て構成したイオン発生器は、イオン発生電極と誘電体層
間にかかる電界が減少するため、絶縁破壊によるイオン
発生器の寿命を長くできる。かつ、スリット間のイオン
発生電極近傍の誘電体層がイオン照射されず、さらに誘
電体層表面がイオン照射に強いポリイミド層で形成され
ているため、イオン照射による表面抵抗の減少もなく、
安定したイオン発生が得られる。 ＜実施例５＞

【００４２】つぎに、イオン発生器から効率よくイオン
を発生させ、かつ発生したイオンを効率よく取り出す他
の実施例を図１１及び図１２を用いて説明する。図１１
はイオン発生器からイオン電流を得る電圧配置を示す図
である。イオン発生器の誘導電極１０１とイオン発生電
極１０６に印加された交流電圧２１０により正負両極性
のイオン５０１が生ずる。このイオンの内、正極性のイ
オン５０２がバイアス電圧２１１により、対抗電極５０
３に移動してイオン電流を生ずる。このイオン発生器は
セラミック基板（図示せず）上に設けられた誘導電極１
０１と、さらに誘電体層として厚さ〜２０μｍの厚膜ガ
ラス層１０２がその上に設けられ、幅１００μｍのスリ
ット１０４を有するイオン発生電極１０６が形成されて
イオン発生器が構成されている。

【００４３】このイオン発生器を低い交流電圧で効率よ
くイオンを発生させるイオン発生器について図１２を用
いて説明する。イオン発生電極１０６と誘導電極１０１
にイオン発生用の交流駆動電圧を印加したとき、低い交
流電圧でイオン発生電極と誘電体層間の気中にイオン放
電が生じさせるには、誘電体層を通して漏洩するイオン
発生用の漏洩電界５０４を大きくする必要がある。その
ため、次式で示すように誘電体層の厚さｄと誘電体層の
比誘電率ε（ガスラ層ε＝５）の比からなる空気中換算
の厚さをスリット幅（または孔の直径）Ｌｒよりも小さ
くし、誘導電極からの電界が誘電体層から十分漏洩でき
るようにする必要がある。 ｄ／ε＜Ｌｒ

【００４４】本実施例ではｄ／εは４μｍとしてスリッ
ト幅１００μｍより十分小さくし、十分な漏洩電界を得
て、イオン発生電極と誘電体層間にイオン放電が生じる
ようにしている。

【００４５】一方、イオン発生電極１０６の厚さＤｐを
スリット幅（または孔径）Ｌｒより小さくし、イオン発
生電極のスリット外にも誘導電極からの漏洩電界が存在
するようにし、発生イオンを低いバイアス電圧でもイオ
ン発生器から取り出せるようにする。この漏洩電界５０
４はスリット幅と同一のイオン発生電極５０５の高さに
まで達する。このとき、イオン発生電極５０５の厚さＤ
ｐをスリット幅Ｌｒより大きくすると、誘導電極１０１
からの漏洩電界がイオン発生電極で構成されたスリット
１０４内のみとなる。そのため、発生したイオンを取り
出すには、高いバイアス電圧を印加してスリット内にも
イオンを加速する電界が生ずるようにする必要がある。 本発明では、誘導電極から生じた漏洩電界がスリット外
にも達するようにし、バイアス電圧はイオンを対抗電極
に加速する電圧のみとした。そのためには、イオン発生
電極の厚さＤｐを次式で示すようにスリット幅Ｌｒより
小さくする。 Ｄｐ＜Ｌｒ 実際に試作したイオン発生器では、イオン発生電極の厚
さＤｐは１００μｍで、スリット幅Ｌｐは２０μｍであ
る。

【００４６】このようにして形成したイオン発生器では
、印加交流電圧の大きさを２．５ｋＶＰ−Ｐ　の電圧で
十分なイオンを発生し、かつバイアス電圧はイオン発生
器と対抗電極間距離が２５０ｍｍのとき２５０Ｖ程度あ
れば〜３×１０−６Ａ／ｃｍの十分なイオン電流が得ら
れる。

【００４７】

【発明の効果】従来のイオン発生器のように雲母などの
特別な誘電体層上に電極を貼り付けた複雑な構造を取る
ことなく、本発明に従うイオン発生器は、既存の量産可
能な材料を用いて厚膜印刷技術または薄膜技術により製
造を可能にした構造を与えるものである。

【００４８】このイオン発生器では、誘電体層の表面に
イオン照射により化学的材質変動の少ない材料を用い、
また誘電体層自身には電気的耐圧の大きい材料を用いた
２層構造にすることで安定した寿命の長いイオン発生器
を達成している。さらに、誘電体層の表面抵抗が劣化し
た場合にもイオン発生が可能な交流電圧の下限周波数を
明らかにし、その周波数以上で駆動することでイオン発
生器が劣化した場合にもイオン発生が安定して得られる
使用方法を与えている。またイオン発生器の寿命に関し
ては、そのイオン発生電極と誘電体層間に電界を弱める
絶縁層を設けて誘電体層の絶縁破壊を防止し、長寿命化
を計った。さらに、このとき空気中の誘電率換算した誘
電体層の厚さをスリット幅よりも小さくし、スリット空
間での漏洩電界を増加させることで駆動用の交流電圧を
低くし、交流駆動電源の低電圧化により定価化を可能に
している。さらに、発生したイオンを低電圧のバイアス
電圧で取り出せるようにイオン発生電極の厚さをスリッ
ト幅よりも小さくし、漏洩電界によりスリット外にイオ
ンを吐出させるようにして、２００〜３００Ｖのバイア
ス電圧でイオンをイオン発生器から取り出せるようにし
ている。このようにすることで、バイアス電源を低価格
化することが可能になる。以上の発明により、量産可能
な安定した長寿命のイオン発生器を低価格に供給できる
ようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明の固体イオン発生器における誘電体
層を２層構造としたものの一実施例の断面模式図。

【図２】　　本発明の固体イオン発生器における誘電体
層を２層構造のものの他の一実施例の断面模式図。

【図３】　　本発明の固体発生器における誘電体層の加
熱温度と発生イオン電流との関係を示す図。

【図４】　　本発明の固体イオン発生器におけるイオン
発生電極または誘電電極を抵抗体で形成した場合の例を
示す図。

【図５】　　本発明の固体イオン発生器における抵抗体
への電圧印加方法を説明するための図。

【図６】　　本発明における誘電体層の表面抵抗が生成
塩基で低下したときに誘電体層表面の電位低下を示す時
定数の説明図。

【図７】　　本発明におけるイオン発生電極と誘電体層
接合部の電界分布とその電界強度を低下させるためのイ
オン発生器の断面模式図。

【図８】　　本発明におけるイオン発生器の寿命を伸ば
す例を示す図。

【図９】　　図８の別の例を示す図。

【図１０】　　図１の変形例を示す図。

【図１１】　　本発明のイオン発生器からイオン電流を
得るための電圧配置図。

【図１２】　　本発明のイオン発生電極内の漏れ電界を
示すイオン発生器の断面模式図。

【図１３】　　従来例を説明するための図。

【符号の説明】

１０１…誘導電極　　１０２…ガラス層　　１０３…ポ
リイミド層 １０４…スリット　　１０５…ニッケル層　　１０６…
イオン発生電極

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　誘電体を挟んで配設された誘導電極と
   イオン発生電極間に交流電圧を印加し、コロナイオンを
   発生させるイオン発生器において、誘電体が２種類以上
   の誘電層から形成されていることを特徴とする固体イオ
   ン発生器。
2. 【請求項２】　　誘電体を挟んで配設された誘導電極と
   イオン発生用のイオン発生電極間に交流電圧を印加し、
   イオン発生電極周辺から気中にイオンを発生させるイオ
   ン発生器において、誘導電極またはイオン発生電極を抵
   抗体で形成し、電極をヒータ加熱することを特徴とした
   固体イオン発生器。
3. 【請求項３】　　誘電体を挟んで配設された誘導電極と
   、イオン発生用のスリット（または孔）を有するイオン
   発生電極の間に交流電圧を印加し、コロナイオンを発生
   させるイオン発生器において、誘電体層のスリット（ま
   たは孔）部の単位面積当たりの容量をＣｏ、誘電体層の
   単位長さ当りの表面抵抗をＲ、スリット幅（または孔の
   直径）をＬｒとしたとき、印加する交流電圧の周波数ｆ
   がｆ≧１／｛Ｒ・Ｃｏ・（Ｌｒ／２）２　｝の不等式で
   示される値以上であることを特徴とする固体イオン発生
   器。
4. 【請求項４】　　誘電体を挟んで配設された誘導電極と
   イオン発生電極の間に交流電圧を印加し、コロナイオン
   を発生させるイオン発生器において、イオン発生電極を
   誘電体から隔離する絶縁層をイオン発生電極部に設けた
   ことを特徴とする固体イオン発生器。
5. 【請求項５】　　誘電体を挟んで配設された誘導電極と
   、イオン発生用のスリット（または孔）を有するイオン
   発生電極の間に交流電圧を印加し、コロナイオンを発生
   させるイオン発生器において、誘電体層の厚さをｄ、誘
   電体層の非誘電率をε、スリット幅（または孔）の直径
   をＬｒとしたとき、誘電体層の厚さｄが ｄ≦ε・Ｌｒ の不等式で示される値以下であることを特徴とする固体
   イオン発生器。
6. 【請求項６】　　誘電体を挟んで配設された誘導電極と
   、イオン発生用のスリット（または孔）を有するイオン
   発生電極の間に交流電圧を印加し、コロナイオンを発生
   させるイオン発生器において、イオン発生電極の厚さを
   Ｄｐ、スリット幅（または孔）の直径をＬｒとしたとき
   、イオン発生電極の厚さＤｐが Ｄｐ≦Ｌｒ の不等式で示される値以下であることを特徴とする固体
   イオン発生器。