JP4297965B1

JP4297965B1 - イオン濃度測定装置

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Publication number: JP4297965B1
Application number: JP2008188377A
Authority: JP
Inventors: 一雄岡野
Original assignee: 一雄岡野
Priority date: 2008-07-22
Filing date: 2008-07-22
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2028-07-22
Also published as: JP2010025795A

Abstract

【課題】極めて簡単な回路構成により、正負のイオン濃度やイオンバランスを検出可能としたイオン濃度測定装置を提供する。
【解決手段】直流電源１０９により電圧が印加された一対の電極１１，１２のうちの少なくとも一方の電極、例えば電極１１に、ゲート−ソース間にイオン検出用抵抗１０２が接続されたＭＯＳＦＥＴ１０１のゲートを接続すると共に、そのドレイン−ソース間抵抗と、他の抵抗１０５，１０６，１０４Ａとによりホイートストンブリッジを構成する。このブリッジの入力端子に前記直流電源１０９を接続し、前記ブリッジの出力端子に接続されたオペアンプ１１０等からなる差動増幅回路の出力電圧から正のイオン濃度を測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、イオナイザにより発生させた正または負のイオン濃度を測定し、更には正負イオン濃度の差（イオンバランス）を検出可能としたイオン濃度測定装置に関するものである。

イオナイザにより発生させた正または負のイオン濃度を測定することや、正負イオン濃度のバランスを検出することは、除電効果の確認やワークの不要な帯電防止のために有益である。
ここで、正負イオン濃度を測定可能な従来技術としては、例えば特許文献１，２等に記載されたイオン測定器が公知となっている。

このうち、特許文献１に係るイオン測定器の概要は、正イオン用電荷集電板と反発電極板とからなる正イオン検出部と、負イオン用電荷集電板と反発電極板とからなる負イオン検出部を同一測定経路内に設け、測定演算手段により、正イオン用電荷集電板及び負イオン用電荷集電板の各電荷を測定して正負イオン数を同時に測定するとともに、正イオン検出部と負イオン検出部とを、絶縁層を介して積層または並列状態に配置したものである。

また、特許文献２に係るイオン測定器の概要は、前記同様に電荷集電板及び反発電極板からなるイオン検出手段と、測定演算手段と、反発電極板を測定対象イオンと同極性に帯電させるべく正負に交互に切り換えて帯電させる切換手段を含む帯電手段と、切換手段の切換タイミングで電荷集電板の帯電電荷を除電する除電手段と、ノイズ検出アンプとを備え、正負のイオン測定の切換タイミングで除電手段によりグランド電位とした電荷集電板が集電を開始すると同時にノイズ検出アンプが電荷集電板の電位をノイズ成分として検出し、測定演算手段が上記ノイズ成分を電荷集電板の蓄電量から除去して正負イオンの数量を自動的に算出するものである。

特許第３５０３６２７号公報（段落［００１２］〜［００１７］、図１，図２等）特許第３５２５３８４号公報（段落［０００７］〜［００１３］、図１，図２等）

前述した各従来技術では、電荷集電板及び反発電極板からなる正負イオン検出部の構造が複雑であると共に、電荷集電板の電荷を除電するためのスイッチが必要であり、これらが構造の複雑化、製造コスト上昇の原因となっていた。
そこで、本発明の解決課題は、極めて簡単な回路構成により、正または負のイオン濃度やイオンバランスを検出可能としたイオン濃度測定装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、直流電源により電圧が印加された一対の電極のうちの少なくとも一方の電極に、ゲート−ソース間にイオン検出用抵抗が接続されたＭＯＳＦＥＴのゲートを接続し、
前記ＭＯＳＦＥＴが有するドレイン−ソース間抵抗と他の３つの抵抗とによりホイートストンブリッジを構成すると共に、前記ホイートストンブリッジの入力端子間に前記直流電源を接続し、かつ、前記ホイートストンブリッジの出力端子間に差動増幅回路の一対の入力端子を接続し、
前記差動増幅回路が、前記ゲートに接続されている電極に吸収された正または負のイオン濃度に比例した電圧を出力するものである。

請求項２に係る発明は、一対の電極がそれぞれ第１，第２のＭＯＳＦＥＴのゲートに接続され、第１，第２のＭＯＳＦＥＴのゲート−ソース間にイオン検出用抵抗がそれぞれ接続されると共に、
第１，第２のＭＯＳＦＥＴがそれぞれ有するドレイン−ソース間抵抗と、他の２つの抵抗とによりホイートストンブリッジを構成し、
前記ホイートストンブリッジの入力端子間に直流電源を接続し、かつ、前記ホイートストンブリッジの出力端子間に差動増幅回路の一対の入力端子を接続し、
前記差動増幅回路が、前記一対の電極に吸収された正負イオンの濃度差に応じた電圧を出力するものである。

本発明によれば、ＭＯＳＦＥＴ、抵抗及び差動増幅回路等からなる簡単な構成により、正負イオン濃度及びイオンバランスを検出することが可能である。
また、必要に応じて表示部を付加することで、正負イオン濃度及びイオンバランスを容易に認識可能なイオン濃度測定装置を実現することができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は、本発明の第１実施形態を示す回路図であり、正イオン濃度の測定装置を示している。図１において、１１，１２は正負のイオンを捕捉するための電極であり、一方の電極１１は、ｎチャンネルのＭＯＳＦＥＴ１０１とそのゲート−ソース間に接続されたイオン検出用抵抗１０２とコンデンサ１０３との並列回路を介して、直流電源１０９の負極に接続され、他方の電極１２は直流電源１０９の正極に接続されている。

上記電極１１，１２としては、図１に示したような平板状の電極のほか、球状の電極を用いても良い。
また、図示されていないが、電極１１，１２の周囲には、外部からのノイズを吸収して接地側へ逃がすための電磁シールド部材を設けることが望ましい。

ＭＯＳＦＥＴ１０１のドレイン（接続点１５１）は抵抗１０７を介してオペアンプ１１０の反転入力端子に接続され、ＭＯＳＦＥＴ１０１のソースは可変抵抗１０４Ａと抵抗１０８との直列回路を介してオペアンプ１１０の非反転入力端子に接続されている。
また、ＭＯＳＦＥＴ１０１のドレイン（接続点１５１）には抵抗１０５の一端が接続されていると共に、可変抵抗１０４Ａと抵抗１０８との接続点１５２には抵抗１０６の一端が接続されており、抵抗１０５，１０６の各他端は一括して直流電源１０９の正極に接続されている。
１１１はオペアンプ１１０の帰還抵抗、１１２はオペアンプ１１０の非反転入力端子と接地点との間に接続された抵抗、２０１，２０２は出力端子である。

既に明らかなように、オペアンプ１１０、抵抗１０７，１０８，１１１，１１２は差動増幅回路を構成しており、抵抗１０７，１０８の抵抗値、抵抗１１１，１１２の抵抗値はそれぞれ等しく、また、抵抗１０５，１０６の抵抗値も等しくなっている。

次に、この実施形態の動作を説明する。
始めに、可変抵抗１０４Ａを調整することにより、この可変抵抗１０４Ａ、ＭＯＳＦＥＴ１０１のドレイン−ソース間抵抗、及び、抵抗１０５，１０６からなるホイートストンブリッジを平衡させ、接続点１５１，１５２間の電圧をゼロ（オペアンプ１１０の出力端子２０１，２０２間の電圧Ｖ_ｏｕｔをゼロ）にしておく。

この状態において、図示されていないイオナイザにより生成された正負イオンのうち正イオンが一方の電極１１に吸収されると、電極１１からイオン検出用抵抗１０２を介して直流電源１０９の負極方向に電流が流れる。これにより、イオン検出用抵抗１０２の両端にはＭＯＳＦＥＴ１０１のゲート側が正となる電圧が発生してＭＯＳＦＥＴ１０１のゲート−ソース間に印加される。このため、ＭＯＳＦＥＴ１０１のドレイン−ソース間抵抗が減少してブリッジの平衡条件が崩れ、接続点１５１，１５２間には接続点１５１側を正とする電圧が発生してドレイン電流Ｉ_Ｄが増加する。

従って、差動増幅回路を構成するオペアンプ１１０の出力端子２０１，２０２間には、ドレイン電流Ｉ_Ｄ言い換えれば接続点１５１，１５２間の電圧に比例した電圧Ｖ_ｏｕｔが現れ、この電圧Ｖ_ｏｕｔは電極１１により吸収された正イオン濃度に比例した値となる。
よって、上記の出力電圧Ｖ_ｏｕｔから電極１１，１２間の正イオン濃度を検出することができる。

次に、本発明の第２実施形態を図２に沿って説明する。この第２実施形態は、負イオン濃度の測定装置に関するものであり、図２において図１と同一の機能を有する構成要素には同一の参照符号を付してある。
第２実施形態では、他方の電極１２がｎチャンネルのＭＯＳＦＥＴ１１３、イオン検出用抵抗１１４及びコンデンサ１１５の並列回路を介して直流電源１０９の正極に接続され、一方の電極１１は直流電源１０９の負極に接続されている。

また、電極１１とＭＯＳＦＥＴ１１３のドレインとの間には抵抗１０６と可変抵抗１０４Ｂとが直列に接続されていると共に、電極１１とＭＯＳＦＥＴ１１３のソースとの間には抵抗１０５が接続されている。更に、抵抗１０６と可変抵抗１０４Ｂとの接続点１５１は抵抗１０７の一端に接続され、抵抗１０５とＭＯＳＦＥＴ１１３のソースとの接続点１５２は抵抗１０８の一端に接続されている。
他の構成は図１と同様であるため、説明を省略する。

次に、この第２実施形態の動作を説明する。
第１実施形態と同様に、可変抵抗１０４Ｂを予め調整することにより、可変抵抗１０４Ｂ、ＭＯＳＦＥＴ１１３のドレイン−ソース間抵抗、及び、抵抗１０５，１０６からなるブリッジを平衡させ、接続点１５１，１５２間の電圧をゼロ（出力電圧Ｖ_ｏｕｔをゼロ）にしておく。

この状態において、イオナイザにより生成された正負イオンのうち負イオンが電極１２に吸収されると、直流電源１０９からＭＯＳＦＥＴ１１３のドレイン−ソース間抵抗及びイオン検出用抵抗１１４を介して電極１２方向に電流が流れる。これにより、イオン検出用抵抗１１４の両端にはＭＯＳＦＥＴ１１３のゲート側が負となる電圧が発生し、この電圧がＭＯＳＦＥＴ１１３のゲート−ソース間に印加される。このため、ＭＯＳＦＥＴ１１３のドレイン−ソース間抵抗が増加してブリッジの平衡条件が崩れ、接続点１５１，１５２間には接続点１５１側を負とする電圧が発生してドレイン電流Ｉ_Ｄが減少する。

この結果、オペアンプ１１０の出力端子２０１，２０２間には、接続点１５１，１５２間の電圧に比例した電圧Ｖ_ｏｕｔが現れ、この電圧Ｖ_ｏｕｔは電極１２により吸収された負イオン濃度に比例した値となる。
よって、上記の出力電圧Ｖ_ｏｕｔから電極１１，１２間の負イオン濃度を検出することができる。

次いで、図３は本発明の第３実施形態を示す回路図である。この第３実施形態は、第１，第２実施形態を組み合わせることにより、１台の測定装置によって正負イオン濃度の差（イオンバランス）を測定可能としたものである。

図３において、一方の電極１１はｎチャンネルの第１のＭＯＳＦＥＴ１０１、イオン検出用抵抗１０２及びコンデンサ１０３の並列回路を介して直流電源１０９の負極に接続され、他方の電極１２はｎチャンネルの第２のＭＯＳＦＥＴ１１３、イオン検出用抵抗１１４及びコンデンサ１１５の並列回路を介して直流電源１０９の正極に接続されている。
ＭＯＳＦＥＴ１０１のドレイン（接続点１５１）は抵抗１０７の一端に接続されると共に、第１の可変抵抗１０４Ｂを介してＭＯＳＦＥＴ１１３のドレインに接続されている。また、一端が直流電源１０９の負極に接続された第２の可変抵抗１０４Ａの他端（接続点１５２）は、抵抗１０８の一端に接続されると共に、ＭＯＳＦＥＴ１１３のソースに接続されている。
他の構成は図１，図２と同様であるため、説明を省略する。

この実施形態において、電極１１，１２間の正イオンに対しては前述した第１実施形態と同様の動作となり、負イオンに対しては第２実施形態と同様の動作となるが、接続点１５１，１５２間の電圧は正イオン濃度に比例した電圧と負イオン濃度に比例した電圧との和になる。つまり、接続点１５１，１５２間の電圧は正負イオン濃度のバランスに応じた値となり、正負イオン濃度が等しければ上記電圧はゼロとなる。
従って、オペアンプ１１０の出力電圧Ｖ_ｏｕｔを検出することにより、正負イオン濃度が等しいか、一方が過剰であるか等のイオンバランスを検出することが可能になる。

ここで、図４は、本発明の各実施形態において、電極１１または電極１２に流入するイオンに基づく電流とイオン検出用抵抗１０２または１１４の端子電圧（ＭＯＳＦＥＴ１０１またはＭＯＳＦＥＴ１１３のゲート電圧）との関係を示す図であり、正負のイオン電流に応じて正負の電圧がイオン検出用抵抗１０２または１１４に発生し、この電圧がＭＯＳＦＥＴ１０１または１１３のゲート−ソース間に印加されることになる。
なお、図３において、ＭＯＳＦＥＴ１０１のゲートには負の電圧が印加されているので、電極１１には正イオンだけが流入する。従って、図４において、横軸の電流が０［ｎＡ］以上の領域がＭＯＳＦＥＴ１０１に対する結果を示している。一方、ＭＯＳＦＥＴ１１３のゲートには正の電圧が印加されているので、電極１２には負イオンだけが流入する。従って、図４において、横軸の電流が０［ｎＡ］以下の領域がＭＯＳＦＥＴ１１３に対する結果を示している。
また、図５は、イオナイザのイオンバランスを故意に崩した状態において、図示されていない帯電プレートモニタによりイオナイザ周辺のイオンバランスを測定した時の帯電プレートモニタのプレートの電圧と、本発明に係るイオン濃度測定装置のオペアンプ１１０の出力電圧Ｖ_ｏｕｔとの関係を示す図である。
図５から、帯電プレートモニタのプレートの電圧とイオン濃度測定装置の出力電圧Ｖ_ｏｕｔとはほぼ比例している。従って、本実施形態に係る測定装置により、正負イオン濃度やイオンバランスを正確に検出可能であることがわかる。

なお、図６は第３実施形態の変形例であり、図３の回路にアンプ３０１，３０２及び表示部４００を付加したものである。
すなわち、この変形例では、接続点１５１，１５２と接地点との間にそれぞれ接続されたアンプ３０１，３０２を設け、更に、前記オペアンプ１１０及びアンプ３０１，３０２の出力側に接続された表示部４００を備えている。

表示部４００は、オペアンプ１１０の出力電圧に応じて、正負イオン濃度が等しくイオンバランスが保たれている時に点灯する青ランプ４００Ｂと、正負イオン濃度がアンバランスである時に点灯する赤ランプ４００Ｒとを備えている。
また、表示部４００は、アンプ３０１の出力電圧に応じて、正イオン濃度の検出時に点灯する青ランプ４０１Ｂと、正イオン濃度の非検出時に点灯する赤ランプ４０１Ｒとを備えていると共に、アンプ３０２の出力電圧に応じて、負イオン濃度の検出時に点灯する青ランプ４０２Ｂと、負イオン濃度の非検出時に点灯する赤ランプ４０２Ｒとを備えている。

図６の回路構成によれば、表示部４００の各ランプ４００Ｂ，４００Ｒ，４０１Ｂ，４０１Ｒ，４０２Ｂ，４０２Ｒの点灯、消灯状態から、イオンバランス状態や正イオン，負イオンの有無を一見して認識することができる。つまり、イオナイザの運転時において、すべての青ランプ４００Ｂ，４０１Ｂ，４０２Ｂが点灯している場合に、イオンバランスが保たれ、かつ、適正量の正負イオンが発生していることを認識可能であり、イオンバランスだけでなくイオナイザの運転状態についても容易かつ確実に把握することができる。

本発明の第１実施形態を示す回路図である。本発明の第２実施形態を示す回路図である。本発明の第３実施形態を示す回路図である。本発明の各実施形態における特性図である。本発明の各実施形態における特性図である。本発明の第３実施形態における変形例を示す回路図である。

符号の説明

１１，１２：電極
１０１，１１３：ＭＯＳＦＥＴ
１０２，１１４：イオン検出用抵抗
１０５，１０６，１０７，１０８，１１１，１１２：抵抗
１０３，１１５：コンデンサ
１０４Ａ，１０４Ｂ：可変抵抗
１０９：直流電源
１１０：オペアンプ
１５１，１５２：接続点
２０１，２０２：出力端子
３０１，３０２：アンプ
４００：表示部
４００Ｂ，４０１Ｂ，４０２Ｂ：青ランプ
４００Ｒ，４０１Ｒ，４０２Ｒ：赤ランプ

Claims

直流電源により電圧が印加された一対の電極のうちの少なくとも一方の電極に、ゲート−ソース間にイオン検出用抵抗が接続されたＭＯＳＦＥＴのゲートを接続し、
前記ＭＯＳＦＥＴが有するドレイン−ソース間抵抗と他の３つの抵抗とによりホイートストンブリッジを構成すると共に、前記ホイートストンブリッジの入力端子間に前記直流電源を接続し、かつ、前記ホイートストンブリッジの出力端子間に差動増幅回路の一対の入力端子を接続し、
前記差動増幅回路が、前記ゲートに接続されている電極に吸収された正または負のイオン濃度に比例した電圧を出力することを特徴とするイオン濃度測定装置。
一対の電極がそれぞれ第１，第２のＭＯＳＦＥＴのゲートに接続され、第１，第２のＭＯＳＦＥＴのゲート−ソース間にイオン検出用抵抗がそれぞれ接続されると共に、
第１，第２のＭＯＳＦＥＴがそれぞれ有するドレイン−ソース間抵抗と、他の２つの抵抗とによりホイートストンブリッジを構成し、
前記ホイートストンブリッジの入力端子間に直流電源を接続し、かつ、前記ホイートストンブリッジの出力端子間に差動増幅回路の一対の入力端子を接続し、
前記差動増幅回路が、前記一対の電極に吸収された正負イオンの濃度差に応じた電圧を出力することを特徴とするイオン濃度測定装置。