JP2005185027A - ビーム状火花放電発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
誘導作用を利用した、発生電圧及び発生周波数可変・調整機能を有する高電圧発生回路を備えた火花放電発生装置に於いて、高電圧発生部の小型・軽量化と、ビーム状火花放電を実施可能とするための回路構成とその方法の提案と、ビーム状火花放電を含む種々の形態の放電の実施と、放電エネルギーを簡易算出するための手段と方法の提案と、放電電圧と放電周波数、そして放電電極間隙長との関係を定性的に知る手段と方法の提案と、近接域での放電実験や放電現象の観察時の安全性と、装置通電開始時の発生電圧を零値から設定可能とし、取り扱い上の安全性に配慮した装置を提供する。
【解決手段】
イグニッションコイルを用い、パルス発生回路１とパルス幅可変回路２による発生電圧及び発生周波数、従って、放電電圧及び放電周波数可変・調整機能を具備する。
【選択図】図1

Description

本発明は、発生電圧及び発生周波数可変・調整機能を有する高電圧発生回路を備えたビーム状火花放電発生装置に関する。

本発明で開示する火花放電発生装置の類としては、従来より自動車用ガソリンエンジンなどの内燃機関に於いて、イグニッションコイルによる火花放電を利用した点火装置があり、該装置に関する公知の技術文献も枚挙に遑が無い（例えば、特許文献１、６や非特許文献３、４、５等）。

又、本発明の装置は卓上型であり、コイルの誘導作用を利用したこの種の火花放電発生装置としては誘導コイルがある（例えば、非特許文献１参照）。又、最近では半導体スイッチを採用した無接点式の誘導コイルもある（例えば、非特許文献２参照）。本発明の装置は、非特許文献２と同じく半導体スイッチを採用した無接点式の火花放電発生装置に属するものであるが、高電圧発生部にはイグニッションコイルを用いている。

非特許文献２の従来公知の装置は、その発生電圧及び発生周期可変・調整機能、従って放電装置としての観点からは、放電電圧及び放電周波数可変・調整機能、及びスイッチによる放電電極極性切り換え機能等を具備したことを特徴とする、誘導コイルを用いた教育・研究用の卓上型火花放電発生装置であって、火花放電、真空放電、気体発光スペクトル等の各種実験用高電圧電源としての用途も提案されており、放電電極間隙長も最大１００ｍｍ程度と比較的長く放電現象の観察の点に於いても優れており、放電電極以外は絶縁性のケースに収納されてあり実験上の安全性にも配慮された装置である。

本発明の火花放電発生装置は、その特徴とする機能の一つに同一放電周波数下での放電エネルギー可変・調整機能があり、該機能は図１のパルス幅可変回路２で実施されるが、パルス幅可変回路に関する従来公知の技術としては、例えば特許文献２、３、４、５、６や非特許文献６等があり、本発明の装置に於いては非特許文献６を採用している。

「理科機器構造操作 図解大辞典」、全国教育図書株式会社、日本教文株式会社、１９５７年版（第２０８頁、第1図） 「島津理化学器械 ５００ ２００３−２００４カタログ」、株式会社島津製作所、２００３年、ｐ４１６ 松谷守康著、「新自動車の電気知識」、ｐｐ．２１７−２３７、技術書院、１９７８年 藤本三治著、「自動車電装機器」、ｐｐ．７６−９３、電気書院、 「カーテクノロジィ３３」、ｐｐ．１１６−１２３、鉄道日本社、１９８７年 白浜博著、「４相パルス・パターン発生装置の製作と論理回路学習への応用」、日本産業技術教育学会誌第４３巻第２号、２００１年（第１２頁、図1） 特開平５−２１２４１号報（第5頁、図１） 特開平６−３２７０３７号報（第6頁、図1） 特開平７−１８３３２２号報（第4頁、図1） 特開平１０−５２０６５号報（第15頁、図1） 特開２０００−１５６９８４号報（第4頁、図1） 特開２００１−２６３２１１号報（第6頁、図2）

上記非特許文献２の従来公知の卓上型火花放電発生装置の問題点は、その高電圧発生部には誘導コイルが使用されており形状・重量共に大きく、放電周波数は最大で数十Ｈｚ程度であり、本発明で開示するところの火花放電のビーム状化（以下、ビーム状火花放電と表現する）の実施は不可能であることと、種々の形態の放電を十分に実施可能であるとは言い難い。又、放電エネルギーの算出手段や方法、放電電圧と放電周波数、そして放電電極間隙長との関係を定性的に知る手段や方法等についても何等の情報も提供されてはいない。更に、誘導コイルと高電圧発生のための回路は絶縁性のケースに収納されてはいるものの、放電装置であることの性質上、その放電電極はケース外に取り付けられており、放電電極間隙長も前記の如く長く、各種実験用高電圧電源として利用する場合や、近接域での放電実験や放電現象の観察時には特に安全性に十分な配慮を要する。加えて、該装置は前述の如くその放電電圧及び放電周波数可変・調整機能を具備してはいるものの、装置通電開始時に該可変・調整機能を最小設定しても高電圧が発生しており、その取り扱い上の安全性には十分な配慮を要する。

そこで本発明に於いては、このような従来公知の装置が有していた上記の問題点を解決しようとするものであり、本発明で開示する装置は従来公知の前記装置と比較し、その発生電圧の大きさと放電電極間隙長に於いては優るものではない、いわゆる小容量の装置ではあるが、高電圧発生部の小型・軽量化の実現と、ビーム状火花放電を実施するための回路構成とその方法の提案と、ビーム状火花放電を含む種々の形態の放電の実施と、ビーム状火花放電の安定継続時の放電エネルギーを簡易算出するための手段や方法の提案と、放電電圧と放電周波数、そして放電電極間隙長との関係を定性的に知る手段や方法の提案と、近接域での放電実験や放電現象の観察時の安全性に加え、装置通電開始時に於ける取り扱い上の安全性にも配慮し、併せて高電圧発生装置としても各種用途への応用・利用を可能とする装置を提供することを目的とする。

そこで、上記目的達成のための第１の課題である高電圧発生部の小型・軽量化に対しては、非特許文献１及び２の従来公知の卓上型火花放電発生装置は、その形状、及び重量の殆どを誘導コイル本体で占有されていることに鑑み、該コイルに代えてイグニッションコイルを用いる手段により達成される。

又、一般に、二組の巻線で構成され誘導作用を利用する放電装置に於ける放電エネルギーは、そのインダクタンスに貯えられた電磁エネルギーが変換されたものである。従って、イグニッションコイルの場合についてそのことを記すと次のようになる。即ち、イグニッションコイルの一次巻線のインダクタンスをＬ_１、直流電圧印加後の任意の時刻に於ける一次巻線の電流をＩ_１とすると、この一次巻線に蓄えられる電磁エネルギーＷ_１は、Ｗ_１＝（１／２）×Ｌ_１×Ｉ_１ ^２で与えられる。更に、該コイルの二次巻線に伝送される電磁エネルギーＷ_２は、Ｗ_２≒０．６×（１／２）×Ｌ_１×Ｉ_１ ^２で与えられる （特許文献１（数2））。

そこで、上記第２の課題であるビーム状火花放電の実施に対しては、火花放電のビーム状化の条件と実施のための手段を次のように捉えることができる。即ち、その第１条件は放電電極間隙中の電離気体の密度を増加することであり、そのためには放電周波数を増加する手段により、或いは第１条件を等価的に満足することとなる放電電極間隙長を短くする手段により、又、第２条件は放電エネルギーを増加することであり、そのためにはイグニッションコイルの電磁エネルギーを増加する手段により、或いは、該第１条件と第２条件とを実施する手段を組み合わせることにより達成される。

具体的には、前記第１条件の放電周波数に対しては、パルス発生回路１の発生パルスの周波数を可変することで、又、前記第２条件の放電エネルギーに対しては、前記電磁エネルギーＷ_２の式で示されるように、イグニッションコイルの一次巻線に貯えられた電磁エネルギーが二次巻線へ伝送され放電エネルギーに変換されたものであることを考慮すると、該放電エネルギーは、イグニッションコイル５の一次巻線６の自己インダクタンスＬ_１を定数とすると、一次巻線６に流れる電流（以下、一次電流と表現する）に依存することになり、該一次電流を通電・遮断するスイッチング素子Ｑ３の導通時間を可変する、所謂、該素子Ｑ３に入力するパルス幅を可変することにより一次電流値を可変することである。

次に、第３の課題であるビーム状火花放電を含む種々の形態の放電の実施に対しては、前記第２の課題解決手段の方法を用い、その放電周波数や放電エネルギーを可変・調整する手段により達成される。

又、第４の課題である放電エネルギーの簡易算出するための手段と方法に対しては、前記第２の課題解決手段により実施されるビーム状火花放電の安定継続時には、放電電圧と放電電流は共に安定しており、該波形を観測、或いは記録するために放電電圧波形観測用端子と放電電流波形観測用抵抗を設け、オシロスコープ、或いは記録媒体を用いることにより以下の方法が適用でき、容易にその放電エネルギーが算出可能となる。

即ち、放電エネルギーの一般式は数式(１)で与えられる。

従って、上記数式（１）をビーム状火花放電の安定継続時の放電エネルギーの算出に適用する。即ち、後述の実施例３に於いても明らかなように、該状態では放電電圧（ｖ_ｇ）を矩形波、放電電流（ｉ_ｇ）を三角波、或いは台形波として近似できる故、ｔ_１なる放電期間中ではｖ_ｇは一定と見なすことができ、ｖ_ｇを数式（１）の積分記号の前に出すことができ、放電エネルギーは単にｉ_ｇの時間積分，所謂オシロスコープで観測したｉ_ｇの波形の面積に一定値のｖ_ｇを乗ずることにより容易に求めることが可能となる。

又、第５の課題である放電電圧と放電周波数、そして放電電極間隙長との関係を定性的に知る手段と方法に対しては、十分な実験結果を得るために前記パルス幅可変回路２の抵抗Ｒ１を数ｋΩに設定することにより放電周波数を最大数ｋＨｚ程度まで可変・調整可能とし、又、放電電極間隙長を数十ミリ程度までとし、放電周波数と放電電極間隙長を変化させ、イグニッションコイル５の一次側に配置したスイッチング素子Ｑ３のコレクタ側に設けた観測用端子１０を利用してオシロスコープでコレクタ・エミッタ間の最大電圧を観測・測定する手段と方法により達成される。

第６の課題である近接域での放電実験や放電現象の観察時の安全性と、装置通電開始時に於ける取り扱い上の安全性は、後述するところのイグナイタ用スイッチング素子Ｑ３を用いることと、前記パルス幅可変回路２の抵抗Ｒ２によりパルス幅を零値から可変出力する手段と方法により達成される。

前記第１の課題解決手段である高電圧発生部４にイグニッションコイル５を用いることによる作用は、非特許文献２の従来公知の卓上型火花放電発生装置の誘導コイルに比し、開磁路或は閉磁路鉄芯型いずれもその発生電圧の大きさと放電電極間隙長に於いては優るものでは無く小容量ではあるものの、本発明で提案する数十ミリの放電電極間隙長であってもその放電実験や放電現象の観察に於いて何等損なわれるものでは無く、小型・軽量化がなされ持ち運びも容易となり、他の解決手段による機能を具備した教育・研究用火花放電発生装置への応用・利用に加え、高電圧発生用電源として各種装置・機器内に組み込むことも可能となる。

又、非特許文献２の従来公知の卓上型火花放電発生装置は、その放電電極間隙長は最大１００ｍｍ程度であり、近接域での放電実験や放電現象の観察に於いては、安全性に十分な配慮を要する。これに比し本発明の装置に於いては、イグニッションコイルの一次電流を通電・遮断するためのスイッチング素子Ｑ３のコレクタ・エミッタ間電圧の絶対最大定格の制約から、その放電電極間隙長は数十ミリ程度であり、結果として近接域での放電実験や放電現象の観察時の安全性に配慮したものとなっている。

更に、非特許文献２の従来公知の前記装置は、装置通電開始時に於いても放電電極には高電圧が発生しており、その値は、放電電極間隙長を最小の４０ｍｍに設定し、放電電圧と放電周波数の可変・調整機能を実施するための手段を最小設定した状態に於いても略２４ｋＶあり、その取り扱い上の安全性には十分注意を要する。

そこで、前記パルス幅可変回路２は、パルス幅可変用抵抗Ｒ２によりそのパルス幅を零値から可変出力でき、スイッチング素子Ｑ３への入力パルスの電圧レベルを零値とすることが可能となり、装置通電開始時の発生電圧を零値に設定でき取り扱い上の安全性にも十分配慮したものとなっている。しかしながら、実験・観察や装置通電開始時に於いては放電電極間隙長の長短に拘わらず安全に配慮することは当然のことである。

第２の課題解決手段による作用は、任意の周波数下での火花放電実施時に於いて、パルス発生回路１の発振周波数を上げ、放電電極間隙中の電離気体の密度を増加し、更に該周波数下でイグニッションコイル５の一次電流を通電・遮断するスイッチング素子Ｑ３への入力パルスをパルス幅可変回路２と増幅回路３で作り、該スイッチング素子Ｑ３へ入力し導通時間を増加すると、該スイッチング素子Ｑ３に通流する電流を増加でき、イグニッションコイル５に貯えられる電磁エネルギーが増加することになり、該コイルの二次巻線からの放電エネルギーが増強されビーム状火花放電が実施可能となる。

尚、一般に、電磁誘導の法則によれば、二組の巻線で構成され誘導作用を利用する装置に於いて、一次電流を通流・遮断する周波数を増加することと一次電流を増加することは、二次巻線の誘導電圧、従って放電装置の場合の放電電圧の増加に寄与する。このことも電離気体の密度増加の要因となることは明らかなことではあるが、実際問題としては周波数の増加に伴う巻線のリアクタンスの増加分による電流の減少や、巻線のインダクタンスの非線形性等も考慮せねばならないことは自明のことである。

従って、本発明の装置に於ける発生電圧及び発生周波数の可変・調整機能は、パルス幅可変回路２のパルス幅可変機能及びパルス発生回路１の周波数可変機能により実施可能であることも前記電磁誘導の法則より明らかである。

又、第３の課題解決手段による作用は、前記第２の課題解決手段である前記パルス発生回路１の発生パルスの周波数を可変・調整することにより、又前記パルス幅可変回路２の可変抵抗により出力パルス幅を可変・調整することにより、更にこれらを組み合わせる手段によりビーム状火花放電を含む種々の形態の放電が実施可能となる。

第４の課題解決手段による作用は、前記第２の課題解決手段による作用に於いて、ビーム状火花放電の安定継続時には放電電圧と放電電流は共に安定し、オシロスコープを用いた波形観測の手段によって測定した結果から、前述の如くその放電エネルギーが近似的に三角形、或いは台形の求積式で容易に算出可能となり、放電電圧と放電電流と放電エネルギーの関係や、これらを基に放電エネルギーと放電電極間隙長との関係についても定性的に知ることが可能となる。

更に、第５の課題解決手段による作用は、第２の課題解決手段による作用に於いて放電電極間隙長をパラメータとし、ビーム状火花放電の安定継続時の放電電圧と放電周波数の関係をオシロスコープを用いた波形観測の手段により測定し、その結果を通して間接的に放電開始電圧と放電周波数、そして放電電極間隙長との関係を定性的に知ることができ、放電の概念を学ぶことが可能となり、教材・教具としての有用性もある。

以下は、本発明を実施した形態を示したもので、図１〜図７を参照して説明する。図１は本発明の装置の原理構成を示した回路図であり、特にパルス幅可変回路と増幅回路について詳細に示したもので、Ｒ１を３．３ｋΩ、Ｒ２を２０ｋΩ、Ｃ１を０．４７μＦとして設定することにより放電周波数を最大数ｋＨｚ程度まで可変・調整可能としている。図２は、図１に示される該装置のビーム状火花放電の実施例で安定継続時の放電電極部とその状態を示したものである。図３は、ビーム状火花放電の安定継続時のオシロスコープ観測の放電電圧と放電電流の波形図であり、図４は放電エネルギー増強時のオシロスコープ観測の放電電圧と放電電流の波形図である。図５は放電エネルギーの簡易算出方法を示す図である。又、図６は、ビーム状火花放電の安定継続時に於けるスイッチング素子Ｑ３のコレクタ・エミッタ間最大電圧（Ｖ_{ＣＥＯｍａｘ}）と放電周波数（ｆ）の関係を示す図であり、図７はスイッチング素子Ｑ３のコレクタ・エミッタ間最大電圧（Ｖ_{ＣＥＯｍａｘ}）と放電電極間隙長（ｌ_ｇ）の関係を示す図であり、オシロスコープを用いた波形観測の手段により測定したものである。

尚、図６、図７のコレクタ・エミッタ間最大電圧（Ｖ_{ＣＥＯｍａｘ}）は、本来は前記第２の課題解決手段の作用に於ける放電電極間隙の放電開始電圧とすべきであるが、本実施例に於いては測定手段としてオシロスコープを用い、その波形観測により各種特性を測定する方法を採用することを余儀なくされた結果、ビーム状火花放電の安定継続時のスイッチング素子Ｑ３のコレクタ・エミッタ間最大電圧（Ｖ_{ＣＥＯｍａｘ}）としている。然しながら、本質的には放電電圧とは比例関係にあるものと考えてよく、その特性を通して放電特性の概念を知るのに十分である。

図１は、請求項１に対する実施例であり、前記目的を達成するためのイグニッションコイルを用いた小型・軽量化された、発生電圧及び発生周波数可変・調整機能を有する小容量の高電圧発生回路を備えた、ビーム状火花放電発生装置の原理構成を示す回路図であって、発生周波数が可変・調整可能なパルス発生回路１と、該パルス発生回路１からのパルスに対応してそのパルス幅を零値から可変出力し、同一周波数下での放電エネルギーを可変・調整するためのパルス幅可変回路２と、該パルス幅可変回路２からのパルス信号を増強させるための増幅回路３と、高電圧を発生させるイグニッションコイル５と、増強されたパルス信号のオン・オフに対応して前記イグニッションコイル５の一次電流を通電・遮断するスイッチング素子Ｑ３と、前記イグニッションコイル５の高電圧二次側に接続された放電電極８と、該放電電極８を含む前記イグニッションコイル５の高電圧二次側に並列接続された放電火花を安定化させるコンデンサＣ２と、イグニッションコイルの一次巻線の電流制限抵抗９と、で構成される。

パルス発生回路１は、発振専用の集積回路（以下、ＩＣと表記する）を用いた公知のパルス発生回路に周波数可変用の抵抗器として２MΩと２００ｋΩが付加されている。

前記パルス幅可変回路２は、同一周波数下でパルス幅のみを可変するものであり、この種の回路は既に多くの開示例がある。例えば、特許文献２−６や非特許文献６等に見られるように、演算増幅器を含むＰＷＭ回路によるものやＣＲ回路とゲート回路を組み合わせその閾値を利用したもの等があり、該回路２はその構成方法・要素に若干の差異はあるものの特許文献２と同種のもので、ＴＴＬ−ＩＣとＣＲ回路を組み合わせた簡単な構成の非特許文献6のものであり、数ｋＨｚ程度の放電周波数を得るために、該周波数を決定する重要な要素の一つであるプルアップ抵抗Ｒ１の値を３．３ｋΩに設定している。

具体的には、該回路２は前記３．３ｋΩのプルアップ抵抗がその出力に配置されたオープンコレクタ型のＴＴＬインバータＩＣであるＩＣ１（７４０６）と、その出力が２０ｋΩの可変抵抗Ｒ２と、その容量が０．４７μＦのコンデンサＣ１と、該コンデンサＣ１の端子電圧が入力されるショットキー型のＴＴＬインバータＩＣであるＩＣ２(７４LS１４)とで構成されている。

該回路２に於いて、そのパルス幅は抵抗Ｒ２を可変することにより略一定周波数下で任意に変化させることができ、その例は後述実施例２及び３のビーム状火花放電の安定継続時に於ける放電電圧と放電電流のオシロスコープによる波形観測の結果である図３と図４に示されている。図３は放電周期２．５ｍｓｅｃ、即ち放電周波数４００Ｈｚ、放電電極間隙長２０ｍｍに於けるものであり、図４は該状態で抵抗Ｒ２のみを可変し放電エネルギーを増強させたものであり、放電周波数は略一定でパルス幅のみを可変することにより放電エネルギーの可変・調整が可能であることが示されている。

増幅回路３は、図１に於いてパルス幅可変回路２からの出力、従ってＩＣ２からの出力はその電圧レベルがＨｉｇｈのときは第１スイッチング素子Ｑ１と第２スイッチング素子Ｑ２と第３スイッチング素子Ｑ３はいずれも導通し、イグニッションコイル５の一次巻線６には電流制限抵抗９を通して電源より電流が供給され、電圧レベルがＬｏｗのときは第１スイッチング素子Ｑ１と第２スイッチング素子Ｑ２はいずれも遮断し、第３スイッチング素子Ｑ３は遮断され、その結果イグニッションコイル５の一次電流は遮断され、自己誘導作用による高い電圧が発生し、相互誘導作用で二次巻線７に高電圧が発生し放電電極８の放電電極間隙で放電する。

本実施例では、スイッチング素子Ｑ３はバイポーラ型トランジスタを使用しており、該回路３は、イグニッションコイル５の一次側に配置されたスイッチング素子Ｑ３のベースに入力するためのパルスを増強するためのもので、電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）や絶縁ゲート型トランジスタ（ＩＧＢＴ）等を用いることにより、省略、或るいは簡素化でき、より簡単な構成の回路が実現可能となり、電流容量も大きくとれ、放電エネルギーの増強化が可能となり、イグニッションコイルの電流容量と絶縁耐力の許容範囲内で容量の大きな、放電電極間隙長の長い火花放電発生装置が実現可能となる。或いは、逆に電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）や絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を用いることによって、非特許文献２の従来公知の卓上型火花放電発生装置の定格範囲内での容量の増大化が可能となり、更に本発明で開示する種々の機能を具備した装置も実現可能となる。

高電圧発生部４は、イグニッションコイル５とスイッチング素子Ｑ３と放電電極８とからなり、放電火花安定化のためのコンデンサＣ２が並列に接続されており、該コイル５の一次巻線６は、その一方はスイッチング素子Ｑ３へ、他方は電流制限抵抗9を介して電源に接続され、二次巻線７は、その一方は一次巻線６の電流制限抵抗９側に、他方は放電電極８に接続され、発生した高電圧が直接放電電極に導かれる。

又、ビーム状火花放電の安定継続時の放電エネルギーを、オシロスコープによる波形観測の手段より簡易算出するための放電電圧波形観測用端子１１を前記放電電極８の一方に設け、又、該電極８の他方には放電電流波形観測用抵抗Ｒ３を設けている。

更に、ビーム状火花放電の安定継続時に於いて、オシロスコープを用いた波形観測の手段により、放電電圧と放電周波数、そして放電電極間隙長との関係を定性的に知るための観測用端子１０をスイッチング素子Ｑ３のコレクタ側に設けている。

尚、該装置に於けるスイッチング素子Ｑ３は前記の如くバイポーラ型トランジスタを使用しており、該装置の目標とする放電電極間隙長と放電電圧、又信頼性と部品点数の軽減等の点から、ベース・エミッタ間には抵抗を、コレクタ・エミッタ間には逆ダイオードを内蔵した電流増幅率５００以上、絶対最大定格としてコレクタ・エミッタ間電圧４００Ｖ、コレクタ電流６Ａのダーリントン・パワー・トランジスタでイグナイタ用のものを選定している。

抵抗９は前述したイグニッションコイル５の電流制限抵抗であり、１５Ｗ４Ωのセメント抵抗２個を並列接続し、その一方は電源に、他方はイグニッションコイル５の電源側に接続されている。

尚、本実施例は、図１の回路のパルス幅可変回路２ではＴＴＬ−ＩＣを採用しており５［ｖ］の電圧を、又、増幅回路３と高電圧発生部４では２０［ｖ］の電圧を利用してはいるが、他の素子を用いることにより全て同一電圧を利用可能であることは明らかである。

図２は請求項４記載のビーム状火花放電の実施例であり、図１の構成に於いてその放電電極８は、正側電極には尖塔状電極を、負側電極には平板電極を採用しており、放電周波数が４００Ｈｚ、放電電極間隙長が２０ｍｍの場合の様子が示されており、放電周波数に対してはパルス発生回路1の周波数可変機能を、放電エネルギーに対してはパルス幅可変回路2のパルス幅可変機能を利用することにより得られたものである。
（比較例１）

実施例２と同様に、非特許文献２の従来公知の卓上型火花放電発生装置に於いて、放電電極間隙長を最小の４０ｍｍ程度で、発生電圧、周波数共に最大に設定した結果に於いても火花放電のビーム状化の実施は不可能であった。

図３、図４は請求項５記載の実施例であり、ビーム状火花放電の安定継続時に於いて、オシロスコープにより、該状態での放電電圧（ｖ_ｇ）の波形と放電電流（ｉ_ｇ）の波形を観測用端子１１と観測用抵抗Ｒ３を用いて観測した結果で、放電電極間隙長を２０ｍｍ、垂直軸は４ｋＶ／ｄｉｖと５０ｍＡ／ｄｉｖ、水平軸は０．５ｍｓｅｃ／ｄｉｖと設定しており、放電周期は２．５ｍｓｅｃ、即ち放電周波数（ｆ）は４００Ｈｚであり、放電電流（ｉ_ｇ）は図３では三角波として、又、パルス幅を増加し放電エネルギーを増強した状態の図４では台形波として、そして放電電圧（ｖ_ｇ）はいずれも矩形波として近似的に捉えることが可能である。

図５は、図３、図４の観測波形を下に、放電エネルギーを簡易算出するための方法を示したものであり、放電エネルギーを表わす前記数式（１）に於いて前述の近似を適用すると三角形或いは台形の面積の求積式となる。即ち、放電電流（ｉ_ｇ）を三角波で近似した場合の（ａ）では、放電エネルギーＷ_ｇは、Ｗ_ｇ＝（１／２） ×ｖ_ｇｏ×ｉ_ｇｏ×ｔ_１［Ｊ］となり、又、台形波で近似した場合の（ｂ）では、該エネルギーＷ_ｇは、Ｗ_ｇ＝（１／２） ×ｖ_ｇｏ×（ｉ_ｇｏ＋ｉ_ｇ１）×ｔ_１［Ｊ］として求めることができる。その計算結果は、（ａ）では凡そ２５[ｍＪ]、（ｂ）では凡そ３５[ｍＪ]であった。尚、（ａ）、（ｂ）いずれに於いても放電電圧（ｖ_ｇ）は負を示す期間はあるものの、その期間に於ける放電電流（ｉ_ｇ）は略零であり、数式（１）より放電エネルギーは略零である。
（比較例２）

非特許文献２の従来公知の卓上型火花放電発生装置に於いては、本発明で採用しているオシロスコープによる波形観測の手段により測定した結果に基づく放電エネルギーの算出方法の適用には、特殊な測定手段例えば入力インピーダンスと耐圧の非常に高い高電圧プローブが必要であり、放電電流の波形観測に於いても何等かの工夫を要するが、放電エネルギーの算出に関わるこれらの測定手段や方法等、実験に関しては何等の情報も与えられてはいない。

図６、図７は、ビーム状火花放電の安定継続時に於いて、イグニッションコイル５の一次巻線６に配置されているスイッチング素子Ｑ３のコレクタ・エミッタ間最大電圧（Ｖ_{ＣＥＯｍａｘ}）と放電周波数（ｆ）、そして放電電極間隙長（ｌ_ｇ）との関係を、スイッチング素子Ｑ３のコレクタ側に設けた観測用端子１０を用いたオシロスコープによる波形観測の手段により測定した結果を示したもので、イグニッションコイル５の鉄損や十分な実験結果が得られること等を考慮し、放電周波数は最大数ｋＨｚ程度、放電電極間隙長はスイッチング素子Ｑ３のコレクタ・エミッタ間絶対最大定格電圧４００Ｖを考慮し最大３０ｍｍ程度としている。

図６は、放電間隙長（ｌ_ｇ）を５ｍｍから３０ｍｍまで５ｍｍ間隔で変化させ、該放電電極間隙長（ｌ_ｇ）をパラメータとした場合のスイッチング素子Ｑ３のコレクタ・エミッタ間最大電圧（Ｖ_{ＣＥＯｍａｘ}）と放電周波数（ｆ）との関係を示したものであり、放電周波数（ｆ）は２００Ｈｚから８００Ｈｚまで１００Ｈｚ間隔で測定した。

該図は、放電周波数（ｆ）が増加するに連れ、スイッチング素子Ｑ３のコレクタ・エミッタ間最大電圧（Ｖ_{ＣＥＯｍａｘ}）が減少することが示されている。このことは、一般に放電周波数が増加するに連れ、放電電極間隙中の電離気体の密度が増加することにより放電電圧が減少することを示しているものといえる。

図７は、図6に於いて放電周波数（ｆ）をパラメータとした場合の、スイッチング素子Ｑ３のコレクタ・エミッタ間最大電圧（Ｖ_{ＣＥＯｍａｘ}）と放電電極間隙長（ｌ_ｇ）の関係を示したものであり、放電電極間隙長（ｌ_ｇ）が増すに連れ、スイッチング素子Ｑ３のコレクタ・エミッタ間最大電圧（Ｖ_{ＣＥＯｍａｘ}）が増加することが示されている。このことは、一般に放電電極間隙長が増すに連れ、放電開始電圧が高くなることに相当するものである。尚、該図に於ける放電周波数（ｆ）への依存性は前記の通りである。
（比較例３）

実施例４との比較に於いて、非特許文献２の従来公知の卓上型火花放電発生装置はその放電電極間隙長も長く、放電開始電圧の測定は、本発明の実施例で採用したオシロスコープによる波形観測の手段では不可能ではあるが、入力インピーダンスと耐圧の非常に高い高電圧測定用プローブやその他の手段や方法により測定可能であることは明らかであり、放電電圧と放電周波数、そして放電電極間隙長との関係を示す結果は得られるものの、その放電周波数の測定範囲が最大３０Ｈｚ程度と狭いため、通常の観測・測定手段や方法により、これらの関係を示す十分な測定結果が容易に得られるとは言い難い。

請求項４記載の種々の形態の放電の実施例は、図１の構成に於いてパルス発生回路１の周波数可変用抵抗によりその放電周波数を、又、パルス幅可変回路２のパルス幅可変用抵抗Ｒ２によりその放電エネルギーを、可変・調整することやこれらを組み合わせることにより、任意の放電電極間隙長に於いて実施可能である。
（比較例４）

比較例１に示したように、非特許文献２の従来公知の卓上型火花放電発生装置に於いては、ビーム状火花放電の実施は不可能である。

本発明の装置は、請求項１の構成と請求項４による方法でビーム状火花放電を実施可能としたものであり、更に、種々の形態の放電が実施可能であり、請求項５及び６に於ける放電電圧や放電電流等の諸量をオシロスコープにより観測・測定する端子等を設けたことを特徴としており、該装置を卓上型の教育・研究用火花放電発生装置として、又、発生電圧及び発生周波数を可変・調整可能な高電圧電源として、オゾン発生装置や、その電極極性の切り換えによる負イオン発生装置、又害虫駆除用装置等を含む、高電圧現象を利用する分野、例えば、農業、環境、工業化学等の様々な産業分野での実験・研究用を含めその応用・利用が可能である。

又、ビーム状火花放電状態で該ビームの位置制御と、高集束化による高電流密度化が図られれば小容量の放電加工機等への応用も考えられる。

更に、スイッチング素子Ｑ３の代替素子として電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）や絶縁ゲート型トランジスタ（ＩＧＢＴ）の使用と、電流容量と絶縁耐力が大きく、低鉄損化された鉄芯やフェライト磁芯等を採用したイグニッションコイルの使用により、更なる放電エネルギーの増強化や高周波化が図られれば、小型で比較的容量の大きい高周波ビーム状火花放電が実施可能となり、工業分野に於けるビーム放電加工機の高電圧電源やその他の応用も可能である。

本発明のビーム状火花放電発生装置の回路図である。 放電電極部の図である。 ビーム状火花放電の安定継続時のオシロスコープ観測の放電電圧・放電電流の波形図である。 放電エネルギー増強時のオシロスコープ観測の放電電圧・放電電流の波形図である。 放電エネルギーの簡易算出方法を示す図である。 スイッチング素子のコレクタ・エミッタ間最大電圧（Ｖ_{ＣＥＯｍａｘ}）と放電周波数（ｆ）の関係図である。 スイッチング素子のコレクタ・エミッタ間最大電圧（Ｖ_{ＣＥＯｍａｘ}）と放電電極間隙長（ｌ_ｇ）の関係図である。

符号の説明

２ パルス幅可変回路
３ 増幅回路
４ 高電圧発生部
５ イグニッションコイル
９ 電流制限抵抗
Ｒ１ プルアップ抵抗
Ｒ２ 放電エネルギー可変・調整用抵抗
ＩＣ１ オープン・コレクタ型インバータＩＣ（７４０６）
ＩＣ２ ショットキー型インバータＩＣ（７４ＬＳ１４）
Ｑ３ スイッチング素子
Ｃ２ コンデンサ

Claims (7)

1. ビーム状火花放電発生装置であって、発生周波数が可変・調整可能なパルス発生回路と、該パルス発生回路からのパルスに対応してそのパルス幅を零値から可変出力するパルス幅可変回路と、高電圧を発生させるイグニッションコイルと、該コイルの一次電流を前記パルス幅可変回路からのパルスのオン・オフに対応して通電・遮断するスイッチング素子と、前記イグニッションコイルの高電圧二次側に接続された放電電極と、該電極を含む前記イグニッションコイルの高電圧二次側に並列接続された放電火花を安定化させるコンデンサとを備えたことを特徴とする装置。
2. 放電電極間隙長は可変可能であり、前記放電電極の一方は尖塔状で、他方が該尖塔に対向する平板であることを特徴とする請求項１記載のビーム状火花放電発生装置。
3. 前記パルス幅可変回路からのパルス信号を増強して、スイッチング素子を動作させる増幅回路を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載のビーム状火花放電発生装置。
4. 前記ビーム状火花放電は、前記パルス発生回路の周波数を増加する方法と、前記パルス幅可変回路のパルス幅を増加する方法と、或いはそれらを組み合わせる方法と で実施可能となり、併せて種々の形態の放電が実施可能となることを特徴とする請求項１又は２記載のビーム状火花放電発生装置。
5. ビーム状火花放電の安定継続時に於ける放電エネルギーを、オシロスコープを用いた波形観測の手段により簡易算出するための放電電圧波形観測用端子を前記放電電極の一方に、又、放電電流波形観測用抵抗を前記放電電極の他方に設けたことを特長とする請求項１記載のビーム状火花放電発生装置。
6. ビーム状火花放電の安定継続時に於いて、オシロスコープを用いた波形観測の手段により、放電電圧と放電周波数、そして放電電極間隙長との関係を定性的に知るための観測用端子をスイッチング素子の端子間に設けたことを特徴とする請求項１、又は２記載のビーム状火花放電発生装置。
7. 十分な実験結果を得るために前記パルス幅可変回路の抵抗R１を数ｋΩに設定し、放電周波数を最大数ｋHz程度まで可変・調整可能としたことを特徴とする請求項１記載のビーム
   

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