JP2006012803A - イオナイザ電源装置のための交流監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来、イオン化システムの電極からのイオン生成を原因とする交流電流を正確に測定することは困難であった。
【解決手段】 イオナイザは、正の半サイクルと負の半サイクルとを有する波形を出力する出力を有する交流（ＡＣ）電圧源と、このＡＣ電圧源の出力に電気的に結合されている電極と、この電極に近接した基準と、検出回路とを含む。検出回路は、ＡＣ電圧源の出力と基準とに電気的に結合されている戻り電流ゼロ化ノードと、別個に接地に電気的に結合されている接地ノードと、正イオン電流センサと、負イオン電流センサとを含む。正イオン電流検出ノードは、検出された正イオン電流に比例した正イオン信号を出力するように構成されている。負イオン電流検出ノードは、検出された負イオン電流に比例した負イオン信号を出力するように構成されている。
【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は、空気イオン生成装置に関し、さらに特に、空気イオナイザの電源装置における交流電流を検出して監視する装置に関する。

静電荷を制御することは、連続ウェブ作業（連続した送り動作または概ね連続した送り動作において移動させられる製品）と半導体製造とにおいて重要な問題である。望ましくない摩擦帯電（摩擦によって生じさせられる静電気）が、ローラや切断機等によってウェブが扱われる時に、そのウェブ表面上に生じさせられる。ウェブ作業においては、こうした望ましくない帯電が不要な微粒子物質を製品の表面上に引き付ける可能性があり、その製品に関する困難な取り扱い上の問題の原因となる可能性があり、および、さらには、その機械を操作する電子制御装置に対して潜在的に有害である放電の原因となることさえあり得る。半導体製造においては、静電気によって引き付けられた外来物質と静電気放電事象とによって引き起こされるデバイスの欠陥が、全体の製造損失の大きな原因となる。

空気イオン化が、非導電性材料と絶縁導体とにおける有効な静電荷の除去方法である。空気イオナイザは、空気中の移動電荷担体として働く大量の正イオンと陰イオンとを周囲雰囲気中に発生させる。イオンが空気中を流動するにつれて、そのイオンは、反対に帯電している粒子と表面とに引き寄せられる。静電帯電した表面の中和が、このプロセスによって迅速に実現されることが可能である。

空気イオン化は、コロナ放電として知られているプロセスにおいてイオンを発生させる電気イオナイザを使用して行われてよい。電気イオナイザは電極を有し、および、周囲空気の誘電強度に打ち勝つまで各電極の先鋭な先端の周囲の電界を増強することによって、このプロセスによって空気イオンを発生させる。電子が電極から周囲空気の中へ流れている時に、陰極コロナが発生する。空気分子から電極の中への電子の流れの結果として陽極コロナが発生する。

イオナイザ装置は、イオン化バー（ionizing bar）、イオン化送風機（ionization blower）、空気イオン化ノズル等のような様々な形態をとってよく、および、正イオンと負イオンとを作業空間内に放出することによって、または、望ましくない静電荷を有する区域の表面上に放出することによって、静電荷を中和するために使用される。イオン化バーは、典型的には、紙の印刷、高分子シート材料、または、プラスチック袋の製造のような連続ウェブ作業において使用される。空気イオン化送風機と空気イオン化ノズルは、典型的には、静電放電（ＥＳＤ）の影響を受けやすいハードディスク駆動装置と集積回路等のような電子機器装置をアセンブリするための作業空間内で使用される。

特定の出力のイオナイザによって可能な限り最大の静電荷の低減を実現するためには、そのイオナイザは、ウェブ上または作業空間内の正味電荷を打ち消すように、一定量の正イオンと負イオンを発生させなければならない。すなわち、そのイオナイザの出力は、ウェブ上または作業空間内の正味電荷の中和を実現するように、正イオンおよび／または負イオンの出力を増減させなければならない。

従来技術のイオン生成方法は、半サイクルの約３５％にわたって一方の極性のイオンを発生させ、および、その次に、一定の遅延の後に、半サイクルの約３５％にわたって他方の極性のイオンを発生させる、イオン化ピン（ionizing pin：すなわち、電極）に接続されている交流（ＡＣ）電圧発生装置の使用によるものである。この正イオンと負イオンはＡＣ電圧波形のサイクルすなわち周波数に基づいて出力され、および、ウェブ上または作業空間内の実際の電荷のフィードバックに基づいて、または、特定の極性のイオンに対する要求に基づいて制御されることはない。こうした従来技術の装置は、例えば、特許文献１（Meyer）および特許文献２（Takahashi）に開示されている。

米国特許第３，９３６，６９８号明細書 米国特許第３，７１４，５３１号明細書

ＡＣイオナイザの欠点が、イオン化ピンに送られる実際の電流の流れを監視する能力である。シールドと接地基準とがＡＣ高電圧に対する追加の負荷としての役割を果たし、それによって、イオン化ピンによって生じさせられる実際のイオン電流よりも数桁大きい電流をとる。例えば、図５は、接地した抵抗器Ｒ_Gを経由した高電圧変圧器５２の二次コイル５４への戻り電流を測定する従来技術の監視回路５０の簡略化された電気回路図である。シールドされた高電圧ケーブル５１が、イオナイザバーのイオン化ピンに対してＡＣ高電圧を配送するために使用される時には、その結果として生じる接地抵抗器Ｒ_Gの両端間の信号が、主としてケーブル５１の負荷電流に相当するだろう。イオン電流はその変圧器に戻る電流全体の小さい一部分であるにすぎず、および、シールドと接地基準とに供給される大きな電流に比較して検出が困難である。イオン化システムにおいて電流を測定する典型的な方法は、接地抵抗器Ｒ_Gの両端間の電圧を測定することを含むだろう。電流は、Ｉ＝Ｅ／Ｒというオームの法則を使用することによって、高電圧変圧器５２に戻る電流合計としてだけ計算が可能である。

イオン化システムにおいて交流電流を正確に測定する方法を提供することが望ましい。さらに、イオン化システムの電極からのイオン生成を原因とする交流電流を測定するための装置と方法とを提供することが望ましい。

簡潔に述べると、本発明は、正の半サイクルと負の半サイクルとを有する波形を出力する出力を有する交流（ＡＣ）電圧源と、このＡＣ電圧源の出力に電気的に結合されている電極と、この電極に近接した基準と、検出回路とを含むイオナイザを提供する。この検出回路は、ＡＣ電圧源の出力と基準とに電気的に結合されている戻り電流ゼロ化ノード（return current nulling node）と、別個に接地に電気的に結合されている接地ノードと、正イオン電流センサと、負イオン電流センサとを含む。正イオン電流センサは正イオン電流検出ノードを有し、および、戻り電流ゼロ化ノードと接地ノードとの間に結合されている。正イオン電流検出ノードは、検出された正イオン電流に比例した正イオン信号を出力するように構成されている。負イオン電流センサは負イオン電流検出ノードを有し、および、戻り電流ゼロ化ノードと接地ノードとの間に結合されている。この負イオン電流検出ノードは、検出された負イオン電流に比例した負イオン信号を出力するように構成されている。

本発明は、さらに、正の半サイクルと負の半サイクルとを有する波形を出力する出力を有する交流（ＡＣ）電圧源と、ＡＣ電圧源の出力に電気的に結合されている電極と、電極に近接した基準と、導体とシールドとを有するシールドケーブルと、検出回路とを含むイオナイザも含む。この導体は出力を電極に接続する。検出回路は、ＡＣ電圧源の出力と基準とに電気的に結合されている戻り電流ゼロ化ノードと、別個に接地に電気的に結合されている接地ノードと、イオン電流検出ノードを有し且つ戻り電流ゼロ化ノードと接地ノードとの間に結合されているイオン電流センサとを含む。シールドケーブルのシールドは基準を戻り電流ゼロ化ノードに接続する。イオン電流検出ノードは、検出されたイオン電流に比例したイオン信号を出力するように構成されている。

上述の概要は、本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明と共に、添付図面に関連付けて読まれる時により適切に理解されるだろう。本発明を説明するために、現時点で好ましい実施形態が図面に示されている。しかし、本発明は、示されている構成と方法とに限定されないということが理解されるべきである。

以下の説明では、便宜上、特定の技術が使用されるが、これは限定的なものではない。「右の」、「左の」、「下方の」、および、「上方の」という単語は、参照される図面における方向を表す。「内側に」および「外側に」という単語は、説明されている装置と示されている部品との幾何学的中心に向かう方向と、この幾何学的中心から遠ざかる方向とをそれぞれに意味する。術語は、上記で具体的に言及された単語と、これらの単語の派生語と、類似の意味の単語とを含む。これに加えて、単語「ａ（不定冠詞）」は特許請求の範囲の請求項とこれに対応する明細書の部分とにおいて使用され、この単語は「１つ」または「少なくとも１つ」を意味する。本明細書で使用される術語「ターゲット」は、作用が及ぼされる物体、すなわち、紙やプラスチック等のような連続ウェブ製品であってもよく、或いは、このターゲットは、一般的な作業空間または作業区域であってもよい。

以下では、図面を詳細に参照し、この図面においては同じ番号が全体を通して同じ要素を示し、図２、図３、図４および図７が、本発明による制御回路の好ましい実施形態を示す。

図１Ａから図１Ｃでは、電圧源Ｖ_Sが、一次巻線すなわち一次側ＰＲ１と二次巻線ＳＥＣと磁心ＭＣとを有する高電圧変圧器ＨＶＴＸに電気的に結合されている。電圧源Ｖ_Sが、約５０−４００ヘルツ（Ｈｚ）の約９０−６００ボルト交流電流（ＶＡＣ）等のような、標準交流（ＡＣ）電圧源であることが好ましい。当然であるが、あらゆるＡＣ電圧源Ｖ_Sが本発明から逸脱することなしに使用されてよい。高電圧変圧器ＨＶＴＸは、接地されている磁心ＭＣを有する任意のフェロ（Ferro）またはノンフェロ（non-Ferro）タイプの高電圧変圧器ＨＶＴＸであってよい。高電圧変圧器ＨＶＴＸの二次巻線の片方の脚部もしくは部分、または、単純に二次巻線ＳＥＣが、接地されている。しかし、より詳細に後述されるように、接地への接続が中断されて、検出回路１０（図２）に対する接続すなわち結合のためのノード１１を生じさせてもよい。電圧源Ｖ_Sは、本発明からの逸脱なしに他のタイプのＡＣ電源装置を含んでもよい。さらに、高電圧変圧器ＨＶＴＸは、スイッチング電源装置等のような他のタイプの電源装置および／または電力変換装置であってもよい。

図１Ａと図１Ｂでは、イオナイザバー２４、２２が、シールドケーブル３１を経由して高電圧変圧器ＨＶＴＸに接続されている。接地に結合されているシールドＳを有するこのシールドケーブル３１は、ＡＣ電界の抑制を実現し、および、電磁干渉（ＥＭＩ）放射の低減を促進するが、シールドケーブル３１は、長さに応じて、高電圧変圧器ＨＶＴＸの最大出力の２／３までの容量性負荷に相当する可能性がある。この場合のシールドケーブル３１のシールドＳに対する負荷電流が、エミッタピンまたは電極に対する電流よりも数桁大きい。シールドケーブル３１からの負荷は、高電圧変圧器ＨＶＴＸに接続されることが可能なイオナイザバーおよびシールドケーブル３１の（直線寸法に換算した）量を制限する。図１Ｃでは、高電圧変圧器ＨＶＴＸとイオナイザバー２６との間に結合されている非シールドケーブル３３が存在し、これは最長の直線長さを可能にするが、しかし、シールドＳがないので、ＥＭＩまたはＡＣ電界の抑制は極めてわずかしか実現されないか、または、全く実現されない。ケーブル３３が接地から離して取り付けられている場合には、電源装置上の唯一の負荷がケーブル３３の抵抗とイオン電流だけであるはずである。接地に対するエミッタピンの典型的な短絡電流が、容量結合バーの場合には約７．５マイクロアンペア（μＡ）から約１１マイクロアンペア（μＡ）であり、および、抵抗性バーの場合には約３０μＡから約５０μＡである。

図２は、概ね本発明の実施形態による、空気イオナイザ２２、２４、２６（図１Ａ−１Ｃ）と空気イオナイザ２２２（図７）とに関する高電圧変圧器ＨＶＴＸの二次巻線ＳＥＣ内の交流電流（ＡＣ）を測定する検出回路１０の簡略化された電気回路図である。この検出回路１０は、正イオン電流検出ノード１４と、負イオン電流検出ノード１６と、接地ノード１３と、戻り電流ゼロ化ノード１２と、平衡検出ノード１５とを含む。検出回路１０は、さらに、コンデンサＣ１−Ｃ２と、ダイオードＤ１−Ｄ４と、抵抗器Ｒ１−Ｒ３とを含む様々な電気素子を含む。検出回路１０は、ダイオードＤ１とコンデンサＣ１とを備える正イオン電流センサ１４ａを含み、および、この正イオン電流センサ１４ａは、戻り電流ゼロ化ノード１２と接地ノード１３との間に結合されている。ダイオードＤ１は、接地に対して生じさせられる正イオン電流の値を記憶するために、ＡＣ波形の正の半サイクル中だけコンデンサＣ１が充電することを可能にする。コンデンサＣ１の値は、所望の応答時間を実現するように、および、測定値のＡＣリップルを減少させるように選択される（すなわち、より小さいコンデンサが、より早い応答時間と、測定値におけるより多い量の不要ＡＣリップルとに相当する）。同様に、ダイオードＤ２とコンデンサＣ２とを備える負イオン電流センサ１６ａは、戻り電流ゼロ化ノード１２と接地ノード１３との間に結合されている。ダイオードＤ２は、接地に対して生じさせられる負イオン電流の値を記憶するために、ＡＣ波形の負の半サイクル中だけコンデンサＣ２が充電することを可能にする。同様に、コンデンサＣ２の値は、所望の応答時間を実現するように、および、測定値のＡＣリップルを減少させるように選択される（すなわち、より小さいコンデンサが、より早い応答時間と、測定値におけるより多い量の不要ＡＣリップルとに相当する）。したがって、正イオン電流検出ノード１４は、正イオン電流に比例した正イオン信号を出力するように構成されており、および、負イオン電流検出ノード１６は、負イオン電流に比例した負イオン信号を出力するように構成されている。

接地ノード１３は、ＡＣ波形の各々の全サイクル中に生じさせられる正および負のイオン電流のための戻り経路を与えるために、検出回路１０を接地に結合する。戻り電流ゼロ化ノード１２は検出回路１０を高電圧変圧器ＨＶＴＸの二次巻線ＳＥＣに結合し、および、検出回路１０をシールドケーブル３１のシールドＳに結合する。シールドケーブル３１のシールドＳは、シールドＳからの大電流を高電圧変圧器ＨＶＴＸに戻して、検出回路１０がイオン電流だけを受け取ることを可能にするために、この戻り電流ゼロ化ノード１２に接続されなければならない。シールドＳが接地されている場合には、最大で数百マイクロアンペア（μＡ）未満であるイオン電流は、シールドＳの１ミリアンペア（ｍＡ）から３ミリアンペア（ｍＡ）の電流信号に比較して実際上は無視できるほど小さく、したがって、検出または測定が困難である。

平衡検出ノード１５は、コンデンサＣ１、Ｃ２の両方に関する平衡放電経路を提供する加算ノードである。コンデンサＣ１は抵抗器Ｒ１、Ｒ３を経由して放電し、および、コンデンサＣ２は抵抗器Ｒ１、Ｒ３を経由して放電する。ターゲット上に電荷が存在しない場合には、正味電流が等しく、および、平衡検出ノード１５における電圧は約ゼロ（０）ボルトだろう。しかし、電荷がターゲット上に存在する場合には、平衡検出ノード１５における測定可能な電圧は、その電荷の放電電流と符号とに比例する形で増大するだろう（すなわち、ターゲットが正の電荷を有する場合には、平衡検出ノード１５における測定可能な電圧も正の電圧だろうし、および、ターゲットの電荷が負である場合には、イオナイザが接地されており且つ両方の信号が共にシフトするので、平衡検出ノード１５における測定可能な電圧は負だろう）。平衡検出ノード１５は、ターゲットの相対的な「電荷」を表示するために、発光ダイオード（ＬＥＤ：図示しない）を点灯させるために、または、アナログ方式またはディジタル方式の表示器（図示しない）を駆動するために、増幅器（図示しない）に接続されることが可能である。したがって、平衡検出ノード１５は、平衡イオン電流に比例したイオン平衡信号を出力するように構成されている。

抵抗器Ｒ１、Ｒ２は、電圧降下装置として働くことによって、正および負イオン電流の測定のための「信号レベル」を設定する。同様に、抵抗器Ｒ３は、平衡検出ノード１５における（正と負の間の）平衡測定のための信号レベルを設定する。ダイオードＤ３、Ｄ４は、放電させられるべきターゲット上に非常に大きな電荷が存在する場合にこの信号のためのクランプを提供する。ダイオードＤ３、Ｄ４は、電圧を制限すなわち「クリップ」するショットキーダイオードであることが好ましいが、これは、ショットキーダイオードでなければ、平衡検出ノード１５における電圧が比較的大きいことがあり得るからである。しかし、ｔｒａｎｓｏｒｂ、ツェナーダイオード等のような他の任意の公知のクリッピング／制限装置が、本発明から逸脱することなしに使用されてもよい。

図３は、負信号バッファ４０とインバータ４１と正信号バッファ４２と加算増幅器４４と利得段４６と表示器４８と警報回路５０とを含む他の採用随意の特徴と共に、図２の検出回路１０を含む、抵抗性電流制限イオナイザバー（resistive current limited ionizer bar）２２のための監視回路２０の簡略化された電気回路図である。戻り電流ゼロ化ノード１２は、高電圧変圧器ＨＶＴＸの二次巻線ＳＥＣとシールドケーブル３１のシールドＳとに結合されている。接地ノード１３は接地に結合されている。正イオン電流検出ノード１４は正信号バッファ４２に結合されている。負イオン電流検出ノード１６は負信号バッファ４０に結合されており、負イオン信号の極性が負なので、負信号バッファ４０の出力はインバータ４１に結合されている。正信号バッファ４２の出力とインバータ４１の出力は、加算されたイオン電流の合成信号を生じさせるために加算増幅器４４によって加算される。その次に、この加算されたイオン電流信号は、当業で公知のように、表示器４８を駆動するために、および、適切な有効電圧／電流レベルで警報回路５０に入力を提供するために、利得段４６に印加される。

あるいは、代案として、加算増幅器４４は、差動増幅器として具体化されることも可能であり、および、インバータ４１が省略される場合には、正信号と負信号との差が類似の比例した信号を与えるだろう。インバータ４１が、ノード１５における信号に類似しているが恐らくはレベルが異なっているイオン平衡（正イオン信号と負イオン信号との間の差）を得るために、差動増幅器と共に所定の位置に残されることも可能であるということが想定されている。

図４Ａと図４Ｂが、本発明による図３に示されている概略的な監視回路２０に類似した制御回路１２０の詳細な電気回路図を示す。この詳細に示されている制御回路１２０は、抵抗性電流制限イオナイザバー２２と共に示されているが、変圧器に基づいたイオナイザ２２２またはイオナイザバー２２、２４、２６に結合されることも可能である。この制御回路１２０も、さらに、負信号バッファ１４０とインバータ１４１と正信号バッファ１４２と加算増幅器１４４と利得段１４６と表示器１４８と警報回路１５０とインターロック１６０とを含む他の採用随意の特徴と共に、図２の検出回路１０を含む。戻り電流ゼロ化ノード１２は、高電圧変圧器ＨＶＴＸの二次巻線ＳＥＣとシールドケーブル３１のシールドＳとに結合されている。接地ノード１３は接地に結合されている。

約５０Ｈｚから約６０Ｈｚにおいて約９０ボルトＡＣから約２５０ボルトＡＣである、入力端子Ｅ１、Ｅ２において制御回路１２０に供給されるＡＣ電圧。直流（ＤＣ）電源装置ＰＳ１が、制御回路１２０の集積およびディスクリート電気／電子素子による使用のために、ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換する。変換されたＤＣ電圧は約５ボルトＤＣから約２４ボルトＤＣであってよい。電源アダプタＰＳ１は電源スイッチＳＷ１に接続され、この電源スイッチは当業で公知の任意の２状態スイッチであってよいが、乾接点クロージャを有する２位置トグル作動スイッチであることが好ましい。ＤＣ電源装置ＰＳ１は、電圧を約＋１２ＶＤＣに調整する第１の電圧調整器ＲＥＧ１と、電圧を約−１２ＶＤＣに調整する第２の電圧調整器ＲＥＧ２とに電力を配送する。調整された＋１２ＶＤＣは、「＋Ｖ_CC」識別子の付いた上向きの矢印として図面上に示されている。調整された−１２ＶＤＣは、「−Ｖ_SS」識別子の付いた下向きの矢印として図面上に示されている。第１および第２の電圧調整器ＲＥＧ１、ＲＥＧ２は、集積回路素子、ダイオードブリッジ等であってよいが、しかし、図４Ａと図４Ｂとに示されているように単純な一方向性ＳｈｕｔｚダイオードＤ１、Ｄ２であることが好ましい。

約５０Ｈｚから約６０Ｈｚにおいて約９０ボルトＡＣから約２５０ボルトＡＣである、入力端子Ｅ３、Ｅ４において高電圧変圧器ＨＶＴＸに供給されるＡＣ電圧。遮断リレーＰＬＹ１が、入力端子Ｅ４と高電圧変圧器ＨＶＴＸとの間で電力を制御する。制御回路１２０は、さらに、ローカル位置とリモート位置とを有する制御モードセレクタスイッチＳＷ２を含む。このモードセレクタスイッチＳＷ２は、スライド型アクチュエータ、回転型アクチュエータ、プッシュツーセット／プッシュツーリセット（push-to-set/push-to-reset）型アクチュエータ、または、トグル型アクチュエータを有する単純な２位置乾接点型のスイッチであってよい。あるいは、この代案として、モードセレクタスイッチＳＷ２は、単純に、複数の出力を分流するための、パイロットリレー、シリコン制御整流器（ＳＣＲ：登録商標）、トランジスタ等であってよい。低電圧電力（＋Ｖ_CC）が、連動リレーＲＬＹ６（より詳細に後述する）の常閉接点から遮断リレーＲＬＹ１のコイルを介して供給される。モードセレクタスイッチＳＷ２がローカル位置にある時には、トランジスタＱ１が接地への経路を提供する。モードセレクタスイッチＳＷ２がリモート位置にある時には、端子ＴＢ１−５、ＴＢ１−６に印加されるリモート信号が、遮断リレーＲＬＹ１をリモートで制御するためにトランジスタＱ１の状態を選択的に制御する。好ましくは、リモート信号が、光アイソレータまたは光結合ソリッドステートリレーＵ１を介して光絶縁されてもよい。

バーオン／バーオフ表示器１５１回路が、主として、遮断リレーＲＬＹ１を駆動する信号に結合されているコイルを有するバーオン／バーオフリレーＲＬＹ２と、＋Ｖ_CCに結合されているコモンと、バーオン（緑）表示灯ＬＥＤ１に結合されている常開接点と、バーオフ（赤）表示灯ＬＥＤ２に結合されている常閉接点とを含む。バーオン／バーオフリレーＲＬＹ２は、ＡＣ電力が高電圧変圧器ＨＶＴＸに印加されている時を、主としてバーオンＬＥＤ２を点灯させることによって表示し、および、ＡＣ電力が高電圧変圧器から取り除かれている時を、バーオフＬＥＤ１を点灯させることによって表示する。バーオン／バーオフリレーＲＬＹ２は、さらに、外部信号または告知を提供するために他の常開接点または常閉接点（図示しない）を有してもよい。

正イオン電流検出ノード１４は正信号バッファ１４２に結合されている。正信号バッファ１４２は、バッファとして構成されているドロップ抵抗器Ｒ１４と演算増幅器（オペアンプ）Ｕ２Ｂとを含む。負イオン電流検出ノード１６は負信号バッファ１４０に結合されており、および、負イオン電流の極性が負なので、負信号バッファ１４０の出力はインバータ１４１に結合される。負信号バッファ１４０は、バッファとして構成されているドロップ抵抗器Ｒ１３とオペアンプＵ２Ａとを含む。インバータ１４１は、インバータ１４１に対する入力信号の極性を反転させるように構成されている適切なバイアスおよびフィードバック抵抗器Ｒ１５−Ｒ１７と共にオペアンプＵ２Ｃを含む。

正信号バッファ１４２の出力とインバータ１４１の出力とが、加算されたイオン電流の合成信号を生じさせるために、加算増幅器１４４によって加算される。加算増幅器１４４は、負信号と正信号（絶対値）のための入力抵抗器Ｒ１９、Ｒ２０と、適切なバイアスおよびフィードバック抵抗器Ｒ２１、Ｒ２２を有し且つ加算増幅器として構成されているオペアンプＵ２Ｄとを含む。その次に、加算されたイオン電流信号は、表示器１４８を駆動するために、および、適切な有効電圧／電流レベルで警報回路１５０に入力を提供するために、利得段１４６に印加される。利得段１４６は、加算されたイオン信号のための入力抵抗器Ｒ２３と、適切なバイアスおよびフィードバック抵抗器Ｒ２４、Ｒ２５を有し且つ利得増幅器として構成されているオペアンプＵ３Ｄとを含む。利得段１４６の出力は表示器１４８と警報回路１５０とに直接印加されてもよいが、しかし、この図に示されているように、採用随意の調整可能増幅器段１４９が設けられている。この調整可能増幅器段１４９は、増幅されたイオン信号のための入力抵抗器Ｒ２６と、適切なバイアスおよびフィードバック抵抗器Ｒ２９、Ｒ２８と利得増幅器として構成されている調整可能増幅器段１４９とを有するオペアンプＵ３Ｂを含む。バー設定電位差計Ｒ２７が、相対出力レベルを調整可能にするためにオペアンプＵ３Ｂのフィードバックに結合されている。代案の実施形態では、この電位差計Ｒ２７は、レーザトリミングされた抵抗器、選択可能な抵抗器バンク等によって置き換えられてもよい。

本発明における表示器１４８は、抵抗器Ｒ３０−Ｒ３２とコンデンサＣ１２とを含む適切なバイアス素子と共に、棒グラフドライバ集積回路（ＩＣ）Ｕ５によって駆動される棒グラフ表示器ＬＥＤ８を含む。この棒グラフ表示器ＬＥＤ８は、測定された空気イオナイザ２２、２４、２６、２２２から出力されるイオン電流の量を大まかに表示する。当然であるが、相対的なまたは厳密なイオン電流を表示するアナログ方式またはディジタル方式の他の表示器が、本発明から逸脱せずに使用されてよい。

警報回路１５０は、故障表示器（fault indicator）ＬＥＤ５と、点検表示器（service indicator）ＬＥＤ６と、バークリーニング表示器（clean bar indicator）ＬＥＤ７とを含む幾つかの遮断機能（trip function）を含む。インターロック１６０は、検出回路１０上に高い電圧が存在する時に高電圧変圧器ＨＶＴＸに対する電力を遮断するように、警報回路１５０と協働して機能する。インターロック１６０は、連動シリコン制御整流器ＳＣＲ１と、連動リレーＲＬＹ６と、抵抗器Ｒ５１、Ｒ５２とコンデンサＣ１とを含む適切なバイアス素子とを含む。

オペアンプＵ３Ｃによって増幅された、インバータ１４０からの反転負イオン電流信号が、オペアンプＵ４ＣとオペアンプＵ４Ｄとに対する入力を基準として含む警報回路１５０内の様々な箇所に結合されている。オペアンプＵ４Ｄの出力は、連動リレーＲＬＹ６を駆動する連動シリコン制御整流器ＳＣＲ１のゲートに印加される。どちらの極性のイオン電流信号によっても測定されることが可能である高い電圧が検出回路１０上に生じる場合には、インターロックＳＣＲ１が、連動リレーＲＬＹ６を通電するようにゲートされる。その次に、連動リレーＲＬＹ６の常閉接点が、故障表示器ＬＥＤ５が点灯することを引き起こす故障表示器リレーＲＬＹ３を駆動する。この故障表示器リレーＲＬＹ３は、さらに、外部信号または告知を提供するための他の常開接点または常閉接点を有してもよい。

オペアンプＵ３Ｃからの増幅および反転させられた負イオン電流信号は、信号条件が存在しないかどうかを判定するために比較器Ｕ４Ｃ（すなわち、入力を比較するように構成されているオペアンプ）の入力に結合されている。同様に、オペアンプＵ３Ｂの出力と、オペアンプＵ３Ｂのバイアスフィードバックとが、加算され増幅されたイオン信号に関して信号条件が存在しないかどうかを判定するために、比較器Ｕ４Ｂの入力に印加される。どちらかの条件が真である場合には、トランジスタＱ２が、点検表示器ＬＥＤ６を点灯させる点検リレーＲＬＹ４を駆動するために通電される。点検リレーＲＬＹ４は、さらに、外部信号または告知を提供するための他の常開接点または常閉接点を有してもよい。

オペアンプＵ３Ｂの出力は、さらに、増幅され加算されたイオン電流信号が特定の所望の設定値を超えて増大させられているかどうかを判定するために、電位差計Ｒ３８から得られたユーザ選択可能値との比較のために、比較器Ｕ４Ａの非反転入力に印加される。比較器Ｕ４Ａの出力は、バークリーニング表示器ＬＥＤ７を点灯させるバークリーニングリレー（clean-bar relay）ＲＬＹ５を駆動するために、バークリーニングトランジスタ（clean-bar transistor）Ｑ３に通電する。

したがって、制御回路１２０は、次の警報および／または表示を提供する。
i) バーオン（BAR ON）は、イオナイザ２２、２４、２６、２２２に高電圧が存在する。
ii) バーオフ（BAR OFF）は、イオナイザ２２、２４、２６、２２２に高電圧が存在しない。
iii) バーのクリーニング（CLEAN BAR）は、汚れたイオナイザ２２、２４、２６、２２２をクリーニングすべき時である時点を表示する。
iv) 故障（FAULT）は、高電圧が接地に短絡させられる時に、インターロック１６１が高電圧変圧器ＨＶＴＸを遮断したということを表示する。
v) 点検（SERVICE）は、イオナイザ２４，２４、２６、２２２のエミッタピンが絶縁物によって覆われていることを表示する。

図７は、イオンエミッタと接地基準とのための制御回路２２０、または、単純に、本発明の好ましい実施形態を含むことが可能なＡＣイオナイザ２２２の簡略化された電気回路図である。制御回路２２０は、イオン生成を制御することが可能であり、および、反転させられた検出回路を使用して閉ループフィードバック機構内のＡＣイオナイザ２２２の（イオン生成に関する）出力を平衡させることが可能である。この制御回路２２０は、ＡＣイオナイザ２２２の極性と平衡の両方のレベルの両方の出力に自動補正を行うことが可能である。図２に関して詳細に上述したように、検出回路１０は、ノードにおいて得られた電圧を適切なレベルに増幅または制限するために、信号調整回路２８２に結合されている。特に、この信号調整回路２８２は、正および負のイオン電流信号とイオン電流平衡信号とを、制御回路２２０の基準に適合しており且つレベルに関して互いに同等であるレベルに調整するために使用される。正および負のイオン電流信号または平衡信号を、例えばユーザまたはコンピュータシステムによって設定されてよい基準レベルと比較することによって、高電圧変圧器ＨＶＴＸに印加されるＡＣ波形に対する補正が、イオン生成を適切に補正するために実施されることが可能である。ＡＣラインによって供給される波形をクランプまたはクリップするために駆動回路と共にＳＣＲ、トライアック（ＴＲＩＡＣ：登録商標）またはＩＧＢＴから構成されてよい波形整形回路２８０が、信号調整回路２８２を経由して正および負イオン電流信号２８４、２８６とイオン電流平衡信号２８５とに結合されている。ＡＣ波形が検出回路によって要求された変化を補償するために調整され終わると、この信号は高電圧変圧器ＨＶＴＸに印加され、イオン出力の適切な変化を引き起こし、および、所望の設定値をそのシステムが追跡することを引き起こす。正および負イオン電流信号がその信号の予想された出力の形を制御することが可能であるように、および、平衡信号が、適正な変化が生じさせられたことを確認するための誤り信号としての役割を果たすことが可能であるように、検出回路からのこの３つの信号が使用されることが可能である。この３つの信号の各信号の役割は、出力イオン生成の条件を維持または報告するために互いに入れ替えられることが可能である。

図６は、全サイクル中の交流イオン生成を示すグラフである。図６は、ＡＣイオナイザ２２２の典型的なサイクルに関するイオン生成のタイミングを示す。典型的な空気イオナイザ２２２のエミッタが、約３キロボルトＡＣ（ＫＶＡＣ）において、コロナ放電を開始してイオンを発生させ始める。イオナイザ２２２は、この閾値を越えるＡＣ波形の部分においても正イオンを発生させ続ける。同じことが、ＡＣ高電圧波形の負の半サイクルに関しても当てはまる。空気イオナイザ２２２に関する典型的な高電圧出力がピークで約５ＫＶＡＣから約７ＫＶＡＣであり、このことは、イオナイザ２２２のエミッタが、ＡＣ波形の半サイクル全体の一部分だけにおいてイオンを生成させているということを意味する。

図８は、正および負の半サイクル中の交流イオン生成のための波形整形を示すグラフである。図８は、波形整形回路が出力上のイオン生成を変化させることが可能な３つの方法を示す。正の半サイクルは、高電圧変圧器ＨＶＴＸに印加されるＡＣ入力電圧を低下した電圧レベルに制限すなわちクランプするための方法に相当する。ＡＣ入力電圧のクランプは、これに対応したイオン生成期間中の高電圧出力レベルの低下と、その後に続くその極性のイオン生成の低減とを結果的にもたらす。負の半サイクルは、高電圧変圧器ＨＶＴＸに印加されるＡＣ入力電圧を低減したデューティサイクルにクリップするための方法に相当する。ＡＣ入力電圧のデューティサイクルを低減させることは、イオンが生成されている時間の量を制限する。あるいは、代案として、イオン生成を制御するように高電圧変圧器ＨＶＴＸに印加されているＡＣ入力電圧のクリップおよび／またはクランプの両方の形態またはあらゆる変型が可能である。

上述の説明から、本発明が、ゼロ化ノードを有するＡＣイオナイザのための検出回路および／または制御回路を備えるということが理解可能である。上述の実施形態の広範な発明的な着想から逸脱することなしに、上述の実施形態に対して変更が加えられることが可能であるということが当業者に理解されるだろう。したがって、本発明は、開示されている特定の実施形態に限定されず、添付されている特許請求項によって定義されている本発明の着想と範囲とに含まれる変更を含むことが意図されているということが理解される。

本発明の好ましい実施形態を含むことが可能な容量結合イオナイザバーの簡略化された電気回路図である。 本発明の好ましい実施形態を含むことが可能な抵抗性電流制限イオナイザバーの簡略化された電気回路図である。 本発明の好ましい実施形態を含むことが可能な容量結合イオナイザバーの簡略化された電気回路図である。 本発明の好ましい実施形態によるイオナイザバーにおける交流電流を測定する検出回路の簡略化された電気回路図である。 採用随意の特徴と共に図２の検出回路を含む抵抗性電流制限イオナイザバーのための監視回路の簡略化された電気回路図である。 図３の制御回路の好ましい実施形態の詳細な電気回路図である。 図３の制御回路の好ましい実施形態の詳細な電気回路図である。 接地されている抵抗器を通過する戻り電流を測定する従来技術の回路の簡略化された電気回路図である。 全サイクル中の交流イオン生成のグラフを示す図である。 本発明の好ましい実施形態を含むことが可能なイオンエミッタと接地基準とのための制御回路の簡略化された電気回路図である。 正および負の半サイクル中の交流イオン生成のための波形整形のグラフを示す図である。

符号の説明

１０ 検出回路
１１ ノード
１２ 戻り電流ゼロ化ノード
１３ 接地ノード
１４ 正イオン電流検出ノード
１４ａ 正イオン電流センサ
１５ 平衡検出ノード
１６ 負イオン電流検出ノード
２０ 監視回路
２２、２４、２６、２２２ イオナイザバー
３１ シールドケーブル
３３ 非シールドケーブル
４０ 負信号バッファ
４１ インバータ
４２ 正信号バッファ
４４ 加算増幅器
４６ 利得段
４８ 表示器
５０ 警報回路
１２０ 制御回路
Ｃ１、Ｃ２ コンデンサ
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４ ダイオード
ＨＶＴＸ 高電圧変圧器
ＭＣ 高電圧変圧器の磁心
ＰＲＩ 高電圧変圧器の一次巻線
ＳＥＣ 高電圧変圧器の二次巻線
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３ 抵抗器
Ｓ シールド
Ｖ_S 電圧源

Claims (19)

1. 正の半サイクルと負の半サイクルとを有する波形を出力する出力を有する交流（ＡＣ）電圧源と、
   前記ＡＣ電圧源の前記出力に電気的に結合されている電極と、
   前記電極に近接した基準と、
   検出回路と、を備え、前記検出回路は、
   前記ＡＣ電圧源の前記出力と前記基準とに電気的に結合されている戻り電流ゼロ化ノードと、
   別個に接地に電気的に結合されている接地ノードと、
   正イオン電流検出ノードを有し、且つ、前記戻り電流ゼロ化ノードと前記接地ノードとの間に結合され、前記正イオン電流検出ノードは、検出された正イオン電流に比例した正イオン信号を出力するように構成されている正イオン電流センサと、
   負イオン電流検出ノードを有し、且つ、前記戻り電流ゼロ化ノードと前記接地ノードとの間に結合され、前記負イオン電流検出ノードは、検出された負イオン電流に比例した負イオン信号を出力するように構成されている負イオン電流センサと、を含むことを特徴とするイオナイザ。
2. 請求項１に記載のイオナイザにおいて、前記検出回路は、さらに、前記正イオン電流センサと前記負イオン電流センサとの間に結合されている平衡検出ノードと、前記平衡検出ノードと前記接地ノードとの間に結合されている平衡検出センサと、を備え、且つ、前記平衡検出ノードは、平衡イオン電流に比例したイオン平衡信号を出力するように構成されていることを特徴とするイオナイザ。
3. 請求項２に記載のイオナイザにおいて、前記平衡検出センサは抵抗器を含むことを特徴とするイオナイザ。
4. 請求項２に記載のイオナイザにおいて、前記平衡検出センサは電圧制限装置を含むことを特徴とするイオナイザ。
5. 請求項２に記載のイオナイザにおいて、さらに、前記平衡検出ノードに結合されているフィードバック制御回路を備え、前記フィードバック制御回路は、前記ＡＣ電圧源と前記電極との間に結合されており、且つ、前記フィードバック制御回路は、少なくとも前記イオン平衡信号に基づいて前記電極に印加される前記ＡＣ波形を制御するように構成されていることを特徴とするイオナイザ。
6. 請求項１に記載のイオナイザにおいて、前記正イオン電流センサは、ダイオードとコンデンサとを含み、且つ、前記ダイオードは、ＡＣの正の半サイクルだけを検出するように前記戻り電流ゼロ化ノードに結合されていることを特徴とするイオナイザ。
7. 請求項６に記載のイオナイザにおいて、前記ダイオードは、前記正の半サイクル中に生じさせられる正イオン電流に関して値を記憶するように、前記コンデンサが前記正の半サイクル時だけに充電することを可能にすることを特徴とするイオナイザ。
8. 請求項１に記載のイオナイザにおいて、前記負イオン電流センサは、ダイオードとコンデンサを含み、且つ、前記ダイオードは、ＡＣの負の半サイクルだけを検出するように前記戻り電流ゼロ化ノードに結合されていることを特徴とするイオナイザ。
9. 請求項８に記載のイオナイザにおいて、前記ダイオードは、前記負の半サイクル中に生じさせられる負イオン電流に関して値を記憶するように、前記コンデンサが前記負の半サイクル時だけに充電することを可能にすることを特徴とするイオナイザ。
10. 請求項１に記載のイオナイザにおいて、前記ＡＣ電圧源は、さらに、一次巻線と二次巻線とを有する変圧器を備え、且つ、前記二次巻線は、前記ＡＣ電圧源の出力を生じさせることを特徴とするイオナイザ。
11. 請求項１０に記載のイオナイザにおいて、さらに、導体とシールドとを有するシールドケーブルを備え、前記導体は、前記変圧器の前記二次巻線を前記電極に接続し、且つ、前記シールドは、前記基準を前記戻り電流ゼロ化ノードと前記変圧器の前記二次巻線とに接続することを特徴とするイオナイザ。
12. 請求項１に記載のイオナイザにおいて、さらに、前記正イオン電流検出ノードと前記負イオン電流検出ノードの少なくとも１つに結合されているフィードバック制御回路を備え、前記フィードバック制御回路は、前記ＡＣ電圧源と前記電極との間に結合されており、且つ、前記フィードバック制御回路は、前記正イオン信号と前記負イオン信号の少なくとも１つに基づいて、前記電極に印加される前記ＡＣ波形を制御するように構成されていることを特徴とするイオナイザ。
13. 請求項１に記載のイオナイザにおいて、さらに、
    前記正イオン電流検出ノードと前記負イオン電流検出ノードの一方に結合され、電圧の極性を反転させるように構成されているインバータと、
    前記インバータと、前記正イオン電流検出ノードと前記負イオン電流検出ノードの他方に結合され、加算されたイオン電流の合成信号を生成する加算増幅器と、を備えることを特徴とするイオナイザ。
14. 請求項１に記載のイオナイザにおいて、さらに、
    前記正イオン電流検出ノードと前記負イオン電流検出ノードの一方に結合され、電圧の極性を反転させるように構成されているインバータと、
    前記正イオン電流検出ノードと前記負イオン電流検出ノードの一方と、前記正イオン電流検出ノードと前記負イオン電流検出ノードの他方とに結合され、総合イオン出力信号を生成する差動増幅器と、を備えることを特徴とするイオナイザ。
15. 請求項１に記載のイオナイザにおいて、さらに、
    前記正イオン電流検出ノードと前記負イオン電流検出ノードの一方に結合され、電圧の極性を反転させるように構成されているインバータと、
    前記インバータと、前記正イオン電流検出ノードと前記負イオン電流検出ノードの他方とに結合され、加算されたイオン電流の合成信号を生成する差動増幅器と、を備えることを特徴とするイオナイザ。
16. 請求項１に記載のイオナイザにおいて、さらに、
    前記加算増幅器に結合され、且つ、前記正イオン電流と前記負イオン電流との合計に基づいてイオナイザイオン出力表示を表示するように構成された表示器を備えることを特徴とするイオナイザ。
17. 請求項１に記載のイオナイザにおいて、さらに、
    導体およびシールドを有し、前記導体は、前記出力を前記電極に接続し、且つ、前記シールドは、前記基準を前記戻り電流ゼロ化ノードに接続するシールドケーブルを備えることを特徴とするイオナイザ。
18. 請求項１に記載のイオナイザにおいて、さらに、
    電極クリーニング表示器、点検表示器、故障表示器、オン表示器およびオフ表示器の少なくとも１つを備えることを特徴とするイオナイザ。
19. 正の半サイクルと負の半サイクルとを有する波形を出力する出力を有する交流（ＡＣ）電圧源と、
    前記ＡＣ電圧源の前記出力に電気的に結合されている電極と、
    前記電極に近接した基準と、
    導体とシールドとを有し、および、前記導体は前記出力を前記電極に接続するシールドケーブルと、
    検出回路と、を備え、前記検出回路は、
    前記ＡＣ電圧源の前記出力と前記基準とに電気的に結合され、前記シールドケーブルの前記シールドは前記基準をこの戻り電流ゼロ化ノードに接続する戻り電流ゼロ化ノードと、
    別個に接地に電気的に結合されている接地ノードと、
    イオン電流検出ノードを有し、および、前記戻り電流ゼロ化ノードと前記接地ノードとの間に結合され、前記イオン電流検出ノードは、検出されたイオン電流に比例したイオン信号を出力するように構成されているイオン電流センサと、を含むことを特徴とするイオナイザ。

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