JP2009268945A - 高圧発生装置及び静電霧化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造工程での調整を不要としつつ、静電霧化装置の供給部位に安定した出力電圧を自動的に供給する。
【解決手段】スイッチング素子４のオンオフの指示を与える制御回路６は、設定モードで動作して、周波数掃引範囲を設定し、制御周波数に従ってスイッチング素子４を駆動すると、スイッチング素子４のオンオフによって高圧トランス２が昇圧し、倍電圧回路３の出力側で高電圧を発生させる。このとき、出力電圧測定回路７が出力電圧を測定し、その値が最大値であるか否かの判定を制御回路６が行う。最大値でない場合、制御回路６は制御周波数を変更して、同様の動作を行う。その後、制御回路６が最大値を検出した場合、最大値の制御周波数を駆動用の制御周波数に決定する。その後、制御回路６は、出力電圧が目標範囲内に入るようにオン時間を変更し、出力電圧が目標範囲内に入った場合、設定モードから実際に動作させるための通常動作モードに切り替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、先端に水が供給される霧化電極に高電圧を印加し当該供給部位に強電界を作用させることにより水を霧化し、帯電微粒子水（ナノサイズミスト）を生成する静電霧化装置に用いられる高圧発生装置、及びこの高圧発生装置を備える静電霧化装置に関するものである。

静電霧化装置に用いられる従来の高圧発生装置として、自励式発振で昇圧を行うものが知られている（例えば、特許文献１参照）。上記自励式発振で昇圧を行う高圧発生装置は、スイッチングトランジスタが発振を継続するように、昇圧トランスの入力側のコイルに対して正帰還をかける方向に接続されたコイルにより、トランジスタがオン状態になり、エミッタ電流が上昇することにより、スイッチングトランジスタのベース電流を減少させるトランジスタにより、スイッチングトランジスタがオフ状態になることを繰り返すことにより、外部制御がなくても発振が持続され高電圧を生成させることができる。
特開２００６−１２２８１９号公報

ところで、静電霧化装置を量産するにあたって、静電霧化装置間で、単位時間あたりの帯電微粒子水の発生量のばらつきを抑える必要がある。帯電微粒子水の発生量を制御するパラメータの１つとして、霧化電極の印加電圧がある。したがって、帯電微粒子水の発生量のばらつきを抑えるためには、霧化電極の印加電圧を安定にする必要がある。

しかしながら、従来の高圧発生装置は、外部からの制御がなくても発振動作が持続されて出力電圧を霧化電極に供給するものの、回路素子のばらつきにより出力電圧がばらつくため、製造工程においてばらつき調整を行う必要があった。

本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、その目的は、製造工程での調整を不要としつつ、静電霧化装置の供給部位に安定した出力電圧を自動的に供給することができる高圧発生装置及び静電霧化装置を提供することにある。

請求項１に係る高圧発生装置の発明は、水が供給される電極に高電圧を印加し当該供給部位に強電界を作用させることにより水を霧化する静電霧化装置に用いられる高圧発生装置であって、一次コイルが直流電源に接続され二次コイル側が前記供給部位に接続される高圧トランスと、前記直流電源及び前記一次コイルに直列に接続され当該直流電源から当該一次コイルへの電力供給をオンオフするスイッチング素子と、前記スイッチング素子のオンオフの指示を与える制御手段と、前記スイッチング素子のオンオフによって、前記高圧トランスの二次コイル側の出力を用いて、前記直流電源の電源電圧よりも高い出力電圧を前記供給部位に印加する電圧印加手段と、前記出力電圧を検出する電圧検出手段とを備え、前記制御手段が、前記スイッチング素子がオンになる周波数である制御周波数を掃引しながら当該スイッチング素子をオンオフさせて、前記電圧検出手段で検出された前記出力電圧が予め設定された目標電圧となる制御周波数を決定する設定モードと、前記設定モード時に決定された前記制御周波数で前記スイッチング素子をオンオフさせる通常動作モードとを有することを特徴とする。

請求項２に係る高圧発生装置の発明は、請求項１の発明において、前記高圧トランスに巻回される三次コイルと、前記三次コイルの出力から前記高圧トランスの共振周波数を測定する周波数測定手段とを備え、前記制御手段が、前記設定モードで動作する場合、前記周波数測定手段で測定された前記共振周波数を用いて、前記制御周波数を掃引する周波数掃引範囲を決定することを特徴とする。

請求項３に係る高圧発生装置の発明は、請求項１又は２の発明において、前記制御手段が、前記通常動作モードで動作しているときに、予め設定されたタイミングで前記通常動作モードから前記設定モードに切り替えて動作し、当該設定モードで動作して前記制御周波数を特定した後、前記設定モードから前記通常動作モードに切り替えて動作することを特徴とする。

請求項４に係る高圧発生装置の発明は、請求項１乃至３の何れか１項の発明において、前記直流電源から前記一次コイルに流れる消費電流を検出する電流検出手段を備え、前記制御手段が、前記設定モードで動作する場合、前記制御周波数を掃引しながら前記スイッチング素子を駆動し、前記電圧検出手段で検出された前記出力電圧が予め設定された基準電圧以上であって前記電流検出手段で検出された前記消費電流が最小となる前記制御周波数を特定することを特徴とする。

請求項５に係る高圧発生装置の発明は、請求項１乃至４の何れか１項の発明において、前記制御手段が、前記スイッチング素子の駆動をハードスイッチングで行うことを特徴とする。

請求項６に係る高圧発生装置の発明は、請求項１乃至５の何れか１項の発明において、前記制御手段が、前記制御周波数を前記高圧トランスの共振周波数の整数分の１にすることを特徴とする。

請求項７に係る静電霧化装置の発明は、請求項１乃至６の何れか１項に係る高圧発生装置を備え、水が供給される電極に高電圧を印加し当該供給部位に強電界を作用させることにより水を霧化することを特徴とする。

請求項１に係る高圧発生装置の発明によれば、制御周波数を掃引しながら出力電圧が目標電圧となる制御周波数を決定することによって、通常動作時の制御周波数を自動的に設定することができるので、製造工程でのばらつき調整を不要としつつ、静電霧化装置の供給部位に安定した出力電圧を自動的に供給することができる。

請求項２に係る高圧発生装置の発明によれば、周波数測定手段が高圧トランスの共振周波数を測定し、制御手段が、上記共振周波数を用いて制御周波数を掃引する周波数掃引範囲を決定することによって、決定した周波数掃引範囲のみ掃引動作を行えばよいので、制御周波数を特定するためにかかる時間を短縮することができる。

請求項３に係る高圧発生装置の発明によれば、外部温度や電圧変動などの環境変化によって制御周波数のずれが発生しても、出力電圧の低下を防止し、安定した出力電圧を供給部位に自動的に供給することができる。

請求項４に係る高圧発生装置の発明によれば、制御手段が、出力電圧が予め設定された基準電圧以上であって電流検出手段で検出された消費電流が最小となる制御周波数を特定することによって、消費電流を低減しながら目標の出力電圧を得ることができる。

請求項５に係る高圧発生装置の発明によれば、制御手段がスイッチング素子の駆動をハードスイッチングで行うことによって、スイッチング素子の立上り・立下り時間を急峻に行うことができ、その結果、スイッチング素子のオフ時に発生するスパイク電圧を高圧発生のエネルギーとして有効に利用することができる。これにより、スイッチング素子のオン時間を短くすることができるので、消費電流を低減することができる。

請求項６に係る高圧発生装置の発明によれば、高圧トランスが共振周波数で動作し、スイッチング素子を共振周波数でオンにしなくても動作することを利用し、スイッチング素子をオンにするタイミングを間引くことによって、制御周波数を下げることができるので、消費電流を低減することができる。また、出力電圧に関しては、高圧トランスが共振周波数で動作しているため、出力電圧の周波数が下がることがない。さらに、出力回路の部品が大きくなるといったデメリットも発生しない。

請求項７に係る静電霧化装置の発明によれば、高圧発生装置が、制御周波数を掃引しながら出力電圧が目標電圧となる制御周波数を決定することによって、通常動作時の制御周波数を自動的に設定することができるので、製造工程でのばらつき調整を不要としつつ、静電霧化装置の供給部位に安定した出力電圧を自動的に供給することができる。これにより、安定した強電界を作用させることができるので、水の霧化を安定に行うことができる。

（実施形態１）
まず、実施形態１の高圧発生装置の構成について図１〜３を用いて説明する。この高圧発生装置は、静電霧化装置に用いられるものであり、図１に示すように、直流電源１と、一次コイル２０が直流電源１に接続され二次コイル２１側が放電電極（供給部位）Ａに接続される高圧トランス２と、二次コイル２１の出力側と放電電極Ａとの間に挿入される倍電圧回路（電圧印加手段）３と、直流電源１及び一次コイル２０に直列に接続されるスイッチング素子４と、スイッチング素子４を駆動するドライバ回路５と、ドライバ回路５に対してスイッチング素子４のオンオフの指示を与える制御回路（制御手段）６と、放電電極Ａに印加される出力電圧を検出する出力電圧測定回路（電圧検出手段）７とを備えている。

本実施形態の高圧発生装置が用いられる静電霧化装置は、さまざまなものがあるが、一例としては、水が供給される放電電極Ａと対向電極Ｂとの間に高電圧を印加して放電させることで、放電電極Ａが保持している水にレイリー分裂を生じさせて霧化し、ナノメータサイズの帯電微粒子水（ナノサイズミスト）を生成するものである。

高圧トランス２は、一次コイル２０と二次コイル２１が磁気結合され、二次コイル２１は、一次コイル２０の電圧を昇圧する。

倍電圧回路３は、図１に示すような２つのダイオードＤ１，Ｄ２と２つのコンデンサＣ１，Ｃ２の組み合わせで構成される。スイッチング素子４がオンであるとき、つまり一次コイル２０に電流が流れているときにコンデンサＣ１が充電される。このとき、高圧トランス２には電磁エネルギーが蓄えられる。その後、スイッチング素子４がオフになった後、つまり一次コイル２０に電流が流れなくなった後、高圧トランス２の電磁エネルギー及びコンデンサＣ１の充電電圧によってコンデンサＣ２が充電される。このコンデンサＣ２の充電電圧を出力電圧とする。放電電極Ａと対向電極Ｂの間には大きな電圧が印加されることにより放電が起こる。

スイッチング素子４は、例えばＭＯＳＦＥＴなどのスイッチングトランジスタであり、ドライバ回路５に駆動されて、直流電源１から一次コイル２０への電力供給をオンオフする。

ドライバ回路５は、スイッチング素子４を駆動するためのものである。ドライバ回路５の出力は、図２に示すように、ｎｐｎトランジスタ５０，５１を２段接続したトーテムポール構成とし、スイッチングタイミング制御部５２の制御により、電流の引き出し、引き込みの両方に対応することができ、スイッチング素子４を直接駆動することができる。なお、本実施形態では、ドライバ回路５がｎｐｎトランジスタ５０，５１を２段接続したトーテムポール構成であるが、スイッチング素子４を直接駆動するための構成として、ｐｎｐトランジスタとｎｐｎトランジスタの２段構成にしたものや、ＰＭＯＳトランジスタを２段接続したもの、ＰＭＯＳトランジスタとＮＭＯＳトランジスタの２段構成にしたものでもよい。

ドライバ回路５へは、スイッチング素子４を最適なタイミングで駆動するための制御信号が、制御回路６より入力される。

出力電圧測定回路７は、抵抗器Ｒ１を介して端子ＨＶに接続され、端子ＨＶの電圧を出力電圧として測定する。具体的には、出力電圧測定回路７は、抵抗Ｒ１と出力電圧測定回路７内の抵抗器（図示せず）により分圧された電圧を制御回路６に出力する。この出力電圧を制御回路６で変換して測定値とする。

制御回路６は、スイッチング素子４がオンになる周波数である制御周波数を掃引しながら上記スイッチング素子４を駆動させるようにドライバ回路５を制御し、出力電圧測定回路７で検出された出力電圧が予め設定された目標電圧となる制御周波数を決定する設定モードを有する。また、制御回路６は、設定モード時に決定された制御周波数でスイッチング素子４を駆動させるようにドライバ回路５を制御する通常動作モードを有する。

また、制御回路６は、設定モードで動作する場合、制御周波数を掃引する際に、スイッチング素子４のオン時間を最低オン時間に設定する。最低オン時間とは、出力電圧が出力電圧測定回路７で測定可能な電圧値であるとともに放電電極Ａと対向電極Ｂの間で放電が起こらない電圧値となるようなオン時間をいう。つまり、出力電圧が出力電圧測定回路７で測定可能な最低電圧値以上であって放電が起こる最低電圧値未満となるようなオン時間を最低オン時間とする。一例として、放電電極Ａと対向電極Ｂの間で放電が起こらない出力電圧は、目標の出力電圧に対して６０％程度以下の大きさとなり、最低オン時間に設定されたときのオンデューティは概ね５％程度以下となる。

さらに、制御回路６は、通常動作モードで動作しているときに、予め設定されたタイミングで通常動作モードから設定モードに切り替えて動作し、設定モードで動作して制御周波数を特定した後、設定モードから通常動作モードに切り替えて動作する。

次に、本実施形態の高圧発生装置の動作について図３を用いて説明する。まず、制御回路６が周波数掃引範囲（例えば２０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ）を設定するとともに（Ｓ１）、高圧トランス２を駆動できる最小オン時間を設定する（Ｓ２）。続いて、制御回路６が制御周波数に従ってスイッチング素子４を駆動し、高圧トランス２が昇圧し、倍電圧回路３の出力側で高電圧を発生させる。このとき、出力電圧測定回路７が出力電圧を測定し（Ｓ４）、その値が最大値であるか否かの判定を制御回路６が行う（Ｓ５）。最大値でない場合、制御回路６は制御周波数を変更して（Ｓ３）、出力電圧測定回路７が再度出力電圧を測定する（Ｓ４）。ステップＳ３からステップＳ５は、制御回路６が出力電圧の最大値を検出するまで繰り返し行われる。

ここで、出力電圧の最大値を検出する動作について図５を用いて説明する。まず、制御回路６がスタートの制御周波数ｆ０を設定して（Ｓ１１）、出力電圧測定回路７が出力電圧Ｖ０を計測する（Ｓ１２）。続いて、制御回路６が制御周波数ｆ０からΔｆだけ変化させた制御周波数ｆ１でスイッチング素子４を駆動し（Ｓ１３）、そのときの出力電圧Ｖ１を出力電圧測定回路７が測定する（Ｓ１４）。制御回路６が出力電圧Ｖ１と出力電圧Ｖ０を比較して（Ｓ１５）、出力電圧Ｖ１が出力電圧Ｖ０以上である場合、制御周波数ｆ１からΔｆだけ変化させた制御周波数ｆ２に変更し（Ｓ１３）、同様の動作を繰り返す（Ｓ１３〜Ｓ１５）。その後、現在の出力電圧Ｖｎとその１回前の出力電圧Ｖｎ−１とを比較し、出力電圧Ｖｎが１回前の出力電圧Ｖｎ−１より小さい場合（Ｓ１５）、制御周波数ｆｎからΔｆだけ変化させた制御周波数ｆｎ＋１に変更し（Ｓ１６）、出力電圧Ｖｎ＋１を測定する（Ｓ１７）。出力電圧Ｖｎ＋１が出力電圧Ｖｎ以上である場合（Ｓ１８）、ステップＳ１３に戻り、同様の動作を繰り返す（Ｓ１３〜Ｓ１８）。

これに対して、出力電圧Ｖｎ＋１が出力電圧Ｖｎより小さい場合（Ｓ１８）、これまでの測定結果に最大値が存在すると判断し、出力電圧Ｖｎ−１を最大値と確定する（Ｓ１９）。なお、本実施形態では、出力比較結果の符号が反転したことが２回続いた場合、出力電圧の最大点を検出することができたとしているが、周囲の雑音などが多く、２回では誤った判定をする場合などは、この回数を増やしてもよい。

実際に測定される出力電圧と制御周波数の関係は、図４に示すように、ある周波数に対して最大値を持つような特性になっており、この最大値の制御周波数でスイッチング素子４を動作させるように制御を行う。

上記のようにして、制御回路６が最大値を検出した場合、図３に示すように、最大値の制御周波数を駆動用の制御周波数に決定する（Ｓ６）。その後、制御回路６がオン時間を変更して（Ｓ７）、出力電圧測定回路７が出力電圧を測定する（Ｓ８）。出力電圧が目標電圧の範囲内であるか否かの判断を制御回路６が行い（Ｓ１０）、目的電圧の範囲外であれば、制御回路６はオン時間を変更する（目標電圧に対して低い場合は、オン時間を広げ、目標電圧に対して高い場合は、オン時間を狭める）（Ｓ７）。これを目標電圧の範囲に入るまで繰り返す。一方、目標電圧の範囲内に入った場合、制御回路６は、設定モードから通常動作モードに切り替える。ただし、目標電圧の範囲内に入った場合でも、出力電圧測定回路７が出力電圧を繰り返し測定し（Ｓ１０）、出力電圧が目標範囲から逸脱しないかを制御回路６が監視する。

通常動作モードでの動作を開始してから一定時間が経過すると（Ｓ９）、制御回路６は通常動作モードから設定モードに切り替えて、ステップＳ１に戻り、同様の動作を繰り返す。一定時間が経過した場合に、上記動作を行うのは、環境変化による制御周波数のずれによる出力低下などを防止するためである。

以上、本実施形態によれば、高圧発生装置が、制御周波数を掃引しながら出力電圧が目標電圧となる制御周波数を決定することによって、通常動作時の制御周波数を自動的に設定することができるので、製造工程でのばらつき調整を不要としつつ、静電霧化装置の供給部位に安定した出力電圧を自動的に供給することができる。これにより、静電霧化装置において、安定した強電界を作用させることができるので、水の霧化を安定に行うことができる。

また、スイッチング素子４のオン時間を高圧トランス２の駆動に必要な最低オン時間に設定することによって、制御周波数を掃引する際に、出力電圧が想定外に大きくなるのを防止することができるので、回路を保護する機能を高めることができる。

さらに、外部温度や電圧変動などの環境変化によって制御周波数のずれが発生しても、出力電圧の低下を防止し、安定した電圧を放電電極Ａに自動的に供給することができる。

（実施形態２）
実施形態２の高圧発生装置は、図１に示すように、高圧トランス２に巻回される三次コイル２２と、三次コイル２２の出力から高圧トランス２の共振周波数を測定する共振周波数計測回路（周波数測定手段）８とを備える点で、実施形態１の高圧発生装置と相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

三次コイル２２は、一次コイル２０に対して同期した信号を得るためのインダクタンスである。

共振周波数計測回路８は、例えば周波数カウンタであり、三次コイル２２の出力を取得し、一定時間あたりのパルス数をカウントすることによって、高圧トランス２の共振周波数を測定する。測定結果は、共振周波数計測回路８から制御回路６に出力される。

図９は、スイッチング素子４のゲートに駆動信号を与えた場合の三次コイル２２の電圧変化を示したものである。ゲートに駆動信号を与えると、三次コイル２２の電圧は、高圧トランス２の共振周波数に従った波形となる。

本実施形態の制御回路６は、設定モードで動作する場合、共振周波数計測回路８で測定された共振周波数を用いて、制御周波数を掃引する周波数掃引範囲を決定する。周波数掃引範囲としては、共振周波数に対して予め設定された割合の範囲となる。例えば、制御回路６は、共振周波数の±１０％の範囲を周波数掃引範囲に決定する。

次に、本実施形態の高圧発生装置の動作について図７を用いて説明する。まず、基本的には図３で説明した動作と同じであるが、本実施形態の場合、制御回路６が最小オン時間を設定した後（Ｓ２１）、共振周波数計測回路８が三次コイル２２の出力から高圧トランス２の共振周波数を測定し（Ｓ２２）、測定された共振周波数を用いて、制御回路６が周波数掃引範囲を設定する（Ｓ２３）。周波数掃引範囲が設定されると、実施形態１の動作（図３のＳ３〜Ｓ１０）と同様の動作を行い（Ｓ２４〜Ｓ３１）、一定の高圧の出力電圧を生成する。

以上、本実施形態によれば、共振周波数計測回路８が高圧トランス２の共振周波数を測定し、制御回路６が、上記共振周波数を用いて制御周波数を掃引する周波数掃引範囲を決定することによって、決定した周波数掃引範囲のみ掃引動作を行えばよいので、制御周波数を特定するためにかかる時間を短縮することができる。

（実施形態３）
実施形態１，２では、決定した制御周波数において、消費電流が大きいポイントであったりするなど最適ポイントでの動作でない場合がある。

そこで、実施形態３では、消費電力を考慮して制御周波数を設定する高圧発生装置について説明する。

本実施形態の高圧発生装置は、図１に示すように、直流電源１から一次コイル２０に流れる消費電流を検出する消費電流測定回路（電流検出手段）９を備えている。直流電源１と一次コイル２０の間には、電流検出用の抵抗器Ｒ２が挿入されている。なお、実施形態１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

消費電流測定回路９は、抵抗器Ｒ２に電流が流れると抵抗器Ｒ２の両端電圧を測定し、測定した両端電圧を制御回路６に出力する。

本実施形態の制御回路６は、消費電流測定回路９からの信号から消費電流を取得する。上記制御回路６は、設定モードで動作する場合、制御周波数を掃引しながらスイッチング素子４を駆動し、出力電圧測定回路７で検出された出力電圧が予め設定された基準電圧以上であって消費電流測定回路９で検出された消費電流が最小となる制御周波数を特定する。

次に、本実施形態の高圧発生装置の動作について図１０を用いて説明する。まず、制御回路６が周波数掃引範囲を設定するとともに（Ｓ４１）、最小オン時間を設定した後（Ｓ４２）、スタートの制御周波数に設定して（Ｓ４３）、出力電圧及び消費電流を測定する（Ｓ４４，Ｓ４５）。さらに制御周波数を変更しながら（Ｓ４３）、出力電圧及び消費電流を測定する（Ｓ４４，Ｓ４５）。周波数掃引範囲の全ての制御周波数において出力電圧及び消費電流を測定した後（Ｓ４６）、制御回路６は、出力電圧が最大となる付近で消費電流が極小になるポイントを検知して、駆動用の制御周波数を決定する。なお、全ての制御周波数において出力電圧及び消費電流を測定する前に、出力電圧の最大点及び消費電流の極小点が検出した場合、検出した時点で、残りの制御周波数における出力電圧及び消費電流を測定しなくても、制御回路６は、最適ポイントを検知し、駆動用の制御周波数を決定することができる。

図９は、実際に測定された消費電流と制御周波数の関係を示した図である。消費電流は、最大電圧の近傍（図４参照）で極小点を持っている。極小点で動作させることにより、消費電流を低減することができる。

ここで、消費電流の最小値（極小点）を検出する動作について図１１を用いて説明する。まず、制御回路６がスタートの制御周波数ｆ０を設定して（Ｓ５１）、消費電流測定回路９が消費電流Ｉ０を計測する（Ｓ５２）。続いて、制御回路６が制御周波数ｆ０からΔｆだけ変化させた制御周波数ｆ１でスイッチング素子４を駆動し（Ｓ５３）、そのときの消費電流Ｉ１を消費電流測定回路９が測定する（Ｓ５４）。制御回路６が消費電流Ｉ１と消費電流Ｉ０を比較して（Ｓ５５）、消費電流Ｉ１が消費電流Ｉ０以下である場合、制御周波数ｆ１からΔｆだけ変化させた制御周波数ｆ２に変更し（Ｓ５３）、同様の動作を繰り返す（Ｓ５３〜Ｓ５５）。その後、現在の消費電流Ｉｎとその１回前の消費電流Ｉｎ−１とを比較し、消費電流Ｉｎが１回前の消費電流Ｉｎ−１より大きい場合（Ｓ５５）、制御周波数ｆｎからΔｆだけ変化させた制御周波数ｆｎ＋１に変更し（Ｓ５６）、消費電流Ｉｎ＋１を測定する（Ｓ５７）。消費電流Ｉｎ＋１が消費電流Ｉｎ以下である場合（Ｓ５８）、ステップＳ５３に戻り、同様の動作を繰り返す（Ｓ５３〜Ｓ５８）。

これに対して、消費電流Ｉｎ＋１が消費電流Ｉｎより大きい場合（Ｓ５８）、これまでの測定結果に最小値が存在すると判断し、消費電流Ｉｎ−１を最小値と確定する（Ｓ５９）。なお、本実施形態では、比較結果の符号が反転したことが２回続いた場合、消費電流の最小点を検出することができたとしているが、周囲の雑音などが多く、２回では誤った判定をする場合などは、この回数を増やしてもよい。

実際に測定される消費電流と制御周波数の関係は、図１２に示すように、ある周波数に対して極小点を持つような特性になっている。

以上、本実施形態によれば、制御回路６が、出力電圧が予め設定された基準電圧以上であって消費電流測定回路９で検出された消費電流が最小となる制御周波数を特定することによって、消費電流を低減しながら目標の出力電圧を得ることができる。

（実施形態４）
実施形態４の高圧発生装置は、制御回路６が、設定モードで動作する場合、共振周波数計測回路８で測定された共振周波数を用いて、制御周波数を掃引する周波数掃引範囲を決定する点で、実施形態３の高圧発生装置と相違する。なお、実施形態３と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

次に、本実施形態の高圧発生装置の動作について図１３を用いて説明する。まず、制御回路６が最小オン時間を設定し（Ｓ６１）、共振周波数を測定した後（Ｓ６２）、共振周波数を用いて周波数掃引範囲を設定する（Ｓ６３）。スタートの制御周波数に設定し（Ｓ６４）、出力電圧及び消費電流を測定する（Ｓ６５，Ｓ６６）。以降の動作（Ｓ６７，Ｓ６８）については、実施形態３と同様である（図１２参照）。なお、全ての制御周波数において出力電圧及び消費電流を測定する前に、出力電圧の最大点及び消費電流の極小点が検出した場合、検出した時点で、残りの制御周波数における出力電圧及び消費電流を測定しなくても、制御回路６は、最適ポイントを検知し、駆動用の制御周波数を決定することができる。

以上、本実施形態においても、実施形態３と同様に、制御回路６が、出力電圧が予め設定された基準電圧以上であって消費電流測定回路９で検出された消費電流が最小となる制御周波数を特定することによって、消費電流を低減しながら目標の出力電圧を得ることができる。

（実施形態５）
実施形態５の高圧発生装置は、制御回路６が、スイッチング素子４の駆動をハードスイッチングで行うようにドライバ回路５を制御する点で、実施形態１の高圧発生装置と相違する。ここで、上記ハードスイッチングとは、電圧が印加されかつ電流も流れている状態でスイッチング素子４をオフに切り替えることをいう。つまり、ハードスイッチングは、ソフトスイッチングとは反対の動作である。なお、実施形態１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

図１４（ａ）は、スイッチング素子４を完全にオンオフするハードスイッチング駆動により制御した場合の波形を示したものである。図１４（ｂ）に示すハードスイッチングではない場合（ソフトスイッチングの場合）の波形と比べると、スイッチング素子４のオフタイミングに同期して、スパイク電圧が発生する。このスパイク電圧を高圧発生用のエネルギーとして利用することにより、スイッチング素子４のオン時間を短くすることができるので、消費電流を削減することができる。図１４（ａ）と図１４（ｂ）のオン時間を比較すると、ハードスイッチングを行ったほうが、オン時間が短くてよいことがわかる。なお、スパイク電圧を大きくする点で、より好ましいのは、スイッチング素子４の電圧−電流特性において、最大電圧と最大電流とを結ぶ直線より大きい範囲でハードスイッチングを行うことである。

以上、本実施形態によれば、制御回路６がスイッチング素子４の駆動をハードスイッチングで行うようにドライバ回路５を制御することによって、スイッチング素子４の立上り・立下り時間を急峻に行うことができ、その結果、スイッチング素子４のオフ時に発生するスパイク電圧を高圧発生のエネルギーとして有効に利用することができる。これにより、スイッチング素子４のオン時間を短くすることができるので、消費電流を低減することができる。

（実施形態６）
実施形態６の高圧発生装置は、図１５（ａ）に示すように、制御回路６が、制御周波数を高圧トランス２の共振周波数の２分の１にする点で、実施形態５の高圧発生装置（図１５（ｂ）参照）と相違する。なお、実施形態５と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

図１５（ａ）は、共振周期の２回に１回（共振周波数の２分の１）の割合で、ハードスイッチングを行った場合の波形を示したものである。図１５（ｂ）は、共振周期ごとに、ハードスイッチングを行った場合の波形を示したものである。

図１５（ｂ）と比較して、オン時間が若干長くなり、スパイク電圧も若干高くなる傾向にある。これは、同じ出力を得る場合に、入力すべきエネルギーと同じだけ必要であるため、駆動回数が間引かれた分、オン時間を長めに設定する必要があり、多くのエネルギーが注入された分、発生するスパイク電圧も大きくなる。

ただし、スイッチング素子４を駆動する制御周波数を下げることができるため、スイッチングロスなどを低減できるため、消費電流を小さくすることができる。また、出カ電圧については、間引き駆動を行っても、高圧トランス２は共振周波数で動作するため、出力電圧の周波数については下がることがなく、出力に接続された倍電圧回路３に使用されるコンデンサなどの部品を大きくする必要はない。

以上、本実施形態によれば、高圧トランス２が共振周波数で動作し、スイッチング素子４を共振周波数でオンにしなくても動作することを利用し、スイッチング素子４をオンにするタイミングを間引くことによって、制御周波数を下げることができるので、消費電流を低減することができる。また、出力電圧に関しては、高圧トランス２が共振周波数で動作しているため、出力電圧の周波数が下がることがない。さらに、倍電圧回路３の部品が大きくなるなどのデメリットも発生しない。

なお、実施形態６では、制御回路６が、制御周波数を高圧トランス２の共振周波数の２分の１にしているが、実施形態６の変形例として、制御周波数を高圧トランス２の共振周波数の整数分の１にしてもよい。実施形態６の変形例として、図１６には、共振周期の３回に１回（共振周波数の３分の１）の割合でハードスイッチングを行って場合の波形を示している。図１５（ａ）と比較して、スパイク電圧及びオン時間が大きくなっている。ただし、スイッチング素子４を駆動する制御周波数をさらに下げることができるため、スイッチングロスなどをさらに低減できるため、消費電流はさらに小さくなる。

実施形態１に係る高圧発生装置の回路ブロック図である。 同上に係るドライバ回路のブロック図である。 同上に係る高圧発生装置の動作を示すフローチャートである。 同上に係る高圧発生装置において制御周波数と出力電圧の関係を示す図である。 同上に係る高圧発生装置の最大出力電圧を検出するための動作を示すフローチャートである。 同上に係る高圧発生装置の最大出力電圧検出を説明するための図である。 実施形態２に係る高圧発生装置の動作を示すフローチャートである。 同上に係る高圧発生装置においてスイッチング素子を駆動させたときの高圧トランスの共振波形を示す図である。 実施形態３に係る高圧発生装置において制御周波数と消費電流の関係を示す図である。 同上に係る高圧発生装置の動作を示すフローチャートである。 同上に係る高圧発生装置の消費電流の極小点を検出するための動作を示すフローチャートである。 同上に係る高圧発生装置の消費電流の極小点検出を説明するための図である。 実施形態４に係る高圧発生装置の動作を示すフローチャートである。 実施形態５に係る高圧発生装置において、（ａ）がハードスイッチングさせたときの波形、（ｂ）がハードスイッチングではないときの波形を示す図である。 （ａ）は、実施形態６に係る高圧発生装置の共振周期の２回に１回の割合でハードスイッチングを行ったときの波形を示す図、（ｂ）は、共振周期ごとにハードスイッチングを行ったときの波形を示す図である。 同上の変形例に係る高圧発生装置の共振周期の３回に１回の割合でハードスイッチングを行ったときの波形を示す図である。

符号の説明

２ 高圧トランス
２０ 一次コイル
２１ 二次コイル
２２ 三次コイル
３ 倍電圧回路（電圧印加手段）
４ スイッチング素子
６ 制御回路（制御手段）
７ 出力電圧測定回路（電圧検出手段）
８ 共振周波数計測回路（周波数測定手段）
９ 消費電流測定回路（電流検出手段）

Claims (7)

1. 水が供給される電極に高電圧を印加し当該供給部位に強電界を作用させることにより水を霧化する静電霧化装置に用いられる高圧発生装置であって、
   一次コイルが直流電源に接続され二次コイル側が前記供給部位に接続される高圧トランスと、
   前記直流電源及び前記一次コイルに直列に接続され当該直流電源から当該一次コイルへの電力供給をオンオフするスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子のオンオフの指示を与える制御手段と、
   前記スイッチング素子のオンオフによって、前記高圧トランスの二次コイル側の出力を用いて、前記直流電源の電源電圧よりも高い出力電圧を前記供給部位に印加する電圧印加手段と、
   前記出力電圧を検出する電圧検出手段と
   を備え、
   前記制御手段は、前記スイッチング素子がオンになる周波数である制御周波数を掃引しながら当該スイッチング素子をオンオフさせて、前記電圧検出手段で検出された前記出力電圧が予め設定された目標電圧となる制御周波数を決定する設定モードと、前記設定モード時に決定された前記制御周波数で前記スイッチング素子をオンオフさせる通常動作モードとを有する
   ことを特徴とする高圧発生装置。
2. 前記高圧トランスに巻回される三次コイルと、前記三次コイルの出力から前記高圧トランスの共振周波数を測定する周波数測定手段とを備え、
   前記制御手段は、前記設定モードで動作する場合、前記周波数測定手段で測定された前記共振周波数を用いて、前記制御周波数を掃引する周波数掃引範囲を決定する
   ことを特徴とする請求項１記載の高圧発生装置。
3. 前記制御手段は、前記通常動作モードで動作しているときに、予め設定されたタイミングで前記通常動作モードから前記設定モードに切り替えて動作し、当該設定モードで動作して前記制御周波数を特定した後、前記設定モードから前記通常動作モードに切り替えて動作することを特徴とする請求項１又は２記載の高圧発生装置。
4. 前記直流電源から前記一次コイルに流れる消費電流を検出する電流検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記設定モードで動作する場合、前記制御周波数を掃引しながら前記スイッチング素子を駆動し、前記電圧検出手段で検出された前記出力電圧が予め設定された基準電圧以上であって前記電流検出手段で検出された前記消費電流が最小となる前記制御周波数を特定する
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の高圧発生装置。
5. 前記制御手段は、前記スイッチング素子の駆動をハードスイッチングで行うことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の高圧発生装置。
6. 前記制御手段は、前記制御周波数を前記高圧トランスの共振周波数の整数分の１にすることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の高圧発生装置。
7. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の高圧発生装置を備え、
   水が供給される電極に高電圧を印加し当該供給部位に強電界を作用させることにより水を霧化する
   ことを特徴とする静電霧化装置。

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