JP2011065772A - イオナイザ放電針の汚れ検出回路およびイオナイザ放電針の汚れ検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】放電針のコロナ放電の有無による僅かな変化を捉えることができ、設置場所の違いや電源電圧の変化などの環境変化による影響が小さく、誤検出を防止できるイオナイザ放電針の汚れ検出回路およびイオナイザ放電針の汚れ検出方法を提供する。
【解決手段】コロナ放電でイオンを発生させるイオナイザ放電針の汚れ検出回路１００であって、放電針１３０へ高電圧を出力する圧電トランス１２０と、圧電トランス１２０の出力電圧のフィードバックを受けつつ、圧電トランス１２０への入力電圧を制御する電圧制御発振部１１０と、圧電トランス１２０への入力電圧と出力電圧との位相差に応じた波形を出力する位相比較部１６０と、位相比較部１６０の出力の積分値と基準電圧とを比較する電圧比較部１９０とを備え、積分値が基準電圧より低い場合に放電針１３０の汚れを検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、コロナ放電でイオンを発生させるイオナイザ放電針の汚れ検出回路およびイオナイザ放電針の汚れ検出方法に関する。

従来、コロナ放電型イオナイザが知られている（たとえば特許文献１参照）。放電針のコロナ放電により生成されたプラスイオンまたはマイナスイオンは、たとえば被除電物へ到達するように噴射され、製造中の電子デバイスに吹き付けられる。そして、吹き付けられたイオンにより、電子デバイスに帯電する電荷と異極のイオンを結合させることで除電し、静電気障害の発生を未然に防止している。

しかし、放電針の先端に微粒子が付着し、放電針が劣化すると、放電針が生成するイオンの量が減少し、実際に除電に寄与するイオンの量も減少する。これに対し特許文献１記載のコロナ放電型イオナイザの検査装置は、コロナ放電型イオナイザのエミッタから発生するイオンによる真電流のみを検出し、真電流のうち実際に被除電物の除電に寄与する除電電流を検出する。その結果、エミッタの汚れや劣化程度、除電性能等を確認可能にしている。このように出力電圧の変化を利用して放電針の汚れを検出しようとする技術が提案されている。

特開２００８−１９６９５２号公報

しかしながら、実際の動作において、放電針のコロナ放電の有無による放電針のインピーダンスの変化は僅かであり、それに伴う出力電圧の変化も僅かである。また、イオナイザの設置場所の違いや電源電圧の変化などの環境変化による影響の方が出力電圧に与える影響が大きく、放電針のインピーダンス変化に伴う出力電圧の変化が小さいため、誤検出を生じ易い。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、放電針のコロナ放電の有無による僅かな変化を捉えることができ、設置場所の違いや電源電圧の変化などの環境変化による影響が小さく、誤検出を防止できるイオナイザ放電針の汚れ検出回路およびイオナイザ放電針の汚れ検出方法を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明に係るイオナイザ放電針の汚れ検出回路は、コロナ放電でイオンを発生させるイオナイザ放電針の汚れ検出回路であって、放電針へ高電圧を出力する圧電トランスと、前記圧電トランスの出力電圧のフィードバックを受けて、前記圧電トランスへの入力電圧を制御する電圧制御発振部と、前記圧電トランスへの入力電圧と出力電圧との位相差に応じた波形を出力する位相比較部と、前記位相比較部の出力の積分値と基準電圧とを比較する電圧比較部とを備え、前記積分値が前記基準電圧より低い場合に前記放電針の汚れを検出することを特徴としている。

このように、圧電トランスの出力が負荷インピーダンスの影響を受け易く入出力間の位相が変化することを利用して、放電針の入力インピーダンスの大小によりコロナ放電の有無を検出することができる。その結果、放電針のコロナ放電の有無による放電針のインピーダンスの僅かな変化を捉えることができる。また、設置場所の違いや電源電圧の変化などの環境変化による影響が小さく、誤検出を防止できる。

（２）また、本発明に係るイオナイザ放電針の汚れ検出方法は、コロナ放電でイオンを発生させるイオナイザ放電針の汚れ検出方法であって、出力電圧のフィードバックにより制御される圧電トランスへの入力電圧を検出するステップと、前記圧電トランスの出力電圧を検出するステップと、前記検出された入力電圧と出力電圧との位相差に応じた波形を出力するステップと、前記位相差に応じた出力の積分値と基準電圧とを比較するステップと、を含み、前記積分値が前記基準電圧より低い場合に前記放電針の汚れを検出することを特徴としている。これにより、放電針によるコロナ放電の有無を検出することができる。また、設置場所の違いや電源電圧の変化などの環境変化による影響が小さく、誤検出を防止できる。

本発明によれば、放電針によるコロナ放電の有無を検出することができ、環境変化による影響が小さく、誤検出を防止できる。

本発明にかかるイオナイザ放電針の汚れ検出回路の構成を示すブロック図である。 圧電トランスおよび放電針の等価回路を示す概略図である。 圧電トランスの周波数特性を示すグラフである。 位相比較部の動作波形の例を示す図である。 位相比較部の動作波形の例を示す図である。 放電針の等価回路定数を示す表である。 正常時の動作波形を示す図である。 汚れ時の動作波形を示す図である。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。また、説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

（イオナイザ放電針の汚れ検出回路の構成）
図１は、イオナイザ放電針の汚れ検出回路１００の構成を示すブロック図である。イオナイザ放電針の汚れ検出回路１００は、イオナイザ用ＡＣ高圧電源回路にイオナイザ放電針の汚れを検出する機能が追加されている。図１に示すように、イオナイザ放電針の汚れ検出回路１００は、電圧制御発振部１１０、駆動部１１５、圧電トランス１２０、放電針１３０、分圧用抵抗器１４０、整流部１５０、位相比較部１６０、積分回路１７０、基準電圧発生部１８０、電圧比較部１９０および出力部１９５を備えている。

電圧制御発振部１１０は、圧電トランス１２０の出力電圧のフィードバックを受けて、発振信号を生成し、圧電トランス１２０への入力電圧を制御する。駆動部１１５は、電圧制御発振部１１０の発振信号を受けて交流電圧を生成し、圧電トランス１２０に印加する。圧電トランス１２０は、入力電圧を昇圧して出力する。圧電トランス１２０は、入力される交流電圧の周波数に応じて出力電圧が変化するという特性を有している。高電圧の出力電圧は、放電針１３０に出力される。圧電トランス１２０は、たとえば単板もしくは積層でローゼン型圧電トランスである。

放電針１３０は、正常状態で圧電トランス１２０から出力される交流高圧電圧が印加されると放電針１３０の先端でコロナ放電を発してイオンを放出する。分圧用抵抗器１４０は、分圧により圧電トランス１２０の出力電圧を取り出すための抵抗器である。整流部１５０は、取り出された圧電トランス１２０の出力電圧を整流する。

このようにして、圧電トランス１２０の出力電圧は、分圧用抵抗器１４０で電圧を落とされ、整流部１５０を介して電圧制御発振部１１０に入力される。そして、電圧制御発振部１１０が、発振周波数を可変して圧電トランス１２０の出力電圧を制御する。これにより、イオナイザ放電針の汚れ検出回路１００は出力電圧を一定に保つ機能を有する。

位相比較部１６０は、圧電トランス１２０への入力電圧と出力電圧との位相差に応じた波形を出力する。波形の出力は、電圧制御発振部１１０の矩形波出力と、圧電トランス１２０の正弦波出力との位相を比較して行う。位相比較部１６０は、位相差をＯＮ／ＯＦＦのデューティー比として出力する。圧電トランス１２０の入出力間の位相差を位相比較部１６０でＯＮ／ＯＦＦのデューティー比に変換して、積分回路を介して整流し、その後、電圧比較部１９０で基準電圧と比較して放電針１３０の汚れ検出として出力する。積分回路１７０は、位相比較部１６０の出力ＰＣｏｕｔを整流し、積分値を得る。

基準電圧発生部１８０は、電圧比較部１９０で比較の基準として用いられる基準電圧を発生する。たとえば、位相比較部１６０の出力のデューティー比が３４％のときの積分値を基準電圧としてあらかじめ設定しておくことができる。これにより、デューティー比３４％を基準として、デューティー比がこれより小さいときにコロナ放電が生じていないことを検出し、放電針１３０の汚れを知ることができる。

また、放電針１３０の抵抗成分Ｒｐの抵抗値が当初の９１％であるときの位相比較部１６０の出力の積分値を基準電圧としてあらかじめ設定しておくことも可能である。このように、放電針１３０の抵抗成分Ｒｐが当初の９１％未満に減少したことを圧電トランス１２０の入出力間の位相の変化により検出することで、放電針１３０の汚れを知ることができる。

電圧比較部１９０は、位相比較部１６０の出力の積分値と基準電圧とを比較する。出力部１９５は、積分値が基準電圧より低い場合に放電針の汚れを検出したものとして出力する。出力は、たとえば汚れを検出したことを示す表示により行うことができるが、特に限定されない。このようにして電圧比較部１９０で基準電圧と比較された結果により放電針１３０の汚れ状態を判定し出力できる。

（イオナイザ放電針の汚れ検出回路の動作）
次に、以上のように構成されたイオナイザ放電針の汚れ検出回路１００の動作を説明する。まず、電圧制御発振部１１０は圧電トランス１２０に制御された入力電圧を印加する。圧電トランス１２０は、入力電圧を昇圧し、その出力電圧を放電針１３０に印加する。分圧用抵抗器１４０および整流部１５０は、出力電圧をフィードバックし、電圧制御発振部１１０は、圧電トランス１２０の入力電圧を制御する。位相比較部１６０は、圧電トランス１２０への入力電圧を検出する。

一方で、位相比較部１６０は、圧電トランス１２０の出力電圧を検出し、検出された入力電圧と出力電圧との位相差に応じた波形を出力する。そして、電圧比較部１９０は、位相差に応じた出力の積分値と基準電圧とを比較し、出力部１９５は、積分値が基準電圧より低い場合に放電針の汚れ検出を出力する。なお、基準電圧はあらかじめ圧電トランス１２０の特性や放電針１３０の種類を考慮して設定しておく。放電針１３０の抵抗成分の抵抗値を正常時の値の９１％と仮定して、位相比較部１６０の出力の積分値を算出し、その積分値を基準電圧に設定してもよい。また、位相比較部１６０の出力のデューティー比が３４％であるときの積分値を基準電圧に設定してもよい。

このように、圧電トランス１２０の出力が負荷インピーダンスの影響を受け易く入出力間の位相が変化することを利用して、放電針１３０の入力インピーダンスの大小によりコロナ放電の有無を検出することができる。その結果、放電針１３０の汚れの有無によるインピーダンスの僅かな変化を捉えることができる。また、圧電トランス１２０の出力電圧の大きさではなくデューティー比を基準として汚れを検出しているため、設置場所の違いや電源電圧の変化などの環境変化による影響が小さく、誤検出を防止できる。

（汚れ検出の原理）
次に、等価回路モデルを用いて、放電針１３０の汚れを検出する原理を説明する。図２は、圧電トランス１２０および放電針１３０の等価回路を示す概略図である。図２に示すように、圧電トランス１２０は、等価回路において、１次側に並列接続された第１の制動容量Ｃ_０１、１次側に直列接続されたインダクタＬ_１、容量Ｃ_１および抵抗Ｒ_１、ならびに２次側に並列接続された第２の制動容量Ｃ_０２により表すことができる。また、放電針１３０は、放電針１３０の容量成分Ｃｐおよび抵抗成分Ｒｐにより表すことができる。圧電トランス１２０は、電圧変換比φで電圧を出力する。

放電針１３０は、正常状態で交流高圧電圧が印可されるとその先端でコロナ放電を発してイオンを放出する。ところが、放電針１３０に埃等が付着したり、コロナ放電と大気中の腐食ガスによって腐食したりした場合、コロナ放電を発しなくなり、イオンを放出できなくなる。コロナ放電している状態では、等価回路における抵抗成分Ｒｐの抵抗値が大きいが、コロナ放電しなくなると、抵抗成分Ｒｐの抵抗値は小さくなる。したがって、コロナ放電がなされるか否かで放電針１３０の入力インピーダンスの状態が異なる。なお、放電針１３０が汚れた場合としては、上記のように放電針１３０に埃等が付着したり、コロナ放電と大気中の腐食ガスによって腐食したりした場合が考えられるが、その他コロナ放電が生じなくなる場合を含む。

一方、イオナイザ放電針の汚れ検出回路１００では出力を一定にする機能を有している。そして、放電針１３０に汚れが生じた場合には、出力を一定に保とうとして駆動周波数が変化することが、入力側に大きな変化として現れる。すなわち、入力電圧に対する出力電圧の位相の遅れが小さくなる。図３は、圧電トランス１２０の周波数特性を示すグラフである。図３に示すように、圧電トランス１２０は、共振周波数Ｆ_０より効率の高い周波数範囲を使用範囲としており、その使用範囲で昇圧比（電圧変換比）は駆動周波数の減少関数となっている。放電針１３０の放電状態が変化したときには、出力電圧を一定にしようとする制御により、等価回路における一次側に直列接続されたインダクタＬ_１および容量Ｃ_１が変化する。その結果、昇圧比が変化し、以下の式１に示すように圧電トランス１２０の入力側より見たアドミタンスが増加する。そして、圧電トランス１２０の出力電圧の位相の遅れが小さくなる側に、圧電トランス１２０の入力電圧と出力電圧との位相差が変化する。

一方で、圧電トランス１２０は、その等価回路からも分かるように負荷インピーダンスの変化の影響を受け易く、放電針１３０が無放電状態になったときには、出力電圧と入出力間の位相が変化する。このような位相の変化も位相差に反映される。以上のように、周波数制御による影響と負荷インピーダンスの変化による影響で、入力電圧と出力電圧との位相差が変化する。

図４Ａおよび図４Ｂは、位相比較部１６０の動作波形の例を示す図である。動作波形として、位相比較部１６０の入力信号ＰＣＡｉｎおよびＰＣＢｉｎと出力信号ＰＣｏｕｔが示されている。図４Ａは、正常な放電針１３０により放電状態が維持されているときの動作波形を示している。図４Ｂは、放電針１３０が汚れ、無放電状態になったときの動作波形を示している。図４Ａおよび図４Ｂに示すように、放電針１３０が汚れ、無放電状態になったときには、位相比較部１６０の出力信号ＰＣｏｕｔのデューティー比が小さくなる。そして、このような出力信号ＰＣｏｕｔを積分し、基準電圧と比較することで汚れの有無を検出することができる。

次に、放電針１３０が正常で放電する場合と汚れており放電しない場合について、等価回路の抵抗成分を測定する実験を行った。図５は、放電針１３０の等価回路定数を示す表である。図５に示すように、放電針１３０が正常な場合には抵抗成分Ｒｐの抵抗値は５４．８ｋΩであったのに対し、放電針１３０が汚れた場合には抵抗成分Ｒｐの抵抗値は４９．４ｋΩであり、当初の９０％に減少していた。なお、放電針１３０の容量成分Ｃｐはいずれの場合も４．８ｐＦで変化しなかった。このように、放電針１３０の抵抗成分が当初の９１％未満に減少したときには放電針１３０が汚れていることが実証された。本発明はこの変化を利用したものである。

また、放電針１３０が正常な場合と汚れている場合についてデューティー比を比較する実験を行った。図６Ａは、正常時に得られた動作波形を示す図である。図６Ｂは、汚れ時の動作波形を示す図である。正常時の動作波形では、圧電トランス１２０の出力電圧ＰＣＢｉｎの位相が、入力電圧ＰＣＡｉｎの位相から６８．９１°遅れている。これに対し、汚れ時の動作波形では、圧電トランス１２０の出力電圧ＰＣＢｉｎの位相が、入力電圧ＰＣＡｉｎの位相から５９．２８°遅れている。

したがって、放電針１３０が正常である場合には、位相比較部１６０の出力のデューティー比が３９．５０％であることが分かった。一方、放電針１３０が汚れている場合には、位相比較部１６０の出力のデューティー比が３３．６４％であることが分かった。これにより、位相比較部１６０の出力のデューティー比が３４％未満であるときには放電針が汚れていることが実証された。このように、圧電トランス１２０の出力電圧の位相が変化し、デューティー比が小さくなることを利用して放電針１３０の汚れを検出できることが実証された。

１００ イオナイザ放電針の汚れ検出回路
１１０ 電圧制御発振部
１１５ 駆動部
１２０ 圧電トランス
１３０ 放電針
１４０ 分圧用抵抗器
１５０ 整流部
１６０ 位相比較部
１７０ 積分回路
１８０ 基準電圧発生部
１９０ 電圧比較部
１９５ 出力部
Ｃ 容量
Ｃ_０１ 制動容量
Ｃ_０２ 制動容量
Ｃ_１ 容量
Ｌ_１ インダクタ
Ｒ_１ 抵抗
Ｃｐ 容量成分
Ｒｐ 抵抗成分
Ｆ_０ 共振周波数
Ｌ インダクタ
ＰＣＡｉｎ 入力
ＰＣＡｉｎ 入力電圧
ＰＣＢｉｎ 出力電圧
ＰＣｏｕｔ 出力
φ 電圧変換比

Claims (2)

1. コロナ放電でイオンを発生させるイオナイザ放電針の汚れ検出回路であって、
   放電針へ高電圧を出力する圧電トランスと、
   前記圧電トランスの出力電圧のフィードバックを受けて、前記圧電トランスへの入力電圧を制御する電圧制御発振部と、
   前記圧電トランスへの入力電圧と出力電圧との位相差に応じた波形を出力する位相比較部と、
   前記位相比較部の出力の積分値と基準電圧とを比較する電圧比較部と、を備え、
   前記積分値が前記基準電圧より低い場合に前記放電針の汚れを検出することを特徴とするイオナイザ放電針の汚れ検出回路。
2. コロナ放電でイオンを発生させるイオナイザ放電針の汚れ検出方法であって、
   出力電圧のフィードバックにより制御される圧電トランスへの入力電圧を検出するステップと、
   前記圧電トランスの出力電圧を検出するステップと、
   前記検出された入力電圧と出力電圧との位相差に応じた波形を出力するステップと、
   前記位相差に応じた出力の積分値と基準電圧とを比較するステップと、を含み、
   前記積分値が前記基準電圧より低い場合に前記放電針の汚れを検出することを特徴とするイオナイザ放電針の汚れ検出方法。

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