JP2012089327A - 高電圧発生回路、イオン発生装置及び静電霧化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で高電圧出力のばらつきを抑制することができる高電圧発生回路、イオン発生装置及び静電霧化装置を提供する。
【解決手段】スイッチング部１４の並列位置に、共振の影響を抑制する共振抑制部２１を接続する。共振抑制部２１は、高電圧制御信号から設定される１次電圧の発振周波数を、昇圧部１５が持つ共振周波数以下とすることにより共振に影響を受けないようにし、かつ昇圧部１５により所定高電圧で昇圧可能な周波数に設定する。共振抑制部２１は、高電圧発生部９の昇圧部１５におけるインダクタンスにより発生した高周波のリンギングに対し、コンデンサ２３により高周波成分をショートし、抵抗２２で減衰させることにより、高電圧制御信号の発振周波数から共振成分を消去する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電極等に高電圧を印加する高電圧発生回路、イオン発生装置及び静電霧化装置に関する。

近年、家電製品の分野では、イオン粒子を空気中に放出可能なイオン発生装置や、ナノメータサイズの帯電微粒子水を空気中に放出可能な静電霧化装置等が広く普及してきている。これら装置は、放電電極に高電圧を印加することにより、イオン発生装置の場合はイオン粒子を、静電霧化装置の場合は帯電微粒子水を、それぞれ空気中に放出する。

この種のイオン発生装置や静電霧化装置には、図９に示すような高電圧発生回路８１（例えば特許文献１〜３等参照）が設けられている。高電圧発生回路８１には、電源部８２から出力される直流の電源電圧Ｖ１を基に高電圧発生回路８１の動作を制御する高電圧制御部８３と、高電圧制御部８３から出力される高電圧制御信号８４を基に直流高電圧Ｖ２を発生する高電圧発生部８５と、放電により微粒子を発生する放電電極８６とが設けられている。

高電圧制御部８３は、パルス状（矩形波）の高電圧制御信号８４を高電圧発生部８５に出力し、この高電圧制御信号８４にて高電圧発生部８５のスイッチング素子をスイッチングする。高電圧発生部８５は、このスイッチングにより発生したパルス状の電圧を昇圧し、昇圧後の２次電圧を整流部にて直流の高電圧Ｖ２に変換する。よって、高電圧発生部８５からは、高電圧制御信号８４に準じた直流高電圧Ｖ２が出力され、この直流高電圧Ｖ２が放電電極８６に印加される。

図９の高電圧発生回路８１には、高電圧Ｖ２のばらつきを低く抑えるために、高電圧発生部８５に高電圧検出部８７が接続されている。高電圧検出部８７は、高電圧発生部８５が出力した直流高電圧Ｖ２の値を検出し、その高電圧信号８８を高電圧制御部８３に出力する。高電圧制御部８３は、この高電圧信号８８を基に高電圧制御信号８４を調整し、調整後の高電圧制御信号８４にて高電圧発生部８５を動作させる。このように、直流高電圧Ｖ２をフィードバック制御すれば、直流高電圧のばらつきが抑制されるので、高電圧Ｖ２を所望範囲内の値に設定することが可能となる。

特開２０１０−６４０５３号公報 特開２００７−２３４４６１号公報 特開２００７−２９４２８５号公報

しかし、図９の高電圧発生回路８１では、高電圧Ｖ２の出力効率を確保するために、高電圧制御信号８４からの発振周波数を共振周波数として駆動させている。しかし、この場合、図１０に示すように、高電圧発生部８５における昇圧部の１次電圧は、大きく脈動した電圧波形をとるので、これが高電圧Ｖ２のばらつきの要因となる問題がある。よって、個別に共振周波数を監視しなければならないので、高電圧制御部８３に用いるマイクロコンピュータのプログラムが複雑となる。従って、安価なマイクロコンピュータを使用することができず、部品が高価になる問題があった。

また、仮に共振周波数の監視を簡易なものとし、安価なマイクロコンピュータを用いたとすると、共振周波数は急峻な波形をとるため、安価なマイクロコンピュータでは正しく波形を監視することができず、これが精度悪化の問題に繋がる。具体的には、高電圧制御部８３の高電圧制御信号８４から設定される周波数が共振周波数からずれてしまうと、この周波数が急峻であることに起因してゲイン（利得）が下がり、高電圧発生部８５の高電圧Ｖ２が大きく変動してしまう問題があった。

さらに、図９の高電圧発生回路８１では、高電圧発生部８５の場合、高電圧Ｖ２のばらつきを抑制するために、高電圧発生部８５の出力側、つまり昇圧の２次側に、高電圧検出部８７を配置しなければならない。このように、昇圧の２次側に高電圧検出部８７を配置すると、高電圧検出部８７は高電圧Ｖ２を検出できる回路を使用しなければならず、部品として構造が複雑になり、また部品コストも高くなってしまう。特に、この種の高電圧発生回路８１では、数1000ｋＶの高電圧Ｖ２が出力されるので、上記問題が顕著となってしまう現状があった。

本発明の目的は、簡素な構成で高電圧出力のばらつきを抑制することができる高電圧発生回路、イオン発生装置及び静電霧化装置を提供することにある。

前記問題点を解決するために、本発明では、電源部から入力した電源電圧を基に高電圧制御部がパルス状の高電圧制御信号を生成し、前記高電圧制御部が前記高電圧制御信号により高電圧発生部のスイッチング部をスイッチングし、該スイッチングにより生成されたパルス状の電圧を昇圧部にて昇圧して出力する高電圧発生回路において、前記高電圧制御信号から設定される発振周波数を、前記昇圧部が持つ共振周波数以下とすることで共振の影響を受けず、かつ高電圧まで昇圧可能な周波数に調整する共振抑制部を備えたことを要旨とする。

本発明では、前記共振抑制部は、前記昇圧部を境とした場合、当該昇圧部を境とした１次回路側に配置されていることを要旨とする。
本発明では、前記共振抑制部は、少なくとも抵抗及びコンデンサを備えた回路からなることを要旨とする。

本発明では、前記共振抑制部は、前記スイッチング部に並列接続された回路からなることを要旨とする。
本発明では、前記共振抑制部は、前記昇圧部の１次側に並列接続された回路からなることを要旨とする。

本発明では、電源部から入力した電源電圧を基に高電圧制御部がパルス状の高電圧制御信号を生成し、前記高電圧制御部が前記高電圧制御信号により高電圧発生部のスイッチング部をスイッチングし、該スイッチングにより生成されたパルス状の電圧を昇圧部にて昇圧し、昇圧後の高電圧を放電電極に印加して、当該放電電極からイオン粒子を放出するイオン発生装置において、前記高電圧制御信号から設定される発振周波数を、前記昇圧部が持つ共振周波数以下とすることで共振の影響を受けず、かつ高電圧まで昇圧可能な周波数に調整する共振抑制部を備えたことを要旨とする。

本発明では、電源部から入力した電源電圧を基に高電圧制御部がパルス状の高電圧制御信号を生成し、前記高電圧制御部が前記高電圧制御信号により高電圧発生部のスイッチング部をスイッチングし、該スイッチングにより生成されたパルス状の電圧を昇圧部にて昇圧し、昇圧後の高電圧を放電電極及び対向電極の間に印加して、当該放電電極に発生した帯電微粒子水を前記対向電極から放出する静電霧化装置において、前記高電圧制御信号から設定される発振周波数を、前記昇圧部が持つ共振周波数以下とすることで共振の影響を受けず、かつ高電圧まで昇圧可能な周波数に調整する共振抑制部を備えたことを要旨とする。

本発明によれば、簡素な構成で高電圧出力のばらつきを抑制することができる。

第１実施形態の静電霧化装置のブロック図。 高電圧発生回路の回路図。 高電圧制御信号及び１次電圧の波形図。 発振周波数と高電圧出力との関係を示す波形図。 第２実施形態の静電霧化装置のブロック図。 高電圧発生回路の回路図。 別例の静電霧化装置のブロック図。 別例のイオン発生装置の概略を示す構成図。 従来の高電圧発生回路の構成図。 高電圧制御信号及び１次電圧の波形図。

（第１実施形態）
以下、本発明を具体化した高電圧発生回路、イオン発生装置及び静電霧化装置の第１実施形態を図１〜図４に従って説明する。

図１に示すように、静電霧化装置１には、電源２から電源電力を入力する電源回路３が設けられている。電源回路３には、電源回路３から出力される直流の電源電圧Ｖccを基に静電霧化装置１を動作させる高電圧制御部４が接続されている。高電圧制御部４は、ペルチェ用電源回路５を介してペルチェユニット６の放電電極７に接続されている。ペルチェユニット６には、放電電極７の向かい側に対向電極８が設けられている。

高電圧制御部４には、放電電極７に高電圧Ｖoutを出力する高電圧発生部９が接続されている。高電圧制御部４は、電源回路３から入力した電源電圧Ｖccを基に高電圧制御信号Ｓｋを生成し、この高電圧制御信号Ｓｋを高電圧発生部９に出力して、高電圧発生部９から直流の高電圧Ｖout（例えば数1000ｋＶ）を発生させる。

放電電極７が高電圧制御部４によってペルチェ方式により冷却されると、放電電極７の表面に水分が付着する。この状態で高電圧発生部９から放電電極７に高電圧Ｖoutが印加されると、放電電極７にはマイナスに帯電した水が付着するとともに、放電電極７と対向電極８との間に、放電電極７に付着した水を吸引する力が発生する。そして、放電電極７に付着した水の吸引力と重力とのバランスが臨界点に達すると、放電電極７に付着した水が分裂をし始め、最終的にミスト状の帯電微粒子水となって外部に放出される。

図２に示すように、高電圧制御部４に直流の電源電圧Ｖccを出力する電源部１０は、電源２及び電源回路３によって構成される電源部分であって、例えば交流電源１１及び整流回路１２から構成されている。交流電源１１から出力された交流電源は、整流回路１２にて直流に変換され、これが直流の電源電圧Ｖccとして高電圧制御部４に出力される。なお、電源部１０は、単なる直流電源でもよい。

高電圧制御部４には、静電霧化装置１のコントロールユニットとしてマイクロコンピュータ１３が設けられている。マイクロコンピュータ１３は、高電圧Ｖoutが所定値をとるようなパルス状（矩形波）の高電圧制御信号Ｓｋを生成し、これを高電圧発生部９に出力する。

高電圧発生部９には、高電圧制御信号Ｓｋによりスイッチングされるスイッチング部１４と、スイッチング部１４のオンにより生じた電圧（１次電圧）を昇圧する昇圧部１５と、昇圧後の交流の２次電圧を直流に変換する整流部１６とが設けられている。

スイッチング部１４は、例えばＦＥＴ（Field Effect Transistor）１７が使用されている。スイッチング部１４は、ゲート端子が抵抗１８を介してマイクロコンピュータ１３に接続され、ソース端子が昇圧部１５の１次側に接続され、ドレイン端子がグランドに接地されている。スイッチング部１４は、高電圧制御信号ＳｋのＨ／Ｌの信号レベルにより、オンオフが切り換えられる。

昇圧部１５は、例えば昇圧トランスが使用されている。スイッチング部１４に高電圧制御信号Ｓｋが入力されると、高電圧制御信号ＳｋのＨ／Ｌの繰り返しによってスイッチング部１４がオンオフを繰り返し、パルス状の電圧が昇圧部１５の１次側に発生する。昇圧部１５は、１次側に発生したパルス状の電圧を昇圧し、これを２次側から交流電圧として出力する。

整流部１６は、ダイオード１９及びコンデンサ２０がＴ字接続された回路からなる。整流部１６は、昇圧部１５の２次側から出力された交流の高電圧を整流し、これを正の直流高電圧Ｖoutとして放電電極７に印加する。

高電圧制御部４には、高電圧発生部９に共振周波数以下の周波数にて高電圧Ｖoutの出力を実行させる共振抑制部２１が接続されている。本例の共振抑制部２１は、抵抗２２及びコンデンサ２３の直列回路から構成されるとともに、ＦＥＴ１７に並列接続されている。抵抗２２及びコンデンサ２３の直列回路は、抵抗２２の一端がＦＥＴ１７のソース端子に接続され、コンデンサ２３の一端がグランドに接地されている。本例の共振抑制部２１は、昇圧部１５の１次回路２４側に配置されている。なお、１次回路２４は、電源部１０、マイクロコンピュータ１３、スイッチング部１４、及び昇圧部１５の１次側から構成される回路を言う。

共振抑制部２１は、高電圧制御信号Ｓｋから設定される図３に示す１次電圧の発振周波数ｆ０を、昇圧部１５（昇圧トランス）が持つ共振周波数以下とすることにより共振に影響を受けないようにし、かつ昇圧部１５により所定高電圧で昇圧可能な周波数に設定する。換言すると、共振抑制部２１は、高電圧発生部９の昇圧部１５におけるインダクタンスにより発生した高周波のリンギングに対し、コンデンサ２３により高周波成分をショートし、抵抗２２で減衰させることにより、高電圧制御信号Ｓｋの発振周波数ｆ０から共振成分を消去する。

次に、本例の高電圧発生回路の動作を、図２を用いて説明する。
静電霧化装置１に電源が投入されると、電源部１０から直流の電源電圧Ｖccが高電圧制御部４に供給される。高電圧制御部４は、電源がオンすると、パルス状の高電圧制御信号Ｓｋを高電圧発生部９のスイッチング部１４に出力して、スイッチング部１４をスイッチングする。このため、スイッチング部１４がオンするタイミングで昇圧部１５の１次側に電圧が誘起され、昇圧部１５の1次側に交流波形の電圧が誘起される。

このとき、昇圧部１５には、昇圧部１５（昇圧トランス）のインダクタンスによって、高周波のリンギングが発生する。しかし、本例の場合は、スイッチング部１４に共振抑制部２１が並列接続されているので、リンギングの高周波成分がコンデンサ２３によりショートさせられ、かつリンギングが抵抗２２により減衰される。

このため、図３に示すように、高電圧制御信号Ｓｋから設定される昇圧部１５の１次電圧の発振周波数ｆ０は、昇圧部１５が持つ共振周波数以下となるため、共振の影響を受けず、かつ昇圧部１５にて所定高電圧まで昇圧可能な周波数となる。つまり、１次電圧の電圧波形は、最初に大きなピークをとり、振幅変動が直ぐに安定する波形となる。よって、１次電圧はリンギングが抑制された波形となるので、昇圧部１５の２次側からは、出力が安定した２次電圧が出力される。

また、図３に示すように、発振周期をＴ０、共振影響収束周期をＴ１、共振周期をＴ２とすると、発振周波数ｆ０は１／Ｔ０で決まり、共振影響収束周波数ｆ１は１／Ｔ１で決まり、共振周波数ｆ２は１／Ｔ２で決まる。ここでは、Ｔ０及びＴ１はＴ０＞Ｔ１の関係を有するので、周期はｆ０＜ｆ１の関係をとり、Ｔ０及びＴ２はＴ０＞Ｔ２の関係を有するので、周波数はｆ０＜ｆ２の関係をとる。よって、図４に示すように、昇圧部１５で昇圧可能な周波数をｆ３とすると、目標とする発振周波数ｆ０は、ｆ１からｆ３の間の値に設定される。つまり、発振周波数ｆ０は、ｆ３≦ｆ０＜ｆ１を満たす値に設定される。

昇圧部１５の１次側に矩形波のパルス電圧がかかると、昇圧部１５の２次側からは、パルス状の高電圧が出力される。整流部１６は、昇圧部１５の２次側から出力されたパルス状の高電圧を、ダイオード１９及びコンデンサ２０により順電圧の期間のみ整流し、正の直流高電圧Ｖoutを放電電極７に出力する。正の直流高電圧Ｖoutが放電電極７に印加されると、放電電極７においてコロナ放電が発生し、これにより放電電極７から帯電微粒子水が発生する。

以上により、本例の場合は、高電圧制御部４に対し並列位置に、抵抗２２及びコンデンサ２３の直列回路からなる共振抑制部２１を接続した。従って、この共振抑制部２１によって、高電圧制御信号Ｓｋから設定される発振周波数ｆ０は、高電圧発生部９の昇圧部１５が持つ共振周波数以下で、共振の影響を受けず、かつ所定高電圧まで昇圧可能な周波数となる。よって、高電圧制御信号Ｓｋから設定される電圧波形にリンギングを生じ難くすることが可能となるので、抵抗２２及びコンデンサ２３という簡素な構成によって、高電圧発生部９から出力される直流高電圧Ｖoutの出力ばらつきを抑制することが可能となる。

本実施形態の構成によれば、以下に記載の効果を得ることができる。
（１）高電圧制御部４（スイッチング部１４のＦＥＴ１７）に、共振の影響を抑制するための共振抑制部２１を接続したので、高電圧制御部４に共振抑制部２１を単に接続するという簡素な構成によって、高電圧Ｖoutの出力ばらつきを抑制することができる。

（２）本例の発振周波数ｆ０は、昇圧部１５の共振周波数となってはいないが、昇圧部１５にて昇圧可能な値に設定されている。よって、効率は別として電源電圧Ｖccを問題なく高電圧まで昇圧することができる。

（３）共振抑制部２１を昇圧の１次回路２４側に配置したので、昇圧前の低い電圧の周波数にて共振の影響を取り除くことが可能となる。よって、より簡素な構成で高電圧Ｖoutの出力ばらつきを抑制することができ、さらには部品コストも安価に済ませることができる。

（４）共振抑制部２１を抵抗２２及びコンデンサ２３の直列回路としたので、共振抑制部２１を抵抗２２及びコンデンサ２３という簡素な構成で済ますことができ、さらに部品コストも安価に済ませることができる。

（５）共振抑制部２１を高電圧制御部４に接続したので、共振抑制部２１を昇圧部１５とは別の独立した部品とすることが可能となる。よって、共振抑制部２１を静電霧化装置１に搭載する場合であっても、共振抑制部２１は機能的に昇圧部１５とは別の部品となるので、昇圧部１５に共振抑制部２１の影響を及ぼし難くすることができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態を図５及び図６に従って説明する。なお、第２実施形態は、第１実施形態に対して共振抑制部２１の配置位置を変更しているのみで、基本的な構成については第１実施形態と同一である。よって、第１実施形態と同一箇所は同じ符号を付して詳しい説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

図５及び図６に示すように、高電圧発生部９には、第１実施形態に記載の共振抑制部２１が接続されている。図６に示すように、共振抑制部２１は、昇圧部１５の１次側に対して並列接続されている。本例の共振抑制部２１は、第１実施形態のように高電圧制御部４側ではなく、高電圧発生部９側において、1次側の高調波リンギングに対しコンデンサ２３にて高調波成分をショートさせるとともに抵抗２２にて減衰させることで、発振周波数ｆ０の共振を抑制する。

従って、本例においては、高電圧発生部９に共振抑制部２１を接続したので、例えば共振抑制部２１を昇圧部１５に一体に組み込むことが可能となる。よって、共振抑制部２１を昇圧部１５の一体型とすることが可能となるので、合計の部品点数低減や、部品管理の煩雑さ解消などの利点が得られる。

本実施形態の構成によれば、第１実施形態に記載の（１）〜（４）に加え、以下の効果を得ることができる。
（６）共振抑制部２１を昇圧部１５に一体に組み込むことが可能となるので、昇圧部１５及び共振抑制部２１を１部品としてユニット化することが可能となる。よって、静電霧化装置１の全体にかかる部品点数を少なく押さえることができ、部品の組み立て作業を簡素化することができる。

なお、実施形態はこれまでに述べた構成に限らず、以下の態様に変更してもよい。
・第１及び第２実施形態において、図７に示すように、本例の高電圧発生回路をイオン発生装置６１に採用してもよい。イオン発生装置６１は、高電圧発生部９から高電圧Ｖoutを放電電極７に印加することにより、放電電極７からイオン粒子を発生するものである。

・第１及び第２実施形態において、図８に示すように、高電圧発生部９から出力される高電圧を対向電極８に印加して、２極間に電位差を持たせるものでもよい。
・第１及び第２実施形態において、放電電極７（対向電極８）は複数設けられていてもよい。

・第１及び第２実施形態において、スイッチング部１４は、ＦＥＴ１７から構成されることに限定されず、例えばトランジスタを使用した回路でもよい。
・第１及び第２実施形態において、昇圧部１５は、トランス以外の部材を使用してもよい。

・第１及び第２実施形態において、高電圧発生部９から整流部１６を省略して、パルス状の高電圧を出力する回路としてもよい。
・第１及び第２実施形態において、高電圧発生部９から出力される電圧は、正又は負のどちらでもよい。

・第１及び第２実施形態において、共振抑制部２１を１次回路２４側に配置する場合、その配置位置は１次側よりも回路上流側であれば、どこでもよい。
・第１及び第２実施形態において、共振抑制部２１は１次回路２４側に配置されることに限定されず、２次回路側に配置されてもよい。

・第１及び第２実施形態において、共振抑制部２１は、抵抗２２及びコンデンサ２３から構成されることに限定されず、共振による影響を抑制できるものであれば、何でもよい。

・第１及び第２実施形態において、高電圧発生回路は、静電霧化装置１やイオン発生装置６１に使用されることに限らず、その他の機器や装置に使用してもよい。

１…静電霧化装置、４…高電圧制御部、７…放電電極、８…対向電極、９…高電圧発生部、１０…電源部、１４…スイッチング部、１５…昇圧部、２１…共振抑制部、２２…抵抗、２３…コンデンサ、２４…１次回路、６１…イオン発生装置、Ｖcc…電源電圧、Ｓｋ…高電圧制御信号、Ｖout…高電圧（直流高電圧）、ｆ０…発振周波数。

Claims (7)

1. 電源部から入力した電源電圧を基に高電圧制御部がパルス状の高電圧制御信号を生成し、前記高電圧制御部が前記高電圧制御信号により高電圧発生部のスイッチング部をスイッチングし、該スイッチングにより生成されたパルス状の電圧を昇圧部にて昇圧して出力する高電圧発生回路において、
   前記高電圧制御信号から設定される発振周波数を、前記昇圧部が持つ共振周波数以下とすることで共振の影響を受けず、かつ高電圧まで昇圧可能な周波数に調整する共振抑制部を備えた
   ことを特徴とする高電圧発生回路。
2. 前記共振抑制部は、前記昇圧部を境とした場合、当該昇圧部を境とした１次回路側に配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の高電圧発生回路。
3. 前記共振抑制部は、少なくとも抵抗及びコンデンサを備えた回路からなる
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の高電圧発生回路。
4. 前記共振抑制部は、前記スイッチング部に並列接続された回路からなる
   ことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の高電圧発生回路。
5. 前記共振抑制部は、前記昇圧部の１次側に並列接続された回路からなる
   ことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の高電圧発生回路。
6. 電源部から入力した電源電圧を基に高電圧制御部がパルス状の高電圧制御信号を生成し、前記高電圧制御部が前記高電圧制御信号により高電圧発生部のスイッチング部をスイッチングし、該スイッチングにより生成されたパルス状の電圧を昇圧部にて昇圧し、昇圧後の高電圧を放電電極に印加して、当該放電電極からイオン粒子を放出するイオン発生装置において、
   前記高電圧制御信号から設定される発振周波数を、前記昇圧部が持つ共振周波数以下とすることで共振の影響を受けず、かつ高電圧まで昇圧可能な周波数に調整する共振抑制部を備えた
   ことを特徴とするイオン発生装置。
7. 電源部から入力した電源電圧を基に高電圧制御部がパルス状の高電圧制御信号を生成し、前記高電圧制御部が前記高電圧制御信号により高電圧発生部のスイッチング部をスイッチングし、該スイッチングにより生成されたパルス状の電圧を昇圧部にて昇圧し、昇圧後の高電圧を放電電極及び対向電極の間に印加して、当該放電電極に発生した帯電微粒子水を前記対向電極から放出する静電霧化装置において、
   前記高電圧制御信号から設定される発振周波数を、前記昇圧部が持つ共振周波数以下とすることで共振の影響を受けず、かつ高電圧まで昇圧可能な周波数に調整する共振抑制部を備えた
   ことを特徴とする静電霧化装置。

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