JP2012226898A - イオン発生制御回路 - Google Patents

Abstract

【課題】単一の回路によって正負イオンをバランスよく発生させることを可能にするイオン発生制御回路を提供する。
【解決手段】上側駆動ＦＥＴ５および下側駆動ＦＥＴ６によって構成されたブリッジ回路が交互にオンすることで、トランス７の１次側コイルおよびコンデンサ８によって構成された単一の直列共振回路に、電流を順方向および逆方向に時間的に交互に流す。これによって、トランス７の２次側コイルにも順方向および逆方向に時間的に交互に電流が流れる。正極での放電電圧が負極の放電電圧よりも大きい状態と、負極での放電電圧が正極の放電電圧よりも大きい状態とが交互に繰返される。この結果、イオン発生のアンバランスを是正することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、イオン発生制御回路に関し、特に、正極および負極の放電によって正イオンと負イオンとをバランスよく発生させるためのイオン発生回路に関する。

従来から、電極の放電によってイオンを発生させるイオン発生装置が提案されている。たとえば特開２００６−２６０９６３号公報（特許文献１）は、オゾン等の副生成物の発生量を少なくしてイオンを効率的に発生させることを目的としたイオン発生装置を開示する。また、特開２００２−２１６９９４号公報（特許文献２）は、正側高電圧発生回路から負側高電圧発生回路への除電に寄与しない無効電流の発生を防止することを目的としたパルスＡＣ式除電装置を開示する。また、特開２００４−６３４２７号公報（特許文献３）は、正負イオンの生成量のバランスを調整することを目的とした除電装置を開示している。

特開２００６−２６０９６３号公報 特開２００２−２１６９９４号公報 特開２００４−６３４２７号公報

空気に高電圧を印加して放電する場合、正極と負極とでは電離が開始される電圧が異なる。一般には、正極の放電開始電圧のほうが負極の放電開始電圧よりも低い。このため、正負イオンの発生のバランスが取れなくなる。したがって、上記の特開２００６−２６０９６３号公報（特許文献１）あるいは特開２００２−２１６９９４号公報（特許文献２）に開示されているように、多くの回路では、正極および負極の各々に放電回路が設けられており、それらの放電回路が個別に制御される。

一般的に、回路部品の特性には、ばらつきが存在する。また、上記の回路は空気に対する放電回路であるので、当該放電回路とその周辺の材質との間に容量成分が存在する。これらの理由によって単一回路では電極電圧の調整が難しいという問題がある。したがって正負イオンのバランスを取るために、従来では正極側の放電と負極側の放電とが別々に制御されていた。

単一の回路の場合には、上記のような、部品の特性のばらつき、周辺の影響などの要因によってたとえば正極側電極電圧が負極側電極電圧よりも高くなる可能性がある。この場合には、正負イオンの発生のバランスが取れなくなる。単一の回路によって正負イオンのバランスをとろうとした場合には、たとえば正極を増やす一方で負極を減らすといった反作用が発生する。したがって、たとえば特開２００４−６３４２７号公報（特許文献３）に開示されるように、２つの高電圧発生回路の少なくとも一方に、直流出力電圧を調整する手段を設ける必要があった。

本発明の目的は、単一の回路によって正負イオンをバランスよく発生させることを可能にするイオン発生制御回路を提供することである。

本発明のある局面に係るイオン発生制御回路は、電源に接続された第１のスイッチング素子と、第１のスイッチング素子と接地との間に接続された第２のスイッチング素子と、１次側コイルおよび２次側コイルを有するトランスと、コンデンサと、第１のダイオードと、第２のダイオードと、第１のダイオードのカソードに接続された第１の放電電極と、第２のダイオードのアノードに接続されｔ第２の放電電極と、第１の放電電極と対向する第１の対向電極と、第２の放電電極と対向する第２の対向電極とを備える。１次側コイルの一方端は、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子との接続点に接続される。１次巻線の他方端は、コンデンサを介して接地に接続される。２次巻線の一方端は、第１のダイオードのアノードと第２のダイオードのカソードとに接続される。２次巻線の他方端は、第１の対向電極と第２の対向電極とに接続される。

好ましくは、イオン発生制御回路は、第１のスイッチング素子を駆動するための第１の駆動信号と、第２のスイッチング素子を駆動するための第２の駆動信号とを時間的に交互に発生させる制御回路をさらに備える。

好ましくは、第１のスイッチング素子の駆動時にコンデンサが充電され、第２のスイッチング素子の駆動時にコンデンサが放電される。制御回路は、第１の駆動信号と第２の駆動信号との間の時間間隔を制御することにより、コンデンサの放電タイミングを調整する。

好ましくは、時間間隔は、０．１ｍ秒から１ｍ秒までの間にある。

本発明によれば、第１および第２のスイッチング素子によって構成されたブリッジ回路が、トランスの１次側コイルおよびコンデンサによって構成された単一の直列共振回路に、電流を順方向および逆方向に時間的に交互に流す。これによって正負イオンをバランスよく発生させることができる。

本発明の実施の形態に係るイオン発生制御回路の主要部分の構成図である。 本発明の実施の形態に係るイオン発生制御回路における、図１に示した主要部分の周辺回路を説明した図である。 本発明の実施の形態に係るイオン発生制御回路の動作を説明するための第１の図である。 本発明の実施の形態に係るイオン発生制御回路の動作を説明するための第２の図である。 本発明の実施の形態に係るイオン発生制御回路の制御動作を示した動作波形図である。 図５に示したイオン発生制御回路の制御動作の具体的な一形態を示した動作波形図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。

図１は、本発明の実施の形態に係るイオン発生制御回路の主要部分の構成図である。図１を参照して、イオン発生制御回路は、電源１５と接地（ＧＮＤ）との間に直列接続された上側駆動ＦＥＴ（Field Effect Transistor）５および下側駆動ＦＥＴ６を備える。イオン発生制御回路は、さらに、トランス７と、コンデンサ８と、ダイオード９，１０と、対向電極１３，１４とを備える。

上側駆動ＦＥＴ５および下側駆動ＦＥＴ６はブリッジ回路を構成する。上側駆動ＦＥＴ５のドレイン（Ｄ）は電源１５に接続され、上側駆動ＦＥＴ５のソース（Ｓ）は下側駆動ＦＥＴ６のドレイン（Ｄ）に接続される。下側駆動ＦＥＴ６のソース（Ｓ）は接地（ＧＮＤ）に接続される。

上側駆動ＦＥＴ５のゲート（Ｇ）は、入力保護抵抗３を介してハイサイド駆動信号入力端子１に接続される。下側駆動ＦＥＴ６のゲート（Ｇ）は、入力保護抵抗４を介してローサイド駆動信号入力端子２に接続される。

なお、ブリッジ回路を構成するスイッチング素子であればＦＥＴに限定されず、たとえばバイポーラトランジスタを用いることも可能である。

トランス７は１次側コイルおよび２次側コイルを有する。１次側コイルの一方の端子である１次側端子７−１は、上側駆動ＦＥＴ５のソースと下側駆動ＦＥＴ６のドレインとに接続された中点１６に接続される。１次側コイルの他方の端子である１次側端子７−２は、コンデンサ８を介して接地（ＧＮＤ）に接続される。２次側コイルの一方の端子である２次側端子７−４は、ダイオード９のアノード（Ａ）およびダイオード１０のカソード（Ｋ）に接続される。２次側コイルの他方の端子である２次側端子７−３は、対向電極１３と対向電極１４とに接続される。

ダイオード９のカソード（Ｋ）は正側放電電極１１に接続されて、対向電極１３と対向する。ダイオード１０のアノード（Ａ）は負側放電電極１２に接続されて対向電極１４と対向する。図１に示したイオン発生制御回路は、正負イオンを発生させる正負イオン発生回路として構成される。

図２は、本発明の実施の形態に係るイオン発生制御回路における、図１に示した主要部分の周辺回路を説明した図である。図２を参照して、ブリッジドライバＩＣ２３は、ハイサイド駆動信号入力端子１およびローサイド駆動信号入力端子２の各々に駆動信号を与えて、上側駆動ＦＥＴ５および下側駆動ＦＥＴ６を駆動する。なお、上側駆動ＦＥＴ５は、中点１６の電圧を基準として動作する。ブートストラップ用のコンデンサ２５は、中点１６およびブリッジドライバ２３に接続されて、中点１６の電圧を保持する。

ブリッジドライバＩＣ２３は、電源２４から与えられる電源電圧（たとえば＋１５ＶのＤＣ電圧）を受けて動作する。具体的には、ブリッジドライバＩＣ２３は、入力端子２１，２２に入力される信号によって、ハイサイド駆動信号入力端子１およびローサイド駆動信号入力端子２の各々に与えられる駆動信号を生成する。

測定端子２０は、トランス７の１次側端子７−１の電圧（中点１６の電圧）を測定するための端子である。

図２で示された構成では、トランス７の２次側端子７−３が抵抗１７を介して、コンデンサ８の一方の端子および接地（ＧＮＤ）に接続される。測定端子１８は、トランス７の２次側端子７−４およびダイオード９のアノードに接続される。測定端子１９は、ダイオード９のカソードに接続される。このような構成によって、測定端子１８（測定点（１）とする）の電圧および測定端子１９（測定点（２）とする）の電圧を接地（ＧＮＤ）に対する電位として計測できる。

次に、本発明の実施の形態に係るイオン発生制御回路の動作を説明する。図３は、本発明の実施の形態に係るイオン発生制御回路の動作を説明するための第１の図である。図３を参照して、ブリッジドライバＩＣ２３から上側駆動ＦＥＴ５のゲートに駆動信号Ｓ１が与えられる。これにより上側駆動ＦＥＴ５がオンする。一方、下側駆動ＦＥＴ６はオフしている。この場合、上側駆動ＦＥＴ５およびトランス７の１次側コイルを通じてコンデンサ８にチャージ電流が流れ込むのでコンデンサ８が充電される。トランス７の２次側コイルでは、２次側端子７−３から２次側端子７−４への向きに電流が流れる。

図４は、本発明の実施の形態に係るイオン発生制御回路の動作を説明するための第２の図である。図４を参照して、図３に示された動作に続き、ブリッジドライバＩＣ２３から下側駆動ＦＥＴ６のゲートに駆動信号Ｓ２が与えられる。これにより下側駆動ＦＥＴ６がオンする。一方、上側駆動ＦＥＴ５はオフしている。この場合、トランス７の１次側コイルおよび下側駆動ＦＥＴ６を通じて、コンデンサ８から接地（ＧＮＤ）にディスチャージ電流が流れるのでコンデンサ８が放電される。トランス７の２次側コイルでは、２次側端子７−４から２次側端子７−３への向きに電流が流れる。

本発明の実施の形態では、トランス７の１次側コイルとコンデンサ８とによって直列共振回路が構成される。上側駆動ＦＥＴ５と下側駆動ＦＥＴ６とを交互にオンさせることによって、コンデンサ８に対する充電及び放電が時間的に交互に行なわれる。これにより、トランス７の１次側コイルでは、電流の流れる方向が交互に切り替わる。このため、トランス７の２次側コイルにおいても、電流の流れる方向が交互に切り替わる。

図５は、本発明の実施の形態に係るイオン発生制御回路の制御動作を示した動作波形図である。図５を参照して、上側駆動ＦＥＴ５の駆動信号（ハイサイド駆動信号入力端子１に入力される信号）と、下側駆動ＦＥＴ６の駆動信号（ローサイド駆動信号入力端子２に入力される信号）と、トランス７の１次側電圧（測定端子２０における電圧）と、トランス７の２次側電圧の測定点（１）（測定端子１８における電圧）と、トランス７の２次側電圧の測定点（２）（測定端子１９における電圧）との波形が示される。上側駆動ＦＥＴ５の駆動信号および下側駆動ＦＥＴ６の駆動信号は、図３に示した信号Ｓ１および図４に示した信号Ｓ２にそれぞれ対応する。

図５に示されるように、信号Ｓ１，Ｓ２が交互に発生することで、上側駆動ＦＥＴ５と下側駆動ＦＥＴ６とが交互にオンする。これにより、トランス７の１次側コイルの電流は交互に逆向きに流れる。トランス７の２次側（測定点（１））では、最初の立ち上がりの向きが正である電圧（上側駆動ＦＥＴ５のオン時）と、最初の立ち上がりの向きが負である電圧（下側駆動ＦＥＴ６のオン時）とが交互に発生する。ダイオード９でこの電圧が整流された結果、測定点（２）では、正電圧が負電圧より大きい電圧波形（上側駆動ＦＥＴ５のオン時）と、負電圧が正電圧より大きい電圧波形（下側駆動ＦＥＴ６のオン時）とが交互に現れる。

トランス７の２次側コイルに流れる電流の向きが一方向である場合（たとえば２次側端子７−４から２次側端子７−３への向きに電流が流れる場合）、ダイオード９のカソード側の電圧とダイオード１０のアノード側の電圧とでは、ダイオード１０のアノード側電圧（負極側電圧）が絶対値でみて大きくなる。上記のように、大気中の放電の場合、一般的に正極のほうが負極に比べて電離が開始される電圧が小さい。したがって正極および負極で発生するイオンの量のバランスをとるためには、トランス７の２次側コイルにおいて２次側端子７−４から２次側端子７−３への向きに電流が流れることが好ましい。

トランス７の２次側コイルに流れる電流の向きが一方向であると、正極側の電極電圧および負極側の電極電圧の調整が難しい。たとえば正極側の電極電圧を３ｋＶに、負極側の電極電圧を４ｋＶに調整すべきであっても、正極側の電極電圧が４ｋＶ、負極側の電極電圧が３ｋＶとなる可能性がある（数値は理解を助けるための一例である）。この場合、負極側電圧が小さいために正負イオンの発生バランスが悪くなる。

イオン発生回路はパルス放電を行なうため、容量への充電から始まる。回路の動作上、放電は行なわれないため、容量成分に対する充電が優位となる。そのため正極側の電極電圧が大きくなる。このようなアンバランスが一旦発生すると、その後に放電回数が増えてもアンバランスな状態が継続される。

一方、本発明の実施の形態によれば、上側駆動ＦＥＴ５と下側駆動ＦＥＴ６とを交互にオンすることでトランス７の１次側コイルに流れる電流の向きが交互に逆方向に切り替わる。これにより、トランス７の２次側コイルに流れる電流向きも交互に逆方向に切り替わる。２次側コイルに交互に逆方向に電流が流れることによって、アンバランスな状態が反転する。すなわち正極での放電電圧が負極の放電電圧よりも大きい状態と、負極での放電電圧が正極の放電電圧よりも大きい状態とが交互に繰返される。この結果、イオン発生のアンバランスを是正することができる。なお、本発明の実施の形態によれば、正極の放電電圧と負極の放電電圧との差が大きい場合であっても、イオン発生のアンバランスを是正することができる。

図６は、図５に示したイオン発生制御回路の制御動作の具体的な一形態を示した動作波形図である。図６を参照して、上側駆動ＦＥＴ５の駆動信号（Ｓ１）の立上がりと下側駆動ＦＥＴ６の駆動信号（Ｓ２）の立上がりとの間の時間間隔、すなわち信号Ｓ１，Ｓ２の間の時間間隔が０．１ｍ秒〜１ｍ秒（図６では１ｍ秒の場合を示す）とされる。本発明の実施の形態では、駆動信号Ｓ１と駆動信号Ｓ２との間の時間間隔を調整することにより、コンデンサ８の放電タイミングを調整することができる。このような調整はブリッジドライバＩＣ２３によって実現可能である。この結果、イオン発生制御回路は、０．１ｍ秒〜１ｍ秒の間の適切な時間間隔で放電を行なう。この場合、自然対流による気体の拡散がイオン等の電荷の拡散に大きく作用することが可能となる。したがって連続的に安定した放電を起こすことができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ ハイサイド駆動信号入力端子、２ ローサイド駆動信号入力端子、３，４ 入力保護抵抗、５ 上側駆動ＦＥＴ、６ 下側駆動ＦＥＴ、７ トランス、７−１，７−２ １次側端子（トランス）、７−３，７−４ ２次側端子（トランス）、８，２５ コンデンサ、９，１０ ダイオード、１１ 正側放電電極、１２ 負側放電電極、１３，１４ 対向電極、１５，２４ 電源、１６ 中点、１７ 抵抗、１８，１９，２０ 測定端子、２１，２２ 入力端子、２３ ブリッジドライバＩＣ。

Claims (4)

1. 電源に接続された第１のスイッチング素子と、
   前記第１のスイッチング素子と接地との間に接続された第２のスイッチング素子と、
   １次巻線および２次巻線を有するトランスと、
   コンデンサと、
   第１のダイオードと、
   第２のダイオードと、
   前記第１のダイオードのカソードに接続された第１の放電電極と、
   前記第２のダイオードのアノードに接続された第２の放電電極と、
   前記第１の放電電極と対向する第１の対向電極と、
   前記第２の放電電極と対向する第２の対向電極とを備え、
   前記１次巻線の一方端は、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子との接続点に接続され、
   前記１次巻線の他方端は、前記コンデンサを介して前記接地に接続され、
   前記２次巻線の一方端は、前記第１のダイオードのアノードと前記第２のダイオードのカソードとに接続され、
   前記２次巻線の他方端は、前記第１の対向電極と前記第２の対向電極とに接続される、イオン発生制御回路。
2. 前記第１のスイッチング素子を駆動するための第１の駆動信号と、前記第２のスイッチング素子を駆動するための第２の駆動信号とを時間的に交互に発生させる制御回路をさらに備える、請求項１に記載のイオン発生制御回路。
3. 前記第１のスイッチング素子の駆動時に前記コンデンサが充電され、
   前記第２のスイッチング素子の駆動時に前記コンデンサが放電され、
   前記制御回路は、前記第１の駆動信号と前記第２の駆動信号との間の時間間隔を制御することにより、前記コンデンサの放電タイミングを調整する、請求項２に記載のイオン発生制御回路。
4. 前記時間間隔は、０．１ｍ秒から１ｍ秒までの間にある、請求項３に記載のイオン発生制御回路。

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