JP2015136197A - インバータ装置とプラズマ発生装置及びシート材改質装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ発生装置等に用いるインバータ装置において、負荷である複数の放電電極間で不要な放電を発生させることなく、各放電電極に必要な高電圧を印加できるようにする。
【解決手段】スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２のオン・オフによって入力電圧をスイッチングして、昇圧トランスＴ１，Ｔ２の一次側の励磁巻線に励磁電流を流し、その昇圧トランスＴ１，Ｔ２の二次側の出力巻線から交流電圧を出力する複数のインバータ１１，１２を備え、その複数の各インバータ１１，１２が同じ出力特性を有し、その各インバータ１１，１２のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２が、共通の制御回路１５から出力する同じスイッチング信号Ｓｐによってオン・オフ制御される。
【選択図】 図２

Description

この発明は、インバータ装置とそれを電源として使用したプラズマ発生装置並びにそのプラズマ発生装置を利用したシート材改質装置に関する。

大型プラズマディスプレー用放電管、プラズマ発生装置など、種々の装置に高電圧を供給するためにスイッチングレギュレータやインバータ装置が用いられている。
一般には出力電力値が数Ｗ程度のものが多く使用されているが、プラズマ発生装置などには、出力電圧（実効値）が十数ｋＶで電力値が数十Ｗ以上の交流の出力を持つインバータ装置が使用される。

プラズマ放電として、例えば大気圧プラズマ放電は、一般的に常圧条件において６ｋＶ以上の高電圧が印加されると発生するといわれている。その大気圧プラズマ放電を実現するための手段として、誘電体バリア放電又は無声放電あるいは大気中でのコロナ放電等が存在する。
例えば、印刷用紙などのシート材の表面を改質する表面改質処理等を行うために、大気圧プラズマ発生装置が用いられ、その電源として交流高電圧を発生するインバータ装置が使用される。

特許文献１には、このようなシート材の改質装置が提案されている。その改質装置におけるプラズマ発生装置は、図８に示すように、紙面に垂直な方向に延びる丸棒状の放電電極１２１と、平板状のカウンタ電極１２２とを、誘電体（絶縁体）１２３を挟んで対向させて放電部を構成している。カウンタ電極１２２は接地されている。
その放電電極１２１とカウンタ電極１２２との間に高圧電源１００から出力する交流高電圧を印加して、破線で示すように大気圧プラズマ放電（沿面放電による誘電体バリア放電等）を発生させてプラズマを形成する。
この沿面放電によるプラズマは、誘電体１２３の表面に沿って図示していないシート材が搬送されたときに、その被加工面に対する接触面積が大きいため、改質時におけるムラの発生が抑制され、改質の均一性が高い精度で確保される。高圧電源１００には通常インバータ装置が使用される。

このような表面改質装置の利用分野は色々あるが、その一例として印刷機の前処理系への利用がある。印刷用紙に印刷前に表面改質処理を施すことにより、印刷用紙へのインクの付着や浸透性を制御することができ、インクの発色性を向上させることができる。その結果、インクの使用量を削減する効果を期待できる。
用紙への表面改質処理は印刷直前に行う必要があり、その表面改質処理も印刷動作の流れに組み込む必要がある。そのため、印刷機の生産性すなわち印刷速度や印刷用紙サイズなどの条件によっては、プラズマ発生装置に非常に大きな表面改質能力が要求される。

大きな処理能力を得るために取れる手段は複数あるが、放電によって表面処理される時間や回数を増加して処理効果の向上を図るために、プラズマ発生装置の放電面積を増やすことが有効である。しかし、放電面積を増やすことは負荷の増加となるため、その電極間に高電圧を印加するインバータ装置の高出力化が必要になる。

インバータ装置によって、安定的に高電圧の高出力を得るためには大型のトランス等による昇圧が必要になる。
そのために、インバータ装置を構成するトランスの励磁巻線と出力巻線との巻数比を大きくすると、巻線抵抗や線間容量の増大による損失増加や、使用可能な周波数帯域の制限、コアの磁気飽和、コア及び巻線の発熱等の問題が発生する。
そこで、特許文献２には、インバータ装置のトランスを同一の特性を持つ複数のトランスで構成し、その各励磁巻線に同時に励磁電流を流して励磁し、各出力巻線を互いに直列又は並列に接続して、従来よりも大電力の交流出力を得ることが提案されている。

しかしながら、プラズマ発生装置の放電面積を増やすには、カウンタ電極の面積を大きくし、それに対向する放電電極を複数本設ける必要がある。
その放電電極の増加に伴い、単一のインバータ装置によって各放電電極に電圧を印加する場合、インバータ装置の出力端子からの距離が放電電極の位置によって異なってくる。すなわち、インバータ装置の出力端子からの給電経路の距離が長いほど、その給電経路に生じるインダクタンス成分が増加し、図１０に示すように、電圧波形に位相の遅れによる時間ずれ量Δｔが生じる。それによって、その電圧が印加される各放電電極間に電位差ΔＶが発生するため、その放電電極間で余分な放電が起こる恐れがある。

そこで、高出力化の一手段として図９に示すように、複数台（図では２台）のインバータ装置１０１，１０２を並べて、その各出力電圧をプラズマ発生装置の放電部１２０を構成する複数の放電電極１２１Ａ，１２１Ｂに個別に印加することが考えられる。カウンタ電極１２２及び誘電体（絶縁体）１２３は、図８に示したものと同様である。
このようにすれば、各インバータ装置１０１，１０２の出力端子から各放電電極１２１Ａ，１２１Ｂまでの給電経路の距離を略同一にして、距離の差が殆ど生じないようにすることができる。

しかし、複数台並べた各インバータ装置１０１，１０２をそれぞれ独立して動作させた場合、図１１に示すように出力電圧の位相が揃わないため、各インバータ装置１０１，１０２の出力電圧波形の時間ずれ量Δｔによって瞬時値に差が生じてしまう。それによって、放電電極１２１Ａ，１２１Ｂ間に大きな電位差ΔＶが生じたとき、その放電電極間で放電が発生してしまい、電極の破損や電力ロスの増大を招く恐れがある。

インバータ装置１０１，１０２の実際の出力電圧波形は正弦波ではないが、図１０及び図１１では概念の簡略化のため正弦波として示しており、横軸を時間とし縦軸を電圧とする。
二つの電圧波形に時間方向のずれである位相ずれがある場合、そのずれ量Δｔに応じて電位差ΔＶが生じる。最悪のケースとしては、位相がπ（１８０°）ずれたときに二つの電圧波形間におけるピークの正負が逆になるため、正弦波振幅の約２倍の電位差が生じてしまう。

仮に出力電圧が数十ｋＶのインバータ装置２台の出力電圧間で同様のずれがあった場合、２台の出力電圧間の電位差が最大で数十ｋＶになる。
そのため、放電電極間で本来の目的である表面改質のためのプラズマ発生と関係のない余分な放電が生じる恐れがある。このときに放電電極間に発生する放電は、プラズマを発生させる誘電体バリア放電とは異なるアーク放電などになることがあり、放電による電力のロスだけでなく電極の破損などの危険を招く恐れもある。

また、仮に２台のインバータ装置の出力電圧波形に時間方向のずれ（位相ずれ）がなかっかとしても、その各インバータ装置の出力特性の相違により出力値に差がある場合には、当然ながら放電電極間に図１２にΔＶで示すような電位差が生じることになる。
このように放電電極間に電位差がある場合、その間の放電を抑えるためにはその放電電極同士の距離を離す必要があるが、そうすると装置全体が大型化してしまうという問題が生じる。
また、複数の放電電極間の距離をとると、放電部が広い範囲に配置されることとなり、ノイズの発生源や想定外の放電による危険を管理すべき範囲も広がってしまう。

この発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、プラズマ発生装置等に用いるインバータ装置において、負荷である複数の放電電極間で不要な放電を発生させることなく、各放電電極に必要な高電圧を印加できるようにすることを目的とする。

この発明によるインバータ装置は上記の目的を達成するため、スイッチング素子のオン・オフによって入力電圧をスイッチングして、昇圧トランスの一次側の励磁巻線に励磁電流を流し、その昇圧トランスの二次側の出力巻線から交流電圧を出力するインバータを複数備え、その複数の各インバータが同じ出力特性を有し、該各インバータの上記スイッチング素子が、共通の制御回路から出力する同じスイッチング信号によってオン・オフ制御されることを特徴とする。

この発明によるインバータ装置は、負荷である複数の放電電極間に不要な放電が発生させることなく、各放電電極に必要な高電圧を印加することができる。それによって、例えば、プラズマ発生装置の放電面積を増やして、表面改質能力等を高めることができる。

この発明によるプラズマ発生装置の基本原理を説明するための図９と対応する模式的な構成図である。 この発明によるプラズマ発生装置の第１実施形態の構成を示すブロック図である。 この発明によるプラズマ発生装置の第２実施形態の構成を示すブロック図である。 この発明によるインバータ装置の第１実施形態の構成を示す回路図である。 この発明によるインバータ装置の第２実施形態の構成を示す回路図である。 この発明によるプラズマ発生装置の実施形態を放電部の構成を具体的に示した構成図である。 この発明によるシート材改質装置の一実施形態を示す概略構成図である。

従来のプラズマ発生装置の一例を説明するための模式的な構成図である。 複数台のインバータ装置を並べてプラズマ発生装置の複数の放電電極に個別に電圧を印加する例を示す模式的な構成図である。 インバータ装置の出力端子からの距離が放電電極の位置によって異なる場合に発生する放電電極間の電位差を説明するための電圧波形図である。 ２台のインバータ装置をそれぞれ独立して動作させた場合に、その出力電圧が個別に印加される放電電極間に発生する電位差を説明するための電圧波形図である。 ２台のインバータ装置の出力特性による出力値に差がある場合に、その出力電圧が個別に印加される放電電極間に発生する電位差を説明するための電圧波形図である。

以下、この発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。
〔プラズマ発生装置の実施形態〕
まず、この発明によるプラズマ発生装置の基本原理を図１によって説明する。図１はこの発明によるプラズマ発生装置の基本原理を説明するための図９と対応する模式的な構成図である。そのインバータ装置１０の負荷である放電部１２０は、図９に示した放電部１２０の構成と同様である。

この図１に示すインバータ装置１０は、同一の出力特性を有する２つのインバータ１１，１２を備えており、その２つのインバータ１１，１２を同期して動作させる。そして、各インバータ１１，１２から出力される実効値が６ＫＶ以上の交流高電圧を、放電部１２０の２本の各放電電極１２１Ａ，１２１Ｂに個別に印加し、それぞれ誘電体１２３を介してカウンタ電極１２２との間にプラズマ放電を発生させる。この場合のプラズマ放電は誘電体バリア放電となる。

このようにすれば、インバータ装置１０の各インバータ１１，１２から放電部１２０の各放電電極１２１Ａ，１２１Ｂまでの給電経路を略等しくすることができる。また、インバータ１１とインバータ１２とは同じ出力特性を有し、且つ同期して動作するので、その出力電圧波形の形状及び振幅が略同じであり、位相が揃うため位相のずれ（時間ずれ）も生じない。

したがって、放電電極１２１Ａ，１２１Ｂに印加される電圧は常に等しく、電位差が発生しないので、放電電極１２１Ａと１２１Ｂの間で不要な放電を発生させることなく、各放電電極１２１Ａ，１２１Ｂに必要な高電圧を印加することができる。
また、放電電極１２１Ａ，１２１Ｂ間の電位差がなくなるため、その間の距離が近くても両電極間で余分な放電が発生する恐れがないので、放電電極の配置における制約がなくなり、装置の小型化を図ることができる。また、ノイズや放電のリスク管理も容易になるといったメリットがある。

インバータ装置１０が備える各インバータ１１，１２の構成及びそれらを同期して動作させる手段については後述する。インバータ装置１０が備えるインバータは複数であればよく、３つ以上でもよい。放電部１２０における放電電極の数も複数であればよく、３本以上でもよい。各インバータがその各出力電圧を、放電電極が複数本ずつの各放電電極群に個別に印加するようにしてもよい。

次に、この発明によるプラズマ発生装置の第１実施形態を図２によって説明する。図２はそのプラズマ発生装置の構成を示すブロック図である。
このプラズマ発生装置は、インバータ装置１０と放電部２０とによって構成されている。
インバータ装置１０は２つのインバータ１１，１２を備えており、一方のインバータ１１は昇圧トランスＴ１とスイッチング素子ＳＷ１と制御回路１５を有する。他方のインバータ１２は、昇圧トランスＴ２とスイッチング素子ＳＷ２を有するが、制御回路は有していない。

そして、一方のインバータ１１は、入力電源１Ａから直流もしくは直流成分に脈流が重畳された電圧を入力し、その入力電圧をスイッチング素子ＳＷ１のオン・オフによってスイッチングして、昇圧トランスＴ１の一次側の励磁巻線に励磁電流を流す。それによって、その昇圧トランスＴ１の二次側の出力巻線から交流電圧を出力する。スイッチング素子ＳＷ１は、制御回路１５が出力するパルス状のスイッチング信号Ｓｐによってオン・オフ制御される。
このインバータ１１の出力電圧Ｖout１を放電部２０の負荷２０Ａに印加する。この放電部２０は、図１における放電部１２０に相当し、負荷２０Ａは、放電電極１２１Ａ及びそれと誘電体１２３を挟んで対向するカウンタ電極１２２に相当する。

他方のインバータ１２は、入力電源１Ｂから直流もしくは直流成分に脈流が重畳された電圧を入力し、その入力電圧をスイッチング素子ＳＷ２のオン・オフによってスイッチングして、昇圧トランスＴ２の一次側の励磁巻線に励磁電流を流す。それによって、その昇圧トランスＴ１の二次側の出力巻線から交流電圧を出力する。スイッチング素子ＳＷ２は、インバータ１１の制御回路１５が出力するパルス状のスイッチング信号Ｓｐによってオン・オフ制御される。

このインバータ１２の出力電圧Ｖout２を放電部２０の負荷２０Ｂに印加する。この負荷２０Ｂは、図１における放電部１２０の放電電極１２１Ｂ及びそれと誘電体１２３を挟んで対向するカウンタ電極１２２に相当する。
このようにして、放電部２０の負荷２０Ａ及び２０Ｂによって、各放電電極とカウンタ電極との間にプラズマ放電を発生させる。負荷２０Ａ及び２０Ｂがそれぞれ複数本の放電電極からなる放電電極群を有していてもよい。

このプラズマ発生装置に使用するインバータ装置１０の各インバータ１１，１２の出力電圧Ｖout１及びＶout２は実効値電圧が数ｋＶ〜数十ｋＶと高い交流電圧で、かつ周波数も数ｋＨｚ以上と変化の速い電圧である。そのため、出力側でその電圧を検出してフィードバックによる位相制御を行うことは困難である。

しかし、このインバータ装置１０の各インバータ１１，１２は、同じ出力特性を有し、各スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２が、共通の制御回路１５から出力する同じスイッチング信号Ｓｐによってオン・オフ制御される。したがって、インバータ１１と１２は同期して動作するので、その出力電圧波形の形状及び振幅が略同じであり、位相が揃うため位相のずれ（時間ずれ）も生じない。それによって、図１によって説明したプラズマ発生装置と同じ効果が得られる。

さらに、スイッチング信号を発生する制御回路１５が一つになることによって、制御回路を複数持つ構成と比べて誤動作が起こりにくくなる。制御回路１５は、インバータ１２に設けてもよいし、インバータ１１，１２とは別に設けてもよい。
なお、図２では各インバータ１１，１２に対してそれぞれ入力電源１Ａ、１Ｂを示しているが、同一の入力電源から分岐して２つのインバータ１１，１２に同じ入力電圧を供給するようにしても問題ない。
この構成によるインバータ装置１０の二つのインバータ１１，１２を同期運転したとき、その各出力電圧Ｖout１とＶout２の時間ずれ量の実測値は３０nsec以下であった。

この場合の出力電圧Ｖout１とＶout２の間に発生する電位差の数値例を説明する。
各インバータ１１，１２の出力電圧Ｖout１，Ｖout２を、いずれも振幅Ｖｏで周波数ｆのＶｏ×sin（２πｆｔ）で表せる正弦波の電圧と仮定する。そして、周波数ｆが５０ｋＨｚで、二つの出力電圧の時間ずれ量Δｔが３０nsecの場合、その電位差の最大値ΔＶ（図１１にΔＶで示した位相０付近の電位差に相当する）は次式で求められる。
ΔＶ＝Ｖｏ・sin（２πｆΔｔ／２）×２
＝Ｖｏ・sin（２×π×５０×１０^３×３０×１０^−９／２）×２
≒Ｖｏ・sin（０．００９４２５／２）×２
＝Ｖｏ・sin（０．００４７１２５）×２
≒Ｖｏ×０．００４７１２×２≒Ｖｏ×０．００９４

出力電圧Ｖｐ−ｐは振幅Ｖｏ×２であり、Ｖｐ−ｐ＝２０ｋＶの場合、Ｖｏ＝１０ｋＶとなる。したがって、このときの電位差の最大値ΔＶは次のようになる。
ΔＶ≒１０×１０^３×０．００９４＝９４Ｖ
このように、出力電圧Ｖout１とＶout２の間に発生する電位差は９４V以下となり、隣接する放電電極間に僅かでも隙間があれば、空気を介して放電を発生するような恐れはない。

次に、この発明によるプラズマ発生装置の第２実施形態を図３によって説明する。図３はそのプラズマ発生装置の構成を示すブロック図であり、図２と対応する部分には同一の符号を付し、それらの説明は省略する。
このプラズマ発生装置は、インバータ装置１０′と放電部２０′とによって構成されている。インバータ装置１０′は３つのインバータ１１，１２，１３を備えており、放電部２０′は放電電極が異なる３箇所の負荷２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを有する。
このプラズマ発生装置は、図２に示した第１実施形態に対して、入力電源１Ｃとインバータ１３と負荷２０Ｃを追加した構成である。

インバータ１３は、昇圧トランスＴ３とスイッチング素子ＳＷ３を有するが制御回路は有していない。そして、このインバータ１３は、入力電源１Ｃから直流もしくは直流成分に脈流が重畳された電圧を入力し、その入力電圧をスイッチング素子ＳＷ３のオン・オフによってスイッチングして、昇圧トランスＴ３の一次側の励磁巻線に励磁電流を流す。それによって、その昇圧トランスＴ１の二次側の出力巻線から交流電圧を出力し、その出力電圧Ｖout３を放電部２０′の放電電極を含む負荷２０Ｃに印加し、プラズマ放電を発生させる。スイッチング素子ＳＷ３は、インバータ１１の制御回路１５が出力するパルス状のスイッチング信号Ｓｐによってオン・オフ制御される。

この第２実施形態では、制御回路１５がインバータ１１のみにあり、その共通の制御回路１５が出力する同じスイッチング信号Ｓｐによって、３つのインバータ１１，１２，１３の各スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３を同期してオン・オフ制御する。また、制御回路１５から各インバータ１１，１２，１３の各スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３までのスイッチング信号Ｓｐの経路長及びその経路のインダクタンスが等しくなるようにするのが望ましい。

それによって、各スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３のスイッチングのタイミングの差を一層小さくし、インバータ１１，１２，１３の出力電圧Ｖout１，Ｖout２，Ｖout３の間の電位差をさらに小さくすることができる。
また、スイッチング信号Ｓｐの経路長及びＧＮＤへの経路長を極力短くするように配置することによって、スイッチング信号Ｓｐへのノイズによるずれや誤動作を減らすことができる。高電圧出力により放電を発生させる装置では、高圧路及び放電部からの放射ノイズなどがシビアになりやすいため、スイッチング信号及びＧＮＤへの経路短縮は特に重要である。

なお、図３でも各インバータ１１，１２，１３に対してそれぞれ入力電源１Ａ，１Ｂ，１Ｃを示しているが、同一の入力電源から分岐して３つのインバータ１１，１２，１３に同じ入力電圧を供給するようにしても問題ない。
また、放電部２０′の負荷２０Ａ，２０Ｂ及び２０Ｃが、それぞれ複数本の放電電極からなる放電電極群を有していてもよい。

〔インバータ装置の第１実施形態〕
次に、この発明によるインバータ装置の具体的な実施形態を説明する。
図４は、この発明によるインバータ装置の第１実施形態の構成を示す回路図であり、図２に示したインバータ装置１０に相当するので、図２と対応する部分には同一の符号を付してある。

このインバータ装置１０は、２つのインバータ１１，１２と、それらに共通の制御回路１５から構成されている。そして、これらのインバータ１１，１２と制御回路１５には、いずれも入力端子１４ａ，１４ｂ間に供給される入力電圧Ｖinが印加される。その入力電圧Ｖinは、例えば商用電源からの交流を全波整流回路で整流し、コンデンサと抵抗等による平滑回路で平滑化した直流、もしくは直流成分に脈流が重畳された電圧である。
制御回路１５は、スイッチング信号Ｓｐとして、周波数が５０ｋＨｚ程度の矩形波状パルスを発生する発振回路を有する制御ＩＣである。
この制御回路１５がスイッチング信号Ｓｐをパルス幅変調（ＰＷＭ）制御して、１周期ＴにおけるＯＮ期間とＯＦＦ期間の比率（デューティ）を変えることにより、各インバータ１１，１２の出力電圧Ｖout１，Ｖout２を制御することも可能である。そのスイッチング信号Ｓｐの周波数及び周期を変更することもできる。

一方のインバータ１１は、励磁巻線Ｎｐ１と出力巻線Ｎｓ１を有する昇圧トランスＴ１と、ソース・ドレイン間がその励磁巻線Ｎｐ１と直列に接続されたＦＥＴ（電界効果トランジスタ）によるスイッチング素子ＳＷ１等からなる。
昇圧トランスＴ１の励磁巻線Ｎｐ１の一端は正側の入力端子１４ａに接続され、他端はスイッチング素子ＳＷ１のドレイン端子に接続される。そのスイッチング素子ＳＷ１のソース端子は、もう一つのスイッチング素子ＳＷ２のソース端子との接続点ｅから、制御回路１５内を通して負側の入力端子１４ｂに接続される。
スナバ回路を構成するダイオードＤ１とコンデンサＣ１の直列回路が、励磁巻線Ｎｐ１と並列に接続されている。

昇圧トランスＴ１の出力巻線Ｎｓ１の一端は、直流カット用のコンデンサＣａを介して出力端子１６ａに接続され、他端は出力端子１６ｂに接続される。直流カット用のコンデンサＣａは設けなくてもよい。
スイッチング素子ＳＷ１は、制御回路１５から出力されるスイッチング信号Ｓｐが、保護抵抗Ｒ１を介してゲート端子に印加されてオン・オフ制御される。
それによって入力電圧Ｖinをスイッチングして、昇圧トランスＴ１の一次側の励磁巻線Ｎｐ１に断続的に励磁電流を流す。その励磁電流が流れている期間に昇圧トランスＴ１にエネルギーを蓄積し、励磁電流がオフになった期間にそのエネルギーを出力巻線Ｎｓ１に吐き出して、交流高電圧の出力電圧Ｖout１を出力する。

昇圧トランスＴ１は、出力巻線Ｎｓ１のインダクタンスと二次側の浮遊容量及び出力端子１６ａ，１６ｂ間に接続される放電部の電極間における等価容量とによって共振し、出力電圧がその共振の鋭さ（Ｑ値）に比例する共振トランスである。そのため、励磁巻線Ｎｐ１と出力巻線Ｎｓ１との巻数比を極端に大きくしなくても、高い出力電圧を得ることができる。

他方のインバータ１２は、励磁巻線Ｎｐ２と出力巻線Ｎｓ２を有する昇圧トランスＴ２と、ソース・ドレイン間がその励磁巻線Ｎｐ２と直列に接続されたＦＥＴによるスイッチング素子ＳＷ２等からなる。
昇圧トランスＴ２の励磁巻線Ｎｐ２の一端は正側の入力端子１４ａに接続され、他端はスイッチング素子ＳＷ２のドレイン端子に接続される。そのスイッチング素子ＳＷ２のソース端子は、前述したスイッチング素子ＳＷ１のソース端子との接続点ｅから、制御回路１５内を通して負側の入力端子１４ｂに接続される。

スナバ回路を構成するダイオードＤ２とコンデンサＣ２の直列回路が、励磁巻線Ｎｐ２と並列に接続されている。
昇圧トランスＴ２の出力巻線Ｎｓ２の一端は、直流カット用のコンデンサＣｂを介して出力端子１６ｃに接続され、他端は出力端子１６ｄに接続される。直流カット用のコンデンサＣｂは設けなくてもよい。
出力端子１６ｂと１６ｄは共通に接続され、制御回路１５のアース端子及び負側の入力端子１４ｂに接続されている。

スイッチング素子ＳＷ２も、制御回路１５から出力されるスイッチング信号Ｓｐが、保護抵抗Ｒ２を介してゲート端子に印加されてオン・オフ制御される。
それによって入力電圧Ｖinをスイッチングして、昇圧トランスＴ２の一次側の励磁巻線Ｎｐ２に断続的に励磁電流を流す。その励磁電流が流れている期間に昇圧トランスＴ２にエネルギーを蓄積し、励磁電流がオフになった期間にそのエネルギーを出力巻線Ｎｓ２に吐き出して、交流高電圧の出力電圧Ｖout２を出力する。

昇圧トランスＴ２も、出力巻線Ｎｓ２のインダクタンスと二次側の浮遊容量及び出力端子１６ｃ，１６ｄ間に接続される放電部の電極間における等価容量とによって共振し、出力電圧がその共振の鋭さ（Ｑ値）に比例する共振トランスである。そのため、励磁巻線Ｎｐ１と出力巻線Ｎｓ１との巻数比を極端に大きくしなくても、高い出力電圧を得ることができる。

昇圧トランスＴ１とＴ２の特性及びスッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２の特性を揃えると共に、インバータ１１を構成する他の各部品とインバータ１２を構成する他の各部品も同じ特性を有するものを使用し、各配線の距離もなるべく同じになるように配置する。
それによって、インバータ１１とインバータ１２の出力特性が同じになるようにする。
また、図４中に点線の矢印で示す二つのループ、すなわち、制御回路１５のスイッチング信号出力端子から各スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２を通して接続点ｅから制御回路１５へ戻る二つのループを極力同一長にし、かつ短いループにするのが望ましい。
それによって、各スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２によるスイッチングの位相のずれを小さくすることができる。

このインバータ装置１０は、上述のように、二つのインバータ１１，１２が同じ出力特性を有し、その各インバータ１１，１２のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２が、共通の制御回路１５から出力する同じスイッチング信号Ｓｐによってオン・オフ制御される。
したがって、二つのインバータ１１，１２は同期して動作し、出力電圧Ｖout１とＶout２の波形の大きさ及び位相が殆ど一致する。そのため、その出力電圧Ｖout１とＶout２を出力端子１６ａ，１６ｂ及び出力端子１６ｃ，１６ｄからプラズマ放電を発生する放電部の異なる放電電極とカウンタ電極間に個別に印加した場合、その放電電極間に電位差が殆ど発生しない。したがって、図１及び図２によって説明した効果が得られる。

〔インバータ装置の第２実施形態〕
次に、この発明によるインバータ装置の第２実施形態を説明する。
図５はそのインバータ装置の構成を示す回路図であり、図４と対応する部分には同一の符号を付してある。このインバータ装置も図２に示したインバータ装置１０として使用できる。
この図５に示す第２実施形態のインバータ装置１０が図４に示した第１実施形態のインバータ装置１０と異なるのは、複数の各インバータ１１，１２の昇圧トランスＴ１，Ｔ２が、それぞれ同一の特性を持つ個別の複数のトランスによって構成されている点である。

昇圧トランスＴ１は、同一の特性を持つトランスＴ１１とＴ１２によって構成され、その各励磁巻線Ｎｐ１１とＮｐ１２が並列に接続され、スイッチング素子ＳＷ１のオン・オフによって同時に励磁される。トランスＴ１１，Ｔ１２の各出力巻線Ｎｓ１１とＮｓ１２は互いに直列に接続され、その一方の出力巻線Ｎｓ１１の非接続端をコンデンサＣａを介して出力端子１６ａに接続し、他方の出力巻線Ｎｓ１２の非接続端を出力端子１６ｂに接続している。
その各トランスＴ１１とＴ１２の各出力巻線Ｎｓ１１，Ｎｓ１２の出力電圧波形の時間軸が同期するのが望ましい。そのため、スイッチング素子ＳＷ１のドレイン端子から各励磁巻線Ｎｐ１１，Ｎｐ１２の一端までの接続経路の長さが同じになるようにするのが望ましい。

昇圧トランスＴ２は、同一の特性を持つトランスＴ２１とＴ２２によって構成され、その各励磁巻線Ｎｐ２１とＮｐ２２が並列に接続され、スイッチング素子ＳＷ２のオン・オフによって同時に励磁される。トランスＴ２１，Ｔ２２の各出力巻線Ｎｓ２１とＮｓ２２は互いに直列に接続され、その一方の出力巻線Ｎｓ２１の非接続端をコンデンサＣｂを介して出力端子１６ｃに接続し、他方の出力巻線Ｎｓ２２の非接続端を出力端子１６ｄに接続している。
その各トランスＴ１１とＴ１２の各出力巻線Ｎｓ２１，Ｎｓ２２の出力電圧波形の時間軸が同期するのが望ましい。そのため、スイッチング素子ＳＷ２のドレイン端子から各励磁巻線Ｎｐ２１，Ｎｐ２２の一端までの接続経路の長さが同じになるようにするのが望ましい。

このように各インバータ１１，１２において、昇圧トランスＴ１，Ｔ２を構成する複数のトランスＴ１１，Ｔ１２及びＴ２１，Ｔ２２の出力電圧をそれぞれ積み上げることによって、容易に高い出力電圧を実現することができる。すなわち、一つのトランスでは磁気飽和を起こすなどの問題によって達成のできなかった高出力を可能にし、出力電圧に対してのトランス１個あたりの電圧の低減、巻数比の減少、および励磁側のスイッチング素子にかかる電圧の低減などを図ることができる。それに伴って熱損失の低減などの効果も得られる。

この場合、同時に励磁して出力を積み上げる各トランスの特性を極力揃えることが求められる。この例では各インバータの昇圧トランスを、それぞれ同一の特性を有する２個のトランスで構成したが、それぞれ同一の特性を有する３個以上のトランスで構成してもよい。但し、それらのトランスはすべて同じ特性を有し、各昇圧トランスは同数のトランスで構成することが必要である。

また、昇圧トランスを構成する各トランスの励磁巻線を並列に接続し、各出力巻線を直列に接続することによって、最も高い出力電圧得ることができるが、これに限るものではない。各トランスの励磁巻線を直列に接続すれば、トランス１個あたりの励磁電圧を低くすることができ、出力巻線を並列に接続すれば、出力電流を増加することができる。
したがって、各トランスの励磁側及び出力巻線の接続も直列でも並列でもよいが、インバータ装置を構成する各インバータにおいて、全て同じ接続状態にすることが必要である。
さらに、インバータ装置１０を構成する図４又は図５に示すインバータ１１，１２のようなインバータの数を、図２に示した実施形態のように３つにしてもよいし、4つ以上にしてもよい。

〔プラズマ発生装置の放電部の構成例〕
ここで、プラズマ発生装置の放電部の具体的な構成例を説明する。図６は、この発明によるプラズマ発生装置の図２に示した第１実施形態を、放電部の構成を具体的に示した構成図である。
図６に示すプラズマ発生装置５の放電部２０は、複数本（図示の例では１４本）の放電電極２１と、それに対向するカウンタ電極２２と、その放電電極２１とカウンタ電極２２との間に介在する誘電体２３とによって構成されている。

放電電極２１は、この例では銅やアルミニウム等の導電性のよい金属線２１ａの周囲に、誘電体（絶縁体）２１ｂを被覆した丸棒状の７本ずつの放電電極２１によって、放電電極群２１Ａと２１Ｂを構成している。そして、各放電電極群２１Ａと２１Ｂの各放電電極２１が、平板状のカウンタ電極２２の対向面２２ａに平行な面内で、図６で左右方向に互いに隣接する電極同士の外周が接するように並んで、紙面に垂直な方向に延びて配列されている。各放電電極２１の直径（φ）は、例えば８ｍｍ程度である。
放電電極群２１Ａ内及び放電電極群２１Ｂ内の各放電電極２１の金属線２１ａは互いに導通するように接続されている。

カウンタ電極２２は、銅やアルミニウム等の導電性のよい金属による平板状の電極であり、放熱板も兼ねている。そのカウンタ電極２２の放電電極２１との対向面２２ａに、シリコン系シート等の誘電体２３を被着している。図６においては、分り易くするためにカウンタ電極２２と誘電体２３との間に隙間を設けているが、実際には接着等によって密着している。
放電電極２１と誘電体２３との間も間隔を拡げて示しているが、実際には、表面改質を施す印刷用紙等のシート材が一点鎖線の矢印Ｆで示すように通過できる程度の隙間があればよい。

このように構成した放電部２０の各放電電極群２１Ａ，２１Ｂとカウンタ電極２２との間に、インバータ装置１０の前述した各インバータ１１，１２によるそれぞれ実効値が６ＫＶ以上の出力電圧Ｖout１，Ｖout２を給電線１７〜１９によって個別に印加する。
インバータ装置１０の図４又は図５に示した出力端子１６ｂと１６ｄは共通接続されているので、共通の給電線１９によってカウンタ電極２２に接続し、そのカウンタ電極２２は接地される。
それによって、各放電電極２１とカウンタ電極２２との間の大気圧中で、大気圧プラズマ放電の一種である沿面放電もしくは無声放電、または沿面放電と無声放電の複合放電による誘電体バリア放電を発生させることができる。放電電極２１に印加する電圧は正負逆転しても、作用効果に差異はない。

このプラズマ発生装置５は、放電部２０の各放電電極群２１Ａ，２１Ｂに、インバータ装置１０の各インバータの出力電圧Ｖout１，Ｖout２を個別に印加するので、二つの放電電極群２１Ａ，２１Ｂの各放電電極２１をあわせた放電領域を大きくできる。しかし、インバータ装置１０の各インバータ毎の出力電圧を印加する放電電極の数は少なくなるため、各インバータの出力端子から各放電電極２１までの給電経路長の差が少なくなり、印加電圧の時間遅れが少なくなる。

また、インバータ装置１０を構成する各インバータの出力特性が同等で、かつ同期して動作するため、出力電圧Ｖout１とＶout２の波形が同等で位相が合っている。したがって、各放電電極群２１Ａ，２１Ｂに印加される電圧は常に同等であり、各放電電極２１とカウンタ電極２２間の電圧分布が略均等になる。すなわち、負荷である放電部２０全体として見たときの電圧のばらつきが抑えられ、放電電極間で放電が発生したり、プラズマ放電にむらが生じたりすることがなくなる。
放電電極の大きさや数に応じて放電電極群の数を増加し、その数に応じてインバータ装置を構成するインバータの数を増加すれば、さらに大きな放電領域を有する放電部にも対応することができる。

この放電部２０内を、シート材を一点鎖線の矢印Ｆで示すように搬送して通過させることによって、その表面が上述した誘電体バリア放電によって生成されるラジカルやイオンなどの活性種に触れて改質が進行する。それは、プラズマにより、空気中の成分やシート材自体に含まれている成分によって形成される種々の親水性官能基等の基が、シート材の表面に形成されて表面エネルギーが高くなることによって進行する。
この発明によるプラズマ発生装置の放電部の構成は上述した構成に限るものではなく、種々の変更が可能である。また、コロナ放電によってプラズマを発生する装置や、多少ガスが入った低圧雰囲気でプラズマ放電を発生する装置にも適用可能である。

〔シート材改質装置の実施形態〕
次に、この発明によるシート材改質装置の一実施形態を図７によって説明する。図７は、この発明の一実施形態であるスタンドアロン型のシート材改質装置の概略構成図である。
このシート材改質装置３は、一般にコピーや印刷等に用いられる普通紙やコート紙の他、ＯＨＰシートを含む樹脂フィルム、カード、ハガキ等の厚紙や封筒等のシート材の表面を改質処理するための装置である。その改質処理としては、シート材の表面の親水化、酸性度の向上、又は浸透性の向上等を行う処理をすることが可能である。

図７に示すシート材改質装置３は、その本体３０内に上述した改質を行う改質部として、図６で説明したプラズマ発生装置５と、シート材搬送装置３１とを備えている。
プラズマ発生装置５は前述したように、インバータ装置１０と放電部２０からなり、放電部２０は、それぞれ複数本の放電電極２１からなる放電電極群２０Ａ，２０Ｂとカウンタ電極２２及び誘電体２３とを有している。その誘電体２３は、カウンタ電極２２の放電電極群２０Ａ，２０Ｂと対向する表面に被着されている。

そして、インバータ装置１０のアース側の給電線１９が、接地されたカウンタ電極２２に接続され、高圧側の給電線１７，１８が各放電電極群２０Ａ，２０Ｂに個別に接続され、その各放電電極２１の金属線２１ａに接続されている。それによって、インバータ装置１０の各インバータによる十数ｋＶの交流の出力電圧Ｖout１，Ｖout２が、各放電電極群２０Ａ，２０Ｂの各放電電極２１とカウンタ電極２２との間に個別に印加され、誘電体バリア放電が発生する。

シート材搬送装置３１は、ポリイミド等の絶縁材からなる搬送ベルト３２と、その搬送ベルト３２を誘電体２３の略水平な表面に沿って移動するように張り渡す駆動ローラ３３、従動ローラ３４及びテンションローラ３５と、従動ローラ３４と対向するピンチローラ３６とを有している。
駆動ローラ３３は、図示していないモータによって回転駆動され、搬送ベルト３２を矢示Ｂ方向へ周回移動（回動）させる。搬送ベルト３２は、改質処理を予定するシート材の最大幅よりも大きな幅（図７の紙面に垂直な方向の寸法）を有している。

放電部２０の各放電電極２１は、同一形状のローラ状の放電電極２１が、搬送ベルト３２の駆動ローラ３３と従動ローラ３４との間に略水平に張り渡された部分の移動方向に沿って、並んで設けられており、搬送ベルト３２の幅方向に延びている。

本体３０の一方の側面には、本体３０内の改質部に向けてシート材Ｓを供給するシート材給送部４０が設けられ、他方の側面には、改質されたシート材を輩出して積載するシート材積載部５０が設けられている。また、本体３０の上部には、各種操作スイッチや表示器などを有する操作パネルが設けられているが、図示を省略している。
本体３０の下部にはキャスタ３７を備えており、このシート材改質装置３を容易に移動させて、画像形成装置などと共に使用できるようにしている。

このように構成したシート材改質装置３によれば、本体３０内の改質部において、プラズマ発生装置５が起動すると、インバータ装置１０によって、放電部２０の各放電電極２１とカウンタ電極２２との間に高電圧が印加される。それによって、各放電電極２１とカウンタ電極２２との間で誘電体バリア放電が発生し、カウンタ電極２２に向けてプラズマが形成される。この場合、誘電体２３の他に、各放電電極２１の絶縁体２１ｂと搬送ベルト３２も、各放電電極２１の金属線２１ａとカウンタ電極２２との間の誘電体を構成している。そのため、場合によっては、カウンタ電極２２の表面に被着した誘電体２３を省略することもできる。

そして、シート材給送部４０によって、トレイ４１上に積載されたシート材Ｓを一枚ずつ順次本体３０内の改質部へ送り込む。その送り込まれたシート材Ｓは、従動ローラ３４とピンチローラ３６に挟まれて搬送ベルト３２上へ搬入され、各放電電極２１と誘電体２３との間を搬送ベルト３２に載って図７で左方へ搬送される。
その搬送中に、シート材の表面が上述した誘電体バリア放電によるプラズマに触れて改質が進行する。それは、プラズマにより、空気中の成分やシート材自体に含まれている成分によって形成される種々の親水性官能基等の基が、シート材の表面に形成されて表面エネルギーが高くなることによってなされる。例えば、シート材の表面に撥水性を有する部分を含んでいる場合に、その部分が親水化されることによって改質が行われる。

放電部２０内にシート材Ｓが存在する領域では、沿面放電によるプラズマが、シート材Ｓの表面に沿うように発生するので、効果的に改質がなされる。
改質部による表面改質処理が完了したシート材は、本体３０から送出されてシート材積載部５０上に積載される。

放電電極２１が搬送ベルト３２の移動方向に沿って多数本配置されており、前述したようにその各放電電極２１とカウンタ電極２２間の電圧分布が略均等になる。また、各放電電極２１は金属線２１ａの周囲に絶縁体２１ｂを設けた丸棒状に形成されているので、放電の集中が避けられ、全体に均一性のある改質がなされる。
各放電電極２１をシート材の移動によって連れ回り可能に支持したり、上下動可能に支持して下方への押圧力を付与し、各放電電極２１が常時シート材の表面に接触するようにすれば、なお均一性を向上させ、エネルギーの損失も抑制することができる。

このように改質処理によって親水性を高めたシート材を、例えばインクジェット方式の画像形成装置の印刷シートに使用すれば、インク滴の付着性がよいので画像品質が向上し、インクの乾燥時間も短くなるので、加熱乾燥を行う必要がなくなる。また、自動両面印刷も迅速に行うことが可能になる。
あるいは、電子写真方式の画像形成装置によって画像を形成したシート材を、この改質処理によって親水性を高めてから、ニス等のコート剤を塗布する後処理を行えば、全面に均一にコート剤を塗布することができる。それによって、画像を形成したシート材の表面を保護したり、艶出しして付加価値を高めたりすることが容易になる。

以上、この発明の各実施形態について説明してきたが、その各実施形態の各部の具体的な構成や処理の内容等は、そこに記載したものに限るものではない。
また、この発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に記載された技術的特徴を有する以外は、何ら限定されるものではないことは言うまでもない。
さらに、以上説明してきた各実施形態の構成例、動作例及び変形例等は、適宜変更又は追加したり、一部を削除してもよく、相互に矛盾しない限り任意に組み合わせて実施することも可能であることは勿論である。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ：入力電源 ３：シート材改質装置 ５：プラズマ発生装置
１０，１０′：インバータ装置 １１〜１３：インバータ
１４ａ，１４ｂ：入力端子 １５：制御回路 １６ａ，１６ｂ，１６ｃ：出力端子
１７，１８，１９：給電線 ２０，２０′：放電部
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ：放電電極（負荷） ２１：放電電極
２１Ａ，２１Ｂ：放電電極群 ２１ａ：金属線 ２１ｂ：誘電体（絶縁体）
２２：カウンタ電極 ２２ａ：対向面 ２３：誘電体（絶縁体）
３０：シート材改質装置の本体 ３１：シート材搬送装置 ３２：搬送ベルト
３３：駆動ローラ ３４：従動ローラ ３５：テンションローラ
３６：ピンチローラ ４０：シート材給送部 ４１：トレイ
５０：シート材積載部

１００：高圧電源 １０１，１０２：インバータ装置
１２１，１２１Ａ，１２１Ｂ：放電電極 １２２：カウンタ電極
１２３：誘電体（絶縁体）
ＳＷ１，ＳＷ２：スイッチング素子 Ｔ１，Ｔ２：昇圧トランス
Ｔ１１，T１２，T２１,Ｔ２２：トランス Ｓ：シート材
Ｎｐ１，Ｎｐ２，Ｎｐ１１，Ｎｐ１２，Ｎｐ２１，Ｎｐ２２：励磁巻線
Ｎｓ１，Ｎｓ２，Ｎｓ１１，Ｎｓ１２，Ｎｓ２１，Ｎｓ２２：出力巻線
Ｖin：入力電圧 Ｖout：出力電圧 Ｓｐ：スイッチング信号

特開２０１１−５７４４２号公報 特開２０１２−１８６９８４号公報

Claims (7)

1. スイッチング素子のオン・オフによって入力電圧をスイッチングして、昇圧トランスの一次側の励磁巻線に励磁電流を流し、該昇圧トランスの二次側の出力巻線から交流電圧を出力するインバータを複数備え、
   該複数の各インバータが同じ出力特性を有し、該各インバータの前記スイッチング素子が、共通の制御回路から出力する同じスイッチング信号によってオン・オフ制御されることを特徴とするインバータ装置。
2. 前記複数の各インバータの昇圧トランスが、それぞれ同一の特性を持つ個別の複数のトランスによって構成され、前記各インバータごとの前記昇圧トランスを構成する複数のトランスの各励磁巻線がいずれも並列又は直列に接続されて同時に励磁されるようにし、該複数のトランスの各出力巻線がいずれも互いに並列又は直列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記各インバータごとの前記昇圧トランスを構成する複数のトランスの前記各出力巻線の出力電圧波形の時間軸が同期していることを特徴とする請求項２に記載のインバータ装置。
4. 前記制御回路から前記各インバータの前記スイッチング素子までの前記スイッチング信号の経路長及び該経路のインダクタンスが等しいことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のインバータ装置。
5. 前記各インバータの前記昇圧トランスは、出力電圧が共振の鋭さに比例する共振トランスであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のインバータ装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のインバータ装置と、該インバータ装置の前記各インバータからそれぞれ出力される同期した交流電圧が、個別に印加される複数の放電電極とカウンタ電極を有する放電部とを備え、前記放電電極とカウンタ電極との間でプラズマ放電を発生することを特徴とするプラズマ発生装置。
7. 請求項６に記載のプラズマ発生装置を備え、該プラズマ発生装置の前記放電電極とカウンタ電極との間を通してシート材を搬送し、前記プラズマ放電によって前記シート材を改質することを特徴とするシート材改質装置。

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