JP2017158277A - 高電圧発生回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】極性切替用のスイッチング素子を用いることなく、簡単な構成によって、正極性および負極性の高電圧を発生せしめる高電圧発生回路を実現する。また、可及的に消費電流の少ない高電圧発生回路を提供する。
【解決手段】高電圧発生回路１０は、交流電源１２、正極性高電圧生成回路１４および負極性高電圧生成回路１６を備え、交流電源１２と正極性高電圧生成回路１４との間、または交流電源１２と負極性高電圧生成回路１６との間に交流電源１２から供給される交流電圧の位相を変換する位相変換器１８が設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高電圧発生回路に関し、特に、イオナイザに用いられる高電圧発生回路に関する。
従来から、負荷に正負のパルス高電圧を印加するための高電圧電源が知られている（特許文献１参照）。この高電圧電源は、複数のスイッチング素子を備え、電圧値と周波数を可変として、除電器に使用する場合に除電ムラを解消するようにしている。
また、電極手段に印加される電圧の周波数と、正極性および負極性の電圧の大きさを個別に制御する除電装置が知られている（特許文献２参照）。この除電装置は、正極性の高電圧を電極手段に印加する際に形成される第１の給電経路を開閉する第１のスイッチと、負極性の高電圧を電極手段に印加する際に形成される第２の給電経路を開閉する第２のスイッチとを備えている。
特開平９−１７２７８７号公報 特開２０００−５８２９０号公報
上記各文献に記載されたものは、複数のスイッチング素子による正負の極性の切替えを必要とし、スイッチングノイズが発生することが避けられない。また、消費電流の大きさについて改善する余地があった。
本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、極性切替用のスイッチング素子を用いることなく、簡単な構成によって、正極性および負極性の高電圧を発生せしめる高電圧発生回路を実現することを目的とする。また、可及的に消費電流の少ない高電圧発生回路を提供することを目的とする。
本発明に係る高電圧発生回路は、負荷に正のパルス高電圧と負のパルス高電圧を交互に印加する高電圧発生回路であって、交流電源、正極性高電圧生成回路および負極性高電圧生成回路を備え、交流電源と正極性高電圧生成回路との間、または交流電源と負極性高電圧生成回路との間に交流電源から供給される交流電圧の位相を変換する位相変換器が設けられることを特徴とする。
上記の高電圧発生回路によれば、極性切替用のスイッチング素子を不要とし、簡単な構成によって正極性および負極性の高電圧を発生せしめる高電圧発生回路を実現できる。また、消費電流を可及的に少なくすることができる。
上記の高電圧発生回路において、位相変換器は、交流電源から供給される交流電圧の位相を反転させるものであると好適である。これによれば、正のパルス高電圧と負のパルス高電圧を効率的に交互に連続して印加することができる。
また、上記の高電圧発生回路において、正極性高電圧生成回路および負極性高電圧生成回路はいずれもトランスと倍電圧整流回路から構成されるのが好ましい。これによれば、正極性高電圧生成回路および負極性高電圧生成回路を簡単な構成とすることができる。
この場合、交流電源と正極性高電圧生成回路との間、および、交流電源と負極性高電圧生成回路との間に電圧レベルを調整可能なトランス駆動回路が設けられると好適である。これによれば、正極性高電圧生成回路の出力電圧と負極性高電圧生成回路の出力電圧を個別に制御することができる。
さらに、正極性高電圧生成回路の出力端子と負極性高電圧生成回路の出力端子との間には二つのインピーダンス素子が直列に接続され、これらのインピーダンス素子の相互接続端に負荷が接続されるのが好ましい。これによれば、負荷に流れる電流値を容易に制限できる。
さらにまた、負荷はイオナイザの放電電極であると好適である。これによれば、簡単な回路構成で放電電極から正極性のイオンと負極性のイオンを交互に出力することができる。
本発明に係る高電圧発生回路によれば、簡単な構成によって正極性および負極性の高電圧を発生せしめる高電圧発生回路を実現でき、スイッチングノイズを低減できる。また、消費電流を可及的に少なくすることができ、発熱量を抑えることができる。
本発明の第１実施形態に係る高電圧発生回路を示す回路図である。 図１の高電圧発生回路について、正極用トランスの一次側、負極用トランスの一次側および放電電極に印加される電圧の波形を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る高電圧発生回路を示す回路図である。 比較例に係る高電圧発生回路を示す回路図である。 図４の高電圧発生回路について、正極用トランスの一次側、負極用トランスの一次側および放電電極に印加される電圧の波形を示す図である。 図６Ａは、図１の高電圧発生回路について正極用トランスの一次側に印加される電圧と正極用トランスの一次側における消費電流を示す図であり、図６Ｂは、図４の高電圧発生回路について正極用トランスの一次側に印加される電圧と正極用トランスの一次側における消費電流を示す図である。 図６Ａの消費電流と図６Ｂの消費電流を重ねて比較した図である。
以下、本発明に係る高電圧発生回路について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。
第１実施形態に係る高電圧発生回路１０について、図１を参照しながら説明する。この高電圧発生回路１０は、放電電極３２（負荷）から正極性のイオンと負極性のイオンを出力するイオナイザに用いられる。高電圧発生回路１０は、図１に示すように、交流電源１２、正極性高電圧生成回路１４、負極性高電圧生成回路１６、位相変換器１８等を備える。
正極性高電圧生成回路１４は、正極用トランス２０と正極用倍電圧整流回路２２から構成される。正極用トランス２０の一次側は交流電源１２に接続され、正極用トランス２０の二次側は正極用倍電圧整流回路２２に接続される。正極用倍電圧整流回路２２は、複数のコンデンサおよびそれと同数のダイオードを組み合わせたもので、コッククロフト・ウォルトン回路と呼ばれる公知の回路である。本実施形態の正極用倍電圧整流回路２２は、４つのコンデンサと４つのダイオードを備えており、４倍圧の直流が得られる。
負極性高電圧生成回路１６は、負極用トランス２４と負極用倍電圧整流回路２６から構成される。負極用トランス２４の一次側は、交流電源１２と位相変換器１８を組み合わせたものに接続され、負極用トランス２４の二次側は負極用倍電圧整流回路２６に接続される。負極用倍電圧整流回路２６は、正極用倍電圧整流回路２２と同様に、複数のコンデンサおよびそれと同数のダイオードを組み合わせたものである。本実施形態の負極用倍電圧整流回路２６は、４つのコンデンサと４つのダイオードを備えている。
交流電源１２は、所定の電圧値と所定の周波数を有する交流電圧を供給する単相交流電源である。位相変換器１８は、交流電源１２から供給される交流電圧の位相を１８０度ずらして負極用トランス２４の一次側に印加するもので、交流電源１２の一方側端子と負極用トランス２４の一次側の一方側端子との間に設けられる。したがって、交流電源１２から供給される交流電圧は、位相変換器１８により位相が反転されたものとなって負極用トランス２４の一次側に印加される。
イオナイザは、正極性のイオンと負極性のイオンを交互に発生させるための放電電極３２を備えている。正極性高電圧生成回路１４の出力端子３４と負極性高電圧生成回路１６の出力端子３６との間には、電流値を制限する二つの抵抗素子（インピーダンス素子）２８、３０が直列に接続されている。放電電極３２は、抵抗素子２８と抵抗素子３０との接続点３８に接続されている。これにより、正極性高電圧生成回路１４の出力電圧と負極性高電圧生成回路１６の出力電圧との差圧が分圧されて放電電極３２に印加される。本実施形態では、二つの抵抗素子２８、３０の抵抗値は同一である。
第１実施形態に係る高電圧発生回路１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、以下、図２を参照しながら、その作用について説明する。
交流電源１２からの交流電圧は、そのまま正極用トランス２０の一次側に印加されるとともに、位相変換器１８により位相が反転されて負極用トランス２４の一次側に印加される。図２の上段および中段に、正極用トランス２０の一次側に印加される電圧の波形と負極用トランス２４の一次側に印加される電圧の波形を並べて示す。
正極用トランス２０の一次側に印加された交流電圧は、その二次側で変圧された後、正極用倍電圧整流回路２２によって正極性パルス高電圧となる。負極用トランス２４の一次側に印加された交流電圧は、その二次側で変圧された後、負極用倍電圧整流回路２６によって負極性パルス高電圧となる。
負極用トランス２４の一次側に印加される交流電圧の位相は、正極用トランス２０の一次側に印加される交流電圧の位相を反転した関係にあるため、正極性パルス高電圧と負極性パルス高電圧はちょうどタイミングがずれたものとなる。すなわち、正極性パルス高電圧と負極性パルス高電圧は、交互に連続して生成される。放電電極３２に印加されるパルス高電圧の波形を図２の下段に示す。
正極性パルス高電圧が発生したとき、放電電極３２から正極性のイオンが出力され、負極性パルス高電圧が発生したとき、放電電極３２から負極性のイオンが出力される。これらの正極性のイオンと負極性のイオンは、対象物体に吹き付けられて対象物体が除電される。
次に、第２実施形態に係る高電圧発生回路１５について、図３を参照しながら説明する。なお、上述した第１実施形態に係る高電圧発生回路１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
この高電圧発生回路１５では、交流電源１２と正極用トランス２０との間に可変電圧直流電源２１を備えた正極用トランス駆動回路２３が設けられている。交流電源１２から供給される交流電圧は、正極用トランス駆動回路２３により電圧レベルが調整された後に正極用トランス２０の一次側に印加される。
また、交流電源１２と負極用トランス２４との間に位相変換器１９と可変電圧直流電源２５を備えた負極用トランス駆動回路２７が設けられている。交流電源１２から供給される交流電圧は、位相変換器１９により位相が１８０度ずれ（位相が反転し）、さらに、負極用トランス駆動回路２７により電圧レベルが調整された後に負極用トランス２４の一次側に印加される。
第２実施形態に係る高電圧発生回路１５によれば、正極用トランス２０の一次側に印加される交流電圧の電圧レベルと負極用トランス２４の一次側に印加される交流電圧の電圧レベルを個別に制御することができる。したがって、正極性高電圧生成回路１４の出力電圧と負極性高電圧生成回路１６の出力電圧を個別に制御することができる。
図４に比較例に係る高電圧発生回路４０を示す。高電圧発生回路４０は、直流電源４２を備え、直流電源４２と正極性高電圧生成回路４４との間に第１の電子的スイッチ６２が設けられ、直流電源４２と負極性高電圧生成回路４６との間に第２の電子的スイッチ６４が設けられる。
正極性高電圧生成回路４４は、本発明の各実施形態と同様に、正極用トランス５０と正極用倍電圧整流回路５２から構成される。負極性高電圧生成回路４６も、本発明の各実施形態と同様に、負極用トランス５４と負極用倍電圧整流回路５６から構成される。正極性高電圧生成回路４４の出力端子と負極性高電圧生成回路４６の出力端子との間に二つの抵抗素子５８、６０が直列に接続され、放電電極４８が抵抗素子５８と抵抗素子６０との接続点に接続されることも、本発明の各実施形態と同様である。
第１の電子的スイッチ６２と第２の電子的スイッチ６４は交互に周期的にオンオフされる。その結果、正極用トランス５０の一次側と負極用トランス５４の一次側には、周期的に、かつ、交互にパルス電圧が印加される。図５の上段および中段に、正極用トランス５０の一次側に印加される電圧の波形と負極用トランス５４の一次側に印加される電圧の波形を並べて示す。また、放電電極４８に印加されるパルス高電圧の波形を図５の下段に示す。
以下、図６Ａ、図６Ｂおよび図７を参照しながら、第１実施形態に係る高電圧発生回路１０を比較例の高電圧発生回路４０と対比した場合の消費電流と発熱量の相違について説明する。なお、放電電極に印加されるパルス高電圧の大きさと波形は、第１実施形態と比較例とで基本的に同じである。また、以下においては、便宜上、第１実施形態を比較例と対比したものとして説明するが、第２実施形態を比較例と対比した場合も基本的に同じである。
図６Ａは、第１実施形態について、正極用トランスの一次側に印加される電圧と正極用トランスの一次側における消費電流を上下に並べたものである。図６Ｂは、比較例について、正極用トランスの一次側に印加される電圧と正極用トランスの一次側における消費電流を上下に並べたものである。これらの図では、縦軸および横軸の単位と目盛りを省略しているが、トランスの一次側に印加される電圧の振れ幅は、第１実施形態および比較例のいずれの場合も１０Ｖである。
比較例では、参照符号Ｃの領域に示されるように、消費電流が一方向に切り替わった際に瞬間的にピークを示す波形部分があり、また、参照符号Ｄの領域に示されるように、消費電流が他方向に切り替わった際に瞬間的にピークを示す波形部分がある。これに対して、第１実施形態では、そのような波形部分がなく（参照符号ＡおよびＢの領域）、ノイズが抑制されていることが分かる。比較例における消費電流の一方向側の最大値、すなわち参照符号Ｃの領域における消費電流の最大値は、第１実施形態における消費電流の一方向側の最大値、すなわち参照符号Ａの領域における消費電流の最大値よりも３００ｍＡ大きい。
第１実施形態と比較例における上記各消費電流を重ねて比較したものを図７に示す。実線は第１実施形態の消費電流であり、点線は比較例の消費電流である。トランスの一次側に印加される電圧が連続的に正弦波状に変化する第１実施形態は、トランスの一次側に印加される電圧がパルス状である比較例に比べて、消費電流の小さい時間が多い。消費電流を時間で積分した値、すなわち、消費電流の線図と時間軸との間で形成される面積についてみても、第１実施形態の方が小さく、トランスでの発熱量が小さいことが分かる。トランス近傍の温度を測定したところ、比較例では５５℃であったのに対して、第１実施形態では５２℃であった。
本発明の各実施形態に係る高電圧発生回路１０、１５によれば、簡単な構成によって正極性および負極性の高電圧を発生せしめる高電圧発生回路を実現でき、スイッチングノイズを低減できる。また、消費電流を可及的に少なくすることができ、発熱量を抑えることができる。
また、イオナイザの放電電極３２から正極性のイオンと負極性のイオンを交互に出力することができる。
さらに、本発明の第２実施形態に係る高電圧発生回路１５によれば、正極性高電圧生成回路１４の出力電圧と負極性高電圧生成回路１６の出力電圧を個別に制御することができる。
なお、交流電源１２から正極用トランス２０および負極用トランス２４に供給される交流電圧は、常に所定の電圧値と所定の周波数であるものに限らず、電圧値と周波数が可変とされるものであってもよい。
本発明に係る高電圧発生回路は、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することのない範囲で、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
１０、１５…高電圧発生回路 １２…交流電源
１４…正極性高電圧生成回路 １６…負極性高電圧生成回路
１８、１９…位相変換器 ２０…正極用トランス
２２…正極用倍電圧整流回路 ２３…正極用トランス駆動回路
２４…負極用トランス ２６…負極用倍電圧整流回路
２７…負極用トランス駆動回路
２８、３０…抵抗素子（インピーダンス素子）
３２…放電電極（負荷）

Claims (6)

  1. 負荷に正のパルス高電圧と負のパルス高電圧を交互に印加する高電圧発生回路であって、
    交流電源、正極性高電圧生成回路および負極性高電圧生成回路を備え、
    上記交流電源と上記正極性高電圧生成回路との間、または上記交流電源と上記負極性高電圧生成回路との間に上記交流電源から供給される交流電圧の位相を変換する位相変換器が設けられることを特徴とする高電圧発生回路。
  2. 請求項１記載の高電圧発生回路において、
    上記位相変換器は、上記交流電源から供給される交流電圧の位相を反転させるものである
    ことを特徴とする高電圧発生回路。
  3. 請求項１記載の高電圧発生回路において、
    上記正極性高電圧生成回路および上記負極性高電圧生成回路はいずれもトランスと倍電圧整流回路から構成される
    ことを特徴とする高電圧発生回路。
  4. 請求項３記載の高電圧発生回路において、
    上記交流電源と上記正極性高電圧生成回路との間、および、上記交流電源と上記負極性高電圧生成回路との間に電圧レベルを調整可能なトランス駆動回路が設けられる
    ことを特徴とする高電圧発生回路。
  5. 請求項１記載の高電圧発生回路において、
    上記正極性高電圧生成回路の出力端子と上記負極性高電圧生成回路の出力端子との間には二つのインピーダンス素子が直列に接続され、これらのインピーダンス素子の相互接続端に上記負荷が接続される
    ことを特徴とする高電圧発生回路。
  6. 請求項１記載の高電圧発生回路において、
    上記負荷はイオナイザの放電電極である
    ことを特徴とする高電圧発生回路。
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