JP4107049B2

JP4107049B2 - Ion generator

Info

Publication number: JP4107049B2
Application number: JP2002311015A
Authority: JP
Inventors: 孝典角田; 勝敏山本; 和雄清滝
Original assignee: NHV Corp
Current assignee: NHV Corp
Priority date: 2002-10-25
Filing date: 2002-10-25
Publication date: 2008-06-25
Anticipated expiration: 2022-10-25
Also published as: JP2004146660A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、軽負荷かつ高出力電圧の用途に好適な圧電トランスを備えるイオン発生器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高電圧発生用に、圧電トランスを用いる技術が注目されている。これまでの圧電トランスの主な用途は、液晶ディスプレイのバックライト光源として使用される冷陰極管の点灯用である。
【０００３】
このような用途に用いられる従来の圧電トランスの基本的な構造を図６に示す。この圧電トランス２は、ローゼン型と呼ばれるものであり、平面形状が矩形の圧電基板（例えば圧電セラミックス基板）４の上下の両主面に一対の入力電極６、８を、圧電基板４を挟んで相対向するように設け、当該圧電基板４の長さ方向であって入力電極６、８とは反対側の端面に出力電極１０を設け、両入力電極６、８間の圧電基板４はその厚さ方向に分極し（図中の矢印Ｐはその分極方向を示す。以下同じ）、入力電極６、８と出力電極１０間の圧電基板４はその長さ方向に分極した構造をしている。各入力電極６、８は、圧電基板４の一方の（即ち出力電極１０とは反対側の）端部から中央部にかけて形成されており、その長さＬ₂は、圧電基板４の長さＬ₁の約１／２である。
【０００４】
両入力電極６、８間に、当該圧電トランス２の共振周波数近傍の交流電圧を印加して励振すると、圧電基板４における電歪効果および圧電効果によって、出力電極１０に、より具体的には出力電極１０と入力電極８（または６）との間に、昇圧された交流電圧を得ることができる。なお、このような圧電トランス２は、圧電基板４の長さＬ₁を入力交流電圧の１／２波長にして１／２波長（λ／２）モードの共振振動モードを利用する場合と、当該長さＬ₁を入力交流電圧の１波長にして１波長（λ）モードの共振振動モードを利用する場合とがある。
【０００５】
これまで、上記のような基本的な構造を元にして、大パワーが得られるように、様々な改良案が提案されている。この改良は、例えば特許文献１にも提案されているように、基本的には、入力インピーダンスを小さくし、出力インピーダンスも小さくする改良である。なぜなら、従来の圧電トランスは、前述したように冷陰極管を点灯することを主目的として開発されており、このような用途では比較的大きい電力（例えば数Ｗ程度）の供給が使命となっていたからである。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−１８１３７１号公報（段落番号００１９、図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
圧電トランスの上記以外の用途として、高電圧を用いてイオン（例えば負イオン）を発生するイオン発生器に用いることが挙げられる。
【０００８】
図６に示す従来の圧電トランス２を用いたイオン発生器の一例を図７に示す。このイオン発生器は、上記のような圧電トランス２と、それの両入力電極６、８間に前述したような共振周波数近傍の交流電圧を印加する交流電源１２と、圧電トランス２の出力電極１０とグラウンドとの間にカップリングコンデンサ１４を介して接続された整流用のダイオード１６と、カップリングコンデンサ１４の出力部（換言すれば、当該コンデンサ１４とダイオード１６（この例ではそのアノード）との接続部）に接続されたイオン発生用の針状電極１８とを備えている。交流電源１２は、その出力交流電圧の周波数を圧電トランス２の共振周波数の変化に自動で追従させる機能は有していない。交流電源１２を安価にするためである。図２に示すイオン発生器においても同様である。なお、この明細書でグラウンドとは、当該イオン発生器の電気回路のアース部のことである。
【０００９】
圧電トランス２の出力電極１０から出力される出力電圧Ｖ₂は、カップリングコンデンサ１４を介してダイオード１６および針状電極１８に印加され、ダイオード１６で半波整流される。これによって、この例では負の直流高電圧が得られ、これが針状電極１８に印加される。これによって、針状電極１８から負イオン２０を発生させることができる。なお、カップリングコンデンサ１４は、圧電トランス２の出力部をダイオード１６で直接短絡させることによって大きな電流が流れるのを、インピーダンスを高めることによって抑制するためのものである。
【００１０】
このような用途の場合、出力電圧は高いけれども、その出力電力は概して大きくない。例えば、出力電圧Ｖ₂が５０００Ｖ（波高値）で負イオン２０を１０００万／ｃｃの濃度で毎秒１ｍ³発生させるとしても、その出力電力値Ｗ₂は、次式に示すように、８ｍＷ程度である。ｅは電子の電荷であり、１．６×１０^-19クーロンである。
【００１１】
【数１】

【００１２】
このように、イオン発生器で必要とされる圧電トランスの出力は、１０ｍＷ以下であり、大きくてもせいぜい２０〜３０ｍＷ以下である。これは、これまでの冷陰極管点灯用の出力（数Ｗ）に比べて、必要とされる出力が非常に（２〜３桁）小さい。反対に、圧電トランスに必要とされる出力電圧Ｖ₂は、５ｋＶ前後（例えば２〜７ｋＶ程度）と、これまでの冷陰極管点灯用の出力電圧（例えば１００Ｖ程度）に比べてかなり（１桁程度）大きい。
【００１３】
そこで、必要とする出力が小さいので、従来の圧電トランス２の内で小出力（１Ｗ出力）の圧電トランス２を用いて上記のようなイオン発生器を構成して動作させたところ、圧電トランス２の温度上昇が激しく、圧電トランス２は、自己発熱で自らの共振周波数を大きく変化させて、出力が低下してしまい、安定動作が不可能になった。実験の結果、耐熱の観点からは、実用的には出力が数Ｗクラスという大型の圧電トランス２を必要とすることが判明した。
【００１４】
しかし、せいぜい２０〜３０ｍＷ以下の出力を取り出すのに、出力が数Ｗクラスの圧電トランス２を用いなければならないのは、非常に効率が悪く、しかも圧電トランス２ひいてはイオン発生器の寸法も大きくなり、かつコストも嵩む。
【００１５】
なお、交流電源１２は、その出力交流電圧の周波数を圧電トランス２の共振周波数の変化に自動で追従させる機能は有していない。そのような機能を有するものを用いると、交流電源１２が非常に高価になる、という別の問題が発生する。また、正確な周波数制御は、実際上は難しい。
【００１６】
例えば２０〜３０ｍＷ以下という軽負荷で、例えば２〜７ｋＶ程度という高出力電圧の用途に好適な圧電トランスが必要である。そこでこの発明は、軽負荷かつ高出力電圧の用途に好適な圧電トランスを備えるイオン発生器を提供することを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、種々の検討を行った。その結果を以下に示す。
【００１８】
圧電トランスの簡略化した等価回路は、一般的に図８のように示される。つまり、一方の入力電極６と出力電極１０間にインダクタンスＬ、静電容量Ｃおよび抵抗Ｒが直列に形成され、両入力電極６、８間に入力側静電容量Ｃ₁が形成され、出力電極１０と他方の入力電極８間に出力側静電容量Ｃ₂が形成されている。両入力電極６、８間には交流電源１２が接続される。出力電極１０と入力電極８間には、負荷２２（その負荷インピーダンスはＲ_L）が接続される。
【００１９】
イオン発生器のような用途においては、負荷２２は前述したように非常に小さく（軽く）、即ち負荷インピーダンスＲ_Lは極めて大きく、出力がオープンのモデルで考えて良い。そうすると、前述した圧電トランス２の発熱の要因は、出力側静電容量Ｃ₂を通して圧電トランス２の内部を流れる内部環流電流Ｉ₀による抵抗Ｒでの電力損失（ジュール損。これは簡単に言えばＩ₀ ²Ｒで表される）であり、入力電力の殆どはこの電力損失（内部損失）になっている。
【００２０】
ところが、従来の圧電トランス２は、冷陰極管のように負荷インピーダンスＲ_Lが比較的小さい（例えば冷陰極管の点灯後で数十ｋΩ）負荷を対象に開発されており、そのために、圧電トランス２の出力インピーダンスＺ₂も比較的小さい（例えば１００ｋΩ程度）。圧電トランス２の出力インピーダンスＺ₂は、簡単に言えば、図８からも分かるように、出力側静電容量Ｃ₂によって決まり、Ｚ₂＝１／ωＣ₂で表される。ωは角周波数である。即ち従来の圧電トランス２は、この出力側静電容量Ｃ₂の値が大きい。また、前述したように、従来成されているのは、出力インピーダンスをより小さくする（即ち出力側静電容量Ｃ₂をより大きくする）改良である。
【００２１】
上記のように出力インピーダンスの小さい圧電トランス２を用いて、前述したように冷陰極管点灯用よりも少なくとも１桁程度は大きい出力電圧Ｖ₂を得るためには、内部環流電流Ｉ₀を大きくせざるを得ず（なぜなら、簡単に言えばＶ₂＝Ｉ₀・Ｚ₂で表される）、これが、圧電トランス２の内部における抵抗Ｒでの電力損失を大きくし、発熱を大きくしているということが分かった。
【００２２】
従って、例えばイオン発生器のような軽負荷かつ高出力電圧の用途に用いる圧電トランスにおいては、従来とは全く逆に、上記出力側静電容量Ｃ₂を小さくして圧電トランスの出力インピーダンスＺ₂を大きくすれば良く、そのためには、圧電トランスの入力電極の長さを小さくして、入力電極と出力電極との間の距離を大きくすれば良いことを見出した。この発明は、このような知見に基づいてなされたものである。
【００２３】
即ち、この発明に係るイオン発生器を構成する圧電トランスは、前記各入力電極の長さＬ₂を、前記圧電基板の長さＬ₁の２５％〜３４％にしている。
【００２４】
上記のように構成することによって、軽負荷かつ高出力電圧の用途に好適な圧電トランスを実現することができる。即ち、前述した等価回路における出力側静電容量Ｃ₂が小さくなり、出力インピーダンスＺ₂が大きくなるので、内部環流電流Ｉ₀を大きくしなくても、高い出力電圧Ｖ₂を得ることができる。その結果、圧電トランスにおける電力損失を小さくすることができるので、圧電トランスの温度上昇を小さくすることができる。その結果、圧電トランスの安定動作が可能になる。ひいては、圧電トランスの小型化を図ることができる等の様々な効果が得られる。
【００２５】
入力電極の長さＬ₂を上記のような範囲に限定したのは、３４％を超えると、従来の圧電トランスに近づき、出力側静電容量Ｃ₂をあまり小さくすることはできず、圧電トランスの温度上昇を抑える効果が小さくなるからである。２５％未満になると、圧電トランスへ入力電力を供給する効率が低下すること等によって、高い出力電圧Ｖ₂を得ることが困難になるからである。
【００２６】
この発明に係るイオン発生器は、上記のような構造をしており、かつ定格出力電力が５ｍＷ〜３０ｍＷの範囲内、定格出力電圧が２ｋＶ〜７ｋＶの範囲内、かつ出力インピーダンスが１ＭΩ以上の圧電トランスと、この圧電トランスの両入力電極間に交流電圧を印加する交流電源と、当該圧電トランスの出力電極とグラウンドとの間に接続された整流用のダイオードと、当該圧電トランスの出力電極に接続されたイオン発生用の針状電極とを備えることを特徴としている。
【００２７】
このイオン発生器によれば、圧電トランスに対する負荷インピーダンスは非常に大きく圧電トランスの負荷は軽負荷であるので、しかも高出力電圧を必要とするので、圧電トランスの上記のような作用効果をより顕著に発揮させることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係るイオン発生器を構成する圧電トランスの一例を示す斜視図である。図６に示した従来例と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては当該従来例との相違点を主に説明する。
【００２９】
この圧電トランス２ａにおいては、前記各入力電極６、８の長さＬ₂を、前記圧電基板４の長さＬ₁の２０％〜４０％にしている。即ち、圧電基板４の長さＬ₁に対する各入力電極６、８の長さＬ₂の割合（＝Ｌ₂／Ｌ₁×１００）を２０％以上４０％以下の範囲内にしている。両入力電極６、８は、前述したように、圧電基板４の一方の（即ち出力電極１０とは反対側の）端部から中央部の方向に形成されている。両入力電極６、８は、圧電基板４の幅方向（即ち、長さＬ₁と直交する方向）には、通常はこの例のように全体に形成されている。従って、この例では、各入力電極６、８の面積が、圧電基板４の一つの主面の面積の２０％〜４０％であると言うこともできる。上記割合が好ましい理由は、図３を参照して後で詳述する。
【００３０】
上記のように構成することによって、軽負荷かつ高出力電圧の用途に好適な圧電トランス２ａを実現することができる。即ち、入力電極６、８と出力電極１０との間の距離が大きくなって前述した等価回路（図８参照）における出力側静電容量Ｃ₂が小さくなり、出力インピーダンスＺ₂が大きくなる。例えば、長さＬ₂の割合を上記のような範囲にすることによって、１ＭΩ以上の出力インピーダンスＺ₂を実現することができる。これは従来例よりも１桁は大きい。その結果、内部環流電流Ｉ₀を大きくしなくても、高い出力電圧Ｖ₂を得ることができる。特に、軽負荷の用途においてはそうである。その結果、圧電トランス２ａにおける電力損失を小さくすることができるので、圧電トランス２ａの温度上昇を小さくすることができる。ひいては、圧電トランス２ａの小型化を図ることができる等の様々な効果が得られる。この効果については後で更に説明する。
【００３１】
この圧電トランス２ａの定格出力電力は、例えば５〜３０ｍＷの範囲内である。定格出力電圧Ｖ₂は、例えば２〜７ｋＶの範囲内である。
【００３２】
図２は、図１に示す圧電トランスを用いたイオン発生器の一例を示す回路図である。図７に示した従来例と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては当該従来例との相違点を主に説明する。
【００３３】
このイオン発生器では、従来例で用いていた出力側のカップリングコンデンサ１４を省略しており、上記圧電トランス２ａの出力電極１０に直接（即ちカップリングコンデンサ１４を介在させることなく）、前記ダイオード１６の一端（この例ではアノード）および針状電極１８を接続している。ダイオード１６の他端（この例ではカソード）はグラウンドに接続されている。なお、圧電トランス２ａの入力電極の一方（この例では入力電極８）および交流電源１２の一端もグラウンドに接続されている。従って、ダイオード１６の他端（この例ではカソード）は、この一方の入力電極８あるいは交流電源１２の一端に接続されていると言うこともできる。
【００３４】
このイオン発生器でカップリングコンデンサ１４を省略することができるのは、前述したように、圧電トランス２ａの出力インピーダンスＺ₂が高いからである。即ち、ダイオード１６は、圧電トランス２ａの出力電圧Ｖ₂を半サイクルごとに短絡することになる。そのようなことを、従来のように出力インピーダンスＺ₂の低い圧電トランス２で行うと、ダイオード１６に大きな電流が流れるので、ダイオード１６および圧電トランス２に容量の大きいものが必要であり、かつ消費電力も大きく、また圧電トランスの動作が不安定になりやすい。従来はこれを防止するために、出力部にカップリングコンデンサ１４を介在させて、このカップリングコンデンサ１４によってインピーダンスを高めていたのである。これに対して、上記圧電トランス２ａは、それ自身で出力インピーダンスＺ₂が高いので、カップリングコンデンサ１４を介在させなくても、上記のような問題発生を防止することができる。
【００３５】
図２のイオン発生器において、圧電基板４の長さＬ₁に対する各入力電極６、８の長さＬ₂の割合の異なる（即ち、当該割合が２５％、３４％および５０％の）圧電トランス２ａを用いたときの、圧電トランス２ａの表面の温度上昇ΔＴおよび出力電圧Ｖ₂を測定した結果を図３に示す。このとき、交流電源１２から入力電極６、８に供給する交流電圧の大きさは同一とした。
【００３６】
割合が５０％（即ちＬ₂／Ｌ₁＝１／２）というのは、従来の圧電トランス２と構造が同じであり、従来例である。このときの温度上昇ΔＴは、約４０℃と非常に大きい。出力電圧Ｖ₂は約２．３ｋＶである。
【００３７】
割合が３４％（即ちＬ₂／Ｌ₁≒１／３）のときは、温度上昇ΔＴは約５℃と非常に（従来例の１／１０程度に）小さく、しかも出力電圧Ｖ₂は約５．６ｋＶで従来例の２倍以上大きい。温度上昇ΔＴが小さいのは、圧電トランス２ａにおける電力損失（内部損失）が小さいことの表れである。
【００３８】
割合が２５％（即ちＬ₂／Ｌ₁＝１／４）のときは、温度上昇ΔＴは約３℃と非常に（従来例の１／１０程度に）小さく、しかも出力電圧Ｖ₂は約３．５ｋＶで従来例よりも明らかに大きい。
【００３９】
割合が２０％（即ちＬ₂／Ｌ₁＝１／５）のときの測定は行っていないけれども、グラフを延長することによって、図３中に破線で示すような結果が得られるものと推定される。また、割合が４０％の場合は、図３のグラフから、温度上昇ΔＴは従来例に比べて明らかに小さく、しかも従来例よりも明らかに大きい出力電圧Ｖ₂が得られることが分かる。
【００４０】
上記から分かるように、入力電極６、８の長さＬ₂の割合が２０％〜４０％の範囲内では、圧電トランス２ａの温度上昇ΔＴは従来例に比べて明らかに小さく、しかも従来例と同程度以上の出力電圧Ｖ₂が得られる。従って、圧電基板４の長さＬ₁に対する各入力電極６、８の長さＬ₂の割合は、２０％〜４０％の範囲内が好ましい。特に、上記割合が２５％〜３４％の場合は、温度上昇ΔＴが従来例に比べて非常に小さく、しかも従来例よりも明らかに大きい出力電圧Ｖ₂が得られる。従って、上記割合は、２５％〜３４％の範囲内がより好ましい。
【００４１】
上記圧電トランス２ａの効果の詳細を列挙すると次のとおりである。
【００４２】
（１）この圧電トランス２ａは、その内部における電力損失を小さくすることができ、当該圧電トランス２ａの温度上昇を従来例に比べて明らかに小さくすることができる。その結果、圧電トランス２ａの安定動作が可能になる。従って、従来のように耐熱のためにわざわざ大型の圧電トランスを用いなくて済む。即ち、小型のものでも安定動作が可能になるので、圧電トランス２ａの小型化を図ることができる。これは省スペースにつながり、ひいてはこのような圧電トランス２ａを用いた機器（例えば図２に示すイオン発生器）の小型化を図ることが可能になる。
【００４３】
（２）この圧電トランス２ａは、上記のようにそれ自身で出力インピーダンスＺ₂が高いので、出力側のインピーダンスを高めるために従来必要としていたカップリングコンデンサを省略することができる。これは図２の所で詳述したとおりである。
【００４４】
（３）従来の圧電トランス２も上記圧電トランス２ａも、１波長モードの振動モードを利用する場合に比べて、１／２波長モードの振動モードを利用する方が、圧電トランスの長さが半分になり小型化することができるという利点がある。しかし、１／２波長モードの場合は、図４ＢおよびＣに示すように、圧電基板４の長さ方向の中央に、振動の節部３２すなわち振動応力の最大部が位置することになる。
【００４５】
一方、この種の圧電トランス２、２ａでは、圧電基板４の分極時に生じて内在する分極応力の最大部３０は、前述したような分極方向Ｐの境界部、即ち入力電極６、８の出力電極１０側の端部に生じる。
【００４６】
従来の圧電トランス２では、入力電極６、８の長さＬ₂が圧電基板４の長さＬ₁の約１／２であるので、図６中に矢印で示すように、上記分極応力の最大部３０と振動応力の最大部３２とが一致または近接する関係にあり、これによって応力集中が生じて圧電トランス２（より具体的にはその圧電基板４）が中央部で破損しやすいという大きな課題がある。
【００４７】
これに対して、上記圧電トランス２ａでは、入力電極６、８の長さＬ₂を圧電基板４の長さＬ₁の２０％〜４０％にしているので、図４に示すように、分極応力の最大部３０と振動応力の最大部３２とを完全に分離することができる。即ち、両者３０、３２の位置を完全にずらすことができる。その結果、応力集中を避けることができるので、圧電トランス２ａ（より具体的にはその圧電基板４）が破損しにくくなり、機械的強度の高い圧電トランス２ａを実現することができる。
【００４８】
（４）この圧電トランス２ａは、上記のように出力インピーダンスＺ₂が高いので、高電圧出力時の人に対する安全性が高い。なぜなら、仮に出力電極１０やそれに接続された針状電極１８等の出力部に人が触れると、圧電トランス２ａの共振周波数が大きく変化して出力電圧Ｖ₂が急減に低下すると共に、出力電圧Ｖ₂は高い出力インピーダンスＺ₂とそれよりもかなり低い人体のインピーダンスとで分圧される形になるため、一瞬にして出力電圧Ｖ₂は人体に安全な領域（例えば数Ｖ程度）まで急激に低下するからである。
【００４９】
上記圧電トランス２ａは、上記（１）〜（４）に挙げた効果を奏するので、例えば図２に示したような、軽負荷でしかも高出力電圧を必要とするイオン発生器に用いるのが特に好適であり、そのようなイオン発生器に用いると上記効果をより顕著に発揮することができる。
【００５０】
なお、圧電トランス２ａの出力電極１０は、圧電基板４の端面ではなく、例えば図５に示す例のように、圧電基板４の主面の端部付近に設けても良い。そのようにすると、出力電極１０をそれと同一面に設ける入力電極６（または８）と同時に形成することができるので、出力電極１０の形成が容易になる。
【００５１】
また、図２のようなイオン発生器において、正イオンを発生させる場合は、ダイオード１６の向きを図示とは逆にすれば良い。
【００５２】
【発明の効果】
この発明によれば、次のような効果を奏する。
【００５７】
圧電トランスを用いたイオン発生器においては、圧電トランスに対する負荷インピーダンスは非常に大きく圧電トランスの負荷は軽負荷であり、しかも高出力電圧を必要とする。これに対して、この発明に係るイオン発生器を構成する圧電トランスによれば、その各入力電極の長さの割合を上記範囲にすることによって、１ＭΩ以上の出力インピーダンスを実現することができる。これは従来例よりも１桁は大きい。その結果、内部環流電流を大きくしなくても、高い出力電圧を、具体的には２ｋＶ〜７ｋＶの定格出力電圧を得ることができる。つまり、５ｍＷ〜３０ｍＷという小さな定格出力電力のもので、上記のような高い定格出力電圧を実現することができる。その結果、圧電トランスの内部における電力損失を小さくして、圧電トランスの温度上昇を小さくすることができるので、小型の圧電トランスでも安定動作が可能になる。その結果、圧電トランスの小型化を図ることができ、ひいてはそのような圧電トランスを備えるイオン発生器の小型化を図ることができる。
しかもこの発明に係るイオン発生器は、それを構成する圧電トランスの出力インピーダンスが１ＭΩ以上であり非常に高いので、高電圧出力時の人に対する安全性が高い。なぜなら、仮に針状電極等の出力部に人が触れると、圧電トランスの共振周波数が大きく変化して出力電圧が急減に低下すると共に、出力電圧は高い出力インピーダンスとそれよりもかなり低い人体のインピーダンスとで分圧される形になるため、一瞬にして出力電圧は人体に安全な領域まで急激に低下するからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るイオン発生器を構成する圧電トランスの一例を示す斜視図である。
【図２】図１に示す圧電トランスを用いたイオン発生器の一例を示す回路図である。
【図３】入力電極の長さの割合に対する圧電トランスの表面の温度上昇および出力電圧を測定した結果の一例を示す図である。
【図４】この発明に係るイオン発生器を構成する圧電トランスを１／２波長モードで励振する場合の例を示す図であり、（Ａ）は圧電トランスの断面図、（Ｂ）は変位分布図、（Ｃ）は振動応力分布図である。
【図５】この発明に係るイオン発生器を構成する圧電トランスの他の例を示す斜視図である。
【図６】従来の圧電トランスの一例を示す斜視図である。
【図７】図６に示す従来の圧電トランスを用いたイオン発生器の一例を示す回路図である。
【図８】圧電トランスの簡略化した等価回路図である。
【符号の説明】
２ａ圧電トランス
４圧電基板
６、８入力電極
１０出力電極
１２交流電源
１６ダイオード
１８針状電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
This invention relates to an ion generator comprising a suitable piezoelectric transformer on the application of the light load and high output voltage.
[0002]
[Prior art]
A technique using a piezoelectric transformer is drawing attention for generating a high voltage. The main use of the piezoelectric transformer so far is for lighting a cold cathode tube used as a backlight light source of a liquid crystal display.
[0003]
FIG. 6 shows a basic structure of a conventional piezoelectric transformer used for such an application. The piezoelectric transformer 2 is a so-called Rosen type, and a pair of

input electrodes

6 and 8 are sandwiched between the upper and lower main surfaces of a piezoelectric substrate (for example, a piezoelectric ceramic substrate) 4 having a rectangular planar shape with the piezoelectric substrate 4 interposed therebetween. An output electrode 10 is provided on the end face of the piezoelectric substrate 4 in the length direction opposite to the

input electrodes

6 and 8, and the piezoelectric substrate 4 between the

input electrodes

6 and 8 has a thickness. The piezoelectric substrate 4 between the

input electrodes

6 and 8 and the output electrode 10 has a structure polarized in the length direction (the arrow P in the figure indicates the polarization direction. The same applies hereinafter). Each

input electrode

6, 8 is formed from one end of the piezoelectric substrate 4 (that is, opposite to the output electrode 10) to the center, and its length L ₂ is the length L of the piezoelectric substrate 4. It is about 1/2 of ₁ .
[0004]
When an alternating voltage in the vicinity of the resonance frequency of the piezoelectric transformer 2 is applied between the

input electrodes

6 and 8 and excited, the output to the output electrode 10 more specifically due to the electrostrictive effect and the piezoelectric effect in the piezoelectric substrate 4. A boosted AC voltage can be obtained between the electrode 10 and the input electrode 8 (or 6). Note that such a piezoelectric transformer 2 uses the resonant vibration mode of the 1/2 wavelength (λ / 2) mode by setting the length L ₁ of the piezoelectric substrate 4 to ½ wavelength of the input AC voltage, In some cases, the length L _{1 is set} to one wavelength of the input AC voltage, and a resonant vibration mode of one wavelength (λ) mode is used.
[0005]
Until now, various improvement proposals have been proposed so as to obtain a large power based on the basic structure as described above. This improvement is basically an improvement in which the input impedance is reduced and the output impedance is also reduced, as proposed in Patent Document 1, for example. This is because conventional piezoelectric transformers have been developed mainly for lighting a cold cathode tube as described above, and in such applications, the mission was to supply a relatively large amount of power (for example, about several watts). It is.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-9-181371 (paragraph number 0019, FIG. 1)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Other uses of the piezoelectric transformer include use in an ion generator that generates ions (for example, negative ions) using a high voltage.
[0008]
An example of an ion generator using the conventional piezoelectric transformer 2 shown in FIG. 6 is shown in FIG. This ion generator includes the piezoelectric transformer 2 as described above, an AC power supply 12 for applying an AC voltage in the vicinity of the resonance frequency between the

input electrodes

6 and 8 thereof, and an output electrode 10 of the piezoelectric transformer 2. And a rectifying diode 16 connected via a coupling capacitor 14 to the ground and an output portion of the coupling capacitor 14 (in other words, the capacitor 14 and the diode 16 (the anode in this example)) A needle-like electrode 18 for generating ions connected to the connection portion). The AC power supply 12 does not have a function of automatically following the change in the resonance frequency of the piezoelectric transformer 2 with the frequency of the output AC voltage. This is to make the AC power supply 12 inexpensive. The same applies to the ion generator shown in FIG. In this specification, the ground refers to a ground part of the electric circuit of the ion generator.
[0009]
The output voltage V ₂ output from the output electrode 10 of the piezoelectric transformer 2 is applied to the diode 16 and the needle electrode 18 via the coupling capacitor 14 and is half-wave rectified by the diode 16. Thereby, in this example, a negative DC high voltage is obtained and applied to the needle electrode 18. Thus, negative ions 20 can be generated from the needle-like electrode 18. The coupling capacitor 14 is provided to suppress a large current flowing by directly short-circuiting the output portion of the piezoelectric transformer 2 with the diode 16 by increasing the impedance.
[0010]
For such applications, although the output voltage is high, its output power is generally not large. For example, even if the output voltage V ₂ is 5000 V (peak value) and negative ions 20 are generated at a concentration of 10 million / cc at 1 m ³ per second, the output power value W ₂ is about 8 mW as shown in the following equation. is there. e is the charge of the electrons and is 1.6 × 10 ⁻¹⁹ coulomb.
[0011]
[Expression 1]

[0012]
Thus, the output of the piezoelectric transformer required for the ion generator is 10 mW or less, and at most 20 to 30 mW or less. This means that the required output is very small (2 to 3 digits) compared to the conventional output for cold cathode tube lighting (several W). On the contrary, the output voltage V ₂ required for the piezoelectric transformer is about 5 kV (for example, about ₂ to 7 kV), which is considerably (one digit) compared with the output voltage for cold cathode tube lighting (for example, about 100 V). Degree) Big.
[0013]
Therefore, since the required output is small, when the ion generator as described above is configured and operated using the piezoelectric transformer 2 having a small output (1 W output) in the conventional piezoelectric transformer 2, the piezoelectric transformer 2 is operated. The temperature of the piezoelectric transformer 2 was so severe that the piezoelectric transformer 2 changed its resonance frequency greatly by self-heating, resulting in a decrease in output, which made stable operation impossible. As a result of experiments, it has been found that, from the viewpoint of heat resistance, a large piezoelectric transformer 2 having an output of several W class is practically required.
[0014]
However, in order to take out an output of 20 to 30 mW or less at most, it is very inefficient to use the piezoelectric transformer 2 having an output of several W class, and the dimensions of the piezoelectric transformer 2 and the ion generator are also increased. In addition, the cost increases.
[0015]
The AC power supply 12 does not have a function of automatically following the change in the resonance frequency of the piezoelectric transformer 2 with the frequency of the output AC voltage. When a device having such a function is used, another problem that the AC power supply 12 becomes very expensive occurs. In addition, accurate frequency control is practically difficult.
[0016]
For example, there is a need for a piezoelectric transformer suitable for use with a light load of 20 to 30 mW or less and a high output voltage of about 2 to 7 kV. Therefore the present invention is directed to purpose to provide an ion generator comprising a suitable piezoelectric transformer applications light loads and high output voltages.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, various studies were conducted. The results are shown below.
[0018]
A simplified equivalent circuit of a piezoelectric transformer is generally shown as in FIG. That is, an inductance L, a capacitance C, and a resistance R are formed in series between one input electrode 6 and the output electrode 10, and an input side capacitance C ₁ is formed between both the

input electrodes

6, 8. An output side capacitance C ₂ is formed between 10 and the other input electrode 8. An AC power supply 12 is connected between the

input electrodes

6 and 8. A load 22 (its load impedance is R _L ) is connected between the output electrode 10 and the input electrode 8.
[0019]
In an application such as an ion generator, the load 22 is very small (light) as described above, that is, the load impedance R _L is extremely large, and an open output model may be considered. Then, the cause of the heat generation of the piezoelectric transformer 2 described above is a power loss (Joule loss. Joule loss due to the internal circulating current I ₀ flowing inside the piezoelectric transformer 2 through the output side capacitance C ₂ . I ₀ ² R), and most of the input power is the power loss (internal loss).
[0020]
However, the conventional piezoelectric transformer 2 has been developed for a load having a relatively small load impedance R _L (for example, several tens of kΩ after the cold cathode tube is lit), such as a cold cathode tube. 2 of the output impedance Z ₂ is relatively small (for example, about 100 k.OMEGA). Output impedance Z ₂ of the piezoelectric transformer 2, Briefly, as can be seen from FIG. 8, determined by the output-side capacitance C _2, represented by Z ₂ = 1 / .omega.C _2. ω is an angular frequency. That is, the conventional piezoelectric transformer 2 has a large output side capacitance C ₂ . Further, as described above, what has been conventionally achieved is an improvement in which the output impedance is made smaller (that is, the output-side capacitance C ₂ is made larger).
[0021]
In order to obtain an output voltage V ₂ that is at least an order of magnitude higher than that for the cold-cathode tube lighting as described above using the piezoelectric transformer 2 having a low output impedance as described above, the internal reflux current I ₀ must be increased. Inevitably (because it is simply expressed as V ₂ = I ₀ · Z ₂ ), this increases the power loss at the resistor R inside the piezoelectric transformer 2 and increases the heat generation. I understood that.
[0022]
Thus, for example, in the piezoelectric transformer used in applications of light loads and high output voltages such as ion generators, quite contrary to the prior art, the output impedance of the piezoelectric transformer to reduce the output-side capacitance C ₂ Z ₂ It has been found that the length of the input electrode of the piezoelectric transformer can be reduced and the distance between the input electrode and the output electrode can be increased. The present invention has been made based on such knowledge.
[0023]
That is, the piezoelectric transformer constituting the ion generator according to the present invention, the length L ₂ of the respective input electrodes, it is 25% to 34% of said piezoelectric substrate length L _1.
[0024]
By configuring as described above, a piezoelectric transformer suitable for light load and high output voltage applications can be realized. That is, since the output side capacitance C ₂ in the above-described equivalent circuit is reduced and the output impedance Z ₂ is increased, a high output voltage V ₂ can be obtained without increasing the internal circulating current I ₀ . As a result, power loss in the piezoelectric transformer can be reduced, so that the temperature rise of the piezoelectric transformer can be reduced. As a result, stable operation of the piezoelectric transformer becomes possible. As a result, various effects such as reduction in size of the piezoelectric transformer can be obtained.
[0025]
The reason why the length L ₂ of the input electrode is limited to the above range is that if it exceeds 34 %, it approaches a conventional piezoelectric transformer, and the output-side capacitance C ₂ cannot be reduced so much. This is because the effect of suppressing the temperature rise is reduced. If less than 25%, such as by efficient supplying input power to the piezoelectric transformer is reduced, Ru der because it is difficult to obtain a high output voltage V _2.
[0026]
The ion generator according to the present invention has a structure as described above , and has a rated output power in the range of 5 mW to 30 mW, a rated output voltage in the range of 2 kV to 7 kV, and an output impedance of 1 MΩ or more. A transformer, an AC power supply for applying an AC voltage between both input electrodes of the piezoelectric transformer, a rectifying diode connected between the output electrode of the piezoelectric transformer and the ground, and an output electrode of the piezoelectric transformer it you are characterized and a acicular electrode for ion generation.
[0027]
According to this ion generator, since the load impedance to the piezoelectric transformer is very large and the load of the piezoelectric transformer is light, and a high output voltage is required, the above-described effects of the piezoelectric transformer are more remarkable. Can be demonstrated.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a perspective view showing an example of a piezoelectric transformer constituting an ion generator according to the present invention. Portions that are the same as or correspond to those in the conventional example shown in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals, and differences from the conventional example will be mainly described below.
[0029]
In this piezoelectric transformer 2a is the length L ₂ of the

respective input electrodes

6 and 8, and 20% to 40% of the length L ₁ of the piezoelectric substrate 4. That is, the ratio of the length L ₂ of each

input electrode

6, 8 to the length L ₁ of the piezoelectric substrate 4 (= L ₂ / L ₁ × 100) is in the range of 20% to 40%. As described above, both the

input electrodes

6 and 8 are formed in the direction from one end of the piezoelectric substrate 4 (that is, opposite to the output electrode 10) to the center. Both the

input electrodes

6 and 8 are generally formed entirely in the width direction of the piezoelectric substrate 4 (that is, the direction orthogonal to the length L ₁ ) as in this example. Therefore, in this example, it can be said that the area of each

input electrode

6, 8 is 20% to 40% of the area of one main surface of the piezoelectric substrate 4. The reason why the above ratio is preferable will be described later in detail with reference to FIG.
[0030]
By configuring as described above, the piezoelectric transformer 2a suitable for light load and high output voltage applications can be realized. That is, the distance between the

input electrodes

6 and 8 and the output electrode 10 increases, the output-side capacitance C ₂ in the above-described equivalent circuit (see FIG. 8) decreases, and the output impedance Z ₂ increases. For example, by setting the ratio of the length L _{2 in} the above range, an output impedance Z ₂ of 1 MΩ or more can be realized. This is an order of magnitude larger than the conventional example. As a result, a high output voltage V ₂ can be obtained without increasing the internal reflux current I ₀ . This is especially true for light load applications. As a result, since the power loss in the piezoelectric transformer 2a can be reduced, the temperature rise of the piezoelectric transformer 2a can be reduced. As a result, various effects such as reduction in size of the piezoelectric transformer 2a can be obtained. This effect will be further described later.
[0031]
The rated output power of the piezoelectric transformer 2a is, for example, in the range of 5 to 30 mW. The rated output voltage V ₂ is in the range of ₂ to 7 kV, for example.
[0032]
FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of an ion generator using the piezoelectric transformer shown in FIG. Portions that are the same as or correspond to those in the conventional example shown in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals, and differences from the conventional example will be mainly described below.
[0033]
In this ion generator, the output-side coupling capacitor 14 used in the conventional example is omitted, and the diode is directly connected to the output electrode 10 of the piezoelectric transformer 2a (that is, without interposing the coupling capacitor 14). One end of 16 (an anode in this example) and the needle electrode 18 are connected. The other end (the cathode in this example) of the diode 16 is connected to the ground. One of the input electrodes of the piezoelectric transformer 2a (in this example, the input electrode 8) and one end of the AC power source 12 are also connected to the ground. Therefore, it can be said that the other end (the cathode in this example) of the diode 16 is connected to one input electrode 8 or one end of the AC power supply 12.
[0034]
The can be omitted a coupling capacitor 14 in this ion generator, as described above, since the output impedance Z ₂ of the piezoelectric transformer 2a is high. That is, the diode 16 will short-circuit the output voltage V ₂ of the piezoelectric transformer 2a for each half cycle. If such a thing is performed with the piezoelectric transformer 2 having a low output impedance Z ₂ as in the prior art, a large current flows through the diode 16, so that the diode 16 and the piezoelectric transformer 2 must have large capacity and are consumed. Electric power is large, and the operation of the piezoelectric transformer tends to become unstable. Conventionally, in order to prevent this, the coupling capacitor 14 is interposed in the output portion, and the impedance is increased by the coupling capacitor 14. In contrast, the piezoelectric transformer 2a, it because of the high output impedance Z ₂ themselves, even without interposing a coupling capacitor 14, it is possible to prevent problem occurrence as described above.
[0035]
In the ion generator of FIG. 2, piezoelectric transformers having different ratios of the length L ₂ of the

input electrodes

6 and 8 to the length L ₁ of the piezoelectric substrate 4 (that is, the ratios are 25%, 34%, and 50%). FIG. 3 shows the measurement results of the temperature rise ΔT and the output voltage V ₂ on the surface of the piezoelectric transformer 2a when 2a is used. At this time, the AC voltage supplied from the AC power source 12 to the

input electrodes

6 and 8 was the same.
[0036]
The ratio of 50% (ie L ₂ / L ₁ = 1/2) is the same as that of the conventional piezoelectric transformer 2 and is a conventional example. The temperature rise ΔT at this time is as large as about 40 ° C. The output voltage V ₂ is about 2.3 kV.
[0037]
When the ratio is 34% (that is, L ₂ / L ₁ ≈1 / 3), the temperature rise ΔT is very small (about 1/10 of the conventional example), and the output voltage V ₂ is about 5%. .6 kV is more than twice as large as the conventional example. The small temperature rise ΔT is an indication that the power loss (internal loss) in the piezoelectric transformer 2a is small.
[0038]
When the ratio is 25% (that is, L ₂ / L ₁ = 1/4), the temperature rise ΔT is very small (about 1/10 of the conventional example), and the output voltage V ₂ is about 3%. .5 kV, which is clearly larger than the conventional example.
[0039]
Although the measurement is not performed when the ratio is 20% (that is, L ₂ / L ₁ = 1/5), it is estimated that the result shown by the broken line in FIG. 3 can be obtained by extending the graph. The In addition, when the ratio is 40%, it can be seen from the graph of FIG. 3 that the temperature rise ΔT is clearly smaller than that of the conventional example, and an output voltage V ₂ that is clearly larger than that of the conventional example is obtained.
[0040]
As can be seen from the above, within the ratio of the length L ₂ was 20% to 40% of the

input electrode

6 and 8, the temperature rise ΔT of the piezoelectric transformer 2a is obviously smaller than the conventional example, moreover the conventional example An output voltage V ₂ equal to or higher than that can be obtained. Therefore, the ratio of the length L ₂ of the

input electrodes

6 and 8 to the length L ₁ of the piezoelectric substrate 4 is preferably in the range of 20% to 40%. In particular, when the ratio is 25% to 34%, the temperature rise ΔT is much smaller than that of the conventional example, and an output voltage V ₂ that is clearly larger than that of the conventional example is obtained. Therefore, the ratio is more preferably in the range of 25% to 34%.
[0041]
It is as follows and enumerating details of the effect of the piezoelectric transformer 2a.
[0042]
(1) The piezoelectric transformer 2a can reduce power loss in the inside thereof, and the temperature rise of the piezoelectric transformer 2a can be clearly reduced as compared with the conventional example. As a result, the stable operation of the piezoelectric transformer 2a becomes possible. Therefore, it is not necessary to use a large piezoelectric transformer for heat resistance as in the prior art. That is, since a stable operation is possible even with a small size, the piezoelectric transformer 2a can be downsized. This leads to space saving, and as a result, it is possible to reduce the size of a device (for example, the ion generator shown in FIG. 2) using such a piezoelectric transformer 2a.
[0043]
(2) The piezoelectric transformer 2a, the output impedance Z ₂ itself as described above is high, it is possible to omit a coupling capacitor which has been conventionally required in order to increase the impedance of the output side. This is as detailed in FIG.
[0044]
(3) conventional piezoelectric transformer 2 also the piezoelectric transformer 2a also 1 as compared with the case of using the vibration mode of the wavelength mode, is better to use the vibration mode of the 1/2-wavelength mode, the length of the piezoelectric transformer half There is an advantage that the size can be reduced. However, in the case of the ½ wavelength mode, as shown in FIGS. 4B and 4C, the vibration node 32, that is, the maximum part of the vibration stress is located at the center in the length direction of the piezoelectric substrate 4.
[0045]
On the other hand, in this type of

piezoelectric transformer

2, 2 a, the maximum portion 30 of the polarization stress that is generated when the piezoelectric substrate 4 is polarized is the boundary portion of the polarization direction P as described above, that is, the output electrodes of the

input electrodes

6, 8. It occurs at the end on the 10 side.
[0046]
In the conventional piezoelectric transformer 2, the length L ₂ of the

input electrodes

6, 8 is about ½ of the length L ₁ of the piezoelectric substrate 4, so that the maximum polarization stress as shown by the arrow in FIG. The portion 30 and the maximum portion 32 of the vibrational stress are in agreement or close to each other, which causes stress concentration, and the piezoelectric transformer 2 (more specifically, the piezoelectric substrate 4) is easily damaged at the central portion. There is.
[0047]
In contrast, in the piezoelectric transformer 2a, since the length L ₂ of the

input electrode

6, 8 to 20% to 40% of the length L ₁ of the piezoelectric substrate 4, as shown in FIG. 4, the polarization stresses The maximum portion 30 and the maximum portion 32 of the vibration stress can be completely separated. That is, the positions of both 30 and 32 can be completely shifted. As a result, stress concentration can be avoided, so that the piezoelectric transformer 2a (more specifically, the piezoelectric substrate 4) is hardly damaged, and the piezoelectric transformer 2a having high mechanical strength can be realized.
[0048]
(4) The piezoelectric transformer 2a, the output impedance Z ₂ as described above, the higher safety to human when high voltage output. This is because if a person touches the output portion such as the output electrode 10 or the acicular electrode 18 connected thereto, the resonance frequency of the piezoelectric transformer 2a changes greatly, and the output voltage V ₂ rapidly decreases and the output voltage V ₂ decreases. ₂ is divided by the high output impedance Z ₂ and the impedance of the human body much lower than that, so the output voltage V ₂ suddenly drops to an area safe for the human body (for example, about several volts). Because it does.
[0049]
Since the piezoelectric transformer 2a has the effects described in the above (1) to (4), it is particularly used for an ion generator that requires a light load and a high output voltage as shown in FIG. When used in such an ion generator, the above-described effects can be exhibited more remarkably.
[0050]
Note that the output electrode 10 of the piezoelectric transformer 2a may be provided not near the end face of the piezoelectric substrate 4 but near the end of the main surface of the piezoelectric substrate 4 as in the example shown in FIG. By doing so, the output electrode 10 can be formed at the same time as the input electrode 6 (or 8) provided on the same surface, so that the output electrode 10 can be easily formed.
[0051]
Further, in the case of generating positive ions in the ion generator as shown in FIG. 2, the direction of the diode 16 may be reversed from that shown in the figure.
[0052]
【The invention's effect】
According to this invention, the following effects.
[0057]
In an ion generator using a piezoelectric transformer, the load impedance for the piezoelectric transformer load very large piezoelectric transformer Ri light load der, yet it requires a high output voltage. On the other hand, according to the piezoelectric transformer constituting the ion generator according to the present invention, an output impedance of 1 MΩ or more can be realized by setting the ratio of the length of each input electrode within the above range. This is an order of magnitude larger than the conventional example. As a result, a high output voltage, specifically a rated output voltage of 2 kV to 7 kV can be obtained without increasing the internal reflux current. That is, with a rated output power as small as 5 mW to 30 mW, a high rated output voltage as described above can be realized. As a result, the power loss inside the piezoelectric transformer can be reduced and the temperature rise of the piezoelectric transformer can be reduced, so that even a small piezoelectric transformer can be stably operated. As a result, it is possible to reduce the size of the piezoelectric transformer, and consequently to reduce the size of an ion generator including such a piezoelectric transformer.
In addition, the ion generator according to the present invention has a very high output impedance of the piezoelectric transformer constituting it, which is 1 MΩ or higher, and is therefore highly safe for humans at the time of high voltage output. This is because if a person touches the output part such as a needle electrode, the resonance frequency of the piezoelectric transformer changes greatly and the output voltage decreases rapidly, and the output voltage is a high output impedance and a much lower impedance than that of the human body. This is because the output voltage suddenly drops to a safe area for the human body in an instant.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an example of a piezoelectric transformer constituting an ion generator according to the present invention.
2 is a circuit diagram showing an example of an ion generator using the piezoelectric transformer shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a result of measuring a temperature rise of a surface of a piezoelectric transformer and an output voltage with respect to a ratio of a length of an input electrode.
FIGS. 4A and 4B are diagrams showing an example in which a piezoelectric transformer constituting the ion generator according to the present invention is excited in a ½ wavelength mode, wherein FIG. 4A is a sectional view of the piezoelectric transformer, and FIG. 4B is a displacement distribution; FIG. 4C is a vibration stress distribution diagram.
FIG. 5 is a perspective view showing another example of a piezoelectric transformer constituting the ion generator according to the present invention.
FIG. 6 is a perspective view showing an example of a conventional piezoelectric transformer.
7 is a circuit diagram showing an example of an ion generator using the conventional piezoelectric transformer shown in FIG. 6. FIG.
FIG. 8 is a simplified equivalent circuit diagram of a piezoelectric transformer.
[Explanation of symbols]
2a Piezoelectric transformer 4

Piezoelectric substrate

6, 8 Input electrode 10 Output electrode 12 AC power supply 16 Diode 18 Needle-shaped electrode

Claims

A pair of input electrodes are provided on both main surfaces of a rectangular piezoelectric substrate, an output electrode is provided in the length direction of the piezoelectric substrate and near the end opposite to the input electrode, and the piezoelectric substrate between the input electrodes is A piezoelectric transformer having a structure in which a piezoelectric substrate polarized in a thickness direction and a piezoelectric substrate between an input electrode and an output electrode is polarized in a length direction, the length of each input electrode being 25 % to the length of the piezoelectric substrate 34 %, a rated output power within a range of 5 mW to 30 mW, a rated output voltage within a range of 2 kV to 7 kV, and an output impedance of 1 MΩ or more ,
An AC power source for applying an AC voltage between both input electrodes of the piezoelectric transformer;
A rectifying diode connected between the output electrode of the piezoelectric transformer and the ground;
An ion generator comprising: a needle electrode for ion generation connected to an output electrode of the piezoelectric transformer.