JP4219451B2 - 除電装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正極性または負極性の電荷に帯電している帯電体の帯電量をゼロに近づけるための除電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶製造ライン等において、対象物体が帯電しているとほこり等が付着して製品が不良品となることがあり、また、コンベア等により物体を搬送している場合には、小さい対象物体が帯電することにより製品同士が吸引されて接触してしまい、生産ラインが停止してしまうことがある。このため、静電気の発生を抑制する必要がある個所には、限られたスペースに多数の除電装置が配置される。
【０００３】
静電気は対象物体に蓄積されている正または負の電荷により生ずるものであり、静電気に起因する対象物体の帯電電位は大地を基準電位として、対象物体の表面電位を測定することにより決定されている。除電の原理は、このような対象物体に蓄積されている電荷を大地に流し込むか、または蓄積されている電荷とは反対の極性のイオンを吹き付けて帯電電位を中和することにより、対象物体、すなわち帯電体に蓄積されている電荷をゼロに近づけるものである。
【０００４】
上記のような除電の原理を応用した除電装置として、従来電極針に高電圧発生部からの直流高電圧または交流高電圧を印加して電極針からプラス、またはマイナスのイオンを出力させて、このイオンを帯電体に吹き付けるようにしたものが知られている。このときの空気中を流れるプラス、またはマイナスのイオン流は、高電圧発生部と大地間の電流として考えることができる。すなわち、高電圧発生部から大地に向かって流れる電流はマイナスのイオン流に相当し、大地から高電圧発生部に向かって流れる電流はプラスのイオン流に相当している。
【０００５】
このようなイオン流と電流との相互関係により、除電装置から出力しているプラス、マイナスのイオン量が同数であれば中和されて電流はゼロとなる。図１２は、上記のような原理を用いた除電装置を示す回路図である。図において、２１ａ、２１ｂは直流可変電圧装置、２２ａ、２２ｂはスイッチ、２３ａは正極性の電極針、２３ｂは負極性の電極針、２４は制御信号ｐａ〜ｐｄを出力する制御回路、２５は除電の対象物体である。
【０００６】
制御回路２４の信号により直流可変電圧装置２１ａ、２１ｂ、スイッチ２２ａ、２２ｂを動作させて、対象物体２５の帯電の極性とは反対極性の電極針に直流の高電圧を印加して除電する。例えば対象物体２５が負極性に帯電している場合には正極性の電極針２３ａに直流の高電圧を印加して正極性のイオンを対象物体２５に吹き付ける。正負の極性の電極針からイオンを対象物体に吹き付けるには、イオン同士の反発力（クーロン力）を利用する。イオン同士の反発力が弱いときには、ファンやコンプレッサー等の外力を利用することもある。
【０００７】
ところで、電極針に高電圧を印加するときに発生するイオン量と電圧の関係は、図１３の特性図のように表される。Ｑ１は負極性の電圧−イオン量の特性、Ｑ２は正極性の電圧−イオン量の特性を示している。この特性図に示されているように負極性のイオンの方が正極性のイオンよりも低電圧で発生する傾向にある。このため、正負双方の極性の電極針からイオンを等量発生させてイオンバランスを取る必要がある場合には、正負の直流可変電圧装置２１ａ、２１ｂにより出力電圧の調整を行い、またはスイッチ２２ａ、２２ｂの開閉時間、すなわち、電圧印加時間を調整して電圧の大きさを制御している。
【０００８】
イオンバランスを取りながらイオン同士の反発力（クーロン力）を利用して電極針から対象物体にイオンを吹き付ける際には、スイッチ２２ａ、２２ｂを交互に開閉制御しており、正負双方の極性の電極針にはパルス状の高電圧が交互に印加される。このときの周波数は、電極針と対象物体との距離に応じて最適な周波数が選定される。近距離の場合には周波数が高く、遠距離の場合には周波数は低く選定される。
【０００９】
例えば、この距離が５０ｍｍ程度の近接した距離であれば３０〜１００Ｈｚ、クリーンルームの作業台（クリーンベンチ）のように当該距離が５００ｍｍ程度の場合には１０〜１Ｈｚ、クリーンルームの天井のように当該距離が２０００ｍｍ以上の場合には１Ｈｚ以下に選定される。このように、電極針と対象物体との距離が大きいときには、電極針で発生したイオンが対象物体に到達するまでに時間がかかるので同一極性の電圧を長い時間印加することが必要となり、直流方式の除電装置が適している。
【００１０】
これに対して電極針と対象物体との距離が近接している場合には、比較的高い周波数で電極針からイオンを出力する必要があるので、交流方式の除電装置が適している。特に、除電の対象物体が走行しているフイルムやシート等の長尺状の物体の場合には、ムラなく除電するためには一定値以上の周波数で電極針からイオンを出力することが要求されている。
【００１１】
図１４は、このような長尺状の物体の除電に適用される交流方式の除電装置の一例を示す回路図である。図において、３１は商用電源、３２は昇圧トランス、３３は直流バイアス電源、３４は正負の極性のイオンを交互に発生する電極針、３５は矢視Ａ方向に走行するフイルムである。電極針３４は、フイルム３５の走行面から高さＨが５０ｍｍ程度の位置に設定される。Ｌは電極針３４による除電範囲であり５０ｍｍ程度の長さに設定される。このときのフイルム３５の走行速度をｖ（ｍ／ｓ）とすると、最適な周波数Ｆは、Ｆ≧（ｖ／Ｌ）で表される。したがって、ｖ＝２．５（ｍ／ｓ）とすると、Ｆ≧（２５０／５）より最適な周波数は５０Ｈｚ以上に設定される。
【００１２】
図１５は、直流バイアス電源３３による昇圧トランス３２の２次側電圧の制御の一例を示す特性図である。バイアス電圧ＶＢを制御することにより、２次側電圧の０レベルが変わり電極針３４から発生する正負の極性のイオン量が調整される。このように、交流方式の除電装置は走行している長尺状の物体に対して近接した位置に電極針を配置して効果的に除電できる。しかしながら、周波数は商用電源により一律に５０Ｈｚまたは６０Ｈｚに設定され、電極針と対象物体の距離に応じて最適な周波数を設定することができないという問題がある。また、昇圧トランスは大型で重いため、設置場所に制約を受けるという問題がある。
【００１３】
そこでトランスの小型軽量化を図るために可変周波数の高周波トランスを用いた除電装置が開発されている。図１６はこのような除電装置の一例を示す回路図である。図１６において、４１は直流電源、４２ａ、４２ｂはスイッチ、４３ａ、４３ｂは高周波発振回路、４４ａ、４４ｂはトランス、４５ａ、４５ｂは倍電圧整流回路、４６は正極性の電極針、４７は負極性の電極針である。
【００１４】
高周波発振回路４３ａ、４３ｂを動作させることにより、トランス４４ａ、４４ｂの２次側には高周波電圧が発生する。倍電圧整流回路４５ａ、４５ｂは、コッククロフト・ウオルトンの回路といわれる周知の構成であり、コンデンサＣ１〜Ｃ４とダイオードＤ１〜Ｄ４で構成されている。コンデンサとダイオードとを組み合わせた単位ブロックの段数をｎ、入力電圧をＶｓとすると、倍電圧整流回路４５ａ、４５ｂの出力側にはｎＶｓの電圧が得られる。図１４の例ではｎ＝４であるので、倍電圧整流回路４５ａ、４５ｂの出力側には４Ｖｓの高電圧が形成されてそれぞれの電極針４６、４７に印加される。
【００１５】
図１７は高周波トランスを用いた除電装置の他の例を示す回路図である。図１７において、４１は直流電源、４２ｃはスイッチ、４３ｃは高周波発振回路、４４ｃはトランス、４５ａ、４５ｂは倍電圧整流回路、４６は正極性の電極針、４７は負極性の電極針である。この例では、単一のトランス４４ｃの２次側に発生する高周波電圧を倍電圧整流回路４５ａ、４５ｂにより昇圧し、正極性の電極針４６と負極性の電極針４７に印加する構成としている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
図１６の例では、高周波発振回路４３ａ、４３ｂを個別に制御することにより、正極性の電極針と負極性の電極針に印加する電圧をそれぞれ制御することができるのでイオンバランスを取りやすいという利点がある。しかしながら、正イオンと負イオンの発生する場所が違うので除電ムラが発生し、また、正極性と負極性の電極針をそれぞれ必要とするのでコストが高くなるという問題があった。
【００１７】
また、図１７の例では単一の高周波発振回路、トランス、電極針により正負の極性のイオンを発生させることができるので、構成が簡単でコストが安くなるという利点がある。しかしながら、正極性の電圧と負極性の電圧を個別に制御することができないので、イオンバランスを取りにくいという問題があった。
【００１８】
本発明はこのような問題に鑑みて、簡単な回路構成で電極手段に印加される電圧の周波数と、正極性及び負極性の電圧の大きさを個別に制御することができる除電装置の提供を目的とするものである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、除電装置を、外部電源から給電を各々の 1 次側で受けると高電圧を各々の２次側で発生する正極用トランスおよび負極用トランスと、前記正極用トランスの２次側に発生した高電圧を正極性の高電圧に昇圧するためのコンデンサとダイオードを組合わせた正極用倍電圧整流回路と、前記負極用トランスの２次側に発生した高電圧を負極性の高電圧に昇圧するためのコンデンサとダイオードを組合わせた負極用倍電圧整流回路と、前記正極用倍電圧整流回路のダイオードと前記負極用倍電圧整流回路のダイオードとに直列に接続されると共に各々が直列に接続される第１、第２のインピーダンス素子と、前記第１のインピーダンスと第２のインピーダンス素子との間に接続され、前記正極用倍電圧整流回路および前記負極用倍電圧整流回路により印加される正極性および負極性の高電圧に応じて正極性イオンと負極性イオンを発生させる電極手段と、前記正極用トランスの１次側の回路に設けられ、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の電子的スイッチと、前記負極用トランスの１次側の回路に設けられ、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の電子的スイッチと、前記第１の電子的スイッチと前記第２の電子的スイッチの開閉時間を制御して、前記電極手段に正負の極性を反転したパルス電圧を繰り返し印加させる制御装置とを備え、前記制御装置が前記第１の電子的スイッチおよび前記第２の電子的スイッチの一方を開状態に他方を閉状態に制御した際に、前記閉状態に対応した前記正極用または負極用倍電圧整流回路により昇圧された高電圧が、（ａ）前記第１、第２のインピーダンス素子と（ｂ）前記閉状態に対応した前記正極用または負極用倍電圧整流回路の前記ダイオードとからなる直列回路に印加されるように構成したことを主な特徴する。
【００２７】
請求項１に係る発明においては、第１のスイッチと第２のスイッチの開閉時間の制御により、電極手段から出力される正負の極性のイオン量を個別に制御しているので、簡単な構成で効果的に除電を行うことができる。また、単一の電極手段により正負の極性のイオンを出力させるので除電ムラがなく、電極針の数を１／２にできその結果除電装置のコストが安くなる。
【００２８】
また、第１のスイッチと第２のスイッチの開閉時間を制御して、第１のスイッチと第２のスイッチの単位時間あたりの開閉頻度を変え、電極手段に印加される電圧の周波数を制御し、電極手段と除電の対象物との距離に応じた最適の周波数で電極手段に電圧を印加すると、効果的に除電を行うことができる。
【００２９】
また、第１のスイッチと第２のスイッチの開閉時間を制御して、第１のスイッチと第２のスイッチの一周期内での開閉時間の比率を変え、電極手段に印加される正極性の出力電圧と負極性の出力電圧の大きさを個別に制御すると、電極手段から出力される正極性と負極性のイオン量の大きさをそれぞれ個別に制御することができ、イオンバランスが取りやすくなる。
【００３０】
また、第１のスイッチと第２のスイッチの開閉時間を制御して、第１のスイッチと第２のスイッチの単位時間あたりの開閉頻度を変えると共に、第１のスイッチと第２のスイッチの一周期内での開閉時間の比率を変えることにより、電極手段に印加される電圧の周波数と、電極手段に印加される電圧の周波数と、電極手段に印加される正極性の出力電圧と負極性の出力電圧の大きさを個別に制御することとなり、電極手段と除電の対象物との距離が変化した場合でもイオンバランスが取りやすくなる。
【００３２】
また、第１、第２のインピーダンス素子を、抵抗とコンデンサの並列回路で構成することにより、電極手段と接地間に形成される浮遊容量の影響を除去し、電極手段に高電圧発生回路の出力電圧が印加されたときの立上がりの特性が改善される。
【００３３】
また、第１、第２のインピーダンス素子を抵抗とツェナーダイオードの直列回路で形成すると、高電圧発生回路の出力端子と電極手段との間の消費電力が軽減されるので、除電装置の効率を向上させることができる。また、出力インピーダンスを減少させて応答性を改善することができる。
【００３４】
また、第１、第２のインピーダンス素子を、抵抗とツェナーダイオードの直列回路にコンデンサを並列に接続した回路で形成することにより、除電装置の効率を向上させることができると共に、電極手段に高電圧発生回路の出力電圧が印加されたときの立上がりの特性が改善される。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の除電装置の一例を示す回路図である。図１において、１は直流電源で例えば二次電池等の外部直流電源を用いる。２ａ、２ｂは直流電源１の出力側に設けられるスイッチ、３は制御信号Ｓａ、Ｓｂによりスイッチ２ａ、２ｂの開閉時間を制御する制御装置である。スイッチ２ａ、２ｂは、トランジスタ等の電子的スイッチを用いることができる。４は、トランス４ａ、倍電圧整流回路４ｂよりなる正極性の高電圧発生回路、５は、トランス５ａ、倍電圧整流回路５ｂよりなる負極性の高電圧発生回路である。
【００３６】
各高電圧発生回路４、５において、倍電圧整流回路４ｂ、５ｂのコンデンサとダイオードを組み合わせたブロックの段数は適宜の段数に設定され、所定の値の直流高電圧が高電圧発生回路４、５の出力端子６、７に得られる。出力端子６、７間には、電流制限用のインピーダンスとして作用する等価の抵抗Ｒ１、Ｒ１を直列に接続し、両抵抗の接続点８に電極針９を接続する。
【００３７】
スイッチ２ａは、直流電源１から供給される電圧により正極性の高電圧発生回路４が動作して、電極針９に正極性の高電圧を印加する際に形成される第１の給電経路を開閉するスイッチとして機能する。また、スイッチ２ｂは、直流電源１から供給される電圧により負極性の高電圧発生回路５が動作して、電極針９に負極性の高電圧を印加する際に形成される第２の給電経路を開閉するスイッチとして機能する。
【００３８】
図２、図３は図１の除電装置の高電圧発生回路の出力電圧の波形を示す特性図である。図２、図３を参照して図１の除電装置の動作を説明する。制御装置３からの制御信号Ｓａ、Ｓｂによりスイッチ２ａをオン、スイッチ２ｂをオフにする。この際に、正極性の高電圧発生回路４のトランス４ａの２次側にはパルス状の高電圧が発生する。
【００３９】
このトランス４ａの２次側に発生したパルス状の高電圧を倍電圧整流回路４ｂにより昇圧して、振幅値Ｖａの正極性のパルス電圧を正極性の高電圧発生回路４から出力し、電極針９に印加する。電極針９からは正極性のイオンが出力されて図示しない対象物体に吹き付けられる。
【００４０】
ｔａ時間スイッチ２ａをオン、スイッチ２ｂをオフにして、電極針９に振幅値Ｖａ／２の正極性のパルス電圧を印加してから、次に制御装置３からの制御信号Ｓａ、Ｓｂによりスイッチ２ａをオフ、スイッチ２ｂをオンにする。この際には、負極性の高電圧発生回路５のトランス５ａの２次側にはパルス状の高電圧が発生する。このトランス５ａの２次側に発生したパルス状の高電圧を倍電圧整流回路５ｂにより昇圧して、振幅値Ｖａの負極性のパルス電圧を負極性の高電圧発生回路５から出力し、電極針９に印加する。電極針９からは負極性のイオンが出力されて図示しない対象物体に吹き付けられる。
【００４１】
ｔｂ時間スイッチ２ａをオフ、スイッチ２ｂをオンにして、電極針９に振幅値Ｖａ／２の負極性のパルス電圧を印加してから、次に再度スイッチ２ａをオン、スイッチ２ｂをオフにして電極針９に振幅値Ｖａ／２の正極性のパルス電圧を印加する。以下、スイッチ２ｂ、２ａを交互に開閉し、周期Ｔ（Ｔ＝ｔａ＋ｔｂ）で正負の極性を反転したパルス電圧を交互に電極針９に印加する。
【００４２】
このように、制御装置３からの制御信号Ｓａ、Ｓｂでスイッチ２ａ、２ｂの開閉時間を制御し、前記電圧の極性を変化させる周期Ｔの単位時間あたりの繰り返し回数を適宜設定することにより、電極針９にはＥ１の波形で示される所定の周波数の高電圧が印加されることになる。ここで、単位時間あたりの周期Ｔの繰り返し回数は、単位時間あたりのスイッチ２ａ、２ｂの開閉頻度で規定される。このため、電極針９に印加される電圧の周波数の制御は、単位時間あたりのスイッチ２ａ、２ｂの開閉頻度を変えることにより、すなわち、単位時間あたりのスイッチ２ａ、２ｂの開閉時間を制御することにより行われるものである。
【００４３】
図２は、各スイッチ２ａ、２ｂのオンの時間ｔａとｔｂを等しく、すなわち、正極性の高電圧発生回路４と負極性の高電圧発生回路５の動作時間を等しくして、電極針９に印加される正負の極性の電圧の大きさを同じ値に設定している。しかしながら、前記のように負極性のイオンが低電圧で発生しやすい傾向にあるので、正負の極性の電圧の大きさを同じ大きさにして電極針９に印加すると、イオンバランスが取れない場合がある。
【００４４】
このような場合には、図３のように一周期Ｔ内でスイッチ２ａのオン時間ｔｐをスイッチ２ｂのオン時間ｔｑよりも長く設定し、電極針９に印加する電圧は、正極性の電圧が負極性の電圧よりも大きくなるように電圧を制御する。すなわち、一周期Ｔ内でスイッチ２ａ、２ｂの開閉時間の比率を変えて、正極性及び負極性の電圧の大きさを制御する。
【００４５】
この際には、電極針９にはＥ２の波形で示される所定の周波数の高電圧が印加されることになる。電極針９に電圧が印加される時間は、一周期内で正極性のパルス電圧が印加される時間が負極性のパルス電圧が印加される時間よりも長くなるので、正極性のイオン量が増加する傾向が強くなり、イオンバランスが取られることになる。
【００４６】
また、対象物体が正極性に強く帯電している場合には、スイッチ２ｂのオン時間ｔｂをスイッチ２ａのオン時間ｔａよりも長く設定する。この場合には、電極針９に印加される電圧は、負極性の電圧が正極性の電圧よりも大きくなるように制御される。
【００４７】
図３において周期を図２の例と同一の周期Ｔに設定すると、スイッチ２ａ、２ｂの開閉時間の比率を制御することにより、周波数を固定したままで電極針９に印加される正負の極性の電圧の大きさを変えることができる。すなわち、電極針９で発生する正負の極性のイオン量の大きさを制御することができる。
【００４８】
また、図２の例とは異なる周期でスイッチ２ａ、２ｂを開閉して、すなわち、スイッチ２ａ、２ｂの開閉頻度を変えて、電極針９に印加する電圧の周波数を制御すると共に、一周期内のスイッチ２ａ、２ｂの開閉時間の比率を変えて、電極針９に印加される正負の極性の電圧の大きさも変える構成とすることができる。
【００４９】
このように図１の除電装置は、スイッチ２ａ、２ｂの開閉時間を制御することにより、電極針９に印加する電圧の周波数の制御と、正負の極性の電圧の個別の大きさの制御をそれぞれ独立して行うことができるが、更に、電極針９に印加する電圧の周波数と共に、正負の極性の個別の電圧の大きさを同時に制御することができる。また、単一の電極針により正負の極性のイオンを出力させるので、コストを低減することができる。
【００５０】
ところで図１の除電装置は、電極針９と接地間に浮遊容量Ｃｆが形成されている。このような浮遊容量Ｃｆに起因して時定数が大きくなるために電極針９に電圧が印加された際の応答性が悪くなり、図４の特性図に示すように電極針９に印加される電圧はＥ３の波形のように立上りに遅れが発生する。このため、電極針９に印加される電圧の大きさが不足して十分にイオンを発生することができないという問題がある。
【００５１】
図５は、このような浮遊容量Ｃｆの影響を除去するための構成を示す回路図である。図１の例では正極性の高電圧発生回路４と負極性の高電圧発生回路５の出力端子６、７間に、抵抗Ｒ１、Ｒ１の直列回路を接続している。図５の例では、前記抵抗Ｒ１に代えて抵抗Ｒ２とコンデンサＣａの並列回路を直列に接続する構成としている。このように、出力端子６、７間にコンデンサを含むインピーダンスを接続しているので、浮遊容量Ｃｆによるインピーダンスは打ち消される。このため応答性が良くなり、電極針９に印加される電圧は立上りの遅れがなくＥ４の波形のように改善される。
【００５２】
図６は、本発明の別の実施の形態を示す回路図である。図６の例では、図１の抵抗Ｒ１に代えて抵抗Ｒ３とツェナーダイオードＺｄの直列回路を接続している。ここで正極性の高電圧発生回路４の出力電圧をＶｂ、負極性の高電圧発生回路５の出力電圧をＶｃ、ツェナーダイオードＺｄのツェナー電圧をＶｚとするとき、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｚの関係は、２Ｖｚ≦Ｖｂ、２Ｖｚ≦Ｖｃとなるようにツェナー電圧Ｖｚを定める。
【００５３】
正極性の高電圧発生回路４から電圧Ｖｂが出力されているときには、出力端子６からの出力電流Ｉｂは、Ｉｂ＝（Ｖｂ−２Ｖｚ）／２Ｒ３となる。また、負極性の高電圧発生回路５から電圧Ｖｃが出力されているときには、出力端子７からの出力電流Ｉｃは、Ｉｃ＝（Ｖｃ＋２Ｖｚ）／２Ｒ３となる。
【００５４】
次に図１の例と図６の例の特性を比較する。図１においては、出力端子６、７間の出力インピーダンスＺａは、抵抗Ｒ１とＲ１が並列に接続されているので、Ｚａ＝（Ｒ１／２）となる。正極性の高電圧発生回路４から電圧Ｖａが出力されているときに出力端子６からの出力電流Ｉａは、Ｉａ＝（Ｖａ／２Ｒ１）となる。したがって、出力端子６と接続点８の間に接続されている抵抗Ｒ１の消費電力Ｗａは、Ｗａ＝（Ｉａ）２Ｒ１＝（Ｖａ）２／４Ｒ１となる。
【００５５】
図６の例は、出力端子６、７間の出力インピーダンスＺｂは、ツェナーダイオードＺｄのインピーダンスを無視すれば抵抗Ｒ３とＲ３が並列に接続されているので、Ｚｂ＝（Ｒ３／２）となる。このときの出力端子６と接続点８の間に接続されている抵抗Ｒ３の消費電力Ｗｂは、Ｗｂ＝（Ｉｂ）２Ｒ３であるから、Ｉｂに上記の値を代入してＷｂ＝（Ｖｂ−２Ｖｚ）２／４Ｒ３となる。ここで、簡単のためにＶａ＝Ｖｂ、Ｒ１＝Ｒ３とすると、Ｗａ＞Ｗｂとなり、図６の構成にすると図１の構成よりも消費電力が少なくなり、除電装置の効率が向上する。
【００５６】
また、Ｉａ＝Ｉｂとした場合、Ｒ１＞Ｒ３となり出力インピーダンスが減少して応答性が改善される。出力端子７と接続点８間の出力インピーダンスに対する消費電力の軽減と、応答性の改善についても上記したところと同様になる。このように、図６の構成ではツェナーダイオードＺｄを用いることにより、図１の構成と出力インピーダンスが同じでも除電装置の効率を向上させることができるものである。
【００５７】
図７は、本発明の更に別の実施の形態を示す回路図である。この例では、出力端子６と接続点８間、および出力端子７と接続点８間に、それぞれ抵抗Ｒ４とツェナーダイオードＺｄの直列回路にコンデンサＣｂを並列に接続している。このような構成とすることにより、図５の例で説明したと同じように、浮遊容量Ｃｆに起因する電極針９に印加される高電圧発生回路の出力電圧の立上りの遅延を解消し、応答性が改善される。
【００５８】
図１、図５〜図７の構成では正極性の高電圧発生回路４、負極性の高電圧発生回路５の出力端子６と出力端子７間には等価な２つのインピーダンスを直列に接続している。しかしながら、本発明の除電装置においては上記２つのインピーダンスは互いに等価なものには限定されない。一方のインピーダンスを他方のインピーダンスよりも大きく設定して、電極針９に高電圧を印加する構成とすることも可能である。
【００５９】
図１の例では、高電圧を電極針に印加する際に形成される給電経路を開閉する第１、第２のスイッチ２ａ、２ｂは、直流電源１とトランス４ａ、５ａとの間に接続されている。本発明においては、前記第１、第２のスイッチは、正極性の高電圧発生回路または負極性の高電圧発生回路を電極針に印加する際に形成される給電経路のどの位置に接続しても、前記した電極針に印加する電圧の周波数と電圧の大きさを制御することができるものである。
【００６０】
図８は、第１、第２のスイッチ２ａ、２ｂを倍電圧整流回路４ｂ、５ｂの入力側に接続した例を示す回路図である。図８の例では、直流電源１の出力側に直流−交流インバータ１１を接続し、直流−交流インバータ１１の出力側にトランス４ａ、５ａを接続している。
【００６１】
この例においても、第１のスイッチ２ａをオン、第２のスイッチ２ｂをオフにすると、電極針９には正極性の高電圧が印加される。また、第１のスイッチ２ａをオフ、第２のスイッチ２ｂをオンにすると、電極針９には負極性の高電圧が印加される。
【００６２】
更に、第１のスイッチ２ａと第２のスイッチ２ｂの単位時間あたりの開閉頻度を制御することにより、電極針９に印加される電圧の周波数を制御することができる。また、第１のスイッチ２ａと第２のスイッチ２ｂの一周期内での開閉時間の比率を制御することにより、電極針９に印加される正負の極性の電圧の大きさを制御することができる。
【００６３】
図１の例では、直流電源１の電圧を正極性または負極性の高電圧発生回路に供給している。本発明においては、交流電源の電圧を直流に変換して正極性または負極性の高電圧発生回路に供給する構成とすることも可能である。図９は、交流電源を用いた例を示す回路図である。図９において、ＡＣは商用交流電源、１２は交流−直流インバータである。第１のスイッチ２ａと第２のスイッチ２ｂは、交流−直流インバータ１２の出力側に接続されている。
【００６４】
交流−直流インバータ１２の出力側から電極針９までの給電経路の構成は、図１の構成と同様であるので詳細な説明は省略する。このように、本発明においては正極性または負極性の高電圧発生回路に電圧を供給する電源は、直流電源と交流電源のいずれでも適用が可能である。
【００６５】
ところで、電極針から大量のイオンを出力する場合には、高電圧発生回路に用いるトランスの出力容量を大きくする必要がある。しかしながら、トランスの出力容量を大きくするとトランスが大型化する。トランスの２次側から高周波の交流電圧を出力させるために、制御装置によりトランスの１次巻線への通電のオン、オフ制御を行うが、上記のようにトランスが大型化すると、前記オン、オフ制御のスイッチング周波数が低下する。
【００６６】
例えば、トランスの出力が１Ｗであれば、スイッチング周波数は約１００ＫＨｚであるが、トランスの出力が５Ｗに増大すると、スイッチング周波数は約１０〜３０ＫＨｚに低下する。このようにスイッチング周波数が低下すると、高電圧発生回路から電極針に印加される出力電圧の立上り時間が長くなるという問題がある。
【００６７】
図１１は、前記制御装置によるトランスの１次巻線のオンオフ制御と出力電圧の立上り時間との関係を示す特性図である。図１１において、制御装置によるスイッチオンはＨレベルに、スイッチオフはＬレベルに表示しており、スイッチのオン、オフの状態は波形Ｘで示される。このときの出力電圧は波形Ｙ１で示されるが、出力電圧はスイッチのオン動作に直ちには追随せずに時間遅れをもって立上るので、出力電圧の立上り時間が長くなっている。
【００６８】
図１０は、このような電極針から大量のイオンを出力する場合の改良例を示す回路図である。図１０において、１は直流電源、２ａはスイッチ、１０ａ、１０ｂは制御回路、４ａ１、４ａ２はトランス、４ｂ１、４ｂ２は倍電圧整流回路で、それぞれ同一値の正極性の直流高電圧を出力端子６から出力する。負極性の高電圧発生回路においても、同様にトランスを分割して２つの倍電圧整流回路を接続する。
【００６９】
このようにトランスを分割すると、図１１の特性Ｙ２に示すように制御回路によるスイッチのオン動作に直ちに追随して出力電圧が立ち上がるようになり、高電圧発生回路から電極針に印加される出力電圧の立上り時間が短縮される。トランスの分割数とトランスに接続される高電圧発生回路の数は、対象物体の除電に必要とされるイオン量に応じて選定される。
【００７０】
上記の説明では正極性または負極性のイオンを交互に出力する手段として、電極針を用いる例を説明した。本発明の除電装置においては、イオンを出力する電極手段として、電極針に代えて細線等の長尺状物や突起部を有する部材を用いる構成とすることもできる。また、対象物体にイオンを吹き付けるためにファンやコンプレッサー等の外部機器を用いるかどうかも任意に定められる。
【００７１】
【発明の効果】
以上、詳述したように本発明では、電極手段と接地間に形成される浮遊容量の影響を低減し、電極手段に印加する正負のパルス電圧の立上がりの特性を改善することができ、イオンの発生効率が高められるとともに、正負共通の電極針に正負の電位を印加するので、正負イオンの発生位置の偏りを防ぐことができる。また、正および負のパルス電圧の発生の切り替えを正極用トランスの１次側の回路に設けた電子的スイッチと負極用トランスの１次側の回路に設けた電子的スイッチにより行うので、除電装置の電気的寿命を大幅に延ばすことができる。さらに、対象物の除電を効果的により確実に行うことができるといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る除電装置の好適な実施の形態における構成を示す回路図である。
【図２】図１の除電装置の高電圧発生回路の出力電圧の波形を示す特性図である。
【図３】図１の除電装置の高電圧発生回路の出力電圧の波形を示す特性図である。
【図４】図１の除電装置の高電圧発生回路の出力電圧の波形を示す特性図である。
【図５】除電装置の別の実施の形態における構成を部分的に示す回路図である。
【図６】除電装置の別の実施の形態における構成を部分的に示す回路図である。
【図７】除電装置の別の実施の形態における構成を部分的に示す回路図である。
【図８】除電装置の別の形態における構成を示す回路図である。
【図９】除電装置の別の形態における構成を示す回路図である。
【図１０】除電装置の改良例を示す回路図である。
【図１１】図１０の除電装置の動作を示す特性図である。
【図１２】直流方式の除電装置の一例を示す回路図である。
【図１３】イオン量と電圧の関係を示す特性図である。
【図１４】交流方式の除電装置の一例を示す回路図である。
【図１５】図１２の除電装置のバイアス制御を示す特性図である。
【図１６】除電装置の従来例を示す回路図である。
【図１７】除電装置の他の従来例を示す回路図である。
【符号の説明】
１ 直流電源
２ａ、２ｂ スイッチ
３ 制御装置
４ 正極性の高電圧発生回路
５ 負極性の高電圧発生回路
４ａ、５ａ トランス
４ｂ、５ｂ 倍電圧整流回路
６、７ 出力端子
８ 接続点
９ 電極針
１１ 直流−交流インバータ
１２ 交流−直流インバータ
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３ 抵抗
Ｃａ、Ｃｂ コンデンサ
Ｃｆ 浮遊容量
Ｚｄ ツェナーダイオード
Ｓａ、Ｓｂ 制御信号
Ｉａ 出力電流
Ｅ１，Ｅ２ 電圧波形
Ｔ 周期
Ｖａ 振幅値
【発明の属する技術分野】
本発明は、正極性または負極性の電荷に帯電している帯電体の帯電量をゼロに近づけるための除電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶製造ライン等において、対象物体が帯電しているとほこり等が付着して製品が不良品となることがあり、また、コンベア等により物体を搬送している場合には、小さい対象物体が帯電することにより製品同士が吸引されて接触してしまい、生産ラインが停止してしまうことがある。このため、静電気の発生を抑制する必要がある個所には、限られたスペースに多数の除電装置が配置される。
【０００３】
静電気は対象物体に蓄積されている正または負の電荷により生ずるものであり、静電気に起因する対象物体の帯電電位は大地を基準電位として、対象物体の表面電位を測定することにより決定されている。除電の原理は、このような対象物体に蓄積されている電荷を大地に流し込むか、または蓄積されている電荷とは反対の極性のイオンを吹き付けて帯電電位を中和することにより、対象物体、すなわち帯電体に蓄積されている電荷をゼロに近づけるものである。
【０００４】
上記のような除電の原理を応用した除電装置として、従来電極針に高電圧発生部からの直流高電圧または交流高電圧を印加して電極針からプラス、またはマイナスのイオンを出力させて、このイオンを帯電体に吹き付けるようにしたものが知られている。このときの空気中を流れるプラス、またはマイナスのイオン流は、高電圧発生部と大地間の電流として考えることができる。すなわち、高電圧発生部から大地に向かって流れる電流はマイナスのイオン流に相当し、大地から高電圧発生部に向かって流れる電流はプラスのイオン流に相当している。
【０００５】
このようなイオン流と電流との相互関係により、除電装置から出力しているプラス、マイナスのイオン量が同数であれば中和されて電流はゼロとなる。図１２は、上記のような原理を用いた除電装置を示す回路図である。図において、２１ａ、２１ｂは直流可変電圧装置、２２ａ、２２ｂはスイッチ、２３ａは正極性の電極針、２３ｂは負極性の電極針、２４は制御信号ｐａ〜ｐｄを出力する制御回路、２５は除電の対象物体である。
【０００６】
制御回路２４の信号により直流可変電圧装置２１ａ、２１ｂ、スイッチ２２ａ、２２ｂを動作させて、対象物体２５の帯電の極性とは反対極性の電極針に直流の高電圧を印加して除電する。例えば対象物体２５が負極性に帯電している場合には正極性の電極針２３ａに直流の高電圧を印加して正極性のイオンを対象物体２５に吹き付ける。正負の極性の電極針からイオンを対象物体に吹き付けるには、イオン同士の反発力（クーロン力）を利用する。イオン同士の反発力が弱いときには、ファンやコンプレッサー等の外力を利用することもある。
【０００７】
ところで、電極針に高電圧を印加するときに発生するイオン量と電圧の関係は、図１３の特性図のように表される。Ｑ１は負極性の電圧−イオン量の特性、Ｑ２は正極性の電圧−イオン量の特性を示している。この特性図に示されているように負極性のイオンの方が正極性のイオンよりも低電圧で発生する傾向にある。このため、正負双方の極性の電極針からイオンを等量発生させてイオンバランスを取る必要がある場合には、正負の直流可変電圧装置２１ａ、２１ｂにより出力電圧の調整を行い、またはスイッチ２２ａ、２２ｂの開閉時間、すなわち、電圧印加時間を調整して電圧の大きさを制御している。
【０００８】
イオンバランスを取りながらイオン同士の反発力（クーロン力）を利用して電極針から対象物体にイオンを吹き付ける際には、スイッチ２２ａ、２２ｂを交互に開閉制御しており、正負双方の極性の電極針にはパルス状の高電圧が交互に印加される。このときの周波数は、電極針と対象物体との距離に応じて最適な周波数が選定される。近距離の場合には周波数が高く、遠距離の場合には周波数は低く選定される。
【０００９】
例えば、この距離が５０ｍｍ程度の近接した距離であれば３０〜１００Ｈｚ、クリーンルームの作業台（クリーンベンチ）のように当該距離が５００ｍｍ程度の場合には１０〜１Ｈｚ、クリーンルームの天井のように当該距離が２０００ｍｍ以上の場合には１Ｈｚ以下に選定される。このように、電極針と対象物体との距離が大きいときには、電極針で発生したイオンが対象物体に到達するまでに時間がかかるので同一極性の電圧を長い時間印加することが必要となり、直流方式の除電装置が適している。
【００１０】
これに対して電極針と対象物体との距離が近接している場合には、比較的高い周波数で電極針からイオンを出力する必要があるので、交流方式の除電装置が適している。特に、除電の対象物体が走行しているフイルムやシート等の長尺状の物体の場合には、ムラなく除電するためには一定値以上の周波数で電極針からイオンを出力することが要求されている。
【００１１】
図１４は、このような長尺状の物体の除電に適用される交流方式の除電装置の一例を示す回路図である。図において、３１は商用電源、３２は昇圧トランス、３３は直流バイアス電源、３４は正負の極性のイオンを交互に発生する電極針、３５は矢視Ａ方向に走行するフイルムである。電極針３４は、フイルム３５の走行面から高さＨが５０ｍｍ程度の位置に設定される。Ｌは電極針３４による除電範囲であり５０ｍｍ程度の長さに設定される。このときのフイルム３５の走行速度をｖ（ｍ／ｓ）とすると、最適な周波数Ｆは、Ｆ≧（ｖ／Ｌ）で表される。したがって、ｖ＝２．５（ｍ／ｓ）とすると、Ｆ≧（２５０／５）より最適な周波数は５０Ｈｚ以上に設定される。
【００１２】
図１５は、直流バイアス電源３３による昇圧トランス３２の２次側電圧の制御の一例を示す特性図である。バイアス電圧ＶＢを制御することにより、２次側電圧の０レベルが変わり電極針３４から発生する正負の極性のイオン量が調整される。このように、交流方式の除電装置は走行している長尺状の物体に対して近接した位置に電極針を配置して効果的に除電できる。しかしながら、周波数は商用電源により一律に５０Ｈｚまたは６０Ｈｚに設定され、電極針と対象物体の距離に応じて最適な周波数を設定することができないという問題がある。また、昇圧トランスは大型で重いため、設置場所に制約を受けるという問題がある。
【００１３】
そこでトランスの小型軽量化を図るために可変周波数の高周波トランスを用いた除電装置が開発されている。図１６はこのような除電装置の一例を示す回路図である。図１６において、４１は直流電源、４２ａ、４２ｂはスイッチ、４３ａ、４３ｂは高周波発振回路、４４ａ、４４ｂはトランス、４５ａ、４５ｂは倍電圧整流回路、４６は正極性の電極針、４７は負極性の電極針である。
【００１４】
高周波発振回路４３ａ、４３ｂを動作させることにより、トランス４４ａ、４４ｂの２次側には高周波電圧が発生する。倍電圧整流回路４５ａ、４５ｂは、コッククロフト・ウオルトンの回路といわれる周知の構成であり、コンデンサＣ１〜Ｃ４とダイオードＤ１〜Ｄ４で構成されている。コンデンサとダイオードとを組み合わせた単位ブロックの段数をｎ、入力電圧をＶｓとすると、倍電圧整流回路４５ａ、４５ｂの出力側にはｎＶｓの電圧が得られる。図１４の例ではｎ＝４であるので、倍電圧整流回路４５ａ、４５ｂの出力側には４Ｖｓの高電圧が形成されてそれぞれの電極針４６、４７に印加される。
【００１５】
図１７は高周波トランスを用いた除電装置の他の例を示す回路図である。図１７において、４１は直流電源、４２ｃはスイッチ、４３ｃは高周波発振回路、４４ｃはトランス、４５ａ、４５ｂは倍電圧整流回路、４６は正極性の電極針、４７は負極性の電極針である。この例では、単一のトランス４４ｃの２次側に発生する高周波電圧を倍電圧整流回路４５ａ、４５ｂにより昇圧し、正極性の電極針４６と負極性の電極針４７に印加する構成としている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
図１６の例では、高周波発振回路４３ａ、４３ｂを個別に制御することにより、正極性の電極針と負極性の電極針に印加する電圧をそれぞれ制御することができるのでイオンバランスを取りやすいという利点がある。しかしながら、正イオンと負イオンの発生する場所が違うので除電ムラが発生し、また、正極性と負極性の電極針をそれぞれ必要とするのでコストが高くなるという問題があった。
【００１７】
また、図１７の例では単一の高周波発振回路、トランス、電極針により正負の極性のイオンを発生させることができるので、構成が簡単でコストが安くなるという利点がある。しかしながら、正極性の電圧と負極性の電圧を個別に制御することができないので、イオンバランスを取りにくいという問題があった。
【００１８】
本発明はこのような問題に鑑みて、簡単な回路構成で電極手段に印加される電圧の周波数と、正極性及び負極性の電圧の大きさを個別に制御することができる除電装置の提供を目的とするものである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、除電装置を、外部電源から給電を各々の 1 次側で受けると高電圧を各々の２次側で発生する正極用トランスおよび負極用トランスと、前記正極用トランスの２次側に発生した高電圧を正極性の高電圧に昇圧するためのコンデンサとダイオードを組合わせた正極用倍電圧整流回路と、前記負極用トランスの２次側に発生した高電圧を負極性の高電圧に昇圧するためのコンデンサとダイオードを組合わせた負極用倍電圧整流回路と、前記正極用倍電圧整流回路のダイオードと前記負極用倍電圧整流回路のダイオードとに直列に接続されると共に各々が直列に接続される第１、第２のインピーダンス素子と、前記第１のインピーダンスと第２のインピーダンス素子との間に接続され、前記正極用倍電圧整流回路および前記負極用倍電圧整流回路により印加される正極性および負極性の高電圧に応じて正極性イオンと負極性イオンを発生させる電極手段と、前記正極用トランスの１次側の回路に設けられ、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の電子的スイッチと、前記負極用トランスの１次側の回路に設けられ、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の電子的スイッチと、前記第１の電子的スイッチと前記第２の電子的スイッチの開閉時間を制御して、前記電極手段に正負の極性を反転したパルス電圧を繰り返し印加させる制御装置とを備え、前記制御装置が前記第１の電子的スイッチおよび前記第２の電子的スイッチの一方を開状態に他方を閉状態に制御した際に、前記閉状態に対応した前記正極用または負極用倍電圧整流回路により昇圧された高電圧が、（ａ）前記第１、第２のインピーダンス素子と（ｂ）前記閉状態に対応した前記正極用または負極用倍電圧整流回路の前記ダイオードとからなる直列回路に印加されるように構成したことを主な特徴する。
【００２７】
請求項１に係る発明においては、第１のスイッチと第２のスイッチの開閉時間の制御により、電極手段から出力される正負の極性のイオン量を個別に制御しているので、簡単な構成で効果的に除電を行うことができる。また、単一の電極手段により正負の極性のイオンを出力させるので除電ムラがなく、電極針の数を１／２にできその結果除電装置のコストが安くなる。
【００２８】
また、第１のスイッチと第２のスイッチの開閉時間を制御して、第１のスイッチと第２のスイッチの単位時間あたりの開閉頻度を変え、電極手段に印加される電圧の周波数を制御し、電極手段と除電の対象物との距離に応じた最適の周波数で電極手段に電圧を印加すると、効果的に除電を行うことができる。
【００２９】
また、第１のスイッチと第２のスイッチの開閉時間を制御して、第１のスイッチと第２のスイッチの一周期内での開閉時間の比率を変え、電極手段に印加される正極性の出力電圧と負極性の出力電圧の大きさを個別に制御すると、電極手段から出力される正極性と負極性のイオン量の大きさをそれぞれ個別に制御することができ、イオンバランスが取りやすくなる。
【００３０】
また、第１のスイッチと第２のスイッチの開閉時間を制御して、第１のスイッチと第２のスイッチの単位時間あたりの開閉頻度を変えると共に、第１のスイッチと第２のスイッチの一周期内での開閉時間の比率を変えることにより、電極手段に印加される電圧の周波数と、電極手段に印加される電圧の周波数と、電極手段に印加される正極性の出力電圧と負極性の出力電圧の大きさを個別に制御することとなり、電極手段と除電の対象物との距離が変化した場合でもイオンバランスが取りやすくなる。
【００３２】
また、第１、第２のインピーダンス素子を、抵抗とコンデンサの並列回路で構成することにより、電極手段と接地間に形成される浮遊容量の影響を除去し、電極手段に高電圧発生回路の出力電圧が印加されたときの立上がりの特性が改善される。
【００３３】
また、第１、第２のインピーダンス素子を抵抗とツェナーダイオードの直列回路で形成すると、高電圧発生回路の出力端子と電極手段との間の消費電力が軽減されるので、除電装置の効率を向上させることができる。また、出力インピーダンスを減少させて応答性を改善することができる。
【００３４】
また、第１、第２のインピーダンス素子を、抵抗とツェナーダイオードの直列回路にコンデンサを並列に接続した回路で形成することにより、除電装置の効率を向上させることができると共に、電極手段に高電圧発生回路の出力電圧が印加されたときの立上がりの特性が改善される。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の除電装置の一例を示す回路図である。図１において、１は直流電源で例えば二次電池等の外部直流電源を用いる。２ａ、２ｂは直流電源１の出力側に設けられるスイッチ、３は制御信号Ｓａ、Ｓｂによりスイッチ２ａ、２ｂの開閉時間を制御する制御装置である。スイッチ２ａ、２ｂは、トランジスタ等の電子的スイッチを用いることができる。４は、トランス４ａ、倍電圧整流回路４ｂよりなる正極性の高電圧発生回路、５は、トランス５ａ、倍電圧整流回路５ｂよりなる負極性の高電圧発生回路である。
【００３６】
各高電圧発生回路４、５において、倍電圧整流回路４ｂ、５ｂのコンデンサとダイオードを組み合わせたブロックの段数は適宜の段数に設定され、所定の値の直流高電圧が高電圧発生回路４、５の出力端子６、７に得られる。出力端子６、７間には、電流制限用のインピーダンスとして作用する等価の抵抗Ｒ１、Ｒ１を直列に接続し、両抵抗の接続点８に電極針９を接続する。
【００３７】
スイッチ２ａは、直流電源１から供給される電圧により正極性の高電圧発生回路４が動作して、電極針９に正極性の高電圧を印加する際に形成される第１の給電経路を開閉するスイッチとして機能する。また、スイッチ２ｂは、直流電源１から供給される電圧により負極性の高電圧発生回路５が動作して、電極針９に負極性の高電圧を印加する際に形成される第２の給電経路を開閉するスイッチとして機能する。
【００３８】
図２、図３は図１の除電装置の高電圧発生回路の出力電圧の波形を示す特性図である。図２、図３を参照して図１の除電装置の動作を説明する。制御装置３からの制御信号Ｓａ、Ｓｂによりスイッチ２ａをオン、スイッチ２ｂをオフにする。この際に、正極性の高電圧発生回路４のトランス４ａの２次側にはパルス状の高電圧が発生する。
【００３９】
このトランス４ａの２次側に発生したパルス状の高電圧を倍電圧整流回路４ｂにより昇圧して、振幅値Ｖａの正極性のパルス電圧を正極性の高電圧発生回路４から出力し、電極針９に印加する。電極針９からは正極性のイオンが出力されて図示しない対象物体に吹き付けられる。
【００４０】
ｔａ時間スイッチ２ａをオン、スイッチ２ｂをオフにして、電極針９に振幅値Ｖａ／２の正極性のパルス電圧を印加してから、次に制御装置３からの制御信号Ｓａ、Ｓｂによりスイッチ２ａをオフ、スイッチ２ｂをオンにする。この際には、負極性の高電圧発生回路５のトランス５ａの２次側にはパルス状の高電圧が発生する。このトランス５ａの２次側に発生したパルス状の高電圧を倍電圧整流回路５ｂにより昇圧して、振幅値Ｖａの負極性のパルス電圧を負極性の高電圧発生回路５から出力し、電極針９に印加する。電極針９からは負極性のイオンが出力されて図示しない対象物体に吹き付けられる。
【００４１】
ｔｂ時間スイッチ２ａをオフ、スイッチ２ｂをオンにして、電極針９に振幅値Ｖａ／２の負極性のパルス電圧を印加してから、次に再度スイッチ２ａをオン、スイッチ２ｂをオフにして電極針９に振幅値Ｖａ／２の正極性のパルス電圧を印加する。以下、スイッチ２ｂ、２ａを交互に開閉し、周期Ｔ（Ｔ＝ｔａ＋ｔｂ）で正負の極性を反転したパルス電圧を交互に電極針９に印加する。
【００４２】
このように、制御装置３からの制御信号Ｓａ、Ｓｂでスイッチ２ａ、２ｂの開閉時間を制御し、前記電圧の極性を変化させる周期Ｔの単位時間あたりの繰り返し回数を適宜設定することにより、電極針９にはＥ１の波形で示される所定の周波数の高電圧が印加されることになる。ここで、単位時間あたりの周期Ｔの繰り返し回数は、単位時間あたりのスイッチ２ａ、２ｂの開閉頻度で規定される。このため、電極針９に印加される電圧の周波数の制御は、単位時間あたりのスイッチ２ａ、２ｂの開閉頻度を変えることにより、すなわち、単位時間あたりのスイッチ２ａ、２ｂの開閉時間を制御することにより行われるものである。
【００４３】
図２は、各スイッチ２ａ、２ｂのオンの時間ｔａとｔｂを等しく、すなわち、正極性の高電圧発生回路４と負極性の高電圧発生回路５の動作時間を等しくして、電極針９に印加される正負の極性の電圧の大きさを同じ値に設定している。しかしながら、前記のように負極性のイオンが低電圧で発生しやすい傾向にあるので、正負の極性の電圧の大きさを同じ大きさにして電極針９に印加すると、イオンバランスが取れない場合がある。
【００４４】
このような場合には、図３のように一周期Ｔ内でスイッチ２ａのオン時間ｔｐをスイッチ２ｂのオン時間ｔｑよりも長く設定し、電極針９に印加する電圧は、正極性の電圧が負極性の電圧よりも大きくなるように電圧を制御する。すなわち、一周期Ｔ内でスイッチ２ａ、２ｂの開閉時間の比率を変えて、正極性及び負極性の電圧の大きさを制御する。
【００４５】
この際には、電極針９にはＥ２の波形で示される所定の周波数の高電圧が印加されることになる。電極針９に電圧が印加される時間は、一周期内で正極性のパルス電圧が印加される時間が負極性のパルス電圧が印加される時間よりも長くなるので、正極性のイオン量が増加する傾向が強くなり、イオンバランスが取られることになる。
【００４６】
また、対象物体が正極性に強く帯電している場合には、スイッチ２ｂのオン時間ｔｂをスイッチ２ａのオン時間ｔａよりも長く設定する。この場合には、電極針９に印加される電圧は、負極性の電圧が正極性の電圧よりも大きくなるように制御される。
【００４７】
図３において周期を図２の例と同一の周期Ｔに設定すると、スイッチ２ａ、２ｂの開閉時間の比率を制御することにより、周波数を固定したままで電極針９に印加される正負の極性の電圧の大きさを変えることができる。すなわち、電極針９で発生する正負の極性のイオン量の大きさを制御することができる。
【００４８】
また、図２の例とは異なる周期でスイッチ２ａ、２ｂを開閉して、すなわち、スイッチ２ａ、２ｂの開閉頻度を変えて、電極針９に印加する電圧の周波数を制御すると共に、一周期内のスイッチ２ａ、２ｂの開閉時間の比率を変えて、電極針９に印加される正負の極性の電圧の大きさも変える構成とすることができる。
【００４９】
このように図１の除電装置は、スイッチ２ａ、２ｂの開閉時間を制御することにより、電極針９に印加する電圧の周波数の制御と、正負の極性の電圧の個別の大きさの制御をそれぞれ独立して行うことができるが、更に、電極針９に印加する電圧の周波数と共に、正負の極性の個別の電圧の大きさを同時に制御することができる。また、単一の電極針により正負の極性のイオンを出力させるので、コストを低減することができる。
【００５０】
ところで図１の除電装置は、電極針９と接地間に浮遊容量Ｃｆが形成されている。このような浮遊容量Ｃｆに起因して時定数が大きくなるために電極針９に電圧が印加された際の応答性が悪くなり、図４の特性図に示すように電極針９に印加される電圧はＥ３の波形のように立上りに遅れが発生する。このため、電極針９に印加される電圧の大きさが不足して十分にイオンを発生することができないという問題がある。
【００５１】
図５は、このような浮遊容量Ｃｆの影響を除去するための構成を示す回路図である。図１の例では正極性の高電圧発生回路４と負極性の高電圧発生回路５の出力端子６、７間に、抵抗Ｒ１、Ｒ１の直列回路を接続している。図５の例では、前記抵抗Ｒ１に代えて抵抗Ｒ２とコンデンサＣａの並列回路を直列に接続する構成としている。このように、出力端子６、７間にコンデンサを含むインピーダンスを接続しているので、浮遊容量Ｃｆによるインピーダンスは打ち消される。このため応答性が良くなり、電極針９に印加される電圧は立上りの遅れがなくＥ４の波形のように改善される。
【００５２】
図６は、本発明の別の実施の形態を示す回路図である。図６の例では、図１の抵抗Ｒ１に代えて抵抗Ｒ３とツェナーダイオードＺｄの直列回路を接続している。ここで正極性の高電圧発生回路４の出力電圧をＶｂ、負極性の高電圧発生回路５の出力電圧をＶｃ、ツェナーダイオードＺｄのツェナー電圧をＶｚとするとき、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｚの関係は、２Ｖｚ≦Ｖｂ、２Ｖｚ≦Ｖｃとなるようにツェナー電圧Ｖｚを定める。
【００５３】
正極性の高電圧発生回路４から電圧Ｖｂが出力されているときには、出力端子６からの出力電流Ｉｂは、Ｉｂ＝（Ｖｂ−２Ｖｚ）／２Ｒ３となる。また、負極性の高電圧発生回路５から電圧Ｖｃが出力されているときには、出力端子７からの出力電流Ｉｃは、Ｉｃ＝（Ｖｃ＋２Ｖｚ）／２Ｒ３となる。
【００５４】
次に図１の例と図６の例の特性を比較する。図１においては、出力端子６、７間の出力インピーダンスＺａは、抵抗Ｒ１とＲ１が並列に接続されているので、Ｚａ＝（Ｒ１／２）となる。正極性の高電圧発生回路４から電圧Ｖａが出力されているときに出力端子６からの出力電流Ｉａは、Ｉａ＝（Ｖａ／２Ｒ１）となる。したがって、出力端子６と接続点８の間に接続されている抵抗Ｒ１の消費電力Ｗａは、Ｗａ＝（Ｉａ）２Ｒ１＝（Ｖａ）２／４Ｒ１となる。
【００５５】
図６の例は、出力端子６、７間の出力インピーダンスＺｂは、ツェナーダイオードＺｄのインピーダンスを無視すれば抵抗Ｒ３とＲ３が並列に接続されているので、Ｚｂ＝（Ｒ３／２）となる。このときの出力端子６と接続点８の間に接続されている抵抗Ｒ３の消費電力Ｗｂは、Ｗｂ＝（Ｉｂ）２Ｒ３であるから、Ｉｂに上記の値を代入してＷｂ＝（Ｖｂ−２Ｖｚ）２／４Ｒ３となる。ここで、簡単のためにＶａ＝Ｖｂ、Ｒ１＝Ｒ３とすると、Ｗａ＞Ｗｂとなり、図６の構成にすると図１の構成よりも消費電力が少なくなり、除電装置の効率が向上する。
【００５６】
また、Ｉａ＝Ｉｂとした場合、Ｒ１＞Ｒ３となり出力インピーダンスが減少して応答性が改善される。出力端子７と接続点８間の出力インピーダンスに対する消費電力の軽減と、応答性の改善についても上記したところと同様になる。このように、図６の構成ではツェナーダイオードＺｄを用いることにより、図１の構成と出力インピーダンスが同じでも除電装置の効率を向上させることができるものである。
【００５７】
図７は、本発明の更に別の実施の形態を示す回路図である。この例では、出力端子６と接続点８間、および出力端子７と接続点８間に、それぞれ抵抗Ｒ４とツェナーダイオードＺｄの直列回路にコンデンサＣｂを並列に接続している。このような構成とすることにより、図５の例で説明したと同じように、浮遊容量Ｃｆに起因する電極針９に印加される高電圧発生回路の出力電圧の立上りの遅延を解消し、応答性が改善される。
【００５８】
図１、図５〜図７の構成では正極性の高電圧発生回路４、負極性の高電圧発生回路５の出力端子６と出力端子７間には等価な２つのインピーダンスを直列に接続している。しかしながら、本発明の除電装置においては上記２つのインピーダンスは互いに等価なものには限定されない。一方のインピーダンスを他方のインピーダンスよりも大きく設定して、電極針９に高電圧を印加する構成とすることも可能である。
【００５９】
図１の例では、高電圧を電極針に印加する際に形成される給電経路を開閉する第１、第２のスイッチ２ａ、２ｂは、直流電源１とトランス４ａ、５ａとの間に接続されている。本発明においては、前記第１、第２のスイッチは、正極性の高電圧発生回路または負極性の高電圧発生回路を電極針に印加する際に形成される給電経路のどの位置に接続しても、前記した電極針に印加する電圧の周波数と電圧の大きさを制御することができるものである。
【００６０】
図８は、第１、第２のスイッチ２ａ、２ｂを倍電圧整流回路４ｂ、５ｂの入力側に接続した例を示す回路図である。図８の例では、直流電源１の出力側に直流−交流インバータ１１を接続し、直流−交流インバータ１１の出力側にトランス４ａ、５ａを接続している。
【００６１】
この例においても、第１のスイッチ２ａをオン、第２のスイッチ２ｂをオフにすると、電極針９には正極性の高電圧が印加される。また、第１のスイッチ２ａをオフ、第２のスイッチ２ｂをオンにすると、電極針９には負極性の高電圧が印加される。
【００６２】
更に、第１のスイッチ２ａと第２のスイッチ２ｂの単位時間あたりの開閉頻度を制御することにより、電極針９に印加される電圧の周波数を制御することができる。また、第１のスイッチ２ａと第２のスイッチ２ｂの一周期内での開閉時間の比率を制御することにより、電極針９に印加される正負の極性の電圧の大きさを制御することができる。
【００６３】
図１の例では、直流電源１の電圧を正極性または負極性の高電圧発生回路に供給している。本発明においては、交流電源の電圧を直流に変換して正極性または負極性の高電圧発生回路に供給する構成とすることも可能である。図９は、交流電源を用いた例を示す回路図である。図９において、ＡＣは商用交流電源、１２は交流−直流インバータである。第１のスイッチ２ａと第２のスイッチ２ｂは、交流−直流インバータ１２の出力側に接続されている。
【００６４】
交流−直流インバータ１２の出力側から電極針９までの給電経路の構成は、図１の構成と同様であるので詳細な説明は省略する。このように、本発明においては正極性または負極性の高電圧発生回路に電圧を供給する電源は、直流電源と交流電源のいずれでも適用が可能である。
【００６５】
ところで、電極針から大量のイオンを出力する場合には、高電圧発生回路に用いるトランスの出力容量を大きくする必要がある。しかしながら、トランスの出力容量を大きくするとトランスが大型化する。トランスの２次側から高周波の交流電圧を出力させるために、制御装置によりトランスの１次巻線への通電のオン、オフ制御を行うが、上記のようにトランスが大型化すると、前記オン、オフ制御のスイッチング周波数が低下する。
【００６６】
例えば、トランスの出力が１Ｗであれば、スイッチング周波数は約１００ＫＨｚであるが、トランスの出力が５Ｗに増大すると、スイッチング周波数は約１０〜３０ＫＨｚに低下する。このようにスイッチング周波数が低下すると、高電圧発生回路から電極針に印加される出力電圧の立上り時間が長くなるという問題がある。
【００６７】
図１１は、前記制御装置によるトランスの１次巻線のオンオフ制御と出力電圧の立上り時間との関係を示す特性図である。図１１において、制御装置によるスイッチオンはＨレベルに、スイッチオフはＬレベルに表示しており、スイッチのオン、オフの状態は波形Ｘで示される。このときの出力電圧は波形Ｙ１で示されるが、出力電圧はスイッチのオン動作に直ちには追随せずに時間遅れをもって立上るので、出力電圧の立上り時間が長くなっている。
【００６８】
図１０は、このような電極針から大量のイオンを出力する場合の改良例を示す回路図である。図１０において、１は直流電源、２ａはスイッチ、１０ａ、１０ｂは制御回路、４ａ１、４ａ２はトランス、４ｂ１、４ｂ２は倍電圧整流回路で、それぞれ同一値の正極性の直流高電圧を出力端子６から出力する。負極性の高電圧発生回路においても、同様にトランスを分割して２つの倍電圧整流回路を接続する。
【００６９】
このようにトランスを分割すると、図１１の特性Ｙ２に示すように制御回路によるスイッチのオン動作に直ちに追随して出力電圧が立ち上がるようになり、高電圧発生回路から電極針に印加される出力電圧の立上り時間が短縮される。トランスの分割数とトランスに接続される高電圧発生回路の数は、対象物体の除電に必要とされるイオン量に応じて選定される。
【００７０】
上記の説明では正極性または負極性のイオンを交互に出力する手段として、電極針を用いる例を説明した。本発明の除電装置においては、イオンを出力する電極手段として、電極針に代えて細線等の長尺状物や突起部を有する部材を用いる構成とすることもできる。また、対象物体にイオンを吹き付けるためにファンやコンプレッサー等の外部機器を用いるかどうかも任意に定められる。
【００７１】
【発明の効果】
以上、詳述したように本発明では、電極手段と接地間に形成される浮遊容量の影響を低減し、電極手段に印加する正負のパルス電圧の立上がりの特性を改善することができ、イオンの発生効率が高められるとともに、正負共通の電極針に正負の電位を印加するので、正負イオンの発生位置の偏りを防ぐことができる。また、正および負のパルス電圧の発生の切り替えを正極用トランスの１次側の回路に設けた電子的スイッチと負極用トランスの１次側の回路に設けた電子的スイッチにより行うので、除電装置の電気的寿命を大幅に延ばすことができる。さらに、対象物の除電を効果的により確実に行うことができるといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る除電装置の好適な実施の形態における構成を示す回路図である。
【図２】図１の除電装置の高電圧発生回路の出力電圧の波形を示す特性図である。
【図３】図１の除電装置の高電圧発生回路の出力電圧の波形を示す特性図である。
【図４】図１の除電装置の高電圧発生回路の出力電圧の波形を示す特性図である。
【図５】除電装置の別の実施の形態における構成を部分的に示す回路図である。
【図６】除電装置の別の実施の形態における構成を部分的に示す回路図である。
【図７】除電装置の別の実施の形態における構成を部分的に示す回路図である。
【図８】除電装置の別の形態における構成を示す回路図である。
【図９】除電装置の別の形態における構成を示す回路図である。
【図１０】除電装置の改良例を示す回路図である。
【図１１】図１０の除電装置の動作を示す特性図である。
【図１２】直流方式の除電装置の一例を示す回路図である。
【図１３】イオン量と電圧の関係を示す特性図である。
【図１４】交流方式の除電装置の一例を示す回路図である。
【図１５】図１２の除電装置のバイアス制御を示す特性図である。
【図１６】除電装置の従来例を示す回路図である。
【図１７】除電装置の他の従来例を示す回路図である。
【符号の説明】
１ 直流電源
２ａ、２ｂ スイッチ
３ 制御装置
４ 正極性の高電圧発生回路
５ 負極性の高電圧発生回路
４ａ、５ａ トランス
４ｂ、５ｂ 倍電圧整流回路
６、７ 出力端子
８ 接続点
９ 電極針
１１ 直流−交流インバータ
１２ 交流−直流インバータ
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３ 抵抗
Ｃａ、Ｃｂ コンデンサ
Ｃｆ 浮遊容量
Ｚｄ ツェナーダイオード
Ｓａ、Ｓｂ 制御信号
Ｉａ 出力電流
Ｅ１，Ｅ２ 電圧波形
Ｔ 周期
Ｖａ 振幅値
Claims (11)
- 外部電源から給電を各々の 1 次側で受けると高電圧を各々の２次側で発生する正極用トランスおよび負極用トランスと、前記正極用トランスの２次側に発生した高電圧を正極性の高電圧に昇圧するためのコンデンサとダイオードを組合わせた正極用倍電圧整流回路と、前記負極用トランスの２次側に発生した高電圧を負極性の高電圧に昇圧するためのコンデンサとダイオードを組合わせた負極用倍電圧整流回路と、前記正極用倍電圧整流回路のダイオードと前記負極用倍電圧整流回路のダイオードとに直列に接続されると共に各々が直列に接続される第１、第２のインピーダンス素子と、前記第１のインピーダンスと第２のインピーダンス素子との間に接続され、前記正極用倍電圧整流回路および前記負極用倍電圧整流回路により印加される正極性および負極性の高電圧に応じて正極性イオンと負極性イオンを発生させる電極手段と、前記正極用トランスの１次側の回路に設けられ、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の電子的スイッチと、前記負極用トランスの１次側の回路に設けられ、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の電子的スイッチと、前記第１の電子的スイッチと前記第２の電子的スイッチの開閉時間を制御して、前記電極手段に正負の極性を反転したパルス電圧を繰り返し印加させる制御装置とを備え、前記制御装置が前記第１の電子的スイッチおよび前記第２の電子的スイッチの一方を開状態に他方を閉状態に制御した際に、前記閉状態に対応した前記正極用または負極用倍電圧整流回路により昇圧された高電圧が、（ａ）前記第１、第２のインピーダンス素子と（ｂ）前記閉状態に対応した前記正極用または負極用倍電圧整流回路の前記ダイオードとからなる直列回路に印加されるように構成したことを特徴とする除電装置。
- 前記第１の電子的スイッチと前記第２の電子的スイッチの開閉時間を制御することにより、電極手段に印加する電圧の周波数を制御してなることを特徴とする請求項１に記載の除電装置。
- 前記第１の電子的スイッチと前記第２の電子的スイッチの開閉時間を制御することにより、電極手段に印加する正負の極性の電圧の大きさを制御してなることを特徴とする請求項１に記載の除電装置。
- 前記第１の電子的スイッチと前記第２の電子的スイッチの開閉時間の比率を制御することにより、周波数を固定したままで電極手段に印加する正負の極性の電圧の大きさを制御してなることを特徴とする請求項１に記載の除電装置。
- 前記第１の電子的スイッチと前記第２の電子的スイッチの開閉時間を制御することにより、電極手段で発生する正負の極性のイオン量の大きさを制御してなることを特徴とする請求項１に記載の除電装置。
- 前記第１の電子的スイッチと前記第２の電子的スイッチの開閉時間を制御することにより、電極手段に印加する電圧の周波数と正負の極性の電圧の大きさを制御してなることを特徴とする請求項１に記載の除電装置。
- 前記第１、第２のインピーダンス素子は、抵抗とコンデンサの並列回路で形成したことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の除電装置。
- 前記第１、第２のインピーダンス素子は、抵抗とツェナーダイオードの直列回路で形成し、前記第１、第２のインピーダンス素子を形成する前記ツェナーダイオードのツェナー電圧の和は、前記正極用倍電圧整流回路により昇圧された高電圧以下に定められると共に負極用倍電圧整流回路より昇圧された高電圧以下に定められることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の除電装置。
- 前記第１、第２のインピーダンス素子は、抵抗とツェナーダイオードの直列回路にコンデンサを並列に接続した回路で形成し、前記第１、第２のインピーダンス素子を形成する前記ツェナーダイオードのツェナー電圧の和は、前記正極用倍電圧整流回路により昇圧された高電圧以下に定められると共に負極用倍電圧整流回路より昇圧された高電圧以下に定められることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の除電装置。
- 前記第１、第２のインピーダンス素子は、互いにインピーダンスが等価で あることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の除電装置。
- 前記第１、第２のインピーダンス素子は、一方が他方よりもインピーダンスが大きいことを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の除電装置。
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