JP4315710B2

JP4315710B2 - 除電器

Info

Publication number: JP4315710B2
Application number: JP2003063031A
Authority: JP
Inventors: 賢太郎藤井
Original assignee: Keyence Corp
Current assignee: Keyence Corp
Priority date: 2003-03-10
Filing date: 2003-03-10
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2023-03-10
Also published as: JP2004273294A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、コロナ放電により空気をイオン化する除電器に関し、より詳しく、イオン化した空気を、チューブやノズルなどの外部小径管を通じてワーク（除電対象物）の近傍まで搬送する形式の除電器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
除電器を設置するスペースが無い狭い所での除電や、チューブの屈曲性を利用した可動部の除電にチューブ搬送式除電器が活用されている。
【０００３】
コロナ放電により空気をイオン化する除電器は、ＡＣ（交流）方式とＤＣ（直流）方式の２種類に大別することができるが、その基本原理は、放電電極に高電圧を印加してコロナ放電を発生させ、このコロナ放電により空気をイオン化する点で共通している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１３８０９０号公報
【０００５】
特許文献１は、正負のイオンがチューブ内で打ち消し合うのを回避できるように、交流周波数を１kHz以上に設定した高周波ＡＣによるチューブ搬送式除電器つまりイオン生成装置を提案している。図１、図２は特許文献１に添付の図の一部である。図１を参照して、従来のチューブ搬送式除電器１は、空気流路に設けられた拡大室つまりイオン生成室２を有する。イオン生成室２は、その上壁に空気流入ポート３を有し、この空気流入ポート３は、コンプレッサなどの空気供給手段４に連通している。イオン生成室２の下壁にはイオン化空気流出ポート５を有し、このイオン化空気流出ポート５には可撓性導気チューブ６が連結されている。
【０００６】
イオン生成室２には放電電極７が設けられ、この放電電極７は、空気流入ポート３とイオン化空気流出ポート５とを結ぶ軸線に沿って配置されている。対向電極は、実質的に、イオン化空気流出ポート５の回りの下壁８で構成され、この下壁８は接地されている。
【０００７】
放電電極７には交流高電圧電源９からＡＣ電源が供給される。交流高電圧電源９は、図２に例示するように、商用電源１０を電源とする直流回路１１及び発振回路１２を有し、発振回路１２からの高周波電圧を昇圧するトランス１３の出力を高電圧ケーブル１４を経由して放電電極７に供給するようになっている。
【０００８】
従来のチューブ搬送式除電器１は、放電電極７に所定の電圧を印加してコロナ放電を発生させ、これにより、イオン生成室２に圧送される空気をイオン化し、次いで、イオン化した空気を、流出ポート５、可撓性導気チューブ６を通じてワーク（図示せず）の近傍に吐出する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、チューブなどを通じてイオン化した空気をワークの近傍まで搬送する形式の除電器は、イオン化した空気を外部小径管を通じて搬送してワークを除電するものであるが、外部小径管から吐出される空気の力で、ワークに付着した埃を除去できるという利点を含む。
【００１０】
埃の除去だけを目的とするのであれば、空気の流量を大きくした方が効率的であるが、吐出する空気によってワーク自体が飛散してはならないため、外部小径管から吐出する空気の量を調整する必要がある。また、ユーザ毎に意図する目的や程度が異なることから、ユーザ毎に外部小径管から吐出する空気の量を変化させることのできる機能を付加するのが望ましい。
【００１１】
しかし、空気の流量を変化させると、外部小径管内の圧力損失により放電電極の回りの気圧が変化してしまい、例えば、放電電極回りの気圧が相対的に低くなり過ぎるとオゾンやＮＯxの大量発生の虞があり、他方、放電電極回りの気圧が相対的に高くなり過ぎると放電が停止してしまう虞がある。ちなみに、放電開始電圧は、放電電極回りの気圧と共に高くなる性質を有する。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、チューブなどの外部小径管から吐出する空気の量を変化させたとしても安定した空気のイオン化が可能な除電器を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
かかる技術的課題は、本発明によれば、
トランスにより昇圧されるＤＣ電圧を夫々プラス側及びマイナス側の放電電極にパルス状に印加してコロナ放電により供給される空気をイオン化し、イオン化した空気を外部小径管を通じてワークの近傍に吐出することによりワークの除電を行う除電器であって、
少なくともプラス側又はマイナス側の前記トランスの一次電圧を調整する電圧調整回路を備え、放電によって生じるパルス状の電流の有無によって放電状態を検出し、前記パルス状の電流が検出されない場合に前記トランスの一次電圧を上昇させると共に、前記パルス状の電流が検出された場合に、該検出された電流値が目標値となるように前記トランスの一次電圧を調整するパルス状電流検知手段と、
前記供給される空気の量の変化に応じて、前記放電電極に印加する電圧を調整することのできる印加電圧調整手段を有することを特徴とする除電器を提供することにより達成される。印加電圧調整手段は例えば手動の電圧調整ダイヤルを設け、これをマニュアル操作することで放電電極に印加する電圧を調整するようにしてもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施の形態では、適切なコロナ放電が行われているか否かを検出する放電検出手段を更に有する。この放電検出手段により、適切なコロナ放電が行われていないことを検出したときには、前記印加電圧調整手段により所定のコロナ放電状態になるように放電電極に印加する電圧の調整するフィードバック制御を行うことができる。
【００１５】
上記の放電検出手段としては、放電電流を検出するようにしてもよく、放電電極回りの気圧（圧力）を検出してもよく、或いは、供給される空気の流量を検出してもよい。
【００１６】
例えば、放電検出手段が放電電流を検出する手段から構成されているときには、検出した放電電流の値が例えば所定の電流値よりも小さいとき、つまり放電状態が弱すぎるときには放電電極に印加する電圧を高めることにより適切なコロナ放電を実行させることができる。逆に、検出した放電電流の値が例えば所定の電流値よりも大きいとき、つまり放電状態が強すぎるときには放電電極に印加する電圧を下げることにより適切なコロナ放電を実行させることができる。
【００１７】
これにより、供給される空気の量の変化に対して、放電電極に印加する電圧の値を適正化することができ、放電電極に不十分な電圧を印加することによるコロナ放電の未発生や、放電電極に過剰な電圧を印加することによる火花放電の発生による除電能力の低下やオゾンの多量の発生を防止することができる。
【００１８】
ＤＣ方式の除電器であるから、放電電流を検知する方法として、抵抗によって直流電流を測定してもよく、また、放電により発生するパルス状の電流を検知してもよい。ＤＣ方式の除電器であるから、直流電流の平均電流値を知ることによって、簡単に且つ正確にコロナ放電の強さを測定することができる。
【００１９】
放電電極回りの気圧（圧力）を例えば圧力センサを設けることで測定してフィードバック制御を行うのであれば、予め圧力と放電電圧との関係を求めておき、これをテーブルとして用意しておけば、検出した圧力に応じた最適の電圧に調整することもできる。同様に、空気の流量を計測してフィードバック制御を行うのであれば、予め流量と圧力との関係を求めておき、これをテーブルとして用意しておけば、検出した流量を圧力に変換することで最適の電圧に調整することができる。
【００２０】
【実施例】
以下に、本発明の好ましい実施例を添付の図面に基づいて説明する。図３は、実施例の除電器の電源回路２０のブロック図であり、従来と同様に商用電源１０を電源とする直流電源回路１１と、この直流電源回路１１からの電圧を調整する電圧調整回路２１とを有する。電源回路２０は、電圧調整回路２１により調整された電圧を昇圧回路２２により高電圧に高めて、この高電圧を放電電極つまり放電針２３に印加するようになっている。
【００２１】
電源回路２０は、放電状態を検出する回路２４を有し、この放電検出回路２４からの出力はアンプ２５により増幅されて比較回路２６に入力され、放電状態が所定の状態と異なるときには電圧調整回路２１により放電状態が所定の状態となるように直流電源回路１１からの電圧を調整するフィードバック制御が行われる。
【００２２】
図４〜図６は、放電検出回路２４の具体例を例示するための図であり、これら図４〜図６は、例示として、ＤＣ（直流）方式の除電器に関する回路図を示している。
【００２３】
すなわち、例えば図４を参照して、ＤＣ方式の除電器は、プラス側のトランス３０とマイナス側のトランス３１を有し、これらトランス３０、３１の一次側コイルに印加する電圧が上述した電圧調整回路２１により調整される。プラス側の昇圧回路３２（２２）はプラス側の放電針３３（２３）に接続され、マイナス側の昇圧回路３４（２２）はマイナス側の放電針３５（２３）に接続される。
【００２４】
プラス側放電針３３とマイナス側放電針３５との間の放電電流は、図４の例では、プラス側の昇圧回路３２とトランス３０との間の接地側の結線に抵抗４０が接続され、この抵抗４０を流れる電流を測定することにより検出することが可能である。測定した電流が目標値に対して小さいときには、プラス側又はマイナス側のトランス３０、３１の一次電圧の少なくとも一方を高める制御が行われる。他方、測定した電流が目標値に対して大きいときには、プラス側又はマイナス側のトランス３０、３１の一次電圧の少なくとも一方を低下させる制御が行われる。
【００２５】
抵抗４０は、図５に図示するように、マイナス側の昇圧回路３４とトランス３１との間の接地側の結線に接続するようにしてもよく、或いは、図６に図示するように、プラス側の昇圧回路３２とトランス３０との間の接地側の結線と、マイナス側の昇圧回路３４とトランス３１との間の接地側の結線との間に接続するようにしてもよい。
【００２６】
図７は、放電によって生じるパルス状の電流の有無によって放電状態を検出し、パルス状の電流が検出されない場合には、プラス又はマイナス側のトランス３０、３１の少なくとも一方の一次電圧を上昇させるようになっている。すなわち、プラス側であってもよいが例えばマイナス側の昇圧回路３４の出力側（高電圧ケーブル４０）に、コンデンサ４１を介してパルス状電流検知回路４２が接続されている。
【００２７】
パルス状電流検知回路４２は、図８に示すように、電流-電圧変換素子４３で構成してもよく、図９に示すように、電流-電圧変換素子４３の前段にパルストランス４４を用いてパルス状の電流を選択するようにしてもよい。電流-電圧変換素子４３としては、抵抗、コイル、ＬＣ並列回路などを用いることができる。
【００２８】
パルス状電流検知回路４２によって検出した電流をアンプ４５によって増幅し、整流回路４６、２値化回路（典型的にはコンパレータ）４７によって２値化して、パルス状電流の有無を検出するようにしてもよく、或いは、図１０に示すように、コンパレータ４７で二値化した後に、例えばマイコンによりパルス数をカウントすることにより電流値に変換して、この電流値が目標値となるように放電針２３に印加する電圧を調整するようにしてもよい。
【００２９】
図１１は、ＤＣ方式の除電器であれば、昇圧回路３２（３４）と放電針３３（３５）の間に、比較的大きな抵抗値を有する制限抵抗５０を設けることで、放電状態の自動調整を行うことができる。
【００３０】
プラス側放電針３３とマイナス側放電針３５とを対向させて放電を行う場合、雰囲気圧力と放電電圧との相関関係を実験により求めたところ、常圧（０MＰaとする）に対して、0.25MＰaでは約２倍、0.5MＰaでは約３倍の電圧が必要であることが分かった（この相関関係を「関係１」という）。
【００３１】
対向電極と同じような電界集中を生じさせることのできる同軸円筒電極に関し、放電開始電界と圧力との関係式は次のように表すことができる（書籍「新高電圧工学」ｐ７９、朝倉書店、著者：坂本、田頭）。
【００３２】
（式１）Ｅc＝31.0δ｛１＋0.301(δｒ)⁽ ⁻ ^1/2)｝
ここに、Ｅcは放電開始電界（kＶ/cm）であり、δは相対空気密度であり、ｒは内側電極の外径である。相対空気密度（δ）は、絶縁気体を理想気体とみなして、温度変化に伴う気体密度の補正（温度補正）を行うためのものであり、次の式で表すことができる。
【００３３】
δ＝0.386ｐ／（273＋ｔ）
ここに、ｐは気圧（Torr）であり、ｔは気体温度（℃）であり、７６０Torr、２０℃のδを１としている。
【００３４】
上記の式１においても、0.5MＰa（δ＝６）では常圧の約３倍の電界となることから、前述した実験結果は電界が集中する箇所でのコロナ放電の一般的な傾向であると考えることができる。
【００３５】
一方、常圧下での放電電流と電圧との相関は、図１２に示すように電極間距離によって変化する。放電電極に対する出力電圧を、高い圧力に対して適当な値に設定すると、常圧下では電圧が過剰となり、非常に大きな電流が流れてしまう。この電圧の過剰分を制限抵抗５０によって打ち消すには、下記の式２によって算出した抵抗値（Ｒ）以上の抵抗を制限抵抗５０として採用すればよい。
【００３６】
Ｒ＝過剰電圧／許容される電流変化
【００３７】
許容される電流変化としては、約25μAに設定するのがよい。約25μAよりも大きな電流値を設定すると、電極間に発生したブラシコロナが大きく成長して、オゾンなどの有害物質の発生量が更に大きくなる虞がある。
【００３８】
電極間距離として例えば１５mmを設定し、最大圧力を0.25MＰa、0.5MＰaとすると、過剰電圧は、図１２及び上記「関係１」から次の値を得ることができる。
【００３９】
最大圧力必要な電圧常圧にて 25 μ A 流れる電圧常圧で過剰な電圧
0.25M Ｐ a １６ k Ｖ１１ k Ｖ５ k Ｖ
0.5M Ｐ a ２４ k Ｖ１１ k Ｖ１３ k Ｖ
【００４０】
過剰電圧は、電極間距離Ｌ(mm)と対応する圧力Ｐ(MＰa)によって変化することから、実験の結果は、次の近似式で表すことができる。
【００４１】
過剰電圧(kＶ)＝（必要な電圧）−（常圧にて２５μＡ流れる電圧）
＝（圧力による倍数）（常圧で放電する電圧）−（常圧にて２５μＡ流れる電圧）
＝（１＋４Ｐ）（５＋Ｌ／５）−（２＋３Ｌ／５）
ここに、圧力による倍数は、上記「関係１」より近似している。また、常圧で放電する電圧は、図１２において、１μＡ流れる電圧と近似している。
【００４２】
したがって、制限抵抗５０に要求される抵抗値は、次の式で表すことができる。
（式２）Ｒ(MΩ)＝1000×{(1＋4P)(5＋L/5)−(2＋3L/5)}(kＶ)／25（μＡ）
【００４３】
上記式２により求めた抵抗値は次の通りである。なお、抵抗値は、プラス、マイナスの電源の抵抗値の和であり、電源自体の出力インピーダンスを含むため、電源の出力インピーダンスが100MΩである場合には、プラス、マイナス夫々の抵抗値から100MΩ少ない抵抗を用いることができる。
【００４４】
プラス、マイナスに必要な抵抗値の合計（ M Ω）
電極間距離Ｌ (mm) 最大圧力Ｐ (M Ｐ a)
0.3 0.4 0.5
５３２８４２４５２０
１０２９６４０８５２０
１５２６４３９２５２０
２０２３２３７６５２０
２５２００３６０５２０
３０１６８３４４５２０
【００４５】
本発明に採用できる制限抵抗５０の抵抗値は、１００MΩから２０００MΩであるのが好ましい。上述の式２から求めた計算値から１００MΩよりも小さい抵抗値であると、本発明の目的を実質的に達成することができない。２０００MΩよりも大きな抵抗値であると、抵抗での圧力降下が大きくなり過ぎて、高圧電源の出力値を非常に高く設定する必要が生じるため現実的なくなる。
【００４６】
電極間距離Ｌとして１０mm〜２５mmが適当であるとすると、この電極間距離では、制限抵抗５０の抵抗値は、２００MΩ〜１０００MΩであるのが好ましい。
【００４７】
上述した電極間距離Ｌを設定した場合、２００MΩよりも小さな抵抗値であると、異常放電が発生する虞がある。また、１０００MΩよりも大きな抵抗値を採用すると電極間の電界が弱くなってしまう。
【００４８】
電極間距離Ｌが１５mmであれば、制限抵抗４０の抵抗値は、２００MΩ〜５００MΩであるのがよい。上限値を５００MΩとしたのは、電圧降下を小さくするためである。
【００４９】
図１３〜図１６は、実施例の除電器６０の具体的な構造を示す図である。除電器６０は、圧縮空気を受け入れる空気流入ポート６１を含む本体６２を有し、この本体６２には、空気流入ポート６１から真っ直ぐに延びる断面円形の導気路６３が形成され、また、空気流入ポート６１とは反対側の面に空気流出ポート６４が形成されている。この空気流出ポート６４には、選択的に、チューブフィッティング６５を介して可撓性導気チューブ６６が取り付け可能であり、また、例えば複数の吐出口を含むフラットな形状のノズル６７が取り付け可能である。
【００５０】
本体６２の空気流出ポート６４側にオフセットした位置には、導気路６３と直交して延びる上下一対の穴６８が形成され、この穴６８の各々に、放電電極ユニット６９が脱着可能に取り付けられる。
【００５１】
放電電極ユニット６９を装着する穴６８つまりイオン化室を空気流出ポート６４側にオフセットして配置したことにより、本体６２の空気流入ポート６１側は空間的に余裕があるため、本体６２の空気流入ポート６１と放電電極ユニット装着穴６８との間には、導気路６３を挟んで左右に基板７０、７０が配置可能であり（図１４）、基板７０、７０には、上述した除電器６０に関連した高圧電源回路、フィードバック回路、除電器６０の制御回路、制御状態を表示するＬＥＤを除電器６０に取り付けた場合には、このＬＥＤを制御する回路を組み込むことも可能である。
【００５２】
放電電極ユニット６９は放電針７２を有し、放電針７２回りには、この放電針７２の先端を露出することのできる先細りの絶縁性スリーブ７３が設けられている。放電電極ユニット６９の長手方向中間部分には、導電性金属からなる接触リング７４が設けられ、この接触リング７４を通じて放電針７２に電源が供給される。
【００５３】
本体６２に設けられた高圧電源回路７５からステンレス製の板バネ７６を介して接触リング７４に高電圧電源が供給されるようになっており、この板バネ７６は、図１６から理解できるように、放電電極ユニット６９の側方から接触リング７４にアクセスして、この接触リング７４と当接するように配置されている。
【００５４】
放電電極ユニット６９は、その上部に形成されたネジにより本体６２の穴６８に螺着されるが、放電電極ユニット６９の必要箇所にシールリング（典型的にはＯリング）が設けられて、導気路６３を流れる空気の漏れが防止される。
【００５５】
一対の放電電極ユニット６９が本体６２に装着されると、一対の放電針７２の先端は、導気路６３を挟み且つ導気路６３の軸線と直交した軸線上で互いに対峙して配置されて導気路６３の軸線と直交して延びるイオン化室が形成される。各放電針７２の先端と導気路６３の軸線との間の距離は実質的に等しく、また、イオン化室の径は、導気路６３の直径と等しいか、それよりも若干大きくてもよい。
【００５６】
実施例の除電器６０にあっては、放電針７２を電極ユニット６９としてユニット化して、これを除電器本体６２に螺合することにより装着するようにしてあるため、放電針７２が汚れたときには、ユニット６９を取り外して掃除することができ、メンテナンス性を向上することができる。
【００５７】
また、放電電極ユニット６９の挿入方向とは直交する位置つまり放電電極ユニット６９の側面に板バネ７６などの接触片を配置させて高圧電源を放電針７２に供給するようにしてあるため、比較的簡単な構造で、脱着可能な放電電極ユニット６９のシール性を確保することができる。
【００５８】
また、先細りの絶縁性スリーブ７３の側面の傾斜面によって延面距離を実質的に延長することができるため、互いに対向する一対の放電針７２の基部間の離間距離Ｌ（図１６）が小さくなるように設計することができる。
【００５９】
また、放電放電電極ユニット装着穴６８を空気流出ポート６４側にオフセットして配置させたことから、イオン化室から空気流出ポート６４までの距離を短縮して、この間の圧力損出を低減することができる。このことは、空気流出ポート６４に連結するチューブ６６の長さ寸法やノズル６７の種類などがユーザのニーズによって自在に選択されるため、イオン化室から空気流出ポート６４までの間の圧力損出を低減することは望ましいことである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のチューブ搬送式除電器の全体構成を示す概略図である。
【図２】図１に図示の除電器の回路ブロック図である。
【図３】本発明に従う除電器の回路ブロック図である。
【図４】実施例に含まれる放電検出回路の第１具体例を示すブロック図である。
【図５】実施例に含まれる放電検出回路の第２の具体例を示すブロック図である。
【図６】実施例に含まれる放電検出回路の第３具体例を示すブロック図である。
【図７】実施例に含まれる放電検出回路の第４具体例（パルス状電流検知）を示すブロック図である。
【図８】図７に含まれるパルス状電流検知回路の具体例を示すブロック図である。
【図９】図８に示すブロック図の変形例を示す図である。
【図１０】図９に示す構成を用いてマイコンでフィードバックを制御を行う場合の具体的な構成を説明するためのブロック図である。
【図１１】比較的大きな抵抗値を備えた制限抵抗を設けることにより実質的に放電状態に応じた適正な電圧を放電電極を印加する具体的な構成を説明するためのブロック図である。
【図１２】電極間電圧と放電電流との関係を示すグラフである。
【図１３】実施例の除電器（放電電極ユニットが脱着可能）の外観概略図である。
【図１４】図１３に図示の除電器の平面図である。
【図１５】除電器内の導気路に沿って切断した除電器の縦断面図である
【図１６】除電器内の導気路を横断する方向に切断した除電器の横断面図である。
【符号の説明】
２０除電器の電源回路
２１電圧調整回路
２３放電針（放電電極）
２４放電検出回路
４０放電電流検出用の抵抗
４２パルス状電流検知回路
６０除電器
６６可撓性導気チューブ
６７ノズル
６９放電電極ユニット
７３先細り形状の絶縁性スリーブ

Claims

トランスにより昇圧されるＤＣ電圧を夫々プラス側及びマイナス側の放電電極にパルス状に印加してコロナ放電により供給される空気をイオン化し、イオン化した空気を外部小径管を通じてワークの近傍に吐出することによりワークの除電を行う除電器であって、
少なくともプラス側又はマイナス側の前記トランスの一次電圧を調整する電圧調整回路を備え、放電によって生じるパルス状の電流の有無によって放電状態を検出し、前記パルス状の電流が検出されない場合に前記トランスの一次電圧を上昇させると共に、前記パルス状の電流が検出された場合に、該検出された電流値が目標値となるように前記トランスの一次電圧を調整するパルス状電流検知手段と、
前記供給される空気の量の変化に応じて、前記放電電極に印加する電圧を調整することのできる印加電圧調整手段を有することを特徴とする除電器。
前記電圧調整回路の出力側にコンデンサを介して前記パルス状電流検知手段が接続されている、請求項１に記載の除電器。
前記パルス状電流検知手段が、接地された電流−電圧変換素子で構成されている、請求項１又は２に記載の除電器。
前記パルス状電流検知手段が、共に接地された前記電流−電圧変換素子及びパルストランスとで構成されている、請求項１又は２に記載の除電器。
前記パルス状電流検知手段が、該パルス状電流検知手段によって検出した電流を増幅した後に整流回路及び２値化回路によって２値化して前記パルス状電流の有無を検出する、請求項３又は４に記載の除電器。
前記パルス状電流検知手段が、該パルス状電流検知手段によって検出した電流を増幅した後に２値化回路によって２値化した後にパルス数をカウントすることにより電流値に変換して前記パルス状電流の有無を検出する、請求項３又は４に記載の除電器。