JP5201958B2 - 圧電トランス電極を用いたイオナイザ及びそれによる除電用イオン発生方法 - Google Patents

Description

本発明は、静電気で帯電した各種ワーク等の除電を圧電トランスを利用して行うようにしたイオナイザ及びそれを用いた除電用イオン発生方法に関するものである。

圧電トランスにより高電圧を発生させ、その高電圧を針電極に加えてイオンを発生させるイオナイザは、特許文献１等により従来から知られている。この圧電トランスを用いたイオナイザは、圧電トランスの１次側に交流の低電圧を加えると２次側に高電圧が発生することを利用するものであり、特許文献１に記載のように、２次側（出力側）に発生した高電圧を針電極に加えてイオンの発生に使用するのが一般的である。

しかしながら、上記圧電トランスを用いたイオナイザにおいては、針電極の先端に電界を集中させてイオンを発生させるため、該針電極の先端が局所的に劣化しやすく、金属粒子の飛散を引き起こし、除電性能が短期間で低下してしまうという問題点がある。また、針電極はイオン生成領域が狭いために、イオン発生量が少なく、イオン発生量を増やすために電圧を高くすると、イオン発生量も増えるが針電極先端の電界が強くなりすぎ、強い酸化力を持つオゾンの発生を助長するなどの問題がある。
特開平１０−３０２９９４号公報

本発明の技術的課題は、圧電トランスを高電圧の発生源として用いた従来のイオナイザにおいて、上記針電極が局所的劣化と金属粒子の飛散を引き起こし、除電性能が短期間で低下してしまうという問題を解決し、圧電トランス電極を用いることによって、高精度な除電を長時間に亘って維持でき、それによってメンテナンス期間も長期化できて保守が容易になり、しかも、イオンバランスを良好に保持可能にしたイオナイザ、並びに、該圧電トランス電極を用いた除電用イオン発生方法を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の圧電トランス電極を用いたイオナイザは、基本的には、強誘電体素子における１次側の厚さ方向両面に交流電圧を印加することにより２次側表面に電荷が誘起される圧電トランスを備え、該圧電トランスの２次側における厚さ方向の表面を面状高電圧電極として、該厚さ方向の表面に絶縁用の誘電体シートを直接貼着すると共に該誘電体シートを介して金属細線状接地電極を密接配置し、上記誘電体シート上の細線状接地電極上に除電対象物に向けた空気流を流す空気吹き出し口を備えることを特徴とするものである。

本発明に係るイオナイザの好ましい実施形態においては、上記圧電トランスにおける強誘電体素子が、一半を１次側として厚さ方向に自発分極され、他半を２次側として長さ方向に自発分極されたものであって、該強誘電体素子が、その上記１次側の厚さ方向両面の通電用電極を通して交流電圧を印加して該素子を共振させたときに、圧電効果によって２次側全面に亘って電荷が誘起されるものとして構成される。

本発明に係るイオナイザの好ましい実施形態においては、圧電トランスの２次側表面に貼着する誘電体シートがポリイミドフィルムで形成され、また、圧電トランスの２次側表面に絶縁用の誘電体シートを介して密接配置した金属細線状接地電極が、該誘電体シートに接合した金属ワイヤ、または該誘電体シートに印刷若しくは蒸着した金属膜で形成される。

また、本発明に係るイオナイザの他の好ましい実施形態においては、圧電トランスを共振させる周波数の交流電圧を該圧電トランスに印加する電圧発生器の出力を、正弦波形または矩形スイッチング波形とすることができ、特に、矩形スイッチング波形の電圧を出力する電圧発生器を、直流電源と、発振回路と、その発信回路の出力に基づいて正負を切り換える半導体スイッチング素子とにより構成することで、その著しい小型化を達成することができる。また、上記電圧発生器には、除電対象物の帯電電位量を、イオンバランスの制御のためにスイッチング周波数を調整する信号としてフィードバックする制御回路を付設することができる。

一方、上記課題を解決するための本発明に係る圧電トランス電極を用いた除電用イオン発生方法は、強誘電体素子における１次側の厚さ方向両面間に交流電圧を印加して該素子を共振させたときに、圧電効果によって２次側表面に電荷が誘起される圧電トランスを使用し、該圧電トランスの２次側における厚さ方向の表面を面状高電圧電極として、該厚さ方向の表面に絶縁用の誘電体シートを直接貼着すると共に該誘電体シートを介して金属細線状接地電極を密接配置し、該圧電トランスへの上記交流電圧の印加による上記強誘電体素子の共振により、上記誘電体シート上において誘電体バリア放電によるプラズマを発生させ、該プラズマにより空気中の気体分子を電離させ、そこに除電対象物に向けた空気流を流し、除電用イオンを含む空気流を発生させることを特徴とするものである。

以上に詳述した本発明の圧電トランス電極を用いたイオナイザによれば、圧電トランス電極を用いることによって、高精度な除電を長時間に亘って維持でき、それによってメンテナンス期間も長期化できて保守が容易になり、しかも、イオンバランスを良好に保持可能にしたイオナイザ、及び、除電用イオン発生方法を提供することができる。

以下に、本発明の実施例を、図面に基づいて詳細に説明する。
図１及び図２は、本発明に係るイオナイザの実施の一例を示している。このイオナイザは、自発分極を有するＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の強誘電体素子２からなる圧電トランス１の高電圧面を面状高電圧電極として用い、即ち、上記強誘電体素子２における１次側２Ａの厚さ方向両面に交流電圧を印加することにより、２次側２Ｂの表面に電荷が誘起される上記圧電トランス１を、イオン生成のための電極として用いるものである。そのため、針電極に圧電トランスの高電圧を直接印加する場合のように、局所的劣化や金属粒子の飛散等を引き起こすことはなく、高精度な除電作用を長時間に亘って維持でき、それによってメンテナンス期間も長期化でき、しかも良好なイオンバランスを保持できるものである。

更に具体的に説明すると、図示の上記圧電トランス（Rosen型）１は、薄い直方体状の強誘電体（ＰＺＴ）素子２が、その一半を１次側２Ａとして厚さ方向に自発分極され、他半を２次側２Ｂとして長さ方向に自発分極されたものであって、該強誘電体素子２の１次側にはその厚さ方向両面に金属を蒸着してそれを通電用電極３としている。従って、上記１次側２Ａに通電用電極３を通して交流電圧を印加することにより、強誘電体素子２の厚さ方向に交流電界が形成され、逆圧電効果によって１次側は長さ方向に伸縮振動し、その振動数は印加電圧の周波数に等しく、ある周波数において素子全体が共振し、強い機械振動となる。このとき、２次側２Ｂでは長さ方向に伸縮しているので、圧電効果によって２次側に電荷が誘起される。

上記圧電トランス１を構成する強誘電体素子２の２次側２Ｂでは、その全面に亘って高電圧を誘起することから、該強誘電体素子２の２次側２Ｂの両側平面に絶縁のための誘電体シート４を貼着して、それに接地電極５を貼り付けている。即ち、強誘電体素子２上に誘電体シート４を介して金属細線状の接地電極５を密接配置している。
このように、強誘電体素子２の高電圧面をイオナイザの面状高電圧電極として用い、強誘電体素子２の２次側平面上に誘電体シート４を介して金属細線状の接地電極５を密着配置することにより、上記シート４上に誘電体バリア放電を発生させることができ、この誘電体バリア放電によるプラズマ６により空気中の気体分子を電離させ、除電用のイオンを発生させることができる。上記バリア放電では、放電したときに空間を移動した荷電粒子の一部がイオンとなるか、中性分子を電離させるかしてイオンを生成させ、そして、そのイオンの一部がプラズマ外部へ放出されるものと考えら、そのため、イオン放出量は放電電荷量に依存しているといえる。

強誘電体素子２の表面に直接的に貼着する誘電体シート４としては、ポリイミドフィルム等の絶縁性の高分子フィルムが適しているが、それに限るものではなく、例えば、ガラス等の薄板を用いることができる。また、上記細線状の接地電極５は、図示しているように、誘電体シート４に接着その他の手段で接合した金属ワイヤにより構成することができるが、該ワイヤと誘電体シート４との間に不均一な隙間があれば、放電の集中による劣化や摩耗が進行する可能性もあるので、誘電体シート４に対する密着性が重要であり、このような観点からすれば、上記接地電極５を該誘電体シート４に印刷若しくは蒸着した金属膜で形成するのが望ましい。なお、ガラス等のより硬質な誘電体シートをバリアとして用い、それに接地電極５を密着固定することもできるが、この場合には、圧電トランス１への接合に際して、その機械振動を阻害しないようにテープ状の緩衝材を介在させるなどの配慮が必要となる。

上述した構成により接地電極５の周りで交流コロナ放電が発生してイオンが生成されるが、イオナイザとしてそのイオンを含んだエアを帯電したワーク等の除電対象物に吹き付けるため、上記誘電体シート４上の細線状接地電極５上に、その細線と直交する方向にコンプレッサ等の空気圧源からの空気流９を吹き付けるように、ノズル７の空気吹き出し口を臨ませている。これにより、除電対象物に向けて、除電用イオンを含む空気流９が生成される。
なお、図１中に示したチャージプレート１１は、このイオナイザの除電特性を計測するに際して用いた除電対象物を模したものであり、チャージプレートモニタ１２は、上記チャージプレート１１の電位の変化等の観測、記録を行うものである。

上記圧電トランス１を共振させる周波数の交流電圧を該圧電トランスに印加する電圧発生器８は、その出力波形が、正弦波形でも矩形スイッチング波形でもよい。本発明者は、強誘電体素子２の１次側に印加する電圧の波形によって２次側電圧の昇圧比が異なり、矩形スイッチング波を入力した場合の方が正弦波を入力した場合よりも２次側電圧の昇圧比が高いことを確かめているので、矩形スイッチング波形の方がより望ましい。

しかも、上記矩形スイッチング波を用いる場合には、図３に示すように、上記電圧発生器８として、２４〜４０Ｖ程度の直流電源と、強誘電体素子２の近傍に配置される発振回路及びその出力に基づいて正負を切り換えるＦＥＴ（電界効果トランジスタ）等の半導体スイッチング素子とにより形成されて、矩形波交流（３５ｋＨｚ程度）を出力する手段を採用することにより、上記電圧発生器８を、イオンバランスの高精度化と著しい小型・簡素化が原理的に容易なものとして構成することができるばかりでなく、直流電圧供給のみで動作する簡単な構成のイオナイザとすることができる。

上述したところからわかるように、上記イオナイザの圧電トランス１においては、強誘電体素子２上に誘電体シート４及び金属ワイヤ等の細線状接地電極５を配置した沿面バリヤ構造を採用している。この場合、電極の極性によって沿面放電の形態が異なり、イオンバランスがプラスに偏寄するときにその差異が著しくなることから、沿面放電の電流強度によってプラスイオン生成量が変化していると考えられる。このことから、圧電トランスの入力電圧または周波数によってイオンバランスを制御することにより、高精度なイオンバランスを実現することができる。

そのため、図３に示すように、上記電圧発生器８に、除電対象物の帯電電位量を検出するために除電対象物に対向配置する表面電位センサと、そのセンサで検出した帯電電位量をイオンバランスの制御のためにスイッチング周波数を調整する信号としてフィードバックする制御回路とを付設することにより、イオンバランスのフィードバック制御による高精度制御が可能になる。具体的には、除電対象物側がプラスになればＰＺＴ強誘電体素子２の駆動電圧を下げるか、その駆動共振周波数を共振点から少しずらし、除電側がマイナスになればその逆にするような制御を行えばよい。

上記構成を有する圧電トランス電極を用いたイオナイザによれば、例えば、直流２４Ｖから半導体スイッチング素子により作った矩形波で駆動することができ、これにより著しい小型軽量化を達成でき、また、誘電体バリア放電を用いるので正負イオンが同時に生成され、正負イオンが均一に分布して、除電ムラが無く、逆帯電も０Ｖにするように制御可能で、高精度な除電特性を得ることができ、更に、圧電トランスの駆動電圧の電圧値または周波数を変えることで２次電圧が制御できるので、精度のよいイオンバランスの制御を行うことができる。

図１及び図２に示す圧電トランス１として、長さ５０ｍｍ×幅１３ｍｍ×厚さ２ｍｍの薄い直方体形状のRosen 型ＰＺＴ圧電トランスを用い、その圧電トランス１の１次側３Ａの電極３として上下両平面に金属を蒸着し、一方、２次側の上下両平面に絶縁のための厚さ１７５μｍのポリイミドフィルムを貼り付け、それらの上に、等電位方向である幅方向に、それぞれ２本のφ１００μｍのタングステンワイヤを貼り付けて、それらの端部を接地した。上記ＰＺＴ圧電トランスは、共振周波数規格値が３３ｋＨｚと比較的低いものである。
また、コンプレッサで発生させた圧縮エアを圧電トランス１の２次側表面においてタングステンワイヤに直交する向きに流すように、その吹き出しノズル７を配置した。空気流の流量は１０リットル／ｍｉｎ、流速は、圧電トランスより１ｃｍ下流で７．５ｍ／ｓ、６cｍ下流で４．０ｍ／ｓであった。

このイオナイザの除電特性は、上記空気流の下流にイオナイザの除電対象物である帯電体を模したチャージプレート１１を設置し、これを用いて計測した。チャージプレートモニタ１２は、チャージプレート１１に一定の帯電を付与したうえで、このイオナイザによる空気イオンによって除電し、それにより電位が変化するときのその電位の変化を観測、記録するためのものである。

上記圧電トランスは、１次側入力電圧を４０Ｖ、共振周波数３５．８３ｋＨｚで駆動した。図４は、圧電トランス（ＰＴ）からチャージプレート（ＣＰ）１１までの距離を変えた場合のチャージプレート電位±１ｋＶ時の除電速度の変化を示す。同図から、この実施例では除電速度が速く、直流動作針電極程度の除電速度があり、また、最終電位が０に近くなっていることから、イオンバランスがよいこともわかる。

本発明に係るイオナイザの実施例を示す模式的側面図である。 上記実施例の模式的正面図である。 電圧発生器の構成例を示すブロック構成図である。 本発明に係るイオナイザの除電速度についての実験例を示すグラフである。

符号の説明

１ 圧電トランス
２ 強誘電体素子
２Ａ 強誘電体素子の１次側
２Ｂ 同２次側
４ 誘電体シート
５ 接地電極
６ プラズマ
８ 電圧発生器

Claims (8)

1. 強誘電体素子における１次側の厚さ方向両面に交流電圧を印加することにより２次側表面に電荷が誘起される圧電トランスを備え、該圧電トランスの２次側における厚さ方向の表面を面状高電圧電極として、該厚さ方向の表面に絶縁用の誘電体シートを直接貼着すると共に該誘電体シートを介して金属細線状接地電極を密接配置し、
   上記誘電体シート上の細線状接地電極上に除電対象物に向けた空気流を流す空気吹き出し口を備えた、
   ことを特徴とする圧電トランス電極を用いたイオナイザ。
2. 上記圧電トランスにおける強誘電体素子が、一半を１次側として厚さ方向に自発分極され、他半を２次側として長さ方向に自発分極されたものであって、
   該強誘電体素子が、その上記１次側の厚さ方向両面の通電用電極を通して交流電圧を印加して該素子を共振させたときに、圧電効果によって２次側全面に亘って電荷が誘起されるものとして構成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧電トランス電極を用いたイオナイザ。
3. 圧電トランスの２次側表面に貼着する誘電体シートがポリイミドフィルムである、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の圧電トランス電極を用いたイオナイザ。
4. 圧電トランスの２次側表面に絶縁用の誘電体シートを介して密接配置した金属細線状接地電極が、該誘電体シートに接合した金属ワイヤ、または該誘電体シートに印刷若しくは蒸着した金属膜で形成されている、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の圧電トランス電極を用いたイオナイザ。
5. 圧電トランスを共振させる周波数の交流電圧を該圧電トランスに印加する電圧発生器の出力が、正弦波形または矩形スイッチング波形である、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の圧電トランス電極を用いたイオナイザ。
6. 矩形スイッチング波形の電圧を出力する電圧発生器が、直流電源と、発振回路と、その発信回路の出力に基づいて正負を切り換える半導体スイッチング素子とにより構成されている、
   ことを特徴とする請求項５に記載の圧電トランス電極を用いたイオナイザ。
7. 上記電圧発生器に、除電対象物の帯電電位量を、イオンバランスの制御のためにスイッチング周波数を調整する信号としてフィードバックする制御回路を付設した、
   ことを特徴とする請求項６に記載の圧電トランス電極を用いたイオナイザ。
8. 強誘電体素子における１次側の厚さ方向両面間に交流電圧を印加して該素子を共振させたときに、圧電効果によって２次側表面に電荷が誘起される圧電トランスを使用し、該圧電トランスの２次側における厚さ方向の表面を面状高電圧電極として、該厚さ方向の表面に絶縁用の誘電体シートを直接貼着すると共に該誘電体シートを介して金属細線状接地電極を密接配置し、該圧電トランスへの上記交流電圧の印加による上記強誘電体素子の共振により、上記誘電体シート上において誘電体バリア放電によるプラズマを発生させ、該プラズマにより空気中の気体分子を電離させ、そこに除電対象物に向けた空気流を流し、除電用イオンを含む空気流を発生させる、
   ことを特徴とする圧電トランス電極を用いた除電用イオン発生方法。

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