JP5783604B2 - イオン発生装置及び電気機器 - Google Patents

Description

本発明は、空間にイオンを放出して室内環境を改善することが可能なイオン発生装置、及び当該イオン発生装置を備えた電気機器に関するものである。なお、上記の電気機器に該当する例としては、主として閉空間（家屋内、ビル内の一室、病院の病室や手術室、車内、飛行機内、船内、倉庫内、冷蔵庫の庫内等）で使用される空気調和機、除湿器、加湿器、空気清浄機、冷蔵庫、ファンヒータ、電子レンジ、洗濯乾燥機、掃除機、殺菌装置などを挙げることができる。

放電現象を利用した種々のイオン発生装置が実用化されている。これらのイオン発生装置は通常、イオンを発生させるためのイオン発生素子と、イオン発生素子に高電圧を供給するための高圧トランスと、高圧トランスを駆動するための高電圧発生回路と、コネクタなどの電源入力部とにより構成されている。

実用化されているイオン発生素子の例としては、金属線、鋭角部を持った金属板、針形状の金属などを放電電極とし、大地電位の金属板やグリッドなどを誘導電極（対向電極）としたイオン発生素子、或いは、金属線、鋭角部を持った金属板、針形状の金属などを放電電極とし、誘導電極の代わりに大地を用いて特に誘導電極を配置しないイオン発生素子などを挙げることができる。これらのイオン発生素子では、空気が絶縁体の役割を果たす。また、これらのイオン発生素子は、放電電極と誘導電極或いは大地との間に高電圧を印加した際に、放電電極の鋭角形状を有する先端で電界集中が生じ、その先端の極近部分の空気が絶縁破壊することで放電現象を得る方式でイオンを発生させる。

上記の方式でイオンを発生させるイオン発生素子を備えるイオン発生装置の一例が、特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されているイオン発生装置は、針状金属を備えた放電電極とこの放電電極に対向して設けられた穴あき平板電極とを有し、コロナ放電に伴って発生する正イオン及び負イオンを装置の外部に取り出す装置である。

また、上記の方式でイオンを発生させるイオン発生素子を備えるイオン発生装置の他の例が、特許文献２に開示されている。特許文献２に開示されているイオン発生装置は、商用電源の交流波形を利用した高電圧発生回路を備える装置である。

また、上記の方式でイオンを発生させるイオン発生素子を備えるイオン発生装置の更に他の例が、特許文献３に開示されている。特許文献３に開示されているイオン発生装置は、高電圧発生回路に、昇圧トランスを駆動するスイッチング素子と、そのスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御するパルス信号を出力する制御回路とを使用し、その制御回路にマイクロコントローラ（マイクロコンピュータ）を使用することが可能な装置である。

また、コロナ放電によってオゾンを発生させるコロナ放電装置の一例が、特許文献４に開示されている。特許文献４に開示されているコロナ放電発生装置は、高電圧を発生させるためのパルス列の生成に、中央演算処理装置（ＣＰＵ）を用いて、パルス幅変調（ＰＷＭ）やパルス位置変調（ＰＰＭ）などのパルス列変調を使用する装置である。

特許第４５０３０８５号公報 特許第３４６００２１号公報 特許第４４８９０９０号公報 特開２００８-１７１７８５号公報

上述した特許文献１〜４に開示されている装置の全てに、高電圧トランスを使用した高電圧発生回路が含まれている。なお、高電圧トランスの入力側である１次巻線にパルス電流を流すことにより、高電圧トランスの出力側である２次巻線に高電圧を発生させることは、特許文献１〜４以外の多くの公知文献でも開示されており、既知の技術である。

特許文献３の図５には、昇圧トランスの１次巻線に流す電流のパルス幅(時間)を変更することにより、昇圧トランスの２次出力電圧を変更できることが開示されている。また、特許文献４の図５には、トランスの１次巻線に流す電流のパルス幅を変更する事により、そのパルス幅に応じて出力電圧波形幅も可変できることが開示されている。

しかしながら、実際はトランスの周波数特性などによりトランスの２次巻線から出力される電圧の周波数はほぼ決まっており、トランスの１次巻線に流す電流のパルス幅を変更しても自由にトランスの２次出力電圧を変化させたり、出力電圧波形幅を変化させたりすることはできない。

また、上述した特許文献１〜３のいずれにおいても、高電圧パルスの発生方法のみが開示されており、効率良く低消費電流にて高電圧を発生させる方法は開示されていない。これは、イオン発生装置を搭載している従来の電気機器が、空気清浄機、空気調和機、除電器などある程度大型機器であり、電源を商用電源線（家庭用コンセントなど）から供給していたためと考えられる。しかし、今後、イオン発生装置の小型化が進み電池駆動となった場合、消費電流を抑えることは重要な課題となる。

現在商品化されているイオン発生装置は、高電圧発生回路を含めたイオン発生回路ブロックの消費電力が０．５Ｗから数Ｗに及び消費電力が多いため、電池で動作させるポータブル機器などへの搭載が困難であった。

また、上述した特許文献４においても、高電圧パルスの発生方法のみが開示されており、効率良く低消費電流にて高電圧を発生させる方法は開示されていない。これは、特許文献４の第００１０段落ではポータブル機器への搭載について言及されているが、小型軽量化のみが技術課題とされているためと考えられる。

本発明は、上記の状況に鑑み、消費電力を抑えたイオン発生装置、及び当該イオン発生装置を備えた電気機器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係るイオン発生装置は、高電圧発生回路と、前記高電圧発生回路から出力される高電圧または前記高電圧発生回路から出力される高電圧を基に生成される電圧が与えられるイオン発生素子とを備えるイオン発生装置であって、前記高電圧発生回路が、入力直流電圧又は前記入力直流電圧をＤＣ／ＤＣ変換した電圧を蓄えるコンデンサと、１次側に接続される前記コンデンサから出力される電圧を昇圧して２次側に高電圧を出力する高圧トランスと、前記高圧トランスの１次側に接続され、ＯＮ／ＯＦＦにより前記高圧トランスの１次側電流を断続するスイッチング素子と、前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御するためのパルス信号を発生するパルス信号発生部とを有し、前記パルス信号発生部が、前記パルス信号の前記スイッチング素子をＯＮにする期間であるＯＮ期間のパルス幅と、前記高圧トランスのフォワード動作時における出力電圧周波数の逆数に１／４を乗じた時間とが略一致するように、前記ＯＮ期間のパルス幅を調整する構成（第１の構成）とする。

このような構成によると、パルス信号のスイッチング素子をＯＮにする期間であるＯＮ期間のパルス幅と、高圧トランスのフォワード動作時における出力電圧周波数の逆数に１／４を乗じた時間とが略一致することによって、高圧トランスのフォワード動作とフライバック動作を連続的に利用することができるので、消費電力を抑えることができる。

上記第１の構成のイオン発生装置において、前記パルス信号発生部によって調整される前記ＯＮ期間のパルス幅が可変する構成（第２の構成）であることが望ましい。

このような構成によると、種々の仕様の高圧トランスに対応して、消費電力を抑えることができる。

上記第１または第２の構成のイオン発生装置において、前記スイッチング素子が前記パルス信号で直接駆動する構成（第３の構成）であることが望ましい。

このような構成によると、パルス発生部とスイッチング素子との間にバッファ回路を設ける必要がなくなるので、低コスト化及び小型化に有利である。

上記第１〜第３のいずれかの構成のイオン発生装置において、前記コンデンサが前記入力直流電圧を蓄える構成（第４の構成）であることが望ましい。

このような構成によると、入力直流電圧をＤＣ／ＤＣ変換するＤＣ／ＤＣコンバータを設ける必要がなくなるので、低コスト化及び小型化に有利である。

上記第１〜第４のいずれかの構成のイオン発生装置において、前記コンデンサがセラミックコンデンサまたはフィルムコンデンサである構成（第５の構成）であることが望ましい。

このような構成によると、コンデンサのＥＳＲ（Equivalent Series Resistance：等価直列抵抗）を小さいので、高圧トランスの１次側に短時間に大きな電流を流す場合に適している。

前記スイッチング素子の例としては、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor−Field Effect Transistor）、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を挙げることができる。

また、前記パルス信号発生部は、前記パルス信号の発生をソフトウェアで制御するマイクロコントローラ、前記パルス信号の発生をハードウェアで制御する専用回路のいずれであっても構わない。

本発明に係る電気機器は、上記いずれかの構成のイオン発生装置と、前記イオン発生装置で発生したイオンを前記イオン発生装置の外部に送出するための送出部とを備える構成とする。

本発明によると、パルス信号のスイッチング素子をＯＮにする期間であるＯＮ期間のパルス幅と、高圧トランスのフォワード動作時における出力電圧周波数の逆数に１／４を乗じた時間とが略一致することによって、高圧トランスのフォワード動作とフライバック動作を連続的に利用することができるので、消費電力を抑えたイオン発生装置、及び当該イオン発生装置を備えた電気機器を実現することができる。

本発明の一実施形態に係るイオン発生装置の概略構成を示す図である。 ＮチャネルＭＯＳ−ＦＥＴを用いた場合の図１に示すイオン発生装置の要部概略図である。 高電圧回路及びイオン発生素子の一例を示す図である。 第１の放電部及び第２の放電部を備える第１構造例に係るイオン発生素子の上面図である。 第１の放電部及び第２の放電部を備える第１構造例に係るイオン発生素子の断面図である。 第１の放電部及び第２の放電部を備える第２構造例に係るイオン発生素子の平面図である。 第１の放電部及び第２の放電部を備える第２構造例に係るイオン発生素子の第２構造例を示す正面図である。 第２構造例に係るイオン発生素子が備える誘導電極を下側から見た斜視図である。 本発明の一実施形態におけるパルス信号と高圧トランスの出力電圧の測定を示すタイムチャートである。 比較例におけるパルス信号と高圧トランスの出力電圧の測定を示すタイムチャートである。 比較例におけるパルス信号と高圧トランスの出力電圧の測定を示すタイムチャートである。 本発明に係る電気機器の概略構成を示す図である。

本発明の実施形態について図面を参照して以下に説明する。

本発明の一実施形態に係るイオン発生装置の概略構成を図１に示す。図１に示す本発明の一実施形態に係るイオン発生装置は、高電圧発生回路１と、高電圧発生回路１から出力される高電圧を基にイオン発生素子３に与える高電圧を生成する高電圧回路２と、イオン発生素子３とを備えている。

高電圧発生回路１は、入力直流電圧ＶｉｎをＤＣ／ＤＣ変換するＤＣ／ＤＣ／ＤＣコンバータ１１と、ＤＣ／ＤＣ／ＤＣコンバータ１１から出力される電圧を蓄えるコンデンサ１２と、１次側に接続されるコンデンサ１２から出力される電圧を昇圧して２次側に高電圧を出力する高圧トランス１３と、高圧トランス１３の１次側に接続され、ＯＮ／ＯＦＦにより高圧トランス１３の１次側電流を断続するスイッチング素子１４と、スイッチング素子１４のＯＮ／ＯＦＦを制御するためのパルス信号Ｐ１を発生するマイクロコントローラ１５と、スイッチング素子１４とマイクロコントローラ１５との間に設けられマイクロコントローラ１５から出力されるパルス信号Ｐ１をスイッチング素子１４の電圧や電流の定格仕様に合わせるバッファ回路１６とを有している。マイクロコントローラ１５とバッファ回路１６はそれぞれ入力直流電圧Ｖｉｎを駆動電圧として用いて動作している。

本実施形態では、入力直流電圧Ｖｉｎを約１０Ｖ程度とした。入力直流電圧Ｖｉｎが高すぎると、ＤＣ／ＤＣ／ＤＣコンバータ１１に使用する部品サイズが大きくなるため、入力直流電圧Ｖｉｎは効率とサイズの面から数十Ｖ程度が望ましい。

使用する部品の特性や定格仕様によっては、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１やバッファ回路１６を設けなくても構わない。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１を設けない場合、コンデンサ１２は入力直流電圧Ｖｉｎを蓄える。バッファ回路１６を設けない場合、スイッチング素子１４がコントローラ１５から出力されるパルス信号Ｐ１で直接駆動する。

高圧トランスをパルス駆動にて動作させる場合、高圧トランスの特性に合わせて高圧トランスの１次側に瞬間的に数アンペアから数十アンペアの電流を流すことが多い。本実施形態では、約１５Ａから約２０Ａの範囲の電流を数μｓ間流した。このように短時間に大きな電流はＤＣ／ＤＣコンバータ１１或いは入力直流電圧Ｖｉｎの電源として想定している電池などから直接では流せないため、一旦コンデンサ１２に蓄えて、コンデンサ１２から高圧トランス１３に供給するようにする必要がある。このようにコンデンサ１２から高圧トランス１３に短時間に大きな電流を流す必要があるため、コンデンサ１２には、ＥＳＲが低い特性のコンデンサを用いることが望ましい。ＥＳＲが低い特性のコンデンサとしては、例えば、セラミックコンデンサやフィルムコンデンサなどを挙げることができる。

詳細は後述するが、本発明では高圧トランスのフォワード動作を利用するので、高圧トランス１３には、フォワード動作に適した特性すなわち閉磁路型で結合率が高い特性を持つトランスを用いることが望ましい。

スイッチング素子１４としては、例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴなどを挙げることができる。スイッチング素子１４には、周波数特性が良く、ＯＮ抵抗が１００ｍΩ以下であるスイッチング素子を用いることが望ましい。また、スイッチング素子１４がＯＮ状態からＯＦＦ状態に変化する際、高圧トランス１３のフライバック動作によってサージ電圧が発生するため、高圧トランスの１次側に接続される第１端子とグランドに接続される第２端子間の耐圧がサージ電圧以上（たとえば１００Ｖ以上）のスイッチング素子をスイッチング素子１４として用いることが望ましい。

例えば、周波数特性が良くドレイン−ソース間耐圧が高いＮチャネルＭＯＳ−ＦＥＴをスイッチング素子１４に用いた場合、図２に示すように、ＮチャネルＭＯＳ−ＦＥＴのドレインが高圧トランス１３の１次巻線に接続され、ＮチャネルＭＯＳ−ＦＥＴのソースがグランドに接続される。ドレイン−ソース間耐圧が高いＮチャネルＭＯＳ−ＦＥＴにはゲート駆動電圧が高い特性のＦＥＴが多く、マイクロコントローラ１５の端子電圧でＮチャネルＭＯＳ−ＦＥＴを直接駆動できない場合は、本実施形態のようにマイクロコントローラ１５とスイッチング素子１４として用いられているＮチャネルＭＯＳ−ＦＥＴとの間にバッファ回路１６を設ける必要がある（図１参照）。バッファ回路１６としては、例えば２電源レベルシフタを挙げることができる。

ＮチャネルＭＯＳ−ＦＥＴをスイッチング素子１４に用いた場合、ＮチャネルＭＯＳ−ＦＥＴのゲートに供給されるパルス信号がＨｉｇｈレベルの期間にＮチャネルＭＯＳ−ＦＥＴがＯＮ状態になってドレイン−ソース間が導通して高圧トランス１３の１次側に電流が流れ、ＮチャネルＭＯＳ−ＦＥＴのゲートに供給されるパルス信号がＬｏｗレベルの期間にＮチャネルＭＯＳ−ＦＥＴがＯＦＦ状態になってドレイン−ソース間が遮断して高圧トランス１３の１次側に電流が流れなくなる。この高圧トランス１３の１次側電流をＯＮ／ＯＦＦにより、高圧トランス１３の２次側に高電圧が出力される。

なお、本実施形態では、スイッチング素子１４のＯＮ／ＯＦＦを制御するためのパルス信号Ｐ１を発生するパルス信号発生部として、パルス信号Ｐ１の発生をソフトウェアで制御するマイクロコントローラ１５を用いたが、マイクロコントローラ１５の代わりに、パルス信号Ｐ１の発生をハードウェアで制御する専用回路を用いても構わない。

また、本実施形態では高電圧発生回路１とイオン発生素子３との間に高電圧回路２を設けたが、高電圧回路２を設けずに、例えば放電部を１つのみ備えているイオン発生素子を高圧トランス１３の２次巻線に直接接続する構成にしても構わない。

次に、高電圧回路２及びイオン発生素子３の一例について図３を参照して説明する。図３に示す例では、高電圧回路２が整流ダイオード２１及び２２によって構成され、イオン発生素子３が第１の放電部の第１の放電電極３１Ａ及び第１の誘導電極３１Ｂ並びに第２の放電部の第１の放電電極３２Ａ及び第１の誘導電極３２Ｂを有している。整流ダイオード２１のカソード及び整流ダイオード２２のアノードは高圧トランス１３の２次巻線に接続され、整流ダイオード２１のアノードはイオン発生素子３の第１の放電部の第１の放電電極３１Ａに電気的に接続され、整流ダイオード２２のカソードはイオン発生素子３の第２の放電部の第２の放電電極３２Ａに電気的に接続される。そして、イオン発生素子３の第１の放電部の第１の誘導電極３１Ｂと第２の放電部の第２の誘導電極３２Ｂはグランドに接地される。

ここで、第１の放電部及び第２の放電部を備える第１構造例に係るイオン発生素子を図４Ａ及び図４Ｂに示す。図４Ａは第１構造例に係るイオン発生素子の上面図であり、図４Ｂは第１構造例に係るイオン発生素子のＸ−Ｘ線断面図である。

図４Ａ及び図４Ｂに示す第１構造例に係るイオン発生素子は、第１の放電部（第１の放電電極３１Ａ、第１の誘導電極３１Ｂ、放電電極接点３１Ｃ、誘導電極接点３１Ｄ、接続端子３１Ｅ及び３１Ｆ、並びに接続経路３１Ｇ及び３１Ｈ）と、第２の放電部（第２の放電電極３２Ａ、第２の誘導電極３２Ｂ、放電電極接点３２Ｃ、誘導電極接点３２Ｄ、接続端子３２Ｅ及び３２Ｆ、並びに接続経路３２Ｇ及び３２Ｈ）と、誘電体３３（上部誘電体３３Ａと下部誘電３３Ｂ）と、コーティング層３４とを有して成る。

誘電体３３は、略直方体状の上部誘電体３３Ａと下部誘電体３３Ｂを貼り合わせて成る。誘電体３３の材料として無機物を選択するのであれば、高純度アルミナ、結晶化ガラス、フォルステライト、ステアタイト等のセラミックを使用することができる。また、誘電体３３の材料として有機物を選択するのであれば、耐酸化性に優れたポリイミドやガラスエポキシなどの樹脂が好適である。ただし、耐食性の面を考えれば、誘電体３３の材料として無機物を選択する方が望ましく、さらに、成形性や後述する電極形成の容易性を考えれば、セラミックを用いて成形するのが好適である。また、第１の放電電極３１Ａと第１の誘導電極３１Ｂとの間の絶縁抵抗及び第２の放電電極３２Ａと第２の誘導電極３２Ｂとの間の絶縁抵抗は均一であることが望ましいため、誘電体３３の材料としては、密度ばらつきが少なく、その絶縁率が均一であるものほど好適である。なお、誘電体３３の形状は、略直方体状以外（円板状や楕円板状、多角形板状等）であってもよく、さらには円柱状であってもよいが、生産性を考えると、本構成例のように平板状（円板状及び直方体状を含む）とするのが好適である。

第１の放電電極３１Ａ及び第２の放電電極３２Ａは、上部誘電体３３Ａの表面に該上部誘電体３３Ａと一体的に形成されている。第１の放電電極３１Ａ及び第２の放電電極３２Ａの材料としては、例えばタングステンのように、導電性を有するものであれば、特に制限なく使用することができるが、放電によって溶融等の変形を起こさないことが条件となる。

また、第１の誘導電極３１Ｂ及び第２の誘導電極３２Ｂは、上部誘電体３３Ａを挟んで、第１の放電電極３１Ａ及び第２の放電電極３２Ａと平行に設けられている。このような配置とすることにより、互いに対向する放電電極と誘導電極の距離及び（以下、電極間距離と呼ぶ）を一定とすることができるので、放電電極と誘導電極との間の絶縁抵抗を均一化して放電状態を安定させ、イオンを好適に発生させることが可能となる。なお、誘電体３３を円柱状とした場合には、第１の放電電極３１Ａ及び第２の放電電極３２Ａを円柱の外周表面に設けるとともに、第１の誘導電極３１Ｂ及び第２の誘導電極３２Ｂを軸状に設けることによって、前記電極間距離を一定とすることができる。第１の誘導電極３１Ｂ及び第２の誘導電極３２Ｂの材料としては、第１の放電電極３１Ａ及び第２の放電電極３２Ａと同様、例えばタングステンのように、導電性を有するものであれば、特に制限なく使用することができるが、放電によって溶融等の変形を起こさないことが条件となる。

放電電極接点３１Ｃは、第１の放電電極３１Ａと同一形成面（すなわち上部誘電体３３Ａの表面）に設けられた接続端子３１Ｅ、及び接続経路３１Ｇを介して、第１の放電電極３１Ａと電気的に導通されている。従って、放電電極接点３１Ｃにリード線（銅線やアルミ線など）の一端を接続し、該リード線の他端を整流ダイオード２１（図３参照）のアノードに接続すればよい。

放電電極接点３２Ｃは、第２の放電電極３２Ａと同一形成面（すなわち上部誘電体３３Ａの表面）に設けられた接続端子３２Ｅ、及び接続経路３２Ｇを介して、第２の放電電極３２Ａと電気的に導通されている。従って、放電電極接点３２Ｃにリード線（銅線やアルミ線など）の一端を接続し、該リード線の他端を整流ダイオード２２（図３参照）のカソードに接続すればよい。

誘導電極接点３１Ｄは、第１の誘導電極３１Ｂと同一形成面（すなわち下部誘電体３３Ｂの表面）に設けられた接続端子３１Ｆ、及び接続経路３１Ｈを介して、第１の誘導電極３１Ｂと電気的に導通されている。従って、誘導電極接点３１Ｄにリード線（銅線やアルミ線など）の一端を接続し、該リード線の他端をグランドに接地すればよい。

誘導電極接点３２Ｄは、第２の誘導電極３２Ｂと同一形成面（すなわち下部誘電体３３Ｂの表面）に設けられた接続端子３２Ｆ、及び接続経路３２Ｈを介して、第２の誘導電極３２Ｂと電気的に導通されている。従って、誘導電極接点３２Ｄにリード線（銅線やアルミ線など）の一端を接続し、該リード線の他端をグランドに接地すればよい。

なお、図４Ａ及び図４Ｂに示す第１構造例に係るイオン発生素子において、第１の放電電極３１Ａ及び第２の放電電極３２Ａは鋭角部を持ち、その部分で電界を集中させ、局部的に放電を起こす構成としている。放電により、第２の放電部では正イオンであるＨ⁺（Ｈ₂Ｏ）_m（ｍは自然数）が発生し、第１の放電部では負イオンであるＯ₂ ^-（Ｈ₂Ｏ）_n（ｎは自然数）が発生する。

続いて、第１の放電部及び第２の放電部を備える第２構造例に係るイオン発生素子を図４Ｃ及び図４Ｄに示す。図４Ｃは第２構造例に係るイオン発生素子の平面図であり、図４Ｄは第２構造例に係るイオン発生素子の正面図である。図４Ｃ及び図４Ｄに示す第２構造例に係るイオン発生素子は、基板３０１と、誘導電極３０２及び３０３と、針電極３０４及び３０５とを備え、さらに高電圧回路２のダイオード２１及び２２（図３参照）を内部に組み込んでいる。

基板３０１は、長方形状のプリント基板である。誘導電極３０２及び３０３の各々は独立部品として形成され、誘導電極３０２は基板３０１表面の一方端部（図中の左側端部）に搭載され、誘導電極３０３は基板３０１表面の他方端部（図中の右側端部）に搭載されている。

図４Ｅは、誘導電極３０２を下側から見た斜視図である。図４Ｅにおいて、誘導電極３０２は、一体の金属板で形成されている。誘導電極３０２の平板部３１０の中央には円形の貫通孔３１１が形成されている。貫通孔３１１の直径は、たとえば９ｍｍである。貫通孔３１１は、コロナ放電により発生するイオンを外部に放出するための開口部である。貫通孔３１１の周縁部分は、たとえば絞り加工などの工法により、金属板を平板部３１０に対して屈曲させた屈曲部３１２となっている。この屈曲部３１２により、貫通孔３１１の周縁部の厚み（たとえば１．６ｍｍ）が平板部３１０の厚み（たとえば０．６ｍｍ）よりも大きくなっている。

また、平板部３１０の両端部の各々には、金属板の一部を平板部３１０に対して屈曲させた脚部３１３が設けられている。各脚部３１３は、基端側の支持部３１４と先端側の基板挿入部３１５を含む。平板部３１０の表面から見た支持部３１４の高さ（たとえば２．６ｍｍ）は、貫通孔３１１の周縁部の厚み（たとえば１．６ｍｍ）よりも大きくなっている。基板挿入部３１５の幅（たとえば１．２ｍｍ）は、支持部３１４の幅（たとえば４．５ｍｍ）よりも小さい。

図４Ｃ及び図４Ｄに戻って引き続き第２構造例に係るイオン発生素子について説明する。誘導電極３０２の２つの基板挿入部３１５は、基板３０１の一方端部に形成された２つの貫通孔（図示せず）に挿入されている。２つの貫通孔は、基板３０１の長さ方向に配列されている。各基板挿入部３１５の先端部は、基板３０１裏面の電極に半田付けされている。支持部３１４の下端面は、基板１の表面に当接されている。したがって、平板部３１０は、基板３０１の表面に対して所定の隙間を開けて平行に配置される。

誘導電極３０３は、誘導電極３０２と同じ構成である。誘導電極３０３の２つの基板挿入部３１５は、基板３０１の他方端部に形成された２つの貫通孔（図示せず）に挿入されている。２つの貫通孔は、基板３０１の長さ方向に配列されている。各基板挿入部３１５の先端部は、基板３０１裏面の電極に半田付けされている。支持部３１４の下端面は、基板３０１の表面に当接されている。したがって、平板部３１０は、基板３０１の表面に対して所定の隙間を開けて平行に配置される。

誘導電極３０２及び３０３の合計４本の基板挿入部３１５は、基板３０１の長さ方向に配列されている。基板３０１の中央側の２本の基板挿入部３１５は、基板３０１の裏面の電極ＥＬ１により互いに電気的に接続されている。

なお、誘導電極３０２及び３０３は、図４Ｃ及び図４Ｄに示すように、取付け後に基板３０１の外形からはみ出さないことが必要であり、誘導電極３０２及び３０３の寸法は基板３０１の幅以下で、基板３０１の長さの１／２以下に制限される。また、部品としての形状をできるだけ小さくし、低コスト化、生産性の向上を図るため、誘導電極３０２及び３０３の縦横の寸法は略同じにされている。

また、基板３０１には、誘電電極３０２の貫通孔３１１の中心線を通す貫通孔（図示せず）が形成されており、その貫通孔に針電極３０４が挿入されている。針電極３０４は、正イオンを発生するために設けられている。針電極３０４の先端は基板３０１の表面上に突出し、その基端は基板３０１の裏面に突出し、その中央部は基板３０１の裏面に形成された電極ＥＬ２に半田付けされている。基板３０１の表面から見た針電極３０４の先端の高さは、誘導電極３０２の屈曲部３１２の下端の高さと上端の高さの間の範囲内（たとえば下端と上端の中間の高さ）に設定されている。

また、基板３０１には、誘電電極３０３の貫通孔３１１の中心線を通す貫通孔（図示せず）が形成されており、その貫通孔に針電極３０５が挿入されている。針電極３０５は、負イオンを発生するために設けられている。針電極３０５の先端は基板３０１の表面上に突出し、その基端は基板３０１の裏面に突出し、その中央部は基板３０１の裏面に形成された電極ＥＬ３に半田付けされている。基板３０１の表面から見た針電極３０５の先端の高さは、誘導電極３０３の屈曲部３１２の下端の高さと上端の高さの間の範囲内（たとえば下端と上端の中間の高さ）に設定されている。針電極３０４及び３０５の先端の間隔は所定の値に設定される。

また、ダイオード２２のカソード端子線２２ａは電極ＥＬ２に半田付けされており、針電極３０４に電気的に接続されている。ダイオード２２のアノード端子線２２ｂは、基板３０１の裏面の電極ＥＬ４に半田付けされている。ダイオード２１のカソード端子線２１ａは電極ＥＬ４に半田付けされており、ダイオード２２のアノード端子線２２ｂに電気的に接続されている。ダイオード２１のアノード端子線２１ｂは電極ＥＬ３に半田付けされており、針電極３０５に電気的に接続されている。

なお、基板３０１には、ダイオード２１及び２２の本体部を挿入したり、高電圧側の電極ＥＬ２〜ＥＬ４と基準電圧側の電極ＥＬ１とを分離するための切欠き部３０１ａが複数箇所に形成されている。切欠き部３０１ａにはモールド樹脂が充填される。

なお、図４Ｃ及び図４Ｄに示す第２構造例に係るイオン発生素子では、針電力３０４及び３０５の各先端部分で電界を集中させ、局部的に放電を起こす構成としている。放電により、針電極３０４では正イオンであるＨ⁺（Ｈ₂Ｏ）_m（ｍは自然数）が発生し、針電力３０５では負イオンであるＯ₂ ^-（Ｈ₂Ｏ）_n（ｎは自然数）が発生する。

次に、マイクロコントローラ１５が発生するパルス信号Ｐ１について説明する。

高圧トランス１３の基本動作には、１次側に電流を流している期間に２次側に高電圧が出力されるフォワード動作と、１次側の電流を停止した時に２次側に高電圧が出力されるフライバック動作とがある。

従来のイオン発生装置では、フォワード動作とフライバック動作のいずれか一方のみによって高圧トランスが高電圧を発生させていた。これに対して、本発明に係るイオン発生装置では、フォワード動作とフライバック動作の両方によって高圧トランスが高電圧を発生させ、消費電流が非常に少なくてすむようにする。フォワード動作とフライバック動作の両方によって高圧トランス１３が高電圧を発生させるようにするために、本実施形態では、マイクロコントローラ１５が、パルス信号Ｐ１のスイッチング素子１４をＯＮにする期間であるＯＮ期間のパルス幅と、高圧トランス１３のフォワード動作時における出力電圧周波数の逆数に１／４を乗じた時間とが略一致するように、パルス信号Ｐ１のＯＮ期間のパルス幅を調整する。なお、種々の仕様の高圧トランスに対応できるように、マイクロコントローラ１５によって調整されるパルス信号Ｐ１のＯＮ期間のパルス幅は可変することが望ましい。

高圧トランス１３に、フォワード動作時における出力電圧周波数の逆数が約１２０００ｎｓである高圧トランスを用いた場合の、パルス信号Ｐ１のＯＮ期間のパルス幅と高圧トランス１３の２次側から出力される高電圧との測定結果を図５に示す。本実施形態では、パルス信号Ｐ１のＯＮ期間のパルス幅は、高圧トランス１３のフォワード動作時における出力電圧周波数の逆数に１／４を乗じた時間と略一致する３０００ｎｓである。

一方、比較例として、パルス信号Ｐ１のＯＮ期間のパルス幅を、高圧トランス１３のフォワード動作時における出力電圧周波数の逆数に１／８を乗じた時間と略一致する１５００ｎｓ（本実施形態より短い時間）にした場合の測定結果を図６に示し、パルス信号Ｐ１のＯＮ期間のパルス幅を、高圧トランス１３のフォワード動作時における出力電圧周波数の逆数に１／２を乗じた時間と略一致する６０００ｎｓ（本実施形態より長い時間）にした場合の測定結果を図７に示す。

なお、図５〜図７において、パルス信号Ｐ１の電圧レンジは２Ｖ／Ｄｉｖであり、高圧トランス１３の２次側から出力される高電圧の電圧レンジは２０００Ｖ／Ｄｉｖである。また、図５〜図７のそれぞれにおいて、（ａ）と（ｂ）は時間のレンジを変えているだけあり、（ａ）は４μｓ／Ｄｉｖであり、（ｂ）は２０μｓ／Ｄｉｖである。

本実施形態では、高圧トランス１３の２次側から出力される高電圧が正弦波形に近く（図５参照）、ロスが少ない効率の良い昇圧が行われている。これに対して、比較例では、高圧トランス１３の２次側から出力される高電圧に鋭角の部分やリンギングが存在して波形が乱れており（図６及び図７参照）、ロスが多く発生していることが分かる。

ここで、パルス信号Ｐ１のＯＮ期間のパルス幅と、高圧トランス１３の２次側から出力される高電圧、イオン発生装置の消費電流、単位消費電流（１ｍＡ）当たりの出力電圧との関係を表１に示す。本実施形態では、高圧トランス１３の２次側から出力される高電圧が１１９２０Ｖ（peak to peak値）であるのに対し、比較例１では９６００Ｖ（peak to peak値）、比較例２では１１２００Ｖ（peak to peak値）となり、本実施形態で最大電圧が出力されていることが分かる。また、昇圧の効率を示す指標である単位消費電流当たりの出力電圧でも、本実施形態では２８２０Ｖ／ｍＡと最大値を示しており、高圧トランス１３を最大効率で動作させていることが分かる。

上記の通り、本実施形態において高圧トランス１３が効率よく昇圧している理由について図５を参照して説明する。

パルス信号Ｐ１をＯＦＦ期間からＯＮ期間に切り換えてスイッチング素子１４をＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り換えて高圧トランス１３の１次側に電流を流す。この電流により高圧トランス１３の２次側に高電圧が励起され出力電圧が立ち上がっていく。高圧トランス１３の２次側の出力電圧がピーク電圧となる付近で、パルス信号Ｐ１をＯＮ期間からＯＦＦ期間に切り換えて高圧トランス１３の１次側の電流を遮断する。このときのパルス信号Ｐ１のＯＮ期間が、高圧トランス１３のフォワード動作時における出力電圧周波数の逆数に１／４を乗じた時間と略一致する。パルス信号Ｐ１のＯＮ期間において、高圧トランス１３はフォワード動作を行っている。

また、高圧トランス１３の１次側に電流を流しているフォワード動作期間中には２次側に高圧波形が出力されると同時に高圧トランス１３の磁性体コアに磁気エネルギーが蓄えられる。高圧トランス１３の１次側の電流を遮断すると、高圧トランス１３は、それまでに高圧トランス１３の磁性体コアに蓄えられた磁気エネルギーが電気エネルギーに変換され２次側に高電圧が出力されるフライバック動作を行う。

上記のように、パルス信号Ｐ１のＯＮ期間と、高圧トランス１３のフォワード動作時における出力電圧周波数の逆数に１／４を乗じた時間とを略一致させることで、高圧トランス１３のフォワード動作とフライバック動作とを連続的に利用することができ、効率の良い昇圧が可能となる。これにより、少ない消費電流で高電圧を得ることができ、消費電力を抑えることができる。これにより、従来は商用電源より電源を入力する電機機器にしか搭載されなかったイオン発生装置を、電池などで動作できるポータブルタイプにすることが可能となる。

なお、特許文献３では、パルス信号のＯＮ期間を長くすることにより昇圧部の出力電圧が高くなることが記載されているが、図７に示す通りパルス信号のＯＮ期間が長すぎると出力電圧が下がると同時に消費電流が増えてしまう。また、特許文献４では、パルス信号のＯＮ期間に応じた幅の出力電圧が出力されると記載されているが、図７に示す通り高圧トランス１３の出力電圧の周波数はパルス信号のＯＮ期間に関係なく一定である。

上述した本発明に係るイオン発生装置は、電気機器に搭載することができる。そして、本発明に係るイオン発生装置を搭載した電気機器には、図８に示すように、本発明に係るイオン発生装置１０１に加えて、本発明に係るイオン発生装置１０１で発生したイオンを本発明に係るイオン発生装置１０１の外部に送出する送出部（例えば、送風ファン）１０２を搭載するとよい。このような電気機器であれば、機器本来の機能に加えて、搭載したイオン発生装置から放出された正イオン及び負イオンの作用により空気中のカビや菌を不活化してその増殖を抑制すること等ができ、室内環境を所望の雰囲気状態とすることが可能となる。

なお、本発明に係るイオン発生装置は、正イオンと負イオンが略等量発生するイオン発生装置に限定されず、例えば図２に示す高圧回路２から整流ダイオード２１を取り除き図２に示すイオン発生素子３から第１の放電電極３１Ａ及び第１の誘導電極３１Ｂを含む第１の放電部を取り除いて正イオンのみが発生するようにしてもよく、高圧回路２から整流ダイオード２２を取り除き図２に示すイオン発生素子３から第２の放電電極３２Ａ及び第２の誘導電極３２Ｂを含む第２の放電部を取り除いて負イオンのみが発生するようにしてもよい。

１ 高電圧発生回路
２ 高電圧回路
３ イオン発生装置
１１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１２ コンデンサ
１３ 高圧トランス
１４ スイッチング素子
１５ マイクロコントローラ
１６ バッファ回路
２１、２２ 整流ダイオード
２１ａ、２２ａ カソード端子線
２１ｂ、２２ｂ アノード端子線
３１Ａ 第１の放電電極
３１Ｂ 第１の誘導電極
３１Ｃ、３２Ｃ 放電電極接点
３１Ｄ、３２Ｄ 誘導電極接点
３１Ｅ、３１Ｆ、３２Ｅ、３２Ｆ 接続端子
３１Ｇ、３１Ｈ、３２Ｇ、３２Ｈ 接続経路
３２Ａ 第２の放電電極
３２Ｂ 第２の誘導電極
３３ 誘電体
３３Ａ 上部誘電体
３３Ｂ 下部誘電
３４ コーティング層
１０１ 本発明に係るイオン発生装置
１０２ 送出部
３０１ 基板
３０１ａ 切欠き部
３０２、３０３ 誘導電極
３０４、３０５ 針電極
３１０ 平板部
３１１ 貫通孔
３１２ 屈曲部
３１３ 脚部
３１４ 支持部
３１５ 基板挿入部
ＥＬ１〜ＥＬ４ 電極

Claims (11)

1. 高電圧発生回路と、
   前記高電圧発生回路から出力される高電圧または前記高電圧発生回路から出力される高電圧を基に生成される電圧が与えられるイオン発生素子とを備えるイオン発生装置であって、
   前記高電圧発生回路が、
   入力直流電圧又は前記入力直流電圧をＤＣ／ＤＣ変換した電圧を蓄えるコンデンサと、
   １次側に接続される前記コンデンサから出力される電圧を昇圧して２次側に高電圧を出力する高圧トランスと、
   前記高圧トランスの１次側に接続され、ＯＮ／ＯＦＦにより前記高圧トランスの１次側電流を断続するスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御するためのパルス信号を発生するパルス信号発生部とを有し、
   前記パルス信号発生部が、前記パルス信号の前記スイッチング素子をＯＮにする期間であるＯＮ期間のパルス幅と、前記高圧トランスのフォワード動作時における出力電圧周波数の逆数に１／４を乗じた時間とが略一致するように、前記ＯＮ期間のパルス幅を調整することを特徴とするイオン発生装置。
2. 前記パルス信号発生部によって調整される前記ＯＮ期間のパルス幅が可変する請求項１に記載のイオン発生装置。
3. 前記スイッチング素子が前記パルス信号で直接駆動する請求項１または請求項２に記載のイオン発生装置。
4. 前記コンデンサが前記入力直流電圧を蓄える請求項１〜３のいずれか１項に記載のイオン発生装置。
5. 前記コンデンサがセラミックコンデンサまたはフィルムコンデンサである請求項１〜４のいずれか１項に記載のイオン発生装置。
6. 前記スイッチング素子が、ＭＯＳ−ＦＥＴである請求項１〜５のいずれか１項に記載のイオン発生装置。
7. 前記スイッチング素子が、バイポーラトランジスタである請求項１〜５のいずれか１項に記載のイオン発生装置。
8. 前記スイッチング素子が、ＩＧＢＴである請求項１〜５のいずれか１項に記載のイオン発生装置。
9. 前記パルス信号発生部が、前記パルス信号の発生をソフトウェアで制御するマイクロコントローラである請求項１〜８のいずれか１項に記載のイオン発生装置。
10. 前記パルス信号発生部が、前記パルス信号の発生をハードウェアで制御する専用回路である請求項１〜８のいずれか１項に記載のイオン発生装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載のイオン発生装置と、前記イオン発生装置で発生したイオンを前記イオン発生装置の外部に送出するための送出部とを備えることを特徴とする電機機器。