JP5989020B2 - イオン生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、巻き線トランスに電圧を印加してパルス状の高電圧を発生する高圧電源及びイオン生成装置に関する。

例えば、特許文献１に開示されるように、交流又はパルス電圧印加型のコロナ放電方式の除電装置として用いられるイオン生成装置は、巻き線トランスに電圧を印加して高電圧を発生させる高圧電源を備えている。

この種のイオン生成装置においては、高圧電源から出力された電圧をコロナ放電電極に印加することによって発生した空気イオンを、コロナ放電電極から除電対象物まで運搬して、除電対象物の除電を行う。

空気イオンの運搬手段としては、送風による運搬が一般的であるが、除電対象物が送風によって飛散するため送風を行えない場合、あるいはクリーンルームのように送風量が制限される場合には、放電電極に印加された電圧により発生する電界を利用した空気イオンの運搬が必要となる。

特許第５００２８４３号公報

ここで放電電極への印加電圧の周波数が高いと、電界の極性の時間変動が大きいため、イオンを一方向（除電対象物の方向）に加速することができない。それ故、電界を利用して空気イオンを一方向に加速させるためには、電界の極性の時間変動を遅くする、すなわち電圧を低周波にすることが好ましい。

しかしながら、電圧を低周波にするためには、巻き線トランスの鉄心内の磁束を増加させる必要があり、そのために鉄心の断面積を大きくすると、高圧電源及びそれを用いたイオン生成装置全体の大重量化、大型化が避けられない。

高圧電源及びそれを用いたイオン生成装置全体の大重量化、大型化を避けるために、複数の高電圧の正極パルス出力からなる正極パルス出力群と、複数の高電圧の負極パルス出力からなる負極パルス出力群とを、それぞれ正極及び負極電圧波形として交互に出力することにより、二次巻き線から出力される電圧（放電電極に印加される電圧）のみかけの周波数を低下させることが考えられる。

しかし、巻き線トランスから同一極性の高電圧パルスを短時間で多数出力させるため、巻き線トランスの一次側に同一極性の電流を流した場合、巻き線トランスのコアが磁気飽和してしまう。そうなると、巻き線トランスから出力される正極又は負極パルス出力の間隔が変動したり、当該パルス出力の発生後にリンギングが発生したりするおそれがある。

このような磁気飽和を避けるには、各パルス出力の間に巻き線トランスの一次側に逆極性の電圧パルスを印加することが考えられる。しかし、この場合、逆極性の電圧に応じて巻き線トランスの二次側から出力される電圧パルスにより、その前に出力したパルス出力の印加によって放電電極に生成された空気イオンが引き戻され又は吸収されるため、空気イオンの移動の効率が低下するおそれがある。

このような問題に鑑み、本発明は、高圧電源及びそれを用いたイオン生成装置をコンパクトに構成しながら、微風又は無風環境下でも効率よく空気イオンを移動させるができる高圧電源とそれを用いたイオン生成装置を提供することを目的とする。

本発明のイオン生成装置は、一次巻き線および二次巻き線を有する巻き線トランスと、正極性の複数のパルス電圧から成る正極側パルス列と、負極性の複数のパルス電圧から成る負極側パルス列とのうち少なくともいずれかを出力して、前記一次巻き線に印加するパルス列出力回路と、該パルス列出力回路に制御信号を与える制御回路とを備え、一次巻き線への前記正極側及び負極側パルス列の印加に応じて、前記二次巻き線からパルス状の正極性の高電圧である正極パルス出力及びパルス状の負極性の高電圧である負極パルス出力のうち少なくともいずれかを出力する高圧電源を備えるイオン生成装置であって、
前記パルス列出力回路は、前記正極側パルス列の各パルス電圧のパルス幅と該正極側パルス列において互いに隣り合うパルス電圧同士の間の幅であるパルス休止幅とのうちの少なくともいずれか一方と、前記負極側パルス列の各パルス電圧のパルス幅と該負極側パルス列において互いに隣り合うパルス電圧同士の間の幅であるパルス休止幅とのうちの少なくともいずれか一方とを、前記制御回路から与えられる制御信号に応じて調整可能に構成され、
前記制御回路は、前記巻き線トランスの二次巻き線から出力される前記パルス状の高電圧の立ち上がり時に、該巻き線トランスの磁気飽和が抑制されると共に前記パルス状の高電圧の波形が調整されるように、前記制御信号により、前記パルス列出力回路から出力される前記パルス列の各パルス電圧の前記パルス幅と前記パルス休止幅とのうちの少なくともいずれか一方を制御し、かつ、複数の正極パルス出力、及び各正極パルス出力の波高値の２５％〜５０％の波高値を有しかつ各正極パルス出力の直前に発生する負極パルス出力からなる正極パルス出力群と、複数の負極パルス出力、及び各負極パルス出力の波高値の２５％〜５０％の波高値を有しかつ各負極パルス出力の直前に発生する正極パルス出力からなる負極パルス出力群とを、交互に前記二次巻き線から出力するように、前記一次巻き線に印加される前記パルス列出力回路の出力を制御することを特徴とする。

本発明によれば、巻き線トランスの二次巻き線から出力される高周波電圧パルス列を正極及び負極パルス出力群として、交互に出力することによって、出力電圧のみかけの周波数を低下させることができる。それによって、高圧電源をコンパクトに構成できる。

更に、本発明によれば、前記正極パルス出力又は負極パルス出力（以下、「本パルス出力」という。）の波高値よりも低い波高値の負極パルス出力又は正極パルス出力（以下、「逆パルス出力」という。）を、一の本パルス出力（以下、「今回の本パルス出力」という。）の直前に出力する。このため、今回の本パルス出力の前回に出力された本パルス出力（以下、「前回の本パルス出力」という。）の出力後、逆パルス出力が出力されるまでの時間が長く確保される。この結果、前回の本パルス出力によって生じた空気イオンに対する逆パルス出力による引き戻し及び吸収が起こりにくくなる。

したがって、本発明のイオン生成装置により、逆パルス出力による空気イオンの引き戻し又は吸収という移動阻害要因が解消されるので、微風又は無風環境下で効率のよい移動が可能な空気イオンが生成される。

本発明のイオン生成装置において、
前記制御回路は、前記正極パルス出力群において、一の正極パルス出力の立ち上がり時から次の負極パルス出力の立ち上がり時までの間隔である正極側第１間隔の長さが、当該一の正極パルス出力の立ち上がり時から次の正極パルス出力の立ち上がり時までの間隔である正極側第２間隔の長さの６割以上となるように、かつ、前記負極パルス出力群において、一の負極パルス出力の立ち上がり時から次の正極パルス出力の立ち上がり時までの間隔である負極側第１間隔の長さが、当該一の負極パルス出力の立ち上がり時から次の負極パルス出力の立ち上がり時までの間隔である負極側第２間隔の長さの６割以上となるように、前記パルス列出力回路を制御するように構成されていることが好ましい。

上記構成のイオン生成装置の高圧電源によれば、本パルス出力の出力後、逆パルス出力が出力されるまでの期間が十分に長く確保される。この結果、当該本パルス出力により生じた空気イオンが当該逆パルス出力によって引き戻されたり吸収されたりすることが軽減又は解消されるので、微風又は無風環境下でより効率のよい移動が可能な空気イオンが生成される。

本発明の実施形態の高圧電源及びイオン生成装置の回路構成の概略を示す図。 一般的な巻き線トランスの二次巻き線に発生する電圧（高電圧）の特性を示すグラフ。 図１の高圧電源に備えた各スイッチ素子７〜１０のオン・オフ制御とそれに応じて巻き線トランス５の二次巻き線５ｂに発生する電圧（高電圧）との関係を例示するグラフ。 本実施形態のパルス出力群の電圧波形を示す図で、（ａ）は１周期程度のスパンを表した図、（ｂ）は（ａ）の１００ｍｓ付近のグラフ（破線で囲んだ部分）を拡大した図。 デューティ比を変更した場合の除電時間の変化を示すグラフ。 逆パルスの波高値を変更した場合の除電時間の変化を示すグラフで、（ａ）は正除電速度について示すグラフで、（ｂ）は負除電速度について示すグラフ。 本パルス出力の総数に占める正極本パルス出力の個数の割合とイオンバランスを示すグラフ。 １周期あたりの本パルス出力の総数と除電時間との関係を示すグラフ。 １周期あたりの本パルス出力の総数とイオンバランスの時間変動幅を示すグラフ。 本実施形態によるイオン生成装置、逆パルスを出力しない方式のイオン生成装置、及び従来方式のイオン生成装置の除電時間を比較するグラフ。

図１は、本発明の一実施形態の高圧電源３を搭載したイオン生成装置１の回路構成の概略を示す。なお、本実施形態の高圧電源３は、正極性のパルス状の高電圧（正極パルス出力）及び負極性のパルス状の高電圧（負極パルス出力）が交互に周期的に出力される交流高圧電源である。

図１に示すように、イオン生成装置１は、放電電極２と、高圧電源３とを備えている。高圧電源３は、一次巻き線５ａ及び二次巻き線５ｂを有する巻き線トランス５と、この巻き線トランス５の一次巻き線５ａに印加する複数のパルス電圧からなるパルス列を出力するパルス列出力回路６と、制御回路４とを備えている。

巻き線トランス５の一次巻き線５ａ及び二次巻き線５ｂは、磁性材からなるコア（図示省略）に巻回されている。そして、二次巻き線５ｂの一端には、放電電極２が接続され、他端は接地されている。なお、放電電極２は針状のものであり、その先端が尖鋭に形成されている。また、放電電極２の先端部近傍には、接地された対向電極１５が配置されている。

補足すると、図１では放電電極２が１つだけ示されているが、複数の放電電極が二次巻き線５ｂの一端にケーブル等を介して接続されていてもよい。

パルス列出力回路６は、所謂Ｈブリッジ型の回路であり、第１のスイッチ素子７及び第２のスイッチ素子８を直列に接続してなる第１の直列回路１１と、第３のスイッチ素子９及び第４のスイッチ素子１０を直列に接続してなる第２の直列回路１２と、これらの直列回路１１，１２を並列に接続してなる並列回路１３に直流電圧を印加する直流電源１４とを備える。

各スイッチ素子７〜１０は、半導体スイッチ素子である。本実施形態では、第１及び第３のスイッチ素子７，９は、ｐチャネルＦＥＴにより構成され、第２及び第４のスイッチ素子８，１０は、ｎチャネルＦＥＴにより構成されている。そして、各スイッチ素子７〜１０は、それぞれの制御信号入力部であるゲートが制御回路４に接続され、該制御回路４から与えられる制御信号（オン・オフ信号）に応じて、各スイッチ素子７〜１０のオン・オフ（ソース・ドレン間の導通・遮断）が制御されるようになっている。

なお、各スイッチ素子７〜１０を、スイッチングトランジスタにより構成してもよい。あるいは、ＦＥＴとスイッチングトランジスタとを混在させてもよい。例えば、スイッチ素子７〜１０のうちのスイッチ素子７，９をＦＥＴにより構成し、スイッチ素子８，１０をスイッチングトランジスタにより構成してもよい。

第１及び第２のスイッチ素子７，８を含む第１の直列回路１１のスイッチ素子７側の一端（スイッチ素子７のソース）と、第３及び第４のスイッチ素子９，１０を含む第２の直列回路１２のスイッチ素子９側の一端（スイッチ素子９のソース）とが接続されると共に、第１の直列回路１１のスイッチ素子８側の他端（スイッチ素子８のソース）と、第２の直列回路１２のスイッチ素子１０側の他端（スイッチ素子１０のソース）とが接続されている。これにより、第１の直列回路１１と第２の直列回路１２とが並列に接続されて前記並列回路１３が構成されている。

そして、この並列回路１３のスイッチ素子７，９側の一端が、直流電圧（例えば２４Ｖ）を出力する直流電源１４の正極に接続されている。また、並列回路１３のスイッチ素子８，１０側の他端は接地されている。なお、直流電源１４の負極は接地されており、並列回路１３のスイッチ素子８，１０側の他端に導通している。これにより、直流電源１４から並列回路１３に直流電圧が印加されるようになっている。

第１の直列回路１１の両スイッチ素子７，８の間の箇所１１ａと、第２の直列回路１２の両スイッチ素子９，１０の間の箇所１２ａとが、パルス列出力回路６の一対の出力部１１ａ，１２ａとなっており、この出力部１１ａ，１２ａに、前記巻き線トランス５の一次巻き線５ａの両端がそれぞれ接続されている。

なお、本実施形態では、パルス列出力回路６の出力部１１ａ，１２ａから巻き線トランス５の一次巻き線５ａに印加させる電圧に関し、出力部１１ａ側が出力部１２ａ側に対して正の電位となる電圧の極性を正極性、出力部１２ａ側が出力部１１ａ側に対して正の電位となる電圧の極性を負極性の電圧と定義する。この場合、本実施形態では、一次巻き線５ａに正極性の電圧が印加されたときに、二次巻き線５ｂに放電電極２側が正極性となる高電圧が発生し、一次巻き線５ａに負極性の電圧が印加されたときに、二次巻き線５ｂに放電電極２側が負極性となる高電圧が発生するようになっている。

制御回路４は、図示を省略するＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェース回路などから構成されるものである。本実施形態では、制御回路４は、あらかじめＲＯＭに記憶保持されたプログラムや外部からあらかじめ入力されたデータなどに基づいて、各スイッチ素子７〜１０のゲートにオン・オフ信号（矩形波信号）を出力し、そのオン・オフ信号により、各スイッチ素子７〜１０のオン・オフ制御を行なう。

次に、本実施形態の高圧電源３及びイオン生成装置１の動作について、図２〜図３を参照して説明する。

まず、本実施形態の高圧電源３の動作について説明する。ここで、一般的な巻き線トランスの二次巻き線に発生するパルス状の高電圧の特性について、図２を参照して説明する。図２において、横軸は時間であり、縦軸は電圧を示している。また、図２中の実線は、正極性のパルス状の高電圧ＶＰ０の１周期の波形を示し、期間Ｔ０は、パルス状の高電圧ＶＰ０の１周期期間を示す。

１周期の期間内において、一次巻き線５ａにパルス電圧が印加されると、まず、立ち上がり期間Ｔ＿ｕｐで、パルス状の高電圧ＶＰ０が立ち上がり、ピーク値Ｐ０に達する。このパルス状の高電圧の立ち上がり時（立ち上がり期間Ｔ＿ｕｐ）に印加されるパルス電圧を制御することで、巻き線トランス５のコアの磁束飽和を生じない範囲で所望の波高値が得られるように、出力されるパルス状の高電圧の波高値を制御できる。

次に、立ち下がり期間Ｔ＿ｄｏｗｎで、パルス状の高電圧ＶＰ０は、ピーク値Ｐ０に達した後に、出力が０［Ｖ］になり、さらに逆電圧が発生し、０［Ｖ］近傍に戻る。このピーク値Ｐ０に達した後（立ち下がり期間Ｔ＿ｄｏｗｎ）に印加するパルス電圧を制御することで、逆電圧の発生を抑制できる。次に、安定期間Ｔ＿ｐａｕｓｅで、パルス状の高電圧は０［Ｖ］近傍で安定し、休止期間となる。この休止期間（安定期間Ｔ＿ｐａｕｓｅ）に印加するパルス電圧を制御することで、各周期における残留磁束を除去できる。

次に、高圧電源３の制御回路４による各スイッチ素子７〜１０のオン・オフ制御を説明する。図３は、各スイッチ素子７〜１０のオン・オフ制御とそれに応じて巻き線トランス５の二次巻き線５ｂに発生する電圧（高電圧）との関係を例示するグラフである。

図３を参照して、制御回路４は、巻き線トランス５の二次巻き線５ｂに高電圧の正極パルス出力を発生させる場合には、図中の期間ＴＰで例示する如く、第１のスイッチ素子７をオン、第２のスイッチ素子８及び第３のスイッチ素子９をオフにした状態で、第４のスイッチ素子１０のオン・オフを比較的高速で繰り返す正極側パルス列出力制御を行う。

このとき、第４のスイッチ素子１０がオンとなっている状態でのみ、直流電源１４の出力電圧とほぼ同等の大きさの電圧値を有し、且つ該第４のスイッチ素子１０が連続的にオンとなっている時間（オン時間）とほぼ同等の幅を有する正極性のパルス電圧（矩形波状のパルス電圧）が出力部１１ａ，１２ａ間に発生し、これが、巻き線トランス５の一次巻き線５ａに印加される。

従って、図中の期間ＴＰにおいて、第４のスイッチ素子１０のオン・オフを繰り返すことにより、そのオン・オフ波形２０と同じ波形の電圧、すなわち、複数の正極性のパルス電圧を時系列的に並べてなる正極側パルス列が出力部１１ａ，１２ａから一次巻き線５ａに印加される。このように、各スイッチ素子７〜１０のオン・オフ制御により、正極側パルス列の各パルス電圧のパルス幅とパルス休止幅とのうちの少なくともいずれか一方が制御される。

この場合、期間ＴＰ（以下、正極側パルス列出力期間ＴＰという）内において、第４のスイッチ素子１０をオンにするタイミング（正極側パルス列の各パルス電圧の発生タイミング）や、第４のスイッチ素子１０のオン時間（正極側パルス列の各パルス電圧の幅）を適切に設定しておくことにより、巻き線トランス５の二次巻き線５ｂに、図３の最下段のグラフで示すように正極性のパルス状（凸型状）の高電圧ＶＰを発生させることができる。

より詳しくは、本実施形態では、正極側パルス列出力期間ＴＰにおける第４のスイッチ素子１０のオン・オフ波形２０は、前半側オン・オフ波形２０ａと、後半側オン・オフ波形２０ｂとから構成される。そして、正極側パルス列出力期間ＴＰにおける正極側パルス列のうち、前半側オン・オフ波形２０ａに対応する部分（以下、正極側パルス列前半部という）は、高電圧の正極パルス出力ＶＰの発生タイミングと、高電圧の正極パルス出力ＶＰの波高値Ｐ（ピーク値）とを規定する機能を有する。

すなわち、正極側パルス列前半部の開始タイミング（前半側オン・オフ波形２０ａの開始タイミング）が、高電圧の正極パルス出力ＶＰの立ち上がりタイミングとなるので、該正極側パルス列前半部の開始タイミングを変化させることによって、図３に参照符号ＶＰ’を付して例示するように、高電圧の正極パルス出力の発生タイミングを変化させることができる。

また、正極側パルス列前半部のいずれかのパルス電圧の幅を変化させ、該正極側パルス列の各パルス電圧の幅の総和（前半側オン・オフ波形２０ａにおけるトータルのオン時間）を変化させることによって、巻き線トランス５のコアの磁束飽和を生じない範囲で、図３に参照符号ＶＰ’’を付して例示するように、高電圧の正極パルス出力の波高値を変化させることができる。この場合、基本的には、正極側パルス列の各パルス電圧の幅の総和を長くするほど、高電圧の正極パルス出力の波高値が増加することとなる。この正極側パルス列前半部による制御が、図２の立ち上がり期間Ｔ＿ｕｐにおける波高値制御に相当する。

また、正極側パルス列のうち、後半側オン・オフ波形２０ｂに対応する部分（以下「正極側パルス列後半部」という）は、高電圧の正極パルス出力ＶＰがピーク値から０［Ｖ］まで低下した直後に、二次巻き線５ｂに負極性の逆電圧が発生するのを防止する機能を有する。すなわち、高電圧の正極パルス出力ＶＰがピーク値から０［Ｖ］まで低下する過程や、０［Ｖ］の近傍付近で１つ、又は複数の正極性のパルス電圧を出力部１１ａ，１２ａから一次巻き線５ａに印加することによって、該二次巻き線５ｂに負極性の逆電圧が発生するのを防止することができる。この正極側パルス列後半部による制御が、図２の立ち下がり期間Ｔ＿ｄｏｗｎにおける逆電圧制御に相当する。

また、制御回路４は、巻き線トランス５の二次巻き線５ｂに高電圧の負極パルス出力を発生させる場合には、図中の期間ＴＮで例示する如く、第３のスイッチ素子９をオン、第１のスイッチ素子７及び第４のスイッチ素子１０をオフにした状態で、第２のスイッチ素子８のオン・オフを比較的高速で繰り返す負極側パルス列出力制御を実行する。

このとき、第２のスイッチ素子８がオンとなっている状態でのみ、直流電源１４の出力電圧とほぼ同等の大きさの電圧値を有し、且つ該第２のスイッチ素子８のオン時間とほぼ同等の幅を有する負極性のパルス電圧（矩形波状のパルス電圧）が出力部１１ａ，１２ａ間に発生し、これが、巻き線トランス５の一次巻き線５ａに印加される。

従って、図中の期間ＴＮにおいて、第２のスイッチ素子８のオン・オフを繰り返すことにより、そのオン・オフ波形２１と同等の波形の電圧、すなわち、複数の負極性のパルス電圧から成る負極側パルス列が出力部１１ａ，１２ａから一次巻き線５ａに印加される。このように、各スイッチ素子７〜１０のオン・オフ制御により、負極側パルス列の各パルス電圧のパルス幅とパルス休止幅とのうちの少なくともいずれか一方が制御される。

この場合、期間ＴＮ（以下、負極側パルス列出力期間ＴＮという）内において、第２のスイッチ素子８をオンにするタイミング（負極側パルス列の各パルス電圧の発生タイミング）や、第２のスイッチ素子８のオン時間（負極側パルス列の各パルス電圧の幅）を適切に設定しておくことによって、巻き線トランス５の二次巻き線５ｂに、図３の最下段のグラフで示すように負極性のパルス状（凸型状）の高電圧ＶＮを発生させることができる。

より詳しくは、本実施形態では、正極側パルス列出力期間ＴＰの場合と同様に、負極側パルス列出力期間ＴＮにおける第２のスイッチ素子８のオン・オフ波形２１は、前半側オン・オフ波形２１ａと、後半側オン・オフ波形２１ｂとから構成される。そして、負極側パルス列出力期間ＴＮにおける負極側パルス列のうち、前半側オン・オフ波形２１ａに対応する部分（以下「負極側パルス列前半部」という）は、高電圧の負極パルス出力ＶＮの発生タイミングと、高電圧の負極パルス出力ＶＮの波高値Ｎ（ピーク値）とを規定する機能を有する。

すなわち、負極側パルス列前半部の開始タイミングが、高電圧の負極パルス出力ＶＮの立ち上がりタイミングとなるので、該負極側パルス列前半部の開始タイミングを変化させることによって、図３に参照符号ＶＮ’を付して例示するように、高電圧の負極パルス出力の発生タイミングを変化させることができる。

また、負極側パルス列前半部の１つ以上のパルス電圧の幅を変化させ、該負極側パルス列の各パルス電圧の幅の総和（前半側オン・オフ波形２１ａにおけるトータルのオン時間）を変化させることによって、巻き線トランス５のコアの磁束飽和を生じない範囲で、図３に参照符号ＶＮ’’を付して例示するように、高電圧の負極パルス出力の波高値を変化させることができる。この場合、基本的には、負極側パルス列の各パルス電圧の幅の総和を長くするほど、高電圧の負極パルス出力の波高値の大きさ（絶対値）が増加することとなる。

また、負極側パルス列のうち、後半側オン・オフ波形２１ｂに対応する部分（以下「負極側パルス列後半部」という）は、高電圧の負極パルス出力ＶＮの大きさがピーク値から０［Ｖ］まで低下した直後に、二次巻き線５ｂに正極性の逆電圧が発生するのを防止する機能を有する。すなわち、高電圧の負極パルス出力ＶＮの大きさがピーク値から０［Ｖ］まで低下する過程や、０［Ｖ］の近傍付近で１つ又は複数の負極性のパルス電圧を出力部１１ａ，１２ａから一次巻き線５ａに印加することによって、該二次巻き線５ｂに正極性の逆電圧が発生するのを防止することができる。

このように、制御回路４からの制御信号により、印加されるパルス電圧を制御することで、高電圧の正極パルス出力ＶＰ及び高電圧の負極パルス出力ＶＮのうちの少なくともいずれか一方の波高値を容易に制御することができる。

なお、高電圧の正極パルス出力ＶＰ及び高電圧の負極パルス出力ＶＮのうちの少なくともいずれか一方の波高値Ｐ，Ｎを制御する場合には、制御回路４に入力するスイッチオン・オフデータのうちの、前記正極側パルス列出力期間ＴＰにおける第４のスイッチ素子１０のオン・オフ波形２０のパターン（ひいては正極側パルス列のパターン）、あるいは、前記負極側パルス列出力期間ＴＮにおける第２のスイッチ素子８のオン・オフ波形２１のパターン（ひいては負極側パルス列のパターン）を変化させる。これにより、波高値Ｐ又はＮを変化させることができる。なお、これらのオン・オフ波形２０，２１のパターンを変化させる場合には、例えば、あらかじめ複数種類のスイッチオン・オフデータを用意しておき、それらのスイッチオン・オフデータのうちの１つを選択的に制御回路４に入力するようにすればよい。

さらに、高圧電源３において、制御回路４は、図４（ａ）に示されるように、正極側パルス列出力制御を繰り返し実行することにより、連続する複数の高電圧の正極パルスを含む正極パルス出力群ＧＰを二次巻き線５ｂから出力させる正極側パルス群出力制御と、負極側パルス列出力制御を繰り返し実行することにより、連続する複数の高電圧の負極パルス出力を含む負極パルス出力群ＧＮを二次巻き線５ｂから出力させる負極側パルス群出力制御とを、互いに同一の周期（たとえば１００ｍｓ間隔）で交互に実行する。これにより、正極側パルス出力群ＧＰと負極側パルス出力群ＧＮとが１度ずつ出力されるまでの期間が２００ｍｓであるので、一つのパルス群を一つのパルスと見た場合のみかけの周波数は５Ｈｚと低周波になる。

図４（ｂ）を参照して、正極側パルス群出力制御及び負極側パルス群出力制御をより詳しく説明する。

制御回路４は、正極側パルス群制御において、正極側パルス列出力制御により二次巻き線５ｂから出力される前回の高電圧の正極本パルス出力ＰＭＶ１と、正極パルス列出力制御の今回実行により二次巻き線５ｂから出力される今回の高電圧の正極本パルス出力ＰＭＶ２との間に、当該正極本パルス出力ＰＭＶ１、ＰＭＶ２の波高値Ｐよりも低い波高値ｎの負極性の負極逆パルス出力ＮＲＶが二次巻き線５ｂから出力されるように、負極側パルス列出力制御を実行する。

前回の正極本パルス出力ＰＭＶ１の立ち上がりから、負極逆パルス出力ＮＲＶ１の立ち上がりまでの間隔（正極側第１間隔ＰＤ１）の長さは、前回の正極本パルス出力ＰＭＶ１の立ち上がりから、今回の正極本パルス出力ＰＭＶ２の立ち上がりまでの間隔（正極側第２間隔ＰＤ２）の長さの６割以上に制御される。

また、制御回路４は、負極側パルス群制御において、負極側パルス列出力制御により二次巻き線５ｂから出力される前回の負極本パルス出力ＮＭＶ１と、負極パルス列出力制御の今回実行により二次巻き線５ｂから出力される今回の負極本パルス出力ＮＭＶ２との間に、当該負極性本パルス出力ＮＭＶ１、ＮＭＶ２の波高値Ｎよりも低い波高値ｐの正極性の正極逆パルス出力ＰＲＶが二次巻き線５ｂから出力されるように、正極側パルス列出力制御を実行する。

前回の負極本パルス出力ＮＭＶ１の立ち上がりから、正極逆パルス出力ＰＲＶ１の立ち上がりまでの間隔（負極側第１間隔ＮＤ１）の長さは、前回の負極本パルス出力ＮＭＶ１の立ち上がりから、今回の負極本パルス出力ＮＭＶ２の立ち上がりまでの間隔（負極側第２間隔ＮＤ２）の長さの６割以上に制御される。

なお、以下、正極パルス出力群ＧＰ及び負極パルス出力群ＧＰを総称してパルス群Ｇといい、正極本パルス出力ＰＭＶ及び負極本パルス出力ＮＭＶを総称して本パルス出力ＭＶといい、前回の正極本パルス出力ＰＭＶ１及び前回の負極本パルス出力ＮＭＶ１を総称して前回の本パルス出力ＭＶ１といい、今回の正極本パルス出力ＰＭＶ２及び今回の負極本パルス出力ＮＭＶ２を総称して今回の本パルス出力ＭＶ２といい、正極逆パルス出力ＰＲＶ及び負極逆パルス出力ＮＲＶを総称して逆パルス出力ＲＶといい、正極第１間隔ＰＤ１及び負極第１間隔ＮＤ１を総称して第１間隔Ｄ１といい、正極第２間隔ＰＤ２及び負極第２間隔ＮＤ２を総称して第２間隔Ｄ２という。

次に、図５を参照しながら、第２間隔Ｄ２の長さに対する第１間隔Ｄ１の長さの比率（デューティ比）とイオン生成装置１の性能との関係について説明する。図５は、１つの正極パルス出力群ＧＰで出力される正極本パルス出力ＰＭＶの数を５０、１つの負極パルス出力群ＧＮで出力される負極本パルス出力ＮＭＶの数を５０とし、本パルス出力の波高値を８ｋＶとして、無風の環境下で、デューティ比（横軸：単位％）を変更しながら、±１０００Ｖに帯電させた１５０ｍｍのチャージプレートモニタ（ＣＰＭ）を除電対象物として、当該除電対象物を±１００Ｖに除電するまでの除電時間（縦軸：単位ｓ）を測定したグラフである。一点鎖線は、除電対象物が除電開始前の段階で正極性（＋１０００Ｖ）に帯電している場合のグラフで、二点鎖線は、除電対象物が除電開始前の段階で負極性（−１０００Ｖ）に帯電している場合のグラフである。

デューティ比は、次式で求められる。

なお、正極第１間隔ＰＤ１、正極第２間隔ＰＤ２、負極第１間隔ＮＤ１、負極第２間隔ＮＤ２の関係は、次のとおりである。

図５に示されるように、正除電、負除電いずれの場合でも、デューティ比又は大きくなるほど、除電時間は短くなる。これは、前回の本パルス出力ＭＶの立ち上がりから、逆パルス出力ＲＶの立ち上がりまでの間隔（第１間隔Ｄ１）が長く確保されることにより、逆パルス出力ＲＶによる引き戻し又は吸収が起こりにくくなり、第１間隔Ｄ１が短い場合よりも、本パルス出力ＭＶの印加によって生じた空気イオンが除電対象物に到達しやすくなるためと推察される。

次に、図６（ａ）（ｂ）を参照しながら、逆パルス出力ＲＶの波高値の大きさと除電時間の関係について説明する。図６（ａ）（ｂ）は、１つの正極パルス出力群ＧＰで出力される正極本パルス出力ＰＭＶの数を５０、１つの負極パルス出力群ＧＮで出力される負極本パルス出力ＮＭＶの数を５０として、無風の環境下で、本パルス出力ＭＶの波高値を８ｋＶに固定する一方、逆パルス出力ＲＶの波高値（横軸：単位ｋＶ）を変更しながら、±１０００Ｖに帯電させた１５０ｍｍのチャージプレートモニタ（ＣＰＭ）を除電対象物として、当該除電対象物を±１００Ｖに除電するまでの除電時間（縦軸：単位ｓ）を測定したグラフである。

また、デューティ比が６４％、８４％、９１％の場合について、それぞれ測定した。図６（ａ）は、除電対象物が除電開始前の段階で正極性（＋１０００Ｖ）に帯電している場合のグラフ、図６（ｂ）は、除電対象物が除電開始前の段階で負極性（−１０００Ｖ）に帯電している場合のグラフである。

図６（ａ）（ｂ）に示されるように、正除電、負除電いずれの場合でも、逆パルス出力ＲＶの波高値が２〜４ｋＶ程度（本パルス出力ＭＶの波高値の２５％〜５０％程度）の場合に除電時間が短くなる一方、逆パルス出力ＲＶの波高値が４ｋＶ（本パルス出力ＭＶの波高値の５０％）を超えると除電時間が長くなる。これは、逆パルス出力ＲＶの波高値が大きくなることにより、引き戻し又は吸収される空気イオンの割合が増加するためと推察される。特に、デューティ比が小さい（前回の本パルス出力ＭＶの立ち上がり時からあまり時間がたってない）場合に、この傾向が顕著である。

次に、図７を参照しながら、１周期（１回の正極パルス出力群ＧＰ及び１回の負極パルス出力群ＧＮにより構成される周期）における本パルス出力ＭＶの回数（正極本パルス出力ＰＭＶ及び負極本パルス出力ＮＭＶの回数の総和）を１００回としたとき、本パルス出力のうちの正極本パルス出力ＰＭＶが占める割合（図７横軸：単位％）とイオンバランス（図７縦軸：単位Ｖ）との関係について説明する。

図７に示されるように、当該割合を変化させることで、イオンバランスが線形に変化する。図７においては、正極本パルス出力が約４０％の場合、イオンバランスが取れた状態となる。

次に、図８を参照しながら、１周期あたりの本パルス出力ＭＶの回数を変化させたときの除電速度について説明する。図８は、１つの正極パルス出力群ＧＰで出力される正極本パルス出力ＰＭＶの回数と、１つの負極パルス出力群ＧＮで出力される負極本パルス出力ＮＭＶの回数とを等しくした状態で、無風の環境下、本パルス出力ＭＶの回数（横軸：単位回、正極本パルス出力ＰＭＶ及び負極本パルス出力ＮＭＶの回数の総和）を変更しながら、±１０００Ｖに帯電させた１５０ｍｍのチャージプレートモニタ（ＣＰＭ）を除電対象物として、当該除電対象物を±１００Ｖに除電するまでの除電時間（縦軸：単位ｓ）を測定したグラフである。

なお、１つの本パルス出力とその次の本パルス出力の間隔は３．８４ｍｓである。一点鎖線は、除電対象物が除電開始前の段階で正極性（＋１０００Ｖ）に帯電している場合のグラフで、二点鎖線は、除電対象物が除電開始前の段階で負極性（−１０００Ｖ）に帯電している場合のグラフである。

図８からもわかるように、正帯電、負帯電いずれの場合にも、１周期あたりのパルス回数が増加するに伴い、除電時間は短くなる。おおよそ１周期における本パルス出力ＭＶの回数が２００回（パルス群Ｇを一つのパルスと見たときのみかけの周波数が約２．６Ｈｚ）以上において除電速度（除電時間）が安定する。

本パルス出力ＭＶの回数が２００回になるまで除電時間が短くなる理由としては、本パルス出力ＭＶの回数が２００回以下である場合には、みかけの周波数が速いために空気イオンが十分に加速されないうちに逆極性のパルス群によって引き戻し又は吸収されてしまうことが原因であると推察される。

一方、本パルス出力ＭＶの回数が２００回以上で除電時間が安定する理由は、２００回程度で十分に除電対象物の空気イオンが除電されるためであると推察される。

なお、除電時間の長短は、除電装置と除電対象物との距離等の条件によって変化するため、種々の条件と本パルス出力ＭＶの回数との関係を表した所定のテーブル又は所定の換算式等を使用して、本パルス出力ＭＶの回数が設定されることが好ましい。当該所定のテーブル又は換算式は、例えば実験などで求められる。

次に図９を参照しながら、１周期あたりの本パルス出力ＭＶの回数を変化させたときのイオンバランスについて説明する。図９は、１つの正極パルス出力群ＧＰで出力される正極本パルス出力ＰＭＶの回数と、１つの負極パルス出力群ＧＮで出力される負極本パルス出力ＮＭＶの回数とを等しくした状態で、無風の環境下、本パルス出力ＭＶの回数（横軸：単位回、正極本パルス出力ＰＭＶ及び負極本パルス出力ＮＭＶの回数の総和）を変更しながら、１５０ｍｍのチャージプレートモニタ（ＣＰＭ）を除電対象物として、±１０００Ｖに帯電させた除電対象物を±１００Ｖに除電するまでの除電対象物のイオンバランス（オフセット電圧）の時間変動幅（縦軸：単位Ｖ／ｓ）を測定したグラフである。なお、１つの本パルス出力とその次の本パルス出力の間隔は３．８４ｍｓである。

図９からもわかるように、１周期あたりの本パルス出力ＭＶの回数が増加すると、イオンバランスの時間変動幅が増加する一方、本パルス出力の回数が減少すると、イオンバランスの時間変動幅が減少することがわかる。この原因は、１周期あたりの本パルス出力ＭＶの回数が多いほど、除電対象物に流入する空気イオンの極性の時間的ムラが増加し、１周期あたりの本パルス出力ＭＶの回数が少ないほど、除電対象物に流入する空気イオンの極性の時間的ムラが減少することにあると推察される。

この性質を利用して、制御回路４が、制御信号により、除電開始時には本パルス出力ＭＶの回数を増加する一方（たとえば１周期あたり２００回）、除電終了時（除電対象物の帯電状況が所定の電圧以下になった時）には本パルス出力ＭＶの回数を減少させる（たとえば１周期あたり１０回）ように、パルス列出力回路６を制御してもよい。

この場合、制御回路４は、除電対象物の帯電状況を監視するための帯電センサの出力信号に基づいて、除電終了時か否かの判断をすることが好ましい。このような構成により、除電時間を短くしながら、除電終了時の逆帯電及び電位の変動を避けることができる。

本実施形態の高圧電源３によれば、正極パルス出力群ＧＰ及び負極パルス出力群ＧＮをそれぞれ１つのパルスとして、当該正極パルス出力群ＧＰ及び負極パルス出力群ＧＮが交互に出力されることにより、巻き線トランス５の鉄心の断面積を大きくせずとも、二次巻き線５ｂから出力される電圧のみかけの周波数を低下させることができる。

また、本実施形態によれば、当該正極パルス出力ＰＭＶ又は負極パルス出力ＰＭＶ（本パルス出力ＭＶ）の波高値Ｐ，Ｎよりも低い波高値ｐ、ｎの負極パルス出力ＮＲＶ又は正極パルス出力ＰＲＶ（逆パルス出力ＲＶ）が出力されることにより、本パルス出力ＭＶによって生じた残留磁束が除去される。

また、本実施形態によれば、当該逆パルス出力ＲＶは一の本パルス出力（今回の本パルス出力ＭＶ２）の直前に出力されるので、当該今回の本パルス出力ＭＶ２の前回に出力された本パルス出力（前回の本パルス出力ＭＶ１）の出力後、逆パルス出力ＲＶが出力されるまでの時間が長く確保される。この結果、前回の本パルス出力ＭＶ１により生じた空気イオンに対する当該逆パルス出力ＲＶによる引き戻し及び吸収が起こりにくくなる。

以上の通り、本実施形態によれば、装置をコンパクトに構成しながら、正極パルス出力ＶＰ又は負極パルス出力ＶＮから生じる空気イオンの移動阻害要因が効果的に排除されるので、微風又は無風環境下で効率のよい移動が可能な空気イオンが生成される。

次に、本実施形態の高圧電源３を搭載したイオン生成装置１の作動について説明する。イオン生成装置１では、巻き線トランス５の二次巻き線５ｂから放電電極２に正極パルス出力ＶＰが印加されている時に、放電電極２の先端部近傍で発生するコロナ放電によって、正極性の空気イオンが生成される。そして、その生成された正極性の空気イオンが放電電極２の先端部近傍から離れる方向に放出される。また、二次巻き線５ｂから放電電極２の負極パルス出力ＶＮが印加されている時に、放電電極２の先端部近傍で発生するコロナ放電によって、負極性の空気イオンが生成される。そして、その生成された負極性の空気イオンが放電電極２の先端部近傍から離れる方向に放出される。

除電対象物の帯電極性と逆極性の空気イオンによって中和されることにより、除電対象物が除電される。

以上の通り、本実施形態のイオン生成装置１によれば、装置をコンパクトに構成しながらも、微風又は無風環境下での効率的な除電が可能となる。

図１０を参照して、より詳しく説明する。図１０は、本実施形態と、逆パルスをしない方式と、パルス出力群を出力しない従来の方式（２００Ｈｚ）とについて、無風の環境下で、１５０ｍｍのチャージプレートモニタ（ＣＰＭ）を除電対象物として、±１０００Ｖに帯電させた除電対象物を±１００Ｖに除電するまでの除電時間（縦軸：単位ｓ）を比較したグラフである。

図１０に示されるように、本実施形態による除電は、従来と比べて６〜７倍程度早く、逆パルスを出力しない場合と比較して３倍程度早く完了する。このことからもわかるように、本実施形態によれば、従来と比較して、微風又は無風環境下での効率的な除電が可能となる。

本実施形態のイオン生成装置１では、放電電極２を巻き線トランス５の二次巻き線５ｂの一端に直接的に接続したが、抵抗素子を介して二次巻き線５ｂに接続してもよく、あるいは、容量素子を介して放電電極２を二次巻き線５ｂに接続するようにしてもよい。

また、本実施形態の高圧電源では、パルス列出力回路６としてＨブリッジ型の回路を用いたが、これに代わりに、プッシュプル回路やハーフブリッジ回路等を使用することも可能である。

１…イオン生成装置、２…放電電極、３…高圧電源、４…制御回路、５…巻き線トランス、６…パルス列出力回路、７〜１０…スイッチ素子、１１…第１の直列回路、１２…第２の直列回路、１３…並列回路、１４…直流電源、ＰＭＶ‥正極本パルス出力、ＮＭＶ‥負極本パルス出力、ＰＲＶ‥正極逆パルス出力、ＮＲＶ‥負極逆パルス出力、ＧＰ‥正極パルス群、ＧＮ‥負極パルス群。

Claims (2)

1. 一次巻き線および二次巻き線を有する巻き線トランスと、正極性の複数のパルス電圧から成る正極側パルス列と、負極性の複数のパルス電圧から成る負極側パルス列とのうち少なくともいずれかを出力して、前記一次巻き線に印加するパルス列出力回路と、該パルス列出力回路に制御信号を与える制御回路とを備え、一次巻き線への前記正極側及び負極側パルス列の印加に応じて、前記二次巻き線からパルス状の正極性の高電圧である正極パルス出力及びパルス状の負極性の高電圧である負極パルス出力のうち少なくともいずれかを出力する高圧電源を備えるイオン生成装置であって、
   前記パルス列出力回路は、前記正極側パルス列の各パルス電圧のパルス幅と該正極側パルス列において互いに隣り合うパルス電圧同士の間の幅であるパルス休止幅とのうちの少なくともいずれか一方と、前記負極側パルス列の各パルス電圧のパルス幅と該負極側パルス列において互いに隣り合うパルス電圧同士の間の幅であるパルス休止幅とのうちの少なくともいずれか一方とを、前記制御回路から与えられる制御信号に応じて調整可能に構成され、
   前記制御回路は、前記巻き線トランスの二次巻き線から出力される前記パルス状の高電圧の立ち上がり時に、該巻き線トランスの磁気飽和が抑制されると共に前記パルス状の高電圧の波形が調整されるように、前記制御信号により、前記パルス列出力回路から出力される前記パルス列の各パルス電圧の前記パルス幅と前記パルス休止幅とのうちの少なくともいずれか一方を制御し、かつ、複数の正極パルス出力、及び各正極パルス出力の波高値の２５％〜５０％の波高値を有しかつ各正極パルス出力の直前に発生する負極パルス出力からなる正極パルス出力群と、複数の負極パルス出力、及び各負極パルス出力の波高値の２５％〜５０％の波高値を有しかつ各負極パルス出力の直前に発生する正極パルス出力からなる負極パルス出力群とを、交互に前記二次巻き線から出力するように、前記一次巻き線に印加される前記パルス列出力回路の出力を制御することを特徴とするイオン生成装置。
2. 請求項１記載のイオン生成装置において、
   前記制御回路は、前記正極パルス出力群において、一の正極パルス出力の立ち上がり時から次の負極パルス出力の立ち上がり時までの間隔である正極側第１間隔の長さが、当該一の正極パルス出力の立ち上がり時から次の正極パルス出力の立ち上がり時までの間隔である正極側第２間隔の長さの６割以上となるように、かつ、前記負極パルス出力群において、一の負極パルス出力の立ち上がり時から次の正極パルス出力の立ち上がり時までの間隔である負極側第１間隔の長さが、当該一の負極パルス出力の立ち上がり時から次の負極パルス出力の立ち上がり時までの間隔である負極側第２間隔の長さの６割以上となるように、前記パルス列出力回路を制御するように構成されていることを特徴とするイオン生成装置。