JP6485684B2

JP6485684B2 - イオナイザ

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Publication number: JP6485684B2
Application number: JP2014244225A
Authority: JP
Inventors: 直人笹田; 優今野; 安岡　孝; 孝安岡
Original assignee: SMC Corp
Current assignee: SMC Corp
Priority date: 2014-12-02
Filing date: 2014-12-02
Publication date: 2019-03-20
Anticipated expiration: 2034-12-02
Also published as: CN105655877A; CN105655877B; TWI680694B; US20160157328A1; JP2016110712A; KR20160066496A; TW201622489A; US9812847B2; KR102474592B1; DE102015120225A1

Description

本発明は、正、負共通の放電電極から正極性及び負極性のイオンを交互に発生させて帯電体の電荷を除去（除電）する、パルスＡＣ方式のイオナイザに関するものである。

正、負共通の放電電極から正極性及び負極性のイオンを交互に発生させて帯電体の電荷を除去するパルスＡＣ方式のイオナイザは、例えば特許文献１によって公知である。この公知のイオナイザは、図３に示すような高電圧発生回路を有している。この高電圧発生回路は、一次側が交流電源３０ａ，３０ｂにスイッチ３１ａ，３１ｂで交互に接続される正極側及び負極側のトランス３２ａ，３２ｂと、該正極側及び負極側のトランス３２ａ，３２ｂの二次側に接続された正極側及び負極側の高電圧出力回路３３ａ，３３ｂと、両回路に共通に接続された放電電極３４とを有していて、前記正極側及び負極側の高電圧出力回路３３ａ，３３ｂを前記トランス３２ａ，３２ｂを介して交流電源３０ａ，３０ｂに交互に接続することにより、該正極側及び負極側の高電圧出力回路３３ａ，３３ｂで正極性及び負極性の高電圧を交互に発生させて前記放電電極３４に出力し、該放電電極３４から正極性及び負極性のイオンを交互に発生させるものである。
前記正極側及び負極側の高電圧出力回路３３ａ，３３ｂは、複数のコンデンサＣと複数のダイオードＤとからなるコッククロフト・ウォルトン回路で構成されている。
また、同様の高電圧発生回路は、特許文献２にも開示されている。

前記イオナイザにおいて、前記正極側の高電圧出力回路３３ａと負極側の高電圧出力回路３３ｂとを接続する場合、負極側の高電圧出力回路３３ｂの出力が正極側の高電圧出力回路３３ａの基準電位となるように、該負極側の高電圧出力回路３３ｂの出力端子３５と正極側の高電圧出力回路３３ａの入力端子３６とを、接続ライン３７で互いに接続している。その際、前記正極側のトランス３２ａの接地端子３８と前記入力端子３６とを、互いに分断することによって絶縁している。このように、前記接地端子３８と入力端子３６とを互いに絶縁することにより、前記正極側のトランス３２ａの耐電圧を低くすることができるというメリットがある。

しかしながら、前記接地端子３８と入力端子３６とを互いに絶縁すると、図３に示すように、正極側の高電圧出力回路３３ａの昇圧動作時に、正極側のトランス３２ａの二次電圧により発生する交流電流Ｉ１，Ｉ２が、正極側の高電圧出力回路３３ａと負極側の高電圧出力回路３３ｂとの両方を流れるため、その流通経路が長くなり、その結果、正極高電圧の発生効率が低下し、放電電極３４に印加される正極高電圧が低下するという問題が生じる。
なお、前記交流電流Ｉ１は、前記トランス３２ａの二次側の電圧が図で上向きになった時の電流であり、交流電流Ｉ２は、前記トランス３２ａの二次側の電圧が図で下向きになった時の電流である。

また、前記コッククロフト・ウォルトン回路は、ダイオードＤによる整流作用とコンデンサＣによる平滑作用とを組み合わせることにより、昇圧した直流高電圧を出力する回路である。この回路においては、前記コンデンサＣが平滑動作時に充電と放電とを繰り返すため、前記高電圧出力回路３３ａ，３３ｂから出力される直流高電圧Ｖｏの波形は、図４に示すように、交流成分が重畳されることによってリップル状になり、そのリップル電圧はＶｐである。図中の符号Ｖｔは、前記トランス３２ａ，３２ｂの二次電圧である。

このため、前記負極側の高電圧出力回路３３ｂの動作時に、その出力端子３５から正極側の高電圧出力回路３３ａの入力端子３６に入力された負極高電圧が該正極側の高電圧出力回路３３ａを通るとき、前記リップル電圧Ｖｐが該正極側の高電圧出力回路３３ａで昇圧され、その結果、前記放電電極３４に出力される負極高電圧が低下するという問題も生じる。このような出力低下は、前記コッククロフト・ウォルトン回路の接続段数分だけ生じる。

特許第５５０８３０２号公報特許第４６８７７１６号公報

本発明の技術的課題は、パルスＡＣ式のイオナイザにおいて、正極側のトランスを高耐圧にすることなく、正極側の高電圧出力回路による正極高電圧の発生効率を向上させると共に、負極側の高電圧出力回路の出力端子で発生するリップル電圧を低下させて放電電極における負極高電圧の出力低下を防止することにある。

前記課題を解決するため、本発明のイオナイザは、一次側と二次側とを有し、一次側が交流電源にスイッチ機構により交互に接続され、二次側に接地端子と電源端子とを有する正極側トランス及び負極側トランスと、ダイオードとコンデンサとからなるコッククロフト・ウォルトン回路により構成されていて、第１入力端子及び第２入力端子と、第１出力端子とを有し、前記第１入力端子及び第２入力端子は、前記正極側トランスの前記接地端子及び電源端子に接続され、前記第１出力端子から直流の正極高電圧を出力する正極側の高電圧出力回路と、ダイオードとコンデンサとからなるコッククロフト・ウォルトン回路により構成されていて、第３入力端子及び第４入力端子と、第２出力端子とを有し、前記第３入力端子及び第４入力端子は、前記負極側トランスの前記接地端子及び電源端子に接続され、前記第２出力端子から直流の負極高電圧を出力する負極側の高電圧出力回路と、
前記正極側の高電圧出力回路の前記第１出力端子に接続された放電電極と、前記正極側トランスの前記接地端子と、前記正極側の高電圧出力回路の前記第１入力端子とを接続する、リップル電圧減衰用のコンデンサと、前記負極側の高電圧出力回路の第２出力端子と、前記正極側の高電圧出力回路の第１入力端子とを接続する接続ラインとを有することを特徴とするものである。

本発明において、前記正極側の高電圧出力回路の第１出力端子と第１入力端子とは、第１抵抗を介して接続され、また、前記負極側の高電圧出力回路の第２出力端子と第３入力端子とは、第２抵抗を介して接続されていることが望ましい。

本発明によれば、正極側トランスの接地端子と、正極側の高電圧出力回路の第１入力端子とを、リップル電圧減衰用のコンデンサを介して接続したことにより、前記正極側のトランスを高耐圧にすることなく、正極側の高電圧出力回路による正極高電圧の発生効率を向上させることができると共に、負極側の高電圧出力回路の出力端子で発生するリップル電圧を減衰させて、放電電極における負極高電圧の出力低下を防止することができる。

本発明に係るイオナイザの一実施形態の回路図である。減衰用コンデンサによるリップル電圧の減衰効果を示す線図である。公知のイオナイザの回路図である。公知のイオナイザの高電圧出力回路の出力端子から出力されるリップル電圧を示す線図である。

図１は本発明に係るパルスＡＣ式イオナイザの一実施形態を示す回路図である。このイオナイザは、正極側の高電圧発生部１と、負極側の高電圧発生部２と、これら正極側及び負極側の高電圧発生部１，２に共通に接続された放電電極３とを有し、スイッチ機構４で前記正極側の高電圧発生部１と負極側の高電圧発生部２とを交流電源５，６に交互に接続することにより、前記高電圧発生部１，２で正極性及び負極性の高電圧を交互に発生させて前記放電電極３に出力し、該放電電極３から正極性及び負極性のイオンを交互に放出させるものである。

前記正極側の高電圧発生部１は、一次側と二次側とを有する正極側トランス８と、該正極側トランス８の一次側に第１のスイッチ４ａを介して接続された第１の交流電源５と、前記正極側トランス８の二次側の接地端子８ａと電源端子８ｂとに接続された正極側の高電圧出力回路１０とを有している。

前記正極側の高電圧出力回路１０は、４つのダイオードＤ１−Ｄ４と４つのコンデンサＣ１−Ｃ４とからなる２段接続のコッククロフト・ウォルトン回路で構成されていて、第１入力端子１３及び第２入力端子１４と、第１出力端子１５とを有している。前記第１入力端子１３は、前記正極側トランス８の前記接地端子８ａに、リップル電圧減衰用のコンデンサ１６（以下、「減衰用コンデンサ」という）を介して接続され、前記第２入力端子１４は、前記正極側トランス８の前記電源端子８ｂに接続され、前記第１出力端子１５に前記放電電極３が接続されている。また、前記第１出力端子１５と前記第１入力端子１３とが、第１抵抗Ｒ１を介して相互に接続されている。

前記４つのダイオードＤ１−Ｄ４のうち、２つのダイオードＤ１，Ｄ３は、前記正極側トランス８の接地端子８ａに連なる接地ラインＬ１と、電源端子８ｂに連なる電源ラインＬ２との間に、前記接地ラインＬ１から電源ラインＬ２に向かう電流に対して順方向となるように接続され、残りの２つのダイオードＤ２，Ｄ４は、その逆に、前記電源ラインＬ２から接地ラインＬ１に向かう電流に対して順方向となるように接続されている。また、４つのコンデンサＣ１−Ｃ４のうち、２つのコンデンサＣ１，Ｃ３は、前記電源ラインＬ２上に直列に接続され、残りの２つのコンデンサＣ２，Ｃ４は、前記接地ラインＬ１上に直列に接続されている。

一方、前記負極側の高電圧発生部２は、一次側と二次側とを有する負極側トランス９と、該負極側トランス９の一次側に第２のスイッチ４ｂを介して接続された第２の交流電源６と、前記負極側トランス９の二次側の接地端子９ａと電源端子９ｂとに接続された負極側の高電圧出力回路１１とを有している。

前記負極側の高電圧出力回路１１は、４つのダイオードＤ５−Ｄ８と４つのコンデンサＣ５−Ｃ８とからなる２段接続のコッククロフト・ウォルトン回路で構成されていて、第３入力端子２０及び第４入力端子２１と、第２出力端子２２とを有している。前記第３入力端子２０は、前記負極側トランス９の前記接地端子９ａに接続され、前記第４入力端子２１は、前記負極側トランス９の前記電源端子９ｂに接続されている。前記第２出力端子２２は、接続ライン２３によって前記正極側の高電圧出力回路１０の第１入力端子１３に接続されている。また、前記第２出力端子２２と前記第３入力端子２０とが、第２抵抗Ｒ２を介して相互に接続されている。

また、前記４つのダイオードＤ５−Ｄ８のうち、２つのダイオードＤ５，Ｄ７は、前記負極側トランス９の接地端子９ａに連なる接地ラインＬ３と、前記電源端子９ｂに連なる電源ラインＬ４との間に、該電源ラインＬ４から前記接地ラインＬ３に向かう電流に対して順方向となるように接続され、残りの２つのダイオードＤ６，Ｄ８は、その逆に、前記接地ラインＬ３から電源ラインＬ４に向かう電流に対して順方向となるように接続されている。また、４つのコンデンサＣ５−Ｃ８のうち、２つのコンデンサＣ５，Ｃ７は、前記電源ラインＬ４上に直列に接続され、残りの２つのコンデンサＣ６，Ｃ８は、前記接地ラインＬ３上に直列に接続されている。

なお、本実施形態では、前記正極側及び負極側の高電圧出力回路１０，１１の前記ダイオードＤ１−Ｄ８とコンデンサＣ１−Ｃ８とが２段に接続されているが、それらは３段以上接続することもできる。

前記第１のスイッチ４ａと第２のスイッチ４ｂとは、制御回路４ｃと共に前記スイッチ機構４を構成するもので、前記制御回路４ｃで前記第１のスイッチ４ａと第２のスイッチ４ｂとを交互に開閉することにより、前記正極側トランス８と負極側トランス９とが交流電源５，６に交互に接続されるようになっている。

前記構成を有するイオナイザにおいて、前記スイッチ機構４の制御回路４ｃで、前記第１のスイッチ４ａが閉鎖されると共に前記第２のスイッチ４ｂが開放されると、正極側トランス８の一次側が交流電源５に接続され、該正極側トランス８の二次側に発生した交流の二次電圧が、前記電源端子８ｂと接地端子８ａとを通じて前記正極側の高電圧出力回路１０に印加される。
そうすると、前記高電圧出力回路１０において、前記二次電圧の極性が反転する毎に、各ダイオードＤ１−Ｄ４が順次導通状態になって各コンデンサＣ１−Ｃ４が順次充電され、最終的に、前記第１出力端子１５から、整流及び平滑されて昇圧された直流の正極高電圧が出力される。この正極高電圧は前記放電電極３に印加され、該放電電極３から正極性のイオンが放出される。

このとき、前記正極側トランス８の二次電圧により発生する交流電流Ｉ１，Ｉ２が流れる経路は、図１に示すように正極側の高電圧出力回路１０内だけとなり、それらの経路長は、図３に示す公知のイオナイザに比べて非常に短い。このため、正極高電圧の発生効率が、前記公知のイオナイザに比べて向上する。
なお、前記交流電流Ｉ１は、前記正極側トランス８の二次側の電圧が図で上向きになった時の電流であり、交流電流Ｉ２は、前記正極側トランス８の二次側の電圧が図で下向きになった時の電流である。

図１に示すように減衰用コンデンサ１６を有する本発明のイオナイザと、減衰用コンデンサ１６を取り外して前記接地端子８ａと第１入力端子１３とを絶縁した回路構成（図３参照）を有する比較用のイオナイザとを使用し、各イオナイザのコッククロフト・ウォルトン回路の接続段数を４段、同回路のコンデンサの容量を１００ｐＦ、前記減衰用コンデンサの容量を６８ｐＦにし、正極側トランス８の入力電圧を８Ｖにして実験を行ったところ、本発明のイオナイザにおいては、前記放電電極３に印加される正極高電圧が６．０ｋＶであったのに対し、比較用のイオナイザの場合には、放電電極３に印加される正極高電圧は５．８ｋＶであり、前記減衰用コンデンサ１６を設けることによって出力電圧が２００Ｖも高くなることが確認された。

なお、前記第１のスイッチ４ａが開放されると、前記正極側の高電圧出力回路１０の各コンデンサＣ１−Ｃ４にチャージされた電荷は、前記第１抵抗Ｒ１を通じて放電される。

次に、前記スイッチ機構４の制御回路４ｃで、前記第２のスイッチ４ｂが閉鎖されると共に前記第１のスイッチ４ａが開放されると、負極側トランス９の一次側が交流電源６に接続され、該負極側トランス９の二次側に発生した交流の二次電圧が、前記電源端子９ｂと接地端子９ａとから前記負極側の高電圧出力回路１１に印加される。
そうすると、前記高電圧出力回路１１において、前記二次電圧の極性が反転する毎に、各ダイオードＤ５−Ｄ８が順次導通状態になって各コンデンサＣ５−Ｃ８が順次充電され、最終的に、前記第２出力端子２２から、整流及び平滑されて昇圧された直流の負極高電圧が出力される。この負極高電圧は、前記接続ライン２３を通じて前記正極側の高電圧出力回路１０の第１入力端子１３に入力され、この正極側の高電圧出力回路１０を通じて前記放電電極３に印加されることにより、該放電電極３から負極性のイオンが放出される。

このとき、図２に示すように、前記高電圧出力回路１１から出力される直流の負極高電圧Ｖｏの波形は、交流成分が重畳されることによってリップル状になるが、前記減衰用コンデンサ１６が設けられていない場合、その波形の一部は点線のようになり、その時のリップル電圧はＶｐ１である。
しかし、前記減衰用コンデンサ１６が、前記正極側トランス８の接地端子８ａと正極側の高電圧出力回路１０の第１入力端子１３との間に接続されていることにより、前記リップル状の負極高電圧Ｖｏは、図２に実線で示すように平滑化され、そのリップル電圧はＶｐ２まで減衰される。

即ち、前記減衰用コンデンサ１６の配置は、図１に鎖線で示すように、この減衰用コンデンサ１６を、前記第２出力端子２２と第３入力端子２０との間に前記コンデンサＣ５，Ｃ６と並列に接続したことと同じことであるため、これら減衰用コンデンサ１６とコンデンサＣ５，Ｃ６とによって接地ラインＬ３に沿った静電容量が増加する。このように静電容量が増加すると、平滑動作時の放電時間が長くなるため、前記第２出力端子２２における負極高電圧のリップル電圧が小さくなる。

そして、その結果、前記負極高電圧が正極側の高電圧出力回路１０を通る際に、前記リップル電圧が該正極側の高電圧出力回路１０で昇圧される割合が小さくなるため、前記放電電極３に印加される負極高電圧の低下が防止されることになる。
なお、図２中の符号Ｖｔは、前記トランス９の二次電圧である。

また、前記負極側の高電圧出力回路１１の第２出力端子２２から前記正極側の高電圧出力回路１０の第１入力端子１３に入力された直流の負極高電圧は、前記減衰用コンデンサ１６により遮断され、正極側トランス８の接地端子８ａに入力されないため、該正極側トランス８を高耐圧にする必要はない。

図１に示すように減衰用コンデンサ１６を有する本発明のイオナイザと、減衰用コンデンサ１６を取り外して前記接地端子８ａと第１入力端子１３とを絶縁した回路構成（図３参照）を有する比較用のイオナイザとを使用し、各イオナイザのコッククロフト・ウォルトン回路の接続段数を４段、同回路のコンデンサの容量を１００ｐＦ、前記減衰用コンデンサの容量を６８ｐＦにし、正極側トランス８の入力電圧を８Ｖにした状態で、前記放電電極３に印加される負極高電圧を測定したところ、本発明に係るイオナイザの負極高電圧は−５．７ｋＶであったのに対し、比較用のイオナイザの負極高電圧は−５．４ｋＶであった。この結果から、前記減衰用コンデンサ１６によってリップル電圧が減衰されることにより、前記放電電極３に印加される負極高電圧の低下が大幅に抑制されることが確認された。

なお、前記第２のスイッチ４ｂが開放されると、前記負極側の高電圧出力回路１１の各コンデンサＣ５−Ｃ８にチャージされた電荷は、前記第２抵抗Ｒ２を通じて放電される。

以上に詳述したように、本実施形態においては、前記正極側トランス８の前記接地端子８ａと、前記正極側の高電圧出力回路１０の前記第１入力端子１３とを、前記減衰用コンデンサ１６を介して接続したことにより、前記正極側の高電圧発生部１の動作時には、正極側トランス８の二次電圧により発生する交流電流が流れる経路が短くなって正極高電圧の発生効率が向上し、一方、前記負極側の高電圧発生部２の動作時には、負極側の高電圧出力回路１１の第２出力端子２２から出力される負極高電圧に重畳される前記リップル電圧が、前記減衰用コンデンサ１６により平滑化されて減衰される結果、前記放電電極３に出力される負極高電圧の出力低下が防止されるという利点がある。

３放電電極
４スイッチ機構
５，６交流電源
８正極側トランス
９負極側トランス
８ａ，９ａ接地端子
８ｂ，９ｂ電源端子
１０正極側の高電圧出力回路
１１負極側の高電圧出力回路
１３第１入力端子
１４第２入力端子
１５第１出力端子
１６減衰用コンデンサ
２０第３入力端子
２１第４入力端子
２２第２出力端子
２３接続ライン
Ｄ１−Ｄ８ダイオード
Ｃ１−Ｃ８コンデンサ
Ｒ１第１抵抗
Ｒ２第２抵抗

Claims

一次側と二次側とを有し、一次側が交流電源にスイッチ機構により交互に接続され、二次側に接地端子と電源端子とを有する正極側トランス及び負極側トランスと、
ダイオードとコンデンサとからなるコッククロフト・ウォルトン回路により構成されていて、第１入力端子及び第２入力端子と、第１出力端子とを有し、前記第１入力端子及び第２入力端子は、前記正極側トランスの前記接地端子及び電源端子に接続され、前記第１出力端子から直流の正極高電圧を出力する正極側の高電圧出力回路と、
ダイオードとコンデンサとからなるコッククロフト・ウォルトン回路により構成されていて、第３入力端子及び第４入力端子と、第２出力端子とを有し、前記第３入力端子及び第４入力端子は、前記負極側トランスの前記接地端子及び電源端子に接続され、前記第２出力端子から直流の負極高電圧を出力する負極側の高電圧出力回路と、
前記正極側の高電圧出力回路の前記第１出力端子に接続された放電電極と、
前記正極側トランスの前記接地端子と、前記正極側の高電圧出力回路の前記第１入力端子とを接続する、リップル電圧減衰用のコンデンサと、
前記負極側の高電圧出力回路の第２出力端子と、前記正極側の高電圧出力回路の第１入力端子とを接続する接続ラインと、
を有することを特徴とするイオナイザ。
前記正極側の高電圧出力回路の第１出力端子と第１入力端子とは、第１抵抗を介して接続され、また、前記負極側の高電圧出力回路の第２出力端子と第３入力端子とは、第２抵抗を介して接続されていることを特徴とする請求項１に記載のイオナイザ。