(57)【要約】【課題】適用用途によって使用できる電源電圧が異なる場合でも、圧電トランスによるイオン発生用の高電圧を常に安定的に発生でき、ひいてはコンパクトで汎用性に優れたイオン発生装置用回路モジュールを提供する。【解決手段】回路モジュール１は、昇圧用の圧電トランス７０と、その圧電トランス７０の一次側駆動交流を、予め定められた電圧の直流（以下、駆動源直流という）からの変換により生成する駆動用直流−交流変換回路４２を含んで構成された高電圧電源回路４１と、複数種類の電圧の外部直流が入力可能とされ、その入力された外部直流を、入力電圧とは無関係に、予め定められた一定電圧の駆動源直流に変換する直流電源回路３６と、それら電極接続部２７ａと高電圧電源回路４１と直流電源回路３６とが一体に取り付けられる基板３１とを有する。【選択図】　図２
2004055542.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン発生電極を接続するための電極接続部と、
前記電極接続部に対しイオン発生用の高電圧を供給するためのものであって、昇圧用の圧電トランスと、その圧電トランスの一次側駆動交流を、予め定められた電圧の直流（以下、駆動源直流という）からの変換により生成する駆動用直流−交流変換回路とを含んで構成された高電圧電源回路と、
複数種類の電圧の外部直流が入力可能とされ、その入力された外部直流を、入力電圧とは無関係に、予め定められた一定電圧の前記駆動源直流に変換する直流電源回路と、
それら電極接続部と高電圧電源回路と直流電源回路とが一体に取り付けられる基板と、
を備えたことを特徴とするイオン発生装置用回路モジュール。
【請求項２】
前記直流電源回路は、一定範囲の直流電圧が、前記基板上に設けられた単一の入力コネクタから連続可変入力可能とされ、当該入力電圧よりも昇圧された直流を生成して、これを前記駆動源直流として出力する入力可変型ステップアップ回路として構成されている請求項１記載のイオン発生装置用回路モジュール。
【請求項３】
前記入力可変型ステップアップ回路は、
発振回路と、前記外部直流の一部を分岐入力させ、その分岐直流入力を前記発振回路が規定する一定周波数にて断続スイッチングするスイッチング部と、出力側直流電圧を基準電圧と比較して、それら出力側直流電圧と基準電圧との差が縮小するように、前記分岐入力直流の断続スイッチングの許容及び禁止を制御する制御部と、を有する制御用ＩＣと、
該制御用ＩＣに外付け接続され、前記分岐直流入力の断続スイッチングに基づいて誘導電流を発生させるとともに、その誘導電流に基づくリップル電圧を前記外部直流の入力電圧に重畳させた形で出力するインダクタと、
前記制御用ＩＣに外付け接続され、そのインダクタからの出力電圧を整流及び平滑化することにより前記外部直流よりも昇圧された直流を生成し、これを前記駆動源直流として出力するための整流・平滑化部と、
を有するものである請求項２記載のイオン発生装置用回路モジュール。
【請求項４】
前記外部直流は、制御用ＩＣ内に組み込まれた前記スイッチング部をなすトランジスタのエミッタ端子とコレクタ端子とを短絡する短絡経路に入力され、前記インダクタはその短絡経路上に配置されている請求項３記載のイオン発生装置用回路モジュール。
【請求項５】
前記直流電源回路からの出力の一部を、前記高電圧電源回路以外の外部回路に供給するための、外部出力用コネクタが前記基板上に設けられている請求項１ないし４のいずれか１項に記載のイオン発生装置用回路モジュール。
【請求項６】
前記外部出力用コネクタに、前記電極接続部に取り付けられたイオン発生電極をクリーニングするためのクリーニング機構が接続される請求項５記載のイオン発生装置用回路モジュール。
【請求項７】
前記基板上において、前記圧電トランスが有する圧電セラミック素子を、前記高電圧電源回路及び前記直流電源回路の構成部品とともにモールドする高分子材料モールド部を備え、その高分子材料モールド部が、ＪＩＳ：Ｋ−６２５３（１９９７）に規定されたタイプＡのデュロメータ硬さにおいて８０以下の硬度を有するゴム又はエラストマーにより構成されている請求項１ないし６のいずれか１項に記載のイオン発生装置用回路モジュール。
【請求項８】
前記基板上において、前記圧電トランスが有する圧電セラミック素子を、前記高電圧電源回路及び前記直流電源回路の構成部品とともにコーティングする高分子材料コーティング部を備え、その高分子材料モールド部の前記圧電セラミック素子に対する被覆厚さが１ｍｍ以下である請求項１ないし６のいずれか１項に記載のイオン発生装置用回路モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、イオン発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、室内あるいは自動車内の空気の浄化、殺菌あるいは消臭等を行なうために、イオン発生装置が使用されている。これらの多くは、筐体内に交流電源部と昇圧用のトランスと針状電極とを配し、トランスにて昇圧された交流高電圧を針状電極に印加してコロナ放電を生じさせ、その放電により発生するイオンを、筐体に孔設されたイオン放出口から放出させるものである。なお、イオン発生装置から発生するイオンは、負イオンと正イオンとがあり、例えば負イオンは浄化や消臭あるいは殺菌の効果に関しては、負イオンの方が優れるといわれ、最近では空気清浄機やエアコンなどにも搭載されるなど、注目を集めている。また、自動車の車内は空気が汚れがちであり、居住性向上の観点から負イオン発生装置の搭載に関する要望が高い。
【０００３】
最近、上記のようなイオン発生装置をより小型に構成するために、イオン発生用の高電圧電源部を、圧電トランスを用いて構成したものが提案されている（例えば、特開平１０−１９９６５４号あるいは特開平１０−１９９６５５号の各公報）。圧電トランスは、圧電セラミック素子の有する電気／機械エネルギー変換機能に、機械振動の共振現象を結合することにより、巻線トランスよりも軽量かつコンパクトでありながら、高い昇圧比を実現できる利点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧電トランスには、一般的な巻線型トランスにはない種々の制約も存在する。まず、昇圧機能の根幹を担う圧電セラミック素子の共振周波数は、素子の材質、寸法及び形状により固定されてしまうため、限られた周波数範囲の交流しか昇圧できない。この周波数は一般にかなり高いので、例えば、商用交流（例えば５０Ｈｚ／６０Ｈｚ）を直接昇圧することは不可能であり、直流変換回路や発振回路等を含む駆動交流の発生回路が必要になる。また、圧電トランスの駆動交流は、周波数が限定されるだけでなく、圧電セラミック素子の耐久性確保と高電圧確保とを両立させる観点から、１５〜４０Ｖ程度の比較的狭い駆動電圧の範囲でしか作動させることができない。この場合、素子の形状等を考慮すれば、適正電圧の範囲はさらに狭くなる。
【０００５】
ここで、前述の通り、イオン発生装置の応用範囲は近年急速に広まりつつあるが、圧電トランス用に確保できる駆動用の直流電源は、適用される用途によって電圧レベルに相当の開きがある。例えば、エアコンなどの一般家電製品の場合は、マイコンやハードウェアロジックなどを駆動するために５Ｖの直流電源が搭載されていることが多く、これを利用する形となる。他方、自動車用の場合は、車載のバッテリーが直流電源として使用できる。その電圧は、一般的なガソリンエンジン車の場合は１２Ｖであり、大型ディーゼル車等では２４Ｖである。
【０００６】
他方、圧電トランスのコンパクト性を、装置の組立工程において最大限に活用するためには、イオン発生用の高電圧回路を圧電トランスとともに基板に組み込んでモジュール化することが有効である。しかしながら、イオン発生装置の適用分野により電源電圧が異なる場合、圧電トランス用に特化された電圧の直流を作るために、異なる仕様の電圧変換回路を、使用する電圧毎に設計しなければならず、仕様の異なる電圧変換回路を有した多種類のモジュールを用意しなければならないので、コストアップの一因となっていた。
【０００７】
また、モジュールの小型化を推し進めようとすると、基板上の部品の実装間隔も狭くなり、限られたスペースに高圧を発生する圧電トランスが搭載されていることも相俟って、わずかな結露や異物付着等が生じただけでも短絡等の不具合要因となる。そこで、圧電トランスを含めた基板上の部品を、絶縁性の高分子によりモールドすることが不可欠となる。
【０００８】
ここで、圧電トランスを含んだ回路は、圧電セラミック素子をスムーズに振動させることができ、かつ、その振動の周波数を安定させなければならないという、通常の電気回路には求められない要請がある。本発明者らが検討したところ、前記したモールドを行なう場合、その材質選択が圧電トランスを用いたイオン発生装置の出力特性に大きく影響を及ぼし、選択する材料によっては駆動に十分な高電圧を確保できず、イオン発生性能が損なわれてしまう問題のあることがわかった。
【０００９】
本発明の第一の課題は、適用用途によって使用できる電源電圧が異なる場合でも、圧電トランスによるイオン発生用の高電圧を常に安定的に発生でき、ひいてはコンパクトで汎用性に優れたイオン発生装置用回路モジュールを提供することにある。また、第二の課題は、基板上の部品がモールドされることで部品実装密度を高めても、短絡等の不具合が生じにくく、かつ、圧電トランスによるイオン発生性能を最大限に引き出すことが可能なイオン発生装置用回路モジュールを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
本発明のイオン発生装置用回路モジュールの第一の構成は、前記第一の課題を解決するべく、
イオン発生電極を接続するための電極接続部と、
電極接続部に対しイオン発生用の高電圧を供給するためのものであって、昇圧用の圧電トランスと、その圧電トランスの一次側駆動交流を、予め定められた電圧の直流（以下、駆動源直流という）からの変換により生成する駆動用直流−交流変換回路とを含んで構成された高電圧電源回路と、
複数種類の電圧の外部直流が入力可能とされ、その入力された外部直流を、入力電圧とは無関係に、予め定められた一定電圧の駆動源直流に変換する直流電源回路と、
それら電極接続部と高電圧電源回路と直流電源回路とが一体に取り付けられる基板と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
上記の構成によると、複数種類の電圧の外部直流が入力可能とされ、その入力された外部直流を、入力電圧とは無関係に、予め定められた一定電圧の駆動源直流に変換する直流電源回路を設けたから、駆動電源として使用できる外部直流の電圧レベルが適用用途により異なっても、従来のように、仕様の異なる電圧変換回路を個別に搭載した複数種類のモジュールを用意する必要がなくなる。その結果、圧電トランスによるイオン発生用の高電圧を、入力電圧の種類によらず常に安定的に発生でき、ひいてはコンパクトで汎用性に優れたイオン発生装置用回路モジュールが実現できる。また、複数種類の外部直流を、単一の直流電源回路にて処理できることも、モジュールのコンパクト化を図る上での重要な利点である。
【００１２】
また、本発明のイオン発生装置用回路モジュールの第二の構成は、前記第二の課題を解決するべく、
イオン発生電極を取り付けるための電極接続部と、
電極接続部に対しイオン発生用の高電圧を供給するためのものであって、昇圧用の圧電トランスと、その圧電トランスの一次側駆動交流を、予め定められた電圧の直流（以下、駆動源直流という）からの変換により生成する駆動用直流−交流変換回路とを含んで構成された高電圧電源回路と、
それら電極接続部と高電圧電源回路とが一体に取り付けられる基板と、
基板上において、圧電トランスが有する圧電セラミック素子を、高電圧電源回路の構成部品とともにモールドする高分子材料モールド部とを備え、
その高分子材料モールド部が、ＪＩＳ：Ｋ−６２５３（１９９７）に規定されたタイプＡのデュロメータ硬さにおいて８０以下の硬度を有するゴム又はエラストマーにより構成されていることを特徴とする。
【００１３】
従来の電子回路基板では、ノイズ防止や強度向上等を優先するために、回路部品をエポキシ樹脂等の比較的硬質の高分子材料によりモールドすることが多く行なわれてきた。しかし、本発明者らが検討したところ、このような硬質のモールドにて、イオン発生装置回路基板に設けられた圧電トランスを覆った場合、圧電セラミック素子の振動が拘束され、スムーズな振動が妨げられる結果、十分な出力電圧ひいてはイオン発生性能が得られなくなることがわかった。また、硬質のモールドは、圧電セラミック素子と基板やケースなどの周辺部品との間の機械的な結合を高めるため、連成振動等による寄生共振モードを生じやすく、これも圧電トランスの出力を低下させる一因となる。
【００１４】
そこで、さらに検討を重ねた結果、高分子材料モールド部を上記のような硬さのゴム又はエラストマーにより構成することにより、圧電セラミック素子の振動拘束の問題が顕著に解消されてスムーズな振動が可能となり、結果として圧電トランスの出力電圧の低下、ひいてはイオン発生性能の低下を効果的に抑制できることを見出した。また、このように、適度に柔軟なゴム又はエラストマーをモールド部の材質として採用することで、圧電セラミック素子の振動がモールド部に弾性的に吸収され、基板やケースなどの周辺部品との機械的な結合が緩和される。その結果、寄生共振モード等による出力の低下も起こり難い。
【００１５】
他方、また、本発明のイオン発生装置用回路モジュールの第三の構成は、前記第二の課題を解決するべく、イオン発生電極を取り付けるための電極接続部と、電極接続部に対しイオン発生用の高電圧を供給するためのものであって、昇圧用の圧電トランスと、その圧電トランスの一次側駆動交流を、予め定められた電圧の直流（以下、駆動源直流という）からの変換により生成する駆動用直流−交流変換回路とを含んで構成された高電圧電源回路と、
それら電極接続部と高電圧電源回路とが一体に取り付けられる基板と、
基板上において、圧電トランスが有する圧電セラミック素子を、高電圧電源回路の構成部品とともにコーティングする高分子材料コーティング部とを備え、
その高分子材料モールド部の圧電セラミック素子に対する被覆厚さが１ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１６】
上記第三の構成は、前記第二の構成の高分子材料モールド部を高分子材料コーティング部で置き換えたものであり、該コーティング部の圧電セラミック素子に対する被覆厚さを１ｍｍ以下とした。このように、圧電セラミック素子に対するコーティング厚さを薄くすることにより、圧電セラミック素子の振動拘束の問題が顕著に解消されてスムーズな振動が可能となり、結果として圧電トランスの出力電圧の低下、ひいてはイオン発生性能の低下を効果的に抑制できる。なお、外コーティング厚さは、基板の強度向上あるいはノイズ防止等の効果を十分に確保する観点から、０．１ｍｍ以上確保されていることが望ましい。
【００１７】
上記第二の構成ないし第三の構成は、第一の構成と互いに組み合わせて実施することが当然に可能である。これにより、高性能で汎用性に優れ、しかもコンパクトな回路モジュールを実現することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき、図面に示す実施例を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施例たるイオン発生装置用回路モジュール（以下、単に回路モジュールともいう）１の外観を示すものである。回路モジュール１は、イオン発生電極２７を接続するための電極接続部２７ａと、電極接続部２７ａに対しイオン発生用の高電圧を供給する圧電トランス７０を有した高電圧電源回路（後述）、さらには、その高電圧電源回路に対し駆動源電流となる直流電流を供給するための直流電源回路（後述）を、ガラス−エポキシ樹脂複合材料等からなる基板３１に一体的に組み付けたものである。そして、その基板３１上において、圧電トランス７０が有する圧電セラミック素子を、高電圧電源回路の構成部品とともにモールドする高分子材料モールド部３０が設けられている。その高分子材料モールド部３０は、ＪＩＳ：Ｋ−６２５３（１９９７）に規定されたタイプＡのデュロメータ硬さにおいて８０以下の硬度を有するゴム又はエラストマーにより構成されている。このような硬さのゴム／エラストマーを採用することによる作用・効果は既に説明済みである。
【００１９】
高分子材料モールド部３０の硬さが上記タイプＡデュロメータ硬さにおいて８０を超えると、圧電トランス７０の出力低下が生じやすくなる。また、該硬さの下限値に特に制限はないが、該硬さが１程度までのものであれば、市販のゴムから選択できる利点がある。また、硬さが極度に低いものは、モールドとしての保型機能が維持できなくなる場合があり、このような不具合が生じない範囲にて硬さの選択を行なうことが望ましい。なお、高分子材料モールド部３０の硬さは、より望ましくは１０〜５０程度の範囲で選択するのがよい。
【００２０】
採用するゴム／エラストマーの材質は、上記の硬さ範囲を満たすものであれば特に限定されないが、常温未硬化状態にて液状のゴム／エラストマー（例えばシリコーン系やウレタン系のもの）を使用すると、注型によるモールドを簡単に行なうことができる。本実施形態では、基板３１をケース３５に収容し、該ケース３５内に基板３１を配置した状態で、ゴム又はエラストマー（当然、液状状態のものである）を注型し、その後これを硬化させることにより、基板３１上に実装されている前記回路の構成部品Ｃを、該基板３１とともにケース３５内にてモールドするようにしている。
【００２１】
ケース３５は、具体的には、基板３１を収容するための開口部３５ｃが上面側に形成され、基板３１は、基板裏面側に配置された部品Ｃがケース底面と接触しないように、スペーサ３５ａ（ケース底面から突出形成されている）により該底面から一定距離浮かせた形でケース３１内に配置されている。なお、注型時において基板裏面側の空間を満たす気体を排出するための貫通部３１ａが板厚方向に形成されている。これにより、注型後に基盤周辺に気泡等が残留して耐食性等が損なわれる不具合を防止ないし抑制することができる。
【００２２】
基板３１は、スペーサ３５ａに対しボルト等の締結部材３５ｂにより固定されている。また、基板３１の表面に形成された電極接続部２７ａには、高電圧出力用ケーブル２７ｂの基端が接続されるとともに、反対側がモールド部３０の外に延出して、その先端にイオン発生電極２７が取り付けられるようになっている。
【００２３】
なお、基板３１を上記のようにモールドする代わりに、図１（ｃ）に示すように、基板３１の全体を高分子材料コーティング部１３０で覆った構成とすることができる。この場合、高分子材料コーティング部１３０の硬さを限定しない代わりに、その圧電セラミック素子７０に対する被覆厚さ（平均値）ｔを、１ｍｍ以下（０．１ｍｍ以上）とするようにしてもよい。なお、高分子材料コーティング部１３０の材質は、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂等を使用できる。
【００２４】
図２は、上記回路モジュールの回路構成の一例を示すブロック図である。害回路は、前述の通り高電圧電源回路４１と、直流電源回路３６とを含む。高電圧電源回路４１は、電極接続部２７ａに対しイオン発生用の高電圧を供給するためのものであり、昇圧用の圧電トランス７０と、その圧電トランス７０の一次側駆動交流を、予め定められた電圧の直流（駆動源直流）からの変換により生成する駆動用直流−交流変換回路４２を含む。また、直流電源回路３６は、複数種類の電圧の外部直流が入力可能とされ、その入力された外部直流を、入力電圧とは無関係に、予め定められた一定電圧の駆動源直流に変換するものである。これら、電極接続部２７ａと高電圧電源回路４１と直流電源回路３６とが、図１の基板３１に一体に取り付けられている。
【００２５】
高電圧電源回路４１は、発振部３７、スイッチング部３８、昇圧部３９及び整流部４０を含む。図３は、その具体的な回路構成の一例を示すものである。昇圧部３９に含まれる圧電トランス７０は、圧電セラミック素子板７１に入力側端子７２ａ，７３ａと出力側端子７４ａとを形成し、その入力側端子７２ａ，７３ａからの一次側交流入力電圧を、圧電セラミック素子板７１の機械振動を介して一次側交流電圧よりも高圧の二次側交流電圧に変換し、出力側端子７４ａからイオン発生電極２７に向けて出力するものである。
【００２６】
一方、整流部４０は、イオン発生電極２７への電圧印加極性が負（第一極性）の側に優位となるように、圧電トランスの二次側交流出力を整流するものである。これにより、イオン発生電極２７は主に負イオン発生源として機能することとなる。他方、本発明は、正イオン発生装置として機能させる構成も可能であるが、この場合は、整流部４０の接続方向を逆とすればよい。
【００２７】
発振部３７は、直流電源部３６からの駆動源直流を受けて、圧電トランス７０への一次側交流入力に対応した周波数にて発振波形を生成する。この発振部３７は、本実施形態では、オペアンプ６２と、負帰還側の抵抗器５２とコンデンサ５３にて構成される方形波発振回路として構成されている。なお、抵抗器５４及び５５は、発振入力の基準電圧、つまり、発振の電圧振幅の中心値を規定するためのものである。さらに、コンデンサ５７は、基準電圧に重畳されるノイズ除去用のものであるが、基準電圧が安定な場合は省略できる。
【００２８】
また、スイッチング部（スイッチング回路）３８は、発振部３７からの波形信号を受けて、電源ユニット３０からの直流定電圧入力を高速スイッチングすることにより、圧電トランス７０の一次側への入力交流波形を生成する。具体的には、スイッチング部３８は、１対のトランジスタ６５，６６を含むプッシュプルスイッチング回路として構成されている。これらトランジスタ６５，６６は、オペアンプ６２の出力（４３はプルアップ抵抗である）によりオン・オフし、発振部３７の発振周波数にて発振する方形波交流波形を生じさせる。この波形が圧電トランス７０の一次側に入力される。なお、コンデンサ５８は、トランジスタ６５，６６のスイッチング入力に重畳されるノイズ除去用のものであるが、ノイズが少ない場合は省略できる。
【００２９】
次に、圧電トランス７０の圧電セラミック素子板７１は横長板状に形成され、その板面長手方向中間位置にて、板厚方向に分極処理された第一板状領域７１ａと、板面長手方向に分極処理された第二板状領域７１ｂとに区切られている。そして、第一板状領域７１ａの両面を覆う形で、入力側端子７２ａ，７３ａが接続される入力側電極対７２，７３が形成される一方、第二板状領域７１ｂの板面長手方向の端面に、出力側端子７４ａが接続される出力側電極７４が形成されている。
【００３０】
上記の構成の圧電トランス７０では、入力側電極対７２，７３を介して第一板状領域７１ａに対し交流入力を行なうと、第一板状領域７１ａではその分極方向が厚さ方向であるから、長手方向に伝播する板波が板厚方向の電界と強く結合する形となり、電気エネルギーの大半が、長手方向に伝播する板波のエネルギーに変換される。他方、この長手方向の板波は第二板状領域７１ｂに伝わるが、ここでは分極方向が長手方向であるから、該板波は長手方向の電界と強く結合する。そして、入力側の交流周波数を圧電セラミック素子板７１の機械振動の共振周波数に対応（望ましくは一致）させるとき、素子７１のインピーダンスは、入力側ではほぼ最小（共振）となるのに対し出力側ではほぼ最大（反共振）となり、このインピーダンス変換比に応じた昇圧比により一次側入力が昇圧されて二次側出力となる。
【００３１】
このような作動原理を有する圧電トランス７０は構造が簡単であり、前述の通り、鉄芯を有する巻線型トランスと比較すると非常に軽量・コンパクトに構成できる利点がある。そして、負荷の大きい条件ではインピーダンス変換効率が高く、安定で高い昇圧比を得ることができる。また、イオン放出に伴う放電電流の発生を除けば負荷開放に近い条件で駆動されるイオン発生装置では、イオン発生に適した高圧を安定的に発生することができ、前記の圧電トランス特有の利点も有効に活用することができる。
【００３２】
圧電セラミック素子７１の材質は特に限定されないが、例えば本実施例ではジルコン酸チタン酸鉛系ペロブスカイト型圧電セラミック（いわゆるＰＺＴ）にて構成している。これは、ジルコン酸鉛とチタン酸鉛との固溶体を主体に構成されるものであり、インピーダンス変換効率に優れていることから本発明に好適に使用できる。なお、ジルコン酸鉛とチタン酸鉛と配合比は、ジルコン酸鉛／チタン酸鉛のモル比にて０．８〜１．３程度とすることが、良好なインピーダンス変換効率を実現する上で望ましい。また、必要に応じてジルコニウムあるいはチタンの一部を、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｍｎ等で置換することもできる。
【００３３】
なお、ＰＺＴ系の圧電セラミック素子は、駆動周波数が極端に高くなると共振尖鋭度が急速に鈍くなり、変換効率の低下を招くことから、一次側交流入力の周波数は、４０〜３００ｋＨｚ（望ましくは、５０〜１５０ｋＨｚ）程度の比較的低い周波数範囲にて、素子７１の機械的共振周波数に対応した値に設定することが望ましい。逆に言えば、素子７１の機械的共振周波数が上記の周波数範囲に収まるように、素子７１の寸法を決定することが望ましい。
【００３４】
なお、ＰＺＴ系の圧電セラミック素子を使用する場合、その一次側交流入力の電圧レベルは、負イオンの発生効率を確保し、かつ素子の耐久性確保の観点から、１５〜４０Ｖ程度に設定される。これにより、イオン発生電極７への印加電圧レベルは、前記の一次側交流入力の周波数範囲にて最大で４０００〜６０００Ｖ程度を確保できる。
【００３５】
次に、整流部４０は、整流回路をなすダイオード７６を含んでいる。このダイオード７６は、イオン発生電極２７を負極性にチャージアップさせる向きの電荷移動は許容し、これと逆向きの電荷移動を阻止するように、圧電トランス７０の二次側交流出力を整流する役割を果たす。なお、本実施形態では、耐電圧を確保するために複数個（ここでは４個）のダイオード７６を直列接続している。また、交流高電圧電源つまり圧電トランス７０の出力端子７４ａにイオン発生電極２７が接続され、その出力端子からイオン発生電極へ向かう経路から分岐して放電路９０が設けられている。なお、放電路９０の末端は接地されている。
【００３６】
図６（ａ）は基板３１の表面側、（ｂ）は同じく裏面側の部品実装レイアウトの一例を示すものである。図中の符号は図３及び図４の回路図中の符号に対応している。本実施形態では、（ａ）に示すように、基板３１に圧電トランス７０を、圧電セラミック素子板７１と基板面とが互いに略平行となるように実装している。また、（ｂ）に示すように、基板３１の裏面側において圧電セラミック素子板７３に対応する領域が金属膜電極７５にて覆われており、該金属膜電極７５と圧電セラミック素子板７１とが、基板３１の両者の間に位置する部分とともに帰還キャパシタンスを構成している。
【００３７】
次に、図４は、直流電源回路３６の構成例を示す回路図である。この回路においては、一定範囲の直流電圧（本実施形態では、ＤＣ４．５Ｖ〜ＤＣ３２Ｖ）が、基板上に設けられた単一の入力コネクタ２から連続可変入力可能とされ、当該入力電圧よりも昇圧された直流を生成して、これを駆動源直流（本実施形態ではＤＣ３２Ｖ）として出力する入力可変型ステップアップ回路として構成されている。既に説明した通り、エアコンなどの一般家電製品や、自動車用などの種々の用途に、イオン発生装置をモジュールの形で組み込む場合、外部直流として使用できる電圧は、組み込み対象となる製品に応じてまちまちである（例えば前者はＤＣ５Ｖ、後者はＤＣ１２Ｖあるいは２４Ｖ）。しかし、直流電源回路３６を上記のような入力可変型ステップアップ回路として構成しておけば、使用する外部直流の電圧に関係なく常に一定の電圧の駆動源直流が得られる。また、それらの外部直流を、単一の入力コネクタ２から入力すればよく、電圧によるコネクタの使い分けの必要もないから、一層汎用性を高めることができる。
【００３８】
さらに、上記構成の大きな特徴は、入力される外部直流の電圧レベルが多少変動したり、あるいは比較的大きなリップルが形成されたりしている場合でも、入力可変型に構成されているため、ほとんどその影響を受けることなく一定電圧の駆動源直流に変換できる点である。このことは、電圧変動の影響を受けやすい圧電トランスの駆動源直流として有利に作用する。さらに、結果的に本ステップアップ回路の前段に、電圧安定化のための回路を特に設ける必要がなくなり、電源回路の大幅な簡略化を図ることができる。以上の効果は、車載バッテリー電圧にオルターネータ交流波形が重畳される結果、リップルが特に大きくなる自動車用の用途において、とりわけ顕著に達成される。
【００３９】
以下、図４の入力可変型ステップアップ回路の詳細構成についてさらに説明する。該回路は、制御用ＩＣ２１（本実施形態では、新日本無線（株）製の市販品（ＮＪＭ２３６０Ａ）を用いている）と、該制御用ＩＣ２１に外付け接続されたインダクタ１０（本実施形態ではシールドコイルである）、及び整流・平滑化部をなすダイオード１３及びコンデンサ１６を主体に構成されている。制御用ＩＣ２１の等価回路は図５に示す通りであり、発振回路１０３と、外部直流の一部を分岐入力させ、その分岐直流入力を発振回路１０３が規定する一定周波数にて断続スイッチングするスイッチング部１０６と、出力側直流電圧を基準電圧と比較して、それら出力側直流電圧と基準電圧との差が縮小するように、分岐入力直流の断続スイッチングの許容及び禁止を制御する制御部１０７とを有する。図５の各端子番号は、図４の端子番号に対応している。
【００４０】
図４に示すように、インダクタ１０は、分岐直流入力の断続スイッチングに基づいて誘導電流を発生させるとともに、その誘導電流に基づくリップル電圧を外部直流の入力電圧に重畳させた形で出力するものである。また、整流・平滑化部１３，１６は、インダクタ１０からの出力電圧を整流及び平滑化することにより外部直流よりも昇圧された直流を生成し、これを駆動源直流（ＤＣ３２Ｖ）として出力するためのものである。
【００４１】
この回路の動作は、基本的には、制御用ＩＣ２１において、一定周波数で断続スイッチングされる電流をインダクタ１０に導き、その誘導電流による電圧波形を入力電圧に重畳させた後平滑化を行なうことで、入力電圧よりも高電圧の直流を発生させる、一般的なステップアップ回路と同一の原理によっている。そして、その特徴は、出力電圧を制御用ＩＣ２１にフィードバックし（５番端子）、これを制御部１０７において基準電圧と比較するとともに、もし出力電圧が基準電圧をオーバーシュートした場合は、誘導電流を発生させるためのスイッチングを一時的に中止して、基準電圧に向けた電圧復帰が生ずるように制御される点である。インダクタ１０の誘導電流による電圧成分は交流波形であり、これを整流・平滑化したときの電圧レベルが、ステップアップによる電圧増分の最大値となる。従って、入力電圧の平均レベルと、得るべき駆動源直流の目標電圧との差分よりも大きくなるようにスイッチング周波数を設定しておけば、入力電圧と目標電圧との差がどのような値であっても、そのスイッチング動作の停止／継続の時間比を調整することで、常に目標電圧に近い出力を得ることができる。このことは、入力電圧が規定された範囲内（本実施形態では、ＤＣ４．５〜ＤＣ３２Ｖ）で連続可変であり、突発的な要因による電圧変動や入力側のリップルの影響なども全て吸収できることを意味する。
【００４２】
本実施形態では、外部直流は、制御用ＩＣ２１内に組み込まれたスイッチング部をなすトランジスタ１０６ａ，１０６ｂのエミッタ端子（２番端子）とコレクタ端子（１番端子）とを短絡する短絡経路２５に入力され、インダクタ１０はその短絡経路２５上に配置されている。これにより、インダクタ１０の誘導電流に基づくリップル電圧を外部直流の入力電圧に重畳させる回路構成を合理的に実現できる。
【００４３】
図４において、外部直流は入力コネクタ２から入力される。コネクタ２の１番端子から入力された直流電圧は、調整用の抵抗８を経て短絡経路２５に入力され、整流・平滑化回路をなすダイオード１３を経て出力される。このダイオードは、スイッチングがオフされるときのインダクタ１０に向けたフライバック電流を遮断する役割も果たす。他方、平滑化機能を担うコンデンサ１６は、この出力経路と並列に接続されている。なお、コネクタ２の２番端子及び３番端子はジャンパ７（結線状態）により短絡された接地線につながっている。また、符号９及び１０は電波吸収体をなすフェライトコアである。また、図４の回路に現われているコンデンサ１９，２０，２２はノイズ吸収用のものである。さらに、符号３は、サージ対策用のバリスタであり、符号４は過電流防止用のヒューズである。
【００４４】
出力電圧のフィードバックは、抵抗１４及び１５により分圧調整されて制御用ＩＣ２１に入力される。図４に示すように、制御回路１０７はコンパレータ１０２、ＡＮＤゲート１０４及びＲＳラッチ１０５からなり、発振器１０３の出力はＡＮＤゲート１０４とＲＳラッチ１０５のリセット端子に分配されている。また、コンパレータ１０２の出力は、ＡＮＤゲート１０４の他方の端子に入力される。フィードバックされた出力電圧Ｖは５番端子からコンパレータ１０２に入力され、そこで基準電圧発生部１０１からの基準電圧Ｖｒと比較される。他方、ＡＮＤゲート１０４の出力はＲＳラッチ１０５のセット端子に入力される一方、発振器１０３の出力は反転した形でＲＳラッチ１０５のリセット端子に入力されている。従って、ＲＳラッチ１０５は、Ｖ＜Ｖｒのとき、発振器１０３と同期したパルスを出力し、そのパルス波形に同期してトランジスタ１０６ａ，１０６ｂをスイッチングする。他方、Ｖ≧Ｖｒのときは、ＲＳラッチ１０５は発振器１０３の出力を遮断し、スイッチングは停止する。なお、トランジスタ１０６ａ，１０６ｂは、スイッチングの電流容量を確保するため２段にダーリントン接続されたものが用いられている。また、発振器１０３の発振周波数は、３番端子に接続されるコンデンサ（タイミングキャパシタ：図４の符号１８）の容量により調整される。
【００４５】
本実施形態においては、図４に示すように、直流電源回路３６からの出力の一部を、高電圧電源回路４１（図２）以外の外部回路に供給するための、外部出力用コネクタ２３が基板３１上に設けられている。このようにすると、直流電源回路３６を高電圧電源回路４１以外の電源部としても活用することができる。例えば、イオン発生装置の周辺回路用として、高電圧電源回路４１と同一電圧仕様の電源系統として用いることが可能であり、このような電源回路の共用化により装置全体としての一層のコンパクト化を図ることができる。本実施形態では、図１に示すように、外部出力用コネクタ２３が入力コネクタ２とともに、高分子材料モールド部３０の上面に差し込み口を露出させる形で配置されている。
【００４６】
このような外部出力用コネクタ２には、例えば電極接続部２７ａに取り付けられたイオン発生電極２７（図１）をクリーニングするためのクリーニング機構を接続することができる。イオン発生装置を長期間使用していると、気流に含まれている埃や油、あるいはその他の汚れ物質がイオン発生電極に付着し、やがては放電面がそれらの汚れ物質にて覆われてしまう。このような状態になると、イオン発生のための放電が著しく妨げられ、イオン発生効率の低下や、甚だしい場合にはイオン発生の停止につながる場合がある。そこで、このようなクリーニング機構を設けておけば、イオン発生電極２７を常に正常な状態に保つことができ、ひいてはイオン発生効率を高めることが可能である。
【００４７】
クリーニング機構は、イオン発生電極に付着した汚れを電気的発熱により焼失させる電気的クリーニング機構とすることができる。この電気的クリーニング機構は、例えばイオン発生電極自体あるいはイオン発生に近接して配置された別体の抵抗発熱体を抵抗通電発熱させることにより焼失させるものとしてもよいが、本実施形態では、以下のようなものを採用している。　すなわち、該電気的クリーニング機構７９においては、図９（ａ）に示すように、高電圧電源部が火花放電用高電圧発生部に兼用され、イオン発生電極２７と火花放電対向電極８３との間に形成されるギャップに、火花放電用の高電圧が印加される。そして、その高電圧印加にてイオン発生電極７と火花放電対向電極８３との間に発生する放電火花により、イオン発生電極に付着した付着物が焼失・除去される。なお、火花放電対向電極８３は接地しておくこともできるが、火花放電時間が短ければ装置キャパシタンスにて放電電流を吸収することができるので、特に接地しない構成としてもよい。
【００４８】
火花放電対向電極８３はイオン発生電極２７の先端部７ａと対向する形で配置される。具体的には火花放電対向電極８３は棒状に形成され、その棒状の火花放電対向電極８３の先端面又は側面（本実施形態では側面）がイオン発生電極２７の先端部７ａと対向する。
【００４９】
また、図８に示すように、火花放電対向電極８３をイオン発生電極７に対して、イオン発生電極７からイオン発生させるための離間位置（（ｂ））と、火花放電対向電極８３とイオン発生電極７との間で放電火花を発生させるための接近位置（（ａ））との間で少なくとも、相対的に接近・離間させる火花放電対向電極移動機構７８が設けられている。ここでは、イオン発生電極７の位置が固定とされ、火花放電対向電極移動機構７８は火花放電対向電極８３を移動させるものとして構成されている。
【００５０】
具体的には、火花放電対向電極移動機構７８はソレノイド８０を含み、その進退ロッド８１の先端部に結合部材８２を介して棒状の火花放電対向電極８３の後端部が結合されており、進退ロッド８１がソレノイド８０によって進退駆動されることにより、火花放電対向電極８３の先端部がイオン発生電極７の先端部に向けて接近・離間する。なお、８４ａはソレノイド８０を固定するための位置決めプレートである。また、８４は火花放電対向電極８３が挿通されるガイド穴を有したガイドプレートであり、火花放電対向電極８３がイオン発生電極７に向けて略水平に接近・離間するから、火花放電のギャップ形成精度を高めることができる。
【００５１】
図７は、火花放電対向電極移動機構７８の電気的構成の一例を示す回路図である。ソレノイド８０は、コネクタ８７を前記した外部入力用コネクタ２に接続することで、図２の直流電源部３６から受電する（ＤＣ３２Ｖ）。他方、ソレノイド８０の付勢信号は、スイッチ機構８５（本実施形態ではフォトＭＯＳにて構成している）を介して制御部８６より供給される。制御部８６は、出入力ポート８６ａと、これに接続されたＣＰＵ８６ｂ、ＲＡＭ８ｃ及び８６ｄとが組み込まれたマイクロプロセッサにて構成され、ＲＯＭ８６ｄには火花放電対向電極移動機構７８の動作制御プログラムが書き込まれている。ＣＰＵ８６ｂは、ＲＡＭ８６ｃをワークエリアとして動作制御プログラムを実行することにより、放電対向電極移動機構７８の動作制御主体として機能する。制御部８６が火花放電対向電極移動機構７８の駆動指令信号を発すると、フォトＭＯＳ８５がターンオンし、ソレノイド８０が直流駆動電圧を受電して付勢されるようになっている。
【００５２】
図９（ａ）に示すように、火花放電対向電極８３はソレノイド８０の付勢によりイオン発生電極２７に向けて接近する。これにより、同図（ｂ）に示すように、火花放電対向電極８３の先端部８３ａはイオン発生電極２７の先端部７ａに対し、所定量のギャップが形成されるように位置決めされる。例えば、この状態でイオン発生電極７に放電用の電圧を印加しておくことで、ギャップには放電火花ＳＰが発生し、火花による熱集中によりイオン発生電極７の先端部７ａに付着した埃や汚れなどの付着物が焼き飛ばされる。他方、同図（ｃ）に示すように、火花放電対向電極８３が後退すれば電極間距離が拡大し、放電火花の発生は停止する。しかしながら、イオン発生電極２７には引き続きイオン発生電極７にイオン発生用電圧が印加されているから、火花放電が終了するとともに直ちにイオン発生モードに移行することができる。
【００５３】
図４に戻り、本発明の回路モジュールにおいては、交流電源入力に共用化できるように、以下のような工夫がなされている。すなわち、前記した直流入力用のステップアップ回路配線部と並列に、ダイオードブリッジからなる全波整流回路５が設けられている。交流使用時は、ステップアップ回路を構成する制御用ＩＣ２１及びその周辺の素子類は省略することができる。また、外部交流電源を使用する場合は、その外部交流電源側の接地系統を使用することになるので、回路モジュール側の接地配線系統は不使用となる。従って、ジャンパ７は切断して用いる。なお、直流入力のみで使用する場合は、本交流入力共用化のための回路部分は省略することも可能である。
【００５４】
上記本発明の回路モジュール１では、図４の高電圧電源回路４１が直流電源部３６から直流定電圧の供給を受け、発振部３７及びスイッチング部３８の作動により方形波交流を発生させるとともに、これが圧電トランス７０の入力側端子７２ａに調整用抵抗６７（波形調整用の可変抵抗６７ａを含む）を介して一次側交流入力として入力される。圧電トランス７０は、前述の作動原理に従いこれを昇圧し、出力側端子７４ａから二次側交流出力として出力する
【００５５】
上記構成においては、図５（ａ）に示すように、圧電トランス７０の二次側が負の半波を出力するとき、イオン発生電極２７は負に帯電する。その結果、イオン発生電極２７の周囲には負イオン発生に好都合な電界勾配が生じ、周囲の空気中の分子、例えば水分子を、ヒドロキシルイオン等の形でイオン化する。すなわち、負イオンを発生させる。次いで、正の半波が出力されるときは、イオン発生電極２７の負電荷は接地側に放電しようとするが、この電荷の流れはダイオード７６により阻止される。かくして、イオン発生電極２７の負極性帯電状態が常時維持され、負イオンを恒常的に発生させることができる。
【００５６】
【実施例】
以下、本発明の効果を確認するために行なった実験結果について説明する。
（実施例１）
高分子材料モールド部３０の材質選択により、イオン発生電極２７に印加される最大電圧が影響を受けることを、以下の実験により確認した。すなわち、図１及び図２に示すイオン発生装置１を、図３及び図４の回路構成を有するものとして構成した。圧電セラミック素子７１の組成として、ジルコン酸鉛とチタン酸鉛と配合比はモル比でほぼ１：１、添加元素としてＮｂを約２重量％含有するものを選定し、例えば長さ５２ｍｍ、幅１．８５ｍｍ、厚さ１３ｍｍの寸法に形成した。また、イオン発生電極７は厚さ約０．２ｍｍのＮｉ板にて構成し、その放電部７ｂは、長さ約５ｍｍにて尖鋭に形成した。回路基板５ａはガラス繊維強化プラスチック板にて構成した。そして、高分子材料モールド部の材質として、以下の３種類を注型により形成した（▲３▼は比較例である）。なお、注型後の硬さを、ＪＩＳ：Ｋ−６２５３（１９９７）に規定されたタイプＡのデュロメータにより測定した。
▲１▼ウレタンゴム（硬さ：４５）
▲２▼シリコーンゴム（硬さ：６０）
▲３▼エポキシ樹脂（硬さ：９０以上）
【００５７】
そして、圧電トランス７０への一次側交流入力の周波数を約７２ｋＨｚ、電圧をｐｅａｋ　ｔｏ　ｐｅａｋにて２４Ｖとして作動させたところ、イオン発生電極７への印加電圧レベルは、硬質のエポキシ樹脂を用いた▲３▼が４６００Ｖにとどまったのに対し、硬さ８０以下のゴムを使用した▲１▼及び▲２▼については、▲１▼が５２００Ｖ、▲２▼が４９００Ｖと、いずれもより高電圧を発生できることがわかった。
【００５８】
（実施例２）
図１（ｃ）の構成において、高分子材料コーティング部１３０の厚さ選択により、イオン発生電極２７に印加される最大電圧が影響を受けることを、以下の実験により確認した。すなわち、図１及び図２に示すイオン発生装置１を、図３及び図４の回路構成を有するものとして構成した。圧電セラミック素子７１、イオン発生電極７、回路基板５ａは実施例１と同様に構成した。そして、高分子材料コーティング部の材質として、２液アクリルウレタン樹脂塗料（商品名：エアーウレタン（イサム塗料（株））を用い、スプレー吹き付けにより、圧電セラミック素子７０を含む基板の全体をコーティングした。なお、コーティング厚さｔは、圧電セラミック素子７０の主表面にて、０．４ｍｍ（実施例）及び２．０ｍｍ（５回重ね塗り）の２水準とした。
【００５９】
そして、圧電トランス７０への一次側交流入力の周波数を約７２ｋＨｚ、電圧をｐｅａｋ　ｔｏ　ｐｅａｋにて２４Ｖとして作動させたところ、イオン発生電極７への印加電圧レベルは、コーティング厚さを２ｍｍとしたものは４７００Ｖにとどまったのに対し、コーティング厚さを１ｍｍ以下である０．４ｍｍとしたものは５２００Ｖと、より高電圧を発生できることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のイオン発生装置用回路モジュールの一例を示す外観斜視図、及びその内部構成を示す断面図。
【図２】そのイオン発生回路ユニットの構成を示すブロック図。
【図３】図２の高電圧電源部の一例を示す回路図。
【図４】同じく直流電源部の一例を示す回路図。
【図５】図４の制御用ＩＣの等価回路図。
【図６】図１のイオン発生回路ユニットの、基板実装レイアウトの例を示す図。
【図７】クリーニング機構の電気的構成例を示す回路図。
【図８】火花放電式クリーニング機構の一例を、その動作とともに示す説明図。
【図９】図８のクリーニング機構の作用説明図。
【符号の説明】
１　イオン発生装置用回路モジュール
２　外部直流取出用コネクタ
１０　インダクタ
１３　ダイオード
１６　コンデンサ（整流・平滑化部）
２１　制御用ＩＣ
２３　入力コネクタ
２５　短絡経路
２７　イオン発生電極
２７ａ　電極接続部
３０　高分子材料モールド部
３１　基板
３６　直流電源回路と
４１　高電圧電源回路
７０　圧電トランス
７８　クリーニング機構
１０３　発振回路
１０６　スイッチング部
１０６ａ，１０６ｂ　トランジスタ
１０７　制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004055542.tif 000008
【図７】
2004055542.tif 000009
【図８】
2004055542.tif 000010
【図９】
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