(57)【要約】【課題】  コロナ放電装置の高電圧発生部において、複数の圧電トランスの入力部を直列接続し出力部を並列に接続することにより、駆動回路部の電力損失と圧電トランスの共振周波数ばらつきに伴う電力損失を低減することを可能とする。【解決手段】  本発明では、２個の圧電トランスを電圧印加側に接続する高電位側の圧電トランスとＧＮＤ側に接続する低電位側の圧電トランスという構成にして、低電位側の圧電トランスには共振周波数の低い方を使用することによって電力損失の差を減らし、使用可能な圧電トランスの共振周波数のばらつき範囲を拡げることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電圧または正弦波の半波波形状の電圧を発生させる駆動回路部と、前記駆動回路部から印加される電圧により高電圧を発生する圧電トランスと、前記圧電トランスの出力に接続されコロナ放電を発生させる放電電極とを有するコロナ放電装置において、前記駆動回路部に対して、複数の圧電トランスが前記圧電トランスの入力部においては電気的に直列に接続されるとともに、前記放電電極に対しては、前記圧電トランスの出力部と電気的に並列に接続されていることを特徴とするコロナ放電装置。
【請求項２】
請求項１記載のコロナ放電装置において、前記圧電トランスは、前記駆動回路部のＧＮＤ側に接続される低電位側の圧電トランスと、前記駆動回路部の電圧印加側に接続される高電位側の圧電トランスとの２個で構成されるとともに、前記低電位側の圧電トランスの共振周波数は前記高電位側の圧電トランスの共振周波数より低いこと特徴とするコロナ放電装置。
【請求項３】
請求項１記載のコロナ放電装置において、前記圧電トランスは、前記駆動回路部のＧＮＤ側に接続される低電位側の圧電トランスと、前記駆動回路部の電圧印加側に接続される高電位側の圧電トランスとの２個で構成されるとともに、前記２個の圧電トランスのどちらを前記高電位側の圧電トランスとし、どちらを前記低電位側の圧電トランスとするかを選択する切替え手段を設けたことを特徴とするコロナ放電装置。
【請求項４】
請求項２記載のコロナ放電装置において、前記高電位側の圧電トランスの共振周波数は前記低電位側の圧電トランスの共振周波数より０．３％〜０．４％の範囲で低いことを特徴とするコロナ放電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コロナ放電によりイオンやオゾンを発生さるコロナ放電装置に関する発明である。 
【背景技術】
【０００２】
このようなコロナ放電装置は、放電電極に高電圧を印加し、放電電極の近傍にコロナ放電を起こすことでイオンやオゾンを発生させている。従来、放電電極に高電圧を印加する高電圧発生部には巻線トランスが使用されているが、巻線トランスの２次側に高電圧を発生させるため、２次巻線の巻数を非常に大きくしなければならない。このため、巻線トランスの形状が大きくなると同時に、巻線部分でのショートや断線の故障が起こりやすいという問題を抱えている。また、巻線トランスの形状が大きくなることからコロナ放電装置の高電圧発生部も大型になるため、高電圧発生部を別設置として、放電電極と高電圧発生部との間は高圧ケーブルで接続する方式が取られ、施工性、安全性の面で取り扱いにくいものであった（例えば、特許文献１参照。）。 
【０００３】
この巻線トランスを使用した方式では困難であった高電圧発生部の小型化を実現するため、最近では圧電トランスが用いられるようになってきている。圧電トランスは入力部と出力部とを有する圧電セラミックスで、その寸法で決まる共振周波数近傍の交流電圧、または正弦波の半波波形状の電圧を入力部に印加することにより、出力部からは交流の高電圧が発生するものである。
【０００４】
この圧電トランスは出力インピーダンスが高いため、出力に接続される負荷が軽い場合には、小さな形状でもコロナ放電に必要な高電圧を発生させることができるが、出力に接続される負荷が重い場合には、出力インピーダンスによる電圧降下が大きくなり、小さな形状の圧電トランスではコロナ放電に必要な高電圧が出せないという問題があった。
【０００５】
このため、出力に接続される負荷が重くなってもコロナ放電に必要な高電圧を発生させるためには、圧電トランスの形状を大きくするか、複数の圧電トランスを入力部、出力部とも並列に接続するという方法がとられている。圧電トランスの形状を大きくすると耐衝撃性などの機械的な強度が弱まることと、製作する上でも難しくなってくることから、一般的に長さは５０ｍｍ程度が実用的な上限となっている。そのため、長さ５０ｍｍ程度以下の圧電トランスを入力部、出力部とも並列に接続することで、負荷が重くなってもコロナ放電に必要な高電圧を発生させる方法が取られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
ところが、複数の圧電トランスを入力部、出力部とも並列に接続すると、すべての圧電トランスが同一の周波数と同一の電圧で駆動されるため、個々の圧電トランスの共振周波数にばらつきが生じている場合には、個々の圧電トランスで出力電圧に差が生じる。この出力電圧の異なる圧電トランスの出力どうしを接続するため、一部の圧電トランスは他の圧電トランスの負荷となり自らは軽い負荷の状態で駆動され、一部の圧電トランスは他の圧電トランスを負荷として重い負荷の状態で駆動されることになる。このため、重い負荷の状態で駆動される圧電トランスに出力電力が集中してその圧電トランスの発熱が増大し、性能低下や破損が引き起こされるという問題があった。
【０００７】
また、圧電トランスの駆動回路部としては、インダクタンス成分Ｌに電流として蓄えるエネルギーを圧電トランスの入力容量成分Ｃとで構成するＬＣ共振により、正弦波の半波波形状の電圧として圧電トランスの入力部に印加する方式が広く用いられている。複数の圧電トランスの入力部を並列に接続した場合は、圧電トランスの入力容量成分Ｃが大きくなるため、インダクタンス成分Ｌを小さくしてＬＣ共振の周波数を一定に保つことが必要になる。インダクタンス成分Ｌを小さくしても蓄えるエネルギーを減らさないためには、インダクタンス成分Ｌに流す電流を大きくしなければならない。このため、インダクタンス成分Ｌに電流としてエネルギーを蓄えるためのトランジスタやＦＥＴといった半導体スイッチ素子に大きな電流を流すので、そこでの電力損失が増加してしまうという問題もあった。
【０００８】
この対策としては、複数の圧電トランスを厚さを大きくした一つの圧電トランスにして入力容量成分Ｃを減らすことや、複数の圧電トランスの入力部を直列に接続して入力容量成分Ｃを減らすことが考えられる。圧電トランスを厚さの大きい形状にした場合は、厚さが大きくなることで不要な振動モードが発生して異常振動が起こったり、圧電トランスの重さが増して保持部分が弱くなる、複数にする場合に比べ表面積が減って放熱性が悪化するなどの問題がある。
【０００９】
また、複数の圧電トランスの入力部を直列に接続する場合は、出力部の適切な接続方法が見いだせていない。例えば、複数の圧電トランスの入力部を直列に接続した状態で出力部をそのまま並列に接続すると、個々の圧電トランスは、駆動回路部からの電圧が印加される側に接続されるもの、駆動回路部のＧＮＤ側に接続されるもの、その中間に接続されるものが存在する状態となる。この状態で出力部が並列に接続されているのであるから、個々の圧電トランスは不均一な接続状態で駆動されることになり、個々の圧電トランスの共振周波数が同一であったとしても、発熱状態は均一にはならず発熱の集中する圧電トランスができてしまうという懸念があるため、実用化を検討されることはなかった。
【特許文献１】特開平６−２７６７３８号公報（第４−６頁、第１表、第２表）
【特許文献２】特開２００１−１０２１９５号公報（第４頁、第２図および第３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、本発明の課題は、コロナ放電装置の高電圧発生部に使用する複数の圧電トランスについて、使用可能な共振周波数のばらつき範囲を拡げることと、圧電トランスの駆動回路部における電力損失を軽減することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するために、請求項１記載の発明によれば、複数個の圧電トランスを、入力部では互いに直列に接続するとともに出力部では並列に接続する。これにより、圧電トランスの入力容量成分Ｃが減少するので、その分駆動回路部のインダクタンス成分Ｌを大きくできる。このため、インダクタンス成分Ｌに流す電流を減らすことができるのでトランジスタやＦＥＴといった半導体スイッチ素子の電力損失を減少させることができるので、コロナ放電装置の消費電力を減らすことができる。
【００１２】
また、請求項２記載の発明によれば、入力部では互いに直列に接続されるとともに出力部では並列に接続された２個の圧電トランスにおいて、駆動回路部のＧＮＤ側に接続される低電位側の圧電トランスの共振周波数を、駆動回路部の電圧印加側に接続される高電位側の圧電トランスの共振周波数より低いものにする。低電位側の圧電トランスと高電位側の圧電トランスの共振周波数が等しい場合、低電位側の圧電トランスの方が重い負荷の状態で駆動されるため、圧電トランスに流れる共振電流は、低電位側の圧電トランスの方が大きく、電力損失も大きくなる。この対策として、低電位側の圧電トランスに共振周波数の低いものを用いることによって低電位側の圧電トランスに流れる共振電流を低減させて、高電位側の圧電トランスと低電位側の圧電トランスの電力損失を近づけることができる。これは、高電位側の圧電トランスと低電位側の圧電トランスとで共振周波数に差があっても、共振周波数の低い方を低電位側の圧電トランスとすれば、お互いの電力損失の差を軽減できることになり、その分許容できる共振周波数のばらつき範囲を拡げることができるので、コロナ放電装置の生産効率を向上させることができる。
【００１３】
また、請求項３記載の発明によれば、入力部では互いに直列に接続されるとともに出力部では並列に接続された２個の圧電トランスにおいて、駆動回路部のＧＮＤ側に接続される低電位側の圧電トランスと、駆動回路部の電圧印加側に接続される高電位側の圧電トランスとの接続をスイッチなどの切り替え手段により入れ替えができるようにするので、２個の圧電トランスを製品に組み付けした後でも、動作状態を見ながら、切り替え手段によりどちらを高電位側の圧電トランスとし、どちらを低電位側の圧電トランスとするかの設定ができるので、前もって高電位側用の圧電トランスと低電位側用の圧電トランスとを共振周波数で区分しておく必要がなくなり、コロナ放電装置を組み立てた後でも最適な性能の状態に設定することができるため、圧電トランスの誤搭載が防止され、コロナ放電装置の生産効率をさらに向上させることができる。
【００１４】
また、請求項４記載の発明によれば、前記高電位側の圧電トランスの共振周波数は前記低電位側の圧電トランスの共振周波数より０．３％〜０．４％の範囲で低いことを特徴とする。高電位側の圧電トランスと低電位側の圧電トランスとで共振周波数に差があっても、共振周波数の低い方を低電位側の圧電トランスとして、０．３％〜０．４％の範囲で低いとすれば、この周波数領域でもお互いの電力損失の差を２５％以下にできるので、温度上昇を４０ｄｅｇ以下、個々の圧電トランスの温度差を１０ｄｅｇ以下に抑えることができる。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１記載の本発明によれば、複数個の圧電トランスを、入力部では互いに直列に接続するとともに出力部では並列に接続するので、圧電トランスの入力容量成分Ｃが減少し、その分駆動回路部のインダクタンス成分Ｌを大きくして、インダクタンス成分Ｌに流す電流を減らすことができる。このため、駆動回路部のトランジスタやＦＥＴといった半導体スイッチ素子の電力損失を減少させ、消費電力の少ないコロナ放電装置を提供できるという効果がある。
【００１６】
また、請求項２記載の発明によれば、入力部では互いに直列に接続されるとともに出力部では並列に接続された２個の圧電トランスにおいて、駆動回路部のＧＮＤ側に接続される低電位側の圧電トランスの共振周波数を、駆動回路部の電圧印加側に接続される高電位側の圧電トランスの共振周波数より低いものにすることで、お互いの電力損失の差を軽減することができるので、その分使用できる共振周波数のばらつき範囲が拡がり、コロナ放電装置の生産効率が向上するという効果がある。
【００１７】
また、請求項３記載の発明によれば、入力部では互いに直列に接続されるとともに出力部では並列に接続された２個の圧電トランスにおいて、駆動回路部のＧＮＤ側に接続される低電位側の圧電トランスと、駆動回路部の電圧印加側に接続される高電位側の圧電トランスとの接続をスイッチなどの切り替え手段により入れ替えができるようにするので、前もって高電位側用の圧電トランスと低電位側用の圧電トランスとを共振周波数で区分しておく必要がなくって、コロナ放電装置の生産効率をさらに向上させることができるという効果がある。
【００１８】
また、請求項４記載の発明によれば、前記高電位側の圧電トランスの共振周波数は前記低電位側の圧電トランスの共振周波数より０．３％〜０．４％の範囲で低いことを特徴とする。高電位側の圧電トランスと低電位側の圧電トランスとで共振周波数に差があっても、共振周波数の低い方を低電位側の圧電トランスとして、０．３％〜０．４％の範囲で低いとすれば、この周波数領域でもお互いの電力損失の差を２５％以下にできるので、温度上昇を４０ｄｅｇ以下、個々の圧電トランスの温度差を１０ｄｅｇ以下に抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
実施例１で示すように、直流電源部１、発振回路部２、帰還回路部３、駆動回路部４、高電位側の圧電トランス５、低電位側の圧電トランス６、放電電極７と切り替えスイッチ部１２で構成し、切り替えスイッチ部１２で２個の圧電トランスのうち、共振周波数の低い方を低電位側の圧電トランスとして設定する形態が望ましい。
【実施例１】
【００２０】
図１に、本発明のコロナ放電装置の実施例１を示す。本コロナ放電装置は、直流電源部１、発振回路部２、帰還回路部３、駆動回路部４、高電位側の圧電トランス５、低電位側の圧電トランス６、放電電極７と切り替えスイッチ部１２から構成されている。駆動回路部４はＦＥＴ８とインダクタ９、コンデンサ１０で構成されており、発振回路部２の出力でＦＥＴ８をＯＮ、ＯＦＦし、ＦＥＴ８のＯＮ期間にインダクタ９にエネルギーを電流として蓄積し、ＯＦＦ期間にインダクタ９から入力部が直列に接続された圧電トランス５と圧電トランス６の入力部に正弦波の半波波形状の電圧として印加される。正弦波の半波波形状の電圧は、インダクタンス成分Ｌと、前記入力部が直列に接続された圧電トランス５と圧電トランス６の入力容量成分とコンデンサ１０との合成容量成分ＣとのＬＣ共振によって作られる。図２に前記入力部が直列に接続された圧電トランス５と圧電トランス６の入力部に印加される正弦波の半波波形状の電圧の波形の例を示す。コンデンサ１０は正弦波の半波波形状の電圧の波形調整用であって、歪みの少ない波形を得るためのものである。前記入力部が直列に接続された圧電トランス５と圧電トランス６は入力部に印加された電圧によって駆動されて出力部に高電圧を発生する。帰還回路部３によって圧電トランスの出力状態を発振回路部２に帰還して最適な動作状態を維持する。切り替えスイッチ部１２は２個の圧電トランスのどちらを高電位側にし、どちらを低電位側にするかを設定するもので、出力電圧が高くなる方を選定すればよい。
【００２１】
本発明によるコロナ放電装置と従来のコロナ放電装置とをシミュレーションにより比較するため、図３〜図５に示す条件設定を行った。
【００２２】
図３は、図１のコロナ放電装置において、圧電トランスの内部回路を含む等価回路で表したものである。圧電トランスは交流電源１６により駆動されるものとした。高電位側の圧電トランス５と低電位側の圧電トランス６の２個の圧電トランスの等価回路定数としては、入力容量成分Ｃ０１、Ｃ０２を１１００ｐＦ、直列共振インダクタンス成分Ｌ１１、Ｌ１２を４７ｍＨ、直列共振容量成分Ｃ１１、Ｃ１２を７０ｐＦ、直列共振抵抗成分Ｒ１１、Ｒ１２を２０Ωとした。また、圧電トランスの出力容量を１２ｐＦ、放電電極の負荷は１００ＭΩと７ｐＦの並列とした。これを圧電トランスの１次、２次間の変成比を６として１次側に換算して、出力容量成分Ｃ２１、Ｃ２２を４３２ｐＦ、負荷抵抗成分ＲＬを２．７８ＭΩ、負荷容量成分ＣＬを２５２ｐＦとしている。Ｒ０１、Ｒ０２は直流バイアス設定用の抵抗で、ここでは１００ＭΩとした。
【００２３】
図４は、従来のコロナ放電装置の構成図で、圧電トランスは入力部、出力部とも並列に接続されたものである。また、図５は、圧電トランスの等価回路定数および負荷の定数をを前記図３と同じにしたときの等価回路である。
【００２４】
図６は、図３および図５の等価回路において、出力電圧を一定として、Ｃ１２を大きくして２個の圧電トランスの共振周波数に差をつけた場合の、各圧電トランスの電力損失の差をシミュレーションにより求めたものである。図３においては、低電位側の圧電トランスの共振周波数を下げていった状態としている。
【００２５】
一般的に複数の圧電トランスを使用する場合には、温度上昇を４０ｄｅｇ以下、個々の圧電トランスの温度差を１０ｄｅｇ以下に抑えるのが望ましいとされている。温度上昇と電力損失はほぼ比例しているので、電力損失の差では２５％以下にすることが望ましいことになる。これを図６で見ると、圧電トランスの入力部を並列接続にした場合の曲線３１からは、共振周波数の差を０．３％以下にしなければならないことが読みとれるが、入力部を直列接続にして低電位側の圧電トランスに共振周波数の低いものを使用する場合の曲線３２からは、０．４％程度まで許容範囲を拡げることができることがわかる。
【実施例２】
【００２６】
図７に本発明の実施例２を示す。本実施例２は、実施例１のインダクタ９を降圧用のオートトランス１３に置き換えたもので、直流電源部１の電圧が必要とする電圧以上に高い場合に、入力部が直列に直列に接続された圧電トランス５と圧電トランス６の入力部に印加する電圧を下げる目的に使用する。
【実施例３】
【００２７】
図８に本発明の実施例３を示す。本実施例３は、実施例１のインダクタ９を昇圧用のオートトランス１４に置き換えたもので、直流電源１の電圧が必要とする電圧に満たない場合に、入力部が直列に直列に接続された圧電トランス５と圧電トランス６の入力部に印加する電圧を上げる目的に使用する。
【実施例４】
【００２８】
図９に本発明の実施例４を示す。本実施例４は、複数の圧電トランス部２３を入力部で直列に接続し、出力部では並列に接続するものである。この場合には、前記の切り替えスイッチ部１２は用いず、圧電トランスはＧＮＤ側から共振周波数の低い順番に接続することが必要ではあるが、駆動回路部の電力損失を低減する上では有効である。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、イオンやオゾンを発生させるコロナ放電装置を小型化し、消費電力を低減する手段として有効に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明のコロナ放電装置の実施例１の回路図である。
【図２】本発明のコロナ放電装置で、圧電トランスに印加される正弦波の半波波形状の電圧波形を示す図である。
【図３】本発明のコロナ放電装置の実施例１の圧電トランスの等価回路を含んだ回路図である。
【図４】従来のコロナ放電装置の回路図である。
【図５】従来のコロナ放電装置の圧電トランスの等価回路を含んだ回路図である。
【図６】２個の圧電トランスの電力損失を、従来のコロナ放電装置と本発明のコロナ放電装置でシミュレーションによって比較した図である。
【図７】本発明のコロナ放電装置の実施例２の回路図である。
【図８】本発明のコロナ放電装置の実施例３の回路図である。
【図９】本発明のコロナ放電装置の実施例４の回路図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…直流電源部、２…発振回路部、３…帰還回路部、４…駆動回路部
５、６、２１、２２…圧電トランス、７…放電電極、８…ＦＥＴ、９…インダクタ
１０…コンデンサ、１２…切り替えスイッチ部、１３…降圧用オートトランス
１４…昇圧用オートトランス、１５ａ、１５ｂ…抵抗、１６…交流電源
２３…複数の圧電トランス部、２４…複数の抵抗部
３１…圧電トランスの入力部を並列接続したときの電力損失の差を示す曲線
３２…圧電トランスの入力部を直列接続したときの電力損失の差を示す曲線
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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