(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コッククロフトウォルトン回路を用いて直流高電圧を発生させる直流高圧ユニットにおいて、
上記コッククロフトウォルトン回路が、絶縁板の相対する辺に各々取り付けられた平滑用コンデンサ群および押上げ用コンデンサ群と、両コンデンサ群の間に負極性の出力となるように取り付けられたダイオード群と、上記平滑用コンデンサ群と出力端子との間に取り付けられた抵抗とからなり、
上記絶縁板に取り付けられた平滑用コンデンサ端子間、押上げ用コンデンサ端子間、および抵抗端子間の絶縁板部分の全部または一部に、切欠きまたは穴を、また、平滑用コンデンサ端子と押上げ用コンデンサ端子との間、および相対する抵抗端子間の絶縁板部分の全部または一部に、上記平滑用コンデンサ端子、押上げ用コンデンサ端子、および相対する抵抗端子が共有する切欠きまたは穴を設けて樹脂を充填し、
上記抵抗は上記共有の切欠きまたは穴をまたがって、平滑用コンデンサ側の抵抗端子と、押上げ用コンデンサ側の抵抗端子とに接続されていることを特徴とする直流高圧ユニット。
【請求項２】
上記直流高圧ユニットが、一次コイル端子と昇圧変圧器とコッククロフトウォルトン回路と抵抗と出力端子とを直列接続し、上記コッククロフトウォルトン回路と抵抗との接続点に電圧測定用抵抗の一端を接続し、他端をモニター端子に接続し、かつ、昇圧変圧器と平滑用コンデンサ群の接続点をモニター端子に接続したことを特徴とする請求項１記載の直流高圧ユニット。
【請求項３】
上記樹脂は熱硬化性樹脂であって、直流高圧ユニットが金型により注型モールドされるか、または樹脂ケース若しくは塗装ガンの外装ケースに収納され、上記熱硬化性樹脂を充填し硬化させてなることを特徴とする請求項１記載の直流高圧ユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は小容量のコッククロフトウォルトン回路を用いた直流高圧電源に関するもので、主に樹脂を充填した、静電塗装用の直流高圧ユニットの耐電圧強化方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
小容量のコッククロフトウォルトン回路を用いた直流高圧電源は静電塗装用に多く利用されている。一般的に電圧では４０〜１００ｋＶ、電流では１００μＡ程度のものが用いられる。このような電圧を発生させるには、操作盤から昇圧変圧器を介してコッククロフトウォルトン回路（多段式倍電圧整流回路）に電荷を供給し直流高電圧を発生させる方法がとられる。この種の静電塗装用電源の回路図を図３に示す。
【０００３】
図３において、高周波発生器を含む操作盤１は、直流高圧ユニット２に収納された昇圧変圧器３の一次コイル端子Ｔ１〜Ｔ３、およびコッククロフトウォルトン回路４のモニター端子Ｍ１〜Ｍ２に接続する。昇圧変圧器３の二次コイルはコッククロフトウォルトン回路４に接続する。
【０００４】
コッククロフトウォルトン回路４は平滑用コンデンサＣ１１〜Ｃ１ｎを直列に接続した平滑用コンデンサ群４１と押上げ用コンデンサＣ２１〜Ｃ２ｎを直列に接続した押上げ用コンデンサ群４２とダイオードＤ１〜Ｄ２ｎを直列に接続したダイオード群４３とから構成される。これらの平滑用コンデンサ群４１と押上げ用コンデンサ群４２はダイオード群４３によって負極性の出力になるように互いに接続されている。
【０００５】
コッククロフトウォルトン回路４の高圧側と出力端子ＨＴとの間に抵抗５を接続する。また、出力電圧を測定するために、コッククロフトウォルトン回路４と抵抗５の接続点に電圧測定用抵抗６の一端を接続し他端はモニター端子Ｍ２に接続する。さらに、昇圧変圧器３と平滑用コンデンサ群４１（Ｃ１１、Ｃ１２、…、Ｃ１ｎ）の接続点はモニター端子Ｍ１に接続し出力電流を測定できるように構成する。なお、安全のためにモニター端子Ｍ１とＭ２の間に保護抵抗６１を接続する。該保護抵抗６１は操作盤１と直流高圧ユニット２との配線過程で誤って断線が生じてもモニター端子Ｍ１とＭ２間に異常な高電圧を発生させないための抵抗である。
【０００６】
さて、このように構成された直流高圧ユニット２は静電塗装機の塗装ガンに収納されるために小型、軽量で、取扱いの容易なことが要求される。従って、該直流高圧ユニット２は樹脂ケース７に収容して樹脂８を充填し硬化される。
【０００７】
次に動作を説明する。操作盤１から高周波の電力を直流高圧ユニット２の昇圧変圧器３に供給する。昇圧変圧器３は所定の二次電圧まで昇圧してコッククロフトウォルトン回路４に電力を供給する。コッククロフトウォルトン回路４では「発生電圧＝（昇圧変圧器３からの電圧）×２×（平滑コンデンサＣ１１〜Ｃ１ｎの段数）」に昇圧し抵抗５を介して出力端子ＨＴに所定の高電圧を出力し、出力端子ＨＴに接続された負荷となる塗装ガンのヘッドに供給される。一方、この高電圧は電圧測定用抵抗６に印加されて、この抵抗値で除した電流がモニター端子Ｍ２を介して操作盤１に送電され、出力電圧の発生状況が表示される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
塗装は今だ手作業に頼ることが多い。静電塗装においても同様である。静電塗装機では前記直流高圧ユニット２が塗装ガンの内部に収納されることが多く、そのために小型で軽量にしないと作業者を疲れさせるという問題が生じる。一方、自動化された塗装機においてもロボットが塗装ガンを保持することになるために、その重さが増すと、高コストのロボットを選択しなければならないという問題がある。そのために直流高圧ユニット２の各部品は小型軽量のものが選択されて縮小配置構造に構成される。ところが、この直流高圧ユニット２は１００ｋＶにも達する高電圧であるために、部品間の絶縁距離を充分に確保しないと耐圧上の信頼性に欠けるという問題があった。
【０００９】
そのため、これらの部品は絶縁板面上に配置して樹脂８を充填し、耐電圧特性の向上を図ろうと試みられているが、樹脂８自身の耐電圧は優れているものの部品間の絶縁板上沿面、すなわち、充填硬化した樹脂８と絶縁板の接合界面は充填した樹脂８と同一の耐電圧特性を示すに至らず耐電圧が低下する。その原因としては、界面の硬化収縮による残留応力歪による影響や、熱膨張収縮の違いによる剥離が生じること、絶縁板に異物や気泡があること、洗浄しても汚れがとれないこと等が挙げられる。これらの不具合をなくし、耐電圧を樹脂８自身の耐電圧特性まで引上げるために部品の配置には絶縁物のスペーサや保持部品を極力入れないことによって絶縁物界面による耐電圧低下を抑えたり、空中配線的に工夫をこらした配置をする等の手段により、樹脂８の絶縁耐力を維持しながら小型化するための努力がされて来た。しかし、製造上このような構造では不安定で、常に所定の絶縁距離をバラツキなく確保することが困難であり、かつ、部品点数が多いため、更に歩留が低下し、品質上問題があった。
上記のような問題があったため、所定の絶縁距離をバラつきなく確保し、部品点数も低減させて小形化しつつ、絶縁物の沿面耐電圧の低下を防ぐことができる直流高圧ユニットが要求されていた。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するもので、コッククロフトウォルトン回路４を用いて直流高電圧を発生させる直流高圧ユニット２において、
上記コッククロフトウォルトン回路４が、絶縁板の相対する辺に各々、取付けられた平滑用コンデンサ群４１および押上げ用コンデンサ群４２と、両コンデンサ群の間に負極性の出力となるように取り付けられたダイオード群４３と、上記平滑用コンデンサ群４１と出力端子との間に取り付けられた抵抗５とからなり、上記絶縁板に取り付けられた平滑用コンデンサ端子間、押上げ用コンデンサ端子間、および抵抗端子間の絶縁板部分の全部または一部に、切欠きまたは穴を、また、平滑用コンデンサ端子と押上げ用コンデンサ端子との間、および相対する抵抗端子間の絶縁板部分の全部または一部に、上記平滑用コンデンサ端子、押上げ用コンデンサ端子、および相対する抵抗端子が共有する切欠きまたは穴を設けて樹脂８を充填し、上記抵抗５は上記共有の切欠きまたは穴をまたがって、平滑用コンデンサ側の抵抗端子と、押上げ用コンデンサ側の抵抗端子とに接続されていることを特徴とする直流高圧ユニットである。
【００１１】
また、上記直流高圧ユニット２が、一次コイル端子Ｔ１〜Ｔ３と昇圧変圧器３とコッククロフトウォルトン回路４と抵抗５と出力端子ＨＴとを直列接続し、上記コッククロフトウォルトン回路４と抵抗５との接続点に電圧測定用抵抗６の一端を接続し、他端をモニター端子Ｍ２に接続し、かつ、昇圧変圧器３と平滑用コンデンサ群４１の接続点をモニター端子Ｍ１に接続したことを特徴とする直流高圧ユニットである。
【００１３】
そして、上記樹脂８は熱硬化性樹脂であって、直流高圧ユニット２が金型により注型モールドされるか、または樹脂ケース若しくは塗装ガンの外装ケースに収納され、上記熱硬化性樹脂を充填し硬化させてなることを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の実施例による静電塗装用の直流高圧ユニットの樹脂ケース７の側面を切り取った側面図であり、図２は、図１における第１の絶縁板９の平面図である。なお、図３と同一回路を構成する素子には同一記号を附記したのでその説明を省略する。
【００１５】
図１において、第１の絶縁板９にコッククロフトウォルトン回路４と抵抗５の各部品を取り付けて図３に示す回路を作製する。第２の絶縁板１０には昇圧変圧器３と電圧測定用抵抗６と保護抵抗６１を取りつける。第１の絶縁板９と第２の絶縁板１０はスペーサ１１、１２を用いて樹脂ケース７の中に固定する。その後、図３の回路図に従って配線し、入出力は一次コイル端子Ｔ１〜Ｔ３、モニター端子Ｍ１、Ｍ２および出力端子ＨＴに接続される。その後樹脂８を充填し硬化させ、樹脂充填された直流高圧ユニット２が完成する。
【００１６】
次に、本発明を説明するために図２に第１の絶縁板９を示す。この第１の絶縁板９にはコッククロフトウォルトン回路４と抵抗５の部品が取り付けられている。第１の絶縁板９は長方形状をなし、平滑用コンデンサ群４１と押上げ用コンデンサ群４２とが相対する辺に取り付けられ、中央部にはダイオード群４３が取り付けられている。コッククロフトウォルトン回路４の高圧側には抵抗５が複数本に分割されて、長方形の両辺を折り返すように取り付けられている。なお、説明を容易にするためにこの各種部品の取り付け端子(足)に平滑用コンデンサ群４１の低圧側からＡ１、Ａ２、…、Ａｎ、Ａｎ＋１と押上げ群の低圧側からＢ１、Ｂ２、…、Ｂｎ、Ｂｎ＋１と記号をつける。
【００１７】
さて、ここで本発明が問題を解決する具体的手段について説明する。ここでコッククロフトウォルトン回路４の定格出力を１００ｋＶと仮定して１０段の昇圧回路を用いるとすると、例えば平滑用コンデンサＣ１１〜Ｃ１１０の各々のコンデンサには１０ｋＶの電圧を分担することになる。すなわち、端子Ａ１とＡ２間、Ａ２とＡ３間、…、Ａｎ−１とＡｎ間、ＡｎとＡｎ＋１間の各々には同電圧１０ｋＶが印加されることになり、同様に押上げ用コンデンサ群４２側においても同じである。また、平滑用コンデンサ群と押上げ用コンデンサ群の間の端子Ａ１とＢ２間、Ｂ２とＡ２間、…、ＡｎとＢｎ＋１間、Ｂｎ＋１とＡｎ＋１間においても高い電位差が生じ、各端子間はこの電圧に耐えなければならないが、電圧が高いことや上記した諸要素によって第１の絶縁板９の沿面距離だけで耐電圧的信頼性を上げようとすると、自ら長い距離を必要とし大型化する。従って、本発明は第１の絶縁板９の該端子間、すなわち、端子Ａ１とＡ２間、Ａ２とＡ３間、…、Ａｎ−１とＡｎ間、ＡｎとＡｎ＋１間、Ｂ１とＢ２間、Ｂ２とＢ３間、…、Ｂｎ−１とＢｎ間、ＢｎとＢｎ＋１間に切欠き１３を、また、平滑用コンデンサ群４１と押上げ用コンデンサ群４２間に穴１４を設けることにある。このような構造を採用して樹脂を充填すると、この切欠き１３または穴１４は樹脂によって満たされ、各端子間の耐圧は樹脂固有の耐電圧特性まで引上げることができる。
【００１８】
次に、抵抗５は負荷で短絡が発生すると、出力端子が接地されることからコッククロフトウォルトン回路４の全電圧が印加されることになり、瞬間的ではあるが１００ｋＶの耐電圧に耐えねばならない。そのために１本の抵抗で耐えるものがないために複数本の抵抗を直列に接続して用いられる。従って、この抵抗の端子Ａｎ＋１とＰ１間、Ｐ１とＰ２間、Ｐ２とＰ３間、Ｂｎ＋１とＱ１間、Ｑ１とＱ２間、Ｑ２とＱ３間においても前記コッククロフトウォルトン回路４と同様の切欠き１３を設けることは同様の効果を得ることができる。
【００１９】
一方、第２の絶縁板１０に取り付けられた電圧測定用抵抗６は運転中１００ｋＶ近辺の電圧が常時印加されるが、１本の抵抗でその耐圧に耐えるものがないために複数本に分割して使用される。そこで、上記第１の絶縁板９と同様に第２の絶縁板１０の分割された各抵抗端子間に切欠きを設けることによって、第１の絶縁板９の場合と同様の効果を得ることができる。
【００２０】
第１の絶縁板９、第２の絶縁板１０の材質は充填する樹脂となじみやすいものが良い。よく使用されるものにはＦＲＰ板（ガラスエポキシの強化プラスチック材）やフェノール板などがある。次に、第１の絶縁板９、第２の絶縁板１０に設けた切欠き１３または穴１４の形状は端子間位置の関係や絶縁板の強度の問題などを考慮し決めることができる。すなわち、四角状、三角状、円状、楕円状、太鼓状の切欠きまたは穴も有効である。また、これらの切欠きまたは穴は耐電圧的に必要な箇所のみ設ければよく絶縁板の沿面距離が充分取れる端子間の場合は、設ける必要はない。
【００２１】
他の実施例として、直流高圧ユニット２の厚さはできるだけ薄く、幅は広くてもよいとの要求の場合は、絶縁板を第１の絶縁板９と第２の絶縁板１０に分割する必要はない。１つの絶縁板に絶縁耐圧を考慮しながら平面上に配置し、必要な箇所に切欠きまたは穴を設ければ、同じ効果を得ることができる。
【００２２】
また、本発明は図１の説明では樹脂ケース７に樹脂８を充填するとしたが、必ずしもこれに限られるものではない。例えば樹脂ケース７を用いずに金型を使って注型モールド化を行なう方法も有効である。このようにしてできた直流高圧ユニット２は実際に塗料が噴出す塗装ガン（手持ち用やロボット持ち用などがある）の内部に収納されて塗装機として完成する。ここで、塗装ガンの外装ケースは上記樹脂ケース７や金型の代役を果すことも可能である。すなわち、塗装ガン外装ケースの中に、直接直流高圧ユニット２を収納し、樹脂８を充填して硬化させれば同様の効果を得ることができる。このように、直流高圧ユニット２の硬化方法には種々の手段があるが、樹脂を用いる限りすべてに有効に働く。
【００２３】
さて、前記樹脂８には熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂が使用される。いずれも有効であるが、塗装ガンを取扱う上で溶剤や水などを使って洗浄することがあり、直流高圧ユニット２がそれらの溶剤や水に直接触れるような構造の場合は耐溶剤性、耐吸水性、耐トラッキング性などを充分考慮した樹脂の選択をする必要がある。これらの樹脂固有の特性と電気特性を比較検討した結果、熱硬化性樹脂が優れていることが分かり、試作品による品質評価の結果も良好であった。
【００２４】
次に、直流高圧ユニット２の形は塗装ガンの形状や軽量化を目指す要求によって種々異なる。図１に示す直方体の場合もあるし、無駄な空間をなくするために部分的に段落ちさせたり絞り込んだり円柱にしたりすることもある。
【００２５】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明による直流高圧ユニットは従来の絶縁耐圧的に不安定な構造を改良し、品質の安定と小型化を実現したものであり、絶縁板に高電圧部品を取り付け、その端子間に切欠きまたは穴を設けて、充填する樹脂本来の耐電圧特性を引出そうとするものである。その手法は容易でコスト的にも低価格で実現できる。
本発明により、従来比の２／３の体積で同じ性能を実現でき、作業性が上がり、生産歩留の向上にも有効であり、工業的価値大なるものがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による直流高圧ユニットの樹脂ケース７の側面を切り取った側面図である。
【図２】図１における第１の絶縁板の平面図である。
【図３】静電塗装用の電源の回路図である。
【符号の説明】
１  操作盤
２  直流高圧ユニット
３  昇圧変圧器
４  コッククロフトウォルトン回路
４１  平滑用コンデンサ群
４２  押上げ用コンデンサ群
４３  ダイオード群
５  抵抗
６  電圧測定用抵抗
６１  保護抵抗
７  樹脂ケース
８  樹脂
９  第１の絶縁板
１０  第２の絶縁板
１１  スペーサ
１２  スペーサ
１３  切欠き
１４  穴
Ｔ１〜Ｔ３  一次コイル端子
Ｍ１〜Ｍ２  モニター端子
ＨＴ  出力端子
Ｃ１１〜Ｃ１ｎ  平滑用コンデンサ
Ｃ２１〜Ｃ２ｎ  押上げ用コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ２ｎ  ダイオード
Ａ１〜Ａｎ  端子（押上げ用コンデンサ群）
Ｂ１〜Ｂｎ  端子（平滑用コンデンサ群）
Ｐ１〜Ｐ３  端子（抵抗）
Ｑ１〜Ｑ３  端子（抵抗）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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