(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のコンデンサと複数のダイオードとを縦属接続してなる多段縦属型倍電圧整流回路の最終段と中間段との間に第１と第２の高電圧スイッチ回路を直列に接続すると共に、それらの接続点を抵抗を介して静電応用機器の荷電電極に接続される高電圧出力端子に接続し、前記第１と第２の高電圧スイッチ回路を交互に動作させることにより、中間段に接続された第２の高電圧スイッチ回路がオンのとき中間段の電圧に相当するベース電圧を前記高電圧出力端子から出力し、最終段に接続された前記第１の高電圧スイッチ回路がオンのとき前記最終段と中間段の電圧の差に相当するパルス電圧を前記ベース電圧に重畳したパルス重畳型高電圧を前記高電圧出力端子に出力する静電応用機器用パルス重畳型高電圧発生装置において、
前記高電圧スイッチ回路は複数のＦＥＴ又はＩＧＢＴを直列接続した回路であり、これら高電圧スイッチの制御電圧は縦続接続された複数の絶縁トランスを通して供給され、かつこれら複数の絶縁トランスの電位の各々を前記多段縦属型倍電圧整流回路の中間段電位に段階的に固定することを特徴とする静電応用機器用パルス重畳型高電圧発生装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１の高電圧スイッチ回路のオン期間は前記第２の高電圧スイッチ回路のオン期間よりも短くなるように設定されていることを特徴とする静電応用機器用パルス重畳型高電圧発生装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、
パルス信号発生器を高電圧側に配置し、このパルス信号発生器を前記縦続接続された前記複数の絶縁トランスを通して供給される前記制御電圧で動作させることを特徴とする静電応用機器用パルス重畳型高電圧発生装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかの静電応用機器用パルス重畳型高電圧発生装置の前記高電圧出力端子に接続された荷電電極を有することを特徴とする静電応用機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、静電塗装機、空気清浄器、静電分級装置のような電流の小さな静電応用機器の荷電電極に通常の直流電圧に高電圧パルスを重畳したパルス重畳型高電圧を供給する高電圧発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
静電塗装は静電気力で塗料をワークに吸着させて塗装するものであり、塗着効率が比較的高いという利点を有しているが、近年では、環境保護などの観点から従来にも増して電力エネルギー量、塗料などの使用量の低減、未着塗料の処理費用の削減などを達成することが求められてきており、さらなる塗着効率のアップが緊急課題となっている。
【０００３】
この方策として、本件出願人の一方は特願平１１−２７９１４１号の特許出願において、通常のほぼ一定レベルの直流高電圧（ここではベース電圧と言う）に高電圧パルスを重畳したパルス重畳型高電圧を静電塗装装置の荷電電極に荷電する方法を提案している。かかるパルス重畳型高電圧の場合には、パルス電圧ピーク値を従来のほぼ一定レベルの荷電電圧よりも高くすることができるので帯電効率を向上させることができ、しかもパルス電圧の幅を２００マイクロ秒以下に制限すればスパークに移行しない利点がある。なお、特に静電塗装でスパークが発生すると塗装作業が中断し、また塗料への引火の危険性があるので、スパークを起こしてはならないとされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明は塗装又は捕集効率のアップを可能にし、かつスパークの発生を抑制できる急峻な立ち上がりと立ち下がりをもつパルス重畳型高電圧の発生を、低価格かつシンプルの回路構成で実現できるパルス重畳型高電圧発生装置を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明の請求項１は前記課題を解決するため、複数のコンデンサと複数のダイオードとを縦属接続してなる多段縦属型倍電圧整流回路の最終段と中間段との間に第１と第２の高電圧スイッチ回路を直列に接続すると共に、それらの接続点を抵抗を介して静電応用機器の荷電電極に接続される高電圧出力端子に接続し、前記第１と第２の高電圧スイッチ回路を交互に動作させることにより、中間段に接続された第２の高電圧スイッチ回路がオンのとき中間段の電圧に相当するベース電圧を前記高電圧出力端子から出力し、最終段に接続された前記第１の高電圧スイッチ回路がオンのとき前記最終段と中間段の電圧の差に相当するパルス電圧を前記ベース電圧に重畳したパルス重畳型高電圧を前記高電圧出力端子に出力する静電応用機器用パルス重畳型高電圧発生装置において、前記高電圧スイッチ回路は複数のＦＥＴ又はＩＧＢＴを直列接続した回路であり、これら高電圧スイッチの制御電圧は縦続接続された複数の絶縁トランスを通して供給され、かつこれら複数の絶縁トランスの電位の各々を前記多段縦属型倍電圧整流回路の中間段電位に段階的に固定する静電応用機器用パルス重畳型高電圧発生装置を提供する。
【０００７】
この発明の請求項２は前記課題を解決するため、請求項１において、前記第１の高電圧スイッチ回路のオン期間は前記第２の高電圧スイッチ回路のオン期間よりも短くなるように設定されている静電応用機器用パルス重畳型高電圧発生装置を提案するものである。
【０００８】
この発明の請求項３は前記課題を解決するため、請求項１又は請求項２において、パルス信号発生器を高電圧側に配置し、このパルス信号発生器を前記縦続接続された前記複数の絶縁トランスを通して供給される前記制御電圧で動作させる静電応用機器用パルス重畳型高電圧発生装置を提案するものである。
【０００９】
この発明の請求項４は前記課題を解決するため、請求項１ないし請求項３のいずれかの静電応用機器用パルス重畳型高電圧発生装置の前記高電圧出力端子に接続された荷電電極を有することを特徴とする静電応用機器を提案するものである。
【００１２】
【発明の実施の形態及び実施例】
この発明の基本的考え方は、交互に高速でスイッチング動作を行う一対の高電圧スイッチ回路を多段縦続型倍電圧整流回路の最終段と中間段に接続し、その最終段に接続した高電圧スイッチ回路のオンで高電圧パルスを発生させ、次に前記中間段に接続した高電圧スイッチ回路をオンさせることにより、静電応用機器と接地された物体との間に形成される浮遊キャパシタンスの充電電荷を放電させて、前記高電圧パルスに相当する電圧から通常の荷電電圧に対応するほぼ一定レベルの直流高電圧（ここではベース電圧と言う）まで急激に低下させ、次のサイクルまではそのベース電圧を保持することにより、急峻な立ち上がりと立ち下がりをもつパルス幅の狭い高電圧パルスを周期的に重畳したパルス重畳型高電圧を静電応用機器の荷電電極に供給することができるので、静電塗装機などの静電応用機器の荷電電極と接地されたワークとの間でスパークを発生させることなく、粒子の帯電率を高め、塗着又は捕集効率を向上させるものである。
【００１３】
図１は本発明の一実施例を示す。１はコンデンサとダイオードとからなる回路を複数縦続接続してなる負極性出力のコッククロフト・ウオルトン（以下、ＣＷという）回路又はシュンケル回路のような通常の多段縦続型倍電圧整流回路である。２は多段縦続型倍電圧整流回路１を駆動する高周波高圧トランスであり、その２次高電圧巻線３は巻終わりが多段縦続型倍電圧整流回路１の入力に接続され、巻始めが接地される。その１次巻線４は高周波インバータ５の出力に接続される。多段縦続型倍電圧整流回路１の最終段７の第１出力点Ｘ、中間段６の内の第２出力点Ｙと共通出力点Ｚとの間に第１と第２の高電圧スイッチ回路８、９が直列接続される。
【００１４】
後で詳述するが、第１の高電圧スイッチ回路８の場合にはそのカソードＫが第１出力点Ｘに接続され、そのアノードＡは共通出力点Ｚに接続されるが、第２の高電圧スイッチ回路９の場合にはそのアノードＡが第２出力点Ｙに接続され、そのカソードＫは共通出力点Ｚに接続される。高電圧スイッチ回路８、９は共通出力点Ｚ、放電防止抵抗１０を通して静電塗装機の荷電電極１１に接続される。荷電電極１１に対する他方の電極として作用する被塗装物体であるワーク１１’は接地される。光パルス発生回路１２は光ファイバー１３、１４を通して高電圧スイッチ回路８、９をオン、オフ駆動する光駆動信号Ａ、Ｂを送信する。光駆動信号Ａ、Ｂは高電圧スイッチ回路８、９を所定のパルス幅、周波数で交互にオンさせ、同時にはオンさせない。
【００１５】
次に動作説明に入る前に、数マイクロ秒以下の短時間で立ち上がり、立ち下がる高速スイッチング動作可能な高電圧スイッチ回路８、９の具体的な構成の一例について図２により説明する。この例では高電圧スイッチ回路８、９はほぼ同一構成であり、ＦＥＴスイッチを高電圧に耐え得る必要個数だけ直列接続すると共に、制御電源を使用しないでＦＥＴを駆動できる従属点弧回路構成になっている。この回路によれば、高速動作はもちろんのこと高電圧側にあるＦＥＴスイッチの制御が低コストで実現できる。
【００１６】
Ｎ個のＦＥＴ２１Ａ〜２１ＮがアノードＡとカソードＫ間に直列接続される。各ＦＥＴのゲート・ソース極間には保護用ゼナーダイオード２２Ａ−２２Ｎがそれぞれ接続される。ＦＥＴ２１Ａ〜２１Ｎの内の隣り合うゲート間は電圧バランス抵抗２３Ａ−２３Ｍにより互いに接続され、また最もアノードＡ側に位置する最終段のＦＥＴ２１Ｎのゲート・ドレイン間に電圧バランス抵抗２３Ｎが接続される。さらに、最もカソードＫ側に位置する初段のＦＥＴ２１Ａのゲート・ソース極間にはホトトランジスタ２４のコレクタ・ エミッタ極が接続される。なお、各ＦＥＴ２１Ａ〜２１Ｎは鎖線で示す極性のボデイダイオードをそれぞれ有することは知られている。
【００１７】
これら高電圧スイッチ回路８、９は一般的に知られている従属点弧回路であるのであまり詳細に説明しないが、光ファイバ１３又は１４を通して光駆動信号Ａ又はＢを受けると、ホトトランジスタ２４がオンし、ＦＥＴ２１Ａのゲート・ソース極間を短絡するので、ＦＥＴ２１Ａはオフし、追随して他のＦＥＴ２１Ｂ−２１Ｎもオフする。次に光駆動信号Ａ又はＢが消失すると、ホトトランジスタ２４はオフし、各ＦＥＴ２１Ａ〜２１Ｎのアノード・ カソード間には電圧が印加されているので、ＦＥＴ２１Ａのゲート極は抵抗２３Ａ〜２３Ｎを通してアノード電圧で順バイアスされ、高速でオンする。他のＦＥＴ２１Ｂ−２１Ｎも追随して高速でオンする。
【００１８】
再び、図１に戻って動作を説明する。図３はこの実施例における光駆動信号ａ，ｂの波形と共通出力点Ｚの出力電圧の波形Ｑを示す。多段縦続型倍電圧整流回路１の中間段６の第２出力点Ｙは、例えばベース電圧−９０ｋＶを発生する。最終段７の第１出力点Ｘは重畳するパルス電圧に必要な電圧、例えばベース電圧に−３０ｋＶを加えた−１２０ｋＶを発生する。光駆動信号Ａが低レベル、光駆動信号Ｂが高レベルのとき、第１の高電圧スイッチ回路８が高速でオン、第２の高電圧スイッチ回路９がオフである。これに伴い、静電塗装機の荷電電極１１には第１の高電圧スイッチ回路８、共通出力点Ｚ、抵抗１０を通してベース電圧である−９０ｋＶに−３０ｋＶを加えた−１２０ｋＶにほぼ等しい直流高電圧が加えられる。
【００１９】
次にほぼ１００マイクロ秒後に光駆動信号Ａ，Ｂが反転し、光駆動信号Ａが高レベル、光駆動信号Ｂが低レベルになると、第１の高電圧スイッチ回路８が高速でオフ、第２の高電圧スイッチ回路９が高速でオンする。ここで、図１に鎖線で示したように静電塗装機の荷電電極１１と接地されたワーク１１’との間にはストレイキャパシタンスＣが存在し、ストレイキャパシタンスＣは第１の高電圧スイッチ回路８がオフする寸前ではほぼ−１２０ｋＶに充電されているが、第２の高電圧スイッチ回路９がオンするのに伴いストレイキャパシタンスＣの充電電荷は第２の高電圧スイッチ回路９を通して瞬時に放電され、荷電電極１１の電圧は数マイクロ秒以下の短時間でベース電圧である−９０ｋＶまで低下する。つまり、第２の高電圧スイッチ回路９は静電塗装機の荷電電極１１と接地間のストレイキャパシタンスＣの電荷を放電する作用を行い、−９０ｋＶまで放電させた後に光駆動信号Ｂを高レベルにして第２の高電圧スイッチ回路９をオフさせても良い。
【００２０】
この理由は、前述のように第２の高電圧スイッチ回路９のアノードＡを第２の出力点Ｙに接続し、そのカソードＫを共通出力点Ｚに接続しているので、図２に示す高電圧スイッチ回路９の各ＦＥＴ２１Ａ−２１Ｎが有する各ボデイダイオード（鎖線で示す）が導通するので、共通出力点Ｚを第２の出力点Ｙの電圧である−９０ｋＶに維持するからである。勿論、図３の光駆動信号ａの鎖線で示すように、第１の高電圧スイッチ回路８がオンする寸前まで、第２の高電圧スイッチ回路９をオンさせておいても良い。
【００２１】
したがって、第１の高電圧スイッチ回路８がオン、第２の高電圧スイッチ回路９がオフの状態を所定のパルス幅ｔ、例えば１００マイクロ秒で周期的に、例えば１ｋＨｚで繰り返すことにより、ベース電圧−９０ｋＶに数マイクロ秒以下の短い立ち上がりと立ち下がりをもつ小さいパルス幅、例えば１００μｓの−３０ｋＶのパルス電圧を１ｋＨｚで重畳した形のパルス重畳型高電圧Ｑを荷電電極１１に加えることができる。
【００２２】
この実施例ではベース電圧とそれに重畳されるパルス電圧の時間幅の割合は９；１であり、ピーク電圧を−１２０ｋＶと高くして短いパルス電圧期間で粒子の帯電を向上させているが、その次の長いベース電圧期間で−９０ｋＶと電圧を下げているので、荷電効率が向上するにもかかわらずスパークは発生し難い。このように、荷電効率が向上するにもかかわらずスパークを発生させないためには、各周期において重畳されるパルス電圧の時間幅に比べてベース電圧の時間幅を長くする必要がある。この時間幅の比率は、パルス電圧の印加によって静電塗装機の荷電電極１１と被塗装物体であるワーク１１’間のイオン量が増大し、ベース電圧印加期間でイオン量がスパークの発生し難いレベルまで減少する値に選定される。なお、前記時間幅の比率は一定にする必要はなく、荷電電極１１とワーク１１’間の導電度の変化に応じて制御しても良い。
【００２３】
図４は本発明の第２の実施例を示す。この例では、高電圧側に制御電源４０を設けた。図１、図２と同一の参照記号は相当する部材を示す。制御電源電圧供給用の絶縁トランス４１Ａ〜４１Ｄそれぞれの１次巻線、２次巻線は順次縦続接続される。最下段に位置する初段のトランス４１Ａの1 次巻線は制御電源用インバータ４２に接続され、ほぼ接地電位にある。制御電源用インバータ４２の出力高周波電圧は絶縁トランス４１Ａ〜４１Ｄを介して高電圧側に伝達される。ここで初段のトランス４１Ａの２次巻線と２段目のトランス４１Ｂの１次巻線は多段縦続型倍電圧整流回路１の２段目、例えば−３０ｋＶの点１ａに接続される。
【００２４】
同様に２段目のトランス４１Ｂの２次巻線と３段目のトランス４１Ｃの１次巻線は、多段縦続型倍電圧整流回路１の４段目の−６０ｋＶの点１ｂに接続される。４段目のトランス４１Ｄの１次巻線と３段目のトランス４１Ｃの２次巻線は、多段縦続型倍電圧整流回路１の６段目の−９０ｋＶの点１ｃに接続される。このように各絶縁トランス４１Ａ〜４１Ｄそれぞれの１次、２次巻線は、多段縦続型倍電圧整流回路１の中間段に接地側から順次接続され、それらの電位は多段縦続型倍電圧整流回路１の段階的に上昇する各２段毎の安定な電圧に固定されている。
【００２５】
この結果、各トランスは２段分の耐圧、例では−３０ｋＶの耐圧に均等分担される。もちろん、１個で−１２０ｋＶ耐圧の絶縁トランスを使用することも可能である。しかしながら、このような、低耐圧のトランスは、−１２０ｋＶ耐圧のトランス１個よりも信頼性が高く、小型化しやすい。なお、トランス４１Ｄだけが整流回路４５、４６を通して荷電電極１１の電位となり、−３０ｋＶのパルス電圧で変動する。整流回路４５で整流された５〜１５Ｖ程度の低い電圧ＶＬが光パルス受光回路４７の制御電源電圧となる。
【００２６】
光パルス発生回路１２からの光駆動信号Ａ、Ｂは光パルス受光回路４７で光−電気変換されて電気パルス駆動信号となり、その電気パルス駆動信号は第１の高電圧スイッチ回路８に供給されると共に、反転回路４８により反転されてＦＥＴのような半導体スイッチ４９に供給される。ここで５０，５１は高電圧スイッチ回路８、９の切り替わり時の同時オン期間が発生した場合の短絡電流制限抵抗である。
【００２７】
この実施例では、第１の高電圧スイッチ回路８は図２に示したような従属点孤構成のものであるが、第２の高電圧スイッチ回路９は従属点孤回路ではなく、それぞれ１次巻線と２次巻線を有するパルストランス５２Ａ，５２Ｂ・・・・・５２Ｎを通して駆動されるパルストランス駆動方式とした。第１の高電圧スイッチ回路８の直列接続された各ＦＥＴ２１Ａ〜２１Ｎのゲート・ ソースはパルストランス５２Ａ〜５２Ｎの２次巻線に接続される。ゲート・ ソース間の抵抗５３Ａ〜５３Ｎはパルス整形用である。各ＦＥＴのドレイン・ ソース間の抵抗５４Ａ〜５４Ｎは電圧バランス用である。
【００２８】
パルストランス５２Ａ〜５２Ｎの各１次巻線は直列接続されており、前述のようにして反転回路４８からの反転されたパルス駆動信号により半導体スイッチ４９がオンするとき、多段縦続型倍電圧整流回路１の最終段の電圧Ｖｘと電圧Ｖｈとの差の電圧が印加される。これに伴い、パルストランス５２Ａ〜５２Ｎには駆動電圧が誘起され、瞬時にＦＥＴ２１Ａ−２１Ｎがターンオンし、第２の高電圧スイッチ回路９はオンする。第２の高電圧スイッチ回路９のオン期間は、反転回路４８の反転作用により第１の高電圧スイッチ回路８のオフの期間となる。
【００２９】
この実施例では、制御電源４０を高電圧側に備えたので、高電圧側のＦＥＴの駆動回路の設計自由度が増し、より高速のスイッチングが可能となり、重畳パルスの幅を容易にマイクロ秒オーダーの狭いパルス幅にできる。
【００３０】
図５に示す第３の実施例は図４の実施例に似ているが、ＦＥＴのような半導体スイッチ４９に電気駆動パルス電圧を与える制御パルス発生器５２を高電圧側に置いたものである。すなわち、実際の静電気応用装置で最適なパルス幅、周波数が決定され、それらを変化させる必要がない場合には、接地側からのパルス信号を伝達する必要が無いので、光ファイバが不要となり、構造上のメリットが大きい。また、パルス重畳型高電圧を使用せずに、従来の一定の直流高電圧を使用する場合には、制御電源用のインバータ４２を停止すれば、高電圧側制御電源電圧が消失することにより半導体スイッチ４９が高速でオフし、高電圧スイッチ回路８は高速でオフし、同時に高電圧スイッチ回路９は高速でオンするから、高電圧出力端子ＯＴにはベース電圧のみが現出する。
【００３１】
ここで、制御パルス発生器５２が高レベル信号を発生するとき、高電圧スイッチ回路８がオンし、同時にその高レベル信号は反転回路４８で低レベル信号に変換され、半導体スイッチ４９を高速でオフにする。したがって、高電圧スイッチ回路９はオフである。次に、制御パルス発生器５２が低レベル信号を発生すると、高電圧スイッチ回路８がオフし、反転回路４８で反転された高レベル信号は半導体スイッチ４９をオンさせ、パルストランス５３の１次巻線Ｌ１と２次巻線Ｌ２を介して高電圧スイッチ回路９をオンさせる。他の部分は図４と同一であるので、説明を省略する。
【００３２】
なお、以上述べた実施例では静電塗装装置の場合について説明したが、この発明にかかるパルス重畳型高電圧発生装置は比較的電流容量の小さな他の静電応用機器、例えば空気清浄器、静電分級機、静電植毛装置などにも同様に適用できる。
【００３３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば多段縦続型倍電圧整流回路の最終段、中間段と高電圧出力端子間に高電圧スイッチ回路をそれぞれ直列に接続し、交互に重ならないように高速でオン動作させてパルス重畳型高電圧を発生させているので、回路構成が比較的簡単であるのもかかわらず、パルス重畳型高電圧の立ち上がりと立ち下がりに要する時間が非常に短く、したがってパルス幅の狭い高電圧パルスを容易に得ることができ、粒子の帯電効率を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係るパルス重畳型高電圧発生装置の第一の実施例を示す図である。
【図２】  本発明装置に用いる高電圧スイッチ回路の一例を示す図である。
【図３】  図１に示す装置の動作を説明するための波形を示す図である。
【図４】  本発明に係る第２の実施例を示す図である。
【図５】  本発明に係る第３の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１・・多段縦続型倍電圧整流回路        ２・・高周波高圧トランス
５・・高周波インバータ５              ８・・第１の高電圧スイッチ回路
９・・第２の高電圧スイッチ回路      １０・・放電防止抵抗
１１・・荷電電極                      １１’・・他方の電極又は負荷
１２・・光パルス発生回路              １３、１４・・光ファイバ
２１Ａ−２１Ｎ・・ＦＥＴ
２２Ａ−２２Ｎ・・ゼナーダイオード
２３Ａ−２３Ｍ・・電圧バランス抵抗１７
４０・・制御電源
４１Ａ−４１Ｄ・・縦続接続された絶縁トランス
４２・・制御電源用インバータ
４５、４６・・整流回路                ４７・・光パルス受光回路
４８・・反転回路                      ４９・・反転回路
５０、５１・・短絡電流制限抵抗        ５２・・制御パルス発生器
５３・・パルストランス
【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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