JP6217096B2 - 高電圧インバータ及び誘電体バリア放電発生装置とシート材改質装置 - Google Patents

Description

この発明は、交流高電圧を出力する高電圧インバータ、及びそれを電源とした誘電体バリア放電発生装置、さらにそれを利用したシート材改質装置に関する。

プラズマ発生装置やオゾン発生装置などの放電用電源装置等として、交流高電圧を出力する高電圧インバータが多用されている。
例えば、大気圧プラズマは、表面処理の一つの手段として、表面の改質や汚染物の除去等、様々な工業製品に応用されている。樹脂等に接着や印刷、コーティング等を施す場合に、大気圧プラズマにより前処理を行うと、表面の濡れ性を向上させて、接着や印刷あるいはコーティング等を容易に仕上りよく行うことが可能になる。

例えば、特許文献１にはこのような改質装置が提案されている。その改質装置では、放電電極ローラとカウンタ電極とを、誘電体の搬送ベルトを挟んで対向させ、その間にパルス状の高電圧を印加して沿面放電による誘電体バリア放電を発生させる。それによって大気圧プラズマを生成し、それをシート材の被加工面に均一に接触させて改質する。
このようなシート材の表面改質処理等のために、大気圧プラズマを生成する誘電体バリア放電を安定して発生させるには、高電圧インバータによって数ＫＶから数十ＫＶの交流高電圧による高電力を、負荷である誘電体を介して対向する放電電極とカウンタ電極間に安定的に供給する必要がある。

このような電源として適した高電圧インバータ（装置）が、例えば特許文献２に開示されている。
その高電圧インバータは、直流もしくは直流成分に脈流が重畳された入力電圧をスイッチングして、トランスの一次側の励磁巻線に励磁電流を流し、二次側の出力巻線から交流高電圧を出力する。

なお、ここでいう「交流高電圧」とは正負均等な正弦波交流の高電圧ではなく、トランスの励磁電流の断続によって、その出力巻線に発生するフライバックパルスによるパルス状あるいは脈流状の交番波形の高電圧である。
このような従来の高電圧インバータは、基本的には図１２に示すように構成されている。この高電圧インバータ１００は、商用電源１１からの交流電圧を整流・平滑回路１２によって整流及び平滑した直流電圧（脈流成分を含んでもよい）を入力電圧Ｖinとするトランス１３と、ＦＥＴ等によるスイッチング素子１４および制御回路１５を備えている。

トランス１３は励磁巻線Ｎｐと出力巻線Ｎｓを有し、その励磁巻線Ｎｐをスイッチング素子１４と直列に、整流・平滑回路１２からの給電回路に接続している。そのスイッチング素子１４は、制御回路１５がゲート端子に出力するスイッチング信号Ｓｐによって、オン（ＯＮ）・オフ（ＯＦＦ）制御される。
制御回路１５からスイッチング素子１４のゲートに印加されるスイッチング信号Ｓｐは、図１３の（ａ）に示すような矩形波であり、このスイッチング信号Ｓｐがローレベルの期間がＯＦＦ期間であり、ハイレベルの期間がＯＮ期間である。Ｔは１周期である。

図１２に示した高電圧インバータ１００は、フライバック型電圧共振インバータである。したがって、入力電圧Ｖinをスイッチング素子１４によってスイッチングして、トランス１３の励磁巻線Ｎｐに流す励磁電流をオン・オフする。そして、オン（ＯＮ）の期間に励磁巻線Ｎｐに励磁エネルギーをため、オフ（ＯＦＦ）の期間に、トランス１３の出力巻線Ｎｓからそのエネルギーを吐き出して、図１３の（ｂ）に示すような波形の出力電圧Ｖoutを負荷２に対して出力する。

したがって、その出力電圧Ｖoutは、励磁巻線Ｎｐと出力巻線Ｎｓの巻数比に応じた高電圧であり、図１３の（ｂ）に示すように略正弦波形の半波状になる。この例では、出力電圧Ｖoutが正の半波に相当する正（＋）電圧であるが、負の半波に相当する負（−）電圧にすることもできる。
このような波形あるいはこれに近い波形の電圧を、この明細書中では交流高電圧と称している。

しかしながら、このような高電圧インバータ１００の出力電圧Ｖoutは、実際には図１３の（ｂ）に示したようなきれいな半波の正弦波形にはならない。
出力電圧Ｖoutは、出力巻線ＮｓのインダクタンスＬｓと、その出力巻線Ｎｓの分布容量Ｃｓ及び負荷２における等価容量（負荷容量）Ｃｏとの合成容量Ｃとによる並列共振回路によって発生する。
そして、高電圧で交番される出力電圧Ｖoutによって、その出力経路に強い磁場が発生する。その結果、図１４に示すように、スイッチング素子１４のＯＮ／ＯＦＦの切り替わり時に出力電流Ｉoutとして急峻な過渡的な電流が流れ、その直後に振動する過渡電圧（リンギング）が発生する。

図１４における点線の円Ａで囲んだスイッチング素子１４がＯＦＦになった直後の出力電圧Ｖoutの波形を拡大すると、図１５に示すようになっている。
このような過渡電圧は、励磁電流のＯＮ／ＯＦＦの切り替え時に発生するサージ電圧とその減衰振動電圧によるものであり、それが出力電圧Ｖoutの波高値に対して、動作安定時でも１０％〜２０％に達することもある。

その過渡電圧によって、励磁電流がＯＦＦ期間に出力巻線に発生するインバータ出力としての基本波高値の低下や、出力エネルギーの分散を招き、負荷で利用されない余分な出力ともなる。
例えば、図１２に示した負荷２が誘電体バリア放電器であって、その誘電体バリア放電開始電圧が６ＫＶであった場合、出力電圧Ｖoutのうち６ＫＶ未満の部分は誘電体バリア放電に寄与しないことになる。

そのため、上述したような振動する過渡電圧の発生は、インバータとしての効率や信頼性の低下、発熱等を招く。さらに、電磁ノイズを発散し、周辺機器に対して電波障害を引起す恐れもあった。
このような問題は、インバータの出力電圧が高電圧になるほど顕著になるが、出力電圧の波高値が数ＫＶから数十ＫＶの交流高電圧である高電圧インバータに対しては、これまで有効な対策がなされていなかった。

トランスの一次側に発生するサージ電流や過渡電圧を吸収するためには、抵抗又はインダクタとコンデンサやダイオード等からなるスナバ回路を設けることが知られている。
しかし、上述したような高電圧インバータにおけるトランスの二次側にスナバ回路を設けると、共振がずれて所期の出力電圧が得られなくなってしまう。さらに、スナバ回路を構成する各部品の耐圧が出力電圧の３倍程度必要である。しかし、出力電圧が数十ＫＶの場合、既存の部品でそのような耐圧を有するものを入手するのは困難であるから、実質上トランスの二次側にスナバ回路を設けることはできなかった。

この発明は上記のような背景に鑑みてなされたものであり、高電圧インバータの交流高電圧の出力電圧に、上述したような振動する過渡電圧（リンギング）が発生しないようにし、少なくともそれが負荷に印加されないようにすることを目的とする。
それによって、高電圧インバータの効率及び信頼性の低下を防ぎ、発熱も低減し、電磁ノイズの発散を抑制して、周辺機器に対して電波障害を引起すことがないようにする。

この発明による高電圧インバータは、直流電圧若しくは直流成分に脈流が重畳された電圧、若しくは商用電源の交流を全波整流した電圧を入力電圧とし、その入力電圧をスイッチングしてトランスの励磁巻線に励磁電流を流し、そのトランスの二次側の出力巻線から交流高電圧を出力する高電圧インバータであって、上記の目的を達成するため、次のように構成したことを特徴とする。
上記トランスの出力巻線から出力する上記交流高電圧によって負荷に電流を流す出力回路内に、上記出力巻線と直列に、上記交流高電圧によって対向する電極間に印加される電圧に応じて上記出力回路を遮断又は接続する電圧応答型接続器を接続している。
その電圧応答型接続器は、上記交流高電圧の瞬時値が所定値に達するまでは上記電極間を絶縁状態に保ち、上記交流高電圧の瞬時値が上記所定値に達した後該所定値を超えている間は上記電極間を導通状態に保持し、上記交流高電圧の瞬時値が上記所定値を下回ると上記電極間を急速に絶縁状態に戻す特性を有している。
さらに、上記電圧応答型接続器が発する熱を放熱する手段として、不燃性流体内に上記電圧応答型接続器を浸漬させて収容する容器と、その容器内で上記不燃性流体を対流させる手段とを備えていることを特徴とする。

この発明による高電圧インバータは、交流高電圧の出力電圧に振動する過渡電圧（リンギング）が発生しないか、少なくともそれが負荷に印加されないようにすることができる。
それによって、高電圧インバータの効率及び信頼性の低下を防ぎ、発熱も低減し、電磁ノイズの発散を抑制して、周辺機器に対して電波障害を引起すことがないようにすることができる。

この発明による高電圧インバータを電源とする誘電体バリア放電発生装置の一実施形態を示す回路図である。 図１における高電圧インバータ１０の負荷である放電器２０の構成例を模式的に示す側面図である。 この発明による高電圧インバータの動作例を説明するための波形図である。 電圧応答型接続器が導通状態になる所定値が出力電圧の波高値の１０〜２０％の値である場合の動作例を説明するための波形図である。 電圧応答型接続器が導通状態になる所定値が誘電体バリア放電開始電圧である場合の動作例を説明するための波形図である。 この発明による高電圧インバータを電源とする誘電体バリア放電発生装置の他の実施形態を示す回路図である。

この発明による高電圧インバータに使用する電圧応答型接続器を説明するための図である。 パッシェンの法則による電極間距離×圧力と放電電圧との関係を示す線図である。 電圧応答型接続器を複数個接続する場合の接続例を示す図である。 電圧応答型接続器が発する熱を放熱する手段の一例を示す断面図である。 この発明によるシート材改質装置の一実施形態を示す概略構成図である。

従来の高電圧インバータの基本的な構成例を示す回路図である。 図１２におけるスイッチング信号Ｓｐと出力電圧Ｖout の一例を示す波形図である。 従来の高電圧インバータの実際の出力電圧波形等を説明するための波形図である。 図１４における点線の円Ａで囲んだ部分の出力電圧Ｖoutの波形を拡大して示す図である。

以下、この発明を実施するための形態を図面に基づいて具体的に説明する。
図１は、この発明による高電圧インバータを電源とする誘電体バリア放電発生装置の一実施形態を示す回路図である。図１において図１２と同じ部分には同一の符号を付してあり、それらの説明は省略するか簡単にする。
この誘電体バリア放電発生装置１は、高電圧インバータ１０とその負荷である放電器２０とによって構成されている。

高電圧インバータ１０は、基本的に図１２によって説明した高電圧インバータ１００と同様な構成を有している。入力電圧Ｖinは、商用電源１１からの交流電圧を整流・平滑回路１２によって整流及び平滑して得ているが、直流電圧若しくは直流成分に脈流が重畳された電圧、若しくは商用電源の交流を全波整流した電圧のいずれでもよい。
その入力電圧Ｖinを、ＦＥＴ等によるスイッチング素子１４によってスイッチングして、トランス１３の励磁巻線Ｎｐに励磁電流を流し、そのトランス１３の二次側の出力巻線Ｎｓから交流高電圧の出力電圧Ｖout を出力する。

そのスイッチング素子１４は、制御回路１５がゲート端子に出力するスイッチング信号Ｓｐによって、オン（ＯN）・オフ（ＯＦＦ）制御される。
制御回路１５がスイッチング信号Ｓｐをパルス幅変調（ＰＷＭ）制御して、１周期におけるＯＮ期間とＯＦＦ期間の比率（デューティ）を変えることにより、出力電圧Ｖoutを制御することが可能である。そのスイッチング信号Ｓｐの周波数及び周期を変更することもできる。
なお、実際の回路では、励磁巻線Ｎｐと並列にスナバ回路を構成するコンデンサとダイオード等が接続され、制御回路１５からスイッチング素子１４のゲートへの信号線に直列に保護抵抗が接続されているが、この発明には直接関係しないので、図示を省略している。

この図１に示した高電圧インバータ１０もフライバック型電圧共振インバータである。したがって、スイッチング素子１４がオン（ＯＮ）の期間に励磁巻線Ｎｐに励磁エネルギーをため、オフ（ＯＦＦ）の期間に、トランス１３の出力巻線Ｎｓから図１４に示したような波形の交流高電圧の出力電圧Ｖoutを出力する。その出力電圧Ｖoutを負荷である放電器２０の電極間に印加する。
その出力電圧Ｖoutは、出力巻線ＮｓのインダクタンスＬｓと、その出力巻線Ｎｓの分布容量Ｃｓ及び放電器２０の等価容量（負荷容量）Ｃｏとの合成容量Ｃとによる並列共振回路によって発生し、励磁巻線Ｎｐと出力巻線Ｎｓの巻数比に応じた高電圧である。

この高電圧インバータ１０が図１２によって説明した従来の高電圧インバータ１００と相違するのは、トランス１３の出力巻線Ｎｓから出力する出力電圧Ｖoutによって負荷に電流を流す出力回路内に直列に電圧応答型接続器１８を介挿した点である。その電圧応答型接続器１８は、出力巻線Ｎｓと直列に接続され、その出力電圧Ｖoutとなる交流高電圧によって対向する電極間に印加される電圧に応じて上記出力回路を遮断又は接続する。
すなわち、電圧応答型接続器１８は、出力巻線Ｎｓが発生する交流高電圧の瞬時値が所定値（閾値）に達するまでは対向する電極間を絶縁状態に保ち、その交流高電圧の瞬時値が所定値に達した後該所定値を超えている間は対向する電極間を導通状態に保持する。そして、その交流高電圧の瞬時値が所定値を下回ると対向する電極間を急速に絶縁状態に戻す特性を有する。

この電圧応答型接続器１８は、トランス１３の出力巻線Ｎｓから出力する出力電圧Ｖoutによって負荷に電流を流す出力回路内であれば、どこに介挿してもよい。この実施形態では高圧側の出力線１７に介挿しているが、仮想線で示すようにアース側の出力線１６に介挿してもよい。
高電圧インバータ１０の出力回路にこの電圧応答型接続器１８を介挿したことによる効果、及び電圧応答型接続器１８の詳細等については後述する。

放電器２０は図２に示すように、放電電極２１と、それに対向するカウンタ電極２２と、その放電電極２１とカウンタ電極２２との間に介在する誘電体２３とによって構成されている。
放電電極２１は、この実施形態では銅やアルミニウム等の導電性のよい金属線２１aの周囲に、絶縁体（誘電体）２１ｂを被覆した丸棒状の複数（図示の例では１５本）の放電電極２１によって放電電極列を構成している。すなわち、複数の放電電極２１が、平板状のカウンタ電極２２の対向面２２ａに平行な面内で、図２で左右方向に互いに隣接する電極同士の外周が接するように並んで、紙面に垂直な方向に延びて配列されている。各放電電極２１の直径（φ）は、例えば８ｍｍ程度である。

カウンタ電極２２は、銅やアルミニウム等の導電性のよい金属による平板状の電極であり、放熱板も兼ねている。そのカウンタ電極２２の放電電極２１との対向面２２ａに、シリコン系シート等の誘電体２３を被着している。図２においては、分り易くするためにカウンタ電極２２と誘電体２３との間に隙間を設けているが、実際には接着等によって密着している。
放電電極２１と誘電体２３との間も、間隔を拡げて示しているが、実際には、例えば表面改質を施すシート材が、一点鎖線の矢印Ｆで示すように通過できる程度の隙間があればよい。

このように構成した放電器２０の各放電電極２１とカウンタ電極２２との間に、前述した高電圧インバータ１０の交流高電圧の出力電圧Ｖoutを印加する。それによって、大気圧中で６ＫＶ以上の高電圧が印加されたときに、沿面放電もしくは無声放電、または沿面放電と無声放電の複合放電による誘電体バリア放電が発生する。
カウンタ電極２２は接地する。放電電極２１に印加する電圧は正負逆転しても、作用効果に差異はない。

したがって、放電電極２１の列と誘電体２３との間を矢印Ｆで示すように通過するシート材に対して、大気圧プラズマを接触させ、均質性よく改質を施すことができる。
各放電電極２１の径や金属線２１ａの太さ、絶縁体（誘電体）２１ｂの外周形状、配列間隔や数などは、用途に応じて適宜変更できる。また、各放電電極２１を連れ回り可能に、また上下動可能に支持するようにしてもよい。

次に、この実施形態の高電圧インバータ及び誘電体バリア放電発生装置の動作及び効果について、図３〜図５を参照して説明する。
図３は図１４に対応する波形図であり、出力電圧Ｖout及び出力電流Ｉout の実線で示す波形と、スイッチング素子１４のＯＮ／ＯＦＦ波形は、図１４に示した波形と同じである。図３ではそれに、電圧応答型接続器１８の導通状態と絶縁状態の変化を示す波形を加えている。一点鎖線で示すレベルの電圧Ｖａは、出力電圧Ｖout の波高値（例えば１０ＫＶ）の１０〜２０％の電圧（例えば２ＫＶ）であり、実線で示すレベルの電圧Ｖｂは、放電器２０による誘電体バリア放電の開始電圧（例えば６ＫＶ）を示している。

電圧応答型接続器１８が対向する電極間を絶縁状態から導通状態に変化する印加電圧の所定値（閾値）を、出力電圧Ｖout の波高値の１０〜２０％の電圧Ｖａに設定した場合に、負荷に印加される出力電圧Ｖoutと出力電流Ｉout の波形を点線で示している。
また、その場合の電圧応答型接続器１８の導通状態と絶縁状態の変化を示す波形も点線で示している。

そこで、上記所定値（閾値）を電圧Ｖａに設定した場合の動作を説明する。
図１に示したトランス１３の出力巻線Ｎｓに発生する交流高電圧の瞬時値が電圧Ｖａに達するまでは、電圧応答型接続器１８が対向する電極間を絶縁状態に保ち、負荷である放電器２０に電流を流す出力回路を遮断している。
上記交流高電圧の瞬時値が電圧Ｖａに達すると、電圧応答型接続器１８が対向する電極間を導通状態にして上記出力回路を接続する。その後、交流高電圧の瞬時値が電圧Ｖａを超えている間は、電圧応答型接続器１８がその電極間を導通状態に保持し、上記出力回路の接続を維持する。

電圧応答型接続器１８の対向する電極間が導通状態になると、その電極間の電圧が殆どゼロになるが、印加電圧が所定値である電圧Ｖａを超えている間は導通状態を維持しようとするタイムラグがある。そのタイムラグの時間が、交流高電圧の瞬時値が電圧Ｖａを超えている時間より長いため、電圧応答型接続器１８は対向する電極間を導通状態に保持する。
そして、その交流高電圧の瞬時値が電圧Ｖａを下回ると、電圧応答型接続器１８は対向する電極間を急速に絶縁状態に戻し、上記出力回路を遮断する。

この場合の出力電圧Ｖout 及び出力電流Ｉout の波形と、電圧応答型接続器１８の導通状態と絶縁状態の変化を示す波形を図４に示す。
電圧応答型接続器１８がこのように動作することによって、スイッチング素子１４のＯＮ／ＯＦＦの切り替わり時に、出力電流Ｉoutとして図３に示したような急峻な過渡的な電流が流れなくなり、振動する過渡電圧（リンギング）の発生も抑制される。また、トランス１３の出力巻線Ｎｓの両端子間に振動する過渡電圧（リンギング）が発生したとしても、その波高値は所定値として設定した電圧Ｖａに達しない。そのため、電圧応答型接続器１８によって出力回路が遮断されており、その過渡電圧が放電器２０に印加されることはない。

なお、上記所定値とした電圧Ｖａは、放電器２０による誘電体バリア放電の開始電圧である電圧Ｖｂより小さいので、その電圧Ｖａに達しない過渡電圧は、放電器２０による誘電体バリア放電には全く寄与しない無駄な電圧である。したがって、電圧Ｖａに達しない過渡電圧が放電器２０に印加されなくても何等問題はない。

この高電圧インバータ１０は、このように動作することによって、無駄な過渡電圧を出力しないため出力電圧の波高値が低下することなく、効率及び信頼性を高めることができる。無駄な過渡電圧による損失を抑制し、発熱、振動、騒音なども低減することができる。また、この高電圧インバータ１０は、過渡電圧（リンギング）による電磁ノイズの発散を抑制して、周辺機器に対して電波障害を引起さないようにすることもできる。

次に、上記所定値（閾値）を図３に示した電圧Ｖｂ（Ｖｂ＞Ｖａ）、すなわち放電器２０による誘電体バリア放電の開始電圧に設定した場合の動作を説明する。
この場合の負荷に印加される出力電Ｖout と出力電流Ｉout の波形を、図３に破線で示している。
この場合は、図１に示したトランス１３の出力巻線Ｎｓに発生する交流高電圧の瞬時値が電圧Ｖｂに達するまでは、電圧応答型接続器１８が対向する電極間を絶縁状態に保ち、負荷である放電器２０に電流を流す出力回路を遮断している。

上記交流高電圧の瞬時値が電圧Ｖｂに達すると、電圧応答型接続器１８が対向する電極間を導通状態にして上記出力回路を接続する。その後、交流高電圧の瞬時値が電圧Ｖｂを超えている間は、電圧応答型接続器１８が対向する電極間を導通状態に保持し、上記出力回路の接続を維持する。その理由は前述の場合と同じである。
そして、その交流高電圧の瞬時値が電圧Ｖｂを下回ると、電圧応答型接続器１８は対向する電極間を急速に絶縁状態に戻し、上記出力回路を遮断する。

この場合の出力電圧Ｖout 及び出力電流Ｉout の波形と、電圧応答型接続器１８の導通状態と絶縁状態の変化を示す波形を図５に示す。
この場合の作用効果も前述の場合と同様であるが、負荷である放電器２０には、誘電体バリア放電に寄与するレベルの電圧のみを印加し、それに寄与しない過渡電圧を全て遮断することができる。したがって、一層効率を高め、電磁ノイズの発生も抑制することができる。

図４及び図５に示すように、放電器２０に印加される出力電圧Ｖout の立ち上がり時間は極めて短時間になり、放電器２０の放電電極２１とカウンタ電極２２との間に印加される電圧が０から急速に放電開始電圧に変化する。それによって、誘電体バリア放電が起こり易くなる。
出力電圧Ｖout の立ち下がり時間は幾分長くなるが、過渡的な電圧は十分に除去できるので問題はない。この出力電圧波形は、正弦波の裾野の部分で休止時間があるために幾分歪んだ半波の正弦波になる。しかし、高次高調波やスイッチング素子１４のＯＮ／ＯＦＦ時に発生するサージ電圧や、それに伴う過渡的な振動電圧が抑圧され、きれいな幾分歪んだ正弦波になることが確認されている。

この発明による高電圧インバータを電源とする誘電体バリア放電発生装置の他の実施形態を図６に示す。この図６において、図１及び図１２と対応する部分には同一の符号を付してあり、それらの説明は省略する。
図６に示す誘電体バリア放電発生装置１′において、図１に示した誘電体バリア放電発生装置１と異なるのは高電圧インバータ１０′を構成するトランス１３′だけである。

この高電圧インバータ１０′を構成するトランス１３′は、同一の特性を持つ個別の（磁気分離された）複数のトランスＴ１，Ｔ２によって構成されている。
その各トランスＴ１，Ｔ２の励磁巻線Ｎｐ１，Ｎｐ２を並列に接続して、スイッチング素子１４がＯＮの期間に入力電圧Ｖinによって同時に励磁する。そして、各トランスＴ１，Ｔ２の出力巻線Ｎｓ１，Ｎｓ２を互いに直列に接続し、その互いに接続しない方の各端子を、それぞれアース側の出力線１６と高圧側の出力線１７に接続し、その間に交流高電圧の出力電圧Ｖout を発生させる。
この場合、各出力巻線Ｎｓ１，Ｎｓ２の出力電圧波形の時間軸が同期するようにする。また、トランス１３′の二次側の共振の鋭さを示すＱ値が大きい程出力電圧を高めることができる。

トランス１３′をこのように構成することによって、各トランスＴ１，Ｔ２の出力巻線Ｎｓ１，Ｎｓ２に発生する出力電圧を加算して、一層高電圧で大電力の出力を放電器２０に供給して、より強力な誘電体バリア放電を発生させることができる。
この実施形態でも、高圧側の出力線１７に電圧応答型接続器１８を、出力巻線Ｎｓ１，Ｎｓ２と直列に接続して介挿している。この電圧応答型接続器１８は、仮想線で示すようにアース側の出力線１６に介挿してもよいし、この場合には出力巻線Ｎｓ１とＮｓ２の接続部に介挿してもよい。

この電圧応答型接続器１８による作用・効果は、前述した実施形態の場合と同じであるから説明を省略する。
高電圧インバータにおける電圧変換用のトランスを、同一の特性を持つ３個以上の個別のトランスによって構成してもよい。接続するトランスの数を多くするほど、スイッチング素子１４の耐圧が低くて済み、ＭＯＳＦＥＴであればＯＮ抵抗の低い素子を使えることになる。例えば、ＭＯＳＦＥＴを３個並列駆動する必要があるところを２個並列駆動でもよいことになる。

実例として、入力電圧Ｖinが５６Ｖ、出力電圧Ｖout が１０．５ＫＶ、平均出力が２０Ｗ〜８００Ｗの場合、トランス２個では耐圧が９００Ｖのところ、トランス３個にすると耐圧が６００Ｖになる。それによって、スイッチング素子１４のＯＮ抵抗が著しく低下し、効率（出力電力／入力電力）が大幅に向上する。
しかし、実際にはトランスの数に応じてループ長や設置面積が大きくなってしまうため、不要輻射の発生や装置サイズの問題も生じるので、トランスの数は４個位までが実用的な範囲であると考えられる。

次に、前述した電圧応答型接続器１８について図７を用いて説明する。
電圧応答型接続器１８は、内部に対向する電極１８ａ，１８ｂを備えており、その電極間はセラミック等の誘電体または不燃性ガス等で満たされている。電極１８ａ，１８ｂにそれぞれ接続されたリード端子１８ｃ，１８ｄが外部に突出しており、それが、図1又は図６に示した出力線１６又は１７等の出力回路に接続される。
その電極１８ａ，１８ｂの対向面積および間隔（距離）ｄ等を調整して、電極１８ａ，１８ｂ間に印加される電圧が、予め設定した電圧値（前述した電圧Ｖａ，Ｖｂ等の所定値）に達したときに、電極間が絶縁状態から導通状態になるようにすることができる。

対向する平行な電極間がガスで満たされている場合には、その電極間の放電に関してパッシェンの法則が適用される。その場合の対向する電極間の放電電圧Ｖは、電極間距離ｄ（ｍ）とガス圧力ｐ（Ｔｏｒｒ）の積の関数であり、Ｖ＝ｆ（ｐ・ｄ）で表わされ、図８に示すようになる。
そこで、対向する電極間に印加される電圧が、前述した電圧Ｖａ又はＶｂになったときに放電電圧になるように、ガス圧ｐと電極間距離ｄとを調整する。望ましくは、図８に示す谷底Ｂになるように調節すると、損失が最も少なくなる。

一般的なサージ吸収部品の電極間の放電ガスとしては、例えば、アルゴン、ネオン、ヘリウム、キセノン等の希ガス、あるいは窒素ガス等の不活性ガスの単体又は混合ガスが用いられる。また、希ガスあるいは不活性ガスの単体又は混合ガスと、ハロゲンを含む気体やＯ _２ 等の負極性ガスとの混合ガスを、放電ガスとして用いたアレスタ（避雷器）などのサージ吸収部品が存在する。
このようなサージ吸収部品の従来の用途は、稀に発生する突発的なごく短時間のサージ電圧又は電流を吸収して、機器や回路を保護するために使用されている。そのため、電極間距離が短く、電極面積も狭くした小型のものが多い。

それに対し、この発明による高電圧インバータに使用する電圧応答型接続器１８は、数ＫＶを超える交番する高電圧（交流高電圧）の出力回路内に直列に接続され、その交流高電圧が常時繰り返し印加されて連続動作するため、十分な耐圧と耐久性が必要である。
電圧応答型接続器１８の対向する電極は、並行平板である以外に凹面電極と凸面電極の組合せなどにしてもよい。また、その電極材料としては、金属の融点が高く、熱伝導性がよく、厚みがあり、必要な電力に応じた面積が十分にあるものが必要になる。
既存のアレスタ（避雷器）にも、耐圧が５ＫＶ，６ＫＶ，８ＫＶなどの物もあるので、それらを使用することも可能である。

また、１個の電圧応答型接続器１８では十分な耐電圧及び電力が得られない場合は、複数個の電圧応答型接続器１８を、図９の（ａ）に示すように直列に接続して電圧分割したり、（ｂ）に示すように並列に接続して電流分割するようにしてもよい。
さらに、複数個の電圧応答型接続器１８を、図９の（ｃ）に示すように直列に接続したものを並列に接続したり、（ｄ）に示すように並列に接続したものを直列に接続して、直列と並列の組合せの接続をしてもよい。直列又は並列に接続する電圧応答型接続器１８の個数は３個以上でもよい。

このように接続した複数個の電圧応答型接続器を、図1又は図６に示した電圧応答型接続器１８と同様に、高電圧インバータ１０，１０′の出力回路に介挿する。
このようにすれば、電圧応答型接続器１８による発熱の分散や、電極の劣化の防止にも有効である。
さらに、この発明で使用する電圧応答型接続器１８は、常時動作するため発熱するので、放熱を十分にするのが望ましい。

図１０は、そのために電圧応答型接続器が発する熱を放熱する手段の一例を示す断面図である。この図１０に示す放熱手段である放熱器６０は、不燃性流体である絶縁油６１内に電圧応答型接続器１８を浸漬させて収容する容器６２と、その容器６２内で絶縁油６１を対流させる手段とを備えている。
その容器６２の上面開口部に密着して固着される蓋板６３に設けた一対の孔に、嵌めこんだ絶縁性のシール材６４を通して、電圧応答型接続器１８の各リード端子１８ｃ、１８ｄを導出させ、電圧応答型接続器１８を絶縁油６１内に浸漬するように保持している。

容器６２の側面には防爆弁６５を設けている。この防爆弁６５は、容器６２内の圧力が設定値を超えると開弁して外部と流通させ、内部の圧力を低下させて容器６２が破裂するのを防止し、安全性を確保する。
電圧応答型接続器１８の対向する電極１８ａ，１８ｂ（図７参照）は、放熱をよくするために熱伝導性のよい金属で形成して外部に露出させ、その電極より大きな熱容量の絶縁油６１に確実に接触させるのが望ましい。

金属に対して液体は接しているようで、極めて薄い空気層ができていることがあるため、空気による熱伝導の遮断が生じることがある。そこで、例えば、界面活性剤を使って電極表面の濡れ性をあげる親水性処理をするなどの表面処理した後に、電圧応答型接続器１８を絶縁油６１内に浸漬するとよい。
その絶縁油６１は、電圧応答型接続器１８の電極間のみで放電させるために、電気抵抗が、スイッチング周波数での電極間インピーダンスより、３桁以上高いものがよい。

さらに、容器６２内で絶縁油６１を対流させる手段を備えている。この実施例では、それが、絶縁油６１内で回転することによって絶縁油６１を撹拌する撹拌子６６と、容器６２を載置する筐体内で回転する磁石部を有する撹拌子駆動部６７とによって構成されている。撹拌子６６は両端部がＮ極とＳ極に着磁されており、撹拌子駆動部６７内の回転する磁石部からの磁力で回転する。その撹拌子６６の回転によって絶縁油６１が撹拌されて対流し、電圧応答型接続器１８の放熱を促進する。
このような撹拌装置は、特開２００５−２５４０７３号公報に見られるように公知である。

容器６２内で絶縁油６１を対流させる手段として他に、容器６２に絶縁油の流入口と流出口を設け、それらを途中にポンプを設けた配管で接続し、そのポンプによって容器６２内の絶縁油６１を循環させて対流を生じさせるようにしてもよい。
放熱用の不燃性流体としては、水等の他の液体、窒素Ｎ_２や二酸化炭素ＣＯ_２、フロン（ＣＦＣ又はＨＣＦＣ）、代替フロン（ＨＦＣ）などの不燃性ガス又は不活性ガスを用いてもよい。

高電圧インバータの負荷である放電器２０が、大気圧中で誘電体バリア放電を発生する場合は、放電開始電圧が約６ＫＶであるが、放電電極と対向電極をガス内に密閉したり、その内部の圧力を上げたりして、放電開始電圧をさらに下げることは可能である。
それによって、電圧応答型接続器１８が動作する電圧も下げることはできるが、それでも放熱の促進を図ることは必要である。

〔シート材改質装置の実施形態〕
次に、この発明によるシート材改質装置の一実施形態を図１１によって説明する。
図１１は、この発明の一実施形態であるスタンドアロン型のシート材改質装置の概略構成図である。
このシート材改質装置３は、一般にコピーや印刷等に用いられる普通紙やコート紙の他、ＯＨＰシートを含む樹脂フィルム、カード、ハガキ等の厚紙や封筒等のシート材の表面を改質処理するための装置である。その改質処理としては、シート材の表面の撥水性を親水化する処理を行うことが可能である。

図１１に示すシート材改質装置３は、その本体３０内に上述した改質を行う改質部３０Ａとして、前述した誘電体バリア放電発生装置１と、シート材搬送装置３１とを備えている。
誘電体バリア放電発生装置１は図１及び図６によって説明したように、高電圧インバータ１０（ここでは図１と同じ符号を付している）と放電器２０からなる。
放電器２０は、複数本の放電電極２１とカウンタ電極２２及び誘電体２３とを有している。その誘電体２３は、カウンタ電極２２の放電電極２１と対向する表面に被着されている。

そして、高電圧インバータ１０のアース側の出力線１６が、接地されたカウンタ電極２２に接続され、高圧側の出力線１７が各放電電極２１の金属線２１ａに接続されている。それによって、高電圧インバータ１０による十数ＫＶの出力電圧が、各放電電極２１とカウンタ電極２２との間に印加され、誘電体バリア放電が発生する。

シート材搬送装置３１は、ポリイミド等の絶縁材からなる搬送ベルト３２と、その搬送ベルト３２を誘電体２３の略水平な表面に沿って移動するように張り渡す駆動ローラ３３、従動ローラ３４及びテンションローラ３５とを有している。また、従動ローラ３４と対向するピンチローラ３６も有している。
駆動ローラ３３は、図示していないモータによって回転駆動され、搬送ベルト３２を矢示Ｂ方向へ周回移動（回動）させる。搬送ベルト３２は、改質処理を予定するシート材の最大幅よりも大きな幅（図１１の紙面に垂直な方向の寸法）を有している。

放電器２０の放電電極２１は、同一形状のローラ状の放電電極２１が、搬送ベルト３２の駆動ローラ３３と従動ローラ３４との間に略水平に張り渡された部分の移動方向に沿って、複数本（図示の例では１２本）並んで設けられている。各放電電極２１は搬送ベルト３２の幅方向に延びている。

本体３０の一方の側面には、本体３０内の改質部に向けてシート材Ｓを供給するシート材給送部４０が設けられ、他方の側面には、改質されたシート材を輩出して積載するシート材積載部５０が設けられている。また、本体３０の上部には、各種操作スイッチや表示器などを有する操作パネルが設けられているが、図示を省略している。
本体３０の下部にはキャスタ３７を備えており、このシート材改質装置３を容易に移動させて、画像形成装置などと共に使用できるようにしている。

このように構成したシート材改質装置３によれば、本体３０内の改質部３０Ａにおいて、誘電体バリア放電発生装置１が起動すると、高電圧インバータ１０によって、放電器２０の各放電電極２１とカウンタ電極２２との間に高電圧が印加される。それによって、各放電電極２１とカウンタ電極２２との間で誘電体バリア放電が発生し、カウンタ電極２２に向けてプラズマが形成される。この場合、誘電体２３の他に、各放電電極２１の絶縁体２１ｂと搬送ベルト３２も、各放電電極２１の金属線２１ａとカウンタ電極２２との間の誘電体を構成している。そのため、場合によっては、カウンタ電極２２の表面に被着した誘電体２３を省略することもできる。

そして、シート材給送部４０によって、トレイ４１上に積載されたシート材Ｓを一枚ずつ本体３０内の改質部３０Ａへ送り込む。その送り込まれたシート材Ｓは、従動ローラ３４とピンチローラ３６に挟まれて搬送ベルト３２上へ搬入され、各放電電極２１と誘電体２３との間を搬送ベルト３２に載って図１１で左方へ搬送される。

その搬送中に、シート材の表面が上述した誘電体バリア放電によるプラズマに触れて改質が進行する。それは、プラズマにより、空気中の成分やシート材自体に含まれている成分によって形成される種々の親水性官能基等の基が、シート材の表面に形成されて表面エネルギーが高くなる。それによって、例えばシート材の表面に撥水性を有する部分を含んでいる場合に、その部分が親水化されることによって改質が行われる。

放電器２０内にシート材Ｓが存在する領域では、沿面放電によるプラズマが、シート材Ｓの表面に沿うように発生するので、効果的に改質がなされる。
改質部３０Ａによる表面改質処理が完了したシート材は、本体３０から送出されてシート材積載部５０に積載される。

放電電極２１が搬送ベルト３２の移動方向に沿って多数本配置されており、各放電電極２１は金属線２１ａの周囲に絶縁体２１ｂを設けた丸棒状に形成されているので、放電の集中が避けられ、全体に均一性のある改質がなされる。
各放電電極２１をシート材の移動によって連れ回り可能に支持したり、上下動可能に支持して下方への押圧力を付与し、各放電電極２１が常時シート材の表面に接触するようにすれば、なお均一性を向上させ、エネルギーの損失も抑制することができる。

このように改質処理によって親水性を高めたシート材を、例えばインクジェット方式の画像形成装置の印刷シートに使用すれば、インク滴の付着性がよいので画像品質が向上し、インクの乾燥時間も短くなるので、加熱乾燥を行う必要がなくなる。また、自動両面印刷も迅速に行うことが可能になる。
あるいは、電子写真方式の画像形成装置によって画像を形成したシート材を、この改質処理によって親水性を高めてから、ニス等のコート剤を塗布する後処理を行えば、全面に均一にコート剤を塗布することができる。それによって、画像を形成したシート材の表面を保護したり、艶出しして付加価値を高めたりすることが容易になる。

この発明によるシート材改質装置を単独で構成せずに、プリンタや複写機、ファクシミリ装置、それらの複数の機能を持つデジタル複合機、業務用大型プリンタ等の画像形成装置や印刷装置に組み込んでもよい。使用するシート材はカットシートに限らず、ロール状に巻かれた長尺シートでもよい。

この発明による高電圧インバータは、誘電体バリア放電発生装置に限らず、高圧放電灯、静電塗装装置、エッチング装置、薄膜形成装置、オゾン発生装置、オゾン水生成装置、集塵装置、洗剤のいらない洗濯機など、種々の装置の電源として利用できる。
また、この発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、種々の変更、追加、あるいは省略が可能であり、各実施形態は、矛盾しない限り適宜組み合わせて実施することも可能であることは言うまでもない。

１，１′：誘電体バリア放電発生装置 ２：負荷 ３：シート材改質装置
１０，１０′，１００：高電圧インバータ １１：商用電源
１２：整流・平滑回路 １３，１３′：トランス １４：スイッチング素子
１５：制御回路 １６：アース側の出力線 １７：高圧側の出力線
１８：電圧応答型接続器 １８ａ，１８ｂ：対向する電極
１８ｃ、１８ｄ：リード端子 ２０：放電器 ２１：放電電極
２１ａ：金属線 ２１ｂ：絶縁体 ２２：カウンタ電極
２２ａ：対向面 ２３：誘電体

３０：本体 ３０Ａ：改質部 ３１：シート材搬送装置 ３２：搬送ベルト
３３：駆動ローラ ３４：従動ローラ ３５：テンションローラ
３６：ピンチローラ ３７：キャスタ
４０：シート材給送部 ４１：トレイ ５０：シート材積載部
６０：放熱器 ６１：絶縁油 ６２：容器 ６３：蓋板 ６４：シール材
６５：防爆弁 ６６：撹拌子 ６７：撹拌子駆動部

Ｎｐ：励磁巻線 Ｎｓ：出力巻線 Ｓｐ：スイッチング信号
Ｌｓ：出力巻線のインダクタンス Ｃｓ：出力巻線の分布容量
Ｃｏ：放電器の等価容量（負荷容量） Ｓ：シート材
Ｖin：入力電圧 Ｖout：出力電圧

特開２０１１−５７４４２号公報 特開２０１２−１９１８２８号公報

Claims (4)

1. 直流電圧若しくは直流成分に脈流が重畳された電圧、若しくは商用電源の交流を全波整流した電圧を入力電圧とし、該入力電圧をスイッチングしてトランスの励磁巻線に励磁電流を流し、該トランスの二次側の出力巻線から交流高電圧を出力する高電圧インバータであって、
   前記トランスの出力巻線から出力する前記交流高電圧によって負荷に電流を流す出力回路内に、前記出力巻線と直列に、前記交流高電圧によって対向する電極間に印加される電圧に応じて前記出力回路を遮断又は接続する電圧応答型接続器を接続し、
   該電圧応答型接続器は、前記交流高電圧の瞬時値が所定値に達するまでは前記電極間を絶縁状態に保ち、前記交流高電圧の瞬時値が前記所定値に達した後該所定値を超えている間は前記電極間を導通状態に保持し、前記交流高電圧の瞬時値が前記所定値を下回ると前記電極間を急速に絶縁状態に戻す特性を有しており、
   前記電圧応答型接続器が発する熱を放熱する手段として、不燃性流体内に前記電圧応答型接続器を浸漬させて収容する容器と、該容器内で前記不燃性流体を対流させる手段とを備えていることを特徴とする高電圧インバータ。
2. 前記トランスを、同一の特性を持つ個別の複数のトランスによって構成し、該複数のトランスの各励磁巻線を並列に接続して同時に励磁させるようにし、該複数のトランスの各出力巻線を直列に接続し、かつ該各出力巻線の出力電圧波形の時間軸が同期するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の高電圧インバータ。
3. 請求項１又は２に記載の高電圧インバータと、該高電圧インバータの前記トランスの出力巻線から出力する前記交流高電圧が印加される負荷となる放電器とを備え、
   該放電器が、放電電極と誘電体を挟んで対向するカウンタ電極とを有し、該放電電極とカウンタ電極との間に前記交流高電圧が印加されることによって、沿面放電もしくは無声放電、または沿面放電と無声放電の複合放電による誘電体バリア放電を発生することを特徴とする誘電体バリア放電発生装置。
4. 請求項３に記載の誘電体バリア放電発生装置を備え、該誘電体バリア放電発生装置の前記放電電極と誘電体との間を通してシート材を搬送し、前記誘電体バリア放電によって前記シート材を改質することを特徴とするシート材改質装置。

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