JP2014010934A - 放電素子および放電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】放電により生成される活性種を放電素子の外へ運ぶ効率を高め、電極の引き出しを容易にし、外部との接続を容易にした放電素子および放電デバイスを構成する。
【解決手段】複数の第１電極と複数の第２電極とが交互に平行に同一平面上に配列され、複数の第１電極と複数の第２電極がそれぞれ束ねられて、電気的に接続された引き出し端子３１Ｌ，３２Ｌ，３１Ｒ，３２Ｒを備える。電極織込領域ＤＡは、第１電極および第２電極を緯糸、絹糸を経糸とする織物の一部である。第１電極および第２電極は例えば陽極酸化により表面に誘電体膜が形成されたアルミニウムワイヤーである。
【選択図】図５

Description

本発明は、イオンやオゾンの発生に用いられる放電素子、およびその放電素子と駆動電圧を発生させる電源回路とを備えた放電デバイスに関する。

放電空間に露出する誘電体を介して生じる放電現象は誘電体バリア放電と呼ばれる。誘電体バリア放電を用いて、空気清浄、消臭などを行う放電デバイスは広く用いられている。

誘電体板の表面と内部に形成された電極に電圧を印加することによってイオンを発生するイオン発生素子が特許文献１に示されている。
図１（Ａ）は特許文献１に示されているイオン発生素子１の斜視図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）におけるＡ−Ａ部分の断面図である。このイオン発生素子は、平板状の上部誘電体３の表面に設けられた表面電極５、上部誘電体３と下部誘電体２との間に埋設され且つ表面電極５に対し平行に設けられた埋設電極６、表面電極５に導通する上部導通部１０、この上部導通部１０に導通する、下部誘電体３の表面に形成された表面電極接点７、および埋設電極６に導通する、下部誘電体２の表面に形成された内部電極接点８を有している。

特許文献１には、前記表面電極５を格子状や線状など電界集中が起こりやすい形状とすることが記載されている。このように電界集中が起こりやすい形状とすることによって、印加電圧が低くても放電させることができる。

特許第３８４７１０５号公報

特許文献１に示されているイオン発生素子は、誘電体を挟んで電極を対向させている。プラズマは少なくとも片方の電極の表面で生じるため、図１に示される構造では、誘電体が板状であるため、発生したプラズマ中を空気などのガスが通り抜けることができず、放電により生成される活性種を素子の外へ運ぶ効率が悪い。また、表面電極接点７および内部電極接点８の引出しのために、表面電極用縦断導通部１１および内部電極用縦断導通部１２を設ける必要があり、構造が複雑で、製造工数も多いという問題がある。

本発明は上記問題を解決すべき課題とし、放電により生成される活性種を放電素子の外へ運ぶ効率を高め、電極の引き出しを容易にし、外部との接続を容易にした放電素子および放電デバイスを提供することを目的としている。

（１）本発明の放電素子は、第１の電位が印加される複数の第１電極と第２の電位が印加される複数の第２電極とが交互に平行に同一平面上に配列され、
前記複数の第１電極と前記複数の第２電極がそれぞれ束ねられて電気的に接続された引き出し端子を備えたことを特徴としている。

（２）前記複数の第１電極および前記複数の第２電極の配列領域は矩形状であり、この矩形の配列領域の対向する二辺に前記複数の第１電極と前記複数の第２電極がそれぞれ引き出されていることが好ましい。

（３）また、前記複数の第１電極および前記複数の第２電極の配列領域は矩形状であり、この矩形の配列領域の一辺に前記複数の第１電極と前記複数の第２電極がそれぞれ引き出されていることが好ましい。

（４）前記第１電極または前記第２電極の少なくとの一方は金属ワイヤー（糸状の導体）で構成されていることが好ましい。

（５）前記金属ワイヤーは金属表面に誘電体膜が形成されたものであることが好ましい。

（６）前記誘電体膜は金属表面の陽極酸化により形成されたものであることが好ましい。

（７）前記金属ワイヤーは陽極酸化により表面に誘電体膜が形成されたアルミニウムワイヤーであることが好ましい。

（８）前記第１電極および前記第２電極は、絶縁性の経糸とともに織られた緯糸であることが好ましい。

（９）前記第１電極および前記第２電極は、それぞれ絶縁性の経糸とともに織られ、前記第１電極と前記絶縁性の経糸とで織られた部分と、前記第２電極と前記絶縁性の経糸とで織られた部分とは、分離されて二層で引き出されたものであることが好ましい。

（１０）本発明の放電デバイスは、上記（１）〜（９）のいずれかに記載の放電素子と、この放電素子に駆動電圧を印加する電源回路とを備える。

本発明によれば、放電により生成される活性種を素子の外へ効率良く運ぶことができる。また、電極の引き出しが容易になり、外部との接続を容易にできる。

図１（Ａ）は特許文献１に示されているイオン発生素子１の斜視図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）におけるＡ−Ａ部分の断面図である。 図２は第１の実施形態の放電素子１０１の平面図である。 図３（Ａ）は、放電素子１０１の第１電極２１ａ，２１ｂおよび第２電極２２ａ，２２ｂをジャガード織機で織ることにより構成された織物の斜視図である。 図４は、図３に示した織物の全体を簡略化して表した図である。 図５（Ａ）はアルミニウムワイヤーを束ねた後に引き出し端子３１Ｌ，３２Ｌ，３１Ｒ，３２Ｒを接続した状態を示す図（写真）である。図５（Ｂ）は電極織込領域ＤＡの拡大図（写真）である。 図６は、放電素子を備えた放電デバイスの回路図である。 図７は三種のガスにおける放電状態の写真である。 図８は第２の実施形態の放電素子１０２の平面図である。 図９（Ａ）は、放電素子１０２の第１電極２１ａ，２１ｂおよび第２電極２２ａ，２２ｂの平織りにより構成された織物の斜視図である。

《第１の実施形態》
第１の実施形態の放電素子について各図を参照して説明する。
図２は第１の実施形態の放電素子１０１の平面図である。この放電素子１０１は、複数の第１電極２１ａ，２１ｂおよび複数の第２電極２２ａ，２２ｂを備えている。これらの第１電極および第２電極は表面に誘電体膜が形成されている。第１電極と第２電極とは交互に平行に同一平面上に配列されている。図２においては、第１電極と第２電極についてそれぞれ２本分の電極のみを表している。

複数の第１電極２１ａ，２１ｂは束ねられて、引き出し端子３１に電気的に接続されている。同様に、複数の第２電極２２ａ，２２ｂは束ねられて、引き出し端子３２に電気的に接続されている。この引き出し端子３１に第１電位が印加され、引き出し端子３２に第２電位が印加される。すなわち、引き出し端子３１と３２との間に所定の交流または直流の駆動電圧が印加される。このことにより、第１電極２１ａとそれに隣接する第２電極２２ａとの間、第１電極２１ｂとそれに隣接する第２電極２２ａ，２２ｂとの間にそれぞれ前記駆動電圧が印加される。これらの第１電極２１ａ，２１ｂと第２電極２２ａ，２２ｂとの間が放電部ＤＧである。各電極には誘電体膜が形成されているので、これらの放電部ＤＧで誘電体バリア放電が生じる。

図３（Ａ）は、放電素子１０１の第１電極２１ａ，２１ｂおよび第２電極２２ａ，２２ｂをジャガード織機で織ることにより構成された織物の斜視図である。図３（Ｂ）はその部分拡大図である。

この織物は、緯糸の途中領域を第１電極２１ａ，２１ｂおよび第２電極２２ａ，２２ｂとし、緯糸のその他の領域を電気的絶縁性の糸とし、経糸を電気的絶縁性の糸としてジャガード織機で平織りされたものである。

第１電極２１ａ，２１ｂ等および第２電極２２ａ，２２ｂ等は例えば直径２００μｍのアルミニウムワイヤーである。緯糸の一部および経糸である前記電気的絶縁性の糸は例えば絹撚糸である。

図３（Ａ）において、電極織込領域ＤＡは第１電極２１ａ，２１ｂ等および第２電極２２ａ，２２ｂ等と絹糸とで平織りされた矩形状の部分である。図３（Ｂ）に表れているように、電極織込領域ＤＡにおいて、第１電極２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ等および第２電極２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ等であるアルミニウムワイヤーの剛性が、経糸である絹糸４１の剛性より高いので、第１電極および第２電極はそれぞれほぼ直線状であり、第１電極と第２電極とが交互に平行に同一平面上に配列されている。そして、これらの第１電極および第２電極は絹糸４１で一定間隔を隔てられて電気的に絶縁状態が保たれている。この電極間距離は例えば７０〜８０μｍである。

図３（Ａ）、図３（Ｂ）に表れているように、ジャガード織機で風通織りにすると、緯糸である第１電極２１ａ，２１ｂ等および第２電極２２ａ，２２ｂ等は、経糸である絹糸とともに織られ、第１電極（２１ａ，２１ｂ等の奇数番目の電極）と絹糸とで織られた部分と、第２電極（２２ａ，２２ｂ等の偶数番目の電極）と絹糸とで織られた部分とは、電極織込領域の引き出し部ＬＡで第１の電極織込領域ＬＡ１および第２の電極織込領域ＬＡ２の二層に分離されて引き出される。図３（Ａ）において第１の電極織込領域ＬＡ１には第１電極２１ａ，２１ｂ等が引き出され、第２の電極織込領域ＬＡ２には第２電極２２ａ，２２ｂ等が引き出される。

前記二層の両辺（耳部）（図３（Ａ）には一方の耳部Ｆ１が表れている。）は、緯糸も絹糸であるので絹糸と絹糸との平織り構造で一体化されている。そのため全体としては二つの袋状部分を有する織物として形成される。

図４は、図３に示した織物の全体を簡略化して表した図である。この織物の上下は二層が一体化された耳部Ｆ１，Ｆ２、織物の中央部の左右は袋状部Ｓである。電極織込領域ＤＡは図４における左方向へ電極織込領域の引き出し部ＬＡ１，ＬＡ２として引き出されていて、右方向へ電極織込領域の引き出し部ＬＢ１，ＬＢ２として引き出されている。この第１の電極織込領域ＬＡ１，ＬＢ１には奇数番目の第１電極が引き出されていて、第２の電極織込領域ＬＡ２，ＬＢ２には偶数番目の第２電極が引き出されている。

このように、複数の第１電極および複数の第２電極の配列領域は矩形状であり、この矩形の配列領域の一辺に複数の第１電極と複数の第２電極がそれぞれ引き出されている。
電極織込領域ＤＡの面積は例えば１〜２ｃｍ² である。

このような織物にした後、電極織込領域ＤＡ、電極織込領域引き出し部ＬＡ１，ＬＡ２，ＬＢ１，ＬＢ２以外の領域を裁断により切り離し、電極織込領域引き出し部ＬＡ１，ＬＡ２，ＬＢ１，ＬＢ２の絹糸を選り分けて、アルミニウムワイヤーのみを束ねる。

図５（Ａ）はこのアルミニウムワイヤーを束ねた後に引き出し端子３１Ｌ，３２Ｌ，３１Ｒ，３２Ｒを圧着した状態を示す図（写真）である。図５（Ｂ）は電極織込領域ＤＡの拡大図（写真）である。

このように引き出し端子３１Ｌ，３２Ｌ，３１Ｒ，３２Ｒを圧着した後、アルミニウムワイヤー（第１電極および第２電極）を化成処理することによりアルミニウムワイヤー表面に酸化被膜を形成する。この化成処理の条件は例えば次のとおりである。

（１）アルカリ洗浄 0.1M水酸化ナトリウム水溶液 40℃ 5分
（２）化成処理 0.1mM ほう酸アンモニウム水溶液 15℃ 850V 1時間
（３）洗浄・乾燥
図６は以上に示した放電素子を備えた放電デバイスの回路図である。この放電デバイスは放電素子１０１、電流安定化用チョークコイルＬおよび交流電源回路ＡＣを備えている。この回路は引き出し端子３１Ｌ（３１Ｒ）と３２Ｌ（３２Ｒ）との間に所定の駆動電圧を印加して、誘電体バリア放電によりプラズマを発生させる回路である。図７は三種のガスにおける放電状態の写真である。図７（Ａ）はHeガス、図７（Ｂ）はArガス、図７（Ｃ）はN₂ガス、での例である。

それぞれのガスを2L/min（窒素換算）で電極部に吹き付け、交流電圧を印加し、徐々に電圧を増加させた。この実験用の電源にはハイデン研究所製 PHF-2Kを使用した。目視およびオシロスコープの電圧波形をモニタすることで放電を確認した。

図７に示すように、いずれのガスでも電極全面でプラズマが生成していることが確認できる。電極表面には誘電体膜が形成されているので、誘電体バリア放電が生じていることが分かる。

放電開始電圧はいずれも450V程度であった。電極間隔が一定に保たれているため、低い電圧で放電できたものと考えられる。

以上に示した放電デバイスは気流を発生させる装置とともに機器内に設けられて、イオン発生装置やオゾン発生装置などが構成される。

第１の実施形態の放電素子によれば、放電により活性種は織物構造の空間に生成されるので、ブロアー等による気体の流れを電極織込領域に当てるだけで、活性種を放電素子の外へ効率良く運ぶことができる。また、電極の引き出しが容易になり、外部との接続を容易にできる。

《第２の実施形態》
図８は第２の実施形態の放電素子１０２の平面図である。この放電素子１０２は、複数の第１電極２１ａ，２１ｂおよび複数の第２電極２２ａ，２２ｂを備えている。これらの第１電極および第２電極は表面に誘電体膜が形成されている。第１電極と第２電極とは交互に平行に同一平面上に配列されている。図８においては、第１電極と第２電極についてそれぞれ２本分の電極のみを表している。

複数の第１電極２１ａ，２１ｂは束ねられて、引き出し端子３１に電気的に接続されている。同様に、複数の第２電極２２ａ，２２ｂは束ねられて、引き出し端子３２に電気的に接続されている。第１電極２１ａ，２１ｂ等と第２電極２２ａ，２２ｂ等は互いに反対方向に引き出されている。そして引き出し端子３１に第１電位が印加され、引き出し端子３２に第２電位が印加される。すなわち、引き出し端子３１と３２との間に所定の交流または直流の駆動電圧が印加される。このことにより、第１電極２１ａとそれに隣接する第２電極２２ａとの間、第１電極２１ｂとそれに隣接する第２電極２２ａ，２２ｂとの間にそれぞれ前記駆動電圧が印加される。これらの第１電極２１ａ，２１ｂと第２電極２２ａ，２２ｂとの間が放電部ＤＧである。各電極には誘電体膜が形成されているので、これらの放電部ＤＧで誘電体バリア放電が生じる。

図９（Ａ）は、放電素子１０２の第１電極２１ａ，２１ｂおよび第２電極２２ａ，２２ｂを西陣織（登録商標）で平織りにより構成された織物の斜視図である。図９（Ｂ）はその部分拡大図である。

この織物は、緯糸の途中領域を第１電極２１ａ，２１ｂおよび第２電極２２ａ，２２ｂとし、緯糸のその他の領域を電気的絶縁性の糸とし、経糸を電気的絶縁性の糸として平織りされたものである。

第１電極２１ａ，２１ｂ等および第２電極２２ａ，２２ｂ等は例えば直径２００μｍのアルミニウムワイヤーである。緯糸の一部および経糸である前記電気的絶縁性の糸は例えば絹撚糸である。

図９（Ａ）において、電極織込領域ＤＡは第１電極２１ａ，２１ｂ等および第２電極２２ａ，２２ｂ等と絹糸とで平織りされた矩形状の部分である。図９（Ｂ）に表れているように、電極織込領域において、第１電極２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ等および第２電極２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ等であるアルミニウムワイヤーの剛性が、経糸である絹糸４１の剛性より高いので、第１電極および第２電極はそれぞれほぼ直線状であり、第１電極と第２電極とが交互に平行に同一平面上に配列されている。そして、これらの第１電極および第２電極は絹糸４１で一定間隔を隔てられて電気的に絶縁状態が保たれている。この電極間距離は例えば７０〜８０μｍである。

前記平織の後に、第１電極（２１ａ，２１ｂ等の奇数番目の電極）と第２電極（２２ａ，２２ｂ等の偶数番目の電極）とがそれぞれ引き出されて束ねられる。その際、第１電極と第２電極とを左右別々に引き出される。

このように、複数の第１電極および複数の第２電極の配列領域は矩形状であり、この矩形の配列領域の対向する二辺に複数の第１電極と複数の第２電極がそれぞれ引き出されることによって、第１電極と第２電極とが放電部以外の位置で近接せず、絶縁状態の確保が容易となる。

アルミニウムワイヤー（第１電極および第２電極）の表面に酸化被膜（誘電体膜）を形成する方法については第１の実施形態で示した方法と同じである。

第２の実施形態の放電素子についても第１の実施形態の放電素子と同様の効果を奏する。

《第３の実施形態》
第３の実施形態では第１電極および第２電極であるアルミニウムワイヤーに対する誘電体膜の他の形成方法について示す。

第１の実施形態では化成処理により酸化被膜を形成したが、第３の実施形態ではアルマイト処理によって酸化被膜（誘電体膜）を形成する。この処理の条件は例えば次のとおりである。

（１）アルカリ洗浄 0.1M水酸化ナトリウム水溶液 40℃ 5分
（２）陽極酸化（アルマイト）処理 1.0M硫酸水溶液 5℃ 22V 100Hz 6分
（３）化成処理 0.1mM ほう酸アンモニウム水溶液 15℃ 850V 1時間
（４）洗浄・乾燥
このように陽極酸化処理したアルミニウムワイヤーを第１電極および第２電極とした放電素子についても、第１の実施形態と同様の条件でプラズマが生成されることを確認した。

第３の実施形態によれば、アルマイト処理することにより、化成処理による酸化被膜（誘電体膜）を被覆した場合に比べてより長寿命の放電電極が得られる。

なお、以上に示した例では、アルミニウムワイヤーを用いた例を示したが、延性が高く、誘電体膜が形成でき、低抵抗の金属材料であれば、他の金属ワイヤーを用いることもできる。

ＡＣ…交流電源回路
ＤＡ…電極織込領域
ＤＧ…放電部
Ｆ１，Ｆ２…耳部
Ｌ…電流安定化用チョークコイル
ＬＡ１，ＬＢ１…第１の電極織込領域
ＬＡ２，ＬＢ２…第２の電極織込領域
Ｓ…袋状部
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…第１電極
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ…第２電極
３１，３２…端子
３１Ｌ，３２Ｌ，３１Ｒ，３２Ｒ…端子
４１…絹糸
１０１，１０２…放電素子

Claims (10)

1. 複数の第１電極と複数の第２電極とが交互に平行に同一平面上に配列され、
   前記複数の第１電極と前記複数の第２電極がそれぞれ束ねられて電気的に接続された引き出し端子を備えた放電素子。
2. 前記複数の第１電極および前記複数の第２電極の配列領域は矩形状であり、この矩形の配列領域の対向する二辺に前記複数の第１電極と前記複数の第２電極がそれぞれ引き出されている、請求項１に記載の放電素子。
3. 前記複数の第１電極および前記複数の第２電極の配列領域は矩形状であり、この矩形の配列領域の一辺に前記複数の第１電極と前記複数の第２電極がそれぞれ引き出されている、請求項１に記載の放電素子。
4. 前記第１電極または前記第２電極の少なくとの一方は金属ワイヤーで構成されている、請求項１〜３のいずれかに記載の放電素子。
5. 前記金属ワイヤーは金属表面に誘電体膜が形成されたものである、請求項４に記載の放電素子。
6. 前記誘電体膜は金属表面の陽極酸化により形成されたものである、請求項５に記載の放電素子。
7. 前記金属ワイヤーはアルミニウムの陽極酸化により表面に誘電体膜が形成されたアルミニウムワイヤーである、請求項６に記載の放電素子。
8. 前記第１電極および前記第２電極は、絶縁性の経糸とともに織られた緯糸である、請求項４〜７のいずれかに記載の放電素子。
9. 前記第１電極および前記第２電極は、それぞれ絶縁性の経糸とともに織られ、前記第１電極と前記絶縁性の経糸とで織られた部分と、前記第２電極と前記絶縁性の経糸とで織られた部分とは、分離されて二層で引き出されている、請求項８に記載の放電素子。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の放電素子と、この放電素子に駆動電圧を印加する電源回路とを備えた放電デバイス。