JP5047205B2

JP5047205B2 - プラズマ発生体およびプラズマ発生装置

Info

Publication number: JP5047205B2
Application number: JP2009041999A
Authority: JP
Inventors: 哲也木村; 隆茂八木
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-02-25
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2029-02-25
Also published as: JP2010196577A

Description

本発明は、例えば自動車の排ガスなどの有害ガスの浄化に利用されるプラズマ発生体およびプラズマ発生装置に関する。

プラズマ放電技術は、オゾン発生器、電気集塵装置、空気清浄機および有害ガス分解装置など幅広い分野において利用されている。例えば、電極間に高電圧を印加してプラズマ場（プラズマ発生領域）を発生させ、このプラズマ場（プラズマ発生領域）に排ガスを通過させて浄化することが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。

ここで、プラズマを発生させるプラズマ発生体として、セラミックスからなる絶縁基板と、絶縁基板の一方主面に設けられた第一電極と、絶縁基板の内部または他方主面に設けられ、第一電極の少なくとも一部と対向している対向領域および絶縁基板の一方主面に垂直な方向から見たときに前記第一電極の外側に延出している延出領域からなる主面を有する第二電極とを備え、第一電極の表面にはプラズマによる侵食を防ぐために、第一電極の全面を被覆するようにオーバーコート層（保護被膜）が形成された沿面放電型のプラズマ発生体が知られている（例えば、特許文献２および特許文献３を参照。）。

この沿面放電型のプラズマ発生体は、主として第一電極の側方であって一方主面に垂直な方向から見たときの延出領域の上方にプラズマが発生するようになっているものである。

特開２００２−２２１０２６号公報特開平２−２９５０８７号公報特開平１１−２２８１１２号公報

しかしながら、特許文献２および特許文献３に記載のプラズマ発生体においては、第一電極の全面を被覆するようにオーバーコート層（保護被膜）が形成されていることで、高い電圧にならないとプラズマが発生し難いという問題がある。

一方、第一電極を被覆するオーバーコート層（保護被膜）が形成されていないと、第一電極の側面から侵食を受けやすい。特に、第一電極の角部となる部位の周辺は、他の部位の周辺よりプラズマが発生しやすく、侵食を受けやすいという問題があり、このプラズマ発生体を備えたプラズマ発生装置においては長期信頼性が十分でないという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、低い電圧でプラズマを発生させることができ、プラズマによる表面電極の侵食が抑制された沿面放電型のプラズマ発生体およびプラズマ発生装置を提供することを目的とする。

本発明は、セラミックスからなる絶縁基板と、該絶縁基板の一方主面に設けられた第一電極と、前記絶縁基板の内部または他方主面に設けられ、前記第一電極の少なくとも一部と対向している対向領域および前記絶縁基板の一方主面に垂直な方向から見たときに前記第一電極の外側に延出している延出領域からなる第二電極とを備えた沿面放電型のプラズマ発生体であって、前記絶縁基板の一方主面に垂直な方向から見たときに、前記第二電極の内側に位置する前記第一電極の周縁部がセラミック被膜で覆われているとともに、前記セラミック被膜と該セラミック被膜から露出する前記第一電極との境界が連続する凹凸形状に形成されていることを特徴とするものである。

また本発明は、セラミックスからなる絶縁基板と、該絶縁基板のそれぞれの主面に設けられた第一電極と、前記絶縁基板の内部に設けられ、前記第一電極の少なくとも一部と対向している対向領域および前記絶縁基板の主面に垂直な方向から見たときに前記第一電極の外側に延出している延出領域からなる第二電極とを備えた沿面放電型のプラズマ発生体であって、前記絶縁基板の一方主面に垂直な方向から見たときに、前記第二電極の内側に位置する前記第一電極の周縁部がセラミック被膜で覆われているとともに、前記セラミック被膜と該セラミック被膜から露出する前記第一電極との境界が連続する凹凸形状に形成されていることを特徴とするものである。

ここで、前記凹凸形状が鋸刃状であるのが好ましい。

さらに本発明は、絶縁基板の一方主面に第一電極が設けられた一対の前記プラズマ発生体をそれぞれの第一電極を内側に向けて上下に配置するとともに、これらの間に絶縁基板のそれぞれの主面に第一電極が設けられた前記プラズマ発生体を配置してなることを特徴とするプラズマ発生装置である。

本発明のプラズマ発生体によれば、絶縁基板の表面に設けられた第一電極の周縁部のみがセラミック被膜で覆われ、しかも絶縁基板の一方主面に垂直な方向から見たときにセラミック被膜から露出する第一電極とセラミック被膜との境界が連続する凹凸形状に形成されているので、全面被覆に比べて低い電圧でプラズマを発生させることができ、プラズマによる第一電極（表面電極）の侵食を抑制することができる。

また、本発明のプラズマ発生装置によれば、絶縁基板の一方主面に第一電極が設けられた一対のプラズマ発生体をそれぞれの第一電極を内側に向けて上下に配置するとともに、これらの間に絶縁基板のそれぞれの主面に第一電極が設けられたプラズマ発生体を配置していることで、これらの間を通過する有害ガスを十分に浄化することができ、長期信頼性に優れた装置を実現することができる。

本発明のプラズマ発生体の一実施形態の説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図、（ｃ）は平面透視図である。本発明のプラズマ発生体の他の実施形態の概略断面図である。本発明のプラズマ発生体の他の実施形態の概略断面図である。本発明のプラズマ発生体の他の実施形態の概略断面図である。本発明のプラズマ発生体の他の実施形態の概略断面図である。本発明のプラズマ発生装置の一実施形態の概略断面図である。本発明のプラズマ発生装置の他の実施形態の概略断面図である。

以下、本発明のプラズマ発生体の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明のプラズマ発生体の一実施形態の説明図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図、図１（ｃ）は平面透視図である。

図１に示すプラズマ発生体は、セラミックスからなる絶縁基板１と、絶縁基板１の一方主面に設けられた第一電極２１と、絶縁基板１の内部に設けられ、第一電極２１の少なくとも一部と対向している対向領域および絶縁基板１の一方主面に垂直な方向から見たときに第一電極２１の外側に延出している延出領域からなる第二電極２２とを備えた沿面放電型のプラズマ発生体である。なお、図１では第二電極２２が絶縁基板１の内部に設けられた例が示されているが、図２に示すように、絶縁基板１の一方主面に第一電極２１が設けられ、他方主面に第二電極２２が設けられていても構わない。

絶縁基板１は、例えばアルミナ、ムライト、窒化アルミニウム、コーディライト、炭化珪素などのセラミックスからなり、例えばアルミナセラミックスにより形成する場合、主成分であるアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）と、シリカ（ＳｉＯ_２）、カルシア（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ）等の焼結助剤とからなる原料粉末に、有機溶剤および溶媒を添加混合して泥漿状にするとともに、これをドクターブレード法もしくはカレンダーロール法等でシート状に成形してなるセラミックグリーンシートを複数枚積層し、高温（約１３００〜１８００℃）で焼成することによって得られたものである。なお、積層に際しては、３．０〜８．０ＭＰａ程度の圧力を加えて圧着を行ない、必要に応じて３５〜８０℃で加熱を行なうのが好ましい。また、溶剤と樹脂バインダーを混合するなどして作製した接着剤を用いてもよい。

絶縁基板１の一方主面には矩形状の第一電極２１が設けられ、絶縁基板１の内部には第一電極２１の少なくとも一部と対向している対向領域および一方主面に垂直な方向から見たときに第一電極２１の外側に延出している延出領域からなる第二電極２２が設けられている。第一電極２１および第二電極２２はその端部が絶縁基板１の端面まで延びており、絶縁基板１の一方の端面には第一電極２１と電気的に接続された外部端子３１が設けられ、絶縁基板１の他方の端面には第二電極２２と電気的に接続された外部端子３２が設けられている。この外部端子３１および外部端子３２は、第一電極２１および第二電極２２に電圧を印加するための導電路として機能する。なお、図１（ｃ）に示す点線領域は、セラミック被膜４で覆われた第一電極２１の外周および絶縁基板１の内部に埋設された第二電極２２の外周を示している。

第一電極２１および第二電極２２は、タングステン、モリブデン、銅、銀等の金属粉末を主成分とする導体ペーストを、スクリーン印刷法等の印刷手段を用いて、絶縁基板１となるセラミックグリーンシートの所定の位置に印刷塗布し、セラミックグリーンシートと同時焼成することによって形成されたものである。なお、導体ペーストは、主成分の金属粉末に有機バインダーおよび有機溶剤、並びに必要に応じて分散剤等を加えて、ボールミル、三本ロールミル、またはプラネタリーミキサー等の混練手段により作製される。導体ペーストには、セラミックグリーンシートの焼結挙動に合わせたり、焼結後の絶縁基板１との接合強度を高めたりするために、ガラス粉末やセラミック粉末を添加してもよい。

外部端子３１および外部端子３２は、第一電極２１および第二電極２２を形成するための導体ペーストと同様の導体ペーストを所定の位置に塗布し、セラミックグリーンシートと同時焼成することによって形成されたものである。この導体ペーストも第一電極２１用および第二電極２２用の導体ペーストと同様にして作製されるが、有機バインダーおよび有機溶剤の量は外部端子３１および外部端子３２に適した粘度に調製される。

なお、外部端子３１および外部端子３２の表面には、ニッケル、金等の耐蝕性に優れるめっき層を形成しておくことが好ましい。これにより、酸化腐食を抑制するとともに、外部電源の電源端子との接合を強固なものとすることができる。特に、厚みが１〜１０μｍ程度のニッケルめっき層と厚みが０．１〜３μｍ程度の金めっき層とが順次形成されていることが好ましい。

そして、外部端子３１および外部端子３２を通して第一電極２１と第二電極２２との間に交流電圧を印加することにより、いわゆる沿面放電によってプラズマを発生させるようになっている。具体的には、外部電源の電源端子（図示せず）を圧接または接合等の手段により外部端子３１および外部端子３２に電気的に接続し、外部端子３１および外部端子３２を通して第二電極２２に基準電位が供給されるとともに第一電極２１と第二電極２２との間に交流電圧が印加され、主として第一電極２１の側方であって一方主面に垂直な方向から見たときの延出領域の上方にプラズマが発生する。

プラズマ発生領域を通過する流体は、反応および分解によって浄化される。例えば、還元雰囲気下においては、ＮＯ_Ｘ（窒素酸化物）は、下記の式（１）および（２）に示された反応より分解して、Ｎ_２およびＯ_２が生成されて浄化される。

２ＮＯ_２ → ２ＮＯ＋Ｏ_２・・・・・・・・・・（１）
２ＮＯ＋Ｏ_２ → Ｎ_２＋２Ｏ_２・・・・・・・・（２）
なお、プラズマを発生させるためには周波数の高い交流電圧が印加され、この交流電圧は必要とされるプラズマの強度等によって適宜選択される。例えば、ディーゼルエンジンの排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）や酸化成分等の流体を浄化するプラズマ発生体において印加される交流電圧の周波数は、例えば、１ｋＨｚ〜１００ＭＨｚである。

そして、絶縁基板１の一方主面に垂直な方向から見たときに、第二電極２２の内側に位置する第一電極２１の周縁部がセラミック被膜４で覆われているとともに、セラミック被膜４から露出する第一電極２１との境界が連続する凹凸形状に形成されている。

セラミック被膜４は、絶縁基板１の形成材料と同様の材料で形成され、例えばアルミナ、ムライト、窒化アルミニウム、コーディライト、炭化珪素などのセラミック焼結体が採用される。特に、セラミック被膜４の誘電率を絶縁基板１の誘電率よりも低くすることが好ましい。セラミック被膜４の誘電率を絶縁基板１の誘電率よりも低くすることで、電界が集中しやすく、セラミック被膜４の周囲にプラズマが発生しやすくなる。

また、セラミック被膜４の形成されていない沿面放電型のプラズマ発生体においては、第一電極２１の側面から剥離していくようにプラズマによる侵食を受けるが、第一電極２１の周縁部がセラミック被膜４で覆われていることで、絶縁基板１と第一電極２１との接合性が向上することも作用し、プラズマによる侵食を抑制することができる。

さらに、セラミック被膜４とセラミック被膜４から露出する第一電極２１との境界が連続する凹凸形状に形成されていることで、第一電極２１の外部に露出する領域の周縁が凸部２１１と凹部２１２とを備えた連続する凹凸形状となる。この凸部２１１には電界の集中が生じやすくなっていて、この凸部２１１がプラズマ発生の起点となり、プラズマが発生しやすくなる。したがって、低い電圧でプラズマを発生させることができる。

ここで、凹凸形状がプラズマ発生の起点となる角部を有していれば本発明の効果は発現されるが、特に凹凸形状としては図１に示すように鋸刃状であるのが好ましい。鋸刃状であると、凸部２１１の先端が尖っていることから、電界がより集中しやすくなり、プラズマが発生しやすくなる。

なお、第一電極２１と第二電極２２の面積は、必要とするプラズマの強度や第一電極２１と第二電極２２との間に印加する電圧等によって適宜決定される。例えば、ディーゼルエンジンの排気ガス中のＰＭや酸化成分等の流体を浄化する量により面積が決定される。

また、図１に示す実施形態では、絶縁基板１の一方主面に一つの第一電極２１が設けられた構成が示されているが、図３に示すように、複数の第一電極２１が設けられた構成であってもよい。このように複数の第一電極２１が設けられることで、より多くのプラズマを発生させることができる。換言すれば、プラズマ密度をあげるとともに、プラズマの発生領域を拡げることができる。なお、図３においては、点線を外周とする矩形状の２枚の第一電極２１が周縁部をセラミック被膜４で覆われていて、点線を外周とする第二電極２２が絶縁基板１に埋設されている。

また、図４に示すように、絶縁基板１のそれぞれの主面（一方主面および他方主面）に第一電極２１が設けられ、絶縁基板１の内部に第二電極２２が設けられた構成であってもよい。さらに、図５に示すように、絶縁基板１の内部に二つの第二電極２２が対向するように設けられた構成であってもよい。これらのプラズマ発生体によれば、それぞれの主面の設けられた上側の第一電極２１の側方であって一方主面に垂直な方向から見たときの延出領域の上方および下側の第一電極２２の側方であって一方主面に垂直な方向から見たときの延出領域の下方にプラズマを発生させることができる。なお、図５に示す構成によれば、ある程度厚みをもたせて強度を保ちつつ、第一電極２１と第二電極２２との間の距離を短くして、電界集中を高めることができる。

そして、絶縁基板１の一方主面に第一電極２１が設けられたプラズマ発生体をプラズマ発生体Ａとし、絶縁基板１のそれぞれの主面に第一電極２１が設けられたプラズマ発生体をプラズマ発生体Ｂとすると、これらを組み合わせることで、有害ガスが通過する空間を形成し、その空間にプラズマを発生させて有害ガスを浄化することができる。

具体的には、図６および図７に示すように、一対のプラズマ発生体Ａを互いの第一電極２１を内側に向けて上下に配置し、プラズマ発生体Ｂを上下のプラズマ発生体Ａの間に配置して、セラミック焼結体からなる支持部５によって所定の間隙を設けつつ上下のプラズマ発生体（プラズマ発生体Ａとプラズマ発生体Ｂおよびプラズマ発生体Ｂ同士）を接合することで、有害ガスが通過する空間を有するプラズマ発生装置が得られる。

このプラズマ発生装置によれば、それぞれの空間を通過する有害ガスを十分に浄化することができ、長期信頼性に優れた装置を実現することができる。

１・・・絶縁基板
２１・・・第一電極
２１１・・・凸部
２２・・・第二電極
３１、３２・・・外部端子
４・・・セラミック被膜
５・・・支持部
Ａ、Ｂ・・・プラズマ発生体

Claims

セラミックスからなる絶縁基板と、該絶縁基板の一方主面に設けられた第一電極と、前記絶縁基板の内部または他方主面に設けられ、前記第一電極の少なくとも一部と対向している対向領域および前記絶縁基板の一方主面に垂直な方向から見たときに前記第一電極の外側に延出している延出領域からなる第二電極とを備えた沿面放電型のプラズマ発生体であって、
前記絶縁基板の一方主面に垂直な方向から見たときに、前記第二電極の内側に位置する前記第一電極の周縁部がセラミック被膜で覆われているとともに、前記セラミック被膜と該セラミック被膜から露出する前記第一電極との境界が連続する凹凸形状に形成されていることを特徴とするプラズマ発生体。
セラミックスからなる絶縁基板と、該絶縁基板のそれぞれの主面に設けられた第一電極と、前記絶縁基板の内部に設けられ、前記第一電極の少なくとも一部と対向している対向領域および前記絶縁基板の主面に垂直な方向から見たときに前記第一電極の外側に延出している延出領域からなる第二電極とを備えた沿面放電型のプラズマ発生体であって、
前記絶縁基板の一方主面に垂直な方向から見たときに、前記第二電極の内側に位置する前記第一電極の周縁部がセラミック被膜で覆われているとともに、前記セラミック被膜と該セラミック被膜から露出する前記第一電極との境界が連続する凹凸形状に形成されていることを特徴とするプラズマ発生体。
前記凹凸形状が鋸刃状であることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ発生体。
一対の請求項１に記載のプラズマ発生体をそれぞれの前記第一電極を内側に向けて上下に配置するとともに、前記一対の請求項１に記載のプラズマ発生体の間に請求項２に記載のプラズマ発生体を配置してなることを特徴とするプラズマ発生装置。