JP2006040734A

JP2006040734A - 放電用電極

Info

Publication number: JP2006040734A
Application number: JP2004219337A
Authority: JP
Inventors: Tetsuji Shibata; 哲司柴田; Yoshiyuki Nakazono; 佳幸中園; Noriyuki Taguchi; 典幸田口; Koji Sawada; 康志澤田
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2004-07-27
Filing date: 2004-07-27
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】耐久性が高くて長時間連続して放電を安定して発生させることができる放電用電極を提供する。
【解決手段】収納凹部１を有するカバー材２をセラミック焼結体で形成する。収納凹部１に電極３を設けると共に収納凹部１内の面に電極３の表面を密着させる。セラミック焼結体はセラミックの溶射コーティング層に比べて、空隙率を小さくして緻密にすることができ、このセラミック焼結体のカバー材２で電極３を被覆することにより、放電時に絶縁破壊が起こりにくくなってカバー材２の損傷を防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、グロー放電などの放電を発生するために用いられる放電用電極に関するものである。

従来より、対向配置された電極間に電圧を印加することにより放電を発生させ、この放電により生成されるプラズマを被処理物に供給することにより、被処理物の表面をクリーニングしたり改質したりすることが行なわれている。上記電極としてはその表面をセラミック誘電体の溶射コーティング層で被覆したものが用いられており、これにより、絶縁耐圧を向上させてアーク放電を抑制し、放電の均一性を高めるようにしている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、セラミック誘電体の溶射コーティング層は、セラミックの粉体の堆積により形成されるものであるので、微視的には非常にポーラスで均一性が低いものであり、グロー放電を長時間連続的に発生させると、アーク放電などの絶縁破壊が起こりやすく、耐久性が低いという問題があった。また、溶射皮膜の重なり部分に発生する界面により、絶縁破壊電圧が低下するという問題もあった。そこで、特許文献１の発明では溶射コーティング層の表面に樹脂被覆を施しているが、放電により樹脂被覆から不純物が生じて被処理物を汚染する場合もあった。

また、誘電体層として、粉体のガラス質材料を金属電極にスプレーなどで塗布した後、熱溶着して被覆する方法の提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかし、この方法によっても誘電体層の皮膜に微小なピンホールが発生しやすく、アーク放電が発生しやすい欠点があった。

また、ガラスやセラミックなどの固体誘電体平板を金属に配設する方法も提案されているが（例えば、特許文献３参照）、対向する金属むき出しの部分間でアーク放電が発生しやすいという問題があった。
特開平２００３−１１７３８４号公報特開２００１−１０２１９７号公報特開平４−３５８０７６号公報

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、耐久性が高くて長時間連続して放電を安定して発生させることができる放電用電極を提供することを目的とするものである。

本発明は、図1に示すように収納凹部１を有するカバー材２をセラミック焼結体で形成し、収納凹部１に電極３を設けると共に収納凹部１内の面に電極３の表面を密着させて成ることを特徴とするものである。

本発明にあっては、収納凹部１内の面と電極３の表面とをロウ付けすることが好ましい。

また、本発明にあっては、収納凹部１の開口を樹脂封止材４で封止するのが好ましい。

セラミック焼結体はセラミックの溶射コーティング層に比べて、空隙率を小さくして緻密にすることができ、このセラミック焼結体の一体のカバー材２で電極３を被覆することにより、放電時に絶縁破壊が起こりにくくなってカバー材２の損傷を防止することができ、耐久性を向上させることができると共に長時間連続して放電を安定して発生させることができるものである。また、電極３をカバー材２の収納凹部１に収納して設けることによって、電極３の放電面のみを被覆する場合に比べて、電極３の露出面積を小さくすることができ、電極３からの異常放電を少なくして効率よく安定して放電を発生させることができるものである。さらに、収納凹部１内の面に電極３の表面を密着させることにより、収納凹部１内の面と電極３の表面との間で放電が起こらないようにすることができ、電極３の劣化を少なくすることができるものである。

また、収納凹部１内の面と電極３の表面とをロウ付けすることにより、樹脂接着剤で接着する場合に比べて、熱劣化などを少なくすることができ、耐久性をより向上させることができるものである。

また、収納凹部１の開口を樹脂封止材４で封止するので、樹脂封止材４で収納凹部１の開口を閉塞することにより電極３の露出面積をさらに小さくすることができ、電極３からの異常放電をより少なくして効率よく安定して放電を発生させることができるものである。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図２に示すように、本発明の放電用電極Ａは、セラミック焼結体で形成されるカバー材２と、金属導体で形成される電極３と、樹脂封止材４とを備えて形成されている。

カバー材２を形成するためのセラミック焼結体は、セラミックの粉体材料を焼結することにより形成されるものであり、このセラミックの粉体材料としては、例えば、アルミナ、酸化ケイ素、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、窒化アルミニウム、チタン酸バリウムなどの公知のものを単独で用いたりあるいは複数種類併用したりすることができる。また、セラミックの粉体材料の粒径は、例えば０．１〜１０００μｍにすることができるが、これに限定されるものではない。

カバー材２は断面略コ字状で横長の箱型に形成されており、カバー材２の内側空間は収納凹部１として形成されている。この収納凹部１はカバー材２の背面に開口させている。また、カバー材２の厚み（肉厚）は、例えば０．０１〜１０ｍｍにすることができる。尚、カバー材２の形状や大きさなどは適宜設計変更可能である。

上記のような収納凹部１を有するカバー材２を形成するにあたっては、各種の方法を採用することができる。例えば、セラミックの粉体材料を角材形状などの所望の形状に成形した後、焼成してセラミック焼結体のカバー素材を形成し、このカバー素材に切削加工などの三次元加工を施して収納凹部１を形成することにより、カバー材２とすることができる。また、セラミックの粉体材料をカバー材２の形状に成形した後、焼成することによりセラミック焼結体のカバー材２を形成することができる。セラミックの粉体材料を成形するにあたっては、鋳込み成形法、塑性成形法、加圧成形法、射出成形法、テープ成形法、低温等方圧圧密成形法、ゲル化による成形法などを例示することができる。また、焼成工程での温度は、使用するセラミックの粉体材料の種類などによって異なるが、例えば５００〜２５００℃にすることができる。尚、カバー材２の形成にあたっては、成形と焼成とを同時に行なうホットプレス法や高温等方圧圧密成形法などを用いても良い。

電極３は銅、アルミニウム、真鍮、耐食性の高いステンレス鋼（ＳＵＳ３０４など）、チタン、金、銀、銀パラジウム、タングステン、モリブデン、クロム、コバール、４２アロイなどの導電性の金属材料を用いて形成することができる。電極３の大きさや形状は収納凹部１に嵌り込み可能であれば、特に限定されるものではないが、収納凹部１内の面と電極３の表面との間の隙間をできる限り少なくするように、収納凹部１の形状と電極３の形状を整合させるのが好ましい。

樹脂封止材４はエポキシ樹脂、テトラフルオロエチレン樹脂（テフロン（登録商標））、ピーク樹脂などの絶縁性を有する樹脂を用いた横長の成形品であって、その正面に封入突条５を全長に亘って設けて断面略凸形状に形成されている。

そして、本発明の放電用電極Ａを形成するにあたっては、カバー材２の収納凹部１にその背面の開口から電極３を嵌め込んで収納凹部１内に電極３を収納し、この後、封入突条５を収納凹部１の開口に挿入するようにして樹脂封止材４をカバー材２の背面側に取り付けるようにする。樹脂封止材４の取り付けは接着剤等で接着して行うことができる。ここで、カバー材２の内面である収納凹部１内の面と電極３の表面（背面を除く）とは密着させるが、カバー材２や電極３の寸法精度が高くても微細な隙間が生じることがある。そこで、収納凹部１内の面と電極３の表面との密着性を高くするために、モリブデン-マンガンや活性金属を使用したロウ付けや、固相接合法により接合するのが好ましく、これにより、上記微細な隙間が埋められることになり、収納凹部１内の面と電極３の表面とを密着させることができる。ロウ材の例としてはＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系や、Ｎｉ−Ｔｉ系材料を例示できるが、ガラス剤を配合した低温ロウ材を使用することもできる。また、ロウ付けするにあたっては、ロウ材を電極３と共に収納凹部１に入れて加熱し、ロウ材を溶融させた後、冷却するようにして行なう。尚、ロウ付けの代わりに樹脂接着剤を用いて接着しても良いが、樹脂接着剤は耐熱性が低いので、ロウ付けの方が好ましい。

本発明の放電用電極Ａはプラズマ発生装置に用いることができる。図１のプラズマ発生装置は、一対の放電用電極Ａ、Ａをその正面（樹脂封止材４と反対側の面）を向い合わせて対向配置すると共に電極３に高周波電源やパルス電源等の電源６を接続することによって、形成されている。そして、一対の放電用電極Ａ、Ａの間の放電空間７に上側からガスＧを導入すると共に一対の放電用電極Ａ、Ａ間に高周波電圧やパルス電圧を印加することによって、放電空間７でグロー状の放電を発生させ、この放電により放電空間７でプラズマＰを生成し、このプラズマＰを放電空間７の下側開口から吹き出して被処理物の表面に供給することによって、クリーニングや表面改質などのプラズマ処理を行うことができる。尚、上記のプラズマ発生装置において、放電用電極Ａ、Ａ間の距離は印加する電圧の大きさやカバー材２の厚みなどに応じて適宜設定可能であるが、例えば、０．１〜５０ｍｍにすることができる。また、上記のプラズマ発生装置は、例えば、０．０９〜０．１２ＭＰａの大気圧近傍の圧力下で使用することができる。また、放電空間７における電界強度が１０〜１０００ｋＶ／ｃｍ、電圧の立ち上がり時間及び立ち下がり時間が１０μｓ以下となるように電圧を印加するのが好ましい。さらに、プラズマ生成用のガスとしては、空気、窒素、ヘリウム、アルゴンあるいはこれらのガスにＣＦ_４などのフッ素系ガスや水素ガスなどを混合したガスなどを用いることができる。

そして、本発明の放電用電極Ａは、溶射コーティング層よりも空隙率が小さくて緻密なセラミック焼結体のカバー材２で電極３を被覆するので、放電時に絶縁破壊が起こりにくくすることができ、カバー材２の損傷を防止し、耐久性を向上させ、長時間連続して放電を安定に発生させることができる。また、カバー材２の収納凹部１に電極３を嵌め込んで、その正面、上面、下面、側面を一体のカバー材２で覆うことによって、電極３の放電面（電極３、３の互いに対向する正面）のみを被覆する場合に比べて、電極３の露出面積を小さくすることができて電極３からの異常放電を少なくして効率よく安定して放電させることができる。さらに、収納凹部１内の面に電極３の表面を密着させることにより、収納凹部１内の面と電極３の表面との間で放電が起こらないようにすることができ、電極３の劣化を少なくすることができる。また、収納凹部１の開口を樹脂封止材４で封止するので、電極３の露出面積をさらに小さくすることができ、電極３からの異常放電をより少なくして効率よく安定して放電させることができる。

本発明において、カバー材２は各種の形状に形成することができる。図１のものでは収納凹部１はカバー材２の背面のみに開口させるようにしているが、例えば、図３に示すように、収納凹部１をカバー材２の背面と上面とに亘って開口させるようにしても良く、この場合、収納凹部１の上面開口を閉塞するための上部閉塞部７を樹脂封止材４に設けることができる。

また、図４に示すように、収納凹部１をカバー材２の背面と両側面とに亘って開口させるようにしても良く、この場合、収納凹部１の側面開口を閉塞するための側部閉塞部８を樹脂封止材４に設けることができる。そして、この放電用電極Ａ、Ａを一対用いて上記と同様のプラズマ生成装置を形成する場合に、図５に示すように、対向する放電用電極Ａ、Ａの側部閉塞部８、８同士あるいはその間においてカバー材２を、樹脂成形品などの連結部材９で連結することができ、対向する放電用電極Ａ、Ａの間隔を連結部材９で一定に保持することができて放電を安定化させることができる。さらに、この場合、カバー材２は電極３よりも長く形成することにより、連結部分には電界は作用せず、放電が発生しないため、連結部材９への放電による劣化が軽減され、耐久性を向上させることができる。

また、図６に示すように、本発明の放電用電極Ａを複数個並べて使用することもできる。これは従来法ではピンホールなどにより電極３の接触部分でアーク放電が生じやすく適用が難しかったが、本方法ではそのような問題が発生せず、容易に幅方向に延長して処理幅を拡大することが可能となった。

尚、上記では樹脂封止材４として成形品を嵌め込む場合について説明したが、これに限らず、硬化前の樹脂を電極３及びカバー材２の背面側に充填し、この後、樹脂を硬化させて樹脂封止材４を形成しても良い。

以下本発明を実施例によって具体的に説明する。

（実施例）
図２に示す放電用電極Ａを形成した。

カバー材２はアルミナの粉体材料を原料とするセラミック焼結体であって、外寸を長さ２００ｍｍ、高さ３０ｍｍ、幅３０ｍｍとし、内寸長さ１９８ｍｍ、高さ２９ｍｍ、幅２８ｍｍとした。従って、カバー材２の厚みは１ｍｍである。また、このカバー材２は常圧焼結法により形成した。

電極３はチタン製の金属導体であって、長さ１９８ｍｍ、高さ２５ｍｍ、幅２８ｍｍとした。

樹脂封止材４はエポキシ樹脂製であって、長さ１９８ｍｍ、高さ７ｍｍ、幅３０ｍｍ、封入突条５の突出寸法４ｍｍとした。

そして、カバー材２の収納凹部１に嵌め込むと共にカバー材２及び電極３の背面側に樹脂封止材４を取り付けることによって、本発明の放電用電極Ａを形成した。ここで、収納凹部１内の面（カバー材２の内面）と電極３の背面を除く全外面とをロウ付けした。

（比較例）
実施例１と同様の電極３に、セラミックの溶射コーティング層を全面に亘って形成して放電用電極Ａとした。ここで、セラミックコーティング層にはアルミナを用い、プラズマ溶射法によりコーティング層を形成した。また、溶射コーティング層の厚みは１ｍｍとした。

上記実施例と比較例の放電用電極Ａを用いて図１に示すプラズマ発生装置を形成した。この時、対向配置した放電用電極Ａ、Ａの間隔は１ｍｍとした。そして、プラズマ生成用のガスＧとして窒素を用い、周波数５０ｋＨｚ、印加電圧１２ｋＶの正弦波の高周波電圧を放電用電極Ａ、Ａ間に印加することにより、グロー状の放電を発生させてプラズマＰを生成した。

実施例の放電用電極Ａを用いたプラズマ発生装置では、３００日以上運転しても絶縁破壊は生じず、長時間連続運転しても安定して放電を維持することができたが、比較例の放電用電極Ａを用いたプラズマ発生装置では１００日後に溶射コーティング層に亀裂が入って絶縁破壊を起し、また、放電状態も不安定であった。従って、セラミック焼結体のカバー材２を用いた実施例の放電用電極Ａは、溶射コーティング層で被覆した比較例の放電用電極Ａよりも耐久性が高く、放電の安定性に優れるものであった。

本発明は、プラズマ発生装置だけでなく、放電現象を用いる各種装置に適用可能である。

本発明の実施の形態の一例を示す断面図である。同上の分解斜視図である。同上の他例を示す分解斜視図である。同上の他例を示す分解斜視図である。図４の放電用電極を用いたプラズマ発生装置の一例を示す断面図である。本発明の使用例を示す断面図である。

符号の説明

１収納凹部
２カバー材
３電極
４樹脂封止材

Claims

収納凹部を有するカバー材をセラミック焼結体で形成し、収納凹部に電極を設けると共に収納凹部内の面に電極の表面を密着させて成ることを特徴とする放電用電極。
収納凹部内の面と電極の表面とをロウ付けして成ることを特徴とする請求項１に記載の放電用電極。
収納凹部の開口を樹脂封止材で封止して成ることを特徴とする請求項１又は２に記載の放電用電極。