JP2008218138A - 針状放電電極及び放電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】印加する高電圧が交流・直流のいずれでも放電させることができ、放電に対する耐剥離性・耐磨耗性・耐破壊性、及び腐食に対する耐食性が従来よりも格段に高く、電極自身からのスパッタリングによる発塵がほとんど生じない長寿命な針状放電電極と、これを用いた放電装置を提供する。
【解決手段】金属基材部２上にダイヤモンド粒子と金属粒子とを焼結して導電性ダイヤ部３を形成した円錐形状の焼結体４の金属基材部２が金属柱体５の先端にロウ付け部６でロウ付けされ、導電性ダイヤ部３が針先部分となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、針状放電電極とこれを用いた放電装置に関する。

特許文献１（特開２００５−１９１６４号公報）には、電極先端の酸化物生成や電極表面からの発塵を低減するため、金属製の放電電極基材をダイヤモンド膜で被覆したコロナ放電電極、及びその被膜をマイクロ波プラズマＣＶＤ等のＣＶＤ法で形成することが開示されている。

しかし、これは金属製の放電電極基材の表面にダイヤモンド膜を形成するため、このダイヤモンド膜が絶縁被膜となり、コロナ放電電極として用いるには、印加する高電圧が交流でないとコロナ放電が発生せず、直流高電圧によるコロナ放電には適さない。

また、針状放電電極とする場合、針状電極の表面にマイクロ波プラズマＣＶＤ法によってダイヤモンドの結晶を気相成長させることで、ダイヤモンド膜を形成しているが、このようなことを針状電極の１本１本について行わなければならず、製造が非常に面倒である。

さらに、金属製の放電電極基材の表面にダイヤモンドの結晶を気相成長させてダイヤモンド膜を形成するため、絶縁被膜となるダイヤモンド膜が放電電極基材の放電による電撃の繰り返しで剥離する恐れがある。
特開２００５−１９１６４号公報

本発明の課題は、印加する高電圧が交流・直流のいずれでも放電させることができ、放電に対する耐剥離性・耐磨耗性・耐破壊性、及び腐食に対する耐食性が従来よりも格段に高く、電極自身からのスパッタリングによる発塵がほとんど生じない長寿命な針状放電電極と、これを用いた放電装置を提供することにある。

本発明の針状放電電極は、金属基材部上にダイヤモンド粒子と金属粒子（合金を含む）とを焼結して導電性ダイヤ部を形成した円錐形状の焼結体の金属基材部が金属柱体の先端にロウ付けされ、導電性ダイヤ部が針先部分となっていることを特徴とする。

その好ましい具体的形態である請求項２に係る発明は、焼結された金属粒子が、炭化物形成能の高い金属で、その焼結時に生じた金属炭化物によりダイヤモンド粒子が被覆されている。
請求項３に係る発明は、金属基材部が炭化金属（炭化合金を含む）で構成されている。
請求項４に係る発明は、円錐形状の焼結体が、焼結体原板から円錐形状に研削して成形したものである。

本発明による放電装置は、このような針状放電電極を放電電極として用いたものである。

本発明の針状放電電極は、金属基材部上にダイヤモンド粒子と金属粒子とを焼結して導電性ダイヤ部を形成した円錐形状の焼結体の金属基材部を金属柱体の先端にロウ付けして、導電性ダイヤ部を針先部分としているので、針先部分となる導電性ダイヤ部は、ダイヤモンド粒子と金属粒子とが金属基材部上で焼結されて渾然一体となっており、放電に対する耐剥離性・耐磨耗性・耐破壊性が非常に高いとともに、腐食に対する耐食性も非常に高い針先となる。従って、電極自身からのスパッタリングによる発塵がほとんどないとともに、耐久性に優れた針状放電電極となる。

請求項２に係る発明によると、導電性ダイヤ部は、炭化物形成能の高い金属を焼結することによりその炭化物でダイヤモンド粒子が被覆されているので、耐剥離性・耐磨耗性・耐破壊性・耐食性及び耐食性が一層高い針先となる。

請求項３に係る発明によると、焼結体の金属基材部が炭化金属で構成されているので、針先部分となる導電性ダイヤ部との一体性が高く、また、土台となる金属柱体へのロウ付けも強固にできる。

請求項４に係る発明によると、円錐形状の焼結体は、金属基材部上にダイヤモンド粒子と金属粒子とを焼結して導電性ダイヤ部を積層形成した焼結体原板から、円錐形状に研削して成形したものであるので、このような焼結体原板から簡単に製作できる。

請求項５に係る本発明の放電装置は、上記のような針状放電電極を用いるので、タングステンやステンレスや合金などの針状放電電極を用いた従来の放電装置に比べ、放電電極の交換頻度が格段に少なくなり、電極のメンテナンスが軽減される。
半導体製造等におけるクリーンルームなどで使用されている除電器には、半導体等に対するコンタミネーションとはならないように、従来、ポリシリコン（多結晶ケイ素）の針状放電電極が多用されているが、ポリシリコン針は、それ自体折れやすく、特に劣化が進展すると脆くなり、交換時などには取り扱いが難しい。
これに対して、本発明による針状放電電極は強靱で、耐剥離性・耐磨耗性・耐破壊性及び耐食性が高いことから、クリーンルームで使用してもコンタミネーションの原因にならず、長期間使用しても劣化が少ないため、交換頻度を低減できるとともに、長期間使用後も破損の恐れなく安心して清掃できるので、メンテナンス負担の軽減が図れる。

次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１に本発明による針状放電電極の断面を示す。この針状放電電極１は、金属基材部２上にダイヤモンド粒子と金属粒子（合金を含む）とを焼結して導電性ダイヤ部３を形成した円錐形状の焼結体４の金属基材部２を、円柱形の金属柱体５の先端にロウ付け部６でロウ付けしたもので、導電性ダイヤ部３が針先部分となっている。針状放電電極１の寸法は、一例として、全長が１４ｍｍ、金属柱体５の直径が１．５ｍｍ、導電性ダイヤ部３の先端（針先端）の丸みの半径が１００μｍである。

円錐形状の焼結体４は、当初から円錐形状の焼結体として製作したものではなく、その原板、すなわち、金属基材部上にダイヤモンド粒子と金属粒子（合金を含む）とを焼結して導電性ダイヤ部を積層形成した焼結体原板から、円錐形状に研削して成形したものである。金属基材部２の材質は、炭化タングステンや炭化タングステン・コバルト合金等の炭化金属又は炭化合金である。導電性ダイヤ部３を構成する金属粒子の材質としては、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｃｒ等の炭化物形成能の高い金属が良く、これらを単独又は複数を組み合わせてダイヤモンド粒子と共に焼結させてあり、導電性ダイヤ部３では、その焼結時に生じた金属炭化物によりダイヤモンド粒子が被覆されている。
金属柱体５の材質は、ステンレス等の耐食性が良い導電金属でよい。

本発明者らは、本発明の針状放電電極１と従来の針状放電電極との耐久性を比較するため、次のような実験を行った。

＜本発明の針状放電電極の放電実験＞
図２はその実験の模式図で、絶縁性の電極ホルダ７に複数本の針状放電電極１を３０ｍｍの間隔で配設し、これらを直流高圧電源ＤＣのプラス側とマイナス側とにプラス・マイナス交互に、しかも、それぞれ１００ＭΩの抵抗８を介して接続して、プラス・マイナスの直流高電圧を同時に印加し、針先から２０ｍｍ離れた接地板９に向かって加速的な放電を継続して行い、プラス電極となったものと、マイナス電極となったもののそれぞれについて、針先である導電性ダイヤ部３の経時変化と、放電電流の経時変化を調べた。放電電流は、図３に示すように、プラス電極・マイナス電極のそれぞれについて、マイクロアンペア計１０にて測定した。

（先端鋭形の場合）
この実験で使用した本発明による針状放電電極１は、直径が１．５ｍｍ、全長が１４ｍｍ、針先端の丸みの半径が約１００μｍで、金属柱体５の材質はステンレス、金属基材部２の材質は炭化タングステン・コバルト合金、導電性ダイヤ部３は、タングステン・コバルト合金とダイヤモンドとを焼結したものである。

図４は、放電を継続して１週間ごとに測定したプラス電極とマイナス電極それぞれの放電電流の変化、図５は、放電を継続して１週間ごとに取り出して測長したプラス電極とマイナス電極それぞれの長さである。放電電流は、日数の経過に伴いプラス・マイナスほぼ同じような推移で徐々に減衰したが、長さはプラス・マイナスいずれも変化しなかった。

また、図６は、針先部分である導電性ダイヤ部３の使用前と、８週間放電させた使用後のそれぞれの光学顕微鏡画像を写真撮影し、その写真画像を図形化したもので、（Ａ）は使用前（プラス電極とマイナス電極の両方とも同じ）の先端鋭形の針状放電電極の一例、（Ｂ）は８週間使用後のプラス電極、（Ｃ）は８週間使用後のマイナス電極である。なお、同図において白抜きとなっている部分は反射光によるもので、これは、写真画像を同様に図形化した以下の他の図面も同様である。

８週間使用後の放電電極では、使用前は滑らかであった導電性ダイヤ部３の周面に、プラス・マイナス両極とも無数の粒状物が生じ、表面の滑らかさが失われている様子が観察された。ただし、それぞれの極性の針先端の丸みを計測した結果、プラス電極では１０１．５４０μｍ、マイナス電極では９７．４６８μｍであり、プラス・マイナス両極共に初期形状の先端丸み半径１００μｍからほとんど変化していないことが確認された。

また、クリーンルーム内で数週間放電実験をしたところ、導電性ダイヤ部３の周面が白い付着物で覆われ、その付着物は超音波洗浄しても完全に剥離できなかったので、その成分を分析したところ主成分は酸化ケイ素であった。この強固に付着した酸化化合物は保護膜として機能する側面があることから、耐久性の向上に寄与していると推測される。

（先端丸形の場合）
針先の丸みの半径が上記よりも大きい、先端丸形の針状放電電極１について同様の実験を行った。実験で使用した針状放電電極の寸法は、直径１．５ｍｍ、全長１４ｍｍ、針先の丸みの半径が約１５０μｍである。
図７は、放電を継続して１週間ごとに測定したプラス電極とマイナス電極それぞれの放電電流の変化、図８は、放電を継続して１週間ごとに取り出して測長したプラス電極とマイナス電極それぞれの長さである。

図９は、その場合における針先部分である導電性ダイヤ部３の使用前と、１４ケ月間放電させた使用後のそれぞれの光学顕微鏡画像を写真撮影し、その写真画像を図形化したもので、（Ａ）は使用前（プラス電極とマイナス電極の両方とも同じ）の先端丸形の針状放電電極の一例、（Ｂ）は１４ヶ月間使用後のプラス電極、（Ｃ）は１４ヶ月間使用後のマイナス電極である。１４ヶ月間使用した針状放電電極について針先端の丸みを計測した結果、プラス電極では１４８．７６８μｍ、マイナス電極では１４８．９９０μｍであり、プラス・マイナス両極共にに初期形状の先端丸み半径１５０μｍからほとんど変化していないことが確認された。

本発明による針状放電電極と比較するため、図２に示すような実験を従来の金属製針状放電電極についても同様に行った。

＜タングステン製針状放電電極の放電実験＞
図１０は、プラス電極とマイナス電極として、直径が１．５ｍｍ、全長が１５ｍｍのタングステン製針状放電電極を使用し、放電を継続して１週間ごとに測定したプラス電極とマイナス電極それぞれの放電電流の変化、図１１は、放電を継続して１週間ごとに取り出して測長したプラス電極とマイナス電極それぞれの長さである。また、図１２はその使用前と、８週間放電させた使用後のそれぞれの光学顕微鏡画像を写真撮影し、その写真画像を図形化したもので、（Ａ）は使用前（プラス電極とマイナス電極の両方とも同じ）のタングステン製針状放電電極の一例、（Ｂ）は８週間使用後のプラス電極、（Ｃ）は８週間使用後のマイナス電極である。

タングステン製針状放電電極の場合、放電電流については、図１０に示すように使用直後から５０日までの間で放電電流の変動がプラス・マイナスの両極とも大きく、長さの変化は、図１１に示すようにマイナス電極はほとんど変わらなかったが、プラス電極は針先が破損し、８週間使用後では図１１（Ｂ）に示すように大きくちぎれた状態となった。

＜インコネル製針状放電電極の放電実験＞
図１３は、プラス電極とマイナス電極として、直径が１．５ｍｍ、全長が１４ｍｍのインコネル製針状放電電極を使用し、放電を継続して１週間ごとに測定したプラス電極とマイナス電極それぞれの放電電流の変化、図１４は、放電を継続して１週間ごとに取り出して測長したプラス電極とマイナス電極それぞれの長さである。また、図１５はその使用前と、８週間放電させた使用後のそれぞれの光学顕微鏡画像を写真撮影し、その写真画像を図形化したもので、（Ａ）は使用前（プラス電極とマイナス電極の両方とも同じ）のインコネル製針状放電電極の一例、（Ｂ）は６週間使用後のプラス電極、（Ｃ）は６週間使用後のマイナス電極である。

インコネル製針状放電電極の場合、放電電流については、図１３に示すように使用直後から５０日までの間で放電電流の変動がプラス・マイナス両極とも大きく、長さの変化は、図１４に示すようにマイナス電極はほとんど変わらなかったが、図１５（Ｃ）に示すようにマイナス電極の針先が曲がり、プラス電極は針先が破損し、６週間使用後では図１５（Ｂ）に示すように大きくちぎれた状態となった。

＜ポリシリコン製針状放電電極の放電実験＞
図１６は、プラス電極とマイナス電極として、直径１．５ｍｍ、全長１４ｍｍ、針先端の丸みの半径が約１００μｍのポリシリコン製針状放電電極を使用し、放電を継続して１週間ごとに測定したプラス電極とマイナス電極それぞれの放電電流の変化、図１７は、放電を継続して１週間ごとに取り出して測長したプラス電極とマイナス電極それぞれの長さである。なお、ポリシリコン製針状放電電極の測長は、その破損を防ぐため、放電実験用の電極ホルダに挿した状態のまま、ホルダの根元から針先端までの長さを、光学顕微鏡による観察画像から測定した。

ポリシリコン製針状放電電極の場合、放電電流についてはプラス・マイナス両極ほぼ等しく、一定の値を保っている。ただし、経時測定作業の前に行う針先の付着物を除去する作業の過程で、放電開始から２１日目において針が破断し、したがって、実験データは２１日間についてのみとなっている。この間の針の長さの変化を計測した結果、針長はわずかに伸びており、他の針では観察されない現象が確認された。経験的に、ポリシリコン製針状放電電極は長期間放電させると強度が落ち、折れやすくなる。今回の実験で針の長さ、つまり、針の体積がわずかに増加しているのは、このようなポリシリコンの強度の変化と関連性があるのではないかと推測される。

以上のような比較実験から、本発明の針状放電電極１は強靱で、耐剥離性・耐磨耗性・耐破壊性及び耐食性が高いことが分かった。

このように優れた耐久性を有する本発明の針状放電電極１は、各種の放電装置の放電電極として使用できるが、以下に直流除電器への適用例について説明する。

図１８〜図２０は一体型棒状直流除電器への適用例である。この例の場合、図２０に示すように、本発明の針状放電電極１の１本１本を、ボルト・ナット状の電極サポータ１１のボルト状部分にネジ止めする。一方、図１８及び図１９に示すように回路基板１２上には、雌ネジを有する多数の電極取付コネクタ１１ａが所定の間隔をおいて実装されており、そのそれぞれに電極サポータ１１のボルト状部を螺合することにより、多数本の針状放電電極１を回路基板１２に所定の間隔で着脱可能に植設してある。このようにした回路基板１２をパイプ状の絶縁ホルダ１３内において樹脂埋設し、針状放電電極１は、電極サポータ１１のナット状部と共に樹脂表面から突出させてある。そして、回路基板１２の一端の接続端子１４にケーブル１５を接続して、多数本の針状放電電極１に直流高電圧を印加するものである。針状放電電極１は、１本ずつ電極取付コネクタ１１ａにネジ止めしてあるので、ネジを緩めることで清掃や交換が簡単にできる。

図２１及び図２２も一体型棒状直流除電器への別の適用例である。この例の場合、図２２に示すように、本発明の針状放電電極１の１本１本を絶縁体である頭付き管状電極サポータ１６に保持し、その多数本を図２１に示すように、細長い箱状の電極ホルダ１７内の樹脂モールド１８に所定の間隔をおいて設けられた取り付け穴１９に、１本ずつ抜き差し可能に挿着し、針状放電電極１の１本１本を電極サポータ１６と共に交換できるようにしたものである。

図２３及び図２４は、プラス・マイナスのイオンを別々に発生させて除電する電池電源のボックス型直流除電器への適用例である。この例の場合、図２４に示すように、プラス・マイナスそれぞれの倍電圧回路等を実装した回路基板２０と絶縁性電極ホルダ２１とを、図２３に示すようなボックス２２内に設置し、この電極ホルダ２１に、電極サポート２３に抜き差し可能に保持したプラス側の本発明の針状放電電極１と、同様のマイナス側の本発明の針状放電電極１とを離して植設して、これらの針先をボックス２２の前面に開口するそれぞれの窓孔２４に臨ませ、また、それぞれ針状放電電極１の回りに接地電極２５を設置したものである。そして、プラス・マイナスの針状放電電極１にプラス・マイナスそれぞれの倍電圧回路からプラス・マイナスそれぞれの高電圧が印加され、プラス・マイナスそれぞれのイオンが窓孔２４から外部に放出されるようになっている。

本発明の針状放電電極１は除電器の放電電極に限らず、帯電装置の放電電極やコロナ処理装置の放電電極など広範囲に適用できる。

本発明による針状放電電極の断面図である。 その放電実験の模式図である。 同上における放電電流の測定概念図である。 本発明による針状放電電極であって、その針先端を鋭形としたものについて放電実験をして測定した、プラス電極とマイナス電極のそれぞれの場合の放電電流の経時変化を示すグラフである。 同放電実験でのプラス電極とマイナス電極のそれぞれの場合の長さの経時変化を示すグラフである。 同針状放電電極の導電性ダイヤ部の使用前と、８週間放電させた使用後のそれぞれの光学顕微鏡画像を写真撮影し、その写真画像を図形化したもので、（Ａ）は使用前（プラス電極とマイナス電極の両方とも同じ）、（Ｂ）は８週間使用後のプラス電極、（Ｃ）は８週間使用後のマイナス電極である。 本発明による針状放電電極であって、その針先端を丸形としたものについて放電実験をして測定した、プラス電極とマイナス電極のそれぞれの場合の放電電流の経時変化を示すグラフである。 同放電実験でのプラス電極とマイナス電極のそれぞれの場合の長さの経時変化を示すグラフである。 同針状放電電極の導電性ダイヤ部の使用前と、１４ヶ月間放電させた使用後のそれぞれの光学顕微鏡画像を写真撮影し、その写真画像を図形化したもので、（Ａ）は使用前（プラス電極とマイナス電極の両方とも同じ）、（Ｂ）は１４ヶ月間使用後のプラス電極、（Ｃ）は１４ヶ月間使用後のマイナス電極である。 本発明による針状放電電極と比較するためにタングステン製針状放電電極について行った放電実験での、プラス電極とマイナス電極のそれぞれの場合の放電電流の経時変化を示すグラフである。 同放電実験での、プラス電極とマイナス電極のそれぞれの場合の長さの経時変化を示すグラフである。 タングステン製針状放電電極の使用前と、８週間放電させた使用後のそれぞれの光学顕微鏡画像を写真撮影し、その写真画像を図形化したもので、（Ａ）は使用前（プラス電極とマイナス電極の両方とも同じ）、（Ｂ）は８週間使用後のプラス電極、（Ｃ）は８週間使用後のマイナス電極である。 インコネル製針状放電電極について行った放電実験での、プラス電極とマイナス電極のそれぞれの場合の放電電流の経時変化を示すグラフである。 同放電実験での、プラス電極とマイナス電極のそれぞれの場合の長さの経時変化を示すグラフである。 インコネル製針状放電電極の使用前と、８週間放電させた使用後のそれぞれの光学顕微鏡画像を写真撮影し、その写真画像を図形化したもので、（Ａ）は使用前（プラス電極とマイナス電極の両方とも同じ）、（Ｂ）は６週間使用後のプラス電極、（Ｃ）は６週間使用後のマイナス電極である。 ポリシリコン製針状放電電極について行った放電実験での、プラス電極とマイナス電極のそれぞれの場合の放電電流の経時変化を示すグラフである。 同放電実験での、プラス電極とマイナス電極のそれぞれの場合の長さの経時変化を示すグラフである。 本発明による針状放電電極の一体型棒状直流除電器への適用例を示す全体の断面図である。 その平面図である。 同適用例での１本の針状放電電極の保持状態を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は平面図である。 一体型棒状直流除電器への別の適用例全体の斜視図である。 同適用例での１本の針状放電電極の保持状態を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。 プラス・マイナスのイオンを別々に発生させて除電する電池電源のボックス型直流除電器への適用例を示す外観斜視図である。 その断面図である。

符号の説明

１ 針状放電電極
２ 金属基材部
３ 導電性ダイヤ部
４ 焼結体
５ 金属柱体
６ ロウ付け部

Claims (5)

1. 金属基材部上にダイヤモンド粒子と金属粒子とを焼結して導電性ダイヤ部を形成した円錐形状の焼結体の金属基材部が金属柱体の先端にロウ付けされ、導電性ダイヤ部が針先部分となっていることを特徴とする針状放電電極。
2. 焼結された金属粒子が、炭化物形成能の高い金属で、その焼結時に生じた金属炭化物によりダイヤモンド粒子が被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の針状放電電極。
3. 金属基材部が炭化金属で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の針状放電電極。
4. 円錐形状の焼結体が、金属基材部上にダイヤモンド粒子と金属粒子とを焼結して導電性ダイヤ部を積層形成した焼結体原板から、円錐形状に研削して成形したものであることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の針状放電電極。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の針状放電電極を放電電極としたことを特徴とする放電装置。

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