JP2016169122A - オゾン発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】オゾンを効率よく発生するオゾン発生装置を提供する。【解決手段】圧電体板１１と、圧電体板１１に形成された入力電極１２Ａ，１２Ｂおよび出力電極１３Ａ，１３Ｂを有し、入力電極１２Ａ，１２Ｂに印加される電圧の昇圧電圧が出力電極１３Ａ，１３Ｂに現れる板状の圧電トランス１０を備えたオゾン発生装置１において、出力電極１３Ａ，１３Ｂは、圧電体板１１の中央部の両主面にそれぞれ形成されている。入力電極１２Ａ，１２Ｂは、圧電体板１１の中央部を囲う領域の両主面にそれぞれ形成されている。さらに、出力電極１３Ａ，１３Ｂに対向して放電電極１６Ａ，１６Ｂを設けている。出力電極１３Ａ，１３Ｂと放電電極１６Ａ，１６Ｂとの間に誘電体（筐体２０）を設けている。【選択図】図３

Description

本発明は、放電によりオゾンを発生させるオゾン発生装置に関する。

特許文献１には、板状の圧電トランスを用いて、小型化したオゾン発生装置が開示されている。圧電トランスは、圧電体板の厚み方向に分極され、その厚み方向の両面に駆動電極が形成された駆動部と、長さ方向に分極され、その長さ方向の端面に出力電極が形成された発電部とを有している。そして、発電部の端面には誘電体層を介して放電電極が設けられている。駆動電極に交流電圧を印加すると、出力電極に高電圧が発生する。この出力電極と放電電極との間に電界が生じると、この電界が放電電極に集中し、放電電極と誘電体層との間に大きな電位差が生じて、沿面放電が発生する。この沿面放電により、周囲の空気中の酸素が放電界と接触し、オゾンが発生する。

特開平７−１６５４０３号公報

特許文献１に記載のように、圧電トランスの発電部の端面にのみ放電電極が設けられた構造では放電領域が小さいため、放電界と周囲の空気（酸素）との接触面積も小さくなり、その結果、オゾンを効率よく発生させることができない。

そこで、本発明の目的は、オゾンを効率よく発生するオゾン発生装置を提供することにある。

本発明に係るオゾン発生装置は、圧電体板と、前記圧電体板に形成された入力電極および出力電極を有し、前記入力電極に印加される電圧の昇圧電圧が前記出力電極に現れる板状の圧電トランスを備えたオゾン発生装置において、前記出力電極は、前記圧電体板の中央部の両主面にそれぞれ形成され、前記入力電極は、前記圧電体板の前記中央部を囲う領域の両主面にそれぞれ形成され、前記出力電極に対向して設けられた放電電極と、前記出力電極と前記放電電極との間に設けられた誘電体とを備えていることを特徴とする。

この構成では、誘電体を挟んで対向する出力電極と放電電極とに高い交流電圧を通電させると放電現象が生じ、放電中に流体（例えば、空気）を接触させることで、空気中の酸素がオゾン化する。このオゾンを発生させる出力電極を、圧電体板の中央部の両主面に形成しているため、放電領域と空気とが接触する面積を大きくできる。この結果、オゾンを効率よく発生させることができる。

本発明に係るオゾン発生装置において、前記出力電極と前記誘電体との間には空隙が設けられていることが好ましい。

この構成では、出力電極に対向して設けられる放電電極に配線しても、圧電トランスの振動により、その配線が断線するおそれがない。このため、信頼性のあるオゾン発生装置を実現できる。また、配線が圧電トランスの振動を阻害することがない。このため、オゾンを効率よく発生させることができる。

本発明に係るオゾン発生装置において、前記圧電体板は、前記中央部に、前記圧電体板の主面の法線方向に沿って形成された貫通孔を有し、前記出力電極は、平面視で前記貫通孔に重合する位置に形成された開口を有している、ことが好ましい。

この構成では、例えば、圧電体板の一方の主面側から貫通孔を介して他方主面に向かって送風させることで、圧電体板の両主面それぞれで発生するオゾンを、同時に装置外へ出力させることができる。このため、オゾンを効率よく発生させることができる。

本発明に係るオゾン発生装置の前記圧電体板および前記出力電極は、平面視で円形状であり、前記入力電極は、平面視で、前記出力電極を囲うように形成された円環状であることが好ましい。

この構成では、円形とすることで製造が容易となる。

本発明に係るオゾン発生装置は、前記圧電トランスを収容する放電室と、前記放電室内に流体を流すポンプ部と、を備えていることが好ましい。

この構成では、ポンプ部を一体に備えることで、外部にポンプを必要としない。

本発明に係るオゾン発生装置において、前記流体は酸素を含む気体であることが好ましい。

本発明に係るオゾン発生装置では、前記放電室の前記出力電極に対向する領域は、前記誘電体で形成されていることが好ましい。

この構成では、放電室の一部を誘電体にすることで、部品点数を少なくでき、また、誘電体の配置スペースを設ける必要がない。

本発明に係るオゾン発生装置において、前記放電電極は、前記誘電体の壁面または内部であって、前記出力電極と対向する領域に設けられていることが好ましい。

この構成では、オゾンを効率よく発生させることができる。

本発明に係るオゾン発生装置において、前記ポンプ部は、前記放電室と空間的に繋がるポンプ室と、前記ポンプ室内の流体を流動させる振動板とを有していることが好ましい。

この構成では、振動板を変位させることで、ポンプ室内の圧変動を生じさせ、放電室とポンプ室との間で気流を発生させることができる。

本発明に係るオゾン発生装置の前記ポンプ部は、前記圧電トランスの主面の法線方向からの平面視で、前記圧電トランスと重なる位置に設けられていることが好ましい。

この構成では、放電室とポンプ部とを重ねて形成することで、圧電トランスの主面に沿った平面方向に大きくなることを抑制できる。

本発明によれば、放電領域を大きくできるため、オゾンを発生させることができる。

実施形態１に係るオゾン発生装置を示す図 （Ａ）は、オゾン発生装置が備える圧電トランスの平面図、（Ｂ）は、（Ａ）のＩＩ−ＩＩ線における断面図 オゾン発生装置のオゾン発生について説明するための図 （Ａ）は、下側から視た圧電振動板の平面図、（Ｂ）は、圧電振動板の正面図 圧電振動板の振動に伴う、オゾン発生装置内の気流について説明する図であり、（Ａ）は、圧電素子が伸びる場合、（Ｂ）は、圧電素子が縮む場合を示す図 実施形態２に係るオゾン発生装置を示す図 （Ａ）は、オゾン発生装置が備える圧電トランスの平面図、（Ｂ）は、（Ａ）のVII−VII線における断面図 圧電振動板の振動に伴う、オゾン発生装置内の気流について説明する図あり、（Ａ）は、圧電素子が伸びる場合、（Ｂ）は、圧電素子が縮む場合を示す図

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係るオゾン発生装置１を示す断面図である。図２（Ａ）は、オゾン発生装置１が備える圧電トランス１０の平面図、図２（Ｂ）は、（Ａ）のＩＩ−ＩＩ線における断面図である。

オゾン発生装置１は、誘電体で形成された筐体２０を備えている。筐体２０は、放電室２０Ａとポンプ室２０Ｂとを形成している。放電室２０Ａは、オゾンを発生させる空間である。ポンプ室２０Ｂは、装置内の空気を流動させるための空間である。

放電室２０Ａとポンプ室２０Ｂとは、オゾン発生装置１の高さ方向に重なっていて、連通孔２０Ｃにより繋がっている。また、筐体２０には、装置外部から空気を取り込む吸気口２０Ｄと、装置内の空気を外部へ排気する排気口２０Ｅとが形成されている。吸気口２０Ｄは、放電室２０Ａに連通している。排気口２０Ｅは、連通孔２０Ｃの近傍に形成されている。吸気口２０Ｄから放電室２０Ａ内に取り込まれた空気は、放電室２０Ａでオゾン化され、排気口２０Ｅから排気される。

放電室２０Ａには、圧電トランス１０が設けられている。圧電トランス１０は、板状の圧電体板１１を備えている。圧電体板１１は、平面視で円形である。圧電体板１１は、例えばＰＺＴ系セラミックスシートが積層されて形成されている。圧電トランス１０は、２次振動モードを利用して径方向に振動する。

圧電体板１１の両主面には、入力電極１２Ａ，１２Ｂと、出力電極１３Ａ，１３Ｂとが、径方向に沿って間隙をおいて形成されている。出力電極１３Ａ，１３Ｂは、平面視で円形状であり、圧電体板１１の中央部に形成されている。入力電極１２Ａ，１２Ｂは、平面視で円環状であり、出力電極１３Ａ，１３Ｂを囲っている。入力電極１２Ａ，１２Ｂと出力電極１３Ａ，１３Ｂとは、径方向に間隙をおいて形成されている。そして、圧電体板１１における間隙部分の領域１１Ａは、図２（Ｂ）の矢印に示すように、径方向に分極されている。また、圧電体板１１の入力電極１２Ａ，１２Ｂが形成された領域は、厚み方向に分極されている。分極処理の方法としては、例えば、圧電体板を１７０℃の絶縁油中で２ｋＶ／ｍｍの電圧を印加する方法等が挙げられる。

圧電トランス１０は、支持電極１５Ａ，１５Ｂにより、筐体２０の放電室２０Ａ内に支持されている。支持電極１５Ａは、棒状であり、一端が圧電トランス１０の入力電極１２Ａに固定され、他端が、入力電極１２Ａに対向する筐体２０の内壁面に固定されている。同様に、支持電極１５Ｂは、棒状であり、一端が圧電トランス１０の入力電極１２Ｂに固定され、他端が、入力電極１２Ｂに対向する筐体２０の内壁面に固定されている。この支持電極１５Ａ，１５Ｂは、例えば導電性のバネ端子であり、圧電トランス１０を固定すると共に、入力電極１２Ａ，１２Ｂへ電圧を印加する配線の役割も兼ねている。

圧電トランス１０は、図２（Ａ）に示す、入力電極１２Ａ，１２Ｂの支持領域１２Ｓに支持電極１５Ａ，１５Ｂにより支持されている。支持領域１２Ｓは、振動する圧電体板１１のノード点（振動せず振幅が０になる点）に一致する位置に形成されている。なお、図２（Ａ）に示す円形状の破線Ｎ上は、圧電体板１１のノード点となる位置である。支持領域１２Ｓは、破線Ｎ上であれば、位置は特定されない。

筐体２０の出力電極１３Ａ，１３Ｂが対向する領域には、放電電極１６Ａ，１６Ｂが設けられている。放電電極１６Ａ，１６Ｂは、誘電体である筐体２０の壁面に設けられていてもよいし、内部に設けられていてもよい。少なくとも、出力電極１３Ａ，１３Ｂと放電電極１６Ａ，１６Ｂとの間に誘電体が介在すればよい。また、放電電極１６Ａ，１６Ｂは、平面視で円形であってもよいし、多角形であってもよい。

この放電電極１６Ａ，１６Ｂは、圧電トランス１０とは間隙をおいて設けられている。このため、放電電極１６Ａ，１６Ｂに配線しても、この配線が、圧電トランス１０の振動により断線することはない。また、放電電極１６Ａ，１６Ｂの配線が、圧電トランス１０の振動を阻害することはない。

図３は、オゾン発生装置１のオゾン発生について説明するための図である。

支持電極１５Ａ，１５Ｂは、交流電源Ｖｉｎに接続されている。また、放電電極１６Ａ，１６Ｂは、グランドに接続されている。入力電極１２Ａ，１２Ｂには、支持電極１５Ａ，１５Ｂを介して交流電圧が印加される。入力電極１２Ａ，１２Ｂに交流電圧が印加されると、圧電体板１１の厚み方向に電圧が印加される。圧電体板１１の入力電極１２Ａ，１２Ｂ間は、厚み方向に分極されているため、逆圧電効果により分極方向に直交する方向、すなわち、圧電体板１１の径方向に縦振動が励振される。縦振動が励振されると、領域１１Ａ（図２（Ａ）参照）では径方向に機械的歪みが生じ、圧電横効果により分極方向に電位差が発生する。この電位差により圧電体板１１の出力電極１３Ａ，１３Ｂ間の領域は高電圧部となり、出力電極１３Ａ，１３Ｂに高電圧が現れる。

出力電極１３Ａ，１３Ｂに高電圧が現れると、誘電体（筐体２０）が介在する出力電極１３Ａ，１３Ｂと放電電極１６Ａ，１６Ｂとの間には電界が生じ、その電界強度が一定以上になると、誘電体バリア放電が開始され、その放電により、空気中の酸素が電離される。そして、電離された酸素と電離されていない酸素とでオゾンが生成される。本実施形態では、圧電体板１１の両主面それぞれにおいて、オゾンを発生させるため、放電領域と空気とが接触する面積が大きく、オゾンを効率よく発生させることができる。

なお、圧電体板１１が振動しても、支持電極１５Ａ，１５Ｂは、ノード点を支持しているため、支持電極１５Ａ，１５Ｂが圧電体板１１の振動を阻害しない。このため、オゾンを効率よく発生させることができる。また、圧電体板１１の振動によって、支持電極１５Ａ，１５Ｂが断線することはなく、信頼性が低下することを抑制できる。

ポンプ室２０Ｂには、圧電振動板３０が設けられている。ポンプ室２０Ｂおよび圧電振動板３０は、本発明に係る「ポンプ部」の一例である。

図４（Ａ）は、下側から視た圧電振動板３０の平面図、図４（Ｂ）は、圧電振動板３０の正面図である。

圧電振動板３０は、平面視で円形状の圧電素子３１、電極３２およびダイヤフラム３３とを有している。圧電素子３１は、電極３２とダイヤフラム３３とで挟み込まれている。電極３２とダイヤフラム３３とには交流電圧が印加される。交流電圧が印加されることで、圧電素子３１は伸縮を繰り返す。圧電素子３１の伸縮により、ダイヤフラム３３はベンディング振動する。

図５は、圧電振動板３０の振動に伴う、オゾン発生装置１内の気流について説明する図である。図５（Ａ）は、圧電素子３１が伸びる場合、図５（Ｂ）は、圧電素子３１が縮む場合をそれぞれ示す。なお、図５では、放電室２０Ａ内の圧電トランス１０の図示は省略している。

圧電素子３１が伸びた場合、図５（Ａ）に示すように、圧電振動板３０は外側に断面円弧状に突出する。このとき、吸気口２０Ｄから流入した空気は、放電室２０Ａから、連通孔２０Ｃを通り、ポンプ室２０Ｂへと流れ込む。圧電素子３１が縮んだ場合、図５（Ｂ）に示すように、圧電振動板３０は内側に断面円弧状に突出する。このとき、吸気口２０Ｄから流入した空気、および、ポンプ室２０Ｂ内の空気は、排気口２０Ｅから排気される。このように、圧電振動板３０の振動に伴い、ポンプ室２０Ｂ内に圧変動が生じる。これに起因して、吸気口２０Ｄから流入した空気は、排気口２０Ｅから排気される。すなわち、圧電振動板３０の振動によってオゾン発生装置１内に生じる気流により、放電室２０Ａ内で発生したオゾンは、装置外へと排出される。

このポンプ室２０Ｂは、放電室２０Ａと高さ方向に重ねて形成されているため、圧電体板１１の主面に沿った平面方向に大きくなることを抑制できる。また、簡易な構成で、オゾン発生装置１内に空気を取り込み、オゾン化させた空気を排出することができる。

なお、圧電体板１１、入力電極１２Ａ，１２Ｂ、出力電極１３Ａ，１３Ｂは、製造容易のため、平面視で円形としているが、正多角形であってもよい。また、筐体２０を誘電体で形成し、筐体２０に放電電極１６Ａ，１６Ｂを形成しているが、誘電体を別途設け、その誘電体が、出力電極１３Ａ，１３Ｂと放電電極１６Ａ，１６Ｂとの間に介在するよう構成してもよい。また、圧電トランス１０と誘電体との間に間隙を設けなくてもよい。

（実施形態２）
図６は、実施形態２に係るオゾン発生装置２を示す図である。図７（Ａ）は、オゾン発生装置２が備える圧電トランス４０の平面図、図７（Ｂ）は、（Ａ）のVII−VII線における断面図である。

オゾン発生装置２は、誘電体で形成された筐体５０を備えている。図１に示す筐体２０は断面で示している。筐体５０は、放電室５０Ａとポンプ室５０Ｂとを形成している。

放電室５０Ａとポンプ室５０Ｂとは、オゾン発生装置２の高さ方向に重なっていて、連通孔５０Ｃにより繋がっている。また、筐体５０には、装置外部から空気を取り込む吸気口５０Ｄと、装置内の空気を外部へ排気する排気口５０Ｅとが形成されている。吸気口５０Ｄおよび排気口５０Ｅは、放電室５０Ａに連通している。また、連通孔５０Ｃと排気口５０Ｅとは、高さ方向において、同一直線上に位置するよう形成されている。

放電室５０Ａには、圧電トランス４０が設けられている。圧電トランス４０は、板状の圧電体板４１を備えている。圧電体板１１は、平面視で円形であり、中心部に開口４１Ｈが形成されている。この開口４１Ｈは、後述するが、発生したオゾンの排出流路となる。

圧電体板４１の両主面には、入力電極４２Ａ，４２Ｂと、出力電極４３Ａ，４３Ｂとが、径方向に沿って間隙をおいて形成されている。出力電極４３Ａ，４３Ｂは、平面視で円形状であり、圧電体板１１の中央部に形成されている。また、出力電極４３Ａ，４３Ｂは、平面視で、圧電体板４１の開口４１Ｈと重合する位置に、開口が形成されている。入力電極４２Ａ，４２Ｂは、平面視で円環状であり、出力電極４３Ａ，４３Ｂを囲っている。入力電極４２Ａ，４２Ｂと出力電極４３Ａ，４３Ｂとは、径方向に間隙をおいて形成されている。そして、圧電体板４１における間隙部分の領域４１Ａは、図７（Ｂ）の矢印に示すように、径方向に分極されている。また、圧電体板４１の入力電極４２Ａ，４２Ｂが形成された領域は、厚み方向に分極されている。

圧電トランス４０は、実施形態１と同様、支持電極１５Ａ，１５Ｂにより、筐体５０の放電室４０Ａ内に支持されている。支持電極１５Ａ，１５Ｂは、振動する圧電体板１１のノード点に一致する位置に形成されている、入力電極４２Ａ，４２Ｂの支持領域４２Ｓに固定されている。

筐体５０の出力電極４３Ａ，４３Ｂが対向する領域であって、連通孔５０Ｃと排気口５０Ｅとの周囲には、放電電極１７Ａ，１７Ｂが設けられている。放電電極１７Ａ，１７Ｂは、放電電極１７Ａ，１７Ｂは、平面視で円形であってもよいし、多角形であってもよい。

本実施形態２に係るオゾン発生装置２のオゾン発生の原理は、実施形態１と同様であるため、説明は省略する。

ポンプ室５０Ｂには、圧電振動板３０が設けられている。圧電振動板３０の構造は、実施形態１と同様である。

図８は、圧電振動板３０の振動に伴う、オゾン発生装置２内の気流について説明する図である。図８（Ａ）は、圧電素子３１が伸びる場合、図８（Ｂ）は、圧電素子３１が縮む場合をそれぞれ示す。なお、図８では、放電室２０Ａ内の圧電トランス１０の図示は省略している。

圧電素子３１が伸びた場合、図８（Ａ）に示すように、圧電振動板３０は外側に断面円弧状に突出する。このとき、吸気口５０Ｄから流入した空気は、放電室５０Ａから連通孔５０Ｃを通り、ポンプ室５０Ｂへと流れ込む。圧電素子３１が縮んだ場合、図８（Ｂ）に示すように、圧電振動板３０は内側に断面円弧状に突出する。このとき、吸気口５０Ｄから流入した空気は、排気口５０Ｅから排気され、また、ポンプ室５０Ｂ内の空気は、連通孔５０Ｃを通り、排気口５０Ｅから排気される。このように、圧電振動板３０の振動に伴い、ポンプ室５０Ｂ内に圧変動が生じる。これに起因して、吸気口５０Ｄから流入した空気は、排気口５０Ｅから排気される。圧電振動板３０の振動によってオゾン発生装置２内に生じる気流により、すなわち、放電室５０Ａ内で発生したオゾンは、装置外へと排出される。

ここで、オゾンの排出流路となる連通孔５０Ｃ、排気口２０Ｅおよび開口４１Ｈは、略一直線上に位置している。このため、ポンプ室５０Ｂ内から排出される空気は、連通孔５０Ｃ、圧電体板４１の開口４１Ｈおよび排気口２０Ｅを通りやすい。また、オゾンの排出流路を圧電トランス４０におけるオゾンが発生する領域に形成することで、オゾンを効率よく外部へ排出できる。

また、ポンプ室５０Ｂから排気口２０Ｅへのオゾン排出流路は最短となる。このため、この経路近傍にある内部配線または圧電体板４１（ＰＺＴ）が、オゾンにより劣化することを最小限に抑えることができる。さらに、オゾン排出流路を最短にすることで、オゾン発生装置２を小型化、低背化できる。

１，２…オゾン発生装置
２…オゾン発生装置
１０…圧電トランス
１１…圧電体板
１１Ａ…領域
１２Ａ，１２Ｂ…入力電極
１２Ｓ…支持領域
１３Ａ，１３Ｂ…出力電極
１５Ａ，１５Ｂ…支持電極
１６Ａ，１６Ｂ…放電電極
１７Ａ，１７Ｂ…放電電極
２０…筐体
２０Ａ…放電室
２０Ｂ…ポンプ室
２０Ｃ…連通孔
２０Ｄ…吸気口
２０Ｅ…排気口
３０…圧電振動板
３１…圧電素子
３２…電極
３３…ダイヤフラム
４０…圧電トランス
４０Ａ…放電室
４１…圧電体板
４１Ａ…領域
４１Ｈ…開口
４２Ａ，４２Ｂ…入力電極
４２Ｓ…支持領域
４３Ａ，４３Ｂ…出力電極
５０…筐体
５０Ａ…放電室
５０Ｂ…ポンプ室
５０Ｃ…連通孔
５０Ｄ…吸気口
５０Ｅ…排気口

Claims (10)

1. 圧電体板と、前記圧電体板に形成された入力電極および出力電極を有し、前記入力電極に印加される電圧の昇圧電圧が前記出力電極に現れる板状の圧電トランスを備えたオゾン発生装置において、
   前記出力電極は、前記圧電体板の中央部の両主面にそれぞれ形成され、
   前記入力電極は、前記圧電体板の前記中央部を囲う領域の両主面にそれぞれ形成され、
   前記出力電極に対向して設けられた放電電極と、
   前記出力電極と前記放電電極との間に設けられた誘電体と、
   を備えている、オゾン発生装置。
2. 前記出力電極と前記誘電体との間には空隙が設けられている、
   請求項１に記載のオゾン発生装置。
3. 前記圧電体板は、前記中央部に、前記圧電体板の主面の法線方向に沿って形成された貫通孔を有し、
   前記出力電極は、平面視で前記貫通孔に重合する位置に形成された開口を有している、
   請求項２に記載のオゾン発生装置。
4. 前記圧電体板および前記出力電極は、平面視で円形状であり、
   前記入力電極は、平面視で、前記出力電極を囲うように形成された円環状である、
   請求項１から３のいずれかに記載のオゾン発生装置。
5. 前記圧電トランスを収容する放電室と、
   前記放電室内に流体を流すポンプ部と、
   を備えている請求項１から４のいずれかに記載のオゾン発生装置。
6. 前記流体は酸素を含む気体である、請求項５に記載のオゾン発生装置。
7. 前記放電室の前記出力電極に対向する領域は、前記誘電体で形成されている、
   請求項５または６に記載のオゾン発生装置。
8. 前記放電電極は、前記誘電体の壁面または内部であって、前記出力電極と対向する領域に設けられている、
   請求項７に記載のオゾン発生装置。
9. 前記ポンプ部は、
   前記放電室と空間的に繋がるポンプ室と、
   前記ポンプ室内の流体を流動させる振動板と、
   を有している、請求項５から８のいずれかに記載のオゾン発生装置。
10. 前記ポンプ部は、
    前記圧電トランスの主面の法線方向からの平面視で、前記圧電トランスと重なる位置に設けられている、
    請求項９に記載のオゾン発生装置。

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