JP2020198233A - プラズマ生成用電極 - Google Patents

Abstract

【課題】高電流が流れる共通回路部分でのプラズマ生成を防止し、均一な電流が流れる櫛歯状の分岐回路部分のみでプラズマを生成させるようにし、プラズマ生成を均一化し、誘電体に絶縁破壊が生ずることを防止し、耐トラッキング性を向上させたプラズマ生成用電極を提供する。【解決手段】絶縁性を有する基板１１と、基板の一方の面に設けられた第１電極１２と、基板の他方の面に第１電極に対向するように設けられた第２電極１３と、を備え、第１電極は、共通回路１２ａ及び共通回路から垂直方向に垂下した分岐回路１２ｂとを有し、第２電極は、その上端１３ｂが、第１電極の共通回路の下端１２ｃに対向する位置から分岐回路方向側に移動した位置からベタ状に形成されるとともに、縦断面図において、第１電極の共通回路の下端と第２電極の上端との間にずれ距離Ｄが形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、被処理物の殺菌等の用途に使用されるプラズマ生成用電極に関するものである。

従来、誘電体の両面に第１電極、第２電極を設け、この電極間の高周波電圧を印加してプラズマを生成するプラズマ電極が知られており、誘電体の両面に電極がある場合、誘電体表面に沿ってぐるりと反対側の電極まで回って放電してプラズマが生成される。
このようなプラズマ生成用電極として、以下の特許文献がある。
特許文献１には、誘電体（絶縁基板）の上に、共通電極（共通回路部分）と、この共通回路部分から分岐した櫛歯状の電極（分岐回路部分）とを形成し、これらの電極間に高周波電圧を印加し沿面放電を生じさせ、第１電極から基板に沿ってプラズマを発生させることが記載されている。
ここで、沿面放電とは、気体中の放電ギャップの間に絶縁体（誘電体）が存在する場合、絶縁物の表面に沿って放電路が形成されることをいう。

特開２０１３−２５８１３７号公報

しかし、特許文献１に記載のプラズマ生成用電極は、高周波電圧を誘電体の両面に印加する場合に、誘電体の絶縁破壊を起こしやすい。
すなわち、第１電極の櫛歯を束ねる共通回路部分では電流が櫛歯よりも大きく、共通回路部分からの放電は放電量が大きく、誘電体の絶縁性を破壊する可能性が大きい。
本発明は、プラズマ電極において、高電流が流れる共通回路部分でのプラズマ生成を防止し、均一な電流が流れる櫛歯状の分岐回路部分のみでプラズマを生成させるようにし、プラズマ生成を均一化し、誘電体に絶縁破壊が生ずることを防止し、耐トラッキング性を向上させた電極を提供することを目的とする。

本発明は、共通回路部分からの放電を防止し、櫛歯状の分岐回路部分のみでプラズマを生成させるようにするため、共通回路部分の下側には第２電極の形成を避けた構成とした。
（１）本発明のプラズマ生成用電極は、プラズマを生成させるための電極であって、
絶縁性を有する基板と、前記基板の一方の面に設けられた第１電極と、前記基板の他方の面に第１電極に対向するように設けられた第２電極と、を備え、
前記第１電極は、共通回路及び該共通回路から垂直方向に垂下した分岐回路とを有し、
前記第２電極は、その上端が、前記第１電極の共通回路の下端に対向する位置から分岐回路方向側に移動した位置からベタ状に形成されるとともに、
縦断面図（ＢＢ断面図）において前記第１電極の共通回路の下端１２ｃと第２電極の上端１３ｂとの間にずれ距離Ｄが形成されていることを特徴とする。
（２）本発明のプラズマ生成用電極は、上記（１）において、前記第１電極において、分岐回路と分岐回路との間に、前記基板の表裏を貫通するように、貫通孔が形成されてることを特徴とする。

第１電極直下全体にベタ状の第２電極が形成されている場合は、第１電極の電流が大きい部分（共通回路部分）で優先的にプラズマ放電が起こりやすく、回路の細い櫛歯状の分岐回路部分ではプラズマ放電が起こりにくかった。
本発明のプラズマ生成用電極は、高電流が流れる共通回路部分直下には第２電極を形成していないので、共通回路部分でのプラズマ生成を抑制し、均一な電流が流れる櫛歯状の分岐回路部分のみでプラズマを生成させるようにし、プラズマ生成を均一化した。
このような構成とすることにより、誘電体に絶縁破壊が生ずることを防止し耐トラッキング性を向上させることができる。

本発明の実施形態に係るプラズマ生成用電極の構成を示す概略図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡＡ断面図、（ｃ）は（ａ）のＢＢ断面図（縦断面図）である。 （ａ）は図１のＣＣ断面図を示し第１電極の分岐回路の縦断面形状であり、（ｂ）は（ａ）の一部拡大図である。 （ａ）は電極に貫通孔１５を形成した状態を示す概略平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＤＤ断面図である。 実施形態に係るプラズマ生成用電極を電源ユニットに接続して用いる状態を示す説明図である。

＜プラズマ生成用電極１０の概略＞
図１は、本発明の実施形態に係るプラズマ生成用電極である。
図１に示すように、実施形態のプラズマ生成用電極１０は、プラズマを生成させるための電極である。
絶縁性を有する基板１１の一方の面（表面）に第１電極１２が形成されており、基板１１の他方の面（裏面）には第１電極に対向するように第２電極１３が設けられている。
そして、第１電極は、共通回路１２ａ及び該共通回路１２ａから垂直方向に３本に分岐した分岐回路１２ｂとを有している。
第２電極１３は、その上端１３ｂが、前記第１電極１２の共通回路１２ａの下端１２ｃから分岐回路１２ｂ方向に移動した位置からベタ（平面）状に形成されている。
これにより、図１（ｃ）のＢＢ断面図（縦断面図）に示すように、第１電極１２の共通回路１２ａの下端１２ｃと第２電極１３の上端１３ｂとの間にずれ距離Ｄが形成されている。
ここで、第１電極１２の共通回路１２ａの下端１２ｃとは、基板１１上に形成された共通回路１２ａの幅方向（図１（ａ）で右方向）の端部をいい、また、第２電極１３の上端１３ｂとは、基板１１の裏面に形成された第２電極１３の第２電極接続端子１３ａ方向（図１（ａ）で左方向）の端部をいう。

＜基板＞
実施形態のプラズマ生成用電極１０において、その表裏に、第１電極１２及び第２電極１３を形成する基板１１としては、誘電体などの絶縁体などを用いる。
絶縁体としては、セラミックス（ガラス含む）、紙、繊維布、樹脂、及びこれらの素材を混合したもの（混合体）などが好ましく挙げられる。
樹脂としては、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ポリエステル、ナイロン、テフロン（登録商標）、ポリエチレン、ポリスチレンなどの樹脂フィルム樹脂フィルムが挙げられる。
また、混合体として、ガラスエポキシ基板、紙フェノール基板、紙エポキシ基板、ガラスコンポジット基板、ガラスポリイミド基板なども用いられる。
中でも、ガラスエポキシ基板は、ガラス繊維を布状に編んだガラス織布にエポキシ樹脂を滲み込ませた材料で、基板として広く用いられている。
基板の厚みは特定するものではないが、その厚みは絶縁性に影響を及ぼすものであるので、プラズマ生成時の絶縁破壊に耐える程度の厚みが必要であり、用途により適宜決定される。
なお、ガラスエポキシ樹脂を選択する場合は０．２ｍｍ厚以上のものが好適である。
例えば２ｋｖ以上の電圧を印加すると、０．２ｍｍ以下のは絶縁破壊が生じ易く、絶縁破壊が起こりやすい。
中でも、０．４ｍｍ厚のものが、種々の用途に適用でき好適に用いることができる。
また、基板１１の大きさや形状も特定するものではないが、切手サイズから１０ｃｍ四方のものまで種々挙げられるが、用途により適宜決められる。

＜第１電極の形状＞
基板１１の一方の面（表面）に形成された第１電極１２は、共通回路１２ａと、共通回路１２ａから垂直方向に垂下して分岐する櫛歯状の分岐回路１２ｂとを有している。
そして、共通回路１２ａは、外部電源装置と接続する第１電極接続端子１２ｄを備えている。
このような、櫛歯状の分岐回路１２ｂの形状としては、特に規定するものではないが、例えば、以下のようなものが挙げられる。
分岐回路１２ｂ間の隙間としては、２〜１０ｍｍ以上とすることが好ましい。
この隙間が狭いと分岐回路１２ｂ間で放電が起こりやすくなる。
分岐回路１２ｂの幅としては、１ｍｍ以上、通常１ｍｍ〜５ｍｍとすることが好ましい。
この幅が狭いと電流量を確保できず、均等なプラズマが生成されにくい。
分岐回路１２ｂの長さ（足の長さ）としては、５ｍｍ以上、通常５ｍｍ〜５０ｍｍとすることが好ましい。
この長さが短いとプラズマ生成の効率が悪くなる。
分岐回路１２ｂの高さｈ（厚み）としては、１０〜５０μｍ、好ましくは１５μｍ〜３０μｍとすることが好ましい。
この厚みが低いと電流量を確保できず、プラズマ生成の効率が悪くなる。
分岐回路１２ｂの高さｈは高い方が電極の長寿命化につながるので好ましいが、コストアップにつながるので上記の範囲とする。
また、分岐回路１２ｂの本数としては特に規定するものではないが、外部電源装置との関連で通常２〜２０本とすることが好ましい。
なお、分岐回路１２ｂの幅方向断面は、外面側寸法＜基板密着側寸法とする台形状とすることが好ましい。分岐回路１２ｂを安定して形成できるからである。
（図２参照）

＜第２電極の形状＞
基板１１の他方の面（裏面）には、第１電極１２に対向するように第２電極１３が形成されている。
第２電極１３の形状は、第１電極１２のように櫛歯状ではなく、ベタ状（平面状）に形成されており、外部電源装置と接続される第２電極接続端子１３ａを備えている。

＜第１電極と第２電極の位置関係＞
第１電極１２と第２電極１３の位置関係は、図１（ａ）の平面視に示すように、第１電極１２の分岐回路１２ｂをカバーするように第２電極１３が形成される。
すなわち、第２電極１３の幅Ｙを第１電極１２の幅Ｘよりも大きくしている。
ただし、図１（ｂ）の（ａ）ＡＡ断面図（縦断面図）及び（ｂ）ＢＢ断面図（縦断面図）に示すように、平面視において、第１電極１２の共通回路１２ａの下端１２ｃと第２電極１３ａの上端１３ｂとの間にずれ距離Ｄが形成されるように設けられている。
そして、第２電極１３は、その上端１３ｂが、第１電極１２の共通回路１２ａの下端１２ｃに対向する位置から分岐回路１２ｂ方向側に移動した位置からベタ状に伸びて形成されている。
第２電極１３は、第１電極１２の共通回路１２ａに対向する部分から分岐回路１２ｂ方向に、ずれ距離Ｄを形成するように設けられている。
すなわち、第１電極１２の共通回路１２ａに対向する裏面側には、第２電極１３を設けない構成とし、プラズマ生成時における、共通回路１２ａからの放電を極力防止し、櫛歯状の分岐回路１２ｂの部分とベタ状の第２電極１３との間での放電によるプラズマ生成を促すようにした。
これにより、第１電極１２の共通回路１２ａ部分でのプラズマ生成を抑制させ、共通回路１２ａの電極の酸化を抑え、全体としてプラズマ電極の寿命を延ばすことができるのである。
ここで、ずれ距離Ｄの量としては、０を超え５ｍｍ以下、さらに２〜３ｍｍとすることが、プラズマ生成や電極寿命などのバランスを勘案すると好ましい。
このずれ距離Ｄを０ｍｍ以下（平面視において重なっている部分がある）に設定すると、共通回路１２ａにおいて優先的にプラズマが生成される。
このため、共通回路１２ａに大きな電流が流れ、長時間連続使用することにより、共通回路１２ａの銅箔などが酸化劣化して、電極寿命が短寿命化につながる。
一方、ずれ距離Ｄを５ｍｍを超える場合は、分岐回路１２ｂの長さが短くなり、プラズマ生成面積が減少するので好ましくない。
このように、共通回路１２ａに対向する裏面の第２電極１３の形成にずれ距離Ｄを設定することによって、全体としての電極寿命を向上させることができる。

＜材質＞
第１電極、第２電極の材質は特に限定されず、所定の導電性を有する物質であれば使用可能である。
例えば、銅、アルミニウム、カーボン、銀、鉄、タングステン、モリブデン、マンガン、チタン、クロム、ジルコニウム、ニッケル、金、銀、白金、パラジウム、あるいはこれらの合金が挙げられる。また、導電性高分子、カーボンナノチューブ等も用途により用いることができる。さらに、ＩＴＯ、ＩＺＯ等の透明電極も適用できる。
なお、電極の表面は、金などのフラッシュメッキがされていることが好ましい。
これにより、プラズマ生成時の電極の酸化劣化を防ぐことができる。

＜表保護層、裏保護層の形成＞
第１電極及び第２電極は、それぞれ誘電体からなる表保護層、裏保護層によって覆設されていることが望ましい。
この誘電体としては、セラミックスやガラス等の無機材料を例示することができる。
セラミックスとしては、シリカ、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、酸化珪素、ムライト、スピネル、コージェライト、窒化アルミニウム、窒化珪素、チタン−バリウム系酸化物、バリウム−チタン−亜鉛系酸化物などが挙げられる。
表保護層、裏保護層は、これらの誘電体の粉末をペースト状にして第２電極及び第１電極を形成した基板上にコーティングすることによって覆設することができ、第１電極や第２電極を保護することができる。
また、本実施形態のプラズマ生成用電極は、電極には後述するように高電圧を印加するため、上記、無機材料のみならず、エポキシ、アクリル、ポリアミン、アクリルシリコン、ウレタン、テフロン（登録商標）、ラッカークリアー等の有機系材料も１０μｍ以上の膜厚が出来れば、表保護層や裏保護層として適用させることができる。
上記に説明したように、第１電極や第２電極を保護することにより、湿気のある雰囲気でもプラズマを生成させることができ、耐湿性や耐候性に優れたプラズマ生成用電極とすることができる。
なお、表保護層や裏保護層は、プラズマ生成の観点から、５〜１００μｍ程度の厚みとすることが好ましい。
それ以上の厚みとすることも可能であるが、印加電圧の上昇させる可能性もあり、トラッキングが発生しやすくなるので好ましくない。
また、保護層と併せて、第１電極や第２電極上に金などの貴金属をフラッシュめっきして、放電時の酸化による電極劣化を防止することもできる。

＜実施形態２＞
実施形態２のプラズマ生成用電極は、基板１１に貫通孔１５を有している点で異なるが、その他の部分は実施形態１と同様である。
すなわち、実施形態２のプラズマ生成用電極１０は、第１電極１２において、分岐回路１２ｂと分岐回路１２ｂとの間に、基板１１の表裏を貫通するように、貫通孔１５が形成されてることを特徴とする。
これにより、この貫通孔１５の周囲にプラズマが生成され、プラズマ生成面積を増やすことができる。
すなわち、プラズマ化した気体を、基板の貫通孔１５を通過させて、被処理物に向かって空気などの気体を吹き付けることにより、被処理物を活性化することができる。
例えば、電極の貫通孔１５を通過したプラズマ気体を処理対象物に照射することにより、処理対象物を活性化することができる。
処理対象物としては、例えばエアコンのフィンなどが挙げられる。

貫通孔１５の配設形態としては、図３に示すように分岐電極１２ｂと分岐電極１２ｂとの間の基板１１のベース（分岐電極１２ｂが形成されていないエリア）上に形成してもよいし、分岐電極１２ｂ上に形成してもよい。
処理対象物の仕様に合わせて適宜決定される。
貫通孔１５の大きさとしては、特に規定するものではないが、直径１〜５ｍｍのものが気体の通過性から好ましい。

＜プラズマ生成用の電源ユニット＞
本発明のプラズマ生成用電極１０は、図４に示すように電源ユニットに接続して用いられる。
プラズマ生成用電極１０への印加電圧は、基板１１の絶縁性を確保するため、２００Ｖ〜２．０ｋＶ程度の範囲とすることが好ましい。
印加電圧が２００Ｖ未満では電極表面においてプラズマの生成が困難な場合があり、一方、２．０ｋＶを超えると基板や保護層の絶縁破壊が生じやすくなるので好ましくない。

＜第１電極、第２電極の製造方法＞
次に、実施形態のプラズマ電極の製造方法について説明する。
＜エッチング方法＞
基板上に、第１電極、第２電極を形成する方法としては、種々の方法によって実施することができるが、例えば、基板上に積層された金属箔（銅箔など）をエッチングすることによって回路を形成することができる。

＜塗工（印刷）方法＞
また、基板上にペーストを塗工（印刷）することで回路を形成することもできる。
この場合の塗工方法としては、スクリーン印刷、カレンダーロール印刷、ディップ法、蒸着、物理的気相成長法など、任意の塗工方法を利用可能である。
電極を塗工法によって形成する場合には、前記した各種金属あるいは合金の粉末を、有機バインダーおよび溶剤（テルピネオール等）と混合して導体ペーストを作製し、次いでこの導体ペーストを基板上に塗工して乾燥する。

＜プラズマ処理の対象＞
本発明のプラズマ生成用電極を用いたプラズマ処理の被処理物（処理対象）としては、プラズマ処理可能なものであれば特に限定されないが、例えば以下のようなものが挙げられる。
（ｉ）処理プロセス
被処理物の表面改質（親水処理：被処理物に接着剤や塗料を塗布する前に被処理物表面を親水処理し、濡れ性を向上させ、着色剤や塗料の接着性、付着性を高める）、滅菌または殺菌処理、有機物除去／有機物分解処理、気体の改質処理、有害気体成分の浄化処理など、である。
（ii）処理対象物品
樹脂製品（ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリイミド、テトラフルオロエチレンなど）、セラミックス、金属、ガラス、半導体ウエハー、液晶ガラス基板など
医療用器具や医療材料（ブリスターパック、ブリスターパック用シート、シリンジ、シリンジ用ガスケット、バイアル用ゴム栓、注射針、ガーゼ、不織布など）、
食料品用包装シート、エアコンのフィルターなど、である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施例について述べる。
＜実施例１＞
図１を用いて、本発明の実施例１に係るプラズマ生成用電極を説明する。
（ａ）はプラズマ生成用電極の平面視であり、（ｂ）は図１のＡＡ断面図であり、（ｃ）は図１のＢＢ断面図である。
実施例１のプラズマ生成用電極１０において、基板１１は０．５ｍｍ厚の矩形状ガラスエポキシ樹脂を用いた。
第１電極及び第２電極を形成する銅箔の厚さは０．２ｍｍのものを用いた。
基板１１の表面上に第１電極１２の櫛歯状の分岐回路１２ｂとして３本をエッチング方法で形成した。
また、基板１１の裏面上にベタ状の第２電極１３を形成した。
さらに、基板の表裏全体をガラスの保護層１４で覆設した（図２参照）。
なお、第２電極１３は、平面視において、第１電極１２の共通回路１２ａに対向する部分には形成されていない。
櫛歯の伸長方向（櫛歯の先端方向）に、ずれ距離Ｄ（＋０．５ｍｍ、平面視で隙間ありの場合を＋と表記した）を設けている。
実施例１のプラズマ生成用電極のその他の仕様は以下のとおりである。
（図１で示す方向で）
基板のサイズ：縦１４ｍｍ×横２５ｍｍ
分岐回路の足の長さ：１５ｍｍ
分岐回路の幅：１．２５ｍｍ
分岐回路どうしの間隔：２ｍｍ
第１電極の幅Ｘ：８ｍｍ
第２電極の幅Ｙ：１２ｍｍ
プラズマ生成用電極の評価方法としては、第１電極１２の分岐回路として形成した銅箔が酸化してプラズマ生成が困難になるまでの時間を測定した。
実施例１のプラズマ生成用電極は、連続２４時間運転を行った結果、１８カ月以上使用できた。

＜実施例２＞
ずれ距離Ｄを＋２ｍｍとした以外は、実施例１と同様にして電極を形成した。
実施例２のプラズマ生成用電極は、連続２４時間運転を行った結果、１８カ月以上使用できた。

＜実施例３＞
ずれ距離Ｄを＋５ｍｍとした以外は、実施例１と同様にして電極を形成した。
実施例３のプラズマ生成用電極は、連続２４時間運転を行った結果、１８カ月以上使用できた。

＜比較例１＞
ずれ距離Ｄを０ｍｍとした以外は、実施例１と同様にして電極を形成した。
比較例１のプラズマ生成用電極は、連続２４時間運転を行った結果、６カ月間使用できた。

＜比較例２＞
ずれ距離Ｄを−５ｍｍ（平面視で、第２電極の上端１３ｂが共通回路１２ａに５ｍｍ重なって形成されている場合）とした以外は、実施例１と同様にして電極を形成した。
比較例２のプラズマ生成用電極は、連続２４時間運転を行った結果、３カ月間使用できた。

本発明のプラズマ生成用電極は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリイミド、テトラフルオロエチレンなどの樹脂製品、セラミックス、金属、ガラス、半導体ウエハー、液晶ガラス基板などの活性化処理、医療用器具や医療材料など殺菌用途、食料品用包装シート、エアコンのフィルターなどの殺菌処理などに用いることができる。

１０ プラズマ生成用電極
１１ 基板
１２ 第１電極
１２ａ 共通回路
１２ｂ 分岐回路
１２ｃ 共通回路の下端
１２ｄ 第１電極接続端子
１３ 第２電極
１３ａ 第２電極接続端子
１３ｂ 第２電極の上端
１４ 保護層
１５ 貫通孔
Ｄ ずれ距離

Claims (2)

1. プラズマを生成させるための電極であって、
   絶縁性を有する基板と、
   前記基板の一方の面に設けられた第１電極と、
   前記基板の他方の面に第１電極に対向するように設けられた第２電極と、を備え、
   前記第１電極は、
   共通回路及び該共通回路から垂直方向に垂下した分岐回路とを有し、
   前記第２電極は、その上端が、
   前記第１電極の共通回路の下端に対向する位置から分岐回路方向側に移動した位置からベタ状に形成されるとともに、
   縦断面図において、
   前記第１電極の共通回路の下端と第２電極の上端との間にずれ距離Ｄが形成されていることを特徴とするプラズマ生成用電極。
2. 前記第１電極において、分岐回路と分岐回路との間に、
   前記基板の表裏を貫通するように貫通孔が形成されてることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ生成用電極。