JP2022049503A - 誘電体バリア放電電極及び誘電体バリア放電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低電圧での駆動を実現した上で誘電体や金属電極の劣化や分解を抑制することを可能にした誘電体バリア放電装置を提供する。【解決手段】実施形態の誘電体バリア放電装置１は、誘電体４と、誘電体４上に露出するように設けられた第１電極５と、誘電体４に覆われるように設けられた第２電極６と、第１電極５の近傍に誘電体に覆われるように設けられた第３電極７とを具備する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、誘電体バリア放電電極及び誘電体バリア放電装置に関する。

大気圧下で低温のプラズマを生成するための代表的な方法として、誘電体バリア放電（Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｄｉｓｃｈａｇｅ：ＤＢＤ）方式が知られている。ＤＢＤを適用した放電装置（以下、ＤＢＤ装置とも記す。）は通常、１組の金属等からなる電極と誘電体とから構成され、１組の電極間に例えば数ｋＶから数１０ｋＶの高電圧を印加することで、気体の放電（絶縁破壊）を発生させてプラズマを生成する。電圧波形を交流又はパルスとすることで、電子だけを集中的に加速（加熱）することができ、電子温度は１００００～２０００００Ｋ程度（約１ｅＶ～２０ｅＶ、約１１０００Ｋ=１ｅＶ）の高温となる一方で、気体の温度は室温程度（約３００Ｋ）に抑えることができる。このような状態を非平衡プラズマ又は低温プラズマと呼ぶ。

ＤＢＤ装置では、少なくとも一部の電極を誘電体で覆う構成とすることが一般的である。このような構成によれば、回路がショートして過大な電流が流れることを防ぐことができることから、ＤＢＤ装置の安全性や制御性を高めることができ、ＤＢＤ装置の幅広い分野への応用を可能にする。このようなＤＢＤ装置において、電極間に誘電体（絶縁体）を挟んで放電を行うことで安全性は向上するものの、動作電圧が高くなることが課題とされている。ＤＢＤ装置を低電圧で駆動するための工夫として、電極間に配置される誘電体の薄肉化や比誘電率の高い材質の使用等が検討されている。しかしながら、誘電体の薄肉化等は放電に直接晒される誘電体や金属電極の表面の劣化や分解を招き、ＤＢＤ電極及びＤＢＤ装置の耐久性や寿命を低下させるという問題がある。

特開２００６－２２２０１９号公報

本発明が解決しようとする課題は、低電圧での駆動を実現した上で誘電体や金属電極の劣化や分解を抑制することを可能にした誘電体バリア放電電極及び誘電体バリア放電装置を提供することにある。

実施形態の誘電体バリア放電電極は、誘電体と、前記誘電体の表面上に露出するように設けられた第１電極と、前記誘電体に覆われるように設けられた第２電極と、前記第１電極の近傍に前記誘電体に覆われるように設けられた第３電極とを具備する。

第１の実施形態の誘電体バリア放電装置を示す断面図である。 図１に示す誘電体バリア放電装置の斜視図である。 図１に示す誘電体バリア放電装置の一部を拡大して示す断面図である。 第２の実施形態の誘電体バリア放電装置を示す断面図である。 図４に示す誘電体バリア放電装置の斜視図である。 図４に示す誘電体バリア放電装置の他の断面図である。 第２の実施形態の誘電体バリア放電装置の変形例を示す断面図である。 第３の実施形態の誘電体バリア放電装置の第１の例を示す断面図である。 第３の実施形態の誘電体バリア放電装置の第２の例を示す断面図である。

以下、実施形態の誘電体バリア放電電極及び誘電体バリア放電装置について、図面を参照して説明する。なお、各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、各部の厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態の誘電体バリア放電装置を示す断面図、図２は第１の実施形態の誘電体バリア放電装置を示す斜視図である。図１は図２のＡ－Ａ線に沿った断面図である。図１及び図２に示す誘電体バリア放電装置１は、誘電体バリア放電電極２とそれに電圧を印加する電源３とを具備している。誘電体バリア放電電極２は、平板状の誘電体４と第１電極５と第２電極６と第３電極７とを備えている。電源３は第１電極５に電気的に接続されている。電源３から第１電極５に電圧を印加することによって、放電（絶縁破壊）を発生させてプラズマが生成される。第２電極６は基本的に接地されている（０Ｖ）。第３電極７は、必ずしも接地されている必要はないが、接地されていることが好ましい。

誘電体バリア放電電極２において、第１電極５は誘電体４の表面４ａ上に設けられており、板状や箔状等の形状を有している。ここで、誘電体４の表面４ａに平行でかつ互いに交差する２方向をｘ方向（第１方向）及びｙ方向（第２方向）とし、ｘ方向及びｙ方向と交差する方向をｚ方向（第３方向）とする。第１電極５は誘電体４上に露出され、かつｘ方向に延在している。第２電極６及び第３電極７は、誘電体４の内部に設けられており、誘電体４により覆われている。第２電極６はｘ方向及びｙ方向に延在しており、第３電極７はｘ方向に延在している。第１電極５と第２電極６及び第３電極７との間は、誘電体４により絶縁されている。第３電極７は、第１電極５との間で放電の起点となってプラズマを発生させるものである。第２電極６は、第３電極７で発生させたプラズマの発生面積を誘電体４の表面４ａに沿ってｙ方向に拡大させるものである。

誘電体４には、例えば無アルカリガラスやホウケイ酸ガラス等のガラス材料、アルミナセラミックスや窒化ケイ素セラミックス等のセラミックス材料、エポキシ樹脂やポリエーテル樹脂等の樹脂材料等が用いられる。第１電極５、第２電極６、及び第３電極７には、例えば銅、銀、クロム、チタン、白金等の金属材料が用いられる。第１電極５に印加する電圧の波形としては、交流波形又はパルス波形が使用される。交流の周波数としては、数Ｈｚから数ＧＨｚまで使用することができる。交流の周波数は数ｋＨｚから数ＭＨｚが典型的であり、ＧＨｚオーダーのマイクロ波を使用することも可能である。商用電源周波数（５０又は６０Ｈｚ）も使用可能である。パルス波形としては、数ナノ秒から数１００マイクロ秒の立ち上がり時間をもつ波形を使用ことができる。

このような誘電体４上に露出した状態で設けられた第１電極５に電圧を印加すると、誘電体４の内部に設けられた被覆電極と第１電極５との間で絶縁破壊が生じてプラズマが発生する。第１電極５と被覆電極との間で放電を発生させやすくするためには、第１電極５と被覆電極との間の距離を狭くすることが有効である。そこで、誘電体４内に第２電極６のみを配置する場合、誘電体４の表面４ａから第２電極６までの距離を狭めることによって、放電が発生しやすくなり、放電電圧を下げることができる。しかしながら、誘電体４の表面４ａから第２電極６までの距離を狭め、第２電極６上の誘電体４を薄肉化することによって、プラズマを発生させた際に、誘電体４の劣化や削れ（掘れ）等が生じやすくなる。さらに、第２電極６自体の劣化や分解も生じやすくなる。これらは、誘電体バリア放電電極の耐久性を低下させる要因となる。

このような点に対し、第１の実施形態の誘電体バリア放電電極２では、誘電体４及び第２電極６の耐久性を高めることが可能な誘電体４内の位置に第２電極６を配置した上で、誘電体４内の第１電極５の近傍に第３電極７を配置している。第３電極７の配置位置は、図３に示すように、第１電極５と第３電極７との最短距離ＳＤ１が第１電極５と第２電極６との最短距離ＳＤ２より短くなるような位置とすることが好ましい。第１電極５までの距離が短い第３電極７を用いることによって、第１電極５と第３電極７との間で電界が局所的に高くなり、最初の放電（着火）が促進されて低電圧での駆動が可能となる。

第１電極５と第３電極７との間の放電が促進されてプラズマＰが生じると、プラズマＰは誘電体４の内部に設けられた第２電極６により誘電体４の表面４ａに沿ってｙ方向に進展していくため、プラズマＰの形成領域を広げることができると共に、第３電極７付近での放電の集中を抑制することができる。従って、誘電体４の薄肉化による劣化や削れ、さらに第２電極６及び第３電極７の劣化や分解を抑制しつつ、低電圧でプラズマＰを発生することができる。すなわち、プラズマＰの低電圧での形成性を高めた上で、誘電体バリア放電電極２の耐久性を向上させることが可能になる。

上記したように、第３電極７による放電の促進と第２電極６による誘電体４の耐久性の向上及びプラズマＰの拡張を実現する上で、図３に示すように、第３電極７の誘電体４の表面４ａからのｚ方向の距離Ｌ２が第２電極６の誘電体４の表面４ａからのｚ方向の距離Ｌ１より短くなるように、第２電極６及び第３電極７を設置することが好ましい。さらに、距離Ｌ１は５ｍｍ以上とすることが好ましく、距離Ｌ２は５ｍｍ未満とすることが好ましい。距離Ｌ１が５ｍｍ以上２０ｍｍ以下となるように第２電極６を配置することで、誘電体４の耐久性を高めつつ、プラズマＰの持続性及び拡張性を向上させることができる。距離Ｌ２は放電を促進しつつ、第１電極５と第３電極７との間のショート等を抑制する上で、１ｍｍ以上５ｍｍ未満とすることが好ましく、３ｍｍ以下がより好ましい。

第２電極６は、前述したようにｘ方向及びｙ方向に延在するように設けられている。第２電極６は、例えば厚さ（ｚ方向の寸法）が１０μｍ以上２ｍｍ以下の板状又は箔状の形状を有していることが好ましい。第２電極６のｘ方向の長さは５ｍｍ以上とすることが好ましく、またｘ方向の長さに対するｙ方向の長さのアスペクト比は５以上となるように、第２電極６のｘ方向の長さ及びｙ方向の長さを設定することが好ましい。これによって、プラズマＰの進展性及び拡張性を高めることができる。また、第３電極７は放電の起点となればよいため、例えばワイヤ状や棒状の形状を有することができる。第１電極５は、電源３から印加される電圧に耐え得る程度の厚さを有し、かつプラズマＰのｘ方向への拡がりを実現し得る長さを有していればよい。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態の誘電体バリア放電電極及び誘電体バリア放電装置について、図４ないし図７を参照して説明する。図４は第２の実施形態の誘電体バリア放電装置を示す断面図、図５は第２の実施形態の誘電体バリア放電装置を示す斜視図、図６は第２の実施形態の誘電体バリア放電装置を示す断面図である。図４は図５のＡ－Ａ線に沿った断面図、図６は図５のＢ－Ｂ線に沿った断面図である。図４、図５、及び図６に示す誘電体バリア放電装置１は、第１の実施形態と同様に、誘電体バリア放電電極２とそれに電圧を印加する電源３とを具備している。第２の実施形態の誘電体バリア放電電極２と第１の実施形態の誘電体バリア放電電極２との違いは、第２電極６の構造が異なると共に、第３電極７を有していない点である。それ以外について、第２の実施形態の誘電体バリア放電電極２は第１の実施形態の誘電体バリア放電電極２と同様な構成を有している。

第２の実施形態の誘電体バリア放電電極２は、第３電極７を有しておらず、それに代えて第２電極６が凸部８を有している。第２電極６は第１の実施形態と同様に、ｘ方向及びｙ方向に延在している。このような形状に加えて、第２電極６は第１電極５側の端部に設けられた凸部８を有している。凸部８は第１電極５に向けてｚ方向に突出する形状を有している。第２電極６の第１電極５までの距離が狭まるように設けられた凸部８は、第１の実施形態の第３電極７と同様に機能する。

第２電極６の凸部８は、誘電体４の表面４ａからの距離が第１の実施形態の第３電極７と同様になるように配置されている。第２電極６の本体部分は、第１の実施形態の第２電極６と同様に配置されている。具体的には、第２電極６の凸部８は、誘電体４の表面４ａからの距離（Ｌ２）が第１の実施形態の第３電極７と同様に５ｍｍ未満となるように、誘電体４内に配置されていることが好ましい。距離（Ｌ２）は３ｍｍ以下がより好ましい。第２電極６の凸部８を除く本体部分は、誘電体４の表面４ａからの距離（Ｌ１）が第１の実施形態の第２電極６と同様に５ｍｍ以上となるように、誘電体４内に配置されていることが好ましい。凸部８の距離（Ｌ２）や第２電極６の本体部分の距離（Ｌ１）は、第１の実施形態と同様に設定することが好ましい。

第２の実施形態の誘電体バリア放電電極２によれば、第１電極５と凸部８との間で電界が局所的に高くなり、最初の放電（着火）が促進されて低電圧での駆動が可能となる。第１電極５と凸部８との間の放電が促進されてプラズマＰが生じると、プラズマＰは誘電体４の内部に設けられた第２電極６の本体部分により誘電体４の表面４ａに沿ってｙ方向に進展していくため、プラズマＰの形成領域を広げることができると共に、凸部８付近での放電の集中を抑制することができる。従って、誘電体４の薄肉化による劣化や削れ、さらに第２電極６の劣化や分解を抑制しつつ、低電圧でプラズマＰを発生させることができる。すなわち、プラズマＰの低電圧での形成性を高めた上で、誘電体バリア放電電極２の耐久性を向上させることが可能になる。

図４ないし図６では、ｘ方向に連続して延伸した凸部８を有する第２電極６を示したが、凸部８はこれに限られるものではない。例えば、図７に示すように、第２電極６ｘ方向に離間して設けられた複数の凸部８を有していてもよい。このような形状を有する複数の凸部８であっても、ｘ方向に連続して延伸した凸部８と同様な効果を得ることができる。すなわち、第１電極５と複数の凸部８との間で最初の放電（着火）が促進され、これにより低電圧での駆動が可能となる。図７に示す凸部の形状は、角錐や円錐等の先端が尖った形状に限らず、半球、円柱、角柱等であってもよい。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態の誘電体バリア放電電極及び誘電体バリア放電装置について、図８及び図９を参照して説明する。図８は第３の実施形態の誘電体バリア放電装置の第１の例を示す断面図、図９は第３の実施形態の誘電体バリア放電装置の第２の例を示す断面図である。図８及び図９に示す誘電体バリア放電装置１は、第２の実施形態と同様に、誘電体バリア放電電極２とそれに電圧を印加する電源３とを具備している。第３の実施形態の誘電体バリア放電電極２と第２の実施形態の誘電体バリア放電電極２との違いは、第２電極６の構造が異なる点である。第３の実施形態の誘電体バリア放電電極２は、それ以外について第２の実施形態の誘電体バリア放電電極２と同様な構成を有している。

第３の実施形態の誘電体バリア放電電極２は、第２の実施形態の第２電極６に設けられた凸部８に代えて、誘電体４の表面４ａ側の第２電極６の第１面６ａを誘電体４内に傾斜させて配置している。第２電極６は、第１電極５側の第１端部とｙ方向における他方の第２端部とを有している。第２電極６は、誘電体４の表面４ａから第１端部までの第１距離が誘電体４の表面４ａから第２端部までの第２距離より短くなるように、第１面６ａが傾斜された状態で誘電体４内に配置されている。

図８及び図９に示す第２電極６は、いずれも第１距離が第２距離より短くなる第１面６ａを有している。図８に示す第２電極６において、第１面６ａとは反対側の第２面６ｂは誘電体４の表面４ａと平行とされている。図９に示す第２電極６において、第１面６ａとは反対側の第２面６ｂは第１面６ａと平行とされている。このように、第２電極６の第１距離を第２距離より短くするにあたって、図８に示すように、第１面６ａのみが誘電体４に対して傾斜された形状であってもよいし、図９に示すように、第２電極６全体を誘電体４に対して傾斜させてもよい。図８に示す第２電極６は、第１面６ａが傾斜するように変形された長方体形状を有している。図９に示す第２電極６は、一般的な長方体形状を有しており、そのような第２電極６を誘電体４内に傾斜させて配置している。

第３の実施形態の第２電極６において、第１端部は誘電体４の表面４ａからの距離（Ｌ２）が第１の実施形態の第３電極７と同様に５ｍｍ未満となるように、誘電体４内に配置されていることが好ましい。距離（Ｌ２）は３ｍｍ以下がより好ましい。第２端部は誘電体４の表面４ａからの距離（Ｌ１）が第１の実施形態の第２電極６と同様に５ｍｍ以上となるように、誘電体４内に配置されていることが好ましい。第１端部の距離（Ｌ２）や第２端部の距離（Ｌ１）は、第１の実施形態の距離Ｌ１や距離Ｌ２と同様に設定することが好ましい。第２電極６の傾斜配置によって、第２の実施形態と同様な効果が得られる。

すなわち、第３の実施形態の誘電体バリア放電電極２によれば、第１電極５と第２電極６の第１端部との間で電界が局所的に高くなり、最初の放電（着火）が促進されて低電圧での駆動が可能となる。第１電極５と第２電極６の第１端部との間の放電が促進されてプラズマＰが生じると、プラズマＰは誘電体４の内部に設けられた第２電極６により誘電体４の表面４ａに沿ってｙ方向に進展していくため、プラズマＰの形成領域を広げることができると共に、第１端部での放電の集中を抑制することができる。この際、第２電極６は傾斜配置されており、第２端部に向けて徐々に誘電体４の表面４ａから第２電極６までの距離が広がるため、誘電体４や第２電極６の劣化を抑制することができる。従って、誘電体４の全体的な薄肉化による劣化や削れ、さらに第２電極６の劣化や分解を抑制しつつ、低電圧でプラズマＰを発生させることができる。すなわち、プラズマＰの低電圧での形成性を高めた上で、誘電体バリア放電電極２の耐久性を向上させることが可能になる。

図８及び図９では、平面状の第１面６ａを有する第２電極６を示したが、第２電極６はこれに限られるものではない。例えば、第２電極６は第１端部から第２端部に向けて階段状に低下させた第１面６ａを有していてもよい。この場合、図８に示す第２電極６に代えて、第１端部から第２端部に向けて、段階的に誘電体４の表面４ａからの距離が大きくなるように、階段状に形成した第１面６ａを適用することができる。このような形状の第１面６ａを有する第２電極６であっても、第１電極５と第２電極６の第１端部との間で最初の放電（着火）を促進し、低電圧でプラズマを発生させることができる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…誘電体バリア放電装置、２…誘電体バリア放電電極、３…電源、４…誘電体、５…第１電極、６…第２電極、７…第３電極、８…凸部。

Claims (14)

1. 誘電体と、
   前記誘電体の表面上に露出するように設けられた第１電極と、
   前記誘電体に覆われるように設けられた第２電極と、
   前記第１電極の近傍に前記誘電体に覆われるように設けられた第３電極と
   を具備する誘起体バリア放電電極。
2. 前記第３電極は、前記第１電極と前記第３電極との最短距離が前記第１電極と前記第２電極との最短距離より短くなるように配置されている、請求項１に記載の誘起体バリア放電電極。
3. 前記第１電極は、前記誘電体の前記表面と平行な第１方向に延在しており、
   前記第２電極は、前記第１方向及び前記表面と平行でかつ前記第１方向と交差する第２方向に延在しており、
   前記第３電極は、前記第１方向に延在している、請求項１又は請求項２に記載の誘起体バリア放電電極。
4. 前記第３電極は、前記誘電体の前記表面と平行な第１方向及び第２方向と交差する第３方向における前記誘電体の前記表面からの距離が、前記第２電極の前記第３方向における前記誘電体の前記表面からの距離より短くなるように配置されている、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の誘起体バリア放電電極。
5. 前記第２電極は、前記誘電体の前記表面から前記第３方向における距離が５ｍｍ以上になるように前記誘電体内に埋め込まれており、かつ前記第１方向の長さが５ｍｍ以上で、前記第１方向の長さに対する前記第２方向の長さのアスペクト比が５以上となる形状を有し、
   前記第３電極は、前記誘電体の前記表面から前記第３方向における距離が５ｍｍ未満になるように前記誘電体内に埋め込まれている、請求項４に記載の誘起体バリア放電電極。
6. 誘電体と、
   前記誘電体の表面上に露出するように設けられた第１電極と、
   前記誘電体に覆われるように設けられた第２電極とを具備する誘起体バリア放電電極であって、
   前記第２電極は、前記第１電極側の端部に設けられ、前記第１電極に向けて突出させた凸部を有する、誘起体バリア放電電極。
7. 前記第１電極は、前記誘電体の前記表面と平行な第１方向に延在しており、
   前記第２電極は、前記第１方向及び前記表面と平行でかつ前記第１方向と交差する第２方向に延在しており、かつ前記第１方向及び前記第２方向と交差する第３方向に突出する前記凸部を有する、請求項６に記載の誘起体バリア放電電極。
8. 前記第２電極の前記凸部は、前記第１方向に延在している、請求項７に記載の誘起体バリア放電電極。
9. 前記第２電極は、前記第１方向に離間して設けられた複数の前記凸部を有する、請求項７に記載の誘起体バリア放電電極。
10. 誘電体と、
    前記誘電体の表面上に露出するように設けられた第１電極と、
    前記誘電体に覆われるように設けられた第２電極とを具備する誘起体バリア放電電極であって、
    前記第１電極は、前記誘電体の前記表面と平行な第１方向に延在しており、
    前記第２電極は、前記第１方向及び前記誘電体の前記表面と平行でかつ前記第１方向と交差する第２方向に延在していると共に、前記第１方向及び前記第２方向と交差する第３方向において、前記第１電極側の一方の端部から前記誘電体の前記表面までの第１距離が他方の端部から前記誘電体の前記表面までの第２距離より短くなるように、前記誘電体内に埋め込まれている、誘起体バリア放電電極。
11. 前記第２電極は、前記第１距離が前記第２距離より短くなる第１面を有する、請求項１０に記載の誘起体バリア放電電極。
12. 前記第２電極は、前記誘電体の前記表面と平行な第２面を有する、請求項１１に記載の誘起体バリア放電電極。
13. 前記第２電極は、前記第１面と平行な第２面を有する、請求項１１に記載の誘起体バリア放電電極。
14. 請求項１ないし請求項１３のいずれか１項に記載の誘起体バリア放電電極と、
    前記誘起体バリア放電電極の少なくとも前記第１電極に電気的に接続された電源と
    を具備する誘起体バリア放電装置。

Images