JP4132041B2

JP4132041B2 - 放電素子

Info

Publication number: JP4132041B2
Application number: JP2003147458A
Authority: JP
Inventors: 浩竹之内
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-05-26
Filing date: 2003-05-26
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2023-05-26
Also published as: JP2004349192A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オゾン発生装置、イオン発生装置などに用いる放電素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の放電素子は、特許文献１や特許文献２に記載されているように、セラミックで形成された基板の表面に線状の放電電極を設け基板内部に面状の誘導電極を埋没し、それらの電極間に高周波高電圧を印加して基板表面に沿面コロナ放電を発生せしめるものである。また、特許文献３や特許文献４には、図３、４に示したように線状の放電電極２を単純なる線状で単数あるいは複数形成し、基板内部に面状の誘導電極を埋没し、それらの電極間に高周波高電圧を印加して基板表面に沿面コロナ放電を発生せしめる放電素子１が示されている。放電電極２の上には保護層７が形成されている。また、特許文献５では、線状の放電電極２の周縁に電界集中用の枝電極を設けている例が示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特公平２−２２９９８号
【０００４】
【特許文献２】
特公平３−４９１９８号
【０００５】
【特許文献３】
特開昭５９−４４７８７号
【０００６】
【特許文献４】
特開昭５９−４４７９７号
【０００７】
【特許文献５】
特公平７−９５４７７号
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の放電素子は、図３，４に示すように、線状の放電電極２を基本としているため、例えば、オゾン発生量を増やそうとした場合、印加電圧を上げるか、線状の放電電極２を延長し沿面を増やす必要があった。しかし、印加電圧を上げると寿命の劣化を招き、線状の放電電極２を延長すると、放電素子１の大型化につながる結果となる。
【０００９】
本発明の課題は、印加電圧を上げることなく放電量を増やすとともに、小型・長寿命の高出力の放電素子を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の放電素子は、セラミック基板の表面に複数の島状の放電電極を備え、内部に上記放電電極に対応する位置に複数の孔パターンを有する誘電電極を埋設し、上記孔パターン内に形成したスルーホールを介して上記放電電極と接続する配線回路を備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の放電素子は、前記放電電極の直径は前記スルーホールの直径以上とし、周縁には中心から放射状に伸びる突起部を複数設けたことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の放電素子は、前記放電電極同士の最短距離ｅを０．５mm以上としたことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の放電素子は、前記スルーホールと前記誘電電極との間隔ｆを、３００μｍ以上とすることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の放電素子は、前記放電電極と前記誘導電極間の誘電層の厚みｂが、前記配線回路と誘導電極間の絶縁層の厚みｃおよび前記スルーホールと前記誘導電極間距離ｆよりも薄いことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の放電素子は、前記放電電極と前記誘電電極に給電する給電部を、放電面の裏側表面に設けたことを特徴とする。
【００１６】
さらに、本発明の放電素子は、前記放電電極上に厚み１０〜１００μｍの保護層を設けた事を特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図１、２を用いて説明する。
【００１８】
図１は本発明の放電素子１の製造過程を示す斜視図、図２は本発明の放電素子１の断面図である。
【００１９】
本発明の放電素子１は、図１、２に示すように、一主面に配線回路６を形成した基板層１０と、複数のスルーホール４を形成し、該スルーホール４と一定の絶縁距離を取って誘導電極３を一主面に形成した絶縁層９と、前記スルーホール４と接続するように形成されたスルーホール４と各々のスルーホール４の上に放電電極２を形成したセラミックシートからなる誘電層８と、前記放電電極２を覆うように形成される保護層７とを順に重ねた構造となっており、これら、保護層７と誘電層８と絶縁層９と基板層１０によりセラミック基板が構成されている。
【００２０】
前記放電電極２は、スルーホール４を介して配線回路６に接続されるとともに、誘導電極３とは絶縁された構造となっている。また、誘電層８の下には、内部にスルーホール１１を有する基板層１０が接続され、基板層１０の外表面に形成された給電部１２ａ，ｂと放電電極２、誘導電極３が各々接続されるようになっている。このように、複数の放電電極２が各々独立したスルーホール４により接続されているので、放電に曝されるスルーホール４との接続部のひとつが断線しても放電特性が劣化しにくい耐久性良好な放電素子１を供給することが可能となる。
【００２１】
また、前記誘導電極３は、スルーホール１０ａにより電極パッド１１ａに接続されている。また、前記配線回路６は、スルーホール１０ｂにより電極パッド１１ｂに接続されている。そして、電極パッド１１ａおよび電極パッド１１ｂ間に交流電圧を印加することにより、放電電極２の周囲にオゾンやイオンを発生させるようになっている。
【００２２】
また、前記放電電極２は、その周縁に複数の放射状の突起部２ａを有している。放電電極２の直径はスルーホール４の直径以上とすることが望ましく、それ以下では、周縁の突起部２ａが放電に関与しなくなるため、放電効率が落ちる結果なる。逆に、前記放電電極直径を広げると素子の大型化へとつながる。また、周縁の突起部２ａは、中心から放射状に伸びる突起部を複数設けている。特に、この突起部２ａは頂点を放電電極２の外側に向けた三角形状が望ましい。理由としては、放電は先端に集中して発生するためであり、放電電極２の周縁は複数の突起部２ａを設けることで、高効率の放電素子１とすることが可能となる。放電電極２の厚みは、焼成後に５〜５０μｍとなるように設計することが望ましい。放電電極２の厚みが５μｍ未満では、印刷時のムラが発生し、断線等により放電効率の低下を生じやすくなる。また、放電電極２の厚みが５μｍ未満では、放電による電極の劣化で寿命が短くなる。また逆に、放電電極２の厚みが５０μｍを超えると、放電電極２の上に保護層７を形成する際に放電電極２外周部の段差により厚みの厚い部分が発生し、乾燥時に保護層７にクラックが発生し、放電電極２の耐久性が低下するので好ましくない。
【００２３】
また、放電電極２同士の間隔ｅは０．５ｍｍ以上とすることが望ましい。この間隔ｅが０．５ｍｍ未満では、保護層７や誘電層８に対する放電によるダメージが重なりやすくなるため、保護層７、誘電層８へのダメージが大きくなり、絶縁劣化を生じる結果となる。
【００２４】
また、誘電電極２には、スルーホール４が貫通するための孔パターン５が形成されている。そして、前記スルーホール４と誘導電極３との距離ｆは、３００μｍ以上とすることが好ましい。スルーホール４と誘電電極２との距離ｆが３００μｍ未満の場合、高電圧印加により、スルーホール４と誘電電極２間で絶縁破壊が発生することになる。また、この間隔ｆを大きくし過ぎると放電素子１の大型化に繋がるので、２ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００２５】
前記放電電極２と前記３間の誘電層８の厚みｂを、前記配線回路６と誘導電極３間の絶縁層９の厚みｃおよび前記スルーホール４と前記誘導電極３間距離ｆよりも薄くすることが好ましい。これは、放電電極２と誘導電極３間に印加すべき電圧が、前記配線回路６と誘導電極３間の絶縁層９層やスルーホール４と誘導電極３間に作用し、オゾンやイオンの発生量が減少することを防止するためである。誘電層８の厚みｂは、２０μｍ以上とするのが望ましく、それ未満では、絶縁破壊を放電電極２と誘電電極３の間で絶縁破壊が発生する。また、絶縁層９の厚みｃは絶縁破壊を起こさない為に、３００μｍ以上が望ましい。
【００２６】
また、前記放電電極２と前記誘導電極３に給電するための給電部１２ａ、１１ｂは、放電面に対し反対側の面に形成することが好ましい。これにより、給電部１２ａ、１１ｂと放電電極２との沿面距離を確保するとともに、給電部１２ａ、１１ｂ間に十分な絶縁距離を確保することが可能となる。
【００２７】
また、放電電極２上の保護層７の厚みａは、１０μｍ未満では放電により保護層７が破壊され、１００μｍを越えると放電効率が悪くなることから、１０〜１００μｍが望ましい。
【００２８】
以下、本発明の製造工程を説明する。
【００２９】
本発明の放電素子１の製造工程は、まず、タングステン、モリブデン等の高融点金属の粉末をバインダー、溶剤と混練してスラリー状にしてメタライズインクを作製する。
【００３０】
次に、絶縁層９となるセラミックシートにスルーホール５を形成し、中にＷ、Ｍｏ，Ｒｅ等の高融点金属を主成分とするインクを充填し、その後前記セラミックシートの表面にスクリーン印刷法により、面状の誘電電極３パターンを、メタライズインクを用いて印刷する。
【００３１】
次に、誘電層８となるセラミックシートにスルーホール５を形成し、中にＷ、Ｍｏ，Ｒｅ等の高融点金属を主成分とするインクを充填し、その後前記セラミックシートの表面にスクリーン印刷法により、複数の放電電極３パターンを、メタライズインクを用いて印刷する。誘導電極３には複数の孔パターン５が形成され、該孔パターン５の略中央にスルーホール５が形成される。
【００３２】
さらに、基板層１０となるセラミックシートにスルーホール１１ａ，ｂを形成し、中にＷ、Ｍｏ，Ｒｅ等の高融点金属を主成分とするインクを充填し、その後前記セラミックシートの表面にスクリーン印刷法により、配線回路６パターンをメタライズインクを用いて印刷する。また、その裏面に給電部１２ａ，ｂを印刷する。配線回路６は、放電電極２と接続されるスルーホール５と接続され、さらにスルーホール１１ａで給電部１２ａに接続され、誘電電極３は、スルーホール１１ｂにより絶縁層９および基板層１０を介して給電部１２ｂに接続される。
【００３３】
これらを密着したのち、所望の寸法に切断し、１５００〜１６５０℃の還元雰囲気中で焼成して放電素子１とする。焼成後、給電部１２ａ，ｂにメッキを施し、ロー付け・半田等で不図示の給電線と接続する。放電により発生するオゾン、イオンの影響下に長期曝された場合、給電部１２ａ，ｂ上のメッキ、半田、ロー材、配線等が酸化され、断線等の障害を引き起こすことは十分予想できるため、給電部１２は放電面の裏面に設けることが望ましい。配線した給電部１２ａ，ｂ上にシリコンなどによりコートして、酸化防止の措置をとることも効果がある。
【００３４】
焼成後の放電電極２、誘電電極３、配線回路６の厚みは、５〜５０μｍとすることが好ましい。前記厚みが５μｍ未満では印刷時に印刷ムラが発生し、断線が生じやすくなる。逆に前記厚みが５０μｍを超えると、焼成時にメタライズインクの脱バインダーが困難となり、セラミックシートの積層面に気泡が生じ易くなり、放電素子１自体の強度が劣化する。
【００３５】
次に、前記絶縁層９と誘電体層８となるセラミックシートを熱圧着して積層する。また、保護層７となるセラミックシートは焼成後の厚みが１０μｍ以上となるように形成することが望ましい。前記保護層７の焼成後厚みａが、１０μｍ未満では高電圧印加の際に絶縁破壊するので好ましくない。また、放電により発生する硝化物の付着により放電しなくなる。硝化物は吸水性があるため、放電を阻害する。また、保護層７の厚みａを厚くすると放電効率が悪くなるため、１００μｍ以下とすることが望ましい。
【００３６】
また、誘電層８の厚みｂと絶縁層９の厚みｃは、絶縁層９の厚みｃの方を厚くしないと、配線回路６と誘電電極３との間で電界が生じるため、放電電極２と誘電電極３との間で、放電が生じなくなる。同様に、誘電層８の厚みｂは、スルーホール４と誘電電極３との間隔ｆより小さくしないと、スルーホール４と誘電電極２との間で電界が生じるため、放電電極２と誘電電極２との間で、放電が生じなくなる。
【００３７】
高周波交流電源により給電部に高周波交流高電圧を印加すると、放電電極２の周縁より、高周波コロナ放電が発生する。この放電により、放電面には正負イオンをふくむプラズマが形成される。
【００３８】
尚、高印加電圧下では主に空気中の酸素がオゾンに変わり、脱臭器等に利用されるオゾン発生用放電素子１となる。また、低印加電圧下では、空気をイオン化する事が可能となり、空気清浄機等に用いられるイオン発生用の放電素子１となる。
【００３９】
また、放電素子１を形成するセラミックスとしては、アルミナ、ムライト、コージライト、ジルコニア等を使用することができる。
【００４０】
また、各電極を構成する材料としては、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅ等の高融点金属を主成分とするものとすることが好ましい。
【００４１】
【実施例】
実施例を以下に示す。
【００４２】
（実施例１）
純度９６％のアルミナグリーンシートとタングステンインクにより、幅１１mm長さ４０ｍｍの形状の基板に、直径１mmの放電電極２を６４個設けた放電素子１を作製した。そして、放電電極２の形状、各放電電極２間の距離ｅ、スルーホール４の径、スルーホール４−誘電電極３間距離ｆ、誘電層８の厚みｂ、誘電電極３の厚み、配線回路６の厚み、絶縁層９の厚み、保護層７の厚みａを表１に示すように変え、３２種類の放電体を用意した。
【００４３】
なお、放電電極２の周辺には、８個の三角形状の突起部２ａを設けた。
【００４４】
評価として、以下の方法で行った。
【００４５】
１．放電評価：３ＫＶ（Ｐ−Ｐ）、１０ＫＨｚの高周波高電圧電源を用い、２５℃−６０％RHの環境条件にて発生するオゾン量を測定した。測定方法は、恒温恒湿槽内にて、空気流量２０Ｌ／ｍｉｎ、内径５２ｍｍの円筒内で放電素子１に高電圧を印加・放電させ、下流に、オゾン濃度測定器（ダイレックス（株）社製ＤＹ−１５００型）のサンプリングチューブを設置し、測定を行った。サンプリングチューブの下流にはオゾン吸着ハニカムを置き、恒温恒湿槽内にオゾンが滞留する事を防止した。測定は、放電素子１印加後、１分後の濃度を測定値とした。
【００４６】
２．加速評価：８ＫＶ（Ｐ−Ｐ）、６０ＫＨｚの高周波高電圧電源を用い、１分間通電した。過電圧を印加する事で、加速評価とした。この評価にて、絶縁破壊、保護層７の劣化具合等を観察した。
【００４７】
比較用として、従来の線状の放電電極構造の放電素子を用いた。
【００４８】
【表１】

本発明の請求範囲内である試料番号１〜１７から、従来の線状の放電電極２の放電素子１と比較して、オゾン発生量が多く、高出力であることが判る。それに比べ、本発明の請求範囲外である試料番号１８〜３１は、放電状態、積層状態、通電状態、耐久性に問題があることが判る。また、従来の線状の放電電極２よりもオゾン発生量が多く、放電が高出力になっていることが判った。
【００４９】
試料番号１と２を比較すると、放電電極２の周縁に突起をつけたほうが、オゾン発生量が多いことから、放電に有効であることが判る。
【００５０】
次に、試料番号１，３，１８の結果から、各放電電極２間の距離は、０．５ｍｍ以上が望ましいことが判る。放電電極２間の距離ｅを０．４ｍｍとした試料番号１５は、加速試験評価にて、保護層７にクラックが発生した。これは、放電による電界が交わることから、保護層７へのダメージが大きいことが原因であり、最終的には絶縁層７の絶縁劣化を生じると予想される。
【００５１】
スルーホール４の直径を０．１５ｍｍとした試料番号１９の場合、スルーホール４の部分的な断線が発生し、放電しない放電電極２が発生した。従って、試料番号１，４のようにスルーホール４の直径は、０．２ｍｍ以上で良好な放電が得られることが判った。
【００５２】
スルーホール４と誘電電極３と距離ｆは３００μｍ未満の試料番号２０では、スルーホール４と誘電電極３の間で絶縁破壊が発生している。これは、積層間に埋め込みインクのニジミが発生し、これが絶縁距離を縮めることに原因しており、試料番号１、５に示すようにスルーホール４と誘電電極３と距離ｆは３００μｍ以上で良好な導通を取ることができた。
【００５３】
放電電極２、誘電電極３、配線回路６の厚みに関しては、試料番号１，６〜１１、２１〜２６で判るように、５μｍ未満の厚みの場合、印刷の掠れなどにより、部分的に導通の取れない部分があるため、放電にムラがあり、オゾン発生量に大きなさが出ており、逆に５０μｍを越えると、密着不良が発生した。密着不良は放電素子１自体の強度が劣化する結果となる。よって、放電電極２、誘電電極２、配線回路６の厚みは、５〜５０μｍが最適な範囲となる。
【００５４】
誘電層８の厚みｂは２０μｍ以上が望ましいことが試料番号１２〜１５、２７から判った。誘電層８の厚みｂが薄いと放電効率が増すことから、薄いほどオゾン発生量が多くなるが、２０μｍ未満では、放電電極２と誘電電極２の間で絶縁破壊が発生した。
【００５５】
配線回路６と誘電電極３間の絶縁層９の厚みｃを誘電層８の厚みｂより薄くした場合、試料番号２８に示すように、配線回路６と誘電電極３の間の絶縁が、誘電層８よりも低くなるため、放電電極２での放電が発生しなかった。よって、配線回路６と誘電電極３との間の絶縁層９の厚みｃは、前記誘電層８の厚みｂより厚いことで、良好な放電が得られることが判った。
【００５６】
放電電極２上の保護層７の厚みａは試料番号１３，１４に示すように、１０〜１００μｍが望ましい。保護層７の厚みａが１０μｍ未満である試料番号２９では、加速試験評価により、保護層７にクラックが発生している。これは保護層７が放電により破壊されたためであり、長期に渡る使用では、劣化することが容易に予想できる。また、保護層７の厚みａが１００μｍを越える試料番号３０では、オゾン発生量が極端に少なくなった。これは、保護層７が厚すぎて放電を阻害している為である。
【００５７】
スルーホール４と誘電電極３の距離ｆを誘電層８の厚みｂより小さくした場合、試料番号３１に示すように、スルーホール４と誘電電極２の間の絶縁が、誘電層８よりも低くなるため、放電電極２での放電が発生しない。よって、スルーホール４と誘電電極３の距離ｆは、前記誘電層８の厚みｂより厚いことで、良好な放電が得られる。
【００５８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、セラミック基板の表面に複数の島状の放電電極を備え、内部に上記放電電極に対応する位置に複数の孔パターンを有する誘電電極を埋設し、上記孔パターン内に形成したスルーホールを介して上記放電電極と接続する配線回路を備えたことを特徴とする放電素子を提供する事で、小型・長寿命の高出力の放電素子を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の放電素子の製造過程を示す展開斜視図であり、（ｂ）はその放電電極の一例を示す拡大図である。
【図２】本発明の放電素子の断面図である。
【図３】従来の放電素子の展開斜視図である。
【図４】従来発明の放電素子の断面図である。
【符号の説明】
１：放電素子
２：放電電極
３：誘電電電極
４：スルーホール
５：孔パターン
６：配線回路
７：保護層
８：誘電層
９：絶縁層
１０：基板層
１１：電極部スルーホール
１２：給電部

Claims

セラミック基板の表面に複数の島状の放電電極を備え、内部に上記放電電極に対応する位置に複数の孔パターンを有する誘電電極を埋設し、上記孔パターン内に形成したスルーホールを介して上記放電電極と接続する配線回路を備えたことを特徴とする放電素子。
前記放電電極の直径は前記スルーホールの直径以上とし、周縁には中心から放射状に伸びる突起部を複数設けたことを特徴とする請求項１記載の放電素子。
前記放電電極同士の最短距離ｅを０．５mm以上としたことを特徴とする請求項１記載の放電素子。
前記スルーホールと前記誘電電極との距離ｆを３００μｍ以上としたことを特徴とする請求項１記載の放電素子。
前記放電電極と前記誘導電極間の誘電層の厚みｂが、前記配線回路と誘導電極間の絶縁層の厚みｃおよび前記スルーホールと前記誘導電極間距離ｆよりも薄いことを特徴とする請求項１記載の放電素子。
前記放電電極と前記誘電電極に給電する給電部を、放電面の裏側表面に設けたことを特徴とする請求項１記載の放電素子。
前記放電電極上に厚み１０〜１００μｍの保護層を設けた事を特徴とする請求項１記載の放電素子。