JP5460092B2

JP5460092B2 - プラズマ発生体およびプラズマ発生装置

Info

Publication number: JP5460092B2
Application number: JP2009073176A
Authority: JP
Inventors: 隆茂八木; 哲也木村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2029-03-25
Also published as: JP2010225493A

Description

本発明は、例えば自動車の排ガスなどの有害ガスの浄化に利用されるプラズマ発生体およびプラズマ発生装置に関する。

プラズマ放電技術は、オゾン発生器、電気集塵装置、空気清浄機および有害ガス分解装置など幅広い分野において利用されている。例えば、電極間に高電圧を印加してプラズマ場（プラズマ発生領域）を発生させ、このプラズマ場（プラズマ発生領域）に排ガスを通過させて浄化することが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。

ここで、プラズマを発生させるプラズマ発生体として、セラミックスからなる絶縁基板と、絶縁基板の一方主面に設けられた第一電極と、絶縁基板の内部または他方主面に設けられ、第一電極の少なくとも一部と対向している対向領域および絶縁基板の一方主面に垂直な方向から見たときに前記第一電極の外側に延出している延出領域からなる第二電極とを備え、第一電極の表面にはプラズマによる侵食を防ぐために、第一電極の全面を被覆するようにオーバーコート層（保護被膜）が形成された沿面放電型のプラズマ発生体が知られている（例えば、特許文献２および特許文献３を参照。）。

この沿面放電型のプラズマ発生体は、主として第一電極の側方であって一方主面に垂直な方向から見たときに第二電極の延出領域の上方でプラズマが発生するようになっているものである。

特開２００２−２２１０２６号公報特開平２−２９５０８７号公報特開平１１−２２８１１２号公報

しかしながら、特許文献２および特許文献３に記載のプラズマ発生体においては、第一電極の全面を被覆するようにオーバーコート層（保護被膜）が形成されていることで、高い電圧にならないとプラズマが発生し難いという問題がある。

一方、第一電極を被覆するオーバーコート層（保護被膜）が形成されていないと、プラズマによって第一電極の側面が侵食を受けるという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、低い電圧でプラズマを発生させることができ、プラズマによる表面電極の侵食が抑制された沿面放電型のプラズマ発生体およびプラズマ発生装置を提供することを目的とする。

本発明は、セラミックスからなる絶縁基板と、該絶縁基板の一方主面および他方主面にそれぞれ設けられた第一電極と、前記絶縁基板の内部に設けられ、前記第一電極の少なくとも一部と対向している対向領域および前記絶縁基板の一方主面に垂直な方向から見たときに前記第一電極の外側に延出している延出領域を有する第二電極とを備えた沿面放電型のプラズマ発生体であって、前記第二電極に対向する前記第一電極の周縁部が多数の孔を有するセラミック被膜で覆われており、前記一方主面および前記他方主面に設けられた前記第一電極にそれぞれ対向する二つの前記第二電極が互いに対向するように設けられていることを特徴とするものである。

また本発明は、請求項１に記載のプラズマ発生体を所定の間隔をあけて主面同士を対向させて配置した構成を有することを特徴とするプラズマ発生装置である。

本発明のプラズマ発生体によれば、全面被覆に比べて低い電圧でプラズマを発生させることができ、プラズマによる第一電極（表面電極）の侵食を抑制することができる。

また、本発明のプラズマ発生装置によれば、絶縁基板の一方主面に第一電極が設けられた一対のプラズマ発生体をそれぞれの第一電極を内側に向けて上下に配置するとともに、これらの間に絶縁基板のそれぞれの主面に第一電極が設けられたプラズマ発生体を配置して主面同士を対向させていることで、これらの間を通過する有害ガスを十分に浄化することができ、長期信頼性に優れた装置を実現することができる。

本発明のプラズマ発生体の一実施形態を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図、（ｃ）は平面透視図である。図１に示すセラミック被膜の説明図である。本発明のプラズマ発生体の他の実施形態を示す概略断面図である。本発明のプラズマ発生体の他の実施形態を示す平面透視図である。本発明のプラズマ発生体の他の実施形態を示す概略断面図である。本発明のプラズマ発生体の他の実施形態を示す概略断面図である。本発明のプラズマ発生装置の一実施形態を示す概略断面図である。本発明のプラズマ発生装置の他の実施形態を示す概略断面図である。

以下、本発明のプラズマ発生体の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明のプラズマ発生体の一実施形態を示す説明図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図、図１（ｃ）は平面透視図である。

図１に示すプラズマ発生体は、セラミックスからなる絶縁基板１と、絶縁基板１の一方主面に設けられた第一電極２１と、絶縁基板１の内部に設けられ、第一電極２１の少なくとも一部と対向している対向領域２２ａおよび絶縁基板１の一方主面に垂直な方向から見たときに第一電極２１の外側に延出している延出領域２２ｂを有する第二電極２２とを備えた沿面放電型のプラズマ発生体である。なお、図１では第二電極２２が絶縁基板１の内部に設けられた例が示されているが、図３に示すように、絶縁基板１の一方主面に第一電極２１が設けられ、他方主面に第二電極２２が設けられていても構わない。

絶縁基板１は、例えばアルミナ、ムライト、窒化アルミニウム、コーディライトなどのセラミックスからなり、例えばアルミナセラミックスにより形成する場合、主成分であるアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）と、シリカ（ＳｉＯ_２）、カルシア（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ）等の焼結助剤とからなる原料粉末に、有機溶剤および溶媒を添加混合して泥漿状にするとともに、これをドクターブレード法もしくはカレンダーロール法等でシート状に成形してなるセラミックグリーンシートを複数枚積層し、高温（約１３００〜１８００℃）で焼成することによって得られたものである。なお、積層に際しては、３．０〜８．０ＭＰａ程度の圧力を加えて圧着を行ない、必要に応じて３５〜８０℃で加熱を行なうのが好ましい。また、溶剤と樹脂バインダーを混合するなどして作製した接着剤を用いてもよい。

絶縁基板１の一方主面には矩形状の第一電極２１が設けられ、絶縁基板１の内部には第一電極２１の少なくとも一部と対向している対向領域２２ａおよび絶縁基板１の一方主面に垂直な方向から見たときに第一電極２１の外側に延出している延出領域２２ｂを有する第二電極２２が設けられている。第一電極２１および第二電極２１は、ともに１６〜２０μｍ程度の厚みに形成されている。そして、第一電極２１および第二電極２２はその端部が絶縁基板１の端面まで延びており、絶縁基板１の一方の端面には第一電極２１と電気的に接続された外部端子３１が設けられ、絶縁基板１の他方の端面には第二電極２２と電気的に接続された外部端子３２が設けられている。この外部端子３１および外部端子３２は、第一電極２１および第二電極２２に電圧を印加するための導電路として機能する。なお、図１（ｃ）に示す点線領域は、後述するセラミック被膜４で覆われた第一電極２１の外周および絶縁基板１の内部に埋設された第二電極２２の外周をそれぞれ示している。

第一電極２１および第二電極２２は、タングステン、モリブデン、銅、銀等の金属粉末を主成分とする導体ペーストを、スクリーン印刷法等の印刷手段を用いて、絶縁基板１となるセラミックグリーンシートの所定の位置に印刷塗布し、セラミックグリーンシートと同時焼成することによって形成されたものである。なお、導体ペーストは、主成分の金属粉末に有機バインダーおよび有機溶剤、並びに必要に応じて分散剤等を加えて、ボールミル、三本ロールミル、またはプラネタリーミキサー等の混練手段により作製される。導体ペーストには、セラミックグリーンシートの焼結挙動に合わせたり、焼結後の絶縁基板１との接合強度を高めたりするために、ガラス粉末やセラミック粉末を添加してもよい。

外部端子３１および外部端子３２は、第一電極２１および第二電極２２を形成するための導体ペーストと同様の導体ペーストを所定の位置に塗布し、セラミックグリーンシートと同時焼成することによって形成されたものである。この導体ペーストも第一電極２１用および第二電極２２用の導体ペーストと同様にして作製されるが、有機バインダーおよび有機溶剤の量は外部端子３１および外部端子３２に適した粘度に調製される。

なお、外部端子３１および外部端子３２の表面には、ニッケル、金等の耐蝕性に優れるめっき層を形成しておくことが好ましい。これにより、酸化腐食を抑制するとともに、外部電源の電源端子との接合を強固なものとすることができる。特に、厚みが１〜１０μｍ程度のニッケルめっき層と厚みが０．１〜３μｍ程度の金めっき層とが順次形成されていることが好ましい。

そして、外部端子３１および外部端子３２を通して第一電極２１と第二電極２２との間に交流電圧を印加することにより、いわゆる沿面放電によってプラズマを発生させるようになっている。具体的には、外部電源の電源端子（図示せず）を圧接または接合等の手段により外部端子３１および外部端子３２に電気的に接続し、外部端子３１および外部端子３２を通して第二電極２２に基準電位が供給されるとともに第一電極２１と第二電極２２との間に交流電圧が印加され、主として第一電極２１の側方であって絶縁基板１の一方主面に垂直な方向から見たときの延出領域２２ｂの上方にプラズマが発生する。

プラズマ発生領域を通過する流体は、反応および分解によって浄化される。例えば、還元雰囲気下においては、ＮＯ_Ｘ（窒素酸化物）は、下記の式（１）および（２）に示された反応より分解して、Ｎ_２およびＯ_２が生成されて浄化される。

２ＮＯ_２ → ２ＮＯ＋Ｏ_２・・・・・・・・・・（１）
２ＮＯ＋Ｏ_２ → Ｎ_２＋２Ｏ_２・・・・・・・・（２）
なお、プラズマを発生させるためには周波数の高い交流電圧が印加され、この交流電圧は必要とされるプラズマの強度等によって適宜選択される。例えば、ディーゼルエンジンの排気ガス中の粒子状汚染物質ＰＭ（Particulate Matter）や酸化成分等の流体を浄化するプラズマ発生体において印加される交流電圧の周波数は、例えば、１ｋＨｚ〜１００ＭＨｚである。

そして、第二電極２２に対向する第一電極２１の周縁部が多数の孔４１を有するセラミック被膜４で覆われている。

セラミック被膜４は、絶縁基板１の形成材料と同様の材料で８〜１５μｍの厚みに形成され、例えばアルミナ、ムライト、窒化アルミニウム、コーディライトなどのセラミック焼結体が採用される。特に、セラミック被膜４の誘電率を絶縁基板１の誘電率よりも低くすることが好ましい。セラミック被膜４を誘電率の低い材料で形成することで、電界が集中しやすく、セラミック被膜４の周囲にプラズマが発生しやすくなる。

また、セラミック被膜４の形成されていない沿面放電型のプラズマ発生体においては、第二電極２２に対向する第一電極２１の側面から侵食を受けるが、第二電極２２に対向する第一電極２１の周縁部がセラミック被膜４で覆われていることで、侵食を受ける部分が保護されているとともに、絶縁基板１と第一電極２１との接合性が向上することも作用し、プラズマによる第一電極２１の側面の侵食を抑制することができる。なお、少なくとも第二電極２２に対向する第一電極２１の周縁部がセラミック被膜４で覆われていればよいが、図に示すように第二電極２２に対向しない第一電極２１の周縁部までセラミック被膜４で覆われていてもよい。

さらに、セラミック被膜４に多数の孔４１が形成されていることで、図２に示すように、この孔４１から第一電極２１が露出してこの部分に電界の集中が生じやすくなっている。したがって、この孔４１がプラズマ発生の起点となり、プラズマが発生しやすくなる。したがって、低い電圧でプラズマを発生させることができる。

ここで、孔４１の孔径は８〜１５μｍであるのが好ましい。孔径が８μｍ未満であると、プラズマ発生の起点となり難く、低い電圧でプラズマを発生させることが困難となり、孔径が１５μｍを超えると、プラズマによる侵食を十分に抑制することができなくなってしまうおそれがある。また、第一電極２１の厚みよりも孔４１の孔径が小さいので、第一電極２１の側面が広い範囲で露出することなく、プラズマによる第一電極２１の側面の侵食を抑制することができる。

ここでいう孔４１とは、第一電極２１が露出するように貫通して形成されたもののことを意味する。また、孔径とは孔４１のうちセラミック被膜４の表面に面する部分の直径を意味し、表面に面する部分が円形でない場合は最大長さを意味する。

そして、多数の孔４１はセラミック被膜４中に一様に分散して設けられていて、セラミック被膜４中に１５〜４０％の割合で含まれているのが好ましい。この範囲であることで、プラズマによる第一電極２１の側面の侵食を抑制することができる。

なお、孔径は、セラミック被膜４の任意の５箇所を１０００倍の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）で観察して求めた値である。また、孔４１の割合とは、セラミック被膜４の任意の５箇所を１０００倍のＳＥＭで観察し、ＳＥＭ視野中に占める孔４１の全面積を画像解析にて数値化し、孔４１の全面積を視野全体の面積で除して算出し、５箇所分の面積比率を平均した値である。

なお、孔径８〜１５μｍの多数の孔４１には、ディーゼルエンジンの排ガスを浄化する場合に、すす等の粒子状汚染物質ＰＭ（Particulate Matter）がひっかかって付着しやすく、またこの部分にプラズマが発生しやすいことから、効率的にＰＭの浄化が可能となる。

このようなセラミック被膜４は、絶縁基板１の形成材料と同様の材料にバインダー（エチルセルロース、ブチラール系、アクリル系）と、孔４１を形成するためのアクリルビーズ(綜研化学社製ＭＲシリーズ平均粒子径１０〜２０μｍ)、更にトルエンまたはＩＰＡ等の溶媒を加えてペースト状とし、絶縁基板１にスクリーン印刷法等で塗布して焼き付ける方法や絶縁基板１を作製する際のセラミックグリーンシートに同時焼成する方法が例示される。このとき、ペースト中のアクリルビーズが焼き付けまたは同時焼成の際に焼失することで、多数の孔４１が形成される。ここで、孔径および孔の割合は、アクリルビーズの平均粒子径や添加量で調整される。

なお、第一電極２１と第二電極２２の面積は、必要とするプラズマの強度や第一電極２１と第二電極２２との間に印加する電圧等によって適宜決定される。例えば、ディーゼルエンジンの排気ガス中のＰＭや酸化成分等の流体を浄化する量により面積が決定される。

また、図１に示す実施形態では、絶縁基板１の一方主面に一つの第一電極２１が設けられた構成が示されているが、図４に示すように、複数の第一電極２１が設けられた構成であってもよい。このように複数の第一電極２１が設けられることで、より多くのプラズマを発生させることができる。換言すれば、プラズマ密度をあげるとともに、プラズマの発生領域を拡げることができる。なお、図４においては、点線を外周とする矩形状の２枚の第一電極２１が周縁部をセラミック被膜４で覆われていて、点線を外周とする第二電極２２が絶縁基板１に埋設されている。

また、図５に示すように、絶縁基板１の一方主面および他方主面のそれぞれに第一電極２１が設けられ、絶縁基板１の内部に第二電極２２が設けられた構成であってもよい。さらに、図６に示すように、絶縁基板１の内部に二つの第二電極２２が対向するように設けられた構成であってもよい。これらのプラズマ発生体によれば、それぞれの主面に設けられた上側の第一電極２１の側方であって絶縁基板１の一方主面に垂直な方向から見たときの延出領域２２ｂの上方および下側の第一電極２２の側方であって絶縁基板１の一方主面に垂直な方向から見たときの延出領域２２ｂの下方にプラズマを発生させることができる。なお、図６に示す構成によれば、ある程度厚みをもたせて強度を保ちつつ、第一電極２１と第二電極２２との間の距離を短くして、電界集中を高めることができる。

そして、絶縁基板１の一方主面に第一電極２１が設けられた図１や図３に示すプラズマ発生体をプラズマ発生体Ａとし、絶縁基板１のそれぞれの主面に第一電極２１が設けられた図５や図６に示すプラズマ発生体をプラズマ発生体Ｂとすると、これらを組み合わせることで、有害ガスが通過する空間を形成し、その空間にプラズマを発生させて有害ガスを浄化することができる。

具体的には、図７および図８に示すように、一対のプラズマ発生体Ａを互いの第一電極２１を内側に向けて上下に配置し、セラミックスからなる支持部５によって所定の間隔をあけて主面同士を対向させて、上下のプラズマ発生体Ａの間にプラズマ発生体Ｂを二つ配置することで、有害ガスが通過する空間を三つ有するプラズマ発生装置が得られる。なお、ここでいう主面同士とは、図７および図８においては、三つあるそれぞれの空間において対向している主面同士のことをいい、上から順に、プラズマ発生体Ａの一方主面とプラズマ発生体Ｂの一方主面、プラズマ発生体Ｂの他方主面とプラズマ発生体Ｂの一方主面、プラズマ発生体Ｂの他方主面とプラズマ発生体Ａの一方主面のことを意味する。図示しないが、プラズマ発生体Ｂが一つ配置されている場合は、プラズマ発生体Ａの一方主面とプラズマ発生体Ｂの一方主面、プラズマ発生体Ｂの他方主面とプラズマ発生体Ａの一方主面となる。

このプラズマ発生装置によれば、それぞれの空間を通過する有害ガスを十分に浄化することができ、長期信頼性に優れた装置を実現することができる。

１・・・絶縁基板
２１・・・第一電極
２２・・・第二電極
２２ａ・・・対向領域
２２ｂ・・・延出領域
３１、３２・・・外部端子
４・・・セラミック被膜
４１・・・孔
５・・・支持部
Ａ、Ｂ・・・プラズマ発生体

Claims

セラミックスからなる絶縁基板と、該絶縁基板の一方主面および他方主面にそれぞれ設けられた第一電極と、前記絶縁基板の内部に設けられ、前記第一電極の少なくとも一部と対向している対向領域および前記絶縁基板の一方主面に垂直な方向から見たときに前記第一電極の外側に延出している延出領域を有する第二電極とを備えた沿面放電型のプラズマ発生体であって、
前記第二電極に対向する前記第一電極の周縁部が多数の孔を有するセラミック被膜で覆われており、
前記一方主面および前記他方主面に設けられた前記第一電極にそれぞれ対向する二つの前記第二電極が互いに対向するように設けられていることを特徴とするプラズマ発生体。
請求項１に記載のプラズマ発生体を所定の間隔をあけて主面同士を対向させて配置した構成を有することを特徴とするプラズマ発生装置。