JPH0786665A

JPH0786665A - 放電電極材料

Info

Publication number: JPH0786665A
Application number: JP23192793A
Authority: JP
Inventors: Takahiko Shindou; 尊彦新藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-09-17
Filing date: 1993-09-17
Publication date: 1995-03-31

Abstract

(57)【要約】【目的】誘電体を残留応力の低減された厚膜として、
また電極の先端部分を小さな曲率として形成可能とする
ことで、放電電極の放電電流密度及び電流分布の均一性
を向上させることのできる放電電極材料を提供すること
である。【構成】放電電極材料の一例として、熱膨張係数（１
０．０〜１２．０）×１０^-6 1/Kの金属材料からなる金
属電極に、熱膨張係数（８．６〜１０．６）×１０^-6 1
/Kの誘電材料（図１はガラス材料）をコーティングによ
り誘導体として接合する。この構成により衝撃強度が向
上し、誘電体の膜厚を厚くすることができる。また、誘
電材料は誘電率を７．０〜９．０とすることにより、誘
電体を製造可能な厚膜として形成可能となり、良好な放
電状態を確保することができる。さらに、金属材料は、
成分としてＣｒが１６〜２０wt％含有したものとするこ
とにより、電流分布の均一性を向上させることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、オゾナイザーやレーザ
等の機器の放電部に使用され、低周波数から高周波数領
域での使用に適する放電電極材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、オゾナイザーやレーザ等の放
電部を有する機器には、金属材料からなる電極が設けら
れ、これに高電圧を印加することによりグロー放電を起
こさせて、オゾンやレーザを発生させている。

【０００３】このような電極は、図１１に示すように、
金属材料からなる金属電極１の表面に誘電体２が設けら
れ、これが保持部材３により保持された構成となってい
る。この誘電体は、安定且つ均一なグロー放電を行うこ
とのできる誘電材料として、特開昭６１−１６８２７６
号公報に記載されたアルミナセラミックス材料や、特開
昭６１−２２４３７９号公報に記載されたガラス材料
が、一般に用いられている。このような誘電材料として
結晶化ガラスを使用した場合は、金属電極の表面に結晶
化ガラスを加熱処理によるコーティングを行って、膜厚
が１ｍｍ未満となる誘電体を設けている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】最近は、上述の放電部
を有する機器において、放電力の向上が検討され、この
ため、放電電流密度を高めることが求められている。こ
のためには、印加電圧を高くすることや、電源の周波数
を高くすること、または静電容量を大きくする等が考え
られる。

【０００５】しかし、印加電圧を高くすることは、端部
絶縁の関係で制限値がある。また、電源の周波数を高く
した場合、グロー放電を均一な状態で維持するために
は、誘電体の膜厚を厚くした厚膜状としなければならな
い。誘電体を厚膜状にした場合は、次のような問題が発
生する。

【０００６】すなわち、一般にガラス材料は引っ張り応
力に弱いため、誘電体がガラス材料により構成される場
合、ガラス材料は金属電極を構成する金属材料に比べ熱
膨張係数が等しいか、それよりも小さくなるように構成
される。ここで、コーティングによる誘電体層形成時に
は、高温時の熱膨張係数の差が残留応力としてガラス材
料に発生する。そして、熱膨張係数の差が大きい時に
は、それだけ残留応力が大きくなる。前記の残留応力
は、冷却過程において、ガラス材料の金属電極側には、
圧縮応力として働くことになる。しかし、ガラス材料の
反金属電極側（表面側）には、ガラス材料を厚膜状にし
たことにより、引っ張り応力として働くことになる。し
たがって、冷却時または冷却後の何等かの衝撃があった
場合、残留応力によりガラス材料表面に引っ張り応力が
発生しているため、ガラス材料に割れや剥離が発生する
ことになる。また、誘電体が厚膜となるほど、誘電体中
での応力分布、及び誘電体と金属電極との接合面におけ
る応力分布が大きくなる。これにより、誘電体の割れや
剥離が発生することになる。

【０００７】しかも、従来技術のガラス材料からなる誘
電体では、その製造工程中にガラス材料に気孔が発生
し、この気孔の大きさや分布により誘電体内部で放電が
起きる。これにより、実際に誘電体にかかる電圧が小さ
くなり、電極間の電流密度が低くなる。

【０００８】したがって、従来技術では、結晶化ガラス
等の誘電材料をコーティングにより誘電体として形成す
る時には、膜厚が１ｍｍ未満とする必要があった。ま
た、これに伴い、周波数も１００ｋＨｚより高い高周波
数を適用することが困難となっている。したがって、放
電電流密度の向上には、限界があった。

【０００９】さらに、電流分布の均一性を向上させるた
めに、電極の先端部の形状が検討され、最近は先端角部
の曲率が小さい形状が良好とされている。しかし、先端
角部の曲率が小さすぎると、局部に発生する応力が大き
くなることが判明している。このため、従来技術では、
電極の先端部分の曲率半径を１０ｍｍより小さくするこ
とは困難であり、電流分布の均一性の向上には限界があ
った。

【００１０】本発明は、上記の従来技術における課題を
解決するためになされたものであり、その目的は、誘電
体を残留応力の低減された厚膜としての形成を可能と
し、また、電極の先端部分を小さな曲率として形成可能
とすることで、放電電極の放電電流密度及び電流分布の
均一性を向上させることのできる放電電極材料を提供す
ることである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、金属電極に誘導体を接合して放電電極
を構成する放電電極材料において、金属電極が熱膨張係
数（１０．０〜１２．０）×１０^-6 1/Kの金属材料によ
り構成され、誘導体が熱膨張係数（８．６〜１０．６）
×１０^-6 1/Kの誘電材料により構成されていることを特
徴とする。この場合、誘電材料の誘電率が７．０〜９．
０となること、または、金属材料に成分としてＣｒが１
６〜２０wt％含有されていることを特徴とする。

【００１２】また、本発明では、金属電極に誘導体を接
合して放電電極を構成する放電電極材料において、前記
誘導体の熱膨脹係数は金属電極の熱膨脹係数と等しく、
または小さく構成されると共に、金属電極と誘電材料の
熱膨脹係数の差が１．８×１０^-6 1/K以下に構成されて
いることを特徴とする。

【００１３】さらに、本発明では、金属電極に誘電材料
を１回または複数回コーティングすることにより気孔を
有する誘電体として接合して放電電極を構成する放電電
極材料において、前記誘電材料が、気孔を円相当直径で
直径５０μｍ以下、平均直径２０μｍ以下、気孔の誘電
材料中に占める割合が１０％以下となるように構成され
ていることを特徴とする。この場合、誘導材料は、１回
のコーティングによる誘電体の膜厚が０．１７〜０．２
３ｍｍとなるように構成されていることが望ましい。

【００１４】

【作用】以上のように構成される本発明では、金属電極
を構成する金属材料の熱膨張係数を（１０．０〜１２．
０）×１０^-6 1/K、誘導体を構成する誘電材料の熱膨張
係数を（８．６〜１０．６）×１０^-6 1/Kとすることに
より、電極の衝撃強度を向上することができ、これに伴
い、誘導体の膜厚が２ｍｍ以上の厚さに形成可能とな
る。これにより、電源の周波数を高くすることが可能と
なり、放電電流密度を高めることができる。特に、ガラ
ス材料の誘電率を７．０〜９．０とすることで、誘電体
が製造可能な厚膜として形成が可能となり、良好な放電
状態を確保することができる。さらに、金属材料のＣｒ
含有量を１６〜２０wt％の間とすることで、曲率半径を
小さくすることができ、電流分布の均一性が向上され
る。

【００１５】また、金属電極と誘電材料の熱膨脹係数の
差を１．８×１０^-6 1/K以下に構成することにより、誘
電体の膜厚が３ｍｍ付近からは、残留応力が増加せず、
誘電体の厚膜とすることができる。

【００１６】さらに、誘電体の気孔を円相当直径で直径
５０μｍ以下、平均直径２０μｍ以下、気孔の誘電材料
中に占める割合が１０％以下に構成することにより、誘
電体の電圧を安定させ、電極間の電流密度を高い状態で
維持することができる。特に、１回のコーティングによ
る誘電体の膜厚が０．１７〜０．２３ｍｍとなるように
構成することにより、気孔の大きさ・占有率を調整する
ことができ、誘電体の電圧を安定させ、電極間の電流密
度を高い状態で維持することができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明による放電電極材料の実施例
を、図面に基づき説明する。

【００１８】（１）第１実施例 … 図１〜図４本実施例は、請求項１乃至請求項３記載の発明を包含す
るものである。

【００１９】すなわち、本実施例では、金属電極は熱膨
張係数が（１０．０〜１２．０）×１０^-6 1/Kとなるコ
バール、１８Ｃｒ合金、ステンレス等の金属材料により
構成されている。また、誘電体は、熱膨張係数が（８．
６〜１０．６）×１０^-6 1/Kとなるホウケイ酸アルカリ
ガラス、ホウケイ酸ソーダガラス等のガラス材料により
構成されている。なお、熱膨張係数は金属材料・ガラス
材料の成分中の元素比により調整する。これは、例えば
Ｎａを減らすことにより、熱膨張係数を小さくすること
ができる。

【００２０】また、本実施例では、ガラス材料は、その
誘電率が７．０〜９．０となるように構成することが望
ましい。さらに、金属材料は、その成分中にＣｒを１６
〜２０wt％含有した構成とすることが望ましい。

【００２１】このような本実施例では、金属材料からな
る金属電極にガラス材料をコーティングすることにより
電極が製造される。すなわち、コーティングの工程は、
ガラス材料を粉末状（フリットガラス）とし、これとバ
インダ等を水に均一に混合して、混合液を作製する。こ
の混合液を、スプレー等により金属電極の表面上に塗布
する。これを乾燥させ、乾燥後に焼き付けを行い、この
後冷却することにより誘電体を形成する。この誘電体の
膜厚は、電極設計に合わせて、前述の誘導体の形成方法
を繰り返すことにより調整される。そして、コーティン
グの終了後は、ガラス表面上に目に見えるような気泡や
不純物の混入が無いことを確認して、放電電極の完成と
する。

【００２２】以上の様に構成される本実施例の作用効果
は、以下のようになる。まず、図１に電極の衝撃強度比
を示す。この図に示すように、金属電極の熱膨張係数
（１０．０〜１２．０）×１０^-6 1/K、誘導体の熱膨張
係数（８．６〜１０．６）×１０^-6 1/Kとして構成され
る電極は、従来技術と比較して、衝撃強度が約３０％向
上している。これは、誘電体の引っ張り応力が、金属電
極と誘電体との熱膨張係数の差に影響され、蒸気の構成
の時に引っ張り応力が小さくなるため、衝撃強度を向上
させることができる。したがって、本実施例では、誘電
体の割れや剥離の発生を大幅に低下させることができ、
誘導体の膜厚を２ｍｍ以上に形成することができる。こ
れにより、電源の周波数を高くすることが可能となり、
放電電流密度を高めることができる。

【００２３】また、図２の均一放電・耐電圧を考慮した
場合の、誘電体の誘電率と膜厚の関係に示すように、良
好な放電条件範囲（ハッチング部分）は、誘電率と膜厚
とが比例し、誘電率が大きくなるほど、膜厚を厚くする
必要がある。しかし、膜厚を極端に厚くすることは、電
極製造上困難なことである。一方、膜厚を薄くすると、
誘電率が小さくなると共に、誘電体中のガラスの気孔内
部での放電により影響を受ける。したがって、本実施例
では、ガラス材料の誘電率を７．０〜９．０とすること
により、次のように作用効果となる。すなわち、前記誘
電率の場合には、良好な放電条件範囲として、誘電体の
膜厚を製造が可能な厚膜（例えば約４〜８ｍｍ程度）と
することができる。これにより、誘電体中のガラスの気
孔内部での放電の影響を受けず、良好な放電を行うこと
ができる。

【００２４】さらに、図３に先端角部の曲率半径と金属
材料中のＣｒ含有量の関係を、図４に曲率半径の違いに
よる電流分布を示す。図３に示すように、Ｃｒ含有量が
１５wt％までは、Ｃｒ含有量が増加するほど、割れ等の
異常の発生しない曲率半径は小さくすることができる。
一方、Ｃｒ含有量が２０wt％よりも増加すると、異常の
発生しない曲率半径は大きくなる。したがって、異常の
発生しない曲率半径は、金属材料のＣｒ含有量が１６〜
２０wt％の間で最小値とすることができる。また、図４
に示すように、最小曲率半径を４ｍｍとし、従来技術の
最小曲率半径である１０ｍｍと、比較のために曲率半径
６ｍｍについての電流分布では、曲率半径が小さいほど
電流分布の均一性が優れていることがわかる。したがっ
て、本実施例では、金属材料の成分中にＣｒを１６〜２
０wt％含有して構成されることにより、曲率半径を小さ
くすることができ、これにより、電流分布の均一性を向
上させることができる。

【００２５】（２）第２実施例 … 図５本実施例は、請求項４記載の発明の一実施例について説
明する。なお、本実施例では、第１実施例と同様に金属
電極表面に、ガラス材料をコーティングすることにより
電極が製造される。

【００２６】すなわち、金属電極を構成する金属材料の
熱膨脹係数をα_M、誘電体を構成するガラス材料の熱膨
脹係数をα_Gとする時、本実施例では、ガラス材料に比
べ金属材料の熱膨脹係数が大きく（α_M＞α_G）、且つ
熱膨脹係数の差（α_M−α_G）が１．８×１０^-6 1/K以
下となるように、金属材料とガラス材料を組み合わせた
構成とする。

【００２７】以上の様に構成される本実施例の作用効果
は、以下のようになる。すなわち、図５に残留応力に与
えるコーティング膜（誘電体）の膜厚の影響を示すが、
この図から、金属材料とガラス材料の熱膨脹係数の差Δ
α（α_M−α_G）が大きくなると、コーティング工程後
の膜厚が厚くなると共に、発生する残留応力が大きくな
ることがわかる。特に、膨脹係数の差Δαが１．８×１
０^-6 1/Kよりも大きい場合は、コーティング工程後の膜
厚が厚くなると共に、残留応力の値も常に上昇する。し
かし、本実施例である膨脹係数の差Δαが１．８×１０
^-6 1/K以下の場合は、誘電体の膜厚が３ｍｍ付近から
は、残留応力が増加せず、一定した値となる。したがっ
て、本実施例では、膜厚の厚い誘電体を形成することが
できる。これにより、グロー放電を均一な状態で維持で
き、高周波数にも対応することができる。

【００２８】（３）第３実施例 … 図６〜図１０本実施例は、請求項５及び請求項６記載の発明を包含す
るものである。なお、本実施例では、第１及び第２実施
例と同様に金属電極表面に、ガラス材料をコーティング
することにより電極が製造される。

【００２９】すなわち、本実施例では、誘電体（ガラ
ス）中の気孔の大きさが、円相当直径で、最大直径５０
μｍ以下、平均直径２０μｍ以下となるように、さら
に、誘電体中の気孔の占有率が１０％以下となるように
ガラス材料を構成する。この場合、１回のコーティング
による誘電体の膜厚は０．１７〜０．２３ｍｍが望まし
い。

【００３０】以上の様に構成される本実施例の作用効果
は、以下のようになる。すなわち、図６に部分放電電荷
に与える気孔の円相当直径の影響、図７に誘電体電圧に
与える気孔の平均直径の影響、図８に誘電体電圧に与え
る気孔の占有率の影響を示す。図６に示すように、誘電
体（ガラス）の気孔の大きさ（円相当直径）が、大きく
なるほど、気孔で発生する部分放電の電荷が大きくな
る。特に５０μｍよりも大きくなると、電荷が２０００
ｐＣよりも大きくなり、誘電体電圧を低下させる原因と
なる。また、図７に示すように、気孔の平均直径が２０
μｍよりも大きくなると、誘電体の電圧が大幅に低下す
ることになる。さらに、図８に示すように、平均直径が
２０μｍの場合において、気孔の占有率が１０％よりも
大きくなると、誘電体の電圧が低下することになる。し
たがって、本実施例では、誘電体（ガラス）中の気孔が
上述の大きさ及び占有率となるように構成されることに
より、誘電体の電圧を安定させ、電極間の電流密度を高
い状態で維持することができる。

【００３１】さらに、図９に気孔に与えるコーティング
の膜厚の影響、図１０に誘電体電圧に与えるコーティン
グの膜厚の影響を示す。図９に示すように、コーティン
グの膜厚が０．２３ｍｍよりも厚い場合、コーティング
中には円相当径の直径５０μｍを越える気孔が発生す
る。この大きさの気孔は、前記の図６に示すように、電
荷が２０００ｐＣよりも大きくなり、誘電体電圧を低下
させる原因となる。また、図１０に示すように、コーテ
ィング膜の膜厚が０．２３ｍｍよりも厚いと、気孔径の
巨大化により誘電体の電圧が低下する。一方、膜厚が
０．１７ｍｍよりも小さいと誘電体の気孔径は小さくな
るが、気孔の占有率が１０％よりも高くなる。これは、
前記図８に示すように、誘電体の電圧が低下することに
なる。したがって、本実施例では、１回のコーティグ工
程後の膜厚が０．１７〜０．２３ｍｍとなるように構成
することにより、気孔の大きさ・占有率を調整すること
ができ、誘電体の電圧を安定させ、電極間の電流密度を
高い状態で維持することができる。

【００３２】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではなく、電極形成のための具体的方法は適宜変
更可能である。また、誘電材料は上述のガラス材料に限
定されず、熱膨張係数が（８．６〜１０．６）×１０^-6
1/K、誘電率が７．０〜９．０、金属電極との熱膨脹係
数の差が１．８×１０^-6 1/K以下、気孔が円相当直径で
直径５０μｍ以下／平均直径２０μｍ以下／誘電材料中
に占める割合が１０％以下、１回のコーティングによる
誘電体の膜厚が０．１７〜０．２３ｍｍのうち１つ、も
しくは２つ以上の組み合わせによる誘電材料とすること
ができる。これは、ホウケイ酸ガラスの他に、例えば、
石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、鉛ガラス等のガラス材
料や、アルミナセラミックス材料、カーボン材料等を、
１つまたは２つ以上の組み合わせにより誘電材料を構成
することも可能である。この場合も、上述の実施例と同
様の効果を得ることができる。

【００３３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、誘電体を
厚膜として形成可能となるため、低周波数から高周波数
までに対応して、放電電流密度及び電流分布の均一性を
向上させる放電電極材料を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の放電電極材料からなる電
極と、従来技術からなる電極の衝撃強度比を示すグラ
フ。

【図２】誘電体の誘電率と膜厚の関係を示すグラフ。

【図３】先端角部の曲率半径と金属材料中のＣｒ含有量
の関係を示すグラフ。

【図４】曲率半径の違いによる電流分布を示すグラフ。

【図５】残留応力に与えるコーティング膜（誘電体）の
膜厚の影響を示すグラフ。

【図６】部分放電電荷に与える気孔の円相当直径の影響
を示すグラフ。

【図７】誘電体電圧に与える気孔の平均直径の影響を示
すグラフ。

【図８】誘電体電圧に与える気孔の占有率の影響を示す
グラフ。

【図９】気孔に与えるコーティングの膜厚の影響を示す
グラフ。

【図１０】誘電体電圧に与えるコーティングの膜厚の影
響を示すグラフ。

【図１１】一般的な放電電極を示す構成図。

【符号の説明】

１ … 金属電極２ … 誘電体３ … 保持部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属電極に誘導体を接合して放電電極を
構成する放電電極材料において、金属電極が熱膨張係数（１０．０〜１２．０）×１０^-6
1/Kの金属材料により構成され、誘導体が熱膨張係数（８．６〜１０．６）×１０^-6 1/K
の誘電材料により構成されていることを特徴とする放電
電極材料。
【請求項２】前記誘電材料は、誘電率が７．０〜９．
０となることを特徴とする請求項１記載の放電電極材
料。
【請求項３】前記金属材料は、成分としてＣｒが１６
〜２０wt％含有されていることを特徴とする請求項１記
載の放電電極材料。
【請求項４】金属電極に誘導体を接合して放電電極を
構成する放電電極材料において、前記誘導体の熱膨脹係数は金属電極の熱膨脹係数と等し
く、または小さく構成されると共に、金属電極と誘電材
料の熱膨脹係数の差が１．８×１０^-6 1/K以下に構成さ
れていることを特徴とする放電電極材料。
【請求項５】金属電極に誘電材料を１回または複数回
コーティングすることにより気孔を有する誘電体として
接合して放電電極を構成する放電電極材料において、前記誘電材料が、気孔を円相当直径で直径５０μｍ以
下、平均直径２０μｍ以下、気孔の誘電材料中に占める
割合が１０％以下となるように構成されていることを特
徴とする放電電極材料。
【請求項６】前記誘電材料は、１回のコーティングに
よる誘電体の膜厚が０．１７〜０．２３ｍｍとなるよう
に構成されていることを特徴とする請求項５記載の放電
電極材料。