(57)【要約】【課題】従来のオゾン発生装置より非常に低い電圧でオゾンを発生することのできるオゾン発生装置を構成する。【解決手段】オゾン発生装置１はオゾン発生部４−１、電源部２、この電源部２とオゾン発生部４−１とを接続する結線部３を備えている。オゾン発生部４−１は外部接続端子Ｐ１〜Ｐｎを備え、電源部２からｎ相の交流電圧である駆動電圧Ｖ１〜Ｖｎが印加される。オゾン発生部４−１には、互いに線幅方向に順に隣接するように配列され、その並び順に一定相数ｎを周期として、当該周期毎に接続された複数の線状電極と、これら複数の線状電極の表面を被覆する表皮絶縁層と、を有する。そして、これらの線状電極に３相以上の正弦波交流電圧が印加される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部接続端子と、互いに線幅方向に隣接するように配列され、その並び順に一定相数ｎを周期として、当該周期毎に接続された複数の線状電極と、前記複数の線状電極の表面を被覆する表皮絶縁層と、を有するオゾン発生部と、
時間経過にともない、互いに一定の位相差で且つ同一パターンで電圧が周期的に変化する３相以上の正弦波交流電圧を前記線状電極に印加する電源部と、
を備えたことを特徴とするオゾン発生装置。
【請求項２】
外部接続端子と、互いに線幅方向に隣接するように配列され、その並び順に一定相数ｎを周期として、当該周期毎に接続された複数の線状電極と、を有するオゾン発生部と、
時間経過にともない、互いに一定の位相差で且つ同一パターンで電圧が周期的に変化する３相以上の正弦波交流電圧を前記線状電極に印加する電源部と、を備え、
前記外部接続端子と前記線状電極とは容量結合層を介して容量結合していることを特徴とするオゾン発生装置。
【請求項３】
前記複数の線状電極の隣接する線状電極間の間隙は３５μｍ以下である、請求項１または２に記載のオゾン発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はオゾンを発生させるためのオゾン発生装置に関し、特に、低電圧で高効率にオゾンを放出できるようにしたオゾン発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の一般的なオゾン発生装置は、二つの電極の一方または両方を誘電体で隔離し、電極間距離を１〜２ｍｍ程度として対極させ、この電極の間に、１０〜２０ｋＶ、５０〜数十ｋＨｚ程度の交流電圧を印加するように構成されている。この構成により、バリア放電による高い電子温度で酸素分子が解離して酸素原子を生じ、この酸素原子が他の酸素分子と結合することでオゾンを生じる。しかし、このままではオゾンは動かないので送風装置も設けられる。
【０００３】
また、絶縁体を挟んで表面側電極の裏側に、互いの電極の位置をずらして裏面側電極を配置してなる電極対を配置し、両電極に交流電圧を印加することにより表面電極の端縁から表面プラズマを発生させ、この表面プラズマと空気との接触によりオゾンを発生させ、表面プラズマのプラズマジェット流で誘起される空気流にオゾンとを混合するようにしたオゾン発生装置が特許文献１に示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２４２１７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年のオゾン発生装置の応用分野の拡大に伴い、例えば数百Ｖ程度の低電圧で効率よくオゾンを発生する装置が求められている。
【０００６】
本発明の目的は、従来のオゾン発生装置より低電圧で高効率にオゾンを発生することのできるオゾン発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明のオゾン発生装置は、
外部接続端子と、互いに線幅方向に順に隣接するように配列され、その並び順に一定相数ｎを周期として、当該周期毎に接続された複数の線状電極と、前記複数の線状電極の表面を被覆する表皮絶縁層と、を有するオゾン発生部と、
時間経過にともない、互いに一定の位相差で且つ同一パターンで電圧が周期的に変化する３相以上の正弦波交流電圧を前記線状電極に印加する電源部と、
を備えたことを特徴とする。
【０００８】
この構成により、従来のオゾン発生装置より低電圧で駆動できる。
【０００９】
（２）本発明のオゾン発生装置は、
外部接続端子と、互いに線幅方向に順に隣接するように配列され、その並び順に一定相数ｎを周期として、当該周期毎に接続された複数の線状電極と、を有するオゾン発生部と、
時間経過にともない、互いに一定の位相差で且つ同一パターンで電圧が周期的に変化する３相以上の正弦波交流電圧を前記線状電極に印加する電源部と、を備え、
前記外部接続端子と前記線状電極とは容量結合層を介して容量結合している、
ことを特徴とする。
【００１０】
この構成により、線状電極のなかの特定の電極へ意図しない大電流が流れることを防止できる。
【００１１】
（３）前記複数の線状電極の隣接する線状電極間の間隙は３５μｍ以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、駆動電圧が相対的に低くても、互いに隣接する線状電極間に生じる電界が高められるので、低電圧で駆動できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１はオゾン発生装置のブロック構成図である。
【図２】図２は、電源部２が発生する、ｎ＝３の場合の駆動電圧Ｖｉ（ｉ＝１，２，３）の波形図である。
【図３】図３は、図１に示したオゾン発生部４−１の層毎の分解斜視図である。
【図４】図４はビア電極４５１ａおよび４５１ｊを含む面でのオゾン発生部４−１の断面図である。
【図５】図５は第１の実施形態に係るオゾン発生部４−１の等価回路図である。
【図６】図６は第４の実施形態に係るオゾン発生装置が備えるオゾン発生部４−４の層毎の分解斜視図である。
【図７】図７は第５の実施形態に係るオゾン発生装置が備えるオゾン発生部４−５の層毎の分解斜視図である。
【図８】図８は比較例としての駆動電圧の波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
《第１の実施形態》
第１の実施形態に係るオゾン発生装置について図１〜図５を参照して説明する。
【００１５】
図１はオゾン発生装置のブロック構成図である。オゾン発生装置１はオゾン発生部４−１、電源部２、この電源部２とオゾン発生部４−１とを接続する結線部３を備えている。
【００１６】
オゾン発生部４−１は外部接続端子Ｐ１〜Ｐｎを備え、電源部２からｎ相の交流電圧である駆動電圧Ｖ１〜Ｖｎが印加される。以降に示す具体例では３相の正弦波交流電圧を用いる。
【００１７】
一般的に、ｎ相の正弦波交流電圧は次式で表すことができる。
【００１８】
【数１】
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【００１９】
ここで、Vampは電圧振幅（波高値）であり、Tperは交流の周期である。例えば、Vampは２００〜６００Ｖ、Tperは10μｓ〜１ｍｓである。
【００２０】
ｎ＝３の場合の駆動電圧Ｖｉ（ｉ＝１，２，３）の波形は図２のように表すことができる。駆動電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３は互いに３６０度／ｎ＝１２０度の位相差をもっている。
【００２１】
図３は、図１に示したオゾン発生部４−１の層毎の分解斜視図である。オゾン発生部４−１は、絶縁体と、その絶縁体の表面または内部に形成された電極膜またはビア電極とからなる。オゾン発生部４−１は、表皮絶縁層４１、放電電極層４２、静電容量形成膜層４３、容量結合電極層４４、ビア電極層４５、給電電極層４６、絶縁体基板４７、および入力端子層４８がこの順に積層構成されている。但し、図３に示した分解図は、あくまで構成を説明するための便宜上の表示であり、製造工程を表すものではない。これら層のうち、層４２，４４，４６，４８はいずれも、金属電極の層であり、絶縁体層に電極が形成された層を図示しているわけではない。
【００２２】
図４はビア電極４５１ａおよび４５１ｊを含む面でのオゾン発生部４−１の断面図である。
【００２３】
オゾン発生部４−１は、例えば、ビア部をレーザーパンチャーで穿孔した上で導電性ペーストをスクリーン印刷した複数のセラミックグリーンシートを積層、圧着、乾燥、および焼成することにより構成することができる。また、アルミナ基板上に、各層を全面スクリーン印刷した感光性の導電性ペーストまたはガラスペーストに対してフォトリソグラフィにより必要なパターンを形成した後、焼成することを繰り返す工法により形成してもよい。
【００２４】
入力端子層４８は入力端子４８１ａ〜４８１ｃからなる。これらの入力端子は、それぞれ外部接続端子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を構成する。
【００２５】
絶縁体基板４７は例えばアルミナ基板であり、ビア電極４７１ａ〜４７１ｃは表面から裏面まで貫通し、裏面では、下層の入力端子４８１ａ〜４８１ｃにそれぞれ導通する。
【００２６】
給電電極層４６は、接続電極４６２ａ〜４６２ｃと、給電電極４６１ａ〜４６１ｃとからなる。このうち、接続電極４６２ａ〜４６２ｃは下層のビア電極４７１ａ〜４７１ｃを介して入力端子４８１ａ〜４８１ｃにそれぞれ接続される。
【００２７】
ビア電極層４５は絶縁体膜４５２とビア電極４５１ａ〜４５１ｌとからなる。ビア電極４５１ａ〜４５１ｌは、順に３個毎にそれぞれ下層の給電電極４６１ａ，４６１ｂ，４６１ｃに接続される。すなわち、例えば下層の給電電極４６１ａにはビア電極４５１ａ，４５１ｄ，４５１ｇ，４５１ｊが接続される。
【００２８】
容量結合電極層４４は容量結合電極４４１ａ〜４４１ｌからなる。容量結合電極４４１ａ〜４４１ｌは、それぞれ下層のビア電極４５１ａ〜４５１ｌに接続される。容量結合電極４４１ａ〜４４１ｌは、それぞれ例えば直線状電極であり、互いに等間隔に配置されている。容量結合電極４４１ａ〜４４１ｌの幅および配列の間隙はともに５０μｍである。
【００２９】
静電容量形成膜層４３は誘電体（絶縁体）膜の層である。
【００３０】
放電電極層４２は本発明の「線状電極」に相当する放電電極４２１ａ〜４２１ｌからなる。放電電極４２１ａ〜４２１ｌは、静電容量形成膜層４３を介して容量結合電極４４１ａ〜４４１ｌとそれぞれ対向する。放電電極４２１ａ〜４２１ｌの幅および間隙はともに５０μｍである。
【００３１】
図４に表れているように、例えば、入力端子４８１ａはビア電極４５１ａ，４５１ｄ，４５１ｇ，４５１ｊに電気的に接続されている。ビア電極４５１ａ，４５１ｄ，４５１ｇ，４５１ｊは、容量結合電極４４１ａ，４４１ｄ，４４１ｇ，４４１ｊにそれぞれ導通している。容量結合電極４４１ａ，４４１ｄ，４４１ｇ，４４１ｊは、それぞれ放電電極４２１ａ，４２１ｄ，４２１ｇ，４２１ｊとそれぞれ対向している。放電電極４２１ａ〜４２１ｌは表皮絶縁層４１で被覆されている。
【００３２】
図５は第１の実施形態に係るオゾン発生部４−１の等価回路図である。この図５に示すように、外部接続端子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３はそれぞれキャパシタを介して放電電極４２１ａ〜４２１ｌに周期的に接続されている。すなわち、互いに線幅方向に隣接するように配列された放電電極は、相数３の周期毎に接続されている。そして、時間経過にともない、互いに１２０度の位相差で周期的に変化する正弦波交流電圧が外部接続端子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に入力される。
【００３３】
ここで、キャパシタの静電容量が、放電電極４２１ａ〜４２１ｌのうち、隣接する放電電極同士で形成される静電容量より十分大きければ、外部接続端子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に印加された電圧の大部分が放電電極４２１ａ〜４２１ｌに印加される。このため、電源部２が式（１）に示した駆動電圧Ｖｉが放電に必要な電圧値以上である場合には、放電電極４２１ａ〜４２１ｌにおいて３つの電極毎に沿面放電が生じる。この放電により、空気中の分子に由来した荷電粒子が生じる。しかも放電位置は式（１）中の交流の周期Tperと同期して、図４中に示したｘの向きに動く。
【００３４】
第１の実施形態では放電電極４２１ａ〜４２１ｌの間隙が５０μｍであり、駆動電圧の波高値Vampが４５０Ｖ以上で沿面放電が生じてオゾンが発生する。
【００３５】
ここで、放電電極４２１ａ〜４２１ｌの配列間隔（ピッチ）をｐ、線幅をＬで表すと、放電位置の空間移動速度はｎ（ｐ＋Ｌ）／Tperで表されるので、ｎ＝３、Tper＝０．２ｍｓ、ｐ＝５０μｍ、Ｌ＝５０μｍとすると、放電位置の空間移動速度は１．５ｍ／ｓとなる。オゾンを含む気流の速度もこれと同オーダの速度となる。
【００３６】
上記荷電粒子は、放電電極に印加された電圧、および表皮絶縁層４１の表面に付着した電荷により発生する電界により一定の方向に運動する。この際に、荷電粒子は周囲の空気分子と衝突し運動量を空気分子へ与える。これにより、表皮絶縁層４１の表面近傍に気流が生じる。オゾンは中性であるので、この気流とともにオゾンが輸送される。
【００３７】
以上のような構成および作用により、次の効果が生じる。
【００３８】
駆動電圧が相対的に低くても、放電電極４２１ａ〜４２１ｌの互いに隣接する放電電極間の間隙を狭くするだけで、放電電極間に生じる電界が高められるので、低電圧で駆動できる。
【００３９】
ｎ＝３相以上で構成したときには、オゾンが発生する部位の近傍で気流が生じることにより、オゾンが表皮絶縁層４１の近傍からすみやかに取り除かれるため、オゾン生成反応が促進される。そのため、オゾン発生効率が高い。
【００４０】
また、気流を自ら生じるため、発生したオゾンを拡散する必要がある用途においても、軸流ファンなどを設ける必要がないため、コストおよびサイズを低減できる。
【００４１】
また、オゾン発生部４−１の構成において、図３に示した各層４１〜４６および４８は数μｍ〜数十μｍの厚さしか持たず、また、絶縁体基板４７も十分薄く構成できる。そのため、オゾン発生部４−１は非常に薄く構成できる。
【００４２】
また、放電電極４２１ａ〜４２１ｌに直列接続されているキャパシタの静電容量を適切に設定することにより、沿面放電に必要な電荷量を超える電荷の移動を阻止できる。これにより、アーク放電などの意図しない放電の発生を抑制することができ、耐久性が向上する。そのため、表皮絶縁層４１は必須ではなく、放電電極４２１ａ〜４２１ｌは露出していてもよい。
【００４３】
ここで、駆動電圧波形の比較例を図８に示す。オゾン発生部４−１に入力する駆動電圧が図８に示すような矩形波である場合に比べて正弦波であると、次のような効果を奏する。
【００４４】
（１）昇圧容易性
前提として、正弦波の周波数は1kHz〜100kHz程度、矩形波は立上り時間が数十ns程度を想定している。正弦波の昇圧は、珪素鋼板をコア材とする低周波用トランスで容易に行える。一方、矩形波の昇圧をトランスのみで行おうとすると、数十MHzの帯域が必要となるが、低周波トランスで用いている珪素鋼板は高い周波数に対して大きな渦電流損失が生じるのでトランスとして機能しない。また、高周波トランスでコア材として用いられているフェライトコアは、飽和磁束密度が小さいため、昇圧トランスとして機能しない。したがって、正弦波の昇圧は矩形波の昇圧より遙かに容易である。
【００４５】
（２）整合容易性
オゾン発生部は電気的には容量性であるため、インダクタを直列接続することにより、特定の周波数で共振させることができる。そのため、駆動電圧が正弦波である場合には、駆動電圧の周波数で共振させるようにすれば、より低い駆動電圧でオゾン発生部を動作させることができる。
【００４６】
（３）低電磁ノイズ性
正弦波であれば、矩形波が有する高調波成分が無いため、ノイズ源となりやすい高周波数の電流が生じにくくなる。そのため、図１に示したオゾン発生部４−１、結線部３および電源部２から生じる電磁ノイズが抑えられる。
【００４７】
図１に示した電源部２はスイッチ素子のスイッチングによりｎ相の矩形波電圧を発生し、これをローパスフィルタを通すことで高調波成分を抑制し、正弦波またはほぼ正弦波の交流電圧を発生する。高調波（特に３次高調波）の振幅比が基本波の１／５以下、好ましくは１／１０以下であれば、前記昇圧容易性、整合容易性および低電磁ノイズ性を奏する。換言すると、前記昇圧容易性、整合容易性および低電磁ノイズ性を奏する程度に高調波成分の少ない正弦波電圧で駆動することが好ましい。
【００４８】
《第２の実施形態》
第２の実施形態に係るオゾン発生装置においては、容量結合電極４４１ａ〜４４１ｌの間隙、放電電極４２１ａ〜４２１ｌの間隙をともに３５μｍとした。これ以外の基本的な構成は第１の実施形態で示したとおりである。
【００４９】
第２の実施形態に係るオゾン発生装置の駆動電圧は３１５Ｖであり、第１の実施形態に比べてより低い電圧で駆動させることができた。
【００５０】
《第３の実施形態》
第３の実施形態に係るオゾン発生装置においては、容量結合電極４４１ａ〜４４１ｌの間隙、放電電極４２１ａ〜４２１ｌの間隙をともに３０μｍとした。これ以外の基本的な構成は第１の実施形態で示したとおりである。
【００５１】
第３の実施形態に係るオゾン発生装置の駆動電圧は２７５Ｖであり、第１の実施形態に比べてさらに、低い電圧で駆動させることができた。
【００５２】
《第４の実施形態》
図６は第４の実施形態に係るオゾン発生装置が備えるオゾン発生部４−４の層毎の分解斜視図である。オゾン発生部４−４は、絶縁体と、その絶縁体の表面または内部に形成された電極膜またはビア電極とからなる。オゾン発生部４−４は、表皮絶縁層４１、放電電極層４２、ビア電極層４５、給電電極層４６、絶縁体基板４７、および入力端子層４８がこの順に積層構成されている。但し、図６に示した分解図は、あくまで構成を説明するための便宜上の表示であり、製造工程を表すものではない。
【００５３】
この第４の実施形態に係るオゾン発生部４−４は、第１の実施形態で図３に示したオゾン発生部４−１とは異なり、静電容量形成膜層４３および容量結合電極層４４が無い。この構成により、放電電極層４２における放電電極４２１ａ〜４２１ｌは、ビア電極層４５におけるビア電極４５１ａ〜４５１ｌに直接接続される。
【００５４】
この第４の実施形態によれば、放電電極４２１ａ〜４２１ｌの間隙が５０μｍであれば、駆動電圧の波高値Vampが４３０Ｖ以上で沿面放電が生じてオゾンが発生する。すなわち、容量結合電極層による電圧分圧が生じないので、第１の実施形態のオゾン発生部に比べて低い駆動電圧で沿面放電が生じる。
【００５５】
《第５の実施形態》
図７は第５の実施形態に係るオゾン発生装置が備えるオゾン発生部４−５の層毎の分解斜視図である。オゾン発生部４−５は、絶縁体と、その絶縁体の表面または内部に形成された電極膜またはビア電極とからなる。オゾン発生部４−５は、表皮絶縁層４１、放電電極層４２、静電容量形成膜層４３、容量結合電極層４４、ビア電極層４５、給電電極層４６、絶縁体基板４７、および入力端子層４８がこの順に積層構成されている。但し、図７に示した分解図は、あくまで構成を説明するための便宜上の表示であり、製造工程を表すものではない。
【００５６】
第５の実施形態では、円環状の放電電極４２１ａ〜４２１ｆが同心円上に配置されている。これに伴い、容量結合電極４４１ａ〜４４１ｆも同心円上に配置されていて、放電電極４２１ａ〜４２１ｆと対向する。給電電極４６１ａ〜４６１ｃはビア電極４５１ａ〜４５１ｆを介して容量結合電極４４１ａ〜４４１ｆと接続されている。そして、容量結合電極４４１ａ〜４４１ｆおよび静電容量形成膜層４３によるキャパシタを介して入力端子４８１ａ〜４８１ｃが放電電極４２１ａ〜４２１ｌに並び順に周期的に接続されている。
【００５７】
このような電極形状であれば、放電の順序を外周円から内周円に向かうように駆動することで、外周円から内周円へ向かう気流が生じる。そのため、各方位からの気流は収束流となり、同心円の中心近傍の気流は、表皮絶縁層４１に対して法線方向へ向かう。そのため、オゾンを含む空気もオゾン発生部４の表皮絶縁層４１に対して法線方向へ向かう。このことからオゾンを含む空気の気流に鋭い方向性を持たせることができる。この作用はオゾンを特定の位置へ吹きつけるのに有用である。
【００５８】
また、放電の順序を内周円から外周円に向かうように駆動することで、内周円から外周円へ向かう気流が生じる。そのため、オゾンを含む空気はオゾン発生部４の表皮絶縁層４１の面に沿って放射状に広がる。このことからオゾンを含む空気を拡散させることができる。
【００５９】
なお、以上に示した各実施形態では、３相の正弦波交流電圧である駆動電圧をオゾン発生部へ入力する例を示したが、この相数は４相以上であってもよい。
【符号の説明】
【００６０】
Ｐ１，Ｐ２・・・Ｐｎ…外部接続端子
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３…駆動電圧
１…オゾン発生装置
２…電源部
３…結線部
４−１，４−４，４−５…オゾン発生部
４１…表皮絶縁層
４２…放電電極層
４３…静電容量形成膜層
４４…容量結合電極層
４５…ビア電極層
４６…給電電極層
４７…絶縁体基板
４８…入力端子層
４２１ａ〜４２１ｌ…放電電極
４４１ａ〜４４１ｌ…容量結合電極
４５１ａ〜４５１ｌ…ビア電極
４５２…絶縁体膜
４６１ａ〜４６１ｃ…給電電極
４６２ａ〜４６２ｃ…接続電極
４７１ａ〜４７１ｃ…ビア電極
４８１ａ〜４８１ｃ…入力端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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