(57)【要約】【課題】比較的低電圧で動作し、高効率な気体搬送を実現する。【解決手段】誘電体基板５１の上面には複数の線状電極５２が平行且つ一定間隔に配列形成されている。周期パルス電源４０は４相のパルス電圧Ｖ１〜Ｖ４を出力する。線状電極５２はその並び順に４本ごとに共通接続されるとともに周期パルス電源４０にそれぞれ接続されている。誘電体基板５１の表面の全面には、線状電極５２を覆うように、樹脂被膜や珪酸ガラス被膜などの絶縁性膜５４が形成されている。線状電極５２は、互いに隣接する線状電極同士の間隔が１．７μｍ乃至９０μｍの範囲であり、周期パルス電源は、パルスの立ち上がり時間が１μｓ以下のパルス電圧を発生する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基体に互いに平行または略平行に配列されるともに絶縁性膜で被覆され、並び順に一定相数ｎを周期として、当該周期毎に共通に接続された複数の線状電極と、
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ｎ相のパルス電圧を前記線状電極に印加する電源と、を備え、
前記線状電極は、互いに隣接する線状電極同士の間隔が１．７μｍ乃至９０μｍの範囲であり、
前記電源は、パルスの立ち上がり時間が１μｓ以下のパルス電圧を発生する、
気体搬送装置。
【請求項２】
前記パルス電圧は、３３０Ｖ乃至９５０Ｖの範囲内の値である、請求項１に記載の気体搬送装置。
【請求項３】
前記パルス電圧の繰り返し周波数は、１ｋＨｚ乃至１ＭＨｚの範囲内の値である、請求項１又は２に記載の気体搬送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、気体を電気的に搬送する気体搬送装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
平行に配列された複数の線状電極に対して交番電圧を印加することにより、電極近傍に生じる不平等電界が起こす気体の密度変化を利用して気体を搬送する装置が特許文献１に開示されている。
【０００３】
特許文献１の気体静電搬送装置は、誘電体基板の表面に互いに平行な線状電極を形成し、これらの線状電極の並び順に一定数ｎを周期としてその一定数ごとに並列接続するとともに、互いに一定の位相差で且つ同一パターンの電圧が周期的に変化するｎ相の駆動電圧を印加するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００８／０９９５６９号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
気体を電気的に搬送する装置においては、高電圧を必要とせずに如何に効率良く搬送できるようにするかが開発の焦点となっている。
本発明の目的は、比較的低電圧で動作し、高効率な気体搬送を実現する気体搬送装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明は次のように構成する。
（１）互いに平行または略平行に配列され、その並び順に一定相数ｎを周期として、当該周期毎に並列接続された複数の線状電極と、
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ｎ相の駆動電圧を前記線状電極に印加する電源と、を備え、
前記線状電極は、互いに隣接する線状電極同士の間隔が１．７μｍ乃至９０μｍの範囲であり、
前記電源は、パルスの立ち上がり時間が１μｓ以下のパルス電圧を発生するように構成する。
【０００７】
（２）前記パルス電圧は、好ましくは３３０Ｖ乃至９５０Ｖの範囲内の値である。
【０００８】
（３）前記パルス電圧の繰り返し周波数は、好ましくは１ｋＨｚ乃至１ＭＨｚの範囲内の値である
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、線状電極の表面が絶縁性膜で被覆されていることにより壁電荷が形成されるため、比較的低電圧でも高効率で放電が生じ、イオンが大量に発生する。また、印加するパルス電圧の立ち上がり時間を十分短くすることによって、比較的低電圧でも高効率で放電が生じ、イオンが大量に発生する。そのため、線状電極の並び方向に、その近傍の気体を高効率で搬送することができる。また、必要な印加電圧を低くすることができるので、電源回路を小型化及び簡略化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】複数の線状電極とそれらに対して電圧を印加する電源の構成を示す図であり、図１（Ａ）は線状電極を形成した誘電体基板の平面図、図１（Ｂ）はその断面図である。
【図２】周期パルス電源の構成を示すブロック図である。
【図３】図１（Ａ）に示した周期パルス電源４０から出力される４相の電圧波形を表す図である。
【図４】図１（Ｂ）に示した誘電体基板５１の断面図に対して、隣接する二つの電極間の作用領域Ｓ４１及びＳ１２を表す図である。
【図５】線状電極Ｅ1( j )と線状電極Ｅ2( j )との間の作用領域Ｓ１２について、荷電粒子と気体分子の動きを示す図である。
【図６】線状電極Ｅ1( j )と線状電極Ｅ2( j )との間の作用領域Ｓ１２について、荷電粒子と気体分子の動きを示す図である。
【図７】気圧ｐと電極間距離ｄとの積ｐｄと放電開始電圧Ｖｓとの関係の例を示す図である。
【図８】誘電体基板及びそこに形成された線状電極の各部の寸法を示す図である。
【図９】各線状電極５２に対する印加電圧の波形を示す図である。
【図１０】パルス電圧の立ち上がり時間τを変化させたときの風速を測定した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
《第１の実施形態》
第１の実施形態に係る気体搬送装置について各図を参照して説明する。
図１は複数の線状電極とそれらに対して電圧を印加する電源の構成を示す図であり、図１（Ａ）は線状電極を形成した誘電体基板の平面図、図１（Ｂ）はその断面図である。
【００１２】
誘電体基板５１の上面には複数の線状電極５２が平行且つ一定間隔に配列形成されている。周期パルス電源４０は４相のパルス電圧Ｖ１〜Ｖ４を出力する。線状電極５２はその並び順に４本ごとに共通接続されるとともに周期パルス電源４０の出力端子にそれぞれ接続されている。また、線状電極５２の奇数本目と偶数本目とで、周期パルス電源４０に対する接続端の引き出し方向を交互に切り替えている。
【００１３】
誘電体基板５１の表面の全面には、線状電極５２を覆うように、樹脂被膜や珪酸ガラス被膜などの絶縁性膜５４が形成されている。この構成により、電極の酸化や硫化が抑制されて長期に亘って安定した特性が維持できる。
なお、図１には、線状電極５２の配列の向きとして＋ｘの向きを図示している。
【００１４】
図２は周期パルス電源の構成を示すブロック図である。図２（Ａ）は気体搬送装置全体のブロック図であり、図２（Ｂ）は周期パルス電源４０の構成を示すブロック図である。図２（Ａ）において配列電極基板部５０は図１に示した誘電体基板５１、それに形成された線状電極５２、及びそれらを所定間隔で並列接続する接続部とで構成されている。
【００１５】
図２（Ｂ）に示すように、周期パルス電源４０は定電圧直流電源回路４２、ゲートドライバ回路４３及びタイミング信号発生回路４１で構成されている。タイミング信号発生回路４１は正電圧を発生するタイミング信号を与え、ゲートドライバ回路４３はそのタイミング信号に応じて、定電圧直流電源回路４２から入力される０ボルト又は＋Ｖボルトの電圧を切り替えてパルス電圧Ｖ１〜Ｖ４を出力する。このゲートドライバ回路は、例えばパワーＭＯＳ  ＦＥＴを主たる素子として構成することができる。
【００１６】
ゲートドライバ回路４３が出力する電圧Ｖｉ（ｉ＝１，２，３，または４）は周期Ｔの周期関数であり、時刻ｔ＝０からｔ＝Ｔの間においては、
＋Ｖ    ｛  （Ｔ／４）×（ｉ−１）  ＜  ｔ  ＜  （Ｔ／４）×ｉ  ｝
０    ｛  それら以外のｔのとき  ｝
のそれぞれの値をとる。但し、Ｖは正の電圧である。このような電圧を出力することによって、図３に示す電圧波形を繰り返し出力する。
【００１７】
図３は図１（Ａ）に示した周期パルス電源４０から出力される４相のパルス電圧波形を表す図である。各相の駆動電圧は、０［Ｖ］の区間を挟んで＋Ｖボルトの区間が繰り返し発生する。隣接する相は１／４周期ずつずれている。また、この例ではパルス電圧Ｖ１〜Ｖ４のうちいずれか１つのみ＋Ｖボルトが出力され、同時に２つ以上の端子から＋Ｖボルトが出力されない。
【００１８】
このようにｎ相のパルス電圧の時間波形を、各々が一定時間持続するステップパルスとして順次循環的に出力されるものとすることにより、電源回路を安価に構成することができる。
【００１９】
次に、第１の実施形態に係る気体搬送装置の作用について説明する。
気体に流れが発生する機構については十分には解明できていないが、次の（ａ）から（ｄ）の過程（作用）が関与しているものと推測する。
【００２０】
（ａ）各パルス電圧の立ち上りにおいて、電極間の電界が急峻に増大することにより、気体中で放電が生じる。この放電により、電極間の気体分子が電離し、荷電粒子が発生する。
【００２１】
（ｂ）（ａ）及び（ｄ）に由来する荷電粒子は電界から力を受け、電界の方向に沿って加速される。
【００２２】
（ｃ）加速された荷電粒子は、電離していない他の気体分子と衝突し、その気体分子に運動量を与える。
【００２３】
（ｄ）荷電粒子は電極近傍の絶縁性被膜上に付着する。
【００２４】
ここで図を用いて補足説明を行う。
図４は、図１（Ｂ）に示した誘電体基板５１の断面図に対して、隣接する二つの電極間の作用領域Ｓ４１及びＳ１２を表す図である。作用領域Ｓ４１は線状電極Ｅ4( j )と線状電極Ｅ1( j )との間の絶縁性膜上の領域である。また、作用領域Ｓ１２は線状電極Ｅ1( j )と線状電極Ｅ2( j )との間の絶縁性膜上の領域である。
【００２５】
図５及び図６は、線状電極Ｅ1( j )と線状電極Ｅ2( j )との間の作用領域Ｓ１２について、荷電粒子と気体分子の動きを示す図である。
【００２６】
前記過程（ａ）において、図３に示した電圧Ｖ１の立ち上がりの時刻ｔ１においては、図４中の作用領域Ｓ４１及びＳ１２で電界が急速に増大するため放電が生じると考えられる。この放電は誘電体バリア放電であると考えられる。誘電体バリア放電は、電極が誘電体（この実施形態では絶縁性膜５４）により被覆されている場合に生じる放電である。この誘電体バリア放電においては、放電により生じた荷電粒子は、電界によって受けるクーロン力で線状電極へ向かうが、線状電極が誘電体により被覆されているため、線状電極に到達できず、電荷を保持したまま誘電体表面へ付着し留まる。
【００２７】
この誘電体表面に付着した荷電粒子は、電極が作り出す電界とは逆向きの電界を生じる。一定量の荷電粒子が発生し付着した時点で電極間の電界は十分小さくなり、放電は短時間で停止する。このため、放電がアーク放電などの破壊的な放電に至らず、また、発生する電荷量が一定量に制約される。これは一つの利点である。
【００２８】
また、前記過程（ｂ）及び（ｃ）において、図５に模式的に示すように、荷電粒子が生じ、その荷電粒子が電界により加速され、電離していない気体分子に衝突すると考えられる。この衝突によって荷電粒子から気体分子へ運動量が移ることにより気体が搬送される。ここで、搬送すべき気体が空気である場合、前記荷電粒子は、主に空気中の窒素分子が電離した一価の正イオンと電子であると考えられる。
【００２９】
また、前記過程（ｄ）において、図６に模式的に示すように、線状電極のほうへ引き寄せられた荷電粒子は線状電極付近の絶縁性膜上に付着し留まると考えられる。この付着した荷電粒子（壁電荷）は電界を作るが、時刻によって電極が作る電界を打ち消す方向に働くこともあれば、増大する方向に足し合わされる方向に働くこともある。後者の場合、放電がより高効率に生じるという利点を持つ。
【００３０】
なお、以上の説明においては、気体が搬送される方向が＋ｘ方向と−ｘ方向のいずれであるのかが定まらない。しかし、実際には、上記（ａ）から（ｄ）の少なくとも一つの過程において、＋ｘ方向と−ｘ方向とに関する非対称性が生じることにより、一方向の流れが生じるものと考えられる。実験によると、多くの場合において、この流れの方向は＋ｘ方向であった。
【００３１】
次に、本発明の実施形態に係る気体搬送装置の各部の具体的な寸法及び印加電圧及び印加電圧の波形について示す。
まず、線状電極の間隔と印加電圧について述べる。
【００３２】
気体中の絶縁破壊電圧の経験則としてパッシェンの法則が知られている。パッシェンの法則はタウンゼントの火花放電理論から導出されるが、ストリーマ形式の絶縁破壊、累積電離がある場合なども含めて、極めて広い範囲（圧力＝10-2  〜  2400 Torr、空隙＝5×10-4  〜  20ｃｍ，気体温度＝−１５℃〜８６０℃、不平等電界）で成立することが証明されている。
【００３３】
パッシェンの法則において、放電開始電圧Ｖｓは、気圧ｐと電極間距離ｄとの積ｐｄの関数となることが知られている。図７に放電開始電圧Ｖｓと気圧ｐと電極間距離ｄとの積ｐｄとの関係の例を示す。
【００３４】
図７中の曲線は、空気における関係を示している。例えば、放電開始電圧Ｖｓの最小値はｐｄ＝０．５７ｍｍＨｇ・ｃｍ付近において実現され、このとき、放電開始電圧＝３３０Ｖである。
【００３５】
本発明の応用上、高電圧パルスの発生にパワーＭＯＳ  ＦＥＴを用いるものとすると、例えば２ＳＫ２６１３のように、ドレイン・ソース間電圧の絶対定格値が１０００Ｖ以下のものは比較的入手が容易である。使用上のマージンとして５％を考えると、放電開始電圧Ｖｓが９５０Ｖ以下であれば装置の構成が容易である。
【００３６】
したがって、線状電極に印加されるパルス電圧は、３３０Ｖ乃至９５０Ｖの範囲内の値であると、気体搬送装置として好適である。
【００３７】
図７より、空気の場合において放電開始電圧Ｖｓが９５０Ｖ以下となる条件は、ｐｄが０．１３乃至６．８ｍｍＨｇ・ｃｍであることに対応する。この条件は、１気圧（ｐ＝７６０ｍｍＨｇ）の下では、電極間距離ｄが１．７μｍ乃至９０μｍであることに対応する。
【００３８】
すなわち、電極間距離ｄを１．７μｍ乃至９０μｍに定めることにより、利用が比較的容易な電圧（９５０Ｖ以下）により放電が生じるため、装置を容易に構成できる。
【００３９】
図８は誘電体基板及びそこに形成された線状電極の各部の寸法を示している。ここで前記電極間距離ｄは、［線状電極の配列ピッチ６０μｍ］−［線状電極の幅２５μｍ］＝３５μｍである。
【００４０】
次に、線状電極に印加されるパルス電圧の波形について述べる。
パルスの立ち上がり時間は非常に重要である。立ち上がりの時間が短いほどより強い放電が発生する。すなわち、パルス電圧の立ち上がりの際に放電が発生し、立ち上がり時間が短いほど、より強い放電が発生する。また、各電極が絶縁体で被覆されていることにより、生じた荷電粒子は電極に到達することができないため、絶縁性膜上に蓄積されて壁電荷が形成される。前述のとおり、この壁電荷により生じる電界と、各電極に印加される電圧により生じる電界とによって、放電が高効率に発生し、荷電粒子も高密度に発生する。
【００４１】
発生した荷電粒子は、電極間の交番電界により運動する。運動する荷電粒子は、空気分子と衝突し運動量を、空気分子へ輸送することにより空気の搬送が生じる。
【００４２】
図９は各線状電極５２に対する印加電圧の波形を示している。ここで、立ち上がり時間はピーク電圧の２０％から８０％へ至るまでの時間として定義する。この立ち上がり時間τを変化させたときの風速を測定した結果を図１０に示す。具体的には、図８に示した気体搬送装置を二つ用意し、間隙３．５ｍｍで対向させた状態で、その間隙を流れる空気の風速を日本カノマックス社製の風速計クリモマスター６５４３で測定した。パルス電圧の繰り返し周波数は５ｋＨｚとした。
【００４３】
図１０に表れているように、パルス電圧の立ち上がり時間が１μｓ以下であれば空気の搬送がなされ、パルス電圧の立ち上がり時間が短くなるほど、風速が増すことがわかる。
したがって、前記立ち上がり時間τが１μｓ以下となるように図２（Ａ）に示した周期パルス電源の回路を構成する。
【００４４】
前記パルス電圧の繰り返し周波数の範囲としては１ｋＨｚ乃至１ＭＨｚの範囲であることが好ましい。これは、周波数が１ｋＨｚ以上で実用的な風速が得られ、１ＭＨｚ以下の周波数で周期パルス電源の回路構成が容易になるからである。
【００４５】
なお、以上に示した例では、平板状の誘電体基板の線状電極を形成したが、線状電極を形成する面は平面に限らず、一般的には絶縁性基体に線状電極を略平行に配列すればよい。
【符号の説明】
【００４６】
Ｅ1〜Ｅ4…線状電極
Ｓ１２…作用領域
Ｓ４１…作用領域
４０…周期パルス電源
４１…タイミング信号発生回路
４２…定電圧直流電源回路
４３…ゲートドライバ回路
５０…配列電極基板部
５１…誘電体基板
５２…線状電極
５４…絶縁性膜
【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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【図９】
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【図１０】
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