(57)【要約】      （修正有）【課題】オゾン発生を抑制することができるとともに、安定的な放電が得られるプラズマ発生装置を提供する。【解決手段】凸部５を具備する低誘電体層２と、凸部５を挟んで対向するように配置され、低誘電体層２に積層される第１金属層３ａ及び第２金属層３ｂと、第１金属層３ａ及び第２金属層３ｂの少なくともいずれか一方を覆うように低誘電体層２に積層される高誘電体層４とを備え、凸部５の近傍でプラズマが発生することを特徴とするプラズマ発生装置１。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凸部を具備する低誘電体層と、
前記凸部を挟んで対向するように配置され、前記低誘電体層に積層される第１金属層及び第２金属層と、
前記第１金属層及び前記第２金属層の少なくともいずれか一方を覆うように前記低誘電体層に積層される高誘電体層とを備え、前記凸部の近傍でプラズマが発生することを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項２】
前記高誘電体層に電界集中部が設けられており、前記凸部の近傍でプラズマが発生することを特徴とする請求項１記載のプラズマ発生装置。
【請求項３】
前記低誘電体層の表面から前記凸部の先端面までの距離は、前記低誘電体層の表面から前記第１金属層又は前記第２金属層までの距離、又は、前記低誘電体層の表面から前記高誘電体層の表面までの距離以下であることを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマ発生装置。
【請求項４】
前記凸部の先端面の少なくとも一部は、前記低誘電体層の表面から前記凸部の先端面までの距離が、前記低誘電体層の表面から前記第１金属層又は前記第２金属層までの距離、又は、前記低誘電体層の表面から前記高誘電体層の表面までの距離よりも短いことを特徴とする請求項３記載のプラズマ発生装置。
【請求項５】
前記電界集中部に微小な凹凸が設けられていることを特徴とする請求項１、２、３又は４記載のプラズマ発生装置。
【請求項６】
前記微小な凹凸の凸の高さは、１μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項５記載のプラズマ発生装置。
【請求項７】
前記微小な凹凸は、前記高誘電体層の表面を粗くすることにより構成されることを特徴とする請求項５記載のプラズマ発生装置。
【請求項８】
前記表面の粗さは、平均粗さが１μｍ以上１００μｍ以下、平均間隔が１μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項７記載のプラズマ発生装置。
【請求項９】
前記電界集中部に、前記高誘電体層とは比誘電率の異なる部分が設けられていることを特徴とする請求項２、３、４、５、６、７又は８記載のプラズマ発生装置。
【請求項１０】
前記凸部の先端面に空気を流すための送風機構をさらに備えることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８又は９記載のプラズマ発生装置。
【請求項１１】
前記高誘電体層の比誘電率が、１００以上、好ましくは１０００以上であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９又は１０記載のプラズマ発生装置。
【請求項１２】
前記低電体層の比誘電率が、３０以下、好ましくは１０以下であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０又は１１記載のプラズマ発生装置。
【請求項１３】
前記凸部の厚みが１０μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１又は１２記載のプラズマ発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、プラズマ発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
空気の清浄、除菌、殺菌、脱臭等に用いられるイオンやラジカル（以下、活性種ともいう）を生成するためのプラズマを発生させるプラズマ発生装置として、例えば特許文献１記載のものがある。特許文献１記載のプラズマ発生装置は、複数の貫通孔を有する２枚の電極を、該貫通孔同士の位置が一致するように平行に配置するとともに、一方の電極にポーラスな誘電体膜が露出して形成されている。
【０００３】
ところで、特許文献１記載のプラズマ発生装置では、電極が対向する領域に滞留する空気がプラズマによってオゾン化してしまい、オゾンの発生量が増加するという課題があった。
【０００４】
そこで、オゾンの発生量を抑えたプラズマ発生装置として、例えば特許文献２記載のものがある。特許文献２記載のプラズマ発生装置では、電極が対向する領域に低誘電体層を配置して空気を滞留できないように構成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−０８１１３４号公報
【特許文献２】特開２０１２−２６４２７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２記載のプラズマ発生装置では、電極間に低誘電体層を配置したため、プラズマを発生させるための放電電圧が高くなり、対向する電極間で火花放電等の異常放電が発生しやすく、安定的な放電が得られないという問題が生じている。
【０００７】
本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、オゾン発生を抑制することができるとともに、安定的な放電が得られるプラズマ発生装置を提供することをその主たる課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のプラズマ発生装置は、凸部を具備する低誘電体層と、前記凸部を挟んで対向するように配置され、前記低誘電体層に積層される第１金属層及び第２金属層と、前記第１金属層及び前記第２金属層の少なくともいずれか一方を覆うように前記低誘電体層に積層される高誘電体層とを備え、前記凸部の近傍でプラズマが発生することを特徴とする。
【０００９】
このような構成により、凸部の近傍でプラズマを発生させる構成としているので、流通する空気と接触する部分にのみプラズマを発生させることができ、オゾンの発生を抑制することができる。また、不必要な部分にプラズマを生じさせないので、電力効率を向上させることができる。
さらに、第１金属層及び第２金属層の間に配置される凸部の厚みを薄くすることで、放電電圧を下げることができ、火花放電等の異常放電を防いで安定的な放電を得ることができる。
【００１０】
また、前記高誘電体層に電界集中部が設けられており、前記凸部の近傍でプラズマが発生することが好ましい。このように構成することで、電界集中部に電界を集中させて、放電を起こり易くすることができる。
【００１１】
さらに、前記低誘電体層の表面から前記凸部の先端面までの距離は、前記低誘電体層の表面から前記第１金属層又は前記第２金属層までの距離、又は、前記低誘電体層の表面から前記高誘電体層の表面までの距離以下であることが好ましい。
【００１２】
加えて、前記凸部の先端面の少なくとも一部は、前記低誘電体層の表面から前記凸部の先端面までの距離が、前記低誘電体層の表面から前記第１金属層又は前記第２金属層までの距離、又は、前記低誘電体層の表面から前記高誘電体層の表面までの距離よりも短くなるように構成すれば、断面形状において、凸部に溝が形成され、第１金属層及び第２金属層間の放電電圧をより下げることができる。
【００１３】
前記電界集中部に微小な凹凸が設けられていることが好ましく、このように構成することで、微小な凹凸により電界が集中するため放電をさらに起こり易くすることができる。この微小な凹凸の凸の高さは１μｍ以上１００μｍ以下となるように構成される。また、微小な凹凸は、高誘電体層の表面を粗くすることにより構成されていてもよい。この場合、表面の粗さは、平均粗さ（Ｒｍ）が１μｍ以上１００μｍ以下、平均間隔（Ｓｍ）が１μｍ以上１００μｍ以下となるように構成される。
【００１４】
また、放電を起こり易くする別の構成としては、前記電界集中部に、前記高誘電体層とは比誘電率の異なる部分が設けられている構成を挙げることができる。
【００１５】
前記凸部の先端面に空気を流すための送風機構をさらに備えれば、電界集中領域で発生したプラズマを空気と接触させてイオン等の活性種を生成し、この活性種を送風機構から送られる風にのせて任意の空間へ放出することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、オゾン発生を抑制することができるとともに、安定的な放電を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるプラズマ発生装置の断面図。
【図２】本発明の第２実施形態にかかるプラズマ発生装置の断面図。
【図３】（ａ）本発明の第３実施形態にかかるプラズマ発生装置の断面図。            （ｂ）本発明の第４実施形態にかかるプラズマ発生装置の断面図。
【図４】低誘電体層と電極にかかる電圧の関係を示すグラフ。
【図５】従来のプラズマ発生装置の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に本発明に係るプラズマ発生装置１の第１実施形態について説明する。
【００１９】
第１実施形態にかかるプラズマ発生装置１は、図１に示すように、凸部５を具備する低誘電体層２と、凸部５を挟んで対向するように配置され、低誘電体層２に積層される第１金属層３ａ及び第２金属層３ｂと、第１金属層３ａ及び第２金属層３ｂを覆うように積層される高誘電体層４と、凸部５の先端面に空気を流すための図示しない送風機構とを備える。
【００２０】
低誘電体層２は、比誘電率が３０以下、好ましくは１０以下となる材料から構成され、その表面に突出する凸部５が形成されたものである。
【００２１】
凸部５は、比誘電率が３０以下、好ましくは１０以下となる材料から構成されるものであって、低誘電体層２の表面から一体となって突出するものである。ここで、低誘電体層２の表面から先端面までの距離（凸部５の高さ）は、１０μｍ以上５００μｍ以下となるように構成されるとともに、凸部５の厚みは１０μｍ以上１００μｍ以下となるように構成される。なお、本実施形態では、凸部５が低誘電体層２と一体となるように設けられているが、凸部５と低誘電体層２とを別々に設けてもよい。この場合、低誘電体層２の比誘電率は凸部５の比誘電率以下に構成する。
【００２２】
第１金属層３ａ及び第２金属層３ｂは、低誘電体層２の表面に積層されるものであって、凸部５を挟んで対向するように配置されている。積層された第１金属層３ａ及び第２金属層３ｂの厚みは、突出する凸部５の厚みよりも小さいものであり、第１金属層３ａ及び第２金属層３ｂの幅は、凸部５の側面から低誘電体層２の側面までの幅よりも小さくなるように構成されている。なお、本実施形態において、第１金属層３ａ及び第２金属層３ｂは、その幅や厚みが同一のものである。
【００２３】
高誘電体層４は、比誘電率が１００以上、好ましくは１０００以上となる材料から構成され、第１金属層３ａ及び第２金属層３ｂを覆うように低誘電体層２の表面に積層されるものであって、第１金属層３ａの表面及び片側面を覆って凸部５と面一となるように積層される第１高誘電体層４ａと、第２金属層３ｂの表面及び片側面を覆って凸部５と面一となるように積層される第２高誘電体層４ｂとを備える。
【００２４】
そして、第１高誘電体層４ａ及び第２高誘電体層４ｂには、凸部５の近傍に電界が集中する電界集中部８が設けられている。この電界集中部８とは、本実施形態では、高誘電体層４の表面であって、凸部の近傍に設けられた微小な凹凸のことである。この微小な凹凸の高誘電体層４の表面から凸の先端面までの高さは１μｍ以上１００μｍ以下となるように構成される。
【００２５】
また、微小な凹凸は、第１高誘電体層４ａ及び第２高誘電体層４ｂの表面を粗くすることにより構成されていてもよい。この場合、表面の粗さは、平均粗さ（Ｒｍ）が１μｍ以上１００μｍ以下、平均間隔（Ｓｍ）が１μｍ以上１００μｍ以下となるように構成される。
【００２６】
第１金属層３ａ及び第２金属層３ｂに電圧を印加すると、電界集中部８に電界が集中し、この部分をきっかけにして放電が起こる。すると、この放電によって凸部５近傍でプラズマが発生し、このプラズマと空気とが反応することによって、イオンやラジカル（以下、活性種ともいう）が発生する。そして、凸部５の先端面に風を送る送風機構によって、発生した活性種が任意の空間に放出される。
【００２７】
ここで、第１金属層３ａ及び第２金属層３ｂに印加される電圧は、第１高誘電体層４ａ及び第２高誘電体層４ｂの比誘電率と厚み、及び、低誘電体層２あるいは凸部５の比誘電率εＬ及び凸部５の厚みによって決定されるものである。この相関関係について以下に記載する。
【００２８】
第１金属層３ａ及び第２金属層３ｂに印加される電圧Ｖと、凸部５の表面に現れる電圧ＶεＬは、第１高誘電体層４ａ及び第２高誘電体層４ｂの比誘電率εＨ及び厚みｄεＨ、低誘電体層２あるいは凸部５の比誘電率εＬ及び凸部５の厚みｄεＬを用いて以下の式で表される。
ＶεＬ＝｛εＨ×ｄεＬ／（εＨｄεＬ＋２εＬｄεＨ）｝×Ｖ・・・（１）
【００２９】
また、空気に対する放電ギャップｄｐｌａｓｍａと放電開始電圧Ｖｓｔａｒｔは、Ｐａｓｈｅｎの法則から以下のように求めることができる。
Ｖｓｔａｒｔ＝Ｐ０Ａｄｐｌａｓｍａ／ｌｎ（Ｐ０Ｂｄｐｌａｓｍａ／ｌｎ（１＋（１／γ）））
・・・（２）
なお、Ａ、Ｂは定数、Ｐ０は大気圧、γは二次電子放出係数を示す。
【００３０】
ＶεＬ＝Ｖｓｔａｒｔ、ｄεＬ＝ｄｐｌａｓｍａとして、これを上記（１）、（２）式に再度代入すると、理想条件下で第１金属層３ａ及び第２金属層３ｂに放電を起こすために印加する必要のある電圧Ｖが、以下の式で表される。
Ｖ＝（εＨｄεＬ＋２εＬｄεＨ）Ｐ０Ａ／εＨ（ｌｎ（Ｐ０Ｂｄｐｌａｓｍａ／ｌｎ（１＋（１／γ））））・・・（３）
【００３１】
上記（３）式に、ｄεＨ＝２３０μｍ、εＨ＝２０００、εＬ＝１０として、電圧と凸部５の厚みとの関係を図４に表されるグラフに示す。
実際の電極は理想条件とは異なるため、図４に示すグラフよりも高い電圧が必要となることを考慮すれば、第１金属層３ａ及び第２金属層３ｂに印加する電圧を１０００Ｖとする場合、凸部５の厚みは１０μｍ〜１００μｍに設定すればよいことが分かる。また、安全性の観点から電極間に印加する電圧を７００Ｖ以下とする方が良いことを考慮すると、凸部５の厚みは１０μｍ〜５０μｍの間に設定することが好ましい。
【００３２】
このように、第１高誘電体層４ａ及び第２高誘電体層４ｂの比誘電率と厚み、及び、凸部５の比誘電率と厚みを適宜設定することで、第１金属層３ａ及び第２金属層３ｂに印加される電圧を決定することができる。
【００３３】
上述したように構成した第１実施形態のプラズマ発生装置１では、凸部５近傍でプラズマを発生させる構成としているので、流通する空気と接触する部分にのみプラズマを発生させることができ、オゾンの発生を抑制することができる。また、不必要な部分にプラズマを生じさせないので、電力効率を向上させることができる。
【００３４】
また、第１金属層３ａ及び第２金属層３ｂの間に配置される凸部５の厚みを薄くすることで、放電電圧を下げることができ、火花放電等の異常放電を防いで安定的な放電を得ることができる。
【００３５】
ここで、従来のプラズマ発生装置１００を図５に示す。図５に示すように、従来のプラズマ発生装置１００では、放電電圧を下げるために低誘電体層の厚みＷを薄くすると、プラズマ発生装置自体の厚みも薄くなってしまうため、わずかな衝撃で破損するおそれがあった。しかし、本実施形態のプラズマ発生装置１では、凸部５の厚みを薄くしても、プラズマ発生装置１自体の厚みが薄くなることはないので、凸部５の厚みを薄くして放電電圧を下げることができるとともに、プラズマ発生装置１の破損も防ぐことができる。
【００３６】
次に第２実施形態におけるプラズマ発生装置１について説明する。
なお、第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００３７】
第２実施形態におけるプラズマ発生装置１は、図２に示すように、低誘電体層２の表面から凸部５の先端面までの距離が、低誘電体層２の表面から第１高誘電体層４ａ及び第２高誘電体層４ｂの表面までの距離よりも短くなるように構成されている。そのため、第１高誘電体層４ａと第２高誘電体層４ｂとの間に配置する凸部５に溝７が形成されており、該溝７の底面は凸部５の先端面となる。
【００３８】
そして、高誘電体層４における凸部５の近傍には、電界集中部８が設けられている。
【００３９】
第２実施形態における電界集中部８は、第１高誘電体層４ａ及び第２高誘電体層４ｂとは比誘電率の異なる部分が複数設けられることにより構成されるものであって、具体的には、第１高誘電体層４ａ及び第２高誘電体層４ｂの表面に設けられた穴部に、第１高誘電体層４ａ及び第２高誘電体層４ｂよりも比誘電率が高い高誘電率材料が嵌め込まれることにより構成されたものをいう。なお、高誘電率材料は、第１高誘電体層４ａ及び第２高誘電体層４ｂとは面一となるように嵌めこまれている。
【００４０】
上述したように構成された第２実施形態のプラズマ発生装置１では、第１高誘電体層４ａ及び第２高誘電体層４ｂの間に溝７が形成されるので、この溝７によって放電電圧を下げることができる。
【００４１】
また、高誘電体層４における凸部５の近傍に、第１高誘電体層４ａ及び第２高誘電体層４ｂとは比誘電率の異なる部分を複数設けることによって構成される電界集中部８を設けることで、この部分に電子が溜まり易くなり電界が集中するため、放電を起こり易くすることができる。
【００４２】
また、第３実施形態におけるプラズマ発生装置１について説明する。
なお、第１実施形態及び第２実施形態と同様の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００４３】
第３実施形態におけるプラズマ発生装置１は、図３の（ａ）に示すように、第１金属層３ａが凸部５と面一となるように低誘電体層２に積層されるとともに、第２金属層３ｂが第２高誘電体層４ｂによって覆われるように低誘電体層２に積層されている。又は、図３の（ｂ）に示すように、第１金属層３ａが第１高誘電体層４ａによって覆われるように低誘電体層２に積層されるとともに、第２金属層３ｂが凸部５と面一となるように低誘電体層２に積層されている。
【００４４】
そして、第１高誘電体層４ａ及び第２高誘電体層４ｂにおける凸部５の近傍には、電界集中部８が設けられている。この電界集中部としては、第１実施形態と同様に微小な凹凸を設けてもよいし、第２実施形態と同様に第１高誘電体層４ａ及び第２高誘電体層４ｂとは比誘電率の異なる部分を複数設けてもよい。
【００４５】
このように、いずれか一方の金属層が高誘電体層４に覆われていない状態でも、他方の金属層が高誘電体層４に覆われていることで直接金属層同士が導通することを防ぐとともに、電界集中部８によって放電電圧を下げて安定的な放電を得ることができる。
【００４６】
なお、本発明は、その趣旨に逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１・・・プラズマ発生装置
２・・・低誘電体層
３ａ・・第１金属層
３ｂ・・第２金属層
４・・・高誘電体層
５・・・凸部
８・・・電界集中部
【図１】
2015118765.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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