静電気学会誌，44, 3（2020）135-140

J. Inst. Electrostat. Jpn.

論文

電流波形を用いた誘電体バリア放電中の放電本数計算
竹本 翔一 ，松井 良彦 ，飯盛 遊 ，
＊＊
＊＊
＊＊＊
西島 義明 ，松本 修一 ，榎本 啓士
＊, 1

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（2019年10月31日受付；2020年2月19日受理）

Calculation of the Number of Discharges in DBD Using Current Waveforms
＊, 1

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＊＊

Shoichi TAKEMOTO , Yoshihiko MATSUI , Yu ISAKARI
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Yoshiaki NISHIJIMA , Shuichi MATSUMOTO and Hiroshi ENOMOTO（Received October 31, 2019; Accepted February 19, 2020）
Dielectric barrier discharge (DBD) is one means that can be used to generate ozone efficiently. In order to improve thegeneration efficiency of ozone, it is necessary to increase electric charge per single discharge and the number of discharges.
However, up to now there has been no method by which electric charge per single discharge and number of discharges could bemeasured simultaneously with ozone generation in the same experiment. In this study, we developed a method to calculate thenumber of discharges from the current waveform measured simultaneously with ozone generation, making it possible tocalculated electric charge per single discharge. Using this method, it was shown that ozone generation can be examined fromelectric charge per single discharge and the number of discharges.

1．はじめに放電（以下，本放電の 1 本を単一放電と呼ぶ）が繰り返

オゾンはフッ素に次ぐ酸化力を持ち，反応性に富む．

し生じる放電形態である．

また容易に生成できる利点があり，殺菌装置や消臭装置への実用化 や有害ガスの無害化などへの応用
1）

2）

が期待

放電にて高効率にオゾンを生成するには，投入電力に対し，オゾンの原料となる酸素分子をより多く酸素ラジカルに分解する必要がある．そのためには，酸素分子と衝突すされている．
4）

オゾン生成の手法としては，放電 ，紫外線照射 ，る電子，則ち放電電荷量の増加が有効となる．一方で電気分解 があるが，多量のオゾンを必要とする工業用

DBD は，誘電体材質・層厚・放電空間ギャップなどのパ途では，投入エネルギーに対するオゾン生成量（以下，ラメータで放電の系が決定されれば，電圧や電力，周波数，オゾン生成効率［ g/kWh ］）が最も高い放電方式が一般ガス流れに依存せず，同じ性質の単一放電が多数発生す的である．放電方式のオゾン生成装置には，誘電体バリる特徴を持つ とされている．そのため放電電荷量の増加

ア放電（ Dielectric Barrier Discharge：DBD ）が用いられを原理原則から検討するには，放電の系により定まる単一る．DBD は，一対の電極間に誘電体層を配置すること放電の電荷量と放電本数の双方の把握が重要である．

3）

5）

3）

で発生する．電位差により生じた放電に伴う電荷が誘電

秋山らは針 - 平板電極を用いて，1 本の放電の電流・電体表面に蓄積することで，電極間電圧は減少し放電が停

荷量と放電撮影画像から放電の伸展を議論している ．

止する．この現象により多数の小さなフィラメント状のここで測定した 1 本の放電の電荷量を，複数本の放電がキーワード：DBD，放電電流，単一放電本数，放電電荷量＊株式会社 SOKEN（〒470-0111 愛知県日進市米野木町南山 500-20）
SOKEN INC., 500-20, Nanzan, Komenoki-cho, Nisshinshi, Aichi 470-0111, Japan＊＊
株式会社デンソー（〒448-8661 愛知県刈谷市昭和町 1-1）
DENSO CORP., 1-1, Showa-cho, Kariya-shi, Aichi 4488661, Japan＊＊＊
金沢大学（〒920-1192 石川県金沢市角間町）
Kanazawa University, Kakuma-cho, Kanazawa-shi,Ishikawa 920-1192, Japan1
shoichi.takemoto.j6r@soken-labs.co.jp
DOI : https://doi.org/10.34342/iesj.2020.44.3.1356）生じる系へ拡張することは後述する理由により困難であると考える．
古橋らは複数突起電極と触媒間の放電生成にて，突起ピッチ間隔と触媒上の放電広がりを議論している．ここでは，突起ピッチ間隔が小さ過ぎると隣接する放電との干渉で放電路が妨げられることが言及されている ．ま7）

た稲田らは針電極をサイコロの 5 の目状に配列した放電リアクタを用いて，中心電極とその他電極との静電反発力から中心の放電を直進進展させている ．複数本の放8）電が生じる系では，上記に挙げたような放電形態変化に伴い，1 本の放電のみでの現象に対し単一放電の電荷量が変化することが想定される．

136（42）

静電気学会誌 第44巻 第 3 号（2020）

よって，複数本の放電が生じる系においての単一放電の電荷量と放電本数の把握が必要である．
本報では，DBD での単一放電の電流波形に着目し，その波形形状や波形長の特徴量から単一放電の抽出を試みた．そして複数本の放電が生じる系での電流波形を単一放電に分解することで放電本数を算出し，その放電本数を用いて単一放電の電荷量を明確にする手法を考案した．

2．実験装置および方法
2.1 実験装置と測定データ実験で用いた放電リアクタ仕様を図 1 に示す．電極層を含む平行平板の誘電体層には厚み 0.38 mm の α アルミナを用いた．電極印刷パターンは A と B の 2 仕様を用意し，それらの組み合わせで放電リアクタを構成する．
電極板仕様 A は，電極板中央に電極線幅 0.1 mm の Ag単線を長尺方向に平行となるように印刷した．電極板仕様 B は，電極線幅 0.1 mm の単線を，電極ピッチ間隔を

図 1 誘電体バリア放電リアクタi ）電極板仕様 ii ）アセンブリ
Fig.1 DBD Reactor.
i ）Electrode Plate Specification. ii ）Assembly.

パラメータとして等間隔，短尺方向に平行となるように印刷した．放電リアクタの構成は，2 枚の電極板の誘電体層側を対向させる．放電ギャップは電極板長尺方向の端部に PTFE 絶縁スペーサを挟み込み調整した．
実験装置全体図を図 2 に示す．放電リアクタへの導入
ガスは，O2：21％，N2：79％のドライガスを 10 L/minで流した．放電リアクタへの電圧印加はインバータ交流電圧電源により行う．放電リアクタの電源側端子と GND側 端 子 間 の 印 加 電 圧 Vout を 交 流 作 動 高 電 圧 プ ローブ（ Tektronix 社製 P6015A ）で測定した．放電の電荷量測定のため，放電リアクタと GND 端子間に 1.5 nF のキャパシ
タ CE を配置し，その両端電圧 VC を交流作動電圧プローブ（ LeCroy 社製 ADP305）で測定した．放電電流 Iout は，放電リアクタ低電圧側に配置した電流プローブ（ FCC 社製 F-65A ）で測定した．各プローブの測定出力は，2.5 GS/sec の高時間分解能でサンプリング可能なデジタルオシロ

図 2 実験装置概要
Fig.2 Experimental Setup.

スコープ（ LeCroy 社製 HDO8108A ）で記録した．
本法で用いた代表実験装置構成での各測定データを図3，4 に示す．本実験では 2 枚の電極板仕様 A を放電空間ギャップ 1.0 mm で組み合わせ，平行する線 - 線電極構成とした放電リアクタを用いた．交流印加電圧条件は，振幅 14.8 kVp-p，周波数 45 kHz とした．放電電流 Iout の測定データを図 3 に示す．データは 2.5 GS/sec にて計測した．単一放電の電流波形長である～20 nsec を 50 サン
プルで測定しており，電流の発生状態を精度良く測定している．単一放電の電流は，数 nsec の立ち上り時間を要し，10 nsec 以内に終了する突出したピークを持つ山なり形状波形であるとされている ．よって本電流波形9）図 3 放電電流波形
Fig.3 Discharge Current Waveform.

電流波形を用いた誘電体バリア放電中の放電本数計算（竹本 翔一ら）
を単一放電の電流波形とみなし検討を進める．
図 4 に印加電圧 Vout 波形と評価用キャパシタ電圧 VC 波形，双方の測定データより作成されるリサージュ図形を示す．リサージュ図形の x 軸は印加電圧 Vout，y 軸は電荷量 Q で表される．電荷量 Q は，評価用キャパシタの静電容量 CE とその両端電圧 VC から（1）
式により算出できる．
Q = CE・VC（1）

リサージュ図形の面積は，印加電圧波形 1 周期分の放電エネルギーE［ J ］を表している．印加電圧波形 1 / 2 周期分（以下，放電 1 サイクルと呼ぶ）の放電電荷量 Qd は，
図 4 中に記載の y 軸方向長さから算出できる． 放電エ
ネルギーE と放電電荷量 Qd の値は，
E：0.09 mJ（4.05 W ），Qd：35.7 nC となる．

2.2 単一放電本数計算手法
単一放電本数を計算する手法について下記（1）～（4）
で説明する．本手法は，後に面 - 面電極サイズの放電へ

図 4 リサージュ図形（ E: 0.09 J，Qd: 35.7 nC ）．
Fig.4 Lissajous figure（ E: 0.09 J，Qd: 35.7 nC ）の展開も考慮し，実用性を鑑みて電流プローブで測定した放電電流波形からの計算手法確立を試みた．この際，電流プローブが持つインピーダンスにより測定電流波形に重畳するリンギングは，電流波形同士の減算により打ち消す手段をとった．
（1）図 5 に示すように，放電本数を計算する放電 1 サイクル分の電流波形を選択する．
（2）選択した電流波形に対して，スパイク状のピーク電流を検出可能な電流閾値を任意に設定する．そして
図 6 に示すように，電流閾値を超過し，且つ閾値を図 5 放電 1 サイクルの放電電流波形の選択
Fig.5 Selecting discharge current waveform.

超過してから単一放電波形長期間（～20 nsec ）内に再び電流閾値を超過しない波形を単一放電の基準電流波形候補として抽出する．
（3）図 7 に示すように，抽出した基準電流波形候補のピーク電流タイミングを合わせて，電流値を平均化した波形を基準電流波形とする．
（4）図 8 に示すように，放電 1 サイクル分の電流波形を時間方向に掃引し，先ほど設定した電流閾値を超過するタイミングで電流波形から基準電流波形を減算する．そしてまた最初から時間方向に掃引し，電流

図 6 基準電流波形候補の抽出
Fig.6 Extraction standard current waveform.

閾値を超過するタイミングで基準電流波形を減算す
る．この流れを放電 1 サイクル分，電流閾値を超過せず掃引を終えるまで繰り返し，終了時点での減算回数を単一放電の本数とする．
図 8 の計算例では，合計 3 回の減算が実施されるので，放電本数は 3 本となる．

図 7 基準電流波形の導出
Fig.7 Deriviation standard current waveform.

137（43）

138（44）

静電気学会誌 第44巻 第 3 号（2020）

図 8 基準電流波形の減算
Fig.8 Subtracting standard current waveform.

図 10 基準電流波形の算出
Fig.10 Calculating standard current waveform.

3．実験結果ここでは図 2 の実験装置構成にて，2 枚の電極板仕様
A を放電空間ギャップ 1.0 mm で組み合わせた線 - 線電
極 構 成 の 放 電 リ ア ク タ を 用 い た． 交 流 印 加 電 圧 14.8kVp-p，印加電圧周波数 45 kHz としたときの放電電流 Ioutを測定し，前述した単一放電本数計算手法を適用した．
測定した電流波形と選択波形を図 9 に示す．放電電流
Iout 波形から放電本数を計算する放電 1 サイクル分とし

図 11 基準電流波形の減算
Fig.11 Subtracting standard current waveform.て放電電流波形（ c ）を選択した．
図 10 には，放電電流波形（c）から電流閾値 10 mA 以上，設定期間 20 nsec の探索条件で抽出した基準電流波形の候補と，候補波形の電流平均化により導出した基準電流波形を示す．ここでは 1 サイクル分の放電電流波形（c）より，ピーク電流を検出可能な電流閾値の設定を 10 mA とした．
放電電流波形（ c ）に対し，基準電流波形で繰り返し減算による放電本数計算を行った結果，図 11 に示すように放電本数は 22 本となった．
放電電流波形（ c ）と同様に，
図 9 の放電電流波形（ a）

図 12 放電電流波形全サイクルの平均放電本数
Fig.12 Average number of discharges in all No. discharge currentwaveform.

～（ j ）に単一放電本数計算を実施した．図 12 に示すよ
うに，各放電サイクルの放電本数は近い値を示し，平均放電本数 N̅ は 22 本となった．

この平均放電本数 N̅ と 2.1 項で算出した放電電荷量 Qd（35.7 nC ）を用いて，単一放電あたりの電荷量 q は（2）式で表すことができる．算出結果，単一放電あたりの電荷量 q は 1.62 nC となる．
q = Qd ⁄ N̅
以上のように，本実験で用いた放電リアクタ（2）仕様・印加電圧条件での単一放電特性は，電荷量：1.62 nC，放電本数：22 本であることを導出した．

4．放電観測による手法の検証
実際の放電タイミングと放電本数に対して，前述の本数計算手法を検証するため，高速度カメラ撮影による放電観測と，これに同期した放電電流波形の本数計算を実施した．
図 9 放電 1 サイクルの放電電流波形の選択
Fig.9 Selecting discharge current waveform.

実験装置構成を図 13 に示す．高速度カメラ（ Photron社製 SA-11）は放電リアクタへのガス導入方向から放電

電流波形を用いた誘電体バリア放電中の放電本数計算（竹本 翔一ら）

139（45）空間を撮影可能な状態でセッティングされる．そして電計算精度の向上に関する検討は今後の研究課題とする．

圧プローブによる電圧信号を撮影開始のトリガーとし，以上より，本研究で構築した単一放電本数計算手法とオシロスコープで記録される放電電流波形との同期が確撮影画像で観測した放電本数が高精度で一致するため，保されている．単一放電の観測を行うため，感度増幅器本手法の確からしさが実証されたと考える．

である Image Intensifier（ NAC 社製 UVi ）を用いて輝度情報を増幅し撮影を行った．検証に用いた放電リアクタ仕様と交流印加電圧条件は 2.1節での測定時と同様にした．
高速度カメラ撮影の各設定値を表 1 に示す．また撮影した放電画像を輝度情報で二値化処理した画像と，撮影同期したタイミングで測定した電流波形を図 14 と図 15 それぞれ示す．図 14 では，撮影画像に 1本の放電が観測され，撮影と同期した電流波形からの放電本数計算の結果も矢印部分にて 1本と計算される．一方，図 15 では，撮影画像に放電が 4本観測される．図 14 での電流波形を単一放電の基準電流波形として図 15 の撮影時間 200 nsec 内の電流波形から放電本数計算を実施した．結果は，矢印部分にて放電本数は 4本と計算され，撮影画像から観測した放電本数と電流波形から算出した放電本数が一致することを確認した．
上記のように，撮影画像と放電本数計算の比較検証をデータ数 N=122 に対して実施した結果を表 2 に示す．データ

図 14 放電撮影画像と電流波形（1 放電）
Fig.14 Discharge image and current waveform（1 discharge ）．

全体での正答率は 96％となることを確認した．また誤答データは，放電本数 10本以上に集中している．これは基準電流波形のピーク電流値のばらつき分だけ減算毎に誤差が蓄積し，減算回数が増減したことに起因するものと考える．
よって，本手法は 10 本 /200 nsec 則ち 50 本 /µsec 以下の放電電流波形に対して計測精度が高い手法と言える．

図 15 放電撮影画像と電流波形（4 放電）
Fig.15 Discharge image and current waveform（4 discharges ）．

図 13 実験装置概要
Fig.13 Experimental Setup.

表 2 放電撮影画像と本手法での放電本数比較結果
Table 2 Comparison of number of discharges in the photographand by this method.

表 1 高速度カメラ撮影条件
Table 1 High-Speed camera conditions.

Number ofdischarges inphotograph

Item
Camera shutter speed
Shutter opening period
Camera shutter trigger（ dual edge ）Image intensifier speed

Condition
9,000 fps
200 nsec
Vout > ± 5 kV
（ Interval 0.1 msec ）250,000 fps

01～3
4～6
7～910～
total

Number ofapplicable
photograph
data
2149
31
129122

Match the numberof discharges
in the photographand by this method
214931124117WrongMatchRate

000055100％
100％
100％
100％
44％
96％

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静電気学会誌 第44巻 第 3 号（2020）

5．単一放電測定によるオゾン生成考察
放電本数・単一放電の電荷量とオゾン生成量を関連付
け，オゾン生成に関して考察した．
図 2 の実験構成で，放電リアクタには電極板仕様 Aと B を電極パターンが直交するように誘電体層側を対減少する傾向にあることが分かる．
図 16 で 1.0 mm 仕様のオゾン濃度が最大となるのは，放 電 本 数 39 本 と 単 一 放 電 の 電 荷 量 0.84 nC の 乗 算 値
32.76 nC が電極ピッチ間隔水準で最も大きいことから説明ができる．

向させ，放電ギャップ 1.0 mm として PTFE 絶縁スペー

以上のように，本研究で構築した手法を用いて，放電サで固定したものを用いた．電極板仕様 B の電極ピッ本数や単一放電の電荷量といった放電特性から，オゾンチ間隔は 0.5 mm，1.0 mm，2.0 mm の 3 水準とし，隣接生成現象に対しての考察を行うことを可能とした．

する単一放電の間隔を意図的に変えた．実験条件は，交流印加電圧振幅 17.5 kVp-p，交流周波数 45 kHz を固定6．まとめ条件とし，オゾン量は放電リアクタ下流のオゾン分析計

放電電流波形に対して単一放電の基準電流波形を繰り返（荏原実業社製 EG-3000D ）にて測定した．

し減算し，減算回数で単一放電本数を計算する手法を考案

図 16 に電極ピッチ間隔水準ごとの排出ガスのオゾンした．また，高速度カメラにより撮影した放電観測画像と濃度を並べて示す．今回の電極ピッチ間隔水準では，撮影と同期させた放電電流波形を用いて，前記手法の確か1.0 mm 仕様のオゾン濃度が最大となる．図 17 には，（i）らしさを実証した．その後，前記手法を用いて算出した放放電本数，（ ii ）単一放電の電荷量，（ iii ）単一放電あた

電本数・単一放電の電荷量とオゾン生成量とを関連付け，りのオゾン生成量を電極ピッチ間隔ごとに並べて示す．

オゾン生成現象を放電特性から考察することを可能とした．

電極ピッチ間隔が小さいほど，単一放電の電荷量は増加

謝辞し，それに伴い単一放電あたりのオゾン生成量も増加す

放電の計測・可視化にあたり，株式会社ナックイメー

る．一方で電極ピッチ間隔が小さ過ぎると，放電本数はジテクノロジー殿に多大なご協力をいただきました．心より感謝申し上げます．

図 16 出ガスの O3 濃度
Fig.16 O3 concentration in out gas.

図 17 結果i ）放電本数 ii ）単一放電の電荷量 iii ）単一放電の O3 量
Fig.17 Results ofi ）Number of discharges ii ）Electric charge of single dischargeiii ）O3 amount of single discharge.

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マ放電の 2 次元電子密度分布測定．静電気学会全国大会
予稿集‘19，pp.95-96，静電気学会（2019）9） 八木重典：バリア放電，p.74，朝倉書店（2012）