本発明は、プラズマ発生装置及びプラズマ発生方法に関するものである。

近年のアトピー、ぜんそく、アレルギー症状保有者の増大や新型インフルエンザの爆発流行などにみられる感染性のリスク増大などによって、殺菌や脱臭など生活環境の空気質制御ニーズが高まっている。また生活が豊かになるにつれて、保管食品の量の増大や食べ残し食品の保管機会が増加しており、冷蔵庫に代表される保管機器内の環境制御も重要性を増している。

生活環境の空気質制御を目的とする従来技術は、フィルターに代表されるような物理的制御が一般的である。物理的制御は、空気中に浮遊する比較的大きな埃や塵、フィルター孔の大きさによっては、細菌やウィルスなども捕獲できる。また、活性炭のように無数の吸着サイトがある場合は、悪臭の臭気分子も捕獲可能である。しかし、捕獲するためには制御対象の空間内の空気を満遍なくフィルターに通す必要があり、装置が大型化し、フィルター交換等の維持コストもかさむという難点があるうえに、付着物に対しては効果が無い。そこで、付着物に対し殺菌や脱臭を可能とする手段として、化学的活性種を殺菌や脱臭を行いたい空間に放出することがあげられる。薬品の散布や芳香剤、消臭剤の放出では、あらかじめ活性種を用意する必要があり、定期的な補充が不可欠である。それに対し、大気中にプラズマを発生させそこで生成される化学的活性種を利用し、殺菌や脱臭を試みる手段が近年増えてきている。

大気中にプラズマを放電により発生させ、そこで生成されたイオンやラジカルによって殺菌や脱臭を行う技術は、次の2つの形式に分類できる。 (1)大気中に浮遊する菌やウィルス(以下、浮遊菌)、もしくは悪臭物質(以下、臭気)を装置内の限られた容積内でイオンやラジカルと反応させる、いわゆる受動型のプラズマ発生装置(例えば、特許文献1) (2)プラズマ発生部で生成されたイオンやラジカルを(1)よりも容積の大きな閉空間(例えば、居室、トイレ、乗用車の車内等)へ放出し、大気中でのイオンやラジカルと浮遊菌や臭気との衝突により反応させる、いわゆる能動型のプラズマ発生装置(例えば、特許文献2)

(1)の受動型のプラズマ発生装置の利点は、小容積内でプラズマを発生させて高濃度のイオンやラジカルが生成されるため、高い殺菌効果及び脱臭効果が期待される。一方、欠点としては浮遊菌や臭気を装置内に導入する必要があるため、装置が大型化し、またプラズマ発生から副生成物としてオゾンが発生しやすく、オゾンを装置外に漏洩させないために、吸着もしくは分解するフィルターを別途設置する必要がある。

次に、(2)の能動型のプラズマ発生装置の利点は、装置を比較的小さくでき、浮遊菌の殺菌や空気中の臭気の分解に加え、衣類や生活用品の表面に付着した菌(以下、付着菌)の殺菌や表面に吸着した臭気の分解も期待できる点である。一方、欠点としては、イオンやラジカルが装置の体積に比べて非常に大きな閉空間内に拡散されることから濃度が低くなるため、寿命の長い活性種のみに殺菌や脱臭の効果を期待せざるを得ない点である。その結果、臭気濃度の高い空間(活性種濃度に対して1万倍程度高い濃度)においてはほとんど脱臭効果が期待できないことになる。

以上のことから、受動型のプラズマ発生装置では、当該装置に流入する空気流に含まれる浮遊菌や臭気に対してのみ効果が限定され、能動型のプラズマ発生装置では濃度の低い浮遊菌、付着菌、臭気に対しての効果しか期待できない。即ち、従来技術を利用し実現できることは、「浮遊菌の殺菌と脱臭」、あるいは「濃度の低い浮遊菌、付着菌の殺菌および付着臭気の脱臭」のどちらかに限定されることになる。

ところが、日常生活環境内で高濃度の付着菌の殺菌と高濃度臭気の脱臭を同時に行いたい状況がいくつかある。最も典型的な例は冷蔵庫の冷蔵室内であり、食品表面や保管容器等の表面に付着した菌が多く存在し、食品そのものや腐敗した食べ残し等から発生する臭気も同時に存在する。

特開2002−224211号公報

特開2003−79714号公報

このようなことから本願発明者は、プラズマを発生させてイオンやラジカルにより脱臭する受動型の機能と、そのイオンやラジカルを放出して付着菌を殺菌する能動型の機能との二つを同時に兼ね備えさせるためにイオンやラジカルの生成量を増やすことを考えている。このため本願発明者は、対向面の少なくとも一方に誘電体膜を設けた一対の電極を有し、それら電極間に所定電圧が印加されてプラズマ放電するものにおいて、各電極の対応する箇所にそれぞれ流体流通孔を設けてこれらが貫通するように構成したプラズマ発生装置の改良を行っている。

本願発明者は、上記のプラズマ発生装置において、オゾンの発生を抑制するとともに、イオンやラジカルを高濃度化するために、電極に設けられる誘電体膜の材料、構造又は厚さ、或いは所定電圧をパルス電圧としてその電圧値又はパルス幅等を検討している。そして、本願発明者が上記プラズマ発生装置について更なる検討を行った結果、各電極における流体流通孔の開口端部でイオンやラジカルが優勢的に発生し、各電極における開口端部以外の部分でオゾンが優勢的に発生することを見出した。

そこで本発明は、オゾンの発生を抑制しつつも、イオンやラジカルの生成量を増加させて、イオンやラジカルにより脱臭する機能と、そのイオンやラジカルを装置外部に放出して浮遊菌及び付着菌を殺菌する機能と十分に発揮できることをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係るプラズマ発生装置は、対向面の少なくとも一方に誘電体膜を設けた一対の電極を有し、それら電極間に所定電圧が印加されてプラズマ放電するものにおいて、各電極の対応する箇所にそれぞれ流体流通孔を設けてこれらが貫通するように構成されており、前記一対の電極間において前記流体流通孔を形成する開口端部のみにプラズマが発生するように構成されていることを特徴とする。なお、本明細書でいう対応する箇所とは、電極の面板方向から視て、双方の電極に形成された各流体流通孔が実質的に同じ位置にあり、互いに対向することをいい、直交座標系においてz軸方向よりxy平面状の一対の電極を見たときに、双方の電極において略同じ(x、y)の座標位置であることをいう。

このようなものであれば、一対の電極間において前記流体流通孔を形成する開口端部のみにプラズマが発生するように構成されているので、開口端部でのみプラズマを発生させてイオンやラジカルを優勢的に生成することができるとともに、オゾンが優勢的に生成される開口端部以外の部分ではプラズマが発生しない。これにより、オゾンの生成を抑制しつつも、イオンやラジカルの生成量を増加させることができ、当該イオンやラジカルにより脱臭する機能と、そのイオンやラジカルを装置外部に放出して浮遊菌及び付着菌を殺菌する機能とを十分に発揮できるようになる。なお、前記一対の電極のうち少なくとも一方に誘電体膜を設けていることにより、各電極21、22間にプラズマ形成用の空隙を形成するためのスペーサを不要としながらも、対向面間に空隙が形成することができる。

流体流通孔の開口端部のみでプラズマを発生させるための具体的な実施の態様としては、前記一対の電極において前記流体流通孔を形成する開口端部の対向距離が、前記開口端部以外の部分の対向距離よりも小さくなるように構成されており、前記一対の電極間に所定電圧を印加した場合に、前記流体流通孔を形成する開口端部のみでプラズマ放電することが望ましい。これならば、一対の電極において流体流通孔を形成する開口端部の対向距離と開口端部以外の部分の対向距離とを調節するだけで、流体流通孔を形成する開口端部のみにプラズマを発生させることができる。

流体流通孔を形成する開口端部の対向距離を、開口端部以外の部分の対向距離よりも小さくするためには、前記流体流通孔を形成する開口端部に形成された誘電体膜の膜厚が、前記開口端部以外の部分に形成された誘電体膜の膜厚よりも厚いことが望ましい。これならば誘電体膜の膜厚を調節するだけで、流体流通孔を形成する開口端部のみにプラズマを発生させることができる。

流体流通孔の開口全周に亘ってプラズマを発生させるためには、前記開口端部の全周に形成された誘電体膜の膜厚が、前記開口端部以外の部分に形成された誘電体膜の膜厚よりも厚いことが望ましい。

具体的には、前記開口端部に形成された誘電体膜の膜厚と前記開口端部以外の部分に形成された誘電体膜の膜厚との差が、1μm以上500μm以下であることが望ましい。

また、前記各電極の前記流体流通孔を形成する開口端部以外の部分に、プラズマの発生を防止するプラズマ発生防止部材が設けられていることが望ましい。なお、本明細書でいう対応する箇所とは、電極の面板方向から視て、双方の電極に形成された各流体流通孔が実質的に同じ位置にあり、互いに対向することをいい、直交座標系においてz軸方向よりxy平面状の一対の電極を見たときに、双方の電極において略同じ(x、y)の座標位置であることをいう。

このようなものであれば、流体流通孔を形成する開口端部以外の部分にプラズマ発生防止部材を設けているので、開口端部でプラズマを発生させながらも、開口端部以外の部分で発生するプラズマを低減することができる。開口端部のプラズマではイオンやラジカルを優勢的に生成され、開口端部以外の部分のプラズマではオゾンが優勢的に生成されることから、上記構成とすることにより、オゾンの生成を抑制しつつも、イオンやラジカルの生成量を増加させることができ、当該イオンやラジカルにより脱臭する機能と、そのイオンやラジカルを装置外部に放出して浮遊菌及び付着菌を殺菌する機能とを十分に発揮できるようになる。なお、前記一対の電極のうち少なくとも一方に誘電体膜を設けていることにより、各電極間にプラズマ形成用の空隙を形成するためのスペーサを不要としながらも、対向面間に空隙が形成することができる。

プラズマ発生防止部材を流体流通孔の開口端から離し過ぎるとオゾンが優勢的に生成されるようになる。このため、前記プラズマ発生防止部材が、前記流体流通孔を形成する開口端から0μm〜500μmの範囲外に設けられていることが望ましい。

開口端部以外の部分でプラズマを発生しないようにするとともに、開口端部のみでプラズマを発生させることで、オゾンの生成を可及的に抑制するためには、前記プラズマ発生防止部材が、前記一対の電極間において前記開口端部以外の部分全体に設けられていることが望ましい。

一対の電極間の絶縁性を保つためには、前記プラズマ発生防止部材が、比誘電率が30以下の低誘電材料から形成されていることが望ましい。

プラズマ発生防止部材と各電極の対向面又は誘電体膜との間に隙間があるとその隙間でプラズマが発生する恐れがある。このため、前記プラズマ発生防止部材が、各電極の対向面又は誘電体膜に密着していることが望ましい。

一対の電極を互いに対向した状態で固定するための別の固定部材を不要としてプラズマ発生装置の構成を簡略化するためには、前記一対の電極が、前記プラズマ発生防止部材により接着されていることが望ましい。

プラズマ発生防止部材の固定を簡単化するためには、前記プラズマ発生防止部材が、前記一対の電極に挟まれて固定されていることが望ましい。なお、この場合は、一対の電極を互いに対向した状態で固定するための固定部材が必要となる。

流体が効率的に流体流通孔を通過するようにしてイオンやラジカルの発生を促進すると共に、脱臭効果を増大させるためには、前記流体流通孔の上流側又は下流側に送風機構を設け、当該送風機構により前記流体流通孔に風が流れるように構成されていることが望ましい。ここで、前記送風機構により前記流体流通孔を通過させる風の流速を0.1m/s以上10m/s以下の範囲内としていることが望ましい。

前記誘電体膜を溶射法によって形成することにより、誘電体膜の膜厚を制御し易くすることができる。

流体流通孔を形成する開口端部におけるプラズマにおいて、イオンやラジカルの活性種の生成量を増大させながらもオゾン発生量を抑制するためには、前記各電極に印加する電圧をパルス形状とし、そのピーク値を100V以上5000V以下の範囲内とし、且つパルス幅を0.1μ秒以上かつ300μ秒以下の範囲内としていることが望ましい。

また付着菌の殺菌と脱臭の両方を同時に実現するための別の本発明に係るプラズマ発生装置は、対向面の少なくとも一方に誘電体膜を設けた一対の電極を有し、電極間に所定電圧が印加されてプラズマ放電するものにおいて、各電極の対応する箇所にそれぞれ流体流通孔を設けてこれらが貫通するように構成するとともに、前記流体流通孔とは別に、一方の電極に貫通孔を設けてこの貫通孔が他方の電極によってその対向面側の開口が塞がれるように構成しており、前記流体流通孔を形成する開口端部に形成された誘電体膜の膜厚及び前記貫通孔を形成する開口端部に形成された誘電体膜の膜厚が、それら開口端部以外の部分に形成された誘電体膜の膜厚よりも厚いことを特徴とする。

このようなものであれば、流体流通孔を通過した流体を、貫通孔を介してプラズマにさらに接触させることができ、或いは、流体流通孔を通過する前の流体を、貫通孔を介してプラズマに予め接触させることができる。これにより、イオン及びラジカルの生成量を増加させることができる。このとき、流体流通孔を形成する開口端部に形成された誘電体膜の膜厚及び貫通孔を形成する開口端部に形成された誘電体膜の膜厚が、それら開口端部以外の部分に形成された誘電体膜の膜厚よりも厚いので、それら開口端部でのみプラズマを発生させてイオンやラジカルを優勢的に生成することができるとともに、オゾンが優勢的に生成される開口端部以外の部分ではプラズマが発生しない。これにより、オゾンの生成を抑制しつつも、イオンやラジカルの生成量を増加させることができ、当該イオンやラジカルにより脱臭する機能と、そのイオンやラジカルを装置外部に放出して浮遊菌及び付着菌を殺菌する機能とを十分に発揮できるようになる。

また付着菌の殺菌と脱臭の両方を同時に実現するための別の本発明に係るプラズマ発生装置は、対向面の少なくとも一方に誘電体膜を設けた一対の電極を有し、電極間に所定電圧が印加されてプラズマ放電するものにおいて、各電極の対応する箇所にそれぞれ流体流通孔を設けてこれらが貫通するように構成するとともに、前記流体流通孔とは別に、一方の電極に貫通孔を設けてこの貫通孔が他方の電極によってその対向面側の開口が塞がれるように構成されており、前記一対の電極間において流体流通孔を形成する開口端部、並びに、前記貫通孔を形成する開口端部及びこれに対向する部分以外の部分にプラズマ発生防止部材が設けられていることを特徴とする。

このようなものであれば、流体流通孔を通過した流体を、貫通孔を介してプラズマにさらに接触させることができ、或いは、流体流通孔を通過する前の流体を、貫通孔を介してプラズマに予め接触させることができる。これにより、イオン及びラジカルの生成量を増加させることができる。このとき、一対の電極間において流体流通孔を形成する開口端部、並びに、前記貫通孔を形成する開口端部及びこれに対向する部分以外の部分にプラズマ発生防止部材が設けられているので、開口端部でプラズマを発生させながらも、開口端部以外の部分で発生するプラズマを低減することができる。開口端部のプラズマではイオンやラジカルを優勢的に生成され、開口端部以外の部分のプラズマではオゾンが優勢的に生成されることから、上記構成とすることにより、オゾンの生成を抑制しつつも、イオンやラジカルの生成量を増加させることができ、当該イオンやラジカルにより脱臭する機能と、そのイオンやラジカルを装置外部に放出して浮遊菌及び付着菌を殺菌する機能とを十分に発揮できるようになる。

また付着菌の殺菌と脱臭の両方を同時に実現するための別の本発明に係るプラズマ発生装置は、対向する一対の電極を備え、それら電極間に所定電圧が印加されてプラズマ放電するプラズマ発生装置であって、各電極が、それぞれ、絶縁性基板と、前記絶縁性基板の対向面に形成された導電膜と、前記導電膜上に形成された誘電体膜とを有するとともに、前記各電極の対応する箇所にそれぞれ流体流通孔が設けられ、これらが貫通するように構成してあり、前記導電膜が、前記絶縁性基板の対向面のうちプラズマ放電する所定の領域に選択的に形成してあることを特徴とする。

このようなものであれば、従来用いられている金属等からなる導電性基板に代えて、セラミック基板等の絶縁性基板を用い、プラズマ放電する領域を特定して当該領域に選択的に導電膜を形成することにより、プラズマ放電により発生する化学種を選択することができ、イオンやラジカル等の活性種を優勢に発生させたり、オゾンを優勢に発生させたりすることが可能となる。このため、本発明によれば、用途に応じて導電膜を形成する領域を変えて、イオンやラジカル等の活性種の発生とオゾンの発生とを制御して、安全性を確保しつつ殺菌及び脱臭効果を向上することができる。

具体的には、イオンやプラズマ等の活性種を優勢に発生させたいときは、前記導電膜が、前記絶縁性基板の対向面のうち前記流体流通孔の開口周縁より1mm以内の領域(A)に形成されていることが好ましい。

一方、オゾンを優勢に発生させたいときは、前記導電膜が、前記絶縁性基板の対向面のうち前記流体流通孔の開口周縁より1mmを超えて離れた領域(B)に形成されていることが好ましい。

そして、前記導電膜が、前記絶縁性基板の対向面のうち、前記流体流通孔の開口周縁より1mm以内の領域(A)と前記流体流通孔の開口周縁より1mmを超えて離れた領域(B)とに形成されており、前記領域(A)に形成された導電膜と前記領域(B)に形成された導電膜とが電気的に分離している場合は、いずれの導電膜に電気を流すかを選択することにより、イオンやプラズマ等の活性種とオゾンとのいずれを優勢に発生させるかを相互に切り替えることができる。

本発明者は、貫通孔の配置が異なる3種類の電極を用いて、前記領域(A)と前記領域(B)との割合を変えて、以下の条件下でプラズマ放電させて、イオン数及びオゾン濃度の変化を調べた。

・印加電圧:700V ・パルス幅:5μ秒 ・周波数:1kHz ・送風:電極の貫通孔に風速2m/sの風が通るようにファンを設置。 ・イオン数測定:空気イオン測定器にて、電極から100mmの距離で測定。 ・オゾン濃度測定:オゾン濃度計のサンプリングチューブを、電極から10mmの距離に設置し測定。

その結果、図22及び図23に示すように、印加する電圧、パルス幅、周波数を変化させても、領域(A)の割合が大きくなるほど(すなわち、領域(B)の割合が小さくなるほど)、イオン数が多くなり、オゾン濃度が小さくなる傾向が観察された。

イオンやプラズマ等の活性種とオゾンとのいずれを優勢に発生させるかを高い精度で制御するためには、前記誘電体膜が、前記導電膜の上及びその近傍のみに形成されていることが好ましい。

プラズマを発生させるための電極間の空隙を、スペーサを用いずに形成するためには、前記誘電体層の表面粗さ(Rz)が、1〜100μmであることが好ましい。

前記絶縁性基板は、CaO、Al₂O₃、SiO₂、B₂O₃、ZrO₂、及び、TiO₂からなる群より選択される少なくとも1種の化合物を含有する材料から形成されてなるものであることが好ましい。

前記誘電体膜は、その構成元素として、Ba、Ti、Ca、Zr、Sr、Y、及び、Mgからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含む材料から形成されてなるものであることが好ましい。更に、このような材料としては、酸化物、炭化物、窒化物、及び、ホウ化物からなる群より選択される少なくとも1種の化合物を含有するものが好適に用いられる。

前記導電膜は、その構成元素として、Ag、Au、Cu、Ni、Pt、Pd、Ru、及び、Irからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含む材料から形成されてなるものであることが好ましい。

前記誘電体膜の形成手段としては、例えば、グリーンシート、スクリーン印刷、グラビア印刷、インクジェット、ディスペンサー、物理蒸着等が挙げられる。

前記絶縁性基板の形成手段としては、例えば、グリーンシート、プレス成形等が挙げられる。

前記導電膜の形成手段としては、例えば、スクリーン印刷、グラビア印刷、インクジェット、ディスペンサー、物理蒸着等が挙げられる。

本発明に係るプラズマ発生装置の製造方法もまた、本発明の1つである。当該製造方法は、前記絶縁性基板上に導電性ペーストを塗布して所定の導電性パターンを形成する工程と、前記導電性パターン上に前記誘電体膜を形成するための材料を重ねる工程と、前記絶縁性基板と前記導電性パターン及び前記誘電体膜の材料とを同時に加温して焼成することにより前記電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする。

このようものであれば、従来の技術より、容易に、かつ、少ない工程で電極を作製することができるので、製造コストの低減を図ることができる。また、本発明によれば、多様な形状や構造の電極を作製することが可能となるため、用途に応じた電極の形状や構造の選択の自由度が増す。

このように構成した本発明によれば、オゾンの発生を抑制しつつも、イオンやラジカルの生成量を増加させて、イオンやラジカルにより脱臭する機能と、そのイオンやラジカルを装置外部に放出して浮遊菌及び付着菌を殺菌する機能と十分に発揮できる。

本発明のプラズマ発生装置の第1実施形態を示す斜視図。

第1実施形態におけるプラズマ発生装置の作用を示す模式図。

第1実施形態における電極部を示す平面図。

第1実施形態における電極部及び防爆機構を示す断面図。

第1実施形態における電極部の対向面の構成を示す拡大断面図。

第1実施形態における流体流通孔及び貫通孔を模式的に示す部分拡大断面図。

第1実施形態における流体流通孔を形成する開口端部を模式的に示す拡大断面図。

第1実施形態における流体流通孔を形成する開口端部を模式的に示す斜視図。

第1実施形態における貫通孔を形成する開口端部を模式的に拡大断面図。

第1実施形態におけるイオン数密度とオゾン濃度とのパルス幅依存性を示す図。

第2実施形態における流体流通孔及び貫通孔を模式的に示す部分拡大断面図。

第2実施形態における流体流通孔を形成する開口端部を模式的に示す拡大断面図。

第2実施形態におけるプラズマ発生防止部材を設けた位置を模式的に示す平面図。

第3実施形態における電極を対向面側から示した平面図である。

第3実施形態におけるプラズマ電極部のAA線断面図である。

変形実施形態の流体流通孔及び貫通孔を模式的に示す部分拡大断面図。

変形実施形態の流体流通孔及び貫通孔を模式的に示す部分拡大断面図。

変形実施形態のプラズマ発生防止部材を設けた位置を模式的に示す平面図。

変形実施形態のプラズマ発生防止部材を設けた位置を模式的に示す平面図。

変形実施形態における電極を対向面側から示した平面図である。

変形実施形態における電極を対向面側から示した平面図である。

貫通孔の配置が異なる3種類の電極にプラズマ放電させた際のイオン数を示すグラフである。

貫通孔の配置が異なる3種類の電極にプラズマ放電させた際のオゾン濃度を示すグラフである。

100・・・プラズマ発生装置 21・・・一方の電極 22・・・他方の電極 21a、22a・・・誘電体膜 21b、22b・・・流体流通孔 21x、22x・・・流体流通孔を形成する開口端部 21c・・・貫通孔 21y・・・貫通孔を形成する開口端部 L1・・・流体流通孔を形成する開口端部の対向距離 L3・・・開口端部以外の部分の対向距離 t1・・・開口端部の誘電体膜の膜厚 t3・・・開口端部以外の部分の誘電体膜の膜厚 3・・・送風機構 6・・・プラズマ発生防止部材 21f、22f・・・セラミック基板 21g、22g・・・導電膜

<1.第1実施形態> 以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係るプラズマ発生装置100は、例えば冷蔵庫、洗濯機、衣類乾燥機、掃除機、空調機又は空気清浄機等の家庭電化製品に用いられるものであり、当該家庭電化製品の内部又は外部の空気の脱臭やそれら製品内部又は外部の浮遊菌又は付着菌を殺菌するものである。

具体的にこのものは、図1及び図2に示すように、マイクロギャッププラズマ(Micro Gap Plasma)によりイオンやラジカルを生成させるプラズマ電極部2と、当該プラズマ電極部2の外部に設けられて当該プラズマ電極部2に強制的に風(空気流)を送る送風機構3と、前記プラズマ電極部2の外部に設けられてプラズマ電極部2で生じる火炎が外部に伝播しないようにする防爆機構4、および電極部2に高電圧を印加するための電源5とを備えている。

以下、各部2〜5について各図を参照して説明する。

プラズマ電極部2は、図2〜図6に示すように、対向面に誘電体膜21a、22aを設けた一対の電極21、22を有し、それら電極21、22間に所定電圧が印加されてプラズマ放電するものである。各電極21、22は、特に図3に示すように、平面視において(電極21、22の面板方向から見たときに)概略矩形状をなすものであり、例えばSUS403といったステンレス鋼から形成されている。なお、電極部2の電極21、22の縁部には、電源5からの電圧が印加される印加端子2Tが形成されている(図3参照)。

ここで電源5によるプラズマ電極部2への電圧印加方法は、各電極21、22に印加する電圧をパルス形状とし、そのピーク値を100V以上5000V以下の範囲内とし、且つパルス幅を0.1μ秒以上かつ300μ秒以下の範囲内としている。図10に示すように、パルス幅が300μ秒以下において、イオン数密度が測定され、かつオゾン濃度が低くなり、パルス幅が小さくなるに従って、イオン数は増加し、オゾン濃度は減少する。これにより、オゾン発生量を抑制し、プラズマで生成された活性種を、従来技術に良く見られるようなフィルター等で失うことなく、効率的に放出することができ、その結果、付着菌の殺菌を短時間で実現することが可能となる。

また、図5に示すように、電極21、22の対向面には、例えばチタン酸バリウム等の誘電体が塗布されて誘電体膜21a、22aが形成されている。この誘電体膜21a、22aの表面粗さ(本実施形態では算出平均粗さRa)は0.1μm以上100μm以下である。この他表面粗さとしては、最大高さRy、十点平均粗さRzを用いて規定しても良い。このように誘電体膜21a、22aの平面粗さを上記範囲内の値にすることによって、各電極21、22を重ね合わせるだけで、対向面間に空隙が形成されて、当該空隙内にプラズマが発生することになる。なお、前記誘電体膜21a、22aの表面粗さは、溶射法などの薄膜形成方法によって制御することが考えられる。また、電極に塗布する誘電体としては、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化マグネシウム、チタン酸ストロンチウム、酸化シリコン、燐酸銀、チタン酸ジルコン酸鉛、シリコンカーバイド、酸化インジウム、酸化カドミニウム、酸化ビスマス、酸化亜鉛、酸化鉄、カーボンナノチューブなどを用いてもよい。

さらに図3、図4及び図6に示すように、各電極21、22の対応する箇所にそれぞれ流体流通孔21b、22bを設けてこれらが連通して貫通するように構成されている。本実施形態では、図3などに示すように、各流体流通孔21b、22bは、面板方向から視たときに(平面視において)概略円形状をなすものであり、電極21、22の対応する各流体貫通孔21b、22bの輪郭が一致するように形成している。

なお、電極21、22の面板方向から視たときに(平面視において)、対応する各流体貫通孔21b、22bの輪郭の少なくとも一部が互いに異なる位置となるように構成しても良い。具体的には、一方の電極21に形成された流体流通孔21bの開口サイズ(開口径)が、他方の電極22に形成された流体流通孔22bの開口サイズ(開口径)よりも小さく(例えば開口径が10μm以上小さく)形成することが考えられる。

また、本実施形態のプラズマ電極部2は、図3及び図6に示すように、流体流通孔21b、22bとは別に、一方の電極21に貫通孔21cを設けてこの貫通孔21cが他方の電極22によってその対向面側の開口が塞がれるように構成している。

送風機構3は、前記プラズマ電極部2の他方の電極22側に配置されており、プラズマ電極部2に形成された流体流通孔21b、22b(完全開口部)に向かって強制的に風を送る送風ファンを有するものである。具体的にこの送風機構3は、流体流通孔21b、22bを通過させる風の流速を0.1m/s以上30m/s以下の範囲内としている。

防爆機構4は、図4に示すように、一対の電極21、22の外側に配置された保護カバー41を有し、可燃性ガスが流体流通孔21b、22bに流入してプラズマによって生じた火炎が、保護カバー41を越えて外部に伝播しないように構成されたものである。具体的に防爆機構4は、その保護カバー41が、一対の電極21、22の外側に配置された金属メッシュ411を有し、当該金属メッシュ411の線径が1.5mm以下の範囲内であり、且つ金属メッシュ411の開口率が30%以上である。

しかして本実施形態のプラズマ発生装置100は、一対の電極21、22間において流体流通孔21b、22bを形成する開口端部21x、22x及び貫通孔21cを形成する開口端部21y及びこれに対向する部分のみにプラズマが発生するように構成されている。なお、開口端部21x、22x、21yとは、オゾンの生成がイオンやラジカルの生成よりも劣勢である領域であり、例えば開口端から数10μm程度から1mm程度の範囲である。

具体的には、図6及び図7に示すように、一対の電極21、22において、互いに対向する流体流通孔21b、22bを形成する開口端部21x、22xの対向距離L1と、貫通孔21cを形成する開口端部21y及びこれに対向する誘電体膜22aの対向距離L2とが、開口端部以外の部分の対向距離L3よりも小さくなるように構成されており、上述したパルス電圧を一対の電極21、22間に印加した場合に、互いに対向する流体流通孔21b、22bを形成する開口端部21x、22xと、貫通孔21cを形成する開口端部21y及びこれに対向する誘電体膜22aとのみでプラズマ放電する。

より詳細には、図7及び図8に示すように、対向面における流体流通孔21b、22bを形成する開口端部21x、22xの誘電体膜21a、22aの膜厚t1と、対向面における貫通孔21cを形成する開口端部21yの誘電体膜21aの膜厚t2とが、対向面におけるそれら開口端部以外の部分の誘電体膜21a、22aの膜厚t3よりも厚くしている。ここで、開口端部21x、22xの誘電体膜21a、22aの膜厚t1と、開口端部以外の部分の誘電体膜21a、22aの膜厚t3との差は、10μm以上500μm以下である。また、対向面における貫通孔21cを形成する開口端部21yの誘電体膜21aの膜厚t2と、開口端部以外の部分の誘電体膜21aの膜厚t3との差も同様に、10μm以上500μm以下である。なお、ここでの膜厚の差とは、表面粗さを考慮した平均的な膜の厚さのことをいう。本実施形態では、図9に示すように、流体流通孔21b、22bを形成する開口端部21x、22x及び貫通孔21cを形成する開口端部21yの全周に亘って環状に、誘電体膜21a、22aの膜厚t1、t2が、それら開口端部以外の部分の誘電体膜21a、22aの膜厚t3よりも厚くしている。

本実施形態では、このように構成された一対の電極21、22を誘電体膜21a、22aが対向するように重ね合わせることにより、流体流通孔21bを形成する開口端部21xの誘電体膜21aと流体流通孔22bを形成する開口端部22xの誘電体膜22aとが接触する。このとき、それらの間には、誘電体膜21a、22aの表面粗さによる凹凸によって空隙が形成されて、当該空隙内にプラズマが発生することになる。なお、図6及び図7においては便宜上誘電体膜21a、22aが離間した図を示している。一方、流体流通孔21b、22bを形成する開口端部21x、22x及び貫通孔21cを形成する開口端部21y以外の部分においては、対向する誘電体膜21a、22aの対向距離がプラズマ放電しない距離となるため、それら開口端部以外の部分ではプラズマは発生しない。

<第1実施形態の効果> このように構成した本実施形態に係るプラズマ発生装置100によれば、一対の電極21、22間において前記流体流通孔21b、22bを形成する開口端部のみにプラズマが発生するように構成されているので、開口端部でのみプラズマを発生させてイオンやラジカルを優勢的に生成することができるとともに、オゾンが優勢的に生成される開口端部以外の部分ではプラズマが発生しない。これにより、オゾンの生成を抑制しつつも、イオンやラジカルの生成量を増加させることができ、当該イオンやラジカルにより脱臭する機能と、そのイオンやラジカルを装置外部に放出して浮遊菌及び付着菌を殺菌する機能とを十分に発揮できるようになる。なお、対応する各流体貫通孔21b、22bの輪郭の少なくとも一部が互いに異なる位置としていることから、流体流通孔21b、22bを流れる流体とプラズマとの接触面積を可及的に大きくすることができる。これによっても、イオン及びラジカルの生成量を増加させることができる。

<2.第2実施形態> 次に、本発明の第2実施形態について説明する。

本実施形態のプラズマ発生装置100は、図11及び図12に示すように、一対の電極21、22において流体流通孔21b、22bを形成する開口端部21x、22x、並びに、貫通孔21cを形成する開口端部21y以外の部分にプラズマの発生を防止するプラズマ発生防止部材6が設けられている。

このプラズマ発生防止部材6は、図13に示すように、一対の電極21、22間において、流体流通孔21b、22bを形成する開口端及び貫通孔21cを形成する開口端から0μm〜500μmの範囲外に設けられている。言い換えれば、開口端部21x、21y、22xは、流体流通孔21b、22bを形成する開口端及び貫通孔21cを形成する開口端から0μm〜500μmの領域である。この領域においては、オゾンの生成がイオンやラジカルの生成よりも劣勢である。また、本実施形態では、このプラズマ発生防止部材6は、一対の電極21、22間において、開口端部21x、21y、22x以外の部分全体に設けられている。つまり、一対の電極21、22間において、開口端部21x、21y、22x以外の部分全体が、プラズマ発生防止部材により充填されている。これにより、開口端部21x、21y、22x以外の部分ではプラズマが発生しない。

プラズマ発生防止部材6は、比誘電率が10以下の低誘電材料が最も望ましく、少なくとも比誘電率30以下の誘電体材料で形成されている。この低誘電材料としては、例えば、アルミナ皮膜、ウレタン、ABS樹脂、天然ゴム、ナイロン、エチレン樹脂、塩化ビニル樹脂、尿素樹脂、ブチルゴム、シリコンゴム、石英などである。この低誘電材料は、各電極21、22の対向面に設けられた誘電体膜21a、22aに略隙間なく密着して設けられている。このとき、プラズマ発生防止部材6を接着性を有する低誘電材料としたり、あるいは比誘電体材料に接着成分を混合させて接着性を有する低誘電体材料とすることで、当該プラズマ発生防止部材6により一対の電極21、22を接着させることができる。例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、フッ素樹脂、ポリエステル樹脂、シリコン、酢酸ビニル樹脂、メタクリル樹脂などである。これにより、一対の電極21、22を互いに対向した状態で固定するための別の固定部材を不要にすることができる。

なお、プラズマ発生防止部材6を接着性を有さない低誘電材料とする場合等においては、当該プラズマ発生防止部材6を一対の電極21、22により挟むことにより固定しても良い。その他、プラズマ発生防止部材6を一対の電極間21、22に設ける方法としては、互いに分離された各電極21、22の誘電体膜21a、22a上に低誘電材料を塗布した後に、一対の電極21、22を誘電体膜21a、22aが対向するように重ね合わせることが考えられる。

<第2実施形態の効果> このように構成した本実施形態に係るプラズマ発生装置100によれば、流体流通孔21b、22b、貫通孔21cを形成する開口端部21x、21y、22b以外の部分にプラズマ発生防止部材6を設けているので、開口端部21x、21y、22bでプラズマを発生させながらも、開口端部21x、21y、22b以外の部分で発生するプラズマを低減することができる。これにより、オゾンの生成を抑制しつつも、イオンやラジカルの生成量を増加させることができ、当該イオンやラジカルにより脱臭する機能と、そのイオンやラジカルを装置外部に放出して浮遊菌及び付着菌を殺菌する機能とを十分に発揮できるようになる。

<3.第3実施形態> 次に、本発明の第3実施形態について説明する。

本実施形態のプラズマ発生装置100は、図14及び図15に示すように、セラミック基板21f、22fの対向面のうちプラズマ放電する領域に導電膜21g、22gを設け、更に導電膜21g、22gの上に誘電体膜21a、22aを設けた一対の電極21、22を有するものである。

各電極21、22の縁部には、電圧が印加される印加部2Tが形成されている。各電極21、22には対応する箇所にそれぞれ流体流通孔21b、22bが設けられており、これらが連通して全体として貫通するように構成されている。

セラミック基板21f、22fとしては、例えば、CaO、Al₂O₃、SiO₂、B₂O₃、ZrO₂、TiO₂等を材料とするものが用いられる。このような材料からなるセラミック基板21f、22fは、例えば、グリーンシート、プレス成形等を用いた手法により形成することができる。

導電膜21g、22gは、例えば、構成元素として、Ag、Au、Cu、Ni、Pt、Pd、Ru、Ir等を含む材料を用いて、スクリーン印刷、グラビア印刷、インクジェット、ディスペンサー、物理蒸着等の手法により、セラミック基板21f、22fの対向面に形成される。なかでも、前記の各種元素を含む導電性ペーストを調製し、これをスクリーン印刷、グラビア印刷、インクジェット、ディスペンサー等の手法によりセラミック基板21f、22f上に塗布して所定の導電性パターンを形成するのが好ましい。

導電膜21g、22gは、流体流通孔21b、22bの開口端部21x、22xに設けられた環状導電膜21g1、22g1と、当該環状導電膜21g1、22g1を電気的に連絡する線状導電膜21g2、22g2とからなり、これらがネットワークを形成している。

環状導電膜21g1、22g1は、流体流通孔21b、22bの開口周縁より1mm以内の領域、好ましくは0.5mm以内の領域に形成されている。また、線状導電膜21g2、22g2の幅は、0.5mm以下であることが好ましい。

誘電体膜21a、22aは、例えば、その構成元素として、Ba、Ti、Ca、Zr、Sr、Y、Mg等を含む材料から形成されるものが挙げられる。このような材料としては、例えば、酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物等が挙げられ、より具体的には、BaO、TiO₂、CaO、ZrO、Sr₂O₃、Y₂O₃、MgO、BaTiO₃、SrTiO₃、BCTZ(チタン酸ジルコン酸バリウムカルシウム(BaO、TiO₂、CaO、及び、ZrOの混合物))、BTZ(チタン酸ジルコン酸バリウム(BaO、TiO₂、及び、ZrOの混合物)、Zr₃B₄、SrB₆、CaB₆、MgB₂、BN、TiN、ZrN、Ca₃N₂、Si₃N_4、SiC、TiC、CaC_2、ZrC等が挙げられる。このような誘電体膜21a、22aは、例えば、グリーンシート、スクリーン印刷、グラビア印刷、インクジェット、ディスペンサー、物理蒸着等を用いた手法により形成される。これらの手法により形成された誘電体膜21a、22aは、多孔質になりにくい。

誘電体膜21a、22aは、その表面粗さ(算出平均粗さRa)が5〜50μmであることが好ましい。誘電体膜21a、22aの表面粗さがこの範囲内であれば、各電極を重ね合わせるだけで、電極21、22の対向面間に空隙が形成されて、当該空隙内にプラズマを発生させることができ、各電極21、22間にプラズマ形成用の空隙を形成するためのスペーサが不要となる。

このような電極21、22は、例えば、次のような工程を経て作製することができる。(1)まず、セラミック基板21f、22f上に導電性ペーストを塗布して所定の導電性パターンを形成する。(2)次いで、導電性パターン上に誘電体膜21a、22aの材料を重ねる。(3)セラミック基板21f、22fと導電性パターン及び誘電体膜21a、22aの材料とを同時に加温して焼成することにより電極21、22を形成する。

より具体的な電極作製法として、例えば、(A)低温同時焼成セラミック(Low Temperature Co−Fired Ceramic:LTCC)法や、(B)プレス基板/印刷法が挙げられる。

(A)低温同時焼成セラミック法では、以下のような手順で電極を作製する。 (1)セラミック粉末に、適当なバインダ、焼結助剤、可塑剤、分散剤、有機溶媒等を配合して、セラミック基板用グリーンシート用スラリーを調製する。 (2)得られたスラリーを、ドクターブレード法、印刷法等により所定の厚さに形成し乾燥させてセラミック基板用グリーンシートを作製する。 (3)得られたセラミック基板用グリーンシートに導電性ペーストを所定のパターンでスクリーン印刷等して導電性パターンを形成し、乾燥させる。なお、導電性ペーストとしては市販のもの(例えば、京都エレックス社製DD−1141A)を使用してもよい。 (4)誘電体粉末に、適当なバインダ、焼結助剤、可塑剤、分散剤、有機溶媒等を配合して、誘電体膜用グリーンシート用スラリーを調製する。 (5)得られたスラリーを、ドクターブレード法、印刷法等により所定の厚さ及び形状に形成して誘電体膜用グリーンシートを作製する。 (6)(5)で得られた誘電体膜用グリーンシートを、(3)で得られた導電性パターンが形成されたセラミック基板用グリーンシートの上に積層し、プレス、カレンダーロール等で密着させる。 (7)得られた積層体に対し、所定の位置に穴をあけ、素子サイズにカットし、焼成する。

(B)プレス基板/印刷法では、以下のような手順で電極を作製する。 (1)セラミック粉末を所定の大きさの型に入れ、プレスすることにより、セラミック基板21f、22fを作製する。 (2)得られたセラミック基板21f、22fに対し、レーザー、プレス等により、所定の位置に穴をあけ、素子サイズにカットする。 (3)カットされたセラミック基板21f、22fに導電性ペーストを所定のパターンにスクリーン印刷等して導電性パターンを形成し、乾燥させる。 (4)誘電体粉末とバインダを混合し、三本ロールで分散した後、溶剤等で印刷しやすい粘度に希釈して、誘電体ペーストを調製する。 (5)(4)で得られた誘電体ペーストを、(3)で得られた導電性パターンが形成されたセラミック基板21f、22fの所定の箇所に印刷して、誘電体膜21a、22aを形成後、焼成する。

本実施形態に係るプラズマ発生装置100は、2枚の対向した電極21、22の隙間のうち導電膜21g、22gが形成されている領域にプラズマを発生させ、流体流通孔21b、22bに送風機構3によって風を送り込み、電極21、22近傍で脱臭を行い、プラズマ中で生成された活性種を閉空間に放出し付着菌の殺菌を行う。

<第3実施形態の効果> このように構成した本実施形態に係るプラズマ発生装置100によれば、流体流通孔21b、22bの開口端部21x、22xで選択的にプラズマ放電を行うことにより、イオンやラジカル等の活性種を優勢に発生させて、オゾンの発生量を低減することができる。

また、本実施形態に係るプラズマ発生装置100では、セラミック粉末から電極用のセラミック基板21f、22fを作製するので、電極を多様な形状に成形することができ、用途に応じた電極設計の自由度を担保することができる。

更に、本実施形態に係るプラズマ発生装置100では、一度の焼成工程で電極21、22を作製することができるので、従来より容易に、かつ少ない工程で電極を作製でき、製造コストの低減を図ることができる。

<その他の変形実施形態> なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記第1実施形態では、誘電体膜21a、22aの膜厚を制御することにより開口端部のみにプラズマが発生するように構成しているが、図16に示すように、電極21、22の対向面における開口端部21x、21y、22xに環状の突条部21p、22pを一体に設けても良い。この場合、電極21、22の対向面に誘電体膜21a、22aを設けることにより、互いに対向する流体流通孔21b、22bを形成する開口端部21x、22xの対向距離L1と、貫通孔21cを形成する開口端部21y及びこれに対向する誘電体膜22aの対向距離L2とが、開口端部以外の部分の対向距離L3よりも小さくなるように構成することができる。

また、図17に示すように、電極21、22の対向面における開口端部21x、21y、22xに環状のリング部材21r、22rを設けて、その電極21、22の対向面に誘電体膜21a、22aを設けるようにしても良い。これならば、電極を切削加工等して一体に突条部を設ける場合に比べて加工コストを低減することができる。

また、前記実施形態ではプラズマ発生防止部材6は、開口端部以外の部分全体に設ける他、図18に示すように、開口端部以外の部分に部分的に設けるようにしても良い。これによっても、開口端部以外の部分で発生するプラズマを低減することができ、その結果オゾンの生成量を低減することができる。

また、図19に示すように、プラズマ発生防止部材6を流体流通孔21b、22bの開口端部21x、22x及び貫通孔21cの開口端部21yの周囲を覆うように環状に形成したものであっても良い。このとき、開口端部21x、21y、22xの周囲を覆うように形成した環状のプラズマ発生防止部材6は、電極内部で発生したオゾンを流体流通孔21b、22b及び貫通孔21cから外部に放出されることを防止する機能も有する。これならば、プラズマ発生防止部材6を構成する低誘電材料の使用量を減らすことができ、材料コストを低減することができる。

図20に示すように、導電膜21g、22gが流体流通孔21b、22bの開口周縁から1mmを超えて離れた領域に面状に形成されているものでも良い。これならば、イオンやラジカル等の活性種に比べて、より寿命が長いオゾンを優勢に発生させることができる。このため、本実施形態に係るプラズマ発生装置100は、臭気濃度が高い場合や、浮遊菌又は付着菌が高濃度で存在する場合、又は、ヒトやペット等が近くにいない空間で使用する場合等に適している。

また、図21に示すように、導電膜21g、22gが、流体流通孔21b、22bの開口端部21x、22xに形成された環状導電膜21g1、22g1と、当該環状導電膜21g1、22g1を電気的に連絡する線状導電膜21g2、22g2と、流体流通孔21b、22bの開口周縁部を除いた領域に面状に形成された面状導電膜21g3、22g3とから構成されているものでも良い。なお、環状導電膜21g1、22g1と線状導電膜21g2、22g2とから構成されるネットワークと、面状導電膜21g3、22g3とは、電気的に分離してある。これならば、環状導電膜21g1、22g1と線状導電膜21g2、22g2とから構成されるネットワークと、面状導電膜21g3、22g3とのいずれに電圧を印加するかを制御することにより、イオンやラジカル等の活性種とオゾンとのいずれを優勢に発生させるかを適宜選択して制御することができる。このため、臭気濃度が低い場合や、浮遊菌又は付着菌が低濃度で存在する場合、又は、ヒトやペット等が近くいる空間で使用する場合等は、環状導電膜21g1、22g1と線状導電膜21g2、22g2とから構成されるネットワークに電圧を印加して、イオンやラジカル等の活性種を優勢に発生させる一方、臭気濃度が高い場合や、浮遊菌又は付着菌が高濃度で存在する場合、又は、ヒトやペット等が近くにいない空間で使用する場合等は、オゾンを優勢に発生させることができる。

誘電体膜21a、22aは、セラミック基板21f、22fの対向面の全面に形成されていなくともよく、導電膜21g、22g上のみに形成してあればよい。誘電体膜21a、22aの形成領域を導電膜21g、22g上のみに限定することにより、イオンやラジカル等の活性種とオゾンとの発生領域をより高精度に制御することができ、とりわけ、オゾン発生を抑制して、イオンやラジカル等の活性種を優勢に発生させたい場合に有効である。また、このように誘電体膜21a、22aの形成領域を限定することにより、製造コストを抑制することもできる。

また、前記実施形態では、開口端部の全周に亘って誘電体膜の膜厚をそれ以外の部分の誘電体膜の膜厚よりも厚くしているが、開口端部の一部の誘電体膜の膜厚をそれ以外の誘電体膜の膜厚よりも厚くしても良い。

例えば前記実施形態では、コーティング膜を各電極の誘電体膜に設けたが、いずれか一方の誘電体膜に設けた場合であっても効果を奏する。

また、前記実施形態では電極21の複数の流体流通孔21bが同一形状をなし、また電極22の複数の流体流通孔22bが同一形状をなすものであったが、それぞれ異なる形状をなすものであっても良い。

さらに、前記実施形態では一方の電極21又は他方の電極22のいずれかに貫通孔が形成されているが、両方に貫通孔(半開口部)を形成するようにしても良い。

その上、前記実施形態では流体流通孔は等断面形状をなすものであったが、その他、各電極に形成される流体流通孔にテーパ面を有するもの、すり鉢状またはお椀状の形状、つまり一方の開口から他方の開口に行くに従って縮径又は拡径するものであっても良い。

加えて、流体流通孔は、円形状の他、楕円形状、矩形状、直線状スリット形状、同心円状スリット形状、波形状スリット形状、三日月形状、櫛形状、ハニカム形状又は星形状であっても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

このように本発明のプラズマ発生装置によれば、オゾンの発生を抑制しつつも、イオンやラジカルの生成量を増加させて、イオンやラジカルにより脱臭する機能と、そのイオンやラジカルを装置外部に放出して浮遊菌及び付着菌を殺菌する機能と十分に発揮できる。