CN106537622A - 压电变压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电变压器（1），其在纵向方向（L）上被划分成输入区域（2）和输出区域（3），其中在输入区域（2）中交替地堆叠电极（4）和压电材料（5），并且能够将交变电压施加到输入区域（2）中的电极（4）上，其中输出区域（3）具有压电材料（9），所述压电材料在输入区域（2）中施加交变电压的情况下导致电场的建立，其中压电变压器（1）具有：输出侧端侧（10），其指向远离输入区域（2）之处；以及在长度方向（L）上伸展的侧面棱边（13），并且其中压电变压器（1）被构造为在输出侧端侧（10）处电离原子或分子并且在此在侧面棱边（13）处避免原子或分子的电离。

Description

压电变压器

技术领域

本发明涉及一种压电变压器。压电变压器尤其是可以用在用于产生大气压等离子体的装置中。

背景技术

压电变压器是谐振变压器的一种构造形式，所述谐振变压器基于压电现象并且与常规的磁变压器不同是一种机电系统。图1示出了压电变压器1，其也作为罗森变压器（Rosen-Transformator）已知。

压电变压器1具有输入区域2和输出区域3。在输入区域2中，压电变压器1具有电极4，交变电压可以被施加到所述电极4上。电极4在压电变压器1的纵向方向L上延伸。电极4在与纵向方向L垂直的堆叠方向S上与压电材料5交替地堆叠。在此，压电材料5在堆叠方向S上被极化。

电极4布置在压电变压器1的内部中，并且也被称为内部电极。压电变压器1具有第一纵向侧6和与第一纵向侧6相对的第二纵向侧7。在第一纵向侧6上布置有第一外部电极8。在第二纵向侧7上布置有第二外部电极（未示出）。位于内部的电极4在堆叠方向S上要么与第一外部电极8、要么与第二外部电极交替地电接触。

输入区域2可以利用施加在电极4之间的小的交变电压来激励。由于压电效应，在输入侧施加的交变电压首先被转换成机械振动。在此，机械振动的频率基本上依赖于压电变压器1的几何结构和机械构造。

输出区域3具有压电材料9并且不含位于内部的电极。输出区域中的压电材料9在纵向方向L上被极化。输出区域3的压电材料9可以是与输入区域2的压电材料5相同的材料，其中压电材料5和9可以在其极化方向方面不同。

如果将交变电压施加到输入区域2中的电极4上，则在压电材料5、9之内形成机械波，该机械波通过压电效应在输出区域3中产生输出电压。输出区域3具有输出侧端侧10，该输出侧端侧10被金属化并且形成输出电极。在输出区域3中产生的电压因此施加在金属化的端侧10与输出区域2的电极4的端部之间。在此，高电压施加在输出侧端侧10上。

通过这种方式，压电变压器1产生高的电场，该电场能够通过电激励将气体电离。在此，相应气体的原子或分子被电离并且形成等离子体。于是，当压电变压器1的表面处的电场强度超过等离子体的点火场强时，总是导致电离。在此，被称为等离子体的点火场强的是为了电离原子或分子所需的场强。

从Ito等人的公开物:Discharge plasmas generated by piezoelectrictransformers and their applications（Plasma Sources Sei.Technol.15 (2006)）中公知的是，压电变压器可以用于等离子体的点火。在此所描述的是，等离子体的点火既可以在侧面的纵向棱边处、又可以在输出侧端侧处进行。

在图1中标示了等离子体在输出侧端侧处的点火11、以及等离子体在侧面棱边13处的另外的点火12。

但是在上述公开物中未认识到，在侧面棱边处的点火导致如下反馈，在所述反馈的情况下在压电材料中，在输出区域中产生高的机械应力，所述机械应力可能在压电变压器的运行中导致裂缝，由此降低压电变压器的寿命。

发明内容

因此，本发明的任务是，提供一种改进的压电变压器，该压电变压器例如具有更高的寿命。

上述任务通过根据本权利要求1所述的压电变压器来解决。

提出了一种压电变压器，其在纵向方向上被划分成输入区域和输出区域，其中在输入区域中交替地堆叠电极和压电材料，并且能够将交变电压施加到输入区域中的电极上，其中输出区域具有如下压电材料，所述压电材料当在输入区域中施加交变电压的情况下导致电场的建立，其中压电变压器具有输出侧端侧，所述输出侧端侧指向远离输入区域之处并且具有在纵向方向上伸展的侧面棱边，并且其中压电变压器被构造为在输出侧端侧处电离原子或分子并且在此在侧面棱边处避免原子或分子的电离。

通过在侧面棱边处避免原子或分子的电离，保证了在点火等离子体时在侧面棱边处不导致不期望的反馈。否则，由于这样的反馈将形成机械应力尖峰，所述机械应力尖峰将导致机械材料中的裂缝并且因此导致压电变压器的缩短的寿命。因此，通过本发明避免了这样的裂缝的出现，使得压电变压器的寿命得到提高。

该压电变压器可以是上述罗森变压器，其中附加地设置有用于在侧面棱边处避免电离原子或分子的措施。已经结合罗森变压器被公开的所有结构性和功能性特征也可以存在于根据本发明的压电变压器中。

输入区域尤其是可以具有在堆叠方向上交替堆叠的电极和压电材料。在此，堆叠方向垂直于纵向方向。堆叠方向还垂直于第一纵向侧6的面法线，在所述第一纵向侧上布置有第一外部电极8。

输出区域不含位于内部的电极。输出区域是由压电材料制成的单片式叠层，其中输出侧端侧可以被金属化。输出区域具有压电材料，该压电材料在纵向方向上被极化。

输入区域也被称为激励区，而输出区域也被称为高压区。

压电变压器具有基本上长方六面体形的形状。纵向方向由压电变压器的彼此相距最远的外表面的连接来定义、即被定义为沿着压电变压器的最长棱边的方向。

为了在避免侧面棱边处的电离的情况下有针对性地控制原子或分子在输出侧端侧处的电离，起决定性作用的是，电场强度在端侧处达到其最大值。侧面棱边因此可以被修改为使得电场的场强在这里有针对性地被降低并且尤其是避免了电压尖峰的出现。当输出侧端侧处的电场强度达到点火场强时，侧面棱边处的电场强度尤其是应当低于等离子体的点火场强。

压电变压器的侧面棱边可以具有倒圆区域。在该倒圆区域中避免了电压尖峰，使得不导致原子或分子在侧面棱边处的电离。通过对棱边进行倒圆，降低了侧面棱边的表面处的电场强度。

棱边可以在烧结之前或之后被倒圆。

倒圆区域可以至少从输出侧端侧延伸直至输出区域的中部。在压电变压器的运行中，在该区域中存在最大的电场强度。因此，在该区域中特别重要的是，降低棱边处的场强，以便避免等离子体的所不期望的点火。倒圆区域优选地与输出侧端侧直接邻接，因为在接近输出侧端侧处，侧面棱边处的不期望的电离的风险是特别大的。

倒圆区域可以延伸跨过侧面棱边的整个长度。在所确定的用于例如在擦磨的情况下制造倒圆区域的方法中，明显更简单的是，对侧面棱边在其整个长度上进行倒圆。在输入区域中也对侧面棱边进行倒圆不会负面地影响压电变压器的功能性。

侧面棱边可以在倒圆区域中具有0.1mm至3mm的半径。如果半径被选择为小于0.1mm，则将不再保证侧面棱边处的电场强度的充分降低，因为侧面棱边在此情况下一定程度上是有角的。具有3mm半径的倒圆对于充分降低棱边处的电场强度而言绰绰有余，使得具有更大半径的倒圆将不会导致压电变压器的特性的进一步改善。因此，0.1至3mm的半径范围是最优的。另外，半径优选地可以处于0.2至1.0mm。

侧面棱边的倒圆区域例如可以借助于擦磨、打磨或喷砂来倒圆。

这里，被称为擦磨的是一种如下方法：在该方法中，压电变压器的所有棱边在未经烧结的、不成熟的状态下借助于松散颗粒被磨光。在此，多个压电变压器可以与擦磨装置一起被置入到滚筒中，并且在那里彼此摩擦，由此对棱边进行倒圆。擦磨的优点在于，该方法可以非常快且低成本地执行。

通过擦磨，还对输出侧端侧的棱边和角进行倒圆。在此，形成具有倒圆的输出侧端侧的压电变压器，其中电离仅仅在端侧的角处进行。端侧的角由于倒圆而具有扩大的面积，使得形成扇形化的等离子体束。该等离子体束可以有利于确定的应用。如果对于应用来说等离子体束的扇形化是不期望的，则可以在擦磨以后执行端侧的磨光，由此端侧的倒圆棱边再次变为有角的。

这里，被称为打磨的是一种如下方法：在该方法中，压电变压器在烧结状态下利用打磨盘来处理。在此，压电变压器可以非常精准地被处理。端侧处的棱边尤其是可以保持为未经处理的。打磨提供了高的设计灵活性。例如可以借助于打磨将倒圆区域构造为使得所述倒圆区域具有逐渐消失的（auslaufend）半径。倒圆区域的半径可以在输出侧端侧处为最大，并且朝着输入侧减小。打磨还使得能够将端侧成为所期望的形状。端侧例如可以半球形地来构造或者金字塔式地变尖地来构造。根据端侧的构造，得出可产生的等离子体束的其它形状。

打磨的另一优点是，该方法导致非常光滑的表面，使得在不平坦处不会导致局部的场过高。

在喷砂的情况下，侧面棱边在压缩空气的作用下被喷射松散颗粒。通过这种方式，侧面棱边的材料被剥蚀。喷砂可以在压电变压器的烧结状态下进行。压电变压器的在喷砂时应当保持不被处理的区域可以在喷砂期间被覆盖、例如被遮盖。

在此，如果侧面棱边被倒圆，则压电变压器的质量仅以非常小的程度改变，使得压电变压器的振动特性不改变。

可替代地或补充地，输出区域可以至少部分地被涂敷隔离层。隔离层降低由其覆盖的区域的表面处的电场强度。隔离层尤其是可以至少部分地覆盖侧面棱边。

通过隔离层，可以以这种方式保证：侧面棱边的表面处的电场强度不会变得过大，以及这样可以防止原子和/或分子在侧面棱边处的电离。隔离层的涂敷可以与侧面棱边的倒圆相组合，以便通过这两个措施的组合来避免侧面棱边处的不期望的电离。

隔离层可以具有如下长度：该长度位于压电变压器的总长度的15%至45%的范围中、优选位于总长度的20%至30%的范围中。

隔离层可以具有收缩软管。收缩软管尤其是可以在其内侧被涂敷热熔胶。通过这种方式可以防止：收缩软管由于压电变压器在运行中的震动而可能从其松脱并且从输出区域中滑出。

收缩软管可以与输出侧端侧平齐地终止，或者从端侧突出。可替代地，输出区域的与输出侧端侧邻接的端部区域也可以保持不含收缩软管。

如果收缩软管稍微突出，则导致等离子体的聚束。该等离子体对于将等离子体效应例如用于使表面活化的应用来说是有利的。如果收缩软管与压电变压器平齐地终止或者收缩软管留出侧面棱边的长度不超过2mm的小端部区域，则等离子体不被定向。由此，在含氧工作气体中的运行形成更多臭氧，这对于医学应用来说可能是有利的。因此，收缩软管的长度应当与所期望的应用目的相匹配。

隔离层可以具有选自下列各项的至少之一：硅树脂、硬化聚合物或漆。这些材料可以以流体形式作为隔离层来涂敷。对此合适的是流体浇铸、以一种形状来涂敷或者上漆。

沿着侧面棱边，隔离层应当具有足够的厚度。该厚度可以在以流体形式涂敷隔离层的情况下通过调整粘性或者通过多次涂敷来保证。

端侧可以不含隔离层。这是重要的，因为原子或分子在端侧处的电离是所期望的，并且不应当受到隔离层的妨碍。

隔离层可以具有0.1mm至3mm范围中的厚度，其中厚度优选地位于0.2至1.0mm。由于隔离层而给压电隔离层添加了附加的质量，由此改变了其振动特性。因此，隔离层应当被选择为尽可能薄的。但是隔离层必须足够厚，以便将侧面棱边的表面处的场强减小到等离子体的点火场强之下。具有0.1mm至3mm厚度的隔离层符合这些要求。

压电变压器可以用于产生大气压冷等离子体。

常压等离子体可以在具有通常小于100°C的气温的所谓冷的非热等离子体以及具有较高气温的热等离子体方面进行区分。本发明致力于冷的非热等离子体，其具有的优点是，气温处于室温的量级或者仅仅稍高出，使得等离子体在要处理的衬底处的较长停留时间是可能的，并且敏感衬底、例如薄聚合物膜可以更长时间地利用该等离子体来处理，而不损伤衬底的表面或衬底本身。

压电变压器可以是罗森变压器。

另外，输出侧端侧可以具有倒圆的棱边和/或倒圆的角。输出侧端侧可以适于产生扇形化的等离子体束。

另外，本发明涉及一种用于产生大气压等离子体的装置，该装置具有上述压电变压器，该压电变压器布置在填充有气体的体积中。压电变压器因此被用于气体的电离并且通过这种方式产生等离子体。这样的装置尤其是可以用于表面的活化或其它方面的处理以及可以被用于医学应用。

附图说明

下面根据附图进一步阐述本发明。

图1示出了在现有技术中已知的压电变压器。

图2示出了根据本发明的第一实施例的压电变压器。

图3示出了根据本发明的第二实施例的压电变压器。

图4示出了在图3中所示出的压电变压器的横截面。

具体实施方式

图2示出了压电变压器1。压电变压器1除了第一和第二纵向侧6、7以外还具有第三纵向侧16和第四纵向侧17。纵向侧6、7、16、17中的每个都在纵向方向L上延伸。纵向侧6、7、16、17中的每个还垂直于输出侧端侧10。

压电变压器1的总长度的大致四分之一被隔离层14覆盖。在此，隔离层14被涂敷在纵向侧6、7、16、17上。输出侧端侧10不含隔离层。

在此，隔离层14的材料被选择为使得在隔离层14的指向外部的侧处，存在于隔离层14内部的电场强度被明显降低。隔离层14因此对电场进行隔离。因此，侧面棱边13的被隔离层14覆盖的区域中的电场强度被明显减小。

隔离层14可以要么是收缩软管，要么是由硅树脂、漆、或硬化聚合物制成的层。隔离层14从输出侧端侧10延伸直至压电变压器的四分之一的长度。

图3示出了压电变压器1的第一实施例。压电变压器1的侧面棱边13在此具有倒圆区域15。在倒圆区域15中，侧面棱边13不是如其余区域那样为有角的，而是被倒圆的。在图3中所示出的实施例中，倒圆区域15延伸跨过侧面棱边13的整个长度。

在倒圆区域15中，在侧面棱边13处的电场强度分布到较大的面上，使得避免了电压尖峰的出现，并且该侧面棱边13的区域中的最大达到的电场强度被减小。侧面棱边13处的电场强度尤其是强烈地被降低为使得其小于为了电离原子或分子所需的场强。

图4示出了在图3中所示出的压电变压器1的与纵向方向L垂直的横截面。在这种情况下能够辨认，压电变压器1具有倒圆的侧面棱边13。

由压电变压器1的长度来基本上确定其工作频率。如果选择70mm的长度，则得出50kHz的工作频率。该工作频率尤其是适于表面的活化或处理。对于医学应用，100kHz的工作频率可能是有利的。因此，这里选择压电变压器1的35mm的长度。

附图标记列表

1 压电变压器

2 输入区域

3 输出区域

4 电极

5 压电材料

6 第一纵向侧

7 第二纵向侧

8 第一外部电极

9 压电材料

10 输出侧端侧

11 等离子体在输出侧端侧处的点火

12 等离子体在侧面棱边处的点火

13 侧面棱边

14 隔离层

15 倒圆区域

16 第三纵向侧

17 第四纵向侧

L 纵向方向

S 堆叠方向。

Claims (17)

1.一种压电变压器（1），

所述压电变压器在纵向方向（L）上被划分成输入区域（2）和输出区域（3），

其中在所述输入区域（2）中交替地堆叠电极（4）和压电材料（5），并且能够将交变电压施加到所述输入区域（2）中的电极（4）上，

其中所述输出区域（3）具有压电材料（9），所述压电材料当在所述输入区域（2）中施加交变电压的情况下导致电场的建立，

其中所述压电变压器（1）具有：输出侧端侧（10），其指向远离所述输入区域（2）之处；以及在纵向方向（L）上伸展的侧面棱边（13），

并且其中所述压电变压器（1）被构造为在所述输出侧端侧（10）处电离原子或分子并且在此在所述侧面棱边（13）处避免原子或分子的电离。

2.根据权利要求1所述的压电变压器（1），其中所述侧面棱边（13）具有倒圆区域（15）。

3.根据权利要求2所述的压电变压器（1），其中所述倒圆区域（15）至少从所述输出侧端侧（10）延伸直至所述输出区域（3）的中部。

4.根据权利要求2或3之一所述的压电变压器（1），其中所述倒圆区域（15）延伸跨过所述侧面棱边（13）的整个长度。

5.根据权利要求2至4之一所述的压电变压器（1），其中所述侧面棱边（13）在所述倒圆区域（15）中具有0.1mm至3mm的半径。

6.根据权利要求2至5之一所述的压电变压器（1），其中所述倒圆区域（15）借助于擦磨、打磨或喷砂来倒圆。

7.根据前述权利要求之一所述的压电变压器（1），其中所述输出区域（3）至少部分地被涂敷隔离层（14）。

8.根据权利要求7所述的压电变压器（1），其中所述隔离层（14）具有收缩软管。

9.根据权利要求8所述的压电变压器（1），其中所述收缩软管与所述输出侧端侧（10）平齐地终止，或者从所述端侧（10）突出。

10.根据权利要求7至9之一所述的压电变压器（1），其中所述隔离层（14）具有选自下列各项的至少之一：硅树脂、硬化聚合物或漆。

11.根据权利要求7至10之一所述的压电变压器（1），其中所述端侧（10）不含所述隔离层（14）。

12.根据权利要求7至11之一所述的压电变压器（1），其中所述隔离层（14）具有0.1mm至3mm范围中的厚度。

13.根据前述权利要求之一所述的压电变压器（1），所述压电变压器用于产生大气压冷等离子体。

14.根据前述权利要求之一所述的压电变压器（1），其中所述压电变压器是罗森变压器（1）。

15.根据前述权利要求之一所述的压电变压器（1），其中所述输出侧端侧（10）具有倒圆的棱边和/或倒圆的角。

16.根据前述权利要求之一所述的压电变压器（1），其中所述输出侧端侧（10）适于产生扇形化的等离子体束。

17.一种用于产生大气压等离子体的装置，所述装置具有根据前述权利要求之一所述的压电变压器（1），所述压电变压器布置在填充有气体的体积中。