DE102013100617B4

DE102013100617B4 - Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas und Handgerät mit der Vorrichtung

Info

Publication number: DE102013100617B4
Application number: DE102013100617.5A
Authority: DE
Inventors: Stefan Nettesheim; Dariusz Korzec; Dominik Burger; Georg Kügerl; Markus Puff; Florian Hoppenthaler
Original assignee: Epcos AG; Relyon Plasma GmbH
Current assignee: RELYON PLASMA GMBH, DE; TDK Electronics AG
Priority date: 2013-01-22
Filing date: 2013-01-22
Publication date: 2016-08-25
Anticipated expiration: 2033-01-23
Also published as: WO2014115050A4; EP2948991B1; DE102013100617A9; JP2016510483A; US9788404B2; US20150373824A1; EP2948991A1; CN105103319B; DE102013100617A1; WO2014115050A1; CN105103319A; JP6644550B2

Abstract

Vorrichtung (1) zur Erzeugung eines Plasmas (P) mit einer Steuerschaltung (3), die zur Anregung eines piezoelektrischen Transformators (5) mit diesem elektrisch verbunden ist und einer Platine (7), auf der die Steuerschaltung (3) realisiert ist, wobei der piezoelektrische Transformator (5) mit einem Bereich (6B) eines ersten Endes (6) derart in Bezug zur Platine (7) gehaltert ist und an einem zweiten freien Ende (8) des piezoelektrischen Transformators (5) eine Hochspannung ausprägbar und das Plasma (P) bei Atmosphärendruck zündbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Transformator (5) aus mehreren Schichten (S1, S2, ..., SN) aufgebaut ist, wobei jede Schicht (S1, S2, ..., SN), zumindest zum Teil, mit einer Leiterschicht (27) versehen ist; dass jeweils ein elektrisches Anschlußpad (20) an Seitenflächen (10) und im Schwingungsknoten (14) des piezoelektrischen Transformators (5) angebracht ist; und dass elektrische Anschlüsse (12) zusammen mit den Anschlußpads (20) eine Halterung für den piezoelektrischen Transformator (5) bilden, wobei das erste Ende (6) des piezoelektrischen Transformator (5) durch einen Spalt (18) von der Platine (7) beabstandet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas. Im Besonderen ist hierzu eine Steuerschaltung vorgesehen, die zur Anregung eines piezoelektrischen Transformators mit diesem elektrisch verbunden ist.
Ferner betrifft die Erfindung ein Handgerät zur Plasmabehandlung von Oberflächen. Das Handgerät weist ein Gehäuse und eine Spannungsquelle auf.
Aus der deutschen Patentschrift DE 10 2008 018 827 B4 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas mit einem Piezoelement offenbart. Das Piezoelement ist mit einem Primär- und Sekundärbereich ausgestattet. Dabei erfolgt die Ansteuerung des Primärbereichs des Piezoelementes mit Niederspannung und Hochfrequenz. In der Folge wird das Plasma durch die Feldüberhöhung auf der Fläche des Sekundärbereichs des Piezoelements gezündet. Erfindungsgemäß erfolgt die Plasmaführung durch eine auf Erdpotential liegende Gegenelektrode und eine Gasströmung, die am Piezoelement vorbeistreicht. Durch die Gasströmung tritt das Plasma aus der Vorrichtung aus.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2011 006 764 A1 offenbart einen Piezotransformator mit einem eingangsseitigen piezoelektrischen Wandler, einem ausgangsseitigen piezoelektrischen Wandler mit mindestens zwei Phasen, mindestens einer ersten elektrisch nicht leitenden Schicht, welche zwischen dem eingangsseitigen piezoelektrischen Wandler und dem ausgangsseitigen piezoelektrischen Wandler angeordnet ist und welche den eingangsseitigen piezoelektrischen Wandler und den ausgangsseitigen piezoelektrischen Wandler mechanisch miteinander koppelt. Ferner ist mindestens eine zweite elektrisch nicht leitende Schicht zwischen den Phasen des ausgangsseitigen piezoelektrischen Wandlers angeordnet.
Das US-Patent US 5 834 882 A beschreibt den Aufbau eines piezoelektrischen Vielschicht-Transformators. Ein erstes elektroaktives Element ist mechanisch an dem zweiten elektroaktiven Element durch eine Verbindungsschicht, die zwischen einer ersten Hauptfläche des ersten elektroaktiven Elements und einer ersten Hauptfläche des zweiten elektroaktiven Elements angeordnet ist, verbunden. Die Verbindungsschicht weist eine Vorspanneinrichtung auf, um eine Druckspannung in Längsrichtung auf das erste und das zweite elektroaktive Element aufzubringen.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2009 023 505 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung für einen Piezotransformator und ein Verfahren zum Ansteuern eines Piezotransformators. Die Schaltungsanordnung umfasst einen Treiberschaltkreis, einen Stromsensor, eine Steuereinheit und einen Oszillator. Weiter umfasst die Schaltungsanordnung einen Pulsweitenmodulator. Der Pulsweitenmodulator ist zwischen dem Oszillator und dem Treiberschaltkreis geschaltet. Der Oszillatorausgang ist mit einem Eingang des Pulsweitenmodulators verbunden. Ein Modulatorausgang des Pulsweitenmodulators ist mit dem Treibersignaleingang verbunden. Ein weiterer Modulatorausgang des Pulsweitenmodulators ist mit einem weiteren Treibersignaleingang des Treiberschaltkreises verbunden. Ein Ausgang der Steuereinheit ist mit einem Modulatorsteuereingang des Pulsweitenmodulators verbunden. Am Piezotransformator kann eine sekundärseitige Spannung abgegriffen werden, die z.B. zur Blitzauslösung dient.
In der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2007 055 014 A1 ist ein Verfahren zur Zündung und Aufrechterhaltung eines Plasmas in einem Gasraum offenbart. Das piezoelektrische Material ragt in einen Hohlraum hinein, wobei das piezoelektrische Material durch eine äußere elektrische Anregung resonant in Schwingungen versetzt wird. Der Hohlraum enthält das zu ionisierende Gas. Außen sind an dem piezoelektrischen Material Elektroden angebracht. Das Verfahren ist zur Realisierung einer Plasmalichtquelle geeignet.
Die chinesische Patentanmeldung CN 101259036 A offenbart einen Mikro-Plasma-Stift zum Entfernen von Sommersprossen. Der Stift umfasst einen Plasmakopf zur Hautreinigung, ein Griffgehäuse, einen Mikro-Wandler, der im Griffgehäuse angeordnet ist, einen Leistung Controller und ein Leistungsmodul. Der Stift kann eine hohe und variable Plasmaleistung abgeben, wofür eine integrierte Schaltung oder einem Halbleiter-Chip-Mikroprozessor im Griffgehäuse installiert ist, die einen piezoelektrischen Transformator treibt.
Die europäische Patentanmeldung EP 2 256 835 A2 offenbart einen Impulsgenerator für einen piezoelektrischen Transformator. Eine Endstufe des Verstärkers treibt den piezoelektrischen Transformator bei einer gewünschten Resonanzfrequenz. Zwei Elektroden sind mit dem piezoelektrischen Transformator verbunden. Die sich am piezoelektrischen Transformator ausbildende Spannung reicht aus um eine dielektrische Barriereentladung auszubilden. Der Generator für die dielektrische Barriereentladung besteht aus einer Röhre oder einer Schale. Die Hochspannungselektrode sitzt z.B. in einer auf Erdpotential liegenden Röhre.
Die deutsche Patentschrift DE 10 2005 032 890 B4 offenbart eine Vorrichtung zur Erzeugung von Atmosphärendruck-Plasma mittels mindestens eines piezoelektrischen Transformators. Ein solcher Transformator besteht aus piezoelektrischem Material, das in Längsrichtung in mindestens einer Anregungszone und mindestens einer Hochspannungszone unterteilt ist. Gemäß der Erfindung weist der piezoelektrische Transformator mindestens eine Öffnung zur Gasführung auf, die mit einem Gasstrom durchströmt wird, wobei in der Öffnung Plasma erzeugt werden kann.
Die deutsche Gebrauchsmusterschrift DE 20 2008 008 908 U1 offenbart eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas. Eine mit einer Gasleitung verbindbaren Gaseintrittsöffnung und einer Zuleitung für eine Spannungsversorgung der Vorrichtung sind mit einer Leistungsversorgungseinrichtung verbunden.
Die japanische Patentanmeldung JP 2003-297 295 A offenbart ein Licht emittierendes Element, das ein piezoelektrisches Element umfasst. Das piezoelektrische Element wird mittels einer Wechselspannung angeregt.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2008 063 052 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Reinigung von Raumluft. Die Vorrichtung umfasst ein Gehäuse, an dem mindestens eine Öffnung zum Ansaugen von Umgebungsluft und mindestens eine Austrittsöffnung zum Ausblasen der gereinigten Luft vorgesehen ist. Dabei ist in dem Gehäuse eine Einrichtung zur Erzeugung von Plasma angeordnet, so dass Keime oder unangenehme Gerüche beseitigt werden können.
Der Artikel „Piezoelektrische Transformatoren – Schaltungen und Anwendungen“ vom C. KAUCZOR / T. SCHULTE / H. GROTSTOLLEN; 47. Internationales Kolloquium, Technische Universität Ilmenau, 23.–26. September 2002. Die piezoelektrischen Transformatoren stellen eine geeignete Alternative zu herkömmlichen Transformatoren dar. Auf der Primärseite wird die treibende Spannung eingekoppelt. Auf der Ausgangsseite (Sekundärseite) wird die Spannung verstärkt.
Im Artikel „High Efficiency Ozone Production by a Compact Ozoniser Using Piezoelectric Tranformer“, von Kenji TERANISHI, Susumu SUZUKI und Haruro ITOH, Chiba Institute of Technology, ist offenbart, dass der piezoelektrische Transformator in Schwingungsknoten gehaltert ist. Die Anregungsenergie wird in einer ersten Hälfte des piezoelektrischen Transformators zugeführt. Die zweite Hälfte des piezoelektrischen Transformators ist zwischen zwei Elektroden für die Barriereentladung positioniert. Eine Plasmaausbildung alleine am freien Ende des piezoelektrischen Transformators ist nicht vorgesehen.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Atmosphärendruck-Plasma mittels mindestens eines piezoelektrischen Transformators. Ein solcher Transformator besteht aus piezoelektrischem Material, das in Längsrichtung in mindestens einer Anregungszone und mindestens einer Hochspannungszone unterteilt ist. Gemäß der Erfindung weist der piezoelektrische Transformator mindestens eine Öffnung zur Gasführung auf, die mit einem Gasstrom durchströmt wird, wobei in der Öffnung Plasma erzeugt werden kann. Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die Polarisationsrichtungen der beiden Zonen des Transformators derart ausgebildet, dass an der Oberfläche der Hochspannungszone selbst Plasma erzeugt wird, z.B. zur Lampenstromversorgung mit entsprechenden Elektroden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zu schaffen, die einfach und kostengünstig ist, so dass unter Verwendung der Vorrichtung ein Plasma bei Atmosphärendruck erzeugt wird.
Die obige Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein Handgerät zur Plasmabehandlung von Oberflächen bei Atmosphärendruck vorzuschlagen, das kostengünstig und einfach aufgebaut ist.
Die obige Aufgabe wird mit einem Handgerät zur Plasmabehandlung von Oberflächen gemäß den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas zeichnet sich durch eine Steuerschaltung aus, die zur Anregung eines piezoelektrischen Transformators, mit diesem elektrisch verbunden ist. Der piezoelektrische Transformator ist aus mehreren einzelnen Schichten aufgebaut. Der piezoelektrische Transformator besteht aus einem Stapel von mehreren Folien aus dielektrischem Material, wobei in einem Abschnitt einer jeden Folie eine Leiterbahn bzw. eine leitfähige Fläche aufgebracht ist. Jeweils ein elektrisches Anschlußpad ist an Seitenflächen und im Schwingungsknoten des piezoelektrischen Transformators angebracht. Die elektrischen Anschlüsse bilden zusammen mit den Anschlußpads eine Halterung für den piezoelektrischen Transformator, wobei das erste Ende des piezoelektrischen Transformator durch einen Spalt von der Platine beabstandet ist.
Der Abschnitt der Folie mit der Leiterbahn befindet sich ein einem Abschnitt des ersten Endes des piezoelektrischen Transformators. In einem Sinterprozess werden die einzelnen Folien miteinander verbunden und so der piezoelektrische Transformators gebildet.
Die Steuerschaltung zum Antreiben des piezoelektrischen Transformators ist auf einer Platine realisiert. In der Regel wird der piezoelektrische Transformator mit einer Spannung beaufschlagt, die den piezoelektrischen Transformator gemäß seiner Resonanzfrequenz anregt. Die Steuerschaltung dient ebenfalls zur Nachregelung der Anregungsspannung, falls sich die Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Transformators aufgrund von Temperatureinflüssen oder Alterungsprozessen ändert. Ebenso kann sich die Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Transformators durch Änderung der dielektrischen Eigenschaften der Umgebung oder durch die Intensität der in die gasförmige Umgebung gezündeten Entladung verschieben. Der piezoelektrische Transformator ist mit einem Bereich eines ersten Endes über der Platine gehaltert bzw. geführt. Durch die Anregungsspannung wird an einem zweiten freien Ende des piezoelektrischen Transformators eine Hochspannung ausgeprägt. Am zweiten freien Ende zündet dann das Plasma bei Atmosphärendruck. Die Halterung für den piezoelektrischen Transformator haltert bzw. führt diesen in einem Schwingungsknoten. Zwischen der Platine und dem piezoelektrischen Transformator ist ein Spalt ausgebildet, so dass der piezoelektrische Transformator und die Platine voneinander beabstandet sind. Mittels dieser Anordnung ist eine mechanische Dämpfung des piezoelektrischen Transformators ausgeschlossen.
Der piezoelektrische Transformator selbst ist quaderförmig, wobei eine Länge und eine Breite des piezoelektrischen Transformators größer als eine Dicke des piezoelektrischen Transformators sind. Die mehreren Schichten des piezoelektrischen Transformators sind dabei derart orientiert, dass sie im Wesentlichen senkrecht zu den Seitenflächen des piezoelektrischen Transformators sind, die durch die Länge und die Dicke des piezoelektrischen Transformators bestimmt sind.
An gegenüberliegenden Seitenflächen des piezoelektrischen Transformators ist jeweils ein elektrischer Anschluss für die Anregungsspannung vorgesehen. Bevorzugt wird der elektrische Anschluss in einem Schwingungsknoten des piezoelektrischen Transformators angebracht. Die Halterung für den piezoelektrischen Transformator ist ebenfalls im Schwingungsknoten des piezoelektrischen Transformators vorgesehen. Für den Fall, dass ein separater elektrischer Anschluss für die Anregungsspannung zum Anschlußpad geführt wird, reicht es aus, dass die Halterung aus elastischem Material besteht. Falls die Anregungsenergie für den piezoelektrischen Transformator über die Halterung zugeführt wird, ist das Material der Halterung elastisch und elektrisch leitfähig.
Ein Strom eines Arbeitsgases wird derart ausbildet, dass er zumindest von dem ersten Ende des auf der Platine gehalterten piezoelektrischen Transformators zum zweiten freien Ende des piezoelektrischen Transformators hin, gerichtet ist. Der Strom von Arbeitsgas dient zur Ausbildung des Plasmas und zur Kühlung des piezoelektrischen Transformators, wobei in den Schwingungsknoten die höchste thermische Verlustleistung auftritt. Ein Lüfter ist vorgesehen, um den Storm des Arbeitsgases über den piezoelektrischen Transformator zum zweiten freien Ende hin zu unterstützen.
Bei einem mit einer Resonanzfrequenz angeregten, piezoelektrischen Transformator bilden sich mindestens zwei Schwingungsknoten aus, die beide vom ersten Ende bzw. vom zweiten freien Ende beabstandet sind. Gemäß einer Ausführungsform ist auf der Platine jeweils ein elektrischer Anschluss zu je einer Seitenfläche des piezoelektrischen Transformators geführt. Der Anschluss ist mit je einem Anschlußpad verbunden, das in einem Schwingungsknoten an jeder Seitenfläche des piezoelektrischen Transformators vorgesehen ist. Das Anschlußpad ist an demjenigen Schwingungsknoten angebracht, der näher zum ersten Ende als zum zweiten freien Ende hin liegt. Bevorzugt ist an diesem Schwingungsknoten des piezoelektrischen Transformators ein Tempersensor vorgesehen, damit die Temperatur des piezoelektrischen Transformators überwacht werden kann, so dass eine Abschaltung vorgenommen wird, wenn die Temperatur einen gewissen Schwellwert übersteigt.
Es ist von besonderem Vorteil, wenn die Platine und der piezoelektrische Transformator eine bauliche Einheit bilden. Diese bauliche Einheit kann dann als Ganzes in ein Gehäuse eingesetzt bzw. eingebaut werden.
Ein Handgerät zur Plasmabehandlung von Oberflächen besitzt zumindest ein Gehäuse und eine Spannungsquelle. Mit dem von dem Handgerät abgegebenen Plasma ist es möglich eine Oberfläche zu reinigen und die Hafteigenschaften von Lack oder Klebstoff zu verbessern. Im Gehäuse ist eine Platine mit einer Steuerschaltung zur Anregung eines piezoelektrischen Transformators angeordnet, wobei der piezoelektrische Transformator mit einem ersten Ende auf der Platine gehaltert ist und somit eine bauliche Einheit mit dieser bildet. Ein zweites freies Ende des piezoelektrischen Transformators ist zu einer Öffnung im Gehäuse hin ausgerichtet. An dem zweiten freien Ende des piezoelektrischen Transformators prägt sich eine Hochspannung aus, so dass das Plasma bei Atmosphärendruck ausgebildet wird. Zur Energieversorgung sind ein Akku und/oder ein Anschluss für ein Standard-Netzteil vorgesehen. Der piezoelektrische Transformator ist aus mehreren Schichten aufgebaut. Jede Schicht ist zumindest zum Teil mit einer Leiterschicht versehen. Jeweils ein elektrisches Anschlußpad ist an Seitenflächen und im Schwingungsknoten des piezoelektrischen Transformators angebracht; und wobei elektrische Anschlüsse zusammen mit den Anschlußpads eine Halterung für den piezoelektrischen Transformator bilden. Das erste Ende des piezoelektrischen Transformator ist durch einen Spalt on der Platine beabstandet.
Das Gehäuse trägt einen Lüfter, mit dem ein Luftstrom über den piezoelektrischen Transformator und hin zur Öffnung im Gehäuse erzeugbar ist. Der Lüfter, kann in Abhängigkeit von den baulichen Gegebenheiten des Gehäuses als Axiallüfter ausgebildet sein.
Das Handgerät kann mit einem zusätzlichen Gasanschluss versehen sein. Über den Gasanschluss kann ein anderes Arbeitsgas als Luft dem zweiten freien Ende des piezoelektrischen Transformators zugeführt werden. Es ist ebenso denkbar, dass das über den Gasanschluss kommende Arbeitsgas mit der Umgebungsluft gemischt wird.
Es ist von besonderem Vorteil, dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Atmosphärendruck-Plasma mittels mindestens eines piezoelektrischen Transformators erzeugt werden kann. Der piezoelektrische Transformator besteht aus piezoelektrischem Material, das in Längsrichtung in mindestens eine Anregungszone und mindestens eine Hochspannungszone unterteilt ist, wobei die Anregungszone Anschlußpads aufweist, an die eine Wechselspannung angelegt wird und wobei in der Anregungszone mechanische Schwingungen erzeugt werden, die in der Hochspannungszone den Aufbau elektrischer Felder bewirken.
Gemäß der Erfindung wird das Volumen des pro Zeiteinheit erzeugten Plasmas durch geometrische Strukturen zur lokalen Feldüberhöhung maximiert. Durch eine Strukturierung der Hochspannungsseite des Piezokristalls wird das Volumen des pro Zeiteinheit erzeugten Plasmas maximiert. Die Strukturierung ist in unmittelbarem Formschluss mit der Hochspannungsseite des Piezokristalls. Die Strukturierung ist als gesondertes Bauelement ausgebildet, das mit der Hochspannungsseite des Piezokristalls direkt elektrisch verbunden ist. Im Bereich der Feldüberhöhung wird der Piezokristall (piezoelektrische Transformator) von einem Arbeitsgas (Prozessgas) überströmt.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Figuren sowie deren Beschreibungsteile.
Es zeigen im Einzelnen:
1 eine schematische Ansicht des Grundprinzips der erfindungsgemäßen Vorrichtung, mit der ein Plasma bei Atmosphärendruck erzeugt werden kann;
2 eine perspektivische Schnittansicht, wobei die erfindungsgemäße Vorrichtung von einem Gehäuse umgeben ist;
3 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Gehäuse;
4 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des Gehäuses, in dem die erfindungsgemäße Vorrichtung untergebracht ist;
5 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung;
6 eine Seitenansicht der erfindungsgemäße Vorrichtung;
7 eine Seitenansicht des piezoelektrischen Transformators zur Darstellung des Schichtaufbaus;
8 eine Draufsicht auf die einzelnen Schichten des piezoelektrischen Transformators zur Darstellung der Kontaktierung mit dem seitlichen Anschlüssen zur Zuführung der Anregungsenergie;
9a–9b schematische Ansichten der unterschiedlichen Möglichkeiten zur Halterung des piezoelektrischen Transformators;
10 eine Ansicht der unterschiedlichen physikalischen Zustände als Funktion der Länge des piezoelektrischen Transformators;
11 eine mögliche Ausführungsform eines Handgeräts, das die erfindungsgemäße Vorrichtung umschließt; und
12 eine weitere Ausführungsform eines Handgeräts, das die erfindungsgemäße Vorrichtung umschließt.
Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Das dargestellte Ausführungsbeispiel stellt lediglich eine Möglichkeit dar, wie eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas und ein Handgerät, in dem die Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas eingebaut ist, ausgestaltet sein kann.
1 zeigt eine schematische Ansicht des Grundprinzips der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, mit der ein Plasma bei Atmosphärendruck erzeugt werden kann. In einem Gehäuse 30 ist ein piezoelektrischer Transformator 5 angeordnet. Ein zweites freies Ende 8 des piezoelektrischen Transformators 5 ist zu einer Öffnung 32 des Gehäuses 30 hin gerichtet. Dem Gehäuse 30 ist ein Lüfter 17 zugeordnet, der einen Strom 15 eines Arbeitsgases erzeugt, der zur Öffnung 32 des Gehäuses 30 hin geführt ist. Der Strom 15 des Arbeitsgases ist über die Steuerschaltung 3 und den piezoelektrischen Transformator 5 geführt und dient in Wesentlichen zur Kühlung des piezoelektrischen Transformators 5. Die in der 1 gezeigte Anordnung des Lüfters 17 soll nicht als Beschränkung der Erfindung aufgefasst werden. Es ist für einen Fachmann selbstverständlich, dass der Lüfter 17 an jeder beliebigen Stelle des Gehäuses 30 angebracht werden kann.
An jeder einer Seitenfläche 10 des piezoelektrischen Transformators 5 ist je ein Anschlußpad 20 vorgesehen, über die der piezoelektrische Transformator 5 mit einer derartigen Spannung beaufschlagt wird, so dass der piezoelektrische Transformators 5 mit einer Resonanzfrequenz schwingt. Das Anschlußpad 20 liegt dabei näher zum ersten Ende 6 des piezoelektrischen Transformators 5 als zum zweiten freien Ende 8. Wie 11 dargestellt ist, bildet der angeregte piezoelektrische Transformator 5 zwei Schwingungsknoten 14 aus. Bevorzugt sind die Anschlußpads 20 in dem Schwingungsknoten 14 angebracht, der näher zum ersten Ende 6 des piezoelektrischen Transformators 5 liegt. Bevorzugt ist der piezoelektrischen Transformator 5 derart bemessen, dass sich bei einer Grundmode entlang der Länge des piezoelektrischen Transformators 5 zwei Schwingungsknoten 14 (siehe 9) ausbilden.
2 zeigt eine perspektivische Schnittansicht des Gehäuses 30, das die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 umgibt. Der piezoelektrische Transformator 5 ist, auf einer Platine 7 gehaltert, auf der eine Steuerschaltung 3 realisiert ist, die ihrerseits aus mehreren elektronischen Bauelementen 4 aufgebaut ist, wobei der Übersicht halber nur ein Teil der elektronischen Bauelemente 4 dargestellt ist. Der piezoelektrische Transformator 5 kann gemäß einer ersten Ausführungsform mit einem Bereich 6B des ersten Endes 6 der Platine 7 gegenüberliegen und ist, wie später beschreiben wird, von dieser beabstandet gehaltert. Das Gehäuse 30 hat die Öffnung 32 ausgebildet, in der das zweite freie Ende 8 des piezoelektrischen Transformator 5 endet. An dem zweiten freien Ende 8 des piezoelektrischen Transformators 5 liegt eine Hochspannung an, so dass sich ein Plasma P (siehe 5) bei Atmosphärendruck ausbildet. Mit dem Lüfter 17 wird, wie bereits beschrieben, ein Strom 15 an Arbeitsgas erzeugt, so dass sich mit dem Arbeitsgas am zweiten freien Ende 8 des piezoelektrischen Transformators 5 das Plasma P ausbilden kann.
3 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 im Gehäuse 30. Wie bereits aus 2 und ebenso aus 3 ersichtlich ist, bilden der piezoelektrische Transformator 5 und die Platine 7, die die Steuerschaltung 3 trägt, die aus mehreren elektronischen Bauelementen 4 aufgebaut ist, eine bauliche Einheit. Somit kann die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 als die bauliche Einheit vorproduziert und dann in das dafür vorgesehene Gehäuse 30 eingebaut werden. In dieser Darstellung ist ein freier Spalt 18 zwischen der Platine 7 und dem piezoelektrische Transformator 5 zu erkennen.
In 4 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des Gehäuses 30 dargestellt. In dem Gehäuse 30 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 untergebracht. In der hier gezeigten Darstellung von der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist lediglich das zweite freie Ende 8 des piezoelektrischen Transformators 5 zu sehen, das in der Öffnung 32 des Gehäuses 30 endet.
Eine schematische Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ist in 5 dargestellt. Wie bereits mehrfach in der vorangehenden Beschreibung erwähnt, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 eine bauliche Einheit aus dem piezoelektrischen Transformator 5 und der Platine 7. Die Platine 7 realisiert mit einer Vielzahl von elektronischen Bauelementen 4 eine Steuerschaltung 3. Mit der Steuerschaltung 3 ist es möglich den piezoelektrischen Transformator 5 mit seiner Resonanzfrequenz anzuregen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 kann mit einer externen Energieversorgung verbunden werden, die ein herkömmliches Standard-Netzteil (nicht dargestellt) ist, das über ein Kabel 21 mit der erfindungsgemäße Vorrichtung 1 verbunden wird. Ebenso kann die Erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Akku versehen werden. Eine Kombination aus Akku und Standard-Netzteil ist ebenfalls denkbar. Die Ansteuerspannung wird von der Steuerschaltung 3 der Platine 7 über je einen elektrischen Anschluss 12 an je eine Seitenfläche 10 des piezoelektrischen Transformators 5 angelegt. Durch die an den Seitenflächen 10 des piezoelektrischen Transformators 5 anliegende Anregungsspannung bildet sich am zweiten freien Ende 8 des piezoelektrischen Transformators 5 eine Hochspannung aus. Der der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zugeordnete Lüfter 17 erzeugt einen Strom 15 aus Arbeitsgas, mit dem das Plasma P am zweiten freien Ende 8 gezündet und aufrecht erhalten wird. Das Plasma P tritt durch die Öffnung 32 des Gehäuses aus, in dem sich die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 befindet. Die Zündung und die Aufrechterhaltung des Plasmas P erfolgt bei Atmosphärendruck.
Die Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist in 6 dargestellt. Auf der Platine 7 ist die Steuerschaltung 3 mit einer Vielzahl von elektrischen Bauelementen 4 realisiert. Der piezoelektrische Transformator 5 ist mit dem Bereich 6B des ersten Endes 6 frei über der Platine 7 angeordnet. An jeder der Seitenflächen 10 des piezoelektrischen Transformators 5 ist das Anschlußpad 20 für den elektrischen Anschluss 12 von der Platine 7 angebracht. Die elektrischen Anschlußpads 20 sind an beiden Seitenflächen 10 des piezoelektrischen Transformators 5 und im Schwingungsknoten 14 (siehe 9) desselben angebracht. Ebenso erfolgt die mechanische Halterung bzw. Führung des piezoelektrischen Transformators 5 im Schwingungsknoten 14. Die Halterung bzw. Führung des piezoelektrischen Transformators 5 ist also derart, dass zwischen der Platine 7 und dem piezoelektrischen Transformator 5 ein Spalt 18 vorliegt. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist es am zweiten freien Ende 8 des piezoelektrischen Transformators 5 eine Hochspannung zu erzeugen, wenn in den beiden Auschlußpads 20 eine Niederspannung von z. B. 12V Wechselspannung (12V Peak-to-Peak) angelegt wird. Wie bereits mehrfach erwähnt, ist der Platine 7 ein Lüfter 17 zugeordnet, der für den zur Kühlung des piezoelektrischen Transformators 5 erforderlichen Luftstrom sorgt. Dem Anschlußpad 20 kann ein Temperatursensor 24 zugeordnet sein, der die Temperatur im Bereich des Anschlußpads 20 bestimmt. Die Signale des Temperatursensors 24 können über eine Verbindung 11 zur Platine 7 geführt werden. Wie in der Beschreibung zu 11 klargestellt ist, ist im Bereich des Anschlußpads 20 (Lage des Schwingungsknotens 14) die thermische Verlustleistung am größten. In 6 ist das Messprinzip des Temperatursensors 2 als ein berührungsloses Messprinzip dargestellt. Es ist ebenfalls denkbar, dass der Temperatursensor 24 im Anschlußpad 20 eingelötet ist. Wie in der Beschreibung zu 5 und 6 zu erkennen ist, hat der piezoelektrischen Transformator 5 eine Breite B und eine Dicke D.
In 7 ist eine Seitenansicht des piezoelektrischen Transformators 5 schematisch wiedergegeben, die den Schichtaufbau des piezoelektrischen Transformators 5 verdeutlicht. Der piezoelektrische Transformator 5 ist zumindest zum Teil über seine Länge L aus mehreren Schichten S₁, S₂, ...,S_N, aufgebaut, die im Wesentlichen senkrecht zur der aus Länge L und der Dicke D des piezoelektrischen Transformators 5 definierten Seitenfläche 10 liegen. Der piezoelektrische Transformators 5 besteht aus einem Stapel von mehreren Folien aus dielektrischen Material, wobei in einem Abschnitt einer jeden Folie eine Leiterbahn aufgebracht ist. In einem Sinterprozess werden die einzelnen Folien miteinander verbunden und so der piezoelektrische Transformators gebildet. Die elektrische Kontaktierung der einzelnen Schichten S₁, S₂, ...,S_N ist in 8 dargestellt. Wie bereits in der vorangehenden Beschreibung erwähnt, ist an jeder der Seitenflächen 10 ein Anschlußpad 20 vorgesehen, das sich über die gesamte Dicke D des piezoelektrischen Transformators 5 erstreckt. Jeder der Schichten S₁, S₂, ...,S_N ist mit einer L-förmigen Leiterschicht 27 versehen. Die L-förmigen Leiterschichten 27 sind im Schichtsystem derart angeordnet, dass alternierend eines der beiden Anschlußpads 20 kontaktiert wird, woraus eine Parallelschaltung der einzelnen Schichten S₁, S₂, ...,S_N resultiert. Wie bereits erwähnt, sind die Anschlußpads 20 auf beiden Seitenflächen 10 des piezoelektrischen Transformators 5 in dessen Schwingungsknoten angebracht.
In den 9a und 9b sind verschiedene Ausführungsformen der Halterung bzw. Führung des piezoelektrischen Transformators 5 offenbart. 9a zeigt die Halterung 25 des piezoelektrischen Transformators 5 gemäß der Durchsteckmontage (through-hole technology, THT) Die Halterung 25 besteht gemäß dieser Ausführungsform aus zwei Stiften die den Durchlass für die Duschsteckmontage bilden, in den der piezoelektrische Transformator 5 eingesteckt und gehalten wird. Die in 9b gezeigte Art der Halterung des piezoelektrischen Transformators 5, ist die eines oberflächenmontierten Bauelements (surface-mounted device, SMD). Die elektrischen Anschlüsse 12 werden mittels lötfähiger Anschlussflächen direkt auf der Platine (hier nicht dargestellt) montiert. Die elektrischen Anschlüsse 12 halten den piezoelektrischen Transformators 5 an dessen Anschlußpads 20 mittels entsprechender Elemente, die die Halterung 25 bilden. Die Halterung 25 besteht, gemäß der in 9b gezeigten Ausführungsform, aus flächigen Elementen. Es ist von Vorteil wenn das Material der Halterung 25 elastisch und elektrisch leitfähig ist. 10 zeigt eine Ansicht der unterschiedlichen physikalischen Zustände als Funktion der Länge des piezoelektrischen Transformators 5. Die Erregung des piezo-elektrischen Transformators 5 im Bereich seiner Resonanzfrequenz führt zur Ausbildung einer Schwingungsmode 13, die zwei Schwingungsknoten 14 im piezoelektrischen Transformator 5 ausbildet. Die Anschlußpads 20 sind an demjenigen Schwingungsknoten 14 positioniert, den näher zum ersten Ende 6 des piezoelektrischen Transformators 5 liegt. Durch die Schwingung des piezoelektrischen Transformators 5 bildet sich eine thermische Verlustleistung 40 aus, die am Schwingungsknoten 14 im Bereich des ersten Endes 6 des piezoelektrischen Transformators 5 am größten ist. An jedem Schwingungsknoten 14 tritt eine thermische Verlustleistung 40 auf. Am zweiten freien Ende 8 des piezoelektrischen Transformators 5 ist der E-Feldverlauf 41 derart, dass sich dort ein Maximum ausbildet. Die Strömungsgeschwindigkeit 42 des Arbeitsgases ist am Schwingungsknoten 14 im Bereich des ersten Endes 6 am größten. Ab dem Schwingungsknoten 14, im Bereich des zweiten freien Endes 6, nimmt die Strömungsgeschwindigkeit 42 bis zum zweiten freien Ende 8 zu.
11 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines Handgeräts 100, das die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 umschließt. Das Handgerät 100 ist kabellos und wird über einen Akku 101 (in der Regel 12V) zur Anregung des piezoelektrischen Transformators 5 mit Energie versorgt. Zusätzlich kann ein Gasanschluss 102 vorgesehen sein, über den das Handgerät 100 mit einem Arbeitsgas versorgt wird, das nicht Luft ist. Ferner ist eine Lüfter 17 vorgesehen, der in Richtung einer Achse A der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 wirkt. Der Lüfter 17 sorgt dafür, dass innerhalb des Handgeräts 100 das Arbeitsgas (in der Regel Umgebungsluft) zum zweiten freien Ende des piezoelektrischen Transformators 5 transportiert wird. Das strömende Arbeitsgas sorgt ebenfalls für eine Kühlung des piezoelektrischen Transformators 5 und somit einem Abtransport der thermischen Verlustleistung. Das Handgerät 100 hat ein Gehäuse 30, in dem die Vorrichtung 1 als Bauteil aufgenommen wird.
12 ist eine weitere Ausführungsform eines Handgeräts 100, das die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 umschließt. Das Handgerät 100 ist mit einem Anschluss 103 für ein Kabel eines Standard-Netzteils ausgebildet. Ebenso kann ein zusätzlicher Gasanschluss 102 vorgesehen sein, über den das Handgerät 100 mit einem Arbeitsgas (außer Umgebungsluft) versorgt wird. Das Handgerät 100 hat zylindrische Form, so dass sind in Inneren des Gehäuses 30 ebenfalls eine Lüfter (hier nicht dargestellt) anbietet, der das Arbeitsgas in Richtung der Öffnung 32 des Gehäuses 30 bzw. zu zweiten freien Ende 8 des piezoelektrischen Transformators 5 drängt.
Obwohl in der gegenwärtigen Beschreibung lediglich zwei Ausführungsformen für Handgeräte 100 offenbart sind, soll dies nicht als Beschränkung der Erfindung aufgefasst werden. Es ist für einen Fachmann selbstverständlich, dass das Gehäuse 30 des Handgeräts 100 unterschiedliche Formen annehmen kann. Einschneidend ist lediglich, dass eine Öffnung 32 im Gehäuse 30 ausgebildet ist, so dass das Plasma P bei Atmosphärendruck austreten kann.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
3: Steuerschaltung
4: elektronische Bauelemente
5: piezoelektrischer Transformator
6: erstes Ende
6B: Bereich
7: Platine
8: zweites freies Ende
10: Seitenfläche
11: Verbindung
12: elektrischer Anschluss
13: Schwingungsmode
14: Schwingungsknoten
15: Strom eines Arbeitsgases
17: Lüfter
18: Spalt
20: Anschlußpad
21: Kabel von Netzteil
24: Tempersensor
25: Halterung
27: Leiterschicht
28: Umhüllung
30: Gehäuse
32: Öffnung
40: thermische Verlustleistung
41: E-Feldverlauf
42: Strömungsgeschwindgkeit
50: Spannungsquelle
100: Handgerät
101: Akku
102: Gasanschluß
103: Anschluss
A: Achse der Vorrichtung
L: Länge
B: Breite
D: Dicke
P: Plasma
S₁, S₂, ..., S_N: Schichten

Claims

Vorrichtung (1) zur Erzeugung eines Plasmas (P) mit einer Steuerschaltung (3), die zur Anregung eines piezoelektrischen Transformators (5) mit diesem elektrisch verbunden ist und einer Platine (7), auf der die Steuerschaltung (3) realisiert ist, wobei der piezoelektrische Transformator (5) mit einem Bereich (6B) eines ersten Endes (6) derart in Bezug zur Platine (7) gehaltert ist und an einem zweiten freien Ende (8) des piezoelektrischen Transformators (5) eine Hochspannung ausprägbar und das Plasma (P) bei Atmosphärendruck zündbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Transformator (5) aus mehreren Schichten (S₁, S₂, ..., S_N) aufgebaut ist, wobei jede Schicht (S₁, S₂, ..., S_N), zumindest zum Teil, mit einer Leiterschicht (27) versehen ist; dass jeweils ein elektrisches Anschlußpad (20) an Seitenflächen (10) und im Schwingungsknoten (14) des piezoelektrischen Transformators (5) angebracht ist; und dass elektrische Anschlüsse (12) zusammen mit den Anschlußpads (20) eine Halterung für den piezoelektrischen Transformator (5) bilden, wobei das erste Ende (6) des piezoelektrischen Transformator (5) durch einen Spalt (18) von der Platine (7) beabstandet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der piezoelektrische Transformator (5) quaderförmig ist und eine Länge (L) und eine Breite (B) des piezoelektrischen Transformators (5) größer ist als eine Dicke (D) des piezoelektrischen Transformators (5).
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 bis 2, wobei an gegenüberliegenden Seitenflächen (10) des piezoelektrischen Transformators (5), die durch die Länge (L) und die Dicke (D) des piezoelektrischen Transformators (5) bestimmt sind, jeweils ein elektrisches Anschlusspad (20) für eine Anregungsspannung in einem Schwingungsknoten (14) des piezoelektrischen Transformators (5) angebracht ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, wobei eine Halterung (25) den piezoelektrischen Transformator (5) im Schwingungsknoten (14) über der Platine (7) trägt und die Halterung (25) aus elastischem Material ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Strom (15) eines Arbeitsgases derart ausgebildet ist, dass er zumindest von dem ersten Ende (6) des auf der Platine (7) gehalterten piezoelektrischen Transformators (5) zum zweiten freien Ende (8) des piezoelektrischen Transformators (5) hin gerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei ein Lüfter (17) vorgesehen ist, der den Storm (15) des Arbeitsgases über den piezoelektrischen Transformator (5) zum zweiten, freien Ende (8) des piezoelektrischen Transformators (5) hin unterstützt.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in einem mit einer Resonanzfrequenz angeregten, piezoelektrischen Transformator (5) mindestens zwei Schwingungsknoten (14) ausbildbar sind, die beide von ersten Ende (6) bzw. vom zweiten freien Ende (8) beabstandet sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, wobei von der Platine (7) jeweils ein elektrischer Anschluss (12) zu je einer Seitenfläche (10) des piezoelektrischen Transformators (5) geführt ist und mit je einem Anschlußpad (20) verbunden ist, das in einem Schwingungsknoten (14) an jeder Seitenfläche (10) des piezoelektrischen Transformators (5) vorgesehen ist, wobei der Schwingungsknoten (14) näher zum ersten Ende (6) als zum zweiten Ende (8) des piezoelektrischen Transformators (5) hin liegt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, wobei mindestens einem Schwingungsknoten (14) des piezoelektrischen Transformators (5) ein Temperatursensor (24) zugeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, wobei der elektrische Anschluss (12), die Halterung (25) für den piezoelektrische Transformator (5) und die Halterung (25) aus einem Material ist, das elastisch und elektrisch leitfähig ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Platine (7) und der piezoelektrische Transformator (5) eine bauliche Einheit bilden.
Handgerät (100) zur Plasmabehandlung von Oberflächen, mit einem Gehäuse (30), einer Spannungsquelle (50) und einer im Gehäuse (30) vorgesehenen Platine (7) mit einer Steuerschaltung (3) zur Anregung eines piezoelektrischen Transformators (5), wobei der piezoelektrische Transformator (5) mit einem ersten Ende, mit einer Halterung (25), über der Platine (7) geführt ist und somit eine bauliche Einheit bildet und dass ein zweites freies Ende (8) des piezoelektrischen Transformators (5) zu einer Öffnung (32) im Gehäuse (30) hin ausgerichtet ist, wobei am zweiten freien Ende (8) des piezoelektrischen Transformators (5) eine Hochspannung ausprägbar und das Plasma (P) bei Atmosphärendruck zündbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Transformator (5) aus mehreren Schichten (S₁, S₂, ..., S_N) aufgebaut ist, wobei jede Schicht (S₁, S₂, ..., S_N), zumindest zum Teil, mit einer Leiterschicht (27) versehen ist; dass jeweils ein elektrisches Anschlußpad (20) an Seitenflächen (10) und im Schwingungsknoten (14) des piezoelektrischen Transformators (5) angebracht ist; und dass elektrische Anschlüsse (12) zusammen mit den Anschlußpads (20) eine Halterung für den piezoelektrischen Transformator (5) bilden, wobei das erste Ende (6) des piezoelektrischen Transformator (5) durch einen Spalt (18) von der Platine (7) beabstandet ist.
Handgerät (100) nach Anspruch 12, wobei, ein Akku (101) und/oder ein Anschluss (103) für ein Standard-Netzteil vorgesehen sind, womit eine Energieversorgung des Handgeräts (100) durchführbar ist.
Handgerät (100) nach den Ansprüchen 12 bis 13, wobei das Gehäuse (30) einen Lüfter (17) trägt, mit dem ein Luftstrom über den piezoelektrischen Transformator (5) hin zur Öffnung (32) im Gehäuse (30) erzeugbar ist.
Handgerät (100) nach Anspruch 14, wobei der Lüfter (17) ein Axiallüfter ist.
Handgerät (100) nach den Ansprüchen 12 bis 15, wobei ein zusätzlicher Gasanschluss (102) vorgesehen ist, über den ein anderes Arbeitsgas als Luft dem zweiten freien Ende (8) des piezoelektrischen Transformators (5) zuführbar ist.