DE202016008999U1

DE202016008999U1 - Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas aufweisend einen piezoelektrischer Transformator

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Publication number: DE202016008999U1
Application number: DE202016008999.5U
Authority: DE
Original assignee: TDK Electronics AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2015-11-13
Filing date: 2016-11-08
Publication date: 2021-05-06
Anticipated expiration: 2026-11-09
Also published as: DE102015119656A1; EP3375019A1; WO2017081015A1; JP2018536992A; JP2020170703A; US11101426B2; US20180331277A1

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas aufweisend einen piezoelektrischer Transformator (1),
wobei der piezoelektrische Transformator (1) dazu ausgestaltet ist, zur Erzeugung von Plasma eingesetzt zu werden,
aufweisend einen zylinderförmigen Grundkörper (2) mit einem Eingangsbereich (4) und einem Ausgangsbereich (5), wobei eine Zylinderachse (3) des Grundkörpers (2) sich in einer longitudinalen Richtung (L) erstreckt,
wobei der Eingangsbereich (4) dazu ausgestaltet ist, eine angelegte Wechselspannung in eine mechanische Schwingung zu wandeln,
wobei der Ausgangsbereich (5) dazu ausgestaltet ist, eine mechanische Schwingung in eine elektrische Spannung zu wandeln,
wobei der Ausgangsbereich (5) eine einzige piezoelektrische Schicht (12) aufweist, die in der longitudinalen Richtung (L) polarisiert ist,
wobei in dem Eingangsbereich (4) eine erste piezoelektrische Schicht (6), auf der eine erste Innenelektrode (7) angeordnet ist, und eine zweite piezoelektrische Schicht (8), auf der eine zweiten Innenelektrode (9) angeordnet ist, aufeinander gewickelt sind und wobei die erste piezoelektrische Schicht (6) und die zweite piezoelektrische Schicht (8) jeweils in einer radialen Richtung (R) polarisiert sind, die senkrecht zu der longitudinalen Richtung (L) ist,
wobei die Schichten des Eingangsbereichs (4) derart gewickelt sind, dass die erste Innenelektrode (7) teilweise an einer Außenfläche des Eingangsbereichs (4) freiliegt und dass die zweite Innenelektrode (9) teilweise an der Außenfläche des Eingangsbereichs (4) freiliegt, wobei die Außenfläche des Eingangsbereichs (4) sich in longitudinaler Richtung (L) erstreckt und die Flächennormale der Außenfläche des Eingangsbereichs (4) radial von der Zylinderachse weg weist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas aufweisend einen piezoelektrischer Transformator.
Der piezoelektrische Transformator kann zur Erzeugung von Plasma, insbesondere einem nicht-thermischen Atmosphärendruck-Plasma, eingesetzt werden. Ein piezoelektrischer Transformator ist eine Bauform eines Resonanztransformators, welcher auf Piezoelektrizität basiert und im Gegensatz zu den herkömmlichen magnetischen Transformatoren ein elektromechanisches System darstellt.
Bekannt sind piezoelektrische Transformatoren, die einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. 4 zeigt einen solchen, im Stand der Technik bekannten, piezoelektrischen Transformator 1. Der piezoelektrische Transformator 1 weist einen Eingangsbereich 4 und einen Ausgangsbereich 5 auf. Im Eingangsbereich 4 weist der piezoelektrische Transformator 1 Elektroden 7, 8 auf, an die eine Wechselspannung angelegt werden kann. Im Eingangsbereich 4 wird diese in Folge des piezoelektrischen Effekts in eine mechanische Schwingung umgewandelt, die wiederum in dem Ausgangsbereich 5 in eine Hochspannung umgewandelt wird.
Aus der Veröffentlichung Ito et al.: Discharge plasmas generated by piezoelectric transformers and their applications, Plasma Sources Sci. Technol. 15 (2006), ist bekannt, dass piezoelektrische Transformatoren 1 zur Zündung eines Plasmas eingesetzt werden können. Dabei wird beschrieben, dass die Zündung des Plasmas sowohl an den seitlichen Längskanten 15 als auch an den Kanten der ausgangsseitigen Stirnseite 13 erfolgt.
In 4 sind eine Zündung 16 von Plasma an einer ausgangsseitigen Stirnseite 13, die vom Eingangsbereich 4 abgewandt ist, und weitere Zündungen 17 von Plasma an den seitlichen Kanten 15 angedeutet. Das elektrische Potential ist entlang der Oberfläche des Ausgangsbereichs 5 nicht geleichmäßig verteilt, sondern weist ein Maximum auf, das einige Millimeter von der ausgangsseitigen Stirnseite 13 entfernt ist. Daher kommt es insbesondere zu Plasmazündungen 17, die entlang den Kanten 15 angeordnet sind und die um einige Millimeter von der Stirnseite 13 versetzt sind.
Es wurde jedoch in der oben genannten Veröffentlichung nicht erkannt, dass diese Zündungen 17 an den seitlichen Kanten 15 zu Rückkopplungen führen, bei denen hohe mechanische Spannungen in dem piezoelektrischen Material im Ausgangsbereich 5 erzeugt werden, die im Betrieb des piezoelektrischen Transformators 1 zu Rissen führen können, wodurch die Lebensdauer des piezoelektrischen Transformators 1 verringert wird.
Ferner sind auch stabförmige piezoelektrische Transformatoren bekannt. Diese werden beispielsweise in WO 2007/006298 A2 und in EP 1062702 B1 beschrieben. Diese Transformatoren weisen einen aufwändigen Aufbau auf. Hierbei wird ein rohrförmiger Transformator beschrieben, der im Ausgangsbereich zwei Elektroden aufweist, zwischen denen eine Hochspannung erzeugt wird. Dazu weist der Ausgangsbereich mehrere Bereiche auf, die zueinander in entgegengesetzter Richtung polarisiert sind. Ferner kann ein Eingangsbereich in zwei Bereiche unterteilt werden, die entgegengesetzt zueinander angesteuert werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten piezoelektrischen Transformator anzugeben, der insbesondere das Entstehen von Spannungsspitzen an scharfen Kanten im Ausgangsbereich vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch den piezoelektrischen Transformator gemäß dem vorliegenden Anspruch 1 gelöst.
Es wird ein piezoelektrischer Transformator vorgeschlagen, der einen zylindrischen Grundkörper mit einem Eingangsbereich und einem Ausgangsbereich aufweist, wobei die Zylinderachse des Grundkörpers sich in einer longitudinalen Richtung erstreckt. Der Eingangsbereich ist dazu ausgestaltet, eine angelegte Wechselspannung in eine mechanische Schwingung zu wandeln. Der Ausgangsbereich ist dazu ausgestaltet, eine mechanische Schwingung in eine elektrische Spannung zu wandeln. Der Ausgangsbereich weist eine einzige piezoelektrische Schicht auf, die in der longitudinalen Richtung polarisiert ist. In dem Eingangsbereich sind eine erste piezoelektrische Schicht, auf der eine erste Innenelektrode angeordnet ist, und eine zweite piezoelektrische Schicht, auf der eine zweite Innenelektrode angeordnet ist, aufeinander gewickelt. Die erste piezoelektrische Schicht und die zweite piezoelektrische Schicht sind jeweils in einer radialen Richtung polarisiert, die senkrecht zu der longitudinalen Richtung ist.
Durch die zylindrische Form des Grundkörpers wird eine Formgebung bereitgestellt, die ohne scharfe Kanten auskommt.
Auf diese Weise kann die Entstehung von Spannungsspitzen an scharfen Kanten grundsätzlich vermieden werden. Dementsprechend können die damit verbundenen Probleme, wie etwa die unkontrollierte Zündung des Plasmas oder eine ungewünschte Verschiebung des Ortes der Plasmazündung weg von einer Stirnseite, vermieden werden. Die zylinderförmige Grundkörperform erfordert zwar ein etwas aufwändigeres Herstellungsverfahren, überwindet dabei jedoch grundsätzliche Nachteile der bekannten rechteckigen Form, sodass insgesamt die Vorteile des zylindrischen Grundkörpers überwiegen.
Zwischen dem Eingangsbereich und dem Ausgangsbereich ist keine Isolationsschicht vorgesehen. Vielmehr können die erste und die zweite piezoelektrische Schicht des Eingangsbereichs unmittelbar die piezoelektrische Schicht des Ausgangsbereiches berühren. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass eine im Eingangsbereich angeregte mechanische Schwingung ungedämpft in den Ausgangsbereich übertritt und keine Energie verloren geht.
Der piezoelektrische Transformator kann mit einer Ansteuerschaltung verbunden werden, die dazu ausgestaltet ist, an dem Eingangsbereich eine Wechselspannung anzulegen. Die Frequenz der Wechselspannung kann dabei derart gewählt werden, dass der piezoelektrische Transformator mit seiner Resonanzfrequenz beziehungsweise mit einer harmonischen Oberschwingung seiner Resonanzfrequenz betrieben wird.
Der Ausgangsbereich weist eine einzige piezoelektrische Schicht auf, die durchgehend in eine einzige Polarisationsrichtung polarisiert sein kann. Die Polarisationsrichtung der piezoelektrischen Schicht des Ausgangsbereichs ist die longitudinale Richtung. Somit kann die gesamte piezoelektrische Schicht des Ausgangsbereichs in eine einzige Richtung polarisiert sein. Bei dieser Richtung handelt es sich um die longitudinale Richtung, in die sich die Zylinderachse erstreckt. Der Ausgangsbereich ist insbesondere frei von Teilbereichen, die in eine dazu entgegengesetzte Richtung polarisiert sind. Somit kann sich ein einfacher Aufbau des piezoelektrischen Transformators ergeben.
Der Ausgangsbereich kann insbesondere frei von einer Gegenelektrode sein. Dementsprechend kann das Plasma zwischen dem Ausgangsbereich und einer Umgebung des piezoelektrischen Transformators gezündet werden.
Die erste Innenelektrode und die zweite Innenelektrode können schneckenförmig in dem Eingangsbereich gewickelt sein. Dementsprechend können in der radialen Richtung, die senkrecht zu der longitudinalen Richtung ist, die erste Innenelektrode und die zweite Innenelektrode abwechselnd übereinandergestapelt sein. Damit ist der Eingangsbereich dazu ausgestaltet, eine mechanische Schwingung in der radialen Richtung auszuführen. Der Eingangsbereich kann Schwingungen in dem 31-Modus ausführen.
Dieser gewickelte Aufbau kann fertigungstechnisch einfach realisiert werden. Insbesondere kann der Aufbau durch zwei mit Elektrodenpaste bedruckten piezoelektrischen Folien leicht hergestellt werden und bedarf keiner aufwändigen Strukturierung.
Der piezoelektrische Transformator kann im Wesentlichen rotationssymmetrisch sein. Aufgrund der Rotationssymmetrie kommt es nicht zu unkontrollierten Plasmaentladungen entlang den Außenflächen, die sich in longitudinaler Richtung erstrecken.
Der Ausgangsbereich kann dazu ausgestaltet sein, eine Hochspannung zwischen einer von dem Eingangsbereich wegweisenden Stirnseite des Ausgangsbereichs und einer Umgebung des Transformators zu erzeugen. Dementsprechend kann an dem Ausgangsbereich keine Gegenelektrode vorgesehen sein. Die von dem piezoelektrischen Transformator im Ausgangsbereich erzeugbare Spannung kann vielmehr ausreichen, um ohne das Vorhandensein einer Gegenelektrode allein auf Basis des Potentialunterschiedes zu einer Umgebung des Transformators ein Prozessgas zu ionisieren. Dadurch, dass auf eine Gegenelektrode verzichtet werden kann, kann der piezoelektrische Transformator in platzsparender Weise konstruiert werden.
Der Ausgangsbereich kann sich in longitudinaler Richtung unmittelbar an dem Eingangsbereich anschließen. Insbesondere kann der piezoelektrische Transformator frei von einer Isolationsschicht sein, die den Außenbereich und den Innenbereich trennt. Dementsprechend sind keine Elektroden im Außenbereich erforderlich.
Insbesondere kann die piezoelektrische Schicht des Außenbereichs sich unmittelbar an die erste piezoelektrische Schicht und die zweite piezoelektrische Schicht des Eingangsbereichs anschließen. Die piezoelektrische Schicht des Außenbereichs kann dabei in longitudinaler Richtung zu den piezoelektrischen Schichten des Eingangsbereichs benachbart sein.
Die erste piezoelektrische Schicht des Eingangsbereichs und die zweite piezoelektrische Schicht des Eingangsbereichs können in zueinander entgegengesetzte Richtungen polarisiert sein, wobei sowohl die Polarisationsrichtung der ersten piezoelektrischen Schicht als auch die Polarisationsrichtung der zweiten piezoelektrischen Schicht eine radiale Richtung ist, die senkrecht zur longitudinalen Richtung ist. Auf diese Weise kann bei einem Aufwickeln der Schichten ein Eingangsbereich konstruiert werden, der zu Schwingungen in radialer Richtung anregbar ist. Als radiale Richtung werden dabei Richtungen bezeichnet, die entweder senkrecht zu der Zylinderachse hin oder senkrecht von der Zylinderachse weg weisen.
Der Grundkörper kann eine hohlzylindrische oder eine vollzylindrische Form aufweisen. Der Vorteil einer vollzylindrischen Form liegt darin, dass hier das gesamte Volumen des Grundkörpers als piezoelektrisch aktive Schichten genutzt werden kann. Der Vorteil eines hohlzylindrischen Grundkörpers besteht in einem besonders einfachen Herstellungsverfahren, bei dem Schichten auf einem Dorn aufgewickelt werden können.
Die Schichten des Eingangsbereichs können derart gewickelt sein, dass die erste Innenelektrode teilweise an einer Außenfläche des Eingangsbereichs freiliegt und dass die zweite Innenelektrode teilweise an einer Außenfläche des Eingangsbereichs freiliegt. Die freiliegenden Bereiche können dabei jeweils zu Außenelektroden des Eingangsbereichs verstärkt werden. Dementsprechend kann der piezoelektrische Transformator an den freiliegenden Bereichen der Innenelektroden kontaktiert werden.
Die hier beschriebene Anordnung, bei der Bereiche von beiden Innenelektroden auf einer Außenfläche des piezoelektrischen Transformators freilegen, kann realisiert werden, indem die erste und die zweite piezoelektrische Schicht jeweils durch eine Folie gebildet wird, die aufgewickelt wird, wobei die Folien sich in ihrer Länge unterscheiden.
Die erste Innenelektrode kann einen Bereich aufweisen, der an einer Außenfläche des Eingangsbereichs freiliegt und der in seiner Dicke verstärkt ist. Die zweite Innenelektrode kann einen Bereich aufweisen, der an einer Außenfläche des Eingangsbereichs freiliegt und der in seiner Dicke verstärkt ist. Diese Bereiche können als Außenelektroden des piezoelektrischen Transformators dienen. Durch die Verstärkung der jeweiligen Bereiche der ersten und der zweiten Innenelektrode kann eine ausreichende Lötfähigkeit sichergestellt werden. Ferner sind die verstärkten Bereiche, die an den Außenflächen freiliegen, aufgrund ihrer Verstärkung weniger empfindlich gegen Beschädigungen infolge von Abrasion.
Bei dem piezoelektrischen Transformator kann es sich um einen Transformator vom Rosen-Typ handeln.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas, die einen oben beschriebenen piezoelektrischen Transformator aufweist. Dabei kann beispielsweise ein Prozessgas an dem piezoelektrischen Transformator entlanggeführt werden und von einer an dem Ausgangsbereich des Transformators erzeugten Hochspannung ionisiert werden. Die Vorrichtung ist insbesondere zur Erzeugung eines nicht-thermischen Atmosphärendruck-Plasmas ausgelegt.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der Figuren genauer beschrieben.

1 zeigt einen piezoelektrischen Transformator in perspektivischer Ansicht,
2 zeigt einen Querschnitt durch einen hohlzylindrischen piezoelektrischen Transformator,
3 zeigt einen Querschnitt durch einen piezoelektrischen Transformator gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
4 zeigt einen im Stand der Technik bekannten piezoelektrischen Transformator.

1 zeigt einen piezoelektrischen Transformator 1 in einer perspektivischen Ansicht. Der piezoelektrische Transformator 1 weist einen zylinderförmigen Grundkörper 2 auf. Der Grundkörper 2 erstreckt sich dabei in eine longitudinale Richtung L, wobei die Zylinderachse 3 in der longitudinalen Richtung angeordnet ist.
Der Grundkörper 2 weist einen Eingangsbereich 4 und einen Ausgangsbereich 5 auf. Der Ausgangsbereich 5 schließt sich in longitudinaler Richtung L unmittelbar an den Eingangsbereich 4 an. Insbesondere sind zwischen dem Eingangsbereich 4 und dem Ausgangsbereich 5 keine weiteren isolierenden Schichten vorgesehen.
Der piezoelektrische Transformator 1 ist dazu ausgestaltet, eine Wechselspannung, die an den Eingangsbereich 4 angelegt wird, in eine Spannung, die am Ausgangsbereich 5 anliegt, zu wandeln. Dabei kann an den Eingangsbereich 4 eine Niederspannung von beispielsweise weniger als 25 V angelegt werden, die in eine am Ausgangsbereich 5 anliegende Hochspannung gewandelt wird.
Der Eingangsbereich 4 ist dazu ausgestaltet, eine anliegende Wechselspannung in eine mechanische Schwingung zu wandeln. Die mechanische Schwingung kann sich dann auf dem Ausgangsbereich 5 ausbreiten. Der Ausgangsbereich 5 ist dazu ausgestaltet, eine mechanische Schwingung in eine elektrische Spannung zu wandeln, wobei es sich hier um eine Hochspannung handeln kann.
Der Eingangsbereich 4 weist eine erste piezoelektrische Schicht 6, auf der eine erste Innenelektrode 7 angeordnet ist, auf. Ferner weist der Eingangsbereich 4 eine zweite piezoelektrische Schicht 8, auf der eine zweite Innenelektrode 9 angeordnet ist, auf. Die beiden piezoelektrischen Schichten 6, 8 sind schneckenförmigen aufgewickelt, sodass in einer radialen Richtung R, die sich von der Zylinderachse 3 senkrecht nach außen richtet, die erste Innenelektrode 7 und die zweite Innenelektrode 9 abwechselnd übereinander angeordnet sind.
Die erste piezoelektrische Schicht 6 und die zweite piezoelektrische Schicht 8 sind jeweils in einer radialen Richtung R polarisiert, wobei eine Polarisationsrichtung der ersten piezoelektrischen Schicht 6 entgegengesetzt zu der Polarisationsrichtung der zweiten piezoelektrischen Schicht 8 ist. Dementsprechend weist die Polarisationsrichtung von einer der piezoelektrischen Schichten 6 zur Zylinderachse 3 hin und die Polarisationsrichtung der anderen piezoelektrischen Schicht weist von der Zylinderachse 3 weg.
Wird nunmehr zwischen der ersten Innenelektrode 7 und der zweiten Innenelektrode 9 eine Wechselspannung angelegt, so werden die piezoelektrischen Schichten 6, 8 zu Längenänderungen in der radialen Richtung R angeregt. Diese breiten sich als mechanischen Wellen in der longitudinalen Richtung L aus und gelangen auf diese Weise in den Ausgangsbereich 5.
Die erste piezoelektrische Schicht 6 und die zweite piezoelektrische Schicht 8 werden derart zu dem Eingangsbereich 4 gewickelt, dass ein Bereich 10 der ersten Innenelektrode 7 auf einer Außenfläche des Eingangsbereichs 4 freiliegt. Dieser Bereich 10 der ersten Innenelektrode 7 ist verstärkt, sodass er eine größere Dicke aufweist als die übrigen Bereiche der ersten Innenelektrode 7. Der verstärkte Bereich 10 der ersten Innenelektrode 7 bildet eine erste Außenelektrode, mit deren Hilfe die erste Innenelektrode 7 elektrisch kontaktiert werden kann. Der Bereich 10 der ersten Innenelektrode 7 ist insbesondere dazu ausgestaltet, dass hier weitere Kontaktierungselemente angelötet werden können, über die der piezoelektrische Transformator 1 mit einer Ansteuerschaltung verbunden werden kann.
Ferner ist auch ein Bereich 11 der zweiten Innenelektrode 9 auf der Außenfläche des Eingangsbereichs 4 angeordnet. Auch dieser Bereich 11 der zweiten Innenelektrode 9 ist in seiner Dicke verstärkt und bildet eine zweite Außenelektrode, mit deren Hilfe die zweite Innenelektrode 9 elektrisch kontaktiert werden kann. Insbesondere ist der verstärkte Bereich 11 der zweiten Innenelektrode 9 dazu ausgestaltet, dass hier ebenfalls Kontaktierungselemente angelötet werden können, über die der piezoelektrische Transformator 1 mit einer Ansteuerschaltung verbunden werden kann.
In 1 ist dargestellt, dass die durch die Bereiche 10, 11 gebildeten Außenelektroden sich jeweils über die Hälfte des Umfangs des Eingangsbereichs 4 erstrecken. Die Kontaktierung der Außenelektroden kann durch Klemmen, Löten oder eine andere Technik erfolgen.
Der Ausgangsbereich 5 weist eine einzige piezoelektrische Schicht 12 auf, die vollständig in einer einzigen Polarisationsrichtung polarisiert ist. Die piezoelektrische Schicht 12 des Ausgangsbereichs 5 ist in longitudinaler Richtung L polarisiert. Dementsprechend ist der Ausgangsbereich 5 dazu ausgestaltet, eine mechanische Schwingung in der longitudinalen Richtung L in eine elektrische Spannung zu wandeln.
Wird nun im Eingangsbereich 4 eine mechanische Welle angeregt, die sich in den Ausgangsbereich 5 ausbreitet, so wird infolge des piezoelektrischen Effektes in der piezoelektrischen Schicht 12 des Ausgangsbereichs 5 eine elektrische Spannung erzeugt. Dabei kann es sich insbesondere um eine Hochspannung handeln. An einer Stirnseite 13 des Ausgangsbereichs 5, die von dem Eingangsbereich 4 abgewandt ist, liegt dann gegenüber einer Umgebung des piezoelektrischen Transformators 1 eine Hochspannung an. Wird der piezoelektrische Transformator 1 in einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas verwendet, so wird das Plasma an dieser Stirnfläche 13 des Ausgangsbereichs 5 gezündet, da hier die größte elektrische Spannung gegen die Umgebung anliegt.
Insbesondere weist der Ausgangsbereich 5 keine scharfen Kanten auf, die sich in der longitudinalen Richtung L erstrecken. An solchen Kanten könnte es andernfalls zu lokalen Feldüberhöhungen kommen, die zu unkontrollierten Plasmaentladungen führen würden. Auf Grund der zylinderförmigen Gestaltung des Ausgangsbereichs 5 ist eine sich in longitudinaler Richtung erstreckende Außenfläche des Ausgangsbereichs 5 frei von Kanten. Daher liegt das höchste elektrische Potential an der Stirnseite 13 an. Dementsprechend kommt es zu Plasmaentladungen an der Stirnseite 13, die in einem Plasmagenerator in gewünschter Weise genutzt werden können.
Der Grundkörper 2 weist eine hohlzylindrische Form auf. Insbesondere weisen sowohl der Eingangsbereich 4 als auch der Ausgangsbereich 5 eine hohlzylindrische Form auf.
2 zeigt einen Querschnitt durch den Eingangsbereich 4 eines hohlzylindrischen piezoelektrischen Transformators 1 in einer Schnittebene senkrecht zur longitudinalen Richtung L. Die Polarisationsrichtungen der ersten und der zweiten piezoelektrischen Schicht 6, 8 sind hierbei durch Pfeile angedeutet. Der in 2 dargestellte Transformator 1 unterscheidet sich lediglich in der Ausdehnung der verstärkten Bereiche 10, 11 von dem in 1 gezeigten Transformator. Die verstärkten Bereiche decken hier nur jeweils eine azimutale Ausdehnung ab, die in einem Bereich zwischen 30° und 60° liegt.
Der piezoelektrische Transformator 1 mit der in den 1 und 2 gezeigten hohlzylindrischen Form wird wie folgt gefertigt. Auf eine erste keramische Folie, die später die erste piezoelektrische Schicht 6 ausbildet, wird eine Paste aufgebracht, die im piezoelektrischen Transformator 1 die erste Innenelektrode 7 ausbilden wird. Auf eine zweite keramische Folie, die später die zweite piezoelektrische Schicht 8 ausbildet, wird die Paste ebenfalls aufgebracht, wobei die Paste hier die zweite Innenelektrode 9 ausbilden wird.
Die beiden Folien werden übereinander gelegt und auf einen Dorn aufgewickelt. Dabei sind die Folien derart dimensioniert, dass sowohl ein Bereich 10 der ersten Innenelektrode 7 als auch ein Bereich 11 der zweiten Innenelektrode 9 auf der Außenfläche des gewickelten Körpers angeordnet ist. Diese Anordnung kann beispielsweise durch unterschiedlich lange Folien erreicht werden.
In diesem Zustand wird der piezoelektrische Transformator 1 weiterbearbeitet. Eine Verdichtung im grünen Zustand kann entweder durch isostatisches Pressen auf den Dorn oder durch druckloses Laminieren mit einer pastösen Zwischenschicht erfolgen. In weiteren Prozessschritten kann der Transformator entbindert und gesintert werden. Später wird der Dorn entfernt, sodass sich im inneren Bereich des Grundkörpers 2 eine zylindrische Öffnung 14 ergibt, die sich in longitudinaler Richtung L erstreckt. Auf dem Dorn kann eventuell eine dünne Trägerfolie aufgewickelt sein, die das Entfernen des Dorns bei der Trennung des piezoelektrischen Transformators 1 von dem Dorn erleichtern kann. Die Trägerfolie wird beim Entfernen des Dorns ebenfalls vom piezoelektrischen Transformator 1 getrennt.
Auf Grund des Aufwickelns auf den Dorn ist das hier beschriebene Herstellungsverfahren besonders schnell und mit geringem Aufwand durchführbar.
3 zeigt einen Querschnitt durch den Eingangsbereich 4 eines piezoelektrischen Transformators 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Der piezoelektrische Transformator 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass der Grundkörper 2 eine vollzylindrische Form aufweist. Insbesondere weisen sowohl der Eingangsbereich 4 als auch der Ausgangsbereich 5 eine Vollzylinder-Form auf.
Der vollzylindrische piezoelektrische Transformator 1 kann mit einem geringeren Durchmesser eine Kapazität zwischen der ersten und der zweiten Innenelektrode 7, 9 erreichen, die der Kapazität des hohlzylindrischen piezoelektrischen Transformators 1 entspricht. Daher eignet sich das zweite Ausführungsbeispiel insbesondere bei Anwendungen, die hohe Anforderungen an den Platzbedarf des Transformators 1 stellen.
Die piezoelektrische Transformator 1 kann zur Erzeugung von Plasma durch Ionisation eines Prozessgases oder zur Ozongenerierung eingesetzt werden, bei der Luft ionisiert wird.
Bezugszeichenliste

1: piezoelektrischer Transformator
2: Grundkörper
3: Zylinderachse
4: Eingangsbereich
5: Ausgangsbereich
6: erste piezoelektrische Schicht
7: erste Innenelektrode
8: zweite piezoelektrische Schicht
9: zweite Innenelektrode
10: Bereich der ersten Innenelektrode
11: Bereich der zweiten Innenelektrode
12: piezoelektrische Schicht
13: Stirnseite
14: Öffnung
15: Kanten
16: Zündung von Plasma
17: Zündung von Plasma
L: longitudinale Richtung
R: radiale Richtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2007/006298 A2 [0007]
EP 1062702 B1 [0007]

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas aufweisend einen piezoelektrischer Transformator (1), wobei der piezoelektrische Transformator (1) dazu ausgestaltet ist, zur Erzeugung von Plasma eingesetzt zu werden, aufweisend einen zylinderförmigen Grundkörper (2) mit einem Eingangsbereich (4) und einem Ausgangsbereich (5), wobei eine Zylinderachse (3) des Grundkörpers (2) sich in einer longitudinalen Richtung (L) erstreckt, wobei der Eingangsbereich (4) dazu ausgestaltet ist, eine angelegte Wechselspannung in eine mechanische Schwingung zu wandeln, wobei der Ausgangsbereich (5) dazu ausgestaltet ist, eine mechanische Schwingung in eine elektrische Spannung zu wandeln, wobei der Ausgangsbereich (5) eine einzige piezoelektrische Schicht (12) aufweist, die in der longitudinalen Richtung (L) polarisiert ist, wobei in dem Eingangsbereich (4) eine erste piezoelektrische Schicht (6), auf der eine erste Innenelektrode (7) angeordnet ist, und eine zweite piezoelektrische Schicht (8), auf der eine zweiten Innenelektrode (9) angeordnet ist, aufeinander gewickelt sind und wobei die erste piezoelektrische Schicht (6) und die zweite piezoelektrische Schicht (8) jeweils in einer radialen Richtung (R) polarisiert sind, die senkrecht zu der longitudinalen Richtung (L) ist, wobei die Schichten des Eingangsbereichs (4) derart gewickelt sind, dass die erste Innenelektrode (7) teilweise an einer Außenfläche des Eingangsbereichs (4) freiliegt und dass die zweite Innenelektrode (9) teilweise an der Außenfläche des Eingangsbereichs (4) freiliegt, wobei die Außenfläche des Eingangsbereichs (4) sich in longitudinaler Richtung (L) erstreckt und die Flächennormale der Außenfläche des Eingangsbereichs (4) radial von der Zylinderachse weg weist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Ausgangsbereich (5) dazu ausgestaltet ist, eine Hochspannung zwischen einer von dem Eingangsbereich (4) wegweisenden Stirnseite (13) des Ausgangsbereichs (5) und einer Umgebung des Transformators (1) zu erzeugen.
Vorrichtung) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Ausgangsbereich (5) sich in der longitudinalen Richtung (L) unmittelbar an den Eingangsbereich (4) anschließt.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die piezoelektrische Schicht (12) des Ausgangsbereichs (5) sich unmittelbar an die erste piezoelektrische Schicht (6) und die zweite piezoelektrische Schicht (8) des Eingangsbereichs (4) anschließt.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste piezoelektrische Schicht (6) des Eingangsbereichs (4) und die zweite piezoelektrische Schicht (8) des Eingangsbereichs (4) in zueinander entgegengesetzten, radialen Richtungen (R) polarisiert sind.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Grundkörper (2) eine hohlzylindrische Form aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Grundkörper (2) eine vollzylindrische Form aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Innenelektrode (7) einen Bereich (10) aufweist, der an einer Außenfläche des Eingangsbereichs (4) freiliegt und der in seiner Dicke verstärkt ist, wobei die zweite Innenelektrode (9) einen Bereich (11) aufweist, der an einer Außenfläche des Eingangsbereichs (4) freiliegt und der in seiner Dicke verstärkt ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich um einen Transformator (1) vom Rosen-Typ handelt.