JP2018536969A - 大気圧プラズマを生成するための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、大気圧プラズマを生成するための装置（１１）に関し、圧電トランスデューサ（１）と、第１支持要素（２２）とを備え、圧電トランスデューサ（１）がその並列共振周波数よりも小さい動作周波数で動作され、非熱的大気圧プラズマを生成するために使用される場合に、振動ノードが形成される位置において、圧電トランスデューサ（１）は第１支持要素に載置される。

Description

本発明は、大気圧プラズマを生成するための装置に関する。これは、非熱的プラズマである。

装置は、特に、プロセスガスのイオン化に使用され得る出力電圧を生成する圧電トランスデューサを備える。装置は、圧電トランスデューサの運動を、装置のホルダに対して相対的に、特に長手方向において、防止すべきである。しかし、同時にホルダは、トランスデューサの振動を減衰させるように圧電トランスデューサに影響を与えるべきではない。それによって、プラズマ生成の効率が低減されてしまうからである。

従って、本発明の課題は、これらの背反する要件を可能な限り満足する装置を提供することである。

課題は請求項１にかかる装置によって解決される。

圧電トランスデューサと第１支持要素とを備える、大気圧プラズマを生成するための装置が提案される。圧電トランスデューサは支持要素上に載置されており、ここで、圧電トランスデューサが並列共振周波数より小さい動作周波数で動作し、かつ圧電トランスデューサが非熱的大気圧プラズマの生成のために使用される場合に、振動ノードが形成される位置において、圧電トランスデューサが第１支持要素上に載置される。

プラズマの生成によって出力側負荷が形成される。それによって、振動ノードのシフトが生じる。圧電効果のない均質な一様な、長さＬを有するロッドであって、共振周波数で振動が励起されるロッドにおいては、振動ノードが、入力側端面に対して１／４Ｌの距離と、及び入力側端面に対して３／４Ｌの距離とにあることが予想される。ところが、プラズマ生成に使用される圧電トランスデューサにおいては、振動ノードの位置は、上述の値１／４Ｌ及び３／４Ｌに対してシフトすることが示された。ここで、様々な作用が、以下に述べるような役割を演じている。本発明は振動ノードの位置のシフトを考慮し、第１支持要素を相応に配置することを可能にする。このようにして、支持要素が圧電トランスデューサを最小限しか減衰しないことが確実にされる。

均質なロッドとは対照的に圧電トランスデューサにおける振動ノードの位置のシフトについては、特に以下の作用が重要である。プラズマの生成によって、圧電トランスデューサの出力側において、圧電トランスデューサと相互作用する負荷が発生する。負荷との相互作用によって、圧電トランスデューサが共振挙動を示す周波数が、圧電トランスデューサが無負荷で最大インピーダンスを有し、かつ従って共振挙動を示す並列共振周波数から、より小さい周波数へシフトする。このより小さい周波数が、圧電トランスデューサが励起される動作周波数であることができる。圧電トランスデューサが並列共振周波数より小さい動作周波数で励起されることで、振動ノードの位置の変化が生じる。これらは、出力側の方向にシフトされる。

さらに、圧電トランスデューサは弾性係数（Ｅｌａｓｔｉｚｉｔａｅ ｔｓｍｏｄｕｌ）を備え、弾性係数の分布は均質ロッドの弾性係数とは異なる。入力領域における弾性係数は、出力領域における弾性係数と異なる。入力領域における複数の圧電層は、出力領域における圧電材料に対して垂直に分極しているからである。さらに、出力領域がモノリシックな圧電層を備えるのに対して、入力領域は電極を備え、従って、入力領域の密度は出力領域の密度と異なる。入力領域と出力領域との異なる弾性係数は、振動ノードの入力側端面へのシフトを生じさせる。

入力領域と出力領域との異なる弾性係数に基づく振動ノードの入力側端面へのシフト作用は、並列共振周波数より小さい動作周波数での励起に基づく振動ノードの出力側端面へのシフト作用より強力であり得る。

動作周波数と並列共振周波数との偏差は１０ｋＨｚと０．１ｋＨｚとの間にあることができる。好ましくは、この偏差は、８ｋＨｚと０．１ｋＨｚとの間、特に、５ｋＨｚと０．１ｋＨｚとの間にあることができる。プラズマ生成によって発生する出力側への負荷の印加の際に、周波数依存性のインピーダンススペクトルがより小さい周波数にシフトすることを考慮するために、動作周波数は並列共振周波数より低くなるように選択される。圧電トランスデューサが共振挙動を示す周波数のシフトは、典型的にはここで示される領域内にあることができる。

並列共振周波数は、圧電トランスデューサがある周波数の交流電圧を印加され、その圧電トランスデューサがプラズマを生成しない場合に、圧電トランスデューサのインピーダンスが最大値を有する周波数として定義され得る。相応に、圧電トランスデューサが無負荷で動作されるときの最大インピーダンスによって並列共振周波数が示される。

代替的実施形態において、圧電トランスデューサが動作される動作周波数は直列共振周波数より低くなり得る。特に、動作周波数と直列共振周波数との偏差は、１０ｋＨｚと０．１ｋＨｚとの間にあり得る。直列共振周波数は圧電トランスデューサにある周波数の交流電圧が印加され、その圧電トランスデューサがプラズマを生成しない場合に、圧電トランスのインピーダンスが最小になる周波数として定義され得る。相応に、圧電トランスデューサが無負荷で動作されるときの最小インピーダンスによって直列共振周波数が示される。

圧電トランスデューサは入力領域と出力領域とを備え、入力領域は、出力領域から離れた圧電トランスデューサの入力側端面を有し、出力領域は、入力領域から離れた出力側端面を有する。長さＬは入力側端面と出力側端面との距離を表すことができる。圧電トランスデューサが第１支持要素上に載置される位置の距離は、入力側端面に対して、１／４Ｌ−５ｍｍと１／４Ｌ−０．０５ｍｍとの間の領域にあることができる。いずれの場合も、長手方向における支持要素の中心が考慮される。ここでは入力側端面に対して垂直であり、出力側端面に対して垂直である方向を長手方向と呼ぶことができる。この距離は、好ましくは１／４Ｌ−３ｍｍと１／４Ｌ−０．０５ｍｍとの間、特に１／４Ｌ−１．５ｍｍと１／４Ｌ−０．０５ｍｍとの間の領域にあることができる。

長さＬは例えば５０ｍｍと１００ｍｍとの間にあることができ、好ましくは、Ｌは７２ｍｍである。均質なロッドについて予測される１／４Ｌの位置に対して、振動ノードが数ｍｍだけ入力側端面の方へシフトすることが示された。上述した領域において第１支持要素の位置を選択することにより、支持要素を圧電トランスデューサの動作の際に形成される実際の振動ノードに配置することが可能にされ得る。このようにして、支持要素が圧電トランスデューサを最小限しか減衰せず、プラズマ生成における効率を低下させないことが確実にされる。

圧電トランスデューサは、印加される交流電圧を機械的振動に変換するように構成されており、出力領域は、機械的振動を電気的電圧に変換するように構成されている。出力領域は長手方向において入力領域に直接接続することができる。

装置は、圧電トランスデューサが載置される第２支持要素をさらに備え、圧電トランスデューサは、圧電トランスデューサが動作周波数で動作され、非熱的大気圧プラズマの生成のために使用される場合に、振動ノードが形成される位置において第２支持要素に載置される。

第１及び第２支持要素は圧電トランスデューサの異なる位置に配置されることができる。圧電トランスデューサの出力領域は第２支持要素に載置されることができる。圧電トランスデューサの入力領域は第１支持要素に載置されることができる。

特に装置は、複数の第１支持要素と、複数の第２支持要素とを備えることができ、複数の第１支持要素はそれぞれ入力側端面に対して同一の距離に配置され、複数の第２支持要素はそれぞれ出力側端面に対して同一の距離に配置される。

圧電トランスデューサが第２支持要素上に載置される位置の入力側端面に対する距離は、３／４Ｌ−０．５ｍｍと３／４Ｌ−０．０５ｍｍとの間の領域にあることができる。好ましくはその距離は、３／４Ｌ−３ｍｍと３／４Ｌ−０．０５ｍｍとの間、特に、３／４Ｌ−１．５ｍｍと３・４Ｌ−０．０５ｍｍとの間の領域にあることができる。圧電トランスデューサの出力領域内に形成される振動ノードの位置も、上述の効果に基づいて、圧電トランスデューサの入力側の方へシフトされることができる。

圧電トランスデューサが第１支持要素上に載置される位置の入力側端面に対する距離は、１／４Ｌ−Ａであることができる。圧電トランスデューサが第２支持要素上に載置される位置の入力側端面に対する距離は、３／４Ｌ−Ｂであることができる。ＢはＡより大きくてもよい。圧電トランスデューサの出力領域内の振動ノードの入力側端面の方へのシフトは、入力領域内よりも大きい、ということが示された。支持要素の位置決めにおいて、Ｂ＞Ａの選択によって、この作用が考慮される。

第１支持要素は、圧電トランスデューサの収縮及び膨張に際して弾性的に変形するように構成されることができる。これは、第２支持要素にもあてはまる。弾性的変形によって、第１支持要素はバネのように作用することができる。第１及び第２支持要素は、特に圧電トランスデューサと振動系を形成することができる。従って、第１支持要素は及び場合によっては第２支持要素もまた、圧電トランスデューサとともに振動するので、支持要素はトランスデューサの振動を減衰させない。このようにして、支持要素によってエネルギーが損なわれないことを確実にすることができる。

第１支持要素は、ポリブチレンテレフタレート（Ｐｏｌｙｂｕｔｙｌｅｎｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔ）、ポリテトラフルオロエチレン（Ｐｏｌｙｔｅｒａｆｌｕｏｒｔｙｌｅｎ）、ポリアミド（Ｐｏｌｙａｍｉｄ）又はガラスファイバー部分を含むポリアミド（Ｐｏｌｙａｍｉｄ ａｕｆｗｅｉｓｅｎｄ Ｇｌａｓｆａｓｅｒａｎｔｅｉｌｅ）から選択される材料を含むことができる。第２支持要素もこれらの材料のうちの１つを含むことができる。これらの材料は特に大きい硬度と相応に高い品質ファクターによって際立っている。相応にこれらの材料は可塑変形しにくい。従って、これらの材料から成形された支持要素が圧電トランスデューサの振動を減衰させないことが確実にされる。

第１支持要素は圧電トランスデューサに向かう方向においてＶ字状の尖った形状を有することができ、相応に圧電トランスデューサに略直線状に当接する。第２支持要素も圧電トランスデューサに向けてＶ字状に尖った形状を有する。このＶ字状に尖った形状によって、圧電トランスデューサが支持要素に当接する面積が可能な限り小さくなるように構成されることが実現され得る。また、このようにして、支持要素が圧電トランスデューサの振動の減衰をもたらさないことが確実にされる。

圧電トランスデューサは、出力側端面において非熱的大気圧プラズマを生成するように構成され得る。圧電トランスデューサは例えばローゼン型のトランスデューサであり得る。

本発明のさらなる態様は、上述の装置と、内部に装置が配置されるハウジングと備えたプラズマ生成器である。

ハウジング内には、圧電トランスデューサを制御するための制御回路がさらに配置されることができる。制御回路は特に、圧電トランスデューサの入力側領域に動作周波数の交流電圧を印加することを可能にすることができる。

制御回路は圧電トランスデューサとコンタクト要素を介して電気的に接続されることができる。プラズマ生成器はさらに、圧電トランスデューサにプロセスガスを導くための手段を備えることができる。さらにハウジングは、圧電トランスデューサによって生成されたプラズマが放出される出口開口を備えることができる。出口開口の形態によってプラズマビームを所望のように形成することが可能になり得る。

以下では本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

圧電トランスデューサを斜視図で示す図である。 大気圧プラズマを生成するための装置を示す図である。 圧電トランスデューサにおける振動ノードのシフトのシミュレーション結果を示す。 圧電トランスデューサにおける振動ノードのシフトのシミュレーション結果を示す。 圧電トランスデューサにおける振動ノードのシフトのシミュレーション結果を示す。 圧電トランスデューサにおける振動ノードのシフトのシミュレーション結果を示す。 圧電トランスデューサにおける振動ノードのシフトのシミュレーション結果を示す。 圧電トランスデューサにおける振動ノードのシフトのシミュレーション結果を示す。 圧電トランスデューサにおける振動ノードのシフトのシミュレーション結果を示す。 圧電トランスデューサにおける振動ノードのシフトのシミュレーション結果を示す。 圧電トランスデューサにおける振動ノードのシフトのシミュレーション結果を示す。 圧電トランスデューサにおける振動ノードのシフトのシミュレーション結果を示す。 圧電トランスデューサにおける振動ノードのシフトのシミュレーション結果を示す。 圧電トランスデューサにおける振動ノードのシフトのシミュレーション結果を示す。 圧電トランスデューサにおける振動ノードのシフトの測定結果を示す。 圧電トランスデューサにおける振動ノードのシフトの測定結果を示す。 圧電トランスデューサにおける振動ノードのシフトの測定結果を示す。

図１は、圧電トランスデューサの斜視図を示す。圧電トランスデューサ１は、特に大気圧プラズマを生成するための装置内に組み込まれることができる。

圧電トランスデューサ１は、圧電気（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｋｔｒｉｚｉｔａｅｔ）に基づく共振変換器の構造形態であり、従来の磁気変換器に都は対照的に電気機械システムを構成する。圧電トランスデューサ１は例えばローゼン型（Ｒｏｓｅｎ−Ｔｙｐ）の変換器である。

圧電トランスデューサ１は入力領域２と出力領域３とを備え、出力領域３は長手方向ｚにおいて入力領域２に接続する。入力領域２において、圧電トランスデューサ１は電極４を備え、電極４に交流電圧が印加されることができる。

電極４は、圧電トランスデューサ１の長手方向ｚにおいて延在する。電極４は、長手方向ｚに垂直な積層方向ｘにおいて、圧電材料５と交互に積層される。圧電材料５はその際積層方向ｘにおいて分極される。

電極４は圧電トランスデューサ１の内部に配置されており、内部電極とも称される。圧電トランスデューサ１は第１側面６と、第１側面に対向する第２側面７とを備える。第１側面６上には、第１外部電極８が配置されている。第２側面７上には、第２外部電極（図示せず）が配置されている。内部電極４は積層方向ｘにおいて、交互に、第１外部電極８又は第２外部電極と電気で気に接続されている。

圧電トランスデューサ１はさらに、第３側面２０と第４側面２１とを有し、第３及び第４側面は、相互に対向しており、第１側面及び第２側面に対して垂直に配置されている。第３及び第４側面２０，２１の面法線（Ｄｉｅ Ｆｌａｅｃｈｅｎｎｏｒｍａｌｅｎ）は、それぞれ積層方向ｘ内に示す。

入力領域２は、電極４間に印加される、低い交流電圧で制御されることができる。圧電効果に基づいて、入力側に印加される電圧はまず機械的振動に変換される。ここで機械的振動の周波数は、実質的に圧電トランスデューサ１の寸法と機械的構造に依存する。

出力領域３は圧電材料９を有し、内部電極を有していない（ｆｒｅｉ ｖｏｎ ｉｎｎｅｎｌｉｅｇｅｎｄｅｎ Ｅｌｅｋｔｒｏｄｅ）。圧電材料９は出力領域において長手方向ｚに分極している。出力領域３の圧電材料９は入力領域２の圧電材料５と同じ材料であることができ、圧電材料５及び９がその分極において異なることができる。出力領域３において圧電材料９は、長手方向ｚにおいて全体が分極される単一のモノリシック層に形成される。ここで、圧電材料９が出力領域３において単一の分極方向を有する。

電極４は入力領域２において交流電圧を印加され、圧電材料５、９内部で、圧電効果によって出力領域３で出力電圧を生成する機械的波を形成する。出力領域３は出力側端面（ｅｉｎｅ ａｕｓｇａｎｇｓｓｅｉｔｉｇｅ Ｓｔｉｒｎｓｅｉｔｅ）１０を有する。このようにして出力領域３において電気電圧が端面１０と入力領域２の電極４の端部との間に生成される。ここで出力側端面１０において高電圧が生成される。ここで出力側端面１０と圧電トランスデューサの周囲との間にも、プロセスガスをイオン化する強い電場を生成するのに十分な高い電位差が生成される。

このようにして、圧電トランスデューサ１は、気体又は流体を電気的励起によってイオン化することができる高い電場を生成する。ここで、各気体又は各流体の原子又は分子はイオン化され、プラズマを形成する。圧電トランスデューサ１の表面での電場強度がプラズマの点火電場強度（ｄｉｅ Ｚｕｅｎｄｆｅｌｄｓｔａｅｒｋｅ）を超える場合、常にイオン化が起こる。ここでは、原子又は分子のイオン化のために必要である電場強度が、プラズマの点火電場強度として表される。

圧電トランスデューサ１は、入力側端面（ｅｉｎｅ ｅｉｎｇａｎｇｓｓｅｉｔｉｇｅ Ｓｔｉｒｎｓｅｉｔｅ）２５をさらに有する。圧電トランスデューサ１の長さＬは、入力側端面２５から出力側端面１０までの距離として定義される。

図２は、大気圧プラズマを生成するための装置１１を示す。装置１１は図１に示されたような圧電トランスデューサ１を備える。圧電トランスデューサ１は、ここでは付加的に、圧電トランスデューサ１の出力領域内３に配置されたアイソレーション１２を備え、アイソレーション（Ｉｓｏｌｉｅｒｕｎｇ）１２はトランスデューサ１の側面を出力領域内で少なくとも部分的に覆い、出力側端面１０はアイソレーション１２が無い。アイソレーション１２は、例えば収縮チューブによって形成されることができる。アイソレーション１２は、圧電トランスデューサ１の出力側短縁に沿って不所望なプラズマ点火が発生するのを妨げる。代替的な実施形態において、圧電トランスデューサ１はアイソレーション１２を有さない。

さらに、装置１１は第１コンタクト要素１３と第２コンタクト要素１４を備える。第１コンタクト要素１３は、圧電トランスデューサ１の第１外部電極８と接続される。第２コンタクト要素１４は、圧電トランスデューサ１の第２外部電極と接続される。第１及び第２コンタクト要素１３、１４を介して、圧電トランスデューサ１の第１及び第２外部電極に交流電圧が印加される。

コンタクト要素１３、１４は、それぞれ電線１５を備え、電線１５の一端にはブロック１６が配置されている。コンタクト要素１３、１４のブロック１６は、それぞれの外部電極８に解放できない固定部によって固定される。ブロック１６は例えば、はんだ付け、ボンディング、接着又はマイクロシルバー焼結によって、圧電トランスデューサ１の外部電極８に固定されることができる。ブロック１６お酔い電線１５は、例えば銅などの、導電性材料を含む。

装置１１はホルダ１７をさらに備える。ホルダ１７は２つの半皿１８、１９を備える。図２では、ホルダ１７との圧電トランスデューサ１の接続の描写のために、ホルダ１７の第１半皿１８のみが示されている。第２半皿１９は図２に示された半皿１８と同一であり得る。半皿１８、１９は射出成型要素である。

ホルダ１７は第１支持要素２２及び第２支持要素２３を備える。特に、ホルダ１７は複数の第１支持要素２２を備える。第１支持要素２２として、圧電トランスデューサ１の入力領域２に当接する各支持要素が示される。ホルダ１７は複数の第２支持要素２３を備える。第２支持要素として、圧電トランスデューサ１の出力領域３に当接する各支持要素が示される。

圧電トランスデューサ１の第３及び第４側面２０、２１は、それぞれ第１支持要素２２の１つ及び第２支持要素２３の１つに当接する。支持要素２２、２３は、圧電トランスデューサ１の方向において、それぞれＶ字状（ｋｅｉｌｆｏｅｒｍｉｇ）に尖っており、圧電トランスデューサ１に略線形状に当接する。支持要素２２、２３はここでは長手方向ｚに沿って、トランスデューサ１の動作の際にその動作周波数で振動ノードを形成する位置に配置されている。

圧電トランスデューサ１の振動ノードへの支持素子２２、２３の配置、及び、そのＶ字状の構成によって、支持要素２２，２３が圧電トランスデューサ１の長手方向ｚの運動を最小限だけ減衰させることが可能になる。

圧電トランスデューサ１は積層方向ｘにおける両側で直接それぞれ第１支持要素２２の１つ及び第２支持要素２３の１つに当接する。積層方向ｘにおいて、それぞれ２つの第１支持要素２２及び２つの第２支持要素２３が相互に対向する。このようにして圧電トランスデューサ１の運動はホルダ１７に対して相対的に積層方向ｘにおいて妨げられる。

さらに、ホルダ１７は第１及び第２支持要素２２、２３を備え、それらの間に圧電トランスデューサ１がｙ方向において収納される。ここで、ｙ方向は積層方向ｘに垂直であり、長手方向ｚに垂直である。ｙ方向において、それぞれ２つの第１支持要素２２及び２つの第２支持要素２３が相互に対向する。これらの支持要素２２，２３は、圧電トランスデューサ１に向かう方向においてＶ字状に延在し、これにほぼ直線状に当接する。支持要素２２、２３への当接によって、ホルダ１７に相対的なｙ方向への圧電トランスデューサ１の運動が妨げられる。

上述したように、第１支持要素２２及び第２支持要素２３は、圧電トランスデューサ１の動作の際にその動作周波数で振動ノードを形成する位置に配置されている。動作周波数は、圧電トランスデューサの並列共振周波数よりわずかに低い周波数である。

圧電トランスデューサ１は非熱的大気圧プラズマの生成のために使用され、従ってこれは負荷として作用する。従って、圧電トランスデューサ１の周波数スペクトルはシフトする。特に、いまや最大インピーダンスは並列共振周波数より低い周波数にあり、動作周波数として選択しうる周波数である。

トランスデューサ１の動作周波数での動作において、圧電トランスデューサ１の長さに沿って、２つの振動ノードが形成される。第１支持要素２２は第１振動ノードが形成される位置に配置される。第２支持要素２３は第２振動ノードが形成される位置に配置される。第１振動ノードはトランスデューサ１の入力領域２に、第２振動ノードは出力領域３にある。

圧電トランスデューサ１が動作周波数で動作し、出力側で負荷として作用する同時にプラズマを生成する際に、振動ノードは、入力側端面２５から１／４Ｌ−Ａの距離と、３／４Ｌ−Ｂの距離とにおいて生成されることが示される。ここで、Ａ＞０及びＢ＞０である。Ａ及びＢは典型的には数ミリメートルの領域にある。

負荷の印加の結果として、かつ入力領域と出力領域との異なる弾性係数の結果としての振動ノードのシフトは、以下において、シミュレーション結果に基づいて詳細に述べられる。図３、４及び５では、Ｌ＝７２ｍｍの長さを有する圧電トランスデューサ１がそれぞれ考察される。ここで、プラズマを生成せず、負荷が印加されていない圧電トランスデューサ１が考察される。図３、４及び５では、内部電極４を有さないトランスデューサ１がシミュレーションにおいて考察された。

図３では、圧電トランスデューサの入力領域に印加される周波数が横軸にとられている。曲線Ｋ１は圧電トランスデューサ１のインピーダンスＺの値（ｄｅｎ Ｂｅｔｒａｇ ｄｅｓ Ｓｃｈｅｉｎｗｉｄｅｒｓｔａｎｄｅｓ Ｚ）を示す。曲線Ｋ１の最大値は、圧電トランスデューサ１の並列共振周波数を表す。これは、約５２．３ｋＨｚにある。曲線Ｋ１の最小値は、圧電トランスデューサ１の直列共振周波数を表す。これは、約５１．５ｋＨｚにある。

曲線Ｋ２は、周波数に依存する電圧利得を示す。曲線Ｋ３は位相を示す。

図４では、印加される交流電圧の周波数に依存して圧電トランスデューサの異なる位置において生じる振幅が考察される。

図５では、印加される交流電圧の周波数に依存する、圧電トランスデューサ１の出力領域３において形成される第２振動ノードのシフトが、３／４Ｌの位置と比較して、考察される。ここでは、実部と虚部が別個に考察されている。図５に示される両曲線の交点は、圧電トランスデューサの直列共振と一致する。ここで、振動ノードは２．４ｍｍだけ入力側端面２５の方向にシフトし、即ち、圧電トランスデューサ１の出力領域３における振動ノードは、入力側端面２５から３／４Ｌ−２．４ｍｍの距離にある。

直列共振周波数よりも並列共振周波数に近い動作周波数でプラズマ生成器が動作すると、図５に示される曲線から読み取れるように、第２振動ノードが２．４ｍｍよりも若干少ないだけシフトする。

図６、７及び８では、１Ωの出力側負荷が印加された、Ｌ＝７２ｍｍの長さを有する圧電トランスデューサについて、相応のグラフを示す。内部電極４は、図の基礎となるシミュレーションにおいて考慮された。

直列共振周波数及び並列共振周波数は、低い周波数へとシフトしたことがわかる。図８で見られるように、第２振動ノードは、直列共振周波数において０．２ｍｍだけ出力側端面１０の方向へシフトしている。

図９、１０及び１１では、８ｐＦに並列に１０ＭΩと直列に１Ωの負荷を有する圧電トランスデューサ１についてのグラフを示す。内部電極４は、図の基礎となるシミュレーションにおいて考慮された。このシナリオは、プラズマを生成するための実際の装置１１においてプラズマ生成中に圧電トランスデューサ１に生じる条件に相応する。直列共振周波数は４６．９ｋＨＺである。図９に示されるように、並列共振周波数は４７．５ｋＨｚである。図１１において、第２振動ノードは直列周波数において、０．６ｍｍだけ入力側端面２５の方向へシフトする。

図１２乃至１４において、１ｐＦに並列に１０ＧΩと直列に１Ωの負荷を有する圧電トランスデューサ１についてのグラフを示す。内部電極４は、図の基礎となるシミュレーションにおいて考慮された。第２ノードは直列共振周波数で入力側端面２５の方向に１．９ｍｍだけシフトしている。

プラズマ生成に使用され、それによって出力側端面１０において負荷が発生する圧電トランスデューサ１がその入力領域２及び出力領域で異なる弾性係数を有する場合に、振動ノードが入力領域２の方へシフトすることが実験的にも実証された。実験的試験の結果を図１５乃至１７に示す。

圧電トランスデューサ１上では自由流動性（ｒｉｅｓｅｌｆａｅｈｉｇｅｓ）の粉末が散在していた。その後、圧電トランスデューサ１が動作周波数で駆動された。トランスデューサ１の各位置での運動が少ないほど、粉末は相応の位置に長く滞留する。従って、粉末が滞留している位置は、振動ノードがどこに形成されているかを示している。

図１５において、入力側端面に対して１／４Ｌの距離と３／４Ｌの距離とがマーキングされている。第１振動ノードが１／４Ｌ以下の入力側端面２５に対する距離を有し、第２振動ノードが３／４Ｌ以下の入力側端面に対する距離を有することが認識できる。第１及び第２振動ノードは、トランスデューサ１上に残っている粉末において識別することができる。

図１６は、出力領域３の詳細を示す。出力領域において振動ノード３は、約１．５ｍｍ３／４Ｌの位置から入力側端面の方向へシフトしている。図１７は、入力領域２の詳細を示す。入力領域において振動ノードは、１／４Ｌの位置から０．５ｍｍだけ入力側端面２５の方向にシフトしている。従って、出力領域３の振動ノードは、入力領域２の振動ノードよりも大きなシフトを受ける。

１ 圧電トランスデューサ
２ 入力領域
３ 出力領域
４ 電極
５ 圧電材料
６ 第１側面
７ 第２側面
８ 第１外側電極
９ 圧電材料
１０ 出力側端面
１１ 大気圧プラズマ生成装置
１２ アイソレーション
１３ 第１コンタクト要素
１４ 第２コンタクト要素
１５ 電線
１６ ブロック
１７ ホルダ
１８ 第１半皿
１９ 第２半皿
２０ 第３側面
２１ 第４側面
２２ 第１支持要素
２３ 第２支持要素
２５ 入力側端面
ｘ 積層方向
ｙ ｙ方向
ｚ 長手方向
Ｌ 長さ

Claims (15)

1. 大気圧プラズマを生成するための装置であって、
   ‐ 圧電トランスデューサと、
   ‐ 第１支持要素と、を備え、
   前記圧電トランスデューサが並列共振周波数よりも小さい動作周波数で動作し、かつ前記圧電トランスデューサが非熱的な大気圧プラズマを生成するために使用される場合に振動ノードが形成される位置において、前記圧電トランスデューサが前記第１支持要素に載置される、
   装置。
2. 動作周波数と並列共振周波数との偏差が１０ｋＨｚと０．１ｋＨｚとの間にある、
   請求項１記載の装置。
3. 並列共振周波数は、前記圧電トランスデューサが周波数を有する交流電圧を印加され、かつ前記圧電トランスデューサがプラズマを生成しない場合に、圧電トランスデューサのインピーダンスが最大になる周波数として定義される、
   請求項１又は２記載の装置。
4. 前記圧電トランスデューサは、入力領域及び出力領域を備え、
   前記入力領域は、前記出力領域の反対側にある前記圧電トランスデューサの入力側端面を備え、
   前記出力領域は、前記入力領域の反対側にある出力側端面を備え、
   長さＬは、前記入力側端面から出力側端面までの距離を示し、
   前記圧電トランスデューサが前記第１支持要素に載置される位置の前記入力側端面までの距離は、１／４Ｌ−５．０ｍｍと１／４Ｌ−０．０５ｍｍとの間の領域内にある、
   請求項１乃至３いずれか1項記載の装置。
5. 前記装置は、コンタクト要素を備え、前記コンタクト要素は前記圧電トランスデューサに取り付けられ、前記入力領域に交流電圧を印加されるように構成されており、
   前記入力側端面までの距離が、前記第１支持要素が配置されている位置の距離と一致する前記入力領域の位置に、前記コンタクト要素が取り付けられている、
   請求項４記載の装置。
6. 入力領域は、印加される交流電圧を機械的振動に変換するように構成されており、
   出力領域は、機械的振動を電気的電圧に変換するように構成されている、
   請求項４又は５記載の装置。
7. 前記装置は、前記圧電トランスデューサが載置された第２支持要素をさらに備え、
   前記圧電トランスデューサが動作周波数で動作し、前記圧電トランスデューサが非熱的大気圧プラズマの生成のために使用される場合に振動ノードを形成する位置で、前記圧電トランスデューサが前記第２支持要素に載置される、
   請求項１乃至６のいずれか１項記載の装置。
8. 前記圧電トランスデューサが前記第２支持要素に載置される位置の入力側端面までの距離は、３／４Ｌ−５．０ｍｍと、３／４Ｌ−０．０５ｍｍとの間の領域内にある、
   請求項７記載の装置。
9. 前記圧電トランスデューサが前記第１支持要素に載置される位置の前記入力側端面までの距離は、３／４−Ａであり、
   前記圧電トランスデューサが前記第２支持要素に載置される位置の前記入力側端面までの距離は、３／４−Ｂであり、
   Ｂ＞Ａである、
   請求項８記載の装置。
10. 前記第１支持要素は、前記圧電トランスデューサの収縮及び膨張の際に、弾性的に変形するように形成されている、
    請求項１乃至９いずれか１項記載の装置。
11. 前記第１支持要素は、ポリブチレンテレフタレート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアミド、又はガラスファイバー部分を含むポリアミドから選択された材料を含有する、
    請求項１乃至１０いずれか１項記載の装置。
12. 前記第１支持要素が前記圧電トランスデューサの方向に向けてＶ字状に尖った形状を有し、前記圧電トランスデューサに略線形状に当接する、
    請求項１乃至１１いずれか１項記載の装置。
13. 前記圧電トランスデューサは、出力側端面において非熱的大気圧プラズマを生成するために構成されている、
    請求項１乃至１２いずれか１項記載の装置。
14. 請求項１乃至１３いずれか１項記載の装置とハウジングとを備えるプラズマ生成器であって、
    前記ハウジング内に前記装置が配置されている、
    プラズマ生成器。
15. 前記圧電トランスデューサを制御するための制御回路が前記ハウジング内に配置されている、
    請求項１４記載のプラズマ生成器。

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