JP2019505098A - 圧電トランスの製造方法および圧電トランス - Google Patents

Abstract

本発明は、圧電トランスの製造方法および圧電トランス（１）に関する。前記方法は、ａ）電極（４）および第一圧電材料（５）が交互に積層された入力領域（２）と、第二圧電材料（９）を有する出力領域（３）と、を含む基体を製造し、ｂ）第一圧電材料（５）を分極し、ｃ）取り外し可能な接点を基体の入力領域（２）から離れた出力側端面（１０）に接続し、かつ、第一電位を取り外し可能な接点に印加し、第二圧電材料（９）の分極に用いるステップを含み、ここで、ステップｂ）およびｃ）は任意の順序で実行してもよい。別の一態様では、本発明は圧電トランス（１）に関する。【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電トランスの製造方法および圧電トランスに関する。

圧電トランスは、特に、非熱大気圧プラズマを発生させる装置において用いることができる。

公知であるように、圧電トランス、特にローゼン型トランスは、非熱大気圧プラズマを発生させるために用いられている。ただし、生産プロセスにおいて、看過できない困難が存在する。通常、圧電トランスの出力領域は、電位を出力側端面の金属メッキ層に印加することで、圧電材料の分極を行う。

しかし、圧電トランスの縦方向範囲が、それに垂直な空間方向の範囲より明らかに大きい場合、金属メッキ層の利用には、製造および技術上の困難が存在する。通常、圧電素子の寸法の違いを考慮すると、金属メッキ層に係る手順を完了するには二、つの機器が必要である。また、前端をアセンブリの他の側表面とは別に処理するために、アセンブリを固定しなければならない。かつ、トランスの寸法が原因で、固定しようとしても簡単にはできない。

出力側端面において金属メッキ層を使用すると、さらに、圧電トランスを使用してプラズマを発生させる時、温度変化およびプラズマ発生プロセスでの化学反応によって、出力側端面がかなり大きな応力を受けるという欠点が存在する。出力側端面上に堆積される金属メッキ層は、これらの応力によって破損される可能性があり、そのため、圧電トランスが破損され得る。

したがって、本発明の目的は、上記欠点を克服することができる改良した圧電トランスの製造方法を提供することである。本発明の他の目的は、改良した圧電トランスを提供することである。

前記目的は、請求項１に記載の方法によって達成できる。かつ、他の目的は、第二の独立請求項によって達成できる。

本出願は、圧電トランスの製造方法を提供する。前記方法は、
ａ）電極および第一圧電材料が交互に積層された入力領域と、第二圧電材料を有する出力領域とを含む基体を製造し、
ｂ）前記第一圧電材料を分極し、
ｃ）取り外し可能な接点を前記基体の入力領域から離れた出力側端面に接続し、かつ、第一電位を前記取り外し可能な接点に印加し、前記第二圧電材料の分極に用いるステップを含む。ここで、ステップｂ）およびｃ）は任意の順序で実行してもよい。

ステップｃ）で取り外し可能な接点を使用することで、出力側端面の金属メッキ層を不要とすることができる。例えばフレキシブル接触部材として圧着可能な、または一時的に付加される付加層として取り外し可能な接点を使用すれば、出力側端部においてそれに永続的に保留される金属メッキ層を使用することと比較して、製造技術面での消費は、明らかに少ない。したがって、ステップｃ）は、特に簡単な生産プロセスを生成できる。

また、出力側端面に、金属メッキ層を設置しない方式で、圧電トランスを製造してもよい。それによって、圧電トランスが作動プロセスにおいてプラズマを発生させる期間中、出力側端面は、温度変化または化学反応による損傷を受けにくい。したがって、該方法は、プラズマ発生期間中の温度変化、または化学反応による損傷の影響を受けにくいため、耐用年数が非常に長い圧電トランスを生産できる。

出力側端面は、矩形であってもよく、例えば、出力側端面の辺長は、３ｍｍおよび６ｍｍであってもよい。また、圧電トランスの縦方向長さは、７０ｍｍであってもよい。

入力領域は、二つの外部電極を備えてもよく、入力領域の電極は、それぞれ外部電極のうちの一つと接続される。第二圧電材料を分極するために、第二電位は、二つの外部電極に接続し、入力領域の電極と取り外し可能な接点の間に電圧を印加するようにしてもよい。該電圧によって第二圧電材料を分極できる。したがって、第二圧電材料の分極について、いかなる素子も圧電トランスに接続する必要がなく、これらの素子は圧電トランス上に保留され、かつトランスの作動プロセスにおいて機能しない。

ステップｃ）を完了した後、取り外し可能な接点を取り外すことができる。

端面の逆方向に接触部材を押圧することで、取り外し可能な接点を取り付ける。押圧によって接触部材を出力側端面の形状に適合させ、かつそれに密着させることができる。これによって電位を接触部材から出力側端面に効率的に伝達することができる。

取り外し可能な接点は、フレキシブル金属構造を備えてもよい。例えば、金属構造は、金属グリッドであってもよい。接点が出力側端面に押し当てられた時、金属構造は変形し、それによって出力側端面の形状を形成する。したがって、金属は、その耐温性のため非常に適切であり、かつ、第二圧電材料を分極する時の熱はフレキシブル金属構造を損傷することがない。

取り外し可能な接点は、導電性ポリマーおよび／または導電性粒子充填ゴムを含有する層を含んでもよい。ゴムは、シリコーン樹脂であってもよい。前記層は、フレキシブル金属構造と組み合わせて接点を形成することができる。

また、取り外し可能な接点の出力側端面に導電性層を一時的に付加し、かつ前記第二圧電材料を分極した後にそれを除去するようにしてもよい。出力側端部において永続的に保留される金属メッキ層を使用することと比較して、一時的層を製造するための消費は明らかに少ない。

該方法は、さらにステップｄ）を含んでもよい。ステップｄ）では、圧電トランスのインピーダンスおよび／または容量を測定でき、該ステップでは、取り外し可能な接点を介して第三電位を出力側端面に印加する。外部電極を介して第四電位を入力領域の電極に印加できる。ステップｄ）の個別のサブステップでは、入力領域および出力領域の容量および／またはインピーダンスを特定できる。該ステップでは、前に実施された分極の十分な完了を確保するよう、品質制御を行うことができる。

本発明の別の態様は、圧電トランスに関する。前記圧電トランスは、特に上記製造方法によって製造できる。前記圧電トランスは、電極および第一圧電材料が交互に積層された入力領域と、第二圧電材料を有する出力領域とを含む基体を含む。前記基体は、入力領域から離れかつ金属メッキ層がない出力側端面を含む。

圧電トランスは、特に、非熱大気圧プラズマの発生に用いることができる。出力側端面の金属メッキ層は、トランス内の作用電極として用いることができ、それは高電圧を発生させるという役割を果たし、前記高電圧は、後続の回路にそれぞれ接続され、作用電極として使用される。逆に、プラズマは、媒体を介して放電の発生を阻止することもでき、ここで、出力側端面に十分に高い電位を発生させる。したがって、プラズマの発生には、出力側端面の金属メッキ層を不要とすることができる。

前述したように、第二圧電材料の分極には、出力側端面の金属メッキ層を必要としない。

出力側端面の金属メッキ層を省略すれば、出力側端面は、プラズマ発生期間中の温度変動または化学反応による損傷を受けにくくなる。

出力側端面の表面は、第二圧電材料で製造してもよい。このようなセラミック材料は、熱および化学侵食に耐えられる。

本発明の別の態様によれば、本発明は、非熱大気圧プラズマを発生させるための装置に関し、該装置は、圧電トランスを含む。前記圧電トランスは、上記トランスである。

以下に図面を参照しながら本発明をより詳細に説明する。

圧電トランスの斜視図である。 圧電トランスを製造する方法のシーケンス図である。 第一実施例の接触部材である。 第二実施例の接触部材である。

図１は、斜視図における圧電トランス１を示す。圧電トランス１は、特に非熱大気圧プラズマを発生させる装置において用いることができる。

圧電トランス１は、圧電性に基づく共振トランスであり、従来の磁気トランスと異なり、電気機械系である。例えば、圧電トランス１は、ローゼン型トランスであってもよい。

圧電トランス１は、入力領域２および出力領域３を有し、そのうち、出力領域３は、縦方向ｚにおいて入力領域２に隣接する。入力領域２において、圧電トランス１の電極４は、交流電圧を印加できる。電極４は、圧電トランス１の縦方向ｚへ延在する。電極４は、積層方向ｘにおいて第一圧電材料５と交互に積層され、積層方向ｘは、縦方向ｚに垂直である。第一圧電材料５は、積層方向ｘにおいて分極される。

電極４は、圧電トランス１の内部に取り付けられ、内部電極とも呼ばれる。圧電トランス１は、第一側面６および第一側面６に対向する第二側面７を有する。第一側面６に、第一外部電極８が配置される。第二側面７に、第二外部電極（図示せず）が配置される。内部電極４は、積層方向ｘにおいて第一外部電極８または第二外部電極と交互に電気的に接触する。

また、圧電トランス１は、互いに対向する第三側面１１と第四側面１２を有し、第三側面１１および第四側面１２は、第一側面６および第二側面７に垂直である。第三および第四側面１１、１２の表面法線は、いずれも積層方向ｘを指している。

低い交流電圧で入力領域２を駆動でき、前記交流電圧は、電極４に印加される。圧電効果により、入力側に印加される交流電圧は、まず、機械的振動に変換される。機械的振動の周波数は、基本的に圧電トランス１の幾何学的形状および機械的構造に依存している。

出力領域３は、第二圧電材料９を有し、かつ内部電極を有していない。出力領域における第二圧電材料９は、縦方向ｚにおいて分極される。出力領域３の第二圧電材料９は、入力領域２の第一圧電材料５と同じ材料であってもよく、かつ二つの圧電材料５および９の分極方向は、異なってもよい。好適な実施例では、出力領域３における第二圧電材料９は、単一のシート状層として形成され、縦方向ｚにおいて完全に分極される。この場合、出力領域３における圧電材料９は一つのみの分極方向を有する。

あるいは、出力領域３における第二圧電材料９は、少数の層を形成する可能性があり、それは互いに反対方向に沿って分極され、ここで、層は、正の縦方向ｚまたは負の縦方向−ｚにおいて分極される。

入力領域２における電極４に交流電圧を印加すると、圧電材料５、９内で機械軸が形成され、出力領域３において出力電圧が発生する。電圧の変換は、入力領域２および出力領域３における圧電材料層５、９の厚さによって決定される。

出力領域３は、出力側端面１０を有する。したがって、出力領域３において発生する電圧は、端面１０と入力領域２の電極４の端部との間に位置する。出力側端面１０に、非常に高い電位が発生し得る。これによって、出力側端面１０と圧電トランスの環境の間に高い電位差が発生し、プロセスガスをイオン化する十分な強電界が発生する。

このような方式で、圧電トランス１は、電気的励起によってガスまたは液体をイオン化可能な高電界を発生させる。これによって、誘電体バリア放電が発生する。この場合、各ガスまたは液体の原子または分子はイオン化されてプラズマを形成する。圧電トランス１の表面の電界強度が、プラズマの点火電界強度を超えた時、イオン化が発生する。原子または分子をイオン化するために必要な電界強度は、プラズマの点火電界強度と呼ばれる。

図１に示す座標系において、方向ｙが示され、それは積層方向ｘに垂直で、かつ縦方向ｚに垂直である。

以下に、図１に示す圧電トランスの製造方法を説明し、かつ入力領域における第一圧電材料の分極、および出力領域における第二圧電材料の分極を具体的に説明する。

図２は、前記製造方法の模式図を示す。

最初の製造ステップａ）で、入力領域２および出力領域３を有する圧電トランス１の基体を製造する。図１に示すように、入力領域２は電極４および第一圧電材料５を有し、ここで、積層方向ｘにおいて、電極４と第一圧電材料５をそれぞれ交互に積層する。出力領域３は、第二圧電材料９を有する。ステップａ）を完了した後、入力領域２における第一圧電材料５と出力領域３における第二圧電材料９とがいずれも非分極である。

製造プロセスのステップｂ）、ｃ）で、圧電材料５、９は、入力領域２および出力領域３において分極される。入力領域２の分極および出力領域３の分極は、二つの個別のステップｂ）、ｃ）で発生し、この二つのステップｂ）、ｃ）は任意の順序で実行してもよい。

まず、前記方法のステップｂ）での入力領域２の分極を説明する。第一外部電極８に電位を印加し、したがって、第一外部電極８に接続された電極４にも印加する。それと異なる電位を、第二外部電極にも印加し、したがって、第二外部電極に接続された電極４にも印加する。これによって、入力領域２において交互に積層された電極４の間に電圧が印加される。前記電圧の印加によって、第一圧電材料５が入力領域２において分極される。

次に、前記方法のステップｃ）を説明する。ここで、第二圧電材料９が、出力領域３において分極される。出力領域３における第二圧電材料９の分極について、基体の出力側端面１０と入力領域２の電極４の端部との間に電圧を印加する。第一電位を、基体の出力側端面１０に印加する。該第一電位は、取り外し可能な接点を介して、基体の出力側端面１０に印加する。

例えば、取り外し可能な接点は、接触部材１３であってもよく、装置によってトランス１の出力側端面１０に圧着される。接触部材１３は、フレキシブルかつ平坦に設計することが好ましい。これによって、接触部材１３は、出力側端面１０の形状に適合し、かつそれと同一平面上に位置することが可能になる。

図３および４は、接触部材１３の異なる実施例を示す。例えば、接触部材１３は、図３に示すように、フレキシブル金属グリッド１４であってもよい。接触部材１３は、導電性ポリマーを有する層１５であってもよい。例えば、層１５は円盤状であってもよい。

層１５は、導電性ポリマーに加えて、または導電性ポリマーの代わりに、導電性粒子充填ゴム、または導電性粒子充填シリコーンを含んでもよい。

図３および図４に示す接触部材１３は商業標準を満たす市販品であり、例えばＥＭＣシールド（ＥＭＣ＝電磁適合性）に用いられている。

取り外し可能な接点は、第二圧電材料９の分極による熱によって損傷されないように、耐温性を有するべきである。

第二電位を入力領域２の電極４に印加する。第一および第二外部電極８は、短絡可能である。特に、第二電位を第一外部電極８に印加してもよく、第二外部電極に印加してもよい。それに応じて、同じ電位が入力領域２の全ての電極４に印加される。ここで、取り外し可能な接点を介して第一電位を印加した出力側端面１０と入力領域２の電極４との間に、電圧が形成される。該電圧によって、第二圧電材料９が分極される。

分極ステップｃ）が終了したら、取り外し可能な接点を出力側端面１０から取り外す。接点がフレキシブル接触部材１３であり、装置によって端面１０に圧着されている場合、接触圧力を軽く緩めることで、接触部材１３を端面１０から解放することができる。

代替的な実施例では、出力側端面１０における取り外し可能な接点は、一時的層で代替できる。そのために、一時的キャップを使用してもよく、ここで、出力領域３を有する圧電トランス１を液体浴に浸漬し、該液体浴は、出力側端面１０において導電層を生成する。導電層は、例えば導電性ポリマーおよび／または導電性粒子を充填されたゴムを含んでもよい。ステップｃ）で、第一電位を該導電層に印加できる。第二圧電材料９が分極されたら、圧電トランス１から導電性キャップを取り外すことができる。例えば、スクレーパでキャップを取り外すことができる。

ステップｂ）およびｃ）を完了した後、もう一つのステップｄ）を実行してもよく、これによって、製造対象の圧電トランス１の品質を制御できる。ステップｄ）では、出力領域３の容量および／またはインピーダンス、ならびに入力領域２の容量および／またはインピーダンスを測定できる。

出力領域３の容量および／またはインピーダンスを測定するために、第三電位が取り外し可能な接点を介して出力側端面１０に印加される。第四電位を入力領域２の二つの外部電極８に印加し、それによって、入力領域２の全ての電極４は、同じ電位になる。再び出力側端面１０と入力領域２の電極４の間に電圧が形成される。続いて、入力領域２の容量および／またはインピーダンスを測定できる。これらの数値の測定によって、第二圧電材料５が十分に分極されているか否かを検出することができる。

また、ステップｄ）では、第一外部電極８および第二外部電極に電位を印加することによって、入力領域２における第一圧電材料９の分極状況を試験することができる。

ステップｄ）で使用される取り外し可能な接点は、ステップｃ）で使用される取り外し可能な接点であってもよい。

本明細書に記載したように、製造プロセスで出力側端面１０に電位を印加できるが、出力側端面１０において金属メッキ層を使用する必要がない。取り外し可能な接点を使用し、かつ該プロセスを完了する前にそれをトランス１から取り外すことができる。したがって、出力側端面１０は、金属メッキ層を使用しなくてもよく、かつ第二圧電材料９で製造されてもよい。

１ 圧電トランス
２ 入力領域
３ 出力領域
４ 電極
５ 圧電材料
６ 第一側面
７ 第二側面
８ 第一外部電極
９ 圧電材料
１０ 出力側端面
１１ 第三側面
１２ 第四側面
１３ 接触部材
１４ 金属グリッド
１５ 層
ｘ 積層方向
ｙ ｙ方向
ｚ 縦方向

Claims (13)

1. ａ）電極（４）および第一圧電材料（５）が交互に積層された入力領域（２）と、第二圧電材料（９）を有する出力領域（３）とを含む基体を製造し、
   ｂ）前記第一圧電材料（５）を分極し、
   ｃ）取り外し可能な接点を前記基体の入力領域（２）から離れた出力側端面（１０）に接続し、かつ第一電位を前記取り外し可能な接点に印加し、前記第二圧電材料（９）の分極に用いるステップを含み、
   ステップｂ）およびｃ）は、任意の順序で実行してもよい圧電トランスの製造方法。
2. 前記入力領域（２）は 二つの外部電極（８）を有し、前記入力領域（２）における前記電極（４）は それぞれ前記二つの外部電極（８）のうちの一つと接続され、かつ
   前記第二圧電材料（９）を分極するために、第二電位を 前記二つの外部電極（８）に接続し、それによって前記入力領域（２）の前記電極（４）と 前記出力側端面（１０）との間に電圧を印加する請求項１に記載の圧電トランスの製造方法。
3. ステップｃ）が終了した後に、取り外し可能な接点を取り外す請求項１又は２に記載の圧電トランスの製造方法。
4. 接触部材（１３）を端面（１０）に圧着することで、取り外し可能な接点を取り付ける請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧電トランスの製造方法。
5. 前記取り外し可能な接点は、フレキシブル金属構造（１４）を有する請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧電トランスの製造方法。
6. 前記取り外し可能な接点は、層（１５）を有し、それは導電性ポリマーおよび／または導電性粒子を充填されたゴムを含む請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧電トランスの製造方法。
7. 前記取り外し可能な接点の出力側端面（１０）に導電性層を一時的に付加し、かつ前記第二圧電材料（９）を分極した後にそれを除去する請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧電トランスの製造方法。
8. さらに、ｄ）圧電トランス（１）のインピーダンスおよび／または容量を測定するステップを含み、該ステップで、前記取り外し可能な接点を介して第三電位を前記出力側端面（１０）に印加する請求項１〜７のいずれか一項に記載の圧電トランスの製造方法。
9. 前記圧電トランスは、非熱大気圧プラズマを発生させるためのトランスである請求項１〜８のいずれか一項に記載の圧電トランスの製造方法。
10. 電極（４）および第一圧電材料（５）が交互に積層された入力領域（２）と、第二圧電材料（９）を有する出力領域（３）とを含む基体を含む圧電トランス（１）であって、前記基体は、入力領域（２）から離れかつ金属メッキ層がない出力側端面（１０）を含む圧電トランス（１）。
11. 前記出力側端面（１０）の表面は、前記第二圧電材料（９）で構成される請求項１０に記載の圧電トランス（１）。
12. 前記圧電トランス（１）は、非熱大気圧プラズマを発生させるためのトランスである請求項１０又は１１に記載の圧電トランス（１）。
13. 請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の圧電トランス（１）を含む非熱大気圧プラズマ発生装置。

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