JP2020170703A - 圧電トランス - Google Patents

Abstract

【課題】圧電トランスの出力領域における鋭いエッジでの電圧ピークの発生を防止する。【解決手段】圧電トランス１は、１つの入力領域４および１つの出力領域５を有する１つの円柱状の基体２を備え、当該基体２の円柱軸３は長手方向に延在しており、当該入力領域４は、印加された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、当該出力領域５は、機械的振動を電圧に変換するように構成されている。上記出力領域５は、１つの単一の圧電層１２を備え、当該圧電層１２は上記長手方向に分極されている。上記入力領域４には、１つの第１の圧電層と１つの第２の圧電層とが重なって巻回されており、当該第１の圧電層上には１つの第１の内部電極が配設されており、そして当該第２の圧電層上には１つの第２の内部電極が配設されており、当該第１の圧電層および当該第２の圧電層はそれぞれ、上記長手方向に対して垂直な径方向に分極されている。【選択図】図１

Description

本発明は圧電トランスに関する。この圧電トランスは、プラズマの発生、具体的には非熱大気圧プラズマの発生に使用することができる。

圧電トランスは、共振トランスの１つの構造形態であり、これは圧電現象に基づいたものであり、従来の磁気トランスとは対照的に、１つの電気機械システムとなっているものである。

矩形の断面を備える圧電トランスが知られている。図４は、従来技術で公知のこのような圧電トランス１を示す。この圧電トランス１は、１つの入力領域４および１つの出力領域５を備える。この入力領域４において、この圧電トランス１は、電極（複数）７，８を備える。これらの電極には１つの交流電圧が印加されてよい。この入力領域４において、圧電効果の結果、この交流電圧が機械的振動に変換され、この機械的振動は今度は出力領域５において高電圧に変換される。

非特許文献１には、圧電トランス１をプラズマの点火用に用いることができることが開示されている。ここにはプラズマの点火が、側面の長手方向エッジ（複数）１５でも、また出力側の端面のエッジ（複数）１３でも起こることが記載されている。

図４には、上記の入力領域４側でない、出力側の端面１３でのプラズマの点火部１６、および側面エッジ１５でのさらなるプラズマの点火部１７が示されている。電位は出力領域５の表面に沿って均等には分布しておらず、むしろこの出力側の端面１３から数ミリメートル離れた１つの極大部を備えている。このため具体的にはエッジ１５の沿って配設されたプラズマ点火部（複数）１７が生じ、そしてこれらのプラズマ点火部は、端面１３から数ミリメートル離れている。

しかしながら上記の非特許文献１には、上記の側面エッジ１５での点火部１７は、フィードバックをもたらし、このフィードバックでは大きな機械的応力が出力領域５における圧電材料に生成され、この機械的応力は、この圧電トランス１の動作において亀裂をもたらし得る。これによってこの圧電トランス１の寿命が低減される。

さらに棒形状の圧電トランスも知られている。これらはたとえば特許文献１および特許文献２に記載されている。これらのトランスは、手間のかかる構造を備えている。これらの特許文献は１つの管状のトランスを記載し、このトランスはその入力領域に２つの電極を備え、これらの電極間に高電圧が生成される。さらに出力領域は複数の領域を備え、これらの領域は互いに反対方向に分極されている。さらに、入力領域は２つの領域に分割されてよく、これらの領域は互いに反対向きに駆動される。

国際公開第２００７／００６２９８Ａ２号パンフレット 欧州特許第１０６２７０２Ｂ１号明細書

Ito et al., "Discharge plasmas generated by piezoelectric transformers and their applications", Plasma Sources Sci. Technol. 15 (2006)

本発明の課題は、１つの改善された圧電トランスを提示することであり、この圧電トランスは、具体的にはその出力領域における鋭いエッジでの電圧ピークの発生を防止する。

これらの課題は請求項１に記載の圧電トランスによって解決される。

１つの圧電トランスが提示され、この圧電トランスは、１つの入力領域および１つの出力領域を有する１つの円柱状の基体を備え、ここでこの基体の円柱軸は長手方向に延在している。この入力領域は、印加された交流電圧を機械的振動に変換するように構成されている。この出力領域は、機械的振動を電圧に変換するように構成されている。この出力領域は、１つの単一の圧電層を備え、この圧電層は上記の長手方向に分極されている。上記の入力領域には、１つの第１の圧電層と１つの第２の圧電層とが重なって巻回されており、この第１の圧電層上には１つの第１の内部電極が配設されており、そしてこの第２の圧電層上には１つの第２の内部電極が配設されている。
この第１の圧電層およびこの第２の圧電層はそれぞれ、上記の長手方向に対して垂直な径方向に分極されている。

上記の基体の円柱状の形状によって、鋭いエッジの無いように成形されたものが提供される。このようにして鋭いエッジでの電界ピークの発生を避けることができる。これに対応して、プラズマの制御されない点火またはこのプラズマ点火の場所が端面から望ましくない移動を起こす等の、この電界ピークに依存する問題を避けることができる。上記の円柱形状の基体は、ある程度コストのかかる製造方法を必要とするが、しかしながらこの場合には従来の矩形形状の基本的な欠点が克服され、こうして全体としてこの円柱状の基体の利点が上回ることになる。

上記の入力領域と上記の出力領域との間には、絶縁層は全く設けられていない。むしろ上記の入力領域の第１および第２の圧電層は、直接上記の出力領域の圧電層に接触している。このようにして上記の入力領域に励起された機械的振動が減衰されずに上記の出力領域に伝達され、そしてエネルギーは全く損失されないことを確実にすることができる。

本発明による圧電トランスは、１つの駆動回路と接続されていてよく、この駆動回路は、上記の入力領域に交流電圧を印加するように構成されている。ここでこの交流電圧の周波数は、この圧電トランスがその共振周波数を用いて、あるいはその共振周波数の高調波を用いて駆動されるように設定することができる。上記の出力領域は、１つの単一の圧電層を備え、この圧電層は全体に渡って１つの単一の分極方向に分極することができる。この出力領域の圧電層の分極方向は、上記の長手方向である。こうしてこの出力領域の圧電層全体は、１つの単一の方向に分極することができる。この方向は、上記の円柱軸が延在している上記の長手方向である。上記の出力領域は、特にこの方向に反対側の向きの方向に分極されている部分領域を含まない。こうしてこの圧電トランスの簡単な構造がもたらされる。

上記の出力領域は、特に対電極を含まないようにすることができる。これに対応して、プラズマはこの圧電トランスの出力領域と周囲との間で点火することができる。

上記の第１の内部電極および上記の第２の内部電極は、上記の入力領域において、巻貝状に巻回することができる。これに対応して、上記の長手方向に対して垂直な方向においては、この第１の内部電極とこの第２の内部電極とは交互に重ねて積層することができる。これによってこの入力領域は、この径方向で機械的振動を引き起こすように構成されている。この入力領域は、３１モードで振動を引き起こすことができる。

この巻回された構造は、製造技術的には簡単に実現することができる。具体的には、この構造は、電極ペーストを用いて印刷された２つのシートによって、容易に製造することができ、そしてコストのかかるパターニングを全く必要としない。

本発明による圧電トランスは、ほぼ回転対称とすることができる。この回転対称のおかげで、長手方向に延在している外面に沿った制御されないプラズマ放電が生じないようにされる。

上記の出力領域は、上記の入力領域から離れた方のこの出力領域の端面と、このトランスの周囲との間に高電圧を生成するように構成されている。これに対応してこの出力領域には、全く対電極が設けられていなくともよい。この圧電トランスによってその出力領域に生成された電圧は、対電極無しにこのトランスの周囲に対する電位差のみでプロセスガスをイオン化するのにむしろ充分な位である。以上により、対電極を省略することができ、この圧電トランスは省スペースの構造とすることができる。

上記の出力領域は、長手方向において上記の入力領域と直接繋げることができる。具体的には、上記の圧電トランスには、出力領域と入力領域とを分離する絶縁層が無くともよい。これに応じてこの出力領域には、電極を全く必要としない。

具体的にはこの出力領域の圧電層は、上記の入力領域の第１の圧電層および第２の圧電層に直接繋げることができる。ここでこの出力領域の圧電層は、上記の入力領域のこれらの圧電層に対して長手方向で隣接していてよい。

上記の入力領域の第１の圧電層および上記の入力領域の第２の圧電層は、互いに反対方向に分極されており、ここでこの第１の圧電層の分極方向も、またこの第２の圧電層の分極方向も、上記の長手方向に対して垂直な径方向である。このようにしてこれらの層の巻回によって入力領域が構築され、この入力領域は、径方向での振動を励起することができる。ここで径方向とは、上記の円柱軸に対して垂直であるか、あるいはこの円柱軸から垂直に離れる方向を意味している。

上記の基体は、１つの中空円筒または中身の詰まった１つの円柱形状を備えてよい。中身の詰まった円柱形状の利点は、この基体の総体積を圧電活性な層として使用することができることである。中空円筒状の基体の利点は、１つの心棒に層（複数）を巻き付けることができるという極めて簡単な製造方法であるということである。

上記の入力領域の層（複数）は、上記の第１の内部電極がこの入力領域の外面で部分的に露出され、そして上記の第２の内部電極がこの入力領域の外面で部分的に露出されるように巻回することができる。ここでこれらの露出された領域はそれぞれ、この入力領域の外部電極となるように厚膜化することができる。これに適合してこの圧電トランスは、これらの露出された領域でこれらの内部電極に接続することができる。

本願に説明されている、上記の２つの内部電極の領域が圧電トランスの外面上で露出されている構成体は、上記の第１の圧電層および上記の第２の圧電層が、それぞれ巻回される１つのシートから形成され、この際これらのシートのその長さが異なることで実現することができる。

上記の第１の内部電極は、上記の入力領域の外面で露出され、そしてその厚さが厚膜化されている１つの領域を備えることができる。上記の第２の内部電極は、上記の入力領域の外面で露出され、そしてその厚さが厚膜化されている１つの領域を備えることができる。これらの領域は、この圧電トランスの外部電極（複数）として用いることができる。これらの第１および第２の内部電極のそれぞれの領域の厚膜化によって、充分なはんだ付け作業性を保証することができる。さらにこれらの厚膜化された、外面で露出された領域は、この厚膜化のおかげで摩耗による損傷に対してそれほど弱くはない。

上記の圧電トランスは、具体的にはローゼン型のトランスであってよい。

本発明のもう１つの態様は、上述の圧電トランスを備えるプラズマ発生用の１つの装置に関する。ここでたとえばこの圧電トランスに沿ってプロセスガスが導入され、そしてこのトランスの出力領域で生成される高電圧によってイオン化される。この装置は、特に非熱大気圧プラズマの生成用に設計されている。

以下では、図を参照して、本発明を詳細に説明する。

１つの圧電トランス１を斜視図で示す。 １つの中空円筒のトランスの断面を示す。 １つの第２の実施形態例による、１つの圧電トランスの断面を示す。 従来技術で公知の１つの圧電トランスを示す。

図１は、１つの圧電トランス１を斜視図で示す。この圧電トランス１は１つの円柱形状の基体２を備える。ここでこの基体２は、長手方向Ｌに延在しており、円柱軸３はこの長手方向に配設されている。

この基体２は、１つの入力領域４および１つの出力領域５を備える。この出力領域５は、長手方向Ｌで直接この入力領域４に接続している。具体的には、この入力領域４とこの出力領域５との間には、他の絶縁層は全く設けられていない。

圧電トランス１は、その入力領域４に印加される交流電圧を、出力領域５に印加される電圧に変換するように構成されている。ここでこの入力領域４には、たとえば２５Ｖ未満の低電圧が印加され、この低電圧は、出力領域５に印加される高電圧に変換される。

この入力領域４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いる。次にこの機械的振動は出力領域５に伝播する。この出力領域５は、機械的振動を電圧に変換するように構成されており、ここでこの電圧は高電圧であり得る。

入力領域４は、１つの第１の圧電層６を備え、この圧電層上に、１つの第１の内部電極７が配設されている。さらにこの入力領域４は、１つの第２の圧電層８を備え、この第２の圧電層上に、１つの第２の内部電極９が配設されている。これら２つの圧電層６，８は、巻貝形状に巻回されており、こうして円柱軸３から外側に向かう径方向Ｒにおいて、上記の第１の内部電極７と上記の第２の内部電極９とが重なって配設されている。

上記の第１の圧電層６および上記の第２の圧電層８は、それぞれ径方向Ｒにおいて分極されており、ここでこの第１の圧電層６の分極方向は、上記の第２の圧電層８に対して反対向きとなっている。これに対応してこれらの圧電層の１つの分極方向は、円柱軸３に向かっており、そして別の圧電層の分極方向は、この円柱軸から離れる向きとなっている。

ここでこの第１の内部電極７とこの第２の内部電極９との間に交流電圧が印加されると、これよりこれらの圧電層６，８に径方向Ｒにおいて長さ変化が励起される。この長さ変化は、機械的な波として長手方向Ｌに伝播し、そしてこうして出力領域５に到達する。

第１の圧電層６および第２の圧電層８は、入力領域４の外面上の第１の電極７の領域１０が露出されるように、この入力領域４に対して巻回されている。この内部電極７の領域１０は、この第１の内部電極７の他の領域より大きな厚さとなるように厚膜化されている。この第１の内部電極７の厚膜化された領域１０は、第１の外部電極を形成しており、この第１の外部電極を用いて、この第１の内部電極を電気的に接続することができる。この第１の内部電極７の領域１０は、ここに他の接続部材をはんだ付けすることができるように構成されており、この接続部材を介してこの圧電トランス１は駆動回路と接続することができる。

さらに第２の内部電極９の１つの領域１１は、入力領域４の外面上に配設されている。この第２の内部電極９の領域１１もその厚さが厚膜化されており、そして第２の外部電極を形成し、この第２の外部電極を用いて第２の内部電極９を電気的に接続することができる。具体的には、この第２の内部電極９の領域１１は、同様にここに他の接続部材をはんだ付けすることができるように構成されており、この接続部材を介してこの圧電トランス１は駆動回路と接続することができる。

図１には、上記の領域１０，１１によって形成される外部電極（複数）が、それぞれ入力領域４の半周に渡って延在していることが示されている。これらの外部電極の接続は、クランプ、はんだ付けまたは他の技術を用いて行うことができる。

出力領域５は、１つの単一の圧電層１２を備え、この圧電層は全体に渡って１つの単一の分極方向に全体が分極されている。この出力領域５の圧電層１２は、長手方向Ｌにおいて分極されている。これに対応してこの出力領域５は、この長手方向Ｌにおける機械的振動を電圧に変換するように構成されている。

ここで入力領域４に機械的な波が励起されると、この波は出力領域５に伝播し、これにより圧電効果の結果、この出力領域５の圧電層１２に電圧が生成される。ここでこの電圧は、具体的には高電圧であり得る。この入力領域４側でない、出力領域５の端面１３には、こうしてこの圧電トランスの周囲に対して高電圧が印加される。この圧電トランス１がプラズマ生成用の装置に用いられると、これによりこのプラズマはこの出力領域５の端面１３で点火される。これはここに周囲に対して大きな電圧が印加されるからである。

具体的には、出力領域５は、長手方向Ｌに延在する鋭いエッジを全く備えていない。さもなければこのような鋭いエッジでは、局所的な高電界が生じ、この高電界は、制御されないプラズマ放電をもたらし得る。上記の出力領域５の円柱形状の構成のおかげで、この出力領域５の長手方向に延在する外面には、エッジが全く無い。したがって最大の電界はこの端面１３に印加される。これに対応してこの端面１３に、プラズマ発生器において所望に使用することができるようなプラズマ点火が生じる。

基体２は、１つの中空円筒の形状を備える。具体的には入力領域４も、また出力領域５も、１つの中空円筒の形状を備える。

図２は、長手方向Ｌに対して垂直な断面における、１つの中空円筒圧電トランス１の入力領域４の断面を示す。ここで第１および第２の圧電層６，８の分極方向が、矢印で示されている。図２に示すトランス１は、補強された領域１０，１１の大きさが図１に示すトランスと異なるだけである。ここでこれらの補強された領域は、それぞれ角度方向の大きさで３０°〜６０°の大きさを覆っている。

図１および２に示す中空円筒形状を有する圧電トランス１は、以下のようにして製造することができる、後に第１の圧電層６を形成する第１のセラミックシート上に、この圧電トランス１において第１の内部電極７を形成することになるペーストが塗布される。後に第２の圧電層８を形成する第２のセラミックシート上に、ペーストが同様に塗布され、ここでこのペーストは第１の内部電極９を形成することになる。

これら２つのシートは、上下に重なって置かれ、そして１つの心棒に巻回される。この際これらのシートは、第１の内部電極７の１つの領域１０も、また第１の内部電極９の１つの領域１１も、この巻回体の外面上に配設されるように寸法決めされる。この構成は、たとえば異なる長さのシートによって達成することができる。

この状態において、圧電トランス１はさらに加工される。グリーン状態における高密度化は、上記の心棒上での等圧プレス、または押圧無しにペースト状の中間層によって行うことができる。次のステップにおいて、このトランスは脱バインダされて焼結することができる。後に上記の心棒は抜き取られ、こうして基体２の内部領域には、長手方向Ｌに延在する１つの円柱状の空洞１４が生じる。上記の心棒上には、場合により１つの薄い担体シートが巻回されてよく、この担体シートは、圧電トランス１をこの心棒から取り外す際に、この心棒の抜き取りを容易にすることができる。この担体シートは、この心棒の抜き取りの際に、この圧電トランス１からも取り外される。

上記の心棒への巻回のおかげで、本願で説明した製造方法はとりわけ高速に、そして少ない手間で実施することができる。

図３は、１つの第２の実施形態例による、１つの圧電トランス１の入力領域４の断面を示す。この第２の実施形態例による圧電トランス１は、基体２が１つの中身の詰まった円柱形状を備えることが、図１に示す第１の実施形態例と異なっている。具体的には、入力領域４も、また出力領域５も、１つの中身の詰まった円柱形状を備えている。

この中身の詰まった円柱形状の圧電トランス１は、上記の中空圧電トランス１の静電容量に相当する、第１の内部電極７と第２の内部電極９との間の静電容量を、より小さな直径で実現することができる。これによりこの第１の実施形態例は、具体的には、トランスの必要スペースに厳しい条件を要求するアプリケーションに適している。

本発明による圧電トランス１は、プロセスガスのイオン化によるプラズマの生成用に、またはオゾン発生用に使用することができ、このオゾン発生では空気がイオン化される。

１ ： 圧電トランス
２ ： 基体
３ ： 円柱軸
４ ： 入力領域
５ ： 出力領域
６ ： 第１の圧電層
７ ： 第１の内部電極
８ ： 第２の圧電層
９ ： 第２の内部電極
１０ ： 第１の内部電極の１つの領域
１１ ： 第２の内部電極の１つの領域
１２ ： 圧電層
１３ ： 端面
１４ ： 空洞
１５ ： エッジ
１６ ： プラズマの点火
１７ ： プラズマの点火
Ｌ ： 長手方向
Ｒ ： 径方向

Claims (10)

1. 圧電トランス（１）を備えるプラズマ発生装置であって、前記圧電トランス（１）は、
   １つの入力領域（４）および１つの出力領域（５）を有する１つの円柱状の基体（２）を備え、
   前記基体（２）の円柱軸（３）は長手方向（Ｌ）に延在しており、
   前記入力領域（４）は、印加された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、
   前記出力領域（５）は、機械的振動を電圧に変換するように構成されており、
   前記出力領域（５）は、１つの単一の圧電層（１２）を備え、当該圧電層は前記長手方向（Ｌ）に分極されており、
   前記入力領域（４）には、１つの第１の圧電層（６）と１つの第２の圧電層（８）とが重なって巻回されており、当該第１の圧電層上には１つの第１の内部電極（７）が配設されており、そして当該第２の圧電層上には１つの第２の内部電極（９）が配設されており、当該第１の圧電層（６）および当該第２の圧電層（８）はそれぞれ、前記長手方向（Ｌ）に対して垂直な径方向（Ｒ）に分極され、
   前記出力領域は、円柱状の構成のためにエッジがなく、その結果、エッジに沿った局所的な高電界、および制御されないプラズマ点火が回避される、ことを特徴とするプラズマ発生装置。
2. 前記出力領域（５）は、前記入力領域（４）から離れた方の前記出力領域（５）の端面（１３）と、前記圧電トランス（１）の周囲との間に高電圧を生成するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ発生装置。
3. 前記出力領域（５）は、前記長手方向（Ｌ）で直接前記入力領域（４）に接続していることを特徴とする、請求項１または２に記載のプラズマ発生装置。
4. 前記出力領域（５）の圧電層（１２）は、前記入力領域（４）の前記第１の圧電層（６）および前記第２の圧電層（８）に直接繋がっていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
5. 前記入力領域（４）の前記第１の圧電層（６）および前記入力領域（４）の前記第２の圧電層（８）は、互いに反対方向に、径方向（Ｒ）で分極されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
6. 前記基体（２）は、１つの中空円筒の形状を備えることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
7. 前記基体（２）は、中身の詰まった１つの円柱形状を備えることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
8. 前記入力領域（４）の複数の層は、前記第１の内部電極（７）が前記入力領域（４）の外面で部分的に露出され、そして前記第２の内部電極（９）が前記入力領域（４）の外面で部分的に露出されるように巻回されていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
9. 前記第１の内部電極（７）は、前記入力領域（４）の外面で露出され、そしてその厚さが厚膜化されている１つの領域（１０）を備え、
   前記第２の内部電極（９）は、前記入力領域（４）の外面で露出され、そしてその厚さが厚膜化されている１つの領域（１１）を備える、ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
10. 前記圧電トランス（１）は、ローゼン型のトランスであることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。

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