JP6652641B2 - 圧電トランス - Google Patents

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。

公知の直方体形状の圧電トランスでは、プラズマ点火が出力領域の長手方向側面のエッジ（複数）で生じることが見られた。このようなプラズマ点火は、この出力領域の圧電材料における機械的応力が生成される、望ましくないフィードバックをもたらす。この機械的応力は、この材料における亀裂をもたらし得る。これによりこの圧電トランスの寿命が短くなり得る。

したがって本発明の課題は、１つの改善された圧電トランスを提供することであり、この圧電トランスはたとえばより長い寿命を有し得るものである。

この課題は本願請求項１に記載の圧電トランスによって解決される。

本発明は１つの圧電トランスを提示し、この圧電トランスは、１つの入力領域および１つの出力領域を備え、ここでこの入力領域は、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おり、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。さらにこの圧電トランスは、１つの最も長いエッジおよび１つの最も短いエッジを備え、ここでこの最も長いエッジは、最大でこの最も短いエッジの長さの２０倍の長さとなっている。

上記の最も短いエッジの長さに対する上記の最も長いエッジの長さの比は、アスペクト比とも呼称される。２０：１以下の小さいアスペクト比を備える圧電トランスでは、上記の出力領域における長手方向側面のエッジに沿った望ましくないプラズマ点火を避けることができることが見出された。この結果このような圧電トランスでは、出力領域における圧電材料の大きな機械的応力が生じず、こうしてこの出力領域には亀裂が全く発生せず、そして寿命は短くならない。

本発明による圧電トランスは、たとえば１つのローゼン型のトランスであってよい。さらにこの圧電トランスは、上記のアスペクト比が２：１以上となるように、好ましくは５：１以上となるように構築されていてよい。

ここでエッジとは、この圧電トランスの２つの側面が互いにぶつかるラインを意味している。

本圧電トランスは１つのほぼ直方体形状の外形とすることができる。この際このトランスのエッジ（複数）は丸められていてよい。具体的にはこれらのエッジは非常に小さな半径で丸められており、この半径はたとえば０．５ｍｍ以下となっている。

上記の最も長いエッジは、長手方向において入力領域から出力領域まで延在している。上記の最も短いエッジは、出力領域の端面の１つのエッジであってよい。この出力領域の端面は、入力領域から離れた終端面である。

上述したように、２０：１以下のアスペクト比を有する上記の圧電トランスは、より長い寿命を備える。これは出力領域の大きな機械的応力が生じないからである。さらに加えてこのトランスはさらなる利点を有する。上記の２０：１以下の好ましいアスペクト比は、オゾン発生の改善された効率をもたらす。特に、上記の２０：１以下のアスペクト比で、この圧電トランスの単位体積当たりの一定の入力パワーで、より多くのオゾンを生成することができる。このオゾン発生の効率の改善は、この圧電トランスの出力インピーダンスの、プラズマにより生成されるインピーダンスへのマッチングに基づくものであり、これは２０：１以下のアスペクト比で調整されるものである。

上記の圧電トランスは、プラズマを生成するための圧電トランスであってよい。ここでこのプラズマは、好ましくは非熱大気圧プラズマである。

好ましくは上記の最も長いエッジは、４５ｍｍより小さい長さを備える。好ましくはこの最も長いエッジは、３５ｍｍより小さい長さを備える。この最も長いエッジは、１０ｍｍの最小の長さを備え得る。

このような短くされた形状の圧電トランスは多くの利点を備える。このような圧電トランスの分極に必要な分極電圧は、ほぼこの圧電トランスの長さに依存する。この結果、その最も長いエッジの長さが４５ｍｍより小さい、あるいは３５ｍｍより小さいトランスの分極のためには、ほんの小さな電圧が必要となる。以上によりこれらのそれぞれの圧電トランスの製造方法が簡単なものとなる。

さらに上記のそれぞれの圧電トランスの共振周波数は、その最も長いエッジの長さに依存している。この最も長いエッジを短くすることは、高い共振周波数を有する圧電トランスを製造することを可能とする。たとえば３５ｍｍより短い、最も長いエッジによって、１００ｋＨｚより高い共振周波数を達成することができる。このような共振周波数は、特に医療アプリケーションに使用されるプラズマ発生器で有利である。

さらにもっと高い共振周波数は、出力電圧のより急峻なスロープをもたらし、これも上記のオゾン発生に有利に作用する。

上記の入力領域の１つの第１の側面上には、１つの第１の外部電極が配設されていてよい。この入力領域の、この第１の側面の反対側にある１つの第２の側面上には、１つの第２の外部電極が配設されていてよい。この入力領域は、積層方向で上下に重なって積層された圧電層（複数）および電極（複数）を備えてよい。これらの電極は、この積層方向において上記の第１の外部電極かまたは上記の第２の外部電極と交互に接続されていてよい。上記の出力領域は１つのモノリシックな圧電層を備えてよい。この出力領域における圧電層の圧電材料は、上記の入力領域における圧電層の圧電材料と同一であってよい。

上記の最も長いエッジは、上記の入力領域から上記の出力領域まで延在してよい。上記の最も短いエッジは、この最も長いエッジに対して垂直であってよい。

上記の圧電トランスは１００ｋＨｚより高い共振周波数を備えてよい。この周波数は、特に医療分野におけるアプリケーションに有利である。

上記の最も長いエッジは、最大で上記の圧電トランスの最も短いエッジの１５倍の長さを有してよい。これに応じて１５：１以下のアスペクト比に調整されてよい。このように小さなアスペクト比の選択により、上記の最も長手方向側面のエッジに沿ったプラズマ点火が生じないことを確実にすることができる。このようにすることによって上記のオゾン発生の効率も高めることができる。

上記の最も短いエッジは、１０ｍｍ〜１ｍｍの長さを備えてよい。好ましくはこの最も短いエッジは、５ｍｍ〜２ｍｍの長さを備える。この最も短いエッジの長さは、２０：１以下の有利なアスペクト比に調整されるように選択される。

上記の最も短いエッジの長さに対する上記の最も長いエッジの長さの比によって、上記の最も長いエッジに沿った上記の出力領域におけるプラズマ点火を避けることができる。この結果、絶縁、たとえばこの出力領域を部分的に被覆するシュリンクチューブを省略することができる。こうして本発明による圧電トランスは、出力領域において絶縁部無しとすることができる。本発明による圧電性の絶縁体は、特にシュリンクチューブを全く備えなくともよい。

上記の最も短いエッジの長さに対する上記の最も長いエッジの長さの比によって、上記の出力領域における圧電材料の機械的応力を低減することができる。

上記の最も短いエッジの長さに対する上記の最も長いエッジの長さの比によって、上記のオゾン発生の改善された効率を実現することができる。特に、このアスペクト比を選択することによって、部品高を低減することを可能とし、そして同時にオゾンの発生効率を維持あるいはむしろ改善することを可能とする。

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器に関する。このプラズマ発生器は、具体的には非熱大気圧プラズマの生成用に適合し得る。

以下では、図を参照して、本発明を詳細に説明する。
１つの圧電トランスを斜視図で示す。 １つの測定の結果を示し、ここでは図１に示す圧電トランスに対しそのオゾン発生が比較例と比較されている。 １つの測定の測定結果を示し、ここでは単位体積当たりのオゾン発生に着目されている。

図１は、１つの圧電トランスを斜視図で示す。
この圧電トランス１は、具体的には、非熱大気圧プラズマの発生用の装置に使用することができる。

圧電トランス１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。この圧電トランス１は、たとえば１つのローゼン型のトランスである。

この圧電トランス１は、１つの入力領域２および１つの出力領域３を備える。この入力領域２において、この圧電トランス１は、電極（複数）４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。これらの電極４は、この圧電トランス１の長手方向Ｌに延在している。これらの電極４は、上記の長手方向Ｌに対して直角な積層方向Ｓにおいて、圧電材料５と交互に積層されている。ここでこの圧電材料５は、積層方向Ｓに分極されている。

これらの電極４は、この圧電トランス１の内部に配設されており、そして内部電極とも呼ばれている。この圧電トランス１は、１つの第１の側面６、およびこの第１の側面６の反対側にある１つの第２の側面７を備える。第１の側面６上には、１つの第１の外部電極８が配設されている。第２の側面７上には、１つの第２の外部電極（不図示）が配設されている。内部にある電極（複数）４は、積層方向Ｓで、交互にこの第１の外部電極８かまたはこの第２の外部電極と電気的に接続されている。

入力領域２は、上記の電極(複数）４の間に印加される１つの小さな交流電圧で制御することができる。圧電効果のために、この入力側に印加された交流電圧は、まず１つの機械的な振動に変換される。ここでこの機械的な振動の周波数は、実質的にこの圧電トランス１の幾何形状および機械的構造に依存している。

出力領域３には、圧電材料９を備え、そして内部電極が存在していない。この出力領域における圧電材料９は、長手方向Ｌにおいて分極されている。この出力領域３の圧電材料９は、上記の入力領域２の圧電材料５と同じ材料であってよく、ここでこれらの圧電材料５および９は、その分極方向が異なっていてよい。この出力領域においては、上記の圧電材料は１つの単一のモノリシックな層となるように形成されており、この層は完全に上記の長手方向Ｌに分極されている。ここでこの出力領域における圧電材料は、ただ１つの単一の分極方向を備える。

入力領域２における電極（複数）４に１つの交流電圧が印加されると、圧電材料５，９の内部に１つの機械的な波が形成され、この波は出力領域３における圧電効果によって１つの出力電圧を生成する。この出力領域３は、１つの出力側の端面１０を備える。この出力領域３において生成された電圧は、こうしてこの端面１０と、入力領域２の電極４の端部との間に印加される。ここでこの出力側の端面１０には、１つの高電圧が印加される。ここでこの出力側の端面と、この圧電トランスの周囲との間に、プロセスガスをイオン化する強い電界を生成するのに十分な高い電位差が発生する。

このようにしてこの圧電トランス１は大きな電界を生成し、この大きな電界は電気的な励起によってガスまたは流体をイオン化するようになっている。この際それぞれのガスあるいはそれぞれの流体の原子または分子がイオン化されて、プラズマを形成する。この圧電トランス１の表面での電界強度がプラズマの点火電界強度を越えると、イオン化が起こる。ここでプラズマの点火電界強度とは、原子または分子のイオン化のために必要な電界強度を意味している。

側部の長手方向エッジ（複数）１１でも、また出力側の端面１０のエッジ１２でもプラズマの点火が起こる。この側部の長手方向エッジ１１に沿ったプラズマ点火は、望ましくない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３の圧電材料９に生成され、この機械的応力は、この圧電トランス１の長時間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。このようなプラズマ点火の結果の圧電トランス１の損傷を防止するために、この圧電トランス１は、このプラズマ点火が特に出力側の端面１０で起こり、そして上記の側部の長手方向エッジ（複数）１１でこのプラズマ点火が防止されるように構成されている。

この圧電トランス１では、具体的にはこの圧電トランス１の出力領域３において電位の極大値が生じる場所でプラズマ点火が起こる。以下では、上記の側部の長手方向エッジ（複数）１１でのこのプラズマ点火の可能性を防止するために、この圧電トランス１がどのように構築されているかをより詳細に説明する。

本発明による圧電トランス１は、１つの直方体形状の外形を備え、ここでこの圧電トランス１は、最も長いエッジ１３および最も短いエッジ１４を備える。出力側の端面１０は、１つの矩形の外形を備え、ここでこの端面１０の最も短いエッジがこの圧電トランス１の最も短いエッジ１４となっている。この圧電トランス１の最も長いエッジ１３は、この出力側の端面１０に対し垂直になっており、そして入力領域２から出力領域３まで延在している。この最も長いエッジ１３は、側部の長手方向エッジ１１である。

この最も短いエッジ１４の長さに対するこの最も長いエッジ１３の長さの比はアスペクト比と呼称されている。圧電トランス１が、アスペクト比が２０：１以下となるように構築されていると、この圧電トランス１は、プラズマをその出力側の端面１０で特に強調して生成することが分った。

このアスペクト比は、圧電トランス１の出力領域３のキャパシタンスに影響を与える。出力領域３において電位が極大値に達する場所は、今度はこの出力領域３のキャパシタンスに依存して移動する。この出力キャパシタンスは、アスペクト比が小さくなると共に増加する。実験的にもまた理論的にも、２０：１以下のアスペクト比で、上記の生成された出力電位の極大値が出力側の端面１０上に印加されるのに十分に大きな出力キャパシタンスが実現されることを示すことができた。このアスペクト比が２０：１より大きく設定されると、出力キャパシタンスは減少し、そして出力側電位の極大値は側部の長手方向エッジ（複数）１１に沿って、この出力側の端面１０から離れて入力領域２の方向に向かって移動する。この場合、このエッジ１１に沿って望ましくないプラズマ点火が生じる。

１つの第１の実施形態例においては、上記の最も長いエッジ１３は、４１ｍｍの長さを有する。出力側の端面１０のエッジ１２は、６ｍｍ〜３ｍｍの長さを有する。これに対応してこの端面１０の３ｍｍの長さのエッジが、この圧電トランス１の最も短いエッジ１４となる。以上によりアスペクト比は１３．６６７：１となり、すなわち２０：１以下の有利なアスペクト比となる。

実験的な研究では、１０個の上記の第１の実施形態例による圧電トランス１が１０００時間の長時間稼働で観察され、ここでこれらのトランス１のいずれでもその出力側領域３において亀裂が発生せず、そしてこれに対応してこの圧電トランス１の故障は全く起こらなかった。

１つの第２の実施形態例によれば、最も長いエッジ１３は、３５ｍｍより短くともよい。たとえば圧電トランス１は、３０ｍｍの長さの最も長いエッジ１３を備えてよい。端面１０は、３ｍｍと２．４ｍｍのエッジ長を備えてよい。この場合にも、上記の有利な２０：１以下のアスペクト比となる。具体的には１２．５：１のアスペクト比となる。

圧電トランス１の共振周波数は、最も長いエッジ１３の長さに依存する。上記の第２の実施形態例は、１００ｋＨｚより大きな共振周波数をもたらす。

１００ｋＨｚより大きな共振周波数を有する圧電トランス１は、特に医療アプリケーションに使用することができる。このような医療アプリケーションには、たとえばプラズマ切断を用いた組織の切断がある。この際神経の刺激を避けなければならない。神経のイオン伝導率は、１００ｋＨｚの周波数から顕著に低下する。この結果、１００ｋＨｚを越える周波数で動作するプラズマ発生器は、組織のプラズマ切断にとりわけ良好に適している。上述した上記の第２の実施形態例による圧電トランス１は、このようなプラズマ発生器に使用することができる。

図２は、１つの比較測定の測定結果を示し、この比較測定では上記の第１の実施形態例による圧電トランス１が比較例のトランスと比較されている。この比較例のトランスは、７１ｍｍの長さおよび断面が６ｍｍ×３ｍｍの端面を備える。この第１の実施形態例による圧電トランス１およびこの比較例のトランスでは共に空気がプロセスガスとして利用されており、そしてそれぞれの圧電トランスによってイオン化される。

図２では、その横軸に、それぞれの圧電トランス１が駆動されたパワーがワット（Ｗ）でプロットされている。縦軸には、生成されたオゾンの量がｍｇ／時間（ｈ）でプロットされている。図２に示す測定結果は、オゾン生成において目立った差は見当たらないことを示している。特に上記の有利な２０：１以下のアスペクト比を備える本発明による圧電トランスを用いて、同じ入力パワーで生成される量と実質的に同等な量のオゾンが生成され、ここで２０：１以下のアスペクト比を有する本発明による圧電トランス１は、比較例のトランスよりも大幅に短い長さを備えている。

図３も同様に、上記の第１の実施形態例による圧電トランスと、上記の比較例のトランスとの間の比較を表しているが、この比較例のトランスは、好ましい２０：１以下のアスペクト比を備えていない。ここでは入力パワーとそれぞれのトランスの体積との積に着目されている。横軸には入力パワーと体積との積がＷ×ｃｍ３でプロットされている。ここでも縦軸には時間当たりに生成されるオゾンの量がｍｇでプロットされている。プロセスガスとしてはここでも空気が利用されている。好ましいアスペクト比を有する本発明による圧電トランス１が体積当たりでより多い量のオゾンを生成することが明瞭に見て取れる。こに結果本発明による圧電トランス１は、オゾン発生のより高い効率を備える。

この実験的に観察された、上記の有利なアスペクト比の結果である、空気でのオゾン発生の効率の改善は、理論的にも説明することができる。このオゾン発生の効率は、圧電トランス１の出力インピーダンスのこのプラズマによって生成されるインピーダンスへのマッチング、ならびに出力電圧のスロープの急峻さに依存している。この出力電圧のスロープの急峻さは、正弦波形状の電圧では、実質的に上記の共振周波数に依存する。これに対応して、その最も長い辺１３が小さな長さを有し、そしてこれに対応した高い共振周波数を備える圧電トランス１は、急峻なスロープを備え、これはここでもオゾン発生の効率に有利に作用する。

さらに上記の有利なアスペクト比は、圧電トランス１の、プラズマによって生成されるインピーダンスへのマッチングを改善することを示すことができた。

上記の最も長いエッジ１１も、また圧電トランスの出力側の端面のエッジ１２も、丸められていてよい。この丸められたエッジの曲率半径は、充分に小さく設定されると、たとえば０．５ｍｍより小さく設定されると、この圧電トランス１は近似的に直方体として見做すことができる。

本発明による圧電トランス１のいくつかの実施形態例では、この圧電トランスは、出力領域３に１つの絶縁性の層を備え、この層はたとえば１つのシュリンクチューブによって形成される。この絶縁性の層は、出力側の端面１０を露出していてよく、そしてこの出力領域３のその他の側面を少なくとも部分的に覆っていてよい。この絶縁性の層は、上記の側部の長手方向エッジ（複数）１１に沿った望ましくないプラズマ点火を防止することになり、そしてこの目的のためにこれらのエッジを覆うことになる。上記の有利なアスペクト比のおかげで、これらの側部の長手方向エッジ１１に沿ったプラズマ点火は全く心配することはないので、本発明による圧電トランスは、出力領域３におけるこの絶縁性の層は無くともよい。１つの代替の実施形態例においては、この出力領域３の絶縁をさらに改善するために、１つのこのような絶縁性の層が設けられてよい。

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１の側面
７ ： 第２の側面
８ ： 第１の外部電極
９ ： 圧電材料
１０ ： 出力側の端面
１１ ： 側部の長手方向エッジ
１２ ： 端面のエッジ
１３ ： 最も長いエッジ
１４ ： 最も短いエッジ
Ｌ ： 長手方向
Ｓ ： 積層方向

Claims (15)

1. プラズマを生成するための圧電トランス（１）であって、
   １つの入力領域（２）および１つの出力領域（３）を備え、
   前記入力領域（２）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（３）は、機械的振動を電圧に変換するように構成されており、
   前記圧電トランス（１）は、１つの最も長いエッジ（１３）および１つの最も短いエッジ（１４）を備え、当該最も長いエッジ（１３）は、最大で当該最も短いエッジ（１４）の長さの２０倍の長さとなっており、
   前記最も短いエッジ（１４）の長さに対する前記最も長いエッジ（１３）の長さの比によって、前記最も長いエッジ（１３）に沿った前記出力領域（３）におけるプラズマ点火を避けることができる、
   ことを特徴とする圧電トランス。
2. 前記最も長いエッジ（１３）は、４５ｍｍより小さい長さを備えることを特徴とする、請求項１に記載の圧電トランス。
3. 前記最も長いエッジ（１３）は、３５ｍｍより小さい長さを備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の圧電トランス。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧電トランスにおいて、
   前記入力領域（２）の１つの第１の側面（６）上には、１つの第１の外部電極（８）が配設されており、
   前記入力領域（２）の、前記第１の側面（６）の反対側にある１つの第２の側面（７）上には、１つの第２の外部電極が配設されており、
   前記入力領域（２）は、積層方向（Ｓ）で上下に重なって積層された複数の圧電層（５）および複数の電極（４）を備え、当該複数の電極（４）は、当該積層方向（Ｓ）において前記第１の外部電極（８）かまたは前記第２の外部電極と交互に接続されており、
   前記出力領域（３）は１つのモノリシックな圧電層（９）を備える、
   ことを特徴とする圧電トランス。
5. 前記最も長いエッジ（１３）は、前記入力領域（２）から前記出力領域（３）まで延在していることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧電トランス。
6. 前記最も短いエッジ（１４）は、前記最も長いエッジ（１３）に対して垂直であることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の圧電トランス。
7. 前記圧電トランス（１）は１００ｋＨｚより高い共振周波数を備えることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の圧電トランス。
8. 前記最も長いエッジ（１３）は、最大で前記圧電トランス（１）の前記最も短いエッジ（１４）の１５倍の長さとなっていることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の圧電トランス。
9. 前記最も短いエッジ（１４）は、１０ｍｍ〜１ｍｍの長さを備えることを特徴とする、請求項１に記載の圧電トランス。
10. 前記最も短いエッジ（１４）の長さに対する前記最も長いエッジ（１３）の長さの比によって、前記出力領域（３）における圧電材料の機械的応力を低減することができることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の圧電トランス。
11. 前記最も短いエッジ（１４）の長さに対する前記最も長いエッジ（１３）の長さの比によって、オゾン発生の同等または改善された効率が実現されることを特徴とする、請求項１乃至１０にいずれか１項に記載の圧電トランス。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の圧電トランスを備えるプラズマ発生器。
13. 前記圧電トランス（１）は、前記圧電トランスの前記出力領域（３）の端面と、前記圧電トランスの周囲との間に、プロセスガスをイオン化する強い電界を生成するために十分な高い電位差が発生するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の圧電トランス。
14. 前記圧電トランス（１）は、医療アプリケーションに使用されることを特徴とする、請求項１に記載の圧電トランス。
15. 前記圧電トランス（１）は、プラズマ切断を用いた組織の切断に使用されることを特徴とする、請求項１に記載の圧電トランス。