JP6676614B2 - 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、具体的には、大気圧プラズマの発生用装置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。図１は、ローゼン型トランスとして知られている、１つの圧電トランス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の長手方向側面６、およびこの第１の長手方向側面６の反対側にある１つの第２の長手方向側面７を備える。第１の長手方向側面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の長手方向側面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、これらの電極４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、長手方向に分極されている。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。

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、この端面はメタライズ化されており、１つの出力電極を形成している。出力領域３において生成された電圧は、こうしてこのメタライズ化された端面１０と、入力領域２の電極４の端部との間に印加される。ここで出力側の端面１０には、１つの高電圧が印加される。

このようにして圧電トランス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。

非特許文献１には、圧電トランス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）でも、また出力側の端面のエッジ（複数）でも起こることが記載されている。

図１には、出力側の端面でのプラズマの点火１１および側面エッジ１３でのさらなるプラズマの点火１２が示されている。

しかしながら上記の非特許文献１には、側面エッジでの点火は、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、この圧電トランスの動作で亀裂をもたらし得る。これによってこの圧電トランスの寿命が低下される。

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、以上に対応して、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長い寿命を有するものである。

この課題は請求項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案され、この圧電トランスは長手方向で１つの入力領域と１つの出力領域とに分割されており、ここでこの入力領域においては、電極（複数）と圧電材料とが交互に積層されており、そしてこの入力領域におけるこれらの電極には、１つの交流電圧を印加することができ、ここでこの出力領域は、入力領域に印加された交流電圧によって１つの電界を形成するように作用する圧電材料を備え、ここでこの圧電トランスは、この入力領域から離間した１つの出力側の端面を備え、そして長手方向に延在する側面エッジ（複数）を備え、そしてここでこの圧電トランスは、この出力側の端面で原子または分子がイオン化するように、そしてこの際上記の側面エッジでの原子または分子のイオン化が防止されるように構成されている。

以上により、上記の側面エッジ（複数）での原子または分子のイオン化が防止され、これらの側面エッジでのプラズマの点火の際の望ましくないフィードバックが生じないことが保証される。さもなければこのようなフィードバックにより、この圧電材料における亀裂をもたらし得るような、そしてこれによってこの圧電トランスの短寿命化をもたらし得るような機械応力ピークが生じ得るであろう。このような亀裂の発生は、本発明により以上のように防止され、こうしてこの圧電トランスの寿命が長くなる。

本圧電トランスは、上述したローゼン型トランスであってよく、ここで上記の側面エッジでの原子または分子のイオン化を防止するための追加的な対策が設けられている。このローゼン型トランスに関して開示されている全ての構造的および機能的な特徴は、本発明による圧電トランスにも存在し得るものである。

具体的には、上記の入力領域は、電極（複数）および圧電材料を備え、これらは積層方向に交互に積層されている。ここでこの積層方向は、上記の長手方向に対して直角な方向である。さらにこの積層方向は、上記の第１の長手方向側面６の面法線に対して直角な方向となっており、この長手方向側面上に上記の第１の外部電極８が配設されている。

上記の出力領域には内部電極が無い。この出力領域は、上記の圧電材料からなる１つのモノリシックな積層体となっており、ここでこの出力側の端面はメタライズ化されていてよい。この出力領域は、長手方向に分極されている圧電材料を備える。

上記の入力領域は、励起領域とも呼ばれ、そして上記の出力領域は高電圧ゾーンとも呼ばれている。

本圧電トランスは１つのほぼ直方体形状の形状を有している。上記の長手方向は、互いに最も遠くに離れているこの圧電トランスの外面を結ぶ線によって、すなわちこの圧電トランスの最も長いエッジに沿った方向として定義されている。

上記の側面エッジ（複数）でのイオン化を防止しつつ、上記の出力側の端面での原子および分子のイオン化を狙い通りに制御するためには、この端面での電界がその最大値に達していることが決定的に重要である。これに応じて、ここで電界の電界強度が狙いを定めて低減され、そして特に電圧ピークの発生が防止されるように、これらの側面エッジは変更することができる。具体的には、上記の出力側の端面での電界強度が上記のプラズマの点火電界強度に達した時に、これらの側面エッジでの電界強度は、この点火電界強度より小さくなっていなければならないであろう。

上記の圧電トランスの側面エッジ（複数）は、丸められた領域を備えてよい。この丸められた領域においては、電圧ピークが防止され、こうしてこれらの側面エッジでの原子または分子のイオン化が起こらないようになる。このエッジの丸めによって、これらの側面エッジの表面での電界強度が低減される。

これらのエッジは、焼結の前または後で丸めることができる。

この丸められた領域は、少なくとも上記の出力側の端面から上記のこの出力領域の中央まで延在している。上記の圧電トランスの動作中は、この領域において最も大きな電界強度となる。以上よりこの領域において、望ましくないプラズマの点火を防止するために、これらのエッジでの電界を低減することがとりわけ重要である。好ましくは、この丸められた領域は、直接上記の出力側の端面に繋がっている。これは、この出力側の端面の近傍は、その側面エッジで望ましくないイオン化が起こる虞がとりわけ大きいからである。

上記の丸められた領域は、上記の側面エッジ（複数）の全長に渡って延在している。この丸められた領域を生成するための所定の処理、たとえばスクラビング（Scheuern）によれば、これらの側面エッジをその全長に渡って丸めることは極めて簡単である。これらの側面エッジの丸めは、上記の入力領域においても上記の圧電トランスの機能に悪い影響を与えない。

これらの側面エッジは、上記の丸められた領域で０．１ｍｍ〜３ｍｍの半径を有してよい。この半径が０．１ｍｍより小さく選択されたならば、この場合これはほぼ角が立った状態であるので、これらの側面エッジでの電界強度の充分な低減はもはや保証されないであろう。３ｍｍの半径の丸めは、これらのエッジでの電界強度を十分に低減するには十分すぎる程度であり、したがってさらに大きな半径の丸めは、この圧電トランスの特性のさらなる改善をもたらさないであろう。以上よりこの半径には０．１〜３ｍｍの範囲が最適である。好ましくは、さらにこの半径は、０．２〜１．０ｍｍであってよい。

上記の側面エッジの丸められた領域は、たとえばスクラビング，グラインディング（Schleifen），またはサンドブラストを用いて丸めることができる。

スクラビングとはここでは、上記の圧電トランスの全てのエッジが、焼結していない、グリーン状態で粗い粒子を用いて研磨されることを意味する。ここで複数の圧電トランスが、１つのスクラビング剤とともに、１つのドラムに取り付けられ、そこで互いに擦れ合い、これによってこれらのエッジが丸められる。このスクラビングの利点は、この処理が極めて速く、かつ安価に行うことができることにある。

このスクラビングにより、上記の出力側の端面のエッジ（複数）および角（複数）も丸められる。ここで出力側の端面が丸められた圧電トランスが生成され、この圧電トランスでは、イオン化がこの端面の角でのみ起こる。この端面のこれらの角は、上記の丸めの結果、拡大された面を備え、これにより扇状に拡がったプラズマジェットが生成される。これは所定の用途に対しては有利であり得る。扇状に拡がったプラズマジェットが望ましくない用途である場合、上記のスクラビングの後で、この端面のグラインディングが行われてよく、これによって上記の丸められた端面が再び角の立った状態となる。

ここでグラインディングとは、この圧電トランスが焼結された状態で、砥石車を用いて処理されることを意味する。この際この圧電トランスは非常に精度よく処理することができる。具体的には上記のエッジは上記の端面で未処理のままにすることができる。このグラインディングは、高い設計柔軟性を提供する。たとえば、グラインディングを用いて、上記の丸められた領域が段々半径が小さくなっていくように構成することができる。この丸められた領域の半径は、上記の出力側の端面で最大となっていてよく、そして上記の入力側に向かって減少する。グラインディングは、この端面を所望の形状とすることも可能とする。この端面は、たとえば半球形状，またはピラミッド状に先細りに構成することができる。この端面の構成に依存して、他の形状のプラズマジェットが生成される。

グラインディングのもう１つの利点は、この処理が非常に平坦な表面をもたらすことであり、これにより凹凸での局所的に過大な電界が生じないようにできる。

サンドブラストでは、上記の側面エッジ（複数）に粗い粒子を含む圧縮空気が吹き付けられる。このようにして、側面エッジの材料が除去される。サンドブラストは、上記の圧電トランスが焼結された状態で行うことができる。このサンドブラストで未処理のままとなるべきこの圧電トランスの領域は、このサンドブラストの間はカバーされてよく、たとえばテーピングされてよい。

上記の側面エッジ（複数）が丸められると、これによりこの際上記の圧電トランスの質量が、この圧電トランスの振動特性が変化しない程度に僅かに変化される。

代替としてまたは補完として、上記の出力領域は、少なくとも部分的に１つの絶縁層でコーティングされていてよい。この絶縁層は、これによって覆われている領域の表面での電界強度を低減する。この絶縁層は、具体的には、上記の側面エッジ（複数）を少なくとも部分的に覆っている。

このようにしてこの絶縁層によって、これらの側面エッジの表面での電界強度が大きくなり過ぎないように、そしてこれらの側面エッジでの原子および／または分子のイオン化を防止することができることを保証することができる。この絶縁層の取り付けは、これらの側面エッジの丸めと組み合わせることができ、これら２つの対策の組合せによって、これらの側面エッジでの望ましくないイオン化が防止される。

上記の絶縁層は、圧電トランスの全長の１５％〜４５％の範囲にある長さを有してよく、好ましくは全長の２０％〜３０％の範囲である。

上記の絶縁層は、１つのシュリンクチューブからなっていてよい。このシュリンクチューブは、特にその内面が溶融接着剤でコーティングされていてよい。このようにして、このシュリンクチューブがこの圧電トランスの動作中の振動によりこの圧電トランスから外れ、この出力領域から脱落することを防止することができる。

このシュリンクチューブは、出力側の端面と面一で終端されていてよく、またはこの端面をはみ出て存在していてよい。代替として、出力側の端面に続いている、この出力領域の端部領域は、このシュリンクチューブが無いままであってもよい。

このシュリンクチューブが少しはみ出ていると、プラズマの収束が起こる。 これはたとえば表面を活性化するためにこのプラズマの作用を利用する用途に対して有利である。このシュリンクチューブがこの圧電トランスと面一となって終端されていると、あるいは２ｍｍ未満の長さを有することで、側面エッジの小さな端部領域が開放されていると、プラズマは収束されない。以上により、酸素を含む動作ガスにおける動作は多くのオゾンを発生し、これは医療用途に対して有利となり得る。こうしてこのシュリンクチューブの長さは、所望の使用目的に合わせられることになろう。

この絶縁層は、シリコーン，硬化したポリマー，または塗料から選択された少なくとも１つを含んでいる。これらの材料は、液状で絶縁層として塗布されてよい。このため、液状のグラウトが適しており、これは型を用いて投入されるかまたは塗布される。

側面エッジに沿って、この絶縁層は充分な厚さを有していなければならない。これは液状でこの絶縁層の取り付ける際に、粘度の調整によって、または多数回塗布することで保証することができる。

上記の端面は、この絶縁層で覆われていなくてよい。この端面での原子または分子のイオン化が望ましく、そしてこの絶縁層によってこのイオン化が妨げられてはならないので、これは重要である。

この絶縁層は、０．１ｍｍ〜３ｍｍの範囲の厚さを備えてよく、ここでこの厚さは好ましくは０．２〜１．０ｍｍである。この絶縁層によって、追加的な質量がこの圧電トランスに付加され、これによってその振動特性が変化される。このためこの絶縁層は出来る限り薄く設定されなければならない。しかしながらこの絶縁層は、この側面エッジの表面での電界強度がプラズマの点火電界強度未満に低下されるために充分厚くなければならない。これらの要求条件が、０．１ｍｍ〜３ｍｍの厚さの絶縁層を妥当なものとしている。

本圧電トランスは、冷大気プラズマの生成のために使用することができる。

この大気圧プラズマは、通常１００℃より低いガス温度を有する、いわゆる冷たい非熱プラズマとなり、もっと高いガス温度を有する熱プラズマと異なっている。本発明は、冷たい、非熱プラズマに関するものであり、このプラズマは、そのガス温度が概ね室温であるかまたはこれよりほんの僅かに高いという利点を有しており、これより処理される基板でのこのプラズマの長い滞留時間が可能となり、そして繊細な基板、たとえば薄いポリマー膜もこのプラズマを用いて長時間処理することができ、この基板の表面またはこの基板自体を損傷することがない。

本圧電トランスは、ローゼン型トランスであってよい。

さらに上記の出力側の端面は、丸められたエッジおよび／または丸められた角を備えてよい。この出力側の端面は、扇型のプラズマジェットを生成するのに適していてよい。

さらに本発明は、大気圧プラズマを生成するための装置に関し、この装置は上述の圧電トランスを備え、この圧電トランスはガス充填されたキャビティ内に配設されている。以上より本圧電トランスは、ガスのイオン化に使用され、こうしてプラズマが生成される。このような装置は、具体的には表面の活性化または他の加工のために用いることができ、そして医療用途に用いることができる。

以下では、図を参照して、本発明を詳細に説明する。
従来技術で公知の圧電トランスを示す。 本発明の１つの第１の実施形態による１つの圧電トランスを示す。 本発明の１つの第２の実施形態による１つの圧電トランスを示す。 図３に示す圧電トランスの１つの断面を示す。

図２は１つの圧電トランス１示す。本圧電トランス１は、上記の長手方向側面６，７の他に、さらに１つの第３の長手方向側面１６および１つの第４の長手方向側面１７を備える。これらの長手方向側面６，７，１６，１７の各々は、長手方向Ｌに延在している。さらにこれらの長手方向側面６，７，１６，１７の各々は、上記の出力側の端面１０に対して直角になっている。

この圧電トランス１の全長の約１／４は、１つの絶縁層１４によって覆われている。ここでこの絶縁層１４は、長手方向側面６，７，１６，１７上に取り付けられている。出力側の端面１０には、この絶縁層は無い。

ここでこの絶縁層１４の材料は、この絶縁層１４の外側の面で、この絶縁層１４の内側の電界強度が大幅に低減されるように選択されている。こうしてこの絶縁層１４は、この電界を絶縁する。以上より、この絶縁層１４によって覆われている側面エッジ１３の領域における電界強度は、大幅に低減される。

この絶縁層１４は、１つのシュリンクチューブであってよく、またはシリコーン，塗料，または硬化したポリマーからなる１つの層であってよい。この絶縁層１４は、出力側の端面１０から、この圧電トランスの１／４の長さまで延在している。

図３は、１つの圧電トランス１の１つの第１の実施形態例を示す。ここでこの圧電トランス１の側面エッジ（複数）１３は、１つの丸められた領域１５を備える。この丸められた領域１５においては、側面エッジ１３は、残りの領域のように角が立っておらず、むしろ丸められている。この図３に示す実施形態例では、この丸められた領域１５は、側面エッジ（複数）１３の全長に渡って延在している。

この丸められた領域１５においては、側面エッジ１３での電界強度は、１つの大きな面に渡って分散されており、こうして電圧ピークの発生が防止され、そしてその最大の到達電界強度はこれらの側面エッジ１３の領域においては低減されている。具体的には、これらの側面エッジ１３での電界強度は、原子または分子のイオン化のために必要な電界強度よりも小さくなるよう大幅に低減される。

図４は、図３に示す圧電トランス１の長手方向Ｌに対し直角な方向の１つの断面を示す。ここでこの圧電トランス１が丸められた側面エッジ１３を備えることが見て取れる。

この圧電トランス１の長さによって、実質的にその動作周波数が決定される。７０ｍｍの長さが選択されると、動作周波数は５０ｋＨｚとなる。この動作周波数は、特に表面の活性化あるいは加工に適している。医療用途には、１００ｋＨｚの動作周波数が有利であり得る。これに対応して、ここでこの圧電トランス１の長さは３５ｍｍに設定される。

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の長手方向側面
７ ： 第２の長手方向側面
８ ： 第１の外部電極
９ ： 圧電材料
１０ ： 出力側の端面
１１ ： 出力側の端面でのプラズマの点火
１２ ： 側面エッジでのプラズマの点火
１３ ： 側面エッジ
１４ ： 絶縁層
１５ ： 丸められた領域
１６ ： 第３の長手方向側面
１７ ： 第４の長手方向側面
Ｌ ： 長手方向
Ｓ ： 積層方向

Claims (15)

1. 圧電トランス（１）であって、
   前記圧電トランスは、長手方向（Ｌ）で、１つの入力領域（２）と１つの出力領域（３）とに分割されており、
   前記入力領域（２）においては、電極（４）と圧電材料（５）とが交互に積層されており、そして前記入力領域における当該電極（４）には、１つの交流電圧を印加することができ、
   前記出力領域（３）は、前記入力領域（２）に印加された交流電圧によって１つの電界を形成するように作用する圧電材料（９）を備え、
   前記圧電トランス（１）は、前記入力領域（２）から離間した１つの出力側の端面（１０）を備え、そして長手方向（Ｌ）に延在する側面エッジ（１３）を備え、
   前記出力側の端面（１０）のエッジおよび角ならびに前記圧電トランス（１）の前記側面エッジ（１３）は、前記出力側の端面（１０）で原子または分子がイオン化するように、そしてこの際前記側面エッジ（１３）での原子または分子のイオン化が防止されるように構成されており、
   前記出力側の端面（１０）のエッジおよび角は丸められており、そして前記側面エッジ（１３）は、丸められた領域（１５）を備え、および／または前記出力領域（３）は少なくとも部分的に１つの絶縁層（１４）で被覆されており、
   前記出力側の端面（１０）は、電極を生成するためのメタライジング部を備えない、
   ことを特徴とする圧電トランス。
2. 前記丸められた領域（１５）は、少なくとも出力側の端面（１０）から前記出力領域（３）の中央まで延在し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。
3. 前記丸められた領域（１５）は、前記側面エッジ（１３）の全長に渡って延在してい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. 前記側面エッジ（１３）は、前記丸められた領域（１５）で０．１ｍｍ〜３ｍｍの半径を有することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧電トランス。
5. 前記丸められた領域（１５）は、スクラビング，グラインディング，またはサンドブラストを用いて丸められ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. 前記絶縁層（１４）は、１つのシュリンクチューブからなってい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. 前記シュリンクチューブは、前記出力側の端面（１０）と面一で終端されていてよく、または当該端面（１０）からはみ出ていることを特徴とする、請求項６に記載の圧電トランス。
8. 前記絶縁層（１４）は、シリコーン，硬化したポリマー，または塗料から選択された少なくとも１つを含んで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. 前記絶縁層（１４）は、液状で型を用いて取り付けられることを特徴とする、請求項８に記載の圧電トランス。
10. 前記出力側の端面（１０）には、前記絶縁層（１４）が無いことを特徴とする、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. 前記絶縁層（１４）は、０．１ｍｍ〜３ｍｍの範囲の厚さを備えることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の圧電トランス。
12. 前記圧電トランスは、冷大気プラズマを生成するために用いられることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の圧電トランス。
13. 前記圧電トランスは、ローゼン型トランスであることを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれか1項に記載の圧電トランス。
14. 前記出力側の端面（１０）は、扇型のプラズマジェットを生成するのに適していることを特徴とする、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の圧電トランス。
15. 大気圧プラズマを生成するための装置であって、
    前記装置は請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の圧電トランス（１）を備え、当該圧電トランスはガス充填されたキャビティ内に配設されていることを特徴とする装置。

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