WO2017081015A1 - Piezoelektrischer transformator - Google Patents

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WO2017081015A1
WO2017081015A1 PCT/EP2016/076995 EP2016076995W WO2017081015A1 WO 2017081015 A1 WO2017081015 A1 WO 2017081015A1 EP 2016076995 W EP2016076995 W EP 2016076995W WO 2017081015 A1 WO2017081015 A1 WO 2017081015A1
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WO
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piezoelectric
region
piezoelectric transformer
piezoelectric layer
transformer
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PCT/EP2016/076995
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Inventor
Bernhard Döllgast
Franz Rinner
Pavol Kudela
Original Assignee
Epcos Ag
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Publication date
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Priority to JP2018524482A priority patent/JP2018536992A/ja
Priority to US15/775,805 priority patent/US11101426B2/en
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    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/40—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and electrical output, e.g. functioning as transformers
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H—ELECTRICITY
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    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
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    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
    • H10N30/506—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure having a cylindrical shape and having stacking in the radial direction, e.g. coaxial or spiral type rolls

Definitions

  • Piezoelectric transformer The present invention relates to a piezoelectric transformer.
  • the piezoelectric transformer can be used to generate plasma, in particular a non-thermal
  • Atmospheric pressure plasma are used.
  • Piezoelectric transformer is a type of a
  • Resonant transformer which is based on piezoelectricity and unlike the conventional magnetic
  • Transformers represents an electromechanical system.
  • FIG. 4 shows such a piezoelectric transformer 1 known in the prior art.
  • the piezoelectric transformer 1 has an input region 4 and an output region 5.
  • the piezoelectric transformer 1 electrodes 7, 8, to which an AC voltage can be applied.
  • this is converted into a mechanical oscillation as a result of the piezoelectric effect, which in turn is converted into a high voltage in the output region 5.
  • Output area 5 are generated in the operation of the
  • piezoelectric transformer 1 can lead to cracks, whereby the life of the piezoelectric transformer 1 is reduced.
  • rod-shaped piezoelectric transformers are known. These are described, for example, in WO 2007/006298 A2 and in EP 1062702 Bl. These transformers have a complex construction. Here, a tubular transformer will be described, in the output region two
  • the output region has a plurality of regions that are polarized in opposite directions to each other. Furthermore, an entrance area can be divided into two areas be divided, which are driven opposite to each other.
  • the object of the present invention is to provide an improved piezoelectric transformer which avoids in particular the emergence of voltage peaks at sharp edges in the output region.
  • a piezoelectric transformer which has a cylindrical main body with an input region and an output region, wherein the cylinder axis of the main body extends in a longitudinal direction.
  • the input area is designed to convert an applied AC voltage into a mechanical oscillation.
  • the output region is configured to convert a mechanical vibration into an electrical voltage.
  • the output area has a single one
  • Internal electrode is disposed, and a second
  • the piezoelectric layer and the second piezoelectric layer are each polarized in a radial direction which is perpendicular to the longitudinal direction.
  • Shaping provided that manages without sharp edges. In this way, the emergence of voltage peaks sharp edges are avoided.
  • the piezoelectric transformer can with a
  • a drive circuit can be connected, which is designed to apply an AC voltage to the input region.
  • the frequency of the alternating voltage can be chosen such that the piezoelectric transformer with its resonant frequency or with a harmonic
  • the output region has a single piezoelectric
  • Polarization direction can be polarized.
  • Polarization direction of the piezoelectric layer of the output region is the longitudinal direction.
  • This direction is the longitudinal direction in which the cylinder axis extends.
  • the exit area is
  • the output region can be free from a particular
  • the plasma can be ignited between the output region and an environment of the piezoelectric transformer.
  • the first inner electrode and the second inner electrode may be helically wound in the entrance area.
  • Inner electrode and the second inner electrode to be alternately stacked.
  • the input area is configured to perform a mechanical vibration in the radial direction.
  • the entrance area can
  • This wound structure can be easily realized in terms of manufacturing technology.
  • the structure can be easily produced by two printed with electrode paste piezoelectric films and requires no complex
  • the piezoelectric transformer may be substantially rotationally symmetric. Due to the rotational symmetry, uncontrolled plasma discharges do not occur the outer surfaces extending in the longitudinal direction
  • the output area may be configured to a
  • the voltage which can be generated at the output region can be sufficient in order to produce an environment without the presence of a counterelectrode, solely on the basis of the potential difference
  • the piezoelectric transformer can be constructed in a space-saving manner.
  • the output area can connect in the longitudinal direction directly to the entrance area.
  • the piezoelectric transformer can be free of a
  • Isolation layer which is the outdoor area and the
  • the piezoelectric layer of the outer region can in this case in the longitudinal direction to the piezoelectric layers of the input region
  • the first piezoelectric layer of the input region and the second piezoelectric layer of the input region may be polarized in mutually opposite directions, wherein both the polarization direction of the first piezoelectric layer and the polarization direction of the second piezoelectric layer is a radial direction that is perpendicular to the longitudinal direction. In this way, when winding the layers a
  • Input area can be constructed, which is excitable to vibrations in the radial direction.
  • directions which are pointing either perpendicular to the cylinder axis or perpendicularly away from the cylinder axis are referred to as the radial direction.
  • the main body may be a hollow cylindrical or a
  • the layers of the input region can be wound in such a way that the first inner electrode is partially connected to one
  • the exposed areas can be reinforced in each case to outer electrodes of the input area. Accordingly, the piezoelectric transformer at the exposed portions of the
  • Internal electrodes are contacted.
  • the arrangement described herein, in which portions of both internal electrodes expose on an outer surface of the piezoelectric transformer, can be realized by respectively forming the first and second piezoelectric layers by a film which is wound up, the films differing in their length ,
  • the first inner electrode may have a portion exposed on an outer surface of the input portion and reinforced in thickness.
  • the second inner electrode may have an area that is on an outer surface of the
  • the entrance area is exposed and reinforced in thickness. These areas can be used as external electrodes of the
  • the piezoelectric transformer may be a rose-type transformer.
  • Another aspect of the present invention relates to a plasma generating apparatus having a piezoelectric transformer as described above.
  • a process gas can be guided along the piezoelectric transformer and ionized by a high voltage generated at the output region of the transformer.
  • the device is in particular for
  • FIG. 1 shows a piezoelectric transformer
  • Figure 2 shows a cross section through a
  • FIG. 3 shows a cross section through a
  • FIG. 4 shows a known in the art
  • FIG. 1 shows a piezoelectric transformer 1 in a perspective view.
  • Transformer 1 has a cylindrical base body 2.
  • the main body 2 extends into a
  • the main body 2 has an input area 4 and a
  • the exit area 5 adjoins the entrance area 4 in the longitudinal direction L.
  • no further insulating layers are provided between the input region 4 and the output region 5.
  • the piezoelectric transformer 1 is configured to apply an AC voltage to the input region 4 is to convert to a voltage applied to the output region 5. It can be at the entrance area 4 a
  • Low voltage of, for example, less than 25 V are applied, which in a voltage applied to the output region 5
  • the input area 4 is designed to convert an applied alternating voltage into a mechanical oscillation. The mechanical vibration can then be on the
  • the output region 5 is configured to convert a mechanical vibration into an electrical voltage, which may be a high voltage.
  • the input area 4 has a first piezoelectric
  • the input region 4 has a second piezoelectric layer 8, on which a second piezoelectric layer 8
  • Inner electrode 9 is arranged on. The two
  • Piezoelectric layers 6, 8 are helically wound, so that in a radial direction R, which is directed vertically from the cylinder axis 3 outwards, the first inner electrode 7 and the second inner electrode 9 are arranged alternately one above the other.
  • Piezoelectric layer 8 are each polarized in a radial direction R, wherein a polarization direction of the first piezoelectric layer 6 is opposite to the polarization direction of the second piezoelectric layer 8. Accordingly, the polarization direction of one of the piezoelectric layers 6 to the cylinder axis third towards and the polarization direction of the others
  • piezoelectric layer faces away from the cylinder axis 3.
  • This region 10 of the first inner electrode 7 is reinforced so that it has a greater thickness than the remaining regions of the first inner electrode 7.
  • the reinforced region 10 of the first inner electrode 7 forms a first outer electrode, by means of which the first inner electrode 7 can be electrically contacted.
  • the region 10 of the first inner electrode 7 is in particular designed so that further contacting elements can be soldered, via which the piezoelectric transformer 1 with a
  • a region 11 of the second inner electrode 9 is also arranged on the outer surface of the input region 4.
  • This area 11 of the second inner electrode 9 is also reinforced in its thickness and forms a second outer electrode, with the aid of which the second inner electrode 9 is electrically
  • FIG. 1 shows that the outer electrodes formed by the regions 10, 11 each extend over half the circumference of the input region 4.
  • Contacting of the external electrodes can be done by clamping, soldering or another technique.
  • the output region 5 has a single piezoelectric layer 12 which is completely in one
  • the piezoelectric layer 12 of the output region 5 is in longitudinal
  • Output area 5 configured to a mechanical
  • piezoelectric layer 12 of the output region 5 generates an electrical voltage. This may in particular be a high voltage.
  • an end face 13 of the piezoelectric layer 12 of the output region 5 generates an electrical voltage. This may in particular be a high voltage.
  • Output area 5 which faces away from the entrance area 4, then faces an environment of the
  • the piezoelectric transformer 1 to a high voltage. If the piezoelectric transformer 1 is used in a device for generating a plasma, the plasma is ignited at this end face 13 of the output region 5, since here the greatest electrical voltage is applied against the environment. In particular, the exit region 5 has no sharp edges
  • the main body 2 has a hollow cylindrical shape.
  • both the input region 4 and the output region 5 have a hollow cylindrical shape.
  • FIG. 2 shows a cross section through the input region 4 of a hollow cylindrical piezoelectric transformer 1 in a sectional plane perpendicular to the longitudinal direction L.
  • the polarization directions of the first and second piezoelectric layers 6, 8 are indicated by arrows.
  • the illustrated in Figure 2 transformer 1 differs only in the extent of
  • the reinforced areas here only cover an azimuthal extent, which lies in a range between 30 ° and 60 °.
  • the piezoelectric transformer 1 having the hollow cylindrical shape shown in Figs. 1 and 2 becomes as follows
  • the two films are placed one above the other and wound up on a mandrel.
  • the foils are like that
  • Inner electrode 9 is disposed on the outer surface of the wound body. This arrangement can be achieved for example by different lengths of film.
  • the piezoelectric transformer 1 is further processed.
  • Compaction in the green state can be carried out either by isostatic pressing on the mandrel or by pressureless lamination with a pasty intermediate layer.
  • the transformer can be debinded and sintered. Later, the thorn becomes
  • a thin carrier sheet may possibly be wound on the mandrel which may facilitate removal of the mandrel upon separation of the piezoelectric transformer 1 from the mandrel.
  • Carrier film is also separated from the piezoelectric transformer 1 when removing the mandrel. This is due to the winding up on the thorn
  • FIG. 3 shows a cross section through the input region 4 of a piezoelectric transformer 1 according to a second exemplary embodiment.
  • the piezoelectric transformer 1 according to the second embodiment differs from the first embodiment shown in Figure 1 in that the main body 2 has a fully cylindrical shape.
  • both the input region 4 and the output region 5 have a solid cylinder shape.
  • the all-cylindrical piezoelectric transformer 1 can achieve, with a smaller diameter, a capacitance between the first and second inner electrodes 7, 9, that of the capacitance of the hollow cylindrical piezoelectric
  • Transformer 1 corresponds. Therefore, the second embodiment is particularly suitable for applications that place high demands on the space requirement of the transformer 1.
  • the piezoelectric transformer 1 can be used to generate plasma by ionization of a process gas or
  • Ozone generation are used, in which air is ionized. Reference sign list

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Abstract

Offenbart wird ein piezoelektrischer Transformator (1) aus einem zylinderförmigen Grundkörper (2) mit einem Eingangsbereich (4) und einem Ausgangsbereich (5), wobei die Zylinderachse sich in einer longitudinalen Richtung (L) erstreckt. Der Ausgangsbereich (5) weist eine einzige piezoelektrische Schicht (12) auf, die in der longitudinalen Richtung (L) polarisiert ist. Im Eingangsbereich (4) sind eine erste piezoelektrische Schicht (6), auf der eine erste Innenelektrode (7) angeordnet ist, und eine zweite piezoelektrische Schicht (8), auf der eine zweiten Innenelektrode (9) angeordnet ist, aufeinander gewickelt, wobei die Schichten (6, 8) jeweils in einer radialen Richtung (R) polarisiert sind.

Description

Beschreibung
Piezoelektrischer Transformator Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Transformator .
Der piezoelektrische Transformator kann zur Erzeugung von Plasma, insbesondere einem nicht-thermischen
Atmosphärendruck-Plasma, eingesetzt werden. Ein
piezoelektrischer Transformator ist eine Bauform eines
Resonanztransformators, welcher auf Piezoelektrizität basiert und im Gegensatz zu den herkömmlichen magnetischen
Transformatoren ein elektromechanisches System darstellt.
Bekannt sind piezoelektrische Transformatoren, die einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Figur 4 zeigt einen solchen, im Stand der Technik bekannten, piezoelektrischen Transformator 1. Der piezoelektrische Transformator 1 weist einen Eingangsbereich 4 und einen Ausgangsbereich 5 auf. Im Eingangsbereich 4 weist der piezoelektrische Transformator 1 Elektroden 7, 8 auf, an die eine Wechselspannung angelegt werden kann. Im Eingangsbereich 4 wird diese in Folge des piezoelektrischen Effekts in eine mechanische Schwingung umgewandelt, die wiederum in dem Ausgangsbereich 5 in eine Hochspannung umgewandelt wird.
Aus der Veröffentlichung Ito et al . : Discharge plasmas generated by piezoelectric transformers and their
applications , Plasma Sources Sei. Technol. 15 (2006), ist bekannt, dass piezoelektrische Transformatoren 1 zur Zündung eines Plasmas eingesetzt werden können. Dabei wird
beschrieben, dass die Zündung des Plasmas sowohl an den seitlichen Längskanten 15 als auch an den Kanten der
ausgangsseitigen Stirnseite 13 erfolgt.
In Figur 4 sind eine Zündung 16 von Plasma an einer
ausgangsseitigen Stirnseite 13, die vom Eingangsbereich 4 abgewandt ist, und weitere Zündungen 17 von Plasma an den seitlichen Kanten 15 angedeutet. Das elektrische Potential ist entlang der Oberfläche des Ausgangsbereichs 5 nicht geleichmäßig verteilt, sondern weist ein Maximum auf, das einige Millimeter von der ausgangsseitigen Stirnseite 13 entfernt ist. Daher kommt es insbesondere zu Plasmazündungen 17, die entlang den Kanten 15 angeordnet sind und die um einige Millimeter von der Stirnseite 13 versetzt sind. Es wurde jedoch in der oben genannten Veröffentlichung nicht erkannt, dass diese Zündungen 17 an den seitlichen Kanten 15 zu Rückkopplungen führen, bei denen hohe mechanische
Spannungen in dem piezoelektrischen Material im
Ausgangsbereich 5 erzeugt werden, die im Betrieb des
piezoelektrischen Transformators 1 zu Rissen führen können, wodurch die Lebensdauer des piezoelektrischen Transformators 1 verringert wird.
Ferner sind auch stabförmige piezoelektrische Transformatoren bekannt. Diese werden beispielsweise in WO 2007/006298 A2 und in EP 1062702 Bl beschrieben. Diese Transformatoren weisen einen aufwändigen Aufbau auf. Hierbei wird ein rohrförmiger Transformator beschrieben, der im Ausgangsbereich zwei
Elektroden aufweist, zwischen denen eine Hochspannung erzeugt wird. Dazu weist der Ausgangsbereich mehrere Bereiche auf, die zueinander in entgegengesetzter Richtung polarisiert sind. Ferner kann ein Eingangsbereich in zwei Bereiche unterteilt werden, die entgegengesetzt zueinander angesteuert werden .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten piezoelektrischen Transformator anzugeben, der insbesondere das Entstehen von Spannungsspitzen an scharfen Kanten im Ausgangsbereich vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch den piezoelektrischen Transformator gemäß dem vorliegenden Anspruch 1 gelöst.
Es wird ein piezoelektrischer Transformator vorgeschlagen, der einen zylindrischen Grundkörper mit einem Eingangsbereich und einem Ausgangsbereich aufweist, wobei die Zylinderachse des Grundkörpers sich in einer longitudinalen Richtung erstreckt. Der Eingangsbereich ist dazu ausgestaltet, eine angelegte Wechselspannung in eine mechanische Schwingung zu wandeln. Der Ausgangsbereich ist dazu ausgestaltet, eine mechanische Schwingung in eine elektrische Spannung zu wandeln. Der Ausgangsbereich weist eine einzige
piezoelektrische Schicht auf, die in der longitudinalen
Richtung polarisiert ist. In dem Eingangsbereich sind eine erste piezoelektrische Schicht, auf der eine erste
Innenelektrode angeordnet ist, und eine zweite
piezoelektrische Schicht, auf der eine zweite Innenelektrode angeordnet ist, aufeinander gewickelt. Die erste
piezoelektrische Schicht und die zweite piezoelektrische Schicht sind jeweils in einer radialen Richtung polarisiert, die senkrecht zu der longitudinalen Richtung ist.
Durch die zylindrische Form des Grundkörpers wird eine
Formgebung bereitgestellt, die ohne scharfe Kanten auskommt. Auf diese Weise kann die Entstehung von Spannungsspitzen an scharfen Kanten grundsätzlich vermieden werden.
Dementsprechend können die damit verbundenen Probleme, wie etwa die unkontrollierte Zündung des Plasmas oder eine ungewünschte Verschiebung des Ortes der Plasmazündung weg von einer Stirnseite, vermieden werden. Die zylinderförmige
Grundkörperform erfordert zwar ein etwas aufwändigeres
Herstellungsverfahren, überwindet dabei jedoch grundsätzliche Nachteile der bekannten rechteckigen Form, sodass insgesamt die Vorteile des zylindrischen Grundkörpers überwiegen.
Zwischen dem Eingangsbereich und dem Ausgangsbereich ist keine Isolationsschicht vorgesehen. Vielmehr können die erste und die zweite piezoelektrische Schicht des Eingangsbereichs unmittelbar die piezoelektrische Schicht des
Ausgangsbereiches berühren. Auf diese Weise kann
sichergestellt werden, dass eine im Eingangsbereich angeregte mechanische Schwingung ungedämpft in den Ausgangsbereich übertritt und keine Energie verloren geht. Der piezoelektrische Transformator kann mit einer
Ansteuerschaltung verbunden werden, die dazu ausgestaltet ist, an dem Eingangsbereich eine Wechselspannung anzulegen. Die Frequenz der Wechselspannung kann dabei derart gewählt werden, dass der piezoelektrische Transformator mit seiner Resonanzfrequenz beziehungsweise mit einer harmonischen
Oberschwingung seiner Resonanzfrequenz betrieben wird.
Der Ausgangsbereich weist eine einzige piezoelektrische
Schicht auf, die durchgehend in eine einzige
Polarisationsrichtung polarisiert sein kann. Die
Polarisationsrichtung der piezoelektrischen Schicht des Ausgangsbereichs ist die longitudinale Richtung. Somit kann die gesamte piezoelektrische Schicht des Ausgangsbereichs in eine einzige Richtung polarisiert sein. Bei dieser Richtung handelt es sich um die longitudinale Richtung, in die sich die Zylinderachse erstreckt. Der Ausgangsbereich ist
insbesondere frei von Teilbereichen, die in eine dazu
entgegengesetzte Richtung polarisiert sind. Somit kann sich ein einfacher Aufbau des piezoelektrischen Transformators ergeben .
Der Ausgangsbereich kann insbesondere frei von einer
Gegenelektrode sein. Dementsprechend kann das Plasma zwischen dem Ausgangsbereich und einer Umgebung des piezoelektrischen Transformators gezündet werden.
Die erste Innenelektrode und die zweite Innenelektrode können schneckenförmig in dem Eingangsbereich gewickelt sein.
Dementsprechend können in der radialen Richtung, die
senkrecht zu der longitudinalen Richtung ist, die erste
Innenelektrode und die zweite Innenelektrode abwechselnd übereinandergestapelt sein. Damit ist der Eingangsbereich dazu ausgestaltet, eine mechanische Schwingung in der radialen Richtung auszuführen. Der Eingangsbereich kann
Schwingungen in dem 31-Modus ausführen.
Dieser gewickelte Aufbau kann fertigungstechnisch einfach realisiert werden. Insbesondere kann der Aufbau durch zwei mit Elektrodenpaste bedruckten piezoelektrischen Folien leicht hergestellt werden und bedarf keiner aufwändigen
Strukturierung . Der piezoelektrische Transformator kann im Wesentlichen rotationssymmetrisch sein. Aufgrund der Rotationssymmetrie kommt es nicht zu unkontrollierten Plasmaentladungen entlang den Außenflächen, die sich in longitudinaler Richtung
erstrecken .
Der Ausgangsbereich kann dazu ausgestaltet sein, eine
Hochspannung zwischen einer von dem Eingangsbereich
wegweisenden Stirnseite des Ausgangsbereichs und einer
Umgebung des Transformators zu erzeugen. Dementsprechend kann an dem Ausgangsbereich keine Gegenelektrode vorgesehen sein. Die von dem piezoelektrischen Transformator im
Ausgangsbereich erzeugbare Spannung kann vielmehr ausreichen, um ohne das Vorhandensein einer Gegenelektrode allein auf Basis des Potentialunterschiedes zu einer Umgebung des
Transformators ein Prozessgas zu ionisieren. Dadurch, dass auf eine Gegenelektrode verzichtet werden kann, kann der piezoelektrische Transformator in platzsparender Weise konstruiert werden.
Der Ausgangsbereich kann sich in longitudinaler Richtung unmittelbar an dem Eingangsbereich anschließen. Insbesondere kann der piezoelektrische Transformator frei von einer
Isolationsschicht sein, die den Außenbereich und den
Innenbereich trennt. Dementsprechend sind keine Elektroden im Außenbereich erforderlich. Insbesondere kann die piezoelektrische Schicht des
Außenbereichs sich unmittelbar an die erste piezoelektrische Schicht und die zweite piezoelektrische Schicht des
Eingangsbereichs anschließen. Die piezoelektrische Schicht des Außenbereichs kann dabei in longitudinaler Richtung zu den piezoelektrischen Schichten des Eingangsbereichs
benachbart sein. Die erste piezoelektrische Schicht des Eingangsbereichs und die zweite piezoelektrische Schicht des Eingangsbereichs können in zueinander entgegengesetzte Richtungen polarisiert sein, wobei sowohl die Polarisationsrichtung der ersten piezoelektrischen Schicht als auch die Polarisationsrichtung der zweiten piezoelektrischen Schicht eine radiale Richtung ist, die senkrecht zur longitudinalen Richtung ist. Auf diese Weise kann bei einem Aufwickeln der Schichten ein
Eingangsbereich konstruiert werden, der zu Schwingungen in radialer Richtung anregbar ist. Als radiale Richtung werden dabei Richtungen bezeichnet, die entweder senkrecht zu der Zylinderachse hin oder senkrecht von der Zylinderachse weg weisen . Der Grundkörper kann eine hohlzylindrische oder eine
vollzylindrische Form aufweisen. Der Vorteil einer
vollzylindrischen Form liegt darin, dass hier das gesamte Volumen des Grundkörpers als piezoelektrisch aktive Schichten genutzt werden kann. Der Vorteil eines hohlzylindrischen Grundkörpers besteht in einem besonders einfachen
Herstellungsverfahren, bei dem Schichten auf einem Dorn aufgewickelt werden können.
Die Schichten des Eingangsbereichs können derart gewickelt sein, dass die erste Innenelektrode teilweise an einer
Außenfläche des Eingangsbereichs freiliegt und dass die zweite Innenelektrode teilweise an einer Außenfläche des Eingangsbereichs freiliegt. Die freiliegenden Bereiche können dabei jeweils zu Außenelektroden des Eingangsbereichs verstärkt werden. Dementsprechend kann der piezoelektrische Transformator an den freiliegenden Bereichen der
Innenelektroden kontaktiert werden. Die hier beschriebene Anordnung, bei der Bereiche von beiden Innenelektroden auf einer Außenfläche des piezoelektrischen Transformators freilegen, kann realisiert werden, indem die erste und die zweite piezoelektrische Schicht jeweils durch eine Folie gebildet wird, die aufgewickelt wird, wobei die Folien sich in ihrer Länge unterscheiden.
Die erste Innenelektrode kann einen Bereich aufweisen, der an einer Außenfläche des Eingangsbereichs freiliegt und der in seiner Dicke verstärkt ist. Die zweite Innenelektrode kann einen Bereich aufweisen, der an einer Außenfläche des
Eingangsbereichs freiliegt und der in seiner Dicke verstärkt ist. Diese Bereiche können als Außenelektroden des
piezoelektrischen Transformators dienen. Durch die
Verstärkung der jeweiligen Bereiche der ersten und der zweiten Innenelektrode kann eine ausreichende Lötfähigkeit sichergestellt werden. Ferner sind die verstärkten Bereiche, die an den Außenflächen freiliegen, aufgrund ihrer
Verstärkung weniger empfindlich gegen Beschädigungen infolge von Abrasion.
Bei dem piezoelektrischen Transformator kann es sich um einen Transformator vom Rosen-Typ handeln. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas, die einen oben beschriebenen piezoelektrischen Transformator aufweist. Dabei kann beispielsweise ein Prozessgas an dem piezoelektrischen Transformator entlanggeführt werden und von einer an dem Ausgangsbereich des Transformators erzeugten Hochspannung ionisiert werden. Die Vorrichtung ist insbesondere zur
Erzeugung eines nicht-thermischen Atmosphärendruck-Plasmas ausgelegt . Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der
Figuren genauer beschrieben. Figur 1 zeigt einen piezoelektrischen Transformator in
perspektivischer Ansicht,
Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch einen
hohlzylindrischen piezoelektrischen Transformator,
Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch einen
piezoelektrischen Transformator gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel , Figur 4 zeigt einen im Stand der Technik bekannten
piezoelektrischen Transformator.
Figur 1 zeigt einen piezoelektrischen Transformator 1 in einer perspektivischen Ansicht. Der piezoelektrische
Transformator 1 weist einen zylinderförmigen Grundkörper 2 auf. Der Grundkörper 2 erstreckt sich dabei in eine
longitudinale Richtung L, wobei die Zylinderachse 3 in der longitudinalen Richtung angeordnet ist. Der Grundkörper 2 weist einen Eingangsbereich 4 und einen
Ausgangsbereich 5 auf. Der Ausgangsbereich 5 schließt sich in longitudinaler Richtung L unmittelbar an den Eingangsbereich 4 an. Insbesondere sind zwischen dem Eingangsbereich 4 und dem Ausgangsbereich 5 keine weiteren isolierenden Schichten vorgesehen.
Der piezoelektrische Transformator 1 ist dazu ausgestaltet, eine Wechselspannung, die an den Eingangsbereich 4 angelegt wird, in eine Spannung, die am Ausgangsbereich 5 anliegt, zu wandeln. Dabei kann an den Eingangsbereich 4 eine
Niederspannung von beispielsweise weniger als 25 V angelegt werden, die in eine am Ausgangsbereich 5 anliegende
Hochspannung gewandelt wird.
Der Eingangsbereich 4 ist dazu ausgestaltet, eine anliegende Wechselspannung in eine mechanische Schwingung zu wandeln. Die mechanische Schwingung kann sich dann auf dem
Ausgangsbereich 5 ausbreiten. Der Ausgangsbereich 5 ist dazu ausgestaltet, eine mechanische Schwingung in eine elektrische Spannung zu wandeln, wobei es sich hier um eine Hochspannung handeln kann. Der Eingangsbereich 4 weist eine erste piezoelektrische
Schicht 6, auf der eine erste Innenelektrode 7 angeordnet ist, auf. Ferner weist der Eingangsbereich 4 eine zweite piezoelektrische Schicht 8, auf der eine zweite
Innenelektrode 9 angeordnet ist, auf. Die beiden
piezoelektrischen Schichten 6, 8 sind schneckenförmigen aufgewickelt, sodass in einer radialen Richtung R, die sich von der Zylinderachse 3 senkrecht nach außen richtet, die erste Innenelektrode 7 und die zweite Innenelektrode 9 abwechselnd übereinander angeordnet sind.
Die erste piezoelektrische Schicht 6 und die zweite
piezoelektrische Schicht 8 sind jeweils in einer radialen Richtung R polarisiert, wobei eine Polarisationsrichtung der ersten piezoelektrischen Schicht 6 entgegengesetzt zu der Polarisationsrichtung der zweiten piezoelektrischen Schicht 8 ist. Dementsprechend weist die Polarisationsrichtung von einer der piezoelektrischen Schichten 6 zur Zylinderachse 3 hin und die Polarisationsrichtung der anderen
piezoelektrischen Schicht weist von der Zylinderachse 3 weg.
Wird nunmehr zwischen der ersten Innenelektrode 7 und der zweiten Innenelektrode 9 eine Wechselspannung angelegt, so werden die piezoelektrischen Schichten 6, 8 zu
Längenänderungen in der radialen Richtung R angeregt. Diese breiten sich als mechanischen Wellen in der longitudinalen Richtung L aus und gelangen auf diese Weise in den
Ausgangsbereich 5.
Die erste piezoelektrische Schicht 6 und die zweite
piezoelektrische Schicht 8 werden derart zu dem
Eingangsbereich 4 gewickelt, dass ein Bereich 10 der ersten Innenelektrode 7 auf einer Außenfläche des Eingangsbereichs 4 freiliegt. Dieser Bereich 10 der ersten Innenelektrode 7 ist verstärkt, sodass er eine größere Dicke aufweist als die übrigen Bereiche der ersten Innenelektrode 7. Der verstärkte Bereich 10 der ersten Innenelektrode 7 bildet eine erste Außenelektrode, mit deren Hilfe die erste Innenelektrode 7 elektrisch kontaktiert werden kann. Der Bereich 10 der ersten Innenelektrode 7 ist insbesondere dazu ausgestaltet, dass hier weitere Kontaktierungselemente angelötet werden können, über die der piezoelektrische Transformator 1 mit einer
Ansteuerschaltung verbunden werden kann.
Ferner ist auch ein Bereich 11 der zweiten Innenelektrode 9 auf der Außenfläche des Eingangsbereichs 4 angeordnet. Auch dieser Bereich 11 der zweiten Innenelektrode 9 ist in seiner Dicke verstärkt und bildet eine zweite Außenelektrode, mit deren Hilfe die zweite Innenelektrode 9 elektrisch
kontaktiert werden kann. Insbesondere ist der verstärkte Bereich 11 der zweiten Innenelektrode 9 dazu ausgestaltet, dass hier ebenfalls Kontaktierungselemente angelötet werden können, über die der piezoelektrische Transformator 1 mit einer Ansteuerschaltung verbunden werden kann. In Figur 1 ist dargestellt, dass die durch die Bereiche 10, 11 gebildeten Außenelektroden sich jeweils über die Hälfte des Umfangs des Eingangsbereichs 4 erstrecken. Die
Kontaktierung der Außenelektroden kann durch Klemmen, Löten oder eine andere Technik erfolgen.
Der Ausgangsbereich 5 weist eine einzige piezoelektrische Schicht 12 auf, die vollständig in einer einzigen
Polarisationsrichtung polarisiert ist. Die piezoelektrische Schicht 12 des Ausgangsbereichs 5 ist in longitudinaler
Richtung L polarisiert. Dementsprechend ist der
Ausgangsbereich 5 dazu ausgestaltet, eine mechanische
Schwingung in der longitudinalen Richtung L in eine
elektrische Spannung zu wandeln. Wird nun im Eingangsbereich 4 eine mechanische Welle
angeregt, die sich in den Ausgangsbereich 5 ausbreitet, so wird infolge des piezoelektrischen Effektes in der
piezoelektrischen Schicht 12 des Ausgangsbereichs 5 eine elektrische Spannung erzeugt. Dabei kann es sich insbesondere um eine Hochspannung handeln. An einer Stirnseite 13 des
Ausgangsbereichs 5, die von dem Eingangsbereich 4 abgewandt ist, liegt dann gegenüber einer Umgebung des
piezoelektrischen Transformators 1 eine Hochspannung an. Wird der piezoelektrische Transformator 1 in einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas verwendet, so wird das Plasma an dieser Stirnfläche 13 des Ausgangsbereichs 5 gezündet, da hier die größte elektrische Spannung gegen die Umgebung anliegt . Insbesondere weist der Ausgangsbereich 5 keine scharfen
Kanten auf, die sich in der longitudinalen Richtung L
erstrecken. An solchen Kanten könnte es andernfalls zu lokalen Feldüberhöhungen kommen, die zu unkontrollierten Plasmaentladungen führen würden. Auf Grund der
zylinderförmigen Gestaltung des Ausgangsbereichs 5 ist eine sich in longitudinaler Richtung erstreckende Außenfläche des Ausgangsbereichs 5 frei von Kanten. Daher liegt das höchste elektrische Potential an der Stirnseite 13 an.
Dementsprechend kommt es zu Plasmaentladungen an der
Stirnseite 13, die in einem Plasmagenerator in gewünschter Weise genutzt werden können. Der Grundkörper 2 weist eine hohlzylindrische Form auf.
Insbesondere weisen sowohl der Eingangsbereich 4 als auch der Ausgangsbereich 5 eine hohlzylindrische Form auf.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch den Eingangsbereich 4 eines hohlzylindrischen piezoelektrischen Transformators 1 in einer Schnittebene senkrecht zur longitudinalen Richtung L. Die Polarisationsrichtungen der ersten und der zweiten piezoelektrischen Schicht 6, 8 sind hierbei durch Pfeile angedeutet. Der in Figur 2 dargestellte Transformator 1 unterscheidet sich lediglich in der Ausdehnung der
verstärkten Bereiche 10, 11 von dem in Figur 1 gezeigten Transformator. Die verstärkten Bereiche decken hier nur jeweils eine azimutale Ausdehnung ab, die in einem Bereich zwischen 30° und 60° liegt.
Der piezoelektrische Transformator 1 mit der in den Figuren 1 und 2 gezeigten hohlzylindrischen Form wird wie folgt
gefertigt. Auf eine erste keramische Folie, die später die erste piezoelektrische Schicht 6 ausbildet, wird eine Paste aufgebracht, die im piezoelektrischen Transformator 1 die erste Innenelektrode 7 ausbilden wird. Auf eine zweite keramische Folie, die später die zweite piezoelektrische Schicht 8 ausbildet, wird die Paste ebenfalls aufgebracht, wobei die Paste hier die zweite Innenelektrode 9 ausbilden wird .
Die beiden Folien werden übereinander gelegt und auf einen Dorn aufgewickelt. Dabei sind die Folien derart
dimensioniert, dass sowohl ein Bereich 10 der ersten
Innenelektrode 7 als auch ein Bereich 11 der zweiten
Innenelektrode 9 auf der Außenfläche des gewickelten Körpers angeordnet ist. Diese Anordnung kann beispielsweise durch unterschiedlich lange Folien erreicht werden.
In diesem Zustand wird der piezoelektrische Transformator 1 weiterbearbeitet. Eine Verdichtung im grünen Zustand kann entweder durch isostatisches Pressen auf den Dorn oder durch druckloses Laminieren mit einer pastösen Zwischenschicht erfolgen. In weiteren Prozessschritten kann der Transformator entbindert und gesintert werden. Später wird der Dorn
entfernt, sodass sich im inneren Bereich des Grundkörpers 2 eine zylindrische Öffnung 14 ergibt, die sich in
longitudinaler Richtung L erstreckt. Auf dem Dorn kann eventuell eine dünne Trägerfolie aufgewickelt sein, die das Entfernen des Dorns bei der Trennung des piezoelektrischen Transformators 1 von dem Dorn erleichtern kann. Die
Trägerfolie wird beim Entfernen des Dorns ebenfalls vom piezoelektrischen Transformator 1 getrennt. Auf Grund des Aufwickeins auf den Dorn ist das hier
beschriebene Herstellungsverfahren besonders schnell und mit geringem Aufwand durchführbar. Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch den Eingangsbereich 4 eines piezoelektrischen Transformators 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Der piezoelektrische Transformator 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Figur 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass der Grundkörper 2 eine vollzylindrische Form aufweist.
Insbesondere weisen sowohl der Eingangsbereich 4 als auch der Ausgangsbereich 5 eine Vollzylinder-Form auf.
Der vollzylindrische piezoelektrische Transformator 1 kann mit einem geringeren Durchmesser eine Kapazität zwischen der ersten und der zweiten Innenelektrode 7, 9 erreichen, die der Kapazität des hohlzylindrischen piezoelektrischen
Transformators 1 entspricht. Daher eignet sich das zweite Ausführungsbeispiel insbesondere bei Anwendungen, die hohe Anforderungen an den Platzbedarf des Transformators 1 stellen .
Die piezoelektrische Transformator 1 kann zur Erzeugung von Plasma durch Ionisation eines Prozessgases oder zur
Ozongenerierung eingesetzt werden, bei der Luft ionisiert wird . Bezugs zeichenliste
1 piezoelektrischer Transformator
2 Grundkörper
3 Zylinderachse
4 Eingangsbereich
5 Ausgangsbereich
6 erste piezoelektrische Schicht
7 erste Innenelektrode
8 zweite piezoelektrische Schicht
9 zweite Innenelektrode
10 Bereich der ersten Innenelektrode
11 Bereich der zweiten Innenelektrode
12 piezoelektrische Schicht
13 Stirnseite
14 Öffnung
15 Kanten
16 Zündung von Plasma
17 Zündung von Plasma
L longitudinale Richtung
R radiale Richtung

Claims

Piezoelektrischer Transformator (1),
aufweisend einen zylinderförmigen Grundkörper (2) mit einem Eingangsbereich (4) und einem Ausgangsbereich (5), wobei eine Zylinderachse (3) des Grundkörpers (2) sich in einer longitudinalen Richtung (L) erstreckt,
wobei der Eingangsbereich (4) dazu ausgestaltet ist, eine angelegte Wechselspannung in eine mechanische
Schwingung zu wandeln,
wobei der Ausgangsbereich (5) dazu ausgestaltet ist, eine mechanische Schwingung in eine elektrische Spannung zu wandeln,
wobei der Ausgangsbereich (5) eine einzige
piezoelektrische Schicht (12) aufweist, die in der longitudinalen Richtung (L) polarisiert ist,
wobei in dem Eingangsbereich (4) eine erste
piezoelektrische Schicht (6), auf der eine erste
Innenelektrode (7) angeordnet ist, und eine zweite piezoelektrische Schicht (8), auf der eine zweiten
Innenelektrode (9) angeordnet ist, aufeinander gewickelt sind und wobei die erste piezoelektrische Schicht (6) und die zweite piezoelektrische Schicht (8) jeweils in einer radialen Richtung (R) polarisiert sind, die senkrecht zu der longitudinalen Richtung (L) ist.
Piezoelektrischer Transformator (1) gemäß Anspruch 1, wobei der Ausgangsbereich (5) dazu ausgestaltet ist, eine Hochspannung zwischen einer von dem Eingangsbereich
(4) wegweisenden Stirnseite (13) des Ausgangsbereichs
(5) und einer Umgebung des Transformators (1) zu
erzeugen . Piezoelektrischer Transformator (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
wobei der Ausgangsbereich (5) sich in der longitudinalen Richtung (L) unmittelbar an den Eingangsbereich (4) anschließt .
Piezoelektrischer Transformator (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die piezoelektrische Schicht (12) des
Ausgangsbereichs (5) sich unmittelbar an die erste piezoelektrische Schicht (6) und die zweite
piezoelektrische Schicht (8) des Eingangsbereichs (4) anschließt .
Piezoelektrischer Transformator (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die erste piezoelektrische Schicht (6) des
Eingangsbereichs (4) und die zweite piezoelektrische Schicht (8) des Eingangsbereichs (4) in zueinander entgegengesetzten, radialen Richtungen (R) polarisiert sind .
Piezoelektrischer Transformator (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
wobei der Grundkörper (2) eine hohlzylindrische Form aufweist .
Piezoelektrischer Transformator (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei der Grundkörper (2) eine vollzylindrische Form aufweist .
8. Piezoelektrischer Transformator (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Schichten des Eingangsbereichs (4) derart gewickelt sind, dass die erste Innenelektrode (7) teilweise an einer Außenfläche des Eingangsbereichs (4) freiliegt und dass die zweite Innenelektrode (9) teilweise an einer Außenfläche des Eingangsbereichs (4) freiliegt .
9. Piezoelektrischer Transformator (1) gemäß einem der
vorherigen Ansprüche,
wobei die erste Innenelektrode (7) einen Bereich (10) aufweist, der an einer Außenfläche des Eingangsbereichs
(4) freiliegt und der in seiner Dicke verstärkt ist, wobei die zweite Innenelektrode (9) einen Bereich (11) aufweist, der an einer Außenfläche des Eingangsbereichs
(4) freiliegt und der in seiner Dicke verstärkt ist.
10. Piezoelektrischer Transformator (1) gemäß einem der
vorherigen Ansprüche,
wobei es sich um einen Transformator (1) vom Rosen-Typ handelt .
11. Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas aufweisend einen piezoelektrischen Transformator (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche.
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