本發(fā)明涉及一種壓電變壓器。壓電變壓器尤其是可以用在用于產(chǎn)生大氣壓等離子體的裝置中。

背景技術(shù)：

壓電變壓器是諧振變壓器的一種構(gòu)造形式，所述諧振變壓器基于壓電現(xiàn)象并且與常規(guī)的磁變壓器不同是一種機(jī)電系統(tǒng)。圖1示出了壓電變壓器1，其也作為羅森變壓器（Rosen-Transformator）已知。

壓電變壓器1具有輸入?yún)^(qū)域2和輸出區(qū)域3。在輸入?yún)^(qū)域2中，壓電變壓器1具有電極4，交變電壓可以被施加到所述電極4上。電極4在壓電變壓器1的縱向方向L上延伸。電極4在與縱向方向L垂直的堆疊方向S上與壓電材料5交替地堆疊。在此，壓電材料5在堆疊方向S上被極化。

電極4布置在壓電變壓器1的內(nèi)部中，并且也被稱為內(nèi)部電極。壓電變壓器1具有第一縱向側(cè)6和與第一縱向側(cè)6相對的第二縱向側(cè)7。在第一縱向側(cè)6上布置有第一外部電極8。在第二縱向側(cè)7上布置有第二外部電極（未示出）。位于內(nèi)部的電極4在堆疊方向S上要么與第一外部電極8、要么與第二外部電極交替地電接觸。

輸入?yún)^(qū)域2可以利用施加在電極4之間的小的交變電壓來激勵(lì)。由于壓電效應(yīng)，在輸入側(cè)施加的交變電壓首先被轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動。在此，機(jī)械振動的頻率基本上依賴于壓電變壓器1的幾何結(jié)構(gòu)和機(jī)械構(gòu)造。

輸出區(qū)域3具有壓電材料9并且不含位于內(nèi)部的電極。輸出區(qū)域中的壓電材料9在縱向方向L上被極化。輸出區(qū)域3的壓電材料9可以是與輸入?yún)^(qū)域2的壓電材料5相同的材料，其中壓電材料5和9可以在其極化方向方面不同。

如果將交變電壓施加到輸入?yún)^(qū)域2中的電極4上，則在壓電材料5、9之內(nèi)形成機(jī)械波，該機(jī)械波通過壓電效應(yīng)在輸出區(qū)域3中產(chǎn)生輸出電壓。輸出區(qū)域3具有輸出側(cè)端側(cè)10，該輸出側(cè)端側(cè)10被金屬化并且形成輸出電極。在輸出區(qū)域3中產(chǎn)生的電壓因此施加在金屬化的端側(cè)10與輸出區(qū)域2的電極4的端部之間。在此，高電壓施加在輸出側(cè)端側(cè)10上。

通過這種方式，壓電變壓器1產(chǎn)生高的電場，該電場能夠通過電激勵(lì)將氣體電離。在此，相應(yīng)氣體的原子或分子被電離并且形成等離子體。于是，當(dāng)壓電變壓器1的表面處的電場強(qiáng)度超過等離子體的點(diǎn)火場強(qiáng)時(shí)，總是導(dǎo)致電離。在此，被稱為等離子體的點(diǎn)火場強(qiáng)的是為了電離原子或分子所需的場強(qiáng)。

從Ito等人的公開物:Discharge plasmas generated by piezoelectric transformers and their applications（Plasma Sources Sei.Technol.15 (2006)）中公知的是，壓電變壓器可以用于等離子體的點(diǎn)火。在此所描述的是，等離子體的點(diǎn)火既可以在側(cè)面的縱向棱邊處、又可以在輸出側(cè)端側(cè)處進(jìn)行。

在圖1中標(biāo)示了等離子體在輸出側(cè)端側(cè)處的點(diǎn)火11、以及等離子體在側(cè)面棱邊13處的另外的點(diǎn)火12。

但是在上述公開物中未認(rèn)識到，在側(cè)面棱邊處的點(diǎn)火導(dǎo)致如下反饋，在所述反饋的情況下在壓電材料中，在輸出區(qū)域中產(chǎn)生高的機(jī)械應(yīng)力，所述機(jī)械應(yīng)力可能在壓電變壓器的運(yùn)行中導(dǎo)致裂縫，由此降低壓電變壓器的壽命。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的任務(wù)是，提供一種改進(jìn)的壓電變壓器，該壓電變壓器例如具有更高的壽命。

上述任務(wù)通過根據(jù)本權(quán)利要求1所述的壓電變壓器來解決。

提出了一種壓電變壓器，其在縱向方向上被劃分成輸入?yún)^(qū)域和輸出區(qū)域，其中在輸入?yún)^(qū)域中交替地堆疊電極和壓電材料，并且能夠?qū)⒔蛔冸妷菏┘拥捷斎雲(yún)^(qū)域中的電極上，其中輸出區(qū)域具有如下壓電材料，所述壓電材料當(dāng)在輸入?yún)^(qū)域中施加交變電壓的情況下導(dǎo)致電場的建立，其中壓電變壓器具有輸出側(cè)端側(cè)，所述輸出側(cè)端側(cè)指向遠(yuǎn)離輸入?yún)^(qū)域之處并且具有在縱向方向上伸展的側(cè)面棱邊，并且其中壓電變壓器被構(gòu)造為在輸出側(cè)端側(cè)處電離原子或分子并且在此在側(cè)面棱邊處避免原子或分子的電離。

通過在側(cè)面棱邊處避免原子或分子的電離，保證了在點(diǎn)火等離子體時(shí)在側(cè)面棱邊處不導(dǎo)致不期望的反饋。否則，由于這樣的反饋將形成機(jī)械應(yīng)力尖峰，所述機(jī)械應(yīng)力尖峰將導(dǎo)致機(jī)械材料中的裂縫并且因此導(dǎo)致壓電變壓器的縮短的壽命。因此，通過本發(fā)明避免了這樣的裂縫的出現(xiàn)，使得壓電變壓器的壽命得到提高。

該壓電變壓器可以是上述羅森變壓器，其中附加地設(shè)置有用于在側(cè)面棱邊處避免電離原子或分子的措施。已經(jīng)結(jié)合羅森變壓器被公開的所有結(jié)構(gòu)性和功能性特征也可以存在于根據(jù)本發(fā)明的壓電變壓器中。

輸入?yún)^(qū)域尤其是可以具有在堆疊方向上交替堆疊的電極和壓電材料。在此，堆疊方向垂直于縱向方向。堆疊方向還垂直于第一縱向側(cè)6的面法線，在所述第一縱向側(cè)上布置有第一外部電極8。

輸出區(qū)域不含位于內(nèi)部的電極。輸出區(qū)域是由壓電材料制成的單片式疊層，其中輸出側(cè)端側(cè)可以被金屬化。輸出區(qū)域具有壓電材料，該壓電材料在縱向方向上被極化。

輸入?yún)^(qū)域也被稱為激勵(lì)區(qū)，而輸出區(qū)域也被稱為高壓區(qū)。

壓電變壓器具有基本上長方六面體形的形狀。縱向方向由壓電變壓器的彼此相距最遠(yuǎn)的外表面的連接來定義、即被定義為沿著壓電變壓器的最長棱邊的方向。

為了在避免側(cè)面棱邊處的電離的情況下有針對性地控制原子或分子在輸出側(cè)端側(cè)處的電離，起決定性作用的是，電場強(qiáng)度在端側(cè)處達(dá)到其最大值。側(cè)面棱邊因此可以被修改為使得電場的場強(qiáng)在這里有針對性地被降低并且尤其是避免了電壓尖峰的出現(xiàn)。當(dāng)輸出側(cè)端側(cè)處的電場強(qiáng)度達(dá)到點(diǎn)火場強(qiáng)時(shí)，側(cè)面棱邊處的電場強(qiáng)度尤其是應(yīng)當(dāng)?shù)陀诘入x子體的點(diǎn)火場強(qiáng)。

壓電變壓器的側(cè)面棱邊可以具有倒圓區(qū)域。在該倒圓區(qū)域中避免了電壓尖峰，使得不導(dǎo)致原子或分子在側(cè)面棱邊處的電離。通過對棱邊進(jìn)行倒圓，降低了側(cè)面棱邊的表面處的電場強(qiáng)度。

棱邊可以在燒結(jié)之前或之后被倒圓。

倒圓區(qū)域可以至少從輸出側(cè)端側(cè)延伸直至輸出區(qū)域的中部。在壓電變壓器的運(yùn)行中，在該區(qū)域中存在最大的電場強(qiáng)度。因此，在該區(qū)域中特別重要的是，降低棱邊處的場強(qiáng)，以便避免等離子體的所不期望的點(diǎn)火。倒圓區(qū)域優(yōu)選地與輸出側(cè)端側(cè)直接鄰接，因?yàn)樵诮咏敵鰝?cè)端側(cè)處，側(cè)面棱邊處的不期望的電離的風(fēng)險(xiǎn)是特別大的。

倒圓區(qū)域可以延伸跨過側(cè)面棱邊的整個(gè)長度。在所確定的用于例如在擦磨的情況下制造倒圓區(qū)域的方法中，明顯更簡單的是，對側(cè)面棱邊在其整個(gè)長度上進(jìn)行倒圓。在輸入?yún)^(qū)域中也對側(cè)面棱邊進(jìn)行倒圓不會負(fù)面地影響壓電變壓器的功能性。

側(cè)面棱邊可以在倒圓區(qū)域中具有0.1mm至3mm的半徑。如果半徑被選擇為小于0.1mm，則將不再保證側(cè)面棱邊處的電場強(qiáng)度的充分降低，因?yàn)閭?cè)面棱邊在此情況下一定程度上是有角的。具有3mm半徑的倒圓對于充分降低棱邊處的電場強(qiáng)度而言綽綽有余，使得具有更大半徑的倒圓將不會導(dǎo)致壓電變壓器的特性的進(jìn)一步改善。因此，0.1至3mm的半徑范圍是最優(yōu)的。另外，半徑優(yōu)選地可以處于0.2至1.0mm。

側(cè)面棱邊的倒圓區(qū)域例如可以借助于擦磨、打磨或噴砂來倒圓。

這里，被稱為擦磨的是一種如下方法：在該方法中，壓電變壓器的所有棱邊在未經(jīng)燒結(jié)的、不成熟的狀態(tài)下借助于松散顆粒被磨光。在此，多個(gè)壓電變壓器可以與擦磨裝置一起被置入到滾筒中，并且在那里彼此摩擦，由此對棱邊進(jìn)行倒圓。擦磨的優(yōu)點(diǎn)在于，該方法可以非?？烨业统杀镜貓?zhí)行。

通過擦磨，還對輸出側(cè)端側(cè)的棱邊和角進(jìn)行倒圓。在此，形成具有倒圓的輸出側(cè)端側(cè)的壓電變壓器，其中電離僅僅在端側(cè)的角處進(jìn)行。端側(cè)的角由于倒圓而具有擴(kuò)大的面積，使得形成扇形化的等離子體束。該等離子體束可以有利于確定的應(yīng)用。如果對于應(yīng)用來說等離子體束的扇形化是不期望的，則可以在擦磨以后執(zhí)行端側(cè)的磨光，由此端側(cè)的倒圓棱邊再次變?yōu)橛薪堑摹?/p>

這里，被稱為打磨的是一種如下方法：在該方法中，壓電變壓器在燒結(jié)狀態(tài)下利用打磨盤來處理。在此，壓電變壓器可以非常精準(zhǔn)地被處理。端側(cè)處的棱邊尤其是可以保持為未經(jīng)處理的。打磨提供了高的設(shè)計(jì)靈活性。例如可以借助于打磨將倒圓區(qū)域構(gòu)造為使得所述倒圓區(qū)域具有逐漸消失的（auslaufend）半徑。倒圓區(qū)域的半徑可以在輸出側(cè)端側(cè)處為最大，并且朝著輸入側(cè)減小。打磨還使得能夠?qū)⒍藗?cè)成為所期望的形狀。端側(cè)例如可以半球形地來構(gòu)造或者金字塔式地變尖地來構(gòu)造。根據(jù)端側(cè)的構(gòu)造，得出可產(chǎn)生的等離子體束的其它形狀。

打磨的另一優(yōu)點(diǎn)是，該方法導(dǎo)致非常光滑的表面，使得在不平坦處不會導(dǎo)致局部的場過高。

在噴砂的情況下，側(cè)面棱邊在壓縮空氣的作用下被噴射松散顆粒。通過這種方式，側(cè)面棱邊的材料被剝蝕。噴砂可以在壓電變壓器的燒結(jié)狀態(tài)下進(jìn)行。壓電變壓器的在噴砂時(shí)應(yīng)當(dāng)保持不被處理的區(qū)域可以在噴砂期間被覆蓋、例如被遮蓋。

在此，如果側(cè)面棱邊被倒圓，則壓電變壓器的質(zhì)量僅以非常小的程度改變，使得壓電變壓器的振動特性不改變。

可替代地或補(bǔ)充地，輸出區(qū)域可以至少部分地被涂敷隔離層。隔離層降低由其覆蓋的區(qū)域的表面處的電場強(qiáng)度。隔離層尤其是可以至少部分地覆蓋側(cè)面棱邊。

通過隔離層，可以以這種方式保證：側(cè)面棱邊的表面處的電場強(qiáng)度不會變得過大，以及這樣可以防止原子和/或分子在側(cè)面棱邊處的電離。隔離層的涂敷可以與側(cè)面棱邊的倒圓相組合，以便通過這兩個(gè)措施的組合來避免側(cè)面棱邊處的不期望的電離。

隔離層可以具有如下長度：該長度位于壓電變壓器的總長度的15%至45%的范圍中、優(yōu)選位于總長度的20%至30%的范圍中。

隔離層可以具有收縮軟管。收縮軟管尤其是可以在其內(nèi)側(cè)被涂敷熱熔膠。通過這種方式可以防止：收縮軟管由于壓電變壓器在運(yùn)行中的震動而可能從其松脫并且從輸出區(qū)域中滑出。

收縮軟管可以與輸出側(cè)端側(cè)平齊地終止，或者從端側(cè)突出。可替代地，輸出區(qū)域的與輸出側(cè)端側(cè)鄰接的端部區(qū)域也可以保持不含收縮軟管。

如果收縮軟管稍微突出，則導(dǎo)致等離子體的聚束。該等離子體對于將等離子體效應(yīng)例如用于使表面活化的應(yīng)用來說是有利的。如果收縮軟管與壓電變壓器平齊地終止或者收縮軟管留出側(cè)面棱邊的長度不超過2mm的小端部區(qū)域，則等離子體不被定向。由此，在含氧工作氣體中的運(yùn)行形成更多臭氧，這對于醫(yī)學(xué)應(yīng)用來說可能是有利的。因此，收縮軟管的長度應(yīng)當(dāng)與所期望的應(yīng)用目的相匹配。

隔離層可以具有選自下列各項(xiàng)的至少之一：硅樹脂、硬化聚合物或漆。這些材料可以以流體形式作為隔離層來涂敷。對此合適的是流體澆鑄、以一種形狀來涂敷或者上漆。

沿著側(cè)面棱邊，隔離層應(yīng)當(dāng)具有足夠的厚度。該厚度可以在以流體形式涂敷隔離層的情況下通過調(diào)整粘性或者通過多次涂敷來保證。

端側(cè)可以不含隔離層。這是重要的，因?yàn)樵踊蚍肿釉诙藗?cè)處的電離是所期望的，并且不應(yīng)當(dāng)受到隔離層的妨礙。

隔離層可以具有0.1mm至3mm范圍中的厚度，其中厚度優(yōu)選地位于0.2至1.0mm。由于隔離層而給壓電隔離層添加了附加的質(zhì)量，由此改變了其振動特性。因此，隔離層應(yīng)當(dāng)被選擇為盡可能薄的。但是隔離層必須足夠厚，以便將側(cè)面棱邊的表面處的場強(qiáng)減小到等離子體的點(diǎn)火場強(qiáng)之下。具有0.1mm至3mm厚度的隔離層符合這些要求。

壓電變壓器可以用于產(chǎn)生大氣壓冷等離子體。

常壓等離子體可以在具有通常小于100°C的氣溫的所謂冷的非熱等離子體以及具有較高氣溫的熱等離子體方面進(jìn)行區(qū)分。本發(fā)明致力于冷的非熱等離子體，其具有的優(yōu)點(diǎn)是，氣溫處于室溫的量級或者僅僅稍高出，使得等離子體在要處理的襯底處的較長停留時(shí)間是可能的，并且敏感襯底、例如薄聚合物膜可以更長時(shí)間地利用該等離子體來處理，而不損傷襯底的表面或襯底本身。

壓電變壓器可以是羅森變壓器。

另外，輸出側(cè)端側(cè)可以具有倒圓的棱邊和/或倒圓的角。輸出側(cè)端側(cè)可以適于產(chǎn)生扇形化的等離子體束。

另外，本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生大氣壓等離子體的裝置，該裝置具有上述壓電變壓器，該壓電變壓器布置在填充有氣體的體積中。壓電變壓器因此被用于氣體的電離并且通過這種方式產(chǎn)生等離子體。這樣的裝置尤其是可以用于表面的活化或其它方面的處理以及可以被用于醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

附圖說明

下面根據(jù)附圖進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

圖1示出了在現(xiàn)有技術(shù)中已知的壓電變壓器。

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的壓電變壓器。

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的壓電變壓器。

圖4示出了在圖3中所示出的壓電變壓器的橫截面。

具體實(shí)施方式

圖2示出了壓電變壓器1。壓電變壓器1除了第一和第二縱向側(cè)6、7以外還具有第三縱向側(cè)16和第四縱向側(cè)17?？v向側(cè)6、7、16、17中的每個(gè)都在縱向方向L上延伸。縱向側(cè)6、7、16、17中的每個(gè)還垂直于輸出側(cè)端側(cè)10。

壓電變壓器1的總長度的大致四分之一被隔離層14覆蓋。在此，隔離層14被涂敷在縱向側(cè)6、7、16、17上。輸出側(cè)端側(cè)10不含隔離層。

在此，隔離層14的材料被選擇為使得在隔離層14的指向外部的側(cè)處，存在于隔離層14內(nèi)部的電場強(qiáng)度被明顯降低。隔離層14因此對電場進(jìn)行隔離。因此，側(cè)面棱邊13的被隔離層14覆蓋的區(qū)域中的電場強(qiáng)度被明顯減小。

隔離層14可以要么是收縮軟管，要么是由硅樹脂、漆、或硬化聚合物制成的層。隔離層14從輸出側(cè)端側(cè)10延伸直至壓電變壓器的四分之一的長度。

圖3示出了壓電變壓器1的第一實(shí)施例。壓電變壓器1的側(cè)面棱邊13在此具有倒圓區(qū)域15。在倒圓區(qū)域15中，側(cè)面棱邊13不是如其余區(qū)域那樣為有角的，而是被倒圓的。在圖3中所示出的實(shí)施例中，倒圓區(qū)域15延伸跨過側(cè)面棱邊13的整個(gè)長度。

在倒圓區(qū)域15中，在側(cè)面棱邊13處的電場強(qiáng)度分布到較大的面上，使得避免了電壓尖峰的出現(xiàn)，并且該側(cè)面棱邊13的區(qū)域中的最大達(dá)到的電場強(qiáng)度被減小。側(cè)面棱邊13處的電場強(qiáng)度尤其是強(qiáng)烈地被降低為使得其小于為了電離原子或分子所需的場強(qiáng)。

圖4示出了在圖3中所示出的壓電變壓器1的與縱向方向L垂直的橫截面。在這種情況下能夠辨認(rèn)，壓電變壓器1具有倒圓的側(cè)面棱邊13。

由壓電變壓器1的長度來基本上確定其工作頻率。如果選擇70mm的長度，則得出50kHz的工作頻率。該工作頻率尤其是適于表面的活化或處理。對于醫(yī)學(xué)應(yīng)用，100kHz的工作頻率可能是有利的。因此，這里選擇壓電變壓器1的35mm的長度。

附圖標(biāo)記列表

1 壓電變壓器

2 輸入?yún)^(qū)域

3 輸出區(qū)域

4 電極

5 壓電材料

6 第一縱向側(cè)

7 第二縱向側(cè)

8 第一外部電極

9 壓電材料

10 輸出側(cè)端側(cè)

11 等離子體在輸出側(cè)端側(cè)處的點(diǎn)火

12 等離子體在側(cè)面棱邊處的點(diǎn)火

13 側(cè)面棱邊

14 隔離層

15 倒圓區(qū)域

16 第三縱向側(cè)

17 第四縱向側(cè)

L 縱向方向

S 堆疊方向。