(57)【要約】  本発明は、圧電トランス（１）と、圧電トランス（１）に入力信号を印加するように設計された制御回路（１１）と、圧電トランス（１）によって生成される電界の電界強度を測定するように設計された電界プローブ（１２）とを備える、非熱的大気圧プラズマを生成する装置に関する。制御回路（１１）は、電界プローブ（１２）の測定結果を考慮して、入力信号を調整するように設計される。他の態様によれば、本発明は、圧電トランス（１）を動作する方法に関する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電トランス（１）と、
前記圧電トランス（１）に入力信号を印加するように構成されたドライバ回路（１１）と、
測定点における、前記圧電トランス（１）によって生成された電界の電界強度を測定するように構成された電界プローブ（１２）と、
を備え、非熱大気圧プラズマを生成する装置であって、
前記ドライバ回路（１１）は、前記電界プローブ（１２）の測定結果を考慮して、前記入力信号を調整するように構成されている、ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記電界プローブ（１２）は、前記圧電トランス（１）によって生成される電界の電界強度を少なくとも２つの測定点で測定するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ドライバ回路（１１）は、前記電界プローブ（１２）の前記測定結果を考慮して、前記入力信号の周波数を調整するように構成されている、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記ドライバ回路（１１）は、前記電界プローブ（１２）の前記測定結果を考慮して、前記入力信号の電圧、前記入力信号の電流、前記入力信号の位相、および／または前記入力信号の信号波形を調整するように構成されている、請求項１から３のいずれか一に記載の装置。
【請求項５】
前記ドライバ回路（１１）は、前記入力信号の周波数が前記圧電トランス（１）の直列共振周波数に対応するように、または、前記入力信号の周波数が前記圧電トランス（１）の並列共振周波数に対応するように、前記電界プローブ（１２）の前記測定結果を考慮して前記入力信号を調整するように構成されている、請求項１から４のいずれか一に記載の装置。
【請求項６】
前記ドライバ回路（１１）は、前記圧電トランス（１）によって生成される電界の電界強度の最大値が、前記圧電トランス（１）の出力端部（１０）で形成され、または、前記圧電トランス（１）の前記出力端部（１０）の前方において、前記圧電トランス（１）とは反対側に向けられている半空間内に形成されるように、前記電界プローブ（１２）の前記測定結果を考慮して、前記入力信号を調整するように構成されている、請求項１から５のいずれか一に記載の装置。
【請求項７】
前記電界プローブ（１２）は、絶縁材料を含む基板（１６）を備え、
前記電界プローブ（１２）は、互いに分離されたメタライゼーション（１７）を備え、前記メタライゼーションは、少なくとも２つの測定点を形成する、請求項１から６のいずれか一に記載の装置。
【請求項８】
前記電界プローブ（１２）は、金属面（１８）を備え、
前記装置は、前記金属面（１８）とそれぞれの測定点との間の電圧の測定によって、前記測定点の各々における電界強度を測定するように構成されている、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
少なくとも１つの受動部品（１９）が、前記基板（１６）へと集積され、および／または、
少なくとも１つの受動部品（２０）および／または１つの能動部品（２１）が、前記基板（１６）の表面上に配置されている、請求項７または８に記載の装置。
【請求項１０】
前記ドライバ回路（１１）は、１つ以上の受動部品（１９、２０）によって、および／または、１つ以上の能動部品（２１）によって、完全に、または部分的に形成され、
前記１つ以上の受動部品は、前記基板（１６）へと集積されているか、または前記基板（１６）の表面上に配置され、
前記１つ以上の能動部品は、前記基板（１６）の表面上に配置されている、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記電界プローブ（１２）は、互いに分離された少なくとも３つのメタライゼーション（１７）を備え、前記メタライゼーションの各々が測定点を形成し、
前記少なくとも３つのメタライゼーション（１７）が一列に配置されている、請求項１から１０のいずれか一に記載の装置。
【請求項１２】
前記列は、前記圧電トランス（１）と平行に配置されるように、前記電界プローブ（１２）は配置されている、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記電界プローブ（１２）によって記録された測定値をさらに処理する評価エレクトロニクス（１３）を備え、
前記評価エレクトロニクス（１３）は、前記ドライバ回路（１１）に接続されている、請求項１から１２のいずれか一に記載の装置。
【請求項１４】
前記ドライバ回路（１１）は、前記圧電トランス（１）に印加された入力信号を前記評価エレクトロニクス（１３）に伝送するように構成され、
前記評価エレクトロニクス（１３）は、前記電界プローブ（１２）によって記録された測定値から、前記圧電トランス（１）によって判別された出力信号を測定するように構成され、
前記評価エレクトロニクス（１３）は、前記入力信号を前記出力信号と比較するように構成されている、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記入力信号を前記出力信号と比較する際に、前記信号の電圧、及び／又は前記信号の電流、及び／又は前記信号のインピーダンス及び／又は周波数、及び／又は前記信号の位相が考慮される、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記入力信号を前記出力信号と比較する際に、前記圧電トランス（１）の並列共振周波数および／または直列共振周波数が判別される、請求項１４および１５のいずれかに記載の装置。
【請求項１７】
前記評価エレクトロニクス（１３）は、１つ以上の受動部品（１９、２０）によって、および／または１つ以上の能動部品（２１）によって、完全にまたは部分的に形成され、
前記１つ以上の受動部品は、前記基板（１６）へと集積され、または前記基板（１６）の表面上に配置され、
前記１つ以上の能動部品は、前記基板（１６）の表面上に配置されている、請求項１３から１６のいずれか一に記載の装置。
【請求項１８】
前記評価エレクトロニクス（１３）は、前記電界強度の変化を利用して、前記圧電トランス（１）の前記出力端部（１０）の前方に配置された負荷を検出するように構成され、
前記ドライバ回路（１１）は、負荷（１８、１９、２２）が前記出力端部（１０）の前方で検出された場合にのみ、非熱的大気圧プラズマの点火に十分な電力が、前記圧電トランス（１）の前記入力領域（２）に印加されるように構成されている、請求項１３から１７のいずれか一に記載の装置。
【請求項１９】
前記評価エレクトロニクス（１３）は、ソフトウェアによって完全にまたは部分的に実施される、請求項１３から１８のいずれか一に記載の装置。
【請求項２０】
前記ドライバ回路（１１）は、ソフトウェアによって完全にまたは部分的に実施される、請求項１から１９のいずれか一に記載の装置。
【請求項２１】
さらに、第２電界プローブ（１２）を備え、
前記第２電界プローブは、前記圧電トランス（１）によって生成される電界の電界強度を少なくとも２つの測定点で測定するように構成されている、請求項１から２０のいずれか一に記載の装置。
【請求項２２】
前記圧電トランス（１）は、その出力端部（１０）でプラズマを点火するように構成されている、請求項１から２１のいずれか一に記載の装置。
【請求項２３】
前記電界プローブは、圧力、温度、湿度、導電率、オゾン濃度、ガス組成、イオン濃度、および／または粒子濃度のうちの少なくとも１つを測定するように構成されている、請求項１から２２のいずれか一に記載の装置。
【請求項２４】
前記ドライバ回路は、前記入力信号を調整する間に、圧力、温度、湿度、導電率、オゾン濃度、ガス組成、イオン濃度、及び／又は粒子濃度のうちの少なくとも１つを考慮するように構成されている、請求項１から２３のいずれか一に記載の装置。
【請求項２５】
前記ドライバ回路（１１）は、前記電界プローブ（１２）の前記測定結果を考慮して、前記装置の進行中の動作中に、確立された時間間隔で前記入力信号の補正を行うように構成されている、請求項１から２４のいずれか一に記載の装置。
【請求項２６】
前記入力信号の変更は、連続的に及び／又はリアルタイムで実行される、請求項１から２５のいずれか一に記載の装置。
【請求項２７】
前記装置は、励起された分子、イオンまたはラジカルを生成するために、特にＯＨラジカルおよび／または酸化窒素および／またはオゾンを生成するために使用される、請求項1から２６のいずれか一に記載の装置。
【請求項２８】
圧電トランス（１）を操作する方法であって、
入力信号を前記圧電トランス（１）へ印加するステップと、
測定点にて電界プローブ（１２）によって、前記圧電トランス（１）によって生成される電界の電界強度を測定するステップと、
前記測定値を考慮して前記圧電トランス（１）に印加される入力信号を調整するステップと、
を有する方法。
【請求項２９】
前記電界プローブ（１２）によって前記圧電トランス（１）によって生成される電界の電界強度を測定するステップは、少なくとも２つの測定点で行われる、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記入力信号の周波数は、段階的に変化され、
前記周波数は、前記電界強度の最大値が、前記圧電トランス（１）の前記出力端部（１０）で、または、前記圧電トランス（１）の前記出力端部（１０）の前方において前記圧電トランス（１）とは反対側で対向する半空間内部に設定されるように判別され、
前記入力信号の前記周波数は、判別された周波数に設定される、請求項２８または２９に記載の方法。
【請求項３１】
さらに、
前記入力信号を評価エレクトロニクス（１３）へ伝達するステップと、
前記電界プローブ（１２）によって記録された前記測定値から前記評価エレクトロニクス（１３）によって前記圧電トランス（１）の出力信号を測定するステップと、
前記評価エレクトロニクス（１３）によって前記入力信号を前記出力信号と比較するステップと、
を備える、請求項２８から３０のいずれか一に記載の方法。
【請求項３２】
前記入力信号を前記出力信号と比較する際に、前記圧電トランス（１）の並列共振周波数が判別され、前記入力信号の周波数が前記並列共振周波数に調整される、請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記圧電トランス（１）は、非熱的大気圧プラズマを生成するために使用される、請求項２８から３２のいずれか一に記載の方法。
【請求項３４】
前記プラズマは、励起された分子、イオン、またはラジカルを生成するために使用される、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記圧電トランス（１）の較正は、前記電界プローブ（１２）によって測定された測定値と基準信号との比較によって行われる、請求項２８から３４のいずれか一に記載の方法。
【請求項３６】
前記圧電トランス（１）の経年変化及び／又は寿命は、前記電界プローブ（１２）によって測定された測定値と基準信号との比較によって判定される、請求項２８から３５のいずれか一に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非熱的大気圧プラズマを生成する装置、及び圧電トランスを動作させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電トランス、特にローゼン型のトランスは、プラズマを生成するために使用される。プラズマを生成する際に、圧電トランスがトランスの直列共振周波数又は並列共振周波数に相当する周波数で駆動されるときに、高効率が達成される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、直列共振周波数と並列共振周波数とは、一定ではなく、様々なパラメータに依存する。プラズマがトランスの出力端部で点火されると、プラズマは、負荷としてトランスと相互作用し、その後、トランスのインピーダンスに影響を与える。このようにして、直列共振と並列共振のシフトが、無負荷時のトランスの動作に対して生じるが、その際、印加電圧は、プラズマを点火するのに十分ではない。作業環境、例えば、使用されるプロセスガス、トランスの温度、又は追加の又は交流の外部負荷の存在も、直列共振周波数及び並列共振周波数に影響を及ぼす。さらに、トランスに印加される入力信号も、直列共振周波数および並列共振周波数に影響を及ぼす可能性がある。
【０００４】
したがって、本発明の目的は、非熱的大気圧プラズマを生成するための改良された装置を提供することである。本発明の更なる目的は、圧電トランスを動作させるための改良された方法を指定することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的は、独立請求項の発明特定事項によって達成される。
【０００６】
非熱的大気圧プラズマを生成する装置が提案される。係る装置は、圧電トランスと、圧電トランスに入力信号を印加するように設計されたドライバ回路と、圧電トランスによって生成された電界の電界強度を、一の測定点、好ましくは少なくとも２つの測定点で測定するように構成された電界プローブとを含む。ドライバ回路は、電界プローブの測定結果を考慮して、入力信号を調整するように構成される。
【０００７】
少なくとも２つの測定点での電界強度の測定によって、局所的な電界強度を様々な位置で測定することができる。それに応じて、装置は、トランスによって生成された電界の空間プロファイルを測定することを可能にする。特に、装置は、電界強度が最大に達する位置を測定することを可能にする。この位置は、プラズマ点火のタイプにとって極めて重要である。電界強度の最大値がトランスの出力端部またはトランスの前部にある場合、プラズマが出力端部で点火される。しかし、電界強度の最大値がトランスの出力領域内にあり、トランスの出力端部から離れている場合、プラズマ点火は、出力領域の縁部に沿って生じる。縁部でのプラズマ点火は、トランスに相当の機械的応力をもたらし、亀裂の形成につながる可能性がある。亀裂はトランスを破壊する可能性がある。従って、トランスに印加される入力信号は、電界強度の最大がトランスの出力領域内に形成されないような方法で、可能な限り調整されるべきである。
【０００８】
装置は、圧電トランスの出力領域の環境で生成される高い電界強度を利用する。この電界強度の測定は、トランスの出力領域内での電力の直接負荷側タッピングによって、トランスの動作に影響を与えずに行うことができる。特に、電界強度の測定は、圧電トランスの振動を減衰させずに行うことができる。
【０００９】
電界プローブは、非熱的大気圧プラズマを生成する装置のハウジング内に一体化されてもよい。電界プローブは、圧電トランスのすぐ近くに配置することができる。例えば、圧電トランスと電界プローブとの間の距離は、５ｃｍ未満であってもよい。好ましくは、圧電トランスと電界プローブとの間の距離は、３ｃｍ未満、特に好ましくは１．５ｃｍ未満、さらには０．７５ｃｍ未満であってもよい。電界プローブと圧電トランスとの間に間隙が残っていても良い。間隙は、電界プローブとトランスの間でプラズマが点火しないように十分に広くする必要がある。
【００１０】
電界プローブをトランスにより近づけて配置すると、電界プローブによって測定されるパラメータの空間分解能が向上する。しかしながら、既存の環境および動作条件に依存して、距離は、電界プローブとトランスとの間の電気的短絡および放電を防止するために、小さすぎないように選択する必要がある。比較的低い空気湿度を有する環境において、０．７５ｃｍまたは１．５ｃｍの距離は、放電を確実に防止するには十分である。ただし、比較的高い空気湿度がある場合は、電界プローブとトランスとの間の距離が１．５ｃｍ〜３ｃｍの装置を使用すべきである。同様に、他のパラメータ、例えばプロセス媒体またはプロセス媒体の点火性も、適切な距離の選択に影響を及ぼす。
【００１１】
電界プローブは、少なくとも１つの測定点で電界強度を測定するように構成される。好ましくは、電界プローブは、２以上の測定点で電界強度を測定するように構成されている。特に好ましくは、測定点の数は、５〜５０個、より好ましくは８〜３０個であってもよい。測定点の数が多いほど、測定の分解能は向上する。
【００１２】
ドライバ回路は、電界プローブの測定結果を考慮して、入力信号の周波数を調整するように構成しても良い。特に、入力信号の周波数は、トランスの現在の直列共振周波数又は現在の並列共振周波数に調整しても良い。この場合、現在の直列共振周波数及び／又は現在の並列共振周波数は、電界プローブの測定結果から判別される。ドライバ回路は、入力信号の周波数が圧電トランスの直列共振周波数の周波数に対応するように、または入力信号の周波数が圧電トランスの並列共振周波数の周波数に対応するように、電界プローブの測定結果を考慮して、入力信号を調整するように構成される。これにより、ドライバ信号または入力信号のリアルタイム調整が可能になる。その結果、トランスに対するより効率的な動作、より少ない損失およびより低い機械的ストレスを可能にする。このようにして、エネルギー要求量が減少し、部品の寿命が増大する。
【００１３】
しかしながら、周波数の代替として、又は周波数に加えて、ドライバ回路は、入力信号の更なるパラメータ、例えば、波形、電力、入力電圧、入力電流及び／又は位相を調整するように構成しても良い。
【００１４】
ドライバ回路は、圧電トランスによって生成される電界の電界強度の最大値が、圧電トランスの出力端部で、または圧電トランスの出力端部の前方で、圧電トランスとは反対側で対向する半空間において、形成されるように、電界プローブの測定結果を考慮して、入力信号を調整するように構成されてもよい。このように、トランスを損傷する可能性がある、出力領域の縁部に沿ったプラズマ点火を回避することが可能である。
【００１５】
電界プローブは、絶縁材料を含む基板を含んでも良い。電界プローブは、互いに分離されたメタライゼーションを含んでも良い。メタライゼーションは、好ましくは少なくとも２つの測定点を形成する。基板は、プリント回路基板であってもよい。基板は、単層であっても多層であってもよい。メタライゼーションは、例えば、円形または長方形であってもよい。圧電トランスによって生成される交流電界は、メタライゼーションの内部に交流電圧を生成する。交流電圧は、電界強度を測定するために測定されてもよい。
【００１６】
電界プローブは、金属面を含んでもよい。装置は、金属面と各測定点との間の電圧の測定によって、各測定点における電界強度を測定するように構成されている。安定した測定信号が、このようにして得られる。この場合、個々の測定点間の局所的な差は、容易に識別され得る。金属面は、フレームを形成しても良い。金属面及びメタライゼーションは、基板の下側に配置される。基板は、金属面又はメタライゼーションに対するプラズマの点火を避けるために、圧電トランスとは反対側を向いている。代替として、メタライゼーションは、多層基板の内側に配置されても良い。この場合、絶縁層は、外側に配置される。
【００１７】
さらに、少なくとも１つの受動部品を基板に集積しても良い。代替的に又は追加的に、少なくとも１つの受動部品及び／又は１つの能動部品を、基板の表面上に配置しても良い。ドライバ回路は、基板へと集積されるか、または基板の表面上に配置される１つ以上の受動部品によって、および／または、基板の表面上に配置される１つ以上の能動部品によって、完全にまたは部分的に形成されてもよい。部品の基板への集積または基板の表面上での部品の配置は、装置のコンパクトな設計を可能にし得る。このようなコンパクトな設計は、小型化に関連して通常の要求に鑑みて有利である。
【００１８】
電界プローブは、互いに分離された少なくとも３つのメタライゼーションを含んでも良い。メタライゼーションの各々は測定点を形成し、少なくとも３つのメタライゼーションは一列に配置される。電界プローブは、列が圧電トランスに対して平行に配置されるように配置されても良い。
【００１９】
装置は、電界プローブによって記録された測定値をさらに処理する評価エレクトロニクスをさらに備えることができる。評価エレクトロニクスは、ドライバ回路に接続されてもよい。評価エレクトロニクスは、信号調整器および信号処理ユニットを含んでもよい。評価エレクトロニクスは、ソフトウェアソリューションによって完全にまたは部分的に実施することもでき、ソフトウェアソリューションは、信号のさらなる処理に、およびドライバ回路に対し、ならびにその機能にも適用される。
【００２０】
ドライバ回路は、圧電トランスに印加された入力信号を、評価エレクトロニクスに送信するように構成されてもよい。評価エレクトロニクスは、電界プローブによって記録された測定値から、圧電トランスによって判別された出力信号を測定するように構成される。この場合、評価エレクトロニクスは、入力信号と出力信号とを比較するように構成されている。
【００２１】
入力信号を出力信号と比較する際に、信号の電圧および／または信号の電流および／または信号のインピーダンスおよび／または周波数および／または信号の位相を考慮しても良い。入力信号を出力信号と比較する際に、圧電トランスの並列共振周波数および／または直列共振周波数を判別することができる。直列共振周波数は、入力信号の最小電流と同時に、電界プローブでの最大電界強度によって識別される。したがって、直列共振周波数は、単一の測定点を利用して測定しても良い。一方、並列共振周波数を決定するためには、少なくとも２つ、好ましくは複数の測定点が必要である。
【００２２】
評価エレクトロニクスは、基板へと集積されるか、または基板の表面上に配置される１つ以上の受動部品によって、および／または基板の表面上に配置される１つ以上の能動部品によって、完全にまたは部分的に形成されてもよい。
【００２３】
評価エレクトロニクスは、電界強度の変化を利用して、圧電トランスの出力端部の前方に配置された負荷を検出するように構成されてもよい。この場合、ドライバ回路は、負荷が出力端部の前方に検出された場合にのみ、非熱的大気圧プラズマの点火用に十分な電力が圧電トランスの入力領域に印加されるように構成される。さらに、最適な電力を負荷に供給すること、および／またはこの電力を最適に調整することが可能である。
【００２４】
複数の、少なくとも２つの異なる測定点における電界強度の測定と、入力信号と出力信号との比較は、トランスの前方に配置された負荷を定量的かつ定性的に検出することを可能にする。負荷は、トランスによって生成された電界に相当の影響を有するので、トランスの機能向上は、負荷を検出し、それをトランスの駆動に考慮することによって達成される。負荷が検出されない場合、入力信号の電力がより低い値に調整されるので、プラズマが点火されない。
【００２５】
装置は、さらに、第２の電界プローブを備えても良い。このプローブは、圧電トランスによって生成される電界の電界強度を少なくとも２つの測定点で測定するように構成される。トランスは、例えば、２つの電界プローブの間に配置されてもよい。第２の電界プローブは、第１の電界プローブと同じ設計であってもよく、または第１の電界プローブとは異なる形態を有してもよい。
【００２６】
さらに、電界プローブは、例えば、空気圧、温度、湿度、導電率、オゾン濃度、ガス組成、イオン濃度、および／または粒子濃度などの測定機器と組み合わせても良い。
【００２７】
電界プローブによって測定される測定値に加えて、ドライバ回路は、入力信号を調整する際に、圧力、温度、湿度、導電率、オゾン濃度、ガス組成、イオン濃度、および／または粒子濃度のうちの少なくとも１つを考慮するように構成されてもよい。この場合、前述の測定機器によって電界プローブによって測定されるパラメータは、特に、圧力、温度、湿度、導電率、オゾン濃度、ガス組成、イオン濃度、および／または粒子濃度から選択される。
【００２８】
圧電トランスは、その出力端部でプラズマを点火するように構成されてもよい。ドライバ回路は、電界プローブの測定結果を考慮して、装置の動作が進行する間に、確立された時間間隔で入力信号の補正を行うように構成されても良い。代替例として、これは、連続的におよび／またはリアルタイムで行われてもよい。
【００２９】
この装置は、励起された分子、イオンまたはラジカルを生成するために、特にＯＨラジカルおよび／または酸化窒素および／またはオゾンを生成するために使用されても良い。
【００３０】
さらなる態様は、圧電トランスを動作させる方法に関する。これは、上述した装置の圧電トランスであってもよい。したがって、装置に関連して記載した構造的および機能的特徴は、トランスにも適用される。
【００３１】
方法は、以下のステップ、入力信号を圧電トランスに印加するステップと、測定点において、好ましくは少なくとも２つの測定点において、電界プローブによって圧電トランスによって生成された電界の電界強度を測定するステップと、測定値とを考慮して、圧電トランスに印加される入力信号を調整するステップとを含む。
【００３２】
入力信号の周波数は、段階的に変化される。電界強度の最大値がトランスの出力端部で、または圧電トランスの出力端部の前方で、圧電トランスとは反対側に向けられている半空間に設定される周波数を判別することができる。入力信号の周波数は、その後、判別された周波数に調整される。
【００３３】
方法は、さらに、以下のステップ、すなわち、入力信号を評価エレクトロニクスに伝達するステップと、電界プローブによって記録された測定値から評価エレクトロニクスによって圧電トランスの出力信号を測定するステップと、評価エレクトロニクスによって入力信号と出力信号とを比較するステップとを含む。方法のこれらのステップは、ソフトウェアによって完全にまたは部分的に実行されてもよい。
【００３４】
入力信号を出力信号と比較する際に、圧電トランスの並列共振周波数が判別され、入力信号の周波数を並列共振周波数に調整することができる。代替例として、直列共振周波数を判別することができ、入力信号の周波数を直列共振周波数に調整することができる。
【００３５】
これに加えて、またはこれに代えて、さらなる測定センサから読み出されて評価された測定信号を利用して、入力信号を調整し、および／または特定の動作状態に調整することができる。この場合、さらなる測定センサが、例えば、圧力、温度および／またはオゾン濃度を測定する。
【００３６】
圧電トランスが、非熱的大気圧プラズマを生成するために使用される。プラズマは、励起された分子、イオン、またはラジカルを生成するために使用される。
【００３７】
圧電トランスの較正および／または圧電トランスの経年変化および／または寿命の判別は、電界プローブによって測定された測定値を基準信号と比較するによって実行してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、圧電トランス１を斜視図で示す。
【図２】図２は、非熱的大気圧プラズマを生成する装置を示す。
【図３】図３は、第１の例示的な実施形態の電界プローブ１２を示す。
【図４】図４は、第１の例示的な実施形態の電界プローブ１２を示す。
【図５】図５は、第１の例示的な実施形態の電界プローブ１２を示す。
【図６】図６は、第２の例示的な実施形態の電界プローブ１２を示す。
【図７】図７は、第２の例示的な実施形態の電界プローブ１２を示す。
【図８】図８は、第２の例示的な実施形態の電界プローブ１２を示す。
【図９】図９は、圧電トランス１への入力信号として印加される第１信号を示す。
【図１０】図１０は、電界プローブによって測定される測定値を示す。
【図１１】図１１は、圧電トランス１に印加される第２入力信号を示す。
【図１２】図１２は、それぞれ、圧電トランスに印加される様々な信号と、電界強度用に電界プローブの各測定点によって測定される測定値とを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
本発明の好ましい実施例を、図面を参照して詳細に説明する。
【００４０】
図１は、圧電トランス１を斜視図で示す。圧電トランス１は、特に、非熱的大気圧プラズマを生成するプラズマ発生器において使用される。
【００４１】
圧電トランス１は、圧電気に基づいた共振トランスであり、従来の磁気トランスとは対照的に、電磁気システムを表す。圧電トランス１は、例えばローゼン型のトランスである。
【００４２】
圧電トランス１は、入力領域２と出力領域３とを備える。出力領域３は、入力領域２から長手方向ｚに続く。入力領域２において、圧電トランス１は、交流電圧が印加される電極４を備える。電極４は、圧電トランス１の長手方向ｚに延びている。電極４は、圧電材料５と、積層方向ｘに交互に積層されている。積層方向ｘは、長手方向ｚと垂直である。本実施形態において、圧電材料５は、積層方向ｘに分極している。
【００４３】
電極４は、圧電トランス１の内部に配置されており、内部電極とも称される。圧電トランス１は、第１側面６と、第１側面６に対向する第２側面７とを備える。第１外部電極８が、第１側面６に配置されている。第２外部電極（図示せず）が、第２側面７には配置されている。内部に位置する電極４は、第１外部電極８又は第２外部電極のいずれかと積層方向ｘに交互に電気的に接触している。
【００４４】
入力領域２は、電極４間に印加される低交流電圧で駆動される。圧電効果のために、入力側に印加される交流電圧は、最初は機械的振動に変換される。機械的振動の周波数は、本実施形態において、実質的に、圧電トランス１の形状及び機械的構造に依存する。
【００４５】
出力領域３は、圧電材料９を備え、内部に位置する電極がない。出力領域３において圧電材料９は、長手方向ｚに分極される。出力領域３の圧電材料９は、入力領域２の圧電材料５と同じ材料でもよい。この場合、圧電材料５、９は、その分極方向が異なる。出力領域３において、圧電材料９は、長手方向ｚにおいて完全に分極された単一のモノリシック層として形成される。この場合、出力領域３内の圧電材料９は、単一の分極方向のみを有する。
【００４６】
交流電圧が、入力領域２内の電極４に印加されると、機械的波動が圧電材料５、９の内部に形成される。この圧電材料５、９は、圧電効果によって出力領域３内に出力電圧を生成する。出力領域３は、出力端部１０を有する。したがって、出力領域３内では、電圧が、入力領域２の電極４の端部と端部１０との間に生成される。次に、高電圧が出力端部１０において生成される。この場合、高い電位差が、出力端部と圧電トランスの環境との間にも形成される。この電位差は、プロセスガスをイオン化する強力な電界を生成するためには十分である。
【００４７】
このようにして、圧電トランス１は、電気的励起によって気体又は液体をイオン化することができる高電界を生成する。この場合、各気体または各液体の原子または分子は、イオン化されてプラズマを形成する。イオン化は、圧電トランス１の表面における電界強度が、プラズマの点火電界（ignition field）強度を超えるときは、いつでも生じる。この場合、プラズマの点火電界強度は、原子または分子のイオン化に必要な電界強度を指す。
【００４８】
図２は、非熱的大気圧プラズマを生成する装置を示し、この装置は、図１に関連して記載された圧電トランス１を備える。装置は、さらに、圧電トランス１に入力信号を印加するように設計されたドライバ回路１１と、圧電トランス１によって生成される電界を測定する電界プローブ１２と、電界プローブ１２およびドライバ回路１１に接続される評価エレクトロニクス１３とを備えている。
【００４９】
本発明の目的は、圧電トランス１がその現在の直列共振周波数又はその現在の並列共振周波数で動作するように、入力信号を常に調整することを可能にすることである。トランス１の直列共振周波数と並列共振周波数は、一定ではなく、様々なパラメータに依存する。プラズマがトランス１の出力端部１０で点火されると、プラズマは、負荷としてトランス１と相互に作用し、次に、トランス１のインピーダンスに影響を及ぼす。このようにして、直列共振および並列共振周波数のシフトが、無負荷時のトランス１の動作に対して生じるが、その際、印加電圧は、プラズマを点火するには十分ではない。作業環境、例えば使用するプロセスガスやトランス１の温度は、直列共振周波数及び並列共振周波数にも影響を与える。
【００５０】
ドライバ回路１１は、入力信号を圧電トランス１に印加する。入力信号は、正弦波であることが好ましい。しかしながら、例えば矩形又は三角形の異なる波形を有する入力信号も可能である。ドライバ回路１１によって生成される入力信号は、評価エレクトロニクス１３によってドライバ回路１１に送信されるフィードバック信号に応じて、連続的に調整される。
【００５１】
電界プローブ１２は、圧電トランス１によって生成される電界の電界強度を測定するように構成されている。電界プローブ１２は、圧電トランス１の出力領域３の直近に配置される。特に、電界プローブ１２は、複数の測定点において圧電トランス１によって生成される電界の局所電界強度を測定するように構成される。したがって、電界の電界強度の空間プロファイルは、電界プローブ１２によって測定される。これにより、電界プローブ１２が、最大電界強度が存在する位置を測定することが可能になる。
【００５２】
電界の構成および最大電界強度の位置は、トランス１に印加される入力信号と圧電トランス１の動作条件とに依存する。入力信号について、以下のパラメータが、すなわち、入力電圧、入力電流の電流、入力電圧と入力電流との間の位相関係、および入力信号の周波数が、本実施形態では、電界の形成に重要である。動作条件について、電界は、プロセス媒体、周囲温度、および／または空気湿度によって影響される。さらに、トランス１の近傍に配置された負荷も、電界の電位分布に影響し、したがって最大電界強度の位置にも影響する。
【００５３】
評価エレクトロニクス１３は、電界プローブ１２によって測定された測定値を評価するように構成され、さらにドライバ回路１１を制御するように構成されている。評価エレクトロニクス１３は、信号調整器１４及び信号処理ユニット１５を備える。
【００５４】
電界プローブ１２は、測定信号を評価エレクトロニクス１３に送信する。評価エレクトロニクス１３において、測定信号は、最初に信号調整器１４によって処理される。特に、信号調整器１４は、測定信号をフィルタ処理し、その信号をデジタル信号に変換し、増幅し、および／または、均一にする。次に、信号調整器１４によってさらに処理された信号は、信号処理ユニット１５に送られる。信号処理ユニット１５は、信号を処理し、フィードバック信号を決定する。このフィードバック信号は、ドライバ回路１１に送られる。
【００５５】
この場合、信号処理ユニット１４は、ドライバ回路１１によって圧電トランス１に印加される入力信号と、トランス１の出力信号とを互いに比較しても良い。このため、ドライバ回路１１によって圧電トランス１に印加された入力信号を、信号処理ユニット１４に送ることもできる。トランス１の出力信号は、電界プローブ１２によって記録された測定値を利用して、信号処理ユニット１４によって測定される。代替例として、出力信号を、信号処理ユニット１４内の基準信号と比較することもできる。これは、装置を較正するため、及び／又は圧電トランス１の経年変化の程度を測定するため、及び／又は圧電トランス１の寿命監視のために使用することができる。
【００５６】
入力信号を出力信号と比較する際、２つの信号の電圧を互いに比較しても良い。代替例として、又は加えて、入力信号を出力信号と比較する際に、２つの信号の電流を互いに比較しても良い。代替例として、又は加えて、入力信号を出力信号と比較する際に、２つの信号の電圧と電流との間の位相関係を互いに比較しても良い。代替例として、又は加えて、入力信号を出力信号と比較する際に、２つの信号の周波数を互いに比較しても良い。代替例として、または加えて、入力信号を出力信号と比較する際に、トランスのインピーダンスを考慮に入れても良い。信号を比較する際に本明細書で言及したパラメータの１つまたは複数を考慮することによって、評価エレクトロニクス１３は、トランス１の現在の並列共振周波数および／または現在の直列共振周波数を判別することができる。次に、評価エレクトロニクス１３は、フィードバック信号をドライバ回路１１に送る。これによって、ドライバ回路１１は、入力信号の周波数を調整し、それをトランス１の現在の並列共振周波数または現在の直列共振周波数に調整する。このプロセスは、装置の動作が進行する際に、規則的な時間間隔で、またはリアルタイムで連続的に繰り返されてもよい。
【００５７】
図３、図４および図５は、それぞれ、第１の例示的な実施形態による電界プローブ１２を示す。図３は、電界プローブ１２の下側を示し、圧電トランス１とは反対に向けられている。図４は、電界プローブ１２の上側を示し、圧電トランス１の方を向いている。図５は、電界プローブ１２の断面を示す。
【００５８】
電界プローブ１２は、絶縁材料からなる基板１６を含む。絶縁材料は、例えば、ポリマー、セラミック材料、ＦＲ４、ガラス、またはＡｌ２Ｏ３からなる。第１の実施形態では、基板１６は単層である。
【００５９】
メタライゼーション１７は、基板１６の下側に形成され、圧電トランス１とは反対を向いている。第１の例示的な実施形態によれば、メタライゼーション１７は円形である。異なる形状のメタライゼーション１７、例えば矩形のメタライゼーションも考えられる。メタライゼーション１７の各々は、測定点を形成し、この測定点において、電界プローブ１２は、圧電トランス１によって生成される電界の局所電界強度を測定する。測定点は、一列に配置されている。
【００６０】
電界プローブ１２は、圧電トランス１から距離ｄのところに配置されている。この距離は、電界プローブ１２に対するトランス１のプラズマ点火を回避するのに十分な長さである。距離ｄは、トランス１によって生成されるプラズマジェットのスパークが電界プローブ１２に到達しないように選択される。
【００６１】
電界プローブ１２は、圧電トランス１の出力領域３と平行に配置され、出力領域３を越えて突出する。それにより、電界プローブ１２は、出力領域３内、及び半空間内の電界強度を測定することができる。なお、半空間は、圧電トランス１の出力端部１０の前方で、トランス１とは反対側に面している。
【００６２】
電界プローブ１２は、更に、基準電位が印加される金属面１８を有する。金属面１８は、フレームを形成し、電界プローブ１２の下側の縁部に配置される。測定点によって形成された行は、金属面１８によってフレーム化される。局所電界強度を測定するために、それぞれの測定点と金属面１８との間の電圧がそれぞれ測定される。このために、金属面１８は、基準電位に接続される。形状が異なる金属面１８も考えられる。例えば、円周フレームを形成する代わりに、金属面１８を、Ｕ形状又はギリシャ文字のパイ文字形状にすることもできる。
【００６３】
図６、図７および図８は、第２の例示的な実施形態による電界プローブ１２を示す。図６は、電界プローブ１２の上側を示し、圧電トランス１の方を向いている。図７は、電界プローブ１２の下側を示し、圧電トランス１とは反対側を向いている。図８は、電界プローブ１２の断面を示す。
【００６４】
第２実施形態では、電界プローブ１２の基板１６は、多層化されている。測定点を形成するメタライゼーション１７は、基板１６の内層に配置される。メタライゼーション１７は、さらに、スルーコンタクト１７ａを含み、このコンタクトは、電界プローブ１２の下側まで通じる。金属面１８によって形成されるフレームは、多層基板１６の内層にも形成され、スルーコンタクト１８ａを含む。金属面１８及びメタライゼーション１７の電位は、スルーコンタクト１７ａ、１８ａでタップされる。
【００６５】
受動部品１９は、さらに電界プローブ１２の多層基板１６に集積される。さらなる受動部品２０が、電界プローブ１２の下側に配置されている。さらに、能動部品２１も、電界プローブ１２の下側に配置されている。能動および受動部品１９、２０、２１は、ドライバ回路１１および／または評価エレクトロニクス１３の部品である。特に、評価エレクトロニクス１３および／またはドライバ回路１１は、それぞれ、電界プローブ１２上に完全にまたは部分的に形成されてもよい。
【００６６】
図９は、ドライバ回路１１によって、圧電トランス１に入力信号として印加され得る第１信号を示す。信号は、実質的に正弦波である。
【００６７】
図１０は、圧電トランス１の近傍の様々な位置における電界強度に対して、電界プローブ１２によって測定される測定値を示す。電界プローブ１２は、測定点が出力領域３と平行に、かつ出力端部１０の前方の領域に配置されるように配置される。
【００６８】
図１０において、個々の測定点において電界プローブ１２によって測定される電界強度が、縦軸上に単位ボルトでそれぞれプロットされる。測定点の位置は、横軸上にプロットされる。横軸上で、位置０は、出力端部１０に対応する。圧電トランス１の出力領域３は、本実施形態において正方向に延びている。従って、例えば、「３ｍｍ」の位置がトランス１の出力領域３内に配置され、出力端部１０から３ｍｍの距離に位置する。位置「−３ｍｍ」は、出力端部１０の前方に出力端部１０から３ｍｍの距離に位置する。
【００６９】
図１０は、２つの異なる入力信号の電界強度のプロファイルを示す。信号の各々が、図９に示すほぼ正弦波の波形を備える。第１入力信号の電力は１０Ｗである。第２入力信号の電力は５Ｗである。図１０において、第１入力信号に対しては、最大の電界強度が、出力端部１０の前方約４ｍｍの距離に形成されることが分かる。一方、電力５Ｗの第２入力信号に対して、最大電界強度の平たん状態（plateau）が、入力領域の端部領域から出力端部１０の前方約６ｍｍの距離まで延び、電界強度の分布において形成される。従って、この測定値は、入力信号の電力が電界強度の最大値の空間的配置にとって極めて重要であることを示している。
【００７０】
図１１は、ドライバ回路１１によって圧電トランス１に印加され得る第２入力信号を示す。第２入力信号は、周期的なプロファイルを有するが、規則的な正弦曲線を形成しない。
【００７１】
図１２は、それぞれ、圧電トランス１に印加される様々な信号に対し、電界強度用の電界プローブの各測定点によって測定される測定値を示す。本実施形態において、印加される信号は、すべて５Ｗの入力電力を有する。曲線Ｆ１およびＦ２は、印加された第１信号に対応し、そのプロファイルは図９に示される。曲線Ｌ１、Ｌ２およびＬ３は、印加された第２信号に対応し、そのプロファイルは図１１に示される。
【００７２】
図１２は、第２入力信号の場合、電界強度の最大値が圧電トランス１の出力領域３内にあって、出力端部から数ミリメートルの距離に形成されて位置することを示している。このような最大値は、プラズマ点火につながる可能性があるため、好ましくない。プラズマ点火によって、圧電トランス１が、出力領域３の縁部に沿って損傷する可能性があるためである。
【００７３】
第２入力信号によるトランス１の動作は可能である。しかし、この場合、入力信号は、電界強度の最大値が出力端部１０に向けてシフトされるように、変化されるべきである。このため、例えば、入力信号の周波数を変化させても良い。出力端部１０の前方に配置された負荷も、電界の変動につながる。
【００７４】
したがって、電界プローブ１２は、同時に複数の測定点における電界強度を記録するので、電界プローブ１２は、圧電トランス１によって生成される電界の空間プロファイルを記録することを可能にする。このようにして、図１２に関連して示されるように、生成された電界の電位プロファイル上の入力信号の異なる信号波形の影響を測定できる。このような電界プローブ１２を用いて、生成された電界の電位プロファイル上の異なる動作条件の影響を測定することがさらに可能である。この場合、動作条件は、例えば、温度、空気湿度、または使用されるプロセス媒体に関して異なることがある。このような電界プローブ１２によって、トランス１の経年変化の影響を実証することがさらに可能になる。この場合、トランス１の寿命にわたる電界の変動を測定することができる。
【００７５】
電界プローブ１２によって記録された測定値の評価は、トランス１の前方に配置された負荷に関する定量的および定性的情報を得ることを可能にする。特に、評価エレクトロニクス１３は、電界プローブ１２によって記録された測定値と、入力信号及び出力信号の比較とを利用して、負荷が圧電トランス１の前方に配置されているか否かを判定するように構成されても良い。負荷が検出されなければ、評価エレクトロニクス１３は、フィードバック信号をドライバ回路１１に送ることができる。この信号に従い、入力信号の電力は、プラズマ点火が生じない程度まで低減される。負荷が検出されれば、評価エレクトロニクス１３は、フィードバック信号をドライバ回路１１に送ることができる。これに従い、プラズマ点火用に十分な入力信号の電力が調整される。したがって、トランス１の前方に配置された負荷が検出された場合にのみ、プラズマが点火される。
【００７６】
電界プローブ１２は、ホルダへと一体化しても良い。ホルダ内で、圧電トランス１は機械的に固定され、ホルダを介して、圧電トランス１は電気的に接触される。
【符号の説明】
【００７７】
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側面
７    第２側面
８    外部電極
９    圧電材料
１０    出力端部
１１    ドライバ回路
１２    電界プローブ
１３    評価エレクトロニクス
１４    信号調整器
１５    信号処理ユニット
１６    基板
１７    メタライゼーション
１７ａ    スルーコンタクト
１８    金属面
１８ａ    スルーコンタクト
１９    受動部品
２０    受動部品
２１    能動部品
ｘ    積層方向
ｚ    長手方向
ｄ    距離
【図１】
2021515971.tif 000003
【図２】
2021515971.tif 000004
【図３】
2021515971.tif 000005
【図４】
2021515971.tif 000006
【図５】
2021515971.tif 000007
【図６】
2021515971.tif 000008
【図７】
2021515971.tif 000009
【図８】
2021515971.tif 000010
【図９】
2021515971.tif 000011
【図１０】
2021515971.tif 000012
【図１１】
2021515971.tif 000013
【図１２】
2021515971.tif 000014
【国際調査報告】
2021515971.tif 000015
2021515971.tif 000016
2021515971.tif 000017
2021515971.tif 000018
2021515971.tif 000019