JP2020517046A - プラズマ発生器 - Google Patents

Abstract

本発明は、非熱的大気圧プラズマを生成するためのプラズマ発生器に関し、プラズマ発生器は、長手方向において入力領域（２）及び出力領域（３）に分割された圧電変換器を有し、入力領域（２）には交流電圧を印加可能であり、出力領域（３）は圧電材料（９）を含有し、圧電材料（９）は、入力領域（２）に交流電圧が印加される際に電界の形成を引き起こし、圧電変換器（１）は入力領域（２）から反対に向いている出力側端面（１０）を有し、プラズマ発生器は、出力側端面（１０）の前に負荷（１８，１９，２２）が配置される場合にのみ、非熱的大気圧プラズマの点火に十分な電力が圧電変換器（１）の入力領域（２）に印加されるように構成されている。

Description

本発明は、非熱的大気圧プラズマを生成するためのプラズマ発生器に関する。

かかるプラズマ発生器は、特に、圧電性に基づく共振変換器の一種である圧電変換器を含むことができ、従来の磁気変換器とは異なり、電気機械システムを構成する。圧電変換器は、特にローゼン変換器であることができる。

非熱的大気圧プラズマを生成するために圧電変換器を使用すると、その出力領域に高電圧が生成される。圧電変換器がガス中で負荷として動作する場合、時々、出力領域に沿って長手方向エッジにおいてプラズマ点火が起こることがある。その理由は、出口に容量性負荷が存在する場合に、最大電位が、出口そのものにではなく、負荷と部品寸法に応じて、出口から数ミリメートル離れて生じるからである。このことによってエッジに沿った点火に至る可能性は低いが、完全に除外することはできない。複数のエッジの１つに繰り返し点火が生じると、この点火は、通常、以前と同じ点で行われる。部品がこの点で数回プラズマを点火するだけで、そこに亀裂を引き起こし乃至はその後の割れ（Brueche）を引き起こすのに十分である。

出力領域の長手方向エッジにおける不所望なプラズマ点火を回避するために、付加的な措置が必要とされている。ＤＥ１０２０１４１１０４０５Ａ１には、エッジに沿った不所望なプラズマ点火を回避するために、例えば、出力側の長手方向エッジを丸めることができるか、又は、出力領域を少なくとも部分的に絶縁体で取り囲むことができることが記載されている。特に、出力領域の部分的な絶縁によれば、圧電変換器の振動が減衰され、したがってプラズマ生成の効率が低下する。さらに、絶縁は変換器の寿命を低減するファクターを構成する。エッジを丸めるには、生産コストを増加させる付加的な加工ステップが必要となる。

独国特許公開第１０ ２０１４ １１０ ４０５号公報

そこで、本発明が解決しようとする課題は、例えば上述のような圧電変換器の改善のための措置を省略することができる、簡易化されたプラズマ発生器を提供することである。

この課題は請求項１の対象によって解決される。

非熱的大気圧プラズマを生成するためのプラズマ発生器であって、長手方向において出力領域と入力領域とに分割された圧電変換器を有するプラズマ変換器が提案される。圧電変換器は、入力領域から反対に向いている（weg weist）出力側端面を有する。プラズマ発生器は、出力側端面に負荷が配置される場合にのみ、非熱的大気圧プラズマの点火に十分な電力を圧電変換器の入力領域に印加するように構成されている。

プラズマ発生器は駆動制御電子機器を有し、駆動制御電子機器は、圧電変換器の少なくとも１つの動作パラメータを測定し、動作パラメータの測定又は測定値（der Messung）に基づいて出力側端面の前に配置される負荷を検知するように構成されている。出力側端面の負荷の存在によって、少なくとも１つの動作パラメータが変化する。少なくとも１つの動作パラメータは、入力電流と入力電圧との間の位相、変換器のインピーダンス又は変換器の共振周波数であることができる。ここで言及される動作パラメータは、互いに相互作用する。動作パラメータは、出力側端面の前に配置された負荷によって影響を受け、変化し得る。この場合、負荷は、変換器によって生成される電界を変化させることができ、それによって動作パラメータの変化を引き起こすことができる。

駆動制御電子機器は、変換器の入力領域に交流電圧を印加するように構成されることができる。

出力側端面の前の負荷の位置（die Positionierung）により、圧電変換器から生成される電界の電界強度を、出力側端面の角部及びそのすぐ周辺（unmittelbare Umgebung）に集中させることができ、したがって、出力領域の長手方向エッジに沿ったプラズマ点火を回避することができる。出力側端面の前に負荷が配置されていない場合、圧電変換器によって生成される電界は配向されず、すべての空間方向を向いており、電界も出力領域の長手方向エッジに沿ってかなりの電界成分を有する。出力側端面の前の負荷は、電界のガイド（eine Fuehrung）をもたらし、したがって、最大電界強度が出力側端面の角部において達成される。

負荷は、あらゆる任意の対象物（Objekt）によって形成されることができる。負荷は、特に、プラズマ発生器によって処理されるべき対象物によって形成されることができる。負荷は、例えば、プラズマ発生器によって生成されたプラズマで処理するために設けられた表面又は物体（Ｇｅｇｅｎｓｔａｎｄ）によって形成されてもよい。あるいは、負荷は、出力側端面の近傍に恒常的に配置される対象物によって形成されてもよく、これはプラズマに曝されず、同様に電界と相互作用せず、電界の所望のガイドを提供する。このような負荷は、受動的負荷とも称される。

出力側端面が存在する平面で定義される半空間（eines Halbraums）内に負荷がある場合、負荷は圧電トランスの出力側端面の前にあると見なされ、ここで変換器の入力領域から反対に向いた出力側端面の表面法線は、半空間を指す（hineinweist）。さらに、出力側端面と負荷との間の距離が最大距離を超えない場合にのみ、出力側端面の前に負荷が配置されているとみなすことができる。最大距離はその際、負荷が十分な方法で、圧電変換器から生成される電界に影響するように選択されることができる。最大距離は、例えば、８０ｍｍ、有利には４０ｍｍであり得る。

プラズマ発生器は、入力領域に交流電圧を印加するように構成された駆動制御電子機器を有することができる。プラズマ発生器は、例えば、駆動制御電子機器が入力領域に印加する交流電圧を、出力側端面の前に対象物が配置されているかどうかに依存して変化させるように構成されることができ、ある場合だけ（nur dann）、非熱的大気圧プラズマの点火のために十分な電力が、圧電変換器の入力領域に印加されるように構成されることができる。対象物が出力側端面の前に配置されていれば、出力領域におけるプラズマ点火をトリガするために、駆動制御電子機器は交流電圧を入力領域に印加することができる。対照的に、対象物が出力側端面の前に配置されていなければ、駆動制御電子機器は入力領域に交流電圧を印加しないか、又は、出力領域においてプラズマ点火をトリガするためには弱すぎる交流電圧を印加することができる。

負荷が出力側端面の前に恒常的に（dauerhaft）配置されている受動的負荷であれば、プラズマ点火に十分な電力を常に変換器に印加することができる。

圧電変換器は、上述のローゼン変換器であることができる。変換器は、交流電圧が入力領域に印加されることができるように構成されることができる。圧電変換器の入力領域では、第１及び第２内部電極と圧電材料とが交互に上下に積層されることができる。さらに、入力領域の外部電極は、内部電極が積層方向において交互に第１又は第２外部電極と電気的にコンタクトするように、変換器の外部表面上に配置されることができる。

出力領域は、入力領域に交流電圧が印加される際に電界の形成を引き起こす圧電材料を有することができる。出力領域には内部電極がなくてもよい。出力領域は、圧電材料を含有する又はから成るモノリシックな積層体であることができる。出力領域は長手方向に分極された圧電材料を含有する又はから成ることができる。

プラズマ発生器は、圧電変換器の出力側端面の前に配置された対象物を検知する装置を有することができ、対象物は出力側端面の前に配置された負荷を形成する。プラズマ発生器は、装置が出力側端面の前に配置された対象物を検知した場合にのみ、非熱的大気圧プラズマを生成するのに十分な電力が入力領域に印加されるように構成されてもよい。

このようにして、出口の前に負荷が配置されていない限り、プラズマの点火を回避することができる。対象物の検知は、例えば、機械的に、光学的に、又は圧電変換器におけるインピーダンス若しくは位相測定に基づいて、行われることができる。

出力側端面の前に配置された対象物を検知するための装置は、例えば、長手方向において出力側端面から突出する機械的プローブ要素又は接触要素（Tastelement）を有することができる。機械的プローブ要素は、特に、対象物の接触を検知し、その場合にはプラズマ生成を許可する（freizugeben）ように構成されることができる。かかる機械的プローブ要素は、対象物検知のための、簡単かつ信頼性の高いシステムとなる。

プローブ要素は、さらに、プラズマ発生器のユーザにとって、プラズマ発生器を処理されるべき対象物にアライメントする際に、付加的な補助となることができる。プローブ要素は、例えば長さによってユーザにプラズマ発生器と対象物との間の最適な動作距離を示すことができるからである。

プローブ要素は、対象物が圧電変換器の前の動作距離にある場合に、機械的プローブ要素が対象物によって作動又は操作される（betaetigt）ように配置されてもよい。対象物による作動によって、プローブ要素によって検出される機械的抵抗を生じさせることができる。

出力側端面の前にある物体を検出するための装置は、圧電変換器をスイッチオン及びオフするように構成されたスイッチを有することができ、スイッチは、変換器が出力側端面の前の対象物を検知した場合に、圧電変換器をスイッチオンするように機械的プローブ要素と接続されている。

あるいは又はさらに、出力側端面の前に配置された対象物を検知するための装置は光学的測定装置を有することができる。光学的測定装置は、超音波信号を送信し、超音波信号の反射を測定し、測定された反射に基づいて距離測定を行うように構成されることができる。光学的距離測定のためのこの種の装置は、高精度の距離測定を可能にし、プラズマ発生器のモジュールとして簡単に付け加えられることができる。

プラズマ発生器は、圧電変換器の入力領域に交流電圧を印加するように構成された駆動制御電子機器を有することができ、出力側端面の前に配置された対象物を検知するための装置は、駆動制御電子機器によって形成されており、そこでは、駆動制御電子機器は、入力領域に印加される交流電圧と圧電変換器を流れる交流電流との間の位相を測定し、測定された位相から出力側端面の前の対象物の存在を推定するように構成されている。出力側端面の前に対象物が存在すれば、これは容量性負荷としてかつ負荷抵抗として圧電変換器と相互作用し、それによって変換器の入力領域において位相シフトを生じさせる。駆動制御電子機器は、かかる位相シフトを検知し、それに応じて対象物の存在を推定するように（zu schliessen）構成されることができる。

駆動制御電子機器は、プラズマ発生器のスイッチオン後に、まず、プラズマの点火のために十分でない電力が圧電変換器に印加されるように、圧電変換器を動作させるように、構成されることができ、アイドリング状態における（im Leerlauf）圧電変換器の動作の際に、入力領域に印加される交流電圧と交流電流との間の位相は、αとβとの間の所定の範囲にあり、駆動制御電子機器は、さらに、位相がαとβとの間の範囲から所定の値だけ偏差した場合に、圧電変換器に印加される電力が増加するように構成されることができる。αとβは例えば＋５°と−５°であり得る。好ましくは、圧電変換器がアイドリング状態で動作する場合に、０°の位相が選択される。

ここで「アイドリング状態（Leerlauf）」とは、圧電変換器のすぐ近くに（in unmittelbarer Naehe）、電界の推移（den Verlauf）に影響を与える可能性のある負荷が配置されていない状態を表すことができる。対象物が変換器によって生成される電界から実質的に影響を受けないほどに、圧電変換器がプラズマによって処理されるべき対象物から遠くに離れている場合に、圧電変換器はアイドリング状態であることができる。

負荷は、恒常的に出力側端面の前に配置された受動的負荷であることができる。ここでは、負荷が処理されるべき対象物によって形成されていない場合に、負荷は受動的負荷と称される。負荷に電圧が印加されていない場合は、負荷は受動的負荷と称される。

恒常的に出力側端面の前に配置された受動的負荷は、電界を出力側端面の角部に集中させるように、常に、変換器によって生成される電界に影響を与えることができる。したがって、長手方向エッジにおけるプラズマ点火を排除することができる。

プラズマ発生器は、圧電変換器が配置されるハウジングを有することができる。ハウジングは、プラズマ出力開口を有することができ、圧電変換器によって点火されたプラズマは、プラズマ出力開口を介してプラズマ発生器を離れる。受動的負荷は、プラズマ出力開口のすぐ近くに配置されることができる。

負荷はリング形状であってもよく、リングは、出力側端面の辺の長さ（die Kantenlngen）よりも大きい内径を有してもよい。相応に、リングは出力側端面を取り囲むことができる。

受動的負荷は、絶縁性材料、特に酸化アルミニウムを含有することができる。

プラズマ発生器は、第１材料製のハウジングを有することができ、その中には圧電変換器が配置されており、受動的負荷は第２材料を含有し、第２材料の誘電率（die Dielektrizitaetskonstante）は第１材料の誘電率よりも高い。相応に、受動的負荷は、電界の電界ガイドに、ハウジングよりも強く影響することができる。

受動的負荷は導電性材料又は半導体性材料を含有する又はから成ることができ、負荷と圧電変換器との間には絶縁性材料が配置される。絶縁性材料は例えばハウジングであることができる。絶縁性材料は変換器と受動的負荷との間のプラズマ放電が起きないようにする。

圧電変換器の出力領域は、例えば熱収縮チューブ（einem Schrumpfschlauch）などの絶縁体がなくてもよい。変換器の出力側端面の前に負荷が配置されている場合にのみプラズマが生成されるという、プラズマ発生器の上述の実施形態により、長手方向エッジに沿った不所望なプラズマ点火を回避するための絶縁を省くことができる。かかる絶縁は、圧電変換器の振動の減衰を招き、それによって効率（der Wirkungsgrad）が低減され、さらに変換器の寿命が短縮される虞がある。代替的実施形態において、付加的に、出力領域のかかる絶縁は不所望なプラズマ点火を回避するための措置として設けられることができる。

圧電変換器は、出力側端面において非熱的大気圧プラズマを点火するように構成されることができる。

さらなる態様によれば、非熱的大気圧プラズマを生成するためのプラズマ発生器が提案され、プラズマ発生器は、長手方向において入力領域と出力領域とに分割された圧電変換器を有し、圧電変換器は入力領域から反対に向けられた出力側端面を有し、プラズマ発生器は出力側端面の前に恒常的に配置された受動的負荷を有する。

受動的負荷は出力側端面の前に恒常的に配置されているので、プラズマ点火のために必要な電力が常に変換器に印加されることができる。なぜなら、負荷は、恒常的に、変換器によって生成された電界を負荷によってガイドし（gefuehrt）、特に束ねる（gebuendelt）ことができるからである。本実施形態においては、動作パラメータの測定に基づいて負荷の存在を検知するように構成された、負荷を検知するための装置又は駆動制御回路は、必要ではない。しかしながら、装置は、代替的実施形態においては存在し得る。

負荷は、出力側端面の辺の長さよりも大きい内側直径を有するリング形状であることができる。受動的負荷は、特に酸化アルミニウムを含有する絶縁性材料であることができる。プラズマ発生器は、第１材料製のハウジングを有することができ、その中には圧電変換器が配置されており、受動的負荷は第２材料を含有し、第２材料の誘電率（die Dielektrizitaetskonstante）は第１材料の誘電率よりも高い。受動的負荷は、導電性材料又は半導体性材料を含有する又はから成ることができ、負荷と圧電変換器との間には絶縁性材料が配置される。圧電変換器は、出力側端面において非熱的大気圧プラズマを点火するように構成されることができる。

以下では有利な態様が述べられる。参照を容易にするために、態様には連続した番号が付されている。態様の特徴は、特定の態様との組み合わせだけでなく、個別にも関連するとみなされる。

１．非熱的大気圧プラズマを生成するためのプラズマ発生器であって、
長手方向において入力領域及び出力領域に分割された圧電変換器を有し、
圧電変換器は、入力領域から反対に向いている（weg weist）出力側端面を有し、
プラズマ発生器は、出力側端面の前に負荷が配置される場合にのみ、非熱的大気圧プラズマの点火に十分な電力（Leistung）が圧電変換器の入力領域に印加されるように構成されている。

２．態様１によるプラズマ発生器であって、
出力側端面の前に配置された対象物を検知するための装置を有し、対象物は出力側端面の前に配置された負荷を形成し、
プラズマ発生器は、装置が出力側端面の前に配置された対象物を検知した場合にのみ、入力領域に非熱的大気圧プラズマを生成するための電力を印加するように構成されている。

３．態様２によるプラズマ発生器であって、
出力側端面の前に配置された対象物を検知するための装置は、長手方向において出力側端面を越えて突出する機械的プローブ要素を有する。

４．態様３によるプラズマ発生器であって、
機械的プローブ要素は、対象物が圧電変換器の前の動作距離にある場合に、機械的プローブ要素が対象物によって作動されるように、配置されている。

５．態様３又は４によるプラズマ発生器であって、
出力側端面の前に配置された対象物を検知するための装置はスイッチを有し、
スイッチは、圧電変換器をスイッチオン及びオフするように構成されており、
プローブ要素が出力側端面の前の対象物を検知した場合にのみ、スイッチが圧電変換器をスイッチオンするように、機械的プローブ要素と接続されている。

６．態様２によるプラズマ発生器であって
出力側端面の前に配置された対象物を検知するための装置は光学的及び／又は音響的測定装置を有する。

７．態様６によるプラズマ発生器であって、
光学的及び／又は音響的測定装置は、光及び／又は超音波信号を送信し、光及び／又は超音波信号の反射を測定し、測定された反射に基づいて距離測定を行うように構成されている。

８．態様２乃至７のいずれかによるプラズマ発生器であって、
交流電圧が圧電変換器の入力領域に印加されるように構成された駆動制御電子機器を有し、
駆動制御電子機器が、入力領域に印加される交流電圧と圧電変換器を流れる電流との間の移送を測定し、測定した位相から出力側端面の前の対象物の存在を推定するように構成されることによって、出力側端面の前に配置された対象物を検知するための装置は、駆動制御電子機器によって形成されている。

９．態様８によるプラズマ発生器であって、
駆動制御電子機器は、プラズマ発生器のスイッチオンの後に、まず、プラズマの点火に十分でない電力が圧電変換器に印加され、アイドリング状態における圧電変換器の動作の際に、入力領域に印加される交流電圧と交流電圧との間の位相が、αとβとの間の所定の範囲にあるように、圧電変換器を動作させるように構成されており、
駆動制御電子機器は、位相がαとβとの間の範囲から所定の値だけ偏差する場合に、圧電変換器に印加される電力を上昇させるように構成されている。

１０．態様９によるプラズマ発生器であって、
負荷は、出力側端面の前に恒常的に配置された受動的負荷である。

１１．態様１０によるプラズマ発生器であって、
負荷はリング形状であり、リングは出力側端面の辺の長さ（die Kantenlaengen）よりも大きい内部直径を有する。

１２．態様１０又は１１によるプラズマ発生器であって、
受動的負荷は絶縁性材料、特に酸化アルミニウムを含有する。

１３．態様１０乃至１２いずれか１つによるプラズマ発生器であって、
プラズマ発生器は第１材料製の（aus einem ersten Material）ハウジングを有し、その中には圧電変換器が配置されており、
受動的負荷は第２材料を含み、
第２材料の誘電率は第１材料の誘電率よりも高い。

１４．態様１０又は１１によるプラズマ発生器であって、
受動的負荷は導電性材料又は半導体性材料から成り、
負荷と圧電変換器との間には絶縁性材料が配置されている。

１５．態様１４によるプラズマ発生器であって、
圧電変換器の出力側領域は絶縁又は絶縁部を有さない（frei von einer Isolierung ist）。

以下では、本発明が図面を参照して述べられる。

圧電変換器を斜視図で示す図である。 第１実施形態によるプラズマ発生器を示す図である。 第２実施形態によるプラズマ発生器を示す図である。 第３実施形態によるプラズマ発生器を示す図である。 第４実施形態によるプラズマ発生器を示す図である。

図１は、圧電変換器を斜視図で示す。圧電変換器１は特に非熱的大気圧プラズマを生成するために使用されることができる。

圧電変換器１は、共振変換器の一種であり、これは圧電性に基づくものであり、従来の電磁変換器とは対照的に電気機械システムである。圧電トランス１は、例えば、ローゼン型の変換器である。

圧電変換器１は、入力領域２と出力領域３とを有し、出力領域は、長手方向Ｌにおいて入力領域２に接続されている。入力領域２において、圧電変換器１は、電極４を有し、電極４には交流電圧が印加されることができる。電極４は、圧電変換器１の長手方向Ｌにおいて延在する。電極４は、長手方向Ｌに垂直な積層方向Ｓにおいて、圧電材料５と交互に積層されている。圧電材料５は、その際、積層方向Ｓにおいて分極されている。

電極４は圧電変換器１の内部に配置されており、内部電極とも称される。圧電変換器１は、第１側面６と、第１側面６に対向する第２側面７と、を有する。第１側面６上には、第１外部電極８が配置されている。第２側面７上には、第２外部電極（図示せず）が配置されている。内部電極４は、積層方向Ｓにおいて交互に、第１外部電極８と又は第２外部電極と電気的に接続されている。

さらに、圧電変換器１は、第３側面２０と第４側面２１とを有し、これらは、互いに対向し、第１側面６及び第７側面に対して垂直である。第３側面２０及び第４側面４０の面法線はそれぞれ積層方向Ｓを示す。入力領域２は、電極４同士の間に印加される低い交流電圧によって駆動制御されることができる。入力側で印加された交流電圧は、圧電効果に基づいてまず機械的振動に変換される。機械的振動の周波数は、その際、実質的に圧電変換器１の幾何学的寸法及び機械的構造に依存する。

出力領域３は、圧電材料９を有し、内部電極を有さない（frei von）。出力領域３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。出力領域３の圧電材料９は、入力領域２の圧電材料５と同じ材料であってもよく、圧電材料５及び９は、それらの分極方向において異なってもよい。出力領域３において圧電材料９は、長手方向Ｌにおいて完全に分極された唯一のモノリシック層として（zu einer einzigen monolithischen Schicht）形成されている。その際、圧電材料９は出力領域３において、唯一の分極方向を有する。

入力領域２の電極４に交流電圧が印加されると、したがって圧電材料５，９の内部において機械的波が形成され、それは、圧電効果によって出力領域３において出力電圧を生成する。出力領域３は出力側端面１０を有する。出力領域３では、このようにして、端面１０と入力領域２の電極４の端部との間に電圧が生成される。出力側端面１０では、その際、高電圧が生成される。その際、出力側端面と圧電変換器の周囲との間にも、強い電界を生成するために十分な高い電位差が生じ、プロセスガスをイオン化する。

このようにして圧電変換器１は、ガス又は流体を電気的励起によってイオン化することができる電界を生成する。その際、それぞれのガス又はそれぞれの流体の原子又は分子はイオン化され、プラズマを形成する。圧電変換器１の表面における電界がプラズマの点火強度を超える場合には、常にイオン化が起きる。その際、原子又は分子をイオン化するために必要な電界強度がプラズマ点火電界強度として（Als Zuendfeldstaerke eines Plasmas）示される。

プラズマ発生器はさらに駆動制御電子機器１１を有する。駆動制御電子機器１１は、交流電圧を圧電変換器１の入力領域２に印加するように構成されている。

プラズマ発生器はさらにハウジング１２を有する。圧電変換器１及び駆動制御電子機器１１はハウジング１２の中に配置されている。ハウジング１２は管形状又は筒形状（roehrenfoermig）である。ハウジング１２は電気絶縁性材料を含有する。ハウジング１２はプラズマ出力開口１３を有する。圧電変換器１は、出力側端面１０がプラズマ出力開口１３の近くにあるようにハウジング１２内に配置されている。

圧電変換器１の出力領域３において生成された電界は、圧電変換器１のアイドリング中に（im Leerlauf）配向されず、相応に全ての空間方向を有する。出力側端面１０の前に負荷を配置することによって（Durch die Anordnung einer Last）、圧電変換器１から生成される電界はガイドされる。電界は、その際、特に負荷へと導かれる（hin gefuehrt）。それによって、長手方向チャネル１４に沿った電界成分（die Feldkomponenten）は弱められる。相応に、この場合、長手方向チャネル１４に沿った不所望なプラズマ点火は生じない。

図２は、圧電変換器１の出力領域３内の長手方向チャネル１４における不所望なプラズマ点火を回避するように構成されているプラズマ発生器の第１実施形態を示す。そのために、プラズマ発生器は、圧電変換器１の出力側端面１０の前に負荷が配置されている場合のみ、非熱的大気圧プラズマの点火が可能であるように構成される。この負荷は、例えば、処理されるべき表面又は処理されるべき対象物によって形成されることができる。出力側端面１０の前に配置された負荷は、電界がガイドされるように作用し、それによってプラズマが負荷の方向にだけ放出されることが保証されることができる。

図２に示されるプラズマ発生器は、圧電変換器１の出力側端面の前に配置された対象物２２を検知するための装置１５を有する。本実施形態においては、対象物の検知は機械的に行われる。そのために、装置１５はスイッチ１６及び機械的プローブ要素１７を有する。

機械的プローブ要素１７は、作動距離だけ（um einen Betriebsabstand）圧電変換器１の出力側端面１０を越えて突出している。機械的プローブ要素１７は、圧電変換器１から反対に向いている（wegweisende）機械的プローブ要素１７の先端が配置される位置に対象物２２が有るかどうか検知するように構成されている。そこに対象物２２が有れば、先端は対象物２２に対して当接し、機械的プローブ要素１７は機械的抵抗を受ける（erfuehrt）。作動状態は、圧電変換器１と処理されるべき表面との間の理想的な距離を測定するように選択される。作動距離は例えば１ｍｍと４０ｃｍとの間にあることができる。

スイッチ１６は、開状態及び閉状態を採ることができる。機械的プローブ要素１７が機械的抵抗を受けない場合、スイッチ１６はその開状態にある。例えば対象物２２に当接することにより、機械的プローブ要素１７が機械的抵抗を受ける場合、スイッチ１６はその閉状態に切替られる。

スイッチ１６が開の場合、スイッチ１６は駆動制御電子機器１１と圧電変換器１との間の電気的接続を中断し、したがって圧電変換器１の入力領域２には電圧が印加されない。スイッチ１６が閉の場合、駆動制御電子機器１１は圧電変換器１と電気的に接続され、変換器１に電圧が印加されることができる。相応に、スイッチ１６が閉じている場合のみプラズマが生成されることができる。出力側端面１０の前に配置され、電気的負荷として作用する対象物２２を機械的プローブ要素１７が検知した場合に、スイッチ１６は閉じられる。

第１実施形態によるプラズマ発生器は、対象物２２が出力側端面１０に対して所定の作動距離内にある場合にだけプラズマ点火が可能になるように相応に構成されている。この場合にのみ、機械的プローブ要素１７は対象物２２によって作動され（betaetigt）、その後プラズマ点火を許可する（gibt frei）。このようにして、プラズマ発生器が常に、処理されるべき対象物２２に対して理想的な作動距離に配置される保障されることができる。

ここに示した出力側端面１０の前に配置された対象物を検知するための、スイッチ１６及び機械的プローブ要素１７を有する装置１５に代えて又は加えて、光学的及び／又は音響的距離測定を行うこともできる。その際、装置１５は、光及び／又は超音波信号を送信し、その反射を測定し、測定された反射に基づいて距離測定を行うように構成された光学的及び／又は音響的測定装置（図示せず）を有することができる。このようにして、圧電変換器１の出力側端面１０のすぐ前に処理されるべき対象物が配置されているかどうか、検知することができる。相応の光学的及び／又は音響的測定装置は、この測定を高精度で行うことができる。

プラズマ発生器は、光学的及び／又は音響的距離測定が、変換器１の出力側端面１０の前に十分近くに対象物が配置されていることを示す場合に初めて、プラズマ点火を可能にするように構成されている。特に、最小距離に対する閾値が定義されることができる。対象物が出力側端面１０に対して所定の最小距離よりも小さい距離にあることを光学的及び／又は音響的距離測定が示す場合にのみ、プラズマ点火が可能にある。

対照的に、対象物が出力側端面１０の十分近くに配置されていないことを光学的及び／又は音響的測定が示せば、変換器１の入力領域２に電圧が印加されないように、駆動制御電子機器１１はプログラムされることができる。

図３は、第２実施形態によるプラズマ発生器を示す。第２実施形態によれば、圧電変換器１の入力領域に交流電圧を印加するように構成されたプラズマ発生器の駆動制御電子機器１１は、出力側端面１０の前に配置された対象物を検知するための装置１５を形成する。図３には駆動制御電子機器１１が模式的に示されている。

プラズマ発生器がスイッチオンされると、駆動制御電子機器１１は、まず、出力領域３におけるプラズマ点火をトリガするのに不十分なように選択された小さい電力を圧電変換器１に印加する。駆動制御電子機器から変換器１に印加される電力は、さらに、アイドリング状態における圧電変換器１の作動の際に、印加される交流電圧と関連する交流電流との間の位相がー５°と＋５°の間、好ましくは０°にあるように選択される。制御電子機器１１は、この位相を常に監視するように構成されている。ここで、プラズマ発生器が処理されるべき対象物に近づくと、対象物は出力側容量として、また圧電変換器１への負荷抵抗として作用する。この結果、交流電流と交流電圧との間の位相がシフトする。制御電子機器１１は、この位相シフトを検知する。位相シフトが所定の閾値を超える場合、駆動制御電子機器１１は、これを出力側端面１０の前に配置される対象物の証拠として解釈する。このようにして処理されるべき対象物が検知されると、駆動制御電子機器１１は圧電変換器１に印加される電力を増加させ、したがって出力側端面１０に非熱的大気圧プラズマが点火される。

圧電変換器１が再び処理されるべき物体から離されると、これは、新たな位相シフトをもたらす。駆動制御電子機器１１は、かかる位相シフトを検出し、圧電変換器１に印加される電力を減少させるように構成されているので、もはやプラズマ点火には至らない。このようにして、変換器１は、アイドリング中におけるプラズマ点火から保護される。

したがって、上述の実施形態では、変換器１の出力側端面１０の前方に対象物が存在する場合にのみプラズマを発生させるが、対象物は出力側端面１０に十分に近くになければならない。この場合、対象物はプラズマの電界ガイドをもたらし、これにより、長手方向エッジ１４でのプラズマ点火は回避されることが保証される。

図４は、プラズマ発生器の第３の例示的実施形態を示す。プラズマ発生器は、圧電変換器１の出力側端面１０の前方に恒久的に（permanent）配置された受動的負荷１８を有する。第３実施形態によるプラズマ発生器は、エッジ１４に沿った不所望なプラズマ点火に至ることなく、常に非熱的大気圧プラズマの点火のために使用されることができる。負荷として作用する処理されるべき対象物は、必ずしも出力側端面１０の前方に配置される必要はない。受動的負荷１８はむしろ電界ガイドとしても作用する。

受動的負荷１８は例えばリング形状の（ringfoermiges）要素であることができる。受動的負荷１８は管形状のハウジング１２の内部に配置されている。受動的負荷１８はハウジングのプラズマ出力開口１３に配置されている。受動的負荷１８は、誘電率（die Dielektrizitaetszahl）がハウジング１２の材料の誘電率よりも高い材料から成る。受動的負荷１８は例えば酸化アルミニウムから成ることができる。

受動的負荷１８は、その電気的特性に基づいて、圧電変換器１から生成される電界を出力側端面１０の角に集中させる。ここで、能動的負荷、例えば処理されるべき対象物が受動的負荷１８の前に保持されると、能動的負荷は電界強度を受動的負荷１８よりもよりよく集める可能性があり（wiederum besser buendeln）、したがって、プラズマは主に能動的負荷に引き込まれる（zugefuehrt）可能性があり、受動的負荷１８を介しては電力損失に至らない。

図５は、絶縁性材料から成る受動的負荷１８に代えて、導電性又は半導体性材料を含有する受動的負荷１９を電界ガイドとして使用する第４の例示的実施形態を示す。受動的負荷１９は、絶縁性材料から成る受動的負荷１８よりも、電界ガイドにより好適である。受動的負荷１９は管状ハウジングの外側に配置され、ハウジング１２のプラズマ出力開口を取り囲む。ハウジング１２は、受動的負荷１９と圧電変換器１との間に配置される絶縁性材料から成るので、変換器１と受動的負荷１９との間で直接的なプラズマ点火に至らないことがハウジング１２によって保証されることができる。

導電性又は半導体性材料を含有する受動的負荷１９も、実質的に第３実施形態において述べられた受動的負荷１８のように作用する。負荷１９は、変換器１から生成された電界を変換器１の出力側端面１０上に集中させ、このようにして、電界がガイドされ、出力側の長手方向エッジ１４に沿ったプラズマ点火が回避される。

複数の実施形態であげられた措置に基づいて、出力側端面１０の前に負荷が配置される場合にのみ、プラズマ点火に至ることが保証される。この理由から全ての実施形態において、出力領域３のシールドを省くことができる。さもなければ、長手方向エッジに沿ったプラズマ点火を回避するために、例えば熱収縮チューブによる、かかる絶縁が必要となり得る。

本明細書において述べられる例示的な実施形態は、相互に組み合わせられることができる。例えば圧電変換器１は、第３又は第４実施形態による受動的負荷１８，１９も、第１又は第２実施形態による出力側端面１０の前に配置された対象物を検知するための装置１５も有することができる。装置１５がかかる対象物を検知した場合にだけプラズマ点火が実現される。この場合、受動的負荷１８，１９が圧電変換器１から生成される電界をさらに集中させることにより、受動的負荷１８、１９はさらに改善された電界ガイドに寄与することができる。

１ 圧電変換器（piezoelektrischer Transformator）
２ 入力領域（Eingangsbereich）
３ 出力領域（Ausgangsbereich）
４ 電極（Elektrode）
５ 圧電材料（piezoelektrisches Material）
６ 第１側面（erste Seitenflaeche）
７ 第２側面（zweite Seitenflaeche）
８ 第１外部電極（erste Aussenelektrode）
９ 圧電材料（piezoelektrisches Material）
１０ 出力側端面（ausgangsseitige Stirnseite）
１１ 駆動制御電子機器（Ansteuerelektronik）
１２ ハウジング（Gehauuse）
１３ プラズマ出力開口（Plasmaaustrittsoeffnung）
１４ 長手側エッジ（laengsseitige Kante）
１５ 圧電変換器の出力側端面の前に配置された対象物を検知するための装置（Vorrichtung zur Erkennung eines vor der ausgangsseitigen Stirnseite
des piezoelektrischen Transformators angeordneten Objektes）
１６ 回路（Schalter）
１７ 機械的プローブ要素（mechanisches Tastelement）
１８ 絶縁性材料製の受動的負荷（passive Last aus isolierendem Material）
１９ 導電性又は半導体性材料製の受動的負荷（passive Last aus leitendem oder halbleitendem Material）
２０ 第３側面（dritte Seitenflaeche）
２１ 第４側面（vierte Seitenflaeche）
２２ 対象物（Objekt）
Ｌ 長手方向（Laengsrichtung）
Ｓ 積層方向（Stapelrichtung）

Claims (24)

1. 非熱的大気圧プラズマを生成するためのプラズマ発生器であって、
   長手方向において入力領域及び出力領域に分割された圧電変換器を有し、
   前記圧電変換器は、前記入力領域から反対に向いている出力側端面を有し、
   前記プラズマ発生器は、前記出力側端面の前に負荷が配置される場合にのみ、非熱的大気圧プラズマの点火に十分な電力が前記圧電変換器の前記入力領域に印加されるように構成されており、
   前記プラズマ発生器は、前記圧電変換器の少なくとも１つの動作パラメータを測定し、前記動作パラメータの前記測定に基づいて前記出力側端面の前に配置される負荷を検知するように構成された駆動制御電子機器を有する、
   プラズマ発生器。
2. 前記少なくとも１つの動作パラメータは、前記入力領域に印加される交流電圧と、前記圧電変換器を介して流れる交流電圧との間の位相である、
   請求項１記載のプラズマ発生器。
3. 前記駆動制御電子機器は、前記プラズマ発生器をスイッチオンした後、まず、プラズマの点火のために不十分な電力が前記圧電変換器に印加され、アイドリング状態における前記圧電変換器の動作の際に、前記入力領域に印加される交流電圧と交流電流との間の位相が、αとβとの間の所定の範囲にあるように、前記圧電変換器を動作させるように構成されており、
   前記駆動制御電子機器は、位相がαとβとの間の範囲から所定の値だけ偏差する場合に、前記圧電変換器に印加される電力を増加させるように構成されている、
   請求項２記載のプラズマ発生器。
4. 前記少なくとも１つの動作パラメータは、前記圧電変換器のインピーダンスであるか、又は
   前記少なくとも１つの動作パラメータは、前記圧電変換器の共振周波数である、
   請求項１乃至３いずれか１項記載のプラズマ発生器。
5. 前記プラズマ発生器は、前記出力側端面の前に配置された対象物を検知するための装置を有し、前記対象物は、前記出力側端面の前に配置された負荷を形成し、
   前記プラズマ発生器は、前記装置が前記出力側端面の前に配置される対象物を検知した場合のみ、前記入力領域に前記非熱的大気圧プラズマの生成に十分な電極が印加されるように構成されている、
   請求項１乃至４いずれか１項記載のプラズマ発生器。
6. 前記出力側端面の前に配置される対象物を検知するための前記装置は、長手方向において前記出力側端面を越えて突出している機械的プローブ要素を有する、
   請求項５記載のプラズマ発生器。
7. 前記対象物がある動作状態において前記圧電変換器の前にある場合に、前記機械的プローブ要素が前記対象物によって作動されるように、前記機械的プローブ要素は配置されている、
   請求項６記載のプラズマ発生器。
8. 前記出力側端面の前に配置された対象物を検知するための前記装置は、圧電変換器をスイッチオン及びオフするように構成されたスイッチを有し、
   前記スイッチは、前記機械的プローブ要素が前記出力側端面の前で対象物を検知した場合にのみ、前記スイッチが前記圧電変換器をスイッチオンするように、前記機械的プローブ要素と接続されている、
   請求項６又は７記載のプラズマ発生器。
9. 前記出力側端面の前に配置された対象物を検知するための前記装置は、光学的及び／又は音響的測定装置を有する、
   請求項５乃至８いずれか１項記載のプラズマ発生器。
10. 前記光学的及び／又は音響的測定装置は、光及び／又は超音波信号を送信し、前記光及び／又は超音波信号の反射を測定し、測定された前記反射に基づいて距離測定を行うように構成されている、
    請求項９記載のプラズマ発生器。
11. 前記負荷は、恒常的に前記出力側端面の前に配置された受動的負荷である、
    請求項１乃至１０いずれか１項記載のプラズマ発生器。
12. 前記負荷はリング形状であって、前記リングは前記出力側端面の辺の長さよりも大きい内側直径を有する、
    請求項１１記載のプラズマ発生器。
13. 前記受動的負荷は、絶縁性材料、特に酸化アルミニウムを含有する、
    請求項１１又は１２記載のプラズマ発生器。
14. 前記プラズマ発生器は、第１材料製のハウジングを有し、前記ハウジング内に前記圧電変換器が配置され、
    前記受動的負荷は第２材料を含有し、
    前記第２材料の誘電率は前記第１材料の誘電率よりも高い、
    請求項１１乃至１３いずれか１項記載のプラズマ発生器。
15. 前記受動的負荷は、導電性材料又は半導体性材料から成り、
    前記負荷と前記圧電変換器との間には絶縁性材料が配置されている、
    請求項１１又は１２記載のプラズマ発生器。
16. 前記圧電変換器の前記出力領域は、絶縁されていない、
    請求項１乃至１５いずれか１項記載のプラズマ発生器。
17. 前記圧電変換器は、前記出力側端面において前記非熱的大気圧プラズマを点火するように構成されている、
    請求項１乃至１６いずれか１項記載のプラズマ発生器。
18. 非熱的大気圧プラズマを生成するためのプラズマ発生器であって、
    長手方向において入力領域と出力領域とに分割された圧電変換器を有し、
    前記圧電変換器は、入力側端面から反対側に向けられた出力側端面を有し、
    前記プラズマ発生器は、前記出力側端面の前に恒常的に配置された受動的負荷を有する、
    プラズマ発生器。
19. 非熱的大気圧プラズマを生成するために十分な電力が前記圧電変換器の前記入力領域に常に印加できるように構成されている、
    請求項１８記載のプラズマ発生器。
20. 前記負荷はリング形状であって、前記リングは、前記出力側端面の辺の長さよりも大きい内側直径を有する、
    請求項１８又は１９記載のプラズマ発生器。
21. 前記受動的負荷は絶縁性材料、特に酸化アルミニウムを含有する、
    請求項１８乃至２０いずれか１項記載のプラズマ発生器。
22. 前記プラズマ発生器は、第１材料製のハウジングを有し、前記ハウジング内には前記圧電変換器が配置されており、
    前記受動的負荷は第２材料を含有し、
    前記第２材料の誘電率は、前記第１材料の誘電率よりも高い、
    請求項１８乃至２１いずれか１項記載のプラズマ発生器。
23. 前記受動的負荷は導電性材料又は半導体性材料から成り、
    前記負荷と前記圧電変換器との間には絶縁性材料が配置されている、
    請求項１８乃至２０いずれか１項記載のプラズマ発生器。
24. 前記圧電変換器は、その出力側端面において前記非熱的大気圧プラズマを点火するように構成されている、
    請求項１乃至２３いずれか１項記載のプラズマ発生器。

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