УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ СТРУИ ИЛИ ПОТОКА ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ И ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК B05B5/53 H01L31/04 

Изобретение относится к образованию высоких напряжений для их использования в тех областях, в которых используется небольшая сила тока. Одной такой областью является электростатическое распыление материала, в которой требование относительно напряжения может превышать 1 кВ, тогда как требование к силе тока может находиться в диапазоне микроампер или даже наноампер.

В ранее поданных заявках на европейский патент, относящихся к электростатическому распылению материалов, (например, в заявках ЕР 120633, 468735, 468736, 482814, 486198, 503766 и 607182 и в заявке PCT-WО 94/13063), описываются различные устройства, все из которых используют генератор высокого напряжения, питаемый от аккумуляторной батареи. Одна из приемлемых для использования в упомянутых устройствах форм генератора напряжения описана в заявке на европейский патент (ЕР-А) 163390. Генераторы напряжения этого типа отличаются высокой себестоимостью их изготовления и являются относительно объемными, особенно если они предназначены для использования в устройствах электростатического распыления, которые должны быть компактными по размеру, например в устройствах распыления косметических и парфюмерных средств. Более того, в корпусе самого распылителя необходимо разместить портативный блок аккумуляторной батареи, необходимый для нормального питания устройства, а это связано с необходимостью частой замены или подзарядки аккумуляторной батареи.

В ЕР 0110069 раскрыто устройство для нанесения покрытия струей электростатических частиц, в котором материал покрытия проходит через трубку в корпусе и электростатически заряжается электродами, когда он покидает корпус. Однако это устройство использует громоздкую схему, имеющую комплект батарей и трансформатор в качестве основного источника питания, а также множество дискретных компонентов для образования высокого напряжения.

В публикации WO 89/05521 раскрыта конструкция панели солнечных батарей, в которой множество матриц солнечных батарей, изготовленных из одной подложки полупроводникового материала, соединены параллельно. Эта панель может включать в себя дискретные, чувствительные к излучению образующих напряжение элементов, но в этой публикации не указано, что можно создавать высокое напряжение как минимум 1 кВ при требованиях к току, чтобы он находится в диапазоне микроампер или наноампер.

Настоящее изобретение преследует цель создания альтернативного типа генератора высокого напряжения.

По одному из аспектов изобретения предусматривается создание устройства для образования струи или потока электрозаряженных частиц, содержащего средство определения местоположения, откуда будет генерироваться струя или поток, и генератор напряжения для образования высокого напряжения между упомянутым местоположением и окружающей средой, причем этот генератор содержит большую матрицу дискретных образующих напряжение элементов, взаимно соединенных между собой так, чтобы образовывать высокое выходное напряжение, по меньшей мере, 1 кВ.

Является предпочтительным, чтобы генератор был представлен твердотельным устройством, содержащим сотни или даже тысячи индивидуальных образующих напряжение элементов, которые могут соединяться последовательно для того, чтобы коллективно они образовывали выход высокого напряжения.

Один из вариантов изобретения содержит устройство электростатического распыления, содержащее выпускное отверстие, из которого может выходить предназначенный для электростатического распыления материал, причем это выпускное отверстие будет связано с упомянутым местоположением, а элементы матрицы будут взаимно соединены так, чтобы образовывать высокое напряжение, достаточное для осуществления электростатического распыления материала из устройства.

Обычно мощность электрического тока на выходе из генератора будет такой, чтобы номинальная мощность генератора была равна 100 мВт или меньше, а лучше 50 мВт или меньше. Например, для устройства распыления краски напряжение может превышать 25 кВ, а сила тока находиться в диапазоне 1 микроампера (номинальная мощность будет равна 30 мВт), тогда как для домашнего распылителя ароматических веществ напряжение может находиться в диапазоне от 0,5 до 2,0 мВт, а обычно равно 1,2 мВт (например, при силе тока 100 нА и напряжении 12 кВ).

Генератор высокого напряжения обычно содержит матрицу фоточувствительных элементов, расположенных так, чтобы они после облучения образовывали выход напряжения как минимум в 1 кВ.

Является предпочтительным, чтобы матрица фоточувствительных элементов располагалась таким образом, чтобы образовывать выход напряжения как минимум в 4 кВ, обычно как минимум в 5 кВ, а более предпочтительно выше 8 кВ.

Является более удобным, чтобы генератор был представлен в виде электронного твердотельного устройства, содержащего большую матрицу фоточувствительных элементов. Например, твердотельное устройство может содержать фотогальванический материал (например, соответствующим образом легированный поликристаллический кремний, который используют для изготовления солнечных элементов или солнечных панелей), соответствующим образом разделенный на дискретные секции, например, методами травления и/или лазерного скрайбирования, которые обычно используют в процессе изготовления полупроводниковых устройств, чтобы образовать большую матрицу фотогальванических элементов, соединенных между собой так, чтобы в совокупности они после облучения образовывали упомянутый выше выход высокого напряжения.

По другому аспекту изобретения предусматривается создание генератора высокого напряжения в виде интегрального твердотельного устройства, содержащего большую матрицу взаимосоединенных реагирующих на излучение элементов, например фотогальванических элементов, способных образовывать после облучения выход напряжения как минимум в 1 кВ.

Элемент фотогальванического материала, например кремния, легированного бором с целью образования решетки материала р-типа, может образовывать выход относительно низкого напряжения (обычно порядка 0,45 В) после облучения светом, причем этот выход зависит от интенсивности света и нагрузки, но не зависит от площади поверхности. С другой стороны, выход силы тока связан как с интенсивностью, так и площадью поверхности элемента. Для тех областей практического применения электростатического распыления, с которыми и связано главным образом настоящее изобретение, характерна очень низкая потребность в силе тока (микроамперы и даже наноамперы), а следовательно, за счет последовательного соединения достаточно большой матрицы фотогальванических элементов выхода низкого напряжения, согласованного с высоким напряжением, которое должно быть обеспечено (например, в несколько киловольт и больше), становится возможным добиться достаточно высоких напряжений для случаев электростатического распыления без обязательного использования больших площадей поверхности, которые обычно связаны с солнечными панелями.

Как правило, распыляющее устройство содержит корпус, включающий отделение, в котором может храниться предназначенный для распыления материал, или в котором можно устанавливать содержащий этот материал контейнер, причем материал должен обладать особыми свойствами, например удельным сопротивлением, пригодными для электростатического распыления. Распыляющее устройство может быть пригодно для его ручного использования или портативным, т.е. выполнено такого размера, чтобы им можно было манипулировать рукой как автономным устройством.

Генератор по настоящему изобретению можно реализовать в любой одной из различных форм распыляющих устройств, описанных и/или заявленных в любой одной из ЕР-А-120633, 441501, 468735, 468736, 482814, 486198, 501725, 503766 и 607182, а также в PCT-WО 94/13063 и в международной заявке на патент PCT/GB94/01829, полные описания которых включены сюда в качестве ссылочного материала. Генератор можно также реализовать в виде распыляющего специфический материал устройства, например устройства, которое описано в одновременно рассматриваемой нашей заявке на патент Великобритании 94199882, полное содержание которой также включено в настоящую заявку.

Генератор таких устройств, описанных в упомянутых выше описаниях изобретений к патенту, будет заменен генератором по настоящему изобретению, и такие распыляющие устройства можно будет приспособить для использования в широком диапазоне областей практического использования распыления, например для распыления красок и связанных с ними составов, для распыления косметических и парфюмерных средств, деодорантов и прочих составов персонального ухода и гигиены, для распыления инсектицидов и пестицидов и для распределения медицинских и псевдомедицинских составов, например глазных, внутриротовых и назальных составов, а также агентов для лечения кожи.

По одному из вариантов изобретения образующие напряжение элементы представлены чувствительными к свету элементами, например фотогальваническими элементами, соединенными в матрицу, которая расположена таким образом, чтобы она облучалась светом окружающей среды. По этому варианту матрица может располагаться на внешней части корпуса генератора или распыляющего устройства, включающего в себя генератор, чтобы подвергаться воздействию окружающей среды. Этот вариант может оказаться полезным для распыления в помещении ароматических веществ, поскольку может приводиться в действие после освещения матрицы в течение часов дневного света (и в ночное время, если включено домашнее освещение), но будет бездействовать в течение часов темноты, если конечно будет выключено домашнее освещение.

Можно предусмотреть средство для избирательного подвергания воздействию и экранирования матрицы от окружающего излучения/света в зависимости от того, требуется или нет выход высокого напряжения. Например, корпус генератора или распыляющего устройства можно снабдить оболочкой или другим устройством защиты от излучения с возможностью его перемещения между позициями, в которых это устройство защищает или допускает воздействие окружающей среды на матрицу. Альтернативно экран может быть выполнен в виде подвижной крышки, которая после ее установки на или крепления к генератору или распыляющему устройству будет прекращать облучение матрицы и допускать облучение после удаления крышки, в результате чего становится возможным осуществление переключающего действия за счет удаления и возврата на место крышки.

Экран/крышку можно регулировать, чтобы изменять степень подвергания воздействию матрицы, и за счет этого изменять, например, скорость распыления.

Если распыляющее устройство предназначено для ручного использования, например в качестве краскопульта или аппликатора для персонального ухода или гигиенических составов и т.д., то в этом случае устройство может содержать какую-то часть, которая предназначена для ее удерживания рукой, например рукоятку, и какую-то секцию, которая при практическом использовании устройства обычно не будет удерживаться рукой, причем именно на этой секции и располагается матрица фоточувствительных элементов, чтобы на нее могли воздействовать излучение/свет окружающей среды.

Если матрица расположена на секции устройства, которая будет обнажаться и испытывать воздействие окружающей среды в процессе практического использования устройства, тогда матрицу можно будет защитить от повреждения посредством наложения слоя или покрытия из материала, который, по меньшей мере, частично будет проницаем для излучения/света.

По другому варианту чувствительные к излучению образующие напряжение элементы соединены в матрицу, которая должна будет облучаться источником излучения, образующим часть генератора и/или устройства распыления (в зависимости от обстоятельств). Источник излучения может образовывать единственный или главный источник излучения для матрицы, или же он может выступать в качестве дополнительного источника излучения/света окружающей среды. Например, источник излучения может быть представлен излучающим радиацию элементом, например светоизлучающим твердотельным элементом (например, светоизлучающим диодом), нитью накала (например, лампой накаливания), которая после прохождения тока через нить накала испускает свет, или флюоресцентной лампой. В данном случае включение и выключение генератора можно регулировать посредством включения и выключения излучающего излучение элемента; в этом случае в качестве переключающего устройства может выступать только переключатель низкого напряжения, регулирующий выход высокого напряжения. Альтернативно включение и выключение генератора можно осуществить с помощью средства, которое может избирательно подвергать и защищать матрицу от воздействия излучающего излучение элемента, и это средство может перемещаться пользователем между позициями подвергания воздействию и защиты матрицы.

Если генератор и/или распыляющее устройство включает упомянутый источник излучения, тогда этот источник может соединяться с клеммой, к которой можно будет подсоединить источник электропитания (например, аккумуляторную батарею низкого напряжения). В этом случае является предпочтительным, чтобы корпус распыляющего устройства включал в себя секцию для установки в ней источника питания, а по желанию источник излучения и генератор высокого напряжения можно размещать внутри корпуса. Включение и выключение генератора можно осуществлять с помощью регулируемого пользователем переключателя, который образует часть электрической схемы, включающей в себя клемму и источник питания (при практическом использовании генератора).

Подвергание воздействию матрицы (например, чтобы регулировать включение и выключение генератора) можно регулировать с помощью регулируемого пользователем исполнительного механизма. Если иметь в виду распыляющее устройство, то этот исполнительный механизм может выполнять функцию регулирования подачи материала к выпускному отверстию устройства и может также соединяться с подвижным маскирующим элементом, чтобы в ответ на подачу материала в выпускное отверстие распыляющего устройства происходило воздействие на матрицу с целью образования высокого напряжения для последующего его приложения на материал и за счет этого выдать струю электрически заряженного материала. По типичному варианту изобретения распыляющее устройство содержит используемый пользователем триггер для приложения давления на электростатически распыляемый материал, который содержится в резервуаре или контейнере (например, в виде устройства типа поршня и цилиндра или в виде сжимаемого контейнера), для осуществления подачи материала в распыляющее выпускное отверстие; этот триггер соединен с маскирующим элементом, который перемещается относительно матрицы (параллельно или вращательно), чтобы подвергнуть воздействию или усилить это воздействие на матрицу со стороны излучения окружающей среды или чтобы инициировать излучение из соответствующего источника излучения. С другой стороны, маскирующий элемент может отсутствовать, а источник излучения можно будет возбуждать электрическим током в ответ на срабатывание триггера, благодаря чему и происходит облучение матрицы в процессе срабатывания триггера с целью подачи материала в распыляющее выпускное отверстие.

В процессе практического использования источник излучения может выполнять двоякую цель, т.е. образовывать свет для облучения фоточувствительной матрицы и для образования света для освещения предназначенного для обработки распылением объекта/мишени. Кроме того, источник излучения может также образовывать индикацию состояния устройства, т.е. находится ли оно в рабочем состоянии или нет.

В соответствии с описанием изобретения по заявкам ЕР-А-468735 и 468736 и PCT-A-WО 94/13063 в некоторых областях является желательным образовывать выход биполярного высокого напряжения, например, для целей гашения удара и/или допущения распыления электроизолирующих материалов, например пластических материалов, человеческого волоса и т.д., которые в противном случае трудно поддаются распылению. Генератор устройств по настоящему изобретению в подобных ситуациях может быть приспособлен для выдачи биполярного выхода, например, с частотой выходного сигнала, описанной в ЕР-А-468735 и 468736. Так, например, выход высокого напряжения из генератора может электронным образом переключаться на желаемую частоту (которая может регулироваться пользователем) с помощью электрической схемы, связанной с генератором, с целью последующего образования и выдачи биполярного выходного сигнала, используя при этом переключающие устройства высокого напряжения, описанные в PCT-A-WО 94/13063. С другой стороны, генератор по настоящему изобретению может содержать две матрицы фоточувствительных элементов, причем эти матрицы выполнены такой конфигурации, чтобы они выдавали соответствующие положительные и отрицательные выходные сигналы высокого напряжения, и предусмотрено также использование регулирующего средства для чередующегося облучения матриц (либо посредством излучения окружающей среды/свет, либо посредством излучение/свет, образованного соответствующим источником или источниками излучения), чтобы обеспечить чередование композитного выходного сигнала между положительными и отрицательными значениями на частоте, которая определяется с помощью регулирующего средства.

По специфическому варианту изобретения распыляющее или ионизирующее устройство может содержать два генератора высокого напряжения твердотельного типа, описанного выше в связи с чувствительным к излучению переключающим средством, которое раскрыто в международной заявке на патент WО 94/13063, и которое предназначено для чередующегося переключения генераторов таким образом, чтобы биполярное напряжение подавалось в точку, из которой будет генерироваться струя или поток ионов, причем от одного генератора будем получать положительное напряжение, а от другого - отрицательное напряжение. Например, каждый генератор может соединяться с упомянутой точкой через соответствующее чувствительное к излучению переключающее средство, а для обеспечения срабатывания переключающего средства чередующимся образом с заданной периодичностью посредством регулирования источников излучения, связанных с каждым переключающим средством, можно предусмотреть и использовать соответствующую схему регулирования.

Если иметь в виду устройство образования потока ионов, например комнатный ионизатор, тогда генератор можно приспособить для подачи высокого напряжения на одну или более клемм, например на заостренные электроды, чтобы образовать один или более потоков электрически заряженных ионов. Например, матрицу образующих напряжение элементов можно установить на корпусе, который будет располагаться на горизонтальной поверхности, например на полке, столе и т.д.; матрицу можно подсоединить между землей (через основание корпуса) и клеммой, на которой и будет образовываться поток ионов.

Клемму можно устанавливать на самой верхней части или в другом обусловленном месте на корпусе, и она может быть в виде электрода небольшого диаметра. По другому варианту ионизатора матрица может соединяться с двумя клеммами и предназначаться для образования потоков противоположно заряженных ионов, или же две матрицы могут соединяться с соответствующими клеммами и располагаться таким образом, чтобы одна клемма образовывала положительно заряженные ионы, а другая - отрицательно заряженные ионы.

Ниже изобретение будет описываться в качестве примера и со ссылками на сопровождающие описание чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает схематический вид электростатического освежителя воздуха или очищающего воздух устройства.

Фиг.2 изображает схематический вид автономного ручного распыляющего устройства, например для распыления гигиенических средств персонального ухода, например, парфюмерных средств, деодорантов и т.д.

Фиг.3 изображает схематический вид, иллюстрирующий генератор напряжения, содержащий матрицу образующих напряжение устройств, соединенных последовательно.

Фиг.4 изображает вид, идентичный показанному на фиг.3, но иллюстрирующий другое переключающее устройство.

Фиг. 5 изображает схематический вид части матрицы образующих напряжение элементов, иллюстрирующий один способ изготовления.

Фиг. 6 изображает идентичный фиг.5 вид, иллюстрирующий конфигурацию матрицы, в которой максимизируется выходное напряжение матрицы.

Фиг. 7 изображает идентичный фиг.5 вид, иллюстрирующий альтернативную конфигурацию матрицы, которая образует более низкое выходное напряжение, но более высокую силу тока на выходе по сравнению с показанной на фиг.6 конфигурацией.

Фиг. 8 изображает схематический вид биполярной формы генератора напряжения.

Теперь обратимся к фиг.1, где схематически показан освежитель воздуха или устройство очищения воздуха типа, который описан в уже опубликованной международной заявке на патент WO 95/06521; содержание упомянутой заявки включено в описание настоящего изобретения в качестве ссылочного материала. Упомянутое устройство содержит корпус 10, нижняя стенка 12 которого предназначена для ее установки на горизонтальную поверхность, например на поверхность стола, полки и т.д. Корпус 10 снабжен секцией 14, к которой можно получить свободный доступ посредством предварительного удаления крышки 15, чтобы в упомянутую секцию можно было вставлять патрон 16, содержащий предназначенную для распыления жидкость. Жидкость представлена пригодной для распыления жидкостью и выбирается с таким расчетом, чтобы она обладала характеристиками, соответствующими предполагаемой области практического использования устройства, например в данном случае жидкость будет иметь ароматические и/или очищающие воздух свойства. Патрон 16 устанавливается внутри секции, контуры которой определяются стенками 17 и нижней стенкой 19. Капиллярная структура 22, которая может иметь форму трубки (однако, с другой стороны, может быть представлена капиллярным материалом, например, вспененным материалом, описанным в международной заявке на патент WО 93/06937, или волокнистым либо пластмассовым материалом, описанным в ЕР-А-120633) устанавливается и крепится внутри патрона так, чтобы она была вертикальной (т.е. перпендикулярной горизонтальной нижней стенке 18 патрона), а ее нижний конец расположен близко от нижней стенки 18, чтобы дать возможность поддерживать подачу жидкости в трубку 22 и в момент приближения уровня жидкости к нижней стороне 18. Верхний конец капиллярной трубки 22 выходит за пределы крышки 24 патрона и проходит через образованное в крышке 15 отверстие 25.

Патрон 16 предназначен для образования соединения находящейся в нем жидкости с выходом высокого напряжения генератора высокого напряжения 28. Это соединение может быть выполнено различными способами, описанными в ЕР-А-486198; в описываемом варианте патрон изготовляют из электроизолирующего материала, например найлона, и снабжают электрическим контактом 30. Контакт 30 расположен с таким расчетом, чтобы после правильной установки патрона в секции, контур которой ограничен стенками 17, контакт 30 совпадал с клеммой 32, соединенной с выходом высокого напряжения генератора 28.

Генератор напряжения 28 представлен твердотельным устройством, содержащим большую матрицу дискретных образующих напряжение элементов, например фотогальванических элементов, которые последовательно соединены с целью образования выхода высокого напряжения в ответ на облучение светом или другим электромагнитным излучением, например инфракрасным. Облучение обеспечивается устройством образования излучения, например светоизлучающим диодом (LED) 40, который составляет часть схемы низкого напряжения, включающий в себя используемый пользователем переключатель 44 и источник низкого напряжения 41, например одну или более аккумуляторных батарей низкого напряжения (которые можно будет повторно заряжать). Схема низкого напряжения и генератор 28 имеют соединения с землей через нижнюю стенку 12 корпуса. Замыкание и размыкание переключателя 44 осуществляется с целью возбуждения током и снятия возбуждения током со светоизлучающего диода 40, посредством чего осуществляется регулирование облучения фотогальванических элементов генератора 28. Следовательно, замыкание переключателя выполняет функцию облучения генератора и образования тока небольшой силы, выхода высокого напряжения, обычно в диапазоне от 4 до 15 кВ, а в процессе практического использования это напряжение подается в жидкое содержимое патрона 16 с последующим осуществлением электростатического распыления жидкости из трубки 22. В случае необходимости для гарантирования равномерного распределения излучаемого излучения по всей матрице образующих напряжение элементов можно использовать совместно со светоизлучающим диодом 40 какое-то другое оптическое устройство, например линзу.

Капиллярная трубка 22 предназначена для создания достаточного капиллярного поднятия после установления трубки в вертикальное положение, чтобы гарантировать подачу жидкости из патрона к своей самой верхней точке независимо от находящегося внутри патрона уровня жидкости. Этого можно добиться за счет придания капиллярной трубке соответствующих габаритов и выбора материала, из которого будет изготовляться трубка. Подходящим материалом является полимерный материал, например найлон, полиолефин, полиацеталь, политетрафторэтилен (PTFE), который предварительно и адекватно замачивается составом, который предстоит распылять, т.е. угол контакта по существу будет равен нулю. В общем трубка 22 будет иметь узкое расточное отверстие, которое может иметь круглое сечение или какое-либо иное, и относительно тонкую стенку. В процессе практического использования жидкость подается лишь в результате капиллярного действия трубки к самой верхней точке трубки, где жидкость вытягивается в виде связок (ligarnents) благодаря подаче высокого напряжения в жидкость, которая выходит из кончика трубки и разбивается на электрически заряженные капли, причем эти капли выталкиваются из кончика трубки по направлению к объектам и структуре в окружающей среде, которые находятся на потенциале земли. Как правило, описываемое устройство будет использоваться в помещении, а следовательно, стены, потолок и пол будут являться относительно удаленными мишенями, на которые будут направляться частицы.

Хотя на фиг.1 показано, что высокое напряжение подается на верхний открытый конец трубки 22 через жидкость, однако, по альтернативному варианту высокое напряжение может подаваться в жидкость на или смежно с верхним концом трубки 22 через индивидуальный электрический ввод или токопроводящую траекторию, а не через массу жидкости в патроне 16 и удлинение до трубки 22.

Теперь обратимся к фиг. 2, где показанное устройство содержит главный блок 70, выполненный соответствующего размера, чтобы его можно было держать рукой. Блок 70 содержит сопло 72, в которое подается предназначенный для распыления материал, например, посредством пассивной подачи из источника жидкости, находящегося внутри главного блока; в данном случае сопло представлено в виде капиллярного материала, описанного, например, в ЕР-А-120633 или ЕР-А-607182. Блок 70 снабжен крышкой 73 с возможностью ее удаления. Высокое напряжение, например в 8 кВ или больше, подается в жидкость в процессе работы в ответ на нажатие кнопки 74, заставляя тем самым жидкость выходить из блока в виде струи и по способу, описанному в ЕР-А-120633 или ЕР-А-607182. Высокое напряжение генерируется твердотельным генератором высокого напряжения, содержащим матрицу 78 дискретных образующих напряжение элементов, например фотогальванических элементов, причем сама матрица устанавливается на поверхности блока 70, которая защищена от воздействия окружающего света в течение всего периода времени, пока не будет удалена крышка 73. Удаление крышки 73 приводит к обнажению и воздействию на матрицу 78 окружающего света, в результате чего без какой-либо необходимости для источника питания происходит образование высокого напряжения для последующей его подачи в жидкость в момент или до появления жидкости на кончике сопла. Операция распыления может инициироваться простым нажатием кнопки, которая выполняет функцию завершения схемы, позволяющей подавать высокое напряжение в жидкость. С другой стороны, возможно полное отсутствие нажимной кнопки, и в данном случае операцию распыления можно инициировать непосредственно путем удаления крышки и обнажения и воздействия на матрицу 78. Распыление можно закончить, для чего достаточно установить крышку 73 на место, а следовательно, исключается вероятность воздействия света окружающей среды на матрицу 78.

По одному из вариантов модификации вместо обязательного удаления крышки 73 для осуществления облучения матрицы 78 можно будет устанавливать крышку на блоке 70 с возможностью ее вращения и снабжать крышку отверстием или окном, которое при соответствующем вращении крышки будет совмещаться с матрицей 78, благодаря чему матрица будет подвергаться воздействию света. По этой модернизации переключатель 74 (если он необходим) можно устанавливать в иной точке, чтобы иметь к нему свободный доступ.

Теперь обратимся к фиг.3, где показан тип генератора напряжения, приемлемый для использования в показанных на фиг.1 и 2 вариантах изобретения; этот генератор содержит большую матрицу образующих напряжение элементов 100, например фотогальванических элементов, на субстрате (не показан). Элементы 100 можно выполнять в виде интегрированной матрицы очень большого масштаба посредством обычных способов и технологий, которые используются при изготовлении электронных микрочипов. Они распределены по столбцам и строкам и последовательно соединены так, как это показано на чертеже, чтобы коллективно они образовывали выход высокого напряжения через терминальные клеммы 102, 104. По этому варианту изобретения переключающий элемент 106 регулирует выход высокого напряжения. Этот переключающий элемент может, например, содержать чувствительный к свету диод высокого напряжения, описанный в международной заявке на патент WО 94/13063. Источник излучения образует часть схемы низкого напряжения, включающей в себя аккумуляторную батарею 110 и используемый пользователем переключатель 112.

Таким образом, если образующие напряжение элементы 100 содержат фотогальванические ячейки, предназначенные быть объектом воздействия света окружающей среды, тогда в случае необходимости переключающий диод 106 можно защитить от воздействия света окружающей среды (или другого источника света, используемого для облучения матрицы) с тем, чтобы воздействию излучения, исходящего от источника 108, подвергался только диод 106. Матрица может непрерывно подвергаться воздействию света окружающей среды, или же можно предусмотреть и использовать крышку или другое экранирующее средство, чтобы матрица подвергалась воздействию только после удаления или смещения крышки либо экрана. В любом случае высокое напряжение будет подаваться только на клемму после того, как в результате срабатывания используемого пользователем переключателя 112 переключающий элемент 106 станет токопроводящим. По одной из модификаций переключающий элемент высокого напряжения 106 можно заменить другой формой электронного переключающего устройства, например полевым транзистором. Хотя на чертежах переключающий элемент 106 показан соединенным между матрицей и выходной клеммой высокого напряжения 102, однако, вместо этого он может быть соединен между матрицей и клеммой низкого напряжения 104. Кроме того, хотя на чертежах показан один переключающий элемент, однако, можно использовать более одного, которые будут соединяться последовательно и располагаться так, чтобы они становились токопроводящими по существу одновременно, например, за счет излучения из общего источника света.

На фиг.4 показана модификация, в соответствии с которой матрица делится на подмножества 118 образующих напряжение элементов 100, причем каждое подмножество имеет связанный с ним переключающий элемент 120, а все переключающие элементы расположены таким образом, чтобы все они становились токопроводящими по существу одновременно. Каждое подмножество 118 соединено последовательно со следующим через переключающие элементы 120. Таким образом, фактически каждый переключающий элемент 120 выполняет функцию включения и выключения какой-то части общего напряжения. Например, подмножество 118 может содержать достаточное количество образующих напряжение элементов 100, чтобы внести свой вклад, например 100 В, в общий выход напряжения.

Переключающие элементы 120 могут формироваться на том же субстрате, на котором уже размещены образующие напряжение элементы 100, и могут быть чувствительными к излучению, например, в виде фотогальванических переключателей, которые становятся токопроводящими в результате излучения из соответствующих источников света (например, из светоизлучающих диодов) или из общего источника света. В случае формирования на одном и том же субстрате могут потребоваться приемлемые для данного случая экранирующие средства для защиты переключающих элементов 120 от света, воздействию которого подвергаются образующие напряжение элементы, если, например, последние образованы фотогальваническими ячейками, которые испытывают на себе воздействие света окружающей среды. С другой стороны, переключающие элементы 120 могут принимать и иные формы, например форму полевых транзисторов (например, форму полевого транзистора со структурой металл-оксид-полупроводник, MOSFET), напряжения затворов которых можно будет регулировать оптоэлектронным способом и/или выводить с помощью напряжений ответвления приемлемой величины из матрицы.

На фиг.4 показан вариант, когда переключающие элементы 120 после их перехода в токопроводящее состояние выполняют функцию последовательного соединения всех подмножеств с целью образования высокого напряжения на клемме 102. Однако существует также возможность иметь более одной выходной клеммы и избирательно использовать переключающие элементы так, чтобы все или только какие-то конкретные комбинации подмножеств включались в работу в соответствии с сущностью предназначенной для реализации распыляющей процедуры. Выбор может находиться под контролем самого пользователя (например, с помощью соответствующим образом расположенного на устройстве контроллера), например, тогда, когда может возникнуть необходимость, чтобы пользователь имел контроль на протяжении всего расстояния между устройством и мишенью еще до момента начала самого процесса распыления. С другой стороны, выбор может быть установлен заранее, чтобы в устройствах, предназначенных для различных областей применения, требующих различных напряжений на выходе, можно было использовать общую конструкцию генератора напряжения. Например, как это показано на фиг.4, между матрицей и выходными клеммами, например 102А... и т.д. , можно будет подсоединять другие переключающие элементы 120. Следовательно, если, например, связанный с клеммой 102 элемент 120 не облучается или переключается в свое токопроводящее состояние каким-либо иным способом, тогда низкое напряжение может отводиться от матрицы через клемму 102А.

Как уже отмечали выше, различные области практического использования будут стремиться использовать генераторы напряжения, имеющие различные выходные напряжения. С целью облегчения и снижения себестоимости изготовления матрицу образующих напряжение элементов или ячеек можно первоначально изготовлять в соответствии с общей конструкцией и лишь затем доводить ее до нужной кондиции в зависимости от конкретных требований относительно характеристик выходного напряжения и силы тока. Следовательно, как и показано на фиг. 5, матрица первоначально изготавливается на субстрате с m строками и n столбцами образующих напряжение элементов 100 с токопроводящими траекториями 150R и 150С, связывающими каждый элемент с его непосредственными строко- и столбцовыми соседями. На фиг.5 элементы на правой и левой сторонах образуют торцевые столбцы матрицы. Еще до момента возможного практического использования матрицы по фиг.5 этой матрице необходимо придать соответствующую конфигурацию через удаление каких-то конкретных токопроводящих траекторий 150R и/или 150С. Удаление можно реализовать с помощью любого приемлемого для данного случая способа, например методом травления, а можно также реализовать в течение одного этапа с использованием маски, защищающей те токопроводящие траектории, которые нужно будет оставить нетронутыми. Матрица будет также снабжена выходными клеммами, например клеммами 102, 104, показанными на фиг. 3, причем это делается в процессе первоначального изготовления либо впоследствии.

На фиг. 6 показана конфигурация, которая соответствует конфигурации по фиг.3 и 4. В данном случае использовали травление или какой-то другой способ удаления для размещения всех элементов 100 в последовательном соединении посредством уничтожения большинства, если не всех, столбцеобразных токопроводящих соединений 150С. Оставляли нетронутыми только те траектории 150С, которые необходимы для последовательного соединения вместе последовательных строк. Следовательно, в матрице, которая содержит m•n элементов, каждый из которых имеет максимально допустимое выходное напряжение в 0,45 В, суммарное достигаемое в матрице описанной конфигурации напряжение будет равно 0,45 mn В.

На фиг.7 показана альтернативная конфигурация, в которой, по меньшей мере, какая-то часть образующих напряжение элементов сгруппирована параллельно относительно друг друга. Следовательно, как это и показано, последовательные пары строк могут связываться посредством оставления соответствующих пар столбцеобразных токопроводящих траекторий 150С нетронутыми, а каждая пара строк 152К, 152L, 152М соединяются последовательно друг с другом. В матрице, которая содержит m•n элементов, каждый из которых имеет максимально достигаемое выходное напряжение в 0,45 В, суммарное достигаемое в матрице с показанной на фиг.7 конфигурацией напряжение будет равно 0,45 mn/2 В, т.е. будет меньше, чем у матрицы по фиг.6, но с выходом более высокой силы тока.

Необходимо иметь в виду, что фиг.7 и 8 являются лишь примерами различных конфигураций, которые можно адаптировать. В некоторых случаях удаление токопроводящих траекторий может иметь своим конечным результатом изолирование некоторых из элементов 100 от остальной части матрицы, чтобы они не вносили своего вклада в выходное напряжение, получаемое от матрицы. Кроме того, вместо первоначального изготовления матрицы с элементами 100, все из которых будут электрически соединяться со своими соседями, как это показано на фиг. 5, можно использовать альтернативный способ изготовления, по которому матрица первоначально изготавливается так, что все ее элементы 100 будут изолированы друг от друга, а желаемая конфигурация последовательных или последовательно/параллельных соединений может быть получена позднее посредством осаждения или каким-либо другим способом токопроводящих связей на субстрате в точках между теми элементами 100, которые должны соединяться последовательно и/или параллельно.

В описанных выше вариантах генератор напряжения выдает однополярный выходной сигнал. Как уже упоминали выше, в некоторых ситуациях может быть желательным выдача биполярного выходного сигнала, например, по причинам подавления или поглощения удара и/или для распыления мишеней изолирующей сущности, описанных в ЕР-А-468735 и 468736.

На фиг.8 изображена одна форма генератора биполярного высокого напряжения согласно изобретению. Генератор содержит две матрицы 3000А и 300В образующих напряжение элементов, например фотогальванических элементов, расположенных так, чтобы матрица 300В (вероятно 300А - В.Т.) образовывала позитивное высокое напряжение в линии 302, а матрица 300В образовывала отрицательное высокое напряжение в линии 304. Эти напряжения подаются на выходную клемму 306 генератора с помощью соответствующих переключателей высокого напряжения 308А, 308В. Эти переключатели могут иметь любую приемлемую для данного случая форму, например ту, которая уже описана выше, однако, в целях лучшей иллюстрации они показаны как чувствительные к излучению с каждым переключателем, имеющим связанный с ним источник излучения 310А и 310В, например светоизлучающий диод. Работа каждого источника 310А, 310В регулируется контроллером 312 таким образом, чтобы они обеспечивали размыкание и замыкание переключателей 308А, 308В чередующимся образом, благодаря чему и происходит поочередная подача на выходную клемму 306 позитивных и негативных выходных сигналов высокого напряжения матриц 300А, 300В. Частота чередующегося напряжения, образуемого на клемме 306, определяется контроллером 312 и может выбираться в соответствии с правилом, описанным в ЕР-А-468735 и 468736.

Хотя матрицы 300А и 300В показаны индивидуальными, однако они могут устанавливаться на общем субстрате и могут быть представлены подмножествами большой матрицы, которой придана соответствующая конфигурация по способу, который уже был описан в связи с рассмотрением фиг.5-7.

Изобретение предназначено для использования в тех областях, где потребляемая сила тока будет небольшой, но требуется высокое напряжение. Устройство содержит средство, определяющее местоположение, из которого будет генерироваться струя или поток. Генератор содержит большую матрицу образующих напряжение элементов, например матрицу фотогальванических элементов, образованную в результате лазерного скрайбирования или травления пластины материала, которая обычно используется для солнечных элементов, причем количество используемых элементов и их взаимное соединение будут таковыми, чтобы гарантировалось получение выхода высокого напряжения как минимум в 1 кВ при низких требованиях по току. 2 с. и 16 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство для образования струи или потока электрически заряженных частиц, содержащее средство, определяющее местоположение, из которого будет генерироваться струя или поток, и генератор напряжения для образования высокого напряжения между упомянутым местоположением и окружающей средой, причем генератор содержит матрицу дискретных, образующих напряжение, элементов, чувствительных к излучению и соединенных между собой для образования высокого выходного напряжения, по меньшей мере, 1 кВ. 2. Устройство по п. 1, в котором генератор представлен твердотельным устройством. 3. Устройство по п. 1 или 2, содержащее электростатическое распыляющее устройство, имеющее выпускное отверстие, из которого может выдаваться предназначенный для электростатического распыления материал, при этом выпускное отверстие связано с упомянутым местоположением, а элементы матрицы взаимно соединены для образования высокого напряжения, достаточного для осуществления электростатического распыления материала из устройства. 4. Устройство по любому из пп. 1-3, в котором оно пригодно для его удерживания рукой или выполнено размером, который позволяет манипулировать им как автономным блоком одной рукой. 5. Устройство по п. 1, в котором матрица расположена так, чтобы она облучалась излучением окружающей среды. 6. Устройство по п. 5, включающее в себя средство для избирательного подвергания воздействию и экранирования матрицы от излучения окружающей среды. 7. Устройство по п. 6, в котором упомянутое средство представлено в форме устройства защиты от излучения с возможностью его перемещения между позициями, в которых устройство защищает или подвергает воздействию матрицу со стороны окружающей среды. 8. Устройство по п. 7, в котором защищающее устройство содержит удаляемую крышку, которая после ее установки на или крепления к устройству или генератору исключает возможность облучения матрицы, а после удаления допускает облучение, посредством чего переключающее действие реализуется через удаление и возврат на место крышки. 9. Устройство по п. 7 или 8, в котором защищающее устройство выполнено регулируемым для изменения степени воздействия на матрицу со стороны излучения окружающей среды. 10. Устройство по п. 1, в котором матрица расположена так, чтобы она облучалась источником излучения, который образует часть устройства. 11. Устройство по любому из пп. 5-10, в котором подвергание воздействию матрицы регулируется с помощью регулируемого пользователем исполнительного механизма. 12. Устройство по п. 11, в котором исполнительный механизм выполнен с возможностью регулирования подачи материала в выпускное отверстие устройства. 13. Устройство по любому из пп. 1-11, в котором генератор предназначен для образования биполярного выходного сигнала. 14. Устройство по любому из пп. 1-11, включающее в себя два из упомянутых выше генераторов напряжения и средство для использования их выходов напряжения чередующимся образом для образования биполярного выходного сигнала. 15. Устройство по любому из пп. 1-14, в котором матрица разделена на множество подмножеств образующих напряжение элементов, причем каждое подмножество имеет соответствующий связанный с ним переключающий элемент. 16. Устройство по п. 14, в котором переключающие элементы чувствительны к излучению и предусмотрено средство для облучения переключателей, чтобы придать им способность осуществлять взаимное соединение подмножеств. 17. Твердотельный генератор напряжения, содержащий первую матрицу образующих напряжение элементов, чувствительных к излучению и взаимно соединенных для образования положительного высокого напряжения, вторую матрицу образующих напряжение элементов, чувствительных к излучению и взаимно соединенных для образования отрицательного высокого напряжения, и средство для объединения напряжений от первой и второй матриц и для образования биполярного выходного сигнала высокого напряжения. 18. Генератор по п. 17, в котором первая и вторая матрицы представлены подмножествами одиночной матрицы чувствительных к излучению образующих напряжение элементов, установленной на субстрате.