开关装置的制作方法

专利名称：开关装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子开关装置，其应用范围即工作电压至少为1KV，一般至少为5KV，最高达50KV。
本发明应用范围广泛，尤其是适于用作材料的，尤其是液料静电喷涂的装置。和本发明相关的较典型的这种装置被公开在EP-A-120633，EP-A-441501，EP-A-468735和EP-A-468736中。
按照本发明的一种情况，所提供的电子开关装置包括一连串对辐射敏感的半导体结，它们总起来说具有至少为1KV的最大直流反向电压(最好至少为5KV，经常取至少为10KV)，包括用于将高压作用到这些结上的端部设备，当这些结被所施加的电压正向偏置时，只允许电流单向流过这些结，还包括可选择性操作的辐射发生器，它们与所述的结相联系，用于选择性地发射，当这些结被所施加的电压反向偏置时，同样产生反向流动的电流，所述的结和辐射发生器按固定的预定的关系支撑在一个密封材料的容积内，这种密封材料传送由辐射发生器所发射的辐射。
所述的结总起来说最好具有至少为5KV的最大直流反向电压，更推荐的值为至少10KV。
可以认为，如果所述一连串的结是反向偏置的，并且没有暴露在由辐射发生器产生的辐射中，则仍然可以如同传统的二极管的情况一样有小电流流过(暗流)，与将结正向偏置具有同样大小的电压幅值和相反极性时产生的电流相比，这个反向电流可忽略不计。相反，如果这些结反向偏置，并且在受到辐射的情况下，电流则比没受到辐射的情况大得多。
所述密封容积可以在这些结的附近提供这样的反射表面，使得没有直接投射到结上的辐射也能被反射，从而提高了被辐射的结的效率这种反射表面可由一个或多个专门的反射材料层制成，这种材料层对辐射发生器在发射的波长下的发射予以反射;或其反射性能可通过改变密封材料容积内的反射系数而获得。
众所周知，具有ph结的硅二极管是光敏性的，当其反向偏置和暴露在红外放射源附近时，这种二极管变成导通状态，允许电流远远超过暗电流。这就是光敏二极管的工作原理。与传统的光敏二极管相反，本发明的一种开关装置设计成可在大大超过传统光敏二极管启动工作电压的电压值下工作，传统的光敏二极管的结构或设计是有效地利用入射光，因此其最大直流反向电压最高达600伏(参见美国佛罗里达卅Englewood商业出版社1992年出版的“光敏二极管”中第613页上的D.A.T.A.Digest的“光电子”(第25版))。而本发明的一种开关装置可以使用至少为1KV的高压，一般常使用的电压至少为5KV，最高达50KV。
在本发明的一个优选实施例中，所述的一连串半导体结构成一个高压半导体二极管，最好是具有成组叠积的ph结的高压硅二极管。
辐射发生器最好包括一个发光二极管。这里“光”的含义是指其电磁波长在波谱可见部分之外及波长在可视光谱之内。例如，采用一种发光二极管的合适的形式可产生接近红外线的输出，并且构成所述系列结的高压二极管对这种红外发射是能感知的。
虽然形成本发明开关装置的组件可以采用大规模集成电路形式装配，但在其外围构造中也包括分立的组件。
接下来，本发明的第二种情况是提供一种制造如上所述的电子开关装置的方法，其中高压半导体二极管和一个固态光发射源按预定的关系装配，以使这些二极管的结易受到所述光源的光照射，然后采用一种密封材料封闭这些有关的二极管和光源，该密封材料能传送由该光源发射的光。
所述预定的关系通常包括使光源以下述方式尽可能靠近二极管结定位，即从光源发出的光的主要部分能入射到二极管结上。
本发明的这种情况可以利用商业上流通的分立部件实现。商业流行的高压二极管的结构或设计为一系列串叠起来的ph结(典型的是超过10个这种结，常为20或更多个)，用于分配高电位，在二极管装配时不必考虑采用密封材料的光感应效应，(这种密封材料实际上极不适于接收外部的辐射到这些结上;实际上，通常认为这是很不符合要求的。
因此，根据本发明的这种情况，二极管的构成是将传统的商业流通的高压二极管封闭在一种电绝缘材料中，在这种情况下，所选择的二极管可以是带有这样的密封材料的二极管，该材料相应于由所述光源发射的光的波长来说总是具有实质性的传导性，或者该光源可交变选择，以便根据后者的传导性相应于由该光源发射的光的波长而与二极管密封材料相协调。
商业上流通的二极管的密封材料是不透光的，或相应于由光源发射的光来说具有很低的传导率，本发明的方法改善了二极管的密封材料，从而在光源和二极管的一连串结之间提供了或增强了高效的光耦合。
这种改进可以采用至少局部地拆除二极管密封材料实现，也可以采用增加该密封材料的光传导性的某些处理方式。例如，一种广泛使用的高压二极管是由玻璃材料密封的，采用热处理则可改进这种材料的传导率。
进一步本发明还提供一种高压发生电路，在其输出端上它产生输出电压至少为1KV，一般至少为5KV，所述电路与一个如前所述的电子开关装置相结合，可有效地连接到该输出终端上。
根据本发明的这一实例，专门为高压发生电路配置有低压功率电源，例如一组电池。
在一个实施例中，该电路配置成产生一个单极的高压输出，而电子开关装置与所述输出端是这样耦合的，即所述多个结是由所述的单极输出电压反向偏置的。
在另一个实施例中，该电路被控制产生一个交变的高电压输出，所述开关装置与该电路系统是这样耦合的，以便将所述交变输出电压整流，并在输出端上产生一个单极的高压，所述的耦合是使多个结由交变输出电压的反向极性周期实现反向偏置的。
在进一步的实施例中，该电路被控制产生一个交变高压输出，一对开关装置与该输出端相连接，每个开关装置是这样配置的，其中一个开关装置是反向偏置，而另一个正向偏置，相应施加的电压为交变电压的正半周和负半周，该电路还包括用于控制每个开关装置的辐射产生器操作的装置，改变每个开关装置在反向偏置状态下导通。这些开关装置在这个实施例中可以相互串接或并接。
在另一个实施例中，该电路包括一对输出端，在每个输出端上产生一个单极的输出，这种输出的方式是，在一个输出端上的输出是与另一个输出端上的输出极性相反，还包括一对与所述输出端相连接的开关装置，将每个输出端连接到一个公共的端部装置上，但由相关的单极输出么向偏置，还包括控制开关装置的辐射产生源的装置，使得当在所述公共端部上产生双极输出时，这些开关装置被交替导通。
本发明从广义上说是不受限制的，但前述的电子开关装置/高压发生电路特别适合于较低电流消耗的设备，在这样设备中由一系列结所产生的最大反向电流最好不大于10μA，更佳范围为不大于2μA。
根据本发明的另一种情况，提供一种静电喷涂设备，包括一个壳体，一个喷嘴，向喷嘴供应材料以便从喷嘴喷射的装置，和用于直接或间接提供材料高电位的高压发生电路，使被喷涂的材料充有静电，所述电路包括如上所述的电子开关装置，它与电路的高压输出相联接，并且控制该设备的电流和/或电压通断的操作。
本发明的电子开关装置尤其适于这样的静电喷涂设备，它的电流消耗小(典型地不大于10μA，尤其是不大于2μA)，并且其紧凑度和经济性等因素均是优质的。传统的光敏二极管在这里完全不适用，因为它们只能用在低电压条件下，而且在任何埸合下，仅考虑用于信号处理，而不是电流处理。大多数商业流通的高压开关适合用于大电流应用(例如开关装置)埸合，并且具有笨重和昂贵的机械特性，完全不适用这里所讨论的喷射设备内。舌簧继电器被广泛用在小电流埸合，但由于它本身的电机械特性对输入要求严格，导致较昂贵，寿命短，而且电极等级上限为12KV。任何机械式开关装置都要受到尺寸的限制，这是由于在升高电压时必须使用分立组件组装。
喷涂设备的一个实施例中的开关装置受控地提供一个对应高压发生电路的去激励的电流放电通路，在这种情况下，当该喷涂设备进行喷涂操作时，该开关装置可由该高压反向偏置，有关的配置可以是，相应于该电路的去激励，辐射发生器启动向该开关装置照射，从而使后者导通，以便为存储在该电路高压输出侧的任何电容电荷提供一个电流放电通路。这些电容组件可以由与该高压电路联接的电容器构成，和/或由与负载有关的电容器构成，该负载接到该电路的输出电压，例如是用于喷涂的含有液体的金属，如涂料。
这种开关装置如果用在这种方式下，显然在该电路的输出侧需要接电阻元件，以便泄放掉任何积存的容性电流，如果在该高压电路去激励时没有放电，则用户遭受电冲击的危险将增加，这种电阻元件的使用使喷涂操作期间产生一个电流消耗，因此设计该高压电路时必须考虑这个电流消耗，结果该高压电路必须能够产生一个超过喷涂所需电流量的电流值。
为满足紧凑度和经济性的要求，希望避免这个电流消耗，特别是对于手持式或轻便便携式自封装的喷涂设备而言，这种喷涂设备的动力源一般是低压电池电源，例如用于个人和卫生保健物品的喷雾用手提设备，象香味剂、除臭剂等等，还例如喷涂涂料的手提式设备，或喷洒室内清新剂和芳香药剂的便携式自由固定式设备。凡是使用低压电池电源之外，为了延长电池使用寿命，显然应尽可能减少不必要的电源消耗。考虑经济的因素，对高压电路结构的输出要求希望尽量小，这样可使用便宜的电路设计，本发明的开关装置特别适用于上述限制应用的情况，因为该电流消耗局限于暗流部件上(实际上可忽略不计)，LED12均是已密封的产品，如果本发明的开关元件从

图11所示并且当高压电路损坏时，该开关装置可以沿反向偏置方向变为导通，以便有效地将积累的电荷放掉。
在本发明的这个实施例中，该开关装置相应于使高压电路去激励和非连续喷涂的用户操纵的开关的操作可变为自动导通，因此，该设备通常包括用户操纵装置和控制装置，前者用于选择性地激励和去激励高压电路，后者用于中断由辐射发生器产生的发射，使开关装置相应于用户操纵装置的操作变导通，从而有效地作用该高压电路的去激励。
如果开关装置中提供了电容积累电荷的放电通路的话，该开关装置以这样的方式与高压电路相耦合，即配置有整流装置。例如在这种情况下，该高压电路可以带有一个升压变压器，其付边的一侧分接头提供一个交变的高压输出，而付边的另一侧连接到地或低电位，该开关装置可以与变压器付边串联连接，将交变电压整流，从而产生一个单极的高压输出，它经过电容滤波，消去或至少基本上衰减掉高压峰值。在这种配置中，当电路去激励时，由电容滤波部件积累的电荷朝所述低电位(即地电位)放电，这是将开关装置沿反向偏置方向变为导通而实现的，并且该开关装置在这种条件下能自动地相应于高压电路的去激励动作就位。
根据本发明的又一种情况，所提供的静电喷涂设备包括一个壳体，喷嘴装置，为喷嘴装置供应喷涂料的装置，具有一个输出端的高压发生电路，用于向所述喷料施加高电压，以实现静电喷涂，一个围绕喷嘴装置的环形元件，在喷射期间该环形件上具有与施加到喷料上的电压同极性的高电压，以便改善在喷嘴出口附近的电埸密度。以及在停止喷涂时工作的装置，从而放掉在喷射中由该设备的电容组件积存的电荷。
本发明的这种情况尤其适合于喷射液体，这种液体具有比较高的粘度和较低的电阻率，也可以包含悬浮的固体，例如涂料剂配方，并且采用现有的工艺在至少为4CC/分以下的低速下喷涂这种固体粒料难以取得满意效果。较典型地，要喷涂的液体具有至少为0.5泊的粘度，例如在0.5至10泊之间，其电阻率范围是5×105至5×107欧姆·厘米。
所述的放电装置最好包括一个如前所述的开关装置，所述电压发生电路可控地产生一个至少为25KV的输出电压。当所喷涂的液体比较粘滞时和/或需要大面积低速喷涂之处，这样高的电压幅值是必要的;一般可认为这个电压超过了目前能采用的电压，但不会导致假喷涂效果的可能性变大，所述假喷涂效应可认为至少部分地由于电晕放电所引起。而且，采用这样高的电压等级操作引起大量容性电荷积聚，致使用户在特定环境中遭受不希望的电冲击的可能性增加。不过采用最后提到的本发明的组合特征允许使用大电压，而且能保证比较粘滞的具有低电阻率的液体的令人满意的喷涂效果，这类液体包括涂料剂等，并且对用户提供防容性电荷放电的保护。
通常上述各种情况下的本发明的静电喷涂设备是由低压电源驱动的，例如电池组，这个低压电源连接到高压发生电路的输入侧，并且该设备常采用便于手提的便携式自封装单元形式。
可以认为，这里所讨论的静电喷涂设备适用于喷涂许多材料，例如个人美容保健用物质，芳香适于清新空气的物质，喷涂涂料，杀虫剂，杀菌剂和金属配制剂。如果将这些材料中的任一种装入一个管壳内，本发明的静电喷涂设备外围构造内当然也包括该管壳。
本发明的许多其它的特性和方案将由权利要求和下述描述的内容中得以清楚地展现，有关的附图中描述了多个本发明的实施例。
在这些附图中图1是本发明的光敏高压电子开关装置的一个实例的示意图;
图2是接有包括图1所示的电子开关装置的高压发生电路的静电喷涂设备的电路图;
图3是图2所示实施例的改进形式的电路图;
图4是产生双极高压输出的电路的电路图，这种电路用于需要双极输出的静电喷射设备，可以抑制电冲击和/或允许采用一般难于喷射的喷射靶，例如电绝缘材料的靶;
图5是提供高压输出和可选择地依次输出到多个输出设备的电路的示意图;
图6是可用在图2或3的结构中的一种喷枪的示意图。
参见图1，一个本发明的开关元件包括一个超高压二极管10，典型地采用菲利浦EHT二极管，部件号BY713(可使用RS元器件有限公司的产品，代号为RS262-781)。这个二极管是一个硅二极管，包括密封在密封材料P1(这里称为初级密封)的壳体内的一系列串叠的pn结，该二极管设计成用于高压埸合，它的最大直流反向电压为24KV，在发光二极管(LED)12内形成的光源封闭在一种密封材料P2的壳体内(初级密封，但不是必须用与P1相同的材料)，该光源安装在紧靠EHT二极管之处，使得LED12激励后发射的光能入射到该EHT二极管10上。一般LED12由高功率红外发射的LED构成，例如可使用RS元器件有限公司的RS635-296号产品。两个二极管EHT10和LED12均是已密封的产品，如果本发明的开关元件从图11所示的分立元件接收红外照射，应选择EHT二极管的密封件的传导率至少与由LED产生的光的波长相符合。因此，我们已发现了上述元件组合的优越性，可将带玻璃密封件的菲利浦BY713EHT二极管与RS635-296LED组合使用，因为前者的传导率得产生的IR(红外)波长匹配。
在制造过程中，EHT二极管10和LED12是以光学校准的关系安装的，以保证由LED12发射的红外光全部有效地入射到二极管10的pn结上，并且考虑到二极管10的结构设计是努力争取处于高压控制下，而不是起光收集作用的事实(当在光敏二极管的情况下)。一旦光学校准精确后，将该EHT二极管10和LED12密封在一种相对于LED的发射波长具有合适的传导率的密封壳体14内(第二密封件S)，该密封壳体14围绕着二极管10和LED12布置，不允许在有关的交界面上扩大气隙，并且起到反射界面的作用，这一点通过下面的制造工艺是容易实现的，即在固化该密封材料期间保证所产生所任何收缩量是哪生在该壳体14的外表面上而不是在二极管10和LED112的交界面上，为避免产生有害界面效应，在选择构成壳体14的密封材料时，至少具有与二极管10和LED12的密封材料相匹配的合适的折射系数，在采用某些特定组件(BY713二极管和RS635-296LED)的情况下，适用的密封材料是感光固化树脂LUXTRAKLCROOO(LUXTRAK是帝国化学工业公司集团的一种运转计时器(RTM))和RS505-202号UV固化树脂。此外第二密封件S还提供处于低压的二极管12和处于高压的HT二极管10之间的高等级电气绝缘性能。
如前所述，重要的是在第二密封件S内封装二极管10和12的制造工艺要确保由二极管12发射的辐射能充分使用。特别是，必须谨慎地避免在第一和第二密封件之间形成层间空隙，这种空隙的存在使第二密封件固化收缩时形成较大的内应力，这可以通过向制模内增加释放媒质来得以避免，防止第二密封件附着到该模件的侧面，因此在收缩时最好使固化的第二密封件粘附到第一密封件上，而不是粘以该模件表面上，另外，不用释放媒质的话，在该模件上可套上一个柔韧的薄膜套管，以防止第二密封件粘附到该模件表面上。
如前所述，传统的高压二极管的结构并不能有效地利用所投射的光;的确，许多高压二极管以这样的材料密装，该材料可以有效的将ph结与暴光屏蔽开。相反，本发明试图利用公知的光所具有的在pn结上的原理，将本发明的开关元件用在商业流通的分立的高压二极管上，而不是将该二极管与暴露的光隔开，本发明的结构希望获得尽可能大的光暴露，而在光收集方面的性能并不是最佳的，因此，在需要增强暴光之处，将LED12尽可能靠近EIIT二极管10布置，并且满足与EHT二极管10最优定向的关系，保证形成反射表面或使光变更路径的表面，所述的光并不直接投射到EHT二极管上。
在图中的实施例中，材料层或涂层16包围着EHT二极管10和LED12，用于向着需要暴光的EHT二极管的部位反射光，层/涂层16的至少一部分具有大致为球形的周线。该层/涂层16例如可以由Mgo制成。
EHT二极管10，.LED12和密封壳体14均装在一种封装复合物(第三密封件)的壳体18内，它具有良好的电绝缘性能，并且包含了用于与外部电路连接的EHT二极管10的引线20和LED12的电极22，同时将二极管10与周围的光屏蔽开。如果合理地选择了这个第三密封件，有可能节省掉隔离的反射层16;例如第三密封件18可以采用RS公司的RS552-668号白色反射材料。
这些组件的形状和尺寸这样选择，以使得在操作二极管12的低压的操作HT二极管10的高得多的电压之间具有合适的电绝缘，在只采用第二密封件之处，(带有或不带有反射层16)，第二密封件的形状和尺寸要选择得使跨在第二密封件暴光表面上测量用的高压引线20，22间的距离保持在至少为3毫米，这里指相对于施加到HT二极管10上的单位KV电压而言，但如果该装置是密封在一种封装复合物(如与其他组件一起共同形成包括二极管10和12组合的电路)中，其第二密封件的外表面并不暴露在空气中，这种情况下该装置的形状和尺寸要选择得使跨在第二封装件的外表面上测量用的引线20，22之间的距离至少保持在1毫米，该值是相对于施加到二极管10上的单位KV电压而言。
在采用RS635-296LED管的情况下，当超过约为1.3V的阈值电压时，产生足以使高压二极管反向导通的光。通常LED只需要1mA就能断开该形状，但是若用在下面有关图4的描述中产生双极输出的情况时，最好使供给LED的初始峰值电流最高达到约300毫安，以便提供一个最大载流能力。接着供给一个5-30mA的(最好是5-10mA)电流，以维持足够的HT输出电流，这些数值适用于一般的如下将要描述的静电喷射的应用埸合。
高电压、低电流开关元件的一种应用描述在图2中，它与图1的内容有关，这是用于静电喷涂内的电压发生电路连接图，这种喷涂设备可以采用公开在EP-A-120633，EP-A-441501，EP-A-468735和EP-A-468736任一文献中的形式，如图2所示，一个高压发生器30由一个电池组34构成的低压电路32供电，一个用户操作开关36与地端相连。这个接地可由用户采用与设备金属相接触的方式实现，使用户能自动地造成与该设备手持部分的固定接触，这种连接实例可参阅EP-A-120633的内容。
该手柄区域可装配有一个触发器，当它由用户启动后，用于操纵开关36和向装有供给喷嘴42液体的容器40施压，使液体由喷嘴喷出实现静电喷涂。为容器加压的合适的机构举例为公开在EP-A-482814中的一种小封袋(sachet)，该文献对此进行了详细的描述。该发生器30的高压输出电压(在图示的实施例中为正)被施加到所连接的一个输出端44，在使用中，这种连接可采用一些适合的方式(已公开在前述的欧洲专利申请公开文献中的各种可能性)实现，以使在喷嘴42的出口处产生的液体带电。在图3中，端子44连接到一个电极上，该电极位于液体经由喷嘴42的馈给通路中;在一个替换方案中，可将该端子44电气连接到在喷嘴出口的上流位置处的液体上，例如若容器40的壁是上绝缘材料制成，这种电气连接可通过贯穿式接触实现，若该容器是由导电材料制成的，这种电接触可通过该容器壁实现。高压发生器30最好采用连接到低压电路32的振荡器类型，用于产生一个基本上交变的方波输出，该输出电压馈给一个升压变压器，从变压器的次级绕组输出的高压(一般为具有20HE频率的脉冲系列)通过整流装置和电容电路馈给输出44，从而提供一个10-30KV等级的单极高太，该值是将发生器的高压输出接到具有30千欧内阻的Brandenburg139D高压仪上测出的，该电容提供一个平滑的脉冲系列，并且用于消除在次级输出中具有的超高压峰值，该值可达100KV。
产生喷涂的机构可以是这样的，其中喷涂用液体和低电位(例如由专门的中间电极产生，围绕着或装在该设备的喷嘴附近的低电位电极)之间存在的静电埸能影响该液体形成一或多根线带，然后扩散，以产生带电的液滴喷射。在这种情况下，由容器40到喷嘴42的出口的馈给可以具有被动的特性，例如采用公开在EP-A-120633或EP-A-486198或PCT专利申请GB92/0172中的那些虹吸结构在重力下或在毛细作用下运行。可替换的机构可以是这样的，要馈送的液体处于可泄放的足够的压力下，起一个小功率喷射器作用，静电埸发生作用引起该喷射器颈射到一个远小于该喷射流的孔口的直径上，从而形成一根射线，它分裂以产生带电的液滴喷射。这种后者所述的设备类型公开在EP-A-501725中，并且尤其适用于具有较低电阻率的液体喷射。
在该设备的正常使用中，用户操作开关36，启动触发器，从而供给发生器30能量，使处于喷嘴42附近或内部的液体带电，如上所述，馈给喷嘴口的液体可以具有从动的或主动的特性;在后者的情况下，由用户作用到触发器上的压力可以转变成一种容器(例如小封袋)的压缩，从而驱动液体到喷嘴去，在停止喷射操作时，例如释放该触发器和打开开关36，尽管该发生器30已被去激励，在系列中仍有剩余的电荷，例如由与负载(例如形成液体容器的金属箱或在发生器30高压侧的任何金属部件)相关的容性电荷的积存。除非采用适当的手段，否则这些积聚的电荷导致用户的电冲击危险，例如当操作者在刚刚停止喷射时，企图更换其中的容器的话。
用于工业目的的脏污环境下的喷涂设备是由交流电源供电的，该电源与该喷涂设备是分离的，它们间的耦合是通过一个泄流电阻将发生器的高压输出接地，因此当喷涂停顿时，剩余的电荷可经由该泄流电阻很快放到大地中，为保证快速放电，该泄流电阻的值是较小的，因此，供应给该设备的电源应提供足够的功率，以补偿由于低值泄流电阻所消耗的连续的电流。对于由分立的交流电源供电的工业设备，一般不会引起特殊的问题。但是，在小型和便宜的喷雾器的情况下，例如消费(用于个人保健卫生，香水，室内清新剂、喷漆等)使用的产品，电源采用机壳内装直流电池电源的形式，而且采用泄流电阻显然是不经济的，否则在喷雾使用期间它会泄放掉可观的电流能量。
如图2所示，为了在发生器30去激励时为剩余的容性电荷提供放电通路，开关元件46如图1所示耦接在正的高压输出端44和带有反向偏置的EHT二极管48的地端之间。在正常喷涂操作中，LED50是不起作用的，而二极管48是非导通的，仅流过可忽略不计的暗流。当发生器被去激励时，LED50暂时地激活，从而使EHTF二极管反向导通，提供了剩余电荷到大地的通路。
用户释放触发器时，LED50可自动响应并激活，触发器释放操作是将开关36从极52移到极54实现的，这时该开关经电阻分压R1，R2与发生器30的输入侧耦接。结果，使发生器30输入侧积聚的标号为56的内部电容通过分压器R1和R2泄流到地。这个电流驱动晶体管开关58基极的控制电压，变为“接通”状态，通过限流电阻60将LED50耦接到电池电源34上，在这种情况下，LED被激活，使EH二极管48导通，以便泄放掉剩余电荷。
由内部电容56所产生的这个控制电流仅在一个有限的时间间隔内是有效的，这个时间间隔的控制是元件56，R1，R2形成的阻/容回路的时间常数所决定的。一旦该控制电流衰减了，晶体管开关58返回“断开”条件，并且LED50又回到不起作用状态。实际上，该电路的结构足以保证(一般完全地)快速泄放掉在发生器30输出侧的剩余电荷，以排除对于操作人员可能带来的任何电冲击危险。
在图2中只示出一个开关元件46，不过在某些情况下，尤其是当发生器30的高压输出特别高时，例如30KV或更多，可以配置两个开关组件46(或更多，虽然对大部分埸合两个已足够了)，均带有EHT二极管48，串接在输出电极44和地电极之间。在这种情况下，该电路可改进为激励两个LED50。
在图2中，EHT二极管48与馈给端部的高压输出电压配置成反向偏置关系，在一个变换的方案中，可改为提供一种对偶的功能，即当喷涂停止时，泄放剩余电荷，并且整流电路装在发生器30的升压变压器的次级输出端，参见图3，与图2的实施例类似，低压电路32用一个方块表示，但可以理解其电路完全与图2中的相同，图3中同样的元件采用图2中相同的符号标注。图3实施例的工作方式一般来说也与图2中相同，区别之处描述如下，在这种情况下EHT二极管48是在升压变压器的副边绕组S和输出端44之间呈正向偏置耦合，电容器62(可以是一个分立的电路组件或可以是负载所产生的电容)用于消除高磁峰值，并且提供一个如图2的关系所述的平滑作用。在发生器30工作中，副边输出由EHT二极管48整流，从而提供一个单极输出到端部44上。当喷涂中断时，了生器30处于去激励态，LED50按图2中有关的方式暂时激活，使EHT二极管48反向导通，从而通过副S提供一个将电容器62和负载产生的电容积聚的剩余电荷向地泄流的通路。
图4示出了使用本发明开关装置的一个实施例。用于在该设备的输出端产生一个双极输出。一个产生双极输出的设备可用于如EP-A-468736所述的抑制电冲击，或能有效地实现靶的喷涂，这种靶往往很难实现静电喷涂(例如靶包括电绝缘材料)，类似的描述可参阅EP-A-468735。所述公开文献EP-A-468735和468736结合在此作为参考。图4的电路可使用在图2中有关描述的类型的多种喷涂设备中，例如对被动地或主动驱动输送液体到该喷嘴的情况均适用。
在图4中，高压发生器72的低压输入端与直流电池电源34相连接，而用户操纵的开关36则构成低压电路68的一部分。高压发生器72内的升压变压器的副边绕组S的高压侧产生一个交变脉冲系列式的高压电压(一般具有20HE的频率)，它与一对惯用的高压二极管74、76相耦合，在副边绕组S中感应的交变的EMF(电动势)经过整流，二极管74在正半周导通，而二极管76在负半周导通。电容器78，80各与二极管74，76之一相连，以消去电压尖峰和提供平滑的脉冲，开关组件82A，B控制该发生器电压耦合到输出端子80，该输出端依次与任何适当的方式耦合到喷嘴上，以便处于喷嘴口睡的液体施加高电压，每个开关元件82A，B包括一个高压二极管84A，B，和相关的LED86A，B，它们配置成具有图1至3所述功能的方式。
每个二极管84A，B串联连接，并且背靠背地与常规二极管74，76之一相连接。控制电路88以下述方式激励LED86A，B，使二极管84A，B交替地和周期性地沿反向偏置方向导通，控制电路88相应于用户操纵的开关36的截止而被激励(例如与该设备的手柄相关的触发器的压接产生该激励)。控制电路88应使二极管84A，B受双极输出引起的交变频率的影响而变导通，例如抑制冲击或如公开在EP-A-468736和468735中的绝缘中间电极的喷射。因此，例如该控制电路88可以用于控制二极管84A和84B的导通，以在终端80上产生一个双极输出，通常为方波形式，具有最高达10HE的频率，典型地为1-2HE。
可以认为，在图2至4中所示的电路和液体供给应容纳在一个公共壳体内，这样使该谧是自封装的和便携式的。
现在参看图5，在这个实施例中高压发生器100的输入侧与低压直流电源电路101相连接，它的输出可选择地接到一个或多个需要高输出电压的设备上。因此，在图5中发生器100在输出端102产生一个用于供给三个输出设备A，B和C的单极电压，中间通过开关组件104A，B，C连接到输出端102上，每个开关组件包括一个高压二极管106A，B，C和LED108A，B，C，这些元件的配置和操作采用如上所述的同样方式。二极管1106A，B，C是相对于发生器100的输出电压反向偏置。该开关设备由控制电路110控制，它可由程序控制或可选择地供给电流到任何一个或多个LED管，以使有关的二极管反向导通，从而允许发生器的输出电压作用到相关的输出设备上。在这种方式中，输出设备A，B和C可按预偏程序动作或按任何所期望的方式动作。例如，控制电路110可以连接到多个用户操纵的开关或任何用户可选择的装置上，这些装置具有可控操作的输出设备(例如静电喷涂喷嘴)。相应于由用户选择的特殊设备，该控制电路110能激励适应的LED，从而将发生器输出的高压馈给该设备。
现在讨论图6，图中所示的喷枪是手持式的，并且适合于喷涂比较粘的低电阻率的液体剂，例如漆料，喷射速度较低，最少可达4cc/分。典型的适用喷剂的粘度为1泊，电阻率为5×106Ω.厘米。该喷枪包括一个本体件202和手柄204。本体件202采用绝缘塑性材料的管状形式，例如聚丙烯类高绝缘材料，在远离手柄204的一端，该本体件装有一个环状凸缘206，它也是采用如聚丙烯类的高绝缘材料制成，并且带有内螺纹，或与本体件202可松卸地啮合，以便快速拔出和插入该液体容器内。该环形凸缘206将一个组件208固定在本体件202的端部位置上，该组件208包括一个基座210和一个整体环形罩212，该罩朝喷枪前面突出。
基座210带有一个允许喷嘴214穿过的中心开孔，喷嘴214的后端带有一个靠坐在基座210背面上的法兰盘215。喷嘴214是由高绝缘材料制成，如聚醛树脂(例如“Delrin”)，一般具有1015欧姆.厘米的体电阻率。本体件202内装有一个可更换的卡盘216，用于传送要喷射的液体到喷嘴214。作为喷枪要求液体传送的流动速率至少为4cc/分，喷嘴214需要主动供料，在本发明的这个实施全中，是将一个卡盘放在由金属箱218构成的所谓阻挡部件中，该金属箱由一种液化的推时剂加压，例如氟塑料134A，并且要喷射的液体装在一个由该推时剂中分离出液体的柔韧的金属膜袋220中。袋220的内部具有一个通到喷嘴内的轴向通道223，采用一个与常规的气悬体阀门的工作方式相同的阀门224，它可在相对于箱218的相反方向置换阀门，打开阀门224使推进的液体流进通道222中(利用推进剂所产生的压力)。该通道222在其前端终止，并且喷嘴在该处尺寸变小，形成喷嘴口。喷嘴214的前端尽头结束在紧靠环形凸缘212的前端平面上。
在卡盘216的后面方向上，本体件202装有一个高压发生器226，它固定在管状托架228上。托架228固装在本体件上，以限制本体件202的轴向滑动。一个压簧230紧压在托架228的后方高压发生器226产生一个脉动输出，经过整流和滤滤最后输出一个高压直流。这种高压发生器226的合适的类型描述在欧洲专利申请文件EP-163390中。该发生器带有一个高压输出极232，经引线233连到一个固定到托架上的触点234，它可与金属箱体218的尾部相接触。该发生器的第二输出极235经由引线236接地，电阻器238和一个导电接触带240装在手柄204的外表面上，从而当喷枪握在操作人员手中时，为用户提供了一个安全接地通路。供给发生器电源的低压直流包括电池组242，也装在手柄204中，该电源作为低压电路的一部分，带有接地的引线236(通过电阻器238和用户)，还带有连接电池组242的引线244，并通过一个微形开关246接至发生器226的输入侧。
在使用中通过卡盘216和本体件202之间的相对运动打开阀门224，喷嘴214相对于本体件保持固定。移动发生器/托架组件，使卡盘216运动，从而操作该阀体224，而发生器/托架组件是由装在手柄204内的触发器248驱动的。当挤压运动时，枢轴杆250围绕其枢轴252枢转，进一步带动在256处枢转的杆254，它由一连杆258与250耦合。杆254支撑在托架228的背端部，因此杆254的枢动有效地运动了该托架，使卡盘216向前条开阀门224。一旦触发器248释放，各个部件返回如图6所示的初始位置，这是由适当的包括弹簧230的偏动装置实现的。触发器248的挤压也驱动了连杆260的运动，它与微形开关246耦合，从而微形开关动作带动触发操作，实现向发生器226的低压电源馈给。
由发生器产生的一般超过25KV的高电压，用于喷射较粘滞的及电阻率低的液体，喷射速率至少为4cc/分(可达6cc/分或更多)。这一高压输出通过触头234传送至喷嘴214的喷口上，金属箱体218和在通道222中的液体在喷口和周围的地电极之间提供一个电埸。这个电埸建立的目的是将位于喷嘴出口处的液体拉成一直线，它可分散而变成具有较均匀尺寸的发散式喷射，带电的液滴适于形成一个均匀的膜。由于用于喷射的材料具有较粘滞的特性(例如1泊)，喷嘴口的尺寸必须作大些(一般至少为600微米)，以利于接收速率不低于4cc/分的液流。由于喷料较粘滞，如果在这个等级的低速下要获得令人满意的线形(特别是单个轴向直线形)射流，有必要在高太下操作，这与采用低粘度液体的情况不同，因为由粘性材料形成线状喷射需要增大电埸密度。
由于这个原因，用在图6的喷枪中的发生器226具有25KV或更高的输出电压，测量方式是将发生器的高压输出连接到具有30兆欧姆内阻的Brandenburg139D高压仪上。但是，这样高电压等级的采用一般会导致由于电晕放电影响的假喷涂效果，这是由于在喷嘴口附近的电埸密度可能已超出了空气的击穿电位。这种假喷涂可能会引起高杂散的液滴，呈现非常细小液滴的雾状形态，从线流中飞出和极差地发射，而傍轴的液流具有粗糙的液滴。
图6中喷枪能够在25KV高压作用下取得令人满意的线形，这是通过装配元件208套在环形凸缘件212内实现的。部件208由半绝缘材料制成(一般具有最大为1011-1012欧姆·厘米的体电阻率)，例如Dupowt公司出品的商标为“Hytrel”的4778级产品，并且带有向后伸出的环形部位262，与金属箱体218相接触，使通过触头234施加的电压建立在该罩体212的最前端，并且与在喷嘴214开口的电压具有同样的极性，和具有差不多相同的幅值。该环形部位262被夹在本体件202的前端和在环状凸缘206上的法兰盘264之间，从而使部件208相对于本体件202固定。触发器248的操作导致箱体2118相对于组件208移位，但电连接保持不断，这是由箱体218的导引端部与环形件262内环周间的滑动触头实现的。
可以认为，在高压发生器和罩之间的接触可不采用图中所示的滑动接触方式，例如也可以采用一种弹性接触。一般只要使该接触能保证相应于在喷嘴口上建立的电压能扩展到位于前面的罩体上，或者与喷射始点大致同步，以使该罩体在开始喷射时立即发生效应。
将罩的前端相对于喷嘴的喷口适当定位，可使喷嘴口附近的电埸密度衰减，直到足以产生一个单线形射流，它可扩散成较均匀尺寸的液滴。该罩端的最佳位置可通过试凑和误差容易地建立，即可利用轴向可调的带罩的枪实验模型来实现。在这种方式下，当了解了所需喷射的性质时，该罩可以一个收缩位置向前调节。开始时该罩处于收缩态，可以观察到上述的假喷涂效应，而当移动该罩向前到达明显改善喷涂质量之处时，可获得较均匀尺寸的液滴。最初在这点之外范围的调节并不影响喷涂效果，但逐渐出现一种聚焦效果。实际上，当在罩端上建立的电压与喷嘴喷口处的电压值基本相同时，我们发现该最佳位置的趋势是，该喷嘴的喷口与由罩前端保持的平面是或多或少重合的，在一种典型的配置中，该罩的内径为16毫米，外径为20毫米，喷口突出该平面约1毫米。通常在这种配置中应满足，在喷嘴最尖端和罩的直径方向上相对应前端间延伸的虚线之间的角度是在140-195度范围内，最好是150-180度(相对于在罩前方的喷嘴尖端的角度小于180°，而相对于在喷嘴尖前方的该罩的角度大于180°)。
在同样的条件下，采用同样的喷液，当采用两套喷嘴工作时，线流散射特性可被明显地观察出其改进，其中一个喷嘴没有罩，另一个喷嘴带有处于最佳位置的罩。在这种情况下，在没设罩之处的典型的分散状态产生由喷嘴口喷出的一个短距离的极细小液滴雾，随着中心孔线流的分裂变成很差地扩散的粗液滴流。在这种情况下产生的喷射完全不适合在喷射表面上形成一层均匀的液膜(例如喷漆)。相反，带有在最佳位置的罩的喷嘴尖端工作在与常规喷嘴相同的电压下，可观察到该线流从喷口处喷出一段相当的距离后，才分裂成具有窄小尺寸分布的扩散液滴流。如果该喷嘴是在具有处于最仁佳位置的罩内工作，很容易得到喷射液滴的体积平均直径小于100微米的喷射效果。
由于金属箱体218与喷嘴口处的较高电压(通常大于25KV)相互作用，在喷射中可导致大的电容电荷积聚，当停止喷射后用户试图接近该设备内部时，例如更换卡盘时，很可能引起不愉快的电气冲击。这可以通过加装一个泄放容性电荷的装置而得以解决，这种装置通常可按图2或图3的实施例所述的方法装配。
图6中的喷枪尤其适合于喷射下述液体，其粘度在0.5和10泊之间(特别是1-8泊)，其电阻率在5×107欧姆·厘米之间最好是2×106-1×107欧姆·厘米)，前提条件是喷射/流动速率至少为4cc/分，最好为6cc/分。喷嘴开口的直径和电压发生器226的电压输出应根据要喷射用液体的粘度和电阻率确定。为了避免由任何在较粘滞液体中悬浮粒子造成的阻塞，喷嘴的喷口直径应不小于600微米(例如喷漆的情况)，这样可获得所希望的喷射/流动速率，而无需过分地使用触发器的力。发生器226的直流输出电压一般在25和40KV之间，特别地取28-35KV更好，该测量值是采用具有30兆欧内阻的Brandn burg 139D高压仪测得的。如果将罩212直接与发生器226的输出连接则更简单，这样在罩212上的电压基本上和喷嘴尖端具有的电压大小相同，我们并不排除下面的可能性，即罩电压是与喷嘴尖端的电压不同的，在这种情况下，通过相对于喷嘴尖端调节该罩到合适的位置来补偿这个压差，从而确保获得狭窄分布的所希望的扩散喷射液滴效果。
可以认为，图6所示的喷射装置可以为实现前述其它目的而加装或换装电子开关，例如需按照图4的实施例加发改进时。
权利要求
1.电子开关装置包括一连串对辐射敏感的半导体结，它们总体地具有至少为1KV的最大直流反向电压，和端部装置，用于将高电压施加到这些结上，只有当所加电压为正向偏置时，这些结才允许电流单向流过，还包括选择性控制的辐射发生器，与所述结共同产生选择性发射，当这些结由所施加的电压反向偏置时，同样产生反向流动的电流，所述的结和辐射发生器按固定的预定关系支撑在封闭的由密封材料构成的公共容积内。
2.如权利要求1所述的开关装置，其中的封装容积提供或附上一个位于这些结附近的反射面或表面。
3.制造如权利要求1或2的开关装置的方法，其中高压半导体二极管和固态光发射源以预定的关系组装，使这一连串的二极管暴露在由所述光源发射的光内，将这此相关的二极管和光源封装在一种可传送由光源发射的光的密封材料中。
4.高压发生器电路，用于产生至少为1KV的输出电压，所述电路包括一个高压发生器，多个各自与有关的高压应用装置相连的输出端，多个电子开关装置，将高压发生器与所述输出端相连，每个开关装置如权利要求1所述，以及控制装置，用于选择性地控制每个开关装置的辐射发生器，从而实现该发生器的输出电压与所选的一或多个端耦接。
5.如权利要求4的电路，其中该发生器能产生一个单极的高压输出，该电子开关装置以下面的方式与输出端设备耦合，即所述的二极管结由所述单极输出电压反向偏置。
6.如权利要求4所述的电路，其中发生器可控地产生一个交变的高压输出，所述开关装置与该电路是这样连接的，即将所述交变输出电压整流，从而在输出端装置上产生一个单极的高压，而所述各结是由该交变输出电压的反极性半周实现反向偏置的。
7.如权利要求4的电路，其中发生器可控地产生一个交变的高压输出，一对所述的开关装置连接到输出终端装置，每个开关装置是这样配置的，一个开关装置是由交变电压的正半周反向偏置，另一个开关装置相反是由交变电压的负半周反向偏置，用于控制每个开关装置的辐射发生器操作的装置，使每个开关装置在反向偏置条件下导通。
8.如权利要求4的电路，其中该电路包括一对输出端装置，这两个端部装置上各具有相反的极性，和一对所述开关装置，它们与所述输出端装置相连，并将每个输出端连接到电压应用装置，但是由有关的单极输入进行反向偏置，控制装置，以下述方式控制开关装置的辐射光源，即当双极输出作用到所述电压就用装置时，这些开关装置交替变为导通态。
9.如权利要求4至8之一所述的电路，所述电压应用装置是指一个静电喷射设备。
10.一种静电喷涂设备，包括一个壳体，喷嘴装置，向喷嘴供应要喷涂材料的装置，和高压发生电路，通过该电路的输出端将高电压施加到所述材料上，以产生静电喷涂，所述电路包括电子开关装置，用于在停止喷射时操作，为泄放电流提供通路。
11.如权利要求10的设备，其中电子开关装置是感光式的，光发生器用于照射该开关装置，其中开关装置在该谧喷涂操作期间由高压反向偏置，该电路配置相应于电路的非激励状态，光发生器动作向开关装置辐射，从而使后者导通，为在该电路的高压输出侧所积聚所容性电荷提供泄放通路。
12.如权利要求10的设备，其中该开关装置相应于用户操纵的开关操作时自动变为导通，所述开关操作用于高压电路处于去激励态和中止喷射。
13.一种静电喷涂设备，包括一壳体，喷嘴装置，向喷嘴供应喷料的装置，和高压发生电路，通过该电路的输出端将高压施加到所述喷料上，使实现静电喷涂，所述电路包括感光电子开关装置和相关的光发生器，用于控制产生所述的高电压。
14.如权利要求13所述的设备，其中开关装置与高压电路的耦合关系是提供整流。
15.如权利要求14所述的设备，其中高压电路包括一个升压变压器，该变压器付边的一端输出一个交变的高压，另一端接到一个低电位，例如接地，开关装置串接到该付边，对交变电压整流，然后提供一个单极的高压输出。
16.如权利要求13所述的设备，其中所述电子开关装置包括一对电子开关元件，及其中所述光发生器可受控操作以提供一个具有预定频率的双极输出电压。
17.一种静电喷涂设备，包括一个壳体，喷嘴装置，向喷嘴装置供应喷料的装置，和高压发生电路，向喷料施加高压，以使喷料静电充电，所述电路包括一个产生交变输出的发生器，第一和第二电子开关装置，它们直接或间接地相对于喷嘴装置接到所述电路的相反极的输出部件上，及控制第一和第二开关装置的装置，当在不同于该电路输出的交变频率的频率下该输出部件能与该喷嘴装置匹配时，使上述开关装置交替地导通。
18.如权利要求17所述的设备，其中每个所述的开关装置是感光式的，其中带有光发生器，用于使所述开关导通和截止。
19.一种静电喷涂设备，包括一个壳体，喷嘴装置，向喷嘴供应喷料的装置，高压发生电路，通过该电路的输出端装置将高电压作用到所述材料上，使喷料带静电，一个环状元件包绕着喷嘴装置，其上的高压极性与作用到所述材料上的电压相同，在喷射过程中在该环形件上建立的高压改善了紧靠喷嘴喷口处的电埸密度，还包括在停止喷涂时动作的装置，从而泄放掉在喷射期间由容性元件积聚的电荷。
20.如权利要求19所述的设备，包括用户操纵的装置，用于控制高压电路的激发和非激发状态，其中所述放电装置相应于该高压电路的去激发态自动启动工作。
21.如权利要求19所述的设备，其中所述放电装置包括电子开关装置。
22.如权利要求19所述的设备，其中所述电子开关装置包括光敏电子开关和光发生器，用于控制电子开关的工作。
23.如权利要求19的设备，其中所述高电压电路上接有该环形元件，以便在喷涂过程中在该环形元件上建立起所述高压。
24.如权利要求23的设备，其中在环形元件上所建立的电压极性和幅值大致上与在喷嘴出口处喷出的材料的电压相同。
25.如权利要求19所述的设备，其中由所述高压电路产生的电压作用到要喷涂的材料上及作用到该环形元件上，该电压不小于25KV
26.如权利要求10-25之一的设备，其中作用到喷嘴装置上的高压是通过喷涂材料作为媒介的。
全文摘要
用于高压应用场合的一种半导体开关装置(其范围从5kV最高达50kV左右)，充分利用了硅二极管在光照下反向导通的公知原理，至今这种光二极管广泛应用在低电压场合。这里公开的设备采用了包括多个半导体结的高压二极管10和发光二极管12，该管受控向这些结照射，以使该高压二极管沿反向导通，该高压二极管和光发射二极管以确定的预定关系支撑在可传导由该LED所发射的光的密封材料中。
文档编号B05B7/16GK1090092SQ9312145
公开日1994年7月27日 申请日期1993年11月25日 优先权日1992年11月25日
发明者T·J·诺亚克斯, M·J·普伦德加斯特, A·杰夫里斯, M·L·格林 申请人:帝国化学工业公司