壓電變壓器式離子發生器及靜電消除方法
2023-08-10 09:51:46 2
專利名稱：壓電變壓器式離子發生器及靜電消除方法
技術領域：
本發明涉及一種使用壓電變壓器的離子發生器及靜電消除方法， 所述離子發生器和靜電消除方法用來消除各種工件上所帶的靜電。
背景技術：
從專利文獻1等現有技術中可知如下的離子發生器即，由壓電 變壓器產生高電壓，並將該高電壓施加在電極針上，從而產生離子。 該離子發生器利用了壓電變壓器的變壓特性即，當在壓電變壓器的 一次側部分施加交流低電壓時，則會在二次側部分產生高電壓。這種 離子發生器在使用時如專利文獻1所述，通常將二次側部分(輸出側) 產生的高電壓施加在電極針上，從而產生離子。
然而，因採用所述壓電變壓器的離子發生器是通過讓電場集中在 電極針的頂端來產生離子，所以存在如下問題即，該電極針的頂端 容易發生局部損傷、引起金屬粒子飛散、使靜電消除性能在短期內降 低。此外，由於電極針的離子生成區域較小，所以產生的離子量較少， 為了增加產生的離子量，可增大電壓值，這時，離子量雖然得到增大 但電極針頂端的電場同時也變得過強，導致具有強酸化能力的臭氧產 生的問題發生。
專利文獻1:日本發明專利公開公報特開平10-302994號
發明內容
本發明的目的在於，提供一種壓電變壓器式離子發生器及用所述 壓電變壓器來消除靜電的靜電消除方法，以解決現有技術中的採用壓 電變壓器的離子發生器所存在的不足如電極針局部損傷、金屬粒子 飛散、靜電消除性能在短期內降低等問題，並可使離子發生器長期保持高精度的靜電消除能力，因此，能在使用更長的時間後才需要維護， 此外，本發明的離子發生器還可使發出的離子保持良好的離子平衡狀 態。
為了解決上述問題，本發明的壓電變壓器式離子發生器具有由壓 電元件構成的壓電變壓器和朝需消除靜電的對象物件噴出空氣流的 空氣噴嘴，所述壓電變壓器具有一次側部分和二次側部分，所述一次 側部分可施加驅動用的交流電壓，在所述二次側部分可得到高電壓， 該二次側部分的外表面上，經由絕緣用的電介質片安裝有金屬細線狀 的接地電極，該接地電極緊貼在電介質片上，該壓電變壓器以此在所 述接地電極的周圍產生介質阻擋放電，產生正、負離子，所述空氣噴
嘴按照如下方式設置即，通過那些經由所述接地電極位置的空氣流 使所述離子朝需消除靜電的對象物件移動。
本發明中，優選的是，所述壓電變壓器呈細長的長方體狀，該壓 電變壓器的長邊方向上的一半為所述一次側部分，其長邊方向上的另 一半為所述二次側部分，該二次側部分的正面和背面中的至少一側， 安裝有所述接地電極，該接地電極沿該壓電變壓器的寬度方向延伸。
更優選的是，所述壓電變壓器的二次側部分的正面和背面上，分 別設置有接地電極，正面側的接地電極的數量與背面側的接地電極的 數量相同，且正面側的接地電極的位置和背面側的接地電極的位置相 互對應。
本發明中，優選的是，從所述空氣噴嘴噴出的空氣流沿所述壓電 變壓器的外表面，並朝與所述接地電極垂直的方向流動。
本發明中，優選的是，所述電介質片由聚醯亞胺薄膜形成。所述 接地電極優選由貼在所述電介質片上的金屬線或者由印刷或蒸鍍在 該電介質片上的金屬膜形成。
本發明的具體實施方式
中，離子發生器具有電壓發生器，其用 於向所述壓電變壓器的一次側部分輸出交流電壓；傳感器，其用於測
量需消除靜電的對象物件上的電位；控制電路，其根據該傳感器產生 的測量信號對所述電壓發生器進行反饋控制，以控制離子平衡。所述電壓發生器包括直流電源、振蕩電路以及根據該振蕩電路的 輸出而正負切換的半導體開關元件，該電壓發生器輸出波形為矩形波 的交流電壓，所述控制電路根據所述傳感器的測量信號來控制該電壓 發生器的開關頻率。
本發明的靜電消除方法中，採用了壓電變壓器，該壓電變壓器具 有一次側部分和二次側部分，所述一次側部分可施加驅動用的交流電 壓，所述二次側部分可得到高電壓，該二次側部分的外表面上，經由 絕緣用的電介質片安裝有金屬細線狀的接地電極，該接地電極緊貼在 電介質片上。通過在該壓電變壓器的所述一次側部分上施加交流電 壓，在其二次側部分產生高電壓，由此，在所述電介質片上所述接地 電極的周圍產生介質阻擋放電，以產生正、負離子，與此同時，從空 氣噴嘴噴出空氣流，空氣流經所述壓電變壓器的所述接地電極的設置 部位流線需消除靜電的對象物件。
如上所述，本發明可提供一種離子發生器及靜電消除方法。本發 明中，通過採用所述結構的壓電變壓器，可使離子發生器長期具有高 精度的靜電消除能力，由此，能在使用更長的時間後才需要維護、易 於保養，且可使發出的離子保持良好的離子平衡狀態。
圖1是本發明離子發生器的實施例的側視圖。
圖2是圖1中所述實施例的主視圖。
圖3是電壓發生器的一個實施例的結構框圖。
圖4是本發明離子發生器的 一個實施例的靜電消除速度曲線圖。
具體實施例方式
下面，根據附圖詳細說明本發明的實施例。
圖1和圖2表示的是本發明離子發生器的一個實施例。該離子發 生器採用了壓電變壓器1,並以該壓電變壓器1的高電壓面作為面狀高電壓電極加以利用。所述壓電變壓器l由會自發極化的PZT (鋯鈥
酸鉛)等壓電元件2構成。對於該壓電變壓器l,當對其一次側部分
2A的垂直於厚度T方向的兩個表面施加交流電壓時，則會在其二次
側部分2B的外表面上產生電荷，該壓電變壓器1被用作生成離子的
電極。由此，不會像現有技術中的離子發生器那樣，因直接將壓電變
壓器的高電壓施加在電極針上而引起電極針的局部損傷或金屬粒子
飛散等問題，並能長期保持高精度的靜電消除能力。因此，能在使用
更長的時間後才需要維護，且能使發出的離子保持良好的離子平衡狀 太
下面進一步具體說明，圖示的所述壓電變壓器1是Rosen型壓電 變壓器，由壓電元件2形成，該壓電元件2呈一個方向上細長且厚度 T小於橫向寬度W的長方體形狀。該壓電變壓器1即壓電元件2的長 邊L方向上的一半作為一次側部分2A,並沿厚度T方向自發極化。 該壓電變壓器1長邊L方向上的另一半作為二次側部分2B,並沿長 邊L方向自發極化。所述壓電元件2的一次側部分2A上，通過在其 厚度T方向的兩個表面，即通過在正面和背面蒸鍍金屬，形成通電用 電極3。因此，當從電壓發生器8經由所述通電用電極3施加交流電 壓到所述一次側部分2A上時，會在所述壓電元件2的厚度T方向上 形成交流電場，通過逆壓電效應，該一次側部分2A在長邊L方向上 伸縮變形，其每秒變形次數與外加電壓的頻率相等，在某一頻率下， 整個元件會發生共振，變成較強的機械振動。此時，由於所述二次側 部分2B沿長邊L方向伸縮，所以通過壓電效應在該二次側部分2B 上會產生電荷。
所述壓電變壓器1的二次側部分2B上，在其平坦的正面和背面 上經由電介質片4分別安裝有金屬細線狀的接地電極5,該接地電極 5緊貼在電介質片4上，並經由接地線5a接地。換句話說，在所述二 次側部分2B的正面和背面上分別貼有所述電介質片4，該電介質片4 的表面上安裝有一個或多個所述接地電極5，且該接地電極5緊貼在 該電介質片4上。如圖所示的實施例中，在所述二次側部分2B的正面側和背面側的最高電壓產生區域內，沿著等電位方向即寬度w方
向分別安裝有兩個相互平行的接地電極5。正面側的接地電極5和背 面側的接地電極5經由所述壓電元件2和電介質片4位於相互對應的 位置上。此外，正面側的接地電極5和背面側的4妄地電極5彼此也可 位於壓電變壓器1長邊L方向的不同位置上。
將壓電變壓器1的二次側部分2B的高電壓面作為離子發生器的 面狀高電壓電極加以使用，並將金屬細線狀的接地電極5經由電介質 片4緊貼在該二次側部分2B的外表面上，由此，在該二次側部分2B 上產生的高電壓的作用下，經由所述電介質片4在接地電極5的周圍 產生介質阻擋放電，即交流電暈放電，空氣中的氣體分子通過該介質 阻擋放電的等離子區6而發生電離，從而產生用於消除靜電的正負離 子。所述介質阻擋放電過程中，放電時在空間內移動的帶電微粒的一 部分離子化，或者電中性分子電離而產生離子，該離子中的一部分被 放出到等離子區6之外。因此，可以說離子放出量與放電量有關。
所述電介質片4可選用聚醯亞胺薄膜等絕緣性高分子薄膜，但並 不限於此，例如，也可採用玻璃等薄板。如圖2所示，可通過將導電 金屬線連接到電介質片4上或通過其他方式設置到電介質片4上來構 成所述接地電極5。但若該金屬線與電介質片4之間存在不均勻的間 隙，則可能因集中放電而導致電極損傷或損耗，所以使接地電極5與 電介質片4緊貼是比較重要的。從這一點來看，所述接地電極5優選 是印刷或蒸鍍在電介質片4上的金屬膜。
若所述電介質片4採用玻璃等硬質材料形成，則在連接該電介質 片4和壓電變壓器1時，需要考慮在二者之間設置帶狀的緩衝材料， 以便不阻礙該壓電變壓器1的機械變形。
所述離子發生器還具有空氣噴嘴7。該空氣噴嘴7與壓縮機等空 氣源相連接，用於將在所述接地電極5周圍因交流電暈放電而產生的 離子噴到帶電的工件等需消除靜電的對象物件11上。該空氣噴嘴7 分別設置在所述壓電變壓器1的正面側和背面側，且其空氣噴出口 7a 的朝向是沿著所述壓電變壓器1的長邊方向的。從該空氣噴出口 7a噴出的空氣流9沿著所述壓電變壓器1的外表面，朝與所述電介質片 4上的接地電極5垂直的方向流動。由此，含有離子的空氣流被噴到 所述需消除靜電的對象物件11上，以消除該需消除靜電的對象物件 ll上所帶的靜電。所述空氣噴嘴7的數量可以是一個，空氣可以從該 一個空氣噴嘴7沿著所述壓電變壓器1的正面和背面噴出。
圖1中，需消除靜電的對象物件11採用了充電板。由該充電板 11模擬需消除靜電的對象物件，用於測量離子發生器的靜電消除性 能。帶電平板監測儀12用於對所述充電板11的電位變化等進行觀測 和記錄。
所述電壓發生器8輸出交流電壓並將該電壓施加在該壓電變壓器 l上，該交流電壓的頻率可使所述壓電變壓器1發生共振，該交流電 壓的輸出波形既可是正弦波也可是矩形波。本發明人通過試驗研究 出隨著施加在所述壓電變壓器1的一次側部分2A上的電壓的波形 不同，二次側部分2B的電壓的變壓比也不同，與輸入正弦波的情況 相比，在一次側部分2A上輸入矩形波的情況下，二次側部分2B的 電壓的變壓比會較高，因此，相比較而言，矩形波優選於正弦波。
如圖3所示，所述電壓發生器8由例如24 40V左右的直流電源、 振蕩電路以及根據該振蕩電路的輸出而正負切換的FET(場效應晶體 管)等半導體開關元件構成，當所述電壓發生器8輸出矩形波時，可 獲得35kHz左右的矩形波交流電(矩形波交流)。此外，通過將該電 壓發生器8設置在壓電變壓器1附近，不僅可獲得離子平衡精度高、 非常小型且簡易的離子發生器，還可獲得只要有直流電源就可工作的 結構簡單的離子發生器。
所述離子發生器採用了在形成所述壓電變壓器1的壓電元件2上 設置電介質片4和接地電極5的沿面介質阻擋結構。採用這種結構， 沿面放電的狀態隨電極的極性不同而不同。當離子平衡偏向正時，該 差異比較明顯，由此可知，正離子產生量隨沿面放電的電流強度不同 而變化。因此，可通過對壓電變壓器1的輸入電壓或頻率進行控制來 使產生的離子達到平衡，以實現高精度的離子平衡。因此，如圖3所示，通過在離子發生器上設置表面電位傳感器13 和控制電路，可通過對離子平衡進行反饋控制來高精度地控制離子平 衡，其中，表面電位傳感器13用於檢測需消除靜電的對象物件11的 電位，其與該需消除靜電的對象物件11相向設置；控制電路根據該 傳感器13檢測出的電位生成控制信號，將之用於控制離子平衡並調 整開關頻率的信號反饋給所述電壓發生器8。具體而言，若需消除靜 電的對象物件11帶正電時，則降低PZT壓電元件2的驅動電壓，或 使其驅動共振頻率稍離開共振點，若靜電消除側帶負電，則進行與前 述相反的控制即可。
若釆用上述結構的離子發生器，例如可用從24V的直流電經由半 導體開關元件而形成的矩形波來驅動，由此，可獲得非常小型、質輕 的離子發生器。此外，由於採用介質阻擋放電，所以會同時產生正負 離子，正負離子均勻分布，從而不會出現靜電消除不均勻的問題，並 且可使逆帶電為零，獲得高精度的靜電消除性能。此外，由於可通過 改變壓電變壓器的驅動電壓的電壓值或頻率來控制二次電壓，所以可 進行更高精度的離子平衡控制。實施例
圖1和圖2所示的壓電變壓器1是Rosen型PZT壓電變壓器，其 呈長50mm、寬13mm、高2mm的薄長方體狀，該壓電變壓器l中， 一次側部分2A的電才及3的正面和背面上蒸鍍有金屬，二次側部分2B 的正面和背面上貼有厚175燜的用於絕緣的聚醯亞胺薄膜，該聚醯亞 胺薄膜上，在等電位方向的寬度W方向分別貼有兩根直徑為100 的鵠絲，乂人而形成4妄地電4及5,該兩4艮鴒絲的端部均4妄地。所述PZT 壓電變壓器是共振頻率規格值較低的33kHz的壓電變壓器。
此外，按照如下方式來設置與壓縮機相連的兩個空氣噴嘴7:即， 使壓縮空氣沿壓電變壓器1的二次側部分2B的正面和背面，並朝與 所述鴒絲垂直的方向流動。空氣流的流量為10升/分，就需消除靜電 的對象物件所在處的空氣流的流速而言，當需消除靜電的對象物件比 壓電變壓器1靠下lcm時，流速為7.5m/s，當需消除靜電的對象物件比壓電變壓器1靠下6cm時，流速為4.0m/s。
在所述空氣流的流動方向下側設置有充電板11,以模仿作為需消 除靜電的對象物件的帶電體，並用該充電板11來測量所述離子發生 器的靜電消除性能。帶電平板監測儀12的作用在於當所述充電板 11帶上一定的電量後，通過所述離子發生器產生的空氣離子來消除所 述充電板11上所帶的靜電，該靜電消除過程中，由帶電平板監測儀 12來檢測和記錄充電板11上的電位因此而變化的情況。
對所述壓電變壓器的一次側部分2A輸入的電壓為40V,其共振 頻率為35.83kHZ。圖4用於表示在改變所述壓電變壓器(PT )與充 電板(CP) ll之間距離的情況下，充電板電位為士1KV時的靜電消除 速度的變化狀況。從該圖可知，該實施例中的靜電消除速度較快，相 當於直流工作電壓下的電極針的靜電消除速度，此外，從最終電位接 近零也可知，離子平衡狀態較好。
實施例所示的所述離子發生器中，在所述壓電變壓器1的二次側 部分2B的正面和背面上，分別安裝有多個接地電極5,但也可在所 述正面和背面上分別安裝1個接地電極5,或者在所述正面和背面上 分別安裝不同數量的接地電極。還可只在所述電變壓器1的正面或背 面安裝一個或多個接地電極。
權利要求
1. 一種壓電變壓器式離子發生器，具有壓電變壓器，其由壓電元件構成；空氣噴嘴，通過該空氣噴嘴可朝需消除靜電的對象物件噴出空氣流，其特徵在於，所述壓電變壓器具有一次側部分和二次側部分，在所述一次側部分可施加驅動用的交流電壓，在所述二次側部分可得到高電壓，該二次側部分的外表面上，經由絕緣用的電介質片安裝有金屬細線狀的接地電極，該接地電極緊貼在電介質片上，該壓電變壓器以此在所述接地電極的周圍產生介質阻擋放電，產生正、負離子，所述空氣噴嘴按照如下方式設置即，其朝向為所述接地電極位於噴出的空氣流中，通過空氣流使所述離子流向需消除靜電的對象物件。
2. 如權利要求1所述的離子發生器，其特徵在於， 所述壓電變壓器呈細長的長方體狀，該壓電變壓器的長邊方向上的一半為所述一次側部分，其長邊方向上的另一半為所述二次側部 分，該二次側部分的正面和背面中的至少一側，安裝有所述接地電極，該接地電極沿該壓電變壓器的寬度方向延伸。
3. 如權利要求2所述的離子發生器，其特徵在於，所述壓電變壓器的二次側部分的正面和背面上，分別設置有接地 電極，正面側的接地電極的數量與背面側的接地電極的數量相同，且 正面側的接地電極的位置和背面側的接地電極的位置相互對應。
4. 如權利要求2或3所述的離子發生器，其特徵在於， 所述空氣噴嘴按照如下方式設置即，使從所述空氣噴嘴噴出的空氣流沿所述壓電變壓器的外表面，並朝與所述接地電極垂直的方向 流動。
5. 如權利要求1~3中任意一項所述的離子發生器，其特徵在於， 所述電介質片由聚醯亞胺薄膜形成。
6. 如權利要求1 3中任意一項所述的離子發生器，其特徵在於，所述接地電極由貼在所述電介質片上的金屬線或者印刷或蒸鍍 在該電介質片上的金屬膜形成。
7. 如權利要求1~3中任意一項所述的離子發生器，其特徵在於， 所述離子發生器具有電壓發生器，其用於向所述壓電變壓器的一次側部分輸出在交流電壓；傳感器，其用於測量需消除靜電的對象 物件上的電位；控制電路，其根據該傳感器產生的測量信號對所述電 壓發生器進行反饋控制，以控制離子平衡。
8. 如權利要求7所述的離子發生器，其特徵在於， 所述電壓發生器包括直流電源、振蕩電路以及根據該振蕩電路的輸出而正負切換的半導體開關元件，該電壓發生器輸出波形為矩形波 的交流電壓，所述控制電路根據所述傳感器的測量信號來控制該電壓 發生器的開關頻率。
9. 一種採用壓電變壓器式離子發生器的靜電消除方法，其特徵 在於，採用了壓電變壓器，該壓電變壓器具有一次側部分和二次側部 分，所述一次側部分可施加驅動用的交流電壓，在所述二次側部分可 得到高電壓，該二次側部分的外表面上，經由絕緣用的電介質片安裝 有金屬細線狀的接地電極，該接地電極緊貼在電介質片上，通過在該 壓電變壓器的所述一次側部分上施加交流電壓，在其二次側部分可產 生高電壓，由此，在所述電介質片上所述接地電極的周圍產生介質阻 擋放電，以產生正負離子，與此同時，從空氣噴嘴噴出空氣流，空氣 流經所述壓電變壓器的所述接地電極的設置部位流向需消除靜電的 對象物件。
全文摘要
本發明提供一種離子發生器及用該離子發生器來消除靜電的靜電消除方法。本發明中，採用了由壓電元件構成的壓電變壓器，當在該壓電變壓器的一次側部分施加交流電壓時，則會在其二次側部分產生高電壓，該二次側部分的正面和背面上，經由絕緣用的電介質片安裝有金屬細線狀的接地電極，該接地電極緊貼在電介質片上，通過在該接地電極的周圍產生介質阻擋放電來產生正負離子，與此同時，使空氣流從空氣噴嘴噴出並橫穿所述接地電極朝需消除靜電的對象物件流動。
文檔編號H05F3/00GK101442871SQ20081018224
公開日2009年5月27日 申請日期2008年11月21日 優先權日2007年11月22日
發明者佐藤俊夫, 安岡康一, 柴田裕樹, 藤原伸廣, 鈴木智 申請人:Smc株式會社