CN101896240A - 静电玩具 - Google Patents

Abstract

一种静电玩具具有一漂浮物体；以及一静电棍，其道之所述物体的漂浮以及提供了一静电发生器气味所述棍充电并由用户的一手操作。

Description

静电玩具

技术领域

本发明涉及静电玩具，其中通过静电场中轻质带电物体的受控漂浮而达到游戏效果。

背景技术

如美国专利2,018,585；3,497,994；4,109,413中所公开的，已知的玩具通过静电场的使用而产生有效的漂浮。这些玩具包括一个或多个棍以及漂浮物体，其由聚合物薄膜或铝箔构成。通过手动摩擦棍的表面而使得棍带电荷。而带电荷的棍和轻质漂浮物体接触导致一部分电荷从棍上传导到物体上，因此在带相同电荷的棍和轻质物体之间产生静电排斥，从而实现漂浮效果。这些已知玩具在手动摩擦棍中存在缺陷。在游戏过程中，电荷逐步地从棍和漂浮物体中泄漏，因此需要通过棍的附加摩擦装置进行周期性地充电。这些重复性充电导致控制漂浮物体的过程中断。在摩擦棍的过程中，游戏者可能失去对漂浮物体的控制，其可能掉落或附着到邻近的中性带电物体上。此外，在摩擦装置的重复充电过程中，棍的充电的效率和速度依赖于摩擦表面之间的位移的速度和两者互相之间接触的紧密度。游戏者需要特殊的技巧来执行快速充电且不会失去对漂浮物体的控制。对于游戏的孩子来说实现这些技巧是困难的。

已知的静电玩具的另一缺陷是棍上的漂浮物体的相对较低的飞行高度。漂浮物体的相对高度依赖于静电斥力和物体的重量，而静电斥力补偿物体的重量。为了增加飞行的高度，需要增加漂浮物体上的电荷并且将其重量减到最小。采用电导性材料构成的漂浮物体在和电性带电棍相接触时能够得到最好的充电。因此，在美国专利2,018,585的附图中包括了采用铝箔作为轻质物体。然而，由于箔的特定高密度，这样的漂浮物体过于沉重而不能飞得很高。美国专利4,109,413中公开的静电玩具包括轻质漂浮物体，其由平面或具有三维图象的聚合物箔构成，同时通过手动摩擦对带电棍进行充电。这些由聚合物箔构成的物体比由(铝)箔构成的物体要轻且能够飞得更高。然而，它们却更难于通过与电性带电棍的表面相接触来进行充电，因此这也导致更难于增加飞行高度。

发明内容

据此，本发明的目的在于提供一种安全静电玩具，其中自动进行对棍的充电步骤，增加飞行高度，稳定漂浮物体的位置，并且其也可以在带电荷物体上呈现静电场的独创的空气动力学效果的动作。

与这些物体或其它下文中显而易见的物体一致的，本发明的一个特征在于，简要地说，一种静电玩具，包括一漂浮物体；导致所述物体漂浮的一静电棒；可以为所述棒提供一静电发生器，其用于对所述棒充电并且可以在使用者的一只手中操作。

依照本发明设计的静电玩具设计，其可以消除现有技术中的缺陷并且对静电玩具和游戏者提供上述涉及的优点或玩具。

所述静电发生器可以包括直流和交流转换器、高电压变压器和具有电压倍增电路的矫正器，其相互之间串联。

静电电压发生器可以采用如下形式，作为高电压增压变压器的初级线圈电路中的直流断流器，同时所述高电压增压变压器的次级线圈连接一电荷存储器。

静电发生器也可以由将机械能转换为电能的压电转换器构成且可以包括一压电晶体，所述压电晶体具有电终端和用于按压晶体的杠杆机构。所述压电晶体的终端中的一个可以接地，同时其它终端可以连接到电荷存储器。

此外，静电发生器可以采用Van der Graaf发生器的形式并且可以包括一空穴电荷存储器，其包括一电导性材料、一电传动装置、两个通过皮带传动相互连接的滑轮，其中一个滑轮由绝缘材料构成且布置在传动装置的轴上而另一滑轮由金属材料构成、以及两把刷子，所述刷子用于携带静电电荷并采用针或梳子的形式且垂直地面向皮带传动的外表面，其一个刷子通过发生器上的手柄与游戏者的手相连并且布置在绝缘滑轮的附近，而另一刷子与电荷存储器相连并且布置在金属滑轮的附近。

为了提供实现以带电肥皂泡泡为形式的漂浮物体的额外可能性，可以为所述电荷存储器提供一根管，以用于吹出带电荷的肥皂泡泡。

静电发生器的各种种类是已知的。实际上所有已知的发生器，已公开在例如hhtp://www.coe.ufri.br/-acmq/electrostatic.html的Electrostatic Generators中。实际上所有的解决方法中电荷存储器由金属构成。当手接触到电荷存储器时，发生电荷放电。电荷从存储器中缓慢地流出，并且结果是发生触电。这种触电通常来说是不危险的，因此在小静电发生器中累积的电荷是可以忽略的并且可能仅仅引起不适感。为了在手或身体与棍的电荷末端的意外接触期间避免这些电荷的可能性，电荷存储器采用具有高特性阻抗和低特性导电性的金属构成。该材料可以是电导性塑料、纸或厚纸板。由于这些材料的高特性阻抗，在电荷存储器和手接触期间，电荷流动相比较金属存储器有显著的降低。这排除了触电的可能性和与其相接触的不适感。

漂浮物体可以具有多种形状，如飞机、太空飞船、火箭、人类、动物、鸟类、蝴蝶、恐龙、昆虫，也可以为环形、球形、半球形、圆环形、椭圆体或抛物线体形，其采用金属薄膜的薄长条胶合而成或通过金属薄膜或薄香烟(纸巾)纸的平板的裁剪而制造。

为了实现漂浮物体的旋转，其可以构造为如下形式，其为一个细长的单侧的具有底座的三角形，所述底座具有切开的相对的横向弯曲瓣。在其它变形中，漂浮物体可以由预备的扭曲金属薄膜条构成。

为了在空间中实现垂直位置，防止剧烈移动并改善可控性，可以额外地提供一些具有垂直位置稳定器的漂浮物体。漂浮物体的垂直位置稳定器可以采用线束或叶片的形式，其可以由人造或天然纤维构成，并且附着在所述漂浮物体的上部和/或在其下部具有相应重量。

棍可以在一只手内重新充电，其可以消除在游戏过程中因为重新充电棍而导致的可能的中断并且能够简化棍和漂浮物体的游戏。当漂浮物体采用具有金属涂层的绝缘材料构成的时候，其允许改善感电性以增加来自于棍的排斥的电性力，以及同时减少漂浮物体的重量，其导致明显增加了漂浮物体在棍上方的停悬。

当采用带电纤维构造漂浮物体时，可以实现漂浮图像的空间稳定化。具有由低特性导电性材料构成的电荷存储器的静电发生器的使用保护了游戏者，使得当他或她使用他或她的手触摸存储器时免于可能的电击。

这些考虑的新颖性特征将作为本发明的特性在权利要求书中将特别地陈述。然而，本发明自身，包括其结构和操作方法，以及结合其额外的目的和优点，将结合附图在如下的特定实施例描述中得到更好的理解。

附图说明

结合附图，从以下详细描述中将会更全面地理解本发明，其中相同的参数数据指示相同的元件，其中：

图1是依照本发明的静电玩具的示意性视图；

图2-10是依照本发明的静电玩具的各种漂浮物体的实例的视图；以及

图11-16是依照本发明的静电玩具的自动重新充电的棍的各种实施例的视图。

本发明的最优实施例

图1示出了依照本发明的静电玩具。如附图所示，它包括一漂浮物体，其采用附图标记1表示并且例如为环状形式。静电玩具进一步包括一电力可充电的棍，其采用附图标记2表示。

该电力可充电的棍2具有圆柱的外壳，并且一提供电源的静电发生器布置在圆柱基壳的内部。发生器的输出连接电荷存储器3。电荷存储器3可以采用圆柱形式并且由具有高特定阻抗的电导性材料构成以及布置在棍的末端，所述末端与手柄4相对。手柄4上可提供有按钮5，其下具有电导性垫圈。电池13布置在手柄内。

图1示出了漂浮物体为环状形式。图2示出了漂浮物体为球状形式且采用金属化聚合物带构成。图3示出了漂浮物体为圆环体形式。

图4示出了漂浮物体采用抛物线体形式。图5示出了通过在一薄膜的平长条裁剪一刀，其随后在充电过程中形成环状，而构造漂浮物体。图6示出了通过在平薄膜长条上裁剪多刀，其随后在充电过程中形成球状，而构造漂浮物体。图7示出了通过在裁剪平面的蝴蝶图像，其在充电后形成3维蝴蝶，而构造漂浮物体。图8示出了采用火箭的平面模型形式的具有空气动力学特征的漂浮物体。图9示出了采用扭曲环形式的具有空气动力学特征的漂浮物体。图10示出了具有人造或天然纤维附着其上的漂浮物体，其在漂浮期间提供了其位置的稳定化。

图11示出了基于Van der Graaf发生器的棍。图12和13示出了具有用于吹肥皂泡泡的喷嘴的棍。图14示出了具有采用压电晶体转换器形式的且将机械能转换为电能的电荷发生器的棍。

图15示出了具有电压求和单元的静电电压发生器的基础电路。图16示出了具有断流器和高电压变压器的初级电路的静电荷发生器的基础电路。

所述静电物体可以由绝缘材料构成，例如聚合物薄膜，例如聚合物薄膜，香烟纸或这些材料的组合。为了增加漂浮物体的电导性和相应的电容，可以在绝缘材料上应用薄金属涂层，或者所述材料可以包括由电导性材料(例如金属或石墨)构成的粉末或纤维。可以通过在漂浮物体的整个表面上或在其特定部分采用条状或形图案上应用金属微米层来实现绝缘材料的金属涂层。

漂浮物体可以采用金属化聚合物带构成，其可以相互胶合。如上所解释的，漂浮物体1的形状可以为图1所示的环状、图2所示的球状、图3所示的圆环体、图4所示的抛物线体状等等。

漂浮物体也可以通过金属薄膜或纸的平板的裁剪而构造。结果，在从棍处充上电荷后，漂浮物体可以实现预定的三维形状。图5所示的环状、图6所示的球状、图7所示的蝴蝶以及其他图像可以通过平纸板实现。

为了在空间中提供期望的垂直位置，可以在一些漂浮物体上额外地提供垂直位置稳定器。漂浮物体的垂直位置稳定器可以采用一个或多个人造或天然纤维线束的形式，如图10所示布置在漂浮物体的上部。

为了在空气中如9所示的火箭模型的旋转的可能性，所述火箭模型可以形成细长的单侧的三角形，并且在其底部具有裁剪，并且具有向两侧弯曲的相对瓣。通过棍的位移，火箭可以在空中移动。向上的气流可以流动的弯曲瓣上使火箭旋转。

为了实现环在飞行期间的旋转，其可以构造为如图10所示的预设扭曲金属聚合物带。在环的空间运动过程中，由于向上的气流将提供额外的空气动力学效果。

依照本发明的静电玩具的静电发生器可以采用如图11所示的Van derGraaf发生器的形式。其可以包括电机7、两个滑轮8和9，其通过皮带10相互连接。一个滑轮采用绝缘材料构造并且布置在电机7的轴上，同时另一个滑轮9采用金属构造。两刷子11和12用于将电荷带走并采用针的形式且垂直地面向皮带10的外表面，其一个刷子12与发生器外壳上的金属衬垫6相连且布置在绝缘滑轮8的附近，而另一刷子11与电荷存储器3相连并且布置在金属滑轮9的附近。

依照本发明的静电玩具采用如下方法操作。

响应于按钮5的按下，电池13的电压提供给电机7，导致滑轮8和相应的皮带10移动。当按下按钮5的时候，同时导致游戏者的手和连接着刷子12的电导性衬垫6相互接触，这使得其接地。由于皮带10采用橡胶构成并且下方滑轮8采用硅构成，因此在接触过程中，皮带10被正向充电而滑轮8被负向充电。非常重要的是滑轮8上的电荷的集中要明显高于皮带10上的电荷，因此邻近滑轮8的下方刷子12处出现了负电荷下滑轮的场。该场的电压在刷子的尖端附近尤其高。由于相同电荷的滚子之间的静电斥力，可移动的负电荷电子离开尖端。因此，刷子12正向充电。此外，在其尖端部分附近的空气发生离子化。

空气的分子失去电子因而被正向充电。正电刷子12吸引电子，而负电荷滑轮8则吸引正电离子。由于在他们之间具有皮带10，因此它们存储在皮带10的外表面上而移动到上滑轮9处。在上滑轮9附近，皮带上的正电荷吸引刷子11上的可移动的电子。因此产生了静电场，其导致空气的离子化并且导致空气中的正离子吸附到刷子11上，同时电子吸附到皮带10上。刷子11获得的正电荷被立即传送给空穴电极3的外表面。

由于持续地提供正电荷给空穴电极3并在其上累积，因此电机可以累积理论上的无限高的电荷。然而，随着电荷的增长，从电极上发生电荷泄漏，最终达到平衡，此时电极上的电荷不再增长。当电极存储器3充电的时候，其可以与漂浮物体中的一个相连，结果漂浮物体获得相同的电荷并且与棍互相排斥。通过在悬浮在空中(图1)的物体1下移动棍2，而在空气中实现漂浮物体的可控制距离。在漂浮物体具有特定空气动力学特征的移动期间(图9和10)，也由于向上的气流实现它们的旋转。

当选择其他材料用于皮带或滑轮时，代替正电荷，可以在电极存储器上提供负电荷，然而其并不影响玩具的操作。

也可以采用肥皂泡泡作为漂浮带电荷物体。如图12和13所示的棍，其孕育自动地吹出带电泡泡，然后可以通过棍装置控制它们。为了吹出漂浮的肥皂泡泡，可以在电棍上放置用于吹肥皂泡泡的带导管的塑料喷嘴，使得其垂直于棍的轴布置。棍是倾斜的使得管的一端浸入到肥皂溶液中且使其上升。在该末端形成肥皂膜。随后，从导管的相对端中吹出呼出的空气并同时开启静电发生器(图12)。因此而形成的肥皂泡泡可以由位于存储器附近的发生器充电。因此在泡泡的分离期间，其与相同电荷的棍互斥。通过操纵棍，可以实现沿着不同轨道的静态悬浮和飞行的泡泡(图13)。

为了给棍充电到能够操作玩具的程度，其需要提供在约10-20Kv范围内的高压给电荷存储器。为了在存储器上获得所需的电荷，其需要提供短期高压脉冲。这里有许多方法获得该脉冲。因此，在本发明的范围内，棍2内的静电发生器可以基于一些原则，特别是如交流电压、增压变压器和电压求和器的串联源；如压电转换器；如增压变压器的初级线圈的电路的直流断流器(中断器)。

在具有求和器的第一实施例中(图14)，电池14提供电压给交流电压发生器15，其输入连接到增压变压器16的初级线圈。增加的交流电从变压器16的次级线圈提供到电压求和器17。在电压求和器17的输出端，产生基本上为20kV的电压，其通过限流器18提供到电荷的电极存储器。

在具有压电转换器的第二实施例中(图15)，响应于通过杠杆机构的对压电晶体19的机械按压，在其侧部形成10-15kV的高电压，其从终端20和21提供。通过终端20和限流器22，高电压从晶体的一侧提供到电极存储器23的内表面，同时晶体的第二侧通过终端21和杠杆机构22的手柄在按下杠杆的人的身体上接地。

在增压变压器的初级线圈的电路中具有直流断流器的最后实施例中(图16)，电荷采用如下方法产生。当短路开关25的终端是关闭的时候，直流电通过变压器26的初级线圈并在钢芯内产生电磁场。通过初级线圈的内在祖康限制该电流，其很小并且保持在仅仅几ohms。当短路开关25的终端开启的时候，初级线圈内的电流中断，磁场消失并且以自感电压的高电压脉冲的形式释放能量，其可以构成数百个电压。该电压在增压变压器26的次级线圈中得到倍增。结果，在几次线圈中形成了约20kV的脉冲，其通过力矩限制器27提供给电荷的电极存储器。该电路有电阻28和电容29构成，其用于限制初级线圈电路中的电流，也在当电容29通过开关25放电的时候，限制开关25重复关闭期间通过短路开关25的电流。

可以理解的是上述每个元件，或两个或多个，可以采用不同于上述描述类型的其他形式构造。

尽管本发明图释和描述为静电玩具的形式，但是并不受限于所述的细节，因此在不脱离本发明精神的任意情况下可以进行各种修正和结构变化。

除去更多的分析，在前描述完全得显示了本发明的要点，其他人可以，应用现有知识，轻易地使用其于各种应用而不忽略特征，所述特征是从现有技术的立场中公平地形成本发明的共有的或特定方面的必要特征。

所要求的新的和期望被专利法保护的方案在权利要求书中描述。

Claims (14)

1.一种静电玩具，包括一漂浮物体；导致所述物体漂浮的一静电棒；为所述棒提供一静电发生器，其用于对所述棒充电并且可以在使用者的一只手中操作。

2.如权利要求1所述的静电玩具，其中所述静电发生器包括一电荷存储器。

3.如权利要求2所述的静电玩具，其中所述电荷存储器由低特定电导性材料构成。

4.如权利要求3所述的静电玩具，其中所述电荷存储器由如下材料中构成：厚纸板、纸、以及电导性塑料。

5.如权利要求1所述的静电玩具，进一步包括在用户的一手中用于操作所述静电发生器的装置。

6.如权利要求1所述的静电玩具，进一步包括在用户的一手中用于操作所述静电发生器并且重新充电所述棍的装置。

7.如权利要求1所述的静电玩具，其中所述漂浮物体是从平面图形或三维图形中选择。

8.如权利要求1所述的静电玩具，其中所述漂浮物体是由至少部分金属化的塑料薄膜构成。

9.如权利要求1所述的静电玩具，进一步包括用于吹出带电荷肥皂泡泡以形成所述漂浮物体的装置。

10.如权利要求1所述的静电玩具，其中所述漂浮物体是从平面物体或三维物体中选择。

11.如权利要求1所述的静电玩具，其中所述漂浮物体如此构造使得其初始是平面的但是在充电后变为三维的。

12.如权利要求1所述的静电玩具，进一步包括一喷嘴，用于吹出肥皂泡泡形成漂浮物体，并且所述肥皂泡泡在与所述喷嘴分离后充上与所述电荷存储器相同的电荷使得所述肥皂泡泡漂浮。

13.如权利要求1所述的静电玩具，其中所述静电发生器是Van der Graaf发生器并且包括一电机、一电池、一连接用户手臂的按钮、两个通过皮带传动相互连接的滑轮，其中一个滑轮由绝缘材料构成且布置在所述电机的轴上而另一滑轮由金属材料构成、以及两把刷子，所述刷子用于携带静电电荷并垂直地面向所述皮带的外表面，其一个刷子布置在所述绝缘滑轮的附近并且通过用户的身体接地，而另一刷子布置在所述金属滑轮的附近并且与一电荷存储器相连。

14.如权利要求1所述的静电玩具，其中在所述按钮下方为所述按钮提供垫圈。

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