CH688292A5

CH688292A5 - Blendschutzvorrichtung.

Info

Publication number: CH688292A5
Application number: CH01796/93A
Authority: CH
Inventors: Livio Ghisleni; Stefan Gunz
Original assignee: Xelux Holding Ag
Priority date: 1993-06-16
Filing date: 1993-06-16
Publication date: 1997-07-15

Description

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CH 688 292 A5

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Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Blendschutzvorrichtung gemäss Oberbegriff des vorliegenden Anspruchs 1.

Solche Blendschutzvorrichtungen sind dem Fachmann in verschiedenen Ausführungsformen bekannt und umfassen im wesentlichen eine Lichtfilteranordnung, wie sie bspw. in der DE 2 553 976 beschrieben wird, mit mindestens einer Flüssigkristallzelle und verschiedenen passiven Lichtfilterelementen, bspw. Polarisationsfolien, IR- und W-Sperrfilter, sowie eine ein Fotoelement aufweisende Ansteue-rungselektronik und eine Stromversorgung, insbesondere eine Kleinbatterie. Die in dieser Druckschrift beschriebene Ansteuerelektronik erzeugt eine Rechteck-Wechselspannung von 1 bis 6 Volt bei 50 Hz. Die Schwellspannung, bei der die beabsichtigte Verdunkelung ausgelöst wird, liegt bei ca. 1 Volt. Obwohl mit dieser Vorrichtung eine den Schweisserschutzanforderungen genügende Verdunkelung erreicht wird, erweist sich die Zeitspanne zur Erlangung des gewünschten Verdunkelungseffekts als zu lang, um wirklich blendfrei arbeiten zu können.

Um die Einschaltzeit zu verkürzen wurde beispielsweise in der DE 2 606 416 vorgeschlagen, eine handelsübliche Flüssigkristallzelle zu verwenden, deren Flüssigkristall eine frequenzabhängige Anisotropie der dielektrischen Konstanten aufweist, welche unterhalb 100 Hz positiv und oberhalb 100 Hz negativ ist, um entweder die homöotrope Orientierung (bei niedrigen Frequenzen von ca. 50 Hz) oder die homogene Orientierung (bei hohen Frequenzen von ca. 30 kHz) in einem stabilen Gleichgewichtszustand vorliegen zu haben. Damit sind Umschaltzeiten vom homöotropen Zustand in den homogenen Zustand von 20 bis 50 ms realisierbar. Leider erweist sich diese Lösung als nicht sehr praktikabel, da für die Aktivierung der Zelle eine Wechselspannung von ca. 50 Volt benötigt wird und damit die Verwendung einer unhandlichen Spannungsquelle erforderlich wird.

Es ist deshalb bspw. in der US 3 575 491 auch schon vorgeschlagen worden, an die Flüssigkristallzelle nur kurzzeitig d.h. während ca. 10 ms eine Spannung von 180 Volt anzulegen, um damit die Zeit für die gewünschte Umorientierung der Flüssigkristallmoleküle zu reduzieren. Dazu wird die Ansteuerelektronik mit einem «fast-turn-on»-Schalt-kreis bestückt, welcher sicherstellt, dass die Flüssigkristallzelle mit einem Gleich- oder Wechselspannungssignal betrieben wird, welches über dem Flüssigkristall kurzzeitig ein elektrisches Feld nahe dem dielektrischen Durchbruch erzeugt. Mit dieser Vorrichtung kann eine ausreichende Verdunkelung in weniger als 500 ps erzeugt werden. Leider erweist sich auch bei dieser Ausführungsform die benötigte Spannungsversorgung als äusserst unhandlich.

All diese bekannten Ausführungsformen sind darauf ausgerichtet, über dem Flüssigkristall möglichst rasch ein möglichst hohes äusseres elektrisches Feld aufzubauen, um den Zustand des inneren Feldes des Flüssigkristalls zu verändern. Es liegt aber in der Natur der Flüssigkristallmoleküle, dass diese dem angelegten äusseren Feld nur mit einer von ihren inneren Eigenschaften abhängigen Verzögerung folgen und damit die Umschaltzeit begrenzt ist.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Blendschutzvorrichtung zu schaffen, welche die Nachteile der bekannten Vorrichtungen nicht aufweist und insbesondere auch ohne aufwendige Stromversorgung genügend rasche Umschaltzeiten für ein blendfreies Arbeiten ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Vorrichtung gelöst, welche die Merkmale des vorliegenden Anspruchs 1 aufweist und welche sich im wesentlichen dadurch auszeichnet, dass die mit einer niedrigen Betriebsspannung betriebene Flüssigkristallzelle zur Verminderung der intrinsisch bedingten Verzögerung der Umschaltzeit einer Vorspannung ausgesetzt ist, welche wenig unterhalb der Schwellspannung liegt, bei welcher der Flüssigkristall in einen Zustand kippt, der den Verdunkelungseffekt verursacht. Dieser Zustand wird mit einer wenig oberhalb dieser Schwellwertspannung liegenden Hauptbetriebsspannung aufrecht erhalten.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfin-dungsgemässen Vorrichtung werden die Vorspannung und die Hauptbetriebsspannung in unterschiedlicher Weise generiert, d.h. sind mehrere voneinander unabhängige Spannungsquellen vorgesehen und/oder weisen die Vorspannung und die Hauptbetriebsspannung zusätzlich unterschiedliche Frequenzen auf.

Weitere Ausführungsformen der erfindungsge-mässen Blendschutzvorrichtung ergeben sich aus den Merkmalen der vorliegenden abhängigen Ansprüche.

Mit der erfindungsgemässen Vorrichtung wird einerseits die Schwellwert- resp. die Hauptbetriebsspannung rascher erreicht; nennenswert ist jedoch die Verringerung der intrinsischen Verzögerung. Dies führt zu einer wesentlich rascheren Verdunkelung und macht Beschleunigerschaltungen, wie sie heute verwendet werden, weniger aufwendig oder sogar überflüssig. Die erfindungsgemässe Vorrichtung erlaubt ein absolut blendfreies Arbeiten auch unter häufig wechselnden Bedingungen. Ein wesentlicher Vorteil ergibt sich aus der verbrauchsarmen elektronischen Schaltung und deren niedriger Betriebsspannung, welche im wesentlichen den Einsatz von zwei unabhängigen Spannungsquellen erlaubt. Insbesondere ermöglicht diese Schaltung die Verwendung von Solarzellen zur Speisung der Flüssigkristallzelle während der «stand-by»-Phase.

Im folgenden soll die Erfindung an einem Beispiel und mit Hilfe der Figuren näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1a: Ein Transmissions-Zeit-Diagramm einer Vorrichtung bekannter Art;

Fig. 1b: Ein Spannungs-Zeit-Diagramm einer Vorrichtung bekannter Art;

Fig. 2a: Ein Spannungs-Zeit-Diagramm einer er-findungs gemässen Vorrichtung;

Fig. 2b: Ein Transmissions-Zeit-Diagramm einer erfindungsgemässen Vorrichtung;

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Fig. 3: Ein Blockschema einer erfindungsgemässen Vorrichtung.

Das in Fig. 1a dargestellte Diagramm verdeutlicht den Verdunkelungseffekt beim Einschalten der Flüssigkristallzelle bekannter Vorrichtung. Insbesondere lässt die ausgezogene Kurve im wesentlichen drei Bereiche erkennen: ein erster Bereich I, in dem die Flüssigkristallzelle optisch transparent ist, was immer dann vorliegt, wenn kein grelles Licht auf den Sensor der Blendschutzvorrichtung fällt; ein Bereich III, in welchem die Flüssigkristallzelle eine maximale Verdunkelung aufweist und ein Übergangsbereich II, in welchem die optische Transmission der Flüssigkristallzelle ihren Wert ändert. Wenn zur Zeit t0 ein Einschaltsignal generiert wird, wird die Speisespannung für die Flüssigkristallzelle auf den Wert der Hauptbetriebsspannung Vm erhöht. Dabei wird die Schwellwertspannung Vt dieser Flüssigkristallzelle traversiert und das Umkippen der homöotro-pen Situation ausgelöst. Diese Umlagerung vom homöotropen in den regellosen Zustand führt zur genannten intrinsischen Verzögerung At. Fig. 1b zeigt das zu Fig. 1a korrelierende Spannungs-Zeit-Diagramm. Die hier angegebene Schwellwertspannung liegt bei 2-3 Volt und genügt, um eine Flüssigkristallzelle in die Umklapp-Phase zu bringen. Um die Verdunkelung aufrecht zu erhalten, wird die Flüssigkristallzelle mit einer konstanten Hauptbetriebsspannung, hier 3—4 Volt, gespeist. Die in diesen Diagrammen dargestellte gestrichelte Linie zeigt den Verlauf der optischen Transmission resp. der angelegten Spannung bei einer Blendschutzvorrichtung mit einer Beschleunigerschaltung. Mit einer solchen Schaltung beginnt der Umklapp-Prozess etwas früher. Die intrinsische Verzögerung wird damit jedoch nicht genügend beeinflusst.

Demgegenüber zeigen die Fig. 2a und 2b entsprechende Diagramme für eine erfindungsgemäs-se Vorrichtung. So liegt die an der Flüssigkristallzelle angelegte «stand-by»-Spannung V, in diesem Ausführungsbeispiel bei 2 bis 3 Volt, und braucht nach Auslösen des Einschaltsignals lediglich auf 3 bis 4 Volt angehoben zu werden. Damit wird vorerst wiederum der Schwellwert geringfügig früher traversiert. Wesentlich jedoch erweist sich, dass damit der Umklapp-Prozess nennenswert früher einsetzt, was darauf zurückzuführen ist, dass dafür kein starkes inneres Feld verändert zu werden braucht.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemässe Blendschutzvorrichtung in einem einfachen Blockschema. Das vom Wandler 3 erzeugte Signal wird einer Schalteinheit 4, welche insbesondere eine Verstärker- und Flip-Flop-Schaltung umfasst, zugeführt, um ein Ein/Aus-Signal zu erzeugen. Die Schalteinheit 4 ist mit einer Treiberschaltung 5 verbunden, welche insbesondere auch einen Oszillator und/oder einen Regler umfassen kann, wobei die Treiberschaltung 5 eine Lichtfilteranordnung 6 treibt. Vorzugsweise umfasst diese Lichtfilteranordnung 6 mehrere optisch hintereinander angeordnete Flüssigkristallzellen 7, bei besonderen Bauweisen genügt aber auch eine einzelne Flüssigkristallzelle. Erfindungsge-mäss liegt an mindestens einer dieser Flüssigkristallzellen 7 während der «stand-by» Phase eine Vorspannung und wird zur Verdunkelung während der Arbeitsphase eine Hauptbetriebsspannung angelegt. Für die jeweils anzulegende Spannung sorgt eine Wechselschaltung der Treiberschaltung 5. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Wechselschaltung und die Flüssigkristallzellen während der «stand-by»-Phase von einer Solarzelle A gespeist, während in der Arbeitsphase eine Spannungsquelle B dazugeschaltet oder als unabhängige Spannungsquelle allein eingeschaltet wird, um die mindestens eine Flüssigkristallzelle mit der erforderlichen Hauptbetriebsspannung Vm zu versorgen.

In einer Weiterbildung der erfindungsgemässen Vorrichtung und insbesondere der Wechselschaltung ist vorgesehen, die normalerweise elektronisch parallelgeschalteten Flüssigkristallzellen 7, während der «stand-by»-Phase in Serie zueinander zu schalten. Dadurch kann die während der Arbeitsphase an den Flüssigkristallzellen 7 anliegende Hauptbetriebsspannung auf einen Wert unterhalb der Schwellwertspannung pro Zelle reduziert werden. Um einen als Vorspannung geeigneten Spannungswert zu erzielen, stehen dem Fachmann verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Beispielsweise kann eine zusätzliche und entsprechend dimensionierte Last, insbesondere eine kapazitive Last, in Serie zu der mindestens einen Flüssigkristallzelle geschaltet werden. Die geeignete Dimensionierung eines Schaltkreises zum Wechseln zwischen Vorspannungs- und Hauptbetriebsspannung liegt im Bereich des fachmännischen Könnens.

In einer anderen Ausführungsform wird zusätzlich die Frequenzabhängigkeit der Transparenz der Flüssigkristallzellen benutzt, um diese zwischen ihrem geordneten und ihrem regellosen Zustand wechseln zu lassen. Eine entsprechende Wechselschaltung kann der Fachmann ohne weiteres Dazutun erarbeiten.

Es versteht sich, dass die erfindungsgemässe Blendschutzvorrichtung vom Fachmann ohne erfinderisches Tun mit anderen bekannten Massnahmen zur Verkürzung der Verdunklungszeit kombiniert werden kann. Insbesondere mit zusätzlichen Sensoren, besonderer Wahl der Flüssigkristallzelle und Optimierung der Elektronik. Es versteht sich auch, dass bei längerem Nichtgebrauch der Blendschutzvorrichtung auch die «stand-by»-Schaltung ausgeschaltet werden kann, resp. dass die Treiberschaltung Regler umfasst, mit welchen der Transmissionswert und/oder die Verdunkelungsverzögerung manuell eingestellt werden kann.

Claims

Patentansprüche

1. Elektooptische Blendschutzvorrichtung für Schutzbrillen, Schutzhelme oder Schutzmasken mit mindestens einem Detektor (3), einer Schalteinheit (4) zur Erzeugung eines Ein/Aus-Signals und einer Treiberschaltung (5) für eine Lichtfilteranordnung (6) mit mindestens einer Flüssigkristallzelle (7) und mindestens einer Spannungsquelle (B), dadurch gekennzeichnet, dass vor der Erzeugung einer Hauptbetriebsspannung durch ein Signal der Schalteinheit

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(4) zur Verdunkelung der Lichtfilteranordnung (6), an der mindestens einen Flüssigkristallzelle (7) eine Vorspannung anliegt, welche unterhalb einer Schwellwertspannung liegt, bei welcher der Flüssigkristall in einen Zustand mit vorzugsweise um 90 Grad geänderter optischer Aktivität kippt.

2. Blendschutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung und die Hauptbetriebsspannung für die Flüssigkristallzelle (7) auf unterschiedliche Weise generierbar sind.

3. Blendschutzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung mit Hilfe einer separaten Vorspannungsspannungsquel-le (A) erzeugbar ist.

4. Blendschutzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannungs-spannungsquelle (A) ein fotovoltaisches Element umfasst.

5. Blendschutzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Flüssigkristallzelle (7) für die Versorgung mit der Hauptbetriebsspannung parallel zu einer Impedanz geschaltet ist, und für die Versorgung mit der Vorspannung in Serie mit dieser Impedanz geschaltet ist.

6. Blendschutzvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz eine separate kapazitive Last ist.

7. Blendschutzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung eine andere Frequenz aufweist als die für eine Verdunkelung der Flüssigkristallzelle erforderliche Hauptbetriebsspannung.

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