CN101414065A - 电控调光汽车天窗 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电控调光汽车天窗，它包括玻璃窗，该玻璃窗包括玻璃本体和基体层，在该玻璃本体与基体层之间设有一混合层，该混合层由近晶态液晶和添加物混合而成，在该玻璃本体朝向混合层的一侧和该基体层朝向混合层的一侧均设有导电电极层，该导电电极层与电路驱动控制装置连接。通过控制施加在导电电极层上的电信号，近晶态液晶分子可呈现出不同的排列形态，且这些排列状态在无电的情况下保持稳定不变，从而汽车天窗可在雾状遮光与全透明状态间切换，甚至在不同灰度阶的多种渐进状态间切换，该汽车天窗增强了驾驶者和乘客的舒适性，且省电、切换速度快、健康环保。
Description
技术领域
本发明涉及一种汽车天窗，具体地说，是涉及一种带有电控调光功能的汽车天窗。
背景技术
汽车天窗主要由玻璃窗、密封橡胶条、遮阳板和驱动机构组成，开启形式一般有外启式、内藏式和倾斜式。但无论以何种方式控制汽车天窗的开启，中央的玻璃窗是汽车天窗的主要部分，而目前汽车上使用的天窗主要是贴了膜的普通玻璃。而现在的汽车越来越提倡驾驶者和乘坐者的舒适性，天窗的趋势是逐渐增大玻璃窗的面积，全景天窗也越来越多。由此，整个天窗的手动或电动的遮阳布，已经显然和现代的汽车电子发展趋势相悖。
目前，公知的一种应用在汽车天窗上的调光膜是用传统向列态(nematic)液晶制作的，其能够满足电控调光的需求，但是，因为向列态液晶使用的是偏振片，透光率低于50％，一般约为40％，所以该种调光膜不能满足全透明的需求。而且，这种向列态液晶不是“多稳态”的(“多稳态”是指不需要电驱动而维持光效应的状态，也称为“准静态”)，需要持续的用电，故有一定的能耗。
另外，公知的一种电控调光汽车天窗使用的是液晶聚合物技术(PDLC)的电致调光玻璃。这种液晶聚合物技术主要是将向列态液晶与分子聚合物混合后，通过控制液晶的排列态，使内部产生不同的折射系数，而呈现出透光与散光之间的宏观状态变换。具体来说，这种技术为：选择适量的向列态液晶与一定量的分子单合物进行混合，将混合物灌制在两层玻璃(玻璃具有一定厚度)或两层塑料基板的夹缝中，在两层玻璃或塑料基板相对应的表面镀有透明电极，通过一定波长和强度的紫外光线进行照射处理，从而使这些分子单合物发生化学变化，凝聚在一起而变成分子聚合物，这些聚合物是透明的。由于液晶分子是与分子聚合物均匀混合在一起的，在这些分子聚合物形成的过程中，液晶分子被均匀地分割成一个个小的泡状空间(即分子聚合物与液晶分子从融合变成分离，分子聚合物好像网状一样承载了无数的小液晶泡)。在无电压情况下，由于液晶分子的排列并没有很强的方向性，总体上是一种相对杂乱的状态，所以散射现象非常明显。在一定的电场情况下，液晶分子便有了方向性的排列，其与大面积的分子聚合物载体消除了折射率的差异，呈现出透明态。这种应用了液晶聚合物技术的电致调光玻璃与应用传统向列态液晶制作的天窗调光膜相比，具有更大的透明度，但是，这种液晶聚合物技术也不是“多稳态”的，其与传统向列态液晶一样，需要持续的供电来维持透明状态。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电控调光汽车天窗，通过电路驱动控制装置控制施加在导电电极层上的电压大小、频率和作用时间，而使该汽车天窗在全透明与雾状遮光之间进行切换，该汽车天窗增强了驾驶者和乘客的舒适性，且健康环保。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种电控调光汽车天窗，它包括玻璃窗，其特征在于：该玻璃窗包括玻璃本体和基体层，在该玻璃本体与基体层之间设有一混合层，该混合层由近晶态液晶和添加物混合而成，在该玻璃本体朝向混合层的一侧和该基体层朝向混合层的一侧均设有导电电极层，该导电电极层与电路驱动控制装置连接。
所述基体层为玻璃或塑料。塑料可为透明塑料薄膜或透明硬塑料板。
所述混合层的厚度为2微米～30微米，所述混合层的组成为：所述近晶态液晶占混合总重量的90％～99.999％，所述添加物占混合总重量的0.001％～10％。所述近晶态液晶为A类近晶态液晶(Smectic-A)有机化合物，如带硅基的化合物、四氰基四辛基联苯、四乙酸癸酯四氰基联苯等。所述添加物为带导电特性的化合物，如十六烷基三乙基溴化铵等含有导电离子的化合物。
所述混合层还可混合有二色性染料。
所述导电电极层为透明电极，所述电极层按显示图案或文字的需要而分割成若干单元。
所述玻璃本体和基体层的外表面贴有一层保护膜，以防止意外碰撞产生的玻璃碎片伤人。
使用时，通过合理控制施加在导电电极层上的电压大小、频率或作用时间，使液晶分子呈现不同排列形态，从而在宏观上，使汽车天窗在雾状遮光与全透明状态间切换，甚至在不同灰度阶的多种渐进状态间切换。若近晶态液晶中添加有二色性染料，则可通过合理控制施加在导电电极层上的电压大小、频率或作用时间，使液晶分子和染料分子呈现不同排列形态，从而在宏观上，使汽车天窗在全透明与有色遮光状态间进行切换。
本发明的优点是：
1、由于通过控制施加在导电电极层上的电信号，近晶态液晶分子可呈现出不同的排列形态，因而汽车天窗可在雾状遮光与全透明状态间切换，甚至在不同灰度阶的多种渐进状态间切换，使得驾驶者和乘坐者可以根据自己的需要，来随时调整车内光线，直到舒适为止。
2、由于添加物的导电特性，使得撤去电信号后，天窗仍能保持加载电压时产生的光效应，具有很好的“多稳态”特性。且由于该天窗具有“多稳态”特性，而且天窗所需的工作电流小，只有在改变近晶态液晶分子排列形态的瞬间时才需要加电，非常省电。而且由于该“多稳态”特性，天窗几乎没有电磁辐射，对驾驶者和乘坐者无任何危害，健康环保。
3、雾状遮光与全透明状态间的切换时间很短，一般为几个到几十个毫秒，若在不同灰度阶的多种渐进状态间切换，则切换速度更快。
4、若天窗中含有二色性染料，则天窗可呈现出不同颜色。且若将电极层细分分割为若干单元，则可通过电信号的控制而在天窗上呈现出各种的花纹、图案或文字，以提升车体内饰的美观性。
附图说明
图1是本发明汽车天窗的玻璃窗结构组成示意图；
图2是低频电压作用于导电电极层时的近晶态液晶排列形态示意图；
图3是高频电压作用于导电电极层时的近晶态液晶排列形态示意图；
图4是高频电压作用下的近晶态液晶与二色性染料排列形态示意图；
图5是低频电压作用下的近晶态液晶与二色性染料排列形态示意图；
图6是被分割成横竖阵列状的导电电极层示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
如图1至图3所示，本发明电控调光汽车天窗包括玻璃窗、密封橡胶条和驱动机构，该玻璃窗包括玻璃本体1和基体层2，基体层2为玻璃或塑料，如透明塑料薄膜、透明硬塑料板。在玻璃本体1与基体层2之间设有一混合层3，该混合层3由近晶态液晶和添加物混合而成。一般，混合层3的厚度控制在2微米～30微米，在混合层3中，近晶态液晶占混合总重量的90％～99.999％，添加物占混合总重量的0.001％～10％。通常，在室温±50℃之间，近晶态液晶的分子集群为层状排列结构，呈现出粘稠的浆糊状。在本发明中，近晶态液晶为A类近晶态液晶(Smectic-A)有机化合物，如带硅基的化合物、四氰基四辛基联苯、四乙酸癸酯四氰基联苯等。添加物为带导电特性的化合物，如十六烷基三乙基溴化铵等含有导电离子的化合物。在玻璃本体1朝向混合层3的一侧和基体层2朝向混合层3的一侧均镀有一导电电极层4，该导电电极层4与电路驱动控制装置5连接，该两个导电电极层4与中间的混合层3形成了一个面积很大的电容结构。该导电电极层4是透明的，如ITO(氧化铟锡)等，且可根据需要使用辅助的金属电极，如铝、铜、银等。
实际应用中，近晶态液晶与添加物混合而成的混合物是灌制到玻璃本体1与基体层2间的夹缝中的，即混合层3为灌制而成的。该灌制过程与传统的STN(SuperTwisted Nematic，加强扭曲的向列态液晶)灌制过程相类似，不同的是：本发明使用的灌制过程没有传统STN灌制过程中的PI(polyimide，聚酰亚胺)取向层的刷制、偏光膜的贴片和彩色滤片的贴片三个环节。而且因为近晶态液晶材料本身粘稠度的问题，在灌制掺有添加物的近晶态液晶前，需要将其加热到一定温度，一般为60℃以上，直到掺有添加物的近晶态液晶表现为流动的液态时，才可使用传统的STN灌制过程进行真空灌制。
使用本发明时，通过控制施加在两个导电电极层4上的电压大小、频率和作用时间，来改变混合层3中的近晶态液晶的排列形态，从而使光线在透射与散射之间进行切换，在宏观上表现为汽车天窗在全透明与雾状遮光之间切换。下面进行详述。
如图2所示，该混合层3为10微米，添加物占混合总重量的0.001％到10％。通过电路驱动控制装置5输出控制电压，在两个导电电极层4上施加100v、50Hz左右的交流电压(实际中，电压值控制在30v至200v即可，电压频率控制在50Hz至200Hz即可)，当电压作用时间不到1秒钟的时候，混合层3中的近晶态液晶分子31便发生扭转，形成图2所示的乱序排列形态。因为近晶态液晶分子31的各向相异性(即由于入射光线通过各液晶的长光轴不同，各液晶的光折射角度不同，因而各液晶的折射率不同)，使得入射各近晶态液晶分子31的光线的折射存在着很大的差异，即在该微薄厚度的混合层3内，光折射率产生着剧烈的变化，因而光线发生了强烈的散射，从宏观上看，此时的汽车天窗为一种散光效应，呈现雾状遮光状态，如磨砂毛玻璃一般。
如图3所示，该混合层3为2微米，添加物约占混合总重量的0.001％。通过电路驱动控制装置5输出控制电压，在两个导电电极层4上施加100v、1000Hz的交流电压(实际中，电压值控制在30v至200v即可，电压频率控制在1000Hz以上即可)，当电压作用时间不到1秒钟的时候，混合层3中的近晶态液晶分子31便变为规则排列形态，此时，近晶态液晶分子31的长光轴垂直于导电电极层平面，入射各近晶态液晶分子31的光线的折射不产生剧烈变化，光线可以自由透过混合层3，因此，从宏观上看，此时的汽车天窗呈现出全透明状态。
当给导电电极层4加载电压、天窗产生散射、全透明等光效应后，便可撤去电压。而这种光效应的保持是不需要电压来维持的，即撤去电压后，天窗仍然能够保持加载电压时产生的光效应，而作用的电压信号只是为了改变近晶态液晶分子31的排列形态。在本发明中，将这种不需要电驱动而维持光效应的状态称为“多稳态”或“准静态”。而这种“多稳态”是因为混合层3中的添加物采用了带导电特性的化合物，当电信号施加在两个导电电极层4上时，带导电特性的化合物中的离子根据电势差变化产生往复运动，这种运动可以改变液晶分子31的排列形态，而变化后的液晶分子31排列形态并不需要离子的持续运动来维持，是稳定的。这种近晶态液晶与添加物产生的“多稳态”效果与液晶聚合物技术产生的维持效果不同，液晶聚合物技术中添加了高分子聚合物的液晶是靠大量聚合物网络中的表面力、分子间力和摩擦力来维持的。
当然，通过合理控制施加在导电电极层4上的电压大小、频率或作用时间，可使近晶态液晶分子31的排列形态变为部分扭曲，以产生不同程度的散光效应，从而在宏观上，使汽车天窗在雾状遮光与全透明两个状态间产生具有不同灰度阶的多种渐进状态，如半透明状态等。
在实际应用中，添加物可随混合层3的厚度而适当添加，如当混合层厚度为30微米时，添加物可控制在约占混合总重量的0.001％。当然，这种厚度范围和添加物掺杂含量比例并没有很严的规定，只要将厚度控制在2微米到30微米之间，将添加物控制在约占混合总重量的0.001％到10％之间即可。
如图4至图5所示，在混合层3内还可混合有一定量的二色性染料，如淡黄色的偶氮基二色性染料。通过混合二色性染料，可使汽车天窗实现全透明与有色遮光之间的切换。在本发明中，二色性染料选用呈长分子状的二色性染料，该二色性染料与近晶态液晶的光轴结构类似。在沿长光轴的平行方向，该二色性染料分子33对光的吸收非常弱，而沿长光轴的垂直方向，该二色性染料分子33会极大程度地吸收一定波段的光线。
如图4所示，在两个导电电极层4上施加30v～200v、1000Hz以上的交流电压时，当作用时间不到1秒钟的时候，混合层3中的近晶态液晶分子31和二色性染料分子33均变为规则排列形态，此时，液晶分子31的长光轴和二色性染料分子33的长光轴均垂直于导电电极层平面，因此，入射各近晶态液晶分子31的光线的折射不产生剧烈变化，且由于二色性染料分子33的长光轴垂直于导电电极层平面，光线沿二色性染料分子33长光轴的平行方向入射，二色性染料分子33只吸收微小的光(该光吸收量取决于染料分子33相对于液晶分子31的规则排列度和溶解度)，故入射光线6经过混合层3后，只有少量光线被吸收，最终自由透过混合层3(如图4中的光线7)，因此，从宏观上看，此时的汽车天窗呈现出全透明状态。
如图5所示，在两个导电电极层4上施加30v～200v、50Hz～200Hz的交流电压时，当作用时间不到1秒钟的时候，混合层3中的近晶态液晶分子31变为扭转的乱序排列形态，而由于二色性染料分子33与近晶态液晶分子31间距很小，故当近晶态液晶分子31扭转时，二色性染料分子33也随之变得杂乱无章，甚至大量染料分子33的长光轴平行于导电电极层平面。当光线6射入混合层3时，由于各近晶态液晶分子31的光线的折射差异，光线发生强烈的散射。在近晶态液晶分子31产生的散射下，大量光线沿染料分子33长光轴的垂直方向射入染料分子33，因而一定波段的光线被染料分子33极大地吸收，散射出的光线7呈现出染料分子的颜色(呈现的颜色随二色性染料结构的不同而不同)，这样，从宏观上看，此时的汽车天窗呈现出某种颜色，保持在雾状模糊的有色遮光状态。实际应用中，可将不同颜色的染料与近晶态液晶混合，从而使天窗显现出不同颜色，甚至可通过使染料分子33均匀吸收可见光光谱而形成黑灰色。
上述近晶态液晶分子31呈长分子状，该长分子状的近晶态液晶分子31具有很强的双折射率。在实际应用中，可以调整近晶态液晶分子31的分子链，降低近晶态液晶分子31的双折射率，这样，在平行于近晶态液晶分子31长光轴方向和垂直于近晶态液晶分子31长光轴方向上，光线通过的折射率十分接近，由此扭曲状态时的液晶分子31的散射效应会随之减弱，加入了染料的混合层3不会出现强散光现象，而是染料分子33大量吸收一定波长范围的光线，像带有颜色的过滤片一样，天窗不会出现雾状模糊的感觉，而是呈现出不模糊的有色遮光状态。当然，上述混入染料的混合层3同样是通过添加物来实现“多稳态”特性的。
实际实施中，根据天窗上显示图案或文字的需要，导电电极层4可分割成若干单元。如图6所示，导电电极层4被条状分割排列成横竖阵列状，并且通过控制竖阵列电极8和横阵列电极9上的电信号来控制横竖电极交叉位置上的像素点10，从而显示出各种花纹、图案，甚至文字。例如，通过施加低频电压，先令整个混合层3呈现雾状遮光或有色遮光状态，然后，通过高频电压信号驱动一行竖阵列电极8时，相应驱动一行横阵列电极9(驱动横阵列电极9的电压一般为驱动竖阵列电极8的两倍)，其余行的横阵列电极的驱动信号为0，使被驱动的横竖阵列电极交叉位置上的像素点10呈现透明状，完成像素点的明暗控制，就这样，逐行驱动每个竖阵列电极8，并相应驱动横阵列电极9，以使天窗上形成花纹、图案或文字。
根据电极层分割的疏密，像素点可大可小。如果每个像素点较小，那么该天窗便可当显示屏使用，用于显示丰富的图案文字信息。这时，可在天窗一侧贴附一反射板，如各种颜色的纸张、塑料、纤维制品、木制品或金属制品等，这样可以有效地提高显示内容的对比度。
另外，在实际使用本发明汽车天窗时，可在玻璃本体1的外表面和基体层2的外表面上贴一层保护膜，以防止意外碰撞产生的玻璃碎片伤人。本发明中的电信号控制可通过电线直连、遥控或光线自感应方式来实现，电路驱动控制装置5可用天窗驱动机构中的供电部分代替。
本发明的优点是：
1、由于通过控制施加在导电电极层上的电信号，近晶态液晶分子可呈现出不同的排列形态，因而汽车天窗可在雾状遮光与全透明状态间切换，甚至在不同灰度阶的多种渐进状态间切换，使得驾驶者和乘坐者可以根据自己的需要，来随时调整车内光线，直到舒适为止。
2、由于添加物的导电特性，使得撤去电信号后，天窗仍能保持加载电压时产生的光效应，具有很好的“多稳态”特性。且由于该天窗具有“多稳态”特性，而且天窗所需的工作电流小，只有在改变近晶态液晶分子排列形态的瞬间时才需要加电，非常省电。而且由于该“多稳态”特性，天窗几乎没有电磁辐射，对驾驶者和乘坐者无任何危害，健康环保。
3、雾状遮光与全透明状态间的切换时间很短，一般为几个到几十个毫秒，若在不同灰度阶的多种渐进状态间切换，则切换速度更快。
4、若天窗中含有二色性染料，则天窗可呈现出不同颜色。且若将电极层细分分割为若干单元，则可通过电信号的控制而在天窗上呈现出各种的花纹、图案或文字，以提升车体内饰的美观性。
Claims (10)
1、一种电控调光汽车天窗，它包括玻璃窗，其特征在于：该玻璃窗包括玻璃本体和基体层，在该玻璃本体与基体层之间设有一混合层，该混合层由近晶态液晶和添加物混合而成，在该玻璃本体朝向混合层的一侧和该基体层朝向混合层的一侧均设有导电电极层，该导电电极层与电路驱动控制装置连接。
2、根据权利要求1所述的电控调光汽车天窗，其特征在于：所述基体层为玻璃或塑料。
3、根据权利要求1所述的电控调光汽车天窗，其特征在于：所述混合层的厚度为2微米～30微米，所述混合层的组成为：所述近晶态液晶占混合总重量的90％～99.999％，所述添加物占混合总重量的0.001％～10％。
4、根据权利要求1或3所述的电控调光汽车天窗，其特征在于：所述近晶态液晶为A类近晶态液晶有机化合物。
5、根据权利要求4所述的电控调光汽车天窗，其特征在于：所述近晶态液晶为带硅基的化合物、四氰基四辛基联苯或四乙酸癸酯四氰基联苯中的任一种。
6、根据权利要求1或3所述的电控调光汽车天窗，其特征在于：所述添加物为带导电特性的化合物。
7、根据权利要求6所述的电控调光汽车天窗，其特征在于：所述添加物为十六烷基三乙基溴化铵。
8、根据权利要求1所述的电控调光汽车天窗，其特征在于：所述混合层还混合有二色性染料。
9、根据权利要求1所述的电控调光汽车天窗，其特征在于：所述导电电极层为透明电极，所述电极层按显示图案或文字的需要而分割成若干单元。
10、根据权利要求1所述的电控调光汽车天窗，其特征在于：所述玻璃本体和基体层的外表面贴有一层保护膜，以防止意外碰撞产生的玻璃碎片伤人。
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