CN1147305A - 光盒控制系统 - Google Patents

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让-弗郎索瓦·托马斯
皮埃尔·维琴
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Abstract

提供一个用于光盒(光闸)的控制系统，其包含有一个低电压电源供电并包括一个电感线圈的初级线圈的初级(振荡器)电路及包括光盒和电感线圈的次级线圈的次级(谐振)电路。次级电路包括次级线圈的电感和光盒，并且电感线圈提供了初级和次级线圈间的一个弱耦合。谐振电路提供了一个大的过压系数和大的稳定性，并且本发明的配置使控制系统体积大大减小成为可能。

Description

光盒控制系统
本发明涉及用于光盒(也叫光闸)的控制系统。
光盒可通过将一层敏感材料夹在两个平行的通常为透明材料的硬片间构成，每个硬片有一个面向敏感材料的导电表面层。敏感材料的成分举例可包括悬浮粒子、液晶和一层电致变色材料。
通过是否在相对着的硬片上提供电压可使成分的状态在光的通过和光的吸收、发散或反射间转换。
光盒，  包括含有根据本发明的控制系统的光盒，可用于汽车或建筑物上的反射镜或抛光板以提供各种光发送。例如可用作一个在透光和不透光之间可调的抛光板用来限制日光的传输或隐藏汽车或房屋的内部提供秘密空间。这可用于汽车的遮阳板或顶板或飞机的舷窗。
本发明的控制系统尤其适用于一个汽车的后视镜的光盒，将在这里主要参考该应用详述。
在后镜中使用光盒是已有的，如法国专利FR2366958(BrisardGerard)提供的后视镜设备，其中反射率是作为眩光度的函数而变化。传统的汽车后视镜有反光的特征，通常称为“棱”镜，有一个“日”位置和一个“夜”位置，反射镜的位置由汽车驾驶员手动在日位置和夜位置之间调节。在日位置要求从后视镜来的光反射强度高，通常大于50％。在夜位置反射被限制在12％或更少，通常大约4％，这是为避免司机被如跟在其后的汽车前灯的光线耀眼。
光盒给后视镜提供了自动根据入射光情况调整的可能，从日到夜的位置调节，反之亦然，并在此限定内的中间位置调整，这样可以更方便并安全。光盒放在反射镜反射面附近并与之平行，并在反射面和汽车司机的视线上。这样光盒提供一个从反射镜到司机的可变的光线反射度。在一个推荐的设置中反射层由导电层中的一层同时也是反射材料的导电层提供的。
光在光盒中传送或反射度是由控制系统调整的，它由外部条件激活。控制系统应放在光盒旁以便形成一个组合单元。然而传统的控制系统体积大，很难小型化其中的任何单元。
本发明的一个目的是提供一个可便利地安置在光盒附近的光盒控制系统。
根据本发明提供了一个用于光盒的控制系统，该系统包括由一个低电压电源供电并包括一个振荡器和一个感应线圈的初级线圈的初级电路，进还进一步包括一个包括光盒和一个上面提到的感应线圈的次级线圈的次级电路，其特征是次级电路是一个谐振电路，其包括次级线圈的电感和一个光盒，并且电感线圈提供了初级和次级线圈间的弱耦合。
这样本发明的控制系统用电感线圈的次级线圈的电感作为谐振(振荡)电路的电感。本发明使该设置将控制系统的体积减小成为可能。
根据本发明的系统的一个特殊优点是限制了次级电路的高电压，这样使系统减少了耐高压元件的数量。由于高电压可能产生安全和电磁干扰的问题，限制次级电路的高电压有利于减少高压元件占用的空间并减少用于封闭它们的保护盒的数量。
已有了一些不同类型的光盒。它们包括电铬光盒或液晶光盒或电镀光盒。电镀光盒中通过透明液体的电流的通道包含一种金属盐，由产生的金属离子向玻璃表面移动，并形成金属层吸收光线。电极这时表面覆盖的是SnO2。液晶光盒、电镀光盒和电铬光盒通常在空闲时是透明的，但在某些情况下，如发生过压或在激励延时状态，从激励状态返回到清澈的状态可能用一些时间，甚至几小时，这样光盒的转换速度会相对慢的。
本发明使用的控制系统的推荐光盒包含分散的细小颗粒的悬浮液，能通过电场定向以改变光在悬浮液中的发送，如所述的例子为美国专利US3655267(Frontiers研究所)。这些光盒从清澈状态到浑浊状态的转换很快。它们也提供了一个宽的光亮度。碘硫酸奎宁的液态悬浮液最好在如异戊基醋酸盐液中，尽管别的类型的颗粒也可以，如石墨、云母、紫酱红、铝和生物碱硫酸盐的高碘化物。
通常形成光盒的透明材料硬片在整个相对着的区域内彼此相距均匀，基本上约为50um。如果该距离未保持在误差内，如大约5到10um，光盒的透明度不均匀则可能产生在相对面的两个相邻点的电场短路。均匀距离要求在硬片被形成的材料上加某种限定。这样尽管塑料材料如聚乙烯对酞酸盐可被考虑，但可能产生维持整个光盒表面的塑料材料片间的恒定间隔的困难。因此通常使用玻璃片。
光盒中的彼此面对的硬片的表面都附有导电材料。推荐的附着材料是铟锡氧化物(ITO)，它既是导电的又是透明的。光盒会成为其一部分的后视镜的镜面通常由对着电附着面的一个光盒片的反射层提供。硬片上所有的这种的反射附着材料通常是银、铬或铝。
当光盒组成汽车后视镜的一部分，反射镜表面和光盒都固定在汽车上的一个外壳内，例如在汽车的挡风窗或门上。控制光盒调整的电路放在外壳之内或其上。电连接器也在外壳内或其上提供，以连接光盒和汽车的电系统。
根据本发明的控制系统中光盒最好直接同次级线圈相连并且感应线圈提供次级(谐振)电路的几乎所有电感。这一并联的谐振电路比串联电路能提供大的过压系数和大的稳定性。事实上电感线圈提供几乎所有的谐振电路的电感保证了控制系统体积小。
这里使用了“弱耦合”，参考初级和次级线圈间的磁耦合，表示一个类似于变压器的耦合，但不同在于电感泄漏被有意增加。该耦合系数K可由公式求得： K = M Lp . Ls
其中Lp是初级线圈的电感，Ls是次级线圈的电感，M是互感。由于本发明的目的最好线圈的耦合系数小于0.7，更好小于0.5。
在能满足转换给次级电路初始和维持谐振的必须能量的前提下，耦合应弱以便减小初级电路对次级电路阻抗的影响。这样能量由线圈的偏置引入，同时避免了对次级电路的特性的干扰。
根据本发明的线圈不作为一个通常要求耦合尽可能强的真实的变压器，而是一个弱的变压器。本发明的“弱耦合”线圈不是为了作为变压器尽可能少损失地转换能量。
电感线圈的磁芯最好在其形成的磁路中能提供一个磁通量的磁阻。通常通过在通过磁芯的磁力线中加入一个缝隙容易实现。该缝隙由非磁性材料形成如空气或更通常使用树脂或塑料。磁芯中缝隙的尺寸最好至少为0.1mm，最好至少0.2mm。
次级电路提供反射能量以激活光盒。系统的工作频率由次级电路自身确定，其中系统的脉冲是连续并自动地调整到次级电路的谐振频率。最好通过这样构成电路：次级(谐振)电路是作为一个单元，直接作用在振荡电路并且这样它自己确定工作频率。
当光盒是电可定向的颗粒的悬浮液时典型频率为8到25kHz，通常在16到25kHz范围内。使用这样的交变电流避免了悬浮颗粒在相邻很近的硬片间移动，这种移动会影响光盒要求的均匀的浑浊或清澈。该频率应避开音频。
在一个频率由初级电路中的振荡器确定但不是自激电路的系统中，频率必须被初始调整到由每个光盒的光盒电路的启动决定的谐振频率。
本发明的控制系统提供了只用少量能量支持要求的谐振的优点。根据本发明的系统还有一个优点是如果光盒破了，电流仍能保持，但在电路中只有很低的电压。
线圈包含通常的芯，典型的是软铁。芯的尺寸最好适合放入包括光盒的后视镜的外壳，对司机来说芯被放在镜后。
线圈的初级和次级线圈最好彼此不重叠。这样初级线圈最好绕在芯的一段形成，次级线圈绕在芯的另一段。非重叠结构也提供了线圈间的弱耦合并且还对使系统足够小以适合反射镜外壳有益。
初级线圈最好绕磁芯少于100匝，较好是10到80匝，最好是40到80匝。次级线圈典型包含140到300匝。线圈(转换)比典型为3到4∶1。得到光盒需要的电压的主要因素不是线圈的比而是次级电路的过压。所述的过压是构成次级电路的电容、电感和电阻的函数。在次级电路中使用过压获得光盒上需要的电压是本发明的一个特别优点。
次级电路的波形基本是正弦的，即使由振荡器产生的脉冲波形不是。将振荡器产生的非正弦波(例如方波)在次级电路中转换成正弦波是通过电感线圈中弱磁耦合实现的。光盒中使用的电压可通过改变振荡器的脉冲大小调节发射的能量的方法调整，如改变其持续时间或另一方面可通过调整影响初级电路中的电压峰值控制。
系统最好包括一个或更多从次级电路到初级电路的反馈线。这可提供调整振荡器以响应光盒的电参数的优点。
这样的反馈线可用于调整次级电路的电压以保证在所有时刻光盒需要的电压达到能使光盒变暗。另一方面反馈线也能调整影响初级电路中的振荡器频率的频率以保证任何时刻次级电路工作在其谐振频率。
可以产生一个电抗环路，检查是否次级电路的工作频率确实是次级电路的谐振频率并发送任何需要的正确信号给初级电路的振荡器以调整频率获得次级电路的谐振。
如果工作频率与次级电路的谐振频率不同，过压是低的并且激活能量消耗增加。为获得好的工作首先应保证工作频率等于谐振频率，尽管对工作频率和谐振频率间的差的控制在某种程度也可通过控制过压系数来控制用于光盒的电压来实现。
本发明的一个实施例中次级电路包括至少一个同光盒并联的电容。通常最好使用两个或更多这样的电容彼此串联。使用串联电容有减少每个电容上电压的优点。
本发明的控制系统可应用于一系列不同的光盒。控制系统调整供给光盒的交流电源供给。对于带有悬浮的可定向颗粒的光盒需要大约125V电压，该电压作用于光盒的导电表面以产生电场使得颗粒定向为光线通过方式。为改变光在光盒中的反射和传送，改变作用于光盒的电压即可。也可以改变频率，但这是低效的。光度的改变主要依赖于施加的电压，直到饱和为止。当没有电场时，颗粒作布朗运动并限制了光在光盒中通过。在弱电场时，颗粒按电场排列但在其中心位置振荡，这样使一些光线被吸收。对电场必须达到一定的门限，例如大约100V，使得颗粒基本上在电场中完全排列好以最少吸收光线。
控制系统最好由至少一个光敏性设备调整，它检查在光盒上的入射光线。最好至少使用两个这样的光检查设备，  第一个用于监视从汽车后面来的潜在的耀眼的光线，第二个用于监视周围的光度，如从挡风玻璃来的光，汽车顶反射的光或汽车透明顶部漫反射的光。
控制基于这样的原理，被光敏设备检测的与光度成比例的信号或基于由两个这样的设备检测的光度差的信号，被用于影响初级电路的振荡器以便调整通过端钮加给光盒的电压，这样也调整了光盒浑浊度。
这里除了一个内部后视镜，还提供一个或更多外部后视镜，外部后视镜的系统的发送和/或反射特性可由与内部后视镜系统相同的电路控制，以提供相似的发送和/或反射特性的调节。然而，由于本发明的控制系统的小型化和低能耗，在每个反射镜中包括一个独立的控制系统是可能的。在这样的独立系统中每个反射镜可根据照在其上的特殊的光条件调整。
本发明在下面用非限定的例子进一步描述，参考附图，其中：
图1是根据本发明并打算用于汽车的一种控制系统的电路框图；
图2是用于系统的电感线圈的截面视图；
图3是图2的电感线圈的另一截面视图，该截面是沿图2的A-A′线。
图示的控制系统包括一个初级电路1，其包含一个12伏的直流电池3，一个振荡器4和一个有磁芯10的电感线圈的初级线圈11。系统还包括一个次级电路2，其包含电感线圈的次级线圈12，一个光盒14和一个同光盒14并联的电容16。电感线圈在图1中给出并在图2和3中详细画出。
电池3提供低压给振荡器4，是整个电路的电源。除了电池3还有为给电路的特定部分加正和负的参考电压的元件的储备设备。这些元件的第一个是一个直流到直流的转换器3，在从电池3到振荡器4的连线上。
振荡器4有一个相连的可调设备5，这里只是一个电位器，用于调整振荡器4的频率。在一个替代设备中可调设备5可由一个频率反馈设备5’替代(如图1虚线)，它检测次级电路的频率并将振荡器4调整到这一频率。该替代的好处是振荡器频率总能自动调整到次级电路的频率。
光盒14的类型是含有细小的能在电场中定向的固体颗粒的悬浮液的类型。电容器16最好是4个电容器串联组成的。
该系统还包括一个控制电路，由数字30表示，它包括两个光电的光检测设备32和33同一个检测控制单元34相联。一个参考电压加在单元34。检测器信号线35从单元34引到信号比较单元40。电路30还包括一个带有反馈电路39的运算放大器36。光盒工作检测器线37从次级电路2引到比较单元40，从这里信号线38引到放大器36。
在图示的系统中同样给比较单元40提供了一个调节设备41(这里是一个电位器)以设定门限电压。设备41不是一个必须的部分，用于限制电压达到足够反射镜正常工作的大小而不给光盒加不必要的高压。
本例中的感应线圈的结构在图2和图3中详细给出截面图。磁芯10是由两个面对的E形铁和中间的一个塑料垫片13组成。垫片13提供磁芯10的磁路的磁通阻抗。次级线圈12被绕在由E形铁的相对的中间条形成的中心臂上，而初级线圈11被绕在铁的一端相对的条上。
控制系统整个装在一个外壳里(未画出)并可通过汽车导线束同12伏电池3相连。
使用中，光检测器32用于检测外界光情况，如捕捉从汽车前方和/或由顶部反射的光，光检测器33用于检测从汽车尾部收到的光。检测器控制单元34包括一个差量检测器，它比较从光检测器32和33来的信号并反馈给线35一个大小与后部接收的光(33)超过周围光(32)的强度成比例的信号。射在检测器的任何耀眼的光线发送一个相应的信号给差量检测器。线37传送正比于次级电路2的电压的信号。该信号通过线35由控制单元34发出在比较单元40中同从线37来的指示次级电压的信号相比较，比较器40接下来通过线38发送一个控制信号给运算放大器36。该控制信号要考虑到耀眼光的光度和光盒实际加的电压。相似的可包括一个进一步的反馈设备提供一个次级控制环路将光盒14建立的频率反馈给振荡器4(如虚线中的反馈设备5’)。
从线38来的信号由放大器36放大，激励振荡器4以在初级电路1中产生一个低交流电压脉冲波(尽管一个正弦波或一个方波可能是不定的)。该波接下来通过线圈在次级电路2中感生光盒14使用的高电压。光盒14的电压还在次级电路中由谐振增加，典型的大约为交流120伏，这样使用于光盒14的电压可部分或全部使悬浮颗粒排列好。全部排列提供了光盒14中的最大光传输而光盒形成了其一部分的后视镜的反射最大。
如果周围光检测器32发现良好的日光或高亮度的人工光源，并且后面检测器33发现相似情况，则各自光电信号之间的差很小，并且单元34通过线35和38和放大器36发送一个信号激活振荡器4，并在次级电路2产生一个光盒激励电压。比较单元40通过线37被通知实际在次级电路中产生的电压并调整通过线38发送的命令信号以便获得光盒14的最大电压。
振荡器4将12伏电池电压转换成交流电压并且在次级电路2中达到120伏的交流电压。振荡器4的交流频率通过振荡器4上的设备5来的外部作用被调整到次级电路2的谐振频率，通常大约为20kHz。该调节可容易地通过测量次级电路的作用电流完成。当频率改变时电流遵循通过一个最小值点的曲线。谐振频率在电流最小时得到。次级电路2中的120伏最大电压产生光盒14中悬浮颗粒的完全排列。
作为替代的频率反馈设备5’提供一个振荡器4的频率控制。
如果周围光检测器32发现暗的或夜间情况并且后面检测器33发现相同情况，则各自光电信号间的差值又很小。单元34又通过线35和38发送一个信号，并且如上面所述，又达到光盒清澈和反射镜反射的最大。
然而如果周围光检测器32发现暗的或夜间情况而后面检测器33发现耀眼的强光车头灯，则各自光电信号之差是很大的并且单元34发送一个相应信号给放大器36。这时电感线圈11/12中不产生电压，光盒14中也没有电压。电路2中无电压时光盒颗粒随机排列，使光盒不透明并使反射镜的反射率减到最低。
如果从周围光检测器32和后部检测器33来的信号之差在上述的极限之间，例如在相池暗情况和一个通过后窗的中等耀眼的光，单元34通过放大器36发送一个信号给振荡器4，这给了振荡器4一些激励，但电路1产生的脉冲的宽度相当窄，这样次级电路2中的电压相应减少。在这种情况下次级电路电压只是使光盒14中的悬浮颗粒部分排列，在整个光盒14中产生浑浊的中间程度和反射镜反射的中间程度。
如果设想周围光检测器32被提供延时部件(图中未画)这样就不会由于一个超过的车的光线暂时生成的周围强光到达检测器32而使光盒14过早返回清澈状态。
在一个根据本发明的控制系统的典型例子中光盒14有一个11nF的电容和电容器16，由四个22nF的电容器串联，这样其电容为5.5nF。每个E形铁为25mm(高)×13mm(宽)×8mm(深)，并且用的材料为3C8。在磁芯的一段的初级电路(1)中电感线圈为66匝，在磁芯的另一段的次级电路(2)中为240匝，磁路中有2.5mm的间隙。初级线圈11的电感Lp为0.318mH，次级线圈12的电感Ls为6.31mH，互感M为0.6mH。电感线圈的耦合系数K由上面公式算出为0.423。
在上面方案的一种变形中，次级电路可为自激电路。在该替代中次级(谐振)电路将工作频率加在振荡器上。

Claims (27)

1.一个用于光盒的控制系统，其包含有一个低电压电源供电并包括一个振荡器和一个电感线圈的初级线圈的初级电路，还包括一个包括光盒和上面所述的电感线圈的次级线圈的次级电路，其特征在于，次级电路是一个谐振电路，  包括次级线圈的电感和光盒，并且电感线圈提供了初级和次级线圈间的一个弱耦合。
2.如权利要求1所述的控制系统，其中光盒直接同次级线圈相连并且电感线圈提供了谐振电路的几乎所有电感。
3.如权利要求1或权利要求2中任一所述的控制系统，其中电感线圈包含一个磁芯，在其形成的磁路上提供磁通的磁阻。
4.如权利要求3所述的控制系统，其中的磁芯在磁通线的路径上包括一个缝隙。
5.如权利要求4所述的控制系统，其中磁芯的缝隙至少0.1mm。
6.如权利要求5所述的控制系统，其中磁芯的缝隙至少0.2mm。
7.如任一前面的权利要求所述的控制系统，其中电感线圈的初级和次级线圈彼此不重叠。
8.如权利要求7所述的控制系统，其中初级线圈绕在磁芯的一部分，次级线圈绕在磁芯的另一部分。
9.如任一前面的权利要求所述的控制系统，其中初级线圈少于100匝。
10.如权利要求9所述的控制系统，其中初级线圈为10到80匝。
11.如权利要求10所述的控制系统，其中初级线圈为40到80匝。
12.如任一前面的权利要求所述的控制系统，其中次级线圈为140到300匝。
13.如任一前面的权利要求所述的控制系统，其中电感线圈的耦合系数小于0.7。
14.如权利要求13所述的控制系统，其中电感线圈的耦合系数小于0.5。
15.如任一前面的权利要求所述的控制系统，其中光盒上的电压通过调整供给初级线圈的脉冲能量调整。
16.如任一前面的权利要求所述的控制系统，其包括至少一条从次级电路到初级电路的反馈线。
17.如权利要求16所述的控制系统，其中的一条反馈线调整次级电路的电压以保证任何时候光盒需要的电压到达光盒变暗需要的电压。
18.如权利要求16或17所述的控制系统，其中一条反馈线调整作用于初级电路的振荡器的频率以保证在任何时候次级电路的工作频率在谐振频率上。
19.如前面任一权利要求所述的控制系统，其中次级电路包括至少同光盒并联的一个电容器。
20.如权利要求19所述的控制系统，其中次级电路包括同光盒并联的两个或更多的彼此串联的电容。
21.如前面任一权利要求所述的控制系统，其中次级电路的谐振建立了初级电路的振荡，因此决定了系统的工作频率。
22.如前面任一权利要求所述的控制系统，由至少一个检测光盒上入射光线的光敏设备调整。
23.如权利要求22所述的控制系统，其包括两个光敏设备，一个用于监控从汽车尾部来的潜在的耀眼光线，另一个监控周围的光度。
24.如前面任一权利要求所述的控制系统，其中光盒的类型是包括分散的微小颗粒的悬浮液，能由电场定向以改变光线在悬浮液中的传送。
25.如前面任一权利要求所述的控制系统，其中光盒是汽车的后视镜的一部分。
26.如权利要求25所述的控制系统，其固定在汽车后视镜的外壳内。
27.如权利要求25所述的控制系统，其中电感线圈包含一个尺寸适合放入后视镜的外壳的磁芯。
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