CN1754102A

CN1754102A - 液晶电压指示器

Info

Publication number: CN1754102A
Application number: CN 200480004926
Authority: CN
Inventors: J·奇热夫斯基
Original assignee: ABB Azipod Oy
Current assignee: ABB Azipod Oy; ABB Sp zoo
Priority date: 2003-02-24
Filing date: 2004-02-02
Publication date: 2006-03-29
Anticipated expiration: 2024-02-02
Also published as: CN100356180C; PL200350B1; PL358856A1

Abstract

本发明的对象是一种在电导体和元件中的电压存在的液晶指示器。该器件用于指示尤其是在中和高电压系统中的AC电压存在。根据本发明的指示器包括其上淀积导电层(2)的两个衬底层(1)和(5)，作为指示器的外部电输出的端子(6)连接到层(2)。含有液晶的结构位于这些层之间。在本发明的第二实施例中，指示器包括具有淀积在其表面上的导电部分(20a、20b、20c、40d、40e)的两个衬底层(10)和(50)，并且在其间设置中间液晶层(30)。淀积在一个衬底层上的每个部分的片段与淀积在另一个衬底层上的部分的至少一片段重叠，并且来自两个衬底层的导电部分的重叠段与一部分中间液晶层一起形成指示器(70ad、70db、70be、70ec)的液晶元件，它们串联电连接。在平行于衬底层的剖面平面中，液晶元件一起形成标记的图像，在电压存在时显示这个标记图像。位于标记图像轮廓外部的衬底层(10)的表面上的导电部分(20a)的整个区域是该液晶指示器的电流收集电极，并且液晶元件以一个液晶元件(70ad)在衬底层(10)或(50)之一的平面上的投影具有界定显示标记图像的外部轮廓的条纹形式的方式进行成形，并且其它液晶元件(70db、70bd、70ec)的投影位于由该条纹界定的图像标记的区域内部。

Description

液晶电压指示器

本发明的主题是指示在电导体和设备中存在电压的液晶器件。具有液晶显示器形式的该器件用于指示尤其是在中和高电压系统中的电压存在。

使用液晶显示器来检测和指示电压存在可从几种方案中知道。通过举例，美国专利说明书US4112361披露了一种液晶伏特计，其中向列液晶位于一对半透明电极之间，而所述半透明电极设置在偏振衬底板的表面上。一个电极是薄电阻层，另一个电极是导电层。直流(dc)电压源连接到电阻电极的两端，导电电极连接到地。在偏振衬底板之一的表面上设置适当的刻度，表示在具有电阻膜的电极和地之间产生的测量电压的值。

检测在带电表面上产生的电压的无接触静电电压传感器可从另一美国专利说明书US4786858中可知。该传感器包括具有两个电极的液晶单元，其中一个电极通过具有机械控制隔膜的电容器与带电表面电耦合，其中带电表面的电压是将要测量的，另一电极接地。隔膜连接到参考电压源。此外，充电电压直接连接到液晶单元的第一电极上，以便给液晶单元充电到预定电压。

本器件不能用于检测和/或指示中和高电压系统中的交流(AC)电压的存在。特别是，美国专利US4112361中所述的器件主要可适用于不高于使用的液晶单元的阈值电压的DC电压的测量。只有在输送与测量电压相位兼容的参考AC电压时，才可以利用上述器件来测量AC电压。在中和高电压系统的情况下必须输送这种参考电压将存在严重的困难。

另一方面，美国专利US4786858中所述的器件发现了在测量由积累在电子照相器件的光敏元件上的静电电荷产生的DC电压中的应用，因此不能用于测量AC电压。而且，在中和高电压设备中，静电电荷以不受控制方式积累在导体的表面上，并且通过这种器件进行的测量是无效的。

各种类型的液晶单元和显示器表示对AC电压和电场的直接灵敏度。当超过给定阈值的AC电压施加于液晶单元的电极时，在单元内部产生改变其光学性能的强度的静电场。这种电压的施加也连接到通过强度电流的单元的流动，这取决于施加的电压值和单元的电阻和电容性特性。在液晶显示器中，电极的合适形状可以给局部化单元部分施加电压和获得可见对比度。

对于TN类型(扭曲向列)的典型液晶单元，获得最大光学效果所需的AC电压阈值在大约50Hz的频率下大约为2V RMS(RMS-平方根)。在这个阈值电压下，大约1.5μA/cm²RMS的每单位表面面积的电流流过该单元。对于PDLC(聚合物-分散液晶)类型的典型单元，对应阈值电流的强度在50Hz下大约为15μA/cm²RMS每单位表面面积。

对于液晶单元和显示器的AC电压的阈值的存在可以将它们用于无接触检测AC电压。特别是，在连接到AC电压的每个导体附近，有AC电场，这也产生流过导体表面的电流。这种电容性电流在平行于电场的方向上流动，并且每单位表面面积S测量的垂直于电容性电流的方向的这个电流I的RMS强度如下：

I/S＝2πvε₀εE，其中v是频率，ε₀是真空介电常数，ε是材料的介电常数，E是电场强度的RMS值。

这种电容性电流通过使用其直接给液晶单元或显示器赋能而可以用于指示作为其源的电压的存在，并且该单元或显示器的光学性能的变化表示超过特定阈值的电压存在。

为了使用与出现在活性导体周围的电场相关的电容性电流给指示器赋能，通常使用设置在垂直于电场方向的平面内的平面导电元件形式的电流收集电极。电流收集电极的表面面积必须足以给在指示电压时激励的液晶元件赋能和保证指示器的足够的灵敏度。

平行于电场方向设置的电流收集电极也可以激励指示器。但是，电极的这种设置使电场产生局部相当大的增加并会产生放电，这对电功率设备有不良影响。

检测活性线的显示器可从日本专利申请No.61-003069中可知。这种器件趋于通过使用液晶显示器的阈值电压来检测活性导体附近的电场。已知的两电极液晶显示器(LCD)设有两个附加电极，一个电极固定在显示器的前侧，另一电极固定在其后侧，其中后侧理解为位于将要测试在其附近是否存在电场的物体表面上的一侧。显示器的两个电极与附加电极按照下述方式电连接，使得每个附加电极与LCD的不同电极连接。由于附加电极，由被测量物体的电场产生的显示器的液晶元件的两个电极之间的电位差超过显示器阈值。当被测物体是活性(Live)时，则显示器表示存在电压，这可以在显示窗口中看到。在本方案中，通过将附加外部收集电极连接到这个显示器上而获得了足以检测电压存在的器件灵敏度。

用于指示电压存在的另一显示器从公布的日本说明书No.63044173中可知。与在JP61-003069的说明书中所述的器件相同，该器件包括液晶显示器和两个附加电流收集电极，其中一个电极流电地连接到显示器的一个标记电极上，而另一电极是透明的并直接位于显示器的表面上，由此电容性地与显示器的另一公共电极耦合。在这个方案中，通过提供附加电流收集电极的相对于显示器的标记电极的表面面积的相当大的表面面积，实现了器件的足够的灵敏度。

都是由Raychem公司申请的USA专利说明书No.4818072和No.4838653建议了一种用于检测电缆或设备中的电压和/或用于检测在电器件或设备附近产生的电场的器件。该器件具有液晶显示器的形式，它是液晶单元，其电极成形为彼此分开的平面部分。这些电极设置在彼此平行的两个衬底层上，并且它们设置成使得位于衬底层上的每个部分的片段与位于另一衬底层上的部分的至少一个片段重叠。来自两个衬底层的重叠部分片段形成显示器的液晶元件，它们彼此串联电连接。非激励状态下的第一液晶元件具有低于这个单元的每个其它液晶元件的电容的电容，并且与第一液晶元件串联连接的第二液晶元件具有与第一元件基本相同的尺寸，并且在非激励状态下的其电容低于激励状态下的第一液晶元件的电容。在这个方案中，串联连接液晶元件使得可以利用比在日本说明书No.61-003069和63-044173中所述的方案更低的电流来激活显示器的给定表面面积。尽管这样，由于导电部分的小表面面积，器件对电场的灵敏度很小，尤其是在显示器位于垂直于电场方向的平面内时。当显示器设置在平行于电场方向的平面内时，指示器的灵敏度增加，但是这种设置不推荐用于电功率设备，因为有产生放电的可能性。

从公布的日本说明书No.10260212中可知一种电场光电传感器。它包括位于电容性串联连接的重叠电极之间的液晶。它还包括电连接到电极上的双极天线。在这个方案中，通过将足够大尺寸的附加双极天线连接到LCD可实现器件的足够的灵敏度。

所有这些已有方案在它们应用于电功率设备时所具有的缺点是：获得器件的足够的灵敏度需要固定到远大于显示器本身的LCD附加外部元件上，或者相对于在指示电压或电场期间在显示器中激励的表面的尺寸而大大增加显示器的尺寸，或者将显示器设置在平行于电场方向的平面内，这可能是造成放电的原因。

根据本发明的第一变形的无源液晶电压指示器包括：具有淀积在其表面上的第一导电层的第一衬底层；平行于第一层、具有淀积在其表面上的第二导电层并面向第一导电层的第二衬底层；至少一个导电层是透明的，并且包括位于衬底层之间的中间层，该中间层是包括液晶的结构并在AC电场中改变其光学性能，并且每个导电层分成彼此不接触的至少两个部分，其特征在于：淀积在第二衬底层上的第二导电层的部分成形为使得一个部分大于这个层的其他每个小部分，而淀积在第一衬底层上的第一导电层的部分与第二导电层的小部分相同地成形。两个导电层的各部分的结构使得第一导电层的一个端部分与第二导电层的一个较小部分的表面的片段相对，其中所述一个端部分设有作为指示器的外部电端子的端子，并且第一导电层的另一部分，不包括第一导电层的第二端部分，按顺序排列，每一个与该第二导电层的两个相邻较小部分的表面的片段相对。第一导电层的第二端部分设置成与第二导电层的较小部分的表面的片段相对，并与这个层的较大部分的表面的片段相对。

根据本发明第二变形的液晶电压指示器包括：具有淀积在其表面上、彼此电隔离的导电部分的第一衬底层；平行于第一层的、具有淀积在其表面上的彼此电隔离的导电部分的第二衬底层；衬底层和淀积在其上的部分中的至少一个至少部分地是透明的，并包括位于具有导电部分的衬底层之间的中间液晶层，各个衬底层上的导电部分的结构使得淀积在一个衬底层上的每个部分的片段与淀积在第二衬底层上的部分的至少一个片段重叠，并且来自衬底层的导电部分的重叠片段与一部分中间液晶层一起形成指示器的液晶元件，这些液晶元件按照如下方式串联电连接，其中一个液晶元件通过公共导电部分与下一个元件电连接，并且在平行于衬底层的部分平面中的所有液晶元件一起形成标记的图像，该标记图像在电压存在的情况下显示，并且导电部分之一电连接到引到中间液晶层区域外部的电端子上，其特征在于：在标记图像的区域外部的衬底的表面上设置的导电部分的整个区域是指示器的电流收集电极，并且所述液晶元件如此成形，使得衬底层的平面上的一个液晶元件的投影具有界定显示的标记图像的外部轮廓的条纹的形式，并且这个条纹的端部的边缘位于中间液晶层的边缘附近，而其它液晶元件的投影位于由这个条纹界定的标记图像的区域内。

优选地，在本发明的第二变形中，标记图像由很多彼此分开的标号构成，每个标号由很多液晶元件构成，在每个标号中，至少一个液晶元件包括通过其平行分支而与端子电连接的导电部分。

优选地，在本发明的第二变形中，中间液晶层含有向列液晶。

优选地，在本发明的第二变形中，中间液晶层含有封闭在聚合物基体中的液晶。

优选地，在本发明的第二变形中，至少两个连续液晶元件的投影的表面面积基本相同。

优选地，在本发明的第二变形中，连续的、彼此相邻的液晶元件的投影的表面面积按照上升或下降方式变化。

根据本发明的液晶电压指示器的优点是其高灵敏度，同时，其尺寸小，其结构简单和可通过用于制造液晶显示器的已知的、最佳的方法来制造它。此外，该显示器的特征在于长时间无故障操作，这在它与高和中电压传输和分布系统一起使用时尤其重要。而且，该电压指示器不需要使用功率源。只在其对存在于活性导体和设备附近中的电场的灵敏度基础上进行表示，并且可以从安全距离利用裸眼就可以读取。

根据本发明的第二变形的液晶电压指示器的附加优点是在其导电元件之间的指示器内部电场的均匀分布，并且可以在较宽电压范围内工作。特别是，该指示器的电流收集电极和指示器端子之间的电压由于指示器的导电部分的已有形状而在任何位置都是基本上均匀分布的，并且没有明显梯度。

附图中表示了本发明的主题的典型实施例，其中图1表示第一指示器变形的实施例，第一和第二导电层沿着线A-A在剖面中分成多个部分，图1a-沿着线B-B剖面的来自图1的指示器的片段，图1b-沿着线C-C剖面的来自图1的指示器的片段，图2表示横截面A-A中的指示器的另一实施例，图2a-沿着线B-B剖面的来自图2的指示器的片段，图2b-沿着线C-C剖面的来自图2的指示器的片段，图3-垂直于来自图2的剖面的平面内的横截面的指示器，图4-在衬底层上的投影中看到的形成箭头形状的标记Z的液晶元件的系统，并具有电流收集电极和端子，图5-在衬底层上的投影中看到的与电流收集电极和端子一起的形成具有字母“ON”形状的标记Z的液晶元件的另一种设置。图6-指示器的实际应用的例子。

根据本发明第一变形实施例的液晶电压指示器是多层板，它包括：

-第一衬底层1，

-第一导电层2，被分为在其一侧与第一衬底层邻接的导电部分2a、2b、2c；

-与第一导电层2邻接的中间层3，

-第二导电层4，被分为在其另一侧与中间层3邻接的导电部分4d、4e、4f，

-第二衬底层5。

中间层3是一种含有液晶的结构，并在AC电场中改变其光学性能。

两个导电层2和4分为相同数量的部分，第一导电层2是透明的。第二导电曾4的部分4d、4e和4f成形为使得一个较大部分4f大于这个层的其它较小部分4d和4e中的每一个。第一导电层的部分2a、2b和2c按照与第二导电层的较小部分相同的方式进行成形，两个导电层的各个部分的结构使得第一透明层的一个端部分2a设有端子6，该端子6是显示器的外部输出引线，它设置成与第二导电层的一个较小部分4d的表面的一片段相对。不包括第一导电层的第二端部分2c的第一导电层的其它部分依次排列，每个都与第二导电层的两个相邻较小部分的表面的一片段相对，而第一导电层的第二端部分2c设置成与第二导电层的较小部分4e的表面的一片段相对，并与这个层的较大部分4f的表面的一片段相对。在图1b的典型实施例中所示的较大部分4f具有大写字母“U”的形状，并且较小部分4d和4e具有矩形形状并设置在衬底层1上，而且处于字母“U”的两臂之间。

根据本发明第二实施例变形制造的液晶电压指示器是多层结构，它包括第一和第二衬底层10和50、通过在彼此面对的衬底层10和50的表面上制造薄膜层的任意方法淀积的导电部分20a、20b、20c和40e、40d以及位于衬底层10和50之间并且位于导电部分20a、20b、20c和40d和40e之间的中间液晶层30。至少一个衬底层和淀积在其上的各个部分至少部分地是透明的。淀积在衬底层10上的导电部分20a、20b、20c彼此电隔离。淀积在衬底层50上的部分40d和40e也彼此绝缘。在本发明的该典型实施例中，淀积在两个衬底层上的导电部分的数量限定为五，但是在指示器的实际实施例中，它可以具有任何数量的部分。

导电部分20a、20b、20c和40d、40e的结构使得一个衬底层在第一衬底层10的每个部分20a、20b、20c的另一片段上的垂直投影与第二衬底层50的导电部分40e、40d的至少一个片段重叠。来自两个衬底层的导电部分的重叠部分与中间液晶层30的一部分一起形成显示器70ad、70db、70be、70ec的液晶元件，它们串联电连接，如图3所示。特别是，元件70ad通过部分40d与元件70db电连接，元件70db通过公共导电部分20b与连续元件70be电连接，并且元件70be通过部分40e与元件70ec电连接。在衬底层10和50的平面上的投影中的所有液晶元件形成箭头形状的标记Z的图像，并在电压存在事件中显示标记Z，标记Z示于图2和4中。

如图2b所示，导电部分40d具有与显示的箭头的外部轮廓邻接的条纹形式的几何图形的形状，并且这个条纹的端部的边缘位于中间液晶层30的边缘的附近。部分20b的形状类似于部分40d。部分40e填充由部分40d界定的标记的表面，部分20c填充由部分20b界定的标记的表面。引到中间液晶层30外部的端子60连接到部分20c。在图2和4所示的实施例中，端子60是使用与导电部分20a、20b和20c的情况相同的技术淀积在衬底层10上。

如图2a所示，部分20a占据衬底层10上的较大面积，其面积比这个层上的每个其它部分的表面面积大很多倍，并且它还比其它部分的总面积大。这个部分是液晶显示器的电流收集电极，并且位于这个部分与部分40d重叠的区域中的液晶元件70ad的投影具有与显示标记图像的外部轮廓邻接的条纹的形状，并且这个条纹的端部的边缘位于中间液晶层30的边缘的附近。导电部分20b、40e和20c按照如下方式成形，与元件70ad的投影相同，使得液晶元件70db和70be的投影，具有彼此连续邻接的条纹形状并位于显示箭头的内部区域，而这些条纹的端部的边缘位于中间液晶层30的边缘的附近，并且液晶元件70ec的投影填充由液晶元件70be的投影界定的标记Z的表面。

在图5所示的第二变形的另一实施例中，标记Z的图像具有两个大写字母“O”和“N”的形状，其中字母“N”由显示器80ad、80db、80be、80ec的液晶元件构成，字母“O”由如前述实施例中形成的液晶元件90ad、90db、90be、90ec构成，显示器端子60分支成两个平行电引线，每个电引线固定到字母“O”和“N”之一的特定导电部分上。在本指示器实施例中，在衬底层10和50之一上，设置衬底的一片段，它在其表面上没有导电部分并且是封闭字母“O”的内部。

在本实施例中，衬底层10和50由玻璃构成。导电部分20a、20b、20c和40d、40e和端子60是透明的，并且它们由氧化铟锡(ITO)构成。在具有淀积导电部分的衬底层10和50的表面上，淀积所对准的层，该对准的层朝向液晶层，并且在图中未示出。在该对准的层之间设置由密封件(图中未示出)限定的向列液晶，该密封件与衬底层10和50沿着它们的圆周粘接在一起。该对准的层与在由密封件限定的空间中的位于它们之间的液晶一起形成TN型(扭曲向列)中间液晶层30。

为了使用上述指示器检测电压，利用可用裸眼读取的可能性，根据建立TN型反射液晶显示器的公知方法，偏振器101设置在衬底层10的外部表面附近，并且偏振器102和反射器103设置在衬底层50附近。端子60借助连接器105与被测电导体或元件104电连接，如图6所示，并且整个电压指示器位于平行于被测物体104的表面的平面中。另外，介质分离器可以设置在反射器103和被测元件104之间，在图中未示出，从而减少在指示器的导电部分与被测元件104之间产生的寄生电容。

如果被测元件104不是活性的，即，在被测元件104和其周围之间没有电位差时，通过偏振器101看到的指示器表面是均匀的。当AC电压连接到被测元件104上时，在指示器表面附近产生的AC电场E产生从被测元件104经过连接器105和端子60、经过串联的液晶元件70ec、70be、70db、70ad并到达作为电流收集电极的导电部分20a的AC电流，该AC电流经过电流收集电极和其周围之间的电容而进一步到达指示器周围。这个电流足以超过液晶元件70ec、70be、70db、70ad的阈值。结果是，标记Z的表面内的液晶被激活，并且出现利用裸眼可看到的适当的形状的标记，因此显示在被测元件104中存在电压的信号。

作为替换形式，衬底层10和50可以由聚合物、例如聚酯构成，并且指示器30的中间液晶层可以是在聚合物基体中具有液晶的结构。

作为替换形式，代替图6中所示的电流接点105，端子60可以与被测导体或元件104电容性地耦合，图中未示出。

作为替换形式，代替与元件104的连接，端子60可以与设置在衬底层10前部的另外的、至少部分透明的导电层连接，其在图中未示出。则，激活指示器的电流经过其与被测导体或元件104的电容性耦合而流到作为电流收集电极的导电部分20a中。

而且，显然也可以进行其它连接设置，这将允许使用其它结构的指示器。

Claims

1、一种液晶电压指示器，包括：具有淀积在其表面上的第一导电层的第一衬底层；平行于第一衬底层、具有淀积在其表面上的第二导电层并面向第一导电层的第二衬底层，至少一个导电层是透明的，并且包括位于衬底层之间的中间层，该中间层是包括液晶的结构并在交流电场中改变其光学性能，其特征在于：每个导电层分成彼此不接触的至少两个部分，淀积在第二衬底层(5)上的第二导电层(4)的多个部分成形为使得一个部分大于这个层的其它任何较小部分，而淀积在第一衬底层(1)上的第一导电层(2)的各个部分与第二导电层(4)的较小部分相同地成形，两个导电层的各部分的结构使得第一导电层的一个端部分与第二导电层(4)的一个较小部分的表面的片段相对，其中所述一个端部分设有作为指示器的外部电端子的端子(6)，并且第一导电层(2)的其它部分，不包括第一导电层(2)的第二端部分，按顺序排列，每一个与第二导电层(4)的两个相邻较小部分的表面的片段相对，第一导电层(2)的第二端部分设置成与第二导电层(4)的较小部分的表面的片段相对，并与这个层的较大部分的表面的片段相对。

2、一种液晶电压指示器，包括：具有淀积在其表面上、彼此电隔离的导电部分的第一衬底层；平行于第一层的、具有淀积在其表面上的彼此电隔离的导电部分的第二衬底层，衬底层和淀积在其上的部分中的至少一个至少部分地是透明的，并包括位于具有导电部分的衬底层之间的中间液晶层，并且两个衬底层上的导电部分的结构使得淀积在一个衬底层上的每个部分的片段与淀积在第二衬底层上的部分的至少一个片段重叠，并且来自两个衬底层的导电部分的重叠片段与一部分中间液晶层一起形成指示器的液晶元件，这些液晶元件按照如下方式串联电连接，其中一个液晶元件通过公共导电部分与下一个元件电连接，并且在平行于衬底层的剖面平面中的所有液晶元件一起形成标记的图像，该标记图像在电压存在的情况下显示，并且导电部分之一电连接到引到中间液晶层区域外部的电端子上，其特征在于：在标记图像的区域外部的衬底层表面上设置的导电部分的整个区域是指示器的电流收集电极，并且所述液晶元件如此成形，使得衬底层之一的平面上的一个液晶元件的投影具有界定显示的标记图像的外部轮廓的条纹的形式，并且这个条纹的端部的边缘位于中间液晶层的边缘的附近，而其它液晶元件的投影位于由这个条纹界定的标记图像的区域内。

3、根据权利要求2的液晶指示器，其特征在于：标记图像由很多彼此分开的标号构成，每个标号由很多液晶元件构成，在每个标号中，至少一个液晶元件包括通过其平行分支而与端子电连接的导电部分。

4、根据权利要求2的液晶指示器，其特征在于：中间液晶层含有向列液晶。

5、根据权利要求2的液晶指示器，其特征在于：中间液晶层含有封闭在聚合物基体中的液晶。

6、根据权利要求2的液晶指示器，其特征在于：至少两个连续液晶元件的投影的表面面积基本相同。

7、根据权利要求2的液晶指示器，其特征在于：连续的、彼此相邻的液晶元件的投影的表面面积按照上升或下降方式变化。