DE2735199C3

DE2735199C3 - Temperatursensor auf Flüssigkristallbasis

Info

Publication number: DE2735199C3
Application number: DE2735199A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Phys. 8000 Muenchen Krueger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-08-04
Filing date: 1977-08-04
Publication date: 1980-01-31
Also published as: DE2735199B2; DE2735199A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor, der unter Verwendung von Flüssigknstallen zwei aneinander angrenzende Temperaturbereiche in optisch verschiedener Weise anzeigt, sowie die Verwendung eines solchen Sensors.

Die Eigenschaften von Flüssigknstallen werden in vielfältiger Weise zur Temperaturanzeige genutzt. So befinden sich beispielsweise bereits Fieberthermometer in form von Streifen mit mikrogekapselten Flüssigkn stallen auf dem Markt, die bei Temperaturen unterhalb eines kritischen Wertes ein grünes »N« und bei höheren Temperaturen ein rotes »F« erscheinen lassen. All diese Wärmemesser auf Flüssigkristallbasis haben den Nachteil, daß sie — als passive Anzeigen — nur eine begrenzte Leuchtkraft besitzen und daher in vielen Anwendungsfällen, beispielsweise beim Einsatz in schwachem Umgebungslicht, eine Zusaubeleuchtung benötigen.

Es besteht daher nach wie Vor eiri Bedarf an einem leistungsloseri Temperaturfühler, def auch bei Ungünstigen Lichtverhältnässen deutlich anzeigt. Um diese Lücke zu schließen, wird erfindungsgemäß der im Anspruch 1 Charakterisierte Sensor Vorgeschlagen.

Dieser Sensor hat besondere Bedeutung bei Kraft'

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fahrzeugen, bei denen er beispielsweise die Unterschreitung einer bestimmten Außentemperatur, etwa O⁰C, oder die Überschreitung einer kritischen Motortemperatur signalisieren kann.

Der erfindungsgeniäße Sensor zeichnet sich durch eine Reihe von günstigen Eigenschaften aus: Er verbraucht keinerlei Energie, ist robust und kompakt und läßt sich relativ einfach fertigen und anbringen (keine internen Leitschichten, keine externen Anschlüsse). Hinzu kommt, daß der Fühler wesentlich langlebiger ist als etwa Indikatoren mit mikroverkapselten Flüssigkristallgemischen. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß sich ohne weiteres Genauigkeiten von + 0,1⁰C erzielen lassen. Vor allem aber verfügt der Sensor über einen außerordentlich hohen, von der Umgebungshelligkeit weitgehend unabhängigen Darstellungskontrast, so daß die angezeigte Information auch auf größere Entfernungen wesentlich deutlicher abgelesen werden kann als bei herkömmlichen Thermometern.

Die guten optischen Qualitäten sind darjuf zurückzuführen, daß die erfindungsgemäß vorgesehene F'uoreszenzplatte einen Großteil des auftreffenden Umgebungslichts durch Absorption und Emission ihrer Fluoreszenzstoffe und nachfolgende (Total-) Reflexionen an den Grenzflächen einfängt, in ihrem Inneren weiterleitet und schließlich mit erhöhter Intensität durch ihre Lichtaustrittsfenster wieder auskoppelt. Der Helligkeitsverstärkungsfaktor ist in erster Näherung gegeben durch das Verhältnis der lichtsammelnden zur lichtgebenden Fläche der Platte. Nähere Einzelheiten über die an sich bekannte Fluoreszenzplatte können der älteren Patentanmeldung P 25 54 226.1 oder einem in der »Elektronik-Zeitung« vom 25. 3. 1977 erschienenen Artikel mit der Überschrift »Hell und sparsam« entnommen werden. In beiden Schriften wird die Fluoreszenzplatte lediglich im Zusammenhang mit elektrooptischen Lichtventilen beschrieben bzw. beansprucht.

Wollte ma^r den Sensor auch unter besonders schlechten Lichtverhältnissen betreiben, beispielsweise in völliger Dunkelheit, so genügt eine schwache Zusatzbeleuchtung, beispielsweise durch tritiumaktivierte Leuchtstoffe oder durch eine ichtemittierende Diode.

Vielfach müssen die Information und/oder die Zusatzbeleuchtung des Sensors an einem vom Sensor entfernten Ort zur Darstellung gebracht bzw. plaziert werden (Beispiel: Anzeige der Kühlwassertemperatur eines Motors). In diesen Fäi!»n reicht es in der Regel aus, den Fühler mit der Lichtquelle und/oder der Anzeigefläche über ein dlasfaserbüsche¹ optisch zu verbinden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand zusätzlicher Ansprüche.

Die Erfindung soll nun anhand eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert werden.

In den Figuren sind einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt

F i g. 1 das Ausführungsbeispiel in einer perspektivischen Vorderansicht und

Pig,2 das Ausführungsbeispiel der Fig-1 in einem Schnitt längs der Linie IML

ßie Figuren sind sehr schematisch gehalten. EinzeU heitefi, die zu einem Verständnis der Erfindung nicht Utibediflgt erforderlich sind, beispielsweise HalterungS' elemente, sind nicht bezeichnet oder ganz weggelassen.

Der dargestellte Fühler zeigt drei verschiedene Temperaturbereiche an, einen Bereich mit Untertemperatur, einen Bereich mit Normaltemperatur und einen Bereich mit Übertemperatur. Er könnte beispielsweise zur Angabe der Innentemperatur eines Fahrzeuges oder der Zimmertemperatur dienen.

Der F i g. 1 entnimmt man, daß in Blickrichtung vor einer Platte 1 drei Zellen 2, 3 und 4 nebeneinander angeordnet sind- Alle drei Zellen enthalten im vorliegenden Fall nematische Flüssigkristallsubstanzen, es sind aber auch nematische Substanzen mit Farbstoffeinlagerungen, cholesterinische Flüssigkristalle oder Gemische aus einer nematischen Substanz mit einem cholesterinischen bzw. chiralnematischen Zusatz denkbar. Besonders geeignet sind stabile Gemische aus Biphenylen, Estern und Phenylcyclohexanen.

Die Platte (»Fluoreszenzplatte«) 1 besteht aus Plexiglas, in dem Fluoreszeazstoffe mit einem breiten Emissionsband oder mit wellenlängenselektiven Emissionsbereichen, beispielsweise rot, girr oder orange, gelost sind. Die Seitenflächen der Platte *ind mit einem Reflexionsbelag 6 bedeckt; hinter der Placte befindet sich eine Folie 5, die je nach der Art des Sensoreinbaus absorbiert bzw. diffus reflektiert oder nur Jas Anregungslicht für die Fiuoreszenzstoffe passieren läßt.

Die Platte enthält hinter jeder Zelle ein Lichtaustrittsfenster, und zwar in Form einer Einkerbung 10 auf der Plattenrückseite und einer kongruenten Streufläche 20 auf der Plattenvorderseite. Die Einkerbungen, die auch die Form einer informativen Gravur haben könnten (Beispiele »Glatteis«, »Gebläse einschalten«, »> 20^«, »20 bis 25«. »>25°« usw.) sind zusätzlich jeweils mit einer dielektrischen Mehrfachschichi (»dielektrischer Spiegel«) 2i überzogen. Diese Sl nicht reflektiert frequenzselektiv und ist so ausgelegt, daß sie aus dem Emissionsfarbengemisch jeweils nur eine bestimmte Farbkomponente nach vorn umlenkt. Im vorliegenden Beispiel soll die linke Kerbe rotes Licht, die mittlere grünes und die rechte orangefarbenes Licht auskoppein.

Die beiden äußeren Zeilen 2 und 4 sind folgendermaßen aufgebaut: Sie enthalten jeweils einen vorderen Linearpolarisator 7, eine vordere Trägerplatte 8. eine hintere Trägerplatte 9 und einen hinteren Linearpolarisator 11. Die beiden Trägerplatten sind durc:. einen umlaufenden, mit einer (nicht dargestellten) Füllöffnung versehenen Rahmen 12 voneinander distanziert. In der durch den Rahmen und die beiden Platten gebildeten Kammer befindet sich eine Flüssigkristallschicht 13. Die Moleküle dieser Schicht sind plattenparallel orientiert, wobei die Vor/ugsnchtung in Richtung der Plattennormalen eine Drehung um insgesamt 90° beschreibt. Nähere Herstellungs- und Betriebseinzelheiten derartiger »Drehzellen« sind in der DE-OS 21 58 563 zu finden.

C:e .mke Zelle soll rot erscheinen, wenn eine bestimmte kritische Temperatur Γι, mit der die unter; Grenze des Normalbereiches bezeichnet sein soll, unterschritten wird. Zu diesem Zweck hat die Anzeige zwei zueinander gekreuzte Polarisatoren sowie eine Flüssigkristallsubst&P', deren Klärpunkt bei T\ liegt. Bei Temperaturen oberhalb von Γι ist die Flüssigkristallschicht isotrop, so daß das Lichtventil sperrt Bei Temperaturen unterhalb Von T\ dreht die verdrillte Flüssigkristallschicht die Schwingungsebene des linear polarisierten Lichtes um 90°, so daß das Lichtventil durchlässig ist, Der Sensor leuchtet bei Untertemperaturen rot auf.

Die rechte Zelle 4 soll bei Temperaturen oberhalb des normalen Temperaturbereiches, also bei Überschrei-

tung einer Grenztemperatur T₂, orangefarben aufleuchten. Hierzu hat die Anzeige zwei zueinander parallele Polarisatoren und eine Flüssigkristallsubstanz, deren Klärpunkt bei T₁ liegt. Bei Temperaturen unterhalb von T₂ dreht die Flüssigkristallsübstanz die Polarisationsebene des durchtretenden linearpolarisierten Lichtes um 90°, so daß das Ventil lichtundurchlässig ist. Überschrei* ten die Temperaturen den Grenzwert T₂, so verliert die Flüssigkristallsübstanz ihre optische Aktivität: Das Ventil geht in einen transparenten Zustand über und läßt das orangefarbene Licht passieren.

Die mittlere Anzeige 3 hat zueinander gekreuzte Polarisatoren und enthält zwei, durch eine Glasplatte 16 voneinander getrennte Flüssigkristallschichten 13, 14, die im mesomorphen Zustand jeweils eine 90° -Verdrillung haben und zusammen eine 180°-Verdrillung ergeben. Die eine Flüssigkristallschicht hat einen Klärpunkt bei der unteren Grenztemperatur 71, die andere ihren Kiärpufikt bei der oberen Gfenztemperatur 72. Beide Flüssigkristallschichten sind oberhalb von Ti isotrop und unterhalb von 71 verdrillt, so daß sie entweder optisch inaktiv sind oder die Schwingungsebene von linearpolarisiertem Licht zusammen um genau 180° drehen. In beiden Fällen kann durch die gekreuzten Polarisatoren kein Licht hindurchtreten. Im Normaltemperaturbereich ist eine der beiden Flüssigkristallschichten mesomorph und die andere isotrop, so daß das Ventil durchlässig wird und das von hinten angelieferte Licht passieren läßt. Der Fühler leuchtet bei Temperaturen zwischen 71 und T₂ in grüner Farbe.

Um den Sensor auch nachts einsetzen zu können, ist in die Fluoreszenzplatte 1 eine Zusatzbeleuchtung 17 in Form einer lichtemittierenden Diode oder eines Glühlämpchens eingegossen.

Der Sensor läßt sich besonders rationell fertigen, wenn man folgendermaßen vorgeht:

Zunächst nimmt man drei streifenförmige Glassubstrate, versieht diese Streifen mit geeigneten Orientierungsschichten, beispielsweise schräg aufgedampften SiO₂-Schichten, druckt dann auf zwei der drei Glasplatten nebeneinander mehrere Glaslotrahmen auf unA vArfectirr* Kiorno/*h all/» rirpi Qnhctratp mitAtnanrlar und zwar in einer solchen Lage zueinander, daß je zwei Rahmen — mit ihren Füllöffnungen auf gegenüberlie' genden Seiten — fluchtend hintereinander liegen. Daraufhin gibt man in die eine Kammerzeile nacheinander geeignete Flüssigkristallsubstanzeri mit ansteigendem Klärpunkt, verschließt die Vollen Kammern und füllt datin die zweite Kammerzeile mit geeigneten Flüssigkristallsubstanzen. Bei diesem zweiten Füllprozeß bleiben die Kammern derjenigen Zellen frei, die nur

ίο eine »ja-nein«-Aussage liefern und dementsprechend nur eine einzige Flüssigkristallschicht benötigen (im geschilderten Ausführungsbeispiel sind dies die Zellen 2 und 4). Die freigebliebenen Kammern könnten mit einer Ssotropen Flüssigkeit, etwa Wasser, gefüllt und dann

ebenfalls versiegelt werden.

Wollte man gegen Umwelteinflüsse, insbesondere gegen hohe Temperaturen, besonders widerstandsfähige Zellen schaffen, so sollten die Gläser noch mit einer [SiU₂-) I auchschicht überzogen werden.

Die Flüssigkristallzelle läßt sich auch auf andere Weise als in Form einer Drehzelle realisieren, da es lediglich darauf ankommt, daß die Zelle in Abhängigkeit von der Temperatur Orientierungszustände annimmt, die sich in ihrer Transmission für polarisiertes Licht

unterscheiden. Eine solche Funktion läßt sich beispielsweise auch mit anderen Verdrillungswinkeln als 90° und zusätzlichen optischen Elementen, mit mehreren hintereinandeWiegenden Flüssigkristallschichten, mit einer homogen orientierten Anzeige oder mit einer Einlage-

rung von pleochroitischen Farbstoffen erreichen. Auch in konstruktiver Hinsicht bieten sich mehrere Alternativen an. So könnte man etwa bei dem Fluoreszenzkörper von einer strengen Plattenform abweichen oder die Zellen vor eine Schmalseite der Fluoreszenzplatte setzen — eine solche Zuordnung liefert eine besonders hohe Bildhelligkeit — oder die Mehrfarbigkeit durch mehrere aneinandergesetzte Fluoreszenz-Teilplatten realisieren, in denen jeweils nur ein einziger Fluoreszenzstoff gelöst ist. Schließlich bleibt es dem Fachmann unbenommen, mit einem Sensor auch noch bestimmte Temperaturregelvorgänge auszulösen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Temperatursensor, der unter Verwendung von Flüssigkristallen zwei aneinander angrenzende Temperaturbereiche in optisch verschiedener Weise anzeigt, dadurchgekennzeichnet, daß der mit einer Flüssigkristallzelle (2, 3, 4) versehene Sensor einen plattenförmig ausgebildeten Körper (Fluoreszenzplatte 1) umfaßt, der aus einem Material mit einem Brechungsindex > 1 besteht, fluoreszierende Partikel enthält, an seinen Seitenflächen verspiegelt ist und mindestens ein Lichtaustrittsfenster aufweist, und daß sich die Flüssigkristallzelle in Betrachtungsrichtung vor dem Lichtaustrittsfenster der Fluoreszenzplatte befindet sowie mit einer Flüssigkristallschicht versehen ist, deren KJärpunkt bei der Grenztemperatur zwischen den beiden Temperaturbereichen liegt, wodurch die Flüssigkristallzelle bei Temperaturen oberhalb der Grenztemperatur und unterhalb der Grenztemperatur jeweils optische Zubände einnimmt die sich in ihrem Transmissionsgrad voneinander unterscheiden.

2. Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Flüssigkristallschicht (13) zwischen zwei gekreuzten oder zueinander parallelen Linearpolarisatoren (7, 11) befindet und daß die Moleküle der Flüssigkristallschicht (13) unterhalb des Klärpunktes plattenparallel orientiert lind, und zwar mit einer 90° -Verdrillung in Richtung der Plattennormalen (»Drehzelle«).

3. Temperatursensor nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen gekreuzten Linearpolarisatoren (7, ti) jewils zwei durch eine Zwischenplatte (16) voneinander getrennte Flüssigkristallschichten (13, 14) beiinde-, deren Moleküle J5 unterhalb der jeweiligen Klärpunkte plattenparallel orientiert sind, und zwar mit einer Verdrillung von vorzugsweise 90° in Richtung der Plattennormalen, wobei der K'ärpunkt der einen Flüssigkristallschicht bei einer ersten Grenztemperatur (T\) und der ίο Klärpunkt der anderen Flüssigkristallschicht bei einer zweiten Grenztemperatur (Ti) liegt und wobei »ich ferner die Verdrillungswinkel beider Flüssigkn-Itallschichten zu einem Winkel von vorzugsweise 180" ergänzen. «

4 Temperatursensor nach Anspruch 2 und J. der mehr als zwei direkt aufeinanderfolgende Tempera turbereiche anzeigt, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Lichtaustrittsfenster der

Fluoreszenzplatte (1) ein andersfarbiges Licht aussendet, welches jeweils einem Temperature reich zugeordnet ist, daß vor jedem Lichtaustritts fenster eine Rüssigkristallzelle (2. 3, 4) angeordnet ist. daß sich vor zwei Lichtaustnttsfenstern jeweils eine Drehzelle befindet, wobei die eine der beiden ^5 Drehzellen einen Klärpunkt bei der Grenztempera lur /wischen dem tiefsten und dem zweittiefsten der •n/uzeigenden Temperaturbereiche hat und mit gekreuzten Linearpolarisatoren (7, 11) versehen ist und wobei die andere der beiden Drehzellen einen KJärpunkt bei der Grenztemperatur zwischen dem (»ochsten und dem zweithöchsten Temperaturbe^ reich hat und mit zueinander parallelen Linearpolarisatoren (J₁ 11) versehen ist, und daß sich vor den Übrigen Lichtaüstriltsfenstern jeweils eine Flüssigkristallzelle befindet, bei der zwischen zueinander gekreuzten Linearpöläfisatören (7, 11) jeweils zwei durch eine Zwischenpfälle (16) Voneinander getrennte Flüssigkristallschichten (13,14) liegen, deren Moleküle plattenparallel orientiert sind, und zwar mit einer Verdrillung von vorzugsweise 90° in Richtung der Plattennormalen, wobei sich die Verdrillungswinkel beider Flüssigkristallschichten zu einem Winkel von vorzugsweise 180° ergänzen und der KJärpunkt der einen Flüssigkristallschicht bei der unteren Grenztemperatur und der Klärpunkt der anderen Flüssigkristallschicht bei der oberen Grenztemperatur des dem Lichtaustrittsfenster zugeordneten Temperaturbereiches liegen.

5. Temperatursensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluoreszenzplatte (1) aus mehreren aneinandergesetzten Teilplatten besteht, deren fluoreszierende Partikel jeweils in einer anderen Farbe fluoreszieren.

6. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Zellen (2, 3, 4) gemeinsame Trägerplatten (8, 9) und eine gemeinsame Zwischenplatte (16) haben und daß jede Zelle (2,3,4) in Betrachtungsrichtung hintereinander zwei Rahmen (12) enthält, die jeweils zwischen der gemeinsamen Zwischenplatte (16) und einer der beiden gemeinsamen Trägerplatten (8, 9) eingefügt sind, mit einer Einfüllöffnung versehen sind und vorzugsweise aus Glaslot bestehen, wobei sich die Füllöffnungen der hintereinanderliegenden Rahmen auf gegenüberliegenden Seiten befinden.

7. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis b. dadurch gekennzeichnet, daß sich die Flüssigkristallzeiie (2, 3, 4) vor einer allenfalls teilweise verspiegelten Seitenfläche der Fluoreszenzplatte (1) befindet.

8. Anordnung mit einem Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor mit einer vom Sensor örtlich getrennten Lichtquelle und/oder mit einer vom Sensor örtlich getrennten Anzeigefläche über einen Lichtleiter, vorzugsweise einem Glasfaserbüschel, optisch verbunden ist.