液晶電壓指示器的制作方法

專利名稱：液晶電壓指示器的制作方法
技術領域：
本發明的主題是指示在電導體和設備中存在電壓的液晶器件。具有液晶顯示器形式的該器件用于指示尤其是在中和高電壓系統中的電壓存在。
使用液晶顯示器來檢測和指示電壓存在可從幾種方案中知道。通過舉例，美國專利說明書US4112361披露了一種液晶伏特計，其中向列液晶位于一對半透明電極之間，而所述半透明電極設置在偏振襯底板的表面上。一個電極是薄電阻層，另一個電極是導電層。直流(dc)電壓源連接到電阻電極的兩端，導電電極連接到地。在偏振襯底板之一的表面上設置適當的刻度，表示在具有電阻膜的電極和地之間產生的測量電壓的值。
檢測在帶電表面上產生的電壓的無接觸靜電電壓傳感器可從另一美國專利說明書US4786858中可知。該傳感器包括具有兩個電極的液晶單元，其中一個電極通過具有機械控制隔膜的電容器與帶電表面電耦合，其中帶電表面的電壓是將要測量的，另一電極接地。隔膜連接到參考電壓源。此外，充電電壓直接連接到液晶單元的第一電極上，以便給液晶單元充電到預定電壓。
本器件不能用于檢測和/或指示中和高電壓系統中的交流(AC)電壓的存在。特別是，美國專利US4112361中所述的器件主要可適用于不高于使用的液晶單元的閾值電壓的DC電壓的測量。只有在輸送與測量電壓相位兼容的參考AC電壓時，才可以利用上述器件來測量AC電壓。在中和高電壓系統的情況下必須輸送這種參考電壓將存在嚴重的困難。
另一方面，美國專利US4786858中所述的器件發現了在測量由積累在電子照相器件的光敏元件上的靜電電荷產生的DC電壓中的應用，因此不能用于測量AC電壓。而且，在中和高電壓設備中，靜電電荷以不受控制方式積累在導體的表面上，并且通過這種器件進行的測量是無效的。
各種類型的液晶單元和顯示器表示對AC電壓和電場的直接靈敏度。當超過給定閾值的AC電壓施加于液晶單元的電極時，在單元內部產生改變其光學性能的強度的靜電場。這種電壓的施加也連接到通過強度電流的單元的流動，這取決于施加的電壓值和單元的電阻和電容性特性。在液晶顯示器中，電極的合適形狀可以給局部化單元部分施加電壓和獲得可見對比度。
對于TN類型(扭曲向列)的典型液晶單元，獲得最大光學效果所需的AC電壓閾值在大約50Hz的頻率下大約為2V RMS(RMS-平方根)。在這個閾值電壓下，大約1.5μA/cm2RMS的每單位表面面積的電流流過該單元。對于PDLC(聚合物-分散液晶)類型的典型單元，對應閾值電流的強度在50Hz下大約為15μA/cm2RMS每單位表面面積。
對于液晶單元和顯示器的AC電壓的閾值的存在可以將它們用于無接觸檢測AC電壓。特別是，在連接到AC電壓的每個導體附近，有AC電場，這也產生流過導體表面的電流。這種電容性電流在平行于電場的方向上流動，并且每單位表面面積S測量的垂直于電容性電流的方向的這個電流I的RMS強度如下I/S＝2πvε0εE，其中v是頻率，ε0是真空介電常數，ε是材料的介電常數，E是電場強度的RMS值。
這種電容性電流通過使用其直接給液晶單元或顯示器賦能而可以用于指示作為其源的電壓的存在，并且該單元或顯示器的光學性能的變化表示超過特定閾值的電壓存在。
為了使用與出現在活性導體周圍的電場相關的電容性電流給指示器賦能，通常使用設置在垂直于電場方向的平面內的平面導電元件形式的電流收集電極。電流收集電極的表面面積必須足以給在指示電壓時激勵的液晶元件賦能和保證指示器的足夠的靈敏度。
平行于電場方向設置的電流收集電極也可以激勵指示器。但是，電極的這種設置使電場產生局部相當大的增加并會產生放電，這對電功率設備有不良影響。
檢測活性線的顯示器可從日本專利申請No.61-003069中可知。這種器件趨于通過使用液晶顯示器的閾值電壓來檢測活性導體附近的電場。已知的兩電極液晶顯示器(LCD)設有兩個附加電極，一個電極固定在顯示器的前側，另一電極固定在其后側，其中后側理解為位于將要測試在其附近是否存在電場的物體表面上的一側。顯示器的兩個電極與附加電極按照下述方式電連接，使得每個附加電極與LCD的不同電極連接。由于附加電極，由被測量物體的電場產生的顯示器的液晶元件的兩個電極之間的電位差超過顯示器閾值。當被測物體是活性(Live)時，則顯示器表示存在電壓，這可以在顯示窗口中看到。在本方案中，通過將附加外部收集電極連接到這個顯示器上而獲得了足以檢測電壓存在的器件靈敏度。
用于指示電壓存在的另一顯示器從公布的日本說明書No.63044173中可知。與在JP61-003069的說明書中所述的器件相同，該器件包括液晶顯示器和兩個附加電流收集電極，其中一個電極流電地連接到顯示器的一個標記電極上，而另一電極是透明的并直接位于顯示器的表面上，由此電容性地與顯示器的另一公共電極耦合。在這個方案中，通過提供附加電流收集電極的相對于顯示器的標記電極的表面面積的相當大的表面面積，實現了器件的足夠的靈敏度。
都是由Raychem公司申請的USA專利說明書No.4818072和No.4838653建議了一種用于檢測電纜或設備中的電壓和/或用于檢測在電器件或設備附近產生的電場的器件。該器件具有液晶顯示器的形式，它是液晶單元，其電極成形為彼此分開的平面部分。這些電極設置在彼此平行的兩個襯底層上，并且它們設置成使得位于襯底層上的每個部分的片段與位于另一襯底層上的部分的至少一個片段重疊。來自兩個襯底層的重疊部分片段形成顯示器的液晶元件，它們彼此串聯電連接。非激勵狀態下的第一液晶元件具有低于這個單元的每個其它液晶元件的電容的電容，并且與第一液晶元件串聯連接的第二液晶元件具有與第一元件基本相同的尺寸，并且在非激勵狀態下的其電容低于激勵狀態下的第一液晶元件的電容。在這個方案中，串聯連接液晶元件使得可以利用比在日本說明書No.61-003069和63-044173中所述的方案更低的電流來激活顯示器的給定表面面積。盡管這樣，由于導電部分的小表面面積，器件對電場的靈敏度很小，尤其是在顯示器位于垂直于電場方向的平面內時。當顯示器設置在平行于電場方向的平面內時，指示器的靈敏度增加，但是這種設置不推薦用于電功率設備，因為有產生放電的可能性。
從公布的日本說明書No.10260212中可知一種電場光電傳感器。它包括位于電容性串聯連接的重疊電極之間的液晶。它還包括電連接到電極上的雙極天線。在這個方案中，通過將足夠大尺寸的附加雙極天線連接到LCD可實現器件的足夠的靈敏度。
所有這些已有方案在它們應用于電功率設備時所具有的缺點是獲得器件的足夠的靈敏度需要固定到遠大于顯示器本身的LCD附加外部元件上，或者相對于在指示電壓或電場期間在顯示器中激勵的表面的尺寸而大大增加顯示器的尺寸，或者將顯示器設置在平行于電場方向的平面內，這可能是造成放電的原因。
根據本發明的第一變形的無源液晶電壓指示器包括具有淀積在其表面上的第一導電層的第一襯底層；平行于第一層、具有淀積在其表面上的第二導電層并面向第一導電層的第二襯底層；至少一個導電層是透明的，并且包括位于襯底層之間的中間層，該中間層是包括液晶的結構并在AC電場中改變其光學性能，并且每個導電層分成彼此不接觸的至少兩個部分，其特征在于淀積在第二襯底層上的第二導電層的部分成形為使得一個部分大于這個層的其他每個小部分，而淀積在第一襯底層上的第一導電層的部分與第二導電層的小部分相同地成形。兩個導電層的各部分的結構使得第一導電層的一個端部分與第二導電層的一個較小部分的表面的片段相對，其中所述一個端部分設有作為指示器的外部電端子的端子，并且第一導電層的另一部分，不包括第一導電層的第二端部分，按順序排列，每一個與該第二導電層的兩個相鄰較小部分的表面的片段相對。第一導電層的第二端部分設置成與第二導電層的較小部分的表面的片段相對，并與這個層的較大部分的表面的片段相對。
根據本發明第二變形的液晶電壓指示器包括具有淀積在其表面上、彼此電隔離的導電部分的第一襯底層；平行于第一層的、具有淀積在其表面上的彼此電隔離的導電部分的第二襯底層；襯底層和淀積在其上的部分中的至少一個至少部分地是透明的，并包括位于具有導電部分的襯底層之間的中間液晶層，各個襯底層上的導電部分的結構使得淀積在一個襯底層上的每個部分的片段與淀積在第二襯底層上的部分的至少一個片段重疊，并且來自襯底層的導電部分的重疊片段與一部分中間液晶層一起形成指示器的液晶元件，這些液晶元件按照如下方式串聯電連接，其中一個液晶元件通過公共導電部分與下一個元件電連接，并且在平行于襯底層的部分平面中的所有液晶元件一起形成標記的圖像，該標記圖像在電壓存在的情況下顯示，并且導電部分之一電連接到引到中間液晶層區域外部的電端子上，其特征在于在標記圖像的區域外部的襯底的表面上設置的導電部分的整個區域是指示器的電流收集電極，并且所述液晶元件如此成形，使得襯底層的平面上的一個液晶元件的投影具有界定顯示的標記圖像的外部輪廓的條紋的形式，并且這個條紋的端部的邊緣位于中間液晶層的邊緣附近，而其它液晶元件的投影位于由這個條紋界定的標記圖像的區域內。
優選地，在本發明的第二變形中，標記圖像由很多彼此分開的標號構成，每個標號由很多液晶元件構成，在每個標號中，至少一個液晶元件包括通過其平行分支而與端子電連接的導電部分。
優選地，在本發明的第二變形中，中間液晶層含有向列液晶。
優選地，在本發明的第二變形中，中間液晶層含有封閉在聚合物基體中的液晶。
優選地，在本發明的第二變形中，至少兩個連續液晶元件的投影的表面面積基本相同。
優選地，在本發明的第二變形中，連續的、彼此相鄰的液晶元件的投影的表面面積按照上升或下降方式變化。
根據本發明的液晶電壓指示器的優點是其高靈敏度，同時，其尺寸小，其結構簡單和可通過用于制造液晶顯示器的已知的、最佳的方法來制造它。此外，該顯示器的特征在于長時間無故障操作，這在它與高和中電壓傳輸和分布系統一起使用時尤其重要。而且，該電壓指示器不需要使用功率源。只在其對存在于活性導體和設備附近中的電場的靈敏度基礎上進行表示，并且可以從安全距離利用裸眼就可以讀取。
根據本發明的第二變形的液晶電壓指示器的附加優點是在其導電元件之間的指示器內部電場的均勻分布，并且可以在較寬電壓范圍內工作。特別是，該指示器的電流收集電極和指示器端子之間的電壓由于指示器的導電部分的已有形狀而在任何位置都是基本上均勻分布的，并且沒有明顯梯度。
附圖中表示了本發明的主題的典型實施例，其中

圖1表示第一指示器變形的實施例，第一和第二導電層沿著線A-A在剖面中分成多個部分，圖1a-沿著線B-B剖面的來自圖1的指示器的片段，圖1b-沿著線C-C剖面的來自圖1的指示器的片段，圖2表示橫截面A-A中的指示器的另一實施例，圖2a-沿著線B-B剖面的來自圖2的指示器的片段，圖2b-沿著線C-C剖面的來自圖2的指示器的片段，圖3-垂直于來自圖2的剖面的平面內的橫截面的指示器，圖4-在襯底層上的投影中看到的形成箭頭形狀的標記Z的液晶元件的系統，并具有電流收集電極和端子，圖5-在襯底層上的投影中看到的與電流收集電極和端子一起的形成具有字母“ON”形狀的標記Z的液晶元件的另一種設置。圖6-指示器的實際應用的例子。
根據本發明第一變形實施例的液晶電壓指示器是多層板，它包括-第一襯底層1，-第一導電層2，被分為在其一側與第一襯底層鄰接的導電部分2a、2b、2c；-與第一導電層2鄰接的中間層3，-第二導電層4，被分為在其另一側與中間層3鄰接的導電部分4d、4e、4f，-第二襯底層5。
中間層3是一種含有液晶的結構，并在AC電場中改變其光學性能。
兩個導電層2和4分為相同數量的部分，第一導電層2是透明的。第二導電曾4的部分4d、4e和4f成形為使得一個較大部分4f大于這個層的其它較小部分4d和4e中的每一個。第一導電層的部分2a、2b和2c按照與第二導電層的較小部分相同的方式進行成形，兩個導電層的各個部分的結構使得第一透明層的一個端部分2a設有端子6，該端子6是顯示器的外部輸出引線，它設置成與第二導電層的一個較小部分4d的表面的一片段相對。不包括第一導電層的第二端部分2c的第一導電層的其它部分依次排列，每個都與第二導電層的兩個相鄰較小部分的表面的一片段相對，而第一導電層的第二端部分2c設置成與第二導電層的較小部分4e的表面的一片段相對，并與這個層的較大部分4f的表面的一片段相對。在圖1b的典型實施例中所示的較大部分4f具有大寫字母“U”的形狀，并且較小部分4d和4e具有矩形形狀并設置在襯底層1上，而且處于字母“U”的兩臂之間。
根據本發明第二實施例變形制造的液晶電壓指示器是多層結構，它包括第一和第二襯底層10和50、通過在彼此面對的襯底層10和50的表面上制造薄膜層的任意方法淀積的導電部分20a、20b、20c和40e、40d以及位于襯底層10和50之間并且位于導電部分20a、20b、20c和40d和40e之間的中間液晶層30。至少一個襯底層和淀積在其上的各個部分至少部分地是透明的。淀積在襯底層10上的導電部分20a、20b、20c彼此電隔離。淀積在襯底層50上的部分40d和40e也彼此絕緣。在本發明的該典型實施例中，淀積在兩個襯底層上的導電部分的數量限定為五，但是在指示器的實際實施例中，它可以具有任何數量的部分。
導電部分20a、20b、20c和40d、40e的結構使得一個襯底層在第一襯底層10的每個部分20a、20b、20c的另一片段上的垂直投影與第二襯底層50的導電部分40e、40d的至少一個片段重疊。來自兩個襯底層的導電部分的重疊部分與中間液晶層30的一部分一起形成顯示器70ad、70db、70be、70ec的液晶元件，它們串聯電連接，如圖3所示。特別是，元件70ad通過部分40d與元件70db電連接，元件70db通過公共導電部分20b與連續元件70be電連接，并且元件70be通過部分40e與元件70ec電連接。在襯底層10和50的平面上的投影中的所有液晶元件形成箭頭形狀的標記Z的圖像，并在電壓存在事件中顯示標記Z，標記Z示于圖2和4中。
如圖2b所示，導電部分40d具有與顯示的箭頭的外部輪廓鄰接的條紋形式的幾何圖形的形狀，并且這個條紋的端部的邊緣位于中間液晶層30的邊緣的附近。部分20b的形狀類似于部分40d。部分40e填充由部分40d界定的標記的表面，部分20c填充由部分20b界定的標記的表面。引到中間液晶層30外部的端子60連接到部分20c。在圖2和4所示的實施例中，端子60是使用與導電部分20a、20b和20c的情況相同的技術淀積在襯底層10上。
如圖2a所示，部分20a占據襯底層10上的較大面積，其面積比這個層上的每個其它部分的表面面積大很多倍，并且它還比其它部分的總面積大。這個部分是液晶顯示器的電流收集電極，并且位于這個部分與部分40d重疊的區域中的液晶元件70ad的投影具有與顯示標記圖像的外部輪廓鄰接的條紋的形狀，并且這個條紋的端部的邊緣位于中間液晶層30的邊緣的附近。導電部分20b、40e和20c按照如下方式成形，與元件70ad的投影相同，使得液晶元件70db和70be的投影，具有彼此連續鄰接的條紋形狀并位于顯示箭頭的內部區域，而這些條紋的端部的邊緣位于中間液晶層30的邊緣的附近，并且液晶元件70ec的投影填充由液晶元件70be的投影界定的標記Z的表面。
在圖5所示的第二變形的另一實施例中，標記Z的圖像具有兩個大寫字母“O”和“N”的形狀，其中字母“N”由顯示器80ad、80db、80be、80ec的液晶元件構成，字母“O”由如前述實施例中形成的液晶元件90ad、90db、90be、90ec構成，顯示器端子60分支成兩個平行電引線，每個電引線固定到字母“O”和“N”之一的特定導電部分上。在本指示器實施例中，在襯底層10和50之一上，設置襯底的一片段，它在其表面上沒有導電部分并且是封閉字母“O”的內部。
在本實施例中，襯底層10和50由玻璃構成。導電部分20a、20b、20c和40d、40e和端子60是透明的，并且它們由氧化銦錫(ITO)構成。在具有淀積導電部分的襯底層10和50的表面上，淀積所對準的層，該對準的層朝向液晶層，并且在圖中未示出。在該對準的層之間設置由密封件(圖中未示出)限定的向列液晶，該密封件與襯底層10和50沿著它們的圓周粘接在一起。該對準的層與在由密封件限定的空間中的位于它們之間的液晶一起形成TN型(扭曲向列)中間液晶層30。
為了使用上述指示器檢測電壓，利用可用裸眼讀取的可能性，根據建立TN型反射液晶顯示器的公知方法，偏振器101設置在襯底層10的外部表面附近，并且偏振器102和反射器103設置在襯底層50附近。端子60借助連接器105與被測電導體或元件104電連接，如圖6所示，并且整個電壓指示器位于平行于被測物體104的表面的平面中。另外，介質分離器可以設置在反射器103和被測元件104之間，在圖中未示出，從而減少在指示器的導電部分與被測元件104之間產生的寄生電容。
如果被測元件104不是活性的，即，在被測元件104和其周圍之間沒有電位差時，通過偏振器101看到的指示器表面是均勻的。當AC電壓連接到被測元件104上時，在指示器表面附近產生的AC電場E產生從被測元件104經過連接器105和端子60、經過串聯的液晶元件70ec、70be、70db、70ad并到達作為電流收集電極的導電部分20a的AC電流，該AC電流經過電流收集電極和其周圍之間的電容而進一步到達指示器周圍。這個電流足以超過液晶元件70ec、70be、70db、70ad的閾值。結果是，標記Z的表面內的液晶被激活，并且出現利用裸眼可看到的適當的形狀的標記，因此顯示在被測元件104中存在電壓的信號。
作為替換形式，襯底層10和50可以由聚合物、例如聚酯構成，并且指示器30的中間液晶層可以是在聚合物基體中具有液晶的結構。
作為替換形式，代替圖6中所示的電流接點105，端子60可以與被測導體或元件104電容性地耦合，圖中未示出。
作為替換形式，代替與元件104的連接，端子60可以與設置在襯底層10前部的另外的、至少部分透明的導電層連接，其在圖中未示出。則，激活指示器的電流經過其與被測導體或元件104的電容性耦合而流到作為電流收集電極的導電部分20a中。
而且，顯然也可以進行其它連接設置，這將允許使用其它結構的指示器。
權利要求
1.一種液晶電壓指示器，包括具有淀積在其表面上的第一導電層的第一襯底層；平行于第一襯底層、具有淀積在其表面上的第二導電層并面向第一導電層的第二襯底層，至少一個導電層是透明的，并且包括位于襯底層之間的中間層，該中間層是包括液晶的結構并在交流電場中改變其光學性能，其特征在于每個導電層分成彼此不接觸的至少兩個部分，淀積在第二襯底層(5)上的第二導電層(4)的多個部分成形為使得一個部分大于這個層的其它任何較小部分，而淀積在第一襯底層(1)上的第一導電層(2)的各個部分與第二導電層(4)的較小部分相同地成形，兩個導電層的各部分的結構使得第一導電層的一個端部分與第二導電層(4)的一個較小部分的表面的片段相對，其中所述一個端部分設有作為指示器的外部電端子的端子(6)，并且第一導電層(2)的其它部分，不包括第一導電層(2)的第二端部分，按順序排列，每一個與第二導電層(4)的兩個相鄰較小部分的表面的片段相對，第一導電層(2)的第二端部分設置成與第二導電層(4)的較小部分的表面的片段相對，并與這個層的較大部分的表面的片段相對。
2.一種液晶電壓指示器，包括具有淀積在其表面上、彼此電隔離的導電部分的第一襯底層；平行于第一層的、具有淀積在其表面上的彼此電隔離的導電部分的第二襯底層，襯底層和淀積在其上的部分中的至少一個至少部分地是透明的，并包括位于具有導電部分的襯底層之間的中間液晶層，并且兩個襯底層上的導電部分的結構使得淀積在一個襯底層上的每個部分的片段與淀積在第二襯底層上的部分的至少一個片段重疊，并且來自兩個襯底層的導電部分的重疊片段與一部分中間液晶層一起形成指示器的液晶元件，這些液晶元件按照如下方式串聯電連接，其中一個液晶元件通過公共導電部分與下一個元件電連接，并且在平行于襯底層的剖面平面中的所有液晶元件一起形成標記的圖像，該標記圖像在電壓存在的情況下顯示，并且導電部分之一電連接到引到中間液晶層區域外部的電端子上，其特征在于在標記圖像的區域外部的襯底層表面上設置的導電部分的整個區域是指示器的電流收集電極，并且所述液晶元件如此成形，使得襯底層之一的平面上的一個液晶元件的投影具有界定顯示的標記圖像的外部輪廓的條紋的形式，并且這個條紋的端部的邊緣位于中間液晶層的邊緣的附近，而其它液晶元件的投影位于由這個條紋界定的標記圖像的區域內。
3.根據權利要求2的液晶指示器，其特征在于標記圖像由很多彼此分開的標號構成，每個標號由很多液晶元件構成，在每個標號中，至少一個液晶元件包括通過其平行分支而與端子電連接的導電部分。
4.根據權利要求2的液晶指示器，其特征在于中間液晶層含有向列液晶。
5.根據權利要求2的液晶指示器，其特征在于中間液晶層含有封閉在聚合物基體中的液晶。
6.根據權利要求2的液晶指示器，其特征在于至少兩個連續液晶元件的投影的表面面積基本相同。
7.根據權利要求2的液晶指示器，其特征在于連續的、彼此相鄰的液晶元件的投影的表面面積按照上升或下降方式變化。
全文摘要
本發明的對象是一種在電導體和元件中的電壓存在的液晶指示器。該器件用于指示尤其是在中和高電壓系統中的AC電壓存在。根據本發明的指示器包括其上淀積導電層(2)的兩個襯底層(1)和(5)，作為指示器的外部電輸出的端子(6)連接到層(2)。含有液晶的結構位于這些層之間。在本發明的第二實施例中，指示器包括具有淀積在其表面上的導電部分(20a、20b、20c、40d、40e)的兩個襯底層(10)和(50)，并且在其間設置中間液晶層(30)。淀積在一個襯底層上的每個部分的片段與淀積在另一個襯底層上的部分的至少一片段重疊，并且來自兩個襯底層的導電部分的重疊段與一部分中間液晶層一起形成指示器(70ad、70db、70be、70ec)的液晶元件，它們串聯電連接。在平行于襯底層的剖面平面中，液晶元件一起形成標記的圖像，在電壓存在時顯示這個標記圖像。位于標記圖像輪廓外部的襯底層(10)的表面上的導電部分(20a)的整個區域是該液晶指示器的電流收集電極，并且液晶元件以一個液晶元件(70ad)在襯底層(10)或(50)之一的平面上的投影具有界定顯示標記圖像的外部輪廓的條紋形式的方式進行成形，并且其它液晶元件(70db、70bd、70ec)的投影位于由該條紋界定的圖像標記的區域內部。
文檔編號G01R19/145GK1754102SQ200480004926
公開日2006年3月29日 申請日期2004年2月2日 優先權日2003年2月24日
發明者J·奇熱夫斯基 申請人:Abb有限公司