ТЕРМОКОМПЕНСИРУЕМЫЙ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ЭКРАН
TEMPERATURE-COMPENSATED LIQUID CRYSTAL SCREEN

Термокомпенсируемый жидкокристаллический экран предназначен для использования в электронной технике, например в системах отображения информации, электронных дисплеях, в частности в жидкокристаллических (далее по тексту ЖК), которые работают в условиях арктической зоны.
Известен широкий ряд ЖК-дисплеев, предназначенных для работы в условиях низких температур от минус 55°С до плюс 50°С. Однако такие устройства характеризуются длительным временем подготовки (разогрева) к работе, т.е. до 10 минут, что в ряде случаев недопустимо. В связи с тем что в большинстве ЖК-ячеек используется кондуктивный механизм нагрева, скорость нагрева ЖК-ячейки составляет 5-6°С/мин. Увеличение скорости нагрева сопровождается тепловым короблением ЖК-ячейки и ее разрушением. Основной причиной, ограничивающей скорость нагрева ЖК-ячейки, является низкая теплопроводность материалов элементов ее конструкции, поэтому ЖК-ячейку следует прогревать медленно, обеспечивая при этом равномерность нагрева. Иными словами, увеличение скорости нагрева ЖК-ячейки ограничено разностью температур по толщине ЖК-ячейки. Уменьшение разности температур по толщине ЖК-ячейки позволит более интенсивно производить нагрев.
Известно устройство (патент США №4773735; G 02F1/13), выбранное в качестве аналога, содержащее жидкокристаллическую ячейку, у которой на внешнюю и внутреннюю поверхности нанесено резистивное покрытие для подогрева ЖК-экрана. Недостатком аналога является неравномерность подогрева ЖК-ячейки по периферии ячейки. Обычно плохо прогретыми остаются участки в углах ячейки из-за оттока тепла на корпус устройства. Быстрый нагрев центральной области ЖК-ячейки аналога может привести к короблению ЖК-ячейки и искажению изображения. Также выполнение резистивной пленки на внешней поверхности ЖК-ячейки аналога приводит к необходимости нанесения более сложных антибликовых покрытий для обеспечения высокого контраста изображения в условиях повышенной освещенности, что существенно увеличивает стоимость ЖК-ячейки. При этом антибликовое и резистивное покрытие наносятся уже на готовые ЖК-ячейки, что сопровождается технологическим риском, связанным с качеством покрытия.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство термокомпенсируемого жидкокристаллического экрана (патент РФ №2316799, G02F 1/13, G02F 1/133, опубл. 10.02.2008), содержащее блок управления, систему контроля температуры, систему подогрева, которая содержит рамку, обрамляющую жидкокристаллическую ячейку, находящуюся в тепловом контакте с жидкокристаллической ячейкой, по меньшей мере, вдоль одной стороны расположены нагревательные элементы, раздельно питающиеся от блока управления. Недостатки прототипа: передача тепла от нагревательных элементов осуществляется последовательно через элементы конструкции экрана к слою ЖК-ячейки. Скорость нагрева ЖК-ячейки определяется свойствами теплопроводности используемых материалов, что, с одной стороны, требует контроля за равномерностью нагрева лицевой поверхности ЖК-ячейки, а с другой стороны, не может обеспечить ЖК-ячейке быстрый и безопасный нагрев при низких температурах окружающей среды.
Техническим результатом изобретения является быстрый, не более 2 минут, нагрев ЖК-ячейки до рабочего состояния при низких температурах окружающей среды.
Технический результат достигается тем, что термокомпенсируемый жидкокристаллический экран содержит блок управления, систему контроля температуры, систему подогрева, которая содержит рамку, обрамляющую жидкокристаллическую ячейку, находящуюся с ней в тепловом контакте, по меньшей мере, вдоль одной стороны жидкокристаллической ячейки расположены нагревательные элементы, раздельно питающиеся от блока управления. Причем обрамляющая рамка выполнена съемной. Причем обрамляющая рамка содержит, по меньшей мере, один кнопочный переключатель с системой встроенного освещения. Причем нагревательные элементы в виде светоизлучающих диодов расположены на нижней и на одной из боковых сторон обрамляющей рамки, а на верхней стороне и на другой боковой стороне обрамляющей рамки расположены фотоприемники. Причем экран имеет дополнительную, расположенную на задней поверхности жидкокристаллической ячейки систему подогрева, которая отдельно питается от блока питания. Причем максимум интенсивности спектра электромагнитного излучения светоизлучающих диодов расположен в инфракрасной области электромагнитного излучения. Причем максимум интенсивности спектра электромагнитного излучения светоизлучающих диодов расположен в синей области видимого излучения. Причем максимум интенсивности спектра электромагнитного излучения светоизлучающих диодов расположен в ультрафиолетовой области электромагнитного излучения.
Существенными отличительными признаками заявляемого технического решения являются выполнение нагревательных элементов в виде светоизлучающих диодов, излучение которых под углом падает на лицевую поверхность жидкокристаллической ячейки, а также то, что светоизлучающие диоды находятся в тепловом контакте с обрамляющей рамкой.
В отличие от прототипа наличие совокупности отличительных существенных признаков заявленного изобретения позволяют заявленному устройству обеспечивать быстрый, не более 2 минут, нагрев ЖК-ячейки до рабочего состояния при низких температурах окружающего среды.
Сущность изобретения, его реализуемость и возможность промышленного применения поясняются чертежами, представленными на Фиг. 1-4, где:
На Фиг. 1 изображен термокомпенсируемый жидкокристаллический экран в аксонометрии.
На Фиг. 2 изображено расположение ИК-светодиодов и фотоприемников по контуру обрамляющей рамки.
На Фиг. 3 изображен фрагмент системы подогрева с одним снятым кнопочным переключателем.
На Фиг. 4 изображено сечение А-А системы подогрева устройства.
Заявляемое техническое решение содержит следующие позиции:
1 - блок управления;
2 - система контроля температуры;
3 - система подогрева;
4 - жидкокристаллическая ячейка;
5 - обрамляющая рамка;
6 - нагревательные элементы;
7 - кнопочные переключатели;
8 - система встроенного освещения;
9 - лицевая поверхность ЖК-ячейки;
10 - задняя поверхность ЖК-ячейки;
11 - нижняя сторона обрамляющей рамки;
12 - боковая сторона обрамляющей рамки;
13 - верхняя сторона обрамляющей рамки;
14 - вторая боковая сторона обрамляющей рамки;
15 - фотоприемники;
16 - дополнительная система подогрева;
17 - теплоотвод;
18 - защитное стекло;
19 - лучевой тепловой поток;
20 - кондуктивный тепловой поток.
Термокомпенсируемый жидкокристаллический экран содержит блок управления 1 (Фиг. 1, 4), систему контроля температуры 2, систему подогрева 3 (Фиг. 1). Система подогрева 3 содержит обрамляющую ЖК-ячейку 4 (Фиг. 1, 4), рамку 5, по меньшей мере, вдоль одной стороны которой расположены нагревательные элементы 6 (Фиг. 2, 3, 4), раздельно питающиеся от блока управления 1 (Фиг. 1, 4). Обрамляющая рамка 5, которая выполнена, например, съемной, находится в тепловом контакте с ЖК-ячейкой 4. По сторонам обрамляющей рамки 5 расположены кнопочные переключатели 7 (Фиг. 1, 2, 3, 4) с системой встроенного освещения 8 (Фиг. 3). Нагревательные элементы 6 (Фиг. 2, 3, 4), которые находятся в тепловом контакте с обрамляющей рамкой 5 (Фиг. 1, 4), выполнены в виде светоизлучающих диодов, например ИК-светодиодов SFH 4725 S компании OSRAM. Светоизлучающие диоды ориентированы конструкцией обрамления на середину ЖК-ячейки 4, которая содержит лицевую поверхность 9 (Фиг. 1) и заднюю поверхность 10 (Фиг. 4). Нагревательные элементы 6 в виде светоизлучающих диодов расположены на нижней стороне 11 и одной боковой стороне 12 обрамляющей рамки 5. На верхней 13 стороне и другой боковой 14 стороне обрамляющей рамки 5 расположены фотоприемники 15. Дополнительная система подогрева 16, расположенная на задней поверхности 10 жидкокристаллической ячейки 4 (фиг. 1, 4), раздельно питается от блока управления 1. Нагревательные элементы 6 (Фиг. 2, 3, 4) установлены на теплоотводе 17 (Фиг. 2, 3, 4), который обеспечивает тепловой контакт с обрамляющей рамкой 5 (Фиг. 1, 4). Перед нагревательными элементами 6 (Фиг. 2, 3, 4) установлено защитное стекло 18 (Фиг. 4).
Предложенное устройство работает следующим образом (Фиг. 4). Электрическая энергия с блока управления 1 (Фиг. 1, 4), поступает в нагревательные элементы 6 (Фиг. 2, 3, 4) системы подогрева 3 (Фиг. 1), установленные на обрамляющей рамке 5 (Фиг. 1, 4), и в дополнительную систему подогрева 16 (Фиг. 1). Поглощенная нагревательными элементами 6 электрическая энергия разделяется на лучевой тепловой («быстрый») поток 19 (Фиг. 4) и кондуктивный («медленный») тепловой поток 20 (Фиг. 4). Лучевой тепловой поток 19, формируемый, например, светодиодами, через защитное стекло 18 (Фиг. 4) падает на лицевую поверхность 9 (Фиг. 1) ЖК-ячейки 4 (Фиг. 1,4) под острым углом, частично проникает внутрь тела ЖК-ячейки 4 и поглощается ею. Кондуктивный тепловой поток 20 (Фиг. 4) через теплоотвод 17 поступает в обрамляющую рамку 5 (Фиг. 1, 4), которая нагревается сама и часть тепла передает в ЖК-ячейку 4. Таким образом, нагрев ЖК-ячейки 4 осуществляется лучевым («быстрым») тепловым потоком 19 (Фиг. 4) и кондуктивным («медленным») тепловым потоком 20 (Фиг. 4).
Особенностью предложенного устройства является то, что лучевой поток 19 (Фиг. 4) попадает непосредственно в объем ЖК-ячейки 4 (Фиг. 1,4), минуя этапы нагрева конструктивных элементов 17 (Фиг. 2, 3, 4), 5 (Фиг. 1, 4), 4 (Фиг. 1, 4) на пути движения кондуктивного теплового потока 20 от нагревательного элемента 6 (Фиг. 2, 3, 4) к жидкому кристаллу ЖК-ячейки 4 (Фиг. 1, 4). Дополнительная система подогрева 16 (Фиг. 1), расположенная на задней поверхности 10 (Фиг. 4) ЖК-ячейки 4 (Фиг. 1, 4), обеспечивает ее обогрев и представляет собой самостоятельное средство подогрева. Дополнительная система подогрева 16 (Фиг. 1), как правило, выполнена в виде пластин с терморезистивным элементом, например ПЭО ТУ 3443-002-46891576-2005 производства ПНК «Николь», г. Санкт-Петербург. К дополнительной системе подогрева 16 можно также отнести электрорадиоэлементы, расположенные в непосредственной близости от ЖК-ячейки 4, например систему встроенного освещения 8 (Фиг. 3, 4), кнопочные переключатели 7 (Фиг. 1, 2, 3, 4), процессоры, преобразователи питания, микросхемы и т.п., обеспечивающие работоспособность ЖК-дисплея.
Вокруг обрамляющей рамки 5 (Фиг. 1, 4) могут быть выполнены ИК-светодиоды. Светодиоды могут быть расположены по нижней стороне 11 (Фиг. 1, 2) обрамляющей рамки 5 (Фиг. 1, 4) и одной из боковых сторон, например 12 (Фиг. 1, 2), а на противоположных им сторонах: верхней стороне 13 (Фиг. 1, 2) и боковой, например 14, могут быть расположены фотоприемники 15 (Фиг. 2) в виде фоторезисторов, фотодиодов или фототранзисторов, которые принимают сигналы от противоположно установленных ИК-светодиодов. Таким образом, ИК-светодиодная система подогрева может работать непосредственно как система подогрева или как часть экранного сенсора, позволяющая контролировать прерывание потока лучистой энергии светодиодов в любой области экрана при прикосновении к лицевой поверхности ЖК-ячейки 4 (Фиг. 1, 4). На этапе нагрева по данным системы контроля температуры 2 (Фиг. 1), выполненной на базе терморезисторов типа ММТ-4А ОЖО.468.086 ТУ или датчиков температуры типа LM135Z фирмы SGS-Thomson, питание ИК-светодиодов устанавливается максимальным, после выхода на рабочий режим ЖК-ячейки 4 питание светодиодов уменьшается до уровня, достаточного для функционирования экранного сенсора. Выбор спектра излучения светодиодов определяется особенностями материалов ЖК-ячейки 4, например стекла, фторопласта и т.п.
Универсальным решением является выбор светодиодов, максимум интенсивности спектра электромагнитного излучения которых расположен в инфракрасной области электромагнитного излучения. При этом для ряда ЖК-ячеек 4 более эффективным может оказаться использование светодиодов белого свечения, максимум интенсивности спектра электромагнитного излучения светодиодов которых расположен в синей области электромагнитного излучения или светодиодов с максимумом интенсивности излучения в ультрафиолетовой области электромагнитного излучения.
Примером конкретного выполнения может служить кнопочное обрамление термокомпенсируемого жидкокристаллического экрана, представленное на фиг. 1, где нагревательные элементы 6 выполнены в виде печатных плат с установленными на них ИК-светодиодами. Обрамляющая рамка 5 выполнена из алюминиевого сплава АМг6 ГОСТ 17232-99. Защитное стекло выполнено из органического стекла СО-120 ГОСТ 10667-90 или СОТ ТУ2216-527-00208947-2010. Режим работы ИК-светодиодов задается блоком управления 1 и контролируется системой контроля температуры 2.
Таким образом, использование в предложенном техническом решении совместно кондуктивного и лучевого потоков нагрева ЖК-ячейки позволяет увеличить скорость нагрева ЖК-ячейки до 10-12°С/мин и обеспечить быстрый, не более 2 минут, нагрев ЖК-ячейки до рабочего состояния при низких температурах окружающей среды.
Заявленное устройство имеет отличия от наиболее близких аналогов, следовательно, заявленное техническое решение удовлетворяет условию патентоспособности изобретения «новизна».
Заявленное техническое решение явным образом не следует из уровня техники. Кроме того, в процессе патентного поиска не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного изобретения, следовательно, оно удовлетворяет условию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
Проведенные испытания подтверждают достижение заявленного технического результата. В связи с этим изобретение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».