АВТОМАТИЧЕСКИЙ ЗАТЕМНЯЮЩИЙ ФИЛЬТР С АВТОМАТИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ ПИТАНИЯ
AUTOMATIC SHADE SMART POWER FILTER

Настоящее изобретение относится к автоматическому затемняющему жидкокристаллическому защитному экрану, или фильтру, который может использоваться на сварочной маске, чтобы фильтровать свет, падающий от факела горелки сварочного аппарата.
Уровень техники
Автоматические затемняющие жидкокристаллические защитные экраны, также известные как автоматические затемняющие фильтры, или АЗФ (ADF), часто используются для применений наподобие сварки, где желательна защита от интенсивных уровней падающего света. Типичный АЗФ включает в себя электронную управляющую схему, запитываемую аккумулятором, которая заставляет фильтр изменяться от светлого (ясного или прозрачного) состояния, когда нет воздействия яркого света сварочной дуги, до темного (почти непрозрачного) состояния при воздействии такого яркого света. Это позволяет сварщику выполнять сварочную операцию, а также выполнять задачи вне области сварки без передвижения защитного экрана. АЗФ могут быть сконструированы из комбинации поляризационных фильтров и слоев жидкокристаллических элементов. Примеры таких фильтров описаны в патентах США №№6.097.451 и 5.825.441, выданных оба на имя Hörnell and Palmer.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение обеспечивает защитный автоматический затемняющий фильтр (АЗФ), который включает в себя автоматическое управление питанием. АЗФ включает в себя блок управления электропитанием, который управляет мощностью, подводимой к АЗФ, на основе того, используется ли АЗФ в настоящее время. В одном варианте осуществления для того, чтобы определить, находится ли АЗФ в использовании, блок управления электропитанием содержит датчик движения, который воспринимает перемещение АЗФ и управляет мощностью, подводимой к АЗФ, на основе воспринятого перемещения.
В одном варианте осуществления изобретение содержит автоматический затемняющий фильтр, содержащий маску АЗФ; переключаемый фильтр, установленный в маске АЗФ, который изменяется от светлого состояния до темного состояния под действием управляющего сигнала; блок управления переключаемым фильтром, который генерирует и посылает управляющий сигнал на переключаемый фильтр в ответ на информацию, указывающую на наличие падающего света, и блок управления электропитанием, который воспринимает перемещение АЗФ и который управляет мощностью, подводимой к АЗФ, на основе воспринятого перемещения.
В другом варианте осуществления изобретение содержит способ, содержащий этапы, на которых воспринимают перемещение автоматического затемняющего фильтра и управляют мощностью, подводимой к автоматическому затемняющему фильтру, на основе воспринятого перемещения.
Термин «автоматический затемняющий фильтр» (АЗФ) означает защитное устройство, включающее в себя маску и переключаемый фильтр, разработанный для защиты глаз пользователя от чрезмерно яркого света при режимах работы типа сварки или при других режимах работы, где имеется потенциальная возможность для повреждения человеческого глаза от чрезмерно яркого света.
Термин «автоматическое управление питанием» означает автоматическое управление мощностью, подводимой к прибору, без подтверждающего действия пользователя (типа нажатия кнопки ВКЛЮЧЕНО/ВЫКЛЮЧЕНО или другого управляющего переключателя источника питания).
Термин «переключаемый фильтр» означает фильтр, способный к изменению от светлого состояния до темного состояния под влиянием управляющего сигнала.
Термин «блок управления переключаемым фильтром» означает блок, который генерирует и посылает управляющий сигнал переключаемому фильтру в соответствии с информацией, указывающей присутствие падающего света.
Термин «датчик движения» означает датчик, который обнаруживает любой из нескольких параметров, указывающих на перемещение, такие как местоположение, ускорение, наклон, удар и (или) вибрация.
Термин «источник питания» означает любой прибор или механизм, с помощью которого может подаваться электроэнергия, такой как аккумуляторы, блоки питания, генераторы, конденсаторы, топливные элементы, источники переменного тока или любой другой тип обеспечения электроэнергией.
Термин «блок управления электропитанием» означает блок, который воспринимает перемещение АЗФ и который управляет мощностью, подводимой к АЗФ, на основе воспринятого перемещения.
Детали одного или нескольких вариантов осуществления изобретения изложены на сопровождающих чертежах и в нижеследующем описании. Другие элементы, объекты и преимущества изобретения будут очевидны из описания и чертежей и из формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой вид в перспективе примера маски 10 автоматического затемняющего фильтра (АЗФ) с автоматическим управлением питанием.
Фиг.2 представляет собой покомпонентный вид примерного варианта осуществления конструкции 20 линзы для АЗФ.
Фиг.3 представляет собой блок-схему переключаемого фильтра 30 по фиг.2 и управляющей электроники 42 для АЗФ с автоматическим управлением питания.
Фиг.4А-4С являются временными диаграммами, показывающими четыре состояния системы для примерного АЗФ с автоматическим управлением питанием.
Фиг.5 является блок-схемой алгоритма, иллюстрирующей примерный процесс для обеспечения автоматического управления питанием в АЗФ.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Фиг.1 является видом в перспективе примерного варианта маски 10 автоматического затемняющего фильтра (АЗФ) того типа, с которым может использоваться настоящее изобретение. Маска 10 АЗФ включает в себя самозатемняющую фильтрующую линзу 20, закрепленную на каркасе 12 маски. Самозатемняющая фильтрующая линза 20 может быть установлена на каркасе 12 маски так, чтобы она была непосредственно перед глазами работника, когда маска надевается пользователем. В одном варианте осуществления линза 20 является заменяемой. Линза 20 может принимать форму прямоугольной (или другого вида) рамки или обоймы. Примеры масочных каркасов могут быть найдены, например, в патентах США №№6.185.739, 5.533.206, 5.191.468, 5.140.707, 4.875.235 и 4.853.973. Кроме того, маска 10 АЗФ может получать чистый воздух, подведенный во внутреннюю часть, и поэтому может включать в себя лицевое ограждение, чтобы отделить зону дыхания от окружающего воздуха. Пример такого лицевого ограждения показан в заявках на патент США №№10/987.512, 10/987.641, 10/988.789, 29/217.155, 29/217.153, 29/217.154, 29/217.107 и 29/217.156.
Фиг.2 показывает покомпонентное изображение примера самозатемняющей фильтрующей линзы 20. В этом варианте осуществления самозатемняющая фильтрующая линза 20 содержит переключаемый фильтр 30, установленный между двумя съемными защитными пластинами 22 и 24. Переключаемый фильтр 30 способен к изменению от светлого состояния до темного состояния и регулируется управляющей электроникой, установленной внутри маски 10 АЗФ. В варианте осуществления, показанном на фиг.2, переключаемый фильтр 30 является многослойным материалом из семи различных слоев: УФ/ИК-фильтр 31, три поляризатора 32, 34 и 36, два жидкокристаллических элемента 33 и 35 и защитное стекло 37. УФ/ИК-фильтр 31 постоянно блокирует вредное излучение независимо от того, что линза включена или выключена, светлая или темная. С помощью управляемой электроники (описанной ниже) жидкокристаллические элементы 33 и 35 действуют как затворы, которые обнаруживают и реагируют на сварочную дугу путем немедленного затенения линзы. Примеры подходящих переключаемых фильтров описаны в патентах США №№6.097.451 и 5.825.441 и в совместно рассматриваемой заявке на патент США на имя Magnusson et al., поданной 11 марта 2005.
В одном варианте осуществления первый и второй жидкокристаллические элементы 33 и 35 являются слабоскрученными жидкокристаллическими ячейками. Жидкокристаллические ячейки 33 и 35 снабжены соединителями (не показаны), с помощью которых может быть приложено управляющее напряжение. Также в некоторых вариантах осуществления поляризационные ориентации первого поляризатора 24 и третьего поляризатора 32 практически перпендикулярны к поляризационной ориентации второго поляризатора 56, как описано в вышеупомянутом патенте США №5.825.441. В других вариантах осуществления поляризационная ориентация по меньшей мере одного из первого поляризатора 24 или третьего поляризатора 32 смещена от практически перпендикулярной к поляризационной ориентации второго поляризатора 56, как описано в вышеупомянутой заявке на патент США на имя Magnusson et al., поданной 11 марта 2005. Хотя конкретная конструкция переключаемого фильтра показана и описана на фиг.2, переключаемый фильтр 30 может также принимать другие формы, известные в технике, и изобретение не ограничено в этом отношении.
Фиг.3 представляет собой блок-схему АЗФ, обозначенного в общем ссылочной позицией 40. АЗФ 40 содержит переключаемый фильтр 30, блок 50 управления переключаемым фильтром и блок 60 управления электропитанием. Блок 50 управления переключаемым фильтром содержит светочувствительный датчик 54 и контроллер 52 фильтра. Контроллер 52 фильтра регулирует степень затенения, обеспечиваемую переключаемым фильтром 30, в соответствии с уровнем падающего света, обнаруженного светочувствительным датчиком 54. Чтобы сделать это, контроллер 52 фильтра принимает сигналы от светочувствительного датчика 54, показывающие обнаруженный уровень падающего света, и генерирует соответствующий сигнал управления фильтром, такой как напряжение. Контроллер 52 фильтра прикладывает эти сигналы управления фильтром к переключаемому фильтру 30, тем самым управляя степенью затенения, обеспечиваемой переключаемым фильтром 30, в ответ на обнаруженные уровни падающего света. Например, когда светочувствительный датчик 54 обнаруживает наличие сварочной дуги или другого источника падающего света, контроллер 52 фильтра может генерировать и прикладывать соответствующее управляющее напряжение к жидкокристаллическим элементам 33 и 35 переключаемого фильтра 30 (см. фиг.2). Это управляющее напряжение заставляет переключаемый фильтр 30 затемняться и защищать пользователя от яркого света сварочной дуги. Величина управляющего напряжения, а тем самым и обеспечиваемая степень затенения может быть связана с интенсивностью падающего света. В отсутствие сварочной дуги или другого источника падающего света, от которого должен быть защищен пользователь, контроллер 52 фильтра может уменьшать или исключать управляющее напряжение на жидкокристаллические элементы 33 и 35, тем самым заставляя фильтр 30 становиться более прозрачным. Переключаемый фильтр 30, таким образом, защищает пользователя при выполнении сварочной операции и позволяет ему выполнять другие задачи вне области сварки без снятия защитной маски.
Блок 60 управления электропитанием обеспечивает АЗФ 40 возможностями автоматического управления питанием. А именно, блок 60 управления электропитанием регулирует мощность, подводимую к АЗФ 40, исходя из того, используется ли АЗФ 40 в настоящее время. Для целей настоящего изобретения блок 60 управления электропитанием делает заключение об использовании АЗФ 40 от воспринятого перемещения. Блок 60 управления электропитанием может обнаруживать такое перемещение, когда, например, пользователь поднимает или надевает АЗФ 40 при подготовке к выполнению сварочной операции. Блок 60 управления электропитанием воспринимает перемещение АЗФ 40 и регулирует мощность, подводимую к АЗФ 40, на основе воспринятого перемещения.
Блок 60 управления электропитанием непрерывно отслеживает, находится ли АЗФ 40 в использовании, и включает или отключает АЗФ 40 соответственно. Когда АЗФ 40 не используется, модуль 60 управления электропитанием отключает АЗФ 40. Будучи отключенным, АЗФ 40 работает на небольшой мощности (или в ее отсутствие), в режиме покоя или состоянии «ВЫКЛЮЧЕНО». Обнаружение деятельности пользователя, такое как воспринятое перемещение, когда пользователь поднимает защитную маску, заставляет АЗФ 40 автоматически «пробуждаться» или включаться и входить в активный режим. С другой стороны, блок 60 управления электропитанием отключает АЗФ 40, возвращая АЗФ 40 в режим покоя, когда сигналы, полученные от датчика 68 движения, указывают, что никакой начатой деятельности пользователя не обнаружено за установленный период.
В варианте осуществления, показанном на фиг.3, блок 60 управления электропитанием состоит из источника 66 питания, такого как аккумулятор, из датчика 68 движения, из сигнального согласующего фильтра 62 и из контроллера 64 мощности. Контроллер 64 мощности и датчик 68 движения работают вместе, чтобы обеспечить возможности автоматического управления питанием АЗФ 40. Датчик 68 движения воспринимает перемещение АЗФ 40 и генерирует и передает сигналы, указывающие на перемещение, к контроллеру 64 мощности через сигнальный согласующий фильтр 62. Сигнальный согласующий фильтр 62 устраняет любой из тех сигналов, которые появляются благодаря небольшим временным внешним вибрациям. Сигнальный согласующий фильтр 62 пропускает другие сигналы, которые могут быть связаны с некоторой деятельностью пользователя, для анализа с помощью контроллера 64 мощности.
Контроллер 64 мощности включает в себя управляющую логику, которая анализирует сигналы, возникающие от датчика 68 движения, чтобы определить, удовлетворяют ли какие-либо обнаруженные перемещения заданному пороговому условию. Пороговое условие соответствует минимальному уровню воспринятого перемещения, которое может проистекать от деятельности пользователя. Контроллер 64 мощности регулирует мощность, подводимую к АЗФ 40, на основе обнаруженного движения. Если пороговое условие удовлетворено, то контроллер 64 мощности генерирует и передает включающий сигнал к блоку 50 управления переключаемым фильтром. Этот включающий сигнал, по существу, «пробуждает» АЗФ 40, заставляя его войти в состояние «ВКЛЮЧЕНО». Будучи включенным, АЗФ 40 обеспечивает полную самозатемняющую защиту, переключаясь от светлого к темному состояниям в соответствии с присутствием или отсутствием обнаруженного окружающего света, как описано выше.
Датчик 68 движения может обнаруживать любой из ряда параметров, указывающих на перемещение, такой как местоположение, ускорение, наклон, удар и (или) вибрация, и должно быть понятно, что изобретение не ограничено в этом отношении. В одном варианте осуществления датчик 68 движения является полностью пассивным прибором, который не требует какой-либо мощности, когда АЗФ 40 находится в состоянии «ВЫКЛЮЧЕНО». Примеры таких пассивных воспринимающих приборов могут включать в себя, например, механический датчик вибрации/перемещения, состоящий из свободно соединенного электрического контакта (к примеру, один или два позолоченных шара), двухосевой или трехосевой акселерометр (к примеру, полностью интегрированный кремниевый прибор) или любой другой тип известного датчика, который обнаруживает движение, наклон, удар, вибрацию и (или) другую информацию, указывающую на перемещение. В других вариантах осуществления датчик 68 движения может быть датчиком малой мощности, который потребляет минимальное количество тока в состоянии «ВЫКЛЮЧЕНО».
Хотя датчик 68 движения может быть одним из нескольких типов датчиков вибрации/перемещения, в одном варианте осуществления сигнал, представляющий интерес, является механическим ускорением датчика 68 движения. Этот сигнал ускорения может быть в такой форме, как распознаваемый двоичный индикатор любого компонента всенаправленного ускорения, превышающий заданный порог. В других вариантах осуществления сигнал ускорения может принимать более сложную форму, такую как трехосевой акселерометр с отдельными значениями абсолютного ускорения для каждой оси.
Контроллер 64 мощности может быть концептуально представлен как конечный автомат, который включается при обнаружении первого события вибрации (т.е. перемещения, воспринятого датчиком 68 движения). Четыре примера состояний системы S0-S3 могут быть описаны следующим образом:
S0 - неработающий и «ВЫКЛЮЧЕНО», ожидание события вибрации.
S1 - событие вибрации, обнаруженное в момент времени t0, ожидание до момента времени t1.
S2 - любое событие вибрации, удовлетворяющее пороговому условию в отрезке времени t2-t1, переводит систему в состояние S3, состояние «ВКЛЮЧЕНО». Иначе система возвращается в состояние S0.
S3 - «ВКЛЮЧЕНО». После периода пассивности системы, к примеру, отсутствие вибрации, система возвращается в состояние S0.
Фиг.4А-4С показывают временные диаграммы, поясняющие перемещение из состояния в состояние, для состояний S0-S3, описанных выше. Верхняя строка на фиг.4А-4С показывает события вибрации, обозначенные в общем ссылочными позициями 70, 76 и 82 соответственно. Средняя строка показывает состояния системы S0-S3, обозначенные в общем ссылочными позициями 72, 78 и 84 соответственно. Нижняя строка показывает состояние АЗФ (например, ВКЛЮЧЕНО или ВЫКЛЮЧЕНО), обозначенное в общем ссылочными позициями 74, 80 и 86 соответственно.
Фиг.4А поясняет кратковременное событие вибрации, обозначенное в общем ссылочной позицией 70, которое не приводит к активации системы в состояние «ВКЛЮЧЕНО». В состоянии S0 (ВЫКЛЮЧЕНО/не работает) небольшое (импульсное) событие вибрации происходит в момент времени t0, заставляя систему переходить в состояние S1. Попав в состояние S1, система ожидает до момента времени t1. Во время состояния S1 (временной отрезок t1-t0) событие вибрации продолжается. В момент времени t1 система переходит в состояние S2 и ожидает событие вибрации в течение временного отрезка t2-t1. Поскольку не имеется никакого события вибрации во время состояния S2 (временной отрезок t2-t1), система не активизируется и возвращается в состояние S0 в момент времени t2.
На фиг.4В более длительная (продолжительная) вибрация приводит к активации системы в состояние «ВКЛЮЧЕНО», состояние S3. В этом случае событие вибрации, обозначенное ссылочной позицией 76, происходит в момент времени t3 в состоянии S2. Поскольку момент времени t3 находится внутри t2-t1 временного отрезка (другими словами, до момента времени t2), система активизируется и входит в состояние S3, состояние «ВКЛЮЧЕНО».
На фиг.4С система ВКЛЮЧЕНА (состояние S3) в момент времени t0, как обозначено ссылочной позицией 86. В состоянии «ВКЛЮЧЕНО» S3 система непрерывно контролирует перемещение автоматического затемняющего фильтра. Если никакого перемещения не воспринимается в течение заранее заданного периода, блок 60 управления электропитанием считает, что автоматический фильтр затемнения не используется, и деактивирует АЗФ 40. На фиг.4С заранее заданным периодом является временной отрезок t4-t0. Поскольку никакой результат вибрации не обнаруживается в течение временного отрезка t4-t0, блок 60 управления электропитанием деактивирует систему и возвращает ее в состояние «ВЫКЛЮЧЕНО».
В некоторых вариантах осуществления в зависимости от окружающей среды временной отрезок t1-t0 может находиться где угодно внутри диапазона от 0,5 секунды до 3 секунд, например. Временной отрезок t2-t1 может быть где угодно внутри диапазона от 0,5 до 3 секунд, например. Временной отрезок t4-t0 может быть где угодно внутри диапазона от 1 минуты до 10 минут, например. Должно быть понятно, однако, что эти временные отрезки могут быть изменены и что другие временные отрезки, лежащие за пределами приведенных диапазонов, также могут быть пригодны в зависимости от типа использования и (или) особенностей окружающей среды, в которой АЗФ должен использоваться среди других факторов. Поэтому изобретение не ограничено в этом отношении.
Фиг.5 является блок-схемой алгоритма, поясняющей примерный ход процесса, с помощью которого блок 60 управления электропитанием автоматически управляет мощностью, подводимой к АЗФ 40. Процесс будет описан начиная от состояния «ВЫКЛЮЧЕНО» (S0) (90), хотя должно быть понятно, что процесс может быть также описан с любой точки.
В состоянии «ВЫКЛЮЧЕНО» S0 (90) контроллер 64 мощности анализирует сигналы, возникающие от датчика 68 движения в результате вибрации (91). Если не обнаружено события вибрации, которое удовлетворяет пороговому условию, система остается в состоянии «ВЫКЛЮЧЕНО» S0 (90). Если событие вибрации, которое удовлетворяет пороговому условию, обнаружено (91), система переходит в состояние S1 и ожидает до первого момента времени t1 (92). После того как время t1 истекает, система переходит в состояние S2 (93). Затем контроллер 64 мощности анализирует сигналы, полученные от датчика 68 движения для события вибрации в течение временного отрезка t2-t1 (94). Если никакой вибрации не обнаружено в течение этого временного отрезка, контроллер 64 мощности считает, что начальная обнаруженная вибрация не связана с началом деятельности пользователя, и возвращается в состояние «ВЫКЛЮЧЕНО» S0 (90).
Если, с другой стороны, событие вибрации, которое удовлетворяет пороговому условию, обнаружено в течение временного отрезка t2-t1 (94), контроллер мощности считает, что перемещение соответствует деятельности, начатой пользователем, и устройство переходит в состояние «ВКЛЮЧЕНО» S3 (95). Находясь в состоянии «ВКЛЮЧЕНО», контроллер 64 мощности анализирует сигналы, полученные от датчика движения для событий вибрации. До тех пор пока события вибрации, которые удовлетворяют пороговому условию, продолжают происходить, система останется в состоянии «ВКЛЮЧЕНО» S3. Однако когда условие «ВЫКЛЮЧЕНО» удовлетворено (96), контроллер 64 мощности считает, что прибор больше не находится в использовании, и возвращает систему в состояние «ВЫКЛЮЧЕНО» S0 (90).
Примеры соответствующих условий «ВЫКЛЮЧЕНО» (96) могут содержать, например, отсутствие обнаруженного сварочного света в течение определенного периода, отсутствие воспринятого перемещения в течение определенного периода, никакой другой деятельности пользователя (такого как действие по управлению АЗФ пользователем) в течение определенного периода или другого соответствующего условия, указывающего, что АЗФ сейчас не используется. Например, если никакого события вибрации, удовлетворяющего пороговому условию, не обнаружено за установленный период, контроллер 64 мощности может считать, что АЗФ 40 больше не используется, и может возвращать систему в состояние «ВЫКЛЮЧЕНО» S0. Этот установленный интервал времени может быть задан, например, где угодно между 1 минутой и 10 минутами. Установленный интервал времени может быть определен и задан изготовителем или может быть переустановлен пользователем и может выбираться, чтобы обеспечить подходящий промежуток времени для окружающей среды, в которой используется АЗФ.
Контроллер 64 мощности и (или) контроллер 52 фильтра может быть осуществлен как машиночитаемый носитель, который включает в себя инструкции, заставляющие программируемый процессор выполнять способы, описанные выше. «Машиночитаемый носитель» включает в себя - но не ограничен ими - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), энергонезависимое оперативное запоминающее устройство (ЭНОЗУ), электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (ЭСППЗУ), флэш-память, магнитный жесткий диск, магнитный диск или магнитную ленту, оптический дисковый или магнитооптический диск, голографический носитель или тому подобное. Инструкции могут быть воплощены как один или несколько программных модулей, которые могут исполняться сами по себе или в комбинации с другим программным обеспечением. «Машиночитаемый носитель» может также содержать несущее колебание, модулированное или закодированное для передачи инструкций по передающей линии или каналу беспроводной связи.
Изобретение также может быть осуществлено как одно или несколько устройств, которые включают в себя логическую схему, чтобы выполнять функции или способы, как описано здесь. Эта логическая схема может состоять из процессора, который может быть программируемым для универсального применения или может быть специализированного назначения, типа микроконтроллера, микропроцессора, цифрового сигнального процессора (DSP), специализированной микросхемы (ASIC), программируемой пользователем логической матрицы (FPGA) и тому подобного.
Один или несколько описанных здесь методов могут быть частично или полностью выполнены в программном обеспечении. Например, машиночитаемый носитель может хранить или иным образом содержать компьютерные инструкции, т.е. программный код, который может быть исполнен процессором, чтобы осуществить один или несколько описанных выше методов.
Изобретение, описанное здесь, имеет несколько преимуществ. Например, поскольку АЗФ автоматически включается, когда маска поднимается, пользователь не должен принимать какие-либо специальные меры, чтобы подготовить систему к использованию. Кроме того, схема управления гарантирует, что система включится, когда необходимо, уменьшая риск, что пользователь забудет включить АЗФ и не получит активную защиту. Система может также сохранять электроэнергию (например, время работы аккумулятора) путем понижения мощности, прибора когда он не используется, и включением прибора, только когда необходимо. В результате экономичного потребления энергии можно использовать меньшие и более легкие аккумуляторы.
Все патенты и заявки на патенты, цитируемые выше, включая те, что процитированы в разделе «Уровень техники», включены в данный документ посредством ссылки во всей полноте.
Описаны различные варианты осуществления изобретения. Эти и другие варианты осуществления находятся в объеме нижеследующей формулы изобретения.