CH704601A2 - Zeiger für Uhren oder Messgeräte mit optisch angeregten Wellenleitern. - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft Zeiger für Messinstrumente und Uhren, die durch optisch angeregte Wellenleiter erhöhte Sichtbarkeit mit definierten geometrischen und farblichen Eigenschaften erreichen. Ein optischer Wellenleiter (6) ist auf der Zeigerfahne angebracht, oder ein optischer Wellenleiter wirkt selber als Zeigerfahne, damit das vom Wellenleiter geführte Licht die Anzeigeposition des Zeigers definiert.
Description
[0001] Verschiedene Verfahren, die ermöglichen, Zeiger von Uhren oder Messgeräten auch bei begrenzter Helligkeit zu sehen, sind bekannt. Z. B. kann eine Lichtquelle verwendet werden, um das Zifferblatt zu beleuchten (s. US Patent 6 017 127 für Beleuchtung von Zifferblättern in Uhren). In einem weiteren Beispiel (WO/1997/040 346), sind Zeiger mit einem elektrisch kontaktierten Leuchtmittel (Leuchtfaden, Licht emittierende Diode = LED) beschrieben, das die Zeigerfahne ausleuchtet.
[0002] Weitere Verfahren basieren auf Leuchtstoffe, die auf die Zeiger durch Beschichtungstechniken angebracht werden. Wenn, zum Beispiel, Leuchtstoffe, die phosphoreszierende Pigmente enthalten, verwendet werden, werden Elektronen von bestimmten in den Pigmenten enthaltenen Ionen durch Tages- oder Kunstlicht angeregt. Nach einer Speicherphase, die von der Intensität, der Wellenlängenverteilung und der Dauer der Beleuchtung abhängig ist, fallen die Elektronen von ihrem angeregten in ihren Grundzustand zurück. Dadurch wird Energie frei, die in Form von sichtbarem Licht emittiert werden kann.
[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Sichtbarkeit der Zeiger durch auf der Zeigerfahne angeordnete optische Wellenleiter entscheidend zu verbessern: die Wellenleiter werden durch ein besonderes Verfahren optisch angeregt und können in verschiedenen Farben und Geometrien zum Leuchten gebracht werden. Neue Funktionen und Designmöglichkeiten werden dadurch kostengünstig ermöglicht.
[0004] Die Aufgabe ist durch Zeiger mit den Merkmalen, die in den untenstehenden Ansprüchen und in den folgenden Beispielen definiert werden, gelöst. Einige mögliche Wellenleiter- und Beleuchtungsquellenanordnungen werden beschrieben.
[0005] Die erfindungsgemässen Zeiger haben den Vorteil, dass die Leuchtstoffe (die in den auf der Zeigerfahne aufgebrachten Wellenleitern vorhanden sind) nur optisch angeregt werden. Anwendungen ohne elektrischen Kontaktbahnen zu den Zeigern sind denkbar. Die Zeiger werden mit optischen Wellenleitern versehen, die in verschiedenen Anordnungen in das Zeigerblatt eingebaut werden können: damit ergeben sich neue Gestaltung- und Farbmöglichkeiten.
[0006] Lumineszierende oder phosphoreszierende Substanzen mit Emissionswellenlängen im Bereich zwischen ca. 400 und 700 nm und Anregungswellenlängen im sichtbaren oder UV Bereich sind hinreichend bekannt. Beispiele sind:
- anorganische Substanzen mit seltenen Erden Dotierungen: YVO4:Eu, Y2O2S:Eu, Gd2O2S:Tb, Y3Al5O12:Ce, (Ce,La)PO4:Tb, BaMgAl14O23:Eu, Sr2Al6O11:Eu, SrAl2O4:Eu,Dy, CdSiO3:Mn,Y, Sr2MgSi2O7:Eu, AlN:Eu, Ba2Si5N8:Eu.
- sogenannte «Quantum Dots» wo ein anorganischer Nanokristall mit einer typischen Grösse von 2-10 nm (z.B. ZnS:Eu, Mn) in eine Matrix (z.B. aus Glas) eingebettet wird.
- organische Verbindungen (Phenoxazine, Phenotyazine, Phtalocyanine, Naphtalocyanine, Indoliumderivate, Pyrilliumderivate, Seltenerdchelate, Rhodamine, Pyranine, Triphenylmethanfarbstoffe, Stilbene, Coumarine, u.a.).
Die lumineszierenden oder phosphoreszierenden Substanzen können in verschiedenen Formen angewendet werden. Z.B. ist es bekannt, dass lumineszensfähige Verbindungen in Trägermaterialien (aus Glas oder Kunststoff) eingebettet, dispergiert oder auf Oberflächen aufgebracht werden können. Das Trägermaterial kann in verschieden Formen wie z.B. Fasern mit verschiedenen Geometrien und Querschnitten weiterverarbeitet werden. Letztere können auf die Zeigerfahnen aufgebracht werden oder als eigenständige Zeigerfahnen direkt eingesetzt werden.
[0007] Ein klassisches Beispiel eines Wellenleiters ist eine optische Faser, mit einem «Core» (Kern) von ca. 10 µm Durchmesser und einem «Cladding» (Mantel) von ca. 300 µm Durchmesser. Die Brechzahl des Kernes ist höher als diejenige des Mantels damit das Licht geführt bleibt. Mehrfache Mäntel sind möglich. Verschiedene Materialien können eingesetzt werden, wie z.B. Gläser oder Kunststoffe. In einer Form der Erfindung kann der Kern mit lumineszierenden oder phosphoreszierenden Substanzen dotiert werden: das anregende Licht wird im Mantel geführt und regt die Lumineszenz oder Phophoreszenz im Kern an. In einer anderen, einfacheren Form der Anwendung wird eine einfache Faser (ohne Kern/Mantel Struktur) als Lichtleiter gegenüber Luft verwendet: das Fasermaterial enthält die entsprechenden Dotierung und wird durch eine externe Beleuchtungsquelle angeregt und dadurch zum Fluoreszieren oder Phosphoreszieren gebracht.
[0008] Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemässen Zeiger sind anhand der in den folgenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.
[0009] Fig. 1 zeigt eine Ansicht einer Anzeigevorrichtung eines Messgerätes mit Zeiger und Skala. Ein Zeigerbeispiel wird weiter unten vergrössert dargestellt, mit allen funktionellen Angaben. Wesentlich ist der optische Lichtleiter («(1)», z.B. eine Kunststofffaser), der Bestand des Zeigers ist. Das von einer (nicht abgebildeten) Quelle emittierte Licht wird in den Lichtleiter gekoppelt. Im Lichtleiter wird das Licht geführt. Der Lichtleiter ist so gewählt, dass im Kern Lichtkonversion durch Photolumineszenz oder Phosphoreszenz stattfinden kann. Photolumineszierende oder phosphoreszierende Stoffe können z.B. Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich emittieren, wenn sie im blauen oder ultravioletten Bereich angeregt werden. Beispiele für solche Stoffe gibt es viele. Dazu gehören, wie weiter oben erwähnt, anorganische Pigmente, die mit verschiedenen Anregungszentren dotiert werden können. Damit können zahlreiche Farben oder Farbkombinationen erzeugt werden.
[0010] Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht einer Uhr mit zwei erfindungsgemässen Zeigern «(1)» und «(2)». Der Zeiger «(1)» ist mit einem Lichtleiter versehen, der flächenmässig kleiner ist als die Gesamtfläche der Zeigerfahne. Demgegenüber besteht Zeiger «(2)» fast ganz aus Lichtleitermaterial. Beide Varianten können mittels der hier beschriebenen Erfindung hergestellt werden: dadurch kann eine grosse Vielfalt von Designmöglichkeiten in Sachen Zeigerformen und Farben abgedeckt werden.
[0011] Fig. 3a ist eine Seitenansicht von einem erfindungsgemässen Zeiger. Der Zeiger dreht sich um die Achse «(11)». Der Zeiger mit optischem Lichtleiter wird beleuchtet durch eine Lichtquelle «(1)» (z.B. eine LED), die über eine Stahlformungsvorrichtung «(2)» (z.B. ein parabolischer Reflektor) Licht in den Kanal «(3)» (z.B. eine Kunststofffaser) einkoppelt. Das aus «(3)» austretende Licht wird durch den Spiegel «(4)» reflektiert und mit einer Linse «(5)» gebündelt. Der so gebündelte Lichtstrahl wird in einen optischen Wellenleiter «(6)» eingekoppelt, der aus einem Kern «(7)» und einem Mantel «(7)» besteht. Standardmässig sind dabei die Brechzahlen des Kerns und des Mantels so gewählt, dass das Licht im Kern geführt wird. Wellenleiter mit mehrfachen Mantelanordnungen können ebenfalls verwendet werden. Im Kern ist, wie bereits in der Beschreibung zu Fig. 1 erwähnt, ein durch günstige Photolumineszenz oder Phosphoreszenz Eigenschaften charakterisierten Stoff enthalten. Dieser Stoff wird durch den Lichtstrahl angeregt und leuchtet dann nach. Dieses Nachleuchten kann durch die Wahl des Stoffes und seiner Dotierung auf die gewünschte Wellenlängenverteilungen angepasst werden. Mehrfachkerne, entweder ineinander verschachtelt oder nebeneinander liegend, sind ebenfalls einsetzbar.
«(8)» ist die eigentliche Zeigerfahne, befestigt auf einer Hülse, die durch einen nicht abgebildeten Mechanismus angetrieben wird und dem Zeiger seine Anzeigefunktion möglich macht. Um die Anregungsdauer des Wellenleiters auf das Nötige zu beschränken, wird die Lichtquelle nur für bestimmte Positionen des Zeigers eingeschaltet. Z.B. im Fall einer Uhr, wird der Wellenleiter auf dem Minutenzeiger einige Male pro Umdrehung angeregt. Dies ermöglicht eine Kontrolle der zur Anregung benötigten elektrischen Leistung.
«(9)» ist eine Abdeckvorrichtung, die über der Lichtquelle und auf der Achse «(11)» zentriert steht. Sie dient als Schutzvorrichtung und kann durch verschiedene Varianten als Element des Designs wirken.
[0012] Fig. 3b ist eine Ansicht von oben des in Fig. 3abeschriebenen Zeigers. Die optische Anregungsquelle bleibt unsichtbar: nur ihr Anregungseffekt in Form des im Kern des Wellenleiters emittierten Licht ist für den Beobachter zu sehen.
Es ist zu bemerken, dass die Bauweise der Anregungsquelle, die in Fig. 3a mit getrennten Einzelteilen beschrieben wurde, auch monolithisch hergestellt werden kann: denkbar sind verschiedene monolithische Kombinationen von, z.B., Reflektor/Lichtleiter/Spiegel/Linse, in der Form einer gefalteten Stablinse.
[0013] Fig. 3c ist ebenfalls eine Ansicht eines Zeigerbeispiels von oben. Damit können die Möglichkeiten für Designvariationen angedeutet werden. Mittels Faserbündel oder Y-Koppler können die Wellenleiter auseinander oder ineinander gefügt werden. Damit lässt sich auf der Zeigerfahnenoberfläche eine Vielfalt von Mustern herstellen.
Durch Zusammensetzungsgradiente im Kern der Wellenleiter ist ebenfalls denkbar, entlang des Wellenleiters die Intensität des emittierten Lichtes zu verändern.
[0014] Fig. 4 ist eine Seitenansicht von einem System mit zwei erfindungsgemässen Zeigern. Die Zeiger drehen sich um die Achse «(11)».
Der obere Zeiger mit optischem Lichtleiter wird beleuchtet durch eine Lichtquelle «4» (z.B. eine LED oder ein Halbleiterlaser mit Emission bei 405 +/- 25 nm), die über die (beweglichen) Kontakte «(1)» und «(2)» elektrisch angeregt wird. Das aus «(4)» austretende Licht wird über eine Stahlformungsvorrichtung («(7)») in den lichtemittierenden Wellenleiter eingekoppelt. Im Kern des Wellenleiters ist, wie bereits oben beschrieben, ein durch günstige Photolumineszenz oder Phosphoreszenz Eigenschaften charakterisierter Stoff enthalten. «(9)» bezeichnet die metallische Unterlage der Zeigerfahne. Denkbar ist jedoch ebenfalls eine Zeigerfahne, die ganz aus lichtleitendem Material besteht, ohne metallische oder andere Halterung.
Ähnlich ist die Beschreibung für den unteren Zeiger: die Lichtquelle «(5)» wird durch die Kontakte «(1)» und «(3)» angeregt, die Einkopplung des Lichtes wird über «(7)» in den Wellenleiter «(8)» eingekoppelt. Eine mögliche metallische Zeigerfahne ist mit «(9)» gekennzeichnet.
[0015] In Fig. 5 ist eine erfindungsgemässe Anzeige mit Wellenleitern ohne bewegliche Zeigerfahnen skizziert. Die Wellenleiter sind auf dem Zifferblatt angebracht. In der Abbildung sind 60 Wellenleiter radial angeordnet, so dass eine Minutenanzeige direkt erfolgen kann: jede Minute wird sukzessive ein anderer Wellenleiter angeregt. Die Anregung kann durch eine sich um die zentrale Achse drehende Lichtquelle mit einer optischen Vorrichtung ähnlich derjenigen in Fig. 3aerfolgen oder jeder Wellenleiter kann mit einer Anregungsquelle (z.B. an den äusseren Enden der Wellenleiter) direkt gekoppelt und einzeln angesteuert werden. Eine Stundenanzeige kann über weitere Wellenleiter mit anderer Länge und anderen optischen Eigenschaften (wie z.B. die Wellenlänge oder Farbe der emittierten Fluoreszenz) erfolgen. Viele verschiedene Anzeigevarianten sind möglich. Die Herstellung der Wellenleiter und prinzipiell ebenfalls die Integration der Lichtquellen können mit lithographischen Techniken oder hybriden Aufbautechniken kostengünstig erfolgen.
[0016] Verzeichnis der Figuren:
<tb>Fig. 1<sep>Anzeigeinstrument mit Zeiger und Skala. Der Zeiger besteht aus einer Zeigerfahne mit optischem Lichtleiter.
<tb>Fig. 2<sep>Uhr mit zwei Zeigern: Zeiger (1) besteht teilweise, Zeiger (2) besteht ganz aus einem optischen Lichtleiter.
<tb>Fig. 3a<sep>Detaillierte Seitenansicht von einem Zeiger mit optischem Lichtleiter.
<tb>Fig. 3b<sep>Ansicht von oben von einem Zeiger mit einem einfachen Lichtleiter, der einen konstanten Querschnitt über die gesamte nutzbare Länge aufweist.
<tb>Fig. 3c<sep>Ansicht von oben von einem Zeiger mit einem Lichtleiter, der einen variablen Querschnitt über die gesamte nutzbare Länge aufweist. Dafür werden zwei Y-Koppler verwendet.
<tb>Fig. 4<sep>Seitenansicht von zwei übereinanderliegenden Zeigern mit optischen Lichtleitern.
<tb>Fig. 5<sep>Anzeige mit auf dem Zifferblatt angeordneten Wellenleitern.
Claims (19)
1. Zeiger für Messinstrumente oder Uhren, dadurch gekennzeichnet, dass ein optischer Wellenleiter auf der Zeigerfahne angebracht ist, oder dass ein optischer Wellenleiter selber als Zeigerfahne wirkt, damit das vom Wellenleiter geführte Licht die Anzeigeposition des Zeigers definiert.
2. Zeiger mit Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter optisch angeregt wird, damit in seinem Kern Lichtkonversion durch Photolumineszenz oder Phosphoreszenz stattfinden kann.
3. Zeiger mit Wellenleiter nach Ansprüchen 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass organische, anorganische oder nanokristalline (z.B. sogenannte «Quantum Dots») Leuchtstoffe in das Wellenleitermaterial eingearbeitet werden.
4. Zeiger mit Wellenleiter nach Ansprüchen 1-3 dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtstoffe sich im Kern oder im Mantel einer optischen Faser oder Lichtleiter befinden. Die Verteilung der Leuchtstoffe kann eine örtliche Abhängigkeit aufweisen, um durch gezielte Konzentrationsgradiente die Lichtkonversion günstig zu beeinflussen.
5. Zeiger nach Ansprüchen 2-4, dadurch gekennzeichnet, dass das konvertierte Licht im Bereich zwischen 400 und 800 nm, bevorzugt zwischen 430 und 680 nm emittiert wird.
6. Zeiger nach Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der Zeigerfahne teilweise durch den angebrachten Wellenleiter abgedeckt ist.
7. Zeiger nach Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Zeigerfahne aus Wellenleitermaterial (z.B. in Form einer Faser) besteht.
8. Zeiger nach Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wellenleiter auf eine Zeigerfahne übereinander oder nebeneinander) angebracht sind und durch eine oder mehrere Lichtquellen angeregt werden.
9. Zeiger nach Ansprüchen 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Zeigerfahne angebrachten Wellenleiter durch Kopplung, Bündelung oder Formung die gewünschten Anzeigemerkmale bewirken.
10. Anzeigevorrichtung in Messinstrumente oder Uhren, dadurch gekennzeichnet, das mehrere Zeiger nach Ansprüchen 1-9 gleichzeitig eingesetzt werden.
11. Anzeigevorrichtung in Messinstrumente oder Uhren, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeiger nach Ansprüchen 1-10 sich um eine oder mehrere mechanischen Achsen drehen.
12. Anzeigevorrichtung in Messinstrumente oder Uhren, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeiger nach Ansprüchen 1-10 auf einer Unterlage befestigt, eingefügt oder eingraviert sind.
13. Anzeigevorrichtung nach Ansprüchen 10-12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtquelle für die Anregung der Wellenleiter verwendet wird.
14. Anzeigevorrichtung nach Ansprüchen 10-11, dadurch gekennzeichnet, dass eine (oder mehrere) eingebaute Lichtquelle(n) für die Anregung der Wellenleiter verwendet wird (werden), die am Ort wo sich die geometrische Drehachse der Zeiger befindet, eingebaut ist (sind).
15. Anzeigevorrichtung nach Ansprüchen 10-11, dadurch gekennzeichnet, dass eine (oder mehrere) Lichtquelle(n) für die Anregung der Wellenleiter verwendet wird (werden), die gegenüber dem Ort, wo sich die optische Drehachse der Zeiger befindet, am anderen Ende der Wellenleiter eingebaut ist (sind).
16. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Lichtquellen im Zentrum oder auf der Peripherie der Wellenleiter eingebaut sind.
17. Anzeigevorrichtung mit eingebauter Lichtquelle nach Ansprüchen 13-16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung des von der Lichtquelle emittierten Lichtes in die Wellenleiter mit einer oder mehreren Linsen oder Spiegeln erfolgt.
18. Anzeigevorrichtung mit eingebauter Lichtquelle nach Ansprüchen 13-17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leuchtdiode oder ein Halbleiterlaser mit bevorzugter Lichtemission im Bereich zwischen 300 und 680 nm als Lichtquelle eingesetzt wird.
19. Anzeigevorrichtung mit eingebauter Lichtquelle nach Ansprüchen 13-18, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungslichtquelle kontinuierlich oder gepulst betrieben wird.
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Free format text: DER EINTRAG VON HERBERT SENN, 8627 GRUENINGEN ALS MITERFINDER ERFOLGTE IRRTUEMLICH. HERBERT SENN WAR ZU KEINER ZEIT MITERFINDER. VON ANFANG AN WAR CORINNE SIEGRIST, F-68440 HABSHEIM DIE EINZIGE MITERFINDERIN. DIE BERICHTIGTE PATENTSCHRIFT (A8) WURDE AM 31.10.2012 VEROEFFENTLICHT. |
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