具有自动电源管理能力的自动变光滤光器的制作方法

专利名称：具有自动电源管理能力的自动变光滤光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及可用在焊接头盔上以过滤从焊接设备的焊炬入射的 光的自动变光液晶防护罩或滤光器。
背景技术：
自动变光液晶防护罩也称为自动变光滤光器(automatic darkening filter)或者ADF，其通常用于焊接等需要保护人不受强烈 入射光伤害的应用领域。典型的ADF包括由电池供电的电子控制电 路，该电子控制电路使得滤光器从不受焊接弧强光照射时的亮态(透 明或透光的)变化到暴露在这种强光下时的暗态(几乎不透光)。这 使得焊工可以进行焊接操作，也可以在不摘除防护罩的情况下在焊接 区域外执行任务。可以结合偏振滤光器和液晶元件层来构造ADF。 在授予Hornell和Palmer的美国专利6,097,451和5,825,441中描述了 这种滤光器的实例。

发明内容
本发明提供具有自动电源管理能力的保护型自动变光滤光器 (ADF)。所述ADF包括电源管理控制单元，所述电源管理控制单 元根据目前是否在使用所述ADF来控制对所述ADF的供电。在一个 实施例中，为了判断是否在使用所述ADF，所述电源管理控制单元 包括检测所述ADF的运动的运动传感器，并根据检测到的运动控制 对所述ADF的供电。
在一个实施例中，本发明包括自动变光滤光器，其包括ADF 头盔；可转换滤光器，其安装在所述ADF头盔中并响应控制信号从 亮态改变到暗态；可转换滤光器控制单元，其响应指示入射光存在的 信息而产生控制信号，并将所述控制信号发送到所述可转换滤光器；以及电源管理控制单元，其检测所述ADF的运动并根据检测到的运 动控制对所述ADF的供电。
在另一个实施例中，本发明包括一种方法，其包括检测自动
变光滤光器的运动，以及根据检测到的运动控制对所述ADF的供电。
术语"自动变光滤光器"(ADF)指包括头盔和可转换滤光器 的保护装置，所述装置设计成在例如焊接或可能造成人眼受到过亮光 伤害的其它环境下保护使用者的眼睛不受过量强光伤害。术语"自动 电源管理"指在没有使用者的肯定动作(例如按压ON/OFF按钮或其 它电源控制开关)的情况下自动控制对装置的供电。术语"可转换滤 光器"指能够响应控制信号从亮态改变到暗态的滤光器。术语"可 转换滤光器控制单元"指响应指示入射光存在的信息而产生控制信号 并将控制信号发送到可转换滤光器的单元。术语"运动传感器"指检 测指示运动的多个参数中的任意参数的传感器，例如位置、加速度、 倾斜、碰撞和/或振动。术语"电源"指可以提供电能的任意装置或 机械，例如电池、动力源、发电机、电容器、燃料电池、AC电源或 任意其它类型的电能供应装置。术语"电源管理控制单元"指检测 ADF的运动并根据检测到的运动来控制对所述ADF的供电的单元。
在附图和下面的说明中详细描述了本发明的一个或多个实施例 的细节。从说明书、附图和权利要求书中很显然可以得到本发明的其 它特征、目的和优点。


图i是具有自动电源管理能力的自动变光滤光器(ADF)头盔 IO的实例的透视图。
图2是ADF透镜结构20的实施例的分解图。
图3是具有自动电源管理能力的ADF的图2所示可转换滤光器 30和控制装置的方框图。
图4A-图4C是示出具有自动电源管理能力的ADF实例的4个 系统状态的时序图。
图5是示出为ADF提供自动电源管理的过程实例的流程图。
具体实施例方式
图1是可以应用本发明的那种自动变光滤光器(ADF)头盔10的实例的透视图。ADF头盔IO包括支撑在头盔壳12内的自动变光滤光器透镜20。自动变光滤光器透镜20可以安装于头盔壳12内， 从而使得在使用者戴上头盔时上述透镜在配戴者眼睛的正前方。在一个实施例中，透镜20是可更换的。透镜20可以具有长方形(或其它形状的)框架或外壳的形状。例如在美国专利6,185,739、 5,533,206、5,191,468、5，140,707、4,875,235和4,853,973中描述了头盔壳的实例。ADF头盔IO还可以使清洁空气供给到其内部，并因此包括面部密封 件以将呼吸区域与周围空气分隔开。在美国专利申请10/987,512、10/987，641、10/988,789、29/217,155、29/217,153、29/217,154 、29/217,107、29/217,156中示出这种面部密封件的实例。
图2示出自动变光滤光器透镜20的实例的分解图。在该实施例中，自动变光滤光器透镜20包括安装在两个可更换保护片22和24之间的可转换滤光器30。可转换滤光器30受安装在ADF头盔10内 的电子控制装置控制，并能够从亮态转变到暗态。在如图2所示的实施例中，可转换滤光器30是7个不同层的层压制品UV/IR滤光器31，三个偏振器32、34和36，两个液晶元件33和35以及覆盖玻璃37。无论透镜是ON或OFF或亮态或暗态，UV/IR滤光器31持续地阻挡有害辐射。借助于电子控制装置(在下文中有描述)，液晶元件33和35作为开关器使用，其检测焊弧且通过瞬间使透镜变暗对焊弧做出反应。在美国专利6，097，451和5,825,441以及在2005年3月11日提交的并授予Magnusson等人的共同未决、共同转让的美国专利申请中描述了合适可转换滤光器的实例。
在一个实施例中，第一液晶元件33和第二液晶元件35是低扭 转液晶盒。液晶盒33和35设置有连接器(未示出)并可以通过该连 接器向其施加控制电压。另外，在一些实施例中，如上述美国专利 5，825，441所述，第一偏振器34或第三偏振器32的偏振取向基本垂 直于第二偏振器36的偏振取向。在另一些实施例中，如上述于2005年3月11日提交的授予Magnusson等人的美国专利申请所述，第一 偏振器34和第三偏振器32中至少一个的偏振取向相对于与第二偏振 器36的偏振取向基本垂直的方向偏移。尽管在图2中示出并描述了 具体的可转换滤光器结构，可转换滤光器30还可以采用本领域公知 的其它形式，本发明在该方面不受限制。
图3是整体以附图标记40标记的ADF的方框图。ADF 40包括 可转换滤光器30、可转换滤光器控制单元50和电源管理控制单元60。 可转换滤光器控制单元50包括光传感器54和滤光器控制器52。响 应由光传感器54检测到的入射光的水平，滤光器控制器52控制由可 转换滤光器30提供的遮光度。为了完成该操作，滤光器控制器52 接收来自光传感器54的指示所检测入射光水平的信号，并产生相应 的滤光器控制信号，例如电压等。滤光器控制器52将这些滤光器控 制信号施加到可转换滤光器30上，从而响应所检测的入射光水平控 制由可转换滤光器30提供的遮光度。例如，当光传感器54检测到存 在焊接弧或其它入射光源时，滤光器控制器52可以产生相应的控制 电压，并将相应的控制电压施加到可转换滤光器30 (参见图2)的液 晶元件33和35上。控制电压使得可转换滤光器30变光并保护使用 者不受焊弧强光的危害。控制电压的振幅可以与入射光的强度相关， 因此提供的遮光度可以与入射光的强度相关。在没有焊接弧或应该保 护使用者不受其伤害的其它入射光源的情况下，滤光器控制器52可 以减小或消除施加给液晶元件33和35的电压，从而使得滤光器30 变得更透光。可转换滤光器30如此在使用者执行焊接操作时保护使 用者，并允许他们在不摘除防护罩的情况下在焊接区域外执行任务。
电源管理控制单元60为ADF 40提供自动电源管理能力。也就 是说，电源管理控制单元60根据是否正在使用ADF 40来控制对ADF 40的供电。对于本发明而言，电源管理控制单元60根据检测到的 ADF 40的运动来推断正在使用ADF 40。电源管理控制单元60可以 检测例如当使用者在准备执行焊接操作时拿起或配戴上ADF 40的这 种运动。电源管理控制单元60检测ADF 40的运动并根据所检测到 的运动控制对ADF 40的供电。
电源管理控制单元60持续地监测是否正在使用ADF 40并相应 地激活ADF 40或使ADF 40非激活。当不使用ADF 40时，电源管 理控制单元60使ADF 40非激活。当使ADF 40非激活后，ADF 40 在低(或无)电源、休眠模式或OFF状态下操作。在检测到使用者 的活动时，例如检测到使用者拿起焊接头盔的动作时，使得ADF40 自动"激活"或启动并进入启动模式。另一方面，当从运动传感器 68接收到的信号表明在指定时间段内没有检测到使用者引起的活动 时，电源管理控制单元60使ADF40非激活，从而使ADF40返回到 休眠模式。
在如图3所示的实施例中，电源管理控制单元60包括例如电 池等电源66、运动传感器68、信号调节滤波器62以及电源控制器 64。电源控制器64和运动传感器68 —起操作以提供ADF 40的自动 电源管理能力。运动传感器68检测ADF 40的运动，产生指示运动 的信号并通过信号调节滤波器62将该信号发送到电源控制器64。信 号调节滤波器62消除任何由微小短暂的外部振动产生的信号。信号 调节滤波器62传送与一些使用者活动相关的其它信号，以便于由电 源控制器64进行分析。
电源控制器64包括控制逻辑，该控制逻辑分析来自运动传感器 68的信号，以判断任何检测到的运动是否满足预定阈值条件。阈值 条件对应于检测到的由使用者活动引起的运动的最低水平。电源控制 器64根据检测到的运动来控制对ADF 40的供电。如果满足阈值条 件，则电源控制器64产生启动信号并将启动信号传送到可转换滤光 器控制单元50。该启动信号基本上"激活"ADF40，从而使其进入 ON状态。当启动时，ADF 40提供完全自动变光保护，响应于检测 到存在或不存在上述环境光而从亮态转换到暗态。
运动传感器68可以检测指示运动的多个参数中的任意参数，例 如位置、加速度、倾斜、碰撞和/或振动，应该理解到本发明在该方 面不受限制。在一个实施例中，运动传感器68是完全无源装置，当 ADF 40处于OFF状态时该无源装置不需要任何电能。这种无源传感 装置的实例包括，例如，由松连接的电触头构成的机械振动/运动传感器(例如一个或两个镀金球)、两轴或三轴加速计(例如完全集成 的硅装置)、或任何其它类型的检测运动、倾斜、碰撞、振动和/其 它运动指示信息的公知传感器。在另一些实施例中，运动传感器68
可以是在OFF状态下需要最小量电流的低电力传感器。
尽管运动传感器68可以是多种振动/运动传感器中的任意一种， 但是在一个实施例中，所关注的信号是运动传感器68的机械加速度。 该加速度信号的形式可以是例如超过给定阈值的任何全向加速度分 量的识别二进制指示。在另一些实施例中，加速度信号可以采用更复 杂的形式，例如每个轴具有各自绝对加速度值的三轴加速计。
电源控制器64可以概念性地表示为在检测到第一振动事件(即 由运动传感器68检测到运动)时启动的状态机构。可以如下描述4 个系统状态实例S0-S3:
S0空闲以及OFF，等待振动事件
Sl在tO时刻检测到振动事件，等待到tl时刻
S2在时间范围t2-tl内满足阈值条件的任意振动事件使系统进 入状态S3，即ON状态。否则，系统恢复到状态SO。
S3 0N。在系统静止例如无振动一段时间之后，系统恢复到状态so。
图4A-图4C示出对于上述状态S0-S3从一个状态改变到另一状 态的时序图。图4A-图4C的上排示出整体上分别由附图标记70、 76 和82表示的振动事件。中间排示出整体上分别由附图标记72、 78 和84表示的系统状态S0-S3。下排示出整体上分别由附图标记74、 80和86表示的ADF状态(例如ON或OFF)。
图4A示出不会将系统激活进入ON状态的短期振动事件，整体 上由附图标记70表示。在S0状态下(OFF/非激活)，在时刻t0发 生小(短期)振动事件，从而使系统进入状态Sl。 一旦在状态Sl下， 系统等待到时刻tl。在状态S1下(时间范围tl-t0)振动事件继续发 生。在时刻tl，系统进入状态S2并在时间范围t2-tl内等待振动事件。 由于在状态S2下(时间范围t2-tl)没有发生振动事件，因此系统没 有激活并在时刻t2恢复到状态S0。
在图4B中，更大(较长期)的振动事件导致激活系统进入ON状态，即状态S3。在这样的情况下，在状态S2下，在时刻t3发生 由附图标记76表示的振动事件。由于在t2-tl时间范围内(换句话说， 在时刻t2之前)出现时刻t3，因此激活系统进入状态S3，即ON状 态。
在图4C中，如附图标记86所示，在t0时刻系统处于ON (状 态S3)。当处于ON状态S3时，系统持续地监视自动变光滤光器的 运动。如果在预定的时间段内没有检测到任何运动，则电源管理控制 单元60推断出没有使用自动变光滤光器并使ADF 40非激活。在图 4C中，预定的时间段是时间范围t4-t0。由于在t4-t0的时间范围内没 有检测到振动事件，因此电源管理控制单元60使系统非激活并使其 恢复到状态S0，即OFF状态。
在一些实施例中，根据环境，例如时间范围tl-t0可以是从0.5 秒到3秒的范围内的任意值。例如，时间范围t2-tl可以是从0.5秒 到3秒的范围内的任意值。例如，时间范围t4-t0可以是从1分钟到 10分钟的范围内的任意值。然而，应该理解到，根据应用类型和/或 使用ADF的具体环境以及其它因素，可以修改这些时间范围，也可 以适当使用在所列举范围之外的其它时间范围。因此本发明在该方面 不受限制。
图5是示出电源管理控制单元60自动地管理对ADF 40的供电 的过程实例的流程图。该过程从OFF状态(SO) (90)开始描述， 但是应该理解到可以在任意点处描述该过程。
在OFF状态即S0 (90)下，电源控制器64分析来自运动传感 器68的信号以判断有无振动事件(91)。如果没有检测到满足阈值 条件的振动事件，则系统保持在OFF状态即S0 (90)。如果检测到 满足阈值条件的振动事件(91)，则系统进入状态Sl并等待到第一 时刻tl (92)。在时刻tl过去之后，系统进入状态S2 (93)。然后， 电源控制器64分析来自运动传感器68的信号以判断在时间范围 t2-tl内有无振动事件(94)。如果在该时间范围内没有检测到振动， 则电源控制器64认为原来检测到的振动与使用者引起的活动不相
关，并使系统恢复到OFF状态即SO (90)。
另一方面，如果在时间范围t2-tl内检测到满足阈值条件的振动 事件，则电源控制器64认为该运动对应于使用者引起的活动，并使 系统进入ON状态，S3 (95)。 一旦处于ON状态，电源控制器64 分析来自运动传感器68的信号以判断有无振动事件。只要满足阈值 条件的振动事件继续发生，该系统就将保持在ON状态，即S3。然 而， 一旦满足OFF条件(96)，电源控制器64就认为没有再使用装 置，并使系统恢复到OFF状态即S0 (90)。
合适的OFF条件(96)的实例可以包括，例如，在预定的时间 段内没有检测到焊弧光、在预定的时间段内没有检测到运动、在预定 的时间段内没有使用者的其它活动(例如使用者控制ADF的操作) 或者其它指示目前没有使用ADF的合适条件。例如，如果在指定的 时间段内没有检测到满足阈值条件的振动事件，则电源控制器64认 为没有再使用ADF 40并使系统恢复到OFF状态，S0。可以将该指 定的时间段设定为例如从l分钟到10分钟之间的任意值。该指定时 间段可以由制造商确定并设定，或者是可以由使用者设定的，并可以 选择该指定时间段以针对ADF所使用的环境提供合适的时间长度。
电源控制器64和/或滤光器控制器52可以体现为计算机可读介 质，该计算机可读介质包括用于使可编程处理器实施上述方法的指 令。"计算机可读介质"包括但不限于只读存储器(ROM)、随机 存取存储器(RAM)、非易失性存取存储器(NVRAM)、电可擦写 可编程只读存储器(EEPROM)、闪速存储器、磁盘驱动器、磁盘或 磁带、光盘或磁光盘、全息介质等。上述指令可以作为一个或多个软 件模块实现，上述软件模块可以单独地执行或与其它软件相结合地执 行。"计算机可读介质"还可以包括调制或编码以在传输线或无线通
信频道上传送指令的载波。
本发明还可以体现为包括执行本文所述功能或方法的逻辑电路 的一个或多个装置。逻辑电路包括通用或专用的可编程处理器，例如 微型控制器、微型处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路 (ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等。
本文所述的一种或多种技术可以部分地或全部由软件执行。例 如，计算机可读介质可以存储或以其它方式包括计算机可读指令，即 可以由处理器执行以实现上述一种或多种技术的程序代码。
本文所述发明具有多个优点。例如，由于在拿起头盔时ADF自 动激活，使用者不需要采用特殊手段使系统准备好使用。此外，控制
电路保证系统在需要时激活，从而降低使用者忘记打开ADF从而不 能受到有效保护的风险。通过在不使用时使装置切断电源而仅在需要 时激活装置，该系统还可以节省电能(例如电池寿命)。由于能量损 耗更低，还可以使用更小更轻的电池。
包括在背景技术部分引用的文献在内的上述所有专利和专利申 请通过引用完全并入本文。
已经描述了本发明的各种实施例。这些和其它实施例在所附权 利要求书的范围内。
权利要求
1.一种自动变光滤光器(ADF)，包括ADF头盔；可转换滤光器，其安装在所述ADF头盔中并响应控制信号从亮态改变到暗态；可转换滤光器控制单元，其响应指示入射光存在的信息而产生控制信号，并将所述控制信号发送到所述可转换滤光器；以及电源管理控制单元，其检测所述ADF的运动并根据检测到的运动来控制对所述ADF的供电。
2. 根据权利要求1所述的ADF，其中，所述电源管理控制单元还包括检测所述ADF的运动的运动传感器。
3. 根据权利要求2所述的ADF，其中，所述运动传感器检测运动、加速度、倾斜、碰撞和振动中的至 少一个。
4. 根据权利要求2所述的ADF，其中， 所述运动传感器位于所述ADF头盔内。
5. 根据权利要求2所述的ADF，其中，在检测到的运动满足阈值条件时，所述电源管理控制单元激活 所述ADF。
6. 根据权利要求5所述的ADF，其中，所述阈值条件对应于检测到的由使用者活动引起的运动的最低 水平。
7. 根据权利要求1所述的ADF，还包括 与所述电源管理控制单元连接的电源。
8. 根据权利要求7所述的ADF，其中， 所述电源包括电池。
9. 根据权利要求1所述的ADF，其中，当满足OFF条件时，所述电源管理控制单元使所述ADF非激活。
10. 根据权利要求9所述的ADF，其中，所述OFF条件包括下述条件中的至少一个在预定的时间段内没有检测到焊弧光、在预定的时间段内没有检测到运动、以及在预定的时间段内没有使用者的其它活动。
11. 一种方法，包括 检测自动变光滤光器的运动；以及根据检测到的运动来控制对所述自动变光滤光器的供电。
12. 根据权利要求11所述的方法，还包括 在检测到的运动满足阈值条件时激活所述自动变光滤光器。
13. 根据权利要求11所述的方法，还包括当满足OFF条件时使所述自动变光滤光器非激活。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中，当满足OFF条件时使所述自动变光滤光器非激活的步骤还包括当所检测到的运动表示在预定的时间段内不存在运动时使所述自动变光滤光器非激活。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中， 所述预定时间段在1分钟到IO分钟的范围内。
16. 根据权利要求11所述的方法，还包括 在使所述自动变光滤光器非激活后检测第一振动事件； 在第一时间范围内等待；在第二时间范围内检测第二振动事件；以及 响应所述第二振动事件而激活所述自动变光滤光器。
17. 根据权利要求16所述的方法，其中， 所述第 一 时间范围在0.5秒到3秒的范围内。
18. 根据权利要求16所述的方法，其中， 所述第二时间范围在0.5秒到3秒的范围内。
19. 根据权利要求11所述的方法，还包括 在所述自动变光滤光器处于第一非激活状态S0时，在时刻to，检测第一振动事件；在时刻tl进入第二状态Sl;以及如果在时间范围t2-tl内没有检测到振动事件，那么在时刻t2 重新进入状态S0。
20. 根据权利要求17所述的方法，其中， 所述时间范围t2-tl在0.5秒到3秒的范围内。
21. 根据权利要求17所述的方法，其中， 所述时间范围tl-t0在0.5秒到3秒的范围内。
全文摘要
本发明公开一种具有自动电源管理能力的保护型自动变光滤光器(ADF)。所述ADF包括电源管理控制单元，所述电源管理控制单元根据目前是否正在使用所述ADF来控制对所述ADF的供电。在一个实施例中，为了判断是否在使用所述ADF，所述电源管理控制单元包括检测所述ADF的运动的运动传感器，并根据检测到的运动控制对所述ADF的供电。
文档编号A61F9/04GK101203197SQ200680022321
公开日2008年6月18日 申请日期2006年6月7日 优先权日2005年6月20日
发明者英瓦尔·松德尔 申请人:3M创新有限公司