CH696021A5 - Blendschutzvorrichtung. - Google Patents

Description

  [0001] Die Erfindung betrifft eine Blendschutzvorrichtung gemäss Oberbegriff von Patentanspruch 1, welche beispielsweise als Sichtfenster für Schweisserschutzmasken, -helme oder -brillen oder zur Beobachtung von Schweissvorgängen mittels Schweissautomaten oder von Glas- oder Metallschmelzbädern eingesetzt wird.

[0002] Bei solchen bekannten Blendschutzvorrichtungen wurden bisher Glasfilter mit IR- und UV-Reflexionsschichten vor dem aktiven elektro-optischen Filterelement eingesetzt, um den erforderlichen sehr hohen Schutz vor UV- und IR-Strahlung zu erreichen. Diese Reflexionsfilter sind jedoch zum einen sehr aufwendig und teuer in der Herstellung und zum andern ist dieses vorgesetzte Glasfilter mechanisch empfindlich, zerbrechlich, sodass unter den meist rauen Einsatzbedingungen eine Bruch- und Splittergefahr besteht und damit auch eine Verletzungsgefahr für den Schweisser.

   Ausserdem sind kleine Löcher (pinholes) in der Beschichtung in gängigen Beschichtungsverfahren nur schwer vermeidbar. Dies erfordert eine kosten- und zeitintensive Kontrolle. Es sind deshalb neue Lösungen gesucht, um diese Nachteile zu überwinden.

[0003] Einen anderen Aufbau offenbart die US 6 021 520 mit einer dem aktiven Filterelement vorangestellten Plastikfilterscheibe, welche Farbstoffe enthält, um sowohl das UV- als auch das IR-Licht zu absorbieren. Dieser Vorschlag ist jedoch für anspruchsvollere Anwendungen nicht brauchbar und kann die hier gestellte Aufgabe auch gar nicht lösen. Die notwendige thermische und mechanische Stabilität kann mit dieser Plastikfilterscheibe nicht erreicht werden. Auch die notwendige Transparenz im sichtbaren Bereich wäre nicht gegeben.

   Wenn dieses Filter sowohl das UV- als auch das IR-Licht absorbieren muss, dann wird es im sichtbaren Bereich mit den heute zur Verfügung stehenden Farbstoffen zu dunkel, um mit geschützten Augen Vorbereitungsarbeiten tätigen und direkt vor dem Zünden des Schweissbogens den Schweisspunkt sehen zu können, was für eine erfindungsgemässe Blendschutzvorrichtung absolut erforderlich ist.

[0004] Diese vorangestellte Plastikfilterscheibe der US 6 021 520 ist im Prinzip zwar auswechselbar, um sie bei degradierten Eigenschaften zu ersetzen, z.B. bei verzerrter Optik infolge von thermisch-mechanischer Deformation.

   Dies bedeutet jedoch eine unzulässige Handhabungsunsicherheit, da die Gefahr besteht, dass versehentlich eine solche ausgewechselte Plastikfilterscheibe nicht ersetzt würde und dann beim versehentlichen Gebrauch der Blendschutzvorrichtung ohne Filter erhebliche Augenschäden des Benutzers verursacht würden, ohne dass der Benutzer dies rechtzeitig erkennen könnte (da UV und IR unsichtbar sind).

[0005] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die geschilderten Nachteile zu überwinden und eine Blendschutzvorrichtung zu schaffen, welche einfacher und kostengünstiger herstellbar ist, welche sowohl im IR- als auch im UV-Bereich die erforderlichen sehr hohen Absorptionswerte bzw. tiefen Transmissionswerte erreicht und im sichtbaren Bereich dennoch eine hohe konstante Transparenz ermöglicht.

   Überdies muss die hohe Gebrauchs- und Handhabungssicherheit gewährleistet werden.

[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch eine Blendschutzvorrichtung gemäss Patentanspruch 1. Durch die Aufteilung der gewünschten hohen Absorption im UV- und im IR-Bereich auf die beiden verschiedenen Teile:

   IR-Plastikfilter und aktives elektro-optisches Filter können zeitstabile gute optische Eigenschaften erreicht werden und durch die kompakte Verbindung des IR-Kunststofffilters mit dem aktiven Filterelement werden sowohl die thermisch-mechanische Festigkeit, die Splittersicherheit als auch die Konstanz und Qualität der optischen Eigenschaften erreicht und auch die hohe Gebrauchs- und Handhabungssicherheit erfüllt.

[0007] Die abhängigen Patentansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung mit weiteren Vorteilen bezüglich optischen Eigenschaften, Bedienungssicherheit, einfacher Herstellung und Anwendbarkeit in verschiedenen Ausführungen.

[0008] Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen und Figuren weiter erläutert, dabei zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>den Aufbau einer erfindungsgemässen Blendschutzvorrichtung mit einem IR-Kunststofffilter,


  <tb>Fig. 2<sep>den spektralen Verlauf der Transmission der Elemente einer erfindungsgemässen Blendschutzvorrichtung,


  <tb>Fig. 3<sep>ein Beispiel eines spektralen Intensitätsverlaufs eines Schweisslichts und von austretendem Licht zum Betrachter hin,


  <tb>Fig. 4<sep>den Intensitätsverlauf von UV-Anteil, IR-Anteil und sichtbarem Licht durch die Blendschutzvorrichtung hindurch,


  <tb>Fig. 5<sep>eine Blendschutzvorrichtung in einer Schweisserschutzmaske.

[0009] Fig. 1 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemässen Blendschutzvorrichtung 1. Diese enthält ein aktives elektro-optisches Filterelement 2, welches ein oder mehrere Flüssigkristall (LCD)-Elemente mit Polarisationsschichten enthält, je nach Anwendung bzw. nach gewünschter maximaler Schutzstufe, d.h. möglicher Abdunklung im aktivierten Zustand. Das Beispiel von Fig. 1 zeigt ein aktives Filterelement 2 mit nur einem LCD-Element, bestehend aus einer LCD-Schicht 5 (mit einer Schichtdicke von z.B. 4 Micro) zwischen zwei Glasschichten 7, 17 (z.B. 0.7 mm dick) mit Elektroden 6, 16 zur Ansteuerung der LCD-Schicht und mit zwei Polarisationsschichten 8, 18.

   Auf dieses aktive elektro-optische Filterelement 2 ist ein IR-Kunststofffilter 10 mittels einer kompakten Klebstoff Schicht 11 aufgeklebt (Klebstoffschicht-Dicke z.B. 50 Micro). Die Schichtdicke des IR-Kunststofffilters beträgt z.B. 0.7 mm und liegt vorzugsweise in einem Bereich 0.5-1.5 mm. Das IR-Kunststofffilter ist durch die Klebstoffschicht 11 vollständig und blasenfrei mit dem aktiven elektro-optischen Filterelement 2 verbunden, insbesondere auch in den Randbereichen, so dass eine optische und mechanische Einheit gebildet wird.

   Damit wird auch sichergestellt, dass das IR-Kunststofffilter nicht zum Auswechseln entfernt werden kann und die Blendschutzvorrichtung dann nicht versehentlich ohne IR-Schutzfilter eingesetzt werden könnte.

[0010] Für die Klebstoffschicht 11 eignen sich Materialien wie beispielsweise Epoxy, lichthärtendes Epoxy oder Silikonharze guter optischer Qualität. Vorzugsweise wird dabei auch der Brechungsindex der Klebstoffschicht dem IR-Kunststofffilter 10 und der Polarisationsschicht 8 angepasst.

[0011] Fig. 2 zeigt den spektralen Verlauf der Transmission T(lambda ) für die Elemente der Blendschutzvorrichtung: für das IR-Kunststofffilter 10 und für das aktive elektro-optische Filterelement 2 und damit deren kombinierte starke Filterwirkung im UV-Bereich (durch 2) und im IR-Bereich (durch 10).

   Die Transmission T ist hier logarithmisch dargestellt als Funktion der Wellenlänge lambda . Die Kurve 22 zeigt den Transmissionsverlauf T(lambda , 2) des aktiven elektro-optischen Filterelements 2. Wie ersichtlich, ist dessen Absorption im UV-Bereich, z.B. von 200 nm bzw. 250 nm - 380 nm sehr hoch, mit einer Transmission von vorzugsweise höchstens 0.1%, oder z.B. auch nur 0.0004% je nach gewünschter Anwendung der Blendschutzvorrichtung. Gemäss den Augenschutzvorschriften für Schweissanwendungen gemäss der Euronorm EN 169, Version 2002, ist beispielsweise für die Schutzstufe 13 bei 380 nm eine Transmission von nur 0.00044% vorgeschrieben. Im sichtbaren Bereich VIS, z.B. von 400-650 nm, und im nicht aktivierten Zustand (2: off) wird aber eine relativ hohe Transparenz von z.B. 5-15% erreicht, mindestens jedoch von 3.2%.

   Diese UV-Absorption wird vorzugsweise hauptsächlich durch die Polarisationsschichten 8 und 18 erreicht, welche z.B. entsprechendes Triacetat enthalten können.

[0012] Die Kurve 23 zeigt den Transmissionsverlauf T(lambda , 10) des IR-Kunststofffilters 10, dessen Absorption im Infrarot-Bereich IR von 780-1400 nm sehr hoch ist, mit einer Transmission von z.B. höchstens 0.1%. Je nach gewünschter Anwendung und entsprechender Schutzstufe der Blendschutzvorrichtung 1 kann entsprechend der Euronorm EN 169 der Transmissionswert des IR-Filters bei der Herstellung entsprechend eingestellt werden, z.B. durch Wahl von Farbstoff menge und Filterdicke.

   So kann beispielsweise für gewünschte Schutzstufen 9, 10, 11, 12 ein entsprechender Transmissionswert in IR-Bereich von 0.2%, 0.1%, 0.05% und 0.027% hergestellt werden.

[0013] Wie Fig. 2 illustriert, kann durch eine Kombination der beiden Schichten 2 und 10 bzw. von deren Transmissionskurven 22 und 23 erfindungsgemäss der gewünschte Transmissionsverlauf der Blendschutzvorrichtung 1 über das ganze Spektrum von UV über sichtbaren Bereich VIS bis zu IR hergestellt werden (von 200 bis 1400 nm).

[0014] Fig. 3 zeigt ein Beispiel einer spektralen Intensitätsverteilung I(lambda ,) für ein Schweisslicht 21, das auf die Blendschutzvorrichtung 1 auftrifft.

   Mit der erfindungsgemässen Kombination der Elemente: aktives elektro-optisches Filterelement 2 und aufgeklebtes IR-Kunststofffilter 10 wird eine spektrale Intensitätsverteilung des durchtretenden Lichts nach Kurve 25 (im nicht aktiviertem Zustand von 2: off) erreicht mit relativ hoher Transmission nur im sichtbaren Bereich VIS.

[0015] Fig. 4 illustriert den Absorptionsverlauf von UV- und IR-Licht beim Durchgang des einfallenden Schweisslichts 21 durch die Schichten IR-Kunststofffilter 10 und aktives elektro-optisches Filter hindurch. Dazu sind die Intensitätsverläufe I(x) für den UV-Bereich: luv, für den sichtbaren Bereich VIS: Ivis und für den IR-Bereich: Iir durch die Schichten hindurch dargestellt.

   Wie die Fig. 4 zeigt, fällt die UV-Intensität luv im aktiven elektro-optischen Filter 2 stark ab (Absorption), während die IR-Intensität Iir im IR-Kunststofffilter 10 stark abfällt und das sichtbare Licht Ivis in der elektro-optischen Schicht 2 und im IR-Kunststofffilter moderat abgeschwächt wird, so dass jedoch das durchgehende Licht 25 immer noch einen relativ hohen (möglichst hohen) Anteil Ivis (im nicht aktivierten Zustand 2: off) enthält.

[0016] Als eine weitere vorteilhafte Variante der erfindungsgemässen Blendschutzvorrichtung, beispielsweise für Anwendungen mit besonders hohen UV-Einstrahlungen, kann das IR-Kunststofffilter 2 eine zusätzliche Oberflächenbeschichtung als UV-Teil-Reflexionsschicht 14 aufweisen.

   Eine solche Reflexionsschicht ist wesentlich einfacher und kostengünstiger herzustellen, z.B. mit dip-coating, als die bisherigen teuren Glas-Reflexions-Filter, da hier nur eine grobe Reduktion der UV-Intensität um einen kleinen Faktor, z.B. auf 10-30%, erreicht werden soll, während anschliessend die Reduktion des UV-Lichts im aktiven Filterelement 2 um Grössenordnungen auf die geforderten sehr tiefen Transmissionswerte (0.1%) reduziert werden, wie mit der Kurve luv (14) dargestellt ist.

   Damit würde auch eine eventuelle Beanspruchung sowohl des IR-Farbstoffs als auch der LCD-Zelle durch die hohe UV-Strahlung reduziert, falls notwendig.

[0017] Das IR-Kunststofffilter 10 kann je nach gewünschter Anwendung vor, d.h. auf der Seite des Schweisslichts, nach, d.h. gegen den Betrachter hin, oder auch zwischen zwei LCD-Elementen im aktiven Filterelement 2 angeordnet werden (falls mindestens zwei LCD-Elemente vorhanden sind).

   Die Anordnung vor dem aktiven Filterelement ergibt einen zusätzlichen mechanischen Schutz, während mit der Anordnung nach dem aktiven Filterelement 2 die UV-Strahlung schon vom aktiven Filterelement absorbiert ist und dadurch der Farbstoff des IR-Kunststofffilters nicht mehr der energiereichen UV-Strahlung ausgesetzt wäre, was die Lebensdauer des Farbstoffs weiter erhöhen könnte.

[0018] Zur Erhöhung der Kratzfestigkeit kann das IR-Filter 10 an der äusseren Oberfläche auch eine Hartstoffbeschichtung 13 (z.B. aus Siliziumoxyd) aufweisen.

[0019] Das IR-Kunststofffilter 10 besteht aus einem optisch reinen, möglichst stabilen Kunststoff mit integriertem, in die Kunststoffmasse eingebrachtem Farbstoff, welcher ebenfalls möglichst zeitstabil und bezüglich der Einsatzbedingungen beständig ist, z.B. hitzebeständig bis mindestens 80 deg. C.

   Beispielsweise kann dies ein in der Masse gefärbtes monomeres Methylmetacrylat (MMA) enthalten. Als Kunststoffe sind auch optisch reine Acrylharze oder Polycarbonate anwendbar und für besondere Anforderungen eignen sich temperaturstabile, hitzebeständige Kunststoffe wie z.B. Polyethersulfon (PES) oder Polymethylpentene (PMP).

[0020] Eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung des IR-Kunststofffilters (10) stellen Extrusion, Giessen oder Formpressen dar.

   Dies anstelle der sehr aufwendigen und teuren Abscheidung im Hochvakuum von sehr vielen Dünnschichten als Reflexionsschichten der bisherigen Filter.

[0021] Die erfindungsgemässe Blendschutzvorrichtung 1 kann vorzugsweise mit Filterblock und Elektronik zusammen eine Baueinheit, d.h. eine Kassette (Cartridge) bilden, welche für beliebige Anwendungen eingebaut bzw. eingesetzt werden kann.

[0022] Fig. 5 zeigt als Beispiel eine solche Kassette, die als Sichtfenster in eine Schweisserschutzmaske 27 eingebaut ist. Diese Kassette bzw. Blendschutzvorrichtung 1 besteht dabei aus aktivem elektro-optischem Filterelement 2, IR-Kunststofffilter 10, Ansteuerschaltung 3 für das aktive Filterelement und einem Signalgeber 4 zur Steuerung der Schaltung 3 und damit des aktiven Filterelements. Meist besteht dieser Signalgeber 4 aus einem optischen Detektor, der das Schweisslicht erfasst.

   In anderen Anwendungen kann dies jedoch auch durch eine Systemsteuerung einer ganzen Schweissanlage angesteuert werden.

[0023] Eine auswechselbare Vorsatzscheibe 15, z.B. aus Polycarbonat, als billiges Verbrauchsteil, dient als Aufprallschutz und als Schutz vor Schweissspritzern.

[0024] So kann die Blendschutzvorrichtung 1 als Kassette z.B. auch zur Beobachtung von Schweissstellen mittels einer Videokamera 29 in Schweissrobotern eingesetzt werden (Fig. 1), wobei hier der Signalgeber 4 auch durch die Steuerung des Schweissroboters angesteuert werden könnte.

[0025] Als weitere Anwendung kann eine solche Kassette auch als Sichtfenster zur Beobachtung einer Glas- oder Metallschmelze an geeigneten Stellen angebracht sein.

[0026] Im Rahmen dieser Beschreibung werden die folgenden Bezeichnungen verwendet:
1 :

   Blendschutzvorrichtung, Kassette
2 : aktives elektro-optisches Filterelement
3 : Ansteuerschaltung
4 : Signalgeber
5 : LCD-Schicht
6,16 : Elektroden
7, 17 : Glasschichten
8, 18 : Polarisationsschichten
10 : IR-Kunststofffilter
11 : Klebstoffschicht
13 : Hartstoffbeschichtung
14 : UV-Teil-Reflexionsbeschichtung
15 : Vorsatzscheibe
21 : Schweisslicht, eintretende Strahlung
22 : Transmission von 2, T(lambda )
23 : Transmission von 10, T(lambda )
25 : austretende Strahlung
27 : Schweisserschutzmaske
28 : Betrachter
29 : Videokamera
T : Transmission
I :  Lichtintensität
lambda  :  Wellenlänge
UV : UV-Bereich
IR : IR-Bereich
VIS : sichtbarer Bereich
luv, Ivis, Iir : Intensitäten von UV, VIS, IR

Claims (6)

1. Blendschutzvorrichtung mit einem aktiven elektro-optischen Filterelement (2), welches mindestens eine LCD-Schicht sowie Polarisationsschichten aufweist, und mit einer zugeordneten Ansteuerschaltung (3), dadurch gekennzeichnet, dass das aktive elektro-optische Filterelement (2) die UV-Strahlung bis 380 nm praktisch vollständig absorbiert, dass ein IR-Kunststofffilter (10) vorgesehen ist, bestehend aus einer Kunststoffschicht mit einem integrierten zeitstabilen Farbstoff, welches Infrarotstrahlung in einem Wellenlängenbereich von mindestens 780-1400 nm absorbiert und wobei das IR-Kunststofffilter mittels einer kompakten Klebstoffschicht (11) vollständig mit dem aktiven elektro-optischen Filterelement (2) verbunden ist und dass das IR-Kunststofffilter (10) und das aktive Filterelement (2) zusammen eine optische und mechanische Einheit (1) bilden,

welche im sichtbaren Bereich von 400-650 nm eine hohe Transmission aufweist.

2. Blendschutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die UV-Transmission bis 380 nm höchstens 0.1% beträgt und dass die UV-Absorption grossteils durch die Polarisationsschichten (8, 18) des aktiven Filterelements erfolgt.

3. Blendschutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmission des IR-Kunststofffilters (10) zwischen 780 nm und 1400 nm höchstens 0.1% beträgt und dass die Transmission im sichtbaren Bereich von 400-650 nm mindestens 3.2% beträgt.

4. Blendschutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das IR-Kunststofffilter eine äussere Hartstoffbeschichtung (13) oder eine zusätzliche UV-Teil-Reflexionsbeschichtung (14) aufweist.

5. Blendschutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das IR-Kunststofffilter (10) auf der Seite von eintretender Strahlung (21), gegen den Betrachter hin oder zwischen zwei LCD-Schichten im aktiven elektro-optischen Filterelement (2) angeordnet ist.

6. Blendschutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Kassette ausgebildet ist und eine Baueinheit bildet, welche an einem Schweissautomaten vor einer Videokamera (29) oder als Beobachtungsfenster angebracht ist oder welche als Sichtfenster zur Beobachtung einer Glas- oder Metallschmelze angeordnet ist.