CH704601B1 - Pointer for measuring instruments, in particular watches, with optically excited waveguide. - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft Zeiger für Messinstrumente, insbesondere Uhren, die durch optisch angeregte Wellenleiter erhöhte Sichtbarkeit mit definierten geometrischen und farblichen Eigenschaften erreichen. Die Zeigerfahne des erfindungsgemässen Zeigers besteht ganz oder teilweise aus mindestens einem optischen Wellenleiter (6) mit Kern und Mantel, wobei der Mantel Anregungslicht führt und der Kern durch Fluoreszenz Licht im sichtbaren Bereich emittiert.The present invention relates to pointers for measuring instruments, in particular watches, which achieve optically excited waveguides increased visibility with defined geometric and color properties. The pointer vane of the pointer according to the invention consists wholly or partly of at least one optical waveguide (6) with core and cladding, wherein the cladding carries excitation light and the core emits light in the visible range by fluorescence.
Description
Beschreibung [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.Description Various methods that allow pointers of clocks or gauges to be seen even with limited brightness are known. For example, For example, a light source may be used to illuminate the dial (see US Patent 6,017,127 for dial illumination in watches). In a further example (WO / 1997/040 346), pointers are described with an electrically contacted light source (filament, light emitting diode = LED), which illuminates the pointer flag.
[0002] Weitere Verfahren basieren auf Leuchtstoffen, 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.Other methods are based on phosphors which are applied to the hands by coating techniques. When, for example, phosphors containing phosphorescent pigments are used, electrons from certain ions contained in the pigments are excited by daylight or artificial light. After a storage phase, which depends on the intensity, the wavelength distribution and the duration of the illumination, the electrons fall back from their excited to their ground state. This releases energy that can be emitted in the form of visible light.
[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.The invention has for its object to significantly improve the visibility of the pointer by arranged on the pointer flag optical waveguide: the waveguides are optically excited by a special process and can be made to shine in different colors and geometries. New features and design options are made possible at low cost.
[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.The object is achieved by pointers having the features defined in the claims below and in the following examples. Some possible waveguide and illumination source arrangements are described.
[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 elektrische 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 Gestaltungs- und Farbmöglichkeiten.The novel pointers have the advantage that the phosphors (which are present in the applied on the pointer flag waveguides) are excited only optically. Applications without electrical contact paths to the hands are conceivable. The hands are provided with optical waveguides, which can be installed in various arrangements in the pointer blade: this results in new design and color options.
[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: YV04:Eu, Y202S:Eu, Gd202S:Tb, Y3AI5012:Ce, (Ce, La) P04:Tb, BaMgAI14023:Eu, Sr2AI60ii:Eu, SrAI204:Eu,Dy, CdSi03:Mn,Y, Sr2MgSi207:Eu, AIN: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, Pyrillium-derivate, Seltenerdchelate, Rhodamine, Pyranine, Triphenylmethanfarbstoffe, Stilbene, Coumarine, u.a.).Luminescent or phosphorescent substances with emission wavelengths in the range between about 400 and 700 nm and excitation wavelengths in the visible or UV range are well known. Examples are: inorganic rare earth minerals. Dopants: YVO 4: Eu, Y 2 O 2 S: Eu, Gd 2 O 2 S: Tb, Y 3 Al 2 O 12: Ce, (Ce, La) PO 4: Tb, BaMgAl14023: Eu, Sr 2 Al60ii: Eu, SrAl 2 O 4: Eu, Dy, CdSiO3: Mn, Y, Sr2MgSi207: Eu, AIN: Eu, Ba2Si5N8: Eu. -so-called "quantum dots" where an inorganic nanocrystal typically 2-10 nm in size (e.g., ZnS: Eu, Mn) is embedded in a matrix (e.g., glass). - organic compounds (phenoxazines, phenotyazines, phthalocyanines, naphthalocyanines, indolium derivatives, pyrillium derivatives, rare earth chelates, rhodamines, pyranines, triphenylmethane dyes, stilbenes, coumarins, etc.).
[0007] 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.The luminescent or phosphorescent substances can be applied in various forms. For example, It is known that luminescent compounds in support materials (glass or plastic) can be embedded, dispersed or applied to surfaces. The support material may be in various forms such as e.g. Fibers with different geometries and cross-sections are further processed. The latter can be applied to the pointer flags or used directly as independent pointer flags.
[0008] Ein klassisches Beispiel eines Wellenleiters ist eine optische Faser, mit einem «Core» (Kern) von ca. 10 pm Durchmesser und einem «Cladding» (Mantel) von ca. 300 pm 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-/ Mantelstruktur) 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.A classic example of a waveguide is an optical fiber, with a "core" of about 10 pm in diameter and a cladding of about 300 pm in diameter. The refractive index of the core is higher than that of the shell, so that the light is kept. Multiple coats are possible. Various materials may be employed, such as e.g. Glasses or plastics. In one form of the invention, the core may be doped with luminescent or phosphorescent substances: the exciting light is guided in the cladding and stimulates the luminescence or phosphorus in the nucleus. In another, simpler form of application, a simple fiber (without a core / cladding structure) is used as the optical fiber: the fiber material contains the corresponding dopant and is excited by an external source of illumination, thereby causing it to fluoresce or phosphoresce.
[0009] Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemässen Zeiger sind anhand der in den folgenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.Advantageous embodiments of the inventive pointer are described with reference to the embodiments illustrated in the following drawings.
[0010] 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.Fig. 1 shows a view of a display device of a measuring device with pointer and scale. A pointer example is shown enlarged below, with all functional information. What is essential is the optical fiber ("(1)", for example, a plastic fiber) that is the inventory of the pointer. The light emitted by a source (not shown) is coupled into the light pipe. The light is guided in the light guide. The light guide is chosen so that in the core light conversion can take place by photoluminescence or phosphorescence. Photoluminescent or phosphorescent substances may e.g. Emit light in the visible wavelength range when excited in the blue or ultraviolet range. There are many examples of such substances. These include, as mentioned above, inorganic pigments that can be doped with different excitation centers. This can be used to create numerous colors or color combinations.
[0011] 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. Demge genüber 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.Fig. 2 is a perspective view of a clock with two inventive hands "(1)" and "(2)". The pointer "(1)" is provided with a light guide, which is smaller in area than the total area of the pointer flag. In contrast, Pointer "(2)" consists almost entirely of optical fiber material. Both variants can be made by means of the invention described herein: thereby a wide variety of design possibilities in terms of pointer shapes and colors can be covered.
[0012] 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. einen parabolischen 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 charakterisierter 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 nebeneinanderliegend, 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.Fig. 3a is a side view of a pointer according to the invention. The pointer turns around the axis «(11)». The pointer with optical light guide is illuminated by a light source «(1)» (eg an LED), which via a steel forming device «(2)» (eg a parabolic reflector) light into the channel «(3)» (eg a plastic fiber) couples. The light emerging from «(3)» is reflected by the mirror «(4)» and bundled with a lens «(5)». The bundled light beam is coupled into an optical waveguide "(6)" consisting of a core "(7)" and a cladding "(7)". By default, the refractive indices of the core and the cladding are chosen so that the light is guided in the core. Waveguides with multiple cladding arrangements can also be used. Essentially, as already mentioned in the description of FIG. 1, a substance characterized by favorable photoluminescence or phosphorescence properties is contained. This substance is excited by the light beam and then lights up. This afterglow can be adjusted by the choice of the substance and its doping to the desired wavelength distributions. Multiple cores, either nested or juxtaposed, are also usable. "(8)" is the actual pointer flag, mounted on a sleeve, which is driven by a mechanism not shown and the pointer makes its display function possible. To limit the excitation period of the waveguide to the necessary, the light source is turned on only for certain positions of the pointer. For example, in the case of a clock, the waveguide on the minute hand is excited several times per revolution. This allows control of the electrical power required for excitation. «(9)» is a covering device centered above the light source and on the axis «(11)». It serves as a protective device and can act as an element of the design through various variants.
[0013] Fig. 3b ist eine Ansicht von oben des in Fig. 3a beschriebenen Zeigers. Die optische Anregungsquelle bleibt unsichtbar: nur ihr Anregungseffekt in Form des im Kern des Wellenleiters emittierten Lichtes 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.Fig. 3b is a top view of the pointer described in Fig. 3a. The optical excitation source remains invisible: only its excitation effect in the form of the light emitted in the core of the waveguide is visible to the observer. It should be noted that the construction of the excitation source, which was described in Fig. 3a with separate parts, can also be made monolithic: conceivable are various monolithic combinations of, for example, reflector / light guide / mirror / lens in the form of a folded rod lens ,
[0014] 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 hersteilen.Fig. 3c is also a top view of a pointer example. Thus, the possibilities for design variations can be indicated. By means of fiber bundles or Y-couplers, the waveguides can be added apart or in one another. This makes it possible to produce a variety of patterns on the pointer surface.
Durch Zusammensetzungsgradiente im Kern der Wellenleiter ist ebenfalls denkbar, entlang des Wellenleiters die Intensität des emittierten Lichtes zu verändern.By compositional level in the core of the waveguide is also conceivable along the waveguide to change the intensity of the emitted light.
[0015] Fig. 4 ist eine Seitenansicht von einem System mit zwei erfindungsgemässen Zeigern. Die Zeiger drehen sich um die Achse «(11)».Fig. 4 is a side view of a system with two pointers according to the invention. The hands rotate around the axis «(11)».
Der obere Zeiger mit optischem Lichtleiter wird beleuchtet durch eine Lichtquelle «4» (z.B. eine LED oder einen 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.The top pointer with optical fiber is illuminated by a light source «4» (eg an LED or a semiconductor laser with emission at 405 +/- 25 nm), which passes through the (movable) contacts «(1)» and «(2)» is electrically excited. The light emerging from (4) is coupled into the light-emitting waveguide via a steel forming device (7). As already described above, the core of the waveguide contains a substance characterized by favorable photoluminescence or phosphorescence properties. «(9)» refers to the metallic base of the pointer flag. Conceivable, however, is also a pointer flag, which consists entirely of lichtleitendem material, without metallic or other support. The description for the lower hand is similar: the light source «(5)» is excited by the contacts «(1)» and «(3)», the coupling of the light is transmitted via «(7)» into the waveguide «(8 ) »Coupled. A possible metallic pointer flag is marked «(9)».
[0016] 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. 3a erfolgen 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.In Fig. 5 an inventive display with waveguides is sketched without moving pointer flags. The waveguides are mounted on the dial. In the figure, 60 waveguides are arranged radially, so that a minute display can be made directly: every minute, another waveguide is successively excited. Excitation may be by a central axis rotating light source with an optical device similar to that in Fig. 3a or each waveguide may be directly coupled to an excitation source (e.g., at the outer ends of the waveguides) and individually driven. An hour indication can be made via other waveguides of other lengths and optical properties (such as the wavelength or color of emitted fluorescence). Many different display variants are possible. The production of the waveguides and in principle also the integration of the light sources can be done inexpensively with lithographic techniques or hybrid construction techniques.
Verzeichnis der Figuren: [0017]List of Figures: [0017]
Fig. 1 Anzeigeinstrument mit Zeiger und Skala. Der Zeiger besteht aus einer Zeigerfahne mit optischem Lichtleiter.Fig. 1 indicating instrument with pointer and scale. The pointer consists of a pointer flag with optical fiber.
Fig. 2 Uhr mit zwei Zeigern: Zeiger (1) besteht teilweise, Zeiger (2) besteht ganz aus einem optischen Lichtleiter.Fig. 2 o'clock with two hands: Pointer (1) consists partially, pointer (2) consists entirely of an optical light guide.
Claims (10)
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CH00425/11A CH704601B1 (en) | 2011-03-12 | 2011-03-12 | Pointer for measuring instruments, in particular watches, with optically excited waveguide. |
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Free format text: ERINDER BERICHTIGT. |
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| PK | Correction |
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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