ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СИСТЕМА ПРИВОДА ДИСПЛЕЙНОГО ПИКСЕЛЯ Российский патент 2006 года по МПК G09F11/34 H01F7/14 

ОПИСАНИЕ

Цели изобретения - конструкция, материалы и процесс производства магнитной цепи дисплейного пикселя на электромагнитной дисплейной панели, которая активизирует вращение клапана дисплейного пикселя.

Область, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к бистабильным магнитным приводам, которые основаны на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита, встроенного в дисплейном клапане пикселя и магнитного поля сердечника электромагнита.

Согласно международной патентной классификации, заявка на патент классифицирована в группы H 01 F 3/14, H 01 F 7/14 и H 01 F 7/121, ее применение классифицировано в группы G 09 F 3/4 и G 09 F 9/37.

Техническая проблема

Техническая проблема, решенная настоящим изобретением, должна обеспечить новую, простую, компактную конструкции электромагнитной системы привода дисплейного пикселя при низкой цене производства.

Эта электромагнитная система является бистабильным приводом, который должен переключать дисплейный пиксель из первой бистабильной позиции во вторую бистабильную позицию (и наоборот) с минимальным потреблением энергии. Следовательно, магнитная цепь должна специально быть разработана, включая материалы со специальными магнитными свойствами. Кроме этого, проект магнитной цепи должен быть оптимизирован для уменьшения магнитного взаимодействия между соседними дисплейными пикселями насколько возможно. Система должна работать в широком температурном диапазоне и должна гарантировать устойчивость обеих бистабильных позиций клапана дисплейного пикселя. Если внешние силы, являющиеся результатом механического воздействия: удары, вибрации и т.п., изменяют позицию клапана дисплейного пикселя, магнитные силы в клапане дисплейного пикселя должны быть достаточными, чтобы восстановить необходимую позицию немедленно после того, как внешние силы исчезнут.

Уровень техники

Электромагнитные дисплейные панели известны свыше двух десятилетий и играют важную роль в приложениях, где требуются дисплейные панели относительно большого размера, средней информационной нагруженности, с высоким контрастом и отличной видимостью в довольно освещенной окружающей среде. Бистабильные электромагнитные дисплейные панели (US 3871945, US 4577427, US 4860470, EP 0 084 959, EP 0 731 435 A1, US 4243978, US 5771616, US 6272778, US 6025825, US 5898418, US 6603458, ...), использованы для дорожных знаков, маршрутоуказателей в автобусах и поездах, как большие информационные дисплейные панели в аэропортах, на автобусных и железнодорожных станциях и на спортивных объектах, и кажется, что они очень хорошо подчиняются вышеуказанным требованиям. Используя яркие отражающие краски в выбранных элементах изображения и черные в невыбранных областях, эти дисплеи обеспечивают хороший контраст и отличную угловую видимость в хорошо освещенной окружающей среде.

Операционный принцип решений известного уровня техники преимущественно основан на подвижном клапане пикселя, вращающемся вокруг вращающей оси обычно ≤ 180° внутри механически ограниченных позиций и имеющем размер целого дисплейного пикселя. Клапан на своей передней и задней стороне покрыт очень контрастным цветами (EP 0327250, US 6272778, US 6025825, US 5898418, ...). Для того чтобы переключаться между «ON» и «OFF» позициями дисплейного пикселя, обычно применяют один фиксированный постоянный магнит, встроенный в подвижном клапане пикселя и встроенный соленоид, намотанный либо вокруг прямого (EP 0327250, US 6603458, US 6272778, ...) либо вокруг U-образного магнитного сердечника (US 4243978, US 6025825, US 5898418, US 5005305, ...). Некоторые технические решения используют дополнительный фиксированный постоянный магнит, чтобы улучшать устойчивость бистабильных позиций клапанов (US 4243978, US 4531318).

Известен еще другой, принципиально отличный принцип работы, основанный на дисплейных пикселях, которые подразделены на две части. Каждый пиксель обеспечен установленным с возможностью вращения бистабильным наклоняющим клапаном, который является несимметричным относительно своей оси вращения. Наклоняющий клапан покрывает одну из двух частей поверхности панели в зоне пикселя, когда клапан лежит в каждой из своих двух стабильных позиций. Сторона наклоняющегося клапана, обращенная к передней стороне панели, и часть панели в области пикселя, покрытой им, покрыты краской на одной и противоположной стороне клапана и остальная часть области пикселя покрыта другим, очень контрастным цветом, если сравнивать с первым (US 6603458, DE 3501912C2, DE 3601018A1). Для того чтобы переключаться между «ON» и «OFF» позициями дисплейного пикселя, это решение использует постоянный магнит, встроенный в каждый наклоняющийся клапан вблизи оси вращения. Наклоняющийся клапан вращается из первой бистабильной позиции во вторую бистабильную позицию с помощью электромагнита с прямым магнитным сердечником, который расположен на обратной стороне каждого дисплейного пикселя. Такая конструкция имеет определенное преимущество перед другими решениями, т.к. целая конструкция может быть заметно тоньше (только одна половина поверхности пикселя вращается вокруг вращающейся оси!), чем с техническими решениями, описанными выше.

Раскрытие изобретения

Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы увеличивать эффективность и надежность магнитной системы привода дисплейного пикселя, которая перемещает клапан дисплейного пикселя между «ON» и «OFF» позициями пикселя. Предлагаемое решение минимизирует потребление энергии, увеличивает устойчивость клапана в обеих бистабильных позициях, минимизирует взаимодействие между соседними дисплейными пикселями и увеличивает компактность конструкции пикселя с меньшим количеством составных частей и автоматизированным производством пикселя, а также утончает дисплейный пиксель.

Настоящее изобретение обеспечивает новый проект магнитной цепи, которая создает магнитный вращающий момент, действующий в дисплейном клапане пикселя в двух отдельных областях согласно пункту 1 формулы изобретения. С двумя действующими областями магнитный вращающий момент на дисплейном пикселе увеличен.

Этого предпочтительно достигают при помощи U-образного сердечника соленоида и (одним или двумя) постоянными магнитами в клапане. U-образный сердечник 3u (фиг.1) расположен под осью 2d вращения клапана дисплейного пикселя, как можно ближе к клапану и параллельно оси 2d вращения клапана дисплейного пикселя, в отличие от других технических решений, использовавших U-образный магнитный сердечник. Такое положение и ориентация U-образного сердечника катушки значительно уменьшает зависимость позиции клапана от магнитного вращающего момента по сравнению с вышеупомянутыми решениями и уменьшает толщину дисплея. Постоянный магнит размещен в клапане либо в виде одного элемента с антипараллельным направлением намагничивания, которое также перпендикулярно поверхности клапана и перпендикулярно оси вращения, либо в виде двух отдельных сегментов, которые также намагничены антипараллельно. Магниты предпочтительно выполнены из NdFeB, связанного в пластике, или ферритового материала, связанного в пластике, способом литья пластика под давлением.

Конструкция магнитной цепи может быть оптимизирована соответствующим выбором материалов, используя метод конечных элементов, чтобы минимизировать энергетическое потребление, необходимое для переключения из одной стабильной позиции дисплейного клапана пикселя в другую. Эффективность магнитной системы, надежность и устойчивость обеих бистабильных позиций клапана дисплейного пикселя обеспечены повышенным магнитным вращающим моментом. Предлагаемый проект магнитной цепи минимизирует паразитное магнитное поле и уменьшает магнитное взаимодействие между соседними пикселями. Следовательно, нет необходимости для антипараллельной ориентации магнитов в соседних клапанах дисплейных пикселей, как в патенте US 6606458.

Описание чертежей

Это изобретение может быть понято лучше, и цели и преимущества станут очевидными для специалиста при использовании следующих чертежей:

фиг.1 - магнитная система переключения, использующая U-образный электромагнит (3u+5), включающая в себя:

- вращающийся клапан 2 со встроенными магнитами (связанный в пластике NdFeB или связанный в пластике феррит) 2c₁, 2c₂ и ось вращения 2d; две поверхности клапана 2a и 2b покрыты очень контрастными цветами,

- соленоид 5,

- U-образный магнитный сердечник, 3u;

фиг.2 - конструкция сегмента дисплея с электромагнитными переключаемыми дисплейными пикселями,

фиг. 3 - паразитное магнитное поле;

фиг.3a - компьютерное моделирование магнитного поля в стабильной позиции клапана для U-образного магнитного сердечника;

фиг.3b - компьютерное моделирование магнитного поля в нестабильной позиции клапана для U-образного магнитного сердечника;

фиг.3c - компьютерное моделирование магнитного поля в стабильной позиции клапана для прямого магнитного сердечника;

фиг.3d - компьютерное моделирование магнитного поля в нестабильной позиции клапана для прямого магнитного сердечника;

фиг.4 - концепт продукции клапана дисплейного пикселя.

Осуществление изобретения

Электромагнитная система привода дисплейный пикселей согласно настоящему изобретению описывается подробно, используя фиг. 1-4.

В магнитной системе для переключения дисплейного пикселя между «ON» и «OFF» позициями согласно настоящему изобретению электромагнит предпочтительно имеет U-образный магнитный сердечник, ориентированный вдоль оси вращения клапана, причем ориентация магнитов во всех клапанах дисплея одинакова.

Клапан дисплейного пикселя имеет встроенный постоянный магнит, который делится на две области 2c1 и 2c2. Направления намагничивания этих двух областей антипараллельны друг к другу и перпендикулярны оси вращения клапана 2d и также поверхности клапана. Магнит в клапане 2 может быть поделен на два разделенных сегмента 2c₁ и 2c₂, как показано на фиг.1. На этой фигуре магнитная система состоит из клапана 2 с двумя постоянными магнитами и электромагнитом (3u+5). Относительные направления намагничивания этих двух сегментов магнита такие же, как и в случае одного магнита с двумя областями. Магниты сделаны из NdFeB, связанного в пластике, или связанного в пластике ферритового материала. Производство дисплейного клапана пикселя состоит из двухэтапного процесса литья пластика под давлением, в течение которого магниты формуют в течение первого этапа и остальную часть клапана заполняют пластмассой на втором. Магниты формуют в присутствии магнитного поля, которое создает анизотропные магнитные свойства, увеличивает плотность магнитного потока и дает, следовательно, более высокий магнитный вращающий момент. Такой процесс дает в результате существенный магнитный вращающий момент для клапана дисплейного пикселя. Несмотря на использование связанных в пластике жестких магнитных материалов, магнитные свойства которых заметно хуже выражены, чем в материалах, полученных спеканием, вышеописанный процесс все-таки обеспечивает достаточное намагничивание постоянных магнитов, встроенных в клапан дисплейного пикселя. Намагничивание связанного в пластике ферромагнетика, предпочтительно выполняют постоянными редкоземельными магнитами, встроенными в устройство для литья. В случае использования связанного в пластике NdFeB намагничивание предпочтительно производят специальной токовой петлей, встроенной в устройство для литья, на которую подают очень короткий импульс очень сильного электрического тока. Намагничивание встроенных магнитов в виде связанного в пластике феррита производят одновременно для всех (например, 14) клапанов (фиг.4). Все клапаны на дисплее имеют одинаковую магнитную ориентацию в отличие от решения с прямым магнитным сердечником, как описано в US 6603458. Это значительно упрощает производство и автоматизацию процесса обработки.

Электромагнит состоит из соленоида (катушки) 5 и U-образного сердечника катушки 3u. Он установлен под осью вращения клапана и параллельно оси (фиг.1 и фиг.2). Такая ориентация уменьшает влияние позиции клапана на магнитный вращающий момент в сравнении с техническими решениями, где U-образный сердечник сориентирован перпендикулярно оси вращения.

Соленоид (катушку) наматывают на пластический корпус соленоида 1e (фиг.2), который является частью монолитного блока 1, формирующего несколько дисплейных пикселей. Концы проводов соленоида запаяны в монтажные штырьки 4a и 4b, которому вставлены в гнезда 1c и 1d.

Магнитному сердечнику 3u придана U-образная форма и он сделан из цилиндрически сформированного полужесткого магнитного материала, который приобретает свои конечные магнитные свойства только после соответствующей термической обработки. Одна часть сердечника вставлена в катушку 5, другая часть вставлена в блок 1 для фиксации ее положения. U-образный сердечник дает возможность производить более тонкие дисплеи по сравнению с прямым сердечником катушки.

Магнитная цепь дисплейного пикселя (состоящая из магнитного сердечника электромагнита, из магнитов в клапане и воздушного промежутка между магнитным сердечником и магнитами) разработана и оптимизирована, используя компьютерное программное обеспечение 3D моделирования, и приспособлена к магнитным свойствам используемых материалов. Магнитное поле в стабильной, а также нестабильной позициях клапана показано на фиг.3.

Настоящее изобретение характеризуется двумя одновременно действующими областями магнитной силы в клапане дисплейного пикселя, которые создают магнитный вращающий момент. Такая конструкция увеличивает магнитный вращающий момент, который также увеличен вследствие повышенной плотности магнитного поля при использовании электромагнита с U-образным магнитным сердечником. В отличие от прямого магнитного сердечника U-образный магнитный сердечник имеет значительно меньшее паразитное магнитное поле (фиг.3). Более высокий магнитный вращающий момент увеличивает устойчивость клапана дисплейного пикселя в «ON» и «OFF» позициях. Меньшее паразитное магнитное поле уменьшает взаимодействие между соседними пикселями, и, следовательно, все клапаны на дисплее имеют одинаковую магнитную ориентацию.

Переключение из одной позиции клапана в другую производят токовым импульсом сквозь соленоид 5, который обращает магнитное поле в магнитном сердечнике. Изменение направления магнитного поля в магнитном сердечнике электромагнита делает текущую позицию клапана нестабильной и поворачивает клапан в другую стабильную позицию, которая остается стабильной после того, как токовый импульс кончается.

Пример

Электромагнитная дисплейная панель обычно состоит из множества преимущественно квадратных дисплейных пикселей, организованных в дисплейной матрице. Вследствие большого числа дисплейных пикселей стандартные концепции производства, основанные на монтаже составных частей индивидуальных дисплейных пикселей, непосредственно на дисплейной панели основной платы PC, оказываются сложными и дорогими операциями. Для того чтобы уменьшить издержки и упростить производство, 7 пикселей соединены в один монолитный блок, который является основным элементом для построения дисплейной матрицы. Монолитный блок 1 (фиг.2) сделан из черной матовой пластмассы в процессе литья пластика под давлением. После формовки блок покрывают контрастным цветом в 1a областях. Затем монтажные штырьки 4a и 4b вставляют в гнезда 1c и 1d. Следующая операция представляет собой намотку 7 соленоидов на монолитном блоке 1 и припаивание выводов обмотки к монтажным штырькам и тестирует омическое сопротивление обмоток.

Магнитный сердечник 3u имеет U-образную форму и он сделан из цилиндрически сформированного стержня полужесткого магнитного материала, который приобретает свои конечные магнитные свойства только после соответствующей термической обработки. Одна часть сердечника вставлена в катушку 5, другая часть вставлена в блок 1 для фиксации ее позиции. Концы обеих частей сердечника расположены под осью вращения клапана 2 и ориентированы параллельно вышеуказанной оси.

Вращающиеся клапаны 2 изготавливают отдельно. Т.к. в клапаны 2 должны быть встроены постоянные магниты 2c₁, 2c₂, их изготавливают из связанного в пластике ферритовых материалов в двухкомпонентном процессе литья пластика. Так же как монолитный блок 1, одну сторону 2a клапанов покрывают такой же яркой флуоресцентной краской, а другую половину 2b оставляют неокрашенной - в виде матовой черной исходной поверхности пластика.

В клапан дисплейного пикселя встроен постоянный магнит, который делится на две области (сегменты) 2c1 и 2c2. Направление намагничивания этих областей антипараллельны друг к другу и перпендикулярно оси вращения клапана 2d и также поверхности клапана. Магниты изготавливают из связанного в пластике NdFeB или связанного в пластике ферритового материала. Производство клапана дисплейного пикселя представляет собой двухэтапный процесс литья пластика под давлением, в течение которого магниты формуют в течение первого этапа и остальную часть клапана заполняют пластмассой на втором этапе. Магниты формуют в присутствии магнитного поля, которое создает анизотропные магнитные свойства, увеличивает плотность магнитного потока и дает, следовательно, более высокий магнитный вращающий момент. Такой процесс дает в результате значительный магнитный вращающий момент для клапана дисплейного пикселя. Несмотря на использование связанных в пластике твердых магнитных материалов, магнитные свойства которых заметно хуже выражены, чем в материалах полученных спеканием, выше описанный процесс все-таки оказывается достаточным для намагничивания постоянных магнитов, встроенных в клапан дисплейного пикселя. Намагничивание связанных в пластике ферромагнетиков выполняют постоянными редкоземельными магнитами, встроенными в устройство для литья. В случае использования связанных в пластике NdFeB магнитов намагничивание выполняют специальной токовой петлей, встроенной в устройство для литья пластика, на которое подают короткий импульс сильного электрического тока. Намагничивание встроенных связанных в пластике ферритовых магнитов выполняют одновременно для всех 14 клапанов в наборе (фиг.4). Все клапаны на дисплее имеют одинаковую магнитную ориентацию в отличие от решения с прямым магнитным сердечником в US 6603458. Это значительно упрощает производство и также упрощает автоматизацию процесса обработки.

Для того чтобы достичь наиболее экономического производства, 14 клапанов изготавливают одновременно в процессе литья под давлением, в двух рядах по семь клапанов (см. фиг.4), связанных вместе распорками 19, которые удерживают их позиционированными на точно том же месте/расстоянии, как определено 14 подшипниками 1f, 1g осей вращения на монолитном блоке 1 для того, чтобы оптимизировать завершающий этап сборки дисплейного сегмента (7 пикселей). Так же, как монолитный блок 1, одну сторону 2a клапанов покрывают такой же яркой флуоресцентной краской, а другая половина 2b остается некрашеной - в виде матовой черной исходной поверхности пластика. После того, как клапаны 2 покрашены, распорки 19 одновременно отрезают, и две колонки по 7 клапанов 2 одновременно «вщелкиваются» в 14 подшипников 1f, 1g осей вращения на монолитном блоке 1.

Изобретение относится к области электротехники. Техническим результатом является уменьшение потребления энергии. Магнитная цепь дисплейного пикселя состоит из постоянного магнита в клапане дисплейного пикселя и электромагнита с магнитным сердечником. Упомянутый постоянный магнит выполнен в процессе литья под давлением и разделен на две области с антипараллельным направлением намагничивания, которое также перпендикулярно поверхности и оси вращения клапана. Электромагнит находится под клапаном и имеет U-образный магнитный сердечник, который ориентирован параллельно оси вращения. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Магнитная система для переключения электромагнитного клапана дисплейного пикселя в дисплейном пикселе, содержащая вращающийся клапан (2), имеющий две бистабильных позиции и электромагнит (5+3u) с магнитным сердечником (3u) и соленоидом (5), который перемещает клапан (2) из одной бистабильной позиции в другую при помощи токового импульса, причем вращающийся клапан (2) имеет встроенную систему (2с) магнитов, и под клапаном (2) расположен электромагнит (5+3u), отличающаяся тем, что магнитному сердечнику (3u) придают U-образную форму и ориентируют параллельно оси (2d) вращения, чтобы магнитная сила и следовательно магнитный вращающий момент генерировались одновременно в двух пространственно отдельных областях клапана (2).2. Магнитная система для переключения электромагнитного клапана дисплейного пикселя по п.1, отличающаяся тем, что система магнитов (2с) во вращающемся клапане делится на две области или сформирована из двух разделенных сегментов (2c₁ и 2с₂) и что эти области или сегменты намагничены антипараллельно и перпендикулярно поверхности клапана (2а, 2b) и перпендикулярно оси (2d) вращения клапана.3. Магнитная система для переключения электромагнитного клапана дисплейного пикселя по п.2, отличающаяся тем, что система магнитов (2с) находится вблизи оси (2d) вращения и что двум разделенным сегментам (2c₁ и 2с₂) придают прямоугольную форму или форму 1/4 цилиндра.4. Электромагнитная дисплейная панель с множеством дисплейных пикселей, имеющих магнитную систему, согласно любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что все системы магнитов (2с), встроенные в клапаны дисплейной панели, имеют одинаковую антипараллельную магнитную поляризацию.5. Способ изготовления магнитной системы для переключения электромагнитного клапана дисплейного пикселя по п.1, отличающийся тем, что систему магнитов (2с), встроенную в клапан (2), изготавливают в процессе литья под давлением связанного в пластике жесткого магнитного материала и что процесс литья выполняют в присутствии сильного магнитного поля, которое придает анизотропные свойства связанным в пластике магнитам (2с).6. Способ по п.5, отличающийся тем, что систему магнитов (2с) изготавливают из связанного в пластике ферритного материала и намагничивают соответственно размещенными постоянными редкоземельными магнитами, которые встроены в устройство для литья.7. Способ по п.5, отличающийся тем, что систему магнитов (2с) изготавливают из связанного в пластике NdFeB и намагничивают специальной токовой петлей, которая встроена в устройство для литья, и что токовый импульс прикладывают в течение процесса литья, пока связывающий пластик магнита находится в размягченном состоянии.8. Способ по любому из пп.5-7, отличающийся тем, что соленоид (5) наматывается непосредственно на пластиковый монолитный блок (1) и что концы провода соленоида подключают к монтажным штырькам (4а, 4b), которые вставляют в гнезда (1с, 1d) в вышеуказанном монолитном блоке (1).9. Способ по любому из пп.5-7, отличающийся тем, что паразитное магнитное поле, а также взаимодействие между соседними пикселями, минимизировано.