JP5953042B2 - 電気的に作動する可変透過率材料の切替方法およびそれを含む装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気的に作動する可変透過率層の切替方法および選択的に切り替え可能な領域を有する窓ガラスとして用いる装置に関する。

電気的に作動する可変透過率材料は周知である。例えば、かかる材料の一クラスは液晶である。液晶は液晶ディスプレーに用いられ、印加電界の存在または不在下での特定の液晶物質の光学特性に依存する。代表的なデバイスでは、液晶層（一般的には１０μｍ厚）が２つの交差偏光体の間に位置する。液晶が弛緩相でねじれるように液晶配列を選択する。このねじれ相が、第１偏光体を通過する光を再配向し、第２偏光体で伝送する（および反射体を備える場合は観察者に反射させる）ことができる。従って、デバイスは透明に見える。電界を液晶層に印加すると、長分子軸が電界に平行に配列する傾向があり、よって液晶層の中心で徐々にねじれが戻る。この状態では、メソゲンが光を再配向しないので、第１偏光体で偏向された光は第２偏光体で吸収され、デバイスが電圧増加とともに透明度を失う。このように、電界を用いて命令で透明または不透明の間でピクセルスイッチを作成することができる。

電気的に作動する材料の別の周知のクラスは、懸濁粒子デバイスフィルム、または略してＳＰＤフィルムとして既知である。かかるＳＰＤフィルムは、例えば米国特許第６，３０１，０４０Ｂ１号に記載され、光弁の光調節ユニットとしての特定の用途を有する。

代表的なＳＰＤフィルムは、１つ以上の硬質または軟質固形フィルムまたはシート内に封入した液相全体に分散する粒子の懸濁液を含む。あるいは、ＳＰＤフィルムは、分散粒子を含む液体の不連続相を含むことができ、該不連続相が硬質または軟質固形フィルムまたはシートの連続相全体に分散されている。

十分な大きさの電界をＳＰＤフィルムに印加すると、フィルムの透過特性が影響を受ける。通常、活性ＳＰＤ層が１対の平面で、光学的に透明な導電性電極の間に挟まれている。電界を平面電極によって印加し、電極間に挟まれた活性ＳＰＤ層が均質な形で影響を受ける。

ＳＰＤフィルム全体の透過状態を低レベル（フィルムをオフにしたとき）から高レベル（フィルムをオンにしたとき）まで変化させることができることは既知である。十分に高い電界をフィルムに印加してフィルムの透過状態を切り替えなければならない。フィルムについて最大光透過率があり、より低い電界を印加することにより中間レベルの透過率を得ることができる。特定大きさの印加電界より下では、ＳＰＤフィルムはオンに切り替わらない。

ＳＰＤフィルムは、通常合わせ窓ガラス構築物の中間層として用いられる。

印加電界の影響下で可変光透過特性を有する他の活性層材料、例えば電子インクのフィルムまたは有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）材料の層も既知である。

かかる電気的に作動する材料は、１つの透過レベルから別の透過レベルへ均一に切り替わることができる。すなわち、電極間にある媒体はほぼ同時に切り替わり、人間の目には材料のシート全体が１つの光透過レベルから別の光透過レベルへ変化する。光透過率の変化は吸収または散乱によるものであってもよい。

特定の用途では、窓ガラス領域全体を切り替えることは望ましくなく、その選択領域のみが切り替わる必要かある。国際公開第２００７／０１０５４２Ａ１号では、この作用が切り替え可能な所定の形状のフィルムを用いることにより達成される。米国特許出願公開第２００７／００５３０５３Ａ１号では、ピクセルの配列をＳＰＤガラスの窓ガラスから形成し、各ピクセルを０％〜１００％の任意の遮光レベルに設定することができ、その範囲の両端をオフおよびオンとして考えられる。どのピクセルをオンまたはオフにするか、また各ピクセルの遮光レベルを選択することにより、ピクセル配列に英数字を表示することができる。

こうした従来の方法は１つ以上のＳＰＤフィルムのシートを使用し、１つのシートを各切替可能領域に用いる。切替可能領域を１対の電極の間に位置させ、領域全体は均一に切り替わる。

かかる複数の隣接ＳＰＤフィルムの配列は、構築するのが困難であるという問題を有する。１つ以上の領域を切り替えるには、電気的に絶縁されたフィルムの一片以上が必要で、それぞれ独自の電気的接続を必要とする。これは、ただ１つではなく多くの切り替え可能な素子があるため、切替をより一層困難にする。さらに、通常窓ガラスの間にＳＰＤフィルムを有する合わせ窓ガラスである窓ガラスを構成すると、切り替え得る領域が固定され、（ａ）窓ガラスを取り外し、その後選択的に切り替えることができる新しい所望の領域を有する窓ガラスを再構成することなく、または（ｂ）窓ガラスをＳＰＤフィルムの適当な構造を有する新しい窓ガラスと取り替えることなしには変えることができない。

とくに媒体が層形態である場合、電気的に作動する可変透過媒体の切替可能領域を設ける方法の必要性が存在し、この場合媒体中に切り替える領域を選択することができる。

従って、本発明の第１の態様は、電気的に作動する可変透過率層の切替方法を提供するもので、該層が第１電極と第２電極との間にあり、ここで第１電極と第２電極との間にある層の選択的領域を切り替えるように十分に高い周波数の交流電界を第１電極と第２電極との間に印加する。

前記層を選択的に切り替えることにより、１つの透過状態から別の状態への移行が人間の目に見えるようにかかる層で均一に起こらない。電気的に作動する可変透過率層の切替動作は、該層の吸収特性または散乱特性によるものとすることができる。

選択的に切り替える領域が段階的な透過率を有するのが好ましい。

電気的に作動する可変透過率層がＳＰＤフィルムまたは液晶含有フィルムを含むのが好ましい。

好適には、印加交流電界の周波数は１ｋＨｚより大きく、より好適には１０ｋＨｚより大きく、さらに好適には少なくとも２０ｋＨｚである。

通常切り替えるＳＰＤフィルムの印加交流電圧の周波数は１０Ｈｚ〜４００Ｈｚの範囲内であるのが適している。かかる周波数範囲内では、電極間にあるフィルム全体にわたるオフ状態からオン状態（およびその逆）へのＳＰＤフィルムの切替は人間の目には均一である。

電界を可変出力電圧を有する電源によって印加するのが好ましい。好適には、電界を可変出力周波数を有する電源によって印加する。好適には、電界を可変出力波形を有する電源によって印加する。好適には、電極および電源の１つと直列に抵抗器がある。

印加電界がほぼ方形波を有するのが好ましい。

好適な実施形態では、電界を第１電極および／または第２電極に直流電気接続により印加する。

別の実施形態では、電界を第１電極および電２電極と離隔した少なくとも１つの遠隔電気接続により印加する。

電界を第１および／または第２電極に付随した複数の電気コネクタにより印加するのが適している。

本発明の第２態様はまた、窓ガラス材料のシートと、該窓ガラス材料のシートと対面し、第１電極と第２電極との間に挟まれた電気的に作動する可変透過率層と、該電極と電気通信し、前記第１電極と第２電極との間にある層の選択領域を切り替えるのに十分な強度および十分な高周波数の交流電界を生成するように構成された電界発生器とを備える窓ガラスとして用いる装置を提供する。

前記層を２つの窓ガラス材料のシートの間に積層するのが小好ましい。好適には、窓ガラス材料のシートの一方または両方がガラスまたはプラスチック製とすることができる。窓ガラス材料のシートの一方または両方に薄い色をつけることができる。

選択領域が段階的な透過率を有するのが好ましい。

好適には、電界発生器が１ｋＨｚより大きい、より好適には１０ｋＨｚより大きい、さらに好適には２０ｋＨｚより大きい周波数を有する交流電界を発生させることができる。

好適には、電界発生器が少なくとも１つの直流電気接続によって第１および／または第２電極と電気通信している。

別の実施形態では、電界発生器が複数の電気コネクタによって第１および／または第２電極と電気通信している。

電界発生器は、複数の電気コネクタによって第１および／または第２電極と電気通信していてもよい。

好適な実施形態では、窓ガラスが車両窓ガラスである。好適には、窓ガラスはフロントガラスまたはサンルーフである。

別の好適な実施形態では、窓ガラスが建物の窓である。

本発明の実施形態を、ほんの一例として以下の図面（正確な縮尺ではない）を参照して説明する。

一対の窓ガラス材料のシート間に挟まれたＳＰＤフィルムを有する従来の合わせ窓ガラスの平面図を示し、ここでＳＰＤフィルムがオフ位置にある。 一対の窓ガラス材料のシート間に挟まれたＳＰＤフィルムを有する従来の合わせ窓ガラスの平面図を示し、ここでＳＰＤフィルムがオン位置にある。 母線を導電層に接続し得るように切除領域を有するＳＰＤフィルムの斜視図を示す。 図２に示す窓ガラスのＡ−Ａ’線に沿った分解断面図を示す。 図２に示す窓ガラスのＢ−Ｂ’線に沿った分解断面図を示す。 図２に示す窓ガラスのＢ−Ｂ’線に沿った断面図を示す。 窓ガラス材料の２つのシート間に挟まれたＳＰＤフィルムの２片を有する従来の合わせ窓ガラスの平面図を示す。 図７に示す窓ガラスに用いる２つのＳＰＤフィルムのＣ−Ｃ’線に沿った断面図を示す。 別の不連続ＳＰＤフィルムの断面図を示す。 さらに別の不連続ＳＰＤフィルムの断面図を示す。 本発明によって切り替えた窓ガラスの平面図を示す。 本発明によって切り替えた窓ガラスの別の平面図を示す。 ＳＰＤフィルムのＲＣ回路の図表示を示す。 図１３に示すＳＰＤフィルムの別のＲＣ回路の図表示を示す。 本発明によって切り替えた別の窓ガラスの平面図を示す。 従来のＳＰＤフィルムの従来の切替方法の概略図を示す。 従来のＳＰＤフィルムの本発明による切替方法の概略図を示す。 遮光帯域を含む車両フロンとガラスの斜視図を示す。 遠隔電気コネクタを有するＳＰＤフィルムの断面図を示す。 ２つの遠隔電気コネクタを有する別のＳＰＤフィルムの断面図を示す。

図１〜６を参照すると、電気的に作動するＳＰＤフィルム２の単一のシートを含む従来の合わせ窓ガラス１が示されている。ＳＰＤフィルム２が一対の光学的に透明な窓ガラス３，４、例えば一対のガラスシートまたはポリカーボネートシートの間に積層される。

とくに図３を参照すると、ＳＰＤフィルム２はポリマー媒体５中に保持される液体懸濁媒体中に懸濁された複数の粒子を含む。ポリマー媒体は通常シートまたは層の形態である。導電層６，７、一般的にはＩＴＯをポリマーの層の各面に接着する。導電層は電極である。電界をポリマー層にわたって印加するように、電界をこれらの２つの電極の間に印加することができる。通常、各導電層６，７が別の保護層（それぞれ８，９）、代表的にはＰＥＴで覆われる。

当技術分野で従来通りに、母線として既知の電気接続を各導電層に対して構成する。母線は他の電気部品の導電層６，７への接続を可能にする。図３に示すように、ＳＰＤフィルムの領域１８，２０を除去して母線を導電層６，７に接続させることが可能である。

薄い導電性母線１０を下方の導電層６に接続する。同様に、薄い導電性母線１１を上方の導電層７に接続する。母線１０，１１はＳＰＤフィルムの全厚を大幅に増さない。母線は、フィルムを切り替えるため、ＳＰＤフィルムの面に電圧を印加するための接点を提供する。図４に示す断面図は母線１０および１１の互い違いの配置を示す。

母線１０を導電層６の上面に接続するように示すが、母線１０を層６の下面に接続してもよい。同様に、母線１１を導電層７の下面に接続するように示すが、母線１１を導電層７の上面に接続してもよい。

母線を含むＳＰＤフィルム２が一対のＥＶＡ差込シート１２，１３の間に積層される。母線を導電層に接続するＳＰＤフィルムの領域では、この接続をなし得るようにＳＰＤフィルムの一部を取り除いた（図３の領域１８，２０参照）。ＥＶＡシート間にＳＰＤフィルムを積層中、差込シートがフィルムの層を取り除いた領域１８，２０に入り込むことができる。ＥＶＡを用いたが、他の適切な差込シートを用いることができる。各差込シートは同じタイプであってもよく、または異なっていてもよい。差込シートの１つに薄い色をつけることができる。次に、図６の断面図に示すように、ＥＶＡ／ＳＰＤフィルム／ＥＶＡ積層組立体を中間層として用いて窓ガラス３，４を一緒に接合し、合わせ切替可能窓ガラス１を形成する。当業界で既知の任意適当な積層技術を用いることができる。

この特定例について、合わせ窓ガラス１は約３００ｍｍの幅１９、約３００ｍｍの高さ２１および約５．４ｍｍの厚さ２３を有する。各窓ガラス３，４は、約２．１ｍｍ厚の透明なフロートガラスの一片である。差込シート１２，１３の各々は約０．４ｍｍの厚さを有するＥＶＡである。ＳＰＤフィルム２は約０．３４ｍｍの全厚を有する。

上述のＳＰＤフィルムは「連続」している特性を有する。明確には、連続ＳＰＤフィルムは以下の特性を有する。ＳＰＤフィルムは、活性粒子を含有するポリマー層の対向する各主要面上に、該主要面全体にかけて延在する導電性材料の層を有する。２つの導電層間に挟まれたポリマーの全体積を切替電圧の印加により作動させることができる。５０〜６０Ｈｚの周波数で１５０Ｖｒｍｓ辺りの切替電圧について、印加電界が導電層間に挟まれた全体積に影響を及ぼすことができる。通常動作において、導電層間にあるポリマーの全体積は、低透過状態と高透過状態との間で均一に切り替え可能である。その移行は人間の目に均一である。連続ＳＰＤフィルムは、物理的に連続する活性層の一方表面を覆う第１の電気的に連続する電極（導電層形態）、および物理的に連続する活性層の対向する表面を覆う別の電気的に連続する電極（同様に導電層形態）を有する。２つの電極間にある活性層の全体積に、電界の印加により影響を及ぼすことができる。

従来のＳＰＤフィルムは連続するように製造される、すなわち活性層がシートであり、電極がシート状の活性層の主要面全体を覆う。

当業界で既知であるように、また図１および図６を参照すると、上の導電層７と下の導電層６との間に電圧を印加しない場合、ＳＰＤフィルムのポリマー媒体５中の粒子はランダムな位置をとり、従って窓ガラスを通過する光線は、粒子の性質および濃度、ならびに入射光線の波長のような因子に応じて反射、透過または吸収される。従って、合わせ窓ガラス１は低光透過率を有し、ＳＰＤフィルムはオフ状態であると言える。

図２および６をとくに参照すると、低周波数の交流電圧を母線１０，１１に印加する場合、電界を上の導電層７と下の導電層６との間に生成する。十分に強い電界はＳＰＤフィルム中の粒子を配列させ、これにより光が窓ガラスを透過することを可能にする。その結果として、窓ガラスは均一またはほぼ均一な透過率を窓ガラスを介した各点で有する。従って、窓ガラス１はオフ状態のときより高い光透過率をとり、ＳＰＤフィルムはオン状態であると言える。

代表的な交流切替電圧は、５０〜４００Ｈｚの周波数で１２０Ｖピークピークである。切替電圧は２４０Ｖ主電源とすることができる。一般的には、交流切替電圧は方形波であるが、交流切替電圧の他の波形、例えばのこぎり波または正弦波を用いてオン状態をもたらすことができる。代表的な波形発生器としては、従来の主電気幹線、信号発生器および増幅器、または信号発生器兼増幅器兼変換器が挙げられる。

図１に示すオフ状態と図２に示すオン状態との間で切り替える場合、低光透過率から高光透過率への移行が窓ガラス全体にわたりほぼ均一である。すなわち、人間の目には、窓ガラスが低光透過率を有するものから高光透過率を有するものへ均一に切り替わる。

当業界で既知であるように、印加切替電圧の大きさを変えることにより窓ガラスの透過率を変化させることができる。例えば、所定の切替周波数について、切替電圧の大きさを小さくすれば、オン状態での最大透過率も小さくなる。一般に、最大光透過率は切替電圧の大きさが１２０Ｖ〜２４０Ｖの範囲内であるときに得られる。

図５および６に示す断面図では、母線１１を仮想線で示していることに留意されたい。

選択領域を切り替え得る窓ガラスを提供するため、不連続ＳＰＤフィルムを用いることができることは既知である。これを図７に示す。

図７は、２つの別々のＳＰＤフィルムのピース２７，２９を含む合わせ窓ガラス２５を示す。２つのＳＰＤフィルム２７，２９はＳＰＤフィルムの単一シートから切り出すことができる。ＳＰＤフィルム２７は母線３１，３３を備え、ＳＰＤフィルム２９は母線３５，３７を備える。ＳＰＤフィルムは、図３を参照して説明したタイプのものであり、それぞれの母線を同様に印加することができる。２つのＳＰＤフィルム２７，２９は電気的および物理的に離れているが、両者は一対の窓ガラス間に積層されている。切替電圧を母線３１，３３に供給することにより、ＳＰＤフィルム２７をオン状態に切り替えることができる。同様に、切替電圧を母線３５，３７に供給することにより、ＳＰＤフィルム２９をオン状態に切り替えることができる。両方のＳＰＤフィルムのピース２７，２９を独立して切り替えることができ、窓ガラスは２つの独立した切替可能な領域２６，２８を有する。

この窓ガラスの配置は製造するのが困難であり、切り替えるべき選択領域を積層前に決めなければならない。積層後、ＳＰＤフィルムの別のピースおよび付随する母線を有する所定の領域のみを選択的に切り替えることができる。２つのＳＰＤフィルムは個別のピクセルであると考えることができ、各ピクセルは低光透過率オフ状態および高光透過率オン状態を有する。中間レベルの光透過率は、切替電圧の大きさの適当な選択により得ることができる。

図８は、図７に示す窓ガラス２５に用いるＳＰＤフィルムの図７におけるＣ−Ｃ’線に沿った断面図を示す。明確にするために、窓ガラスを図示しない。母線３１，３３のそれぞれを、ＳＰＤフィルム２７の導電層の上層３０および下層３２に電気的に接続する。母線３５，３７のそれぞれを、ＳＰＤフィルム２９の導電層の下層３４および上層３６に電気的に接続する。母線３５，３７のみを仮想線で示す。母線の他の構成を用いることができる。電気的に作動する可変透過率層３８が導電層３０，３２の間に挟まれ、電気的に作動する可変透過率層３９が導電層３４，３６の間に挟まれる。層３８，３９は、電気的に作動する粒子を含むＳＰＤフィルムのポリマー層である。前述のように、各ＳＰＤフィルム２７，２９は、導電層３０，３２，３４，３６を覆う保護層を有する。適切な電界を上の導電層３０と下の導電層３２との間に印加することにより、層３８を高光透過状態へオンに切り替えることができ、窓ガラスの透過率が領域２６と領域２８とで異なる。２つの電気的および物理的に離れたＳＰＤフィルム２７，２９によって、窓ガラス２５は２つの独立して切替可能な領域２６，２８を有する。

不連続フィルムを含む合わせ窓ガラス構築物に用いる代替ＳＰＤフィルム構成を、図９および図１０に断面図で示す。再び明確にするために、窓ガラスをこれらの図のどちらにも示さない。

図９には、ＳＰＤフィルムのポリマー媒体中に２つの独立して切替可能な領域４１，４２を有するＳＰＤフィルム４０を示す。ＳＰＤフィルムは、電気的に作動する粒子を含む連続ポリマー層４３を含む。ポリマー層４３の上面に導電層４４がある。ポリマー層４３の下面に２つの電気的に離れた導電層４５，４６がある。保護層が各導電層を覆う。母線４７，４８，４９を、それぞれの導電層４４，４５，４６に接続する。ＳＰＤフィルム４０は２つの独立して切替可能な領域４１，４２を有する。適切な切替電圧を母線４７，４８に印加することにより、ＳＰＤフィルムの領域４１を選択的にオンにすることができる（図示のとおり）。適切な大きさの切替電圧を母線４７，４９に印加することにより、領域４２をオンに切り替えることができる。これは、２つの電気的に離れた導電層４５，４６のため、不連続ＳＰＤフィルムである。下の導電層における切れ目５０を、フィルムの製造中に導入することができるか、またはその後の処理により導入することができる。

図１０には、ＳＰＤフィルム５１のポリマー媒体中に２つの独立して切替可能な領域５２，５３がある。ＳＰＤフィルムは連続ポリマー層５４を含む。ポリマー層５４の上面に２つの電気的に離れた導電層５５，５６がある。ポリマー層５４の下面に２つ電気的に離れた導電層５７，５８がある。層５５は層５７に対応し、層５６は層５８に対応する。

各導電層５５，５６，５７，５８にそれぞれの母線５９，６１，６３，６５を接続する。切替電圧を母線５９，６３に印加することにより、ＳＰＤフィルムの領域５２を選択的にオンに切り替えることができる一方、領域６９はオフ状態のままである。切替電圧を母線対５９，６３および６１，６５に印加することにより、領域５２，５３の両方をオンに切り替えることができる。切替電圧は異なっていてもよく、各領域５２，５３の透過率は異なる。これは、上および下の導電層が２つの電気的に離れた領域であるため、不連続ＳＰＤフィルムである。導電層における切れ目は、フィルムの製造中または当業界で既知の技術を用いるその後の処理により導入することができる。

図１１は、図１〜６を参照して説明した構成を有する合わせ窓ガラスを示す。合わせ窓ガラス１を本発明によって切り替えた。高周波数の交流切替電圧を母線１０，１１に印加する。印加電圧のピークピーク電圧は約１２０Ｖだった。印加電圧は２０ｋＨｚの周波数でほぼ方形波だった。

低周波数の交流切替電圧を母線１０，１１に印加するのとは対照的に、連続ＳＰＤフィルムの選択領域７４のみがオン状態に切り替わる。領域７５はオフ状態のままである。段階的な透過率を有する領域をＳＰＤフィルム（７１と７１’の間）に生成する。

段階的な透過率とは、領域が１つの方向で低透過率から高透過率まで徐々に変化する可視光透過率のばらつきを有することを意味する。段階的な透過率があるのは２つの方向であってもよい。段階的透過率領域の高透過率領域は、オン状態の窓ガラスの透過率とほぼ同じ透過率であるのが好ましい。好適には、高透過率領域は約４０％の測定透過率（光源ＣまたはＤ６５の重み係数を用いて計算）を有する。

図１２は、図１〜６を参照して説明した合わせ窓ガラス１を示し、この場合印加交流切替電圧の周波数が図１１よりも低い、すなわち１０ｋＨｚである。段階的透過率領域（７９と７９’との間）は、母線１０，１１が位置する窓ガラスの下縁部からさらに延在する。ＳＰＤフィルムの下部７７のほとんどはオン状態に切り替わり、ＳＰＤフィルムの上部７８の一部はまだオフ状態である。連続ＳＰＤフィルムの下部７７を選択的にオンに切り替えた。段階的透過率領域（７９と７９’との間）が窓ガラスの上部へ移動した。

切替電圧を、信号発生器、可聴周波増幅器および変圧器を含む適当に構成された電圧発生器により印加した。電圧発生器の出力は信号であり、周波数が５０Ｈｚ〜２０ｋＨｚで可変であり、電圧出力が０〜１４０Ｖｒｍｓで可変であった。

段階的透過率領域内では、印加電圧はＳＰＤフィルム中の粒子の配向にわずかに影響を及ぼすには十分であり、ＳＰＤフィルムはオン状態とオフ状態との間にある中間状態である。

ＳＰＤフィルムを含む従来の合わせ窓ガラスとは対照的に、フィルムを高周波電圧で駆動することにより、切り替える窓ガラス内の領域を選択することができる。また、段階的透過率領域を生成することができる。

段階的透過率領域の範囲は、印加電圧の周波数、最大ピークピーク電圧および交流電圧波形の性質、すなわち方形波、のこぎり波または正弦波を変えることにより影響を受ける場合がある。

さらに、母線の場所および位置ならびに数はまた、ＳＰＤフィルムの切替に作用する。例えば、図１および図１１に示すものの代替実施形態では、母線１１を上の導電層７とまだ電気通信したまま窓ガラスの上縁部に位置づけることができる。

いずれの特定の理論に拘束されることなく、観察された挙動についての１つの考えられる説明が図１３および１４を参照して付与される。ＳＰＤフィルム８１の一部の断面を示す。これらの図では、ＳＰＤフィルム８１が単純な抵抗（Ｒ）〜コンデンサ（Ｃ）回路により表される。ＳＰＤフィルムは活性ポリマー媒体層８２を含む。ポリマー層８２の上面に導電層８３があり、ポリマー層８２の下面に導電層８４がある。ＡＣ信号発生器８５を母線８６，８７を介してＳＰＤフィルムに電気的に接続する。母線８６，８７はそれぞれの導電層８３，８４と電気通信している。

単純な直列ＲＣ回路に関して、図１３の線Ｉ−Ｉ’およびＩＩ−ＩＩ’の間に示すように、回路の時定数τが［Ｒ１＋Ｒ２］×Ｃ１により与えられる。電圧を導電層８３，８４に印加すると、Ｉ−Ｉ’とＩＩ−ＩＩ’との間にある回路の時定数τが、最大印加電圧の約６３％に達するＳＰＤフィルムの点での電圧Ｖ１にかかる時間である。

フィルムに沿った母線からの距離が増加すると、例えば図１４の線Ｉ−Ｉ'とＩＩＩ−ＩＩＩ’との間の回路により示されるように、抵抗が増加するため回路の時定数が増加する。図１４を参照すると、Ｉ−Ｉ’とＩＩＩ−ＩＩＩ’との間の回路の時定数τが［Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４］×Ｃ２である。２つの導電層８３，８４での分布静電容量は変化しない。従って、時定数τがより長いほど、より母線８６，８７から離れている。ここで最大印加電圧の約６３％に達するＳＰＤフィルムの点での電圧Ｖ２により時間がかかる。従って、母線からの距離が増加すると、時定数が増加するので、ＳＰＤフィルムを切り替えるのに必要な導電層の電圧に達するのにより時間がかかる。その結果、母線から一定の距離があり、交流切替電圧をＳＰＤフィルムに印加すると、交流切替電圧が切り替わる前に導電層の電圧がＳＰＤフィルムを切り替えるのに必要な大きさに達する時間がないことは容易に理解されるだろう。結果として、時定数τがＳＰＤフィルムに沿った距離とともに変わるため、段階的透過率領域が生成されるだけでなく、交流切替電圧がオフになる前に切替電圧が要求されるレベルに達することができない点もあるだろう。

上記理論は、十分に高い周波数の切替電圧について異なる透過率を有するＳＰＤフィルムの３つの領域、（ｉ）導電層の電界が切り替えるのに必要な大きさに達することを可能にするオンに切り替えることができる領域、（ｉｉ）変動する時定数の影響のため導電層の電界の大きさが変動する領域、および（ｉｉｉ）時定数が十分に長く、印加電界の周波数が十分に速いため、電界がＳＰＤフィルムをオンに切り替えるのに必要な大きさに達することができない領域があることを予測する。その結果、領域（ｉ）は高光透過率を有し、領域（ｉｉ）は段階的透過率を有し、領域（ｉｉｉ）は低光透過率を有するだろう。

実際には、ＳＰＤフィルムは２つの導電層の間で非常に高い漏れ抵抗を有することができるが、これは段階的透過率領域の生成にあまり影響を及ぼさない。

さらに、上記理論は、導電層の抵抗および導電層対の静電容量の重要性を示す。導電層が変化して異なる抵抗（通常１平方当たりで測定）がある場合、不均一な切替が起こる周波数が変化し、従って決定する必要がある。同様に、電気的に作動する可変透過率層／電極構築物の静電容量は不均一な切替が起こる周波数に作用する。２つの導電層のシート抵抗は同じかまたは異なっていてもよい。

ＡＣ信号発生器８５と導電層８３，８４の一方または両方との間のいずれかの直列抵抗によりフィルム全体の時定数が増加することは当業者に容易に理解されるだろう。かかる直列抵抗は、ＡＣ信号発生器と母線との間の接触抵抗または抵抗器そのものであってもよい。適当に高い抵抗では、フィルムを時定数増加（場合によりこの抵抗器での電圧降下）により低光透過レベルへ切り替えることができる。しかし、フィルムのシート抵抗と相まって作用する特定の直列抵抗を導入することができる。フィルムが段階的透過率を有するのはフィルムのシート抵抗によるものだが、シート抵抗に対する感受性は異なる直列抵抗を選択することにより変えることができる。また、異なる直列抵抗を各供給側（すなわち信号発生器と母線の一方または両方との間）に用いて、段階的透過率領域を偏らせることができる。さらに、各供給区間に可変抵抗器を用い、透明な領域（オンに切り替えた領域）の大きさおよび位置、ならびに段階的透過率領域の大きさにも追加調節を加えることができる。

日立製作所より供給されるＳＰＤフィルムについて、各導電層はＰＥＴ保護層の内面上に積層させたＩＴＯ層である。すなわち、ＩＴＯ層がＳＰＤポリマー層とＰＥＴ保護層との間に挟まれている。かかるＳＰＤフィルムにおける各導電層のシート抵抗は２２０〜２６０オーム／平方である。このフィルムの２４０×２４０ｍｍシートは約２０ｎＦの静電容量を有する。

シート抵抗が３５０オーム／平方で、静電容量が１平方フィートあたり４０ｎＦである他のＳＰＤフィルムが入手可能である（例えば米国特許出願公開第２００４／０１６０６６０Ａ１号参照）。

各導電層が約１００オーム／平方のシート抵抗を有する液晶含有フィルムが市販されている。

図１５は、ＳＰＤフィルムを含む別の切替可能な合わせ窓ガラス９１を示す。ＳＰＤフィルムは窓ガラス材料の各窓ガラスと向かい合い、ＳＰＤフィルムは窓ガラス材料の各窓ガラスの主要面とほぼ同じ大きさの主要面を有する。

この例では、下の導電層に接続した母線９３が窓ガラスの全幅に沿って延在し、窓ガラスの下縁部に位置する。上の導電層に接続した母線９５も窓ガラスの全幅にかけて延在し、窓ガラスの上縁部に位置する。

母線９３，９５の間に電圧を印加しない場合、ＳＰＤフィルムがオフ状態であるため、窓ガラスは低光透過率を有する。低周波電圧、すなわち１０〜４００Ｈｚを母線９３，９５の間に印加することにより、ＳＰＤフィルムがオン状態に均一に切り替わり、合わせ窓ガラスが均一な低透過率を有するものから均一な高透過率へ切り替わる。図１および２を参照して説明した例と同様、オフ状態からオン状態への移行は人間の目により観察して均一である。

適当な高周波電圧、すなわち２５ｋＨｚを母線９３，９５へ印加することにより、窓ガラス９１の選択的領域９４をオンに切り替える。オンに切り替えた領域は縁部９９および９９’の間に延在する。さらに、同様に縁部９９，９９’の間に延在する２つの段階的透過率領域９７，９８がある。ＳＰＤフィルムが切り替わり得るのに必要な電界の大きさを保つために導電層の電界が十分に高い場合のみ、ＳＰＤフィルムをオンに切り替えることができる。

選択領域は、母線９３，９５の間の印加切替電圧について適切な高周波数を選択することにより選定することができる。

ＳＰＤフィルムの選択的領域をオンに切り替えることができる正確な周波数がＳＰＤフィルムの大きさおよびその形状、すなわち例えば長方形か円形かにより決まることは容易に理解されるだろう。ＳＰＤフィルムの所定の形状について、母線を適当に位置づけ、十分に高い周波数をこれら母線に印加するとＳＰＤフィルムの所定領域を選択的にオン状態へ切り替えることができる。印加切替電圧の周波数は、所望の位置にあるＳＰＤフィルムの切替動作に影響を及ぼすように選択することもできる。

ＳＰＤフィルムの所定の形状および母線の位置について、連続ＳＰＤフィルムが不均一に切り替わり始める最低周波数、ｆ_ｍｉｎを決定することができる。周波数ｆ_ｍｉｎはフィルムの大きさによって決まる。例えば、３００ｍｍ×３００ｍｍＳＰＤフィルムについて、ｆ_ｍｉｎは約１０ｋＨｚである。ｆ_ｍｉｎの値はフィルムに固有のもので、印加電界の固有の波形、供給電圧の大きさおよび電気的に作動する可変透過率層が挟まれる導電層の抵抗によっても決まる。

従って、印加切替電圧の周波数を増加させることにより、選択的に切り替えるＳＰＤフィルムの領域を変えることができる。これは、ＳＰＤフィルムがブラインドまたはカーテンが引かれて開くように不均一に切り替わることを可能にする。印加電圧の周波数を変えることにより段階的透過率領域を移動させることができる。

段階的透過率領域に影響を及ぼすのに用い得る因子としては、印加電界（または電圧）の大きさ、電気的に作動する可変透過率層の大きさ、電気的に作動する可変透過率層の実際の形状、電気的に作動する可変透過率層の特定のアスペクト比（とくに母線の位置に対して）、母線の大きさ、母線の数（２つ以上あってもよい）、および母線の位置が挙げられる。さらに、電気的に作動する可変透過率層が挟まれる特定の導電層の電気特性、例えば導電層の比シート抵抗およびその静電容量も影響を及ぼすだろう。

ＳＰＤフィルムの所定の大きさおよび母線の配置について、それを超えるとＳＰＤフィルムがオン状態へ切り替わらない印加電界の周波数（ｆ_ｍａｘ）があることも容易に理解されるだろう。

図１５に示すものの代替実施形態では、長方形ＳＰＤフィルムについて４つの母線が各角に１つあってもよい。先ず４つの母線のそれぞれに十分な大きさの十分に高い周波数の電界を印加し、次に各母線へ印加した電界の周波数を小さくすることにより、ＳＰＤフィルムは角から切り替わるように見える。

ＳＰＤフィルムの従来の切替方法について、図１６を参照する。ステップ１００では、ＳＰＤフィルムがオフ状態である（図１に示すとおり）。ステップ１０２で低周波数の電圧を印加すると、ＳＰＤフィルムがオン状態へ均一に切り替わる（図２に示すとおり）。ステップ１０２での電圧は、通常５０〜６０Ｈｚで１２０〜２４０Ｖピークピークである。オフ状態からオン状態への移行は、低レベルの光透過率を有するＳＰＤフィルムを高レベルの光透過率を有するものへ均一に切り替える。オフ状態からオン状態への移行は、人間の目に均一である。オン状態であるＳＰＤフィルムの実際の透過レベルは、印加電界の大きさによって決まる。

本発明による切替方法について、図１７を参照する。ステップ１１０では、ＳＰＤフィルムがオフ状態である（図１に示すとおり）。ステップ１１２で周波数がｆ_ｍｉｎより大きい高周波電圧を印加することにより、ＳＰＤフィルムが不均一に切り替わるので、ステップ１１４ではＳＰＤフィルムの選択領域のみがオンに切り替わる（例えば図１１に示すとおり）。ステップ１１６では、印加切替電圧をステップ１１２で用いるものと比べて小さくすることができるが、まだｆ_ｍｉｎより大きい。その結果、ＳＰＤフィルムのほとんどがステップ１１８でオン状態へ切り替わる（図１２に示すとおり）。ステップ１２０で印加電圧の周波数をｆ_ｍｉｎより小さくすると、ステップ１２２でＳＰＤフィルム全体がオンに切り替わり、図２に示すように、窓ガラスが均一な高い透明度を有する。

図１７において、ＳＰＤフィルムがそれぞれステップ１１０および１２２でオン状態とオフ状態との間に２つの中間段階（ステップ１１４および１１８）を有するものとして示される。オン状態とオフ状態との間には多くの中間段階があってもよにので、オフからオンへの移行がフィルム（ひいてはＳＰＤフィルムを合体し得る窓ガラス）の一端からフィルムの他端へと滑らかに変化する。必要に応じて、最終状態１２２はＳＰＤフィルムが段階的透過率の領域を有するものであってもよい。この場合、駆動電圧をｆ_ｍｉｎまたはそれ以上に保持してこの最終所望状態を達成する。あるいはまた、初期状態１００が初期状態１１０と同じであってもよく、最終状態１０４が最終状態１２２と同じであってもよい。

上記ステップを逆にすることにより、ＳＰＤフィルムをオン状態からオフ状態へブラインドまたはカーテンが閉まるように切り替えることができる。

本発明の特定の用途は車両フロントガラス用の日よけを提供することである。図１８に示すように、従来の車両用合わせフロントガラス２００は、フロントガラスの残りの部分２０４より低い光透過率を有する上部領域２０２を有することができる。この上部領域２０２は遮光帯域として既知であり、通常適当に薄い色をつけた中間層材料により提供される。従来のフロントガラスでは、一旦遮光帯域を積層品中に合体すると、適切な位置に固定されたままであり、フロントガラスの完全な取り替えなしで変えることはできない。遮光帯域と従来の中間層との間の境界２０６は、通常低光透過率領域２０２と高光透過率領域２０４との間の急な移行を回避するための段階的透過率の領域である。

領域２０２の積層材料をＳＰＤフィルムを含む適当な中間層材料と取り替えることにより、切替可能な遮光帯域を提供することができる。ＳＰＤフィルムがオン位置にある場合、上部領域２０２は高光透過率を有する。ＳＰＤフィルムをｆ_ｍｉｎより大きい周波数を有する交流電圧で切り替えることにより、遮光帯域を生成することができる。遮光帯域が延在する距離は、印加切替電圧の周波数を選択する（フロントガラスが依然として光透過率の法的必要条件を満たすのを確実にする）ことにより変えることができる。これは、遮光帯域が空の太陽の位置に応えて反応することができるという利点を有し、これによりまぶしさを軽減する。

本発明の別の用途は、車両のサンルーフである。連続ＳＰＤフィルムを車両サンルーフ用の合わせ窓ガラスに合体し、ＳＰＤフィルムを本発明によって切り替えることにより、図１７を参照して説明したように連続ＳＰＤフィルムを不均一に切り替えることができ、ＳＰＤフィルムのオンからオフ状態（またはその逆）への移行がブラインドまたはカーテンを開閉するようである。同様に、本発明は乗用車またはバスのような車両における切替可能な側面ガラスまたはリアガラスの用途を有する。

本発明のさらに別の用途は、建物の切替可能な窓である。本発明の第１態様による方法を用いて、太陽が空高くにある場合、大きなオフィスの窓が暗く影をつけた領域を当該窓の上部近くに有することができる。時間が経つにつれ、暗領域を窓の下方へ移動させて、空の太陽が下がるのに対して適当な日よけを提供することができる。

図１９は、第１電極層３０４と第２電極層３０６との間にあるＳＰＤエマルジョンの電気的に作動する可変透過率層３０２からなるＳＰＤフィルム３００を示す。第１電極層３０４は、表面に設けた導電性ＩＴＯ層３１０を有するＰＥＴ基板３０８を含む。第２電極層３０６は、表面に設けた導電層３１４を有するＰＥＴ基板３１２を含む。導電性ＩＴＯ層３１０，３１４は電極である。ＳＰＤフィルム３００は、活性層３０２がＰＥＴ基板３０８と導電性ＩＴＯ層３１４との間にあり、導電層３１４が活性層３０２とＰＥＴ基板３１２との間にあるように構成される。電極層３０２，３０４と向かい合う活性層３０２の１つ以上の表面上に保護層があってもよい。

電気コネクタ３１６による導電層３１０への直流電気接続がある。導電性ＩＴＯ層３１０，３１４（および活性層３０２）から離れた遠隔電気コネクタ３１８があり、該遠隔電気コネクタ３１８をＰＥＴ基板３１２の未被覆面上に位置させる。

ＳＰＤフィルムを適当な電源に電気コネクタ３１６および遠隔電気コネクタ３１８を介して接続することができる。十分に高い周波数の交流電圧を電気コネクタ３１６と遠隔電気コネクタ３１８との間に印加すると、電界が活性層に印加されて、導電層３１０，３１４の間にある層の選択的領域が切り替わる。

図２０は、第１電極層４０４と第２電極層４０６との間にあるＳＰＤエマルジョンの電気的に作動する可変透過率層４０２からなるＳＰＤフィルム４００を示す。第１電極層４０４は、表面に設けた導電性ＩＴＯ層４１０を有するＰＥＴ基板４０８を含む。第２電極層４０６は、表面に設けた導電層４１４を有するＰＥＴ基板４１２を含む。導電性ＩＴＯ層は電極である。ＳＰＤフィルム４００は、活性層４０２が２つの導電性ＩＴＯ層４１０，４１４の間にあるように構成される。電極層４０４，４０６と向かい合う活性層の一方または両方の表面上に保護層があってもよい。

ＰＥＴ基板４０８の未被覆面上に位置する第１遠隔電気コネクタ４１６がある。ＰＥＴ基板４１２の未被覆面上に位置する第２遠隔電気コネクタ４１８がある。第１および第２遠隔電気コネクタは、導電性ＩＴＯ層４１０，４１４および活性層４０２から離れている。

ＳＰＤフィルムを適当な電源に第１および第２遠隔電気コネクタ４１６，４１８を介して接続することができる。十分に高い周波数の交流電圧を遠隔電気コネクタ４１６，４１８の間に印加すると、電界が活性層に印加されて、導電層４１０，４１４の間にある層の選択的領域が切り替わる。

本発明は、連続ＳＰＤフィルムの選択領域をオン状態に切り替え、連続ＳＰＤフィルムの別の選択領域をオフ状態のままにしておくことができるという利点を有する。さらに、本発明は連続ＳＰＤフィルムにおける段階的透過率領域の生成方法を提供する。段階的透過率領域の位置は、交流切替電圧について適当な範囲の高い周波数を選択することによりフィルム内で移動可能であってもよい。

本発明の第１態様に係る切替方法を用い、電気的に作動する可変透過率層を当業界で既知の方法で窓ガラス素子に合体し得ることが当業者には容易に理解されるだろう。また、窓ガラス素子はガラスまたはプラスチックガラスを含むことができる。

本発明の具体例では、長方形の母線を示す。しかし、特定のパターンが電気的に作動する可変透過率層内で作成されるように一つ以上の母線を成形してもよい。

本明細書で説明した具体例は連続ＳＰＤフィルムを含む窓ガラスを参照するが、ＳＰＤフィルムを液晶含有フィルムまたは有機発光材料もしくは電子インクを含むフィルムのような他の電気的に作動する可変光透過率材料と置き換えることができることは当業者に容易に理解されるだろう。

具体例は、特に可視光の透過率に影響を及ぼす電気的に作動する可変透過率層を参照する。電気的に作動する可変透過率材料の注意深い選択により、例えば電磁スペクトルの紫外または赤外領域において、他の電磁エネルギーの透過率に影響を及ぼすことができる。

さらに、本発明が電気的に作動する可変透過率層での十分に高い周波数の交流電界の発生を必要とすることは容易に理解されるだろう。具体例は、活性層の主要面全体を覆う電極を有し、母線を各電極層に直接接続した電気的に作動する可変透過率層を参照する。電界発生器は母線によって電極と直接電気通信していてもよい。しかし、電界発生器は、例えば静電結合により電極と間接電気通信することができる。この場合、各電極を覆う保護層上に母線を設けることができ、これにより母線と電極との間に間接的電気接続をもたらす。さらに、遠隔電気接続の利用を可能にする再設計フィルム構造を採用することにより本発明を実施することができる。遠隔電気接続は、電界発生器、すなわち外部電源により駆動される切替可能なフィルムの活性層と接触せず、また第１および第２電極とも接触しないものである。遠隔電気コネクタは、電界を活性層を介して与えて切替プロセスを駆動することを可能にする。かかる遠隔電気接続は性質的に静電容量性であってもよい。

Claims (24)

1. 電気的に作動する可変透過率層を含むＳＰＤフィルムの切替に当たり、該可変透過率層が第１電極と第２電極との間にあり、１ｋＨｚより大きい周波数の交流電界を第１電極と該第２電極との間に印加して、第１電極と第２電極との間にある該可変透過率層の選択された領域の切り替えを行い、該選択された領域が選択されていない領域とは異なる透過率を有することを特徴とする切替方法。
2. 前記選択された領域が、該選択された領域の面方向に段階的な透過率を持った領域を有する請求項１に記載の方法。
3. 前記印加された交流電界の周波数が、１０ｋＨｚより大きい請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記印加された交流電界の周波数が、少なくとも２０ｋＨｚである請求項３に記載の方法。
5. 前記印加された交流電界を、可変出力電圧を有する電源によって印加する請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の方法。
6. 前記印加された交流電界を、可変出力周波数を有する電源によって印加する請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載の方法。
7. 前記第１電極および第２電極、ならびに、電源のうちの１つと直列に抵抗器がある請求項５又は６に記載の方法。
8. 前記印加された交流電界がほぼ方形波である請求項１〜７のうちのいずれか１項に記載の方法。
9. 前記印加された交流電界を、第１電極および／または第２電極との直接的なガルバニック接続により印加する請求項１〜７のうちのいずれか１項に記載の方法。
10. 前記印加された交流電界を、第１電極および第２電極から離れた少なくとも１つの遠隔電気接続により印加する請求項１〜８のうちのいずれか１項に記載の方法。
11. 前記印加された交流電界を第１および／または第２電極に付随する複数の電気コネクタにより印加する請求項９または１０に記載の方法。
12. 窓ガラス材料のシートと、該窓ガラス材料のシートと向かい合い、第１電極と第２電極との間に挟まれた、電気的に作動する可変透過率層を含むＳＰＤフィルムと、該第１電極および第２電極と電気通信する電源とを備え、該電源は、十分な強度且つ１ｋＨｚより大きい周波数の交流電界を生成して前記第１電極と第２電極との間にある前記可変透過率層の選択された領域の切り替えを行い、該選択された領域が選択されていない領域とは異なる透過率を有する窓ガラス用の装置。
13. 前記電気的に作動する可変透過率層を、２つの窓ガラス材料のシート間に積層する請求項１２に記載の装置。
14. 前記選択された領域が段階的透過率が、該選択された領域の面方向に段階的な透過率を持った領域を有する請求項１２または１３に記載の装置。
15. 前記電源が、１０ｋＨｚより大きい周波数を有する交流電界を発生させる請求項１２〜１４のうちのいずれか１項に記載の装置。
16. 前記電源が、２０ｋＨｚより大きい周波数を有する交流電界を発生させる請求項１５に記載の装置。
17. 前記電源および電極の１つと直列に、抵抗器、好適には可変抵抗器がある請求項１３〜１６のうちのいずれか１項に記載の装置。
18. 前記電源が、少なくとも１つの直接的なガルバニック接続によって第１および／または第２電極と電気通信している請求項１２〜１７のうちのいずれか１項に記載の装置。
19. 前記電源が、第１および第２電極から離れた少なくとも１つの遠隔電気接続によって前記第１および／または第２電極と電気通信している請求項１２〜１７のうちのいずれか１項に記載の装置。
20. 前記電源が複数の電気コネクタによって第１および／または第２電極と電気通信している請求項１８または１９に記載の装置。
21. 前記窓ガラスが車両窓ガラス、好適にはフロントガラスもしくはサンルーフ、または建物の窓である請求項１２〜２０のうちのいずれか１項に記載の装置。
22. 請求項１２〜２１のうちのいずれか１項に記載の装置を含む車両、とくに乗用車。
23. 請求項１２〜２１のうちのいずれか１項に記載の装置を含む建物。
24. ＳＰＤフィルムの電気的に作動する可変透過率層の段階的透過率領域を形成するためのＳＰＤフィルムの使用方法であって、該可変透過率層を、前記ＳＰＤフィルムの透過状態を切り替えるのに十分な大きさで、且つ段階的透過率領域を生成するため１ｋＨｚより大きい周波数の電界を印加することで、前記電気的に作動する可変透過率層の段階的透過率領域を形成する、使用方法。

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