JPH08512149A - 改善された光角特性を有する液晶溶接ガラスシールド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 溶接が開始されると濃度が増加する液晶溶接ガラス構造体であって、２つの液晶セルを含みこれらは、相互に消す効果を有する複数の偏光フィルターの間に配置されたもの。これらフィルターを配置するとき、このフィルターは回転され、それらのそれぞれの角度の光学濃度への依存性は相互に反作用する。この補償効果を改善するために、互いに相対して限定する壁の、分子の方向を規定するブラシがけ／ラビングを複数の部品セル（３）の少なくとも１つに限定し、その相対的角度変位は９０°とは異なり８５°又はそれ以下である。この角度は好ましくは２０°と８０°の間である。

Description

【発明の詳細な説明】 改善された光角特性を有する液晶溶接ガラスシールド 本発明は、改善された光角特性（ｏｐｔｉｃａｌ ａｎｇｕｌａｒ ｐｒｏｐ ｅｒｔｉｅｓ）を有する液晶溶接ガラスシールドに関し、より詳しくは、以下の 請求の範囲１の前文に記載のフィルター構造体に関する。 液晶保護ガラスシールドは多年、当技術分野において公知であった。これらの シールドは複数の交差した偏向フィルター及び複数の液晶層を含んで構成され、 保護ガラスは電気的影響の変化に対応して不透明な状態から高い透明状態へ変わ ることができる。この影響は、溶接が行われているとき検出器に当たる光によっ て、及び／又は電磁気的探知によって制御される。これは溶接作業者が溶接作業 を行い、また溶接領域外で保護シールドを取らないで仕事をすることを可能にす る。それは、このシールドは溶接アークのまぶしい光に曝されないときは明るく 透明であり、そのようなまぶしい光に曝されるときは直ちに暗くなるからである 。 このフィルターは通常顔面マスクに取り付けられ、１つの特別な問題は、密度 フィルター効果が周囲の光の入射の角度に依存するために、可視領域が不均一に 暗くなることである。 この点に関する改善はＵＳ−Ａ４３９８８０３に開示されており、ここでは液 晶は比較的薄く作られており、層厚さと光学的異方性（即ち、常光線と異常光線 の屈折率のあいだの屈折率差Δｎ）が１５０〜６００μｍの間にあるようにされ ている。 この状況において、典型的なセル構造体は２つの互いに交差した偏向フィルタ ーの間に挿入されたねじれネマチック（ＴＮ）型液晶 セルに存在し、ここに複数の画定壁（ｄｅｆｉｎｉｎｇ ｗａｌｌｓ）はプラス チック層で処理されており、この層は特定の方向にブラシ掛け／ラビングされて おり（所謂配列方向）、液晶画定表面（ｄｅｆｉｎｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅｓ） における構造はネマチック分子がそれぞれ特定の角度位置を取り、分子が前記画 定表面の間で相互に９０°ねじれている。（相当する効果を有する他の表面処理 方法も当技術分野では公知である。）電気的に活性化されていない状態において 、交差したポラロイドの効果を補償してセルが透明になるように、光が前記フィ ルターを通過するように前記偏向面は９０°回転されるであろう。電界をかけ、 これによってフィルター効果（これも調節可能である）を得ることによって前記 ネマチック分子の回転は多かれ少なかれ止めることができる。しかしながら、こ の種のセルはその暗い、電気的に活性化された状態において、比較的強い非対称 性を有し、直角以外の角度で入射する光の吸収が変化し、この非対称性は表面に 最も近いネマチック分子が表面効果に拘束されて、依然として残留光学活性を生 み出す。従って、入射光の角度が直角方向に関して増すときは、両配向方向の間 の２つの等分線方向におけるフィルターは比較的透明であり、１つの等分線の方 向に沿う交差ポラロイドフィルターの方向に関して比較的一定であり、一方では 他の等分線の方向に沿うときは暗くなる。 １つのＴＮセルの「弱い」等分線が、他の「強い」等分線と一致させ、また逆 になるように、９０°ねじれた２つのＴＮセルを組み合わせることにより、非対 称効果を補償することは公知である。しかしながら、この補償にも拘わらず、視 野は依然として不均一であり、これは使用者に取って迷惑なことであった。本発 明の目的はこの点に関する改良を提供することである。 本発明の１つの特別な目的は、ガラスの透明状態における低い吸 収性に関する改善を提供することである。他の目的は、非常に強い溶接光にも比 較的弱い溶接光にも同一の保護ガラスが使用できるようにし、同一の保護ガラス シールドで最高の可能な範囲で全ての種類の溶接作業が実施できるように、暗い 状態において種々の暗さを有する保護溶接ガラスを提供することである。印加電 圧の変化によって光学活性が変化し、角度に依存する光濃度における不均一性は 、以前に公知の方法ではセルを横切る電圧が増すとき、一層厄介なものとなるこ とは、当技術分野において公知である。 最も重要な目的は、以下の請求の範囲１の特徴文に記載された特徴事項を有す る導入部に定義された種類の液晶溶接ガラスフィルター構造体を有する本発明に よって達成される。 即ち、本発明の１つの態様によれば、この概念は「ねじれネマチック」におけ る典型的なねじれ角９０°から動いて、その代わりにより小さな角度、８５°よ り小さな角度、好ましくは２０°と８５°の間にある角度を用いる。改善は９０ °と８０°との間では比較的小さいが、８０°〜７０°で、より顕著なものとな り、６０°で更に一層明らかになり、５０°で同じである。ねじれ角６０〜７０ °は、厚さ４μｍを有し、結晶物質Ｍｅｒｋ ＺＬＩ ３７１００からなる液晶 にとって好ましい。各セルは非対称性が一層強くなるが、それにも拘わらず、２ つのそのような結晶が組み合わされると改善された視界の均一性が得られる。 今日の液晶溶接ガラスにおいて、充分な吸収を達成し、電圧が失われたとき安 全な状態を確保するために、しばしば、顔料セル（ゲスト−ホスト−セル）がＴ Ｎセルに加えて使用される。そのようなセルは、それ自体良好な角度特性を有す るが、それにも拘わらず、それらは複雑性を増し、フィルターが必要な程度より もゆっくりと反応し、従って、本発明の特別な狙いは、回転する又はねじれたセ ルによって充分な光が吸収されることを可能にすることによって顔料セルを除く ことを可能にすることである。 ２つの異なった液晶セルに同じ電圧をかけ、それによって必要なエレクトロニ クスを簡素化するために、現時点では２つの互いに同じセルを使用するのが好ま しい。しかしながら、この条件を放棄することによってより大きな自由度が得ら れ、交差ポラロイドの１つに９０°のねじれセルを使用すれば、電圧がないとき 透明状態での光の吸収が更に低くなり、電圧をかけたときは一層大きな度合いの 暗さが得られるであろう。 従来、「低ねじれセル」と呼ばれていた９０°より小さいねじれ角を有するセ ルを用いたとき出会う問題の１つは、透明状態で高い光透過性を達成し、一方で 暗い状態で充分に低い光透過性を得ることに存在した。結局、本発明の１つの態 様によれば、「対照的」偏光フィルター配置が好ましい。複数の偏光フィルター が相互に交差する角度９０°に配置されているときは、複数の表面処理方向の間 の等分線が、複数のフィルターの偏光方向の間の等分線と本質的に一致するよう に、低ねじれセルを配置するのが適当である。その場合、最も大きな光の透過は 、装置の電気的に不活性化状態で、即ちその透明な状態で、得られるであろう。 本発明の１つの好ましい態様において、液晶セルの厚さを、上述の米国特許明 細書で推奨されたものよりも大きな程度に、液晶セルの厚さを減らすことも便利 である。スイッチング時間はセル厚さの二乗に反比例するので、これは特にスイ ッチング時間の減少をもたらす。こうして、他の条件を等しくしたとき、液晶セ ルの厚さを４μｍから３μｍに減らすことにより、スイッチング時間を５０％の 大きさのオーダーで減らすことができる。このセル厚さの減少は、厚さに光学的 異方性を乗じたものと、ねじれ角と、明るい又は透明 な状態での光透過率との間に存在することが見出された依存性により、低ねじり セルを用いることにより、達成することが可能である。この依存性は、良好な光 角度特性、透明状態における高光透過率、及び急速な状態スイッチング特性を有 する保護溶接ガラスを作るのに利用できる。これは、複数の低ねじれセルを用い 、複数の偏光フィルターを上述の対称的な方法で配置することによって始めて可 能である。 この厚さの問題の基本的理由は、かなりな程度の厚さを有しないセルは入射し た偏光を光学的にきれいに回転させる機能を発揮せず、その代わりに楕円偏光が 出ることである。このセルが２つの互いに交差する偏光フィルターの間に置かれ たとき、透過率はセルの厚さにと共に周期的に変化するであろう。９０°より小 さなねじれ角を有するセルを用いると、この問題はやや軽くなる。しかしながら 、図７に示すように、また以下に説明するように、ねじれ角によって最適厚さは 決定される。結局、好ましい具体例によれば、厚さ及び光学的異方性（材料定数 ）の積とねじれ角との組み合わせはこの曲線によって決定される。 他の好ましい態様によれば、低ねじれセルは逆対称に置かれる。即ち、鋭角の 等分線の方向が、１つの偏光子の偏光の方向と一致するように、セルの複数の処 理方向（ラビング方向）の間に置かれる。非活性化状態において、そのような構 造体は比較的低い光透過率を示すであろうが、低い電圧をかけると、一層透明な 状態が得られ、この一層透明な状態は電圧をもっとかけると一般により暗い状態 に返る。この構造体の１つの利点は、電圧の損失は光吸収の損失をもたらすもの ではなく、与えられた保護効果が残ることである。これは、高い暗さ度（ｄｅｇ ｒｅｅｓ ｏｆ ｄａｒｋｎｅｓｓ）の場合においても、調節された状態と電流 供給の損失が起こっている ときに起こる状態との間の差異を必要とする保護溶接ガラスの既存の標準が、最 大９までの暗さ度（ｄａｒｋｎｅｓｓ ｄｅｇｒｅｅｓ）をより容易に維持する ことを可能にする。 本発明を、その実例及び添付の図面を参照してより詳細に説明する。 図１は、公知の１つの方法（ねじれネマチック９０°）に従う保護溶接ガラス の分解組み立て図である。 図２は、本発明による２つの結晶セルを示す限界画定プレートを示す。 図３は、以前の公知の方法で得られた不均一な吸収が使用者によってどのよう に感知されるかを示すグレースケールを概略的に示す図である。 図４〜６は、異なった入射角の光の吸収を示す極線図である。図４は用いたス ケールを示す。 図５は、公知のタイプの保護溶接ガラスを示す極線図である。図６は、本発明 の保護溶接ガラスを示す対応する線図である。 図７は、光学的異方性とセル厚みの積と共に最適ねじれ角度がどのように変わ るかを示す。 図１の原理的分解組み立て図は、保護溶接ガラスの種々の構成要素を示す。最 も外側の構成要素は干渉フィルター１であり、これはまた、紫外線及び赤外線を 除く作用をし、波長範囲を限定する。次いで、第１の偏光フィルター２（ポラロ イド）、第１の光学的に回転する液晶セル３、その偏光方向が第１の偏光フィル ター２の偏光方向と直角である第２の偏光フィルター４、第２の光学的に回転す る液晶セル５、及び第１の偏光フィルター２と同じ偏光方向を持つ第３の偏光フ ィルター６が続く。この装置は任意に、所謂ゲスト−ホストセル７をも含んでい てもよい。この後者のセルは、光学的に 回転するセルではなく、ネマチック液晶を含み、その分子及び原子は通常、調製 されたガラス表面の助けによって第３の偏光フィルターの偏光と平行に配列され ている。秩序立った異方性吸収を有する混入された顔料（ｐｉｇｍｅｎｔ）は配 向した状態で非常に吸収性である。電圧がかかると、ネマチック液晶の分子は前 記表面に直角に並び、それと共に顔料の分子を最小量の光が吸収される位置に動 かす。この種のセルは当技術分野で公知である。そのようなセルが他のセルより も有利な１つの点は、それが印加電圧無しでフィルター効果を与えることである 。他の諸セルは印加電圧無しで光に対して透明である。溶接フィルターが使用さ れ、その制御回路が働かされると、このフィルターは光に対してより開かれたも のとなる。センサー（図示していない）は、溶接光がフィルターに入るか否かを 検出し、それによって制御回路（図示していない）はセル３及び５に制御電圧を かけ、一方ではセル７への電圧を除く。本発明が液晶の性質に関する限り、この 種の装置は本発明及び以前に公知である方法の両方について共通である。 複数のセルの内側に向かい合ったガラスプレートに透明な導電性電極層（例え ば、酸化錫層）が設けられ、その上に、例えばポリイミドが層が塗布され、これ は機械的に、通常ブラシ掛け／ラビングにより、特別な方向に、相互に相対する 表面に直角な方向に、公知の方法で処理される。この公知の方法に従って、セル ３及び５は相互に非対称に、例えばセル３における光を受け取る第１のセル表面 がポラロイドフィルター２の偏光方向に直角な方向に処理され、一方、セル５中 において光を受け取る第１の表面は偏光フィルター２の偏光方向に平行に処理さ れるように、向けられる。導入部で述べた補償はこうして達成される。 この種の溶接ガラスフィルター装置は、印加電圧を約３．３Ｖか ら約４．４Ｖに変えることによって、濃度３．６から９〜１３の濃度値を有する 透明な状態に変えることができる。同じ電圧が両方のセルにかけられる。 濃度が変わるのは、ネマチック分子を電界と平行に配向させようとする電圧が ガラスの内側表面上のプラスチック層によって反作用を受け、これが分子を表面 に関して平行に配列させ、結局電気的に影響を受けた配向はそれらの中間で効果 が最大になり、前記表面に向かって減っていく。しかしながら、表面効果の故に 、実際には、ある程度の光学活性は常に残っている。結局、２つの互いに交差す るポラロイドはセルが無いときは濃度１０〜１１に対応し、セルが配置され上述 のようにして各電圧が掛けられるときは実際には、密度は４．５〜６．５の間で 変化するであろう。 （密度は、慣例的に次のように定義される： Ｄ＝１＋７／３×¹⁰ｌｏｇ（１／Ｔ） ここにＴは透過係数である。） 入射の傾いた角度に関して達成された補償にも拘わらず、この公知の方法を実 施したとき、視界に少なからざる差異が依然として残っている。 これまでに、液晶保護溶接ガラス構造体は、境界表面での強制された条件に対 応して結晶の方位が９０°ねじれたとき得られる予想された自然幾何学に基づい て来た。本発明によれば、結晶がねじられる角度を減らすことによって改善が得 られることが見出された。これを図２に示す。この図は一対の液晶セルのプレー トを示している。このプレート１０及び１１の互いに相対する表面は、それぞれ 導電性層及び薄いプラスチック被膜を設けられている。これらの層及び被膜は、 白い矢１２及び１３に従って、相互の角度θをなしてブラシがけされ、又はラビ ングされている。以前に知られていた方 法によれば、この角度は９０°であるが、本発明によれば９０°よりも小さい。 図示のように、このプレート配列は生来は反時計方向に回転するセル用に意図さ れたものである。尤も、時計方向に回転するセルも公知である。これらプレート には１４及び１５のところに、電圧が印加できる手段が設けられている。引用符 号１６及び１７はプレートの端に付けられた識別マークである。 図３は溶接ヘルメットに付けられた保護溶接ガラス中のフィルターを示してお り、このヘルメットの着用者が見るフィルターを示している。このフィルターが 作動すると濃度率又は濃度係数を前進させる。しかしながら、この係数は２つの 方向で減少し、視界の領域１８で吸収が減る。これは着用者の受け取る主観的な イメージであり、本当のところは不均一性は視界において極在化されず、角度に 依存して偏って現れる。この角度依存性は図４〜６に示す。図４は、図５及び６ に用いられた極座標系を表し、ここに陰を付けたリングは、上の定義に従って明 るい又は透明な効果から比較的暗い効果へと、光吸収における単一の漸増を示し ている。図５は、公知の方法による２つの９０°にねじれたセルを有する装置で 得られた測定結果を示し、一方、図６は複数対の偏光フィルターの間に６０°に ねじれた２つのセルを入れたとき、得られた結果を示す。両方のケースにおいて ０°の回転の場合に、濃度は１２であり、従って前進方向である。 角度θは９０°とは異なるから、得られるフィルター効果は、種々の視角に亘 ってはるかに均一であろう。同じ結晶材料が両方の場合に用いられ、両方の場合 において電圧をかけると、上述の定義による意図された濃度１３を生じ、非常に 強い溶接光が発生する条件において溶接に適した比較的高い減衰効果を生じた。 両方の場合における構造体は、図１に示したものと同じであり、唯一の相違は、 図５に示したセル３及び５は９０°ねじれ、図６に示したセルはより小さな角度 ６０°ねじれていることである。両方の図面は極線図であり、最外の円周は入射 の直角な角度から３０°偏向している。この線図はステッピングマシン（ｓｔｅ ｐｐｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ）を用い、ステップ２°の傾き及び方位角ステップ １０°で作った。同じ吸収を表す曲線は１つの単位ステップで示した。 これまでに述べた例は２つの同じ液晶セルの使用を含む。このことの利点は、 両方のセルは１つの同じ電圧で駆動でき、この電圧は変化させて異なった濃度を 作りだすことができる。これは必要なエレクトロニクスを簡単にする。しかしな がら、前記補償を得るためのより一層の自由度を与えるエレクトロニクスのよう なより高価なエレクトロニクスが使用されるときは、この強制された条件は、も はや当てはまらない。 そうすると、相互に交差するポラロイドの間に、第１の公知の９０°のねじれ セルを配列し、他の相互に交差するポラロイドの間に２０〜８５°のねじれを有 する他のセルを配列し、これによって第１のセルにおける吸収誤差の補償を最適 化することが魅力的になる。この自由度の数における増加は、暗状態に対する極 線図の構造に影響を与えることを可能にする。 最適化された全体的解決を得るために、異なったセルを組み合わせることもで き、この場合はこの最適化は望みの最終結果に適合される。例えば、対照的に及 び非対照的に配置された結晶、並びに異なったねじれ角のセル及び厚さ、等を組 み合わせることが可能である。 先に述べたように、以前に公知の方法に関連して、ねじれ角を減らすだけでな く、対応する程度においてセルの厚さを減らす、もっともな理由がある。前述の 米国特許Ｎo.４３９８８０３明細書には 、公知の９０°ねじれた結晶の厚さは、光学的異方性及び層厚さの積が、μｍで 表して、１５０〜６００nmになるように限定されるべきであると、提案されてい る。本発明の１つの態様によれば、各ねじれ角に付いて最適な厚さ（又はより正 確にいえば、光学的異方性と厚さとの積）が存在することが見出された。可能な 最良の透明状態が、この最適厚さで得られる。その関数を図７に示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．溶接光の強さの変化に応じて、高光吸収状態と低光吸収状態の間、並びに その反対を急速にスイッチできる溶接ガラスフィルター構造体であって、透明な 、電極を装備したプレートの間に配置されたネマチック型液晶セルの２つを有し 、前記プレートは電圧源に接合可能であり、分子配向の方向を決定する被膜が設 けられ、それらの限界表面で相互の或る角変位を持って分子配列の方向を規定す る被膜が設けられ、これによって前記プレートの上の電極被膜の間の電圧の不存 在下に前記液晶を光学的にねじれさせるものであり、ここに前記複数のセルはそ れぞれ相互に消し合う複数の偏光フィルターの間に配置され、またここに分子配 列方向は、電圧が印加されたとき前記複数のセルの各非対称的な光吸収の間で補 償効果が得られるように変えられるものにおいて、前記複数の分子配列の方向の 間の複数のセルの角変位の少なくとも１つが９０°とは異なり８５°又はこれよ り小さいことを特徴とする前記フィルター構造体。 ２．前記９０°とは異なる配向方向が２０°と８５°の間の角度を示すことを 特徴とする請求の範囲１のフィルター構造体。 ３．前記配列方向の間の９０°のねじれ角とは異なる結晶の少なくとも厚さが 、厚さと、異なった偏光方向に付いての最高の及び最低の屈折率の間の差との積 が大きくとも０．４μｍであり、各セルが前記複数の分子方向決定被膜の間の角 差異（ａｎｇｕｌａｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）が大きくとも７０°であること を特徴とする請求の範囲２のフィルター構造体。 ４．前記厚さが大きくとも３μｍであることを特徴とする請求の範囲２〜３の いずれか１つのフィルター構造体。 ５．前記２つのセルが相互に概して同じであり、前記電源が前記 複数のセルに等しい電圧を与えるように適合されていることを特徴とする請求の 範囲１のフィルター構造体。 ６．それらの間に各セルが配置されている複数の偏光フィルター、角度９０° で相互に交差している偏光方向を有することを特徴とする請求の範囲１のフィル ター構造体。 ７．その分子方向決定被膜が９０°未満の相互の角変位を有する複数のセルの 少なくとも１つが、その偏光方向が各最も近い被膜の方向に一致する複数の偏光 フィルターの間に配置されていることを特徴とする請求の範囲１又は２のフィル ター構造物。 ８．９０°とは異なる複数の配向方向の間の鋭角の等分線が、２つの包囲する 偏光フィルターの偏光方向の間の等分線と概して平行であることを特徴とする請 求の範囲１のフィルター構造体。 ９．９０°とは異なる複数の配向方向の間の鋭角の等分線が、２つの包囲する 偏光フィルターの１つの偏光方向と概して平行であることを特徴とする請求の範 囲１のフィルター構造体。 １０．前記複数の液晶の少なくとも１つが、一方では、厚さと異なった複数の 偏光方向の最高の及び最低の屈折率の間の差との積と、他方では、図７に示した 曲線上の一点に対応する前記複数の配向方向の間の角度と、の間に或る比を有す ることを特徴とする請求の範囲２のフィルター構造体。