(57)【特許請求の範囲】
【請求項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り、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を２つ有し、前記プレートは電圧源に接続可能であり、分子配向の方向を決定しかつそれらの画定表面で相互の角変位を持って分子配向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前記液晶を電圧の不存在下に光学的にねじれさせるものであり、ここに前記セルはそれぞれ相互に消光し合う偏光フィルターの間に配置され、またここに前記分子配向方向は、電圧が印加されたとき前記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溶接ガラスフィルター構造体であって、前記２つのセルの前記電圧の不存在下における前記分子配向の方向に関する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溶接ガラスフィルター構造体。
【請求項２】
９０°とは異なる前記角変位が２０°と８５°の間であることを特徴とする請求項１のフィルター構造体。
【請求項３】
少なくとも、前記角変位が９０°とは異なる液晶の厚さが、厚さと、異なった偏光方向についての最高の及び最低の屈折率の差との積が最大で０．４μｍとなるようにされており、各セルの前記分子配向の方向に関する角変位が最大で７０°であることを特徴とする請求項２のフィルター構造体。
【請求項４】
前記厚さが最大で３μｍであることを特徴とする請求項３のフィルター構造体。
【請求項５】
前記２つのセルが相互に概して同じであり、前記電圧源が前記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項１のフィルター構造体。
【請求項６】
それらの間に各セルが配置されている前記偏光フィルターが角度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項１のフィルター構造体。
【請求項７】
前記角変位が９０°と異なる前記セルの少なくとも１つが、偏光方向が各最も近い被膜の方向に一致する偏光フィルターの間に配置されることを特徴とする請求項１又は２のフィルター構造体。
【請求項８】
９０°と異なる前記角変位に相当する鋭角の等分線が、２つの近接する偏光フィルターの偏光方向の等分線と概して平行であることを特徴とする請求項１のフィルター構造体。
【請求項９】
９０°と異なる前記角変位に相当する鋭角の等分線が、２つの近接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項１のフィルター構造体。
【請求項１０】
前記液晶の少なくとも１つが、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差との積と、前記角変位との、図７に示した曲線上の一点に対応する比を有することを特徴とする請求項２のフィルター構造体。
【発明の詳細な説明】
本発明は、改善された光角特性（ｏｐｔｉｃａｌ  ａｎｇｕｌａｒ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ）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、濃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）との積が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（すなわち垂直方向）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は比較的一定である一方、他の等分線の方向に沿っては暗くなる。
１つのＴＮセルの「弱い」等分線が、他の「強い」等分線と一致し、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先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°から離れて、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を有する、結晶物質Ｍｅｒｋ  ＺＬＩ  ３７１００からなる液晶にとって好ましいものとなる。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つのそのような液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ＴＮ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、フィルターを必要な程度よりもゆっくりと反応させる。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電子装置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、「対称的」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もっと減らすことも好都合である。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、電圧の喪失は光吸収の喪失をもたらすものではなく、所定の保護効果が残ることである。これは、高い暗さ度（ｄｅｇｒｅｅｓ  ｏｆ  ｄａｒｋｎｅｓｓ）の場合においても、調節された状態と電流供給がなくなると生じる状態との間の差異が最大９までの暗さ度であることを必要とする保護溶接ガラスの既存の標準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つの液晶セルを示す境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の極線図を例示するものである。図６は、本発明の保護溶接ガラスに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。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。
各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、通常特定方向のブラシ掛け／ラビングにより、相互に相対する表面において直角な方向に、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は相互に非対称の向きにされ、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される。先に述べた補償が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の透明な状態から９〜１３の濃度値まで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からである。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、濃度は４．５〜６．５の間で変化するであろう。
（濃度は、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。
これまでは、液晶保護溶接ガラス構造体の概念は、境界表面での強制された条件に対応して液晶の方位が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、液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。この図は液晶セルの一対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。参照符号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。このフィルターは作動すると順方向に変化する濃度係数を有する。しかしながら、この係数は２つの方向で、領域１８における吸光が減少するように減少する。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局在化されず、角度に依存して偏って現れる。この角度依存性を図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、図５及び６の陰影を付けたリングは、上の定義に従って明るい又は透明な効果からより暗い効果へと、光の吸収が増加する単位増加分を示している。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、濃度は、０°の回転の場合に１２であり、従って順方向である。
角度θは９０°とは異なるから、得られるフィルター効果は、種々の視界に亘ってはるかに均一である。同じ液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のセル３及び５は９０°ねじれ、図６の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、最外の円周は直角な入射角度から３０°それている。この線図はステッピングマシン（ｓｔｅｐｐｉｎｇ  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されている。
これまでに述べた例は２つの同じ液晶セルの使用を必要としている。このことの利点は、両方のセルを１つの同じ電圧で駆動でき、この電圧を変化させて異なった濃度を作りだすことができることである。これは必要な電子装置を簡単にする。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電子装置のようなより高価な電子装置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。
その場合には、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液晶、並びに異なったねじれ角と厚さのセル、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°ねじれた液晶の厚さは、光学的異方性及びμｍで表した層厚さの積が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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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