JP2008533524A - オフセット偏光子を有する自動減光フィルタ - Google Patents

Abstract

保護自動減光フィルタ構造１０は、一連のオフセット偏光子２４、２８、３２の間に介在した２つの低ねじれ液晶セル２６、３０を含む。得られた構造は、使用者が見たときに、暗い状態における向上した均質性を大きな視角にわたって提供する。遮光むらを低減することによって、フィルタを通した視認性を向上することができる。

Description

本発明は、溶接用トーチから入射する光を減光するために、溶接ヘルメットに用いることができる自動減光液晶保護シールドまたはフィルタに関する。

自動減光液晶保護シールドはまた、自動減光フィルタまたはＡＤＦとして周知であり、偏光フィルタおよび液晶層の組合せから構成されることが多い。そのようなフィルタの例は特許文献１および特許文献２に記載されており、いずれの特許もホルネル（Ｈｏｅｒｎｅｌｌ）およびパーマー（Ｐａｌｍｅｒ）に付与されている。

ＡＤＦは、制御信号に応じて明るい（透明）状態からより暗い（略不透明）状態に変化させる。強いレベルの入射光からの保護が必要である溶接のような用途の場合には、フィルタは、フェースマスクに通常取り付けられ、制御信号が溶接アークからの入射光によって起動される。入射光は、溶接ヘルメットの検出器に入射し、次に、検出器は信号をＡＤＦに送信する。このように、溶接アークのグレアを受けないときには、フィルタは光透過性であるかまたは透明であり、そのようなグレアに曝された場合にはすぐに暗くなる。これにより、溶接者が溶接作業を行うことができ、保護シールドを外すことなく、溶接領域以外で仕事を行うこともできる。

従来のフィルタには、一つの特有の欠点がある。すなわち、液晶層のフィルタ効果が角度に左右されることである。言い換えれば、使用者が見る視野は、不均一に暗くなるように見えることがある。セル間隙のばらつきおよび、接着層または偏光子における不要な複屈折もまた、均質性を損ない、その結果、溶接フィルタの視野にわたる遮光のむらを生じることがある。
米国特許第６，０９７，４５１号明細書 米国特許第５，８２５，４４１号明細書

本発明は、視野における不均質性の問題に対処する保護自動減光フィルタ構造を提供する。この構造は、大きな視角にわたって暗い状態にあるさらに均一な遮光を使用者に提供する。本発明のフィルタは、３つの偏光子の間に介在した２つの低ねじれの旋光性の液晶セルを含む。液晶セルのねじれ角は、９０°未満である。２つの外側偏光子（第１の偏光子および第３の偏光子）は、第２の（中央）偏光子の偏光方向に対する垂直軸から偏倚（ｏｆｆｓｅｔ）した偏光配向を有する。

一実施形態において、本発明は、第１の偏光子、第２の偏光子および第３の偏光子と、第１の低ねじれ液晶セルおよび第２の低ねじれ液晶セルと、を備え、各液晶が９０°未満のねじれ角を有する装置に関する。第１の低ねじれ液晶セルは、第１の偏光子と第２の偏光子との間に配置され、第２の低ねじれ液晶セルは、第２の偏光子と第３の偏光子との間に配置される。第１の偏光子または第３の偏光子の少なくとも１つの偏光配向は、第２の偏光子の偏光配向に対する垂直軸から偏倚している。

他の実施形態において、本発明は、その中に搭載された切換え可能なフィルタを有する溶接フェースマスクを含む自動減光フィルタに関する。自動減光フィルタはまた、入射光を検出するセンサと、入射光の有無に対応してセンサから信号を受信する制御回路と、を含む。制御回路は、入射光の存在を示す信号に応じて、切換え可能なフィルタに電圧を印加する。切換え可能なフィルタは、第１の偏光子、第２の偏光子および第３の偏光子と、第１の低ねじれ液晶セルおよび第２の低ねじれ液晶セルと、を含み、それぞれが９０°未満のねじれ角を有する。第１の低ねじれ液晶セルは、第１の偏光子と第２の偏光子との間に配置される。第２の低ねじれ液晶セルは、第２の偏光子と第３の偏光子との間に配置される。第１の偏光子または第３の偏光子の少なくとも１つの偏光配向は、第２の偏光子の偏光配向に対する垂直軸から偏倚している。

本発明は、第１の偏光子または第３の偏光子の少なくとも１つの偏光配向は、第２の偏光子の偏光配向に対する垂直軸から偏倚しているという点で、公知の自動減光フィルタとは異なる。第１の偏光子または第３の偏光子の少なくとも１つの偏光配向が偏倚していることによって、暗い状態でより均質な遮光を得ることができる。第１の偏光子または第３の偏光子の一方または両方の偏光配向が偏倚していることにより、少量の光がフィルタから漏出することが可能となり、フィルタを通して見たときに、遮光むらを低減する全体的な緩和効果を生じさせる。遮光むらを低減することにより、フィルタを通じた視認性（ｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙ）を向上することができる。視認性の向上は、作業中の対象物を詳細に見る必要があるため、特に溶接者にとって有用となりうる。

本発明の１つ以上の実施形態の詳細が、添付図面および以下の詳細に記載されている。本発明の他の特徴、目的および利点は、詳細、図面および特許請求の範囲から明白であろう。

図１は、自動減光フィルタ用途に有用な切換え可能なフィルタ構造１０の例示の実施形態の分解図である。最も外側の構成要素は干渉フィルタ２２であり、このフィルタは、部分的には紫外光および赤外光を排除するように機能し、波長範囲を制限する。フィルタ１０はまた、第１の偏光フィルタ２４、第１の旋光性の液晶セル２６、第２の偏光フィルタ２８、第２の旋光性の液晶セル３０および第３の偏光フィルタ３２を含む。この配置は、必要に応じていわゆるゲスト−ホストセル３４を含んでもよい。

第１の液晶セル２６および第２の液晶セル３０は、低ねじれ液晶セルである。本明細書に用いられるとき、「低ねじれ」の用語は、９０°未満のねじれ角を有することを意味する。たとえば、第１の液晶セル２６または第２の液晶セル３０の少なくとも１つが、９０°未満、通常、０°または１〜８９°のねじれ角を有する。具体的には、第１の液晶セルおよび第２の液晶セルの少なくとも１つのねじれ角は、約２０°〜約８５°であってもよい。液晶セル２６および３０には、コネクタ５２および５４がそれぞれ設けられ、それによって制御電圧が印加可能である。

第１の偏光子２４、第２の偏光子２８および第３の偏光子３２の各々は、それぞれ図１の矢印で示す、関連した偏光配向を有する。本明細書に用いられるとき、「偏光子」なる語は、１つの軸に沿った光波を透過し、他の軸に沿った光波を吸収する偏光フィルタを意味する。通常、偏光の透過軸および吸収軸は、互いに９０°で配向している。第１の偏光子２４および第３の偏光子３２のこれらの偏光軸または偏光配向は、第２の偏光子２８の配向に対して記述してもよい。第２の偏光子２８は、偏光配向４７を有する。垂直軸５６は、偏光子２８の偏光配向４７に対して直交している。言い換えれば、図１に示される実施形態において、垂直軸５６と偏光配向４７との間の角度は、９０°である。第１の偏光子２４および第３の偏光子３２の偏光配向はいずれも、垂直軸５６から「偏倚」している。言い換えれば、第１の偏光子２４の偏光配向４１は、オフセット角４０（以下、第１オフセット角４０と呼ぶ）だけ垂直軸５６から偏倚している。同様に、第３の偏光子３２の偏光配向５３は、オフセット角４６（以下、第２オフセット角４６と呼ぶ）だけ垂直軸５６から偏倚している。第１オフセット角４０および第２オフセット角４６によって提供される可能なオフセットは、１°〜２０°であってもよい。一実施形態において、第１オフセット角４０および第２オフセット角４６は、２°〜８°であってもよい。

図１は、第１の偏光子２４および第３の偏光子３２の両方が垂直軸５６から偏倚していることをさらに示している。しかし、いくつかの実施形態において、第１の偏光子２４または第３の偏光子３２の一方のみが垂直軸５６から偏倚している。たとえば、一実施形態において、第１の偏光子２４の偏光配向４１は、垂直軸５６から偏倚しているが、第３の偏光子３２の偏光配向５３は垂直軸５６と実質的に平行である。他の実施形態において、第１の偏光子２４の偏光配向４１は、垂直軸５６と実質的に平行であってもよく、第３の偏光子３２の偏光配向５３は垂直軸５６から偏倚している。したがって、第１の偏光子２４または第３の偏光子３２の少なくとも１つの偏光配向は、垂直軸５６から偏倚している。

第１オフセット角４０は時計回りまたは正の方向に垂直軸５６から偏倚してもよく、第２オフセット角４６は反時計回りまたは負の方向に垂直軸５６から偏倚してもよい。第１オフセット角４０および第２オフセット角４６の方向は、逆向きであってもよく、またはいくつかの実施形態において、同一の方向（たとえば、両方とも正の方向または両方とも負の方向）に偏倚してもよい。第１オフセット角４０および第２オフセット角４６の大きさは、いくつかの実施形態において同一であってもよく、または他の実施形態において異なっていてもよい。

液晶セル２６および３０は、「低ねじれ」セルである。すなわち、これらのセルは、９０°未満のねじれ角を有する。この種の低ねじれセルに関する一般的な構造は、ガラスプレート間に位置決めされた、ツイストネマチック（ＴＮ）型の液晶材料からなる。液晶セルの内部に面するガラスプレートは、透明な導電性の電極層（たとえば、酸化インジウムスズ層）を備え、その上に特定の配列方向において、ブラッシングまたはラビングなどの機械的に処理を施した、たとえば、ポリイミド層が塗布される。液晶画定面において得られた構造は、ネマチック分子に特定の角度位置をとらせ、その結果、分子は液晶画定面の間の個々のねじれ角によってねじられる。電気的に非アクティブ状態（印加電圧がない状態）において、光がセルを通過し、フィルタが透明になるように、偏光面が回転する。液晶画定面の間に電界を印加することによって、ネマチック液晶分子の配向を制御することができる。電圧の印加により、液晶画定面の間に電界を生じさせる。ネマチック液晶分子は、液晶画定面に対して平行ではなく、液晶画定面に対して垂直な電界と整列し、セルは暗い状態になる。したがって、制御電圧が低ねじれセルに印加されると、フィルタ効果が得られる。制御電圧を変化させることによって、ネマチック分子の回転度を制御することができ、したがって、対応するフィルタ効果もまた制御することができる。その結果、印加電圧がない場合には、液晶セル２６および３０は明るい状態になり、印加電圧がある場合には液晶セル２６および３０は暗い状態となる。

ゲスト−ホストセル３４はネマチック液晶を含み、その分子および原子が偏光子２８における垂直軸５６に対して平行に配列してもよい。前処理の施されたガラス面は、この配列を支援することができる。規則正しい異方性吸収を有する内部混合顔料は、配列状態できわめて高い吸収性がある。電圧が印加された場合、ネマチック液晶の分子は、前処理面に対して直角に位置決めされ、顔料の分子を、吸収される光量が最小になる位置に移動させる。したがって、ゲスト−ホストセル３４は、印加電圧がない場合にはフィルタ効果を示すのに対して、液晶セル２６および３０は、印加電圧がない場合には光透過性である。このように、フィルタ１０は、予期せぬ電圧損失の場合に、使用者に対してある最小限レベルの保護および安全性を提供する。

図１に示す実施形態において、液晶セル２６および３０の対応する配列方向は、相互に実質的に平行に配置され、相互に非対称に向いている。たとえば、液晶セル２６の配列方向４５は、液晶セル３０の配列方向４９に対して実質的に平行に配置され、液晶セル３０の配列方向４９に対して非対称に（すなわち、反対方向に）向いている。同様に、液晶セル２６の配列方向４３は、液晶セル３０の配列方向５１に対して実質的に平行に配置され、液晶セル３０の配列方向５１に対して非対称に向いている。この非対称の配向は、図１における配列方向４３、４５および４９、５１を示す反対方向を指す矢印によって表される。

図２は、第１の液晶セル２６、第２の偏光子２８および第２の液晶セル３０が相互にどのように配置され得るかについて一例を示す図である。図２は、上述したように、第２の偏光子２８の垂直軸５６および偏光配向４７がどのように相互に垂直であるかを示す。二等分線５８は、偏光配向４７と垂直軸５６との間の角度を二等分する。したがって、この例では、二等分線５８は、偏光配向４７および垂直軸５６とともに４５°の角度を形成する。明るい状態の性能を最適化するために、液晶セル２６の配列方向４５、４３および液晶セル３０の配列方向４９、５１は、二等分線５８に対して対称にそれぞれ配置してもよい。たとえば、液晶セル２６および３０のねじれ角が７０°に等しい場合には、配列方向４５および４３は、二等分線５８を中心にして対称に３５°に位置するであろう。同様に、配列方向４９および５１もまた、二等分線５８を中心にして対称に３５°に位置するであろう。したがって、この例では、配列方向４３、５１と二等分線５８との間の角度５７は、３５°であり、同様に、配列方向４５、４９と二等分線５８との間の角度５９は、３５°である。言い変えれば、この例では、垂直軸５６と配列方向４３、５１との間の角度は１０°であり、垂直軸５６と配列方向４５、４９との間の角度は８０°である。

対称な配向は明るい状態を最適化するが、他の配向もまた用いてもよく、本発明は、図１および図２に対して図示され、本明細書に記載される配置に限定されるわけではない。その他の多くの構造もまた、本発明の範囲を逸脱することなく実現可能である。

図３は、自動減光フィルタ（ＡＤＦ）６０のブロック図である。自動減光フィルタ６０は、図１および図２に関して上述した種類のオフセット偏光子を有する切換え可能なフィルタ１０を含む。切換え可能なフィルタ１０は、溶接手順中、または切換え可能なフィルタ１０によって提供される種類の保護が必要である他の状況において、使用者が着用する溶接フェースマスク６６に搭載される。ＡＤＦ６０はまた、溶接アークなど、フィルタ１０の前面に入射する光を検出するためのセンサ６４を含む。制御回路６２は、入射光の有無に対応した、センサ６４から信号を受信し、対応する制御電圧をフィルタ１０に印加して、その結果、フィルタ１０が提供する遮光度を制御する。溶接アークまたは他の入射光源の存在がセンサ６４によって検出された場合、たとえば、制御回路６２は制御電圧を液晶セル２６および３０に印加して、ゲスト−ホストセル３４への電圧を除去してもよい。これにより、フィルタは暗くなって、溶接アークのグレアから使用者を保護する。溶接アークまたは他の入射光源がない場合には、制御回路６２は、液晶セル２６および３０への印加電圧を削減または除去して、それによってフィルタは光に対してより開放になる。これにより、溶接者は溶接作業を行い、保護フェースマスクを外すことなく、溶接領域以外で仕事を行うこともできる。さらに、本明細書に記載されたフィルタ構造は、使用者が見るときに、暗い状態における均質性を大きな角度範囲にわたって増大させる結果をもたらす。

切換え可能なフィルタ１０、センサ６４および制御回路６２は、通常、溶接フェースマスク６６のヘルメットシェルにユニットとして支持され、通常、ヘルメットを使用者が着用した場合、着用者の目の直前でシェルに搭載される交換可能なユニットとして支持される。ユニットは、フィルタ、センサおよび回路を支持する矩形状（または他の形状の）フレームまたはハウジングの形態でもよい。ヘルメットシェルの例は、たとえば、米国特許第６，１８５，７３９号明細書、米国特許第５，５３３，２０６号明細書、米国特許第５，１９１，４６８号明細書、米国特許第５，１４０，７０７号明細書、米国特許第４，８７５，２３５号明細書および米国特許第４，８５３，９７３号明細書に見られる。溶接ヘルメットはまた、内部に供給される清浄な空気を有することができ、周辺空気から呼吸区域を分離するために、接顔部（ｆａｃｅ ｓｅａｌ）を含んでもよい。そのような接顔部の例としては、米国特許出願第１０／９８７，５１２号明細書、米国特許出願第１０／９８７，６４１号明細書、米国特許出願第１０／９８８，７８９号明細書、米国特許出願第２９／２１７，１５５号明細書、米国特許出願第２９／２１７，１５３号明細書、米国特許出願第２９／２１７，１５４号明細書、米国特許出願第２９／２１７，１０７号明細書、米国特許出願第２９／２１７，１５６号明細書に示されている。

フィルタ効果の一つの測定値は、いわゆる遮光数（Ｓｈａｄｅ Ｎｕｍｂｅｒ）である。遮光数Ｓは、以下の式によって、視感透過率ＴＬ（分数によって表される）に関連している。
Ｓ＝１＋７／３×１０ｌｏｇ（１／ＴＬ）

本明細書に記載した種類のフィルタ配置は、明るい状態の遮光度約３．３のフィルタ効果から、暗い状態の遮光度約９〜遮光度約１３の範囲の値まで変化してもよい。約２．０Ｖ〜約４．５Ｖに印加電圧を変化させることによって、フィルタ効果を変化させてもよい。

図４は、種々の視角における遮光値を示す極線図８０である。図４は、時計回り方向に測定してオフセット角６°の第１の偏光子２４、反時計回り方向に測定してオフセット角６°の第３の偏光子３２、およびねじれ角８０°の液晶セル２６および３０を備えた、図１に示したような切換え可能なフィルタ構造を用いて測定した。極線図８０の最も外側の円は、垂直入射角（図の中心で示される）から３０°の偏差を表す。図は、傾きを２．５°ごとにとり、方位角のステップが１０°のステッピング装置で製作した。すべてのグレーレベルが等しいフィルタ効果を表す領域は、０．５の遮光ステップで製作した。ＤＩＮ遮光スケールは、参照符号８２で示している。液晶セル２６および３０のねじれ角は９０°ではなく、第１の偏光子２４および第３の偏光子３２の配向は偏倚しているため、暗い状態におけるフィルタ効果は、従来のフィルタ構造より種々の視角にわたってより均一である。

測定には、２つの同一の液晶セルを用いることが必要である。その種の実施形態において、液晶セル２６および３０はいずれも同一の制御電圧で駆動可能であり、暗い状態における異なる濃度、および異なる遮光の程度を生成するために、この制御電圧を変化させることができる。これにより、必要な電子機器を簡素化することができる。

しかし、液晶セル２６および３０は、同一である必要はない。一実施形態において、たとえば、９０°のねじれ液晶セルおよび２０°〜８５°のねじれを有する低ねじれセルをオフセット偏光子の間に配置してもよい。他の実施形態において、それぞれねじれの程度の異なる２つの低ねじれセルをオフセット偏光子の間に配置してもよい。所望の最終結果に応じて、最適な全体的な解決策を実現するために、異なるセルを組合せてもよい。たとえば、対称および非対称に搭載された液晶セル、異なるねじれ角および厚さなどのセルを組合せることも可能である。

背景技術の欄に記載されたものも含めて、上記の特許および特許出願のすべては、全体として、参照によって本明細書に援用されるものとする。

本発明の種々の実施形態を記載した。これらおよび他の実施形態は、冒頭の特許請求の範囲内に包含される。

本発明による保護切換え可能なフィルタ構造１０の例示の実施形態の分解図である。 図１の切換え可能なフィルタ１０に関する偏光子および液晶セルの配列の一例を示す図である。 自動減光フィルタ６０に搭載される図１の切換え可能なフィルタ１０のブロック図である。 図１の切換え可能なフィルタ構造に関する異なる視角におけるフィルタ効果を示す極線図（ｐｏｌａｒ ｄｉａｇｒａｍ）である。

Claims (17)

1. 第１の偏光子、第２の偏光子および第３の偏光子と、
   ９０°未満のねじれ角をそれぞれ有する第１の低ねじれ液晶セルおよび第２の低ねじれ液晶セルと、を備え、前記第１の低ねじれ液晶が前記第１の偏光子と前記第２の偏光子との間に配置され、前記第２の低ねじれ液晶が前記第２の偏光子と前記第３の偏光子との間に配置され、
   前記第１の偏光子または前記第３の偏光子の少なくとも１つの偏光配向は、前記第２の偏光子の偏光配向に対する垂直軸から偏倚している装置。
2. 前記第１の液晶セルおよび前記第２の液晶セルのねじれ角が、２０°〜８５°である、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１の液晶セルおよび前記第２の液晶セルが実質的に同一であり、前記第１の液晶および前記第２の液晶のそれぞれに印加される制御電圧が実質的に同一である、請求項１に記載の装置。
4. 前記第１の偏光子の偏光配向が、第１オフセット角だけ前記垂直軸から偏倚している、請求項１に記載の装置。
5. 前記第１オフセット角が、１°〜２０°である、請求項４に記載の装置。
6. 前記第３の偏光子の偏光配向が、第２オフセット角だけ前記垂直軸から偏倚している、請求項１に記載の装置。
7. 前記第２オフセット角が、１°〜２０°である、請求項６に記載の装置。
8. 前記第１の偏光子の偏光配向が前記垂直軸から偏倚しており、前記第３の偏光子の偏光配向が前記垂直軸から偏倚している、請求項１に記載の装置。
9. 前記第１の偏光子および前記第３の偏光子の一方の偏光配向は、時計回り方向に測定した第１オフセット角だけ前記第２の偏光子の偏光配向に対する垂直軸から偏倚しており、前記第１の偏光子および前記第３の偏光子の他方の偏光配向は、反時計回り方向に測定した第２オフセット角だけ前記第２の偏光子の偏光配向に対する垂直軸から偏倚している、請求項１に記載の装置。
10. 前記第１オフセット角および前記第２オフセット角は、実質的に等価な大きさを有する、請求項９に記載の装置。
11. 前記第１オフセット角および前記第２オフセット角の大きさは、１°〜２０°である、請求項９に記載の装置。
12. 前記第１の低ねじれ液晶セルは、対応する第１の配列方向および第２の配列方向を含み、前記第１の配列方向および前記第２の配列方向は、前記第２の偏光子の偏光方向および前記第２の偏光子の偏光配向に対する垂直軸の二等分線に関して、実質的に対称に配置されている、請求項１に記載の装置。
13. 前記第２の低ねじれ液晶セルは、対応する第１の配列方向および第２の配列方向を含み、前記第１の配列方向および前記第２の配列方向は、前記第２の偏光子の偏光方向および前記第２の偏光子の偏光配向に対する垂直軸の二等分線に関して、実質的に対称に配置されている、請求項１に記載の装置。
14. 請求項１に記載の装置を備え、溶接者のトーチからの入射光を検知するためのセンサと、前記入射光に応じて前記装置を暗くさせるように信号を生成して前記装置に供給する制御回路と、をさらに備える自動減光フィルタユニット。
15. シェルと、請求項１４に記載の自動減光フィルタユニットと、を備え、前記自動減光フィルタユニットは、前記溶接ヘルメットの着用時に、前記ユニットが着用者の目の前に配置されるように前記シェルによって支持されるようにした溶接用ヘルメット。
16. 前記自動減光フィルタユニットが交換可能である、請求項１５に記載の溶接用ヘルメット。
17. 溶接フェースマスクと、
    前記溶接フェースマスクに搭載される切換え可能なフィルタと、
    入射光を検出するためのセンサと、
    入射光の有無に対応した、前記センサから信号を受信し、入射光の存在を示す信号に応じて、前記切換え可能なフィルタに電圧を印加する制御回路と、を備える装置であって、
    前記切換え可能なフィルタが、
    第１の偏光子、第２の偏光子および第３の偏光子と、
    ９０°未満のねじれ角をそれぞれ有する第１の低ねじれ液晶セルおよび第２の低ねじれ液晶セルと、を含み、前記第１の低ねじれ液晶セルが前記第１の偏光子と前記第２の偏光子との間に配置され、前記第２の低ねじれ液晶セルが前記第２の偏光子と前記第３の偏光子との間に配置され、
    前記第１の偏光子または前記第３の偏光子の少なくとも１つの偏光配向は、前記第２の偏光子の偏光配向に対する垂直軸から偏倚している装置。

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