JP7160536B2 - 照明装置 - Google Patents

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Description

本発明は、液晶素子、及び、液晶素子を用いた照明装置に関する。
照明領域を制御することのできる車両用前照灯が知られている。
たとえば近年、車両用前照灯において、前方の状況、すなわち対向車や前走車等の有無及びそれらの位置に応じ、リアルタイムで配光形状を制御する配光可変ヘッドランプ(adaptive driving beam; ADB)が注目されている。配光可変ヘッドランプによれば、たとえばハイビームで走行中、対向車を検出した場合に、ヘッドランプで光が照射される領域のうち、検出された対向車の領域に向かう光のみをリアルタイムで低減することが可能となる。運転者に対してはハイビームが照射される状況に近い視野を与える一方、対向車に対しては眩惑光(グレア)を与えることを防止することができる。
また、ハンドルの舵角に応じて進行方向の配光を調整する前照灯システム(adaptive front-lighting system; AFS)が一般化されつつある。ハンドルの舵角に合わせて配光形状を左右方向に移動させ、進行方向の視野を広げることができる。
照明領域を制御可能な車両用前照灯は、たとえばアレイ状に配置された多数のLED(light emitting diode)素子を含む発光部と、発光部から出射された光の光路上に配置された投影レンズを備える。各LED素子は独立に制御される。具体的には、各LED素子の導通/非導通(オン/オフ)及び導通時の投入電流等がリアルタイムで制御され、LED素子の点灯パターン(発光部の出射光パターン)が形成される。これにより車両前方に所定の配光パターンが形成される。
発光部と投影レンズの間の光路上に、調光部を備える車両用前照灯が知られている(たとえば特許文献1参照)。
特許文献1に記載される車両用前照灯においては、LED素子を用いて構成される発光部で発光された光が、調光機能を備える電気光学素子、たとえばTN(twisted nematic)型の液晶素子(liquid crystal display; LCD)を用いて構成される遮光部に入射する。遮光部では電気光学素子が調光制御され、具体的には液晶素子の透過率が位置によって(部分的に)制御され、配光制御が行われる。透光/遮光位置を変更することにより、配光パターンの形状が変化する。たとえばカットオフパターンが形成される。
しかし灯体の中の配光状態は広角であり、たとえば液晶素子には、液晶素子の法線方向(基板法線方向)に対し30°程度傾いた方向から光が入射する。TN型の液晶素子は視角に対する性能がよくないため、コントラスト比が著しく低くなる。
垂直配向型の液晶素子を用いることにより、視角特性を改善することができる。しかし、通常使用される条件で作製された液晶素子を用いると、透過光が黄色に着色しやすい。液晶素子においては、電圧印加条件により、透過光が黄変することがある。また、視角により黄変することもある。液晶層を透過する光にとって、実質的なリターデーションが異なるため、一般に、液晶素子の法線方向(基板法線方向)から入射する光は黄変しにくく、斜め方向から入射する光は黄変しやすい。
特開2005-183327号公報
本発明の目的は、高品質の液晶素子及び照明装置を提供することである。
本発明の一観点によると、略平行に対向配置された第1基板、第2基板であって、対向面に電極及び垂直配向膜が配置された第1基板、第2基板と、前記第1基板と前記第2基板の間に配置され、誘電率異方性が負の液晶材料を用いて形成された液晶層とを有し、前記第1基板の電極と前記第2基板の電極の間に電圧を印加したときの前記液晶層のねじれ角は70°~120°である液晶素子が提供される。
また、本発明の他の観点によると、略平行に対向配置された第1基板、第2基板であって、対向面に電極及び垂直配向膜が配置された第1基板、第2基板と、前記第1基板と前記第2基板の間に配置され、誘電率異方性が負の液晶材料を用いて形成された液晶層とを有し、前記液晶層には、前記液晶層の厚さをd、カイラルピッチをpとするとき、d/pが0.25以上0.4以下となるようにカイラル剤が添加されている液晶素子が提供される。
更に、本発明の他の観点によると、光を出射する光源と、前記光源を出射した光の光路上に配置された、上述の液晶素子と、前記液晶素子を出射した光が入射するレンズであって、前記液晶素子の配置位置近傍が焦点位置となるレンズとを有する照明装置が提供される。
本発明によれば、高品質の液晶素子及び照明装置を提供することができる。
図1は、液晶素子を用いた配光可変ヘッドランプの基本構成を示す概略図である。 図2A、図2Bは、それぞれカイラル剤を添加した液晶素子、カイラル剤を添加しない液晶素子について、駆動電圧に対するスペクトル変化を示すグラフである。 図3A、図3Bは、カイラル剤を添加した液晶素子、カイラル剤を添加しない液晶素子について、温度変化に対するレスポンスの変化、最大透過率の変化を示すグラフである。 図4A、図4Bは、カイラル剤を添加した液晶素子、カイラル剤を添加しない液晶素子について、温度変化に対する印加電圧-透過率特性の変化を示すグラフである。 図5A、図5Bは、カイラル剤を添加した液晶素子の配向修正前後の印加電圧-透過率特性を示すグラフである。 図6は、作製した液晶素子のそれぞれについて、印加電圧-透過率特性を示すグラフである。 図7A、図7Bは、それぞれカイラル剤を添加しない液晶素子(セル厚6μm)、カイラル剤を添加した液晶素子(セル厚6μm)について、印加電圧に対する色度変化を示す色度図である。 図7C、図7Dは、それぞれカイラル剤を添加しない液晶素子(セル厚6μm)、カイラル剤を添加した液晶素子(セル厚6μm)について、印加電圧に対するスペクトル変化を示すグラフである。 図7E、図7Fは、それぞれカイラル剤を添加しないセル厚3μmの液晶素子、セル厚4μmの液晶素子について、印加電圧に対する色度変化を示す色度図である。 図7Gは、カイラル剤を添加しないセル厚6μmの液晶素子について、印加電圧-透過率特性を示すグラフであり、図7Hは、図7Gのグラフを平均化して示すグラフである。 図7Iは、カイラル剤を添加した液晶素子(セル厚6μm)について、印加電圧-透過率特性を示すグラフであり、図7Jは、図7Iのグラフを平均化して示すグラフである。 図7Kは、カイラル剤を添加しないセル厚3μmの液晶素子について、印加電圧-透過率特性を示すグラフであり、図7Lは、図7Kのグラフを平均化して示すグラフである。 図7Mは、カイラル剤を添加しないセル厚4μmの液晶素子について、印加電圧-透過率特性を示すグラフであり、図7Nは、図7Mのグラフを平均化して示すグラフである。 図7Oは、図7H、図7J、図7L、図7Nのグラフをまとめて示すグラフである。 図8は、シミュレーションの対象とした垂直配向型の液晶素子の基本構成を示す図である。 図9Aは、リターデーション-透過率特性を示すグラフであり、図9B、図9C、図9Dは、d/pを0、0.25、0.4としたときの駆動電圧-透過率特性を示すグラフである。 図10A、図10B、図10C、図10Dは、それぞれd/pが、0、0.25、0.325、0.4のときの着色状態を表す図である。 図10E、図10F、図10G、図10Hは、それぞれd/pが、0、0.25、0.325、0.4のときの着色状態を表す図である。 図11A~図11Dは、液晶素子のツイスト角を変えた場合のシミュレーション結果を示すグラフである。 図12は、実施例による液晶素子20を示す概略的な断面図である。 図13は、実施例による配光可変ヘッドランプを示す概略的な断面図である。 図14は、実施例による配光可変ヘッドランプの投影像の例を示す写真である。 図15は、前照灯システムの概略構成を示すブロック図である。
図1に、液晶素子を用いた配光可変ヘッドランプ(LCD-ADB)の基本構成を示す。
図1に示すヘッドランプは、(i)たとえば白色光を出射する光源11、(ii)光源11を出射した光の光路上に配置され、調光機能を有する調光部12、(iii)調光部12を出射した光を投影するレンズ(投射レンズ)13、及び、(iv)光源11の発光と調光部12における調光を制御する制御装置14を含む。
光源11は、たとえばLED素子を用いて構成される。
調光部12は、たとえば液晶素子(液晶セル)12a、及び、液晶素子12aの前方基板面、後方基板面に、クロスニコルに配置された偏光板12b、12cを含む。液晶素子12aは、レンズ13の焦点近傍に配置される。
液晶素子12aは、液晶分子配列状態を独立に変化させることのできる複数の領域を備え、制御装置14は、液晶素子12aの当該領域ごとに透過率、たとえば透光/遮光を制御する。透光/遮光領域が制御され、調光部12を出射した光は、レンズ13によって車両前方に投影される。なお、ヘッドランプは、更に、光源11を出射した光を液晶素子12aの所定部分に集光する光学部材(リフレクタ(反射板)、レンズ等)を備えてもよい。
LED素子は、出射光が広角に広がる発光素子である。ヘッドランプにおいては、リフレクタやレンズを用いて光学系を構成し、狭角で液晶素子12aに集光されるように工夫しても、液晶素子12aには±30°以上の角度で光が入射することが一般的である。
このため、液晶素子12aとしてTN型の液晶素子を用いると、良好なコントラストを得ることが難しい。
一方、垂直配向型の液晶素子は、黒レベルが高く、広角光学系に対し高コントラストを得やすいが、液晶層のリターデーション(Δn・d(Δnは液晶材料の屈折率異方性、dはセル厚(液晶層の厚さ)))が大きくなると、透過光が黄色に着色しやすい(ECB効果)。また、広角光学系で垂直配向型の液晶素子に斜めから光が入射すると、見かけ上のセル厚dが増加し、リターデーション(Δn・d)が大きくなって透過光が黄色く着色しやすい。特に、ヘッドランプの光学系(広角灯体光学系)では、たとえばリフレクタやレンズで最も集光される部分(液晶素子の中央領域)が最も広角の条件となることから、正面部の照明光が黄色く着色して目立つという問題が生じる。
本願発明者らは、広角の光学系に対し、高コントラスト比や、透過光の黄変防止性等の高品質(高性能)を示す液晶素子について鋭意研究を行った。高品質の液晶素子は、たとえば図1に基本構成を示す配光可変ヘッドランプに好適に用いられる。
特性評価に用いた液晶素子(液晶セル)の製造方法を説明する。以下の製造方法は、たとえば実施例による液晶素子の製造にも適用される。
一対の透明基板、たとえばガラス基板を準備し、透明基板上に透明導電膜、たとえばインジウム錫酸化物(ITO)膜を形成する。形成方法として、スパッタ、真空蒸着等を用いることができる。ここでは、ITO膜付きガラス基板を使用した。
ITO膜をパターニングし、一対の透明基板の一方上にセグメント電極(透明電極)、他方上にコモン電極(透明電極)を形成する。ここでは、複数の電極領域(画素領域)に分割されたセグメント電極とベタパターンのコモン電極とした。
セグメント電極が形成された一方基板(セグメント基板)とコモン電極が形成された他方基板(コモン基板)を用いて液晶素子化(セル化)を行う。
まず、セグメント基板、コモン基板の各々上に、電極を覆う配向膜を形成する。配向膜の形成方法として、フレキソ印刷、インクジェット法等を使用することができる。ここでは、印刷性、密着性に優れ、側鎖に剛直な骨格(液晶性のもの等)を有するタイプの垂直配向膜(有機配向膜(ポリイミド))を、フレキソ印刷を用いて適当な膜厚(たとえば500Å~800Å程度)にパターン形成し、熱処理(たとえば160℃~250℃で1時間~1.5時間の焼成)を行った。無機配向膜(主鎖骨格がシロキサン結合(Si-O-Si結合)で形成されているもの等)を用いてもよい。熱処理後、配向処理を行う。ここでは、押し込み量を0.3mm~0.8mmとしてラビング処理を行った。ラビング方向は、セグメント基板とコモン基板を重ね合わせたとき、液晶分子のプレティルト角が平行となるように設定した(アンチパラレル配向)。なお、ラビングは矩形状の液晶素子の辺に対して45°をなす方向に行った。必ずしもアンチパラレル配向とする必要はない。
次に、シールパターンを形成した。たとえば耐熱性の高いシール剤(エポキシ、アクリル等)を用い、一方の基板(たとえばセグメント基板)上に、ギャップコントロール剤を適量(たとえば2wt%~5wt%)含んだメインシールパターンを、スクリーン印刷またはディスペンサー印刷等により形成する。ギャップコントロール剤の径は、たとえば液晶層の厚さが3μm~6μm程度となるようにした。液晶層の厚さはこれに限られない。他方の基板(たとえばコモン基板)上にギャップコントロール剤を散布する、もしくは、リブ材を配置してギャップコントロールを行ってもよい。具体的には、たとえば粒径3μm~6μmのプラスチックボールを乾式のギャップ散布機によって散布する、もしくは、高さ3μm~6μmのリブ材による柱を形成する。
セグメント基板とコモン基板を、電極形成面が向かい合うように配置して重ね合わせ、プレス機等により一定圧力を加えた状態で、熱処理または紫外線照射を行い、メインシール剤を硬化させる。ここでは、熱硬化性シール剤を使用し、150℃で硬化処理を実施した。
セグメント基板とコモン基板の間隙に液晶材料を充填し、液晶層を形成する。ここでは真空注入法により液晶材料を注入し、誘電率異方性Δεが負の液晶材料(屈折率異方性Δnは0.129)を充填した。充填した液晶材料は、液晶分子のネマチック相-等方相転移温度(Tni)が130℃以上の高Tni液晶材料である。なお、ODF(one drop filling)方式で液晶層を形成してもよく、他の液晶材料を用いてもよい。液晶材料には、旋光性を示すカイラル剤を添加した。カイラル剤を添加しない液晶材料を充填した液晶素子も作製した。
液晶材料を注入した後、注入口にエンドシール剤を塗布して封止する。ここでは、紫外線硬化性樹脂をエンドシール剤として用いた。
こうして垂直配向型の液晶素子(液晶セル)を作製した。液晶素子の片側面または両側面に、Cプレート等の光学補償板を配置してもよい。
図2A~図5Bを参照し、第1の液晶素子特性評価について説明する。第1の液晶素子特性評価は、高Tni液晶材料(Tni:130℃以上、Δn:0.129)にメルク株式会社製のカイラル剤S-811を、d/p(dはセル厚[μm]、pはカイラルピッチ[μm])が0.35~0.4程度となるように添加して作製した液晶素子、及び、高Tni液晶材料(Tni:130℃以上、Δn:0.129)にカイラル剤を添加せずに作製した液晶素子を用いて行った。液晶素子のセル厚は、4.2μmとした。
図2A、図2Bは、それぞれカイラル剤を添加した液晶素子、カイラル剤を添加しない液晶素子について、駆動電圧に対するスペクトル変化を示すグラフである。両図のグラフの横軸は、波長を単位「nm」で示し、縦軸は、透過率を「%」で示す。測定は、ガラスに貼った偏光板を、液晶素子の両面側にクロスニコル(偏光軸方向とラビング方向のなす角度は45°)に配置して行った。両図に示す透過率は、偏光板を1枚配置したときの透過率を100%としたときの透過率である。カイラル剤を添加した液晶素子とカイラル剤を添加しない液晶素子の各々を、様々な電圧値の電圧を印加して駆動し、波長-透過率特性を調べた。
図2Aを参照すると、カイラル剤を添加した液晶素子においては、駆動電圧によらずスペクトル形状の変化が少なく、常に白状態が得られていることがわかる。
図2Bを参照する。カイラル剤を添加しない液晶素子においては、駆動電圧とともにスペクトルのフラット性が悪くなることがわかった。特に、高電圧印加により透過光が黄変することがわかった。
次に、カイラル剤を添加した液晶素子、カイラル剤を添加しない液晶素子について、温度依存性を比較した。
図3A、図3Bは、カイラル剤を添加した液晶素子、カイラル剤を添加しない液晶素子について、温度変化に対するレスポンスの変化、最大透過率の変化を示すグラフである。両図のグラフの横軸は、温度を単位「℃」で示す。また、図3Aのグラフの縦軸は、応答速度を単位「msec」で示し、図3Bのグラフの縦軸は、透過率を「%」で示す。測定は、ガラスに貼った偏光板を、液晶素子の両面側にクロスニコル(偏光軸方向とラビング方向のなす角度は45°)に配置して行った。なお、図3Bに示す透過率は、空気の透過率を100%としたときの透過率である。
図3Aを参照すると、カイラル剤を添加した液晶素子とカイラル剤を添加しない液晶素子の間で、大きなレスポンスの差は見られない。
図3Bを参照すると、カイラル剤を添加した液晶素子の方が、広い温度範囲で高い最大透過率を示している。
図4A、図4Bは、カイラル剤を添加した液晶素子、カイラル剤を添加しない液晶素子について、温度変化に対する印加電圧-透過率特性の変化を示すグラフである。両図のグラフの横軸は、印加電圧を単位「V」で示し、縦軸は、透過率を「%」で示す。測定は、ガラスに貼った偏光板を、液晶素子の両面側にクロスニコル(偏光軸方向とラビング方向のなす角度は45°)に配置して行った。両図に示す透過率は、空気の透過率を100%としたときの透過率である。
両図に示すグラフを比較すると、-30℃~90℃の温度範囲で、カイラル剤を添加しない液晶素子においては、高い透過率が得られる電圧範囲が限られている(閾値電圧の1.6倍~1.8倍の電圧範囲で透過率が最大となり、その電圧範囲を超えると透過率は低くなる)が、カイラル剤を添加した液晶素子においては、高い透過率を示す電圧範囲が広い(閾値電圧の概ね2倍以上の電圧範囲で安定して透過率が高い)ことがわかる。なお、カイラル剤を添加した液晶素子においては、色調の変化も見られなかった。
カイラル剤を添加した液晶素子では、初期状態において、微細なディスクリネーションラインが観察され、電圧を印加しても消去されなかった。しかし液晶セル表面をこする処理(配向修正)を行うことで、ディスクリネーションラインの消去が確認された。
ディスクリネーションライン消去前後の印加電圧-透過率特性を調べた。
図5A、図5Bは、カイラル剤を添加した液晶素子の配向修正前後の印加電圧-透過率特性を示すグラフである。両図のグラフの横軸は、印加電圧を単位「V」で示し、縦軸は、透過率を「%」で示す。測定は、ガラスに貼った偏光板を、液晶素子の両面側にクロスニコル(偏光軸方向とラビング方向のなす角度は45°)に配置して行った。両図に示す透過率は、偏光板を1枚配置したときの透過率を100%としたときの透過率である。なお、図5Bのグラフは、図5Aのグラフの一部を詳細に示すグラフである。
図5Aを参照すると、配向修正により、閾値電圧が低くなり、最大透過率が高くなることがわかる。
図5Bを参照すると、配向修正により、オフレベルが改善される(オフ電圧印加時(電圧無印加時)の透過率が低くなる)ことがわかる。
なお、図2A、図3A、図3B、図4Aに特性を示した、カイラル剤を添加した液晶素子は、配向修正を行った素子である。
図2A~図5Bを参照して説明した第1の液晶素子特性評価から、カイラル剤の添加により、高透過率、及び、白レベルの高い透過光が実現されること、透過率は広い温度範囲で高く、高い透過率を示す電圧範囲が広いこと、白レベルは電圧によらず高いこと等がわかった。カイラル剤を添加した液晶素子は、初期の配向状態に課題が見られたが、配向修正により、閾値電圧が低くなり、最大透過率が高くなること、オフレベルが改善されること等もわかった。
図6~図7Oを参照し、第2の液晶素子特性評価について説明する。第2の液晶素子特性評価は、高Tni液晶材料(Tni:130℃以上、Δn:0.129)にメルク株式会社製のカイラル剤S-811を、d/pが0.35~0.4程度となるように添加して作製した液晶素子、及び、高Tni液晶材料(Tni:130℃以上、Δn:0.129)にカイラル剤を添加せずに作製した液晶素子を用いて行った。カイラル剤を添加した液晶素子のセル厚は、6μmとした。カイラル剤を添加しない場合は、セル厚6μmの素子の他、セル厚3μm及び4μmの素子を作製した。
カイラル剤を添加した液晶素子は、セル厚を6μmとした場合も、セル厚4.2μmの場合と同様に、初期状態において、微細なディスクリネーションラインが観察され、電圧を印加しても消去されなかった。しかし液晶セル表面をこする処理(配向修正)を行うことで、ディスクリネーションラインの消去が確認された。
図6は、作製した液晶素子のそれぞれについて、印加電圧-透過率特性を示すグラフである。グラフの横軸は、印加電圧を単位「V」で示し、縦軸は、透過率を「%」で示す。測定は、ガラスに貼った偏光板を、液晶素子の両面側にクロスニコル(偏光軸方向とラビング方向のなす角度は45°)に配置して行った。本図に示す透過率は、空気の透過率を100%としたときの透過率である。また、液晶素子の法線方向(基板法線方向)に関する透過率である。なお、カイラル剤を添加した液晶素子については、こすり処理(配向修正)前後の印加電圧-透過率特性を示した。
液晶素子の法線方向からの測定では、カイラル剤添加の有無やセル厚の相違によるオフレベル(オフ電圧印加時(電圧無印加時)の透過率)の違いは見られない。また、最大透過率もほぼ等しい。カイラル剤を添加した液晶素子においては、こすり処理(配向修正)により最大透過率が高くなる。
セル厚が6μmである液晶素子を比較すると、カイラル剤を添加しない液晶素子においては、高い透過率が得られる電圧範囲が限られているが、カイラル剤を添加した液晶素子においては、高い透過率を示す電圧範囲が広い。
図7A、図7Bは、それぞれカイラル剤を添加しない液晶素子(セル厚6μm)、カイラル剤を添加した液晶素子(セル厚6μm)について、印加電圧に対する色度変化を示す色度図である。また、図7C、図7Dは、それぞれカイラル剤を添加しない液晶素子(セル厚6μm)、カイラル剤を添加した液晶素子(セル厚6μm)について、印加電圧に対するスペクトル変化(様々な電圧値の電圧を印加して測定した波長-透過率特性)を示すグラフである。図7C、図7Dのグラフの横軸は、波長を単位「nm」で示し、縦軸は、透過率を「%」で示す。測定は、ガラスに貼った偏光板を、液晶素子の両面側にクロスニコル(偏光軸方向とラビング方向のなす角度は45°)に配置して行った。なお、図7C、図7Dに示す透過率は、偏光板を1枚配置したときの透過率を100%としたときの透過率である。
図7A、図7Cには、カイラル剤を添加しない液晶素子(セル厚6μm)においては、印加電圧にしたがって色度、スペクトルが大きく変化して着色することが示されている。
図7B、図7Dには、カイラル剤を添加した液晶素子(セル厚6μm)においては、印加電圧が高い領域では、印加電圧による色度変化、スペクトル形状の変化が少なく、常に白状態が得られることが示されている。
図7E、図7Fは、それぞれカイラル剤を添加しないセル厚3μmの液晶素子、セル厚4μmの液晶素子について、印加電圧に対する色度変化を示す色度図である。
図7Eには、カイラル剤を添加しないセル厚3μmの液晶素子においては、印加電圧による色度変化は小さめだが、印加電圧の増加とともに黄変が見られることが示されている。
図7Fを参照すると、カイラル剤を添加しないセル厚4μmの液晶素子は、カイラル剤を添加しないセル厚3μmの液晶素子よりも、印加電圧による色度変化が大きいことがわかる。
なお、図7A、図7B、図7E、図7Fに示したのは、液晶素子の法線方向(基板法線方向)に関する色度である。
たとえばヘッドランプの投影光の色温度は3500K~6000Kと定められている。したがって青色側の光は許容されにくいが、黄色側の光は多少許容される。
たとえばカイラル剤を添加しない条件で作製した液晶素子を、図1に示す配光可変ヘッドランプの液晶素子12aとして用いようとする場合、セル厚が3μmの素子は、かろうじて許容範囲内となる投影光を出射するが、それを超えるセル厚(4μm、6μm)の素子からは色温度が3500K未満の投影光が出射されることになる。また、セル厚が3μmの素子であっても、斜め方向から入射した光は黄変する傾向があることから、印加電圧を高くしたとき、色温度が3500K未満の投影光が出射される懸念がある。
これに対し、カイラル剤を添加して作製した液晶素子(セル厚6μm)の出射光は、色温度6000K付近で安定しており、たとえば配光可変ヘッドランプの照明光に好適に用いられる。
図7G~図7Oに、最も視角依存性が大きい方向(偏光軸方向と45°をなす方向)における透過率を示す。
図7Gは、カイラル剤を添加しないセル厚6μmの液晶素子について、印加電圧-透過率特性を示すグラフである。グラフの横軸は、印加電圧を単位「V」で示し、縦軸は、透過率を「%」で示す。測定は、ガラスに貼った偏光板を、液晶素子の両面側にクロスニコル(偏光軸方向とラビング方向のなす角度は45°)に配置し、最も視角依存性が大きい方位角方向(偏光軸方向と45°をなす方向)において、視角方向を液晶素子の法線方向(基板法線方向)に対し、極角方向に-30°~+30°の範囲で傾けて行った。なお、透過率は、偏光板を1枚配置したときの透過率を100%としたときの透過率である。また、図7Hは、図7Gのグラフを平均化して示すグラフである。
図7Gを参照すると、印加電圧-透過率特性は、視角により大きくばらつくことがわかる。
図7Hを参照する。視角方向を傾けると、コントラストと最大透過率が、ともに低くなることがわかる。
図7Iは、カイラル剤を添加した液晶素子(セル厚6μm)について、印加電圧-透過率特性を示すグラフである。グラフの横軸は、印加電圧を単位「V」で示し、縦軸は、透過率を「%」で示す。測定は、ガラスに貼った偏光板を、液晶素子の両面側にクロスニコル(偏光軸方向とラビング方向のなす角度は45°)に配置し、最も視角依存性が大きい方位角方向(偏光軸方向と45°をなす方向)において、視角方向を液晶素子の法線方向(基板法線方向)に対し、極角方向に-30°~+30°の範囲で傾けて行った。なお、透過率は、偏光板を1枚配置したときの透過率を100%としたときの透過率である。また、図7Jは、図7Iのグラフを平均化して示すグラフである。
図7Iを参照すると、印加電圧-透過率特性の視角によるばらつきは、カイラル剤を添加しないセル厚6μmの液晶素子(図7G参照)に比べ小さいことがわかる。
図7Jを参照すると、高い電圧駆動条件により、傾いた視角方向に対しても最大透過率を高くできることがわかる。ただし、視角によるオフ電圧印加時(電圧無印加時)の光抜けがあるため、コントラストは低下する。尤も、一般的な垂直配向型の液晶素子と比べると、視角によるコントラストの低下は少ない。
図7Kは、カイラル剤を添加しないセル厚3μmの液晶素子について、印加電圧-透過率特性を示すグラフである。グラフの横軸は、印加電圧を単位「V」で示し、縦軸は、透過率を「%」で示す。測定は、ガラスに貼った偏光板を、液晶素子の両面側にクロスニコル(偏光軸方向とラビング方向のなす角度は45°)に配置し、最も視角依存性が大きい方位角方向(偏光軸方向と45°をなす方向)において、視角方向を液晶素子の法線方向(基板法線方向)に対し、極角方向に-30°~+30°の範囲で傾けて行った。なお、透過率は、偏光板を1枚配置したときの透過率を100%としたときの透過率である。また、図7Lは、図7Kのグラフを平均化して示すグラフである。
図7Kを参照すると、カイラル剤を添加しないセル厚3μmの液晶素子における印加電圧-透過率特性の視角によるばらつきは、カイラル剤を添加しないセル厚6μmの液晶素子(図7G参照)に比べ小さいことがわかる。
図7Lを参照すると、高い電圧駆動条件により、傾いた視角方向に対しても最大透過率を高くできるが、その場合でも、最大透過率は、カイラル剤を添加したセル厚6μmの液晶素子の最大透過率(図7J参照)より低いことがわかる。ただ、カイラル剤を添加しないセル厚3μmの液晶素子においては、視角によるオフ電圧印加時(電圧無印加時)の光抜けが少なく、コントラストは他の条件よりも高い。
図7Mは、カイラル剤を添加しないセル厚4μmの液晶素子について、印加電圧-透過率特性を示すグラフである。グラフの横軸は、印加電圧を単位「V」で示し、縦軸は、透過率を「%」で示す。測定は、ガラスに貼った偏光板を、液晶素子の両面側にクロスニコル(偏光軸方向とラビング方向のなす角度は45°)に配置し、最も視角依存性が大きい方位角方向(偏光軸方向と45°をなす方向)において、視角方向を液晶素子の法線方向(基板法線方向)に対し、極角方向に-30°~+30°の範囲で傾けて行った。なお、透過率は、偏光板を1枚配置したときの透過率を100%としたときの透過率である。また、図7Nは、図7Mのグラフを平均化して示すグラフである。
図7Mを参照すると、カイラル剤を添加しないセル厚4μmの液晶素子における印加電圧-透過率特性の視角によるばらつきは、カイラル剤を添加しないセル厚3μmの液晶素子(図7K参照)に比べ大きいことがわかる。
図7Nを参照する。視角方向を傾けると、最大透過率が低くなることがわかる。コントラストは比較的高い。
図7Oに、図7H、図7J、図7L、図7Nのグラフをまとめて示す。最も視角依存性が大きい方向(偏光軸方向と45°をなす方向)で視角を振ったときの透過率は、カイラル剤を添加した液晶素子(セル厚6μm)が最も高く、高い透過率となる電圧範囲も広い。
図6~図7Oを参照して説明した第2の液晶素子特性評価から、カイラル剤を添加した液晶素子においては、安定した白状態が得られること、傾いた視角方向に対しても透過率は高く、高い透過率となる電圧範囲も広いこと等がわかった。電圧印加時の液晶素子の液晶層のねじれ角を測定すると、70°~120°であり、この範囲のときに高い透過率を広い電圧範囲で保つことができることを確認した。
図8~図11Dを参照し、第3の液晶素子特性評価について説明する。第3の液晶素子特性評価は、シミュレーション解析により行った。シミュレーション解析には、シンテック株式会社製のLCD MASTER 1次元解析ソフトを使用した。
図8に、シミュレーションの対象とした垂直配向型の液晶素子の基本構成を示す。誘電率異方性Δεが負の液晶材料を用いたプレティルト角89.5°の液晶層の表側にTACフィルムと偏光板を配置し、裏側に視角補償板(COPフィルム)と偏光板を配置した。偏光板には株式会社ポラテクノ製のSHC13Uを用い、クロスニコルに配置した。
図9A~図10Hは、液晶素子をアンチパラレル配向(偏光軸方向と配向方向のなす角度は45°)とし、アンチパラレルのまま、液晶層に右ねじれカイラル剤を添加して、d/p設定を変えた場合のシミュレーション結果を示すグラフである。
図9Aに、リターデーション-透過率特性を示す。グラフの横軸は、液晶層のリターデーションを単位「nm」で表し、縦軸は、5V印加時の透過率を「%」で表す。曲線a、b、c、d、eで、それぞれd/pを、0、0.25、0.325、0.4、0.5としたときのリターデーション-透過率特性を示す。なお、透過率は、空気の透過率を100%としたときの透過率である。
d/pが大きくなると、5V印加時の透過率が最大となるリターデーションが大きくなることがわかる。また、特に、d/pが、0.25、0.325、0.4(0.25≦d/p≦0.4)の液晶素子においては、透過率が高く、かつ、リターデーション変化に対する透過率変化が小さい(黄変が生じにくい)ことがわかる。d/pは、0.25以上0.4以下の範囲であることが好ましい。
図9B、図9C、図9Dに、d/pを0、0.25、0.4としたときの駆動電圧-透過率特性を示す。グラフの横軸は、駆動電圧を単位「Vrms」で表し、縦軸は、透過率を「%」で表す。駆動電圧-透過率特性は、複数のリターデーションで解析した。なお、透過率は、空気の透過率を100%としたときの透過率である。
駆動電圧-透過率特性は、d/pが0のとき、凸型のカーブを描き急峻だが、d/pの値が増加するにしたがって、高電圧での透過率飽和効果が現れる。
図10A~図10Hに、透過光の着色状態を示す。図10A(図10E)、図10B(図10F)、図10C(図10G)、図10D(図10H)は、それぞれd/pが、0、0.25、0.325、0.4のときの着色状態を表す。図10E~図10Hは、図10A~図10Dの着色状態を、「青」、「白」、「黄」の3色で言語的に表現したものである。
d/pが0の液晶素子においては、リターデーションが同一の場合には、駆動電圧値が高くなるほど、また、駆動電圧値が同一の場合には、リターデーションが大きくなるほど、明状態における黄ばみが顕著になると考えられる。
d/pが0.25以上0.4以下の範囲においては、d/pを大きくすると最適条件のリターデーションは大きくなるが、高電圧印加時にも黄ばみが観察されにくくなる。これは、電圧印加時におけるねじれ配向により、屈折率の波長分散が緩和されるためであろう。
図11A~図11Dに、液晶素子のツイスト角を変えた場合のシミュレーション結果を示す。シミュレーションにおいては、d/pを0.4に固定したまま、ラビング方向を変えてツイスト角を変更した。
図11A、図11B、図11C、図11Dは、それぞれツイスト角を0°(アンチパラレル配向)、90°、120°、180°としたときの駆動電圧-透過率特性を示すグラフである。グラフの横軸は、駆動電圧を単位「Vrms」で表し、縦軸は、透過率を「%」で表す。駆動電圧-透過率特性は、複数のリターデーションで解析した。なお、透過率は、空気の透過率を100%としたときの透過率である。
ツイスト角が120°の場合は、電気光学特性の急峻性が低下する現象が認められ、駆動電圧-透過率曲線の形状が明らかに他のツイスト角条件とは異なる。
ツイスト角が0°、90°、180°の場合は、類似の形状の駆動電圧-透過率曲線が得られている。ツイスト角が0°の場合に、最も小さいリターデーションで高い透過率が得られることがわかる。ツイスト角は0°(アンチパラレル配向)が最も好ましく、90°、180°の順で好ましい。
図8~図11Dを参照して説明した第3の液晶素子特性評価から、d/pが0.25以上0.4以下の範囲は、透過率が高く、かつ、リターデーション変化に対する透過率変化が小さい(黄変が生じにくい)ため好ましいこと、本条件においては、d/pを大きくすると最適条件のリターデーションは大きくなるが、高電圧印加時にも黄ばみが観察されにくくなること、アンチパラレル配向が最も好ましく、ツイスト角が90°、180°の場合も好ましいこと等がわかった。
第1の液晶素子特性評価には、カイラル剤を添加して作製したセル厚4.2μmの液晶素子(液晶材料の屈折率異方性Δnは0.129)を用いた。この液晶素子の液晶層のリターデーションは、541.8nmである。また、第2の液晶素子特性評価には、カイラル剤を添加して作製したセル厚6μmの液晶素子(液晶材料の屈折率異方性Δnは0.129)を用いた。この液晶素子の液晶層のリターデーションは、774nmである。
本願発明者らは他の研究において、たとえば透過率の観点から液晶層のリターデーションは510nm以上が好ましく、620nm以上の場合に、特に高い透過率を実現可能である、という知見を得ている。ただし、リターデーションが大きすぎると液晶層(液晶分子)の応答速度が遅くなるという問題が生じるため、リターデーションの上限は800nm程度とすることが好ましい。
図12は、実施例による液晶素子20(垂直配向型の液晶素子20)を示す概略的な断面図である。
実施例による液晶素子20は、略平行に対向配置された上側基板21、下側基板22、及び、両基板21、22間に配置された液晶層23を含んで構成される。
上側基板21は、上側透明基板21a、上側透明基板21a上に配置された上側透明電極21b、及び、上側透明電極21bを覆うように上側透明基板21a上に配置された上側配向膜21cを含む。同様に、下側基板22は、下側透明基板22a、下側透明基板22a上に配置された下側透明電極22b、及び、下側透明電極22bを覆うように下側透明基板22a上に配置された下側配向膜22cを含む。上側、下側透明基板21a、22aは、たとえばガラス基板であり、上側、下側透明電極21b、22bは、たとえばITOで形成される。上側透明電極21bは、相互に電気的に分離された複数の電極領域を有する。下側透明電極22bは、ベタパターン電極である。上側、下側配向膜21c、22cは、たとえばポリイミドで形成された垂直配向膜であり、相互に反対方向にラビング処理が施され、液晶層23のアンチパラレル配向を実現する。
液晶層23は、誘電率異方性Δεが負の液晶材料を用いて形成され、上側、下側基板21、22間の、シール部24の内側領域に配置される。液晶層23のリターデーションは、510nm以上800nm以下であり、より好ましくは、620nm以上800nm以下である。また、液晶層23には、0.25以上0.4以下となるように、カイラル剤が添加されている。液晶層23は、上側、下側透明電極21b、22b間にオフ電圧が印加されているとき(電圧無印加時)、液晶分子が上側、下側基板21、22(上側、下側透明基板21a、22a)に対して略垂直に配向する垂直配向液晶層である。オフ電圧が印加されているとき(電圧無印加時)のツイスト角は0°であるが、カイラル剤のねじれ力により、印加電圧の増加とともにツイスト角が大きくなるように液晶分子の配列状態が変化する。ツイスト角は、最大で120°~150°まで大きくなる。
なお、アンチパラレル配向(ツイスト角0°)ではなく、ツイスト角が90°または180°となるように、ラビング処理を行ってもよい。
実施例による液晶素子20は、たとえば平面視において矩形状である。上側透明電極21bの相互に電気的に分離された複数の電極領域の各々と、下側透明電極22bが、平面視上、重なる領域に画素が画定される。画素は、たとえば正方形状であり、液晶素子20の矩形の辺に沿って行列状に配置される。なお、ラビング方向は、たとえば矩形状の液晶素子20の辺に対して45°をなす方向である。
実施例による液晶素子20においては、上側、下側透明電極21b、22b間(上側透明電極21bの相互に電気的に分離された複数の電極領域の各々と、下側透明電極22bの間)への電圧印加により、画素ごとに液晶分子配列状態を変化させ、画素ごとに透過率、たとえば透光/遮光を制御することができる。なお、実施例による液晶素子20は、たとえばスタティック駆動される。
実施例による液晶素子20においては、たとえば高い透過率、及び、白レベルの高い(黄色等への着色が抑制された)透過光が実現される。透過率及び白レベルは、傾いた視角方向に対しても高い。更に、一般的な垂直配向型の液晶素子と比べると、視角によるコントラストの低下が少ない。液晶層23(液晶分子)の応答速度も速い。実施例による液晶素子20は、高品質の液晶素子である。
このような特徴を有する(効果が奏される)ため、実施例による液晶素子20は、たとえば広角灯体光学系に好適に用いられる。
図13は、実施例による照明装置(配光可変ヘッドランプ)を示す概略的な断面図である。
実施例による配光可変ヘッドランプは、光源30、セパレータ31、リフレクタ32、液晶素子20、偏光板33、34、レンズ(投影レンズ)36、及び、制御装置37を含んで構成される。液晶素子20は、上述した、実施例による液晶素子20である。液晶素子20、及び、液晶素子20の前方基板面、後方基板面に、クロスニコルに配置された偏光板33、34が調光部35を構成する。液晶素子20はレンズ36の焦点近傍に配置される。具体的には、液晶素子20の電極パターン部分がレンズ36の焦点位置に配置される。制御装置37は、たとえば光源30の発光と調光部35における調光を制御する。
光源30は、たとえばアレイ状に配置された多数のLED素子を含んで構成され、制御装置37の制御により、白色光を出射する。光源30を出射した白色光は一旦広がるが、光源30を出射した光の光路上に配置されたセパレータ31、リフレクタ32で反射され、調光機能を有する調光部35(液晶素子20)に集光される。液晶素子20には、液晶素子20の法線方向(基板法線方向)に対したとえば30°以上傾いた方向から光が入射する。
制御装置37は、液晶素子20の上下電極間に電圧を印加し、画素ごとの透過率、たとえば透光/遮光を制御する。
画素ごとに透光/遮光が制御された光は、調光部35を出射し、再び広がりながらレンズ36に入射し、レンズ36によってたとえば部分的に遮光された配光が車両前方に投影される。
図14に、実施例による配光可変ヘッドランプの投影像の例(ハイビームを想定)を示す。中央付近でパターンが欠けて見える部分は調光部35(液晶素子20)のシャッター機能により遮光された領域である。それ以外の白っぽく見える部分は、液晶素子20の透過光が投影された領域である。
実施例による配光可変ヘッドランプの調光部35は、実施例による液晶素子20を用いて構成される。したがって、透過率の高い調光部35とすることができる。また、車両前方には、白レベルの高い(黄色等への着色が抑制された)配光が投影される。透過率及び白レベルは、傾いた入射方向から液晶素子20に入射する光についても高い。更に、コントラストの高い配光が実現される。実施例による配光可変ヘッドランプは、高品質の照明装置である。
なお、図1に基本構成を示す配光可変ヘッドランプの液晶素子12aとして、実施例による液晶素子20を使用することもできる。
図15は、前照灯システムの概略構成を示すブロック図である。前照灯システム200は、左右それぞれの車両用前照灯100、配光制御ユニット102、前方監視ユニット104等を備える。車両用前照灯100は、多数のLED素子がマトリクス状に配置されたLED素子アレイを含む光源、前後基板面に偏光板を備える液晶素子、投影レンズ、及び、それらを収容する灯体を有する。
車載カメラ108、レーダ110、車速センサ112等の各種センサが接続される前方監視ユニット104は、センサから取得した撮像データを画像処理し、前方車両(対向車、先行車)やその他の路上光輝物体、区画線(レーンマーク)等を検出し、それらの属性や位置等配光制御に必要なデータを算出する。算出されたデータは車内LAN等を介して配光制御ユニット102や各種車載機器に発信される。
車速センサ112、舵角センサ114、GPSナビゲーション116、ハイビーム/ロービームスイッチ118等が接続される配光制御ユニット102は、前方監視ユニット104から送出される路上光輝物体の属性(対向車、先行車、反射器、道路照明)、その位置(前方、側方)と車速に基づいて、走行場面に対応した配光パターンを決定する。また、配光パターンを実現するために必要な配光可変前照灯の制御内容(LED素子アレイの点消灯や液晶素子の透光/遮光パターン)を決定する。
ドライバ120は、配光制御ユニット102から送られる制御内容(制御量)の情報を、LED素子アレイや液晶素子の動作に対応した命令に変換するとともにそれらを駆動する。
車両用前照灯100として、実施例による実施例による配光可変ヘッドランプを用いることができる。
図15に示す前照灯システムにおいて、実施例による配光可変ヘッドランプを用い、メカレスで、ADB配光、ハイ/ロー切り替え等の配光制御を行うことができる。対向車への眩惑防止、運転者に対する安心・安全が提供され、たとえば夜間事故の低減が可能である。可動部がないので信頼性が高い。小型化も実現される。実施例による液晶素子を従来の灯体に挿入するだけで求められる配光を得ることが可能である。液晶素子のシャッター機能を利用するため、光源(LED素子)の点灯パターンを形成する必要はない。光源消灯(LED素子消灯)時に蛍光体が黄色く見えるという不具合も防止される。液晶素子の電極パターンを変更することで、所望の遮光パターン(配光パターン)を形成可能である。液晶素子は、画素分割数が増加しても駆動回路が複雑にならない。解像度の増大にともなうコストアップが少ない。ソフトを変更するだけで通行帯の切り替えも行うことができる。反射光学系は光学設計が複雑だが、液晶素子を用いる場合、光学設計が容易である。実施例による液晶素子を用い、たとえば白レベルの高い配光とすることができる。液晶素子の前方基板面、後方基板面に配置する偏光板で、出射光を直線偏光(路面に対し垂直な偏光状態(p偏光))とし、水面等における表面反射を抑制し、たとえば雨天時の対向車への眩惑を防止することができる。
以上、実施例等に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
たとえば実施例による配光可変ヘッドランプにおいては、液晶素子20の前方、後方に、1枚ずつの偏光板33、34を配置したが、液晶素子20の前方、後方には、少なくとも1枚ずつの偏光板を配置することができる。偏光板の代わりに偏光ビームスプリッタを用いてもよい。
また、実施例による配光可変ヘッドランプにおいては、リフレクタ32を用いた光学系を使用して液晶素子に集光したが、リフレクタ32の代わりに、たとえばコリメートレンズ等を用いたレンズ光学系を用いて集光を行ってもよい。
その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。
たとえば車両用前照灯、フォグランプ、テープランプ、リアコンビランプ等に適用することができる。ADB配光、AFS配光、オートレベリング、ハイ/ロー切り替え等の機能を有する車両用照明装置に使用可能であり、特に、ハイ/ロー1灯式の前照灯ユニットに好適に利用することができる。更に、各種照明装置に用いることが可能である。
11 光源
12 調光部
12a 液晶素子
12b、12c 偏光板
13 レンズ
14 制御装置
20 液晶素子
21 上側基板
21a 上側透明基板
21b 上側透明電極
21c 上側配向膜
22 下側基板
22a 下側透明基板
22b 下側透明電極
22c 下側配向膜
23 液晶層
24 シール部
30 光源
31 セパレータ
32 リフレクタ
33、34 偏光板
35 調光部
36 レンズ
37 制御装置

Claims (8)

  1. 略平行に対向配置された第1基板、第2基板であって、対向面に電極及び垂直配向膜が配置された第1基板、第2基板と、
    前記第1基板と前記第2基板の間に配置され、誘電率異方性が負の液晶材料を用いて形成された液晶層と
    を有し、
    前記第1基板の電極と前記第2基板の電極の間に電圧を印加したときの前記液晶層のねじれ角は70°~120°である液晶素子
    を含み、
    光を出射する光源と、
    前記光源を出射した光の光路上に配置された、前記液晶素子と、
    前記液晶素子を出射した光が入射するレンズであって、前記液晶素子の配置位置近傍が焦点位置となるレンズと
    前記光源を出射した光を反射し、前記液晶素子に集光するリフレクタと
    を有し、
    前記液晶素子には、前記液晶素子の法線方向に対し30°以上傾いた方向から光が入射する照明装置。
  2. 略平行に対向配置された第1基板、第2基板であって、対向面に電極及び垂直配向膜が配置された第1基板、第2基板と、
    前記第1基板と前記第2基板の間に配置され、誘電率異方性が負の液晶材料を用いて形成された液晶層と
    を有し、
    前記液晶層には、前記液晶層の厚さをd、カイラルピッチをpとするとき、d/pが0.25以上0.4以下となるようにカイラル剤が添加されている液晶素子
    を含み、
    光を出射する光源と、
    前記光源を出射した光の光路上に配置された、前記液晶素子と、
    前記液晶素子を出射した光が入射するレンズであって、前記液晶素子の配置位置近傍が焦点位置となるレンズと
    前記光源を出射した光を反射し、前記液晶素子に集光するリフレクタと
    を有し、
    前記液晶素子には、前記液晶素子の法線方向に対し30°以上傾いた方向から光が入射する照明装置。
  3. 前記第1、第2基板には、前記液晶層がアンチパラレル配向となるように配向処理が施されている請求項1または2に記載の照明装置。
  4. 前記第1、第2基板には、前記液晶層のツイスト角が90°または180°となるように配向処理が施されている請求項1または2に記載の照明装置。
  5. 前記液晶層のリターデーションは、510nm以上800nm以下である請求項1~4のいずれか1項に記載の照明装置。
  6. 前記液晶層のリターデーションは、620nm以上800nm以下である請求項5に記載の照明装置。
  7. スタティック駆動される請求項1~6のいずれか1項に記載の照明装置。
  8. 前記光源は、LED素子を含んで構成される請求項1~7のいずれか1項に記載の照明装置。
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