CN108431681A - 液晶分子取向控制方法以及液晶器件 - Google Patents

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CN108431681A CN201680062572.XA CN201680062572A CN108431681A CN 108431681 A CN108431681 A CN 108431681A CN 201680062572 A CN201680062572 A CN 201680062572A CN 108431681 A CN108431681 A CN 108431681A
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Abstract

本发明提供一种能够不依赖于电场而使液晶分子的取向变化的液晶分子取向控制方法以及液晶器件。一种控制液晶分子(103a)的取向的液晶分子取向控制方法，通过使由压电材料(102)产生的超声波传播到由取向膜(104)夹着的液晶材料(103)而产生与该超声波相应的静压，从而根据静压的大小使构成液晶材料(103)的液晶分子(103a)的取向变化。

Description

液晶分子取向控制方法以及液晶器件
技术领域
本发明涉及液晶分子取向控制方法以及液晶器件。
背景技术
一般来说，液晶显示器等液晶器件成为由一对取向膜、玻璃基板以及透明电极夹着液晶材料(液晶层)的构造(例如，参照专利文献1)。在这种构造的液晶器件中，通过从外部施加电场，从而使构成液晶材料的液晶分子的取向变化，调节液晶材料的透射光量。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2001-11452号公报
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献1记载的液晶器件中，如上所述进行利用了电场的取向控制，因此取向变化的响应速度依赖于液晶材料的物性(例如，粘性)。因此，专利文献1记载的液晶器件根据液晶材料的物性，难以进行响应速度的高速化。
本发明是鉴于上述情形而完成的，其课题在于，提供一种能够不依赖于电场而使液晶分子的取向变化的液晶分子取向控制方法以及液晶器件。
用于解决课题的技术方案
为了解决上述课题，本发明涉及的液晶分子取向控制方法是控制液晶分子的取向的液晶分子取向控制方法，其特征在于，
通过使由压电材料产生的超声波传播到由取向膜夹着的液晶材料而产生与该超声波相应的静压，从而根据所述静压的大小使构成所述液晶材料的液晶分子的取向变化。
在上述液晶分子取向控制方法中，
所述液晶材料在不隔着透明电极的情况下被上下一对第一透明基板以及第二透明基板夹着，
所述压电材料设置在所述第一透明基板或所述第二透明基板中的一方的基板，
以所述液晶材料、所述第一透明基板以及所述第二透明基板的整体的谐振频率使所述压电材料电驱动，产生与所述谐振频率相应的所述超声波，使该超声波传播到所述液晶材料、所述第一透明基板以及所述第二透明基板。
在上述液晶分子取向控制方法中，可以是，
所述压电材料包含设置在所述一方的基板的一侧的第一压电材料和设置在所述一方的基板的另一侧的第二压电材料，
在所述第一压电材料和所述第二压电材料产生相位不同的所述超声波。
在上述液晶分子取向控制方法中，
所述压电材料是在表面形成了电极的压电基板，
所述液晶材料设置在所述压电基板的所述表面，
以所述电极的谐振频率使所述压电基板电驱动，产生与所述谐振频率相应的所述超声波，使该超声波传播到所述液晶材料。
此外，为了解决上述课题，本发明涉及的液晶器件的特征在于，具备：
液晶材料，被取向膜夹着；以及
压电材料，若施加交流电压，则产生超声波，并使所述超声波传播到所述液晶材料，
所述液晶材料在传播所述超声波的状态下产生与该超声波相应的静压，在传播所述超声波的状态与不传播所述超声波的状态下，液晶分子的取向不同。
在上述液晶器件中，
具备夹着所述液晶材料而对置配置的第一透明基板以及第二透明基板，
不具备用于对所述液晶材料施加电压的透明电极，
所述压电材料设置在所述第一透明基板或所述第二透明基板中的一方的基板，并构成为使所述超声波传播到所述液晶材料、所述第一透明基板以及所述第二透明基板。
在上述液晶器件中，
所述压电材料是在表面形成了电极的压电基板，
所述液晶材料设置在所述压电基板的所述表面，
所述压电基板构成为，若对所述电极施加交流电压，则产生所述超声波，并使该超声波传播到所述液晶材料。
发明效果
根据本发明，能够提供一种能够不依赖于电场而使液晶分子的取向变化的液晶分子取向控制方法以及液晶器件。
附图说明
图1(A)是示出本发明的第一实施方式涉及的液晶器件的图。图1(B)是图1(A)的B框内的放大图。
图2是示出本发明中的透射光分布的测定系统的图。
图3是示出本发明中的振动分布和透射光分布的图。
图4是示出本发明中的交流电压信号变化时的透射光分布的图。
图5是示出本发明中的透射光的时间响应的图。
图6(A)是示出本发明的第二实施方式涉及的液晶器件的图。图6(B)是图6(A)的B框内的放大图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明涉及的液晶分子取向控制方法以及液晶器件的实施方式进行说明。另外，在第一实施方式中，将图1的X轴方向设为长度方向，将Y轴方向设为宽度方向，将Z轴方向设为厚度方向。在第二实施方式中，将图6的X轴方向设为长度方向，将Y轴方向设为宽度方向，将Z轴方向设为厚度方向。
[第一实施方式]
(液晶器件)
在图1(A)以及图1(B)示出本发明的第一实施方式涉及的液晶器件100。如图1(A)所示，液晶器件100具备液晶单元101和两个压电材料102。
如图1(B)所示，液晶单元101具备相当于本发明的“液晶材料”的液晶层103、上下一对取向膜104、第一透明基板105a、以及第二透明基板105b。
液晶层103由液晶分子103a构成，具体地，由介电常数各向异性为负的向列液晶的液晶分子构成。液晶层103被上下一对取向膜104夹着，使得厚度成为5[μm]，周围由密封材料(省略图示)进行封闭。
上下一对取向膜104是液晶分子103a的预倾角为90度的垂直取向膜。取向膜104由聚酰亚胺系材料构成。通过由上下一对取向膜104夹着液晶层103，从而液晶层103的液晶分子103a在默认状态下成为相对于取向膜104垂直竖立的状态。
第一透明基板105a以及第二透明基板105b不隔着透明电极而夹着液晶层103以及上下一对取向膜104。第一透明基板105a以及第二透明基板105b均由使光透射的透明的玻璃基板构成。第一透明基板105a的长度为50[mm]，宽度为10[mm]，厚度为1[mm]。第二透明基板105b的长度为30[mm]，宽度为10[mm]，厚度为1[mm]。液晶层103以及上下一对取向膜104的长度为30[mm]以下。在第一透明基板105a的除了两端部(从两端起长度为10[mm]的部分)以外的中央部(长度为30[mm]的部分)设置有液晶层103、上下一对取向膜104以及第二透明基板105b。
在第一透明基板105a的两端部各设置有一个压电材料102，使得在长度方向上夹着液晶层103以及上下一对取向膜104。压电材料102通过环氧树脂粘着在第一透明基板105a。压电材料102是由锆钛酸铅(PZT)构成的超声波振子，长度为10[mm]，宽度为10[mm]，厚度为1[mm]。压电材料102若被施加某个频率的交流电压信号，则产生与该频率相应的超声波。
在本实施方式中，对压电材料102施加具有液晶单元101整体的谐振频率的交流电压信号，产生与该谐振频率相应的超声波。如上所述，压电材料102设置在第一透明基板105a，因此由压电材料102产生的超声波经由第一透明基板105a传播到液晶层103。此时，在液晶单元101中，在其长度方向上产生与超声波相应的弯曲振动。在液晶层103中，产生与弯曲振动相应的声驻波，声辐射力(静压)作用于液晶层103的边界面。声驻波的波腹的部分即声辐射力大的部分作用于液晶分子103a的力也大，存在于该部分的液晶分子103a的取向变化。
结果是，在本实施方式涉及的液晶器件100中，不是通过电场使液晶分子103a的取向变化，而是通过与超声波相应的声辐射力(静压)强制地使液晶分子103a的取向变化。因此，根据本实施方式涉及的液晶器件100，与进行基于电场的取向控制的液晶器件相比较，具有能够实现与取向变化相关的响应速度的高速化的可能性。
进而，在本实施方式涉及的液晶器件100中，如上所述，不进行基于电场的取向控制，因此不需要一般的液晶器件中使用的透明电极。在透明电极中大多使用稀有金属，因此有可能产生价格变动所引起的高成本化、资源枯竭所引起的供给不足等问题，但是在不具备透明电极的本实施方式涉及的液晶器件100中，不会产生上述的问题。
(液晶分子取向控制方法)
接着，对本发明的第一实施方式涉及的液晶分子取向控制方法进行说明。
本实施方式涉及的液晶分子取向控制方法通过使由压电材料产生的超声波传播到由取向膜夹着的液晶材料而产生与该超声波相应的声辐射力(静压)，从而使构成液晶材料的液晶分子的取向变化。
具体地，首先，为了使由压电材料产生的超声波传播到液晶材料，制作在同一基板上设置了压电材料和液晶材料的液晶器件，或者准备像这样制作的液晶器件。即，制作或准备液晶器件100。
接下来，对压电材料施加给定的频率的交流电压信号，由压电材料产生超声波。上述频率只要是能够使液晶材料产生与超声波相应的静压的频率即可，优选设为包含液晶材料的液晶单元整体的谐振频率。即，在液晶器件100的情况下，优选对压电材料102施加将由取向膜104夹着的液晶层103、第一透明基板105a以及第二透明基板105b各自的谐振频率进行了合成的频率的交流电压信号，由压电材料102产生该超声波。
然后，根据需要，对上述交流电压信号进行控制。具体地，通过使交流电压信号的峰值间电压值Vpp、频率变化，从而能够使声辐射力(静压)变化，其结果是，能够使液晶分子的取向变化。
以液晶器件100为例，对压电材料102施加的交流电压信号与由液晶层103产生的声驻波即声辐射力(静压)具有一定的关联性。若交流电压信号的峰值间电压值Vpp变大，则声辐射力(静压)变大，液晶分子103a的取向变化变大。另一方面，若交流电压信号的峰值间电压值Vpp变小，则声辐射力(静压)变小，液晶分子103a的取向变化变小。
在液晶层103中，产生与交流电压信号的频率相应的声驻波，在声驻波的波腹的部分声辐射力(静压)成为最大，在声驻波的波节的部分声辐射力(静压)成为最小。因此，若使交流电压信号的频率变化，则声驻波的波腹以及波节的位置移动，声辐射力(静压)的强度分布变化。其结果是，液晶分子103a的取向也变化。此外，即使取代使交流电压信号的频率变化而使施加在一方的压电材料102的交流电压信号的相位相对于施加在另一方的压电材料102的交流电压信号的相位移动，也能够使声驻波的波腹以及波节的位置移动。
(评价实验)
接着，对使用了液晶器件100的液晶分子取向控制方法的评价实验(第一～第三评价实验)进行说明。关于在各评价实验中共同的部分，省略其一部分说明。
首先，作为第一评价实验，测定液晶单元101的透射光强度，进行了该透射光分布与液晶单元101的振动分布的比较。在图2示出用于测定透射光强度的测定系统。
如图2所示，在用配置为正交尼科尔的两片偏振板10a、10b夹着液晶单元101，对压电材料102施加了交流电压信号的状态下(在通过交流电压信号使压电材料102电驱动的状态下)，从配置在偏振板10a侧的激光光源20向液晶单元101的厚度方向(从偏振板10a朝向偏振板10b的方向)照射激光，并用配置在偏振板10b侧的光检测器30检测了透射过偏振板10a、10b以及液晶单元101的激光(透射光)。作为激光光源20，使用了照射波长为632.8[nm]的激光的He-Ne激光器。作为交流电压信号，施加了峰值间电压值Vpp为10[V]且频率为214[kHz]的信号(交流电压)。此外，使施加在一方的压电材料102的交流电压信号的相位与施加在另一方的压电材料102的交流电压信号的相位一致。
在图3示出振动分布与透射光分布的比较结果。在图3中，用实线示出的是透射光分布，用虚线示出的是振动分布。此外，纵轴示出振动(弯曲振动)以及透射光的强度，横轴示出液晶单元101的长度方向上的距离。另外，将液晶单元101的中心设为距离0[mm]。
若观察振动分布，则在距离为0[mm]、5[mm]、10[mm]、15[mm]的附近振动强度变大，在距离为2.5[mm]、7.5[mm]、12.5[mm]的附近振动强度变小。由于在液晶层103产生与弯曲振动相应的声驻波，因此可以认为，在距离为0[mm]、5[mm]、10[mm]、15[mm]的附近声辐射力(静压)变大，在距离为2.5[mm]、7.5[mm]、12.5[mm]的附近声辐射力(静压)变小。
若观察透射光分布，则虽然存在稍微的偏移，但是关于透射光强度的增减可观察到与振动分布相同的倾向。据此，能够认为液晶分子103a的取向变化的程度与振动强度即声辐射力(静压)的大小关联。具体地，能够认为，随着声辐射力(静压)变大，液晶分子103a的取向变化变大，透射光强度变大，另一方面，随着声辐射力(静压)变小，液晶分子103a的取向变化变小，透射光强度变小。
另外，虽然未图示，但是在未施加交流电压信号的情况下的透射光分布中，出现了小的振幅。这可以认为是由于液晶分子103a的取向并非完全垂直，因此，存在未被偏振板10a、10b截止的分量。
接下来，作为第二评价实验，在图2的测定系统中仅使交流电压信号的电压值变化，并测定了液晶单元101的透射光强度。具体地，测定了交流电压信号的峰值间电压值Vpp为0[V]、5[V]、10[V]时的透射光强度。将其结果示于图4。在图4中，纵轴示出透射光强度，横轴示出液晶单元101的长度方向上的距给定位置的距离。
若观察图4，则交流电压信号的峰值间电压值Vpp越大，透射光强度的最大值越大。例如，在距离为4[mm]的附近，交流电压信号的峰值间电压值Vpp为10[V]时的透射光强度相对于峰值间电压值Vpp为0[V]时的透射光强度增加了大约720％。据此，能够认为，若交流电压信号的峰值间电压值Vpp变大，则液晶分子103a的取向变化也变大。
最后，作为第三评价实验，在图2的测定系统中进行了透射光的时间响应的测定。在图5示出其结果。在图5中，纵轴示出透射光强度，横轴示出从输入交流电压信号起经过的时间。作为交流电压信号，施加了峰值间电压值Vpp为10[V]且频率为214[kHz]的信号(交流电压)。
如图5所示，图5的时间响应曲线的时间常数τ为16[ms]。此外，响应时间(到透射光强度稳定为止的时间)为大约60[ms]。
[第二实施方式]
(液晶器件)
在图6(A)以及图6(B)示出本发明的第二实施方式涉及的液晶器件200。如图6(A)所示，液晶器件200具备液晶单元201和相当于本发明的“压电材料”的压电基板202。在本实施方式中，液晶单元201设置在压电基板202的上表面。
如图6(B)所示，液晶单元201具备相当于本发明的“液晶材料”的液晶层203、上下一对取向膜204、以及透明基板205。液晶单元201与第一实施方式的液晶单元101相比较，被大幅地小型化。液晶层203、取向膜204以及透明基板205的各结构分别与第一实施方式的液晶层103、取向膜104以及第二透明基板105b相同。例如，构成液晶层203的液晶分子203a是介电常数各向异性为负的向列液晶的液晶分子，在默认状态下成为相对于取向膜204垂直竖立的状态。
压电基板202例如由声表面波(SAW)滤波器构成，在上表面形成有梳形电极(IDT)202a、202b。关于压电基板202，至少设置有液晶单元201的部分为了使光透射而成为透明。在压电基板202中，若对梳形电极202a、202b施加某个频率(优选为梳形电极202a、202b的谐振频率)的交流电压信号，则产生与该频率相应的超声波并在梳形电极202a、202b间传播。
在本实施方式中，因为在压电基板202的上表面设置有液晶单元201，所以由压电基板202产生的超声波传播到液晶单元201。此时，在液晶单元201中，在其长度方向上产生与超声波相应的弯曲振动。在液晶层203中，产生与弯曲振动相应的声驻波，声辐射力(静压)作用于液晶层203的边界面。在声驻波的波腹的部分，即，声辐射力大的部分，作用于液晶分子203a的力也变大，因此存在于该部分的液晶分子203a的取向变化。
结果是，在本实施方式涉及的液晶器件200中，不是通过电场使液晶分子203a的取向变化，而是通过与超声波相应的声辐射力(静压)强制地使液晶分子203a的取向变化。因此，根据本实施方式涉及的液晶器件200，具有能够实现与取向变化相关的响应速度的高速化的可能性，而且，能够不需要在一般的液晶器件中使用的透明电极。
进而，在本实施方式涉及的液晶器件200中，采用了在压电基板202的上表面设置了液晶单元201的结构，因此与第一实施方式的液晶器件100相比较，能够实现大幅的小型化。
(液晶分子取向控制方法)
接着，对本发明的第二实施方式涉及的液晶分子取向控制方法进行说明。
本实施方式涉及的液晶分子取向控制方法与第一实施方式相同，通过使由压电材料产生的超声波传播到由取向膜夹着的液晶材料而产生与该超声波相应的声辐射力(静压)，从而使构成液晶材料的液晶分子的取向变化。
具体地，首先，为了使由压电基板202产生的超声波传播到液晶层203，制作在压电基板202上设置了液晶层203的液晶器件200，或者准备像这样制作的液晶器件200。
接下来，对压电基板202施加给定的频率(优选为梳形电极202a、202b的谐振频率)的交流电压信号，由压电基板202产生超声波。然后，根据需要，对上述交流电压信号进行控制。具体地，通过使交流电压信号的峰值间电压值Vpp、频率变化，从而能够使声辐射力(静压)变化，其结果是，能够使液晶分子203a的取向变化。另外，液晶分子203a的取向根据超声波而变化的机理与第一实施方式相同，因此在此省略说明。
以上，对本发明涉及的液晶器件以及液晶分子取向控制方法的实施方式进行了说明，但是本发明并不限定于上述各实施方式。
[变形例]
在第一实施方式中，关于液晶层103、取向膜104、第一透明基板105a以及第二透明基板105b的构造、形状、尺寸、材料等，只要能够使液晶层103产生与超声波相应的声辐射力(静压)，就能够适当地进行变更。在第二实施方式中也一样。例如，液晶层103、203能够由介电常数各向异性为负的向列液晶以外的液晶分子构成，取向膜104、204能够由垂直取向膜以外的取向膜构成。
第一实施方式的压电材料102能够适当地变更其构造、形状、尺寸、材料、数量、配置场所等。第二实施方式的压电基板202能够适当地变更其构造、形状、尺寸、材料、梳形电极202a、202b的数量及其配置等。例如，在第一实施方式中，压电材料102可以为一个，在第二实施方式中，也可以仅设置有梳形电极202a或梳形电极202b中的任一者。
施加于压电材料102或压电基板202的交流电压信号能够适当地进行变更。例如，通过施加高频的交流电压信号，从而能够进行致密的取向控制。
本发明涉及的液晶器件还包含可变焦点镜头、光扫描器等光器件。
附图标记说明
100、200：液晶器件；
101、201：液晶单元；
102、202：压电材料(压电基板)；
103、203：液晶层；
103a、203a：液晶分子；
104、204：取向膜；
105a：第一透明基板；
105b：第二透明基板；
205：透明基板。

Claims (7)

1.一种液晶分子取向控制方法，控制液晶分子的取向，其特征在于，
通过使由压电材料产生的超声波传播到由取向膜夹着的液晶材料而产生与该超声波相应的静压，从而根据所述静压的大小使构成所述液晶材料的液晶分子的取向变化。
2.根据权利要求1所述的液晶分子取向控制方法，其特征在于，
所述液晶材料不隔着透明电极地被上下一对第一透明基板以及第二透明基板夹着，
所述压电材料设置在所述第一透明基板或所述第二透明基板中的一方的基板，
以所述液晶材料、所述第一透明基板以及所述第二透明基板的整体的谐振频率使所述压电材料电驱动，产生与所述谐振频率相应的所述超声波，使该超声波传播到所述液晶材料、所述第一透明基板以及所述第二透明基板。
3.根据权利要求2所述的液晶分子取向控制方法，其特征在于，
所述压电材料包含设置在所述一方的基板的一侧的第一压电材料和设置在所述一方的基板的另一侧的第二压电材料，
由所述第一压电材料和所述第二压电材料产生相位不同的所述超声波。
4.根据权利要求1所述的液晶分子取向控制方法，其特征在于，
所述压电材料是在表面形成了电极的压电基板，
所述液晶材料设置在所述压电基板的所述表面，
以所述电极的谐振频率使所述压电基板电驱动，产生与所述谐振频率相应的所述超声波，使该超声波传播到所述液晶材料。
5.一种液晶器件，其特征在于，具备：
液晶材料，被取向膜夹着；以及
压电材料，若施加交流电压，则产生超声波，并使所述超声波传播到所述液晶材料，
所述液晶材料在传播所述超声波的状态下产生与该超声波相应的静压，在传播所述超声波的状态与不传播所述超声波的状态下，液晶分子的取向不同。
6.根据权利要求5所述的液晶器件，其特征在于，
具备夹着所述液晶材料而对置配置的第一透明基板以及第二透明基板，
不具备用于对所述液晶材料施加电压的透明电极，
所述压电材料设置在所述第一透明基板或所述第二透明基板中的一方的基板，使所述超声波传播到所述液晶材料、所述第一透明基板以及所述第二透明基板。
7.根据权利要求5所述的液晶器件，其特征在于，
所述压电材料是在表面形成了电极的压电基板，
所述液晶材料设置在所述压电基板的所述表面，
若对所述电极施加交流电压，则所述压电基板产生所述超声波，并使该超声波传播到所述液晶材料。
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