JP2006084642A - 液晶素子および光走査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 環境温度の変化に伴う素子の変形による光学特性の劣化を緩和することが可能な液晶素子および光走査装置を提供すること。
【解決手段】 １対の対向する透明基板１０１、１０２と、透明基板１０１、１０２間に狭持された液晶１０３と、液晶１０３を透明基板１０１、１０２間に保持するシール材１０４と、透明電極１０６、１０７と、フレキシブル回路基板１０８とを備え、入射する光束の偏光状態および波面形状のうちの双方またはいずれか一方を、時間的または空間的に、または両方に変調する液晶素子１００において、液晶素子は、液晶セル内の８割程度以下を液晶が占めるようにする充填部材１０５を備えた構成を有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、入射する光束の偏光状態および波面形状のうちの双方またはいずれか一方を、時間および空間のうちの双方またはいずれか一方に関して変調することができる液晶素子および光制御利用装置に関する。ここで、光制御利用装置とは、光束を走査する光走査装置、光束を制御する光ヘッド装置等の光を制御して利用する装置をいう。

従来、光源側からの光束をポリゴンミラー等の偏向走査手段を用いて偏向させ、偏向された光束をｆθレンズ等の結像レンズを介して被走査面に集光させて被走査面上に光スポットを形成し、この光スポットを被走査面上で光走査する光走査装置が知られている。以下、上記の光学系を走査結像光学系という。係る光走査装置は、光プリンタ、光プロッタ、デジタル複写機等の画像形成装置に用いられる。

光走査装置を用いる画像形成装置では上記の光スポットを被走査面上で光走査し画像を書き込むことが行われるが、書き込みで得られる画質の良し悪しは光走査の精度の良し悪しに依存する。光走査の精度の良し悪しは、光走査装置の主走査方向および副走査方向の走査性能に依存し、この走査性能はさらに温度変化の影響を受ける。

例えば、カラー画像形成装置を例にとると、起動後に駆動部のドライバ回路、ポリゴンスキャナのドライバ回路等での発熱によって、走査線が歪んだり、ビームスポットが位置ずれしたりしてしまう。これは、走査結像光学系の膨張やレンズの屈折率の温度変化等によるものである。また、温度変化によって主走査方向での色ずれも生ずる。係る問題を解決するために、これまで、液晶偏向素子を用いることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示された技術では、光走査装置は、光源側からの光束をポリゴンミラー等の偏向走査手段を用いて主走査方向に偏向走査し、結像レンズを介して被走査面に集光させる走査結像光学系を有し、光束の偏向角を電気信号によって変化させることができる液晶偏向素子が走査結像光学系の光路内に設けられ、液晶偏向素子（図７参照。）に印加する電気信号を制御することによって、位置ずれ、色ずれ等が補正されるようになっている。
特開２００４−１０９４５６号公報

しかし、このような従来の液晶素子では、液晶が液体であり、液晶を基板内に封じるシール材が固体であるため、液晶の熱膨張率がシール材の熱膨張率よりも非常に大きく、液晶素子が温度変化によって光軸方向に凹レンズ状または凸レンズ上に変形し、液晶素子を透過した光束が発散光または収束光になり、画質の低下を招くという問題があった。また、光ヘッド装置に液晶素子を用いる場合にも、液晶素子が温度変化によって光軸方向に凹レンズ状または凸レンズ上に変形し、光記録媒体上への集光を阻害するため、光記録媒体に対する情報の記録および再生の特性に劣化を生じさせる。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、環境温度の変化に伴う素子の変形による光学特性の劣化を緩和することが可能な液晶素子および光制御利用装置を提供するものである。

以上の点を考慮して、請求項１に係る発明は、１対の対向する透明基板と、対向する前記透明基板間に狭持された液晶と、対向する前記透明基板間に前記液晶を保持するシール材とを備え、入射する光束の偏光状態および波面形状のうちの双方またはいずれか一方を、時間および空間のうちの双方またはいずれか一方に関して変調する液晶素子において、前記液晶素子は、さらに、前記光束が入射する光学的有効領域における前記液晶の平均の厚さをｄとし、各前記透明基板の基板面内の前記シール材によって囲まれる領域の平均の面積をＡとし、１対の前記透明基板と前記シール材とによって囲まれるシール空間に保持された前記液晶の体積をＶとしたとき、前記液晶の体積Ｖを０．８×Ａ×ｄ以下するように前記シール空間内に配置される充填部材を備えた構成を有している。

この構成により、液晶の体積をシール空間の概略体積（Ａ×ｄ）の８割程度としたため、シールで囲まれた領域内の液晶の平均の厚さは、光学的有効領域における液晶の平均の厚さｄの８割程度となり、液晶の平均の厚さを小さくできる。このため、環境温度の変化に伴う素子の変形による光学特性の劣化を緩和することが可能な液晶素子を実現できる。

また、請求項２に係る発明は、請求項１において、前記液晶が、各前記透明基板の基板面内の前記シール材によって囲まれる領域のうち前記光学的有効領域以外の領域における前記液晶の平均の厚さが、０より大きく０．５×ｄ以下である構成を有している。

この構成により、請求項１の効果に加え、各透明基板の基板面内のシール材によって囲まれる領域のうち光学的有効領域以外の領域における液晶の平均の厚さを、０より大きく０．５×ｄ以下としたため、素子サイズを大きくすることなく液晶の平均の厚さを薄くすることが可能な液晶素子を実現できる。

また、請求項３に係る発明は、請求項１または２において、前記充填部材が、いずれかの前記透明基板における基板面側の一部を除去し、凸部として形成される構成を有している。

この構成により、請求項１または２の効果に加え、充填部材がいずれかの透明基板における基板面側の一部を除去し、凸部として形成されるため、充填部材が移動することによる経時変化をなくすることが可能な液晶素子を実現できる。

また、請求項４に係る発明は、請求項１または２において、前記充填部材が有機材料からなる構成を有している。

この構成により、請求項１または２の効果に加え、充填部材が有機材料からなるため、環境温度が低下して液晶の体積が収縮し、透明基板が共に充填部材に接触するようになった場合でも、充填部材が柔らかいので充填部材が透明基板を変形させるときの変形の程度を低減することが可能な液晶素子を実現できる。

また、請求項５に係る発明は、請求項１から４までのいずれか１項において、前記充填部材が、いずれかの前記透明基板の基板面内の前記シール材によって囲まれる領域のうち前記光学的有効領域以外の領域上に設けられる構成を有している。

この構成により、請求項１から４までのいずれか１項の効果に加え、充填部材が、いずれかの透明基板の基板面内のシール材によって囲まれる領域のうち光学的有効領域以外の領域上に設けられるため、液晶素子を透過する光束に充填部材の影響を与えることをなくすることが可能な液晶素子を実現できる。

また、請求項６に係る発明は、請求項１から５までのいずれか１項において、前記液晶素子が、光源から出射される光束が前記液晶素子を透過した後に前記光束が集光される光学系の光路中に配置される構成を有している。

この構成により、請求項１から５までのいずれか１項の効果に加え、液晶素子が、光源から出射される光束が液晶素子を透過した後に光束が集光される光学系の光路中に配置されるため、環境温度の変化による光束の集光位置の変化を抑制することが可能な液晶素子を実現できる。さらに、光源から出射した光束が液晶素子を透過後、光記録媒体に集光する光ヘッド装置などにも用いることが可能な液晶素子を実現できる。

また、請求項７に係る発明は、請求項１から５までのいずれか１項において、少なくとも１つの光源と、前記光源から出射された光束を偏向させて走査する偏向走査手段と、前記光源と前記偏向走査手段との間に配置され、前記光源が出射する光束を偏向させる偏向手段とを備え、前記偏向手段は、請求項１から５までのいずれか１項に記載の液晶素子であり、入射する光束の偏向角を制御できる構成を有している。

この構成により、請求項１から５までのいずれか１項の効果を有する光走査装置を実現できる。

本発明は、液晶の体積Ｖをシール空間の概略の体積の８割程度以下としたため、環境温度の変化に伴う素子の変形は、主に、光学的有効領域外で生じ、光学的有効領域内では抑制されるため、環境温度の変化に伴う素子の変形による光学特性の劣化を緩和することが可能な液晶素子および光走査装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

（第１の実施の形態）
図１および図２は、それぞれ、本発明の第１の実施の形態に係る液晶素子の概念的な構成を示す断面図および平面図である。本発明の第１の実施の形態に係る液晶素子は、本発明が透過型液晶偏向素子に適用される一例である。ここで、透過型液晶偏向素子は、透過する光束の波面を傾けて入射した光束の進行方向を曲げることができるものである。

図１において、液晶素子１００は、１対の透明基板１０１、１０２と、透明基板１０１、１０２によって挟持された液晶１０３と、透明基板１０１、１０２間に液晶１０３を封じて液晶セルを形成するためのシール材１０４、液晶セル内に封じられる液晶１０３の体積を低減させるための充填部材１０５と、透明基板１０１、１０２の対向する各基板面上に形成された透明電極１０６、１０７と、透明電極１０６、１０７に電圧を印加するためのフレキシブル回路基板１０８とを有する。ここで、上記の透明電極１０６は、符号１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃおよび１０６Ｄによって示される部分によって構成されるものをいう。

図２において、光学的有効領域２０１は、液晶素子１００に入射する光束を有効に偏向させて透過させることができる領域、または、液晶素子１００に入射する光束の偏光状態もしくは波面形状を変化させることができる液晶素子１００の領域である。透明基板１０１、１０２は、ガラス、プラスチック等の透明部材からなり、シール材１０４を介して対向するようにして接着され、光学的有効領域２０１は、所望のセルギャップ（図１に符号ｄを用いて示すギャップ）を有する液晶セルを構成する。以下、透明基板１０１、１０２とシール材１０４とによって囲まれる空間をシール空間という。

シール材１０４として、例えば、エポキシ系接着剤、アクリル系接着剤等の有機材料、ガラス接着剤等の無機材料、または、半田等の金属材料を用いる。また、セルギャップを均一に保つために、シール材１０４中にガラスビーズ、樹脂ビーズ、ファイバ等のスペーサを混ぜるのでもよい。なお、スペーサを液晶セル内に設けてセルギャップを均一に保つようにするのでもよい。

充填部材１０５は、液晶セル内に設けられ、１対の透明基板１０１、１０２を張り合わせるシール材１０４で囲まれた各基板面内の領域（以下、シール内領域という。）の面積をＡとしたとき、液晶１０３の体積Ｖが、０．８×Ａ×ｄより小さくなるように、シール材１０４の内側に充填部材１０５を配置する。ここで、ｄは、光学的有効領域２０１のセルギャップであると共に、液晶１０３の平均の厚さでもある。また、Ａ×ｄは、ほぼシール空間の体積に等しい。

図３は、充填部材１０５を設けない従来の構成の液晶素子(図７参照。)における温度変化の影響を説明するための模式的断面図である。ここで、符号７０１、７０２は透明基板を示し、符号７０３は液晶を示し、符号７０４はシール材を示す。図３（ａ）は、液晶素子を製作した温度よりも動作温度が高くなったときの従来の液晶素子の形状を模式的に示したものであり、図３（ｂ）は、液晶素子を製作した温度よりも動作温度が低くなったときの従来の液晶素子の形状を模式的に示したものである。

従来の液晶素子は、動作温度が液晶素子を製作した温度よりも高くなったとき、図３（ａ）に示すように凸状に変形し、低くなったとき、図３（ｂ）に示すように凹状に変形する。上記のように変形することによって、従来の液晶素子における光学的有効領域（以下、従来構成光学有効領域という。）中央部の光路長３０６ａと、従来構成光学有効領域の周辺部の光路長３０６ｂとで差が生じる。その結果、液晶素子を透過する光束の波面が乱れが生じ、問題となる。

上記の温度変化が液晶素子の厚さに及ぼす影響は、従来構成光学有効領域の中央部よりも従来構成光学有効領域の周辺部の方が大きい。本発明では、このような観点から、上記のシール内領域の面積Ａを光学的有効領域の面積Ａ_１に対して大きくし、光学的有効領域内の光路長の変化を小さくした。ここで、ＡとＡ_１との比（Ａ／Ａ_１。以下、セル有効面積比という。）を２以上にすることが好ましく、さらには２．５以上、よりさらには４以上とすることが好ましい。ただし、このＡとＡ_１との比には、液晶素子の素子サイズが大きくなってしまうことによる上限があり、素子サイズが大きくなりコストアップを招くことを回避するためには１０以下とすることが好ましく、さらに小さい方が好ましい。

一方、従来の液晶素子における液晶の常温での体積Ｖ_０はシール内領域の面積Ａと液晶の平均の厚さｄ_０の積で表すことができ、温度変化ΔＴがあったときの体積変化ΔＶはΔＶ＝α×Ｖ_０×ΔＴと表すことができる。ここで、αは液晶の体積熱膨張率である。また、素子変形に応じた光学的有効領域内の光路長の偏差（図３の３０６ａと３０６ｂの差に相当。以下、光路長偏差という。）ΔＬは、概ねΔＶ／Ａに比例する。つまり、ΔＬはｄ_０に比例することとなる。

厳密には、実際の素子における変形は液晶のみの体積変化によるものではなく、シール材と液晶の熱膨張率の差に応じた体積変化により発生するが、液晶の熱膨張率は、一般にシール材のそれに比べて非常に大きいので、液晶の熱膨張率に応じた体積変化により変形が生じると考えて実質上問題がない。そして、光路長偏差ΔＬを小さくするためには、上記のように液晶の平均の厚さｄ_０を小さくすることが求められる。

しかし、液晶素子の光学的有効領域の液晶厚さを薄くすることは、機能を確保する上で制限がある。本発明は、また、充填部材１０５を設けて液晶１０３の平均の厚さを薄くすることによって、液晶素子の素子サイズを上記のように大きくすることなく、または、光学的有効領域における液晶１０３の厚さを薄くすることなく光路長偏差ΔＬを小さくした。これは、従来の構成で光学的有効領域を設けて利用可能な範囲に制限するものとは異なる。

光学的有効領域２０１内の液晶１０３の平均の厚さをｄとし、シール内領域の面積をＡとしたとき、液晶１０３の体積Ｖが、０．８×Ａ×ｄより小さくなるようにすることが好ましい（ｄ_０＝０．８×ｄに相当）。液晶１０３の体積Ｖは、さらに０．６×Ａ×ｄ以下、よりさらに０．４×Ａ×ｄ以下になるようにすることが好ましい。ただし、液晶１０３の体積Ｖを０．１×Ａ×ｄ以下とすることは、入射面の面積に下限があるため素子サイズを大きくする必要があり、コスト的に制限を受ける。係る観点から、液晶１０３の体積Ｖを０．１×Ａ×ｄより大きくすることが好ましい。

液晶素子１００の光学的有効領域以外のシール内領域における液晶１０３の厚さを０．５×ｄ以下にすることによって、素子サイズを大きくすることなく液晶１０３の平均の厚さｄ_０を小さくできるので好ましい。光学的有効領域以外のシール内領域における液晶１０３の厚さを、さらに０．２×ｄ以下、よりさらに０．１×ｄ以下とすることが同様の理由で好ましい。

充填部材１０５を図２に示すようにシール内領域かつ光学的有効領域の外側に作成することは、液晶素子１００を透過する光束に充填部材１０５の影響を与えることがなく好ましい。また、充填部材１０５を透明基板１０１または透明基板１０２のいずれか一方に固定することによって、充填部材１０５が液晶素子１００内で動いて光学特性に経時変化として現れることを防止できるので好ましい。

また、充填部材１０５は、常温では透明基板１０１、１０２のいずれか一方にのみ接触または接着し、他の透明基板から離れていることが好ましい。さらに、液晶素子１００の使用温度範囲または保存温度の下限温度においても、他の透明基板と接触せず、わずかに離れていることが好ましい。これは、環境温度が低下して液晶１０３の体積が収縮し、上下の透明基板１０１、１０２が共に充填部材１０５に接触することによって、透明基板１０１、１０２が変形し、透過する光束の波面を乱すことを回避するためである。また、液晶１０３の厚さは、シール内領域かつ光学的有効領域以外の領域において、ゼロより大きいことが好ましく、透明電極１０１および透明電極１０２のうちのいずれかと充填部材１０５との間隔の制御性の観点から、０．１μｍ以上が好ましい。ここで、透明基板１０１、１０２に図１のように透明電極１０６などが形成されている場合には、形成後の表面と充填部材１０５との間隔が上記の関係であることが好ましい。

充填部材１０５は、レジスト、感光性ポリイミド、カラーフィルター材料等の有機材料からなる膜をエッチングして形成したものでもよい。ここで、有機材料としては、透明基板１０１、１０２の材質より軟らかい、換言すれば、ヤング率が小さい材料が好ましい。これは、上記のように、環境温度が低下して液晶１０３の体積が収縮し、透明基板１０１、１０２が共に充填部材１０５に接触するようになった場合でも、充填部材１０５が柔らかいので充填部材１０５が透明基板１０１、１０２を変形させるときの変形の程度を低減できるためである。また、充填部材１０５は、ＳｉＯ_２、ＴａＯ_２等の金属酸化物からなる膜をエッチングして形成したものでも、いずれかの透明基板１０１、１０２をエッチングして形成したものでもよい。

液晶１０３の平均の厚さｄ_０を薄くする方法以外に、温度変化の影響を緩和して液晶素子１００の光学特性を維持する方法としては、液晶１０３の複屈折率Δｎを大きくとる方法（以下、複屈折率法という。）がある。複屈折率法でとる複屈折率Δｎの値としては、０．１以上が好ましく、さらには０．２以上が好ましい。複屈折率Δｎの値は、材料に応じて決定されるものであるため、液晶１０３の材料を選択することによって決定される。

透明基板１０１、１０２上に設けられた透明電極１０６、１０７には、ＩＴＯ膜等の金属酸化物材料等を用いることができる。図１に示す構成では、透明基板１０１上に設けられた透明電極１０６は高抵抗膜からなる高抵抗膜部１０６Ａ、電極部１０６Ｂ、１０６Ｃ、および、給電膜部１０６Ｄからなり、透明基板１０２上に設けられた透明電極１０７は低抵抗膜からなる。なお、透明電極１０６、１０７と液晶１０３との界面に、図示しない絶縁膜、配向膜等が形成されているのでもよい。

ここで、低抵抗膜からなる透明電極１０７は、接地されている。一方、高抵抗膜からなる高抵抗膜部１０６Ａには、透明電極１０６Ａに電位分布を持たせるための電極部１０６Ｂ、１０６Ｃが設けられており、各電極部１０６Ｂ、１０６Ｃに給電膜部１０６Ｄを通じフレキシブル回路基板１０８経由で電気信号が印加される。電極部１０６Ｂ、１０６Ｃおよび給電膜部１０６Ｄは、透明でも、透明でなくともよく、ＩＴＯ膜等の金属酸化物、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ等の金属などの材料からなるのでもよい。金属膜はシート抵抗が小さいため、細線化しやすく、液晶素子の小型化を容易にするため、電極部１０６Ｂ、１０６Ｃおよび給電膜部１０６Ｄの材料として好ましい。

高抵抗膜からなる高抵抗膜部１０６Ａは、電極部１０６Ｂ、１０６Ｃ、給電膜部１０６Ｄよりもシート抵抗が高い。高抵抗膜からなる高抵抗膜部１０６Ａとして、例えば、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｙ、Ｉｎ等の元素を１種類または複数種類ドープした酸化亜鉛膜、Ｓｉ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ｇａ等の元素を１種類または複数種類ドープした酸化錫膜、ドープしない酸化亜鉛膜、ドープしない酸化錫膜、ＩＴＯ膜等が用いられる。また、これらの材料と、酸化ケイ素、酸化アルミニウム等の材料との複合酸化物でもよい。特に、酸化錫膜は、温度変化、湿度変化等に対するシート抵抗値の安定性が高く、製造上、耐候性および信頼性等の観点から極めて好ましい。

液晶１０３は、上記の液晶セル内に封入されており、液晶１０３中の液晶分子１０９は、図示しない配向膜の界面において、電圧を印加しない状態で界面に対して所定の角度（以下、プレチルト角という。）をなすように配向している。液晶１０３としては、例えば、ネマチック液晶が使用できる。以下、誘電率異方性Δεが正の液晶について説明する。

上記のプレチルト角は、透明電極１０６、１０７を介して液晶１０３に電界を印加したときの液晶分子１０９の立ち上がり方向を決め、プレチルト角を所定値にすることによって駆動時の配向不良を防止する。プレチルト角としては、１度以上が好ましい。本発明の第１の実施の形態では、液晶分子１０９の配向はホモジニアス配向であるが、液晶分子１０９の配向を、ハイブリッド配向、ホメオトロピック配向、ツイスト配向等にするのでもよい。

なお、制御信号発生手段４０３には、配向制御の信頼性等の観点から、交流成分に対して直流成分が少ない電圧を発生するものを用いる。特に、直流成分を交流成分の１％以下に抑えることは、信頼性において好ましい。電源周波数としては５０から５０００Ｈｚ程度が用いられ、電圧波形としては矩形波等が用いられる。

以上説明したように、本発明の実施の形態に係る液晶素子は、液晶の体積Ｖをシール空間の概略体積（Ａ×ｄ）の８割程度としたため、シールで囲まれた領域内の液晶の平均の厚さは、光学的有効領域における液晶の平均の厚さｄの８割程度となり、液晶の平均の厚さを小さくできる。このため、環境温度の変化に伴う素子の変形による光学特性の劣化を緩和できる。

また、各透明基板の基板面内のシール材によって囲まれる領域のうち光学的有効領域以外の領域における液晶の平均の厚さを、０より大きく０．５×ｄ以下としたため、素子サイズを大きくすることなく液晶の平均の厚さを薄くできる。

また、充填部材がいずれかの透明基板における基板面側の一部を除去して凸部として形成されるため、充填部材が移動することによる経時変化をなくすることができる。

また、充填部材が有機材料からなるため、環境温度が低下して液晶の体積が収縮し、透明基板が共に充填部材に接触するようになった場合でも、充填部材が柔らかいので充填部材が透明基板を変形させるときの変形の程度を低減できる。

また、充填部材が、いずれかの透明基板の基板面内のシール材によって囲まれる領域のうち光学的有効領域以外の領域上に設けられるため、液晶素子を透過する光束に充填部材の影響を与えることをなくすることができる。

また、液晶素子が、光源から出射される光束が液晶素子を透過した後に光束が集光される光学系の光路中に配置されるため、環境温度の変化による光束の集光位置の変化を抑制できる。さらに、光源から出射した光束が液晶素子を透過後、光記録媒体に集光する光ヘッド装置などにも用いることができる。

（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る光走査装置の概念的な構成を示す斜視図である。図１において、光走査装置４００は、所定の波長の光束を出射する光源４０１と、光源４０１が出射した光束の方向を偏向させる液晶偏向素子としての液晶素子１００と、液晶偏向素子としての液晶素子１００による偏向の角度を制御するための電気信号（以下、偏向角制御信号という。）を発生する制御信号発生手段４０３と、入射した光束を走査するポリゴンミラー４０４と、ポリゴンミラー４０４が行う走査により発生する像の歪を補正するｆθレンズ等の結像レンズ４０５とを備える。

ここで、符号４０６を用いて示すものは、静電潜像が形成される感光ドラムである。また、光源４０１、ポリゴンミラー４０４、結像レンズ４０５および感光ドラム４０６については、周知であり、詳細な説明を省略する。

液晶素子１００は、入射する光の偏光方向がＹ軸方向に平行になるように配置されている。液晶素子１００には、制御信号発生手段４０３から偏向角制御信号が入力され、偏向角制御信号に応じて液晶分子の配向方向の分布が変化し、入射の光軸の向きが変えられるようになっている。ここで、制御信号発生手段４０３が出力する偏向角制御信号は、交流であり、特に矩形波の交流とする。

以下、光走査装置４００の動作について説明する。光源４０１から出射した光束は、制御信号発生手段４０３が出力した偏向角制御信号に応じて光軸の向きが液晶素子１００によって補正され、ポリゴンミラー４０４に向けて出射し、回転するポリゴンミラー４０４が反射することによって走査され、結像レンズ４０５を通過することによって、走査による像の歪が補正されるように集光され、感光ドラム４０６に入射し、ポリゴンミラー４０４の回転に応じて光束が走査される。

ここで、本発明の第２の実施の形態に係る光走査装置を組み付け調整するときおよび経時的に光軸がずれたとき等には、制御信号発生手段４０３が出力する偏向角制御信号を調整することによって、感光ドラム４０６に入射する光束をＹ軸方向に偏向させ、感光ドラム４０６上の所定の位置に正確に集光させることができる。

なお、上記では、光束を走査する光走査装置を光制御利用装置の例として説明したが、本発明の適用は光走査装置に限定されるものではなく、光走査装置以外に光束の制御が必要な光ヘッド装置等の光制御利用装置にも同様に適用できる。

以上説明したように、本発明の第２の実施の形態に係る光走査装置を含む光制御利用装置は、本発明の第１の実施の形態に係る液晶素子について得られる効果を装置を実現できる。

以下、本発明に係る液晶素子１００およびこれを備えた光制御利用装置の実施例について説明する。なお、以下では、光走査装置を光制御利用装置の例にとり説明する。図１において、液晶素子１００は、１対の透明基板１０１、１０２と、透明基板１０１、１０２によって挟持された液晶１０３と、透明基板１０１、１０２間に液晶１０３を密閉して液晶セルを形成するためのシール材１０４、液晶セル内に封じられる液晶１０３の体積を低減するための充填部材１０５と、透明基板１０１、１０２の対向する各面上に形成された透明電極１０６、１０７と、透明電極１０６、１０７に電圧を印加するためのフレキシブル回路基板１０８とを有する。

透明基板１０１、１０２として、厚さ０．６ｍｍの無アリカリガラス基板を用いる。一方の透明基板１０２の表面にスパッタ法により、３００Ω／□程度のシート抵抗のＩＴＯ膜を成膜して低抵抗の透明電極１０７を形成する。そして、その透明電極１０７の面上に図示しない配向膜としてポリイミド膜をフレキソ印刷法により厚さ５０ｎｍ成膜して形成する。

これに対して透明基板１０１の表面には、初め電極部１０６Ｂ、１０６Ｃ、および、給電膜部１０６Ｄ用としてスパッタ法により１Ω／□程度のシート抵抗のＣｒ膜を成膜し、その後、不要部分をエッチング技術により除去して電極部１０６Ｂ、１０６Ｃ、および、給電膜部１０６Ｄを形成する。その後、電極部１０６Ｂ、１０６Ｃの一部を含む透明基板１０１の表面に、１００ｋΩ／□程度のシート抵抗の酸化錫膜を成膜して高抵抗の高抵抗膜部１０６Ａとし、透明電極１０６を形成する。

透明基板１０１上に高抵抗の高抵抗膜部１０６Ａを形成したら、図示しない配向膜としてポリイミド膜をフレキソ印刷法により厚さ５０ｎｍ成膜して形成する。ポリイミド膜はラビング法により配向処理を行った後、エポキシ樹脂からなるシール材１０４を透明基板１０１、１０２上に印刷し、熱圧着により液晶セルを作成する。ここで、シール材１０４中に図示しないガラスファイバを混ぜて、セルギャップを均一化し、１０μｍとした。なお、この透明電極１０６の電極部１０６Ｂ、１０６Ｃは、フレキシブル回路基板１０８に接続され、外部の制御信号発生手段４０３に接続される。

充填部材１０５は、液晶セル内に設けられ、レジストからなる膜をエッチングして形成する。これは、上記のように、環境温度が低下して液晶１０３の体積が収縮し、上下の透明基板１０１、１０２が共に充填部材１０５に接触することによって、透明基板１０１、１０２が変形するときの変形の程度を低減できるためである。

また、充填部材１０５は、１対の透明基板１０１、１０２を張り合わせるシール材１０４で囲まれた領域の面積をＡとしたとき、液晶１０３の体積Ｖが、０．８×Ａ×ｄ（１０μｍ）より小さくなるように、シール材１０４の内側に充填部材１０５を配置される。さらに、充填部材１０５は、常温では透明基板１０１にのみ接触し、他の透明基板１０２から離れており、液晶素子１００の使用温度範囲または保存温度の下限温度においても、他の透明基板と接触せず、わずかに離れるように形成されている。また、液晶１０３の厚さは、シール内領域かつ光学的有効領域以外の領域において、０．１μｍとなっている。

次に、真空注入法により、屈折率異方性Δｎが０．１８の液晶１０３を液晶セルに注入する。その後、図示しない封止材を用いて液晶セルの注入口を封止する。ここで、液晶１０３中の液晶分子１０９は、図示しない配向膜の界面において、電圧を印加しない状態で界面に対してプレチルト角をなすように配向している。これによって、液晶素子１００が完成する。

図５は、従来の構成の液晶素子において温度変化が１０℃あったときの素子変形による光路長偏差ΔＬを、セル有効面積比Ａ／Ａ_１に対して示す説明図である。従来の構成の液晶素子には、液晶セル内に封じられる液晶の体積を低減するための充填部材１０５が用いられず、液晶体積割合（ｄＡ）／Ｖは１となっている。以下、液晶素子が満たすべき条件を、１０℃の温度変化に対する素子変形による光路長偏差ΔＬが１０ｍλ以内に入ることとする。１０℃の温度変化に対して光路長偏差ΔＬが１０ｍλ以内であれば、焦点ずれ等の影響による誤動作を無視し得る程度に抑えられるからである。

図６は、液晶セル内に充填部材１０５を設けた本発明に係る液晶素子１００における、液晶体積割合（ｄＡ）／Ｖ（＜１）に対する光路長偏差をセル有効面積比Ａ／Ａ_１をパラメータとり示した図である。したがって、図５は、本発明に係る液晶素子１００と比較される従来構成の液晶素子の性能を示す図である。また、図５および図６に示す特性は、光源から出射される光束の波長が６５０ｎｍであり、光学的有効領域が５ｍｍ×５ｍｍの領域、すなわち光学的有効領域の面積Ａ_１が２５ｍｍ^２の領域であり、さらに光学的有効領域内の液晶１０３が上記のように１０μｍである構成の液晶素子に対して得られたものである。

図５に示すように、液晶体積割合（ｄＡ）／Ｖ＝１かつセル有効面積比が１、すなわち光学的有効領域の面積Ａ_１がシール内領域の面積Ａに等しい構成では、温度が１０℃変化したときの素子変形による光路長偏差ΔＬは、５０ｍλ程度となり、液晶素子が満たすべき条件である１０ｍλ以内を満たさない。逆に、温度が１０℃変化したときの素子変形による光路長偏差ΔＬを１０ｍλ以内にするためには、図５に示すように、セル有効面積比Ａ／Ａ_１を５以上にする必要がある。

ここで、光学的有効領域の面積には、機能を確保するために下限がある。そのため、セル有効面積比Ａ／Ａ_１が大きくなることは素子サイズが拡大することを意味し、その結果、同一のロットから切り出せる素子数が減少し、その分コストアップにつながる。上記の例では、同一のロットから切り出せる素子数が１／５に減少することになる。

これに対して、充填部材１０５を設けた本発明の実施例に係る液晶素子１００に関しては、セル有効面積比Ａ／Ａ_１が２．３のとき、液晶体積割合（ｄＡ）／Ｖを約０．４５以下とすることで光路長偏差ΔＬを１０ｍλ以内に抑えることができる。同様に、セル有効面積比Ａ／Ａ_１が４のときは、液晶体積割合（ｄＡ）／Ｖを約０．８以下とすることで光路長偏差ΔＬを１０ｍλ以内に抑えることができる。

このように、本発明の実施例に係る液晶素子１００は、セル有効面積比Ａ／Ａ_１を５未満とした場合でも、光路長偏差ΔＬを１０ｍλ以内に抑えることができ、従来の液晶素子で見られる素子サイズの増大を回避することができる。その結果、本発明に係る液晶素子は、液晶偏向素子としてシステムに組み込むことができるものである。

また、本発明に係る液晶素子は、素子サイズを従来構造の液晶素子の素子サイズよりも小さくできたため、同一のロットから切り出せる素子数を増やすことができるものである。これによって、液晶素子作成のコストを大幅に低下することが可能となる。

なお、液晶素子１００を、光源から出射される光束が液晶素子１００を透過した後に光束が集光される光学系の光路中に配置して利用することができる。具体的には、光ヘッド装置等の光記録媒体に対して情報を記録または再生を行う装置に液晶素子を用いるのでもよい。この場合は、液晶素子が温度変化によって光軸方向に凹レンズ状または凸レンズ上に変形し、光記録媒体上への集光を阻害することを緩和することができ、有効である。

また、このようにして作製した液晶素子１００を液晶偏向素子として図４に示すレーザビームプリンタの光走査装置に搭載したところ、制御信号発生手段４０３が出力する偏向角制御信号に応じて、液晶素子１００を通過したレーザ光の偏向角度を所定の電圧値の範囲内で線形に変化させるように調整することができた。

本発明に係る液晶素子および光制御利用装置は、環境温度の変化に伴う素子の変形による光学特性の劣化を緩和できるという効果が有用な、液晶素子、および、光ヘッド装置、光走査装置等の光制御利用装置等の用途にも適用できる。

本発明の第１の実施の形態に係る液晶素子の概念的な構成を示す断面図。 本発明の第１の実施の形態に係る液晶素子の概念的な構成を示す平面図。 充填部材を設けない従来の構成の液晶素子における温度変化の影響を説明するための模式的な断面図。 本発明の第２の実施の形態に係る光走査装置の概念的な構成を示す斜視図。 従来の構成の液晶素子において温度変化が１０℃あったときの素子変形による光路長偏差を、セル有効面積比Ａ／Ａ_１に対して示す説明図。 本発明に係る液晶素子において温度変化が１０℃あったときの素子変形による光路長偏差を、液晶体積割合（ｄＡ）／Ｖに対して示す説明図。 従来の液晶偏向素子の構成の一例を模式的に示す断面図。

符号の説明

１００、７００ 液晶素子
１０１、１０２、７０１、７０２ 透明基板
１０３、７０３ 液晶
１０４、７０４ シール材
１０５ 充填部材
１０６、１０７、７０５、７０６ 透明電極
１０６Ａ 高抵抗膜部
１０６Ｂ、１０６Ｃ 電極部
１０６Ｄ 給電膜部
１０８ フレキシブル回路基板
１０９、７０９ 液晶分子
２０１ 光学的有効領域
３０６ａ 従来構成光学有効領域の中央部の光路長
３０６ｂ 従来構成光学有効領域の周辺部の光路長
４００ 光走査装置
４０１ 光源
４０３、７０７ 制御信号発生手段
４０４ ポリゴンミラー
４０５ 結像レンズ
４０６ 感光ドラム

Claims (7)

1. １対の対向する透明基板と、対向する前記透明基板間に狭持された液晶と、対向する前記透明基板間に前記液晶を保持するシール材とを備え、入射する光束の偏光状態および波面形状のうちの双方またはいずれか一方を、時間および空間のうちの双方またはいずれか一方に関して変調する液晶素子において、
   前記液晶素子は、さらに、前記光束が入射する光学的有効領域における前記液晶の平均の厚さをｄとし、各前記透明基板の基板面内の前記シール材によって囲まれる領域の平均の面積をＡとし、１対の前記透明基板と前記シール材とによって囲まれるシール空間に保持された前記液晶の体積をＶとしたとき、前記液晶の体積Ｖを０．８×Ａ×ｄ以下するように前記シール空間内に配置される充填部材を備えたことを特徴とする液晶素子。
2. 前記液晶は、各前記透明基板の基板面内の前記シール材によって囲まれる領域のうち前記光学的有効領域以外の領域における前記液晶の平均の厚さが、０より大きく０．５×ｄ以下である請求項１に記載の液晶素子。
3. 前記充填部材は、いずれかの前記透明基板における基板面側の一部を除去し、凸部として形成される請求項１または２に記載の液晶素子。
4. 前記充填部材は、有機材料からなる請求項１または２に記載の液晶素子。
5. 前記充填部材は、いずれかの前記透明基板の基板面内の前記シール材によって囲まれる領域のうち前記光学的有効領域以外の領域上に設けられる請求項１から４までのいずれか１項に記載の液晶素子。
6. 光源から出射される光束が前記液晶素子を透過した後に前記光束が集光される光学系の光路中に配置される請求項１から５までのいずれか１項に記載の液晶素子。
7. 少なくとも１つの光源と、前記光源から出射された光束を偏向させて走査する偏向走査手段と、前記光源と前記偏向走査手段との間に配置され、前記光源が出射する光束を偏向させる偏向手段とを備え、
   前記偏向手段は、請求項１から５までのいずれか１項に記載の液晶素子であり、入射する光束の偏向角を制御できることを特徴とする光走査装置。

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