JP2732444B2 - 液晶素子の過渡的誘電率測定法及び測定装置 - Google Patents

液晶素子の過渡的誘電率測定法及び測定装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は液晶を用いた液晶電気光
学素子に関するものである。特に本発明は液晶電気光学
素子において、ウイーンブリッジ発振回路および周波数
/電圧変換回路を用いた誘電率観測装置を利用して過渡
的誘電率を観測することによる液晶分子挙動を観測する
測定法及び装置に係る。
【0002】本発明の産業上の利用分野としては液晶表
示パネルの特性評価等に供するものである。
【0003】
【従来の技術】従来、強誘電性液晶素子の分極反転応答
の評価は、三角波法や反転電場法が用いられている。こ
れらの方法の特徴は、強誘電性液晶のもつ自発分極の反
転にともなう分極反転電流を求める方法としては比較的
簡便である。ここで分極反転電流は液晶分子の反転挙動
をよく反映しているため、その応答波形自体の解析評価
が広く行われている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、実際の
分極反転電流は、自発分極にともなうものだけでなく、
液晶に含まれている不純物による電流が重畳されること
や、外部からのノイズ等によって正確な反転挙動をとら
えることが困難な場合がある。また、低い周波数により
強誘電性液晶素子を駆動した場合、分極反転電流値は微
量となってしまうため、正確な測定ができない欠点があ
る。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、液晶分子
の分極反転電流の測定にかわる液晶分子反転の測定法と
して、液晶分子反転にともなって変化する液晶素子の見
かけの過渡的誘電率の変化を測定する方法を発明した。
すなわち本発明者等は過渡的誘電率を測定することによ
って、液晶分子の反転挙動を精度良く観測することに成
功した。
【0006】三角波法による分極反転電流応答と、過渡
的誘電率応答変化の比較を図1に示す。図1(A)は液
晶駆動電圧、(B)は過渡的誘電率応答、(C)は分極
反転電流、(D)は電気光学応答である。(C)の波形
には、不純物イオンによるピークが重畳されており、か
つ外来ノイズの影響が大きくみられる。これに対し、
(B)では、そうした悪影響が全く見られず、液晶分子
の反転挙動が捉えられ、(D)電気光学応答ともよく対
応している。また、過渡的誘電率の測定はネマティック
液晶素子の分子スイッチング挙動の観測にも応用でき
る。このように、過渡的誘電率変化をとらえることによ
って、液晶素子の反転挙動の観測に成功した。
【0007】本発明の目的は、上述の従来の分極反転電
流測定に代わる新しい測定法として、過渡的誘電率を測
定することを提唱し、これに基づいて過渡的誘電率の測
定を実現することにある。 第1発明 電源に接続した強誘電性液晶セルと、発振増幅器とによ
りウイーンブリッジ発振回路を構成し、該発振回路の発
振増幅器に接続された緩衝増幅回路を介して発振出力端
子に接続し、この緩衝増幅回路の出力側抵抗より分圧し
てその出力の一部を発振変化検出回路、積分回路、緩衝
増幅回路、前記発振増幅器のバイアス制御回路を介して
前記発振増幅器に接続した振幅安定化回路と、前記緩衝
増幅回路の発振出力端子に接続した周波数−電圧変換回
路とより成り、印加電圧による液晶分子の動きによって
過渡的に変化する誘電率の変化をウイーンブリッジによ
り読み取り、これを周波数−電圧変換し、液晶素子の過
渡的誘電率の変化を電圧の変化として読み取り表示する
ようにしたことを特徴とする液晶素子の過渡的誘電率測
定法。 第2発明 電源に接続した強誘電性液晶セルと、発振増幅器とによ
りウイーンブリッジ発振回路を構成し、該発振回路の発
振増幅器に接続された緩衝増幅回路を介して発振出力端
子に接続し、この緩衝増幅回路の出力側抵抗より分圧し
てその出力の一部を発振変化検出回路、積分回路、緩衝
増幅回路、前記発振増幅器のバイアス制御回路を介して
発振回路の最終段より入力側に帰還するよう接続された
発振安定化回路と、前記緩衝増幅回路の発振出力端子に
接続した周波数−電圧変換回路とより成り、印加電圧に
よる液晶分子の動きによって過渡的に変化する誘電率の
挙動をウイーンブリッジにより読み取り、これを周波数
−電圧変換し、液晶素子の過渡的誘電率の変化を電圧の
変化として読み取り表示するように構成したことを特徴
とする液晶素子の過渡的誘電率測定装置。
【0008】
【作用】以下図面について、本発明の実施態様を説明す
る。図2,図3は本発明に使用する液晶素子の構成を示
すものである。同図において1は基板、2は電極、3は
配向膜、4は液晶層を示す。強誘電性液晶は、図2に示
すような層構造をもち、また液晶表示素子は電界又は電
流の印加により液晶層内部において分子が反転する。液
晶の分子が反転するときは、図3に示すようなコーン上
に沿って動く。また、液晶分子は、誘電率異方性(分子
長軸に平行な誘電率と、垂直な誘電率の値に違いがあ
る)を持つ。よって、液晶分子が反転していく過程にお
いて、基板電極からの見かけ上の誘電率の値は連続的に
変化する。この変化をとらえることによって液晶分子の
反転挙動を観測するのが本発明の液晶素子の測定原理で
ある。
【0009】本発明において、液晶素子を用いてその過
渡的誘電率の変化を測定するには、図4におけるウイー
ンブリッジ発振回路に液晶素子を接続し測定するもの
で、液晶分子の反転にともなう液晶素子の誘電率の変化
は素子の静電容量変化として現れるため、容量の変化に
ともなって発振周波数が変化する。この発振周波数変化
を図5に示す周波数/電圧変換回路によって、電圧の変
化の形に変換して測定する。すなわち本発明において
は、以上の回路を用いて、誘電率の変化を電圧変化とし
て読み出し過渡的誘電率の変化を測定することができる
のである。
【0010】ここで、発振回路はRC型発振回路で安定
であれば何でも良く、また周波数/電圧変換回路の代わ
りにジッタアナライザ等を用いても良い。
【0011】
【実施例】本発明の液晶素子の過渡的誘電率測定法を図
4ないし図8について詳細に説明する。図4は本発明の
誘電率測定法を実施するに必要な振幅安定化ウイーンブ
リッジ発振回路図、図5はこれに接続する周波数ー電圧
変換回路図であり、図6,図7,図8はそれぞれその波
形図である。
【0012】まず図4の回路図について本発明の測定法
について説明する。図4において、5は印加電圧入力端
子、6は強誘電性液晶セル、7はウイーンブリッジ発振
回路である。8は発振増幅器であり、9はこれに接続さ
れた緩衝増幅回路、10は発振出力端子である。本発明に
使用するウイーンブリッジ発振回路は振幅安定化するこ
とが測定の精度をあげるために必要で、このためにウイ
ーンブリッジ発振回路7の出力側の抵抗R7 の個所で分
圧して出力の一部を発振変化検出回路11、積分回路12、
緩衝増幅回路13、発振増幅器のバイアス制御回路14より
成る振幅安定化回路25を通して発振増幅器8のバイアス
抵抗R21に帰還してその振幅を安定化させるものであ
る。
【0013】まず、ウイーンブリッジ発振回路7の入力
側に接続した液晶素子より成る強誘電性液晶セル6には
図6に示すように2種の電圧がかかっている。すなわ
ち、三角波形の駆動電圧V1 とウイーンブリッジ発振回
路7からの電圧V2 とである。強誘電性液晶セル6は、
三角波駆動電圧V1 とウイーンブリッジ発振回路7より
の発振周波数(40kHz)のパルス電圧V2 を印加する
と、液晶分子は図3に示すように円錐面にそい反転す
る。この液晶セル6の見かけ上の誘電率も液晶分子の動
きに従って過渡的に変化する。この誘電率の変化はセル
の静電容量の変化の形(Cc の値の変化)で表わされ
る。ウイーンブリッジ発振回路7の発振周波数fは次式
で表わされる。
【数1】
【0014】によって、印加電圧により、液晶分子が動
きその動きによって誘電率が変化し、その誘電率をウイ
ーンブリッジ発振周波数fの形で読みとるのである。R
1 ,R2 ,C1 はセル非駆動時には40kHzで発振回路
3が発振するように設定してあり、R1 =R2 =2.2 k
Ω,C1 =1500pFである。発振増幅器4の出力は、緩
衝増幅回路5において緩衝増幅され、発振出力端子10に
出力される。
【0015】出力電圧の一部は振幅安定化回路25を通じ
て発振回路7のバイアス電流を制御するバイアス制御回
路14に帰還される。すなわち、出力電圧の一部は整流器
15で整流された後、分圧され、その振幅変化が発振変化
検出回路11により検出される。上記の整流器15で整流さ
れた波形が図7の(E)に示す波形である。この波形の
整流された電圧成分は発振変化検出回路11に送られ、こ
こで発振周波数の変化に対応した電圧変化を検出する。
ここで、出力電圧の振幅変化が急激なときは、発振変化
検出回路11だけではその振幅変化に追従できないので、
検出回路11の出力は次の積分回路12に送ると共に、急激
な変化はバイパス11Bを通じて緩衝増幅回路13に直接伝
えられるようにする。バイパス11Aと11Bとの波形が図
7の波形(F)と波形(G)であり、これら両成分が緩
衝増幅回路13で緩衝増幅され、図7の波形(H)として
発振回路7のバイアス制御回路14に入力される。これに
より発振回路8の−入力バイアスを制御し、その振幅を
安定化させるのである。(なお、図4において、回路1
1,12,13の各オペアンプの+電極、−電極の結線は省
略して示してある。)次に図5について説明する。図5
において、19は周波数−電圧変換回路で、20はその入力
端子、21はシュミットトリガ回路で、周波数−電圧変換
用IC回路22、引算回路23を介して電圧出力端24に送ら
れる。ここで、周波数−電圧変換回路19の入力端子20は
図4の発振出力端子10に接続される。
【0016】図4の発振出力端子10より発振出力(サイ
ン波、図8の波形(A))はまず図5の周波数−電圧変
換回路19の入力端子20よりシュミットトリガ回路21に入
力され、サイン波(A)から矩形波(図8の波形
(B))に変換される。そしてIC回路22に入力され
る。このIC回路22は周波数−電圧変換用1チップIC
であり、0〜100 kHzを0〜10Vに直接的に変換す
る。IC回路22からの出力電圧はセル非駆動時は、40k
Hzで4Vであるがセル駆動時の誘電率の変化にともな
うIC回路18の出力電圧の変化量は数10mVであるた
め、引算回路23によってセル非駆動時の諸出力を0ボル
トに調整し、セル駆動にともなう電圧出力(0mV〜50
mV)のみをその出力端子24に出力するようにセットし
てあり、液晶素子の所要の過渡的誘電率が測定できるの
である。
【0017】
【発明の効果】本発明によると、液晶電気光学素子にお
いて、過渡的誘電率を観測することによる液晶分子挙動
が高精度で測定することが可能となった。本発明の測定
法を応用することによって、 液晶分子反転の観測 次世代強誘電性液晶素子作製の問題点の一つである
層構造の解析 ネマティック液晶における電気2重層の解析 等の応用が期待できる。
【0019】また、本発明の測定法を利用することによ
り、従来の分極反転電流の観測では、様々な雑音成分の
重畳による測定誤差が問題となるが、この方法では外来
雑音電流成分を分離して測定することが可能となる工業
上顕著な利点があり有用である。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は従来の三角波法による分極反転電流応答
波形と、本発明の過渡的誘電率応答波形と電気光学応答
波形とを対比した比較図である。
【図2】図2は本発明に使用する液晶素子の構成を示す
図である。
【図3】図3は本発明に使用する液晶素子の作用説明図
である。
【図4】図4は本発明の測定に使用する振幅安定化ウイ
ーンブリッジ発振回路図である。
【図5】図5は本発明の測定に使用する周波数−電圧変
換回路図である。
【図6】図6(A),(B),(C)は本発明の測定の
波形図である。
【図7】図7(D),(E),(F),(G),(H)
は本発明測定の波形図である。
【図8】図8(A),(B),(C),(D)は本発明
測定の波形図である。
【符号の説明】
1 基板 2 電極 3 配向膜 4 液晶層 5 印加電圧入力端子 6 強誘電性液晶セル 7 ウイーンブリッジ発振回路 8 発振増幅器 9 緩衝増幅回路 10 発振出力端子 11 発振変化検出回路 12 積分回路 13 緩衝増幅回路 14 発振増幅器のバイアス制御回路 15,16,17,18 整流器 R0 〜R21 抵抗 C1 〜C7 コンデンサー 19 周波数−電圧変換回路 20 発振入力端子 21 シュミットトリガ 22 周波数−電圧変換用1チップIC回路 23 緩衝増幅回路 24 電圧出力端子 C8 〜C17 コンデンサー R22〜R31 抵抗 25 振幅安定化回路

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電源に接続した強誘電性液晶セル6と、
    発振増幅器8とによりウイーンブリッジ発振回路7を構
    成し、該発振回路7の発振増幅器8に接続された緩衝増
    幅回路9を介して発振出力端子10に接続し、この緩衝増
    幅回路9の出力側抵抗R7より分圧してその出力の一部
    を発振変化検出回路11、積分回路12、緩衝増幅回路13、
    前記発振増幅器8のバイアス制御回路14を介して前記発
    振増幅器8に接続した振幅安定化回路25と、前記緩衝増
    幅回路9の発振出力端子10に接続した周波数−電圧変換
    回路19とより成り、印加電圧による液晶分子の動きによ
    って過渡的に変化する誘電率の変化をウイーンブリッジ
    により読み取り、これを周波数−電圧変換し、液晶素子
    の過渡的誘電率の変化を電圧の変化として読み取り表示
    するようにしたことを特徴とする液晶素子の過渡的誘電
    率測定法。
  2. 【請求項2】 電源に接続した強誘電性液晶セル6と、
    発振増幅器8とによりウイーンブリッジ発振回路7を構
    成し、該発振回路7の発振増幅器8に接続された緩衝増
    幅回路9を介して発振出力端子10に接続し、この緩衝増
    幅回路9の出力側抵抗R7より分圧してその出力の一部
    を発振変化検出回路11、積分回路12、緩衝増幅回路13、
    前記発振増幅器8のバイアス制御回路14を介して発振回
    路の最終段より入力側に帰還するよう接続された発振安
    定化回路25と、前記緩衝増幅回路9の発振出力端子10に
    接続した周波数−電圧変換回路19とより成り、印加電圧
    による液晶分子の動きによって過渡的に変化する誘電率
    の挙動をウイーンブリッジにより読み取り、これを周波
    数−電圧変換し、液晶素子の過渡的誘電率の変化を電圧
    の変化として読み取り表示するように構成したことを特
    徴とする液晶素子の過渡的誘電率測定装置。
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JP5211599B2 (ja) * 2007-09-14 2013-06-12 宇部興産株式会社 液晶物性評価装置
TW202235861A (zh) * 2020-12-28 2022-09-16 日商Dic股份有限公司 液晶材料之製造方法及液晶材料之評價方法與其測定裝置、以及液晶材料

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