JP3098857B2

JP3098857B2 - 照明装置

Info

Publication number: JP3098857B2
Application number: JP14178092A
Authority: JP
Inventors: 國治滝沢; 英夫藤掛; 正則中村; 考道笠原; 憲作高田; 守彦勝田; 亨柏木
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 1992-06-02
Filing date: 1992-06-02
Publication date: 2000-10-16
Anticipated expiration: 2015-10-16
Also published as: JPH05333324A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光源からの照射光を印
加電圧に応じて透過率が変化する液晶調光素子によって
調光し、色温度が一定の照明光を得るようにした照明装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＴＮ方式、ＳＴＮ方式、ＦＬＣ方式等の
液晶素子は偏光子を必要とするため輝度を上げるのが困
難であり、また、上記各方式の液晶素子を、大光量の光
源を用いる照明装置の調光素子として使用した場合に
は、偏光子の吸光による発熱が避けられないという問題
がある。

【０００３】これに対し、３次元網目状構造を有する高
分子マトリクスからなる担体膜の連続した孔内に液晶材
料が充填された構造、あるいは、高分子マトリクスから
なる担体膜中に液晶材料が粒状に分散した構造の複合膜
を、一対の透明電極で挟着した液晶素子は、偏光子を必
要としないため、上記の問題を解決することができる。

【０００４】上記液晶素子においては、無電圧時には、
液晶分子が、当該液晶分子と高分子マトリクスとの界面
の形状的な規制（界面作用）を受けてランダムな状態に
あるため、入射光が散乱されて、複合膜は不透明な状態
になっている。そして、複合膜を挾んだ一対の透明電極
間に電圧が印加されると、その印加電圧の大きさに応じ
て、正の誘電率異方性（Δε）をもつ液晶分子が、電気
光学効果によって電場方向に配向し、配列の乱れが徐徐
に解消されて光の透過率が上昇し、最終的には透明な状
態に至る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の液晶
素子は、不透明な状態と透明な状態の中間の状態におい
て、透過光のスペクトルが大きく変動するという問題が
ある。つまり、上記液晶素子は、不透明な状態と透明な
状態の中間の状態において、各波長の光の透過率と印加
電圧との関係が一定でなく、同一電圧における透過率が
波長によって大きくばらつき、特に、長波長側の光の透
過率が、短波長側の光の透過率より大きくなって、透過
光のスペクトルが、長波長側に大きくずれてしまう。ま
た、印加電圧に応じて各波長の透過率の割合が変化する
ので、透過率の変化に伴って、透過光の色調も変化して
しまうのである。

【０００６】上記の原因を検討したところ、以下のこと
が明らかとなった。すなわち、液晶素子に電圧を印加す
ると、前記のように、液晶分子が、電気光学効果によっ
て電場方向に配向するが、不透明な状態と透明な状態の
中間の状態では電界強度が十分でないので、液晶分子と
高分子マトリクスとの界面近傍において、前記界面作用
により、液晶分子の配向が乱される。このため、この界
面近傍の領域で、主として短波長光が散乱されて、その
透過率が、長波長光の透過率よりも低くなり、透過光
は、長波長側が優勢なスペクトルを示すものとなる。

【０００７】また、どの波長の光がどの程度散乱される
かは、液晶分子の配向の乱れの程度（液晶分子の配向が
乱される領域の広さや、上記領域内における液晶分子の
乱れ具合等）に応じて変化し、この配向の乱れの程度
は、印加電圧と界面作用との力関係に対応するので、印
加電圧に応じて各波長の透過率の割合が変化し、透過光
の色調が変化してしまう。

【０００８】このため、従来の液晶素子を、調光素子と
して使用した場合には、短波長側が優勢な調光光や、波
長依存性のない（つまり白色の）調光光が得られない
他、調光光の色調を一定にできないという問題がある。
したがって、上記液晶素子は、不透明な状態と透明な状
態の２段階の切り替えによる表示等には既に実用されて
いるが、光の透過率を多段階で調整できる調光素子に
は、利用可能性が期待されながらも、未だ実用化されて
いないのが現状である。

【０００９】本発明は、以上の事情に鑑みてなされたも
のであって、不透明な状態と透明な状態の中間の状態に
おいて、透過光のスペクトル分布がずれたり、透過光の
色調が不自然に変化したりせず、各調光段階における色
温度が一定の透過光を得ることのできる照明装置を提供
することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明は、請求項１では、光源と、電圧の印加ある
いは無印加に応じて前記光源からの照射光を透過あるい
は散乱する、もしくはその逆の動作を行う光散乱性の液
晶層、当該液晶層の両面に積層された第１の透明電極層
および第２の透明電極層から成り、当該液晶層を透過す
る透過光量を光透過状態および光散乱状態を示す有効面
における液晶層の面積比率により調整する液晶調光素子
とを備え、前記光源からの照射光を前記液晶調光素子に
よって調光し、各調光段階における色温度が一定の透過
光を得ることを特徴としている。請求項２では、請求項
１に記載の照明装置において、前記第１の透明電極層
は、矩形状の電極部分を複数本、櫛の歯状に接続した第
１のパターンと、矩形状の電極部分を複数本、櫛の歯状
に接続した第２のパターンとを有し、かつ第１のパター
ンの電極部分の幅が第２のパターンの電極部分の幅の２
倍に形成されるとともに、第１のパターンの電極部分と
第２のパターンの電極部分とが所定の隙間を持ちつつ交
互に平行に対向配置されており、前記第２の透明電極層
は、矩形状の電極部分を複数本、櫛の歯状に接続した第
１のパターンと、矩形状の電極部分を複数本、櫛の歯状
に接続した第２のパターンとを有し、かつ第１のパター
ンの電極部分の幅が第２のパターンの電極部分の幅の４
倍に形成されるとともに、第１のパターンの電極部分と
第２のパターンの電極部分とが所定の隙間を持ちつつ交
互に平行に対向配置されており、前記光散乱性の液晶層
は、第１の透明電極層の電極部分と第２の透明電極層の
電極部分とが直交するように両透明電極層によって挟ま
れ、両透明電極層への電圧の印加あるいは無印加に応じ
て、前記光源からの照射光を透過あるいは散乱する、も
しくはその逆の動作を行うことを特徴としている。

【００１１】上記の構成において、本発明の照明装置
は、有効素子面における液晶層の光学的状態の面積比率
を増減することにより、液晶層を透過する透過光量を調
光制御し、不透明な状態と透明な状態の中間の状態にお
いて、透過光のスペクトル分布がずれたり、透過光の色
調が印加電圧に応じて変化するおそれが無く、各調光段
階における色温度が一定の透過光を得ることを可能にし
ている。

【００１２】

【実施例】以下に、本発明を、その実施例を示す図面を
参照しつつ説明する。図１に示すように、この実施例の
照明装置を構成する液晶調光素子は、液晶層１と、一対
の透明電極２，３で挟着することにより構成されてい
る。また、両透明基板２，３の、液晶層１と接する側の
表面には、それぞれ、透明電極層４，５が形成されてい
る。請求項２との関係では、透明電極層４が第１の透明
電極層を構成し、透明電極層５が第２の透明電極層を構
成している。

【００１３】液晶層１としては、上記透明電極層４，５
からの電気的入力の有無により、光散乱と透過の２段階
の光学的状態に切り替えられるものが使用される。透明
基板２の表面に形成された透明電極層４は、図２に示す
ように、矩形状の電極部分４１ａを複数本、櫛の歯状に
接続した第１のパターン４１と、同じく矩形状の電極部
分４２ａを複数本、櫛の歯状に接続した第２のパターン
４２とを、各電極部分４１ａ，４２ａが交互に平行に配
置されるように、向かい合わせて形成したもので、第１
のパターン４１の電極部分４１ａの幅ｘは、第２のパタ
ーン４２の電極部分４２ａの幅ｙの２倍になっている。
また、両パターン４１，４２は、幅ｚの隙間によって隔
てられて、電気的に絶縁されている。

【００１４】一方、透明基板３の表面に形成された透明
電極層５は、図３に示すように、矩形状の電極部分５１
ａを複数本、櫛の歯状に接続した第１のパターン５１
と、同じく矩形状の電極部分５２ａを複数本、櫛の歯状
に接続した第２のパターン５２とを、各電極部分５１
ａ，５２ａが交互に平行に配置されるように、向かい合
わせて形成したもので、第２のパターン５２の電極部分
５２ａは、前記透明電極層４の電極部分４２ａと同じ幅
ｙに形成されており、第１のパターン５１の電極部分５
１ａの幅ｗは、上記電極部分５２ａの幅ｙの４倍になっ
ている。また、両パターン５１，５２は、幅ｚの隙間に
よって隔てられて、電気的に絶縁されている。

【００１５】上記両透明電極層４，５は、図４に示すよ
うに、電極部分４１ａ，４２ａと、電極部分５１ａ，５
２ａとを互いに直交させて、液晶層１の両面に配置され
ている。そして、１組の電極部分４１ａ，４２ａと、１
組の電極部分５１ａ，５２ａとが重なり合った、図中に
二点鎖線で囲んだ部分を１つの単位要素Ｇとして、多数
の同じ動作をする単位要素Ｇが配列されて、有効素子面
が構成されている。

【００１６】各単位要素Ｇは、図５に示すように、電極
部分４１ａ，５１ａと、両電極部分間の液晶層１とから
なる画素Ｇ１、電極部分４２ａ，５１ａと、両電極部分
間の液晶層１とからなる画素Ｇ２、電極部分４１ａ，５
２ａと、両電極部分間の液晶層１とからなる画素Ｇ３、
および、電極部分４２ａ，５２ａと、両電極部分間の液
晶層１とからなる画素Ｇ４の４つの画素により構成され
ている。各画素Ｇ１〜Ｇ４の面積比は、Ｇ１：Ｇ２：Ｇ
３：Ｇ４＝８：４：２：１になっている。

【００１７】上記各画素Ｇ１〜Ｇ４は、それぞれの電極
部分間に、液晶層１の光学的状態を切り替えるための電
気的入力を行うと、両電極部分間の液晶層１が、入力に
応じて光散乱または透過の何れかの状態に切り替わる。
すなわち、電極部分４１ａ，５１ａ間に電気的入力を行
うと、画素Ｇ１の部分の液晶層１の光学的状態が切り替
わり、電極部分４２ａ，５１ａ間に電気的入力を行う
と、画素Ｇ２の部分の液晶層１の光学的状態が切り替わ
り、電極部分４１ａ，５２ａ間に電気的入力を行うと、
画素Ｇ３の部分の液晶層１の光学的状態が切り替わり、
そして、電極部分４２ａ，５２ａ間に電気的入力を行う
と、画素Ｇ４の部分の液晶層１の光学的状態が切り替わ
る。

【００１８】上記各画素Ｇ１〜Ｇ４の光学的状態の組み
合わせは、図６(a) 〜(p) に示すように１６通りあり、
それぞれの組み合わせにおける斜線部分の面積比率Ｓ
は、図６(a) から図６(p) まで、１／１５ずつ段階的に
変化する。したがって、単位要素Ｇにおける光の透過率
は、無電圧時透過率（不透明状態）から飽和透過率（透
明状態）まで、１６段階に調整される。

【００１９】各単位要素Ｇの電極部分４１ａは、前述し
たように、透明電極層４を構成するパターン４１の櫛の
歯の一つであって、各単位要素Ｇ間で電気的に一体であ
り、他の電極部分４２ａ，５１ａ，５２ａについても、
それぞれが、各単位要素Ｇ間で電気的に一体であるの
で、上記の組み合わせは、有効素子面を構成する複数の
単位要素Ｇ上で同時に、同じ組み合わせで進行する。

【００２０】したがって、本実施例の液晶調光素子にお
いては、透明電極層４を構成するパターン４１，４２、
並びに、透明電極層５を構成するパターン５１，５２へ
の電気的入力の組合せにより、液晶層１を透過する透過
光量を、上記１６段階に調整することができる。液晶層
１としては、種々の構成のものを採用することができる
が、特に、３次元網目状構造を有する高分子マトリクス
からなる担体膜の連続した孔内に液晶材料が充填された
構造、または、高分子マトリクスからなる担体膜中に液
晶材料が粒状に分散した構造の複合膜や、高分子の骨格
鎖に、フレキシブルな炭素骨格などを介して液晶化合物
に相当する部分を結合した側鎖を有する側鎖型高分子液
晶と、通常の低分子の液晶材料との混合膜が好適であ
る。

【００２１】上記複合膜、混合膜は、いずれも、偏光板
を必要としないので、輝度を上げるのが容易であり、ま
た、大光量の光源を用いる照明装置の調光素子として使
用した場合に、吸光による熱が発生するおそれもない。
また、上記複合膜、混合膜は、何れも高分子を含有する
ので形状に自己保持性があり、セルギャップ制御が容易
であるため、大面積の素子を比較的安価に製造すること
ができ、また、一対の透明基材としてプラスチックフィ
ルム等を使用することで、大面積で、しかも、可撓性を
有する素子の作製が容易となる。

【００２２】前者の複合膜は、無電圧時には、孔内の液
晶分子が、高分子マトリクスとの界面で形状的な規制
（界面作用）を受けてランダムな状態にあるため、入射
光が散乱されて不透明な状態になっている。そして、複
合膜を挟着した一対の透明電極層から電圧が印加される
と、Δε＞０［但し、Δεは誘電率異方性であって、
式：

【００２３】

【数１】

【００２４】で表される（なお、

【００２５】

【外１】

【００２６】は分子軸方向の誘電率、

【００２７】

【外２】

【００２８】は分子軸に対して直交方向の誘電率を示
す）］のとき、電気光学効果によって液晶分子が電場方
向に配向して、入射光が散乱されずに透過できるように
なり、透明な状態に転換する。上記複合膜に使用される
液晶としては、ネマチック液晶、スメクチック液晶、カ
イラルネマチック液晶等、従来公知の種々の液晶を使用
できる。カイラルネマチック液晶としては、コレステリ
ック液晶があげられる他、通常のネマチック液晶に、上
記コレステリック液晶等のカイラル成分を配合したもの
も使用できる。

【００２９】なお、液晶材料としては、屈折率異方性お
よび誘電率異方性Δεの大きいものが、良好な特性を得
る上で好ましい。マトリックス高分子としては、可視光
に対する透明性の高いものが好ましく、例えばＰＭＭＡ
に代表される（メタ）アクリル系高分子、エポキシ系高
分子およびウレタン系高分子などが好適に使用され、可
撓性付与のためには、上記高分子等の中でも、より可撓
性の高いものを選択して使用するのが好ましい。

【００３０】また、上記マトリックス高分子には、複合
膜の透明電極層への密着性を向上させて、両者の位置ず
れや剥離を防止し、液晶表示素子の大面積化、可撓性付
与のさらに容易にするため、接着性高分子や粘着性高分
子を併用することもできる。接着性高分子、粘着性高分
子としては、マトリックス高分子の透明性を維持するた
めに、当該マトリックス高分子との相溶性に優れたもの
を使用するのが好ましく、例えば、マトリックス高分子
としてＰＭＭＡを使用する場合には、（メタ）アクリル
系の接着性高分子、接着性高分子が好適に使用される。

【００３１】後者の混合膜は、低周波または直流の電場
を印加すると、膜内で周波数に付随して電荷が移動する
ために乱流を生じて、入射光を強く散乱するようにな
り、不透明な状態となる。一方、高周波の電場を印加す
ると、膜内の液晶分子が電場方向にホメオトロピック配
向して、入射光が散乱されずに通過できるようになり、
透明な状態に転換する。

【００３２】上記混合膜は、上記両状態にて電場を除去
した際に、光の散乱状態または非散乱状態を安定に保持
するメモリー性があるので、駆動中に電圧を加え続ける
必要がなく、消費電力を減少できるという利点がある。
上記混合膜、複合膜の膜厚は、光散乱方式の液晶表示素
子とするために、可視光の波長以上である必要がある。
ただし、膜厚が大き過ぎると、素子の駆動電圧が高くな
り過ぎるので、実際上は、１０〜３０μｍ程度が適当で
ある。

【００３３】上記混合膜、複合膜には、液晶表示素子を
カラー表示タイプにするため、従来公知の各種染料を配
合することもできる。上記液晶層１を挟着する、一対の
透明基板２，３としては、ガラス板や、ポリエチレンテ
レフタレート（ＰＥＴ）フィルム、ポリエーテルサルホ
ン（ＰＥＳ）フィルム等のプラスチックフィルム等の透
明支持体が使用される。

【００３４】上記透明基板２，３の表面に形成される透
明電極層４，５としては、ＩＴＯ（インジウム・チン・
オキサイド）やSnＯ₂等の透明導電膜があげられる。こ
れら透明導電膜は、蒸着法、スパッタリング法あるいは
塗布法等で形成される。透明電極層４，５を前述した形
状にするには、当該透明電極層４，５を上記の方法で形
成する際に、その形状に対応したマスクを使用したり、
あるいは、透明基板２，３の表面に形成した透明導電膜
をエッチングしたりすればよい。

【００３５】次に本発明の照明装置を構成する液晶調光
素子の具体例について説明する。具体例透明電極２としてのガラス基板の表面に、マスクを用い
た真空蒸着法により、図２に示す第１および第２のパタ
ーン４１，４２を備えた、ＩＴＯからなる透明電極層４
を形成した。なお、図中の寸法は、第１のパターン４１
の電極部分４１ａの幅ｘ＝２mm、第２のパターン４２の
電極部分４２ａの幅ｙ＝１mm、両パターン４１，４２間
の隙間の幅ｚ＝０．５mm、透明基板２の縦寸法ｕ＝３０
０mm、横寸法ｖ＝２８０mmとした。

【００３６】また、透明基板３としてのガラス基板の表
面に、上記と同様にして、図３に示す第１および第２の
パターン５１，５２を備えた、ＩＴＯからなる透明電極
層５を形成した。なお、図中の寸法は、第１のパターン
５１の電極部分５１ａの幅ｗ＝４mm、第２のパターン５
２の電極部分５２ａの幅ｙ＝１mm、両パターン５１，５
２間の隙間の幅ｚ＝０．５mm、透明基板３の縦寸法ｕ＝
３００mm、横寸法ｖ＝２８０mmとした。

【００３７】つぎに、ネマチック液晶材料（メルクジャ
パン社製の品番Ｅ６３）７５重量部と、アクリル系高分
子（帝国化学社製の品番ＳＧ７９０ＤＲ）２５重量部と
を、ジクロロメタンを溶媒として、溶質濃度が２０％と
なるように溶解して、塗布液を作製し、この塗布液を、
上記透明基板２の、透明電極層４が形成された表面にバ
ーコート法で塗布し、２５℃、１気圧の空気中で溶媒を
蒸発させて、厚み１８μｍの複合膜を形成した。

【００３８】そして、この複合膜上に前記と同じ透明導
電膜を形成したガラスを重ね合わせ、約１kgｆ／cm²の
圧力で押圧して密着させて、液晶調光素子を製造した。
上記のようにして製造した液晶調光素子の、透明電極層
４，５の各パターン４１，４２，５１，５２を駆動回路
と接続し、各単位要素Ｇの、図６(a) 〜(p) に斜線を付
した画素が光透過状態、その他の画素が光散乱状態とな
るように、前述した組合せにしたがって、各電極部分４
１ａ，４２ａ，５１ａ，５２ａ間に、２００Ｈｚ、５０
Ｖの矩形波電圧を印加した際の、有効素子面を透過する
光の透過率を測定した。結果を図７に示す。

【００３９】上記図７の結果より、各単位要素Ｇにおけ
る光透過状態の面積比率Ｓを段階的に変化させると、有
効素子面を透過する光の透過率を、３％（不透明状態）
から飽和透過率である８０％（透明状態）まで、１６段
階に調整することができた。また、色温度３２００Ｋの
タングステンランプを光源として用いて、上記具体例１
の液晶調光素子の、各調光段階における透過光の色温度
を測定したところ、図８に示すように、色温度は常に一
定であった。

【００４０】これに対し、複合膜を挟着する一対の透明
基板として、前記パターンのない、有効素子面の全面に
均一な透明導電膜を有するものを使用したこと以外は、
上記具体例１と同様にして比較例１の液晶素子を製造
し、両透明電極間に印加する印加電圧値を変化させて透
過率を調整しつつ、同様に透過光の色温度を測定したと
ころ、図８に示すように、色温度が大きく変動した。

【００４１】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の構成によ
れば、不透明な状態と透明な状態の中間の状態におい
て、透過光のスペクトル分布がずれたり、透過光の色調
が不自然に変化したりせず、各調光段階における色温度
が一定の透過光を得ることのできる照明装置を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の照明装置を構成する液晶調光素子の層
構成の一例を示す断面図である。

【図２】上記液晶調光素子の、液晶層を挟着する一対の
透明基板のうちの一方と、その表面に形成される透明電
極層を示す平面図である。

【図３】上記液晶調光素子の、液晶層を挟着する一対の
透明基板のうちのもう一方と、その表面に形成される透
明電極層を示す平面図である。

【図４】上記液晶調光素子の平面図である。

【図５】上記液晶調光素子の、有効素子面を構成する単
位要素の１つを示す概略図である。

【図６】同図(a) 〜(p) は、それぞれ、単位要素を構成
する画素の光学的状態の組合せと、光学的状態の面積比
率との関係を説明する概略図である。

【図７】具体例の液晶調光素子における、各単位要素の
光透過状態の面積比率と、有効素子面を透過する光の透
過率との関係を示すグラフである。

【図８】具体例および比較例の素子における、光の透過
率と透過光の色温度との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１液晶層Ｇ単位要素Ｇ１画素Ｇ２画素Ｇ３画素Ｇ４画素

フロントページの続き (72)発明者笠原考道東京都渋谷区神南二丁目２番１号日本放送協会内 (72)発明者高田憲作大阪市此花区島屋一丁目１番３号住友電気工業株式会社大阪製作所内 (72)発明者勝田守彦大阪市此花区島屋一丁目１番３号住友電気工業株式会社大阪製作所内 (72)発明者柏木亨大阪市此花区島屋一丁目１番３号住友電気工業株式会社大阪製作所内 (56)参考文献特開平３−32078（ＪＰ，Ａ) 特開平３−121414（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/1334 F21V 8/00 601 G02F 1/1343

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、電圧の印加あるいは無印加に応じて前記光源からの照射
光を透過あるいは散乱する、もしくはその逆の動作を行
う光散乱性の液晶層、当該液晶層の両面に積層された第
１の透明電極層および第２の透明電極層から成り、当該
液晶層を透過する透過光量を光透過状態および光散乱状
態を示す有効面における液晶層の面積比率により調整す
る液晶調光素子とを備え、前記光源からの照射光を前記液晶調光素子によって調光
し、各調光段階における色温度が一定の透過光を得る、ことを特徴とする照明装置。
【請求項２】請求項１に記載の照明装置において、前記第１の透明電極層は、矩形状の電極部分を複数本、
櫛の歯状に接続した第１のパターンと、矩形状の電極部
分を複数本、櫛の歯状に接続した第２のパターンとを有
し、かつ第１のパターンの電極部分の幅が第２のパター
ンの電極部分の幅の２倍に形成されるとともに、第１の
パターンの電極部分と第２のパターンの電極部分とが所
定の隙間を持ちつつ交互に平行に対向配置されており、前記第２の透明電極層は、矩形状の電極部分を複数本、
櫛の歯状に接続した第１のパターンと、矩形状の電極部
分を複数本、櫛の歯状に接続した第２のパターンとを有
し、かつ第１のパターンの電極部分の幅が第２のパター
ンの電極部分の幅の４倍に形成されるとともに、第１の
パターンの電極部分と第２のパターンの電極部分とが所
定の隙間を持ちつつ交互に平行に対向配置されており、前記光散乱性の液晶層は、第１の透明電極層の電極部分
と第２の透明電極層の電極部分とが直交するように両透
明電極層によって挟まれ、両透明電極層への電圧の印加
あるいは無印加に応じて、前記光源からの照射光を透過
あるいは散乱する、もしくはその逆の動作を行う、ことを特徴とする照明装置。