JP4450097B2 - 視角制御素子、液晶表示装置、電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、視角制御素子、液晶表示装置、電子機器に関し、特に広視角、狭視角の切り替えが可能な視角制御素子、およびこれを備えた液晶表示装置に関するものである。

液晶表示装置は、従来から視角が狭いという課題を有しており、広い視角特性が求められている。特に、多人数で表示を見るテレビジョンやカーナビゲーション、デジタルカメラなどを用途とするものがそうである。一方、使用者が一人で表示を見ているときに他人には覗かれたくないという要求もあり、その場合は、逆に狭い視角特性が求められている。例えば公共の場で使用するノートパソコンや携帯電話などを用途とするものがそうである。近年、例えばノートパソコンでテレビ番組を見たり、携帯電話でゲームをしたりというように、同じ機器であっても使い方によって視角の広／狭を切り替えたいという要求が高まってきた。

このような要求に対して、表示用液晶素子に加えて位相差制御用液晶素子を備え、位相差制御用液晶素子に印加する電圧を制御することによって視角特性を変化させようとするものが提案されている（例えば下記の特許文献１）。この特許文献１では、位相差制御用液晶素子で用いる液晶モードとして、カイラルネマチック液晶、ホモジニアス液晶、ランダム配向のネマチック液晶などが例示されている。

特開平１１−１７４４８９号公報

上記特許文献１では、位相差制御用液晶素子を用いることによって視角の広／狭を切り替え可能であると述べているが、その効果は充分とは言えなかった。例えば特許文献１の図４にはコントラスト比が１０：１の等コントラスト曲線が示されており、狭視角化時には確かに広視角方向のコントラストが低下している。しかしながら、この程度の変化では隣にいる人から表示が充分に視認されてしまう。一般に、コントラスト比が２：１まで低下しても充分に表示を視認できるからである。

上記の目的を達成するために、本発明の視角制御素子は、任意の表示装置に隣接配置して用いられ、前記表示装置の視角を制御する視角制御素子であって、一対の透光性基板と、前記一対の透光性基板間に挟持された液晶層と、前記液晶層に電界を印加するための一対の電極とを有する視角制御用液晶セルを備え、前記一対の電極のうちの少なくとも一方の電極において、当該電極の前記表示装置の有効表示領域に対応する領域がパターニングされており、前記パターニングされた電極が複数の領域に分割され、分割された個々の領域の電極に対して個別に電圧が印加可能とされ、前記一対の電極からの印加電圧によって前記液晶層の配向状態を変化させ、前記一対の電極に非選択電圧が印加される領域および選択電圧が印加される領域のいずれか一方に視角の狭い領域を形成し、他方に及び視角の広い領域を形成することで前記表示装置の視角を制御することを特徴とする。
この構成によれば、分割された複数の電極に対して個別に電圧を印加できるので、液晶層に対する印加電界を場所によって変えることができる。そのため、斜めから見た場合、人間の目にはこのような視角制御用液晶セルを通してその背面側にある表示を視認するのが困難になる。これにより狭視角、広視角の切り替えが可能となる。

また、前記一対の電極に非選択電圧が印加される領域および選択電圧が印加される領域は、いずれか一方が法線方向から外れた斜め方向に対して明るい領域を形成し、他方が法線方向から外れた斜め方向に対して暗い領域を形成し明るい領域と暗い領域とが近接していることを特徴とする。この構成によれば、斜めから見た場合、明るい領域と暗い領域が近接するように制御することが可能となり、人間の目にはこのような視角制御用液晶セルを通してその背面側にある表示を視認するのが困難になる。これにより狭視角、広視角の切り替えが可能となる。

また、分割された個々の電極は、略等しい面積を有することが望ましい。
その理由は、上と同様、明るい領域の面積が小さすぎると、暗い領域を通して背面側の表示が透けて見えることになり、逆に明るい領域の面積が大きすぎると、背面側の表示が直接見えてしまい、視角制限効果が得られないからである。
また、前記液晶層に誘電率異方性が負の液晶材料が用いられ、前記一対の電極に対して非選択電圧を印加することで視角の狭い領域を形成し、前記一対の電極に対して選択電圧を印加することで視角の広い領域を形成することを特徴とすることが望ましい。
この構成によれば、例えば、ハイブリット配向を呈する液晶層をもつ視角制御素子において、選択電圧印加時にはハイブリッド配向状態が崩れ液晶分子が基板面に対してほぼ水平に倒れほぼすべての視角範囲にわたって表示の明るさが維持され、非選択電圧印加時には斜めから見たときに表示が暗くなり視角を狭めることが可能となる。
また、前記一対の電極の一方の電極は、全面ベタ状に形成されており、前記一対の電極の他方の電極は、複数の正方形パターンに分割され、縦方向に並ぶ前記正方形パターンは１個おきに接続されるとともに横方向に隣接する前記正方形パターンの列同士は分離され、１列おきに位置する前記正方形パターンの列同士は接続されることを特徴とする。
この構成によれば、容易に、分割された個々の領域の電極に対して個別に電圧が印加可能となる。
また、前記一対の透光性基板の一方の基板の前記液晶側に垂直配向膜が形成され、他方の基板の前記液晶側に水平配向膜が形成されることを特徴とする。
この構成によれば、容易にハイブリット配向を呈する液晶層をもつ視角制御素子が提供可能となる。

本発明の液晶表示装置は、上記本発明の視角制御素子と、前記視角制御素子に隣接配置された表示用液晶セルとを備えたことを特徴とする。
この構成によれば、本発明の視角制御素子を表示用液晶セルに隣接配置したことにより広視角、狭視角の切り替え効果の高い表示が得られ、様々な使用環境や用途に適応可能な液晶表示装置を実現することができる。

また、本発明の液晶表示装置は、前記表示用液晶セルの前記視角制御用液晶セルが配置された側と反対側の外面に設けられた第１の偏光板と、前記視角制御用液晶セルの前記表示用液晶セルが配置された側と反対側の外面に設けられた第２の偏光板と、前記表示用液晶セルと前記視角制御用液晶セルとの間に設けられた第３の偏光板とを備えた構成とすることができる。なお、本明細書において液晶セルや基板の「外面」、「内面」という表現を用いるが、「内面」とは各基板の主面のうち、液晶層側に向く面のことであり、「外面」とはそれと反対側の面のことである。
この構成によれば、第１の偏光板と第２の偏光板とが表示用液晶セルを挟持することになり、これら偏光板が表示用液晶セルの偏光子と検光子として機能する。さらに、第２の偏光板と第３の偏光板とが視角制御用液晶セルを挟持することになり、これら偏光板の光軸配置を最適化することでより効果的な視角制限効果を得ることができる。

あるいは、本発明の液晶表示装置は、前記表示用液晶セルの前記視角制御用液晶セルが配置された側と反対側の外面に設けられた第１の偏光板と、前記視角制御用液晶セルの前記表示用液晶セルが配置された側と反対側の外面に設けられた第２の偏光板とを備えた構成とすることができる。
この構成によれば、上記の構成と比べて偏光板が１枚少ない分だけ表示が明るくなり、装置全体が薄型化できるという効果がある。それに加えて、表示用液晶セルと視角制御用液晶セルとの間に偏光板がないことにより、２つの液晶セルの相互作用によって上記の構成とは異なる作用、効果が得られ、より狭い範囲に視角を制限することもできる。これについては後の実施の形態の項で詳述する。

本発明の電子機器は、上記本発明の液晶表示装置を備えたことを特徴とする。
この構成によれば、広視角、狭視角の切り替え効果の高い液晶表示部を有し、様々な使用環境や用途に適応可能な電子機器を実現することができる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の第１の実施の形態を図１〜図９を参照して説明する。
本実施形態の液晶表示装置は、表示用液晶セルに視角制御用液晶セルを積層したものであるが、視角制御用液晶セルを用いて表示用液晶セルの視角特性を狭い角度範囲に制限するものであるから、表示用液晶セルは元来広視角の液晶モードであるＶＡＮ（Vertical Aligned Nematic、垂直配向）、ＩＰＳ（In-Plain Switching）等のモードを採用することが望ましい。ここでは、ＶＡＮを例に取り、説明する。また、表示用液晶セルには、画素スイッチング素子として薄膜ダイオード（Thin Film Diode, 以下、ＴＦＤと略記する）を用いたアクティブマトリクス方式の透過型液晶表示装置の例を挙げる。なお、各図において、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材毎に縮尺を異ならせてある。

図１は、本実施形態の液晶表示装置１００の表示用液晶セルについての等価回路を示している。この液晶表示装置１００は、走査信号駆動回路１１０およびデータ信号駆動回路１２０を含んでいる。液晶表示装置１００には、信号線、すなわち複数の走査線１３と、走査線１３と交差する複数のデータ線９とが設けられ、走査線１３は走査信号駆動回路１１０により駆動され、データ線９はデータ信号駆動回路１２０により駆動される。そして、各画素領域１５０において、走査線１３とデータ線９との間にＴＦＤ素子４０と液晶表示要素１６０（液晶層）とが直列に接続されている。なお、図１では、ＴＦＤ素子４０が走査線１３側に接続され、液晶表示要素１６０がデータ線９側に接続されているが、これとは逆にＴＦＤ素子４０をデータ線９側に、液晶表示要素１６０を走査線１３側に設ける構成としても良い。

次に、図２に基づいて、本実施形態の液晶表示装置１００の表示用液晶セルにおける電極の平面構造（画素構造）について説明する。
図２に示すように、本実施形態の表示用液晶セルは、走査線１３にＴＦＤ素子４０を介して接続された画素電極３１がマトリクス状に設けられており、紙面の垂直方向に画素電極３１と対向するように対向電極９が短冊状（ストライプ状）に設けられている。対向電極９は上述したデータ線のことであり、走査線１３と交差する形のストライプ形状を有している。本実施の形態において、各画素電極３１が形成された個々の領域が１つのドット領域であり、マトリクス状に配置された各ドット領域毎にＴＦＤ素子４０が具備され、ドット領域毎に表示が可能な構造になっている。図２では簡易的に各画素電極を略矩形状に図示したが、実際には後述するように島状部と連結部とを有している。ここで、ＴＦＤ素子４０は走査線１３と画素電極３１とを電気的に接続するスイッチング素子であって、ＴＦＤ素子４０は、Ｔａを主成分とする第１導電膜と、第１導電膜の表面に形成され、Ｔａ₂Ｏ₃を主成分とする絶縁膜と、絶縁膜の表面に形成され、Ｃｒを主成分とする第２導電膜とを含むＭＩＭ（Metal-Insulator-Metal）構造を具備して構成されている。そして、ＴＦＤ素子４０の第１導電膜が走査線１３に接続され、第２導電膜が画素電極３１に接続されている。

次に、図３、図４に基づいて、本実施の形態の液晶表示装置１００の画素構成について説明する。図３は表示用液晶セルの画素構成、特に画素電極３１の平面構成を示す模式図である。図４は視角制御用液晶セルを含む液晶表示装置全体の断面図であり、図３のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。
本実施の形態の液晶表示装置１００は、図３に示したように、データ線９および走査線１３等により囲まれた領域の内側に画素電極３１を備えてなるドット領域を有している。このドット領域内には、図３に示すように、１つのドット領域に対応して３原色のうちの異なる色の１つの着色層が配設され、隣接する３つのドット領域（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３）で各着色層１６Ｂ（青色），１６Ｇ（緑色），１６Ｒ（赤色）を含む１つの画素を形成している。

本実施の形態の液晶表示装置１００は、図４に示すように、上側（使用者側）から見て表示用液晶セル１、視角制御用液晶セル２、バックライト１５がこの順に積層されている。図４では表示用液晶セル１、視角制御用液晶セル２、バックライト１５をそれぞれ離して図示しているが、実際には任意の手段を用いて密着させることが望ましい。

まず、表示用液晶セル１について説明する。
表示用液晶セル１においては、上基板（対向基板）２５とこれに対向配置された下基板（素子基板）１０との間に、初期配向状態が垂直配向を呈する、誘電異方性が負の液晶材料からなる液晶層５０が挟持されている。なお、透過率向上のため、液晶層５０にカイラル剤を添加しても良い。

上基板２５は、ガラス、石英等の透光性材料からなる基板本体２５Ａの内面（基板本体２５Ａの液晶層側）に、赤色着色層１６Ｒ、緑色着色層１６Ｇ、青色着色層１６Ｂを有するカラーフィルタ１６が設けられている。図４では図示を省略したが、各着色層１６Ｒ，１６Ｂ，１６Ｇの周囲は金属クロム等からなるブラックマトリクスＢＭで囲まれ、ブラックマトリクスＢＭにより各ドット領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３の境界が形成されている（図３参照）。カラーフィルタ１６上には、インジウム錫酸化物（Indium Tin Oxide,以下、ＩＴＯと略記する）等の透明導電膜からなる対向電極９が形成され、対向電極９上にはポリイミド等からなる配向膜（図示略）が形成されている。配向膜は液晶分子を膜面に対して垂直に配向させる垂直配向膜として機能するものであり、ラビングなどの配向処理は施されていない。なお、図４において対向電極９は、紙面横方向に延びる形のストライプ状に形成されており、紙面横方向に並ぶ複数のドット領域に共通の電極として機能する。また、対向電極９上には、後述する配向制御手段としての突起４３が液晶層５０に向けて突出するように形成されている。突起４３は樹脂等で形成されており、円錐状、円錐台状、多角錐状、多角錐台状、あるいはこれらに丸みを加えた半球状等の形状をしている。

下基板１０は、石英、ガラス等の透光性材料からなる基板本体１０Ａの内面に、ＩＴＯ等の透明導電膜からなる画素電極３１と、ポリイミド等からなる垂直配向機能を持つ配向膜（図示略）とが形成されている。なお、図４ではＴＦＤ素子や走査線等の図示は省略している。特に本実施の形態では、図３に示すように、画素電極３１は複数の島状部３１ａ，３１ｂ，３１ｃを含んで構成されており、各島状部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ同士が連結部３９を介して電気的に接続されて画素電極３１を構成している。つまり、本実施形態では、各ドット領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３を、略同じ形状の複数（図３では３つ）のサブドット領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３に分割して構成している。つまり、下基板１０側の画素電極３１が、複数（図３では３つ）の島状部３１ａ，３１ｂ，３１ｃと、隣接する各島状部を互いに電気的に接続する連結部３９，３９とを含んで構成されており、各島状部３１ａ，３１ｂ，３１ｃがそれぞれサブドット領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を構成している。

通常、カラー液晶表示装置では、１つのドット領域の縦横比が約３：１となるので、本実施形態のように、１つのドット領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３に３つのサブドット領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を設けると、１つのサブドット領域の形状が略円形や略多角形となる。各サブドット領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３（島状部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ）の形状は、図３では略正八角形状であるが、これに限らず、例えば円形状、その他の多角形状のものとすることができる。そして、画素電極３１の正八角形状の各島状部３１ａ，３１ｂ，３１ｃの中央に、前述した上基板２５側の突起４３が配置されている。液晶層５０の液晶分子５０Ｂは非選択電圧印加（電圧オフ）時に垂直配向しているが、選択電圧印加（電圧オン）時にはこの突起４３による形状効果と画素電極３１の島状部の持つフリンジ電界効果とが相俟って、液晶分子５０Ｂは３６０°全方位に倒れることになる。このような配向制御を行うことにより、広視角化が図れる。あるいは、突起４３に代えて、対向電極９をパターニングして多角形または円形の開口部を設けても、同様の配向制御効果が得られる。

次に、視角制御用液晶セル２について説明する。
視角制御用液晶セル２においては、上基板６１とこれに対向配置された下基板６２との間に、誘電異方性が正のネマチック液晶材料からなる液晶層６５が挟持されている。上基板６１は、ガラス等の透光性材料からなる基板本体６１Ａの内面に、ＩＴＯ等の透明導電膜からなる上電極６３が形成されている。同様に、下基板６２側も、ガラス等の透光性材料からなる基板本体６２Ａの内面に、ＩＴＯ等の透明導電膜からなる下電極６４が形成されている。視角制御用液晶セル２においては、これら上電極６３、下電極６４はともにドット領域毎には分割されていないが、その平面形状が異なっている。上電極６３は、上基板６１の内面に全面ベタ状に設けられている。一方、下電極６４は、図５に示すように、表示用液晶セル１の有効表示領域内において下基板６２の内面にチェッカーフラグ状にパターニングされている。すなわち、正方形状の電極が存在する部分と存在しない部分が縦横に交互に配置されており、本実施形態では繰り返しピッチＰ（電極が存在する部分と存在しない部分の寸法の和）が８ｍｍに設定されている。またこの例では、チェッカーフラグパターンの縦横の配列方向は、表示用液晶セルの画素の縦横の配列方向と一致している。なお、表示用液晶セル１の有効表示領域とは、実際に表示に寄与するドット領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３がマトリクス状に配列された箇所のことをいう。

液晶層６５は、初期状態で液晶分子６５Ｂが１８０°ツイストしたものである。このような初期配向状態は、例えば上基板６１の上電極６３上および下基板６２の下電極６４上に水平配向用ポリイミド膜を塗布、焼成してラビング処理することによって得られる。そして、上電極６３、下電極６４間に電圧を印加することにより液晶層６５の液晶分子を基板面にほぼ垂直に立たせることができる。上述したように、液晶層６５には誘電異方性が正のネマチック液晶材料を用い、その複屈折率Δｎと液晶層厚ｄとの積Δｎ・ｄを１．５μｍと設定する。

また、表示用液晶セル１の上基板２５の外面側に第１の偏光板１７が設けられ、視角制御用液晶セル２の下基板６２の外面側に第２の偏光板６６が設けられ、表示用液晶セル１の下基板１０と視角制御用液晶セル２の上基板６１との間に第３の偏光板１９が設けられている。第２の偏光板６６と第３の偏光板１９とは、図６に示すように、互いの吸収軸方向が平行になるように配置され、表示画面を正面から見たときに画面の上下方向（１２時−６時方向）に一致するように配置されている。また、第２の偏光板６６および第３の偏光板１９の吸収軸と、視角制御用液晶セル２の法線方向から見た液晶層６５の遅相軸の方向とが平行になるように配置されている。視角制御用液晶セル２の液晶層６５の遅相軸の方向は視角制御用液晶セル２のラビング方向に一致するので、言い換えると、第２の偏光板６６および第３の偏光板１９の吸収軸と視角制御用液晶セル２の上基板６１のラビング方向および下基板６２のラビング方向とが平行に設定されている。よって、上基板６１のラビング方向は、図６に示すように、画面の上下方向であって、１２時から６時に向かう方向とするか、あるいは６時から１２時に向かう方向とする。なお、第１の偏光板１７の吸収軸は第２の偏光板６６および第３の偏光板１９の吸収軸と直交しており、表示用液晶セルがノーマリーブラックの構成となっている。さらに、視角制御用液晶セル２の外面側の第２の偏光板６６の外側には、透過表示用光源となるバックライト１５が設けられている。

上記構成の液晶表示装置においては、１８０°ツイスト配向を呈する液晶層６５を持つ視角制御用液晶セル２が備えられたことによって、選択電圧印加（電圧オン）時に表示用液晶セル１が本来持つ視角を狭め、視角制限効果を発揮することができる。
その作用について以下、説明する。
すなわち、視角制御用液晶セル２のΔｎ・ｄが十分に大きいため、非選択電圧印加（電圧オフ）時には旋光性が生じる。したがって、第２の偏光板６６を透過した直線偏光は１８０°旋光して第３の偏光板１９を透過する。一方、十分に高い電圧、例えば±１０Ｖ、１００Ｈｚの矩形波交流電圧を印加（電圧オン）すると、液晶が基板面に対してほぼ垂直に立ち上がって複屈折性を失うため、やはり第２の偏光板６６を透過した直線偏光は第３の偏光板１９を透過する。したがって、観察者がパネルの法線方向から見る限りにおいては、液晶層６５に電圧を印加した場合と印加しない場合の区別が付かない。ということは、電圧オン時にパネル法線方向から見た場合には、視角制御用液晶セル２のパターニングされた下電極６４が存在する箇所と存在しない箇所との見分けが付かないことになる。ところが、液晶が基板面に対してほぼ垂直に立ち上がった状態においては、パネル法線方向から外れた斜め方向から入射した光は位相差を感じることになるため、第２の偏光板６６を透過した直線偏光が第３の偏光板１９を透過する成分が減り、暗くなる。したがって、電圧オン時に斜め方向からは見た場合には、視角制御用液晶セル２のパターニングされた下電極６４が存在する箇所と存在しない箇所との区別が付くことになる。すなわち、明るい領域と暗い領域が交互に近接して存在することになり、人間の目にはこのような視角制御用液晶セル２を通して表示用液晶セル１の表示を視認するのが困難になる。これにより狭視角化が可能となり、電極に対して電圧を印加しなければ広視角化が可能となる。

本実施形態における視角制御用液晶セルと第２の偏光板、第３の偏光板だけを用いて視角特性を測定した結果を図７，図８に示す。図７は電圧オフ時、図８は電圧オン時（印加電圧：±１０Ｖ、周波数：１００Ｈｚの矩形波交流電圧印加時）の等透過率曲線を示しており、縦軸、横軸は液晶セル法線方向に対する極角（°）である。ただし、これはあくまでも視角制御用液晶セルのみの視角特性であるから、液晶表示装置全体の視角特性はこれに表示用液晶セルの視角特性を掛け合わせたものになる。
電圧オフ時には、図７に示すように、全ての視角領域で透過率が４２〜５０％、すなわち一方の直線偏光をほとんど透過するため、表示用液晶セルの広い視角特性がそのまま保持されることになる。その一方、電圧オン時には、図８に示すように、透過率が低い領域ができ、特に左右方向（３時−９時方向）で透過率０〜３０％程度の領域が大きく生じるため、左右方向からの覗き見を効果的に防止することができる。

また、図９は図７，図８における左右方向（３時−９時方向）の透過率を示すグラフである。図９における横軸は極角（°）、縦軸は透過率（％）である。極角５０°付近で透過率がパネル法線方向透過率（極角０°における透過率）の１割以下まで低下しており、表示が認識しにくくなっている。ところが、極角が４０°程度になると、透過率がパネル法線方向透過率（極角０°における透過率）の５割程度になるため、表示が認識できてしまう。本実施の形態においては、視角制御用液晶セル２の下電極６４をパターニングしているため、明るい領域と暗い領域とが近接してできることになる。そのコントラストは極角４０°では高々２しかないが、暗い領域の隣に明るい領域があり、その面積も等しいために、暗い領域を通して表示用液晶セル１の表示を見ることが困難になる。なお、明るい領域の面積が小さすぎると、暗い領域を通して背面側の表示が透けて見えることになり、逆に明るい領域の面積が大きすぎると、背面側の表示が直接見えてしまうので、視角制限効果が得られなくなる。一方、パネル法線方向からは、電圧が印加された部分も印加されない部分もほぼ同じ透過率であるから、視角制御用液晶セル２のオン／オフは表示用液晶セル１の表示に影響を及ぼさない。

次に、本発明者は、視角制御用液晶セルのチェッカーフラグパターンのピッチを様々に変化させ、３時方向の極角が４０°の方向から表示用液晶セルの表示が認識できるか否かを、８人の被験者に５点法で採点させた。その結果を図１０に示す。図１０の横軸はチェッカーフラグパターンのピッチ（ｍｍ）、縦軸は見やすさである。表示パターンにはテキスト（文字列）を使用し、テキストのフォントの大きさは、高さ３ｍｍと５ｍｍの２種類を用意した。見やすさの指標は、５点：「全て認識できる」、４点：「見にくいが認識できる」、３点：「所々認識できないがテキストの要旨は読み取れる」、２点：「所々認識できるがテキストの要旨は読み取れない」、１点：「全く認識できない」、である。被験者はこの５段階で採点し、図１０の縦軸の見やすさの値は８人の点数の平均値を採った。

図１０に示すように、ピッチが２ｍｍよりも小さい領域では、明るい領域と暗い領域とが混じり合って、表示が多少薄暗くグレーになるだけで表示の認識には支障がなくなる。一方、ピッチが２０ｍｍよりも大きい領域では、明るい領域が広くなってその部分のテキストが読み取れるようになるとともに、暗い領域が明るい領域との対比で十分に暗くなって見えなくなるため、表示が認識できてしまう。フォントの大きさはピッチが大きい領域では多少影響するが、視角制限に対して最も効果があるピッチは、フォントの大きさに関係なく、２ｍｍ以上、２０ｍｍ以下（見やすさの平均値が２以下となる領域）であることが判った。

なお、本実施形態では、視角制御用液晶セル２の下電極６４をチェッカーフラグ状にパターニングし、チェッカーフラグパターンの縦横の配列を表示用液晶セルの画素の縦横の配列と一致させたが、パターン形状はこれに限るものではない。
例えば、図１１に示す電極６４ａのように、同じチェッカーフラグパターンであっても、表示用液晶セルの画素の縦横に対してチェッカーフラグパターンが斜めになるように配置しても良い。この場合、視角制限効果は本実施形態と変わらないが、特にピッチが小さい場合に表示用液晶セルの画素とモアレが生じにくくなるという効果がある。

あるいは、図１２に示す電極６４ｂのように、ストライプ状のパターンとしても良い。この場合も横書きのテキストに対する視角制限効果は変わらない。したがって、デザイン上の要求があれば、選択しても良いパターンである。図１１，図１２のパターンの最適なピッチは、本実施形態と同様、２ｍｍ以上、２０ｍｍ以下である。

あるいは、図１３に示す電極６４ｃのように、より複雑なパターン、例えばテキスト等を採用しても良い。この場合、視角制御用液晶セルのテキストと表示用液晶セルのテキストとが混ざり合って、より認識しにくくなるという効果が得られる。

［第２の実施の形態］
以下、本発明の第２の実施の形態を図１４を参照しつつ説明する。
本実施形態の液晶表示装置は、表示用液晶セル、視角制御用液晶セルの構成自体は第１の実施の形態と同様であり、偏光板の構成が第１の実施の形態と異なるのみである。図１４は本実施の形態の液晶表示装置の断面図であるが、図１４において図４と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明は省略する。

本実施の形態の液晶表示装置においては、図１４に示すように、表示用液晶セル１の上基板２５の外面側に第１の偏光板１７が設けられ、視角制御用液晶セル２の下基板６２の外面側に第２の偏光板６６が設けられている。第１の実施の形態では表示用液晶セル１の下基板１０と視角制御用液晶セル２の上基板６１との間に第３の偏光板１９が設けられていたが、本実施の形態では第３の偏光板１９が設けられていない。よって、本実施の形態においては、表示用液晶セルの下基板と視角制御用液晶セルの上基板とを接着したり、１枚の基板で兼用することも可能である。そうすれば、液晶表示装置の薄型化や部品点数の削減を図ることができる。

このように、第３の偏光板１９を使用しない場合も、視角制御用液晶セル２の電圧オン／オフに係わらず、視角制御用液晶セル２を透過したバックライト光は直線偏光になっているため、法線方向の表示特性を損なうことがない。しかしながら、視角制御用液晶セル２と表示用液晶セル１との相互作用によって、第１の実施の形態とは異なる作用、効果が現れる。すなわち、本実施の形態では第３の偏光板１９による検光がなされないため、第１の実施の形態において視角制御用液晶セル２で暗くなった視角範囲、例えば図９における左右方向の極角５０°付近において表示のポジネガ反転が起こる。つまり、視角制御用液晶セル２の下電極６４が存在する部分と存在しない部分（液晶層６５に電圧が印加される部分と印加されない部分）とが、明暗のコントラストではなく、表示のポジネガのコントラストになるため、より表示が認識しにくくなる、という効果が生じる。さらに、本実施の形態の場合、偏光板が１枚少ない分だけ、表示が明るくなり、装置の薄型化、部品点数の削減が図れるという効果もある。

［第３の実施の形態］
以下、本発明の第３の実施の形態を図１５〜図１８を参照しつつ説明する。
本実施形態の液晶表示装置は、表示用液晶セルの構成は第１の実施の形態と同様であって、視角制御用液晶セルの液晶層および電極パターンが第１の実施の形態と異なるのみである。図１５は本実施の形態の液晶表示装置の断面図であるが、図１５において図４と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明は省略する。

本実施形態の液晶表示装置の特徴は、視角制御用液晶セルにハイブリッド液晶セルを用いたことと、下電極のパターニング形状を変えたことである。
本実施形態の視角制御用液晶セル２Ａにおいては、図１５に示すように、上基板６１と下基板６２との間に、初期配向状態がハイブリッド配向を呈する、誘電異方性が負の液晶材料からなる液晶層７５が挟持されている。液晶層７５は、上基板６１側界面でほぼ水平配向、下基板６２側界面でほぼ垂直配向を呈し、その間で液晶分子７５Ｂのチルト角が連続的に変化するハイブリッド配向を取っている。このような初期配向状態は、例えば上基板６１の上電極６３上に水平配向用ポリイミド膜を塗布、焼成してラビング処理する一方、下基板６２の下電極６４上に垂直配向用ポリイミド膜を塗布、焼成することによって得られる。そして、上電極６３、下電極６４間に電圧を印加することにより液晶層６５の液晶分子７５Ｂを基板面にほぼ平行に倒すことができる。なお、本実施の形態とは逆に、上基板６１側界面でほぼ垂直配向、下基板６２側界面でほぼ水平配向を呈するようにしても良い。上述したように、液晶層６５には誘電異方性が負の液晶材料を用い、その複屈折率Δｎと液晶層厚ｄとの積Δｎ・ｄを６．０μｍと設定する。

上基板６１の内面の上電極６３は、基板６１Ａ上に全面ベタ状に形成されている。一方、下基板６２の内面の下電極７４は、図１６に示すように、複数の正方形パターンに分割されるようにパターニングされている。そして、図中縦方向に並ぶ正方形パターンは１個おきに接続されるとともに、横方向に隣接する正方形パターン列同士は分離され、さらに１列おきに位置する正方形パターン列同士は接続されている。この構成により、図１６において異なるハッチングを施した２つのチェッカーフラグパターンを有する第１電極７４ａ、第２電極７４ｂに対して異なる電圧が印加可能となっている。第１電極７４ａ，第２電極７４ｂのピッチＰは１５ｍｍである。

また、表示用液晶セル１の上基板２５の外面側に第１の偏光板１７が設けられ、視角制御用液晶セル２Ａの下基板６２の外面側に第２の偏光板６６が設けられ、表示用液晶セル１の下基板１０と視角制御用液晶セル２Ａの上基板６１との間に第３の偏光板１９が設けられている。第２の偏光板６６と第３の偏光板１９とは、図１７に示すように、互いの吸収軸方向が平行になるように配置され、表示画面を正面から見たときに画面の上下方向（１２時−６時方向）に一致するように配置されている。また、第２の偏光板６６および第３の偏光板１９の吸収軸と、視角制御用液晶セル２Ａの法線方向から見た液晶層６５の遅相軸の方向とが平行になるように配置されている。視角制御用液晶セル２Ａの液晶層６５の遅相軸の方向は視角制御用液晶セル２Ａの上基板６１側のラビング方向に一致するので、言い換えると、第２の偏光板６６および第３の偏光板１９の吸収軸と視角制御用液晶セル２Ａの上基板６１のラビング方向が平行に設定されている。よって、上基板６１のラビング方向は、図１７に示すように、画面の上下方向であって、１２時から６時に向かう方向とするか、あるいは６時から１２時に向かう方向とする。

上記構成の液晶表示装置においては、ハイブリッド配向を呈する液晶層７５を持つ視角制御用液晶セル２Ａが備えられたことによって、非選択電圧印加（電圧オフ）時に表示用液晶セル１が本来持つ視角を狭め、視角制限効果を発揮することができる。
例えば、図１７に示す光軸配置において、視角制御用液晶セル２Ａの法線方向からハイブリッド配向の液晶層７５を見ると、液晶分子７５Ｂの遅相軸方向が液晶層７５の上層から下層まで直線上に重なって見える。これに対して、前記法線方向に対して斜めにハイブリッド配向の液晶層７５を見ると、液晶分子７５Ｂの遅相軸方向が液晶層６５上層から下層にかけて９０°ねじれて見える。このことは、視角制御用液晶セル２Ａの法線方向に対して斜めに入射する光にとっては液晶層７５が見かけ上９０°ツイスト配向していることを意味する。すなわち、斜めに入射する光には旋光性が生じ、バックライト１５から射出された後、第２の偏光板６６を透過した直線偏光が旋光し、第３の偏光板１９の吸収軸により吸収される。したがって、平行ニコルの下で、斜めから見たときにはあたかもノーマリーブラック型のＴＮモードのように表示が暗くなる一方、正面から見たときには旋光性が生じないので表示用液晶セル１の表示の明るさが維持される。この効果は、後述する図１８から明らかなように第１の実施形態よりも大きい。

一方、選択電圧印加（電圧オン）時にはハイブリッド配向状態が崩れ、液晶層７５に誘電異方性が負の液晶材料を用いているので、全ての液晶分子が基板面に対してほぼ水平に倒れる。このときは、視角制御用液晶セル２Ａの法線方向の光は勿論のこと、斜めに入射する光にとっても旋光性が生じない。したがって、ほぼ全ての視角範囲にわたって表示用液晶セル１の表示の明るさが維持される。

すなわち、本実施の形態においては、第１電極７４ａ、第２電極７４ｂをともに電圧オンとすれば、視角を広げることができる。一方、第１電極７４ａ、第２電極７４ｂのいずれか一方を電圧オン、他方を電圧オフとすれば、視角を狭めることができる。後者の場合、視角制御用液晶セル２Ａの電圧オン領域も電圧オフ領域も、セル法線方向の透過率は変わらないため、視角制御用液晶セル２Ａの電極パターンはセル法線方向から観察する人には認識されない。一方、斜め横方向から覗き見ようとする人にとっては、白黒のチェッカーフラグパターンが重なって見えるため、著しく表示を認識し難くする、という効果が得られる。また、本実施の形態では、分割された第１電極７４ａと第２電極７４ｂとは略等しい面積となっているため、十分な視角制限効果を得ることができる。明るい領域の面積が小さすぎると、暗い領域を通して背面側の表示が透けて見えることになり、逆に明るい領域の面積が大きすぎると、背面側の表示が直接見えてしまい、視角制限効果が得られないからである。

本実施の形態における視角制御用液晶セルと第２の偏光板、第３の偏光板だけを用いて３時−９時方向の透過率（視角特性）を測定した結果を図１８に示す。電圧オフ時、電圧オン時（印加電圧：±１０Ｖ、周波数：１００Ｈｚの矩形波交流電圧印加時）のそれぞれの透過率を示しており、横軸は極角（°）、縦軸は透過率（％）である。ただし、これは視角制御用液晶セルのみの視角特性であるから、液晶表示装置全体の視角特性はこれに表示用液晶セルの視角特性を掛け合わせたものになる。さらに、ここでは複屈折率Δｎと液晶層厚ｄとの積Δｎ・ｄを変えており、Δｎ・ｄを１．５μｍ（実線）、３．０μｍ（破線）、４．５μｍ（１点鎖線）、６．０μｍ（２点鎖線）としている。例えばΔｎ・ｄが６．０μｍ（２点鎖線）の場合、極角４０°付近で透過率がパネル法線方向透過率（極角０°における透過率）の１割まで低下しており、これ以上極角が大きい視角方向からは表示が認識しにくい。また、Δｎ・ｄの変化に伴って透過率特性も変化し、Δｎ・ｄが大きくなる程、視角制限効果が大きい傾向を示す。したがって、視角制御用液晶セルの設計にあたっては、用途に応じて最適なΔｎ・ｄの値を選択することで視角制限効果の度合を適宜調整することができる。なお、第２の実施形態のように、第３の偏光板１９を用いない構成も可能である。その場合、第３の偏光板１９を用いる場合よりも視角制御用液晶セルのΔｎ・ｄの値を小さく、例えばΔｎ・ｄ＝１μｍ程度に設定した方が、ポジネガのコントラストがはっきりして表示がより認識し難くなる。

［電子機器］
次に、本発明の上記実施の形態の液晶表示装置を備えた電子機器の具体例について説明する。
図１９は、携帯電話の一例を示した斜視図である。図１９において、符号１０００は携帯電話本体を示し、符号１００１は上記液晶表示装置を用いた表示部を示している。このような携帯電話等の電子機器の表示部に、上記実施の形態の液晶表示装置を用いた場合、広視角、狭視角の切り替え効果の高い液晶表示部を有し、様々な使用環境や用途に適応可能な電子機器を実現することができる。その他の電子機器として、電子ブック、パーソナルコンピュータ、ディジタルスチルカメラ、液晶テレビ、ビューファインダ型あるいはモニタ直視型のビデオテープレコーダ、カーナビゲーション装置、ページャ、電子手帳、電卓、ワードプロセッサ、ワークステーション、テレビ電話、ＰＯＳ端末、タッチパネルを備えた機器等々に好適に用いることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば上記実施の形態では、視角制御用液晶セルを、使用者側から見て表示用液晶セルの背面側（バックライト側）に配置したが、表示用液晶セルの前面側（使用者側）に配置しても良い。その場合には表示に奥行き感が生じてしまうが、同様の視角制限効果は得られる。また、上記実施の形態では表示用液晶セルに透過型液晶表示装置を用いたが、反射型液晶表示装置、半透過反射型液晶表示装置を用いることもできる。特にこれらの液晶表示装置では視差防止のために反射板を表示用液晶セルに内蔵することが多いため、視角制御用液晶セルを表示用液晶セルの前面側（使用者側）に配置することが望ましい。また、本発明の視角制御素子は、液晶表示装置のみならず、ＣＲＴ（ブラウン管）、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）ディスプレイ、ＰＤＰ（プラズマディスプレイパネル）等に組み合わせて用いることができる。

本発明の第１の実施形態の液晶表示装置の等価回路図である。 同、液晶表示装置のドット領域の構造を示す平面図である。 同、液晶表示装置の１つの画素を示す平面図である。 図３のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。 同、液晶表示装置の視角制御用液晶セルの下電極のパターンを示す平面図である。 同、液晶表示装置における各偏光板とラビング方向との関係を示す図である。 同、液晶表示装置の電圧オフ時の視角特性を示す図である。 同、液晶表示装置の電圧オン時の視角特性を示す図である。 同、液晶表示装置の左右（３時−９時）方向の透過率を示す図である。 電極パターンのピッチと表示の見やすさとの関係を示すグラフである。 同、電極パターンの他の例を示す図である。 同、図である。 同、図である。 本発明の第２の実施形態の液晶表示装置の断面図である。 本発明の第３の実施形態の液晶表示装置の断面図である。 同、液晶表示装置の視角制御用液晶セルの下電極のパターンを示す平面図である。 同、液晶表示装置の各偏光板とラビング方向との関係を示す図である。 同、液晶表示装置の左右（３時−９時）方向の透過率を示す図である。 本発明の電子機器の一例を示す斜視図である。

符号の説明

１…表示用液晶セル、２，２Ａ…視角制御用液晶セル、１７…第１の偏光板、１９…第３の偏光板、６１…上基板、６２…下基板、６３…上電極、６４，７４…下電極、６５，７５…液晶層、６５Ｂ，７５Ｂ…液晶分子、６６…第２の偏光板。

Claims (10)

1. 任意の表示装置に隣接配置して用いられ、前記表示装置の視角を制御する視角制御素子であって、
   一対の透光性基板と、前記一対の透光性基板間に挟持された液晶層と、前記液晶層に電界を印加するための一対の電極とを有する視角制御用液晶セルを備え、
   前記一対の電極のうちの少なくとも一方の電極において、当該電極の前記表示装置の有効表示領域に対応する領域がパターニングされており、前記パターニングされた電極が複数の領域に分割され、分割された個々の領域の電極に対して個別に電圧が印加可能とされ、前記一対の電極からの印加電圧によって前記液晶層の配向状態を変化させ、前記一対の電極に非選択電圧が印加される領域および選択電圧が印加される領域のいずれか一方に視角の狭い領域を形成し、他方に視角の広い領域を形成することで前記表示装置の視角を制御することを特徴とする視角制御素子。
2. 前記一対の電極に非選択電圧が印加される領域および選択電圧が印加される領域は、いずれか一方が法線方向から外れた斜め方向に対して明るい領域を形成し、他方が法線方向から外れた斜め方向に対して暗い領域を形成し明るい領域と暗い領域とが近接していることを特徴とする請求項１に記載の視角制御素子。
3. 前記分割された複数の領域が略等しい面積を有することを特徴とする請求項１または２に記載の視角制御素子。
4. 前記液晶層に誘電率異方性が負の液晶材料が用いられ、前記一対の電極に対して非選択電圧を印加することで視角の狭い領域を形成し、前記一対の電極に対して選択電圧を印加することで視角の広い領域を形成することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の視角制御素子。
5. 前記一対の電極の一方の電極は、全面ベタ状に形成されており、前記一対の電極の他方の電極は、複数の正方形パターンに分割され、縦方向に並ぶ前記正方形パターンは１個おきに接続されるとともに横方向に隣接する前記正方形パターンの列同士は分離され、１列おきに位置する前記正方形パターンの列同士は接続されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の視角制御素子。
6. 前記一対の透光性基板の一方の基板の前記液晶側に垂直配向膜が形成され、他方の基板の前記液晶側に水平配向膜が形成されることを特徴とする請求項４に記載の視角制御素子。
7. 請求項１ないし６のいずれか一項に記載の視角制御素子と、前記視角制御素子に隣接配置された表示用液晶セルとを備えたことを特徴とする液晶表示装置。
8. 前記表示用液晶セルの前記視角制御用液晶セルが配置された側と反対側の外面に設けられた第１の偏光板と、前記視角制御用液晶セルの前記表示用液晶セルが配置された側と反対側に設けられた第２の偏光板と、前記表示用液晶セルと前記視角制御用液晶セルとの間に設けられた第３の偏光板とが備えられたことを特徴とする請求項７記載の液晶表示装置。
9. 前記表示用液晶セルの前記視角制御用液晶セルが配置された側と反対側に設けられた第１の偏光板と、前記視角制御用液晶セルの前記表示用液晶セルが配置された側と反対側に設けられた第２の偏光板とが備えられたことを特徴とする請求項７に記載の液晶表示装置。
10. 請求項７ないし９のいずれか一項に記載の液晶表示装置を備えたことを特徴とする電子機器。

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