JP5528298B2

JP5528298B2 - 液晶光学素子

Info

Publication number: JP5528298B2
Application number: JP2010241215A
Authority: JP
Inventors: 信義中川
Original assignee: 株式会社スマートセンシング
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2030-10-27
Also published as: JP2012093576A

Description

本発明は、電極を形成した基板の間に液晶を挟んで構成され、印加する電圧により焦点距離を制御することができる小型の液晶光学素子に関するものである。

従来、液晶を用いた光学素子として、一対の透明基板と透明基板上に形成された一対の透明電極と透明基板間に挟持された液晶層とを備え、電極間に印加される電圧の大きさに応じて焦点距離を変化し得る液晶光学素子が知られている。この種の液晶光学素子としては、例えば、携帯電話機、携帯情報端末機（ＰＤＡ）もしくはデジタル機器等における超小型カメラに内蔵され、オートフォーカス機能やマクロ−ミクロ切替機能を持つ液晶光学素子、または、光ディスク装置において、光ピックアップによる記録・再生時に生ずる収差を補正するために用いる液晶収差補正素子などがある。

しかし、このような液晶光学素子では、低温になるにつれて液晶の粘度が高くなってしまうため、印加電圧に対する液晶の応答が遅くなり、例えば液晶レンズの場合、レンズ特性の低下、焦点合わせまでの時間が長くかかってしまうという問題点があった。

このような問題点を解決するために、液晶セルを加熱するためのヒータを設けた液晶レンズが提案されている（例えば、特許文献１）。

特許文献１に記載されている液晶レンズは、図６に示すように、透明なガラス基板である第１の基板２と第２の基板３とを備え、その第１の基板２上には、第１の透明電極２ａと複数の端子２ｂとが設けられ、第２の基板３上には第２の透明電極３ａが設けられている。シール材４を介することによって、２つの基板２および３は、所定の間隔を持って液晶４を挟んで貼り合わされ、これによって液晶セル１が構成されている。この液晶セルの上面にヒータ６ａと電極配線パターン７とが形成されたフレキシブル基板６が設けられている。また、フレキシブル基板の一端に、即ち第１の基板２の延設部９に、液晶セルの温度を検出するための温度センサ８が設けられている。この温度センサ８の検出温度に応じて、ヒータ６ａが制御される。

特開２００８−２０９６１４号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている液晶レンズにおいては、温度センサ８が第１の基板２の延設部９に配置される構造となっているため、温度センサ８により検出された温度は液晶セル周囲の温度であり、液晶層の実際の温度ではなく、両者間には大きな温度差が存在する。即ち、このような構成では、液晶セル内部の液晶層の温度を正確に測定することができない。そのため、正確なヒータ制御もできない。

また、特許文献１に記載されている液晶レンズにおいては、温度センサ８が液晶セル１の外側に配置されているため、液晶レンズ全体の寸法が大きくなり、小型化することが困難である。

さらに、特許文献１に記載されている液晶レンズにおいては、ヒータが液晶レンズの外側に配置さているため、熱効率が悪く、加熱する時間がかかる。そのため、カメラ等の機器に組み込んだ場合、電源オン時の対応に時間がかかる問題点があった。

従って、本発明は従来技術の上述した問題点を解消するものであり、本発明の目的は、液晶光学素子内部の液晶層の温度をより正確に測定することができ、かつ液晶光学素子の小型化を図ることができる液晶光学素子を提供することにある。

本発明によれば、コモン電極が形成された第１の基板と、複数のセグメント電極が形成された第２の基板と、第１の基板と第２の基板との間にシール材を介して封入された液晶層と、第１の基板と第２の基板との間、かつ液晶層と接触可能な位置に配置され、この液晶層の温度を検出する温度検出手段とを備えている液晶光学素子が提供される。

温度検出手段が第１の基板と第２の基板との間、かつ液晶層と接触可能な位置に配置されているため、液晶光学素子内部の液晶層の温度をより正確に測定することができ、かつ液晶光学素子の小型化を図ることができる。

温度検出手段は、前記第１の基板の前記コモン電極が形成された面上に熱電対のパターンを形成した薄膜熱電対であることが好ましい。これにより、液晶光学素子の厚さ方向の寸法を変更せずに、温度検出手段を液晶層に接触可能な位置に配置することができ、液晶層の実際の温度を検出することができる。

コモン電極の周辺に液晶層を加熱するヒータが配置され、温度検出手段の検出温度に応じて、ヒータの駆動を制御するように構成されていることが好ましい。これにより、ヒータと温度検出手段を共に液晶光学素子の内部に設け、一体化することで、低コスト、かつ小型化を図ることが可能となる。

液晶光学素子の少なくとも互いに対向する側面上に複数の電極端子が設けられていることが好ましい。これにより、従来のように、片方のガラス基板を長くし電極を引き出す部を形成することが必要なく、接続の信頼性を確保することができると共に、小型化ができる。

温度検出手段は、第１の基板のコモン電極が形成された面上に形成された温度検出手段とヒータ機能を一体化した抵抗体パターンであり、該抵抗体パターンは外部制御回路により時分割で温度検出手段又はヒータとして機能することが可能にされていることが好ましい。これにより、液晶光学素子の厚さ方向の寸法を変更せずに、温度検出手段を液晶層に接触可能な位置に配置することができ、液晶層の実際の温度を検出することができる。また、温度検出手段とヒータ機能を一体化した抵抗体パターンであるため、パターンを形成するために所要する面積が少なく、かつパターンが簡単になる。さらに、温度検出手段とヒータを液晶光学素子の内部に一体化でき、かつ端子の数を削減することができる。

また、温度検出手段とヒータ機能を一体化した抵抗体パターンは、コモン電極の周辺に形成されていることが好ましい。これにより、温度検出手段とヒータを共に液晶層と直接接触することができる。さらに、抵抗体パターンは、ＩＴＯ材料を用いてコモン電極と同時に形成されることが好ましい。これにより、単独にヒータを形成する工程をなくすことができ、生産効率を向上することができる。

本発明によれば、液晶光学素子の内部に温度検出手段を内蔵させることで、液晶光学素子内部の液晶層の温度をより正確に測定することができ、かつ液晶光学素子の小型化を図ることができ、かつ液晶光学素子の低コスト化を図ることができる。また、温度検出手段およびヒータが液晶層と直接接触できるように配置さているため、加熱効率を向上し、加熱する時間を短縮することができると共に、温度変化に即対応することが可能になる。そのため、液晶光学素子の応答時間が短い、かつ消費電力が少ない。液晶光学素子の特性を向上することができる。

本発明の第１の実施形態における液晶光学素子の構成を示す斜視図である。図１に示した液晶光学素子の構成を概略的に示す分解図である。図１に示した液晶光学素子の構成を概略的に示すＡ−Ａ線断面図である。本発明の第２の実施形態における液晶光学素子の構成を示す斜視図である。図４に示した液晶光学素子の構成を概略的に示す分解図である。従来の液晶光学素子の構成を概略的に示す断面図である。

以下、本発明に係る液晶光学素子の実施形態を、図を参照して説明する。

図１は本発明の第１の実施形態における液晶光学素子１００の構成を示しており、図２はこの液晶光学素子１００の内部構成を概略的に示しており、図３は液晶光学素子１００のＡ−Ａ線断面を示している。なお、図２及び図３においては、第１の基板１０と第２の基板２０の内側角部に形成された導電パターンは図示を省略している。

図１〜図３に示すように、液晶光学素子１００は、第１の基板１０と、第２の基板２０と、第１の基板１０と第２の基板２０との間にシール材３０を介して封入された液晶層４０と、第１の基板１０上に形成された第１の透明電極５０と、第２の基板２０上に形成された第２の透明電極６０及び第３の透明電極７０と、第１の透明電極５０の周辺に配置されたヒータ８０と、第１の基板１０と液晶層４０との間に配置された温度検出手段９０と、複数の電極端子Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_Ｇ，Ｖ_ＨおよびＶ_Ｓとを備えている。

なお、図２及び図３においては、第１の透明電極５０、第２の透明電極６０および第３の透明電極７０と液晶層４０との間に一般的に設けられる配向膜や、第１の基板１０と第２の基板２０とに設けられる透明絶縁層や、反射防止膜等は図示を省略している。

第１の基板１０および第２の基板２０の各々は、透明ガラス基板から構成されている。第１の基板１０と第２の基板２０との間にシール材３０により液晶充填領域を形成されており、この液晶充填領域内に液晶が封入されている。

第１の透明電極５０は、コモン電極であり、ＩＴＯ（酸化インジウム・スズ）材料を用いて第１の基板１０の内面上に形成されている。この第１の透明電極５０は、例えば円形に形成され、電極端子Ｖ_Ｇに電気的に接続されている。また、第１の透明電極５０の表面には配向膜が形成されている。

第２の透明電極６０は、セグメント電極であり、ＩＴＯ材料を用いて第２の基板２０の内面上の中央部に形成されている。この第２の透明電極６０は、例えば円形に形成され、かつ電極端子Ｖ_１に電気的に接続されている。この電極端子Ｖ_１を介して独立した制御電圧を印加できるように構成されている。

第３の透明電極７０は、セグメント電極であり、ＩＴＯ材料を用いて第２の基板２０の内面上の第２の透明電極６０の周辺に形成されている。この第３の透明電極７０は、中央部に円形の切欠部を有する形状に形成され、かつ電極端子Ｖ_２に電気的に接続されている。この電極端子Ｖ_２を介して独立した制御電圧を印加できるように構成されている。

ヒータ８０は、図２に示すように、第１の基板１０の内側の表面上に第１の透明電極５０を囲むように形成されている。このヒータ８０は、電極端子Ｖ_ＨおよびＶ_Ｇに電気的に接続されている。ヒータ８０の形状は、特に限定しない。例えば第１の透明電極５０を囲むように複数の円弧状又は直線状のパターンに形成してもよい。なお、ヒータ８０は、第１の基板１０又は第２の基板２０の外表面上に形成してもよい。

温度検出手段９０は、第１の基板１０の内側の表面上に真空蒸着法又はスパッタ法により直接的にパターン形成した薄膜の熱電対である。この温度検出手段９０の検出部はシール材３０が囲む範囲内に配置されている。この例において、温度検出手段９０は、第１の基板１０と液晶層４０との間に配置されている。この温度検出手段９０は、電極端子Ｖ_ＳおよびＶ_Ｇに電気的に接続されている。

また、温度検出手段９０は、透光性材料から形成されることが望ましい。なお、温度検出手段９０が遮光性材料である場合、液晶光学素子１００の光通過領域に設けることができないので、光通過領域以外の位置、かつ液晶に接触することができる位置に温度検出手段９０を配置することが望ましい。

電極端子Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_Ｇ，Ｖ_ＨおよびＶ_Ｓの各々は、液晶光学素子１００の側面に位置する側面端子部と、液晶光学素子１００の表面に位置する表面端子部とから構成されている。側面端子部は、液晶光学素子１００の側面上に導電材料による導電パターンを印刷することにより形成されたものである。一方、表面端子部は、液晶光学素子１００の上表面における側面端子部に対応する位置に、導電材料による所定面積（例えば、１／４円形）の導電パターンを印刷することにより形成されたものである。

電極端子Ｖ_１は第２の透明電極６０に電気的に接続され、電極端子Ｖ_２は第３の透明電極７０に電気的に接続され、電極端子Ｖ_Ｇは第１の透明電極５０、ヒータ８０および温度検出手段９０に電気的に接続され、電極端子Ｖ_Ｈはヒータ８０に電気的に接続され、電極端子Ｖ_Ｓは温度検出手段９０に電気的に接続されている。

以下、液晶光学素子１００の製造方法について説明する。

液晶光学素子１００の製造する際に、まず、上側の基板（単一の素子の場合、基板２０となる）を所定寸法に加工する。例えば、厚さ１５０μｍのシート状ガラス基板を２００ｍｍ×２００ｍｍの寸法となるように加工する。このシート状ガラス基板には複数の素子を形成できる。次に、上側の基板の外側表面にＩＴＯ膜を積層し、電極を形成する。ここでは、エッチング等によるパターンニング処理を行って素子ごとに第２の透明電極６０と第３の透明電極７０とを形成する。次いで、各素子の角部に（切断線の交差する位置を中心とする）導電材料による導電パターンを印刷する。ここでは、例えば基板の両面の同じ位置に導電パターンを印刷する。次に、上側の基板の電極が形成される側の表面に高抵抗膜を積層する。さらに配向膜を積層し、配向処理を行う。配向膜は、ポリイミド（ＰＩ：ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）等の液晶配向膜である。配向処理した後、上側の基板の表面上に反射防止膜（ＡＲ膜）を積層する。

また、下側の基板（単一の素子の場合、基板１０となる）を所定寸法に加工する。例えば、厚さ１５０μｍのシート状ガラス基板を２００ｍｍ×２００ｍｍの寸法となるように加工する。次に、下側の基板の内側（液晶を充填する側）の表面にＩＴＯ膜を積層し、電極を形成する。ここでは、エッチング等によるパターンニング処理を行って素子ごとにコモン電極を形成する。また、コモン電極の周辺にヒータ８０を形成し、同時に温度検出手段９０も形成する。次いで、各素子の上面および下面の角部に（切断線の交差する位置を中心とする）導電材料による導電パターンを印刷する。ここでは、例えば基板の両面の同じ位置に導電パターンを印刷する。次いで、下側の基板の電極が形成される側の表面に配向膜を積層し、配向処理を行う。次いで、素子ごとに液晶を封入する液晶充填領域を形成するために、ギャップ材を混入したシール材をリング状に印刷する。その後、液晶滴下装置を用いてリング状のシール材の内側に液晶を滴下する。

次いで、上側の基板と下側の基板とを組み合わせて、複数の液晶光学素子からなる液晶素子ブロックを組み立てる。次いで、組み立てた液晶素子ブロック基板を短冊状ブロックに切断する。次いで、切断して得た短冊状ブロックの側面に導電材料による導電パターンを印刷し、側面端子部を形成する。導電パターンは、短冊状ブロックの表面に印刷された導電パターンに対応する位置に印刷される。

最後に、このようにして作製された短冊状ブロックをスライサー等を用いて切断し、個々の液晶光学素子１００、即ち製品サイズに分離する。これにより、図１に示す液晶光学素子１００が得られる。

このように、本実施形態における液晶光学素子１００は、第１の基板１０と、第２の基板２０と、第１の基板１０と第２の基板２０との間にシール材３０を介して封入された液晶層４０と、第１の基板１０上に形成された第１の透明電極５０と、第２の基板２０上に形成された第２の透明電極６０および第３の透明電極７０と、第１の透明電極５０の周辺に配置されたヒータ８０と、第１の基板１０と液晶層４０との間に配置された温度検出手段９０と、複数の電極端子Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_Ｇ，Ｖ_ＨおよびＶ_Ｓとから構成されている。

この液晶光学素子１００は、第２の透明電極６０および第３の透明電極７０に与えられる電圧を変化させることにより、焦点位置を移動させることができる。これにより、光に対する屈折率を電気的に制御することができ、焦点可変レンズや収差補正素子として有益な機能素子となる。

温度検出手段９０が第１の基板１０と液晶層４０との間に配置されているため、液晶光学素子１００内部の液晶層４０の温度をより正確に測定することができ、かつ液晶光学素子１００の小型化を図ることができる。

また、温度検出手段９０は、第１の基板の前記コモン電極が形成された面上に熱電対のパターンを形成した薄膜熱電対であり、第１の基板１０と液晶層４０との間に配置されることにより、液晶光学素子の厚さ方向の寸法を変更せずに、温度検出手段９０を液晶層４０に接触可能な位置に配置することができ、液晶層の実際の温度を検出することができる。

また、ヒータ８０と温度検出手段９０とを共に液晶光学素子１００の内部に設け、一体化することで、簡易な構成となり、低コスト化が実現でき、かつ小型化を図ることが可能となる。また、温度制御によって電圧に対する液晶の応答速度が速くなり、液晶光学素子１００の性能を向上させることができる。

第１の基板１０と第２の基板２０との間に液晶層４０が封入された液晶光学素子の少なくとも対向する側面に複数の電極端子を設けることにより、従来のように、片方のガラス基板を長くし引き出し電極を形成する必要がなく、接続の信頼性を確保することができると共に、液晶光学素子１００の小型化を図ることができる。

図４は本発明の第２の実施形態における液晶光学素子２００の構成を示しており、図５はこの液晶光学素子２００の内部構成を概略的に示している。なお、図５においては、第１の基板１０と第２の基板２０の内側角部に形成された導電パターンは図示を省略している。

図４及び図５に示すように、液晶光学素子２００は、第１の基板１０と、第２の基板２０と、第１の基板１０と第２の基板２０との間にシール材３０を介して封入された液晶層４０と、第１の基板１０上に形成された第１の透明電極５０と、第２の基板２０上に形成された第２の透明電極６０及び第３の透明電極７０と、第１の透明電極５０の周辺に配置されたヒータ８０Ａ（兼温度検出手段９０Ａ）と、第１の基板１０と液晶層４０との間に配置されたと、複数の電極端子Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_Ｇ，およびＶ_Ｈ（Ｖ_Ｓ）とを備えている。

この液晶光学素子２００は、ヒータ８０Ａと温度検出手段９０Ａとを一体化し、電極端子Ｖ_ＨとＶ_Ｓとが一つの端子を共用する以外に、上述した液晶光学素子１００と同様な構成を有している。ここで、その詳細な説明を省略する。なお、液晶光学素子２００の製造方法は、上述した液晶光学素子１００とほぼ同様である。

ヒータ８０Ａと温度検出手段９０Ａは、図５に示すように、第１の基板１０の内側の表面上に第１の透明電極５０を囲むように形成されているＩＴＯ材料の抵抗体パターンである。この抵抗体パターンは、第１の透明電極５０と同時に形成されることが好ましい。また、抵抗体パターンからなるヒータ８０Ａと温度検出手段９０Ａは、電極端子Ｖ_Ｈ（Ｖ_Ｓ）およびＶ_Ｇに電気的に接続されている。なお、ヒータ８０Ａと温度検出手段９０Ａの形状は、特に限定しない。例えば第１の透明電極５０を囲むように複数の円弧状又は直線状のパターンに形成してもよい。

また、ヒータ機能と温度検出機能を有する抵抗体パターンの抵抗値と温度の関係がある係数で変化する特性を有する。例えば、抵抗体パターンの抵抗値と温度とが比例する関係を有する。そのため、抵抗体パターンの抵抗値、温度係数に基づいて温度を検出することが可能である。外部制御回路により抵抗体パターンを時分割でヒータ８０Ａ又は温度検出手段９０Ａとして機能することが可能にされている。即ち、機器に組み込んだ場合、外部制御回路によりヒータ８０Ａと温度検出手段９０Ａとを切り替えることができ、ヒータ８０Ａとして加熱する時間帯と温度検出手段９０Ａとして温度測定時間帯を有し、かつそれぞれ設定、制御することができる。

このような構成では、抵抗体パターンに電圧を印加しないとき、抵抗体パターンの抵抗値と温度との関係から温度を検出し、抵抗体パターンが温度検出手段９０Ａとして機能する。検出された温度で外部制御回路により加熱する必要があるか否かを判断する。ここで、加熱する必要があると判断された場合、電極端子Ｖ_Ｈ（Ｖ_Ｓ）を介して抵抗体パターンに電圧を印加する。抵抗体パターンに電圧を印加すると、抵抗体パターンから熱が発生し、ヒータ８０Ａとして機能する。所定時間の加熱を行った後、電源をオフにし、再び抵抗体パターンが温度検出手段９０Ａとして機能する。即ち、動作中に「測定」→「判断」→「加熱」（もしくは所定間隔で再「測定」）という動作を繰り返すことで、液晶の温度を制御する。

本実施形態の液晶光学素子２００は、上述した液晶光学素子１００と同様な効果が得られる。また、ヒータ８０Ａと温度検出手段９０Ａとを一体化することにより、パターンを形成するために所要する面積が少なく、かつパターンが簡単になる。また、熱電対とヒータを液晶光学素子の内部に一体化でき、かつ端子の数を削減することができる。さらに、ＩＴＯ材料を用いて抵抗体パターンを第１の透明電極５０と同時に形成することで、単独にヒータを形成する工程をなくすことができ、生産効率を向上することができる。

なお、上述した実施形態においては、１層の液晶を有する液晶光学素子について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、２層以上の液晶層を有する液晶光学素子であってもよい。この場合、例えば各層に温度検出手段を設けるように構成してもよい。なお、複数の液晶光学素子を重畳してなる多重構造の液晶光学素子としてもよい。

また、上述した実施形態の液晶光学素子１００において、温度検出手段９０を液晶光学素子１００の光通過領域、または光通過領域以外の位置、かつ液晶に接触することができる位置に配置するものとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、液晶に接触せず、シール材３０の周辺に配置するように構成してもよい。この場合も図６に示す従来の液晶レンズより液晶層の温度を正確に測定することができる。

また、上述した実施形態においては、液晶光学素子１００および２００がセグメント電極として第２の透明電極６０と第３の透明電極７０とを有しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、複数の同心円リング状のセグメント電極を有するように構成してもよい。この場合、電極の数に応じて角部以外の側面に端子を形成するように構成してもよい。

この発明は、携帯電話機、携帯情報端末機（ＰＤＡ）またはデジタル機器等において超小型カメラが内蔵され、オートフォーカス機能やマクロ−ミクロ切替機能を持つ液晶光学素子として、および、光ディスク装置において、光ピックアップによる記録・再生時に生ずる収差を補正するために用いる液晶収差補正素子として利用できる。

１０第１の基板
２０第２の基板
３０シール材
４０液晶層
５０第１の透明電極
６０第２の透明電極
７０第３の透明電極
８０，８０Ａヒータ
９０，９０Ａ温度検出手段
１００，２００液晶光学素子
Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_Ｇ，Ｖ_Ｈ，Ｖ_Ｓ電極端子

Claims

電極を形成した基板の間に液晶を挟んで構成される液晶光学素子であって、
コモン電極が形成された第１の基板と、
複数のセグメント電極が形成された第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間にシール材を介して封入された液晶層と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間、かつ前記液晶層と接触可能な位置に配置され、該液晶層の温度を検出する温度検出手段と、
前記コモン電極、前記複数のセグメント電極及び前記温度検出手段をそれぞれ接続する複数の電極端子とを備え、
前記複数の電極端子の各々は、導電材料による導電パターンを印刷することにより形成され、当該液晶光学素子の側面に位置する側面端子部と、当該液晶光学素子の表面上に位置する表面端子部とから構成されていると共に
前記コモン電極の周辺に前記液晶層を加熱するヒータが配置され、前記温度検出手段の検出温度に応じて、前記ヒータの駆動を制御するように構成されている
ことを特徴とする液晶光学素子。
前記温度検出手段は、前記第１の基板の前記コモン電極が形成された面上に熱電対のパターンを形成した薄膜熱電対であることを特徴とする請求項１に記載の液晶光学素子。
前記温度検出手段は、前記第１の基板の前記コモン電極が形成された面上に形成された熱電対とヒータ機能を一体化した抵抗体パターンであり、該抵抗体パターンは外部制御回路により時分割で熱電対又はヒータとして機能することが可能にされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の液晶光学素子。
前記抵抗体パターンは、前記コモン電極の周辺に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の液晶光学素子。
前記抵抗体パターンは、ＩＴＯ材料を用いて前記コモン電極と同時に形成されることを特徴とする請求項３又は４に記載の液晶光学素子。