JPH0150914B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の利用分野〕 本発明は、情報保持装置に係り、特に書き込ま
れた情報を外部装置に出力できる情報保持装置に
関する。以下、情報保持装置として、表示機能と
情報保持機能とを備えた液晶装置を例にとり説明
する。 〔発明の背景〕 従来、情報保持装置としては、表示機能と情報
保持機能とを備えたスメクチツク液晶等からなる
装置、やPLZT等の強誘電性物質からなる装置が
知られている。 例えば液晶装置は、ネマチツク液晶、コレステ
リツク液晶、あるいはスメクテイツク液晶を用い
た種々の表示原理を利用したものが知られている
が、いずれも液晶分子の配向状態を何らかの外部
場により変化させ、これによる光学的性質の変化
を利用して表示を達成するものである。 これらの液晶装置の一例として米国特許第
3796999号“Locally Erasable Thermo―
Optic・Smectic Liquid Crystal Storage
Displays”に示されている熱書込み型液晶装置に
ついて概要を述べる。 本装置では、第１図ａに示すような二枚のガラ
ス基板１１，１２の内側に透明電極１３，１４を
設け、この間にスメクチツク液晶１５を封入す
る。この様な表示パネルにAr（アルゴン）レーザ
あるいはYAG（イツトリウム・アルミニウム・ガ
ーネツト）レーザなどにより発せられたレーザビ
ーム１６をレンズ１７により集光し、表示部分１
８のスメクチツク液晶１５の温度を上昇させ、一
旦、等方性液晶相にする。 その後レーザビームを除去することによりスメ
クチツク相まで急冷すると第１図ｂに示すよう
に、液晶分子の配向方向が乱れ、強い散乱性を示
す領域１９が発生する。この散乱状態は安定に存
続するので、任意の画像情報書込みが達成でき
る。 以上で述べた表示原理に基づき、熱書込み型液
晶装置はレーザビームの走査、変調により、液晶
素子上に任意の画像情報を書込み、さらに電界印
加も併用することにより部分消去も達成できるの
で表示装置として優れている。しかし、書込まれ
た画像情報の読出し機能がなく、情報信号を画像
として入力する表示装置としてのみ利用されてい
た。 また、その他の情報保持装置においても、これ
まで情報表示する機能しか有しておらず、情報出
力装置としては使用できなかつた。 本出願人は先に、特願昭57―144713号として、
液晶の分子配向が、電界、熱等の外部場によつて
変化し、液晶分子の配向が初期状態と書込み状態
で異なり、液晶層をはさむ電極間の静電容量の相
違があることに着目し、この静電容量を検出する
手段を具備することによつて情報読出し機能を持
ち、情報信号の入出力を行いうる液晶装置を提案
している。 ところが、静電容量を検出する手段としては、
画素を形成する電極間に、正弦数電圧を印加し、
その時の静電容量によつて定まる電流を、電圧信
号に変換し、整流、平滑して、静電容量を検出し
ている。この場合、最終的に信号を平滑するため
に正弦波電圧をかなりの時間印加しないと静電容
量が検出できなく、書き込まれた情報を短時間で
は読み出すことはできないという問題点を有す
る。 さらに、XYマトリクス状に配列される画素に
於いて、その静電容量を検出する際、クロストー
クによる電流を無くすために、静電容量を測定し
ようとする画素以外の画素には電流を流さないよ
うに特別の工夫をしなければならない。 〔発明の目的〕 本発明の第１の目的は、上記欠点を除去し、ス
メクチツク相を有する液晶等の誘電体からなる情
報保持装置に、短い時間で情報を読み出す機能を
持たし、情報信号の入出力を行ないうる情報保持
装置を提供することにある。 さらに本発明の第２の目的は、画素がXYマト
リクス状に配置されるものにおいて、クロストー
クによる電流には全く影響されず、簡単な回路で
情報信号の入出力を行ないうる情報保持装置を提
供することにある。 〔発明の概要〕 上記第１の目的を達成する本発明の第１の特徴
とするところは、対向面に一方の電極と他方の電
極とが対向する様に形成される一対の基板と、該
一対の基板間に保持される誘電体と、上記一方の
電極と上記他方の電極との対向部分の誘電体の静
電容量を変化させる手段と、上記対向部分の誘電
体に時間的に変化する電圧を印加する手段と、上
記対向部分の誘電体に流れる主として変位電流を
検出する手段とを具備することにある。 さらに上記第２の目的を達成する本発明の第２
の特徴とするところは、対向面に複数の一方の電
極と複数の他方の電極とが対向し、上記一方の電
極と上記他方の電極との対向部分が全体としてマ
トリクスをなす様に形成される一対の基板と、該
一対の基板間に保持される誘電体と、任意の上記
対向部分の誘電体の静電容量を変化させる手段
と、任意の上記一方の電極に時間的に変化する電
圧を選択的に印加する手段と、上記他方の電極に
流れる主として変位電流を検出する手段とを具備
することにある。 ここで、「誘電体」とは電界、熱等を加えるこ
とによつて静電容量が変化し、さらに電界、熱等
を除去したのみもその静電容量が一定の時間変化
しなく、記憶される誘電体を示し、例えばスメク
チツク相を有する液晶、コレステリツク相を有す
る液晶、PLZT等が挙げられるが、比較的低温度
で情報の書込が可能でしかも記憶時間の長いスメ
クチツクを有する液晶を使用することが好まし
い。 また、「時間的に変化する電圧」とは、ランプ
状電圧、三角波電圧、正弦波電圧等が挙げられる
が、後述する様に、検出精度の点でdv／dtが一
定な電圧のランプ状電圧、三角波電圧が好まし
い。また、その電圧値が誘電体の静電容量を殆ん
ど変化させない程度が望ましい。 〔発明の実施例〕 以下、本発明をスメクチツク相を有する液晶を
例にとり詳細に説明する。 第２図は、本発明の実施例による液晶装置の全
体構成図を示したものである。画像情報書込み手
段２１は、基板の一方の電極と他方の電極との対
向部分の誘電体となるスメクチツク相を有する液
晶を静電容量を変化させ、液晶パネル２２に文
字、記号などの画像情報を書き込むための手段で
ある。液晶パネル２２に書き込まれた画像情報
は、電極の対向部分の液晶に印加する時間的に変
化する電圧を発生するところの画像情報読出し電
圧発生回路２０、及び電極の対向部分の誘電体に
流れる主として変位電流を検出するところの画像
情報検出回路２３により読出されて画像信号変換
回路２４に送られる。ここで得られた画像情報信
号を、例えばマイクロプロセツサ（CPU）など
で構成した外部回路２５に取り込む。 次に各部の構成並びに動作について説明する。
液晶パネル２２の概略断面図を第３図、概略平面
図を第４図に示す。液晶パネルは、対向面に複数
のＹ電極２９、複数のＸ電極３０とが交差する様
に並設される一対の基板２６，２７の間に10μｍ
程度のギヤツプをつくり、スメクチツク相を有す
る液晶３１を前記基板間に入れてスペーサ２８で
封止する。ここで、Ｙ電極２９、Ｘ電極３０の対
向部分は画素となり全体としてマトリクスを形成
している。 尚、本実施例では、基板にはそれぞれ複数の電
極が設けられているが、両基板には共に一つの電
極が設けられていても良い。 基板２６，２７は例えばガラス板、プラスチツ
ク板を用いるか、もしくは観察しない方の基板を
Si基板などの不透明な基板、観察する側の基板を
ガラス板、プラスチツク板などの透明基板を用い
る。 また、電極として一般にネサ膜と呼ばれている
酸化インジウムと酸化スズの混合物、もしくは観
察する側の基板の電極には前記ネサ膜、他方の電
極にはAl，Crなどの金属を用いる。 液晶材料は、例えば

【式】（ただしＲはアル キル基）で一般に表わされるものの混合物で、正
の誘電異方性を示し室温でスメクチツクＡ相を呈
し、42℃でスメクチツク相からネマチツク相へ、
さらに45℃においてネマチツク相から等方性液体
相へ転移するものを用いる。 また、他のスメクチツクＡ相を呈する液晶とし
ては、４，4′―アルコキシビフエニルカルボン酸
アルキルエステルと４，4′アルキルシアノトラン
との混合物あるいは４―アルコキシフエニル―
4′―アルキル安息香酸エステルとＰ，P′―アルキ
ルシアノビフエニルとの混合物などが挙げられ
る。 第５図は、前記したスメクチツク相を有する液
晶の光学特性図を示したものである。スメクチツ
ク相を有する液晶を加熱すると等方性液体相（ｃ
点）となりほぼ透明状態となる。ここで、液晶層
に十分な電圧を印加して液晶層を冷却するとスメ
クチツク相（ａ点）となりほぼ透明状態となりこ
の状態が保持される。 一方、液晶層に加わる電圧を0Vあるいはこの
近傍に設定すると散乱性を示すスメクチツク相
（ｂ点）となり明るさが減少し以後この状態が保
持される。 なお本発明者等は、液晶層の冷却過程におい
て、液晶層に加える電圧を変化させると散乱量が
変わりこのことから、表示に階調を持たせること
ができることを確認している。また、本発明者等
は、この様なスメクチツク相を有する液晶が、電
界、熱等を除去したのみもその静電容量が、数日
から数ケ月の間、殆んど変化しないことも確認し
ている。 電極２９，３０とスメクチツク相を有する液晶
３１の界面は、シラン系界面活性剤で処理し、初
期状態でホメオトロピツク配向、すなわち、スメ
クチツク相を有する液晶分子を基板に対し垂直に
配向させるようにするが、水平配向でも良い。 なお、液晶材料はスメクチツク相を有する液晶
に限らず、コレステリツク相を有する液晶等の公
知の外部場によつて配向方向が変化し外部場を除
去した後も一定の時間、その配向方向を記憶する
液晶を用いても良い。 次に画像情報書込み手段２１について説明す
る。第６図，第７図は、スメクチツク相を有する
液晶を用いた液晶パネルにレーザ光を照射して画
像情報を書込む手段を示したものである。 第６図は、レーザ光を任意の位置に集光できる
ようなレーザペン３３を設けたものである。レー
ザペン３３は、レーザ光を光源から導く光フアイ
バと集光用レンズで構成するものまたは、半導体
レーザ３４と集光レンズ３５を一体化したもの等
を用いる。本発明者等の実験では、液晶素子面で
10ｍＷ以上のレーザパワーを集光することによ
り、画像情報書込みを達成できることを確認して
いる。 第７図は、他の画像情報書込み手段を示したも
ので、レーザ３６、レーザ光の変調を行なう変調
器３７、レーザ光を任意の方向に偏向するＸ方
向、Ｙ方向の偏向器３８と、液晶素子面上にレー
ザ光を集光するレンズ３９から構成されている。 本発明者等が用いるレーザ３６としては、例え
ばYAGレーザで、その出力はシングルモードで
1W、ビーム拡がり角は1mrad以下である。 また、変調器３７として音響光学変調器を用
い、例えば偏向器３８として電流量により角度を
制御できる平面鏡（ガルバノメータ）を使用す
る。 いずれの方式においてもレーザ光は、電極２９
もしくは電極３０に吸収され電極は加熱される。
この結果、スメクチツク相を有する液晶も加熱さ
れて等方性液体相に転移する。次にレーザ光を取
り去ると急速に冷却されて再びスメクチツク相に
転移する。この時、液晶分子の配向方向が乱れ、
液晶は外光を散乱しこの散乱状態は安定に存続す
るので書込み状態となる。さらに、レーザ光が照
射されない部分は、初期状態（非書込み状態）を
示し透明状態となる。 なお、液晶パネル全面を初期状態とするには、
液晶パネル全面を加熱した後にＹ電極２９とＸ電
極３０間に直流電圧又は交流電圧を印加するか又
は、加熱しないで直流電圧又は交流電圧を印加す
ることで目的を達せられる。 次にスメクチツク相を有する液晶を用いた液晶
パネルの画像情報書込み手段の他の実施例を第８
図に示す。 液晶パネル４６の構造は、第４図に示した液晶
パネルと同一である。一方の基板に形成したＹ電
極の４３ａ〜４３ｃの一方の端子にスイツチ４２
ａ〜４２ｃを接続し、他方の端子をGND（0V）
に接続する。 さらに、他方の基板に形成したＸ電極４４ａ〜
４４ｃにスイツチペア４１ａ〜４１ｃを接続す
る。 スイツチ４２ａ〜４２ｃには、ヒート電源４７
を接続し、スイツチペア４１ａ〜４１ｃには、駆
動回路４０を接続する。駆動回路４０は、選択電
圧V_S及び非選択電圧V_NSを出力し、V_S＜V_NS（実効
値）とする。 V_Sは、第５図に示す特性に於いて、（ｃ点）か
ら（ｂ点）に移動する程度の電圧であり、本実施
例では0Vあるいはこの近傍が選ばれる。また、
V_NSは、第５図に示す特性に於いて、（ｃ点）か
ら（ａ点）に移動する程度の電圧であり、第９図
に示す様なパルス波に限らず、正弦波、間欠パル
ス等が選ばれるが、液晶の劣化を防ぐため平均値
が0Vとなる交流が望ましい。 ここで、液晶パネル４６の画素のうち斜線を施
した画素e₁₂，e₁₃，e₂₁，e₂₃，e₃₁，e₃₂を書込み状
態（散乱状態）、他の画素e₁₁，e₂₂，e₃₃を非書込
み状態（透明状態）とする場合の、Ｘ電極４４ａ
〜４４ｃとＹ電極４３ａ〜４３ｃに加える電圧を
第９図に示す。 スイツチペア４１ａ〜４１ｃを総てオフにした
状態でスイツチ４２ａを一定時間だけオンし、Ｙ
電極４３ａにヒート電圧V_Wを印加する。この結
果、Ｙ電極４３ａは発熱し、ジユール熱により液
晶は加熱されスメクチツク相から等方性液体相に
転移する。 次にスイツチ４２ａをオフにし、ヒート電圧
V_Wを取り去ると液晶は急速に冷却するがこの時
スイツチペア４１ａの一方のスイツチのみをオン
して非選択電圧V_NSを選択し出力する。残りのス
イツチペア４１ｂと４１ｃは、選択電圧V_S（
０）を選択し出力する。この結果、斜線を施した
画素e₁₂，e₁₃は書込み状態となり、画素e₁₁は非書
込み状態となる。 以上述べた動作をＹ電極４３ｂ，４３ｃについ
ても順次同様に行う。 次に画像情報を読み出す方法の原理を説明す
る。 前述した様に、本実施例に用いるスメクチツク
相を有する液晶は正の誘電異方性を示す。すなわ
ち、液晶分子の長軸方向の比誘電率εと短軸方
向の誘電率ε⊥との関係はε＞ε⊥となつてい
る。 従つて、これまでに述べた非書込み状態では液
晶分子は電極に対して垂直に配向し、液晶層の比
誘電率は、液晶分子の長軸方向の比誘電率εに
ほぼ等しい。 また、書込み状態では、液晶分子の配向方向が
著しく乱れており、仮に配向方向が完全にランダ
ムであると仮定すれば、液晶層の比誘電率は、ε
と液晶分子の短軸方向の比誘電率ε⊥の三次元
的な平均値１／３（ε＋2ε⊥）に近くなり、ε より小さな値になる。 ここで、第８図に示されるマトリクス状に配置
される画素e₁₁〜e₃₃を一種のコンデンサと考える
と、液晶パネル４６は、第１０図に示すように、
コンデンサ群４８とみなすことができる。 このとき、各々の画素は、電極間に誘電体であ
る液晶層が満されたものであるから、前記したよ
うに、書込み状態あるいは非書込み状態でその分
子配向が異なることに起因した誘電率のちがいに
よつて、その静電容量が異なる。 したがつて書込み状態の画素の静電容量C_Wと
非書込み状態の画素の静電容量C_NWは異なる。前
記したように例えば、正の誘電異方性をもつ液晶
材料を用い、非書込み状態では垂直配向する場合
ではC_W＜C_NWとなり、その比は、 C_NW／C_W＝ε／１／３（ε＋2ε⊥）＞１ ……(1) となる。本発明者等は、ε＝12，ε⊥＝4.7の
液晶材料を用いて静電容量を測定した結果、
C_NW／C_W＝1.48となり(1)式による計算値の1.68に
近い値であることを確認している。 また、正の誘電異方性をもつ液晶材料を用い、
初期配向を水平配向とした場合、C_W＞C_NWとな
る。 以上に述べたように、書込み状態の画素と非書
込み状態の画素とでは、静電容量が異なるので、
その静電容量のちがいを電気的に読出すことによ
つて、書込まれた情報を認識し外部装置に出力す
ることができる。 次に第２図に示した画像情報読出し電圧発生回
路２０、画像情報検出回路２３、画像情報信号変
換回路２４の実施例について説明する。 第１０図は、画像情報読出し方法の基訪構成例
を示したものである。液晶回路４８は、第８図に
示した液晶パネルをコンデンサの等価回路で表わ
したものである。電極は、Ｘ電極４９ａ〜４９ｃ
とＹ電極５０ａ〜５０ｃからなる。 ここでは、画素５１の中でe₁₁の画像情報を読
出すものとした。このため、Ｙ電極５０ａには、
画像情報読出し電圧発出回路２０からの読出し電
圧V_Rを加える。他のＹ電極５０ｂ，５０ｃは定
電圧源５３に接続する。 一方、Ｘ電極４９ａには、電流―電圧変換回路
５５を接続する。さらにこの出力を波形整形回路
５６に入力する。ここで、整形した後に画像情報
信号変換２４に入力する。他のＸ電極４９ｂ，４
９ｃは定電圧源５４に接続する。 ここで、読出し電圧V_Rは、画素e₁₁の両端の電
圧が時間的に変化するものであれば良く特に限定
する必要はない。 すなわち、本発明の特徴は特に画素e₁₁を静電
容量と見なし、主として変位電流の大小を判定し
て情報を読出すことにある。 第１１図は、画素e₁₁の静電容量を読出す時の
様子を示したものである。ここでは、画素e₁₁，
e₂₁，e₃₁の静電容量をC₁₁，C₂₁，C₃₁とした。 例えば、読出し電圧V_Rを第１１図ａに示す様
にdv／dt＝Ｅ／t₀＝Ｋのランプ状電圧とし配線抵抗r₁及 び配線抵抗r₂が十分小さいとすると、電流―電圧
変換回路５５に流れる変位電流ｉは、短時間で
Ｋ・C₁₁の値に飽和する。 今、第１１図ｂに於いて、C₀＝C₂₁＋C₃₁とする
と、 １／C₁₁∫(i+i₀)dt＋r₁(i+i₀)＋r₂i＝Kt …(2) ｉ／r₂＝１／C₀∫i₀dt …(3) となり、式(2)，(3)からラプラス変換等によつて、
変位電流ｉ（ｔ）を求めると、 ｉ（ｔ）＝Ｋ・C₁₁（１−βε〓^t−αε〓^t／β―α
）…(4) となる。ここで、 Ａ＝r₁r₂C₀，Ｂ＝r₁＋r₂＋r₂C₀／C₁₁ とすると、 である。式(4)より、ｉ（ｔ＝０）＝０，ｉ（ｔ＝∞）
＝Ｋ・C₁₁となり、飽和時の変位電流ｉは、Ｋ・
C₁₁となつて、他の静電容量C₀（＝C₂₁＋C₃₁）電極
の配線抵抗r₁，r₂には依存しなく、クロストーク
による電流の影響がないことがわかる。 従つて、第１１図ｃに示す様に、変化電流ｉを
検出することによつて、書込み状態の画素の静電
容量C_Wと非書込み状態の画素の静電容量C_NWとの
検出が可能となり、短時間に画像情報を読み出す
ことができる。 尚、過渡状態での変位電流ｉを検出し画像情報
の読み出しを行なつても良いが、第１１図ｃに示
す様に、変位電流ｉが飽和し、安定した後に変位
電流ｉを検出した方が、検出精度が向上する。 さらに、変位電流ｉの検出は、読み出し電圧
V_Rの上昇時あるいは下降時のいずれでも良い。 また、「時間的に変化する読み出し電圧V_R」
は、dv／dtが一定な（＝Ｋ）電圧以外、例えば、
正弦波電圧等を用いても、静電容量を検出するこ
とは可能であるが、式(4)からわかるように、
dv／dtは一定（＝Ｋ）の方が、検出し易い。こ
の様なdv／dtが一定な電圧としては、第１１図
ｃに示すようなランプ状電圧の他に三角波電圧等
が挙げられる。 なお、液晶分子の配向状態は、特定のしきい値
以上の電圧が印加されたとき変化するので、静電
容量を検出するために印加する読み出し電圧V_R
は、液晶のしきい値以下の電圧値にすることが好
ましい。 第１２図、第１３図は、電流―電圧変換回路５
５、波形整形回路５６及び画像情報信号変換回路
２４の具体例を示したものである。 まず、第１２図の電流―電圧変換回路５５で
は、オペアンプ６１と抵抗６０を用いて検出され
た変位電流ｉを電圧に変換する。この時、オペア
ンプ６１の出力電圧v_Sは、v_S＝−ｉ・R_fとなる。 波形整形回路５６は、コンパレータ６２を用
い、一方の入力端子に前記電流―電圧変換回路５
５の出力電圧v_Sを入力し、他方の入力端子に基準
電源６３で得られる基準電圧V_R

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 対向面に一方の電極と他方の電極とが対向す
   る様に形成される一対の基板と、該一対の基板間
   に保持される誘電体と、上記一方の電極と上記他
   方の電極との対向部分の誘電体の静電容量を変化
   させる手段と、上記対向部分の誘電体に時間的に
   変化し且つdv／dtが一定の電圧を印加する手段
   と、上記対向部分の誘電体に流れる変位電流を検
   出する手段とを具備することを特徴とする情報保
   持装置。 ２ 対向面に複数の一方の電極と複数の他方の電
   極とが対向し、上記一方の電極と上記他方の電極
   との対向部分が全体としてマトリクス状をなす様
   に形成される一対の基板と、該一対の基板間に保
   持される誘電体と、上記一方の電極と上記他方の
   電極との対向部分の誘電体の静電容量を変化させ
   る手段と、上記対向部分の誘電体に時間的に変化
   し且つdv／dtが一定の電圧を印加する手段と、
   上記対向部分の誘電体に流れる変位電流を検出す
   る手段とを具備することを特徴とする情報保持装
   置。