JPH02310517A - 光学変調素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は映像や情報機器などに用いて有効な光学変調素
子に関するものである。

従来の技術 近年、コンピュータを中心とする情報機器分野及びテレ
ビジョン、ビデオテープレコーダなどを中心とする映像
機器分野において、プリンタなどに用いる薄型の光シャ
ッタや大画面で薄型の表示装置の需要が高まっている。

この種の光シャツタや表示装置として、液晶を用いた物
が注目されているが、最近特にこの液晶に強誘電性液晶
材料を用いたマトリクス型の表示装置や光シャッタが実
用化されつつある。

この種の液晶光学素子は、強誘電性液晶の電界に対する
双安定性を利用して、マルチプレックス駆動をしたとき
の非走査期間はそのメモリ効果によって安定状態を保持
し、コントラストの低下を防止している。また、電界に
対する応答性が速いという特徴も備えている。

以下図面を参照しながら、従来の強誘電性液晶を用いた
光学スイッチを説明する。

まず強誘電性液晶液晶自体について説明する。

第２図は強誘電性液晶分子の模式図である。強誘電性液
晶は通常、スメクチック液晶と呼ばれる、層構造を有す
る液晶である０分子は層の垂線方向に対してθだけ傾い
た構造をとっている。

また、通常、強誘電性液晶はラセミ体でない光学活性な
液晶分子によって構成されている。

第２図に示すように強誘電性液晶分子は分子長軸に垂直
な方向に自発分極となる永久双極子モーメントを存して
おり、カイラルスメクチックＣ相においては第２図の円
錐形（以下コーンと呼ぶ）の外側を自由に動くことがで
きる。またコーンの中心点０より液晶分子に対して下ろ
した単位ベクトルをＣダイレクタ−と呼ぶ。

第２図において２１は液晶分子、２２は永久双極子、２
３はＣダイレクタ−１２４はコーン、２５は層構造、２
６は層法線方向、２７は傾き角θを示している。

また強誘電性液晶分子は不斉原子を有しているため通常
ねじれ構造を有している。このねじれ構造を第３図に示
す。

第３図において３１は液晶分子、３２は永久双極子モー
メント、３３はねじれの周期を表すピンチ（Ｌ）、３４
は層構造、３５は層の法線方向、３６は傾き角θを表す
。強誘電性液晶パネルのセル厚（ｄ）がピッチより厚い
時（ｄ＞Ｌ）、通常、強誘電性液晶はセル基板表面の影
響がセル中央部まで及ばないため、ねじれ構造を持った
状態で存在する。

しかしセル厚がピッチより小さいとき（ｄ＜Ｌ）ねじれ
構造は基板表面の力で解かれ第４図のように分子が基板
表面と平行になった二つの領域が現れる。この二つの領
域は分子の持つ永久双極子をモーメントがそれぞれ反対
の方向を向いているものであり、一方は紙面裏から表方
向へもう一方は紙面表から裏方向へ向いている。これは
それぞれ層法線に対する分子の傾き角に対応している。

第４図において４１は液晶分子、４２は紙面裏方向から
表方向を向いている永久双極子モーメント、４３は紙面
表方向から裏方向を向いている永久双極子モーメント、
４４は層構造、４５は層法線方向、４６は傾き角を表し
ている。

次に強誘電性液晶の動作原理について図を用いて説明す
る。このように強誘電性液晶セルにピッチがセル厚より
も大きな強誘電性液晶（ｄ＜Ｌ）を封入すると第４図の
ような２つの領域を持つ状態となる。このとき紙面裏方
向から表方向に電界を印加すると永久双極子モーメント
はすべて電界の方向に向き第５図（ａ）のように分子が
全て＋θの傾きを持った状態となる。このような状態で
偏光板の偏光子（Ｐ）の偏光軸方向を分子の長軸方向に
、検光子（Ａ）の偏光軸方向を分子の短軸方向に平行に
すると（第５図（ａ）参照）、偏光子（Ｐ）を通過した
直線偏光は複屈折を受けずに透過し検光子（Ａ）により
遮られ暗状態が得られる。

また電界を逆方向に印加すると第５図（ｂ）のように分
子が全て一θの傾きを持つ状態となり偏光子を通過した
直線偏光は複屈折効果により検光子を通り抜は明状態が
得られる。

以上のように電界の正負により明暗の状態をそれぞれ得
ることができる。またこのようにセル厚がピッチより小
さいセル（ｄ＜Ｌ）においては通常ねじれ構造がほどけ
ているため電界を取り除いた後も分子はそのままの状態
で安定しメモリ効果が生じる。

第５図（ａ）、（ｂ）において５１は電界の方向、５２
は分子の永久双極子モーメント、５３は偏光子ＣＰ）、
検光子（Ａ）の偏光軸をそれぞれ表している。

第６図は従来の強誘電性液晶光学素子に用いる液晶への
印加電圧と光学的透過率とを示すグラフである。第６図
から明らかなように、所定の闇値以上の正電圧または負
電圧を所定の時間印加することにより安定状態を反転さ
せることができ、所定の闇値以下の電圧の印加に対して
は、安定状態は変化しない。

第７図は従来の強誘電性液晶光学素子を駆動する駆動電
圧波形の一例を示すグラフである。第７図において、各
波形はＯＮ画素とＯＦＦ画素に印加される電圧波形を示
しており、■１は上記液晶の安定状態を反転させるのに
必要な闇値より高い波高値のパルス電圧で、■２は上記
闇値より低い波高値のパルス電圧である。

以上のような駆動波形を印加したときの、従来の強誘電
性液晶光学素子の動作を以下に説明する。

まず第１のフィールドで期間Ｔｗｌに書き込み電圧を印
加するが、期間Ｔｗｌの前半はＯＦＦ電圧を印加し、後
半に負のＯＮ電圧を印加して画素をＯＮ状態にし、期間
ＴＨはメモリ効果によりＯＮ状態を保持する。期間Ｔｗ
２で印加される電圧は波高値が■２であるので液晶の安
定状態は変化せずＯＮ状態が保持される。つぎに、第２
フイールドでは期間Ｔｗ２に消去電圧を印加するが、期
間Ｔｗ２の前半はＯＮ電圧を印加し、後半にＯＦＦ電圧
を印加する。つまり、第１フイールドではＯＮにすべき
画素に書き込み電圧を与え、第２フイールドではＯＦＦ
にすべき画素に消去電圧を与え、２フイールドで１フレ
ームを終了する。上記操作を繰り返すことにより強誘電
性液晶光学素子を駆動することができる。なお、期間Ｔ
ｗｌ、７ｗ２においてその前半に書き込みまたは消去に
必要な信号の逆極性の電圧を印加しているが、これは直
流電圧印加による液晶の劣化を防止するためのもので、
印加電圧が交流になるようにしている。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、強誘電性液晶光学素子を−・方の安定状
態にして放置しておくと、放置した状態の安定性が徐々
に増し、他の状態が不安定になってきて、マトリックス
駆動による表示ができなくなることが我々の実験により
分かった。表示が不可能になる時間は、パネルの構成、
すなわち、液晶材料や配向膜などによって異なるが、駆
動中の時間とはほとんど関係なく一方の安定状態にして
放置した時間の総和で決まり、およそ１０００時間程度
であった。このような、特性の経時変化は我々の実験以
外にも、例えば田中、堀口、小林ら；　「通電配向処理
を施した強誘電性液晶素子の電気光学特性」、第１４回
液晶討論会講演予講集、１３３ページ、にも若干の報告
がある。

上記のような経時変化が起こると、容易には元に戻らず
、製品としての信頼性に欠けるという課題を有していた
。

本発明は上記課題を鑑み、特定状態の安定性のみが増し
て闇値の経時変化により、表示の書き込みが不可能にな
ることを防いだ光学変調素子を提供するものである。

課題を解決するための手段 上記課題を解決するために本発明の光学変調素子は、走
査電極群と信号電極群を有し、上記走査電極群と信号電
極群の間に、電界によって双安定状態を示す光学変調物
質を挟持し、上記走査電極と上記信号電極とにより画素
を構成し、上記画素に第１の電圧を印加する事により、
上記双安定状態の第１の状態になり、第２の電圧を印加
することにより、上記双安定状態の第２の状態になるよ
うに構成し、上記第１または第２の電圧を印加すること
により表示を行う素子において、表示終了後、双安定状
態の第１の状態と第２の状態の安定性を比較、検出でき
るように構成し、第１の状態と第２の状態の内、より不
安定な状態になるように電圧を印加し、その状態を保持
するという構成を備えたものである。

作用 本発明は上記した構成によって、表示終了後、双安定状
態の第１の状態と第２の状態の安定性を比較、検出でき
るように構成し、電圧を印加して第１の状態と第２の状
態の内、より不安定な状態にし、上記電圧を解除した後
、上記状態を保持することにより、一つの安定状態を安
定化することなく、闇値特性の経時変化は小さく、表示
に対する影響はなくなることになる。

実施例 以下本発明の一実施例の光学変調素子について、図面を
参照しながら説明する。

第８図、第９図は強誘電性液晶光学変調素子の光学特性
図である。用いたパネルは、エステル系の強誘電性液晶
を用いた液晶層の厚さ２．５μｍの表面安定化強誘電性
液晶マトリックスパネルであり、ＳｉＯを基板法線から
８２度傾いた方向から蒸着し配向膜を形成した。パルス
幅を一定に固定して電圧パルスをパネルに印加し、電圧
印加終了後の保持状態の輝度を測定しており、第８図は
、パネル制作直後の特性図で、第９図は、同じパネルを
暗状態のまま５００時間放置した後の特性図である。第
８図から分かるように制作直後のパネルでは、明状態か
ら暗状態への、暗状態から明状態へのどちらの閾値電圧
も約１５ボルトで、対称な光学特性を示している。この
ときに第７図（ａ）（ｂ）に示すようなマトリ・ンクス
駆動波形をパネルに印加すると、良好なコントラストの
表示が得られた。暗状態のまま５００時間放置したとき
の第９図の光学特性図を見ると、暗状態の方が安定化し
たため、明状態から暗状態への闇値電圧は低下しており
、暗状態から明状態への閾値電圧は上昇している。つま
り、明状態が不安定化したことが分かる。このとき、第
７図（ａ）　（ｂ）に示すようなマトリックス駆動波形
をパネルに印加すると、コントラストが約半分ぐらいに
低下してしまった表示しか得られながった。さらに、暗
状態１０００時間放置したパネルは、安定状態が暗状態
だけになってしまい、全くコントラストが付かなかった
。それとは反対に５００時間暗状態に放置後、不安定状
態となった明状態にして５００時間放置したものは、再
び第８図のような光学特性が得られ、良好なコントラス
トの表示が得られた。

したがって、表示終了後、双安定状態の第１の状態と第
２の状態の安定性を比較、検出できるように構成し、電
圧を印加して第１の状態と第２の状態の内、より不安定
な状態にし、上記電圧を解除した後、上記状態を保持す
ることにより、闇値電圧はパネル作成時とわずかしが変
わらず、３０００時間経過後もマトリックス駆動でのコ
ントラストは良好であった。

そこで、本発明の光学変調素子では、第１図のような構
成により、表示終了後、双安定状態の第１の状態と第２
の状態の安定性を比較、検出し、第１の状態と第２の状
態の内、より不安定な状態になるように電圧を印加し、
その状態を保持することにより、素子の経時変化を抑え
、信転性を向上させることに成功した。スイッチ９がオ
ンの時は外部電源または蓄電池１０から電力を供給して
通常のマトリックス駆動によりラインメモリー７を介し
て外部から供給されるデータを、ドライブ回路５，６に
より液晶パネルに書き込む。使用が終了しスイッチ９が
オフになると、パルス幅を一定に固定して電圧パルスを
パネル前面に印加し、その電圧印加終了後の保持状態の
輝度を輝度測定装置１１で測定して明暗いずれの状態が
安定か安定性比較装置１２で調べ、安定でない状態にな
るように電圧を印加しその状態を保持した後、ドライブ
回路５への電力の供給は止められる。強誘電性液晶は温
度によって応答速度が変わるので、温度センサー１３で
パネルの温度を測定し、温度に応じてパルス幅を適正化
している。

以上のように、表示終了後、双安定状態の第１の状態と
第２の状態の安定性を比較、検出できるように構成し、
電圧を印加して第１の状態と第２の状態の内、より不安
定な状態にし、上記電圧を解除した後、上記状態を保持
する構成にすることにより一つの安定状態を安定化する
ことなく、闇値特性の経時変化の小さい、信頼性の高い
光学変調素子を提供するものである。

なお、第８図、第９図に示した安定状態の安定性を検出
比較する方法はこれに限られるものではない。例えば、
第１図の走査電極とそのドライバー回路の間に電流検出
回路を設け、二状態間の反転の電流量を比較することに
より、安定性を検出比較することができる。

発明の効果 以上のように、表示終了後、双安定状態の第１の状態と
第２の状態の安定性を比較、検出できるように構成し、
電圧を印加して第１の状態と第２の状態の内、より不安
定な状態にし、上記電圧を解除した後、上記状態を保持
する構成にすることにより一つの安定状態を安定化する
ことなく、闇値特性の経時変化の小さい、信頼性の高い
光学変調素子を提供するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成図、第２図は強誘電性
液晶分子の模式図、第３図は強誘電性液晶のねじれ構造
を示す模式図、第４図は強誘電性電性液晶パネルにおい
ての動作原理を表す模式図、第６図は従来の強誘電性液
晶光学素子に用いる液晶への印加電圧と光学的透過率と
を示すグラフ、第７図（ａ）　（ｂ）は従来の強誘電性
液晶光学素子を駆動する駆動電圧波形の一例を示すグラ
フ、第８図、第９図は強誘電性液晶光学変調素子の光学
特性図である。 １・・・・・・上基板、２・・・・・・下基板、３・・
・・・・信号電極、４・・・・・・走査電極、５・・・
・・・走査側ドライブ回路、６・・・・・・信号側ドラ
イブ回路、７・・・・・・ラインメモリー、８・・・・
・・タイミング・電圧制御回路、９・・・・・・スイッ
チ、１０・・・・・・蓄電池、１１・旧・・輝度測定装
置、１２・・・・・・安定性比較装置、１３・・・・・
・温度センサー。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名ＡＴＡ 第２図 ど５ 第３図 第　４　図 ４！ 第５図 第６図 時間 第７図 ７＊Ｉ　　　　ＴＨＴ′１ｖ２　　　　ＴＨＷＪ８図 電　工 第９図 電　瓜

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）走査電極群と信号電極群を有し、上記走査電極群
   と信号電極群の間に、電界によって双安定状態を示す光
   学変調物質を挟持し、上記走査電極と上記信号電極とに
   より画素を構成し、上記画素に第１の電圧を印加するこ
   とにより、上記双安定状態の第１の状態になり、第２の
   電圧を印加することにより、上記双安定状態の第２の状
   態になるように構成し、上記第１または第２の電圧を印
   加することにより表示を行う素子において、表示終了時
   に、上記双安定状態の第１の状態と第２の状態の安定性
   を比較、検出できるように構成し、電圧を印加して第１
   の状態と第２の状態の内、より不安定な状態にし、上記
   電圧を解除した後、上記状態を保持することを特徴とす
   る光学変調素子。
2. （２）各画素で第１の状態と第２の状態の安定性を比較
   、検出する事を特徴とする請求項（１）記載の光学変調
   素子。
3. （３）全画素の平均で第１の状態と第２の状態の安定性
   を比較、検出する事を特徴とする請求項（１）記載の光
   学変調素子。
4. （４）光学変調物質が強誘電性液晶であることを特徴と
   する請求項（２）または（３）のいずれかに記載の光学
   変調素子。
5. （５）強誘電性液晶がカイラルスメクティックＣ相を示
   すことを特徴とする請求項（４）記載の光学変調素子。