JPS61204621A - 画像形成装置 - 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、画像形成装置に関し、特に、双安定性スメク
ティック相を有する強誘電性液晶を使用した画像形成装
置に関する。

［従来の技術］ 液晶素子は、従来より、ディスプレイや光シャッタなど
の種々の分野において、装置を薄型化もしくは低電力化
できる長所から利用されており、特に、画像形成装置の
分野における進歩は目覚ましい。

強誘電性液晶を用いた画像形成装置としては、例えば、
電荷付与手段としてイオン発生器を配設し、液晶素子の
外部に偏光ビームスプリッタを配置して、照射光と双安
定性スメクテイック液晶との間で生じる光学的変調を検
出することにより、画像を形成する装置がある。第５図
は、上記のような従来の画像形成装置の１例を模式的に
示した構成図であって、液晶素子５０１は誘電体ミラー
５０２を内臓する反射型構造のもので、その反射光の光
学変調を得るために、偏光ビームスプリッタ−５０３が
配置されている。液晶素子５０１は、誘電体ミラー５０
２を設けた電荷受容体５０４と透明電極５０５を設けた
基体５０Ｂとの間に液晶層５０７が挟持されたセル構造
で、セル構造の間隔はスペーサ５０８で保持されている
。ここで、イオン発生器５０８にデジタル画像信号に応
じる信号電圧を与えると、前記電荷受容体５０４に画像
相当のイオンが照射される。予め、双安定状態の一方で
ある第１の安定状態にさせられている液晶５０７は、例
えば５０７ｂで示された部分にイオンが照射されると、
その部分は双安定状態の別な一方である第２の安定状態
をとることになる。投射光５１０ａ、５１０ｂ、５１０
ｃが偏光ビームスプリッタ−５０３を通して液晶素子５
０１に照射され、液晶層に記録された画像が投射スクリ
ーン５１１に投射される。偏光ビームスプリッタ−５０
３の偏光方向を５０７ａで示される液晶の配列方向と平
行又は直角方向とし、例えば投射光５１０ａ、５１０ｂ
、５１０ｃをＰ成分の偏光光とすると、コノ投射光５１
０ａ、５１０ｂ、５１０ｃは偏光ビームスプリッタ−５
０３を通してＰ成分の偏光光として液晶素子５０１に照
射される。このＰ成分の偏光のうち５１０ａと５１０ｃ
は第１の安定状態に配列している液晶５０７ａを通過し
、誘電体ミラー５０２で反射され、そのままＰ成分の偏
光光ビームスプリッタ−を通過した光５１０ａ′と５１
０ｃ　”となる、一方、Ｐ成分の偏光光のうち、投射光
５１０ｂは、第２の安定状態に配列している液晶５０７
ｂを通過し、誘電体ミラー５０２で反射され、Ｓ成分を
含む偏光光に変調され、この光のうちＳｒ＆分の偏光光
のみが偏光ビームスプリッタ−５０３で反射された光５
１２ｂ’となり、この光が投射スクリーン５１１に投影
されて、液晶素子５０１に、記録された画像が投射スク
リーン５１１に映し出される。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明が解決しようとする問題点は、上記のような従来
の装置では、外部からの照明が必要であり、また照明を
装置内に配設するとしても、偏光ビームスプリッタ−の
厚さのために装置全体が巨大化してしまうという欠点で
ある０本発明は、この問題点に鑑みて、照明光源を装置
内に配置し。

大画面表示においても装置が巨大化しない透過型の画像
形成装置を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明においては、導電体と電荷受容体との間に液晶を
挟持したセル構造の液晶素子と、前記電荷受容体の表面
に液晶の閾値電圧を越える電荷を付与する電荷付与手段
と、その電荷付与手段を前記電荷受容体の表面と平行に
移動させる移動手段とを備えた画像形成装置において、
液晶を挟持して対向する２つの部材の液晶側表面に偏光
膜を付着させたことを特徴とするものである。電荷付与
手段としては、通常、イオン発生器が使用され、例えば
、特開昭５４−７８１３４号公報や特公昭５Ｂ−３５８
７４号公報などに記載のものを使用することができる。

電荷受容体は、透明で、かつ電荷を発生し易い材料が使
用され、例えば、ポリイミド、ポリアミドなどのプラス
チック、又はガラス等が好適である。液晶層は、その電
荷受容体と導電体とに挟持されるが、それらの対向面に
偏光膜を付着させ、対向する２つの偏光膜の偏光方向が
互いに直交するいわゆるクロスニコルの状態に配置され
る。

［作　用］ 電荷付与手段は２画像の書き込み手段であり、液晶素子
は、書き込まれる対象である。電荷付与手段から液晶素
子へイオンが照射される際に、その電界の向きをデジタ
ル画像信号に対応させて、正負のいずれかで印加するこ
とにより、液晶素子の電荷受容体に電荷像を形成するこ
とができ、更には、液晶を挟持して対向する導電体との
間に誘導的に発生する電界により、液晶の配列方向を変
化させることができる。

また、従来のように偏光板でなく、偏光膜を内部へ付着
させるので、液晶素子を透過型に構成することが容易に
なり、特に、クロスニコルの状態に２つの偏光膜を配置
すれば、液晶の２つの安定状態のいずれかの長袖方向と
一致させることができる。

［実施例］ 以下、本発明を実施例と図面を用いて詳細に説明する。

第１図（ａ）は５本発明を実施した画像形成装置の１例
を示す構造図である。第１図において。

液晶素子１０１は偏光膜１０２ａおよび１０２ｂを内蔵
する透過型構造をしていて、光源１０３は液晶素子１０
１に近接して配置される。第１の偏光膜１０２ａは電荷
受容体１０４の面上に形成され、第２偏光膜１０２ｂは
ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ　Ｔｈ１ｎ　０ｘｉｄｅ　）など
の透明電極　１０５に重ねて、ガラス等の基板１０Ｂの
面上に形成されていて、これらの間に液晶層１０７が挟
持されている。このセル構造の間隔は、スペーサ１０Ｂ
で保持される。

本発明において、偏光膜を使用することの利点を説明す
る。従来のように偏光板を使用すると、基板１０６の外
側であれば装置全体への影響は少ないが、電荷受容体１
０４側に配置する場合は、電界の拡がりによる解像力の
劣化を与えることになる。偏光膜の使用は、これを防ぎ
つつ液晶の配向制御を行うことを可能にし、その他に絶
縁膜としての機能も果すものである。液晶の配向につい
ては、基板の表面をガーゼやダイヤモンドペーストなど
でこすり、変形面と液晶分子との弾性作用により液晶の
配列方向を基板の擦過溝方向に揃えるラビング（擦過）
方式等が公知であるが、特公昭５４−１２０６８号公報
に記載されている延伸ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）
に２色性有機染料を吸着させて形成されたプラスチック
偏光膜を使用することにより、前記ラビング等の配向処
理における配向制御膜としても兼用させられることにな
る。

第２図は、本発明による画像形成装置の原理を模式的に
示す断面図である。第２図において１画像形成装置は、
書き込み手段としてイオン発生器２０１が配設され、書
き込み対象として液晶素子２０２が配置されている。イ
オン発生器２０１は電極２０３に交流高電圧が印加され
、これと電極２０４との間に生じた電界により、気体放
電を発生させて絶縁層２０５を充放電する。そして“、
その充放電により、前記電極２０４の開口部２０６に正
又は負のイオン源が作られる。２０７は絶縁部材で、電
極２０４と電極２０８の間隙を保つ。

液晶素子２０２は、電荷受容体２０８と導電体２１０と
の間隙をスペーサ２１１で保ち、その間に液晶層２１２
を封入したもので、導電体２１０は基板２１３の板面に
形成された電極である。この電極と前記イオン発生器の
電極２０８との間に直流電圧を印加すると、イオン発生
器２０１の前記開口部２０Ｂから液晶素子２０１の電荷
受容体２０９へイオンが照射され、この時に電極２０４
と２０８の間の電界の向きを選択することによって、正
又は負のイオンのうち何れか一方のイオンが電極２０８
に向けることができる。電極２０８と電極２１０の間は
、直流電界により正又は負のうち何れか一方のイオンの
みが電極２１０に向けて照射される。従って、電極２０
４にデジタル画像信号に応じた信号電圧を印加すること
によって、電荷受容体２０９に画像様のイオンが照射さ
れて、電荷像を形成することができる。

第２図に示すイオン発生器２０１は、開口部２０Ｂを１
画素とすることができ、従って開口部２０６を紙面垂直
方向に多数配置して開口部アレイを形成し、この開口部
アレイを矢標２１１の方向に走査すると、液晶素子２０
２の全面にわたって画像状の電荷を与えることが可能と
なる。この方式においては開口数だけの駆動素子は必要
とせず、電極２０３への交流印加電圧と電極２０４への
画像信号電圧の間でマトリックス駆動を行なわせること
により、駆動素子の数は大巾に減少させることができる
。

液晶層２１２には、例えばポリイミド、ポリアミドなど
のプラスチック、又はガラスでできた電荷受容体２０９
上の静電荷（例えば、図中ではｅとした）とそれに誘導
されて存在する電極２１０中の電荷（例えば、図中では
Φとした）により電界が加わりこの電界により液晶の配
列方向に変化を生じさせる。

配向変化を生じさせる電界強度は、液晶の種類により変
化するが０．５〜ＩＯＸ　１０’　　Ｖ／ｍ程度であり
、これは与えるべき電荷量で表わすと液晶層２１２及び
電荷受容体２０８の誘電率によって変わるが１．５〜４
４Ｘ　１０−３ク一ロン／ｒｎ’程度である。

電荷受容層２０９の厚さは、液晶層２１２へ分配印加さ
れる電圧へは余り影響を与えないが、厚くなると電界の
拡がりにより解像力が劣化してくるので厚さは１画素の
大きさ程度、望ましくはその半分以下がよい。たとえば
１画素の大きさが８０ミクロンであったとすると、その
半分の３０ミクロン程度以下の厚さとすることが望まし
い、静電荷により、電荷受容体２０９と電極２１０の間
には静電引力が働くので、電荷受容体２０９が変形しな
いよう充分な密度でスペーサー２１１を設けることが好
ましい。

スペーサー　２１１の部分は、画像表示コントラストに
悪影響を及ぼさないように表示方式によっては黒色又は
光散乱状態とする。スペーサー２１１のピッチと画素の
ピッチの比が整数に近くなるとモアレが発生することが
あるので、これを避けるためにはスペーサー２１１ピツ
チ又は角度を選んだり又はランダムに配置することも可
能である。

電荷受容体２０９の抵抗値は双安定性スメクテイ２り液
晶の如きメモリー性を有するものを使用する場合には配
向変化に必要な間のみ電荷を保持すれば良いので１０１
ｏΩ・ＣＭ程度の低抵抗のものまで用いることができる
。この場合には電荷受容層に電荷が蓄積しない様に端部
を接地又は低い電位に接続しておくことが望ましい。

画像を書き換える場合には、使用する液晶相に応じた種
々の方法により画像を消去することができる。例えば全
面に一様な電界を加えて書き込み画像を消去することが
でき、この方式の場合にはコロナ放電器を別に設けて帯
電又は除電を行なっても良いが、イオン発生器２０１を
用いて、画像信号の代りに消去信号を印加することによ
っても可能である。

次に、このように外部より与えられれた一定量の電荷に
よる電界により実効的に液晶の配向変化を得る場合、強
誘電性液晶は、他のたとえばネマティック液晶等に比べ
１０１４Ω・ｃｍ以上と極めて高インピーダンスである
為電荷をリークさせることがなく最適である０強誘電性
液晶としてカイラルスメクティック液晶があり、そのう
ち力イラルスメクティックＣ相（８層０２）又はＨ相（
ＳｍＨりの液晶が適している。又、この強誘電性液晶は
、電界に対して双安定性を有しており、しかも電界効果
により何れか一方の安定状態に配列したあと、かかる電
界を取り除いてもこの安定状態が維持されるので、本発
明の画像形成法において特に適したものである。

強誘電性液晶の詳細については、例えば、“ル・ジュー
ルナル・ド・フィジーク・ルテールパ（“ＬＥ　ＪＯＵ
ＲＮＡＬ　ＤＥ　ＰＨＹＳＩＱＵＥ　ＬＥＴＴＥＲ３”
）１９７５年、３ｅ　（ｒ、　−ａｓ）号に掲載の「フ
ェロエレクトリック・リキッド・クリスタルス」（ｒＦ
ｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔ
ａｌｓ　Ｊ　）、°′アプライド・フィジックス・レタ
ーズ（”Ａｐｐｌｉｅｄ　　Ｐｈｙｓｉｃｓ　　Ｌｅｔ
ｔｅｒｓ　　”　　）　　１９８０年、　３８（１１）
号に掲載の「サブミクロ・セカンド・バイスティプル・
エレクトロオプティック・スイッチング・イン・リキッ
ド・クリスタルス」（ｒｓｕｂｍｉｃｒｏ　５ｅｃｏｎ
ｄ　Ｂ１−５ｔａｂｌｅ　ＥｌｅｃｔｒｏａｐｔｉｃＳ
ｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｉｎ　Ｌｉｑｕｉｄ　ＣｒｙＳｔａ
ｌ　ｓ　Ｊ　）　、・　　“固体物理”１９８１年、１
Ｂ（１４１）号に掲載の「液晶」等に記載されており、
本発明ではこれらに開示された双安定性を示す強誘電性
液晶を用いることができる。

強誘電性液晶化合物の具体例としては、デシロキシベン
ジリテンーＰ′−アミノ−２−メチルブチル　シンナメ
ー）　（ＤＯＢＡＭＢＣ）、ヘキシルオキシベンジリデ
ン−Ｐ′−アミノ−２−クロロプロピルシンナメート（
ＨＯＢＡＣＰＣ）、４−ｏ−（２−メチル）−ブチルレ
ゾルシリテン−４′−オクチルアニリン（ＭＢＲＡ８　
）が挙げられる。

これらの材料を用いて素子を構成する場合、液晶化合物
がＳ■Ｃ零相又はＳＩｌ旧相となるような温度状態に保
持する為、必要に応じて素子をヒーターが埋め込まれた
銅ブロック等により支持することができる。

第３図は、強誘電性液晶の動作説明のために、セルの例
を模式的に描いたものである。この際、便宜上前記の電
荷受容体と電荷の関係を電極構造で表す。

電極３０１と　３０１′の間に液晶分子層３０２が電極
面に垂直になるよう配向したＳａＣ零相又はＳｍ旧相の
液晶が封入されている。太線で示した線３０３が液晶分
子を表わしていて、この液晶分子３０３はその分子に直
交した方向に双極子モーメン）（Ｐム）３０４を有して
いる。電極３０１と３０１′の電極間に一定の閾値以上
の電圧を印加すると、液晶分子３０３のらせん構造がほ
どけ、双極子モーメント（Ｐよ）３０４がすべて電界方
向に向くよう、液晶分子３０３は配向方向を変えること
ができる。液晶分子３０３は、細長い形状を有しており
、その長袖方向と短軸方向で屈折率異方性を示し、従っ
て例えバカラス面の上下に互いにクロスニコルの偏光子
を置けば、電圧印加極性によって光学特性が変わる液晶
光学変調素子となることは、容易に理解される。本発明
の液晶素子２０１で好ましく用いられる液晶セル構造は
、その厚さを充分に薄く（例えば１０ｇ以下）すること
ができる、このように液晶層が薄くなるにしたがい、第
４図に示すように電界を印加していない状態でも液晶分
子のらせん構造がほどけ、非らせん構造を形成し、その
双極子モーメントＰまたはＰ′は上向き（４００又は下
向き（４０４’）のどちらか一方の安定状態をとる。こ
のようなセルに、第４図に示す如く一定の閾値以上の極
性の異る電界Ｅ又はＥ′を電圧印加手段４０１と　４０
１′により付与すると、双極子モーメントは、電界Ｅ又
はＥ′の電界ベクトルに対応して上向き　４０４又は下
向き４０４′と向きを変え、それに応じて液晶分子は、
第１の安定状態４０３かあるいは第２の安定状態４０３
′の何れか一方に配向する。

このような強誘電性液晶を素子として用いることの利点
は、先にも述べたが２つある。その第１は、応答速度が
極めて速いことであり、第２は液晶分子の配向が双安定
性を有することである。

第２の点を、例えば第４図によって更に説明すると、電
界Ｅを印加すると液晶分子は第１の安定状態４０３に配
向するが、この状態は電界を切っても安定である。又、
逆向きの電界Ｅ′を印加すると、液晶分子は第２の安定
状態４０３”に配向してその分子の向きを変えるが、や
はり電界を切ってもこの状態に留っている。又、与える
電界Ｅが一定の閾値を越えない限り、それぞれの配向状
態にやはり維持されている。このような応答速度の速さ
と、双安定性が有効に実現されるにはセルとしては出来
るだけ薄い方が好ましい。一般的には０．５　ｐ〜２０
ＩＬ、特にｌＩＬ〜５ルが適している。この種の強誘電
性液晶を用いたマトリクス電極構造を有する液晶素子は
、例えばクラークとラガパルにより、米国特許第４３８
７９２４号公報で提案されている。

さて、第１図（ａ）に示された本発明による画像形成装
置は、上記の如き液晶素子の電荷受容体１０４および透
明電極１０５に、偏光膜１０２ａおよび１０２ｂを付着
させたものである。まず、画像形成に先立って、イオン
発生器１０９より負のイオンビームを電荷受容体１０４
へ照射し、かつ前記イオン発生器１０９の移動手段１１
０により、その照射を電荷受容体　１０４の全面に亘っ
て均一なものとして負電荷を与え、これによる電圧Ｅａ
’が液晶層１０７に実質的に印加され、この際の電圧が
液晶の閾値電圧より大きくなると、例えば第１図（ｂ）
に示される第１の安定状態に配列された液晶１０７ａを
均一に生じることになる。

第１図　（ａ）に示される２つの偏光膜１０２ａおよび
１０２ｂは、互いに前記クロスニコルの関係に配置する
ことができる。ここで、第４図に示した液晶分子の２つ
の安定状態は、その長袖方向が前記ラビング方向に対し
て等角度で実現されるため、例えば、いずれか一方の偏
光膜１０２ａもしくは１０２ｂの偏光方向が前記第１の
安定状態に配列された液晶分子１０？ａの長袖方向と一
致するように、ラビング方向と偏光方向とを予め調節す
ることができる。この状態では、入射光は透過せず、全
体が「暗」の状態となる。

次に、イオン発生器１０９より正のイオンビームを画像
状に電荷受容体１０４に照射する。この際、イオン発生
器　１０９もしくは液晶素子１０１を移動させて電荷受
容体１０４にイオンビームを走査することができる。こ
のイオンビームの照射により電荷受容体１０４には、図
中のΦ電荷が画像状に付与され、Ｅａ’の電界方向とは
逆方向の電界Ｅａが液晶層１０７に生じることになる。

この電圧Ｅａが閾値電圧を越えることによって第１の安
定状態に配列していた液晶１０７ａが第２の安定状態に
配列した液晶１０７ｂに変化する。電荷受容体１０４に
付与された電荷がリークして消滅すると共に、液晶層１
０７に印加される電圧も消滅するが、本実施例の如く液
晶層１０７が強誘電性液晶の場合はメモリー性を有して
いるので、記録画像は保持される。このとき、第２の安
定状態に配列した液晶分子１０７ｂの長袖方向が互いに
クロスニコルの関係にある偏光膜１０２ａおよび１０２
ｂの双方の偏光軸方向からずれることによって、光源　
１０３からの入射光が透過し、「明」の状態になって画
像が表示される。

なお、本実施例では、１００　ｐ−のＳｉＯ□ガラス上
にＰＶＡ偏光膜を形成し、電荷受容体に設けることとし
たが、ＰＶＡの厚さを１００１Ｌ程度にすれば、強度的
にも、ＰＶＡ膜自身を偏光膜と配向制御膜とを兼ねる電
荷受容体として使用することも可能である。

［発明の効果］ 以上、説明したとおり、本発明によれば、液晶セルのい
ずれかの対向面に偏光膜を配置することにより、装置内
に光源を配設しても装置が巨大化しない、大画面表示に
適した透過型画像を容易に形成する薄型化可能の画像形
成装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構造図、第２図は本発明を
模式的に示す断面図、第３図および第４図は本発明に使
用する液晶素子を模式的に示す斜視図、第５図が従来例
の構造図である。 １０１．２０２，５０１・・・液晶素子、　１０２・・
・偏光膜、１０３・・・光源、　　１０４，２０９，５
０４・・・電荷受容体。 １０７．２１２．５Ｇ？・・・液晶層、１０９．２０１
，５０９・・・電荷付与手段、１１０・・・移動手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）導電体と電荷受容体との間に液晶を挟持したセル
   構造の液晶素子と、前記電荷受容体の表面に液晶の閾値
   電圧を越える電荷を付与する電荷付与手段と、その電荷
   付与手段を前記電荷受容体の表面と平行に移動させる移
   動手段とを備えた画像形成装置において、液晶を挟持し
   て対向する２つの部材の液晶側表面に偏光膜を付着させ
   たことを特徴とする画像形成装置。