JPS6123118A

JPS6123118A - 光スイツチ素子

Info

Publication number: JPS6123118A
Application number: JP59144751A
Authority: JP
Inventors: Takao Umeda; 梅田　高雄; Kazuya Oishi; 一哉大石; Tatsuo Ikawa; 伊川　辰夫; Yasuro Hori; 康郎堀
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-07-12
Filing date: 1984-07-12
Publication date: 1986-01-31
Also published as: JPH0439650B2

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】〔発明の利用分野〕本発明は、プリンタ、複写機の印字部、ファクシミリの
印字部、あるいはディスプレイ等に用いられる強誘電性
液晶を用いた光スイッチ素子に関する。

〔発明の背景〕

強誘電性物質を用いた光スイッチ素子としては透明セラ
ミックス（ＰＬＺＴ）を用いた光スイッチ素子がよく知
られている（特開昭５７−９３３１６）。

一方、最近では強誘電性物質としてのカイラルスメクチ
ック液晶を用いた光スイッチ素子が注目をあびておシ、
かかる強誘電性液晶を用いた光スイッチ素子は、従来の
ネマチック液晶を用いた光スイッチ素子に比べて高速応
答（ｌ　ｍ　ｓ以下）が可能であるという利点を有して
いる。

まず、カイラル・スメクチック液晶を明らかにするため
に、表１に強誘電性を示すカイラル・スメクチックＣ液
晶ＳｍＣ”　（ＤＯＢＡＭＢＣ。

００ＢＡＭＢＣＣ）　　とカイラル・スメテックＨｉｆ
ｆｌ晶ＳｍＨ＊　（ＨＯＢＡＣＰＣ）の化学構造と相転
移温度を示しておく。

次に、第４図にこれらのカイラル・スメクチック液晶分
子（以下、特にことわらない限り、液晶分子と略記する
）の電解応答性を示す。第４図に示すように、液晶分子
２は、電界が印加されない状態（Ｅ＝Ｏ）ではラセン軸
１まわりに６ねじれた構造″を持っている。このような
液晶分子に対して液晶の物性し自発分極、ツイスト粘度
）で決る臨界Ｅｃ以上の電界Ｅをラセン軸１に対して直
角方向に印加すると、液晶分子２は自発分極３の方向を
電界Ｅの方向にそろえるように配列するため、第４図（
ａ）、　（Ｃ）に示すように、ラセン＠１に対して角度
もθ（液晶分子）２のねじれ角を示し、以下チルト角と
いう）で一様に配向する。このような液晶分子２の直流
電界応答性を利用することによって光を透過したり、遮
断すること７５工可能な光シヤツタ素子を得る事ができ
る。

次に、第５図に液晶分子２の複屈折性を利用して光の透
過及び遮断を行う複屈折タイプの光スイッチ素子の構成
および動作原理を示す。第５図（ａ）に示すように、複
屈折タイプでは液晶層４を一対の透明電極６−．６ｂを
表面に形成したガラス基板５ａ、５ｂで平行に挾持し、
基板５ａ、５ｂの両側に２枚の偏光板７ａ、７ｂを互に
偏光軸が直交となるように配置する。このとき、第５図
（ｂ）に示すように、偏光板７ａの偏光軸７　ａｘをラ
セン軸１に対して角度０になるようにしておくと負の直
流電界ＩＥＩ＜１Ｅｃｌを印加した時には、第５図（ｄ
）に示すように液晶分子２の配列方向が偏光板７ａの偏
光軸７１．と一致するため、光源８から光スイッチ素子
に入射した光９は透過せず、遮断される。

逆に、正の直流電界（Ｅ＞Ｅｃ）を印加した時には第５
図（Ｃ）に示すように液晶分子２の配列方向は偏光軸７
□に対してずれるため、複屈折効果によシ光が透過する
。このように、直流ＭＬ界Ｅの極性を反転することによ
り、光スイッチ動作を行うことができ、その応答性は数
十μｓ〜数ｍｓと極めて速い。また、液晶を用いれば、
液晶層４の厚みを数μｍと薄くできるため、１０〜２０
Ｖ程度の低電圧で駆動することができる。これに対し、
透明セラミックス（ＰＬＺＴ）の場合は数百Ｖ必要であ
夛、１ケタ低い駆動電圧でよいという利点を有する。

一方、第６図に液晶層内に二色性色素を混入して光透過
量を制御するゲストホストタイプの光スイッチ素子の構
成およびその動作原理を示す。ゲストホストタイプの素
子では液晶層内に二色性色素、例えば黒の色素を混入し
ておく。この場合には偏光板は１枚でよい。偏光板７ａ
の偏光軸７゜を第６図（ｂ）に示すように配置する。第
６図（ｄ）に示すように負の直流電圧（ＩＥＩ＜１Ｅｃ
ｌ　）を印加すると二色性色素分子１０は液晶分子２と
同じ配列状態となるため二色性色素分子１０の吸収軸（
分子の長袖）は偏光板の偏光軸７１．と一致し、液晶層
４内に入射された光の９が吸収されるので、透過しない
。逆に、正の電圧（Ｅ＞Ｅｃ）を印加すると、二色性色
素分子１０の配列方向は偏光軸７．８からずれるため、
光は吸収されることなく、光スイッチ素子を透過する。

このようにゲストホストタイプの光スイッチ素子も複屈
折タイプの光スイッチ素子（第５図）と同様、直流電界
Ｅの極性を反転することによって光をスイッチングする
ことができる。この方式の素子も複屈折タイプの素子と
同様、低電圧で高速応答する。

複屈折タイプおよびゲストホストタイプの光スイッチ素
子のコントラストＣは理想的には次式で与えられる。

（１）式かられかるようにコントラストＣは偏光軸７．
８とラセン軸１とのなす角θＫが液晶分子２のチルトθ
と等しい時、最大となる。

しかし、液晶分子２のチルト角θの値は温度によって大
きく変化することがわかった。ここで、第７図に７６Ｃ
から９５Ｃの温度範囲でカイラルスメクチックＣ（８ｍ
Ｃ”　）相を示すＤＯＢＡＭＢＣ液晶のチルト角θの温
度変化を示したものである。

この第７図かられかるようにチルト角θは７６Ｇの時、
最大値２６度をとり、温度が高くなるにつれて減少し、
ＳｍＡへの相転移温度である９５ｔ？で０度となる。こ
のように温度の上昇とともにチルト角が小ざくなる特性
はすべての強誘電性液晶に固有のものである。第８図は
ＤＯＢＡＭＢＣを用イタ複屈折タイプのスイッチ素子の
コントラストの温度依存性を示したもので、偏光軸７ｍ
ｚとラセンｒ抽ｌとのなす角θＫを、チルト角θの最大
値である２６度とした。なお、液晶層厚みは４μｍ１配
向膜１１は有機のラビング膜である。第８図かられかる
ように、チルト角θがθＫに等しくなる温度７６ｒで、
コントラストは最大値をとシ、その値は約１８となる。

理論的には（１）式から無限大となるべきであるが、実
際には液晶分子２の配向状態が完全な均一状態でないた
め有限値となる。

温度の上昇とともに小さくなり、９５Ｃでは１に低下す
る。

光シヤツター素子としてコントラスト８以上を確保でき
る温度ば７６Ｃから８５′Ｃとなる。これはカイラルス
メクチックＣ相の温度範囲７６Ｃから９５Ｃのうち約半
分しか利用できないことを意味する。また、コントラス
トの最大値は７６Ｃで、これは固体とカイラルスメクチ
ックＣ（ＳｍＣ傘）との境界温度であるため、コントラ
ストラ最大に維持するためには、温度制御がきわめて難
しくなる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、広い温度範囲にわたって、高いコント
ラストを有する光スイッチ素子を提供することにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するため、本発明による光スイッチ素子
は二枚の電極板間に強ｍｌ電性液晶が挾持されたものに
おいて、前記電棲板の外側に設けられた偏光板の偏光軸
と液晶分子のらせん軸とのなす角θＫをチルト角θの最
大値（２６度）よりも小さくすることにより、コントラ
ストが最大値になる温度を高温側にシフトさせ、高コン
トラスト領域の幅を広げた点に！待機をするものである
。

〔発明の実施例〕

以下、本発明による光スイッチ素子の実施例を図面に基
づいて説明する。

まず、本発明による光スイッチ素子の概要を述べる。第
１図は偏光板の偏光軸と液晶分子のらせん軸とのなす角
θにとして、カイラル・スメクチック（ＳｍＣ”）を示
す温度領域７６ｒ〜９５ｃでの中心温度８５Ｃにおける
チルト角（θ＝１９度）に設定したときの光スイッチ素
子のコントラストの温度依存性を示す特性図である。こ
の図かられかるように、コントラストは温度８５Ｕのと
き最大値となり、コントラスト８以上の領域は７６ｔｌ
？〜９２ｔｒまで大きく拡大されることがわかる。コン
トラストが８以上であるとする必然性については後述す
る。

次に、このような光スイッチ素子を用いた具体例につい
て述べる。

第２図は強誘電性液晶を用いたプリンタ用光スイッチア
レイの例を示している。第２図において、Ｉｎｚ０３　
膜からなる微細電極６ａを形成した信号電極基板５ａと
共通電極６ｂを形成した共通電極基板５ｂの電極面上に
配向膜１１（有機のラビンク膜）ヲ設ケ、側基板５　ａ
　、　ｓ　ｂ間にＤＯＢＡＭＢＣ液晶層４を厚み４μｍ
で平行に挾持した後１．基板５ａ、５ｂの外側に２枚の
偏光板７ａ、７ｂを粘着材を用いてはりつけた。第３図
は液晶分子のう七ン軸１と２枚の偏光板７ａ、７ｂの偏
光軸との関係を示す図である。ラセン軸１は配向処理時
のラビング方向に一致する。偏光板７ａと７ｂの偏光軸
は互いに直交し、θにけラセン軸１と偏光板７ａの偏光
軸とのなす角である。第２図において、１３は液晶層の
温度をコントロールするだめの透明ヒータである。光源
８がら液晶光スイッチアレイ１２に入った光は信号電極
６ａと共通電極６ｂ間に印加された電圧により選択的に
透過し、レンズ１４によシ感光体ドラム１５０表面に集
光される。光照射によって感光体表面に形成された潜像
はトナー現象され可視化される。

一般ニ光スイッチアレイを用いたプリンタにおいて、白
黒の２階調印字を行うためには少なくとも８以上のコン
トラストが必要である。なぜならば８以下になると、非
印写部に゛かぶり〃が発生し、きわめて印写品質が低下
するからである。一方、光源としては通常蛍光灯やハロ
ゲンランプが用いられる。プリンタではこれらの光源が
装置内に格納されるため特に熱線を発生するハロゲンラ
ンプを用いた場合には、光源の近傍におかれた光スイッ
チアレイの温度は最大７０Ｃ（冬期）から８５０（夏期
）まで上昇する。そこで、８５ｃ付近でコントラストが
最大になるように第１図の知見に基づき、θにの値を１
９度に選んだ。これにより、７６Ｃから９２ｔ？の広い
温度範囲にわたってコントラスト８以上が確保され、き
わめて良好な白黒２階調印写ができる。また、温度制御
も簡単になり、特に最大コントラストを８５０と高温側
にシフトしたことにより、夏期でもコントラストの確保
が容易となる。この点に関し、従来では、夏期での印写
品質が劣り、問題となっていたが、本発明により解決す
ることができる。本実施例は強誘心性温度領域が７６Ｃ
〜９５１Ｔと高いＤＯＢＡＭＢＣ液晶を用いた場合につ
いて示したものであるが、今後、室温（ＯＣ〜５０Ｃ付
近）で強誘電性を示す材料が開発された場合には、蛍光
灯を用い、中心温度を２５Ｃ〜３０゛Ｃとすれば良い。

また、カイラル・スメクチック（ｓｍｃ”　）を示す領
域の中心温度にシフトさせるので、通常の場合よりも高
温で通常動作させることとなり、その結果、液晶分子が
動きやすくなって、応答性を高速化することができる。

〔発明の効果〕

以上述べた如く、本発明によれば広い温度範囲にわたっ
て高いコントラストを有する光スイッチ素子を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光スイッチ素子の慌度特性を示す
特性図、第２図は本発明による光スイッチ素子アレイを
プリンタに用いた場合の例を示す断面図、第３図は本発
明による光スイッチ素子におけるらせん軸と偏光板の偏
光軸との関係を示す説明図、第４図は強誘電性液晶分子
の電界応答性を示す説明図、第５図は複屈折タイプの光
スイッチ素子の構成と動作原理の説明図、第６図はゲス
トホストタイプの光スイッチ素子の構成と動作原理の説
明図、第７図はＤＯＢＡＭＢＣ液晶のチルト角の温度依
存性を示す特性図、第８図は従来の光スイッチ素子のコ
ントラストの温度依存性を示す特性図である。１・・・ラセン軸、２・・・液晶分子、３・・・自発分
極、４・・・液晶層、５・・・基板、６・・・電極、７
・・・偏光板、８・・・光源、９・・・光、１０・・・
二色性色素、１１・・・配向膜、１２・・・光スイッチ
アレイ、１３・・・ヒーター、１４・・・レンズ、１５
・・・感光体ドラム。

Claims

【特許請求の範囲】１、強誘電性を有する液晶を二枚の電極板間に挾持させ
、前記電極間に電圧を印加することにより光透過量を制
御するようにした光スイッチ素子において、前記電極板
の外側に少なくとも１枚の偏光板を設け、当該偏光板の
偏光軸と前記液晶の分子のらせん軸とのなす角を強誘電
性液晶温度範囲内での液晶分子の最大チルト角よりも小
さくしたことを特徴とする光スイッチ素子。２、特許請求の範囲第１項記載のスイッチ素子において
、偏光板の偏光軸と液晶分子のらせん軸とのなす角を強
誘電性液晶温度範囲の中心温度付近での液晶分子のチル
ト角にほぼ一致させたことを特徴とする光スイッチ素子
。３、特許請求の範囲第１項または第２項記載の光スイッ
チ素子において、強誘電性液晶はカイラルスメクチツク
Ｃ相あるいはカイラルスメクチツクＨ相を示す材料であ
ることを特徴とする光スイッチ素子。４、特許請求の範囲第１項、第２項または第３項記載の
光スイッチ素子において、光スイッチ素子は強誘電性液
晶分子の複屈折性を利用する方式の素子であつて、偏光
軸が互いに直交するように電極板の両側に各１枚偏光板
を配置したことを特徴とする光スイッチ素子。５、特許請求の範囲第１項、第２項または第３項記載の
光スイッチ素子において、光スイッチ素子は強誘電性液
晶材料中に二色性色素を混入したゲストホストタイプの
素子であつて、一方の電極板の外側に偏光板が設けられ
ていることを特徴とする光スイッチ素子。