JPS6243167B2 - - Google Patents

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JPS6243167B2
JPS6243167B2 JP58138707A JP13870783A JPS6243167B2 JP S6243167 B2 JPS6243167 B2 JP S6243167B2 JP 58138707 A JP58138707 A JP 58138707A JP 13870783 A JP13870783 A JP 13870783A JP S6243167 B2 JPS6243167 B2 JP S6243167B2
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signal
liquid crystal
scanning
voltage
electrode
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Junichiro Kanbe
Kazuharu Katagiri
Shuzo Kaneko
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Canon Inc
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、液晶素子などの光学変調素子の駆動
法に係り、詳しくは表示素子やシヤツターアレイ
等の光学変調素子に用いる液晶素子の時分割駆動
法に関する。
従来より、走査電極群と信号電極群をマトリク
ス状に構成し、その電極間に液晶化合物を充填
し、多数の画素を形成して画像或いは情報の表示
を行う液晶表示素子は、よく知られている。この
表示素子の駆動法としては、走査電極群に、順
次、周期的にアドレス信号を選択印加し、信号電
極群には所定の状報信号をアドレス信号と同期さ
せて並列的に選択印加する時分割駆動が採用され
ているが、この表示素子及びその駆動法は、以下
に述べる如き致命的とも言える大きな欠点を有し
ていた。
即ち、画素密度を高く、或いは画面を大きくす
るのが難しいことである。従来の液晶の中で応答
速度が比較的高く、しかも消費電力が小さいこと
から、表示素子として実用に供されているのは殆
んどが、例えば、M.SchadtとW.Helfrich著、”
Applied Physics Letters”、Vol.18、No.４
（1971.2.15）、P.127〜128の”Voltage Dependent
Optical Activity of ａ Twisted Nematic
Liquid Crystal”に示されたTN（twisted
nematic）型の液晶を用いたものであり、この型
の液晶は、無電界状態で正の誘電異方性をもつ、
ネマチツク液晶の分子が、液晶層厚方向で捩され
た構造（ヘリカル構造）を形成し、両電極面でこ
の液晶の分子が互いに並行に配例した構造を形成
している。一方、電界印加状態では、正の誘電位
方性をもつネマチツク液晶が電界方向に配列し、
この結果光学変調を起すことができる。この型の
液晶を用いてマトリクス電極構造によつて表示素
子を構成した場合、走査電極と信号電極が共に選
択される領域（選択点）には、液晶分子を電極面
に垂直に配列させるに要する閾値以上の電圧が印
加され、走査電極と信号電極が共に選択されない
領域（非選択点）には電圧は印加されず、したが
つて液晶分子は電極面に対して並行な安定配列を
保つている。このような液晶セルの上下に、互い
にクロスニコル関係にある直線偏光子を配置する
ことにより、選択点では光が透過せず、非選択点
では光が透過するため、画像素子とすることが可
能となる。然し乍ら、マトリクス電極構造を構成
した場合には、走査電極が選択され、信号電極が
選択されない領域或いは、走査電極が選択され
ず、信号電極が選択される領域（所調”半選択
点”）にも有限の電界がかかつてしまう。選択的
にかかる電圧と、半選択点にかかる電圧の差が充
分に大きく、液晶分子を電界に垂直に配列させる
に要する電圧閾値がこの中間の電圧値に設定され
るならば、表示素子は正常に動作するわけであ
る。しかし、この方式において、走査線数（Ｎ）
を増やして行つた場合、画面全体（１フレーム）
を走査する間に一つの選択点に有効な電介がかか
つている間（duty比）は、１／Ｎの割合で減少
してしまう。このために、くり返し走査を行つた
場合の選択点と非選択点にかかる実効値としての
電圧差は、走査線数が増えれば増える程小さくな
り、結果的には画像コントラストの低下やクロス
トークが避け難い欠点となつている。このような
現象は、双安定性を有さない液晶（電極面に対
し、液晶分子が水平に配向しているのが安定状態
であり、電界が有効に印加されている間のみ垂直
に配向する）を、時間的蓄積効果を利用して駆動
する（即ち、繰り返し走査する）ときに生じる本
質的には避け難い問題点である。この点を改良す
るために、電圧平均化法、２周波駆動法や多重マ
トリクス法等が既に提案されているが、いずれの
方法でも不充分であり、表示素子の大画面化や高
密度化は、走査線数が充分に増やせないことによ
つて頭打ちになつているのが現状である。本発明
の目的は、前述したような従来の液晶表示素子に
おける問題点を悉く解決した新規な光学変調素
子、特に液晶素子駆動法を提供することにある。
本発明の別の目的は、高速応答性を有する液晶
素子の駆動法を提供することある。
本発明の他の目的は、高密度の画素を有する液
晶素子の駆動法を提供することにある。
さらに、本発明の他の目的は、クロストークを
発生しない液晶素子の駆動法を提供することにあ
る。
さらに、本発明の他の目的は、部分的な書き換
えが可能なデイスプレイ装置に適した液晶素子の
駆動法を提供することにある。
さらに、本発明の他の目的は、電界に対し双安
定性を有する液晶、特に強誘電性を有するカイラ
ルスメクテイツクＣ相又はＨ相の液晶を用いた液
晶素子の新規な駆動法を提供することにある。
さらに、本発明の他の目的は、高密度の画素と
大面積の画面を有する液晶素子に適した新規な駆
動法を提供することにある。
本発明の光学変調素子の駆動法は、上述の目的
を達成するために開発されたものであり、より詳
しくは、走査電極群と所定の情報信号を与える信
号電極群とを有し、該走査電極群と信号電極群と
の間に電界に対して、双安定性を有する光学変調
物質（例えば液晶）を配置した構造を有する、液
晶素子などの光学変調素子の駆動法において、前
記走査電極群の選択された走査電極と前記信号電
極群の新たな画像情報を与えるべき信号電極のう
ち選択されたものとの間で、前記双安定性を有す
る光学変調物質が第１の安定状態（一方の光学的
安定状態）に配向する電圧を印加し、且つ前記選
択された走査電極と前記信号電極群の新たな画像
情報を与えるべき信号電極のうち選択されないも
のとの間で、前記双安定性を有する光学変調物質
が第２の安定状態（他方の光学的安定状態）に配
向する電圧を印加するとともに、前記走査電極群
の選択されない走査電極と前記信号電極群との
間、及びすべての走査電極と新たな画像情報を与
えない信号電極との間で、前記双安定性を有する
光学変調物質の閾値電圧−Vth2（第２安定状態
の閾値電圧を言う）と、Vth1（第１安定状態の
閾値電圧を言う）との間の値に設定した電圧を印
加することを特徴とするものである。
本発明の好ましい具体例では、走査信号に基づ
いて順次選択される走査電極群と、該走査電極群
に対向し所定の情報信号に基づいて選択される信
号電極群と、上記両電極間に保持され電界に対し
て双安定性を有する液晶とを少なくとも有する液
晶素子の、選択された走査電極には、位相t1とt2
において互いに電圧が異なる電気信号を与え、且
つ信号電極群には所定の情報の有、無、又は前回
走査時の情報をそのまま保持するか否かに応じ
て、電圧の異なる電気信号を与える。すなわち、
上記選択された走査電極線上の情報信号有の部分
に於ては、位相t1，t2で上記液晶に対して、第１
の安定状態を与える一方向の電界を付与し、無の
部分に於ては位相t2，t1で第２の安定状態を与え
る逆方向の電界を付与し、又、前回走査時の情報
をそのまま保持したい部分に於ては、位相t1及び
t2に於て、一つの安定状態から他の安定状態へ転
移するために電界閾値以下の電界を付与すること
によつて、液晶素子を駆動することができる。そ
の具体例の詳細は、図面を参照しつつ、後程説明
する。
本発明の駆動法で用いる光学変調物質として
は、加えられる電界に応じて第１の光学的安定状
態と第２の光学的安定状態とのいずれかを取る、
すなわち電界に対する双安定状態を有する物質、
特にこのような性質を有する液晶、が用いられ
る。
本発明の駆動法で用いることができる双安定性
を有する液晶としては、強誘電性を有するカイラ
ルスメテイツク液晶が最も好ましく、そのうちカ
イラルスメテイツクＣ相（SmC*）又はＨ相
（SmH*）の液晶が適している。この強誘電性液
晶については、”LE JOURNAL DE
PHYSIQUE LETTERS”36（Ｌ−69）1975、
「Ferroelectric Liquid Crystals」；”Applied
Physics Letters”36(11)1980、「Submicro Second
Bistable Electrooptic Switching in Liquid
Crystals」；”固体物理”16（141）1981「液
晶」等に記載されており、本発明ではこれらに開
示された強誘電性液晶を用いることができる。
より具体的には、本発明法に用いられる強誘電
性液晶化合物の例としては、デシロキシベンジリ
デン−p′−アミノ−２−メチルブチルシンナメー
ト（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）および４−ｏ−（２−メチル）−ブ
チルレゾルシリデン−4′−オクチルアニリン
（MBRA8）等が挙げられる。
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、SmC*相又はSmH*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
ヒーターが埋込まれた銅ブロツク等により支持す
ることができる。
第１図は、強誘電性液晶セルの例を模式的に描
いたものである。２１と２１′は、In2O3、SnO2
やITO（Indium−Tin Oxide）等の透明電極がコ
ートされた基板（ガラス板）であり、その間に液
晶分子層２２がガラス面に垂直になるよう配向し
たSmC*相の液晶が封入されている。太線で示
した線２３が液晶分子を表わしており、この液晶
分子２３は、その分子に直交した方向に双極子モ
ーメント（Ｐ⊥）２４を有している。基板２１と
２１′上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２３のらせん構造がほどけ、双
極子モーメント（Ｐ⊥）２４はすべて電界方向に
向くよう、液晶分子２３の配向方向を変えること
ができる。液晶分子２３は細長い形状を有してお
り、その長軸方向と短軸方向で屈折率異方性を示
し、従つて例えばガラス面の上下に互いにクロス
ニコルの位置関係に配置した偏光子を置けば、電
圧印加極性によつ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。さらに
液晶セルの厚さを充分に薄くした場合（例えば１
μ）には、第２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は、ほどけ、
その双極子モーメントＰ又はP′は上向き３４又は
下向３４′のどちらかの状態をとる。このような
セルに第２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３４又は、下向き３４′と向きを変え、そ
れに応じて液晶分子は第１の安定状態３３かある
いは第２の安定状態３３′の何れか１方に配向す
る。
このような強誘電性液晶を光学変調素子として
用いることの利点は２つある。第１に、応答速度
が極めて速いこと、第２に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
２図によつて説明すると、電界Ｅを印加すると液
晶分子は第１の安定状態３３に配向するが、この
状態は電界を切つても安定である。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
３３′に配向して、その分子の向きを変えるが、
やはり電界を切つてもこの状態に留つている。
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高さと、双安定性が有効に実
現されるには、セルとして出来るだけ薄い方が好
ましく、一般的には、0.5μ〜20μ、特に１μ〜
５μ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−電気光学装
置は、例えばクラークとラガバルにより、米国特
許第4367924号明細書で提案されている。
本発明の駆動法の好ましい具体例を、第３図Ａ
−Ｄを用いて説明する。
第３図Ａ−ａは、中間に強誘電性液晶化合物
（図示せず）が挟まれたマトリクス電極構造を有
するセル１１の電極の模式配置図である。１２は
走査電極群であり、１３は信号電極群である。第
３図Ａ−ｂとＡ−ｃはそれぞれ選択された走査電
極１２ｓに与えられる電気信号とそれ以外の走査
電極（選択されない走査電極）１２ｎに与えられ
る電気信号を示し、第３図Ａ−ｄとＡ−ｅはそれ
ぞれ選択された信号電極１３ｓに与えられる電気
信号と選択されない信号電極１３ｎに与えられる
電気信号を表わす。第３図Ａ−ｂ〜Ａ−ｅそれぞ
れ横軸が時間を、縦軸が電圧を表す。例えば、動
画を表示するような場合には、走査電極群１２は
逐次、周期的に選択される。今、双安定性を有す
る液晶セルの、第１の安定状態を与えるための閾
値電圧をVth1とし、第２の安定状態を与えるた
めの閾値電圧を−Vth2とすると、選択された走
査電極１２ｓに与えられる電極信号は、第３図Ａ
−ｂに示される如く位相（時間）t1ではＶ、位相
（時間）t2では−Ｖ、となるような交番する電圧
である。このように選択された走査電極に互いに
電圧の異なる複数の位相間隔を有する電気信号を
有する電気信号を印加すると、素子の表示状態を
決定する液晶の二つの安定状態を、容易且つ速や
かに変換し得るという重要な効果が得られる。
一方、それ以外の走査電極１２ｎは、第３図Ａ
−ｃに示す如くアース状態となつており、電気信
号０である。また、選択された信号電極１３ｓに
与えられる電気信号は、第３図Ａ−ｄに示される
如くＶであり、また選択されない信号電極１３ｎ
に与えらる電気信号は、第３図Ａ−ｅに示される
如く−Ｖである。以上に於て電圧値Ｖは、Ｖ＜
Vth1＜2Vと−Ｖ＞−Vth2＞−2Vを満足する所望
の値に設定される。このような電気信号が与えら
れたときの各画素、すなわち第３図Ａ−ａに示さ
れる画素Ａ，Ｂ，ＣおよびＤ、にそれぞれ印加さ
れる電圧波形を、第３図Ｂのａ，ｂ，ｃおよびｄ
に示す。すなわち、第３図Ｂ−ａ〜ｄより明らか
な如く、選択された走査線上にある画素Ａでは位
相t2に於て閾値Vth1を越える電圧2Vが印加され
る。又、同一走査線上に存在する画素Ｂでは位相
t1に於て閾値−Vth2を越える電圧−2Vが印加され
る。従つて、選択された走査電極線上に於て、信
号電極が選択されたか否かに応じて、選択された
場合には、液晶分子は第１の安定状態に配向を揃
え、選択されない場合には第２の安定状態に配向
を揃える。いずれにしても各画素の前歴には関係
することはない。
一方、画素ＣとＤに示される如く、選択されな
い走査線上では、すべての画素ＣとＤに印加され
る電圧は＋Ｖ又は、−Ｖであつて、いずれも閾値
電圧を越えない。従つて、各画素ＣとＤにおける
液晶分子は、配向状態を変えることなく前回走査
されたときの信号状態に対応した配向を、そのま
ま保持している。即ち、走査電極が選択されたと
きにその１ライン分の信号の書き込みが行われ、
１フレームが終了して次回選択されるまでの間
は、その信号状態を保持し得るわけである。従つ
て、走査電極数が増えても、実質的なデユーテイ
比はかわらず、コントラストの低下とクロストー
ク等は全く生じない。この際電圧値Ｖの値及び位
相（t1＋t2）＝Ｔの値としては、用いられる液晶材
料やセルの厚さにも依存するが、通常３ボルト〜
70ボルトで0.1μsec〜２ｍsecの範囲が用いられ
る。従来公知の駆動方法と本質的に異なるのは、
本発明の方法では選択された走査電極に与えられ
る電気信号が、第１の安定状態（光信号に変換さ
れたとき「明」状態であるとする）から第２の安
定状態（光信号に変換されたとき「暗」状態であ
るとする）へ、又はその逆のいずれの変化も起し
易くするものである点にある。このために、選択
された走査電極に与えられる信号は、例えば＋Ｖ
から−Ｖへと交番している。又、信号電極に与え
られる電圧は、明又は暗の状態を指定すべく、互
いに異なる電圧としている。
さて、このようにして１フレームの走査が終了
したときの画像例を第３図Ｃに示す。次に、例え
ば、この画像の部分的な書換えを行つたときの例
を第３図Ｄ−ａに示す。図に示すように、走査電
極群X′、信号電極群Y′の領域のみを書き換えた
い場合には、走査信号は順次X′の領域のみに加
える。又、情報信号は情報の有無に応じた信号を
Y′の領域に加え、前回走査時に書き込んだ情報
をそのまま保持したい（すなわち新たな情報を与
えない）領域となる信号電極群Ｙには、第３図Ｄ
−ｂに示すような信号（この場合は、0V信号）
を加える。従つて、信号電極群Ｙに於て各画素に
印加される電圧は、走査電極群X′の走査時は第
３図Ｄ−Ｃの如く、また非走査時は第３図Ｄ−ｄ
の如くなり、いずれの場合にも閾値電圧を越えな
いため、前回走査したときの画像がそのまま保存
される。
本発明の駆動法が有効に達成されるためには、
走査電極或いは信号電極に与えられる電気信号が
必ずしも第３図Ａ−ｂ〜ｅ及び第３図Ｄ−ｂ〜ｄ
に於て説明されたような、単純な矩形波信号でな
くてもよいことは自明である。例えば、有効な時
間巾が与えられる限りにおいて、正弦波や三角波
によつて駆動することも可能である。
また、第４図は、本発明の駆動法の別の具体例
を示している。第４図ａ，ｂ，ｃ，ｄおよびｅ
は、それぞれ選択された走査電極の信号、選択さ
れない走査電極の信号、選択された（情報有の）
情報信号、選択されない（情報無の）情報信号お
よび前回走査時の信号をそのまま保持する情報信
号、を表わしている。第４図ｅに於けるV′の値
は、 ｜V′−Ｖ｜＜｜Vth1｜、｜Vth2｜、｜v′｜＜｜
Vth1｜、｜Vth2｜ を満足するように設定される。
第５図には、更に別の変形例が示されている。
すなわち第５図ａ，ｂ，ｃ，ｄおよびｅは、それ
ぞれ、選択された走査電極の信号（第５図ａ）、
選択されない走査電極の信号（第５図ｂ、選択さ
れた（情報有の）情報信号（第５図ｃ）、選択さ
れない（情報無しの）情報信号（第５図ｄ）およ
び前回走査の信号をそのまま保持する情報信号
（第５図ｅ）、を表わしている。この際、本発明の
基づいて正しく駆動されるためには、第５図に示
す駆動法では、以下の関係が満足されることが必
要である。すなわち、 且つ、
【図面の簡単な説明】
第１図は、カイラルスメクテイツク相液晶を有
する液晶素子を、模式的に示す斜視図である。第
２図は、本発明法で用いる液晶素子の双安定性を
模式的に示す斜視図である。第３図Ａ，ａは、本
発明の駆動法に用いる液晶素子の電極配列状態を
模式的に示す平面図である。第３図Ａ，ｂは選択
された走査電極に加えられる電気信号波形図であ
る。第３図Ａ，ｃは、選択されない走査電極に加
えられる信号波形図である。第３図Ａ，ｄは、選
択された信号電極に加えられる情報信号波形図で
ある。第３図Ａ，ｅは、選択されない信号電極に
加えられる情報信号波形図である。第３図Ｂ，ａ
は、画素Ａの液晶に印加される電圧の波形図であ
る。第３図Ｂ，ｂは、画素Ｂの液晶に印加される
電圧の波形図である。第３図Ｂ，ｃは、画素ｃの
液晶に印加される電圧の波形図である。第３図
Ｂ，ｄは、画素Ｄの液晶に印加される電圧の波形
図である。第３図Ｃは、１フレーム走査終了後の
液晶素子に与られた画像例の説明図である。第３
図Ｄ，ａは、第３図Ｃの画像の一部を書換えた後
の画像例である。第３図Ｄ，ｂは、書換え時に新
たな画像情報を与えない信号電極に加えられる情
報信号波形図である。第３図Ｄ，ｃおよびｄは、
書換え時に新たな画像情報を与えない信号電極
と、それぞれ、選択された、および選択されない
走査電極と、の間の液晶に印加される電圧波形図
である。第４図ａは、別の具体的における選択さ
れた走査電極に加えられる信号波形図である。第
４図ｂは、当該別の具体例における選択されない
走査電極に加えられる信号波形図である。第４図
ｃおよびｄは、それぞれ当該別の具体例におい
て、新たな画像情報を与えるべき信号電極のう
ち、それぞれ選択された、および選択されない信
号電極に加えられる情報信号波形図である。第４
図ｅは、新たな画像情報を与えない信号電極に加
えられる信号波形図である。第５図ａは、他の具
体例における選択された、走査電極に加えられる
信号波形図である。第５図ｂは、当該他の具体例
における選択されない走査電極に加えられる信号
波形図である。第５図ｃおよびｄは、それぞれ当
該他の具体例において、新たな画像情報を与える
べき信号電極のうち、それぞれ選択された、およ
び選択されない信号電極に加えられる情報信号波
形図である。第５図ｅは、新たな画像情報を与え
ない信号電極に加えられる信号波形図である。 １１……液晶素子、１２……走査電極群、１２
ａ……選択された走査電極、１２ｎ……選択され
ない走査電極、１３……信号電極群、１３ｓ……
選択された信号電極、１３ｎ……選択されない信
号電極、３３……第１の安定状態に配向した液
晶、３３′……第２の安定状態に配向した液晶、
３４……上向き双極子モーメントＰ、３４′……
下向き双極子モーメントP′、Ｘ……走査電極群の
非書換対象領域、X′……走査電極群の書換対象
領域、Ｙ……信号電極群の非書換対象領域、
Y′……信号電極群の書換対象領域。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 走査電極群と信号電極群とを有し、該走査電
    極群と信号電極群との間に強誘電性液晶を配置
    し、前記走査電極群と信号電極群との交差点にマ
    トリクス画素を形成してなり、走査電極に順次走
    査選択信号を印加し、該走査選択信号が第１位相
    と第２位相とで、走査非選択電極への印加電圧を
    基準として、それぞれ一方極性電圧と他方極性電
    圧とを有し、選択された走査電極上の画素に対し
    て、第１位相で強誘電性液晶の一方の閾値電圧を
    越えた電圧を与えて第１の配向状態を形成した画
    素と、第２位相で他方の閾値電圧を越えた電圧を
    与えて第２の配向状態を形成した画素とによつて
    画像領域を形成する液晶装置であつて、 前記画像領域のうち書換え対象領域を指定し、
    該書換え対象領域で、走査電極に前記走査選択信
    号と同一波形の走査選択信号を順次印加し、該走
    査選択信号と同期させて書換え情報に基づく情報
    信号を印加する手段を有する液晶装置。
JP13870783A 1983-04-13 1983-07-30 液晶装置 Granted JPS6031120A (ja)

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