JPS6249604B2

JPS6249604B2 -

Info

Publication number: JPS6249604B2
Application number: JP59010503A
Authority: JP
Inventors: Junichiro Kanbe; Kazuharu Katagiri
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1984-01-23
Filing date: 1984-01-23
Publication date: 1987-10-20
Also published as: JPS60156046A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、光学変調素子の駆動方法に係り、詳
しくは表示素子や光シヤツターアレイ等の光学変
調素子の時分割駆動方法に関する。

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
所定の情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には以下に述べ
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”Vo18、No.４
（1971、２、15）、P127〜128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
れた構造（ヘリカル構造）を形成し、両電極面で
この液晶の分子が並行に配列した構造を形成して
いる。一方、電界印加状態では、正の誘電異方性
をもつネマチツク液晶を電界方向に配列し、この
結果光調変調を起こすことができる。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（所謂“半選択点”）にも有
限の電界がかかつてしまう。選択点にかかる電圧
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が、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界
がかかつている時間（duty比）が1/Nの割合で減
少してしまう。このために、くり返し走査電を行
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）ときに生ずる本質的に
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。

一方、プリンタ分野を眺めて見るに、電気信号
を入力としてハードコピーを得る手段として、画
素密度の点からもスピードの点からも電気画像信
号を光の形で電子写真感光体に与えるレザービー
ムプリンタ（LBP）が現在最も優れている。とこ
ろがLBPには、１プリンタとしての装置が大型になる。

２ポリゴンスキヤナの様な高速の駆動部分があ
り騒音が発生し、また厳しい機械的精度が要求
される；などの欠点がある。この様な欠点を解消すべく電
気信号を光信号に変換する素子として、液晶シヤ
ツターアレイが提案されている。ところが液晶シ
ヤツターアレイを用いて画素信号を与える場合、
たとえば200mmの長さの中に画素信号を10dot／mm
の割合で書き込むためには2000個の信号発生部を
有していなければならず、それぞれに独立した信
号を与えるためには、元来それぞれの信号発生部
全てに信号を送るリード線を配線しなければなら
ず、製作上困難であつた。

そのため、1LINE（ライン）分の画素信号を数
分に分割された信号発生部により行ごとに時分割
して与える試みがなされている。

この様にすることにより、信号を与える電極を
複数の信号発生部に対して共通にすることがで
き、実質配線数を大幅に軽減することができるか
らである。ところが、この場合通常行われている
ように双安定性を有さない液晶を用いて行数
（Ｎ）を増やして行くと、信号ONの時間が実質的
に1/Nとなり、感光体上で得られる光量が減少し
てしまつたりクロストークの問題が生ずるという
難点がある。

本発明の目的は、前述したような従来の液晶表
示素子或いは液晶光シヤツターにおける問題点を
悉く解決した新規な液晶素子の駆動法を提供する
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にある。

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、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。

すなわち、本発明のかかる目的は、交差した走
査電極群と信号電極群の間に双安定性光学変調物
質が配置され、該走査電極群と信号電極群の交差
部を画素としたマトリクス画素構造を有する光学
変調素子の駆動法において、前記マトリクス画素
構造のうち選択された走査電極上の画素に書込み
期間内の第１の位相で前記双安定性光学変調物質
を第１の安定状態に配向させる電圧が印加され、
第２の位相で前記画素のうち選択された画素に前
記双安定性光学変調物質を第２の安定状態に配向
される電圧が印加されて前記走査電極上の画素が
書込まれ、しかる後に該書込まれたた画素の双安
定性光学変調物質に交番する電圧を印加する光学
変調素子の駆動法によつて達成される。

本発明の好ましい具体例では、走査信号に基づ
いて順次周期的に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、信号電
極の電気信号の如何に拘らず上記液晶を第１の安
定状態に配向すべき一方向の電界を与える電圧を
有する第１の位相t₁と、信号電極の電気信号に応
じて上記液晶を第２の安定状態に配向し直すこと
を補助する電圧を有する第２の位相t₂とを有する
電気信号を付与し、さらに第３の位相t₃に於て、
信号電極群に上記第２の位相t₂に所定の情報に基
づいて印加された電気信号とは逆の電圧極性を有
する電気信号を付与することによつて駆動するこ
とができる。

本発明の駆動法で用いる光学変調物質は、電界
に対して第１の光学的安定状態と第２の光学的安
定状態からなる双安定状態を有しており、特に電
界に対して前述の如き双安定性を有する液晶が用
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
ルスメクテイツク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 Electrooptio 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。

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。１１と１１′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、その間に層
１２がガラス面に垂直になるよう配向した
SmC^*相又はSmH^*の液晶が封入されている。
太線で示した線１３が液晶分子を表わしており、
この液晶分子１３はその分子に直交した方向に双
極子モーメント１４（Ｐ⊥）を有している。基板
１１と１１′上の電極間に一定の閾値以上の電圧
が印加すると、液晶分子１３のらせん構造がほど
け、双極子モーメント１４はすべて電界方向に向
くよう、液晶分子１３は配向方向に変えることが
できる。液晶分子１３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１μ）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（非らせん構造）、その双
極子モーメントＰ又はP′は上向24又は下向き
24′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′を与えてやると、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24又は下向き24′と向きを変え、それに応じて
液晶分子は第１の安定状態23かあるいは第２の安
定状態23′の何れか一方に配向する。このような
強誘電性液晶を光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23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の安定状態23′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、応答速度の速
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しく、一般的には0.5〜20
μ、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号公報で提案されてい
る。

本発明の駆動法の好ましい具体例を第３図に示
す。

第３図Ａは、中間に強誘電性液晶化合物が挾ま
れたマトリクス電極構造を有するセル３１の模式
図である。３２は走査電極群であり、３３は信号
電極群である。今、説明を簡略化するために、白
黒の二値信号を表示する場合を例にとつて示す。
第３図Ａに於て、斜線で示される画素が「黒」
に、その他が「白」に対応するものとする。第３
図Ｂ−ａとＢ−ｂはそれぞれ選択された走査電極
を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）に与えられる電気信号を示
し、第３図Ｂ−ｃとＢ−ｄはそれぞれ選択された
（これを黒とする）信号電極に与えられる電気信
号と選択されない（これを白とする）信号電極に
与えられる電気信号を表わす。第３図Ｂ−ａ〜Ｂ
−ｄではそれぞれ横軸が時間を、縦軸が電圧を示
している。書込み期間内にあるt₁，t₂とt₃はそれ
ぞれ第１、第２と第３の位相であることを示す。
本例ではt₁＝t₂＝t₃で示されている。走査電極群
３２は遂次書込み期間が選択される。

今、双安定性を有する液晶セルの第１の安定状
態（これを白とする）を与えるための印加時間△
ｔでの閾値電圧を−Vth₂とし、第２の安定状態
（これを黒とする）を与えるための印加時間△ｔ
での閾値電圧をVth₁とすると、選択された走査
電極に与えられる電気信号は、第３図Ｂ−ａに示
される如く位相（時間）t₁では3V₀を、位相（時
間）t₂では−2V₀又、位相t₃では０となるような
電圧である。又、それ以外の走査電極は、第１図
Ｂ−ｂに示す如くアース状態となつており電気信
号Ｏである。一方、選択された信号電極に与えら
れる電気信号は第３図Ｂ−ｃに示される如く位相
t₁においてＯで、位相t₂においてV₀であり、位相
t₃においては−V₀である。又、選択されない信号
電極に与えられる電気信号は第３図Ｂ−ｄに示さ
れる如く位相t₁においてＯで、位相t₂において−
V₀、位相t₃においてV₀である。以上に於て、電圧
値V₀はV₀＜Vth₁＜3V₀と−V₀＞−Vth₂＞−3V₀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、各画素に印加される電
圧波形を第３図Ｃに示す。

第３図Ｃに於てａとｂは、それぞれ選択された
走査電極上にあつて、「黒」及び「白」を表示さ
れるべき画素に、又ｃとｄはそれぞれ選択されて
いない走査電極上の画素に印加される電圧波形で
ある。第３図Ｃから明らかな如く、選択された走
査電極上にあるすべての画素は、第１の位相t₁で
閾値電圧−Vth₂を越える電圧−3V₀が印加される
ために、まず一担白に揃えられる。このうち、
「黒」と表示すべき画素では第２の位相t₂で、閾
値電圧Vth₁を越える電圧3V₀が印加されるために
他方の光学的安定状態（「黒」）に転移する。又、
同一走査電極上に存在し、「白」と表示すべき画
素では第２の位相t₂に於ける印加電圧は閾値電圧
Vth₁を越えない電圧V₀であるために、一方の光
学的安定状態に留つたままである。

一方、選択されない走査電極上では、すべての
画素に印加される電圧は±Ｖ又はＯであつて、い
ずれも閾値電圧を越えない。従つて、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、まず
第１の位相t₁において、一担一方の光学的安定状
態「白」に揃えられ、次に第２の位相t₂におい
て、選択された画素が他方の光学的安定状態
（黒）に転移されて、一ライン分の信号の書込み
が行われ、一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。

以上述べた駆動信号を時系列的に示したのが第
４図である。S₁〜S₅は走査電域に印加される電気
信号で、I₁とI₃は信号電極に印加される電気信号
で、ＡとＣは第３図Ａに示した画素ＡとＣに印加
される電圧波形である。

さて、双安定性を有する状態での強誘電液晶の
電界によるスイツチングのメカニズムは微視的に
は必ずしも明らかではないが、一般に所定の（第
１の）安定状態に所定時間の強い電界でスイツチ
ングした後、全く電界が印加されない状態に放置
する場合には、ほぼ半永久的にその状態を保つこ
とは可能であるが、所定時間ではスイツチングし
ないような弱い電界（先に説明した例で言えば、
Vth以下の電圧に対応）であつても、逆極性の電
界が長時間に渉つて印加される場合には、逆の
（第２の）安定状態へ再び配向状態が反転してし
まい、その結果正しい情報の表示や変調が達成で
きない現象が生じる。本発明者等は、このような
弱電界の長時間印加による配向状態の反転現象
（一種のクロストーク）の生じ易さが、基板表面
の材質、粗さや液晶材料等によつて影響を受ける
ことは認識したが、定量的には未だ把みきつてい
ない。ただ、ラビングやSiO等の斜方蒸着等液晶
分子の配向のための一軸性基板処理を行うと、上
記反転現象の生じ易さが増す傾向にあることは確
認した。特に、高い温度の時に低い温度の場合に
較べてその傾向が強く現われることも確認した。
いずれにしても、正しい情報の表示や変調を達成
するために一定方向の電界が長時間に渉つて印加
されることは、避けるのが好しい。従つて、本発
明の駆動法に於ける第３の位相t₃は一定方向の弱
電界が印加され続けることを防止するための位相
であつて、その好ましい具体例として第３図Ｂ−
ｃ及びｄに示すごとく、信号電極群に位相t₂に於
て印加した情報信号（ｃは黒、ｄは白に対応）と
極性の異る信号を位相t₃に於て印加するものであ
る。たとえば、第３図Ａに示したパターンを表示
しようとする場合、位相t₃を持たない駆動方法を
行うと、走査電極S₁を走査したとき、画素Ａは黒
となるが、S₂以降では信号電極I₁に印加される電
気信号は−V₀を連続し、その電圧はそのまま画
素Ａに印加されるため画素Ａがやがて白に反転し
てしまう可能性が大きい。

走査時第１の位相t₁に於て、その走査電極上の
画素を一担すべて「白」とし、第２の位相t₂に於
て、情報に応じて対応する画素を「黒」に書き換
えるわけであるが、本実施例では第１の位相t₁で
「白」とするための電圧は−3V₀でありその印加
時間は△ｔである。一方、「黒」に書き換えるた
めの電圧は3V₀であり、その印加時間はやはり△
ｔである。又、走査時以外に於て各画素に加わる
電圧は、最大｜±V₀｜であり、これが連続して
印加される最も長い時間は、第４図で示す41の個
所で２△ｔであり、クロストークは全く起こら
ず、全画面の走査が一度終了すると、表示された
情報は、半永久的に保持されるため、双安定性を
有さない通常のTN液晶を用いた表示素子におけ
る如き、リフレツシユ工程は全く必要ない。

さて、第３の位相t₃の最適時間間隔としては、
この位相に於て、信号電極に印加される電圧の大
きさにも依存し、第２の位相t₂に於て情報信号と
して付加される電圧と逆極性の電圧を印加する場
合、一般的には電圧が大きい場合には、時間間隔
は短く、電圧が小さい場合には時間間隔は長くす
るのが好しいが、時間間隔が長いと一画面全体を
走査するに長い時間を要することになる。このた
め、好ましくはt₃≦t₂と設定するのがよい。

実施例１透明導電膜（ITO）が互いに500×500のマトリ
クスを構成するようパターニングされた１組のガ
ラス板に、スピンコートにより約300Åのポリイ
ミド膜を形成した。それぞれの基板を表面にテレ
ン布が巻きつけられたローラによつてラビング処
理を施し、ラビング方向が一致するようにして貼
りあわせてセルを形成した。このときのセル間隔
は約1.6μである。このセルに強誘電液晶である
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）を注入
し、加熱溶融状態より除冷することにより、
SmC^*状態で均一なモノドメイン状態を得た。
セル温度を70℃にコントロールし、第３図に示し
た駆動方法に基づき、V₀＝10V、t₁＝t₂＝t₃＝△
ｔ＝50μsecと設定して、線順次走査を行つたと
ころ、極めて良好な画像が得られた。

強誘電性液晶化合物の例としては、前述の実施
例１で用いたDOBAMBCの他に、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）、４−０−（２−
メチル）−ブチル−レゾルシリデン−4′−オクチ
ルアニリン（MBRA8）などを用いることができ
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
ターが埋め込まれた銅ブロツク等により支持する
ことができる。

本発明の方法は、液晶−光シヤツタや液晶テレ
ビなどの光学シヤツタあるいはデイスプレイ分野
に広く応用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、本発明の駆動法で用い
る液晶素子の斜視図である。第３図Ａは、本発明
の駆動法で用いる電極構造の平面図である。第３
図Ｂａ〜ｄは、電極に印加する電気信号の波形
を表わす説明図である。第３図Ｃａ〜ｄは、画
素に印加される電圧波形を表わす説明図である。
第４図は、時系列で電圧を印加した時の電圧波形
を表わす説明図である。

Claims

【特許請求の範囲】

１走査電極群と信号電極群との交差部に強誘電
性液晶を配置して画素を形成した液晶装置におい
て、走査非選択電極への印加電圧を基準として、
一方極性電圧と他方極性電圧とを有する走査選択
信号を一走査電極に印加した後、次の走査電極に
印加する形態で逐次走査電極に前記走査選択信号
を印加し、前記走査選択信号と同期した情報信号
が、前記一方極性電圧と同期して、走査選択電極
上の画素群に、強誘電性液晶の一方の閾値電圧を
越えた電圧を与える電圧信号と、前記他方極性電
圧と同期して、走査選択電極上の選択された画素
に、強誘電性液晶の他方の閾値電圧を越えた電圧
を与える電圧信号と、補助信号とを有し、該補助
信号が走査非選択電極上の画素に、該画素に印加
される同一極性電圧の印加時間が走査選択時に選
択された強誘電性液晶の安定状態を反転させる印
加時間に到達する前に、走査非選択電極への印加
電圧との合成により、前記同一極性電圧と逆極性
の電圧を与えることを特徴とする液晶装置。