JPS6249605B2

JPS6249605B2 -

Info

Publication number: JPS6249605B2
Application number: JP59010504A
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: JPS60156047A

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
Namatic 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が電界方向に配列し、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
（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
行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、信号を与える電極の
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、走査電極群
と信号電極群を有し、該走査電極群と信号電極群
の間に電界に対して双安定性を有する液晶を配置
した構造を有する液晶素子の駆動法において、前
記双安定性を有する光学変調物質をあらかじめ第
１の安定状態に揃える電圧信号を前記走査電極群
と前記信号電極群の間に印加した後に、前記走査
電極群には走査信号を順次選択印加し、前記信号
電極群には前記選択された走査電極と情報に応じ
て選択された信号電極の間で前記光学変調物質を
第２の安定状態に配向させる情報信号を前記走査
信号と同期させて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^*相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の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。

第３図Ａは、本発明で用い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挾まれたマ
トリクス画素構造を有するセル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
に於いて斜線で示される画素が「黒」に、その他
の画素が「白」に対応するものとする。最初に、
画面を「白」に揃えるために双安定性光学変調物
質を第１の安定状態に揃える。このためには、全
走査電極群に所定の電圧パルス（例えば電圧
3V₀、時間幅△ｔ）の信号を印加すればよい。或
いは全信号電極群に同様の電気信号を印加するこ
とも可能であるし、又必要に応じて所要ブロツク
の走査電極群又は信号電極群に所要ブロツクの双
安定性光学変調物質が第１の安定状態に揃うよう
な電気信号を印加してもよい。具体的な方法とし
て、全電極同時に電気信号を印加してもよいし、
又、順次走査を行つてもよい。いずれにしても、
一担画面を「白」に揃えた後に、情報信号に応じ
た情報の書き込みを行う。

本発明外の駆動法である第３図Ｂ−ａとＢ−ｂ
はそれぞれ選択された走査電極に与えられる電気
信号とそれ以外の走査電極（選択されない走査電
極）に与えられる電気信号を示し、本発明外の駆
動法である第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〜ｄそれぞれ横軸が時間を、縦軸が電圧を表わ
す。T₁とT₂はそれぞれ情報信号（及び走査信
号）が印加される位相及び補助信号が印加される
位相をあらわす。本例では、T₁＝T₂＝△ｔの例
が示されている。

走査電極群３２は逐次選択される。今、双安定
性を有する液晶セルの第１の安定状態（白）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（黒）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−2V₀を、位
相（時間）T₂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３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V₀
で、位相t₂において−V₀であり、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−V₀で、位相T₂に
おいて＋V₀である。以上において、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。

上述した様に3V₀と−3V₀はそれぞれ強誘電性
液晶の閾値電圧Vth₁と−Vth₂を越えた電圧値に
設定され（「越えた」とは、絶対値で越えたこと
を意味する）、又V₀と−V₀はそれぞれ強誘電性液
晶の閾値電圧Vth₁と−Vth₂を越えていない電圧
値に設定されている（「越えていない」とは、絶
対値で越えていないことを意味する）。

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
走査線上にあつて、「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
ない走査線上の画素に印加される電圧波形であ
る。

走査線上にあつて、「黒」と表示すべき画素で
は第１の位相T₁で、閾値電圧Vth₁を越える電圧
3V₀が印加されるために第２の光学的安定状態
「黒」に転移する。又、同一走査線上に存在し、
「白」と表示すべき画素では第１の位相T₁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、第１の光学的安定状態に留つたまま
即ち白である。

一方、選択されない走査線上では、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、一担一方の光学的安定状態「白」に揃えられ
た状態において、走査電極が選択されたときに第
１の位相T₁において一ライン分の信号の書き込
みが行われ、一フレームが終了した後でも、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は走査電極に印加される電気信号I₁とI₃は、
信号電極に印加される電気信号で、ＡとＣはそれ
ぞれ第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得
る。本発明者等は、このような弱電界の長時間印
加による、配向状態の転移反転現象（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、避けるのが好ましい。

従つて第３図Ｂ，Ｃ及び第４図の駆動例に於け
る第２の位相T₂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、信号
電極群に位相T₁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T₂
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
T₂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が
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。

あらかじめ画面は一担すべて「白」とし、第１
の位相T₁に於て、情報に応じて対応する画素を
「黒」と書き込むわけであるが、前述した駆動例
では第１の位相T₁で「黒」に書き込むための電
圧は3V₀であり、印加時間は△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40の個所で２△ｔであ
り、又、情報信号が、白→白→黒と続く場合で、
２番目の「白」が、走査時に相当するときが最も
厳しい条件であるが、これでも４△t41であつ
て、印加時間としては短く、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の双安
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２の位相T₂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１の位相T₁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T₂≦T₁と設定するの
がよい。

参考例透明導電膜（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
ラス板のうちの１枚に、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、ポリイミド膜が塗布してない
他方の基板と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Ｂに示した駆動方法に基づき、V₀＝
10V、T₁＝T₂＝△ｔ＝80μsec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。

第５図乃至第６図には、本発明に基づく駆動形
態例が示されている。第５図Ａに於て、ａとｂは
それぞれ選択された走査電極と選択されない走査
電極に印加される電気信号で、ｃとｄはそれぞれ
選択された（黒）情報信号と補助信号と選択され
ない（白）情報信号と補助信号を示す。本実施例
に於ては、補助信号印加位相T₂に於て、選択さ
れた走査電極にもV₀の電圧を印加する。

又、第５図Ｂ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、情報「黒」及び「白」
に対応する画素に印加される電圧で、ｃとｄはそ
れぞれ選択されない走査電極上であつて、信号電
極上に「黒」及び「白」の情報信号が付加された
画素に印加される電圧を示す。又、第６図は、こ
れらの電気信号を時系列的に書いたものである。

第５図Ａ−ａに示す走査選択信号のうち、位相
T₂で走査選択電極に印加される電圧V₀は、情報
信号が白→白→黒と続く場合で、２番目の「白」
が走査選択時に相当している時、この２番目の
「白」に相当する画素に印加される同一極性電圧
を２△ｔとすることができる。

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。第５図Ａａ〜ｄは、電
極に印加する電気信号の波形の別の実施態様を表
わす説明図である。第５図Ｂａ〜ｄは、画素に
印加される電圧波形の別の実施態様を表わす説明
図である。第６図は、時系列で電圧を印加した時
の電圧波形の別の実施態様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
た液晶装置において、第１のステツプで、走査電
極群と信号電極群との交差部に強誘電性液晶の一
方の閾値電圧を越えた電圧を印加し、第２のステ
ツプで、走査選択電極に、走査非選択電極への印
加電圧を基準にして、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印加し、選択された
信号電極に、該走査選択信号の一方極性電圧との
合成により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を印加する手段を有する
液晶装置。