JPS6261930B2

JPS6261930B2 -

Info

Publication number: JPS6261930B2
Application number: JP59028274A
Authority: JP
Inventors: Junichiro Kanbe; Kazuharu Katagiri
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1984-02-17
Filing date: 1984-02-17
Publication date: 1987-12-24
Also published as: JPS60172029A

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が電界方向に配列し、この
結果光学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１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ーザビー
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光学変調素子の駆動法を提
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光学
変調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光
学変調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
発生しない光学変調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光学変調素子に適した高速
の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、それぞれの
交差部で画素を形成する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
対して双安定性光学変調物質を配置した構造を有
する光学変調素子の駆動法において、Ｎ番目の走
査電極上の画素に対応する双安定性光学変調物質
を一方の安定状態に配列させる第１の位相、前記
Ｎ番目の走査電極に印加した走査信号と同期させ
て信号電極群に書き込み信号を印加する第２の位
相とＮ＋１番目の走査電極上の画素に対応する双
安定性光学変調物質を一方の安定状態に配列させ
る第３の位相を有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
に対して双安定性光学変調物質とを少なくとも有
する光学変調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光学変調物
質を第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位相T⁰と、信号電極の電気
信号に応じて上記光学変調物質を第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情報信
号を書き込む位相Ｔとを有する電気信号を付与し
さらに好しくは位相Ｔが情報信号位相T¹と補助
信号位相T²とからなり、位相T²に於ては、信号
電極群に上記位相T¹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双安定性光学変調物質
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 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。

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）、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）が挙げられる。

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
電圧を印加すると、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は配向方向を変えるこ
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となり、
その双極子モーメントＰ又はP′は上向き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は出来るだけ薄い方が好し
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号公報で提案されいる。

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、簡単のために、白と黒の二値信
号を表示する場合を例にとつて示す。第３図にお
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。第４図ａと
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、第４図ｃ
と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である。

このうち、第４図ｃは、前回の信号が黒であつ
たとき、第４図ｄは前回の信号が白であつたとき
のものである。又、第４図ｅとｆはそれぞれ選択
されない（これを白とする）信号電極に与えられ
る電気信号である。

このうち、第４図ｅは前回の信号が黒であつた
とき、第４図ｆは前回の信号が白であつたときの
ものである。この図に於て、T⁰は一つの走査電
極上の画素をすべて白に揃える位相で、Ｔは情報
信号を書き込む位相である。本例では、T⁰＝Ｔ
＝△ｔの例が示されている。これらの信号によつ
て第３図に示した表示を行う場合の駆動波形が第
５図に示される。第５図中のS₁〜S₅は、走査電極
に印加される信号、I₁とI₃は、信号電極I₁とI₃に印
加される信号、ＡとＣはそれぞれ第３図中の画素
Ａ及びＣに印加される電圧波形である。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、V₀の値としては、V₀＜Vth₁
＜2V₀，−2V₀＜−Vth₂＜−V₀となるよう設定され
る。

第５図より明らかな如く一つの走査電極上の画
素は一担すべて「白」に書き換えられる。引き続
き、情報に基づいて「黒」又は「白」が指定さ
れ、「黒」に対応する画素では「白」→「黒」の
反転を生じさせ、情報の書き込みが行われるが、
この走査電極上の情報書き込みが行われる位相
（時間）に於て、同時に次の走査電極上の画素が
すべて白に書き換えられている。従つて、１フレ
ームの走査による全画面の書き込みを高速で行う
ことが可能である。

第６図と第７図は、本発明の駆動法の別の実施
例を表わしている。

第６図ａと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選択されない走査電極に
与えられる電気信号を示している。第６図ｃ〜ｆ
は、信号電極群に印加する情報信号を表わしてお
り、同図ｃとｅが前回の信号を黒とし、同図ｄと
ｆが前回の信号を白とした時、位相Ｔで同図ｃと
ｄでは情報信号として黒に対応するV₀が印加さ
れ、同図ｅとｆでは情報信号として白に対応する
−V₀が印加される。

第７図は、第３図に示す表示を得る時の駆動波
形を表わしている。第７図中のS₁〜S₅は走査電極
に印加される信号、第７図中のI₁とI₃は信号電極
I₁とI₃に印加される信号、第７図中のＡとＣはそ
れぞれ第３図に示される画素ＡとＣに印加される
電圧波形を表わしている。

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転移してしま
い、その結果正しい情報の表示や変調が達成でき
ない状況が生じ得る。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（一種
のクロストーク）の生じ易さが基板表面の材質、
粗さ及び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、上記転移
の生じ易さが増す傾向にあることは確認した。
又、温度が高い方がその傾向が強いことも確認し
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
加されるのは避けるのが好しい。

従つて本発明のより好ましい駆動方法に於ける
補助信号位相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、そ
の具体的実施例を第８図と第９図に示す。

第８図ａと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選択されない走査電極に
与えられる電気信号を示している。信号電極群に
は第８図ｃ〜ｆに示す如く、位相T¹で印加した
情報信号−同図ｃとｄは黒、同図ｅとｆは白に対
応−と極性の異なる信号を位相T²で印加する。
例えば、第３図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
う危険性があるが、補助信号位相T²を設けるこ
とにより、第８図に於て示した時系列信号より明
らかな如くクロストークの危険性は生じない。

又、第８図ｃとｅは、前回の信号が黒で、第８
図ｄとｆは前回の信号が白である場合を表わして
いる。

第９図は、第３図に示す表示を得る時の駆動波
形を表わしている。第９図中のS₁〜S₅は走査電極
に印加される信号、第９図中のI₁とI₃は信号電極
I₁とI₃に印加される信号、第９図中のＡとＣはそ
れぞれ第３図に示される画素ＡとＣに印加される
電圧波形を表わしている。

第１０図と第１１図は、本発明の別の具体例を
表わしている。この例ではV₀とVth₁又はVth₂と
の間でV₀＜Vth₁＜3V₀，−3V₀＜−Vth₂＜−V₀の関
係に設定されている。第１０図ａと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選
択されない走査電極に与えられる電気信号を示し
ている。

さて、補助信号位相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、情報信号位相T¹に於て付
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
るの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と設定することが好ましい。

第１０図ｃ〜ｆは、信号電極群に印加する情報
信号を表わしており、同図ｃとｅが前回の信号を
黒とし、同図ｄとｆとが前回の信号を白とした
時、位相T¹で同図ｃとｄでは情報信号として黒
に対応するV₀が印加され、同図ｅとｆでは情報
信号として白に対応する−V₀が印加されている
態様を表わしている。

第１１図は、第３図に示す表示を得る時の駆動
波形を表わしている。第１１図中のS₁〜S₅は走査
電極に印加される信号、第１１図中のI₁とI₃は信
号電極I₁とI₃に印加される信号、第１１図中のＡ
とＣはそれぞれ第３図に示される画素ＡとＣに印
加される電圧波形を表わしている。

実施例１透明導電膜（ITO）が互いに500×5000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1.2μであつた。このセルに強誘電液晶であ
る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１０図に示した駆動方法に基づきV₀＝
10V，T⁰＝T¹＝T²＝△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。

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図及び第２図は、本発明で用いる液晶素子
を表わす斜視図である。第３図は、本発明の駆動
法で用いる電極構造の平面図である。第４図ａ〜
ｆ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５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６図ａ〜
ｆは、電極に印加する電気信号の別の波形を表わ
す説明図である。第７図は、時系列で電圧を印加
した時の別の電圧波形を表わす説明図である。第
８図ａ〜ｆは、電極に印加する電気信号の別の波
形を表わす説明図である。第９図は、時系列で電
圧を印加した時の別の電圧波形を表わす説明図で
ある。第１０図ａ〜ｆは、電極に印加する電気信
号の別の波形を表わす説明図である。第１１図
は、時系列で電圧を印加した時の別の電圧波形を
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、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、第１位相と第２位相とで、それぞ
れ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、第１位相で、信号電極群に、走査選択信号との
合成により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を印加し、第２位相で、選択された信号電極に、走査選択
信号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、同時に走査非選択電極へ
の印加電圧との合成により強誘電性液晶の一方の
閾値電圧と他方の閾値電圧との間の電圧を与える
電圧信号を印加する手段を有し、走査電極数をＮ（本）、第１位相と第２位相を
構成するパルスのパルス幅を△Ｔ（sec）、一走査
選択期間をT₁（sec）及び−フレーム走査時間
（sec）／Ｎ（本）で示される時間をT₂（sec）と
した時、 T₂＜T₁及びT₁＝２△Ｔ又は３△Ｔの関係を有
している液晶装置。