JPS6348530A - 光学変調素子の駆動法 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光学変調素子の駆動法に関し、特に少なくと
も２つの安定状態をもつ強誘電性液晶素子の駆動法に関
する。

〔従来技術の説明〕

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
電極群には所定のト青報信号をアドレス信号と同期させ
て並列的に選枦印加する時分割駆動が採用されている。

これらの実用に供されたのは、殆どが、例えば“アプラ
イド・フィジックス・レターズ（“ＡｐｐｌｉｅｄＰｈ
ｙｓｉｃｓ　　Ｌｅｔｔｅｒｓ”）　１９７１年、１８
（４）号１２７〜１２８頁に記載のＭ、シャット（Ｍ　
、　Ｓ　ｃ　ｈ　ａ　ｄ　ｔ　）及びＷ、ヘルフリヒ（
Ｗ、Ｈｅ１ｆｒｉｃｈ）共著になる“ボルテージ・ディ
ペンダント・オプティカル・アクティビティ−・オブ・
ア・ツィステッド・ネマチック・リキッド・クリスタル
”（“ＶｏｌｔａｇｅＤｅｐｅｎｄｅｎｔ　　０ｐｔｉ
ｃａｌ　　Ａｃｔｉｖｉｔｙ　　ｏｆ　　ａＴｗｉｓｔ
ｅｄ　　Ｎｅｍａｔｉｃ　　Ｌｉｑｕｉｄ　　Ｃｒｙｓ
ｔａ１″）に示されたＴＮ　（ｔｗｉｓｔｅｄ　　ｎｅ
ｍａｔｉｃ）型液晶であった。

近年は、在来の液晶素子の改善型として、双安定性を有
する液晶素子の使用がクラーク（Ｃ１ａｒｋ）及びラガ
ーウオール（Ｌａｇｅｒｗａｌｌ　）の両者により特開
昭５６−１０７２１６号公報、米国特許第４．３６７．
９２４号明細書等で提案されている。双安定性液晶とし
ては、一般に、カイラルスメクチックＣ相（ＳｍＣ＊）
又はＨ相（ＳｍＨ＊）を有する強誘電性液晶が用いられ
、これらの状態において、印加された電界に応答して第
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
かをとり、かつ電界が印加されないときはその状態を維
持する性質、すなわち安定性を有し、また電界の変化に
対する応答がすみやかで、高速かつ記憶型の表示装置等
の分野における広い利用が期待されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、表示画素数が極めて多く、しかも高速駆
動が求められる時には、問題を生じる。すなわち、所定
の電圧印加時間に対して双安定性を有する強誘電性液晶
セルで第１の安定状態を与えるための閾値電圧を−Ｖｌ
ｈｌとし、第２の安定状態を与えるための閾値電圧を＋
Ｖｌｈ２とすると、これらの閾値電圧を越えなくとも、
長時間に亘り、電圧が印加され続ける場合に、画素に書
込まれた表示状態（例えば、白状態）が別の表示状態（
例えば黒状態）に反転することがある。第１図は双安定
性強誘電性液晶セルの闇値特性を表わしている。

第１図は、強誘電性液晶としてＤ　ＯＢ　Ａ　Ｍ　Ｂ　
Ｃ（図中の１２）とＨＯＢＡＣＰＣ（図中の１１）を用
いた時のスイッチングに要する閾値電圧（Ｖ＋ｈ）の印
加時間依存性をプロットしたものである。

第１図より明らかな如（、閾値Ｖ＋ｈは印加時間依存性
を持っており、さらに印加時間が短い程、急勾配になっ
ていることが理解される。このことから、走査線が極め
て多（、しかも高速に駆動する素子に適用した場合には
、例えばある画素に走査時において明状態にスイッチさ
れていても、次の走査以降常にＶｔｈ以下の情報信号が
印加され続ける場合、一画面の走査が終了する途中でそ
の画素が暗状態に反転してしまう危険性をもっているこ
とが判る。また長時間にわたり駆動した場合、全体とし
て直流成分が大きくなるのと、上記と同様の問題が起こ
りうる。

本発明の目的は、前述したような従来の液晶表示素子或
いは液晶光シャッターにおける問題点を解決した新規な
光学変調素子の駆動法を提供することにある。

又、本発明の別の目的は、階調性の表現に適した光学変
調素子の駆動法を提供することにある。

さらに、本発明の別の目的は、表示画面に現われていた
ちらつきを解消した光学変調素子の駆動法を提供するこ
とにある。

〔問題点を解決するための手段〕及び〔作用〕本発明は
、交差した走査電極群と信号電極群との間に光学変調物
質を配置し、走査電極群と信号電極群との交差部で画素
を形成した光学変調素子の駆動法において、走査電極群
のうち選択された走査電極上の画素に印加する電圧が光
学変調物質の閾値電圧を越えた第１の電圧と、前記第１
の電圧を印加する位相の前又は後の位相で印加する第２
の電圧であって、走査電極群のうち選択されていない走
査電極の電圧レベルを基準にして前記第１の電圧に対し
て逆極性の電圧である第２の電圧と、前記位相とは別個
の位相で印加する第３の電圧であって、走査電極群のう
ち選択されていない走査電極の電圧レベルと同一レベル
に設定した電圧値、又は該選択されていない走査電極の
電圧レベルを基準にして前記第２の電圧に対して同一極
性で、且つ前記選択されていない走査電極の電圧レベル
と光学変調物質の閾値電圧レベルとの間のレベルに設定
じだ電圧値をもつ第３の電圧とを有する光学変調素子、
特に強誘電性液晶素子の駆動法を提供することにある。

〔実施例〕

本発明の駆動法で用いる光学変調物質としては、少なく
とも２つの安定状態をもつもの、特に加えられる電界に
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好まし
い。

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チック
液晶が最も好ましく、そのうちカイラルスメクチックＣ
相（ＳｍＣ＊）又■］相（ＳｍＨ＊）の液晶が適してい
る。この強誘電性液晶については、“ル・ジュルナール
・ド・フーｒシック・レター”（Ｌｅ　　Ｊｏｕｒｎａ
ｌ　　ｄｅ　　Ｐｈｙｓｉｃｓ　　１ｅｔｔｅｒ″）３
６巻（Ｌ−６９）、１９７５年の「フェロエレクトリッ
ク・リキッド・クリスタルスＪ　（「Ｆｅｒｒｏｅｌｅ
ｃｔｒｉｃＬｉｑｕｉｄ　　Ｃｒｙｓｔａｌｓｊ）　；
　”アプライド・フィジックス・レタース”（“Ａｐｐ
ｌｉｅｄ　　Ｐｈｙｓｉｃｓ　　Ｌｅｔｔｅｒｓ”　）
３６巻（１１号）　１９８０年の［サブミクロン・セカ
ンド・バイスティプル・エレクトロオプティック・スイ
ッチング・イン・リキッド・クリスタルＪ　（「Ｓｕｂ
ｍｉｃｒ。

５ｅｃｏｎｄ　　Ｂ１５ｔａｂｌｅ　　Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｏｐｔｉｃ　　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｉｎ　　Ｌｉｑｕｉ
ｄ　　Ｃｒｙｓｔａｌｓｊ）　；“固体物理”１６　（
１４１）１９８１　ｒ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）−ブチルレゾルシリチン−
４′−オクチルアニリン（Ｍ　Ｂ　ＲＡ　８　）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Ｓ　ｍ　Ｈ＊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
込まれた銅ブロック等により支持することができる。

又、本発明では前述のＳｍＣ＊、ＳｍＨ＊の他にカイラ
ルスメクチックＦ相、■相、Ｊ相、Ｇ相やに相で現われ
る強誘電性液晶を用いることも可能である。

第２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。２１ａと２１ｂは、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２やＩ
ＴＯ（インジウム−ティン−オキサイド）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±）１４を有している。基板２１ａと２１ｂ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、その長袖方向と短軸方向で屈折率異方
性を示し、従っ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
極性によって光学特性が変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十分
に薄＜シた場合（例えば１μ）には、第３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Ｐａ又はｐｂは上向き
（３４ａ）又は下向き／３４ｂ）のどちらかの状態をと
る。このようなセルに第３図に示す如く一定の閾値以上
の極性の異なる電界Ｅａ又はＥｂを所定時間付与すると
、双極子モーメントは電界Ｅａ又はＥｂの電界ベクトル
に対して上向き３・１ａ又は、下向き３４ｂと向きを変
え、それに応じて液晶分子は第１の安定状態３３ａかあ
るいは第２の安定状７Ｂ　３３　ｂの何れか１方に配向
する。

このような強ａ　ｚ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、応答速度が極めて早い
こと、第２に液晶分子の配向が双安定状態を宵すること
である。第２の点を例えば第２図によって説明すると、
電界Ｅａを印加すると液晶分子は第１の安定状ｐ　３３
　ａに配向するが、この状態は電界を切っても安定であ
る。又、逆向きの電界Ｅｂを印加すると、液晶分子は第
２の安定状態３３ｂに配向して、その分子の向きを変え
るが、やはり電界を切ってもこの状態に留っている。又
、与える電界Ｅａ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ましく、一般的には０．
５μ〜２０μ、特に１μ〜５μが適している。

本発明の駆動法の好ましい具体例を以下の図により示す
。

第４図は走査電極群４２と信号電極群４３の間に双安定
性強誘電性液晶が挾まれたマトリクス画素構造を有する
代表的な強誘電性液晶セル４１の模式図である。本発明
は多値またはアナログの階調表示に適用できるものであ
るが、説明を簡略化するために、白および１つの中間レ
ベル、および黒の３値を表示する場合を例にとって示す
。第４図においてクロスハツチングで示される画素Ａが
「黒」に、片ハツチングで示される画素Ｂが中間レベル
、その他の画素Ｃが「白」に対応するものとする。

第５図は、１ライン毎に画像消去と書き込みをｊ順次行
なう場合の具体的駆動波形の１例を示し、書き込み後の
画像は第４図に対応する。

第５図（ａ）に、各走査電極ＳＳ、　　ＳＮＳおよび各
信号電極ＩＳ、　　ＩＮＳ、　　ＩＮＳに印加する電圧
波形およびそｎぞれの走査電極と信号電極に挟持される
画素液晶に印加される電圧を示す。ここで横軸は時間、
縦軸は電圧を示す。

ここで、Ｓｓは画像情報を書き込むライン、即ち選択さ
れた走査電極に印加される駆動波形、ＳＮＳはそのとき
の画像情報を書き込まないライン、即ち非選択の走査電
極に印加される駆動波形である。

また、■Ｓは前記選択されたラインとの交差部との間に
「黒コを書き込むための駆動波形でＴ　Ｈ３は中間レベ
ル、またＩＮＳは「白」を書き込むための駆動波形をそ
れぞれ示す。

このとき画素を形成する液晶にそれぞれ印加されろ電圧
は、ｌ５−５ｓ、　　１ｌ−Ｉｓ−３ｓ、　ｌＮ５−３
ｓ、　１ｓ−３ＮＳ、ＴＨＳ−３ＮＳ、ｌＮＳ−３ＮＳ
で示される様になる。

ここで用いた双安定性強誘電液晶の反転閾値をｖｔｈと
した時、反転閾値ＶＬｈと駆動電圧Ｖｏとの間で１±２
ｖＯｌ　＜　ｌ　Ｖ＋ｈ　ｌ　＜　ｌ±３ｖｏ１となる
様に駆動電圧Ｖｏを選ぶ。ここでは、通常の液晶セルに
加える配向処理等により、反転閾値Ｖｌｈは■側とＯ側
でその値が若干具なっている場合があるが、この場合は
各駆動波形において■側とＯ側の駆動電位を若干補正す
る等の対応を取るものとし、ここでは説明の便宜上］＋
Ｖｔｈｌ（■側の反転閾値）＝　ｌ　−Ｖ＋ｈ　ｌ　　
（Ｏ側の反転閾値）としておく。

上記の様にした場合、各画素に印加される電圧が、その
絶対値で１例として２Ｖｏ以下の場合は液晶分子の反転
は起こらず、また３Ｖｏ以上の場合では反転が起こり、
その絶対値が大きくなるにつれ、反転が強く起こる様に
なる。

ここで各波形について説明する。

選択された走査電極に印加する走査遍択信号Ｓｓは１ラ
インの書き込み期間内に４つの位相をもうており、その
第２番目の位相でライン消去を、第３番目の位相で信号
電極に印加される信号に応じた画素書き込みが行なわれ
、そのために、それぞれ第２位相に（３２Ｖ　ｏ　、第
３位相に■２Ｖｏのパルス波形が印加されている。また
第１番目の位相、第４番目の位相はほぼ零（基準電位）
の電位が補助的に印加される。

一方、選択されない走査電極に印加される走査非選択信
号ＳＮＳは基準電位（ここではＯｖ）に固定される。

次に信号電極に印加される電位波形は、前記走査選択信
号の各位相とほぼ同期してその第２番目位相において消
却信号■２Ｖｏが印加され、この位相において各信号電
極と選択された走査電極Ｓｓとの間で■４Ｖｏの電圧が
印加されることになり、液晶の反転閾値Ｖｌｈを超える
ため、このラインすべてを消去側（白）に反転させる。

次に、第３位相においては、選択された走査電極と交差
する信号電極にそれぞれ階調に応じた電圧が印加される
。ここで、この時画素を１黒」にする電位として０２Ｖ
ｏ、中間レベル（灰）にする電位とじて９Ｖｏ、「白」
のまま保持する電位として走査非選択信号の電位レベル
と同一レベルすなわち零（基準電位）とする。この様に
すると、第３位相において、このラインの画素に印加さ
れる電圧は、それぞｔ’ＬＯ４Ｖｏ、０３Ｖｏと０２Ｖ
ｏとなり、それぞれ「黒」「灰」（中間レベル）と「白
」をそれぞれ画素に書き込むことになる。次に、補助的
に印加する第１位相および第４位相について説明する。

まず第４位相においては、選択された走査電極上の画素
に印加される電圧は、走査非選択信号の電圧レベルと同
一レベルとなる零（基準電位）とした。

また、第１位相としては、前記第３位相の画素における
書き込み信号に応じた電圧を印加する。

すなわち、第１位相で画素に印加される電圧は、走査非
選択信号と同一レベルの電圧に設定されているか、又は
走査非選択信号の電圧レベルを基僧にして、前記第３位
相で画素に印加された電圧に対して同一極性で且つ走査
非選択信号の電圧レベルと強誘電性液晶の閾値電圧レベ
ルとの間のレベルの電圧に設定されている。又、この際
、本発明では表示画面でのちらつきを解消する上で第１
位相と第３位相で画素に印加される　電圧値の和が選択
された走査電極上の画素に亘って一定とするのが望まし
い。

さて、双安定性を有する状態での強誘電液晶の電界によ
るスイッ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
電界でスイッチングした後、全く電界が印加されない状
態に放置する場合には、はぼ半永久的にその状態を保つ
ことは可能であるが、所定時間ではスイッチングしない
ような弱い電界（先に説明した例で言えば、Ｖｌｈ以下
の電圧に対応）であっても、逆極性の電界が長時間に渉
って印加される場合には、逆の安定状態へ再び配回状態
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。当発明者等は、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って影喜を受ける事は認識したが
、定ヱ的には未だ把みきっていない。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袖性基
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って印加されることは
、避けるのが好ましい。

本発明においてはさらに同極性の電圧が２位相以上、続
いて印加されない様にしたことで上記間酊を解決した。

第５図から判るとおり、走査電極群と信号電極群に印加
する電圧は各位相で、その電圧の選択の頭囲が電圧零と
交番電圧となっているため、互いに隣り合った位相間で
は零が逆唖性の電圧が存在するため、画素に連続して同
極性の電圧が印Ｌ“「１さｎない。

また、第４位相における画素に印加される電１−１ｉ三
は、はぼ零で一定とすることにより、その前のＩｉ、１
目すなわち画素状態を決める第３番目の位相の電圧に対
し、第４位相の電圧がクロストークを与えることがない
ため、良好な安定した階調画素表現を行なうことが可能
になる。ここでの第４位相の電圧を第１位相で印加する
ことも可能である。もちろん電圧レベルを「白」および
「黒」に対応する２値のみ選ぶことにより、２値のみの
表現も当然可能である。

また、前述迄の説明においては３値の画像について説明
したが、第５図において信号電極に印加される駆動波形
のうち第３位相における電位をたとえば一２■ｏから零
まで、またこれに対応して第１位相における補助信号の
電位を零から一２Ｖｏまで多値に分割しであるいはアナ
ログ的に値を選択して与えることにより、多階調あるい
はアナログ階調の画像が得られる。

〔発明の効果〕

以上記述した本発明によれば、高密度の画素を有するマ
トリクス光学変調素子においても、安定して階調表現を
も行なうことが出来るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、強誘電性液晶の電圧印加時間に対する閾値電
圧の変化を示す特性図である。第２図及び第３図は、本
発明で用いた強誘電性液晶素子の模式的な斜視図である
。第４図は、本発明で用いたマトリクス電極構造の平面
図である。第５図（ａ）は駆動電圧波形図で、第５図（
ｂ）はその時系列波形図である。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）交差した走査電極群と信号電極群との間に光学変
   調物質を配置し、走査電極群と信号電極群との交差部で
   画素を形成した光学変調素子の駆動法において、走査電
   極群のうち選択された走査電極上の画素に印加する電圧
   が光学変調物質の閾値電圧を越えた第１の電圧と、前記
   第１の電圧を印加する位相の前又は後の位相で印加する
   第２の電圧であって、走査電極群のうち選択されていな
   い走査電極の電圧レベルを基準にして前記第１の電圧に
   対して逆極性の電圧である第２の電圧と、前記位相とは
   別個の位相で印加する第３の電圧であって、走査電極群
   のうち選択されていない走査電極の電圧レベルと同一レ
   ベルに設定した電圧値、又は該選択されていない走査電
   極の電圧レベルを基準にして前記第２の電圧に対して同
   一極性で、且つ前記選択されていない走査電極の電圧レ
   ベルと光学変調物質の閾値電圧レベルとの間のレベルに
   設定した電圧値をもつ第３の電圧とを有することを特徴
   とする光学変調素子の駆動法。
2. （２）選択された走査電極上の画素に、前記第１の電圧
   が一様に印加されるとともに、前記第２の電圧が光学変
   調物質の閾値電圧を越えた電圧値とそれを越えていない
   電圧値とを有し、それぞれを選択的に印加する特許請求
   の範囲第１項記載の駆動法。
3. （３）前記第２の電圧が階調情報に応じてその電圧値が
   変化する電圧である特許請求の範囲第２項記載の駆動法
   。
4. （４）前記第２の電圧と第３の電圧がそれぞれ階調情報
   に応じてその電圧値が変化する電圧で、且つ第２の電圧
   の電圧値と第３の電圧の電圧値との和が一定値となって
   いる特許請求請求の範囲第２項記載の駆動法。
5. （５）前記光学変調物質が強誘電性液晶である特許請求
   の範囲第１項記載の駆動法。
6. （６）前記強誘電性液晶がカイラルスメクチック液晶で
   ある特許請求の範囲第５項記載の駆動法。
7. （７）前記カイラルスメクチック液晶の膜厚がらせん構
   造を解消するのに十分に薄い膜厚に設定されている特許
   請求の範囲第６項記載の駆動法。