JPS6368813A - 液晶光学素子 - 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】 ［発明の技術分野］ この発明は液晶シャッタとして使用される液晶光学素子
に関する。

［従来技術とその問題点］ 近年、液晶を用いて光の透過状態を制御する光学装置が
広く使用されている。これらの光学装置のうち、光の遮
断状態と透過状態とを高速度で切換え動作させる液晶シ
ャッタは、電子写真式プリンタの光制御素子として用い
られている。このような液晶シャッタにおいては、従来
、ＴＮ型液晶素子（ツィステッド−ネマチック型で、一
対の偏光板の偏光軸が互いに直交している。）、あるい
はＧＨ型液晶素子（ゲスト・ホスト型で、一対の偏光板
の各偏光軸が液晶分子の配向方向と平行になっている。

）、もしくは複屈折率制御型（一対の偏光板の偏光軸を
互いに直交させるとともに、その偏光軸が液晶分子の初
期配向処理方向に対して４５°の角度で配置されている
。）等を用いている。

しかしながら、上記のようなＴＮ型液晶素子の場合は、
温度により液晶分子の捩じりピッチが変化するため動作
が不安定であり、しかも重速応答を得るためには、光学
活性物質を添加しなくてはならず、そのため旋光分散等
の影響により光の漏れが多く、コントラストが低下する
という問題がある。

また、ＧＨ型液晶素子の場合は、添加され２色性染料の
２色性比、染料濃度、及びセル厚等にコントラストが依
存しており、また温度変化に対するシャッタＯＦＦ状態
が不安定である。そのため、高いコントラストが得られ
ず、また温度変化に対するコントラストの変化が大きく
、使用し得る温度範囲が比較的狭いという欠点がある。

しかも、白色光源等の発光分光特性が平坦に近い光源に
対しては、数種類の染料を液晶に添加してシャッタを構
成しなければならず、複数種の染料が必要となり、最適
な染料を探すのが非常に困難であるという問題もある。

さらに、複屈折率制御型液晶素子の場合は、液晶分子が
ねじれ配向しておらず、また染料を添加していないので
温度変化に対して比較的安定し、かつ液晶分子が垂直配
向の状態と斜め配向の状態とをとることによってその透
過を制御するものであるので高速で動作させることが可
能である。しかし、対向する一対の基板の電極間に電圧
を印加しない状態（初期状態）では、透過率が大きく、
電界を印加して光の透過を制御する部分以外の部分から
光がある程度透過してしまい、光学素子としての全体的
なコントラストを高くできないという問題がある。

［発明の目的］ この発明は」二連した事情に鑑みてなされたもので、そ
の目的とするところは、光の漏れが少なく、コントラス
ト比が高く、シャッタ特性に優れた液晶光学素子を提供
することにある。

［発明の要点］ この発明は上述した目的を達成するために、対向する一
対の基板間に液晶材をホモジニアス配向させて封入し、
かつ、前記内基板の外面にそれぞれ偏光軸が互いに直交
する一対の偏光板を設け、この一対の偏光板のうち、一
方の偏光板の偏光軸方向を基板の配向処理方向に対して
３５°以上、４５°未満の角度で交差するようにしたも
のである。

［実施例］ 以下、第１図から第６図を参照して、この発明の一実施
例を説明する。　　　□ 第１図は液晶光学素子の構成を示す。図中１．２は一対
の基板である。この基板１．２はそれぞれ透明なガラス
板からなり、その対向面に透明な電極１ａ、２ａおよび
配向膜１ｂ、？ｂがそれぞれ積層されている。これら基
板ｌ、２はその周縁がシール材３により一定の間隔を保
って接着され、その内部に光シャッタを構成する２周波
駆動用の液晶材４が封入されている。これにより、液晶
セルＡが構成されている。また、基板ｌ、２の外面には
それぞれ偏光板５．６が配置されている。なお、基板１
．２の対向面に設けられた電極１ａ、２ａは、それぞれ
酸化インジウム（ＩＴＯ）等の透明な導電材料からなり
、一方（下側）の電極１ａと、他方（上側）の電極２ａ
とが互いに重なり合う部分及びそれらの間に封入された
液晶とによってシャッタ部を構成している。そして、こ
れらの電極１ａ、２ａには、液晶材４に後述する２周波
の電界が印加されるような駆動信号が与えられるように
なっている。

第２図は配向膜ｉｂ、２ｂの配向処理方向（ラビング方
向）および偏光板５．６の偏光軸方向（透過軸又は吸収
軸の方向）を示す。配向膜ｌｂ、２ｂは液晶分子（液晶
材４の分子）の配向処理方向を規制するものであり、そ
れぞれ相反する方向に配向処理（ラビング処理）されて
いる。

即ち、配向膜１ｂは、例えば、図に示すように矢印Ｘ２
方向に配向処理され、配向膜２ｂは矢印Ｘ１方向に配向
処理されている。したがって、液晶分子はホモジニアス
配向となり、電極１ａ、２ａに電圧が印加されない初期
状態では矢印ＸＩ　、Ｘ２方向に水平配向され、また電
圧が印加されると基板１．２間で垂直配向となる。偏光
板５．６は光を直線偏光させるものであり、その偏光軸
方向ｙｔ　、Ｙ２が互いに直交しているとともに、一方
（下側の偏光板５）の偏光軸方向Ｙ１は所定の角度、即
ち、後述するように配向膜１ｂの配向処理方向ｘ２に対
して３５°以上で、４５゜未満の角度θの範囲内で傾い
ている。この配置方法は、上述した複屈折率制御型とは
偏光板の偏光軸方向と、液晶分子の配向方向とのなす角
度が異なっている。この様な、液晶セルＡは、電極ｌａ
、２ａに電圧が印加されない初期状態では液晶分子が矢
印ＸＩ　、Ｘ２方向に水平配向し、液晶の屈折率異方性
と液晶層の厚さの積の値に依存した分光透過特性を示す
。また上下の電極１ａ、２ｍ間に所定の電圧が印加され
て液晶分子が垂直配向になった場合には、偏光板５．６
の偏光軸方向Ｙｌ　、Ｙ２が直交しているので、光は透
過せずＯＦＦ状態となる。しかして、電圧の印加を停止
すると、液晶分子は次第に傾きながら水平配向に戻り、
液晶分子が所定角度類いたときに光を透過しＯＮ状態と
なる。

このような液晶セルＡは、２周波の電界で駆動すること
により、積極的に液晶分子を所定角度に傾かせ、この状
態から再び垂直配向させる動作を繰させることによって
高速駆動することができる。即ち、２周波の電界は電極
１ａと電極２ａの間に第３図に示すような高周波電界ｆ
Ｈと低周波電界ｆ、とがシャッタＯＮ１０　Ｆ　Ｆの動
作に応じて繰り返された波形であり、この図において、
高周波電界ｆＨは２００ＫＨｚの矩形波信号、低周波電
界ｆＬは４ＫＨ２の矩形波信号、電圧値ＶＯＰは共に２
５Ｖ、ＯＮ動作時間ＴＩおよびＯＦＦ動作時間Ｔ２は共
に１ｍｓ　ｅ　ｃ、高周波電界ｆＨの印加時間Ｔ３は０
．２５ｍ　ｓ　ｅ　ｃである。そして、透過光強度が０
−ＬｏＮに達する時間を立上り時間（ＯＮ応答時間）で
ＯＮ、透過光強度がＬＯＷ〜ＬＯＦＦに達する時間を立
下り時間（ＯＦＦ応答時間）τｏｒｒまた。透過光強度
ＬＯＮとＬＯＦＦの比をコントラストＣＲとしている。

このような２周波駆動方法で液晶材４を駆動するために
は、液晶材４の誘電異方性が第４図に示すような特性に
なっている必要がある。即ち、誘電異方性Δεが「０」
となる交差周波数ｆＣより低い周波数の電界ｆ１に対し
て正の誘電異方性を有し、また交差周波数ｆＣより高い
周波数の電界ｆＨに対しては負の誘電異方性を有する。

ところで、このような液晶セルＡの透過光強度■は、次
式により求められる。

Ｉ＝Ｉｏ　５ｉｎ２２０ｍ ｓ　ｉ　ｎ２（π・Δｎ−ｄ／λ）　−・・・−（１）
但し、　　Ｉｏ　：平行な偏光板の透過率で決まる光の
強度 θ：初期配向時の光軸と偏光板のなす す角度（３５°〜　４５°） Δｎ：基板面の法線方向と液晶光軸の なす角φに依存する複屈折率 ｄ：セル厚 入：入射光の波長 この場合、複屈折率Δｎの値はφにより変化するが、液
晶の屈折率ｎ〃とｎｌとで決まる。このような液晶の屈
折率ｎ〃とｎｌとを次の表１に示す。

表１ このような複屈折率の液晶材４を用いた液晶セルＡに偏
光板５．６を設け、その偏光軸方向Ｙ、、Ｙ２の違いに
よる透過率の変化を以下の表２、表３に示す。この場合
、液晶セルＡは電圧が印加されない初期状態の場合であ
り、測定用の光の波長は５４３ｎｍである。

表２ 表３ 但し、表２はセル厚が４．１５ＪＬｍの場合で、表３は
セル厚が４．８８ＪＬｍの場合であり、規格化透過率と
いうのはθ−４５°を１としてあり、理論的には前述し
た式（１）の５ｉｎ２２θの項で決定される。なお、カ
ッコ内に示した数字は理論値である。このような表２．
３の分光特性を第５図および第６図に示す。即ち、第５
図は表２のセル厚が４．１５ｕＬｍの場合を示し、第６
図は表３のセル厚が４．６８　ＪＬｍの場合を示してい
る。したがって、セル厚が４．１５ｇｍの場合には、表
２および第５図から明らかなように、偏光板５．６の偏
光軸方向Ｙ１、Ｙ２が液晶分子の配向処理方向Ｘ１に対
してなす角度θが４５°の場合に比べて、分光特性の曲
線は同じ傾向を示すが、角度θの小さい方が透過率が小
さくなり、角度θが３０°ではさらに透過率が小さくな
る。また、セル厚が４．６８　ｐ、　ｍの場合にも、表
３および第６図から明らかなように、角度θが小さくな
るに従って透過率も小さくなる。しかし、上述したいず
れの場合でも、シャッタＯＮ状態のときの透過率を考え
ると、角度θが３０°では理論的に見て明るさが２０％
以上も減少するため、コントラスト比（ＣＲ＝　ＬＯＮ
／ＬＯＦＦ　）が低下する。そのため、角度θは３５°
以上で４５°未満が好ましい。このような角度θの範囲
内では、偏光板５、又は６の偏光軸方向Ｙｌ　、又はＹ
２と配向処理方向Ｘ、、Ｘ２　とのなす角度が４５°よ
りずれているため、シャッタ部分以外での光の漏れが少
なく、シャッタとして極めて有利であることを示してい
る。

なお、−上述した液晶光学素子のシャッタ動作特性を次
の表４、表５、表６に示す。

表４ 表５ 表６ これらの表４、表５、表６に示される如く、シャッタＯ
Ｎ時の角度θの違いによる透過光強度の低下は極くわず
かであり、またシャッタＯＦＦ時の透過光強度は角度θ
に存在しないことがわかる。さらに、これらの表に示し
た測定値は、シャッタＯＦＦ状態での特性が温度に対す
る依存性が小さいことを示している。

この様に、上記のような液晶光学素子によれば、偏光板
５．６の偏光軸と液晶分子の配向方向とのなす角度θを
４５°〜３５°の範囲に取れば、シャッタのＯＮ状態と
ＯＦＦ状態とのコントラスト比（ＣＲ＝　ＬｏＮ／　Ｌ
ＯＦＦ　）が高く、しかも電界が印加されない部分の透
過率が低いので、シャッタ部分以外での光の漏れが少な
く、光学シャッタとして極めて有利である。

次に、第７図から第９図を参照して、上記のような液晶
光学素子を液晶プリンタ等の液晶シャッタに用いた場合
につき説明する。

第７図から第９図は液晶シャッタの構成を示す。図中１
１．１２はガラス等からなる細艮い帯板状の透明な基板
である。この基板１１．１２は上述した液晶光学素子と
同様に、それぞれ互いに対向し、その対向面にはそれぞ
れ透明な電極１１ａ、１２ａおよび配向膜１１ｂ、１２
ｂが積層されている。また、基板１１．１２はその周縁
がシール材１３により一定の間隔を保って接着□され、
その内部に光シャッタを構成する２周波駆動用の液晶材
１４が封入されている。これにより、液晶セルＡＩが構
成されている。さらに、この液晶セルＡ１、つまり基板
１１．１２の外面にはそれぞれ偏光板１５．１６が設け
られている。

この場合、下側の基板１１に設けられた電極１１ａは基
板１１の全長に亘って多数の信号電極１１ａ１ｅ＠＊、
１ｌｌｌＬ２１１＠１１を千鳥状に２列並べて配列し、
これらの信号電極１１　ａｌ　　・・−，１１ａ２　　
・・・から交互に端子１１　ａ３　　・・争を基板１１
の一側部および他側部に導出した構成となっている。こ
れら信号電極１１ａ＋　　φ・・、１１　ａ２　　・−
・および端子１１ａ３　・・拳は、酸化インジウム等の
透明導電材料からなり、信号電極１１ａ１　ｅ・・、１
ｌａ２　・・Ｏのシャッタ部Ｓ１　・・・、Ｓ２　・争
・と対応する部分を除いた部分にクロム等の金属膜１１
　ａａ　・・・が被着されているとともに、端子１１　
ａ３　　・番・上にも金属膜１１ａ４　・・・が被着さ
れている。しかも、一方の信号電極１１ａ＋　　・・・
と他方の電極１１ａ２１１・・とは１／２ピツチずれて
千鳥状に配列されている。そのため、シャッタ部Ｓｌ　
　・争・、Ｓ２　・・・はそれぞれ１／２ピツチずれて
いる。

また、他方の基板１２に設けられた電極１２ａは上記信
号電極１１　ＦＬｌ　　・・・、ｌ　１　ａ２　　・―
・とに対向させて一対の帯状のコモン電極１２ａ＋　、
１２ａ２を基板１２の長手方向に若干の隙間をもって形
成したものであり、その材質は上述した信号電極１１　
ａ＋　　・・・、ｌ　１６２　　・・・と同じ材質で構
成されており、シャッタ部Ｓ＋・・・、Ｓ２　・・・と
対応する部分を除いてクロム等の金属膜１２ａ３　・ψ
・が被着されている。

この場合、電極１１ａ、１２ａに設けられた金属膜１１
　ａａ　・・・および１２ａ３　・・・は、信号電極１
１ａ１＊＊ｅ、１ｌａ２ｅ＊＊、端子１１　ａ３　　・
・・およびコモン電極１２ａ＋、１２ａ２の電気抵抗を
小さくするためと、シャッタ部Ｓｌ　　・・・、Ｓ２　
・拳・の光透過面積を規制するために設けられている。

しかして、上記のような液晶セルＡ１には信号電極１１
ａｌ　　・φ・。

１１ａ２＊ｅ＊とコモン電極１２ａ＋　、１２ａ２との
いずれもが対向しない部分が生じ、この部分が非シャッ
タ部Ｂ・・・になっている。

一方、基板１１．１２の各電極１１ａ、１２ａ上に形成
された配向膜ｌｌｂ、１２ｂの配向処理方向（ラビング
方向）ｘ、、ｘ２は第９図に示すように、各基板１１．
１２の長手方向で相反する方向に処理されている。これ
により、各基板１１．１２間に封入される液晶材１４は
上述した液晶光学素子の場合と同様なホモニジアス配自
となる。また、上記のような液晶セルＡｔの上下面に設
けられる偏光板１５．１６の偏光軸Ｙ０、Ｙ２は第９図
に示すように、配向膜１１ｂ、１２ｂの配向処理方向ｘ
、、ｘ２に対して所定の角度θ、つまり４５°未満、３
５°以上の範囲内で交差している。

したがって、このように構成された液晶シャッタによれ
ば、液晶材１４をホモジニアス配向した液晶セルＡＩの
上下面に偏光板１５．１６を配置するとともに、この偏
光板１５．１６の偏光軸方向Ｙｌ　、Ｙ２を液晶材１４
の配向処理方向ＸＩ、ｘ２に対して４５°未満、３５°
以上の角度θの範囲内で交差させて設けたので、上述し
たように電界を印加しない状態での透過率が低く、光学
シャッタとしてのコントラスト比が高くなり、光学シャ
ッタとして優れたものとなる。特に、基板１１．１２の
電極１１ａ、１２ａのいずれもが対向しない部分の非シ
ャッタ部Ｂ・・・があっても、電圧を印加しない初期状
態で透過率が低いので、非シャッタ部Ｂ−・・からの光
の漏れを少なくすることができる。

［発明の効果］ 以上詳細に説明したように、この発明によれば、対向す
る一対の基板間に液晶材をホモジニアス配向させて封入
し、かつ、前記両基板の外面にそれぞれ偏光軸が互いに
直交する一対の偏光板を設け、この一対の偏光板のうち
、一方の偏光板の偏光軸方向を基板の配向処理方向に対
して３５゜以上、４５°未満の角度で交差させたので、
光の漏れを少なくすることができ、しかもコントラスト
が高く、シャッタ特性に優れたものを得ることができる
。

【図面の簡単な説明】

図はこの発明の一実施例を示し、第１図は液晶光学素子
の断面図、第２図は液晶材の配向処理方向と偏光板の偏
光軸方向との関係を示す図、第３図は液晶材の誘電異方
性を示す図、第４図は液晶セルの２周波駆動値号を示す
図、第５図はセル厚が４．１５ｐｍで電圧を印加しない
初期状態での分光特性を示す図、第６図はセル厚が４．
８８　ｇ　ｍにおける初期状態での分光特性を示す図、
第７図から第９図は液晶プリンタ等に用いられる液晶シ
ャッタに使用した場合を示し、第７図はその断面図、第
８図はその要部拡大平面図、第９図は分解斜視図である
。 ｌ、２．１１．１２・・・・・・基板、ｌａ、２ａ、１
１　ａ、　　ｌ　２　ａ・・・−電極、ｌｂ、２ｂ、ｌ
ｌｂ、１２ｂ・・・・・・配向膜、４．１４・・・・・
・液晶材、５．６．１５．１６・・・・・・偏光板、Ａ
、ＡＩ・・・・・・液晶セル、Ｘｌ　、Ｘ２・・・・・
・配向処理方向、Ｙｌ　、　Ｙ２・・・・・・偏光軸方
向。 特許出願人　　カシオ計算機株式会社 □ 代理人　弁理士　　町　１）俊　正・　　、。 １叫１−１ 第１図 第２図 第３図 ｏｉ２１°Ｃ 第４図 第７図 １１ｑ４ 賦吋泡作 ２ｏ２ １Ｎ開口ＲＧ３−６８８１３　　（８）−ｗ−−−−ｌ
ごｕ３ Ａ１　　　　、−−１．　、二ヒエ、エ　′−・−二　
　・二二パ・、　　。 ｒ−ｍ−−１ｔ−−−１ｒ−１「−ｉ　　””’　　　
１２０３μ−Ｊ　　　Ｌ、−Ｊ　　　Ｉ、−−Ｊ　　　
Ｌ−＝ＪＳ２’、ＩＣ１＋Ｓ２５．ｊ’１１Ｃ１＋　”
５２２ｑ１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 対向する一対の基板間に液晶材をホモジニアス配向させ
   て封入するとともに、前記両基板の外面にそれぞれ偏光
   軸を互いに直交させて一対の偏光板を設けた液晶光学素
   子において、 前記一対の偏光板のうち、一方の偏光板の偏光軸方向を
   前記基板の配向処理方向に対して３５°以上、４５°未
   満の角度で交差するように配置したことを特徴とする液
   晶光学素子。