JPH0151817B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はサンドイツチ構造をなし、それぞれに
制御電極が付加されている２つのネマテイツク液
晶層を用いる液晶表示装置に関するものである。
このような２層装置は、キヤラクタの数、即ち与
えられたセルの表示エリアによつて表示できる符
号又はシンボルの数を増加させることが可能であ
る。

このようなセルは集積回路技術の進歩によつ
て、時間を測ると類似の、又は類似しない補助的
機能数の増加した電子腕時計において有益に使用
されている。これら機能は、時には現在の表示装
置の容量を越える文字、符号、シンボル、数字お
よびそれらの複合されたものの表示を要求するこ
とがある。表示装置の使用可能表面エリアは時計
又は腕時計の通常の寸法によつて制限されるので
ある。

この問題を解決するために、２つの普通のネマ
テイツク型液晶を回転させて１方を他方に重ね合
わせるという配置を採用することができる。それ
ぞれ光線が通過する偏光面は、それらが励起され
ていない場合はそれぞれ90゜の回転をしている。
このため、静的な状態においては総計180゜の角度
で偏光面が回転し、２重セルは明るく、セルのそ
れぞれの偏光は平行な偏光方向を有することとな
る。互いのセルが励起されると、励起部分は暗く
なるがしかし、２つのセルが同時に励起された部
分では、装置は明るくなり、またこれはいずれの
セルも励起されていない部分と同等となる。

このことは、１つのセルの１つ又はそれ以上の
表示エレメントと他のセルの１つ又はそれ以上の
表示エレメントとが同時に励起されて文字を形成
しようとした場合に、互いに重複したエレメント
部分は励起されていないセル部分と同様に明るい
という、重要な改善可能性を提示しているもので
ある。例えば、１つのセルの直線エレメントと、
第２のセルの直線エレメントとによつて十字記号
を表わす場合、２つの直線エレメントが交叉する
ポイントにおいては明るく、表示は十字記号では
なくセンターのない十字記号となる。

本発明の目的は、この欠点を克服することにあ
る。このため、３つの絶縁された透明プレート、
即ち前部、中央、後部プレートと名づけられたプ
レートと、それぞれ前部プレートおよび中央プレ
ートとの間、中央プレートと後部プレートとの間
に設けられた２つの液晶層とを有し、２つの偏光
板はそれぞれ前部および後部プレートの近くの外
側に位置し、これらの偏光方向は互いに他に対し
て約90゜から150゜の角度を持つような表示装置を
構成するものである。前部および後部プレートに
接している液晶の分子は、電界が印加されていな
い時には整列層によつて、近傍成極の成極方向と
実質的に平行な方向に向けられている。中間プレ
ートの両側に接する液晶分子は、電界が印加され
ていない時には、整列層によつて同様に、２つの
成極作用の成極方向によつて形成される角度の半
分に実質的に等しい成極方向をとるよう方向づけ
されているものである。このようなセルにおいて
は、文字、記号又はシンボルは、１方の、又は他
方の、あるいは両方の液晶層が励起されて形成さ
れても実用的には同等のコントラストを実現す
る。

添付図面は、本発明による表示セルの構成と動
作原理を表わす概念図である。

このセルはP₁の偏光方向を有する第１偏光板
１と、ネマテイツク液晶層５および６によつて分
離された３つのガラスプレート２，３および４と
によつて構成される。液晶の分子は極めて大づか
みにして示されており、これらは後に述べるよう
な、セルの４つの動作モードのそれぞれを表わす
４つの軸Ｒ−Ｒ、Ｓ−Ｓ、Ｔ−Ｔ、およびｕ−ｕ
に沿つて示されている。

すなわちセルは第１モードは軸Ｒ−Ｒの領域に
おいてのみ動作し、第２モードでは軸Ｓ−Ｓの領
域においてのみ動作し、等々以下ほかのものにつ
いても同様に動作する。第２偏光板７はP₁の偏
光と120゜の角度を有する偏光方向P₂を有してお
り、これはセルの後部にあつてしかも反射板８の
前方に設けられる。

透明な制御電極（示されていない）はプレート
２および４の各々の内面２ａおよび４ａ上に設け
られ、またこれらも透明な、対向電極は中間プレ
ート３の２つの表示３ａおよび３ｂ上に設けられ
ている。制御電極は、望ましい文字を表示するこ
とを可能とする組み合わせのエレメント形状をな
している。

プレート２の内側の面２ａはまた、これに接す
る液晶分子のための整列層（示していない）を有
している。整列層は、電界のない場合、分子を方
向Ａに揃える。方向Ａは表面２ａおよび偏光板１
の偏光方向P₁と実質的に平行である。

プレート３の面３ａおよび３ｂもまた、整列層
を有し、電界のない場合、この整列層はこの面に
接する液晶分子をB′およびB″方向に揃える。実
質的にこれら方向は互いに平行であるとともに、
プレート３に対しても平行であり、また方向Ａに
対しては60゜の角度を有するものである。これら
B′およびB″方向は以降は方向Ｂと単純化して扱
われる。

最後に、プレート４の面４ａもまた整列層を有
し、電界のない場合、この整列層はこれに接する
液晶分子を方向Ｃに揃える。方向Ｃはプレート４
に実質的に平行であり、方向Ｂに対しては60゜の
角度を有する。この結果、方向Ｃは方向Ａに対し
て120゜の角度を有し、さらに偏光板２の偏光方向
P₂に対しては平行である。

上に述べた角度の全ては同１の見方で考えられ
ている。即ち、偏光板１の側面から平面的にセル
を見たものであつて、方向P₁を0゜としてP₁方向か
ら正回転をした結果の角度を表わしており、これ
ら角度はP₁方向からの負側回転を有するものと
も考えられる。各々の角度は、180゜の倍数の増減
がされることは明らかである。

プレート２，３および４は、密閉されたスペー
サー（示されていない）によつて結合されてお
り、これらスペーサーは層５および６の厚さを決
定し、またプレートの間に液晶を保持する。適切
な手段によつてセルの異る要素を互いに結合さ
せ、また固定する必要があることは、当然であ
る。

このセルは４通りの異るモードによつて動作す
る。以下にそれらを説明する。

〔モード１〕 静止状態にあるセルの領域、即ち表示の地肌が
あらわれて表示エレメントが可視できない状態に
相当する領域、例えば図に示した軸Ｒ−Ｒの領域
においては、液晶層のいずれも電界によつて励起
されていない。層５および６の各々では、前に述
べたように液晶層の境界を定めるプレートの間に
おいて、液晶分子はプレートに平行なままその方
向を序々に60゜回転させるらせん形を形づくる。

偏光板１を通過した後にプレート２に到達する
光線はＰ１方向に平行な偏光面を有している。こ
の光線が層５を通過する時、偏光面は60゜回転し、
方向Ｂと平行となる。この光線が層６を通過する
時には、さらに偏光面は60゜回転変化して、方向
Ｃと平行となり、この結果方向Ｐ２となる。この
光線はさらに第２の偏光板７を通過して、偏光面
の方向には何の変化も与えないよう反射させる反
射面８に到る。このため、光線はひき続いて再
度、偏光板７および層６および５を通り、その都
度その偏光面を前の方向とは逆方向に60゜ずつ再
び回転させる。

この光線は再び偏光板１を通過して、その偏光
方向は再び方向Ｐ１と平行となる。

セルを通過する光線の強さをI_pとし、偏光板１
および７、プレート２，３および４、それらプレ
ートの間の液晶さらに反射板８が完全なもの、即
ちそれらが全然付加的な吸収の原因とならない、
と仮定すれば上に説明した状況の下でセルから再
び現われる光線の強さI_R1は次の通りである。

I_R1＝0.5×I_p この値は静止状態における単１液晶層を有する
通常のセルから再び現われる光線の強さの値と全
く同等のものである。係数0.5は、入射された光
線I_pの要素のうち、方向Ｐ１に垂直な偏光面を持
つ全ての要素が偏光板１によつて吸収されること
にのみよるものである。

セルは偏光板１の側面にいる観察者にとつて
は、軸Ｒ−Ｒの範囲は明るく見える。この範囲は
表示の背景の地肌に相当するものであり、可視不
能な表示エレメントに相当するものである。

実際には、発明の実施例のセルによつて反射さ
れる光線の強さI_R1は単に0.2×I_pに等しい。これ
は、偏光板１および７がこれらの偏光方向に平行
な光線の約80％しか通過させないという事実によ
るものである。このことは、単独液晶層を有する
通常のセルにおけると全く同等であることを、再
度ことわつておく。

〔モード２〕 セルの他の動作領域、即ち図中のＳ−Ｓ線に沿
つて配置されるような領域においては、表示エレ
メントは可視でき、液晶層５はプレート２および
３に垂直な電界で励起される。この電界はプレー
ト２に設けられた電極の１つと、プレート３の面
３ａに設けられた対向電極との間に印加された電
圧によつて発生し、ここでは層６はこの電界は受
けていない。

上に述べた領域にある層５の液晶分子は電界な
平行な方向づけをされ、プレート２および３に垂
直な方向を有している。偏光板１を通過した後に
ここに到達した光線の偏光面方向に関しては、プ
レート２および３は何の影響も与えない。方向Ｐ
１に平行なこの偏光面はプレート３の面３ｂに接
する液晶分子の方向Ｂに対し60゜の角度をなして
いる。上に説明した液晶分子に到達したこのよう
な状態下における光線は２つの成分Ｄ１およびＤ
２から構成されていると考えられる。即ち第１成
分Ｄ１は方向Ｂに平行な偏光面を持つものであ
り、他の成分Ｄ２は方向Ｂに垂直な偏光面を持つ
ものである。

層６においては、２つの成分Ｄ１およびＤ２の
偏光面は60゜回転される。このため成分Ｄ２は、
それが偏光板７に到達した時にはその偏光面は方
向Ｐ２と垂直となつている。偏光板７はこの成分
を完全に吸収する。他方、成分Ｄ１はその偏光方
向が方向Ｐ２と平行であるため、偏光板７を通過
する。

成分Ｄ１はこのようにして反射面８に到達し、
８はその偏光面方向に関し何の変化も加えない。
この光線が偏光板７に戻つてこれを通過し、層６
では光線の偏光面は前の回転方向と逆向きの方向
に再び60゜回転し、層５ではその偏光面の方向は
変らない。この偏光面は、成分Ｄ１が偏光板１に
到達した時には方向Ｐ１と60゜の角度をなす。

成分Ｄ１は再び２つの成分に分解される。１つ
の成分Ｄ１１はその偏光面が方向Ｐ１と平行であ
り、他の成分Ｄ１２はその偏光面が方向Ｐ１と垂
直なものである。成分Ｄ１２は偏光板１によつて
吸収され、成分Ｄ１１はこれを通過してセルから
現われる。

上に説明した状況の下でセルから現われる光線
の強さを知るため、光の通路の各段階を分離して
考えてみる。

偏光装置１を通過した光の強さは0.5×I_pに等し
い。ここでI_pは前にも示したように入射光の強さ
である。

ここで再び、セルの全てのエレメントが完全な
ものであつて、いかなる寄生吸収も行なわないと
仮定すれば、偏光板１を通過した光線は層６に到
るまでその強さを変えない。

この光線のうち、偏光面が方向Ｂと平行な成分
Ｄ１の強さI_D1は次によつて与えられる。

I_D1＝0.5×I_p×cos²60゜＝0.125I_p ここにおいて、光線のうちの成分Ｄ２の強さに
ついては計算を要しないことを、承知していただ
きたい。即ち、Ｄ２の偏光面は方向Ｂに垂直であ
り、上に示したように層６を通過した後に偏光板
７によつて成分Ｄ２は吸収されてしまうからであ
る。成分Ｄ１はその強さを減ずることなく層６お
よび偏光板７を通過する。反射面８で反射された
後、成分Ｄ１は再び偏光板７および２つの層６お
よび５を通過し、その強さを減じないまま再び偏
光板１に到る。この光線の偏光面はまた、方向Ｐ
１に対して60゜の角度を有している。光線の成分
Ｄ１１の偏光面は方向Ｐ１と平行であり、再びセ
ルから現われる光線を構成するものであるが、こ
の強さI_D11は次式による。

I_D11＝G_D1×cos²60゜ ＝0.5I_p×cos⁴60゜ ＝0.03I_p 上で得た強さI_D11は、セルに入射した光線の強
さI_pのわずか３％であることを示している。セル
は、偏光板１の側面に位置する観察者にとつてＳ
−Ｓ線に相当する領域はこのため暗く見える。

表示セルの重要な特性である、暗領域と明領域
とのコントラストＣは一般に次式で与えられる。

Ｃ＝（I_R1−I_R2）／I_R1 ここでI_R1は明領域においてセルから再放散さ
れる光の強さ、I_R2は暗領域においてセルから再
放散される光の強さであり、この説明における
I_D11に等しいものである。この動作モードにおい
てはセルのコントラストは、 Ｃ＝（0.5I_p−0.03I_p）／0.5I_p ＝0.94となる。

比較として、単独液晶層を有する通常セルによ
つて得られる理論上のコントラストは、光の強さ
I_R2がゼロである時、１に等しくなる。

実際上は、説明したセルにおける強さI_D11は1.2
×10^-2×I_pに等しい。しかし光の強さI_R1が0.2×I_p
であることからコントラストＣはやはり0.94のま
まである。通常のセルにおいては、I_R2は実際に
は1.6×10³×I_pに等しく、コントラストは0.99で
ある。このため、本発明の実施例のセルは通常セ
ルに比して多少コントラストが低いといえるが、
しかしこの差は微少なものである。

〔モード３〕 セルの動作領域が図のＴ−Ｔ線に沿うように配
置され、他の表示エレメントが可視できる領域に
おいては、層５に含まれている液晶分子は電界を
受けていない。これらはプレート２および３の間
にあつてプレートに平行なままその分子方向を
序々に60゜回転させるらせん構造となつている。
層６において液晶分子はプレート３および４に垂
直な電界を受けている。この電界はプレート４の
面４ａに設けられた電極とプレート３の面３ｂに
設けられた対向電極の間に印加された電圧によつ
て発生する。これらの分子はプレート４および５
に垂直な方向を有している。

この領域では、偏光板１を通過してきた光線の
偏光面は、この光線が層５を通過する際に60゜回
転させられるが、その後偏光板７に到るまでは回
転することはない。この偏光面は、方向Ｐ２に対
して60゜の角度を持つている。

前に説明したと同様に、この光線は２つの成分
から構成されていると考えることができる。１つ
の成分Ｄ３は方向Ｐ２と平行な偏光面を有し、こ
れは偏光板７を通過し、また他の成分Ｄ４は方向
Ｐ２に垂直な偏光面を有し、これは偏光板７によ
つて吸収される。

成分Ｄ３は反射面８で反射され、偏光面の方向
を変えることなく偏光板７および層６を通過しな
がら戻る。この光線の偏光面方向はプレート３に
接している層５の液晶分子の方向Ｂに対して60゜
の角度を有する。

Ｄ３を２つの成分Ｄ３１とＤ３２にさらに分解
する。これら成分はそれぞれ方向Ｂに対して平行
および垂直な偏光面を有している。２つの成分Ｄ
３１とＤ３２は層５を通過してそれらの偏光面を
さらに60゜回転させる。このことは、成分Ｄ３２
の偏光面は、この光が偏光板１に到達した時に
は、方向Ｐ１に垂直となることを意味し、成分Ｄ
３２は偏光板１により吸収される。１方、成分Ｄ
３１の偏光面は方向Ｐ１と平行であつて、成分Ｄ
３１は再びセルから現われる。この光の強さI_D31
は上に述べた第２の動作モードにおいてセルから
再び現われた光の強さI_D11と同等であり、その立
証も容易であろう。Ｔ−Ｔ線のような領域におけ
るセルもまた暗く、さらにセルの暗領域と明領域
とのコントラストは第２の動作モードにおけるそ
れと同等のものである。

〔モード４〕 図に示すｕ−ｕ線に沿つて配置されたセルの領
域、即ち文字が２つの表示エレメントの組合せに
よつて表示されるような領域においては、プレー
ト２，３および４に垂直な電界は、それぞれプレ
ート２および４に設けられた電極と、プレート３
の両面に設けられた対向電極との間に印加された
電圧によつて、２つの液晶層５および６に同時に
発生する。このため、層５および６の液晶分子は
プレート２，３および４に垂直に方向づけられ
る。

上に述べた領域を通過する光の偏光面は何の影
響も受けず、偏光板７に達した時には方向Ｐ２に
対して120゜の角度を持つ。

この光の成分のうち、方向Ｐ２に平行な偏光面
を持つ成分Ｄ５は偏光板７を通過し、方向Ｐ２に
垂直な偏光面を持つ成分Ｄ６は偏光板７に吸収さ
れる。成分Ｄ５は反射面８によつて反射され、こ
の偏光面方向を変えることなく偏光板７および２
つの液晶層６および５を通過して戻る。

光が再び偏光板１に到達した時、その偏光面は
方向Ｐ１と120゜の角度をなす。再び、方向Ｐ１と
平行な偏光面を持つ成分Ｄ５１のみが偏光板１を
通過しセルから現われる。１方、方向Ｐ１に垂直
な偏光面を有する成分Ｄ５２は偏光板１に吸収さ
れる。

成分Ｄ５１の光の強さI_D51が次式で与えられる
ことを証明するのは、容易なことである。

I_D51＝0.5I_p×cos⁴120゜ 光の強さI_D51は、cos120゜＝−cos60゜であること
から、第２の動作モードにおける光の強さI_D11の
計算結果と等しくなり、またｕ−ｕ線領域におい
て得られるコントラストは、Ｓ−Ｓ線領域におい
て得られるそれと等しいものである。

大要を述べるなら、上で説明したセルは、液晶
層５および６のいずれもが励起されていない時に
明るく見え、また１方あるいは他方、又は両方の
液晶層が励起されている時は暗く見えるものであ
る。

３つの場合の全てにおいて、暗く見えること
は、偏光板の偏光方向に垂直な偏光面を有する光
の成分が偏光板に到達して、各偏光板において吸
収されることによるものである。吸収総量は３つ
の場合において全て等しく、また明るい部分と暗
い部分との間のコントラストも同等である。

このセルは、表示すべき文字あるいは形状の選
択を配慮する上で極めて高い自由度を有してい
る。文字あるいは形状は、１方の又は他方のプレ
ート上に設けられた電極によつて、あるいは１つ
のプレート上に設けられた電極と他のプレート上
に設けられた他電極との組み合わせによつて、制
御することができる。

上に説明した例において選択された角度、即ち
方向Ａ，ＢおよびＣによつて形成される角度とし
ての60゜、および方向Ｐ１およびＰ２によつて形
成されるそれぞれの角度としての120゜、の値は１
つの最適値として選択されているものである。こ
の角度によつて、１方では第２および第３動作モ
ード、および他方では第４動作モードにおけるコ
ントラストの差異がゼロとなるのである。しか
し、最適値から離れた値を用いることも可能であ
つて、異るモード間で不都合を生じさせるコント
ラスト差なしで、方向Ａ，ＢおよびＣによつて形
成する２つの角度として約45゜から約75゜の値を用
いることができる。

プレート３の２つの面に接する液晶分子の方向
B′およびB″に関して厳密に平行であることを要
しない。

方向Ｐ１とＰ２によつて形成される角度は、方
向Ａ，ＢおよびＣによつて形成される２つの角度
の合計と実質的に等しくなるように選択されただ
けである。

異る角度に関する選定の自由性は、本発明によ
るセルの製造を極めて単純にし、またその単価を
低減させるのに役立つものである。

このセルは透明モードにおいては、反射面８が
なくても十分に機能を発揮することは明白であ
る。光が、１方又は他方、あるいは両方の液晶層
が励起されている領域を通過して偏光板７におい
て単１の吸収効果を受ける際に、そのコントラス
トが多少低下するのみである。

同様に、制御電極はプレート３の面３ａおよ
び／又は３ｂ上に設けることができ、これに対応
して対向電極はプレート２および４の面２ａおよ
び／又は４ａ上に設けられる。電極を設けたプレ
ートに関りなく、対向電極は部分的な対向電極に
細分することができ、このことは、セルの多重化
を実現させる。

本発明による表示装置は、２つの偏光部１およ
び７の間に２つの段階を持つセルを含み、偏光板
の偏光方向は互いに他に対して120゜の角度をな
す。２つの段階のセルは２つの液晶層５および６
を有し、その各々は静止状態にあつては光の偏光
面の方向を60゜回転させる。第１層５の入側表面
の分子方向は第１偏光板１の偏光方向Ｐ１に平行
である。第２層６の入側表面の分子方向は第１層
５の出側表面の分子方向と平行である。第２層６
の出側表面の分子方向は第２偏光板７の偏光方向
と平行である。

この結果、２つの液晶層がともに静止状態であ
れば明るく、またその他の状況、即ち１方又は他
方の、あるいは両方の層５，６が励起されると暗
くなるような２段階のセルを有することと、な
る。

【図面の簡単な説明】

図は本発明による液晶表示装置の構成と動作を
説明するため、本発明による表示装置を分解して
表現したものである。 １，７…偏光部、２，３，４…透明プレート、
５，６…液晶層、８…反射部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 液晶表示装置において、第１偏光方向を有す
   る第１偏光部と、第１、第２、第３の３つの透明
   絶縁プレートと、第１ネマテイツク液晶層と、第
   ２ネマテイツク絶晶層と、第２偏光方向を有する
   第２偏光部とを有し、前記プレートおよび前記偏
   光部は実質的に平行であつて、また互いに他に対
   して対面するように配置されており、さらにま
   た、前記プレート上に設けられた制御電極と、第
   １および第２プレートに接する第１液晶層の分子
   をそれぞれ第１および第２方向に向け、また第２
   および第３プレートに接する第２液晶層の分子を
   それぞれ第３および第４方向に向ける装置とを有
   し、さらに前記第１方向は前記第１偏光部偏光方
   向と実質的に平行であり、前記第１および第２方
   向はほぼ60゜の第１の角度をなし、前記第３方向
   は実質的に前記第２方向と平行であつて、前記第
   ３および第４方向は前記第１の角度と同じ回転方
   向でほぼ60゜の第２の角度を形成し、また前記第
   ２偏光部偏光方向は前記第４方向と実質的に平行
   であることを特徴とする液晶表示装置。 ２ 前記第２偏光部の外側近傍に設けられた反射
   装置を有するような、特許請求の範囲第１項記載
   の装置。