JPH0415453B2

JPH0415453B2 -

Info

Publication number: JPH0415453B2
Application number: JP60006716A
Authority: JP
Inventors: Osamu Taniguchi; Shinjiro Okada; Jujiro Ando
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1985-01-18
Filing date: 1985-01-18
Publication date: 1992-03-18
Also published as: JPS61166522A

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は画像形成装置に関し、詳しくは双安定
性スメクテイツク相をもつ強誘電性液晶を用いた
カラー画像形成装置に関する。

背景技術液晶素子は、装置を小型化、薄形化あるいは低
消費電力化が可能なことから、これまでにもデイ
スプレイや光シヤツタなどの分野で利用されて来
ている。特にデイスプレイの分野ではいくつかの
優れた発明に基いて飛躍的な進歩がとげられた。

例えば、エム．シヤツト（M.Schadt）とダブ
リユー．ヘルフリヒ（W.Helfrich）著、“アプラ
イド、フイズイクス、レターズ”18巻４号
（“Applied Physics Letters”、Vol.18、No.４）
（1971.2.15）、P.127〜128の「捩れネマチツク液晶
の電圧依存光学挙動」（“Voltage−Dependent
Optical Activity of ａ Twisted Nematic
Liquid Crystal”）に記載されたTN液晶が知ら
れている。デイスプレイの分野で利用されている
液晶素子は、一般に画像表示単位（画素）をマト
リクス状に配置するためにＸ−Ｙマトリクス電極
構造が採用されている。

このデイスプレイ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
動法は画素数を多くするとデユーテイ比が低下
し、このため画像コントラストの低下やクロスト
ークの発生などの問題点を有している他、画素を
小さくして画像の解像力を向上させるにはマトリ
クス電極を高密度で配線することが必要で、この
ために製造が煩雑となる欠点を有している。ま
た、テイー．ピー．ブロデイ、ジユリスエー．
アサーズ、ジー．ダグラスデイクソン”アイイ
ーイーイートランスアクシヨンズオンエレ
クトロンデバイセズ”995〜1001頁「６×６イ
ンチ 20ライン／インチ液晶表示パネル」（T.P.
Brody，Juris A.Asars，G.Douglas Dixon
IEEE Transactions on Electron Devices，vol.
ED−20，（No.11，Nov，1973），P995〜1001“Ａ
６×６ Inch 20 Lines−per−Inch Liquid
Crystal Display Panel”）に開示の様に画素毎
に薄膜トランジスタ（TFT）を設け、画素毎に
スイツチングする方式のデイスプレイが提案され
ているが、画素毎にTFTを設ける手段が煩雑と
なつているために、コストの点において改善が望
まれている。

一方、上述したような基板上に設けた電極によ
り液晶に画像信号を印加する方式に共通する、高
密度で電極ならびにそのリード線を配線すること
の困難性を除くために、画像信号を基板外部より
与える方式もいくつか提案されている。その一つ
は長波長レーザーなどによる熱走査方式である
が、この方式は大出力のレーザーを必要とし、ま
た書込みに長時間を要するため、大画面の直接表
示には向かず、投影型のデイスプレイ装置にのみ
適性を有する。また電子ビームにより書込みを行
なう方法もあるが、これはCRTと同様に電子ビ
ームの広がりにより高い解像力が得られないほ
か、装置の奥行きが大きくなる等の欠点を有して
いる。

本出願人は、上述した従来装置の問題点の解決
のために、液晶セルの外部に電荷付与手段を有す
る画像形成装置を既に提案している（昭和59年特
許願第598号）。この画像形成装置は、一対の基板
間に液晶層を挾持してなる液晶セルと、前記液晶
層に閾値を越える電界をセル外部から印加する手
段とを有することを特徴とするものである。この
画像形成装置の概要を、第１図を参照して説明す
る。

第１図に示す液晶素子（セル）１０１は、反射
型構造のもので、誘電体ミラー１０２が配置され
ている。

イオン発生器１０９にデジタル画像信号に応じ
た信号電圧を与えると、電荷受容体１０４に画像
様のイオンが照射される。予め双安定状態の１つ
の安定状態（第１の安定状態）にさせた液晶１０
７は、例えば１１１で示した部分にイオンが照射
されると、その部分は別の安定状態（第２の安定
状態）をとることになる。

投射光１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃが偏光ビ
ームスプリツター１０３を通して液晶素子１０１
に照射され、液晶層に記録された画像が投射スク
リーン１１３に投射される。偏光ビームスプリツ
ター１０３の偏光方向を第１の安定状態にある液
晶の配列方向と平行または直角方向とし、例えば
投射光１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃをＰ成分の
偏光光とすると、この投射光１１２ａ，１１２
ｂ，１１２ｃは偏光ビームスプリツター１０３を
通してＰ成分の偏光光として液晶素子１０１に照
射される。このＰ成分の偏光光のうち１１２ａと
１１２ｃは第１の安定状態に配列している液晶１
１０を通過し、誘電体ミラー１０２で反射され、
そのままＰ成分の偏光光として偏光ビームスプリ
ツターを通過した光１１２aaと１１２ccとなる。
一方、Ｐ成分の偏光光のうち、投射光１１２ｂ
は、第２の安定状態に配列している液晶１１１を
通過し、誘電体ミラー１０２で反射され、Ｓ成分
を含む偏光光に変調され、この光のうちＳ成分の
偏光光のみが偏光ビームスプリツター１０３で反
射された光１１２bbとなり、この光が投射スク
リーン１１３に投影されて、液晶素子１０１に記
録された画像が投射スクリーン１１３に映し出さ
れる。

発明の概要本発明は、上記画像形成装置の改良に係り、特
にマルチカラーの画像形成に適した画像形成装置
を提供せんとするものである。すなわち、本発明
の画像形成装置は、導電体と電荷受容体の間に双
安定性を有する強誘電性液晶を挾持したセル構造
の液晶素子と、前記電荷受容体に沿つて移動可能
であり且つ前記電荷受容体の表面に前記液晶の閾
値電圧を越える一方極性の電荷及び他方極性の電
荷を夫々切換えて付与することにより、前記液晶
分子の配向の切換えを行なうようにした電荷付与
手段を備えた画像形成装置であつて、更に前記導
電体の近傍に隣接するフイルター要素が互いに異
なる分光特性を持つ多色光学フイルターを配置し
てなることを特徴とするものである。

以下、本発明を、実施例について図面を参照し
つつ、更に詳細に説明する。

発明の態様の説明第２図は本発明で用いる電荷付与手段としての
イオン発生器の作用を説明するための装置の部分
模式断面図である。

第２図に示すイオン発生器２０１は、第１図に
示したイオン発生器１０９と同様なものであり、
例えば特開昭54−78134号公報や特公昭56−35874
号公報などに記載のものを使用することができ
る。

第２図に示すイオン発生器２０１においては、
電極２０３に交流高電圧が印加され、これと電極
２０４との間に生じた電界により、気体放電を発
生させることによつて絶縁層２０５を充放電す
る。すなわち、絶縁層２０５を充放電することに
より、電極２０４の開口部２０６には正または負
のイオン源が作られる。電極２０４上には、絶縁
部材（スペーサー）２０７を介してイオン選択放
出用の電極２０８が設けられている。

電極２０８と液晶素子２０２の基板２１３（ガ
ラス、プラスチツクなど）に設けられた電極２１
０との間に直流電圧を印加することによつて、開
口部２０６から液晶素子２０２の電荷受容体２０
９に向けてイオンが照射される。この際、電極２
０４と２０８の間の電界の向きを選択することに
よつて、正または負のイオンのうち何れか一方の
イオンを電極２０８に向けることができる。電極
２０８と電極２１０の間は、直流電界により正ま
たは負のうち何れか一方のイオンのみが電極２１
０に向けて照射される。従つて、電極２０４にデ
ジタル画像信号に応じた信号電圧を印加すること
によつて、電荷受容体２０９に画像様のイオンが
照射されて、電荷像を形成することができる。

第２図に示すイオン発生器２０１は、開口部２
０６を紙面垂直方向に多数配置して開口部アレイ
を形成し、この開口部アレイを矢標２１１の方向
に走査すると、液晶素子２０２の全面にわたつて
画像状の電荷を与えることが可能となる。すなわ
ち、この方式においては液晶素子の画像数に相当
する数の開口ならびにそれだけの駆動素子は必要
とせず、電極２０３への交流印加電圧と電極２０
４への画像信号電圧の間でマトリツクス駆動を行
なわせることにより、駆動素子の数を減少させる
ことができる。

液晶層２１２には、例えばポリイミド、ポリア
ミドなどのプラスチツクでできた電荷受容体２０
９上の静電荷（例えば、図中では、とした）と
それに誘導されて存在する電極２１０の中の電荷
（例えば、図中では、とした）により電界が加
わり、この電界により液晶の配列方向に変化を生
じさせる。

液晶層２１２と電荷受容体２０９の間あるいは
液晶層２１２と透明電極２１０の間には、配向制
御膜、例えばSiO，SiO₂，TiO₂などの無機化合
物の膜あるいはポリイミド、ポリアミド、ポリビ
ニルアルコール、ポリエステルなどの有機化合物
の膜（図示せず）を設けることができ、透明電極
２１０の上に設けたこれらの膜は絶縁膜としても
機能することができる。

配向変化を生じさせる電界強度は、液晶の種類
により変化するが0.5〜10×10⁶Ｖ／ｍ程度であ
り、これは与えるべき電荷量で表わすと液晶層２
１２及び電荷受容体２０９の誘電率によつて変わ
るが1.5〜44×10^-5クーロン／m²程度である。

電荷受容体２０９の厚さは、液晶層２１２へ分
配印加される電圧へは余り影響を与えないが、厚
くなると電界の拡がりにより解像力が劣化してく
るので厚さは１画素の大きさ程度、望ましくはそ
の半分以下がよい。たとえば１画素の大きさが60
ミクロンであつたとすると、その半分の30ミクロ
ン程度以下の厚さとすることが望ましい。静電荷
により、電荷受容体２０９と電極２１０の間には
静電引力が働くので、電荷受容体２０９が変形し
ないよう充分な密度でスペーサー２１１を設ける
ことが望ましい。

スペーサー２１１の部分は、画像表示コントラ
ストに悪影響を及ぼさないように表示方式によつ
ては黒色または光散乱状態とする。スペーサー２
１１のピツチと画素のピツチの比が整数に近くな
るとモアレが発生することがあるので、これを避
けるためにはスペーサー２１１のピツチまたは角
度を選んだり、またはこれらをランダムに配置す
ることも可能である。

電荷受容体２０９の抵抗値は双安定性スメクテ
イツク液晶の如きメモリー性を有するものを使用
する場合には配向変化に必要な間のみ電荷を保持
すれば良いので10¹⁰Ω・cm程度の低抵抗のものま
で用いることができる。この場合には電荷受容層
に電荷が蓄積しない様に端部を接地または低い電
位に接続しておくことが望ましい。

画像を書き換える場合には、使用する液晶相に
応じた種々の方法により画像を消去することがで
きる。例えば全面に一様な電界を加えて書き込み
画像を消去することができ、この方式の場合には
コロナ放電器を別に設けて帯電または除電を行な
つても良いが、イオン発生器２０１を用いて、画
像信号の代りに消去信号を印加することによつて
も可能である。

次に、このように外部より与えられた一定量の
電荷による電界により実効的に液晶の配向変化を
得る場合、強誘電性液晶は、他のたとえばネマテ
イツク液晶等に比べ10¹⁴Ω・cm以上と極めて高イ
ンピーダンスである為電荷をリークさせることが
なく最適である。強誘電性液晶としてカイラルス
メクテイツク液晶があり、そのうちカイラルスメ
クテイツクＣ相（SmC^*）またはＨ相（SmH^*）
の液晶が適している。また、この強誘電性液晶
は、電界に対して双安定性を有しており、しかも
電界効果により何れか一方の安定状態に配列した
あと、かかる電界を取り除いてもこの安定状態が
維持されるので、本発明の画像形成法において特
に適したものである。

このような強誘電性液晶は、（“ル．ジユルナ
ル．ド．フイズイク．レトルズ”36（Ｌ−69）
1975、「強誘電性液晶」（“LE JOURNAL DE
PHYSIQUE LETTERS ”36（Ｌ−69）1975、
「Ferroelectric Liquid Crystals」）；“アプライ
ド．フイズイクス．レターズ”36（11）1980、「液
晶のサブ・マイクロ秒双安定スイツチング」
（“Applied Physics Letters”36（11）1980、
「Submicro Second Bi−stable 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。

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）
−ブチルレゾルシリデン−4′−オクチルアニリン
（MBRA8）等が挙げられる。

この種の強誘電性液晶の電界下での挙動は、基
本的には例えばクラークとラガバルが、米国特許
第4367924号明細書で開示している通りであり、
要は、これら強誘電性液晶の層に電界が作用する
と、その電界が液晶層によつて定まる閾値を越え
る場合のみ、該液晶層を構成する液晶分子の双極
子モーメントが電界方向に配向し、電界の向きに
応じて液晶分子は第１または第２の安定状態をと
る。そしてこの安定状態は、次に逆向きで閾値以
上の電界が作用するまで維持される。また第１と
第２の安定状態では偏光作用（複屈折効果）が異
なるので、この差異を利用して表示材料として用
いられる。上述した双極子モーメントと電界との
相互作用による高速応答性と、メモリー性を与え
る双安定性とにより強誘電性液晶は、優れた表示
材料となるものである。このような特性が有効に
発揮されるためには、液晶層の厚さはできるだけ
薄い方が好ましく、一般に0.5μ〜20μ、特に1μ〜
5μの範囲が適している。

本発明に従い、上記したような画像形成装置の
液晶層を挾持する電荷受容体と導電体のうち、導
電体（第１図の１０５、第２図の２１０に相当）
の近傍に、隣接するフイルター要素が互いに異な
る分光特性を持つ多色（本明細書では、２色以上
の意味で用いている）の光学フイルター（カラー
フイルター）を配置して、カラー画像形成に適し
た画像形成装置を形成する。第３図ａは、本発明
の画像形成装置全体の構成を表わしている。

第３図ａに示す液晶素子３０１は、透過型構造
のものであり、後述するイオン発生器３０９の走
査方向３１５と平行となるようにストライプ状の
カラーフイルター要素３１４ｒ，３１４ｇ，３１
４ｂを順次配設してなる多色カラーフイルター３
１４およびITOなどの透明電極３０５を蒸着等に
より一面に設け、他面に偏光板３１２を設けたガ
ラス等からなる基板３０６と、プラスチツク等か
らなる電荷受容体３０４の間に液晶層３０７を挾
持したセル構造を有しており、液晶層７の厚さは
スペーサ３０８により例えば１〜5μと一定に保
持されている。電荷受容体３０４の外側にはイオ
ン発生器３０９が配置され、更にその外側に偏光
板３１３および照明光源３０３を配置してなる。
照明光源３０３としては、白熱灯が簡便に用いら
れるほか、けい光灯やLEDアレイ等を用いるこ
とも可能である。

この装置の動作を説明する。まず画像形成に先
立つてイオン発生器３０９より負のイオンビーム
を電荷受容体３０４に全面にわたつて照射するこ
とによつて均一に負電荷を与え、これによる電圧
Ebが液晶層に実質的に印加される。この際、電
圧Ebが液晶の閾値電圧より大きくなるようにす
ると、例えば液晶分子が第５図ｂに示す第１の安
定状態に配列した液晶相３１０を均一に生ずるこ
とになる。

第３図ａに示す２枚の偏光板３１２，３１３は
互いにクロスニコルの状態に配列され、例えば偏
光板３１３が上記第１の状態に配列した液晶分子
３１０の長軸方向に入射光が偏光されるよう配列
されている。従つて、この状態では入射光は透過
せず、全体が「暗」の状態となる。

次にイオン発生器３０９より正のイオンビーム
を画像状に電荷受容体３０４に照射する。この際
イオン発生器３０９かあるいは液晶素子３０１を
移動させて電荷受容体３０４面にイオンビームを
走査しながら照射することができる（この例にお
いては、イオン発生器３０９は記号３１５で示す
ように液晶素子３０１に対して図面の厚さ方向に
移動される。）このイオンビームの照射により電
荷受容体３０４には図中の電荷が画像状に付与
されEbとは逆方向の電界Eaが液晶層３０７に印
加されることになる。この電圧Eaが閾値電圧を
越えることによつて第１の安定状態に配列してい
た液晶相３１０が第２の安定状態に配列した液晶
相３１１に変化される。電荷受容体３０４に付与
された電荷は、リークして消滅するとともに液晶
層３０７に印加される電圧も消滅するが、本例の
ごとく液晶層３０７が強誘電性液晶の場合には、
メモリー性を有するので記録画像は保持される。
この液晶相３１１においては、液晶分子の長軸方
向が偏光板３１３，３１２の偏光方向からずれる
ことに応じて、入射光の偏光方向が互いにクロス
ニコルの関係にあるこれら偏光板の偏光軸方向か
らずれることによつて、入射光が透過し、「明」
の状態になつて、画像が表示される。

ここで本発明においては、カラーフイルター３
１４が設けられているため、透過光信号がカラー
信号として得られる。このカラーフイルター３１
４としては、第３図ａあるいは第４図に示すよう
に、例えば加色法においては、赤色Ｒ、緑色Ｇ、
青色Ｂの３色のフイルター要素をイオン発生器３
０９の走査方向と平行となるように、フオトリソ
グラフイー等の手法により基体３０６上にストラ
イプ状に形成したものを用いることができる。ま
た減色法であればシアンＣ、マゼンダＭ、イエロ
ーＹの各色が選ばれる。必要に応じて、重合体膜
の染色により、カラーフイルターを形成すること
もできる。

第４図には、第３図に示したイオン発生器３０
９の開口部と、カラーフイルター３１４における
各色のフイルター要素との位置関係の一例を示
す。即ち、この例においてイオン発生器３０９の
各開口部４０１は各色のカラーフイルター要素３
１４ｒ，３１４ｇ，３１４ｂと１対１に対応させ
られている。イオン発生器の１つの開口部から照
射されるイオンによつて形成される画像のドツト
径は通常100〜200μ程度であり、各々のカラーフ
イルターの幅はそれ同等あるいはこれよりやや小
さめにするのが好ましい。このようにカラーフイ
ルターを配置することにより、例えば、第４図の
斜線で示した領域４０２における９つのドツトを
１画素としてカラー表示を行なうことができる。
必要に応じて３色各１ドツト、計３ドツトで１画
素を形成してもよい。

またカラー画像の形成のための信号の印加は、
イオン発生器３０９に送られる電気信号を制御す
ることにより、例えば、第４図に示したように、
１画素４０２中の９つのドツトを選択的に「明」
状態にすることによつて実現される。

第３図および第４図においては、照明光源を内
蔵した透過型の液晶表示装置の例を示したが、偏
光板３１２，３１３の代わりに、誘電体ミラーを
電荷受容体３０４上に配置し、液晶素子３０１の
外部に偏光ビームスプリツター等の光学変調素子
を配置することにより、外部光による反射型の表
示とすることも可能である。特に図示しないが、
第１図の装置との対比によつて、その構成は容易
に理解できよう。

発明の効果以上説明したように、イオン発生器を用いて駆
動される、強誘電性液晶を用いた画像形成装置に
おいて、イオン発生器の開口部に対応づけられた
有色フイルターを配置することにより、大画面の
表示に適したカラー画像表示を行ない得る画像形
成装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本出願人の先の提案に係る画像形成
装置（反射型）の断面図である。第２図は本発明
で用いた電荷付与形式を説明するための装置の部
分模式断面図である。第３図ａは、本発明の実施
態様を模式的に表わした断面図である。第３図ｂ
は液晶層の配向変化を示す平面図である。第４図
はイオン発生器と有色フイルターの位置関係を表
わした概念図である。１０９，２０１，３０９……イオン発生器（電
荷付与手段）、１０１，２０２，３０１……液晶
素子、１０４，２０９，３０４……電荷受容体、
１０７，２１２，３０７……液晶層、３１２，３
１３……偏光板、３１４……カラーフイルター
（３１４ｒ，３１４ｇ，３１４ｂ……フイルター
要素）、３０３……光源、３１０……第１の安定
状態に配列された液晶、３１１……第２の安定状
態に配列された液晶、２１１，３１５……イオン
発生器の走査方向、代表図……第３図ａ。

Claims

【特許請求の範囲】１導電体と電荷受容体の間に双安定性を有する
強誘電性液晶を挾持したセル構造の液晶素子と、
前記電荷受容体に沿つて移動可能であり且つ前記
電荷受容体の表面に前記液晶の閾値電圧を越える
一方極性の電荷及び他方極性の電荷を夫々切換え
て付与することにより、前記液晶分子の配向の切
換えを行なうようにした電荷付与手段を備えた画
像形成装置であつて、更に前記導電体の近傍に隣接するフイルター要
素が互いに異なる分光特性を持つ多色光学フイル
ターを配置してなることを特徴とする画像形成装
置。