JPH045052Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔考案の技術分野〕 本考案は、液晶デイスクを用いた記憶装置に関
し、特に２つの表面によつて画定される回転液晶
情報記憶媒体を含む光学消去式液晶デイスク記憶
装置に関する。

〔従来技術およびその問題点〕

近年、計算機システムは高速化および小型化の
面で大きな進歩を遂げるとともに、著しいコス
ト・ダウンを達成した。これらの進歩とともに、
同じく低コストでかつこれらのシステムの高速性
に適合する情報記憶装置の開発にも多大な努力が
払われた。この努力の多くは光学デイスク記憶装
置の開発に向けられたが、その理由はそれらの書
込み時間が速く（毎秒1Mビツトを上回る）、呼出
時間が速く（0.1秒未満）、密度が大で（6.5cm²当
たり10₈ビツトを越える）、コストが低い（ビツト
当たり約10_-4セント）からである（Kenneyら、
IEEE Spectrum、第33〜38頁（1979年２月）参
照）。今日まで、光学デイスク用にいろいろな種
類の材料が開発されたが、これらの大部分は情報
の書き込みは永久的な書き込みになつてしまうと
いう欠点をもつていた。すなわち、それらは消去
したり編集することができない。（R.A.Bartolini
ら、IEEE Spectrum、第20〜28頁（1978年８月）
参照）。

この一般的例外である材料は、下記の分類に入
ると思われる：ある種の熱可塑性樹脂、ホトクロ
ミー性物質、カルコゲン化物、磁気光学材料、光
強誘電材料、光伝導／電気光学材料および電気光
学材料。しかしこれらはおのおの、大きな欠点を
もつている。例えば、ポリビニルカルバゾール／
ポリエスチレンのような熱可塑性材料は前露光コ
ロナ電荷を要求する。さらにそれらは、コントラ
スト比が比較的低く、消去時間が長く、局部消去
が困難な、寿命時間の短い（約100サイクル）表
面浮彫記憶装置を使用する。スピロピレンのよう
なホトクロミー性物質は普通、書込みまたは消去
もしくはその両方のために青または紫外光線を必
要とし、したがつて本半導体レーザと適合しな
い。さらに大部分のホトクロミー性物質はサイク
ル寿命をきびしく制限する疲労を受け、また記憶
されたデータはわずか数分以内に減衰する傾向が
ある。TeAsGeのようなカルコゲン化物は普通、
低いサイクル寿命（約10サイクル）を示すととも
に消去可能媒体用の比較的低いコントラスト比を
もつている。希土類鉄ガーネツトのような磁気光
学材料は通常、外部磁界を要求する。最大の磁気
光学効果をもつ材料（ガーネツト）は、高密度記
憶を得るためにマイクロ・パターンを要求すると
ともに、光学挿入損が大きい。またBi₄Ti₃O₁₂の
ような光強誘電材料は、大面積のものを作るのが
困難な単結晶を要求する。大面積の光強誘電体は
セラミツク材料として作られるが、セラミツクは
疲労を受ける。Bi₁₂SiO₂₀のような光伝導／電気
光学材料は数時間程度の制限されたデータ記憶時
間をもつとともに、大きな単結晶を要求する。
LiNbO₃のような電気光学材料も単結晶を要求
し、かつ記憶された情報は別の熱処理が消去のた
めに要求されるので像が熱固定される場合のほか
読出しの間に消去される。

液晶材料、特にスメクテイツク液晶の使用はあ
る種のデイスプレイ装置について先行技術でよく
知られており、この媒体を用いて情報を記憶する
固定記憶装置が開発されている（米国特許第
3796999号、「局部消去式サーモオプチツク・スメ
クテイツク液晶記憶デイスプレイ；および
DeweyらのSID77 ダイジエスト、108（1977年）
参照）。しかし先行技術は、データを高速で呼び
出すように大きな加速度で作動し得る如何なる液
晶素子の開発をも示していない（計算機デイスク
の応用において、液晶はデイスクのサイズおよび
所望のデータ速度に応じて30000m／sec₂を越え
る加速度を受けることがある）。

液体に関して明白である流動という問題から、
所望のデータ入出力速度を得るため大きな回転速
度を要する光デイスク型の記憶システムでは液晶
を使用できないであろうということが一般には連
想される。実際、あるアプリケーシヨンでは、
10000rpmをこえる回転速度が望ましいことがあ
る。

さらにスメクテイツク液晶に情報を記憶させる
一つの方法は、液晶媒体内に放射線散乱欠陥を作
ることである。このような方法は、これらの結晶
内における欠陥の特定の物理的性質に照らして考
えて見たとすれば、回転装置においてスメクテイ
ツク液晶が情報安定についてきびしい問題点をも
つことを示すと思われることだろう。例えば、ス
メクテイツク液晶の欠陥のコアは構造的に等方相
に近く、したがつてスメクテイツク相より低い測
定可能密度（約0.1、S.TorzaおよびP.E.Cladisの
Phys.Rev.Letters.32（25），1406（1974年）参照）
を有するものと考えられる。したがつて、速い角
速度の際の遠心力の結果、液晶内の欠陥（情報）
パターンの一様な破壊または重大な欠陥運動が起
こると考えてしまうのももつともであろう。ま
た、始動および減速相で生じ、さらに欠陥システ
ムを含むどんな情報をも破壊する流体運動を考え
るのももつともであろう。ホメオトロピカル的
（homeotropically）整合のスメクテイツク層に
おける欠陥の構造に関する他の研究によつて、情
報を運ぶ欠陥が液晶セルにわたる多角形アレイを
構成することが示され（C.S.Rosenblatt，R.
Pindak，N.A.Clark，R.B.Meyer，J.Physique
38（９），1105（1979）参照）；かかるアレイはどん
な流体運動にも極めて影響されやすいと考えるか
もしれない。さらに他の文献によると、100Å程
度のセル膨張は、多角形円錐欠陥アレイの自然形
成を作るのに充分であることが示されている
（N.A.Clark，Phys.Rev.A14，1551（1976）参
照）。セル膨張に対するこのような極端な感度に
よつて、かかる多角形円錐アレイの形成は高速の
角速度で作られ、それによつて液晶媒体に含まれ
るどんな情報パターンをも破壊すると考えてしま
うかもしれない。

これらの全ての理由で、回転データ記憶装置に
液晶材料を使用することについては、当該技術分
野では従来何らの示唆もされなかつた。

〔考案の目的〕

本考案は、液晶媒体を用いて回転型の安定な消
去可能な光学式の記憶装置を提供することを目的
とする。

〔考案の概要〕

以下に述べる実施例の記憶装置には記憶デイス
クが設けられている。このデイスクは、なるべく
スメクテイツク材料であることが望ましい液晶媒
体を含む２枚の基板であり、軸の周りを回転する
ように構成されている。デイスク上への書き込み
は、所望のビツト・パターンを構成する放射線散
乱欠陥を作るパルス状の光学ビームまたはビーム
のアレイで液晶を局部加熱することによつて、回
転中に達成される。

一実施例によれば、基板に取りつけられた数枚
の薄膜は、所望の小「スポツト」（つまり欠陥）
サイズを得るため、また光学ビームを使つて消去
機能を果たすため、液晶媒体内に適当な条件を設
定するのに用いられる。

一実施例による装置は、先行技術の消去可能な
光学デイスク記憶装置について示された多くの障
害を克服する。それは、スポツト直径１ミクロン
未満で、安定した中心間スポツト間隔３ミクロン
未満の局部消去式デイスク記憶装置を与える（な
お、ここでの数値に関する制限は液晶を使用した
装置に本質的なものではなく、吸収材料およびビ
ーム集束の関数である）。個々のデータ・ビツト
は、反復使用される半導体ダイオード・レーザに
相応しいパワー・レベルで50nsのオータでレー
ザ・パルスによつて書き込まれかつ消去される。
−10℃から40℃までの温度記憶範囲は市販の液晶
混合物によつて容易に達成され、また特殊混合物
を用いればはるかに広い範囲が達成される。本装
置のデイスク・サイズは最大35cmあるいはもつと
大きくすることもできるが、このような比較的大
きなサイズの場合には、液晶の流動を低減するた
めに、溝やスペーサのような流動制限用の何らか
の手段を要することがある。さらに、従来述べら
れてきたこととは異なり、本装置は動的にも静的
にも何年間にもわたつて安定した寿命を保つ。

〔実施例〕

第１図には一般的な光学液晶デイスク記憶装置
が示されている。同図に示された液晶デイスク記
憶装置は、中央軸Ｂの周りを回転するように作ら
れたデイスク・メモリ（LCDM）１１を備えて
いる。LCDM１１は普通、半径2.24cmないし17.8
cm、厚さ１mmないし13mmである。LCDM１１に
用いられる好適な液晶媒体は普通、スメクテイツ
クの状態にある。

LCDM１１を定速回転させかつLCDM１１の
両端に適当な電圧を供給するサーボ電動発電機２
１が具備されている。また、可動光学装置４１と
光学トランスレータ５１も図示されている。光学
装置４１は電気信号を光学信号に変え、またその
逆の働きをして、LCDM１１への書込みおよび
読出しに使用される。光学装置４１は電気信号を
光学信号に変え、またその逆の働きをして、
LCDM１１への書込みおよび読出しに使用され
る。光学装置４１は発電機２１と共に、LCDM
１１を局所消去するのにも使用される。

光学トランスレータ５１は光学装置４１をデイ
スク上の適当な位置に動かすとともに、デイスク
と、デイジタル計算機のような制御装置（図示さ
れていない）との中間に置かれる。また光学トラ
ンスレータ５１は制御装置と光学装置４１との中
間に置かれる。光源６１、例えばLEDは、制御
装置にも検光器７１にも接続され、消去機能が要
求されるとき発電機２１を光学的にスイツチする
ように具備されている。

実際に、LCDMの読出し、書込みおよび消去
の方法は本技術分野でよく知られている。

第２図は液晶媒体の種々の状態を示した断面図
である。第２ａ図に示されるとおり、LCDM１
１が周囲差動温度で透明となるように非散乱つま
り未書込み構造のスメクテイツク液晶を含む初期
条件が設定される。書込は、結晶の微小面積を標
準としてレーザで等方性の状態に選択加熱すると
ともに、スメクテイツクの状態に速やかに冷却
し、それによつて局部加熱された領域に散乱セン
タ１５（第２ｂ図および第２ｃ図参照）を作るこ
とによつて達成される。すなわち書込みの効果
は、他の方法による非散乱背景にスポツト（つま
りビツト）のパターンを作ることである。

なお、ここで注意しておきたいことは、このス
ポツトは液晶中に浮遊しているのではなく、第２
ｃ図に示すようにLCDM１１の内壁面に付着す
るという点である。LCDM１１中の流速が過度
に大きくなる場合には既に述べたようにLCDM
１１中に流動制限用の部材を置けばよい。重要な
のは、このようなスポツトは、一般論から憶測さ
れるよりもかなり移動しにくいということであ
る。

読出しは、液晶を（書込み時に比べてはるかに
低いパワーレベルで）照射し、かつビツト・パタ
ーンを定めるために散乱放射線を観測することに
よつて達成される（第２ｄ図参照）。

ここで２種類の消去方法が利用できる。ひとつ
は局部消去（第２ｅ図）であり、もうひとつはデ
イスク全体の消去（第２ｆ図）である。局部消去
では、局部面積が等方性の状態にまで加熱され、
比較的低い電圧（大きさは形状および材質により
異なる）を加えながら冷却される。デイスク全体
の消去は、いくつかの方法で行われるが、そのす
べては技術的によく知られ、例えば液晶媒体を等
方性の状態まで加熱し、かつそれを電界の存在す
る中で命じられた（非散乱）状態まで冷却させた
り、それに大きな一様の電界を加えることによつ
て達成される。

第３図は本考案の一実施例によるLCDM１１
を示した断面図である。この実施例では、読出し
および書込みの両機能用の光が上から入る。図示
のとおり、LCDM１１は２個の基板７１および
１５１を備え、スペーサおよび封止材料（図示さ
れていない）と共に基板間に液晶媒体を備えてい
る。明らかに、基板１５１は読出しおよび書込み
に用いられる入射光線に対して透明でなければな
らない。基板７１および１５１は普通、厚さ1.5
mmないし２mm程度であるが、デイスクの表面の所
望光学特性および質量次第でより厚くてもより薄
くてもよい。基板用のいくつかの適当な材料とし
ては、ソーダ石灰ガラス、ポリメチルメタクリレ
ートまたは融解石英などがある。多くの他の材料
も、光学特性が調節可能で、液晶媒体に対して比
較的不活性で、かつ他の膜を支持して回転から生
じる力に耐えるだけ丈夫であるならば、使用する
ことができる。この実施例のもう１つの特徴は、
両基板が同じ材料で作られる必要がないこと、例
えば上面１５１のみが透明であればよいことであ
る。基板７１および１５１によつて含まれる液晶
媒体LCM８１は普通スメクテイツクであるが、
他の相も回転状態で安定を証明することがある。
LCM８１の適当な材料は、BHDケミカルズ社か
ら入手し得る「S1」および「S2」と呼ばれるア
ルキルおよびアルコキシシアノビフエニルの混合
物である。この特定実施例では、LCM８１は厚
さ10ミクロン台であり、一般に液晶材料の最小厚
さは媒体内の散乱欠陥の特性サイズ、その誘電特
性、および一様な厚さと分子配向を得る組立方法
の制限によつて決定される。明らかに、最適の厚
さは材料次第で異なる。

デイスクに情報を記入したりデイスクから情報
を検索するために、書込みおよび読出し装置に対
して液晶内に適当な条件が設定されなければなら
ない。第３図の実施例では、これらの条件は基板
７１と１５１に取り付けられる薄膜の何層かを用
いることによつて設定されるが、このような膜の
６層が図示されている。膜１１１は普通50〜2000
Åの厚さのアラインメント−パツシベーシヨン層
である。膜１１１の適当な材料の例はスパン・オ
ン（Spun−on）のポリイミドまたはプラズマ析
出SiO₂である。膜１１１の最小厚さは一様な液
晶アラインメントを得るに要する材料の最小量に
よつて決定されるが、最大厚さはLCM８１と膜
１０１との間の良好な熱連絡の要求によつて普通
制限される。この特定実施例では、膜１１１はそ
の表面に平行な方向に液晶分子を選択的に整合す
る働きをする。（もう１つの実施例では、異なる
方向が選択される）。絶縁物であるこの膜は、液
晶と電極・アブソーバーリフレクタ層（膜１０
１）との間の電荷移動を抑止する働きをも示し、
すなわち膜１１１はパツシベーシヨン機能をも果
たす。この特定実施例では、膜１０１即ち電極−
アブソーバーリフレクタ層は普通、重量でW20
％、Ni40％およびTa40％のようなガラス状金属
であるが、その組成は機能すなわちアブソーバま
たはリフレクタが最適化される程度により著しく
変化することがある。電極として作用する膜１０
１は透明電極１４１と共に、LCM８１に初期非
散乱状態を作るために液晶セルの両端に電界を与
え、また前述の消去機能を与える働きをする。膜
１０１は、アブソーバとして、書込装置からの入
射光線を吸収し、それを熱に変換する。膜１０１
は、リフレクタとして、読出装置に用いられる入
射光線を反射して液晶に戻し、読出光学系に入れ
る。

膜９１は、膜１０１から基板７１に伝導される
熱に対する膜１０１から液晶８１に伝導される熱
の分配を制御する働きをする熱制御層である。こ
の膜は、液晶自体の内部における熱分布も制御す
る。熱制御層の厚さは本実施例では0.1μm〜5μm
の範囲であるが、所望の熱分布、層に用いられる
材料、入射光線のパワー密度、および所望のスポ
ツト・サイズにより一段と広く変わることがあ
る。熱制御用の適当な材料はポリイミド、SiO₂、
または膜１０１からの熱を速やかに吸収してそれ
をより大きな面積に広げることが望ましい場合は
アルミニウムのような金属でもよい。

膜１２１は液晶分子を整合させるアラインメン
ト層である。膜１２１は光学的に透明で、かつ標
準として厚さ50Å〜1000Åの範囲内でなければな
らない。適当な材料はシラン結合剤、有機重合体
膜、およびSiO₂のような無機膜等である。膜１
３１用の標準的な材料は、ポリイミドのような透
明絶縁体である。膜１３１は、液晶と電極１４１
との間の電荷移動を防ぐもう１つのパツシベーシ
ヨン層である。明らかに、膜１３１を膜１１１と
同じアラインメント層としても働かせ、それによ
つて膜１２１を省略することも可能である。しか
し、別の膜１２１の使用は、上下両面の選択され
たアラインメント方向が減結合され、同じである
必要がないことを示す。膜１４１は透明電極で、
普通厚さ1000Å程度であり、適当な材料はIn_2-X
SnxO₃、およびSbでドープされたSnO₃を含む。

第４図は液晶デイスクに関する第２実施例の断
面図を示す。この実施例では、素子７１，８１，
１２１，１３１，１４１および１５１の説明なら
びに機能は、第３図によつて示された第１実施例
と同様である。この第２実施例では、膜９２は熱
制御層および電極である。さらにそれは、反射制
御コーテイング１０２と共に、書込みおよび消去
機能用のアブソーバとして、また読出し機能用の
リフレクタとして働く。

この実施例では、膜９２は厚さ約300Åのアル
ミニウムのような金属であることができ、厚さは
所望の熱分布によつて決定される。この実施例で
は他の各実施例と同様、熱制御層用の材料を選択
する際の重要な考慮は、液晶内部の空間と時間の
両方の所望温度プロフアルである。

反射制御層１０２の特性は、膜９２に用いられ
る材料の屈折率、読出し、書込み、および消去の
諸機能に用いられる光線の波長、ならびに読出
し、書込み、消去の諸機能に望ましい相対吸光
度／反射率に左右されている。アルミニウム膜９
２の場合、読出し、書込みおよび消去波長は850
mmで、吸収光と反射光の割合は50／50であり、膜
１０２用の適当な材料は厚さ約1000ÅのTiO₂で
ある。明らかに、金のような別の材料が膜９２に
使用される場合は、膜１０２の厚さは同様に変わ
る。また、特に２波長読み書き装置が予期される
場合はMgF₂およびCeF₃の組合せのような多層反
射制御膜を用いることが望ましいことがある。膜
１０２は絶縁体でもよく、したがつてパツシベー
シヨン層としても働く。

膜１１２は第１実施例の膜１１１に似たアライ
ンメント層であるが、ただし膜１１２はパツシベ
ーシヨン機能としては働かない。適当な材料はポ
リアミドまたはシラン結合剤である。

第５図は、読出し用の光線が上から入り、書込
みおよび消去用の光線が下から入るように作られ
ている液晶デイスクの第３実施例の断面図を示
す。この実施例では、素子７１，１１１，８１，
１２１，１３１，１４１および１５１は第３図に
示されている第１実施例と同じであるが、ただし
両基板７１および１５１は透明でなければならな
い。この第３実施例では、膜１０３は標準として
厚さ1000Å〜2000Åのアルミニウムのような金属
の電極、リフレクタならびにアブソーバである。
膜９３は、下から入る光線の膜１０３による吸収
を最適にするように設計された反射防止コーテイ
ングである。ガラス基板７１および850nmで光線
を入れるアルミニウムの膜９３の場合、標準の反
射防止コーテイングは、TiO₂の1030Å、MgF₂の
1550Å、およびTiO₂の875Åのような３層サンド
イツチである。

液晶デイスク・メモリの上記３つの実施例から
見られるとおり、いろいろな膜が多機能を果たす
ことができる。ひとつの膜にいくつかの機能を組
み合わせることによつて膜の数が減少されると同
様に、液晶媒体が自らアブソーバとなるようにそ
れを適当にドープすることによつて膜の数をさら
に減少することもできる。当業者には別の実施例
も考えられる。

第６図は、上記第１および第２液晶デイスク・
メモリの実施例と共に使用される標準の読出し−
書込み−消去光学装置を示す。この装置には、半
導体レーザ２０１であるパルス式光源、コリメー
ト装置、暗界停止／収集鏡１８１、液晶デイス
ク・メモリ１１の吸収層に入射光線を集束する集
光装置１６１、および１８１から反射された光線
を検知装置５１に結像する結像装置１６１が含ま
れる。実際に、この装置は、軸方向の突出、デイ
スクのゆがみ、およびデイスクの厚さ変化による
臨界光学距離の変化を補償するために、第１図の
光学直動器５１に密接に関連した自動集束調整装
置をも含む。このような集束の手順は技術的によ
く知られており、例えば「可動鏡を持つ集束制御
装置」という名称の米国特許第4051519号、およ
び「透過または反射式光学デイスク記憶装置用の
ダイナミツク集束調節器」という名称の1980年２
月11日付の米国特許出願第120589号ならびにそこ
に記載される参考文献に示されるとおりである。

明らかに、読出しおよび書込み機能に別の装置
が使用されても、また装置の一部を最適にするこ
とが望まれても、特定の集束および結像装置によ
り読出し−書込み−消去光学装置に無数の変化が
ある。例えば、書込み装置を最適にすることが望
ましい場合は、反転暗界光学装置が使用され、す
なわち中央書込み光線が上述のようにブロツクさ
れず、かつ中央光線の方向から散乱された光が読
出し機能のために集光される可能性が強い。第３
実施例では、読出しおよび書込み装置をいずれも
別個に最適にすることができる。例えば読出し装
置は、書込みおよび消去のためデイスクの反対側
に直接集光させて、上述のような暗界光学装置を
用いることによつて、最適にされる。この第３実
施例では、適当なトラツク識別および追従のため
に読出しおよび書込み装置の整合を保証するある
注意が要求される。

なお、言うまでもないことであるが、本願考案
は上述の実施例には限定されない。例えば、パタ
ーン層の使用は液晶デイスク・メモリに関して有
益であることも立証されている。例えばパターン
熱制御層は、空間および時間の両方において熱分
布をより良く制御することができる。同様に、パ
ターン電極は容量リアクタンスの問題を減少さ
せ、それによつてより速いスイツチング時間を達
成するように使用されたり、デイスク全体ではな
く局部をすべて消去するのに使用される。パター
ン化はトラツク追従およびトラツク識別の目的に
も使用される。液晶の他の特性も有益である。

〔考案の効果〕

以上、詳細に説明したように、本考案によれ
ば、液晶を使用することにより、消去可能でかつ
記憶状態の安定した回転型の記憶装置を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般的な光学液晶デイスク記憶装置の
概略図、第２図は液晶媒体のいろいろな状態を示
す断面図、第３図ないし第５図は本考案による液
晶デイスクの第１実施例ないし第３実施例を示し
た断面図、第６図は光学液晶デイスク記憶装置に
おいて読出し−書込み−消去の諸機能を果たすの
に用いられる光学装置の代表的実施例を示した該
略図である。 １１……液晶デイスク・メモリ、４１……可動
光学装置、６１……光源。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 液晶媒体を間に挟む２枚の基板と、 前記基板を回転させる回転手段と、 前記液晶媒体の分子を配向させるアラインメン
   ト手段と、 前記回転手段による回転中に前記液晶媒体を光
   ビームの局所的照射により昇温させて、前記基板
   内面に付着する散乱スポツトを前記液晶媒体中に
   形成することにより所望のビツト・パターンを書
   込む液晶加熱手段と、 前記回転手段による回転中に光ビームを局所的
   に照射し前記散乱スポツトによる該光ビームの散
   乱に基づいて前記ビツト・パターンの読出しを行
   う読出し手段と、 前記液晶媒体に消去用の電界を印加する電極
   と、 を設けたことを特徴とするデイジタル・データの
   記憶装置。