JPH0833533B2

JPH0833533B2 - 液晶光学素子の駆動方法

Info

Publication number: JPH0833533B2
Application number: JP61282471A
Authority: JP
Inventors: 浩藤村; 政勝比嘉
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 1986-11-27
Filing date: 1986-11-27
Publication date: 1996-03-29
Anticipated expiration: 2011-03-29
Also published as: JPS63135920A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の技術分野］本発明は、２周波駆動用液晶を用いた液晶光学素子の
駆動方法に関する。

［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。この種、従来の液晶シャッタにおいては、
高速のシャッタ速度が要求されるため、電界制御複屈折
率モードの液晶素子を使用して２周波駆動するようにし
ている。すなわち、第13図（ａ），（ｂ）に示すように
高周波電界f_Hと低周波電界f_Lを組合わせ、液晶素子のオ
ン／オフ制御を行なっている。複数のシャッタをダイナ
ミック駆動する場合、一書込み期間は、選択期間と非選
択期間とによって構成され、選択期間は高周波電界f_Hと
低周波電界f_Lを1/2周期づつ印加することにより指定
し、非選択期間は重畳電界f_H/f_Lと低周波電界f_Lを1/2周
期づつ印加することにより指定している。

上記のように従来の液晶光学素子の駆動方法は、一書
込み期間（オン期間）のうち、選択期間のみシャッタが
オンするものであり、このためシャッタを透過する光量
が少なく、シャッタ速度を高速化する上で問題となって
いる。

［発明の目的］本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、シャッタ
オン状態において充分な透過光量が得られ、高速シャッ
タ動作が可能な液晶光学素子の駆動方法を提供すること
を目的とする。

［発明の要点］本発明は、２周波駆動用液晶を用いた電界制御複屈折
率モードの複数の光シャッターを備えた液晶光学素子の
光透過状態を制御する駆動方法において、前記液晶シャ
ッターを光が透過する状態に動作させるための動作電圧
を、複数の光シャッターの光透過状態を順次制御する１
繰り返し期間のうち、１つの光シャッターを制御するた
めに割り当てられた選択期間の1/2の期間もしくは1/2よ
り短い期間だけ、前記液晶シャッターの対向する電極間
に印加するようにしたことを特徴とするものである。

［発明の実施例］以下、本発明を液晶シャッタに実施した場合について
説明する。まず、液晶シャッタの構成について第１図及
び第２図により説明する。第２図において11,12はそれ
ぞれ透明なガラス板からなる一対の基板で、これら基板
11、12は横長枠状のシール材13により一定の間隔を保っ
て接着されている。そして、上記基板11、12間には、電
極14a,14b及び配向膜15a、15bに挟まれて光シャッタを
形成する２周波駆動用液晶16が封入される。また、上記
基板11、12の外面には、それぞれ偏光板17a、17bが被着
される。

そして、上記一方の基板11（信号電極基板という）の
内面には、第１図に示すようにその全長に亘って多数の
信号電極18a…、18b…が２列に並べて形成され、これら
信号電極18a…、18b…からは交互に信号電極基板11の一
側部及び他側部に帯状の端子19…が並列して導出されて
いる。これら信号電極18a…、18b…、端子19…は、酸化
インジュウムなどの透明導電材料により一体に形成され
たもので、信号電極18a…、18b…のシャッタ部S₁…、S₂
…に対応する部分を除いた部分、及び端子19の上にはそ
れぞれクロム等の金属膜20が被着されている。上記一方
の信号電極18a…は、他方の信号電極18b…に対して1/2
ピッチずらして配列されており、従って、上記シャッタ
部S₁…、S₂…は、1/2ピッチのずれをもって２列に配列
形成されている。

また、他方の基板12（以下コモン電極基板という）の
内面には、信号電極基板11の各信号電極18a…、18b…に
対向して一対の帯状のコモン電極21a、21bがコモン電極
基板12の長手方向沿いに平行に微少間隔をもって酸化イ
ンジュウムなどの透明導電材料により形成され、これら
コモン電極21a、21bの上にシャッタ部S₁…、S₂…に対応
する部分を除いてクロム等の金属膜22が被着されてい
る。上記金属膜20は、信号電極18a…、18b…及び端子19
の電気抵抗を小さくするために、また、上記金属膜22は
コモン電極21a、21bの電気抵抗を小さくするためと、シ
ャッタ部S₁…、S₂…の光透過面積を規制するために設け
られたものである。

更に、光の出射側となるコモン電極基板12に積層され
た偏光板17bの外面には、例えば印刷手段により遮光部
材23が設けられる。この遮光部材23は、シャッタ部S
₁…、S₂…の配列エリアＡに対向する部分を除いてシー
ル材13を覆うように偏光板17bの外面に設けられる。上
記のようにしてコモン電極21aと信号電極18a、18a、…
からなるシャッタ部S₁、S₁、…と、コモン電極21bと信
号電極18b、18b、…からなるシャッタ部S₂、S₂、…が構
成される。

第３図は、上記のように構成された液晶シャッタの液
晶分子配向方向（ラビング方向）と偏光板17a、17bの配
置の関係を示したものである。第３図において31は液晶
分子配向方向、32は上側偏光板17aの透過軸（もしくは
吸収軸）、33は下側偏光板17bの透過軸（もしくは吸収
軸）である。すなわち、水平配向処理した液晶セルに２
周波駆動用液晶16を封入し、液晶分子配向方向（ラビン
グ方向）に対し、一方の偏光板17aあるいは17bの偏光軸
（透過軸もしくは吸収軸）を45°傾けると共に上下の偏
光板17a,17bの偏光軸を直交させたものである。この配
置の方法は、電界制御複屈折率モードと同様である。

しかして、上記液晶シャッタにおける透過光強度Ｉ
は、次式（１）により求められる。

Ｉ＝I₀sin²２θ・ sin²（π・Δnd/λ） ……（１）但し I₀：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角 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 λ：入射光の波長 d:セル厚上記複屈折率Δｎの値は、φにより変化するが、これ
は液晶の屈折率n₁₁とn_Iが既知であれば、φを次式
（２）により計算できる。

n₀＝n_I Δｎ＝n_e−n₀ また、第４図は、２周波駆動用液晶16として次表１に
示す特性を有するものを用いた場合の誘電異方性Δεを
周波数依存性を23℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃の
各温度について示したものである。

上記２周波駆動用液晶16は、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場f_Lに対して正
の誘電異方性を示すと共に、上記交差周波数fcより高い
周波数の電場f_Hに対しては負の誘電異方性を示すもので
ある。この場合、交差周波数は、温度が上昇するに従っ
て順次高い方に移動する。

しかして、上記のように構成した液晶シャッタは、オ
ン動作時に選択期間以上シャッタが開くような信号波形
により駆動するもので、例えば第５図に示すコモン信号
C1及びセグメント信号S1〜S4により駆動する。上記コモ
ン信号C1は、シャッタ部S₁に対するもので、シャッタ部
S₂に対するコモン信号は第５図の場合より一書込み期間
の1/2だけ遅れて発生する。この場合、シャッタ部S₁に
対してセグメント信号S1,S2はオン信号、S3,S4はオフ信
号であり、また、シャッタ部S₂に対してセグメント信号
S1,S3はオン信号、S2,S4はオフ信号である。上記第５図
において、T1は選択期間（1msec）T2は非選択期間（1ms
ec）、T3は第１のf_H印加期間、T4は第２のf_H印加時間、
T5は無電界印加期間、T6は選択期間T1における残りの期
間に設定される保持電圧印加期間、T7はシャッタオフさ
せるために一書込み期間の最後に設けられるf_L印加期
間、T8は非選択期間T2における残りの期間である。この
場合、選択期間T1内のT6期間及び非選択期間T2内のT8期
間は、その時のシャッタオンあるいはシャッタオフの状
態をそのまま保持するための保持電圧が与えられる期間
で、T6期間は非選択期間T2内のT7期間と等しい時間幅に
設定される。

しかして、コモン信号C1は、選択期間T1においては高
周波電圧f_Hを与えるが、T5期間ではその位相を反転し、
また、非選択期間T2においてはT8期間に重畳波電圧f_H/f
_Lを与え、T7期間に低周波電圧f_Lを与える。この場合、
重畳波電圧f_H/f_Lは、例えばT8期間を８等分して高周波
電圧f_Hを交互に与えている。そして、シャッタ部S₁,S₂
をオン動作させるためのセグメント信号S1は、T6、T7の
期間に低周波電圧f_Lを与え、その他の期間に高周波電圧
f_Hを与える。シャッタ部S₁をオン、S₂をオフ動作させる
ためのセグメント信号S2は、選択期間T1におけるT6期間
及び非選択期間T2における全期間に低周波電圧f_Lを与
え、選択期間T1中のその他の期間に高周波電圧f_Hを与え
ている。また、シャッタ部S₁をオフ、S₂をオン動作させ
るためのセグメント信号S3は、選択期間T1の全期間に低
周波電圧f_L、非選択期間T2においてはT8期間に高周波電
圧f_Hを与え、T7期間に低周波電圧f_Lを与える。また、シ
ャッタ部S₁,S₂をオフ動作させるためのセグメント信号S
4は、選択期間T1及び非選択期間T2の全期間に低周波電
圧f_Lを与えている。

また、第５図において、C1-S1、C1-S2、C1-S3、C1-S4
は、コモン信号C1とセグメント信号S1〜S4との合成波形
を示したものである。この合成波形に示されるように、
非選択期間T2内のT8期間では、低周波電界f_Lに高周波電
界f_Hが重畳した重畳電界と無電界が一定間隔で繰返され
る保持電界が２周波駆動用液晶セル16に与えられる。

第６図は、第１図及び第２図に示すように構成された
液晶シャッタにおいて、上記表１に示した２周波駆動用
液晶を厚さ4.36μｍのセルに封入し、第５図に示す信号
波形を連続して与えた時の55℃、50℃、45℃、40℃の各
温度におけるシャッタ特性を、横軸に時間（msec）、縦
軸に透過光強度（任意単位）をとって示したものであ
る。なお、このシャッタ特性は、T3期間に連続させてT4
期間を設け、高周波電界f_Hを連続して0.6msec与えた場
合であり、光源として543nmに発光ピークを持つ蛍光灯
を使用すると共に、高周波電界f_Hを200KHz、T7期間を
「0.4msec」に設定して測定したものである。上記第５
図に示した液晶駆動信号波形では、T6期間及びそれに続
くT8期間に重畳電界又は重畳電界と無電界の繰返しから
なる保持電界を与えているので、選択期間T1におけるオ
ン状態が非選択期間T2内のT8期間にまで広がっている。
そして、一書込み期間の最後のT7期間に低周波電界f_Lが
与えられてシャッタオフとなり、１回のシャッタ動作を
終了するが、そのシャッタ特性は、その時の温度によっ
て変化する。

すなわち、第６図（ａ）に示す55℃の温度の場合に
は、最初高周波電界f_Hが与えられた液晶分子は、透過光
が最大になる第１のピークに対応する傾斜角を通り過
ぎ、ここで透過強度の第１の極大値が現われる。次に重
畳電界f_H/f_Lが印加されると、55℃の温度の場合には｜
Δε_Ｈ｜により液晶分子を傾斜させる力が｜Δε_Ｌ｜に
より液晶分子を立たせる力より小さいので、低周波電界
f_Lの影響が強く現われ、液晶分子はゆっくり立ち始め、
前記の傾斜角を通り過ぎる。ここで透過光強度の第２の
極大値が現われる。その後、液晶分子はゆっくりと立上
がって行き、最後に低周波電界f_Lが印加されると液晶分
子が急激に立ち、透過光強度も急激に低下する。

第６図（ｂ）に示す50℃の温度の場合には、同図
（ａ）の場合と略同じであるが、｜Δε_Ｈ｜による力と
｜Δε_Ｌ｜による力との差が小さくなるので、低周波電
界f_Lの影響が少なくなり、重畳電界f_H/f_Lの印加による
液晶分子の動きが一層緩やかになっている。従って、低
周波電界f_Lが印加されるまで、透過光強度の低下は僅か
であり、良好なシャッタ特性が得られる。

第６図（ｃ）に示す45℃の温度の場合には、温度の低
下により応答速度が遅くなり、このため高周波電界f_Hの
終了間際に前記傾斜角に達する。この温度では｜Δε_Ｈ
｜による力と｜Δε_Ｌ｜による力が略等しいので、液晶
分子の傾く速度が極めて緩やかになるので、透過光強度
の山は平坦になる。しかし、この場合、透過光強度が時
間の経過と共にゆらぐという不安定状態が現われること
がある。

第６図（ｄ）に示す40℃の温度の場合には、｜Δε_Ｈ
｜による力が｜Δε_Ｌ｜による力より大きくなり、平均
的な高周波電界f_Hの印加時間が長くなるので、高周波履
歴効果が大きくなる。このため低周波を印加した時の液
晶分子の立ち方が異なったものとなり、液晶分子の挙動
自体が上記（ａ）〜（ｃ）のようには動作しない。ま
た、電界の印加によって正常に動作しない部分、すなわ
ち、ドメインが発生し、透過光強度が低下する。従っ
て、高周波電界f_Hを連続して与える場合には、使用温度
を50℃程度に設定するのが望ましい。

第７図は、第５図に示した液晶駆動信号波形におい
て、T3＝T4＝0.25msec、T5＝0.1msec、T6＝T7＝0.4msec
とした場合に、連続してオン信号（C1-S1信号）を与え
た時の55℃、50℃、45℃、40℃の各温度におけるシャッ
タ特性を示したものである。この時の例では、40℃の温
度でも透過光強度の落込みは少なく、時間でゆらぐよう
な不安定な状態は見られなかった。この時の高周波電界
f_Hの合計印加時間は0.5msecで、選択時間の半分である
のが望ましい。従って、この様にT3,T4期間に無電界と
なるT5期間を介在させると、液晶分子の配向方向が均一
になり、温度特性が向上し、安定したシャッタ開閉動作
が行なえる。

次にT6、T7期間の長さに対する応答性を検討してみ
る。T3＝T4＝0.25msecに固定し、T6＝T7を「0.1」，
「0.2」，「0.3」，「0.4」msec（この時、T5＝「0.
4」，「0.3」，「0.2」，「0.1」msec）としてシャッタ
特性を測定する。上記第７図はT6＝T7＝0.4msecとした
時のシャッタ特性を示したものである。

そして、T6＝T7＝0.2msecでは、連続してオン状態の
時、55℃、50℃、45℃の各温度において第８図（ａ）〜
（ｃ）に示すような特性が得られる。第８図（ｃ）に示
す45℃では、液晶は殆んど応答しておらず、一定レベル
の明るさとなってしまっている。T6＝T7＝0.1msecで
は、図示しないが50℃ですでに第８図（ｃ）と同様の状
態になってしまう。但し、オフが連続している時の１発
のオン信号に対しては、第８図（ｄ）に示すように45℃
でも応答する。

また、T6＝T7＝0.3msecでは、第７図と同様の応答性
を示した。

上記のように、T6,T7期間の長さは、温度特性の安定
性に寄与しており、温度調節しながら使用するとして
も、その長さはT1,T2期間の２割以上の長さは必要であ
る。但し、余りに長すぎると必然的に高周波電界f_Hの印
加時間が短くなり、透過光量が小さくなってしまうの
で、T1,T2期間の半分までとするのが望ましい。

オン動作を行なわせる場合に高周波電界f_Hを印加する
が、この時のT3期間の長さについて検討した所、次のよ
うな結果を得た。T3＋T4期間のf_H合計印加時間を0.5mse
cとし、T5＝0.1msec、T6＝T7＝0.4msecで、次表２に示
すようにT3とT4期間の比率を変化させた。

第９図は上記表２における「１」の場合の応答特性を
示したものである。この場合には、最大の透過光強度を
得るまでに肩が出てきてしまい、見掛け上の応答性が悪
くなる。この時T5＝0.1msecであり、その後に再度高周
波電界f_Hが印加されるため、透過光強度は強くなる。但
し、T5＝0.2msec、T3＝0.1msec、T4＝0.4msec、T1＝T7
＝0.4msecと、２度目の高周波電界f_Hが印加されるま
で、T5期間が長くてT3期間が短いと、第10図に示すよう
に明るさが確保されなくなるため、T3期間は液晶の応答
時間より短い時には注意を要する。因みに50℃での応答
時間は約0.15msecである。つまり、T3期間が液晶の応答
時間より短い時には、更に高周波電界f_Hを印加する必要
があり、その２度目の印加までの時間を短くする必要が
ある。f_H印加時間の合計は、透過光量に関係してくる。
透過光量を大きくするには、f_H印加時間を長くするのが
良いが、第６図で示したように温度特性が悪くなる。こ
の場合、特に低温側において特性が悪化する。選択期間
T1でのオン状態を非選択期間T2にまで長くするには、T4
期間のf_H印加時間を長くするのが良い。透過光量が少な
くとも、温度特性の良いシャッタを望む時にはf_H印加時
間を短くし、T6,T7期間が長い方がよい。以上述べた如
く第５図に示した信号波形におけるT3,T4,T5,T6、T7,T8
期間は、液晶シャッタの使用条件に合わせて、前述した
範囲内で任意に設定することができる。

f_H印加時間の合計を変化させた時の応答性は、第11
図、第12図のようになる。第11図は、T3＝0.25msec、T4
＝0.15msec、T5＝0.2msec、T6＝T7＝0.4msecに設定した
場合であり、第12図は、T3＝0.25msec、T4＝0.05msec、
T5＝0.3msec、T6＝T7＝0.4msecに設定した場合である。
つまり、T3＋T4期間が0.4msecと0.3msecに設定した場合
である。上記第11図及び第12図から明らかなように、1/
2デューティの時に比較して透過光量は大きい。T3＋T4
期間が小さくなるにつれて、1/2デューティに近付いて
いくので、T3＋T4期間を調整することにより、光量調整
も可能である。何れにせよT3＋T4期間の長さは、液晶の
応答時間より短いと、透過光が充分な強度まで達しない
ので、それ以上必要とされる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものでなく、
開動作電圧、保持電圧、閉動作電圧は、高周波電圧、低
周波電圧、無電圧を任意に組合わせて作成し得るもので
ある。

［発明の効果］以上詳記したように本発明によれば、光シャッターの
対向する電極間に、選択期間の1/2の期間もしくは1/2よ
り短い期間だけ、前記液晶シャッターを光が透過する状
態に動作させるための動作電圧を印加するようにしたの
で、印加電圧の高周波成分を極力小さくすることがで
き、２周波液晶における高周波履歴の影響が少なくな
り、高速、高コントラストで、且つ温度依存性の少ない
液晶シャッタを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第12図は本発明の一実施例を示すもので、
第１図は液晶光学素子の要部を示す平面図、第２図は断
面図、第３図は第２図における液晶配向方向と偏光板の
配置の関係を示す図、第４図は２周波駆動用液晶におけ
る誘電異方性の周波数依存性を示す図、第５図は液晶光
学素子を駆動する駆動信号波形例を示す図、第６図ない
し第12図は各種駆動信号に対する光学応答特性を示す
図、第13図（ａ），（ｂ）は従来における液晶光学素子
の駆動方法及びその光学応答特性を示す図である。 11、12……基板、12……シール材、14a、14b……電極、
16……液晶、17……偏光板、18a、18b……信号電極、19
……端子、20、22……金属膜、21a、21b……コモン電
極、23……遮光部材、31……液晶分子配向方向、32……
上基板偏光板の透過軸（もしくは吸収軸）、33……上基
板偏光板の透過軸（もしくは吸収軸）。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対向する一対の基板と、この一対の基板の対向する一方の内面に複数配列形成さ
れた一方の電極と、この一方の電極の複数と対向して一対の基板の他方の内
面に複数配列形成された他方の電極と、誘電異方性が０となる交差周波数より低い低周波電場で
誘電異方性が正、交差周波数より高い低周波電場で誘電
異方性が負になる誘電分散現象を示す液晶材が互いに平
行な方向に水平配向処理を施された前記一対の基板間に
封入された液晶層と、前記液晶層の配向膜方向に対して偏光軸を略45°傾けて
配置した偏光板とを備え、前記一方の電極と他方の電極の間に、これらの電極が互
いに対向する部分で形成される複数の光シャッターを光
が透過する状態にする開動作電圧と、光遮断状態にする
閉動作電圧を印加することにより、前記複数の光シャッ
ターの光透過状態を制御する液晶光学素子の駆動方法に
おいて、前記開動作電圧は、前記複数の光シャッターの光透過状
態を順次制御する１繰り返し期間のうち、１つの光シャ
ッターを制御するために割り当てられた選択期間の1/2
の期間もしくは1/2より短い期間だけ印加され、前記液
晶シャッターを光が透過する状態に動作させるための動
作電圧を有していることを特徴とする液晶光学素子の駆
動方法。
【請求項２】動作電圧は、高周波電圧と電圧を印加しな
い無電圧との組合わせからなり、前記高周波電圧の印加
時間の合計が選択期間の1/2以下の期間だけ一方の電極
と他方の電極間に印加されることを特徴とする請求項１
に記載の液晶光学素子の駆動方法。
【請求項３】開動作電圧は、選択期間の一部に印加され
る動作電圧と、残りの選択期間及び非選択期間の一部に
印加され、光シャッタを光が透過する状態に保持するた
めの保持電圧とからなっており、前記保持電圧は重畳電
圧、無電圧、高周波電圧、及び光シャッタが閉成しない
低周波電圧との組合わせからなっていることを特徴とす
る請求項１に記載の液晶光学素子の駆動方法。