JPS5934587A - 液晶装置 - 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】 本発明は、液晶装置に係シ、特に書き込まれた情報信号
を外部装置へ出力できる液晶装置に関する。

液晶表示装置は、ネマチック液晶、コレステリック液晶
あるいはスメクチック液晶を用いた種々の表示原理を利
用したものが知られているが、いずれも液晶分子の配向
方向を何らかの外部場にょシ変化させ、これにより光学
的性質が変化あるいは、液晶材料に混入しである二色性
色素などの配向方向の変化によシ表示を達成するもので
ある。

これらの液晶表示装置の一例として、米国特許第３，７
９６，９９９号″’　、ｌ、ｏｃａｌｌｙ　Ｅｒａｓａ
ｂｌｅ　’Ｊ’ｈｅｒｍｏ　−０ｐｔｉｃ　−Ｓｍｅｃ
ｔｉｃ　：［，１ｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｓｔｏｒ
ａｇｅｌ）ｉｓｐＨｙｓ”に示されている熱書込み型液
晶表示装置について概要を述べる。

本装置では、第１図（ａ）に示すような二枚のガラス基
板１１．１２の内側に透明電極１３．１４を設け、この
間にスメクチック液晶１５を封入する。

この様な表示パネルにＡｒ（アルゴン）レーザあるいは
ＹＡＧ　（イツトリウム・アルミニウム・ガーネット）
レーザなどにより発せられたレーザビーム１６をレンズ
１７により集光し、表示部分】８のスメクチック液晶１
５の温度を上昇させ、一旦、等方性液体相にする。

その後レーザビームを除去することによりスメクチック
相まで急冷すると第１図（ｂ）に示すように、液晶分子
の配向方向が乱れ、強い散乱性を示す領域１９が発生し
、この散乱状態は安定に存続するので、任意の画像書込
みが達成できる。

以上で述べた表示原理に基づき、熱書込み型液晶表示装
置はレーザビームの走査、変調によシ、液晶素子上に任
意の画像を書込み、さらに電界印加も併用することによ
り部分消去も達成できるので、表示装置として優れてい
るが、書込まれた画像情報の読出し、すなわちコンピュ
ータなどの外部装置へ情報を出力する機能がなく、情報
信号を画像として入力する表示装置としてのみ利用され
るばかシであった。

また、その他の液晶表示装置においても、これまで画像
を表示する機能しか有しておらず、情報出力装置として
は使用できなかった。

本発明の目的は、液晶装置に情報読出し機能を持たし、
情報信号の入出力を行いうる液晶装置を提供するにある
。

本発明は、液晶分子の配向が初期状態と書込み状態で異
なシ、液晶層をはさむ電極間の静電容量に相違があるこ
とに注目し、この静電容量を検出する手段を具備するこ
とを特徴としている。

以下、本発明を実施例に基づいて、詳細に説明する。

本発明の第１の実施例を第２図、第３図を用いて説明す
る。

液晶パネル２００は、対向面に電極２１０゜２２０を有
する一対の基板２３０，２４０の間に１０μｍ程度のギ
ャップをつ〈シ、スメクチック液晶２５０をサンドイッ
チ状に封入した構成になっている。

基板２３０，２４０は例えばガラス板、プラスチック板
を用い、電極として一般にネサ膜と呼ばれている酸化イ
ンジウムと酸化スズの混合物を用いる。

ＣＮ　（ただしＲはアルキル基）で一般に表わされるも
のの混合物で、室温でスメクチック人相を呈し、４２Ｃ
でスメクチックＡ相からネマチック相へ、さらに４５Ｃ
においてネマチック相から等方性液体相へ転移するもの
を用いる。

さらに、基板２３０，２４０あるいは電極２１０゜２２
０とスメクチック液晶２５０の界面は、シラン系界面活
性剤で処理し、初期状態でホメオトロピック配向、すな
わち、スメクチック液晶分子が基板に対し垂直に配向す
るようにするが、水平配向でも良い。

第３図は、前記した液晶パネル２００に接続される静電
容量検出手段を示しておシ、該検出手段は、検出用信号
印加回路３１０及び信号検出回路３２０よジ構成されて
おり、出力端子３３０よシ検出した情報信号を出力する
。

また情報書込み手段として、レーザビームを任意の位置
に集光できるようなレーザベン３５０を設ける。レーザ
ペン３５０は、レーザ光を光源から導く光ファイバと集
光用レンズで構成するもの、または、半導体レーザ３６
０と集光用レンズ３７０を一体化したもの等を用いる。

本発明者等の実験ではいずれも液晶素子面で１０ｍＷ以
上のレーザパワーを集光することにより、情報書込みを
達成できることを確認している。

静電容量の変化を検出する手段の一例を第４図に示す。

ここでは検出用信号印加回路３１０として、正弦波発振
回路４１、信号検出回路３２０として、電流−電圧変換
回路４２、整流及び平滑回路４３、比較回路４４を用い
る。

なお、液晶パネル２００の対向する電極間をコンデンサ
４５と見なし、等何回路として第４図中に示した。

次に、第４図の回路についてその動作を説明する。まず
液晶パネルの対向電極間の静電容量を、初期状態（非書
込み状態）でＣＮＷ、書込み状態でＣｗと定義する。

非書込み状態では、前記した通り液晶分子は電極に対し
て垂直に配向しているので、液晶層の比誘電率は、液晶
分子の長袖方向の比誘電率ε／にほぼ等しい。

また書込み状態では、液晶分子の配向方向が著しく乱れ
ている。仮に配向方向が完全にランダムであると仮定す
れば、液晶層の比誘電率は、ε／と液晶分子の短軸方向
の比誘電率ε土の三次元的な平均値Ｌ（ｅ／＋’ｌ、ｇ
４）になる。

したがってＣＮＷとＣｗの関係は次のように書ける。

なお本発明者等は、電極面積１陥２、電極間隔約１０μ
ｍの表示パネルに垂直配向された比誘電率＆／＝１２．
ε土＝４７の液晶材料を封入して静電容量を測定した結
果、ＣＮＷ＝　１３．１１）Ｆ、　ＣＷ　＝８．８５ｐ
Ｆとなった。

すなわちＣＮＷ／　ＣＷ　＝　１．４８となり、（１）
式による計算値ＣＮＷ／ＣＷ　＝１．６８に近い値であ
ることを確認した。

さて、上記したように書込みあるいは非書込み状態で、
静電容量が変わるコンデンサ４５に、検出用信号印加回
路３１０の正弦波発振回路４１により、正弦波電圧が印
加されると、静電容量によって定まる電流ＩＬＣが流れ
る。

この電流Ｉｔ、ｃは、信号検出回路３２０の初段である
電流−電圧変換回路４２により電圧信号に変換され、さ
らに次段の整流及び平滑回路４３により、はぼ直流に変
換され、最終段の比較回路４４に入力される。

比較回路４４では入力された電圧と、比較電圧の大小を
検出し、その結果を出力するが、先に述べた通り、書込
み状態では、非書込み状態にくらベコンデンサ４５の静
電容量が小さいので、比較電圧を適正な値にしておけば
、書込み状態のときその出力は”ＬＯＷ＃レベルとなシ
、逆に非書込み（９） 状態のときその出力はＩＩＨｔｇｈ”レベルとなる。

したがって、液晶の配向状態の検出を達成できる。

第５図に本発明の第２の実施例の断面図を示す。

液晶素子に画像信号等の情報信号を書込むだめの書込み
用光学系２０は、熱源としてのレーザ２１、レーザビー
ムの変調を行なう変調器２２、レーザビームを任意の方
向に偏向するＸ方向、Ｙ方向の偏向器２３と、液晶素子
上に、レーザビームを集光するレンズ２４から構成され
ている。

本発明者等が用いるレーザ２１としては、例えば、ＹＡ
Ｇレーザで、その出力はシングルモードい、例えば偏向
器２３として電流量により角度を制御できる平面鏡（ガ
ルバノメータ）を使用する。

液晶パネル３０は、一対のガラスプラスチック等の基板
３１．３２の間に、１０μｍ程度のギャップをつ＜シ、
ここにスメクチック液晶３５を基板に対し、垂直方向を
向くように配向させて封入（１０） で一般的に表わされるものの混合物で、４２Ｃにおいて
スメクチック相からネマチック相に転移し、さらに４２
Ｃにおいて等方性液体に転移するものである。

一対のガラス基板３１．３２には、それぞれ、Ｘ方向、
Ｙ方向にストライプ状の透明のＸ、Ｘ電極３３．３４が
設けられており、第６図に示す様にＸ、Ｘ電極の対向部
分、及びそれらの間に位置する液晶の部分によって形成
されるセルが全体としてマトリクス状をとっている。

透明電極は例えば、一般にネサ膜と呼ばれているものを
用いる。ネサ膜は、酸化インジウム、酸化スズの混合物
で、可視光をよく透過するが、本装置に使用しているＹ
ＡＧレーザ光（波長１．０６μｍ）を吸収し、スメクチ
ック液晶の温度を上昇させ、先に述べたディスプレイ原
理による情報信号の表示を行なうに十分な発熱を生ずる
ことができる。

（１１） 本発明者等は、液晶パネル３０の表面上に、５０ｍＷ程
度のパワーのレーザビームを集光シて、情報信号の良好
な表示を達成できることを確認している。

第７図は、第６図に示す液晶装置に於いてレーザビーム
を位置ＡからＡ′に移動して、レーザビームによシ照射
された部分が、書込み状態になる場合の液晶分子の配向
状態を略記したものである。

すなわち、書込み状態の液晶分子の配向は、非書込みの
状態にくらべて、配向方向が乱れている。

なお非書込みの状態は、液晶素子製作時にほどこした垂
直配向処理によって、垂直配向（ホメオトロピック配向
）となっているが、水平配向をしても良い。

前述の様にスメクチック液晶は正の誘電異方性を示す。

すなわち、液晶分子の長軸方向の誘電率ε／と短軸方向
の誘電率ε土の関係はＣ／〉ε上となっている。

したがって、非書込み状態の液晶分子は、電極に対（１
２） 向が乱れているので、乱れの状態によって、液晶層の誘
電率はε／よシ小さな値になる。仮に、完全にランダム
な配向方向であると仮定すれば、１（ε／＋２８上）と
なる。

ここで、前記のＸＹママトリクス状配置されたＸ電極３
３とＸ電極３４との対向部分のセルを一種のコンデンサ
と考えると、第７図に示した断面部分の液晶パネルを、
第８図に示すように、一端が共通に接続されたコンデン
サ群とみなすことができる。

このとき、各々のセルは、電極間に誘電体である液晶層
が満されたものであるから、前記したように、書込み状
態あるいは非書込み状態でその分子配向が異なることに
起因した誘電率のちがいによって、その静電容量が異な
る。

したがって第８図に示したように書込み状態のセルの静
電容量Ｃｗと非書込み状態のセルの静電容量ＣＮＷは異
なシ、前記したように例えば、正の誘電異方性をもつ液
晶材料を用い、非書込み状態では垂直配向する場合では
Ｃｗ＜ＣＮＷとなる。ま（１３） た、水平配向した場合には、Ｃｗ＞Ｃｗｗとなる。

以上に述べたように、書込み状態のセルと非書込み状態
のセルとでは、静電容量が異たるので、その静電容量の
ちがいを電気的に読出すことによって、書込まれた情報
信号を認識し外部装置に出力することができる。

Ｘ電極とＸ電極との対向部分の静電容量を検出する手段
の一例を第９図に示す。

同図では、３個のセル（コンデンサ）６１゜６２．６３
が一端を共通に接続された場合について示した。共通接
続端子にＥ　ｓｉｎωｔの交流電圧源６４を接続すれば
、各々セルを通して接地点に流れる電流Ｉｌ、　Ｉｚ　
、　Ｉｓは次式のようになる。

したがって、何らかの方法によって電流■１１Ｉｚ　、
Ｉｓの大きさを検出すれば、ｌ　Ｉ２１　＜　ＩＬＩ　
。

ＩＴ３１となシ、書込み状態のセルの情報を認識す（１
４） ることかできる。

ここでは、書込み状態と非書込み状態との２状態の認識
を例にとって説明するが、それぞれの電流の大きさを検
出することによって、画像表示等の中間調をも認識する
ことができる。

実際に、ＸＹママトリクス状配列されるセル群から、そ
の静電容量を検出するには、クロストークによる電流を
無くすため、特別な工夫が必要である。

クロストークによる電流の発生は、第１０図の斜視図に
示す、２行、２列のセルマトリクスの例により説明でき
る。

いま、第１０図中のセルＣ２１を通して流れる電流Ｉを
信号検出回路７１で測定するとき、■は電圧源７２が接
続されているＸ電極Ｘ２からセルＣ２１を通してＸ電極
Ｘ１へ流れる電流Ｉｔだけではなく、たとえば、図中破
線で示したように、セルＣ２□、Ｃ１□、Ｃ１，を通っ
て流れる電流Ｉ２も加算されたものになってしまい、本
来検出したいセルＣＺｔを流れる電流Ｉｔ　と異なって
しまうこと（１５） が明らかである。

さらに、Ｉ２の大きさは、セルＣ２□、Ｃ１□。

Ｃ１ｌの静電容量の大きさにより異々つてしまうので、
それぞれのセルの書込み状態の違いによシ、■は異なっ
た値となＦ）、Ｃ２１の静電容量の大きさ、すなわちＣ
２１に相当するセルの書込み状態を正確に検出するさま
たげとなる。この現象がクロストークによる電流発生に
起因する欠点で、この現象を除去しなければならない。

このためには、第１１図の斜視図に示すように、Ｘ電極
Ｘ１を接地し、Ｘ電極Ｘ２に電圧源８３を接続するとと
もに、信号検出回路８１０入力端子（Ａ点）の電位が実
質的に接地電位になるような回路を用いればよい。この
とき、セル（コンデンサ）　Ｃ１ｌ　、　Ｃ１２を構成
するＸ電極Ｘ１％Ｘ電極Ｙｌ、Ｙｘは実質的に接地電位
になっているので、セルｅｌｌ　、　０１２　　には電
流が流れない。すなわち第１０図におけるクロストーク
電流■２はもはや存在し得ない。したがって信号検出回
路８１に流れる電流■は、セルＣ２１を通るものだけと
なシ、（１６） セルＣ２１の静電容量を正確に検出することができる。

したがって、０２１に相当するセルの書込み状態を正確
に認識することが可能となる。

また同時に、信号検出回路８２により、セルＣ２２の静
電容量も同様にして検出することができる。したがって
、Ｘｌに接続されているセルの状態を同時に知ることが
できる。次に、Ｘｌに電源８３を接続し、Ｉ２を接地電
位にすることにより、Ｘｌに接続されているセルの状態
を知ることができる。このように、Ｘ電極を順次走査す
ることによりすべてのセルの状態を認識できる。

なお、液晶分子の配向状態は、特定のしきい値以上の電
圧が印加されたとき変化するので、静電容量を検出する
ために印加する電圧源の電圧は、液晶のしきい値以下の
電圧値にしなければならない。

以上述べた静電容量を検出する方法は、２行×２列のマ
トリクス構造について述べたものであるが、この方法は
容易に大規模なマトリクス構造に拡大し得る。次にその
一例として、第１２図に３（１７） 行×３列のマ）　ＩＪクス構造について示す。

第１２図は、Ｘ電極Ｘ３に接続されている各セルの静電
容量を検出する時の例で、Ｘ３以外のＸ電極Ｘ工、Ｉ２
を接地電位とし、クロストーク電流の発生を防止して、
信号検出回路９１，９２゜９３で、Ｉ３に接続されてい
る各セルの静電容量の大きさを検出し、書込み状態、非
書込み状態を認識できる。

同様にして、Ｘｌに電源電圧を印加して、Ｉ２゜Ｉ３を
接地電位として、ＸＩに接続された各セルの書込み状態
、非書込み状態を認識できる。さらにＩ２に電源を接続
してＸｘ　、Ｘｓを接地電位として、Ｉ２に接続された
各セルの書込み状態、非書込み状態を認識できる。

第１３図に信号検出回路の一例を示す。本回路は、オペ
アンプ１０１を用いた電流−電圧変換回路と、整流回路
１０２、平滑回路１０３及び比較回路１０４から成シ、
入力端子１００に流入する交流電流の大きさを検出して
、出力端子２０１に＠１”、′０”の情報を出力する。

本回路では入（１８） 刃端子１００の電位が実質点に接地電位となっているこ
とから、先に述べたように、クロストーク電流の発生を
防止した良好な検出回路として動作する。

第１４図は、第１３図の回路の動作波形を示す図である
。第１４図（ａ）は、書込み状態のセルの静電容量Ｃｗ
の検出を、第１４図（ｂ）は非書込み状態のセルの静電
容量ＣＮＷの検出を示し、この時、Ｃｗ＜Ｃｗｗとして
いる。

オペアンプ１０１は電流増幅器として動作するが、入力
端子１００は前述の様に仮想接地点となるので、電圧Ｖ
、は零となる。電流■が電圧に変換されて、電圧ｖｂが
生じ、整流回路であるダイオードにより整流されて、電
圧Ｖ、となる。平滑回路１０３によシ、はぼ直流電圧ｖ
ｄとなるが、このとき、比較回路１０４の基準電圧Ｖｎ
ａｔ　を第１４図の破線の如く設定することによって、
比較回路１０４の出力電圧Ｖ、は、第１４図（ａ）の書
込み状態のセルでは′０”、第１４図（ｂ）の非書込み
状態のセルでは′１”となシ、静電容量の大きさく１９
） を判定することができる。

第１４図の回路は、′０”か、′１″かの２値状態を判
断するものであるが、ＶＲ＊ｆを任意に変化させること
によって、画像表示における中間調をも判断できる。

第１５図は、第１２図に示す３行×３列のマトリクス構
造を例にした場合の装置全体の一例を示すものであシ、
第１６図は第１５図の動作波形を示すものである。

スイッチＳ１　、Ｓ＋＋　、　Ｓｓは制御信号ＳＣＩ。

ＳＣ２、ＳＣｓによって、接地電位に保持されているＸ
電極のうちＸｌから順次選択して、電圧源８３に接続す
る。信号検出回路９１，９２．９３はそれぞれ第１３図
に示す回路構成である。

第１５図に示す様にセルｃ、　１　ｒ　Ｃ１２ｅ　Ｃ２
１Ｈｃｇｓ　ｔ　ｃ、□、Ｃｓ□、Ｃ３３が書込み状態
であシ、セルｃｉ３ｔ　Ｃ１２が非書込み状態であ、！
１１、Ｃｗ＜なシ、それぞれのセルの静電容量を検出し
て、そ（２０） れぞれのセルの情報信号を認識することができる。

第１７図は、情報信号を書込む際の第３の実施例を示す
ものであり、第５図と同一符号は同−物及び相当物を示
す。

本実施例は、半導体レーザ１１１と、集光用光学系１１
２を具備した書込みペン１１３を使用して、液晶パネル
３０の各セルに、画像信号等の情報信号を矢印に示す様
に書込むものであシ、書込まれた情報信号は前述と同様
にして外部装置に出力する。

本実施例によれば、装置全体をさらに小型化することが
できる。

尚、本発明に於いて静電容量検出手段としては、電圧パ
ルスを印加して、液晶に印加される電圧の立上り時間、
立下り時間を測定することによって、静電容量を検出し
ても良い。

また、液晶を加熱する手段として、以上述べた実施例で
は、光学的手段を用いて説明したが、本発明はこれに限
らず、例えば、特開昭５３−７０４５６号公報に示され
る様に基板に設けられる（２１） 電極に電流を流し、ジュール熱によって加熱する手段を
用いても良い。この場合、本実施例である第２図、第５
図、第６図、第７図等に於けるＸ。

Ｙ電極群の少なくとも一方に電流を流して、情報の書込
みを行なうことも可能となシ、光学的手段を用いず装置
全体を小型化することができる。

さらに、第５図、第７図等のレーザビームの偏向、変調
による書込みあるいは、前述の電流による書込みと、第
１７図に示される書込みペンを用いた書込みとを併用す
ることによシ、すでにコンピュータなどにストアされて
いた情報信号を、液晶パネル上に表示した後、書込みペ
ンを用いて、部分的な修正や情報の追加などが行なえる
。

また、液晶の配向を変化させる手段としては、液晶を加
熱する手段に限らず、対向する電極間に電圧を印加して
、液晶の電界効果を利用する手段、液晶の電流効果を利
用する手段等の他の公知の手段にも本発明は適用できる
。

さらに、液晶材料はスメクチック液晶に限らず、コレス
テリック液晶等の他の公知の外部場によっ（２２） て変化される配向方向を記憶する機能を有する液晶にも
本発明は適用できる。

以上述べた様に、本発明によれば情報信号の入出力を行
ないうる液晶装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は液晶パネルへの熱書込みの原理を示す説明図、
第２図は本発明の第１の実施例を示す断面図、第３図は
本発明の第１の実施例を示すブロック図、第４図は第３
図に於ける回路の一例を示す図、第５図は本発明の第２
の実施例を示す断面図、第６図は第２図の電極構造を示
す平面図、第７図は第５図に於けるセルの書込み状態と
非書込み状態とを示す断面図、第８図は第７図に於ける
セルをコンデンサと見なした場合の等価回路図、第９図
、第１０図、第１１図、第１２図は本発明によるセルの
静電容量を検出する原理を示す等価回路図、第１３図は
本発明の第２の実施例に於ける信号検出回路の一例を示
す回路図、第１４図は第１３図の動作波形を示す図、第
１５図は本発明の第２の実施例の構成全体を示す概略図
、第１６（２３） 図は第１５図の動作波形を示す図、第１７図は本発明の
第３の実施例を示す断面図である。 Ｘ＋　、Ｘ２　、Ｘｓ・・・Ｘ電極、Ｙｌ、Ｙ２　、Ｙ
ａ・・・Ｘ電極、７１，８１，８２，９１，９２．９３
・・・信号検出回路、６４，７２．８３・・・交流電圧
源。 （２４） 第　１　図 第　２　図 第　３　図 第　　４　図 Ｖｅｆ 第　Ｓ　図 第　　　　　６　　　１八 ３μ 第　　７　閃 第　　Ｂ　　図 ＣＮＩＡ／ＣＶＪＣＮＩＡ／ 第　　９　図 第　／θ　ｍ 第　１１　　履

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、対向面に一方の電極と他方の電極とが対向する様に
   形成される一対の基板と、該一対の基板間に保持される
   液晶と、該液晶の配向方向を変化させる手段と、上記−
   万の電極と上記他方の電極との対向部分の静電容量を検
   出する静電容量検出手段とを具備することを特徴とする
   液晶装置。 ２、特許請求の範囲第１項に於いて、上記液晶の配向方
   向を変化させる手段は液晶を加熱する手段であることを
   特徴とする液晶装置。 ３、特許請求の範囲第２項に於いて、上記液晶を加熱す
   る手段は光学的手段であることを特徴とする液晶装置。 ４、％許請求の範囲第１項に於いて、上記静電容量検出
   手段は、上記一方の電極に所定の電圧を印加する回路と
   、上記他方の電極に流れる電流を検出する回路とからな
   ることを特徴とする液晶装置。 ５、特許請求の範囲第１項に於いて、上記液晶はスメク
   チック相を有する液晶であることを特徴とする液晶装置
   。 ６、対向面に複数の一方の電極と複数の他方の電極とが
   対向し、上記一方の電極と上記他方の電極との対向部分
   が全体としてマ）　ＩＪクスをなす様に形成される一対
   の基板と、該一対の基板間に保持される液晶と、該液晶
   の配向方向を変化させる手段と、上記複数の一方の電極
   のうちの一つに選択的に所定の電圧を印加し、他の一方
   の電極は、対向する上記他方の電極と同電位に保持する
   回路と、上記他方の電極に流れる電流を検出する回路と
   を具備することを特徴とする液晶装置。 ７、特許請求の範囲第６項に於いて、上記液晶の配向方
   向を変化させる手段は液晶を加熱する手段であることを
   特徴とする液晶装置。 ８、％許請求の範囲第７項に於いて、上記液晶を加熱す
   る手段は光学的手段であることを特徴とする液晶装置。 ９、特許請求の範囲第６項に於いて、上記液晶はスメク
   チック相を有する液晶であることを特徴とする液晶装置
   。