JPS61100721A - 光スイツチの駆動方法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は強誘電性液晶等の強誘電性物質を用いた光スイ
ッチの駆動方法に係り、特に、光プリンタ用印写ヘッド
に用いられる光スイッチアレイの駆動法として好適な光
スイッチの駆動方法に関する。

〔発明の背景〕

強誘電性液晶は従来のネマチック液晶と異なり、直流電
圧に応答し、その応答速度は１ｍｓ以下と極めて高速で
ある。そこで、この高速応答性を利用した光スイッチを
用いた光プリンタ用印写ヘッドの開発が期待される。

気３図に微小光スイッチ部７を有する光スイッチアレイ
３と、光源６及び感光体ドラム１に集光するセルフォッ
クレンズ２からなる印写ヘッドの構成を示す、ここで、
５は光源の光を光スイッチアレイ３に集束するロッドレ
ンズである。

光スイッチアレイは、第４図に示すように、微小光スイ
ッチ部４ｂｔ＋、４ｂ、、・・・が一定ピツチで一列に
並んだもので、印写信号に応じて各スイッチ部４　ｂｌ
ｗ　ｉｚ＊・・・を開閉させ、１ライン印写分の光パル
ス列をつくる。４．は共通ｍ極を示している。このよう
な光スイッチを用いて第５図に示すような光パターンを
得るためには、第１ライン印写時間Ｔ１では光スイッチ
部４，１．・・・、４６を全開、第２．３ラインＴ、、
Ｔ、では全開、第４うインＴ４では全開、第５ラインＴ
Ｓでは全閉となる。

次に、強誘電性液晶分子の電界応答性を第６図を用いて
説明する１強誘電性液晶であるカイラルスメチック液晶
分子８は電圧が印加されない状態ではラセン軸１０を中
心軸としたラセン構造をとる。この液晶分子８は分子軸
７に対して直角方向に自発分極９を持つのがこの種の液
晶の特徴であり、閾値電界Ｅ、よりも大きな電界Ｅをラ
セン軸１０に対して直角方向から印加すると、液晶分子
８は自発分極９の向きを電界方向にそろえるように配向
する。その結果、電界Ｅの向きを反転することにより、
液晶分子８はラセン軸１０を中心に　。

左右にラセン軸１０に対して角度（チルト角）θで配列
する。このように、強誘電性液晶分子は直流電圧（電界
）に応答する。

第７図は液晶分子の複屈折性を利用した光スイッチ素子
の構造と動作原理を示す図である。液晶ｆｉｌｌを透明
電極を形成した２枚の基板１２ａ。

１２ｂで平行に挾持し、その基板の外側に２枚の偏光板
１３ａ、１３ｂを偏光軸が互に直交するように配置する
。この時、片方の偏光軸１３ａとラセン軸１０とのなす
角を液晶分子８のチルト角θに等しくなるようにする。

液晶分子８の動作閾値電界Ｅ、よりも大きな電界を、第
７図（ｄ）に示すように紙面の裏面方向から表面方向に
印加（負電圧印加）すると、第６図（ｃ）より液晶分子
８の配列方向は偏光板１３ａの偏光軸と一致するため、
光源６から液晶素子に入射した光１４は素子を透過でき
ず、光は遮断される６逆に、電界を紙面の表面方向から
裏面方向に印加（正電圧印加）すると、第６図（ａ）よ
り液晶分子８の配列方向は偏光板１３ａ、１３ｂいずれ
とも一致しないため、液晶分子の複屈折性により液晶簀
子に入射した光１４は素子を透過する。以上述べたのは
、二枚の偏光板を用いる方式であるが、液晶層１１内に
二色性色素を混入し、偏光板を一枚用いるゲストホスト
タイプの光スイッチ素子もあるが、ここでは詳細な説明
は省略する。

いずれの方式にしても、強誘電性液晶素子は直流電圧の
極性反転により光スイッチ素子としての機能をもつ、プ
リンタ用光スイッチアレイや光導波路の光スイッチに要
求される特性は、高速応答性だけでなく、高コントラス
ト特性であり、プリンタ用の場合、少なくともコントラ
ストは１０以上、光導波路の場合には２０以上が必要で
ある。

このようにディスプレイ用素子に比べて高いコントラス
トが要求される。

第８図は、上記強誘電性液晶素子の直流電圧応答性を考
慮し、第５図に示す光パターン列を得るために必要な各
信号電極４．１〜４６と共通電極４、間に印加する電圧
波形を示したものである。

■、は動作閾値電圧よりも充分高い電圧である。

この場合、液晶分子は＋Ｖ、の電圧を印加したときには
第７図（ｃ）、−Ｖ、　を印加したときには第７図（ｄ
）の配置となるため、コントラストＢ、　／Ｂｆｈは２
０以上と非常に大きな値となる。

この方法では高いコントラストを得ることができるが、
光透過あるいは光遮断の状態が長く続く場合には、連続
して同一極性の直流電圧を印加することになる。液晶材
料に直流電圧を連続して印加すると、電気化学反応によ
って液晶が劣化するため好ましくない、そこで、ネマチ
ック液晶を用いた電卓１時計、グラフィックディスプレ
イなどに使用される液晶素子では、交流電圧を用い、平
均電圧が零となるような駆動波形としている。特願昭５
８−２１６４６９号公報に示すものは、駆動電圧波形を
第９図（ａ）に示すように１ライン印写時間Ｔ内で平均
電圧が零となるように選んでいる。すなわち、 Ｖ、−Ｔ１＝Ｖｔ　−Ｔ。

を満足する。ただこの場合、光源６が連続点灯光源の場
合には、本来光を透過してはならない期間（ＯＦＦ期間
）に光の漏れ１５が生じるため、光源６として第９図（
Ｃ）の破線で示すような一定周期で点滅する点滅光６′
を採用することにより。

定常光源使用時に問題となった光の漏れ１５”をなくし
ている。これにより、コントラストは第８図の場合と同
様、２０以上を確保できる６点減光６′を得る方法とし
ては、キセノンランプを用いたり、定常光源６と液晶光
スイッチアレイ３の間に別の光スイッチ素子を設け、定
常光源を点滅光に変換する方式などを提案しているにの
方式ではコントラストは大きくとれるものの、１ライン
印写時間Ｔのうち、一定の期間Ｔ、の間は平均電圧を零
にするため、Ｔ１の期間に液晶層に印加された電圧とは
逆の極性の電圧を印加する必要がある。従って、光透過
状態を選択した場合、１ライン印写時間Ｔのうち、実際
に光が透過する期間はＴ１　と短かくなる。従って、１
ライン印写時間内に感光体ドラム１に照射できる光エネ
ルギーはＴ１／Ｔとなる。ｖ＋、を２０Ｖ、Ｖ、　　を
５０Ｖとすると、Ｔｚ　／Ｔの値は５／７　（＝０．７
　＞　　となり、光利用率は低下する。光源の光が充分
大きい場合や低速印写の場合には問題ないが、光源とし
て蛍光灯を用いて高速印写を行う場合には、光量不足と
なる。２０〜３０Ｗの蛍光灯を用いた場合、　　　　　
　解像度１０ドツト／Ｉ１ｍとして最高印写速度は１８
００行／分が限界である。もし１期間工すべでの時間Ｔ
を利用できれば１０００行／分が充分可能である。

また、蛍光灯を用いる場合には、点滅光変換用素子が必
要で、部品数が増え、コスト高になるという欠点もある
。

また、強誘電性液晶材料を用いたディスプレイ素子の駆
動法に関しては、特開昭５１３−１７９８９０号公報に
記載されている。この基本的な考え方は、常に平均電圧
を零にするという思想であり、第９図（ａ）に示したよ
うな波形を用いる。定常光源を用いた場合、第９図（ｂ
）に示すように、ＯＦＦ時には光の漏れが生じるが、デ
ィスプレイの場合は人間の目を相手にしたものであるた
め、コントラスト比は見かけ上の値でよく、定常光源と
第９図（ａ）に示す駆動電圧波形との組合せを用いるこ
とができた。

しかし、プリンタ用に用いら九る光スイッチアレイや光
導波路用の光スイッチでは、コントラストに対する見方
が厳しくなり、特にＯＦＦ時での光の漏れを極力小さく
する必要がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は１強誘電性物質、特に強誘電性液晶材料
に電圧を印加して光の透過・遮断を行う光スイッチ素子
において、駆動電圧波形の適正化をはかることにより、
コントラストが高く、かつ信頼性の面でも優れた光スイ
ッチの駆動方法を提供することにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するために、本発明は、一対の電極間に
強誘電性物質を介在させ、前記電極間に駆動電圧を印加
することにより光の透過と遮断を行う光スイッチ素子に
おいて、前記駆動電圧を前記強誘電性物質の動作閾値電
圧よりも大きい波高値の片極性の電圧パルスと前記動作
閾値電圧よりも小さい波高値の逆極性の電圧パルスとが
交互に周期的に繰返される高周波電圧とし、この駆動電
圧を光の透過時と遮断時においてそれぞれ逆極性で印加
することを特徴とするものである。

〔発明の実施例〕

次に、本発明による光スイッチの駆動方法を図面に基づ
いて説明する。

まず、具体例を説明する前に駆動方法の原理的な説明を
記しておく。

第７図に示した偏光板配置では、光透過状態（ＯＮ状態
）を得るためには、従来圧の直流電圧を印加してきた。

これに対し、第１０図（ａ）に示すような周期Ｔ１で正
のパルス電圧値Ｖ。、負のパルス電圧値−■１の交流電
圧波形を素子に印加し、光透過特性を調べた１周波数ｆ
Ｌ　　（＝１／ＴＬ）が比較的低い低周波の場合には、
第１０図（ｂ）に示すように、印加電圧が−Ｖ１　にな
ると、光透過量はＢ、（＜１００％）まで低下し、−周
期ＴＬ期間内のトータル光透過量は小さくなる。

そこで１次に周波数ｆ１を高くしていったときの光透過
量の変化を示したのが２第１０図（Ｃ）。

（ｄ）である、これかられかるように、光透過量の変化
は小さくなる。

第１１図は実験結果である。素子の強ＨＭ、性液晶層の
ｐスみは４μｍ、動作閾値電圧値Ｖ、は３ｖである。曲
線Ａは、正のパルス電圧値Ｖ、が２０Ｖ、負のパルス電
圧値−■、を一２■としたときの光透過量Ｂ、の周波数
特性である。周波数が高くなるにつれてＢ、が大きくな
り、ＩＫＨｚのとき、Ｂ、は飽和値の９０％となる。一
方、曲ｌ１ＩＢは正のパルス電圧値を＋２０Ｖ、負のパ
ルス電圧値を一２０Ｖとしたときの光透過量Ｂ、の周波
数特性を示したものである。これかられかるように。

周波数ＩＫＨｚ付近から急激に増加し始め。

１０ＫＨｚ付近になると、Ｂ、は飽和値の９０％となる
０曲ｍＢの場合、Ｂ、が大きくなると周波数が高くなる
が、平均電圧値が零となるので、液晶の寿命の面から好
ましい、液晶材料の種類や液晶層の厚みが変われば値は
少し変わるが、傾向は同じである。

第１２図は第１０図（ｃ）とは逆に負のパルス電圧−ｖ
ｏの絶対値を液晶の動作閾値電圧Ｖ。よりも大きく、正
のパルス電圧ｖ１　をＶ、よりも小さくした場合の光透
過特性を示したものである。

印加電圧が＋Ｖ、になると、光透過量Ｂ、が増加、：　
　　　　　する、光遮断状態を得る場合、このＢ、の値
が小さい程、好ましい。

第１３図は−Ｖ、を一２０Ｖ、Ｖｌを２ｖとしたときの
光透過量（漏れ光ｔ）Ｂ、の周波数特性を示したもので
ある。これかられかるように、周波数が高くなるに従っ
て、漏れ光量Ｂ、が小さくなり、ＩＫＨｚ以上になると
光透過状態での最大透過軟を１００％とした場合、その
漏れ光量は３％と小さくなる。

以ヒより、光透過状態を得る場合には、第１０図（Ｃ）
の電圧波形を、光遮断状態を得る場合には、第１２図（
ａ）の電圧波形を用い、周波数を適当に選ぶことにより
、光透過状態での光透過量と光遮断状態での漏れ光量の
比、すなわちコントラスト比を３０〜４０と極めて高く
することができる。

第１４図は上記実験データに基づき、強誘電性液晶を用
いたプリンタ用印写ヘッドの駆動電圧波形を示したもの
である。ここで、Ｔは１ライン印写時間である。光透過
状態（ＯＮ状態）での駆動電圧波形は第１４図の（ａ）
あるいは（ｂ）の波形、光遮断状態（ＯＦＦ状態）での
駆動電圧波形は第１４図（ｃ）の電圧波形を用いる。第
１４図では、（ａ）と（Ｃ）の電圧波形の周波数をＣｂ
）の電圧波形の周波数よりも低く示しているが、同じ周
波数でも同様の効果が得られることはいうまでもない、
第１４図（ｂ）の波形は交流電圧波形で平均電圧が零の
ため、液晶材料の直流劣化という問題はない、また、第
１４図（ａ）、（ｃ）に示すような波形の場合、平均電
圧は零とはならないが、実質液晶層に印加される時間は
多くとも１ライン印写時間の１／２の期間であるため、
液晶の劣化が生じにくくなるというメリットがある。

一般に、感光体ドラムに光を照射して印写を行う電子写
真方式のプリンタには、現像方式に光が照射した部分に
トナーがつく反転現像と、光が照射しない部分にトナー
がつく正規現像がある。

通常、コンピュータの端末やワープロでは、用紙面積の
うち文字やパターンが印写される面積よりも、白字の余
白の部分の方が多い６従って、現像方式として正規現像
方式を用いれば、光照射の時間が長くなり、完全に平均
電圧零の第１４図（ｂ）の波形を用いることができ、液
晶劣化がずつと少なくなる。

次に、本発明を第１図によりさらに具体的に説明する。

信号電極４ｂ群を有する信号ｆｆ１ｌｌ＋基板１１ｂと
共通電極４ａを有する共通電極基板１１ａを平行に挾持
し、その間に強誘電性液晶ＤＯＢＡＭＢＣ（７６℃〜９
５℃でカイラルスメチックＣ相を示す）を封入した液晶
光スイッチアレイを試作した。

１６は絶縁膜を兼用したポリイミド系のラビング膜から
なる液晶配向膜である。液晶層厚みを４μｍとした。

印写ヘッドとしては、解像度１０ドツト／ｍ、印写速度
８０ｍ／秒（約１０００行／分）の性能を目標とした。

１ライン印字時間Ｔは、１．２５ｍ５（８００Ｈｚ　）
となる。

光透過（ＯＮ）時の液晶素子印加電圧波形として第１４
図（ｂ）、光遮断（ＯＦ　Ｆ）時の印加電圧波形として
第１４図（ｃ）の波形を選び、各高周波電圧の周波数と
して！、、（＝１／ＴＬ２）及びｆ　Ｌｍ　（＝　１　
／　ＴＬｌ）を１０ＫＨｚとした。また、ｖｌの値を零
とした。

第２図は共通電極に印加する電圧波形ｖ０、信号電極に
印加する電圧波形ｖ１９、両電極間に印加される電圧ｖ
、−ｖ、及び光透過波形を示したものである。共通電極
には常に１０ＫＨｚの正の高周波パルス電圧を印加して
おき、信号電極には、光透過時にはｖ８に対してＴＬ２
／２だけ位相のずれた１０ＫＨｚの正の高周波パルス電
圧波形を。

光遮断時には零電位とする。これにより、両電極間には
所定の電圧を印加でき、良好な光透過量変化を得ること
ができる。

実験の結果、光透過時の透過光量Ｂ、と光遮断時の漏れ
光量Ｂ０の比、すなわちコントラストは約３０と高コン
トラストが得られることがわかった。また、ＯＮ状態か
らＯＦＦ状態、ＯＦＦ状態からＯＮ状態への応答時間も
０．２〜０．３ｍｓと高速応答が可能であることがわか
った。

第１５図は他の実施例を示す図であり、光透過１　　　
　　　　（ＯＮ）時の液晶素子印加電圧波形として第１
４図（ａ）、光遮断（ＯＦＦ）時の印加電圧波形として
第１４図（ｃ）の波形を採用した場合の共通電極に印加
する電圧波形Ｖ、（（ａ）図）と信号電極に印加する電
圧波形Ｖ、ｌｂ）図）及び両電極間に印加される電圧ｖ
、−ｙ、及び光透過波形を示したものである。高周波パ
ルスの周波数ｆ　Ｌｍ　（＝’　１　／　Ｔ　１．−　
）を１０ＫＨｚとした。第１図との相違は、■、とｖｔ
が同位相であること、■、の印加電圧は２ｖｎ　となる
ことである。コントラストや応答特性は第１図と同様の
特性が得られる。

以上の各実施例では、Ｔ５、とＴ、、２を同じにしたが
、Ｔ　−２＞　Ｔ　Ｌ　１、あるいはＴ　Ｌ　２　＜　
Ｔ　、、１としてもよい０周波数的に第１１図、第１３
図の条件を満足していればよい、また、ｖｌの値を零に
したが、この値をＶ、よりも小さい値であれば自由に選
ぶことができる６さらに、パルス電圧値をｄｕｔｙ５０
％（Ｔ、＝ＴＬ／２）としたが、これに固定する必要も
なく、Ｔ、＜Ｔ、／２でもＴ、＞ＴＬ／２でもよい。

なお、第７図に示すように偏光板１３ａの偏光軸方向を
負の直流電圧を印加したときの強誘電性液晶分子の配列
方向に一致させたが、正の直流電圧を印加したときの強
誘電性液晶分子の配列方向に一致させてもよく、この場
合には上述の各実施例でのＯＮとＯＦＦ状慧は逆になる
。

以上説明した駆動方法によれば１次の効果がある。

（１）液晶層に印加される直流時間が少なくとも従来の
方法に比べて１／２以下の高周波パルス電圧にできるた
め、液晶材料の直流劣化を抑制することができる。

（２）光源として点滅光を用いる必要がなく１点減光変
換素子は不要となり、低価格な蛍光灯をそのまま使用で
きるため、経済的、ｆｉｌｌ略化の面での効果がある。

（３）光照射時間を１ライン印写時間Ｔに等しくできる
ため、光エネルギーの利用効率が向上する効果がある。

〔発明の効果〕

以上述べた如く、本発明によれば、適正な電圧波形の駆
動電圧により光の透過、遮断を行うため、直流劣化が少
なく、かつ高コントラストの光の透過、遮断を行うこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による駆動方法が適用される光スイッチ
の断面図、第２図は本発明による駆動電圧波形と光透過
量との関係を示す波形図、第３図は一般的な印字ヘッド
の構造を示す分解斜視図、第４図は一般的な光スイッチ
アレイの斜視図、第５図は光スイッチアレイの光の透過
、遮断パターンを示す説明図、第６図は強誘電性液晶分
子の電界応答性を示す説明図、第７図は液晶分子の動作
原理を示す説明図、第８図は第５図の光パターンを得る
に必要な従来の電圧波形を示す波形図、第９図は従来の
駆動電圧波形例を示す波形図、第１０図は本発明による
駆動方法を説明するための駆動電圧波形と光透過光量の
関係を示す波形図、第１１図は実験結果を示す周波数特
性図、第１２図は本発明において光遮断状態を得るため
の駆動電圧波形と光透過量との関係を示す波形図、第１
３図は第１２図の駆動電圧により駆動した場合の周波数
特性図、第１４図は本発明における好ましい駆動電圧波
形を示す波形図、第１５図は他の実施例における駆動電
圧波形と光透過量の関係を示す波形図である。 １・・・感光体ドラム、２・・・セルフォックレンズ、
３・・・光スイッチアレイ、４・・・電極、５・・・ロ
ッドレンズ、６・・・光源、７・・・微小光スイッチ部
、８・・・液晶分子、９・・・自発分極、１０・・・ラ
セン軸、１１・・・液晶層、１２・・・基板、１３・・
・偏光板、１４・・・光源からの入射光、１５・・・光
の漏れ、１６・・・配向膜、ｖ３・・・液晶の動作閾値
電圧、　Ｖ、　、　Ｖ、・・・パルス電圧値。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、一対の電極間に強誘電性物質を介在させ、前記電極
   間に駆動電圧を、印加することにより光の透過と遮断を
   行う光スイッチ素子において、前記駆動電圧を前記強誘
   電性物質の動作閾値電圧よりも大きい波高値の片極性の
   電圧パルスと前記動作閾値電圧よりも小さい波高値の逆
   極性の電圧パルスとが交互に周期的に繰返される高周波
   電圧とし、この駆動電圧を光の透過時と遮断時において
   それぞれ逆極性で印加することを特徴とする光スイッチ
   の駆動方法。