JPS6244247B2 - - Google Patents

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JPS6244247B2
JPS6244247B2 JP58142954A JP14295483A JPS6244247B2 JP S6244247 B2 JPS6244247 B2 JP S6244247B2 JP 58142954 A JP58142954 A JP 58142954A JP 14295483 A JP14295483 A JP 14295483A JP S6244247 B2 JPS6244247 B2 JP S6244247B2
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signal
scanning
liquid crystal
electrode
voltage
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Junichiro Kanbe
Kazuharu Katagiri
Shuzo Kaneko
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Canon Inc
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、液晶素子などの光学変調素子の駆動
法に係り、詳しくは表示素子やシヤツターアレイ
等の光学変調素子に用いる液晶素子の時分割駆動
法に関する。
従来より、走査電極群と信号電極群をマトリク
ス状に構成し、その電極間に液晶化合物を充填
し、多数の画素を形成して画像或いは情報の表示
を行う液晶表示素子は、よく知られている。この
表示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、以下
に述べる如き致命的とも言える大きな欠点を有し
ていた。
即ち、画素密度を高く、或いは画面を大きくす
るのが難しいことである。従来の液晶の中で応答
速度が比較的高く、しかも消費電力が小さいこと
から、表示素子として実用に供されているのは殆
んどが、例えば、M.SchadtとW.Helfrich著、
“Applied Physics Letters”、Vol.18，No.４
（1971.2.15）、P.127〜128の“Voltage−
Dependent Optical Activity of ａ Twisted
Nematic Liquid Crystal”に示されたTN
（twisted nematic）型の液晶を用いたものであ
り、この型の液晶は、無電界状態で正の誘電異方
性をもつ、ネマチツク液晶の分子が、液晶層厚方
向で捩れた構造（ヘリカル構造）を形成し、両電
極面でこの液晶の分子が互いに並行に配列した構
造を形成している。一方、電界印加状態では、正
の誘電異方性をもつネマチツク液晶が電界方向に
配列し、この結果光調変調を起すことができる。
この型の液晶を用いてマトリクス電極構造によつ
て表示素子を構成した場合、走査電極と信号電極
が共に選択される領域（選択点）には、液晶分子
を電極面に垂直に配列させるに要する閾値以上の
電圧が印加され、走査電極と信号電極が共に選択
されない領域（非選択点）には電圧は印加され
ず、したがつて液晶分子は電極面に対して並行な
安定配列を保つている。このような液晶セルの上
下に、互いにクロスニコル関係にある直線偏光子
を配置することにより、選択点では光が透過せ
ず、非選択点では光が透過するため、画像素子と
することが可能となる。然し乍ら、マトリクス電
極構造を構成した場合には、走査電極が選択さ
れ、信号電極が選択されない領域或いは、走査電
極が選択されず、信号電極が選択される領域（所
謂“半選択点”）にも有限の電界がかかつてしま
う。選択点にかかる電圧と、半選択点にかかる電
圧の差が充分に大きく、液晶分子を電界に垂直に
配列させるに要する電圧閾値がこの中間の電圧値
に設定されるならば、表示素子は正常に動作する
わけである。しかし、この方式において、走査線
数（Ｎ）を増やして行つた場合、画面全体（１フ
レーム）を走査する間に一つの選択点に有効な電
界がかかつている時間（duty比）は、１／Ｎの
割合で減少してしまう。このために、くり返し走
査を行つた場合の選択点と非選択点にかかる実効
値としての電圧差は、走査線数が増えれば増える
程小さくなり、結果的には画像コントラストの低
下やクロストークが避け難い欠点となつている。
このような現像は、双安定状態を有さない液晶
（電極面に対し、液晶分子が水平に配向している
のが安定状態であり、電界が有効に印加されてい
る間のみ垂直に配向する）を、時間的蓄積効果を
利用して駆動する（即ち、繰り返し走査する）と
きに生じる本質的には避け難い問題点である。こ
の点を改良するために、電圧平均化法、２周波駆
動法や多重マトリクス法等が既に提案されている
が、いずれの方法でも不充分であり、表示素子の
大画面化や高密度化は、走査線数が充分に増やせ
ないことによつて頭打ちになつているのが現状で
ある。
本発明の目的は、前述したような従来の液晶表
示素子における問題点を悉く解決した新規な光学
変調素子、特に液晶素子の駆動法を提供すること
にある。
本発明の別の目的は、高速応答性を有する液晶
素子の駆動法を提供することにある。
本発明の他の目的は、高密度の画素を有する液
晶素子の駆動法を提供することにある。
さらに、本発明の他の目的は、クロストークを
発生しない液晶素子の駆動法を提供することにあ
る。
さらに、本発明の他の目的は、部分的な書き換
えが可能なデイスプレイ装置に適した液晶素子の
駆動法を提供することにある。
さらに、本発明の他の目的は、電界に対し双安
定性を有する液晶、特に強誘電性を有するカイラ
ルスメクテイツクＣ相又はＨ相の液晶を用いた液
晶素子の新規な駆動法を提供することにある。
さらに、本発明の他の目的は、高密度の画素と
大面積の画面を有する液晶素子に適した新規な駆
動法を提供することにある。
さらに本発明の特定の目的は、強誘電性液晶を
使用する表示素子のマトリクス電極による安定な
駆動法を提供することにある。
本発明の光学変調素子の駆動法は、前述の目的
を達成するために開発されたものであり、より詳
しくは、走査電極群と信号電極群を有するマトリ
クス電極構造を有し、該走査電極群には周期的に
走査信号を順次選択印加し、該信号電極群には前
記走査信号と同期させて情報信号を選択印加する
ことによつて、前記走査電極群と信号電極群の間
に配置した電界に対して双安定状態を有する光学
変調物質の光学変調をなす光学変調素子の駆動法
において、前記走査電極群のうち選択された走査
電極に印加する走査信号と同期させて前記信号電
極群に情報信号を選択印加した後で、且つ次に選
択される走査電極に印加する走査信号と同期させ
て前記信号電極群に次の情報信号を選択印加する
前に、前記信号電極群に選択印加した情報信号と
異なる信号を印加する補助信号印加期間を有する
点に特徴を有している。
その具体例の詳細は、図面を参照しつつ、後程
説明する。
本発明の駆動法で用いる光学変調物質として
は、加えられる電界に応じて第１の光学的安定状
態と第２の光学的安定状態とのいずれかを取る、
すなわち電界に対する双安定状態を有する物質、
特にこのような性質を有する液晶、が用いられ
る。
本発明の駆動法で用いることができる双安定性
を有する液晶としては、強誘電性を有するカイラ
ルスメクテイツク液晶が最も好ましく、そのうち
カイラルスメクテイツクＣ相（SmC*）又Ｈ相
（SmH*）の液晶が適している。この強誘電性液
晶については、“LE JOURNAL DE
PHYSIOUE LETTERS”36（Ｌ−69）1975，
「Ferroelectric Liquid Crystals」；“Applied
physics Let−ters”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。
これらの材料を用いて、素子を構成する場合、
液晶化合物が、SmC*相又はSmH*相となるよ
うな温度状態に保持する為、必要に応じて素子を
ヒーターが埋め込まれた銅ブロツク等により支持
することができる。
第１図は、強誘電性液晶セルの例を模式的に描
いたものである。11と11′は、In2O3、SnO2やITO
（Indium−Tin Oxide）等の透明電極がコートさ
れた基板（ガラス板）であり、その間に液晶分子
層１２がガラス面に垂直になるよう配向した
SmC*相の液晶が封入されている。太線で示し
た線１３が液晶分子を表わしており、この液晶分
子１３は、その分子に直交した方向に双極子モー
メント（Ｐ⊥）１４を有している。基板１１と１
１′上の電極間に一定の閾値以上の電圧を印加す
ると、液晶分子１３のらせん構造がほどけ、双極
子モーメント（Ｐ⊥）１４はすべて電界方向に向
くよう、液晶分子１３の配向方向を変えることが
できる。液晶分子１３は細長い形状を有してお
り、その長軸方向と短軸方向で屈折率異方性を示
し、従つて例えばガラス面の上下に互いにクロス
ニコルの位置関係に配置した偏光子を置けば、電
圧印加極性によつて光学特性が変わる液晶光学変
調素子となることは、容易に理解される。さらに
液晶セルの厚さを充分に薄くした場合（例えば１
μ）には、第２図に示すように電界を印加してい
ない状態でも液晶分子のらせん構造は、ほどけ、
その双極子モーメントＰ又はP′は上向き２４又は
下向２４′のどちらかの状態をとる。このような
セルに第２図に示す如く一定の閾値以上の極性の
異なる電界Ｅ又はE′を所定時間付与すると、双
極子モーメントは電界Ｅ又はE′の電界ベクトル
に対応して上向き２４又は、下向き２４′と向き
を変え、それに応じて液晶分子は第１の安定状態
２３かあるいは第２の安定状態２３′の何れか１
方に配向する。
このような強誘電性液晶を光学変調素子として
用いることの利点は２つある。第１に、応答速度
が極めて速いこと、第２に液晶分子の配向が双安
定状態を有することである。第２の点を例えば第
２図によつて説明すると、電界Ｅを印加すると液
晶分子は第１の安定状態２３に配向するが、この
状態は電界を切つても安定である。又、逆向きの
電界E′を印加すると、液晶分子は第２の安定状
態２３′に配向して、その分子の向きを変える
が、やはり電界を切つてもこの状態に留つてい
る。又、与える電界Ｅが一定の閾値を越えない限
り、それぞれの配向状態にやはり維持されてい
る。このような応答速度の速さと、双安定性が有
効に実現されるには、セルとしては出来るだけ薄
い方が好ましく、一般的には、0.5μ〜20μ、特
に１μ〜５μが適している。この種の強誘電性液
晶を用いたマトリクス電極構造を有する液晶−電
気光学装置は、例えばクラークとラガバルによ
り、米国特許第4367924号明細書で提案されてい
る。
次に強誘電性液晶の駆動法の具体例を、第３図
〜第５図を用いて説明する。
第３図は、中間に強誘電性液晶化合物（図示せ
ず）が挾まれたマトリクス電極構造を有するセル
３１の模式図である。３２は、走査電極群であ
り、３３は信号電極群である。最初に走査電極S1
が選択された場合について述べる。第４図ａと第
４図ｂは走査信号であつて、それぞれ選択された
走査電極S1に印加される電気信号とそれ以外の走
査電極（選択されない走査電極）S2，S3，S4……
に印加される電気信号を示している。第４図ｃと
第４図ｄは、情報信号であつてそれぞれ選択され
た信号電極I1，I3，I5と選択されない信号電極I2，
I4に与えられる電気信号を示している。
第４図および第５図においては、それぞれ横軸
が時間を、縦軸が電圧を表す。例えば、動画を表
示するような場合には、走査電極群３２は逐次、
周期的に選択される。今、所定の電圧印加時間t1
又はt2に対して双安定性を有する液晶セルの、第
１の安定状態を与えるための閾値電圧を−Vth1
とし、第２の安定状態を与えるための閾値電圧を
＋Vth2とすると、選択された走査電極３２，S1に
与えられる電極信号は、第４図ａに示される如く
位相（時間）t1では、2Vを、位相（時間）t2で
は、−2Vとなるような交番する電圧である。この
ように選択された走査電極に互いに電圧の異なる
複数の位相間隔を有する電気信号を印加すると、
光学的「暗」あるいは「明」状態に相当する液晶
の第１あるいは第２の安定状態間での状態変化
を、速やかに起させることができるという重要な
効果が得られる。
一方、それ以外の走査電極S2〜S5……は第４図
ｂに示す如くアース状態となつており、電気信号
０である。また、選択された信号電極I1，I3，I5
に与えられる電気信号は、第４図ｃに示される如
くＶであり、また選択されない信号電極I2，I4に
与えられる電気信号は、第４図ｄに示される如く
−Ｖである。以上に於て各々の電圧値は、以下の
関係を満足する所望の値に設定される。
Ｖ＜Vth2＜3V −3V＜−Vth1＜−Ｖ この様な電気信号が与えられたときの各画素の
うち、例えば第３図中の画素ＡとＢにそれぞれ印
加される電圧波形を第５図のａとｂに示す。すな
わち、第５図ａとｂより明らかな如く、選択され
た走査線上にある画素Ａでは、位相t2に於て、閾
値Vth2を越える電圧3Vが印加される。又、同一
走査線上に存在する画素Ｂでは位相t1に於て閾値
−Vth1を越える電圧−3Vが印加される。従つ
て、選択された走査電極線上に於て、信号電極が
選択されたか否かに応じて、選択された場合に
は、液晶分子は第１の安定状態に配向を揃え、選
択されない場合には第２の安定状態に配向を揃え
る。
一方、第５図ｃとｄに示される如く、選択され
ない走査線上では、すべての画素に印加される電
圧はＶ又は−Ｖであつて、いずれも閾値電圧を越
えない。従つて、選択された走査線上以外の各画
素における液晶分子は、配向状態を変えることな
く前回走査されたときの信号状態に対応した配向
を、そのまま保持している。即ち、走査電極が選
択されたときにその１ライン分の信号の書き込み
が行われ、１フレームが終了して次回選択される
までの間は、その信号状態を保持し得るわけであ
る。従つて、走査電極数が増えても、実質的なデ
ユーテイ比はかわらず、コントラストの低下は全
く生じない。
次に、デイスプレイ装置として駆動を行つた場
合の実際に生じ得る問題点について考えてみる。
第３図に於て、走査電極S1〜S5……と信号電極I1
〜I5……の交点で形成する画素のうち、斜線部の
画素は「明」状態に、白地で示した画素は「暗」
状態に対応するものとする。今、第３図中の信号
電極I1上の表示に注目すると、走査電極S1に対応
する画素Ａでは「明」状態であり、それ以外の画
素Ｂはすべて「暗」状態である。この場合の駆動
法の１実施例として、走査信号と信号電極I1に与
えられる情報信号及び画素Ａに印加される電圧を
時系列的に表したものが第６図ａである。
例えば第６図ａのようにして、駆動した場合、
走査信号S1が走査されたとき、時間t2に於て画素
Ａには、閾値Vth2を越える電圧3Vが印加される
ため、前歴に関係なく、画素Ａは一方向の安定状
態、即ち「明」状態に転移（スイツチ）する。そ
の後は、S2〜S5……が走査される間は第６図ａに
示される如く−Ｖの電圧が印加され続けるが、こ
れは閾値−Vth1を越えないため、画素Ａは
「明」状態を保ち得る。然し乍ら、このように１
つの信号電極上で一方の信号（今の場合「暗」に
対応）が与えられ続けるような情報の表示を行う
場合には、走査線数が極めて多く、しかも高速駆
動が求められるときには問題が生じ得ることを次
のデータで示す。
第７図は、強誘電液晶材料としてDOBAMBC
（第７図中の７２）及びHOBACPC（第７図中の
７１）を用いたときのスイツチングに要する電圧
閾値（Vth）の印加時間依存性をプロツトしたも
のである。いずれも、液晶の厚さは1.6μで、温
度は70℃にコントロールされている。本実験の場
合は、液晶を封入すべき両側の基板には、ITOが
蒸着されたガラス板であり、Vth1〓Vth2（≡
Vth）であつた。
第７図より明らかな如く、閾値Vthは印加時間
依存性を持つており、さらに印加時間が短い程、
急勾配になることが理解される。このことから、
第６図ａに於いて実施した如き駆動方法をとり、
これを走査線数が極めて多く、しかも高速で駆動
する素子に適用した場合には、例えば画素ＡはS1
走査時に於て「明」状態にスイツチされてもS2走
査以降常に−Ｖの電圧が印加され続けるため、一
画面の走査が終了する途中で画素Ａが「暗」状態
に反転してしまう危険性をもつていることがわか
る。
このような現象を防ぐ駆動形態として、例えば
第６図ｂに示した方法を用いることができる。こ
の方法は、走査信号及び情報信号を連続的に送る
のではなく、補助信号印加期間として所定の時間
的間隔△ｔを設け、この期間に信号電極をアース
状態とする補助信号を与える態様を表わしてい
る。この補助信号印加期間では走査電極も同様に
アース状態とされるため走査電極と信号電極間に
印加される電圧は０ボルトで、第７図に示す強誘
電性液晶の閾値電圧における電圧印加時の依存性
を実質的に解消することができる。従つて、画素
Ａで生じた「明」状態が「暗」状態に反転するこ
とを防ぐことができる。又、同様のことが他の画
素についても言える。
本発明は、前述したとおり強誘電性液晶が第７
図に示す特性を持つているにもかかわらず一度書
き込まれた情報が次の書き込みが行なわれるまで
の期間に亘つてその情報を維持することができる
点に特徴を有している。
本発明のより好ましい具体例は、第８図のタイ
ムチヤートで表わされる信号を走査電極と信号電
極群に印加することによつて実施することができ
る。
第８図で示すＶを液晶材料、液厚、設定温度や
基板の表面処理条件等によつて適宜決定される所
定の電圧値として表わし、走査信号は、±2Vの交
番するパルスである。該パルスに同期させて情報
信号が信号電極群に送られるが、これは「明」又
は「暗」の情報に対応してそれぞれ＋Ｖ又は−Ｖ
の電圧である。今、走査信号を時系列的に見て、
Ｓo（ｎ番目の走査電極）と、Ｓo+1（ｎ＋１番目
の走査電極）が選択される間に補助信号印加期間
として時間間隔△ｔを設ける。そして、この間に
信号電極群にはＳo走査時の信号と逆極性の補助
信号を送ると各信号電極に与えられる時系列信号
は、例えば第８図のI1〜I3に示すようなものとな
る。すなわち、第８図中の１′，２′，３′，４′，
５′の補助信号がそれぞれ情報信号１，２，３，
４，５の極性と逆転した極性となつている。この
ために、例えば第８図中の画素Ａに印加される電
圧を時系列的に見ると１つの信号電極に同一情報
信号が連続的に与えられても、実際に画素Ａに印
加される電圧はVth以下の電圧が交番しているた
め、強誘電性液晶における閾値電圧に対する電圧
印加時間の依存性が解消されてS1走査時に形成さ
れた所望の（この場合は「明」）情報が次の書き
込みが行なわれるまでの間に反転する心配はな
い。
第９図ａは、第８図に示した駆動形態で、強誘
電液晶セルを駆動する場合の電気系統図を簡略化
して示したものである。走査電極群に与える信号
は、クロツク発生器より発生したクロツク信号
（CS）を走査電極を選択する走査電極セレクタに
送り、これを走査電極ドライバに送ることによつ
て形成される。
一方、信号電極群に与える信号（DM）は、デ
ータ発生器の出力信号（DS）と、クロツク信号
（CS）とから、情報信号と、補助信号を形成しう
るデータ変調器に送られ、さらに信号電極ドライ
バを通して供給される。
第９図ｂは、上記データ変調器によつて出力さ
れる信号の例であつて、前記実施例に基づく第８
図におけるI1信号に対応するものである。
又、第９図ｃは、上記第９図ｂに示した信号を
出力するためのデータ変調器を模式的に示したも
のであつて、２つのインバータ９１および９２と
２つのAND回路９３と９４、さらに１つのOR回
路９５によつて構成される。
又、第１０図は本発明の主旨に従つた別の実施
形態である。すなわち、第８図の実施例で用いた
選択された走査電極に印加した±2Vパルスに代
えて±3Vパルスを印加する例を示している。
本発明の駆動法が有効に達成されるためには、
走査電極或いは信号電極に与えられる電気信号が
必ずしも上記具体例で説明されたような、単純な
対称的矩形波信号でなくてもよいことは自明であ
る。例えば、有効な時間幅が与えられる限りに於
て、正弦波や三角波によつて駆動することも可能
である。又、液晶を挾んでいる２枚の基板の表面
処理状態によりVthは異なる値をもち得ることか
ら、２枚の基板の表面処理状態が異るものであれ
ば、それに応じて、OV（アース）に対して非対
称的な信号を与えることも可能である。又、本実
施形態に於ては、補助信号として前回の情報信号
の極性を反転するもののみをとり上げたが次回の
情報信号と極性を反転するようなものであつても
よいし、電圧絶対値が情報信号の電圧絶対値と異
つてもよい。さらに、補助信号として、前回の情
報信号の内容のみならずそれまでの複数個の情報
信号を統計処理した所望の信号を与えてやること
もできる。
第１１図は、本発明の駆動法の好ましい適用対
象の一例としての、液晶−光シヤツターの模式平
面図である。ここで、１１１は画素であつて、こ
の部分のみ両側の電極を透明なもので形成してい
る。マトリクス電極は、走査電極群１１２と、信
号電極群１１３により構成されている。
【図面の簡単な説明】
第１図および第２図は、本発明の方法に用いる
光学変調素子を模式的に表わす斜視図である。第
３図は、本発明の方法に用いるマトリクス電極構
造の平面図である。第４図ａ〜ｄは、マトリクス
電極に印加する電気信号を表わす説明図である。
第５図ａ〜ｄは、マトリクス電極間に付与された
電圧の波形を表わす説明図である。第６図ａは、
本発明外の駆動法で用いたタイムチヤートの説明
図である。第６図ｂ、第８図および第１０図は、
本発明の駆動法で用いたタイムチヤートの説明図
である。第９図ａは第８図に示すタイムチヤート
で駆動させるフローチヤートの説明図で、第９図
ｂは信号電極群に与えるデータ変調器出力信号
（DM）を形成する態様を表わす説明図で、第９
図ｃは第９図ｂのデータ変調器出力信号（DM）
を形成する回路図である。第７図は、強誘電性液
晶における閾値電圧に対する電圧印加時間の依存
性を表わす説明図である。第１１図は、本発明の
方法を用いた液晶−光シヤツタの模式平面図であ
る。 １１，１１′；透明電極がコートされた基板、
１２；液晶分子層、１３；液晶分子、１４；双極
子モーメント（Ｐ⊥）、２４；上向き双極子モー
メント、２４′；下向き双極子モーメント、２
３；第１の安定状態、２３′；第２の安定状態、
３２，S1，S2，……；走査電極群（走査電極）、
３３，I1，I2，……；信号電極群（信号電極）。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １ 走査電極と信号電極との間に強誘電性液晶が
    配置され、走査電極と信号電極との交差部で画素
    を形成した液晶装置において、前記走査電極に走
    査信号を印加する手段と、前記信号電極に該走査
    信号と同期させて情報信号を印加する手段と、走
    査非選択時の画素に印加される同一極性電圧の印
    加時間が、走査選択時に選択された強誘電性液晶
    の安定状態を反転させる印加時間に到達する前
    に、前記走査非選択時の画素への印加電圧を０又
    は前記同一極性電圧に対して逆極性の電圧に設定
    させる電圧信号を信号電極に印加する手段とを有
    することを特徴とする液晶装置。
JP14295483A 1983-04-13 1983-08-04 液晶装置 Granted JPS6033535A (ja)

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