JPH05303081A - 液晶電気光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 周囲の温度変化によらず一定の性能を発揮す
る液晶電気光学装置を提供する。 【構成】 液晶電気光学装置に必要である光の検出手段
を液晶セルを構成する基板とは分離し、この光の検出手
段と液晶セル内の液晶分子との関係を一定では無く、液
晶電気光学装置の周囲の温度状況に応じてこの関係を任
意に変化させて、周囲の温度状況下での最良の状態で液
晶セルを通過してくる光を検出するようにしたものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、強誘電性液晶を使用し
た液晶電気光学装置に関するものであり、特に使用環境
の温度変化に対応した液晶電気光学装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】最近の画像処理技術の進歩は目ざましい
ものがあり、其に伴いプリンタ等の画像形成装置に対し
ても、高密度、高精彩性が要求されはじめている。同時
に画像表示に対しても、同様に高密度、高精彩性が要求
されはじめている。これを満たすものとして、プリンタ
ではレーザビームプリンタ、ＬＥＤプリンタが実用化さ
れはじめ、画像表示では高精彩ＣＲＴや高デューティー
のマトリクス表示装置が実用化されている。

【０００３】しかしながら、上記の各装置はいずれも高
価であり、装置の構成も複雑になっており、小型化する
ことが非常に困難である。そこで、小型であり、かつ構
造が簡単で軽量で安価な液晶材料を利用したこれら装置
が期待されはじめている。例えば、プリンタの場合、感
光体に照射される光を遮るシャッター部分に液晶が使用
される。この液晶材料としては、ツイステッド・ネマチ
ック液晶が使用され、一般にはこの液晶材料の持つ誘電
率の異方性を利用して駆動している。

【０００４】この駆動とは、外部より液晶材料に印加さ
れた電界はその分子の誘電率の異方性に作用して、液晶
分子を電界方向に揃えるあるいは電界方向と直交する方
向に液晶分子を揃えるように液晶分子に対して作用す
る。このような液晶を使用した液晶シャッターの応答速
度はせいぜい２〜３ｍ秒程度であり、高速のプリンタと
して機能させた場合印字速度が遅く実用に向いていなか
った。そのため液晶シャッターの高速応答が求められ、
少なくとも数μ秒、好ましくはナノ秒オーダーの応答速
度が求められていた。

【０００５】一方、表示装置に関しては、直視型やプロ
ジェクション型等があり、液晶材料の使用は非常に積極
的に行われている。液晶表示装置においては、通常マト
リクス表示を行うため、高密度、高精彩を実現するため
には行並びに列方向の電極の数を増やして、高デューテ
ィー化することが求められる。この為、液晶の高速応答
が求められるが、プリンタの液晶シャッターと同様にｍ
秒程度の応答速度しか実現できず、もっと早い応答が求
められていた。

【０００６】ところで、最近自発分極を有する強誘電性
液晶材料が発見され、注目を集めている。この強誘電性
を発現する液晶材料はその自発分極部分が外部から加え
られた電界に対して応答するもので、従来の液晶材料の
ように誘電率異方性を利用して応答を行うものではない
ため、応答速度が最高で数ナノ秒とういう高速応答を実
現することが可能なものであった。このため、この様な
液晶材料を使用した液晶電気光学装置の開発がおこなわ
れるようになった。

【０００７】この強誘電性を発現する液晶材料は強誘電
性を発現するのは通常スメクチックＣ相あるいはスメク
チックＨ相に限られている。この液晶材料は保持温度に
より様々な相状態を取り、比較的高い温度状態の時に強
誘電性を発現していた。加えて、その温度範囲も限られ
ており、強誘電性液晶材料を使用した液晶電気光学装置
の開発の最初はこの温度範囲を広げることと強誘電性を
発現する温度を低く下げることを中心として行われてき
た。

【０００８】また、強誘電性液晶は保持する温度により
様々な相構造をとるので、周囲の温度変化に対応して、
その相構造、即ち液晶分子の向き等が変化する。このた
め、通常の液晶電気光学装置に要求されるような使用温
度範囲、例えば０℃〜５０℃の間で液晶分子は様々な状
態を取り、これに伴って液晶の電気光学効果の程度も変
化することになる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、周囲の
温度状況により液晶分子の状態が変化するため、それに
伴って電気光学効果の様子も変化することになる。すな
わち、プリンターや液晶表示装置において、その性能評
価の重要な要素である光のＯＮ／ＯＦＦ比（コントラス
ト）が温度によって変化することを意味しており、重大
な問題となっている。この電気光学効果の温度による変
化の一例を図２に示し、その説明を行う。

【００１０】図２はフェニルピリミジン系の強誘電性液
晶を使用し、通常の液晶セルにて、周囲の温度を変化さ
せた場合の表示コントラスト比の値を示すものである。
このコントラスト比の測定に当り、液晶電気光学装置に
設ける偏光板はクロスニコルとし、光の透過が最も少な
くなる際の偏光板に対する液晶分子の分子長軸の角度
（消光位）は周囲の温度が２５℃の時に決定し、固定し
て測定を行った。

【００１１】この際に使用した液晶材料の強誘電性を示
す温度範囲は約−１２℃から７５℃であり、図２より明
らかなように、この温度範囲の室温付近ではあまり、コ
ントラストは変化していないが、室温よりずれた付近で
は、温度変化に対応したコントラストの低下の程度が激
しくなっているのが分かる。

【００１２】このように、コントラストが変化するの
で、実際に液晶電気光学装置として使用する際には、使
用環境の温度状況によって表示状態または光シャッター
の遮光の程度が変化することになり、実用上の問題が発
生していた。このような問題に対しては従来からの開発
方法では、液晶材料を改良して、温度変化に対して、電
気光学効果の変化を極力少なくするように開発が進めら
れてきたが、かなりの時間と費用を必要としていた。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は前述の様な温度
変化による電気光学効果の変化を極力抑えた液晶電気光
学装置に関するものであり、従来のように液晶材料の開
発改良ではなく、他の方法にてこの問題を解決したもの
である。

【００１４】本発明の構成は、液晶電気光学装置に必要
である光の検出手段を液晶セルを構成する基板とは分離
し、この光の検出手段と液晶セル内の液晶分子との関係
を一定では無く、液晶電気光学装置の周囲の温度状況に
応じてこの関係を任意に変化させて、周囲の温度状況下
での最良の状態で液晶セルを通過してくる光を検出する
ようにしたものである。

【００１５】本発明者らは図２に示されるような、周囲
の温度変化に応じて、液晶セルを通過する光のコントラ
ストが変化する状況を鋭意検討した結果、このコントラ
ストの低下は光の検出手段（例えば偏光板）と液晶セル
中の液晶分子の方向が周囲の温度変化によって、当初の
条件よりずれるために発生するとの知見を得、本発明の
構成に至ったものである。

【００１６】すなわち、従来の液晶電気光学装置におい
ては、光の検出手段（例えば偏光板）は必ず、液晶セル
のガラス基板に張り付けられていて、この張り付ける方
向は特定の温度条件下での電気光学特性のデータに基づ
いて通常は決定される。一方液晶分子は周囲の温度が変
化するにつれて、その方向を変化させると同時に液晶分
子が取り得る２つの状態間の開き角度（コーン角）も同
時に変化させていることが分かった。この状況を図３に
示す。図３は液晶電気光学装置の周囲の温度を変化させ
た場合の液晶分子の取りえる２つの角度位置を示してお
り、液晶に加える電界の方向を変化させて得られる消光
位を意味している。つまり図３の白丸印で示されるデー
タは液晶セルの一方向の向きに電界を加えた場合に得ら
れた消光位の角度位置を示し、三角印で示されるデータ
は液晶セルの先程とは反対の向きに電界を加えた場合に
得られる消光位の角度位置を示している。なお、この時
の角度は基板の或る一辺に沿った方向を０°として、消
光位を求める際には偏光板と基板の角度を回転させてそ
の値を求めた。

【００１７】このように、強誘電性液晶分子の取る２つ
の状態間の角度（コーン角）が変化することは従来良く
知られていたが、その他に液晶分子自身の方向も温度に
よって変化することが判明した、その為に従来のように
特定の温度条件で決定された偏光板の方向によって、基
板に偏光板を張り付けると、温度の変化によってコーン
角が変化する為とさらに液晶分子の方向がずれる為に完
全な消光位が得られなくなるために、コントラストが低
下することが判明した。

【００１８】従来の技術が液晶材料自身の問題であるコ
ーン角の温度変化を減らすことでこの問題を解決しよう
としたのに対し、本発明では、光検出手段と液晶分子の
長軸方向のずれを極力なくすことにより、液晶電気光学
装置の周囲の温度変化によってもコントラストの変化の
少ない液晶電気光学装置を実現するものである。

【００１９】図１に本発明の液晶電気光学装置の概略断
面図を記載する。図１において、１は液晶セルの基板を
示し、この基板に挟まれた空間中に強誘電性の液晶材料
２が充填されている。この液晶材料２はその近傍にある
電極３によって、電界を加えることができ、この電界の
向きに従って、強誘電性液晶材料２は異なる２状態間を
遷移し、液晶電気光学効果を発現する。

【００２０】この液晶セル４を挟むような位置に光検出
手段５および６が設けられている。この光検出手段は例
えば偏光板等であり、この光検出手段は液晶セル４に固
定されず、例えば、図１の支点７によって支えられて、
液晶セル中の液晶分子の向きと光検出手段とのなす角度
を変更できるようにしてある。この支点の位置は特にこ
の場所に限定されることはなく、液晶セルの中心付近や
その他の所にも設けることが可能である。

【００２１】さらに、この光検出手段と液晶セルの角度
の関係は周囲の温度状況に応じて、バネ、バイメタル材
料、マニュピレーター、マイクロモーター等の手段を使
用して、連続的に変化させることができ、これによっ
て、使用する温度での最良のコントラストを得られるよ
うに、コントロールすることができる。

【００２２】

【実施例】本実施例では基本的に図１に示す構造の液晶
電気光学装置を利用する。光検出手段としては、一般に
使用されているフィルム上の偏光板５、６を使用し、こ
の偏光板を液晶セルとは独立している他の透明板８上に
はりつけている。本実施例ではこの偏光板５、６の偏光
方向をクロスニコルに設定して行った。

【００２３】この偏光板がはりつけられた板８と液晶セ
ル４との関係を示す上面図を図５に記載する。図５
（Ａ）はこの板８と液晶セル４のの外形がほぼ平行状態
にあることを示しており、本実施例ではこのような状態
にて、室温付近（２５℃）でもっともコントラストが高
くなるように偏光板５、６を板８にはりつけてある。す
なわち、図５（Ａ）の状態にして、２５℃の時に液晶分
子の取りえる２状態のうちどちらか一方の方向にあわせ
て、消光位が得られるように偏光板５、６を板８にはり
つけたものである。

【００２４】本実施例では、温度センサーとマイコンを
使用して自動的に液晶電気光学装置の最良のコントラス
トを得られるように角度補正ユニット１０を支点７より
離れた位置に設け、周囲の温度変化に対応して偏光板と
液晶セルとの角度の補正を行う。すなわち、予め、液晶
材料の使用可能な温度範囲において、ある温度において
良好なコントラストが得られる液晶セル４と板８との関
係条件を調査しておく。次に使用温度範囲を適当なブロ
ックにわけ、温度センサーにより得た温度によりその温
度の含まれるブロックに対応する角度条件をなすよう
に、液晶セル４あるいは板８に対して外部より力を与え
て、微妙に動かし、良好なコントラストを得るものであ
る。

【００２５】この角度補正ユニット１０においては、温
度センサーの値をマイコンに入力にマイコンではこの温
度に応じて、マイクロモーターに指示を出し、このモー
ターの回転運動を直線運動に変換して、液晶セル４ある
いは板８端面に力え加えて動かす事になる。

【００２６】この様子を図５（Ｂ）に示す。このように
角度補正ユニット１０は支点７とは別のところに設置さ
れ、この部分で、液晶セル４あるいは板８に直線的な力
を加えることで、液晶セル４あるいは板８は支点７を中
心として、回転し、結果として板８にはりつけた偏光板
と液晶セル４中の液晶分子との角度の関係を任意に変更
できる。

【００２７】本実施例では上記のようにマイコン、モー
ター、センサー等を使用して複雑な構成で角度の補正を
行ったが、特にこの構成にとらわれることはなく、その
他の構成でも、手動でも可能である。例えば、バイメタ
ル等の特性を利用し、そのバイメタルの温度特性と曲が
る方向を液晶電気光学装置の特性に合うように、支点か
らの位置や設置する方向を合わせて設けることでも、同
様の効果を実現することができる。

【００２８】このような構成の液晶電気光学装置を使用
した結果を図４に示す。使用した液晶材料は図２のデー
タを取った際に使用した液晶材料とおなじ、フェニルピ
リミジン系の液晶材料であり、このように実際に使用す
る温度範囲において、ほぼ一定のコントラストを発揮す
ることができている。特に高温側でのコントラストの改
善が著しい。

【００２９】

【発明の効果】本発明の構成をとることにより、液晶材
料の持つ温度特性によって影響される液晶電気光学装置
のコントラストの変化を極力すくなくすることができ、
使用温度範囲において一定のコントラストを実現するこ
とができた。これにより、従来の装置では温度変化が激
しいために使用出来なかった液晶材料も使用可能とな
り、材料選択に余裕をもたせることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液晶電気光学装置の概略断面図。

【図２】従来の液晶電気光学装置のコントラストの温度
変化の様子。

【図３】従来の液晶電気光学装置中の液晶分子が取る方
向の温度変化の様子。

【図４】本発明の液晶電気光学装置のコントラストの温
度変化の様子。

【図５】本発明の液晶電気光学装置の一例を示す概略
図。

【符号の説明】

１・・・基板 ２・・・液晶材料 ４・・・液晶セル ５、６・偏光板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森 晴美 神奈川県厚木市長谷398番地 株式会社半 導体エネルギー研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一対の基板と液晶材料と前記液晶材料に
   電界を印加する手段とを少なくとも有する液晶セルと前
   記液晶セルを構成する基板とは別に光検出手段を設け、
   前記液晶セルと前記光検出手段との関係を変更可能とし
   たことを特徴とする液晶電気光学装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の液晶電気光学装置であっ
   て、前記液晶セルと前記光検出手段との関係を周囲の温
   度状況に応じて可変し、使用温度状態で、良好なコント
   ラストを実現することを特徴とする液晶電気光学装置。