(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の基板間にツイスト角が１８０度以上のネマチック液晶を狭持し、画素を備える液晶素子と、該液晶素子をはさんで配置する一対の偏光板とを備え、前記一対の偏光板の吸収軸のなす角度を８０゜〜１００゜の範囲とし、前記偏光板の吸収軸と前記液晶素子の中央液晶分子方向とのなす角度を±４０゜〜±５０゜の範囲とし、前記画素へ電圧を印加している閉状態から、電圧を無印加とすると、電圧無印加時における初期透過率より高い最大透過率を示す保持期間を経て、前記初期透過率へと戻る特徴を備えた液晶シャッタの駆動方法であって、前記画素を開閉または半開状態にする走査期間を前記保持時間より短くし、さらに前記走査期間の前には、全画素に電圧を印加して閉状態にするリセット期間を設定する液晶シャッタの駆動方法。
【請求項２】
一対の基板間にツイスト角が１８０度以上のネマチック液晶を狭持し、画素を備える液晶素子と、該液晶素子をはさんで配置する一対の偏光板とを備え、前記一対の偏光板の吸収軸のなす角度を８０゜〜１００゜の範囲とし、前記ネマチック液晶の複屈折率Δｎと、前記一対の基板の隙間ｄとの積であるΔｎｄを６００〜９００ｎｍの範囲とし  、前記画素へ電圧を印加している閉状態から、電圧を無印加とすると、電圧無印加時における初期透過率より高い最大透過率を示す保持期間を経て、前記初期透過率へと戻る特徴を備えた液晶シャッタの駆動方法であって、前記画素を開閉または半開状態にする走査期間を前記保持時間より短くし、さらに前記走査期間の前には、全画素に電圧を印加して閉状態にするリセット期間を設定する液晶シャッタの駆動方法。
【請求項３】
前記走査期間に印加する電圧を０Ｖに保持する時間を可変とすることによって、階調表示を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の液晶シャッタの駆動方法。
【請求項４】
前記走査期間の印加電圧をＯＶから可変とすることによって、階調表示を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液晶シャッタの駆動方法。
【請求項５】
前記リセット期間と前記走査期間とからなるフレ−ム期間の長さを液晶素子の温度に応じて制御し、前記フレ−ム期間の長さを低温では長く、高温では短くすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液晶シャッタの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶光プリンタや液晶光学素子に用いる高速応答を特徴とする液晶シャッタと、液晶シャッタの駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶プリンタや、液晶光学素子に用いる液晶シャッタとしては、高速応答で明るく高コントラストが得られ、かつ駆動方法も単純で、さらに階調表示が可能なものが要求されているが、全てを満足するものは、まだ開発されていない。
【０００３】
現在までに開発されている液晶シャッタとしては、使用する液晶材料によって、（１）一般のネマチック液晶を用いるものと、（２）周波数によって誘電率の正負が異なる２周波駆動用ネマチック液晶を用いるもの、（３）自発分極を持った強誘電性液晶を用いるものに大別される。
【０００４】
（２）の２周波駆動用ネマチック液晶を用いた液晶シャッタは高速応答性を有するが、駆動電圧が高くかつ駆動周波数も高いため、駆動回路が複雑になる。（３）の強誘電性液晶を用いた液晶シャッタは、２周波駆動よりさらに速く、数十μ秒の応答時間で動作するが、スメクティック液晶相を用いているため配向安定性に問題があり、また直流駆動が原因で表示パターンが固定する焼付問題、原理的に階調表示の難しさがあり、特殊用途以外では実用化していない。
【０００５】
一方、（１）の一般のネマチック液晶を用いた液晶シャッタも、その動作原理より（ａ）入射した光を回転する旋光性とよぶ性質を利用して白または黒表示を行い、画素に電圧を印加して、液晶分子を基板にほぼ垂直に立たせて旋光性を解除することで黒または白表示をする、いわゆるＴＮ（ツイステッド  ネマチック）液晶方式のもの、（ｂ）入射した光に位相差を生じさせる複屈折性を利用して白または黒表示を行い、表示画素に電圧を印加して複屈折性を可変として黒または白表示を行う、いわゆるＳＴＮ（スーパー  ツイステッド  ネマチック）液晶方式ものが知られている。
【０００６】
（ａ）の一例として、特開昭６２−１５０３３０号公報に示されている。図１０と図１１を用いて、従来例を説明する。図１１は、従来のＴＮ液晶シャッタの断面図で、図１０は、図１１を上偏光板９側から見たときの配置を表す平面図である。ＩＴＯからなる第１の電極２と配向膜３を形成した第１の基板１と、ＩＴＯからなる第２の電極５と配向膜６を形成した第２の基板４と、ネマチック液晶７とからなる液晶素子と、吸収軸が直交するように配置してある下偏光板８と上偏光板９とからなる。ここで、液晶素子のツイスト角は９０゜であり、下偏光板の吸収軸１３は第１の基板１の液晶の配向方向である下液晶分子配向方向１０と平行であり、上偏光板の吸収軸１４は第２の基板４の液晶の配向方向である上液晶配向方向１１と平行である。
【０００７】
電圧無印加の状態では、下偏光板８より入射した直線偏光は、液晶の旋光性により９０゜回転し、上偏光板９より出射し、開状態となり、いわゆるポジ型表示になっている。駆動周波数５ｋＨｚで１５Ｖの電圧を印加すると液晶分子が基板に垂直方向に立ち、旋光性が無くなるので、下偏光板８により入射した直線偏光は、そのまま液晶素子中を回転せずに進行し、上偏光板９で遮られるため閉状態となる。
【０００８】
（ｂ）の一例として、一般の液晶表示装置に用いられているイエローモードと呼ばれているＳＴＮ液晶表示装置がある。図１２と図１３を用いて、従来例を説明する。図１３は、従来のＳＴＮ液晶表示装置の断面図で、図１２は、図１３を上偏光板９側から見たときの配置を表す平面図である。ＩＴＯからなる第１の電極２と配向膜３を形成した第１の基板１と、ＩＴＯからなる第２の電極５と配向膜６を形成した第２の基板４と、ネマチック液晶７とからなる液晶素子と、吸収軸が６０゜に交差するように配置してある下偏光板８と上偏光板９とからなる。ここで、液晶素子のツイスト角は２４０゜であり、下偏光板の吸収軸１３は第１の基板１の液晶の配向方向である下液晶分子配向方向１０と４５゜の位置であり、上偏光板の吸収軸１４は第２の基板６の液晶の配向方向である上液晶分子配向方向１１と４５゜の位置である。従って、第１の基板１と第２の基板４の中間の液晶分子配向方向にあたる中央液晶分子方向１２と下偏光板吸収軸１３は、７５゜の位置であり、中央液晶分子方向１２と上偏光板吸収軸１４は、１５゜の位置に配置されている。
【０００９】
電圧無印加の状態では、下偏光板８より液晶分子に対して４５゜方向で入射した直線偏光は、液晶の複屈折性により楕円偏光状態となり、上偏光板９より黄色みを帯びた白色として出射する開状態となり、いわゆるポジ型表示になっている。駆動周波数１〜５ｋＨｚで３〜５Ｖの電圧を印加すると液晶分子７が基板に垂直方向に立ち、液晶の複屈折性が減少し、下偏光板８により入射した直線偏光は、楕円偏光の状態が変化し、上偏光板９より青みを帯びた黒となり出射し、閉状態となる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、（ａ）の方式では、開状態から電圧を印加して閉状態にする応答時間は数ｍｓと短いが、閉状態から電圧を除去して開状態に戻す応答時間が１０〜数十ｍｓと長いために、開閉を繰り返す書き込み周期であるフレ−ム期間を長くせねばならず、その結果、液晶プリンタでは書き込み時間が長くなり、印字速度が低下し、また、フレ−ム期間として数ｍｓが必要な高速の液晶光学素子には応用できない。
【００１１】
また、前記公報の実施例中には、９０゜ツイスト以外にも、２７０゜ツイストまたは４５０゜ツイスト状態の液晶素子は、開状態に戻す応答時間が短くなりより好ましいと記載されている。確かに、２７０゜ツイストの方が９０゜ツイストより応答時間は短くなるが、配向安定性が難しく、高プレチルトが得られるＳｉＯ斜方蒸着膜を用いる等の特殊な配向膜を使用しなければならず、実用的ではない。
【００１２】
また、（ｂ）の方式では、液晶素子に実用的な２２５〜２５０゜ツイストのいわゆるＳＴＮ液晶素子を用いることで、閉状態から開状態への応答時間は数ｍｓと速くできるが、閉状態が液晶素子に電圧を印加して、青みを帯びた黒となっているため、コントラストが１０程度と低い上に、印加電圧をさらに高くしてゆくと、楕円偏光状態が変化して再度明るくなってしまう為、印加電圧をあまり高く設定できず、開から閉への応答時間が１０〜数十ｍｓと長くなり、液晶シャッタとしては、あまり用いられていない。
【００１３】
本発明の目的は、高速応答でかつ高コントラストが得られる液晶シャッタの駆動方法を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に用いる液晶シャッタは、一対の基板の間にツイスト角が１８０度以上のネマチック液晶を狭持してなる液晶素子と、該液晶素子をはさんで配置する一対の偏光板とを備え、前記一対の偏光板の吸収軸のなす角度を８０゜〜１００゜の範囲とし、前記偏光板の吸収軸と前記液晶素子の中央液晶分子方向とがなす角度を±４０゜〜±５０゜の範囲としている。
【００１５】
また本発明に用いる液晶シャッタは、一対の基板の間にツイスト角が１８０度以上のネマチック液晶を狭持してなる液晶素子と、該液晶素子をはさんで配置する一対の偏光板とを備え、前記一対の偏光板の吸収軸のなす角度を８０゜〜１００゜の範囲とし、前記ネマチック液晶の複屈折率Δｎと、第１の基板と第２の基板の隙間ｄとの積であるΔｎｄを６００〜９００ｎｍの範囲としている。
【００１６】
また本発明で用いる液晶シャッタとして、偏光板の吸収軸と液晶素子の中央液晶分子方向とがなす角度を±４０゜〜±５０゜の範囲とし、さらにネマチック液晶の複屈折率Δｎと、一対の基板の隙間ｄとの積であるΔｎｄを６００〜９００ｎｍの範囲としても良い。
【００１７】
ここで、さらにネマチック液晶のネジレピッチＰと、第１の基板と第２の基板の隙間ｄとの商であるｄ／Ｐを０．５〜０．９の範囲とした液晶シャッタであっても良い。
【００１８】
また、一対の基板の隙間ｄとの商であるｄ／Ｐを０．５〜０．９の範囲とし、さらにネマチック液晶の複屈折率Δｎと、一対の基板の隙間ｄとの積であるΔｎｄを６００〜９００ｎｍの範囲とした液晶シャッタであっても良い。
【００１９】
さらに、液晶素子の中央液晶分子方向とがなす角度を±４０゜〜±５０゜の範囲とし、ネマチック液晶のネジレピッチＰと、一対の基板の隙間ｄとの商であるｄ／Ｐを０．５〜０．９の範囲とし、さらにネマチック液晶の複屈折率Δｎと、一対の基板の隙間ｄとの積であるΔｎｄを６００〜９００ｎｍの範囲としても構わない。
【００２０】
本発明による液晶シャッタの駆動方法は、先に記載した液晶シャッタを用いた駆動方法であって、液晶シャッタは画素に電圧を印加する事により、一旦は電圧無印加時の初期透過率より透過率が高くなり、最大透過率の開状態を経た後に透過率がほぼゼロとなる閉状態を有しており、画素への１回の書き込みには、全画素を閉状態にするリセット期間と、所望の画素を開閉または半開状態にする走査期間とを備え、画素が最大透過率を維持している保持時間より、走査期間を短くすることによって明るい表示を得かつ明るさを一定にすることを特徴とする。
【００２１】
また、この走査期間に印加される電圧を０Ｖに保持する時間を可変とすることによって階調表示を行い、さらに走査期間の時間を液晶シャッタが最大透過率を維持している保持時間より短くすることによって階調表示の色変化を少なくしたことを特徴とする。
【００２２】
あるいは、走査期間の印加電圧を０Ｖから可変とすることによって階調表示を行い、かつ、走査期間の時間を液晶シャッタが最大透過率を維持している保持時間より短くすることによって階調表示の色変化を少なくしたことを特徴とする。
【００２３】
あるいは、走査期間の時間を液晶シャッタが最大透過率を維持している保持時間より短くし、フレ−ム期間の長さを基板温度に応じて制御し、このフレ−ム期間の長さを低温では長く、高温では短くすることによって液晶シャッターの明るさを一定に保つことを特徴とする。
【００２５】
（作用）
本発明による液晶シャッタの作用について、図３と図４を用いて説明する。図３の実線で示す曲線２０は、本発明に用いる液晶シャッタの印加電圧に対する透過率変化を示す電圧−透過率曲線である。比較の為に、従来のイエローモードのＳＴＮ液晶表示装置の電圧−透過率を破線で示す曲線２１で表す。どちらも、２４０゜ツイストのＳＴＮ液晶素子で、Δｎｄは８００ｎｍで等しく、偏光板交差角と偏光板配置のみが異なっている。本発明の液晶シャッタでは、上下１組の偏光板の吸収軸は直交しており、従来のイエローモードＳＴＮ液晶素子では、上下１組の偏光板の吸収軸は６０゜に交差し、図１２に示す配置となっている。
【００２６】
どちらも、電圧無印加時の開状態は、液晶素子の複屈折性を用いている。しかし、従来のイエローモードの方が、複屈折性が大きくなるように偏光板が配置されているため透過率は高いが、黄色く着色している。一方、本発明の液晶シャッタも複屈折性を利用しているので、電圧無印加の初期透過率Ｙ０では、僅かに黄色く着色するが、電圧を印加すると最大透過率Ｙｍに達し、ほぼ無彩色になり、その後、透過率が低下する。この電圧−透過率曲線２０は、偏光板配置の影響を大きく受け、最適化することで、明るく良好な特性を得られる。
【００２７】
図４は、本発明の液晶シャッタに用いる液晶素子で、実験より求めた、偏光板の配置と透過率の関係を示すグラフである。曲線２３は、上下の偏光板吸収軸交差角を９０゜に固定したまま、第１の基板と第２の基板の中間に位置する中央液晶分子方向から下偏光板吸収軸を回転した時の電圧無印加の初期透過率Ｙ０を示し、曲線２２は最大透過率Ｙｍを示す。下偏光板吸収軸を中央液晶分子方向に対して±４５゜に配置することで、最も初期透過率Ｙ０と最大透過率Ｙｍを高くでき、かつ、実測したところ、色彩も無彩色に近く、良好な特性である。
【００２８】
また、イエローモードは、閉状態も複屈折性を利用しているので、図３の破線で示す曲線２１で示したように３Ｖ程度の低電圧で黒特性が得られるが、青みを帯び、透過率が完全には下がらず、コントラストは低い。さらに電圧を印加すると、再度、透過率は上昇し、さらにコントラストが低下するため、高電圧を印加できず、開から閉への応答時間を速くできない。
【００２９】
しかし、本発明の液晶シャッタは、液晶素子が基板に対してほぼ垂直に立って、複屈折性が無くなった状態を閉状態に用いている。そのため、図３の実線で示す曲線２０に示すように、１０Ｖ以上の高電圧が必要であるが、高コントラストが得られ、同時に開から閉への応答時間は１ｍｓ以下まで速くできる。
【００３０】
また、本発明の液晶シャッタの閉から開への応答時間は、１８０゜ツイスト以上の液晶素子を用いているので、偏光板を液晶分子と平行に配置して旋光性を利用する９０゜ツイストの従来のＴＮ液晶シャッタより非常に速く１〜３ｍｓであり、高速応答が可能となる。
【００３１】
従って、本発明では、１８０゜ツイスト以上のねじれを持つ液晶素子を用い、開状態は偏光板を液晶分子とずらして配置することで複屈折性を利用し、閉状態は液晶が基板に対して垂直に立って、複屈折性がほとんど無くなった状態を利用することで、高コントラストでかつ高速応答の液晶シャッタを提供することが可能となる。
【００３２】
次に、良好な階調表示を得られる本発明の液晶シャッタの駆動方法の作用について説明する。本発明の液晶シャッタは、図３に示すように、電圧無印加の初期透過率Ｙ０から最大透過率Ｙｍを経てから黒表示の閉状態になる。初期透過率Ｙ０では、黄色く着色しており、階調表示を行うには、この状態を用いることは好ましくない。
【００３３】
一方、閉状態から電圧を除去した場合、透過率は急激に上昇し、ある程度の時間、最大透過率Ｙｍの状態を保持してから初期透過率Ｙ０に戻ることを実験で確認した。従って、最大透過率Ｙｍの状態を維持している保持時間以内で開閉を繰り返せば、最大の明るさが得られ、かつ一定の明るさを維持でき、さらに、着色の無い、直線性の良好な階調表示が可能になる。
【００３４】
そこで、１回の書き込みを行うフレ−ム期間を、全画素を閉状態にするリセット期間と、書き込みを行う走査期間とから構成し、走査期間を最大透過率Ｙｍの状態を維持する保持時間より短くし、最大透過率Ｙｍから初期透過率Ｙ０に戻る前にリセット期間で強制的に閉状態にもどすことで、明るく、かつ、良好な階調表示が可能な駆動方法を提供することが可能となる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下に本発明を実施するための最適な実施形態における液晶シャッタの構成と液晶シャッタの駆動方法をを図面に基づいて説明する。
【００３６】
図２は、本発明の第１の実施の形態における液晶シャッタの構造を示す断面図であり、図１は図２を上から見た様子を示す平面図である。以下、図１と図２とを交互に用いて本発明の液晶シャッタの構成を説明する。
【００３７】
本実施の形態の液晶シャッタは、ＩＴＯからなる第１の電極２と配向膜３を形成した厚さ０．７ｍｍのガラスからなる第１の基板１と、ＩＴＯからなる第２の電極５と配向膜６を形成した厚さＯ．７ｍｍのガラスからなる第２の基板４と、ネマチック液晶７とから液晶素子が形成されている。使用するネマチック液晶の複屈折Δｎは０．２で、第１の基板１と第２の基板６の隙間ｄは４μｍであるので、液晶素子としての、複屈折性を示すΔｎｄ値は８００ｎｍに設定する。
【００３８】
第１の基板１の配向膜３は、図１の下液晶分子配向方向１０にラビング処理をしてあり、第２の基板４の配向膜６は、上液晶分子配向方向１１にラビング処理がなされている。粘度１８ｃｐのネマチック液晶には、カイラル材と呼ぶ旋回性物質を添加し、ネジレピッチＰを８μｍに調整し、ｄ／Ｐ＝０．５とし、左回り２４０゜ツイスト液晶素子を形成する。
【００３９】
下偏光板吸収軸１３と上偏光板吸収軸１４が直交するように、液晶素子の両外側に下偏光板８と上偏光板９とを配置してある。下偏光板吸収軸１３は、ネマチック液晶７の第１の基板１と第２の基板４の中間部の液晶配向方向を示す中央液晶分子方向１２と左回り４５゜の角度で配置され、上偏光板吸収軸１４は、中央液晶分子方向１２と右回り４５゜の角度で配置し、ポジ型液晶シャッタを構成している。
【００４０】
電圧無印加の状態では、下偏光板８より入射した直線偏光は、液晶の複屈折性により楕円偏光となり、上偏光板９より僅かに黄色く着色した白表示となって出射する開状態となり、いわゆるポジ型表示になっている。直流または交流で１０〜２０Ｖの電圧を印加すると液晶分子が基板に垂直方向に立ち、複屈折性が無くなり、下偏光板８により入射した直線偏光は、そのまま液晶素子中を進行し、上偏光板９で遮られるため黒表示の閉状態となる。
【００４１】
図３の実線で示す曲線２０は、本発明の液晶シャッタの透過率−電圧曲線を示す。電圧無印加の初期透過率Ｙ０から、徐々に透過率が上昇し、印加電圧２Ｖ付近で最大透過率Ｙｍに達した後、透過率は減少してゆく。印加電圧１０Ｖの透過率は初期透過率Ｙ０の１／５０程度となり、コントラスト比は、５０前後であるが、さらに高電圧の２０Ｖを印加するとコントラスト比は１００以上得られる。
【００４２】
前述したように、電圧無印加で白表示する開状態は、液晶素子の複屈折性を用いているので、偏光板配置と液晶素子複屈折性を表すΔｎｄの設定が重要で、明るさと着色状態に大きく影響する。
【００４３】
図４に２４０゜ツイストでΔｎｄ＝８００ｎｍの液晶素子で、下偏光板吸収軸１３と上偏光板吸収軸１４の交差角を９０゜に固定したまま、中央液晶分子方向から左回りに下偏光板８を回転した時の下偏光板配置角と液晶シャッタの透過率を示す。実線で示す曲線２２が最大透過率Ｙｍと偏光板配置角の関係を表し、破線で示す曲線２３が電圧無印加の初期透過率Ｙ０と偏光板配置角の関係を示す。偏光板配置角度が−６０゜の状態では下液晶分子配向方向１０と下偏光板吸収軸１３とが平行になる。偏光板配置角度が−４５゜と＋４５゜の状態では初期透過率Ｙ０も最大透過率Ｙｍも極大値を示し、かつ着色も少なく、最も好ましい。
【００４４】
図５に２４０゜ツイストの液晶素子で、下偏光板吸収軸１３と上偏光板吸収軸１４の交差角は９０゜とし、中央液晶分子方向１２から左回りに下偏光板吸収軸１３を４５゜回転させた位置に配置した状態における液晶素子のΔｎｄと液晶シャッタの透過率を示す。実線で示す曲線２４が最大透過率Ｙｍを表し、破線で示す曲線２５が電圧無印加の初期透過率Ｙ０を示す。Δｎｄ＝６５０ｎｍで最大透過率Ｙｍは最大になり、Δｎｄが大きくなってもあまり変化しないが、電圧無印加の初期透過率Ｙ０は徐々に低下するので、あまりΔｎｄが大きすぎると好ましくない。逆に、Δｎｄが６５０ｎｍより小さいと、最大透過率Ｙｍも小さくなるので、Δｎｄ値としては、６００ｎｍから９００ｎｍが良く、特に７００ｎｍから８００ｎｍが好ましい。
【００４５】
最適Δｎｄ値は、ツイスト角により、多少変動するが、ツイスト角１８０゜から２６０゜の範囲では、ほぼ６００ｎｍから９００ｎｍにおさまる。
【００４６】
本実施の形態では、ツイスト角を２４０゜で、Δｎｄ＝８００ｎｍに設定したので、明るくかつ着色の比較的少ない白表示の開状態が得られ、駆動電圧を２０Ｖ印加した時のコントラストは１００以上得られる。
【００４７】
次に、本発明の第１の実施の形態の液晶シャッタの応答時間と駆動方法について説明する。図６は、本発明の液晶シャッタに、１００Ｈｚ２０Ｖの交流信号を５０ｍｓ印加した時の駆動波形３０と透過率の時間変化を表す透過率−時間曲線３１である。電圧無印加の開状態から交流信号を印加すると、一瞬透過率が上昇後、黒くなる。オン応答時間２６は、印加電圧の影響を受け、高電圧を液晶シャッタに印加するほど早くなる。本実施の形態の液晶シャッタには、２０Ｖの高電圧を印加しているので、オン応答時間２６は１ｍｓ未満と非常に高速である。
【００４８】
一方、閉状態から交流信号を０Ｖに戻すと、約２ｍｓで最大透過率になった後、約２０ｍｓ後に初期透過率に戻る。閉から開へ戻る応答時間は、液晶ねじれを戻す弾性力を用いているので、ツイスト角の大きい液晶素子の方が早くなる。液晶素子としての本来の応答時間の定義は、液晶分子変化が安定するまでの時間であり、図６においては２０ｍｓとなるが、液晶シャッタとして利用するのであれば、白表示の開状態に戻るまでの時間が応答時間として有効であるので、２４０゜ツイストである本発明の液晶シャッタのオフ応答時間２７は２ｍｓとなり、高速応答の液晶シャッタが得られる。
【００４９】
また、閉状態の黒から開状態の最大透過率を示すまでは、比較的に着色が少なく青みを帯びた白表示をする。最大透過率を維持している保持時間２８である約１０ｍｓを過ぎた後は、多少黄色く着色しながら透過率が低下する。従って、階調表示を行う為には、液晶シャッタが最大透過率を維持している保持時間２８以内にリセット信号を印加して閉状態に戻し、閉状態と最大透過率間の着色の少ない状態を利用することで、明るく、かつ、階調表示を良好に行うことができる。
【００５０】
図７に、本発明の液晶シャッタをカラ−ビデオ液晶プリンタに応用した時の駆動波形３２および透過率−時間曲線３３を示す。リセット期間Ｔｒをオン応答時間２６より長い１ｍｓに、走査期間Ｔｓを保持時間２８の１０ｍｓより短い４ｍｓに設定してある。１回の書き込み期間に相当し、１つのリセット期間Ｔｒと１つの走査期間Ｔｓで構成されるフレーム期間Ｔｆを図７に示す。図７の左端にあたる第１フレームは全開状態を、中央の第２フレームは半開状態を、右端にあたる第３フレームは閉状態を示している。
【００５１】
リセット期間Ｔｒでは、全画素を閉状態にするために、２０Ｖの直流信号がリセット波形として印加される。走査期間Ｔｓで印加する走査波形として、全開状態にする場合は、走査期間中全て０Ｖに、閉状態を保つ場合は、走査期間中２０Ｖに、中間調を出すために半開状態では、走査期間Ｔｓの１／２の２ｍｓの区間は０Ｖにし、残りの２ｍｓの区間には２０Ｖを印加する。
【００５２】
リセット波形と走査波形の極性を１フレーム毎に反転することで、液晶素子への長期間の直流電圧の印加を抑制している。リセット期間Ｔｒで液晶シャッタの全画素を閉状態に戻した後、走査期間Ｔｓで、印加電圧を０Ｖにする時間を可変とすることで、所定の画素のみを開閉または任意の階調表示状態にする。
【００５３】
走査期間Ｔｓは４ｍｓに設定してあるので、閉状態から最大透過率Ｙｍに達するオフ応答時間２７の２ｍｓよりは長く、かつ、最大透過率Ｙｍを維持する保持時間２８の１０ｍｓよりは短いので、色変化が少なくかつ直線性の良好な階調表示が可能な液晶シャッタが得られ、高画質のフルカラー画像プリントを得ることができた。
【００５４】
本実施の形態では、液晶素子として２４０゜ツイストを用いたが、１８０゜ツイスト以上のねじれを持つ液晶素子を用いることで、同様な効果を得ることが可能である。
【００５５】
また、上下偏光板の吸収軸はおおむね９０゜に交差していれば良く、偏光板配置角も中央液晶分子方向と４０゜〜５０゜の間でも可能である。
【００５６】
また、本実施の形態では、偏光板吸収軸を中央液晶分子方向に対して±４５゜に配置し、液晶素子のΔｎｄを８００ｎｍにしたが、偏光板配置を±４５゜とし、液晶素子のΔｎｄを８００ｎｍ以外としても、ある程度の効果は得られる。また、液晶素子のΔｎｄを６００から９００ｎｍの範囲に設定し、偏光板配置を±４５゜以外に設定しても、ある程度の効果は得られる。
【００５７】
また、本実施の形態では、走査期間Ｔｓで印加する電圧をオフ電圧である０Ｖに保持する時間を可変とすることによって階調表示を行ったが、走査期間に印加する電圧を０Ｖから変化させて、オフ応答時間２７を遅くすることで、電圧変調方式で階調表示を行うことも可能である。
【００５８】
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態として、第１の実施の形態で用いた液晶シャッタと同一構成の液晶シャッタを用いた第２の駆動方法を、図６と図８と図９とを用いて説明する。
【００５９】
図８は、本発明の液晶シャッタをカラ−ビデオ液晶プリンタに応用した時の室温での駆動波形３４および透過率−時間曲線３５で、図９は、０゜Ｃでの駆動波形３６および透過率−時間曲線３７を示す。図８において、室温でのリセット期間Ｔｒを１ｍｓに、走査期間Ｔｓを最大透過率を維持している保持時間２８の１０ｍｓより短い４ｍｓに設定してある。１回の書き込み期間に相当するフレ−ム期間Ｔｆは、１つのリセット期間Ｔｒと１つの走査期間Ｔｓで構成される。図８の左端にあたる第１フレームは全開状態で、第１フレームの右隣の第２フレームは半開状態で、第２フレームの右隣の第３フレームは閉状態を示し、これを２回繰り返して図示してある。
【００６０】
室温でのリセット期間Ｔｒでは、全画素を閉状態にするために、２０Ｖで幅０．５ｍｓのパルスが正負１組でリセット波形として印加される。走査期間Ｔｓで印加する走査波形として、全開状態にする場合は、走査期間Ｔｓ中全て０Ｖに、閉状態を保つ場合は、走査期間Ｔｓ中２０Ｖで幅０．５ｍｓのパルス波形が印加され、中間調を出すための半開状態では、走査期間Ｔｓの１／２の２ｍｓの区間は０Ｖにし、残りの２ｍｓの区間には２０Ｖで幅０．５ｍのパルス波形を印加する。
【００６１】
リセット波形と走査波形を正負の極性を持つ０．５ｍｓのパルス波形で構成することで、液晶素子への長期間の直流印加を抑制している。リセット期間Ｔｒで液晶シャッタの全画素を閉状態に戻した後、走査期間Ｔｓで印加する電圧を０Ｖに保持する時間を可変とすることで、所定の画素のみを開閉または任意の階調表示状態にする。
【００６２】
室温での走査期間Ｔｓは４ｍｓに設定してあるので、閉状態から最大透過率Ｙｍに達する応答時間２ｍｓよりは長く、かつ、最大透過率を維持している保持時間２８の１０ｍｓよりは短いので、色変化が少なくかつ直線性の良好な階調表示が可能な液晶シャッタが得らる。
【００６３】
しかし、温度が低下すると、液晶素子の応答時間が遅くなる。特に、閉から開状態へのオフ応答時間２７が遅くなるので、開状態の明るさが低下し、さらに低温では、全く開状態を示さなくなる。そこで、本実施の形態では、基板に温度センサーを設置し、基板温度が５゜Ｃ以下になると、自動的に、リセット期間Ｔｒと走査期間Ｔｓを２倍にするようにした。
【００６４】
図９の０゜Ｃでの透過率−時間曲線３７からもわかるように、０゜Ｃでの本発明の液晶シャッタの応答時間は、開から閉へのオン応答時間２６は１．５ｍｓ、閉から開へのオフ応答時間２７は４ｍｓと約２倍に遅くなっている。また、０゜Ｃで保持時間２８も約２倍の２０ｍｓとなる。しかし、０゜Ｃでの駆動波形３６に示すように、リセット期間Ｔｒを２ｍｓ、走査期間Ｔｓを８ｍｓと遅くしたので、充分な開状態が得られる。
【００６５】
本実施の形態の液晶シャッタを、液晶プリンタに応用した場合、低温での印刷速度は、室温の半分に低下するが、室温でも０゜Ｃでも、高画質のフルカラー画像プリントを得ることができる。
【００６６】
本発明の第２の実施の形態では、低温状態においてパルス幅は変化させずに、リセット期間Ｔｒと走査期間Ｔｓで構成されるフレーム期間Ｔｆを２倍に長くしたが、パルス幅も同時に２倍の幅に変化させても、全く同一の効果が得られる。
【００６７】
本発明の第２の実施の形態では、フレーム期間Ｔｆをリセット期間Ｔｒと走査期間Ｔｓで構成したが、中間調表示が不要な場合、リセット期間Ｔｒを省き、フレーム期間Ｔｆを走査期間Ｔｓのみで構成しても、なんらさしつかえない。
【００６８】
本発明の第２の実施の形態では、走査期間Ｔｓで印加される電圧をオフ電圧である０Ｖに保持する時間を可変とすることによって階調表示を行ったが、走査期間に印加する電圧を０Ｖから変化させて、オフ応答時間２７を遅くすることで、電圧変調方式で階調表示を行うことも可能である。
【００６９】
（第３の実施の形態）
以下に本発明の第３の実施形態における液晶シャッタの構成を図面を用いて説明する。
【００７０】
本発明の第３の実施の形態における液晶シャッタの構成は、第１の実施の形態で説明した図２と同一であり、上下の偏光板の配置角度と、ネマチック液晶のネジレピッチＰが異なっている。図１５は、本発明の第３の実施の形態における液晶シャッタの平面図である。以下、図２と図１５を交互に用いて本発明の液晶シャッタの構成を説明する。
【００７１】
本実施の形態の液晶シャッタは、ＩＴＯからなる第１の電極２と配向膜３を形成した厚さ０．７ｍｍのガラスからなる第１の基板１と、ＩＴＯからなる第２の電極５と配向膜６を形成した厚さＯ．７ｍｍのガラスからなる第２の基板４と、ネマチック液晶７とから液晶素子が形成されている。使用するネマチック液晶の複屈折Δｎは０．２で、第１の基板１と第２の基板６の隙間ｄは４μｍであるので、液晶素子としての複屈折性を示すΔｎｄ値は８００ｎｍに設定する。
【００７２】
第１の基板１の配向膜３は、図１５の下液晶分子配向方向１０にラビング処理をしてあり、第２の基板４の配向膜６は、上液晶分子配向方向１１にラビング処理がなされている。粘度１８ｃｐのネマチック液晶には、カイラル材と呼ぶ旋回性物質を添加し、ネジレピッチＰを５μｍに調整し、ｄ／Ｐ＝０．８とし、左回り２４０゜ツイスト液晶素子を形成する。
【００７３】
下偏光板吸収軸１３と上偏光板吸収軸１４が８４゜に交差するように、液晶素子の両外側に下偏光板８と上偏光板９とを配置してある。下偏光板吸収軸１３は、ネマチック液晶７の第１の基板１と第２の基板４の中間部の液晶配向方向を示す中央液晶分子方向１２と左回り４２゜の角度で配置され、上偏光板吸収軸１４は、中央液晶分子方向１２と右回り４２゜の角度で配置し、ポジ型液晶シャッタを構成している。
【００７４】
ここで、上下の偏光板吸収軸の交差角度を８４゜と直角より狭めたのは、電圧無印加時の液晶シャッタの色合いをさらに改善するためで、薄黄色が多少青みをおびて白くなる。特に、本発明の液晶シャッタを発光素子と組み合わせ、時間分割してカラ−表示を行うフィールドシーケンシャルカラー表示装置に応用する場合に、背景色を改善できる。しかし、閉状態の透過率が上昇し、コントラストが低下するので、８０゜より狭めることは好ましくない。
【００７５】
次に、液晶のネジレピッチと応答時間の関係を説明する。図１４は、液晶のネジレピッチＰと、第１の基板１と第２の基板６の間隔ｄの商であるｄ／Ｐと、室温における応答時間の関係を示すグラフであり、実線で示す曲線２６は２０Ｖ印加時のオン応答時間で、実線で示す曲線２７は電圧０Ｖへのオフ応答時間である。オン応答時間２６は、ｄ／Ｐの影響を受けず一定であるが、オフ応答時間２７はｄ／Ｐが大きくなるほど速くなる。
【００７６】
通常の２４０゜ツイストＳＴＮ液晶表示体では、使用する配向膜６のチルト角にも依存するが、ｄ／Ｐの値が０．５より大きくなると、２Ｖ前後である動作開始電圧付近の電圧を印加するとストライプドメインと呼ばれる配向不良が発生し、表示品位を著しく低下させる。従って、ＳＴＮ液晶表示体のｄ／Ｐは０．４５〜０．５に設定している場合が多い。しかし、本発明の液晶シャッタの印加電圧は、１０Ｖ以上と動作開始電圧より非常に大きいため、ｄ／Ｐの値が０．５より大きくても配向不良は発生しないことを実験で確認できた。
【００７７】
従って、所望のツイスト角が得られる範囲で、ｄ／Ｐをできるだけ大きく設定することで、オフ応答時間２７を速くすることができる。ツイスト角をθとするとｄ／Ｐ＝（θ＋９０）／３６０までは、所望のツイスト角となり、それ以上では、所望のツイスト角＋１８０゜になる。つまり、２４０゜ツイストの場合、ｄ／Ｐ＝０．９１までは２４０゜ツイストとなるが、それ以上では４２０゜ツイストになってしまう。本発明の第３の実施の形態では、配向安定性も考慮して、ｄ／Ｐ＝０．８に設定する。第３の実施の形態の液晶シャッタのオフ応答時間は１．１ｍｓと第１の実施の形態で用いた液晶シャッタのオフ応答時間２７の約１／２にすることができる。
【００７８】
もちろん、ｄ／Ｐの値を０．５以下にしても、オフ応答時間は遅くなるが、液晶シャッタとして使用することは可能である。ｄ／Ｐの最小値は、（θ−９０）／３６０で決まり、２４０゜ツイストの場合は０．４２となり、１８０゜ツイストの場合は０．２５となるが、配向安定性を考慮し、０．４以上が好ましい。
【００７９】
本発明の第３の実施の形態では、ツイスト角を２４０゜で、Δｎｄ＝８００ｎｍに設定し、偏光板の吸収軸配置角度を８４゜にしたので、明るくかつ良好な白表示の開状態が得られ、かつ、駆動電圧を２０Ｖ印加した時のコントラストは５０以上得られる。さらに、液晶のネジレピッチＰを短くし、ｄ／Ｐ＝０．８としたので、オフ応答時間２７が速くなり、低温でも良好なシャッタ−性能が得られる。
【００８０】
電圧無印加時の液晶シャッタの色合いを改善するための偏光板配置は、図１５に示した以外にも、図１６に示すように上偏光板吸収軸１４は右下がり配置し、下偏光板吸収軸１３は右上がりに配置することも可能である。この場合、電圧無印加の色合いを改善するためには、上下偏光板の吸収軸の交差角は９６゜と広げる。この場合も、上下偏光板の吸収軸の交差角を広げる程、コントラストが低下するので、１００゜以上にすることは好ましくない。正面の表示特性は、図１５に示す偏光板の配置でも、図１６に示す偏光板の配置でも同一であるが、図１６に示す偏光板の配置にすることで液晶シャッタの上下方向の視角特性が改善できる。したがって、図１６に示す偏光板の配置の方が好ましい。
【００８１】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の液晶シャッタの駆動方法を用いることにより、高速応答で、明るく、高コントラストの液晶シャッタと、階調表示が可能な液晶シャッタの駆動方法を提供できる。また、フレーム期間Ｔｆの時間を動作温度によって変えることで、低温から高温まで安定したシャッタ特性を維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における液晶シャッタの配置関係を示す平面図である。
【図２】本発明の実施の形態における液晶シャッタを示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態における液晶シャッタの印加電圧−透過率曲線と、従来のイエローモードＳＴＮ液晶表示装置の印加電圧−透過率曲線である。
【図４】本発明の実施の形態における偏光板配置角度と透過率の関係を示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態における液晶素子のΔｎｄと透過率の関係を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態を説明するための駆動波形と透過率−時間曲線。
【図７】本発明の第１の実施の形態における液晶シャッタの駆動波形と透過率−時間曲線。
【図８】本発明の第２の実施の形態における液晶シャッタの室温での駆動波形と透過率−時間曲線。
【図９】本発明の第２の実施の形態における液晶シャッタの低温での駆動波形と透過率−時間曲線。
【図１０】従来例におけるＴＮ液晶シャッタの配置関係を示す平面図である。
【図１１】従来例におけるＴＮ液晶シャッタを示す断面図である。
【図１２】従来例におけるＳＴＮ液晶表示装置の配置関係を示す平面図である。
【図１３】従来例におけるＳＴＮ液晶表示装置を示す断面図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態における液晶ピッチと応答時間の関係を示すグラフである。
【図１５】本発明の第３の実施の形態における液晶シャッタの配置関係を示す平面図である。
【図１６】本発明の第３の実施の形態における液晶シャッタの第２の配置関係を示す平面図である。
【符号の説明】
１  第１の基板
２    第１の電極
３  配向膜
４  第２の基板
５  第２の電極
６  配向膜
７  液晶
８  下偏光板
９  上偏光板
１０  下液晶分子配向方向
１１  上液晶分子配向方向
１２  中央液晶分子方向
１３  下偏光板吸収軸
１４  上偏光板吸収軸
２６  オン応答時間
２７  オフ応答時間
２８  保持時間
３２  駆動波形
３３  透過率−時間曲線
Ｔｒ  リセット期間
Ｔｓ  走査期間
Ｔｆ  フレーム期間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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