JP2002196304A - 液晶素子及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速スイッチングと大きい光学的特性の変化
量を両立させる。 【解決手段】 液晶素子の駆動方法は、１５μｍから２
００μｍの距離を隔てて対向配置された透明な第１及び
第２基板と、第１及び第２基板の対向面上に形成された
第１及び第２の電極と、第１基板と第２基板との間に挟
持された液晶層とを含み、第１の電極と第２の電極との
間に所定の波形を有する駆動電圧を印加することにより
液晶の配向方向を変化させて、その光学的特性を変化さ
せる液晶素子の駆動方法であって、第１の電極と第２の
電極との間に、第１の光学的特性を得ることができる第
１の波形を有する駆動電圧を印加する工程と、第１の電
極と第２の電極との間に、第１の波形を有する駆動電圧
の実効的な電圧よりも１０Ｖから５００Ｖの範囲内で、
その実効的電圧が低く、かつ、第１の光学的特性とは異
なる第２の光学的特性を得ることができる第２の波形を
有する駆動電圧を印加する工程とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶素子及びその
駆動方法に係わり、特に液晶分子の配向方向を高速かつ
大きく変化させることができる液晶素子技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶は、ダイレクタ方向とその直交方向
とで屈折率が異なる。例えば液晶に印加する電圧によっ
てダイレクタ方向を制御することができ、電圧を印加す
ることにより屈折率などの光学的特性を変化させること
ができる。この機能を利用して、液晶レンズ、液晶シャ
ッタ、液晶プリズムなどの光変調素子を形成することが
可能である。

【０００３】また、液晶層を透過した後の出射光の位相
は、液晶層に印加する電圧値によって変化する。液晶を
用いれば、印加電圧によって出射光の位相を変化させる
ことができる位相変調素子を形成することが可能であ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のような光変調素
子や位相変調素子に印加する電圧を高速に変化させた場
合に、高速な電圧の変化に出射光の光学的特性（屈折率
や位相）の変化が追従できるようにすることが望まれ
る。加えて、光変調素子や位相変調素子として用いる場
合には、印加電圧を所定量だけ変化させた際の屈折率の
変化量や位相の変化量がある程度大きい方が良い。

【０００５】一般的に、液晶セルのセル厚を薄くすれ
ば、スイッチング速度を大きくすることはできるが、屈
折率の変化量や位相の変化量は小さくなってしまう。例
えば、対向する１対の基板と、基板内に挟持されたネマ
テック液晶層とにより液晶セルを形成した場合、セル厚
を２μｍ以下と薄くすれば、２ｍｓｅｃ以下の高速のス
イッチング速度が得られるが、位相の変化量が十分でな
い。セル厚を厚くすると、位相の変化量は大きくなる。
例えば、セル厚を５μｍ程度まで厚くすると、セル厚が
薄い場合に比べて、ある程度大きな位相の変化量が得ら
れる。しかしながら、スイッチング速度は１０ｍｓｅｃ
以上と遅くなってしまう。

【０００６】本発明は、屈折率変化量や位相変化量を大
きく保ちつつ、高速なスイッチングが可能な液晶素子技
術を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の一観点によれ
ば、１５μｍから２００μｍの距離を隔てて対向配置さ
れた透明な第１及び第２の基板と、前記第１及び第２の
基板の対向面上に形成された第１及び第２の電極と、前
記第１の基板と前記第２の基板との間に挟持された液晶
層とを含み、前記第１の電極と前記第２の電極との間に
所定の波形を有する駆動電圧を印加することにより前記
液晶の配向方向を変化させて、その光学的特性を変化さ
せる液晶素子の駆動方法であって、（ａ）前記第１の電
極と前記第２の電極との間に、第１の光学的特性を得る
ことができる第１の波形を有する駆動電圧を印加する工
程と、（ｂ）前記第１の電極と前記第２の電極との間
に、前記第１の波形を有する駆動電圧の実効的な電圧よ
りも１０Ｖから５００Ｖの範囲内で、その実効的電圧が
低く、かつ、第１の光学的特性とは異なる第２の光学的
特性を得ることができる第２の波形を有する駆動電圧を
印加する工程と、を含む液晶素子の駆動方法が提供され
る。

【０００８】本発明の別の観点によれば、１５μｍから
２００μｍまでの距離を隔てて対向配置された透明な第
１及び第２の基板と、前記第１及び第２の基板の対向面
上に形成された第１及び第２の電極と、前記第１の基板
と前記第２の基板との間に挟持された液晶層とを含み、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に所定の波形を
有する駆動電圧を印加することにより前記液晶の配向方
向を変化させて、その光学的特性を変化させる液晶素子
の駆動方法であって、（Ａ）前記第１の電極と前記第２
の電極との間に、第１の光学的特性を得ることができる
第１の波形を有する駆動電圧を印加する工程と、（Ｂ）
前記第１の電極と前記第２の電極との間に、前記第１の
波形を有する駆動電圧の実効的な電圧よりも１０Ｖから
５００Ｖの範囲内でその実効的な電圧が高く、かつ、第
１の光学的特性とは異なる第２の光学的特性を得ること
ができる第２の波形を有する駆動電圧を印加する工程
と、を含む液晶素子の駆動方法が提供される。

【０００９】本発明の他の観点によれば、１５μｍから
２００μｍの距離を隔てて対向配置された透明な第１及
び第２の基板と、前記第１及び第２の基板の対向面上に
形成された第１及び第２の電極と、前記第１の基板と第
２の基板との間に挟持された液晶層と、前記第１の電極
と前記第２の電極との間に第１の電圧と、該第１の電圧
よりも低く、該第１の電圧との実効的な電圧差が１０Ｖ
から５００Ｖの範囲内である第２の電圧と、を印加でき
る駆動電圧発生回路と、を含む液晶素子が提供される。

【００１０】上記の液晶素子技術を用いれば、光学的特
性の変化量を高速に変化させることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】発明者は、液晶素子のセル厚を従
来よりもかなり厚くするとともに、スイッチング時の電
圧の振幅を従来よりもかなり大きくすることにより、位
相の変化量を大きくしつつ、高速なスイッチングが可能
になることを発見した。

【００１２】以下、本発明の第１の実施の形態について
図１（Ａ）、（Ｂ）、図２及び図３を参照して説明す
る。図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、液晶素子Ａは、
所定の距離Ｌだけ離れて平行に配置された２枚の透明ガ
ラス基板１、３と、その内面にそれぞれ形成された第１
及び第２の透明電極５、７と、両ガラス基板１、３間に
挟持されたトラン系液晶分子１５（１５−１から１５−
５まで）とを有している。

【００１３】トラン系液晶分子１５がアンチパラレルに
配向されるように形成された配向膜１１ａと配向膜１１
ｂとが、第１の透明電極５上及び第２の透明電極７上に
それぞれ形成されている。トラン系液晶分子１５として
用いる材料は、例えば２環式のアルキルアルコキシトラ
ン系または３環式のアルキルシクロヘキシルアルコキシ
トラン系の液晶材料であり、大きな複屈折率と低い粘度
を有する。例えば、複屈折率Δｎは約０．２５、粘度η
は約２０ｃ．ｐである。

【００１４】透明ガラス基板１、３間の距離（セル厚）
Ｌとして、５０μｍと非常に大きな値の液晶素子を形成
した。セル厚Ｌは、通常の液晶素子と同様にギャップコ
ントロール剤（ＧＣ剤：図示せず）により制御した。

【００１５】液晶素子Ａには、第１の透明電極５と第２
の透明電極７との間に電圧を印加することができる交流
電源（駆動電圧発生回路）１７が設けられている。液晶
素子Ａのしきい値電圧Ｖｔｈは約１．８Ｖである。

【００１６】図１（Ａ）に示す液晶素子Ａは、第１の電
圧Ｖａ１とそれよりも低い第２の電圧Ｖａ２との間でス
イッチングさせる。図２は、本発明の実施の形態による
液晶素子の駆動方法に用いる交流電圧波形を示す図であ
り、液晶素子の第１の電極と第２の電極との間に加えら
れる電圧（交流）の波形を示す。横軸は時間、縦軸は電
圧である。図２に示す電圧波形は立下り時の電圧波形で
ある。図１（Ａ）、（Ｂ）および図２に示すように、立
ち下げ時には、駆動電圧（交流）をＶａ１（例えば３０
Ｖ）からＶａ２（例えば２０Ｖ）に変化させる。立ち上
げ時には、駆動電圧（交流）をＶａ２（例えば２０Ｖ）
からＶａ１（例えば３０Ｖ）に変化させれば良い。

【００１７】以下、図１（Ａ）、（Ｂ）および図２を参
照して、液晶素子Ａの動作を説明する。図１（Ａ）は、
第１の電圧Ｖａ１として例えば３０Ｖ程度の高電圧（交
流）を印加した場合の液晶素子のセル構造を示す。な
お、電圧を印加しない状態では、アンチパラレルに配向
されるように配向膜を形成しており、トラン系液晶分子
１５の長軸方向は、基板１、３表面の法線方向とほぼ直
交する方向を向く。

【００１８】図１（Ａ）および図２に示すように、高い
交流電圧（Ｖａ１）を印加すると、トラン系液晶分子１
５の長軸方向が、基板１、３表面の法線方向と平行な方
向に傾く。液晶素子Ａへの入射光の位相を(１と表し、
電極５、７間にＶａ１を印加した場合の液晶素子Ａから
の出射光の位相を(２（Ｖａ１）と表す。

【００１９】図１（Ｂ）および図２に示すように、Ｖａ
１よりも低い実効値を有する交流電圧（Ｖａ２：Ｖａ２
＜Ｖａ１）を印加すると、トラン系液晶分子１５の長軸
方向は、基板１、３表面の法線方向と直交する方向に向
けて傾く。印加電圧の実効値をＶａ１からＶａ２に変化
させた場合の出射光の位相変化量Δ(ｖは、Δ(ｖ＝(２
（Ｖａ２）−(２（Ｖａ１）で表される。

【００２０】図３に、出射光の位相変化量Δ(ｖ（縦
軸）と、第１の透明電極５と第２の透明電極７との間に
印加した電圧（横軸）との関係を示す。印加電圧の実効
値を第１の電圧、例えば３０Ｖ（これを基準電圧と定義
する）とした場合の出射光の位相と、第１の電圧よりも
低い第２の電圧を加えた場合の出射光の位相との間の位
相変化量Δ(ｖを調べた。

【００２１】印加電圧を３０Ｖ（第１の電圧）から２０
Ｖ（第２の電圧）に変化させた場合（電圧の振幅変化が
１０Ｖの場合）、位相の変化量は約２００ｎｍである。
３０Ｖから１５Ｖまで印加電圧を変化させた場合（すな
わち、電圧の振幅変化が１５Ｖの場合）の位相の変化量
は約４００ｎｍである。３０Ｖから１２Ｖまで印加電圧
を変化させた場合（すなわち、電圧の振幅変化が１８Ｖ
の場合）の位相の変化量は約６００ｎｍである。

【００２２】

【表１】

【００２３】表１に、位相変化量ΔΦｖと、立ち上がり
時間（印加電圧を増加させた場合に、実際に位相が所定
量だけ変化するのに要した時間）および立ち下がり時間
（印加電圧を減少させた場合に位相が所定量だけ変化す
るのに要した時間）との関係を示す。

【００２４】位相変化量Δ(ｖが２００ｎｍの場合（電
圧の振幅変化が１０Ｖの場合）の立ち上がり時間は１．
７５ｍｓｅｃであり、立ち下がり時間は４．７７ｍｓｅ
ｃである。位相変化量Δ(ｖが４００ｎｍの場合（電圧
の振幅変化が１５Ｖの場合）の立ち上がり時間は２．５
７ｍｓｅｃ、立ち下がり時間は６．６１ｍｓｅｃであ
る。位相変化量Δ(ｖが６００ｎｍの場合（電圧の振幅
変化が１８Ｖの場合）、立ち上がり時間は２．４２ｍｓ
ｅｃ、立ち下がり時間は９．９３ｍｓｅｃである。

【００２５】表１より、本実施の形態による液晶素子を
用いることにより、第１の電圧と第２の電圧との差（振
幅）が１０Ｖから１８Ｖまでの間である場合において、
立ち上がり時間、立ち下がり時間ともに、１０ｍｓｅｃ
以下と高速なスイッチング動作が確認された。

【００２６】上記の実施の形態においては、セル厚を５
０μｍにした例を示したが、理論的検討及び実験的検討
の結果、液晶素子を製造する場合には、セル厚（基板間
の距離）が５μｍから２００μｍまでの範囲、特に１５
μｍから２００μｍまでの範囲が好ましいことがわかっ
た。印加電圧の振幅変化（第１の電圧と第２の電圧との
実効的な差）は、５Ｖから１ｋＶの間の高電圧が好まし
く、交流電源により印加するのが好ましいことがわかっ
た。印加電圧の振幅は、１０Ｖから５００Ｖの間である
のがさらに好ましい。第１の電圧と第２の電圧との実効
的な差は、たとえば所定期間内における電圧とその電圧
が印加されている時間との積の総和を所定期間で除算し
た値の差として定義すればよい。従って、第１の電圧と
第２の電圧とが一定値でなくとも、実効的な値の差を求
めることができる。

【００２７】表１によれば、液晶素子の高速スイッチン
グが可能となるが、印加電圧を下げる場合、すなわち立
ち下がりに要する時間がやや遅いことがわかる。

【００２８】さらに実験を重ねた結果、トラン系液晶分
子１５中に光硬化性モノマーを添加すると、立ち下がり
時間が短縮化されることがわかった。光硬化性モノマー
としては、ＵＬＣ−００１（ＤＩＣ）を６ｗｔ％添加し
た。ＵＬＣ−００１（ＤＩＣ）は、液晶性（Ｔ_Ni＝４６
℃、Δｎ＝０．１５２）を有するモノマーであり、ＵＶ
照射により硬化（ポリマー化）する。また，これに加え
て光反応開始剤が例えば１ｗｔ％添加されている。

【００２９】光硬化性モノマーを混ぜた液晶を用いて液
晶素子を製造した後、電圧を印加しない状態でＵＶ光を
照射すると、光硬化性モノマーが重合してポリマーとな
る。

【００３０】上記の工程により製造した液晶素子におい
ても、印加電圧と位相変化量との関係は、図３に示す関
係と同じであったが、所定の位相変化量を得るための立
ち上がり時間および立ち下がり時間に変化があった。

【００３１】

【表２】

【００３２】表２に、位相変化量Δ(ｖと、立ち上がり
時間および立ち下がり時間との関係を示す。

【００３３】位相変化量Δ(ｖが約２００ｎｍ（電圧の
振幅変化が１０Ｖの場合）の立ち上がり時間は２．６９
ｍｓｅｃ、立ち下がり時間は４．２５ｍｓｅｃである。
位相変化量Δ(ｖが約４００ｎｍ（電圧の振幅変化が１
５Ｖの場合）の立ち上がり時間は２．７５ｍｓｅｃ、立
ち下がり時間は６．４０ｍｓｅｃである。位相変化量Δ
(ｖが約６００ｎｍの場合（電圧の振幅変化が１８Ｖの
場合）の立ち上がり時間は３．０７ｍｓｅｃ、立ち下が
り時間は８．８３ｍｓｅｃである。

【００３４】表１および表２の結果より、液晶中に光硬
化性モノマーを混ぜ、これを重合させることにより、所
定の位相変化量を得るための立ち下がり時間を短縮させ
ることができることがわかった。

【００３５】光硬化性モノマーの添加量を４ｗｔ％以下
にすると、光硬化性モノマーを混ぜた場合と混ぜない場
合とで、立ち下がり時間に差がなくなる。光硬化性モノ
マーの添加量が８ｗｔ％を越えると、位相の変化量が小
さくなる。従って、光硬化性モノマーの添加量として
は、４ｗｔ％から８ｗｔ％までが好ましい。尚、光硬化
性モノマーの添加量として好ましい範囲は、材料などの
諸条件により変化するであろう。

【００３６】光硬化性モノマーを添加すると、液晶セル
の立ち下がり特性が向上する理由については詳細にはわ
かっていない。光硬化性モノマーを重合させると、液晶
層内に液晶分子の配向状態を反映した形でポリマーのネ
ットワークが形成される。分子配向状態を反映した形状
のネットワークが形成されることにより、界面近傍だけ
でなくバルク部分においても電圧印加前の液晶分子配向
状態に戻ろうとする力が働き、結果として立ち下がり時
間が短縮されたのではないかと推測している。

【００３７】尚、光硬化性モノマーを重合する際に、電
圧を加えることにより分子が立ち上がった液晶分子配向
状態を反映してポリマーネットワークを形成しても良
い。この場合には、分子が立ち上がった状態が電圧オフ
時の配向状態となる。また、光照射による重合時に、フ
ォトマスクなどを用いて領域ごとにＤＰ（重合度）の異
なる液晶素子を形成すれば、液晶素子内の領域ごとに立
ち下がり時間および分子の配向状態、つまり液晶素子の
屈折率を変化させることもできる。

【００３８】次に、第２の実施の形態による液晶素子の
駆動方法について、図４から図６までを参照して説明す
る。液晶素子の構造は、第１の実施の形態による液晶素
子と同じである（図１（Ａ）、（Ｂ）参照）。

【００３９】図４に、液晶素子を駆動させるために、液
晶素子の第１の電極と第２の電極との間に加えられる電
圧（交流）の波形を示す。横軸は時間、縦軸は電圧であ
る。図４に示す電圧波形は、立ち下がり時の電圧波形で
ある。

【００４０】図２に示す例では、立ち下げ時には、駆動
電圧（交流）をＶａ１（例えば３０Ｖ）からＶａ２（例
えば２０Ｖ）に変化させた。これに対して、図４に示す
例では、両電極間に第１の電圧Ｖａ１を印加した後、第
１の電圧Ｖａ１（例えば３０Ｖ）よりも高い第３の電圧
Ｖａ３を印加する（領域Ｉ）。印加電圧Ｖａ３は、Ｖａ
１×Ｎ（Ｎは１．５から２．０）であり、例えばＶａ３
＝５０Ｖである。

【００４１】次いで、印加電圧を第４の電圧Ｖａ４まで
下げる。第４の電圧Ｖａ４は、例えば０Ｖである（領域
II）。第４の電圧Ｖａ４は０Ｖでなくてもよい。第４の
電圧Ｖａ４は第２の電圧Ｖａ２より低い任意の所定電圧
とすることができる。次いで、第２の電圧Ｖａ２（例え
ば２０Ｖ）を印加する。第２の電圧Ｖａ２を印加した領
域を領域IIIで、その後、継続して第２の電圧Ｖａ２を
印加している領域を領域IVで表す。

【００４２】

【表３】

【００４３】表３に、位相変化量ΔΦｖと立ち下がり時
間との関係を示す。立ち上がりは、第１の実施の形態に
よる液晶素子の駆動方法と同じ方法（低電圧から高電圧
に直接変化させる方法）を用いたため、立ち上がり時間
は表１に示す値と同じである。

【００４４】位相変化量ΔΦｖが約２００ｎｍ（電圧の
振幅が１０Ｖの場合）のときの、立ち下がり時間は１．
８２ｍｓｅｃである。位相変化量ΔΦｖが約４００ｎｍ
（電圧の振幅が１５Ｖの場合）のときの立ち下がり時間
は、１．９８ｍｓｅｃである。位相変化量ΔΦｖが約６
００ｎｍ（電圧の振幅が１８Ｖの場合）のときの立ち下
がり時間は、２．２５ｍｓｅｃである。第１の実施の形
態による駆動方法に比べて、立ち下がり時間が大幅に短
縮していることがわかる。

【００４５】立ち下がり時間が短縮した理由は、現時点
では明確ではないが、以下のように解釈される。図５
（Ａ）から図５（Ｄ）までを参照して立ち下がり時間が
短縮したメカニズムの推測について説明する。

【００４６】図５（Ａ）から図５（Ｄ）は、図４に示す
領域IからIVまでの駆動電圧波形を印加した場合の、対
応する液晶素子中の液晶分子の配向を示す模式的な図で
ある。図６は、位相変化量ΔΦｖの時間的な変化を示す
図である。図６においては、電圧を印加しない状態を基
準とし、それと比較した場合の位相の変化量を示してい
る。

【００４７】最初に、第１の電圧Ｖａ１よりもさらに高
い第３の電圧Ｖａ３を印加すると（図４の領域Ｉ）、図
５（Ａ）に示すように、液晶分子は垂直方向に近い方向
に配向する。すなわち、バルクの液晶分子１５−３も基
板界面付近の液晶分子１５−１、１５−５も、基板表面
の法線方向（垂直方向）に向かって配向する。図６の領
域Iに示すように、位相変化量ΔΦｖは高い。

【００４８】次に、印加電圧を第２の電圧Ｖａ２よりも
低い第４の電圧Ｖａ４（例えば０Ｖ）にすると（領域I
I）、図５（Ｂ）に示すように全ての液晶分子は水平方
向に向けて再配向を開始する。ところが、第４の電圧Ｖ
ａ４を印加すると、基板界面付近に存在する液晶分子１
５−１や１５−５は水平方向に向けて急速に再配向する
のに対して、バルク部分に存在する液晶分子１５−３な
どは、再配向の速度が遅く、まだ垂直方向に近い配向の
ままの状態が存在する。このように、セルの厚さ方向に
関しては液晶分子の配向方向が異なるものの、第１の実
施の形態において示した所望の位相変化量ΔΦｖと同じ
位相変化量が得られるまでの時間は、表３からも明らか
なように第１の実施の形態において説明した液晶素子の
場合よりも短くなる。

【００４９】必要な位相変化量ΔΦｖが得られた時点
で、電極間に例えば第２の電圧Ｖａ２を印加する。この
場合、第１の実施の形態において説明した電圧と同じ電
圧（Ｖａ２）を印加すれば良い。

【００５０】図５（Ｃ）に示すように、Ｖａ２を印加す
ると、液晶分子１５は垂直方向に傾き始める。但し、基
板界面近傍の液晶分子１５−１、１５−５は、速く垂直
方向に傾くのに対して、バルクの液晶分子１５−３が傾
く速度は遅い。継続して第２の電圧Ｖａ２を印加してい
ると、基板の界面付近の液晶分子１５−１、１５−５も
バルクの液晶分子１５−３も、ほぼ一定の位相変化量を
保ったまま（図６の領域IV）、ほぼ同じ方向に配向す
る。図５（Ｄ）に示すように、安定かつ均一な配向が維
持され、図６の領域III、IVに示すように、位相変化量
もほぼ一定の値を維持する。

【００５１】以上説明したように、電圧の立ち下げ時に
おいて、初期に第１の電圧よりも高い電圧（第３の電
圧）を印加した後に印加電圧を第４の電圧まで低くし、
その後に第１の電圧よりも低い所定の第２の電圧まで昇
圧することにより、第３の電圧と第４の電圧を介在させ
ることなく第１の電圧と第２の電圧との間をスイッチン
グさせた場合よりも、短時間で所望の位相変化量を得る
ことができる。液晶の配向方向が厚さ方向の位置により
異なっていても、位相変化量などの液晶素子の光学的特
性は、セル内での平均的な配向方向を反映する。セル厚
が厚い場合でも、基板近傍の液晶分子の配向は比較的速
く変化するので、この基板近傍の液晶分子の寄与によ
り、光学的特性をより高速に変化させることができる。

【００５２】第２の実施の形態による液晶素子の駆動方
法の第１変形例について、図７を参照して説明する。図
７に示す駆動電圧波形は、図４に示す駆動電圧波形とほ
ぼ同じ波形である。但し、図７に示す駆動電圧波形は、
電圧をオフ（第４の電圧）にした後に、再び電圧（第２
の電圧）を印加する（領域IV）までの間の領域IIIにお
いて、印加電圧を第２の電圧Ｖａ２に向けて徐々に高く
していく点が異なっている。

【００５３】図４に示す電圧波形を印加すると、IIIの
領域で示される波形を印加したために、位相変化量が所
望の値からずれて高い値となる可能性がある。バルクの
液晶分子は反応が遅く、所望の傾きをもつまでに至って
いないからである。図７においては、バルク分子が所望
の傾きを持つまでは、図７の領域IIIに示すように印加
電圧を制御している。印加電圧を徐々に上げることによ
り、バルクの液晶分子の配向方向が完全に変化するまで
の間、液晶セル全体の位相変化量ΔΦｖが一定になるよ
うに、電圧を制御する。傾斜速度の速い界面近傍の液晶
分子の傾斜方向が印加電圧で制御される。

【００５４】第２の実施の形態による液晶素子の駆動方
法の第２変形例について、図８を参照して説明する。第
２の変形例は、液晶素子をオフ状態からオン状態にスイ
ッチさせる際の印加電圧波形に特徴を有する。

【００５５】オフ状態からオン状態にスイッチさせる場
合（立ち上がり）の応答時間に関しては、高電圧を印加
する工程が最も支配的になる。そこで、図８に示すよう
に、オフ電圧（Ｖｏｆｆ）を印加したオフ状態から、オ
ン状態にスイッチさせる際に、オン状態において定常的
に印加すべき電圧（Ｖｏｎ）よりも高い電圧値をもつパ
ルス電圧（リセットパルス）を印加する。リセットパル
ス電圧の値は、例えば、Ｖｏｎ電圧の１．５倍から２倍
程度が望ましい。このようなリセットパルスを印加する
ことにより、位相変化を得るための立ち上がりに要する
立上がり時間を短縮することができる。

【００５６】６００ｎｍの位相変化を得るために、リセ
ットパルスを用いないと、必要な立上り時間は２．４２
ｍｓであるのに対し（表３）、リセットパルスがＶｏｎ
の１．５倍の時必要な立上り時間は２ｍｓ以下であるこ
とが確認された。尚、リセットパルスの電圧をＶｏｎ電
圧よりも３倍以上高くすると、緩和時間が長くなりすぎ
て応答時間は改善しないことがわかっている。

【００５７】以上、本発明の実施の形態について例示し
たが、その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能
なことは当業者には自明であろう。

【００５８】例えば、液晶セルのセル厚としては、５μ
ｍから２００μｍの間、好ましくは１５μｍから２００
μｍの間が好ましい。液晶材料に制限はないが、複屈折
率（Δｎ）が高く、粘度が低い材料を用いることが好ま
しい。

【００５９】配向方向としては、垂直配向（Δεが負の
液晶）、ハイブリッド配向、ツイスト配向、ベント配向
のいずれでも良い。

【００６０】液晶素子の光学的特性の変化に関しては、
主に出射光の位相変化量に着目して実施の形態を説明し
たが、その他の光学的性質、例えば屈折率や光の透過率
などを変化させる場合にも応用できる。

【００６１】上述の実施の形態による液晶素子は、構造
が非常に簡単である。簡単な構造を用いて、高速のスイ
ッチング速度で大きい位相変化量を得ることができる。

【００６２】上述の実施の形態による液晶素子は、液晶
レンズ、液晶シャッタ、液晶プリズム、光学位相変調素
子、ミリ波、マイクロ波等の位相変調素子に応用するこ
とができる。

【００６３】ミリ波、マイクロ波の位相変調素子では、
マイクロストリップラインを形成する必要上、セル厚が
厚い方が都合が良い。上述の実施の形態による液晶素子
は、ミリ波、マイクロ波の位相変調素子として用いても
好適である。

【００６４】

【発明の効果】高速スイッチングと大きい光学的特性の
変化量を両立させることができる。光機能素子、位相変
調素子の高性能化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施の形態による液晶素子の
構造を示す模式的な図である。図１（Ａ）は高い電圧
（第１の電圧）を印加した状態、図１（Ｂ）は低い電圧
（第２の電圧）を印加した状態を示す図である。

【図２】 第１の実施の形態による液晶素子の駆動電圧
波形を示す図である。

【図３】 第1の実施の形態による液晶素子の位相変化
量と印加電圧との関係を示す図である。

【図４】 本発明の第２の実施の形態による液晶素子の
駆動電圧波形を示す図である。

【図５】 図５（Ａ）から図５（Ｄ）までは、第２の実
施の形態による液晶素子内の液晶分子の配向状態の変化
を示す図であり、図４の領域Ｉから領域ＩＶまでの状態
を示す図である。

【図６】 第２の実施の形態による液晶素子における位
相変化量の時間変化を示す図である。

【図７】 第２の実施の形態による液晶素子の駆動電圧
波形の第１変形例を示す図である。

【図８】 第２の実施の形態による液晶素子の駆動電
圧波形の第２変形例を示す図である。

【符号の説明】

Ａ 液晶素子 １、３ ガラス基板 ５ 透明電極（第１の電極） ７ 透明電極（第２の電極） １１ａ、１１ｂ 配向膜 １５ 液晶分子 １７ 電圧印加手段 Ｌ 液晶層の厚さ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹島 一樹 東京都目黒区中目黒２−９−13 スタンレ ー電気株式会社内 Ｆターム(参考） 2H089 HA04 HA10 JA03 TA02 TA07 2H093 NB04 NB07 ND32 ND34

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １５μｍから２００μｍの距離を隔てて
   対向配置された透明な第１及び第２の基板と、前記第１
   及び第２の基板の対向面上に形成された第１及び第２の
   電極と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に挟持
   された液晶層とを含み、前記第１の電極と前記第２の電
   極との間に所定の波形を有する駆動電圧を印加すること
   により前記液晶の配向方向を変化させて、その光学的特
   性を変化させる液晶素子の駆動方法であって、 （ａ）前記第１の電極と前記第２の電極との間に、第１
   の光学的特性を得ることができる第１の波形を有する駆
   動電圧を印加する工程と、 （ｂ）前記第１の電極と前記第２の電極との間に、前記
   第１の波形を有する駆動電圧の実効的な電圧よりも１０
   Ｖから５００Ｖの範囲内で、その実効的電圧が低く、か
   つ、第１の光学的特性とは異なる第２の光学的特性を得
   ることができる第２の波形を有する駆動電圧を印加する
   工程と、を含む液晶素子の駆動方法。
2. 【請求項２】 前記（ａ）工程は、 （ａ−１）前記第１の電極と前記第２の電極との間に、
   第１の光学的特性を得ることができる第１の電圧を印加
   する工程を含み、前記（ｂ）工程は、 （ｂ−１）前記第１の電極と前記第２の電極との間に、
   前記第１の電圧よりも低く、該第１の電圧との差が１０
   Ｖから５００Ｖの範囲内であり、かつ、第１の光学的特
   性とは異なる第２の光学的特性を得ることができる第２
   の電圧を印加する工程を含む、請求項１に記載の液晶素
   子の駆動方法。
3. 【請求項３】 前記（ａ）工程は （ａ−２）前記第１の電圧よりも高い第３の電圧を印加
   し、次いで、前記第２の電圧よりも低い第４の電圧を印
   加する工程を含むことにより前記第２の光学的特性への
   変化を促進する請求項２に記載の液晶素子の駆動方法。
4. 【請求項４】 前記（ａ）工程は、 （ａ−３）前記第１の電圧よりも高い第３の電圧を印加
   する工程と、前記第２の電圧よりも低い第４の電圧を印
   加する工程と、該第４の電圧から前記第２の電圧に向け
   て電圧を徐々に上げる工程を含むことにより前記第２の
   光学的特性への変化を促進する請求項２に記載の液晶素
   子の駆動方法。
5. 【請求項５】 前記第１及び第２の波形を有する駆動電
   圧を印加する工程は、それぞれ交流電圧を印加する工程
   を含む請求項１に記載の液晶素子の駆動方法。
6. 【請求項６】 １５μｍから２００μｍまでの距離を隔
   てて対向配置された透明な第１及び第２の基板と、前記
   第１及び第２の基板の対向面上に形成された第１及び第
   ２の電極と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に
   挟持された液晶層とを含み、前記第１の電極と前記第２
   の電極との間に所定の波形を有する駆動電圧を印加する
   ことにより前記液晶の配向方向を変化させて、その光学
   的特性を変化させる液晶素子の駆動方法であって、 （Ａ）前記第１の電極と前記第２の電極との間に、第１
   の光学的特性を得ることができる第１の波形を有する駆
   動電圧を印加する工程と、 （Ｂ）前記第１の電極と前記第２の電極との間に、前記
   第１の波形を有する駆動電圧の実効的な電圧よりも１０
   Ｖから５００Ｖの範囲内でその実効的な電圧が高く、か
   つ、第１の光学的特性とは異なる第２の光学的特性を得
   ることができる第２の波形を有する駆動電圧を印加する
   工程と、を含む液晶素子の駆動方法。
7. 【請求項７】 さらに、 （Ｃ）前記（Ａ）工程と前記（Ｂ）工程との間におい
   て、前記第２の波形の実効的な電圧よりも高い実効的電
   圧を有する少なくとも１つのパルス電圧を印加する工程
   を含む請求項６に記載の液晶素子の駆動方法。
8. 【請求項８】 前記パルス電圧は前記第２の波形の実効
   的な電圧の１．５倍から２．０倍の実効的電圧を有する
   請求項７に記載の液晶素子の駆動方法。
9. 【請求項９】 前記（Ａ）工程は、 （Ａ−１）前記第１の電極と前記第２の電極との間に、
   第１の光学的特性を得ることができる第１の電圧を印加
   する工程を含み、前記（Ｂ）工程は、 （Ｂ−１）前記第１の電極と前記第２の電極との間に、
   前記第１の電極よりも高く、該第１の電圧との差が１０
   Ｖから５００Ｖの範囲内であり、かつ、第１の光学的特
   性とは異なる第２の光学的特性を得ることができる第２
   の電圧を印加する工程を含む請求項６に記載の液晶素子
   の駆動方法。
10. 【請求項１０】 前記第１及び第２の波形を有する駆動
    電圧を印加する工程は、それぞれ交流電圧を印加する工
    程を含む請求項６に記載の液晶素子の駆動方法。
11. 【請求項１１】 １５μｍから２００μｍの距離を隔て
    て対向配置された透明な第１及び第２の基板と、 前記第１及び第２の基板の対向面上に形成された第１及
    び第２の電極と、 前記第１の基板と第２の基板との間に挟持された液晶層
    と、 前記第１の電極と前記第２の電極との間に第１の電圧
    と、該第１の電圧よりも低く、該第１の電圧との実効的
    な電圧差が１０Ｖから５００Ｖの範囲内である第２の電
    圧と、を印加できる駆動電圧発生回路と、を含む液晶素
    子。
12. 【請求項１２】 前記駆動電圧発生回路は、交流電源を
    含む請求項１１に記載の液晶素子。
13. 【請求項１３】 前記液晶層は、トラン系液晶分子を含
    む請求項１１に記載の液晶素子。
14. 【請求項１４】 さらに、前記液晶層は光硬化性モノマ
    ーを重合させて形成したポリマーを含む請求項１１に記
    載の液晶素子。
15. 【請求項１５】 前記ポリマーは、前記液晶層に対して
    電圧を印加しつつ前記光硬化性モノマーを重合すること
    により形成される請求項１４に記載の液晶素子。
16. 【請求項１６】 前記ポリマーは、ネットワークを形成
    している請求項１４に記載の液晶素子。
17. 【請求項１７】 前記液晶層は、前記ポリマーの重合度
    の異なる複数の領域を含む請求項１４に記載の液晶素
    子。
18. 【請求項１８】 前記第１の電圧を印加した場合と前記
    第２の電圧を印加した場合とで生じる前記液晶の配向方
    向の変化により光学的特性を変化させる請求項１１に記
    載の液晶素子。