JP4322605B2

JP4322605B2 - 光学素子

Info

Publication number: JP4322605B2
Application number: JP2003323085A
Authority: JP
Inventors: 健史浪江; 正典小林; 健司亀山; ゆみ松木; 俊晴村井; 才明鴇田; 浩之杉本; 康之滝口
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2003-09-16
Filing date: 2003-09-16
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2023-09-16
Also published as: JP2005091587A

Description

本発明は、絶縁基板上に複数の電極を形成し、その電極間を抵抗体により接続し、該抵抗体に電圧を印加することにより電極間に電位差を生じさせることで電界を発生させ、それにより液晶分子層を配向させる光学素子に関する。

現在、液晶材料を用いた光偏向素子なる光学素子が各種提案されており、例えば、透明な複数の電極を、それより高いシート抵抗の接続用ストライプ電極か、抵抗で電極間を接続し、電界をかける方式の光学素子が種々提案されている（例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５等参照）。上記の光学素子の例では、電極を接続する高いシート抵抗の接続用ストライプ電極や抵抗体は基板上に形成されるか、電極間を別々の抵抗にて接続している。

ここで、一例として特許文献３に記載の光偏向素子は、透明な一対の基板と、この一対の基板間に充填されたホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶と、この液晶に電界を作用させる少なくとも１組以上の電界印加手段とを備える構成としたものであり、キラルスメクチックＣ相よりなる液晶を利用しているので、従来の光偏向素子に比して、構成が複雑であることに伴う高コスト、装置大型化、光量損失、光学ノイズを改善でき、かつ、従来のスメクチックＡ液晶やネマチック液晶などにおける応答性の鈍さも改善でき、高速応答が可能となるようにしたものである。

図７は特許文献５に記載の光偏向装置の構成例を示しており、同図（Ａ）は上面側から見た概略断面図であり、（Ｂ）は光の透過方向から見た正面図である。また、図７において、図中の符号１はライン電極、２，３は透明な絶縁基板（透明基板）、４は電圧印加手段、５は液晶分子層、６はスペーサ、７は交流電源、８は配向膜、９は抵抗である。
この光偏向装置の構成では、ライン形状をした複数のライン電極１群が両透明基板２，３上に形成され、各透明基板上でのライン電極１の位置が交互に配置されている。そして、図７（Ｂ）中の左端のライン電極１から印加電圧が段階的に増加あるいは減少していくように、印加電圧を両透明基板間で交互に段階的に異なる値に設定する電圧印加手段４が構成されている。このような構成により、逆電界の発生を防止し、ライン電極近傍でも反対側の透明基板のライン電極による電位差の発生により、ライン電極付近でも光偏向効果を得られるようにしている。

特開２０００−２１４４２９号公報特開平１０−２２１７０３号公報特開２００２−３２８４０２号公報特開２００３−９８５０４号公報特開２００３−９８５０２号公報

前述の従来技術では、複数の電極を接続する抵抗体を基板上に形成している。形成する成膜方法としてはスパッタリング、蒸着等の方法が考えられるが、これらの方法は成膜装置の関係から、基板面積によって一度に抵抗体を成膜できる数が制限される。結果的には抵抗体の成膜に大きなコストがかかるようになり、光学素子の製造コストが増大する。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、複数の電極を接続する抵抗体を、絶縁基板上に直接形成せず、抵抗体のみを抵抗基板として別の支持体に形成することで、製造コストを下げるとともに、抵抗体成膜時の電極や抵抗体の変質等をなくすことができる構成の光学素子を実現することを課題（目的）とし、さらには、抵抗基板の抵抗体で電極間を電気的に接続し、抵抗体に電圧を印加することにより、電極間に電位差を生じさせることにより、二絶縁基板間にある液晶分子層へ電界をかけ、光学素子の液晶の駆動を実現することを課題（目的）とする。
また、絶縁基板の電極を抵抗体に対して電気的に接続し、且つ外部と電気的に接続する導電材を設けることにより、絶縁基板上の電気的構造を電極のみとし、電気的に外部と接続する構造を備えずに済むようにして、基板面積を減らすことができるようにし、製造コストを下げることができるようにした構成の光学素子を実現することを課題（目的）とする。

上記目的を達成するための手段として、本発明は以下のような構成を特徴とする。
すなわち本発明の第１の構成は、絶縁基板上に複数の電極を形成し、その電極間を抵抗体により接続し、該抵抗体に電圧を印加することにより電極間に電位差を生じさせることで電界を発生させ、それにより液晶分子層を配向させる光学素子において、液晶分子層を含む光学的要素を備えた構造体を挟む二つの透明な絶縁基板の少なくとも一方に複数の電極を形成し、前記絶縁基板とは異なる支持体に形成された抵抗体により、複数の電極を電気的に接続し、前記抵抗体に電圧を印加して電位勾配を発生させ、電極間に電界を発生することで、前記液晶分子層を配向させる構成であり、前記抵抗体を形成するための支持体として、絶縁体のセラミックを用い、前記支持体の抵抗体非形成面の形状に凹凸をつけ、表面積を大きくしたことを特徴とするものである。
本発明の第２の構成は、第１の構成の光学素子において、前記絶縁基板に形成された複数の電極と抵抗体を、異方性導電性ペーストを用いて電気的に接続することを特徴とするものである。
また、本発明の第３の構成は、第１の構成の光学素子において、前記絶縁基板に形成された複数の電極と抵抗体を、異方性導電膜を用いて電気的に接続することを特徴とするものである。

本発明の第４の構成は、絶縁基板上に複数の電極を形成し、その電極間を抵抗体により接続し、該抵抗体に電圧を印加することにより電極間に電位差を生じさせることで電界を発生させ、それにより液晶分子層を配向させる光学素子において、液晶分子層を含む光学的要素を備えた構造体を挟む二つの透明な絶縁基板の少なくとも一方に複数の電極を形成し、前記絶縁基板とは異なる支持体に形成された抵抗体により、複数の電極を電気的に接続し、前記抵抗体に電圧を印加して電位勾配を発生させ、電極間に電界を発生することで、前記液晶分子層を配向させる構成であり、前記絶縁基板に形成された複数の電極と抵抗体を密着させる方向に圧力をかける構造を備えることで、電気的に接続することを特徴とするものである。
本発明の第５の構成は、第４の構成の光学素子において、前記抵抗体を形成するための支持体として、絶縁体であるガラスを用いることを特徴とするものである。
また、本発明の第６の構成は、第４の構成の光学素子において、前記抵抗体を形成するための支持体として、絶縁体のセラミックを用いることを特徴とするものである。
さらに、本発明の第７の構成は、第４の構成の光学素子において、前記抵抗体を形成するための支持体として、絶縁体のフィルムを用いることを特徴とするものである。
また、本発明の第８の構成は、第６の構成の光学素子において、前記支持体の抵抗体非形成面の形状に凹凸をつけ、表面積を大きくしたことを特徴とするものである。

本発明の第９の構成は、第４〜８のいずれか一つの構成の光学素子において、電位勾配を発生させる両端の電極に接続した抵抗体の位置以上の外側位置に、該抵抗体と接続し且つ外部と電気的に接続する導電材を備えた抵抗基板を有することを特徴とするものである。

本発明の光学素子では、絶縁基板上に形成された複数の電極を電気的に接続する抵抗体を異なる支持体に形成することにより、抵抗体を形成する支持体の面積が小さくなり、抵抗体の成膜コストが安価になるとともに、成膜時の影響による電極や抵抗体の変質等をなくすことができる。
そして本発明の第１の構成の光学素子では、抵抗体を形成するための支持体としてセラミックを用いることにより、機械的強度が増し、また、熱伝導率の良い材料を使うことにより放熱が容易になり、抵抗体の放熱による影響を軽減することができる。さらにセラミック支持体の抵抗体非形成面の形状に凹凸をつけ、表面積を大きくすることにより、放熱効果が高まり、抵抗体の発熱による影響が少なくなり、使用できる抵抗体の抵抗値及び材質の範囲が広がる。
本発明の第２の構成の光学素子では、第１の構成の効果に加え、異方性導電性ペーストを使用することにより、複数の電極と抵抗基板の抵抗体とを電気的に接続することができるとともに、抵抗体−電極間間隔のバラツキによるギャップをカバーすることができる。
また、本発明の第３の構成の光学素子では、第１の構成の効果に加え、異方性導電膜を使用することにより、複数の電極と抵抗基板の抵抗体とを電気的に接続することができるとともに、抵抗体−電極間間隔のバラツキによるギャップをカバーすることができる。

本発明の第４の構成の光学素子では、絶縁基板に形成された複数の電極と抵抗体を密着させる方向に圧力をかける構造を備えることで、複数の電極を抵抗体で電気的に接続することができる。
本発明の第５の構成の光学素子では、第４の構成の効果に加え、抵抗体を形成するための支持体としてガラスを用いることにより、抵抗体成膜を蒸着やスパッタリングという方法で行う場合に成膜が容易になる。
また、本発明の第６の構成の光学素子では、第４の構成の効果に加え、抵抗体を形成するための支持体としてセラミックを用いることにより、機械的強度が増し、また、熱伝導率の良い材料を使うことにより放熱が容易になり、抵抗体の放熱による影響を軽減することができる。
さらに、本発明の第７の構成の光学素子では、第４の構成の効果に加え、抵抗体を形成するための支持体として耐熱性、絶縁性の高いフィルムを用いることにより、基板へ熱圧着による接着を容易に行えるようになる。
また、本発明の第８の構成の光学素子では、第６の構成の効果に加え、セラミック支持体の抵抗体非形成面の形状に凹凸をつけ、表面積を大きくすることにより、放熱効果が高まり、抵抗体の発熱による影響が少なくなり、使用できる抵抗体の抵抗値及び材質の範囲が広がる。

本発明の第９の構成の光学素子では、第４〜８のいずれか一つの構成の効果に加え、電位勾配を発生させる最外側電極位置の抵抗体側に、抵抗体と接続し且つ外部と電気的に接続する導電材を備えたことにより、絶縁基板上の電気的構造が電極のみとなり、外部接続電極を構成する必要がなくなり、基板サイズの小型化が可能になり、それにより製造コストを下げることができる。

以下、本発明に係る光学素子の構成、動作及び作用を、図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明の一実施例を示す図であって、光学素子と電源を含む電気配線の概略構成図であり、液晶分子層５を挟む一方の透明な絶縁基板２に複数のライン電極１を配置し、その複数のライン電極１に電気的配線を施した例である。また、図１（Ａ）は光学素子を上から見たときの断面図であり、（Ｂ）は光学素子を正面から見た正面図である。光は図１（Ａ）では紙面上下方向、（Ｂ）では紙面に対して正背面方向に通過する。この構成では、絶縁基板２に形成され平行に配置されたライン形状をした複数の電極（ライン電極）１と、抵抗基板１３として支持体１２に形成された抵抗体１０とが電気的に接続され、両端のライン電極１が電源１１に接続されている。また、２つの絶縁基板２，３に挟まれて、液晶分子層５、スペーサ６、配向膜８等を備えている。抵抗体１０は、ライン電極１より高い抵抗値を有し、その抵抗値は略均一である。また、抵抗体１０には電圧が印加される。この電圧は、液晶分子層５の配向が可能な電界を発生し、且つ絶縁破壊を起こさない範囲である。電源１１は交流電源であるが、正負の所定電圧を交互に矩形的に発生するものが好ましい。この電源１１により抵抗体１０に印加される電圧の正負により、図１の第一電界方向と第二電界方向に電界が発生する。

本実施例においては、抵抗体１０は絶縁基板２へ形成せず、抵抗基板１３として絶縁基板２とは別の支持体１２に抵抗体１０を作成することを特徴としている。ここで、図２は図１のライン電極１と抵抗基板１３に注目した概略断面図である。抵抗基板１３を構成する支持体１２は電気的配線がなされることから、絶縁帯域の抵抗特性を有することが条件となり、これらの特性を有するガラス、セラミック、フィルム等が使用される。そして、この支持体１２の一面に抵抗体１０が形成される。

支持体１２としてガラスを用いる場合、ガラスはスパッタリング、蒸着等の方法で抵抗体１０を成膜する際に、多くの抵抗膜材料と相性が良い上に、熱変形等の熱による影響が少ないという利点がある。また、支持体１２としてセラミックを用いる場合には、熱伝導性の高いものを用いることにより、抵抗体１０による発熱の影響を支持体１２がより放熱することで、少なくすることができる。この際、図３に示すように、セラミックからなる支持体１２の抵抗体１０を形成しない面に凹凸を付けた形状にし、表面積を大きくすることにより、放熱効果を一層高めることができる。

さらに、支持体１２としてフィルムを用いる場合には、抵抗体１０の形成方法として、塗布等の方法が容易である。また、スパッタリングや蒸着等の方法でもよく、前処理が必要な場合もあるが支持体１２に抵抗体１０を形成することができる。また、フィルムは柔軟性が高く、形成された抵抗体１０の接着性が悪いと剥がれたり、変形により膜が割れたりする可能性もあるが、絶縁基板２上のライン電極１と電気的に接続する場合、密着性に優れるという利点がある。さらに、熱伝導性にも優れ、圧力にも強いため、熱圧着という方法に適している。支持体１２に用いるフィルムの具体例としては、ポリイミドフィルム、エポキシフィルム等の耐熱性と絶縁性が高いフィルムが考えられる。

支持体１２を絶縁基板２上のライン電極１に電気的に接続する方法としては、接続材として異方性導電性ペーストや異方性導電膜を用いて接続する方法や、支持体１２と絶縁基板２を近付ける方向に力を与え固定することにより接続する方法がある。異方性導電性ペーストや異方性導電膜は、熱圧着することにより、圧力の方向に導電性が高く、異なる方向には高い絶縁性を持つので、抵抗体１０と絶縁基板２上のライン電極１を押し付ける方向に圧力をかけて熱圧着することにより、双方を電気的に接続することができる。
また、支持体１２と絶縁基板２を近付ける方向に押し付けて固定する方法では、抵抗基板１３の抵抗体１０が、絶縁基板２のライン電極１に押し付けられる方向に圧力をかけて固定する構造を設けるか、二つの基板を挟みこむ部品等を加えることにより、電気的に接続することができる。

本実施例では、光学素子を以上のような構成にし、電極間を抵抗体１０で電気的に接続して電圧を印加することにより、抵抗体１０に直線状の電位傾斜を発生させることができ、ライン電極１が電位を持ち、各電極間で電界が発生し、それにより液晶分子層５が配向し、光の偏向角を変えることができる。

以上説明したように、本実施例の光学素子では、絶縁基板２上に形成された複数のライン電極１を電気的に接続する抵抗体１０を異なる支持体１２に形成することにより、抵抗体１０を形成する支持体１２の面積が小さくなり、抵抗体１０の成膜コストが安価になるとともに、成膜時の影響による電極１や抵抗体１０の変質等をなくすことができる。
そして、抵抗体１０を形成するための支持体１２としてガラスを用いることにより、抵抗体成膜を蒸着やスパッタリングという方法で行う場合に成膜が容易になる。また、抵抗体１０を形成するための支持体１２としてセラミックを用いることにより、機械的強度が増し、また、熱伝導率の良い材料を使うことにより放熱が容易になり、抵抗体の放熱による影響を軽減することができる。さらに、セラミック支持体の抵抗体非形成面の形状に凹凸をつけ、表面積を大きくすることにより、放熱効果が高まり、抵抗体１０の発熱による影響が少なくなり、使用できる抵抗体１０の抵抗値及び材質の範囲が広がる。
また、抵抗体１０を形成するための支持体１２として耐熱性、絶縁性の高いフィルムを用いることにより、基板へ熱圧着による接着を容易に行えるようになる。
さらにまた、支持体１２を絶縁基板２上のライン電極１に電気的に接続する方法として、異方性導電性ペーストを使用することにより、複数のライン電極１と抵抗基板１３の抵抗体１０とを電気的に接続することができるとともに、抵抗体−電極間間隔のバラツキによるギャップをカバーすることができる。また、異方性導電膜を使用することにより、複数のライン電極１と抵抗基板１３の抵抗体１０とを電気的に接続することができるとともに、抵抗体−電極間間隔のバラツキによるギャップをカバーすることができる。

次に本発明の第２の実施例を説明する。図４〜６は本発明における抵抗基板１３の抵抗体１０の両端部に外部接続用導電材（導線）１４を備え、絶縁基板２のライン電極１と電気的に接続するようにした一例を示す図である。ここで、図４は光学素子と抵抗基板１３の接続部分を基板中央で切断して横から見た概略断面図、図５は図４の省略部分の方向より接続部を見た概略断面図であり、図６は図４を上から見た状態で、かつ絶縁基板２と抵抗基板１３上の電気的配線を抽出して示す概略要部平面図である。

図４〜６に示すように、抵抗基板１３の絶縁基板２のライン電極１に接する部分の表面に、抵抗体１０が略均一に形成されており、抵抗基板１３の電位勾配を発生させる両端の電極位置に、外部と電気的に接続するための導電材（導線）１４が接続されている。この導電材（導線）１４に電圧を印加すると、導電材（導線）１４を通して抵抗体１０に直線的な電位勾配が発生するとともに、ライン電極１は抵抗体１０に接続している位置により電位を持つこととなる。そして、抵抗体１０が均一な特性を有している場合、電極間の距離によって電位は直線的に変わることから、電極間距離に関わらず、電極間には直線的な電位勾配が作りだされ、液晶分子層（図示せず）に電界がかかり、配向することになる。

抵抗体１０とライン電極１の接続は、図４の左側より抵抗基板１３の中に絶縁基板２を挿入すると、抵抗体１０とライン電極１が圧着されて電気的に接続される。抵抗体１０とライン電極１が圧着するためには、抵抗基板１３の支持体に弾性変形可能な柔軟な材質を用いる方法や、抵抗基板１３側にバネ等を設け、その力により絶縁基板２を挟みこむ構造を持たせる方法がある。

図５、図６はライン電極１を抵抗体１０に接続する部分を表しているが、ライン電極１に抵抗体１０が接続され、その抵抗体１０の両端に外部と接続する導電材（導線）１４が接続されている。この場合、導電材（導線）１４を、電位勾配を発生させる両端の電極位置以上の外側に位置する抵抗体１０に接続する構造にし、これに電圧を印加することにより、電位を印加した導電材（導線）１４の内側に位置する電極間には、電極間距離に関わらず抵抗体１０に直線的な電位勾配が発生し、電極間に電位差を発生させることができる。また、抵抗基板１３側に導電材（導線）１４を持つことにより、絶縁基板２上の電気的構造がライン電極１のみとなり、製造が容易となる。さらに、ライン電極１と外部を接続するための空間を基板上に備える必要がなくなるため、基板サイズを小さくすることができ、製造コストや部品コストを下げることができる。

以上に説明した本発明の光学素子は、光偏向素子、画像表示素子等に応用することができる。そして、これらの光偏向素子、画像表示素子等は、プロジェクションディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイなどの電子ディスプレイ装置等に好適に利用することができる。

本発明の一実施例を示す図であって、光学素子と電源を含む電気配線の概略構成図であり、（Ａ）は光学素子を上から見たときの断面図であり、（Ｂ）は光学素子を正面から見た正面図である。ライン電極に抵抗基板を接続した状態を示す概略要部断面図である。セラミックからなる支持体表面に凹凸形状を付けた構成の抵抗基板をライン電極に接続した状態を示す概略要部断面図である。光学素子と抵抗基板の接続部分を基板中央で切断して横から見た概略断面図である。図４の省略部分の方向より接続部を見た概略断面図である。絶縁基板側の基板とライン電極、及び抵抗基板側の抵抗体と導電材（導線）を上から見た概略要部平面図である。従来技術の一例を示す光学素子の構成説明図である。

符号の説明

１：ライン電極、
２，３：絶縁基板（透明基板）
４：電圧印加手段
５：液晶分子層
６：スペーサ
７：交流電源
８：配向膜
９：抵抗
１０：抵抗体
１１：電源
１２：支持体
１３：抵抗基板
１４：導電材（導線）
１５：接続材

Claims

絶縁基板上に複数の電極を形成し、その電極間を抵抗体により接続し、該抵抗体に電圧を印加することにより電極間に電位差を生じさせることで電界を発生させ、それにより液晶分子層を配向させる光学素子において、
液晶分子層を含む光学的要素を備えた構造体を挟む二つの透明な絶縁基板の少なくとも一方に複数の電極を形成し、前記絶縁基板とは異なる支持体に形成された抵抗体により、複数の電極を電気的に接続し、前記抵抗体に電圧を印加して電位勾配を発生させ、電極間に電界を発生することで、前記液晶分子層を配向させる構成であり、
前記抵抗体を形成するための支持体として、絶縁体のセラミックを用い、前記支持体の抵抗体非形成面の形状に凹凸をつけ、表面積を大きくしたことを特徴とする光学素子。
請求項１記載の光学素子において、
前記絶縁基板に形成された複数の電極と抵抗体を、異方性導電性ペーストを用いて電気的に接続することを特徴とする光学素子。
請求項１記載の光学素子において、
前記絶縁基板に形成された複数の電極と抵抗体を、異方性導電膜を用いて電気的に接続することを特徴とする光学素子。
絶縁基板上に複数の電極を形成し、その電極間を抵抗体により接続し、該抵抗体に電圧を印加することにより電極間に電位差を生じさせることで電界を発生させ、それにより液晶分子層を配向させる光学素子において、
液晶分子層を含む光学的要素を備えた構造体を挟む二つの透明な絶縁基板の少なくとも一方に複数の電極を形成し、前記絶縁基板とは異なる支持体に形成された抵抗体により、複数の電極を電気的に接続し、前記抵抗体に電圧を印加して電位勾配を発生させ、電極間に電界を発生することで、前記液晶分子層を配向させる構成であり、
前記絶縁基板に形成された複数の電極と抵抗体を密着させる方向に圧力をかける構造を備えることで、電気的に接続することを特徴とする光学素子。
請求項４記載の光学素子において、
前記抵抗体を形成するための支持体として、絶縁体であるガラスを用いることを特徴とする光学素子。
請求項４記載の光学素子において、
前記抵抗体を形成するための支持体として、絶縁体のセラミックを用いることを特徴とする光学素子。
請求項４記載の光学素子において、
前記抵抗体を形成するための支持体として、絶縁体のフィルムを用いることを特徴とする光学素子。
請求項６記載の光学素子において、
前記支持体の抵抗体非形成面の形状に凹凸をつけ、表面積を大きくしたことを特徴とする光学素子。
請求項４〜８のいずれか一つに記載の光学素子において、
電位勾配を発生させる両端の電極に接続した抵抗体の位置以上の外側位置に、該抵抗体と接続し且つ外部と電気的に接続する導電材を備えた抵抗基板を有することを特徴とする光学素子。