JP5915535B2 - 液晶素子及び液晶素子用セル - Google Patents

Description

本発明は、液晶素子及び液晶素子用セルに関する。

従来、液晶分子の配向状態を変化させることにより光学特性を変化させることができる液晶レンズ等の液晶素子が知られている。例えば液晶レンズにおいて高いレンズパワーを得るためには、液晶層の厚みを厚くする必要がある。しかしながら、液晶層の厚みを厚くすると、電圧印加に対する液晶レンズの応答速度が遅くなるという問題がある。

これに鑑み、例えば特許文献１には、光軸方向に沿って配された複数の薄い液晶層を設けることにより、電圧印加に対する液晶レンズの応答速度を高めることが提案されている。特許文献１では、液晶層の厚みを所定の厚みに保つためのスペーサを、直径が２０μｍの球状スペーサが分散した接着剤により形成することが記載されている。

特開２００７−１１４７２１号公報

液晶素子の光学特性は、液晶層の厚みに大きく左右されるが、特許文献１に記載の液晶素子では、液晶層の厚みむらが生じやすいという問題がある。

本発明は、液晶層の厚みむらが小さな液晶素子を提供することにある。

本発明に係る液晶素子は、第１のガラス板と、第２のガラス板と、スペーサと、液晶層とを備えている。第２のガラス板は、第１のガラス板に対向して配されている。スペーサは、第１のガラス板と第２のガラス板との間に配されている。スペーサは、第１及び第２のガラス板と注入口を有する内部空間を区画形成している。液晶層は、内部空間に設けられている。スペーサは、第１のスペーサと、樹脂製の第２のスペーサと、樹脂製の第３のスペーサとを有する。第１のスペーサは、内部空間を構成する開口が形成された環状のガラス板若しくは金属板からなる。第２のスペーサは、ガラス板と第１のスペーサとの間に配されている。第２のスペーサは、第１のスペーサよりも薄い。第３のスペーサは、ガラス板と第１のスペーサとの間に配されている。第３のスペーサは、第１のスペーサよりも薄い。第２及び第３のスペーサのうちの少なくとも一方に、第１のスペーサの開口に接続されており、注入口を構成する開口が形成されている。

第２及び第３のスペーサのそれぞれの厚みは、第１のスペーサの厚みの１．０倍以下であることが好ましい。

第１のスペーサの厚みが４００μｍ以下であることが好ましい。

第１及び第２のガラス板のそれぞれの厚みが５００μｍ以下であることが好ましい。

第１のスペーサの熱膨張係数が５０×１０^−７／℃以下であることが好ましい。

本発明に係る液晶素子用セルは、第１のガラス板と、第２のガラス板と、スペーサとを備える。第２のガラス板は、第１のガラス板に対向して配されている。スペーサは、第１のガラス板と第２のガラス板との間に配されている。スペーサは、第１及び第２のガラス板と内部空間を区画形成している。内部空間は、注入口を有する。内部空間には、液晶が注入される。スペーサは、第１のスペーサと、樹脂製の第２のスペーサと、樹脂製の第３のスペーサとを有する。第１のスペーサは、内部空間を構成する開口が形成された環状のガラス板若しくは金属板からなる。第２のスペーサは、ガラス板と第１のスペーサとの間に配されている。第２のスペーサは、第１のスペーサよりも薄い。第３のスペーサは、ガラス板と第１のスペーサとの間に配されている。第３のスペーサは、第１のスペーサよりも薄い。第２及び第３のスペーサのうちの少なくとも一方に、第１のスペーサの開口に接続されており、注入口を構成する開口が形成されている。

本発明によれば、液晶層の厚みむらが小さな液晶素子を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る液晶素子の略図的断面図である。 図２は、本発明の一実施形態における素子本体の略図的分解斜視図である。

以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。

また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。

図１に本実施形態の液晶素子１の略図的断面図を示す。図２に、本実施形態における素子本体の略図的分解斜視図を示す。

液晶素子１は、液晶レンズを構成している。図１に示すように、液晶素子１は、素子本体（液晶素子用セル）１０と、複数の液晶層１６とを備えている。素子本体１０は、図１及び図２に示すように、ｚ方向（積層方向）に積層された複数のガラス板１１ａ〜１１ｄを有する。隣り合うガラス板１１ａ〜１１ｄは、ｚ方向に対向している。これらのガラス板１１ａ〜１１ｄのうち、最もｚ方向の一方側に位置するガラス板１１ａが下ガラス板を構成しており、最もｚ方向の他方側に位置するガラス板１１ｄが上ガラス板を構成しており、ガラス板１１ａとガラス板１１ｄとの間に位置するガラス板１１ｂ、１１ｃが中間ガラス板を構成している。

下ガラス板を構成しているガラス板１１ａと、上ガラス板を構成しているガラス板１１ｄとのそれぞれの内側主面の上には、図示しない電極と電極の上に設けられた配向膜とが形成されている。一方、中間ガラス板を構成しているガラス板１１ｂ、１１ｃの両主面の上には、配向膜が形成されている。ガラス板１１ｂ、１１ｃと配向膜との間にも電極が形成されていてもよい。

ガラス板１１ａ〜１１ｄの厚みは、特に限定されない。ガラス板１１ａ〜１１ｄの厚みは、互いに等しくてもよいし、互いに異なっていてもよい。通常は、上下に位置するガラス板１１ａ、１１ｄが相対的に厚く、ガラス板１１ｂ、１１ｃが相対的に薄い。ガラス板１１ａ、１１ｄの厚みは、５０μｍ〜５００μｍであることが好ましく、１００μｍ〜３００μｍであることがより好ましい。ガラス板１１ｂ、１１ｃの厚みは、１０μｍ〜４００μｍであることが好ましく、２０μｍ〜２００μｍであることがより好ましい。

ｚ方向に隣接するガラス板１１ａ〜１１ｄの間のそれぞれにはスペーサ１２が配されている。このスペーサ１２と、ｚ方向に隣接するガラス板１１ａ〜１１ｄとにより、注入口１７を有し、液晶が注入される内部空間１８が区画形成されている。注入口１７は、素子本体１０の側面に開口している。即ち、内部空間１８は、注入口１７により側面と連通している。

本実施形態では、内部空間１８の形状は、円柱状であるが、本発明においては特に限定されない。内部空間１８の形状は、形成しようとする液晶層１６の形状に応じて適宜設定すればよい。

スペーサ１２の厚みは、形成しようとする液晶層１６の厚みに応じて適宜設定することができる。スペーサ１２の厚みは、例えば、１０μｍ〜１０００μｍ程度とすることができる。液晶素子１の高速応答性を高める観点からは、液晶層１６が薄いことが好ましい。よって、スペーサ１２の厚みは、９００μｍ以下であることが好ましく、８００μｍ以下であることがより好ましい。

複数の内部空間１８のそれぞれには、液晶層１６が設けられている。液晶層１６は、封止材１５により封止されている。

液晶層１６には、ガラス板１１ａの上に設けられた電極と、ガラス板１１ｄの上に設けられた電極とにより電圧が印加される。これにより、液晶層１６の屈折率が変化する。その結果、液晶素子１のレンズパワーが変化する。

次に、スペーサ１２の構成についてさらに詳細に説明する。

複数のスペーサ１２のそれぞれは、第１のスペーサ１２ａと、第２のスペーサ１２ｂと、第３のスペーサ１２ｃとを有する。

第１のスペーサ１２ａは、環状のガラス板若しくは金属板からなる。第１のスペーサ１２ａには、内部空間１８を構成する開口１２ａ１（図２を参照）が形成されている。本実施形態では、詳細には、開口１２ａ１は、内部空間１８の一部を構成している。但し、開口１２ａ１が内部空間１８の全体を構成していてもよい。

第１のスペーサ１２ａの熱膨張係数は、５０×１０^−７／℃以下であることが好ましく、４５×１０^−７／℃以下であることがより好ましい。

第２のスペーサ１２ｂは、第１のスペーサ１２ａと、ガラス板１１ａ、１１ｂ、１１ｃとの間に配されている。第２のスペーサ１２ｂは、第１のスペーサ１２ａと、ガラス板１１ａ、１１ｂ、１１ｃとを接着している。第２のスペーサ１２ｂは、樹脂製である。第２のスペーサ１２ｂは、例えば、紫外線硬化型樹脂接着剤の硬化物等の樹脂接着剤の硬化物と、硬化物中に分散した球状粒子とを含んでいてもよい。

第３のスペーサ１２ｃは、第１のスペーサ１２ａと、ガラス板１１ｄ、１１ｃ、１１ｂとの間に配されている。第３のスペーサ１２ｃは、第１のスペーサ１２ａと、ガラス板１１ｄ、１１ｃ、１１ｂとを接着している。第１のスペーサ１２ａは、第２のスペーサ１２ｂと第３のスペーサ１２ｃとにより挟持されている。第３のスペーサ１２ｃは、樹脂製である。第３のスペーサ１２ｃは、例えば、紫外線硬化型樹脂接着剤の硬化物等の樹脂接着剤の硬化物と、硬化物中に分散した球状粒子とを含んでいてもよい。

第２及び第３のスペーサ１２ｂ、１２ｃのうちの少なくとも一方に、第１のスペーサ１２ａにより一部が構成された内部空間１８に接続されており、注入口１７を構成している開口１２ｂ２，１２ｃ２が形成されている。具体的には、第２及び第３のスペーサ１２ｂ、１２ｃの両方に、第１のスペーサ１２ａにより一部が構成された内部空間１８に接続されており、注入口１７を構成している開口１２ｂ２，１２ｃ２が形成されている。さらに、第２及び第３のスペーサ１２ｂ、１２ｃの少なくとも一方、具体的には両方に、内部空間１８の一部を構成している開口１２ｂ１，１２ｃ１が形成されている。即ち、内部空間１８は、第１〜第３のスペーサ１２ａ〜１２ｃにわたって設けられている。

第２及び第３のスペーサ１２ｂ、１２ｃのそれぞれの厚みは、第１のスペーサ１２ａと同じかそれよりも薄い。第２及び第３のスペーサ１２ｂ、１２ｃのそれぞれの厚みは、第１のスペーサ１２ａの厚みの１．０倍以下であることが好ましく、０．９倍以下であることがより好ましい。但し、第２及び第３のスペーサ１２ｂ、１２ｃの厚みが薄すぎると、スペーサ１２とガラス板１１ａ〜１１ｄとの間の接合強度が低くなりすぎる場合がある。従って、第２及び第３のスペーサ１２ｂ、１２ｃのそれぞれの厚みは、第１のスペーサ１２ａの厚みの０．１倍以上であることが好ましく、０．２倍以上であることがより好ましい。

具体的には、第１のスペーサ１２ａの厚みは、１０μｍ〜４００μｍであることが好ましく、２０μｍ〜２００μｍであることがより好ましい。スペーサ１２の厚みに対する第１のスペーサ１２ａの厚みの比（（第１のスペーサ１２ａの厚み）／（スペーサ１２の厚み））は、０．３３〜０．８３であることが好ましく、０．４０〜０．８０であることがより好ましい。第２のスペーサ１２ｂ及び第３のスペーサ１２Ｃの厚みは、それぞれ１０μｍ〜４００μｍであることが好ましく、１０μｍ〜２００μｍであることがより好ましい。

なお、スペーサ１２は、例えば以下の要領で作製することができる。すなわち、ガラス板１１ａの上に第２のスペーサ１２ｂを形成するための紫外線硬化型樹脂接着剤を印刷する。次に、第１のスペーサ１２ａを載置する。次に、第１のスペーサ１２ａ及びガラス板１１ｂのうちの少なくとも一方の上に第３のスペーサ１２ｃを形成するための紫外線硬化型樹脂接着剤を印刷する。その後、ガラス板１１ｂと第１のスペーサ１２ａとを重ね、加圧した状態で紫外線を照射し、接着剤を硬化することにより第２及び第３のスペーサ１２ｂ、１２ｃを硬化させ、スペーサ１２を完成させることができる。

ところで、特許文献１に記載のように、液晶層の厚みを所定の厚みに保つためのスペーサを、直径が２０μｍの球状スペーサが分散した接着剤により形成することが考えられる。しかしながら、この場合は、スペーサの剛性が低くなるため、液晶層の厚みむらが生じやすい。また、液晶層の厚みを一定に保つことが困難となる。

この観点から、高い剛性を有するガラス板によりスペーサを構成することが考えられる。この場合、スペーサを構成するガラス板には、液晶層を設けるための内部空間を構成するための開口と、注入口を構成するための開口とを設ける必要がある。従って、スペーサを構成するガラス板は、環状とはならず、馬蹄状となる。このため、注入口を構成するための開口が設けられた領域及びその周辺の領域においては、スペーサの両側に位置しているガラス板間の距離が近くなるため、内部空間が薄くなる。従って、注入口を構成するための開口が設けられた領域の周辺の領域と、それ以外の領域とでは液晶層の厚みが異なる。即ち、液晶層に厚みむらが生じる。

それに対して本実施形態では、スペーサ１２が、相対的に厚いガラス板若しくは金属板により構成された第１のスペーサ１２ａと、相対的に薄い樹脂製の第２及び第３のスペーサ１２ｂ、１２ｃとにより構成されている。そして、注入口１７を構成するための開口１２ｂ２，１２ｃ２は、相対的に薄い樹脂製の第２及び第３のスペーサ１２ｂ、１２ｃの少なくとも一方に形成されている。このため、第１のスペーサに注入口を構成するための開口を形成した場合と比較して、ガラス板１１ａ〜１１ｃの変形を抑制することができる。従って、液晶層１６の注入口１７付近の部分の厚みが小さくなることを抑制することができる。その結果、液晶層１６の厚みむらの少ない液晶素子１を実現することができる。

尚、スペーサ１２を主として構成している第１のスペーサ１２ａをガラス製にすると、スペーサ１２の厚みの温度依存性を低くすることができる。従って、液晶素子１の温度が変化した際に液晶層１６の厚みが変化することを抑制することができる。液晶素子１の温度が変化した際に液晶層１６の厚みが変化することをより効果的に抑制する観点からは、第１のスペーサ１２ａの熱膨張係数は、５０×１０^−７／℃以下であることが好ましく、４５×１０^−７／℃以下であることがより好ましい。

また、液晶層１６の厚みむらをより効果的に抑制すると共に、液晶層１６の厚みの温度依存性をより効果的に低減する観点からは、スペーサ１２に占める第１のスペーサ１２ａの割合を高くすることが好ましい。具体的には、第２及び第３のスペーサ１２ｂ、１２ｃのそれぞれの厚みを、第１のスペーサ１２ａの厚みの１．０倍以下とすることが好ましく、０．９倍以下とすることがより好ましい。スペーサ１２の厚みに対する第１のスペーサ１２ａの厚みの比（（第１のスペーサ１２ａの厚み）／（スペーサ１２の厚み））を０．８３以下とすることが好ましく、０．８０以下とすることが好ましい。

液晶層１６の厚みむらは、ガラス板１１ａ〜１１ｄが薄く、変形しやすい場合に生じやすい。このため、本実施形態の液晶層１６の厚みむらを抑制できる技術は、ガラス板１１ａ〜１１ｄの厚みが５００μｍ以下である場合、さらには３００μｍ以下である場合に特に有効である。

上記実施形態では、本発明の実施形態の一例として、液晶レンズについて説明した。但し、本発明において、液晶素子は、液晶レンズに限定されない。液晶素子には、液晶レンズ、液晶シャッター、液晶表示素子、液晶絞り等が含まれるものとする。

上記実施形態では、液晶素子が複数のガラス板を有し、複数の液晶層を有する例について説明した。但し、本発明はこの構成に限定されない。液晶素子は、一対のガラス板と、一対のガラス板間に配されたひとつの液晶層のみを有していてもよい。液晶素子が複数の液晶層を有する場合、液晶素子用セルに、複数の液晶層を連通させる連通口が設けられていてもよい。その場合、複数の液晶層における圧力ばらつきを小さくすることができる。

上記実施形態では、第２及び第３のスペーサの両方に注入口を構成するための開口を形成する例について説明したが、第２及び第３のスペーサの一方にのみ注入口を構成するための開口を形成してもよい。また、第１のスペーサに、注入口の一部を構成する溝を形成してもよい。

１…液晶素子
１０…素子本体
１１ａ〜１１ｄ…ガラス板
１２…スペーサ
１２ａ…第１のスペーサ
１２ａ１…内部空間を構成する開口
１２ｂ…第２のスペーサ
１２ｂ１…内部空間を構成する開口
１２ｂ２…注入口を構成する開口
１２ｃ…第３のスペーサ
１２ｃ１…内部空間を構成する開口
１２ｃ２…注入口を構成する開口
１５…封止材
１６…液晶層
１７…注入口
１８…内部空間

Claims (6)

1. 第１のガラス板と、
   前記第１のガラス板に対向して配された第２のガラス板と、
   前記第１のガラス板と前記第２のガラス板との間に配されており、前記第１及び第２のガラス板と注入口を有する内部空間を区画形成しているスペーサと、
   前記内部空間に設けられた液晶層と、
   を備え、
   前記スペーサは、
   前記内部空間を構成する開口が形成された環状のガラス板若しくは金属板からなる第１のスペーサと、
   前記ガラス板と前記第１のスペーサとの間に配されており、前記第１のスペーサよりも薄い樹脂製の第２のスペーサと、
   前記ガラス板と前記第１のスペーサとの間に配されており、前記第１のスペーサよりも薄い樹脂製の第３のスペーサと、
   を有し、
   前記第２及び第３のスペーサのうちの少なくとも一方に、前記第１のスペーサの開口に接続されており、前記注入口を構成する開口が形成されている、液晶素子。
2. 前記第２及び第３のスペーサのそれぞれの厚みは、前記第１のスペーサの厚みの１．０倍以下である、請求項１に記載の液晶素子。
3. 前記第１のスペーサの厚みが４００μｍ以下である、請求項１または２に記載の液晶素子。
4. 前記第１及び第２のガラス板のそれぞれの厚みが５００μｍ以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の液晶素子。
5. 前記第１のスペーサの熱膨張係数が５０×１０^−７／℃以下である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の液晶素子。
6. 第１のガラス板と、
   前記第１のガラス板に対向して配された第２のガラス板と、
   前記第１のガラス板と前記第２のガラス板との間に配されており、注入口を有し、液晶が注入される内部空間を前記第１及び第２のガラス板と区画形成しているスペーサと、
   を備え、
   前記スペーサは、
   前記内部空間を構成する開口が形成された環状のガラス板若しくは金属板からなる第１のスペーサと、
   前記ガラス板と前記第１のスペーサとの間に配されており、前記第１のスペーサよりも薄い樹脂製の第２のスペーサと、
   前記ガラス板と前記第１のスペーサとの間に配されており、前記第１のスペーサよりも薄い樹脂製の第３のスペーサと、
   を有し、
   前記第２及び第３のスペーサのうちの少なくとも一方に、前記第１のスペーサの開口に接続されており、前記注入口を構成する開口が形成されている、液晶素子用セル。

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