JPH0769534B2 - ネジレネマチック液晶表示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は自動車あるいは時計などの表示に用いられるネ
ジレネマチック液晶表示装置に関するものであり、暗い
背景に明るい表示パターンの現われるネガ表示型液晶表
示装置に関するものである。

［従来の技術］ ネジレネマチック液晶表示装置は、その外観によりネガ
表示型とポジ表示型に大別される。ネガ表示型とは、暗
い表示面に明るい文字・図形等の表示を行う形式であ
り、自動車の計器類、時計等に既に広く用いられてい
る。

第２図に従来のネガ型ネジレネマチック液晶表示装置の
例を模式的に示した斜視図を示す。

一般に裏面の照明手段１、偏光板３、５、ネジレネマチ
ックセル（TNセル）４とからなり、用途に応じて色フィ
ルター２を併用することもある。

TNセルは２枚のガラス、プラスチック等の透明支持体に
相対向する所望形状の電極を備え、透明支持体間では、
ネマチック液晶分子が透明支持体の表面に対しほぼ平行
になり、かつ90°のラセン構造を成す様に配向制御され
ている。また、偏光板３、５の偏光軸は、隣接する基板
表面の液晶分子の配向方向に平行もしくは直交し、かつ
偏光軸が互いに平行になる如く設置される。このような
構成をとることにより、電圧が印加されない部分では光
源１の光は、偏光板３で直線偏光となり、TNセル４に入
射する。TNセル４において直線偏光はほぼ90°偏光面が
回転させられ、偏光板５で遮光される。一方、TNセル
の、しきい電圧以上の励起電圧を印加された部分では偏
光面の回転がないために、TNセル４を通過した偏光面は
偏光板５の偏光軸と一致し、明るいパターンを生ずる。
また、色フィルター２を設ければ、透過光を着色するこ
とが可能になり、部分的に表示色を変えた表示装置も構
成できる。

［発明の解決しようとする問題点］ 従来から用いられているこの方式は、既に理論的に解析
されている。（CHGooch等、J.Phys.,D,８,1975,P.157
5）背景部分の透過率（Toff）は、理論的な偏光板を用
いた場合 ｕ＝2dΔn/λ （２） d:TNセルの間隙 Δn:ネマチック液晶の屈折率異方性 λ：光の波長 で表わされる。また、表示部分（電圧印加部分）の透過
率（Ton）は、２枚の偏光板を、互いに偏光軸が平行に
なる如く設置した場合の透過率で近似できるので、Ton
≒0.5となる。従って、コントラスト比（CR）は CR＝Ton/Toff≒0.5/Toff （３） で近似することができ、セル間隙（ｄ）、液晶の屈折率
異方性（Δｎ）および波長依存性を持っている。

一方、液晶セル間隙（ｄ）を厳密に一定に制御すること
は困難であり、設定値に対するバラツキをもつこと、ま
たΔｎは温度依存性、波長依存性共に有すること、さら
には同一セルで多色の表示をする、言い換えれば異なっ
た波長の光を使用する場合があること等の制限条件があ
る。

その結果、従来の装置は以下に挙げる問題を持ってい
た。

（１）コントラスト比が小さい。

（２）背景の暗さが充分でなく、背景もある程度明るく
見えてしまう、言い換えればToffが大きい。

（３）Toffの温度依存性が大きく、温度により背景の暗
さが変化する。

いずれの問題点もToffが（１）式に従うために理想的な
光シャッターで無いことに起因する。

これをさけてネガ型表示をするたるには、ポジ型セルを
用い、背景部分に電極を設け常に電圧を印加することも
考えられたが、２層セルとするか、２層電極とする等し
なくてはならなく、パターン設計の容易さ、見易さ、生
産性、コスト上好まくしない。又、部分的に配向を平行
配向とすることも考えられたが、単に固定表示部分を設
けるのみならばそれほど困難でもないが、表示パターン
以外の全ての部分の配向方向のみを変えることは極めて
困難で、複雑な表示には応用できない。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、従来装置のかかる問題点を解決するためにな
されたものであり、Toffを２枚の偏光板の偏光軸を直交
させた場合と同等の光量となる如く構成されるものであ
り、コントラストの大きいネガ型ネジレネマチック液晶
表示装置を提供するものである。

本発明は、照明手段と、ほぼ90°のラセン構造をもつネ
マチック液晶層と、ネマチック液晶層を挟持し、かつ電
極の形成された複数の透明支持体と、表示パターンに対
応する位置に光透過部分の形成された遮光マスクと、透
明支持体の外側に設けられた１対の偏光板と、電極に電
圧を印加する手段とを備えたネジレネマチック液晶表示
装置において、遮光マスクに設けられた光透過部分が、
対向する電極により定められる表示セグメントパターン
よりも外側の部分まで含むように設けられるとともに、
各々の偏光板の偏光軸が互いに直交するように配置し、
かつ所望の表示パターンに対応する電極間以外の電極間
に励起電圧を印加するようにしたことを特徴とするネジ
レネマチック液晶表示装置を提供するものである。

本発明では２枚の偏光板は互いにその偏光軸が直交する
ように配置されるものであり、通常はその偏光軸を近接
する液晶分子の配向方向に直交または平行するように配
置されればよい。

本発明では、このような構成をとることにより、即ち、
ポジ型のセル構成でネガ型表示をすることにより、背景
部分は遮光マスクで遮光され、表示パターン部分でのTo
ffは電圧印加により液晶分子がねじれ配向でなくなるこ
とから、２枚の偏光板の偏光軸を直交させた場合と同等
の光量となるので、充分に暗くできるとともに温度、色
に関係なく同じ暗状態とすることができる。これにより
部分的に色フィルターや異色光源を設けた場合において
もそれが認識されなく、さらにコントラストも大きくと
れることになる。

また、本発明では、遮光マスクに設けられた光透過部分
が、対向する電極により定められる表示セグメントパタ
ーンよりも外側の部分まで含むように設けられる、即
ち、表示セグメントパターンよりも遮光マスクに設けら
れた光透過部分が大きくされているため、表示セグメン
トパターンの周囲に常に光が透過してくる部分を有する
こととなる。

これにより、表示パターンが表示の有無にかかわらず、
その輪郭が視認できることとなり、独特の意匠を持った
表示が得られる。

また、この応用として何も表示されていない状態でも、
表示される内容が判別できる。例えば、このような構成
でない場合には真暗な中に「」が表示されていたとす
ると、表示される対象がいくつあるか分らないが、本発
明の構成で「○」がその輪郭でわずかに識別できるよう
に５個表示されていたり、「〜」がその輪郭でわず
かに識別できるように５個表示されていたりすれば、表
示される対象がいくつあるか容易に識別できる。

さらに、位置合せ精度が低下して位置がずれたとして
も、光が抜けてくる幅が不均一になるという状態で済
み、表示の品位が著しく低下するということがなく、位
置合せに対する許容度が向上する。

本発明に使用するTNセルは、従来のポジ型TNセルと同じ
構成でよく、偏光板もポジ型表示の配置とすればよく、
表示したいパターンに光透過部分を構成した遮光マスク
を用い、表示パターンに相当するセグメント電極の電極
間にはポジ型表示の時に点灯したい（暗くしたい）セグ
メント電極に対応する電極間には電圧を印加しなく、ポ
ジ型表示の時に点灯したくない（明るくしたい）セグメ
ント電極に対応する電極間には電圧を印加することによ
り、ネガ型表示をする。

遮光マスクは、従来から公知の顔料入のインクの印刷、
金属の蒸着、メッキ等光を遮光するものであればよく、
セルの外側、またはセル内面に形成されればよい。その
遮光度は背景部分の光の抜けをどの程度にするかにより
適宜設定されれば良いが、通常は暗いセグメント部分と
ほぼ等しい程度の光の抜け状態とされれば良い。

また、本発明では、表示セグメントパターンよりも遮光
マスクに設けられた光透過部分が大きくされるが、この
両者の間隔は、例えば0.1〜10mm程度とされ、表示パタ
ーンの幅、位置合せ精度等により適宜定められれば良
い。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を第１図、第３図及び第４図によ
り説明する。

実施例１ 第１図は本発明の基本的構成例の斜視図を示す。従来例
と異なる部分は、遮光マスク７が設けられ、表示パター
ンの形状が遮光マスクの形状とほぼ同一であり、遮光マ
スクに設けられた光透過部分が、対向する電極により定
められる表示セグメントパターンよりも外側の部分まで
含むように設けられるとともに、偏光板３及び５の偏光
軸が互いにほぼ直交しており、かつ隣接する液晶分子の
配向方向とほぼ直交もしくは平行すること、及びTNセル
４に電圧印加する手段６が、非表示セグメントにのみTN
セル動作電圧を与えるという従来とは逆の駆動を行うこ
とである（以下これをＲ−TNセルと称す）。

第３図は、遮光マスク７とTNセル４とを拡大して示した
平面図であり、第４図は、遮光マスクと電極による表示
セグメントパターンとの関係を示す平面図である。

第３図において、TNセル４の複数の表示セグメントパタ
ーン11〜18は、遮光マスク７の光透過部分８とほぼ位置
を合せるように設置される。この際、本発明では遮光マ
スクに設けられた光透過部分が、対向する電極により定
められた表示セグメントパターンよりも外側の部分まで
含むように設けられている。この表示パターンの輪郭は
遮光マスクの光透過部分８の形状により決められるが、
表示の変化する部分は対向する電極によって定まる表示
セグメントパターン部分のみであり、その両者の間の部
分は常に光が抜けてきて表示パターンの輪郭が表示され
ることになる。

第４図は、遮光マスクのパターンと表示セグメントパタ
ーンの形状を示す平面図であり、対向する電極パターン
によって定まる表示セグメントパターン（破線）のやや
外側まで遮光マスクのパターン（実線）が設けられたと
ころを示している。

これにより、表示セグメントパターンの輪郭が常に表示
されるとともに、通常のネガ表示と同様、表示したいセ
グメント電極の部分は明状態となって見えるという独特
の表示意匠を有する表示が得られるものである。

また、遮光マスクの光透過部分のパターンが表示セグメ
ントパターンよりも大きくされているので、電極と遮光
マスクの位置がずれたとしても、この間隔の範囲内であ
れば輪郭が若干不ぞろいに見えるのみで、誤認するとい
うような事態を生じにくく、パターンのずれに対する許
容度が増えるとという利点も有する。

第３図は７セグメントで０〜９までの数字表示をするパ
ターンの例である。表示セグメント11〜18に全く電圧が
印加されない場合、全てのセグメントは明状態である。
次に１部のセグメントに液晶のしきい電圧以上の所要電
圧が印加されるとその部分は液晶分子が立ち上がり、そ
の表示セグメントパターンは暗状態となり、その暗状態
の表示セグメントパターンの輪郭と、電圧無印加セグメ
ントの表示パターンが表示パターンとして認識される。
一例として、セグメント47,45に対応する電極間にのみ
電圧印加した場合は、３の表示となるが、暗状態のセグ
メント47,45もその輪郭が表示されている。尚、この場
合セルの背景部分10は電圧無印加部分と同じ明状態であ
るが、遮光マスク７があるため遮光され、暗状態として
視認される。

そこで前述の従来例と同様に本発明のＲ−TNセルのコン
トラストを解析すると以下のようになる。理想的な偏光
板を用い、充分な印加電圧を与えた場合、 Toff≒Ｏ （４） となり、コントラスト比（Ton/Toff）は無限大に近くな
る。実際には偏光板の特性あるいは印加電圧の限界によ
り有限のコントラスト比しか得られないが、従来方式に
比較すると飛躍的な向上が可能になる。表１にコントラ
スト比の測定結果を示す。使用した液晶はメルク社製ZL
I−1565、偏光板は日東電工社製Ｑ−12、また、セル間
隙は9.3μｍである。また、印加電圧は10V、透過光強度
はセル表面に垂直方向で測定し、Ton,Toffの値としては
フォトマルの出力電圧で表示した。

さらに表示装置として実用化するためには視野角も重要
である。本発明者などは種々検討した結果、液晶の屈折
率異方性（Δｎ）とセル間隙（ｄ）との積Δndが1.0〜
0.3μｍ、より好ましくは、0.8〜0.3μｍに設定されれ
ば実用的な視野角が得られることを見出した。

第５図はコントラスト比の角度依存性を比較例とともに
示すグラフである。第５図（ａ）はコントラスト比と視
角との関係を示すグラフである。

本発明の実施例であるＲ−TNセルでは、５μｍ、従来例
は、9.3μｍと５μｍのセル間隙に設定した。液晶及び
偏光板などの条件は表１と同様である。また、第５図
（ｂ）は測定角度条件を表わす斜視図であり、TNセルの
主視野方向（θ＞０°）および反視野方向（θ＜０°）
に角度依存性を測定した。

第５図に見られるように、従来セルでは単純にΔndを小
さくしたのみでは、視野角は広くなるが、コントラスト
比は小さく、一方、垂直方向（θ＝０°）のコントラス
トを大きくすれば視野角が狭くなるといった矛盾を持っ
ているのに対し、本発明ではその両者の優れた特徴を生
かすことができた。

また、本発明では、偏光板の偏光度が高いものを使用す
れば、さらにToffの値を小さくすることができ、Ton/To
ffのコントラスト比を1000以上とすることも可能であ
り、従来のネガ型液晶表示装置では到底得られなかった
高コントラスト比を有するネガ型液晶表示装置を得るこ
とができる。

実施例２ 実施例１の遮光マスクをセルの内面に設けた外は実施例
１と同様のネガ型液晶表示装置を製造した。

この液晶表示装置は、コントラスト比については、実施
例１と同様であり、かつ、斜め方向から見た場合の電極
と遮光マスクのずれを生じにくいという利点を有してい
た。

本発明の構成は第１図の実施例に示した例に限るもので
はなく、TNセルに用いられる応用は可能であり、カラー
フィルター、カラー偏光板、各種導光板の使用をはじ
め、液晶材料への２色性染料の添加、能動素子を基板上
に設けるなどしてもよい。

本発明の遮光マスクは、セルの裏側に配置してもよい
し、セルの表側、セルの内面へ配置してもよい。

もっとも、広い視野角が求められる用途、または微細な
表示パターンが必要な用途においては、遮光マスクの形
状と表示セグメント11〜18に視差があると表示欠陥とな
りうる。従って、こうした場合TNセル４の内面に遮光マ
スクを設けることが好ましい。

また、本発明では背景部分は遮光マスクで暗状態とする
ため、その部分には光は不要であり、光源の光を表示パ
ターン部分に集中することにより、より明るい表示が可
能となるため、セルの裏面、もしくは裏側偏光板の裏側
に反射するような反射板を表示パターン部分を除いて設
ける、表示パターン部分にのみ光を集中放射する導光板
を用いる等することができる。

また、使用するネマチック液晶のΔｎは、実用的なセル
間隙６〜10μｍを考慮すると好ましい領域があり、0.03
≦Δｎ≦0.17、また、より好ましくは0.03≦Δｎ≦0.13
である。Δｎの小さい液晶材料としては、 等のトランス−シクロヘキサン環を有する化合物が用い
られる。

［発明の効果］ 以上のように、本発明によれば従来のネガ型TNセルのコ
ントラスト不足を解消するのみならず、視野角をも改良
するという効果が得られる。

また、本発明では、対向する電極パターンによって定ま
る表示セグメントパターンよりも外側の部分まで含むよ
うに遮光マスクの光透過部分のパターンが設けられてお
り、遮光マスクの光透過部分のパターンが表示セグメン
トパターンよりも大きくされているので、常に表示セグ
メントパターンの輪郭が表示されるという独特の表示意
匠を生じる。

さらに、製造工程の位置合せのずれにより電極と遮光マ
スクの位置がずれたとしても、この間隔の範囲内であれ
ば、輪郭の幅が若干不ぞろいになるというのみで、視認
性の著しい低下や誤認という事態を生じにくく、パター
ンのずれに対する許容度が高いという利点も有する。

特に、遮光マスクをセル内面に形成することにより、斜
め方向から見た場合にも電極と遮光マスクのずれを生じ
にくく、見映えが良いものである。

また、セル間隙を小さくできるために応答速度も改良さ
れるという副次的効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す斜視図である。 第２図は従来のネガ表示型TN液晶表示装置の構成例を示
す斜視図である。 第３図は第１図の部分拡大図である。 第４図は本発明の表示セグメントのパターン（破線）と
遮光マスクのパターン（実線）の例を示す平面図であ
る。 第５図（ａ）はコントラスト比の角度依存性を示すグラ
フであり、（ｂ）は測定角度条件を表わす斜視図であ
る。 １……照明光源、２……色フィルター、３……偏光板、
４……TNセル、５……偏光板、６……電圧印加手段、７
……遮光マスク、８……光透過部分、11〜18……表示セ
グメント

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】照明手段と、ほぼ90°のラセン構造をもつ
   ネマチック液晶層と、ネマチック液晶層を挟持し、かつ
   電極の形成された複数の透明支持体と、表示パターンに
   対応する位置に光透過部分の形成された遮光マスクと、
   透明支持体の外側に設けられた１対の偏光板と、電極に
   電圧を印加する手段とを備えたネジレネマチック液晶表
   示装置において、遮光マスクに設けられた光透過部分
   が、対向する電極により定められる表示セグメントパタ
   ーンよりも外側の部分まで含むように設けられるととも
   に、各々の偏光板の偏光軸が互いに直交するように配置
   し、かつ所望の表示パターンに対応する電極間以外の電
   極間に励起電圧を印加するようにしたことを特徴とする
   ネジレネマチック液晶表示装置。
2. 【請求項２】液晶の屈折率異方性（Δｎ）と液晶層の厚
   み（ｄ）の積Δndが0.3〜1.0μｍである特許請求の範囲
   第１項記載のネジレネマチック液晶表示装置。
3. 【請求項３】偏光板の偏光軸が近接する液晶分子の配向
   方向に平行または直交している特許請求の範囲第１項記
   載のネジレネマチック液晶表示装置。
4. 【請求項４】遮光マスクがセル内面に形成されている特
   許請求の範囲第１項記載のネジレネマチック液晶表示装
   置。