JP2002090704A

JP2002090704A - 液晶表示パネル読取装置

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Publication number: JP2002090704A
Application number: JP2000281883A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Yoshino; 勝美吉野
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-09-18
Filing date: 2000-09-18
Publication date: 2002-03-27

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、光の回折（回り込み）を抑えること
で、光学的に距離対センサ信号のリニアライズを実現
することを目的とする。【解決手段】液晶駆動電極５、６に矩形波を印加する
と、液晶９は電界強度分布特性に応じた配向角分布によ
り周辺の分子が立った状態となり、ＬＥＤ２の光はコ
リメートされる。したがって、液晶駆動電極５、６に電
圧を印加した状態で、フォトトランジスタ３及びスリッ
ト４を移動させ、ＬＥＤ２の光をスリット４を介してフ
ォトトランジスタ３で受光する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶表示パネルの
画素を読み取る液晶表示パネル読取装置に関する。本発
明の読取装置は、例えば数値制御工作、機械、半導体基
板の搬送装置、３次元描画装置、内視鏡手術用装置、μ
マシン製造装置、多関節ロボット、遺伝子治療薬製造装
置、位置制御非接触形状計測装置、光ディスク検査装
置、DNA検査・解析装置などの駆動系アクチュエータの
位置制御用の液晶スケールの読み取りに適用される。

【０００２】

【従来の技術】例えば、数値制御（ＮＣ）工作機械で
は、サーボモータ等の回転駆動源からの回転力をラック
・ピニオン機構などからなる送り機構によって直線運動
に変換し、テーブルや工具を所定の位置に移動させてい
る。この装置の場合、テーブル等の位置制御は、制御対
象を駆動するサーボモータにロータリエンコーダ等の回
転位置検出器を取付け、この位置検出器からの検出され
た回転量をサーボモータ等にフィードバックし、サーボ
モータの回転量を制御することでテーブル等の制御対象
の位置制御を行なっている。

【０００３】また、ロータリエンコーダの代りに、直線
運動の変位を検出するリニアエンコーダを用いる場合が
ある。リニアエンコーダとしては、例えば光学スケール
上をサーボモータの駆動と同期させて光学読取装置を移
動させ、その読取装置によりスケールの値を読み取る、
いわゆる光学式のものがある。ここで、光学読取装置と
しては、例えば光源からの光をスケールに照射して、そ
の透過、反射光をスリットを介して検出するものがあ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一般に光学スケールの
課題は光源からの光を一定方向に透過あるいは反射させ
てスケールの輪郭を鮮明にして、受光器側にその情報を
伝えることにある。しかし、一般にスリットを通過した
光束は、回折現象によって通過後拡散する。このこと
は、スリットインターバルと光源波長を考慮してｎ次回
折光を抑える工夫が必要である。すなわち、入射光を平
行にしても問題が解決しないばかりか、出射光の後処理
を光学部品で精密にコリメートしなければならないこと
を示している。すなわち光学部品とスリットとの間に空
間が設けられると収差等を考慮したより精密成型、精密
配置が要求される。

【０００５】その対策として、スリットから出射する前
に、コリメートレンズをスリット上におくか、スリット
中に内蔵することが理想的である。これを実現するため
にはスケール自身にレンズ作用も併せ持たせる必要があ
る。一般的にスケールにレンズ作用をもたせる方法とし
て考えられる方法はホログラム素子が一般的であるがホ
ログラム素子によって、レンズ効果をもたせてパターニ
ングすることは困難である。特にスケール仕様上、必要
不可欠な熱膨張を抑えた素材すなわちガラス素材にそれ
を作りこむことは非常にコストがかかるとされてきた。
そこで、本発明は、従来の方法でとりきれなかった光の
回折を抑える新規な装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本件発明者は、鋭意検討
した結果、液晶分子が電場、磁場等の外力によって、画
素あるいはパターン中の屈折率分布を容易に調節できる
点に着目した。使用波長、セルギャップ等の初期設定に
加えて駆動方法等の各条件を検討した結果、過渡的屈折
率分布制御をすることによって液晶自身に直接レンズ効
果を付与させることで、光の回り込みを除去し、液晶表
示パネルの画素からの平行光束の出射を実現した。さら
に液晶表示パネルは構造的に共通のレンズ層を有してお
り、各パターン間の屈折率分布が極力抑える能力を持っ
ているため、スケールとしては理想的な素材であること
が明らかとなった。

【０００７】すなわち、本発明は、複数の画素からなる
液晶表示パネルと、該液晶表示パネルに電圧を印加して
レンズ作用を起こす液晶駆動部と、前記液晶表示パネル
に光を照射する投光器と、液晶パネルに照射された光の
透過・散乱光を受光する受光器とからなる液晶表示パネ
ル読取装置を提供する。

【０００８】ここで、液晶表示パネルは、一対の電極板
の間に液晶を封入して構成される。各電極板は、通常、
ガラス基板に電極として機能しうる、例えばＩＴＯ膜を
蒸着して形成される。液晶は、例えば、複屈折型液晶素
子、透過散乱型液晶素子、 TN（ツイステッドネマチッ
ク）液晶、STN（スーパーTN）液晶、強誘電性液晶素
子、反強誘電性液晶、高分子分散型液晶のいずれかで構
成することができるが、これらに限定されない。セルギ
ャップ（一対の電極板の間の距離）は、１〜１００μ
ｍ、好ましくは５〜２０μｍである。

【０００９】また、液晶表示パネルは、用途に応じて画
素（模様）が異なるが、例えばスケールとして用いると
きは、バイナリコード乃至グレイコード等の２進コード
を表示するのが好ましい。ここで、２進コードとは白画
素及び黒画素で構成されたスケール（信号処理上、２進
法で０か１の信号のみ）を意味する。グレイコードとは
符号化パターンが常に１個のビットしか変化しない光学
的誤動作が非常に少ないコードを意味する。特に最小符
号化パターンからの出射、透過あるいは反射光を移動し
ながら光センサにとりこみ、光量に応じた信号を得るこ
とで、パターンを分割し、より精細な位置情報を、信号
強度をアナログ的にあるいは量子化することで知ること
が可能である。液晶画素の大きさは、用途に応じて異な
るが、例えばスケールとして用いる場合は、５〜１００
μｍである。

【００１０】「レンズ作用を起こす」とは、液晶表示パ
ネルの液晶分子の配向角が１〜４５度となり、入射光を
集光する作用をいう。このようなレンズ作用は、液晶の
種類、使用波長にもよるが、液晶表示パネルのセルギャ
ップが１〜１００μｍ、好ましくは５〜２０μｍの場
合、周波数１０〜１００００（１０Ｋ）Ｈｚ、好ましく
は２００〜２０００Ｈｚで、３〜１８Ｖ、好ましくは５
〜１５Ｖの矩形波を印加することにより達成できる。ま
た、デュティ比は、５０％が好ましいが、５５〜７５％
でも可能である。なお、本発明は、このような条件に限
定されず、「レンズ作用を起こす」全ての条件が該当す
る。

【００１１】投光器としては、例えば発光ダイオード、
レーザー、ランプ、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）
などを挙げることができるが、これらに限定されない。
使用する波長域は、紫外〜赤外領域、好ましくは３００
〜１０００ｎｍの波長域のものを使用することができ
る。また、投光器は点光源でも、液晶パネル全面をバッ
クライト照射させるものでもよい。

【００１２】受光器は、フォトダイオード、フォトマ
ル、固体受光センサ、焦電センサ、サーモパイルなどの
各種赤外線センサを用いることができる。また、投光器
と受光器は、フォトカプラ、フォトインタラプタのよう
に一体化したものも該当する。さらに、投光器と受光器
は、複数連のフォトインタラプタ、ＰＳＤ（posision s
ensing device)のように複数設置されていてもよい。ま
た、投光器が１つの点又は面光源で、受光器のみ複数連
の場合、その逆の場合も含まれる。

【００１３】さらに、投光器と液晶表示パネルの間ある
いは液晶表示パネルと受光器の間に光の回りこみ防止の
ためスリットを設けてもよい。スリット幅は、液晶画素
の大きさに応じて異なるが、例えばスケールの場合は、
５０〜５００μｍである。また、本発明では光学手段を
液晶表示パネル面に沿って走査させる走査手段を設けて
もよい。投光器の走査手段としては、例えば、投光器と
液晶パネルとの間にミラーを設けて、そのミラーの走査
で光を振り分けるもの、投光器自体を載置台におき、載
置台を移動させるものが挙げられるが、これらに限定さ
れない。載置台を移動させる場合には、リニアモータ、
ねじ送り機構、ラック・ピニオン機構などで移動させ
る。また、受光器の走査手段も同様に、液晶パネルと受
光器の間に集光ミラーを設けて、ミラー走査するもの、
受光器自体を移動させるもののいずれも含む。また、走
査方向は液晶パネルの一方向には限定されず、Ｘ−Ｙ方
向、ジグザグスキャン方向のいずれでもよい。

【００１４】本発明の液晶表示パネル読取装置は、例え
ば駆動系アクチュエータに用いるリニアスケールの読み
取りとして用いることができる。駆動系アクチュエータ
としては、例えば、モータ、ソレノイド、シンリンダ
ー、バネ等を挙げることができるが、これらに限定され
ない。また、モータとしては、例えばサーボモータを用
いることができるが、これには限定されない。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
いて説明する。図１は、本発明の液晶表示パネル読取装
置の概略図である。図１中７は、液晶表示パネルであ
り、液晶表示パネル７は、一対のガラス基板８を対向さ
せ、スぺーサ（図示せず）によって間隔保持し、液晶９
を封入して構成する。また、ガラス基板８にはＩＴＯ膜
を蒸着して液晶駆動電極５、６を形成してある。なお、
セルギャップは、例えば、５μｍ、液晶駆動電極５、６
で構成される液晶画素の大きさは、幅３０μｍである。
また、液晶９としては、例えば、ＴＮ（ツイステッド
ネマチック）やＳＴＮ（スーパーツイステッドネマチッ
ク）を用いる。液晶駆動電極５、６には、発振器１が接
続されており、所定周波数（５０〜５００Ｈｚ）のパル
ス電圧が印加される。印加電圧は、例えば１２Ｖを印加
する。なお、１０は論理回路を示す。

【００１６】２はＬＥＤであり、例えば、８６０ｎｍの
波長光を発する。なお、図示上ＬＥＤ２は、液晶表示パ
ネル７の画素部分のみ照射しているように表している
が、パネル７の全面を照射している。また、３はフォト
トランジスタであり、ＬＥＤ２の光を受光する。フォト
トランジスタ３で受光した光は、コンデンサ１２で積分
することでＤＣ出力を得る。なお、１１は抵抗、１３は
アンプを示す。また、４はスリットであり、スリット幅
は、前述した液晶画素の幅が３０μｍの場合、５０〜１
００μｍが望ましい。このスリット４とフォトトランジ
スタ３は、一体となって液晶表示パネル７面に沿って移
動する（図の矢印方向）。移動手段は、図示していない
が、リニアモータを用いる。

【００１７】以上の構成により、本発明の原理は次の通
りである。液晶駆動電極５、６に電圧を無印加のとき
は、図２（ａ）に示すように液晶９は横に整列してい
る。この状態では、ＬＥＤ２の光は回折現象により、
スリット４を通過しない。しかし、液晶駆動電極５、６
に図３に示すような矩形波を印加する。図３中Ａは液晶
駆動電極５への駆動パルス、Ｂは液晶駆動電極６への駆
動パルスを示す。図３のような矩形波を液晶駆動電極
５、６に印加すると、図２（ｂ）に示すように、液晶９
は電界強度分布特性に応じた配向角分布により周辺の分
子が立った状態となり、ＬＥＤ２の光はコリメートされ
る。したがって、液晶駆動電極５、６に電圧を印加した
状態で、フォトトランジスタ３及びスリット４を移動さ
せ、ＬＥＤ２の光をスリット４を介してフォトトランジ
スタ３で受光する。

【００１８】受光した光をコンデンサ１２で積分して得
たＤＣ出力とフォトトランジスタ３及びスリット４の移
動距離との関係は図４の通りである。図４の横軸は、移
動距離（μｍ）、縦軸は信号強度（ｍＶ）を示す。全移
動距離は、液晶画素の幅分である。フォトトランジスタ
３の位置によって、信号強度がかわるので、この信号強
度を量子化すると微細な位置を知ることが可能となる。
例えば、１０ビットまで分解能をとると、図４の強度変
化グラフの頂点は１０ビットの中間の５１２番目の位置
を示すことになるが、回路上で、強度の最高ピークとし
てホールドし、信号処理過程で記憶することで５１２番
目以降の位置と、５１２番目以前の位置との判別をする
ことができる。このことは、液晶表示パネル７をスケー
ルとして用いた場合には、分解能が高まることになる。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、液晶自身にレンズ効果
を持たせているので、画素の輪郭の鮮明度が向上し、光
電走査信号の質の高さを各段に向上させることができ
る。レンズ組み込み型により周囲の光学系を省略するこ
とで構成全体を簡略化できる。

【００２０】さらに、スケールに適用すると、スケール
本体にレンズアレーを組み込んだことになり、位置読み
取りユニット構成を簡略化できる。スケールは液晶のレ
ンズ効果を利用するので透過方式および反射方式が同一
パネルで製作が可能となり、従来のように用途別にメモ
リ材料の蒸着方法を複雑に考慮する必要がなくなる。従
来の方法ではとりきれなかった光の回折（回り込み）を
抑えることで、光学的に距離対センサ信号のリニアラ
イズを実現した。これによって、従来方式に比べてスケ
ールユニットの光源、周辺光学部品、検出器構成および
電気回路の簡略化が可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液晶表示読取装置の概略図

【図２】本発明の原理図

【図３】液晶駆動電極５、６への印加電圧図

【図４】光検出位置と信号強度の関係の説明図

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【手続補正書】

【提出日】平成１２年９月１８日（２０００．９．１
８）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３】

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図４】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の画素からなる液晶表示パネルと、該
液晶表示パネルに電圧を印加してレンズ作用を起こす液
晶駆動部と、前記液晶表示パネルに光を照射する投光器
と、液晶パネルに照射された光の透過・散乱光を受光す
る受光器とからなる液晶表示パネル読取装置。
【請求項２】液晶表示パネルのセルギャップが１〜１０
０μｍで、液晶駆動部が１０〜１００００Ｈｚ、３〜１
８Ｖの矩形波を印加することを特徴とする請求項１記載
の液晶表示パネル読取装置。
【請求項３】液晶表示パネルが、複屈折型液晶素子、透
過散乱型液晶素子、 TN（ツイステッドネマチック）液
晶、STN（スーパーTN）液晶、強誘電性液晶素子、反強
誘電性液晶、高分子分散型液晶である請求項１記載の液
晶表示パネル読取装置。
【請求項４】投光器が発光ダイオード、レーザー、ラン
プ、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）である請求項１
記載の液晶表示パネル読取装置。
【請求項５】受光器がフォトダイオード、フォトマル、
固体受光センサ、焦電センサ、サーモパイルである請求
項１記載の液晶表示パネル読取装置。