DE2449543C3

DE2449543C3 - Verfahren zum Treiben einer Flüssigkristall-Matrixanzeigeeinheit

Info

Publication number: DE2449543C3
Application number: DE2449543A
Authority: DE
Inventors: Hideaki Hitachi Kawakami (Japan)
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1973-10-19
Filing date: 1974-10-17
Publication date: 1980-09-04
Also published as: FR2257970B1; DE2449543A1; DE2449543B2; US3976362A; JPS5068419A; GB1468277A; FR2257970A1; JPS5757718B2

Description

V₂, = K_n ± Vo,

wobei V21 und K22 die Amplituden der an die angesteuerten bzw. nicht angesteuerten Tastelektroden (X) angelegten Spannungen und V_n und Vm die Amplituden der an die angesteuerten bzw. nicht angesteuerten Signalelektroden (Y) angelegten Spannungen sind, wobei VO die Spannungsamplitude an einer angesteuerten Zelle ist, und wobei die Konstante a größer als 3 und gleich oder näherungsweise gleich tJFT+ 1 mit N gleich der Anzahl der Tastelektroden eingestellt wird.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Treiben einer Flüssigkristall-Matrixanzeigeeinheit der aus der DE-OS 22 37 996 oder auch der Zeitschrift »Journal of Physics D: Applied Physics«, Band 5, 1972, S. 1218 bis 1225, insbesondere S. 1220, rechte Hälfte der Tabelle 1 und Abschnitt 2.1.2. bekannten, im Oberbegriff des Patentanspruchs beschriebenen Art.

Der Begriff »zeilenweise« ist dabei so zu verstehen, daß jeweils eine ganze Zeile zu je einem Zeitpunkt abgetastet wird.

Gemäß Fig. 5 der DE-OS 22 37 996 sind bei dem bekannten Verfahren zum Treiben einer Flüssigkristall-Matrixeinheit sämtliche Amplituden der an die halbgewählten Zellen oder nichtgewählten Zellen angelegten Spannungen unterschiedlich von denen der gewählten Zellen und untereinander gleich. Hiermit wird die Betriebsspanne, das heißt das Verhältnis der Spannung der nichtgewählten zur Spannung der gewählten Zellen durch die Anzahl der Tastelektroden bestimmt. Je größer die Anzahl der Tastelektroden ist, um so geringer ist die Betriebsspanne, so daß bei den vorausgesetzten Spannungen kein hoher Kontrast erreichbar ist Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Treiben einer Flüssigkristall-Matrixanzeigeeinheit anzugeben, das durch Erhöhung der Betriebsspanne auch bei Auslegung für sehr viele Tastelektroden bzw. Bildpunkte einen möglichst hohen Kontrast zwischen den gewählten und den halbgewählten bzw. nichtgewählten Zellen ermöglicht

Diese Aufgabe wird bei dem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs beschriebenen Maßnahmen gelöst

Gegenstand der Erfindung ist also mit anderen Worten ein Verfahren zum Treiben einer matrixartig angesteuerten Flüssigkristallanzeige mit einem zeilenweisen Abtastsystem, einem System also, das zu jedem Augenblick je eine Zeile tastet, wobei in der Flüssigkristallanzeige die Bildelemente durch Bereiche des Flüssigkristalls definiert sind, die in den Kreuzungspunkten der Tastelektroden und der Signalelektroden zwischen diesen liegen. Die Matrix der Anzeige wird durch die Schar der Signalelektroden und die Schar der Tastelektroden aufgebaut Der stabile Betrieb einer solchen Flüssigkristallanzeige wird nun dadurch bewirkt, daß man die Spannungsamplitude, die den nicht angesteuerten Bildpunkten bzw. Zellen auf einer angesteuerten Tastelektrode aufgeprägt wird, unterschiedlich von der Spannungsamplitude einstellt, die den nicht angesteuerten Bildpunkten auf einer angesteuerten Signalelektrode aufgeprägt wird, und daß man die Spannungsamplitude, die eigentliche Vorspannung, die den nicht angesteuerten Bildpunkten auf einer angesteuerten Signalelektrode aufgeprägt wird, gleich groß wählt wie die Spannungsamplitude, die den verbleibenden nicht angesteuerten Bildpunkten zugeführt wird. Diese Spannungsamplitude bzw. Vorspannung wird dabei nach Maßgabe und in Abhängigkeit von der Anzahl der Tastelektroden gewählt, so daß der Spielraum für die Betriebsparameter weiter verbessert, insbesondere die ansteuerbare gerasterte Fläche weiter vergrößert und die Auflösung verbessert werden können.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. IA eine Flüssigkristallanzeige mit Matrixansteuerung nach dem Stand der Technik in Seitensicht, w F i g. 1B die in F i g. 1A gezeigte Anzeige in Draufsicht, F i g. 2 eine Flüssigkristallanzeige mit zugeordneten peripheren Schaltungen,

F i g. 3 eine schematische Darstellung zur prinzipiellen Erläuterung der Erfindung,

Fig.4 ein Wellenformdiagramm zur Erläuterung eines bekannten Treibverfahrens,

F i g. 5 die Helligkeitskennlinie für das amplitudenselektive Multiplexverfahren,

F i g. 6 ein Wellenformdiagramm zur Erläuterung des bo Prinzips der Erfindung,

F i g. 7 ein weiteres Wellenformdiagramm zur Erläuterung der Erfindung,

Fig.8 ein Diagramm mit Beispielen für Treiberwellenformen der Erfindung,

h" F i g. 9 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen der Anzahl der Tastzeilen und der Betriebsspanne, die als Schwellenspannungsverhältnis definiert ist,

Fig. 10 in schematicher Darstellung eine Flüssigkristallanzeige zur Darstellung eines Zeichens unter Verwendung des Treibers der Erfindung,

F i g. 11 eine genauere Darstellung ein*» Teils der in F i g. 10 gezeigten Schaltung,

F i g. 12 Anwendungsbeispiele der Erfindung und

Fig. 13 ebenfalls Anwendungsbeispiele der Erfindung.

Flüssigkristallanzeigen können grundsätzlich in zwei Betriebsweisen betrieben werden, nämlich nach dem Verfahren der dynamischen Streuung (im folgenden DSM) und unter Ausnutzung des Feldeffektes (im folgenden FEM). Die Erfindung ist grundsätzlich sowohl für die DSM als auch für die FEM anwendbar. Aus Gründen der einfacheren und übersichtlicheren Darstellung ist die Erfindung jedoch im folgenden im Hinblick auf die DSM beschrieben. Es liegt im Rahmen des Könnens des Fachmanns, die nachstehende Beschreibung auf das FEM-Verfahren zu übertragen.

Neben der prinzipiellen Art der Kontrasterzeugung in Flüssigkristallzellen kann man diese hinsichtlich ihrer Betriebsweise auch noch in der Weise klassifizieren, daß man im Durchlicht betriebene Elemente von solchen unterscheidet, die in Reflexion betrieben werden.

In den F i g. 1A und IB ist eine Flüssigkristallanzeige nach dem Stand der Technik dargestellt, die unter Verwendung einer Elektrodenmatrix angesteuert und im Durchlicht betrieben wird. In der F i g. IA ist die Seitensicht, in der Fig.IB die Draufsicht schematisch dargestellt Die Glasplatten 1 der Anzeigevorrichtung sind einige Millimeter dick und tragen auf jeweils einer ihrer Hauptoberflächen streifenförmige und durchsichtige Dünnschichtelektroden3(Nesa-Schichten),dieunter Bildung der Anzeigevorrichtung so einander zugekehrt sind, daß die Streifenschar auf der einen Platte senkrecht zur Streifenschar auf der Gegenplatte steht. Die beiden Glasplatten 1 werden durch einen elektrischen isolierenden Abstandhalter 2 im Abstand von einigen zehn Mikrometern voneinander gehalten. Im Inneren der so gebildeten Anzeigevorrichtung befindet sich der Flüssigkristall 4. Die streifenförmigen Dünnschichtelektroden 3 auf beiden Glasplatten 1 bilden eine Matrix, wobei jeder Kreuzungspunkt jeder der Elektroden als Bildelement dient. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen zwei beliebigen, senkrecht zueinander stehenden Dünnschichtelektroden unterhalb eines bestimmten Grenzwertes, der sogenannten Schwellenspannung, bleibt das zwischen den beiden sich kreuzenden Dünnschichtelektroden definierte Bildelement, der Ausschnitt aus dem Flüssigkristall, durchsichtig. Wenn dagegen die angelegte Spannung größer als die Schwellenspannung ist, wird der Flüssigkristall im Bildpunktbereich durch die erzeugte dynamische Streuung undurchsichtig.

Die in F i g. 1 gezeigte Flüssigkristallanzeige ist in schematischer Darstellung in F i g. 2 mit dem Bezugszeichen 5 versehen. Der Treiber der Anzeige 5 besteht aus einem Zeilentreiber 6 und einem Spaltentreiber 7 (F ig. 2).

Zum Tasten einer solchen Flüssigkristallanzeige nach dem Matrixverfahren muß jafgrund des Zeitverhaltens der Flüssigkristallzellen das zuvor beschriebene zeilenweise Abtastverfahren angewendet werden.

In F i g. 3 ist der Zustand einer Anzeige in einem bestimmten Zeitpunkt dargestellt. X\, X₂ und X3 sind die Zeilenelektroden, während K,, Y₂ und V₃ die Spaltenelektroden sind. Deim Tasten werden die Zeilenelektroden X\, X₂ und Xj in der genannten Reihenfolge angesteuert. Die Bildsignale werden auf die Spaltenelektroden Yi, Yi und Y3 gegeben. In der F i g. 3 ist der Fall gezeigt, daß die Elektroden X₂ und Y₂ angesteuert sind, was durch die Schraffur der entsprechenden Elektroden hervorgehoben ist Wenn in der F i g. 3 aus Gründen der vereinfachten Darstellung auch nur die Spaltenelektrode Y₂ als angesteuert dargestellt ist, so sei an dieser Stelle doch betont, daß selbstverständlich auch mehrere Spaltenelektroden bildmäßig gleichzeitig angesteuert sein können.

Im folgenden seien folgende Termini verwendet: Das durch die angesteuerte Tastelektrode oder Zeilenelektrode X₂ und durch die ebenfalls angesteuerte Signalelektrode oder Spaltenelektrode Y₂ definierte Bildelement 21 wird als »angesteuert« bezeichnet Das durch eine angesteuerte und durch eine nicht angesteuerte Elektrode definierte Bildelement, beispielsweise das Bildelement 22, wird als »halbangesteuert« bezeichnet. Ein durch zwei nicht angesteuerte Elektroden definierter Bildpunkt beispielsweise der Bildpunkt 23, wird als »nicht angesteuert« bezeichnet

Als Verfahren zur Rasterung und Tastung solcher Anzeigen sind das amplitudenselektive Multiplexverfahren und das Drittelvorspannungsverfahren bekannt. Das Drittelvorspannungsverfahren ist in der F i g. 4 schematisch dargestellt Dieses Verfahren ist im wesentlichen dadurch charakterisiert daß die Spannung sowohl an den halbangesteuerten als auch an den nicht angesteuerten Bildpunkten ein Drittel der Amplitude der angesteuerten Bildpunkte beträgt und daß die Einstreuspannung ebenfalls ein Drittel der Steuerspannung beträgt.

In der Fig.5 ist die Beziehung zwischen der angelegten Spannung VO, die als an einen angesteuerten Bildpunkt angelegte Spannungsamplitude definiert ist, und der relativen Helliekeit sowohl des angesteuerten Bildpunktes als auch des nicht angesteuerten Bildpunktes nach dem bekannten Drittelvorspannungsverfahren dargestellt. Die Knickpunkte der in F i g. 5 wiedergegebenen Helligkeitskennlinien definieren die Schwellenspannungen des angesteuerten bzw. des nicht angesteuerten Bildelementes. Wenn die Spannung V₀ also den Wert der Schwellenspannung Vm überschreitet, setzt im angesteuerten Bildelement die dynamische Streuung ein, während die dynamische Streuung auch im nicht angesteuerten Bildelement einsetzt, wenn die Spannung Vo den Wert V,h 2 erreicht Da zur Erzielung eines Darstellungskontrastes im nicht angesteuerten Bildpunkt oder Bildelement keine dynamische Streuung auftreten darf, muß die Spannung Vo, die an die sich kreuzenden Elektroden in den Bildelementen angelegt wird, also so gewählt sein, daß

* (A 1 *·> » 0 "*- ^r IA 2 ·

ist.

Als Maß für die Stabilität beim Betrieb einer solchen Flüssigkristallanzeige dient die sogenannte Betriebsspanne «, die als das Verhältnis

definiert ist. Wenn jVdie Anzahl der Tastelektroden ist, gilt

= 3 K*

N + 8

ν,,2 = 3

(2)

(3)

In den vorstehenden Gleichungen ist V,/, dabei die Schwellenspannung für den DSM-Betrieb.

Die Gleichung (3) sagt also mit anderen Worten, daß die Betriebsspanne lediglich eine Funktion der Anzahl der Tastelektroden ist. Je größer die Anzahl der Tastelektroden wird, desto kleiner wird die Betriebsspanne. Nach dem bekannten Verfahren der Drittelvorspannung lassen sich dadurch prinzipiell nicht mehr als einige zehn Tastelektroden je Anzeigematrix unterbringen. Das bekannte Verfahren schränkt also das Auflösungsvermögen matrixgesteuerter Flüssigkristallanzeigen empfindlich ein. Diese einschränkende Grenze wird durch die Erfindung wesentlich erweitert. Anhand eines Ausführungsbeispiels ist im folgenden zunächst anhand der F i g. 6 das Prinzip der Erfindung beschrieben.

Die Tastelektroden seien in der in F i g. 6 gezeigten Weise angesteuert. Die Spannungsamplitude in jedem angesteuerten Bildelement sei V₀ und in jedem halbangesteuerten Bildelement auf einer angesteuerten Tastelektrode (Mb)V₀. In den anderen Fällen ist die Spannungsamplitude in jedem halbangesteuerten oder nicht angesteuerten Zustand oder Bildelement (Va)Vo. Dementsprechend können die effektiven Spannungen Vs₁ und V52 am angesteuerten bzw. am nicht angesteuerten Bildelement bestimmt werden, wenn die Anzahl der Tastelektroden N bekannt und auch bei wechselnder Darstellung oder Anzeige unverändert konstant bleibt. Es ist dann

K_x, = (ΐ/_β) V₀ / 1 + _ί

α² - 1

V_S2 = (I/a) K) / 1 +

(a²/b²) N

(4)

(5)

ΛΤ + (α² - 1) '

V.H2 =

V,_h

N +

1)

ν_Λ1 Vn

— 1)

(6)

(7)

(8) müssen die durch die folgenden Gleichungen (9) bis (11 gegebenen Bedingungen erfüllt sein:

η =

H) V¹

YL
b²

Folgende Fälle erfüllen diese vorstehend genannter Bedingungen:

> 1

(a/bf = (a - 2)²

₁₂ = y..-± v_n

V21 = V_n - V_n

ν» = V_n - -L v_n

= V_n + -

V₂, = V_n + V₀

(H)

V₂₂ =

1 α

(15)

Für den Fall, daß in den vorstehenden Gleichungen (4) und (5) a=b=3 ist, ergeben sich die effektiven Spannun- 4 -, gen für das Drittelvorspannungsverfahren.

Für die in Fig.6 gezeigten Treiberwellenformen bestimmten sich die Schwellenspannungen V,/,iund V₁^ 2 sowie die Betriebsspanne ex. wie folgt:

Aus den Gleichungen (6), (7) und (13) folgen fur diesen Fall dann für die Schwellenspannungen und die Betriebsspanne λ die folgenden Ausdrücke:

D '

(16)

,(17)

- I N + ((a-2f-\)-

Für den Fall, daß V₁, = V₀ > Ound V_n = 0, gehen die Gleichungen (14) bzw. (15) in die Ausdrücke (19) bzw (20) über, deren zugeordnete Treiberwellenformen ii F i g. 8 gezeigt sind. Für V₁ ] = Vo:

bO

In den in Fig.7 gezeigten Wellenformen ist davon ausgegangen, daß die Spannungen an jeder Signalelektrode Y im angesteuerten Zustand Vn und im nicht angesteuerten Zustand Vn ist Entsprechend ist die b5 Spannung an jeder der Tastelektroden X im angesteuerten Zustand V₂i und im nicht angesteuerten Zustand V22. Zur Realisierung der in Fi g. 6 gezeigten Wellenformen

V₁, = O

V₀

(19)

und für V_n = O:

V₂₁ = V₀

V₇, = -Vr

(20)

Der Gleichung (18) kann entnommen werden, daß die Betriebsspanne λ eine Funktion der Anzahl N der Tastelektroden oder Zeilen und einer Konstante α ist. Die Betriebsspanne « nimmt also als Funktion von α offensichtlich ein Maximum für

a =fW+1

(21)

an. Für ein Flüssigkristallanzeigeelement mit 49 Tastzeilen oder Tastelektroden wird die maximale Betriebsstabilität bzw. der maximale Wert für die Betriebsspanne λ erreicht, wenn α=8 ist.

Im folgenden sei das bekannte Drittelvorspannungsverfahren mit dem Verfahren der Erfindung verglichen, und zwar für den Fall, daß die Rastermatrix des Anzeigeelementes 100 Tastzeilen bzw. Tastelektroden enthält, so daß also N=IOO. Für das Drittelvorspannungsverfahren ist a = 3 und dementsprechend

Für das Verfahren der Erfindung ist dagegen nach Gleichung (21) für Optimalbedingungen α = 11 und somit ·

Die Betriebsstabilität eines nach dem Verfahren der Erfindung betriebenen Anzeigeelementes ist also wesentlich besser als die Stabilität eines vergleichbaren Elementes nach dem Stand der Technik.

Dieser Vergleich ist graphisch in der Fig.9 als Funktion der Anzahl N der Tastelektroden dargestellt Für das Drittelvorspannungsverfahren ist ο = 3, während für das Verfahren der Erfindung das durch die Gleichung (21) definierte Optimum

zugrunde gelegt ist. Aus Gründen der übersichtlicheren Darstellung ist die Ordinate der in Fig.9 gezeigten graphischen Darstellung in Einheiten von x_max— 1 geteilt

In der Fi g. 10 ist ein System zur Flüssigkristallanzeige von Zeichen mit peripheren Schaltungselementen gezeigt. Das Verfahren der Erfindung kann mit der gezeigten Schaltung ausgeführt werden. Das Flüssigkristallanzeigeelement 31 wird zeilenweise abgetastet. Das Tastsignal bzw. das Steuersignal für das eigentliche Tastsignal wird im Tastsignalgenerator 34, vorzugsweise einem Ringzähler, erzeugt und auf den Treiber 32 für die Tastelektroden gegeben, der die jeweils angesteuerte Tastelektrode 39 treibt. Das einlaufende codierte Zeichensignal 46 wird in der Zeichenverarbeitungseinheit 37 zum Zeichensteuersignal 45 decodiert und im Puffer 36 zwischengespeichert Das so im Puffer 36 gespeicherte Zeichensignal ist jeweils einer bestimmten ' Tastzeile zugeordnet. Das im Puffer 36 gespeicherte Signal wird seriell ausgelesen und im Zeilenspeicher 35 gespeichert. Der Signalelektrodentreiber 33 wird selektiv nach Maßgabe des Inhaltes des Zeilenspeichers 35 betrieben, so daß die Signalelektroden 40 selektiv angesteuert und getrieben werden. Alle zuvor beschriebenen Schaltungsbauteile werden durch die Signalerzeugungssteuerung 38 gesteuert Auf den Zeilensignalgenerator wird das Rahmensignal 41, auf den Treiber 33 das Zeilensignal 42, auf den Speicher 35 das Zeilenspeichersteuersignal 43 und auf den Puffer 36 das Puffersteuersignal 44 gegeben. Gleichzeitig wird von der Signalerzeugungssteuerung 38 ein Steuersignal für die Zeichenverarbeitungseinheit 37 erzeugt

In der F i g. 11 sind Beispiele für Treiber gezeigt, die als Tastelektrodentreiber 32 und als Signalelektrodentreiber 33 verwendet werden können. Ein Schalter S21 oder ein Schalter S22 sind je nachdem, ob die Tastelektroden angesteuert sind oder nicht, eingeschaltet Entsprechend sind die Schalter Su oder Sn eingeschaltet, je nachdem, ob die Signalelektroden angesteuert sind oder nicht Auf diese Weise werden die im Diagramm der F i g. 7 gezeigten Spannungen auf die Flüssigkristallzelle 50 des Flüssigkristallanzeigeelementes (31 gemäß F i g. 10) aufgeprägt

In den Fig. 12 und 13 sind Treiberwellenformen für den Fall V_n =0 bzw. für den Fall

indenFormeln(14)bzw.(15)dargesteIlt

Zusammenfassend kann also festgestellt werden, daß erfindungsgemäß die Betriebsspanne « dadurch wesentlich verbessert werden kann, daß man die Vorspannungen nach Maßgabe der Anzahl der Tastelektroden wählt und dadurch auch Flüssigkristallanzeigeelemente mit großer Kapazität nach dem Matrixsystem selbst dann noch wirkungsvoll und stabil treiben kann, wenn diese Matrix mehr als 50 Tastelektroden oder Zeilenelektroden hat

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zum Treiben einer Flüssigkristall-Matrixanzeigeeinheit mit einem zeilenweise arbeitenden Abtastsystem, wobei die Bildelemente in der Anzeigeeinheit durch jene Bereiche des Flüssigkristalls definiert sind, die, senkrecht zur Anzeigefläche, in den Kreuzungspunkten zwischen matrixartig angeordneten Tastelektroden und Signalelektroden liegen, und als Zellen die Orte auf den Elektroden definiert sind, deren Projektion senkrecht zur Anzeigefläche mit den Bildelementen zusammenfällt, und wobei die Amplitude der Spannung, die an die nicht angesteuerten Zellen auf einer angesteuerten Signalelektrode angelegt wird, gleich der Amplitude der Spannung an denjenigen nicht angesteuerten Zellen eingestellt wird, die sich weder auf einer angesteuerten Signalelektrode noch auf der angesteuerten Tastelektrode befinden, dadurchgekennzeichnet, daß die Amplitude der Spannung, die an die nicht angesteuerten Zellen auf der angesteuerten Tastelektrode angelegt wird, verschieden von der Amplitude der Spannung eingestellt wird, die an die nicht angesteuerten Zellen auf einer angesteuerten Signalelektrode und an die übrigen nicht angesteuerten Zellen angelegt wird, derart, daß die Amplituden der Spannungen an den Signal- und Tastelektroden in folgenden Beziehungen zueinander stehen: