DE2521101A1 - Verfahren und schaltung zur wahlweisen erregung einer matrix aus spannungsempfindlichen elementen, insbesondere fluessigkristallen - Google Patents

Description

Böblingen, den 6. Mai 1975 ru-fe

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.A. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: YO 973 016

Verfahren und Schaltung zur wahlweisen Erregung einer Matrix aus spannungsempfindlichen Elementen, insbesondere Flüssigkristallen.

' Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltung nach : dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw. 4.

j Die spannungsempfindlichen Elemente sind in einer Matrix ange-

j ordnet. Sie werden mit Zeilen- und Spaltentreiberleitungen ge-

I steuert und man benutzt Multiplex-Treibersignale zum Treiben

^! jeweils einer Zeile.

Die spannungsempfindlichen Elemente sind am besten nematische

. Flüssigkristalle. Ein Merkmal der nematischen Flüssigkristalle

I ist eine dielektrische Anisotropie (Δε), die ihr Vorzeichen mit ■ der Frequenz ändert, d. h., bei einer niedrigen Frequenz f. ist

i ·*■

; die dielektrische Anisotropie positiv (Δε^Ο) während bei einer j höheren Frequenz f_h die dielektrische Anisotropie negativ ist : (Ae_h <0). Siehe hierzu auch "Fast Turn-Off Nematic Liquid . Optical Devises" von M. J. Freiser, US-Patent (Serial No. ; 359,824, angemeldet Mai 14, 1973). Da das Kristallmaterial die ' höchste dielektrische Konstante aufweist, die für ein angelegtes elektrisches Feld möglich ist, kann man durch Steuerung der Spannung und Frequenz einer oder mehrerer an das Element angelegter Spannungen die Orientierung des Materials steuern. Diese , Steuerung über die Orientierung des Materials gestattet das I Material zwischen einem Lichtübertragungszustand und einem Licht- ! löschzustand oder undurchsichtigen Zustand umzuschalten. Um die

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Treibersignalvervielfältigung zu vergrößern, werden die Lichtübertragungs- und -Löschzustände des Materials so gewählt, daß die Abfallzeit T, vergrößert und die Anstiegszeit (T^) verkleinert wird, d. h. mit anderen Worten, die Zustände werden so gewählt, daß das Material schnell auf ein Treibersignal anspricht und langsam, auf das Fehlen des Treibersignales reagiert. Für die vorliegende Beschreibung kann ein Treibersignal jede Änderung der angelegten Spannung sein, die das Material in einer solchen Konfiguration ausnützt, daß es Licht überträgt. In einigen Fällen kann das Treibersignal tatsächlich das Entfernen einer an das Material angelegten Spannung sein, wobei die angelegte Spannung das Material in den lichtlöschenden Zustand versetzt.

Ein für nematische Flüssigkristalle geeignetes Material wird beschrieben in der oben erwähnten US-Patentschrift (Seriennummer 299 991).Dieses Material hat ein Brechungsindex für jede j Richtung, der sich ändert und bezogen ist auf die Richtung der ; optischen Achse. Weiterhin kann die Richtung der optischen Achse durch Anlegen eines elektrischen Feldes gesteuert werden. Das , Material weist auch eine dielektrische Anisotropie auf, die ihr Vorzeichen mit der Frequenz des veränderten elektrischen Feldes wechselt.

Ein optisches Bildanzeigegeräte, welches mit nematischen Flüs-

: sigkristallen arbeitet, ist in der oben erwähnten US-Patentschrift (Seriennummer 359 824) beschrieben. Bei einem derartigen

j Gerät ist das Flüssigkristall zwischen parallelen Elektroden eines Filmes eingeschlossen. Die Oberfläche der Elektroden wird entsprechend behandelt, wie es in der erwähnten Anmeldung beschrieben wird, so daß die optische Achse parallel zu jeder Elektrode liegt. Eine der Elektroden ist jedoch relativ zur anderen um 90 verdreht j so daß im Ruhezustand die optische Achse des Flüssigkristalles sich um 90° von einer Elektrode zur anderen dreht. Bei gekreuzten Polarisatoren neben jeder Elektrode ist daher die Kombination von Polarisatoren, Elektrode und Flüssig-

, kristall im Ruhezustand übertragen. Wenn ein elektrisches Feld

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rechtwinklig zu den Elektroden mit einer Frequenz angelegt wird, die eine positive dielektrische Anisotropie ergibt, wird die Kombination lichtlöschend. Wenn die ganze Matrix daher diesem elektrischen Feld ausgesetzt wird, welches dann wahlweise entfernt wird, sind ausgewählte Teile der Matrix lichtübertragend, wogegen die Teile, an die das elektrische Feld angelegt ist, lichtlöschend sind. Auf diese Weise kann Information auf einer Matrix aus solchen Elementen dargestellt werden.

Es ist auch allgemein bekannt, daß man zum Steuern einer Matrix aus spannungsempfindlichen Elementen Zeit-Multiplex-Treibersignale verwenden kann. Dazu dürfen die spannungsempfindlichen Elemente nicht direkt, sondern nur verzögert auf das Fehlen der Treiberspannung ansprechen. Das Ausmaß, in dem die Multiplex-Treibersignale aufgeteilt werden können, hängt natürlich von dieser Verzögerung ab, die definiert werden kann als Abfallzeit T,. Ein anderer die Unterteilung beeinflussender Faktor ist die Zeitdauer, in der das Treibersignal für das Element vorhanden sein muß, damit es ansprechen kann. Diese Zeit kann als Anstiegszeit T bezeichnet werden. Zur Bestimmung der Unterteilung für den Multiplex-Betrieb oder der Größe einer Matrix, die betrieben werden kann, ist das Verhältnis der Abfallzeit zur Anstiegszeit (T,/T ) wichtig. Je größer dieses Verhältnis ist, eine um so größere Matrix kann getrieben werden. Ein größeres Verhältnis bedeutet, daß für eine gegebene Periode, während der ein Treibersignal vorhanden sein muß, der Zeitabstand zwischen den Treibersignalen vergrößert werden kann. Der Zeitabschnitt zwischen Treibersignalen für ein Element in der Matrix kann auch zum Treiben anderer Elemente in der Matrix benutzt werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Treiben einer Matrix aus Flüssigkristallen,

insbesondere aus nematischen Flüssigkristallen zu schaffen, die j sowohl für Speicher- als auch für Anzeigeeinheiten geeignet ist !

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und eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.

, Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich insbesondere aus den Kennzeichen der Patentansprüche 1, 4 und 5.

Durch die vorgeschlagene Wahl der Amplituden der den Zeilenbzw. Spaltenleitungen zugeführten Wechselspannungen sowie durch die vorgeschlagene relative Phasenverschiebung ist eine einwandfreie multiplexe Zuführung der Treibersignale möglich, ohne daß sich die Spannungsdifferenz von O Volt am ausgewählten Element auf die anderen Elemente nachteilig auswirkt. Durch die zusätzlich angelegte Treiberspannung wird die Abfallzeit T, weiter vergrößert und die Anstiegszeit T weiter verkürzt. Auf diese Art und Weise kann man noch größere Matritzen zum Zwecke der Speicherung oder Anzeige multiplex mit Treibersignalen speisen. Außerdem hat das ausgewählte Element bei der zusätzlich anliegenden Wechselspannung eine Spannungsdifferenz, die 3 mal so groß ist wie die anliegende Differenz an einem anderen ausgewählten Element.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen, die in den Zeichnungen dargestellt sind, im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

! Pig. la eine Draufsicht auf eine Matrix aus nemati-

schen Füssigkeitskristallen, die eine optische Bildanzeige bildet,

' Pig. Ib eine Schnittansicht der Fig. la entlang der ^: Linie Ib-Ib,

Fig. 2 ein Element der Matrix mit zugehörigen Lichtpolarisatoren ,

Fig. 3 die Veränderung der dielektrischen Anisotropie

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des nematischen Flüssigkristalles in Abhängigkeit von der Frequenz,

Fig. 4 in einem Spannungsdiagramm die Arbeitspunkte

des nematischen Flüssigkristalles,

Fig. 5a~5d ein die Spalten- und Zeilentreiberleitungen

angelegte Spannungen und die resultierende Spannungsdifferenz an jedem Element in einer Matrix,

Fig. 6a-6d die an eine Matrix spannungsempfindlicher

Elemente angelegte Spannungen und die resultierenden Spannungsdifferenzen,

Fig. 7 das auf dem Anlegen solcher Spannungen resultierende Muster,

Fig. 8 einen geeigneten Spaltentrexbergenerator, Fig. 9 einen geeigneten Zeilentreibergenerator und Fig. 10 geeignete Spalten- und Zeilentreiber.

In der in Fig. la beigestellten Matrix spannungsempfindlicher Elemente sind mehrere orthogonale transparente Zeilenelektroden 14 und Spaltenelektroden 16 vorgesehen. Fig. Ib zeigt einen Querschnitt der in Fig. la gezeigten Matrix entlang der Linie Ib-Ic. Zusätzlich sind auch in Fig. Ib die Polarisatoren 10 und 12 dargestellt und das nematische Flüssigkristallmaterial 18 liegt darstellungsgemäß zwischen den orthogonalen Elektroden 16 und 14. Die Polarisatoren 10 und 12 liegen parallel zueinander und einer der Polarisatoren hat seine Polarisationsachse relativ zur Achse des anderen Polarisators um 90° gedreht. Die Oberflächen der Elektroden 14 und 16, die mit dem nematischen Flüssigkristall 18 in Berührung stehen, sind so behandelt, daß

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die Moleküle des Plüssigkristalles und daher die optische Achse des Materials, parallel zur Oberfläche der Elektroden in einer bevorzugten Richtung liegen. Die vorgezogene Richtung an den Elektroden 16 ist zur bevorzugten Richtung an den Elektroden 14 um 90 verdreht. Im Ruhezustand verläuft daher die optische Achse des nematischen Plüssigkristalles 18 parallel zu den Elektroden 14 im Bereich neben diesen und parallel zu den Elektroden 16 im Bereich neben den Elektroden l6. Da diese bevorzugten Richtungen um 9O⁰ gegeneinander verdreht sind, dreht sich die optische

Achse des nematischen Plüssigkristalles um 90 auf dem Bereich an den Elektroden 14 in den Bereich an den Elektroden 16.

Fig. 2 zeigt ein Element der in Pig. I dargestellten Matrix, in dem die Elektroden 14 und 16 das nematische Flüssigkristall 18 in der Konfiguration eines flachen Filmes umschließen. Neben den Elektroden 14 und 16 befinden sich die Polarisatoren 10 und 12. Wenn kein elektrisches Feld anliegt, dreht sich die opti-■ sehe Achse des nematischen Flüssigkristalles l8 um 90° auf dem Bereich neben der Elektrode 16 in den Bereich neben der Elektrode 14. Bei gekreuzten Polarisatoren 10 und 12, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind, ist daher die aus den Polarisatoren 10 und 12, den transparenten Elektroden 16 und 14 und dem nematischen Flüssigkristall 18 bestehende Kombination lichtdurchlässig, d. h., obwohl einfallendes Licht vom Polarisator 10 in einer bestimmten Richtung polarisiert wird, resultiert die Drehung der optischen Achse in einer Polarisation des von der Elektrode 14 ausgesandten Lichtes entsprechend der Polarisation des Polarisators 12. Infolgedessen überträgt die Zelle Licht.

Fig. 3 zeigt die Beziehung der dielektrischen Anisotropie des Flüs,sigkristallmaterials zur Frequenz und die Variation in ε,, und ε_Α. Nach Darstellung in Fig. 3 ist bei niedrigen Frequenzen ε,, größer als ε> · Da die dielektrische Anisotro-

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pie Δε bekanntlich definiert ist als Δε = ε - ε. , zeigt das Material bei Gleichstrom und niedrigen Frequenzen eine positive dielektrische Anisotropie. Oberhalb der Frequenz f_r, bei der ε,,= ε ist, zeigt das Material eine negative Anisotropie. Da ein einem elektrischen Feld ausgesetztes Material sich, so weit möglich, selbst ausrichtet in der Richtung, in der es dem elektrischen Feld die höchste dielektrische Konstante präsentiert, neigen die Moleküle des nematischen Materials 18 natürlich bei elektrischen Feldern mit Frequenzen unterhalb von f dazu, sich selbst parallel zum elektrischen Feld auszurichten. Infolgedessen ist die Zelle lichtlöschend oder undurchsichtig. Wenn jedoch elektrische Felder mit einer Frequenz angelegt werden, die größer ist als f , neigen die Moleküle des nematischen Materials dazu, sich rechtwinklig zum elektrischen Feld auszurichten und somit wird die Zelle lichtübertragend.

Wenn ein Material die in Fig. 3 gezeigten Eingenschaften hat, kann man den Effekt des Materials aus einer Kombination elektrischer Felder mit hoher und niedriger Frequenz darstellen. Nimmt man an, daß die niedrige Frequenz f₁ und die hohe Frequenz f, so gewählt sind, daß der absolute Wert der dielektrischen Anisotropie gleich ist den beiden Frequenzen (|Δεη = Δε , I ), dann kann man ein Phasendiagramm im Spannungsraum aufstellen, in dem die Ordinate die Größe der hochfrequenten Spannung und die Abszisse die Größe der niederfrequenten Spannung darstellt. In dieser Darstellung des Spannungsraumes liegen die Phasengrenzen in einem Winkel von 45° zur Achse. Die Phasengrenze schneidet die Abszisse bei einem Wert ν , der die Mindestspannung darstellt, die gebraucht wird, um die Moleküle des nematischen Flüssigkristalle 18 parallel zum elektrischen Feld auszurichten. Die Phasengrenzen definieren zwei Bereiche, von denen der erste mit Uli bezeichnet ist, in den die Moleküle des nematischen Flüssigkristalle parallel zum elektrischen Feld liegen und der zweite bezeichnet ist mit 2£ in den die Moleküle rechtwinklig zum angelegten elektrischen Feld blei-

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ben. Bei gekreuzten Polarisatoren, wie sie in Fig. 2 gezeigt sind, ist natürlich der "verdrillte"Zustand (3£) liehtübertragend und der parallele Zustand (Uli) lichtlöschend. Die Verwendung parallelter Polarisatoren liegt im Rahmen der Erfindung und führt dazu, daß der parallele Zustand (Uli) lichtübertragend und der verdrillte Zustand {"%) lichtlöschend ist.

,Wie bereits erklärt wurde, wird Information zeilenweise in die

Matrix geschrieben. Bei der Bestimmung der Anzahl von Zeilen, die geschrieben werden können oder dem Grad, in dem Informationsisignale in der Matrix multiplex betrieben werden können, sind !zwei Paktoren wichtig. Der erste wichtige Paktor ist die vom EIe-

!ment des nematischen Flüssigkristalle zur Reaktion auf das :Anlegen eines Signales benötigte Zeit (T,). Der zweite wichtige Paktor ist die Abfallzeit, die von einem Elemententeil des nematischen Flüssigkristalles gebraucht wird, um vom abnormalen in den normalen Zustand zurückzukehren. Wie in der Informations-¹theorie vermittelt der normale Zustand eines Elementen in einer ι Matrix keine Information, der abnormale Zustand vermittelt Information. Wenn also z. B. das Element normalerweise in den

Iin Fig. 4 gezeigten Zustand B steht und zeitweise in den Zustand A (siehe Fig. 4) geschaltet wurde, dann ist der Zustand ;B der ausgeschaltete oder Normalzustand und der Zustand A der ■eingeschaltete oder abnormale Zustand. Die Zelle kann sich aber ^!auch im Zustand C als den Normalzustand befinden und zeitweise zur Informationsanzeige in den Zustand D (Fig. *J) geschaltet werden. Diese beiden Zustandkombinationen stellen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar, die mit gekreuzten Polarisatoren gemäß Darstellung in Fig. 2 ausgeführt wurden. Zuerst wird nachfolgend der allgemeine Fall beschrieben, d. h. der übergang vom Zustand C in den Zustand D und dann wird der übergang vom Zustand B in den Zustand A als Sonderfall beschrieben.

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Die Koordinaten des Zustandes C (VL, V_H) und D (O, 3V_H) in Pig. entsprechen dem ausgeschalteten bzw. eingeschalteten Zustand. Es kann gezeigt werden, daß die charakteristische Ansprechzeit des Plüssigkristalles, das sich am Anfang im Zustand C befindet, auf einen Spannungsimpuls, der in den Zustand D treibt, ist

² (1)

V_c ²)

In der obigen Formel isty die Viskosität, L die Dicke der Zelle und V„ die kritische Spannung, die definiert ist als die Spannung mit der unteren Frequenz, die benötigt wird, um Oberflächenkräfte zu überwinden, wenn die Zelle vom "verdrillten" in den parallelen Zustand getrieben wird, wenn ein hochfrequentes elektrisches Feld fehlt. Bei der Rückkehr vom Zustand D in den Zustand \ C ist die charakteristische Ansprachezeit des Plüssigkristalles ;

T, = 4tt_YL² (2)

Das Verhältnis dieser Zeiten, d. h. das Verhältnis T_d/T_r ist ein Maß dafür, wie die matrixtreibende Signale multipliziert werden können und

Um das Maximum zu erreichen, will man so dicht wie möglich am Übergangsbereich für den Zustand C und mit einer möglichst hochfrequenten Spannung arbeiten. Für diese Beschreibung liegt der Zustand (V_T,V„) dicht am Übergangsbereich und der Zu-

J-I Xl

stand D (0, 3Y„ ) hat eine Spannung, deren Frequenz dreimal so ti

hoch ist wie die Spannung des Zustandes C und eine Null-Spannung mit niedriger Frequenz.

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Die vom Informationsschreibgerät auszuführende Punktion besteht in der wahlweisen Veränderung des Zustandes eines gewählten .Elementes vom Zustand C, in dem es Licht löscht, in den Zustand D, in dem es Licht überträgt für diejenigen Teile der Bildanzeigtafel, die zu erleuchten sind. Der hochfrequente Antrieb hat die Form KV ' sin (W„ + N₇₁-) worin N gleich Null oder Eins ist und K=I oder 2 oder O. Bei der Beschreibung der an die orthogonalen Leiter angelegten Treiberspannungen werden die Spannungen beschrieben, die zur Reproduktion des in Fig. 7 gezeigten Musters notwendig sind. Fig. 7 zeigt eine Matrix 3 mal 3> in der ein Element in jeder Zeile erleuchtet ist. Man kann natürlich auch mehr als ein Element in jeder Zeile erleuchten und in einigen Zeilen braucht kein Element erleuchtet zu werden. Das in Fig. 7 gezeigte Muster ist somit willkürlich und dient nur der Erklärung. Jedes der Elemente 21 bis 29 in der Matrix gehört zu einem Zeilen- und einem Spaltenleiter oder einer Trägerleitung. Die an jedes Element der Matrix angelegte Spannung ist die Differenz zwischen der an den zu dem Element gehörendem Spaltenleiter angelegten Spannung und der an den zu dem Element gehörendem Zeilenleiter angelegten Spannung. Aus den Fign. 4 und 7 geht hervor, daß die zum Löschen der Elemente 21, 23, 24, 25, 27 und 29 erforderliche hochfrequente Spannung die Spannung V„ sein sollte und daß die hochfrequente Spannung an den erleuchteten Elementen 22, 26 und 28 an einem Punkt im Schreibzyklus 3Vrr liegen sollte.

Fig. 6a zeigt die Matrix bevor Information eingeschrieben wird. Da jedes Element in der Matrix lichtlöschend sein muß, befindet es sich im Zustand C (Fig. 4), in dem eine hochfrequente Spannungsdifferenz Vj₁ anliegt. Zu diesem Zweck wird jede Spalte mit einer Nullspannung der Frequenz f, (K = 0) gespeist. Die erste Zeile, die die Matrixelemente 21 bis 23 enthält, empfängt eine

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Spannung mit der Amplitude V_H und einer relativen Phasenverschiebung Null (K = I, N = O). Es wurde bereits ausgeführt, daß die
Spannungsdifferenz über jedem Element in der Matrix die Differenz
zwischen der an das Element durch die Spaltentreiberleitung und
der an das Element durch die Zeilentreiberleitung angelegten Spannung ist. An den Elementen 21 bis 23 liegt daher eine Spannung
der Größe V_Tr mit einem relativen Phasenwinkel von ir Radianten. ^: An jede andere Zeile in der Matrix wird dieselbe Spannung angelegt, und daher hat jedes andere Element in der Matrix dieselbe ' resultierende Potentialdifferenz. Schematisch ist dies in Fig. 6a
gezeigt, wo jedes Matrixelement die Zahlen V^/ττ enthält, wodurch ; angezeigt wird, daß eine Spannung der Größe Y„ mit einem relativen]

I Phasenwinkel von π Radianten anliegt. !

Fig. 6b zeigt den Zustand der Matrix beim Schreiben von Information in die erste Zeile. Insbesondere führen die Spaltentreiber- ; leitungen Spannungen von Null, 2V_H und Null mit einem relativen ; Phasenwinkel von Null, Null bzw. Null. |

Die Treiberleitung der ersten Zeile wird mit einer Spannung der | Größe V„ und einem relativen Phasenwinkel von ir Radianten ge- ^!

11 ι

speist (N = 1). Infolgedessen hat das Matrixelement 21 eine Poten-j tialdifferenz der Größe V₁₁ und einen relativen Phasenwinkel von i

JtI I

Null. Das Matrixelement 22 jedoch hat eine resultierende Poten- i tialdifferenz von 3Vt₁ bei einem Phasenwinkel Null. Das Matrix- i

I element 23 hat dieselbe Potentialdifferenz wie das Matrixelement

21. Die anderen beiden Zeilen in der Matrix werden mit einer Span-! nung der Größe V„ und einem relativen Phasenwinkel Null gespeist. j Infolgedessen haben die Matrixelemente 2¹J, 26, 27 und 29 eine
Potentialdifferenz der Größe Y„ bei einem relativen Phasenwinkel
von π Radianten. Die Matrixelemente 25 und 28 haben eine Potentialdifferenz derselben Größe, jedoch einen relativen Phasenwinkel von Null. Die hochfrequente Komponente über dem Matrixelement
22 ist also dreimal so groß wie die hochfrequente Spannung über

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irgendeinem anderen Matrixelement.

Fig. 6c zeigt den Zustand der Matrix beim Schreiben von Information in die zweite Zeile. Die Spaltentreiberleitungsspannungen, die an die Matrix angelegt werden, sind Null, Null und 2V^ bei einem relativen Phasenwinkel von Null Radianten. An die Zeilen-• treiberleitungen wird V_H entsprechend mit dem Phasenwinkel Null, jVrj mit dem Phasenwinkel von π Radianten und Vq mit dem Phasenwinkel Null angelegt. Infolgedessen haben die Matrixelemente 21, 27 und 28 eine Spannungsdifferenz der Größe V_H bei einem relativen Phasenwinkel von ff Radianten. Die Matrixelemente 23, 24 25 und haben eine Spannungsdifferenz Vt₁ bei einem Phasenwinkel von Null. Das Matrixelement 26 hat eine Spannungsdifferenz der Größe 3Vtj bei einem Phasenwinkel Null. Die hochfrequente Spannung über das Matrixelement 26 ist also dreimal so groß wie die hochfrequente Spannung über einem anderen Matrixelement.

Fig. 6d zeigt das Schreiben in die dritte Zeile der Matrix. An die Spaltentreiberleitungen werden entsprechend gelegt, die Spannung Null, eine Spannung 2V„ mit einem relativen Phasenwinkel Null und eine Spannung Null. Die Zeilentreiberleitungen werden mit den Spannungen V_H mit Nullphasenwinkel, V_H mit Nullphasenwinkel und Vj₁ mit einem relativen Phasenwinkel von π Radianten gespeist. Die resultierende Differenz über den Matrixelementen 21, 23j 24 und 26 ist V_H bei einem relativen Phasenwinkel von Radianten. Die Spannungsdifferenz über den Matrixelementen 22, 25, 27 und 29 ist V"_H bei einem Phasenwinkel Null. Die Spannungsdifferenz über dem Matrixelement 28 ist 2V_H bei einem Phasenwinkel Null.

Auf die oben gezeigte Weise wird die Hochfrequenzkomponente der zum Schreiben des in Fig. 7 gezeigten Musters notwendigen Spannungen angelegt.

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Aus Pig. 4 geht hervor, daß nicht nur die Hochfrequenzspannung über den gewählten Elementen auf den dreifachen Wert erhöht werden muß, sondern daß gleichzeitig auch die Niederfrequenzspannung _t an diesen gewählten Elementen auf Null reduziert werden muß, um den übergang vom Zustand C zum Zustand D auszulösen. Die Steuerung der Niederfrequenzspannungen wird anschließend im Zusammenhang mit den Pign. 5a bis 5d beschrieben.

Die an die Zeilen- und Spaltentreiberleitungen angelegte Nieder- ^! frequenzspannungen haben die Form V sin (W_Tt + Μ2π/3)₅ worin

, J-I

M = -1, O oder +1 ist. Fig. 5a zeigt den Zustand der Zeilen- und Spaltentreiberleitungen und den Zustand eines jeden Matixelementes, wenn keine Information geschrieben wird. Die an jede Spaltentreiber leitung angelegten Spannungen haben die Größe V und • einem relativen Phasenwinkel Null, d. h. M = O. V¹= V^ //3.

ι Die an jede Zeilentreiberleitung angelegten Spannungen haben die

j Größe V und einen relativen Phasenwinkel von 2^/3, d. h. M = 1. Infolgedessen hat die an jedes Matrixelement angelegte Nieder-

; frequenz-Spannungsdifferenz die Größe V- und einen relativen Phasenwinkel von - τι/6. Da die an jedes Matrixelemente angelegte ' Spannungsdifferenz, die Differenz zwischen der Spannung auf der I Spaltentreiberleitung und der Zeilentreiberleitung ist, resul- ! tiert bei Aufbau einer Sektoraddition von V₁./ /3~in einem Winkel

!von Null mit dem Sektor V_T / /3~in einem Winkel von -2 ir/3 in ieinem Sektor des Betrages V_T in einem Winkel - π/6. Somit wird

ι Jj

an jedes Matrixelement eine Niederfrequenzspannung der Größe V_L angelegt.

Fig. 5b zeigt den Zustand der Matrix beim Schreiben von Information in die erste.Zeile. Die an jede Zeilen- und Spaltentreiberleitung angelegten Spannungen sind identisch und gleich V = V_T / /3T Der relative Phasenwinkel der an die Spaltentreiberleitungen angelegten Spannungen ist Null, -2 ir/3 und Null entsprechend M = O, -1 und 0. Die relativen Phasenwinkel der an die

j Zeilentreiber leitungen angelegten Spannungen sind -2 ir/3>

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2 ir/3 und 2 τγ/3. Die Spannungen auf den Matrixelementen 21 und 23 haben daher die Größe V₁- und einen relativen Phasenwinkel, von

Jj

t/6 Radianten. Die an die Matrixelemente 24, 26, 27 und 29 angelegte Spannung hat die Größe V,. bei einem Phasenwinkel von . Die an die Matrixelemente 25 und 28 angelegte Spannung

hat die Größe V₁. und einen relativen Phasenwinkel -ττ /2. An das Matrixelement 22 schließlich wird eine niederfrequente Spannung von Null Volt angelegt. Aus Fig. 6b ist zu ersehen, daß das Matrixelement 22 eine niederfrequente Spannung von Null Volt und eine hochfrequente Spannung von 3 V„ empfängt, wogegen jedes andere Element in der Matrix eine hochfrequente Spannung V_fi und j eine niederfrequente Spannung Vj- empfängt. Aus Fig. 4 ist somit j zu ersehen, daß das Matrixelement 22 vom Zustand C in den Zu-J stand D umgeschaltet wurde.

,Fig. 5c zeigt das Schreiben in die zweite Zeile. Die an die Spal-Itentreiber angelegten Spannungen sind V bei O Volt relativem !Phasenwinkel, V bei O Volt relativem Phasenwinkel und V bei ;einem Phasenwinkel von - 2 π/3 Radianten. Die an die Zeilentrei-

berleitungen angelegten Spannungen sind jeweils V und die Phasenwinkel entsprechend +2 ir/3, -2 π/3 und +2 π/3. Die resultierende Spannungsdifferenz an den Elementen 21, 22, 27 und 28 ist eine Spannung mit der Amplitude V_L und einem relativen Phasenwinkel von - π/6. Die resultierende Spannungsdifferenz an den IMatrixelementen 24 und 25 hat die Amplitude V_L und einen relativen Phasenwinkel von ir /6. Die Spannungsdifferenz an den Elementen 23 und 29 hat eine Amplitude V_T bei einem relativen Phasenwinkel -ir /2. Die Spannungsdifferenz am Matrixelement 26 ist Null. Aus Fig. 6c geht hervor, daß jedes Element in der Matrix mit Ausnahme des Elementes 26 dieselbe hochfrequente Spannung V„ und dieselbe niederfrequente Spannung V₁- hat, bezogen auf

Xl Li

den Zustand C (Fig. 4). Das Matrixelement 26 hat jedoch eine niederfrequente Spannung von Null Volt und eine hochfrequente Spannung von dV„ entsprechend dem Zustand D (Fig. 4). Wenn die

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Spannungen der Fign. 5c und 6c gleichzeitig-angelegt werden, wird somit das Matrixelement 26 vom Zustand C in den Zustand D umgeschaltet.

In Fig. 5d ist das Schreiben in-die dritte Zeile gezeigt. Die an die Matrix angelegten Spannungen sind ebenso dargestellt wie die resultierende niederfrequente Spannung über jedem Matrixelement. Eine genaue Beschreibung wird nicht für notwendig gehalten in Anbetracht der Beschreibungen der Fign. 5b und 5c. über dem Matrixelement 28 liegt eine niederfrequente Spannung von Null Volt. Alle anderen Matrixelemente haben niederfrequente Spannungen der Größe V_L'. Aus Fig. 5d geht hervor, daß die hochfrequente Spannung über dem Matrixelement 28 3V_H beträgt, wogegen die Hochfrequenzspannung über jedem anderen Matrixelement V„ ist. Legt man somit die in den Fign. 6d und 5d dargestellten Spannungen an die Matrix an, so befinden sich alle Elemente in der Matrix im Zustand C, mit Ausnahme des Elementes 28, welches sich im Zustand D befindet.

In den Fign. 5a bis 5d ist also gezeigt, daß die Größe der niederfrequenten Spannung, die alle Spalten und alle Zeilen treibt, unverändert bleibt und weiterhin, daß alle Spalten normalerweise mit einer Spannung mit einem relativen Phasenwinkel von Null gespeist werden. In gleicher Weise werden alle Zeilen normalerweise mit einem relativen Phasenwinkel von +2 ir/3 getrieben. Wenn jedoch ein bestimmtes Element gewählt werden soll, wird der relative Phasenwinkel der Spannungen an den Zeilen- und Spaltentreiberleitungen, die zu diesem Element gehören, auf einen relativen Phasenwinkel von -2 .π/3 verschoben. Ausschlaggebend dabei ist natürlich die relative Phasenverschiebung zwischen den nichtgewählten Spalten und Zeilen und den gewählten Spalten und Zeilen; die absoluten Werte für die Phasenverschiebung sind wahlfrei.

'Damit jedes gewählte Element den übergang vornehmen kann, müssen j die in einer der Fign. 5a-6a, 5b-6b, 5c-6c, 5c-6d gezeigten |Spannungsmuster lange genug gehalten werden,

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Flüssigkristall ansprechen kann. Diese Zeit wurde oben als T_R definiert. Um das Muster für einen Betrachter feststehen zu las sen, muß die Zeit zwischen dem Anlegen der in den Fign. 5b-5b spielsweise gezeigten Spannungsmuster und dem Auffrischen desselben Musters kleiner sein als die Abfallzeit T_d für das nematische Flüssigkristallmaterial, die ebenfalls definiert wurde.

Wenn die auf einer Matrix gezeigte Information gewechselt werden soll, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, braucht die Information nun nicht mehr geschrieben zu werden. Nach der Zeit T^ verschwindet das Muster. Wenn die ganze Bildanzeigetafel schnell gelöscht werden soll, treibt eine kurze Unterbrechung der hochfrequenten Treiberspannung auf allen Zeilen- und Spaltenleitungen die ganze Matrix in den lichtlöschenden Zustand.

Das oben beschriebene Gerät wurde mit dem Material betrieben, für das V_c drei Volt beträgt und der Übergangsbereich, der in Fig. 4 schraffiert dargestellt ist, hat eine Breite von ungefähr 2 Volt. Die niedrige Frequenz wurde mit 100 Hz gewählt und die hohe Frequenz mit 2 KHz und V_L gleich 20 Volt und V_H gleich 27 Volt effektiv. Die Zykluszeit beträgt 1 Sekunde bei Schreibimpulsen von 25 ms.

Die Fign. 6a bis 6ä zeigen, daß zum Betrieb der Matrix drei hochfrequente Spannungen erforderlich sind, d. h. eine Spannung 2V_H, eine Spannung von V_H mit derselben Phase wie die Spannung

jj und eine dritte Spannung V_H, die um π Radianten relativ zu den anderen beiden hochfrequenten Spannungen verschoben ist. Fig. 8 zeigt ein Gerät zur Erzeugung dieser Spannungen. Ein Hochfrequenzspannungsgenerator 31 mit der Frequenz f. speist einen Gegentaktverstärker 32. Ein Ausgang dieses Verstärkers

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ist mit dem Anschluß 33 gekoppelt, wo die Spannung 2V„ zur Verfügung steht. Ein die Widerstände 36 und 37 gleicher Größe umfassender Spannungsteiler ist seriell zwischen Erde und Anschluß 33 gelegt. Die Verbindung der Widerstände 36 und 37, d. h. der Anschlußpunkt 34, liefert somit eine Spannung V_H mit demselben Phasenwinkel wie die Spannung 2V_H· Der andere Ausgang des Gegentaktverstärker 32 ist mit einem Widerstand 39 verbunden und dieser mit einem Widerstand 38, der wiederum geerdet ist. Die Widerstände 38 und 39 haben die gleiche Größe. Ein Anschlußpunkt 35 liefert die Spannung V„, die um ττ Radianten gegenüber den anderen an den Anschlüssen 33 und ^k verfügbaren Hochfrequenzspannungen phasenverschoben ist.

Aus den Fign. 5a bis 5d ist zu ersehen, daß drei niederfrequente Spannungen benötigt werden. Ein Spannungsgenerator 41 in Fig. 9 liefert dazu eine Frequenz f.. Der Ausgang des Generators 4l ist gekoppelt mit dem Anschluß 42 und liefert die Spannung V¹. Um eine um 2 ir /3 Radianten gegenüber dieser Spannung verschobene Spannung zu bekommen, ist ein Phasenschieber 45 an den^Ausgang des Spannungsgenerators 41 angeschlossen. Der Ausgang des Phasenschiebers 45 ist mit dem Anschluß 43 verbunden und liefert eine Spannung V, deren Phase relativ zur Spannung am Anschluß 42 um 2 tf/3 Radianten verschoben ist. In gleicher Weise steht die Spannung V/2^/3 am Anschluß 44 von einem Phasenschieber 46 zur Verfügung. Alternativ kann auch eine dreiphasige Stromquelle beputzt werden.

Um diese Spannungen V„ und V nutzen zu können, müssen sie wahl-

weise auf Spalten- und Zeilentreiberleitungen gekoppelt werden. Die Fign. 5a bis 5d zeigen, daß die Spaltentreiberleitungen nur 'zwei niederfrequente Spannungen benutzen, d. h., sie benötigen die Spannungen V'/O und V1-2π/3· Fig. 10a zeigt einen Spaltentreiber mit zwei Eingängen 51 und 52. Der Eingang 51 ist der Niederfrequenzeingang und ist mit dem Schaltkontakt 53 verbunden, der wahlweise in zwei Stellungen gebracht werden kann.

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, In der ersten Stellung stellt er die Verbindung her und gibt die

j Spannung V'/O auf den Kontakt 42. In der anderen Stellung liefert er die Spannung VV-2 π/3 an den Kontaktanschluß 44. Der Eingang , 42 zum Spaltentreiber 50 ist der Hochfrequenzeingang, der in gleicher Weise mit einem Schaltkontakt 54 verbunden ist, der zwei verschiedene Einstellungen einnehmen kann. In der ersten Stellung ' stellt er die Verbindung zum Anschluß 33 her und gibt auf ihn die ^: Spannung 2V„/0. In der zweiten Stellung stellt er den Kontakt her ; zum Anschluß 55 und liefert eine Spannung von Null Volt, da der j Anschluß 55 geerdet ist.

Fig. 10b zeigt einen Zeilentreiber 60, der auch zwei Eingänge 61 j und 62 hat. Der Niederfrequenzeingang 61 ist mit einem Schaltkon- | takt 63 verbunden, der zwei Stellungen einnehmen kann. In der j ersten Stellung stellt er den Kontakt her zum Anschluß 43 und liefert an diesen die Spannung V'/2 π/3. In der zweiten Stellung liegt er am Anschluß 44 und liefert die Spannung V1-2 π/3. Der Hochfrequenzeingang zum Zeilentreiber 60 ist der Eingang 62, der mit einem Schaltkontakt 64 verbunden ist. Der Kontakt 64 kann zwei Stellungen einnehmen, wobei er in der ersten Stellung die Verbindung herstellt zum Anschluß 34 und die Spannung Vtt/0 liefert und in der zweiten am Anschluß 35 liegt und die Spannung V_H/ liefert.

Die Schaltkontakte 53» 54, 63 und 64 können von Hand betätigt

!werden. In einem Ausführungsbeispiel sind diese Schaltkontakte jedoch elektronische Schaltkreise, die wesentlich schneller als manuelle Schalter die verschiedenen verlangten Verbindungen herstellen können.

In einem anderen Ausführungsbeispiel sind der lichtlöschende und der lichtübertragende Zustand des Materials als Zustand B bzw. A bezeichnet. Zur Erreichung dieser Zustände müssen nur alle hochfrequenten Spannungen abgenommen werden, d. h. V_H muß kontinuierlich gleich Null sein. Da die Abszisse im Zustand B kleiner sein kann als Vj-, muß außerdem die niederfrequente Spannung entspre-

VO 37 J 01«. 6 0 9 f B).'.7.1

chend reduziert werden. Dieselben Phasenveränderungen können vorgenommen werden, wie sie für die Fign. 5a bis 5d gezeigt wurden, ■ um das in Fig. 7 dargestellte Muster zu erzeugen. Wie bereits j oben erklärt wurde, ist das Verhältnis der Abfallzeit zur Ani stiegszeit T_d/T_r ein Maß für die Größe einer Matrix, die mit ei- ; nem stationär erscheinenden Muster beschrieben werden kann. Wenn j keine hochfrequente Spannung anliegt, reduziert sich der Ausdruck I zu

j T_d/Tr = V₀ ²/ (V_L ² - V_c ²) (A)

ι Da V_n eine Kenngröße des verwendeten nematischen Flüssigkristallmaterials ist, bleibt dieser Wert natürlich unverändert. Da der

'Abszissenwert für den Zustand B jedoch kleiner ist als der Wert ν, im ersten gezeigten Ausführungsbeispiel, ist das Verhältnis für den B-A-Betrieb kleiner als das Verhältnis für die C-D Korn-

bination. Die einschränkende Matrixgröße, die mit den C-D Zu-¹ ständen gesteuert werden kann, ist infolgedessen größer als die Matrix, die mit den B-A Zuständen gesteuert werden kann.

ι In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das nematische Flüssigkristallmaterial zwischen den Zuständen E und F (Fig. 4) betrieben werden. Um ähnlich hohe Werte für das Verhältnis T_d/T_r zu erhalten, hält man vorzugsweise die Polarisatoren 16 und 18 in einer parallelen Konfiguration, so daß der Zustand F dem lichtlöschenden Zustand und der Zustand E dem lichtübertragenden Zustand entsprechen würde.

!Weiterhin kann auch die Zustandskombination A-E benutzt werden. Da die niederfrequente Spannung des Zustandes B und der Zustand E verändert werden können, solange sie oberhalb von V~ liegen, ist diese Kombination ähnlich der Kombination B-A jedoch mit der !Ausnahme, daß der aus- und eingeschaltete Zustand vertauscht !wurden, indem man die Polarisatoren parallel und nicht rechtwinklig anordnete. Eine andere brauchbare Zustandskombination mit parallelen Polarisatoren ist die Kombination F-E'. In diesem

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Pall wird die Matrix mit der Phasenschiebeanordnung der Fign. 5a-5d gesteuert.

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Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Verfahren zur wahlweisen Erregung einer Matrix aus spannungsempfindlichen Elementen, insbesondere Flüssigkristallen, die durch die Spannungsdifferenz zwischen Signalen auf Spalten- und Zeilentreiberleitungen getrieben werden, wobei jedes Element durch eine von mehreren Spaltentreiber leitungen und eine von mehreren Zeilentreiberleitungen gespeist wird für Digitalspeicher oder Anzeigetafeln, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spaltentreiberleitung mit einer Wechselspannung identischer Phase betrieben wird und daß jede Zeilentreiberleitung mit einer

   ; Wechselspannung gleicher Amplitude wie die Spaltentreiberleitungen betrieben wird, daß jedoch ihre Phase um 2^/3 Radianten dagegen verschoben ist.

   :2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswahl eines spannungsempfindlichen Elements, insbesondere eines nematischen Flüssigkristalle die an die Spal-

   ^! ten- und Zeilentreiberleitungen, die dem entsprechenden auszuwählenden Element zugeordnet sind, angelegte Wechselspannung um 2tt/3 Radianten gegenüber den Spannungen verschoben ist, die die anderen Spalten- und Zeilentreiber-

   ^: leitungen speisen.

   3· Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltentreiberleitungen und die Zeilentreiberleitungen Spannungen nacheinander oder multiplex zugeführt bekommen und daß am ausgewählten Element, insbesondere einem nematischen Flüssigkristall, diese Treiberspannungen eine Spannungsdifferenz von O Volt zwischen der zugeordneten Spalten- und der zugeordneten Zeilentreiberleitung erzeugen, in dem diese Leitungen Spannungen mit gleicher Amplitude und Phase führen und daß sich die Phase der an die nicht ausgewählten Elemente gelieferten Spannung, die entweder zu der entsprechenden Zeilentreiberleitung oder zu

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   der entsprechenden Spaltentreiberleitung gehören, sich ändert, während die Amplitude der Spannungsdifferenz, an. diesen Elementen unverändert bleibt.

   4. Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach Jen Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für dis nematischen Flüssigkristalle ein Material verwendet wird, daß eine negative dielektrische Anisotropie bei einer an alle Zeilentreiberleitungen angelegten zusätzlichen Wechselspannung höherer Frequenz aufweist.

   5. Schaltung zur Durchführung der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das nematische Flüssigkristallmaterial (18) zwischen zwei orthogonalen Elektroden (14 und 16) angeordnet ist, daß jeweils an der Außenwand der genannten Elektroden (14 und 16) Polarisatoren (10 und 12) angeordnet sind, die parallel zueinander liegen, deren Polarisationsachse relativ zueinander um gedreht ist, so daß die Moleküle des Flüssigkristalls und daher die optische Achse des Materials parallel zur Oberfläche der Elektroden in einer bevorzugten Richtung liegen.

   6. Schaltung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (14 und 16) die nematischen Flüssigkristalle (18) in Form eines dünnen Filmes umschließen.

   7. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 4 bis 6 _. dadurch gekennzeichnet, daß das Material für den nematischen Flüssigkristall eine dielektrische Anisotropie aufxueist, die ihr Vorzeichen mit der Frequenz des veränderten elektrischen Feldes wechselt.

   8. Schaltung nach den Ansprüchen 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material für den nematischen Flüssigkristall eine negative dielektrische Anisotropie aufweist, wenn die

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   zusätzliche Wechselspannung mit der höheren Frequenz an alle Zeilentreiberleitungen angelegt wird und daß die zu einem auszuwählenden Element gehörende Spaltentreiberleitung mit einer zusätzlichen Wechselspannung mit einer doppelt so großen Amplitude wie die Wechselspannung auf den Zeilentreiberleitungen, jedoch in Phase mit dieser beauftragt wird, und daß die an die Zeilentreiberleitungen einzeln angelegte zusätzliche Wechselspannung auf jeder Zeilentreiberleitung die gleiche Amplitude, jedoch eine um ir Radianten verschobene Phase aufweist.

   9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgewählte Element eine Spannungsdifferenz bei der höheren Frequenz aufweist, die dreimal so groß ist wie die anliegende Differenz an einem anderen ausgewählten Element.

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