JP2001166742A

JP2001166742A - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP2001166742A
Application number: JP34748699A
Authority: JP
Inventors: Takashi Akiyama; 貴秋山; 賢一 ▲高▼橋; Kenichi Takahashi
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 1999-12-07
Filing date: 1999-12-07
Publication date: 2001-06-22

Abstract

(57)【要約】【課題】液晶表示装置の階調表示で、フリッカ、クロ
ストークを少なくし、更に液晶充放電電力を少なくす
る。【解決手段】Ｎ（Ｎ≧３）ビットの階調データに対応
して所定数のフレームを１表示単位としてフレーム毎に
所定ドットの点灯と非点灯を制御するフレーム変調方式
により階調表示を行う液晶表示装置において、それぞれ
異なる周期に設定したＮ個の連続するフレームを１周期
とし、前記Ｎ個のフレーム毎の点灯と非点灯の組み合わ
せから成る２Ｎ種類の点灯パターンと前記Ｎビットの階
調データとを１対１に対応させて、所定ドットの階調デ
ータに応じて前記点灯パターンを選択して点灯と非点灯
を制御し、前記Ｎ個のフレームのそれぞれ異なるＮ種類
の周期は、前記２Ｎ種類の点灯パターンの合計点灯時間
と合計非点灯時間の比がいずれも異なるように設定し、
さらに最長周期のフレームは最短周期のフレームの３倍
以内に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶表示装置に関
するもので、詳細にはフレーム変調方式により中間階調
表示を行う液晶表示装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術について図４を用いて説明す
る。従来、液晶表示装置において階調表示を行う方法と
して、フレーム変調方式とパルス幅変調方式の２方式が
知られている。パルス幅変調方式は、階調レベルに応じ
て選択（点灯）する時間（パルス幅）を変化させるもの
で、階調数が多くなっても実現できるが専用のドライバ
ＬＳＩを必要とする。また、液晶に印加する駆動波形の
切り替わりが走査線毎に発生するためクロストークの増
加を招く。さらに、液晶に印加する駆動波形の切り替わ
りが増えるので液晶素子容量への充放電が多く消費電力
が増えてしまう。そこで、４〜１６階調程度で簡単に階
調表示を得たい場合には、フレーム変調方式が有効であ
る。

【０００３】この方式の説明を図４を用いて行う。図４
は８階調を行う場合を示しており、表中の”１”はドッ
トの点灯を示し、”０”はドットの非点灯を示す。ここ
で、階調１は全フレーム中で０レベルであり、階調８は
全フレーム中で１レベルである。階調４は全フレーム中
３フレーム点灯であるから、階調１と階調８の中間の階
調となる。そのほかの階調も点灯するフレーム数で階調
１と階調８との間の階調を表現している。以上のように
フレーム毎に制御することにより階調表示を行う。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このフレー
ム変調方式では、オン・オフをフレーム単位で行うた
め、図４の階調３のように、階調によってはオン・オフ
の切替わりが数フレーム単位となる。その結果フリッカ
ーが発生するという欠点がある。それでも８階調程度で
あればフレーム周波数を上げれば対応する事もできる。
しかし、１６階調表示となると１５個のフレームでオン
・オフを制御するために切り替わりのフレーム数が２倍
に増加する。フレーム周波数を上げて対応するにも限界
である。

【０００５】この場合には先に示したようにパルス幅変
調方式が用いられる。しかしパルス幅変調方式は、１フ
レーム中の全走査期間において選択期間のパルス幅を制
御するため、液晶表示素子への充電放電回数が極端に増
加してしまう。たとえば、全面中間階調表示の場合には
１フレーム内の全走査期間毎にパルス幅が設定されるの
で、全走査期間毎に液晶素子の充放電を繰り返す。その
ために液晶駆動の消費電力が増加するという問題があ
る。さらに、このパルス幅は表示画像によりドット毎に
変化するため、クロストークが発生しやすい。また、走
査期間毎に１６階調の場合には４ビットのデータからパ
ルス幅を設定するために１ビットのデータを扱えばよい
フレーム変調方式に比べ、ドライバＬＳＩの消費電力も
増加してしまう。

【０００６】以上のように、液晶表示装置の階調表示を
実現するフレーム変調方式には、フリッカーが発生しや
すいという課題があり、パルス幅変調方式には多階調表
示が可能であるが、消費電力とクロストークが増加する
という課題がある。

【０００７】（発明の目的）本発明の目的は、上記の課
題点を解決して、フリッカーが無く、低消費電力の８階
調以上の階調表示を実現することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】これらの課題を解決する
ために本発明による液晶表示装置は、下記に記載の手段
を採用する。

【０００９】本発明の液晶表示装置は、Ｎ（Ｎ≧３）ビ
ットの階調データに対応して所定数のフレームを１表示
単位としてフレーム毎に所定ドットの点灯と非点灯を制
御するフレーム変調方式により階調表示を行う液晶表示
装置において、それぞれ異なる周期に設定したＮ個の連
続するフレームを１周期とし、前記Ｎ個のフレーム毎の
点灯と非点灯の組み合わせから成る２Ｎ種類の点灯パタ
ーンと前記Ｎビットの階調データとを１対１に対応させ
て、所定ドットの階調データに応じて前記点灯パターン
を選択して点灯と非点灯を制御し、前記Ｎ個のフレーム
のそれぞれ異なるＮ種類の周期は、前記２Ｎ種類の点灯
パターンの合計点灯時間と合計非点灯時間の比がいずれ
も異なるように設定し、さらに最長周期のフレームは最
短周期のフレームの３倍以内に設定することを特徴とす
る。

【００１０】（作用）本発明の液晶表示装置はＮビット
の階調データに対して、Ｎ個のフレームを１表示周期と
して、さらにＮ個のフレームのそれぞれの周期を異なる
周期に設定する。これにより、Ｎ個のフレームのいずれ
か一つを点灯する場合に、１表示周期に注目すると、そ
れぞれの点灯期間が異なることになる。つまり、Ｎ個の
フレームのいずれか１つのフレームを点灯することで、
Ｎ個の中間階調の表示が可能になる。さらにＮ個のフレ
ーム中の複数の点灯の組み合わせを入れると、全部で２
Ｎ個の点灯・非点灯の組み合わせがある。同様にそれぞ
れの組み合わせにおいて１表示周期に注目するとそれぞ
れの合計点灯期間はそれぞれ異なる。従って、２Ｎ個の
中間階調を表示可能になる。つまり、Ｎビットの階調デ
ータに対して２Ｎ個の階調表示が可能となる。さらに、
最長周期のフレームは最短周期のフレームの３倍以内に
設定するため、最短周期のフレームにおけるドライバＩ
Ｃの駆動周波数の低減が可能である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を使用して本発明の液
晶表示を利用した最適な実施形態を説明する。

【００１２】図１は実施形態を説明するための波形図で
ある。図１は４行×４列のマトリクスの液晶表示装置に
１６階調を行う場合の波形図である。１行目Ｙ１と１列
目Ｘ１の交点の画素には階調１を表示し、２行目Ｙ２と
１列目Ｘ１の画素には階調２を表示し、以下、順に列方
向に階調が増加して１６階調まで表示している。

【００１３】図１の波形図は、行電極Ｙ１〜Ｙ４に印加
する波形と列電極Ｘ１〜Ｘ４に印加する波形を示してい
る。図中のＶＹは行電極に印加する選択電圧で行電極上
の画素を点灯非点灯の書き込み可能な状態にする電圧で
ある。ＶＸ、−ＶＸは列電極に印加する書き込み電圧で
−ＶＸは点灯、ＶＸは非点灯の書き込み電圧である。行
電極に印加する波形Ｙ１〜Ｙ４は、各フレームにおい
て、Ｙ１から順に選択電圧ＶＹを逐次選択する。列電極
に印加する波形Ｘ１〜Ｘ４は、階調に応じて点灯電圧−
ＶＸと非点灯電圧ＶＸを選択する。

【００１４】また、１表示期間はフレーム１（周期Ｔ
１）、フレーム２（周期Ｔ２）、フレーム３（周期Ｔ
３）、フレーム４（周期Ｔ４）の連続する４つのフレー
ムで構成される。このとき、各周期の比は以下のように
設定する。Ｔ１：Ｔ２：Ｔ３：Ｔ４＝１：０．８６：０．７５：０．４９（式１）ここで、１表示期間の周期を３０ｍｓｅｃ（３３Ｈｚ）
に設定する。この期間は、一般に人間の目がフリッカを
認識出来ない周波数とする３０Ｈｚを基準に設定した。
後で詳細に述べるが、本発明では階調によっては４フレ
ーム中、点灯フレームが１フレームしかない場合があ
り、このときに最もフリッカが目立つことになる。この
ときの周波数が１表示期間に相当するのでこの周波数が
３０Ｈｚ以上になるように設定する。

【００１５】１表示期間を３０ｍｓｅｃに設定したの
で、各フレームの周期は式１より、表１のようになる。

【表１】表１に示すようなフレーム周期で４つのフレームを構成
し１表示期間とする。

【００１６】この１表示期間内の各フレームで点灯・非
点灯を制御することにより点灯時間と非点灯時間の比を
可変する事ができる。たとえば、フレーム４を点灯して
フレーム１〜３を非点灯にすると、点灯時間は４．７／
３０．０＝０．１６となる。全フレーム点灯すると３
０．０／３０．０＝１、全フレーム非点灯で０／３０．
０＝０となるのでフレーム４を点灯した場合の０．１６
は中間に位置し、中間表示が可能である事がわかる。さ
らに各フレームの点灯と非点灯の組み合わせを考えると
本実施形態の４フレームの場合は、２４＝１６通りの組
み合わせが可能である。以下の表２に全ての組み合わせ
の点灯時間と非点灯時間と比を示す。表２において、階
調レベルは入力される４ビット階調データの階調レベル
を示し、各フレームの１と０は点灯と非点灯を示す。ま
た点灯時間は表１に示す各フレームの周期を点灯フレー
ム分だけ加算した値で、点灯時間の比率は１表示期間に
おける点灯時間の比率である。

【表２】

【００１７】表２に示すように、各フレームのすべての
組み合わせにおいて、点灯時間はそれぞれ異なる時間に
なっている事がわかる。したがって、１６通りの点灯時
間が設定されていることになる。次に、点灯時間の比率
について説明する。液晶表示装置の場合は、液晶に印加
する単位時間あたりの実効電圧を可変すると濃淡が変化
する。いま、図１に示すように印加する駆動波形は方形
波であるので実効電圧＝平均電圧と考えることが出来
る。したがって表２の点灯時間の比率は、以下の式２で
計算された１表示期間における比率であるので、この値
が液晶の濃淡を表す実効値の比率と考えることができ
る。点灯時間の比率＝点灯時間／１表示期間（式２）

【００１８】点灯時間の比率は階調１から階調１６まで
順に０、０．１６、０．２４・・・１と順番に比率が高
くなっている。したがって、液晶の濃度で考えると０が
白で１が黒とするとその中間では階調２〜１５までの１
４通りの中間階調が表現できていることになる。

【００１９】再び、図１に戻って、各階調の駆動波形を
説明する。まず、図１のＸ１とＹ１の交点上のドットに
は階調１を表示している。階調１は表２からフレーム１
〜４まで非点灯であるので、図１の波形Ｘ１はフレーム
１からフレーム４のＹ１が選択されているタイミングで
は非点灯電圧ＶＸを出力する。次にＸ２とＹ４の交点上
の階調８では、表２でフレーム１とフレーム４を点灯す
るので、波形Ｘ２はフレーム１とフレーム４のＹ４が選
択されるタイミングで点灯電圧−ＶＸを出力しフレーム
２とフレーム３のＹ４が選択されるタイミングで非点灯
電圧ＶＸが出力されている。他の階調も同様に表２に準
じて点灯電圧と非点灯電圧を選択する。

【００２０】このように、図１に示す波形により４×４
のマトリクス上の１６個のドットに１６階調の表示が可
能となる。図１では説明の都合上４×４のマトリクスで
示したが、画素数に関しては液晶のコントラストが得ら
れる限りはＶＧＡでもＸＧＡでも本実施の形態によって
実現できることは述べるまでもない。

【００２１】次に、階調の線形性について説明する。０
が白で１が黒とした場合に、中間階調が０（白）寄りで
あったり、１（黒）寄りであったりして均等でないと忠
実に画像が表現できない。従って、人間の目には均等に
階調が変化している様に見えるように階調を設定する必
要がある。図２に表２の点灯時間の比率のグラフを示
す。図２において横軸は階調レベルの階調１から階調１
６を示し、縦軸は点灯時間の比率を示す。このグラフに
よると、すべての階調レベルが偏ることなく０と１の間
に配置されていることがわかる。

【００２２】ここで、階調レベル１と階調レベル１５に
注目するとこの２つの階調においてはそれぞれ０と１か
らの変化量が他の階調レベルに比べると大きいことに気
付く。つまり、この２つの階調だけは、濃度変化が大き
くなるように設定さていることになる。この部分におい
ては階調の濃度変化が激しくなり見た目になだらかな階
調変化が得られないように思われるが、液晶表示装置の
場合にはそうではない。その理由は液晶の実効電圧−濃
度特性は非線形性を持っている事にある。

【００２３】図３に液晶の実効電圧−濃度特性を示す。
横軸は実効電圧を示し、縦軸は濃度を示す。横軸は矢印
の方向に高い電圧を示し、縦軸は矢印の方向に濃度が濃
くなることを示す。波形３は液晶の実効電圧−濃度特性
を示す。また、グラフの左下に示す点線は従来のフレー
ム変調方式を用いた場合に設定される実効電圧を均等に
分割する場合の階調１から階調４の液晶濃度を示し、右
上の点線は図２に示す本発明の点灯時間の比率に従って
実効電圧を不均一に分割した場合の階調１２から階調１
５の液晶濃度を示す。

【００２４】図３によると、従来のフレーム変調方式の
ように均等に実効電圧を分割した場合には階調１と階調
２の濃度変化が非常に小さい。実際には人間の目には認
識できないほどの濃度差になってしまい、階調がつぶれ
てしまう。つまり、階調変化が不均等になっている。こ
れでは最適な１６階調表示にはならない。ところが、本
実施の形態の場合には図２の点灯時間の比率が階調１４
と階調１５間で他の階調間に比べて大きく変化するの
で、図３の右上の点線で示したように実効電圧が不均等
に分割される。従って、図３に示すように階調１５と階
調１４の液晶濃度差が確保でき、階調１〜階調１６まで
を人間の目で認識できるのに十分な濃度変化が得られ、
さらに均等な濃度変化を得ることが出来る。つまり、本
実施の形態では従来のフレーム変調方式での階調つぶれ
の原因となっていた液晶の非線形性を相殺して均等な濃
度差の階調表現を実現していることになる。

【００２５】さて、本実施の形態では４ビットの階調デ
ータで表現可能な１６階調を表示する場合について説明
したが、これが５ビットの階調データで３２階調を表示
する場合でも同様に５個のフレームをそれぞれ適切なフ
レーム周期に設定し、表２の要領に従えば３２階調表示
が可能である。つまり、本発明によれば、Ｎビットの階
調データで表現可能な階調は、連続するそれぞれ周期の
異なるＮ個のフレームの点灯非点灯の組み合わせにより
表現できる。

【００２６】ここで、本発明はＮビットの階調データを
Ｎフレームで表現できるところが大きな利点である。た
とえば、従来技術では、８階調を表現するのに７フレー
ムを必要とする。このときの階調１は７フレーム中１フ
レームのみの点灯であるので、フリッカをのぞこうとす
ると、１フレームの周波数は人間の目がフリッカを感じ
なくなる３０Ｈｚの７倍の周波数を必要とし、２１０Ｈ
ｚが必要となる。ところが、本実施の形態では、各フレ
ームが１０３Ｈｚ、１２０Ｈｚ、１３７Ｈｚ、２１２Ｈ
ｚとなり１フレームの平均周波数は１３３Ｈｚとなる。
つまり、従来よりも遅いフレーム周波数にもかかわらず
従来の８階調の倍の１６階調を表示していることにな
る。フレーム変調方式の欠点は階調が増えることにより
周波数が高くなることであったが、本発明では周波数の
増加を極端に抑えることが出来る。したがって、データ
転送速度が遅くて済み、液晶の駆動周波数も遅くて済む
のでで低消費電力化が可能となる。

【００２７】次に、液晶の充放電電力とクロストークに
ついてパルス幅変調方式と比較して考える。一般に表示
する画像は同一階調がある一定の画素で連続する場合が
ほとんどである。たとえば、中間階調である階調８が全
画面で表示されている場合について考えると、従来のパ
ルス幅変調方式では、ドット毎にパルス幅を可変するた
めに、列電極の液晶駆動は１走査期間毎に出力電圧が切
り替わり、液晶の充放電が行われる。したがって、２４
０行の場合には１フレーム中に２４０回の充放電が行わ
れる。この回数を減らすために液晶の直流印加を防止す
るための交流化駆動を１行電極毎に行う方法があるがそ
れでも１２０回の充放電が行われる。一方、本発明の階
調表示方式では、点灯と非点灯はフレーム毎に切り替え
るので１フレーム内では列電極の充放電はない。１表示
期間で考えても充放電は２回である。交流化駆動を考慮
しても、フレーム毎に交流化すれば、１表示期間で４回
の充放電しか行われない。つまり、本発明によれば、列
電極の充放電をパルス幅変調に比べて極端に減らすこと
が出来る。つまり、低消費電力化が可能となる。また、
クロストークに関しても同様に、１２０回の電圧の切替
が４回で済むので、クロストークの原因となる行電極へ
の容量カップルによるひげも極端に軽減でき、クロスト
ークを軽減できる。

【００２８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、低いフ
レーム周波数で多階調表示が可能なため従来のフレーム
変調方式に見られるようなフリッカ成分を極端に軽減で
き、中間階調表示においてもフレーム単位で点灯非点灯
を切り替えるので液晶の充放電が少なく、信号の切替回
数も少ないのでパルス幅変調方式に比べて低消費電力で
クロストークのない多階調表示が可能な液晶表示装置を
実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態における駆動波形を示す波形
図である。

【図２】本発明の実施形態における点灯時間の比率と階
調レベルのグラフである。

【図３】本発明の実施形態における液晶濃度と実効電圧
のグラフである。

【図４】本発明の従来技術を説明するための表である。

【符号の説明】

Ｔ１〜４フレーム１〜４の周期Ｙ１〜４行電極Ｘ１〜４列電極ＶＹ行電極選択電圧ＶＸ列電極非点灯電圧 −ＶＸ列電極点灯電圧２階調曲線３液晶濃度特性

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｎ（Ｎ≧３）ビットの階調データに対応
して所定数のフレームを１表示単位としてフレーム毎に
所定ドットの点灯と非点灯を制御するフレーム変調方式
により階調表示を行う液晶表示装置において、それぞれ
異なる周期に設定したＮ個の連続するフレームを１周期
とし、前記Ｎ個のフレーム毎の点灯と非点灯の組み合わ
せから成る２Ｎ種類の点灯パターンと前記Ｎビットの階
調データとを１対１に対応させて、所定ドットの階調デ
ータに応じて前記点灯パターンを選択して点灯と非点灯
を制御し、前記Ｎ個のフレームのそれぞれ異なるＮ種類
の周期は、前記２Ｎ種類の点灯パターンの合計点灯時間
と合計非点灯時間の比がいずれも異なるように設定し、
さらに最長周期のフレームは最短周期のフレームの３倍
以内に設定することを特徴とする液晶表示装置。