JP2005070440A - 液晶表示素子及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 良好な表示特性を有するフィールドシーケンシャル方式液晶表示素子を提供する。
【解決手段】 発光色の異なる複数の光源と、透光状態と遮光状態とを選択的に制御できる液晶表示部と、１フレームTfを複数のサブフレームTsに時分割し、各サブフレーム内で任意の数の光源を発光させ、その発光に同期させて液晶表示部の複数の表示領域の透光状態、遮光状態を制御することのできる制御回路とを有する液晶表示素子を提供する。
【選択図】 図９

Description

本発明は、液晶表示素子（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ，ＬＣＤ）、特にフィールドシーケンシャル方式の液晶表示素子、及びその駆動方法に関する。

液晶表示素子をカラー化するためにカラーフィルタを用いる方法が知られている。カラーフィルタを用いた液晶表示素子においては、白色光のバックライトを使用し、たとえば３原色（赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ））のカラーフィルタを備えた液晶セルを選択的に透過させることにより、カラー表示を行う。しかしこの方法では、白色光から選択波長域の光を取り出すため、光の利用効率が低いことに加え、一つの領域はその部分のカラーフィルタ色に対応した色のみしか表示できない。その上、カラーフィルタを作製するため、生産コストも高い。

フィールドシーケンシャル方式の液晶表示素子も提案されている。フィールドシーケンシャル方式の液晶表示素子においては、液晶表示パネルのバックライトが、異なった色に発光する複数の光源を有する。そしてそれらの光源を順次時分割発光させる動作を繰り返しながら、光源の発光するタイミングに合わせて液晶表示素子のスイッチング（光を透過させる／させないのオンオフ）を行う（液晶素子のスイッチングとバックライトの発光とを同期させる）ことにより、人間の目の時間に対する積分能力（時間的な色合成）を利用して、１つの表示画素で様々な表示色を表示させようとする。

バックライトの光源にはたとえば３原色の発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ，ＬＥＤ）が使用される。ＬＥＤの応答時間は数ｎｓｅｃである。バックライトの光源として、これまで一般的に用いられてきた冷陰極管（ＣＣＦＬ）の応答時間が約１０ｍｓｅｃであるから、それに比べるとＬＥＤの応答時間は３桁以上速いことになる。このため、各色を時分割で切り替えても人の目に違和感のないカラー表示が実現できる。

図９はフィールドシーケンシャル方式を用いた液晶表示素子における表示制御の一例を示すタイミングチャートである。図９を参照して、フィールドシーケンシャル方式の液晶駆動方法を説明する。

図中最上段の「光源」に示すように、３色の光源（赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ））が赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の順序で発光を繰り返している。各光源が順次１回ずつ発光する期間を１フレームという。１フレーム期間Ｔ_ｆは複数のサブフレームに分割され、それぞれのサブフレーム期間Ｔ_ｓ中の一部（発光期間Ｔ_ｌ）に、特定色の光源の点灯が行われる。複数の光源からの光を加法混色するためには、１フレーム期間Ｔ_ｆはたとえば２０ｍｓｅｃ以下（フレーム周波数が５０Ｈｚ以上）であることが望ましい。

３色の光源を用いた場合、１フレーム期間Ｔ_ｆを２０ｍｓｅｃとすると、サブフレーム期間Ｔ_ｓは約６．６７ｍｓｅｃである。ネマティック液晶の応答速度は数ｍｓｅｃ、たとえば２〜５ｍｓｅｃである。このため、ネマティック液晶を用いた液晶表示素子の場合、サブフレームにおいていずれの光源も発光しない期間（液晶のオンオフを行う遷移期間Ｔ_ｔ）もまた、たとえば２〜５ｍｓｅｃとなる。したがって１つの光源が発光する時間Ｔ_ｌは１．６７〜４．６７ｍｓｅｃである。

図中、第２段（ａ）から最終段（ｈ）は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）、Ｃ（シアン）、Ｍ（マゼンタ）、Ｙ（黄）、Ｗ（白）及びＢＫ（黒）の８色を表示するための液晶セル駆動のタイミングチャートを示す。（ａ）〜（ｈ）のすべてのタイミングチャートにおいて、折れ線が上の（高い）位置にあるとき、液晶表示素子の液晶セルが光を透過する状態にあることを示す。折れ線が下の（低い）位置にあるとき、液晶セルは光を遮り、透過させない状態にあることを示す。透過と遮光とを切り替える遷移期間においては、透過率は除々に変化する。図では簡単化してリニアな変化で上下（高低）の位置を結ぶように描かれている。

Ｒ（赤）を表示する（ａ）のタイミングチャートを参照する。液晶セルが、１フレーム中の赤（Ｒ）の発光が行われる最初のサブフレームにおいて、光を透過させるように制御されている。赤（Ｒ）の発光期間以外の発光期間（緑（Ｇ）及び青（Ｂ）が発光されている期間）では、液晶セルは遮光状態に制御されている。このため、液晶セルは時間について積分したとき、赤（Ｒ）を表示する。

Ｇ（緑）を表示する（ｂ）のタイミングチャートを参照する。液晶セルは、１フレーム中の緑（Ｇ）の発光が行われる２番目のサブフレームにおいて、光を透過させるように制御されている。緑（Ｇ）の発光期間以外の発光期間では、液晶セルは遮光状態に制御されている。このため、液晶セルは時間について積分したとき、緑（Ｇ）を表示する。

Ｂ（青）を表示する（ｃ）のタイミングチャートを参照する。液晶セルは、１フレーム中の青（Ｂ）の発光が行われる最後のサブフレームにおいて、光を透過させるように制御されている。青（Ｂ）の発光期間以外の発光期間は、液晶セルは遮光状態に制御されている。このため、液晶セルは時間について積分したとき、青（Ｂ）を表示する。

Ｃ（シアン）を表示する（ｄ）のタイミングチャートを参照する。Ｃ（シアン）は緑（Ｇ）色光と青（Ｂ）色光との加色によって得られる。液晶セルは、１フレーム中の緑（Ｇ）の発光が行われる２番目のサブフレームから青（Ｂ）の発光が行われる最後のサブフレームまでの連続する期間において、光を透過させるように制御されている。それ以外の発光期間では、液晶セルは遮光状態に制御されている。このため、液晶セルは時間について積分したとき、シアン（Ｃ）を表示する。

Ｍ（マゼンタ）を表示する（ｅ）のタイミングチャートを参照する。Ｍ（マゼンタ）は赤（Ｒ）色光と青（Ｂ）色光との加色によって得られる。液晶セルは、１フレーム中の赤（Ｒ）の発光が行われる最初のサブフレーム、及び青（Ｂ）の発光が行われる最後のサブフレームにおける発光期間（及びフレームの最後のサブフレームの青（Ｂ）の発光期間から、その次のフレームの最初のサブフレームの赤（Ｒ）の発光期間までの連続する期間）において、光を透過させるように制御されている。それ以外の発光期間では、液晶セルは遮光状態に制御されている。このため、液晶セルは時間について積分したとき、マゼンタ（Ｍ）を表示する。

Ｙ（黄）を表示する（ｆ）のタイミングチャートを参照する。Ｙ（黄）は、赤（Ｒ）色光と緑（Ｇ）色光との加色によって得られる。液晶セルは、１フレーム中の赤（Ｒ）の発光が行われる最初のサブフレームから緑（Ｇ）の発光が行われる２番目のサブフレームまでの連続する期間において、光を透過させるように制御されている。それ以外の発光期間は、液晶セルは遮光状態に制御されている。このため、液晶セルは時間について積分したとき、黄（Ｙ）を表示する。

Ｗ（白）を表示する（ｇ）のタイミングチャートを参照する。Ｗ（白）は赤（Ｒ）色光、緑（Ｇ）色光及び青（Ｂ）色光の加色によって得られる。液晶セルは、常に光を透過させるように制御されている。このため、液晶セルは時間について積分したとき、白（Ｗ）を表示する。

ＢＫ（黒）を表示する（ｈ）のタイミングチャートを参照する。液晶セルは、常に光を遮り透過させないように制御されている。このため、液晶セルは黒（ＢＫ）を表示する。

このようにフィールドシーケンシャル法を用いると、カラーフィルタを使用せずに、カラー光源と液晶セルとを時分割駆動することにより、カラー表示が可能である。フレーム周波数５０Ｈｚで、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）３色の光源を用いて、フィールドシーケンシャル方式の液晶表示素子を表示させた場合、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、黄（Ｙ）、白（Ｗ）、黒（ＢＫ）の８色の表示ができる。液晶が光を透過するタイミングを調整することによって、１つの表示領域で複数の色表示が可能となる。なお、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のＬＥＤによるバックライトを用いた場合、各ＬＥＤに流す電流を制御することにより、カラーバランスを調整することも可能である。

以上、各液晶セルをオン／オフ制御して８色を表示する場合を説明したが、各色に対して中間調を採用すれば、多くの中間色調を合成することも可能である。

しかし、２色以上の加法混色により得られる表示部分（シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、黄（Ｙ）、白（Ｗ））を見ながら瞬きをした場合、また表示部分から視線を逸らせた場合等には、瞬間的にそれぞれの光源の色が分離して見える現象、いわゆるカラーブレーク現象が生じることがある。たとえば白（Ｗ）表示の部分から視線を逸らした場合は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の色の帯が連なって尾を引くように見える場合がある。カラーブレーク現象は周囲が暗いとき顕著に起こる。たとえば、フィールドシーケンシャル方式のモニタを搭載した車を夜間運転していた場合、モニタから目を逸らせたときに激しいカラーブレークが生じることがある。

液晶表示素子の表示品位を高めるために、応答速度の速い液晶、たとえば強誘電液晶を用い、構造や制御を工夫した液晶表示素子の提案がなされている。（たとえば、特許文献１及び２参照。）

特開２０００−１８０８２５号公報 特開平７−２８１１５０号公報

本発明の目的は、良好な表示特性を有する液晶表示素子、及び良好な表示特性を実現することが可能な液晶表示素子の駆動方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、発光色の異なる複数の光源と、透光状態と遮光状態とを選択的に制御できる液晶表示部と、１フレームを複数のサブフレームに時分割し、各サブフレーム内で任意の数の光源を発光させ、その発光に同期させて前記液晶表示部の複数の表示領域の透光状態、遮光状態を制御することのできる制御回路とを有する液晶表示素子が提供される。

この液晶表示素子は、観察者の視覚の時間的色合成作用に依拠しない表示を行うので、カラーブレークが生じず、良好な表示を実現することのできる液晶表示素子である。

また、本発明の他の観点によると、発光色の異なる複数の光源と、透光状態と遮光状態とを選択的に制御できる液晶表示部と、１フレームを複数のサブフレームに時分割し、各サブフレーム内で任意の数の光源を発光させ、その発光に同期させて前記液晶表示部の複数の表示領域の透光状態、遮光状態を制御することのできる制御回路とを有する液晶表示素子の駆動方法であって、サブフレームごとに所望の色を形成する光源を発光させる工程と、サブフレームごとに所望の表示領域を透光状態に制御する工程とを含み、あるサブフレームで透光状態とされた表示領域は、他のサブフレームでは遮光状態に制御され、あるサブフレームでは複数色の光源が同時に発光するように制御される液晶表示素子の駆動方法が提供される。

この液晶表示素子の駆動方法は、観察者の視覚の時間的色合成作用に依拠しないため、カラーブレークの生じない、良好な表示を実現することができる。

本発明によれば、良好な表示特性を有する液晶表示素子、及び良好な表示特性を実現することが可能な液晶表示素子の駆動方法が提供される。

本願発明者らは、いかなる場合にカラーブレークが生じ、いかなる場合にカラーブレークが生じない、良好な表示が実現されるかを確認するための予備実験を行った。

本願発明者らは、まず比較例として、図９に示したタイミングチャートに従って、発光及び液晶の配向状態（透光／遮光状態）が制御された液晶表示素子を作製して、その表示品位を観察した。

液晶表示素子として、ノーマリブラックモードのツイストネマチック液晶表示素子（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ−Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ，ＴＮ−ＬＣＤ）を使用し、光源として赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のＬＥＤを用いた。ＬＣＤ及びＬＥＤを図９に示すタイミングチャートに従って時分割色合成の制御を行う制御装置を加え、これらを含むフィールドシーケンシャル方式のＴＮ−ＬＣＤを作製した。

図１は、比較例による予備実験に用いた液晶表示素子の表示部分を示す概略的な平面図である。表示部分は、相互に重なり部分をもたない４つの表示領域Ｄ_１〜Ｄ_４を含んで形成される。表示領域Ｄ_１〜Ｄ_４の各々においては、独立して液晶の配向状態を変更し、独立した表示を行うことが可能である。比較例においては４つの表示領域Ｄ_１〜Ｄ_４の液晶配向状態を同一（共通）とする制御を行った。

１フレーム期間Ｔ_ｆを１６．５ｍｓｅｃ（フレーム周波数を約６０．６Ｈｚ）、サブフレーム期間Ｔ_ｓを５．５ｍｓｅｃに設定した。また、使用したＴＮ−ＬＣＤは、立ち上がり、立下りともに約２ｍｓｅｃで応答可能な性能を有するため、いずれの光源も発光しない期間（液晶のオンオフを行う遷移期間Ｔ_ｔ）を２．５ｍｓｅｃ、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各ＬＥＤが発光する期間Ｔ_ｌを３．０ｍｓｅｃとした。

図９の（ａ）〜（ｈ）のタイミングチャートに従った制御を行い、ＴＮ−ＬＣＤの表示部分を観察したところ、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、黄（Ｙ）及び白（Ｗ）の表示が表示領域Ｄ_１〜Ｄ_４に表示される際、カラーブレークが生じた。特に、白（Ｗ）の表示では、カラーブレークが著しく、観察者が瞬きをするたびに色の分離が感じられた。また、このＴＮ−ＬＣＤを消灯した部屋の薄暗い状況で観察したところ、カラーブレークが顕著であった。

次に、図１に示す液晶表示素子の表示部分の表示領域Ｄ_１〜Ｄ_４ごとに液晶の配向状態の制御を行った。表示領域Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３及びＤ_４において、それぞれ図９の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、及び（ｈ）のタイミングチャートに示すように、液晶の配向状態を変化させた。この結果、表示領域Ｄ_１〜Ｄ_４においては、それぞれ赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）及び黒（ＢＫ）での表示が同時に継続的に認識された。瞬きをしたり、部屋を暗くしたりと様々な条件下で観察を行ったが、カラーブレークは認められなかった。時分割の色合成（人間の目による色合成）によらなければ、画面内に複数の色で表示を行っても、カラーブレークは生じないことがわかった。

続いて、表示領域Ｄ_１〜Ｄ_４の液晶の配向状態は同一（共通）とし、最初の１００フレーム期間においては、図９の（ａ）のチャートに従うように液晶の配向状態を制御した。２番目、３番目、及び４番目の１００フレーム期間においては、それぞれ図９の（ｂ）、（ｃ）及び（ｈ）のチャートに従うように制御した。なお、各１００フレーム期間の間には、２フレーム期間分、液晶を遮光状態に配向させた。

表示部分（表示領域Ｄ_１〜Ｄ_４）には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）、黒（ＢＫ）の表示がこの順になされた。この場合も、瞬きや部屋の照度低下等に伴うカラーブレークは生じなかった。

フィールドシーケンシャル方式の液晶表示素子において、１フレーム内で複数の色の発光を順次繰り返し、いずれか１色のみが発光される期間、たとえば１サブフレーム期間内の少なくとも発光期間の一部を含む期間においてのみ、液晶を光透過状態にすることで、または何かしらの色が発光されている期間全部、たとえば１フレーム中の全期間に渡って、液晶を遮光状態にすることで、応答速度が数ｍｓｅｃである液晶を用いた液晶表示素子においても、カラーブレークの生じない、表示品位の良好な表示を行うことができることがわかった。

本願発明者らは、第１の実施例による液晶表示素子として、比較例による液晶表示素子と、制御内容が異なる制御装置を備えた液晶表示素子を作製した。比較例と同種のＴＮ−ＬＣＤ及びＬＥＤを使用し、１フレーム期間Ｔ_ｆ（フレーム周波数）、サブフレーム期間Ｔ_ｓ、遷移期間Ｔ_ｔ、及び発光期間Ｔ_ｌも比較例及び確認例と同様に設定した。

第１の実施例による液晶表示素子においては、ＬＥＤの発光制御を比較例の場合と異ならせた。透光／遮光をスイッチする液晶の配向状態の制御は、いずれか１色のみが発光される期間のみ液晶を光透過状態にする、または何かしらの色が発光されている期間全部、液晶を遮光状態にするように行った。

比較例においては、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）に発光する３つのＬＥＤを、１フレームの中において、順番に１つずつ点灯させた。このため、カラー表示できる色は、ＬＥＤの発光色（３原色）に限られた。第１の実施例においては、１フレーム内の少なくとも１つのサブフレームの発光期間において、３原色のＬＥＤを２個以上同時に発光させて同時加法混色（同時色合成）させることにより、発光色（混合発光色）を得る。なお、各サブフレームでそれぞれ異なる色の光を同時加法混色により得て、それらを互いに異なる表示領域に透過（入射）させ、画面内に同時に複数色の表示を行った。

同時に発光させる２個以上のＬＥＤの発光強度のバランスは、発光できる範囲で任意に変更することができるため、多くの色を表現することが可能である。ただし、同時に表示できる色数は、１フレーム内のサブフレームの数より１だけ多い数となる。発光期間のすべてにわたって、液晶を遮光状態にすることで、黒（ＢＫ）が表示可能となるためである。

なお、１フレーム中のサブフレームの数は３つに限られるものではなく、２つまたは４つ以上に分割することもできる。多くのサブフレームに分割する場合は同時に表示できる色数は多くなるが、フリッカー防止のため、１フレームの期間Ｔ_ｆを長くすることができないため、１サブフレーム期間Ｔ_ｓが短くなり、したがってＬＥＤの発光時間Ｔ_ｌが短くなって、表示が暗くなる。また、液晶のオンオフに費やされる期間（遷移期間Ｔ_ｔ）も短くなるため、場合によっては、液晶の応答速度が追いつかないという不具合が生じる。２つに分ける場合は、ＬＥＤの発光期間Ｔ_ｌを長くすることができるため、明るい表示を実現することができる。

図２は、第１の実施例による液晶表示素子における発光及び液晶の配向状態の制御の一例を示す表である。表中の「光源の点灯状態」における「１」は、ＬＥＤの発光が行われていることを示し、「０」は、発光が行われていないことを示す。また、「液晶の表示状態」における「１」は液晶表示素子の液晶セルが光を透過させる配向状態であることを示し、「０」は、液晶セルが光を遮る配向状態であることを示す。なお、第１の実施例による液晶表示素子においても、図１に示した表示部分の各表示領域Ｄ_１〜Ｄ_４の液晶は、それぞれ独立に配向状態を制御することが可能である。

サブフレーム１（最初のサブフレーム）の発光期間Ｔ_ｌにおいては、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のすべてのＬＥＤが発光する。このためバックライトからは、白（Ｗ）の光が発光される。

このとき液晶は、発光に同期して、表示領域Ｄ_１において光を透過させる配向状態となり、その他の表示領域Ｄ_２、Ｄ_３、Ｄ_４においては、光を透過させない配向状態となるように制御される。

サブフレーム２（２番目のサブフレーム）の発光期間Ｔ_ｌにおいては、緑（Ｇ）のＬＥＤが発光する。このためバックライトからは、緑（Ｇ）の光が発光される。

このとき液晶は、発光に同期して、表示領域Ｄ_２において光を透過させる配向状態となり、その他の表示領域Ｄ_１、Ｄ_３、Ｄ_４においては、光を透過させない配向状態となるように制御される。

サブフレーム３（３番目のサブフレーム）の発光期間Ｔ_ｌにおいては、赤（Ｒ）及び緑（Ｇ）のＬＥＤが発光する。このためバックライトからは、黄（Ｙ）の光が発光される。

このとき液晶は、発光に同期して、表示領域Ｄ_３において光を透過させる配向状態となり、その他の表示領域Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_４においては、光を透過させない配向状態となるように制御される。

図２に示すように発光及び液晶の配向状態が制御される場合、図１に示す表示部分では、表示領域Ｄ_１が白（Ｗ）、表示領域Ｄ_２が緑（Ｇ）、表示領域Ｄ_３が黄（Ｙ）、表示領域Ｄ_４が黒（ＢＫ）という４色同時表示が行われる。

第１の実施例による液晶表示素子の場合、表示領域Ｄ_１〜Ｄ_４のそれぞれにおいて、３つあるサブフレームのうちいずれか１つのサブフレームの発光期間Ｔ_ｌの少なくとも一部を含む期間において、液晶が透過状態になる（表示領域Ｄ_１〜Ｄ_３）か、または発光が行われるすべての期間を含む期間（たとえばすべてのサブフレーム）に渡って液晶セルが遮光状態になるという制御がなされている。

ＬＥＤ光源の色以外の色を表す場合、従来のフィールドシーケンシャル法のように、複数の発光色を時分割して発光し、観察者の目の時間的合成作用により、表示部分においてそれらの合成色を「見せる」のではなく、複数の光源により同時加法混色された合成色の光がバックライトから出射され、そのまま表示部分に表示される。すなわちバックライトの発光色と表示部分の表示色とは、観察者の認識作用によらず、直接的に等しい。

第１の実施例による液晶表示素子の表示を、瞬きをしながら観察を行ったり、暗い環境下で観察したりと、様々な環境下で観察したところ、カラーブレークは認められなかった。

１フレーム中のあるサブフレームでバックライトから出射された光がある表示領域に透過し、そのフレームでバックライトから出射された他の色の光は、その表示領域に透過しないように、発光及び液晶の配向状態を制御することで、良好な表示を実現できる。

第１の実施例による液晶表示素子においては、３個のＬＥＤを用い、複数の色を表示する場合について述べたが、ＬＥＤの数は３個に限定されるものではない。たとえば２個のＬＥＤを用いて、３色プラス１色（黒（ＢＫ））の表示色を得ることもできる。たとえば黄（Ｙ）と青（Ｂ）のＬＥＤを用いて、黄（Ｙ）、青（Ｂ）及び白（Ｗ）の３色に加えて黒（ＢＫ）の表示を行うことができる。

次に、本願発明者らは、第２の実施例による液晶表示素子として、比較例及び第１の実施例による液晶表示素子と、表示部分の構造、及び制御内容が異なる制御装置を備えた液晶表示素子を作製した。ただし、制御の方針は第１の実施例の場合と同様とした。

すなわち、発光の制御については、比較例のように、１フレーム中の各サブフレームにおいて赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のＬＥＤを順次点灯させ、これを毎フレーム繰り返すような発光は行わず、第１の実施例と同様に、表示部分に表示させる色の光がバックライトから出射するように、各ＬＥＤ光源を点灯させた。また、液晶の制御は、ある表示領域においては、いずれか１色のみが発光される期間、たとえば１サブフレーム期間内の少なくとも発光期間の一部を含む期間においてのみ、液晶を光透過状態にする、または何かしらの色が発光されている期間全部、たとえば１フレーム中の全期間に渡って、液晶を遮光状態にするように行った。

比較例等と同種のツイストネマチック（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ，ＴＮ）液晶及びＬＥＤを使用し、１フレーム期間Ｔ_ｆ（フレーム周波数）、サブフレーム期間Ｔ_ｓ、遷移期間Ｔ_ｔ、及び発光期間Ｔ_ｌも比較例等と同様に設定した。

第２の実施例による液晶表示素子においては、同時に表示できる複数の色を自由に選択でき、かつその選択した色の組み合わせを時間の経過とともに変えることができるように制御を行った。第２の実施例による液晶表示素子は、多くの表示色を表示することが可能な液晶表示素子である。

図３は、第２の実施例による液晶表示素子の表示部分を示す平面図である。第２の実施例による液晶表示素子は、たとえば車両等に搭載される。表示部分の中央部付近には、それぞれその幾つかが点灯することによって１つの数字を表すことのできる一群のセグメント表示領域１ａ〜１ｇ、２ａ〜２ｇ、３ａ〜３ｇが３単位隣接して形成されており、これらで３桁の数字を表現することができる。３桁の数字を表すことが可能な表示領域の左手には、「Ｓｐｅｅｄ」文字表示領域５が形成され、右手上方には、ヘッドライト状態表示領域４が、更に右手下方には、「ｋｍ／ｈ」文字表示領域６が形成されている。

中央部付近の３つの数字は車両の速さを表示する。「Ｓｐｅｅｄ」文字表示領域５は点灯することによって、そのことを明示する。また、「ｋｍ／ｈ」文字表示領域６は、点灯することによって速さの単位を表示する。ヘッドライト状態表示領域４は、点灯によってヘッドライトがハイビーム状態であることを示し、消灯によってヘッドライトがロービーム状態であることを示す。

３桁の数字を表すことが可能な表示領域の各セグメント（表示領域１ａ〜１ｇ、２ａ〜２ｇ、３ａ〜３ｇ）は、車両の速さの変化に従って、異なる色で表示される。車両の速さは、たとえば車両が低速で走行中は緑色の数字で表示され、中速で走行中は黄色の数字で表示され、高速で走行中は赤色の数字で表示されるように制御される。

図４〜図６を用いて第２の実施例による液晶表示素子の制御及び表示について説明する。第２の実施例による液晶表示素子においては、時間の経過とともに変化する車両の速さ及びヘッドライトの状態を入力の一部として、制御が行われる。１つのフレームを３つのサブフレームに分割するとともに、画面（表示部）を３つの表示範囲に分割する。最初のサブフレームの発光によって、「Ｓｐｅｅｄ」文字表示領域５及び「ｋｍ／ｈ」文字表示領域６の表示を可能とする。２番目のサブフレームの発光によって、車両の速さを表す数字の表示を可能とする。そして３番目のサブフレームの発光によって、ヘッドライト状態表示領域４の表示を可能とする。なお、図４（Ｂ）、図５（Ｂ）及び図６（Ｂ）の「光源の点灯状態」及び「液晶の表示状態」における「０」と「１」の意味するところは、図２におけるそれらと同様である。

図４（Ａ）は、ヘッドライトをロービーム状態とし、時速７２ｋｍ／ｈ（低速）で走行する車両の運転席に表示される液晶表示を表す図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の表示を行うための発光及び液晶の配向状態を制御する内容を示す表である。

図４（Ａ）の液晶表示においては、白（Ｗ）で「Ｓｐｅｅｄ」、緑（Ｇ）で「７２」、白で「ｋｍ／ｈ」の表示がなされている。

図４（Ｂ）を参照する。図４（Ａ）の表示を行うために、サブフレーム１（１番目のサブフレーム）の発光期間Ｔ_ｌにおいては、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のすべてのＬＥＤを発光させる。このため、バックライトからは白（Ｗ）の光が発光される。

このとき、表示部分においては、「Ｓｐｅｅｄ」文字表示領域５及び「ｋｍ／ｈ」文字表示領域６が光を透過させる状態になるように制御される。

サブフレーム２（２番目のサブフレーム）の発光期間Ｔ_ｌにおいては、緑（Ｇ）のＬＥＤを発光させる。このため、バックライトからも緑（Ｇ）の光が発光される。

このとき、表示部分においては、８つの表示領域２ａ，２ｂ，２ｃ，３ａ，３ｂ，３ｄ，３ｅ，３ｇが光を透過させる状態になるように制御される。

サブフレーム３（３番目のサブフレーム）の発光期間Ｔ_ｌにおいては、緑（Ｇ）と青（Ｂ）のＬＥＤを発光させる。このため、バックライトからはシアン（Ｃ）の光が発光される。

このとき、表示部分においては、表示部分のすべてが光を透過させない状態になるように制御される。

たとえばこのように発光及び液晶の配向状態を制御したとき、図４（Ａ）に示される表示が実現される。

図５（Ａ）は、ヘッドライトをハイビーム状態とし、時速８３ｋｍ／ｈ（中速）で走行する車両の運転席に表示される液晶表示を表す図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の表示を行うための発光及び液晶の配向状態を制御する内容を示す表である。

図５（Ａ）の液晶表示においては、白（Ｗ）で「Ｓｐｅｅｄ」、黄（Ｙ）で「８３」、白で「ｋｍ／ｈ」、シアン（Ｃ）でヘッドライトが点灯していることを示すマークの表示がなされている。

図５（Ｂ）を参照する。図５（Ａ）の表示を行うために、サブフレーム１（１番目のサブフレーム）の発光期間Ｔ_ｌにおいては、図４（Ｂ）に示すサブフレーム１の制御と同様の発光制御を行う。また、液晶の配向状態の制御も図４（Ｂ）に示すサブフレーム１の制御と同様に行う。

サブフレーム２（２番目のサブフレーム）の発光期間Ｔ_ｌにおいては、赤（Ｒ）と緑（Ｇ）のＬＥＤを発光させる。このため、バックライトからは黄（Ｙ）の光が発光される。

このとき、表示部分においては、１２の表示領域２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｇにおいて、液晶が光を透過させる配向状態になるように制御される。

サブフレーム３（３番目のサブフレーム）の発光期間Ｔ_ｌにおいては、図４（Ｂ）に示すサブフレーム３の制御と同様の発光制御を行う。このため、バックライトからはシアン（Ｃ）の光が発光される。

このとき、表示部分においては、ヘッドライト状態表示領域４においてのみ、液晶が光を透過させる配向状態になるように制御される。

たとえばこのように発光及び液晶の配向状態を制御したとき、図５（Ａ）に示される表示が実現される。

図６（Ａ）は、ヘッドライトをハイビーム状態とし、時速１０６ｋｍ／ｈ（高速）で走行する車両の運転席に表示される液晶表示を表す図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の表示を行うための発光及び液晶の配向状態を制御する内容を示す表である。

図６（Ａ）の液晶表示においては、白（Ｗ）で「Ｓｐｅｅｄ」、赤（Ｒ）で「１０６」、白で「ｋｍ／ｈ」、シアン（Ｃ）でヘッドライトが点灯していることを示すマークの表示がなされている。

図６（Ｂ）を参照する。図６（Ａ）の表示を行うために、サブフレーム１（１番目のサブフレーム）の発光期間Ｔ_ｌにおいては、図４（Ｂ）に示すサブフレーム１の制御と同様の発光制御を行う。また、液晶の配向状態の制御も図４（Ｂ）に示すサブフレーム１の制御と同様に行う。

サブフレーム２（２番目のサブフレーム）の発光期間Ｔ_ｌにおいては、赤（Ｒ）のＬＥＤを発光させる。このため、バックライトからは赤（Ｒ）の光が発光される。

このとき、表示部分においては、１３の表示領域１ｂ，１ｃ，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ，３ｇにおいて、液晶が光を透過させる配向状態になるように制御される。

サブフレーム３（３番目のサブフレーム）の発光期間Ｔ_ｌにおいては、図５（Ｂ）に示すサブフレーム３の制御と同様の発光制御及び液晶の配向状態の制御を行う。

たとえばこのように発光及び液晶の配向状態を制御したとき、図６（Ａ）に示される表示が実現される。

第２の実施例における液晶表示素子においては、サブフレーム１における発光及び液晶の配向状態の制御により、「Ｓｐｅｅｄ」文字表示領域５及び「ｋｍ／ｈ」文字表示領域６の表示が行われる。車両走行中であれば、この２つの領域は、白（Ｗ）で継続的な表示が行われるように制御される。

また、サブフレーム２における発光及び液晶の配向状態の制御により、車両の走行スピードが表示される。走行スピードは、低速のときは緑（Ｇ）で、中速のときは黄（Ｙ）で、高速のときは赤（Ｒ）で表示されるように制御される。

あるフレームで、ある表示領域に透過した光の色とは異なる色の光が、そのフレームより後のフレームでその表示領域に透過すれば、表示色は変更される。表示色の変更は、たとえば第２の実施例による液晶表示素子の速さを表す数字表示の制御のように、あるフレームの最初からｋ（ｋは自然数）番目のサブフレームで発光される光と、そのフレームより後のフレームの最初からｋ番目のサブフレームで発光される光とを異ならせて行うことができる。また、２以上の連続するフレームで実質的に同一の制御を行えば、連続的な表示を行うことができる。

更に、サブフレーム３における発光及び液晶の配向状態の制御により、ヘッドライトの点灯状態（ハイまたはロービーム）がシアン（Ｃ）で表示される。

第２の実施例による液晶表示素子の表示を様々な環境下で観察したが、カラーブレークは認められなかった。

上述の実施例では、１つのフレーム期間Ｔ_ｆ中にバックライトから複数色の光（１サブフレームごとの光）が発せられた場合においても、１つの表示領域にはある１色の光のみが透過するように、液晶の配向状態を制御するので、カラーブレークの生じない、表示特性が良好な液晶表示素子の表示を実現することができる。

図７は、第２の実施例による液晶表示素子の概略を示す断面図である。たとえばツイストネマチック液晶で形成された液晶層１５を、２つの配向膜１４，１６が挟持している。配向膜１４，１６にはたとえばラビング処理によりプレチルト角が付与されており、液晶層１５に含まれ配向膜１４，１６に接している液晶の配向を規定する。

２枚の配向膜１４，１６のそれぞれに接して、共通電極１３、及び個々のセグメント表示画素に対応したセグメント電極１７が形成されている。両電極間には電圧が印加され、印加電圧によって液晶層１５の配向状態が変更される。配向状態の変更により、液晶層１５に入射する光を透過させる、または遮ることができる。両電極を挟むように、ガラス基板１２，１８が形成され、各ガラス基板１２，１８上には、偏光フィルム１１，１８が形成されている。

液晶層１５、配向膜１４，１６、共通電極１３、セグメント電極１７、ガラス基板１２，１８及び偏光フィルム１１，１８を含んで、液晶表示パネル２２が構成される。液晶表示パネル２２は、たとえばノーマリブラックモードである。

セグメント電極１７側に形成されている偏光フィルム１９側に、ＬＥＤアレイ２１及び導光板・光拡散板２０が備えられており、これらを含んでバックライト２４が構成される。

ＬＥＤアレイ２１は導光板・光拡散板２０と対向する面に、発光色の異なる複数の光源を備える。たとえば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色の各色を発光するＬＥＤが順番に反復して配列されている。導光板・光拡散板２０は、このＬＥＤアレイ２１の各ＬＥＤから発光される光を表面全体に導光するとともに、上面へ拡散することにより、発光領域として機能する。複数色のＬＥＤから発光が行われた場合、導光板・光拡散板２０は、これらの色の光を同時加法混色して出射することができる。出射光は、液晶表示パネル２２の液晶層１５に入射する。

制御装置２３は、共通電極１３とセグメント電極１７との間に印加される電圧等の制御により、液晶層１５の透光／遮光状態を選択的に制御することができる。また、ＬＥＤアレイ２１に含まれる各ＬＥＤの点灯（発光タイミング）を制御することができる。たとえば液晶層１５の透光／遮光状態と、ＬＥＤアレイ２１の各ＬＥＤの点灯とが同期するように制御が行われる。

バックライト２４から出射された光が液晶セルを透過した場合、透過光の色で表示が行われる。液晶セルに遮られた場合、黒（ＢＫ）で表示を行うことができる。

制御装置２３によって、第１及び第２の実施例において説明したように、フレーム期間Ｔ_ｆ内において、１つの表示領域に１色の光のみが透過するか、または光が透過しないように、バックライト２４の発光及び液晶層１５の配向状態を同期させる制御を行うと、表示特性が良好な表示を実現することができる。なお、表示領域とその表示領域を発光させるサブフレームとの関係は固定されていた。必要に応じて、この関係を変更することは可能である。

図８（Ａ）は、ドット型のアクティブマトリクス液晶表示素子の１画素を示す平面図であり、図８（Ｂ）は図８（Ａ）の８Ｂ−８Ｂ線図である。これまでセグメント型の液晶表示素子を例にとり説明を行ってきたが、実施例による液晶表示素子はドット型でもよい。

図８（Ａ）を参照する。ドット型の液晶表示素子においては、画素内に、液晶セルの透光／遮光によって表示を行うドット表示部２６及びドット表示部２６の制御を行うＴＦＴ２５（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が設けられている。

図８（Ｂ）を参照する。図７に示した第２の実施例による液晶表示素子と異なる点は、セグメント電極１７のかわりにピクセル電極２７及びＴＦＴ２５が備えられている点である。その他の構成要件、及びその機能は、第２の実施例による液晶表示素子と等しい。

ドット表示部２６の透光／遮光は、ピクセル電極２７と共通電極１３との間に印加される電圧によって行われる。印加電圧（駆動信号）はＴＦＴ２５を介して、ピクセル電極２７に伝えられる。ドット表示部２６を用いると同一領域で異なる形態の表示を行うことができる。重なりを有さない複数の表示領域を設定し、各表示領域で、表示形態、表示色を選択できる。

実施例による液晶表示素子の光源には、複数の発光色を有する光源を用いることができる。ＬＥＤのほか放電管や有機ＥＬ素子等を用いることが可能である。

実施例においては、ＴＮ−ＬＣＤを用いているが、たとえば垂直配向型のＬＣＤ等、様々なＬＣＤを使用することができる。ノーマリブラックモードのＬＣＤが好ましい。ノーマリホワイトモードでは、表示部分以外の下地の部分が光を透過するため、順番に点灯するバックライトの加法混色が起こり、下地の部分でカラーブレークが生じるからである。しかし、たとえばセグメント型の液晶表示素子であれば、セグメント以外の部分をブラックマトリックスで覆うことにより、ノーマリブラックモード以外のＬＣＤを用いることも可能である。
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。

たとえば自動車のスピードメータ回りのように、使用色が限定されていて、かつ誤認が許容されにくい用途において、特に有効である。

比較例による予備実験に用いた液晶表示素子の表示部分を示す概略的な平面図である。 第１の実施例による液晶表示素子における発光及び液晶の配向状態の制御の一例を示す表である。 第２の実施例による液晶表示素子の表示部分を示す平面図である。 （Ａ）は、ヘッドライトをロービーム状態とし、時速７２ｋｍ／ｈ（低速）で走行する車両の運転席に表示される液晶表示を表す図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の表示を行うための発光及び液晶の配向状態を制御する内容を示す表である。 （Ａ）は、ヘッドライトをハイビーム状態とし、時速８３ｋｍ／ｈ（中速）で走行する車両の運転席に表示される液晶表示を表す図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の表示を行うための発光及び液晶の配向状態を制御する内容を示す表である。 （Ａ）は、ヘッドライトをハイビーム状態とし、時速１０６ｋｍ／ｈ（高速）で走行する車両の運転席に表示される液晶表示を表す図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の表示を行うための発光及び液晶の配向状態を制御する内容を示す表である。 第３の実施例による液晶表示素子の概略を示す断面図である。 （Ａ）は、ドット型のアクティブマトリクス液晶表示素子の１画素を示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の８Ｂ−８Ｂ線図である。 フィールドシーケンシャル方式を用いた液晶表示素子における表示制御の一例を示すタイミングチャートである。

符号の説明

Ｄ_１〜Ｄ_４ 表示領域
１ａ〜１ｇ 表示領域
２ａ〜２ｇ 表示領域
３ａ〜３ｇ 表示領域
４ ヘッドライト状態表示領域
５ 「Ｓｐｅｅｄ」文字表示領域
６ 「ｋｍ／ｈ」文字表示領域
１１ 偏光フィルム
１２ ガラス基板
１３ 共通電極
１４ 配向膜
１５ 液晶層
１６ 配向膜
１７ セグメント電極
１８ ガラス基板
１９ 偏光フィルム
２０ 導光板・光拡散板
２１ ＬＥＤアレイ
２２ 液晶表示パネル
２３ 制御装置
２４ バックライト
２５ ＴＦＴ
２６ ドット表示部
２７ ピクセル電極

Claims (13)

1. 発光色の異なる複数の光源と、
   透光状態と遮光状態とを選択的に制御できる液晶表示部と、
   １フレームを複数のサブフレームに時分割し、各サブフレーム内で任意の数の光源を発光させ、その発光に同期させて前記液晶表示部の複数の表示領域の透光状態、遮光状態を制御することのできる制御回路と
   を有する液晶表示素子。
2. 前記液晶表示部の複数の表示領域は、相互に重なりをもたず、前記制御回路は、各サブフレームごとに異なる表示領域を透光状態に制御することで、１つの表示領域はいずれか１つのサブフレームのみで透光状態となる、またはすべてのサブフレームにおいて遮光状態となる請求項１に記載の液晶表示素子。
3. 前記制御回路は、２以上の連続するフレームで、実質的に同一の制御を行う請求項１または２に記載の液晶表示素子。
4. 前記複数の光源がＬＥＤである請求項１〜３のいずれか１項に記載の液晶表示素子。
5. 前記複数の光源が赤、緑及び青のＬＥＤで構成されている請求項４に記載の液晶表示素子。
6. 前記液晶表示部がノーマリブラックである請求項１〜５のいずれか１項に記載の液晶表示素子。
7. 前記液晶表示部がセグメントで形成されている請求項１〜６のいずれか１項に記載の液晶表示素子。
8. 前記液晶表示部がドットで形成されている請求項１〜６のいずれか１項に記載の液晶表示素子。
9. 前記制御回路が、１フレームを第１のサブフレームと第２のサブフレームとを含む複数のサブフレームに時分割し、前記第１のサブフレームと前記第２のサブフレームとでは、異なる光源を発光させる請求項１〜８のいずれか１項に記載の液晶表示素子。
10. ｎを２以上の整数とし、ｋを１以上ｎ以下の整数とするとき、前記制御回路が、１フレームをｎ個のサブフレームに時分割し、第１群のフレームのｋ番目のサブフレームと、前記第１群のフレームより後の第２群のフレームのｋ番目のサブフレームとで、異なる光源を発光させる請求項１〜９のいずれか１項に記載の液晶表示素子。
11. 発光色の異なる複数の光源と、透光状態と遮光状態とを選択的に制御できる液晶表示部と、１フレームを複数のサブフレームに時分割し、各サブフレーム内で任意の数の光源を発光させ、その発光に同期させて前記液晶表示部の複数の表示領域の透光状態、遮光状態を制御することのできる制御回路とを有する液晶表示素子の駆動方法であって、
    サブフレームごとに所望の色を形成する光源を発光させる工程と、
    サブフレームごとに所望の表示領域を透光状態に制御する工程と
    を含み、あるサブフレームで透光状態とされた表示領域は、他のサブフレームでは遮光状態に制御され、あるサブフレームでは複数色の光源が同時に発光するように制御される液晶表示素子の駆動方法。
12. 更に、前記第１のフレーム中の前記第１のサブフレームとは異なる第２のサブフレームにおいて、前記第１の色とは異なる第２の色の光を出射する工程と、
    前記第１のサブフレームに前記第１の色の光が透過した領域とは異なる領域に、前記第２の色の光を透過させて表示を行う工程と
    を有する請求項１１に記載の液晶表示素子の駆動方法。
13. 更に、前記第１のフレームより後の第２のフレームにおいては、前記第１のフレームで前記第１の色の光が透過して表示が行われた前記液晶表示部の領域に、前記第１の色とは異なる色の光を透過して表示を行う工程を有する請求項１１または１２に記載の液晶表示素子の駆動方法。

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