JP2007034320A - 液晶表示パネルの階調駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】階調数が多くなった場合においても表示品質を低下させないで、列電極の波形の変化回数を抑制し、消費電力を減少可能な単純マトリクス型液晶パネルを提供する。
【解決手段】複数のフレームで選択される複数のパルスの合計でパルス幅変調を行い、一つの画素に中間調の画素データを表示する為の列電極の変化回数を、複数のフレーム中に一回とするようにする。更に、分割したフレームの現れる順番が奇数行と偶数行で異なるとともに、飛び越し走査をすることにより、従来のパルス幅変調に比べ消費電力が大幅に減少した。
【選択図】図７

Description

本発明は、ＳＴＮ液晶等を用いた単純マトリクス型液晶表示パネルを駆動する方法に関し、特に、フレーム変調とパルス幅変調による中間調表示に適した低消費電力の液晶表示パネルの駆動方法に関する。

単純マトリクス型液晶表示パネルは、行電極群と列電極群との間に液晶層を保持してマトリクス状の画素を設けて構成されたものである。そして、この単純マトリクス型液晶表示パネルの駆動方法として、電圧平均化法、ＳＡ法、ＭＬＡ法等がある。

電圧平均化法は、各行電極を順次１本づつ選択し、選択されるタイミングに合わせて、全列電極にＯＮ／ＯＦＦに相当するデータ信号を与える単純マトリクス型液晶表示パネルの駆動方法である。

従って、各画素に印加される電圧は、全行電極を選択する１フレーム周期Ｔに１回だけ高い印加電圧となり、残りの非選択時間は一定のバイアス電圧となる。この電圧平均化法では、使用される液晶材料の応答速度が遅い場合には、１フレーム周期における印加電圧波形の実効値に応じた輝度の変化が得られ、実用上適度のコントラストを維持する。
しかしながら、分割数を大きくとりフレーム周波数が下がると、１フレーム周期と液晶の応答時間との差が小さくなり、液晶は印加されたパルス毎に応答し、フレーム応答現象と呼ばれる輝度のチラツキが現れコントラストが低下する。

ＳＡ法はスマート・アドレッシング法と呼ばれる単純マトリクス型液晶表示パネルの駆動方法である。電圧平均化法とＳＡ法は、いずれも各行電極を順次１本づつ選択し、選択されるタイミングに合わせて全列電極にＯＮ／ＯＦＦに相当するデータ信号を与えるものであるが、隣り合うフレームのコモンの非選択レベルが前者では異なり、後者では同じである。

ＭＬＡ法は複数ライン同時選択法とも呼ばれるものであり、複数の行電極を同時に選択することによって、見掛けの高周波数化を図り、電圧平均化法で問題となったフレーム応答現象を抑制するものである。複数の行電極を同時に選択しながら、且つ各画素を独立に表示させるようにするために、ＭＬＡ法には独特の工夫が採用されている。それは、直交関数の組により表される複数の行信号を選択時間毎に組順次で行電極群に印加する組順次走査を行うと共に、直交関数の組と選ばれた画素データの組との積和演算を逐次行い、その結果に応じた電圧レベルを有する列信号を前記組順次走査に同期して前記選択時間中に列電極群に印加するという工夫である。

なお、ＭＬＡ法は特開平５-１００６４２号公報、特開平６-２７９０７号公報、特開平７-７２４５４号公報、特開平７-１９３６７9号公報、特開平７-１９９８６３号公報、特開平７-３１１５６４号公報、特開平８-１８４８０７号公報、特開平８-１８４８０８号公報、特開２０００-１９４８２号公報等に開示されている。

次に、単純マトリクス型液晶表示パネルの多階調表示方法には、パルス幅変調方式とフレーム変調方式が一般的であるが、前者は、選択されたパルスの時間内で列電極の波形を階調情報に合わせてＯＮからOFFに切り替えるもので、周波数が上がり消費電力が多くなる。後者は安価な手法として技術的にも確立されたものである。

フレーム変調方式は、ＯＮ／ＯＦＦの２階調を複数フレームにわって選択的にＯＮ／ＯＦＦし、時間的な平均値を利用して２以上の階調を与える方式である。そして、単純マトリクス型液晶表示パネルの中間調表示は、駆動方法と多階調表示方法の組み合わせで実現されている。

ここで、多階調表示方法にはパルス幅変調方式を採用し、電圧平均化法又はＳＡ法で駆動した場合の単純マトリクス型液晶表示パネルの消費電力について検討してみる。前記単純マトリクス型液晶表示パネルは、Ｎ行×M列のマトリクスを有するものとする。

図２は、単純マトリクス型液晶表示パネルに適用されたパルス幅変調の列電極波形を斜線を付けた波形部分で示したものである。中間の階調レベルでは、１選択期間内にＯＮしている時間とＯＦＦしている時間があり、必ず１選択期間内で往復するので２回列電極波形が変化する。したがって、１フレームにおける列電極波形の変化回数は２Ｎ回である。

次に、多階調表示方法にはフレーム変調方式を採用し、電圧平均化法又はＳＡ法で駆動した場合の単純マトリクス型液晶表示パネルの消費電力について検討してみる。なお、フレーム変調は１行毎、又は１画素毎のいずれかである。

図３は、単純マトリクス型液晶表示パネルに適用された５階調フレーム変調パターンの一例を示す。図３において、階調レベル０では、第１フレームから第４フレームまで、単純マトリクス型液晶表示パネルの行と列の交点の値は全て０（ＯＦＦ）で表されている。

階調レベル１では、単純マトリクス型液晶表示パネルの（２ｎ＋１）行と第１フレームの奇数列との交点、（２ｎ＋１）行と第２フレームの偶数列との交点、（２ｎ＋２）行と第３フレームの奇数列との交点、及び（２ｎ＋２）行と第４フレームの偶数列との交点の画素には１（ＯＮ）が、その他の画素には０（ＯＦＦ）が与えられている。ここに、ｎは０からＮ／２までの整数である。従って（２ｎ＋１）行は奇数行、（２ｎ＋２）行は隣り合う偶数行を表す。

階調レベル２では、単純マトリクス型液晶表示パネルの（２ｎ＋１）行と第１フレームの奇数列との交点、（２ｎ＋２）行と第１フレームの偶数列との交点、（２ｎ＋１）行と第２フレームの偶数列との交点、（２ｎ＋１）行と第３フレームの奇数列との交点、（２ｎ＋２）行と第３フレームの偶数列との交点、（２ｎ＋１）行と第４フレームの奇数列との交点、及び（２ｎ＋２）行と第４フレームの偶数列との交点の画素には１（ＯＮ）が、その他の画素には０（ＯＦＦ）が与えられている。

階調レベル３では、単純マトリクス型液晶表示パネルの（２ｎ＋１）行と第１フレームの奇数列との交点、（２ｎ＋１）行と第２フレームの偶数列との交点、（２ｎ＋２）行と第３フレームの奇数列との交点、及び（２ｎ＋２）行と第４フレームの偶数列との交点の画素には０（ＯＦＦ）が、その他の画素には１（ＯＮ）が与えられている。

階調レベル４では、第１フレームから第４フレームまで、単純マトリクス型液晶表示パネルの行と列の交点の画素には全て１（ＯＮ）が与えられている。

先ず、電圧平均化法又はＳＡ法で駆動されている単純マトリクス型液晶表示パネルに図３の５階調フレーム変調パターンに基づいたフレーム変調方式が適用されて多階調表示を行う場合で、画面の上から下へ走査した場合の列電極波形は図４（ａ）と図４（ｂ）の如くとなる。但し、説明を簡単にするために、表示されるデータは中間調１色のデータであるものとする。

即ち、図４（ａ）は、図３の５階調フレーム変調パターンにおいて、或る列電極と（２ｎ＋１）行電極と（２ｎ＋２）行電極との夫々の交点の画素が共にＯＮ又はＯＦＦの場合の列電極波形を、斜線を付けた波形部分で示したものである。この場合の列電極波形のレベルは、１フレーム周期Ｔの選択時間Ｔにおいては＋１／√Ｎ、残りの非選択時間（Ｔ-ｔ）においては-１／√Ｎである。次のフレームは反転し、同様の列電圧波形を呈する。従って、中間の階調レベルで上下の行が共にＯＮ又はＯＦＦされる場合、１フレームにおける列電極波形の変化回数は１回である。

また、図４（ｂ）は、図３の５階調フレーム変調パターンにおいて、或る列電極と（２ｎ＋１）行電極と（２ｎ＋２）行電極との夫々の交点の画素の一方がＯＮで他方がＯＦＦの場合の列電極波形を、斜線を付けた波形部分で示したものである。この場合の列電極波形のレベルは、１フレーム周期Ｔの選択時間ｔにおいては＋１／√Ｎである。残りの非選択時間（Ｔ-ｔ）においては、最初のｔは-１／√Ｎ、続くｔは＋１／√Ｎ、以後は最後のｔまで同様に変化する。次のフレームは反転し、同様の列電圧波形を呈する。従って、中間の階調レベルで行が１本おきにＯＮ、ＯＦＦされる場合、１フレームにおける列電極波形の変化回数は行電極の本数と同じＮ回である。

ところで、液晶パネルの消費電力は、行電極と列電極との間の自由放電電流により定まる。換言すれば、液晶パネルの消費電力は行電極と列電極との間の電圧の値及び波形(変化量)により定まる。

したがって、多階調表示を行う単純マトリクス型液晶パネルにおいて、列電極波形の変化回数はパルス幅変調方式の方がフレーム変調方式より多いこととなり、消費電力も比例して多くなる。しかしながら、フレーム変調方式では階調数が多くなるにしたがって階調を表現するためのフレーム数が多くなり、画面にフリッカ、ざらつき等がでて、表示品質が低下する。

解決しようとする課題は、階調数が多くなった場合においても表示品質を低下させないで、列電極の波形の変化回数を抑制し、単純マトリクス型液晶パネルの消費電力を減少させることである。

上記課題を解決するために、複数のフレームで選択される複数のパルスの合計でパルス幅変調を行い、一つの画素に中間調の画素データを表示する為の列電極の変化回数を、複数のフレーム中に一回とするようにした。また、背景色もしくは主に使われている表示データでは階調レベルが頻繁に且つ大きく変わることがないという事実に着目して、本発明を構成した。

即ち、行電極群と列電極群との間に液晶層を保持してマトリクス状に画素を設けた液晶表示パネルを、与えられた画素データに従って駆動する液晶表示パネルの駆動方法において、１回の選択時間を複数の時間に等分割し、それを数フレームの期間繰り返し、各フレームの選択時の等分割時間の合計で中間調の表示を行うことを特徴とする液晶表示パネルの駆動方法とした。

そして、パルス幅変調のパターンを複数のフレームに分割して、その現れる順番が奇数行と偶数行で異なることを特徴とするものとした。

更に、当該液晶表示パネルの駆動方法において、奇数行と偶数行を別々に走査することを特徴とする液晶表示パネルの駆動方法とした。奇数行だけを走査することによりパルス幅変調のパターンを複数のフレームに分割した順番が走査中は同じなので、列電極波形の変化回数は最小になる。同様に偶数行だけの走査も列電極波形の変化回数は最小になり省電力化が計れる。

そして、液晶表示パネルの駆動方法において、パルス幅変調のパターンを複数のフレームに分割して、その現れる順番が複数行ごとに異なることを特徴とするものとした。

また、液晶表示パネルの駆動方法において、同一フレーム内で前記複数のフレームの現れる順番の同じ行ごとに走査することを特徴とする液晶表示パネルの駆動方法とした。
前記複数のフレームの現れる順番が同じ行のみを使用してそれぞれ走査するので列電極波形の変化回数が最小になり省電力化が計れる。

本発明の液晶表示パネルの駆動方法により、階調数が多くなった場合においても表示品質を低下させないで、フリッカを発生させずに階調を表現するために必要なフレーム数を増やすことができ、より低消費電力化ができる。

先ず、電圧平均化法又はＳＡ法で駆動されている単純マトリクス型液晶表示パネルにおいて、１回の選択時間を４等分して、４フレームで階調データを表現する場合について考える。

図５は４フレームパルス幅変調パターンで、０は表示データがＯＦＦ、１がＯＮを表している。たとえば階調レベル２では、フレームａの選択期間はすべてＯＮ、フレームｂの選択期間の半分であるパルス幅０と１がＯＮで３と４はＯＦＦ、フレームｃ，ｄはすべてＯＦＦになっている。

ここで、説明を簡単にするために、表示されるデータは全面が中間調レベル２のデータであるものとする。

図６に本発明に係る４フレームパルス幅変調パターンの画面上の出現パターンを示す。フレーム０では、奇数列奇数行にａ、偶数列奇数行にｂ、奇数列偶数行にｃ、偶数列偶数行にｄの変調パターンを使う。次のフレーム１では、奇数列奇数行にｃ、偶数列奇数行にｄ、奇数列偶数行にａ、偶数列偶数行にｂの変調パターンを使う。同様にフレーム２，３も変調パターンをドットごとに変えて表示する。

各ドットは４フレームで変調パターンのａからｄが現れ各階調レベルが表示される。このとき２×２の４ドットで変調パターンのａからｄが現れているため画面全体の輝度は各フレームとも一様でフリッカを低減できる。これにより複数のフレームを４回以上にできるので、より低消費電力化ができる。

図７に本発明に係る図５の４フレームパルス幅変調パターンを用い、図６の４フレームパルス幅変調パターンの画面上の出現パターンを用いて、奇数行と偶数行を別々に走査した場合の列電極波形を示す。

フレーム０の前半で奇数行のみを飛び越し走査すると奇数列の列電極波形はすべてＯＮになりその間の変化回数は１回で、偶数列は往復でＮ回である。次にフレーム０の後半で偶数行のみを飛び越し走査すると奇数列、偶数列ともにＯＦＦ波形になり列電極波形の変化回数は１回である。同様に奇数列はフレーム１の前半で1回、後半では1回、フレーム２の前半でＮ回、後半で1回、フレーム３の前半で１回、後半でＮ回となり、偶数列はフレーム１の前半で1回、後半ではＮ回、フレーム２の前半で１回、後半で1回、フレーム３の前半で１回、後半で１回となる。

従って、列電極の変化回数は４フレームで２Ｎ+６回となり、１フレームあたりに直すと（１／２）×（２Ｎ+6）回となる。従来例で示したパルス幅変調の列電極の変化回数２Ｎ回に比べ約１／４になっている。また、本例は全面が中間調レベル２の列電極波形であるが、一般的な表示データでは階調レベルが頻繁に且つ大きく変わることがないので同様に低消費電力化に効果があることはいうまでもない。

次に、分散型の４ＭＬＡ法で駆動されている単純マトリクス型液晶表示パネルに、１回の選択時間を４等分して、４フレームで階調データを表現する場合について考える。変調パターンは電圧平均化法又はＳＡ法で示した図５の４フレームパルス幅変調パターン、図６の出現パターンを用いる。

説明を簡単にするために、表示されるデータは全面が中間調レベル２のデータであるものとし、直行関数に図８に示す関数を使うものとする。

図９に本発明に係る図５の４フレームパルス幅変調パターンと図６の出現パターンを用いた場合の列電極波形を示す。フレーム０のサブフレームの前半で奇数行のみを４本ずつ選択し走査すると奇数列の列電極波形はすべてＯＮになり１フレーム間での変化回数は４回で、偶数列は往復でＮ回である。次にフレーム０のサブフレームの後半で偶数行のみを４本ずつ選択し走査すると奇数列、偶数列ともにＯＦＦ波形になり列電極波形の変化回数は４回である。同様に奇数列はフレーム１の前半で４回、後半では４回、フレーム２の前半でＮ回、後半で４回、フレーム３の前半で４回、後半でＮ回となり、偶数列はフレーム１の前半で４回、後半ではＮ回、フレーム２の前半で４回、後半で４回、フレーム３の前半で４回、後半で４回となる。

従って、列電極の変化回数は４フレームで２Ｎ+２４回となり、１フレームあたりに直すと（１／２）×（２Ｎ+２４）回となる。従来例で示したパルス幅変調の列電極の変化回数２Ｎ回に比べ約１／４になっている。また、本例は全面が中間調レベル２の列電極波形であるが、一般的な表示データでは階調レベルが頻繁に且つ大きく変わることがないので同様に低消費電力化に効果があることはいうまでもない。

本発明の要点は、行方向に４フレームパルス幅変調パターンを変えても、階調を表現するために必要なの数フレーム間に列電極波形がどの階調レベルにおいても往復一回だけしか変化しない点である。したがって、上述した実施例の駆動方法、階調を表現するために必要なのフレーム数、選択時間の分割数に限るものではない。

上述の本発明の階調駆動方法を用いることにより、フリッカを発生させずに階調を表現するために必要なフレーム数を増やすことができ、より低消費電力化が可能である。

図１０に４フレームパルス幅変調パターンの画面上の出現パターンを示す一例を示す。
上述したように、行方向に１本ごとに４フレームパルス幅変調パターンを変えるのが最も良いと思われるが、図１０に示したように２本ごとあるいはそれ以上で４フレームパルス幅変調パターンを変えて２本ごとあるいはそれ以上で飛び越し走査した場合も同様の効果が得られる。

次に、本発明が適用されたＭＬＡ法の液晶表示パネル駆動装置の一例を、図１を参照して説明する。即ち、図１に示すＭＬＡ法の液晶表示パネル駆動装置は、Ｎ行×Ｍ列の単純マトリクス型液晶表示パネル１、液晶表示パネル１のＮ行の行電極群に行電圧を印加する垂直ドライバー２、液晶表示パネル１のＭ列の列電極群に列電圧を印加する水平ドライバー３、垂直ドライバー２と水平ドライバー３に必要なレベルの電圧を供給する電圧レベル回路４を含む。

また、図１に示すＭＬＡ法の液晶表示パネル駆動装置は、複数ビット構成の画像データをフレーム単位で記憶するフレームメモリー５、直交関係にある複数の直交関数を発生し、これを逐次適当に組み合わせたパターンで行選択制御手段１１を介して垂直ドライバー２に与える直交関数発生手段６、行選択時に使用される変調パターンを発生する変調パターン発生手段９ 及び、フレームメモリー５に記憶されている画素データを変調パターンに変換する階調データ変換手段１０、変換された画素データの組と直交関数の組との積和演算を行って、各ビット桁に対応する列信号を生成し、これを水平ドライバー３に与える積和演算手段７を含む。

上記行選択制御手段１１は、行電極を直行関数にしたがって４本同時に選択するように垂直ドライバー２を制御する手段である。なお、４ＭＬＡ法の液晶表示パネル駆動装置に用いられる直交関数表は、図８に示す如きものである。更に、各種動作のタイミングを同期させるための同期手段８を含む。

なお、図示しないが、本発明が適用された電圧平均化法又はＳＡ法の液晶表示パネル駆動装置も、上述のＭＬＡ法の液晶表示パネル駆動装置と同様に容易に構成できる。

以上詳細に説明した如く、複数フレームパルス幅変調方式を採用した本発明に係る液晶表示パネル駆動方法は、従来のフレーム変調方式を採用した液晶表示パネル駆動方法と比較すると、４０９６色を超えるような多階調表示においてもフリッカ等の画質劣化がなく表示できる。また、列電極の電圧波形の変化回数はパルス幅変調方式に比べ極めて少なくなる。行電極は、電圧は高いが、１フレーム内では１回だけの選択であり、接続されたパネルの容量も選択電極分だけである。これに対して、列電極は、電圧は小さいが、表示データにより各電極の電圧波形は異なり、画面全体の電位を変化させなければならない。
したがって消費電力はパルス幅変調方式より極めて少なくなる。

なお、実施例の表示パターンは、全面を同一の中間階調レベルで表示した場合であるが、他の表示パターンを表示した場合は、階調を表現するために必要な数フレーム間に列電極波形がどの階調レベルにおいても往復一回だけしか変化しないことから、本発明は当然のことながら適用できることは言うまでもない。

本発明の液晶表示パネルの駆動方法を適用して構成した単純マトリクス型液晶表示パネル駆動装置のブロック図である。 パルス幅変調方式の列電極波形の一例を示す図である。 ５階調のフレーム変調パターンの一例を示す図である。 従来の電圧平均化法又はＳＡ法駆動の波形の一例を示す図である。 ４フレームパルス幅変調パターンを示す図である。 ４フレームパルス幅変調パターンの画面上の出現パターンを示す図である。 本発明の電圧平均化法又はＳＡ法駆動の波形図である。 ４ＭＬＡ法で用いられる直交関数表の一例を示す図である。 本発明のＭＬＡ法駆動の波形図である。 ２行ごとの４フレームパルス幅変調パターンの画面上の出現パターンを示す図である。

符号の説明

１ 単純マトリクス型液晶表示パネル
２ 垂直ドライバー
３ 水平ドライバー
４ 電圧レベル回路
５ フレームメモリー
６ 直交関数発生手段
７ 積和演算手段
８ 同期手段
９ 変調パターン発生手段
１０ 階調データ変換手段
１１ 行選択制御手段

Claims (2)

1. 複数のフレームで選択される複数のパルスの合計を変調するフレームの数で除した平均値で中間値を変調とパルス幅変調とを併用した液晶表示パネルの駆動方法であって、表示する、フレーム
   任意の行における選択期間中の列電極波形の変化点が前記複数のフレームに含まれる１フレームのみに現れ、その他のフレームには変化点が現れない駆動方法であり、
   走査する行の順番は前記複数のフレームにおいて同じである液晶表示パネルの階調駆動方法。
2. 前記駆動方法は電圧平均化法あるいはＳＡ法あるいはMLA法のいずれかであるである請求項１に記載の液晶表示パネルの階調駆動方法。

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