JP2008292866A - カソード電位制御装置、自発光表示装置、電子機器及びカソード電位制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ピーク輝度レベルを一定に保った状態のまま、フレーム画像内の最大信号レベルに応じて表示パネルの消費電力を最適化する。
【解決手段】アクティブマトリクス駆動方式により各画素の発光状態を駆動制御する自発光型の表示パネルに印加する共通カソード電位の制御装置に、（ａ）１フレーム毎にフレーム画像内の最大信号レベルを検出する最大信号レベル検出部と、（ｂ）自発光素子の駆動トランジスタを飽和領域で動作させるカソード電位値の範囲内で、検出された最大信号レベルに反比例するようにカソード電位値を決定するカソード電位決定部と、（ｃ）決定されたカソード電位値に対応するカソード電位を発生し、自発光型の表示パネルの共通カソード電極に供給するカソード電位印加部を搭載する。
【選択図】図３

Description

この明細書で説明する発明は、アクティブマトリクス駆動方式により各画素の発光状態が駆動制御される自発光型の表示パネルの消費電力をフレーム画像の最大信号レベルに応じて最適化する技術に関する。
なお発明は、カソード電位制御装置、自発光表示装置、電子機器及びカソード電位制御方法としての側面を有する。

今日、様々な種類のフラットパネルディスプレイが実用化されている。これらの一つに、有機ＥＬ（Electro Luminescence）素子を表示領域内に行列配置した有機ＥＬパネルがある。有機ＥＬパネルは、軽く薄膜化が容易なだけでなく、応答速度が速く動画表示特性にも優れている。このように、有機ＥＬパネルは、次世代表示デバイスに求められる様々な特性を有している。

ところで、有機ＥＬ素子の両極間に発生する電圧Ｖelは、駆動電流Ｉelの大きさにより変化する。図１に、有機ＥＬ素子の電流−電圧特性を示す。図１に示すように、有機ＥＬ素子の電圧Ｖelの大きさは、駆動電流Ｉelの大きさに比例して大きくなる。

このため、従来システムでは、有機ＥＬ素子の両極間に発生する電圧Ｖelの最大値を基準にカソード電位を決定する手法が採用されている。すなわち、有機ＥＬ素子の両極間に最大電圧が発生する場合にも駆動トランジスタが飽和領域で動作するようにカソード電位を決定する手法が採用されている。なお、電源電位は固定であるので表示パネルには常に固定の電圧（＝電源電位−カソード電位）が印加される。

前述したように、従来の駆動方法では、表示画面内の最大輝度が低い場合でも、信号レベルの最大値を想定した電圧が表示パネルに印加され続ける。すなわち、表示画面内の最大輝度とは無関係に常に一定の電圧が表示パネルに印加され続ける。
このため、表示内容によっては、表示パネルの発光制御には直接寄与しない消費電力が発生することになる。

そこで、発明者らは、表示パネルの発光制御に寄与しない消費電力の最小化技術を提案する。具体的には、表示パネルのカソード電位を表示内容（表示画面内の最大輝度）に応じて適応的に可変制御する仕組みを提案する。

すなわち、発明者らは、アクティブマトリクス駆動方式により各画素の発光状態を駆動制御する自発光型の表示パネルに印加する共通カソード電位の制御装置に、（ａ）１フレーム毎にフレーム画像内の最大信号レベルを検出する最大信号レベル検出部と、（ｂ）自発光素子の駆動トランジスタを飽和領域で動作させるカソード電位値の範囲内で、検出された最大信号レベルに反比例するようにカソード電位値を決定するカソード電位決定部と、（ｃ）決定されたカソード電位値に対応するカソード電位を発生し、自発光型の表示パネルの共通カソード電極に供給するカソード電位印加部とを搭載する。

発明者らの提案する発明の場合、最大信号レベルの小さいフレームではカソード電位を高く制御する一方、最大信号レベルの大きいフレームではカソード電位を低く制御することができる。

すなわち、表示パネルに印加される電圧（電源電位Ｖp と共通カソード電位Ｖcathode(p)との電位差）をフレーム内の最大発光輝度に応じて可変制御することができる。これにより、フレーム内の発光制御に必要最小限の電圧だけを表示パネルに印加することができる。結果的に、表示パネルの消費電力を常に必要最小限に制御できる。

以下、発明を、アクティブマトリクス駆動型の有機ＥＬパネルモジュールのカソード電位制御に適用する場合について説明する。
なお、本明細書で特に図示又は記載されない部分には、当該技術分野の周知又は公知技術を適用する。
また以下に説明する形態例は、発明の一つの形態例であって、これらに限定されるものではない。

（Ａ）形態例１
（Ａ−１）全体構成
図２に、有機ＥＬパネルモジュール１の主要構成部分を示す。有機ＥＬパネルモジュール１は、有機ＥＬパネル３、データ線ドライバ５、走査線ドライバ７、最大信号レベル検出部９及びカソード電位制御部１１を主要な構成要素とする。

有機ＥＬパネル３の有効表示領域には、パネル解像度に応じて画素１３がマトリクス状に配置されている。この形態例の場合、有機ＥＬパネル３はカラー表示用であり、画素１３は発光色の配列に従って配置される。ただし、複数色の有機発光層を積層した構造を有する有機ＥＬ素子が画素１３を構成する場合、１つの画素が複数の発光色に対応する。

図３に、アクティブマトリクス駆動方式に対応する画素１３の内部構造と他の駆動回路との接続関係を示す。もっとも、実際の画素１３には、発光期間制御用のトランジスタ、駆動トランジスタの閾値補正機能や移動度補正機能に対応するトランジスタ等が配置される。

画素１３は、書き込み制御トランジスタＴ１、電荷保持容量Ｃ、電流駆動トランジスタＴ２及び有機ＥＬ素子Ｄで構成される。
書き込み制御トランジスタＴ１は、画素データに対応する信号電圧Ｖdataの電荷保持容量Ｃへの書き込みを制御する薄膜トランジスタである。

なお、書き込み制御トランジスタＴ１の開閉動作は、走査線ドライバ７より走査線ＷＬを通じて供給される書き込み信号ＷＳにより制御される。書き込み制御トランジスタＴ１が閉制御されている期間に、データ線ＤＬを通じて印加された画素データ（信号電圧Ｖdata）が電荷保持容量Ｃに書き込まれる。

電流駆動トランジスタＴ２は、電荷保持容量Ｃに書き込まれた信号電圧Ｖdataに応じた大きさの駆動電流を有機ＥＬ素子Ｄに供給する薄膜トランジスタである。図３の場合、電流駆動トランジスタＴ２には、Ｎチャネル型の電界効果トランジスタを使用する。

データ線ドライバ５は、画素データ（信号電圧Ｖdata）を対応するデータ線ＤＬに印加する回路デバイスである。
走査線ドライバ７は、信号電圧Ｖdataの書き込みタイミングを与える回路デバイスである。書き込みタイミングの供給先となる走査線ＷＬは、水平走査期間単位で順次切り替え制御される。

最大信号レベル検出部９は、フレーム画像毎に画素データＤinの最大値を検出する処理デバイスである。この形態例の場合、画素データＤinは、８ビット長で与えられるものとする。この場合、最大信号レベル検出部９は、「０」〜「２５５」のいずれかの階調ステップ値を最大信号レベルＤmax としてカソード電位制御部１１に出力する。

カソード電位制御部１１は、最大信号レベル検出部９で検出された最大信号レベルＤmax
に反比例するようにカソード電位値Ｄcathode を決定する処理デバイスである。すなわち、カソード電位制御部１１は、フレーム画像内の最大信号レベルが大きいほどカソード電位を小さく制御する。この形態例では、最大信号レベルが印加される画素を構成する有機ＥＬ素子Ｄのアノード電位がほぼ一定電位になるようにカソード電位を制御する。

ただし、フレーム内の最大信号レベルに対応付けるカソード電位は、当該最大信号レベルが印加される画素の自発光素子を駆動する駆動トランジスタＴ２を飽和領域で動作させる範囲内に抑える必要がある。

駆動トランジスタＴ２が非飽和領域で動作すると、フレーム画像のピーク輝度レベルが画像データの最大信号レベルよりも小さくなってしまうためである。なお、最大信号レベルとカソード電位との対応関係は、個々の有機ＥＬパネル３についての測定結果に基づいて事前に定めることにする。

図４に、カソード電位制御部１１の内部構成例を示す。カソード電位制御部１１は、カソード電位決定部２１及びカソード電位印加部２３で構成する。
カソード電位決定部２１は、入力された最大信号レベルＤmax に基づいて対応テーブルを参照し、フレーム画像の表示に対応付けるカソード電位値Ｄcathode を決定する処理デバイスである。

図５に、最大信号レベルＤmaxとカソード電位値Ｄcathodeとを対応付けた対応テーブルの一例を示す。図５の場合、最大信号レベルＤmax
の「０（ゼロ）」（全面黒画面）に、カソード電位値Ｄcathode の８［Ｖ］を対応付け、最大信号レベルＤmax の「２５５」に、カソード電位値Ｄcathode の０［Ｖ］を対応付けている。
また、これらの中間値に対応する最大信号レベルＤmaxには、８［Ｖ］〜０［Ｖ］の電圧を最大信号レベルＤmax に反比例するように割り当てる。

なお、図５は一般的な特徴を表すために最大変化幅（最大信号レベルが０から２５５まで変化する際に発生する両極間電圧の変化幅）を強調して表したものであり、常に図５に示すように８Ｖもの電圧変化を想定するものではない。
実際、有機ＥＬ素子Ｄの構造や構成材料によっても、両極間電圧Ｖelの最大変化幅は異なる。従って、当該技術の実装に際しては、実際に発生する最大変化幅を考慮する。

カソード電位印加部２３は、フレーム画像毎に検出された最大信号レベルＤmax
に対応するカソード電位値Ｄcathode に対応する共通カソード電位Ｖcathode(p)を発生し、有機ＥＬパネル３の共通カソード電極に印加する回路デバイスである。
図６に、カソード電位印加部２３の内部構成例を示す。

図６に示すカソード電位印加部２３は、ディジタルポテンショメータ３１、ボルテージフォロア回路（オペアンプＯＰ１、抵抗Ｒ１、Ｒ３及びＮチャネル型の電界効果トランジスタＴ１１）３３で構成する。

ディジタルポテンショメータ３１は、例えば２５６ステップ（８ビット）で電圧を発生する半固定型の抵抗器で構成される。なお、電界効果トランジスタＴ１１のソース電極側には基準電位としての基準カソード電位Ｖcathode(i)が印加されている。
この回路構成により、有機ＥＬパネル３の共通カソード電極に接続される配線の電位は、ディジタルポテンショメータ３１から印加される共通カソード電位Ｖcathode(p)と同電位に制御することができる。

（Ａ−２）カソード電位の制御による消費電力の最適化
図７に、有機ＥＬパネル３の消費電力とカソード電位印加部３３の消費電力との分配関係を説明する。

図７に示すように、電源電位ＶDDと基準カソード電位Ｖcathode(i)との間に印加される電圧は固定である。これに対し、カソード電位制御部１１は、各フレーム画像の最大信号レベルＤmax に応じて共通カソード電位Ｖcathode(p)を可変制御する。

結果的に、有機ＥＬパネル３に印加される電圧（＝ＶDD−Ｖcathode(p)）とカソード電位印加部３３に印加される電圧（＝Ｖcathode(p)−Ｖcathode(i)）の比率が、各フレーム画像の最大信号レベルＤmax に応じて変化する。例えば、１フレーム毎に比率が可変制御される。

ただし、カソード電位Ｖcathode(p)は、最大信号レベルに対応する画素１３を構成する有機ＥＬ素子Ｄの両極間電圧Ｖelの増減を打ち消すように設定されているので、有機ＥＬ素子Ｄのアノード電極と電源電位ＶDDとの間に印加される電圧は、共通カソード電位の可変制御によらずほぼ一定値に維持される。
なお、有機ＥＬパネル３内で消費される電力とカソード電位印加部３３で消費される電力の比は、各部に印加される電圧の比に応じて変動する。

このカソード電位の制御により、有機ＥＬパネルモジュール１の全体に印加される電圧（ＶDD−Ｖcathode(p)）のうち発光制御に必要最小限の電力だけを有機ＥＬパネル３に印加し、その他の電力を適応的にカソード電位印加部３３に割り当てることができる。

結果的に、各フレーム画像のピーク輝度レベル（画素データに対応する本来のピーク輝度レベル）を維持した状態のまま、有機ＥＬパネル３の発熱量を必要最小限に抑制することができる。一般に、有機ＥＬパネル３の駆動温度が高いことは、有機ＥＬ素子Ｄの寿命を短くする方向に作用する。このため、有機ＥＬパネル３の発熱量（消費電力）を必要最小限に低下できることは、発光寿命を延ばす効果が期待される。

もっとも、電源電位ＶDDと基準カソード電位Ｖcathode(i)間の電圧は固定であるので、有機ＥＬパネル３で消費される電力が減れば、その分、カソード電位印加部３３で消費される電力が増えることになる。特に、電界効果トランジスタＴ１１で消費される電力が増えることになる。

しかし、このカソード電位印加部３３は、有機ＥＬパネル３の外部に位置する。このため、有機ＥＬパネル３自体が発熱する場合とは異なり、有機ＥＬパネル３の駆動温度を上昇させる影響は小さく済む。

また、有機ＥＬパネル３の発熱面積とは異なり、カソード電位印加部３３の発熱面積が非常に小さく済む。このため、放熱設計が容易になる。すなわち、カソード電位印加部３３で発生した熱を効率的に逃がすことが可能になる。このため、有機ＥＬパネル３の駆動温度を上昇させる影響は小さく済む。すなわち、有機ＥＬパネル３の温度依存特性を従来手法に比して低減することができる。この効果は、有効表示領域の面積が大きいほど顕著になる。

また、前述したように、共通カソード電位Ｖcathode(p)の制御が電流駆動トランジスタＴ１１の駆動動作自体には何らの影響を与えないので（電流駆動トランジスタＴ１１が飽和領域で動作するので）、ピーク輝度レベルを低下させることもない。すなわち、表示品質を損なうこともない。
このように、形態例に係る制御手法では、従来技術では解決できない顕著な効果が実現される。

（Ｂ）他の形態例
（Ｂ−１）カソード電位の他の制御方法
前述した形態例の場合には、有機ＥＬ素子Ｄのアノード電位が変動しないように（すなわち、最大信号レベルＤmax に対応する有機ＥＬ素子Ｄの両極間電圧Ｖelの変化量を打ち消すように）、カソード電位Ｖcathode(p)を制御する場合について説明した。

しかし、カソード電位Ｖcathode(p)の制御によってアノード電位が変動しても良い。ただし、与えられたカソード電位Ｖcathode(p)によって、自発光素子の駆動トランジスタＴ２が飽和領域で動作することが条件である。

（Ｂ−２）製品例
（ａ）ドライブＩＣ
前述の説明では、画素アレイ部（有機ＥＬパネル）と駆動回路（データ線ドライバ、走査線ドライバ、カソード電位制御部等）とが１つの基体上に形成された有機ＥＬパネルモジュールについて説明した。

しかし、画素アレイ部と駆動回路部等とは別々に製造し、それぞれ独立した製品として流通することもできる。例えば、駆動回路はそれぞれ独立したドライブＩＣ（integrated circuit）として製造し、画素アレイ部とは独立に流通することもできる。

（ｂ）表示モジュール
前述した各形態例に係る有機ＥＬパネルモジュール１は、図８に示す外観構成を有するパネルモジュール４１の形態で流通することもできる。
パネルモジュール４１は、支持基板４５の表面に対向部４３を貼り合わせた構造を有している。

対向部４３は、ガラスその他の透明部材を基材とし、その表面にはカラーフィルタ、保護膜、遮光膜等が配置される。
なお、パネルモジュール４１には、外部から支持基板４５に信号等を入出力するためのＦＰＣ（フレキシブルプリントサーキット）４７等が設けられていても良い。

（ｃ）電子機器
前述した形態例における有機ＥＬパネルモジュール１は、電子機器に実装された商品形態でも流通される。
図９に、電子機器５１の概念構成例を示す。電子機器５１は、前述した有機ＥＬパネルモジュール５３及びシステム制御部５５で構成される。システム制御部５５で実行される処理内容は、電子機器５１の商品形態により異なる。

なお、電子機器５１は、機器内で生成される又は外部から入力される画像や映像を表示する機能を搭載していれば、特定の分野の機器には限定されない。
この種の電子機器５１には、例えばテレビジョン受像機が想定される。図１０に、テレビジョン受像機６１の外観例を示す。

テレビジョン受像機６１の筐体正面には、フロントパネル６３及びフィルターガラス６５等で構成される表示画面６７が配置される。表示画面６７の部分が、形態例で説明した有機ＥＬパネルモジュール１に対応する。

また、この種の電子機器５１には、例えばデジタルカメラが想定される。図１１に、デジタルカメラ７１の外観例を示す。図１１（Ａ）が正面側（被写体側）の外観例であり、図１１（Ｂ）が背面側（撮影者側）の外観例である。

デジタルカメラ７１は、保護カバー７３、撮像レンズ部７５、表示画面７７、コントロールスイッチ７９及びシャッターボタン８１で構成される。このうち、表示画面７７の部分が、形態例で説明した有機ＥＬパネルモジュール１に対応する。

また、この種の電子機器５１には、例えばビデオカメラが想定される。図１２に、ビデオカメラ９１の外観例を示す。
ビデオカメラ９１は、本体９３の前方に被写体を撮像する撮像レンズ９５、撮影のスタート／ストップスイッチ９７及び表示画面９９で構成される。このうち、表示画面９９の部分が、形態例で説明した有機ＥＬパネルモジュール１に対応する。

また、この種の電子機器５１には、例えば携帯端末装置が想定される。図１３に、携帯端末装置としての携帯電話機１０１の外観例を示す。図１３に示す携帯電話機１０１は折りたたみ式であり、図１３（Ａ）が筐体を開いた状態の外観例であり、図１３（Ｂ）が筐体を折りたたんだ状態の外観例である。

携帯電話機１０１は、上側筐体１０３、下側筐体１０５、連結部（この例ではヒンジ部）１０７、表示画面１０９、補助表示画面１１１、ピクチャーライト１１３及び撮像レンズ１１５で構成される。このうち、表示画面１０９及び補助表示画面１１１の部分が、形態例で説明した有機ＥＬパネルモジュール１に対応する。

また、この種の電子機器５１には、例えばコンピュータが想定される。図１４に、ノート型コンピュータ１２１の外観例を示す。
ノート型コンピュータ１２１は、下型筐体１２３、上側筐体１２５、キーボード１２７及び表示画面１２９で構成される。このうち、表示画面１２９の部分が、形態例で説明した有機ＥＬパネルモジュール１に対応する。

これらの他、電子機器５１には、オーディオ再生装置、ゲーム機、電子ブック、電子辞書等が想定される。

（Ｂ−３）他の画素回路例
前述した形態例では、電流駆動トランジスタＴ２がＮチャネル型の電界効果トランジスタの場合について説明した。
しかし、電流駆動トランジスタＴ２がＰチャネル型の電界効果トランジスタで構成される場合にも適用できる。

図１５に、電流駆動トランジスタＴ２がＰチャネル型の電界効果トランジスタの場合の画素回路例を示す。なお、図１５は、図３との対応部分に同一符号を付して表している。
この画素回路の場合、電荷保持容量Ｃは、電源電位ＶSSと電流駆動トランジスタＴ２のゲート電極間に画素データに相当する電圧Ｖdataを保持するように接続される。

（Ｂ−４）他の表示デバイス例
形態例の説明においては、有機ＥＬパネルモジュールの共通カソード電位を制御する場合について説明した。
しかし、カソード電位制御機能は、その他の自発光表示装置に対しても適用することができる。例えば無機ＥＬディスプレイ装置、ＬＥＤを配列する表示装置その他のダイオード構造を有する発光素子を画面上に配列した表示装置に対しても適用できる。

（Ｂ−５）制御デバイス構成
前述の説明では、カソード電位制御機能をハードウェア的に実現する場合について説明した。
しかし、カソード電位制御機能の一部は、ソフトウェア処理により実現しても良い。

（Ｂ−６）その他
前述した形態例には、発明の趣旨の範囲内で様々な変形例が考えられる。また、本明細書の記載に基づいて創作される又は組み合わせられる各種の変形例及び応用例も考えられる。

フレーム内の最大電流値（最大信号レベルに対応する電流値）と有機ＥＬ素子の両極間に発生する電圧との関係を説明する図である。 有機ＥＬパネルモジュールの回路構成を示す図である。 画素回路と周辺回路との接続関係を示す図である。 カソード電位制御部の内部構成例を示す図である。 最大信号レベルとカソード電位値との関係を記憶した対応テーブル例を示す図である。 カソード電位印加部の内部構成例を示す図である。 カソード電位印加部で消費される電力と有機ＥＬパネルで消費される電力との分配関係を示す図である。 表示モジュールの構成例を示す図である。 電子機器の機能構成例を示す図である。 電子機器の商品例を示す図である。 電子機器の商品例を示す図である。 電子機器の商品例を示す図である。 電子機器の商品例を示す図である。 電子機器の商品例を示す図である。 他の画素回路例を示す図である。

符号の説明

１ 有機ＥＬパネルモジュール
３ 有機ＥＬパネル
９ 最大信号レベル検出部
１１ カソード電位制御部
２１ カソード電位決定部
２３ カソード電位印加部

Claims (4)

1. アクティブマトリクス駆動方式により各画素の発光状態を駆動制御する自発光型の表示パネルに印加する共通カソード電位を制御するカソード電位制御装置であって、
   １フレーム毎にフレーム画像内の最大信号レベルを検出する最大信号レベル検出部と、
   自発光素子の駆動トランジスタを飽和領域で動作させるカソード電位値の範囲内で、検出された最大信号レベルに反比例するようにカソード電位値を決定するカソード電位決定部と、
   決定されたカソード電位値に対応するカソード電位を発生し、前記自発光型の表示パネルの共通カソード電極に供給するカソード電位印加部と
   を有することを特徴とするカソード電位制御装置。
2. アクティブマトリクス駆動方式により各画素の発光状態を駆動制御する自発光型の表示パネルと、
   １フレーム毎にフレーム画像内の最大信号レベルを検出する最大信号レベル検出部と、
   自発光素子の駆動トランジスタを飽和領域で動作させるカソード電位値の範囲内で、検出された最大信号レベルに反比例するようにカソード電位値を決定するカソード電位決定部と、
   決定されたカソード電位値に対応するカソード電位を発生し、前記自発光型の表示パネルの共通カソード電極に供給するカソード電位印加部と
   を有することを特徴とする自発光表示装置。
3. アクティブマトリクス駆動方式により各画素の発光状態を駆動制御する自発光型の表示パネルと、
   １フレーム毎にフレーム画像内の最大信号レベルを検出する最大信号レベル検出部と、
   自発光素子の駆動トランジスタを飽和領域で動作させるカソード電位値の範囲内で、検出された最大信号レベルに反比例するようにカソード電位値を決定するカソード電位決定部と、
   決定されたカソード電位値に対応するカソード電位を発生し、前記自発光型の表示パネルの共通カソード電極に供給するカソード電位印加部と、
   システム制御部と、
   前記システム制御部に対する操作入力部と
   を有することを特徴とする電子機器。
4. アクティブマトリクス駆動方式により各画素の発光状態を駆動制御する自発光型の表示パネルに印加する共通カソード電位を制御するカソード電位制御方法であって、
   １フレーム毎にフレーム画像内の最大信号レベルを検出する処理と、
   自発光素子の駆動トランジスタを飽和領域で動作させるカソード電位値の範囲内で、検出された最大信号レベルに反比例するようにカソード電位値を決定する処理と、
   決定されたカソード電位値に対応するカソード電位を発生し、前記自発光型の表示パネルの共通カソード電極に供給する処理と
   を有することを特徴とするカソード電位制御方法。

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