JP2008298923A

JP2008298923A - 液晶表示素子

Info

Publication number: JP2008298923A
Application number: JP2007142989A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Yamazaki; 哲広山崎; Atsushi Nakano; 淳中野
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2007-05-30
Filing date: 2007-05-30
Publication date: 2008-12-11

Abstract

【課題】実際に液晶を駆動して変調される光を受光器で観測して変調量が正電圧と負電圧で同じになるように設定する方法では、設備と時間が掛かり、生産には不利である。また、完成した投射システム内で調整を自動化するには別途受光機能が必要である。
【解決手段】電圧源１６は、負の第１の値から徐々に正方向に大となり、正の最大値に達してからは徐々に負方向に値が低下していき負の第１の値となるようなスイープ電圧をコモン電極１２に印加する。このとき抵抗Ｒに流れるコモン電流を検出する。このコモン電流の検出値が一定の増加量を示すときのスイープ電圧における正のコモン電圧値と負のコモン電圧値とに基づいて、コモン電圧量を補正し、実際の駆動において液晶１１への対称な電圧印加を実現することができる。これにより、原理的に光学的に受光装置などで調整するより、精度良く調整が可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は液晶表示素子に係り、特にスイッチングトランジスタにより駆動される画素電極をマトリクス状に配置したアクティブマトリクス基板と、透明電極層をコモン電極として形成した透明電極基板とを、画素電極とコモン電極とを対向して配置し、アクティブマトリクス基板と透明基板との間に液晶を封入した構成のアクティブマトリクス型の液晶表示素子に関する。

従来、プロジェクタに用いる液晶表示素子としてアクティブマトリクス型の液晶表示素子が知られている。このアクティブマトリクス型の液晶表示素子は、スイッチングトランジスタにより駆動される画素電極をマトリクス状に配置したアクティブマトリクス基板と、透明電極層をコモン電極として形成した透明電極基板とを、画素電極とコモン電極とを対向して配置し、アクティブマトリクス基板と透明基板との間に液晶を封入した構成であり、その１画素の等価回路図は、図５に示される。

アクティブマトリクス型の液晶表示素子３０は、複数の画素が二次元マトリクス状にアクティブマトリクス基板上に配置されており、その中の任意の一画素は図５に４０で示される。画素４０は、スイッチングトランジスタ３３、保持容量３４及び、画素電極３７とコモン電極３６との間に封止・保持された液晶３５より構成される。

スイッチングトランジスタ３３のゲートＧには、選択線３２が接続されており、ドレインＤには、データ線３１が接続されている。選択線３２には、図示しない垂直シフトレジスタより選択信号が出力され、データ線３１には、図示しない水平シフトレジスタより、画像に対応した画像信号電圧が出力される。保持容量３４の一端は、スイッチングトランジスタ３３のソースＳ及び画素電極３７に接続されており、他端はアースされている。

選択線３２に出力される選択信号により選択されたスイッチングトランジスタ３３がオンする。この時、データ線３１に出力された画像信号電圧は、スイッチングトランジスタ３３のドレインＤ及びソースＳを経て、保持容量３４に印加蓄積される。この画像信号電圧は、同時に画素電極３７に印加される。所定の電圧に保持されているコモン電極３６と画像信号電圧である画素電極３７との間に生じる電圧により液晶３５は駆動される。これを全画素について、１フレーム毎に繰り返し、液晶表示素子３０により、画像が表示される。

液晶の駆動において、長時間直流成分が加わると液晶の劣化などの問題が生じるので交流駆動が用いられる。例えば、コモン電極３６に一定のコモン電圧を印加した状態で、画素電極３７にはコモン電圧に対して正と負の逆極性の電位を印加する。この時、画素電極３７に印加する電圧がコモン電圧に対して対称でも、画素電極３７とコモン電極３６上に形成される配向膜などの膜厚差等により、液晶３５に加わる電圧が非対称になる場合がある。その場合、液晶３５による光の変調量の差により、フリッカーなどの問題が生じる。

そのため、実際には非対称を補正する分の電圧をオフセット電圧として印加する。このオフセット電圧量は、実際に液晶を駆動して変調される光を受光器で観測して変調量が正電圧と負電圧で同じになるように設定することが多い（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１０６１４９号公報

しかるに、受光器による調整法では、照明系や投射系など完成品に近い状態でそれぞれの液晶モジュールを調整するため、設備と時間が掛かり、生産には不利である。また、完成した投射システム内で調整を自動化するには別途受光機能が必要である。

また、特許文献１に開示されているように画素電極を駆動してコモン電極に流れる電流値によりコモン電圧を調整する方法もある。この場合、正電圧時と負電圧時のコモン電極に流れる電流の差を最小としてコモン電圧を設定することになるが、面内で順次駆動する場合は正電圧と負電圧の画素が面内に同時に存在するため良好に調節することができない。また、液晶表示素子は液晶及び絶縁膜が高抵抗であるため、電流量も小さく測定が難しい。

本発明は、以上の点に鑑みなされたもので、コモン電極にスイープ電圧を印加しつつコモン電流を検出することで、比較的大電流量のコモン電流に基づいてコモン電圧を自動で調整することにより、受光器を用いる場合に比べて生産性を向上させ得る液晶表示素子を提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、環境の変化があってもフリッカーの無い画像が得られる液晶表示素子を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、スイッチングトランジスタにより駆動される画素電極をマトリクス状に配置したアクティブマトリクス基板と、透明電極層をコモン電極として形成した透明電極基板とを、画素電極とコモン電極とが離間対向するように配置し、アクティブマトリクス基板と透明基板との間に液晶を封入した液晶表示素子において、
時間の変化と共に値が連続的に変化するスイープ電圧を発生して、コモン電極に印加するスイープ電圧発生源と、スイープ電圧によりコモン電極に流れるコモン電流を検出するコモン電流検出手段と、コモン電流検出手段で検出された、一定の電流変化をしたコモン電流の値に対応した正及び負のコモン電圧に基づいて、コモン電極の電位を定める電位算出手段とを有することを特徴とする。

この発明では、コモン電極に印加されるスイープ電圧に基づき流れるコモン電流に対して、一定の電流変化をしたコモン電流の値に対応した正及び負のコモン電圧に基づいて、コモン電極の電位を定めるようにしたため、実際の駆動において液晶に対称な電圧印加を実現するための電位を、受光器による調整法を用いることなく自動的に正確に求めることができる。

また、本発明は上記の目的を達成するため、上記の電位算出手段は、コモン電圧が電位０のときのコモン電流検出手段で検出されたコモン電流に対して、一定の変化をしたコモン電流に対応した負のコモン電圧Ｖ１と正のコモン電圧Ｖ２とに基づいて、（Ｖ１＋Ｖ２）／２で表される電圧をコモン電極の電位として算出する手段であることを特徴とする。

本発明によれば、実際の駆動において液晶に対称な電圧印加を実現するための電位を、受光器による調整法を用いることなく自動的に正確に求めることができるため、光で調整する時間を削減でき、生産性を向上できる。

また、本発明によれば、液晶表示素子の使用時においても自動的に調整が可能となるため、環境の変化があってもフリッカーの無い画像が得られ、また、信頼性も向上することができる。

次に、本発明の実施の形態について図面と共に詳細に説明する。図１（Ａ）、（Ｂ）は本発明になる液晶表示素子の一実施の形態の要部の等価回路と構成図を示す。図１（Ｂ）に示すように、本実施の形態に係る液晶表示素子は、透明電極であるコモン電極１２が形成された透明基板であるガラス基板１３と、シリコン基板１５上に複数の画素電極１４がマトリクス状に形成されたアクティブマトリクス基板とを、コモン電極１２と画素電極１４とが離間対向するように配置し、それらの間に液晶１１を封入した構成である点は従来と同じであるが、画素電極１４が接地されると共に、コモン電極１２は電圧源１６から抵抗Ｒを介してスイープ電圧（掃引電圧）が印加される点に特徴がある。

図１（Ａ）は本実施の形態の１画素分の要部の等価回路図を示す。同図（Ａ）中、同図（Ｂ）と同一構成部分には同一符号を付してある。なお、図１（Ａ）には保持容量、スイッチングトラジスタ、データ線及び選択線の図示は省略してある。

なお、実際には、アクティブマトリクス側の電圧印加部は、画素電極１４でもシリコン基板１５のどちらでもよい。この時の抵抗Ｒに流れる電流−電圧特性を示したものが図２（Ａ）、液晶素子に印加するスイープ電圧特性を図２（Ｂ）に示す。電圧源１６は、スタート時はある負の第１の値(-Vp)であり、その第１の値から徐々に正方向に大となり、正の最大値（第２の値:+Vp）に達してからは徐々に負方向に値が低下していき、エンド時はスタート時と同一の負の第１の値となるようなスイープ電圧（掃引電圧）をコモン電極１２に印加する。図２（Ｂ）はスイープ電圧の正方向に徐々に値が大きくなっていく期間の電圧特性を示す。

この場合の抵抗Ｒに流れる電流−電圧特性を示す図２（Ａ）から分かるように、正、負方向ともにある電圧のところで、電流値が変化している。この理由は以下のような原理で説明できる。

図１に示す液晶１１、コモン電極１２及び画素電極１４からなる液晶素子の容量をＣとすると、電圧印加時に上記液晶素子に蓄えられる電荷量Ｑは次の式で与えられる。

Ｑ＝ＣＶ（１）
この時、時間ΔｔでΔＶだけ変化するスイープ電圧を液晶素子に印加すると、電荷量の変化ΔＱは次の式で表される。

ΔＱ／Δｔ＝Ｃ・ΔＶ／Δｔ（２）
従って、流れる電流Ｉは次式で表される。

Ｉ＝ΔＱ／Δｔ＝Ｃ・ΔＶ／Δｔ（３）
図２（Ａ）に示した電流−電圧特性において、電圧が反転すると符号が変化するため、電流値の極性が一気に変化する。また、液晶素子の場合、液晶の誘電率には異方性があるため、電圧が加わると液晶素子の容量Ｃが変化する。従って、電流値も変化する。図２（Ａ）に示した電流−電圧特性において、低い電圧で電流値が低くなるのはこのためである。

従って、上記の電流−電圧特性を持つ液晶素子が駆動し始める電圧で、電流の変化が観測できる。この測定のためには電圧変化に伴う電流の変化を測定するため、ステップ的な電圧の印加ではなくスイープ電圧の印加が望ましい。

実際に、素子構造によりオフセット電圧が発生している場合のスイープ電圧によるコモン電流対コモン電圧特性を図３に示す。本実施の形態の電流測定は液晶素子の容量に流れる電流を測定するので、電流量を多くでき精度の高い測定が可能である。単に液晶素子へ流れる電流値を測定した場合、液晶素子は絶縁体と液晶よりなるため抵抗が高く、電流値が小さいため測定が困難である。特に液晶素子の焼きつきなどを改善するため、液晶中のイオン量を低減するほど電流値が小さくなる。しかし、本実施の形態では、特に（３）式より分かるように電圧を早く変化させるほど流れる電流Ｉが大きくなるため、どんな液晶表示装置でも測定が可能である。

以上のように、本実施の形態によれば、液晶表示素子がいくら高抵抗で、かつ、複雑な積層構造であっても、実際に液晶１１に加わっている電流値を正確に求めることができ、その電流値が一定のときの正側と負側の各コモン電圧に基づいて、液晶１１へのオフセット電圧量を厳密に求めることが可能である。そのため、オフセット電圧に基づいてコモン電圧量を補正して、実際の駆動において液晶１１への対称な電圧印加を実現することができる。本実施の形態では原理的に光学的に受光装置などで調整するより、精度良く調整が可能である。

以上のスイープ電圧を発生する回路、コモン電流を検出する回路、オフセット電圧を調整する調整回路を備えることで、オフセット電圧の測定に基づくコモン電圧の自動調整が可能となる。また、以上の回路の必要な部分は液晶表示素子の内部でも、外部でもかまわない。また、オフセット電圧の測定では、液晶１１に直流電圧を印加する必要があるが一瞬で測定結果が得られるので、問題はない。

また、本実施の形態では、コモン電圧の調整は、液晶表示装置の立ち上げ時に毎回行うことで、オフセット電圧の測定結果に基づいて常に安定した駆動が実現できる。また、本発明で測定されるオフセット電圧と、駆動時の温度の違いや、他の要因によるオフセット電圧との違いが予め分かっていれば、一定電圧を差分として与えることで更に良好なコモン電圧の調整が可能となる。

次に、本発明の実施例について説明する。図４は本発明になる液晶表示素子の実施例１のブロック図を示す。同図に示すように、本実施例の液晶表示素子は、液晶素子２５のコモン電極に印加されるコモン電圧として、値が時間の経過と共に連続的に変化するスイープ電圧を出力するスイープ電圧発生回路２１と、コモン電流検出回路２２と、オフセット電圧調整回路２３と、電流変化点の判断や、各部を制御する制御部２４とを備えている。スイープ電圧発生回路２１は図１（Ｂ）の電圧源１６に相当し、コモン電流検出回路２２は図１（Ｂ）の抵抗Ｒに流れるコモン電流を検出する回路に相当する。また、液晶素子２５は図１（Ｂ）の電圧源１６及び抵抗Ｒ以外の構成部分を示す。オフセット電圧調整回路２３及び制御部２４は図１（Ｂ）には示されていない。

次に、本実施例の動作について説明する。まず、液晶表示装置の電源投入時（立ち上げ時）にスイープ電圧発生回路２１で発生した連続的に値が変化するスイープ電圧を、制御部２４を通して液晶素子２５のコモン電極に印加し、液晶素子２５のコモン電極を流れるコモン電流をコモン電流検出回路２２で連続的に測定する。スイープ電圧の電圧範囲は、液晶素子２５が駆動し始めるいわゆる閾値電圧を少し超える範囲でよい。例えば、セル厚が２ミクロンから３ミクロンの反射型素子に用いられる垂直配向液晶では閾値電圧は１Ｖから２Ｖ程度である。また、スキャンのスピードも制約がなく、仮に、電圧のスイープ範囲を−２Ｖから＋２Ｖとし、１Ｖを０.１秒でスイープすれば、スイープは０.４秒で終了する。

制御部２４はスイープ電圧発生回路２１で発生したスイープ電圧の電圧値０Ｖ付近の、コモン電流検出回路２２で検出されたコモン電流の電流値に対して、一定の電流増加をした負側のコモン電圧Ｖ１と正側のコモン電圧とを記憶し、それらをオフセット電圧調整回路２３に供給する。これにより、オフセット電圧調整回路２３は、次式によりオフセット電圧Ｖｏｆｆを求める。

Ｖｏｆｆ＝（Ｖ１＋Ｖ２）／２（４）
以上の動作は自動的に行われる。これにより、例えば、図３に示すようなコモン電流対コモン電圧特性が得られる液晶素子２５の場合は、一定の電流値（例えば、１.０Ｅ−０９）を横切った負側のコモン電圧Ｖ１と正側のコモン電圧Ｖ２とを上記の（４）式に従い、加算して２で割った平均値によりオフセット電圧が得られる。このオフセット電圧は、本来あるべきコモン電圧からのずれ分を表している。

上記のオフセット電圧は一般的に数十ｍＶ〜数百ｍＶ程度なので、液晶素子２５の表示動作時は、このオフセット電圧をかけた一定のコモン電圧として抵抗Ｒを介してコモン電極１２に印加するか、又は画素電極１４の電圧値をオフセット電圧分ずらし、一方画素電極１４にはコモン電圧に対して正と負の逆極性の電位を印加することで、液晶１１に加わる電圧を対称とすることができるため、フリッカーの無い画像が得られる。このように、本実施例によれば、オフセット電圧を自動的に調整することができ、従来の光で調整する時間を削減できるので、生産性を向上することができる。

次に、本発明の実施例２について説明する。本実施例は図４に示したブロック図のスイープ電圧発生回路２１に替えて階段状に変化するスイープ電圧を発生する回路を設けた点で実施例１と相違する。すなわち、本実施例では、コモン電極に印加するコモン電圧として、時間の経過と共に値が連続的に（無段階で）変化するスイープ電圧ではなく、時間の経過と共に細かいステップで階段状に値が変化するスイープ電圧を発生する。

コモン電圧が変化した後、液晶素子の容量に電荷が移動し終わった後にコモン電流を測定しても電流値はほぼ０となるため、電流検出が可能な条件であれば測定が可能である。また、スイープ電圧範囲、スイープの時間などは用いられる液晶や素子構成により変わり、最適な条件で行えばよい。

これらの処理は、液晶表示素子の駆動回路において処理回路があるので容易に行うことができる。また、例えばシリコン基板を用いたＬＣＯＳ型の液晶表示装置であれば、液晶表示素子のなかに回路を組み込むことも可能である。

このように、本実施例の場合も最適なコモン電圧が自動で調整される。実際の液晶の動きを電圧で検出できるため、精度良くオフセット電圧を求めることができる。また、検出の時間も短時間で済む。従って、生産の効率化が可能となる。

なお、本発明は以上の実施の形態及び実施例に限定されるものではなく、例えば、液晶表示素子の使用時に自動調整をすることも可能である。その場合、本発明によるオフセット電圧の調整は短時間で済むので、オフセット電圧の調整は電源投入後もしくは、温度等が安定になった時点など任意に設定できる。この場合は、環境の変化があってもフリッカーの無い画像が得られる。

本発明の液晶表示素子の一実施の形態の要部の等価回路と構成図である。（Ａ）はコモン電圧がスイープして印加された際の、アクティブマトリクス基板とコモン電極に流れる電流値を示す図、及び（Ｂ）はコモン電極に印加するスイープ電圧を示す図である。本発明の測定により液晶にオフセット電圧が発生している場合の、コモン電極に流れる電流とコモン電圧との一例の特性図である。本発明の液晶表示素子の実施例のブロック図である。液晶表示素子の一画素の構成を示す等価回路図である。

符号の説明

１１液晶
１２コモン電極
１３ガラス基板
１４画素電極
１５シリコン基板
１６スイープ電圧源
２１スイープ電圧発生部
２２コモン電流検出回路
２３オフセット電圧調整回路
２４制御部
２５液晶素子
Ｒ抵抗
Ｉコモン電流

Claims

スイッチングトランジスタにより駆動される画素電極をマトリクス状に配置したアクティブマトリクス基板と、透明電極層をコモン電極として形成した透明電極基板とを、前記画素電極と前記コモン電極とが離間対向するように配置し、前記アクティブマトリクス基板と前記透明基板との間に液晶を封入した液晶表示素子において、
時間の変化と共に値が暫時変化するスイープ電圧を発生して、前記コモン電極に印加するスイープ電圧発生源と、
前記スイープ電圧により前記コモン電極に流れるコモン電流を検出するコモン電流検出手段と、
前記コモン電流検出手段で検出された、一定の電流変化をした前記コモン電流の値に対応した正及び負のコモン電圧に基づいて、前記コモン電極の電位を定める電位算出手段と
を有することを特徴とする液晶表示素子。
前記電位算出手段は、
前記コモン電圧が電位０のときの前記コモン電流検出手段で検出されたコモン電流に対して、一定の変化をした前記コモン電流に対応した負のコモン電圧Ｖ１と正のコモン電圧Ｖ２とに基づいて、（Ｖ１＋Ｖ２）／２で表される電圧を前記コモン電極の電位として算出する手段であることを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。