JP2019124882A - 液晶表示装置および液晶表示素子の駆動方法 - Google Patents

液晶表示装置および液晶表示素子の駆動方法 Download PDF

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Abstract

【課題】液晶表示素子を効果的に温め、その応答速度を向上させる。【解決手段】液晶表示装置は、液晶表示素子10であって、少なくとも、液晶層18、液晶層18の一方の面に配置される共通電極14a、および、液晶層18の他方の面に配置され、共通電極14aとともに液晶層18を挟持する表示電極14b、を含む液晶表示素子10と、共通電極14aおよび表示電極14bに接続して、液晶層18に電圧を印加することができる第1の電源と、共通電極14aの両端に接続して、共通電極14aに電圧を印加することができる第2の電源と、液晶表示素子10に、前記第1の電源を接続するか、または、前記第2の電源を接続するか、を選択することができるスイッチ素子40と、を含む。【選択図】図1−2

Description

本発明は、液晶表示装置および液晶表示素子の駆動方法に関する。
現在、多くの画像表示デバイスに、液晶表示素子が利用されている。液晶表示素子は、少なくとも、液晶材料からなる液晶層と、液晶層を駆動する(液晶分子の配向状態を制御する)ための電極と、を備える。
液晶材料を用いた液晶表示素子は、一般に、低温において応答速度が低下することが知られている。低温環境下にある液晶表示素子(それを構成する液晶層)を効果的に温めて、液晶表示素子の応答速度を向上させる技術が開発されている。
たとえば、特許文献1には、液晶表示素子に取り付けて、液晶表示素子を効果的に温める液晶表示素子用パネルヒータが開示されている。また、特許文献2には、液晶層を駆動するための電極を、液晶層を加熱するためのヒータとして利用する液晶表示装置が開示されている。
特開2005−134547号公報 特開平01−189634号公報
本発明の主な目的は、液晶層を効果的に温めることができる液晶表示装置および液晶表示素子の駆動方法を提供することにある。
本発明の主な観点によれば、液晶表示素子であって、少なくとも、液晶層、該液晶層の一方の面に配置される共通電極、および、該液晶層の他方の面に配置され、該共通電極とともに該液晶層を挟持する表示電極、を含む液晶表示素子と、前記共通電極および前記表示電極に接続して、前記液晶層に電圧を印加することができる第1の電源と、前記共通電極の両端に接続して、該共通電極に電圧を印加することができる第2の電源と、前記液晶表示素子に、前記第1の電源を接続するか、または、前記第2の電源を接続するか、を選択することができるスイッチ素子と、を含む液晶表示装置、が提供される。
本発明の他の観点によれば、少なくとも、液晶層、該液晶層の一方の面に配置される共通電極、および、該液晶層の他方の面に配置される表示電極、を含む液晶表示素子の駆動方法であって、前記共通電極および前記表示電極を介して、前記液晶層に電圧を印加する工程と、前記共通電極の両端に電圧を印加し、該共通電極を発熱させる工程と、を交互に繰り返す、液晶表示素子の駆動方法、が提供される。
低温環境下において、液晶表示素子を効果的に温め、その応答速度を向上させることができる。
および、 図1Aおよび図1Bは、実施例による液晶表示装置を示す平面図および断面図であり、図1Cは、液晶表示素子の等価回路を示すダイアグラムである。 液晶表示素子に印加される各種電圧のタイミングを示すチャートである。 図3Aおよび図3Bは、液晶表示素子における光透過率(ないし輝度・明るさ)の時間変化を示すグラフである。 図4Aおよび図4Bは、実施例による液晶表示装置の変形例を示す断面図である。
図1Aに、実施例による液晶表示装置(LCD装置)の平面図を概略的に示す。実施例によるLCD装置100は、主に、液晶表示素子(LCD素子)10、ドライバ電源20、ヒータ電源30、スイッチ素子40、および、制御装置90から構成される。
LCD素子10は、後述するように、少なくとも、液晶分子を含む液晶層と、液晶層を挟持する一対の電極と、を備える。一対の電極の一方は、液晶層の一方の面に全面的に設けられる共通電極(コモン電極)である。また、一対の電極の他方は、液晶層の他方の面に、所望の文字や記号等の形状で設けられる表示電極(セグメント電極)である。表示電極は、たとえば、14個の表示部から構成され、2桁の数字を表示できるように配置されている(図中、斜線模様で示す)。セグメント電極各々に接続する14本のセグメントラインLsと、コモン電極に接続する1本のコモンラインLcと、がLCD素子10から引き出されている。
ドライバ電源20は、スイッチ素子40を介して、LCD素子10に接続する。一対の電極(コモン電極およびセグメント電極)に接続して、液晶層に電圧を印加することができる。
ヒータ電源30は、スイッチ素子40を介して、LCD素子10に接続する。コモン電極の両端に接続して、コモン電極への電圧印加により生じるジュール熱により、液晶層を直接的に温める。
スイッチ素子40は、LCD素子10に、ドライバ電源20を接続するか、または、ヒータ電源30を接続するか、を選択する。LCD素子10とドライバ電源20とを接続する場合、LCD素子10から引き出されるセグメントラインLsおよびコモンラインLcをドライバ電源20から引き出された配線に電気的に接続する。LCD素子10とヒータ電源30とを接続する場合、LCD素子10から引き出されるコモンラインLcをヒータ電源30から引き出された配線に電気的に接続し、セグメントラインLsを開放(オープン)する。
制御装置90は、主に、スイッチ素子40を制御して、LCD素子10を、ドライバ電源20に接続するか、または、ヒータ電源30に接続するか、を選択する。なお、ドライバ電源20およびヒータ電源30における電圧出力についてON/OFF制御できるようにしてもよい。
図1Bに、LCD装置100、特にLCD素子10の断面図を概略的に示す。LCD素子10は、主に、対向配置される一対の透明基板12a,12b、一対の透明基板12a,12b各々の相互に向き合う面に設けられる電極14a,14b、電極14a,14b各々を覆うように設けられる配向膜16a,16b、および、一対の透明基板12a,12bに挟まれる液晶層18、から構成される。
一対の透明基板12a,12b各々は、たとえばソーダライムガラス基板である。一対の透明基板12a,12bの一方の基板(下側基板)をコモン基板12aと呼び、他方の基板(上側基板)をセグメント基板12bと呼ぶこととする。透明基板12a,12bの面積はたとえば30mm×30mmであり、厚みはたとえば0.7mmである。コモン基板12aの表面に設けられる電極は、コモン電極14aであり、透光性を有する部材、たとえばインジウム錫酸化物(ITO)により形成される。コモン電極14aは、ヒータ電極として機能するため、基板12aの全面、特に液晶層18と接触する部分に、できるだけ均一な厚み・幅で形成されることが好ましい。
セグメント基板12bの表面に設けられる電極は、セグメント電極14bであり、たとえばITOにより形成される。セグメント電極14bは、たとえば14個の表示部から構成される(図1A参照)。セグメント電極14bの面積は、通常、コモン電極14aの面積よりも小さい。なお、図中において、セグメント電極14b、および、それに接続するセグメントラインLsは、便宜のため、それぞれ1つにまとめて示している。
配向膜16a,16bは、それぞれコモン電極14aおよびセグメント電極14bを覆うように設けられている。配向膜16a,16bには、それぞれ、ラビング処理などの一軸配向処理が施される。
液晶層18は、一対の基板12a,12bに挟持され、基板12a,12bの周縁に設けられるシール枠部材(不図示)、により画定される空間に充填される。液晶層18を構成する液晶材料は、特に限定されず、たとえばツイストネマチック型(TN型)などを用いることができる。液晶層18の厚み(セル厚)は、たとえば4μm程度である。
なお、LCD素子10は、さらに、基板12a,12bの外側に配置される一対の偏光板、および、光源(バックライト)を含む。また、LCD素子10(特に液晶層18)の温度をモニタのために、温度センサを設けてもよい。
スイッチ素子40は、LCD素子10のセグメントラインLsをドライバ電源20に接続するか否かを選択する。また、LCD素子10のコモンラインLcをドライバ電源20に接続するか、または、ヒータ電源に接続するか、を選択する。なお、スイッチ素子40は、マルチプレクサなどのパッケージされたIC(半導体集積回路)素子を用いてもよいし、複数のディスクリート半導体スイッチ素子(1方向ないし2方向スイッチ)により構成してもよい。複数のディスクリート半導体スイッチは、LCD素子10の外部に配置されている。
LCD素子10とドライバ電源20が接続され、電極14a,14bを介して、液晶層18に電圧が印加されると、液晶層18を構成する液晶分子の配向状態が変化し、LCD素子の光透過率ないし表示状態(暗表示/明表示)も変化する。また、LCD素子10とヒータ電源30が接続され、コモン電極14aの両端に電圧が印加されると、コモン電極14aが発熱し、液晶層18を直接的に温める。
図1Cに、LCD素子10の等価回路モデルを示す。液晶層18は、抵抗素子Rlcdと電気容量素子(コンデンサ)Clcdとを並列に接続した回路に置き換えることができる。また、コモン電極14aおよびセグメント電極14bは、それぞれ抵抗素子Rcom,Rsegに置き換えることができる。
ヒータ電源30は、コモン電極14aの両端(Rcom)に電圧Vhを印加することができる。また、ドライバ電源20は、LCD素子10のセグメントラインLsに接続するラインに電圧Vsを出力し、コモンラインLcに接続するラインに電圧Vcを出力することができる。これらを合成(差分)した電圧VdがLCD素子10に印加され、液晶層18(RlcdとClcdの並列回路)には電圧Vlが印加されることになる。LCD素子10は、いわゆるフレーム反転方式で駆動される。
本発明者らは、この等価回路モデルに基づいて、LCD素子10の温度変化についてシミュレーション解析を行った。コモン電極14aの抵抗成分Rcomをたとえば10Ωとし、セグメント電極14bの抵抗成分Rsegをたとえば6.5kΩとした。また、液晶層18の抵抗成分Rlcdをたとえば20MΩとし、容量成分Clcdをたとえば2.2nFとした。さらに、ドライバ電源20から出力される電圧Vs,Vcを+5Vの矩形波(Vdを±5V)とし、ヒータ電源30から出力される電圧Vhを+5Vとした。
図2に、LCD素子10を暗表示状態から明表示状態にするときの各種電圧のタイミングを示す。一段目に、コモン電極の両端に印加される電圧Vhの時間変化を示す。二段目および三段目に、セグメントラインおよびコモンラインの電圧Vc,Vsの時間変化を示し、四段目に、それらを合成した電圧(LCD素子に印加される電圧)Vdの時間変化を示す。五段目に、液晶層に印加される電圧Vlの時間変化を示す。以下、図1A〜図1Cも参照しつつ、各種電圧のタイミングおよび光透過率の時間変化について説明する。
時点t11において、スイッチ素子40は、LCD素子10とヒータ電源30とを電気的に接続している。時点t11から時点t12まで、ヒータ電源30から電圧Vh=5Vが出力され、コモン電極14aの両端(抵抗成分Rcom=10Ω)に電圧Vh=5Vが印加される。時点t11から時点t12まで、コモン電極は発熱し、液晶層が加熱される。時点t11から時点t12までの時間[t11−t12]は、たとえば9.8ms程度である。
時点t12において、ヒータ電源30の出力が停止される。同時に、スイッチ素子40は、LCD素子10とヒータ電源30との接続を切断し、LCD素子10とドライバ電源20とを電気的に接続する。
時点t12から時点t13まで、ドライバ電源20から電圧Vc=0V,Vs=+5Vが出力され、コモン電極の電位を基準にしたとき、LCD素子10に電圧Vd=+5V(順方向)が印加される。時間[t12−t13]は、たとえば0.2ms程度である。
時点t12において、LCD素子10に電圧Vd=+5Vが印加されると、液晶層18(容量成分Clcd)に電荷が蓄積され、液晶層18に印加される電圧Vlが立ち上がる。蓄電が飽和したときの電圧値をVmaxとすると、Vl=0からVl=Vmaxになるまでの時間は、約0.066ms(65.8μs)である。
時点t13において、ドライバ電源20の出力が停止される。同時に、スイッチ素子40は、LCD素子10とドライバ電源20との接続を切断し、LCD素子10とヒータ電源30とを電気的に接続する。
時点t13から時点t14まで、ヒータ電源30から電圧Vh=5Vが出力され、コモン電極14aの両端(抵抗成分Rcom=10Ω)に電圧Vh=5Vが印加される。時間[t13−t14]は、たとえば9.8ms程度である。
時点t13において、ドライバ電源20の出力が停止され、スイッチ素子40が接続を切り替えると、液晶層18(容量成分Clcd)から電荷が放出され、液晶層18に印加される電圧Vlが徐々に落ち込む。
時点t13から時点t14まで、LCD素子10に電圧Vd印加されないため、液晶層18に印加される電圧Vlは、時点t14において、時点t13での電圧Vmaxの約80%にまで落ち込む。つまり、時間[t13−t14]において、液晶層18に印加される電圧Vlは、約20%程度変化(低下)する。
時点t14において、ヒータ電源30の出力が停止される。同時に、スイッチ素子40は、LCD素子10とヒータ電源30との接続を切断し、LCD素子とドライバ電源30とを電気的に接続する。ドライバ電源20から電圧Vc=+5V,Vs=0Vが出力され、コモン電極の電位を基準にしたとき、LCD素子10に電圧Vd=−5Vが印加される。LCD素子10は、フレーム反転方式で駆動されるため、LCD素子には、直前の電圧印加方向(順方向)とは逆方向の電圧Vdが印加される。
以降、時間[t12−t14]を1周期(フレーム周期=10ms,フレーム周波数=100Hz)として、LCD素子10に、フレーム反転駆動で、電圧Vdが周期的に印加される。また、LCD素子10に印加される電圧Vdに対応して、液晶層18に電圧Vlが周期的に印加される。
一方で、LCD素子10のコモン電極14aの両端にも、電圧Vhが周期的に印加される。これにより、コモン電極14aが周期的に発熱し、液晶層18が徐々に温められる。
このような電圧印加操作、つまり、9.8ms間(時間[t11−t12])コモン電極(Rcom=10Ω)に電圧5Vを印加し、0.2ms間(時間[t12―t13])コモン電極への電圧印加を停止する(液晶層に電圧をする)電圧印加操作を60秒間(1分間)続ける。このとき、LCD素子(液晶層)は、約40℃昇温する。たとえば、時点t11において、雰囲気温度(外気温)が−15℃である場合、時点t11のおよそ1分後に、LCD素子(液晶層)を+25℃まで温めることができる。
図3Aに、LCD素子の光透過率の時間変化を示す。なお、LCD素子の光透過率は、LCD素子が表示する画像の輝度・明るさと相関する。LCD素子の光透過率が増加すると、LCD素子が表示する画像の輝度・明るさが増加し、セグメント電極の形状に対応した画像(実施例においては2桁の数字,図1A参照)を認識することができる。
一般に、LCD素子は、低温において応答速度が遅い。図3Aに示すように、LCD素子の駆動を開示した時点t12において、雰囲気温度(外気温)がおよそ−15℃であるとき、LCD素子の駆動を開始(光透過率Tr=0)してからLCD素子の光透過率が飽和(光透過率Tr=Tmax)するまでの時間(光透過率の立ち上がり時間)[t12−t21]は、たとえば約1000ms(1秒)である。
上述のシミュレーションの条件において、コモン電極の両端に、電圧Vh(5V)を周期的に印加する(図2参照)と、LCD素子(液晶層)は、およそ1分後に、約+25℃にまで温められる。このとき、LCD素子の光透過率の立ち上がり時間[t31(=t12+60s)−t32]は、たとえば約20msとなる。
このような電圧印加方法により、LCD素子に画像を表示しつつ、LCD素子を徐々に温め、LCD素子の応答速度を速めることができる。なお、雰囲気温度がおよそ−15℃であるときの、光透過率Tr=TmaxからTr=0になるまでの時間(光透過率の立ち下がり時間)[t22−t23]は、たとえば約500msである。また、雰囲気温度がおよそ+25℃であるときの光透過率の立ち下がり時間[t33−t34]は、たとえば約10msである。
実施例においてLCD素子は時分割駆動されており、LCD素子に電圧Vdが印加されているときに液晶層に電荷が蓄積され、LCD素子に電圧Vdが印加されていないとき(つまりコモン電極に電圧Vhが印加されているとき)に液晶層から電荷が放出される(図2における液晶層の電圧Vl参照)。
図3Bに、LCD素子の光透過率が飽和しているとき(定常状態)の、光透過率の時間変動を示す。液晶層の畜放電の周期(フレーム周期)に対応して、LCD素子の光透過率も変動する。上述のシミュレーショの条件において、LCD素子の光透過率は、およそ20%程度変動する。
光透過率(ないし輝度・明るさ)の20%程度の変化は、一般には認識することができない。このため、表示画像がチラついて見えるなど、LCD装置の表示品位を損なうことはない。
ただし、このような光透過率の変動は、LCD素子の駆動方式や電極の構成、また液晶材料の特性など、種々の条件によって変わってくる。実際にLCD素子を時分割駆動して、LCD素子に画像を表示しつつ、LCD素子を温める場合には、LCD素子の光透過率の変動がたとえば20%以上大きくならないように、フレーム周波数やスイッチ素子の接続切り替え時間(LCD素子を駆動する時間とコモン電極をヒータとして利用する時間との割合)などを調整することが好ましい。
図4Aおよび図4Bに、実施例によるLCD装置の変形例101,102を示す。
図4Aに示すように、変形例によるLCD装置101には、LCD素子10から引き出されるセグメントラインLsにスイッチが設けられておらず、セグメントラインLsがドライバ電源20に直接接続されている。この場合、コモンラインLcをヒータ電源30に接続するときにドライバ電源20の出力をオフ(オープン)し、コモンラインLcをドライバ電源20に接続するときにドライバ電源20の出力をオン(High電圧ないしLow電圧)するように操作・制御すればよい。
図4Bに示すように、変形例によるLCD装置102は、基板上に所定の平面形状の電極が設けられたセグメント基板を、基板12b上に薄膜トランジスタ(TFT)を含む半導体層52が設けられたTFTアレイ基板に代替したアクティブマトリクス型のLCD素子50が用いられる。これにより、表示画像の形状の自由度が向上する。
なお、上述したように、定常状態における光透過率の変動は、LCD素子の駆動方式や電極の構成、また液晶材料の特性など、種々の条件によって変わってくる。種々の条件に応じて、LCD素子の光透過率の変動が大きくならないように、フレーム周波数などの各種パラメータを調整することが好ましいであろう。
以上、実施例に沿って、本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、LCD素子に温度センサを設け、LCD素子の温度をモニタしながら、ヒータ電源(ないしスイッチ素子)の出力ON/OFFないし出力電圧を制御してもよい。また、本実施例では、共通電極は一つの電極でスタティック駆動であるが、共通電極は複数に分割され、デューティ駆動してもよい。その他種々変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者にとって自明であろう。
10…液晶表示素子(セグメント電極型)、12…透明基板、14a…コモン電極、14b…セグメント電極、16…配向膜、18…液晶層、20…ドライバ電源、30…ヒータ電源、40…スイッチ素子、50…液晶表示素子(アクティブマトリクス型)、52…TFTアレイ基板、90…制御装置、100〜102…液晶表示装置。

Claims (8)

  1. 液晶表示素子であって、少なくとも、液晶層、該液晶層の一方の面に配置される共通電極、および、該液晶層の他方の面に配置され、該共通電極とともに該液晶層を挟持する表示電極、を含む液晶表示素子と、
    前記共通電極および前記表示電極に接続して、前記液晶層に電圧を印加することができる第1の電源と、
    前記共通電極の両端に接続して、該共通電極に電圧を印加することができる第2の電源と、
    前記液晶表示素子に、前記第1の電源を接続するか、または、前記第2の電源を接続するか、を選択することができるスイッチ素子と、
    を含む液晶表示装置。
  2. 前記スイッチ素子は、前記液晶表示素子の外部に配置されている請求項1に記載の液晶表示装置。
  3. 前記共通電極の面積は、前記表示電極の面積よりも大きい請求項2記載の液晶表示装置。
  4. 前記共通電極は、前記液晶層の一方の面に全面的に配置される請求項2または3記載の液晶表示装置。
  5. 前記スイッチ素子は、前記液晶表示素子と前記第1の電源との接続と、前記液晶表示素子と前記第2の電源との接続と、を交互に繰り返す請求項2〜4いずれか1項記載の液晶表示装置。
  6. 少なくとも、液晶層、該液晶層の一方の面に配置される共通電極、および、該液晶層の他方の面に配置される表示電極、を含む液晶表示素子の駆動方法であって、
    前記共通電極および前記表示電極を介して、前記液晶層に電圧を印加する工程と、
    前記共通電極の両端に電圧を印加し、該共通電極を発熱させる工程と、
    を交互に繰り返す、液晶表示素子の駆動方法。
  7. 前記液晶層に電圧を印加する工程よりも前記共通電極を発熱させる工程のほうが長い期間である、請求項6記載の液晶表示素子の駆動方法。
  8. 前記液晶層に電圧を印加する工程よりも前記該共通電極を発熱させる工程のほうが49倍以上長い期間である、請求項7記載の液晶表示素子の駆動方法。
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