JP2023000172A - ヒータの温度制御装置、ヒータの温度制御方法、液晶装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液晶装置の温度制御の精度を向上させること【解決手段】液晶素子に設けられるヒータの温度制御装置であって、前記液晶素子の少なくとも１つの一部領域に対し、電圧値及び／又は周波数について前記液晶素子を定格動作させる際よりも相対的に高い値に設定した駆動電圧を印加して当該一部領域に流れる消費電流を検出し、当該検出された前記消費電流の大きさに応じて前記ヒータの温度制御目標値を可変に設定する、ヒータの温度制御装置である。【選択図】図５

Description

本開示は、ヒータの温度制御装置、ヒータの温度制御方法、液晶装置の制御方法に関する。

実開昭６２－１７０９１５号公報（特許文献１）には、液晶光シャッタの消費電流が温度と比例関係にあることを利用し、液晶光シャッタの駆動部の消費電流を検出する電流検出部の検出値に基づきヒータへの通電を制御する温度制御装置が記載されている。

実開昭６２－１７０９１５号公報

本開示に係る具体的態様は、液晶装置の温度制御の精度を向上させることを目的の１つとする。

［１］本開示に係る一態様のヒータの温度制御装置は、（ａ）液晶素子に設けられるヒータの温度制御装置であって、（ｂ）前記液晶素子の少なくとも１つの一部領域に対し、電圧値及び／又は周波数について前記液晶素子を定格動作させる際よりも相対的に高い値に設定した駆動電圧を印加して当該一部領域に流れる消費電流を検出し、（ｃ）当該検出された前記消費電流の大きさに応じて前記ヒータの温度制御目標値を可変に設定する、ヒータの温度制御装置である。
［２］本開示に係る一態様のヒータの温度制御方法は、（ａ）液晶素子に設けられるヒータの温度制御方法であって、（ｂ）前記液晶素子の一部領域に対し、電圧値及び周波数の少なくとも一方について前記液晶素子を定格動作させる際よりも相対的に高い値に設定した駆動電圧を印加して当該一部領域に流れる消費電流を検出すること、（ｃ）検出された前記消費電流の大きさに応じて前記ヒータの温度設定値を可変に設定すること、を含む、ヒータの温度制御方法である。
［３］本開示に係る一態様の液晶装置は、前記［１］の温度制御装置と、前記温度制御装置によって制御されるヒータを有する液晶素子と、を含む、液晶装置である。

上記構成によれば、液晶装置の温度制御の精度を向上させることができる。

図１は、一実施形態の液晶装置の構成を示すブロック図である。 図２は、液晶素子及びヒータの外観斜視図である。 図３は、液晶素子の構成例を示す模式的な断面図である。 図４（Ａ）、図４（Ｂ）は、液晶素子における消費電流と温度との関係の測定例を示す図である。 図５は、液晶装置のコントローラによる制御方法を説明するためのフローチャートである。 図６は、他の実施形態の液晶素子及びヒータの構成例を示す外観斜視図である。 図７（Ａ）～図７（Ｋ）は、駆動電圧をＰＷＭ制御する場合の例を示す波形図である。 図８は、他の実施形態の液晶素子及びヒータの構成例を示す外観斜視図である。

図１は、一実施形態の液晶装置の構成を示すブロック図である。図示の液晶装置は、液晶素子１、ヒータ２、バックライト３、液晶駆動回路４、ヒータ駆動回路５、バックライト駆動回路６、電流検出回路７、コントローラ８を含んで構成されている。なお、本実施形態では、液晶駆動回路４、ヒータ駆動回路５、電流検出回路７及びコントローラ８を含んで「温度制御装置」が構成されており、当該装置により「温度制御方法」が実行される。

液晶素子（液晶パネル）１は、液晶駆動回路４から駆動電圧の供給を受けて動作し、画像表示を行うものである。例えば本実施形態では、後述の図２に示すようにセグメント表示型の液晶素子１が用いられる。

ヒータ２は、光透過性を有して平板状に構成されており、液晶素子１に設けられる。このヒータ２は、ヒータ駆動回路５から電力供給を受けて動作し、液晶素子１を加温するためのものである。ヒータ２としては、例えば、液晶素子１の内部に加熱用電極を設けるタイプ、ガラス板や樹脂フィルムなどに加熱用電極を設けたものを液晶素子１の外部に密着させて貼り合わせるタイプ、液晶素子１の外側（あるいは内部に積層して）メッシュ状の加熱用電極を設けるタイプなど公知の種々の構成を採用することができる。例えば本実施形態では、ヒータ２としてガラス板等に加熱用電極を設けたものを液晶素子１の外部に密着させて貼り合わせるタイプのものを用いる。

バックライト３は、液晶素子１に対して光を入射させるための面光源である。本実施形態では、バックライト３は、ヒータ２を挟んで液晶素子１の裏面側に配置される。

液晶駆動回路４は、液晶素子１へ駆動電圧を供給する。この液晶駆動回路４は、液晶素子１の基板端部に直接的に設けられていてもよい。ヒータ駆動回路５は、ヒータ２に駆動電力を供給する。バックライト駆動回路６は、バックライト３に駆動電力を供給する。

電流検出回路７は、液晶駆動回路４と接続されており、液晶素子１の消費電流を検出する。具体的には、例えば電流検出回路７は、図示しない電源から液晶駆動回路４に流れる電流（すなわち液晶駆動回路４の消費電流）を検出することで間接的に液晶素子１の消費電流を検出する。

コントローラ８は、液晶装置の全体動作を制御する。具体的には、コントローラ８は、液晶素子１の各セグメント表示部（画素部）のオン／オフやそのときの透過率などを制御するための信号を液晶駆動回路４に対して供給する。また、コントローラ８は、電流検出回路７によって検出される液晶素子１の消費電流に応じてヒータ２の加温状態を制御するための制御信号をヒータ駆動回路５へ供給する。さらに、コントローラ８は、バックライト３のオン／オフやオン時の明るさなどを制御するための信号をバックライト駆動回路６へ供給する。コントローラ８は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたコンピュータにおいて所定の動作プログラムを実行させることで実現可能である。

図２は、液晶素子及びヒータの外観斜視図である。本実施形態の液晶素子１は、複数のセグメント表示部３１と、ヒータ２の温度制御のために消費電流を検出するための測定部３１ａとを備えている。図中では代表して２つのセグメント表示部３１のみ符号を付して示している。セグメント表示部３１は、後述の図３に示すように電極間に液晶層を介在させた部分であってそれぞれ独立に光変調状態を制御できる部分である。また、測定部３１ａは、セグメント表示部３１と同様に、電極間に液晶層を介在させた部分であってそれぞれ独立に光変調状態を制御できる部分である。図示のように本実施形態では、測定部３１ａは、各セグメント表示部３１よりは平面視での面積が小さく、平面視において液晶素子１の有効表示領域３０の略中央に設けられている。また、本実施形態では、測定部３１ａは、複数のセグメント表示部３１に囲まれた領域に配置されている。また、ヒータ２は、液晶素子１の裏面側、具体的には視認される側と逆側に配置されており、少なくとも液晶素子１の有効表示領域３０と対向するように配置されている。なお、測定部３１ａの平面視面積は、セグメント表示部３１と干渉しないのであればセグメント表示部３１の平面視面積より大きくしてもよい。同様に、測定部３１ａを設ける位置も有効表示領域３０の略中央に限られず、セグメント表示部３１と干渉しない限り、所望の位置とすることができる。

図３は、液晶素子の構成例を示す模式的な断面図である。図３に示す断面図は、図２に示すＡ－Ａ線方向における一部分（測定部３１ａの近傍）の断面に対応している。液晶素子１は、対向配置された第１基板１１及び第２基板１２、複数の画素電極１３、測定部用電極１３ａ、遮光部１３ｂ、共通電極（対向電極）１４、配向膜１５、１６、液晶層１９を含んで構成される液晶パネルと、この液晶パネルを挟んで対向配置される一対の偏光板２１、２２を含んで構成されている。

第１基板１１及び第２基板１２は、それぞれ、例えば平面視において矩形状の基板であり、互いに対向して配置されている。各基板としては、例えばガラス基板、プラスチック基板等の透光性基板を用いることができる。第１基板１１と第２基板１２の間には、例えば樹脂膜などからなる球状スペーサー（図示省略）が分散配置されており、それら球状スペーサーによって基板間隙が所望の大きさ（例えば数μｍ程度）に保たれている。なお、球状スペーサーに代えて、樹脂等からなる柱状体を第１基板１１側若しくは第２基板１２側に設け、それらをスペーサーとして用いてもよい。

複数の画素電極１３及び測定部用電極１３ａは、それぞれ第１基板１１の一面側に設けられている。共通電極１４は、第２基板１２の一面側に設けられている。この共通電極１４は、各画素電極１３及び測定部用電極１３ａと対向するようにして一体に設けられている。各画素電極１３、測定部用電極１３ａ及び共通電極１４は、例えばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などの透明導電膜を適宜パターニングすることによって構成されている。なお、共通電極１４についても複数に分割されていてもよい（例えば、デューティ駆動を行う場合等）。

ここで、各画素電極１３と共通電極１４とが液晶層１９を挟んで対向する各領域（一部領域）が上記したセグメント表示部３１に対応する。また、測定部用電極１３ａと共通電極１４とが液晶層１９を挟んで対向する領域（一部領域）が上記した測定部３１ａに対応する。

遮光部１３ｂは、第１基板１１の裏面側において測定部用電極１３ａの位置に対応づけて設けられている。この遮光部１３ｂは、測定部用電極１３ａの設けられた領域での光の透過を防ぐためのものである。遮光部１３ｂは、例えば適宜選択される暗色（例えば黒色）の材料を印刷することで形成できる。また、遮光部１３ｂは、暗色の樹脂フィルムなどを貼り合わせて形成することもできる。

配向膜１５は、第１基板１１の一面側において各画素電極１３等を覆うようにしてそれらの上側に配置されている。配向膜１６は、第２基板１２の一面側において共通電極１４を覆うようにしてその上側に配置されている。これらの配向膜１５、１６は、液晶層１９の初期状態（電圧無印加時）の配向状態を規定するためのものである。各配向膜１５、１６は、例えばラビング処理等の一軸配向処理が施されており、その方向に沿って液晶層１９の液晶分子の配向を規定する一軸配向規制力を有している。一軸配向規制力の発現する方向を配向容易軸と呼ぶ。各配向膜１５、１６への配向処理の方向は、例えば互い違い（アンチパラレル）となるように設定される。各配向膜１５、１６と液晶層１９との界面近傍におけるプレティルト角は例えば８９°程度である。

液晶層１９は、第１基板１１と第２基板１２の間に設けられている。液晶層１９は、例えば、流動性を有するネマティック液晶材料を用いて構成される。本実施形態では、液晶層１９は、負の誘電率異方性を有する液晶材料を用いて構成される。液晶層１９の層厚は、例えば４μｍ程度とすることができる。

偏光板２１は、液晶パネルの外側であって第１基板１１側に配置されている。偏光板２２は、液晶パネルの外側であって第２基板１２側に配置されている。これらの偏光板２１、２２は、例えば互いの透過軸を略直交させて配置されている。また、各偏光板２１、２２は、液晶層１９の層厚方向の略中央における電圧無印加時の配向方位に対して各々の透過軸が略４５°の角度をなすように配置されている。これにより、液晶素子１は、ノーマリーブラック状態、すなわち電圧無印加時において外観が暗状態（黒色状態）となる。従って、上記した遮光部１３ｂを設けていてもその部分が外観上は区別して視認できない状態となる。

図４（Ａ）、図４（Ｂ）は、液晶素子における消費電流と温度との関係の測定例を示す図である。図４（Ａ）は、スタティック駆動した場合の消費電流の温度特性を駆動電圧ごとに示した図である。通常、カーエアコンの表示などで多く使われている５Ｖ、１／４デューティ、１／３バイアス駆動の実効電圧、すなわちスタティック駆動電圧は約２．８９Ｖであり、ほぼ図４に示す３Ｖに相当する。ここでは、定格の電圧値は５Ｖ、定格の周波数は２００Ｈｚであるとする。また、図４（Ｂ）は、定格よりも高い周波数の２ｋＨｚで電圧値を可変に設定した駆動電圧で駆動した場合の消費電流の温度特性である。

図４（Ａ）と図４（Ｂ）を対比すると、定格による駆動での消費電流の値は、定格よりも高い周波数等での消費電流の値に比べておおよそ１桁小さい値となっている。これは換言すれば、定格による駆動では、温度に対する消費電流の変動が小さいということである。昨今の液晶材料は、改良により環境温度の影響を受けにくくなっているためである。このため、定格による駆動によって消費電流の変化を検出したのでは温度による差異を検出しにくい。これに対して、電圧値と周波数の少なくとも一方を定格よりも大きく設定した駆動電圧を用いることで、図４（Ｂ）に示すように、消費電流の値が大きくなり、相対的に温度変化に対する電流値の変化も大きくなる。特に温度が低い範囲においては正比例に近い状態で温度が低くなるほど電流値が増大する。従って、図４（Ｂ）に示す電流値と温度との関係を例えばデータテーブルとして図示しないメモリに予め記憶させておき、このデータテーブルを参照して温度を特定することで、ヒータ２の温度をより精度よく制御することが可能になる。なお、駆動電圧の電圧値については、図示のように大きいほど電流値の変化も大きくなるため好ましいが、例えば定格の２倍以上の値とすることが好ましい。また、駆動電圧の周波数についても同様で大きいほど好ましいが、例えば定格の１０倍以上の値とすることが好ましい。しかし、駆動周波数と電圧値は、いずれも大きいほど好ましいものの、液晶駆動回路への負担を考慮すると、駆動周波数は定格の５０倍以下、電圧値は定格の１０倍以下とすることが好ましい。

図５は、液晶装置のコントローラによる制御方法を説明するためのフローチャートである。なお、制御結果に矛盾や不整合を生じない限りにおいて、処理順番を入れ替えてもよいし、図示しない他の制御を追加してもよく、そのような態様も排除されない。

コントローラ８は、液晶素子１の測定部１３ａに、定格より高い電圧値及び／又は定格より高い周波数を設定して当該設定による駆動電力を供給させるように液晶駆動回路４を制御する（ステップＳ１１）。

一例として、定格での駆動条件が電圧値５Ｖ、１／４デューティ、１／３バイアス、周波数２００Ｈｚのデューティ駆動であるとする。この場合にコントローラ８は、電圧値１２Ｖかつ周波数２ｋＨｚの駆動電圧でスタティック駆動するように液晶駆動回路４を制御し、もしくは電圧値２１Ｖ、１／４デューティ、１／３バイアス、周波数２ｋＨｚの駆動電圧でデューティ駆動するように液晶駆動回路４を制御することができる。

次にコントローラ８は、電流検出回路９によって検出される液晶駆動回路４の消費電流を取得し（ステップＳ１２）、この消費電流の値に基づいて液晶素子の温度の推定値を特定する（ステップＳ１３）。具体的には、消費電流の値に対応する温度の推定値をデータテーブル（図４（Ｂ）参照）に基づいて求める。なお、この消費電流を取得するステップＳ１２において測定部３１ａに電圧が印加される時間が測定部３１ａでの透過率変化を視認できないほどに短いのであれば上記した遮光部１３ｂを省略してもよい。

次にコントローラ８は、求めた温度の推定値に応じてヒータ２の温度制御目標値を設定し、それを実現するようにヒータ駆動回路５を制御する（ステップＳ１４）。以後、所定期間毎にステップＳ１１以降の処理が繰り返される。

図６は、他の実施形態の液晶素子及びヒータの構成例を示す外観斜視図である。図示の例のヒータ２ａは、複数（図示の例では９個）の領域４１のそれぞれを個別に温度制御できるように構成されている。具体的には、各領域４１に対応して設けられる加熱用電極を互いに電気的／物理的に分離して設けられている。また、各領域４１に対応して、液晶素子１ａには複数の測定部３１ａが設けられている。各測定部３１ａの具体的構成は上記した実施形態と同様であり、遮光部１３ｂも同様に設けられる（図３参照）。

この構成によれば、各領域４１について、それぞれに対応した測定部３１ａで消費電流を測定することにより、各々独立に温度制御を行うことができる。それにより、液晶素子１ａの面内での温度ムラをより軽減することができる。なお、各領域４１に対応するセグメント表示部３１に対して、駆動電圧をＰＷＭ制御してオン電圧の印加時間を変化させてその実効値を変えることでさらに温度ムラによる影響（コントラスト変動など）を低減できる。

図７（Ａ）～図７（Ｋ）は、駆動電圧をＰＷＭ制御する場合の例を示す波形図である。詳細には、図７（Ａ）は、共通電極１４に印加される電圧の例を示す波形図であり、図７（Ｂ）～図７（Ｆ）は、画素電極１３に印加される電圧の例を示す波形図であり、図７（Ｇ）～図７（Ｊ）は、画素電極１３と共通電極１４の各電圧の電位差を示す波形図である。

図７（Ａ）に示すように、共通電極１４に印加される電圧は、１フレームの前半において基準電圧であるＶＳＳとなり、後半でこれより相対的に高い電圧である＋ＶＲとなる。また、図７（Ｂ）に示す例で画素電極１３に印加される電圧は、１フレームの前半において＋ＶＲとなり、後半で＋ＶＳＳとなる。従って、画素電極１３と共通電極１４との電位差は図７（Ｇ）に示すようになる。具体的には、画素電極１３と共通電極１４の間の液晶層１９には、１フレームの前半の全期間で－ＶＲ、後半の全期間で＋ＶＲの電圧が印加される。

また、図７（Ｃ）～図７（Ｅ）に示すように、画素電極１３への電圧印加の開始点を図７（Ｂ）のものに対して相対的に後へずらすことで、図７（Ｈ）～図７（Ｋ）に示すように、１フレーム内において画素電極１３と共通電極１４の間に電位差が生じる時間、すなわち液晶層１９に対するオン電圧の印加時間が相対的に短くなる。なお、ここでは代表的な例だけを挙げているが実際には電圧印加の開始点を多段階（例えば５１１段階）で可変に設定することができる。

このように、ＰＷＭ制御によってオン電圧の印加時間を可変に設定することができる。例えば、測定部３１ａでの消費電流に応じて推定される温度がより高い領域４１に対応するセグメント表示部３１ではオン電圧の印加時間を相対的に短く設定して、温度がより低い領域４１に対応するセグメント表示部３１ではオン電圧の印加時間を相対的に長く設定する、というようにオン電圧の実効値を可変に設定することで、温度ムラによる影響をさらに低減することができる。なお、このような制御は、ヒータ２を用いない場合であっても温度ムラによる影響を軽減するのに有効である。

図８は、他の実施形態の液晶素子及びヒータの構成例を示す外観斜視図である。図示の例の液晶素子１ｂは、ＩＴＯなどの透明導電膜からなるヒータ部３２を第１基板１１と第２基板１２のいずれかの一面側であって外縁部に近い領域に備えている。図示の例ではヒータ部３２が設けられる部分を斜線模様によって示している。このように液晶素子１ｂの外縁部に沿って、例えば環状にヒータ部３２を設けることで、さらに温度ムラを軽減することができる。なお、図示の例では個別に温度制御を行わないヒータ２を示しているが個別に温度制御可能なヒータ２ａを用いてもよい。

以上のような実施形態によれば、液晶装置の温度制御の精度を向上させることが可能となる。

なお、本開示は上記した実施形態の内容に限定されるものではなく、本開示の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。例えば上記した実施形態では消費電流を検出するための測定部３１ａを液晶素子１（１ａ）に設けていたが、このような測定部３１ａを設けずにいずれか１つ以上のセグメント表示部３１を測定部として兼用してもよい。この場合、消費電流の検出を行っている間はコントローラ８によってバックライト駆動回路６を制御してバックライト３を消灯させることが好ましい。それにより、不必要な表示が視認されないようにすることができる。複数のセグメント表示部３１を用いることで消費電力がより大きくなるので温度による電流値の変化を検出しやすくなり、ヒータの温度制御の精度を向上させることができる。

また、上記した実施形態では液晶素子の一例として表示用途のものを説明したが液晶素子の用途はこれに限定されず、光変調に用いられる液晶素子全般に対して本開示の内容を適用することができる。

１、１ａ、１ｂ：液晶素子、２、２ａ：ヒータ、３：バックライト、４：液晶駆動回路、５：ヒータ駆動回路、６：バックライト駆動回路、７：電流検出回路、８：コントローラ、３０：有効表示領域、３１：セグメント表示部、３１ａ：測定部、３２：ヒータ部

Claims (9)

1. 液晶素子に設けられるヒータの温度制御装置であって、
   前記液晶素子の少なくとも１つの一部領域に対し、電圧値及び／又は周波数について前記液晶素子を定格動作させる際よりも相対的に高い値に設定した駆動電圧を印加して当該一部領域に流れる消費電流を検出し、
   当該検出された前記消費電流の大きさに応じて前記ヒータの温度制御目標値を可変に設定する、
   ヒータの温度制御装置。
2. 前記液晶素子へ前記駆動電圧を印加する液晶駆動回路と、
   前記消費電流を検出する電流検出回路と、
   前記温度設定に応じて前記ヒータを駆動するヒータ駆動回路と、
   前記液晶駆動回路における前記駆動電圧の電圧値及び／又は周波数を設定するとともに、前記電流検出回路により検出される前記消費電流に応じて前記ヒータ駆動回路における前記温度制御目標値を設定するコントローラと、
   を含む、請求項１に記載の温度制御装置。
3. 前記ヒータは、複数の領域ごとに個別に温度設定可能であり、
   前記液晶素子の前記一部領域は、前記複数の領域の各々に対応づけて複数設けられており、
   前記複数の領域ごとに、対応する前記一部領域に前記駆動電圧が印加されて前記消費電流が検出され、当該消費電流の大きさに応じて温度設定が可変に設定される、
   請求項１又は２に記載の温度制御装置。
4. 前記一部領域は、前記液晶素子の表示部とは別に設けられた測定部である、
   請求項１～３のいずれか１項に記載の温度制御装置。
5. 前記一部領域は、前記液晶素子に設けられた表示部である、
   請求項１～３のいずれか１項に記載の温度制御装置。
6. 前記複数の領域ごとに、前記消費電流に基づいて推定される温度に応じて、前記複数の領域の各々に含まれる表示部へ印加する前記駆動電圧の大きさをＰＷＭ制御によって増減させる、
   請求項１～３のいずれか１項に記載の温度制御装置。
7. 液晶素子に設けられるヒータの温度制御方法であって、
   前記液晶素子の一部領域に対し、電圧値及び周波数の少なくとも一方について前記液晶素子を定格動作させる際よりも相対的に高い値に設定した駆動電圧を印加して当該一部領域に流れる消費電流を検出すること、
   検出された前記消費電流の大きさに応じて前記ヒータの温度設定値を可変に設定すること、
   を含む、ヒータの温度制御方法。
8. 請求項１～６の何れか１項に記載の温度制御装置と、
   前記温度制御装置によって制御されるヒータを有する液晶素子と、
   を含む、液晶装置。
9. 前記液晶素子は、前記一部領域に対応して設けられる遮光部を更に含む、
   請求項８に記載の液晶装置。

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