JP3338095B2

JP3338095B2 - マトリクス表示装置およびその駆動方法

Info

Publication number: JP3338095B2
Application number: JP32122092A
Authority: JP
Inventors: 保彦竹村
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1992-11-05
Filing date: 1992-11-05
Publication date: 2002-10-28
Anticipated expiration: 2017-10-28
Also published as: JPH06153124A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＴＮ液晶、ＳＴＮ液
晶、ＳＴＢ液晶、ＥＣＢ液晶、その他の各種液晶材料や
その他の電気光学応答特性を有する材料を用いたマトリ
クス型の表示装置の表示方法に関する。特に、本発明
は、階調表示をおこなう方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】多数のドットをマトリクス状に構成し
て、特に非線型な特性を有するような素子を設けずに、
単に行（ロウともいう）と列（カラムともいう）に印加
する信号を組み合わせることによって、その交点のドッ
トの信号を制御しようとするマトリクスは単純マトリク
スと呼ばれ、ＴＮ液晶、ＳＴＮ液晶、ＳＴＢ液晶、ＥＣ
Ｂ液晶、その他の各種液晶材料を利用した表示装置等に
用いられている。

【０００３】このようなマトリクスでは、従来、図３に
示すように、列電極には絶えず、信号Ｇ_m（ｔ）を流
し、一方、行電極では、パルス信号Ｆ_n（ｔ）を印加す
ることによって、パルス信号が印加されたときの列電極
の信号を交点の画素の信号とする方式が採用されてき
た。しかしながら、この方式では、特にマトリクスの規
模が拡大して、行数が大きくなるとコントラストの低下
が問題となり、また、階調表示をおこなうことは極めて
困難であった。

【０００４】これは、特に上記液晶のような材料では、
その光学応答速度が遅いため、その光学特性（透過率や
散乱率等）は、実質的には、行電極と列電極の電位差の
実効値に比例するためであった。特に、列電極に印加さ
れる信号は、他の行の画素の信号も含んでいるため、そ
の列の他の行の信号の大小によって、絶対的な光学特性
が大きく左右されてしまった。もし、他の行の信号の影
響を小さくしようとすれば、液晶材料として、極めて急
峻な立ち上がりを示す材料を用いねばならず、また、そ
のような材料では中間的な光学特性を得ることは困難
で、単に白黒表示しかできなかった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の説明
で問題としたような、絶対的な階調表示を達成すること
を目的とする。すわなち、注目している画素以外の画素
の表示情報が入り込まない信号や駆動方法を提供する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】従来のマトリクス表示方
法においては、階調情報は、信号強度によって与えられ
ていた。信号のパルス幅によって与えられることもあっ
たが、実効値として考えた場合には両者の効果は同じで
あった。一方、信号強度には、階調情報以外にも、画素
の選択という情報を与えなければならなかった。これは
主として行信号によって担われていたが、実効値として
映像が現れる場合には、その効果が列信号にも及ぶこと
は明白である。すなわち、従来の方法では、信号強度と
いう１つの表現手段において、階調と選択という２つの
表現をおこなおうとしたため、著しく自由度が制約され
てしまったのである。

【０００７】本発明人はこのような不自由な方法の欠点
を指摘し、階調を表現する他の表現方法を求めた。そし
て、位相によって階調情報を表現する方法を見いだした
のである。すなわち、本発明では、行電極、列電極に印
加する信号の波形として、正規直交関数系ｆ_ｉを選択す
る。すなわち、ｆ_ｉは数１の関係を満たす。ここで、^＊
は複素共役を表すが、ｆ_ｉが実関数であれば、ｆ_ｉ＝ｆ
_ｉ ^＊である。

【０００８】

【数１】

【０００９】さらに、本発明では、αを任意の数とする
とき、ｆ_iに関して、数２および数３という条件を満た
すものとする。本発明においては、１行もしくは複数行
に、上記の関数で示される信号をその選択期間だけ印加
する。複数行に信号を印加する場合には、それぞれの行
に印加される信号は全て異なるものである。

【００１０】

【数２】

【００１１】

【数３】

【００１２】一方、列電極には各行の選択期間に階調情
報に応じた位相の信号を印加する。複数行を同時に選択
する場合には、各行の階調情報に応じた位相の信号（行
ごとに異なる）の和が印加される。以上の条件におい
て、１行づつ選択する場合の第ｎ行第ｍ列の画素の１フ
レーム（時間Ｔ）の実効値電圧Ｖ_RMSは、数４に示すよ
うになる。式から明らかに、Ｖ_RMSには、第ｎ行の階調
情報、ｇ（α_n）以外の他の画素の階調情報は全く含ま
れていない。また、最大選択比は、数５であり、ｇ、Ｎ
に応じて、Ｖを最適化することによって、最もよいもの
を選択できる。例えば、ｆ_iとして、矩形波関数を採用
すると、−１≦ｇ≦１、なので、この場合の最大選択比
は数６であり、従来のマトリクス駆動の最大コントラス
ト比と同じである。

【００１３】

【数４】

【００１４】

【数５】

【００１５】

【数６】

【００１６】本発明においては、上記の条件を満たす関
数が全て利用できるが、最も利用しやすいのは正弦波関
数や余弦波関数（すわなち、ｅｘｐ（ｉｋｘ）、（ｉは
虚数単位））で表現される種類の関数である。また、三
角波や矩形波も正弦波関数の一次結合によって表現され
るものであるから、当然、上記の条件を満たし、本発明
に使用することができる。

【００１７】さて、本発明では階調情報に応じて、信号
の位相を変化させる必要がある。矩形波関数は、２値で
表現できるのでデジタル回路に組み込むには都合がよい
が、それでも、いちいち位相を変化させることは複雑な
演算処理を必要とし、ましてや正弦波関数のようなアナ
ログ的な出力が要求される場合には、実質的に不可能で
あった。

【００１８】この点に関し、本発明は、予め位相の異な
る複数の信号源を用意し、階調情報に応じて、適切なも
のを選択するという構成を取る。本発明は以下の構成を
有する。まず、上記の如き、複数の位相の異なる信号源
がある。一方、アナログのビデオ信号はデジタル信号に
変換される。最初からデジタル信号で与えられている場
合にはその操作は必要ないが、プログラムを変換するこ
とが求められることがある。そして、このデジタル信号
は各列に振り分けられる。各列には与えられたデジタル
信号に応じて、信号を選択する回路は設けらている。そ
して、この選択回路から、信号が列電極に出力される
が、この信号は位相によって階調情報が与えられる。

【００１９】本発明の構成の概念図を図１に示す。ここ
では、説明を簡単にするために４階調の表示をおこなう
とする。図において、Ｏｓｃ１〜４は信号源である。こ
の信号源の関数は同じであるが、位相が異なる。このよ
うな信号源としては、独立な４つの発振回路であっても
よいし、１つの発振回路から発生した信号を遅延回路に
よって位相をずらしてもよい。

【００２０】この信号源は全ての列に接続され、各列に
おいては、信号源は選択回路に接続されている。以下で
は、そのうちの１つの列に注目する。マトリクス表示装
置に入力されたアナログのビデオ信号はアナログ／デジ
タル変換器（Ａ／Ｄ）によってデジタル信号に変換され
る。図１の例では、４階調であるので、通常は２ビット
の信号に変換される。このデジタル信号は、列シフトレ
ジスタ（ＳＲ−Ｃ）の信号によって開閉するデジタルス
イッチ（ＤＳ）によって、各列に振り分けられる。デジ
タルスイッチから出力されたデジタル信号（階調信号）
は選択回路に入力される。この選択回路では、デジタル
信号に応じて、適切な位相の信号を選択し、これをマト
リクスの列電極に出力する。

【００２１】一方、行電極には、行シフトレジスタ（Ｓ
Ｒ−Ｒ）によって分配された信号源Ｏｓｃ５の信号が順
次、印加されてゆく。信号源Ｏｓｃ５の信号の関数はＯ
ｓｃ１〜４と同じであるが、その位相は任意である。

【００２２】図２にはマトリクスに印加される信号の例
を示した。ここでは矩形波を例としたが、他の関数の信
号でも同じである。図２（Ａ）において、Ｆ（ｔ）は行
電極に印加される信号である。一方、列電極に印加され
る信号Ｇ（ｔ）は、図に示すように階調情報に応じて４
種類ある。これらの信号は、同じ関数であるが位相が異
なり、信号源Ｏｓｃ１〜４に用意されているものであ
る。

【００２３】実際に動作させる場合の例は図２（Ｂ）に
示される。Ｆ_n（ｔ）のｎ、およびＧ_m（ｔ）のｍは、
それぞれ、行および列の番号を示す。各行には、Ｏｓｃ
５で示される信号が順に印加される。一方、第ｍ列には
階調情報に応じた信号がＯｓｃ１〜４から選択されて印
加される。例えば、第ｎ行が選択されている期間Ｔ₁に
はＯｓｃ４が、第（ｎ＋１）行が選択されている期間Ｔ
₂にはＯｓｃ２が、第（ｎ＋２）行が選択されている期
間Ｔ₃にはＯｓｃ１が、同様に期間Ｔ₄にはＯｓｃ３
が、選択され印加される。

【００２４】このようにして階調表示をおこなうことが
できる。さらに階調の度数を高める場合には、より多く
の信号源を用意すればよい。例えば、１６階調の表示を
おこなう場合には、１６個の信号源を、６４階調の表示
をおこなうには６４個の信号源が必要となる。

【００２５】以上の説明は１行づつ選択する場合に関す
るものであったが、多行を同時に選択する場合にも同様
に適用できる。ただし、この場合には、行電極には、同
時に選択される行の数だけの関数の異なる信号源と、列
電極には、１つの関数について位相の異なる信号源が、
階調度数だけ必要である。そして、１つの列電極には、
各関数の信号源から選択された１つの信号の和が印加さ
れる。すなわち、Ｎ行を同時に選択して、ｋ階調の表示
をおこなう場合には、列電極には、Ｎ×ｋ個の信号源が
必要であり、Ｎ個の信号の和が各列電極に印加される。

【００２６】

【実施例】図４および図５に、４行同時選択の４階調表
示をおこなうマトリクス表示装置の駆動回路の構成の例
を示す。図４は列電極の駆動回路、図５は行電極の駆動
回路である。本実施例では、４つの周波数の異なる矩形
波を用いた。図５に示すように、列電極の駆動回路で
は、それぞれの矩形波ＯｓｃＡ、ＯｓｃＢ、ＯｓｃＣ、
ＯｓｃＤに関して、位相の異なるものを４つ用意した。
例えば、位相が行電極の駆動に使用される信号と同じも
の、６０°遅いもの、１２０°遅いもの、１８０°遅い
ものの４種類である。そして、これらの４系統の信号源
ＯｓｃＡ、ＯｓｃＢ、ＯｓｃＣ、ＯｓｃＤはすべての列
電極に接続された。ここでは話を簡単にするために１つ
の列（第ｍ列）だけに注目する。今、注目している第ｍ
列においても、信号源ＯｓｃＡは選択回路１に、Ｏｓｃ
Ｂは選択回路２に、ＯｓｃＣは選択回路３に、ＯｓｃＤ
は選択回路４に接続されている。

【００２７】一方、アナログのビデオ信号はアナログ／
デジタル変換器（Ａ／Ｄ）で２ビットのデジタル信号に
変換され、シフトレジスタに連動したデジタルスイッチ
回路（ＳＲ−Ｃ）に送られ、各列に振り分けられる。各
列ではデジタル信号は８ビットのメモリーに記憶され
る。そして、８ビットのメモリーが埋まり、４行分のデ
ータが蓄積されたときに、各ビットの情報は選択回路１
〜４に送られる。メモリーは、デジタル信号を選択回路
に出力された後、再び、データの蓄積を開始し、また、
４行分のデータを蓄積したら、選択回路に送るという動
作を繰り返す。

【００２８】選択回路では、メモリーから送られたデジ
タル信号（階調信号）によって、適切な位相の信号を選
択し、ミキサーに出力する。このとき、選択回路は、次
にメモリーからデータが送られてくるまで、データを記
憶しておく機能があることが求められる。この機能によ
って、次にデータが送られてくるまで、同じ信号を送り
続けられる。ミキサーでは、各選択回路から送られてき
た信号を加算して列電極に出力する。例えば、ミキサー
はリアルタイムで加算をおこなうことが求められる。

【００２９】行電極の駆動回路に関しては、図５に示す
ように、４系統の信号源ＯｓｃＡ’、ＯｓｃＢ’、Ｏｓ
ｃＣ’、ＯｓｃＤ’が用意されている。ここで、Ｏｓｃ
Ａ’は列電極の駆動回路のＯｓｃＡに、ＯｓｃＢ’はＯ
ｓｃＢに、ＯｓｃＣ’はＯｓｃＣに、ＯｓｃＤ’はＯｓ
ｃＤにそれぞれ対応し、同じ周波数である。また、これ
らの信号源の位相は、列電極の信号源の１つと同じ位相
とした。

【００３０】一方、行選択のクロック信号は分周器によ
って１／４に分周され、シフトレジスタに送られる。シ
フトレジスタの各出力端子には、４つのスイッチが接続
されており、それぞれのスイッチは、信号源Ｏｓｃ
Ａ’、ＯｓｃＢ’、ＯｓｃＣ’、ＯｓｃＤ’に接続され
ている。すなわち、このスイッチによって、マトリクス
の行電極に信号を印加することができる。

【００３１】この例では、隣接する４行が同時に選択さ
れる。すなわち、最初に上の４行が選択され、次にその
次の４行が、．．．というようにシフトレジスタの出力
の移動にしたがって、順に選択されてゆく。しかし、同
時に選択される行は隣接している必要はなく、必要に応
じて分散させてもよい。

【００３２】本実施例では、４行を同時に選択するの
で、応答速度の早い液晶材料を使用して、動画を表示す
るのに適切である。通常のＳＴＮ液晶は応答時間がフレ
ーム時間（１０〜３０ｍｓｅｃ）の１０倍程度であり、
動画を表示するには適さなかった。しかし、液晶の応答
時間を短くして、フレーム時間と同程度とすると、実効
値電圧に対する応答がなくなり、フリッカーが発生し
た。この問題を避けるためには、フレームの時間を液晶
の応答時間よりも短くすることが求められた。しかし、
そのことは選択パルスが短くなることであり、そのよう
な条件では液晶の応答性能が低下した。このような背景
の元に多行同時選択の思想が生まれた。

【００３３】しかし、従来の多行同時選択法では階調表
示をおこなうことができなかった。例えば、パルス幅変
調法による階調表示方法は、１行づつ選択する場合には
有効であったが、複数行を同時に選択する場合には他行
の階調情報が混入することが避けられなかった。本実施
例では、使用する関数の直交性からこのようなことは生
じない。本実施例は、４行同時選択４階調の例である
が、さらに多くの行を同時選択したり、多くの階調度数
を達成することも本実施例の拡張によって可能であるこ
とは自明であろう。

【００３４】

【発明の効果】本発明が、従来の方法に対して極めて優
位にあることは以上の説明から明らかであろう。このよ
うな多くのメリットは、本発明がそれまで誰も考え及ば
なかった位相制御（位相変調）によって、画像情報を表
現するという方法を採用していることに帰結する。

【００３５】従来、ＳＴＮ液晶の大規模マトリクスは、
安価であるが、階調表示が必要とされるカラー表示には
向かないとされていた。しかし、本発明によって、アク
ティブマトリクスと同程度の階調表示特性が得られるこ
ととなった。その結果、相対的にアクティブマトリクス
の競争力が低下する。もちろん、本発明はＳＴＮ液晶以
外にも、ＴＮ液晶、ＳＴＢ液晶、ＥＣＢ液晶のように、
その材料の光学特性が実効値電圧に依存する材料一般に
てきることは言うまでもない。このように、本発明が液
晶等のフラットパネルディスプレー業界に及ぼす効果は
極めて大きく、それゆえ工業的に大きな価値を有した発
明であると言えるのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のマトリクス表示装置の概念図を示
す。

【図２】本発明のマトリクス表示装置の駆動方法の概
念図を示す。

【図３】従来のマトリクス表示装置の駆動方法の概念
図を示す。

【図４】実施例のマトリクス表示装置の駆動装置の例
を示す。

【図５】実施例のマトリクス表示装置の駆動装置の例
を示す。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】行電極に設けられた第１の信号源及び列電
極に設けられた第２の信号源を有し、表示する画素の行電極に前記第１の信号源からの信号を
印加し、前記第２の信号源から階調量に応じた位相量を有する階
調信号を選択して、表示する画素の列電極に前記階調信
号を印加するマトリクス表示の駆動方法において、前記信号の波形ｆ_i（ｔ）及び前記階調信号の波形ｆ
_j（ｔ）は正規直交関数系であって、１フレーム期間を
Ｔとするとき前記ｆ_i（ｔ）及び前記ｆ_j（ｔ）は【数１】を満たすことを特徴とするマトリクス表示装置の駆動方
法。
【請求項２】行電極に設けられた第１の信号源及び列電
極に設けられた第２の信号源を有し、行電極に設けられた第１の信号源から信号Ｆ_n（ｔ）を
ｎ行電極に印加し、列電極に設けられた第２の信号源から階調量に応じた位
相量を有する階調信号Ｇ_m（ｔ）を選択してｍ列電極に
印加するマトリクス表示の駆動方法において、Ｆ_n（ｔ）は波形ｆ_i（ｔ）を満たす信号であり、Ｇ_m（ｔ）は波形ｆ_j（ｔ）を満たす信号であり、前記波形ｆ_i（ｔ）及び前記波形ｆ_j（ｔ）は正規直交関
数系であって、１フレーム期間をＴとするとき前記波形
ｆ_i（ｔ）及び前記波形ｆ_j（ｔ）は【数１】を満たし、ｍ行ｎ列の画素に印加される実効値電圧Ｖ_RMSは、【数４】を満たすことを特徴とするマトリクス表示装置の駆動方
法。
【請求項３】αを任意の数とするとき、前記ｆ_i （ｔ）
は【数２】及び【数３】の条件を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載
のマトリクス表示装置の駆動方法。
【請求項４】マトリクスを構成する行電極及び列電極
と、前記行電極に設けられ信号を発生する第１の信号源と、前記列電極に設けられ前記マトリクスの階調量に応じた
位相量を有する階調信号を発生する第２の信号源と、前記信号を表示する画素の行電極に振り分けて出力する
第１の選択手段と、前記第１の選択手段に合わせて前記階調信号を表示する
画素の列電極に振り分けて出力する第２の選択手段とを
有し、前記信号の波形ｆ_i（ｔ）及び前記階調信号の波形ｆ
_j（ｔ）は正規直交関数系であって、１フレーム期間を
Ｔとするとき前記波形ｆ_i（ｔ）と前記波形ｆ_j（ｔ）は【数１】を満たすことを特徴とするマトリクス表示装置。
【請求項５】αを任意の数とするとき、前記ｆ_i （ｔ）
は【数２】及び【数３】の条件を満たすことを特徴とする請求項４に記載のマト
リクス表示装置。