JP4547047B2 - 画素予備充電を用いてフラットスクリーンをアドレス指定する方法、その方法を実施するドライバ及びその方法の大型スクリーンへの応用 - Google Patents

Description

本発明は、画素予備充電を用いてフラットスクリーン、特に、液晶ディスプレイスクリーンをアドレス指定する方法に係る。また、本発明は、上記方法を実施するスクリーンの列ドライバ、及び、上記方法の大型スクリーンへの応用に関する。
直視型又は投影型液晶ディスプレイスクリーンは、一般的に、行（選択ライン）及び列（データライン）により構成され、トランジスタを介して上記ラインに接続された画素電極が行と列の交点に設けられている。他の周辺ドライバに接続されたデータラインを用いて、画素電極を充電し、上記電極と補助電極（又は基準電極）との間に含まれる液晶の光学特性を変化させ、これにより、スクリーン上に像を形成し得るように、上記トランジスタのゲートは選択ラインを形成し、ラインを走査し、各ラインのトランジスタをターンオンする周辺ドライバにより駆動される。
図１は、行及び列ドライバによりアドレス指定されたフラットスクリーン画素の等価回路図である。液晶を取り囲む電極及び補助電極はキャパシタ１を形成し、キャパシタ１の電荷（殆どの場合に、ビデオデータを含む）は、選択ライン４により駆動されたトランジスタ３を通る列２により伝達される。図２には、上記画素の動作の時間プロファイルが示され、同図において、Ｖｓは画素の行の選択ラインによりアドレス指定された信号であり、Ｖｃは選択された画素の行からサンプリングされたビデオ信号であり、Ｖｐは上記画素の中の１個の画素の有効電荷である。理論上、サンプリングパルスの終わりに、液晶の端子の両端の画素電圧Ｖｐは列電圧Ｖｃ、即ち、＋／−Ｖに一致する必要がある。
このタイプのアドレス指定に関する問題は、実際上、電圧Ｖｐが列の充電電圧Ｖｃとは異なることである。その理由は、各トランジスタが、オン状態のとき、非ゼロの抵抗Ｒｏｎを有するので、（図２に示される如く）画素の電荷は、時定数が非ゼロの指数関数的特性を示すためである。上記時定数は、Ｃが画素キャパシタ１のキャパしタンスを表わすとき積Ｒｏｎ×Ｃに一致するので、非ゼロである。充電時間が経過したとき、残留収束誤差は、正フレーム（負の値）の場合にＶｅｎ＋と一致し、或いは、負フレーム（正の値）の場合にＶｅｎ−と一致し、これらは、充電電圧Ｖｃの値＋／−Ｖとは異なる。
これにより、液晶を配光させる二乗平均電圧に（Ｖｅｎ＋ − Ｖｅｎ−）のオーダーの誤差が生じる。しかし、スクリーンの電気光学的仕様は、この誤差に対し、９０°ねじれたネマティック効果の場合に５乃至１０ｍＶのオーダーの最大値を設定する。従って、積ＲＣ（抵抗とキャパシタンスの積）は、高品位応用と互換性のある収束レートを達成するため、典型的にアドレス指定時間よりも７乃至８倍小さくしなければならない。このため、アドレス指定可能なラインの本数及び画素の寸法の制限が避けられない。この場合、抵抗Ｒは減少されるべきであり、即ち、トランジスタは広げられる必要がある。チャネルの幅対長さの比が数ユニットよりも大きくなることは現実的ではない。その上、選択ラインに印加されたパルスＶｓがロー状態に戻るとき（図２を参照のこと）、ラインと画素との間の寄生結合は、トランジスタの幅が所定の値を超える過大になる。
他の従来の解決法が図３に示される。この場合、画素６により構成されたスクリーン５は、行ドライバ７と、シフトレジスタにより駆動される標本化器により形成された列ドライバ８によりアドレス指定される。標本化器の負荷は、駆動された列９の分布キャパシタンスに他ならない。充電時間はライン９がアドレス指定される時間の一部分を超えないということにより上記の変換の問題が悪化される場合、上記列９は非常に短い時間の間に充電される必要がある。その理由は、上記のライン時間の間に、ビデオをスクリーンのすべての列を介して順次にサンプリングする必要があるからである。このため、集積化されたドライバスクリーンの製造は、高移動度半導体、例えば、単結晶又は多結晶シリコンを用いる必要がある。
上記の欠点を解決し、シリコン内に製造された薄膜トランジスタを利用できるようにするため、特に、国際特許出願ＰＣＴ／ＦＲ９４／１６４２８に、画素を動作電圧よりも低い電圧まで予備充電（プレチャージ）することが提案されている。このタイプの電圧を用いる場合に、多数の欠点が生じる。特に、収束の問題が未解決である。
本発明は、上記の欠点を解決する新規のアドレス指定方法を提供する。
従って、本発明は、行及び列により構成され、行と列の交点に画素が設けられたフラットスクリーンをアドレス指定する方法であって、
上記スクリーン上に表示されるべきビデオ信号の各サンプリングの始めに、動作電圧レンジ（Ｖ）よりも高い電圧（Ｖｒ）が時間ｔｒの間に選択された画素に印加され、
次に、動作電圧が時間ｔｓの間にサンプリングされる方法である。
好ましくは、予備充電電圧（Ｖｒ）は、
Ｖｅｎ＋ ＝ Ｖｅｎ−
となるように選択され、式中、Ｖｅｎ＋及びＶｅｎ−は、夫々、正フレーム及び負フレームにおける残留誤差を表わす。この場合、予備充電電圧は以下の式：

及び

により得られる。式中、Ｖｇはサンプリング中のトランジスタのゲート電圧であり、Ｖｔはその閾値電圧である。
条件 Ｖｅｎ＋ ＝ Ｖｅｎ− は、以下の式：

又は
τ(Vg-Vt-V-)=Ron(Vg-Vt-V-)xC
及び

のように表わされるので、τ（Ｖ）は、

の形式であり、従って、

即ち、

と表わされる。
また、本発明は、シフトレジスタの出力により駆動される標本化器からなるタイプのフラットスクリーンの列ドライバであって、
各標本化器は並列に設けられた３個のＭＩＳタイプトランジスタにより構成され、
各トランジスタの第１の電極はビデオ信号に接続され、第２の電極は駆動された列に接続され、第１のトランジスタのゲートは上記シフトレジスタの出力の中の一つに接続され、第２及び第３のトランジスタのゲートは、２個のトランジスタの中の一方が奇数番目のフレームを予備充電するため活性化され、他方が偶数番目のフレームを予備充電するため活性化されるように２個のクロック信号に接続されていることを特徴とするドライバである。
本発明の他の特徴によれば、第２及び第３のトランジスタに印加されたクロック電圧は、トランジスタが予備充電のため使用されていないとき、そのトランジスタのゲートが負電圧を受け、この電圧がゼロに戻るとき、次の容量性カップリングの補償が行えるように選択される。
３個のトランジスタは同一であり、薄膜トランジスタＴＦＴである方が好ましい。この解決法により、標本化器を製造するため使用されるトランジスタは大型になるので、強い容量性カップリングを補償し得るようになる。更に、同一の寸法を有する３個のトランジスタ全体に均等に歪み又は疲労を分布させることが可能であり、これにより、トランジスタの耐用期間を延ばす効果が得られる。
本発明は、更に、上記アドレス指定方法の大型スクリーンへの応用である。
従って、本発明は、ライン及び列を含み、ラインと列との交点に画素が設けられ、Ｘ個のラインドライバが夫々Ｙ本のラインに接続されたフラットスクリーンをアドレス指定する方法であって、
時間ｔｒの間に、第１のラインドライバに接続されたラインに在る画素は動作電圧レンジ（Ｖ）よりも高い電圧（Ｖｒ）に予備充電され、
次に、Ｙ本のラインが順次にサンプリングされ、
上記動作がＸ−１個の残りのドライバに対し繰り返し行われることを特徴とする方法である。
また、本発明は、ライン及び列を含み、ラインと列との交点に画素が設けられ、Ｘ個のラインドライバが夫々Ｙ本のラインに接続されたフラットスクリーンをアドレス指定する方法であって、
Ｘ個の各ラインドライバの第１のラインが動作電圧レンジ（Ｖ）よりも高い電圧Ｖｒに同時に予備充電され、
次に、Ｘ個のラインドライバの上記ラインが順次にサンプリングされ、
上記の動作がＸ個の各ラインドライバのＹ−１本の他のラインに対し繰り返し行われることを特徴とする方法である。
以下の添付図面を参照した説明を読むことによって、本発明はより明瞭に理解され、本発明の他の利点が明らかになる。図面において、
図１は、上記の液晶ディスプレイスクリーンの等価回路図であり、
図２は、図１に示された画素の動作のタイミングチャートを表わす図であり、
図３は、ライン及び行ドライバにより駆動されるスクリーンの公知の構造を表わす図であり、
図４は、本発明により液晶ディスプレイスクリーンをアドレス指定する方法を表わす図であり、
図５は、本発明によるアドレス指定方法を利用する公知の列ドライバの一実施例を表わす図であり、
図６は、図５の列ドライバのタイミングチャートを示す図であり、
図７は、本発明によるアドレス指定方法を利用する列ドライバの好ましい一実施例を表わす図であり、
図８は、図７の列ドライバの動作のタイミングチャートを表わす図であり、
図９は、本発明の方法を使用するライン及び列ドライバに接続された大型フラットスクリーンの一部を概略的に表わす図である。
図４に示される如く、リセット時間ｔｒに亘り、動作電圧よりも高い電圧Ｖｒが負荷からサンプリングされ、（＋Ｖと−Ｖとの間の動作電圧）が時間ｔｓの間にサンプリングされる。高い電圧値から（＋Ｖと−Ｖとの間にある）動作電圧を得ることが求められるので、残留収束誤差は、常に同じ符号であり（Ｖｅｎ＋ − Ｖｅｎ−）に一致し、二乗平均電圧上の誤差を最小限に抑える。
画素トランジスタがアモルファスシリコン（α−Ｓｉ）から作られ、数ボルトの閾値電圧を有するとき、予備充電電圧Ｖｒが存在する。動作電圧レンジ（＋Ｖ，−Ｖ）の両端に達する収束誤差Ｖｅｎ＋及びＶｅｎ−は等しい（Ｖｅｎ＋ ＝ −Ｖｅｎ−）。従って、二乗平均電圧の誤差はゼロである。この電圧Ｖｒは以下の式：

及び

を使用することにより得られる。式中、Ｖｇはサンプリング中のトランジスタのゲート電圧であり、Ｖｔはその閾値電圧である。
条件 Ｖｅｎ＋ ＝ Ｖｅｎ− は、以下の式：

又は
τ(Vg-Vt-V-)=Ron(Vg-Vt-V-)xC
及び

のように表わされるので、τ（Ｖ）は、

の形式であり、従って、

即ち、

と表わされる。
図５は、本発明による方法の実施を可能にさせるスクリーンの列ドライバの一実施例を表わす図である。このドライバは、アモルファスシリコンから製造されたトランジスタにより形成される。ドライバ１１は、好ましくは、多重化周波数を同程度に低下させるため並列に動作する複数のビデオ入力からなる。図５における意図的に簡単に示された例において、列ドライバは５個のビデオ入力ＤＢ１乃至ＤＢ５と、６個のデマルチプレクシング信号入力ＤＷ１乃至ＤＷ６とを有し、３０本の列１２を充電することが可能である。各列１２は単一のトランジスタ１３により駆動され、このトランジスタ１３は、時間ｔｒの間に電圧Ｖｒに達するための予備充電と、適当なビデオ電圧値への収束とのため使用される。
図６には、本発明の方法に従って使用された図５のスクリーンの動作のタイミングチャートが示される。時間ｔｒに亘り、動作電圧よりも高い電圧Ｖｒが信号ＤＷ１乃至ＤＷ６を介してすべての列に印加される。入力ＤＷ１乃至ＤＷ６は、各信号ＤＢ１乃至ＤＢ５に対し、ＤＷ１乃至ＤＷ６によって表わされるように順次に選択され、動作電圧が時間ｔｓに亘りサンプリングされる。
図７は、本発明を利用する列ドライバの好ましい一実施例を表わす図である。この場合、各標本化器は、好ましくは同一であり並列に設けられた３個のトランジスタ１６、１７及び１８により構成される。図７に明瞭に示される如く、３個のトランジスタ１６、１７及び１８の第１の電極、即ち、ドレインは入力ビデオ信号１４を受け、一方、第２の電極、即ち、ソースは駆動されるべき列１５を充電する。更に、トランジスタ１６のゲートは、シフトレジスタの出力に接続され、デマルチプレクシング信号１９を受け、一方、他の２個のトランジスタ１７及び１８のゲート２０及び２１は、以下に詳述される２個のクロックに接続されている。３個のトランジスタを用いることにより、単一の大型トランジスタを用いて強い容量性カップリングを補償し、すべてのトランジスタに歪みを分布させることが可能になり、トランジスタの耐用期間が延びる。
図８は、図７に示されたタイプのラインドライバのタイミングチャートである。ここで与えられた数値は一例に過ぎない。トランジスタ１７及び１８に印加されたクロック信号は、１個のトランジスタが奇数番目のラインを予備充電すると共に、他のトランジスタが偶数番目のラインを予備充電するような信号である。その上、１個のトランジスタ、例えば、トランジスタ１７のゲート２０が時間ｔｒに亘り予備充電パルスを受けるとき、別のトランジスタ１８のゲート２１は、ライン時間の終わりまでに、例えば、−２２Ｖの負のパルスを受けるので、制御電極２１上の正のパルスを用いて、ライン時間の終わりに収束トランジスタのカップリングを補償し得る。トランジスタ１６のゲートは、収束を行うべく間隔ｔｓのパルスを受ける。予備充電は、収束（０．９μｓ）の約２倍の時間（２μｓ）を要するので、３個のトランジスタの動作のデューティ比は等しく、これにより、歪みを均等に分配する。
非常に多数のライン又は非常に多数の基本画素を有するスクリーンの場合に、トランジスタは、過剰に強い結合キャパシタンスが現れないように設計するには不充分である。基本的な図は、図１に示されたタイプのものである。上記トランジスタが非常に小さいため画素の正確な充電が通例的に行えない、若しくは、ラインの本数が非常に多いため、充電のために非常に僅かな時間しか利用できないかかるスクリーンの動作を改良するため、図４に示されたタイプの予備充電を伴う動作系統を使用してもよい。
この場合、動作はラインパケットによって行われる方が好ましい。かくして、列ドライバが図５のドライバと同じであるスクリーンに関係し、５本ずつのラインが５個のラインパケットに対しラインレジスタＲ１、Ｒ２、Ｒ３・・・により駆動される各グループに分けられた図９に示される如く、ラインＬ１乃至Ｌ５は最初に同時に予備充電され、次に、同じラインＬ１乃至Ｌ５が順次にサンプリングされる。ラインＬ６乃至Ｌ１０が次に同時に予備充電され、以下同様である。この動作モードは、（５本のラインを同時に駆動する）通常のドライバとは互換性がない。従って、特別の電子部品が必要である。
例えば、スクリーンが、６００本のラインに対しＲ１、Ｒ２、Ｒ３、・・・のような５個のラインドライバを使用するならば、５個のドライバを同時に充電することが可能である。屡々、本発明の出力イネーブル機能は、例えば、図９の実施例において、５個の回路Ｒ１、Ｒ２、・・・により駆動される最初の５本のラインＬ１、Ｌ６、Ｌ１１、・・・のような５本のラインの同時的な予備充電を順次に制御し、次に、５本のラインを順次にアドレス指定するため使用される。しかし、このタイプの解決法には、ビデオ画像を格納し、それによって再生するフレームメモリが必要である。
いずれの場合でも、予備充電は、動作電圧Ｖ＋／Ｖ−よりも高い電圧Ｖｒを用いて行われる。
本発明は、特に、薄膜トランジスタのアクティブマトリックス（ＡＭＬＣＤ）により駆動されるフラット液晶ディスプレイスクリーンに適用され、一般的に、相対精度が絶対精度よりも重要である標本化器を必要とするあらゆる応用に適用される。

Claims (4)

1. 行及び列により構成され、行と列の交点に位置される画素をもつスクリーンをアドレス指定する方法であって、
   前記スクリーン上に表示されるべきビデオ信号の各サンプリングの始めに、動作電圧に関連する最大の電圧値（Ｖ）よりも高い予備充電の電圧（Ｖr）が時間ｔｒの間に選択された画素に印加され、次に、前記動作電圧が時間ｔｓの間にサンプリングされ、
   前記動作電圧は、正フレームに関連する前記最大の電圧値（Ｖ+）と負フレームに関連する最小の電圧値（Ｖ-）との間の範囲を有し、
   前記予備充電の電圧（Ｖr）は、式
   

   

   により得られ、前記Ｖ+及び前記Ｖ-は、前記動作電圧の範囲の上限及び下限をそれぞれ表し、τ（Ｖ+ − Ｖ-）は、画素のキャパシティに関連する時定数である、
   ことを特徴とする方法。
2. 行及び列により構成され、行と列の交点に位置される画素をもつスクリーンをアドレス指定する方法であって、
   前記スクリーン上に表示されるべきビデオ信号の各サンプリングの始めに、動作電圧（Ｖ）よりも高い予備充電の電圧（Ｖr）が時間ｔｒの間に選択された画素に印加され、次に、前記動作電圧が時間ｔｓの間にサンプリングされ、
   前記予備充電の電圧は以下の式、
   

   

   及び
   

   

   により得られ、式中、Ｖgはサンプリング中のトランジスタのゲート電圧であり、Ｖtはその閾値電圧であり、Ｖ+及びＶ-はそれぞれ前記動作電圧の上限と下限であり、τは画素を制御するトランジスタの抵抗Ｒｏｎと前記画素のキャパシティＣとからなる時定数であり、条件Ｖｅｎ+ ＝ Ｖｅｎ-は、以下の式、
   

   

   又は
   τ(Vg-Vt-V-)=Ron(Vg-Vt-V-)C
   及び
   

   

   のように表わされ、式中、μは誘電率であり、Ｃｏｘはキャパシティであり、Ｗ及びＬはそれぞれ前記トランジスタのチャネルの幅及び長さであり、τ（Ｖ）は、
   

   

   の形式であり、式中、Ｃｔｅは定数であり、従って、
   

   

   即ち、
   

   

   と表わされる、
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. シフトレジスタの出力により駆動される標本化器からなる、スクリーンの列ドライバ回路であって、
   各標本化器は並列に設けられた３個のＭＩＳ（Metal-Insulator-Semiconductor）タイプのトランジスタにより構成され、
   各トランジスタの第１の電極はビデオ信号に接続され、第２の電極は駆動される列に接続され、第１のトランジスタのゲートは前記シフトレジスタの出力のうちの一つに接続され、第２及び第３のトランジスタのゲートは、第２及び第３のトランジスタのうちの一方が偶数番目のフレームを予備充電するため活性化され、他方が奇数番目のフレームを予備充電するため活性化されるように、選択された２個のクロック信号に接続される、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の方法を実現するドライバ回路。
4. 前記第２及び第３のトランジスタに印加されたクロック電圧は、トランジスタが予備充電のため使用されていないとき、そのトランジスタのゲートが負電圧を受け、このゲート電圧が次に再び上昇したとき、容量性カップリングの補償が行えるように選択される、
   ことを特徴とする請求項３記載のドライバ回路。

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