JP5215774B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置に関し、特に、表示輝度向上が図られた液晶表示装置に関する。

車載用情報表示装置や、カーオーディオの表示部等に、セグメント表示、またはセグメント表示に加えてドットマトリクス表示が可能な液晶表示装置が用いられる。セグメント表示部をカラー表示可能な液晶表示装置の１つとして、カラーフィルタの形成された液晶表示素子に、白色のバックライト光を照射する構成のものがある。

カラーフィルタを用いた液晶表示装置の短所としては、液晶表示素子のガラス基板上にカラーフィルタを形成する工程が必要なことや、各セグメントの表示色がカラーフィルタの色に限定されること等が挙げられる。

セグメント表示部をカラー表示可能な、他の液晶表示装置として、フィールドシーケンシャル（ＦＳ）駆動を行うものがある。ＦＳ駆動の液晶表示装置では、液晶表示素子にカラーフィルタを形成しない代わりに、例えば赤緑青（ＲＧＢ）発光可能なマルチカラー発光ダイオード（ＬＥＤ）光源などにより構成されたマルチカラーバックライトを用い、点灯色を順次時間的に切り換えることにより、カラー表示を行う。

図６を参照して、従来のＦＳ駆動方法の具体例について説明する。図６は、各セグメントの入力信号と、バックライト点灯状態とを示すタイミングチャートである。液晶表示素子として、ノーマリーブラック型のものを想定している。

１つの画像を表示する時間的単位である１フレーム内に、バックライトがＲ、Ｇ、Ｂそれぞれに点灯する３つのサブフレームＳＢ１〜ＳＢ３が設定されている。例えば、１フレームの長さは、ＮＴＳＣ規格に従った１６．７ｍｓであり、各サブフレームの長さは、１フレームを等間隔に３分割した５．５７ｍｓである。

なお、一般に、液晶表示素子は、印加電圧に対する応答がバックライトのそれに比べて遅いため、液晶表示素子がある程度応答するまでバックライトを点灯させないブランク時間を要する。

各サブフレームの切り換え直後から、ブランク時間Ｂが設けられている。ブランク時間Ｂの後、各サブフレームの終了時刻までが、サブフレームに対応する色のバックライトを点灯させるバックライト点灯時間Ｌとなっている。

サブフレーム動作を人間の目に認識されない速度（例えば約１６．７ｍｓ／フレーム、約５．５７ｍｓ／サブフレーム、約３ｍｓ／ブランク時間）で駆動させれば、狙い通りの、ちらつきの抑えられたカラー表示を実現可能である。図６に示す例で、セグメント１はＲとＧの混色である黄、セグメント２はＲとＢの混色であるマゼンタ、セグメントｎはＧのみの緑の表示として、人間の目に認識される。なお、白表示する場合には、ＲＧＢ３色の混色が必要となる。

ただし、上述のＦＳ駆動方法（このＦＳ駆動方法を、後述するカラーブレークレスＦＳ駆動方法と区別する場合には、通常のＦＳ駆動方法と呼ぶこととする）では、特に観察者の周囲が暗い場合に、観察者の視線が表示素子から離れた時や、素子自体に振動が加わった場合など（例えば自動車内環境において）、通常状態では人間の目に認識されない、各サブフレームの画像が分離して観察されるカラーブレークと呼ばれる現象が現れる場合がある。この現象は、人間の心理的要因からあまり好ましい表示状態とはいえない。カラーブレーク現象は、特に、白表示部分にはっきり現れることから、混色させる点灯色が多いほど、生じやすいと考えられる。

本願発明者らは、カラーブレーク現象を解消可能なＦＳ駆動方法（カラーブレークレスＦＳ駆動方法）を提案した（特許文献１参照）。この駆動方法の基本的な考え方は、１サブフレーム内において、バックライトの点灯色として原色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）のみではなく、混色（白やオレンジ等）も用い、各セグメント表示部においては１サブフレームでのみバックライト光を透過させることにより、カラーブレーク現象を生じさせない、というものである。

図７を参照して、カラーブレークレスＦＳ駆動方法の具体例について説明する。図７は、各セグメントの入力信号と、バックライト点灯状態とを示すタイミングチャートである。液晶表示素子として、ノーマリーブラック型のものを想定している。

この例では、１フレームが１６．７ｍｓであり、等間隔（等時間）の３つのサブフレームを設定している。バックライト発光色は、第１のサブフレームで白とし、第２のサブフレームでオレンジとし、第３のサブフレームで青としている。この駆動方法では、１フレーム内で可能な表示色は、サブフレーム数をＭとして、発光色Ｍに黒を加えたＭ＋１色となる。なお、各サブフレームの間隔は、バックライトの発光色に応じて変化させても良い。即ち、サブフレームは不等間隔でも動作可能である。

この例では、セグメント１で白表示を行い、セグメントｎでオレンジ表示を行い、セグメント２は暗表示のまま（黒表示）である。バックライトの点灯タイミングについて、通常のＦＳ駆動方法と同様に、サブフレーム切り換え直後、液晶表示素子の電気光学応答を待つため約３ｍｓのブランク時間Ｂを設けている。ブランク時間Ｂの後、サブフレームの終了まで、サブフレームに対応する色のバックライトを点灯させるバックライト点灯時間Ｌが設けられる。

なお、フレームごとにバックライト点灯色を可変にできるので、液晶表示素子の動作が明と暗の２値動作である場合は、上記通常ＦＳ駆動方法に比べて、表示色が大幅に増加可能であることは明白であろう。

このような動作を行うことにより、外観上狙い通りの、ちらつきの無いカラー表示を、カラーブレークなしに実現することが可能である。

特許３８９４３２３号公報

ＦＳ駆動される液晶表示装置において、表示輝度を高める種々の技術が望まれる。

本発明の一目的は、ＦＳ駆動され、表示輝度向上が図られた液晶表示装置を提供することである。

本発明の一観点によれば、明表示、暗表示をスイッチング可能な複数の表示部を含む液晶表示素子と、複数色の光を点灯させるバックライトと、時間的繰り返し周期であるフレームが複数のサブフレームに分割され、サブフレームごとに、前記バックライトの点灯色と前記液晶表示素子の表示部の表示状態とを制御するフィールドシーケンシャル駆動を行う駆動装置であって、あるフレームの最後の第１のサブフレームの点灯色と、その直後のフレームの最初の第２のサブフレームの点灯色とが一致するよう、フレームごとの点灯色順序を変化させるとともに、該第１のサブフレームの点灯期間が該第２のサブフレーム内の点灯開始時間までの期間で引き続いて点灯するように前記バックライトを制御し、さらに、フレーム内の点灯色の点灯順序に対応して表示部の明表示となる順序が変化するように前記液晶表示素子を制御する駆動装置とを有する液晶表示装置が提供される。

第１と第２のサブフレームで点灯色が同色であり第２のサブフレームのブランク時間を不要にできる。第２のサブフレームにブランク時間を設けた場合よりも、第２のサブフレームにおける点灯時間を長く確保することが可能となり、表示輝度向上が図られる。

まず、図１を参照して、比較例及び実施例の液晶表示装置に共通な構成について説明する。図１は、比較例または実施例の液晶表示装置の概略斜視図である。

相互にクロスニコル配置された偏光板１、４の間に、垂直配向型液晶セル３が挟まれて、垂直配向型液晶表示素子１０が形成されている。垂直配向型液晶セル３は、所望の表示を可能な電極パターンが内面に形成された上下ガラス基板と、上下ガラス基板の間に挟まれた液晶層とを含む。

液晶層中の液晶分子は、電圧無印加時、上下ガラス基板表面に対してほぼ垂直方向に配向しており、電圧印加によって、垂直方向から倒れ込む。垂直配向型液晶表示素子１０は、電圧無印加時に暗表示を行い、電圧印加時に明表示を行うノーマリーブラック型表示素子となる。

必要に応じて、垂直配向型液晶セル３と、上下偏光板１、４との間の少なくとも一方に、視角補償板が配置される。この例では、垂直配向型液晶セル３と上側偏光板１との間に、視角補償板２が配置されている。

下側偏光板４の下方に、導光板６、及び、赤緑青（ＲＧＢ）発光可能な光源（例えば発光ダイオード（ＬＥＤ））７を含むバックライト１１が配置されている。バックライト１１により、所望の色の点灯色が得られる。駆動装置５が、液晶表示素子１０の表示状態とバックライト１１の点灯状態を同期制御して、フィールドシーケンシャル駆動を行う。液晶表示素子１０の表示パターンは、白表示をするセグメント表示部と、カラー表示をするセグメント表示部を含む。なお、カラー表示というとき、白表示及び黒表示は含まないものとする。

比較例及び実施例の検討に用いた液晶表示素子１０は、以下のような応答特性を示した。電圧印加開始により暗表示状態から明表示状態に切り換わるときの応答速度は約２ｍｓであったが、電圧印加から光透過率の上昇が始まるまでに約１．４ｍｓの遅延時間があった。電圧印加終了により明表示状態から暗表示状態に切り換わるときの応答速度は約２．５ｍｓであった。

次に、図２を参照して、第１の比較例の駆動方法について説明する。図２は、上から順に、セグメント表示部Ｓ１〜Ｓ３の電圧印加状態、セグメント表示部Ｓ１〜Ｓ３の光透過率、及び、バックライトの点灯色の変化を示すタイミングチャートである。

連続する３フレームＦ１〜Ｆ３が示されており、各フレーム内は、３つのサブフレームＳＢ１〜ＳＢ３に分割されている。１フレームは１６．７１ｍｓに、１サブフレームは５．５７ｍｓに設定されている。セグメント表示部Ｓ１〜Ｓ３には、スタティック駆動条件で矩形波の駆動電圧が印加される。

なお、このようなタイミングチャートは、以下に説明する第２の比較例、第１、第２の実施例でも共通なので、以下単にタイミングチャートと呼ぶこととする。

第１の比較例では、セグメント表示部Ｓ１を白表示し、セグメント表示部Ｓ２をシアン表示し、セグメント表示部Ｓ３を黄表示する。フレームＦ１において、最初のサブフレームＳＢ１で白、２番目のサブフレームＳＢ２でシアン、３番目のサブフレームＳＢ３で黄のバックライトが点灯される。

これに対応して、フレームＦ１において、白表示するセグメント表示部Ｓ１が最初のサブフレームＳＢ１のみで、シアン表示されるセグメント表示部Ｓ２が２番目のサブフレームＳＢ２のみで、黄表示されるセグメント表示部Ｓ３が３番目のサブフレームＳＢ３のみで電圧印加されている。１フレーム当たり１つのサブフレームのみで各セグメント表示部が明表示にされるカラーブレークレスフィールドシーケンシャル駆動が行われている。フレームＦ１と同様なシーケンスが、以後のフレームＦ２、Ｆ３でも繰り返される。

次に、セグメント表示部の光透過率変化とバックライトの点灯タイミングについて説明する。例えば、フレーム内の最初のサブフレームＳＢ１でセグメント表示部Ｓ１を明表示にする場合について考える。

サブフレームＳＢ１開始時刻に、セグメント表示部Ｓ１への電圧印加が開始される。しかし、液晶表示素子の応答特性により、電圧印加開始から明表示の光透過率に達するまでに約２．０ｍｓを要し、また電圧印加から光透過率の増加が開始するまでに約１．４ｍｓを要する。明表示の光透過率に達した後、サブフレームＳＢ１終了時刻まで、明表示状態が保たれる。

サブフレームＳＢ１終了時刻、つまり次のサブフレームＳＢ２の開始時刻に、セグメントＳ１への電圧印加が終了する。しかし、液晶表示素子の応答特性により、電圧印加終了から暗表示の光透過率に達するまでに約２．５ｍｓを要する。

サブフレームＳＢ１の直前のサブフレームＳＢ３で、黄表示されるセグメントＳ３が明表示にされている。サブフレームＳＢ３の終了時刻、つまりサブフレームＳＢ１の開始時刻に、セグメントＳ３への電圧印加が終了するが、セグメントＳ３が暗表示状態となるまでに約２．５ｍｓを要する。

サブフレームＳＢ１での白色点灯は、セグメント表示部Ｓ３に白色が混色するのを防ぐために、セグメント表示部Ｓ３が暗表示状態になるのを待って開始される。この例では、サブフレームＳＢ１開始から約２．８ｍｓのブランク時間を待って、白色点灯が開始される。点灯は、サブフレームＳＢ１の終了時刻まで持続される。サブフレームが５．５７ｍｓに設定されているので、点灯時間は２．７７ｍｓ（＝５．５７ｍｓ−２．８ｍｓ）となる。サブフレームＳＢ２及びＳＢ３でのシアン、黄のバックライト点灯についても同様に、約２．８ｍｓのブランク時間と、２．７７ｍｓの点灯時間が設定されている。

第１の比較例では、各セグメント表示部の、３フレーム当たりのバックライト点灯時間が、総計８．３１ｍｓ（＝２．７７ｍｓ×３）となる。点灯時間８．３１ｍｓの、３フレームの総時間５０．１３ｍｓに対する比率は、約１６．５％に留まる。表示輝度を上げるために、例えばバックライトのＬＥＤ光源の数量を増やせば、コストアップの要因となる。表示輝度向上を図るための種々の技術が望まれる。

次に、第２の比較例の駆動方法について説明する。上述のように、例えば、サブフレームＳＢ１の終了時刻、つまりサブフレームＳＢ２の開始時刻に、セグメント表示部Ｓ１への電圧印加が終了し、セグメント表示部Ｓ１が約２．５ｍｓの応答速度で暗表示状態に切り換わる。一方、サブフレームＳＢ２の開始時刻に、セグメント表示部Ｓ２への電圧印加が開始するが、光透過率の増加が開始するまでの約１．４ｍｓの間、セグメント表示部Ｓ２は暗表示状態が保たれる。

従って、サブフレームＳＢ２の開始時刻から約１．４ｍｓの間であれば、セグメント表示部Ｓ２がまだ暗表示状態に保たれている一方で、セグメント表示部Ｓ１はある程度の光透過状態を保っている。この期間に、サブフレームＳＢ１で点灯させた白色を延長して点灯させれば、セグメント表示部Ｓ２に白色が混色することなく、セグメント表示部Ｓ１の表示輝度を向上させることができる。これは、セグメント表示部Ｓ２、Ｓ３の表示についても同様である。第２の比較例の駆動方法は、このようなバックライトの点灯延長を行うものである。

図３は、第２の比較例の駆動方法のタイミングチャートである。第１の比較例と同様に、セグメント表示部Ｓ１〜Ｓ３がそれぞれ、白表示、シアン表示、黄表示されるカラーブレークレスフィールドシーケンシャル駆動が行われており、フレームＦ１と同様なシーケンスが、以後のフレームＦ２、Ｆ３でも繰り返されている。

ただし、第２の比較例では、あるサブフレームに対応する点灯色が、その直後のサブフレームの初期約１．４ｍｓまで延長して点灯されている。なお、この点灯延長期間における光透過率は、平均として、例えば明表示状態の光透過率の７０％程度であった。

第２の比較例では、各セグメント表示部の、３フレーム当たりのバックライト点灯時間が、総計１１．２５ｍｓ（＝（２．７７ｍｓ＋１．４ｍｓ×０．７）×３）と見積もられる。点灯時間１１．２５ｍｓの、３フレームの総時間５０．１３ｍｓに対する比率は、約２２．４％まで改善される。

次に、図４を参照して、本発明の第１の実施例による駆動方法について説明する。図４は、第１の実施例の駆動方法のタイミングチャートである。セグメント表示部Ｓ１〜Ｓ３がそれぞれ、白表示、シアン表示、黄表示されるカラーブレークレスフィールドシーケンシャル駆動が行われることは、第１の比較例と同様である。ただし、フレームＦ１と同様なシーケンスを以後のフレームＦ２、Ｆ３でも繰り返した第１の比較例と異なり、第１の実施例では、フレームごとにバックライトの点灯色順序を入れ換える。

第１の実施例では、フレームＦ１で白、シアン、黄、フレームＦ２で黄、白、シアン、フレームＦ３でシアン、黄、白の順でバックライトを点灯させている。あるフレームの最後のサブフレームの点灯色が、その直後のフレームの最初のサブフレームの点灯色となるように、点灯色順序を入れ換えている。バックライトの点灯色順序に対応して、セグメント表示部Ｓ１〜Ｓ３の明表示となる順序もフレームごとに入れ換えられている。連続する３つのフレームＦ１〜Ｆ３で点灯順序の入れ換えが一巡し、フレームＦ１〜Ｆ３を１単位としたシーケンスが繰り返される。

このような点灯色順序の入れ換えを行うことにより、フレームの最初のサブフレームでは、その直前のサブフレームの点灯色との混色が問題とならない。このため、フレームの最初のサブフレームでは、その直前のサブフレームから引き続いて同色のバックライトを点灯させておくことができ、また、その直前のサブフレームから引き続いて同じセグメント表示部を明表示状態にしておくことができる。フレームの最初のサブフレームで、サブフレームの開始時刻から、ブランク時間を設けずにバックライトを点灯できる。点灯開始までに設けられていたブランク時間を、有効に点灯時間として利用できる。

第１の実施例では、各セグメント表示部の、３フレーム当たりのバックライト点灯時間が、総計１１．１１ｍｓ（＝２．７７ｍｓ×２＋５．５７ｍｓ）と見積もられる。点灯時間１１．１１ｍｓの、３フレームの総時間５０．１３ｍｓに対する比率は、約２２．２％となり、第１の比較例（１６．５％）より改善される。

次に、図５を参照して、第２の実施例による駆動方法について説明する。図５は、第２の実施例の駆動方法のタイミングチャートである。第２の実施例は、第１の実施例の駆動方法に対して、さらに、第２の比較例で説明したようなバックライトの点灯延長を採用したものである。

第２の実施例では、各セグメント表示部の、３フレーム当たりのバックライト点灯時間が、総計１３．０７ｍｓ（＝２．７７ｍｓ×２＋５．５７ｍｓ＋１．４ｍｓ×０．７×２）と見積もられる。点灯時間１３．０７ｍｓの、３フレームの総時間５０．１３ｍｓに対する比率は約２６．１％となり、第１の比較例（１６．５％）、第２の比較例（２２．４％）より改善される。

なお、以上の実施例では、液晶表示素子の駆動としてスタティック駆動を想定したが、実施例の表示輝度向上技術は、例えば１／２デューティ〜１／１６デューティのマルチプレックス駆動においても有効である。また、液晶表示素子内に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を備えたアクティブマトリクス駆動にも適用可能である。走査線本数が多くなるほど、表示輝度向上効果は有効となる。なお、上記実施例では、表示パターンをセグメント表示としたが、ドットマトリクス表示、及び、セグメント表示とドットマトリクス表示の混合表示に対しても有効である。

また、以上の実施例では１フレームにおけるサブフレーム数を３としたが、１フレームにおけるサブフレーム数はこれに限られず、２以上の複数サブフレームであれば同様な効果を得ることができる。

以上の実施例の技術が適用できる製品として、情報表示装置全般が挙げられる。例えば、車載用情報表示装置、カーオーディオの表示部、コピー機等事務機器の操作パネル表示部等である。

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。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

図１は、比較例または実施例の液晶表示装置の概略斜視図である。 図２は、第１の比較例のタイミングチャートである。 図３は、第２の比較例のタイミングチャートである。 図４は、第１の実施例のタイミングチャートである。 図５は、第２の実施例のタイミングチャートである。 図６は、通常ＦＳ駆動の例を示すタイミングチャートである。 図７は、カラーブレークレスＦＳ駆動の例を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１、４ 偏光板
２ 視角補償板
３ 垂直配向型液晶セル
５ 駆動装置
６ 導光板
７ 光源
１０ 液晶表示素子
１１ バックライト

Claims (4)

1. 明表示、暗表示をスイッチング可能な複数の表示部を含む液晶表示素子と、
   複数色の光を点灯させるバックライトと、
   時間的繰り返し周期であるフレームが複数のサブフレームに分割され、サブフレームごとに、前記バックライトの点灯色と前記液晶表示素子の表示部の表示状態とを制御するフィールドシーケンシャル駆動を行う駆動装置であって、あるフレームの最後の第１のサブフレームの点灯色と、その直後のフレームの最初の第２のサブフレームの点灯色とが一致するよう、フレームごとの点灯色順序を変化させるとともに、該第１のサブフレームの点灯期間が該第２のサブフレーム内の点灯開始時間までの期間で引き続いて点灯するように前記バックライトを制御し、さらに、フレーム内の点灯色の点灯順序に対応して表示部の明表示となる順序が変化するように前記液晶表示素子を制御する駆動装置と
   を有する液晶表示装置。
2. 前記駆動装置は、異なる点灯色を点灯させ連続する第３及び第４のサブフレームにおいて、該第３のサブフレームで点灯された点灯色が該第４のサブフレームの開始から当該サブフレームの点灯開始時間より早い時間まで延長して点灯するように、前記バックライトを制御する請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記駆動装置は、１フレーム当たり、前記表示部の各々を１サブフレームのみで明表示するように前記液晶表示素子を制御する請求項１または２に記載の液晶表示装置。
4. 前記液晶表示素子は、垂直配向型の液晶セル、該液晶セルの上下にクロスニコル配置された一対の偏光板を含み、ノーマリーブラック型である請求項１〜３のいずれか１項に記載の液晶表示装置。

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