JPWO2009050778A1 - ドットマトリクス型の表示素子を有する表示装置 - Google Patents

ドットマトリクス型の表示素子を有する表示装置 Download PDF

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Abstract

安価な汎用ドライバを使用して複数ライン同時駆動を可能にしたドットマトリクス型の表示素子を有する表示装置が開示されており、メモリ性の表示材料を有するドットマトリクス型の表示素子10と、表示素子のロウ電極を駆動するロウドライバ26と、表示素子のカラム電極を駆動するカラムドライバ27と、ロウドライバおよびカラムドライバに駆動電圧を供給する多電圧電源23と、を備える表示装置であって、ロウドライバおよびカラムドライバは、汎用のセグメントドライバで構成され、表示素子の画素に印加する印加電圧の極性に応じて、前記ロウドライバに供給する駆動電圧を切り替える電源切替スイッチ54を備える。

Description

本発明は、ドットマトリクス型の表示素子を有する表示装置に関し、特にコレステリック液晶などのメモリ性の表示材料を有するドットマトリクス型の表示素子を有する表示装置に関する。
近年、各企業および大学などにおいて、電子ペーパーの開発が盛んに進められている。電子ペーパーの利用が期待されている応用分野として、電子書籍を筆頭に、モバイル端末機器のサブディスプレイやICカードの表示部など、多様な応用形態が提案されている。電子ペーパーの有力な方式の1つに、コレステリック液晶がある。コレステリック液晶は、半永久的な表示保持(メモリ性)や鮮やかなカラー表示、高コントラスト、高解像度といった優れた特徴を有している。
コレステリック液晶は、カライラルネマティック液晶とも称されることがあり、ネマティック液晶にキラル性の添加剤(カイラル材)を比較的多く(数十%)添加することにより、ネマティック液晶の分子がらせん状のコレステリック相を形成する液晶である。
図1Aおよび図1Bは、コレステリック液晶の状態を説明する図である。図1Aおよび図1Bに示すように、コレステリック液晶を利用した表示素子10は、上側基板11と、コレステリック液晶層12と、下側基板13と、有する。コレステリック液晶には、図1Aに示すように入射光を反射するプレーナ状態と、図1Bに示すように入射光を透過するフォーカルコニック状態と、があり、これらの状態は、無電界下でも安定してその状態が保持される。
プレーナ状態の時には、液晶分子のらせんピッチに応じた波長の光を反射する。反射が最大となる波長λは、液晶の平均屈折率n、らせんピッチpから次の式で表される。
λ=n・p
一方、反射帯域Δλは、液晶の屈折率異方性Δnにより大きく異なる。
プレーナ状態の時には、入射光が反射するので「明」状態、すなわち白を表示することができる。一方、フォーカルコニック状態の時には、下側基板13の下に光吸収層を設けることにより、液晶層を透過した光が吸収されるので「暗」状態、すなわち黒を表示することができる。
次に、コレステリック液晶を利用した表示素子の駆動方法を説明する。
図2は、一般的なコレステリック液晶の電圧−反射特性の一例を示している。横軸は、コレステリック液晶を挟む電極間に所定のパルス幅で印加されるパルス電圧の電圧値(V)を表し、縦軸はコレステリック液晶の反射率(%)を表している。図2に示す実線の曲線Pは、初期状態がプレーナ状態のコレステリック液晶の電圧−反射率特性を示し、破線の曲線FCは、初期状態がフォーカルコニック状態のコレステリック液晶の電圧−反射率特性を示す。
図2において、電極間に所定の高電圧VP100(例えば±36V)を印加して、コレステリック液晶中に相対的に強い電界を発生させると、液晶分子のらせん構造は完全にほどけて、すべての分子が電界の方向に従うホメオトロピック状態になる。次に、液晶分子がホメオトロピック状態の時に、印加電圧をVP100から所定の低電圧(例えば、VF0=±4V)に急激に低下させて、液晶中の電界を急激にほぼゼロにすると、液晶のらせん軸は電極に垂直になり、らせんピッチに応じた光を選択的に反射するプレーナ状態になる。
一方、電極間に所定の低電圧VF100b(例えば、±24V)を印加し、コレステリック液晶中の相対的に弱い電界を発生させると、液晶分子のらせん構造が完全には解けない状態になる。この状態において、印加電圧をVF100bから低電圧VF0に急激に低下させて、液晶中の電界を急激にほぼゼロにするか、あるいは強い電界を印加し緩やかに電界を除去した場合は、液晶分子のらせん軸が電極に平行になり、入射光を透過するフォーカルコニック状態になる。
また、中間的な強さの電界を印加し、急激に電界を除去すると、プレーナ状態とフォーカルコニック状態が混在し、中間調の表示が可能となる。
以上の現象を利用して、表示を行う。
以上説明した電圧応答特性に基づく駆動方法の原理を、図3Aから図3Cを参照して説明する。
図3Aは電圧パルスのパルス幅が数十msの場合のパルス応答特性を示し、図3Bは電圧パルスのパルス幅が2msの場合のパルス応答特性を示し、図3Cは電圧パルスのパルス幅が1msの場合のパルス応答特性を示す。それぞれの図において、上側にはコレステリック液晶に印加される電圧パルスが示され、下側には電圧−反射率特性が示され、横軸は電圧(V)を表し、縦軸は反射率(%)を表す。液晶の駆動パルスとしてよく知られているように、電圧パルスは、分極による液晶の劣化を防止するために、正極性と負極性のパルスを組み合わせている。
図3Aに示すように、パルス幅が大きい場合には、実線で示すように、初期状態がプレーナ状態だと、電圧をある範囲に上げると、フォーカルコニック状態となり、さらに電圧を上げると、再度プレーナ状態となる。破線で示すように、初期状態がフォーカルコニック状態だと、パルス電圧を上げるにつれて次第にプレーナ状態になる。
パルス幅が大きい場合に、初期状態がプレーナ状態とフォーカルコニック状態のいずれでも必ずプレーナ状態になるパルス電圧は、図3Aでは±36Vである。また、この中間のパルス電圧では、プレーナ状態とフォーカルコニック状態が混在した状態になり、中間調が得られる。
一方、図3Bに示すように、パルス幅が2msの場合には、初期状態がプレーナ状態では、パルス電圧が10Vでは反射率は変化しないが、それ以上大きな電圧になるとプレーナ状態とフォーカルコニック状態が混在した状態になり、反射率が低下する。反射率の低下量は電圧が大きくなるに従って大きくなるが、36Vよりさらに大きな電圧になると反射率の低下量は一定となる。これは、初期状態がプレーナ状態とフォーカルコニック状態が混在した状態でも同じである。従って、初期状態がプレーナ状態である場合に、パルス幅が2msでパルス電圧が20Vの電圧パルスを1回印加すると、反射率はある程度低下する。このようにしてプレーナ状態とフォーカルコニック状態が混在した状態で反射率が少し低下した状態で、パルス幅が2msでパルス電圧が20Vの電圧パルスをさらに印加すると、反射率はさらに低下する。これを繰り返すと、反射率は所定値まで低下する。
図3Cに示すように、パルス幅が1msの場合には、パルス幅が2msの場合と同様に、電圧パルスを印加することにより反射率が低下するが、反射率の低下具合はパルス幅が2msの場合と比べて小さい。
以上のことから、数十msのパルス幅で36Vのパルスを印加すればプレーナ状態になり、2msのパルス幅で十数Vから20V程度のパルスを印加すればプレーナ状態とフォーカルコニック状態が混在した状態になって反射率が低下し、反射率の低下量は、パルスの累積時間に関係すると考えられる。
コレステリック液晶による多階調表示方法については各種の駆動方法が提案されている。コレステリック液晶の多階調表示の駆動方法は、ダイナミック駆動とコンベンショナル駆動の2つの方法に分けられる。
特許文献1は、ダイナミック駆動法を記載している。しかし、ダイナミック駆動法は、駆動波形が複雑なため、複雑な制御回路およびドライバICを必要とし、パネルの透明電極も低抵抗ものが必要であるため、製造コストが高くなるという問題がある。また、ダイナミック駆動法は、消費電力も大きいという問題がある。
非特許文献1は、コンベンショナル駆動法を記載している。非特許文献1は、液晶特有の累積時間を利用し、短いパルスを印加する回数を調整することで、徐々にプレーナ状態からフォーカルコニック状態へ、あるいはフォーカルコニックからプレーナ状態へ準動画レートの比較的高速で駆動する方法を記載している。
しかし、非特許文献1に記載された駆動方法では、準動画レートの高速であるため駆動電圧が50〜70Vと高くなるため、それがコストアップの要因となる。さらに、非特許文献1に記載された"Two phase cumulative drive scheme"は、"preparation phase"と"selection phase"の2つのステージを用いてプレーナ状態への累積時間とフォーカルコニック状態への累積時間の2方向の累積時間をもちいるため、表示品質の問題がある。また、細かいパルスを何度も印加するため、非特許文献1に記載された駆動方法では、消費電力が大きいという問題もある。
特許文献2および3は、フォーカルコニック状態へのリセットを応用した早送りモードの駆動方法を記載している。この駆動方法は、上記の駆動方法に比べて、比較的高いコントラストが得られるという利点があるが、リセット後の書込みは汎用STNドライバICでは困難な高電圧を必要とし、さらにはプレーナ状態へ向けた累積書込みになるため、半選択・非選択画素へのクロストークが問題になる。他に、この駆動方法も、細かいパルスを何度も印加するため、消費電力が大きいという問題がある。
コンベンショナル駆動法で累積時間を利用して階調を設定する場合、上記のように、短いパルスの印加回数を調整する方法に加えて、パルス幅を異ならせる方法が考えられる。パルス幅を異ならせる方法の方が、短いパルスの印加回数を調整するよりも、消費電力を抑制する上では有利である。以下、パルス幅を異ならせて累積時間を変化させることにより階調を設定する方法をPWM(Pulse Width Modulation)法と称する。
特許文献4は、コレステリック液晶ではないが、液晶表示装置でパルス幅の異なる正極パルスおよび負極パルスを印加する構成を記載している。図4Aから図4Cは、引用文献4に記載されたパルス幅の異なるパルスの例を示しており、図4A、図4B、図4Cの順でパルス幅が長くなる。図4Aから図4Cに示したパルスは、1単位のパルスの長さが等しく、パルス幅の異なる正極パルスと負極パルスを有する。このようなパルスを利用することにより、液晶の分極による劣化が防止できる。
上記のように、累積時間を異ならせて階調を異ならせる場合、短いパルスを印加する回数を異ならせる方法と、パルス幅を異ならせる方法(PWM法)があるが、いずれの場合も、図5に示すような電圧を画素に印加する。コレステリック液晶では、正負にかかわらず大きな電圧を印加すると状態が変化する。コレステリック液晶を利用した液晶表示装置では、横方向に伸びる1スキャンラインずつ書込みを行い、書き込むスキャンラインをシフトする動作を繰り返す。そのため、選択したスキャンラインをグランドレベルに、他の非選択スキャンラインに中程度の電圧(例えば15V)を印加する。縦方向に伸びるデータラインには、大きな電圧(20V)のパルスを印加するが、パルス幅以外の部分の電圧をグランドにすると、非選択スキャンラインの画素で逆極性の大きな電圧(−15V)が印加されることになり、液晶の状態が変化する。このような変化を防止するため、コレステリック液晶を利用した液晶表示装置では、図5に示すように、正極フェーズでは、ベース電圧が+10Vで、パルス電圧が+20V、負極フェーズでは、ベース電圧が−10Vで、パルス電圧が−20Vのパルスを使用する。これにより、非選択スキャンラインの画素には+5Vまたは−5Vが印加されることになり、液晶の状態が変化することはない。選択スキャンラインでは、パルス部分では+20Vまたは−20Vが印加され、それ以外のベース部分では+10Vまたは−10Vが印加される。
図6は、コレステリック液晶などのメモリ性の表示材料を有するドットマトリクス型の表示素子10を使用した従来例の表示装置の全体構成を示す図である。例えば、表示素子10は、A4判XGA仕様で、1024×768画素を有する。電源21は、例えば3V〜5Vの電圧を出力する。昇圧部22は、DC−DCコンバータなどのレギュレータにより、電源21からの入力電圧を36V〜40Vに昇圧する。多電圧生成部23は、昇圧された電圧からロウドライバ(コモンドライバ)26およびカラムドライバ(セグメントドライバ)27に供給する複数の電圧を生成する。クロック源24は、各部の制御に使用するクロックを出力する。ドライバ制御回路25は、いくつかの制御信号を出力してロウドライバ26およびカラムドライバ27の制御を行う。走査(スキャン)ラインデータSLDは、ロウドライバ26がラッチして順にシフトさせるデータである。データ取り込みクロックXCLKは、カラムドライバ27が内部で画像データを転送するためのクロックである。フレーム開始信号DIOは表示ラインの更新を指示する信号である。パルス極性制御信号FRは、印加電圧の極性反転信号である。スキャンシフト信号LP_COMはロウドライバ26において表示ラインの更新を指示する信号である。/DSPOFは、印加電圧の強制オフ(OFF)信号である。カラムデータラッチ信号LP_SEGは、カラムドライバ27において表示ラインの更新を指示する信号である。カラムドライバ27には、画像データが入力される。
ロウドライバ(コモンドライバ)26は768本のスキャンラインを駆動し、カラムドライバ(セグメントドライバ)27は1024本のデータラインを駆動する。RGBの各画素に与える画像データが異なるため、カラムドライバ27は各データラインを独立して駆動する。ロウドライバ26は、RGBのラインを共通に駆動する。ロウドライバ(コモンドライバ)26およびカラムドライバ(セグメントドライバ)27は、それぞれ汎用の2値出力のSTNドライバが使用される。広く使用されているドライバICには、コモンドライバ用ICおよびセグメントドライバ用ICがあり、さらにモード切替端子に印加する電圧に応じて、コモンドライバとしてもセグメントドライバとしても使用可能なICがある。
図7は、図6の従来の表示装置における階調書込み動作の駆動シーケンスを示すタイムチャートである。LP_COMおよびLP_SEGを印加して表示ラインを更新すると、XCLKに応じて1ライン分のデータをカラムドライバ27に供給し、1024個の画素データをシフトして1ライン分の画素データが揃った時点でLP_COMおよびLP_SEGを印加すると、ロウドライバ26は1スキャンラインに正極フェーズのパルスを出力し、カラムドライバ27は、1024本のデータラインに1ライン分の画像データに対応した正極フェーズのパルスを出力する。正極フェーズのパルスの印加が終了すると、負極フェーズのパルスの印加を行う。これと並行して、上記と同様に次の1ライン分の画素データを供給する。以下、同様の処理を繰り返して、全画面に表示データに応じた正極および負極フェーズのパルスの印加を行う。階調レベルに対応したパルスの累積印加時間を、パルス数で調整する場合は、各データラインごとに印加するパルスの回数を変化させ、パルス長で調整する場合は、各データラインごとに印加するパルス幅を変化させる。
なお、全画素をプレーナ状態にするリセット処理では、全画素に高電圧(例えば36V)でパルス幅の広い正極および負極フェーズで対称のパルスの印加を行う。
図7に示した駆動方法は広く知られているので、これ以上の説明は省略する。
図8Aから図8Cは、図6の表示装置を、図7の駆動シーケンスで動作させた場合の駆動例を示す図である。図8Aの例では、ロウドライバ26は、選択された1番目のラインにスキャンパルスを印加し、カラムドライバ27は、1番目のラインの画像データに対応したオン/オフ電圧を出力する。図8Bの例では、ロウドライバ26は、選択された2番目のラインにスキャンパルスを印加し、カラムドライバ27は、2番目のラインの画像データに対応したオン/オフ電圧を出力する。図8Cの例では、ロウドライバ26は、選択された3番目のラインにスキャンパルスを印加し、カラムドライバ27は、3番目のラインの画像データに対応したオン/オフ電圧を出力する。3番目のラインの画像データは、全画素が黒表示、すなわち横方向の黒ラインである。
図9Aは、汎用セグメントドライバの構成を、図9Bは、汎用コモンドライバの構成を示す図である。図9Aに示すように、セグメントドライバは、データレジスタ31と、ラッチレジスタ32と、ロジック電圧をLCD駆動電圧に変換する電圧変換部33と、出力ドライバ34と、を有する。ラッチレジスタ32は、データラッチ信号LP_SEGに応じてデータレジスタ31から1ライン分のデータを取り込む。電圧変換部33は、ラッチレジスタ32に取り込まれたデータに対応したLCD駆動電圧を、出力ドライバ34から1ライン分同時に出力する。セグメントドライバは、データレジスタ31と、ラッチレジスタ32の2ライン分のバッファがあるため、ラッチレジスタ32のデータが出力されている間に次のラインのデータをデータレジスタ31に格納することができる。
図9Bに示すように、コモンドライバは、シフトレジスタ41と、ラッチレジスタ42と、電圧変換部43と、出力ドライバ44と、を有する。シフトレジスタ41は、スキャンシフト信号LP_COMに応じて、選択するスキャンラインを示すデータをシフトさせる。これにより、画面を1ラインずつ走査する。コモンドライバは、走査用のため、セグメントドライバのように電圧出力中に次のラインのデータを受けて格納するという機能を有さない。
図10Aは汎用セグメントドライバの出力電圧を示し、図10Bは汎用コモンドライバの出力電圧を示す。図10Aに示すように、汎用セグメントドライバは、データ信号が”1”で、極性制御信号FRが”1”の時にはV0を出力し、極性制御信号FRが”0”の時にはグランドレベル(GND)を出力し、データ信号が”0”で、極性制御信号FRが”1”の時にはV21を、極性制御信号FR”0”の時にはV34を出力する。ここで、V0、V21、V34は、外部から汎用セグメントドライバに供給される電圧であり、V0≧V21≧V34≧GNDの制限条件を満たす必要がある。
図10Bに示すように、汎用コモンドライバは、データ信号が”1”で、極性制御信号FRが”1”の時にはGNDを出力し、極性制御信号FRが”0”の時にはV0を出力し、データ信号が”0”で、極性制御信号FRが”1”の時にはV21を、極性制御信号FR”0”の時にはV34を出力する。V0、V21、V34は、外部から汎用セグメントドライバに供給される電圧であり、V0≧V21≧V34≧GNDの制限条件を満たす必要がある。ここで、セグメントドライバの出力するV21およびV34をV21SおよびV34Sと、コモンドライバの出力するV21およびV34をV21CおよびV34Cで表す。
コレステリック液晶を利用した表示装置では、プレーナ状態から中間調レベルに変化させるために印加する階調パルスとしてカラムドライバ(セグメントドライバ)およびロウドライバ(コモンドライバ)は、例えば図11Aに示すようなパルスを出力する。このようなパルスを印加することにより、画素には図11Bに示すような電圧が印加される。
カラムドライバには、V0として20Vが、V21SおよびV34Sとして10Vが、供給され、図11Aに示すように、正極フェーズ(FR=1)では正パルスが、負極フェーズ(FR=0)では負パルスが、出力される。
ロウドライバには、V0として20Vが、V21Cとして15Vが、V341Cとして5Vが、供給され、図11Aに示すように、正極フェーズ(FR=1)では負パルスが、負極フェーズ(FR=0)では正パルスが、出力される。
図11Aのようなパルスが印加されることにより、スキャンラインが選択状態(コモンがオン)で、データラインも選択状態(セグメントがオン)では、正極フェーズ(FR=1)においては20Vが、負極フェーズ(FR=0)では−20Vが印加される。スキャンラインが選択状態(コモンがオン)で、データラインが非選択状態(セグメントがオフ)では、正極フェーズ(FR=1)においては10Vが、負極フェーズ(FR=0)では−10Vが印加される。スキャンラインが非選択状態(コモンがオフン)で、データラインが選択状態(セグメントがオン)では、正極フェーズ(FR=1)においては5Vが、負極フェーズ(FR=0)では−5Vが印加される。スキャンラインが非選択状態(コモンがオフン)で、データラインが非選択状態(セグメントがオフ)では、正極フェーズ(FR=1)においては−5Vが、負極フェーズ(FR=0)では5Vが印加される。
図12は、図6の多電圧生成部23の構成の一部を示す図である。レファレンス電圧を抵抗分割することにより、4つの電圧レベルを発生させ、それらを増幅してV0(20V)、V21C(15V)、V21SおよびV34S(10V)およびV34C(5V)を発生させている。なお、他にもプレーナ状態にするためのリセット処理で使用する36Vも発生するが、ここでは図示を省略している。
以上、従来例の表示装置として、コレステリック液晶を利用した表示装置を説明したが、本発明はこれに限定されず、メモリ性を有する表示装置であれば適用可能である。
特開2001−228459号公報 特開2000−147466号公報 特開2000−171837号公報 特開平4−62516号公報 Y.-M. Zhu, D-K. Yang, Cumulative Drive Schemes for Bistable Reflective Cohlesteric LCDs, SID 98 DIGEST, pp798-801, 1998
図8Aから図8Cに示したように、従来の表示装置では、1ラインずつ走査しながら書込みを行っていた。横線、白または黒の帯部など、1ライン分の画像データが同一のラインを同時に書き込めば、表示装置における書込み速度を向上できるので、このような書込み処理を可能にすることが要求されている。図13Aおよび図13Bは、このような書込み処理を説明する図である。図13Aは、画像データが同一の2ラインを同時に書き込む場合を示す。図13Bは、帯状のパターンの黒部分をなす多数のラインを同時に書き込む場合を示す。
しかし、従来の汎用コモンドライバは、走査ドライバであるため、高速に複数ラインを選択することは不可能であった。そのため、ロウドライバを汎用コモンドライバで構成したのでは、図13Aおよび図13Bに示す複数ライン同時駆動は行えない。
また、専用ドライバを使用すれば複数ライン同時駆動行うことは可能であるが、そのような専用ドライバは汎用ドライバに比べて非常の高価であり、表示装置のコストアップを招くという問題がある。
本発明は、安価な汎用ドライバを使用して複数ライン同時駆動を可能にしたドットマトリクス型の表示素子を有する表示装置を実現することを目的とする。
上記目的を実現するため、本発明の表示装置は、ロウドライバおよびカラムドライバの両方をセグメントドライバで構成し、表示素子の画素に印加する印加電圧の極性に応じてロウドライバに供給する駆動電圧を切り替える電源切替スイッチを多電圧電源に設け、ロウドライバに供給するパルス極性信号FRは、カラムドライバに供給するパルス極性信号FRを反転した信号とする。
本発明は、メモリ性のある表示材料を使用する表示装置であれば適用可能であるが、特にコレステリック相を形成する液晶を使用する電子ペーパーのような表示装置に適用するのが好ましい。
コレステリック相を形成する液晶を使用する表示装置では、初期階調状態はプレーナ状態であり、初期階調状態以外の階調状態は、プレーナ状態とフォーカルコニック状態が混在した状態であり、混在比により中間調の値が決定される。表示素子は、画素に初期化電圧パルスを印加して初期階調状態にした後、初期化された画素に対して階調電圧パルスを印加して初期階調状態以外の階調状態にされ、階調パルスの印加される累積時間が、階調状態の値に関係する。表示素子は、複数の異なる反射光を呈する複数の表示素子が積層された積層構造を備えることにより、カラー表示が可能である。
本発明によれば、ロウドライバとして汎用セグメントドライバを使用する。セグメントドライバは、コモンドライバと異なり、データシフトだけでない多様なデータ出力が可能であるため、複数ライン同時駆動が可能である。汎用セグメントドライバは、専用ドライバに比べて安価である。
また、多くの汎用セグメントドライバは、複数ライン分のラインバッファを有しているため、電圧印加中に次のラインデータを受信可能であり、コモンドライバ使用時よりもデータ転送効率が改善する。また、汎用セグメントドライバには、図10Aに示した電圧制約条件V0≧V21≧V34があるが、電圧切替制御によりこの関係を満たすことができる。
図1Aは、コレステリック液晶のプレーナ状態を説明する図である。 図1Bは、コレステリック液晶のフォーカルコニック状態を説明する図である。 図2は、パルス電圧によるコレステリック液晶の状態変化を説明する図である。 図3Aは、コレステリック液晶に印加する大きな電圧と広いパルス幅のパルスによる反射率の変化を説明する図である。 図3Bは、コレステリック液晶に印加する中間電圧と狭いパルス幅のパルスによる反射率の変化を説明する図である。 図3Cは、コレステリック液晶に印加する中間電圧とより狭いパルス幅のパルスによる反射率の変化を説明する図である。 図4Aは、液晶に印加する対称パルスのパルス幅が狭い例を示す図である。 図4Bは、液晶に印加する対称パルスのパルス幅が中位の例を示す図である。 図4Cは、液晶に印加する対称パルスのパルス幅が広い例を示す図である。 図5は、コレステリック液晶に印加する対称パルスの例を示す図である。 図6は、コレステリック液晶を使用する従来の表示装置の概略構成を示す図である。 図7は、従来の表示装置の駆動シーケンスを示すタイムチャートである。 図8Aは、従来の表示装置における駆動例を説明する図である。 図8Bは、従来の表示装置における駆動例を説明する図である。 図8Cは、従来の表示装置における駆動例を説明する図である。 図9Aは、汎用セグメントドライバの構成を示す図である。 図9Bは、汎用コモンドライバの構成を示す図である。 図10Aは、汎用セグメントドライバの出力電圧を示す図である。 図10Bは、汎用コモンドライバの出力電圧を示す図である。 図11Aは、表示装置における汎用セグメントドライバと汎用コモンドライバの出力パルスを示す図である。 図11Bは、図11Aの出力パルスによる液晶の印加電圧を示す図である。 図12は、多電圧電源の一部の構成を示す図である。 図13Aは、複数ライン同時駆動例を説明する図である。 図13Bは、複数ライン同時駆動例を説明する図である。 図14は、本発明の実施形態のカラー表示装置のコレステリック液晶素子の積層構造を示す図である。 図15は、実施形態のカラー表示装置の1個のコレステリック液晶素子の構造を示す図である。 図16は、実施形態のカラー表示装置の概略構成を示す図である。 図17は、多電圧電源の一部の構成を示す図である。 図18は、実施形態の表示装置の駆動シーケンスを示すタイムチャートである。 図19Aは、正極フェーズにおけるカラムドライバとロウドライバの出力パルスおよびそれによる液晶の印加電圧を示す図である。 図19Bは、負極フェーズにおけるカラムドライバとロウドライバの出力パルスおよびそれによる液晶の印加電圧を示す図である。
符号の説明
10 表示素子
11 上側基板
12 液晶層
13 下側基板
14 上側電極層
15 下側電極層
17 吸光層
18 制御回路
21 電源
22 昇圧部
25 制御回路
26 ロウドライバ(RGB共通)
27 カラムドライバ(RGB独立)
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図14は、実施形態で使用する表示素子10の構成を示す図である。図14に示すように、この表示素子10は、見る側から順番に、青(ブルー)用パネル10B、緑(グリーン)用パネル10G、および赤(レッド)用パネル10Rの3枚のパネルが積層されており、レッド用パネル10Rの下側には光吸収層17が設けられている。パネル10B、10Gおよび10Rは、同じ構成を有するが、パネル10Bは反射の中心波長が青色(約480nm)、パネル10Gは反射の中心波長が緑色(約550nm)、パネル10Rは反射の中心波長が赤色(約630nm)になるように、液晶材料およびカイラル材が選択され、カイラル材の含有率が決定されている。パネル10B、10Gおよび10Rは、青層用制御回路18B、緑層用制御回路18Gおよび赤層用制御回路18Rで、それぞれ駆動される。
図15は、1枚のパネル10Aの基本構成を示す図である。実施形態で使用するパネルについて、図15を参照して説明する。
図15に示すように、表示素子10Aは、上側基板11と、上側基板11の表面に設けられた上側電極層14と、下側基板13の表面に設けられた下側電極層15と、シール材16と、を有する。上側基板11と下側基板13は、電極が対向するように配置され、間に液晶材料を封入した後シール材16で封止される。なお、液晶層12内にスペーサが配置されるが図示は省略している。上側電極層14と下側電極層15の電極には、駆動回路18から電圧パルス信号が印加され、それにより液晶層12に電圧が印加される。液晶層12に電圧を印加して、液晶層12の液晶分子をプレーナ状態またはフォーカルコニック状態にして表示を行う。
上側基板11と下側基板13は、いずれも透光性を有しているが、パネル10Rの下側基板13は不透光性でもよい。透光性を有する基板としては、ガラス基板があるが、ガラス基板以外にも、PET(ポリエチレンテレフタレート)やPC(ポリカーボネート)などのフィルム基板を使用してもよい。
上側電極層14と下側電極層15の電極の材料としては、例えば、インジウム錫酸化物(ITO: Indium Tin Oxide)が代表的であるが、その他インジウム亜鉛酸化物(IZO: Indium Zic Oxide)などの透明導電膜を使用することが可能である。
上側電極層14の透明電極は、上側基板11上に互いに平行な複数の帯状の上側透明電極として形成され、下側電極層15の透明電極は、下側基板13上に互いに平行な複数の帯状の下側透明電極として形成されている。そして、上側基板11と下側基板13は、基板に垂直な方向から見た時に、上側電極と下側電極が交差するように配置され、交差部分に画素が形成される。電極上には絶縁性のある薄膜が形成される。この薄膜が厚いと駆動電圧を高くする必要がある。逆に、薄膜がないとリーク電流が流れるため、消費電力が増大するという問題を生じる。ここでは、薄膜は比誘電率が約5であり、液晶よりもかなり低いため、薄膜の厚さは約0.3μm以下とするのが適している。
なお、この絶縁性薄膜は、SiO2の薄膜、あるいは配向安定化膜として知られているポリイミド樹脂、アクリル樹脂などの有機膜で実現できる。
上記のように、液晶層12内にスペーサが配置され、上側基板11と下側基板13の間隔、すなわち液晶層12の厚さを一定にする。スペーサは、一般に樹脂製または無機酸化物製の球体であるが、基板表面に熱可塑性の樹脂をコーティングした固着スペーサを使用することも可能である。このスペーサによって形成されるセルギャップは3.5μm〜6μmの範囲が適正である。セルギャップがこの値より小さいと反射率が低下して暗い表示になり、逆のこの値より大きいと駆動電圧が上昇する。
液晶層12を形成する液晶組成物は、ネマティック液晶混合物にカイラル材を10〜40重量%(wt%)添加したコレステリック液晶である。ここで、カイラル材の添加量は、ネマティック液晶成分とカイラル材の合計量を100wt%とした時の値である。
ネマティック液晶としては、従来から公知の各種のものを使用可能であるが、誘電率異方性(Δε)が15〜35の範囲の液晶材料であることが望ましい。誘電率異方性が15以上であれば、駆動電圧が比較的低くなり、この範囲より大きいと駆動電圧自体は低下するが比抵抗が小さくなり、特に高温時の消費電力が増大する。
また、屈折率異方性(Δn)は、0.18〜0.24であることが望ましい。屈折率異方性が、この範囲より小さいと、プレーナ状態の反射率が低くなり、この範囲より大きいと、フォーカルコニック状態での散乱反射が大きくなるのに加えて、粘度も高くなり、応答速度が低下する。
図16は、本実施形態の表示装置の全体構成を示す図である。表示素子10は、A4判XGA仕様で、1024×768画素を有する。電源21は、例えば3V〜5Vの電圧を出力する。昇圧部22は、DC−DCコンバータなどのレギュレータにより、電源21からの入力電圧を36V〜40Vに昇圧する。多電圧生成部23は、昇圧された電圧から、ロウドライバ26およびカラムドライバ27に供給する電圧を生成する。多電圧生成部23の詳細については後述するが、ドライバ制御回路25からの電圧切替制御信号により、ロウドライバ26に供給する電圧を切り替える機能を有する。
ドライバ制御回路25は、クロック源24からの基本クロックおよび画像データに基づいて制御信号を生成して、ロウドライバ26およびカラムドライバ27に供給する。ライン選択データLSDは、ロウドライバ26がスキャンパルスを印加するラインを選択するデータである。Rowデータ取り込みクロックXCLK_Rowは、ロウドライバ26が内部でライン選択データLSDを転送するためのクロックである。Rowデータラッチ信号LP_Rowは、ロウドライバ26におけるライン選択データの転送終了を指示する信号で、この信号に応じて転送されたライン選択データをラッチする。Columnデータ取り込みクロックXCLK_Columnは、カラムドライバ27が内部で画像データを転送するためのクロックである。Columnデータラッチ信号LP_Columnは、カラムドライバ27における画像データの転送終了を指示する信号で、この信号に応じて転送された画像データをラッチする。パルス極性制御信号FRは、印加電圧の極性反転信号であり、カラムドライバ27にはそのまま供給されるが、ロウドライバ26にはインバータ28で反転されて供給される。ドライバ出力オフ信号/DSPOFは、印加電圧の強制オフ(OFF)信号である。さらに、ドライバ制御回路25は、多電圧生成部23に電圧切替信号を出力する。
ロウドライバ26は768本のスキャンラインを駆動し、カラムドライバ27は1024本のデータラインを駆動する。RGBの各画素に与える画像データが異なるため、カラムドライバ27は各データラインを独立して駆動する。ロウドライバ26は、RGBのラインを共通に駆動する。ロウドライバ26およびカラムドライバ27は、図9Aに示した汎用の2値出力のセグメントドライバで構成される。
図17は、多電圧生成部23の一部の構成を示す図である。多電圧生成部23では、レファレンス電圧を抵抗分割することにより、4つの電圧レベルVh,Vrow−1,Vc,Vrow−2を発生さる。マルチプレクサ54は、ドライバ制御回路25からの電圧切替制御信号に応じて、電圧レベルVrow−1とVrow−2のいずれかを選択してオペアンプによる増幅器53に供給する。増幅器51は、電圧レベルVhを増幅して、電圧V0(20V)を出力する。増幅器52は、電圧レベルVcを増幅して、Vcolumn(10V)を出力する。増幅器53は、マルチプレクサ54で選択された電圧レベルVrow−1とVrow−2のいずれかを増幅して、電圧Vrowを出力する。電圧Vrowは、Vrow−1が選択された時には15Vであり、Vrow−2が選択された時には5Vである。他にもプレーナ状態にするためのリセット処理で使用する36Vも発生するが、ここでは図示を省略している。
次に、第1の実施形態における画像の書込み動作を説明する。
画像の書込み動作を行う前に、全画素に図3Aに示した±36Vの数十ms以上のパルス幅の電圧パルスを印加して、全画素をプレーナ状態にする。
図18は、実施形態の表示装置における階調書込み動作の駆動シーケンスを示すタイムチャートである。まず、パルス極性制御信号FRを”1”にし、/DSPOFを”0”に、多電圧生成部23からはVrow電圧として15Vが出力されるように設定する。
LP_RowおよびLP_Columnを印加して表示ラインを更新すると、XCLK_Rowに応じてライン選択データLSDをロウドライバ26に供給し、XCLK_Columnに応じて1ライン分のデータをカラムドライバ27に供給し、ロウドライバ26において同時にスキャンパルスを印加するラインを示すデータが揃い、カラムドライバ27において複数のラインに共通に印加する画素データが揃った時点で、LP_RowおよびLP_Columnを印加する。ここで、/DSPOFを”1”にして、カラムドライバ27は全データラインに1ライン分の画像データに対応した正極フェーズのパルスを出力し、ロウドライバ26は選択された1本以上のスキャンラインに正極フェーズのパルスを出力する。この時ロウドライバ26が出力する正極フェーズのパルスは、ロウドライバ26には反転されたパルス極性制御信号FRが供給されているので、汎用セグメントドライバの負極フェーズに対応するパルスである。
次に、/DSPOFを”0”にして、表示素子に電圧が印加されないようにした状態で、パルス極性制御信号FRを”1”から”0”に切り替え、多電圧生成部23の出力するVrow電圧を5Vに変化させる。そして/DSPOFを”1”にして、カラムドライバ27は全データラインに1ライン分の画像データに対応した負極フェーズのパルスを出力し、ロウドライバ26は選択された1本以上のスキャンラインに負極フェーズのパルスを出力する。
上記の正極および負極フェーズのパルスの印加と並行して、上記と同様に次に選択するスキャンラインを示すライン選択データおよび画像データを供給する。以下、同様の処理を繰り返して、全画面に表示データに応じた正極および負極フェーズのパルスの印加を行う。階調レベルに対応したパルスの累積印加時間を、パルス数で調整する場合は、各データラインごとに印加するパルスの回数を変化させ、パルス長で調整する場合は、各データラインごとに印加するパルス幅を変化させる。
図19Aは、正極フェーズにおけるカラムドライバ27とロウドライバ26の出力パルスおよびそれによる液晶の印加電圧を示す図であり、図19Bは、負極フェーズにおけるカラムドライバ27とロウドライバ26の出力パルスおよびそれによる液晶の印加電圧を示す図である。
正極フェーズでは、カラムドライバ(セグメントドライバ)27のパルス極性端子はFR=1であり、ロウドライバ(セグメントドライバ)26のパルス極性端子はFR=0である。多電圧生成部23では、マルチプレクサ54が電圧切替制御信号によりVrow−1を選択するので、Vrow電圧として15Vが出力される。
従って、図19Aに示すように、カラムドライバ27には、V0として20Vが、V21およびV34としてVcolumn(10V)が、V5としてGNDが供給される。また、ロウドライバ26には、V0として20Vが、V21およびV34としてVrow(15V)が、V5としてGNDが供給される。従って、図10Aに示した汎用セグメントドライバの制約条件V0≧V21≧V34≧V5を満たしている。
正極フェーズでは、図19Aに示すように、カラムドライバ27は画像データが”1”のデータラインにはON電圧V0(20V)を、”0”のデータラインにはOFF電圧V21(10V)を出力する。同様に、ロウドライバ26はライン選択データが”1”のスキャンラインにはON電圧V5(0V)を、”0”のスキャンラインにはOFF電圧V34(15V)を出力する。
従って、ロウドライバ26の出力がONで、カラムドライバ27の出力がONの画素には20Vが、ロウドライバ26の出力がONで、カラムドライバ27の出力がOFFの画素には10Vが、ロウドライバ26の出力がOFFで、カラムドライバ27の出力がONの画素には5Vが、ロウドライバ26の出力がOFFで、カラムドライバ27の出力がOFFの画素には−5Vが印加される。
負極フェーズでは、カラムドライバ(セグメントドライバ)27のパルス極性端子はFR=0であり、ロウドライバ(セグメントドライバ)26のパルス極性端子はFR=1である。多電圧生成部23では、マルチプレクサ54が電圧切替制御信号によりVrow−2を選択するので、Vrow電圧として5Vが出力される。
従って、図19Bに示すように、カラムドライバ27には、V0として20Vが、V21およびV34としてVcolumn(10V)が、V5としてGNDが供給される。また、ロウドライバ26には、V0として20Vが、V21およびV34としてVrow(5V)が、V5としてGNDが供給される。従って、図10Aに示した汎用セグメントドライバの制約条件V0≧V21≧V34≧V5を満たしている。
負極フェーズでは、図19Bに示すように、カラムドライバ27は画像データが”1”のデータラインにはON電圧V5(0V)を、”0”のデータラインにはOFF電圧V34(10V)を出力する。同様に、ロウドライバ26はライン選択データが”1”のスキャンラインにはON電圧V0(20V)を、”0”のスキャンラインにはOFF電圧V21(5V)を出力する。
従って、ロウドライバ26の出力がONで、カラムドライバ27の出力がONの画素には−20Vが、ロウドライバ26の出力がONで、カラムドライバ27の出力がOFFの画素には−10Vが、ロウドライバ26の出力がOFFで、カラムドライバ27の出力がONの画素には−5Vが、ロウドライバ26の出力がOFFで、カラムドライバ27の出力がOFFの画素には5Vが印加される。
以上のようにして、各画素には、図5に示すような正負対称の階調パルスが印加される。
以上説明したように、本実施形態では、汎用ドライバの制約条件V0≧V21≧V34≧V5を満たした上で、走査用ドライバ(ロウドライバ)として汎用セグメントドライバを使用することが可能となる。また、本実施形態では、駆動電圧は、従来例を同じ電圧である。さらに、従来は20V、15V、10V、5Vの4電圧をそれぞれをオペアンプによる増幅器で増幅したが、本実施形態では20V、15V、10V、5Vの4電圧のうち15Vと5Vはマルチプレクサで切り替えて増幅器に供給するため、オペアンプによる増幅器は3個となり、コストを低減できる。なお、オペアンプによる増幅器の代わりに増幅率1のボルテージフォロアを使用することもできる。
セグメントドライバは、コモンドライバと異なり、データシフトだけでなく、多様な出力が行えるため、安価な汎用セグメントドライバを使用して、図13Aおよび図13Bに示したような複数ライン同時駆動を行うことが可能になる、また、汎用セグメントドライバは、駆動ラインに電圧を出力している間に次のラインデータを受信可能であり、専用ドライバと同等のデータ転送効率で駆動可能である。
以上、本発明の実施例を説明したが、他にも各種の実施例が可能であるのはいうまでもない。例えば、本発明は、コレステリック液晶を使用した表示素子以外にも、メモリ性を有するドットマトリクス型の表示素子であれば、適用可能である。
また、各種の条件は、対象とする表示素子の仕様に応じて決定すべきであることは言うまでもない。

Claims (12)

  1. ドットマトリクス型の表示素子と、
    前記表示素子のロウ電極を駆動するロウドライバと、
    前記表示素子のカラム電極を駆動するカラムドライバと、
    前記ロウドライバおよび前記カラムドライバに駆動電圧を供給する多電圧電源と、を備える表示装置であって、
    前記ロウドライバおよび前記カラムドライバは、セグメントドライバで構成され、
    前記表示素子の画素に印加する印加電圧の極性に応じて、前記ロウドライバに供給する駆動電圧を切り替える電源切替スイッチを備えることを特徴とする表示装置。
  2. 前記ロウドライバを構成する前記セグメントドライバに供給する極性制御信号は、前記カラムドライバを構成する前記汎用のセグメントドライバに供給する極性制御信号の反転信号であることを特徴とする請求項1に記載の表示装置。
  3. 前記表示素子は、コレステリック相を形成する液晶を含むことを特徴とする請求項1に記載の表示装置。
  4. 初期階調状態はプレーナ状態であり、前記初期階調状態以外の階調状態は、前記プレーナ状態とフォーカルコニック状態が混在した状態であり、混在比により中間調の値が決定されることを特徴とする請求項3に記載の表示装置。
  5. 前記表示素子は、画素に初期化電圧パルスを印加して初期階調状態にした後、初期化された画素に対して階調電圧パルスを印加して前記初期階調状態以外の階調状態にされ、
    前記階調パルスの印加される累積時間が、階調状態の値に関係することを特徴とする請求項4に記載の表示装置。
  6. 前記表示素子は、複数の異なる反射光を呈する複数の表示素子が積層された積層構造を備えることを特徴とする請求項1に記載の表示装置。
  7. ドットマトリクス型の表示素子と、前記表示素子のロウ電極を駆動するロウドライバと、前記表示素子のカラム電極を駆動するカラムドライバと、前記ロウドライバおよび前記カラムドライバに駆動電圧を供給する多電圧電源と、を備え、前記ロウドライバおよび前記カラムドライバは、セグメントドライバで構成される表示装置の駆動方法であって、
    前記表示素子の画素に印加する印加電圧の極性に応じて、前記ロウドライバに供給する駆動電圧を切り替えることを特徴とする表示装置の駆動方法。
  8. 前記ロウドライバを構成する前記セグメントドライバに供給する極性制御信号は、前記カラムドライバを構成する前記セグメントドライバに供給する極性制御信号の反転信号であることを特徴とする請求項7に記載の表示装置の駆動方法。
  9. 前記表示素子は、コレステリック相を形成する液晶を含むことを特徴とする請求項7に記載の表示装置の駆動方法。
  10. 初期階調状態はプレーナ状態であり、前記初期階調状態以外の階調状態は、前記プレーナ状態とフォーカルコニック状態が混在した状態であり、混在比により中間調の値が決定されることを特徴とする請求項9に記載の表示装置の駆動方法。
  11. 前記表示素子は、画素に初期化電圧パルスを印加して初期階調状態にした後、初期化された画素に対して階調電圧パルスを印加して前記初期階調状態以外の階調状態にされ、
    前記階調パルスの印加される累積時間が、階調状態の値に関係することを特徴とする請求項10に記載の表示装置の駆動方法。
  12. 前記表示素子は、複数の異なる反射光を呈する複数の表示素子が積層された積層構造を備えることを特徴とする請求項7に記載の表示装置の駆動方法。
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