Brevet FR2496944A1 — publié le 19820625

yf CELLULE D'AFFICHAGE A CRISTAUX LIQUIDES La présente invention a pour objet une cellule d'affichage à cristaux liquides à laquelle sont incorporés des éléments de mesure et de référence permettant, à l'aide d'un circuit électronique, de compenser la variation du contraste de l'affichage en fonction de la température. Une telle cellule peut avantageusement être utilisée lorsqu'il est fait usage d'un adressage multiplexé, comme c'est le cas en horlogerie par exemple. La faible consommation des cellules d'affichage à cristaux li- quides et le fait que les tensions d'attaque sont basses, de l'ordre de trois volts, font qu'elles trouvent un champ d'application tou- jours plus vaste, en particulier dans les appareils portables. Cependant, à mesure qu'augmente le nombre d'informations affi- chées, le nombre des connexions de la cellule augmente également. Ceci se répercute défavorablement sur la fiabilité, l'encombrement et le prix de la cellule, rendant son application dans les montres plus difficile. Un moyen de diminuer le nombre des connexions de la cel- lule tout en lui conservant les mêmes possibilités d'informations, consiste à utiliser un adressage multiplexé. Un adressage multiplexé est cependant moins favorable du point de vue de la distribution des tensions entre les différentes électrodes d'une cellule qu'un adressage direct électrode par électrode. Cela fait que pour profiter du nombre réduit des connexions, les tensions d'attaque de la cellule doivent être convenablement choisies en fonction des caractéristiques optiques du cristal liquide utilisé de façon qu'une information, par exemple un segment, ne puisse présenter que deux états, visible ou invisible. Or les caractéristiques des cristaux liquides varient en fonction de la température. C'est le cas en particulier d'un paramètre important, appelé tension de seuil optique, définie comme étant la valeur de la tension appliquée aux électrodes d'un segment au-dessus de laquelle il commence à devenir visible. Si les tensions d'attaque d'une cellule sont choisies de façon que l'affichage fonctionne de manière optimale à une certaine température, à une température différente les segments devant rester invisibles pourraient ne plus l'être complètement ou des segments devant rester visibles le seraient mais avec un constraste atténué. Dans les deux cas il y a dégradation de la qualité de l'affichage avec la température pouvant aller jusqu'à l'illisibilité. Un moyen permettant de surmonter cette difficulté serait de main- tenir l'affichage à une température constante à l'aide d'un chauffage mais sa consommation limiterait ses applications et excluerait son utilisation dans les montres. Un autre moyen souvent appliqué consis- te à utiliser un diviseur de tension formé d'une résistance mise en série avec des diodes à semiconducteur. La tension aux bornes des diodes baissant lorsque la température augmente, il est possible de l'utiliser pour alimenter la cellule. La compensation n'est pas rigoureuse mais elle est simple et son principal inconvénient se trouve dans la consommation supplémentaire due au diviseur de ten- sion. Un autre moyen a été proposé dans la demande de brevet européen No 0002920. Il fait usage d'un condensateur auxiliaire incorporé à la cellule, jouant le rôle d'un élément de mesure. Ce condensateur est formé de deux électrodes disposées sur les faces principales opposées de la cellule et ayant le cristal liquide comme diélectrique. La valeur de la capacité de ce condensateur de mesure dépend, entre autre, de la température et de la tension d'excitation à laquelle elle est mesurée. Sa variation en fonction de cette tension est fortement non-linéaire, présentant un palier constant pour les ten- sions faibles et une variation croissante du type parabolique pour les tensions plus élevées. Le raccord entre les deux courbes définit avec précision une tension de seuil électrique qui dépend de la température. Or, à chaque température, les tensions de seuil optique et électrique sont pratiquement égales car elles correspondent à la manifestation du même phénomène dans le cristal liquide, à savoir le basculement des molécules d'une direction perpendiculaire au champ électrique à une direction qui lui est parallèle, à mesure que ce champ augmente. Il faut cependant noter que le phénomène électrique apparaît un peu plus vite que le phénomène optique, ce qui crée un décalage d'environ 0,1 volt entre les tensions de seuil électrique et optique. Cette différence est faible et elle peut être négligée, mais il est aussi possible d'en tenir compte dans le circuit de compensa- tion. Selon la demande citée, une compensation thermique de l'affi- chage est obtenue en asservissant les tensions d'attaque de la cel- -3- lule à la tension de seuil électrique, celle-ci variant avec la tem- pérature suivant la même loi que la tension de seuil optique. Dans ce but, l'impédance du condensateur de mesure de la cellule est comparée dans un pont à l'impédance d'un condensateur ou d'un autre composant servant de référence et se trouvant à l'extérieur de la cellule. Si les deux impédances sont différentes, un signal d'erreur agit sur un circuit électronique qui modifie la tension d'excitation du con- densateur de mesure de façon à annuler le déséquilibre. La tension ainsi obtenue correspond à la tension de seuil électrique de la cel- lule et les tensions d'attaque de celle-ci peuvent en être dérivées directement. Cette compensation présente cependant l'inconvénient de nécessiter un élément de référence externe à la cellule qui doit être stable en température. En outre, la capacité du condensateur de mesure dépend de l'épaisseur de la cellule d'affichage et de la constante diélectrique du cristal liquide. Comme ces deux paramètres peuvent varier d'une cellule à l'autre, le condensateur de référence et celui de mesure de la cellule doivent être appairés individuelle- ment, ce qui constitue un grave handicap en fabrication. Une cellule ne présentant pas cet inconvénient est décrite dans la demande de brevet européen No 0012479 et représentée en plan sur la figure la et en coupe selon l'axe A-A sur la figure lb. Elle est essentiellement constituée de deux plaques de verre 1 et 2, d'un ca- dre isolant 3 maintenant un espacement constant entre ces plaques et de deux polariseurs 4 et 5 dont les axes de polarisation sont paral- lèles aux plaques et perpendiculaires l'un à l'autre dans le cas dé- crit. Sur les faces internes des plaques 1 et 2 sont disposées des électrodes d'affichage transparentes dont la combinaison reproduit la forme des signes destinés à être affichés, dans le cas présent, quatre chiffres formés chacun de sept segments. Les électrodes se trouvant sur la plaque arrière 2 sont souvent appelées contre-élec- trodes. Les connexions de sortie de ces électrodes ainsi que leurs liaisons internes n'ont pas été représentées car elles dépendent du mode de commande de la cellule. En outre, les faces internes des plaques 1 et 2 portent chacune une couche d'alignement destinée à orienter les molécules du cristal liquide de façon à pouvoir utiliser ses propriétés optiques. Si enfin la lecture et l'éclairage de la cellule d'affichage se font du même côté, comme c'est le cas dans une montre, un réflecteur ou diffuseur de lumière 10 doit être placé du côté correspondant au fond de la cellule. Des électrodes 6 et 8, formant un condensateur de référence, sont disposées en regard l'une de l'autre sur les faces internes des plaques 1 et 2. Un condensateur de mesure est formé de façon analogue à l'aide des électrodes 7 et 9. Les aires des électrodes 6 et 8 sont égales entre elles et sont plus grandes que l'aire commune aux électrodes 7 et 9. La capacité i du condensateur de référence est donc supérieure à la capacité i. du condensateur de mesure. Les variations en fonction de la température de la tension au point commun des deux condensateurs sont utilisées pour faire varier les tensions d'attaque des segments de la cellule. Cette cellule présente l'inconvénient que les tensions d'exci- tation des condensateurs de mesure et de référence doivent être différentes, la plus faible étant appliquée au condensateur de ré- férence de façon à le faire fonctionner dans une région o ses carac- téristiques sont indépendantes de la température, ce qui entraîne une complication du circuit électronique destiné à fournir ces tensions. L'objet de la présente invention est une cellule d'affichage à cristaux liquides compensée thermiquement, comprenant des condensa- teurs de mesure et de référence ayant le cristal liquide comme dié- lectrique, dans laquelle les tensions d'excitation des deux condensa- teurs ont des amplitudes égales. Pour atteindre ce but, la cellule, formée de deux plaques trans- parentes et parallèles sur chacune desquelles se trouvent les élec- trodes et contre-électrodes d'affichage, comprend un condensateur de mesure et un condensateur de référence, ce dernier étant formé de plusieurs condensateurs partiels connectés en série. Le condensateur de mesure est composé d'une paire d'électrodes disposées, l'une sur la première plaque et l'autre sur la seconde plaque, en regard l'une de l'autre. Le condensateur de référence est composé de n paires d'électrodes, chaque électrode d'une paire étant disposée sur une des plaques de la même manière que pour le condensateur de mesure. Les n paires d'électrodes forment n condensateurs partiels qui sont connec- tés en série. Les capacités des condensateurs partiels peuvent être égales ou différentes les unes des autres, mais elles sent choisies de façon que la capacité de l'ensemble, correspondant à la capacité du condensateur de référence, soit sensiblement égale à la capacité - du condensateur de mesure. Lorsque des tensions d'excitation de même amplitude sont appli- quées aux condensateurs de mesure et de référence, la tension qui apparaît aux bornes de chacun des condensateurs partiels formant le condensateur de référence est une fraction de la tension d'excita- tion. Par exemple dans le cas de deux condensateurs partiels égaux, la tension aux bornes de chacun d'eux est la moitié de cette tension d'excitation. Si en outre la tension d'excitation est sensiblement égale à la tension de seuil électrique, chacun des condensateurs partiels est donc soumis à une tension telle que sa capacité a une valeur certainement indépendante de la température. La capacité du condensateur de référence résultant de la mise en série des conden- sateurs partiels est donc également indépendante de la température, bien qu'il soit soumis à la même tension que le condensateur de me- -15 sure. Une forme d'exécution de l'invention va être décrite avec des références au dessin dans lequel: La figure la, déjà citée, est une vue en plan d'une cellule d'af- fichage comprenant quatre digits à sept segments et deux conden- sateurs correspondant à une forme d'exécution connue; La figure lb, déjà citée, est une coupe de la cellule de la figure la selon l'axe A-A passant par les deux condensateurs; Les figures 2a et 2b sont des vues en plan et en coupe, selon l'axe B-B, des condensateurs incorporés à une cellule selon l'inven- tion; La figure 2c est un schéma de ces condensateurs et de leurs conne- xions; La figure 3a montre la variation du facteur de transmission opti- que d'une cellule à cristal liquide en fonction de la tension d'atta- que de la cellule et de la température; La figure 3b montre la variation de la capacité d'un conden- sateur de la cellule en fonction des mêmes paramètres que dans la figure 3a; La figure 4 montre enfin le schéma de principe du circuit électro- nique de mesure de la tension de seuil électrique et de réglage des tensions d'attaque d'une cellule selon l'invention. La cellule selon l'invention représentée partiellement sur les -G- figures 2a et 2b comporte, de manière classique, des électrodes et des contre-électrodes de commande des divers éléments d'affichage non représentées. Un condensateur de mesure est formé par une électrode 12 disposée sur la plaque 1 et par une électrode 13 plus grande que l'électrode 12, disposée sur la plaque 2 en regard de cette dernière. La capacité CM de ce condensateur de mesure est proportionnelle à l'aire de l'électrode 12. Un condensateur de référence est formé d'une électrode 14 disposée sur la plaque 2 à côté de l'électrode 13 et d'une électrode 15 plus grande que l'électrode 13 et disposée sur la plaque 1 en regard de l'électrode 14 et d'une partie de l'électro- de 13. Il correspond à la mise en série de deux condensateurs par- tiels. Le premier de ces condensateurs est formé par les parties des électrodes 13 et 15 situées en regard l'une de l'autre. Sa capacité est proportionnelle à l'aire de la surface définie dans la fig. 2a, par l'intersection de ces électrodes 13 et 15. Le second de ces condensateurs est constitué par l'électrode 14 et par la partie de l'électrode 15 qui lui fait face. Sa capacité est déterminée par l'aire de la surface définie par l'intersection des électrodes 14 et 15. Les électrodes 12, 13, 14 et 15 peuvent facilement être dimen- sionnées de manière que la capacité C et la capacité CR du condensa- teur de référence formée par la mise en série de ces deux condensa- teurs partiels soient égales, ou dans un rapport quelconque. Il est évident que le condensateur de référence ayant également une capacité CR pourrait être formé par un nombre quelconque de condensateurs partiels reliés en série et ayant des capacités égales ou différentes les unes des autres. Dans une autre forme d'exécution le condensateur de mesure et chaque condensateur partiel de référence peuvent être formés, chacun, par une paire d'électrodes de même forme placées en regard l'une de l'autre sur les plaques 1 et 2. La mise en série de tous ces conden- sateurs est alors réalisée à l'aide de connexions. La figure 2c représente le schéma équivalent correspondant à la forme préférentielle des électrodes o les points M, Q et R cor- respondent respectivement aux connexions des électrodes 12, 13 et 14. L'utilisation des propriétés optiques et électriques d'un cristal liquide du type nématique en hélice nécessite une orientation préala- ble du grand axe de ses molécules dans une direction parallèle aux plaques. Cette orientation est réalisée à l'aide des couches d'ali- gnement déposées sur les faces internes des plaques 1 et 2 et non représentées dans ces figures. Si une tension continue de polarité indifférente est alors appliquée entre l'électrode et la contre-élec- trode d'un signe, par exemple un segment, un champ électrique prend naissance, dans une direction perpendiculaire aux plaques 1 et 2 et au grand axe des molécules du cristal liquide. L'effet optique de ce champ est imperceptible tant que la tension appliquée reste inférieu- re à une tension de seuil optique V opt. Une fois cette valeur dépas- sée, la transmission de la lumière diminue progressivement jusqu'à atteindre un niveau de saturation, correspondant à une transmission voisine de zéro. La figure 3a montre cette variation ainsi que la forte dépendance des caractéristiques avec la température. Une autre caractéristique importante d'un cristal liquide est sa constante diélectrique. Elle est mesurée par la valeur incrémentale, ou en petits signaux, de la capacité CM du condensateur de mesure constitué par les électrodes 12 et 13 de la figure 2b. Cette mesure est faite en fonction de la tension continue d'excitation, de polari- té indifférente, appliquée aux électrodes, entre lesquelles apparaît un champ électrique perpendiculaire aux plaques 1 et 2. La capacité de mesure CM garde une valeur pratiquement constante C tant que la tension d'excitation est inférieure à une tension de seuil électrique Vel' Lorsque cette tension dépasse le seuil Vel, la capacité augmente et devient fortement dépendante de la température, comme le montre la figure 3b. La figure 3b montre également les variations de la capacité CR du condensateur de référence. Comme il est formé, dans le présent exem- ple, de deux condensateurs partiels de même capacité 2CR mis en série, chacun d'eux n'est soumis qu'à la moitié de la tension appli- quée à la cellule. Il en résulte que la tension de seuil électrique de la capacité CR du condensateur de référence résultant est deux fois plus élevée que celle de la capacité CM du condensateur de mesure. Ainsi, dans le domaine de tension o travaille la cellule d'affichage, le condensateur de référence garde une capacité CRO constante. D'autre part, un paramètre important dans le dispositif de compensation de la cellule en fonction de la température est le rapport CMo/CRO des capacités des condensateurs de mesure et de référence. Ces condensateurs se trouvant sur la cellule, leur rapport est indépendant de la dispersion de l'espacement entre les plaques principales 1 et 2 et de la dispersion de la constante diélectrique du cristal liquide 11. Ceci représente en fabrication un important avantage par rapport à la solution décrite dans la demande de brevet européen 0002920 déjà citée, o le condensateur de référence est un composant discret devant être appairé avec chaque cellule d'afficha- ge. Il faut relever que la polarité de la tension continue V_ ap- pliquée aux électrodes d'un segment ou d'un condensateur étant indif- férente, le cristal liquide ne réagit donc qu'à la valeur absolue V._ de cette tension. La tension peut être aussi une tension alter- native de valeur moyenne nulle, mais dans ce cas c'est sa valeur efficace V qui doit être considérée. Ces tensions seront ainsi toujours désignée par V, étant entendu qu'il faudra lire VY_ dans le cas continu et V dans le cas alternatif. Le réseau des caractéristiques de la figure 3a montre que pour qu'un segment d'un affichage reste invisible la tension d'attaque VIatt aux bornes de ses électrodes doit être au plus égale à une tension Viv à laquelle il commence de devenir tout juste apparent. Pour que le même segment devienne pleinement visible, il doit être attaqué par une tension V"' au moins égale à une tension Vvi à att V partir de laquelle le contraste devient acceptable. Dans un adressage direct de la cellule, c'est-à-dire électrode par électrode, cette condition est facilement réalisée en prenant une tension nulle pour V' et une tension supérieure à V. pour VY''. Comme la tension att VLatt, de seuil optique Vopt diminue lorsque la température augmente, l'af- fichage fonctionnera correctement à toutes températures supérieures à celle qui a permis de définir Vvi. Lorsque la cellule est attaquée par des tensions multiplexées, le degré de multiplexage définit le rapport des tensions qui seront ap- pliquées aux électrodes. Ces tensions ne peuvent donc plus être choi- sies arbitrairement en fonction, par exemple, du domaine de tempéra- ture dans lequel doit fonctionner l'affichage. Dans le cas d'une cellule pour montre, le rapport V" att/V' att vaut environ deux et n'est pas de beaucoup supérieur au rapport V vi/ iv Cela signifie qu'à une température donnée le choix des tensions d'attaque est déjà critique. Tout écart de température entraînera ainsi une dégradation rapide du contraste de l'affichage, rendant indispensable le recours à une compensation thermique. L'examen de la figure 3a montre qu'en fonction de la température, les caractéristiques optiques d'un cristal liquide subissent une translation sans modifications notables de leur forme. Une bonne compensation thermique peut ainsi être obtenue en asservissant les tensions d'attaque V' att' VI ratt à la tension de seuil optique Vopt. Cependant V ne peut être déterminé de façon simple. Il est préfé- opt table d'utiliser à sa place la tension de seuil électrique Vel qui lui est très voisine et qui peut être mesurée à l'aide du circuit de la figure 4. Ce circuit comprend un générateur 16 délivrant deux tensions alternatives Vx et- Vx en opposition de phase, de forme carrée, d'amplitude V ayant une fréquence de 64 Hz par exemple. Ces tensions sont appliquées aux bornes de l'ensemble formé par la mise en série du condensateur de mesure, ayant une capacité CM, et du condensateur de référence ayant une capacité CR constante et égale à CRO. La tension au point Q commun aux deux condensateurs a pour valeur U = 2VX (CM - CR)/(CM + CR); son amplitude dépend essen- tiellement de CM - CRO et sa phase par rapport à V x du signe de CM - CRO Ce signal, amplifié par un amplificateur 17 est ensuite redressé par un détecteur synchrone 18 commandé par la même fréquence de 64 Hz et filtré à l'aide d'un réseau formé d'une résistance 19 et d'un condensateur 20. La tension continue aux bornes du condensateur 20 est donc positive si CM est plus grand que CRO, négative si Cm est plus petit que C et nulle si CM = C Cette tension est appliquée à une bascule de Schmitt 21 qui délivre par exemple à sa sortie le niveau logique 1 lorsque CM est plus grand que CRO,1 le niveau logique 0 lorsque CM est plus petit que C et un niveau logique indéterminé lorsque CM = CRO Ce signal logique est appliqué à une entrée de commande du générateur 16 qui est agencé, de manière non décrite ici, pour qu'au niveau logique 1 corresponde une diminution progressive de Vxo et qu'au niveau logique 0 corresponde une augmentation progressi- ve de V xo. Il faut remarquer que la tension Vx étant alternative et carrée, c'est sa valeur efficace qui doit être considérée. Cette valeur efficace vaut dans ce cas VXI. Le principe du réglage est alors le suivant: admettons qu'il y ait égalité entre les deux capacités CM et CR0 à une température donnée et que CHO soit plus petit que CRO. Si la température s'élève, CM augmente, comme cela ressort de la figure 3b, le niveau logique 1 apparaît à la sortie de la bascule 21. Ce niveau logique 1 commande dans le circuit 16 une diminution progressive de l'amplitude Vxo de la tension appliquée qui se poursuit jusqu'à ce que CM devienne légèrement inférieur à CRO* Le signal logique à la sortie de la bascule 21 passe alors du niveau 1 au niveau 0, inversant par cette transition le sens de variation de V qui se met à augmenter jusqu'à ce que CM dépasse légèrement CRO. Le niveau logique va alors de nouveau s'inverser entraînant une légère oscillation de V autour de la valeur V'el pour laquelle CN = CRO, très proche de la tension de seuil électrique Vel correspondant à la nouvelle température. La tension V'el ainsi mesurée permettra enfin d'élaborer à l'aide du circuit 22 les tensions d'attaque V att' V' att' également de forme carrée et de fréquence 64 Hz, nécessaires à la cellule et dont les amplitudes sont directement liées à V'el' Le circuit de la figure 4 peut avoir différentes variantes. Par exemple un fonctionnement séquentiel permettrait d'éliminer l'oscil- lation de Yxo en mémorisant sa valeur entre deux mesures. Il est aussi possible d'utiliser, à la place de tensions carrées, des ten- sions alternatives de valeur moyenne nulle formées d'impulsions de durée x; la valeur efficace d'une telle tension dépend alors de T et le réglage pourra s'effectuer en variant non plus une amplitude mais une durée, ce qui est plus facile à réaliser avec des circuits logi- ques. REVENDICATIONS 1. Cellule d'affichage à cristaux liquides, comprenant une pre- mière et une seconde plaque, au moins une électrode et une contre-é- lectrode de commande disposées chacune sur l'une desdites plaques, un condensateur de mesure comportant deux électrodes disposées chacune sur une desdites plaques, et un condensateur de référence comportant une première électrode disposée sur ladite première plaque, et une deuxième électrode disposée sur ladite seconde plaque en regard de ladite première électrode, caractérisée par le fait que ledit conden- sateur de référence comporte en outre une troisième électrode dispo- sée sur ladite seconde plaque et connectée à ladite deuxième électro- de, et une quatrième électrode disposée sur ladite première plaque en regard de ladite troisième électrode, la capacité dudit condensateur de référence étant légèrement supérieure à la capacité dudit conden- sateur de mesure pour des tensions inférieures à la tension de seuil dudit condensateur de mesure. 2. Cellule d'affichage selon la revendication 1, caractérisée par le fait que, dans une vue en plan, les aires des surfaces définies par l'intersection de la première et de la deuxième électrode et par l'intersection de la troisième et de la quatrième électrode sont sensiblement égales entre elles et supérieures au double de l'aire de la surface définie par l'intersection des électrodes du condensateur de mesure. 3. Cellule d'affichage selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ledit condensateur de référence comporte en outre au moins une cinquième électrode disposée sur ladite première plaque et connectée à ladite quatrième électrode, et une sixième électrode disposée sur ladite seconde plaque en regard de ladite cinquième é- lectrode.