(57)【要約】【課題】サブフィールドを用いて階調表示を行うデジタル駆動方式の液晶装置において、装置構成や処理を増やさずに温度変化に伴う階調変化を抑制する。【解決手段】１フィールド期間がそれぞれ期間の長さの異なる複数のサブフィールド期間に分割され、マトリクス状に配設された複数の画素に対して、サブフィールド期間毎にオン電圧またはオフ電圧を印加することにより階調表示を行う液晶装置において、液晶の誘電率を６．３〜７．７、オン電圧を２．７Ｖ〜３．３Ｖとする。これにより、温度変化に伴う液晶の応答速度変化を、電圧パルスの立上がり時と立下がり時とでほぼ同じにすることができるので、オン電圧を印加した際に液晶の透過率が１００％になるのにかかる時間と、オフ電圧を印加した際に液晶の透過率が０％になるのにかかる時間が相殺され、温度が変化しても階調が変化しないようにすることができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１フィールド期間がそれぞれ期間の長さの異なる複数のサブフィールド期間に分割され、前記サブフィールド期間毎にオン電圧またはオフ電圧を印加することにより階調表示を行う液晶装置であって、
オン電圧印加時の液晶の立上がり応答時間と立下がり応答時間が、ほぼ一定になるように、前記液晶の誘電率が選択されたことを特徴とする液晶装置。
【請求項２】
前記誘電率が６．３〜７．７であることを特徴とする請求項１に記載の液晶装置。
【請求項３】
１フィールド期間がそれぞれ期間の長さの異なる複数のサブフィールド期間に分割され、前記サブフィールド期間毎にオン電圧またはオフ電圧を印加することにより階調表示を行う液晶装置であって、
オン電圧印加時の液晶の立上がり応答時間と立ち下がり応答時間が、ほぼ一定になるように、前記オン電圧が選択されたことを特徴とする液晶装置。
【請求項４】
前記オン電圧が２．７Ｖ〜３．３Ｖであることを特徴とする請求項３に記載の液晶装置。
【請求項５】
温度変化に伴って変化する前記液晶の位相差を補償するための位相差補償層をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の液晶装置。
【請求項６】
１フィールド期間がそれぞれ期間の長さの異なる複数のサブフィールド期間に分割され、前記サブフィールド期間毎にオン電圧またはオフ電圧を印加することにより階調表示を行う液晶装置であって、
オン電圧印加時の液晶の立上がり応答期間と立下がり応答期間とにおける平均透過率の差が、２０％以下となるように、前記液晶の誘電率又は前記オン電が選択されたことを特徴とする液晶装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかに記載の液晶装置を備えた電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液晶装置および電子機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液晶装置は、画素をマトリクス状に配列し、各画素に設けられた画素電極に印加される電圧を制御することによって画像の表示を行う。液晶装置における階調表示を実現する方法のひとつにデジタル駆動方式がある。デジタル駆動方式では、１フィールドを複数のサブフィールドに分割し、それらのサブフィールドそれぞれについて、画素電極への印加電圧レベル「Ｈ」または「Ｌ」を選択する。「Ｈ」レベルを選択するサブフィールドの数によって１フィールドにおける実効印加電圧が制御され、中間階調が得られる。
【０００３】
液晶に電圧を印加した際の応答速度は温度によって変化し、温度が高くなると応答速度が速くなり、逆に温度が低くなると応答速度が遅くなる。すなわち、「Ｈ」または「Ｌ」の電圧レベルを印加した際に液晶の透過率が最大あるいは最小になるまでの時間が温度によって変化する。このため、デジタル駆動方式では、１フィールドにおける実効印加電圧が同じでも、温度によって階調が変化してしまう。
【０００４】
この問題を解決するため、例えば特許文献１に開示された液晶装置では、装置の温度を測定するための測定部を設け、測定した温度に基づいて、予め用意されたデータの中から最適なサブフィールドの時間幅が選択されるようにしている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１００１８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１の方法では、温度測定部を設ける必要があり、また測定温度に基づくサブフィールドの時間幅の選択という処理も必要になるので、余分な装置構成や処理が必要になる。
【０００７】
本発明の目的は、サブフィールドを用いて階調表示を行うデジタル駆動方式の液晶装置において、装置構成や処理を増やさずに温度変化に伴う階調変化を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る液晶装置は、１フィールド期間がそれぞれ期間の長さの異なる複数のサブフィールド期間に分割され、前記サブフィールド期間毎にオン電圧またはオフ電圧を印加することにより階調表示を行う液晶装置であって、オン電圧印加時の液晶の立上がり応答時間と立下がり応答時間が、ほぼ一定になるように、前記液晶の誘電率が選択されたものである。
【０００９】
本発明は、オン電圧印加時の液晶の応答速度が液晶の誘電率に依存するのに対し、オフ電圧印加時の応答速度は誘電率には依存しないことに着目し、オン電圧印加時の液晶の立上がり応答時間と立下がり応答時間が、ほぼ一定になるように液晶の誘電率を選択した。換言すれば、オン電圧印加時の液晶の立上がり応答期間と立下がり応答期間における平均透過率の差が、０％〜２０％の誤差で常に同じになるように液晶の誘電率を選択したので、温度上昇によってオン電圧印加時に液晶の透過率が最大になるまでにかかる時間が短くなったとしても、同様にオフ電圧印加時に透過率が最小になるまでにかかる時間も短くなり、結果的に階調はほぼ一定に保たれる。このように、本発明によれば、余分な回路や温度センサー等を増やさずに温度による階調変化を抑制することができる。
なお、誘電率の値は、例えば６．３〜７．７とすることができる。
【００１０】
また、本発明に係る液晶装置は、１フィールド期間がそれぞれ期間の長さの異なる複数のサブフィールド期間に分割され、前記サブフィールド期間毎にオン電圧またはオフ電圧を印加することにより階調表示を行う液晶装置であって、オン電圧印加時の液晶の立上がり応答時間と立ち下がり応答時間が、ほぼ一定になるように、前記オン電圧が選択されたものである。
【００１１】
本発明は、オン電圧印加時の液晶の応答速度が駆動電圧に依存するのに対し、オフ電圧印加時の応答速度は駆動電圧に依存しないことに着目し、オン電圧印加時の液晶の立上がり応答時間と立下がり応答時間が、ほぼ一定になるように液晶のオン電圧を選択した。換言すれば、オン電圧印加時の液晶の立上がり応答期間と立下がり応答期間における平均透過率の差が、０％〜２０％の誤差となるようにオン電圧を選択したので、温度上昇によってオン電圧印加時に液晶の透過率が最大になるまでにかかる時間が短くなったとしても、同様にオフ電圧印加時に透過率が最小になるまでにかかる時間も短くなり、結果的に階調はほぼ一定に保たれる。このように、本発明によれば、余分な回路や温度センサー等を増やさずに温度による階調変化を抑制することができる。
なお、オン電圧の値は、例えば２．７Ｖ〜３．３Ｖとすることができる。
【００１２】
また、本発明に係る液晶装置は、１フィールド期間がそれぞれ期間の長さの異なる複数のサブフィールド期間に分割され、前記サブフィールド期間毎にオン電圧またはオフ電圧を印加することにより階調表示を行う液晶装置であって、オン電圧印加時の液晶の立上がり応答期間と立下がり応答期間における平均透過率の差が２０％以下となるように、前記液晶の誘電率又は前記オン電が選択されたものである。
【００１３】
また、本発明では、温度変化に伴って変化する前記液晶の位相差を補償するための位相差補償層をさらに備えることが好ましい。特に、温度変化に伴って変化する位相差補償層の位相差値と液晶の位相差値との差が、常に液晶の位相差値の１０％以内であることが望ましい。つまり、温度変化に伴って位相差補償層の位相差値と液晶の位相差値とが変化した場合であっても、変化後の位相差補償層の位相差値と液晶の位相差値との差が、液晶の位相差値を１００％とした場合に、１０％以内となることが望ましい。
これにより、表示画像のコントラストを向上させることができ、温度変化に関わらず画像のコントラストを高く保つことができる。
【００１４】
また、本発明に係る液晶装置は、透過型、反射型等の液晶プロジェクタのライトバルブとして用いることができる。
また、本発明に係る液晶装置は、電子機器に適用することができる。ここで電子機器とは、本発明に係る液晶装置を備えた一定の機能を奏する機器一般をいい、その構成に特に限定は無いが、例えば投射型表示装置、ＩＣカード、携帯電話、ビデオカメラ、パーソナルコンピュータ、ヘッドマウントディスプレイ、さらに表示機能付きファックス装置、デジタルカメラのファインダ、携帯型ＴＶ、ＤＳＰ装置、ＰＤＡ、電子手帳、電光掲示板、宣伝広告用ディスプレイ等が含まれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による液晶装置１００の駆動部の構成を示すブロック図である。図に示すように、液晶装置１００の表示部Ａには複数の画素６がマトリクス状に配置され、このマトリクスに沿って、垂直方向にデータ線４、水平方向に走査線５がそれぞれ配設されている。各データ線４にはデータドライバ２が接続され、各走査線５には走査ドライバ３が接続されている。データドライバ２および走査ドライバ３にはフィールド／サブフィールドタイミング信号生成回路１３が接続され、フィールド／サブフィールドタイミング信号生成回路１３には基準クロック発生回路１１、データコーディング回路１４が接続されている。また、データドライバ２にはデータコーディング回路１４が接続されている。
【００１６】
画素６は、１フィールド（垂直表示期間）内におけるサブフィールド（副表示期間）毎に上から下へ走査ドライバ３によって走査され、走査線５には順次「Ｈ」レベルの電圧が印加される。この走査と同期しながら、データドライバ２がデータコーディング回路１４によって展開された入力データをもとにデータ線４への「Ｈ」または「Ｌ」の電圧印加を行う。各々の画素６には、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）により実現されるスイッチング素子が設けられており、このスイッチング素子は接続されている走査線５が「Ｈ」のときのみオンとなり、接続されているデータ線４の電位を画素電極に印加し、走査線５が「Ｌ」のときにはオフ状態となる。
【００１７】
液晶装置１００はデジタル駆動方式により駆動される。図２は、デジタル駆動方式の原理を説明する図である。図２（ａ）はフィールドタイミングを表すパルス信号を示しており、あるパルスから次のパルスまでの間が１フィールドである。図２（ｂ）はこの１フィールドを６３個のサブフィールドＳＦ１〜ＳＦ６３に分割し、ＳＦ５〜ＳＦ９の５つのサブフィールドのみ画素電極に「Ｈ」レベルの電圧（オン電圧）の印加を行い、その他のサブフィールドには「Ｌ」レベルの電圧（オフ電圧）印加を行う場合を示している。この場合、画素はＳＦ１〜ＳＦ６３のすべてのサブフィールドに電圧を印加した場合の約６３分の５の明るさとなる。このように、サブフィールドごとの電圧選択により、６３分の０から６３分の６３の６４段階の階調の表現が可能となる。
【００１８】
図２（ｃ）は、図２（ｂ）に示すパターンで電圧印加を行った場合の液晶の反応のタイミングを示している。図に示すように、サブフィールドＳＦ５〜ＳＦ９に「Ｈ」レベルの電圧を印加しているが、それに対する液晶の反応は立上がりが鈍く、定常状態に達するまでに時間を要し、また「Ｈ」から「Ｌ」にパルスのレベルが下がるときにも同じように時間を要する。この結果、立上がりと立下がりの部分で階調に誤差が出る。
【００１９】
また、液晶の反応速度は温度によっても変化し、温度が高ければ反応速度が速くなり、温度が低ければ遅くなる傾向がある。図２（ｄ）は、図２（ｃ）に比べて温度が低い場合の液晶の反応を示しており、電圧パルスの立上がり時および立下がり時とも、定常状態にいたる時間がそれぞれ長くなっており、表示する階調の誤差量も変化する。
【００２０】
図１を用いて液晶装置１００の動作について説明する。
基準クロック発生回路１１は一定時間間隔の基準クロックパルスを発生する。フィールド／サブフィールドタイミング信号生成回路１３は、基準クロックをカウントしながら、フィールドタイミング信号およびサブフィールドタイミング信号を生成する。
【００２１】
データコーディング回路１４は、すべての画素６の現フィールドにおける輝度を表す画像データを一時的に保持しており、また、入力されるサブフィールドタイミング信号によって、サブフィールドアドレス（０〜６３）をカウントするカウンタを備えている。本装置では、画素への「Ｈ」電圧の印加はサブフィールドＳＦ１から開始され、各画素のデータに応じたサブフィールドにおいて終了して「Ｌ」に戻るようになっており、データコーディング回路１４は、画像データに基づいて、各画素毎にまた各サブフィールド毎に「Ｈ」または「Ｌ」の電圧を出力する。
【００２２】
サブフィールドタイミング信号の入力を受けた走査ドライバ３は、その信号に従って、上から順次、走査線５に「Ｈ」電圧を出力していく。また、データドライバ２は、この垂直走査と同期しながら、データコーディング１４から出力された「Ｈ」または「Ｌ」の電圧を順次データ線４に印加していく。このようにして、サブフィールド構成に従った電圧の印加を受けることにより、各々の画素の階調表示が実現される。
【００２３】
ここで、上述したように、サブフィールドを用いて階調表示を行うデジタル駆動方式の液晶装置１００の場合、液晶の応答速度が温度によって変化するため、温度変化に伴って階調が変化する。図２（ｃ）、（ｄ）に示したように、立上がり時および立下がり時とも、温度が高いほど応答速度は速くなる。
【００２４】
階調は、一定時間電圧「Ｈ」が印加されたことにより液晶の配向が変化し、それによって光の透過率が変化することにより表される。図３は、電圧印加を行った場合の液晶の透過率の時間変化を示すグラフである。階調は、１フィールドにおける透過率の積分値、すなわち、図３のグラフの曲線と時間軸で囲まれる面積で表される。よって、透過率の積分値が一定であれば階調も変化しない。
【００２５】
図４は、温度変化に伴う階調変化の抑制の原理を説明する図である。透過率の積分値を一定にするためには、図４に示すように、立上がり時における透過率の積分値の変化分（図中Ａ部の面積）と立下がり時における透過率の積分値の変化分（図中Ｂ部の面積）が同じであればよい。すなわち、温度変化に伴う応答速度の変化が立上がり時と立下がり時でほぼ同じであれば、温度上昇によって立上がり時の応答速度が速くなって透過率の積分値が増えたとしても、同様に立下がり時の応答速度も速くなり、その分透過率の積分値は減るので、結果的に透過率の積分値の変化分が相殺され、階調はほぼ一定に保たれる。
【００２６】
一般に、立上がり時の応答速度と立下がり時の応答速度は異なる式で表される。例えば、ＴＮ方式、ＧＨ方式、ＥＣＢ方式等のネマティック液晶の立上がり時の応答速度τｒと立下がり時の応答速度τｄはそれぞれ式（１）、式（２）で表される。
τｒ＝ηｉｄ2／（ε０｜Δε｜Ｖ2−ｋｉｉπ2）…（１）
τｄ＝ηｉｄ2／π2ｋｉｉ…（２）
ただし、ηｉは液晶の粘性パラメータ、ｋｉｉは弾性パラメータ、Δεは誘電率パラメ
ータ、Ｖは印加電圧パラメータである。
【００２７】
式（１）、（２）から明らかなように、立上がり時の応答速度τｒと立下がり時の応答速度τｄは異なる式で表され、立上がり時の応答速度τｒは液晶の誘電率Δεや印加電圧
Ｖによって変化するのに対し、立下がり時の応答速度τｄは、これらのパラメータによって変化しない。そこで、この２つのパラメータを調節することにより、立上がり時の応答速度の変化と立下がり時の応答速度の変化を同じにすることができる。
【００２８】
図５は、液晶の誘電率を変化させた時の、温度変化に伴う液晶の応答速度の変化を示すグラフである。ここでは、液晶はＴＮ方式を用いており、液晶層の厚みは３μｍである。また、液晶材料はフッ素系液晶を用いており、屈折率は０．１５、回転粘度は３００〜３５０ｍ・Ｐａ・ｓである。また、駆動電圧（印加電圧）は５Ｖである。
液晶の誘電率をそれぞれ、５，７，１０にした時の立上がり時の応答速度変化と立下がり時の応答速度変化のグラフが示されているが、グラフから分かるように、立下がり時は誘電率を変化させても温度に対する応答速度変化はほぼ一定であるのに対し、立上がり時では誘電率の値によって応答速度が変化し、誘電率が７の時に立下がり時の応答速度変化とほぼ同じになる。
【００２９】
以上のことから、液晶の誘電率を７、もしくは６．３〜７．７とすることによって、温度変化に伴う応答速度の変化を立上がり時と立下がり時で同じにし、温度変化による階調の変化を抑制することができる。
【００３０】
図６は、駆動電圧を変化させた時の、温度変化に伴う液晶の応答速度の変化を示すグラフである。ここでは液晶はＴＮ方式を用いており、液晶層の厚みは３μｍである。また、液晶材料はフッ素系液晶を用いており、屈折率は０．１５、回転粘度は３３０ｍ・Ｐａ・ｓである。また、誘電率は１０である。
駆動電圧をそれぞれ、３Ｖ，５Ｖ，７Ｖにした時の立上がり時の応答速度変化と立下がり時の応答速度変化のグラフが示されているが、グラフから分かるように、立下がり時は駆動電圧を変化させても温度に対する応答速度変化はほぼ一定であるのに対し、立上がり時では駆動電圧によって応答速度が変化し、電圧が３Ｖの時に立下がり時の応答速度変化にもっとも近くなっている。
【００３１】
以上のことから、駆動電圧を３Ｖ、もしくは２．７Ｖ〜３．３Ｖとすることによって、温度変化に伴う応答速度の変化を立上がり時と立下がり時で近づけることが可能となり、温度変化による階調の変化を抑制することができる。
【００３２】
なお、液晶装置１００に、温度変化による液晶層の位相差の変化を補償するための位相差補償層を適用することにより表示画像のコントラストを向上させることができるが、この際、温度変化による位相差補償層の位相差値の変化を液晶装置１００の位相差値の変化とほぼ同じにすることで、温度変化に関わらず画像のコントラストを高く保つことができる。
【００３３】
また、実施の形態１では１フィールドを６３分割したサブフィールドによって６４段階の階調を再生するようにしていたが、サブフィールド数はこれに限られない。
【００３４】
また、実施の形態１ではデータ線４を通して画素電極に印加する電圧レベルは「Ｈ」または「Ｌ」（共通電位）の２種類だけであったが、これ以外の電圧レベルも選択可能として、より細かいステップでの階調制御を行うような構成としても良い。
【００３５】
本発明による液晶装置１００は、ＴＮ方式、ＶＡ方式、ＩＰＳ方式、ＦＦＳ方式、ＯＣＢ方式、ＥＣＢ方式等のあらゆる方式の液晶に対して適用可能である。
【００３６】
液晶プロジェクタ
図７は、本発明による液晶装置を備えた投写型の液晶プロジェクタ１０の構成を示す図である。液晶プロジェクタ１０は、光源装置１０１、ダイクロイックミラー１１２，１１４と、ミラー１１６，１２２，１２４、本発明による液晶パネル２００Ｒ，２００Ｇ，２００Ｂ、クロスダイクロイックプリズム１６０、および投写レンズ系１８０を備えている。液晶パネル２００Ｒ，２００Ｇ，２００Ｂは本発明による液晶装置に相当する。
【００３７】
光源装置１０１から射出された照明光は、ダイクロイックミラー１１２に入射する。ダイクロイックミラー１１２は、照明光の赤色光成分（Ｒ）のみを透過させ、緑色光成分（Ｇ）および青色光成分（Ｂ）を反射する。ダイクロイックミラー１１２を透過した赤色光は、ミラー１１６で反射され、赤色光用の液晶パネル２００Ｒに達する。ダイクロイックミラー１１２で反射された青色光と緑色光のうちで、緑色光はダイクロイックミラー１１４によって反射され、緑色光用の液晶パネル２００Ｇに達する。一方、青色光はダイクロイックミラー１１４を透過し、ミラー１２２，１２４で反射されて青色光用の液晶パネル２００Ｂに達する。
【００３８】
液晶パネル２００Ｒ，２００Ｇ，２００Ｂは、与えられた画像情報（画像信号）に従って、３色の色光をそれぞれ変調する。クロスダイクロイックプリズム１６０は、３枚の液晶パネル２００Ｒ，２００Ｇ，２００Ｂでそれぞれ変調された３色の色光を合成してカラー画像を形成する。クロスダイクロイックプリズム１６０で生成された合成光は、投写レンズ系１８０の方向に射出される。投写レンズ系１８０は、クロスダイクロイックプリズム１６０で生成された合成光を投写スクリーンＳＣ上に拡大投写して、カラー画像を表示する。
【００３９】
また、本発明による液晶装置１００は、上記のような投写型の液晶プロジェクタ１０に限らず、反射型液晶装置（ＬＣＯＳ）等にも適用することができる。
【００４０】
電子機器
次に、上述した液晶装置１００を備えた電子機器の具体例について説明する。
図８は、液晶装置１００を備えた電子機器の具体例を示す斜視図である。図８（Ａ）は、電子機器の一例である携帯電話機を示す斜視図である。この携帯電話機１０００は、本発明にかかる液晶装置１００を用いて構成された表示部１００１を備えている。図８（Ｂ）は、電子機器の一例である腕時計を示す斜視図である。この腕時計１１００は、本発明にかかる液晶装置１００を用いて構成された表示部１１０１を備えている。図８（Ｃ）は、電子機器の一例である携帯型情報処理装置１２００を示す斜視図である。この携帯型情報処理装置１２００は、キーボード等の入力部１２０１、演算手段や記憶手段などが格納された本体部１２０２、および本発明にかかる液晶装置１００を用いて構成された表示部１２０３を備えている。
なお、上記以外にも液晶装置１００は、ディスプレイ装置、テレビジョン装置、電子ペーパ、時計、電卓等の機器の表示部として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施の形態１による液晶装置の駆動部の構成を示すブロック図である。
【図２】図２（ａ）〜図２（ｄ）は、デジタル駆動方式の原理を示すタイミングチャートである。
【図３】電圧印加を行った場合の液晶の透過率の時間変化を示すグラフである。
【図４】本発明による液晶装置の、温度変化に伴う階調変化の抑制の原理を説明する図である。
【図５】液晶の誘電率を変化させた時の、温度変化に伴う液晶の応答速度の変化を示すグラフである。
【図６】駆動電圧を変化させた時の、温度変化に伴う液晶の応答速度の変化を示すグラフである。
【図７】本発明による液晶装置を用いた液晶プロジェクタの構成を示す図である。
【図８】本発明による液晶装置を用いた電子機器の例を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
２  データドライバ、３  走査ドライバ、４  データ線、５  走査線、６  画素、１１  基準クロック発生回路、１３  フィールド／サブフィールドタイミング信号生成回路、１４  データコーディング回路、１００  液晶装置、１０  液晶プロジェクタ、１０１  光源装置、１１２，１１４  ダイクロイックミラー、１１６，１２２，１２４  ミラー、２００，２００Ｒ，２００Ｇ，２００Ｂ  液晶パネル、１６０  クロスダイクロイックプリズム、１８０  投写レンズ系、１０００  携帯電話機、１００１，１１０１，１２０３  表示部、１１００  腕時計、１２００  携帯型情報処理装置、１２０１  入力部、１２０２  本体部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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