JPS616729A - 情報入出力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 く技術分野〉 不発ＦＪＡハ、マトリックス状に配列された個々の絵素
に対応した駆動用スイッチング素子が集積された基板に
より駆動（いわゆるアクティブ・マトリックス駆動）さ
れる情報入出力装置に関し、特にライト・ペンにより情
報を入力することが可能な液晶入出力装置に関するもの
である。

〈発明の背景〉 近年、オフィス・オートメイション、ラボラトリー・オ
ートメインヨンの隆盛に伴ない人間と省力化機器との間
の情報の受は渡しを担うマン・マン７・インターフェイ
スである入出力装置に対する需要に益々高まっている。

機器から人間への情報伝達手段としてＬＣＤ、　ＣＲＴ
、　ＬＥＤ、　ＥＬ−ＰＩ）Ｐ。

ＶＦＤなどの各種表示装置が用いられ、人間から機器へ
の情報伝達にはキー・ボード、タッチ・／Ｎ６ネル、グ
ラフィック・タブレット、マウスなどがキャラクタ−（
文字）入力、グラフィック（図形）入力の目的に応じて
使い分けられている。これらはいずれも一方向だけの情
報伝達手段でちるが、双方向の情報伝達を企図するもの
としてライト・ペン方式が天川に供されている０これは
ライト・ペンと称する光電変換素子とＣＲＴ（ブラウン
管）とを組み合わせたものである。ライト・ペン全Ｃ，
ＲＴの画面に近付けると、ＣＲＴのビームがライト・ペ
ンの位置全走査した時にライト・ペンの光電変換素子は
光を検出しパルスを出力する。このパルスとＣＲＴの偏
向信号とのタイミングを比較することによりライト・ペ
ンの位置が判定される。この方式では、図形を入力する
のが容易であり、キー・ボードの操作に習熟していない
者でも対話形式で操作できるという長所を持つ反面、消
費電力が多い、装置の奥行きが深い、画面が湾曲してい
るなどのＣＲＴが元来有する短所から逃れることができ
ない。

〈発明の目的〉 本発明は、ＬＣＤに光電変換素子全作り込み、発光型ラ
イト・ペンと組み合わせることにより上述の問題点を克
服したものであり、薄型軽量で携帯に適した低消費電力
の入出力装置を提供することを目的とするものである。

〈発明の基盤技術〉 本発明の基本構成を説明するに際し、種々の表示装置の
１例としてカラー液晶表示、＜＋ネルについて説明する
０カラー液晶ノぐネルはドツトマド１ノツクス状に配列
された多数の絵素電極と、それにＥｐ加される電圧に応
じて光を変調する液晶層と、絵素に対応して配列された
着色手段と力）らなる。各絵素にそれと対応する色に応
じた映像信号を印カロすることにより、カラーＣＲＴと
同じ原理により加色混合された中間色を含む任意の映像
全表示することができる。

液晶パネルの動作モードＶＣ１−ｔ、ツィステッド・ネ
マティック（ＴＮ）、ゲスト・ホスト（ＧＨ）、ダイナ
ミック・スキャッタリング・モード（ＤＳＭ）、相転移
など多くのモードが有り、いずれにも本発明は適用可能
であるが、特にＴＮおよびＧＨが好ましい結果を与える
。ＧＨ−”Ｃは黒色の色素を用い、いわゆるブラック・
シャッターとして動作させる。

液晶についての詳細は、佐々木編［液晶エレクトロニク
スの基礎と応用」オーム社（１９７９）などに詳述され
ている。

個々の絵素全個別に制御する為に、通常次の３方法のい
ずれかが用いられる。

（１）、単純マトリックス ２枚の基板のそれぞれにストライプ状の電極を設け、そ
れらが直交するように２枚の基板を貼り合わゼてパネル
を構成する。通常、電圧平均化法により駆動され、行電
極には順次行選択信号が印加される。列電極には行選択
信号と同期して画像信号が印加される。行電極と列電極
の交点が絵素となり、両電極に挾まれた液晶は電極間の
電位差に応答する。

液晶は実効値に応答する素子である為、クロストーク、
ダイナミック・レンジの点から走査ライン数はあまり大
きくすることができない。このような制限全克服する為
に、次の２つの方法が開発されている。

（２）、非線形素子の付加 各絵素にバリスター、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ／Ｉｎ５ｕｌ
ａｔｏｒ／Ｍｅｔａｌ）、ｂａｃｋ−ｔｏ−ｂａｃｋダ
イオードなどの非線形素子を各絵素に付加し、スレッン
ヨルド特性を改善してクロス・トークを抑制する方法で
ある。

（３）、スイッチング素子の付加（アクティブ・マトリ
ックス） 各絵素にスイッチング・トランジスターヲ付加し、個別
に駆動する方法である。選択期間中に駆動電圧が印加さ
れて蓄積コンデンサーに充電され、それが非選択期間中
にも保持されるので、液晶にはスタティック・駆動とほ
ぼ同じ波形の電圧が印加される。液晶自体も容量性の負
荷であり、その時定数が駆動の繰り返し周期に比べて十
分大きい場合には、蓄積コンデンサーは省略することが
できる。スイッチング・トランジスタとしては薄膜トラ
ンジスタま７ｔｃｉｊシリコン・ウェファ上に形成され
たＭＯＳ−ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）などが用い
られる。

本発明は後述する光電変換素子とスイッチング素子と全
同一のプロセスで形成することが可能なので特に上記（
３）の方法に適用するのが効果的であるが、他の方法へ
の適用を妨げるものではない。

またキャラクタ表示、グラフィック表示、映像表示導音
ての表示パターンに適用することができる。

通常、着色手段の色としては、加法三原色が選ばれる。

着色手段は、干渉フィルター、無機あるいは有機の染料
あるいは顔料からなるフィルターが用いられる。着色手
段は液晶パネルを構成する基板の外面に設けても内面に
設けても良い。後者の場合には、絵素電極または共通電
極の上に設けても下に設けても良い。

カラー液晶パネルでは、入射光のスペクトル中で三原色
中の一色のスペクトル領域しか利用されず残りの成分は
着色手段によって吸収される。さらに偏光板を使用する
液晶動作モードの場合には利用できる光量はさらに半減
するので、照男手段全設けない反射型モードでは非常に
暗い表示画面となる。この為、照明手段として白熱電球
、蛍光灯、ＥＬパネルなどの光源を設けたり、周囲光全
液晶パネルの背面に導く等の手段が付加される。

ポータプル機器への応用を図る場合には、電源容量の制
約が厳しいので光源の発光効率の向上が重要なポイント
となる。

以上の如き特性全有するカラー液晶表示パネルにフォト
ダイオード等の光電変換素子を各絵素に対応して形成し
、表示画面上にライト・ペン全走行させてライト・ペン
よりパネル内へ光音照射し、この光音光電変換素子で受
光する構成とすることにより画面上でライト・ペンが動
いた軌跡に対応したパターンが情報として入力されるこ
とになり、情報の表示と入力を行なうことが可能な液晶
表示装置が得られる。この表示装＠け液晶パネルを利用
するものであるため薄型軽量であシかっ消費電力も少な
いという利点を有する。また、入力される情報パターン
は谷絵素に対応して光電変換素子が配列されていること
よりライト・ペンの光を感知した光電変換素子の検出信
号により該光電変換素子の配列位置に対応したライト・
ペンの位置が求められ、その移動軌跡が順次光電変換素
子を介して検出されるため情報パターンの入力が極めて
迅速かつ容易に行なわれる。

く実施例〉 以下、図面に従って本発明の１実施例を詳細に説明する
。

液晶セルを構成する一方のセル基板としてＴＰＴ（薄膜
トランジスタ）−フォトダイオード基板を作製する。本
実施例に用いられるＴＦＴ及びフォトダイオード（２端
子光電変換素子）は各々マトリックス状に配置される絵
素に対応して形成され、フォトダイオードは必すしも接
合を備えたり整流特性を示したりする必要はない。本実
施例では液晶駆動用のＴＰＴとライト・ペンの光を検出
する為のフォトダイオードとを同一のプロセスにより同
時に基板面上に形成する。フォトダイオードはＴＰＴか
らゲート電極と光シールドを取り除いた構造を有するも
ので、電極／半導体膜／電極の構造を有する光導電素子
である。どのフォトダイオードがライト・ペンの光を受
けているかを読出す為にフォトダイオードの一端ｋＴＦ
Ｔのゲート・ラインに、他端をデータ読出ラインに接続
する。

第１図に上記ＴＰＴ及びフォトダイオード全模式的に描
いた平面図であり、第２図（Ａ）はＡ−Ａ’断面図、同
（Ｂ）はＢ−Ｂ’断面図である。ＴＰＴはソーダガラス
、石英ガラス、プラスチック、セラミックなどの透明な
絶縁性基板（ｌＯ）の上にゲート電極（１１）、ゲート
絶縁膜（１２）、半導体膜（１３）、ソース電極（１４
）及びドレイン電極（１５）が順次パターン化されかつ
積層されることにより構成されている。ＴＦＴＩマトリ
ックス状に配置される絵素電極（１Ｇ）の個々に対応し
て形成され、ドレイン電極（１５）にけ絵素電極（１６
）及び必要に応じて設けらｆｌ、た蓄積コンデンサが接
続される。同一行のＴＰＴに属するゲート電極（ＩＩ）
は共通のゲート・ライン（１＋５に接続され、同一行の
ＴＰＴに属するソース電極（１４）は共通のデータ書込
ライン（＋４に接続される。ゲートライン（１（）とデ
ータ用込ライン！＋　４）ｔ６マトリツクス状に配列さ
れ、その交点に対応してＴＰＴが形成されることになる
。

フォトダイオードはゲート・ライン（１１）と上記デー
タ書込ライン１１４）に平行に配設されたデータ読出ラ
イン（１印との間に光検出用半導体膜！１３）ｋ設ける
ことにより得られる。フォトダイオードは、ＴＰＴと同
様に１対の電極を同一平面上に平行配置し、両電極間を
半導体膜で橋絡するように配置しても良く、少な（とも
一方の電極全透明導電膜で形成し両電極の間に半導体膜
を介設してサンドインチ状に挾持する講造砒しても良い
。前者の構造ではフォトダイオードはＴＰＴ基板のどち
ら側の光にも感応するが、開口率（絵素の有効面積／表
示部の全面積）は悪くなる。後者では透明導電膜の側力
きらの光しか検出できないが、ゲート・ラインまたはデ
ータ読出ラインの配線を有効に活用することができるの
で開口率は高くとれる。本実施例ではゲート・ライン面
の上に半導体膜（１爲の島を設け、その上にＩ　Ｔｏ　
（Ｉ　ｎ　２０３＋Ｓ　ｎ　０２　）からなる透明導電
膜（＋９ｊｉ堆積し、この片端部をデータ読出ライン（
１８）に接続した。ＴＰＴ及びフォトダイオードにおけ
る半導体薄膜１３．１３’の材料は、必要に応じて不純
物がドープされた■族の単体もしくは混合物（化学量論
的化合物、非化学量論的化合物、固溶体、合金など）あ
るいｆｌＶＩ族の単体もしくは混合物などから選定され
る。またその結晶学的形態は単結晶、多結晶、非晶質の
いずれでも良い。光検出用半導体膜（凶はＴＰＴの半導
体膜０３）と同時に形成してもよ（、別の材料で形成し
ても良い。薄膜形成法としては真空蒸着法、スパッタリ
ング法、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法な
どが用いられ、シャドウマスクやフォトリングラフィの
技術によってパターン化される０ 周囲光による誤動作を防ぐ為に、必要に応じてＴＦＴｉ
には光シールドを、フォトダイオード上ににフィルタを
それそｈ設ける。フォトダイオード上に設けるフィルタ
の透過スペクトルは表示画面上を移動するライト・ペン
の発光スペクトルに対応しかつ帯域幅の狭いほうが良い
。このようなフィルタを設けることにより、ライトψ・
ペンからの光ビームが選択された発光スペクトル成分の
みフォトダイオードで検出される。更にその上に液晶を
配向させる為の配向膜全般け、ラビング処理により配向
力を付与する。

このように構成さＩ１．たＴＦＴ−フォトダイオード基
板による液晶の駆動は線順次方式を基本として次のよう
になされる。ＴＰＴの半導体膜（１３）としてｎ型半導
体を用いた場合、ゲート電極（１１）に正の電圧全印加
すると半導体膜（１３）のゲート絶縁膜（Ｉ２）側の界
面に電子の蓄積層が形成され、ソース電極（１４）とド
レイン電極（１０との間の抵抗が変調される。第３図は
本装置の駆動回路の１実施例を示すブロック図である。

ゲートライン（１１）には走査パルス発生回路（３１）
により周期的に走査パルスが印加され、ＴＰＴはＯＮ状
態にされる。映像信号は一旦ライン・メモ１月３２１に
一走査線分蓄えられ、その後走査パルスに同期して一斉
にデータ書込ライン（１４１′に印加され、ＴＰＴを通
じて絵素電極（１Ｇ）及び必要に応じて設けられた蓄積
コンデンサに印加される。絵素電極（１６）の電位変動
に応じて液晶に印加される実効値電圧が変化し、液晶が
表示駆動される。ライン・メモリ（ハ）としては、中間
調を含む映像全表示する為にはアナログ・ライン・メモ
リが用いられるが、中間調が不用の場合にはディジタル
・ライン・メモリＦｉＤちンフト・レジスタが用いられ
る。

蓄積コンデンサはＴＰＴがＯＦＦ状態の期間中も液晶に
印加すべき電圧全保持する為のものである。

液晶の時定数が走査周期に比べて十分太きければ蓄積コ
ンデンサは特に設けな（ても良い。

フォトダイオードによるライト・ペンの位置検出は次の
ようにしてなされる。光検出用半導体膜ｆ＋　３）’と
しては暗導電率力；小さく、光導電率の太きいものが選
定される。ライト・ペンからの光照射により半導体膜０
爲に光が照射されると、抵抗が下がリケード・ライン（
１１）に印加されている走査パルスがデータ読出ライン
（１８）に伝達される。このパルスを各データ読出ライ
ンに接続されたコンパレータで検出する。どのコンパレ
ータにパルスが現われたかによシＸ座標が判別され、パ
ルスが現われるタイミングによりＹ座標が求められる。

このような処理はたとえば第４図のような回路で簡単に
構成することができる。各コンパレータ（４１）の出力
をピーク・ホールド回路まｒｖＨＲｓフリップ・７０ツ
ブ（４２）でラッチし、その出力’ｋＯＲ回路（４３）
に導く。

この出力は各フィールドの最初に（Ｉ　０１１にリセッ
トされ、ライト・ペンの光を受けているフォトダイオー
ドが走査されると“ｌ”に変化する。ＯＲ回路（４３）
の出力か“０″の期間中の走査パルスの数１ｙ座標カウ
ンター（４４）により計数することによりＹ座標が求め
らノする。このようにすればライト・ペンの光を複数の
フォトダイオードが受光してもその中で最も上の位防が
検出される。Ｘ座標は垂直帰線期間中にピーク・ホール
ド回路またはＲＳフリップ・フロツグ（４りでラッチさ
れた出力をスキャンすることにより求められる。垂直帰
線期間中に処理できない場合にはラッチ出力を一旦別の
ソフト・レジスタ（４５１に転送し、次のフィールド中
にＴＰＴの駆動用の走査パルスを使ってスキャンし、最
初にｉｆ　Ｉ　１１に出会うまでのクロック・パルスｉ
ｉＲＳフリップ・フロップ（４２）及びＸ座標カウンタ
（４６）によって計数しても良い。これらの回路は外部
に設けても良いが、ＴＰＴ基板の周辺部に設けても良い
。

後者の場合にはＴＰＴ基板と外部回路との接続端子数を
少なくすることができる。周囲光の影響があるときには
コンパレータ（４１）のレフ７ランス電圧Ｖｒｅｆ、全
調整すれば良い。

次に、ガラスなどの透明な基板上に透明導電膜及びカラ
ーフィルタが設けられた対向電極側のセル基板を作製す
る。カラーフィルタとしては、干渉フィルタ、無機もし
くは有機の染料あるいは顔料が用いられる。カラーフィ
ルタは、フＡトリソグラフィあるいけ印刷法により三原
色がストライプ状またはモザイク状に配列されている。

この上にＩＴＯからなる透明導電膜をイオンブレーティ
ングなどの方法により堆積する。更にその上に液晶を配
向させる為の配向層金膜ける。

これら２枚のセル基板全スペーサを介して貼り合わせ、
両基板の間隙に液晶を注入することにより液晶パネルが
作製される。尚、液晶の動作モードがＴＨの場合には液
晶パネルの表裏両面に偏光板を付設する。

ライト・ペンはペン状のケース中に光源とレンズを組込
んだものである０光源としては白熱電球にフィルタをか
けたもの、発光ダイオードまたは半導体レーザなとが用
いられる。既に述へたように光源の発光スペクトルは狭
いほうが良い。発光ダイオードでは半値幅は約１０〜１
１００ｎ程度に設定することができる。光源から出力さ
れた光はライト・ペンの片端面に装着されたレンズを介
してビーム状に出力される。従って、ライト・ペン全上
記液晶パネルの画面上で移動させながら光照射すると、
ライト・ペンから出た光は液晶パネル内のフォトダイオ
ードに到達し、ライト・ペンの軌跡がフォトダイオード
で検知されることとなる。

尚、上記実施例では透明基板上にＴＰＴとフォトダイオ
ードが設けられ、液晶を透過型モードで動作させる例に
ついて説明したが、本発明の他の実施例としてＳｉ　　
などの半導体基板を用い、その上に液晶駆動用トランジ
スタおよび光電変換素子を集積し、液晶全反射型モード
で動作させるように構成するこ占もできる。

〈発明の効果〉 このようにして構ｌ戊された液晶入出力装置は、従来の
ＣＲＴとライト・ペンを用いた入出力装置に比べ低消費
電力、薄型軽量であり、携帯用電子機器に装備する場合
に好適でありその技術的効果は多大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の説明に供する■汀−フオド
ダイオード基板の模式平面図である。第２図（８）（Ｂ
）は第」図のＡ−Ａ′及び）３−　ＴＹ断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、マトリックス状に配列された絵素電極の個々に印加
   電圧のスイッチング手段を連結してアクティブ・マトリ
   ックスにより表示駆動される情報表示パネルの内部に、
   前記絵素電極に対応して光電変換素子を配列し、前記液
   晶表示パネルの画面上を移動するライトペンからの光ビ
   ームを前記光電変換素子で検出することにより該ライト
   ・ペンの描く情報パターンの入力機能を具設したことを
   特徴とする情報入出力装置。 ２、情報表示パネルを液晶表示パネルで構成した特許請
   求の範囲第１項記載の情報入出力装置。 ３、光電変換素子をフォトダイオードで構成した特許請
   求の範囲第１項記載の情報入出力装置。 ４、スイッチング手段をセル基板上に形成した薄膜トラ
   ンジスタで構成した特許請求の範囲第１項記載の情報入
   出力装置。 ５、スイッチング手段を駆動する電圧供給線に光電変換
   素子が連結されている特許請求の範囲第１項記載の情報
   入出力装置。 ６　ライト・ペンからの光ビームを帯域幅の狭い発光ス
   ペクトルとした特許請求の範囲第１項記載の情報入出力
   装置。 ７　ライト・ペンからの光ビームを選択された発光スペ
   クトル成分のみ透過させるフィルタを光電変換素子に付
   設した特許請求の範囲第１項記載の情報入出力装置。