JP6732633B2 - 電子機器及び表示装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、回路基板の音鳴りを防止する電子機器及び表示装置に関する。
近年、小型・大容量で高周波特性が優れている積層セラミックチップコンデンサ(以下、セラミックコンデンサと称する)が種々の分野で使用されている。例えば、発光ダイオード(LED)の駆動回路にセラミックコンデンサが使用されている。
特開2002−232110号公報 特開2003−324030号公報 特開2013−254684号公報
セラミックコンデンサは電圧が変動すると、誘電体材料が電歪現象により変動し、セラミックコンデンサが振動する。この振動が、セラミックコンデンサが実装されている回路基板、例えば回路基板に伝搬すると、回路基板が共振して振動することがある。振動の周波数が低い場合、振動に伴って回路基板の音鳴りが生じる。
例えば、LEDの輝度調整のためにPWM調光制御を行うLED駆動装置において、LED駆動装置の平滑コンデンサ等としてセラミックコンデンサが使用される。一般に、PWM調光周波数は、人間の目でちらつきが感じられず、かつ調光信号のデューティ比(オン/オフ比、調光率とも称する)が1%以下程度でもLEDがオン、オフできるように、200Hz〜1kHzの低周波数となっている。
このような低周波数で回路基板上のセラミックコンデンサが振動すると、回路基板とセラミックコンデンサが共振して、1kHz〜10kHz程度の基板の音鳴りが発生する場合がある。なお、セラミックコンデンサの電圧変動の周波数が十分に高い場合は、セラミックコンデンサの変動に対して回路基板が追従できず、回路基板が振動せず、音鳴りが発生することはない。
このようなセラミックコンデンサと回路基板の共振による音鳴りは、コンデンサそのものから発生される音鳴りと違って、金属ケース等で基板を覆っても金属ケースまで共振してしまい、有効な防音効果がないことが課題となっている。
なお、タンタルコンデンサやアルミ電解コンデンサを使うことが考えられるがコスト、信頼性等を考慮してセラミックコンデンサを使用する場合がある。
本発明は、回路基板に実装されるセラミックコンデンサが電歪現象により振動しても回路基板から音鳴りが生じない電子機器を提供することを目的とする。
実施形態によれば、電子機器は、回路基板と、回路基板の表面あるいは裏面に設けられる回路部品と、を具備し、回路部品は、振動特性が逆位相の第1、第2セラミックコンデンサを具備し、第1セラミックコンデンサの振動の振幅と第2セラミックコンデンサの振動の振幅は異なり、第1セラミックコンデンサは第2セラミックコンデンサの振動の振幅に応じた複数個の第1コンデンサを具備し、第2セラミックコンデンサは第1セラミックコンデンサの振動の振幅に応じた複数個の第2コンデンサを具備し、第1コンデンサと第2コンデンサは交互に配置される
図1は、セラミックコンデンサの断面構造の一例を示す。 図2は、セラミックコンデンサの音鳴りの周波数特性の一例を示す。 図3は、回路基板の音鳴りの周波数特性の一例を示す。 図4は、正位相コンデンサと負位相コンデンサの配置の一例を示す。 図5は、負位相コンデンサの入力側に接続される反転回路の一例を示す。 図6は、第1実施形態に係るLED駆動装置の一例を示す。 図7は、図6におけるPWM調光信号に対する電源入力側に接続される第1コンデンサと電源出力側に接続される第2コンデンサの電圧変化の一例を示す。 図8は、実施形態における第1コンデンサと第2コンデンサの配置の一例を示す。 図9は、図6におけるPWM調光がオフからオンに変化した場合の第1コンデンサと第2コンデンサの電圧変動の一例を示す。 図10は、図6におけるPWM調光がオンからオフに変化した場合の第1コンデンサと第2コンデンサの電圧変動の一例を示す。 図11は、実施形態による回路基板の音鳴りの周波数特性の一例を示す。 図12は、第2実施形態における第1コンデンサと第2コンデンサの配置の一例を示す。 図13は、第3実施形態におけるダミーコンデンサの入力側に接続される反転回路の一例を示す。 図14は、図13におけるPWM調光信号に対する第1コンデンサと第2コンデンサの電圧変動の一例を示す。 図15は、第4実施形態の三端子レギュレータの一例を示す。 図16は、第5実施形態に係る表示装置の概略構成の一例を示す斜視図である。 図17は、第5実施形態に係る表示装置の画素アレイの一例を示す。 図18は、第5実施形態に係る表示装置の回路図の一例を示す。
以下、実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
開示はあくまで一例にすぎず、以下の実施形態に記載した内容により開示が限定されるものではない。当業者が容易に想到し得る変形は、当然に開示の範囲に含まれる。説明をより明確にするため、図面において、各部分のサイズ、形状等について実際の実施態様に対して変更して模式的に表している場合もある。複数の図面において、対応する要素には同じ参照数字を付して、詳細な説明を省略する場合もある。
[音鳴りのメカニズム]
図1を参照してセラミックコンデンサの音鳴り発生のメカニズムを説明する。図1はセラミックコンデンサの断面構造の一例を示す。例えば、略直方体の形状のセラミック誘電体12の例えば左右両側に一対の外部電極16a、16bが配置される。セラミック誘電体12内には板状の複数の内部電極14がセラミック誘電体12と交互にサンドイッチ状に積層される。これにより、電極の面積が増え、小型化と大容量化が実現される。セラミックコンデンサは半田18により回路基板10、例えばプリント回路基板の表面または裏面に実装される。図示しないが、セラミックコンデンサ以外の回路部品も回路基板10の表面または裏面に実装される。
外部電極16a、16b間に電圧Eが印加されると、複数の内部電極14が上下に積層されているため、電界は上下方向に印加される。図1(a)に示すように、電圧Eが大きい場合、セラミック誘電体12は電歪現象により上下に膨らみ、左右に縮む。図1(b)に示すように、電圧Eが小さい場合、セラミック誘電体12は電歪現象により上下に縮み、左右に広がる。このように、セラミックコンデンサに印加される電圧Eが変動すると、セラミック誘電体12が上下左右に伸び縮みすることにより、セラミックコンデンサから音鳴りが発生する。セラミックコンデンサの上下左右の伸び縮みが半田18を介して回路基板10に伝わると、回路基板10が共振して変動し、回路基板10からも音鳴りが発生する。
例えば、DC/DCコンバータや電源回路に用いられるコンデンサに印加される電圧の変動周波数が10kHz以上の高周波数であればコンデンサの変動に基板は追従できないので、基板は振動せず、基板の振動による音鳴りは発生しない。この場合、音鳴りの発生源はコンデンサ自体の伸縮に起因するもののみとなる。しかし、電圧の変動周波数が低い装置、例えば、PWM調光を行うLED駆動装置では、電圧の変動周波数は数100Hz程度の低周波数である。このような低周波数ではコンデンサの変動に基板が追従して共振して振動し、基板からも音鳴りが発生する。このような基板からの低周波数の音鳴りは、基板を固定するフレーム等のプラスチック素材や金属ケースにも伝わるので、より大きな音鳴りとなる。
LED駆動装置におけるコンデンサからの音鳴り(高周波数)の測定結果を図2に、基板からの音鳴り(低周波数)の測定結果を図3に示す。図2に示すように、コンデンサからの音鳴りは、通常は単一の高周波数(例えば、15kHz近傍で27dB)であるため、金属ケース等で容易に音を遮断することができる。それに対し、図3に示すように、基板からの音鳴りは、低周波振動(例えば、3kHz近傍で22dB)なので、周囲の物体にも振動が伝わり、一般的には複数の周波数成分で構成される低周波の音となる。このような低周波振動による音鳴りは、金属ケース等で覆っても金属ケースが共振してしまい、容易に音を遮断することができない。
この実施形態は、複数のセラミックコンデンサを特定の状態に配置することにより、セラミックコンデンサの低周波電圧変動による回路基板の音鳴りを防止する。複数のセラミックコンデンサは、位相(極性とも称する)が異なる2種類のコンデンサを含む。例えば、2種類のコンデンサは、ある矩形波信号のレベルがハイレベル(あるいはローレベル)からローレベル(あるいはハイレベル)に変化すると、電圧が増加し誘電体のサイズが縮小する正位相コンデンサと、反対に電圧が減少し誘電体のサイズが拡大する負位相コンデンサとを含む。正位相コンデンサと負位相コンデンサとは、振動の位相も反対であるので、回路基板の表面あるいは裏面に近接して配置すると、両者の振動を打ち消すことができ、コンデンサが振動しても基板が振動することが無く、基板から音鳴りが生じることがない。
[音鳴り防止の原理]
図4は、回路基板10上の正位相コンデンサと負位相コンデンサの近接配置の一例を示す。図4は、正位相コンデンサと負位相コンデンサが多数あり、コンデンサは2次元アレイ状に配置され、正位相コンデンサと負位相コンデンサは行、列のいずれの方向にも交互に配置される例を示す。個数が図4に示す個数より少ない場合は、コンデンサが1次元アレイ状に配置され、正位相コンデンサと負位相コンデンサが行、列のいずれかの方向に交互に配置される。もしも、正位相コンデンサと負位相コンデンサがそれぞれ1個の場合は、近傍に配置あるいは隣接して配置される。
図4(a)は、正位相コンデンサと負位相コンデンサが同じ電圧変動値(位相は反対であるが、電圧の絶対値は等しい)であることを前提としている。もしも、正位相コンデンサと負位相コンデンサの電圧変動値が異なる場合、電圧値の比に応じた個数の正位相コンデンサ、負位相コンデンサが交互に配置される。例えば、負位相コンデンサの電圧が正位相コンデンサの2倍である場合、図4(b)に示すように、1個の負位相コンデンサと2個の正位相コンデンサが行方向及び/または列方向に交互に配置すれば、正位相コンデンサ、負位相コンデンサの振動が略打ち消される。
図4(a)、(b)に示すコンデンサは、一対の外部電極16a、16bが紙面の左右端に位置するような向きで配置してもよいし、上下端に位置するような向きで配置してもよい。
正位相コンデンサと負位相コンデンサの具体例を説明する。
例えば、後述する第1実施形態のPWM調光するLED駆動装置において、PWM調光信号がローレベルからハイレベルに変化(PWM調光がオフからオンに変化)すると、電源入力側に接続される少なくとも1つの第1コンデンサの電圧は減少し、電源出力側に接続される少なくとも1つの第2コンデンサの電圧は増加する。逆に、PWM調光信号がハイレベルからローレベルに変化(PWM調光がオンからオフに変化)すると、第1コンデンサの電圧は増加し、第2コンデンサの電圧は減少する。したがって、PWM調光するLED駆動装置においては、第1コンデンサと第2コンデンサがそれぞれ正位相コンデンサと負位相コンデンサとなり、これらを図4に示すように近接配置することにより、PWM調光時の回路基板10からの音鳴りを低減できる。
電子機器に含まれるコンデンサが必ずしも正位相コンデンサと負位相コンデンサとを含むとは限らない。電子機器に含まれるコンデンサの電圧変動特性が単一の位相である場合は、ダミーのコンデンサを設けて、ダミーのコンデンサに対して反転回路を介して電圧を印加することにより、ダミーのコンデンサとそれ以外の当初から実装されているコンデンサとの電圧変動特性の位相を逆にすることができる。装置が1種類のコンデンサ(正位相)54aしか実装していない場合、図5(a)に示すように、ダミーコンデンサ54bが付加される。入力電圧Viはコンデンサ(正位相)54aに直接印加される。入力電圧Viはオペアンプ52からなる反転回路を介してダミーコンデンサ(負位相)54bに印加される。入力電圧Viが入力抵抗を介してオペアンプ52の反転入力端(−端子)に供給される。オペアンプ52の出力端子は帰還抵抗を介して反転入力端(−端子)に接続される。オペアンプ52の電源電圧がVccであり、非反転入力端(+端子)の電圧がVcc/2とすると、オペアンプ52の出力電圧Voは、Vo=Vcc−Viとなる。
図5(b)はコンデンサ(正位相)54aとダミーコンデンサ(負位相)54bの電圧変化特性を示す。例えばVcc=5Vとすると、当初から実装されているコンデンサ(正位相)54aの電圧は4.0Vと3.0Vの間で変動し、付加的に実装されたダミーコンデンサ(正位相)54bの電圧はVcc/2=2.5Vを基準にして1.0Vと2.0Vの間で変動する。すなわち、ダミーコンデンサ(負位相)54bの電圧Vo(=Vcc−Vi)と、コンデンサ(正位相)54aの電圧Viは、Vcc/2を中心とする実質線対称な波形となる。
このため、セラミックコンデンサの形状等を変更することなく、コンデンサ(正位相)54aとダミーコンデンサ(負位相)54bとを図4に示す正位相コンデンサと負位相コンデンサのように配置することにより、両コンデンサからの振動を打ち消すことができ、基板からの音鳴りが生じることがない。
[第1実施形態]
本発明はセラミックコンデンサを実装する種々の装置に適用可能であるが、第1実施形態としてはLED駆動装置を説明する。図6はその回路図である。電源電圧Vinは、ヒューズF1を介してコイルL1の一端に接続される。ヒューズF1とコイルL1の間のラインと基準電位(例えばアース電位)との間には電源入力側に接続される少なくとも1つの第1コンデンサC1〜C1が並列に接続される。電源電圧Vinは、車載用途であれば12V程度であり、モバイル機器であれば5〜6Vである。コイルL1の他端は、ダイオードD1のアノードに接続されるとともに、LEDドライバ62のLX端子を介してMOSトランジスタからなる昇圧スイッチQ1に接続される。LEDドライバ62はIC化が可能であるが、必ずしもIC化されている必要は無い。ダイオードD1のカソード出力はアノードラインに入力される。アノードラインと基準電位(例えばアース電位)との間には電源出力側に接続される少なくとも1つの第2コンデンサC2〜C2が並列に接続される。
昇圧スイッチQ1は、LEDドライバ62のスイッチ制御回路64により所定のスイッチング周波数に従ってオン、オフを繰り返す。スイッチング周波数は一般的に500kHz〜2MHz程度である。昇圧スイッチQ1がオンのときは、コイルL1に電流が流れてエネルギーが充電される。昇圧スイッチQ1がオフになると、コイルL1に蓄えられたエネルギーがダイオードD1を介して第2コンデンサC2〜C2に供給され、第2コンデンサC2〜C2が充電される。このように昇圧スイッチQ1がオン、オフを繰り返すたびにコイルL1に蓄えられたエネルギーにより、ダイオードD1を介して第2コンデンサC2〜C2が充電されていくので、第2コンデンサC2〜C2は電源電圧Vinより高い電圧に充電される。コイルL1、昇圧スイッチQ1、ダイオードD1、及び第2コンデンサC2〜C2がスイッチングレギュレータ方式の昇圧チョッパ回路を構成している。
アノードラインには、直列に接続された複数(例えば10個)のLEDからなる複数(ここでは2)列のLED列が設けられている。LED列の一端のLEDのアノードはアノードラインと接続され、LED列の他端のLEDのカソードはカソードライン、LEDドライバ62の端子LED端子、LED端子を介してLED電流制御回路70に接続される。アノードラインの電圧がLED列のしきい値電圧より高くなると、LED列に電流が流れてLEDが発光する。一般的に各LEDのしきい値は3V程度なので、例えば10個のLEDが直列に接続されてLED列が形成されている場合、アノードラインの電圧が30V程度になるとLED列は発光する。LED列が複数並列に接続されているので、全てのLED列は同様に30V程度で発光する。LED列に流れる電流は、カソードラインを介してLED電流制御回路70でモニタされ、あらかじめ設定された電流値になるようスイッチ制御回路64にフィードバックされて、昇圧スイッチQ1のオン、オフがコントロールされる。このような一連の制御で、LEDには常に一定の電流が流れて、一定の明るさで発光する。
以上のように、LEDドライバ62は昇圧スイッチQ1をオン/オフスイッチング制御して電源電圧Vinよりも高い電圧をアノードラインに出力するので、万一誤動作が発生して暴走すると、LED列が発熱して発煙事故、発火事故を起こしかねない。そこで、LEDドライバ62は、アノードラインにOVP(Over Voltage Protection:過電圧保護)設定用抵抗R1、R2からなる抵抗分割回路を設け、抵抗R1、R2の中間電圧をモニタする。モニタ電圧はLEDドライバ62のOVP端子に入力され、コンパレータ66により規格値Vovpと比較され、モニタ電圧が規格値Vovpよりも大きくなると過電圧保護回路68によりスイッチ制御回路64が制御され、昇圧スイッチQ1のスイッチング動作が停止される。
過電圧保護回路68が動作し、昇圧スイッチQ1のスイッチング動作が停止されるアノードラインの電圧Vaは、次のように計算される。
Va=(1+(R1/R2))xVovp
例えば、R1=900kΩ、R2=30kΩ、Vovp=1.2Vの場合、過電圧保護回路が動作するアノードラインの電圧Vaは37.2Vとなる。LEDのしきい値の最大値は3.5V程度なのでLED列が10個の直列LEDからなる場合でもアノードラインの電圧は最大35V程度にしかならない。そのため、37.2Vで過電圧保護回路が動作するようにして問題ない。なお、規格値Vovpは、1〜2V程度とする。これはLEDドライバ62がIC化されていても、バンドギャップ電圧により1〜2V程度の電圧は容易に生成できるからである。
このようなLED駆動装置において、LEDの明るさを調整する方法として、一般的にアナログ調光とデジタル調光(PWM調光)の2種類の方法がある。アナログ調光はLED電流制限回路70のLED電流設定用抵抗R4の値をLEDドライバ62内部で変化させることでLED電流を変えて明るさを調整する方法である。しかしながら、電流設定用抵抗R4の値のばらつきが大きいので、アナログ調光では精度良く明るさを調整することは困難である。また、LEDの電流−輝度特性もリニアリティが完全ではない。
それに対して、デジタル調光(以下、PWM調光)は、振幅変調されたPWM(Pulse Width Modulation)信号に基づいて、LEDをオン、オフ制御することにより明るさを調整する方法である。したがって、輝度特性のリニアリティが保たれ、極めて高精度にLEDの明るさを調整することが可能であり、調光信号のデューティ比(オン/オフ比、調光率とも称する)が1%以下の精度でも明るさを調整することができる。近年は、LEDの輝度調整としては、PWM調光が用いられることが多い。
LEDドライバ62に入力されるLED輝度調整用のPWM調光信号はハイレベル(例えば、3.3V)とローレベル(例えば、0V)の2値のレベルが繰り返される矩形波信号である。PWM調光信号がハイレベルの場合、スイッチ制御回路64は、昇圧スイッチQ1のゲートに所定のスイッチング周波数の駆動信号を供給し、昇圧スイッチQ1が繰り返しオン、オフする。これにより、PWM調光がオンとなり、LED列に電流が流れてLED列が発光する。スイッチング周波数の一例は500kHz〜2MHz程度である。PWM調光信号がローレベルの場合、スイッチ制御回路64によりトランジスタQ1をオフさせ、スイッチングレギュレータ方式の昇圧チョッパ回路の動作を停止して、アノードラインの電圧値が低下し、LEDに印加される電圧はしきい値電圧以下になってLED列は消灯する。すなわちPWM調光がオフする。
このようにPWM調光信号のレベルに合わせて、LEDがオン、オフする(PWM調光がオン、オフする)ことによりLEDの発光強度が変化し、LEDの明るさを調整することができる。PWM調光信号の周波数は、LEDのオン、オフのちらつきが人間の目に見えないように一般的には100〜2kHz程度である。PWM調光信号の周波数が高いと、LEDのオン、オフがPWM調光信号のレベル変化に追従できず輝度特性のリニアリティ(特にPWM調光のオン/オフ比である調光率が1%以下の場合)が悪くなることがあるので、200Hz程度のPWM調光信号が用いられることが多い。
このようなLED駆動装置において、PWM調光信号によりスイッチングレギュレータ方式の昇圧チョッパ回路が動作と停止を繰り返すと電源電圧Vinによる入力電流も流入と停止を繰り返し、電源入力側に接続される少なくとも1つの第1コンデンサC1、C1、…C1の電圧が変動する。例えば、直列に接続される10個のLEDからなるLED列が4列並列にアノードラインに接続されている場合、1LED列に流れる電流が85mAとし、LEDのしきい値電圧を3Vとすると、アノード電圧は30V+VLEDn(=3V×10+VLEDn)、アノード電流は340mA(=85mA×4)となる。ここでVLEDnはスイッチングレギュレータ方式の昇圧チョッパ回路動作時の端子LED(1〜n)の電圧値である。LEDがオン、オフを繰り返すと、Vinから共有される入力電流Iinが流入と停止を繰り返すことになる。電源電圧VinをVin(例えば、12V)とし、電源電圧Vinを供給する配線ケーブルの抵抗値を1Ωとすると、電源入力側に接続される少なくとも1つの第1コンデンサC1、C1、…C1の電圧は、PWM調光信号がオンレベルの場合は、配線抵抗による電圧降下(=Iin×1Ω)が生じVinとなるが、PWM調光信号がオフの場合は、電流が流れないので電圧降下が生じずVinとなる。結果として、少なくとも1つの第1コンデンサC1、C1、…C1の電圧は、PWM調光信号のレベルにより、図7に示すような電圧波形となる。
電源出力側に接続される少なくとも1つの第2コンデンサC2、C2、…C2の電圧も、PWM調光信号のレベルにより変動する。何故なら、スイッチングレギュレータ方式の昇圧チョッパ回路の動作が停止するため、LEDによるフィードバックループの制御が行われなくなり、端子LED(1〜n)の電圧制御が行われなくなるためである。また、アノードラインには過電圧保護用のOVP設定用抵抗R1,R2が接続されているので、PWM調光信号がローレベルで昇圧動作が停止すると、アノードラインの電圧は、抵抗R1,R2の漏れ電流によりGNDに放電されるために電圧降下が大きくなる。一般的なLED駆動装置では、この電圧降下をできるだけ低減するために、抵抗R1,R2の値を極力大きく設計することが提案されているが、あまりに大きくするとLEDドライバ62内のコンパレータ66の入力インピーダンスを無視できなくなり、過電圧保護回路68の誤動作を引き起こしかねない。そのため、一般的には、抵抗R1,R2の値は1MΩ以下が推奨されているが、それでは漏れ電流を十分押さえることはできず、電圧降下は避けられない。PWM調光信号がハイレベルになると、昇圧動作が再開されるので、再び設定されたLED電流が流れるまで電圧は回復する。以上の動作がPWM調光信号のレベルに合わせて繰り返されるので、アノードラインに接続された第2コンデンサC2(C2、C2、…C2)の電圧は、PWM調光信号のレベルに応じて図7のような三角波のように変動する。PWM調光がオンの時の第1コンデンサC1(C1、C1、…C1)電圧と、第2コンデンサC2(C2、C2、…C2)の電圧は極性が異なるので、第1コンデンサC1(C1、C1、…C1)と第2コンデンサC2(C2、C2、…C2)は位相が異なる(反転している)。図7は、LEDのしきい値が3Vで、アノード電圧VoutがVoutへ電圧降下が生じる場合を示しているが、電圧降下の値は条件(抵抗R1,R2やPWM周波数等)によって大きくなったり小さくなったりする。
以上のように、LED駆動装置においてPWM調光を行うと、第1コンデンサC1(C1、C1、…C1)と第2コンデンサC2(C2、C2、…C2)の両方のコンデンサの電圧がPWM調光信号の周波数、例えば200Hzという低周波で変動する。セラミックコンデンサが200Hz程度の低周波で電圧変動すると、セラミックコンデンサが搭載されている回路基板10が共振し、基板から大きな音鳴りが発生して問題となっている。
本実施形態では、図8に示すように、LED駆動装置の第1コンデンサと第2コンデンサが、回路基板10の表面、あるいは裏面に両者の振動を打ち消すことができる程度に近接して配置される。第1コンデンサと第2コンデンサのそれぞれの数が2以上の場合、第1コンデンサと第2コンデンサが行、列のいずれか一方の方向に交互に配置される。第1コンデンサと第2コンデンサのそれぞれの数がさらに多数の場合、第1コンデンサと第2コンデンサは、行、列のいずれの方向にも交互に配置される。このように、回路基板10の一方の面に近接配置することにより、PWM調光による電圧変動が逆位相である第1コンデンサと第2コンデンサからの振動が打ち消され、コンデンサの伸び縮みによる回路基板10の変動が抑制され、PWM調光による回路基板10からの音鳴りの発生が低減される。
図9、図10を参照して、LED駆動装置のPWM調光による第1コンデンサC1(C1、C1、…C1)と第2コンデンサC2(C2、C2、…C2)の電圧変動が逆位相であることを説明する。図9の破線で示した部分はPWM調光信号がローレベルからハイレベルに変化(LEDがオフからオンに変化)した場合の電圧変動を示す。PWM調光信号がローレベルからハイレベルになると、昇圧チョッパが動作し、大きな入力電流が流れ出し、配線抵抗により電圧降下が生じるので、第1コンデンサC1(C1、C1、…C1)の電圧は小さくなり(Vin→Vin)、第1コンデンサC1(C1、C1、…C1)のサイズは左右に伸びる。一方、第2コンデンサC2(C2、C2、…C2)の電圧は、OVP設定用抵抗R1、R2からの漏れ電流により低下していた電圧が昇圧チョッパの起動により増加するので、大きくなり(Vout→Vout)、第2コンデンサC2(C2、C2、…C2)のサイズは左右に縮む。
反対に、図10に示すようにPWM調光信号がハイレベルからローレベルに変化(LEDがオンからオフに変化)すると、昇圧チョッパが停止して入力電流が無くなるので、第1コンデンサC1(C1、C1、…C1)の電圧は大きくなり(Vin→Vout)、サイズは左右に縮むが、第2コンデンサC2(C2、C2、…C2)の電圧はOVP設定用抵抗R1、R2からの漏れ電流により小さくなり(Vout→Vin)、サイズは左右に広がる。
このように、第1コンデンサC1(C1、C1、…C1)と第2コンデンサC2(C2、C2、…C2)の電圧変動は位相が逆である。すなわち、第1コンデンサC1(C1、C1、…C1)が伸びる時は第2コンデンサC2(C2、C2、…C2)は縮み、第1コンデンサC1(C1、C1、…C1)が縮む時は第2コンデンサC2(C2、C2、…C2)が伸びるので、図8に示すように、第1コンデンサC1(C1、C1、…C1)と第2コンデンサC2(C2、C2、…C2)を隣接して配置することにより、回路基板10への歪の影響が低減され、回路基板10の変形は従来より小さくなって基板からの音鳴りの発生を低減させることが可能となる。
図11は、PWM調光信号の周波数が200Hzの場合の回路基板10からの音鳴りの測定結果を示す。一般に、人間の可聴周波数領域は20Hz〜20kHzであり、10dB以上の大きさで音が聞こえる。従来例の場合は、3kHz〜12kHzにわたって10dB以上の成分が多く確認され音鳴りが発生しているのに対し、本実施形態では、それらの成分がほとんど10dB以下に低減されていることがわかる。PWM調光周波数が200Hzなのに音鳴りの周波数成分が3kHz〜12kHzとなるのは、基板の素材への共振や周囲の物体への共振に関係している。
以上説明したように、第1実施形態によれば、LED駆動装置において、電圧変動が逆位相である少なくとも1つの第1コンデンサと少なくとも1つの第2コンデンサを回路基板の表面あるいは裏面に隣接して配置することにより、両コンデンサの変形に基づく振動を打ち消すことができ、回路基板からの音鳴りを防止することができる。もしも、第1コンデンサと第2コンデンサの個数が多い場合、第1コンデンサと第2コンデンサとが交互になるようにアレイ状に配置することにより、振動を打ち消す効果をさらに増すことができる。
[第2実施形態]
第1実施形態では、第1コンデンサと第2コンデンサの個数が多い場合、図8に示すように、第1コンデンサと第2コンデンサの隣接配置の一例として交互配置を示した。図4を参照して説明したように、図8でも、第1コンデンサと第2コンデンサが同じ電圧変動値であることを前提としている。もしも、第1コンデンサと第2コンデンサの電圧変動値が異なる場合、電圧値の比に応じた個数の第1コンデンサ、第2コンデンサが交互に配置される。例えば、第1実施形態では、図7に示したように、第1コンデンサも第2コンデンサも電圧変動は同じと仮定したが、一般的にはこの電圧変動値は同じではない。例えば、第1コンデンサの電圧変動が1V、第2コンデンサの電圧変動が2Vの場合、図12に示すように、回路基板10の表面、あるいは裏面に第1コンデンサ2個につき第2コンデンサ1個が交互となるように、第1コンデンサと第2コンデンサとが2次元アレイ状に配置される。第1コンデンサが1個だけだと、第2コンデンサのサイズ変化量が2倍大きいので、第2コンデンサのサイズ変化量を半分しか補えない。それに対し、第1コンデンサの個数を2個にすると、第2コンデンサのサイズ変化量をほぼ補えるので、音鳴りをより低減させることが可能となる。
[第3実施形態]
第1実施形態、第2実施形態は、図7に示すように、第1コンデンサと第2コンデンサの電圧変動の位相は反転しているが、電圧変動の波形は、一方は矩形波であり、他方は鋸歯状波であり、完全には反転していない。電圧変動の波形も反転する2種類のコンデンサを利用する第3実施形態を説明する。
図13はその回路図の一例である。LEDドライバ62の入力側の電源ライン(Vinライン)にACカップリングコンデンサ82aを介してオペアンプ52aによる反転回路が接続され、LEDドライバ62の出力側のアノードラインにACカップリングコンデンサ82bを介してオペアンプ52bによる反転回路が接続される。電源電圧Vinが印加される第1コンデンサの近傍にダミーコンデンサを設け、入力側の反転回路52aの出力がダミーコンデンサに接続される。LEDドライバ62の出力電圧Voutが印加される第2コンデンサの近傍にダミーコンデンサを設け、出力側の反転回路52bの出力がダミーコンデンサに接続される。
入力側の反転回路52aにおいて、電源電圧Vin端子はACカップリングコンデンサ82a、コンデンサ84a、入力抵抗Rinを介してオペアンプ52aの反転入力端子(−端子)に接続される。ACカップリングコンデンサ82aとコンデンサ84aの接続点がそれぞれ抵抗Rを介して電源Vcc端子と基準電源(接地)端子に接続される。オペアンプ52aの非反転入力端子(+端子)が電源Vcc/2端子に接続される。オペアンプ52aの出力端子がダミーコンデンサに接続される。オペアンプ52aの出力端子は抵抗Rを介して反転入力端子(−端子)に接続される。
出力側の反転回路52bにおいて、LEDドライバ62の出力電圧Vout端子はACカップリングコンデンサ82b、コンデンサ84b、入力抵抗Rinを介してオペアンプ52bの反転入力端子(−端子)に接続される。ACカップリングコンデンサ82bとコンデンサ84bの接続点がそれぞれ抵抗Rを介して電源Vcc端子と基準電源(接地)端子に接続される。オペアンプ52bの非反転入力端子(+端子)が電源Vcc/2端子に接続される。オペアンプ52bの出力端子がダミーコンデンサに接続される。オペアンプ52bの出力端子は抵抗Rを介して反転入力端子(−端子)に接続される。
例えば、車載のLED駆動装置等のように入力電圧が12V(出力電圧は30V)の場合、5V電源のオペアンプ反転回路が使用できないので、AC成分のみ反転させるために図13に示す反転回路が使用される。図14に示すように、入力側のオペアンプ52aの出力はVout=Vcc−VinのAC成分となり、出力側のオペアンプ52bの出力はVout=Vcc−アノード電圧のAC成分となるので、第1コンデンサ(あるいは第2コンデンサ)とダミーコンデンサとは電圧変化特性が位相及び波形において反転される。
従って、当初から実装されている第1コンデンサ、第2コンデンサの近傍にダミーコンデンサを設け、第1コンデンサ、第2コンデンサに与える電圧をAC成分のみ反転する反転回路を介してダミーコンデンサに与えることにより、第1コンデンサ、第2コンデンサの電圧変化とダミーコンデンサの電圧変化とにおいて、位相だけでなく波形も反転することができる。位相だけでなく波形も反転するので、両コンデンサの振動をより打ち消すことができる。第1コンデンサ(または第2コンデンサ)とダミーコンデンサの配置は、図4(a)において正位相コンデンサ(または負位相コンデンサ)を第1コンデンサ(または第2コンデンサ)、負位相コンデンサ(または正位相コンデンサ)をダミーコンデンサに置き換えた配置でよい。
[第4実施形態]
位相が反転するコンデンサを含む電子回路の他の例を図15に示す。図6のLED駆動装置はスイッチングレギュレータにより電源電圧を昇圧するが、昇圧回路の例は、スイッチングレギュレータに限らず、図15に示すような三端子レギュレータもある。
電源電圧Vinが少なくとも1つの第1コンデンサC1を介して接地される。電源電圧Vinはオペアンプ102の電源となる。オペアンプ102の非反転入力端子(+端子)は入力電圧Eに接続され、反転入力端子(−端子)は抵抗106を介して接地される。オペアンプ102の出力端子は帰還抵抗108を介して反転入力端子(−端子)に接続される。オペアンプ102の出力は出力抵抗110を介して出力端Voutに接続される。出力端Voutには少なくとも1つの第2コンデンサC2が接続される。
このような回路において、第1コンデンサC1と第2コンデンサC2とは位相が反転するような周波数で使用する場合、近接配置、さらには交互配置することにより、コンデンサの振動に基板が共振し、基板から音鳴りが生じることが防止できる。
[第5実施形態]
第1実施形態から第4実施形態のLED駆動回路は種々の製品に応用できるが、一例として表示装置の一例である第5実施形態を説明する。
[表示装置]
図16は実施形態によるタッチ検出機能付きの表示装置の一例の全体的な概略構成例を示す斜視図である。表示装置は、タッチ検出機構を備える表示パネルと、その駆動回路、制御回路を備える。表示パネルとしては、液晶を用いた表示パネル及び有機ELを用いた表示パネル等を用いることができるが、本明細書は、液晶を用いた表示パネルを説明する。液晶表示パネルは、TFT(Thin Film Transistor)の画素が形成される画素基板を含む。「タッチ検出」は、人間の指やタッチペン等の物体が表示パネルに接触したことのみでなく、物体が表示パネルに近接したことも検知することを意味する。「一体型」とは、タッチセンサを表示パネルに外付けするのではなく、タッチセンサを表示パネルに内蔵することを意味する。内蔵は、画素基板にタッチセンサを設けるインセル型と、カラ―フィルタを形成するガラス基板と偏光板との間にタッチセンサを設けるオンセル型とを含む。実施例は、インセル型のタッチセンサを説明するが、本発明はオンセル型のタッチセンサでも実施可能である。
表示パネルは、ガラス、樹脂等の透明な第1基板(画素がマトリクス状に形成されるので、画素基板とも称する)212、第1基板212に対向配置されたガラス、樹脂等の透明な第2基板(対向基板とも称する)214と、第1基板212及び第2基板214との間に形成された液晶層(図示せず)とを備える。表示パネルは、第2基板214側から観察される。このため、第2基板214を上側基板、第1基板212を下側基板と称することもある。
表示パネルは矩形の平板形状であり、短辺が沿っている方向がX方向、長辺が沿っている方向がY方向であるとする。第1基板212と第2基板214は短辺のサイズは同じであるが、長辺のサイズが異なり、第1基板212の方が第2基板214より長い。第1基板212の長辺の一端と第2基板214の長辺の一端が揃っているので、第1基板212の長辺の他端は第2基板214の長辺の他端から延長している。Y方向において第2基板214より延長している第1基板212の部分には、表示パネルを画像表示のために駆動する表示制御装置216が搭載される。表示制御装置216はIC化されていてもよく、IC化されている場合、表示コントローラICとも称される。
表示パネルの中央部の表示領域(またはアクティブエリア)には、TFTの画素アレイ218が形成される。画素アレイ218にタッチパネル220が一体化される。タッチパネル220は、第1基板212に設けられた複数の駆動電極(タッチ検出のための駆動電極であるが、表示駆動のための駆動電極を兼ねているので、以下共通電極と称する)と、第2基板214に設けられた複数のタッチ検出のための検出電極とを含む。検出電極と共通電極は、表示に支障を与えないように、例えばITO(Indium Tin Oxide)やIZO(Indium Zinc Oxide)等の透明電極材料によって形成される。
静電容量式のタッチセンサでは、一方の電極(共通電極)に駆動パルスが供給されると、共通電極と他方の電極(検出電極)の間で電界が発生する。このとき、ユーザの指等の導電体がタッチパネルに対してタッチ状態であると、導電体と共通電極との間でも電界が発生し、共通電極と検出電極との間で発生している電界が減少し、共通電極と検出電極との間の電荷量が減少する。この電荷量の減少を検出電極を通して検出することにより、タッチ位置を検出する。
表示装置の外部にはホスト装置226が設けられる。表示装置とホスト装置226とは、2つのフレキシブル配線基板228、232を介して接続される。ホスト装置226は、フレキシブル配線基板228を介して第1基板212、第2基板214に接続される。タッチパネル220を制御するタッチ検出装置234は、フレキシブル配線基板228上に配置される。タッチ検出装置234は、IC化されていてもよく、IC化されている場合、タッチコントローラICとも称される。
表示制御装置216とタッチ検出装置234とは、相互に動作タイミングが連携しており、タイミングパルスなどで互いに電気的に接続される。表示制御装置216及びタッチ検出装置234は、別々のICチップではなく、同一のICチップとして構成されていても構わない。
第1基板212の裏側(つまり、表示パネルの背面側)には、表示パネルを照明する照明装置としてのバックライトユニット236が配置される。ホスト装置226は、フレキシブル配線基板232を介してバックライトユニット236に接続される。バックライトユニット236としては、種々の形態のバックライトユニットが利用可能であるが、ここでは光源としては、発光ダイオード(LED)(図6)を利用する。また、表示パネルの背面側に配置される導光板とそのサイドに配置されるLEDまたは冷陰極管を用いた照明装置が使用されてもよいし、表示パネルの背面側に発光素子を平面的に配列した点状光源を用いた照明装置が使用されてもよい。照明装置は、バックライトに限らず、表示パネルの表示面側に配置されるフロントライトが使用されても構わない。図示しないが、表示装置は、2次電池及び電源回路等も備える。
[画素アレイ]
図17は、画素アレイ218の回路図である。第1基板212の中央部には、マトリクス状の多数の(例えば、1080×1920)画素240からなる画素アレイ218が形成される。なお、1画素240は赤、緑、青の3色のサブ画素242、242、242(242と総称することもある)からなる。サブ画素の色成分は赤、緑、青以外の3色でもよいし、赤、緑、青にさらに他の色(例えば、白)を加えた4色以上でもよい。各サブ画素242は、薄膜MOSFETからなるスイッチング素子245、画素電極246と、共通電極248とを有する。
各列のサブ画素242のスイッチング素子245のソースは、共通のソース線(信号線とも称する)244に接続される。ソース線244は、図18に示すように、RGB選択スイッチ304を介してソース増幅器318に接続される。各行のサブ画素242のスイッチング素子245のゲートは、共通のゲート線(走査線とも称する)246に接続される。ゲート線246は、図18に示すように、ゲートドライバ302に接続される。各サブ画素242のスイッチング素子245のドレインは、画素電極246に接続される。
ゲート線246はX方向に延びて形成され、ソース線244はY方向に延びて形成される。すなわち、ゲート線246とソース線244との交差部付近にサブ画素242が形成される。
[回路構成]
図18は、表示装置の電気的構成の一例を示す回路図である。第1基板212上の画素アレイ218の長辺の少なくとも一方(例えば左側長辺)の外側にゲートドライバ302が形成される。第1基板212上の画素アレイ218の短辺の少なくとも一方(例えば下側短辺)の外側にRGB選択スイッチ(マルチプレクサとも称する)304が形成される。
表示制御装置216は、ホスト装置226と接続されるホストI/F312と、タッチ検出装置234と接続されるタッチパネルI/F322とを含む。ホスト装置226から出力される画像信号は、ホストI/F312で受信され、映像メモリ314、ラインラッチ回路316、ソース増幅器318、RGB選択スイッチ304を介して画素アレイ218に供給される。ホストI/F312は、ホスト装置226から供給された画像信号を表示装置の表示に適するように補間処理及び合成処理等する。映像メモリ314は、例えば1フレームの画像信号を格納可能であるSRAMあるいはDRAM等からなる。
ラインラッチ回路316は、映像メモリ314から出力された1行分の画像信号をラッチする。ラインラッチ回路316の出力は、ソース増幅器318で階調に応じたアナログ信号に変換される。画像信号は、赤、緑、青の3色のサブ画素信号の時分割多重信号であり、RGB選択信号SELR/G/Bに基づいて動作するRGB選択スイッチ304により各色のサブ画素信号に分離され、画素アレイ218に供給される。図17に示したように、ゲートドライバ302によりゲート線246を介して画素アレイ218の各行のサブ画素242のスイッチング素子245がオンされる。サブ画素信号はオンしているスイッチング素子245を通して画素電極246に供給される。表示期間には、表示用の一定の直流電圧が全ての共通電極222に供給されるので、各サブ画素242は画素信号に応じて画像を表示する。
ゲートドライバ302の制御信号、RGB選択スイッチ304の選択制御信号は、パネル制御信号生成回路324から供給される。パネル制御信号生成回路324はタッチパネル220(の検出電極)にも制御信号を供給する。タッチパネル220の検出信号はタッチ検出装置234に供給される。画素アレイ218の共通電極は共通電極ドライバ326により駆動され、共通電極ドライバ326の制御信号は、パネル制御信号生成回路324から供給される。表示制御装置216は、例えば、ホスト装置226から受けた同期信号やコマンド等に基づいて各部の動作タイミングを決めるタイミングコントローラ328を含む。さらに、表示制御装置216はLED駆動回路334を含む。LED駆動回路334は、第1実施形態から第4実施形態のいずれかのLED駆動回路からなり、タイミングコントローラ328の制御の下、バックライトユニット236を適宜なタイミングで動作させる。
第5実施形態によれば、表示装置のLED駆動回路の入力側に接続される少なくとも1つの第1コンデンサと出力側に接続される少なくとも1つの第2コンデンサの低周波電圧変動による基板からの音鳴りを低減させることが可能である。
以上、第1〜第5実施形態によれば、位相が反転する2種類のコンデンサを近接配置、さらには交互配置することにより、セラミックコンデンサの低周波電圧変動による基板からの音鳴りを低減させることが可能となる。なお、実施形態は位相が反転する2種類のコンデンサはLED駆動装置の昇圧回路の入力側に接続される少なくとも1つの第1コンデンサ、出力側に接続される少なくとも1つの第2コンデンサとしたが、何にでも応用できる。表示装置の場合でも、例えば、LEDドライバに限らず、有機ELディスプレイにも適用可能である。また、発光素子の輝度調整回路の音鳴りに限らず、パネル駆動とタッチ駆動切り替え時の基板からの音鳴り対策にも適用可能である。
本実施形態の考え方は、基板上にセラミックコンデンサが配置され、このセラミックコンデンサが低周波電圧駆動されるような回路であれば、種々の回路に適用可能である。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
C1、C1、…第1コンデンサ、C2、C2、…第2コンデンサ、62…LEDドライバ、Q1…昇圧スイッチ。68…過電圧保護回路、70…LED電流制御回路

Claims (12)

  1. 回路基板と、
    前記回路基板の表面あるいは裏面に設けられる回路部品と、を具備し、
    前記回路部品は、振動特性が逆位相の第1、第2セラミックコンデンサを具備し、
    前記第1セラミックコンデンサの振動の振幅と前記第2セラミックコンデンサの振動の振幅は異なり、
    前記第1セラミックコンデンサは前記第2セラミックコンデンサの振動の振幅に応じた複数個の第1コンデンサを具備し、
    前記第2セラミックコンデンサは前記第1セラミックコンデンサの振動の振幅に応じた複数個の第2コンデンサを具備し、
    前記複数個の第1コンデンサと前記複数個の第2コンデンサは交互に配置される電子機器。
  2. 前記複数個の第1コンデンサと前記複数個の第2コンデンサは行方向及び列方向に交互に配置される請求項記載の電子機器。
  3. 前記複数個の第1コンデンサと前記複数個の第2コンデンサは行方向又は列方向に交互に配置される請求項1記載の電子機器。
  4. 前記回路部品は、入力電圧を所定の電圧に昇圧する昇圧回路の第1部品を具備し、
    前記複数個の第1コンデンサは前記昇圧回路の入力側に接続され、
    前記複数個の第2コンデンサは前記昇圧回路の出力側に接続される請求項1記載の電子機器。
  5. 前記回路部品は、前記所定の電圧により発光ダイオードを駆動する駆動回路の第2部品と、調光信号に基づいて前記昇圧回路を動作あるいは動作停止させるスイッチ制御回路の第3部品と、を具備する請求項記載の電子機器。
  6. 前記調光信号は1kHz以下の周波数の2値の矩形波信号を具備する請求項記載の電子機器。
  7. 前記昇圧回路はスイッチングレギュレータあるいは三端子レギュレータを具備する請求項記載の電子機器。
  8. 前記複数個の第1コンデンサに印加される電源電圧が前記複数個の第2コンデンサに反転回路を介して印加される請求項1記載の電子機器。
  9. 前記反転回路は、オペアンプを具備し、
    入力電圧が入力抵抗を介して前記オペアンプの反転入力端子に印加され、
    前記オペアンプの電源電圧の半分が前記オペアンプの非反転入力端子に印加される請求項記載の電子機器。
  10. 2次元的に配列された画素アレイと、
    前記画素アレイの下に配置されるバックライトと、
    前記バックライトを駆動する駆動回路と、を具備する表示装置であって、
    前記駆動回路は、入力電圧を昇圧する昇圧回路を具備し、
    前記昇圧回路は、入力側に接続される少なくとも1つの第1セラミックコンデンサと、出力側に接続される少なくとも1つの第2セラミックコンデンサを具備し、
    前記第1セラミックコンデンサの振動の振幅と前記第2セラミックコンデンサの振動の振幅は異なり、
    前記第1セラミックコンデンサは前記第2セラミックコンデンサの振動の振幅に応じた数数個の第1コンデンサを具備し、
    前記第2セラミックコンデンサは前記第1セラミックコンデンサの振動の振幅に応じた複数個の第2コンデンサを具備し、
    前記複数個の第1コンデンサと前記複数個の第2コンデンサは交互に配置される表示装置。
  11. 前記複数個の第1コンデンサと前記複数個の第2コンデンサは行方向及び列方向に交互に配置される請求項10記載の表示装置。
  12. 前記複数個の第1コンデンサと前記複数個の第2コンデンサは行方向又は列方向に交互に配置される請求項10記載の表示装置。
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