Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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DlSl'OSITlrl D'Al~FICll~G~i~ MINIATURE: 7~ VOL,ETS
La ~résente invention se rapporte aux dispositifs d'a~fichage
en g~n~ral. Elle concerne p].US particuli~rement un dispositif
d'affichage miniature, de type électrostatique, permettant la
réalisation de cellules d'affichage utilisables notamment
dans les appareils portatifs alimentés par une pile, tels que
les montres et calculatrices électroniques.
Des efforts considérables ont été faits pour trouver et dé-
velopper des systèmes d'affichage ayant une bonne esthétique~
fonctionnant sous une faible tension d'alimentation, consom-
mant très peu et réalisables à bon marché. Les dispositifs
d'affichage à cristaux liquides remplissaient ces conditions
jusqu'à ce que la consommation des circuits électroniques et
en particulier des circults intégrés en technologie CMOS soit
abaissée à un point tel que la contribution de l'affichage à
la consommation globale cesse d'être négligeable. Par ail-
leurs, la commande de tels dispositifs est complexe et leur
contraste et leur esthétique ne sont pas des meilleurs.
Parmi les dispositifs d'affichage à faible consommation on
peut citer celui connu sous le nom "The Distec System" et dé-
crit dans le document "An Electrostatic Sign-The Distec System",
W.R. Aiken, Display Technology Corp., Cupertino, Cal., USA.
Ce dispositif est utilisé comme enseigne ou panneau publici-
taire de grandes dimensions. Il comprend des modules formés de
volets suspendus à un axe par des charnières et susceptibles
~LX3~450
de tourner sous l'action d'un champ ~lectrique appliqué par
un syst~me d'~lectrodes. I.a tension dc commande cst d'cnviron
300~ volts. L'adaptation de ce 5ystème pour obtenir un affi-
chage miniature à faible tension de commande n'a cependant
jamais été suggérée.
On connait encore des dispositifs modulateurs de lumière uti-
lisant des membranes déformables sous l'action d'un champ
electrique ou d'un faisceau d'électrons et réalisables à
l'aide des techniques dérivées de la fabrication des circuits
intégrés. De tels modulateurs sont décrits par exemple dans
les brevets américains Nos 3 600 798 et 3 886 310. Le premier
document montre un dispositif permettant de moduler la quantité
de lumière transmise par déformation d'une membrane sous l'ac-
tion d'un champ électrique et le deuxième document décrit un
dispositif permettant de modifier l'angle de réflexion de la
lumière par déformation d'une membrane sous l'action d'un fais-
ceau d'électrons. Aucun de ces dispositifs ne constitue cepen-
dant un dispositif d'affichage, l'amplitude du mouvement de la
membrane ~tant dans les deux cas très faible et l'existence
d'une source de lumière supplémentaire étant nécessaire.
Un ob~et de la présente invention est un dispositif d`afficha-
ge miniature ayant une consommation très faible, présentant
un excellent contraste, fonctionnant sous une faible tension
d'alimentation et pouvant être réalisé avec la technologie des
circuits intégrés électroniques.
~l~3~?a~
~n autre objet de l'il~vention est un dispositif d'affichag~
min.~ature dont la commande est multiplexable.
Pour réaliser ces objets, le dispositi~ d'affichage selon
l'inventlon comporte un support pourvu de cavit~s et des
volets maintenus au support par des attaches élastiques,
lesdits volets obturant lesdites cavités à l'état de repos
et étant susceptibles, pour ouvrir les cavités, de tourner
sous l'action d'un champ électrique; ledit dispositif étant
caractérisé en ce qu'il comporte:
- au moins une paire de volets par cavité, chaque
volet d'une paire étant maintenu audit support par deux at-
taches élastiques qui sont situées de part et d'autre du
volet et dans le prolongement du côté adjacent à l'autre
volet de ladite paire;
- des moyens de commande pour créer un champ élec-
trique capable de faire tourner une ou plusieurs paires de
volets; et
- des moyens de maintien pour maintenir dans un
etat activé les volets d'une même paire en l'absence dudit
champ ~lectrique nécessaire pour les faire tourner.
Diautres objets caractéristiques et avantages de la présente
invention apparaltront plus clairement à la lecture de la
description suivante d'exemples de réalisation particuliers,
ladite description ~tant faite à titre purement illustratif
et en relation avec les dessihs joints dans lesquels:
~L~3~
- la figure 1 est un sch~ma partiel du dispositif
d'af~i.chage selon l'lnvention;
- la figure 2 montre un exemple d'affichage dans
un arrangement matriciel d'éléments d'affichage;
- la figure 3 est un diagramme des tensions de
commande et de maintien réalisant l'affichage de la figure 2;
- les figures 4.a et 4.b montrent un exemple de
r~alisation des volets;
- I.a figure 5 est une coupe partielle du dispositif
d'affichage selon l'invention; et
- la figure 6 montre, en coupe, une autre variante
du dispositif d'affichage de llinvention.
La figure 1 montre un schéma partiel~du dispositi-f d'afficha-
ge selon l'invention. Un support isolant 1 est pourvu diune
pluralité de cavit~s 2, ayant une forme généralement rectan--
gulaire. Les cavités 2 sont obturées par des volets V, de
forme également rectangulaire, qui sont attachés au sup-
; port 1 par deux attaches élastiques 3 situées de part et d'au-
tre desdits volets. Les volets V sont group~s par paires et
sont tels que les attaches élastiques 3 des volets d'une mê-
me paire sont dans le prolongement de leurs côtés adjacents.
Les volets V et leurs attaches sont, au moins partiellement,
consti-tués par un matériau conducteur et, pour une même ligne
de volets, un volet de chaque paire est relié ~ une première
~LZ3~0
électrode, a1 ou a2, tandis que l'autre volet est reli~ à
une deuxi~me ~lectrode, b1 ou b20 A chaque colonne ~e pai-
res de volets est associée une contre-électrode ou électro~
de de commande, C1 à C4, qui apparait en re~ard de chaque
paire de volets sur le fond des cavités 2r
Le dispositif d'affichage de la figure 1 fonctionne de la
manière suivante. Lorsqu'une tension de commande, continue
ou alternative, est appliquée entre les volets V d'une part
et l'électrode de commande qui leur est associée d'autre part,
les volets quittent leur position de repos et, sous l'action
du champ électrique E engendré par ladite tension de comrnande,
tournent autour de leurs attaches élastiques 3 pour prendre
une orientation sensiblement perpendiculaire au plan du support.
L'angle dont tournent lesdits volets dépend à la fois de l'in-
tensité du champ électrique ainsi engendré et du couple de
rappel exercé par les attaches élastiques desdits volets lors-
que ceux-ci ont quitté leur position de repos. Lorsqu'une pai-
re de volets est commandée, les volets de cette paire sont très
proches l'un de l'autre et il suffit alors d'appliquer entre
ces volets, soit entre les électrodes al et b1 ou a2 et b2,
une tension de maintien pour qu'ils s'attirent mutuellement et
que la tension de commande puisse être supprimée. Les volets V
reviennent dans leur position de repos, c'est-à-dire parallèle
au plan du support 1, grâce au couple de rappel exercé par les
attaches élastiques 3, lorsque les tensions de commande et de
maintien sont supprimées.
~23~
Les m~canismes, expos~s ci-dessus, de co~ande et de main-
tien des volets offrent l'avanta~e, comme on le verra ci-
apr~, de permettre une commande multiplexée du dispositif
de l'invention.
Un exemple de commande multiplex~e est expliqué plus en dé-
tail en relation avec les figures 2 et 3. La figure 2 mon-
tre schématiquement un arrangement matriciel de neuf élé-
ments d'affichage E11 à E33 répartis en trois lignes et
trois colonnes. Chaque élément d'affichage est entendu com-
prendre au moins une paire de volets dont l'un est relié à
une première électrode de ligne a1, a2 ou a3, et dont l'au-
tre est relié ~ une deuxième électrode de ligne b1, b2 ou
b3. Les éléments d'une même colonne sont commandés par une
même électrode de commande C1, C2 ou C30 Le diagramme de la
figure 3 montre un exemple des signaux à appliquer aux élec-
trodes de ligne et de colonne pour permettre l'affichage
des éléments E12, E21, E23 et E32 de la ~igure 2. A l'ins-
tant tO, tous les éléments sont remis à zéro; puis de l'ins-
tant tO à l'instant t3 les trois lignes sont activées en
succession temporelle. Ainsi, des tensions VS et VS-VM
sont appliquées respectivement aux électrodes de 'Ligne a1
et b1 entre les instants tO et t1, aux électrodes de ligne
a2 et b2 entre les instants t1 et t2 et aux électrodes de
ligne a3 et b3 entre les instants t2 et t3. L'affichage
d'un ou plusieurs éléments d'une ligne donnée est commandé
en appliquant sur la ou les électrodes de commande corres-
~3;~
pondantes une tension -VS, simultan~ment ~ l'activation de
ladlte li.gne. I.e mai.nticn de l'afichage dcs ~16mants d'une
meme ligne, en dehors de l'i.ntervalle de temps o~ cette 11-
gne est ac.tivée, est obtenu grâce à la tension de maintien
VM appliquée entre les électrodes de ligne. Dans l'exemple
choisi, la tension de maintien existe en permanence tant
qu'il n'y a pas une rernise à zéro de l'affichage; elle n'est
en fait nécessaire, pour une ligne donnée, qu'en dehors des
périodes d'activation de cette ligne et pour autant que des
éléments de cette ligne doivent être affichés. La tension VS
est déterminée de manière qu'elle soit insuffisante pour fai-
re tourner complètement les volets et que le double de sa
valeur, soit 2 VS, les fasse tourner complètement. (On admet
que les volets ont tourn~ complètement s'ils peuvent etre
pris en charge par la tension de maintien)~ Ainsi, lorsqu'un
élément ne doit pas être affiché, ses électrodes de ligne
auxquelies sont reliés les volets de cet élément sont sou-
mises ~ une tension VS, à la tension VM près pour la deuxiè--
me électrode, alors que son électrode de commande est main-
tenue à un potentiel zéro.
Les volets V doivent être conducteurs. On verra plus loin
qu'une solution avantageuse consiste à réaliser les volets
en alumin:ium sur un support isolant, tel le silicium. Il est
cependant évident que des moyens doivent être prévus pour que
les volets d'une même paire ne puissent jamais être en con-
tact électrique l'un avec l'autre. L'un de ces moyens va être
décrit en relation avec les figures 4.a et 4.b.
La figure 4.a montre un volet V, muni de ncrvures 31, a~ec
ses attaches ~lastiques 3 et la figure ~.b montre une coupe
selon l'axe A-A de la figure 4.a. Ainsi qu'il appara~t sur
la figure ~.b/ le volet V est réalisé en partie en un maté-
riau sonducteur Ipar exemple l'aluminium) et en partie en
un matériau isolant (par exemple le fluorure de magnésium).
La partie conductrice recouvre toute la partie supérieure
du volet alors que la partie isolante n'existe, sur la par-
tie inf~rieure du volet, qu'au niveau des nervures 31. Les
nervures 31 sont disposées de manière que, lorsque deux
volets de la même paire sont activés, leurs parties isolées
soient en regard les unes des autres, ce qui fixe la dis-
tance entre les parties conductrices des volets. La réalisa-
tion de nervures permet ainsi d'isoler les volets d'une mê-
me paire; elle offre également l'avantage de rigidifier les
volets et d'améliorer leur aspect esthétique.
Un autre moyen pour éviter le contact électrique entre les
volets d'une même paire consiste ~I prévoir un arrêt sur le
fond même de la cavité. Cet arrêt peut être réalisé par un
bossage ~ (fi~ures 5 et 6) du fond de la cavité s'étendant
en dessous des axes de rotation des volets et dont la lar-
geur est appro~imativement égale à la distance qui sépare
deux volets de la même paire.
La figure 5 montre une coupe partielle du dispositi~ d'a~fi-
chage selon l'invention. Les éléments identiques à ceux de
la igure 1 portent les mêmes références. On reconna;t ainsi
le support isolant 1, pourvu de cavités 2. Des volets V1 et
~L~3~5~
V2 sont repr~sent~s; l'un, V1, en position activ~e ct l'au-
tre, V2, en positlon dc rcpos. Le support 1 repos~ sur ~Ine
plaque transparente 7 qui porte, sur sa ~ace int~rieure,
les électrodes de commande C, elles mêmes transparentes.
La plaque transparente 7 est recouverte, sur sa face exté-
rieure, d'une couche 8 de matériau absorbant la lumière.
La Eace supérieure du dispositif est protégée par une
deuxième plaque transparente 6, maintenue à distance con-
venable par des éléments espaceurs 9. Les plaques transpa-
rentes 6 et 7 et les éléments espaceurs 9 forment, pour le
dispositif, une enceinte de protection qui peut être rendue
étanche. ~ titre d'exemple, les parois transparentes peu-
vent être en verre et les éléments espaceurs en matière
plastique. La figure 5 montre encore des dégagements 5 réa-
lisés dans le support 1 sous les attaches élastiques 3. Les
dégagements 5 ont une fonction de support des attaches élas-
tiques et limitent le déplacement des volets ver$ le bas de
manière qu'ils ne puissent jamais toucher le fond des cavi-
tés. On a egalement représenté l'un des moyens d'arr~t men-
tionnés précédemment. Ce moyen consiste en un bossage 4 réa-
lis~ au fond des cavités 2 et empêchant les volets d'une
même paire d'être en contact l'un avec l'autre en position
activée~ La figure 5 montre également comment les rayons
incidents Li sont réfléchis par les volets, tel V2, en posi-
tion de repos ou sont absorbés par la couche 8 en matériau
- 1 4 -
~324L~
absorbant la lumlère lors~ue les volets, tel V1, sont en
position activ~e.
La figure 6 est une coupe partielle d'une variante de l'in-
vention. Selon cette variante, chaque électrode de commande
est constituée en ~ait par deux électrodes. Aihsi C'1 et
C"1 constituent les électrodes de commande de la première
colonne de volets tels V'1 et V"1, C'2 et C"2 constituent
les électrodes de commande de la deuxième colonne de volets,
tels V'2 et V"2 et ainsi de suite. L'électrode C'1 est asso-
ciée au volet V'1 et l'électrode C"1 est associée au vo-
let V"1. La paire de volets V'1 et V"1 sera activée en por-
tant, par exemple, le volet V'1 à une tension VS ~ 2 '
l'électrode de commande C'1 à une tension -VS _ V2 , le vo-
let V"1 à une tension VS ~ VM et l'électrode de commande
C"l à une tension -VS + 2 . Selon cette variante, la mê-
me différence de tension 2 VS existe entre un volet et son
électrode de commande, ce qui n'était pas le cas des varian-
tes précédentes. Les tensions de commande peuvent être al-
ternées d'une paire ~ la suivante pour éviter que la tension
de maintien VM existe entre deux volets ad~acents de deux pai-
res distinctes. Ainsi, avec les tensions indiquées ci-dessus
pour la paire de volets V'1 et V"1, les volets V'2 et V"2
seront portés respectivement aux potentiels VS + 2 et
VS _ V2 tandis que les électrodes C'2 et C"2 seront portées
respectivement aux potentiels -VS + V2 et -VS VM
,;,~ . .. ... .
-15-
,
Une autre mani~re ~alement avantageuse de r~aliser la com-
mande du dispositif de la fi~ure 6 consiste à appliquer une
ten~ion +VS au volet V'l et à l'électrode de commande C"1
et une tension -VS au volet V"1 et à l'électrode de com-
mande C'1. Les volets sont alors activés à llaide d'une ten-
sion égale à 2VS et leur maintien sera assuré même si les élec-
trodes de commande sont ramenées à une tension nulle.
La figure 6 montre encore que le dispositif peut également
être utilisé en transmission lorsqu'il n'y a pas de couche
en matériau absorbant. Les volets agissent dans ce cas com-
me des valves optiques qui laissent passer la lumlère inci~
dente Li lorsque les volets sont en position activée et qui
la réfléchissent lorsqu'ils sont en position de repos.
Le dispositif de l'invention peut avantageusement être réa-
lisé en faisant appel à la technologie~des circuits intégrés
électroniquesa Le support sera, dans ce cas, une plaquette
en silicium. Les volets, leurs attaches élastiques et les
électrodes de ligne seront réalisés par dépôt et gravure
d'une couche dialuminium d'une épaisseur d'environ 50 à
200 nanomètres, sur une première face de la plaquette. Si
les volets comportent des nervures, le dépôt d'àluminium
sera précédé par la gravure préalable de la plaquette puis
par le dépôt et la gravure de la couche isolante (MgF2).
Les cavités seront réalisées en attaquant le silicium par
la deuxi~me face de la plaquette. Lorsque l'attaque atteint
la face inféxieure des volets, elle est arrêtée et les vo-
, . :,, :: '' . .,;. ..
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~L~3,~4~0
lets sont libérés. Le fond~des cav:Ltés est constitué par une
plaque de verre, sur laquelle les électrodes de commande
transparentes ont été déposées selon des techniques connues
dans 1es af~lchcl~3es h cristaux llquides.
Le dispositif de l'invention peut etre réalisé en utilisant
d'autres ma-tériaux de bas~ que le silicium. Ainsi le support
pourra également être un isolant comme le saphir ou une ~a-
tière plastique telle que celles commercialisées sous le
nom de "Kapton" ou de "Mylar'`.
Bien que la présente invention ait été décrite à l'aide
d'exemples de réalisation particuliers, il est clair cepen-
dant qu'elle n'est nullement limitée auxdits exemples et
qu'elle est susceptible de variantes ou modifications sans
sortir de son domaine. En particulier, il est clair que le
dispositif de l'invention peut etre réalisé sous la forme
d'une matrice de points, chaque point ~tant constitué par
une ou plusieurs paires de volets, ou sous la forme de seg- -
ments, eux-mêmes constitués par plusieurs paires de volets.
Par ailleurs, l'utilisation d'une plaquette en matériau
semiconducteur permet de réaliser simultanément l'affichage
et ses circuits de commande.
