DE69513427T2

DE69513427T2 - Anzeigenelement und Anzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE69513427T2
Application number: DE69513427T
Authority: DE
Inventors: Hugh Frohbach; Ronald E. Pelrine; Kazuyoshi Shibata; Eric J. Shrader; Yukihisa Takeuchi
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1994-04-01
Filing date: 1995-03-31
Publication date: 2000-05-04
Anticipated expiration: 2015-04-01
Also published as: JP3187669B2; JP2001100123A; DE69513427D1; EP1168283A1; JP3499517B2; EP0927984B1; EP0927984A1; EP0675477A1; DE69524266T2; EP0675477B1; JPH07287176A; US5636072A; DE69524266D1; US5774257A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Anzeigeelement und eine Anzeigevorrichtung. Das Anzeigeelement verbraucht wenig elektrische Energie und weist hohe Schirmhelligkeit auf.
Als herkömmliche Anzeigevorrichtungen sind eine Kathodenstrahlröhren- (CRT-) und eine Flüssigkristallanzeige bekannt.
Ein herkömmliches TV-Gerät ist als Kathodenstrahlröhre bekannt. Dieser Bildschirm ist hell. Die Kathodenstrahlröhre verbraucht jedoch viel elektrische Energie, und die gesamte Anzeigevorrichtung ist im Vergleich zur Größe des Bildschirms tief.
Andererseits weist ein Flüssigkristall die Vorteile einer kompakten Anzeige auf, die wenig elektrische Energie verbraucht. Die Helligkeit des Bildschirms ist jedoch geringer als die einer Kathodenstrahlröhre, und der Sehwinkel des Bildschirms ist klein.
Weiters sind bei einer Kathodenstrahlröhre und bei einem Flüssigkristall, die jeweils einen Farbbildschirm aufweisen, die Anzahl der Pixel dreimal so hoch wie bei einer monochromen Vorrichtung, sie haben eine komplexe Struktur, verbrauchen viel elektrischen Strom und kosten viel.
Die US-A-4113360 offenbart eine Anzeigevorrichtung, bei der entlang einer Platte, in der durch innere Reflexion Licht übertragen wird, eine Schicht aus lichtstreuendem Material angeordnet ist, die normalerweise von der Oberfläche der Platte beabstandet ist, aber selektiv in optischen Kontakt mit der Platte bewegt wird, um Lichtemission von der Platte durch Lichtstreuung zu verursachen. Feststehende Elektroden verursachen Bewegung der Lichtstreuungsschicht oder verursachen eine selektive Ausdehnung der Platte aufgrund von Remanenzpolarisation.
Die JP-A-4-098102 beschreibt ein mehrschichtiges piezoelektrisches Verlagerungselement als Mittel zum Einstellen des Abstandes zwischen einer Sonde und einer Probe oder einem Aufzeichnungsmedium in einem Raster- oder Tunnelelektronenmikroskop. Die Ziele der vorliegenden Erfindung bestehen darin, die Probleme der herkömmlichen Anzeigevorrichtungen zu lösen und ein Anzeigeelement und eine Anzeigevorrichtung bereitzustellen, die wenig Strom verbrauchen, eine geringe Größe aufweisen und hohe Schirmhelligkeit aufweisen können.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Anzeigeelement bereitgestellt, wie in Anspruch 1 dargelegt.
Gemäß diesem Aspekt der Erfindung ist das flexible Element vorzugsweise ein Abschnitt eines Keramiksubstrates mit einer einteiligen Struktur und dickeren Abschnitten, wobei sich das flexible Element über einen Spalt zwischen zwei dickeren Abschnitten erstreckt. Das Keramiksubstrat weist vorzugsweise einen Hohlraum auf, so daß das flexible Element dünn ist und Plattengestalt hat.
Gemäß einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Anzeigevorrichtung bereit, wie in Anspruch 9 dargelegt.
Vorzugsweise verfügt diese Anzeigevorrichtung über ein(e) gemeinsame(s) lichtübertragende(s) Element oder Platte für eine Vielzahl von Anzeigeelementen.
Auf die Zeichnungen Bezug nehmend:
ist Fig. 1 eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform eines Anzeigeelements gemäß vorliegender Erfindung zeigt.
ist Fig. 2 eine erklärende Ansicht, die ein Beispiel für ein Verhältnis der Lichtabgabeperioden von R (rot), G (grün) und B (blau) zeigt.
ist Fig. 3 eine erklärende Ansicht, die ein weiteres Beispiel für ein Verhältnis der Lichtabgabeperioden von R, G und B gezeigt.
ist Fig. 4 eine schematische Ansicht, die eine andere Ausführungsform eines Anzeigeelements gemäß vorliegender Erfindung zeigt.
ist Fig. 5 eine schematische Ansicht, die wieder eine andere Ausführungsform eines Anzeigeelements gemäß vorliegender Erfindung zeigt.
ist Fig. 6 eine schematische Ansicht, die eine weitere Ausführungsform eines Anzeigeelements gemäß vorliegender Erfindung zeigt.
ist Fig. 7 eine schematische Ansicht, die eine weitere Ausführungsform eines Anzeigeelements gemäß vorliegender Erfindung zeigt.
ist Fig. 8 eine schematische Ansicht, die eine weitere Ausführungsform eines Anzeigeelements gemäß vorliegender Erfindung zeigt.
Das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung gemäß ihrem ersten Aspekt wird auf Basis von Fig. 1 beschrieben.
Das Licht 2 wird in die Platte 1 eingebracht, um Licht von einem Ende der Platte 1 abzugeben. Der Brechungsindex der Platte 1 ist so eingestellt, daß das gesamte Licht 2 vollständig reflektiert wird, ohne daß es durch die Vorderfläche 3 und die Rückfläche 4 dringt, so daß es im Inneren der Platte 1 übertragen wird. Unter dieser Bedingung dringt das Licht 2, wenn irgendeine Substanz (Verlagerungsübertragung gemäß vorliegender Erfindung) in einer Distanz in Kontakt tritt, die nicht länger als eine Wellenlänge ist, in die Rückfläche 4 ein und erreicht die Oberfläche der Substanz 5. Das Licht 2 wird an der Oberfläche der Substanz 5 reflektiert, so daß es zu einem Streulicht 6 wird, das in die Platte 1 eindringt. Ein Teil des Streulichtes 6 wird vollständig in der Platte 1 reflektiert. Ein Großteil des Streulichtes 6 dringt jedoch in die Vorderfläche 3 der Platte 1 ein.
Wie aus der obigen Beschreibung deutlich wird, kann das Vorliegen oder Unterbleiben einer Lichtaussendung (Lichtaustritt) des Lichtes 2 auf die Vorderfläche 3 der Platte 1 gesteuert werden, indem die Substanz 5 an der Rückfläche 4 mit der Platte 1 in Berührung gebracht oder von ihr getrennt wird.
Das obengenannte Vorliegen oder Unterbleiben von Lichtaussendung, d. h. einer Einheit aus Einschalten und Ausschalten, wirkt sowohl bei einer herkömmlichen Kathodenröhre als auch bei einer Flüssigkristallanzeige als Bildelement (Pixel). Sowohl vertikal als auch horizontal ist eine Vielzahl von Bildelementen angeordnet. Das Einschalten und Ausschalten eines jeden Bildelements wird gesteuert, so daß ein beliebiger Buchstabe, eine beliebige Zahl usw. angezeigt wird.
Als nächstes wird die Anwendung der vorliegenden Erfindung auf einen Farbbildschirm beschrieben.
Es wird angenommen, daß Menschen Farben erkennen, indem sie die in ihren Sehnerven empfundenen drei Primärfarben mischen. Falls das stimmt, werden die Funktion und die Wirkung im Sehvermögen eines Menschen erreicht. Die Funktion und die Wirkung sind ähnlich der erfindungsgemäßen Farbanzeige, bei der die drei Primärfarben gemischt werden.
Das Grundprinzip der Farbgebung gemäß vorliegender Erfindung wird nachstehend beschrieben.
Die Grundvoraussetzung der Farbgebung wird durch ein Verfahren zum Mischen von R (rot), G (grün) und B (blau) bestimmt.
T ist eine Farbaussendungsfrequenz. Die längste Farbaussendungsperiode von R, G und B wird in drei Teile geteilt. Wenn das Verhältnis zwischen jeder der Farbaussendungsperioden von R, G und B gleich 1 : 1 : 1 ist, wie in Fig. 2 gezeigt, wird die Farbe weiß. Wenn das Verhältnis einer jeden der Farbaussendungsperioden von R, G und B gleich 4 : 1 : 5 ist, entspricht die Farbe dem Verhältnis.
Daher kann unter Bezugnahme auf Fig. 1 die Farbe reguliert werden, indem jede der Perioden der Lichtaussendung der drei Primärfarben so reguliert wird, daß die Kontaktperiode des Verlagerungsübertragungsabschnitts 5 mit der Platte 1 so gesteuert wird, daß Sie mit Frequenz der farbaussendenden Periode korrespondiert. Alternativ dazu kann die Periode des In-Kontakt-Bringens des Verlagerungsübertragungsabschnitts 5 mit der Platte 1 so gesteuert werden, daß die Periode der Lichtaussendung mit der Frequenz der farbaussendenden Periode korrespondiert.
Daher ist es gemäß vorliegender Erfindung vorteilhaft nicht notwendig, die Anzahl an Bildelementen für einen Farbbildschirm in Vergleich zu einem monochromen Bildschirm zu erhöhen.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend auf der Basis von Ausführungsformen detaillierter beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform des Anzeigeelements gemäß vorliegender Erfindung zeigt. Das linke Element befindet sich in einem Ruhezustand, und das rechte Element befindet sich in einem angeregten Zustand.
In Fig. 1 umfaßt ein Aktuator 10 einen piezoelektrischen Film 11 aus Keramik und ein Paar Elektroden 12 und 13, die jede Oberfläche des piezoelektrischen Films 11 bedecken. Unter jedem Aktuator 10 ist ein Substrat 16 angeordnet, das einen beweglichen flexiblen Abschnitt 14 und einen feststehenden Stützabschnitt 15 aufweist.
Die untere Elektrode 13 des Aktuators 10 berührt den beweglichen flexiblen Abschnitt 14, so daß sie den Aktuator 10 direkt hält.
Vorzugsweise besteht das Substrat 16 aus Keramik und weist eine einteilige Struktur auf, die den beweglichen flexiblen Abschnitt 14 und den feststehenden Stützabschnitt 15 umfaßt. Weiters weist das Substrat 16 vorzugsweise einen Hohlraum 1 7 auf, so daß der bewegliche flexible Abschnitt 14 dünn ist.
Der feststehende Stützabschnitt 1 S ist so angeordnet, daß er den beweglichen flexiblen Abschnitt 14 umgibt.
Es ist anzumerken, daß der bewegliche flexible Abschnitt 14 und der feststehende Stützabschnitt 15 auch nicht einteilig ausgebildet sein können. Beispielsweise kann ein metallischer feststehender Stützabschnitt 15 einen hin- und herbeweglichen flexiblen Abschnitt 14 aus Keramik festhalten. Wenn der feststehende Stützabschnitt 15 aus Metall besteht, wird die Oberfläche des hin- und herbeweglichen flexiblen Abschnitts 14, die mit dem feststehenden Abschnitt zu verbinden ist, metallisiert. Die metallisierte Schicht wird an den feststehenden Stützabschnitt 15 gelötet. Der feststehende Stützabschnitt 15 kann aus Metall, wie rostfreiem Stahl oder Eisen, bestehen.
Der feststehende Stützabschnitt 15 ist so angeordnet, daß er den beweglichen flexiblen Abschnitt 14 umgibt. Jedoch kann der feststehende Stützabschnitt 15 den beweglichen flexiblen Abschnitt 14 auch nicht an seinem gesamten Umfang halten, und der feststehende Stützabschnitt 15 muß nur zumindest einen Teil des beweglichen flexiblen Abschnitts 14 stützen. In Fig. 1 wird nur ein Teil des beweglichen flexiblen Abschnitts 14 vom feststehenden Stützabschnitt 15 gehalten.
An die obere Elektrode 12 eines jeden Aktuators 10 ist ein Verlagerungsübertragungsabschnitt 5 angeschlossen, um die Fläche für den Kontakt mit der Platte 1 auf ein vorbestimmtes Ausmaß zu vergrößern. In Fig. 1 ist ein Verlagerungsübertragungs abschnitt 5 nahe der Platte 1 angeordnet, wenn sich der Aktuator in einem ruhenden Zustand befindet. Wenn sich der Aktuator 10 in einem angeregten Zustand befindet, berührt der Verlagerungsübertragungsabschnitt 5 die Platte 1 in einer Distanz, die maximal der Wellenlänge des Lichts entspricht. In Fig. 1 ist der Verlagerungsübertragungsabschnitt 5 aus einem Element mit dreieckigem Querschnitt gebildet.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Anzeigeelements gemäß vorliegender Erfindung. Der Verlagerungsübertragungsabschnitt 5 umfaßt ein planares Element 5a und ein kugelförmiges Element 5b.
Fig. 5 zeigt wieder eine andere Ausführungsform eines Anzeigeelements gemäß vorliegender Erfindung. Der Verlagerungsübertragungsabschnitt 5 umfaßt ebenso wie in der Ausführungsform von Fig. 4 ein planares Element 5a und ein kugelförmiges Element 5b. Weiters zeigt die Ausführungsform die umgekehrte Anordnung der Aktuatoren 10 und des Substrates 16 im Gegensatz zu den Fig. 1 und 4. Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform ist der stationäre Stützabschnitt 15 nicht notwendigerweise mit dem beweglichen flexiblen Abschnitt 14 verbunden. Der stationäre Stützabschnitt 14 kann den beweglichen flexiblen Abschnitt 14 einfach nur berühren.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Anzeigeelements gemäß vorliegender Erfindung. In Fig. 6 ist die Positionsbeziehung zwischen dem Aktuator 10 und dem Substrat 16 die gleiche wie in Fig. 4. In Fig. 6 biegt sich der Aktuator 10 jedoch in die entgegengesetzte Richtung wie jene von Fig. 4 durch.
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Anzeigeelements gemäß vorliegender Erfindung. In Fig. 7 hat ein Bildelement drei Aktuatoren 10, die einen piezoelektrischen Film 11 und ein Paar Elektroden 12, 13 aufweisen. Ein beweglicher flexibler Abschnitt 14 umfaßt drei dünne Plattenabschnitte 30 und eine Vielzahl dicker Plattenabschnitte 31 zwischen den dünnen Plattenabschnitten 30. Bei dieser Anordnung ist die Größe der dünnen Plattenabschnitte 30 deutlich reduziert.
In den Fig. 1, 4 und 5 ist der Verlagerungsübertragungsabschnitt 5 nahe der Platte 1 angeordnet, wenn sich der Aktuator 10 im ruhenden Zustand befindet, und der Verlagerungsübertragungsabschnitt 5 ist so angeordnet, daß er die Platte 1 in einem Abstand berührt, der nicht länger als die Wellenlänge des Lichts ist.
Im Gegensatz dazu ist es, wie in den Fig. 6 und 7 gezeigt, auch möglich, den Verlagerungsübertragungsabschnitt 5 so anzuordnen, daß er die Platte 1 in einem Abstand berührt, der nicht länger als die Wellenlänge des Lichts ist, wenn sich der Aktuator 10 in einem ruhenden Zustand befindet, und so, daß er der Platte 1 nahe ist, wenn sich der Aktuator in einem angeregten Zustand befindet.
Der Kontakt und die Trennung zwischen dem Verlagerungsübertragungsabschnitt 5 und der Platte 1 kann durch eine Richtung der Polarisierung des piezoelektrischen Films und eine Richtung des elektrischen Feldes während des Betriebs reguliert werden.
Als nächstes wird jedes Einzelelement des Anzeigeelements beschrieben.
Wenn der Aktuator 10 angeregt wird, d. h., wenn in der oberen und unteren Elektrode 12 bzw. 13 durch Leiterabschnitte Spannung angelegt wird, erfährt der piezoelektrische Film 12 Biegeverlagerung, und der bewegliche flexible Abschnitt 14 bewegt sich in seiner resultierenden Bewegung in vertikale Richtung, d. h. in Richtung zur Platte 1 und dem Hohlraum 17. Der bewegliche flexible Abschnitt 14 weist vorzugsweise planare Gestalt auf, da sich diese Gestalt zum Biegen eignet. Die Dicke der Platte liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 100 um, mehr bevorzugt von 3 bis 50 um, noch mehr bevorzugt von 5 bis 20 um.
Der bewegliche flexible Abschnitt 14 besteht vorzugsweise einem Material mit hoher Wärmebeständigkeit, um zu verhindern, daß der sich durchbiegende Abschnitt während des Ausbildens des piezoelektrischen Films 11 thermisch beeinträchtigt wird, wenn der Aktuator 10 direkt auf dem beweglichen flexiblen Abschnitt 14 angeordnet wird, ohne daß sich ein Material dazwischen mit geringer Hitzebeständigkeit befindet, wie ein organischer Kleber.
Der bewegliche flexible Abschnitt 14 besteht vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material. Der Grund dafür ist, daß die obere Elektrode 12 und die untere Elektrode 13 elektrisch isoliert werden, wenn auf der Oberfläche des beweglichen flexiblen Abschnitts 14 die obere Elektrode 12 und die untere Elektrode 13 des Aktuator 10, die direkt vom sich durchbiegenden Abschnitt gehalten werden, an diese Elektroden angeschlossene Leiter, Leiteranschlüsse und dergleichen ausgebildet sind. Daher kann der bewegliche flexible Abschnitt 14 aus einem Metall mit hoher Hitzebeständigkeit oder einem Material wie Emaillematerial bestehen, bei dem ein Metall mit Keramik, wie Glas, bedeckt ist. Am meisten bevorzugt besteht der bewegliche flexible Abschnitt 14 aus Keramik.
Beispielsweise können für den hin- und herbeweglichen flexiblen Abschnitt 14 geeigneterweise stabilisiertes Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Mullit, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid, Glas oder dergleichen verwendet werden. Stabilisiertes Zirkoniumdioxid ist besonders vorzuziehen, weil es hohe mechanische Festigkeit und hohe Zähigkeit aufweist, auch wenn der hin- und herbewegliche flexible Abschnitt dünn ist und begrenzte Reaktivität gegenüber einem piezoelektrischen Film und Elektroden usw. aufweist.
Stabilisiertes Zirkoniumdioxid umfaßt vollständig stabilisiertes Zirkoniumdioxid und teilweise stabilisiertes Zirkoniumdioxid. Stabilisiertes Zirkoniumdioxid verursacht keinen Phasenübergang, da es einen Kristallit mit kubischer Phase aufweist. Andererseits verursacht Zirkoniumoxid Phasenübergang zwischen monoklinen Kristallen und tetragonalen Kristallen bei etwa 1.000ºC. Dieser Phasenübergang kann Risse erzeugen. Stabilisiertes Zirkoniumdioxid enthält 1-30 Mol-% Kalziumoxid, Magnesiumoxid, Yttriumoxid, Scandiumoxid, Ytterbiumoxid, Zeroxid oder einen Stabilisator, wie Seltenerdmetalloxid. Vorzugsweise enthält der Stabilisator Yttriumoxid, um die mechanische Festigkeit des hin- und herbeweglichen flexiblen Abschnitts zu erhöhen. Die im Stabilisator enthaltene Menge an Yttriumoxid liegt vorzugsweise im Bereich von 1,5 bis 6 Mol-%, mehr bevorzugt von 2 bis 4 Mol-%. Weiters kann die Hauptkristallphase ein Gemisch aus kubischen Kristallen und monoklinen Kristallen, ein Gemisch aus tetragonalen Kristallen und monoklinen Kristallen, ein Gemisch aus kubischen Kristallen, tetragonalen Kristallen und monoklinischen Kristallen usw. sein. In Hinblick auf die mechanische Festigkeit, Zähigkeit und Beständigkeit besteht die Hauptkristallphase vorzugsweise aus tetragonalen Kristallen oder einem Gemisch aus tetragonalen Kristallen und kubischen Kristallen.
Keramikmaterial für den beweglichen flexiblen Abschnitt 14 enthält vorzugsweise 0,5 bis 5 Gew.-% Siliziumoxid, mehr bevorzugt 1 bis 3 Gew.-%, weil Siliziumoxid eine übermäßige Reaktion zwischen dem hin- und herbeweglichen flexiblen Abschnitt 14 und dem Aktuator 10 nach dem Bilden des Aktuators 10 durch Wärmebehandlung verhindert und hervorragende Eigenschaften als Aktuator ergibt.
Wenn der hin- und herbewegliche flexible Abschnitt 14 aus Keramik besteht, bilden zahlreiche Kristallteilchen den hin- und herbeweglichen flexiblen Abschnitt. Der durchschnittliche Durchmesser der Teilchen liegt vorzugsweise im Bereich von 0,05 bis 2 um, mehr bevorzugt von 0,1 bis 1 um.
Zumindest ein Teil des flexiblen Abschnitts ist so am stationären Abschnitt 15 fixiert, daß sich der flexible Abschnitt 14 bewegen kann. Bei der Ausführungsform von Fig. 1 besteht der stationäre Stützabschnitt 15 vorzugsweise aus Keramik. Das Keramikmaterial für den stationären Stützabschnitt 15 kann das gleiche sein wie jenes des beweglichen flexiblen Abschnitts 14, oder kann sich von jenem des beweglichen flexiblen Abschnitts 14 unterscheiden. Als Keramik für den stationären Stützabschnitt 15 sowie als Material für den beweglichen flexiblen Abschnitt 14 eignet sich stabilisiertes Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Mullit, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid, Glas oder dergleichen.
Die Gestalt eines Hohlraums 17 ist nicht begrenzt. Die Gestalt eines horizontalen oder vertikalen Querschnitts des Hohlraums kann beispielsweise ein Kreis, ein Oval, ein Vieleck, einschließlich Quadrat und Rechteck, oder eine komplexe Gestalt aus Kombinationen daraus sein. Wenn die Gestalt jedoch ein Vieleck oder dergleichen ist, wird die Spitze einer jeden Ecke vorzugsweise entfernt, so daß jede der Ecken eine runde Gestalt aufweist.
Der Aktuator 10 umfaßt einen piezoelektrischen Film 11, wobei die obere Elektrode 12 zumindest einen Teil einer Oberfläche 11s des piezoelektrischen Films 11 bedeckt und die untere Elektrode 13 zumindest einen Teil der anderen Oberfläche 11t des piezoelektrischen Films 11 bedeckt. Die untere Elektrode 13 bedeckt zumindest einen Teil der Oberfläche 14s des beweglichen flexiblen Abschnitts 14.
Der piezoelektrische Film 11 weist Biegeverlagerung auf, wenn in der oberen Elektrode 12 und der unteren Elektrode 13 eine Spannung angelegt wird. Der piezoelektrische Film 11 weist vorzugsweise Biegeverlagerung in Richtung seiner Dicke auf. Die Biegeverlagerung des piezoelektrischen Films 11 bewirkt die Bewegung des Verlagerungsübertragungsabschnitts 5 in Richtung der Dicke des piezoelektrischen Films 11, und der Verlagerungsübertragungsabschnitt 5 berührt die Platte 1.
Der piezoelektrische Film 11 hat vorzugsweise eine Dicke von 5 bis 100 um, mehr bevorzugt 5 bis 50 um, weiter bevorzugt 5 bis 30 um.
Der piezoelektrische Film 11 kann geeigneterweise aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial bestehen. Alternativ dazu kann der piezoelektrische Film 11 aus einem Keramikmaterial mit Elektrostriktion oder einem Keramikmaterial mit Ferroelektrizität bestehen. Weiters kann der piezoelektrische Film aus einem Material bestehen, das eine Polarisierungsbehandlung erfordert, und aus einem Material, das keine Polarisierungsbehandlung erfordert. Weiters ist das Material nicht auf Keramik beschränkt, sondern kann ein piezoelektrischer Körper sein, einschließlich eines Polymers wie beispielsweise PVDF (Polyvinylidenfluorid) oder eines Verbundkörpers aus einem Polymer und einem Keramikmaterial.
Das Keramikmaterial für einen piezoelektrischen Film 11 kann beispielsweise Bleizirkonat (PZT), Bleimagnesiumniobat, Bleinickelniobat, Bleizinkniobat, Bleimanganniobat, Bleiantimonstannat, Bleititanat, Bariumtitanat, Bleimagnesiumwolframat oder eine Kombination daraus sein. Es versteht sich, daß ein Keramikmaterial nicht weniger als 50 Gew.-% einer Verbindung enthalten darf, die aus obigen als Hauptkomponente besteht. Bevorzugt kann ein Keramikmaterial verwendet werden, das Bleizirkonat enthält. Weiters kann das obengenannte Keramikmaterial Lanthan-, Calcium-, Strontium-, Molybdän-, Wolfram-, Barium-, Niobium-, Zink-, Nickel-, Manganoxide oder dergleichen; eine Kombination daraus; oder andere Verbindungen enthalten. Beispielsweise wird bevorzugt Keramik verwendet, die eine Komponente enthält, die hauptsächlich aus Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat besteht und weiters Lanthan und Strontium enthält.
Der piezoelektrische Film 11 kann dicht oder porös sein. Ein poröser piezoelektrischer Film hat vorzugsweise eine Porosität nicht über 40%.
Die obere Elektrode 12 und die untere Elektrode 13 weisen je nach ihrer Anwendung eine geeignete Dicke auf. Die Dicke liegt jedoch vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 50 um.
Die obere Elektrode 12 besteht aus einem elektrisch leitendem Metall, das bei Raumtemperatur fest ist. Beispielsweise besteht die obere Elektrode 12 aus einer einfachen metallischen Substanz, wie Aluminium, Titan, Chrom, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Zink, Niobium, Molybdän, Ruthenium, Rhodium, Silber, Zinn, Tantal, Wolfram, Iridium, Platin, Gold, Blei oder dergleichen; oder einer Legierung daraus. Es versteht sich, daß diese Elemente in jeder Kombination enthalten sein können.
Die untere Elektrode 13 besteht vorzugsweise aus einer einfachen Substanz, die Metall mit einem hohen Schmelzpunkt enthält, wie Platin, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Iridium, Titan, Chrom, Molybdän, Tantal, Wolfram, Nickel, Kobalt; oder einer Legierung daraus. Es versteht sich, daß diese Metalle, die jeweils einen hohen Schmelzpunkt aufweisen, in jeder Kombination enthalten sein können. Ein Metall, das zur Platingruppe gehört, wie Platin, Rhodium, Palladium, oder eine Legierung, die dieses Metall enthält, wie Silber-Platin, Platin-Palladium, wird geeigneterweise für die Hauptkomponente eines Materials für die Elektrode verwendet. Für die untere Elektrode 13 wird vorzugsweise ein Metall verwendet, das in einer Oxidationsatmosphäre bei hohen Temperaturen beständig ist, weil die untere Elektrode 13 manchmal bei Wärmebehandlung für den piezoelektrischen Film 11 hoher Temperatur ausgesetzt ist.
Ein Material, das geeigneterweise für die untere Elektrode verwendet wird, kann ein Cermet sein, das ein Metall mit einem hohen Schmelzpunkt und ein Keramikmaterial, wie Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Siliziumoxid und Glas, enthält.
Wenn der Verlagerungsübertragungsabschnitt 5 die Rückfläche 4 der Platte 1 berührt, dringt das Licht 2, das vollständig in der Platte 1 reflektiert wurde, in die Rückfläche 4 der Platte 1 ein, erreicht die Oberfläche des Verlagerungsübertragungsabschnitts 5 und wird an der Oberfläche des Verlagerungsübertragungsabschnitts 5 reflektiert. Somit dient der Verlagerungsübertragungsabschnitt 5 zum Reflektieren des Lichts 2, das in die Rückfläche 4 der Platte 1 eindringt, und dazu, die Kontaktfläche mit der Platte 1 größer als die vorbestimmte Größe zu machen. Das heißt, die Lichtaussendungsfläche wird durch die Kontaktfläche des Verlagerungsübertragungsabschnitts 5 und der Platte 1 bestimmt. "Kontakt" bedeutet, daß der Verlagerungsübertragungsabschnitt 5 und die Platte 1 innerhalb der Distanz angeordnet sind, die nicht länger als die Wellenlänge des Lichts ist.
Der Verlagerungsübertragungsabschnitt 5 weist vorzugsweise ausreichende Härte auf, um die Verlagerung des Aktuators 10 direkt auf die Platte 1 zu übertragen.
Daher ist das Material für den Verlagerungsübertragungsabschnitt 5 vorzugsweise Kautschuk, organisches Harz, Glas usw., um die obengenannten Eigenschaften zu ergeben. Das Material kann jedoch auch die Elektrodenschichten selbst, der piezoelektrische Körper, die obengenannten Keramikmaterialen oder dergleichen sein.
Vorzugsweise ist jene Oberfläche des Verlagerungsübertragungsabschnitts 5 für den Kontakt mit der Platte 1 im Vergleich zum Ausmaß der Verlagerung der Aktuators 10 zufriedenstellend flach. Genauer gesagt ist die Unebenheit vorzugsweise nicht größer als 1 um, mehr bevorzugt nicht größer als 0,5 um, weiter bevorzugt nicht größer als 0,1 um. Die Ebenheit ist wichtig, um den Zwischenraum zu verringern, wenn der Verlagerungsübertragungsabschnitt 5 die Platte 1 berührt. Daher ist das Ausmaß an Unebenheit nicht auf die obengenannten Bereiche beschränkt, wenn der Berührungsabschnitt in einem Berührungszustand verformt wird.
In Fig. 8 definieren ein Aktuator 10, die Platte 1 und eine Seitenwand einen Hohlraum, in dem eine lichtdurchlässige Flüssigkeit 32 vorhanden ist. In der Ausführungsform dient eine obere Elektrode 12 als Verlagerungsübertragungsmittel 5, und die Flüssigkeit 32 kann als Teil der Platte 1 betrachtet werden. Die Flüssigkeit 32 verringert wirksam den Zwischenraum zwischen dem Aktuator 10 und der Platte 1 oder zwischen dem Verlagerungsübertragungsmittel 5 und der Platte 1, um das Licht leicht umzuschalten. Die Flüssigkeit 32 umfaßt beispielsweise ein organisches Lösungsmittel mit einem niedrigen Dampfdruck, ein Öl usw. Der Hohlraum ist vorzugsweise abgedichtet, um das Verdampfen der Flüssigkeit zu verhindern. Um die Flüssigkeit 32 über dem Aktuator 10 zu halten, kann in der oberen Peripherie des Aktuators 10 eine Seitenwand mit einer gewünschten Höhe ausgebildet sein. Die Seitenwand kann die Platte 1 berühren. Alternativ dazu kann die Seitenwand einen Zwischenraum zur Platte 1 lassen. Anstelle der Ausbildung der Seitenwand kann das Verlagerungsübertragungsmittel 5 eine Oberfläche mit Vertiefungen und Vorsprüngen aufweisen, und die Flüssigkeit kann in den Vertiefungen gehalten werden. Alternativ dazu kann das Verlagerungsübertragungsmittel offene Poren aufweisen, und die offenen Poren können mit der Flüssigkeit 32 getränkt sein. In diesen Fällen wird die Flüssigkeit 32 durch ihre Oberflächenspannung gehalten.
Die Platte 1 der erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist einen Brechungsindex für die Totalreflexion des Lichts auf, das an der Vorderfläche 3 und der Rückfläche 4 in die Platte 1 eingebracht wird.
Das Material unterliegt keiner Einschränkung, solange das Material solche Eigenschaften aufweist. Im speziellen sind beliebte Materialien beispielsweise Glas, Quarz, durchscheinender Kunststoff, durchscheinendes Keramikmaterial, ein laminierter Körper aus Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindices und eine Platte mit einer Überzugsschicht an der Oberfläche.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Anzeigevorrichtung bereit, die jeden Buchstaben, jede Ziffer usw. darstellen kann, sowie eine herkömmliche Kathodenstrahlröhre und einen Flüssigkristall, indem eine vorbestimmte Anzahl der obengenannten Anzeigeelemente auf geeignete Weise angeordnet und das Einschalten und Ausschalten eines jeden der Anzeigeelemente gesteuert wird. Die Anzahl der Anzeigeelemente ist nicht notwendigerweise größer als 1.
Das Verfahren zur Herstellung eines Anzeigeelements gemäß vorliegender Erfindung wird nachstehend beschrieben.
Geformte Schichten aus grünem Bahnmaterial oder grünem Bandmaterial werden durch Heißpressen oder dergleichen laminiert, und dann gesintert, um ein einteiliges Substrat 16 zu erhalten. Beispielsweise sind im Substrat 16 von Fig. 1 zweischichtige grüne Bahnen oder grüne Bänder laminiert. An der zweiten Schicht wird vor dem Laminieren im voraus ein Durchgangsloch mit vorbestimmter Gestalt ausgebildet, so daß der Hohlraum 17 gebildet wird. Die geformten Schichten werden durch Formpressen, Schlickerguß, Spritzguß oder dergleichen gebildet. Der Hohlraum kann durch maschinelle Bearbeitung, wie Schneiden, Metall-Maschinenbearbeitung, Laserbearbeitung, Ausschneiden durch Preßbearbeitung oder dergleichen gebildet werden.
Der Aktuator 10 wird auf dem beweglichen flexiblen Abschnitt 14 ausgebildet. Ein piezoelektrischer Körper wird durch Preßformen unter Einsatz einer Form, Bandausbildung unter Einsatz einer Aufschlämmung oder dergleichen gebildet. Der grüne piezoelektrische Körper wird auf dem beweglichen flexiblen Abschnitt 14 des grünen Substrates durch Heißpressen ausgebildet und wird gleichzeitig gesintert, um ein Substrat und einen piezoelektrischen Körper zu bilden. Dieses Verfahren macht es erforderlich, die Elektrode 12 und 13 im voraus durch eines der nachstehend beschriebenen Verfahren zum Ausbilden eines Films auf dem piezoelektrischen Körper auszubilden.
Obwohl eine Temperatur zum Sintern eines piezoelektrischen Films 11 geeigneterweise je nach den Materialien gewählt ist, aus denen der Film besteht, liegt die Temperatur im allgemeinen im Bereich von 800ºC bis 1.400ºC, vorzugsweise von 1.000ºC bis 1.400ºC. Vorzugsweise wird der piezoelektrische Film in Gegenwart einer Quelle zum Verdampfen des Materials des piezoelektrischen Films gesintert, um die Zusammensetzung des piezoelektrischen Films 11 zu regulieren.
Andererseits werden bei einem Verfahren zum Ausbilden eines Films die untere Elektrode 13, der piezoelektrische Film 11 und die obere Elektrode 12 in dieser Reihenfolge auf den beweglichen flexiblen Abschnitt 14 auflaminiert, um den Aktuator 10 zu bilden. Ein Verfahren zum Ausbilden eines Films kann auf geeignete Weise aus Verfahren nach dem Stand der Technik ausgewählt werden, beispielsweise einem Verfahren zum Ausbilden eines Dickfilms, wie Siebdrucken, einem Aufbringungs verfahren, wie Tauchen, einem Verfahren zum Ausbilden eines Dünnfilms, wie Ionenstrahlverfahren, Sputtern, Vakuumabscheidung, Ionenplattierung, chemische Dampfabscheidung (CVD), Plattieren. Jedoch ist ein Verfahren zum Ausbilden eines Films nicht auf diese Verfahren beschränkt. Die untere Elektrode 13, der nicht dargestellte Leiter und die Anschlußfläche werden durch Siebdrucken gleichzeitig auf das Substrat aufgebracht. Vorzugsweise wird der piezoelektrische Film 11 durch ein Verfahren zum Ausbilden eines Dickfilms, wie Siebdrucken oder dergleichen, ausgebildet. Bei diesen Verfahren wird ein Paste oder eine Aufschlämmung verwendet, die keramische Pulver aus dem Material für den piezoelektrischen Film als Hauptkomponente enthält. Somit wird der piezoelektrische Film 11 so auf dem Substrat ausgebildet, daß er hervorragende piezoelektrische Eigenschaften aufweist. Das Ausbilden eines piezoelektrischen Films durch eines dieser Filmbildungsverfahren erfordert keinerlei Kleber, und der Aktuator 10 kann einteilig mit dem hin- und herbeweglichen flexiblen Abschnitt 14 verbunden werden. Daher wird ein solches Verfahren in Hinblick auf hervorragende Zuverlässigkeit, hervorragende Reproduzierbarkeit und einfache Integration besonders bevorzugt. Eine Gestalt eines solchen Films kann ein geeignetes Muster aufweisen. Das Muster kann nach einem Verfahren wie Siebdrucken oder Photolithographie ausgebildet werden, oder durch Entfernen überflüssiger Teile durch maschinelle Bearbeitung, wie Laserbearbeitung, Aufspalten, Ultraschallbearbeitung. Von diesen wird Siebdrucken am meisten bevorzugt.
Die Gestalten für den piezoelektrischen Film, die obere Elektrode und die untere Elektrode unterliegen keinerlei Einschränkung, und je nach Anwendung kann jede Gestalt gewählt werden. Beispielsweise können sie ein Vieleck, wie ein Dreieck und ein Quadrat, eine gekrümmte Gestalt, wie ein Kreis, ein Oval und ein Torus, eine kammartige Gestalt, ein Gitter oder eine Kombination daraus sein, um eine spezielle Gestalt zu bilden.
Jeder der Filme 11, 12, 13, die so auf einem Substrat ausgebildet werden, können jedesmal, wenn der Film gebildet wird, jeweils wärmebehandelt werden, so daß der Film und das Substrat einteilig verbunden werden. Alternativ dazu können, nachdem alle Filme ausgebildet wurden, die Filme gemeinsam thermisch behandelt werden, um die Filme einstückig mit dem Substrat zu verbinden. Wenn die obere Elektrode oder die untere Elektrode durch ein Verfahren zum Ausbilden eines dünnen Films gebildet wird, ist die Wärmebehandlung nicht immer notwendig, um diese Elektroden einteilig auszubilden.
Wenn ein obengenanntes Material für den Verlagerungsübertragungsabschnitt 5 verwendet wird, kann das Verlagerungsübertragungselement aus einem obengenannten Material durch einen Kleber auf den Aktuator 10 laminiert werden. Alternativ dazu wird eine Lösung oder eine Aufschlämmung aus einem obengenannten Material auf den Aktuator 10 aufgetragen. Es ist nicht immer notwendig, den Verlagerungsübertragungsabschnitt zu schneiden, damit er beinahe die gleiche Gestalt wie der Aktuator 10 aufweist. Es ist jedoch vorzuziehen, die Schicht aus dem Verlagerungsübertragungsabschnitt 5 zu schneiden oder die Schicht einzukerben, um die Effizienz der Verlagerung des Aktuators 10 zu erhöhen.
Es versteht sich, daß die vorbestimmte Distanz zwischen dem Verlagerungsübertragungsabschnitt 5 und der Platte 1 nach dem Zusammenbauen im Vergleich zum Ausmaß an Verlagerung des Aktuators 10 klein sein muß. Ein Zwischenraum bildendes Element mit einer vorbestimmten Größe wird im Abschnitt ohne den Aktuator 10 angeordnet, damit der befestigende Stützabschnitt 15 fest mit der Platte 1 verbunden ist.
Gemäß vorliegender Erfindung kann ein Bildelement vorzugsweise eine Abmessung im Bereich von 0,3 mm bis 3 mm aufweisen. Für eine größere Anzeigevorrichtung eignet sich ein größeres Bildelement.
Die Anzeigevorrichtung gemäß vorliegender Erfindung kann eine Vielzahl von Anzeigeelementen aufweisen, die in einer Anzahl N in vertikale Richtungen und in einer Anzahl M in laterale Richtungen angeordnet sind. Alle Anzeigeelemente können als Ganzes behandelt werden. Es müssen jedoch nicht alle Anzeigeelemente notwendigerweise als Ganzes behandelt werden. Ein Einheit kann die Anzeigeelemente in einer Anzahl A in vertikalen Richtungen und einer Anzahl B in lateralen Richtungen aufweisen, und eine Vielzahl der Einheiten kann kombiniert werden, um die Anzeigevorrichtung auszubilden. In diesem Fall ist A ein Divisor von N, und B ist ein Divisor von M.
Gemäß vorliegender Erfindung wird die Lichtaussendung unter Einsatz einer Verlagerung reguliert, die durch einen piezoelektrischen Effekt eines piezoelektrischen Films und einer piezoelektrischen Schicht verursacht wird. Daher stellt die vorliegende Erfindung ein Anzeigeelement und eine Anzeigevorrichtung bereit, die beide rasch ansprechen, wenig elektrischen Strom verbrauchen und geringe Größe aufweisen sowie hohe Helligkeit eines Bildschirms aufweisen. Weiters muß bei einem Farbbildschirm die Anzahl an Bildelementen im Vergleich zu einem monochromen Bildschirm nicht erhöht werden. Das Anzeigeelement und die Anzeigevorrichtung können in anderen Erzeugnissen, wie einen Schalter für Licht, zur Anwendung kommen.
Die vorliegende Erfindung ist zwar spezifisch auf Basis einiger Ausführungsformen beschrieben worden, sie soll jedoch nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sein.

Claims

1. Anzeigeelement, das zumindest eine Anordnung aus einem lichtübertragenden Element (1) mit gegenüberliegenden Oberflächen (3, 4), das bei der Verwendung eingebrachtes Licht durch innere Reflexion auf die gegenüberliegenden Oberflächen (3, 4) überträgt, und Reglungsmitteln (5, 10, 14) zum Regulieren der Übertragung von Licht vom lichtübertragenden Element aufweist, wobei die Regelungsmittel ein Kontaktelement (5) und. Betätigungsmittel (10, 14) umfassen, um das Kontaktelement so zu bewegen, daß Interaktion einer Oberfläche des Kontaktelements mit einer der gegenüberliegenden Oberflächen (3, 4) des lichtübertragenden Elements (1) verursacht wird, wodurch die Aussendung von Licht aus dem lichtübertragenden Element durch Lichtstreuung bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsmittel (10, 14) zumindest einen piezoelektrischen Aktuator (10), einen flexiblen Abschnitt (14), auf dem der Aktuator (10) so montiert ist, daß die Betätigung des Aktuators durch eine elektrische Spannung Durchbiegen des flexiblen Abschnitts (14) verursacht, und einen Stützabschnitt (15) für den flexiblen Abschnitt (14) umfaßt, wobei das Kontaktelement (5) durch Durchbiegen des flexiblen Abschnitts (14) in bezug auf das lichtübertragende Element (1) bewegt wird.

2. Anzeigeelement nach Anspruch 1, worin der oder jeder Aktuator (10) eine piezoelektrische Schicht (11) und Elektroden (12, 13) an gegenüberliegenden Seiten davon aufweist, wobei sich der flexible Abschnitt (14) an einer Seite der Schicht (11) befindet und das Kontaktelement (5) auf der gleichen Seite wie der flexible Abschnitt (14) oder der gegenüberliegenden Seite der Schicht (11) getragen wird.

3. Anzeigeelement nach Anspruch 1 oder 2, worin das Kontaktelement (5) eine Oberfläche aufweist, die in einer ersten Position des flexiblen Abschnitts(14) zu einer der gegenüberliegenden Oberflächen (3, 4) des lichtübertragenden Elements (1) geneigt ist und in einer zweiten Position des flexiblen Abschnitts (14) parallel zu einer der genannten gegenüberliegenden Oberflächen des lichtübertragenden Elements (1) verläuft und dagegen anliegt.

4. Anzeigeelement nach Anspruch 1 oder 2, worin das Kontaktelement (5) eine Oberfläche aufweist, die in einer ersten Position des flexiblen Abschnitts (14) parallel zu einer der gegenüberliegenden Oberflächen (3, 4) des lichtübertragenden Elements (1) verläuft und von diesem beabstandet ist und in einer zweiten Position des flexiblen Abschnitts gegen die eine der gegenüberliegenden Oberflächen (3, 4) des lichtübertragenden Elements (1) anliegt.

5. Anzeigeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der flexible Abschnitt (14) ein Abschnitt eines Keramiksubstrates mit Stützabschnitten (15) ist, die dicker sind als der flexible Abschnitt (14), wobei sich der flexible Abschnitt (14) über einen Zwischenraum zwischen zwei der dickeren Stützabschnitte (15) erstreckt.

6. Anzeigeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin das Kontaktelement (5) eine Elektrode (12, 13) des Aktuators (10) ist.

7. Anzeigeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin das Kontaktelement (5) ein flüssiger Körper ist.

8. Anzeigevorrichtung mit einer Vielzahl von Anzeigeelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 7.

9. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 8, worin das lichtübertragende Element (1) einer Vielzahl der Regelungsmittel (5, 10, 14) gemeinsam ist.

10. Verwendung eines Anzeigeelements nach Anspruch 1, worin Farbe angezeigt wird, indem die Aussendungszeit von drei Primärfarben durch Betrieb der Betätigungsmittel (10, 14) geregelt wird.