JP2007500877A - ｌｉｎｅ−ａｔ−ａ−ｔｉｍｅホイルディスプレイ - Google Patents

Abstract

光ガイド（１２）、フロントプレート（１４）、および中間に存在する電気機械的に動作可能なホイル（１６）を有する表示装置。２つの電極層（２２、２３）はホイル（１６）の両側に配され、ホイル（１６）に静電気力を誘起し、ホイルの選択された部分を光ガイド（１２）に接触させ、これによって、光ガイド（１２）から光を取り出す。第２の電極層（２２）は、ホイル（１６）に対して光ガイド（１２）の反対側に配され、屈折層（２８）によって、光ガイド（１２）から離される。電極層は光ガイド自体に要求されないので、光ガイドから取り出される光線の光路はクリーンであり、光の吸収量が低下する。光ガイドは、単位長当たりの光ガイドから取り出される光がline-at-a-timeアドレッシングを可能とするのに十分であるような厚さを有することができる。

Description

本発明は、光源に光学的に結合される光ガイドと、上記光ガイドの方を向くフロントプレートと、上記フロントプレートに配される第１の電極層と、上記フロントプレートに対して上記光ガイドの反対側に配され、屈折層によって上記光ガイドから離される第２の電極層と、上記光ガイドと上記フロントプレートとの間に配される第３の電極層が備えられる可動エレメントと、を有する表示装置に関する。電極層は、エレメントに静電気力を誘起し、このエレメントの選択された部分を光ガイドに接触させ、これによって、光ガイドから光を取り出す。

Line-at-a-timeアドレッシングは、当業界では周知の技術であり（例えば、パッシブマトリックスＯＬＥＤディスプレイ）、フレーム期間の間に、一回にディスプレイの１つのラインを選択する動作を連続的に行い、各ラインが選択されている間に、当該ラインの画素をアドレスすることに基づいている。結果として、各画素は、フレーム期間の一部（即ち、ラインの数で割られたフレーム期間）の間しかアドレスすることができない。したがって、line-at-a-timeアドレッシングは、所望の光出力を得るために、画素毎にかなり大きな最大強度を必要とする。

従来のホイルディスプレイが図１に示されており、このディスプレイは、エッジに光が照射されるガラスプレートの形態の光ガイド１と光が照射されないフロントプレート２とを有し、それらのプレートの間には散乱ホイル３が固定されている。両方のプレート上に、互いに垂直に配された一組の平行電極４、５が備えられている。光ガイド、フロントプレート、およびホイル上のしかるべき電極に電圧を印加することによって、光ガイドおよびフロントプレートに向かう静電界ベクトルを有する２つの静電界を発生させることが可能である。これら２つの静電気力とホイルの弾性力との組合せのバランスを使用してホイルを光ガイド又はフロントプレートに引きつける。典型的には、列電極を使用してホイルを光ガイドに向けて引きつけ、行電極を使用してホイルをフロントプレートに向けて引きつけることができる。ホイルが光ガイドに接触すると、光が取り出され、フロントプレートを通じて放出される。好ましければ、フロントプレートはカラーフィルタおよび／又はブラックマトリックスを含むことができる。

吸収を最小にするために、光ガイド面での反射の回数が削減されるように、光ガイドは比較的厚くされる。これは、単位長当たりの光ガイドから取り出すことができる光量であって、各光線の反射回数に比例する光量が、比較的小さいことを意味する。したがって、line-at-a-timeアドレッシングが可能ではない。簡単に言うと、光線が列方向に進むので、各光線は一列の全ての画素に当たらない。

その代わりとして、サブフレームアドレッシング方式が使用され、これはホイルの双安定性を利用する。これは、いくつかの良い効果と一緒に、ＷＯ００／３８１６３号に記載されている。

しかし、実際問題として、不均一なスイッチング曲線が或る画素をＯＮ又はＯＦＦのままにする可能性があるので、双安定スイッチングの制御は困難である。ＷＯ００／３８１６３号は、アドレッシングの間、多数の画素スイッチングイベントも必要である。加えて、サブフレームアドレッシングは、複雑且つ高価な電子装置を必要とする。

したがって、本発明の目的は、line-at-a-timeアドレッシング方式を可能とする改良されたホイル表示装置を提供することにある。

この目的および他の目的は、冒頭に言及された種類の装置において、光ガイドが、単位長当たりの光ガイドから取り出された光がline-at-a-timeアドレッシングを可能とするのに十分であるような厚さを有することによって達成される。

本発明は、第２の電極層が光ガイドの反対側に配されるとき、光ガイドから取り出される光線の光路はクリーンであり、光ガイドでの光の吸収量は低下する。この吸収量の低下によって、光ガイドをもっと薄くすることが可能であり、これは、反射をもっと多くし、したがって単位長当たりの利用可能な光強度を大きくする。各光線が従来のホイルディスプレイより多く反射しても、吸収量は妥当なレベルに保たれる。

屈折層は、光ガイドの全反射を確保するようなものであり、光ガイドの屈折率よりも小さい屈折率を有する。屈折層は光ガイドに被着することができ、第２の電極層は屈折層に被着することができる。あるいは、上記第２の電極層はバックプレートに配され、上記バックプレートは上記光ガイドの上記フロントプレートに対する反対側に配され、上記屈折層は上記バックプレートを上記光ガイドから離す空気層によって形成される。

ホイルと光ガイドの反対側の電極との間の距離が増大するので、ホイルをアクティブプレートに引きつけるために大きな電圧が必要である。しかし、光ガイドと第２の電極層との間の距離を最小にすることによって、必要な電圧を抑えることができる。

スイッチング特性の双安定性はディスプレイのアドレッシングに必要ではなく、その設計を修正して、小さなアドレスパルスを使用することができるようにもっと小さい双安定領域を得ることができる。

例えば、上記光ガイドは、０．０５ｍｍ〜１ｍｍの厚さ、好ましくは０．１ｍｍ〜０．３ｍｍの厚さを有するガラスプレートとすることができる。

第１の実施例によれば、第２の電極層はアンストラクチャとされ（unstructured）、第１の電極層および第３の電極層は、いずれも一組の電極として構成される。これらの一組の電極を使用してホイルをアドレスすることができる。アドレスを容易にするために、上記第１の電極層は第１の組の平行電極を有することができ、上記第３の電極層は、上記第１の組と直角の第２の組の平行電極を有することができる。これによって、複数の平行電極に分割されたホイル電極層は、１つのアンストラクチャ電極とホイル電極に垂直な一組の平行電極との間に配される。これによって、電極の交差部によって画定される個々の画素のアドレッシングが可能となる。

この構造の利点は、第２の電極層に印加される電圧であって、ホイル電極までの距離のせいでかなり大きくなければならない電圧（典型的には数百Ｖから数ｋＶ）を、各フレームの期間、一定ＤＣ（おそらく異なるフレームに対して反転する極性を有する）とすることができる点である。これによって、高電圧による高周波スイッチングが回避される。

この場合、フロントプレートとホイルとの間、および／又は光街路とホイルとの間、に配されるスペーサは、ホイル上の電極に対して垂直に延在することが好ましい。これによって、位置決めの厳密さが緩和される。

第２の実施例によれば、上記第３の電極層はアンストラクチャとされ、第１の電極層および第２の電極層は、いずれも一組の電極として構成される。これらの一組の電極は、ホイルをアドレスするために使用できる。やはり、第１の実施例のように、これらの電極の組は互いに垂直な平行電極を有することができる。これによって、互いに垂直な２組の平行電極は、この場合アンストラクチャのホイル電極の両側に配され、電極の交差部によって画定される個々の画素のアドレッシングを可能にする。

line-at-a-timeアドレッシングによれば、列パルスのパルス幅変調に使える時間が抑えられる。所望の解像度を達成するために、最も短いパルスは１μｍのオーダの期間でなければならない。したがって、ＰＨＮＬ021414に記載されているように、表示装置に光源の強度を調整する手段を備えることが有利である。

本発明のこれらおよび他の態様は、今のところ好ましい本発明の実施例を示す添付図面を基準にして、更に詳細に記載されている。

図２および図３は、本発明の２つの異なる実施例によるホイル表示装置１１を示す。装置の対応する要素に対して同一の符号が使用されている。表示装置のデザインを最も良好に示している図２を主に基準にすると、表示装置は光ガイド（アクティブプレート）１２およびフロントプレート１４を有する。フロントプレート１４は、ここでは適切な厚さ（例えば、２ｍｍ）のガラスプレートであり、光ガイド１２は、好ましくは０．０５ｍｍ−１ｍｍの範囲の厚さ（好ましい例では０．１ｍｍ−０．３ｍｍ）を有するもっと薄いガラスプレートである。

電気機械的に動作可能なホイル１６は、フロントプレート１４と光ガイド１２との間にクランプされている。ホイルは、パリレンなどのフレキシブルで光を散乱する材料とすることができ、電極層１７は、ホイルの、フロントプレート１４を向いている側に配されている。ホイル１６をフロントプレート１４および光ガイド１２から離すために、スペーサ１８、１９がホイル１６の両側に配されている。

装置１１内には２つの他の電極層２２、２３が備えられ、１つの層２２は、光ガイド１２の、ホイル１６の反対を向いている側１２ａに存在し、一つの層２３は、フロントプレート１４の、ホイル１６に向いている表面１４ａ上に存在する。絶縁層２５は、フロントプレート１４上の電極層２３上に配される。

全ての電極層を、言及された表面上に配されたＩＴＯ層によって形成することができる。

ＬＥＤ２０などの光源からの光は、レンズシステム２１を用いて光ガイド１２に結合される。できるだけ多くの光を光ガイドに結合するために、好ましくは、例えばフィーディングプリズムなどの光フィーディングガイドが使用される。光は、全反射によってガラスプレート内に閉じ込められる。以下に更に記載されるように、適切な電圧を電極層１７、２２、２３に印加して散乱ホイル１６を光ガイドに接触させることによって、光をガイドから取り出すことができる。

図２に示される実施例によれば、フロントプレート１４上の電極層２３は、第１の組の平行電極２４（列電極）を含み、ホイル１６上の電極層１７は、第１の組に対して垂直の第２の組の平行電極２６（行電極）を含む。各組の電極の交差部は、ディスプレイの画素を画定する。光ガイド１２の反対側１２ａの第３の電極層２２は、アンストラクチャとされている(unstructured)、即ち小さい電極に分割されていない。

好ましくは、スペーサ１８、１９は、ホイル１６上の電極２６に対して垂直に、即ちフロントプレート１４上の電極に対して平行に、配される。これは、スペーサの位置決めの要件を緩和する。

光ガイド１２上の電極層２２は、光ガイドに結合される光が全反射で反射し層２８にも電極２２にも入射しないような屈折率を有する層２８によって、光ガイド１２から離されている。これは、吸収を低減する。

図３に示される実施例によれば、第１の組の平行電極２４（列電極）はフロントプレート１４上に配され、第２の組の平行電極２７は光ガイド１２上に配される。この場合、ホイル１６上の電極層１７’はアンストラクチャとされ、製造が容易である。

本発明によれば、ホイル１６と電極層２２との間の距離は、従来のホイルディスプレイと比較して増加する。例えば、εｒ＝５であり厚さが１μｍではなく１００μｍであれば、およそ２０倍高い電圧を生成する。これは、ホイル１６に吸引力を発生させるために、２０Ｖの電圧の代わりに、４００Ｖが電極層２２に印加されなければならないことを意味する。

本発明による表示装置のアドレッシングは、好ましくは、行単位で連続的に実行される。アドレッシングパルスのタイミング図は図４に示されており、記載された実施例の各々のスイッチング曲線が図５ａおよび図５ｂに記載されている。

図４は、行を選択するために、複数の行パルス４１が一回で１つの行電極２６；２７にどのように印加されるかを示す。このパルス期間の間に、画像データは列電極２４への列パルス４２の形で列に印加される。選択された行の画素のみを列パルス４２によって活性化することができる。

図２に示される実施例では（即ち、ホイル電極１７がストラクチャとされている（structured））、一定のＤＣ高電圧（１ｋＶのオーダー）が光ガイド１２上の電極層２２に印加される。同時に、全ての行電極２６が高くした電位（２０Ｖのオーダー）に保持され、全ての列電極２４は低くした電位（−２０Ｖのオーダー）に保持される。ホイル電極１７と電極層２３との間の電圧差（Ｖ１）によって、ホイル１６はフロントプレート１４に向けて引きつけられる（図５ａの中の位置５１）。

次いで、アドレスされるべき行の行電極２６が行パルスの間にゼロ電位に設定され、それによって、この選択された行に沿う電圧差Ｖ１が低減し（図５ａの中の位置５２）、したがってこの行に作用し光ガイドに向かう力が増加する。次いで、光を放出しなければならない画素の列２４も、ゼロ電位に設定され、これによって、斯かる画素の電位差Ｖ１が更に（ゼロに）低下し（図５ａの中の位置５３）、したがって、画素に作用する力が更に増加する。ホイル電極１７と電極層２２との間の電圧差（Ｖ２）は、電極層２２に印加される電圧がもっと大きくなるので、ほぼ一定である点に注意されたい。したがって、位置５１、５２、５３は、本質的に、図５ａの水平ライン上に位置する。

行電極と列電極との両方がゼロ電位に設定される位置５３の画素は、フロントプレート１４に向かう如何なる吸引力にもさらされず、したがって、ホイルは、それらの画素の位置において、絶え間ない吸引力の結果により光ガイド１２の方に移動する。位置５１又は５２にある他の画素は、全て、程度は違うが、フロントプレートの方に引きつけられたままである。

したがって、この実施例によれば、行電極および列電極上のスイッチング電圧を比較的低くし、薄い光ガイドプレートを使用することができる。

図４に示される実施例では、ホイル１６のアンストラクチャ電極１７は、一定電位に保持される。さらに、列電極２４に正電圧が印加され、これによってホイルをフロントプレート１４に引きつけ、したがって全ての画素はオフ状態に保持される（図５ｂの中の位置５４）。ホイル電極層１７’と電極層２２’との間の電圧差（Ｖ１）を増加させることによって、即ち正電圧パルス４１を行電極２７に印加することによって、行が選択される。この選択パルスにより、光ガイド１２に向かう静電気力が増加し、画素が図５ｂの中の状態５５になる。

選択された斯かる行の画素は、負のパルス４２を列電極に印加することによって、ＯＮに切り替えられる、即ち、図５ｂの中の状態５６に移行し、これによって、ホイル１６と電極層２３との間の電圧差（Ｖ２）が増加する。選択されていない行の画素は中間状態に切り替るだろうが（図５ｂの中の位置５７）、光ガイド１２に接触しない。したがって、光は、行が選択され列電圧がオン値に対応している画素領域のみに取り出される。行選択パルス４１の終わりに、電圧差Ｖ１が再び増加し、全ての画素は、再び、列プレートに引きつけられる、即ちオフ状態５１に切り替えられる。次に、後続する行を選択することができる。

本実施例によるアドレッシングは、複雑な駆動電子回路の原因になる比較的高い行電圧（上を参照）の切替えを必要とする。

図６に示される他の実施例によれば、電極層２２、２２’を第３のプレート３０に配し、この第３のプレート３０を追加のスペーサ３２によって光ガイド１２から離すことによって、層２８を実現することができる。言い換えると、この場合、層２８はエアギャップである。光ガイドの反対側１２ａと電極層２２、２２’との間の距離は小さくしておくべきであり、好ましくは０．１μｍ−０．５μｍの範囲である。

line-at-a-timeアドレッシングが実現され、画素が列パルス６２の期間の間のみオン状態のままであるとき、列パルスの長さを変化させることによってグレースケールを発生させることができる。これは図７ａに示されている。

白の画素は、行選択パルス７１と本質的に同じ長さを有する列パルス７２に対応し、パルス幅を狭くすることによって、列パルス７３および７４で示されているように、より低いグレースケールを作ることが可能である。

ＶＧＡディスプレイ（４８０行）に対して、各行選択パルスに使える時間は、行の数で除算されるフレーム時間、即ち、１０ｍｓ／４８０≒２０μｍである。したがって、必要な数の異なるグレーレベルを発生させるために、１μｓよりも短い期間の列パルスを適用する必要がある。図７ｂに示すように、この問題は、各行選択パルスの間に光強度７５を同時に変調することによって回避することができる。この技術はＰＨＮＬ０２１４１４に更に詳細に記載されており、これは、参照することによって本明細書に組み込まれる。また、グレースケールレベルは、パルス７２−７４の長さを変えることによって調整される。しかし、行選択パルス７１の一部の期間における光源２０の低い強度７５は、もっと長いパルス幅で低いグレースケールを発生させる可能性をもたらす。

グレースケールを発生させる別の方法は、画素と光ガイドとの間の接触面積を調整することである。従来のホイルディスプレイとは異なり、本発明によるディスプレイでは、ホイルは光ガイドに向かう力を制御することによってスイッチングされ、このスイッチングプロセスの間にフロントプレートに向かう力は存在しない。したがって、画素と光ガイドとの接触面積の調整は、アクティブプレートに向かう静電気力を単に変化させることによって達成できる。

特許請求の範囲により規定される本発明の範囲を逸脱することなく、上記の実施例の多くの変形例が、当業者によってもちろん実現することができる。

例えば、行電極と列電極との位置は交換することができる。しかし、図４に示す実施例では、高い電圧の電極２６’があり、行選択パルスはもっと低いデューティサイクルを有するので、電極２６’を行電極として使用することが好ましい。

記載された実施例では、line-at-a-timeアドレッシングが使用されているが、双安定性が依然として存在するとき、本発明のディスプレイはサブフレームアドレッシングスキームで使用することもできる。その場合、通常の厚さの光ガイド１２を使用することができる。

先行技術による表示装置の概略断面図である。 本発明の第１の実施例による表示装置の分解図である。 本発明の第２の実施例による表示装置の概略断面図である。 本発明による表示装置の行パルスおよび列パルスの例を示す図面である。 図２の実施例によるホイルディスプレイの画素のスイッチング曲線を示す図である。 図３の実施例によるホイルディスプレイの画素のスイッチング曲線を示す図である。 本発明の他の実施例による表示装置の概略断面図である。 本発明による装置のグレースケールの生成を示す。 本発明による装置のグレースケールの生成を示す。

Claims (11)

1. 光源に光学的に結合される光ガイド、
   前記光ガイドの方を向くフロントプレート、
   前記フロントプレートに配される第１の電極層、
   前記フロントプレートに対して前記光ガイドの反対側に配され、屈折層によって前記光ガイドから離される第２の電極層、および、
   前記光ガイドと前記フロントプレートとの間に配される第３の電極層が備えられる可動エレメント、
   を有し、
   前記第１、第２、および第３の電極層は、前記可動エレメントに静電気力を誘起し、前記可動エレメントの選択された部分を前記光ガイドに接触させ、これによって前記光ガイドから光を取り出し、
   前記光ガイドは、単位長当たりの前記光ガイドから取り出された光がline-at-a-timeアドレッシングを可能とするのに十分であるような厚さを有する、表示装置。
2. 前記屈折層は前記光ガイドに被着され、前記第２の電極層は前記屈折層に被着される、請求項１に記載の表示装置。
3. 前記第２の電極層はバックプレートに配され、前記バックプレートは前記光ガイドの前記フロントプレートに対する反対側に配され、前記屈折層は前記バックプレートを前記光ガイドから離す空気層によって形成される、請求項１に記載の表示装置。
4. 前記光ガイドは、０．０５ｍｍ〜１ｍｍの厚さ、好ましくは０．１ｍｍ〜０．３ｍｍの厚さを有するガラスプレートである、請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の表示装置。
5. 第２の電極層はアンストラクチャとされ、第１の電極層および第３の電極層は、いずれも一組の電極として構成される、請求項１から４のうちのいずれか１項に記載の表示装置。
6. 前記第１の電極層は第１の組の平行電極を有し、前記第３の電極層は、前記第１の組と直角の第２の組の平行電極を有する、請求項５に記載の表示装置。
7. 前記フロントプレートと前記ホイルとの間に配された、前記第２の組の電極に垂直に延在するスペーサを更に有する、請求項５に記載の表示装置。
8. 前記光ガイドと前記ホイルとの間に配された、前記第２の組の電極に垂直に延在するスペーサを更に有する、請求項５又は７に記載の表示装置。
9. 前記第３の電極層はアンストラクチャとされ、前記第１の電極層および前記第２の電極層は、いずれも一組の電極として構成される、請求項１から４のうちのいずれか１項に記載の表示装置。
10. 前記第１の電極層は第１の組の平行電極を有し、前記第２の電極層は前記第１の組に垂直の第２の組の平行電極を有する、請求項９に記載の表示装置。
11. 前記光源の強度を調整する手段を更に有する、請求項１から１０のうちのいずれか一項に記載の表示装置。

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