CN209765970U - 静电式信息显示屏 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了静电式信息显示屏，包括：阵列排布在同一平面上用于显示信息的多个像素单元；所述像素单元包括：可以显示至少两种不同信号的信号球，设置于所述信号球外侧并用于控制所述信号球绕其轴心转动的信号控制板；所述信号球包括至少两个带有不同电荷的带电半球，所述信号球的外表面上带有至少两种不同的颜色；所述信号控制板包括两个带有不同电荷的极板。本实用新型的有益效果是，本实用新型通过两块带有不同电荷的极板控制信号球的转动，进而在壳体的前面显露不同的颜色信号，本实用新型的结构中用到的都是实心金属球、金属板或电荷隔离膜，材质很普通，而且结构简单容易制作，所以其整体成本较电子墨水屏的成本大大降低。

Description

静电式信息显示屏

技术领域

本实用新型涉及信息显示设备领域，特别是静电式信息显示屏。

背景技术

电子墨水屏是一种基于电泳技术，通过控制大量黑白两种正负电荷粒子在含有液体的微囊体中上下运动，进而在微囊体的一端呈现单一颜色的电子图案显示技术。电子墨水的耗电量相比于液晶显示屏要低很多，这是因为电子墨水仅在改变显示内容时需要用电。因此，用电子墨水屏制作的电子书可以在数周内一直显示相同文字，而不需要施加任何额外的充电，也正因此，电子墨水屏的最大优点在于节省电能。

电子墨水屏当前主要用作手机和电子书等小屏幕设备的显示屏，由于电子墨水屏的元件细小精密，制作工艺复杂，目前主要用于小屏幕设备，如果用于广告牌等大屏幕设备，则相比于现有的广告布或LED广告牌，其价格成本将远高于其节省下来的电费消耗，因此，现阶段的电子墨水屏不适用于广告牌等大屏幕设备。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决电子墨水屏能够节省广告牌等大屏幕的大量电能消耗，但是其购买成本又过于高昂，综合购买成本和电耗成本，导致电子墨水屏无法向广告行业拓展的问题，本实用新型设计了一款不同结构的显示屏，能够实现与电子墨水屏同样的功能，而且制作成本低廉，完全适于投放大屏幕广告市场，能做到节省电能消耗同时降低购买成本，本实用新型具体为静电式信息显示屏。

实现上述目的本实用新型的技术方案为，静电式信息显示屏，包括：阵列排布在同一平面上用于显示信息的多个像素单元，每个所述像素单元结构相同；所述像素单元包括：可以显示至少两种不同信号的信号球，设置于所述信号球外侧并用于控制所述信号球绕其轴心转动的信号控制板；所述信号球包括至少两个带有不同电荷的带电半球，且每个所述带电半球的电荷相互隔离，所述信号球的外表面上带有至少两种不同的颜色；所述信号控制板包括至少两个带有不同电荷的极板，且每个极板分别对应一个所述带电半球，所述极板与电源连接，通过改变电源的电压与电极可以控制所述极板带有的电荷种类与电荷量。

具体的，所述带电半球的数量为两个，所述信号球还包括设置于两个所述带电半球之间的基板，所述基板绝缘不带电，所述信号球可以连同所述基板绕其中心轴转动，每个所述带电半球与所述极板的外表面上均包裹有一层防止电击穿的绝缘层。

作为一种补充的优选方案，所述像素单元还包括用于支撑所述信号球与所述信号控制板的壳体，所述壳体中空，所述信号球的中心轴固定在所述壳体的左右内侧壁上并可绕该轴自由转动，所述极板固定于所述壳体的上下内侧壁上，所述壳体的前面为信号显示面，用于显露所述信号球不同面的颜色，且所述壳体的前侧壁透明。

具体的，所述信号球的外表面上涂覆有以大圆为分界线的两种颜色，所述极板的电荷种类不变时，所述信号球不会转动，所述壳体的前面只能看见一种所述信号球的颜色，所述极板的电荷种类改变时，所述信号球转动，所述壳体的前面能且只能看见另一种所述信号球的颜色。

具体的，每个所述像素单元的电源独立控制，同一所述信号控制板内的两个所述电极与同一个电源连通，与电源正极连接的所述极板带正电荷，与电源负极连接的所述极板带等量负电荷。

电容式信息显示屏显示信息的方法为：

a、将多个所述像素单元阵列排布在同一平面上；

b、对每个所述像素单元通电时，使其电源正负极接线方式相同，保证所有壳体内同位置的极板带有同种电荷，进而使所有信号球转动的方向一致，则壳体的信号显示面所显露的颜色相同，实现信息清零；

c、掉转特定位置所述像素单元的电源电极，使该像素单元两个所述极板带有的电荷种类改变，进而使信号球转动，在信号显示面显露的颜色改变，即该像素单元显示的信号改变；

d、从显示屏的外部看去，所有信号球的颜色构成了一个特定图案，该图案即为要显示的信息。

其有益效果在于，电子墨水屏价格高昂的原因在于其元件精密，制作工艺复杂，而本实用新型利用库仑扭秤中电荷吸引排斥的原理，通过两块带有不同电荷的极板控制信号球的转动，进而在壳体的前面显露不同的颜色信号，以该结构为一个像素点，将大量该结构组合在一起，就能形成一个传递特定信息的屏幕，从而利用简单的结构同样实现电子墨水屏以物理方式显示信息的目的，本实用新型的结构中用到的都是实心金属球、金属板或电容绝缘层，材质很普通，而且结构简单容易制作，所以其整体成本较电子墨水屏的成本大大降低。

附图说明

图1是本实用新型像素单元的结构爆炸示意图；

图2是本实用新型像素单元的结构示意图；

图3是本实用新型像素单元的正视结构示意图；

图4是图3中A-A的截面图；

图5是带电半球和极板充入电荷后的电荷分布示意图；

图6是图5中极板电荷变化之后，信号球转动的状态示意图；

图7是图6完成动作之后的电荷状态与信号球状态示意图；

图8是图5的右视图；

图9是图6的右视图；

图10是图7的右视图；

图11是多个像素单元整列排布成显示屏并显示信息的示意图；

图12是本实用新型的一种电路控制原理图；

图13是本实用新型的另一种电路控制原理图；

图中，1、像素单元；2、信号球；3、信号控制板；4、带电半球；5、极板；6、基板；7、绝缘层；8、壳体。

具体实施方式

下面结合附图1-13对本实用新型进行具体描述，为便于本领域技术人员对本技术方案充分理解，现说明一下本技术方案的理论基础及其设计的出发点：本技术方案是基于中学物理基础静电力实验库仑扭秤设计的，利用两金属球(片)具有同种电荷时排斥，具有异种电荷时吸引的原理，通过定义两个电荷种类相异且不会改变的带电半球4，然后在其两侧添加两个同样带有相异电荷的极板5，通过改变两极板5储存的电荷种类进而控制带电半球4转动，利用该结构，在信号球2外表面上涂上两种颜色，则通过控制信号球2转动改变某一固定视角看到的信号球2颜色，将一个信号球2颜色作为一个像素点，通过大量像素点构成一个图案或文字信息，从而实现类似单色显示屏的功能。

如图1-4，图11所示，首先说明本实用新型所述静电式信息显示屏的结构原理：该显示屏包括阵列排布在同一平面上用于显示信息的多个像素单元1，每个像素单元1作为一个屏幕中的像素点，即构成一个图案或文字的多个像素块中的一个，因此要保证每个所述像素单元1的结构相同，这样便于统一操作，当然，对于显示屏整体而言，在实际制作中，可以根据需要制作成特定形状或需要的屏幕，需要在像素单元1之间插入其他结构(如常规LED，广告纸)，或直接将其镂空，只要不破坏像素单元1本体的结构，以上均可作为本实用新型的具体实施方案。

下面对像素单元1的结构进行说明：像素单元1主要包括用于显示信号的信号球2、控制信号球2转动的两个极板5，参考图2、图5、图6、图7所示。

其中，信号球2为了能够显示信号，需要在其外表面上喷涂两种不同颜色，使其在转动时，能够切换信号，即显示屏的每个像素点能够显示两种信号(在颜色构成上，两个信号颜色分别作为前景色与背景色)；信号球2为了能够实现转动，需要使其能够被球外的构件影响，基于静电力同性排斥异性相吸的原理，信号球2由两个金属半球构成，即两个带电半球4，带电半球4所携带的电荷可以通过静电感应起电机(或其他能够产生电荷的设备)赋予，需要说明的是，两个金属半球携带的电荷种类必须相异，而且带电半球4携带的电荷种类或电荷量在像素单元1组装前期就确定，像素单元1组装完成投入使用后，非必要情况下是不允许再改变的(所述必要情况包括因产品质量问题或外界碰撞雷击导致带电半球4电荷消失需要重新充电荷)；信号球2的两个带电半球4带有异种电荷，为了避免其电荷中和，需要在两个带电半球4的外表面上包裹或涂覆一层绝缘层7，该绝缘层7材料可以直接采用现有电容元器件的绝缘层7。

而对于两个极板5，因为要控制信号球2的转动，因此将两个极板5设置于信号球2两带电半球4的两侧，为了使两极板5上携带异种电荷，并且保证该电荷种类与电荷量能够被控制，采用电容充电的原理，将两极板5连接同一个电源，与电源正极连接的极板5充正电荷，与电源负极连接的极板5充负电荷，两极板5的电荷量大小通过电源的电压大小控制，当两极板5上携带异种电荷之后，信号球2会转动，带有正电荷的带电半球4会转向带有负电荷的极板5，带有负电荷的带电半球4会转向带有正电荷的极板5，当需要使信号球2再次转动时，切换两极板5的正负极，使充有正负电荷的极板5改为充上负正电荷，则信号球2的两个带电半球4同时受到排斥力然后信号球2相应转动；当屏幕信息一段时间保持不变时，可以直接切断电源与两极板5的连线，由于极板5中充有电荷，切断电源后电荷依然存在，也就保证断电后两极板5与两带电半球4之间的静电引力依然存在，信号球2不会转动，则反映到屏幕上就是屏幕显示的信息不会改变，同时这个阶段由于电源被切断，也就不存在消耗电能，实现了和电子墨水屏相同的，在持续显示信息过程中的省电功能。

以上是基于本实用新型基本工作原理的说明，但是实际中该结构不可能独立存在而不要任何外部结构的支撑，因此，需要将上述信号球2与极板5设置于一个用于支撑两者的框架中，为了便于所述信号球2转动，在信号球2的外部设置了壳体8，在两个带电半球4之间设置了基板6，在基板6中做一根中心轴并使其夹在壳体8的两个侧壁上，使信号球2有所支撑并能绕中心轴自由转动，基板6用于为两带电半球4提供支撑，可以直接将带电半球4粘粘在基板6上，也能在基板6边缘增加几个夹爪，便于带电半球4的快速装配。

下面对本实用新型如何通过控制像素点的颜色变化显示需要的图案信息进行说明：众知，当前所有类型的显示屏(包括液晶、LED、电子墨水屏、数码管)均是通过大量的显示单元(LED、微囊体)构成，对所有显示单元编码，然后通过控制特定位置显示单元的亮灭(电子墨水屏是的黑白粒子)，使该位置的显示单元与周围显示单元形成色差，从而在宏观上形成需要的图案。如图11所示，有30个像素单元1，以横5竖6的阵列形式排布成一个显示屏。定义，信号球2上喷涂的颜色为黑色和白色，其中白色作为背景色，黑色作为前景色，欲通过该屏幕显示阿拉伯数字“0”，只需要控制该显示屏中的每个像素单元1显示如图所示的颜色即可，宏观上，屏幕就呈现出数字“0”的图案。

下面结合附图5-13，说明控制该显示屏中的每个像素单元1显示信息的具体方法：

a、首先是结构上的准备工作，将多个像素单元1阵列排布在同一平面上，构成宏观上用来显示信息的屏幕，如图11；

b、然后是对屏幕之前显示的信息清零，要求对每个所述像素单元1通电时，使其电源正负极接线方式相同(如图12、13所示)，保证所有壳体8内同位置的极板5带有同种电荷，进而使所有信号球2转动的方向一致，即壳体8的信号显示面所显露的颜色相同，该过程是将之前杂色的显示屏信息清零的操作，其目的是避免因之前信息的遗留，导致显示屏上新旧信息重叠发生重影的问题；

c、开始显示需要的信息：将需要显示的信息拆分到每个像素单元1中，通过对每个像素单元1编码，切换特定位置所述像素单元1的两极板5电极，使该像素单元1两个所述极板5带有的电荷种类互换，则该像素单元1的信号球2发生转动，信号显示面显露的颜色改变(如图5-7所示过程，图8-10是图5-7依次对应的右视效果图)，即该像素单元1显示的信号改变(由图8经图9变为图10)；

d、信息出现：从显示屏的外部看去，所有信号球2的颜色构成了一个特定图案，该图案即为要显示的信息；

e、信息的维持与更换：此时如果要维持该信息一段时间，比如高速公路警示牌，限速标识等一段时间内显示信息不会更替的地方，可以直接将该显示屏的供电切断，显示屏显示的信息可以持续到下次刷新信息之前不变；如果要改变该信息，可以重复步骤b、c、d。

本实用新型与电子墨水屏相比较有以下不同点：

	本实用新型	电子墨水屏
			技术原理	静电力基础	电泳技术
灵感来源	库仑扭秤	磁石画板
			屏幕最快刷新率	300-2000ms	50-80ms
发展方向	广告屏	手机显示屏、电子书
			生产成本	<50元/英寸	>300元/英寸
清晰度	点间距P3-P16	>167PPI
			适用领域	广告屏	电子阅读器

通过上述对比可知，本实用新型的屏幕最快刷新率与清晰度低于电子墨水屏，且该刷新率与清晰度显然无法满足人们电子阅读的需求，但是对于广告牌的信息展示，尤其是信息一经使用，较长时间不再更换的广告牌，该刷新率与清晰度能够满足当前需要；且本实用新型生产成本远低于电子墨水屏，所以本实用新型较电子墨水屏更适于制作大屏幕广告牌，节省电能消耗的同时降低购买成本。

为了使本领域技术人员更直观的了解本实用新型与电子墨水屏的成本优势，现做如下计算(该部分数值只作为参考，不作为真实实验数据，产品价格源自网络电商平台)：一块电子墨水屏电子书，7寸屏幕，售价在2100元，其屏幕成本占售价的45％，即945元；本实用新型的一个显示单元大小与LED近似，大小为5mm，同样7英寸屏幕，以16:9计算，其面积为15.55*8.7＝134.85cm²，可以放置530个像素单元，本实用新型的结构和生产方式与生产电容近似，参考同等大小电容成本0.27元/个，则本实用新型生产成本为145.6元，由于像素单元以电容成本为参考值，且没有考虑框架及其他附属结构成本，因此以1.5为估算系数，结果为145.6*1.5＝218.4元，该数值是忽略像素点间距，假设信号球全紧挨在一起做出的估值，在实际制作中，广告屏的像素点间距大多介于3-16mm之间，所以同样大小的屏幕，尤其是户外广告屏，其成本可以更低，而电子墨水屏以手机显示屏为发展方向，其像素点间距只能更小，所以其不具有该优势。通过对比，该数值远小于电子墨水屏的生产成本，因此更适合于制作大屏幕的广告屏，尤其是室外单色广告屏。

以上内容说明解释了本实用新型的结构原理和使用方法，为了丰富本技术方案，现提供两种可以实现上述两极板电极切换的电路连接实施例，需要说明的是，该实施例是对本技术方案的补充，仅作为参考，其目的是使技术人员多方面的理解本技术方案，不作为实际电路结构的应用方案：

电路结构实施例1：如图12所示，定义，极板a，极板b，二极管c，二极管d，开关e，开关f，电源采用低频交流电，其中，开关f是该像素单元的总开关，开关e是单刀三掷开关，可选择与任意二极管所在支路搭接或空挡，二极管c和二极管d在两条支路上，且导通方向相反。当需要图示像素单元显示白色时，令开关f导通，开关e与二极管d所在支路连接，则此时，电路中(就一个像素单元电路而言)，电流方向为由极板b到极板a，因为二极管d的存在，使得交流电反向电流被过滤，所以只剩下该方向的电流，该电路电压大小时刻改变，但是电压方向不变，也就保证了极板电荷类型不变，极板a充正电荷，极板b充负电荷，图示信号球的两带电半球同时受到斥力，图示信号球转动，其表面白色部分转到右侧，由外部看去(从图示的右方向左看)，该像素单元的黑色变为了白色。同理，当需要显示黑色时，令开关f导通，开关e与二极管c所在支路连接，使电路电流由极板a向极板b流动，极板a充负电荷，极板b充正电荷(即图示状态)，则像素单元的黑色部分转动右侧，有外部看去，该像素单元显示黑色。当该像素单元显示的颜色在一段时间内不需要改变时，令开关f断开，开关e置于空挡位，此时该像素单元完全断电，不消耗电能，而两极板中仍充有电荷，所以信号球不会随意转动，像素单元显示的颜色维持不变，反应到显示屏整体上，显示屏显示的信息在不消耗电能的情况下维持不变。

电路结构实施例2：如图13所示，定义，电路g，电路h，电路i，电路j，开关k，开关l，电源采用直流电，其中电路g和电路i连接在同一极板上，电路h和电路j连接在同一个极板上。当需要图示像素单元显示白色时，令开关k与电路h连通，开关l与电路i连通，由于开关k为电源负极，开关l为电源正极，所以电荷流动方向为电路h到电路i，图示下极板充负电荷，上极板充正电荷，信号球转动180度，从右向左看，像素单元显示白色；当需要图示像素单元显示黑色时，令开关k与电路g连通，开关l与电路j连通，使得电荷流动方向为电路g到电路j，图示下极板充正电荷，上极板充负电荷，使得信号球的黑色面向右，从右向左看，像素单元显示黑色。当该像素单元显示的颜色在一段时间内不需要改变时，令开关k和l置于空挡位，此时该像素单元完全断电，不消耗电能，而两极板中仍充有电荷，所以信号球不会随意转动，像素单元显示的颜色维持不变，反应到显示屏整体上，显示屏显示的信息在不消耗电能的情况下维持不变。

本实用新型显示信息的方法及其工作原理：

1.首先是结构上的准备工作，将多个像素单元1阵列排布在同一平面上，构成宏观上用来显示信息的屏幕；

2.对屏幕之前显示的信息清零，要求对每个所述像素单元1通电时，使其电源正负极接线方式相同(如图12、13所示)，保证所有壳体8内同位置的极板5带有同种电荷，进而使所有信号球2转动的方向一致，即壳体8的信号显示面所显露的颜色相同，该过程是将之前杂色的显示屏信息清零的操作，其目的是避免因之前信息的遗留，导致显示屏上新旧信息重叠发生重影的问题；

3.显示需要的信息：将需要显示的信息拆分到每个像素单元1中，通过对每个像素单元1编码，切换特定位置所述像素单元1的两极板5电极，使该像素单元1两个所述极板5带有的电荷种类互换，则该像素单元1的信号球2发生转动，信号显示面显露的颜色改变(如图5-10所示过程)，即该像素单元1显示的信号改变；

4.信息出现：从显示屏的外部看去，所有信号球2的颜色构成了一个特定图案，该图案即为要显示的信息；

5.信息的维持与更换：此时如果要维持该信息一段时间，比如高速公路警示牌，限速标识等一段时间内显示信息不会更替的地方，可以直接将该显示屏的供电切断，显示屏显示的信息可以持续到下次刷新信息之前不变；如果要改变该信息，可以重复上述过程。

上述技术方案仅体现了本实用新型技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本实用新型的原理，属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.静电式信息显示屏，其特征在于，包括：阵列排布在同一平面上用于显示信息的多个像素单元，每个所述像素单元结构相同；

所述像素单元包括：可以显示至少两种不同信号的信号球，设置于所述信号球外侧并用于控制所述信号球绕其轴心转动的信号控制板；

所述信号球包括至少两个带有不同电荷的带电半球，且每个所述带电半球的电荷相互隔离，所述信号球的外表面上带有至少两种不同的颜色；

所述信号控制板包括至少两个带有不同电荷的极板，且每个极板分别对应一个所述带电半球，所述极板与电源连接，通过改变电源的电压与电极可以控制所述极板带有的电荷种类与电荷量。

2.根据权利要求1所述的静电式信息显示屏，其特征在于，所述带电半球的数量为两个，所述信号球还包括设置于两个所述带电半球之间的基板，所述基板绝缘不带电，所述信号球可以连同所述基板绕其中心轴转动，每个所述带电半球与所述极板的外表面上均包裹有一层防止电击穿的绝缘层。

3.根据权利要求1所述的静电式信息显示屏，其特征在于，所述像素单元还包括用于支撑所述信号球与所述信号控制板的壳体，所述壳体中空，所述信号球的中心轴固定在所述壳体的左右内侧壁上并可绕该轴自由转动，所述极板固定于所述壳体的上下内侧壁上，所述壳体的前面为信号显示面，用于显露所述信号球不同面的颜色，且所述壳体的前侧壁透明。

4.根据权利要求3所述的静电式信息显示屏，其特征在于，所述信号球的外表面上涂覆有以大圆为分界线的两种颜色，所述极板的电荷种类不变时，所述信号球不会转动，所述壳体的前面只能看见一种所述信号球的颜色，所述极板的电荷种类改变时，所述信号球转动，所述壳体的前面能且只能看见另一种所述信号球的颜色。

5.根据权利要求1所述的静电式信息显示屏，其特征在于，每个所述像素单元的电源独立控制，同一所述信号控制板内的两个所述电极与同一个电源连通，与电源正极连接的所述极板带正电荷，与电源负极连接的所述极板带等量负电荷。