DE19526656A1

DE19526656A1 - Anordnung mit einem mikromechanischen Klappenarray mit elektrostatischer Klappensteuerung

Info

Publication number: DE19526656A1
Application number: DE1995126656
Authority: DE
Inventors: Werner Dr Kulcke
Original assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Priority date: 1995-07-21
Filing date: 1995-07-21
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2015-07-22
Also published as: DE19526656C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Diese Anordnung besteht im wesentlichen aus einem mikrome chanischen Klappenarray mit einer Vielzahl schematisch, vorzugsweise matrixförmig angeordneter Klappen, welche mittels elektrostatischer Felder gesteuert werden.

Die visuelle Darstellung von elektronisch übertragener Information erfolgt meist, wie beim Fernsehen oder bei Computern, über Bildschirm oder Displays.

Bei den Bildschir men handelt es sich in der Regel um Kathodenstrahlröhren, die außer einer schwarz-weißen auch eine farbige Darstellung erlauben. Nach neueren Entwicklungen, insbesondere bei tragbaren Computern, werden die Displays immer flacher. Für diese Displays werden meist Flüssigkristall-, Plasmazellen- oder Feldeffekt-Elektrodenemissions-Anzeigen verwendet. Diese Anzeigen benötigen in der Regel eine externe Licht quelle und sind für Anwendungen bei Tageslicht wenig geeig net. Von der Umgebungshelligkeit unabhängig sind solche Displays, die ihre eigene Helligkeit aus der Umgebung ablei ten, die also mit reflektiertem Umgebungslicht arbeiten. Bekanntestes Beispiel für solche reflektierenden Displays ist die Flüssigkristallanzeige bei Taschenrechnern und Uhren, insbesondere Quarzarmbanduhren. Bei diesen Anzeigen kann aber nur eine schwarz-weiße Wiedergabe erzielt werden.

Aus DE 42 37 296 A1 ist ein hochauflösendes Display bekannt, das so lichtstark ist, daß es mit reflektiertem Umgebungs licht auch Farbbilder erzeugen kann. Es besteht aus einer Membran mit einer Vielzahl von in diese eingearbeiteten, matrixförmig angeordneten Klappen. Diese mikromechanischen Klappen bilden ein zweidimensionales Array. Jede einzelne Klappe ist über Torsionsstege mit der als Membran ausgebil deten Trägerplatte verbunden. Die Klappen sind um diese Torsionsstege verdrehbar. Durch die Verdrehung wird der Blick auf die hinter der Membran gelegene Fläche, die je weils einem Bildpunkt entspricht, freigegeben. Die Fläche kann hierbei farbig, schwarz bzw. weiß oder transparent ausgebildet sein, je nachdem, ob sie als Farbdisplay der farbigen Wiedergabe von Bildern oder als schwarz-weiß Dis play der Darstellung z. B. variabler Balkendiagramme oder auch der Realisierung elektronischer Bücher dient. Ist die Fläche transparent, so kann das Display als Transmis sions-Display oder auch als Filter bzw. zur Modulation eines Lichtstrahles verwendet werden. Ebenfalls möglich ist die Verwendung als Filter in Fernsehbrillen für dreidimensionale Bildwiedergaben.

Die Verdrehung der Klappen, die jeweils einzeln ansteuerbar sind, erfolgt mittels eines elektrostatischen Feldes, das mit Hilfe einer hinter der Klappe befindlichen Elektrode erzeugt wird. Der Drehwinkel der Klappe ist proportional zur angelegten Spannung. Da für einen Drehwinkel von 90° eine vergleichsweise hohe Spannung von etwa 100 V notwendig ist, ist die elektrische Ansteuerung schaltungstechnisch aufwen dig und nicht mit einfachen integrierten Schaltkreisen realisierbar.

Die Helligkeit eines Bildpunktes wird durch den Drehwinkel der jeweiligen Klappe bestimmt. Eine Helligkeitsänderung von 100% entspricht damit einem Drehwinkel von 90°. Bei der Verwendung des Displays als Bildschirm muß dieser Drehwinkel und damit die notwendige Spannung über einen ganzen Bildzy klus aufrechterhalten bleiben, ohne daß der betreffende Bildpunkt aufgrund des kontinuierlichen Abrasterns aller übrigen Bildpunkte adressiert bleiben kann.

Ein weiterer Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß definierte Helligkeitsstufen schaltungstechnisch in nur recht aufwendiger Weise realisierbar sind.

Bei einem bekannten mikrotechnischen Display der Firma Texas Instruments ("Digital Micromirror Device for Projektion Display"), das jedoch nicht als Reflexionsdisplay, sondern nur als Projektionsdisplay nach dem Dunkelfeldprinzip arbei tet, sind die Klappen als Spiegel ausgebildet. Wesentlicher Nachteil dieser Vorrichtung ist, daß die Klappen nur um einen sehe kleinen Winkel von etwa 15° verdreht werden können.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit einem mikromechanischen Klappenarray ausgestattete Anordnung zu schaffen, welche die genannten Nachteile nicht aufweist und die insbesondere nur geringe Spannungen zur Verdrehung der Klappen benötigt und eine einfache Hellig keitssteuerung ermöglicht, welche schaltungstechnisch ein fach aufgebaut ist sowie kostengünstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird gemäß vorliegender Erfindung durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere Maßnahmen zur Lösung der Aufgabe sind in den Unteransprüchen angege ben.

Die Grundidee vorliegender Erfindung besteht darin, daß die Verdrehung der Klappen nicht mit Hilfe eines elektrostati schen Gleichfeldes, also mit Hilfe einer Gleichspannung, sondern mit Hilfe eines elektrostatischen Wechselfeldes, also einer Wechselspannung, erfolgt, deren Frequenz der Torsionsschwingungsfrequenz einer Klappe entspricht und deren Amplitude wegen der Resonanzaufschaukelung beträchtlich kleiner sein kann als die der sonst zur Verdrehung der Klappen benutzte Gleichspannung, wobei die Öffnungsdauer der Klappen durch Pulslängenmodulation der Wechselfelder bzw. der angelegten Wechselspannung erfolgt. Nach einem weiteren Vorschlag kann die Öffnungsdauer der Klappen auch durch die Dauer einer anliegenden Haltespannung bestimmt werden, wobei als Haltespannung eine zusätzliche Wechsel- oder Gleichspannung verwendet wird.

Nach dem Vorschlag gemäß Anspruch 2 kann jede Klappe mit zwei Wechselfeldern beaufschlagt werden, wobei ein Wechsel feld größerer Amplitude der Auslösung der Klappenschwingung und ein Wechselfeld kleinerer Amplitude der Aufrechterhal tung der Klappenschwingung dienen.

Nach dem Vorschlag gemäß Anspruch 3 kann jede Klappe mit einem Wechselfeld größerer Amplitude und einem Gleichfeld sehr kleiner Größe beaufschlagt werden, wobei das Wechsel feld die Klappenschwingung bis zu einer solchen Amplitude aufschaukelt, daß die Klappe in die Nähe einer Halteelektro de gerät, wo eine kleine Gleichspannung ausreicht, sie in 90°-Verdrehung festzuhalten.

Bei den Maßnahmen nach den Ansprüchen 2 und 3a können bei einem Display in einfacher Weise quasistatische Anzeigen aufrechterhalten oder auch umgeschaltet werden.

Gemäß Anspruch 5 lassen sich mit nur einer Wechselspannung betriebene Anordnungen mit Vorteil auch für sogenannte 3D-Fernsehbrillen, also Brillen zur dreidimensionalen Be trachtung von Fernsehbildern, verwenden.

Die Schaltung und die Ausgestaltung der Elektroden sind in den Ansprüchen 6 und 7 angegeben.

Vorteilhafte Dimensionierung der Klappen für unterschied liche Anwendungsmöglichkeiten sind Gegenstand der Ansprüche 8 bis 10.

Mit den Ansprüchen 11, 12 und 13 sind Vorschläge für die Gestaltung der Steuerschaltung angegeben.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand in der Zeichnung darge stellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Aufsicht auf ein vergrößert dargestelltes Klappenarray mit in Zeilen angeordneten symme trischen Klappen,

Fig. 2a Aufsicht auf eine vergrößert dargestellte Zeile eines Klappenarrays gemäß Fig. 1 mit vier Klappen in verschiedenen Drehzuständen,

Fig. 2b Seitenansicht einer vergrößert dargestellten Zeile von Klappen gemäß Pfeilrichtung A in Fig. 2a gesehen,

Fig. 3a Aufsicht auf eine Klappe gemäß Fig. 2a in vergrößerter Darstellung,

Fig. 3b Schnittdarstellung einer Klappe entlang der Linie 3b-3b in Fig. 3a,

Fig. 4 Aufsicht auf eine asymmetrische Klappe eines weiteren Ausführungsbeispiels,

Fig. 5a Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Ansteu ereinheit mit Eingangs- und Ausgangssignalen zum Betrieb eines dynamisch arbeitenden Dis plays,

Fig. 5b Schaltungsanordnung zur Realisierung der erfin dungsgemäßen Ansteuereinheit nach Fig. 5a,

Fig. 6 Zeitdiagramme der Signale an den Punkten A, B, C und D der Schalteinheit,

Fig. 7a Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Ansteu ereinheit, mit Eingangs- und Ausgangssignalen zum Betrieb einer ersten Ausführungsform eines statisch arbeitenden Displays,

Fig. 7b Schaltungsanordnung zur Realisierung der erfin dungsgemäßen Ansteuereinheit nach Fig. 7a,

Fig. 8a Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Ansteu ereinheit mit Eingangs- und Ausgangssignalen zum Betrieb einer zweiten Ausführungsform eines statisch arbeitenden Displays,

Fig. 8b Schaltungsanordnung zur Realisierung der erfin dungsgemäßen Ansteuereinheit nach Fig. 8a,

Fig. 9 Aufsicht auf eine asymmetrische Klappe für niedrige Torsionsschwingungsfrequenzen nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfin dung.

Fig. 1 zeigt ein Klappenarray von in Zeilen 10a, 10b und 10c nebeneinander angeordneten Klappen 11. Die Klappen 11 sind in eine aus einer Membran bestehende Trägerplatte 2 eingearbeitet. Jede Klappe 11 weist zwei Flügel 3A, B auf, welche miteinander über einen mittleren Quersteg 3C und dieser über zwei Torsionsstege 4A, B mit der Trägerplatte 2 verbunden sind. Hierdurch ist jede Klappe 11 um eine Dreh achse 12, die die gemeinsame Mittellinie der beiden Tor sionsstege 4A, B bildet, verdrehbar.

In Fig. 2a ist ein Ausschnitt einer Zeile, z. B. der Zeile 10a aus Fig. 1, in Aufsicht vergrößert dargestellt. Die vier Klappen 11, 11′, 11′′, 11′′′ sind in unterschiedlichen Drehzuständen gezeigt, wobei die beiden Klappen 11 und 11′′′ nicht verdreht, die Klappe 11′′ um 90° und die Klappe 11′ um 40° verdreht sind. Je nach Drehzustand geben die Klappen 11, 11′, 11′′, 11′′′ die Sicht auf eine hinter diesen liegende Rückplatte 5 mehr oder weniger frei. Die Rückplatte 5 kann reflektierend, absorbierend oder transparent ausgebildet sein.

Die Fig. 2b zeigt in der Pfeilrichtung A der Fig. 2a die Seitenansicht auf diese vier Klappen. Dabei ist in Fig. 2b - anders als in Fig. 2a gezeichnet - die Trägerplatte 2 zu beiden Seiten der Klappen in Holmen 7 gehalten, die auch die Frontplatte 1 und die Rückplatte 5 tragen. Die normale Blickrichtung auf das Klappenarray ist durch den Pfeil B angedeutet. In der Seitenansicht gemäß Fig. 2b ist die um 90° verdrehte Klappe 11′′ mit ihrer gesamten Fläche zu sehen, während die nicht verdrehten Klappen 11 und 11′′′ nur mit ihrer Schmalseite sichtbar sind.

In Fig. 3a ist eine einzelne Klappe 11 der Fig. 2a ver größert dargestellt. Hinter dem rechten Flügel 3A der Klappe 11 befindet sich eine dreieckförmige Elektrode 6. Wie Fig. 3b zeigt, ist die Elektrode 6 auf der Rückplatte 5 angeord net. Ist die Rückplatte 5 transparent, bestehen die Elektro den 6 zweckmäßigerweise aus transparentem Indium-Zinnoxid. Andernfalls können normale Metallelektroden verwendet wer den.

In Fig. 4 ist eine asymmetrische Klappe 11a eines weiteren Ausführungsbeispiels dargestellt. Bei diesem ist der rechte Flügel 3A der Klappe 11a größer als der linke Flügel 3B.

Durch die asymmetrische Form der Klappe 11a ergibt sich ein größeres Trägheitsmoment als bei den symmetrischen Klappen 11 gemäß Fig. 1, 2 oder 3, welches eine kleinere Torsions schwingungsfrequenz f_t der Klappe 11a gegenüber derjeni gen einer symmetrischen Klappe 11 zur Folge hat.

Fig. 5a zeigt das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Ansteuereinheit zur elektronischen Betätigung der Klappen eines dynamisch veränderbaren Displays, z. B. für die Wie dergabe von Fernsehbildern. Hierbei erhält jeder Bildpunkt aus dem Videosignal einen Helligkeitswert vermittelt, den er durch eine mehr oder weniger lange Drehschwingung innerhalb der Bildperiode realisiert.

Gemäß dem Blockschaltbild nach Fig. 5a wird einer Schalt einheit S über deren Eingang A eine konstante Wechselspan nung U_W zugeführt. Über den Eingang B wird der Schalt einheit S ein negativer Impuls I_S zur Steuerung der Klappe zugeführt. Die Schalteinheit S bildet aus den Span nungen an A und B die Steuerspannung U_S, die vom Ausgang D an die Elektrode 6 der Drehklappe 11 geleitet wird. Die Drehklappe 11 ist über den Anschluß E geerdet.

Es ist hervorzuheben, daß die zeitliche Dauer des Steuerim pulses I_S am Eingang B der Periode des Videosignals entspricht. Sie ist daher wesentlich kürzer als die Schwin gungsdauer der Drehklappe oder gar die Dauer der Aktivierung der Drehklappe. Die Dauer der Aktivierung der Drehklappe beträgt, je nach gewünschter Helligkeit des Bildpunktes, einen Bruchteil der Periode des Bildwechsels. Im Mittel wäre sie bei einem Videogerät also etwa 10⁵mal länger als die Dauer des Steuerimpulses. Die zeitliche Dauer der Steu erspannung U_S kann daher nicht in der zeitlichen Dauer des Steuerimpulses I_S kodiert sein. Vielmehr bestimmt die Höhe des Steuerimpulses I_S die Dauer der Steuerspan nung U_S, wie mit Doppelpfeilen an I_S und U_S angedeutet ist.

Fig. 5b zeigt die Schaltungsanordnung der Schalteinheit S. Bei dieser ist der Eingang A über einen Widerstand 20 einer seits mit dem Drain-Eingang 60D eines N-Kanal-Feldeffekt transistors 60 und andererseits mit dem Ausgang D verbunden. Der Source-Eingang 605 des N-Kanal-Feldeffekttransistors 60 ist einerseits mit dem geerdeten Eingang C und andererseits mit dem Ausgang E verbunden. Der Gate-Eingang 60G des N-Ka nal-Feldeffekttransistors 60 ist über die Diode 50 mit dem Eingang B verbunden. Der Gate-Eingang 60G ist ferner über den Kondensator 40 und einen hochohmigen Widerstand 30, die als RC-Glied parallelgeschaltet sind, geerdet.

Im folgenden ist die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Anordnung näher beschrieben.

Die in Fig. 5a eingezeichnete Auslenkung α (t) der Klappe 11 des Klappenarrays aus ihrer Ruhelage erfolgt elektrosta tisch. Zu diesem Zweck ist an die jeweilige Elektrode 6 eine Wechselspannung mit der Frequenz f anzulegen. Da gemäß der Erfindung diese Frequenz f mit der Torsionsschwingungsfre quenz f_t der Klappe 11 übereinstimmt, kommt es zu einer resonanten Schwingungsanregung und die Klappe 11 schwingt synchron mit der Anregungsfrequenz f, wobei die Auslenkung der Klappe 11 rasch den Maximalwert von α = 90° erreicht. Um schon in der 0°-Stellung der Klappe ein starkes elektrisches Feld zu erzeugen, ist die Elektrode 6 dreieckförmig ausge bildet und exzentrisch angeordnet, wie Fig. 3a und 3b erkennen lassen. Das hat zur Folge, daß auf die Klappe 11 in der 0°-Stellung, also der Ausgangsstellung, ein größeres Drehmoment als in der 90°-Stellung, der Endstellung, wirkt. Hierbei sind auch andere Elektrodenformen und -anordnungen denkbar. Je exzentrischer die Elektrode 6 angebracht ist, desto größer ist das maximale Drehmoment in der 0°-Stellung.

Wird die Wechselspannung U_S abgeschaltet, so daß keine Auslenkkraft auf die Klappe 11 wirkt, führt diese eine gedämpfte freie Schwingung mit der Frequenz f_t aus, bis sie in der α = 0°-Stellung zur Ruhe kommt. Während der Schwingbewegung der Klappe 11 wird der Blick auf die Rück seite 5 periodisch freigegeben, im Mittel also während der Hälfte der Zeit der Schwingung. Durch Überschwingen über die 90°-Stellung hinaus kann dieser Mittelwert sogar noch weiter erhöht werden. Die Einschwing- und Ausschwingdauer, welche von der Amplitude der angelegten Wechselspannung abhängt, kann jeweils so kurz bemessen sein, daß sie, gemessen an der Einschalt- oder Abschaltdauer, keine Rolle spielt.

Zur Impulslängenmodulation der Wechselspannung U_SW wird dem zweiten Eingang B der Schalteinheit S eine impulsförmige Steuerspannung I_S zugeführt. Die Schalteinheit S ist so aufgebaut, daß bei Anliegen einer negativen Spannung am Steuereingang B die Wechselspannung U_W das elektrostatische Wechselfeld für die jeweilige Klappe des Klappenarrays erzeugt.

Eine hierfür geeignete Schaltung ist detailliert in Fig. 5b gezeigt.

Solange am Eingang B keine Spannung anliegt, liegt der Gate-Eingang 60G des Feldeffekttransistors 60 auf Masse, so daß der Feldeffekttransistor 60 leitend ist. Der Widerstand zwischen Drain-Eingang 60D und Source-Eingang 60S ist dabei gegenüber dem Widerstand 20, der etwa 1 MΩ beträgt, vernach lässigbar gering. Die Folge ist, daß die Wechselspannung U_W am Widerstand 20 abfällt, so daß am Ausgang D und damit an der zur Klappe 11 gehörenden Elektrode 6 nur eine geringe Spannung U_S≈0 anliegt. Diese Spannung U_S≈ 0 reicht nicht aus, um die Klappe 11 aus ihrer Ruheposition auszulenken.

Liegt am Eingang B dagegen eine negative Spannung an, so lädt diese den Kondensator 50 über die Diode 50 negativ auf, worauf am Gate-Eingang 60G ein negatives Potential entsteht.

Ist die Spannung U_G am Gate-Eingang negativer als die Pinch-off-Spannung U_P des Feldeffekttransistors 60, ist dieser gesperrt. Er weist dann einen wesentlich höheren Widerstandswert auf als der Widerstand 20. In diesem Fall fällt die gesamte Spannung U_W am Feldeffekttransistor 60 ab, so daß am Ausgang D und damit an der Elektrode 6 die volle Spannung U_S = U_W anliegt. Die Wechselspannung U_S = U_W versetzt die Klappe 11 in eine resonante Schwingung, welche so lange aufrechterhalten wird, wie die Spannung U_S = U_W an der Elektrode anliegt.

Entlädt sich der Kondensator 40 über den Widerstand 30, steigt die Spannung U_G langsam auf Massepotential an. Sobald die Spannung U_G die Pinch-off-Spannung U_P erreicht hat, wird der Feldeffekttransistor wieder leitend, so daß am Ausgang D die Spannung U_S≈0 anliegt. Damit wirkt auf die Klappe 11 keine elektrostatische Kraft, so daß sie eine gedämpfte Ausschwingbewegung ausführt.

Die Zeitkonstante des aus Kondensator 40 und Widerstand 30 gebildeten RC-Gliedes muß ungefähr der Bildperiode des Displays entsprechen und damit bei dem Wert RC 0,1 sec liegen. Wie bei Liquid-Crystal-Displays üblich, wird dieser hohe Wert durch einen am Boden 5 der Klappe ausgebildeten Kondensator erreicht, der sich über sein eigenes Dielektri kum entlädt. Bei einem spezifischen Widerstand R_O des Dielektrikums von 10¹⁰ Ωm und einer Dielektrizitätskon stante ε=1 ergibt sich die Zeitkonstante RC wie folgt:

mit F: Plattenfläche
d: Plattenabstand des Kondensators.

Die oben geschilderten Zusammenhänge sind mit den Spannungs zeitdiagrammen der Spannungen bzw. Impulse, gemessen an verschiedenen Punkten der Schaltung gemäß Fig. 5a bzw. Fig. 5b, nämlich folgenden, in Fig. 6 veranschaulicht:

a Am Eingang A anliegende Wechselspannung U_W.

b Am Eingang B anliegende Steuerimpulse I_S.

c Am Gate-Eingang 60G anliegende Spannung U_G.

d Am Ausgang D anliegende längenmodulierte Wechselspan nungsimpulse (Steuerspannung) U_S zur Aktivierung der Klappen.

Wie bei einem Fernsehbild erfolgt die Ansteuerung jeder Klappe des Klappenarrays und damit jedes Bildpunktes perio disch. Die Periode eines Bildwechsels ist mit TB be zeichnet. Die Zeitkonstante des RC-Gliedes, bestehend aus dem Kondensator 40 und dem Widerstand 30, entspricht etwa dieser Periode TB. Die Amplitude des Steuerimpulses I_S ist so gewählt, daß die Spannung U_G am Gate-Ein gang 60G vor dem Ende der Periode T_B die Spannung U_S am Ausgang. D und damit an der Elektrode 6 den Wert 0 er reicht. Dies hat zur Folge, daß die Klappe 11 gedämpft ausschwingt.

Wie die Spannungsverläufe gemäß b, c und d erkennen lassen, läßt sich die Schwingungszeit durch Variation der Amplitude des Spannungsimpulses I_S einstellen. Die Schwingungszeit T_K ist die Zeit, während welcher ein (periodischer) Durchblick bis zur Rückseite möglich ist. Sie bestimmt die Helligkeit des der jeweiligen Klappe entsprechenden Bild punktes.

Die beschriebene Anordnung erlaubt es, die Helligkeit jedes Bildpunktes durch Pulslängenmodulation innerhalb der Bild zykluszeit zu beliebigen Werten zwischen "hell" und "dunkel" zu steuern. Die dazu erforderliche Information wird mittels der Pulshöhe des Steuerspannungsimpulses I_S eingegeben.

Bei vielen Anwendungen ist es jedoch ausreichend, wenn jeder Bildunkt nur zwischen "maximal hell" und "maximal dunkel" umgeschaltet werden kann, dafür aber der Aufwand an Informa tionsfluß beträchtlich reduziert wird. Typische Beispiele solcher Displayanwendungen sind die statischen Informationen von Maschinen an den Benutzer oder geschriebener Text an den Leser in elektronischen Zeitungen oder Büchern.

Zwei Ausführungsbeispiele für derartige statisch arbeitende Displays sind im folgenden beschrieben. Beide basieren auf dem Grundgedanken dieser Erfindung, nämlich der Erniedrigung der Schaltspannung durch Resonanzanregung.

Das erste Ausführungsbeispiel eines statisch arbeitenden Displays mit nur "maximal hellen" und "maximal dunklen" Bildpunkten schließt an die gerade oben beschriebene Ausfüh rung des Displays mit Graustufen an. Seine Wirkungsweise ist anhand des Blockschaltbildes gemäß Fig. 7a und der zugehörigen Schaltungsanordnung gemäß Fig. 7b erläutert.

Gemäß dem Blockschaltbild nach Fig. 7a werden bei diesem Ausführungsbeispiel außer der kontinuierlichen Wechselspan nung U_W und dem Schaltimpuls I_S noch eine kontinu ierliche, synchrone Wechselspannung U_WH und ein Halte impuls I_H an die Eingänge A, B, F und G der Schaltein heit S gelegt. Vom Ausgang D der Schalteinheit S werden die Schaltspannung U_S an die Elektrode 6 und vom Ausgang H eine Haltespannung U_H an eine Halteelektrode 8 geführt.

In entsprechender Weise wie beim Blockschaltbild gemäß Fig. 5a weisen gleichartig gezeichnete Pfeile bei den Eingangs- und Ausgangssignalen auf Zeitpunkte und ihre Auslöser hin.

Die Haltespannung U_WH hat eine kleinere Amplitude als die Wechselspannung U_W, die im Gegensatz zu jener nicht ausreicht, eine noch nicht schwingende Klappe in Resonanz schwingung zu versetzen. Ihre Amplitude ist jedoch bei der räumlichen Anordnung der Halteelektrode 8 groß genug, eine bereits schwingende Klappe in Schwingung zu halten. Ist eine Klappe also einmal über die Steuerspannung U_S in Reso nanzschwingung gebracht, so bedarf es bei Anliegen der Haltespannung U_H an der Halteelektrode 8 keines weiteren Steuerimpulses I_S, um die Schwingung der Klappe 11 aufrechtzuerhalten. Die Dauer der Schwingung wird jetzt allein durch die Dauer des Halteimpulses I_H bestimmt, der die Dauer der Haltespannung am Ausgang H der Schaltein heit begrenzt. Bei entsprechender Verschaltung der Zuleitun gen am Klappenarray kann durch ihn ein einmal eingeschriebe nes statisch arbeitendes Display punktweise, zeilen- oder spaltenweise oder auch ganz flächig gelöscht und zur Neuein schreibung durch Impulse I_S vorbereitet werden.

Die Fig. 7b zeigt die Schaltungsanordnung der Schalteinheit S gemäß Fig. 7a mit diskreten Bauelementen. Diese Schal tungsanordnung enthält die gleichen Bauelemente bzw. Kompo nenten wie die für das dynamisch arbeitende Display nach Fig. 5b verwendeten, nämlich: Widerstand 20a, N-Kanal-Feld effekttransistor 60a, RC-Glied 20a, 30a sowie die Diode 50a.

Diese Komponenten wirken analog zu denen beim dynamisch arbeitenden Display nach Fig. 5b.

Zusätzlich ist ein weiterer Widerstand 21a vorgesehen, der einerseits an einen zweiten N-Kanal-Feldeffekttransistor 61a sowie an die Halteelektrode 8 angeschlossen ist. Solange der Transistor 61a durch die negative Spannung des Halteimpulses I_H an seinem Gate-Eingang 61aG gesperrt ist, liegt die Haltespannung U_H=U_WH zwischen Drain 61aD und Source 61aS des Transistors 61a und damit an der Halteelek trode 8. Beim Abschalten des Halteimpulses U_H wird der Transistor 61a leitend, so daß die Haltespannung auf den Wert U_H=0 absinkt und damit das Weiterschwingen der Klappe beendet ist.

Bei der zweiten Ausführungsform des statisch arbeitenden Displays mit nur "maximal hellen" und "maximal dunklen" Bildpunkten wird eine einmal zur Maximalamplitude aufge schaukelte Klappe von einer kleinen, an der Halteelektrode 8 anliegenden Gleichspannung festgehalten und fest bei ihrer maximalen Verdrehung um α=90° gehalten. Sie wird freigege ben und kehrt in ihre Ruhelage bei α=0° zurück, wenn die Gleichspannung abgeschaltet wird. Der Vorteil dieser Ausfüh rungsform gegenüber der zuvor beschriebenen besteht darin, daß die Klappe bei der vollen Auslenkung nicht schwingt.

Dadurch wird ein wesentlich günstigeres Kontrastverhältnis zwischen den Helligkeitswerten "maximal hell" und "maximal dunkel" erreicht.

Diese Ausführungsform ist anhand des Blockschaltbildes gemäß Fig. 8a und der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 8b be schrieben. Nach dem Blockschaltbild gemäß Fig. 8a werden den Eingängen A, B und G der Schalteinheit S außer der kontinuierlichen Wechselspannung U_W und dem Steuerimpuls I_S ein Haltespannungsimpuls I_H zugeführt. Am Ausgang H und damit an der Halteelektrode 8 der zugehörigen Klappe 11 liegt ein positiver Haltespannungsimpuls U_H relativ geringer Amplitude an. Mit gleichartig gezeichneten Pfeilen ist in Fig. 8a wie in den Fig. 5a und 7a auf Zeitpunkte und ihre Auslöser hingewiesen.

Die konstante Wechselspannung U_W am Eingang A und der Steuerimpuls I_S am Eingang B werden in der Schalteinheit S, wie bei den beiden Ausführungsformen nach den Fig. 5a und 7a zu der am Ausgang D austretenden Schaltspannung U_S verknüpft und der Elektrode 6 der Klappe 11 zuge führt. Sie bewirkt ein resonantes Aufschaukeln der Dreh schwingung der Klappe 11, bis diese, ungefähr bei der Ampli tude α=90°, in die unmittelbare Nähe der Halteelektrode 8 gerät. Hier, bei sehr kleinem Abstand von der Halteelektro de, erzeugt schon eine kleine Spannung U_H ein so großes elektrisches Feld, daß die - geerdete - Klappe von diesem eingefangen und in der Auslenkung α≈90° fixiert wird. Auch nach Abklingen der Steuerspannung U_H verbleibt die Klappe 11 statisch bei dieser Verdrehung bis zu dem Zeit punkt, in dem Haltespannungsimpuls I_H und damit die Haltespannung U_H zu Null werden. Wie bei dem vorher beschriebenen statisch arbeitenden Display kann bei entspre chender Verschaltung der Zuleitungen ein einmal eingeschrie benes Display punktweise, zeilen- oder spaltenweise oder auch ganzflächig gelöscht und zur Neueinschreibung durch Impulse I_S zubereitet werden.

Die mit diskreten Bauelementen aufgebaute Schaltungsanord nung für diese Schaltung ist in der Fig. 8b dargestellt.

Bei dieser dienen, wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5b und 7b, die Widerstände 20b und 30b, der Kondensator 40b, die Diode 50b sowie der Transistor 60b der Erzeugung der Schaltspannung U_S. Der Halteimpuls I_H wird über einen Widerstand 21b, welcher lediglich der Entkopplung der verschiedenen Klappen dient, durch die Schaltungsanordnung hindurchgeführt und erzeugt die Haltespannung am Ausgang H.

Nach einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung, nach welcher die Steuerspannung von Klappenarrays durch Anwendung elektrostatischer Resonanzanregung reduziert wird, wird ein Klappenarray in Brillen zur dreidimensionalen Betrachtung von Fernsehbildern verwendet. Hierbei sind den Augen steuerbare Filter in Form der erfindungsgemäßen Klap penarrays zugeordnet, welche so gesteuert sind, daß sie alternierend parallaktische Bilder des Fernsehbildschirmes passieren lassen. Bei derartigen Klappenarrays müssen Front platte 1 und Rückseite 5 (vgl. Fig. 2b) transparent ausge bildet sein. Durch Öffnen der Klappen 11 wird der Durchblick für das jeweilige Auge freigegeben. Zur Erzeugung eines dreidimensionalen Bildes mittels eines eine Bildfrequenz von 50 Hz aufweisenden Fernsehbildes erfolgt der Wechsel mit 25 Hz, so daß jedes Auge nur jedes zweite Bild sieht.

Zur Realisierung dieser Anwendung werden zwei kontinuierli che Wechselspannungen geringer Amplitude phasenverschoben an zwei Klappenarrays gelegt, welche vor den Augen eines Be trachters, z. B. in Form von Brillengläsern, angeordnet sind. Die Resonanzfrequenz der Klappen ist mit der durch die Fernsehnorm vorgesehenen Bildfrequenz abzustimmen. Dabei ist zu beachten, daß die Klappen während jeder Wechselspannungs periode zweimal öffnen und schließen, daß also die Resonanz frequenz der Klappen - und entsprechend auch die Frequenz der zu verwendenden Wechselspannung - nur den vierten Teil der Bildfrequenz, also 12,5 Hz betragen darf. Eine so niede re Resonanzfrequenz der Klappen erfordert Konstruktionen mit besonders hohem Trägheitsmoment.

In Fig. 9 ist die Ausbildung einer Klappe veranschaulicht, die wegen extremer Asymmetrie für besonders niedrige Tor sionsschwingungsfrequenzen, z. B. für 12,5 Hz, geeignet ist, da derart ausgebildete Klappen ein hohes Trägheitsmoment besitzen, was zu extrem niedrigen Schwingungsfrequenzen führt. Diese Klappe 11 weist nur einen Flügel 3A auf, der über einen zentralen Verbindungssteg 3C mit den beiden Torsionsstegen 4A und 4B verbunden ist. Bei Herstellung der Klappe mit den einstückigen Torsionsstegen aus Silizium mit einer Dichte von rho = 2,3 g/cm³, einem Elastizitätsmo dul E = 1,7 × 10¹² dyn/cm² und einem Schubmodul von G = 0,66 × 10¹² dyn/cm² und einem Schubmodul G = 0,66 × 10¹² dyn/cm² kann die Resonanzfrequenz von f_t = 12,5 Hz bei folgender Dimensionierung erreicht werden:

Höhe der Klappe: h = 2,1 mm
Breite der Klappe: a = 2,0 mm
Länge der Torsionsstege: l = 0,8 mm
Breite der Torsionsstege: b = 1,5 µm
Dicke der Klappe und der Torsionsstege: d = 1,5 µm
Breite des mittleren Verbindungssteges 3C: c = ½ = 0,4 mm.

Claims

1. Anordnung mit einem mikromechanischen Klappenarray, bestehend aus einer Trägerplatte mit einer Vielzahl schematisch, vorzugsweise matrixförmig angeordneter Ausnehmungen, in welchen diese in Ruhelage weitgehend abdeckende Klappen vorgesehen sind, die mit der Träger platte über Torsionsstege verbunden sind, und mit einer Schaltung zur Erzeugung elektrostatischer Felder, mit welcher die Klappen zur Aktivierung einzeln aus der Ruhelage in eine die Ausnehmung freigebende Arbeitslage auslenkbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die elek trostatischen Felder Wechselfelder sind, deren Frequenz (f) etwa der mechanischen Resonanzfrequenz (f_t) der Klappen (11) entspricht, und wobei zur Einstellung des Verhältnisses von Schwingungszeit (TK) zu Ruhezeit (T_B-T_K) die Dauer der Klappenaktivierung durch Pulslängenmodulation oder durch Haltespannungen steuer bar ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Klappe (11) jeweils von zwei elektrostatischen Wechselfeldern gleicher Frequenz (f) beaufschlagbar ist, von welchen ein Wechselfeld eine die Klappenschwingung aufbauende Amplitude, das zweite Wechselfeld dagegen eine wesentlich niedrigere, die Klappenschwingung noch aufrechterhaltende Amplitude besitzt.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Klappe (11) mit einem Wechselfeld größerer Amplitu de und einem Gleichfeld sehr kleiner Größe beaufschlag bar ist, wobei das Wechselfeld die Klappenschwingung bis zu einer solchen Amplitude aufschaukelt, daß die Klappe (11) in die Nähe einer Halteelektrode (8) gelangt, welche die Klappe (11) mit dem Haltegleichfeld in ausge lenkter Position, vorzugsweise in einer 90°-Verdrehung, hält.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich net, daß bei einer quasistatischen Anzeige in einem Display, bei welcher die in Schwingung befindlichen Klappen (11) mit einem Wechselfeld geringerer Amplitude beaufschlagt sind, dieses Wechselfeld für einzelne Zeilen oder Bereiche zur Löschung der statischen Anzeige abgeschaltet wird und eine neue Anzeige durch erneute Ansteuerung mit einem Wechselfeld höherer Amplitude einschreibbar ist.

5. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Verwendung in einer für dreidimensionale Betrachtung eines Fernsehbildes be stimmten Brille, bei welcher den Augen des Betrachters zwei aus Klappenarrays bestehende Filter zugeordnet sind, welche zwischen zwei durchsichtigen Front- und Rückplatten (1, 2) angeordnet sind und welche den Durch blick auf zwei alternierende, parallaktische Teilbilder synchron mit dem Bildwechselzyklus des Fernsehbildes phasenversetzt abwechselnd mit einer der halben Bildfre quenz entsprechenden Frequenz freigeben bzw. sperren.

6. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (2) geerdet ist und jeder Klappe (11) mindestens eine an Wechselspannung liegende Elektrode (6) zugeordnet ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (6) dreieckförmig ausgebildet und bezüg lich der Drehachse (12) der zugeordneten Klappe (11) exzentrisch derart positioniert ist, daß in Ruhelage der Klappe (11) ein größeres Drehmoment als in Arbeitslage erzeugt wird.

8. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappen (11) des Arrays zwei zur Drehachse (12) unsymmetrisch bemessene Flügel (3A, 3B - Fig. 4) aufweisen, wobei die Flügel (3A, 3B) miteinander über einen mittleren Quersteg (3C) verbunden sind, welcher seinerseits über beidseitig angeordnete, im Bereich der Drehachse (12) und zwischen den Flügeln befindliche Torsionsstege (4A, 4B) mit der Trägerplatte (2) verbunden sind.

9. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappen (11) des Arrays jeweils nur einen Flügel (3A) aufweisen, der über einen mittleren Quersteg (3C) und zwei beidseitig des Quersteges angeordnete Torsionsstege (4A, 4B) mit der Trägerplatte (2) verbunden ist (Fig. 7).

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer Klappenresonanzfrequenz von f_t = 12,5 Hz bei einem aus Silizium mit einer Dichte von rho 2,3 g/cm³, einem Elastizitätsmodul von E 1,7 × 10¹² dyn/cm² und einem Schubmodul von G 0,66 × 10¹² dyn/cm² Torsionsstege (4A, 4B) und Klappe (11) folgende Abmessungen haben: Höhe der Klappe: h = 2,1 mm
Breite der Klappe: a = 2,5 × 0,8 = 2,0 mm
Länge der Torsionsstege: l = 0,8 mm
Breite des mittleren Quersteges: ½ = 0,4 mm
Breite der Torsionsstege: w = 1,5 µm
Dicke der Klappe und der Torsionsstege: d = 1,5 µm.

11. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Erzeu gung des elektrostatischen Wechselfeldes für jeweils eine Klappe (11) eine Signale logisch verknüpfende Schalteinheit (S) aufweist, deren erstem Eingang (A) die Wechselspannung (U_W), deren zweitem Eingang (B) die Steuerimpulse (I_S) zuführbar sind, daß die Schalt einheit (S) die Wechselspannung (U_W) und die Steuer impulse (I_S) zur Erzeugung einer am Ausgang (D) anliegenden Steuerspannung verknüpft, welche der Steuer elektrode (6) der jeweiligen Klappe (11) zugeführt werden.

12. Anordnung nach den Ansprüchen 2 und 11, dadurch gekenn zeichnet, daß der Schalteinheit (S in Fig. 7a) über einen dritten Eingang (F) die Wechselspannung (U_WH) geringerer Amplitude, über einen vierten Eingang (G) Steuerimpulse (I_H) mit einer gegenüber den Steuerim pulsen (I_C) längeren Dauer zugeführt werden, daß die Schalteinheit (S) die Wechselspannung (U_WH) und die Steuerimpulse (I_H) zur Erzeugung einer Steuerwech selspannung (U_H) mit einer gegenüber der Steuerspan nung (U_S) geringeren Amplitude und einer längeren Dauer verknüpft, wobei diese an einem zweiten Ausgang (H) der Schalteinheit (S) anliegende Steuerwechselspan nung (U_H) einer der jeweiligen Klappe zugeordneten Halteelektrode (8) zugeführt wird.

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalteinheit (S in Fig. 8a) über einen dritten Eingang (G) ein Gleichspannungsimpuls (I_H) mit einer gegenüber der Wechselspannung (U_W) geringeren Amplitude und einer gegenüber dem Steuerimpuls (I_S) größeren Dauer zugeführt wird und daß die Schalteinheit diesen Steuerimpuls (I_H) in eine Steuergleichspannung (U_H) umwandelt, welche der Halteelektrode (8) über einen zweiten Ausgang (H) der Schalteinheit (S) zugeführt wird.