DE3223986A1

DE3223986A1 - Anzeigevorrichtung in miniaturform mit klappen

Info

Publication number: DE3223986A1
Application number: DE19823223986
Authority: DE
Inventors: Raymond Dr.-Phys. 2052 Fontainemelon Vuilleumier; Paul-Charles Dr.-Phys. 2000 Neuchâtel Weiss
Original assignee: Centre Electronique Horloger SA
Current assignee: Centre Electronique Horloger SA
Priority date: 1981-07-02
Filing date: 1982-06-26
Publication date: 1983-01-20
Also published as: CH641315GA3; GB2101388B; NL8202645A; NL189158C; US4564836A; CH641315B; GB2101388A; FR2509073A1; JPS5810787A; JPH0244075B2; NL189158B; FR2509073B1; CA1232450A; DE3223986C2

Description

"Anzeigevorrichtung in Miniaturform mit Klappen"

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung in Miniaturform nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die elektrostatisch arbeitet und Anzeigezellen aufweist, die insbesondere in tragbaren Geräten verwendet werden können, die durch eine Batterie versorgt werden, etwa Uhren und elektronische Rechner.

Beträchtliche Fortschritte wurden gemacht, um Anzeigesysteme mit einem guten äthetischen Aussehen zu finden und zu entwickeln, die unter geringer Spannungsversorgung arbeiten, sehr wenig Strom verbrauchen und billig herzustellen sind. Anzeigevorrichtungen auf der Basis von Flüssigkristallen würden diese Bedingungen bis dahin erfüllen, daß der Verbrauch von elektronischen Schaltkreisen und insbesondere von integrierten Kreisen von CMOS-Technologie bis zu einem Punkt abgesenkt ist, daß der Anteil der Anzeige am Gesamtverbrauch aufhört vernachlässigbar zu sein. Des weiteren ist die Steuerung derartiger Vorrichtungen komplex und ihr Kontrast sowie ihr äthetisches Aussehen sind nicht die besten.

Unter den Anzeigevorrichtungen mit geringem Verbrauch ist auch diejenige zu nennen, die unter dem Name "The Distec System" bekannt und in "An Electrostatic Sign-The Distec System", W.R. Aiken, Display Technology Corp., Cupertino, CaI., USA, beschrieben ist. Diese Vorrichtung wird als Leuchtreklame mit großen Abmessungen verwendet. Sie umfaßt Module,

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die aus Klappen gebildet werden, die an einer Achse mit Hilfe von Scharnieren aufgehängt und unter der Wirkung eines elektrischen Feldes schwenkbar sind, das durch ein Elektroden-System angelegt wird. Die Steuerspannung beträgt etwa 3000 V. Die Anpassung eines solchen Systems zum Erhalten einer Miniaturanzeige bei niedriger Steuerspannung wird hierdurch jedoch in keiner Weise nahegelegt.

Des weiteren sind Lichtmodulationsvorrichtungen bekannt, die Membrane verwenden, die unter der Wirkung eines elektrischen Feldes oder eines Elektronenstrahls deformierbar sind und mit Hilfe von Techniken realisiert werden, die aus der Herstellung von integrierten Schaltkreisen stammen. Derartige Modulatoren sind beispielsweise in den US-PSen 3,600,798 und 3,886,310 beschrieben. Die US-PS 3,600,798 betrifft eine Vorrichtung, die es ermöglicht, die durchgelassene Lichtmenge durch Deformation einer Membran unter der Wirkung eines elektrischen Feldes zu modulieren, während die US-PS 3,886,310 eine; Vorrichtung beschreibt, die es ermöglicht, den Reflektionswinkel des Lichts durch Deformation einer Membran unter der Wirkung eines Elektronenstrahls zu modifizieren. Beide Vorrichtungen sind jedoch keine Anzeigevorrichtungen, die Amplitudenbewegung der Membran ist in beiden Fällen sehr gering und die Existenz einer zusätzlichen Lichtquelle ist notwendig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anzeigevorrichtung in Miniaturform mit einem sehr geringen Verbrauch zu schaffen, die einen ausgezeichneten Kontrast aufweist, bei einer geringen Versorgungsspannung arbeitet und mit der Technologie integrierter elektronischer Schaltkreise realisierbar ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Anzeigevorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Diese ermöglicht insbesondere eine Multiplexsteuerung. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ausschnittweise schematisch eine Anzeigevorrichtung»

Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer Anzeige in

einer Matrixanordnung von Anzeigeeleraenten.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm bezüglich der Steuer- und Haltespannungen zum Realisieren der Anzeige von Fig. 2.

Fig. 4a und 4b zeigen ein Ausführungsbeispiel für Klappen der Anzeigevorrichtung.

Fig. 5 zeigt ausschnittweise einen Schnitt durch die Anzeigevorrichtung.

Fig. 6 zeigt im Schnitt eine weitere Ausführungsform der Anzeigevorrichtung.

2-> Fig. 1 zeigt ausschnittweise und schematisch eine Anzeigevorrichtung mit einem isolierenden Träger 1„ der eine Vielzahl von Ausnehmungen 2 aufweist, die eine allgemein rechteckige Form aufweisen. Die Ausnehmungen 2 sind durch Klappen V,ebenfalls von rechteckiger Form„ verschlossen, die am Träger 1

durch zwei elastische Halterungen 3 befestigt sind, die sich auf beiden Seiten der Klappen V befinden. Die Klappen V sind paarweise gruppiert, derart, daß die elastischen Halterungen 3 der Klappen V des gleichen Paars die Verlängerung ihrer benachbarten Kanten sind» Die Klappen V und ihre Halterungen

³^ 3 bestehen, wenigstens teilweise,, aus einem leitenden Material, wobei für eine gleiche Reihe von Klappen V eine Klappe V

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jedes Paars rait einer ersten Elektrode al oder a2 verbunden ist, während die andere Klappe V jedes Paars mit einer zweiten Elektrode b1 oder b2 verbunden ist. Jeder Spalte von Klappenpaaren ist eine Gegenelektrode oder Steuerelektrode C1 bis C4 zugeordnet, die in Bezug auf jedes Klappenpaar am Boden der Ausnehmung 2 erscheint.

Die Anzeigevorrichtung von Fig. 1 arbeitet folgendermaßen: Wenn eine Steuerspannung - Gleich- oder Wechselspannung ■ zwischen den Klappen V einerseits und der Steuerelektrode, die diesen zugeordnet ist, andererseits angelegt wird, verlassen die Klappen V ihre Ruheposition und drehen sich unter der Wirkung des elektrischen Feldes E, das durch die Steuerspannung erzeugt wird, um ihre elastischen Halterungen 3,um eine Stellung im wesentlichen senkrecht zur Ebene des Trägers 1 anzunehmen. Der Winkel, um den sich die Klappen V drehen, hängt einerseits von der Stärke des erzeugten elektrischen Feldes E und andererseits von dem Rückstellmoment ab, das durch die elastischen Halterungen 3 der Klappen V ausgeübt wird, wenn diese ihre Ruheposition verlassen haben. Wenn ein Paar von Klappen angesteuert ist, befinden sich die Klappen V dieses Paars sehr nahe beieinander und es genügt daher, zwischen diesen Klappen V entweder zwischen den Elektroden al und b1 oder den Elektroden a2 und b2 eine Haltespannung anzulegen, damit sich die Klappen V ce gen seitig anziehen, so daß die Steuerspannung abgeschaltet werden kann. Die Klappen V kehren in ihre Ruheposition, d.h. in die Position parallel zur Ebene des Trägers 1, aufgrund des Rückstellmomentes zurück, das durch die elastischen Halterungen 3 ausgeübt wird, wenn die Steuer- und Haltespannungen unterdrückt werden.

Das beschriebene Steuern und Halten der Klappen bietet den Vorteil, daß eine Multiplexsteuerung ermöglicht wird, wie nachstehend ausgeführt wird.

Ein Beispiel einer Multiplexsteuerung wird im einzelnen unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 beschrieben. Fig. 2

zeigt schematisch eine Matrixanordnung von neun Anzeigeelementen E11 bis E33, verteilt auf drei Reihen und drei Spalten. Jedes Anzeigeelement umfaßt wenigstens ein Klappenpaar, von denen eine Klappe mit einer ersten Reihenelektrode al, a2 oder a3 und die zweite Klappe mit einer zweiten Reihenelektrode b1, b2 oder b3 verbunden ist. Die Anzeigeelemente einer Spalte werden durch jeweils eine Steuerelektrode c1, c2 oder c3 gesteuert. Das Diagramm von Fig. 3 zeigt ein Beispiel von Signalen, die an die Reihen- und Spaltenelektroden angelegt werden, um die Anzeige der Elemente E12, E21, E23 und E32 gemäß Fig. 2 zu ermöglichen'. Zum Zeitpunkt tO sind alle Anzeigeelemente auf null.gesetzt; vom Zeitpunkt tO bis zum Zeitpunkt t3 werden die drei Reihen in zeitlicher Folge aktiviert. Auf diese Weise werden die

Spannungen VS und VS-VM an die Reihenelektroden

al bzw.bi zwischen den Zeitpunkten tO und ti, an die Reihenelektroden a2 bwz.b2 zwischen den Zeitpunkten ti und t2 und an die Reihenelektroden a3 bzw.b3 zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 angelegt. Die Anzeige eines oder mehrerer Elemente einer vorgegebenen Reihe wird gesteuert, indem an die entsprechende Steuerelektrode oder Steuerelektroden eine Spannung -VS gleichzeitig mit der Aktivierung dieser Reihe angelegt wird. Das Aufrechterhalten der Anzeige durch die Anzeigeelemente der gleichen Reihe außerhalb der Zeitintervalle, wo diese Reihe aktiviert ist, wird aufgrund der Haltespannung VM erhalten, die zwischen den Reihenelektroden angelegt ist. Bei dem gewählten Beispiel bleibt die Haltespannung solange angelegt, bis ein Nullsetzen der Anzeige erfolgt; für eine vorgegebene Reihe ist sie daher nur notwendig außerhalb der Aktivierungsperioden dieser Reihe und insofern, als die Anzeigeelemente dieser Reihe anzeigen sollen. Die Spannung VS wird in der Weise gewählt, daß sie ungenügend ist, um die Klappen V vollständig zu schwenken und daß das Doppelte ihres Wertes, d.h. zwei VS, sie vollständig schwenken läßt (es wird angenommen,daß sich die Klappen V vollständig drehen, wenn sie durch die Haltespannung im aktivierten Zustand konserviert werden können).

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Für ein Anzeigeelement, das nicht .anzeigen soll, werden an seine Reihenelektroden, mit denen die Klappen V dieses Anzeigeelementes verbunden sind, entweder eine VS oder VS - VM angelegt, während seine Steuerelektrode auf einem Potential null gehalten wird.

Die Klappen V müssen Leiter sein. Vorteilhafterweise werden die Klappen V aus Aluminium auf einem isolierenden Träger wie Silicium hergestellt. Jedoch müssen Mittel vorgesehen sein, damit die Klappen V eines gleichen Paars nie miteinander in elektrischen Kontakt treten können. Eines dieser Mittel wird nachstehend im Zusammenhang mit den Fig. 4a und 4b beschrieben.

Fig. 4a zeigt eine Klappe V, die mit Rippen 31 versehen ist, mit ihren elastischen Halterungen 3, während Fig. 4b einen Schnitt längs der Linie A-A von Fig. 4a zeigt. Aus Fig. 4b ist ersichtlich, daß die Klappe V teilweise aus einem leitenden Material (beispielsweise Aluminium) und teilweise aus isolierendem Material (beispielsweise Magnesiumfluorid) besteht. Der leitende Teil bedeckt die gesamte Oberseite der Klappe V, während der isolierende Teil nur auf der Unterseite der Klappe V im Bereich der Rippen 31 besteht. Die Rippen 31 sind so angeordnet, daß dann, wenn zwei Klappen V des gleichen Paares aktiviert werden, ihre isolierten Bereiche, die den Abstand zwischen den leitenden Bereichen der Klappen V bestimmen, sich einander gegenüber befinden. Die Anwendung der Rippen 31 ermöglicht es daher, die Klappen eines Paar gegeneinander zu isolieren; und bietet den Vorteil der Versteifung der Klappen und der Verbesserung ihres äthetischen Aussehens.

Ein weiteres Mittel zum Vermeiden des elektrischen Kontaktes zwischen den Klappen V eines gleichen Paares besteht darin, einen Anschlag auf dem Boden der Ausnehmung 2 vorzusehen. Dieser Anschlag kann durch einen Vorsprung 4 (Fig.

und 6) am Boden der Ausnehmung 2 realisiert sein, der sich unterhalb der Drehachsen der Klappen V erstreckt und dsssen Breite etw.a gleich dem Abstand ist, der die beiden Klappen

V des gleichen Paares trennt.

Fig. 5 zeigt einen Teilschnitt der Anzeigevorrichtung. Die Anzeigeelemente, die identisch zu denjenigen von Fig.1 sind, tragen die gleichen Bezugsziffern. Ein isolierender Träger 1 ist daher vorhanden, der mit Ausnehmungen 2 versehen ist. Klappen V1 und V2 sind dargestellt, die Klappe V1 in aktivierter Position und die Klappe V2 in Ruheposition. Der Träger 1 ruht auf einer transparenten Platte 7, die auf ihrer Innenfläche die Steuerelektroden C, die selbst transparent sind, trägt. Die transparente Platte 7 ist auf ihrer Außenseite mit einer Schicht b aus Licht absorbierendem Material bedeckt. Die Oberseite der Anzeigevorrichtung wird durch eine zweite transparente Platte 6 geschützt, die in einem geeigneten Abstand durch Abstandshalter 9 gehalten wird.

Die transparenten Platten 6 und 7 und die Abstandshalter 9 bilden für die Anzeigevorrichtung ein Schutzgehäuse, das dicht ausgeführt sein kann. Beispielsweise können die transparenten Platten 6 und 7 aus Glas sein, während die Abstandshalter 9 aus Plastikmaterial bestehen könne. Fig. 5 zeigt weiterhin Aussparungen 5 in dem Träger 1 unter den elastischen Halterungen 3. Aussparungen 5 besitzen eine Abstützfunktion für die elastischen Halterungen 3 und begrenzen das Verschieben der Klappen V nach unten in der Weise daß diese nie den Boden der Ausnehmungen 2 berühren können.

Des weiteren ist eine Anschlageinrichtung, wie sie vorstehend erwähnt wurde, dargestellt. Diese besteht aus einem Vorsprung 4 am Boden der Ausnehmung 2 und verhindert, daß die Klappen V eines gleichen Paares miteinander in aktivierter Position in Kontakt gelangen. Fig. 5 zeigt außerdem, wie die einfallenden Strahlen Li durch die Klappen, etwa V2, in Ruhestellung reflektiert oder durch die Schicht 8 aus Licht absorbierendem Material absorbiert werden, wenn die Klappen, etwa V1, sich in aktivierter Position befinden.

Fig. 6 zeigt einen Teilschnitt einer weiteren Ausführungsform, bei der jede Steuerelektrode durch zwei Elektroden gebildet wird. Die Elektroden C'1 und C"1 bilden die Steuer-

elektroden für die erste Spalte von Klappen wie V'1 und V¹M-, die Elektroden C'2 und C"2 bilden die Steuerelektroden für die zweite Spalte von Klappen wie V2 und V"2, usw. Die Elektrode C1 ist der Klappe V1 und die Elektrode C"1 der Klappe V"1 zugeordnet. Das Paar von Klappen V'1 und V^M1 wird aktiviert, indem beispielsweise die Klappe V¹T

VM
einer Spannung VS--^-, die Steuerelektrode C'1 einer Spannung

-VS-^, die Klappe V"1 einer Spannung VS+^ und die Steuer-

VM

elektrode C"1 einer Spannung -VS+-*- unterworfen wird. Gemäß dieser Ausführungsform existiert die gleiche Spannungsdifferenz 2VS zwischen einer Klappe und ihrer Steuerelektrode, was bei der vorhergehenden Ausführungsform nicht der Fall war. Die Steuerspannungen können von einem Paar zum folgenden alterniert werden, um zu vermeiden, daß die Haltespannung VM zwischen zwei benachbarten Klappen von zwei verschiedenen Paaren existiert. Bei den vorstehend angegebenen Spannungen für das Paar von Klappen V'1 und V"1 werden die Klappen V'2 und V"2 auf dem Potential VS+^ bzw. VS-^ gehalten

solange die Elektroden C'2 und C"2 auf dem Potential -VS+^

VM
bzw. -VS—κ- gehalten werden.

Eine weitere, ebenfalls vorteilhafte Art der Realisierung der Steuerung der Anzeigevorrichtung von Pig.6 besteht darin, eine Spannung +VS an die Klappe V'1 und an die Steuerelektrode C"1 sowie eine Spannung -VS an die Klappe V1 und an die Steuerelektrode C'1 anzulegen. Die Klappen werden dann mit Hilfe einer Spannung gleich 2VS aktiviert und ihr Halten selbst dann sichergestellt, wenn die Steuerelektroden auf Spannung null zurückgebracht sind.

Fig. 6 zeigt außerdem, daß die Anzeigevorrichtung auch in Durchsicht verwendet werden kann, wenn sie keine Schicht aus absorbierendem Material aufweist. Die Klappen wirken in diesem Fall als optische Ventile, die das einfallende Licht Li durchlassen, wenn die Klappen sich in aktivierter Position befinden, und das einfallende Licht Li reflektieren, wenn sie sich in Ruhestellung befinden.

Die Anzeigevorrichtung kann vorteilhafterweise unter Verwendung von elektronischen integrierten Schaltkreisen

hergestellt werden. Der Träger 1 ist in diesem Falle • · eine Siliciumplatte. Die Klappen, ihre elastischen Halterungen und die Linienelektroden werden durch Beschichten und Ätzen einer Aluminiumschicht einer von etwa 50 bis 200 nm auf einer ersten Stirnfläche der Platte hergestellt. Wenn die Klappen Rippen tragen, wird die erste Stirnfläche durch Ätzen, MgF,, Beschichtung und Formätzen dieser isolierenden Schicht vor dem Aufbringen des Aluminiums vorbereitet. Die Ausnehmungen werden ausgebildet, indem das Silicium von der zweiten Stirnseite der Platte her geätzt wird. Wenn die Ätzung die Innenfläche der Klappen erreicht, wird sie beendet und die Klappen werden freigelegt. Der Boden der Ausnehmungen wird durch eine Glasplatte gebildet, auf der die transparenten Steuerelektroden in bekannter Weise durch Anbringen von Flüssigkristallen aufgebracht werden.

Die Anzeigevorrichtung kann auch unter Verwendung anderer Materialien als Silicium hergestellt werden . Der Träger kann auch ein Isolator,wie z.B. Saphir oder eil Plastikmaterial,wie es zum Beispiel unter dem Namen "Kapton" oder "Mylar" im Handel erhältlich ist, sein.

Die Anzeigevorrichtung kann auch in Form einer Punktmatrix realisiert werden, wobei jeder Punkt durch eines oder mehrere Klappenpaare gebildet wird, oder in Form von Segmenten, die selbst durch mehrere Klappenpaare gebildet werden. Die Verwendung einer Platte aus Halbleitermaterial ermöglicht es daneben, üie Anzeige und ihre Steuerkreise auf dem gleichen Träger zu realisieren.

Claims

Ansprüche

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15

\ .) Anzeigevorrichtung in Miniaturform mit einem Träger,

er mit Ausnehmungen und Klappen versehen ist, die am Träger über elastische Halterungen gehalten sind, wobei die Klappen die Ausnehmungen im Ruhezustand abdecken und zum öffnen der Ausnehmungen unter der Wirkung eines elektrischen Feldes verschwenkbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß pro Ausnehmung (2) wenigstens ein Paar von Klappen (V) vorgesehen ist, wobei jede Klappe (V) eines Paars an dem Träger (1) durch zwei elastische Halterungen (3) gehalten ist, die an gegenüberliegenden Seiten der Klappe (1) und in Verlängerung der Kante benachbart zu der anderen Klappe (V) des Paars angeordnet sind, während Steuereinrichtungen zum Erzeugen eines elektrischen Feldes, mit dem ein oder mehrere Paare von Klappen (V) schwenkbar sind, und Einrichtungen vorgesehen sind, um dißKlappen (V) eines gleichen Paares in Abwesenheit des elektrischen Feldes, das zu ihrem Schwenken notwendig ist, in aktiviertem Zustand zu halten.

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2. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtungen aus ersten Elektroden (a,b),

die auf den Klappen (V) angeordnet sind, zweiten Elektroden (c), die am Boden der Ausnehmungen (2) angeordnet sind, und Mitteln zum Anlegen einer Steuerspannung zwischen den ersten und zweiten Elektroden (a,b,c) bestehen.
3. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtungen aus Mitteln zum Anlegen einer Haltespannung zwischen den Elektroden (a,b) der Klappen

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(V) eines gleichen Paars und aus Anschlagmittel bestehen, die dann, wenn die Klappen (V) aktiviert sind,
einen elektrischen Kontakt zwischen den Elektroden (a,b) der Klappen (V) verhindern.
4. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlagmittel durch Vorsprünge (4)
auf dem Boden der Ausnehmungen (2) gebildet sind.
5. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlagmittel durch eine isolierende
Schicht gebildet werden, die wenigstens teilweise die untere Fläche der Klappen (V) bedeckt.
6. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Aussparungen (5) in dem Träger unter
den elastischen Halterungen (3) angebracht sind.
7. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie im Inneren eines geschlossenen Raums

mit einer ersten und einer zweiten Wandung (6,7) im wesentlichen parallel zu der Ebene des Trägers (1) angeordnet ist und daß die erste Wandung (6) transparent ist.
8. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1) fest mit der zweiten Wandung (7) verbunden ist, die den Boden der Ausnehmungen (2) bildet, auf dem die zweiten Elektroden (c) angeordnet sind.
9. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wandung (7) wenigstens teilweise aus einem Licht absorbierenden Material gebildet ist.
10. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wandung (7) und die zweiten Elek-

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troden (c) transparent sind.
11, Anzeigevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Paare von Klappen (V) in Reihen und Spalten angeordnet sind und daß die ersten Elektroden (a,b) einer gleichen Reihe paarweise miteinander verbunden sind, während die zweiten Elektroden (c) einer gleichen Spalte miteinander verbunden sind.

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12. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihen zeitmultiplex gesteuert sind.
13. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Elektroden (c) jeweils aus zwei halben Elektroden gebildet sind.
14. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1) aus Silicium besteht.
15. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappen (V) und ihre elastischen Halterungen aus Aluminium bestehen.