FR2819337A1

FR2819337A1 - Ecran micro-electro-mecanique

Info

Publication number: FR2819337A1
Application number: FR0100237A
Authority: FR
Inventors: Jean Philippe Diguet; Pierrick Danielo
Original assignee: Universite de Bretagne Sud
Current assignee: Universite de Bretagne Sud
Priority date: 2001-01-09
Filing date: 2001-01-09
Publication date: 2002-07-12
Anticipated expiration: 2021-01-09
Also published as: WO2002056283A3; WO2002056283A2; FR2819337B1

Abstract

L'invention concerne un écran du type comprenant une pluralité de pixels permettant d'afficher au moins une page de document. Selon l'invention, chaque pixel comprend au moins un élément d'affichage monté en rotation autour d'un axe mécanique et ayant au moins deux positions stables autour dudit axe, chaque position stable étant associée à une face visible distincte dudit élément d'affichage et possédant une couleur distincte. Ledit écran comprend en outre des moyens de contrôle de la rotation de chaque élément d'affichage autour de son axe, de façon à configurer dynamiquement chacun desdits pixels dans l'une desdites positions stables et former, avec l'ensemble des faces visibles ainsi sélectionnées, ladite au moins une page de document.

Description

Ecran micro-électro-mécanique.

Le domaine de l'invention est celui des écrans de visualisation du type comprenant une pluralité de pixels permettant d'afficher au moins une page de document.

Par page de document, on entend tout type de format de présentation d'informations (textes, images, tableaux, etc).

L'invention a de nombreuses applications, telles que notamment, mais non exclusivement, les écrans d'ordinateur et les écrans de livres électroniques.

On connaît, dans l'état de la technique, deux principaux types d'écrans : l'écran cathodique et l'écran à cristaux liquides (ou LCD, pour"Liquid Crystal Display"en anglais).

La présente invention concerne un nouveau type d'écran. Cette proposition d'un nouveau type d'écran s'appuie sur un double constat.

Tout d'abord, la vague du multimédia et de l'accès rapide à une masse infinie d'informations via les réseaux conduit tout naturellement à la consultation en ligne ou sur écran de documents de toutes sortes. Il peut s'agir de documents techniques, d'articles de journaux ou de revues, voire de littérature. Or, il est avéré que les deux types précités d'écran d'ordinateur (cathodique et LCD) sont complètement inadaptés à la pratique soutenue de la lecture de documents séquentiels, et ce pour deux raisons. La première cause est la luminosité de ces écrans. La seconde cause est la position fixe que l'encombrement et le poids de l'écran imposent au lecteur, par ailleurs habitué au confort de lecture offert par un livre traditionnel.

La seconde observation est que le point faible des ordinateurs portables est leur autonomie et chacun sait que cette dernière est surtout réduite par la consommation des écrans actuels. Il ne faut pas oublier que pendant les deux minutes que prennent la lecture d'une page de texte, chaque pixel de l'écran est rafraîchi de 1 500 à 3 000 fois, en raison de la technologie utilisée, qui implique que chaque pixel n'a qu'un seul état stable. Cette propriété, intéressante pour des images animées, n'apporte rien dans le cas d'un écran dont le contenu se modifie lentement.

Le besoin d'une amélioration technologique des écrans est donc toujours présent.

Des solutions innovantes sont régulièrement proposées. Il s'agit principalement du

concept de livre électronique ("e-book") inventé pour permettre à un utilisateur de lire sur un support léger et à grande autonomie des documents ou livres à télécharger via un réseau. Le principe est intéressant en ce qu'il vise à offrir une lecture confortable (sans fatigue visuelle) sur un écran (donc sans impression papier). Cependant, les solutions techniques proposées restent basées sur des écrans de type LCD ou équivalents, qui demeurent loin de répondre aux critères permettant au livre électronique de remplacer le livre traditionnel et donc de séduire les utilisateurs potentiels qui restent extrêmement sceptiques vis-à-vis de ce type de solution. En effet, il est important de garder à l'esprit la dimension affective du livre traditionnel, que seule une configuration dynamique d'une page classique peut tenter de remplacer.

Par ailleurs, un autre type de réponse est apporté par l'encre ou le papier électronique. Il s'agit cette fois de trouver une alternative à la consommation croissante de papier due aux imprimantes et photocopieuses, en proposant un papier électroniquement ré-imprimable. La prise de conscience de la consommation de papier ainsi que le concept du livre électronique ont permis l'émergence de deux solutions techniques.

La première technique de réalisation de l'encre électronique, mise au point par la société eink, repose sur deux films plastiques renfermant un liquide bleu et formant une feuille souple. Le liquide contient un grand nombre de capsules qui emprisonnent des particules blanches polarisées. Suivant le champ électrique que l'on applique localement au papier souple ainsi constitué (à l'aide d'un système externe mettant en oeuvre un procédé de type anode/cathode), les particules blanches se rapprochent ou s'éloignent de la surface de lecture. Il est ainsi possible de faire apparaître des caractères et donc un texte.

La seconde technique de réalisation de l'encre électronique, mise au point par la société Xeros, repose sur un film en silicone renfermant des micro-billes (diamètre de 100 f. Lm) bi-colores (une face noire, l'autre blanche), dont la polarité est différente sur chaque pôle. Le film est ensuite glissé entre deux supports de plastique contenant les électrodes (procédé de type anode/cathode identique à celui mis en oeuvre dans les écrans LCD) permettant de tourner les billes et donc de créer des points blancs ou noirs.

Le but de ces deux méthodes de réalisation de l'encre électronique est de remplacer le papier traditionnel en offrant une solution recyclable. Il faut cependant noter que ces méthodes s'inscrivent dans un contexte particulier qui n'est pas celui visé par la présente invention. En effet, le principe de formation des points selon la première technique précitée est relativement lourd et lent, puisqu'on doit insérer le papier souple dans un système mettant en oeuvre un procédé de type anode/cathode afin de former le texte souhaité. Ce papier peut ensuite être roulé, rangé dans un porte-document et lu plus tard. De plus, les deux méthodes précitées n'apportent pour l'instant qu'une résolution limitée (5 points/mm pour la seconde technique précitée) et bicolore uniquement. Les applications visées pour l'instant sont donc du type papier publicitaire, et non pas document volumineux. Cependant, le succès commercial de ces méthodes conforte le bien fondé des propositions allant dans le sens d'une alternative aux écrans traditionnels.

L'invention a notamment pour objectif de pallier ces différents inconvénients de l'état de la technique.

Plus précisément, l'un des objectifs de la présente invention est de fournir un nouveau type d'écran présentant une consommation minimale.

L'invention a également pour objectif de fournir un tel écran permettant d'accroître le confort de lecture en approchant l'aspect granuleux d'une feuille de papier sur laquelle sont déposés des points d'encre. En d'autres termes, l'objectif est d'offrir une solution proche de la matérialisation physique d'une page de document, avec le confort de lecture associé.

Un autre objectif de l'invention est de fournir un tel écran offrant une souplesse et une vitesse de reconfiguration adaptées à la lecture de documents de grande taille sur une seule page.

Un objectif complémentaire de l'invention est de fournir un tel écran possédant une haute définition, tant au niveau du nombre de pixels que du nombre de couleurs.

Encore un autre objectif de l'invention est de fournir un tel écran permettant de laisser l'éclairage aux bons soins du lecteur. En d'autres termes, l'objectif est de permettre une lecture en lumière naturelle, même intense.

Encore un autre objectif de l'invention est de fournir un tel écran offrant une configuration de pages de documents permettant d'éviter l'impression papier, d'où une économie de papier.

Un objectif complémentaire de l'invention est de fournir un tel écran ne mettant pas en oeuvre le procédé de type anode/cathode, et donc nécessitant pas d'encapsulation entre deux plans (un pour la cathode et l'autre pour l'anode).

Ces différents objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints selon l'invention à l'aide d'un écran du type comprenant une pluralité de pixels permettant d'afficher au moins une page de document. Selon l'invention, chaque pixel comprend au moins un élément d'affichage monté en rotation autour d'un axe mécanique et ayant au moins deux positions stables autour dudit axe, chaque position stable étant associée à une face visible distincte dudit élément d'affichage et possédant une couleur distincte. Ledit écran comprend en outre des moyens de contrôle de la rotation de chaque élément d'affichage autour de son axe, de façon à configurer dynamiquement chacun desdits pixels dans l'une desdites positions stables et former, avec l'ensemble des faces visibles ainsi sélectionnées, ladite au moins une page de document.

Le nouveau type d'écran selon l'invention repose donc sur l'intégration d'éléments d'affichage commandés électroniquement afin de configurer dynamiquement les différents pixels d'une page de document.

Préférentiellement, chaque élément d'affichage est un élément micro-électromécanique.

L'inventeur a imaginé ce nouveau type d'écran au vu des progrès liés à la miniaturisation et la densification d'actionneurs et de composants mécaniques mobiles connectables à une puce. En effet, les succès récents des systèmes micro-électromécaniques (ou MEMS, pour"micro-electro-mecanical systems"en anglais) dans d'autres domaines (notamment pour l'alignement de fibres optiques ou la manipulation de très petits objets) prouvent qu'il est aujourd'hui possible de concevoir des éléments mécaniques (roue dentée, crémaillère, axe, rotor, etc) dont la taille est de l'ordre du micromètre.

Le principe de fonctionnement est simple. Lors de la lecture d'une page, les éléments d'affichage sont maintenus dans un état stable. Lors du chargement d'une

nouvelle page, seuls les éléments d'affichage concernés par le changement de page sont modifiés.

On notera qu'un point technique essentiel de la présente invention est d'utiliser des éléments d'affichage ayant au moins deux positions stables. En effet, ceci signifie qu'ils ont une consommation énergétique liée uniquement aux changements d'états (contrairement à la technique actuelle de rafraîchissement très fréquent des pixels de l'écran). En d'autres termes, le principe de limitation de la consommation est inhérent à la technique de la présente invention.

Par ailleurs, l'utilisation d'éléments micro-électro-mécaniques permet de laisser l'éclairage aux bons soins du lecteur. En particulier, l'éclairage naturel, même intense, ne pose pas plus de problèmes qu'à la lecture d'un livre traditionnel.

Préférentiellement, chaque élément d'affichage est une sphère dont les deux hémisphères constituent deux dites faces visibles distinctes, et en ce que ledit axe est compris dans le plan séparant les deux hémisphères.

La sphère offre l'avantage de présenter une forte symétrie et deux apparences (ou faces visibles), à savoir une par hémisphère. En outre, le grain du papier est reproduit par les sphères.

De façon avantageuse, lesdits pixels étant disposés sur un premier plan, dit plan d'affichage, caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle sont disposés sur un unique second plan, dit plan de commande, parallèle au plan d'affichage.

De cette façon, l'unique plan de commande peut être implanté sous (ou sur) le plan d'affichage. Cette solution se distingue donc clairement de la structure classique d'encapsulation du plan d'affichage entre deux plans de commande (un pour la cathode et l'autre pour l'anode). Ainsi, la présente invention permet d'approcher l'aspect granuleux d'une feuille de papier sur laquelle sont déposés des points d'encre.

De façon préférentielle, ledit axe est supporté et guidé à ses extrémités par deux paliers non-fermés, et préférentiellement en U ou en demi-cercle.

Les paliers non-fermés sont plus faciles à réaliser. Il est clair cependant que l'invention s'applique également à des paliers fermés (par exemple en forme de cercles).

L'utilisation de paliers non-fermés suppose que l'axe de l'élément d'affichage soit "plaqué"dans ses paliers. Cette condition est vérifiée dans le cas des deux modes de réalisations préférentiels présentés ci-après.

L'écran selon la présente invention peut être réalisé en version bicolore ou multicolore.

Avantageusement, dans le cas d'une version bicolore, chaque pixel comprend un unique élément d'affichage possédant une première face visible d'une première couleur et une seconde face visible d'une seconde couleur.

Par exemple, pour un écran noir et blanc, les première et seconde couleurs sont respectivement le noir et le blanc.

De façon avantageuse, dans le cas d'une version multicolore, chaque pixel comprend : un premier élément d'affichage possédant une première face visible de couleur noire et une seconde face visible de couleur rouge ;

un second élément d'affichage possédant une première face visible de couleur noire et une seconde face visible de couleur verte ; un troisième élément d'affichage possédant une première face visible de couleur noire et une seconde face visible de couleur bleue.

Dans un premier mode de réalisation préférentiel de l'invention, l'élément d'affichage est réalisé au moins en partie dans un matériau aimanté. Les moyens de contrôle de la rotation dudit élément d'affichage comprennent des moyens de génération d'une impulsion de courant électrique à une distance prédéterminée dudit élément d'affichage. Ceci permet d'engendrer sur l'élément d'affichage une force magnétostatique entraînant la rotation dudit élément d'affichage autour de son axe.

Le principe de fonctionnement de ce premier mode de réalisation est donc basé sur la force engendrée par un courant électrique sur un objet aimanté, phénomène mis à jour en 1820 par le danois Oersted.

Préférentiellement, lesdits moyens de génération d'une impulsion de courant électrique comprennent : un inverseur CMOS comprenant deux transistors, recevant en entrée un signal de commande pouvant prendre deux états, dits 0 et 1,

une plaque conductrice, connectée en série entre les pattes des deux transistors reliées à la sortie de l'inverseur CMOS, de façon que lorsque le signal de commande change d'état, l'inverseur CMOS commute et il se produit une impulsion de courant de court-circuit qui circule à travers la plaque conductrice.

Ainsi, l'originalité de cette solution réside dans l'exploitation avantageuse d'un courant éphémère, généralement qualifié de parasite dans la technologie CMOS, pour mettre en mouvement l'élément (préférentiellement une sphère de taille microscopique).

Ce courant parasite apparaît entre les deux transistors (NMOS et PMOS), formant l'inverseur CMOS, au moment de la commutation. Il constitue la principale cause de consommation des circuits CMOS en commutation. Il est donc habituellement vu comme un défaut, alors que dans le cadre de la présente invention il est en quelque sorte "recyclé"et transformé en source d'énergie alimentant la rotation via l'exploitation de la force électromotrice résultante.

Avantageusement, l'inverseur CMOS étant alimenté par un potentiel d'alimentation bas, dit Vss, et un potentiel d'alimentation haut, dit Vdd, de sorte que, à l'état stable, la plaque conductrice est portée au potentiel bas Vss ou au potentiel haut Vdd selon l'effet de la précédente commutation de l'inverseur CMOS. Au moins une partie de l'élément d'affichage) est maintenue à un potentiel intermédiaire compris entre Vss et Vdd. De cette façon, quelle que soit la position stable de l'élément d'affichage, il existe une force électrostatique entre la plaque conductrice et ladite au moins une partie de l'élément d'affichage, visant à maintenir l'élément d'affichage dans ladite position stable.

Ceci permet de garantir la stabilité de l'élément d'affichage hors moment de rotation (c'est-à-dire hors moment de génération de l'impulsion de courant). La position dans l'espace de l'élément d'affichage peut donc être quelconque, et notamment non horizontale.

On notera que l'axe de l'élément d'affichage est de cette façon"plaqué"dans ses paliers. Ceci permet l'utilisation de paliers non-fermés (comme indiqué plus haut).

De façon avantageuse, dans le cas où l'élément d'affichage est une sphère, les deux hémisphères de la sphère sont réalisés dans un matériau aimanté. La sphère

comprend en outre un anneau conducteur, ceignant le plan séparant les deux hémisphères, et constituant ladite au moins une partie de l'élément d'affichage maintenue au potentiel intermédiaire. Ainsi, c'est l'anneau qui joue le rôle de la deuxième armature du condensateur équivalent (la plaque conductrice jouant le rôle de la première armature).

Selon une variante avantageuse, l'élément d'affichage, réalisé au moins en partie dans un matériau aimanté, possède également la faculté d'être porté au potentiel intermédiaire. Dans ce cas, c'est l'ensemble de l'élément d'affichage qui joue le rôle de la deuxième armature du condensateur équivalent.

Préférentiellement, ledit potentiel intermédiaire est sensiblement égal à (Vss + Vdd)/2.

Dans un second mode de réalisation préférentiel de l'invention, les deux hémisphères sont réalisés dans un matériau conducteur, et sont séparés par une couche de matériau diélectrique. L'un des deux hémisphères est alimenté par un potentiel d'alimentation bas, dit Vss, l'autre hémisphère étant alimenté par un potentiel d'alimentation haut, dit Vdd. Les moyens de contrôle de la rotation de la sphère comprennent au moins une plaque conductrice, placée à une distance prédéterminée de la sphère et connectée à un moyen de commande recevant en entrée un signal de commande pouvant prendre deux états, dits 0 et 1. De cette façon, lorsque le signal de commande change d'état, ladite au moins une plaque conductrice est portée au potentiel bas Vss ou au potentiel haut Vdd, ce qui donne naissance à une force électrostatique entre la plaque conductrice et l'un des deux hémisphères, entraînant la rotation de la sphère autour de son axe, de l'une à l'autre desdites positions stables, puis le maintien dans ladite autre position stable.

Le principe de fonctionnement de ce second mode de réalisation est donc basé sur la force, née de la pression électrostatique, qui s'exerce sur les deux armatures d'un condensateur. Dans le cas présent, le condensateur est formé d'une part de la ou des plaque (s) conductrice (s) et d'autre part de l'un des deux hémisphères de la sphère.

En d'autres termes, dans ce second mode de réalisation, c'est une même force (électrostatique) qui assure la rotation de la sphère et son maintien dans une des positions stables. Au contraire, dans le premier mode de réalisation, une première force

(magnétostatique) assure la rotation, tandis qu'une seconde force (électrostatique) assure le maintien dans une des positions stables.

On notera que cette solution ne nécessite pas deux plaques de type cathode et anode.

De façon avantageuse, les moyens de contrôle de la rotation de la sphère comprennent au moins deux plaques conductrices, connectées chacune à un moyen de commande distinct, et alignées selon une direction non parallèle audit axe, et préférentiellement sensiblement perpendiculairement audit axe. Par ailleurs, les moyens de commandes sont commutés séquentiellement, de façon que ladite force électrostatique soit initiée de façon excentrée et que la rotation de la sphère soit forcée dans un sens prédéterminé.

De cette façon, on évite que la sphère reste en équilibre instable après l'apparition de la force électrostatique. La probabilité pour que la sphère reste dans cet équilibre instable est infime mais existe cependant, c'est pourquoi l'initiation d'une force excentrée améliore le fonctionnement de l'écran selon la présente invention.

Avantageusement, ledit moyen de commande comprend un transistor CMOS. On rappelle que les transistors CMOS présentent l'avantage de ne consommer que pendant la commutation (contrairement aux transistors bipolaires, qui en contrepartie sont plus rapides).

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante de deux modes de réalisation préférentiels de l'invention, donnés à titre d'exemple indicatif et non limitatif, et des dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 présente un mode de réalisation particulier d'un écran multicolore selon la présente invention ; - la figure 2 illustre le cas préférentiel où l'élément d'affichage est une sphère ; - la figure 3 est une vue en perspective simplifiée de la structure de l'écran selon la présente invention, faisant apparaître le plan d'affichage et le plan de commande associé ; - la figure 4A est un schéma simplifié d'un premier mode de réalisation des moyens de contrôle de la rotation de chaque sphère apparaissant sur la

figure 1 ; cette figure 4A illustre en outre le champ électrique et la force électrostatique existant dans le cas où la plaque est portée au potentiel bas (CMD = 0) ; la figure 4B illustre le champ électrique et la force électrostatique existant dans le cas, complémentaire de celui illustré par la figure 4A, où la plaque est portée au potentiel haut (CMD = 1) ; la figure 5 présente une courbe de l'évolution du courant de court-circuit en sortie de l'inverseur CMOS apparaissant sur la figure 4, en fonction de la tension de commande qui lui est appliquée ; la figure 6 présente une courbe de l'évolution de la tension de sortie de l'inverseur CMOS apparaissant sur la figure 4A, en fonction de la tension d'entrée qui lui est appliquée ; les figures 7 et 8 présentent respectivement le schéma électrique et le schéma équivalent"interrupteurs"de l'inverseur CMOS apparaissant sur la figure 4A ; la figure 9 illustre l'existence du courant de court-circuit, au moment de la commutation de l'inverseur CMOS ; les figures 10 et 11 sont des vues en coupe et de dessus respectivement de l'inverseur CMOS apparaissant sur la figure 4A et adapté selon la présente invention ; la figure 12A est un schéma simplifié d'un second mode de réalisation des moyens de contrôle de la rotation de chaque sphère apparaissant sur la figure 1 ; cette figure 12A illustre en outre le champ électrique et la force électrostatique existant dans le cas où la plaque est portée au potentiel bas (CMD = 0) ; la figure 12B illustre le champ électrique et la force électrostatique existant dans le cas, complémentaire de celui illustré par la figure 12A, où la plaque est portée au potentiel haut (CMD = 1) L'invention concerne donc un écran permettant d'afficher au moins une page de document.

De façon classique, l'écran est du type comprenant une pluralité de pixels. Ainsi, dans l'exemple illustré sur la figure 1, l'écran est constitué de N x M pixels.

Selon la présente invention, chaque pixel comprend au moins un élément d'affichage (élément micro-électro-mécanique). Ce dernier est monté en rotation autour d'un axe mécanique et possède au moins deux positions stables autour de cet axe. Chaque position stable est associée à une face visible distincte de l'élément d'affichage et possède une couleur distincte. En outre, l'écran comprend des moyens de contrôle de la rotation de chaque élément d'affichage autour de son axe. De cette façon, il est possible de configurer dynamiquement chacun des pixels dans l'une des positions stables et donc de former, avec l'ensemble des faces visibles ainsi sélectionnées, la page de document que l'on souhaite afficher sur l'écran.

Dans la suite de description, les éléments d'affichage sont des éléments micro- électro-mécaniques, et plus précisément des sphères. Il est clair cependant que d'autres types d'éléments d'affichage peuvent être envisagés, sans sortir du cadre de la présente invention.

On présente maintenant, en relation avec la figure 1, un exemple d'écran multicolore selon la présente invention.

Chacun des N x M pixels 1 est constitué de trois sphères 2 ;, 22, 23. Comme illustré sur la figure 2, les deux hémisphères 3,4 de chaque sphère 2 constituent deux faces visibles, alternativement. L'une des deux faces visibles est de couleur noire, tandis que l'autre est de couleur rouge, verte ou bleue selon la sphère. L'axe de rotation 5 de chaque sphère 2 est compris dans le plan séparant les deux hémisphères. Ainsi, en orientant convenablement les trois sphères d'un même pixel, il est possible avec ce pixel de couvrir l'ensemble des couleurs du spectre visible. Par exemple, si les trois hémisphères simultanément visibles du pixel sont de couleur noire, le pixel est de couleur noire. Si les trois hémisphères simultanément visibles du pixel sont de couleurs rouge, verte et bleue respectivement, le pixel est de couleur blanche. Si l'on se base sur des sphères de 100) im et un pixel de 250 Rm de côté, on obtient un écran de taille 20 x 15 cm, avec une résolution de 800 x 600 pixels. On a alors 1,44 million de sphères à commander. Ceci est techniquement possible puisque ce chiffre reste inférieur aux plusieurs millions de micro-miroirs (de 16 um2 de surface) intégrés sur une même puce

par la société Texas Instrument dans le domaine de projection vidéo. De plus, la rotation d'une sphère est techniquement plus simple à réaliser que le contrôle de l'orientation d'un miroir plan.

L'invention s'applique également à un écran bicolore. Dans ce cas, chacun des N x M pixels 1 est constitué d'une seule sphère, dont l'un des hémisphères est blanc et l'autre est noir.

Comme illustré sur la figure 3, il est possible d'implanter les moyens de commande de la rotation des sphères dans un plan de commande 6, parallèle à et situé sous le plan contenant les sphères (plan d'affichage). Ainsi, l'hémisphère de chaque sphère tourné vers l'extérieur (à l'opposé du plan de commande 6) est parfaitement visible (pas d'encapsulation entre deux plans de commandes).

On présente maintenant, en relation avec les figures 4A à 11, un premier mode de réalisation des moyens de contrôle de la rotation des sphères 2.

Comme illustré sur la figure 4A, dans ce premier mode de réalisation, la sphère 2 est aimantée (elle génère un champ magnétique B) et sa rotation est contrôlée par un inverseur CMOS 7.

De façon classique (voir figures 4A et 7), l'inverseur CMOS 7 comprend un transistor NMOS 8 et un transistor PMOS 9. Les grilles 8g, 9g des deux transistors sont connectées l'une à l'autre et constituent le point d'entrée de l'inverseur, sur lequel est appliqué un signal de commande (Cmd) 10, pouvant prendre deux états,"0"et"1".

L'inverseur est alimenté par un potentiel d'alimentation bas Vss (auquel est reliée la source 8s du transistor NMOS 8) et un potentiel d'alimentation haut Vdd (auquel est relié le drain 9d du transistor PMOS 9). Habituellement, le drain 8d du transistor NMOS 8 et la source 9s du transistor PMOS 9 sont connectés directement l'un à l'autre et constituent le point de sortie de l'inverseur, lequel est relié à une porte à commander. A titre d'exemple, dans le cas d'un signal de commande égal à"0", le schéma équivalent des interrupteurs (voir fig. 9) montre un interrupteur fermé (transistor NMOS) et l'autre ouvert (transistor PMOS).

Selon la présente invention, une plaque conductrice 11 est connectée en série entre le drain 8d du transistor NMOS 8 et la source 9s du transistor PMOS 9. Le but de la plaque conductrice 11 (par exemple une plaque métallique) est de conduire le courant

de court-circuit entre les deux transistors 8, 9. En d'autres termes, le point de sortie de l'inverseur n'est relié à aucune autre porte, et il n'y a donc pas de courant de charge.

Ainsi, lorsque le signal de commande 10 change d'état (passage de"0"à"1", ou inversement), l'inverseur CMOS 7 commute et il se produit, sous la forme d'une impulsion, un courant de court-circuit i qui circule à travers la plaque conductrice 11. Ce courant de court-circuit i, en présence du champ magnétique B, engendre une force magnétostatique FI qui provoque la rotation de la sphère 2 autour de son axe 5. Cette rotation est symbolisée sur la figure 4A par la flèche référencée 18.

La forme du courant de court-circuit i peut être une impulsion de courte de durée car, une fois la sphère retournée, ce courant n'est plus nécessaire. Il naît du fait qu'au moment de la transition (changement d'état du signal de commande), les transistors 8,9 sont momentanément et simultanément passants (état saturé) car ils ne changent pas d'état en un temps infiniment court. Le schéma équivalent des interrupteurs (voir fig. 9) se traduit par deux interrupteurs fermés simultanément, reliant le potentiel Vdd au potentiel Vss, d'où le nom"courant de court-circuit" (aussi appelé"courant de fuite).

Les figures 5 et 6 illustrent le fait que le courant de court-circuit i n'existe que lors de la commutation de l'inverseur.

La figure 6 présente une courbe de l'évolution de la tension de sortie Vout de l'inverseur CMOS en fonction de la tension d'entrée V. Le transistor PMOS 9 est passant (état noté"lin"sur la figure 6) pour une tension de grille égale à "0". Il est complètement bloqué (état noté"off"sur la figure 6) pour une tension de grille supérieure à Vdd-Vt, avec Vt la tension de seuil. Entre l'état passant et l'état bloquant, il passe par un état saturé (état noté"sat"sur la figure 6). Le transistor NMOS 8 est passant (état noté"lin"sur la figure 6) pour une tension de grille égale à"1". Il est complètement bloqué (état noté"off"sur la figure 6) pour une tension de grille inférieure à la tension de seuil Vt. Entre l'état passant et l'état bloquant, il passe par un état saturé (état noté"sat"sur la figure 6).

La figure 5 présente une courbe de l'évolution du courant de court-circuit i en fonction de la tension d'entrée Vin de l'inverseur CMOS (c'est-à-dire de la tension du signal de commande Cmd). On part de la situation suivante : Vin est à l'état 0 (Cmd = Vss) et la tension de sortie Vout de l'inverseur est à l'état 1 (Vout = Vdd). Ensuite, Vin

évolue vers l'état 1 (Cmd = Vdd). Au début, le transistor PMOS est passant (état linéaire), le canal est ouvert mais aucun courant ne circule car les deux côtés du canal sont au même potentiel ; le transistor NMOS est équivalent à une résistance infinie (off).

Lorsque Vin augmente au point de dépasser la tension de seuil Vt, le transistor NMOS arrive dans un état saturé (un courant passe). Par ailleurs, le transistor PMOS est toujours dans un état linéaire (le courant i passe mais n'est pas maximal). Le courant i est maximum lorsque Vin atteint une tension intermédiaire, égale à environ (Vdd + Vss)/2.

A ce moment, les deux transistors 8,9 sont saturés et la sortie se trouve également à la tension intermédiaire. Lorsque Vin arrive aux alentours de Vdd-Vt, c'est au tour du transistor PMOS d'atteindre la tension critique qui le bloque (Vdd-Vt est le symétrique de Vt pour le PMOS). Le courant i s'annule, la tension de sortie Vout de l'inverseur est à l'état 0 (Vout = Vss), car la sortie de l'inverseur est directement reliée à Vss via le transistor NMOS équivalent à un interrupteur fermé.

Les figures 10 et 11 sont des vues en coupe et de dessus respectivement de l'inverseur CMOS, adapté selon la présente invention. La plaque conductrice 11 est plus grande que l'élément habituel de connexion à une porte, de façon à créer une nappe large de courant sous la sphère 2. Elle peut également être surélevée. Les diffusions N et P sont également élargies de manière à favoriser une diffusion uniforme du courant de court-circuit sur la plaque (contact) métallique située sous la sphère.

Il convient de noter que la force magnétostatique FI disparaît après que l'inverseur CMOS a commuté et a donc retrouvé un de ses deux états d'équilibre.

Par ailleurs, la force magnétostatique FI se modifie au fur et à mesure que la sphère effectue son demi-tour. Avec l'inertie du mouvement, la rotation est assurée.

Lorsque la sphère a effectué une demi-rotation complète, la force magnétostatique FI se trouve inversée, empêchant ainsi un tour complet. Compte tenu du temps de commutation et des contraintes mécaniques, la force magnétostatique FI n'est plus suffisante pour provoquer le mouvement inverse, qui ramènerait la sphère à sa position initiale.

Optionnellement, il est prévu des moyens pour garantir la stabilité de la sphère hors moment de commutation. L'apport du champ électrique est mis à profit.

A l'état stable, la plaque 11 est portée au potentiel bas Vss (état 0) ou haut Vdd (état 1), suivant l'effet de la précédente commutation de l'inverseur CMOS. Par ailleurs, l'axe 5, les paliers 21,22 de l'axe 5 et un anneau 12 (qui ceint les deux hémisphères de la sphère 2) sont maintenus à un potentiel intermédiaire, égal à (Vss + Vdd) /2 (c'est-à-dire Vdd/2 si Vss = 0). Quelle que soit la position stable de la sphère, il existe donc un "condensateur équivalent", dont la première armature estla plaque 11 et la seconde armature est l'anneau 12. Selon une variante, la sphère aimantée ne comprend pas d'anneau mais ce sont les hémisphères eux-mêmes qui sont portés au potentiel intermédiaire. En d'autres termes, dans ce cas, la sphère dans sa globalité forme la seconde armature du condensateur équivalent.

Or, les armatures d'un condensateur s'attirent mutuellement, en raison d'une force électrostatique. Cette force électrostatique maintient la sphère dans la position stable qu'elle occupe suite à la dernière commutation de l'inverseur CMOS.

On présente maintenant en détail, pour chaque position stable, le champ électrique et la force électrostatique.

Comme illustré par la figure 4A, lorsque la plaque 11 est portée au potentiel bas Vss (état 0), il existe un champ électrique E, dirigé de la plaque 11 ("première armature") vers l'anneau 12 ("seconde armature"). Une force électrostatique F2 (force d'attraction entre les deux armatures, résultant du champ E) est dirigée de l'anneau 12 vers la plaque 11. Cette force électrostatique F2 maintient la sphère dans une première position stable.

Comme illustré par la figure 4B, lorsque la plaque 11 est portée au potentiel haut Vdd (état 1), il existe un champ électrique E', dirigé de l'anneau 12 ("seconde armature") vers la plaque 11 ("première armature"). Une force électrostatique F2' (force d'attraction entre les deux armatures, résultant du champ E') est dirigée de la plaque 11 vers l'anneau 12. Or, la plaque 11 étant fixe, il faut considérer la force de contre-réaction F2" s'appliquant sur l'anneau 12, qui est dirigée de l'anneau 12 vers la plaque 11. Cette force de contre-réaction F2"maintient la sphère dans une seconde position stable.

On notera que la force magnétostatique FI et la force électrostatique F2 ne sont pas antagonistes. En effet, au moment de la commutation de l'inverseur, le potentiel de

la plaque 11 est sensiblement égal à Vdd/2, donc la force électrostatique F2 est nulle ou amenuisée lorsque le courant de court-circuit i existe.

On notera également que, d'un point de vue consommation, l'inverseur CMOS ne consomme que lors d'une rotation. Dans un état stable, aucun courant ne circule, exceptés les courants de fuite parasites inhérents aux circuits CMOS. Ceux-ci peuvent toutefois être réduits par différents techniques connues, notamment le SOI ("Silicon On Insulator","silicium sur de l'isolant).

Dans l'exemple illustré sur la figure 4A, les paliers 21,22 de l'axe 5 sont, à une extrémité, en forme de U ou en demi-cercle. En effet, du fait que l'axe 5 est plaqué dans les paliers, il n'est pas nécessaire que les paliers soient, à une extrémité, en forme de cercle. Cette variante reste toutefois envisageable et rentre dans le cadre de la présente invention.

On présente maintenant, en relation avec les figures 12A et 12B, un second mode de réalisation des moyens de contrôle de la rotation des sphères 2.

Ce second mode de réalisation ne s'appuie que sur la force, née de la pression électrostatique, s'exerçant sur les deux armatures du condensateur formé ici d'une part de l'un de deux hémisphères 3,4 de la sphère 2 et d'autre part d'une ou plusieurs plaques conductrices 131 à 13k'
Pour cela, les deux hémisphères 3,4 sont réalisés dans un matériau conducteur, et sont séparés par une couche de matériau diélectrique 14. L'un des deux hémisphères et une moitié de l'axe 5 (hémisphère supérieur 3 et moitié gauche 5g de l'axe dans l'exemple de la figure 12A) sont portés à Vss (potentiel d'alimentation bas). L'autre hémisphère et l'autre moitié de l'axe (hémisphère inférieur 4 et moitié droite 5d de l'axe dans l'exemple de la figure 12A) sont portés à Vdd (potentiel d'alimentation haut). Les deux moitiés 5g, 5d de l'axe sont également séparés par la couche de matériau diélectrique 14.

Dans la configuration la plus simple, une seule plaque conductrice suffit. Elle est connectée à un moyen de commande (par exemple un transistor CMOS), recevant en entrée un signal de commande, pouvant prendre deux états,"0"et"1". Lorsque le signal de commande change d'état, le moyen de commande commute, ce qui provoque un changement de potentiel de la plaque conductrice.

Ainsi, dans l'exemple illustré par la figure 12A, on suppose que la plaque (par exemple celle référencée 131) est au potentiel bas Vss (état 0). Il existe un champ électrique E, dirigé de la plaque 13, ("première armature") vers l'hémisphère 4 au potentiel Vdd ("seconde armature"). Une force électrostatique F3 (force d'attraction entre les deux armatures, résultant du champ E) est dirigée de l'hémisphère 4 au potentiel Vdd vers la plaque 13,. Cette force électrostatique F3 maintient la sphère dans une première position stable.

Si l'on modifie le potentiel de la plaque31, en le faisant passer du potentiel bas Vss (état 0) au potentiel haut Vdd (état 1), le champ électrique E précité disparaît puisque l'hémisphère 4 se trouve au même potentiel que la plaque dz En revanche, il apparaît un autre champ électrique E', dirigé de l'hémisphère 3 au potentiel Vss ("seconde armature") vers la plaque 13, ("première armature"). Une nouvelle force électrostatique F3' (force d'attraction entre les deux armatures, résultant du champ E') est dirigée de la plaque 13, vers l'hémisphère 3 au potentiel Vss. Or, la plaque 13 ; étant fixe, il faut considérer la force de contre-réaction F3"s'appliquant sur l'hémisphère 3 au potentiel Vss, qui est dirigée de l'hémisphère 3 au potentiel Vss vers la plaque 13,. Cette force de contre-réaction F3"ramène l'hémisphère 3 au potentiel Vss du haut vers le bas.

En d'autres termes, la sphère étant libre de mouvement autour de son axe de rotation, elle va opérer une rotation jusqu'à ce que l'hémisphère 3 au potentiel Vss se retrouve en dessous (changement de la face visible de la sphère). Cette rotation est symbolisée sur la figure 12A par la flèche référencée 19. Le champ électrique E'étant inversement proportionnel au carré de la distance entre les deux armatures, la force F3"exercée est alors maximale. Sans modification du potentiel de la plaque conductrice, la force F3" exercée permet de conserver l'orientation de la sphère jusqu'à la prochaine commutation.

La force F3"est exercée sur l'intégralité de l'hémisphère 3 au potentiel Vss, lors de l'apparition de la force entre l'hémisphère 3 au potentiel Vss et la plaque conductrice 13,. La sphère se trouve donc en équilibre instable et se tourne d'un côté ou de l'autre. La probabilité pour que la sphère reste dans cet équilibre instable est infime.

Optionnellement, et comme illustré sur la figure 12A, on supprime ce risque en utilisant plusieurs plaques conductrices 13 ; à 13k. Chacune des plaques conductrices 13, à 13k est connectée à un moyen de commande 15 ; à 15k (par exemple un transistor

CMOS), recevant en entrée un signal de commande Cmd, à Cmdk, pouvant prendre deux états,"0"et"l". Les plaques conductrices 131 à 13k sont alignées selon une direction D sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation 5.

Les signaux de commande changent d'état successivement (par exemple séparés par un coup d'horloge), de façon que les moyens de commandes 15, à 15k soient commutés séquentiellement de 1 à 0 (Vdd à Vss). Ainsi, en fonction de leur ordre de placement le long de la direction D, les plaques conductrices 13, à 13k changent successivement de potentiel. Dans l'exemple illustré sur la figure 12A, chacune des plaques passe de Vss à Vdd. La force issue de la plaque référencée 13 ; apparaît par exemple avant celle issue de la plaque référencée 132, etc. De cette façon, la force électrostatique est initiée de façon excentrée et la rotation de la sphère est forcée dans un sens prédéterminé.

Selon encore une autre variante, on supprime le risque que la sphère reste en équilibre instable en utilisant une seule plaque conductrice excentrée par rapport à la sphère. Ainsi, lorsque cette plaque change de potentiel, la force électrostatique ne s'exerce pas de la même façon sur tout l'hémisphère supérieur et la sphère se tourne du côté ou la force est exercée avec la plus grande amplitude.

Il est clair que de nombreux autres modes de réalisation de l'invention peuvent être envisagés.

On peut notamment prévoir, dans le premier mode de réalisation, d'autres types de moyens de génération d'une impulsion de courant.

Claims

REVENDICATIONS 1. Ecran du type comprenant une pluralité de pixels (1) permettant d'afficher au moins une page de document, caractérisé en ce que chaque pixel comprend au moins un élément d'affichage (21, 22, 23) monté en rotation autour d'un axe mécanique (5) et ayant au moins deux positions stables autour dudit axe, chaque position stable étant associée à une face visible distincte dudit élément d'affichage et possédant une couleur distincte, et en ce que ledit écran comprend en outre des moyens (7,10, 11 ; 13,15) de contrôle de la rotation de chaque élément d'affichage autour de son axe, de façon à configurer dynamiquement chacun desdits pixels dans l'une desdites positions stables et former, avec l'ensemble des faces visibles ainsi sélectionnées, ladite au moins une page de document.
2. Ecran selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque élément d'affichage est un élément micro-électro-mécanique.
3. Ecran selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que chaque élément d'affichage est une sphère dont les deux hémisphères constituent deux dites faces visibles distinctes, et en ce que ledit axe est compris dans le plan séparant les deux hémisphères.
4. Ecran selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, lesdits pixels étant disposés sur un premier plan, dit plan d'affichage, caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle sont disposés sur un unique second plan, dit plan de commande (6), parallèle au plan d'affichage.
5. Ecran selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit axe (5) est supporté et guidé à ses extrémités par deux paliers non-fermés, et préférentiellement en U ou en demi-cercle.
6. Ecran selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque pixel (1) comprend un unique élément d'affichage (2) possédant une première face visible d'une première couleur et une seconde face visible d'une seconde couleur.
7. Ecran selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque pixel (1) comprend :

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un premier élément d'affichage (2,) possédant une première face visible de couleur noire et une seconde face visible de couleur rouge ; un second élément d'affichage (22) possédant une première face visible de couleur noire et une seconde face visible de couleur verte ; un troisième élément d'affichage (23) possédant une première face visible de couleur noire et une seconde face visible de couleur bleue.
8. Écran selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'élément d'affichage est réalisé au moins en partie dans un matériau aimanté, et en ce que les moyens de contrôle de la rotation dudit élément d'affichage comprennent des moyens (7, 11) de génération d'une impulsion de courant électrique à une distance prédéterminée dudit élément d'affichage,

de façon à engendrer sur l'élément d'affichage une force magnétostatique entraînant la rotation dudit élément d'affichage autour de son axe.
9. Écran selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens de génération d'une impulsion de courant électrique comprennent : un inverseur CMOS (7) comprenant deux transistors, recevant en entrée un signal de commande pouvant prendre deux états, dits 0 et 1, une plaque conductrice (11), connectée en série entre les pattes des deux transistors reliées à la sortie de l'inverseur CMOS, de façon que lorsque le signal de commande change d'état, l'inverseur CMOS commute et il se produit une impulsion de courant de court-circuit qui circule à travers la plaque conductrice.
10. Écran selon la revendication 9, l'inverseur CMOS étant alimenté par un potentiel d'alimentation bas, dit Vss, et un potentiel d'alimentation haut, dit Vdd, de sorte que, à l'état stable, la plaque conductrice est portée au potentiel bas Vss ou au potentiel haut Vdd selon l'effet de la précédente commutation de l'inverseur CMOS, caractérisé en ce qu'au moins une partie de l'élément d'affichage est maintenue à un potentiel intermédiaire compris entre Vss et Vdd de façon que, quelle que soit la position stable de l'élément d'affichage, il existe une force électrostatique entre la plaque conductrice et ladite au moins une partie de l'élément d'affichage, visant à maintenir l'élément d'affichage dans ladite position stable.

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11. Écran selon les revendications 3 et 10, caractérisé en ce que les deux hémisphères de la sphère sont réalisés dans un matériau aimanté, et en ce que la sphère comprend en outre un anneau conducteur (12), ceignant le plan séparant les deux hémisphères, et constituant ladite au moins une partie de l'élément d'affichage maintenue au potentiel intermédiaire.
12. Écran selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'élément d'affichage, réalisé au moins en partie dans un matériau aimanté, possède également la faculté d'être porté au potentiel intermédiaire.
13. Écran selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que ledit potentiel intermédiaire est sensiblement égal à (Vss + Vdd)/2.
14. Écran selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que les deux hémisphères sont réalisés dans un matériau conducteur, et sont séparés par une couche de matériau diélectrique (14), en ce que l'un des deux hémisphères est alimenté par un potentiel d'alimentation bas, dit Vss, l'autre hémisphère étant alimenté par un potentiel d'alimentation haut, dit Vdd, et en ce que les moyens de contrôle de la rotation de la sphère comprennent au moins une plaque conductrice (131 à 13k), placée à une distance prédéterminée de la sphère et connectée à un moyen (151 à l5k) de commande recevant en entrée un signal de commande pouvant prendre deux états, dits 0 et 1, de façon que lorsque le signal de commande change d'état, ladite au moins une plaque conductrice est portée au potentiel bas Vss ou au potentiel haut Vdd, ce qui donne naissance à une force électrostatique entre la plaque conductrice et l'un des deux hémisphères, entraînant la rotation de la sphère autour de son axe, de l'une à l'autre desdites positions stables, puis le maintien dans ladite autre position stable.
15. Écran selon la revendication 14, caractérisé en ce que les moyens de contrôle de la rotation de la sphère comprennent au moins deux plaques conductrices, connectées chacune à un moyen de commande distinct, et alignées selon une direction non parallèle audit axe, et préférentiellement sensiblement perpendiculairement audit axe, et en ce que les moyens de commandes sont commutés séquentiellement,

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de façon que ladite force électrostatique soit initiée de façon excentrée et que la rotation de la sphère soit forcée dans un sens prédéterminé.
16. Écran selon l'une quelconque des revendications 14 et 15, caractérisé en ce que ledit moyen de commande comprend un transistor CMOS.