JP5763685B2 - 表示素子 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、視覚による、及び／又は、特に、タッチ感応ディスプレイ用には限定されない、触知可能なディスプレイ用の表示素子に関する。

発明の背景
現在、ディスプレイ技術はＬＣＤ，プラズマ、ＣＲＴ，ＯＬＥＤ／ＬＥＤ、プロジェクションの５つの主要なタイプに分類される。これらの技術は更に以下のようにカテゴリー化できる。
１．ＬＣＤやプロジェクション等のシャッタ付技術。これらはスクリーンの所定部分において光を通して所望の像を形成する。
２．スクリーン上の所定位置で光を放出し所望の像を表すプラズマ、ＣＲＴやＯＬＥＤ／ＬＥＤ等の放出性の技術。

シャッタ付技術は効率性に乏しい。これはバックライトによって与えられる光が部分的にブロックされるからである。また、どの技術も明るい照明条件のもとでうまく機能しない。半透過型ＬＣＤ技術は明るい照明を反射するが、視野角が狭いという欠点がある。

タッチ感応アプリケーションのために、ユーザが指又はスタイラスを用いて入力できるようにタッチ感応層を表示パネルに付加することができる。触知可能なアプリケーションのために、手触り感のある又は３Ｄの表記を与える触知可能な層を付加することができる。

前述の全ての技術は、追加の層を視覚ディスプレイ上に直接付加しなければならず、従って表示パネルの光出力、明瞭性及びコントラストを低下させることになるという点においてタッチ感応又は触知可能なアプリケーションに対して同様の欠点を有している。更に、この追加の層及び関連する要素はディスプレイの費用を増加させる。

更に、マトリクスにおいて感知する行と列に基づくタッチ感応技術のいくつかは、一時に単一のタッチを検出することが出来るだけである。他のタッチ感応技術は空間分解能に乏しい。

発明の説明
本発明の一側面によれば、クレーム１による電気的に作動可能な表示素子を提供する。本発明の他の側面によれば、クレーム１４による表示素子を提供する。

以下に示す図面について、本発明の好ましい実施形態の詳細な説明を述べるが、これは本発明を例示しているに過ぎない。
本発明の第１実施形態の表示パネルにおいて、それぞれ非作動の及び作動した状態での二つの隣り合うピクセルの概略的横断面である。 第１実施形態の表示パネルの層の概略的斜視図である。 第１実施形態の表示パネルにおいて、それぞれ非タッチ感応及びタッチ感応の状態での二つの隣り合うピクセルの概略的横断面である。 第１実施形態の表示パネルにおいて、それぞれ非触知及び触知状態での二つの隣り合うピクセルの概略的横断面である。 本発明の第２実施形態の表示パネルにおいて、それぞれ非作動の及び作動した状態での二つの隣り合うピクセルの概略的横断面である。

実施形態の詳細な説明
以下の明細書において、機能的に同様の部分は異なる実施形態間において同じ参照符号を用いる。

第１実施形態
本発明の第１実施形態は、タッチ感応入力及び触知可能な出力を有する視覚表示スクリーンを有する。その視覚による、タッチ感応及び触知可能な機能は全て、圧電性物質等の電気的にアクティブな同じ材料によりもたらされる。本技術分野において知られているように、圧電性物質は機械的圧力に応じて電場を発生し、また電場の印加により物質内に応力を生み出す逆の圧電効果を示し、抑えられなければ物質の膨張又は縮小をもたらす。物質内のこの応力は、電場に比例することができる。圧電性物質はセラミックスやＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）等のポリマーとすることができる。圧電性物質の機械的及び電気的特性は、該物質の複数の層を設けることにより高めることができる。圧電性物質に代わるものとして、人工筋肉への用途が現在提案されているカーボンナノチューブ等（例えば、２００９年３月２０日サイエンス「Ｇｉａｎｔ−Ｓｔｒｏｋｅ，Ｓｕｐｅｒｅｌａｓｔｉｃ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ Ａｅｒｏｇｅｌ Ｍｕｓｃｌｅｓ」アリーヴ エー 他、ＶＩ．３２３、第５９２１番、１５７５−１５７８ページ参照）、電場に応じて形状又はサイズの変化を示す他の物質を用いることができる。

図１から４は、本発明の第１実施形態の表示パネルの構造上の詳細を例示している。第１実施形態の視覚表示スクリーンは、ディスプレイのピクセル構成に対応するマトリクス状に配列されたセル２ａ、２ｂを支持する絶縁基板１を有している。セル２ａ、２ｂは、基板１の表面における穴として一体に形成してもよく、又は図２に示すように穴が開けられた別個の層として設けられてもよい。どちらの場合でも、セル２ａ、２ｂはセル２ａ、２ｂ間に形成された壁３を有する。圧電性作動素子４ａ、４ｂは、セル２ａ、２ｂの頂部にわずかな空隙（void）を残してそれぞれこれらのセル２ａ、２ｂ内に取り付けられている。

絶縁基板１は、例えば絶縁基板１の片側又は両側に形成された層として、電気接続部８ａ、８ｂを有しており、これらは各圧電性作動素子４ａ、４ｂに対し個々にアドレス可能な電気的接続を作る。ディスプレイコントローラ１０はこの電気接続部に接続されており、以下により詳細を説明するようにディスプレイを駆動する。

各圧電性作動素子４ａ、４ｂの上面５ａ、５ｂは、スイッチが入ると、対応するピクセルの所望の外観に応じて、照明されたとき光を反射及び／又は放出するよう構成されている。一例において、上面５ａ、５ｂはピクセルの所望の色を有する色付き層を有している。この色付き層は蛍光性であっても良い。

各セル２ａ、２ｂ内の残りのスペースは、実質的に不透明な流体６で満たされており、セル２ａ、２ｂは壁３の上端に固定された実質的に透明なフロントスクリーン７により密封されている。従って、ピクセル「オフ」であるセル２ａに示すように、流体６は圧電性作動素子４ａの上部の空隙を満たしており、圧電性作動素子４ａの上面５ａを覆っている。これにより流体６のみがフロントスクリーン７を介して見える。セル２ｂに示すように、電圧Ｖ_１がセル２ｂに印加されると、圧電性作動素子４ｂの高さが増して幅が縮み、これにより流体６は圧電性作動素子４ｂの上面とフロントスクリーン７との間から排出され、壁３と圧電性作動素子４ｂ間に保持される。このとき上面はフロントスクリーンを介して見えており、ピクセルはピクセル「オン」の状態において現れている。電圧のスイッチがオフに切り替わると、圧電性作動素子はセル２ａに示す休止位置(rest position)に戻る。

圧電性作動素子４ａ、４ｂに印加される電圧Ｖ_１、ひいてはフロントスクリーン７と上面５ａ、５ｂ間の流体６の厚さを変えることにより表示されたピクセルの明度をコントロールすることができる。

上面５ａ、５ｂが蛍光性である場合は、表示スクリーンの光源形成部からの紫外（ＵＶ）光によって照明しても良い。例えばこの紫外光を、紫外光にとって光ガイドとして働くフロントスクリーン７の１若しくは複数の側面に導入しても良い。

圧電性作動素子４ａ、４ｂへの電気接続部の一つの極８ａは、例えば溶解塩を含ませることによる、導電性の流体６を介して作成しても良い。

第１実施形態のディスプレイのタッチ感応機能を図３に例示する。フロントスクリーン７は可撓性であり、このためフロントスクリーン７に加えられる圧力は圧電性作動素子４ｂに伝達される。直接的な圧電効果の結果として、電圧Ｖ_２が電気接続部８ａ及び８ｂ間に生じてディスプレイコントローラ１０により感知される。ディスプレイコントローラ１０は圧力が加えられた個々のセル２ａ、２ｂを検知する。
検出された電圧は圧力で異なるため、ディスプレイコントローラ１０が各ピクセルに加えられた圧力のレベルを決定するようにして、これにより釣り合ったタッチ感応ディスプレイを可能にすることができる。各ピクセルは表示素子及び個別にアドレス可能な圧力変換器として効率的に働く。この技術は多くの新たなタッチ感応ディスプレイアプリケーションを可能とする。

電圧Ｖ_１の印加により圧電性作動素子４ｂが付勢される場合、電圧Ｖ₂は印加された電圧Ｖ_１に対抗することとなる。「オフ」状態の上面５ａとフロントスクリーン７との間のスペースは、「オフ」状態においては圧電性作動素子４ａにより圧力が感知され得ないようにしても良い。

第１実施形態の触知可能な側面を図４に例示する。電圧Ｖ_１より高い電圧Ｖ_３が印加された場合、圧電性作動素子４ｂは更に膨張しその位置において可撓性のフロントスクリーン７の外側を変形させる。この変形は、可視ピクセルと同様触知可能な隆起をもたらし、これによりユーザは表示されたイメージに触ることができる。

従って、第１実施形態は、同じ圧電性素子を用いた視覚による、タッチ感応及び／又は触知可能な機能を提供し、タッチ感応及び／又は触知可能な機能のための追加の層が不要となる。これら３つの全ての機能がもたらされることは必須ではない。例えば、フロントスクリーン７が堅ければ、視覚によるディスプレイのみが提供されるであろう。

圧電性素子４ａ、４ｂは圧電性物質を積み重ねた複数の層から構成しても良い。圧電性素子４ａ、４ｂは片持ちの曲げ構成又は片持ち梁の構成に配置しても良い。圧電性素子４ａ、４ｂはＸ分極又はＹ分極構成に配置しても良い。

表示パネルはインタラクティブインディケーター、店頭ディスプレイ(point of sale display) 又は他のディスプレイとして使用しても良い。第１実施形態の応用は平面表示スクリーンに限られず、製品とユーザ間の視覚と触知による二通りの通信についてユーザの経験を高める、例えば玩具用及び他の製品用の「外皮（skin）」又は表面層を含んでも良い。

第２実施形態
本発明の第２実施形態において、視覚による及び／又は触知可能な表示機能は圧電性よりも電気的加熱による熱膨張によりもたらされる。しかしながら、タッチ感応用圧電性素子を含めても良い。第１実施形態と同様の部分は同じ参照符号で示し、簡潔性のため記述を繰り返さない。

構造上の詳細を図５に示す。各セル２ａ、２ｂ内には、ディスプレイコントローラ１０の制御に基づき電気ヒータ９ａ、９ｂへ電流を供給して選択的に加熱される流体を含む熱膨張袋１１ａ、１１ｂが設けられている。上面５ａ、５ｂはこれにより上方に押し進められフロントスクリーン７に近接又は接触して可視化し、ピクセルが「オン」に切り替わる。電流の供給がオフに切り替わると、熱膨張袋１１ａ、１１ｂが縮小しピクセルが「オフ」に切り替わる。このように、ディスプレイコントローラ１０はそれぞれピクセルのオンとオフを個々に切り替えることができる。

上面５ａ、５ｂを可撓性にしても良く、これにより熱膨張袋１１ａ、１１ｂが膨張するにつれてフロントスクリーン７と接触している上面５ａ、５ｂの割合（proportion）が増加する。このように、ピクセルの表示色の明度をコントロールすることができる。フロントスクリーン７を可撓性にして熱膨張袋１１ａ、１１ｂの膨張により外側に歪むようにしてもよく、これにより「オン」に切り替えられたときピクセルの触知可能な表示がもたらされる。

圧電性感知素子４ａ、４ｂを熱膨張袋１１ａ、１１ｂ内にそれぞれ設けることもでき、またフロントスクリーン７を可撓性にすることもできる。このように、熱膨張袋１１ａ、１１ｂが膨張してフロントスクリーン７と接触したとき、フロントスクリーン７に加えられた圧力は圧電性感知素子４ａ、４ｂに流体的に伝達され、このことがディスプレイコントローラ１０に感知される電圧を発生させて各セル２ａ、２ｂに対して個々のタッチ感応性を提供する。

本実施形態において、熱膨張袋１１ａ、１１ｂの周囲には液体は無い。液体があると熱膨張袋１１ａ、１１ｂの容積の増加が妨げられるからである。

代わりの実施形態
圧電性素子４ａ、４ｂ及び／又は熱膨張袋１１ａ、１１ｂと同様の効果を得るために、各セル２ａ、２ｂ内に代わりの電気作動手段を設けることもできる。例えば、マイクロメカニカルアクチュエータを用いることができる。

上述の実施形態は本発明の限定ではなく例示である。上記記載と明らかに読める他の実施形態は本発明の範囲内である。

Claims (8)

1. 視覚性を有し、タッチ感応性を有し、かつ触知可能な機能を有するように構成された電気作動可能素子（４ａ；４ｂ）を有する表示素子であって、
   前記電気作動可能素子（４ａ；４ｂ）は、基板（１）と実質的に透明で可撓性の表示面（７）との間で、実質的に不透明な流体（６）を入れたセル（２ａ；２ｂ）内に配置され、電気的に駆動されて該電気作動可能素子（４ａ；４ｂ）の一部（５ａ；５ｂ）と前記表示面（７）との分離状態を変化させてこれらの間の流体（６）の厚さを変化させ、それで表示強度を変化させ、
   前記電気作動可能素子（４ａ；４ｂ）は、前記表示面（７）に接触したときに該表示面（７）上の圧力を検知するよう構成され、かつ、
   前記電気作動可能素子（４ａ；４ｂ）の前記一部（５ａ；５ｂ）は、前記表示面（７）に近接又は接触させることで前記表示面（７）を歪ませて前記触知出力を出す表示素子。
2. 前記電気作動可能素子（４ａ；４ｂ）は、印加される圧力レベルを検知するように構成されている請求項１に記載の表示素子。
3. 前記電気作動可能素子（４ａ；４ｂ）の前記一部（５ａ；５ｂ）は、光学的に反射性がある請求項１又は２に記載の表示素子。
4. 前記電気作動可能素子（４ａ；４ｂ）の前記一部（５ａ；５ｂ）は、蛍光性である請求項１又は２に記載の表示素子。
5. 前記表示面（７）は、前記一部（５ａ；５ｂ）に光をガイドするように構成されている請求項３又は４に記載の表示素子。
6. 前記流体（６）は導電性であり、前記電気作動可能素子（４ａ；４ｂ）に電気接点を提供するよう構成されている請求項１乃至５の何れか一項に記載の表示素子。
7. 前記電気作動可能素子（４ａ；４ｂ）は、圧電性素子からなる前記請求項１乃至６の何れか一項に記載の表示素子。
8. 請求項１乃至７の何れか一項に記載された個々に電気的にアドレス可能な表示素子の配列を有するディスプレイ。

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