JP2005084331A - 表示装置、画像表示装置および表示方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光利用効率、コントラストおよび応答速度が高く、構造が簡単で、消費電力が少なく、小型化、積層構造化が可能な表示装置、画像表示装置およびそのような表示方法を提供する。
【解決手段】光透過性基板２０の内部に設けた空隙部２５の上部壁面に、特定波長の光を反射する構造色形成面３１を、底部にはアクチュエータ４０を設け、空隙部２５内に密閉した液体５０を擾乱して吐出させるアクチュエータ４０の駆動を制御して、前記構造色形成面３１と液体５０との接触および非接触を制御する。構造色形成面３１と液体５０とが非接触のときは構造色形成面３１で形成される反射光による色表示がなされ、接触したときは、構造色形成面３１が光学的に消失し、反射光による色表示はなされない。
【選択図】図１

Description

本発明は表示装置、画像表示装置および表示方法に係り、特にフラットパネルディスプレイのような薄型画像表示装置に用いる表示装置、画像表示装置および表示方法に関する。

従来より、パーソナルコンピュータや携帯情報端末（ＰＤＡ）等の情報端末機器やカーナビゲーションシステムの画像表示装置として液晶表示装置（ＬＣＤ）が広く用いられている。ＴＦＴを用いた液晶表示装置は応答速度が速く、鮮明なカラー画像の動画を表示できるという利点がある反面、バックライト等の照明光源を必要とする上、照明光源の光の利用効率が低いため、消費電力が高い、画像保持に電力を要する、視野角が狭い、等の欠点がある。

そのため、液晶表示装置の代替品として様々な方式の画像表示装置が提案されている。例えば、液体の膜沸騰現象を利用して画像のオン／オフを切り換える表示装置が提案されている（例えば特許文献１および特許文献２参照）。また、電気毛管現象を利用してインクを移動させることにより画像表示のオン／オフを切り換える表示装置を提案するものもある（例えば特許文献３参照）。

さらに、セグメント内のインクを熱的に膨張或いは収縮させたり、ダイアフラムを機械的に駆動することにより画像表示部にインクを出し入れして画像のオン／オフを切り換える表示装置を提案するものもある（例えば特許文献４参照）。さらにまた、静電気力を利用してインクを移動させることにより画像表示のオン／オフを切り換える表示装置を提案するものもある（例えば特許文献５参照）。
特開平５−１２７６０３号公報 特開平５−１２７６０４号公報 特開平１０−３９７９９号公報 特開２００１−４２７９４号公報 特開平８−２５４９６２号公報

しかし、前記特許文献１および特許文献２に開示された、流体の膜沸騰現象を利用する画像表示装置では、カラー表示しようとすると、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）およびＢ（青）あるいはＣ（シアン）、Ｍ（マゼンタ）およびＹ（イエロー）の各セルを水平方向に展開する必要がある。そのため、原理的に光の利用効率が悪く、またコントラストが低いという問題がある。また、前記特許文献３に開示された表示装置では、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）およびＢ（青）に対応する各インクを同一セル内で配合するため、光利用効率は改善されるものの、画像表示をオフにするときの３色の分離が困難で、書き替え後に所望の色を発色させることが難しいという問題がある。

さらに、前記特許文献４に開示された、インクを熱的に膨張或いは収縮させる方式では、インクの熱膨張率が低いため、インクを３００Ｋから３５０Ｋに加熱しても、インクの体積変化は約２％程度と小さい。そのため、所定の体積変化を確保しようとすると、画像表示部の体積に対して相当大きなリザーバータンクが必要となり、装置が大型化するという問題がある。また、ダイアフラムを機械的に駆動する方式では、装置の構造が複雑になり、装置の小型化を阻害する、という問題がある。さらに、前記特許文献５の表示装置では、Ｃ（シアン）、Ｍ（マゼンタ）およびＹ（イエロー）に応じた各色のセルが積層構造になっているため、該当する色を非表示状態にするためには、インクを他のセルの下側まで移動させなければならず、セルの配列に段差が生じて画質が低下するという問題や、インクの移動に時間がかかり、応答性が低いという問題がある。

本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、光利用効率、コントラストおよび応答速度が高く、カラー動画を表示でき、構造が簡単で、小型化、積層構造化が可能な表示装置、画像表示装置およびそのような表示方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る表示装置では、壁面で囲まれた空隙部を有し、前記壁面の少なくとも一部分が透明性を有する部材によって形成され、かつ、前記部分の壁面に形成された所定の規則性を持った微細凹凸形状を備えて構造色形成面を成す表示部と、前記空隙部に液面を有するように密封され、前記部材の屈折率と略同等の屈折率を有する液体と、前記液体に擾乱を与えることで前記液体を前記構造色形成面に接触させるアクチュエータと、前記アクチュエータの駆動を制御することにより、前記構造色形成面に光が入射した際の光の反射および透過特性を切り換え、前記構造色形成面によって形成される反射光を用いた色表示を制御する制御部とを有することを特徴とする。

ここで、前記アクチュエータの例として、前記液体を加熱するヒータ素子が挙げられ、前記ヒータ素子は、前記液体を加熱することでマランゴニ対流を生じさせ、前記液体を前記構造色形成面に吐出させるものであることが好ましい。前記マランゴニ対流とは、インクの温度が部分的に異なるために生じる、インクの表面張力の差異によって発生するインクの対流現象をいう。

また、前記構造色形成面の例として、一定の周期の微細凹凸形状を備えているものを挙げることができる。

また、前記表示部は、前記構造色形成面を透過した光が入射する壁面を有し、この壁面は前記構造色形成面から透過した光を透過するように透明性を有する部材で形成されていることが好ましい。

また、前記表示部として、前記構造色形成面を透過した光が入射する黒色の層を有するものを挙げることができる。

また、前記液体の例として、無色透明の液体を挙げることができる。

さらに、本発明の表示装置は、前記表示部、前記液体および前記アクチュエータを単位として、複数の単位が積層された多層構造で構成され、各層における前記表示部は、前記構造色形成面を透過した光が入射する壁面を有し、この壁面は前記構造色形成面から透過した光を透過するように透明性を有する部材で形成され、かつ、これらの表示部の前記構造色形成面の備える前記微細凹凸形状の規則性がお互いに異なっていることを特徴とする。

さらにまた、本発明の表示装置は、前記表示部、前記液体および前記アクチュエータを単位として、複数の単位が積層された多層構造で構成され、各層における前記表示部の前記構造色形成面の備える前記微細凹凸形状の規則性がお互いに異なっており、各層のうち最下層を除く層における前記表示部は、前記構造色形成面を透過した光が入射する壁面を有し、この壁面は前記構造色形成面から透過した光を透過するように透明性を有する部材で形成され、かつ、最下層の表示部は、前記構造色形成面を透過した光が入射する黒色の壁面を有することを特徴とする。

本発明の画像表示装置は、上記いずれかの単層の表示装置を複数台配列してなるセグメントを複数個マトリックス状に配列したセグメント行列と、前記複数台配列した表示装置と接続され、前記複数台配列した表示装置の少なくとも一つを駆動することにより前記セグメント行列上に画像を形成させる駆動回路とを具備することを特徴とする。

本発明の画像表示装置は、上記いずれかの多層構造で構成された表示装置を複数個マトリックス状に配列したセグメント行列と、前記複数個マトリックス状に配列した表示装置と接続され、前記複数個マトリックス状に配列した表示装置の少なくとも一つを駆動することにより前記セグメント行列上に画像を形成させる駆動回路とを具備することを特徴とする。

本発明の表示方法は、空隙部の壁面の少なくとも一部分が透明性を有する部材によって形成され、かつ、この部分に所定の規則性を持った微細凹凸形状を備えた構造色形成面を予め形成しておき、この構造色形成面において、前記構造色形成面に光が入射した際の前記部材の屈折率と略同等の屈折率を有する液体を前記構造色形成面に接触させることで所定の構造色を呈するように光の反射および透過特性を制御して色表示の制御を行うことを特徴とする。すなわち、前記液体の前記構造色形成面との接触状態および非接触状態を制御して色表示の制御を行う。

本発明によれば、従来の表示装置に比べて、光利用効率、コントラストおよび応答速度が高く、構造が簡単で、消費電力が少なく、小型化、積層構造化が可能な表示装置、画像表示装置および表示方法が提供される。

（第一の実施の形態）
以下、本発明の表示装置について説明する。図１は本発明の表示装置の一実施形態である表示装置１を示した斜視図である。図２は同表示装置１の平面図であり、図３は同表示装置１を図２中のＡ−Ａ線を通る紙面に垂直な平面で切断した切断面を表した縦断面図である。図１乃至図３に示したように、本実施形態に係る表示装置１では、支持基板１０の上に、透明性を有する部材としての光透過性基板２０が積層されている。

支持基板１０の材料は、可視光透過性と、後述する液体５０に対する耐性（以下「耐液性」という。）とを備えていればよく、特に限定されない。例えばガラスやアクリル等が挙げられる。支持基板１０の厚さは特に限定されない。代表的には支持基板１０は厚さ５０〜１０００μｍのものを用いる。２００μｍ程度の厚さの支持基板１０を用いるのが好ましい。

光透過性基板２０を構成する材料は可視光透過性と、耐液性とを備え、支持基板１０上面に積層したときに後述する空隙部２５内に後述する液体５０を密閉できるものであれば良く、特に限定されない。例えば、ガラス或いはアクリル等の樹脂が挙げられる。光透過性基板２０の厚さは、後述する空隙部２５の高さより大きいものであれば特に限定されない。代表的には、厚さ１００〜３００μｍの光透過性基板２０を用いるのが好ましい。

支持基板１０の上に積層された光透過性基板２０には、光透過性基板２０の一方の面（底面）から対向する他方の面（上面）の方向に向かって窪んだ凹部が形成されており、この凹部と支持基板１０との間には、例えば直方体状の空隙部２５が形成されている。この空隙部２５の上部と側面とは光透過性基板２０の壁面３０で囲まれ、空隙部２５の底部は支持基板１０の上面で閉塞され、壁面で囲まれた空隙部２５を有する表示部３５が形成されている。また、この表示装置１では、光透過性基板２０の上面が、後述する構造色形成面３１で反射された特定波長の光による色表示がなされる色表示面３２となっている。

空隙部２５の大きさや形状は特に限定されない。代表的には空隙部２５の高さ（支持基板１０との接合面から測った図３中上下方向の長さ）は５０〜２００μｍである。空隙部２５の幅（図２中左右方向の長さ）と奥行き（図２中の上下方向の長さ）は画像として色表示しようとする場合、色表示しようとする色表示面３２の大きさによるが、代表的には、共に５０〜３００μｍが好ましく、幅×奥行き＝５０μｍ×１００μｍ程度のものが挙げられる。

空隙部２５を囲う壁面３０のうち、図３中の上部には特定色の光、すなわち特定波長の光を反射光として形成する、いわゆる構造色を呈する、所定の規則性を持った微細凹凸形状３１１，３１１，…を備えた構造色形成面３１が形成されている（但し、図３中の３１１，３１１，…は微細凹凸形状を模式的に表したものである。）。ここで、「構造色」とは、本来固有の色を呈さず、光の波長と光の入射する面の形状の大きさとの関係により、光の干渉、回折、散乱により特定の波長の光を反射し、または透過することで、入射または反射した面が呈する色をいう。この構造色形成面３１の微細凹凸形状の大きさは、反射しようとする光の波長、ひいては反射した光によって表示しようとする色に応じて設定される。

空隙部２５の壁面３０の少なくとも一部には、後述する液体５０に対して撥液処理が施されていることが好ましい。ここで、「撥液処理」とは、液体５０をはじく性質を付与する処理をいう。例えば、水性の液体５０を用いる場合には、撥水性処理が「撥液処理」に該当し、油性の液体５０を用いる場合には、親水性処理が「撥液処理」に該当する。

撥液処理の方法は特に限定されない。撥液処理の一つである撥水性処理としては、例えばサイトップ（登録商標）のような、フッ素コーティング剤系の撥水処理剤を塗布する方法や、フッ素プラズマ処理を施す、などの方法が挙げられる。壁面３０に撥液処理を施すことにより、液体５０との離間性が向上するので、壁面３０と接触した液体５０が壁面３０から離間して非接触状態に移行する際に、高い応答速度を実現することができる、という効果が得られる。

空隙部２５内には、所定量の液体５０が収容されている。本発明で用いる液体５０は無色透明かつ光透過性基板２０と同等の屈折率を持つものであればよく、特に限定されない。

空隙部２５の底部、すなわち支持基板１０の上面には、アクチュエータとしてのヒータ４０が配設されている。空隙部２５内には液体５０が収容され、液体５０とヒータ４０上面とが接するように構成されている。駆動手段としての駆動回路および配線、例えば電気回路４１により電力の供給を受け、ヒータ４０が空隙部２５で接する液体５０を加熱する。

ヒータ４０を構成する材料は特に限定されない。通常のインクジェットヘッドで用いられる公知の材料、例えば特許第３１９４４６５号公報に記載されるＴａ−Ｓｉ−Ｏ等の三元合金薄膜抵抗体で、その組成が６４〜８５原子％のＴａ、５〜２６原子％のＳｉ、および６〜１５原子％のＯを含む合金を挙げることができる。

この三元合金薄膜抵抗体は、液体中における耐電蝕性、耐久性に優れたものであり、耐電蝕用保護層等の保護層を設ける必要がなく、液体５０に直接接触させることができる。そのため、この三元合金薄膜抵抗体で構成されたヒータ４０を用いる場合には、ヒータ４０が発する熱を液体５０に迅速に伝達することができる。ヒータ４０の大きさは代表的には幅×奥行き＝２０μ×２０μｍ程度のものが挙げられる。

このような表示装置１では、ヒータ４０を液体５０が発泡しない電力で駆動して液体５０の表面張力の温度依存性によって生じるマランゴニ対流による擾乱を利用し、液体５０を吐出して空隙部２５の上部に形成された構造色形成面３１に接触させる。マランゴニ対流を起こさせる駆動手段としては、空隙部２５の底部に配設されて空隙部２５内に密封された液体５０を加熱するヒータ４０に供給する電力を制御する電気回路４１が挙げられる。

以下、本実施形態に係る表示装置のマランゴニ対流を利用した作動原理について説明する。図４および図５は本実施形態に係る表示装置１の縦断面図である。まず光透過性基板２０により厚さが規定された、無色透明の液体５０が収容されている空隙部２５において、ヒータ４０を駆動させない状態では、図４（ａ）および図５（ａ）に示すように、空隙部２５内の液体５０は静置されており、空隙部２５の上部の構造色形成面３１は液体５０と非接触の状態にある。

この状態で、光透過性基板２０に、色表示面３２の側から、白色光である光Ｒ１が入射すると、入射した光Ｒ１は光透過性基板２０内を透過して構造色形成面３１に図５（ａ）中の上方から入射する。このとき、構造色形成面３１には特定色、例えば赤色（Ｒ）に相当する波長の光のみを反射する微細凹凸形状が形成されているとする。すると、図５（ａ）に示したように、入射した光Ｒ１のうち、赤色（Ｒ）に相当する波長の光のみを光Ｒ２として反射する。構造色形成面３１で反射された光Ｒ２は図５（ａ）に示したように進み、色表示面３２に達する。したがって、色表示面３２には、光Ｒ２により、赤色（Ｒ）の色表示がなされる。すなわち、色表示オンの状態となる。

次に、図５（ａ）および図４（ａ）に示した状態から、空隙部２５の底部に配設されたヒータ４０を駆動して発熱させると、ヒータ４０の熱が液体５０の表面に伝達して、この領域（即ち加熱領域）での液体５０の表面張力が低下する。すると、ヒータ４０の直上の液体５０はヒータ４０の外周部（周囲領域）の、相対的に表面張力の高い液体５０に引かれ、図４（ｂ）に示すように液面が変化して、外向き（図中矢印の方向）の液体進行波が発生する。

次いで、図４（ｃ）に示すように、外向きの液体進行波が空隙部２５の側部壁面３０に衝突すると、液体５０の速度成分が上向きに転じて、空隙部２５の側部壁面３０に沿って液体５０の液面が上方に盛り上がり、次いで、図４（ｄ）のように液体５０の一部がミスト５１として上方に吐出される。吐出されたミスト５１は、図４（ｅ）に示すように、空隙部２５の上部に形成された構造色形成面３１に接触して前記液体５０の液膜５２を形成する。液膜５２を形成する液体５０は光透過性基板２０と同等の屈折率を備えているため、この液膜５２が構造色形成面３１の微細凹凸形状に接触することにより、構造色形成面３１の微細凹凸形状が光学的に消失した状態となる。

次いで、ヒータ４０を停止させて発熱を停止すると、液体５０の表面が冷却され、ヒータ４０の近傍（加熱領域）とヒータ４０の外部（周囲領域）との表面張力の差が小さくなる。その結果、メニスカスの回復力或いは露出した空隙部２５の壁面３０の毛管力によって、図４（ｆ）に示すように、図中内向き方向に液体進行波が発生する。この内向きの液体進行波どうしが、例えばヒータ４０の中心部で、図４（ｇ）に示すように衝突することにより、図４（ｈ）のように液体５０の一部がミスト５３として上方に吐出される。

吐出されたミスト５３は、図４（ｉ），図４（ｊ）に示したように、空隙部２５の上部に形成された構造色形成面３１に接触して液体５０の液膜５３ａを形成する。この液膜５３ａが構造色形成面３１の微細凹凸形状に接触することにより、構造色形成面３１を光学的に消失させる。

以上の動作を周期的に繰り返すことにより、絶え間なく液体５０のミスト５１，５３が吐出され、空隙部２５の上部に形成された構造色形成面３１に液体５０が接触することにより、構造色形成面３１に形成された微細凹凸形状を光学的に消失させ、空隙部２５の上部を、光に対して透過性の状態にする。

そのため、図５（ｂ）に示すように、色表示面３２の側から入射した光Ｒ１０は、光透過性基板２０、構造色形成面３１を順次透過して空隙部２５内に入射し、構造色形成面３１に接触した液膜５２、空隙部２５の上部空間を透過して、空隙部２５の下部に収容されている液体５０内に入射する。本実施形態では液体５０は無色透明であるため、光Ｒ１０は液体５０を透過し、更に液体５０の下側の支持基板１０内に入射する。支持基板１０も光透過性であるため、光Ｒ１０は更に支持基板１０内も透過して支持基板１０の下側に隣接する層（例えば反射層）に入射する。

一方、支持基板１０は光透過性であるため、支持基板１０の下面側からも光が入射しうる。例えば、支持基板１０の下側に反射層を有する場合、反射した光Ｒ１１が支持基板１０に入射すると、この光Ｒ１１は、図５（ｂ）に示したように、上述した光Ｒ１０の経路を逆に辿り、支持基板１０、液体５０、空隙部２５の上部空間、液膜５２、構造色形成面３１および光透過性基板２０をこの順に透過して色表示面３２に到達する。この光Ｒ１１が白色光である場合、色表示面３２は輝度の高い無色の面となる。すなわち、特定の色を示す光による色表示はなされず、色表示オフの状態となる。

次いで、ヒータ４０を停止させた状態で所定時間おくと、構造色形成面３１に接触して液膜５３ａを形成していた液体５０は重力により落下し、構造色形成面３１は再び液体５０の接触していない状態になり、再び図４（ａ）および図５（ａ）の状態、すなわち色表示オンの状態に戻る。さらには構造色形成面３１の撥液処理の作用により、構造色形成面３１は速やかに液体５０の接触していない状態になる。

このように、本実施形態に係る表示装置１では、表示部３５は、ヒータ４０を駆動させないときには、構造色形成面３１で反射されて形成される特定波長の光による色表示、例えば赤色（Ｒ）の色表示がなされ、色表示オンの状態となる。その一方、ヒータ４０を駆動させると、表示部３５は、ガラスのような光に対して透過性の状態となり、色表示オフの状態となる。

すなわち、本実施形態に係る表示装置１では、ヒータ４０の駆動を制御することにより、構造色形成面３１に対して、液体５０が非接触の状態（図５（ａ）の状態）と、液体５０が接触した状態（液膜５２が形成された図５（ｂ）の状態）とを制御する。液体５０が構造色形成面３１に接触した状態では、液体５０が構造色形成面３１上に形成された微細凹凸形状を光学的に消失させるため、表示部３５に入射する光に対して構造色形成面３１が透過状態となり、構造色形成面３１が本来反射する、特定の色を示す光が反射されないことにより、特定の光が色表示面３２に表示されず、色表示オフとなる。

一方、液体５０が構造色形成面３１に非接触の状態では、空隙部２５の上部に構造色形成面３１が現れ、構造色形成面３１に形成された微細凹凸形状により、表示部３５に入射する光のうち、特定の色を示す光に対して構造色形成面３１が反射状態となり、その光の示す色を色表示面３２に表示して、色表示オンの状態となる。このように、構造色形成面３１の反射および透過特性を液体５０の構造色形成面３１への接触、非接触により切り換える。

なお、上記した、色表示オフの状態で、支持基板１０の下面側に、黒色の層（図示省略）を配設しておくと、入射した光Ｒ１０は前記黒色の層に吸収されるため、色表示面３２には特定の色を表示する光は現れず、色表示面３２に色表示はなされない。

また、前記黒色の層の代わりに、白色の層、または光を反射する反射層を配設してもよい。この場合に、光が白色の層または鏡面反射層で反射してできる反射光が、光Ｒ１０と逆向きの経路を辿って色表示面３２に到達する。前記反射光は、前記白色の層または鏡面反射層で反射した光であるため、色表示面３２には反射した光の分光波長に応じた色の表示、あるいは無色の表示がなされる。

以上、詳述したように、本実施形態に係る表示装置１では、構造色形成面３１による色表示のオン／オフを構造色形成面３１と液体５０との接触状態、非接触状態により制御し、色表示させる場合には、液体５０を擾乱させず、構造色形成面３１に液体５０を吐出させないことにより、入射光のうちの特定の波長の光を構造色形成面３１の微細凹凸形状による反射によって形成させて、特定の色表示をさせる。

換言すれば、特定の色表示をさせるのに、支持基板１０の底面からバックライト等の照明光源による照明を必要としない。そのため、バックライトからの光をカラーフィルタで着色して表示する、従来型の液晶表示装置に比べ、照明光源を必要としない分、消費電力を少なく抑えることができる。

また、カラー表示する場合、本実施形態に係る表示装置１を、光の進行方向に対して上下方向に複数台積層することができる。そのため、例えばＲ（赤）、Ｇ（緑）およびＢ（青）の各色を表示する表示装置を上下に三台積層した構造の表示ユニットを作成することができる。このような三層構造の表示ユニットでは、各表示装置の表示部の色表示面の面積が、そのまま表示ユニットで色表示できる色表示面の面積になるため、光の利用効率の高い表示ユニットを得ることができる。バックライト等の照明光源を利用する場合でも、各表示装置の色表示面の面積がそのまま表示ユニットで色表示しようとする表示面積になるため、一つの色を表示する際、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）およびＢ（青）の輝度を各々制御して一つの色を表示する従来の液晶表示装置に比べ、照明光源からの光の利用効率が高い表示ユニットが得られる。また、画像のコントラストについても、複数の表示装置を積層した構造とすることにより、コントラストの高い色表示をすることができる。

さらに、本実施形態に係る表示装置１では、インクや特定の液体の体積変化ではなく、構造色形成面３１と液体５０との接触および非接触を切り換えることにより色表示のオン／オフを制御する。そのため、使用する液体５０の量を可及的少量に抑えることができ、上記特許文献４のようにリザーバタンクなどを設ける必要がない。その結果、表示装置を小型化できる。更に、マランゴニ対流という短時間に起こる物理的な現象を利用しているので、応答速度が速く、動画を表示することもできる。なお、構造色形成面３１に撥液処理を施すことにより、構造色形成面３１の液体５０による接触状態から非接触状態に迅速に切り換えることができる。

また、色の表示は構造色形成面３１の反射、透過の光学特性を利用して行うので、支持基板１０、光透過性基板２０および液体５０として透明性を有するものを使用する。その結果、複数の表示装置を積層することができる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、支持基板１０として、光透過性の透明な支持基板１０を使用したが、光を透過しない光反射型の支持基板を用いることもできる。光を透過しない光反射型基板を支持基板１０として用いる場合には、支持基板表面に特定色の層を形成することにより、表示装置１を駆動させて構造色形成面３１による構造色の色表示をさせないときには、支持基板表面に形成された層の特定色の色表示をさせることができる。

また、上記実施形態では、アクチュエータとしてヒータ４０を用いて液体をマランゴニ対流により擾乱させる場合を例にして説明したが、ヒータによる加熱以外の方法で液体５０を擾乱させてもよい。更に、マランゴニ対流以外の方法で構造色形成面３１へ液体５０を接触させてもよい。例えば、超音波やピエゾ素子を用いて擾乱させたり、ダイヤフラムにより機械的に液体を擾乱させて構造色形成面への液体の接触、非接触を制御する方法等が挙げられる。

（第二の実施形態）
次に、本発明の第二の実施形態について説明する。本実施形態では、複数の表示装置を積層した多層構造を備えた表示ユニットについて説明する。図６は本実施形態に係る表示ユニットを垂直面で切断した状態を示した縦断面図である。本実施形態に係る表示ユニットでは、前記第一の実施形態で説明した表示装置１と同様の表示装置を一つの単位として、複数の単位が積層された多層構造を備えており、各層における構造色形成面の備える微細凹凸形状の規則性はお互いに異なっている。すなわち、図６に示したように、本実施形態に係る表示ユニット９０は、三台の表示装置６０、７０および８０を図中上下方向に積層した多層構造を備えている。各表示装置６０、７０および８０はそれぞれ前記第一の実施形態の表示装置１と同様の構造を備えている。

表示装置６０では、光透過性の支持基板１２上に積層された光透過性基板２０ａの内部に壁面３０ａで囲まれた空隙部２５ａが形成され、空隙部２５ａの底部にはヒータ４０ａが設けられ、空隙部２５ａ内には光透過性基板２０ａと同等の屈折率を有する無色透明の液体５０ａが収容されている。空隙部２５ａの上部には、特定の色、例えばＲ（赤）に対応する特定の波長の反射光を形成する微細凹凸形状を備えた構造色形成面３１ａが形成されている。

表示装置７０では、光透過性基板２０ａの上に光透過性基板２０ｂが積層され、光透過性基板２０ｂの内部に壁面３０ｂで囲まれた空隙部２５ｂが形成され、空隙部２５ｂの底部にはヒータ４０ｂが設けられ、空隙部２５ｂ内には光透過性基板２０ｂと同等の屈折率を有する無色透明の液体５０ｂが収容されている。空隙部２５ｂの上部には、特定の色、例えばＧ（緑）に対応する特定の波長の反射光を形成する微細凹凸形状を備えた構造色形成面３１ｂが形成されている。

表示装置８０では、光透過性基板２０ｂの上に光透過性基板２０ｃが積層され、光透過性基板２０ｃの内部に壁面３０ｃで囲まれた空隙部２５ｃが形成され、空隙部２５ｃ底部にはヒータ４０ｃが設けられ、空隙部２５ｃ内には光透過性基板２０ｃと同等の屈折率を有する無色透明の液体５０ｃが収容されている。空隙部２５ｃの上部には、特定の色、例えばＢ（青）に対応する特定の波長の反射光を形成する微細凹凸形状を備えた構造色形成面３１ｃが形成されている。

前記各ヒータ４０ａ、４０ｂおよび４０ｃにはそれぞれ図示しない配線が接続され、図示しない駆動回路と接続されている。表示ユニット９０で色表示を行うには、前記駆動回路により前記各ヒータ４０ａ、４０ｂおよび４０ｃを選択的に駆動させて、各表示装置６０、７０および８０のうち、色表示させようとする表示装置の構造色形成面を液体と非接触状態に保つことにより、各構造色形成面３１ａ、３１ｂおよび３１ｃで反射する光により色表示をさせる。

例えば、表示ユニット９０の色表示面３２ａにＲ（赤）の色表示をさせる場合には、ヒータ４０ｂおよびヒータ４０ｃを駆動させる。このように駆動させることにより、表示装置７０および８０は色表示せず、表示装置６０のみが構造色形成面３１ａでＲ（赤）の反射光を形成して色表示する。同様にして、表示ユニット９０の色表示面３２ａにＧ（緑）の色表示をさせる場合には、ヒータ４０ｃおよびヒータ４０ａのみ駆動させ、表示ユニット９０の色表示面３２ａにＢ（青）の色表示をさせる場合には、ヒータ４０ａおよびヒータ４０ｂのみ駆動させる。

なお、最も上の表示装置８０のみに色表示させる場合には、ヒータ４０ｃ同様、中段の表示装置７０および最も下の表示装置６０の各ヒータ４０ｂおよびヒータ４０ａを停止させたままにしてもよい。また、中段の表示装置７０のみに色表示させる場合には、ヒータ４０ｃのみを駆動して、中段の表示装置７０および最も下の表示装置６０の各ヒータ４０ｂおよびヒータ４０ａを停止させたままにしてもよい。

また、表示ユニット９０の色表示面３２ａにＫ（黒）の色表示をさせるには、支持基板１２の下側に黒色の層を形成した状態でヒータ４０ａ、４０ｂおよび４０ｃを駆動させる方法が例示される。同様に、表示ユニット９０の色表示面３２ａにＷ（白）の色表示をさせるには、全てのヒータ４０ａ、４０ｂ、および４０ｃを駆動させない方法が例示される。なお、支持基板１２の下側に黒色の層を形成する代わりに、支持基板１２の表面または内部に黒色の層を形成しておいてもよい。また、表示ユニット９０で透過光を利用して色表示を行う場合には、図６中支持基板１２の下面側から、バックライト等の照明光源からの光を照射する方法が例示される。

さらに、ヒータ４０ａ、４０ｂおよび４０ｃのうちの一つのヒータのみ駆動させることにより、表示ユニット９０の色表示面３２ａにＣ（シアン）、Ｍ（マゼンタ）またはＹ（イエロー）の色表示をさせることもできる。すなわち、ヒータ４０ａのみ駆動させることにより、構造色形成面３１ｂで反射されるＧ（緑）の光と構造色形成面３１ｃで反射されるＢ（青）の光とが重なって色表示面３２にＣ（シアン）の色表示がなされる。

またヒータ４０ｂのみ駆動させることにより、構造色形成面３１ａで反射されるＲ（赤）の光と構造色形成面３１ｃで反射されるＢ（青）の光とが重なって色表示面３２ａにＭ（マゼンタ）の色表示がなされる。同様に、ヒータ４０ｃのみ駆動させることにより、構造色形成面３１ａで反射されるＲ（赤）の光と構造色形成面３１ｂで反射されるＧ（緑）の光とが重なって色表示面３２ａにＹ（イエロー）の色表示がなされる。

すなわち、ヒータ４０ａ、４０ｂおよび４０ｃの三つのヒータについて、それぞれ独立に駆動／停止の二通りの制御を行うことができるため、合計８通り（２³ 通り）の色表示の制御が可能であり、それに対応して、表示ユニット９０の色表示面３２ａには、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）、Ｃ（シアン）、Ｍ（マゼンタ）、Ｙ（イエロー）、Ｋ（黒）およびＷ（白）の合計８色の色表示をさせることができる。さらに、ヒータ４０ａ，４０ｂおよび４０ｃの駆動時間を制御することにより、色表示の時分割駆動を行って種々の色表示を行うこともできる。
例えば、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各色を８ｂｉｔで時分割すれとすれば、全時間をＴとして、Ｒ（赤）をＴ時間駆動し、Ｇ（緑）を１００Ｔ／２５６時間駆動し、Ｂ（青）を１００Ｔ／２５６時間駆動することにより、（Ｒ，Ｇ，Ｂ）＝（２５５，９９，９９）のデジタルデータの色表示を行うことが出来る。

このように、本実施形態に係る表示ユニット９０では、三台の表示装置６０、７０および８０を積層している。そのため、ひとつの表示ユニット９０でＲ（赤）、Ｇ（緑）およびＢ（青）の色表示のオン／オフを独立して制御できる。また、マランゴニ対流を利用して液体５０ａ、５０ｂおよび５０ｃと構造色形成面３１ａ、３１ｂおよび３１ｃとをそれぞれ接触、非接触させることにより、色表示のオン／オフを制御するので、応答速度が高く、カラー動画を表示することもできる。

なお、本実施形態に係る表示ユニット９０では、Ｂ（青）の色表示をする表示装置８０を最も上の段に配設し、Ｇ（緑）の色表示をする表示装置７０を中央の段に配設し、Ｒ（赤）の色表示をする表示装置６０を最も下の段に配設したが、この配置に限定されるものではない。

また、本実施形態では表示装置を三台積層した三層の積層構造を備えた表示ユニット９０を例にして説明したが、二台積層した二層の積層構造の表示ユニットや、四台以上積層した四層以上の積層構造の表示ユニットを作成することもできる。さらに本実施形態では、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）およびＢ（青）の各色を色表示する表示装置６０〜８０を積層した表示ユニット９０について説明したが、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）およびＢ（青）以外の色を色表示する表示装置を積層してもよい。

（第三の実施形態）
次に、本発明の第三の実施形態に係る画像表示装置について説明する。本実施形態では、上記第二の実施形態に係る表示ユニットを複数、マトリックス状に配設した構造の画像表示装置について説明する。図７は本実施形態に係る画像表示装置の概略構成を示した図である。図７に示したように、本実施形態に係る画像表示装置２００では、複数の表示ユニットが基板１０２上にマトリックス状に規則正しく配列されている。各表示ユニットは、前記第二の実施形態の表示ユニット９０と同じ表示ユニット１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…である。図７に示す小円Ｂは画像表示装置２００上に配列された表示ユニットの一つを拡大した平面図である。

図７に示した小円Ｂに示すように、画像表示装置２００の上面には複数の表示ユニット１００ａ、１００ｂ、１００ｃ…が配設されている。各表示ユニット１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…は、上記第二の実施形態の表示ユニット９０と同様に、光透過性基板の内部に空隙部を設け、その中に無色透明の液体を収容した表示装置を三段に積層した多層構造を備えている。表示ユニット１００の各表示装置では、図６に示した表示ユニット９０と同様に、支持基板上に光透過性基板２０ｃ（２０ｂ，２０ａ）が積層され、光透過性基板２０ｃ（２０ｂ，２０ａ）の内部に壁面３０ａ（３０ｂ，３０ｃ）で囲まれた空隙部２５ｃ（２５ｂ，２５ａ）が形成され、空隙部２５ｃ（２５ｂ，２５ａ）の各底部にはヒータ４０ｃ（４０ｂ，４０ａ）が配設されている。空隙部２５ｃ（２５ｂ，２５ａ）内には図示しない無色透明の液体が収容されている。なお、図７中、最下段とその上の中段の表示装置は省略する。

各表示ユニット１００ａ、１００ｂ、１００ｃ…には配線１１７、１１９が接続されており、この配線１１７、１１９を介して横配線１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄ，…、および縦配線１１８ａ，１１８ｂ，１１８ｃ，１１８ｄ，…と接続され、他端側で駆動回路９５と接続されている。例えば、小円Ｂに示した表示ユニット１００では、最も上の段の表示装置のヒータ４０ｃは、配線１１７ａを介して横配線１１６ａと接続され、配線１１９ａを介して縦配線１１８ｅと接続され、横配線１１６ａおよび縦配線１１８ｅは駆動回路９５と接続されている。同様に、中央の段の表示装置のヒータ４０ｂ、最も下の段の表示装置のヒータ４０ａについても、図示しない横配線および縦配線を介して駆動回路９５に接続されている。

表示ユニット１００の色表示面に色表示させるには、横配線１１６、配線１１７、縦配線１１８および配線１１９を介して駆動回路９５からヒータ４０ｃ（４０ｂ、４０ａ）を駆動することにより表示ユニット１００を構成する三段の表示装置の各々について色表示のオン／オフを制御することにより、表示ユニット１００の上面の色表示面に所望の色表示をさせる。同様にして、表示ユニット１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…についても、画像信号に基づいて、駆動回路９５により各表示ユニット１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…の各ヒータの駆動を制御することにより、各表示ユニット１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…の色表示面に所定の色表示をさせる。このように本発明の表示ユニット１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…をマトリックス状に配列して駆動回路９５で駆動することにより、カラー画像を形成する画像表示装置を得ることができる。

このような画像表示装置では、各表示ユニット１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…について、所望の色表示ができるので、一つの表示ユニットを色表示の最小単位としての一つのセグメントとして使用することができる。その結果、一つのセグメントで所定の色表示をする場合、表示面積が大きくなるため、非常にきめの細かい、繊細な画像を表示することができる。

なお、本実施形態では、三台の表示装置６０、７０および８０を三段に積層した三層構造の表示ユニットをひとつのセルとしてマトリックス状に配列してなる画像表示装置について説明したが、これに限定されない。三台の表示装置６０、７０および８０を水平方向に配列して一つの表示ユニットとし、この表示ユニットを一つのセルとしてマトリックス状に配列した画像表示装置を作成することもできる。

本発明の第一の実施形態に係る表示装置の斜視図である。 本発明の第一の実施形態に係る表示装置の平面図である。 本発明の第一の実施形態に係る表示装置の縦断面図である。 （ａ）〜（ｊ）は本発明の第一の実施形態に係る表示装置の作動状態を示した縦断面図である。 （ａ）および（ｂ）は本発明の第一の実施形態に係る表示装置の光の透過状態を示した縦断面図である。 本発明の第二の実施形態に係る表示ユニットの縦断面図である。 本発明の第三の実施形態に係る画像表示装置の平面図である。

符号の説明

１０ 支持基板
２０ 光透過性基板（透明性を有する部材）
２５ 空隙部
３１ 構造色形成面
３２ 色表示面
３５ 表示部
４０ ヒータ
５０ 液体
６０ 表示装置
７０ 表示装置
８０ 表示装置
９０ 表示ユニット
９５ 駆動回路
１００ 画像表示装置
１１６ 横配線
１１７ 配線
１１８ 縦配線

Claims (11)

1. 壁面で囲まれた空隙部を有し、前記壁面の少なくとも一部分が透明性を有する部材によって形成され、かつ、前記部分の壁面に形成された所定の規則性を持った微細凹凸形状を備えて構造色形成面を成す表示部と、
   前記空隙部に液面を有するように密封され、前記部材の屈折率と略同等の屈折率を有する液体と、
   前記液体に擾乱を与えることで前記液体を前記構造色形成面に接触させるアクチュエータと、
   前記アクチュエータの駆動を制御することにより、前記構造色形成面に光が入射した際の光の反射および透過特性を切り換え、前記構造色形成面によって形成される反射光を用いた色表示を制御する制御部と、
   を有することを特徴とする表示装置。
2. 前記アクチュエータは、前記液体を加熱するヒータ素子であり、
   前記ヒータ素子は、前記液体を加熱することでマランゴニ対流を生じさせ、前記液体を前記構造色形成面に吐出させる請求項１に記載の表示装置。
3. 前記構造色形成面は、一定の周期の微細凹凸形状を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の表示装置。
4. 前記表示部は、前記構造色形成面を透過した光が入射する壁面を有し、この壁面は前記構造色形成面から透過した光を透過するように透明性を有する部材で形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の表示装置。
5. 前記表示部は、前記構造色形成面を透過した光が入射する黒色の層を有する請求項１乃至３のいずれか一項に記載の表示装置。
6. 前記液体は、無色透明であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の表示装置。
7. 前記表示部、前記液体および前記アクチュエータを単位として、複数の単位が積層された多層構造で構成され、各層における前記表示部は、前記構造色形成面を透過した光が入射する壁面を有し、この壁面は前記構造色形成面から透過した光を透過するように透明性を有する部材で形成され、かつ、これらの表示部の前記構造色形成面の備える前記微細凹凸形状の規則性がお互いに異なっていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の表示装置。
8. 前記表示部、前記液体および前記アクチュエータを単位として、複数の単位が積層された多層構造で構成され、各層における前記表示部の前記構造色形成面の備える前記微細凹凸形状の規則性がお互いに異なっており、各層のうち最下層を除く層における前記表示部は、前記構造色形成面を透過した光が入射する壁面を有し、この壁面は前記構造色形成面から透過した光を透過するように透明性を有する部材で形成され、かつ、最下層の表示部は、前記構造色形成面を透過した光が入射する黒色の壁面を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の表示装置。
9. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の表示装置を複数台配列してなるセグメントを複数個マトリックス状に配列したセグメント行列と、
   前記複数台配列した表示装置と接続され、前記複数台配列した表示装置の少なくとも一つを駆動することにより前記セグメント行列上に画像を形成させる駆動回路とを具備することを特徴とする画像表示装置。
10. 請求項７または８に記載の表示装置を複数個マトリックス状に配列したセグメント行列と、
    前記複数個マトリックス状に配列した表示装置と接続され、前記複数個マトリックス状に配列した表示装置の少なくとも一つを駆動することにより前記セグメント行列上に画像を形成させる駆動回路と
    を具備することを特徴とする画像表示装置。
11. 空隙部の壁面の少なくとも一部分が透明性を有する部材によって形成され、かつ、この部分に所定の規則性を持った微細凹凸形状を備えた構造色形成面を予め形成しておき、
    この構造色形成面において、前記構造色形成面に光が入射した際の前記部材の屈折率と略同等の屈折率を有する液体を前記構造色形成面に接触させることで所定の構造色を呈するように光の反射および透過特性を制御して色表示の制御を行うことを特徴とする表示方法。

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