JP2009020439A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、可視光の反射を利用して多様な表示ができるとともに、黒色などのバックグランド色を明瞭に表示することができる画像表示装置１０を提供すること。
【解決手段】画像表示装置１０は、特定の波長の可視光を反射する複数の表示素子２２と、黒色の着色部２６と、表示素子２２を弾性変形する形状変形部３０とを備えている。各々の表示素子２２は、規則的な間隔で配列されたコロイド粒子２３ａと、充填材２３ｂとを有している。変形駆動部３２は、表示素子２２を第１変位に設定すると、表示素子２２が可視光領域に反射波長のピーク値を示さないから、可視光は、表示素子２２を透過して着色部２６で反射されて着色部２６の黒色を表示する。また、変形駆動部３２は、表示素子２２を第２変位に設定すると、可視光領域の光のうち特定の反射波長を反射して、該反射波長の色を表示する。
【選択図】図５

Description

本発明は、コロイド粒子による周期構造体によって特定の波長の可視光を反射することで画像を表示する画像表示装置に関する。

この種の画像表示装置として、例えば、特許文献１の技術が知られている。この装置では、高分子ゲルを充填したコロイド結晶を各画素として構成し、各画素に電圧を印加することにより高分子ゲルに溶媒を吸収・放出させて、コロイド結晶に膨張収縮による体積変化を生じさせる。これにより、コロイド結晶の間隔を変化させて、可視光のうちブラッグの法則に定められる波長の光を反射させて所望の表示を得ている。しかし、この画像表示装置では、黒色を表示することができないために、表示内容が制限されるという課題があった。

特開２００７−１１１１２号公報

本発明は、上記従来の技術の課題を踏まえ、可視光の反射を利用して多様な表示ができるとともに、黒色などのバックグランド色を明瞭に表示することができる画像表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明は、
複数配列され特定の波長の可視光を反射することで画像を表示する画像表示装置において、
上記各々の表示素子は、規則的な間隔で配列されたコロイド粒子と、該コロイド粒子の間に介在し弾性変形可能である充填材とを有し、上記間隔を変更することで特定の波長の可視光を反射するように構成した表示素子と、
上記各々の表示素子に対応して設けられかつ該対応する表示素子を変形させる変形駆動部を有する形状変形部と、
上記表示素子を透過した光が当たる位置に配置された所定の色を施した着色部と、
を備え、
上記変形駆動部は、上記表示素子が可視光を透過させかつ上記着色部の所定の色を表示する第１変位に設定可能であるとともに、上記第１変位と異なりかつ上記表示素子の変位に応じて可視光領域の反射波長を変更する第２変位に設定可能であるように構成したこと、を特徴とする。

本発明の画像表示装置は、特定の波長の可視光を反射することで表示を変更する表示素子を複数配置している。表示素子は、コロイド粒子が規則的な間隔で配列され、その間に充填材が介在している。このような表示素子に可視光を当てると、反射率が特定の反射波長λpeakで増大する。すなわち、反射波長λpeakは、ブラッグの法則およびスネルの法則に基づいて、コロイド粒子が作る（１１１）面の間隔ｄをパラメータとする式（１）により表わされる。
λpeak＝２ｄ(111)（ｎeff²−ｓｉｎ²θ）^0.5 −（１）
λpeak：反射波長
θ ：入射角
ｄ(111) ：間隔
ｎeff：有効屈折率
すなわち、間隔ｄの相違により入射される可視光に含まれる波長を選択的に反射させることができる。ここで、有効屈折率ｎeffは、コロイド粒子の屈折率と充填材の屈折率、およびその割合によって、式（２）により定められる。
ｎeff ＝（１−φ）ｎs＋φ・ｎsphere −（２）
ｎsphere：コロイド粒子の屈折率
ｎs：充填材の屈折率
φ：体積当たりに占めるコロイド粒子の占有率

このように表示素子は、コロイド粒子の間隔を変更して、反射波長λpeakを変えることができる。本発明では、特定の波長の可視光を選択的に反射する表示素子を複数配列し、さらに、形状変形部の変形駆動部により、その表示素子の間隔を変更することで、画像表示を得ることができる。すなわち、変形駆動部は、表示素子を第１変位に設定すると、表示素子は、可視光領域に反射波長のピーク値を示さないから、可視光は、表示素子を透過して着色部で反射されて着色部の所定の色を表示する。また、変形駆動部は、表示素子を第２変位に設定することで、可視光領域の光のうち特定の反射波長を反射して、該反射波長の色を表示する。よって、画像表示装置は、各々の表示素子の変位を設定することで種々の画像を表示することができる。

ここで、着色部の所定の色は、単一色や模様などの種々に設定することができ、黒色である場合には、従来の技術で表示することができなかった表示素子に黒色を表示させることができる。

また、画像表示装置の好適な態様として、上記表示素子と上記駆動素子との間に介在し、該表示素子の間隔を均一に押圧する加圧板を備え、上記着色部は、上記加圧板と一体に設けられている構成をとることができる。この構成により、表示素子を加圧板で均一に圧縮するとともに、着色部の配置を容易にする。

ここで、コロイド粒子の粒径は、規則的な間隔で配列された状態のうち、可視光が透過する状態と特定の波長で反射する状態のいずれかをとることができる値、例えば、コロイド粒子の粒径を８０〜１５０ｎｍ以下することが好ましい。これは、８０ｎｍ以下であると可視光領域に反射波長を示さず、また、粒径が１５０ｎｍを越えると、可視光の透過率が減少するからである。
また、充填材は、外力によりコロイド粒子の間隔を変更することができる弾性体であることが好ましく、例えば、アクリルエラストマー、シリコンエラストマー、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ハイドロキシエチルメタクリレート（ＨＥＭＡ）などを用いることができる。

以下、発明を実施するための最良の形態を実施例にしたがって説明する。
（１） 画像表示装置１０の概略構成
図１は本発明の第１実施例にかかる画像表示装置１０を示す平面図、図２は図１の２−２線に沿った断面図である。図２において、画像表示装置１０は、支持基板１１と、支持基板１１に所定間隙を隔てて平行に配置された表示パネル１２と、支持基板１１と表示パネル１２の間に配置され、多数の表示素子２２から形成された表示機構２０と、表示機構２０の表示素子２２を変形するための応力を加えるための形状変形部３０と、形状変形部３０に駆動信号を出力する制御装置４０（図１）と、表示機構２０の側面を囲むように配置された枠体５０とを備えている。この画像表示装置１０の構成において、制御装置４０が形状変形部３０に駆動信号を出力して、表示機構２０の各々の表示素子２２の形状を変えて表示素子２２の反射波長を設定することにより、多様な表示を行なうことができる。以下、画像表示装置１０の各部の構成について説明する。

（２） 画像表示装置１０の各部の構成
支持基板１１は、表示機構２０を支持するための部材であり、プリント基板などから形成されている。表示パネル１２は、可視光を透過可能であるガラス板や透明樹脂から形成された透明基板１２ａと、透明基板１２ａの外面に形成されたマスキング１２ｂとを備えている。図１に示すように、マスキング１２ｂには、２次元に配置された正方形の窓１２ｃが形成されている。窓１２ｃは、１個当たり５ｍｍ×５ｍｍであり、８×８に配列されている。

図３は表示機構２０の一部を拡大した説明図である。表示機構２０は、複数のセルを２次元のマトリックスに配置した表示素子２２と、表示素子２２の下面に装着された加圧板２５とを備えている。表示素子２２は、コロイド粒子２３ａと、コロイド粒子２３ａの間に充填された充填材２３ｂとから構成されている。コロイド粒子２３ａは、最密充填構造の格子位置と同様の位置に配置されているが、近接するコロイド粒子２３ａ間には充填材２３ｂが存在しており、コロイド粒子２３ａ同士は接触していない。コロイド粒子２３ａとして、例えば、粒径が８０ｎｍのＳｉＯ_２粒子が用いられる。充填材２３ｂは、第１樹脂材料［ポリエチレングリコール＃６００ジアクリレート（製品名：新中村化学工業株式会社性；ＮＫエステルＡ−６００）］と、第２樹脂材料［メトキシポリエチレングリコール＃４００アクリレート（製品名：新中村化学工業株式会社性；ＮＫエステルＡＭ−９０Ｇ）］の混合物から形成されており、その割合が１：４〜１：１９となっている。また、コロイド粒子２３ａは、充填材２３ｂの１５重量％に対して６重量％の配合割合に調製されている。このような条件では、コロイド結晶を変形させない状態で、コロイド粒子の結晶面（１１１）における間隔ｄ（１１１）が２３０ｎｍに配置され、図４に示すように、赤色に反射波長のピーク値が表われ、赤色の表示をすることができる。上述では、コロイド結晶の一例を示したが、コロイド粒子の材質や粒径、および充填材の材質を適宜選択することにより、変形させない状態で、赤外線を反射し、可視光が透過するようなコロイド結晶を形成してもよい。このようなコロイド結晶では、変形させない状態で透明となり、コロイド結晶の下面に配置される加圧板の表示をすることができる。
加圧板２５は、表示素子２２の下面に密着しかつ一体化して配置された透明の樹脂板であり、形状変形部３０（図２）からの応力を受けて、表示素子２２を均一な力で圧縮するものである。また、加圧板２５の下面は、黒色が施された着色部２６が加圧板２５に一体形成されている。

図５は形状変形部３０を拡大して示す断面図である。形状変形部３０は、形状保持部材３１と、形状保持部材３１を挟み込むように配置された変形駆動部３２と、制御装置４０（図１）から変形駆動部３２に電気信号を送るための配線（図示省略）とを備えている。形状保持部材３１は、表示素子２２の形状を塑性変形により保持する室温塑性エラストマー（例えば、特開２００４−０７５８７３号公報に記載のエラストマー）を用いることができる。図６は変形駆動部３２の付近を示す説明図である。変形駆動部３２は、支持基板１１に支持された第１駆動部材３３と、第１駆動部材３３とともに形状保持部材３１を挟持する第２駆動部材３４とを備えており、各々の表示素子２２に対応する加圧板２５の箇所で凸形状となった押圧部３２ａを有する駆動素子３２ｂを構成している。第１駆動部材３３は、２枚の電極３３ａ，３３ａの間にアクリルゴムやシリコンゴムなどの誘電エラストマー３３ｂを挟むことによりそれぞれ構成されている。第１駆動部材３３の構成により、電極３３ａ，３３ａの間に電圧をかけると、一方の電極にはプラスの電荷が、反対側の電極にはマイナスの電荷が蓄えられ、電極３３ａ，３３ａの間に引力が生じ、この力によって誘電エラストマー３３ｂを押しつぶして、面方向に膨張する。これにより、変形駆動部３２の凹凸形状を高くし、形状保持部材３１を変形させるとともに加圧板２５を介して表示素子２２を弾性変形させる。第２駆動部材３４は、第１駆動部材３３と同様に構成されており、すなわち、電極３４ａ，３４ａに誘電エラストマー３４ｂが挟持され、電極３４ａ，３４ａへの印加により加圧板２５から離れる方向へ移動し、表示素子２２の弾性圧縮力を除くように形状保持部材３１を変形させる。
制御装置４０は、変形駆動部３２の各々の駆動素子３２ｂに対応した格子状の配線に信号を送ることにより、各々の表示素子２２を独立に制御する。
なお、形状変形部３０において、表示素子２２を変形させるためには、第１駆動部材３３のみでも可能であり、必ずしも形状保持部材３１および第２駆動部材３４を設けなくともよい。しかしながら、形状保持部材３１および第２駆動部材３４を設けることにより、第１および第２駆動部材３３，３４へ電力を供給することなしに、表示素子２２の変形状態を自在に保持できるため、これらを設けることが好ましい。

（３） 画像表示装置１０の表示動作
図７は画像表示装置１０の動作を説明する説明図である。画像表示装置１０は、制御装置４０が形状変形部３０に信号を送って各々の表示素子２２の形状を維持・変更することにより表示を変える。すなわち、制御装置４０（図１）が形状変形部３０の駆動素子３２ｂに０Ｖレベルの信号（第１変位に相当する信号）を出力している場合には、表示素子２２は駆動素子３２ｂにより変形されない（図７（Ａ）の状態）。この状態における表示素子２２は、可視光を通す透明体であり、ブラッグの法則を満たす条件であるピーク値が可視光領域に表われない間隔となっているから、可視光は、加圧板２５を透過し、さらに着色部２６で吸収されて、着色部２６の黒色をそのまま表示する。

また、制御装置４０が形状変形部３０の駆動素子３２ｂに他のレベルの信号（第２変位に相当する信号）を出力した場合には、変形駆動部３２の第１駆動部材３３の誘電エラストマー３３ｂが変形して、誘電エラストマー３３ｂの凸形状に倣って形状保持部材３１が塑性変形する。形状保持部材３１は、加圧板２５を介して表示素子２２を圧縮して変位Ｌ１にて弾性変形させる（図７（Ｂ）の状態）。これにより、表示素子２２は、コロイド粒子２３ａの間隔を変更し、間隔に対応して反射波長を変え、間隔で定められる反射波長の可視光を反射して対応した色を表示する。そして、図７（Ｃ）に示すように、制御装置４０が形状変形部３０の駆動素子３２ｂに０Ｖレベルの信号を出力して、つまり駆動素子３２ｂへの印加電圧を除いて、変形駆動部３２の一方が元の状態に戻っても、形状保持部材３１がその変位Ｌ１を維持するから、表示素子２２は弾性変形を維持したままとなる。よって、表示素子２２の表示が変わらない。

こうした表示制御において、制御装置４０から出力される信号のレベルを変えることにより、表示素子２２の表示を種々に変更することができる。すなわち、図７（Ｂ）（Ｃ）に示すように表示素子２２の変位Ｌ１が小さく間隔が大きい場合には、赤色に反射波長のピーク値が表われ、また、図８（Ａ）に示すように、表示素子２２の変位Ｌ２を大きくした場合には緑色の反射波長にピーク値が表われ、さらに図８（Ｂ）に示すようにさらに表示素子２２の変位Ｌ３を大きくした場合には青色に反射波長にピーク値が表われる。例えば、表示素子２２は、その厚さが０．０１ｍｍであると、透明になり、着色部２６の黒色を表示し、その厚さが０．００５ｍｍ，０．００７ｍｍ、０．００９ｍｍであると、青色、緑色、赤色をそれぞれ表示し、０．００３ｍｍであると再び透明になる。また、表示素子２２で白色表示には、隣接する３個の表示素子を１組にして、三原色の反射波長を作成することにより行なうことができる。

（４） 画像表示装置１０の製造方法
次に、表示機構２０の製造方法について説明する。表示機構２０は、周知の方法を用いることができ、例えば、以下の工程により製造することができる。まず、充填材を形成するための溶媒を調製する。溶媒は、第１樹脂材料と第２樹脂材料とを混合し、１５重量％水溶液になるように調製することにより得られる。第１樹脂材料：第２樹脂材料との混合比は、１：９である。第１樹脂材料は、ラジカル重合により第２樹脂材料の紫外線硬化を促進するために添加する。続いて、溶媒に、溶質である粒径８０ｎｍのＳｉＯ_２粒子を、最終的なコロイド分散液に対して６重量％添加する。次に、溶液を超音波撹拌し、紫外線硬化の開始剤（商品名：チバスペシャルティーケミカルズ株式会社製；Ｄａｒｏｃｕｒ１１７３）を樹脂に対して２重量％添加する。これにより、コロイド分散液が得られる。

次に、透明基板１２ａ上にコロイド分散液を０．０１〜１ｍｍ塗布し、さらに表示素子２２を形成する領域を除いたマスクをかけて、このマスクに向けて紫外線を照射する。この紫外線により膜が硬化することで、コロイド粒子が充填材で保持される表示素子２２が形成される。このとき、コロイド粒子は、自律的かつ規則的に配列される。そして、マスクをかけて紫外線が照射されなかった膜は、溶剤により除去されることにより、表示素子２２が形成される。さらに、加圧板２５および着色部２６を作成するためには、表示素子２２を形成したと同様に、膜を積層して、マスクをかけて所定領域だけに膜形成する。これにより、表示機構２０を形成することができる。

（５） 画像表示装置１０の作用・効果
（５）−１ 画像表示装置１０の表示素子２２は、コロイド粒子を用いているから、原理的に可視光を１００％の効率で反射することができ、よって、明るい画像表示を得ることができる。
（５）−２ 形状変形部３０は、表示素子２２を圧縮するときの変位を任意に設定することにより、反射波長を変えることで、表示素子２２に任意の色を表示させることができる。
（５）−３ 表示素子２２は、可視光を透過させる状態に変位して透過した可視光を着色部２６で反射することにより、従来の技術で表示することができなかった黒色を表示させることができる。
（５）−４ 画像表示装置１０は、隣接する３個の表示素子２２を１組にして、三原色の反射波長を作成することで、白色を表示することができる。
（５）−５ 表示パネル１２には、表示素子２２に対応したマスキング１２ｂが施されており、このマスキング１２ｂが表示素子２２の面方向へ拡張した部分を隠すから、隠された部分における表示素子２２の色の混ざりや滲みを低減し、鮮明な表示を得ることができる。
（５）−６ 加圧板２５は、形状変形部３０からの押圧力を表示素子２２に均一に伝達して、表示素子２２の間隔を全体にわたって均一にするように押圧するから、部分的な反射波長の変化を低減し、鮮明な画像を得ることができる。
（５）−７ 形状変形部３０の形状保持部材３１は、外力を受けて塑性変形するから、外力を除いても表示素子２２の間隔を維持する。よって、形状保持部材３１を一度、塑性変形すれば、表示素子の表示色を維持することができ、表示色を維持するための外力を加え続ける必要がなく、省エネルギーを図ることができる。

（６） この発明は上記実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

（６）−１ 図９は他の実施例にかかる画像表示装置１０Ｂを示す断面図である。本実施例は、形状保持部材３１Ｂを一方向の力と熱とにより可逆的に塑性変形させる変形駆動部３２Ｂの構成に特徴を有する。すなわち、形状変形部３０Ｂは、温度により所定形状を記憶している形状記憶ポリマーからなる形状保持部材３１Ｂと、形状保持部材３１Ｂに当接する凸形状の押圧部３２Ｂａを有する変形駆動部３２Ｂと、形状保持部材３１Ｂの押圧部３２Ｂａを加熱するヒータ（図示省略）とを備えている。変形駆動部３２Ｂは、誘電エラストマーにより電圧により変形するものである。本実施例にかかる形状変形部３０Ｂの構成により、変形駆動部３２Ｂに電圧を加えて押圧部３２Ｂａを変形することで、着色部２６Ｂおよび加圧板２５Ｂを介して形状保持部材３１Ｂを塑性変形させ、一方、ヒータで押圧部３２Ｂａを加熱することで元の形状に戻す。これにより、各々の表示素子２２Ｂの色表示を変えることができる。

（６）−２ 変形駆動部の態様としては、形状保持部材３１を塑性変形できる駆動力を生じるものであれば、種々の構成をとることができ、例えば、磁力、圧縮空気、液晶エラストマー、誘電エラストマー、ピエゾ素子、イオン誘電性高分子アクチュエーター、導電性アクチュエーター、高分子ゲルなどの種々の構成であってもよい。

本発明の第１実施例にかかる画像表示装置１０を示す平面図である。 図１の２−２線に沿った断面図である。 表示機構２０の一部を拡大した説明図である。 表示機構２０の波長と反射率との関係を説明する説明図である。 形状変形部３０を拡大して示す断面図である。 変形駆動部３２の付近を示す説明図である。 画像表示装置１０の動作を説明する説明図である。 画像表示装置１０の動作を説明する説明図である。 他の実施例にかかる形状変形部３０Ｂを用いた断面図である。

符号の説明

１０…画像表示装置
１０Ｂ…画像表示装置
１１…支持基板
１２…表示パネル
１２ａ…透明基板
１２ｂ…マスキング
１２ｃ…窓
２０…表示機構
２２…表示素子
２２Ｂ…表示素子
２３ａ…コロイド粒子
２３ｂ…充填材
２５…加圧板
２５Ｂ…加圧板
２６…着色部
２６Ｂ…着色部
３０…形状変形部
３０Ｂ…形状変形部
３１…形状保持部材
３１Ｂ…形状保持部材
３２…変形駆動部
３２Ｂ…変形駆動部
３２ａ…押圧部
３２ｂ…駆動素子
３２Ｂａ…押圧部
３３…第１駆動部材
３３ａ…電極
３３ｂ…誘電エラストマー
３４…第２駆動部材
３４ａ…電極
３４ｂ…誘電エラストマー
４０…制御装置
５０…枠体

Claims (3)

1. 複数配列され特定の波長の可視光を反射することで画像を表示する画像表示装置において、
   上記各々の表示素子（２２）は、規則的な間隔で配列されたコロイド粒子（２３ａ）と、該コロイド粒子（２３ａ）の間に介在し弾性変形可能である充填材（２３ｂ）とを有し、上記間隔を変更することで特定の波長の可視光を反射するように構成した表示素子（２２）と、
   上記各々の表示素子（２２）に対応して設けられかつ該対応する表示素子（２２）を変形させる変形駆動部（３２）を有する形状変形部（３０）と、
   上記表示素子（２２）を透過した光が当たる位置に配置された所定の色を施した着色部（２６）と、
   を備え、
   上記変形駆動部（３２）は、上記表示素子（２２）が可視光を透過させかつ上記着色部（２６）の所定の色を表示する第１変位に設定可能であるとともに、上記第１変位と異なりかつ上記表示素子（２２）の変位に応じて可視光領域の反射波長を変更する第２変位に設定可能であるように構成したこと、を特徴とする画像表示装置。
2. 請求項１に記載の画像表示装置において、
   上記着色部（２６）の所定の色は、黒色である画像表示装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の画像表示装置において、
   上記表示素子（２２）と上記駆動素子（３２ｂ）との間に介在し、該表示素子（２２）の間隔を均一に押圧する加圧板（２５）を備え、上記着色部（２６）は、上記加圧板（２５）と一体に設けられている画像表示装置。

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